JP5253857B2 - 摺動材料、摺動材料の製造方法およびそれを用いた軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸受装置の摺動部材に好適に適用される摺動材料、その摺動材料の製造方法およびその摺動材料により形成される軸受装置に関する。

近年、工業技術の発展に伴って、各種軸受の高速化、高面圧化が要求されている。これまで、軸受装置の摺動部材を構成する摺動材料としては、ホワイトメタル（例えば、第一種：Ｓｎ８８〜９２重量％、Ｓｂ５〜７重量％、Ｃｕ３〜５重量％）等の軟質金属材料が用いられてきたが、これらの軟質金属材料は融点が低く、高温における強度の大幅な低下および焼付きの問題から使用範囲が制限されている。

これに対し、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂材料は、摩擦係数が低く、耐熱性に優れ、軸受装置の摺動材料として適している。また、ポリエテルエテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂材料、ポリイミド（ＰＩ）樹脂材料は、ポリテトラフロオロエチレン樹脂材料と比較して、摩擦係数がやや高いが、高温の機械的性質に優れている。これらの樹脂材料に各種のセラミックス繊維、もしくは粒子の充填材を添加して、機械的性質と摩擦・摩耗特性とを兼備した摺動材料を製造することができる。

ところで、軸受、特に高荷重を支持する軸受の場合には、上記樹脂材料を滑り面部材とし、高荷重を支持するための金属材料を基材とし、これらの異種材料である樹脂材料と金属材料とを接合して製造された摺動材料を用いて、軸受の摺動部材を構成することが要望されている。

しかし、樹脂材料と金属材料との接合においては、金属材料間の接合に適用してきた従来の接合方法では十分な接合強度を得ることが難しいという問題がある。例えば、異なる金属材料を溶湯凝固法で接合する場合には、金属材料同士であるために拡散反応等が起こり、機械的な結合と共に物理的もしくは化学的な結合が生ずるため、十分な結合強度を得ることができる。これに対し、樹脂材料と金属材料とを溶湯凝固法で接合した場合には、単純な機械的結合となるため、十分な接合強度を得ることが困難となる。また、樹脂材料と金属材料とを高温・高圧条件下で接合した場合には、樹脂材料に劣化が生じたり、そのような条件下で長時間保持しなければならないため、製造コストが増大する等の問題がある。

樹脂材料と基材金属材料の接合において、基材金属材料の表面に多孔質中間層を設け、この多孔質中間層内に樹脂材料を充填しつつ上記基材金属材料上に樹脂を積層することが提案されている（特許文献１）。しかしながら、この場合には、前記多孔質中間層を予め基材に真空等の非酸化性雰囲気中で接合することが必要とされ、水力発電機器用軸受の様な大型摺動部材のばあいには、総重量が数百ｋｇから数トンに及ぶため、非酸化性雰囲気中で接合するプロセスが極めて高価で、例えば真空設備の容量に限界が生ずる。

