JP7335179B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、スラスト軸受用の摺動部材に関するものであり、詳細には、裏金層と、合成樹脂組成物からなる摺動層とを備えた部分円環形状の摺動部材に係るものである。本発明は、この摺動部材を備えたスラスト軸受にも関するものである。

排気タービンや大型発電機等の回転軸用のスラスト軸受として、部分円環形状を有する軸受パッド形状の摺動部材を、回転軸のスラストカラー面に対向して周方向に複数個配置したスラスト軸受が用いられている。このようなチィルティングパッド式スラスト軸受では、部分円環形状の摺動部材は、軸部材のスラストカラー面に対し、ピボットにより僅かに揺動できるように支持されている。排気タービンや大型発電機等の定常運転時には、軸部材の回転に伴い、潤滑剤が軸部材のスラストカラー面と摺動部材の摺動面との間に流入する。このとき、摺動部材が揺動し、摺動面と軸部材のスラストカラー面との隙間が回転方向に徐々に小さくなるので、くさび効果により動圧が発生し、潤滑剤が流体膜を形成する。この流体膜により、回転軸の軸方向負荷を支持するようになっている。一般的に部分円環形状の摺動部材の揺動中心は、部分円環形状の摺動部材の周方向長さの中央部、且つ径方向長さの中央部に位置するように設けられる。流体膜には、この部分円環形状の摺動部材の揺動中心にて最大圧力となる圧力分布が生じる（例えば特許文献１の段落００２０、図２参照）。

このようなスラスト軸受の摺動部材として、金属製の裏金層上に樹脂組成物からなる摺動層を被覆したものが知られている（例えば特許文献２参照）。樹脂組成物として、ガラス繊維粒子、炭素繊維粒子、金属間化合物繊維粒子等の繊維状粒子を合成樹脂中に分散させて摺動層の強度を高めるようにしたものが、例えば特許文献３、特許文献４および特許文献５に記載されている。
また、特許文献６には、成形金型内で冷却を行い、引出ロールの引出速度を周期的に変化させる樹脂組成物シートの製造方法が記載されている

特開２０１５―９４３７３号公報 特開２００１－１２４０６２号公報 特開平１０-２０４２８２号公報 特開２０１６-０７９３９１号公報 特開２０１３-１９４２０４号公報 特開２０１８-１４６０６０号公報

排気タービンや大型発電機等は、定常運転時には、軸部材と摺動部材との間に油等の流体膜が形成されるために、軸部材表面と摺動部材の摺動面とは直接接触することが防がれている。しかし、運転中、特に軸の回転が高速となる状態では、流体膜に作用する遠心力の影響が大きくなり、流体膜の圧力が最大となる揺動中心付近（部分円環形状の摺動部材の周方向中央部、且つ、径方向の中央部の付近）の摺動面付近の樹脂組成物は、流体膜の圧力により押圧されて、摺動部材の外径方向へ弾性変形する。
この場合に、摺動層の樹脂組成物が、摺動の摩擦熱により摺動面の面内方向にほぼ等方的に熱膨張する場合は、流体膜の圧力により弾性変形した際に摺動層の表面に略周方向に延びる割れ等の損傷が起こる虞が大きくなることが判明した。

さらに、摺動層の樹脂組成物が、摺動面の面内方向の熱膨張と摺動面垂直方向（厚さ方向）の熱膨張とがほぼ等しい場合、金属製の裏金層と摺動層との界面でせん断が起きやすいという別の問題も生じることが判明した。

したがって、本発明の目的は、従来技術の上記欠点を克服して、軸受装置の運転時に摺動層の表面に割れ等の損傷が起き難く、かつ摺動層と裏金層とのせん断が起き難い摺動部材を提供することである。

本発明の一観点によれば、裏金層および該裏金層上の摺動層とからなり部分円環形状を有する、スラスト軸受用の摺動部材が提供される。この摺動層は、合成樹脂からなり、摺動面を有する。ここで、摺動層の中心線領域において、摺動部材の周方向に平行な方向の摺動層の線膨張係数をＫＳ、摺動部材の径方向の摺動層の線膨張係数をＫＪ、摺動面に垂直な方向の摺動層の線膨張係数をＫＴとするとき、以下の式（１）および式（２）を満足する。
式（１）：１．１≦ＫＳ／ＫＪ≦２
式（２）：１．３≦ＫＴ／{（ＫＳ＋ＫＪ）／２}≦２．５

本発明の一具体例では、摺動層は、以下の式（３）を満足することが好ましい。
式（３）：１．１≦ＫＳ／ＫＪ≦１．７

本発明の一具体例では、合成樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ナイロン、フェノール、エポキシ、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、およびポリエーテルイミドのうちから選ばれる１種以上からなることが好ましい。

