JP6333305B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は摺動部材の改良に関する。

車両のエンジンに適用される軸受の摺動面には高い耐摩耗性や耐焼付性が求められており、その対策の一つとして、軸受の摺動面を樹脂組成物で被覆する技術が提案されている（特許文献１参照）。
かかる樹脂組成物はバインダ樹脂と固体潤滑剤を含み、この樹脂組成物で形成された被覆層に負荷がかかったとき、固体潤滑剤はそれ自体が変形（例えば劈開）して、より具体的にはその結晶面に滑りを生じて、樹脂組成物の応力を緩和する。バインダ樹脂は一般的に熱伝導性が小さいので、樹脂組成物へ熱伝導性フィラーを添加することで被覆層全体の熱伝導性向上を企図している（特許文献１）。
その他、本願発明に関連する技術を開示する特許文献２を参照されたい。

特開２００８−２４０７８５号公報 特開２０１５−０７７７８６号公報

樹脂組成物からなる被覆層には常に耐久性の向上が求められている。
例えば、ガソリンエンジンだけでなく、大型トラックのようなディーゼルエンジンも、低燃費化のために、起動停止の繰り返される頻度を高くする要求が高まってきた。ディーゼルエンジンの軸受には、ガソリンエンジンに比べ、低周速・高面圧の負荷がかかるため、その軸−軸受間に高い潤滑性の維持、換言すれば耐焼付性が求められる。更には、ディーゼルエンジンを搭載する車両は、ガソリンエンジン搭載車に比べ、一般的にメンテナンス間における走行距離が長いので、軸−軸受間に異物が混入する可能性が高くなる。
軸−軸受間に異物が混入してその異物が両者の界面に存在し続けると、両者の円滑な摺動状態が阻害され、焼付きの原因となりかねない。
ここに被覆層が弾性変形しかしないとすると、混入してきた異物は当該被覆層内にもぐり込めず（埋収されず）、被覆層と相手部材との界面に存在し続けることになる。これは焼付きの原因になるので好ましくない。
本発明者らは、被覆層を備える軸受等の摺動部材において、この異物の混入の問題を解決すべく鋭意検討をしてきた。

本発明者らの検討によれば、被覆層の弾性回復率を６０％未満とすると、被覆層と相手部材の摺動面との間に混入してきた異物が被覆層内に効率よく埋収される。よって、被覆層と相手部材の摺動面との間に異物が存在する時間が極めて短くなり、両者の間の潤滑性が維持され焼付きが防止される。よって、この発明の第１の局面は次のように規定される。
基材表面に被覆層を設けた摺動部材であって、前記被覆層の弾性回復率が６０％未満である、摺動部材。

このように規定される第１の局面の摺動部材によれば、被覆層の弾性回復率を６０％未満としたので、被覆層と相手部材の摺動面との間に異物が混入してもその異物は被覆層内に埋収され、両者の間の潤滑性が維持され、もって耐焼付性が向上する。
ここに、弾性回復率はISO14577-1に基づき得られる値である。概略すれば、「最大押込み深さ(hmax)」と「荷重除荷後の押込み深さ(hf)」とを測定し、(hmax - hf)/(hmax)から算出される。
なお、弾性回復率の下限値は特に限定されるものではないが、２０％以上とすることができる。２５％以上５０％以下が好ましい。

被覆層を樹脂組成物で形成したとき、その弾性変形の問題が生じやすい。そこでこの発明の第２の局面では、被覆層を形成する樹脂組成物を所定の配合とすることとした。即ち、第１の局面で規定の摺動部材であって、前記被覆層は樹脂組成物からなり、該樹脂組成物はバインダ樹脂、固体潤滑剤及びヤング率が１０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下の金属粒子を含む、摺動部材である。
１０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下のヤング率を有する金属粒子を配合した樹脂組成物は、この金属粒子自体の塑性変形能により、樹脂組成物全体としての弾性回復率を６０％未満に制御しやすくなる。