一方、予め樹脂材料を銅ワイヤーの多孔質成形体に含浸させた後、銅ワイヤーの多孔質成形体と金属材料をＳｎ系はんだ材料を介して接合する方法が行なわれている。より具体的には、銅ワイヤーの多孔質成形体の一部に含浸した樹脂材料を金属材料の上部に設置した状態で、溶融したＳｎ系はんだ材料のタンクに浸漬させ、Ｓｎ系はんだ材料を銅ワイヤーの多孔質成形体の一部に含浸させ、樹脂材料を金属材料を接合する方法である。しかし、水力発電機軸受のような重量が数百キログラムの大型金属摺動材料の場合、溶融したＳｎ系はんだ材料に浸漬する際、金属材料の熱容量が大きいため、金属材料に接した瞬間に溶融したＳｎ系はんだが固まってしまい、金属材料と樹脂材料の隙間に含浸させ、さらに銅ワイヤーの多孔質空間内に浸透させることが非常に困難である。そのため、大型製品の製造において、接合界面の中央部にＳｎ系はんだ材料の不十分な含浸により、健全な接合体を得ることができないのが現状である。この問題を解決するため、例えば、一般に使われているＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕはんだ材料を、その融点２１７℃より１５０〜２００℃高い温度で溶解し、被接合部材となる樹脂材料と金属材料をはんだ溶湯温度以上に加熱することが考えられるが、樹脂材料の溶融温度又は熱分解温度の制約がある。例えば、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂材料では、４００℃以上で分解性生物の一部は酸素と反応してカルボニルフルオライド（ＣＯＦ_２）を生成し、さらに空気中の水分によってＣＯＦ_２が加水分解して人体および環境に有害なふっ化水素（ＨＦ）と炭酸ガスが生成する。ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂材料の熱分解温度以下に抑えることができても、この方法では、接合に必要なＳｎ系はんだ材料が僅かであっても、重量数百キログラムの樹脂材料と金属材料を浸漬させるため、重量数百キログラムから１トン程度のＳｎ系はんだ材料の溶湯が必要となり、Ａｇを大量に含有するためたいへん高価になる。さらに、金属材料および銅ワイヤーの多孔質成形体を高温に加熱する際、材料表面が酸化し、Ｓｎ系はんだ材料との反応が障止され、十分な接合強度を得ることが困難である。樹脂材料と金属材料の加熱、Ｓｎ系はんだ材料の溶解および含浸プロセスは不活性ガス雰囲気中で行ない方法が考えられるが、大型製造設備が必要となり、作業性の問題が生ずる。
特開平１０−２９２５６号公報

本発明は、上記した樹脂材料と金属材料というような異種材料の接合による従来の摺動材料およびその製造方法における問題点、すなわち樹脂材料および金属材料の全体加熱の必要性、熱分解による有害なガスの発生や酸化問題等を除き、簡単な設備で、作業性および熱効率よく、低コストで製造可能であり、且つ接合強度と信頼性の高い摺動材料、その製造方法、その摺動材料を用いた軸受装置を提供することを目的とする。

本発明者の研究によれば、上述の目的の達成のためには、電磁誘導加熱材料からなるシート材を接合材料層に隣接して設け、このシート材の電磁誘導加熱により、溶融した接合材層により滑り面部材と基材とを接合することが極めて有効であることが見出された。

本発明の摺動材料は、上述の意見に基づくものであり、より詳しくは、滑り面部材と、前記滑り面部材とは異種材料からなる基材と、前記滑り面部材と前記基材の間に配置され、前記滑り面部材と前記基材を接合する接合材層とを具備し、前記接合材層には、電磁誘導加熱材料からなるシート材が埋め込まれ、前記接合材層は、ＳｎもしくはＳｎ合金、ＩｎもしくはＩｎ合金およびＢｉもしくはＢｉ合金からなる群より選択されたはんだ材料か該シート材の電磁誘導加熱により溶融加熱されて前記滑り面部材と基材とを接合していることを特徴とするものである。

また、本発明の摺動部材の製造方法は、前記滑り面部材を成形する成形工程と、前記滑り面部材を磁力発生コイルに高周波電流を供給する装置を具備する電磁誘導加熱装置の加熱部の上に配置する工程と、前記滑り面部材の上に前記電磁誘導加熱材料からなるシート材を配置する工程と、前記接合材層を前記電磁誘導加熱材料からなるシート材の上に配置する工程と、前記基材を前記電磁誘導加熱材料からなるシート材の上に配置する工程と、前記電磁誘導加熱材料からなるシート材を誘導加熱し、前記接合材層を溶融・凝固させ、前記摺動材料と前記基材を接合する接合工程と、を有することを特徴とするものである。

また本発明の、摺動部材の別の製造方法は、前記滑り面部材を成形する成形工程と、前記滑り面部材を磁力発生コイルに高周波電流を供給する装置を具備する電磁誘導加熱装置の加熱部に配置する工程と、前記接合材層と前記電磁誘導加熱材料からなるシート材を複合・一体化する工程と、前記接合材層と前記電磁誘導加熱材料からなるシート材との複合体を前記滑り面部材の上部に配置する工程と、前記接合材層と前電磁誘導加熱材料からなるシート材の複合体の上に前記基材を配置する工程と、前記電磁誘導加熱材料からなるシート材を誘導加熱し、前記接合材層を溶融・凝固させ、前記摺動材料と前記基材を接合する接合工程と、を有することを特徴とするものである。

