JP2007132491A

JP2007132491A - 摺動部材及びその製造方法

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Publication number: JP2007132491A
Application number: JP2005328800A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Wakabayashi; 優輔若林; Shigeyuki Sakurai; 茂行櫻井; Hideki Akita; 秀樹秋田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-14
Also published as: JP4627713B2

Abstract

【課題】建設機械、産業機械等の高面圧の摺動条件下においても、摺動初期のなじみ性の効果を有し、長期に渡って低摩擦を持続することができる摺動部材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】摺動面を有する摺動部材１であって、前記摺動面の表面組織をフェライト４とマルテンサイト３とに混合組成した基地組織を有する母材２と、前記母材２の摺動面に露出しているフェライト４に打ち込まれた固体潤滑材の粒子６による固体潤滑材粒子塊部７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材及びその製造方法に係わり、更に詳しくは、初期なじみ性が良く、低摩擦を長期間維持することができる耐面圧用の摺動部材及びその製造方法に関する。

従来、摺動を伴う金属製の摺動部材の摺動面の摺動特性を向上させるために、金属製の摺動部材の摺動面に潤滑膜を設ける方法が知られている。その一例として、二硫化モリブデンのような固体潤滑剤粉末を、摺動部材の摺動面に噴射して、摺動面に付着させる方法がある（特許文献１参照。）。

特開２００４−６０６１９号公報

摺動部材を構成する母材の基地組織は、一般的に高周波焼入れ、浸炭焼入れ等の焼入処理で形成されるマルテンサイトに組成されおり、その硬度は、ＨＶ５００〜８００である。これに対して、固体潤滑材として用いられる二硫化モリブデン粒子の硬度は、モース硬度１（≒ＨＶ５０）である。

このため、摺動部材における高周波焼入れ、浸炭焼入れ等の焼入処理された摺動面に、固体潤滑材を噴射させると、前述したように、固体潤滑材の硬度が処理対象となる摺動部材の摺動面の硬度より低いため、固体潤滑材は、摺動部材の摺動面に付着する形態となっている。

上述した摺動部材を、建設機械，産業機械等に使用されるポンプ、モータ等の油圧機器の例えばピストン、シリンダのような高面圧下になる摺動箇所に用いた場合、摺動初期のなじみ性では効果があるが、長期的には摺動部材の摺動面の表面から固体潤滑剤が剥離してしまうため、摺動部材の摺動面を長期に渡って低摩擦状態に維持するのは困難である。

また、摺動部材が油中環境下で用いられている場合には、摺動部材の摺動面から剥離した固体潤滑剤は、潤滑油に混入するので、これにより、摺動部材の摺動面を低摩擦に維持できることが知られているが、摺動部材に対して、油量を多く用いている機器では、その低摩擦効果が十分に得られないという憾みがある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、建設機械、産業機械等の高面圧の摺動条件下においても、摺動初期のなじみ性の効果を有し、長期に渡って低摩擦を持続することができる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。

本発明は、上記目的を達成するために、第１の発明は、摺動面を有する摺動部材であって、前記摺動面の表面組織をフェライトとマルテンサイトとに組成した基地組織を有する母材と、前記母材の摺動面に露出しているフェライトに打ち込まれた固体潤滑材の粒子による固体潤滑材粒子塊部とを備えたことを特徴する。

また、第２の発明は、摺動面を有する摺動部材であって、前記摺動面の表面組織をフェライトとマルテンサイトとで組成した基地組織を有する母材と、前記母材の摺動面に露出しているフェライトに打ち込まれた固体潤滑材の粒子による固体潤滑材粒子塊部と、前記摺動面に形成した低摩擦コーティング層とを備えたことを特徴する。

更に、第３の発明は、摺動面を有する摺動部材の製造方法であって、前記摺動部材となる母材の前記摺動面の表面組織をフェライトとマルテンサイトとで組成した基地組織に組成し、前記母材の摺動面に露出しているフェライトに固体潤滑材の粒子を打ち込んで、固体潤滑材粒子塊部を形成したことを特徴する。

