(57)【要約】【課題】摺動部材において耐疲労強度を改善する。【解決手段】一実施形態に係る摺動部材は、相手材を支持するための面を有する形状を有し、当該面に金属焼結層が露出していない基材と、前記内周面に形成され、耐疲労強度が５０ＭＰａ以上の樹脂コーティング層とを有する。【選択図】図２
2020125839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手材を支持するための面を有する形状を有し、当該面に金属焼結層が露出していない基材と、
前記面に形成され、耐疲労強度が５０ＭＰａ以上である樹脂コーティング層と
を有する摺動部材。
【請求項２】
耐疲労強度が８０ＭＰａ以上である
請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
前記面の表面粗さが６０μｍＲｚＪＩＳ以下である
請求項１又は２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記相手材が軸であり、
前記基材が、前記軸を支持するための内周面を有する円筒形状を有する
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項５】
前記内周面において、前記軸の軸方向の表面粗さが、当該軸の周方向の表面粗さよりも大きい
請求項４に記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
摺動面の特性を改善するため、裏金の表面に樹脂コーティング層を形成した摺動部材が知られている。例えば特許文献１には、バインダー樹脂としてＰＡＩ樹脂を、固体潤滑剤として黒鉛を用いた摺動部材が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５６８３５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
引用文献１の摺動部材においては、樹脂コーティング層と下地層（裏金）との密着性を向上させるため、下地層の表面に金属焼結層が形成されている。しかし、このような摺動部材においては、金属焼結層の上端部分に応力が集中してしまい、その結果、樹脂コーティング層の耐疲労強度が低下してしまうという問題があった。耐疲労強度を改善するには樹脂コーティング層を薄くする手法もあるが、樹脂コーティング層が薄すぎると使用に伴い樹脂コーティング層が摩耗して下地層が露出してしまうという問題があった。
【０００５】
これに対し本発明は、摺動部材において耐疲労強度を改善する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、相手材を支持するための面を有する形状を有し、当該面に金属焼結層が露出していない基材と、前記面に形成され、耐疲労強度が５０ＭＰａ以上である樹脂コーティング層とを有する摺動部材を提供する。
【０００７】
耐疲労強度が８０ＭＰａ以上であってもよい。
【０００８】
前記面の表面粗さが６０μｍＲｚＪＩＳ以下であってもよい。
【０００９】
前記相手材が軸であり、前記基材が、前記軸を支持するための内周面を有する円筒形状を有してもよい。
【００１０】
前記内周面において、前記軸の軸方向の表面粗さが、当該軸の周方向の表面粗さよりも大きくてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、摺動部材において耐疲労強度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態に係るブシュ１の外観を例示する図。
【図２】ブシュ１の断面構造を例示する図。
【図３】本体１１及び樹脂層１３の表面構造を例示する図。
【図４】摩耗試験の結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
１．構成
図１は、一実施形態に係るブシュ１の外観を例示する図である。ブシュ１は、本実施形態に係る摺動部材の一例である。ブシュ１は、例えば燃料噴射ポンプにおいて用いられる。ブシュ１は、本体１１を有する。本体１１は、相手軸９（相手材の一例）を支持するための内周面を有する円筒形状を有する。本体１１は、部品として要求される強度及び信頼性を確保するため、例えば金属（具体的には、鋼、鋳鉄、アルミニウム合金、又は銅合金等）で形成される。本体１１は、単層の金属で形成されてもよいし、複層の金属（例えば、裏金及びライニング層）で形成されてもよい。
