JP2006002814A - 窒化処理摺動面の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 摺動面に窒化処理を施し、かつ凹部（微小窪み）を形成することができる窒化処理摺動面の形成方法を提供する。
【解決手段】 窒化処理摺動面の形成方法は、素材４１のうち、窒化処理摺動面１８，１９，２１に対応する部位４２，４３，４４を粗加工して粗加工摺動面４６，４７，４８を得る工程と、粗加工摺動面４６，４７，４８にビーズ５１…を吹き付けて凹部５２…を形成する工程と、凹部５２…を形成した粗加工摺動面４６，４７，４８に窒化処理を施す工程と、凹部の開口面積割合Ｒｓが単位面積当たり５〜１０％、かつ凹部の体積割合Ｒｖが単位面積当たり２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２になるように、粗加工摺動面４６，４７，４８を仕上げ加工して窒化処理摺動面１８，１９，２１を得る工程とからなる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、部材に対向させて配置し、対向する部材に対して相対的に摺動する摺動面に窒化処理を施した窒化処理摺動面の形成方法に関する。

図１１は従来のクランクシャフトを示す斜視図である。なお、図１１では単気筒エンジンを例に説明するが、多気筒エンジンへの適用も可能である。
クランクシャフト１００のジャーナル部１０１，１０２をクランクシャフトケースの軸受（図示せず）に回転自在に取り付け、ピン部１０３にコンロッド１０４の大端部１０５を回転自在に取り付ける。
シリンダ１０６内をピストン１０７が移動することにより、コンロッド１０４を介してクランクシャフト１００がジャーナル部１０１，１０２を軸に回転する。

この際に、ジャーナル部１０１，１０２と軸受との間の隙間に潤滑油を供給するとともに、ピン部１０３と大端部１０５との間の隙間に潤滑油を供給する。
軸受に対するジャーナル部１０１，１０２の摺動面や、大端部１０５に対するピン部１０３の摺動面の耐摩耗性などを高めるために、それぞれの摺動面に窒化処理を施している。
窒化処理は、ジャーナル部１０１，１０２やピン部１０３の摺動面に窒素を浸透拡散させることで、摺動面を表面硬化させるもので、一例としてガス軟窒化が知られている。

ここで、ジャーナル部１０１，１０２は軸受に荷重をかけながら回転し、ピン部１０３は大端部１０５から荷重を受けながら回転する。
このため、ジャーナル部１０１，１０２やピン部１０３の摺動面に油膜を確保して、それぞれの摺動面の耐焼付性を高めることが要求されている。
摺動面の耐焼付性を高める方法として摺動面に凹部（微小窪み）を形成し、凹部に潤滑油を蓄える方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平３―１７２６０８号公報（第２頁）

特許文献１の技術によれば、摺動面をバレル研磨することにより、摺動面に凹部を形成する。摺動面に凹部を形成することで、凹部に潤滑油を蓄える。
これにより、凹部に潤滑油を蓄えることで、摺動面に油膜を一層確実に確保し、摺動面に対する耐焼付性を高めることが可能になる。

ところで、ジャーナル部１０１，１０２の摺動面や、ピン部１０３の摺動面の耐摩耗性などを高めるために、それぞれの摺動面に窒化処理が施されている。窒化処理を施した摺動面は表面硬化されており、特許文献１の技術のように、バレル研磨では摺動面に凹部を良好に形成することは難しい。

この対策として、ジャーナル部１０１，１０２の摺動面や、ピン部１０３の摺動面に、微小な鋼球を吹き付けて凹部（微小窪み）を形成する方法が考えられる。
しかし、ジャーナル部１０１，１０２の摺動面や、ピン部１０３の摺動面は窒化処理で表面硬化されており、それぞれの摺動面に鋼球を吹き付けた際に、摺動面に亀裂が発生する虞がある。
このため、摺動面に窒化処理を施すとともに、凹部を形成することは難しいとされていた。

本発明は、摺動面に窒化処理を施し、かつ凹部（微小窪み）を形成することができる窒化処理摺動面の形成方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、素材の所定部位を加工し、加工した部位に窒化処理を施すことにより、対向する部材に対して相対的に摺動する窒化処理摺動面を形成する方法において、前記素材のうち、前記窒化処理摺動面に対応する部位を粗加工することで粗加工摺動面を得る工程と、前記粗加工摺動面にビーズを吹き付けて凹部を形成する工程と、前記凹部を形成した粗加工摺動面に窒化処理を施す工程と、前記凹部の開口面積割合が単位面積当たり５〜１０％、かつ前記凹部の体積割合が単位面積当たり２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２になるように、前記粗加工摺動面を仕上げ加工することで前記窒化処理摺動面を得る工程とからなることを特徴とする。

