(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに摺接する一方の摺動部材の少なくとも摺動面を、表面粗さがＲａ０．２〜０．７で、大きめの粒子と該大きめの粒子の谷間に存在する小さめの粒子とによって球状結晶表面を呈した、ビッカース硬度１２ＧＰａ以上の酸化物系セラミックスで構成するとともに、
他方の摺動部材の少なくとも摺動面を熱変形温度１５０℃以上且つロックウェル硬度ＨＲがＲスケール１２０以上の樹脂材料で構成してなる摺動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種産業機械、工作機械、ＯＡ機器等において使用される摺動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より各種軸受け、案内装置、バルブ、ポンプ等複数の摺動部材同士を摺動させて利用する摺動装置が用いられている。
【０００３】
このような摺動装置において各摺動部材の材質としては金属材が一般的であったが、近年耐摩耗特性を高めるためにセラミックスが用いられている。しかし互いに摺動する摺動部材を共にセラミックス等の硬質材で形成すると摩耗量が大きくなってしまう傾向があるなど、摺動装置を構成する摺動部材の材質の組合せは非常に重要である。
【０００４】
そこで一方の摺動部材をセラミックスで構成し、他方の摺動部材を樹脂で構成し、両者を摺動させることで摩耗を減らすようにした摺動装置が提案されている。例えば、特開昭６２−２１０２７５号や特開昭６３−８５２６９号公報には、ベーンポンプやコンプレッサーにおいて、一方の摺動部材を高硬度、高靱性で耐摩耗性に優れたセラミックスとし、他方の摺動部材をポリイミド系樹脂に固体潤滑材を添加した樹脂組成物で構成することが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記のセラミックスと樹脂の組合せからなる摺動装置では、セラミックスの表面粗さが悪いと樹脂がアブレッシブ（研磨）摩耗を起こし潤滑性を付与したポリイミド樹脂でも潤滑効果を発揮することなく摩耗してしまうことがあった。
【０００６】
セラミックスと樹脂の組合せでは一般的に、セラミックスの表面粗さを小さくすることで樹脂のアブレッシブ摩耗は低減できるが、逆にセラミックスの摺動面を鏡面状態まで仕上げて表面粗さを小さくすると接触面積が大きくなり摩擦トルクの増大により発熱し、樹脂側が溶融摩耗する問題が起こる。これに対して、長時間や高負荷の摺動時に高い摩擦熱が発生すると樹脂が軟化するためアブレッシブ摩耗は発生しにくくなるのであるが、これにかわってセラミックスの表面酸化反応による腐食摩耗（酸化摩耗）が顕在化する傾向がある。例えばＳｉＣ，その他のＳｉ化合物を用いた場合、摩耗粉が発生しやすく、その結果、セラミックス製摺動部材が摩耗して表面が粗くなり、ひいては樹脂摺動部材側を摩耗させてしまうという問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題に鑑み、酸化物系セラミックスからなる摺動部材と耐熱樹脂からなる摺動部材を互いに摺動させるようにした摺動装置であって、セラミックス製摺動部材を表面粗さがＲａ０．２〜０．７で、大きめの粒子と該大きめの粒子の谷間に存在する小さめの粒子とによって球状結晶表面を呈した、ビッカース硬度１２ＧＰａ以上のものとするとともに、樹脂製摺動部材を熱変形温度１５０℃以上且つロックウェル硬度ＨＲがＲスケール１２０以上となしたことを特徴とする。
【０００８】
【作用】
本発明によれば、摺動性に優れるセラミックと樹脂との組合せからなるため、互いの摩耗量を低くすることができる。
【０００９】