本発明の一具体例では、摺動層は、黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化硼素、およびポリテトラフルオロエチレンのうちから選ばれる１種以上の固体潤滑剤を1～２０体積％を更に含むことが好ましい。

本発明の一具体例では、摺動層は、ＣａＦ_２、ＣａＣＯ_３、タルク、マイカ、ムライト、酸化鉄、リン酸カルシウム、チタン酸カリウムおよびＭｏ_２Ｃのうちから選ばれる１種または２種以上の充填材を１～１０体積％を更に含むことが好ましい。

本発明の一具体例では、摺動層は、ガラス繊維粒子、セラミック繊維粒子、炭素繊維粒子、アラミド繊維粒子、アクリル繊維粒子、およびポリビニルアルコール繊維粒子のうちから選ばれる１種以上の繊維状粒子を1～３５体積％を更に含むことが好ましい。

本発明の一具体例では、裏金層は、摺動層との界面となる表面に多孔質金属部を有することが好ましい。

本発明の他の観点によれば、上記に記載された摺動部材を複数個備えたスラスト軸受が提供される。

本発明の構成及び利点を、添付の概略図面を参照して以下により詳細に述べる。図面はいくつかの例示の目的のための実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明の一例による摺動部材の断面を示す図。 本発明の他の例による摺動部材の断面を示す図。 本発明に係る摺動部材の一例の模式図。 樹脂の分子鎖（折曲構造）のイメージを示す模式図。 樹脂の流れを説明する図。 図５の樹脂シートのＶＩ－ＶＩ断面を示す図。 中心線領域を示すための、摺動部材の摺動面の平面図。

図３に本発明に係る部分円環形状の摺動部材１の一例を模式的に示す。この摺動部材１は、平板形状を有し、その平板面の形状は、円環（以後、「もとの円環」という）を２つの半径により切断して得られる形状、すなわち部分円環形状を有している。部分円環形状の中心角度は２５°～６０°が好ましいが、この角度に限定されるものではない。摺動部材１は、平板な部分円環形状を有する裏金層２上に摺動層３を形成した構成になっている。摺動層３の部分円環形状の表面が摺動面３０になる。

本明細書において、部分円環形状の「円周方向」とは、もとの円環の円周方向に相当する方向であり、部分円環形状の「径方向」とは、もとの円環の半径方向に相当する方向をいう。部分円環形状の周方向を「Ｓ方向）、部分円環形状の径方向を「Ｊ方向）ともいう。他方、上記部分円環形状の厚さ方向、すなわち部分円環形状の表面（摺動面３０）に垂直な方向を「垂直方向」（Ｔ方向）という。また、部分円環形状の周方向中央を通る径方向の仮想線を「中心軸線」または「中心線」という。なお、この摺動部材１を軸受として用いた場合に、相手材である軸部材は「周方向」に沿って摺動するために「周方向」が摺動方向となる。

次に摺動層３の「中心線領域」について説明する。図７は、摺動部材１の摺動層３を摺動面３０側からみた平面図である。摺動面３０は、摺動部材１と同じ部分円環形状を有し、上記のとおり中心軸線３４を規定することができる。ここで、２つの径方向の直線のなす角度を円周角度というとき、中心軸線３４を基準として、円周角度（θ１）で±３°離間した２つの仮想の径方向線３５、３５（径方向線３５、３５どうしの作る角度、すなわち円周角度は６°である）の間の領域を「中心線領域３１」として定義する。すなわち、「中心線領域３１」は、２つの仮想の径方向線３５、３５と摺動層３の外周および内周ととにより囲まれた領域である。
なお、「中心線領域３１」は、摺動面３０に限られるものではなく、摺動層３の厚さ全体を含む体積部分である。

図１に、本発明に係る摺動部材１の断面を概略的に示す。摺動部材１は、裏金層２上に、合成樹脂４から構成された摺動層３が設けられている。摺動層３の（裏金層と反対側の）表面は摺動面３０として機能する。なお、図１の断面は、摺動面３０に垂直方向での摺動部材１の断面である。

合成樹脂４は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ナイロン、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンおよびポリエーテルイミドから選ばれる１種以上からなることが好ましい。

摺動層３は、黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化硼素、ポリテトラフルオロエチレンから選ばれる１種以上の固体潤滑剤を１～２０体積％を更に含んでもよい。固体潤滑剤の平均粒径は、０．５～２０μｍとすることが好ましい。この固体潤滑剤を含有することにより、摺動層の摺動特性を高めることができる。また、摺動層３は、ＣａＦ_２、ＣａＣＯ_３、タルク、マイカ、ムライト、酸化鉄、リン酸カルシウムおよびＭｏ_２Ｃ（モリブデンカーバイト）のうちから選ばれる１種または２種以上の充填材を１～１０体積％を更に含んでもよい。充填剤の平均粒径は、０．１～１０μｍとすることが好ましい。この充填材を含有することにより、摺動層の耐摩耗性を高めることが可能となる。