粗加工摺動面に窒化処理を施す前に凹部を形成する。窒化処理を施す前なので粗加工摺動面は靱性を備えている。
よって、粗加工摺動面にビーズを吹き付けて凹部を形成する際に、粗加工摺動面に亀裂が発生することを防ぐことができる。

粗加工摺動面に凹部を形成した後、窒化処理を施して表面硬化する。粗加工摺動面を表面硬化することで、粗加工摺動面の耐摩耗性を高めることができる。
加えて、窒化処理摺動面に凹部を備えることで、凹部に潤滑油を蓄えることが可能になる。凹部に潤滑油を蓄えることで、窒化処理摺動面に油膜を一層確実に確保し、窒化処理摺動面の耐焼付性を高めることができる。

ここで、潤滑形態のなかには、流体潤滑や境界潤滑の形態がある。流体潤滑は、一対の摺動面が油膜で完全に隔離された状態をいう。
一方、境界潤滑は、一対の摺動面間に油膜が存在するにも拘わらず、摺動面の一部がところどころで接触する状態をいう。境界潤滑は、起動時／停止時に起こりやすい。

境界潤滑では、窒化処理摺動面に凹部を多数形成し過ぎると、窒化処理摺動面の摩擦係数が増加することが考えられる。特に、凹部の開口面積の割合（以下、「開口面積割合」という）が、単位面積当たり１０％を超えると、摩擦係数の増加が大きくなり過ぎる虞がある。
よって、境界潤滑を考慮した場合には、開口面積割合をある程度小さく、具体的には１０％以下に設定することが好ましい。

一方、流体潤滑では、油膜を確保することが重要である。開口面積割合を大きくすると、油膜を確実に確保できる。そこで、開口面積割合を、単位面積当たり５％以上にして、油膜を確実に確保するようにした。
しかし、開口面積割合が、単位面積当たり１７％を超えると、窒化処理摺動面の面積を良好に確保することが難しく、窒化処理摺動面の摩擦係数がばらつく虞がある。
よって、流体潤滑を考慮した場合には、開口面積割合を、単位面積当たり５〜１７％の範囲に設定することが好ましい。

ここで、摺動面の潤滑状態は、通常の摺動時に流体潤滑となり、起動時／停止時に境界潤滑となる傾向がある。よって、摺動面の開口面積割合を決める際には、流体潤滑と境界潤滑との両方を考慮することが好ましい。
そこで、請求項１において、開口面積割合を、境界潤滑と流体潤滑との両方を考慮して、単位面積当たり５〜１０％となるように設定した。

ところで、摺動面の潤滑状態を検討する際に、凹部の開口面積の割合を選択するだけでは十分ではない。凹部の体積の割合（以下、「体積割合」という）も摺動面の潤滑状態に影響を与えるからである。
具体的には、境界潤滑を考慮して窒化処理摺動面の摩擦係数を好適に保つためには、凹部を抑える必要がある。特に、体積割合が、単位面積当たり５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２を超えると、摩擦係数が増加して大きくなる虞がある。
よって、境界潤滑を考慮した場合には、体積割合をある程度小さく、具体的には５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２以下に設定することが好ましい。

一方、流体潤滑を考慮して、油膜を確実に確保するためには、体積割合を大きくする必要がある。そこで、体積割合を、単位面積当たり２×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２以上にして、油膜を確実に確保するようにした。

しかし、体積割合が、単位面積当たり８×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２を超えると、体積割合が大きくなり過ぎて摩擦係数が増加し過ぎる虞がある。
よって、流体潤滑を考慮した場合には、体積割合を、単位面積当たり２×１０^５〜８×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２の範囲に設定することが好ましい。

そこで、境界潤滑と流体潤滑との両方を考慮して、請求項１において、体積割合を、単位面積当たり２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２となるように設定した。

請求項２において、窒化処理摺動面は、クランクシャフトに備えたジャーナル部の表面および／またはピン部の表面であることを特徴とする。

ここで、クランクシャフトはジャーナル部やピン部に比較的大きな荷重をかけながら、高速回転で使用する部材であり、ジャーナル部やピン部の摺動面の耐摩耗性を高めるために、摺動面に窒化処理を施している。
摺動面に窒化処理を施すことで、窒化処理摺動面を表面硬化し、窒化処理摺動面の耐摩耗性を高めることができる。