更に、この金属粒子を確実に塑性変形させて、樹脂組成物自体の弾性回復率を確実に６０％未満にするため、金属粒子の傾きを２５度以下とすることが好ましい。即ち、この発明の第３の局面は次のように規定される。第２の局面に規定の摺動部材において、前記被覆層内において前記金属粒子はその傾きを２５度以下とする、摺動部材である。
ここに、金属粒子の傾きは、被覆層の厚さ方向に平行な面における金属粒子の長軸と被覆層の表面との挟角を指し、その傾きが小さい程被覆層の表面と平行に近づく。ここでの金属粒子の長軸は、被覆層の厚さ方向に平行な面における金属粒子の断面形状をそれと等しい面積と一次モーメントと二次モーメントとである相当楕円に変換したときの長軸を用いることができる。ここに、金属粒子の傾きが２５度を超えると被覆層全体の弾性回復率が大きくなる傾向があり、これを６０％未満に制御しづらくなる。金属粒子は、フレーク状の形状であることが好ましい。

図２に金属粒子の傾きと被覆層の弾性回復率との関係を模式的に示した。
図２Ａに示すように、金属粒子の長軸が被覆層の表面と平行にあると、異物に起因する被覆層表面の変形にともない金属粒子が大きく塑性変形し、被覆層表面の変形も維持され、被覆層表面の形状が回復しにくい。
他方、図２Ｂに示すように、金属粒子の長軸が被覆層の表面に対して立った状態にあると、異物に起因する被覆層表面の変形に対して金属粒子の塑性変形量が小さい。よって、バインダ樹脂が本来有する弾性変形の機能が作用して被覆層表面の変形が回復する。

更に、この金属粒子の塑性変形をより円滑に行わせるため、固体潤滑剤を金属粒子より小さくして、金属粒子の塑性変形に対する固体潤滑剤からの影響を小さくする。即ち、この発明の第４の局面の発明は次のように規定される。第２又は３の局面に記載の摺動部材の被覆層の厚さ方向に平行な面において、前記固体潤滑剤の長軸の平均長さを金属粒子の長軸の平均長さの１／２以下とする。
このように規定される第４の局面の摺動部材によれば、金属粒子に比べて固体潤滑剤が十分に小さいので、固体潤滑剤が金属粒子に干渉していても金属粒子の塑性変形を妨げにくい。
ここに固定潤滑剤の長軸の規定の仕方は既述の金属粒子の場合と同じである。

更に、この金属粒子１１の塑性変形をより円滑に行わせるため、フレーク状の金属粒子１１の形状をより正多角形ないし円形に近いものとする。即ち、この発明の第５の局面は次のように規定される。第２〜４のいずれかの局面に記載の摺動部材において、金属粒子１１のアスペクト比を５以下とする、摺動部材である。
このように規定される第５の局面の摺動部材によれば、被覆層の表面から見て金属粒子１１が正方形ないし円形に近いものとなるので、被覆層の表面に平行な方向に対する金属粒子１１の厚さ方向に垂直な方向の向きを制御する必要がなく、被覆層の全面にわたって均等な弾性回復率を維持できる。
ここに、金属粒子１１のアスペクト比とは、被覆層を厚さ方向に見たときの金属粒子の長軸長さと短軸長さとの比の値を指す。ここでの金属粒子の長軸と短軸とは、被覆層の厚さ方向に垂直な表面における金属粒子の投影形状をそれと等しい面積と一次モーメントと二次モーメントとである相当楕円に変換したときの長軸と短軸とを用いることができる。

この発明の第６の局面は次のように規定される。即ち、第１〜５の何れかの局面に記載の摺動部材において、前記被覆層の膜厚Ｔ（μｍ）と前記基材の硬さＨ（ＨＶ）との比の値Ｈ／Ｔが５〜３０である、摺動部材。
このように規定される第６の局面の摺動部材によれば、基材の硬さに対して被覆層の膜厚が最適になるので、異物の埋収が確実になる。

図１はこの発明の実施形態の摺動部材の構造を示す断面図である。 図２は金属粒子の傾きと被覆層の弾性回復率との関係を模式的に示す。 図３は被覆層による異物の埋収態様を示す模式図である。

