JP7188235B2 - 潤滑剤、電気接点、コネクタ端子、およびワイヤーハーネス - Google Patents
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Description
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。
本開示にかかる潤滑剤は、基油と、3フッ化エチレン樹脂を含む樹脂粒子と、を含有し、前記樹脂粒子の含有量は、前記基油の質量に対して10質量%超である。
以下に、本開示の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。本明細書において、組成物または合金の成分組成に関し、特定の成分について、「主成分とする」とは、その成分が全体の50質量%以上含有される形態を指すものとする。
まず、本開示の一実施形態にかかる潤滑剤について説明する。本開示の一実施形態にかかる潤滑剤は、基油と、樹脂粒子とを含有し、さらに、必要に応じて揮発性溶媒を含有している。樹脂粒子は、3フッ化エチレン樹脂を含有している。潤滑剤における樹脂粒子の含有量は、基油の質量に対して、10質量%超である。本潤滑剤は、3フッ化エチレン樹脂を含む樹脂粒子を所定量含有していることにより、樹脂粒子が基油中によく分散され、潤滑剤が、金属表面等、対象物の表面に配置された際に、摩擦特性の改良に、高い効果を示す。まず、各成分について説明する。
(1)基油
基油は、潤滑剤において、樹脂粒子を分散させる基材となる。基油は、潤滑剤の膜を対象物の表面に形成した際に、潤滑作用を発揮するとともに、樹脂粒子を、対象物の表面に付着した状態に保持する役割を果たす。さらに、基油は、金属等よりなる対象物の表面を被覆することで、対象物表面を周囲の環境との直接の接触から遮断し、対象物表面における酸化等の変質を抑制する役割も果たす。なお、本明明細書において、「油」との概念には、常温で液体のもののみならず、常温で固体状態をとる、いわゆる「脂」も含むものとする。
本実施形態にかかる樹脂粒子は、3フッ化エチレン樹脂を含有している。3フッ化エチレン樹脂は、分子構造内に、下の式(1)の構造を有している。3フッ化エチレン樹脂において、式(1)中のXは、F以外の任意の原子、またはFを含有しない原子団である。3フッ化エチレン樹脂は、式(1)の構造を、分子構造の一部として有しているものであってもよいが、末端部を除いて、式(1)の構造のみよりなることが好ましい。末端部を除いて、XをCl(塩素原子)とした式(1)の構造のみよりなる、ポリクロロトリフルオロエチレン(PolyChloroTriFluoroEthylene;PCTFE)が、3フッ化エチレン樹脂として、一般に入手しやすい。
・ポリテトラフルオロエチレン(PolyTetraFluoroEthylene;PTFE)
・テトラフルオロエチレン・エチレン重合体(Ethylene-TetraFluoroEthylene copolymer;ETFE)
・テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル重合体(tetrafluoroethylene-PerFluoroAlkylvinylether copolymer;PFA)
・テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(Fluorinated Ethylene-Propylene copolymer;FEP)
・ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride;PVDF)
