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JP5465270B2 - 樹脂摺動部材 - Google Patents

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Description

本発明は、鉛や鉛化合物を含有しない摩擦摩耗特性に優れた樹脂摺動部材に係り、自動車などの各種車両における軸受や一般産業機械における軸受などに好適な樹脂摺動部材に関するものである。
従来、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂は、合成樹脂の中でも耐熱性や摺動特性に優れており、特に境界潤滑下や流体潤滑下において耐負荷能力や耐熱性が要求される部位の摺動部材として使用されている。また、ＰＥＥＫ樹脂にフッ化カルシウムを添加することで、耐摩耗性が向上することが知られている。
特開昭６１−１１８４５２号公報
特許文献１のように合成樹脂に金属フッ化物、特にはフッ化カルシウムを含有させた樹脂摺動部材は、合成樹脂マトリックスの強度低下を抑制することで、樹脂摺動部材の耐摩耗性を向上させられるという利点があるものの、初期摩耗後には合成樹脂が摩耗し、相手軸と硬質なフッ化カルシウムが直接接触するため、摩擦係数が高くなる。また、ＰＥＥＫ樹脂は、ガラス転移点が１４３℃であるが、ＰＥＥＫ樹脂がマトリックスである樹脂摺動部材は、摺動時に、ＰＥＥＫ樹脂のガラス転移点を越える温度まで発熱すると、良好な摺動特性を得られないという問題があった。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、耐摩耗性に優れていながらも、定常摩耗時の摩擦係数の上昇を抑えることができる樹脂摺動部材を提供することにある。
上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明は、粒子として分散しているフッ化カルシウムが０．５〜２５体積％と残部がポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる樹脂摺動部材において、前記フッ化カルシウムは結晶性を有し、摺動面に露出している前記フッ化カルシウムの（１１１）面の強度ピークが（２２０）面の強度ピークよりも大きくなることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の樹脂摺動部材において、さらに固体潤滑剤を０．５〜２０体積％含有することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項２記載の樹脂摺動部材において、前記固体潤滑剤は、弗素樹脂、グラファイト、二硫化モリブデンから選択される少なくとも１種以上であることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の樹脂摺動部材において、さらに無機充填剤を０．５〜２０体積％含有することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項４記載の樹脂摺動部材において、前記無機充填剤は、硫酸バリウム、リン酸塩化合物、チタン酸カリウム、アルミナ、酸化鉄、カーボンファイバーから選択される少なくとも１種以上であることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の樹脂摺動部材において、前記フッ化カルシウムの平均粒径は、１〜２０μｍであることを特徴とする。
請求項１に係る発明は、粒子として分散しているフッ化カルシウムが０．５〜２５体積％と残部がＰＥＥＫ樹脂からなる樹脂摺動部材において、フッ化カルシウムは結晶性を有し、摺動面に露出しているフッ化カルシウムの（１１１）面の強度ピークを（２２０）面の強度ピークよりも大きくした。結晶性を有するフッ化カルシウムは（１１１）面がへき開面であり、摺動面に露出するフッ化カルシウムの粒子の表面に（１１１）面を多く存在させることで、定常摩耗時の摩擦係数の上昇を抑えることができる。
天然のフッ化カルシウムは、（２２０）面の強度ピークが（１１１）面の強度ピークよりも大きくなる結晶配向性を有する。このような結晶配向性を有するフッ化カルシウムをＰＥＥＫ樹脂に分散させた樹脂摺動部材を用いた場合、初期摩耗時には樹脂摺動部材の摺動面におけるフッ化カルシウム及びＰＥＥＫ樹脂が相手軸と接触する摺動になっているが、定常摩耗時には摺動面におけるＰＥＥＫ樹脂が優先的に摩耗し、フッ化カルシウムが摺動面に突起した状態になる。そして、樹脂摺動部材の摺動面に突起したフッ化カルシウムが主に相手軸と接触する摺動になると、定常摩耗時の摩擦係数が上昇しやすい。