図１には、この発明の実施形態の摺動部材１の層構成を示す。
この摺動部材１は基材２の表面へ樹脂組成物からなる被覆層７を積層した構成である。図１の上下方向が、各層の厚さ方向である。
軸受からなる摺動部材１では、その基材２は筒状又は半円筒状に附形された鋼板層３を備え、必要に応じて鋼板層３の表面（内周面）にＡｌ、Ｃｕ、Ｓｎ等の合金からなる軸受合金層（以下、単に「合金層」と省略する。）５が設けられる。基材２は、図示しないが、合金層５の表面（内周面）にＳｎ基やＢｉ基やＰｂ基の湿式又は乾式によるめっき層を設けたものでも良いし、樹脂を有する層を設けたものでも良い。その樹脂を有する層は、被覆層７とは異なる。
基材２と被覆層７との接着性を向上させるため、基材２の内周面を粗面化することができる。粗面化の方法として、アルカリエッチングと酸洗との組み合わせのような化学的表面処理方法やショットブラスト等の機械的表面処理方法を採用できる。

被覆層７を構成する樹脂組成物は、図２に示す通り、バインダ樹脂１０、金属粒子１１及び固体潤滑剤１３を含んでいる。
樹脂組成物においてバインダ樹脂１０は、被覆層７を基材２に結合するとともに、金属粒子１１及び固体潤滑剤１３を分散して固定する。このバインダ樹脂１０に採用する樹脂材料は、摺動部材１の用途等に応じて適宜選択可能であるが、車両エンジンに適用する場合は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、およびエラストマーの一種以上を採用でき、ポリマーアロイであっても良い。
被覆層７の厚さは任意に設計できるが、例えば１μｍ以上４０μｍ以下とすることができる。
被覆層７の積層方法も任意に選択でき、例えば、パッド印刷法、スクリーン印刷法、エアスプレー法、エアレススプレー法、静電塗装法、タンブリング法、スクイズ法、ロール法、ロールコート法等を採用できる。

本実施形態の金属粒子１１にはヤング率が１０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下のものを用いる。金属粒子１１のヤング率が１０ＧＰａ未満であると軟質すぎて被覆層７の耐久性をそこないかねない。他方、金属粒子１１のヤング率が１００ＧＰａを超えると自身が塑性変形し難くなる。
かかるヤング率を備える金属として、Ａｌ，Ｓｎ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｐｂ，Ｚｎ及びこれらの化合物を挙げることができる。
なお、更に好ましい金属粒子１１のヤング率は３０ＧＰａ〜８０ＧＰａである。

本実施形態の摺動部材１の被覆層７に配合される金属粒子１１は扁平なフレーク状である。このような形状の物は、その厚さ方向を、被覆層７の厚さ方向に対して４５°以下に制御し易い。被覆層７の表面である摺動面におけるかかる金属粒子１１のアスペクト比を５以下とする。長軸長さを短軸長さの５倍以下に保つことにより、金属粒子１１はその平面方向（厚さに対する垂直方向）に等方性となりやすい。よって、このような金属粒子１１を被覆層７に配合すると、被覆層７の全面においてその弾性回復率を均等にさせ易い。
なお、金属粒子１１の更に好ましいアスペクト比は１．０〜４．５である
なお、配合される金属粒子１１の平面方向における長軸長さは３〜１０μｍ、厚さは０．１〜１μｍが好ましい。

金属粒子１１は被覆層７に配合された状態で、被覆層７の厚さ方向に平行な面における長軸と被覆層７の表面とのなす角を２５度以下とする。なお、本実施形態では、金属粒子等の寸法は、解析ソフト（Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ）を用いて測定した。
これにより、フレーク状の金属粒子１１が横たわった状態を維持でき、よって、被覆層７に対してその厚さ方向に加えられる力によって容易に塑性変形でき、もって被覆層７の弾性回復率を所定の値以下に制御できる（図２（Ａ）参照）。すなわち、被覆層７の表面形状を必要以上に回復（図２（Ｂ）参照）させない。
なお、被覆層７の厚さ方向に平行な面における金属粒子１１の長軸と被覆層７の表面とのなす角度である金属粒子１１の傾きは、樹脂組成物の前駆体である塗液の粘度、乾燥条件その他、被覆層７の製造条件等によって、制御することができる。
以上、被覆層７を構成する樹脂組成物に配合する金属粒子１１は一種であっても、複数種であってもよい。また、被覆層７を構成する樹脂組成物全体を１００vol.%としたとき、この金属粒子１１の配合量を１vol.％以上２０vol.％以下とすることができる。好ましくは、２vol.％以上１０vol.％以下である。