また、表面粗さがＲａ０．２〜０．７で球状結晶を呈したセラミックスを用いたことにより接触面積が小さく、加えて、ロックウエル硬度ＨＲがＲスケール１２０以上の樹脂材料を用いたので樹脂側がセラミックス表面の微小谷間に食い込み過ぎることもないのでアブレッシブ摩耗を起こしにくく、摩擦による発熱も比較的小さい。
【００１０】
さらに、このように発熱しにくいことに加えて、熱変形温度１５０℃以上の樹脂材料を用いたことにより発熱による溶融摩耗は発生しにくい。
【００１１】
また、発熱が大きくなってしまった場合にも、セラミックスとして酸化物を用いたことにより（酸化物を主としてものを含む）、前記酸化摩耗が発生しない。
【００１２】
したがって、様々な摺動条件においても良好に対応できるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の摺動装置の実施形態を図によって説明する。
図１および図２に本発明摺動装置の実施形態としての軸受装置とディスクバルブをそれぞれ示し、まず、図１に示す軸受装置は、酸化物系セラミックスからなる摺動部材：軸１１とこれを支持する樹脂製の摺動部材：軸受１２からなり、この軸１１が不図示の駆動装置により回転方向あるいは直線方向に駆動し、その際に軸受１２と摺動するようになっている。
【００１４】
次ぎに、図２に示すディスクバルブは、酸化物系セラミックスからなる板状の摺動部材、第一弁体２１と樹脂製の摺動部材、第二弁体２２を互いの主面同士を当接させて重ね合わせたものであり、上記主面を摺動させて、互いの貫通孔の連通、遮断を切り換えるようにしてある。
【００１５】
これらの実施形態において、酸化物系セラミック製の軸１１および第一弁体２１はいずれも表面粗さがＲａ０．２〜０．７で球状結晶表面を呈した摺動部材であり、他方、樹脂製の軸受２１および第二弁体２２はいずれも熱変形温度１５０℃以上且つロックウエル硬度ＨＲがＲスケール１２０以上のものである。
【００１６】
上記酸化物系セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、ジルコニア分散アルミナ、アルミナ分散ジルコニア、アルティックなどで摺動面のビッカーズ硬度が１２ＧＰａ以上のもの、あるいは、これらを主成分としたものが好ましい。
【００１７】
図３に、上記セラミック製摺動部材１の表面状態を示す模式図を示し、同図に示すように、セラミック製摺動部材１の表面２は大きめの粒子３の谷間に小さめの粒子４が存在し且つそれぞれの粒子３、４が球状を維持した状態で、その表面粗さがＲａ０．２〜０．７となっている。これに対して図４に示すように、鏡面仕上げしたセラミック製摺動部材５では、表面２が小さめの粒子４のみで構成され且つその表面部分が削られて平坦面となっている。
【００１８】
図３のようにセラミックスの表面が球状結晶状を呈するようにする方法は以下に説明するとおりである。
【００１９】
球状結晶表面のセラミックスは、一旦焼結させたものを表面仕上げした後、再度、熱処理することによって、図３に示すように大きめの粒子３から小さめの粒子４を派生せしめ、通常、丸みを帯びた２０μｍ程度の比較的大きな球状結晶の谷間に３μｍ程度の小結晶が形成されたものである。なお、球状結晶表面を得るための他の方法としてエッチング処理により同程度の表面粗さを持ち、大きな粒子の表面が滑らか且つなだらかとなった球状結晶表面を得ることができる。
【００２０】
一方、上記樹脂材料としてはナイロン、フェノール、ポリイミド、ポリフェニレンサルフェイド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリミアミド、ポリエーテルエーテルケトン、または、樹脂にフィラー（例えばＧＦ／ガラスファイバー、ＣＦ／カーボンファイバー）を添加した複合材料などの中から熱変形温度１５０℃以上且つロックウエル硬度ＨＲ１２０以上のもの選択することができる。
【００２１】