また、第４の発明は、摺動面を有する摺動部材の製造方法であって、前記摺動部材となる母材の前記摺動面の表面組織をフェライトとマルテンサイトとで組成した基地組織に組成し、前記母材の摺動面に露出しているフェライトに固体潤滑材の粒子を打ち込んで、固体潤滑材粒子塊部を形成し、その後、前記摺面に低摩擦コーティング層を形成したことを特徴する。

更に、第５の発明は、前記第１または第２の発明の摺動部材を摺動部に備えたことを特徴とする機器にある。

本発明の摺動部材によれば、建設機械、産業機械等の高面圧の摺動条件下においても、その摺動面の摺動初期のなじみ性の効果を有し、長期に渡って低摩擦を持続することができるので、摺動部材の交換時期が長期化し、そのメンテナンス性を改善することができる。

また、本発明の製造方法によれば、母材の組織中のフェライトの固体潤滑材粒子を打ち込むことにより、高面圧下で使用可能な摺動部材を提供することができるので、その製作費が安価であると共に、その短時間での製作が可能である。

以下、本発明の摺動部材及びその製造方法の実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の摺動部材の表面の金属組織の一実施の形態を模式的に示す断面図である。この図１において、摺動部材１を構成する母材２は、その基地組織がマルテンサイト３とフェライト４との混合組織となっている。その母材２の表面（摺動面）５には、フェライト４が露出している。この母材２の表面５に露出したフェライト４には、例えば、二硫化モリブデン、グラファイト等の固体潤滑材の粒径５〜２０μｍ程度の粒子６が、打ち込まれて、固体潤滑材の粒子塊７が形成されている。母材２の表面５には、更に膜厚１〜１０μｍ程度の例えば二硫化モリブデンの低摩擦層８が形成されている。

母材２の表面の金属組織は、前述したように、マルテンサイト３とフェライト４の混合組織である。マルテンサイト３の硬度は、例えばＨＶ５００〜８００であり、フェライト４の硬度は、ＨＶ≒５０である。

一方、噴射材として用いられる二硫化モリブデン、グラファイト等の固体潤滑材の粒子６の硬度は、ＨＶ４０〜６０である。このため、母材２の表面に固体潤滑材の粒子６を噴射させると、フェライト４には、上述したその硬度と固体潤滑材の粒子６のそれとが同等であることから、固体潤滑材の粒子６がフェライト４の内部に貫入して蓄積され、フェライト４における母材表面５の露出部分側に固体潤滑材の粒子塊７を形成する。

上述した本発明の摺動部材の一実施の形態は、建設機械，産業機械に使用されるポンプ、モータ等の油圧機器におけるピストン、ピストンシュー、シリンダ、ロータ、カムプレート、バルブプレートのような高面圧下で使用される摺動箇所に用いることができる。この場合、低摩擦層８は、摺動における初期なじみ性に効果を発揮する。

摺動部材１における表面の摺動にともなって、低摩擦層８が剥離すると、摺動部材１の表面組織は、マルテンサイト３と固体潤滑材粒子塊７とで構成される。この摺動面に露出した固体潤滑材粒子塊７は、フェライト４に貫入しているため、母材２への持続性が高い。

このため、フェライト４に貫入した固体潤滑材の粒子塊７は、時間経過後も、摺動部材１の摺動面を低摩擦な摺動特性に持続することが可能であるので、この摺動部材１を使用した機器の長寿命化が可能になり、その信頼性を向上させることができる。また、摺動部材１の長寿命化に伴い、この摺動部材１の交換時期が延長され、その交換等のメンテナンス作業を軽減させることができる。

次に、本発明の摺動部材の製造方法の一実施の形態を図２を用いて説明する。
まず、図２の（ａ）で示すように、摺動部材１における母材２の表面組織をマルテンサイトとフェライトの混合組織にする第１工程を説明すると、摺動部材１における母材２の材質は、一般的に炭素含有量０．７７％以下の鋼（亜共析鋼）である。これを材質とする摺動部材１における母材２を、図２の（ａ）で示すように、炉焼入れ、高周波焼入れ、レーザ焼入れ、炎焼入れ等の熱処理を行う。

