JP2004340330A

JP2004340330A - 摺動部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP2004340330A
Application number: JP2003140295A
Authority: JP
Inventors: Noritaka Miyamoto; 典孝宮本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】摺動部材の高摩擦と焼付きとを抑制する。
【解決手段】内面１０ａを略鏡面に仕上げたシリンダライナ１０を、粉末定量供給装置１６に接続された粉末落下ノズル２０とエア源１８に接続されたエア噴出ノズル２１とを備えた吹付装置内にセットする。回転ロッド１４により各ノズル２０、２１を回転させながら軸方向移動させると、粉末落下ノズル２０から落下する粉末１１がエア噴出ノズル２１から噴出するエアによりシリンダライナ１０の内面１０ａに吹付けられる。この際、粉末１１として、平均粒径３８μｍ以下の高硬度スチールビーズを用い、かつ粉末落下ノズル２０に供給する粉末供給量を制御することで、該内面１０ａには、平均直径３８μｍ以下の衝突痕が、面積率３〜３０％範囲に形成され、高摩擦と焼付きが抑制された摺動面が得られる。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相手部材との摺動面を備えた摺動部材、特に境界潤滑を伴う用途に向けて好適な摺動部材とその製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、内燃機関においては、シリンダボア部のボア内面（摺動面）とこの内部をレシプロ運動するピストン（ピストンリング）との間に油膜を形成することにより焼付きを防止している。この場合、油膜が途切れないように摺動面に安定して潤滑油を保持させることが重要となり、そこで、従来一般には、摺動面を機械加工または研磨加工により仕上げる際、クロス状疵（クロスハッチ）を摺動面に積極的に形成し、このクロスハッチを油溜りとして用いるようにしていた。
【０００３】
また、最近では、摺動面に油溜りとしてのディンプルを形成することも行われており、例えば、特許文献１には、ピストンのスカート部に直径３．８ｍｍ、深さ０．１５ｍｍ程度のディンプルを多数形成することが、特許文献２には、動圧流体軸受の軸受面にショットピーニングによりマイクロディンプルを形成することがそれぞれ記載されている。
なお、特許文献３乃至５には、球状黒鉛鋳鉄からなるワーク、高周波焼入処理を施したワーク、浸炭焼入処理を施したワーク等の表面に、直径１０〜７０μｍのガラスビーズが混合された液体を吹付けて、ワーク表面に凹部と凸部とからなるうねりを形成する技術が開示されている。
【０００４】
しかしながら、上記したクロスハッチを湯溜りとして用いる焼付き対策によれば、摺動面全体の面粗度が悪化するため、摩擦係数が高くなり、これに伴って摺動抵抗が増大して、燃費低下（消費エネルギーの増大）が避けられないようになる。
また、特許文献１に記載されるようにディンプルを形成する対策によれば、ディンプル自体がかなりの大きさとなっているため、ディンプルの底部側に潤滑油が溜まり、摺動面への潤滑油補給が困難となって、焼付き防止対策として不十分である。
また、特許文献２に記載されるようにショットピーニングによりマイクロディンプルを形成する対策によれば、摺動面全体の面粗度が悪化するため、内燃機関におけるボア内面とピストンとの接触のように境界潤滑を伴うものでは、摩擦係数が高くなり、上記クロスハッチを設ける場合と同様、燃費低下が避けられないようになる。
さらに、特許文献３乃至５に記載のもののようにワーク表面に凹部と凸部とからなるうねりを形成する対策によれば、ワーク表面が実質的に荒れているため、特許文献２に記載のものと同様、境界潤滑を伴うものでは、摩擦係数が高くなり、燃費低下が避けられないようになる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３０４０３９号公報
