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JP2023144568A - 樹脂成形体及び摺動部材 - Google Patents

樹脂成形体及び摺動部材 Download PDF

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JP2023144568A JP2022051617A JP2022051617A JP2023144568A JP 2023144568 A JP2023144568 A JP 2023144568A JP 2022051617 A JP2022051617 A JP 2022051617A JP 2022051617 A JP2022051617 A JP 2022051617A JP 2023144568 A JP2023144568 A JP 2023144568A
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愼 池田
Shin Ikeda
岳史 眞壁
Takeshi Makabe
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Abstract

【課題】非繊維状無機充填剤の微細組織の制御によって摺動部材として利用可能な樹脂成形体の性能を向上させる。【解決手段】樹脂成形体は、非繊維状無機充填剤相とフッ素樹脂相とが樹脂母相に分散した組織からなる。上記非繊維状無機充填剤相は、(a1)10μm以上の粒子が存在しない、(a2)10μm以上の粒子の平均粒径が24μm未満である、のいずれか一方の条件を満たす。この樹脂成形体では、樹脂母相に微粒子として分散した非繊維状無機充填剤相の作用によって、機械的強度及び摺動性を向上させることができる。また、この樹脂成形体では、樹脂母相に非繊維状無機充填剤相を分散させることで、樹脂母相中におけるフッ素樹脂相の凝集が抑制されるため、摺動性を更に向上させることができる。【選択図】なし

Description

本発明は、摺動部材として利用可能な樹脂成形体に関する。
自動車部品等に用いられる摺動部材は、軽量化の観点などから金属部品から樹脂成形体への代替が求められている。このようなギヤ部材として、例えば、特許文献1に記載されているように、ポリイミド樹脂に代表される、機械的性質、化学的性質、及び熱的性質に優れたエンジニアリングプラスチックが用いられる。
また、特許文献1には、ポリイミド樹脂の海相にフッ素樹脂の島相を分散させる技術が記載されている。特許文献1に記載の技術では、フッ素樹脂凝集防止剤を添加することで、フッ素樹脂の島相の平均粒径を小さく留めている。これにより、引用文献1に記載の技術では、優れた性能の摺動部材が得られるとのことである。
特開2002-235011号公報
本願の発明者は、特許文献1に記載のフッ素樹脂の島相の平均粒径の制御のみならず、非繊維状無機充填剤の組織制御によって、更に優れた性能の摺動部材を実現可能となるものと考えた。そこで、本発明は、非繊維状無機充填剤の組織制御によって摺動部材として利用可能な樹脂成形体の性能を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る樹脂成形体は、非繊維状無機充填剤相とフッ素樹脂相とが樹脂母相に分散した組織からなる。
上記非繊維状無機充填剤相は、
(a1)10μm以上の粒子が存在しない、
(a2)10μm以上の粒子の平均粒径が24μm未満である、
のいずれか一方の条件を満たす。
この樹脂成形体では、樹脂母相に微粒子として分散した非繊維状無機充填剤相の作用によって、機械的強度及び摺動性を向上させることができる。また、この樹脂成形体では、樹脂母相に非繊維状無機充填剤相を分散させることで、樹脂母相中におけるフッ素樹脂相の凝集が抑制されるため、摺動性を更に向上させることができる。
上記フッ素樹脂相は、
(b1)10μm以上の粒子が存在しない、
(b2)10μm以上の粒子の平均粒径が35μm未満である、
のいずれか一方の条件を満たすことが好ましい。
上記非繊維状無機充填剤相には、グラファイトが含まれていてもよい。