加えて、窒化処理摺動面に凹部を備え、凹部の開口面積割合を、単位面積当たり５〜１７％、かつ、凹部の体積割合を、単位面積当たり２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２となるように設定した。
これにより、ジャーナル部やピン部の窒化処理摺動面の油膜を確保して耐焼付性を高め、かつジャーナル部やピン部の窒化処理摺動面の摩擦係数を好適に保つことができる。
このように、ジャーナル部やピン部の耐摩耗性や耐焼付性を高め、かつ摩擦係数を好適に保つことで、クランクシャフトの耐久性を高めることができる。

請求項１に係る発明では、粗加工摺動面に凹部を形成した後、窒化処理を施すことで、窒化処理摺動面の耐摩耗性を高めるとともに、耐焼付性を高めることができるという利点がある。

また、請求項１に係る発明では、凹部の開口面積割合を、単位面積当たり５〜１０％、体積割合を、単位面積当たり２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２とすることで、境界潤滑と流体潤滑との両方に対応することができるという利点がある。

請求項２に係る発明では、ジャーナル部やピン部の窒化処理摺動面に凹部を備えることで、耐摩耗性や耐焼付性を高め、かつ摩擦係数を好適に保ち、クランクシャフトの耐久性を高めることができるという利点がある。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法で形成したクランクシャフトの斜視図である。
クランクシャフト１０は、一対のジャーナル部１１，１２に各々ウエブ部１３，１４を設け、一対のウエブ部１３，１４間にピン部１５を設けたものである。

ピン部１５は、ジャーナル部１１，１２に対してオフセットさせた状態に配置した部材である。一対のウエブ部１３，１４は、それぞれカウンタウエイト１６，１７を備える。
このクランクシャフト１０は、一例として、低炭素鋼（Ｓ３５Ｃ〜Ｓ５５Ｃ）や窒化鋼で形成した部材である。

一対のジャーナル部１１，１２の表面としての摺動面（窒化処理摺動面）１８，１９には、図２に示す凹部３１…（…は複数個を示す）が形成されるとともに、一例としてガス軟窒化処理（窒化処理）が施されている。
また、ピン部１５の表面としての摺動面（窒化処理摺動面）２１には、ジャーナル部１１，１２と同様に、凹部３１…（図２参照）が形成されるとともに、一例としてガス軟窒化処理（窒化処理）が施されている。

ジャーナル部１２の端部にフライホイール２２を設け、ピン部１５にコンロッド２３の大端部（対向する部材）２４を連結する。
具体的には、大端部２４を二個の分割体２４ａ，２４ｂに分割し、分割したそれぞれの分割体２４ａ，２４ｂでピン部１５を挟み込む。

この状態で、分割体２４ａ，２４ｂをボルト２５，２５およびナット２６，２６で一体に組み付けることにより、大端部２４をピン部１５に連結する。
このコンロッド２３の小端部（図示せず）をピストンピン２８を介してピストン２９に連結する。

ピストン２９がシリンダ（図示せず）内を移動することにより、コンロッド２３を介してクランクシャフト１０がジャーナル部１１，１２を軸に回転する。
この際に、ジャーナル部１１，１２の摺動面１８，１９と軸受（対向する部材）との間の隙間に潤滑油を供給するとともに、ピン部１５の摺動面２１と大端部（対向する部材）２４との間の隙間に潤滑油を供給する。

図２は本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法で形成した摺動面の斜視図であり、ピン部１５の摺動面２１を示す。
なお、図１に示すジャーナル部１１，１２の摺動面１８，１９は、ピン部１５の摺動面２１と同様であり、以下、摺動面１８，１９の説明を省略する。
ピン部１５の摺動面２１は、凹部（微小窪み）３１…を備えるとともに、窒化処理の一例としてガス軟窒化処理を施した面である。
凹部３１は、例えば、開口３１ａの直径ｄ_ｎ（図６（ｂ）、図７（ｂ）も参照）が略１００μｍ、深さｈが略１０μｍの略半球状の微小窪みである。

摺動面２１にガス軟窒化処理を施すことで、摺動面２１を硬化処理する。すなわち、摺動面２１に沿って、ピン部１５中に窒素を浸透拡散させた硬化層３２を備えることで、摺動面２１を硬化（硬く）する。
凹部３１…は、それぞれの開口３１ａ…の開口面積をＳｎ（図６（ｂ）も参照）で表し、それぞれの体積をＶｎ（図７（ｂ）も参照）で表す。

