JP2024049227A - 摺動部材および摺動体 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐摩耗性の向上を図る。【解決手段】摺動部材１４は、２．４重量％以上１５．６重量％以下のリン酸マグネシウムと、７．６重量％以上１９．９重量％以下の硫酸バリウムと、０重量％以上１０．０重量％以下の二硫化モリブデンと、８．３重量％以上１５．７重量％以下の焼成クレーと、を含むＰＴＦＥ１６からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材および摺動体に関する。
従来、耐摩耗性の向上などの観点から、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を主成分とする樹脂層を摺動部材として用いる技術が開示されている。また、ＰＴＦＥに摺動部材の使用用途等に応じた添加剤を添加して用いる技術が開示されている。
特開２００２－２０５６８号公報 特開平８－４１４８４号公報
しかしながら従来技術では軸部材などの相手材の表面が粗い場合、摺動部材の摩耗量が大きく、耐摩耗性が得られない場合があった。
本発明は、耐摩耗性の向上を図ることが出来る、摺動部材および摺動体を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の摺動体は、２．４重量％以上１５．６重量％以下のリン酸マグネシウムと、７．６重量％以上１９．９重量％以下の硫酸バリウムと、０重量％以上１０．０重量％以下の二硫化モリブデンと、８．３重量％以上１５．７重量％以下の焼成クレーと、を含むポリテトラフルオロエチレン樹脂からなる摺動部材である。
本発明によれば、耐摩耗性の向上を図ることができる。
図１は、実施形態の摺動体の一例を示す模式図である。 図２Ａは、摺動部材の作用の一例の説明図である。 図２Ｂは、摺動部材の作用の一例の説明図である。 図３Ａは、摺動体の適用形態の一例を示す模式図である。 図３Ｂは、摺動体の適用形態の一例を示す模式図である。 図４Ａは、耐摩耗性の評価試験の説明図である。 図４Ｂは、耐摩耗性の評価試験の説明図である。 図４Ｃは、耐摩耗性の評価試験の説明図である。 図４Ｄは、耐摩耗性の評価試験の説明図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る摺動部材および摺動体の形態を詳細に説明する。
本実施の形態の摺動部材は、２．４重量％以上１５．６重量％以下のリン酸マグネシウムと、７．６重量％以上１９．９重量％以下の硫酸バリウムと、０重量％以上１０．０重量％以下の二硫化モリブデンと、８．３重量％以上１５．７重量％以下の焼成クレーと、を含むポリテトラフルオロエチレン樹脂（以下、ＰＴＦＥと称する）からなる。
このため、本実施形態の摺動部材は、耐摩耗性の向上を図ることができる。
上記効果が奏される理由は明らかとなっていないが、以下のように推測される。しかしながら下記推測によって本発明は限定されない。
本実施形態の摺動部材は、摺動部材の主成分であるＰＴＦＥ中に、上記含有量の焼成クレー、リン酸マグネシウム、硫酸バリウム、および二硫化モリブデンを含む。本実施形態の摺動部材では、ＰＴＦＥ中に分散された焼成クレーの含有量が８．３重量％以上１５．７重量％以下であり、硬質物である焼成クレーの含有量が従来技術に比べて多い。硬質物は、摺動によって相手軸の表面を微小に研磨し滑らかにする作用が有ると考えられ、このため、相手軸の表面が粗い場合、摺動前よりも滑らかとなり、摺動部材自身の摩耗進行の抑制を図ることが出来ると考えられる。
また、本実施形態の摺動部材は、上記含有量の焼成クレー、リン酸マグネシウム、硫酸バリウム、および二硫化モリブデンを含む。このため、摺動部材の低摩擦性、耐摩耗性、および耐焼付性のバランスが調整され、耐摩耗性の向上を効果的に図ることが出来ると考えられる。
