WO2017094810A1 - 摺動部材および斜板式コンプレッサ - Google Patents

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WO2017094810A1
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solid lubricant
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swash plate
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墾 窪田
翔悟 高木
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大豊工業株式会社
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    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/04—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for axial load only

Definitions

  • the present invention relates to a sliding member having a resin coating layer in which a solid lubricant is dispersed.
  • Patent Document 1 describes a sliding member provided with a plurality of recesses at the end of a sliding surface in order to prevent oil film destruction and seizure. The opening area of the recess increases as it goes to the end of the sliding surface.
  • Patent Document 1 the amount of solid lubricant on the sliding surface is not controlled, and there is room for improvement in oil retention.
  • the present invention provides a sliding member and a swash plate compressor with improved oil retention.
  • the present invention has a base material and a coating layer formed on the base material, and the coating layer has a binder resin and a solid lubricant dispersed in the binder resin, and the coating Provided is a sliding member having an exposure rate of 7% or more of the solid lubricant on the sliding surface of the layer.
  • the exposure rate of the solid lubricant on the sliding surface of the coating layer may be 10% or more.
  • the solid lubricant may have c-axis orientation, and the relative c-axis strength ratio of the solid lubricant in the coating layer may be 80% or more.
  • the occupation ratio of 50% of the depth from the surface roughness may be 50% or less with respect to the maximum surface roughness.
  • the occupation rate may be 70% or less.
  • the surface roughness of the sliding surface of the coating layer may be 1 to 20 ⁇ m.
  • the surface roughness may be 8 to 15 ⁇ m.
  • the base material may have a swash plate shape used in a swash plate compressor.
  • the base material may have a thrust surface that receives a thrust load.
  • the thrust surface may have a taper / land structure or a step / land structure formed by the coating layer.
  • the base material has a semi-ring shape
  • the thrust surface has a relief at a circumferential end of the semi-ring
  • the coating layer may not be formed on the relief.
  • the thrust surface has an oil groove, and the coating layer may not be formed in the oil groove.
  • the present invention provides a swash plate compressor using any one of the above sliding members as a swash plate.
  • oil retention and initial conformability can be improved in a sliding member and a swash plate compressor.
  • FIG. 3 is a schematic view illustrating the structure of a coating layer 32.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an orientation state of a solid lubricant 322 in a coating layer 32.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of a load curve of the coating layer 32.
  • 6 is a flowchart illustrating a method for manufacturing the swash plate 3.
  • the figure which illustrates the structure of the thrust washer 10 concerning another embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a structure of a compressor 1 according to an embodiment.
  • the compressor 1 is a so-called swash plate compressor.
  • the compressor 1 has a shaft 2, a swash plate 3, a piston 4, and a shoe 5.
  • the shaft 2 is rotatably supported with respect to a housing (not shown).
  • the swash plate 3 is fixed obliquely with respect to the rotation axis of the shaft 2.
  • the swash plate 3 is an example of the sliding member of the present invention.
  • the piston 4 reciprocates in a cylinder bore (not shown) provided in the housing.
  • the shoe 5 is provided between the swash plate 3 and the piston 4, and slides with the swash plate 3 and the piston 4, respectively.
  • the surface that slides with the swash plate 3 is substantially flat, and the surface that slides with the piston 4 has a dome-like (hemispherical) shape.
  • the rotation of the shaft 2 is converted into a reciprocating motion of the piston 4 by the swash plate 3.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the structure of the swash plate 3.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a structure in a cross section perpendicular to the sliding surface with the shoe 5.
  • the swash plate 3 has a base material 31, a coating layer 32, and a coating layer 33. Both the coating layer 32 and the coating layer 33 slide with the shoe 5.
  • the base material 31 has a disk shape, and is formed of a metal that satisfies required characteristics, for example, an iron-based, copper-based, or aluminum-based alloy. From the viewpoint of preventing adhesion with the shoe 5, the swash plate 3 is preferably formed of a material different from that of the shoe 5.
  • FIG. 3 is a schematic view illustrating the structure of the coating layer 32.
  • the coating layer 32 is provided to improve the characteristics of the sliding surface of the swash plate 3.
  • the coating layer 32 has a binder resin 321 and a solid lubricant 322.
  • the coating layer 32 includes, for example, 20 to 70 vol% solid lubricant.
  • the balance is a binder resin.
  • the binder resin 321 is formed of, for example, a thermosetting resin.
  • As the thermosetting resin for example, at least one of polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polyimide (PI), epoxy, polyetheretherketone, phenol, and elastomer is used.
  • Solid lubricant 322 is added to improve lubrication characteristics.
  • Examples of the solid lubricant 322 include crystalline substances having c-axis orientation, such as MoS 2 , graphite (Gr), carbon, fluororesin, soft metals (Sn, Bi, etc.), WS 2 , and h-BN. At least one is used.
  • a crystalline substance having c-axis orientation refers to a substance having a layered crystal structure, such as a hexagonal system.
  • the coating layer 32 may include other additives such as hard particles in addition to the solid lubricant 322. As the hard particles, for example, at least one of oxide, nitride, carbide, and sulfide is used.
  • the thickness of the coating layer 32 is preferably 10 ⁇ m or more, more preferably 15 ⁇ m or more, and further preferably 20 ⁇ m or more.
  • the thickness of the coating layer 32 is less than 5 ⁇ m, the coating layer 32 may be worn and the substrate 31 may be exposed. When the base material 31 is exposed, there arises a problem that the coefficient of friction increases or adheres to the shoe 5. Further, if the coating layer 32 is too thick, the seizure resistance may be lowered. Therefore, the thickness is preferably 50 ⁇ m or less.
  • the relative c-axis strength ratio of the solid lubricant 322 in the coating layer 32 is preferably 80% or more, and more preferably 85% or more.
  • the relative c-axis intensity ratio refers to the ratio of the diffraction peak intensity from the cleavage plane to the total diffraction peak intensity in X-ray diffraction. More specifically, the relative c-axis intensity ratio is determined from the (002), (004), (100), (101), (102), (103), (105), (110), and (008) planes.
