(57)【要約】【課題】摺動時に金属フッ化物の生成を抑制することにより、移着膜の形成を促進して摩耗耐久性を向上することができ、かつ製造コストを低減することもできる無潤滑摺動部材および圧縮機を提供する。【解決手段】互いに無潤滑で摺動する第１部材と第２部材とを有している。第１部材は、金属材から成る基体の第２部材との摺動面に、有機化合物から成る被膜が設けられている。第２部材は、第１部材との摺動面がフッ素樹脂から成っている。被膜は、摺動時に第１部材の摺動面にフッ素樹脂から成る移着膜が形成されるよう、第１部材の摺動面に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに無潤滑で摺動する第１部材と第２部材とを有し、
前記第１部材は、金属材から成る基体の前記第２部材との摺動面に、有機化合物から成る被膜が設けられており、
前記第２部材は、前記第１部材との摺動面がフッ素樹脂から成ることを
特徴とする無潤滑摺動部材。
【請求項２】
摺動時に前記第１部材の摺動面に前記フッ素樹脂から成る移着膜が形成されるよう、前記第１部材の摺動面に前記被膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の無潤滑摺動部材。
【請求項３】
前記フッ素樹脂は、ポリ四フッ化エチレンまたはそれを主成分とする複合材であることを特徴とする請求項１または２記載の無潤滑摺動部材。
【請求項４】
前記有機化合物は、前記フッ素樹脂と比べ、前記金属材に対する電子供与性が高いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無潤滑摺動部材。
【請求項５】
前記被膜は、厚さが１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無潤滑摺動部材。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の無潤滑摺動部材を有し、
前記第１部材がシリンダから成り、
前記第２部材がピストンリングから成ることを
特徴とする圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無潤滑摺動部材および圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材とフッ素樹脂材とが無潤滑で摺動する部材では、摺動時に、金属材の表面にフッ素樹脂材の移着膜が形成されることにより、フッ素樹脂の自己潤滑性により摩擦および摩耗が低減し、摺動特性が向上することが知られている。このような移着膜を利用したものとして、例えば、フッ素樹脂としてＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン、ポリ四フッ化エチレン；polytetrafluoroethylene）や変性ＰＴＦＥを用いた流体圧縮機（例えば、特許文献１参照）や、ＰＴＦＥ樹脂から成るピストンリングの近傍に、ＰＴＦＥ樹脂よりも移着されやすい樹脂から成る摺動部を設けたガス圧縮機が開発されている（例えば、特許文献２参照）。また、あらかじめ水素ガス雰囲気中で、金属表面にＰＴＦＥ樹脂を接触させて摺動させることにより、金属表面に移着膜を形成しておく方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−５７３２号公報
【特許文献２】特開２０１４−２３４７７５号公報
【特許文献３】特許第４８５９０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１および２に記載の移着膜を形成する摺動部材では、移着膜が形成される前に、金属材の表面で金属フッ化物が生じる化学反応が起きてしまう。この反応は、以下のようにして起こると考えられる。すなわち、図７に示すように、アルミニウムなどの金属材（図７では、Ａｌ２Ｏ３）の表面は、大気中水分の解離吸着等により不動態化（水酸化）している。しかし、摩擦中に、水酸基がメカノケミカル的あるいは熱化学的に脱水反応を起こすため、水酸基を失って化学的に活性化したＡｌ原子が金属表面に露出する。このＡｌ原子が活性点となり、フッ素樹脂（図７では、ＰＴＦＥ）からフッ素を引き抜いて、金属フッ化物（図７では、フッ化アルミ）が生成される。このような金属フッ化物が形成されると、移着膜が金属材の表面に形成されにくくなるため、結果としてフッ素樹脂材の摩耗が進み、摩耗耐久性が低下してしまうという課題があった。
【０００５】
また、特許文献３に記載の移着膜の形成方法では、水素ガス雰囲気という特殊環境下で、あらかじめ移着膜を形成しておく必要があるため、製造コストが嵩んでしまうという課題があった。