【００１４】
図２は、ブシュ１の断面構造を例示する図である。図２は、摺動面に垂直な断面を示している。ブシュ１は、本体１１（基材又は裏金の一例）及び樹脂層１３（樹脂コーティング層の一例）を有する。ある種のブシュにおいては、樹脂層の下地となる基材の表面に金属（例えば銅又は銅合金）の粉末で形成された焼結層が形成されるが、本実施形態に係るブシュ１は焼結層を有さない（金属焼結層が露出していない）。焼結層を有さないことにより、樹脂層のうち焼結層の上端部分における応力集中を低減することができ、ひいては耐疲労強度を向上させることができる。
【００１５】
焼結層を有さない代わりに、本体１１のうち樹脂層１３が形成される表面には粗面化処理が施されている。表面形状における応力集中を緩和する観点から、樹脂層１３が形成される表面の表面粗さは、例えば６０μｍＲｚＪＩＳ以下であり、３０μｍＲｚＪＩＳ以下であることが好ましく、５μｍＲｚＪＩＳ以上１０μｍＲｚＪＩＳ以下の範囲にあることがさらに好ましい。
【００１６】
相手軸９が片当たり（摺動面に対して傾いた状態で相手軸９が摺動面に接触すること）した際に、せん断応力により樹脂層１３が本体１１から剥離してしまうことを抑制するため、相手軸９の軸方向における表面粗さが、周方向における表面粗さよりも大きいことが好ましい。
【００１７】
樹脂層１３は、摺動部材用樹脂材料で形成される。この樹脂材料は、バインダー樹脂１３１、及びバインダー樹脂１３１中に分散された添加剤１３２を含む。バインダー樹脂１３１としては、例えば熱硬化性樹脂、より具体的には、例えばポリイミド（ＰＩ）樹脂及びポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂の少なくとも一方が用いられる。なお、耐疲労性を向上させる観点から、ＰＡＩ樹脂よりもＰＩ樹脂を用いることが好ましく、ＰＩ樹脂の中でも高強度のもの（ここで「高強度」とは引張強度が１５０ＭＰａ以上のものをいう）が用いられることが好ましい。耐疲労性を向上させる観点からは、樹脂層１３におけるバインダー樹脂の含有量は多い方が好ましく、例えば８０体積％以上であることが好ましく、８３体積％以上であることがより好ましく、８５体積％以上であることがさらに好ましく、９０体積％以上であることがさらに好ましい。
【００１８】
添加剤１３２とは樹脂層１３の特性を改善するための物質であり、例えば、固体潤滑剤１３２１、硬質物（硬質粒子）１３２２、及びシランカップリング剤のうち少なくとも１つを含む（シランカップリング剤は図示略）。固体潤滑剤１３２１は樹脂層１３の摩擦係数を低減するための添加物であり、例えば、黒鉛（グラファイト）及びＭｏＳ２のうち少なくとも一方を含む。ＭｏＳ２は樹脂層において凝集しやすい場合があるので、固体潤滑剤１３２１としては黒鉛を用い、ＭｏＳ２を用いないことが好ましい。固体潤滑剤１３２１として黒鉛を用いる場合、摩擦係数を低減する観点からその黒鉛化度は高い方が好ましく、例えば９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。硬質物１３２２は樹脂層１３の耐焼付性及び耐摩耗性を向上させるための物質であり、例えば、クレー、ムライト、及びタルクのうち少なくとも１種を含む。シランカップリング剤はバインダー樹脂１３１と固体潤滑剤１３２１との結合を強化するための物質である。
【００１９】