なお、セラミック製摺動部材５に対応する摺動部材は射出成形や加熱圧縮成形または、粉末成型後に加熱硬化させる方法により部材全体を前記樹脂で構成したものの他、金属やセラミック、他の樹脂などからなる部材の摺動面のみに前記樹脂を適宜コーティングしたものであっても構わない。
【００２２】
このように構成される上記摺動部材は、球状結晶表面を呈したセラミックスを用いたことにより接触面積が小さく、加えて、比較的硬度の大きな樹脂材料を用いたので樹脂側がセラミックス表面の微小谷間に食い込み過ぎることもないのでアブレッシブ摩耗を起こしにくく、摩擦による発熱も比較的小さい。
【００２３】
さらに、このように発熱しにくいことに加えて、耐熱性樹脂材料を用いたことにより発熱による溶融摩耗は発生しにくい。
【００２４】
また、発熱が大きくなってしまった場合にも、セラミックスとして酸化物を用いたことにより、前記酸化摩耗が発生しない。
【００２５】
なお、上記セラミックスの表面粗さがＲａ０．２未満の場合は接触面積が大きくなり、鏡面仕上げと同様に摩擦トルクが増大し発熱量が多くなる恐れがあり、これに伴い摩耗量が多くなる問題があり、また、表面粗さがＲａ０．７超過の場合、樹脂側にアブレッシブ摩耗を発生させる恐れがある。
【００２６】
また、上記樹脂材料のロックウエル硬度ＨＲがＲスケール１２０未満の場合、樹脂側がセラミックス表面の微小谷間に食い込み過ぎ、摩擦トルクが増大し発熱量が多くなる恐れがある。
【００２７】
さらに、上記樹脂材料の熱変形温度が１５０℃未満の場合、耐熱性が低いので、長時間や高負荷の摺動時に高い摩擦熱が発生する時に、比較的容易に溶融摩耗を起こしやすい。
【００２８】
ところで、本発明において樹脂の変形温度の求め方は、テストピースに１８．６ｋｇ／ｃｍ２  の応力を加えて加熱したときに２．５ｍｍ以上の変形が始まる温度を測定するものであり、詳細はＪＩＳ  Ｋ−７２０７に準拠して行った。また、ロックウェル硬度は、鋼球に基準荷重、測定荷重を加え再び基準荷重に戻したときの試験片表面に出来たくぼみ深さの正味の増加分から計算式でもとめたものである。本発明で試料に用いた樹脂の測定はＲスケールで行った。  なお、本発明の摺動装置の他実施形態としては、ベーンポンプ、プランジャーポンプ等の各種ポンプ装置、ベアリング、スピンドル等の軸受装置、ガイドレール、リニアステージ等の案内装置、シール部材を備えたメカニカルシール、コピー機の定着装置における分離等のＯＡ機器関連装置、カッター、加工治具、ダイス等の工作用装置、あるいは歯車、キャプスタン等の部材を備えた各種産業機械用装置などがある。
【００２９】
【実験例】
以下、本発明の有効性を確認するため各種セラミック材料と各種樹脂材料の組合せにおける摺動特性についてＢＯＤ（ボール・オン・ディスク）型試験機で実験した。図５は、この実験に供した試験機の構造を示し、同図に示すように、ディスク３１の表面にボール３２を点接触させて一定の荷重で押しつけるとともに、ディスク３１を一定の速度で回転させるようになっており、この試験機を用いて摩擦係数と摩耗量を測定した。
【００３０】
予備実験（実験例１）
前記ディスク材３１としてアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミ、サファイア、アルティック、超硬合金、サーメット、チタン酸カルシウム、ＳＫＨ、ボール材３２としてアルミナ、ナイロン、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイトにガラスフィアバー４０重量％添加したもの（以下、ＰＰＳ−ＧＦ４０と略称する）からそれぞれなるものを用意した。
これら各種材質の組合せで、大気雰囲気中で無潤滑の試験を行った。ディスク３１及びボール３２の摺動面はすべてラッピング加工で鏡面仕上げし、ディスク３１の回転速度５ｍ／ｓ、ボール３２の押しつけ荷重１ｋｇで１５分間運転したときの摩耗係数と摩耗量を測定した。結果は表３に示す通りである。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