  • Is defined as the ratio of the integrated value of diffraction peak intensities from the (002), (004), and (008) planes to the integrated value of diffraction peak intensities. Although diffraction peaks from other than the above nine crystal planes may appear, they are ignored in calculating the relative c-axis intensity ratio because the peak intensity is weak.
  • the state in which the relative c-axis intensity ratio is 80% or more, that is, the state in which the relative c-axis intensity ratio is high means that the crystal orientation of the solid lubricant 322 is aligned in the coating layer 32.
  • the relative c-axis intensity ratio is hereinafter referred to as “orientation ratio” in the sense that it indicates the degree of alignment of crystal orientations.
  • orientation ratio in the sense that it indicates the degree of alignment of crystal orientations.
  • solid lubricants exhibit a low coefficient of friction due to interlayer slip in crystals having a layer structure.
  • the fact that the crystal orientations are aligned means that the directions in which interlayer slip occurs are aligned.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the orientation state of the solid lubricant 322 in the coating layer 32.
  • FIG. 4A shows a state where the orientation rate is low
  • FIG. 4B shows a state where the orientation rate is high.
  • the solid lubricant 322 is represented as hexagonal flakes.
  • the solid lubricant 322 has a cleaved surface aligned in a direction substantially parallel to the sliding surface.
  • the average particle diameter of the solid lubricant 322 is, for example, 1 to 10 ⁇ m.
  • the average particle diameter is measured by, for example, a laser diffraction method.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an outline of the load curve of the coating layer 32.
  • the load curve represents the load length ratio of the contour curve element expressed as a function of the cutting level.
  • the load curve is defined in JIS B0601: 2013.
  • the cutting level refers to the depth from the maximum peak height of the contour curve for obtaining a cutting surface parallel to the surface of the base material of the sliding surface.
  • the maximum peak height is the cutting level 0%
  • the maximum valley depth is the cutting level 100%.
  • the load length ratio Rmr (c) represents a ratio of the load length Ml (c) of the contour curve element at the cutting level c to the evaluation length (the following formula (1)). Note that ln represents the evaluation length, and m represents the number of peaks at the cutting level c.
  • the load length ratio Rmr at the position where the cutting level c is 50% is preferably 70% or less, and more preferably 50% or less.
  • the relatively small load length ratio means that even if the surface of the coating layer is worn by several ⁇ m due to initial conformance, the recess still remains, and the lubricant can be retained in this recess, so that the conformability and lubrication can be maintained. Excellent characteristics.
  • the recesses are not discontinuous like the recesses of Patent Document 1, and are continuous with each other. Therefore, a flow is generated in the lubricating oil. As a result, cooling of the sliding heat generation proceeds and the sliding characteristics are not impaired.
  • the coating layer 33 is formed in the same manner as the coating layer 32.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the structure of a thrust washer 10 according to another embodiment.
  • the thrust washer 10 is a crank washer used together with a main bearing in an engine such as an automobile, for example, and is another example of the sliding member according to the present invention.
  • the crank washer has a function of supporting a thrust force applied to the crankshaft (not shown) and positioning the cylinder block (not shown) and the crankshaft in the axial direction.
  • the main bearing and the thrust washer 10 are accommodated in the cylinder block and the cap. Both the cylinder block and the cap are examples of a housing.
  • the thrust washer 10 has a semi-ring shape.
  • the semi-annular shape refers to a shape obtained by cutting a circle having a circular hole in the center in almost half when viewed from a viewpoint away from the thrust washer in the axial direction of the shaft indicated by the bearing.
  • the direction along the circumference of the half ring is referred to as the circumferential direction
  • the direction from the center of the ring (circle) toward the outside is referred to as the radial direction.
  • the thrust washer 10 has a thrust surface 11, a mating surface 12, and a mating surface 13.
  • the thrust surface 11 is a surface that receives a thrust force. In FIG. 1, the thrust surface 11 faces the front.
  • the length perpendicular to the circumferential direction on the thrust surface 11 is referred to as the width of the thrust washer 10.
  • the mating surface 12 and the mating surface 13 are surfaces facing other thrust washers when two semi-circular thrust washers are used in combination.
  • the thrust washer 10 further has an oil groove 14 and an oil groove 15.
  • the oil groove 14 and the oil groove 15 have a function of holding lubricating oil and supplying the held lubricating oil to the thrust surface.
  • the thrust washer 10 has an outer diameter of 20 to 40 mm and a thickness of 1 to 4 mm.
  • the inner diameter of the thrust washer 10 is designed according to the size of the bearing used together, but is preferably 2.5 times or more the thickness of the thrust washer 10.
  • the width of the bottom of the oil groove is 2 to 7 mm, and the depth is 0.2 to 0.5 mm.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the thrust washer 10.
  • FIG. 2 shows a virtual cross-sectional view in which the thrust washer 10 is cut along the circumferential direction at the center in the width direction and developed in a plane.
  • the thrust washer 10 has a substrate 21 and a coating layer 22.
  • the base material 21 is formed of a material that satisfies required mechanical characteristics and sliding characteristics, for example, an iron-based, copper-based, or aluminum-based alloy. From the viewpoint of preventing adhesion between the housing and the crankshaft, the base material 21 is preferably formed of a material different from that of the housing and the crankshaft.
  • the coating layer 22 is formed on at least a part of a surface corresponding to the thrust surface 11 (hereinafter referred to as a surface 211) of the base material 21.
  • the coating layer 22 is provided in order to improve the characteristics of the thrust surface 11.
  • the surface 211 is substantially flat, and the taper / land structure is formed on the thrust surface 11 by the coating layer 22.
  • the taper / land structure refers to a surface structure having a taper portion 23 and a land portion 24.
  • the land portion refers to a portion whose surface height is higher than other portions.
  • the surface height refers to a length (distance) from a predetermined reference surface (for example, the surface 211) on the substrate 21 to the surface of the coating layer 22.
  • the taper portion is a portion where the height gradually decreases from the land portion.