耐疲労性を向上させる観点から、添加剤の含有量は少ない方が好ましく、例えば合計で２０体積％以下であることが好ましく、１７体積％以下であることがより好ましく、１５体積％以下であることがさらに好ましく、１０体積％以下であることがさらに好ましい。摩擦係数を低減する観点からは固体潤滑剤の含有量は多い方が好ましく、例えば９体積％以上であることが好ましい。添加剤の総量を減らす観点から固体潤滑剤の含有量は少ない方が好ましく、例えば１８体積％以下であることが好ましい。耐焼付性及び耐摩耗性を向上させる観点からは硬質物の含有量は多い方が好ましく、例えば０．５体積％以上であることが好ましい。添加剤の総量を減らす観点から固体潤滑剤の含有量は少ない方が好ましく、例えば３体積％以下であることが好ましい。固体潤滑剤及び硬質物の双方を添加するためには、固体潤滑剤の含有量は９体積％以上１７体積％以下であることが好ましく、１４体積％以下であることがより好ましい。硬質物の含有量は０．５体積％以上３体積％以下であることが好ましい。シランカップリング剤の含有量は、バインダー樹脂に対して例えば０．１重量％以上であることが好ましく、０．２重量％以上であることがより好ましい。コスト削減の観点から、シランカップリング剤の含有量は、バインダー樹脂に対して例えば５重量％以下であることが好ましく、３重量％以下であることがより好ましい。
【００２０】
切削加工後における表面粗さを低減する観点から、材料として用いる添加剤１３２の粒径は小さいことが好ましく、例えば、添加剤１３２の平均粒径は、焼結層１２に用いられる金属粉の平均粒径よりも小さいことが好ましい。さらに、固体潤滑剤１３２１及び硬質物１３２２のいずれも、平均粒径が５μｍ以下又は５μｍ未満であることが好ましく、３μｍ以下又は３μｍ未満であることがより好ましい。
【００２１】
樹脂層１３を摺動部材に用いるため、耐疲労強度すなわち疲労面圧は５０ＭＰａ以上であることが好ましく、８０ＭＰａ以上であることがより好ましく、９０ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。なお疲労面圧の測定方法は後述する。樹脂層１３の耐疲労性を向上させる観点から、材料として用いる固体潤滑剤１３２１の平均粒径は小さいことが好ましく、例えば、硬質物１３２２の平均粒径の２倍以下であることが好ましく、硬質物１３２２の平均粒径よりも小さいことがより好ましい。
【００２２】
樹脂層１３においては、添加剤１３２の含有量が増えると樹脂層１３の耐疲労性が低下すると考えられる。本実施形態においては、添加剤の含有量を抑えることにより耐疲労性を向上させる。
【００２３】
図３は、本体１１及び樹脂層１３の表面構造を例示する図である。図３は、図２と同様に摺動面に垂直な断面を示している。ブシュ１の使用に伴い樹脂層１３が摩耗して下地層（本体１１）が露出してしまうことを抑制するため、樹脂層１３の膜厚は２０μｍを超えることが好ましく、５０μｍを超えることがより好ましく、１００μｍを超えることがさらに好ましい。耐疲労強度を向上させ、また耐焼付性を向上させる観点から、樹脂層１３の膜厚は３００μｍ以下であることが好ましい。なお、樹脂層１３の膜厚Ｔは、図３に示したとおり、本体１１表面の凹凸のうち最高位置から、樹脂層１３の表面の最高位置までの長さをいう。
【００２４】
２．実施例
本願の発明者らは、種々の条件で摺動部材の試験片を作製し、これらの試験片について樹脂層１３の特性を評価した。
【００２５】
２−１．試験片作製
基材としては、厚さ１．５ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ（ＪＩＳ））を用いた。実験例１においては、基材表面をサンディングにより粗面化した。粗面化後の表面粗さは２０〜６０μｍＲｚＪＩＳであった。実験例２及び３においては、基材の上に銅合金粉（平均粒径１００μｍ）を厚さ１００μｍで散布した後、圧下せず、還元雰囲気で９３０℃に加熱して焼結した。これらの試料に対し、表１の組成の樹脂層を形成するための前駆体溶液を調整し、この前駆体溶液を、焼結層の上にナイフコート法により塗布した。塗布後、室温〜約２００℃の範囲で６０〜９０分程度、乾燥した。その後、約３００℃まで昇温し、３０〜９０分程度焼成した。
【００２６】
【表１】
2020125839.tif 000003
【００２７】