本実施形態にかかる潤滑剤は、基油と樹脂粒子のみを含むものであってもよいが、さらに揮発性溶媒を含有することが好ましい。揮発性溶媒を含有させることで、潤滑剤の粘度を調整することができる。基油が高い粘度を有する場合でも、揮発性溶媒で希釈して、潤滑剤全体としての粘度を下げれば、塗布や浸漬等により、潤滑剤を対象物の表面に膜状に配置しやすくなる。特に、潤滑剤を揮発性溶媒で希釈することで、対象物上に、厚さが均一で薄い潤滑剤の膜を形成しやすくなり、さらに、潤滑剤を薄い膜とした場合でも、対象物の表面に、高い均一性をもって樹脂粒子を分散させやすくなる。揮発性溶媒は、潤滑剤が対象物の表面に膜状に配置された後、揮発するので、揮発後の潤滑剤の膜は、揮発性溶媒によって希釈されていない高い粘度を有する状態となる。すると、膜が形成された箇所から、潤滑剤が流出や飛散を起こしにくくなり、潤滑剤の膜が、対象物の表面に安定に保持される。
本実施形態にかかる潤滑剤は、基油、樹脂粒子、揮発性溶媒に加え、潤滑剤の特性を損なわない範囲において、他の成分をさらに含有していてもよい。潤滑剤に添加しうる添加剤として、酸化防止剤、着色剤、防食剤、防錆剤、界面活性剤等を挙げることができる。
本実施形態にかかる潤滑剤は、基油と樹脂粒子、さらに必要に応じて、揮発性溶媒および各種添加剤を、所定の割合で混合することで、調製される。
上記のように、本実施形態にかかる潤滑剤は、3フッ化エチレン樹脂を含む樹脂粒子を、基油に対して10質量%超含有している。潤滑剤を、膜状にして、対象物の表面に配置することで、樹脂粒子が、対象物の表面の摩擦特性を改良する役割を果たす。具体的には、潤滑剤の膜を形成した対象物の表面に、他の物体を接触させて、摺動を行った際に、接触箇所に、樹脂粒子が介在されることにより、摩擦係数が低減される。また、対象物の表面に露出している金属等の材料が、摺動に伴って摩耗するのが、抑制される。
次に、上記実施形態にかかる潤滑剤を対象物の表面に配置した形態の例として、本開示の一実施形態にかかる電気接点について説明する。本実施形態にかかる電気接点は、金属材料を基材として構成され、他の導電部材と電気的に接触する電気接点であり、基材の表面に、上記で説明した本開示の一実施形態にかかる潤滑剤の層を有している。
次に、本開示の一実施形態にかかるコネクタ端子について説明する。本開示の一実施形態にかかるコネクタ端子は、相手方コネクタ端子と電気的に接触する箇所に、上で説明した本開示の一実施形態にかかる電気接点を有している。
最後に、本開示の一実施形態にかかるワイヤーハーネスについて説明する。本開示の一実施形態にかかるワイヤーハーネスは、構成部材として、上で説明した本開示の一実施形態にかかるコネクタ端子を有している。
潤滑剤における樹脂粒子の分散性を確保するための基礎的な情報として、基油とフッ素樹脂の間の濡れ性について調査した。
まず、各種フッ素樹脂と、炭化水素系油の間の濡れ性について調べた。具体的には、各種フッ素樹脂を板状に成形したものの表面に、高粘度パラフィンの液滴を滴下した。フッ素樹脂としては、ETFE,PFA,PTFE,PCTFEを用いた。高粘度パラフィンとしては、以下のものを用いた。
・高粘度パラフィン:ナカライテスク社製 高粘度タイプ流動パラフィン(動粘度100~120mm2/s@37.8℃)
・低粘度ポリブテン:JXTGエネルギー社製 LV-100(動粘度205mm2/s@40℃)
・高粘度ポリブテン:JXTGエネルギー社製 HV-35(動粘度2300mm2/s@40℃)
次に、上記試験[1]において、炭化水素系油に対して高い濡れ性を有することが示された3フッ化エチレン樹脂を含有する樹脂粒子を、炭化水素系油とともに用いて潤滑剤を調製し、電気接点の摩擦特性に対してどのような影響を与えるかを調査した。また、電気接点の表面における樹脂粒子の密度と、摩擦特性の関係についても調査した。
(試料の作製)
(1)潤滑剤の調製
PCTFEの粗粉(ダイキン工業社製 PCTFE M-300H)を、ジェットミルにて粉砕し、中心粒径5μmの樹脂粒子を作成した。中心粒径は、レーザー回折・散乱によって評価した。この樹脂粒子を、溶媒としてのアセトン(水を含有する)に分散させ、さらに、基油としてのテトラデカン(粘度:2.7mm2/s@37.8℃)を加えて混合撹拌した。得られた組成物を、潤滑剤1とした。潤滑剤1においては、樹脂粒子と基油の混合比率を変化させることで、樹脂粒子の含有量を、基油の質量に対して、0質量%(樹脂粒子無添加)から50質量%の範囲で変化させた。基油と溶媒の混合比は、形成すべき潤滑剤膜の厚さに応じて調整した。