図３は、本発明の説明に用いる鉄−炭素系平衡状態図で、その横軸は炭素含有量Ｗ（％）を、縦軸は温度Ｔ（℃）を示し、Ａはオーステナイト組織を、Ｂはフェライトとセメンタイトとの組織を、更にＣはオーステナイトとフェライトとの組織である。この図３におけるオーステナイトとフェライトとの組織Ｃの摺動部材１を、例えば焼入れの加熱温度をＡ１点以上Ａ３点以下の範囲内で熱処理した後、水、油等によって冷却することで、摺動部材１における母材２の表面の金属組織を、マルテンサイト３とフェライト４との混合組織に組成することができる。

摺動部材１における母材２の加熱温度ＴをＡ１点寄りに設定すると、摺動部材１における母材２の表面でのフェライト４の露出面積率を下げることができ、また加熱温度ＴをＡ３点寄りに設定すると、摺動部材１における母材２の表面でのフェライト４の露出面積率を上げることが可能である。

次に、図２の（ｂ）におけるフェライト４に固体潤滑材の粒子塊７を形成する第２工程を説明する。この固体潤滑材の粒子塊７は、フェライト４に固体潤滑材の粒子６を貫入させることにより、形成する。

図４は、フェライト４に固体潤滑材の粒子６を噴射衝突させ装置の一例を示すもので、この図４において、図１と同符号のものは同一部分である。摺動部材１における母材２は、固定治具４０に固定される。この固定治具４０は、図示しない駆動機構によって図４の紙面上、上下方向（Ｘ方向），図４の紙面上、直角方向（Ｙ方向）及び図４の紙面上、左右方向（Ｚ方向）の３方向に移動可能である。

固定治具４０と対向する位置には、固体潤滑材の粒子６を噴射する噴射機４１が配置されている。この噴射機４１は、噴射材である固体潤滑材の粒子６を蓄積するタンク４２と、このタンク４２の下部に設けた噴射ノズル４３と、この噴射ノズル４３に連結した空気絞り部４４を有する高圧空気供給管４５とで構成されている。

上記の噴射機４１は、高圧空気を高圧空気供給管４５に供給することにより、高圧空気は絞り部４４で絞られて、加速され噴射ノズル４３から摺動部材１における母材２の表面に噴出させる。

この際、空気絞り部４４により、その下流側が低圧になるので、タンク４２内の固体潤滑材の粒子６は、噴射ノズル４３内に逐次移動し、高圧空気と共に、噴射ノズル４３から母材２の表面に噴出され、その表面に衝突する。そして、母材２の表面に露出しているフェライト４には、固体潤滑材の粒子６が貫入し、このフェライト４の部分を固体潤滑材粒子塊７に形成する。

そして、固定治具４０は、図示しない駆動機構によって図４の紙面上、上下方向（Ｘ方向），図４の紙面上、直角方向（Ｙ方向）及び図４の紙面上、左右方向（Ｚ方向）の３方向に移動させることにより、母材２の表面に露出しているフェライト４の大部分を、固体潤滑材粒子塊６に形成することができる。

母材２の表面に衝突して付着、貫入しなかった固体潤滑材の粒子６は、回収装置によって回収し、母材２の表面に噴射使用すれば、固体潤滑材の粒子６の再利用が可能になり、資材費を軽減することができる。

なお、上記の噴射機４１としては、上記のものに限られず、例えば、市販のショットピーニング機またはサンドブラスト機でも使用可能である。

次に、上記の第２工程で処理された母材２の表面に、図２の（ｃ）で示すように低摩擦層８を形成する第３工程を説明すると、固体潤滑材としての二硫化モリブデンを母材２の表面にコーティングする際には、スプレー、どぶづけ等の処理が用いられる。

その理由は、母材２の表面温度が２００℃以上に上昇すると、マルテンサイトが焼戻ってしまい、表面硬度が低下してしまうためからである。

上述の工程によって、高面圧下で使用可能な摺動部材を製造することができる。そして、本発明の製造方法によれば、母材の組織中のフェライトに固体潤滑材の粒子を打ち込むことにより、高面圧下で使用可能な摺動部材を提供することができるので、その製作費が安価であると共に、その短時間での製作が可能である。