図３（ａ），（ｂ）は本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法においてクランクシャフトの素材に粗加工摺動面を加工する例を説明する図である。
（ａ）において、鍛造装置で低炭素鋼（Ｓ３５Ｃ〜Ｓ５５Ｃ）を鍛造成形することで、クランクシャフト１０（図１参照）の素材４１（以下、「クランクシャフト素材４１」という）を得る。
クランクシャフト素材４１のうち、一対のジャーナル部１１，１２の摺動面１８，１９（図１参照）に対応する部位（所定部位）４２，４３を、粗加工するとともに、ピン部１５の摺動面２１（図１参照）に対応する部位（所定部位）４４を、粗加工する。

（ｂ）において、ジャーナル部１１，１２の摺動面１８，１９（図１参照）に対応する部位４２，４３（（ａ）参照）を、粗加工することで、一対のジャーナル部１１，１２の粗加工摺動面４６，４７を得る。
さらに、ピン部１５の摺動面２１（図１参照）に対応する部位４４（（ａ）参照）を、粗加工することでピン部１５の粗加工摺動面４８を得る。

一対のジャーナル部１１，１２の粗加工摺動面４６，４７およびピン部１５の粗加工摺動面４８は、所定の表面粗さ、一例として最大高さＨmax３Ｓ〜４Ｓに加工されている。
なお、本実施の形態では、所定の表面粗さとして、表面粗さが最大高さＨmax３Ｓ〜４Ｓとなるように粗加工した例について説明するが、所定の表面粗さは最大高さＨmaxを３Ｓ〜４Ｓに限定するものではない。
すなわち、ピン部１５の粗加工摺動面４８の所定の表面粗さとして、最大高さＨmaxを２０Ｓ以下、好ましくは１０Ｓ以下に確保すればよい。

粗加工摺動面４８の表面粗さの最大高さＨmaxが２０Ｓを超えると、粗加工摺動面４８が粗過ぎて、図４に示すように、粗加工摺動面４８にビーズ５１…（１個のみを示す）を吹き付けても、凹部３１…（図２参照）を好適に形成することはできない。
そこで、粗加工摺動面４８の表面粗さの最大高さＨmaxを２０Ｓ以下にすることで、粗加工摺動面４８に凹部３１…を好適に形成するようにした。

図４（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法において粗加工摺動面に奥部を形成する例を説明する図である。
（ａ）において、高圧水供給手段５３を作動することにより、高圧水を流路５４まで導き、導いた高圧水を流路５４を通過させてノズル５５から矢印ａの如く噴射する。

この際に、流路５４が負圧になり、ホッパー５６内からビーズ５１…（（ｂ）参照）を流路５４内に吸引する。これにより、粗加工摺動面４８に高圧水を吹き付けるとともに、ビーズ５１…を吹き付ける。

ここで、高圧水の水圧は、最大２５０ＭＰａである。高圧水の水圧として、最大２５０ＭＰａを確保することで、粗加工摺動面４８にビーズ５１…を所定の衝撃荷重Ｆで吹き付けることができる。
さらに、高圧水を媒体として粗加工摺動面４８にビーズ５１…を吹き付けることで、ビーズ５１…の方向性や、吹付け速度を確保することができる。

（ｂ）において、高圧水とともにビーズ５１…（１個のみ示す）を、所定の衝撃荷重Ｆで粗加工摺動面４８に吹き付ける。
ビーズ５１…は、ガラス製の球体であり、一例として直径Ｄが１００〜１５０μｍのサイズのものを使用する。

（ｃ）において、粗加工摺動面４８にビーズ５１…が衝突して、衝突の際の衝撃力で粗加工摺動面４８に凹部５２…（１個のみを示す）を形成する。
高圧水の水圧を最大２５０ＭＰａにすることで、粗加工摺動面４８にビーズ５１…を所定の衝撃荷重Ｆで吹き付けることが可能になる。よって、粗加工摺動面４８に略半球状の凹部５２…を形成することができる。
粗加工摺動面４８にビーズ５１…が衝突した際に、衝撃力でビーズ５１…は側面視で楕円状に変形する。

（ｄ）において、粗加工摺動面４８にビーズ５１…が衝突した際に、衝撃力でビーズ５１…を破砕する。
ここで、ビーズ５１…を破砕片５１ａ…に破砕することで、粗加工摺動面４８に必要以上に大きな凹部５２を形成することを防ぐ。
これにより、粗加工摺動面４８に凹部５２…を所望の形状に形成することができる。

図５（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法において摺動面に窒化処理を施す例を説明する図である。
（ａ）において、粗加工摺動面４８に凹部５２…を形成する。
ここで、粗加工摺動面４８の表面粗さの最大高さＨmaxを３Ｓ〜４Ｓに抑えたので、粗加工摺動面４８に凹部５２…を好適に形成することができる。