摺動層３は、合成樹脂４中に分散した繊維状粒子を１～３５体積％を更に含有できる。繊維状粒子は、ガラス繊維粒子、セラミック繊維粒子、炭素繊維粒子、アラミド繊維粒子、アクリル繊維粒子、ポリビニルアルコール繊維粒子から選ばれる１種以上からなることが好ましい。この繊維状粒子を含有することにより、摺動層の強度を高めることができる。

繊維状粒子の平均粒径は、０．１～２５μｍとすることができる（繊維状粒子の粒径は断面観察した繊維状粒子の面積に相当する真円の直径、すなわち「円相当径」である）。ただし、摺動層が高負荷を受ける仕様の軸受受装置に摺動部材が用いられる場合、繊維状粒子の平均粒径が０．１μｍ以上５μｍ未満であり、繊維状粒子の長軸長さが１５μｍ以下であるものを用いることが好ましい。これは、摺動層は長軸長さが１５μｍを超える繊維状粒子を含む場合、摺動面に露出する長軸長さが１５μｍを超える大きな繊維状粒子に割れが生じ、摺動面と軸部材の表面との間の隙間に脱落し、摺動面を傷つける損傷が起こる場合があるからである。他方、長軸長さが１５μｍ以下である繊維状粒子は、摺動面に露出していても割れが生じ難い。

裏金層２は、亜共析鋼やステンレス鋼等のＦｅ合金やＣｕ合金を用いることができる。

摺動層３の厚さ（すなわち、摺動面３０から摺動層３と裏金層２との界面７までの間の、摺動面３０に垂直方向の距離）は、０．５～６ｍｍとすることが好ましい。

摺動層３の中心線領域３１において、摺動部材１の「周方向」（Ｓ方向）の摺動層３の線膨張係数をＫＳ、摺動部材１の「径方向」（Ｊ方向）の摺動層３の線膨張係数をＫＪ、摺動面３０に「垂直方向」（Ｔ方向）の摺動層３の線膨張係数をＫＴとしたとき、摺動層３は、下記の式（１）、式（２）を満足するようになっている。
式（１）：１．１≦ＫＳ／ＫＪ≦２
式（２）：１．３≦ＫＴ／{（ＫＳ＋ＫＪ）／２}≦２．５
換言すれば、摺動層３の中心線領域３１において、摺動層は、摺動部材の「周方向」（Ｓ方向）の線膨張係数ＫＳが、摺動部材の「径方向」（Ｊ方向）の線膨張係数ＫＪの１．１～２倍になっており、且つ、摺動面に「垂直方向」（Ｔ方向）の線膨張係数ＫＴが、摺動部材の「周方向」（Ｓ方向）の線膨張係数ＫＳと「径方向」（Ｊ方向）の線膨張係数ＫＪとの平均値の１．３～２．５倍になっている。
なお、摺動層３の線膨張係数ＫＳ、ＫＪおよびＫＴは、いずれも、温度が２３℃～１００℃における平均の線膨張係数である。

摺動部材の「周方向」（Ｓ方向）の線膨張係数ＫＳは、摺動部材の「径方向」（Ｊ方向）の線膨張係数ＫＪの１．１～１．７倍になっている（すなわち、１．１≦ＫＳ／ＫＪ≦１．７）ことが好ましい。

合成樹脂は熱膨張量が大きいことが知られている。合成樹脂は、多くの樹脂分子が連なった多数の分子鎖（高分子）によって構成されるところ、樹脂の分子鎖どうしは、単にファンデルワールス力でつながっていて結合が弱いため、温度が上昇すると分子鎖どうしの間の隙間（距離）が大きく増加するためである。他方、共有結合によりつながっている樹脂分子鎖の長手方向の熱膨張量は小さい。合成樹脂が外力を受けて破断が起こる場合、破断は、主に結合が弱い樹脂の分子鎖どうしの間でおこり、分子鎖自身の破断は起きにくい。

部分円環形状の摺動部材１の揺動中心は、周方向長さの中央部且つ径方向長さの中央部の近傍に位置する。軸受装置の運転時、揺動中心付近の摺動層３の摺動面３０に遠心力の作用を受けた流体膜の高い圧力が作用する。したがって、揺動中心付近が、流体膜の圧力による外力が最も大きくなり、流体膜に発生する遠心力の影響により径方向（すなわち、中心軸線方向）がこの外力の最も大きく作用する方向となる。したがって、中心軸線３４付近の摺動層３の合成樹脂４は、径方向Jへの弾性変形が生じる。しかも、軸部材が高速回転するために流体膜が高温となり、それに伴い摺動部材１の摺動層３も高温となる。このとき、摺動層３の中心軸線３４付近では、摺動層１の合成樹脂４が部分円環形状の摺動部材１の径方向Jへの熱膨張量が多いと、合成樹脂の分子鎖（直線状部４２）どうしの間の隙間が大きくなり、流体膜の圧力による外力で破断が起こりやすくなり、この破断部が起点となって摺動層の表面に略周方向に延びる割れ等の損傷が起こる虞がある。