また本発明の軸受装置は、回転軸の軸方向のスラスト荷重を摺動可能に支持するスラスト軸受および回転方向の軸振れを摺動可能に支持するガイド軸受を具備する軸受装置において、前記スラスト軸受およびガイド軸受が、上記本発明の摺動材料により形成されていることを特徴とするものである。

本発明においては、電磁誘導加熱材料からなるシート材を接合材料層と隣接して設け、このシート材の電磁誘導加熱により、溶融した接合材層により滑り面部材と基材とを接合しているため、局所的内部誘導加熱が可能であり、接合に必要な最低限の接合材料を用い、簡単な製造設備で、作業性がよく、熱損失を生じさせず、極めて低コストで信頼性ある摺動部材が提供される。また、シート材が、その厚さ方向に貫通孔を有する多孔シートである場合には、貫通孔中に挿入された接合材がある種の楔として、すべり部材と基材との間に働くせん断力に対して効果的な抗力として作用して、せん断強度の改善に顕著な効果を発揮する。更に、電磁誘導加熱を起すために供給される高周波出力の制御により、接合材層の選択的加熱溶融が可能であるため、基材および滑り面部材の熱劣化が効果的に防止可能であり、また必要な場合、接合材層との界面近傍の、滑り面部材および基材の表層、特に滑り面部材の表層を加熱溶融することにより、接合材層との一体接合性を改良することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の１実施形態に従う摺動部材１０の厚さ方向模式断面図である。図１を参照して、この摺動部材１０は、滑り面部材１と、前記滑り面部材１とは異種材料からなる基材２と、前記滑り面部材１と前記基材２の間に配置され、前記滑り面部材と前記基材を接合する接合材層３とを具備し、前記接合材層３には、電磁誘導加熱材料からなるシート材４が埋め込まれ、前記接合材層３は、該シート材４の電磁誘導加熱により加熱溶融されて前記滑り面部材１と基材２とを接合している。

滑り面部材１は、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂材料、ポリエテルエテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂材料、ポリイミド（ＰＩ）樹脂材料、または、これらのいずれかの樹脂にセラミックス繊維、もしくは粒子の充填材を添加して含有させた複合材料からなる。ポリテトラフロオロエチレン樹脂材料は、摩擦係数が低く、且つ耐熱性に優れている。また、ポリエテルエテルケトン樹脂材料及びポリイミド樹脂材料は、ポリテトラフロオロエチレン樹脂材料に比べて摩擦係数がやや高いが、高温の機械的特性に優れている。更に、上記複合材料は、摩擦・摩耗特性と機械的特性が共に優れる。滑り面部材１の厚さは、摺動部材１に要求される耐久性により決められるが一般に、１〜５ｍｍ程度である。

基材２は、摺動部材１０に作用する高荷重を支持するための強度を与える構造部材であり、使用条件下で必要な強度を発揮し得る任意の材料が用いられ、汎用の鉄系、銅系、アルミニウム系金属材料はいずれも適用できる。特に構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）などの鋼材が好適である。

接合材層３は、滑り面部材１と基材２とを接合するものであり、接合材としては、汎用のＳｎ系はんだ材料もしくはＳｎ系鉛フリーはんだ材料、Ｉｎ系はんだ材料、Ｂｉ系はんだ材料がいずれも適用できる。接合材層３に埋め込まれたシート材４の電磁誘導加熱により、接合材層３および必要に応じてこれと隣接する滑り面部材１および基材２の表層を選択的に加熱することが可能なため、滑り面部材１と基材２の融点等の制約を受けることが少ない。接合材層３の厚さは、一般に１〜１０ｍｍ程度であり、この実施形態では、基材２に隣接する上記接合材そのものの層３ａと、上記接合材と滑り面部材１を構成する材料との混合物からなる層３ｂとの積層構成を取っている。このような積層構成を取ることにより、樹脂質の滑り面部材１と接合材層３の接合強度が改善される。