（ｂ）において、凹部５２…を形成した粗加工摺動面４８に窒化処理、一例としてガス軟窒化処理を施す。
すなわち、凹部５２…を形成した粗加工摺動面４８を、脱脂、洗浄した後、浸炭性ガスおよびＮＨ_３ガスの混合雰囲気中で、５５０〜６００℃の温度範囲で１〜５時間加熱保存する。

粗加工摺動面４８からピン部１５内に窒素と炭素とを同時に浸透拡散させ、粗加工摺動面４８に沿って硬化層を形成する。
これにより、ガス軟窒化処理工程が完了する。
硬化層３２は、粗加工摺動面４８に沿った薄膜の混合層（図示せず）と、この混合層の内側に沿って形成した拡散層（図示せず）とからなる。

（ｃ）において、ガス軟窒化処理を施した面を、例えばラップ加工により仕上げ加工をおこなうことで摺動面２１を得る。
ガス軟窒化処理を施した面を仕上げ加工することにより、凹部５２…が凹部３１…になる。
凹部３１…の開口３１ａ…を、例えば直径ｄ_ｎ…が略１００μｍとし、凹部３１…の深さｈを、例えば略１０μｍの略半球状の微小窪みとする。

このように、凹部３１…の形状を調整することで、凹部３１…の開口面積の割合Ｒｓを、摺動面２１の単位面積当たり５〜１０％とし、かつ凹部３１…の体積の割合Ｒｖを、摺動面３１…の単位面積当たり２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２とする。
なお、凹部３１…の開口面積の割合Ｒｓについては図６で詳しく説明し、凹部３１…の体積の割合Ｒｖについては図７で詳しく説明する。

以上説明したように、本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法によれば、摺動面２１に窒化処理を施す前に凹部５２を形成する。
窒化処理前の粗加工摺動面４８は靱性を備えているので、粗加工摺動面４８にビーズ５１…を吹き付けて凹部５２…を形成する際に、粗加工摺動面４８に亀裂が発生することを防ぐことができる。

粗加工摺動面４８に凹部５２…を形成した後、窒化処理を施して粗加工摺動面４８を表面硬化し、摺動面２１を得る。
粗加工摺動面４８を表面硬化して摺動面２１とすることで、摺動面２１の耐摩耗性を高めることができる。
加えて、摺動面２１に凹部３１…を備えることで、凹部３１…に潤滑油を蓄えることが可能になる。凹部３１…に潤滑油を蓄えることで、摺動面２１に油膜を一層確実に確保し、摺動面２１の耐焼付性を高めることができる。

図６（ａ），（ｂ）は本発明に係る凹部の開口面積の割合を説明する図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大図である。
（ａ）は、摺動面２１の拡大図であり、単位面積Ａ×Ａに、多数の凹部３１…が形成された状態を示す。ここで、便宜上、図右上の凹部３１の開口面積をＳ１、その左の凹部３１の開口面積をＳ２、その左の凹部３１の開口面積をＳ３、……図左下隅の凹部３１の開口面積をＳｎ（図２も参照）とする。

（ｂ）は、仮に凹部３１の開口３１ａが正円に近似し、その半径がａ_ｎ（ｄ_ｎ／２）であれば、ｎ番目の凹部３１での開口面積Ｓｎは
Ｓｎ＝π×（ａ_ｎ）^２
である。よって、凹部３１…の開口面積の総和Ｓｍは、
Ｓｍ＝Σ｛Ｓ１＋Ｓ２＋……＋Ｓｎ｝
となり、凹部３１…の開口面積の割合Ｒｓは、
Ｒｓ＝｛（開口面積の総和Ｓｍ）／（単位面積Ａ×Ａ）｝×１００（％）
で求めることができる。

なお、以上は凹部３１…の開口面積の割合の定義を説明したものであり、例えば、摺動面２１の平坦部２１ａと、凹部３１…との陰影差を画像処理することで、凹部３１…の開口面積の割合を求めることができる。

図７（ａ），（ｂ）は本発明に係る凹部の体積の割合を説明する図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面拡大図である。
（ａ）は、摺動面２１の拡大図であり、単位面積Ａ×Ａに、多数の凹部３１…が形成された状態を示す。ここで、便宜上、図右上の凹部３１の体積をＶ１、その左の凹部３１の体積をＶ２、その左の凹部３１の体積をＶ３、……図左下隅の凹部３１の体積をＶｎとする。

