JP2002020882A

JP2002020882A - 摺動部材及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002020882A
Application number: JP2000201721A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kobayashi; 雅彦小林
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性が高く、低摩擦係数を示す摺動皮膜
を形成した摺動部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】炭化しやすい金属粉末と、結合材と、そ
れ自身は炭化物を形成しにくく、放電によって生じる分
解炭素の生成を促進し、かつ、上記炭化しやすい金属粉
末の炭化を促進する炭化促進材とを混合したのち、これ
によって得られた混合粉末を圧縮して圧粉体を成形し、
次いで、この圧粉体を一方の電極とし、被処理物を他方
の電極として放電加工液中に浸漬し、この状態で放電加
工を行うことによって、上記被処理物に摺動皮膜を形成
し、該摺動皮膜中に黒鉛粒子及び上記炭化しやすい金属
粒子の炭化物を分散析出させる摺動部材の製造方法であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
部材の表面に耐摩耗性が高く、摺動抵抗が低い皮膜を形
成する摺動部材及びその製造方法に関する。この方法
は、高密着性や耐サーマルショック性を必要とする摺動
部材の表面処理に好適に用いることができる。

【０００２】

【従来の技術】従来、アルミニウム合金部材を用いて摺
動部材を作製する場合には、例えば特開平７−７０７６
１号公報に示す表面処理技術が採用されている。この方
法は、以下に説明する二種類の金属粉末を混合したの
ち、加圧して圧粉体とした電極を灯油等の有機溶媒中に
入れ、この状態で被処理物であるアルミニウム合金部材
を他方の電極として放電加工することにより、上記電極
中の金属と該金属の炭化物とが混在して分散した皮膜を
被処理物たるアルミニウム合金部材の表面に形成する方
法である。

【０００３】上記二種類の金属粉末は、炭化しやすく、
かつ、その炭化物が高い硬度を有する金属粉末（例えば
Ｔｉ等）と、アルミニウム合金部材に対する結合材とな
る金属粉末（例えばＡｌ、Ｚｎ、Ｓｎ等）とが挙げられ
る。上記方法によって形成される皮膜は、高硬度で耐摩
耗性に優れ、母材に対する密着性も良好である。しかし
ながら、摺動特性からとらえた場合、摩擦係数が高く、
内燃機関の部品等に適用すると、燃費の低下等を招くお
それとなる。また、摺動面への潤滑剤の供給が途絶えた
場合、摺動する相手側部品を著しく摩耗させるおそれも
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題を
解決し、耐摩耗性が高く、低摩擦係数を示す摺動皮膜を
形成した摺動部材及びその製造方法を提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る摺動部材の
製造方法は、上記目的を達成するため、炭化しやすい金
属粉末と、結合材と、それ自身は炭化物を形成しにく
く、放電によって生じる分解炭素の生成を促進し、か
つ、上記炭化しやすい金属粉末の炭化を促進する炭化促
進材とを混合し、これによって得られた混合粉末を圧縮
して圧粉体を作製し、次いで、放電によって炭素を分解
生成する放電加工液の中に、上記圧粉体を一方の電極と
し、被処理物を他方の電極として浸漬し、この状態で放
電加工を行うことによって、上記被処理物に摺動皮膜を
形成すると共に、該摺動皮膜中に黒鉛及び上記炭化しや
すい金属粉末の炭化物を分散析出させる方法である。

