(57)【要約】【課題】  流体潤滑、混合潤滑、あるいは境界潤滑条件下など多くの異なった使用条件においても、摩擦摩耗特性に優れた複層摺動部材を提供すること。【解決手段】  複層摺動部材は、金属製裏金１の表面に形成された多孔質金属焼結層２の孔隙及び表面に樹脂組成物を充填被覆してなり、樹脂組成物は、リン酸塩と、カーボンブラックと、溶融ふっ素樹脂と、主成分としてのＰＴＦＥとを配合してなり、好適には、更に、黒鉛及び／又は低分子量ＰＴＦＥを配合してなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製裏金の表面に形成された多孔質金属焼結層の孔隙及び表面に樹脂組成物を充填被覆してなる複層摺動部材であって、樹脂組成物は、リン酸塩３〜２５重量％とカーボンブラック０．３〜３重量％と溶融ふっ素樹脂３〜３０重量％と残部が四ふっ化エチレン樹脂とからなることを特徴とする複層摺動部材。
【請求項２】
金属製裏金は、鋼板、銅又は銅合金板から選択される請求項１に記載の複層摺動部材。
【請求項３】
リン酸塩は、オルトリン酸、ピロリン酸及びメタリン酸の金属塩から選択される請求項１又は２に記載の複層摺動部材。
【請求項４】
溶融ふっ素樹脂は、四ふっ化エチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体及び四ふっ化エチレン−六ふっ化プロピレン共重合体から選択される請求項１から３のいずれか一項に記載の複層摺動部材。
【請求項５】
追加成分として、黒鉛を１〜５重量％含有する請求項１から４のいずれか一項に記載の複層摺動部材。
【請求項６】
追加成分として、低分子量の四ふっ化エチレン樹脂を３〜１５重量％含有する請求項１から５のいずれか一項に記載の複層摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体潤滑、混合潤滑、あるいは境界潤滑条件下での使用において、優れた摩擦摩耗特性を発揮する複層摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】米国特許第２６８９３８０号明細書
【特許文献２】特公昭３１−２４５２号公報
【特許文献３】特公昭４１−１８６８号公報
【特許文献４】特公昭６１−２８８４６号公報
【特許文献５】特公昭６２−３３２７５号公報
【０００３】
四ふっ化エチレン樹脂（以下「ＰＴＦＥ」と略称する。）は、自己潤滑性に優れ、摩擦係数が低く、更には耐薬品性及び耐熱性を具有することから軸受等の摺動部材に広く用いられている。しかしながら、ＰＴＦＥ単独からなる摺動部材は、耐摩耗性及び耐荷重性に劣るため、摺動部材の使用用途に応じて、ＰＴＦＥに（ａ）黒鉛、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤及び／又はガラス繊維、炭素繊維等の補強材を含有したり、（ｂ）鋼裏金上に形成された多孔質金属焼結層の孔隙及び表面にＰＴＦＥを充填被覆したりしてＰＴＦＥの欠点を補っている。
【０００４】
上記（ｂ）の態様からなる摺動部材は、所謂複層摺動部材と称されるものであり、鋼裏金上に形成された多孔質金属焼結層の孔隙及び表面にＰＴＦＥ又は鉛もしくは鉛酸化物からなる充填材を含有したＰＴＦＥを充填被覆した複層摺動部材が提案されている（特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。
【０００５】
また、他の充填材として、四ふっ化エチレン−六ふっ化プロピレン共重合体又は四ふっ化エチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体からなる溶融ふっ素樹脂をＰＴＦＥに含有した複層摺動部材も提案されている（特許文献４及び特許文献５参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した各種の摺動部材は、多くの異なった使用条件、例えば流体潤滑、混合潤滑、あるいは境界潤滑条件下など、各使用条件に適した充填材が選択されており、すべての使用条件を満足する摺動部材とは言い難いものである。
【０００７】