【０００６】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、摺動時に金属フッ化物の生成を抑制することにより、移着膜の形成を促進して摩耗耐久性を向上することができ、かつ製造コストを低減することもできる無潤滑摺動部材および圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る無潤滑摺動部材は、互いに無潤滑で摺動する第１部材と第２部材とを有し、前記第１部材は、金属材から成る基体の前記第２部材との摺動面に、有機化合物から成る被膜が設けられており、前記第２部材は、前記第１部材との摺動面がフッ素樹脂から成ることを特徴とする。本発明に係る無潤滑摺動部材は、特に、摺動時に前記第１部材の摺動面に前記フッ素樹脂から成る移着膜が形成されるよう、前記第１部材の摺動面に前記被膜が形成されていることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る無潤滑摺動部材は、第１部材の摺動面に、有機化合物から成る被膜が設けられているため、第１部材と第２部材との摺動時に、第１部材の摺動面に金属フッ化物が生成されるのを抑制することができる。これは、以下の原理によるものと考えられる。すなわち、図７に示すように、第１部材の摺動面に有機化合物から成る被膜がなければ、Ａｌなどの金属原子が活性点となり、フッ素樹脂から成る第２部材の摺動面からフッ素を引き抜いて、フッ化アルミなどの金属フッ化物が生成される。しかし、図１に示すように、第１部材の摺動面（図１では、Ａｌ２Ｏ３）に有機化合物から成る被膜を設けることにより、金属原子（図１では、Ａｌ）の活性点に有機化合物を結合させて、活性点を安定化させることができる。このため、第２部材の摺動面（図１では、ＰＴＦＥ）からフッ素を解離させて引き抜くのを阻止することができ、第１部材の摺動面に金属フッ化物が生成されるのを抑制することができる。
【０００９】
本発明に係る無潤滑摺動部材は、摺動時に、第１部材の摺動面に金属フッ化物が生成されるのを抑制できるため、第１部材の摺動面に、第２部材の摺動面のフッ素樹脂が移着しやすくなり、移着膜の形成を促進することができる。また、移着膜が形成されるため、フッ素樹脂の自己潤滑性により、摩耗耐久性を向上することができる。このように、摺動時に移着膜が形成されるため、特殊な水素ガス雰囲気下であらかじめ移着膜を形成しておく場合と比べ、製造コストを低減することもできる。
【００１０】
本発明に係る無潤滑摺動部材で、第１部材の基体は、例えば、アルミニウムや鋳鉄などから成っている。また、被膜の有機化合物は、フッ素樹脂と比べ、金属材に対する電子供与性が高いことが好ましい。この場合、有機化合物の方が、フッ素樹脂よりも金属原子の活性点を安定化させる効果が高くなるため、第２部材の摺動面からフッ素を引き抜くのを効果的に防ぐことができ、金属フッ化物の生成を抑制し、移着膜の形成効果および摩耗耐久性をさらに向上することができる。有機化合物は、例えば、−ＯＨ（ヒドロキシ基），−ＳＨ（チオール基），−Ｒ（アルキル基），−ＯＲ，−ＳＲ，−ＮＨ２（アミノ基），−Ｓ−Ｓ−，−ＮＨＲ，−ＮＲ２を含むものから成ることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る無潤滑摺動部材で、被膜は、金属原子の活性点を安定化できればよいため、少なくとも、有機化合物１分子以上の厚みがあればよい。また、被膜は、摺動時のせん断抵抗を低く抑えるために、厚さが１００μｍ以下であることが好ましい。被膜は、いかなる方法で形成されてもよく、例えば、溶媒に有機化合物を添加した溶液中に、第１部材の基体を浸すディップコートにより形成されてもよく、スピンコートにより形成されてもよい。
【００１２】
本発明に係る無潤滑摺動部材で、第２部材は、摺動面を含む一部分がフッ素樹脂から成っていてもよく、全体がフッ素樹脂から成っていてもよい。また、フッ素樹脂は、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）またはそれを主成分とする複合材であることが好ましい。複合材を用いる場合、グラファイトや無定形カーボンなどのカーボン粒子をＰＴＦＥに複合化した材料を用いるのが好ましい。この場合、カーボン粒子を用いることにより、有機化合物による金属フッ化物の生成を抑制する作用を阻害することなく、軟質なＰＴＦＥを機械的に補強することができる。
【００１３】
本発明に係る無潤滑摺動部材は、例えば、圧縮機や真空装置、分析装置、宇宙関連機器など、特に潤滑油を使用できない摺動部位に好適に使用することができる。圧縮機に利用する場合には、本発明に係る圧縮機は、本発明に係る無潤滑摺動部材を有し、前記第１部材がシリンダから成り、前記第２部材がピストンリングから成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、摺動時に金属フッ化物の生成を抑制することにより、移着膜の形成を促進して摩耗耐久性を向上することができ、かつ製造コストを低減することもできる無潤滑摺動部材および圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る無潤滑摺動部材の、摺動面での金属フッ化物の生成を抑制する原理を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の無潤滑摺動部材の、（ａ）分子シミュレーションのモデルを示す斜視図、（ｂ）各検討分子による分子シミュレーション結果の、吸着強度と活性点の中和率との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態の無潤滑摺動部材の、ピンオンディスク摩擦試験の試験方法を示す斜視図である。