電気接点を模擬する試料として、平板状試料とエンボス状試料の組を作製した。まず、清浄な銅合金板の表面に、厚さ3μmのAgめっき層を形成した。このAgめっき銅合金板を用いて、平板状試料を形成するとともに、プレス加工によって曲率半径3mmの半球状のエンボスを形成し、エンボス状試料を作製した。両試料とも、有機洗浄によって脱脂し、乾燥させた。
Agめっき銅合金材よりなるタブ幅0.64mmの嵌合型のオス型コネクタ端子を、潤滑剤1に浸漬した後、溶媒を揮発させ、潤滑剤1の塗膜を形成した。潤滑剤1としては、樹脂粒子の含有量を、基油の質量に対して50質量%としたものを用いた。また、オス型コネクタ端子と嵌合させる相手方コネクタ端子として、同じくAgめっき銅合金材よりなるメス型コネクタ端子を準備した。メス型コネクタ端子には、潤滑剤の塗膜は形成しなかった。
(1)樹脂粒子の密度の評価
潤滑剤の塗膜を形成した試料表面における樹脂粒子の密度を評価するために、EDS測定に基づいて、元素比[F]/[M]の値を見積もった。まず、潤滑剤1の塗膜を形成した平板状試料に対して、溶媒が十分揮発した後、走査電子顕微鏡(scanning electron microscope;SEM)の装置を用いて、EDS測定を行った。測定条件は以下のとおりとした。
・入射角:垂直入射
・加速電圧:15kV
・ワーキングディスタンス(WD):10mm
・X線強度:10~100cps程度
各平板状試料に対して、摩擦係数の測定を行った。この際、エンボス状試料の頂部を平板状試料に接触させ、4Nの接触荷重を印加した状態で、0.2mm/secの速度で、200μmの距離の間を往復して摺動させた。摺動中に、平板状試料に取り付けたロードセルにて、横方向に働く動摩擦力を測定した。計測された動摩擦力の値を印加荷重で割った値を(動)摩擦係数とした。摺動中、摩擦係数の変化を記録した。また、摺動中には、摩擦係数の測定を行いながら、電気接点間に電流を流し、接触抵抗を計測した。
上記にて作製した潤滑剤1の塗膜を有するオス型コネクタ端子を、メス型コネクタ端子に挿入しながら、オス型コネクタ端子に取り付けたロードセルにより、挿入力を測定した。挿入速度は、10mm/minとした。比較のために、潤滑剤に樹脂粒子を添加しない場合、および潤滑剤の塗膜を形成しない場合についても、同様に挿入力を測定した。さらに、挿入完了後のコネクタ端子対に通電し、端子間抵抗を測定した。
(1)摩擦係数および表面の摩耗について
図5に、EDS測定によって得られた元素比[F]/[M]と、計測された摩擦係数の関係を示す。横軸に元素比[F]/[M]をとり、縦軸に摺動中の摩擦係数の最大値を示している。図5で、[F]/[M]=0のデータ点は、樹脂粒子を含有しない潤滑剤を塗布した場合に対応している。以降の元素比[F]/[M]と摩擦係数の関係を示す各グラフにおいても、同様である。
図7に、端子挿入力を測定した結果を示す。横軸に挿入距離をとり、縦軸に、各挿入距離において測定された挿入力を示している。樹脂粒子を潤滑剤に添加した場合(粒子あり)と、添加しなかった場合(粒子なし)で、それぞれ、コネクタ端子を新しいものに交換しながら、複数回の測定を行っており、それぞれの回のデータを、図中に表示している。破線で表示するデータは、端子表面に、潤滑剤を塗布しなかった場合(無塗布)のデータである。なお、この端子挿入力の計測試験において、オス型コネクタ端子の表面に形成した潤滑剤の塗膜は、元素比[F]/[M]にして、0.65程度の樹脂粒子密度に対応するものである。
潤滑剤を構成する基油の種類が、電気接点の摩擦特性にどのように影響するのかについて調べた。
(試料の作製)
上記潤滑剤1とは異なる基油を含有する潤滑剤として、潤滑剤2を調製した。この際、基油をテトラデカンから高粘度パラフィン(試験[1]で用いたのと同じ製品)に変更し、溶媒をアセトンからジイソプロピルエーテル(水を含有する)に変更した以外は、上記潤滑剤1の場合と同様にした。なお、溶媒の種類も変更したのは、基油との相溶性を確保するためである。
作製した電気接点試料を用いて、上記試験[2]と同様に、摩擦係数の計測と、元素比[F]/[M]の見積もりを行った。