本発明の摺動部材１の摺動層３は、摺動層３の中心線領域３１において、摺動部材の「周方向」（Ｓ方向）の線膨張係数ＫＳが、摺動部材１の「径方向」（Ｊ方向）の線膨張係数ＫＪの１．１～２倍になっており、且つ、摺動面３０に「垂直方向」（Ｔ方向）の線膨張係数ＫＴが、摺動部材の「周方向」（Ｓ方向）の線膨張係数ＫＳと「径方向」（Ｊ方向）の線膨張係数ＫＪとの平均値の１．３～２．５倍になっている。そのため摺動層３は、周方向（Ｓ方向）および垂直方向（Ｔ方向）への熱膨張が大きくなり径方向（Ｊ方向）への熱膨張が抑制されるために、摺動面３０が流体膜からの中心軸線方向（径方向、Ｓ方向）への外力を受けても摺動面３０に略周方向に延びる割れが生じ難い。

また、摺動層３は、摺動面３０の面内方向（周方向Ｓおよび径方向Ｊ）の熱膨張量が大きいと、金属製の裏金層２との界面に熱膨張量の差によるせん断応力が発生し、摺動層３との裏金層２のせん断が起こる虞がある。
本発明の摺動部材１の摺動層３は、摺動面３０に「垂直方向」（Ｔ方向）の線膨張係数ＫＴが、摺動部材の「周方向」（Ｓ方向）の線膨張係数ＫＳと「径方向」（Ｊ方向）の線膨張係数ＫＪとの平均値の１．３～２．５倍になっている。摺動層３は、「垂直方向」（Ｔ方向）へ多く熱膨張するようになり摺動面３０に平行方向への熱膨張が抑制されるために、摺動層３と裏金層２のせん断が起き難い。

摺動層３の熱膨張の異方性は、樹脂分子の分子鎖の配向によると考える。摺動層３の合成樹脂４内における樹脂分子の分子鎖４１は図４に示すように複数の直線状部４２を有しながら折り曲がった構造（折れ曲がり結晶）となっており、直線状部４２の長手方向Ｌ１方向へは熱膨張が起き難く、直線状部４２の長手方向に直交する方向Ｌ２へは、直線状部４２どうしの隙間が形成されるので熱膨張が起き易い。本発明の摺動部材１の摺動層３の上記の熱膨張の異方性は、摺動層３の中心線領域３１において、摺動層３中の樹脂の分子鎖４１の直線状部４２の長手方向Ｌ１の向く割合が、「径方向」（Ｊ方向）側および「周方向」側（Ｓ方向）および「垂直方向」側（Ｔ方向）で異なるようになっていることによると考える。この摺動層３の熱膨張の異方性は、後述する樹脂組成物脂シートの製造時に形成される。

以上の本発明の構成とは異なると以下の問題が生じる。
摺動層３の中心線領域３１において、摺動層の「周方向」（Ｓ方向）の線膨張係数ＫＳが、「径方向」（Ｊ方向）の線膨張係数ＫJよりも大きいものの、その１．１倍未満である場合、摺動層の「径方向」（Ｊ方向）への熱膨張を抑制する効果が不十分となり、摺動面に割れを生じ易くなる。
また、摺動層３の中心線領域３１において、摺動層の「周方向」（Ｓ方向）の線膨張係数ＫＳが、「径方向」（Ｊ方向）の線膨張係数ＫJの２倍を超えて大きくなっている場合、摺動層の「周方向」（Ｓ方向）への熱膨張量が大きくなりすぎて、摺動面に略径方向に延びる割れを生じることがある。

また、摺動層３の中心線領域３１において、摺動面に「垂直方向」（Ｔ方向）の線膨張係数ＫＴが、摺動部材の「周方向」（Ｓ方向）の線膨張係数ＫＳと「径方向」（Ｊ方向）の線膨張係数ＫＪとの平均値よりも大きいものの、その１．３倍未満である場合、摺動層の摺動面に平行方向への熱膨張を抑制する効果が不十分となり、摺動面に割れを生じ易くなり、さらに、摺動層３と裏金層２とのせん断が起きやすくなる。また、摺動層３が、摺動面に「垂直方向」（Ｔ方向）の線膨張係数ＫＴが、摺動部材の「周方向」（Ｓ方向）の線膨張係数ＫＳと「径方向」（Ｊ方向）の線膨張係数ＫＪとの平均値の２．５倍を超えて大きくなっている場合、摺動層の「垂直方向」（Ｔ方向）への熱膨張量が大きくなりすぎて、摺動層の内部に割れを生じる場合がある。

