(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板と、その金属板の表裏両表面に被着したゴム層と、それらのゴム層の上に被着した固体潤滑剤層とを具える、ビードを有する金属ガスケット用の複合素材において、
前記固体潤滑剤層が、主として、
９〜４０重量％のポリテトラフロロエチレンと、
１〜１０重量％のカーボンブラックと、
３５〜５７重量％のウレタン樹脂と、
５〜４０重量％のシリコン樹脂と、
５重量％以下のＮＢＲまたは３重量％以下のグラファイトとからなり、摩擦係数が０．１５以下のものであることを特徴とする、金属ガスケット用複合素材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関への使用に適した金属ガスケット用の複合素材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジン等の内燃機関では、例えば図３に示すようにボルト１等で締結されたフランジ２，３の合せ面２ａ，３ａにおいて、振動や熱膨張等により、図４（ａ）に矢印Ａで示す如き横ずれ（横方向フレッティング）や図４（ｂ）に矢印Ｂで示す如き口開きによる矢印Ｃで示す如きフレッティングが繰り返し発生するフレッティング状態となる。
【０００３】
これがため、図３に示すように、フランジ２，３の合せ面２ａ，３ａ間に流体通路４内の流体のシールのために金属ガスケット５を使用した場合には、フランジ２，３の合せ面２ａ，３ａ面と金属ガスケット５のビード部５ａとの間で特に図４（ａ），（ｂ）に示す突部Ｄにおいて繰り返し摩擦が生じ、図５に示すように、金属ガスケット５の金属板５ｂに被着したゴム層５ｃがそれらの突部Ｄにおいて早期に磨滅したり剥離したりしてシール性が著しく低下するという不都合がある。
【０００４】
そこで、このフレッティング摩耗の問題を解決すべく従来、以下の方法が試みられている。
(a) 被着ゴム層の表面に無機粉体系の固体潤滑剤（グラファイト、二硫化モリブデン等）を塗布し、フレッティングにより発生する摩擦力を低下させる。
(b) 被着ゴム層の表面に液状潤滑剤（ワックス、オイル、脂肪酸等）を塗布し、フレッティングにより発生する摩擦力を低下させる。
(c) 被着ゴム層の加硫度を高めたり、ゴム組成中のカーボンブラックやフィラー成分の添加量を増やしたりして、被着ゴム層の硬度を高くして耐磨耗性を向上させる。
(d) 実開平2-59362 号公報や実開平3-124075号公報に開示されているように、金属ガスケットの表裏面の摩擦抵抗に差を設けて、金属ガスケットを挟む二つの合せ面の何れかに対し金属ガスケットを滑らせるようにする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記(a) の方法では、無機粉体系潤滑剤は摩擦力の低減効果が低く、かつフランジ合せ面への固体潤滑剤の馴染み（転写）が発生するまでは摩擦力の低減効果が望めず、それゆえ初期状態で高負荷のフレッティングが生じた場合に被着ゴム層の磨滅が発生してしまう。一方、上記(b) の方法では、液状潤滑剤は金属ガスケットの使用環境温度が厳しいと経年劣化を起こし、摩擦力の低減効果が失われてしまう。またシールする流体によっては、液状潤滑剤がその流体に溶出して失われ、同様に摩擦力が大きくなって被着ゴム層の磨滅を招いてしまう。
【０００６】
さらに、上記(c) の方法では、被着ゴム層の硬度を高くすることで、低面圧領域のシール性および粗い面でのシール性が低下し、金属ガスケット本来のシール機能が損なわれてしまう。そして上記(d) の方法では、フレッティングによる被着ゴム層の磨滅がガスケットの片面のみで吸収されるため、シール性の低下の度合いは軽減されるが、ゴム層の磨滅がなくなるわけではないため根本的な解決には到らない。またフレッティングが発生する側の面に高いシール性能を要求される部位（高圧力シール部位や燃料シール部位等）が存在する場合には、この方法は選択できないという問題もある。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、上記課題を有利に解決した金属ガスケット用複合素材を提供することを目的とするものであり、この発明の金属ガスケット用複合素材は、金属板と、その金属板の表面に被着したゴム層と、そのゴム層の上に被着した固体潤滑剤層とを具える、ビードを有する金属ガスケット用の複合素材において、前記固体潤滑剤層が、主として、９〜４０重量％のポリテトラフロロエチレンと、１〜１０重量％のカーボンブラックと、３５〜５７重量％のウレタン樹脂と、５〜４０重量％のシリコン樹脂と、５重量％以下のＮＢＲまたは３重量％以下のグラファイトとからなり、摩擦係数が０．１５以下のものであることを特徴としている。
【０００８】
かかる複合素材を用いた金属ガスケットにあっては、ゴム層の上に被着した固体潤滑剤層が、摩擦係数が低いとともに耐熱性が高く化学的性質も安定している９〜４０重量％のポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）と、３５〜５７重量％のウレタン樹脂および５〜４０重量％のシリコン樹脂とを含むので、それらの樹脂が硬化剤としてＰＴＦＥをゴム層の上に固着させ、そのＰＴＦＥが固体潤滑剤層の摩擦係数を０．１５以下の低い値として、金属ガスケットと合せ面との間の摩擦力を大きく低減させる。
【０００９】