なお、上記の製造方法において、噴射材である固体潤滑材の粒子６に混合材を混入して使用することも可能である。この混合材としては、フェライト４の硬度より高く、マルテンサイト３の硬度よりも低い金属、樹脂、ガラス等の粒子を使用することができる。噴射材に混合材を混入させることで、フェライト４への固体潤滑材の粒子６の貫入度、均一性を高めることができる。

ただし、これらの混合材の含有量は１０ｗｔ％を上回ると、摺動部材１の表面に形成した低摩擦層８を破壊、脱落させてしまうため、混合材の含有量は１０ｗｔ％以下に抑えることが好ましい。混合材の粒径は１〜１０μｍが良い。この硬質粒子を含有することで加工速度を向上させることが可能であるからである。

また、上述した製造方法における第３工程で、摺動部材１の表面に形成する低摩擦層８は、２００℃以下での処理が可能なダイアモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）によるコーティングを行っても、本発明の摺動部材を製造することが可能である。また、低摩擦層８を、摺動初期の低摩擦に大きく効果を発揮する樹脂系のコーティング層に形成することも可能である。その材質として、アクリル系、ポリエチレン系、ＰＯＭ、ナイロン、ＰＥＴ，ポリアミド、ポリミド、フッ素樹脂等を使用することができる。

また、上述の実施の形態においては、母材の熱処理を行う第１工程と、固体潤滑材粒子塊７を形成する第２工程と、低摩擦層８を形成する第３工程とで製造することを説明したが、摺動部材１がマルテンサイト３とフェライト４との組成された材料を使用する場合には、第１工程を省略することができる。

上述の実施の形態においては、摺動部材１にける母材２の材質が、鋼である場合について説明したが、摺動部材１の表面が、黒鉛、マルテンサイト３、フェライト４で構成されるような鋳鉄でも、本発明の摺動部材を提供することができるとともに、その製造方法も同様に可能である。

なお、上述の実施の形態においては、摺動部材１の表面に低摩擦層８を形成したが、固体潤滑材粒子塊７を摺動部材１の表面から突出させることにより、固体潤滑材粒子塊７が、摺動面の摺動初期のなじみ性の効果を発揮するので、本発明において、上記の低摩擦層８の形成を省略することも可能である。

本発明の摺動部材の表面の金属組織の一実施の形態を模式的に示す断面図である。本発明の摺動部材の製造方法の一実施の形態を示す工程図である。本発明の製造方法における熱処理に関連する鉄−炭素平衡状態図である。本発明の製造方法に用いる粒子噴射装置の一例の構成を示す図である。

符号の説明

１摺動部材
２母材
３マルテンサイト
４フェライト
６固体潤滑材の粒子
７固体潤滑材粒子塊
８低摩擦層

Claims

摺動面を有する摺動部材であって、前記摺動面の表面組織をフェライトとマルテンサイトとに組成した基地組織を有する母材と、前記母材の摺動面に露出しているフェライトに打ち込まれた固体潤滑材の粒子による固体潤滑材粒子塊部とを備えたことを特徴する摺動部材。
摺動面を有する摺動部材であって、前記摺動面の表面組織をフェライトとマルテンサイトとで組成した基地組織を有する母材と、前記母材の摺動面に露出しているフェライトに打ち込まれた固体潤滑材の粒子による固体潤滑材粒子塊部と、前記摺動面に形成した低摩擦コーティング層とを備えたことを特徴する摺動部材。
摺動面を有する摺動部材の製造方法であって、前記摺動部材となる母材の前記摺動面の表面組織をフェライトとマルテンサイトとで組成した基地組織に組成し、前記母材の摺動面に露出しているフェライトに固体潤滑材の粒子を打ち込んで、固体潤滑材粒子塊部を形成したことを特徴する摺動部材の製造方法。
摺動面を有する摺動部材の製造方法であって、前記摺動部材となる母材の前記摺動面の表面組織をフェライトとマルテンサイトとで組成した基地組織に組成し、前記母材の摺動面に露出しているフェライトに固体潤滑材の粒子を打ち込んで、固体潤滑材粒子塊部を形成し、その後、前記摺面に低摩擦コーティング層を形成したことを特徴する摺動部材の製造方法。
請求項１又は２に記載の摺動部材を摺動部に備えたことを特徴とする機器。