上記樹脂母相には、更に繊維状無機充填剤相が分散していてもよい。この場合、上記繊維状無機充填剤相には、炭素繊維が含まれていてもよい。
本発明の一形態に係る摺動部材は、上記樹脂成形体で構成される。
上記摺動部材は、ギヤ部材として構成されてもよい。
非繊維状無機充填剤の微細組織の制御によって摺動部材として利用可能な樹脂成形体の性能を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係るギヤ部材を示す平面図である。 実施例1に係るギヤ部材の微細組織の蛍光観察画像である。 比較例1に係るギヤ部材の微細組織の蛍光観察画像である。 実施例1に係るギヤ部材の微細組織のSEM観察画像である。 比較例1に係るギヤ部材の微細組織のSEM観察画像である。
<摺動部材の構成>
本発明の一実施形態に係る摺動部材は、フッ素樹脂以外の樹脂で構成された母相(樹脂母相)に非繊維状無機充填剤相とフッ素樹脂相とが分散された組織からなる樹脂成形体である。本実施形態に係る樹脂成形体の組織は、摺動部材として優れた性能が得られるように制御されている。
樹脂母相は、用途などに応じた樹脂で構成可能であるが、典型的にはエンジニアリングプラスチックで構成される。樹脂母相を構成するエンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリノナメチレンテレフタルアミド(PA9T)や、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などが挙げられる。
非繊維状無機充填剤相は、繊維状ではない、つまりアスペクト比が100以下の無機材料の粒子で構成され、典型的にはグラファイトを含み、これ以外にも、例えば、マイカやタルクやアルミナなどを含んでいてもよい。また、非繊維状無機充填剤相を構成する材料は、単一種類であっても、複数種類であってもよい。
フッ素樹脂相は、フッ素樹脂の粒子で構成されている。フッ素樹脂相を構成するフッ素樹脂としては、典型的にはポリテトラフロロエチレン(PTFE)が挙げられ、これ以外にも、例えば、テトラフロロエチレン/パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などが挙げられる。
非繊維状無機充填剤相は、樹脂母相に対して微粒子として分散しており、具体的に、以下の条件(a1)及び条件(a2)のいずれか一方を満たす。
(a1)10μm以上の粒子が存在しない。
(a2)10μm以上の粒子の平均粒径が24μm未満である。
このように樹脂母相に微粒子として分散した非繊維状無機充填剤相は、摺動部材の機械的強度を向上させ、かつ摺動性を向上させる作用を有する。これにより、本実施形態に係る摺動部材では、良好な機械的強度と摺動性とを兼ね備えた優れた性能が得られ、これに付随して摩耗量の低減などといった効果も得られる。
また、この摺動部材では、樹脂母相に非繊維状無機充填剤相を分散させることで、成形時におけるフッ素樹脂相の凝集を抑制することができる。これにより、この摺動部材では、樹脂母相にフッ素樹脂相が均一に分散した組織となるため、フッ素樹脂による摺動性を向上させる作用が良好に得られる。
フッ素樹脂相は、非繊維状無機充填剤相によって凝集が抑制されることで、以下の条件(b1)及び条件(b2)のいずれか一方を満たすことが好ましい。
(b1)10μm以上の粒子が存在しない。
(b2)10μm以上の粒子の平均粒径が35μm未満である。
摺動部材は、上記以外の成分を含んでいてもよい。例えば、摺動部材は、樹脂母相に更に繊維状無機充填剤相を分散させることで、機械的強度を更に向上させることができる。繊維状無機充填剤相は、例えば、炭素繊維、ナノカーボン(カーボンナノチューブやカーボンナノワイヤ)、ガラス繊維などで構成することができる。
本発明の構成は、例えば、ギヤ部材やシールリングなどといった摺動部材に広く適用可能である。図1は、本発明に係る摺動部材の一例であるギヤ部材Gの平面図である。ギヤ部材Gは、外周に沿って連接された複数の歯Tが他の部材の歯と噛み合った状態で回転駆動するように構成されている。