また、本発明の構成とは異なり、摺動層全体を通じて等方的に熱膨張する摺動部材の場合、軸受装置の運転時、摺動部材の摺動層表面付近の樹脂組成物は、周方向と径方向とで同じように熱膨張するようになっており、流体膜からの外力を受けて径方向へ弾性変形する際に、摺動層の樹脂の分子鎖どうしの間に割れが発生し、摺動層の表面に割れ等の損傷が起こりやすくなり、また、摺動層と裏金層の熱膨張量の差によりこれらの界面にせん断等の損傷が起きやすい。

なお、裏金層２は、摺動層３との界面となる表面に多孔質金属部５を有してもよい。多孔質金属部５を有する裏金層２を用いた摺動部材１の一例の周方向断面を図２に概略的に示す。裏金層２の表面に多孔質金属部５を設けることにより、摺動層と裏金層の接合強度を高めることができる。多孔質金属部の空孔部に摺動層を構成する組成物が含浸されることによるアンカー効果により、裏金層と摺動層との接合力の強化が可能になるからである。
多孔質金属部は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金等の金属粉末を金属板や条等の表面上に焼結することにより形成することができる。多孔質金属部の空孔率は２０～６０％程度であればよい。多孔質金属部の厚さは５０～５００μｍ程度とすればよい。この場合、多孔質金属部の表面上に被覆される摺動層の厚さは０．５～６ｍｍ程度となるようにすればよい。ただし、ここで記載した寸法は一例であり、本発明がこの値の限定されるものではなく、異なる寸法に変更するも可能である。

上記摺動部材１は、例えばスラスト軸受に使用できる。例えば、この軸受は、円環状の窪み部を有するハウジングを備える。円環状の窪み部に周方向に沿って上記摺動部材を複数個配置し、これらの摺動部材により相手軸である軸部材のスラストカラー面を支承するようになっている。上記摺動部材の部分円環形状（曲率、寸法等）は円環状の窪み部および軸部材に適合するように設計される。しかし、上記摺動部材は、他の形態の軸受或いはその他の摺動用途にも利用可能である。
本発明は、このような複数の上記摺動部材を備えたスラスト軸受も包含している。

上記に説明した摺動部材について、製造工程に沿って以下に詳細に説明する。
（１）合成樹脂原材料粒の準備
合成樹脂の原材料としてはポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ナイロン、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンおよびポリエーテルイミドのうちから選ばれる１種以上からなるものを用いることができる。任意で、合成樹脂に繊維状粒子、固体潤滑剤、充填材等を分散できる。

（２）合成樹脂シートの製造
合成樹脂シートは、上記原材料等から、溶融混練機、供給金型、シート成形金型および引出ロールを用いて作製する。

「溶融混練機」
溶融混練機により、合成樹脂原材料粒およびその他の任意材料（繊維状粒子、固体潤滑剤、充填材等）の原材料を２３０℃～３９０℃の温度で加熱しながら混合し、溶融状態の樹脂組成物を作製する。なお、合成樹脂原材料粒は、分子鎖が複数の直線状部を有するように折り曲がった構造を有する複数の樹脂分子が絡み合った状態にあるが、この溶融混錬により樹脂分子の絡み合いがほぐされる。この樹脂組成物は、溶融混練機から一定の圧力で押し出される。

「供給金型」
溶融混練機から押し出された樹脂組成物は、供給用金型を介してシート成形金型に常に一定量を供給される。供給金型は、加熱用ヒータを有し、供給金型内を通る樹脂組成物を３８５℃～４００℃の温度に加熱して溶融状態に維持する。

「シート成形金型」
樹脂組成物はシート成形金型によりシート形状に形成される。供給金型からシート成形金型に供給された溶融状態の樹脂組成物は、シート形状に成形され、シート成形金型内を出口側へ移動しながら徐々に自然冷却され、半溶融状態のシートとなる。

「冷却ロール」
半溶融状態の樹脂組成物シートは冷却ロールにて連続的に接触して、冷却されながら「シート成形金型」から引き出される。冷却ロールは、樹脂組成物シートを上面と下面の両側から押えて移動させる少なくとも１対のロール（上側ロールおよび下側ロール）からなる。半溶融状態の樹脂組成物シートは、冷却ロールから引き出された後に完全に固体状態のシートになる。なお、冷却ロールは、ロール内に組み込まれた電動ヒータにより温度制御が可能となっており、かつ電動モータにより制御可能に回転駆動できるようになっている。樹脂組成物シートの厚さの寸法の一例としては１～７ｍｍである。固体状態になった樹脂組成物シートは、後述する被覆工程に用いられる裏金の寸法に適合する大きさに切断される。