【特許文献２】
特開２００１−６５５６９号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５７９６５号公報
【特許文献４】
特開２００１−１５７９２６号公報
【特許文献５】
特開２００１−１５７９６４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、摺動部材の高摩擦と焼付きとを抑制することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る摺動部材は、平滑部と衝突痕とが混在する摺動面を有する摺動部材であって、該摺動面の衝突痕の平均径は、該衝突痕の平均径に対する摩擦係数の依存性が急激に変化する臨界値以下であり、該摺動面の衝突痕の面積率は３〜３０％であることを特徴とする。
本摺動部材において、上記衝突痕の平均径は３８μｍ以下である構成とすることができ、また、上記平滑部の面粗度は、１．５Ｒｚ以下とすることができる。
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明に係る摺動部材の製造方法は、上記した摺動部材の製造方法であって、略鏡面をなす表面に上記臨界値以下の平均粒径を有する粉末を衝突させて衝突痕を形成することを特徴とする。
本製造方法においては、前記粉末の平均粒径が３８μｍ以下であり、前記略鏡面をなす表面の面粗度が１．５Ｒｚ以下である構成とすることができる。
また、略鏡面をなす表面に粉末を衝突させるに際しては、略一定流量の粉末流を前記表面に衝突させるのが望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
本発明に係る摺動部材は、図１および２に符号１にて示すように、平滑部２と衝突痕３とが混在する摺動面４を有している。平滑部２は、その面粗度が１．５Ｒｚ以下となっており、略鏡面の状態となっている。なお、ここでいう略鏡面とは、当然に鏡面を含んでいる。一方、衝突痕３は、その平均径が３８μｍ以下となっている。また、この衝突痕３は、面積率が３〜３０％となるように摺動面４に分散して形成されている。なお、図２は、表面を顕微鏡観察した結果を示したものであるが、ここでは、説明の便宜のため、衝突痕３の輪郭を強調して示している。また、図２中、５は、片状黒鉛を表している。
【００１０】
上記のように構成した摺動部材１においては、微小な衝突痕３が適当な面積率となるように摺動面４に分散して形成されているので、図１の下側に示すように、各衝突痕３内に潤滑油６が小さな塊となって保持され、これにより摺動面４の全面に、油膜７が途切れることなく形成される。この結果、本摺動部材１は、耐焼付き性に著しく優れたものとなり、いわゆるスカッフィング寿命が大幅に延長する。因みに、図３に示すように摺動面４に数ｍｍオーダーの大きな衝突痕３´が存在する場合は、衝突痕３´の底部側に潤滑油５が溜まり、摺動面４上の油膜が途切れて、焼付き防止対策として不十分となる。
一方、上記衝突痕３を除く部分は、平滑部となっているので、全体の摩擦係数は十分低いレベルとなる。平滑部の面粗度は１．５Ｒｚ以下とすることが望ましい。この結果、境界潤滑を伴う場合でも摺動特性が悪化することはなく、これにより消費エネルギーが低減する。
【００１１】
ここで、本摺動部材の材質は任意であり、鋳鉄、鋼等の鉄系材料であっても、アルミニウム、マグネシウム等の非鉄系材料であってもよい。
また、本摺動部材の用途も任意であり、相手部材と接触する摺動面を必要とする部材であればよい。このような摺動部材としては、内燃機関の構成部材であるシリンダボア部（シリンダライナ）、ピストンおよびピストンリングを始め、流体圧シリンダのシリンダやピストン、あるいはすべり軸受のレースや軸部がある。