接合材層３に隣接して設けられる電磁誘導加熱材料からなるシート材４は、好ましくは多孔シート形状で、特に強磁性金属材料からなる、粉末もしくは短繊維の焼結体、繊維の織布、または板状の打ち抜き材もしくはエキスパンド体からなることが好ましい。電磁誘導加熱のため、強磁性体および電気抵抗が高い金属材料を用いることにより、良好な熱効率が得られるが、電気抵抗が低い銅やアルミニウムなどでも、電流を増量することによって発熱量の増大が可能なため、使用可能である。特に、鉄もしくはフェライト系ステンレス材料からなることが好ましく、透磁率が１００〜５００の範囲が望ましい。電磁誘導加熱材料からなるシート材の形状として、接合部材との接合面積を増やし、熱効率を向上させるため多孔シート形状であることが望ましいが、板状のバルク材もしくは、異種材料からなる複合材料、クラッド材料を使用しても良い。シート材４の厚さは、一般に０．１〜５ｍｍ程度であり、好ましくは接合材層３に埋め込まれた状態で、滑り面部材１と基材２との間に配置される。多孔シート状としたときの孔の開口の寸法については、任意性があるが接合材の浸入が可能な、０．１〜１０μｍ程度が適当である。

次に、上記本発明の摺動部材を製造する方法について述べる。前述したように、本発明の摺動部材の製造法は、前記滑り面部材を成形する成形工程と、前記滑り面部材を磁力発生コイルに高周波電流を供給する装置を具備する電磁誘導加熱装置の加熱部の上に配置する工程と、前記滑り面部材の上に前記電磁誘導加熱材料からなるシート材を配置する工程と、前記接合材を前記電磁誘導加熱材料からなるシート材の上に配置する工程と、前記基材を前記電磁誘導加熱材料からなるシート材の上に配置する工程と、前記電磁誘導加熱材料からなるシート材を誘導加熱し、前記接合材を溶融・凝固させ、前記摺動材料と前記基材を接合する接合工程と、を有することを特徴とする。各工程は、別々の工程である必要はなく、複数の工程を一度に達成することができる。

接合材を電磁誘導加熱材料からなるシート材に隣接するように配置すれば良いが、例えば、シート状または粉末状の接合材を電磁誘導加熱部材の片側もしくは両側に配置し、もしくはプレス成形して、両者をクラッド化することができる。この際に、粉末原料を用いることにより、滑り面部材をもあわせて複合化することにより、以後の工程を簡略化することもできる。まためっき、コーティング、溶射、溶融含浸、プレス成形の手法によって、予め接合材層と、電磁誘導加熱材料からなるシート材とを複合化することによって、次の工程を簡略化することもできる。

好ましい実施形態においては、図１に示すような摺動材料１０が、図２に模式断面構造を示す装置系により製造される。図２を参照して、この形態では、滑り面部材１の粉末原料、この粉末原料と粉末接合材の混合物からなる層３ｂの原料層および電磁誘導加熱材料からなるシート材４をプレス成形して、これらを一体化した複合体を得、この複合体を電磁誘導加熱コイル５ａと電磁誘導加熱電源５ｂとを有する電磁誘導加熱装置５上に載置し、更に、接合材シートあるいはその粉体層３ａおよび基材２を載せてから、装置５を作動させて、シート材４を電磁誘導加熱して、層３ａおよび層３ｂを含む接合材層３を過熱・溶融し凝固させて、機材２とすべり面部材１の接合を行う。

図３は、上述のようにして形成される本発明の軸受装置の一例の半断面図である。図３に示す軸受装置２０は、例えば水車発電機に適用されたものであり、スラスト軸受装置１１及びガイド軸受装置（ジャーナル軸受装置とも称する）１２により回転軸１３を支持する。スラスト軸受装置１１は、回転軸１３の周囲に複数の摺動部材１４Ａが放射状に配置されて構成される。スラスト軸受装置１１は、図３に示すように、回転軸１３に固定されたスラストカラー１５及びスラストランナー１６等を介して、回転軸１３の軸方向のスラスト荷重、例えば回転軸１３等の重量と、運転時に水車に加わる水スラストとの総荷重を、摺動部材１４Ａにより摺動可能に支持する。