  • the taper / land structure is formed along the circumferential direction, and in the cross section along the radial direction, the heights of the taper portion 23 and the land portion 24 are both constant.
  • the thrust surface 11 When the thrust surface 11 receives a thrust force, or when the thrust surface 11 slides with the mating member, an oil film pressure due to the wedge effect is generated in the taper / land structure. Further, in this example, the land portions 24 are formed on both sides of the tapered portion 23, and the oil film pressure is more effectively formed as compared with the example in which the land portion 24 is formed only on one side of the tapered portion 23. Can do.
  • the coating layer 22 is not formed on the portion of the surface 211 where the oil groove 14 and the oil groove 15 are formed, and the base material 21 is exposed.
  • the coating layer 22 is not formed on the portion of the surface 211 where the oil groove 14 and the oil groove 15 are formed, and the base material 21 is exposed.
  • the taper / land structure illustrated in FIG. 12 is formed, for example, by applying two or more times by pad printing.
  • the material of the coating layer 22 is the same as that of the coating layer 32.
  • the surface structure of the thrust surface 11 is not limited to that exemplified in the embodiment.
  • FIG. 2 shows an example in which the tapered portions 23 are provided on both sides of the land portion 24 in the circumferential cross section.
  • the taper portion 23 may be provided only on one side of the land portion 24.
  • the thrust surface 11 may have a step / land structure instead of the taper / land structure.
  • the step / land structure refers to a surface structure having a step portion and a land portion. The land portion is as described in the taper / land structure.
  • the step portion refers to a portion whose height is discretely lowered from the land portion.
  • the step / land structure is formed along the circumferential direction, and the height of each of the step portion and the land portion is constant in the cross section along the radial direction.
  • the thrust surface 11 receives a thrust force, or when the thrust surface 11 slides with the counterpart material, an oil film pressure due to the wedge effect is generated in the step / land structure.
  • the thrust surface 11 does not have a surface structure such as a taper / land structure or a step / land structure, and may be flat in portions other than the oil groove 14 and the oil groove 15.
  • FIG. 13 is a diagram showing another example of the structure of the thrust washer 10.
  • FIG. 13 schematically shows a cross-sectional view of the thrust washer 10 cut along a cross section perpendicular to the axial direction.
  • the thrust washer 10 has a thrust relief 16 on the thrust surface 11.
  • the thrust relief 16 is a relief for preventing local contact that occurs in the vicinity of the mating surface when the seating surfaces of the two housings (for example, the cylinder block and the cap) used in combination are displaced in the axial direction.
  • the coating layer 22 is not formed, and the base material 21 is exposed.
  • the thrust washer 10 may have a structure other than that illustrated in FIGS. 11 and 12.
  • the thrust washer 10 may have at least one of a mating surface relief, a detent, and a detent relief.
  • the mating surface relief is a relief for preventing local contact of a crankshaft (not shown) in the vicinity of the mating surface, and means a structure in which the inner diameter of the crank washer is wide in the vicinity of the mating surface.
  • the rotation stopper is a structure for preventing the thrust washer 10 from rotating with respect to the housing.
  • the detent is, for example, a protrusion formed on the outer periphery in the radial direction.
  • the anti-rotation relief is a relief for preventing local contact with the housing in the vicinity of the anti-rotation.
  • the shape, position, and number of oil grooves on the thrust surface 11 are not limited to those illustrated in FIGS.
  • the oil groove 14 and the oil groove 15 are formed in a direction extending radially from the center of the half ring of the thrust washer 10.
  • the oil groove may be formed to extend in a direction perpendicular to the mating surface.
  • the number of oil grooves is not limited to two, and may be one or three or more. Alternatively, the oil groove may be omitted.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a manufacturing method of the sliding member.
  • a substrate is prepared.
  • the base material is molded into a predetermined shape.
  • the base material is molded into a disk shape.
  • the base material is molded into a disk shape.
  • the thrust washer 10 is manufactured, the base material is formed in a semi-annular shape.
  • the base material is formed, for example, by cutting (cutting) or punching.
  • the surface of the substrate may be roughened.
  • a paint for forming a coating layer is prepared.
  • the binder resin and the solid lubricant are mixed by a known method. These mixtures are diluted with a diluent. Any diluent may be used. For example, N-methylpyrrolidone (NMP) is used. The blending ratio of the diluent is, for example, 30 to 70% by volume with respect to the solid content.
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • the blending ratio of the diluent is, for example, 30 to 70% by volume with respect to the solid content.
  • step S4 paint is applied to the surface of the substrate.
  • the paint is applied, for example, by pad printing, roll coating, or spray coating. When the thickness of the paint that can be applied at one time is limited, two or more overcoats may be performed.
  • step S5 the coating layer is dried and baked.
  • the surface roughness (Rzjis in JIS B 0601: 2001) of the coating layer is, for example, preferably 1 to 20 ⁇ m, and more preferably 8 to 15 ⁇ m. After application of the paint, drying and baking are performed (step S5).
  • Experimental Example Test pieces of sliding members were prepared under various conditions, and their characteristics were evaluated. More specifically, a plurality of test pieces were produced in each of the four sections of Experimental Examples 1 to 4.
  • the material and composition of the coating layer 32 are common.
  • PAI was used as the binder resin
  • MoS 2 and graphite were used as the solid lubricant.
  • 40 vol% of the solid lubricant was added to 60 vol% of the binder resin.
  • graphite was 10 vol% and MoS 2 was 30 vol%.
  • only MoS 2 was added as a solid lubricant without using graphite.
  • the average particle size of MoS 2 was about 2 ⁇ m, and the average particle size of graphite was 5 to 10 ⁇ m.
  • cast iron (FCD700) was used as the substrate.
  • Table 1 shows the measurement results of the orientation ratio and the surface roughness in Experimental Examples 1 to 4.
  • Samples coated with pad printing (Experimental Examples 1 and 4) and other methods (Experimental Example 2: roll coating, Experimental Example 3: spray coating) are compared, and the sample coated with pad printing is oriented. A high tendency was seen.