実験例１及び２においては黒鉛として平均粒径（体積基準によるｄ５０）が１．５μｍであり、黒鉛化度が９９％のものを用いた。また、高強度ＰＩ樹脂として、引張強度が１９５ＭＰａ、伸びが９０％、弾性率が３．８ＧＰａ、ガラス転移温度Ｔｇが２８５℃のものを用いた。実験例３においては黒鉛として、平均粒径が１２．５μｍであり、黒鉛化度が９０％のものを用いた。ＭｏＳ２としては平均粒径が１．５μｍのものを用いた。さらに、ＰＩ樹脂としては、引張強度が１１９ＭＰａ、伸びが４７％、ガラス転移温度Ｔｇが３６０℃のものを、ＰＡＩ樹脂として、引張強度が１１２ＭＰａ、伸びが１７％、弾性率が２．７ＧＰａ、ガラス転移温度Ｔｇが２８８℃のものを用いた。実験例１及び２において、シランカップリング剤としては、化学式が3(H3CO)SiC3H6−NH−C3H6Si(OCH3)3のものを用いた。なお表１において、シランカップリング剤の含有量は、高強度ＰＩ樹脂に対する重量比で示されている。実験例１〜５において、クレーとしては、構造式がAl2O3・2SiO2であり、平均粒径が３μｍのものを用いた。
【００２８】
実験例１及び２において、固体潤滑剤としては黒鉛のみを用いた（すなわちＭｏＳ２等、その他の固体潤滑剤は含まない）。また、表１に示した固体潤滑剤、硬質物、及びシランカップリング剤以外の添加物は含まれていない。添加剤は全て、平均粒径が３μｍ以下であった。
【００２９】
２−２．摩耗試験
実験例１乃至３の試験片に対し摩耗試験を行った。摩耗試験は以下の条件で行い、試験後の摩耗深さを記録した。
・試験機：      箱形ブシュ試験機
・面圧：        １．８ＭＰａ
・試験パターン：ラン＆ストップ（１０万サイクル）
・潤滑油：      灯油（室温）
【００３０】
図４は、摩耗試験の結果を示す図である。実験例３と比較すると、実験例１及び２においては摩耗深さが半分以下に低減された。すなわち、実験例３と比較すると、実験例１及び２においては耐摩耗性が向上した。
【００３１】
２−３．疲労試験
実験例１乃至３の試験片に対し疲労試験を行った。疲労試験は以下の条件で行い、樹脂層に疲労が発生しなかった最大の面圧（試験機の最大面圧は１００ＭＰａ）を疲労面圧とした。
・試験機：  往復動荷重試験機
・回転速度：３０００ｒｐｍ
・繰返し数：１０５回
・試験温度：１００℃（潤滑油供給温度）
・相手材：  Ｓ４５Ｃ
・潤滑油：  エンジンオイル
【００３２】
実験例３の耐疲労面圧は２０ＭＰａであるのに対し、実験例１の耐疲労面圧は１１０ＭＰａ以上であり、実験例２の耐疲労面圧は８０ＭＰａであった。実験例３と比較すると、実験例１及び２においては耐疲労面圧が向上した。また、実験例２と比較すると、実験例１においては耐疲労面圧が向上した。
【００３３】
２−４．焼付き試験
実験例１及び実験例２の試験片に対し焼付き試験を行った。焼付き試験は以下の条件で行い、焼付きが発生したときの面圧を焼付き面圧とした。
・試験機：  静荷重焼付試験機
・荷重：    ステップアップ  １ｋＮ／５分
・回転数：  ６０００ｒｐｍ
・潤滑油：  パラフィン油
【００３４】
この試験の結果、実験例１における焼付き面圧は４０ＭＰａであり、実験例２における焼付き面圧は３２ＭＰａであった。このように、実験例２と比較すると、実験例１においては耐焼付き性が向上した。試験後の摺動表面の状態は、いずれも樹脂層は破損していたが、裏金は露出していなかった。すなわち、実験例１においても、樹脂層が剥がれ落ちて裏金が露出することは起きていなかった。
【００３５】
また、実験例１及び実験例２に対し、本体と樹脂層との密着力の試験を行ったが、いずれも試験に用いた接着剤の強度以上の密着力を有しており、試験条件の範囲では密着力に差異が見られなかった。
【００３６】
３．変形例
なお、上述の実施例において使用した各種の材料及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。本発明に係る樹脂材料は不可避不純物を含んでもよい。ブシュ１の用途は燃料噴射ポンプにおけるブシュとして用いられるものに限定されず、各種の軸受、又はコンプレッサー等において用いられてもよい。また、本発明に係る摺動部材はブシュ１に限定されず、半割軸受又は斜板等、他の摺動部材に本発明が適用されてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１…ブシュ
１１…本体
１３…樹脂層
１３１…バインダー樹脂
１３２…添加剤
【図１】
2020125839.tif 000004
【図２】
2020125839.tif 000005
【図３】
2020125839.tif 000006
【図４】
2020125839.tif 000007