(57)【要約】【課題】  より耐摩耗性に優れ、耐焼付き性の良い摺動部材の潤滑剤保持構造を提供する。【解決手段】  摺動部材の互いに摺動する面の間に潤滑剤４を介在させ、前記摺動面に前記潤滑剤４を保持させることにより、摺動性を維持する摺動部材の潤滑剤保持構造において、強化繊維を絡めた殻により球状中空粒子１を構成し、該球状中空粒子１を基材に分散させた皮膜２を前記摺動面に施した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動部材の互いに摺動する面の間に潤滑剤を介在させ、前記摺動面に前記潤滑剤を保持させることにより、摺動性を維持する摺動部材の潤滑剤保持構造において、
強化繊維を絡めた殻により球状中空粒子を構成し、該球状中空粒子を樹脂の基材に分散させた皮膜を前記摺動面に施したことを特徴とする摺動部材の潤滑剤保持構造。
【請求項２】
前記基材に対する前記球状中空粒子の含有量Ａが０ｗｔ％＜Ａ≦１０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の潤滑剤保持構造。
【請求項３】
前記球状中空粒子がウィスカーまたはセラミックス短繊維に無機バインダーを加え、熱風にて造粒して焼成した造粒粉であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摺動部材の潤滑剤保持構造。
【請求項４】
前記熱風を用いた処理は、スプレードライヤーを用いて行っていることを特徴とする請求項４に記載の摺動部材の潤滑剤保持構造。
【請求項５】
前記基材となる樹脂が熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の摺動部材の潤滑剤保持構造。
【請求項６】
前記摺動部材がピストンおよびシリンダーであり、前記潤滑剤がエンジンオイルであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の摺動部材の潤滑剤保持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材の皮膜内に形成したウィスカー造粒粉に潤滑油を保持させることにより、潤滑特性をより向上させた摺動部材の潤滑剤保持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
摺動面を有する摺動部材、例えば、自動車のエンジン用ピストンには、摺動部材の耐摩耗性や焼付き性を向上させるために、摺動面で潤滑剤を一定量だけ保持させるための技術が使用されている。
例えば、特許文献１のセラミックスと金属の複合材料および摺動部材には、連通孔を有するセラミックス粒子を金属材料に分散させた技術が開示されている。このセラミックス粒子の連通孔は、複合材料の表面を加工除去することにより開口され、これにより、連通孔に潤滑剤が入り込むとともに保持されるようになっている。このセラミックス粒子は、寸法が３００μｍ以下、３０〜８０Ｖｏｌ％であり、孔の直径が１００μｍ以下、気孔率０．１〜５０Ｖｏｌ％に形成されている。
【０００３】
特許文献２のシリンダーでは、中空のガラスビーズをセラミックスに分散させた技術が開示されている。ガラスビーズの球形気孔は、摺動面を加工除去することにより開口され、ガラスビーズの球形気孔に潤滑油が保持されるようになっている。このガラスビーズは、粒子寸法５〜１５０μｍ、孔の直径５〜１５０μｍ以下、気孔率０．１〜５０Ｖｏｌ％に形成されている。
また、特許文献３のメカニカルシールでは、球状カーボンを合成樹脂に分散させている。この球状カーボンは、摺動面が摩耗することにより脱落し、球状カーボンが脱落した孔に潤滑剤が保持されるようになっている。この球状カーボンは、粒子寸法１〜５０μｍ、２〜３０ｗｔ．％に形成されている。
【０００４】
特許文献４の摺動材では、中空カーボン粒子をセラミックスに分散させている。この中空カーボン粒子は、摺動面が摩耗することにより中空部が表面に露出し、この露出した中空部およびカーボン粒子自身に潤滑剤が吸収されるとともに保持されるようになっている。この中空カーボン粒子は、粒子寸法１〜５０μｍ、３〜３０Ｖｏｌ％に形成されている。