  • a thin film is laminated to obtain a desired film thickness.
  • the film thickness per layer is about the same as the size of the additive, the effect of pressing the additive is obtained, and a high orientation ratio is obtained.
  • roll coating and spray coating a film having a desired thickness is applied once. Therefore, when the additive size is used as a reference, the film thickness becomes thicker (than the pad coat), the effect of pressing the additive becomes weak, and a relatively low orientation rate can be obtained.
  • the solid lubricant is not simply dependent on the coating method. It is considered that this also depends on the particle size of the particles.
  • FIG. 7 is a graph showing the solid lubricant exposure rate in Experimental Examples 1 to 3.
  • the solid lubricant exposure rate was calculated by the following procedure. First, a photomicrograph of the coating layer surface is taken. An area of MoS 2 is specified by using image processing software from the color shading in the photographed micrograph. The area ratio of the MoS 2 region with respect to the observation region is calculated and used as the solid lubricant exposure rate. As is clear from this measurement procedure, the solid lubricant exposure rate here is the exposure rate of MoS 2 .
  • the solid lubricant exposure rates were 7.9%, 12.3%, and 7.7%.
  • the solid lubricant exposure rates were 1.3%, 0.8%, and 0.5%.
  • the solid lubricant exposure rates were 8.1%, 9.2%, and 13.0%.
  • the solid lubricant falls off the surface and the solid lubricant exposure rate is low. Conceivable.
  • a solid lubricant exposure rate of 15% was obtained.
  • FIG. 8 is a diagram showing the dependency of the coefficient of friction on the amount of MoS 2 added. This figure shows how the friction coefficient changes when the amount of MoS 2 added to the coating layer is changed when the coating layer is formed by roll coating as in Experimental Example 2. From this figure, it can be seen that the friction coefficient tends to decrease as the amount of MoS 2 added to the entire coating layer increases. From this result, it is predicted that the friction coefficient decreases as the exposure amount of MoS 2 on the sliding surface increases.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing load curves of Experimental Example 1 and Experimental Example 2.
  • 8A shows the load curve of Experimental Example 1
  • FIG. 10 is a graph showing the dependency of the contact angle of the lubricating oil on the load length ratio Rmr (50).
  • the sliding member according to the present invention is not limited to the one used as the swash plate 3 of the compressor 1 or the crank washer.
  • the sliding member according to the present invention may be used as a sliding member other than a swash plate compressor or a crank washer, such as a half bearing or a bush.
  • the material, composition, film thickness, etc. of the coating layer in the experimental example are merely examples. The present invention is not limited to this.

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Abstract