ギヤ部材Gの複数の歯Tはそれぞれ、歯先部Tt及び歯元部Tbで構成されている。回転駆動時のギヤ部材Gでは、他の部材の歯から歯先部Tt加わる外力によって歯元部Tbに応力が集中しやすい。これにより、ギヤ部材Gでは、機械的強度が不足すると、特に歯元部Tbにおいて折れなどの破壊が発生しやすい。
これに対し、本発明の構成のギヤ部材Gでは、他の部材の歯に対する摺動性が高いため、歯先部Ttに加わる外力が抑制され、これにより歯元部Tbに加わる応力も抑制される。更に、本発明の構成のギヤ部材Gでは、機械的強度が高いため、歯元部Tbに応力が集中した場合にも折れなどの破壊が発生しにくい。
本実施形態に係る樹脂成形体は、各原料粉末を混練して得られる混練物を成形することによって得られる。原料粉末の混練は、公知の手法を用いて行うことが可能である。原料粉末を混練するための装置としては、例えば、単軸押出機、二軸押出機、多軸押出機などを用いることができる。
本実施形態に係る樹脂成形体は、原料粉末の混練物を、例えば、ギヤ形状、円柱形状、シート形状などといった所望の形状に成形することで得られる。混練物の成形には、公知の成形機を用いることができ、例えば、射出成形機(モールドロックなどの特殊な射出成形機も含む。)、押出成形機、圧縮成形機などを用いることができる。
<実施例1及び比較例1>
[サンプルの作製]
実施例1及び比較例1では、ギヤ部材Gのサンプルを作製し、作製した各サンプルの評価を行った。実施例1及び比較例1ではいずれも、樹脂母相として80wt%のPA9Tを配合し、非繊維状無機充填剤相として10wt%のグラファイトを配合し、フッ素樹脂相として10wt%のPTFEを配合した。
実施例1及び比較例1では、グラファイトの10μm以上の粒子の平均粒径を原料粉末の粒径や成形条件などによって制御した。グラファイトの原料粉末としては、実施例1では平均粒径が3μmの富士黒鉛製FT-2を用い、比較例1では平均粒径が30μmの巴工業製RGC26Aを用いた。
また、実施例1及び比較例1では、PTFEの10μm以上の粒子の平均粒径を原料粉末の粒径や成形条件などによって制御した。PTFEの原料粉末としては、実施例1では平均粒径11.5μmの喜多村製KTL-620を用い、比較例1では平均粒径18μmのAGC製L169Jを用いた。
実施例1及び比較例1に係る各サンプルの断面の微細組織の観察を行った。図2及び図3は、実施例1及び比較例1に係る各サンプルの微細組織を光学顕微鏡で撮像した蛍光観察画像である。また、図4及び図5は、実施例1及び比較例1に係る各サンプルの微細組織を走査型電子顕微鏡で撮像したSEM観察画像である。
図2及び図3では、樹脂母相が最も淡い色調で表れ、グラファイトが最も濃い色調で表れ、PTFEが樹脂母相とグラファイトとの中間の色調で表れている。図4及び図5では、PTFEが最も淡い色調で表れ、樹脂母相が最も濃い色調で表れ、グラファイトが樹脂母相とPTFEとの中間の色調で表れている。
図2及び図3に示す蛍光観察画像の画像解析によって、実施例1及び比較例1に係る各サンプルにおけるグラファイトの10μm以上の粒子の平均粒径を算出した。その結果、実施例1に係るサンプルにおけるグラファイトの平均粒径は16μmであり、比較例1に係るサンプルにおけるグラファイトの平均粒径は29μmであった。
また、図4及び図5に示すSEM観察画像の画像解析によって、実施例1及び比較例1に係る各サンプルにおけるPTFEの10μm以上の粒子の平均粒径を算出した。その結果、実施例1に係るサンプルにおけるPTFEの平均粒径は16μmであり、比較例1に係るサンプルにおけるPTFEの平均粒径は35μmであった。
なお、各サンプルの断面の微細組織の蛍光観察には、光学顕微鏡BX53M(オリンパス製)を用いた。各サンプルの断面のSEM観察には、走査型電子顕微鏡S-3400N(日立ハイテク製)を用いた。図2~5に示す各画像の画像解析には、画像解析ソフトウェアWinROOF(三谷商事製)を用いた。
[サンプルの評価方法]
(概要)
実施例1及び比較例1に係る各サンプルについて、ギヤ部材Gとしての性能の評価を行った。具体的に、実施例1及び比較例1に係る各サンプルついて行った評価項目としては、ギヤ刃元折れトルク、静摩擦係数、摩耗量、引張強度、及び破断伸びが挙げられる。以下、各評価項目について説明する。
(ギヤ歯元折れトルク)