（４）裏金
裏金層としては、亜共析鋼やステンレス鋼等のＦｅ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金等の金属板を用いることができる。裏金層表面、すなわち摺動層との界面となる側に多孔質金属部を形成してもよいが、多孔質金属部は裏金層と同じ組成を有することも、異なる組成または材料を用いることも可能である。

（５）被覆及び成形工程
樹脂組成物シートを裏金層の一方の表面、あるいは裏金の多孔質金属部上に接合する。その際、シート成形工程における樹脂組成物シートの引出方向が、最終製品の部分円環形状の中心軸線と平行になるようにする。その後、使用形状、例えば、部分円環形状に加圧プレスにて成形した後、組成物の厚さを均一とするため、摺動層及び裏金を加工または切削する。

次に、線膨張係数の異方性の制御方法について説明する。線膨張係数の異方性は、上記の樹脂組成物シートの製造工程において、冷却ロールの回転速度を制御することにより行う。具体的には、半溶融状態のシートがシート成形金型から押し出される速度（Ｖ_１）と、冷却ロールから引き出されて完全に固化した状態のシートの速度（Ｖ_２）との比（Ｖ_２／Ｖ_１）が０．８～０．９となるように冷却ロールの回転速度を設定する。この比０．８～０．９は、供給金型からの圧力によりシート成形金型から押し出されて冷却ロールへ供給される樹脂組成物シートの単位時間毎の体積ｖ_１と冷却ロールから出る樹脂組成物シートの単位時間毎の体積ｖ_２との比になる（ｖ_２／ｖ_１＝Ｖ_２／Ｖ_１＝０．８～０．９）。冷却ロールへ供給される樹脂組成物シート体積ｖ_１と冷却ロールから出る樹脂組成物シート体積ｖ_２の差により、上側冷却ロールの入り口に、半溶融樹脂組成物の樹脂溜り１５が形成される。

半溶融状態の樹脂シートは、冷却ロールに接触して冷却されながら固化するが、半溶融状態の樹脂組成物が金型から押し出される速度に対し、冷却ロールの速度を遅く設定しているために、固化しきれない半溶融状態の樹脂組成物が、上側冷却ロールの入り口で溜りやすくなる（以後、「樹脂溜り」という）。図５にこの様子を模式的に示す。樹脂組成物シート２０は、紙面の右側から左側に向かう方向に押し出される（押出方向１０）。半溶融樹脂組成物の流れを矢印１１に示す。シート成形金型１２から（紙面の右側から）流れてきた半溶融樹脂組成物１１は、上側冷却ロール１３の入口側で一定量の樹脂溜り１５を形成する。この樹脂溜り１５を形成している半溶融状態の樹脂組成物１１（以後、「半溶融樹脂組成物」という）は、押出方向と同方向に回転して滞留しながら樹脂組成物シートの内部に押し込まれる。押し込まれた半溶融樹脂組成物１１の一部は、樹脂組成物シートの幅方向両端部に向かって広がり流れて固化が開始される（図６）。溶融した樹脂が流動する際、樹脂の分子鎖の直線状部の長手方向が、流動方向を向きやすいことが判明した。そのために、樹脂分子鎖の直線状部の長手方向が樹脂組成物シートの幅方向（押出方向１０に垂直な方向）にも配向しやすくなる。

従来技術では、半溶融状態が金型から押し出される速度に対し、冷却ロールの速度を同じに設定しているが、この場合には、シート成形金型から流れてきた半溶融樹脂組成物は冷却ロール入口側で樹脂溜りを形成することなく出口側へ向かって常に一方向に流れるため、樹脂分子鎖の直線状部の長手方向が主に樹脂組成物シートの押出方向に配向し、幅方向に配向し難くなる。
また、特許文献６には、成形金型内で冷却を行い、かつ引出ロールの引出速度を周期的に変化させて樹脂組成物シートを製造することが記載されているが、このように樹脂組成物シートを製造した場合、樹脂分子鎖の直線状部の長手方向が主に樹脂組成物シートの厚さ方向に配向しやすくなる。

次に摺動層の線膨張係数の測定方法について説明する。摺動層３の中心線領域３１における、摺動層の周方向に平行な方向の線膨張係数がＫＳおよび摺動層の径方向に平行な方向の線膨張係数ＫＪは、摺動層から４ｍｍ×５ｍｍ（測定方向）×１０ｍｍの直方体の試験片を、摺動層の摺動面に垂直な方向の線膨張係数ＫＴは、摺動層から５ｍｍ×５ｍｍ×４ｍｍ（測定方向）の直方体の試験片を作製し、熱膨張測定装置（ＴＭＡ／ＳＳ７１００：ＳＩＩ製）を用いて、表１に示す条件において測定することができる。これら線膨張係数は、試験温度範囲での平均の線膨張係数である。
上記試験片は、中心線領域３１内の任意の位置より採取される。