従って、本実施形態の摺動部材１４は、耐摩耗性の向上を図ることが出来ると推測される。
以下、本実施の形態の摺動部材および摺動体について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の摺動体１０の一例を示す模式図である。図１には、摺動体１０の断面構造の一例を模式的に示す。
摺動体１０は、基材１２と、摺動部材１４と、を備える。摺動体１０は、基材１２と、基材１２上に形成された摺動部材１４と、の積層体である。
基材１２は、摺動体１０に機械的強度を与えるための層である。基材１２は、裏金、または、裏金層と称される場合がある。基材１２は、例えば、Ｆｅ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金などの金属板を用いることができる。また、基材１２として金網を用いてもよい。
基材１２における摺動部材１４との接合面側の少なくとも一部の領域は、焼結層によって構成してもよい。焼結層は、金属粉の焼結体であり、複数の孔を有する多孔質層である。焼結層を構成する金属粉は、基材１２と同じ金属であってもよいし、基材１２とは異なる金属または材料であってもよい。金属粉には、例えば、銅錫、銅鉛錫、およびリン青銅などの銅合金、鉄、銅、並びに、錫、等の金属粉の混合粉末を用いればよい。焼結層を備えた構成とすることで、基材１２と摺動部材１４との密着性向上を図ることができる。
また、基材１２における摺動部材１４との接触面側の少なくとも一部の領域は、粗面化処理された領域であってもよい。粗面化処理には、ショットブラスト等を用いればよい。
摺動部材１４は、基材１２上に積層された樹脂層１５である。
摺動部材１４は、ＰＴＦＥ１６と、リン酸マグネシウム２２と、硫酸バリウム２４と、二硫化モリブデン２６と、からなる。リン酸マグネシウム２２、硫酸バリウム２４、および二硫化モリブデン２６は、固体潤滑剤２０として機能し、ＰＴＦＥ１６中に分散されてなる。図１には、簡略図として、リン酸マグネシウム２２、硫酸バリウム２４、二硫化モリブデン２６をまとめて固体潤滑剤２０として図示する。しかし、実際には、リン酸マグネシウム２２、硫酸バリウム２４、および二硫化モリブデン２６の各々が、ＰＴＦＥ１６中に分散されてなる。
摺動部材１４の全量１００重量％に対するリン酸マグネシウム２２の含有量は、２．４重量％以上１５．６重量％以下であり、６．９重量％以上１２．０重量％以下が好ましく、６．９重量％以上７．９重量％以下が更に好ましい。
摺動部材１４が上記範囲の含有量のリン酸マグネシウム２２を含有することで、ＰＴＦＥ１６による摺動部材１４の摺動面への潤滑被膜の造膜性を助長させ、耐摩耗性の向上を図ることができる。
リン酸マグネシウム２２の平均粒径は限定されない。例えば、リン酸マグネシウム２２の平均粒径は、１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲などである。
リン酸マグネシウム２２としては、例えば、ピロリン酸マグネシウム（Ｍｇ２Ｐ２Ｏ７）、メタリン酸マグネシウム［Ｍｇ（ＰＯ３）２］ｎ等が例示される。中でも、メタリン酸マグネシウムがより好ましい。
摺動部材１４の全量１００重量％に対する硫酸バリウム２４の含有量は、７．６重量％以上１９．９重量％以下であり、９．８重量％以上１２．３重量％以下が好ましい。
摺動部材１４が上記範囲の含有量の硫酸バリウム２４を含有することで、ＰＴＦＥ１６の耐摩耗性および耐荷重性を更に向上させることができる。
硫酸バリウム２４の平均粒径は限定されない。例えば、硫酸バリウム２４の平均粒径は、１２μｍ以下、好ましくは１μｍ以上１２μｍ以下、更に好ましくは８μｍ以上１２μｍ以下である。
硫酸バリウム２４としては、沈降性硫酸バリウム、簸性硫酸バリウムの何れを用いてもよい。