また、摺動部材用ＰＴＦＥ組成物においては、多くのエンジニアリングプラスチック用充填材として使用されている、例えば黒鉛や二硫化モリブデンもしくは他の金属硫化物、金属酸化物、又はガラス繊維や炭素繊維等の無機繊維を使用する試みが行われているが、これらの充填材は樹脂層の耐摩耗性の向上に寄与することはあるが、往々にしてＰＴＦＥ固有の低摩擦性を阻害するという問題点を惹起する。とくに、充填材としての鉛は、ＰＴＦＥ固有の低摩擦性を阻害することなく樹脂層の耐摩耗性を向上させるものとして広く使用されているが、近年の環境汚染、公害などという副次的な見地からその使用を断念せざるを得ない状況下にある。
【０００８】
本発明は、前記諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、流体潤滑、混合潤滑、あるいは境界潤滑条件下など多くの異なった使用条件においても、摩擦摩耗特性に優れた複層摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意検討を重ねた結果、鋼裏金上に形成された多孔質金属焼結層の孔隙及び表面に樹脂組成物を充填被覆してなる複層摺動部材において、樹脂組成物として、ＰＴＦＥにリン酸塩、カーボンブラック及び溶融ふっ素樹脂を特定量配合したもの、あるいはさらに所定量の黒鉛及び／又は低分子量ＰＴＦＥを配合したものを使用した複層摺動部材は、流体潤滑、混合潤滑、あるいは境界潤滑条件下など異なった使用条件においても、優れた摩擦摩耗特性を発揮し得るとの知見を得た。
【００１０】
本発明は斯かる知見に基づき完成されたものであり、その第一の要旨は、金属製裏金上に形成された多孔質金属焼結層の孔隙及び表面に樹脂組成物を充填被覆してなる複層摺動部材であって、樹脂組成物はリン酸塩３〜２５重量％とカーボンブラック０．３〜３重量％と溶融ふっ素樹脂３〜３０重量％と残部がＰＴＦＥとからなる複層摺動部材に存する。
【００１１】
また、第二の要旨は、上記樹脂組成物に、さらに黒鉛を１〜５重量％及び／又は低分子量ＰＴＦＥを３〜１５重量％含有してなる複層摺動部材に存する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、流体潤滑、混合潤滑、あるいは境界潤滑条件下など異なった使用条件においても、優れた摩擦摩耗特性を発揮する複層摺動部材が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明の複層摺動部材は、金属製裏金の表面に形成された多孔質金属焼結層の孔隙及び表面に樹脂組成物を充填被覆してなり、樹脂組成物は、リン酸塩と、カーボンブラックと、溶融ふっ素樹脂と、主成分としてのＰＴＦＥとを配合してなり、好適には、更に、黒鉛及び／又は低分子量ＰＴＦＥを配合してなる。
【００１４】
使用されるリン酸塩は、それ自体では何らの潤滑性を示さないが、ＰＴＦＥとカーボンブラックと溶融ふっ素樹脂との混合物に配合されることにより、相手材との摺動において、ＰＴＦＥとカーボンブラックと溶融ふっ素樹脂とからなる混合被膜の相手材表面への形成を助長し、相手材表面への保持性を高め、かつ耐久性を高める効果を発揮する。
【００１５】
リン酸塩の配合量は、通常３〜２５重量％であり、好ましくは１０〜２０重量％である。配合量が３重量％未満の場合は、ＰＴＦＥとカーボンブラックと溶融ふっ素樹脂とからなる混合被膜の相手材表面への造膜性、相手材表面での保持性及び混合被膜の耐久性の効果が発揮されない。また、２５重量％を超えた場合は、混合被膜の相手材表面への造膜性に問題を生じ、相手材表面に良好な混合被膜の形成が困難となり、その結果、摩擦摩耗特性が悪化することがある。
【００１６】
リン酸塩としては、オルトリン酸、ピロリン酸、メタリン酸などの金属塩及びこれらの混合物を挙げることができる。中でも、ピロリン酸及びメタリン酸の金属塩が好ましい。金属としては、アルカリ金属及びアルカリ土類金属が好ましく、特に、カルシウム（Ｃａ）及びマグネシウム（Ｍｇ）がより好ましい。具体的には、ピロリン酸カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）、ピロリン酸マグネシウム（Ｍｇ２Ｐ２Ｏ７）、メタリン酸カルシウム（〔Ｃａ（ＰＯ３）２〕ｎ）、メタリン酸マグネシウム（〔Ｍｇ（ＰＯ３）２〕ｎ）などが例示される。中でも、メタリン酸カルシウム及びメタリン酸マグネシウムは、上記した効果をいかんなく発揮するため好ましい。
【００１７】