【表２】
0003623072.tif 000003
【００３３】
【表３】
0003623072.tif 000004
【００３４】
表３から明らかなように、前記試験条件では、セラミックスとセラミック又は金属との組合せの場合（Ｎｏ．１〜１１）、アブレッシブな摩耗量が多く、且つ、組合せによって摩耗量も大きく異なることが判った。ディスク３１がサーメットまたは炭化珪素の組合せでは摩耗が比較的小さいが、それ以外のセラミックスとの組合せでは摩耗量がかなり多い。
【００３５】
これに対してボール３２に樹脂を用いたもの（Ｎｏ．１２〜４４）ではディスク３１側の摩耗がなくなるか、或いはあってもかなり減少する。ボール３２の摩耗形態としては、凝着摩耗、溶融摩耗が支配的であった。ボール３２の摩耗は自己の材質、或いは相手側の材質によっても異なっているが、熱変形温度１５０℃以上且つロックウエル硬度ＨＲがＲスケール１２０以上のポリイミド樹脂、ＰＰＳ−ＧＦ４０は前記セラミック或いはナイロンと比べて摩耗量が小さく、他方、ディスク３１の摩耗は、ポリイミド樹脂、ＰＰＳ−ＧＦ４０のボール３２を用いた場合、その材質に大きく左右されることなく全体的に摩耗量が少ない。これは、ポリイミド、ＰＰＳ−ＧＦ４０の持つ耐熱性が影響し摺動時に発生した摩擦熱に対して溶融摩耗を抑えられたものである。
【００３６】
また、ポリイミド樹脂、ＰＰＳ−ＧＦ４０のボール３２を用いた場合、ディスク３１側の材質としてアルミナ、ジルコニア、アルティック、サファイアなどの酸化物系セラミックスを用いた組合せでは、ディスク３１の摩耗も起こらず、ボール３２の摩耗量もかなり少なかった。
【００３７】
なお、表３のＮｏ．１５，１６，２０，２９の如く、本実験では、ボール３２をナイロンで構成し、ディスク３１をそれぞれ炭化珪素、窒化アルミ、超硬合金、ＳＫＨで構成した場合、ディスク３１の摩耗がない上にボール３２の摩耗量もかなり少ないが、別途、回転数を上げた試験を行った結果、これらの組合せはいずれも、表面酸化反応による腐食摩耗が顕著となり、ボール３２もディスク３１も摩耗量が飛躍的に増大してしまうという結果であった。
【００３８】
以上のように、この予備実験からは、セラミックと樹脂の組合せで、しかも樹脂材料として熱変形温度１５０℃以上且つロックウエル硬度ＨＲ１２０以上の樹脂材料と酸化物系セラミックを用いることが摺動特性上好ましいことを確認した。なお、酸化物系セラミックスでもチタン酸カルシウムではディスク３１の摩耗も発生し摩耗特性が若干劣っていた（Ｎｏ．３２，４３）。これは比較的硬度が低いためにアブレッシブ摩耗が起こったためで、上記酸化物系セラミックスとしてはビッカーズ硬度が１２ＧＰａ以上のものが好適であると考えられる。
【００３９】
実験例２
次ぎにアルミナでディスク３１を構成し、ボール３２をナイロン、ポリイミド、ＰＰＳ−ＧＦ４０、ナイロン６６ＧＦ３０％添加品、ＰＯＭＧＦ２５％添加品で構成し、上記実験例１と同様の実験を行った。なお、本実験ではアルミナとして鏡面処理したままのアルミナと、表面が球状結晶を呈したアルミナを用い、球状結晶のアルミナは熱処理温度や熱処理前の仕上げを調整し面粗さを違えた複数種類のものをそれぞれ実験に供した。
【００４０】
【表４】
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【００４１】
表４から明らかなように耐熱性の低いナイロンを用いた場合、ナイロン（ボール３２）の摩耗量が多く、ディスク３１の表面には溶融したナイロンが付着しているものがあった。これに対して、熱変形温度１５０℃以上のポリイミド、ＰＰＳ−ＧＦ４０、ナイロン６６ＧＦ３０％添加品、ＰＯＭＧＦ２５％添加品ではナイロンに比べて結果が極めて優れていた。