摺動部材である斜板３は、基材３１と、基材３１上に形成されたコーティング層３２とを有する。コーティング層３２は、バインダー樹脂３２１と、バインダー樹脂３２１中に分散された固体潤滑剤３２２とを有する。コーティング層３２の摺動面における固体潤滑剤３２２の露出率は７％以上である。

Description

摺動部材および斜板式コンプレッサ
　本発明は、固体潤滑剤が分散された樹脂コーティング層を有する摺動部材に関する。
　固体潤滑剤が分散された樹脂コーティング層を有する摺動部材が知られている。特許文献１には、油膜破壊および焼付きを防止するため、摺動面の端部に複数の凹部を設けた摺動部材が記載されている。この凹部の開口面積は、摺動面の端に行くにしたがって大きくなる。
特開２００４－３４０２４８号公報
　特許文献１においては、摺動面における固体潤滑剤の量が制御されておらず、油保持性において改善の余地があった。
　これに対し本発明は、油保持性が改善された摺動部材および斜板式コンプレッサを提供する。
　本発明は、基材と、前記基材上に形成されたコーティング層とを有し、前記コーティング層は、バインダー樹脂と、前記バインダー樹脂中に分散された固体潤滑剤とを有し、前記コーティング層の摺動面における前記固体潤滑剤の露出率が７％以上である摺動部材を提供する。
　前記コーティング層の摺動面における前記固体潤滑剤の露出率が１０％以上であってもよい。
　前記固体潤滑剤がｃ軸配向性を有し、前記コーティング層における前記固体潤滑剤の相対ｃ軸強度比が８０％以上であってもよい。
　負荷曲線において最大表面粗さに対し表面粗さからの深さの５０％の占有率が５０％以下であってもよい。
　前記占有率が７０％以下であってもよい。
　前記コーティング層の前記摺動面における表面粗さが１～２０μｍであってもよい。
　前記表面粗さが８～１５μｍであってもよい。
　前記基材は、斜板式コンプレッサにおいて用いられる斜板の形状を有してもよい。
　前記基材は、スラスト荷重を受けるスラスト面を有してもよい。
　前記スラスト面は、前記コーティング層により形成されたテーパ／ランド構造またはステップ／ランド構造を有してもよい。
　前記基材は、半環の形状を有し、前記スラスト面は、前記半環の周方向端においてリリーフを有し、前記リリーフには前記コーティング層が形成されなくてもよい。
　前記スラスト面は、油溝を有し、前記油溝には前記コーティング層が形成されなくてもよい。
　また、本発明は、上記いずれかの摺動部材を斜板として用いた斜板式コンプレッサを提供する。
　本発明によれば、摺動部材および斜板式コンプレッサにおいて油保持性および初期なじみ性を改善することができる。
一実施形態に係るコンプレッサ１の構造を示す断面模式図。 斜板３の構造を例示する図。 コーティング層３２の構造を例示する模式図。 コーティング層３２における固体潤滑剤３２２の配向状態を示す模式図。 図５は、コーティング層３２の負荷曲線の概要を示す模式図。 斜板３の製造方法を例示するフローチャート。 実験例１～３における固体潤滑剤露出率を示す図。 摩擦係数のＭｏＳ２添加量依存性を示す図。 実験例１および実験例２の負荷曲線を示す模式図。 潤滑油の接触角の負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）依存性を示す図。 別の実施形態に係るスラストワッシャ１０の構造を例示する図。 スラストワッシャ１０の断面構造を例示する図。 スラストワッシャ１０の構造の別の例を示す図。
１…コンプレッサ
２…シャフト
３…斜板
　３１…基材
　３２…コーティング層
　　　３２１…バインダー樹脂
　　　３２２…固体潤滑剤
　３３…コーティング層
４…ピストン
５…シュー
１０…スラストワッシャ
　１１…スラスト面
　１２…合せ面
　１３…合せ面
　１４…油溝
　１５…油溝
　１６…スラストリリーフ
　２１…基材
　　２１１…面
　２２…コーティング層
　　２２１…バインダー樹脂
　　２２２…固体潤滑剤
１．構造
１－１．構造例１
　図１は、一実施形態に係るコンプレッサ１の構造を示す断面模式図である。コンプレッサ１は、いわゆる斜板式コンプレッサである。コンプレッサ１は、シャフト２、斜板３、ピストン４、およびシュー５を有する。シャフト２は、ハウジング（図示略）に対して回転可能に支持されている。斜板３は、シャフト２の回転軸に対して斜めに固定されている。斜板３は、本発明の摺動部材の一例である。ピストン４は、ハウジングに設けられたシリンダボア（図示略）内を往復運動する。シュー５は、斜板３とピストン４との間に設けられており、斜板３およびピストン４とそれぞれ摺動する。シュー５において、斜板３と摺動する面はほぼ平坦であり、ピストン４と摺動する面はドーム状（半球状）の形状を有している。シャフト２の回転は、斜板３によりピストン４の往復運動に変換される。
　図２は、斜板３の構造を例示する図である。図２は、シュー５との摺動面に垂直な断面における構造を示す模式図である。斜板３は、基材３１、コーティング層３２、およびコーティング層３３を有する。コーティング層３２およびコーティング層３３はいずれもシュー５と摺動する。基材３１は、円板形状を有しており、要求される特性を満たす金属、例えば、鉄系、銅系、またはアルミニウム系の合金により形成される。シュー５との凝着を防ぐ観点から、斜板３はシュー５とは異なる材料で形成されることが好ましい。
　図３は、コーティング層３２の構造を例示する模式図である。コーティング層３２は、斜板３の摺動面の特性を改善するために設けられている。コーティング層３２は、バインダー樹脂３２１および固体潤滑剤３２２を有する。コーティング層３２は、例えば、２０～７０ｖｏｌ％の固体潤滑剤を含む。残部はバインダー樹脂である。バインダー樹脂３２１は、例えば熱硬化性樹脂により形成される。熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、およびポリイミド（ＰＩ）、エポキシ、ポリエーテルエーテルケトン、フェノール、エラストマーの少なくとも１種が用いられる。固体潤滑剤３２２は、潤滑特性を改善するために添加される。固体潤滑剤３２２としては、ｃ軸配向性を有する結晶性物質、例えば、ＭｏＳ２、グラファイト（Ｇｒ）、カーボン、フッ素系樹脂、軟質金属（Ｓｎ，Ｂｉ等）、ＷＳ２、およびｈ－ＢＮの少なくとも１種が用いられる。ｃ軸配向性を有する結晶性物質とは、六方晶系等、層状の結晶構造を有する物質をいう。なお、コーティング層３２は、固体潤滑剤３２２に加え、硬質粒子等の他の添加物を含んでいてもよい。硬質粒子としては、例えば、酸化物、窒化物、炭化物、および硫化物の少なくとも１種が用いられる。
　コーティング層３２の摩滅を防止する観点から、コーティング層３２の厚さは１０μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。例えば、コーティング層３２の厚さが５μｍ未満であると、コーティング層３２が摩耗して基材３１が露出してしまう場合がある。基材３１が露出すると、摩擦係数が増大したり、シュー５と凝着したりする問題が発生する。また、コーティング層３２の膜厚が厚すぎるとかえって耐焼付き性が低下する場合があることから、５０μｍ以下であることが好ましい。