本発明による裏金層および摺動層を有する摺動部材の実施例１～６および比較例１１～１４を以下に示すとおり作製した。実施例および比較例の各摺動部材の摺動層の組成は、表２に示すとおりである。

実施例１～６および比較例１１～１４は、合成樹脂の原材料としてＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）粒子又はＰＥＫ（ポリエーテルケトン）粒子を用いた。実施例６、比較例１３はセラミック繊維を含有させた。セラミック繊維として、平均粒径が約５μｍのチタン酸カリウムの繊維状粒子を用いた。実施例５および比較例１４は、炭素繊維を含有させた。炭素繊維として、平均粒径が５μｍの繊維状粒子を用いた。
実施例５および６、比較例１３および１４には固体潤滑剤（黒鉛、ＰＴＦＥ）を含有させ、その原材料粒子は、平均粒径が１０μｍである粒子を用い、実施例６、比較例１３の充填材（ＣａＦ_２）の原材料粒子は、平均粒径が１０μｍの粒子を用いた。

上記の原材料を表２に示す組成比率で秤量し、この組成物を予めペレット化した。このペレットを加熱温度３５０～３９０℃に設定した溶融混練機に投入し、順に供給金型、シート成形金型、冷却ロールを通して、樹脂組成物シートを作製した。半溶融状態のシートがシート成形金型から押し出される速度（Ｖ_１）と、冷却ロールから引き出された完全に固化状態のシートの速度（Ｖ_２）の比Ｖ_２／Ｖ_１が、実施例１では０．９０となるように、実施例２および４～６では０．８５となるように、実施例３では０．８０となるように冷却ロールの回転速度を設定し、樹脂組成物シートを作製した。比較例１１は、Ｖ_２／Ｖ_１が１となるように、比較例１２ではＶ_２／Ｖ_１が０．７５となるように、比較例１３ではＶ_２／Ｖ_１が０．８５となるように、冷却ロールの回転速度を設定し樹脂組成物シートを作製した。比較例１４は、特許文献６に記載された手法にしたがって樹脂組成物シートを作製した。

次に樹脂組成物シートをＦｅ合金製の裏金層の一方の表面に被覆させた後、部分円環形状に加工し、その後に、裏金層上の組成物が所定の厚さとなるように切削加工した。なお、実施例１～５および比較例１１～１４の裏金層はＦｅ合金を用いたが、実施例６はＦｅ合金の表面にＣｕ合金の多孔質焼結部を有するものを用いた。また、実施例１～６および比較例１１～１２、１４の摺動部材は、樹脂組成物シートの成形工程での押出方向が部分円環形状の中心軸線方向に平行となるようにした。比較例１３は、樹脂組成物シートの成形工程での押出方向が部分円環形状の中心軸線方向に垂直となるようにした。
作製した実施例１～６および比較例１１～１４の摺動部材の摺動層の厚さは５ｍｍであり、裏金層の厚さは１０ｍｍであった。

作製した実施例および比較例は、上記に説明した測定方法により、摺動層の中心線領域の摺動層の周方向の線膨張係数ＫＳ、径方向の線膨張係数ＫＪ及び垂直方向の線膨張係数ＫＴを測定した。これら線膨張係数は、２３℃～１００℃の平均の線膨張係数である。各実施例および比較例の摺動層の周方向の線膨張係数ＫＳの測定結果は表２の「ＫＳ」欄に、径方向の線膨張係数ＫＪは「ＫＪ」欄に、摺動層の垂直方向の線膨張係数ＫＴは「ＫＴ」欄に示す。
また、実施例および比較例の摺動層の周方向の線膨張係数ＫＳと径方向の線膨張係数ＫＪとの比（ＫＳ／ＫＪ）を表１の「ＫＳ／ＫＪ」欄に、摺動層の垂直方向の線膨張係数ＫＴと、径方向の線膨張係数ＫＪと周方向の線膨張係数ＫＳとの平均値との比（ＫＴ／（ＫＳ＋ＫＪ）/２）を表２の「ＫＴ／（（ＫＳ/ＫＪ）/２）」欄に示す。

部分円環形状に成形した摺動部材を複数個組み合わせてスラスト軸受として、表３に示す２条件で摺動試験を行った。条件２は条件１よりも軸部材の回転数を大きくした。これらの条件は、軸受装置の通常の運転時の摺動状態を再現したものである。また、各実施例および各比較例は、摺動試験後の中心線領域の摺動層の表面の複数箇所を粗さ測定器により測定して傷の発生の有無を評価した。表２の「割れの発生有無」欄に、摺動層の表面に深さが５μｍ以上の傷が測定された場合には「有」、測定されなかった場合には「無」と示した。また、摺動試験後の試験片を摺動部材の中心軸線に平行、且つ、摺動面に対して垂直に切断し、摺動層と裏金との界面の「せん断」の発生の有無を光学顕微鏡で確認した。表２の「界面のせん断の有無」欄に、界面の「せん断」が確認された場合には「有」、確認されなかった場合は「無」と示した。