カーボンブラックは、主成分をなすＰＴＦＥを補強し、耐摩耗性を向上させる効果を発揮する。また、油を保持する性質を有することから、特に、油又はグリース潤滑において油ギレを起こし易い境界又は混合潤滑条件であっても、油分を保持し、油ギレに起因する焼き付き等の不具合の発生を防ぐことができる。
【００１８】
カーボンブラックの配合量は、通常０．３〜３重量％であり、好ましくは０．５〜２重量％である。配合量が０．３重量％未満の場合は、上記した効果が充分発揮されない。また、配合量が３重量％を超えた場合は、樹脂組成物中に占める割合が多くなり、却って耐摩耗性を低下させることがある。
【００１９】
カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック、ガスファーネスブラックなどが挙げられる。特に、一次粒子径が約２００ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍ、ＤＢＰ吸油量が１００ｍｌ／１００ｇ以上、好ましくは３００ｍｌ／１００ｇ以上、中空構造を有して一種のポーラス構造となっていて、さらに適度のチェーンストラクチャーを有しているものが好ましい。具体的には、ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製の「ケッチェンブラックＥＣ（商品名）」、「ケッチェンブラックＥＣ−６００ＪＤ（商品名）」が好ましいものとして例示される。
【００２０】
使用される溶融ふっ素樹脂は、主成分をなすＰＴＦＥと相溶してＰＴＦＥを補強すると共に、ＰＴＦＥの欠点である耐摩耗性を向上させる効果を発揮する。
【００２１】
溶融ふっ素樹脂の配合量は、通常３〜３０重量％であり、好ましくは５〜１５重量％である。配合量が３重量％未満の場合は、上記した効果を充分発揮できない。また、配合量が３０重量％を超えた場合は、溶融ふっ素樹脂の量が多くなり、耐摩耗性をより向上させる反面、ＰＴＦＥ固有の低摩擦性を損なうことになる。
【００２２】
溶融ふっ素樹脂としては、四ふっ化エチレン−六ふっ化プロピレン共重合体（以下「ＦＥＰ」と略称する。）あるいは四ふっ化エチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体（以下「ＰＦＡ」と略称する。）が挙げられる。具体的には、ＦＥＰとしてはダイキン工業社製の「ネオフロンＦＥＰ（商品名）」が、ＰＦＡとしては、、三井・デュポンフロロケミカル社製の「テフロン（登録商標）ＭＰパウダー」が例示される。
【００２３】
樹脂組成物の主成分をなすＰＴＦＥとしては、ファインパウダー用ＰＴＦＥが使用される。具体的には、三井・デュポンフロロケミカル社製の「テフロン（登録商標）６ＣＪ」など、ダイキン工業社製の「ポリフロンＦ２０１（商品名）」など、旭硝子社製の「フルオンＣＤ０７６（商品名）」、「フルオンＣＤ０９０（商品名）」などが挙げられる。
【００２４】
樹脂組成物中のＰＴＦＥの配合量は、樹脂組成物量から充填材の配合量を差引いた残りの量であり、好ましくは５０重量％以上、より好ましくは５０〜７５重量％である。
【００２５】
本発明の複層摺動部材における樹脂組成物には、耐摩耗性を一層向上させると共に、潤滑油とのなじみ性を向上させる目的で黒鉛を１〜５重量％配合させてもよい。
【００２６】
また、本発明の複層摺動部材における樹脂組成物には、相手材との摺動初期におけるなじみ性を向上させる目的で、低分子量ＰＴＦＥを３〜１５重量％配合させてもよい。低分子量ＰＴＦＥは、放射線照射などにより高分子量ＰＴＦＥ（モールディングパウダー又はファインパウダー）を分解又はＰＴＦＥの重合時に分子量を調節して、分子量を低下させたＰＴＦＥである。具体的には、三井・デュポンフロロケミカル社製の「ＴＬＰ−１０Ｆ（商品名）」、ダイキン工業社製の「ルブロンＬ−５（商品名）」など、旭硝子社製の「フルオンＬ１６９Ｊ（商品名）」など、喜多村社製の「ＫＴＬ−８Ｎ（商品名）」などが挙げられる。
【００２７】
つぎに、金属製裏金とこの裏金の表面に一体に形成された多孔質金属焼結層と多孔質金属焼結層の孔隙及び表面に樹脂組成物を充填被覆してなる複層摺動部材との製造方法について説明する。金属製裏金としては、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）、無酸素銅（ＪＩＳ−Ｈ−２１２３で規定されている無酸素形銅の１種又は２種）あるいはタフピッチ銅（ＪＩＳ−Ｈ−２１２３で規定されているタフピッチ形銅）などの純銅板、リン青銅などの銅合金板がそれぞれ用途によって適宜選択されて使用される。金属製裏金は、コイル状に巻いてフープ材として提供される連続条片を使用することが好ましいが、必ずしも連続条片に限られず、適当な長さに切断した条片を使用することもできる。これらの条片、とくに鋼板を使用する場合は、必要に応じて銅メッキあるいは錫メッキ等を施して耐蝕性を向上させたものであってもよい。
