JP2007009294A

JP2007009294A - 摺動部材

Info

Publication number: JP2007009294A
Application number: JP2005194004A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Shibahara; 雅彦芝原; Nobuo Sakate; 宣夫坂手; Yasuo Uosaki; 靖夫魚崎
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】摺動面の面圧の変動があっても、摩擦係数が比較的安定した摺動部材を提供すること。
【解決手段】摺動面をめっき皮膜で被覆した摺動部材において、前記めっき皮膜の表面にクラックを形成すると共に、該クラックにフッ素樹脂と金属硫化物との混合物を充填したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は摺動部材の摺動面の表面処理技術に関するものである。

自動車の内燃機関に用いられるピストンリング等の摺動部材は、高温・高圧の燃焼ガス室内で高速で摺動することが要求され、極めて厳しい環境下にさらされる。このような環境下でも良好な摩擦磨耗特性を発揮すべく、様々な技術が提案されている。

例えば、特許文献１にはショットピーニング等のインピンジメント法により固体潤滑材を摺動面に投射し、その運動エネルギーを利用して固体潤滑材を摺動面に拡散・浸透させる技術が開示されている。また、特許文献２には、低磨耗性及び耐磨耗性が要求される金属表面にポア、孔、凹凸、割れ等を形成し、フッ素系モノマーを含浸した後、低エネルギー電子線を照射して該モノマーを重合され、金属表面にフッ素系重合体薄膜を形成する技術が開示されている。また、フッ素樹脂を分散・含有するＮｉ−Ｐめっきを摺動面に形成し、低摩擦性・耐磨耗性を確保する技術も知られている。

特開平１１−１３１２５７号公報特開平１１−３４２３７１号公報

ところで、摺動面の面圧は変動する場合が多い。例えば、内燃機関のピストンリングを例にすると、熱膨張に伴うシリンダライナの変形、或いは、燃焼圧の変化等を要因として摺動面の面圧が変動する。また、内燃機関の動弁系部品であるカムとタペットとも摺動面の面圧が変動する。このような摺動面の面圧が変動する用途においては面圧変化に対して摺動特性が安定していることが望まれる。

しかし、上記特許文献に記載の技術等において用いられ、また、摩擦磨耗特性の向上のために広く用いられている材料である、フッ素樹脂について面圧が摩擦係数に与える影響について本発明者が研究したところ、面圧の上昇と共に摩擦係数が大きくなる、つまり、面圧依存性があることが分かった。

従って、本発明の目的は、摺動面の面圧の変動があっても、摩擦係数が比較的安定した摺動部材を提供することにある。

本発明によれば、摺動面をめっき皮膜で被覆した摺動部材において、前記めっき皮膜の表面にクラックを形成すると共に、該クラックにフッ素樹脂と金属硫化物との混合物を充填したことを特徴とする摺動部材が提供される。

本発明によれば、フッ素樹脂と、フッ素樹脂に対して面圧依存性が反対の特性を有する金属硫化物と、の混合物を前記クラックに充填することで、摺動面の摩擦係数を安定させることができる。

本発明において、前記フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロチレン（ＰＴＦＥ）、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共重合体（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（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）を挙げることができ、このようなフッ素樹脂の１種又は複数種の混合物であってもよい。

前記金属硫化物としては、例えば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）、二硫化タングステン（ＷＳ₂）、二硫化ニオブ（ＮｂＳ₂）を挙げることができ、このような金属硫化物の１種又は複数種の混合物であってもよい。

前記めっき皮膜は、例えば、クロムめっき、ニッケル−リンめっき等のめっき皮膜が挙げられる。

また、本発明においては、前記混合物における前記フッ素樹脂と前記金属硫化物との体積比が、１対３乃至３対１の範囲であることが望ましい。この体積比の範囲であれば、上記効果に加えてより低い摩擦係数が得られる。

以上述べた通り、本発明によれば、摺動面の面圧の変動があっても、摩擦係数が比較的安定した摺動部材を提供することができる。

図１（ａ）は本発明の一実施形態に係るピストンリング１、図１（ｂ）はピストンリング１の摺動面の構造を示す模式図である。本実施形態ではピストンリングを例に挙げるが他の金属部材についても本発明は適用可能である。ピストンリング１はリング状の基材１ａの、摺動面となる外周面にめっき皮膜１ｂが被覆されている。めっき皮膜１ｂの表面には網目状にクラック１ｃが形成されており、クラック１ｃは例えば幅が数μｍ〜数十μｍのマイクロクラックである。クラック１ｃにはフッ素樹脂と金属硫化物との混合物１ｄが充填されている。

ピストンリング１の製造方法は、基材１ａの外周面にクラック１ｃを有するめっき皮膜１ｂを形成する工程、クラック１ｃに混合物１ｄを充填する工程、からなる。クラック１ｃを有するめっき皮膜１ｂを形成する工程では、例えば、ピストンリング１の外周面に、電気めっきによりめっき皮膜１ｂを形成し、その後、逆電によるエッチングによりクラック１ｃを形成することができる。また、混合物１ｄを充填する工程では、例えば、フッ素樹脂と金属硫化物の微粒子を混合して混合物１ｄを作成し、これをクラック１ｃに充填する。充填方法としては、例えば、含浸法、ショットピーニング法、金属マトリックス法、ボンディング法が挙げられる。