表２に示す結果から分かるとおり、実施例では、条件１の摺動試験後の摺動層の表面に割れの発生および界面のせん断の発生がなかったが、これは上記に説明したとおり、摺動層の中心線領域において、摺動層の周方向と径方向と垂直方向とで上記式（１）および式（２）を満足する熱膨張の異方性を有することによる作用と考えられる。さらに、上記式（３）の熱膨張の異方性を満足する実施例２～６においては、摺動層に、より高い圧力が加わる条件２においても摺動試験後の摺動層の表面に割れの発生はなかった。

これに対し、比較例１１は、摺動層の周方向の線膨張係数ＫＳと径方向の線膨張係数ＫＪとの比（ＫＳ／ＫＪ）が２を超えるため、周方向への熱膨張量が大きくなりすぎて、摺動面に割れが発生したと考えられる。

他方、比較例１２は、摺動層の周方向の線膨張係数ＫＳと径方向の線膨張係数ＫＪとの比（ＫＳ／ＫＪ）が１．１未満であるため、摺動層の径方向への熱膨張を抑制する効果が不十分となり、摺動面に割れが発生したと考えられる。なお、比較例１２は、摺動層の垂直方向の線膨張係数ＫＴと、径方向の線膨張係数ＫＪと周方向の線膨張係数ＫＳとの平均値との比（ＫＴ／（ＫＳ＋ＫＪ）/２）が２．５倍を超えるため、摺動層の内部にも割れを生じていた。

比較例１３は、摺動層の周方向の線膨張係数ＫＳと径方向の線膨張係数ＫＪとの比（ＫＳ／ＫＪ）が１．１未満であるため、摺動面に割れが発生したと考えられる。

比較例１４は、摺動層の周方向の線膨張係数ＫＳと径方向の線膨張係数ＫＪとの比（ＫＳ／ＫＪ）が１．１未満であるため、摺動面に割れが発生した。さらに、摺動層の垂直方向の線膨張係数ＫＴと、径方向の線膨張係数ＫＪと周方向の線膨張係数ＫＳの平均との比（ＫＴ／（ＫＳ＋ＫＪ）/２）が１．３未満であるため、摺動面と平行方向への熱膨張を抑制させる効果も不十分となり、摺動層と裏金との界面でのせん断が発生したと考えられる。

１：摺動部材、 ２：裏金層、 ３：摺動層、 ４：合成樹脂、 ５：多孔質金属部、３０：摺動面、３１：中心線領域、３４：中心軸線

Claims (8)

1. 裏金層および該裏金層上の摺動層とからなる、スラスト軸受用の摺動部材において、該摺動部材が部分円環形状を有し、
   前記摺動層が、合成樹脂からなり、摺動面を有し、
   前記摺動層の中心線領域において、前記摺動部材の周方向に平行な方向の前記摺動層の線膨張係数をＫＳ、前記摺動部材の径方向に平行な方向の前記摺動層の線膨張係数をＫＪ、前記摺動面に垂直な方向の前記摺動層の線膨張係数をＫＴとするとき、
   以下の式（１）および式（２）を満足する、摺動部材。
   式（１）：１．１≦ＫＳ／ＫＪ≦２
   式（２）：１．３≦ＫＴ／{（ＫＳ＋ＫＪ）／２}≦２．５
2. 前記摺動層は、以下の式（３）を満足する、請求項１に記載された摺動部材。
   式（３）：１．１≦ＫＳ／ＫＪ≦１．７
3. 前記合成樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ナイロン、フェノール、エポキシ、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、およびポリエーテルイミドのうちから選ばれる１種以上からなる、請求項１または請求項２に記載された摺動部材。
4. 前記摺動層が、黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化硼素、およびポリテトラフルオロエチレンのうちから選ばれる１種以上の固体潤滑剤を1～２０体積％を更に含む、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された摺動部材。
5. 前記摺動層が、ＣａＦ_２、ＣａＣＯ_３、タルク、マイカ、ムライト、酸化鉄、リン酸カルシウム、チタン酸カリウムおよびＭｏ_２Ｃのうちから選ばれる１種または２種以上の充填材を１～１０体積％を更に含む、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された摺動部材。
6. 前記摺動層が、ガラス繊維粒子、セラミック繊維粒子、炭素繊維粒子、アラミド繊維粒子、アクリル繊維粒子、およびポリビニルアルコール繊維粒子のうちから選ばれる１種以上の繊維状粒子を1～３５体積％を更に含む、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された摺動部材。
7. 前記裏金層は、前記摺動層との界面となる表面に多孔質金属部を有する、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された摺動部材。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された摺動部材を複数個備えた、スラスト軸受。