【００１２】
本摺動部材を製造するには、予め摺動面として提供される表面を略鏡面に仕上げたワークを用意し、その表面に、後述の吹付装置を用いて平均粒径３８μｍ以下のビーズ状粉末をエア（エア圧）を利用して、略一定流量の粉末流として衝突させ、前記衝突痕３を形成する。この場合、略鏡面をなす表面の面粗度を１．５Ｒｚ以下に設定することが望ましい。
図４は、上記した吹付装置の一つの実施形態を示したもので、ここでは、摺動部材として内燃機関用のシリンダライナ１０が選択されている。この場合、シリンダライナ１０の内面１０ａが摺動面となり、吹付装置は、前記内面１０ａに向けて上記した大きさのビーズ状粉末１１を吹付けできるように構成されている。
【００１３】
より詳しくは、吹付装置は、ガイドポスト１２に沿って昇降駆動される回転ユニット１３に支持された二重管構造の回転ロッド１４を備えている。回転ロッド１４の上端部には、スイベル管継手１５が取付けられており、このスイベル管継手１５には、粉末定量供給装置１６がホース１７を介して、エア源１８が配管１９を介してそれぞれ接続されている。一方、回転ロッド１４の下端部には、粉末落下ノズル２０とエア噴出ノズル２１とを垂下してなるヘッダ２２が取付けられている。ヘッダ２２は、回転ロッド（二重管）１４内の粉末通路を粉末落下ノズル２０に導くと共に、回転ロッド１４内のエア通路をエア噴出ノズル２１に導く機能を有している。
【００１４】
ここで、上記粉末落下ノズル２０は、回転ロッド１４と同軸をなすように配置され、一方、エア噴出ノズル２１は、粉末落下ノズル２０と平行に配置されている。エア噴出ノズル２１の噴射口２１ａは、粉末落下ノズル２０の先端に近接する位置で、回転ロッド１４の軸と略直交する方向へ向けられている。これにより、いま、粉末定量供給装置１６から回転ロッド１４にビーズ状粉末１１を給送すると同時に、エア源１８から回転ロッド１４に圧縮エアを給送すると、粉末落下ノズル２０から落下したビーズ状粉末１１がエア噴出ノズル２１から噴出する圧縮エアによりシリンダライナ１０の内面１０ａに向けて吹付けられるようになる。一方、この状態で、回転ユニット１３の作動により回転ロッド１４を所定の速度で回転させると共に、該回転ユニット１２を所定速度で昇降させると、エア噴出ノズル２１の噴射口２１ａが回転ロッド１４の軸の回りに旋回運動をしながら該軸に沿ってレシプロ運動をする。これにより粉末落下ノズル２０から落下するビーズ状粉末１１は、シリンダライナ１０の内面１０ａの全表面に吹付けられ、この結果、該内面１０ａの全表面に、上記した衝突痕３（図１、２）が形成されるようになる。
【００１５】
しかして、上記粉末定量供給装置１６は、微粉末を定量供給する機能を有しており、これによりビーズ状粉末１１は、脈動することなく粉末落下ノズル２０から連続して落下する。この結果、ビーズ状粉末１１は、略一定流量の粉末流としてシリンダライナ１０の内面１０ａにムラなく吹付けられ、これによりシリンダライナ１０の内面１０ａには、前記衝突痕３が均一に所定の面積率３〜３０％ととなるように形成される。したがって、略一定流量とは、衝突痕面積率の大きい箇所と小さい箇所とがムラに形成されることがない流量を意味する。
本実施形態において、前記粉末定量供給装置１６はロードセルを内蔵する軽量装置２３上に搭載されている。この軽量装置２３は、粉末定量供給装置１６から粉末落下ノズル２０への粉末供給量をフィードバック制御するために用いられるもので、このフィードバック制御により、ビーズ状粉末１１の供給量は、±１ｇ／ｍｉｎの精度まで制御可能となる。なお、粉末定量供給装置１６から粉末落下ノズル２０への粉末供給には、アルゴンガスが用いられている。
【００１６】