【００４２】
また、ポリイミド、ＰＰＳ−ＧＦ４０、ナイロン６６ＧＦ３０％添加品、ＰＯＭＧＦ２５％添加品について、他方のアルミナは表面粗さがＲａ０．２〜０．７の球状結晶状表面のものが鏡面化したままのアルミナよりも、摩耗量が少なく且つ摩擦係数も小さかった。
【００４３】
以上より、樹脂としては熱変形温度１５０℃以上のもの、酸化物系セラミックスとしては表面粗さがＲａ０．２〜０．７の球状結晶状のものが好ましいことが判った。
【００４４】
なお、本実験例では熱処理で球状表面を形成したアルミナを用いたが、ケミカルエッチングで球状表面を形成したアルミナを用いてもほぼ同等の結果であった。
【００４５】
実験例３
次ぎに、耐熱性が１５０℃以上のもので硬度がそれぞれ異なる、ポリイミドＧＦ２０％添加品、フッ素樹脂ＧＦ２５％添加品、全芳香族ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトンの４種の樹脂でボール３２をそれぞれ構成し、他方、ディスク３１を鏡面仕上げのままのアルミナと表面粗さがＲａ０．５の球状結晶状表面のアルミナでそれぞれ構成し、前記実験例１と同様の実験を行った。その結果を表５に示す。
【００４６】
【表５】
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【００４７】
表５から明らかなように、ロックウエル硬度がＲ１２０未満のポリイミドＧＦ２０％添加品、フッ素樹脂ＧＦ２５％添加品、全芳香族ポリエステルでは摩耗量も多く、また摩擦係数も大きいのに対して、ロックウエル硬度がＲ１２０以上のポリエーテルエーテルケトンは摩耗量も少なく且つ摩擦係数も小さかった。これをさらに検討すると、ロックウエル硬度ＨＲがＲスケール１２０未満の樹脂では鏡面仕上げのアルミナの方が結果が悪かったことから、樹脂の硬度が低い場合、セラミックスの球状結晶の谷間に樹脂が入り込むのではないかと考えられる。これと対比的にロックウエル硬度がＲ１２０以上のポリエーテルエーテルケトンでは球状結晶状表面のアルミナの方がよい結果であった。
【００４８】
以上の結果から樹脂はロックウエル硬度ＨＲがＲスケール１２０以上であることが好ましいことが判った。
【００４９】
【発明の効果】
叙上のように本発明の摺動装置は、球状結晶表面を呈したセラミックスを用いたことにより接触面積が小さく、加えて、比較的硬度の大きな樹脂材料を用いたので樹脂側がセラミックス表面の微小谷間に食い込み過ぎることもないので摩擦トルクが低減されるので省力化が可能である。また、アブレッシブ摩耗を起こしにくく、摩擦による発熱も比較的小さく、さらに、このように発熱しにくいことに加えて、耐熱性樹脂材料を用いたことにより発熱による溶融摩耗は発生しにくいので、摩耗量が少なく耐久性があり、特に、高負荷、高荷重下で良好に使用できるという極めて優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摺動装置の実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の摺動装置の別実施形態を示す概略図である。
【図３】球状結晶表面を呈したセラミックスの表面を示す概略図である。
【図４】鏡面仕上げしたセラミックスの表面を示す概略図である。
【図５】ＢＯＤ型試験機を示す概略図である。
【符号の説明】
１１：軸
１２：軸受
２１：第一弁体
２２：第二弁体
３１：ディスク
３２：ボール
１：セラミックス製摺動部材
２：表面
３：大きめの粒子
４：小さめの粒子
５：セラミックス製摺動部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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