【０００６】上記製造方法によれば、放電加工液中に存
在する炭素が炭化しやすい金属粉末と結合して高い硬度
の炭化物になり、また、上記炭素が単独で黒鉛粒子にな
る。これらの炭化物と黒鉛粒子は、皮膜の表面部と内部
とに分散及び析出されるため、摺動皮膜は耐摩耗性に優
れ、かつ摺動抵抗が小さいものとなる。上記の摺動皮膜
は、以下の組成成分から構成されている。即ち、電極に
含まれる金属の炭化物、電極に含まれる金属同士の化合
物、被処理物であるアルミニウム合金と電極に含まれる
金属との金属間化合物、及び黒鉛からなる。また、摺動
皮膜の厚さは５０〜２００μｍである。上記炭化しやす
い金属粉末としては、ニオブ、チタン、バナジウム、タ
ングステンの群から選択される一又は二種以上の金属粉
末を用いることが好ましく、その粒径は７０μｍ以下が
好ましい。また、結合材としては、アルミニウム、亜
鉛、スズの群から選択される一又は二種以上の粉末を用
いることができ、この結合材となる粉末の粒径は５０μ
ｍ以下が好ましい。さらに、上記炭化促進材としては、
ニッケル、鉄、コバルト、ケイ素の群から選択される一
又は二種以上の粉末を用いることができ、この粉末の粒
径は７０μｍ以下が好ましい。そして、上記炭化しやす
い金属粉末と結合材と炭化促進材との構成比率は、例え
ば、炭化金属：３５〜８５ｍｏｌ％、結合材：８〜６０
ｍｏｌ％、促進材：５〜７ｍｏｌ％の範囲が好ましい。
なお、上記放電加工液は、炭素が含有された灯油や石油
等を好適に用いることができ、アルミニウム部材やアル
ミニウム合金部材の被処理物と圧粉体の電極との間で放
電が行われると、放電加工液から炭素が分解生成され
る。該炭素は、炭化しやすい金属粉末と結合して高硬度
の炭化物となり、また、単独で黒鉛粒子になり、摺動皮
膜中に分散析出される。

【０００７】例えば、チタンを上記の炭化しやすい金属
粉末とすると、摺動皮膜中にはチタンカーバイド（Ｔｉ
Ｃ）及び黒鉛粒子が分散析出する。なお、炭化促進材と
して特にニッケルを用いる場合は、皮膜中にチタンニッ
ケル（ＴｉＮｉ）粒子が分散するため、摩擦抵抗が小さ
いばかりでなく、優れた靱性及び密着性を有する摺動皮
膜を得ることができる。即ち、Ｆｅを添加した場合より
も皮膜の延性が高くなり、切削などの後加工が容易にな
る。

【０００８】そして、本発明に係る摺動部材は、上記処
理方法を用いてその表面層に摺動皮膜を形成したもので
ある。この摺動部材は、母材となるアルミニウム部材又
はアルミニウム合金部材と、該部材の表面層に形成され
た摺動皮膜とを備えており、該皮膜中には、黒鉛粒子及
び上記炭化しやすい金属粒子の炭化物が分散している。
これらの黒鉛粒子によって、摺動する相手部材との摺動
抵抗を小さくすると共に、上記炭化しやすい金属粒子の
炭化物によって摺動皮膜自体の強度や耐摩耗性を向上さ
せることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明に係る摺動部材の製造方法
によれば、従来技術の方法によって得られる皮膜の表面
部と内部に黒鉛粒子を分散及び析出させることにより、
相手材との摩擦抵抗が低くかつ硬度の高い摺動皮膜を形
成することができる。上述した従来の摺動皮膜と鋳鉄と
を比較すると、該鋳鉄の摺動特性の方が高いことが知ら
れている。本発明者は、この理由を考察する過程におい
て、本発明の完成に至ったものである。即ち、上記鋳鉄
はカーボン（Ｃ）を多く含んでおり、該カーボンは皮膜
の組織中に黒鉛として析出しているため、該黒鉛が固体
潤滑材として働き、摺動する相手部材との摩擦抵抗を小
さくすると共に、相手部材の摩耗も抑制する結果、鋳鉄
に形成される皮膜の方が相手部材との摺動抵抗が低く、
硬度が高くなる。

【００１０】［本発明の概要］本発明に係る摺動部材の
製造方法の概要は、炭化しやすい金属粉末と結合材と炭
化促進材とからなる混合粉末を圧縮成形した圧粉体を一
方の電極とし、他方の電極としてアルミニウム部材やア
ルミニウム合金部材の被処理物を用い、これらの両電極
を放電加工液中に浸漬して放電加工を行う表面処理方法
である。上記炭化しやすい金属粉末とは、炭化しやす
く、かつ炭化することによって高硬度の炭化物となる金
属粉末であり、例えばＮｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗなどが好まし
い。また、上記結合材とは、炭化しやすい金属粉末のバ
インダー、又は、母材に対する皮膜の密着性を向上させ
るバインダーとなるものであり、例えばＡｌ，Ｚｎ，Ｓ
ｎの金属粉末が好ましい。さらに、上記炭化促進材と
は、それ自身は炭化物を形成しにくく、放電によって生
じる分解炭素の生成を促進し、かつ、上記炭化しやすい
金属粉末の炭化を促進する金属粉末であり、例えばＦ
ｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｓｉなどの粉末が好ましい。