（ｂ）は、仮に凹部３１が半径ｒ_ｎの略半球であれば、ｎ番目の凹部３１での体積Ｖｎは、
Ｖｎ＝１／６｛π×ｈ（３（ａ_ｎ）^２＋ｈ^２）｝
である。よって、凹部３１…の体積の総和Ｖｍは、
Ｖｍ＝Σ（Ｖ１＋Ｖ２＋……＋Ｖｎ）
となり、凹部３１…の体積の割合Ｒｖは、
Ｒｖ＝｛（体積の総和Ｖｍ）／（単位面積Ａ×Ａ）｝×１００（％）で求めることができる。

なお、以上は凹部３１…体積の割合の定義を説明したものであり、例えば、摺動面２１の平坦部と凹部１…との陰影差を画像処理することで、凹部３１…の体積の割合を求めることができる。

ここで、ジャーナル部の軸受に対する潤滑や、ピン部の大端部に対する潤滑は、通常、ジャーナル部やピン部の回転時に流体潤滑となり、始動時／停止時に境界潤滑となる。
流体潤滑とは、一対の摺動面が油膜で完全に隔離された状態をいう。境界潤滑とは、一対の摺動面間に油膜が存在するにも拘わらず、摺動面の一部がところどころで接触する状態をいう。
流体潤滑や境界潤滑は、潤滑油の粘性η、摺動面２１の回転速度Ｖ、摺動面２１にかかる荷重Ｐなどの条件に影響される。

図８は潤滑油の粘性η、摺動面の回転速度Ｖｒおよび荷重Ｐと摩擦係数μとの関係を示すグラフである。縦軸に摩擦係数μを示し、横軸に潤滑油の粘性η、摺動面の回転速度Ｖｒおよび荷重Ｐの関係式（η×Ｖｒ）／Ｐを示した。
ここで、摺動面２１にかかる荷重Ｐが大きく、摺動面２１の回転速度Ｖｒが小さければ、潤滑油の油膜を確保し難くなり、境界潤滑になりやすい。すなわち、横軸の（η×Ｖｒ）／Ｐが小さければ、境界潤滑になりやすい。

一方、摺動面２１にかかる荷重Ｐが小さく、摺動面２１の回転速度Ｖｒが大きければ、潤滑油の油膜を確保しやすくなり、流体潤滑になりやすい。すなわち、横軸の（η×Ｖｒ）／Ｐが大きければ、流体潤滑になりやすい。
このことから、グラフＧ１に示すように、（η×Ｖｒ）／Ｐが０．１近傍と小さいとき、境界潤滑の領域Ｅ１となり、（η×Ｖｒ）／Ｐが２近傍と大きいとき、流体潤滑の領域Ｅ２となる。

境界潤滑の領域Ｅ１と流体潤滑の領域Ｅ２との間は、混合潤滑の領域Ｅ３となる。混合潤滑とは、潤滑膜の厚さが薄くなり、流体潤滑部分と境界潤滑部分とが混在した状態をいう。
なお、縦軸の摩擦係数μは等間隔目盛りあるが、横軸の（η×Ｖｒ）／Ｐは対数目盛であるため、０．１と２の位置は不等間隔になる。

図９（ａ），（ｂ）は本発明に係る凹部の開口面積割合と摩擦係数との関係を説明するグラフである。縦軸に摩擦係数μを示し、横軸に開口面積割合を示した。
（ａ）は、ηＶ／Ｐが０．１の境界潤滑状態におけるデータをプロットし、プロットしたデータから、図６に示す凹部３１…の開口面積割合Ｒｓと摩擦係数μとの関係をグラフＧ２で表したものである。
グラフＧ２から、凹部３１…の開口面積割合Ｒｓを単位面積当たり０〜１０％の範囲に設定すれば摩擦係数μを小さく抑えられることが判明した。
すなわち、境界潤滑では、摺動面２１（図６参照）の凹凸が摩擦係数μの増加に繋がり、凹部３１…の開口面積割合Ｒｓが１０％を超えると急激に摩擦係数μが増加することが判明した。よって、境界潤滑を考慮した場合、凹部３１…の開口面積割合Ｒｓを単位面積当たり１０％以下に設定することが望ましい。

（ｂ）は、ηＶ／Ｐが２の流体潤滑状態におけるデータをプロットし、このプロットしたデータから、凹部３１…の開口面積割合Ｒｓと摩擦係数μとの関係をグラフＧ３で表したものである。
ここで、流体潤滑では油膜への依存率が高い。凹部３１…の開口面積割合Ｒｓが大きいと、十分な油膜が得られる。よって、グラフＧ３に示すように、摩擦係数μを抑えるためには、凹部３１…の開口面積割合Ｒｓを単位面積当たり５％以上にする必要がある。