さらに、特許文献５の摺動部材用組成物には、潤滑剤が樹脂に包まれたマイクロカプセルを合成樹脂皮膜に分散させている。このマイクロカプセルは、摺動面が摩耗することによりマイクロカプセルが破泡し、マイクロカプセル内の潤滑剤が流出して潤滑を確保するようになっている。このマイクロカプセルは、粒子寸法が膜厚の１０〜１００％に形成されている。
【特許文献１】特開平８−１９９２８２号公報
【特許文献２】特開平８−２９６７４１号公報
【特許文献３】特開平９−２９２０３３号公報
【特許文献４】特開２０００−１７０９２４号公報
【特許文献５】特開２００２−６９４７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の材料で形成された受容体は、摩耗に弱く、さらに潤滑剤の保持量も少量であるという欠点を有している。
特許文献１の構成では、気孔率０．１〜５０Ｖｏｌ％であるため、保持できる潤滑材の量が少なくなってしまう。同様に、特許文献２についても、気孔面積率３〜２８％（粒子を貫通する気孔をもっていると仮定すると、気孔率３〜２８Ｖｏｌ％）であり、保持可能な潤滑剤の量が少ない。
【０００６】
特許文献３の構成では、粒子が脱落しない限り潤滑剤を保持できないので、保持可能な潤滑剤の量が少なく、保持可能時間も短い。また、特許文献４の構成では、カーボン粒子が固体潤滑剤にも使用されているように、摩滅してしまう。さらに、特許文献５の構成では、単に穴の中に潤滑剤を保持しているだけなので、潤滑剤を保持する時間が短い。
【０００７】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、より耐摩耗性に優れ、耐焼付き性の良い摺動部材の潤滑剤保持構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、摺動部材の互いに摺動する面の間に潤滑剤を介在させ、前記摺動面に前記潤滑剤を保持させることにより、摺動性を維持する摺動部材の潤滑剤保持構造において、強化繊維を絡めた殻により球状中空粒子を構成し、該球状中空粒子を樹脂の基材に分散させた皮膜を前記摺動面に施している。
また、前記基材に対する前記球状中空粒子の含有量Ａが０ｗｔ％＜Ａ≦１０ｗｔ％にしている。
【０００９】
前記球状中空粒子がウィスカーまたはセラミックス短繊維に無機バインダーを加え、熱風にて造粒して焼成した造粒粉である。
この熱風を用いた処理は、スプレードライヤーを用いて行っている。
また、前記基材となる樹脂が熱硬化性樹脂である。
さらに、前記摺動部材がピストンおよびシリンダーであり、前記潤滑剤がエンジンオイルである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、強化繊維を絡めた殻により球状中空粒子を構成し、該球状中空粒子を樹脂の基材に分散させた皮膜を前記摺動面に施しているので、球状中空粒子の強化繊維を絡めた殻から、毛細管現象により潤滑剤が粒子内部へ浸透するようになっているため、潤滑剤を保持することができる。また、基材に樹脂を用いているため、強化繊維の殻に樹脂が浸透することがない。さらに、球状中空粒子の殻内にも浸透した潤滑剤を保持することができるので、従来に比べてより多くの潤滑剤の保持が可能となる。また、球状中空粒子は、殻を通して少しずつ潤滑剤を放出することができる。さらにまた、球状中空粒子は、皮膜中に粒子の状態で存在しているため、皮膜強度を高めることができる。
【００１１】
また、前記基材に対する前記球状中空粒子の含有量Ａが０ｗｔ％＜Ａ≦１０ｗｔ％であるので、この潤滑剤保持構造は、必要最低限の球状中空粒子の添加量で効果を得ることができる。言い換えれば、不必要に添加することがないため、材料の有効利用を図ることができる。
また、前記球状中空粒子がウィスカーまたはセラミックス短繊維に無機バインダーを加え、熱風にて造粒して焼成した造粒粉であり、前記熱風を用いた処理は、スプレードライヤーを用いて行っているので、簡易な方法で皮膜中に球状中空粒子を設けることができる。
【００１２】
さらに、前記基材となる樹脂が熱硬化性樹脂であるので、この潤滑剤保持構造は、高温になる箇所へ適用することができる。