　また、耐焼付き性を向上させる観点から、コーティング層３２における固体潤滑剤３２２の相対ｃ軸強度比は８０％以上であることが好ましく、８５％以上であることがより好ましい。ここで、相対ｃ軸強度比とは、Ｘ線回折における全回折ピーク強度に対する、劈開面からの回折ピーク強度の比をいう。より詳細には、相対ｃ軸強度比は、（００２）、（００４）、（１００）、（１０１）、（１０２）、（１０３）、（１０５）、（１１０）、および（００８）面からの回折ピーク強度の積算値に対する、（００２）、（００４）、および（００８）面からの回折ピーク強度の積算値の比として定義される。上記の９つの結晶面以外からの回折ピークが現れる場合もあるが、ピーク強度が弱いため相対ｃ軸強度比の算出においては無視する。
　相対ｃ軸強度比が８０％以上である、すなわち相対ｃ軸強度比が高い状態とは、コーティング層３２において固体潤滑剤３２２の結晶方位が揃っている状態を意味する。結晶方位が揃っている度合いを示しているという意味において、相対ｃ軸強度比を以下では「配向率」という。一般に固体潤滑剤は、層構造を有する結晶における層間滑りにより低い摩擦係数を示す。結晶方位が揃っているということは、層間滑りが起こる方向が揃っているということである。
　図４は、コーティング層３２における固体潤滑剤３２２の配向状態を示す模式図である。図４（Ａ）は配向率が低い状態を、図４（Ｂ）は配向率が高い状態を、それぞれ示している。これらの図では、固体潤滑剤３２２を六角形の薄片として表している。図４（Ｂ）の例では、固体潤滑剤３２２は、劈開面が摺動面にほぼ平行な方向に揃っている。図４（Ｂ）のようにコーティング層３２において固体潤滑剤３２２の配向率が高いと、摩擦係数が減少し、耐焼付き性が向上する。
　固体潤滑剤３２２の平均粒径は、例えば１～１０μｍである。平均粒径は、例えばレーザー回折法により測定される。
　図５は、コーティング層３２の負荷曲線の概要を示す模式図である。負荷曲線とは、切断レベルの関数として表された輪郭曲線要素の負荷長さ率を表す。なお負荷曲線については、ＪＩＳ　Ｂ０６０１：２０１３に規定されている。切断レベルとは摺動面の基材の表面に平行な切断面を得るための輪郭曲線の最大山高さからの深さをいう。最大山高さを切断レベル０％とし、最大谷深さを切断レベル１００％とする。負荷長さ率Ｒｍｒ（ｃ）とは、切断レベルｃにおける輪郭曲線要素の負荷長さＭｌ（ｃ）の評価長さに対する比率を表す（次式（１））。なおｌｎは評価長さを、ｍは切断レベルｃにおける山の数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     
　この例で、コーティング層３２においては、切断レベルｃが５０％の位置における負荷長さ率Ｒｍｒは７０％以下であることが好ましく、５０％以下であることがより好ましい。負荷長さ率が相対的に少ないということは、初期なじみによってコーティング層の表面が数μｍ摩耗してもまだ凹部が残っており、この凹部に潤滑油を保持することができるためなじみ性および潤滑特性に優れる。
　また、この凹部は特許文献１の凹部のように不連続なものではなく、互いに連続している。したがって潤滑油に流れが生まれる。これによって摺動発熱の冷却が進み、摺動特性が損なわれない。
　コーティング層３３は、コーティング層３２と同様に形成される。
１－２．構造例２
　図１１は、別の実施形態に係るスラストワッシャ１０の構造を例示する図である。スラストワッシャ１０は、例えば、自動車等のエンジンにおいて主軸受とともに用いられるクランクワッシャであり、本発明に係る摺動部材の別の例である。クランクワッシャとは、クランクシャフト（図示略）にかかるスラスト力を支え、かつ、シリンダブロック（図示略）とクランクシャフトとの軸方向の位置決めをする機能を有する。主軸受およびスラストワッシャ１０は、シリンダブロックおよびキャップに収容される。シリンダブロックおよびキャップはいずれもハウジングの一例である。
　スラストワッシャ１０は、半環形状を有している。半環形状とは、軸受が指示する軸の軸方向においてスラストワッシャから離れた視点から見たときに、中央に円形の孔を有する円をほぼ半分に切断した形状をいう。以下の説明において、この半環の周に沿った方向を周方向といい、環（円）の中心から外に向かう方向を径方向という。
　スラストワッシャ１０は、スラスト面１１、合せ面１２、および合せ面１３を有する。スラスト面１１は、スラスト力を受ける面である。図１ではスラスト面１１が正面を向いている。スラスト面１１における周方向に垂直な長さをスラストワッシャ１０の幅という。合せ面１２および合せ面１３は、半環のスラストワッシャを２つ組み合わせて用いる場合に、他のスラストワッシャと対向する面である。スラストワッシャ１０は、さらに、油溝１４および油溝１５を有する。油溝１４および油溝１５は、潤滑油を保持し、保持した潤滑油をスラスト面に供給する機能を有する。
　あくまで一例ではあるが、スラストワッシャ１０のサイズは、外径が２０～４０ｍｍであり、厚さが１～４ｍｍである。スラストワッシャ１０の内径は一緒に使用する軸受のサイズに応じて設計されるが、スラストワッシャ１０の厚さの２．５倍以上であることが好ましい。油溝の底の幅は２～７ｍｍであり、深さは０．２～０．５ｍｍである。
　図１２は、スラストワッシャ１０の断面構造を例示する図である。図２は、スラストワッシャ１０を幅方向の中央において周方向に沿って切断し、これを平面に展開した仮想的な断面図を示している。スラストワッシャ１０は、基材２１およびコーティング層２２を有する。基材２１は、要求される機械的特性および摺動特性を満たす材料、例えば、鉄系、銅系、またはアルミニウム系の合金により形成される。ハウジングおよびクランクシャフトとの凝着を防ぐ観点から、基材２１はハウジングおよびクランクシャフトとは異なる材料で形成されることが好ましい。コーティング層２２は、基材２１のうちスラスト面１１に相当する面（以下、面２１１という）の少なくとも一部に形成される。コーティング層２２は、スラスト面１１の特性を改善するために設けられる。
　この例で、面２１１はほぼ平坦であり、コーティング層２２によりスラスト面１１にはテーパ／ランド構造が形成される。テーパ／ランド構造とは、テーパ部２３およびランド部２４を有する表面構造をいう。ランド部とは、他の部分よりも表面の高さが高くなる部分をいう。表面の高さとは、基材２１における所定の基準面（例えば面２１１）からコーティング層２２の表面までの長さ（距離）をいう。テーパ部とは、ランド部から高さが徐々に低くなる部分をいう。この例ではテーパ／ランド構造は周方向に沿って形成されており、径方向に沿った断面においては、テーパ部２３およびランド部２４の高さはいずれも、それぞれ一定である。スラスト面１１がスラスト力を受ける場合、またはスラスト面１１が相手材と摺動する場合には、テーパ／ランド構造においてくさび効果による油膜圧力が発生する。さらに、この例では、テーパ部２３の両側にランド部２４が形成されており、テーパ部２３の片側のみにランド部２４が形成される例と比較してより効果的に油膜圧力を形成することができる。