【図４】図３に示すピンオンディスク摩擦試験時の各試料の摩耗速度を示すグラフである。
【図５】図３に示すピンオンディスク摩擦試験後の、各試料の（ａ）Ｆ１ｓスペクトル、（ｂ）化学種の定量分析結果を示すグラフである。
【図６】各試料の、図４に示す摩擦速度と、図５（ｂ）に示す定量分析結果から得られた金属フッ化物の生成割合との関係を示すグラフである。
【図７】従来の摺動部材の、摺動面での金属フッ化物の生成原理を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図２乃至図６は、本発明の実施の形態の無潤滑摺動部材を示している。
本発明の実施の形態の無潤滑摺動部材は、互いに無潤滑で摺動する第１部材と第２部材とを有している。第１部材は、アルミニウム製の基体と、その基体の第２部材との摺動面に設けられた、有機化合物から成る被膜とを有している。被膜は、フッ素樹脂と比べ、金属材に対する電子供与性が高い有機化合物から成っている。また、被膜は、有機化合物１分子以上、１００μｍ以下の厚みを有している。
【００１７】
第２部材は、フッ素樹脂のポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）から成っており、第１部材との摺動面もＰＴＦＥから成っている。本発明の実施の形態の無潤滑摺動部材は、摺動時に第１部材の摺動面にＰＴＦＥから成る移着膜が形成されるよう、第１部材の摺動面に被膜が形成されている。
【００１８】
本発明の実施の形態の無潤滑摺動部材は、例えば、圧縮機から成り、第１部材がシリンダ、第２部材がピストンリングから成っている。また、本発明の実施の形態の無潤滑摺動部材は、圧縮機以外にも、真空装置、分析装置、宇宙関連機器などの摺動部材や、その他の潤滑油を使用できない摺動部材から成っていてもよい。
以下、無潤滑摺動部材に関する分子シミュレーションおよび摩擦試験の結果に基づいて、本発明の実施の形態の無潤滑摺動部材について説明する。
【００１９】
［分子シミュレーション］
第１部材の基体であるアルミニウム表面の活性点を安定化させる効果を調べるために、分子シミュレーションを行った。分子シミュレーションには、密度凡関数理論に基づく第一原理計算プログラムである、市販のソフトウェア「ＤＭｏｌ３」を用いた。なお、凡関数として「ＧＧＡ−ＰＢＥ」を、基底関数として「ＤＮＰ」を用いている。また、エネルギー収束閾値を、１０−５Ｈａとした。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、分子シミュレーションでは、アルミニウムの表面を模したγ−Ａｌ２Ｏ３の表面に対し、４種類の検討分子を吸着させる計算を行い、吸着強度とアルミニウム表面の活性点に電子を供給する尺度である中和率とを求めた。ここで、γ−Ａｌ２Ｏ３は、アルミニウムの酸化表面の中でも特に活性が高い表面であり、当該表面を検討することで、検討分子によるフッ化抑制の効果を見極めることができる。なお、吸着強度が負に大きいほど活性点を覆う強さが強いことを意味し、中和率が大きいほど吸着する有機分子の電子供与性が大きいことを意味する。検討分子は、単純化されたモデル分子であり、（１）環状フォスファーゼン；Ｎ３Ｐ３（ＯＨ）６、（２）アセトアミド；ＣＨ３ＣＯＮＨ２、（３）フッ化炭素；Ｃ５Ｆ１２、（４）フェノール；Ｃ６Ｈ５ＯＨ、の４種類とした。（１）環状フォスファーゼンおよび（２）アセトアミドは電子供与性の有機化合物であり、（４）フェノールは電子吸引性の有機化合物である。（３）フッ化炭素は、ＰＴＦＥを模擬し、上記評価の基準となる分子である。
【００２１】
分子シミュレーションの結果を、図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）に示すように、（１）環状フォスファーゼンおよび（２）アセトアミドは、ＰＴＦＥを模擬した（３）フッ化炭素より、活性点の中和率（電子供与性）が高く、吸着強度も強いことが確認された。また、（４）フェノールは、（３）フッ化炭素より、吸着強度は強いが、活性点の中和率（電子供与性）が低いことが確認された。
【００２２】
このことから、アルミニウム製の基体の摺動面を覆う被膜として、（１）環状フォスファーゼンや（２）アセトアミドなどの電子供与性の有機化合物を使用した場合には、（３）フッ化炭素よりも金属原子の活性点を安定化させる効果が高くなるため、第１部材と第２部材との摺動時に、第２部材の摺動面からフッ素を引き抜くのを効果的に防ぐことができ、第１部材の摺動面に金属フッ化物が生成されるのを抑制することができるといえる。また、被膜として（４）フェノールなどの電子吸引性のものを使用した場合には、アルミニウムの活性点の中和率が低いため、金属フッ化物の生成をほとんど抑制できないと考えられる。