さらにまた、前記摺動部材がピストンおよびシリンダーであり、前記潤滑剤がエンジンオイルであるので、この潤滑剤保持構造を車のエンジンに活用する場合、潤滑剤としてエンジンオイルを利用することができ、別途潤滑剤を使用しなくてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造に使用されている造粒粉の断面図、図２は、本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造であって、（ａ）は摺動部材の皮膜に造粒粉が分散している状態を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図である。
【００１４】
ウィスカー造粒粉１は、図１に示すように、その内部に空洞部分１ａが形成されている。この空洞部分１ａは、強化繊維をからめた外殻部分１ｂで覆われている。ここで強化繊維とは、例えば、ウィスカーやセラミックス短繊維のことであり、直径が平均値をとった場合、φ０．１〜１μｍの範囲のいずれかであり、長さが平均値をとった場合、１０〜１００μｍの範囲のいずれかであり、アスペクト比が平均値をとった場合、５〜１０００の範囲のいずれかのものをいう。
【００１５】
ウィスカー造粒粉１の外周は、熱可塑性樹脂３で覆われるようになっており、このウィスカー造粒粉１と熱可塑性樹脂３によって、図示しない摺動部材の表面にコーティング被膜２を形成している。なお、この熱可塑性樹脂３の基材には、図２（ａ）に示すように、ウィスカー造粒粉１が分散されており、基材に対するウィスカー造粒粉１の含有量Ａが０ｗｔ％＜Ａ≦１０ｗｔ％になっている。
【００１６】
また、コーティング被膜２の表面は、摺動部材の摺動面となっており、図２（ｂ）に示すように、この摺動面と互いに摺動する他の摺動面との間には、潤滑剤４が使用されている。この潤滑剤４は、互いの摺動面を潤滑させるとともに、図１に示すように、潤滑剤４が熱可塑性樹脂３から露出しているウィスカー造粒粉１の外殻部分１ｂに浸透し、さらに、ウィスカー造粒粉１の空洞部分１ａに入り込むようになっている。これにより、ウィスカー造粒粉１の箇所でオイル溜まりが形成されるようになっている。
【００１７】
次に、本発明に係る摺動部材の製造方法について、図１および図２を用いて説明する。
上述のウィスカー造粒粉１には、繊維同士を接着するために、ウィスカーまたはセラミックス短繊維にシリカゾル、アルミナゾル、ガラスフリット（ホウ珪酸ナトリウム）等の無機バインダーが添加されている。そして、スプレードライヤー等により造粒されたウィスカー造粒粉１は、マッフル炉等の炉により６００〜８００℃で焼成されることになる。これにより、ウィスカーの繊維同士が接着され、かつウィスカーの繊維の表面がコーティングされ、繊維が絡まった殻を形成している球状中空粒子が形成されることになる。また、この球状中空粒子は、高温耐熱性に優れ、体積率が１０％程度の強固な球状の中空構造の造粒粉となっている。
また、ウィスカー造粒粉１は、無機バインダーを混ぜて焼成することにより、硬度が高く、耐熱性に優れ、耐衝撃性にも優れたものになるため、摺動面に生じる荷重を受け止めることができる。
【００１８】
そして、皮膜の基材として熱硬化性樹脂３であるフェノール樹脂、固体潤滑剤として二硫化モリブデンを使用し、固体潤滑皮膜にウィスカー造粒粉１を分散させ、摺動部に塗布して２０μｍ以上の厚みのコーティング被膜２を形成する。この基材となるフェノール樹脂は、ウィスカー造粒粉１を分散、接着する機能に加え、耐摩耗性を確保する機能を果たしている。従って、優れた機械的強度が要求され、フェノール樹脂、フェノールエポキシ樹脂、ポリアミドイミド樹脂等の熱硬化性樹脂がその要求を満たすものである。特に、ポリアミドイミド樹脂が優れている。
【００１９】
なお、基材の熱硬化樹脂３は、コーティング被膜２を形成するときに、その粘度や濡れ性のため、ウィスカー造粒粉中央の空洞部分１ａだけでなく、繊維で形成された外殻部分１ｂにも浸透しない状態で固化するようになる。つまり、ウィスカー造粒粉１の中央の空洞だけでなく、繊維で形成された殻部分にも浸透しない。よって、図１および図２に示すように、摩耗によりウィスカー造粒粉１の殻が露出した時点で、殻の隙間に潤滑剤が浸透し、オイル溜まりとしての機能を発現することになる。
【００２０】
次に、本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造の作用について説明する。
境界潤滑での摺動性を向上させるためには、摩擦力Ｆ（Ｆ＝Ａｓ，Ａは真実接触面積、ｓはせん断強さ）を小さくする必要がある。そのためには、（１）硬質粒子で荷重を支えること、（２）軟質材で固体潤滑作用を持たせること、および（３）凹凸等で潤滑油を保持し続けるようにすることを行なっている。