摺動部材１４の全量１００重量％に対する二硫化モリブデン２６の含有量は、０重量％以上１０．０重量％以下であり、４．７重量％以上７．９重量％以下が好ましい。
摺動部材１４が上記範囲の含有量の二硫化モリブデン２６を含有することで、ＰＴＦＥ１６の潤滑性の向上を図ることができ、摺動部材１４の耐摩耗性を向上させることができる。
二硫化モリブデン２６の平均粒径は限定されない。例えば、二硫化モリブデン２６の平均粒径は、０．５μｍ以上２．５μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以上２．０μｍ以下、更に好ましくは１．０μｍ以上２．０μｍ以下である。
摺動部材１４の全量１００重量％に対する焼成クレー１８の含有量は、８．３重量％以上１５．７重量％以下であり、８．７重量％以上１１．０重量％以下が好ましい。
摺動部材１４が上記範囲の含有量の焼成クレー１８を含有することで、軸部材などの相手材の表面が粗い場合であっても、摺動時に硬質物が相手軸の表面を微小に研磨し滑らかにすることで、摺動部材自身の摩耗進行の抑制を図ることが出来る。このため、摺動部材１４の耐摩耗性の向上を図ることができる。
また、焼成クレー１８は、クレーを高熱処理することにより得られる。高熱処理により、焼成クレー１８は、活性化・多孔質化して吸油性に優れた材料となる。このため、摺動部材１４が焼成クレー１８を含有することで、焼成クレー１８による吸油効果により、摺動部材１４の摺動面の油との濡れ性の向上を図ることができる。摺動部材１４の摺動面の油との濡れ性が向上すると、グリス潤滑下および油中で摺動部材１４の摺動面に潤滑油膜が発生し易くなり、摺動部材１４の低摩擦性が向上し、耐摩耗性の向上を図ることができる。
焼成クレー１８の平均粒径は限定されない。例えば、焼成クレー１８の平均粒径は、０．５μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、１．０μｍ以上８．０μｍ以下が更に好ましく、１．５μｍ以上６．０μｍ以下が特に好ましい。
焼成クレー１８および上記固体潤滑剤２０の平均粒径は、以下の方法で測定すればよい。詳細には、例えば、摺動部材１４の断面を、電子顕微鏡を用いて適切な倍率（例えば、１０００倍）で撮影した電子像を得る。そして、得られた電子像に含まれる焼成クレー１８または固体潤滑剤２０の面積を一般的な画像解析手法により測定し、それを円と想定した場合の平均直径に換算する。これらの処理により、焼成クレー１８および固体潤滑剤２０の平均粒径を求めればよい。
焼成クレー１８としては、例えば、焼成カオリンが挙げられる。焼成カオリンは、天然粘土鉱物であるカオリンを高温処理したものである。
樹脂層１５の主成分をなすＰＴＦＥ１６としては、例えば、モールディングパウダーまたはファインパウダーとして主に成形用に使用されるＰＴＦＥを使用すればよい。
モールディングパウダー用ＰＴＦＥとしては、三井デュポンフロロケミカル社製の「テフロン（登録商標）７－Ｊ（商品名）」、「テフロン（登録商標）７０－Ｊ（商品名）」、ダイキン工業社製の「ポリフロンＭ－１２（商品名）」、旭硝子社製の「フルオンＧ１６３（商品名）」、「フルオンＧ１９０（商品名）」などが挙げられる。ファインパウダー用ＰＴＦＥとしては、三井デュポンフロロケミカル社製の「テフロン（登録商標）６ＣＪ（商品名）」、ダイキン工業社製の「ポリフロンＦ２０１（商品名）」、旭硝子社製の「フルオンＣＤ０７６（商品名）」、「フルオンＣＤ０９０（商品名）」などが挙げられる。
摺動部材１４中のＰＴＦＥ１６の含有量は、摺動部材１４の全量から、リン酸マグネシウム２２、硫酸バリウム２４、および二硫化モリブデン２６などの固体潤滑剤２０および充填材などの追加成分の全量を差し引いた残りの残部量であればよい。