　また、この例で、面２１１のうち油溝１４および油溝１５が形成される部分には、コーティング層２２は形成されておらず、基材２１が露出する。このように、油溝にコーティング層を形成しないことにより、油溝にコーティング層が形成される例と比較して潤滑油の保持力を向上させることができる。さらに、油溝にコーティング層が形成される例と比較してコーティング層の材料の使用量を低減することができる。
　図１２で例示したテーパ／ランド構造は、例えば、パッド印刷により２回以上の重ね塗りをすることによって形成される。なお、コーティング層２２の材料は、コーティング層３２と同様である。
　なお、スラスト面１１の表面構造は実施形態で例示したものに限定されない。例えば、図２では、周方向断面においてランド部２４の両側にテーパ部２３が設けられる例を示した。しかし、ランド部２４の片側のみにテーパ部２３が設けられてもよい。例えばワッシャの摺動方向が特定の方向に限られる用途においては、片側のみにテーパを設ける構造は有用である。別の例で、スラスト面１１は、テーパ／ランド構造に代えて、ステップ／ランド構造を有していてもよい。ステップ／ランド構造とは、ステップ部およびランド部を有する表面構造をいう。ランド部についてはテーパ／ランド構造において説明したとおりである。ステップ部とは、ランド部から高さが離散的に低くなる部分をいう。ステップ／ランド構造は周方向に沿って形成されており、径方向に沿った断面においては、ステップ部およびランド部の高さはいずれも、それぞれ一定である。スラスト面１１がスラスト力を受ける場合、またはスラスト面１１が相手材と摺動する場合には、ステップ／ランド構造においてくさび効果による油膜圧力が発生する。さらに別の例で、スラスト面１１は、テーパ／ランド構造またはステップ／ランド構造のような表面構造を有さず、油溝１４および油溝１５以外の部分においては平坦であってもよい。
　図１３は、スラストワッシャ１０の構造の別の例を示す図である。図１３は、スラストワッシャ１０を軸方向に垂直な断面で切断した断面図を模式的に示す。この例で、スラストワッシャ１０は、スラスト面１１においてスラストリリーフ１６を有する。スラストリリーフ１６は、組み合わせて用いる２つのハウジング（例えばシリンダブロックおよびキャップ）の座面が軸方向にズレたときに合せ面近傍において発生する局部当たりを防止するための逃がしである。この例で、スラストリリーフ１６において、合わせ面１３側の端を含む少なくとも一部においては、コーティング層２２が形成されておらず、基材２１が露出している。
　スラストワッシャ１０は、図１１および図１２に例示した以外の構造を有していてもよい。例えば、スラストワッシャ１０は、合せ面リリーフ、回り止め、および回り止めリリーフのうち少なくとも１つを有してもよい。合せ面リリーフとは、合せ面近傍におけるクランクシャフト（図示略）の局部当たりを防止するための逃がしであり、合せ面近傍においてクランクワッシャの内径が広くなる構造をいう。回り止めは、スラストワッシャ１０がハウジングに対して回転するのを防止するための構造である。回り止めは、例えば、径方向の外周に形成された突起である。回り止めリリーフは、回り止め近傍においてハウジングとの局部当たりを防止するための逃がしである。
　スラスト面１１における油溝の形状、位置および数は図１１および図１２に例示したものに限定されない。図１１および図１２の例では、油溝１４および油溝１５は、スラストワッシャ１０の半環の中心から放射状に延びる方向に形成された。しかし、油溝は、合せ面に垂直な方向に延びるように形成されてもよい。また、油溝の数は２本に限定されず、１本でも３本以上でもよい。あるいは、油溝が省略されてもよい。
２．製造方法
　図６は、摺動部材の製造方法を例示するフローチャートである。ステップＳ１において、基材が準備される。ステップＳ２において、基材が所定の形状に成型される。この例では、基材が円板状に成型される。斜板３が製造される場合、基材は円板状に成型される。スラストワッシャ１０が製造される場合、基材は半環状に成形される。基材の成形は、例えば、切断（切り出し）または打ち抜きにより行われる。基材とコーティング層との密着性を高めるため、基材の表面が粗面化されてもよい。
　ステップＳ３において、コーティング層を形成するための塗料が準備される。まず、バインダー樹脂および固体潤滑剤が公知の方法で混合される。これらの混合体は、希釈剤で希釈される。希釈剤としてはどのようなものが用いられてもよいが、例えば、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）が用いられる。希釈剤の配合比率は、固形分に対して例えば３０～７０体積％である。
　ステップＳ４において、基材の表面に塗料が塗布される。塗料は、例えば、パッド印刷、ロールコーティング、またはスプレーコーティングにより塗布される。１回で塗布できる塗料の厚さが制限される場合、２回以上の重ね塗りが行われてもよい。ステップＳ５において、塗布層は乾燥および焼成される。コーティング層の表面粗さ（ＪＩＳ　Ｂ　０６０１：２００１におけるＲｚｊｉｓ）は、例えば１～２０μｍであることが好ましく、８～１５μｍであることがより好ましい。塗料の塗布後、乾燥・焼成が行われる（ステップＳ５）。
３．実験例
　種々の条件で摺動部材の試験片を作製し、これらの特性を評価した。より詳細には、実験例１～４の４つの区分において、それぞれ複数の試験片を作製した。実験例１～４において、コーティング層３２の材料および組成は共通である。バインダー樹脂としてはＰＡＩが、固体潤滑剤としてはＭｏＳ２およびグラファイトが用いられた。実験例１～４では、バインダー樹脂６０ｖｏｌ％に対して固体潤滑剤を４０ｖｏｌ％を添加した。実験例１～３において、グラファイトが１０ｖｏｌ％、ＭｏＳ２が３０ｖｏｌ％であった。実験例４では固体潤滑剤としてグラファイトは用いずＭｏＳ２のみを添加した。実験例１～４において、ＭｏＳ２の平均粒径は約２μｍであり、グラファイトの平均粒径は５～１０μｍであった。基材としては、鋳鉄（ＦＣＤ７００）を用いた。
　実験例１～４においては、コーティング層を形成するための塗料の塗布方法およびコーティング層の膜厚が異なっている。より具体的には、実験例１および４は、パッド印刷によりコーティング層が形成されたのに対し、実験例２はロールコーティングにより、実験例３はスプレーコーティングによりコーティング層が形成された。これらの実験例１～４に対して、配向率および表面粗さを測定した。また、実験例１および２に対して、最表面における固体潤滑剤露出率、負荷長さ率（ｃ＝５０％時）、摩擦係数、および潤滑油の接触角を測定した。