【００２８】
多孔質金属焼結層を形成する金属粉末は、青銅、燐青銅などの摩擦摩耗特性に優れた銅合金から形成されるが、目的、用途に応じ、銅合金以外、例えばアルミニウム合金、鉄などから形成してもよい。これら金属粉末の粒子形態は、塊状、球状又は不規則形状のものを使用し得る。その粒度は、８０メッシュの篩を通過するが、３５０メッシュの篩を通過しない程度が好ましい。この多孔質金属焼結層は、合金粉末同士及び前記鋼板の条片と強固に結合されていて、一定の厚さと必要とする多孔度とを備えていなければならない。この多孔質金属焼結層の厚さは、概ね０．１５〜０．４０ｍｍ、就中０．２〜０．３ｍｍであることが好ましく、多孔度は、概ね１０容積％以上、就中１５〜４０容積％であることが推奨される。
【００２９】
ＰＴＦＥと前述した各充填材とを混合した後、得られた混合物に石油系溶剤を加えて攪拌混合する方法により湿潤性が付与された樹脂組成物が得られる。ＰＴＦＥと充填材との混合は、ＰＴＦＥの室温転移点（１９℃）以下、好ましくは１０〜１８℃の温度で行なわれ、また得られた混合物と石油系溶剤との攪拌混合も上記と同様の温度で行なわれる。斯かる温度条件の採用により、ＰＴＦＥの繊維状化が妨げられ、均一な混合物を得ることができる。
【００３０】
石油系溶剤としては、ナフサ、トルエン、キシレンのほか、脂肪族系溶剤又はナフテン系溶剤との混合溶剤が使用される。石油系溶剤の使用割合は、ＰＴＦＥ粉末と充填材との混合物１００重量部に対し１５〜３０重量部とされる。石油系溶剤の使用割合が１５重量部未満の場合は、後述する多孔質金属焼結層への充填被覆工程において、湿潤性が付与された樹脂組成物の展延性が悪くなり、焼結層への充填被覆にムラを生じ易くなる。一方、石油系溶剤の使用割合が３０重量部を超える場合は、充填被覆作業が困難となるばかりでなく、樹脂組成物の被覆厚さの均一性が損なわれたり、樹脂組成物と焼結層との密着強度が悪くなる。
【００３１】
本発明の複層摺動部材は、以下の（ａ）〜（ｄ）の工程を経て製造される。
【００３２】
（ａ）鋼板からなる裏金上に形成された多孔質金属焼結層上に湿潤性が付与された樹脂組成物を散布供給し、ローラで圧延して多孔質金属焼結層の孔隙中へ樹脂組成物を充填するとともに多孔質金属焼結層の表面に一様な厚さの樹脂組成物からなる被覆層を形成する。この工程において、被覆層の厚さは、樹脂組成物が最終製品に必要とされる被覆層厚さの２〜２．２倍とされる。多孔質金属焼結層の孔隙中への樹脂組成物の充填は、当該工程でその大部分が進行する。
【００３３】
（ｂ）上記（ａ）工程で処理された裏金を２００〜２５０℃の温度に加熱された乾燥炉内に数分間保持することにより、石油系溶剤を除去し、その後、乾燥した樹脂組成物をローラによって所定の厚さになるように３００〜６００ｋｇｆ／ｃｍ２の加圧下で加圧ローラ処理する。
【００３４】
（ｃ）上記（ｂ）工程で処理された裏金を加熱炉に導入して３６０〜３８０℃の温度で数分ないし１０数分間加熱して焼成を行った後、加熱炉から取り出し、再度ローラ処理によって寸法のバラツキを調整する。
【００３５】
（ｄ）上記（ｃ）工程で寸法調整された裏金を冷却（空冷ないし自然冷却）し、その後、必要に応じて裏金のうねりなどを矯正するため、矯正ローラ処理を行い、所望の摺動部材とする。
【００３６】
上記（ａ）〜（ｄ）の工程を経て得られた摺動部材において、多孔質金属焼結層の厚さは０．１０〜０．４０ｍｍ、樹脂組成物から形成された被覆層の厚さは０．００５〜０．１５ｍｍとされる。このようにして得られた摺動部材は、適宜の寸法に切断されて平板状態で滑り板として使用され、また丸曲げされて円筒状の巻きブッシュとして使用される。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、以下の例において、複層摺動部材の摩擦摩耗特性は、つぎの（１）及び（２）の試験方法により評価した。
【００３８】