【００１１】［電極］電極には、上記炭化しやすい金属
粉末に結合材を添加し、更に炭化促進材を加えた混合粉
末を所定の形状に圧縮成形した圧粉体を用いる。また、
他方の電極には、アルミニウム部材やアルミニウム合金
部材からなる被処理物を用いることができる。この圧縮
成形に適した成形圧力は、２５０〜４５０ＭＰａが好ま
しい。

【００１２】［放電加工液］放電加工液には、放電によ
って炭素を分解生成する液体、例えば、石油や灯油等を
用いる。この放電によって分解生成した炭素は、そのま
ま黒鉛として上記摺動皮膜中に分散及び析出されると共
に、さらに、上記炭化しやすい金属粉末と反応して炭化
物を形成したのち、摺動皮膜中に炭化物として分散す
る。なお、摺動皮膜中に含まれる黒鉛粒子と炭化物の割
合は、例えば電流値、パルス幅、デューティファクタな
どの放電電気条件、及び加工液の吐出流量を変えること
により適宜調整することができる。

【００１３】［放電加工条件］放電加工条件は、摺動皮
膜中に含有される炭化物の割合のほか、皮膜厚さなどを
考慮して適宜決定することが好ましい。例えば、放電電
流値は４〜２５Ａが好ましく、パルス幅は３２〜５１２
μｓｅｃが好ましく、デューティファクタは０．０５８
〜０．８が好ましい。

【００１４】次いで、実施例によって、本発明に係る摺
動部材及びその製造方法を更に詳細に説明する。［実施例１］まず、被処理物として、アルミニウム合金
部材（ＪＩＳＡＣ８Ａ）を用いた。また、電極は、本
発明例の場合は、Ｔｉ：４７ｗｔ％、Ａｌ：４３ｗｔ
％、Ｆｅ：１０ｗｔ％からなる混合粉を４００ＭＰａの
圧力下で加圧成形した圧粉体を電極Ａ１として用いた。
一方、比較例の電極Ｂとして、Ｔｉ：４７ｗｔ％、Ａ
ｌ：５３ｗｔ％からなる混合粉を同一の４００ＭＰａの
圧力下で加圧成形した圧粉体を用いた。さらに、放電加
工液には灯油を用い、放電電流値を１２Ａ、パルス幅を
２５６μｓ、デューティーファクターを０．３３とし、
加工時間を５分とした条件で放電加工を行い、アルミニ
ウム合金部材の表面に摺動皮膜を形成した。このうち、
電極Ａによって形成したものを摺動皮膜Ａ、電極Ｂを用
いて形成したものを摺動皮膜Ｂとした。

【００１５】摺動皮膜Ａ１，Ｂの相手材との耐摩耗性を
ピンオンディスク試験によって検証した。この試験は、
摺動皮膜Ａ１，Ｂをピン試料とし、機械構造用の炭素鋼
鋼材（ＪＩＳＳ２５Ｃ）をディスク試料とし、これら
のピン試料とディスク試料を０．１２Ｒａに調製したの
ち、無潤滑下において摩擦係数を算出した。その結果、
摺動皮膜Ａ１の摩擦係数は０．１６、摺動皮膜Ｂの摩擦
係数は０．１１であった。また、摺動皮膜Ａ１，皮膜Ｂ
を比較すると、目視によっても摺動皮膜Ａ１の方が黒い
ため、黒鉛を多く含んでいると思われる。そして、各摺
動皮膜の断面写真中に含まれる黒鉛の量を画像解析装置
で測定するという面分析を行った結果、摺動皮膜Ａ１
は、３％の黒鉛を含んでいたが、摺動皮膜Ｂには、黒鉛
又は遊離炭素としてのピークはほとんどなく、これらが
含まれていないことが判明した。なお、放電により生じ
る分解炭素の生成を促進する金属としてＮｉを用いたと
ころ、黒鉛の生成による摩擦係数の低減だけでなく、Ｔ
ｉＮｉの生成により摺動皮膜の靭性の向上も効果をして
表れた。