ギヤ歯元折れトルクは、相手材と噛み合った状態で各サンプルを回転駆動させ、荷重を2N・mから3分毎に1N・mずつ増加させ、各サンプルが破壊したときのトルクとして測定した。ギヤ歯元折れトルクの測定では、回転速度を1000rpmとし、相手材としてギヤ部材(S45C製)を用いた。
(静摩擦係数及び摩耗量)
静摩擦係数及び摩耗量の評価には、往復摺動型摩擦摩耗試験機(TRIBOGEAR TYPE-14、新東科学製)を用いた。往復摺動型摩擦摩耗試験には、実施例1及び比較例1に係る各サンプルと同様の条件で作製したJIS K7139(2009)に準拠したA12型ダンベル試験片を用いた。
往復摺動型摩擦摩耗試験は、SUS製のφ4mmでR2mmの圧子を用いて、荷重100gf、摺動速度600mm/min、移動距離20mm、無潤滑、の条件で行った。実施例1及び比較例1に係る各試験片に対する圧子の摺動のために加える力から静摩擦係数を求め、100往復後の試験片から摩耗量を計測した。
(引張強度及び破断伸び)
引張強度及び破断伸びの評価には、引張試験機(AGX、島津製作所製)を用いた。引張試験には、実施例1及び比較例1に係る各試験片として往復摺動型摩擦摩耗試験と同様のA12型ダンベル試験片を用いた。引張強度及び破断伸びの測定は、引張速度10mm/minの条件で行った。
[サンプルの評価結果]
実施例1及び比較例1に係る各サンプルについてのギヤ刃元折れトルク、静摩擦係数、摩耗量、引張強度、及び破断伸びの各項目の評価結果を表1に示す。なお、表1では、比較例1に係るサンプルの各項目の数値を100として、実施例1に係るサンプルの各項目の数値を比較例1に対する相対値で示している。
Figure 2023144568000001
表1に示すように、ギヤ刃元折れトルクについては、実施例1に係るサンプルにおいて、比較例1に係るサンプルよりも44%高い値が得られた。これにより、実施例1に係るサンプルでは、比較例1に係るサンプルよりも、ギヤ部材Gとして損傷が加わりにくい機械的強度が得られていることがわかった。
また、静摩擦係数については、実施例1に係るサンプルにおいて、比較例1に係るサンプルよりも16%低い値が得られた。これにより、実施例1に係るサンプルでは、比較例1に係るサンプルよりも、高い摺動性が得られていることがわかり、これに付随して摩耗量も5%低減されていることが確認された。
更に、引張試験では、実施例1に係るサンプルにおいて、比較例1に係るサンプルよりも、46%高い引張強度が得られ、27%大きい破断伸びが得られた。これにより、実施例1に係るサンプルでは、比較例1に係るサンプルよりも、引張力に対する高い特性が得られていることがわかった。
<実施例2及び比較例2>
実施例2及び比較例2では、ギヤ部材Gのサンプルを作製し、作製した各サンプルの評価を行った。実施例2及び比較例2ではいずれも、樹脂母相として80wt%のPEEKを配合し、非繊維状無機充填剤相として10wt%のグラファイトを配合し、フッ素樹脂相として10wt%のPTFEを配合した。
実施例2及び比較例2では、グラファイトの10μm以上の粒子の平均粒径を原料粉末の粒径や成形条件などによって制御した。グラファイトの原料粉末としては、実施例2では平均粒径が3μmの富士黒鉛製FT-2を用い、比較例2では平均粒径が30μmの巴工業製RGC26Aを用いた。
また、実施例2及び比較例2では、PTFEの10μm以上の粒子の平均粒径を原料粉末の粒径や成形条件などによって制御した。PTFEの原料粉末としては、実施例2では平均粒径11.5μmの喜多村製KTL-620を用い、比較例2では平均粒径18μmのAGC製L169Jを用いた。
実施例2及び比較例2に係る各サンプルについて、ギヤ部材Gとしての性能の評価を行った。具体的に、実施例2及び比較例2に係る各サンプルついて、上記の実施例1及び比較例1と同様の要領で、ギヤ刃元折れトルク、静摩擦係数、摩耗量、引張強度、及び破断伸びの評価を行った。
実施例2及び比較例2に係る各サンプルについてのギヤ刃元折れトルク、静摩擦係数、摩耗量、引張強度、及び破断伸びの各項目の評価結果を表2に示す。なお、表2では、比較例2に係るサンプルの各項目の数値を100として、実施例2に係るサンプルの各項目の数値を比較例2に対する相対値で示している。