上記吹付装置によれば、回転ロッド１４の回転速度すなわちエア噴射ノズル２０の旋回速度、回転ユニット１３の昇降速度すなわちエア噴射ノズル２０の移動速度、エア噴射ノズル２０からの圧縮エアの噴射圧力すなわち粉末噴射圧力、粉末定量供給装置１６から粉末落下ノズル２０への粉末供給量等を適宜制御することにより、ノズル類２０、２１の一回の移動（パス）で、シリンダライナ１０の内面１０ａの全表面に、衝突痕３を所定の面積率となるように均一に分散形成することが可能になる。
この場合、ノズル類２０、２１のパスの方向（移動方向）は任意であり、シリンダライナ１０内の下端側から上端側へ移動させても、シリンダライナ１０の上端側から下端側へ移動させてもよい。
また、使用するビーズ状粉末１１の種類は任意であるが、球状をなし、しかも衝突の衝撃で破壊したり変形しないものが望ましい。このようなビーズ状粉末としては、高硬度のスチールビーズがある。
【００１７】
上記した粉末の吹付け処理（以下、これを衝突痕処理という）により形成された衝突痕３は、使用したビーズ状粉末１１の平均粒径とほぼ同じ大きさとなる。したがって、ここでは、平均粒径３８μｍ以下のビーズ状粉末１１を用いているので、形成される衝突痕３の平均直径も３８μｍ以下となる。また、ワークとしてのシリンダライナ１０の内面１０ａは、前記したように略鏡面となっているので、衝突痕処理後におけるシリンダライナ１０の内面１０ａは、平滑部２と衝突痕３とが混在する摺動面４を有する表面状態となる（図１、２参照）。この場合。シリンダライナ１０の内面１０ａは、前記したように略鏡面となっているので、衝突痕処理後に現われる平滑部２も、面粗度３８μｍ以下を満足する。
なお、上記実施形態においては、予めワークとしてのシリンダライナ１０の内面１０ａを略鏡面に仕上げて、平滑部２の面粗度を確保するようにしたが、本発明は、狙いの衝突痕大きさ（平均径）並びに衝突痕面積率を確保しながら、衝突痕処理後に最終仕上げを行って、平滑部２の面粗度を確保するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、エア噴出ノズル２１から噴出する圧縮エアにより粉末１１を吹付けるようにしたが、この吹付けに用いるエアは、他のガス、例えばアルゴンガス、窒素ガス等に代えてもよいことはもちろんである。
【００１８】
【実施例】
実施例１
図５に示されるように、内径７９ｍｍ、高さ１３５ｍｍのＦＣ２３０製シリンダライナをワークとして用い、予めその内面をホーニング加工により面粗度０．３２Ｒｚに仕上げ、これを、前記図４に示した吹付装置内にセットし、その内面にビーズ状粉末を吹付けた。粉末としては、図５に示されるように高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）からなる高硬度のスチールビーズを用い、この粉末を平均粒径４．５〜１４９μｍの範囲で８水準に分類して、各分類単位で吹付けを行ってシリンダライナ内面に衝突痕を形成した。吹付条件は、同じく図５に示されるように噴射圧力、ノズル回転数、ノズル移動速度を一定とし、粉末供給量を３〜３０ｇ／ｍｉｎの範囲で種々に変化させた。粉末供給量をこのように変化させたのは、衝突痕の面積率を種々に変えるためである。
【００１９】
そして、衝突痕処理（粉末の吹付け処理）終了後、各シリンダライナから試験片を採取し、それぞれの試験片について衝突痕平均径、衝突痕深さ、衝突痕面積率を測定し、その後、これら試験片を摩擦試験に供し、摩擦係数と焼付き発生まで時間（スカッフ時間）とを測定した。摩擦試験は、図３に示すように、試験片３０の被処理面（摺動面）３１にピストンリング（窒化リング）３２を９８０ＭＰａの圧力で押付け、摩擦係数の測定においては、摺動面３１にノズル３３からオイル（１０Ｗ３０ベースオイル）を滴下しながら、スカッフ時間の測定においては、事前に摺動面３１にオイルを塗布し、ピストンリング３２を３００サイクル／分で摺動させる条件で行った。なお、スカッフ時間の測定は最大３０分まで行った。
【００２０】