混合物１ｄのフッ素樹脂と金属硫化物の体積比と、摺動面の面圧及び摩擦係数との関係について実験を行なった。図２（ａ）は実験に用いた実験装置Ａの概略図である。実験装置Ａは不図示の加圧装置により下方へ加圧可能なピンプレート１０と、鋳鉄（ＦＣＨ１）からなり、不図示のモータにより回転駆動されるディスク２０と、を備える。ピンプレート１０はその中央に潤滑油の供給孔１１が設けてあり、その下面には複数のピン１２が設けられている。各ピン１２の下面にはフッ素樹脂と金属硫化物との混合物が充填されたクラックを有するめっき皮膜である試験体３０を形成した。図２（ｂ）はピンプレート１０の平面視図であり、ピン１２は炭素鋼（ＳＫ３）からなり、略等間隔で３つ設けられている。

試験体３０のめっき皮膜は電気めっきによるニッケル−リンめっきとし、めっき形成後にクロム酸に浸して逆電し、エッチングすることによりクラックを形成した。クラックに充填する混合物のフッ素樹脂はＰＴＦＥ、金属硫化物はＭｏＳ₂とした。混合物のクラックへの充填は、ＰＴＦＥ及びＭｏＳ₂の微粒子を攪拌後、電気炉内でシート状に加工し、その混合物のシートをめっき皮膜の表面に置いてオートクレーブ中で加熱、加圧することで充填した。加熱温度はＰＴＦＥの溶融温度が摂氏３２７度であることを考慮し、摂氏３３０度〜３６０度の範囲で行なった。圧力は１０ＭＰａ（不活性雰囲気中）とした。後述するように試験体３０はＰＴＦＥとＭｏＳ₂の体積比を変えて複数種類作成した。

しかして、ピン１２に対する摺動速度が５ｍ／ｓとなるようにディスク２０を定速回転し、供給孔１１から試験体３０に潤滑油として無添加油を供給しながら、試験体３０を設けたピン１２をディスク２０に押圧した。そして、ピン１２のディスク２０への押圧により、試験体３０が受ける面圧を所定の範囲で変化させ、各面圧とその面圧におけるモータのトルク（電流値）から試験体３０の摩擦係数を算出した。

面圧（ＭＰａ）は、０．３、１．０、１．８、２．５、３．５、５．０、１２．０で変化させ、また、試験体３０は、ＰＴＦＥとＭｏＳ2との体積比が、１００：０、９０：１０、７５：２５、５０：５０、２５：７５、１０：９０、０：１００、のものをそれぞれ作成した。

図３（ａ）は実験結果を示すデータであり、各面圧と、ＰＴＦＥとＭｏＳ₂との体積比が異なる各試験体３０と、についての摩擦係数の算出結果を示す。また、図３（ｂ）は図３（ａ）のデータのグラフである。

図３（ｂ）を見ると、ＰＴＦＥとＭｏＳ2との体積比が、１００：０の試験体、つまり、ＰＴＦＥのみをクラックに充填した試験体では面圧が高くなるにつれて摩擦係数が増大しており、ＰＴＦＥが面圧依存性を有することが分かる。これは、ＰＴＦＥは潤滑油の濡れ性が悪いため、高面圧下では潤滑油の保持性が低いことに起因すると考えられる。

一方、ＰＴＦＥとＭｏＳ₂との体積比が、０：１００の試験体、つまり、ＭｏＳ₂のみをクラックに充填した試験体では面圧が高くなるにつれて摩擦係数が減少しており、面圧が低いと摩擦係数が高くなっている。つまり、面圧依存性がＰＴＦＥとは逆の特性を示している。

しかして、ＰＴＦＥとＭｏＳ₂とが混合されるに従って、面圧の変化に対する摩擦係数の変化が小さく、比較的安定しており、特に、ＰＴＦＥとＭｏＳ₂との体積比が２５：７５〜７５：２５の範囲、つまり、１対３乃至３対１の範囲では、摩擦係数が小さい範囲で安定している。しかして、ＰＴＦＥとＭｏＳ₂のようにフッ素樹脂と金属硫化物との混合物をクラックに充填することで、面圧の変動があっても、摩擦係数を比較的安定させることができ、特に、両者の体積比が１対３乃至３対１の範囲では更に、より低い摩擦係数が得られると言える。

（ａ）は本発明の一実施形態に係るピストンリング１、（ｂ）はピストンリング１の摺動面の構造を示す模式図である。（ａ）は実験に用いた実験装置Ａの概略図、（ｂ）はピンプレート１０の平面視図である。（ａ）は実験結果を示すデータであり、（ｂ）は図３（ａ）のデータのグラフである。

符号の説明

１ピストンリング
１ａ基材
１ｂめっき皮膜
１ｃクラック
１ｄ混合物

Claims

摺動面をめっき皮膜で被覆した摺動部材において、
前記めっき皮膜の表面にクラックを形成すると共に、該クラックにフッ素樹脂と金属硫化物との混合物を充填したことを特徴とする摺動部材。
前記混合物における前記フッ素樹脂と前記金属硫化物との体積比が、１対３乃至３対１の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。