Figure 2023144568000002
表2に示すように、ギヤ刃元折れトルクについては、実施例2に係るサンプルにおいて、比較例2に係るサンプルよりも35%高い値が得られた。これにより、実施例2に係るサンプルでは、比較例2に係るサンプルよりも、ギヤ部材Gとして損傷が加わりにくい機械的強度が得られていることがわかった。
また、静摩擦係数については、実施例2に係るサンプルにおいて、比較例2に係るサンプルよりも8%低い値が得られた。これにより、実施例2に係るサンプルでは、比較例2に係るサンプルよりも、高い摺動性が得られていることがわかり、これに付随して摩耗量も14%低減されていることが確認された。
更に、引張試験では、実施例2に係るサンプルにおいて、比較例2に係るサンプルよりも、20%高い引張強度が得られ、35%大きい破断伸びが得られた。これにより、実施例2に係るサンプルでは、比較例2に係るサンプルよりも、引張力に対する高い特性が得られていることがわかった。
<実施例3,4及び比較例3>
実施例3、4及び比較例3では、JIS K7139(2009)に準拠したA12型ダンベル試験片を作製し、作製した各サンプルの評価を行った。実施例3、4及び比較例3ではいずれも、樹脂母相として80wt%のPEEKを配合し、フッ素樹脂相として10wt%のPTFEを配合した。
また、実施例3、4及び比較例3では、非繊維状無機充填剤相として相互に異なる充填剤を10wt%配合した。具体的に、実施例3では非繊維状無機充填剤相としてマイカを配合し、実施例4では非繊維状無機充填剤相としてアルミナを配合し、比較例3では非繊維状無機充填剤相としてグラファイトを配合した。
実施例3、4及び比較例3では、非繊維状無機充填剤相の10μm以上の粒子の平均粒径を原料粉末の粒径や成形条件などによって制御した。実施例3のマイカとして平均粒径が3μmのレプコ製S-XFを用い、実施例4のアルミナとして平均粒径が8μmのDIC製AP10を用い、比較例3のグラファイトとしては平均粒径が30μmの巴工業製RGC26Aを用いた。
また、実施例3,4及び比較例3では、PTFEの10μm以上の粒子の平均粒径を原料粉末の粒径や成形条件などによって制御した。PTFEの原料粉末としては、実施例3,4では平均粒径11.5μmの喜多村製KTL-620を用い、比較例3では平均粒径18μmのAGC製L169Jを用いた。
実施例3,4及び比較例3に係る各サンプルについて、摺動部材としての性能の評価を行った。具体的に、実施例3,4及び比較例3に係る各サンプルついて、上記の実施例1,2及び比較例1,2と同様の要領で、静摩擦係数、摩耗量、引張強度、及び破断伸びの評価を行った。
実施例3,4及び比較例3に係る各サンプルについての静摩擦係数、摩耗量、引張強度、及び破断伸びの各項目の評価結果を表3に示す。なお、表3では、比較例3に係るサンプルの各項目の数値を100として、実施例3,4に係るサンプルの各項目の数値を比較例3に対する相対値で示している。
Figure 2023144568000003
表3に示すように、静摩擦係数については、実施例3に係るサンプルにおいて比較例3に係るサンプルよりも6%低い値が得られ、実施例4に係るサンプルにおいて比較例3に係るサンプルよりも8%低い値が得られた。また、摩耗量についても、実施例3に係るサンプルにおいて比較例3に係るサンプルよりも14%低い値が得られ、実施例4に係るサンプルにおいて比較例3に係るサンプルよりも17%低い値が得られた。
また、引張試験では、実施例3に係るサンプルにおいて、比較例3に係るサンプルよりも、33%高い引張強度が得られ、40%大きい破断伸びが得られた。また、実施例4に係るサンプルにおいて、比較例3に係るサンプルよりも、31%高い引張強度が得られ、33%大きい破断伸びが得られた。これにより、実施例3,4に係るサンプルでは、比較例3に係るサンプルよりも、引張力に対する高い特性が得られていることがわかった。
<実施例5及び比較例4>
実施例5及び比較例4では、ギヤ部材Gのサンプルを作製し、作製した各サンプルの評価を行った。実施例5及び比較例4ではいずれも、樹脂母材として70wt%のPA9Tを配合し、非繊維状無機充填剤相として10wt%のグラファイトを配合し、繊維状無機充填剤相として10wt%の炭素繊維を配合し、フッ素樹脂相として10wt%のPTFEを配合した。