しかしながら、本発明の樹脂摺動部材では、表面に（１１１）面のへき開面が多数存在するように結晶配向させたフッ化カルシウムの粒子をＰＥＥＫ樹脂に分散させることで、フッ化カルシウムが相手軸と接触した際に、フッ化カルシウムが粒子の表面近くの結晶内部のへき開面で微小せん断（へき開）を起こし、摺動面にフッ化カルシウムが突起した状態となることが抑制されるようになる。このため、樹脂摺動部材の定常摩耗時の摩擦係数の上昇を抑えることができる。
なお、フッ化カルシウムの充填量は、０．５〜２５体積％としているが、フッ化カルシウムの充填量が０．５体積％未満では、耐摩耗性で十分な効果を発揮し難い。一方、フッ化カルシウムの充填量が２５体積％を超えると、フッ化カルシウムの（１１１）面の強度ピークを（２２０）面の強度ピークよりも大きくしても、定常摩耗時の摩擦係数が上昇してしまう。
また、請求項２に係る発明のように、本発明の樹脂摺動部材は、さらに固体潤滑剤を０．５〜２０体積％含有させることで、樹脂摺動部材の摺動特性を高めることができる。また、請求項３に係る発明のように、固体潤滑剤は、弗素樹脂、グラファイト、二硫化モリブデンから選択される少なくとも１種以上であることが好ましいが、他の固体潤滑剤を用いることもできる。
また、請求項４に係る発明のように、本発明の樹脂摺動部材は、さらに無機充填剤を０．５〜２０体積％含有させることで、樹脂摺動部材の摺動特性を高めることができる。また、請求項５に係る発明のように、無機充填剤は、硫酸バリウム、リン酸塩化合物、チタン酸カリウム、アルミナ、酸化鉄、カーボンファイバーから選択される少なくとも１種以上であることが好ましいが、他の無機化合物を用いることもできる。
また、請求項６に係る発明のように、フッ化カルシウムの平均粒径は、１〜２０μｍであることが好ましい。フッ化カルシウムの平均粒径が小さいほど、単位体積あたりの表面積が大きくなり、ＰＥＥＫ樹脂マトリックスと強固につながれるため、ＰＥＥＫ樹脂マトリックスからの脱落が少なくなる。このため、フッ化カルシウムの平均粒径は、２０μｍ以下であることが好ましい。
ＰＥＥＫ樹脂にフッ化カルシウムを分散させた樹脂摺動部材を示す模式図である。 本実施形態に係るフッ化カルシウムのＸＲＤ法による測定結果を示す図である。 本実施形態に係るフッ化カルシウムのＸＲＤ法による測定結果を示す図である。 本実施形態に係る樹脂摺動部材を用いた摺動試験の結果を示す図である。 本実施形態に係る樹脂摺動部材を用いた摺動試験の結果を示す図である。
本実施形態に係るフッ化カルシウム５をポリエーテルエーテルケトン樹脂４（以下、「ＰＥＥＫ」と称する）に分散させた樹脂摺動部材１を以下に説明する手順で作成した。まず、実施例１〜３，１３は、ＰＥＥＫ樹脂４（ピクトレックス社製「４５０G（商品名）」）とフッ化カルシウム５を、実施例４〜６は、さらに所定の固体潤滑剤を、実施例７〜１２は、さらに所定の無機充填剤を、表１に示す組成で撹拌混合し、得られた樹脂を３８０℃中の雰囲気中で溶融混錬しながら、押出すことにより表１に示す組成のペレットを作製した。次いで、得られたペレットからシート用押出し成型機を用いてシートを作製した後、得られたシートを予め３５０℃に加熱した金属基材の表面に加圧しながら被覆した。なお、金属基材には、予め準備した鋼裏金層２と多孔質金属層３とからなるものを用い、樹脂組成物を多孔質金属層３側に含浸被覆した。そして、樹脂組成物が内径側となるように円筒形状にすることにより、図１に示すように、ＰＥＥＫ樹脂４にフッ化カルシウム５を分散させた樹脂摺動部材１を作製した。なお、表１には、実施例１〜１３及び比較例１，２について、樹脂組成物の成分組成、フッ化カルシウム５の（１１１）面と（２２０）面の強度ピーク比、摺動試験の試験開始から１００ｈ後の摩擦係数及び背面温度を示している。なお、背面温度とは、円筒形状の樹脂摺動部材１の鋼裏金層２側を熱電対によって測定した温度である。
Figure 0005465270
