JP2008063609A - 摺動部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】母体を焼結金属で形成した場合であっても、高い強度を有し、かつ摺動被膜との間で高い密着性を示し得る摺動部材の製造方法を提供する。
【解決手段】原料粉末を圧粉成形し、焼結することで母体を形成する工程（ａ）と、母体の表面に、金属粉末と接着剤との混合物を供給する工程（ｂ）と、混合物を加熱することで、混合物中の金属粉末を焼結すると共に、混合物から接着剤を除去する工程（ｃ）と、金属粉末を焼結して得られた多孔質層に摺動性材料を供給して、摺動被膜を形成する工程（ｄ）とを経ることで、多孔質層を介して母体の表面に摺動被膜を形成した摺動部材を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材の製造方法に関する。

従来より、各種機械部品、特に動力伝達機構の摺動部においては、摩擦低減をはじめとする摺動特性の向上が求められており、これを達成するため種々の提案がなされている。

例えば、内燃機関等に使用されるカムシャフトのカム部の摺動特性を改善する目的で、鉄系焼結金属からなる母材の外周摺動面に、二硫化モリブデン粒子、二硫化タングステン粒子等の固体潤滑剤粒子を噴射することで固体潤滑剤被膜を形成したカムロブ材が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

また、自動車内燃機関の動弁系における摺動部の磨耗を低減する目的で、相手部材との摺動面の表面粗さが十点平均粗さで３μｍ以下のセラミックス材と、セラミックス材の少なくとも相手部材との摺動面に設けられ、固体潤滑材としての金属化合物の粉末粒子がポリマーに分散した複合材被膜とからなるセラミックス系摺動部材が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

この種の摺動部材においては、母体を金属など比較的強度や剛性に優れた材料で形成すると共に、潤滑剤を有する被膜を母体の摺動面に形成することで、摺動部材自体の強度を確保しつつ、摺動特性の向上を図っている。しかしながら、この種の摺動部材は、他部材との摺動を前提としたものであるから、上述のように、母体の表面に単に被膜を形成しただけでは他部材との摺動に伴うせん断力で被膜が剥れることがある。特に、軽量化、低コスト化を狙って母体を焼結金属材で形成した場合、強度確保の観点から、比較的高密度に圧縮成形することも少なくない。そのため、母体の表面が密となって凹凸等の引っ掛かりが少なくなり、この表面上に形成される被膜の剥れがより顕著に生じる恐れがある。

ここで、特許文献１に記載の摺動部材は、固体潤滑材粒子を直接母体の摺動面に噴き付けることで被膜を形成するものであるから、そもそも母体との密着性に乏しく、また被膜自体の強度（形状安定性）も不十分である。母体の材料と固体潤滑剤との組み合わせとして比較的密着性に優れたものを採用することで、母体と被膜との密着性改善を試みているが、これでは根本的な解決にはならない。

また、特許文献２には、摺動部材の母材となるセラミックス材の表面を所定の表面粗さに研磨することで、当該表面に所要の微細な凹凸を形成し、当該箇所に固体潤滑剤を分散させた液状ポリマーを塗布することで被膜を形成する旨が記載されている。しかしながら、当該文献に開示の摺動部材の被膜は、そもそも摺動相手材の摺動面を研磨する目的で形成されたものである。そのため、上述の表面研磨は、被膜とセラミックス材との密着力向上を目的として行われたものではない。

例えば特開昭５９−８０５２２号公報や特開２００３−２５４３３０号公報には、鋼板からなる裏金の表面に銅粉末からなる多孔質焼結層を被着形成し、この焼結層中にフッ素系樹脂を含浸させてなる摺動部材が提案されている。また、上記多孔質焼結層の形成方法として、裏金表面に銅粉末を散布して粉末層を形成し、これを焼結する方法が開示されている（特許文献３および特許文献４を参照）。

しかしながら、特許文献３および特許文献４に記載の方法は何れも、単に鋼板等の裏金表面に焼結用の金属粉末を散布することで粉末層を形成するものであり、鋼板などの板面上に多孔質焼結層を形成することを前提としている。そのため、この方法は、圧粉成形可能な焼結金属製の母体を有する摺動部材を製造対象としたものではなく、例えばカム面など複雑な曲面上に摺動被膜を設ける必要のある摺動部材の製造には不適である。
特開２００４−２９１２号公報 特開平７−９８０５２号公報 特開昭５９−８０５２２号公報 特開２００３−２５４３３０号公報