実施例5及び比較例4では、グラファイトの10μm以上の粒子の平均粒径を原料粉末の粒径や成形条件などによって制御した。グラファイトの原料粉末としては、実施例5では平均粒径が3μmの富士黒鉛製FT-2を用い、比較例4では平均粒径が30μmの巴工業製RGC26Aを用いた。また、炭素繊維の原料粉末としては、実施例5及び比較例4のいずれでも帝人製IM C702を用いた。
また、実施例5及び比較例4では、PTFEの10μm以上の粒子の平均粒径を原料粉末の粒径や成形条件などによって制御した。PTFEの原料粉末としては、実施例5では平均粒径11.5μmの喜多村製KTL-620を用い、比較例4では平均粒径18μmのAGC製L169Jを用いた。
実施例5及び比較例4に係る各サンプルについて、ギヤ部材Gとしての性能の評価を行った。具体的に、実施例5及び比較例4に係る各サンプルついて、上記の実施例1及び比較例1と同様の要領で、ギヤ刃元折れトルク、静摩擦係数、摩耗量、引張強度、及び破断伸びの評価を行った。
実施例5及び比較例4に係る各サンプルについてのギヤ刃元折れトルク、静摩擦係数、摩耗量、引張強度、及び破断伸びの各項目の評価結果を表4に示す。なお、表4では、比較例4に係るサンプルの各項目の数値を100として、実施例5に係るサンプルの各項目の数値を比較例4に対する相対値で示している。
Figure 2023144568000004
表4に示すように、ギヤ刃元折れトルクについては、実施例5に係るサンプルにおいて、比較例4に係るサンプルよりも54%高い値が得られた。これにより、実施例5に係るサンプルでは、比較例4に係るサンプルよりも、ギヤ部材Gとして損傷が加わりにくい機械的強度が得られていることがわかった。
また、静摩擦係数については、実施例5に係るサンプルにおいて、比較例4に係るサンプルよりも6%低い値が得られた。これにより、実施例5に係るサンプルでは、比較例4に係るサンプルよりも、高い摺動性が得られていることがわかり、これに付随して摩耗量も16%低減されていることが確認された。
更に、引張試験では、実施例5に係るサンプルにおいて、比較例4に係るサンプルよりも、8%高い引張強度が得られ、25%大きい破断伸びが得られた。これにより、実施例5に係るサンプルでは、比較例4に係るサンプルよりも、引張力に対する高い特性が得られていることがわかった。
G…ギヤ部材
T…歯
Tt…歯先部
Tb…歯元部

Claims (7)

  1. 非繊維状無機充填剤相とフッ素樹脂相とが樹脂母相に分散した組織からなり、
    前記非繊維状無機充填剤相は、
    (a1)10μm以上の粒子が存在しない、
    (a2)10μm以上の粒子の平均粒径が24μm未満である、
    のいずれか一方の条件を満たす
    樹脂成形体。
  2. 請求項1に記載の樹脂成形体であって、
    前記フッ素樹脂相は、
    (b1)10μm以上の粒子が存在しない、
    (b2)10μm以上の粒子の平均粒径が35μm未満である、
    のいずれか一方の条件を満たす
    樹脂成形体。
  3. 請求項1又は2に記載の樹脂成形体であって、
    前記非繊維状無機充填剤相には、グラファイトが含まれる
    樹脂成形体。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載の樹脂成形体であって、
    前記樹脂母相には、更に繊維状無機充填剤相が分散している
    樹脂成形体。
  5. 請求項4に記載の樹脂成形体であって、
    前記繊維状無機充填剤相には、炭素繊維が含まれる
    樹脂成形体。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載の樹脂成形体で構成される
    摺動部材。
  7. 請求項6に記載の摺動部材であって
    ギヤ部材として構成される
    摺動部材。
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