実施例１〜１２では、フッ化カルシウム５として、天然のフッ化カルシウム粉末を乾燥状態で円筒状のケースに投入し、そのケースを円周方向に高速回転させ、遠心力により内壁面に押し付けて粉末層を形成する工程、その後その粉末層を摩擦片により摺りこむように内壁面に押し付けて圧縮力を加える工程、その後その粉末層を内壁面から掻きとり剪断する工程を順に繰り返し施して粉砕し、ＸＲＤ法にて測定した際にフッ化カルシウム５の（１１１）面と（２２０）面の強度ピーク比が１．３：１となるように結晶配向させたものを使用した。このフッ化カルシウム５のＸＲＤ法による測定結果を図２に示す。また、このフッ化カルシウム５をＰＥＥＫ樹脂４に分散させた樹脂摺動部材１の作製後においても、摺動面に露出するフッ化カルシウム５をＸＲＤ法にて測定した際にフッ化カルシウム５の（１１１）面と（２２０）面の強度ピーク比が１．３：１となった。なお、本実施形態では、上記工程で作製したフッ化カルシウム５として、ホソカワミクロン（株）社製「オングミル（商品名）」を使用して粉砕した。また、実施例１では、平均粒径が１μｍのフッ化カルシウム５、実施例３では、平均粒径が２０μｍのフッ化カルシウム５、実施例２，４〜１２では、平均粒径が６μｍのフッ化カルシウム５をそれぞれＰＥＥＫ樹脂４に混合した。
また、実施例１３では、フッ化カルシウム５を実施例１〜１２と同様の方法で作成するが、粉末層をケース内壁面に押し付ける圧力を実施例1〜３の作成での圧力の約７割にすることにより、ＸＲＤ法にて測定した際にフッ化カルシウム５の（１１１）面と（２２０）面の強度ピーク比が１．１：１となるように結晶配向させたものを使用した。このフッ化カルシウム５をＰＥＥＫ樹脂４に分散させた樹脂摺動部材１の作製後においても、摺動面に露出するフッ化カルシウム５をＸＲＤ法にて測定した際にフッ化カルシウム５の（１１１）面と（２２０）面の強度ピーク比が１．１：１となった。なお、実施例１３では、平均粒径が６μｍのフッ化カルシウム５をＰＥＥＫ樹脂４に１０体積％の組成で混合した。
一方、比較例１では、フッ化カルシウムとして、飽和フッ化ナトリウム水溶液に塩化カルシウム水溶液を加えることによりフッ化カルシウムを沈殿法により調整し、沈殿物を分離し、遠心分離およびろ過によりナトリウムおよび塩素を洗浄して除き、乾燥し粉砕したものを使用した。この方法により得られたフッ化カルシウムは、特開昭６１−１１８４５２号公報（特許文献１）に記載されたフッ化カルシウムと同じくアモルファスであり、結晶構造を有さない。なお、比較例１では、ＰＥＥＫ樹脂４にフッ化カルシウムを１０体積％の組成で混合した。
また、比較例２では、フッ化カルシウムとして、天然のフッ化カルシウムをボールミルにて粉砕することにより、ＸＲＤ法にて測定した際にフッ化カルシウムの（１１１）面と（２２０）面の強度ピーク比が０．９：１となるものを使用した。このフッ化カルシウムのＸＲＤ法による測定結果を図３に示す。また、このフッ化カルシウムをＰＥＥＫ樹脂に分散させた樹脂摺動部材の作製後においても、摺動面においてＸＲＤ法にて測定した際にフッ化カルシウムの（１１１）面と（２２０）面の強度ピーク比が０．９：１となった。なお、比較例２では、平均粒径が６μｍのフッ化カルシウムをＰＥＥＫ樹脂４に１０体積％の組成で混合した。
なお、フッ化カルシウム粉末の作製法において、実施例１〜１３では、遠心力により内壁面に押し付けて粉末層を形成する工程、その後その粉末層を摩擦片により摺りこむように内壁面に押し付けて圧縮力を加える工程、その後その粉末層を内壁面から掻きとり剪断する工程が順に繰り返される。これらの工程のうち、粉末層を摩擦片により摺りこむように内壁面に押し付けて圧縮力を加える工程では、その圧縮力によりフッ化カルシウムが（１１１）面のへき開面でへき開を起こしやすく、多くのへき開面が新たに露出する。新たに露出したへき開面は、活性状態であるため、新たに露出した他のへき開面と結合しやすい。しかし、粉末層を内壁面から掻きとり剪断する工程では、新たに露出した（１１１）面のへき開面を維持した状態で掻きとることによりへき開面同士が接触する割合が低く、へき開面同士の再結合が少なくなる。このため、フッ化カルシウムの粒子の表面には、（１１１）面のへき開面が多く存在するようになると考えられる。一方、比較例２では、セラミックなどの硬質物のボールと粉砕したい材料を容器の中に入れ、粉砕する一般的なボールミルを使用している。天然のフッ化カルシウムをボールミルにて粉砕した際、（１１１）面のへき開面が新たに露出したとしても、ボールミルを使用した場合にはへき開面同士が接触する割合が高く、へき開面同士の再結合が起きやすくなる。このため、天然のフッ化カルシウムをボールミルで粉砕した粒子の結晶配向性は、粉砕前と変化がないと考えられる。