本発明では、上記（１）と（３）を両立する粒子を添加するものであり、基材となる皮膜（熱硬化性樹脂）内にウィスカーまたはセラミックス短繊維を造粒して焼成した粉末のウィスカー造粒粉を摺動部用組成材料として分散させることにより、潤滑摺動性を向上させたものである。
【００２１】
摺動部の間に潤滑剤４の膜が介在した状態で摺動部材が摺動する場合、一方の摺動面に塗布した２０μｍ以上の厚みのコーティング被膜２を形成することで、外殻部表面に露出したウィスカー造粒粉１がオイル溜まりをつくり、表面の摺動性が向上する。一例としてピストンのスカート表面部にこの技術を適用した場合、エンジンオイルの保持によりシリンダ壁面との摩擦損失を低減させることで、エンジン性能を向上させる効果を得ることができる。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造の試験について図３〜図６を用いて説明する。本発明の摺動部用組成材料を摺動部にコーティングし、被膜を形成する組成材料の焼付き荷重、摩擦係数、摩耗量を測定した。その測定方法、測定結果について説明する。
【００２３】
１．実施例の試料について
（比較例）（比較材）
摺動部材のコーティングに使用する摺動部用組成材料は、任意の熱硬化樹脂基材と、その熱硬化樹脂基材に分散された任意の固体潤滑剤とで構成されている。固体潤滑剤の平均粒径は、１μｍとし、添加量は、基材重量に対して２００ｗｔ％とした。
この摺動部用組成材料の前駆体を、脱脂後１００℃に予熱した摺動部材の摺動面にエアースプレーで塗布し、電気オーブンを用いて１９０℃で加熱固定させ、コーティング被膜を形成した。コーティング被膜の厚さは約２０μｍとした。
【００２４】
（実施例１〜５）
摺動部材のコーティングに使用する摺動部用組成材料は、比較例の比較材に更にウィスカー造粒粉１を分散させたもので構成されている。ウィスカー造粒粉１の添加量は、基材重量に対して、それぞれ３ｗｔ％，５ｗｔ％，１０ｗｔ％，１５ｗｔ％，２０ｗｔ％とし、それぞれを実施例１〜５とした。
ウィスカー造粒粉１は、強化繊維にホウ酸アルミニウムウイスカーを使用し、バインダーとしてポリビニルアルコールおよびホウ硅酸ナトリウムのガラスフリットを添加した。バインダーの添加量は、強化繊維重量に対し、ポリビニルアルコール６ｗｔ％、ホウ硅酸ナトリウムのガラスフリットを５ｗｔ％とした。これらのバインダーを添加したホウ酸アルミニウムウイスカーをスプレードライヤーを用いて造粒化処理を行い、その後７００℃，３時間で焼成した。ホウ酸アルミニウムウイスカー造粒粉の平均粒径は、約１０μｍであった。
上記の手順でできた摺動部用組成材料の前駆体を脱脂後、１００℃に予熱した摺動部材の摺動面にエアースプレーで塗布し、電気オーブンを用いて１９０℃で加熱固化させ、厚さ約２０μｍのコーティング被膜を形成した。
【００２５】
２．測定方法および測定装置
測定方法は、摺動部材表面にコーティングされた被膜２と相手材との間に介在する潤滑剤４が潤滑条件として、できるだけ実機に近い状態となるようにして測定を実施した。測定項目は、摩擦係数、焼付き荷重、摩耗量の３項目とし、測定には、図３に示す往復摺動試験機を用いた。
（１）焼付き荷重、摩擦係数
焼付き荷重、摩擦係数の測定は、図３に示すように、板状サンプルのコーティング面に、φ１０の鋼製円柱部材５（硬さ５００Ｈｖ）の円形面を押し付け（図３の矢印６の方向）、板状サンプルを５０ｍｍのストロークで往復摺動（図３の矢印７の方向）させて測定する。今回の測定は、押付け荷重を段階的に上げつつ行なった。摩擦係数が０．３を超えた場合には、コーティング被膜２は摩耗、剥離が生じることから、ここではこれを超えた状態を焼付きと定義した。
【００２６】
（２）摩耗量
摩耗量は、摩擦係数、焼付き荷重の測定と同様に、図３に示す往復摺動試験機を用いた。押付け荷重を１００Ｐａ、押付け時間を１５分とし、試験後にコーティング面の被摺動面に対して摺動部のコーティング面の垂直方向の深さを表面粗さ計で測定し、この値を摩耗量とした。
焼付き荷重、摩擦係数、摩耗量の測定結果については、表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
３．結果から分かる効果
（１）焼付き荷重について（図４参照）