従ってこの発明の金属ガスケット用複合素材によれば、初期状態で高負荷のフレッティングが生じた場合でも被着ゴム層の磨滅が発生するのを有効に防止することができ、また、金属ガスケットの使用環境温度が厳しい場合でも経年劣化で摩擦力の低減効果が失われるのを防止することができるとともに、シールする流体によって潤滑剤が溶出して失われるのを防止することができ、それゆえ長期間に亘って常に安定したシール性を得ることができる。
【００１０】
さらにこの発明の金属ガスケット用複合素材によれば、被着ゴム層の硬度を特に高くしなくても磨滅を防止し得ることから、低面圧領域のシール性および粗い面でのシール性が低下することがないため、金属ガスケット本来のシール機能を維持することができ、しかも、フレッティングによる被着ゴム層の磨滅をガスケットの両面で防止できることから、フレッティングが発生する側の面に高いシール性能を要求される部位（高圧力シール部位や燃料シール部位等）が存在する場合でも、その要求に十分対応することができる。
【００１２】
さらにこの発明の金属ガスケット用複合素材によれば、ゴム層の上に被着した固体潤滑剤層が、１〜１０重量％のカーボンブラックを含むので、そのカーボンブラックが離型剤として機能して、当該複合素材を重ねて保管する場合にブロッキング（金属板に被着した層同士が固着する現象）の発生を防止することができる。
【００１３】
そしてカーボンブラックが１重量（WT）％未満では離型作用が十分でなく、一方カーボンブラックが１０重量（WT）％を超えると固体潤滑剤層の摩擦係数が大きくなり過ぎるところ、この発明の金属ガスケット用複合素材によれば、カーボンブラックが固体潤滑剤層に１〜１０重量％含まれているので、低い摩擦係数を維持しつつ、離型効果を高めてブロッキングを有効に防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の金属ガスケット用複合素材の一実施形態を用いた金属ガスケットの一部を拡大して示す断面図であり、この実施形態の複合素材は、金属板６ｂと、その金属板６ｂの表裏両表面にそれぞれ被着したゴム層としての合成ゴム層６ｃと、それらの合成ゴム層６ｃの表面にそれぞれ被着した、摩擦係数が０．１５以下のＰＴＦＥ系固体潤滑剤層６ｄとを具えている。そしてこの実施形態の複合素材を用いた図示例の金属ガスケット６は、流体のシールのために山形（いわゆるフルビード形）のビード部６ａを有している。
【００１５】
表１は、上記実施形態の複合素材の第１実施例における固体潤滑剤層６ｄの組成を示す。
【表１】
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【００１６】
この組成の固体潤滑剤層６ｄを持つ第１実施例の複合素材を用いた上記金属ガスケット６を、エンジンのシリンダーヘッドとインテークマニホールドフランジとの合せ面間に組み込み、加熱と冷却との繰り返しによりその合せ面にフレッティング負荷を入力する実機耐久試験を８００サイクル実施した結果、金属ガスケット６のビード部６ａの合成ゴム層６ｃの磨滅は発生せず、優れたシール耐久性を有していることが確認された。
【００１７】
以下の表２〜表６にそれぞれ組成を示す固体潤滑剤層６ｄを持つ第２実施例および第１〜第４参考例の複合素材を用いた金属ガスケット６も、第１実施例と同様の試験を行った結果、優れたシール耐久性を有していることが確認された。
【表２】
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【表３】
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【表４】
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【表５】
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【表６】
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【００１８】
表７は、上記実施形態の複合素材の固体潤滑剤層６ｄの代わりに、金属板６ｂの両面の合成ゴム層６ｃの表面に、グラファイトの含有量を増やした他の潤滑剤層を設けた第１比較例の複合素材の、その潤滑剤層の組成を示す。
【表７】
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【００１９】
この組成の潤滑剤層を持つ第１比較例の複合素材を用いた上記金属ガスケット６を、先の実施例と同様にエンジンのシリンダーヘッドとインテークマニホールドフランジとの合せ面間に組み込み、加熱と冷却との繰り返しによりその合せ面にフレッティング負荷を入力する実機耐久試験を実施した結果、３００サイクル以下にて金属ガスケット６のビード部６ａの合成ゴム層６ｃに磨滅が発生し、シール性が著しく低下した。
【００２０】
以下の表８〜表１１にそれぞれ組成を示す、先の実施例と異なる組成の潤滑剤層を持つ第２比較例〜第５比較例の複合素材を用いた金属ガスケット６も、第１比較例と同様の試験を行った結果、３００サイクル以下にて金属ガスケット６のビード部６ａの合成ゴム層６ｃに磨滅が発生することが確認された。
【表８】
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【表９】
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【表１０】
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【表１１】
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【００２１】