図8に、元素比[F]/[M]と、摩擦係数の関係を示す。横軸に元素比[F]/[M]をとり、縦軸に摺動中の摩擦係数の最大値を示している。
上記試験[2]および試験[3]では、基材として、表面にAgめっき層を有する銅合金板を用いていたが、基材表面の金属種が異なる場合にも、摩擦特性を改良する効果が得られるかどうかを確認した。
(試料の作製)
清浄な銅合金板の表面に、厚さ1μmのNiめっき層と、厚さ0.4μmのCo添加硬質Auめっき層を形成して、Auめっき銅合金板とした。また、粗面化した銅合金板の表面に、厚さ0.5μmのNi層を形成し、さらにCu層とSn層をこの順に形成して加熱を行うことで、Cu-Sn合金とSnをともに最表面に露出させた厚さ1.0μmの層を形成し、Cu-Snめっき銅合金板とした。Auめっき銅合金板とを用いて、試験[2]と同様に、平板状試料と、曲率半径3mmのエンボス状試料の組を作製し、電気接点試料とした。同様に、Cu-Snめっき銅合金板を用いて、平板状試料と、曲率半径3mmのエンボス状試料の組を作製し、電気接点試料とした。
作製した各電気接点試料を用いて、摩擦係数の測定を行った。測定は、上記試験[2]と同様にして行った。ただし、ここでは、摺動距離200μmの摺動を、100往復にわたって行い、1往復ごとに、摺動距離の中央での摩擦係数を記録した。また、試験[2]と同様にして、EDSを用いて、元素比[F]/[M]を見積もった。Auめっき銅合金板を用いた試料については、金属原子の存在量[M]として、Auの存在量[Au]を用い、Cu-Snめっき銅合金板を用いた試料については、金属原子の存在量[M]として、Cuの存在量[Cu]とSnの存在量[Sn]の合計を用いた([Cu]+[Sn])。さらに、Auめっき銅合金板を用い、潤滑剤1の塗膜を作製した試料については、100往復の摺動を行った後の平板状試料の表面を、SEMにて観察した。SEM観察と同時に、EDS測定も行い、表面における各元素の分布を評価した。
(1)基材がAu被覆層を有する場合
図9に、Au被覆層を有する平板状試料に、基油としてテトラデカンを含有する潤滑剤1の塗膜を形成した場合について、100往復の摺動中に摩擦係数を計測した結果を示す。ここでは、横軸に摺動の往復回数をとり、縦軸に各回の摺動において得られた摩擦係数の値を示している。図には、調製した潤滑剤における樹脂粒子の含有量を変化させて測定した4とおりの結果を示しており、潤滑剤における樹脂粒子の含有量を、基油の質量に対する質量%を単位として表示している。さらに、図10に、元素比[F]/[M]と、摩擦係数の関係を示す。横軸に元素比[F]/[M]をとり、縦軸に1往復目の摺動において計測された摩擦係数を示している。図9に示した各データと、図10のデータ点の関係は、下のようになっている。
・0質量%:[F]/[M]=0
・10質量%:[F]/[M]=0.13
・30質量%:[F]/[M]=0.61
・50質量%:[F]/[M]=1.65
図13に、Cu-Sn合金を含有する被覆層を有する平板状試料に、基油としてテトラデカンを含有する潤滑剤1の塗膜を形成した場合について、100往復の摺動中に摩擦係数を計測した結果を示す。横軸に摺動の往復回数を、縦軸に、各回の摺動において得られた摩擦係数の値を示している。図には、潤滑剤における樹脂粒子の含有量を変化させて測定した4とおりの結果を示しており、潤滑剤における樹脂粒子の含有量を、基油の質量に対する質量%を単位として表示している。さらに、図14に、元素比[F]/[M]と、摩擦係数の関係を示す。横軸に元素比[F]/[M]をとり、縦軸に1往復目の摺動において計測された摩擦係数を示している。
最後に、電気接点で摺動を行った際の樹脂粒子の状態について、調べた。既に説明したように、図6のSEM像、および図11のSEM/EDS像において、樹脂粒子の粒子形状が破壊されていることが示唆されているが、ここでは、粒子形状が破壊されていることの確認を、さらに詳細に行った。
(試料の作製)