例えば、摺動部材１４中のＰＴＦＥ１６の含有量は、摺動部材１４の全量１００重量％に対して、４０重量％以上９５重量％以下、好ましくは４５重量％以上８０重量％以下、更に好ましくは５０重量％以上６５重量％以下である。
なお、本実施形態の摺動部材１４は、耐摩耗性の更なる向上の観点から、追加成分を更に含む構成であってもよい。但し、摺動部材１４は、珪酸塩を含まないことが好ましい。珪酸塩は、軟らかいため、耐摩耗性を低下させる場合があるためである。
追加成分としては、例えば、球状カーボン、ガラス球、カーボン繊維、グラファイト繊維、ガラス繊維、樹脂粉末、樹脂繊維、金属粉末、および金属繊維から選択される少なくとも１種の充填材が挙げられる。
摺動部材１４における充填材の含有量は、摺動部材１４の全量１００重量％に対して１０重量％以下であることが好ましい。
摺動部材１４が上記充填材を含むことで、摺動部材１４の強度および耐摩耗性の向上を図ることができる。
（摺動体の作製方法）
本実施の形態の摺動体１０は、例えば、下記工程によって作製される。
基材１２上に上記構成の摺動部材１４の構成材料からなる原材料混合物を塗布することで、基材１２上に樹脂材料層を形成する。塗布条件には、公知の条件を用いればよい。例えば、原材料混合物の塗布法としては、スプレー、タンブリング、ロール転写、印刷等を用いればよい。
なお、粗面化された基材１２または焼結層の形成された基材１２を上記原材料混合物に含浸させることで、基材１２上に樹脂材料層を形成してもよい。焼結層の厚みは、例えば、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下などである。
そして、基材１２上に塗布した樹脂材料層を焼成する。焼成条件には、公知の条件を用いればよい。例えば、樹脂材料層を３５０℃～４５０℃で保持することによって樹脂材料層を焼成する。この焼成処理によって、基材１２上に摺動部材１４が形成される。基材１２上に形成された摺動部材１４の厚みは限定されない。摺動部材１４の厚みは、例えば、１０μｍ以上６０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以上４０μｍ以下である。
（摺動体の作用）
次に、本実施形態の摺動部材１４の作用の一例を説明する。
図２Ａおよび図２Ｂは、摺動部材１４の作用の一例の説明図である。
上記に説明したように、本実施形態の摺動部材１４は、２．４重量％以上１５．６重量％以下のリン酸マグネシウムと、７．６重量％以上１９．９重量％以下の硫酸バリウムと、０重量％以上１０．０重量％以下の二硫化モリブデンと、８．３重量％以上１５．７重量％以下の焼成クレーと、を含むＰＴＦＥ１６からなる。
本実施形態の摺動部材１４では、ＰＴＦＥ１６中に分散された焼成クレー１８の含有量が８．３重量％以上１５．７重量％以下であり、硬質物である焼成クレー１８の含有量が従来技術に比べて多い。このため、軸部材３０などの相手材の表面が粗い場合であっても、摺動時に硬質物が相手軸の表面を微小に研磨し滑らかにすることで、摺動部材１４自身の摩耗進行の抑制を図ることが出来ると考えられる。
詳細には、図２Ａに示すように、軸部材３０における摺動部材１４との摺動面Ｃ２の表面粗さが粗い状態であった場合を想定する。軸部材３０における摺動面Ｃ２の表面粗さが粗いとは、軸部材３０の摺動面Ｃ２が、焼成クレー１８および固体潤滑剤２０を含まないＰＴＦＥ１６からなる樹脂層の摺動面Ｃ１を摺動によって所定量以上の摩耗量摩耗させる粗さ以上の粗さであることを意味する。軸部材３０の摺動面Ｃ２の表面粗さが粗いとは、具体的には、例えば、軸部材３０の摺動面Ｃ２の表面粗さＲａが０．３以上０．７以下の範囲を表す。
ここで、摺動部材１４のＰＴＦＥ１６中に分散された焼成クレー１８の含有量が、本実施形態の焼成クレー１８の上記含有量を満たさない比較摺動部材を想定する。この場合、比較摺動部材の軸部材３０との摺動面の、軸部材３０の粗い摺動面Ｃ２による摩耗量が大きく、耐摩耗性が得られない場合があった。