一方、凹部３１…の開口面積割合Ｒｓが単位面積当たり１７％を超えると、摩擦係数μがばらついてしまう。このため、グラフＧ３を破線で示す。
よって、流体潤滑を考慮した場合、凹部３１…の開口面積割合Ｒｓを単位面積当たり５〜１７％の範囲に設定することが望ましい。

ここで、図１に示すジャーナル部１１，１２の軸受（図示せず）に対する潤滑や、ピン部１５の大端部２４に対する潤滑は、通常、ジャーナル部１１，１２やピン部１５の回転時に流体潤滑となり、始動時／停止時に境界潤滑となる。
このため、流体潤滑と境界潤滑の両方を考慮して凹部３１…の開口面積割合Ｒｓを決める必要がある。

よって、凹部３１…の開口面積割合Ｒｓは、グラフＧ２から求めた０〜１０％の範囲と、グラフＧ３から求めた５〜１７％の範囲とから、５〜１０％の範囲にすることが望ましい。
凹部３１…の開口面積割合Ｒｓを単位面積当たり５〜１０％の範囲にすれば、流体潤滑と境界潤滑の両方に対して摩擦係数μを下げることができる。

図１０（ａ），（ｂ）は本発明に係る凹部の体積割合と摩擦係数との関係を説明するグラフである。縦軸に摩擦係数μを示し、横軸に体積割合を示した。
（ａ）は、ηＶ／Ｐが０．１の境界潤滑状態におけるデータをプロットし、このプロットしたデータから、図７に示す凹部３１…の体積割合Ｒｖと摩擦係数μとの関係をグラフＧ４で表したものである。
グラフＧ４から、凹部３１…の体積割合Ｒｖを単位面積当たり０〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２の範囲に設定すれば摩擦係数μを小さく抑えられることが判明した。

すなわち、境界潤滑では、摺動面２１（図７参照）の凹凸が摩擦係数μの増加に繋がり、凹部３１…の体積割合Ｒｖが単位面積当たり５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２を超えると摩擦係数μが増加することが判明した。よって、境界潤滑を考慮した場合、凹部３１…の体積割合Ｒｖを単位面積当たり５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２以下に設定することが望ましい。

（ｂ）は、ηＶ／Ｐが２の流体潤滑状態におけるデータをプロットし、このプロットしたデータから、凹部３１…の体積割合Ｒｖと摩擦係数μとの関係をグラフＧ５で表したものである。
ここで、流体潤滑では油膜への依存率が高い。凹部３１…の体積割合Ｒｖが大きいと、十分な油膜が得られるため、グラフＧ５に示すように、凹部３１…の体積割合Ｒｖは単位面積当たり２×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２以上にすることが望ましい。

一方、グラフＧ５に示すように、凹部３１…の体積割合Ｒｖが単位面積当たり８×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２を超えると、体積割合Ｒｖが大きくなり過ぎて摩擦係数μが増加する虞がある。
よって、流体潤滑を考慮した場合、体積割合Ｒｖを単位面積当たり２×１０^５〜８×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２の範囲に設定することが望ましい。

ここで、図１に示すジャーナル部１１，１２の軸受（図示せず）に対する潤滑や、ピン部１５の大端部２４に対する潤滑は、通常、ジャーナル部１１，１２やピン部１５の回転時に流体潤滑となり、始動時／停止時に境界潤滑となる。
このため、流体潤滑と境界潤滑の両方を考慮して凹部３１…の体積割合Ｒｖを決める必要がある。

よって、凹部３１…の体積割合Ｒｖは、グラフＧ４から求めた０〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２の範囲と、グラフＧ５から求めた２×１０^５〜８×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２の範囲とから、２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２の範囲にすることが望ましい。
凹部３１…の体積割合Ｒｖを単位面積当たり２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２の範囲にすれば、流体潤滑と境界潤滑の両方に対して摩擦係数μを下げることができる。

図１に戻って、ピン部１５の窒化処理摺動面２１に凹部３１…（図２参照）を備え、凹部３１…の開口面積割合Ｒｓを、単位面積当たり５〜１７％とし、かつ、凹部３１…の体積割合Ｒｖを、単位面積当たり２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２となるように設定した。
同様に、ジャーナル部１１，１２の窒化処理摺動面１８，１９に凹部３１…を備え、凹部３１…の開口面積割合Ｒｓを、単位面積当たり５〜１７％とし、かつ、凹部３１…の体積割合Ｒｖを、単位面積当たり２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２となるように設定した。