また図２は、上記実施形態の複合素材を用いた金属ガスケットと、上記比較例の複合素材を用いた金属ガスケットとについてそれぞれ、摩擦係数を測定しながらフレッティング試験を行って、金属ガスケットのフレッティングに対する耐久性をゴム層の磨滅指標である摩擦係数の変化にて検証した結果を示すグラフであり、この試験は株式会社レスカ製のFPR-2000型ボール圧子摩擦試験機を用いて、直径５±0.01mm、長さ25±0.01mm、先端球面Ｓ10、材質SUJ2、硬度HRC 58、先端面粗度Ra 0.5のピンを、押圧荷重49.1Ｎで上記試験機のターンテーブル上の50mm角の試験片に押し付け、摩擦長さ25mm、ターンテーブル回転速度50mm/secでターンテーブルを往復回転させて行ったもので、測定時の雰囲気温度は25±５℃であった。
【００２２】
図２中、上記実施形態の複合素材のうちの第１実施例の複合素材についてはL1で、上記比較例のうちの液状潤滑剤であるワックス（パラフィン）系潤滑剤の層を表面に持つ第４比較例の複合素材についてはL2で、そして上記比較例のうちの無機粉末系固体潤滑剤であるグラファイト系潤滑剤の層を表面に持つ第３比較例の複合素材についてはL3でそれぞれ示してある。
【００２３】
上記フレッティング試験では先ず、第１実施例の複合素材と第３比較例の複合素材との比較試験を行った。この結果、グラファイト系潤滑剤の層を表面に持つ第３比較例の複合素材は、初期の馴染みが発生するまでは摩擦係数が高いため金属ガスケットのゴム層にダメージを与え、図２中に特性線L3で示すように５００回程度のフレッティングでゴム層が磨滅してしまった。これに対し上記第１実施例の複合素材は、当初から低い摩擦係数で安定した挙動を示し、図２中に特性線L1で示すように３０００回以上のフレッティングにおいてもゴム層の磨滅は発生しなかった。
【００２４】
上記フレッティング試験では次に、燃料（ガソリン）共存環境下で、第１実施例の複合素材と第４比較例の複合素材との比較試験を行った。この結果、ワックス（パラフィン）系潤滑剤の層を表面に持つ第４比較例の複合素材は、塗布したワックスが燃料に溶出してしまって図２中に特性線L2で示すように１００回程度で摩擦力が高くなると同時にゴム層の磨滅が発生した。これに対し上記第１実施例の複合素材は、燃料中においても潤滑剤の溶出や変質を起こさず、上記特性線L1と同様に安定した低い摩擦力で推移した。
【００２５】
従って、上記実施形態の複合素材によれば、初期状態で高負荷のフレッティングが生じた場合でも被着ゴム層６ｃの磨滅が発生するのを防止することができ、また金属ガスケットの使用環境温度が厳しい場合でも経年劣化で摩擦力の低減効果が失われるのを防止することができるとともに、シールする流体によって潤滑剤が溶出して失われるのを防止することができ、それゆえ常に安定したシール性を得ることができる。
【００２６】
さらに上記実施形態の複合素材によれば、被着ゴム層６ｃの硬度を特に高くしなくても磨滅を防止し得ることから、低面圧領域のシール性および粗い面でのシール性が低下することがないため、金属ガスケット本来のシール機能を維持することができ、しかも、フレッティングによる被着ゴム層６ｃの磨滅をガスケットの両面で防止できることから、フレッティングが発生する側の面に高いシール性能を要求される部位（高圧力シール部位や燃料シール部位等）が存在する場合でも、その要求に十分対応することができる。
【００２７】
以下の表１２は、上記実施形態の複合素材において固体潤滑剤層６ｄのカーボンブラックの添加量を種々異ならせたものにつき、その複合素材を重ねて放置してブロッキング（金属板の表面に被着した層同士が固着する現象）の発生の有無を調べた結果を示すものである。
【表１２】
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【００２８】
この結果から明らかなように、上記実施形態の複合素材の固体潤滑剤層６ｄの固体潤滑剤に添加剤としてカーボンブラックを１〜10重量（WT）％添加すると、低い摩擦係数を維持しつつ、離型効果を高めてブロッキングを有効に防止することができる。
【００２９】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、この発明の複合素材は、例えば金属板の片側表面に被着したゴム層の表面にＰＴＦＥ系固体潤滑剤を被着したものでもよく、かかる複合素材は、その固体潤滑剤層を外向きに配置して重ね合わせることで、積層型金属ガスケットを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の金属ガスケット用複合素材の一実施形態の部分拡大断面図である。
【図２】  上記実施形態の複合素材を用いた金属ガスケットと、比較例の複合素材を用いた金属ガスケットとについてのフレッティング試験の結果を示す特性線図である。
【図３】  金属ガスケットの使用状態を例示する断面図である。
【図４】  （ａ），（ｂ）は合せ面でのフレッティングを示す説明図である。
【図５】  従来の金属ガスケットのフレッティングによる摩耗状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１  ボルト
２，３  フランジ
２ａ，３ａ  合せ面
４  流体通路
５，６  金属ガスケット
５ａ，６ａ  ビード部
５ｂ，６ｂ  金属板
５ｃ，６ｃ  合成ゴム層
６ｄ  ＰＴＦＥ系固体潤滑剤層
【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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