一方、本実施形態の摺動部材１４では、ＰＴＦＥ１６中に分散された焼成クレー１８の含有量が８．３重量％以上１５．７重量％以下であり、硬質物である焼成クレー１８の含有量が従来技術に比べて多い。このため、軸部材３０などの相手材の表面が粗い場合であっても、摺動部材１４の摺動時に焼成クレー１８が相手材の粗い摺動面Ｃ２の表面を微小に研磨し軸部材３０の摺動面Ｃ２を滑らかにすると考えられる（図２Ｂ参照）。このため、本実施形態の摺動部材１４では、摺動部材１４自身の摩耗量の抑制を図ることが出来ると考えられる。
また、本実施形態の摺動部材１４は、上記含有量の焼成クレー１８、リン酸マグネシウム２２、硫酸バリウム２４、および二硫化モリブデン２６を含む。このため、摺動部材１４の低摩擦性、耐摩耗性、および耐焼付性のバランスが調整され、耐摩耗性の向上を効果的に図ることが出来ると考えられる。
従って、本実施形態の摺動部材１４および摺動部材１４を備えた摺動体１０は、耐摩耗性の向上を図ることが出来ると推測される。
（適用形態）
次に、摺動体１０の適用形態の一例を説明する。
図３Ａおよび図３Ｂは、摺動体１０の適用形態の一例を示す模式図である。摺動体１０は、例えば、図３Ａのように、マニュアルトランミッションのシフトフォーク用のブシュなどに適用される。
摺動体１０は、図３Ｂのように、自動車等の車両においてステアリング機構の中で用いられ、すべり速度が低くグリス潤滑で使用される。例えば、ラック＆ピニオン式パワーステアリングに取り付けられたサポートヨーク部分に使用される円弧状軸受に適用され、低摩擦性と耐摩耗性が重視される。このため、本実施形態の摺動体１０を適用することで、すべり軸受けの耐摩耗性の向上を効果的に図ることができる。
具体的には、例えば、摺動装置は、軸部材３０および摺動体１０を備える。軸部材３０は、円柱状の部材であり、シャフトとして機能する。摺動体１０は、例えば、摺動部材１４を基材１２の内周面側に配置した円環状又は円弧状とされ、内側に軸部材３０が配置されてなる。すなわち、摺動体１０は、例えば、ブシュ（図３Ａ）や円弧状軸受（図３Ｂ）として機能する。
なお、摺動装置は、図３に示す形態に限定されない。例えば、軸部材３０および摺動体１０が平板状であってもよい。
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
以下の摺動体１０および比較摺動体を作製し、耐摩耗性を評価した。
（実施例１）
－基材１２の調整－
厚さ１．５ｍｍの裏金鋼板（ＳＰＣＣ（ＪＩＳ））を用意した。そして、裏金鋼板の表面をサンディング処理した後、脱脂した裏金鋼板上へりん青銅粉末を散布した。そして、散布したりん青銅粉末を９２０℃～９５０℃で焼結し、裏金鋼板上に厚さ０．１ｍｍ～０．３ｍｍの焼結層の形成された基材１２を調整した。
―摺動部材（樹脂層）の調整―
摺動部材１４の構成材料からなる原材料混合物として、表１の実施例１に示す組成の原材料混合物を調整した。そして、調整した原材料混合物を基材１２の焼結層上にロールで含浸被覆することで樹脂材料層を形成した。そして、樹脂材料層を３５０℃～４２０℃で焼成することで、基材１２上に実施例１の摺動部材１４を形成した。形成した摺動部材１４の厚みは、０．０１ｍｍ～０．０６ｍｍであった。これらの処理により、実施例１の摺動体１０を作製した。
（実施例２～実施例１４、比較例１～比較例７）
摺動部材１４の構成材料からなる原材料混合物として、表１の実施例２～実施例１４、比較例１～比較例７の各々に示す組成の原材料混合物を調整した以外は、実施例１と同様にして、実施例２～実施例１４の摺動体１０および比較例１～比較例７の比較摺動体を作製した。
Figure 2024049227000002
―評価―
―耐摩耗性―