　表１は、実験例１～４における配向率および表面粗さの測定結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　コーティング層をパッド印刷で塗布した試料（実験例１および４）と他の方法（実験例２：ロールコーティング、実験例３：スプレーコーティング）とを対比すると、パッド印刷で塗布した試料の方が配向率が高い傾向が見られた。パッドコートでは薄い膜を積層して所望の膜厚を得ている。１層あたりの膜厚は添加剤のサイズと同等程度になり、添加剤を押しつける効果が得られ、高い配向率が得られる。一方で、ロールコーティングおよびスプレーコーティングでは１回で所望の厚さの膜を塗布している。そのため、添加剤のサイズを基準とすると膜厚は（パッドコートよりも）厚くなり、添加剤を押しつける効果が弱くなり、相対的に低い配向率が得られる。
　表面粗さに関しては、塗料の塗布方法が同じである実験例１と実験例４とにおいて表面粗さが相違していることから、単に塗布方法のみに依存しているのではなく、固体潤滑剤の粒径にも依存していると考えられる。
　図７は、実験例１～３における固体潤滑剤露出率を示す図である。固体潤滑剤露出率は以下の手順で算出した。まずコーティング層表面の顕微鏡写真を撮影する。撮影した顕微鏡写真における色の濃淡から画像処理ソフトウェアを用いてＭｏＳ２の領域を特定する。観察領域に対するＭｏＳ２領域の面積率を算出し、固体潤滑剤露出率とする。なお、この測定手順から明らかなように、ここでいう固体潤滑剤露出率は、ＭｏＳ２の露出率である。
　実験例１の３片の試料において、固体潤滑剤露出率は、７．９％、１２．３％、および７．７％であった。実験例２の３片の試料において、固体潤滑剤露出率は、１．３％、０．８％、および０．５％であった。実験例３の３片の試料において、固体潤滑剤露出率は、８．１％、９．２％、および１３．０％であった。実験例２においてはロールコーティングにより塗料を塗布した後で表面を仕上げ処理（研磨等）しているため、その際に固体潤滑剤が表面から脱落し、固体潤滑剤露出率が低くなっていると考えられる。なお、実験例１と同じ方法で作成した試料では、固体潤滑剤露出率が１５％のものも得られている。
　図８は、摩擦係数のＭｏＳ２添加量依存性を示す図である。この図は、実験例２と同様にロールコーティングでコーティング層を形成した場合において、コーティング層へのＭｏＳ２添加量を変えたときに摩擦係数がどう変化するかを示している。この図から、コーティング層全体のＭｏＳ２添加量が増加すると摩擦係数が低下する傾向があることが分かる。この結果から、摺動面におけるＭｏＳ２の露出量が増加すると摩擦係数が低減することが予測される。
　実験例１および実験例２について潤滑油の接触角を測定すると、それぞれ、約２°および約４°であった。このように実験例１において潤滑油の接触角すなわち油保持性が異なっている理由を検討する。
　図９は、実験例１および実験例２の負荷曲線を示す模式図である。図８（Ａ）は実験例１の負荷曲線を、図８（Ｂ）は実験例２の負荷曲線を、それぞれ示している。実験例１と実験例２とを対比すると、実験例１では負荷長さ率が相対的に一様に増加しているのに対し、実験例２では相対的に浅いところで負荷長さ率が急に増加し、深いところで負荷長さ率が緩やかに増加するという、２段階の変化を示している。詳細には、ｃ＝５０％において、実験例１では負荷長さ率が４０％、実験例２では約９０％であった。
　図１０は、潤滑油の接触角の負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）依存性を示す図である。Ｒｍｒ（５０）は、ｃ＝５０％における負荷長さ率を示す。負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が小さい方が、接触角が小さい、すなわち親油性が高い傾向が見られた。この結果から、実験例１および実験例２における接触角は負荷曲線の違いによるものであると考えられる。
　なお、本発明に係る摺動部材は、コンプレッサ１の斜板３、またはクランクワッシャとして用いられるものに限定されない。本発明に係る摺動部材は、半割軸受やブシュなど、斜板式コンプレッサまたはクランクワッシャ以外の摺動部材として用いられてもよい。実験例におけるコーティング層の材料、組成、膜厚等はあくまで例示である。本発明はこれに限定されるものではない。

Claims (13)

  1. 　基材と、
    　前記基材上に形成されたコーティング層と
    　を有し、
    　前記コーティング層は、
    　　バインダー樹脂と、
    　　前記バインダー樹脂中に分散された固体潤滑剤と
    　を有し、
    　前記コーティング層の摺動面における前記固体潤滑剤の露出率が７％以上である
    　摺動部材。
  2. 　前記コーティング層の摺動面における前記固体潤滑剤の露出率が１０％以上である
    　ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 　前記固体潤滑剤がｃ軸配向性を有し、
    　前記コーティング層における前記固体潤滑剤の相対ｃ軸強度比が８０％以上である
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
  4. 　負荷曲線において最大表面粗さに対し表面粗さからの深さの５０％の占有率が７０％以下である
    　ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の摺動部材。
  5. 　前記占有率が５０％以下である
    　ことを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
  6. 　前記コーティング層の前記摺動面における表面粗さが１～２０μｍである
    　ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の摺動部材。
  7. 　前記表面粗さが８～１５μｍである
    　ことを特徴とする請求項６に記載の摺動部材。
  8. 　前記基材は、斜板式コンプレッサにおいて用いられる斜板の形状を有する
    　ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の摺動部材。
  9. 　前記基材は、スラスト荷重を受けるスラスト面を有する
    　ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の摺動部材。
  10. 　前記スラスト面は、前記コーティング層により形成されたテーパ／ランド構造またはステップ／ランド構造を有する
    　ことを特徴とする請求項９に記載の摺動部材。
  11. 　前記基材は、半環の形状を有し、
    　前記スラスト面は、前記半環の周方向端においてリリーフを有し、
    　前記リリーフには前記コーティング層が形成されない
    　ことを特徴とする請求項９または１０に記載の摺動部材。
  12. 　前記スラスト面は、油溝を有し、
    　前記油溝には前記コーティング層が形成されない
    　ことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の摺動部材。
  13. 　請求項１ないし７のいずれか一項に記載の摺動部材を斜板として用いた斜板式コンプレッサ。
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