図７は、平均粒径１１．４μｍと３８．４μｍの粉末を用いたものについての摩擦係数の測定結果を衝突痕面積率で整理して示したものである。同図に示す結果より、摩擦係数は、衝突痕面積率の増大に従って増加している。また、使用した粉末の平均粒径との相関でみると、平均粒径の小さい粉末を用いたものが、平均粒径の大きい粉末を用いたものよりも、摩擦係数がわずか低下する傾向にある。さらに、クロスハッチを形成した現状の鋳鉄ライナの一般的な摩擦係数のレベルＡと比較すると、上記した粉末の吹付け処理を行ったものは、衝突痕面積率３０％以下で現状の鋳鉄ライナよりも摩擦係数が低くなっている。なお、同図中、衝突痕面積率０％は、衝突痕処理を全く行っていないものの結果を表している。
【００２１】
図８は、同じく平均粒径１１．４μｍと３８．４μｍの粉末を用いたものについてのスカッフ時間の測定結果を衝突痕面積率で整理して示したものである。同図に示す結果より、スカッフ時間は、衝突痕面積率の増大に従って増加している。また、使用した粉末の平均粒径との相関でみると、平均粒径の小さい粉末を用いたものと平均粒径の大きい粉末を用いたものとでは、スカッフ時間にほとんど差が認められない。さらに、クロスハッチを形成した現状の鋳鉄ライナの一般的なスカッフ時間の範囲Ｂと比較すると、衝突痕処理を行ったものは、衝突痕面積率が約３％以上で現状の鋳鉄ライナと同等以上となっているが、衝突痕処理を行っていないもの（衝突痕面積率０％）や衝突痕面積率が約２％以下のものは、現状の鋳鉄ライナよりも短くなっている。
上記図７および図８に示す結果より、摩擦係数を現状の鋳鉄製シリンダライナよりも低くしかつスカッフ時間を現状のシリンダライナと同等以上にするには、衝突痕面積率を３〜３０％の範囲望ましくは５〜２０％の範囲とするのがよい、といえる。
なお、衝突痕深さを測定した結果は、直径１０μｍの衝突痕で約１μｍであった。
【００２２】
図９は、衝突痕面積率１２〜１９％範囲のものについて、摩擦係数の測定結果を衝突痕平均径で整理して示したものである。なお、衝突痕平均径が、使用粉末の平均粒径とほぼ一致することは前記したとおりである。同図に示す結果より、衝突痕平均径が４０μｍ付近で摩擦係数が急変し、衝突痕平均径３８μｍ以下で摩擦係数が著しく低くなっている。すなわち、略鏡面をなす表面に衝突痕を形成した場合、衝突痕の平均径に対する摩擦係数の依存性が急激に変化する臨界値が存在する。これは、過去の知見では得られない特異な現象であり、摩擦係数を低レベルに抑えるには、衝突痕平均径をこの臨界値以下（３８μｍ以下）に抑えるのが望ましい、といえる。したがって、略鏡面とは、衝突痕を形成した場合、衝突痕の平均径に対する摩擦係数の依存性が急激に変化する臨界値が生じる面、と定義することができる。
【００２３】
実施例２
内径７９ｍｍ、高さ１３５ｍｍのＦＣ２３０製シリンダライナをワークとして用い、その内面の面粗度を０．１５〜３．２Ｒｚの範囲で種々に変化させた。そして、この面粗度の異なるシリンダライナを、前記図４に示した吹付装置内にセットし、その内面に、平均粒径１１μｍのスチールビーズ（実施例１と同じＳＫＨ５１製）を吹付けた。吹付条件は、噴射圧力、ノズル回転数、ノズル移動速度については実施例１（図５）と同じとし、粉末供給量については、衝突痕面積率が１６％となる条件を選択した。そして、衝突痕処理後、各シリンダライナから試験片を採取し、実施例１と同じ（図６）摩擦試験を行い、摩擦係数とスカッフ時間とを測定した。なお、比較のため、衝突痕処理を行なわないシリンダライナについても同様の摩擦試験を行った。
【００２４】
図１０および図１１は、摩擦係数およびスカッフ時間の測定結果を平滑部の面粗度で整理して示したものである。なお、前記平滑部は、衝突痕処理後の平滑部２（図１、２）を意味し、その面粗度は、上記シリンダライナの内面の面粗度と同じになる。