油中スラスト試験（１）：表１に記載の条件下で摩擦係数及び摩耗量を測定した。そして、摩擦係数については、試験を開始してから１時間経過以降、試験終了までの安定時の摩擦係数を示し、また、摩耗量については、試験終了後の摺動面の寸法変化量で示した。
【００３９】
（表１）
すべり速度    ５ｍ／ｍｉｎ
荷重          ３００ｋｇｆ／ｃｍ２
試験時間      ８時間
潤滑油        エステル油〔動粘度２５ｍｍ２／ｓ（４０℃）〕
相手材        機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）
【００４０】
油中スラスト試験（２）：表２に記載の条件下で摩擦係数及び摩耗量を測定した。そして、摩擦係数については、試験を開始してから１時間経過以降、試験終了までの安定時の摩擦係数を示し、また、摩耗量については、試験終了後の摺動面の寸法変化量で示した。
【００４１】
（表２）
すべり速度    １ｍ／ｍｉｎ
荷重          ３００ｋｇｆ／ｃｍ２
試験時間      ８時間
潤滑油        エステル油〔動粘度２５ｍｍ２／ｓ（４０℃）〕
相手材        機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）
【００４２】
実施例１〜１２及び比較例１〜４
以下の諸例において、ＰＴＦＥとして、ダイキン工業社製の「ポリフロンＦ２０１（商品名）」を使用し、石油系溶剤として、脂肪族溶剤とナフテン系溶剤との混合溶剤〔エクソン化学社製の「エクソール（商品名）」〕を使用した。
【００４３】
まず、ＰＴＦＥと表３〜表６に示される充填材とをヘンシェルミキサー内に供給して撹拌混合し、得られた混合物１００重量部に対し石油系溶剤２０重量部を配合し、ＰＴＦＥの室温転移点以下の温度（１５℃）で混合し、樹脂組成物を得た。
【００４４】
得られた樹脂組成物を鋼板からなる裏金の表面に形成された多孔質金属（青銅）焼結層上に散布供給し、ローラで圧延して多孔質金属焼結層の孔隙及び表面に樹脂組成物を充填被覆し、多孔質金属焼結層上に樹脂組成物層を備えた複層板を得た。この複層板を２００℃の温度に加熱した熱風乾燥炉中に５分間保持して溶剤を除去した後、乾燥した樹脂組成物層をローラによって加圧圧延し、多孔質金属焼結層上に被覆された樹脂組成物層の厚さを１０μｍ（０．０１ｍｍ）とした。
【００４５】
つぎに、加圧処理した複層板を加熱炉で３７０℃の温度で１０分間焼成した後、再度、ローラで加圧処理し、寸法調整及びうねり等の矯正を行って複層摺動部材を作製した。矯正の終了した複層摺動部材を切断し、一辺が３０ｍｍの複層摺動部材試験片を得た。図１は、このようにして得られた複層摺動部材を示す断面図であり、図中、符号１は鋼板からなる裏金、２は多孔質金属焼結層、３は多孔質金属焼結層２の孔隙及び表面に充填被覆された樹脂組成物からなる被覆層（摺動層）である。
【００４６】
各複層摺動部材のスラスト試験（１）及び（２）の結果を表３〜６に示す。なお、表中の配合量は重量％で示した。また、カーボンブラックとしては、ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製の「ケッチェンブラックＥＣ−６００ＪＤ（商品名）」を、溶融ふっ素樹脂としては、ダイキン工業社製の「ネオフロンＦＥＰ（商品名）」、三井・デュポンフロロケミカル社製の「テフロン（登録商標）ＭＰパウダー」を使用した。
【００４７】
【表３】
2006194397.tif 000003
【００４８】
【表４】
2006194397.tif 000004
【００４９】
【表５】
2006194397.tif 000005
【００５０】
【表６】
2006194397.tif 000006
【００５１】
上記した試験結果から、本発明の実施例の複層摺動部材は、境界又は混合潤滑条件下においても試験時間中を通して低い摩擦係数で安定した性能を発揮し、摩耗量も極めて低い値を示した。一方、比較例の複層摺動部材は、摩擦係数が高く、摩耗量も多く、摩擦摩耗特性に劣るものであった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の複層摺動部材の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  裏金
２  多孔質金属焼結層
３  被覆層（摺動層）
【図１】
2006194397.tif 000007