また、ガイド軸受装置１２は、回転軸１３に摺接する複数の摺動部材１４Ｂが円筒形状に配置して構成される。このガイド軸受装置１２は、回転軸１３の回転方向の軸振れを摺動部材１４Ｂにより摺動可能に支持する。この摺動部材１４Ｂは、ガイド軸受装置１２を、例えば２分割したセグメントである場合や、例えば８分割したセグメントである場合等がある。すらすと軸受装置１１およびガイド軸受装置１２は、それぞれ指示部材１７により支持される。

本発明に従い、上述の摺動部材１４Ａ及び１４Ｂが、図１に示す摺動材料１０にて構成される。

次に、本発明の具体的な実施例について説明する。

［実施例１］
図２に示す装置構成により、本発明の摺動材料１０を形成した。すなわち、まず、滑り面部材１の原料となるポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂材料粉体（平均粒径：約３５μｍ、融点：約３２７℃）を成形後厚さが３ｍｍになるように３００ｍｍｘ３００ｍｍの矩形開口を有する金型に充填した。次に、同じポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂材料粉体と接合材としてのＳｎ−０．７重量％Ｃｕ粉体（平均粒径：約５０μｍ、融点：約２２７℃）との体積比で１／１の混合粉体を成形後厚さが１ｍｍになるように充填して層３ｂを形成し、電磁誘導加熱材料からなる多孔シート材としての平面寸法が３００ｍｍｘ３００ｍｍ、線径０．３ｍｍ、２０メッシュ平織の純鉄金網を載置した後、加圧力５０ＭＰａでプレス成形した。次に、このプレス成形体を３７５℃で１時間加熱し、ＰＴＦＥ樹脂を融着させることにより、滑り面部材１、接合材層３ａと電磁誘導加熱多孔シート材４の複合体を得た。

次に、上記で得られた滑り面部材１、接合材層３ａおよび電磁誘導加熱多孔シート材４の複合体を電磁誘導加熱コイル５ａと電磁誘導加熱電源５ｂを有する電磁誘導加熱装置５上に設置し、その上に厚さ０．２ｍｍ、幅３００、長さ３００ｍｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕのシート状接合材３ｂを載置した。

次に、厚さ５０ｍｍ、幅３００、長さ３００ｍｍの鉄製基材２を前記接合材シート３ｂの上に載置した後、電磁誘導加熱装置５により電磁誘導加熱部材４を加熱し、接合部材３ａと３ｂを溶融・凝固させ、滑り面部材の１と基材２を接合した。

次に、得られた摺動材料の接合界面のせん断強度を評価した結果、せん断強度が約２０ＭＰａであり、摺動材料に要求されるせん断強度を十分満足したことがわかった。

以上説明したように、本発明によれば、樹脂材料と金属材料というような異種材料の接合による従来の摺動材料およびその製造方法における問題点、すなわち樹脂材料および金属材料の全体加熱の必要性、熱分解による有害なガスの発生や酸化問題等を除き、簡単な設備で、作業性および熱効率よく、低コストで製造可能であり、且つ接合強度と信頼性の高い摺動材料、その製造方法、その摺動材料を用いた軸受装置が提供される。

本発明の一実施形態による摺動材料の模式断面図。 本発明の摺動材料製造方法を模式的に説明するための断面図。 上記摺動材料を用いて形成される本発明の軸受装置の一例の半断面図。

符号の説明

１ 滑り面部材
２ 基材
３ 接合材層（３ａ、３ｂ：その一部）
４ 電磁誘導加熱材材料からなる（多孔）シート材
５ 電磁誘導加熱装置
５ａ 電磁誘導加熱コイル
５ｂ 電磁誘導加熱電源
１０ 摺動材料
２０ 軸受装置
１１ スラスト軸受装置
１２ ガイド軸受装置
１３ 回転軸
１４Ａ、１４Ｂ 摺動部材
１５ スラストカラー
１６ スラストランナー
１７ 支持部材