図１０に示す結果より、摩擦係数は、衝突痕処理の有無にかかわらず、平滑部面粗度１．０Ｒｚ付近までは、平滑部面粗度の増大に応じて直線的に上昇し、それ以降でほぼ飽和する。また、クロスハッチを形成した現状の鋳鉄ライナの一般的な摩擦係数のレベルＡと比較すると、平滑部面粗度１．５Ｒｚ以下で現状の鋳鉄ライナよりも摩擦係数が低くなっており、特に平滑部面粗度０．５Ｒｚ以下では、約３５％以上の低減効果がみられる。この結果より、摩擦係数を現状の鋳鉄製シリンダライナよりも低くするには、平滑部の面粗度を１．５Ｒｚ以下望ましく０．５Ｒｚ以下とするのがよい、といえる。
一方、図１１に示す結果より、衝突痕処理を行わないものは、平滑部面粗度が約０．８Ｒｚ以下で著しくスカッフ時間が短くなっている。これに対し、衝突痕処理を行ったものは、平滑部面粗度が広範に変化してもスカッフ時間の低下はみられず、現状の鋳鉄ライナの一般的なスカッフ時間のレベルＢよりも優れた耐焼付き性を示している。
【００２５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る摺動部材によれば、高摩擦と焼付きとが抑制されるので、エネルギー消費の低減はもとより耐久寿命の延長に大きく寄与し、特に境界潤滑を伴う用途に向けて好適となる。
また、本発明に係る摺動部材の製造方法によれば、略鏡面に仕上げた表面に所定の粒径の粉末を吹付けて衝突痕を形成するので、高摩擦と焼付きがる抑制された摺動部材を効率よくかつ安定して製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る摺動部材の摺動面を含む表層部の状態と油膜の形成状態とを示す模式図である。
【図２】本摺動部材の表面状態を示す顕微鏡写真である。
【図３】大きな衝突痕が存在する摺動部材における不具合発生状態を示す模式図である。
【図４】本発明に係る摺動部材の製造方法で用いる吹付装置の一つの実施形態を示す模式図である。
【図５】本発明の実施例１で選択したワーク、使用粉末および処理条件を一括して示す図表である。
【図６】実施例１の摩擦試験の実施状況を示す模式図である。
【図７】実施例１の摩擦試験の結果を示したもので、摩擦係数に及ぼす衝突痕面積率の影響を示すグラフである。
【図８】実施例１の摩擦試験の結果を示したもので、スカッフ時間に及ぼす衝突痕面積率の影響を示すグラフである。
【図９】実施例１の摩擦試験の結果を示したもので、摩擦係数に及ぼす衝突痕平均径（粉末平均粒径）の影響を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例２の摩擦試験の結果を示したもので、摩擦係数に及ぼす平滑部面粗度の影響を示すグラフである。
【図１１】実施例２の摩擦試験の結果を示したもので、スカッフ時間に及ぼす平滑部面粗度の影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１摺動部材
２平滑部
３衝突痕
４摺動面
６潤滑油
７油膜
１１ビーズ状粉末
１４回転ロッド
１６粉末定量供給装置
１８エア源
２０粉末落下ノズル
２１エア噴出ノズル

Claims

平滑部と衝突痕とが混在する摺動面を有する摺動部材であって、該摺動面の衝突痕の平均径は、該衝突痕の平均径に対する摩擦係数の依存性が急激に変化する臨界値以下であり、該摺動面の衝突痕の面積率は３〜３０％であることを特徴とする摺動部材。
前記摺動面の衝突痕の平均径が３８μｍ以下である、請求項１に記載の摺動部材。
前記平滑部の面粗度が１．５Ｒｚ以下である、請求項１または２に記載の摺動部材。
請求項１乃至３のいずれかに記載の摺動部材の製造方法であって、略鏡面をなす表面に前記臨界値以下の平均粒径を有する粉末を衝突させて衝突痕を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
前記粉末の平均粒径が３８μｍ以下である、請求項４に記載の摺動部材の製造方法。
前記略鏡面をなす表面の面粗度が１．５Ｒｚ以下である、請求項５に記載の摺動部材の製造方法。
略一定流量の粉末流を前記表面に衝突させる、請求項４乃至６のいずれかに記載の摺動部材の製造方法。