【００１６】［実施例２］次いで、実施例１での本発明
例にて用いた電極において、Ｆｅの代わりにＮｉを同じ
量だけ添加した。即ち、実施例２における本発明例の電
極Ａ２は、Ｔｉ：４７ｗｔ％、Ａｌ：４３ｗｔ％、Ｎ
ｉ：１０ｗｔ％からなる混合粉を４００ＭＰａの圧力下
で加圧成形した圧粉体を用いた。また、比較例における
電極は、実施例１の比較例にて用いた電極Ｂと同一のも
のを用いた。

【００１７】これらの電極Ａ２，Ｂを用いてアルミニウ
ム合金部材にコーティングを行ったところ、電極Ａ２を
用いた場合の摩擦係数は０．１３となり、上記電極Ａ１
を用いた場合よりも高くなった。しかし、摺動皮膜Ａ２
中にＴｉＣ、ＴｉＡｌ、及びＴｉＮｉが生成し、摺動皮
膜Ａ２の靭性及び密着性が向上した。これらのＴｉＣ、
ＡｌＴｉ、及びＴｉＮｉは、深さ方向に沿って傾斜的に
変化しているため、熱応力に強い。つまり、表面にＴｉ
Ｃが多く、表面から内部に行くにつれてＡｌ濃度が高く
なっている。上記ＴｉＣ中のＣは、灯油等の放電加工液
中に含まれているものであり、上記ＴｉＡｌ、ＴｉＮｉ
などのほか、Ｎｉ，Ａｌのみの粒子も含まれる。また、
９０度での曲げ試験においても、摺動皮膜Ａ２は母材か
ら剥離しなかった。一方、電極Ｂを用いて作製した摺動
皮膜Ｂは９０度での曲げ試験において、母材から剥離し
た。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、例えばチタンカーバイ
ドなどの高硬度炭化物と黒鉛粒子が分散した皮膜を備え
た摺動部材を製造することができる。上記黒鉛粒子が固
体潤滑材の役割を果たすことによって、摺動抵抗が低く
なり、相手材の摩耗を低く抑えることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化しやすい金属粉末と、結合材と、そ
れ自身は炭化物を形成しにくく、放電によって生じる分
解炭素の生成を促進し、かつ、上記炭化しやすい金属粉
末の炭化を促進する炭化促進材とを混合し、これによっ
て得られた混合粉末を圧縮して圧粉体を作製し、次い
で、放電によって炭素を分解生成する放電加工液の中
に、上記圧粉体を一方の電極とし、被処理物を他方の電
極として浸漬し、この状態で放電加工を行うことによっ
て、上記被処理物に摺動皮膜を形成すると共に、該摺動
皮膜中に黒鉛粒子及び上記炭化しやすい金属粉末の炭化
物を分散析出させることを特徴とする摺動部材の製造方
法。
【請求項２】上記炭化しやすい金属粉末が、ニオブ、
チタン、バナジウム、タングステンの群から選択される
一又は二種以上の粉末であることを特徴とする請求項１
に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項３】上記結合材が、アルミニウム、亜鉛、ス
ズの群から選択される一又は二種以上の金属粉末である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材の製
造方法。
【請求項４】上記炭化促進材が、ニッケル、鉄、コバ
ルト、ケイ素の群から選択される一又は二種以上の粉末
であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
の摺動部材の製造方法。
【請求項５】上記放電加工液が石油又は灯油であるこ
とを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摺動部
材の製造方法。
【請求項６】請求項１〜５に記載された方法によっ
て、その表面に摺動皮膜を形成したことを特徴とする摺
動部材。
【請求項７】母材となるアルミニウム部材又はアルミ
ニウム合金部材と、該母材の表面に形成された摺動皮膜
と、該摺動被膜中に分散析出した黒鉛粒子及び上記炭化
しやすい金属粒子の炭化物とを備えたことを特徴とする
摺動部材。