固体潤滑剤１３の材質も摺動部材の用途に応じて適宜選択できる。例えば、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ｈ−ＢＮ（ｈ−窒化ホウ素）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、黒鉛、メラミンシアヌレート、フッ化カーボン、フタロシアニン、グラフェンナノプレートレット、フラーレン、超高分子量ポリエチレン（三井化学製、商標名「ミペロン」）、Ｎε−ラウロイル−Ｌ−リジン（味の素製、商標名「アミホープ」）等の１種以上を選択できる。
固体潤滑剤１３の配合量も摺動部材の用途に応じて任意に選択できるが、例えば、被覆層７を構成する樹脂組成物全体を１００vol.%としたとき、この固体潤滑剤１３を２０vol.％以上７０vol.％以下とすることができる。好ましくは、２５vol.％以上４５vol.％以下である。

被覆層７の厚さ方向に平行な面である被覆層断面において、バインダ樹脂１０内に金属粒子１１とともに配合される固体潤滑剤１３はその長軸の平均長さを金属粒子１１の長軸の平均長さの１／２以下とすることが好ましい。固体潤滑剤１３が金属粒子１１に干渉していると、例えば固体潤滑剤１３が金属粒子１１の被覆層７の厚さ方向上側に又は下側に接触していると、被覆層７に加えられる摺動面に垂直方向の力に対して金属粒子１１が塑性変形する妨げとなるおそれがある。ここに、金属粒子１１に比べて固体潤滑剤１３のサイズが小さいと、金属粒子１１に固体潤滑剤１３が干渉していても、金属粒子１１が変形することの妨げになりにくい。
金属粒子１１の種類と固体潤滑剤１３の種類との組み合わせは摺動部材の用途や目的に併せて適宜選択できる。また、両者の配合比（vol.%）は金属粒子１１：固体潤滑剤１３＝１：２〜１４とすることが好ましい。金属粒子１１：固体潤滑剤１３＝１：３〜８とすることがより好ましい。

被覆層７の厚さも、摺動部材の用途や目的、更にはこれを形成する樹脂組成物の材料如何によって、任意に選択可能である。
なお、被覆層７の厚さＴ（μｍ）とこの被覆層７に接触する基材２の材料の硬さＨ（ＨV）との比の値Ｈ／Ｔは５〜３０とすることが好ましい。これにより、被覆層７の表面（摺動面）と図示しない相手部材の表面（被摺動面）との間に鉄粉等の異物が入り込んだとき、異物が被覆層７、更には基材２にもぐり込んで適当な深さで埋収され、被覆層７の表面の円滑性が維持される。
より具体的には、図１に示す構造において、被覆層７の厚さは１〜２０μｍとすることが好ましく、３〜１５μｍとすることがより好ましい。合金層５の硬さは３０〜１３０ＨＶとすることが好ましく、５０〜１００ＨＶとすることがより好ましい。

この発明の摺動部材によれば、その被覆層７の弾性回復率を６０％未満としたので、図３（Ａ）に模式的に示したように、混入した異物２０により力が被覆層７に加わったとき、異物は被覆層７を容易に突き破り比較的軟らかな基材２へ埋入する。その後、被覆層７の表面（摺動面）は相手部材（図示せず）と擦れ合って平滑になる。
他方、被覆層７の弾性回復率が６０％以上のように高いと、図３（Ｂ）に模式的に示したように、混入した異物２０が被覆層７ではじき返されてその内側へ埋収されず、被覆層７と相手部材との界面に存在し続けることとなる。かかる異物２０は被覆層７自体を傷付け、また被覆層７の平滑性を損なうので、焼付きの原因になる。