これにより、ジャーナル部１１，１２やピン部１５の窒化処理摺動面１８，１９，２１の油膜を確保して耐焼付性を高め、かつジャーナル部１１，１２やピン部１５の窒化処理摺動面１８，１９，２１の摩擦係数を好適に保つことができる。
このように、窒化処理摺動面１８，１９，２１の耐摩耗性や耐焼付性を高め、かつ摩擦係数を好適に保つことで、クランクシャフト１０の耐久性を高めることができる。
加えて、摺動面に窒化処理を施すことで、窒化処理摺動面１８，１９，２１を表面硬化し、窒化処理摺動面１８，１９，２１の耐摩耗性を高めることができる。

なお、前記実施形態では、クランクシャフトとして、単気筒エンジンに適用したクランクシャフト１０を例に説明したが、これに限らないで、多気筒エンジンのクランクシャフトに適用しても同様の効果を得ることは可能である。

また、前記実施の形態では、凹部３１を開口の直径ｄ_ｎが略１００μｍ、深さｈが略１０μｍの略半球状の微小窪みとした例について説明したが、凹部３１の形状は任意に決めることができる。

さらに、前記実施の形態では、窒化処理摺動面として、ジャーナル部１１，１２の摺動面１８，１９およびピン部１５の摺動面２１を例に説明したが、これに限らないで、その他の機械部品の摺動面に適用することも可能である。
要は、窒化処理摺動面は、対向する部材に対して相対的に摺動する面であれば、その種類を問わない。

また、前記実施の形態では、クランクシャフト１０のうち、ジャーナル部１１，１２やピン部１５の表面のみに窒化処理を施して、窒化処理摺動面１８，１９，２１とした例について説明したが、これに限らないで、クランクシャフト１０全体を窒化処理しても同様の効果を得ることができる。

さらに、前記実施の形態では、窒化処理としてガス軟窒化処理法を例に説明したが、これに限らないで、プラズマ窒化法（あるいは、イオン窒化法）や、ガス窒化法などのその他の窒化処理を採用することも可能である。

本発明の窒化処理摺動面の形成方法は、クランクシャフトなどのように摺動面を備えた機械部品への適用に好適である。

本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法で形成したクランクシャフトの斜視図である。 本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法で形成した摺動面の斜視図である。 本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法においてクランクシャフトの素材に粗加工摺動面を加工する例を説明する図である。 本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法において粗加工摺動面に奥部を形成する例を説明する図である。 本発明に係る窒化処理摺動面の形成方法において摺動面に窒化処理を施す例を説明する図である。 本発明に係る凹部の開口面積の割合を説明する図である。 本発明に係る凹部の体積の割合を説明する図である。 潤滑油の粘性η、摺動面の回転速度Ｖｒおよび荷重Ｐと摩擦係数μとの関係を示すグラフである。 本発明に係る凹部の開口面積割合と摩擦係数との関係を説明するグラフである。 本発明に係る凹部の体積割合と摩擦係数との関係を説明するグラフである。 従来のクランクシャフトを示す斜視図である。

符号の説明

１０…クランクシャフト、１１，１２…ジャーナル部、１５…ピン部、１８，１９，２１…摺動面（窒化処理摺動面）、２４…大端部（対向する部材）、４２，４３，４４…部位（所定部位）、４６，４７，４８…粗加工摺動面、５１…ビーズ、５２、３１…凹部、Ｒｓ…開口面積割合、Ｒｖ…体積割合。

Claims (2)

1. 素材の所定部位を加工し、加工した部位に窒化処理を施すことにより、対向する部材に対して相対的に摺動する窒化処理摺動面を形成する方法において、
   前記素材のうち、前記窒化処理摺動面に対応する部位を粗加工することで粗加工摺動面を得る工程と、
   前記粗加工摺動面にビーズを吹き付けて凹部を形成する工程と、
   前記凹部を形成した粗加工摺動面に窒化処理を施す工程と、
   前記凹部の開口面積割合が単位面積当たり５〜１０％、かつ前記凹部の体積割合が単位面積当たり２×１０^５〜５×１０^５μｍ^３／ｍｍ^２になるように、前記粗加工摺動面を仕上げ加工することで前記窒化処理摺動面を得る工程とからなる窒化処理摺動面の形成方法。
2. 前記窒化処理摺動面は、クランクシャフトに備えたジャーナル部の表面および／またはピン部の表面であることを特徴とする請求項１記載の窒化処理摺動面の形成方法。
   

Images