実施例１～実施例１４の摺動体１０および比較例１～比較例７の比較摺動体の各々について、摺動部材１４および比較摺動部材の耐摩耗性を評価した。
図４Ａ～図４Ｄは、耐摩耗性の評価試験の説明図である。
耐摩耗試験では、台座ＤにサンプルＳを取り付け、台座Ｄに荷重Ｉをかけた状態で軸ＪをサンプルＳに対して往復動させることで摺動させる。
軸Ｊは軸部材３０の一例であり、摺動する相手材に相当する。サンプルＳは、実施例１～実施例１４の摺動体１０および比較例１～比較例７の比較摺動体の各々に相当する。サンプルＳには、摺動体１０および比較摺動体の各々を円弧板形状に成形したものを用い、摺動部材１４および比較摺動部材の摺動面Ｃ１が軸Ｊに対向するように台座に取り付ける。
図４Ａは、耐摩耗性の評価試験の様子を軸Ｊの延伸方向に沿った方向から視認した模式図である。図４Ｂは、図４ＡのＡ－Ａ断面図である。図４Ｃは、サンプルＳの形状を示す模式図である。図４Ｃに示すように、サンプルＳは、半径：Ｒ１３ｍｍ、高さ：９．５ｍｍ、円弧方向の長さ：３０ｍｍ、軸方向の長さ：３２ｍｍの円弧板形状とした。図４Ｄは、図４ＣのＢ－Ｂ断面図である。
図４Ａ～図４Ｄに示すように、台座ＤにサンプルＳを取り付け、台座Ｄに荷重を与えることでサンプルＳを軸径Φ２６ｍｍの軸Ｊの周縁部に押し当てる。そして、軸Ｊを軸Ｊの延伸方向（図４中における左右方向）軸方向に往復動を行って摺動させることで、耐摩耗試験を行った。耐摩耗試験の試験条件は、以下の条件とした。
耐摩耗試験の試験条件
・軸Ｊの往復動のストローク：２０ｍｍ
・すべり速度：５５ｍｍ／ｓ
・評価時間：３時間
・荷重：３５００Ｎ
・荷重形態：静荷重
・油温：常温
・給油方法：グリス塗布
・油種：共同油脂製モリホワイトＬＳＧ
・軸Ｊの材質：Ｓ４５Ｃ
・軸Ｊの硬さ：ＨＲＣ２４～３０
・軸Ｊの表面粗さＲａ：０．３～０．７
そして、実施例１～実施例１４の摺動体１０および比較例１～比較例７の比較摺動体の各々のサンプルＳについて、上記試験条件により耐摩耗試験を行い、サンプルＳの摩耗量を評価した。評価結果を表１に示す。
表１に示すように、実施例１～実施例１４の摺動体１０は、比較例１～比較例７の比較摺動体に比べて、摩耗量の低減が図れた。このため、実施例１～実施例１４の摺動体１０は、比較例１～比較例７の比較摺動体に比べて、耐摩耗性が向上するという評価結果が得られた。
なお、上述の実施例において使用した各種の材料およびその組成はあくまで例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明に係る摺動部材１４は、不可避不純物などを更に含んでもよい。また、摺動部材１４および摺動体１０の具体的構造は、図１～図３などに例示したものに限定されない。
１０ 摺動体
１２ 基材
１４ 摺動部材
１６ ＰＴＦＥ
１８ 焼成クレー
２２ リン酸マグネシウム
２４ 硫酸バリウム
２６ 二硫化モリブデン

Claims (4)

  1. ２．４重量％以上１５．６重量％以下のリン酸マグネシウムと、
    ７．６重量％以上１９．９重量％以下の硫酸バリウムと、
    ０重量％以上１０．０重量％以下の二硫化モリブデンと、
    ８．３重量％以上１５．７重量％以下の焼成クレーと、
    を含むポリテトラフルオロエチレン樹脂からなる摺動部材。
  2. 珪酸塩を含まない、
    請求項１に記載の摺動部材。
  3. 前記ポリテトラフルオロエチレン樹脂は、
    球状カーボン、ガラス球、カーボン繊維、グラファイト繊維、ガラス繊維、樹脂粉末、樹脂繊維、金属粉末、および金属繊維から選択される少なくとも１種の充填材を１０重量％以下の充填総量で更に含む、
    請求項１に記載の摺動部材。
  4. 基材と、
    前記基材上に設けられた請求項１に記載の摺動部材と、
    を備える摺動体。
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