試験[2]と同様に、Agめっき銅合金板を用いて、平板状試料とエンボス状試料よりなる電気接点対を形成し、平板状試料に、テトラデカンを基油とする潤滑剤1の塗膜を形成した。潤滑剤における樹脂粒子の含有量は、基油の質量に対して50%とした。エンボス状試料の表面には、塗膜を形成しなかった。なお、平板状試料の表面に形成した潤滑剤の塗膜は、元素比[F]/[M]にして、0.65程度の樹脂粒子密度に対応するものである。
平板状試料の表面とエンボス状試料の頂部を接触させ、試験[2]で摩擦係数を計測した時と同様に、摺動を行った。摺動回数は、100往復とした。
図16に、SEM像と、EDSによる元素分布像を示す。左列が、エンボス状試料、右列が平板状試料の観察結果を示している。それぞれ、上段から、SEM像、Fの分布、Clの分布、Agの分布を示している。
11 基材
12 下地材
13 被覆層
14 潤滑層
2 エンボス状電気接点(相手方電気接点)
21 エンボス
3 オス型コネクタ端子
31 タブ
32 バレル部
5 ワイヤーハーネス
51 メインハーネス部
52 分岐ハーネス部
53 コネクタ
54 粘着テープ
Claims (16)
- 炭化水素系油を含む基油と、
3フッ化エチレン樹脂を含む樹脂粒子と、を含有し、
前記樹脂粒子の含有量は、前記基油の質量に対して10質量%超である、潤滑剤。 - 前記樹脂粒子の含有量は、前記基油の質量に対して30質量%以上である、請求項1に記載の潤滑剤。
- さらに揮発性溶媒を含有する、請求項1または請求項2に記載の潤滑剤。
- 前記揮発性溶媒は、水を含んでいる、請求項3に記載の潤滑剤。
- 前記基油は、炭化水素系油である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の潤滑剤。
- 前記3フッ化エチレン樹脂は、ポリクロロトリフルオロエチレンである、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の潤滑剤。
- 前記樹脂粒子の平均粒径は、1μm以上、50μm以下である、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の潤滑剤。
- 前記樹脂粒子の含有量は、前記基油の質量に対して100質量%以下である、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の潤滑剤。
- 金属材料を基材とし、他の導電部材と電気的に接触する電気接点であって、
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の潤滑剤の層を前記基材の表面に有する、電気接点。 - 加速電圧15kVで電子線を前記電気接点の表面に垂直入射して発生する特性X線を分析して検出される元素存在量を、原子%を単位として、F原子について[F]、前記基材を構成する金属原子について[M]として、
[F]/[M]≧0.2である、請求項9に記載の電気接点。 - 前記基材は、Ag、Au、Cu-Sn合金のいずれか少なくとも1種を表面に露出させている、請求項9または請求項10に記載の電気接点。
- 加速電圧15kVで電子線を前記電気接点の表面に垂直入射して発生する特性X線を分析して検出される元素存在量を、原子%を単位として、F原子について[F]、前記基材を構成する金属原子について[M]として、
[F]/[M]≦2.0である、請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の電気接点。 - 相手方コネクタ端子と電気的に接触する箇所に、請求項9から請求項12のいずれか1項に記載の電気接点を有する、コネクタ端子。
- 前記相手方コネクタ端子と嵌合接続されるオス型コネクタ端子またはメス型コネクタ端子である、請求項13に記載のコネクタ端子。
- 前記電気接点を前記相手方コネクタ端子の表面に接触させて摺動した際に、前記樹脂粒子の粒子形状が破壊される、請求項13または請求項14に記載のコネクタ端子。
- 請求項13から15のいずれか1項に記載のコネクタ端子を有する、ワイヤーハーネス。
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