ウィスカー造粒粉１の添加による耐焼付き性の向上が認められ、添加量が基材に対し１０ｗｔ％の場合に最大の効果が得られることが分かる。最低でも、基材に対し３ｗｔ％の添加量で効果が現れ、耐焼付き性が１．５倍に向上する。
（２）摩擦係数について（図５参照）
ウィスカー造粒粉１の添加による摩擦係数の低減効果が認められ、実施例３と実施例５については、実施例１に比べ摩擦係数が約２５％低減している。
（３）摩耗量について（図６参照）
ウィスカー造粒粉１の添加による対摩耗性の向上が認められ、実施例３は実施例１に比べて摩耗量が約４５％、実施例５に比べて摩耗量が約２８％低減している。
【００２９】
４．まとめ
本案では、粒子中のウィスカー体積が１０ｖｏｌ％を占めており、粒子あたりの保持できる潤滑剤４が多い。また、粒子内部１ａだけでなく繊維の毛管引力によって潤滑剤４を保持するため、外殻部１ｂが露出した時点で保持を開始し、結果として通常の中空粒子よりも保持時間が長い。このことから、長時間作動せず、潤滑剤４が少なくなった状態でも焼付き等の問題が発生しづらい。更に、ウィスカー造粒粉１は、硬質粒子として添加されているので、摩滅しづらく、潤滑油を長時間保持することができる。
【００３０】
本発明に係る摺動部材の潤滑剤保持構造の効果を実機のエンジンで確認するためにテストを行なった。ピストンのスカート表面部に本発明の摺動部用組成材料（実施例２）を、比較材としてウィスカー造粒粉１の無添加剤（比較例）をそれぞれコーティングしたピストンを製作し、エンジン単体（排気量１．５Ｌ、４気筒）でのモータリング法により摩擦損失を測定した。エンジン運転時間と摩擦損失の関係を図７に示す。この結果から、摺動部組成材料のウィスカー造粒粉１の添加効果により、初期状態から摩擦損失が低く、１２０時間運転後においても、ウィスカー造粒粉１の無添加品に対し約２％の摩擦損失低減効果が認められる。また、運転開始後約１００時間で摩耗損失効果は、平衡状態となることが分かった。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造ついて述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
例えば、摺動部材の潤滑保持構造を高荷重のもとで潤滑させる場合、および油潤滑させる場合の初期なじみや精密機器に応用することができる。具体的には、ギヤ、シャフト、ピストンのピッチング、スカッフリングの防止に使用することができる。また、ギヤの歯打ち音等の騒音の低減にも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造に使用されている造粒粉の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造であって、（ａ）は摺動部材の皮膜に造粒粉が分散している状態を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造の摺動試験を行なうための往復摺動試験機の斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造のウィスカー造粒粉の添加量と焼付き荷重の関係をグラフで示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造のウィスカー造粒粉による摩耗の影響をグラフで示した図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る摺動部材の潤滑剤保持構造の摩耗損失の経時変化をグラフで示した図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ウィスカー造粒粉（球状中空粒子）
１ａ  空洞部分（粒子内部）
１ｂ  外殻部分
２  コーティング被膜
３  熱硬化性樹脂
４  潤滑剤
５  鋼製円柱部材
６  押付け方向
７  摺動方向
【図１】
2005188713.tif 000004
【図２】
2005188713.tif 000005
【図３】
2005188713.tif 000006
【図４】
2005188713.tif 000007
【図５】
2005188713.tif 000008
【図６】
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