次に、この摺動部材１の製造方法について説明する。
周知の方法で準備した基材２の表面を洗浄した後、必要に応じて基材２の表面を粗面化し、更に洗浄する。他方、バインダ樹脂を溶剤に溶かした溶液へ金属粒子１１と固体潤滑剤１３、及びその他用途に応じて添加物を用いて混合させて塗液を作製する。その後、その塗液を基材２の表面へ塗布し、塗液を焼成させて樹脂組成物からなる被覆層７とする。本発明者らは、塗液の固形分量割合を周知の割合よりも少なくしたり、乾燥速度を周知の速度よりも小さくしたりすることで、被覆層７における金属粒子１１の傾きを２５度以下に制御し易くすることができることを解明した。

実験例

以下、この発明の実験例について説明する。
鋼板層３とこれに圧接したアルミニウム軸受合金層５とからなる基材２を半割形状に加工した。所定形状にした後、当該合金層５の表面を洗浄して脱脂及び不純物除去を行った。その後、当該表面へショットブラストを施して粗面化した。予め準備した樹脂組成物の塗液をスプレー法により５μｍの厚さに塗布した。乾燥後、さらに、２００℃〜３００℃で３０分〜１２０分間の焼成を行って実施例及び比較例の摺動部材を得た（表１及び表２参照）。なお、比較例１は、バインダ樹脂としてＰＢＩを用い、固体潤滑剤及び金属粒子を用いなかった。比較例２は、金属粒子を用いない以外は実施例９と同条件とした。

ＰＡＩ、ＰＩ、ＰＢＩ、ＰＡはそれぞれポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド樹脂を示す。またＧｒは黒鉛を示す。

表１より、弾性回復率が６０％未満のものは、下記の焼付試験を実行したとき、焼付きに至るまでの時間が２００分以上となることがわかる。
表２より、実施例１〜８において、金属粒子１１のヤング率は９０ＧＰａ以下であり、かつ３０ＧＰａ以上である。また、金属粒子１１の長軸の傾きも２５度以下となっている。
固体潤滑剤の長軸の平均長さＡと金属粒子１１の長軸の平均長さＢとの比の値Ａ／Ｂは、実施例１〜６の結果より０．５以下とすることが好ましい。更には実施例１〜４の結果より金属粒子１１のアスペクト比は５．０以下とすることが好ましいことがわかる。更には実施例１，２の結果よりＨ／Ｔの関係を３０以下とすることが好ましいことがわかる。

なお、上記の焼付試験は次の条件で行った。

回転数：３５００ｒｐｍ
潤滑油：５Ｗ-３０
給油圧力：０．４−０．５ＭＰａ
軸材質：Ｓ４５Ｃ

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
実施の形態では、摺動部材として軸受を例にとり説明をしてきたが、その他の摺動部材にも適用可能である。

１ 摺動部材、２ 基材、３ 裏金層、５ 合金層、７ 被覆層、１０ バインダ樹脂、１１ 金属粒子、１３ 固体潤滑剤、２０ 異物

Claims (5)

1. 基材の表面に被覆層を設けた摺動部材であって、前記被覆層の弾性回復率が６０％未満であり、
   前記被覆層の膜厚Ｔ（μｍ）と前記基材の硬さＨ（Ｈｖ．）との比Ｈ／Ｔが５〜３０である、摺動部材。
2. 前記被覆層は樹脂組成物からなり、該樹脂組成物はバインダ樹脂、固体潤滑剤及びヤング率が１０ＧＰａ以上１００ＧＰａ以下の金属粒子を含む、請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記被覆層内において前記金属粒子はその傾きを２５度以下とする、請求項２に記載の摺動部材。
4. 前記固体潤滑剤の長軸の平均長さを前記金属粒子の長軸の平均長さの１／２以下とする、請求項２又は３に記載の摺動部材。
5. 前記金属粒子のアスペクト比を５以下とする、請求項２〜４の何れかに記載の摺動部材。

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