Claims (11)

1. 滑り面部材と、
   前記滑り面部材とは異種材料からなる基材と、
   前記滑り面部材と前記基材の間に配置された、前記滑り面部材と前記基材を接合する接合材層と、電磁誘導加熱材料からなるシート材とを具備し、
   前記接合材層は、ＳｎもしくはＳｎ合金、ＩｎもしくはＩｎ合金およびＢｉもしくはＢｉ合金からなる群より選択されたはんだ材料からなり、該シート材の電磁誘導加熱により溶融加熱されて前記滑り面部材と基材とを接合していることを特徴とする摺動材料。
2. 前記滑り面部材が、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂材料、ポリエテルエテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂材料、ポリイミド（ＰＩ）樹脂材料、またはセラミックス繊維もしくは粒子の充てん材を含有した前記樹脂系複合材料からなることを特徴とする請求項１に記載の摺動材料。
3. 前記基材が、鉄系、銅系またはアルミニウム系金属材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動材料。
4. 前記接合材層の、前記滑り面部材と近接する部位においては、前記接合材が前記滑り面部材形成材料により希釈されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動材料。
5. 前記電磁誘導加熱材料からなるシート材が、多孔シート材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摺動材料。
6. 前記電磁誘導加熱材料からなるシート材が、強磁性金属材料からなる、粉末もしくは短繊維の焼結体、繊維の織布、または板状の打ち抜き材もしくはエキスパンド体からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の摺動材料。
7. 前記強磁性金属材料が、鉄またはフェライト系ステンレス材料からなることを特徴とする請求項６に記載の摺動材料。
8. 前記接合材層の一部と、電磁誘導加熱材料からなるシート材が、前記電磁誘導加熱に先立って、蒸着、めっき、コーティング、溶射、溶融含浸またはプレス成形の手法によって複合・一体化されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の摺動材料。
9. 前記滑り面部材を成形する成形工程と、
   前記滑り面部材を磁力発生コイルに高周波電流を供給する装置を具備する電磁誘導加熱装置の加熱部の上に配置する工程と、
   前記滑り面部材の上に前記電磁誘導加熱材料からなるシート材を配置する工程と、
   前記接合材層を前記電磁誘導加熱材料からなるシート材の上に配置する工程と、
   前記基材を前記電磁誘導加熱材料からなるシート材の上に配置する工程と、
   前記電磁誘導加熱材料からなるシート材を誘導加熱し、前記接合材層を溶融・凝固させ、前記摺動材料と前記基材を接合する接合工程と、
   を有することを特徴とする前記請求項１〜８のいずれかに記載の摺動材料の製造方法。
10. 前記滑り面部材を成形する成形工程と、
    前記滑り面部材を磁力発生コイルに高周波電流を供給する装置を具備する電磁誘導加熱装置の加熱部に配置する工程と、
    前記接合材層と前記電磁誘導加熱材料からなるシート材を複合・一体化する工程と、
    前記接合材層と前記電磁誘導加熱材料からなるシート材との複合体を前記滑り面部材の上部に配置する工程と、
    前記接合材層と前記電磁誘導加熱材料からなるシート材の複合体の上に前記基材を配置する工程と、
    前記電磁誘導加熱材料からなるシート材を誘導加熱し、前記接合材層を溶融・凝固させ、前記摺動材料と前記基材を接合する接合工程と、
    を有することを特徴とする前記請求項１〜８のいずれかに記載の摺動材料の製造方法。
11. 回転軸の軸方向のスラスト荷重を摺動可能に支持するスラスト軸受および回転方向の軸振れを摺動可能に支持するガイド軸受を具備する軸受装置において、
    前記スラスト軸受およびガイド軸受が、前記請求項１〜８のいずれかに記載の摺動材料により形成されていることを特徴とする軸受装置。

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