【００２３】
［摩擦試験］
被膜による摺動時の摩耗耐久性や移着膜の形成状態を評価するために、図３に示すピンオンディスクによる摩擦試験を行った。ピン１１として、第２部材に対応する純ＰＴＦＥの丸棒（φ3 mm）を用い、ディスク１２として、第１部材の基体に対応するアルミニウム製のディスク（φ30 mm、厚さ 4.0 mm、表面粗さRa 0.05）を用いた。また、溶媒に試料の有機化合物を0.1 wt％添加した液中に、ディスク１２を浸漬した後、ディスク１２を取り出して常温で蒸発・乾燥させて、ディスクの表面に有機化合物の被膜１２ａを形成した。
【００２４】
図３に示すように、摩擦試験は、ディスク１２の表面の中心からずれた位置に、10 Nの荷重でピン１１を押し付けた状態で、回転数100 rpm（すべり速度 0.0785 m/s）で60分間行った。摩擦試験は、大気中（気温23℃、湿度50％）で行った。
【００２５】
摩擦試験に用いた有機化合物の試料は、（１）環状フォスファーゼン；Ｎ３Ｐ３（ＯＸ）ｎ（ＯＹ）６−ｎ［ＸおよびＹは、フッ素を含む官能基である］、（２）ステアリルオレイン酸アミド；Ｃ３６Ｈ７１ＮＯ、とした。また、比較例として、（３）有機化合物を使用しない場合、（４）有機化合物として、2-ベンジルフェノール；Ｃ１３Ｈ１２Ｏを使用した場合についても試験を行った。（１）環状フォスファーゼンおよび（２）ステアリルオレイン酸アミドは電子供与性の有機化合物であり、（４）2-ベンジルフェノールは電子吸引性の有機化合物である。
【００２６】
各試料について摩擦試験時の摩耗速度を求め、その結果を図４に示す。図４に示すように、電子供与性の（１）環状フォスファーゼンおよび（２）ステアリルオレイン酸アミドは、（３）有機化合物を使用しない場合と比べ、摩耗速度が遅く、耐摩耗性を向上させる効果があることが確認された。また、電子吸引性の（４）2-ベンジルフェノールは、（３）有機化合物を使用しない場合と同程度の摩耗速度であり、耐摩耗性の向上には効果がないことが確認された。
【００２７】
摩擦試験後のディスク１２のアルミニウム表面を、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法；X-ray photoelectron spectroscopy）で化学分析し、元素の化学結合状態からアルミニウム表面に存在する化学種の特定を行った。ＸＰＳ分析のＦ１ｓスペクトルおよび化学種の定量分析結果を、それぞれ図５（ａ）および（ｂ）に示す。図５（ａ）には、（１）環状フォスファーゼン、および（３）有機化合物を使用しない場合の結果を示す。図５（ａ）中の（Ａ）の領域は、Ｃ−ＦやＦ−Ｃ＝Ｃ−Ｆに対応しており、ＰＴＦＥの移着膜の存在を示す領域である。また、図５（ａ）中の（Ｂ）の領域は、Ａｌ−Ｆに対応しており、摩擦触媒反応で生じたフッ化アルミニウムの存在を示す領域である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すＸＰＳ分析での領域（Ａ）および（Ｂ）のピーク面積に基づいて、移着膜およびフッ化アルミニウムの量を求めた結果を示す。
【００２８】
図５（ｂ）に示すように、電子供与性の（１）環状フォスファーゼンおよび（２）ステアリルオレイン酸アミドは、（３）有機化合物を使用しない場合と比べ、フッ化アルミニウムの生成量が少なく、移着膜の形成量が増加していることが確認された。また、電子吸引性の（４）2-ベンジルフェノールでは、アルミニウム表面がすべてフッ化アルミニウムに覆われており、移着膜は存在しないことが確認された。
【００２９】
図４に示す摩耗速度と、図５（ｂ）に示す金属フッ化物（フッ化アルミニウム）の生成割合との関係をまとめ、図６に示す。図６に示すように、アルミニウムの表面に電子供与性の有機化合物の被膜を形成することにより、金属フッ化物が生成されるのを抑制し、摩耗耐久性を向上することができることが確認された。
【００３０】
以上の分子シミュレーションおよび摩擦試験結果から、本発明の実施の形態の無潤滑摺動部材は、摺動時に、第１部材の摺動面に金属フッ化物が生成されるのを抑制できるため、第１部材の摺動面に、第２部材の摺動面のフッ素樹脂が移着しやすくなり、移着膜の形成を促進することができるといえる。また、移着膜が形成されるため、フッ素樹脂の自己潤滑性により、摩耗耐久性を向上することができると言える。このように、摺動時に移着膜が形成されるため、特殊な水素ガス雰囲気下であらかじめ移着膜を形成しておく場合と比べ、製造コストを低減することもできる。
【符号の説明】
【００３１】
１１  ピン
１２  ディスク
１２ａ  被膜
【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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【図６】
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【図７】
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