次に、本実施形態に係る樹脂摺動部材１を用いた実施例１〜１３と比較例１，２について、無潤滑状態の摺動試験機を用いて摺動試験を行った。摺動試験では、作製した樹脂摺動部材１をハウジングに圧入した後、表２に示す試験条件にて実施し、摩擦係数を測定した。実施例１〜１３と比較例１，２の試験結果として、試験開始から１００ｈ後の摩擦係数を表１に示す。また、実施例１〜１３と比較例１，２のうち、平均粒径が６μｍのフッ化カルシウム５をＰＥＥＫ樹脂４に１０体積％の組成で混合した実施例２，１３と比較例１，２の試験結果として、試験開始から１００ｈ後までの摩擦係数の変化を図４に、背面温度の変化を図５に示す。
Figure 0005465270
表１に示すように、実施例１〜１３では、試験開始から１００ｈ後の摩擦係数が０．２５〜０．３６の範囲で低く安定しているのに対し、比較例１，２では、試験開始から１００ｈ後の摩擦係数が０．５０〜０．５２の範囲で高くなっている。つまり、摺動面に露出するフッ化カルシウム５の（１１１）面の強度ピークを（２２０）面の強度ピークよりも大きくすることで、定常摩耗時の摩擦係数を低く抑えることができる。
また、図４に示すように、実施例２，１３及び比較例１，２では、試験開始から１０ｈ後までの摩擦係数が一様に０．２９〜０．３３の範囲で低く安定しているが、２０ｈを超えて初期摩耗が終わると、比較例１，２では、摩擦係数が上昇し、さらに６０ｈ付近から１００ｈにかけて再度、摩擦係数が上昇し、最終的に摩擦係数が０．５２程度となっている。これは、図５に示すように、背面温度が６０ｈ付近で１００℃に達した後、背面温度が急激に上昇していることから、実際の摺動面ではＰＥＥＫ樹脂のガラス転移点である１４３℃を越えており、ＰＥＥＫ樹脂本来の良好な摺動特性を発揮できていないことが原因と考えられる。一方、実施例２，１３では、試験開始から１００ｈ後までの摩擦係数が０．３０〜０．３５の範囲で低く安定している。つまり、摺動面に露出するフッ化カルシウム５の（１１１）面の強度ピークを（２２０）面の強度ピークよりも大きくすることで、初期摩耗時だけでなく、定常摩耗時の摩擦係数の上昇を抑えることができる。また、実施例２，１３では、１００ｈ後の背面温度が７４℃程度であり、実際の摺動面でもＰＥＥＫ樹脂のガラス転移点を越えることがないため、ＰＥＥＫ樹脂本来の良好な摺動特性を発揮することができる。
また、本実施形態では、鋼裏金層２上に形成された多孔質金属層３の多孔質部分および表面に樹脂摺動部材１の組成物を含浸被覆させたが、鋼裏金層上に多孔質金属層を形成することなく、鋼裏金層等の基材上に樹脂摺動部材１の組成物を被覆させてもよい。また、本発明の樹脂摺動部材１は、基材に被覆することなく使用することもできる。
１ 樹脂摺動部材
２ 鋼裏金層
３ 多孔質金属層
４ ＰＥＥＫ樹脂
５ フッ化カルシウム

Claims (6)

  1. 粒子として分散しているフッ化カルシウムが０．５〜２５体積％と残部がポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる樹脂摺動部材において、
    前記フッ化カルシウムは結晶性を有し、
    摺動面に露出している前記フッ化カルシウムの（１１１）面の強度ピークが（２２０）面の強度ピークよりも大きくなることを特徴とする樹脂摺動部材。
  2. 前記樹脂摺動部材は、さらに固体潤滑剤を０．５〜２０体積％含有することを特徴とする請求項１記載の樹脂摺動部材。
  3. 前記固体潤滑剤は、弗素樹脂、グラファイト、二硫化モリブデンから選択される少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項２記載の樹脂摺動部材。
  4. 前記樹脂摺動部材は、さらに無機充填剤を０．５〜２０体積％含有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の樹脂摺動部材。
  5. 前記無機充填剤は、硫酸バリウム、リン酸塩化合物、チタン酸カリウム、アルミナ、酸化鉄、カーボンファイバーから選択される少なくとも１種以上であることを特徴とする請求項４記載の樹脂摺動部材。
  6. 前記フッ化カルシウムの平均粒径は、１〜２０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の樹脂摺動部材。
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