以上の事情に鑑み、本発明では、母体を焼結金属で形成した場合であっても、高い強度を有し、かつ摺動被膜との間で高い密着性を示し得る摺動部材の製造方法を提供することを技術的課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、焼結金属製の母体の表面に、金属粉末と接着剤との混合物を供給する工程と、混合物を加熱することで、混合物中の金属粉末を焼結すると共に、混合物から接着剤を除去する工程と、金属粉末を焼結して得られた多孔質層に摺動性材料を供給して、摺動被膜を形成する工程とを経て得られる摺動部材の製造方法を提供する。

このように、本発明は、金属粉末と接着剤との混合物を母体表面に供給し、これを加熱することで、金属粉末の焼結と、接着剤の除去とを行うことを特徴とするものである。そのため、かかる方法によれば、接着剤のおかげで金属粉末が一時的に母体の表面に保持され、当該金属粉末の焼結と共に接着剤を除去することで、母体表面に、金属粉末を焼結してなる多孔質層が形成される。そのため、母体を焼結金属で形成した場合であっても、加熱工程（焼結工程）に到るまでのハンドリング性を確保して、当該母体の表面に多孔質層を形成することができる。また、上述した従来の方法では、カムなど摺動面が曲面をなすものに多孔質焼結層を形成することは困難であるが、本発明に係る方法であれば、母体の形状に依らず、摺動皮膜を形成する面に多孔質層を確実に形成することができる。よって、アンカー効果により多孔質層と摺動被膜との間の剥離強度を高めつつも、母体を高密度に圧縮成形して、高強度の摺動部材を得ることができる。

また、混合物として、例えば溶媒に溶かした状態の接着剤と金属粉末とを混合したものを使用し、かつこの混合物を母体の表面に供給した後、溶媒の気化により接着剤を固化させるようにすることもできる。この方法であれば、混合物全体の粘性（流動性）を適当に調整できるので、母体表面への供給をより一層容易に行うことができる。また、使用可能な供給方法の選択肢が増える。加えて、接着剤を溶媒に溶かして使用すれば、溶媒の気化に伴い接着剤が固化する際、収縮を伴うので、これにより金属粉末同士を寄せ固めることができる。そのため、接着剤が金属粉末の焼結に先立って除去された場合であっても、母体表面に対する金属粉末自体の保持力を高めることができ、確実に多孔質層を形成することができる。

以上より、本発明によれば、母体を焼結金属で形成した場合であっても、高い強度を有し、かつ摺動被膜との間で高い密着性を示し得る摺動部材の製造方法を提供することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る摺動部材の製造方法の一例を示す流れ図である。この製造方法は、焼結金属製の母体と、母体の表面に形成される中間層としての多孔質層と、この多孔質層上に形成される摺動被膜とを備えた摺動部材を製造するためのものであり、原料粉末を圧粉成形し、焼結することで母体を形成する工程（ａ）と、母体の表面に、金属粉末と接着剤との混合物を供給する工程（ｂ）と、混合物を加熱することで、混合物中の金属粉末を焼結すると共に、混合物から接着剤を除去する工程（ｃ）と、金属粉末を焼結して得られた多孔質層に摺動性材料を供給して、摺動被膜を形成する工程（ｄ）とを含む。以下、各工程を時系列順に説明する。

（ａ）母体形成工程
まず、金属粉末からなる原料粉末を、最終的な製品に倣った形状に圧粉成形し、この圧粉成形体を焼結することで母体を得る。この場合、摺動部材の強度や剛性を確保するため、比較的高密度に（圧縮比を高めて）圧粉成形を行うようにするのが好ましい。この実施形態では、原料粉末として、比較的強度に優れ、高い剛性を有するＦｅ粉末が使用される。また、母体の形状精度は、最終的な製品となる摺動部材の形状精度を直接左右するので、母体の燒結形成後、必要に応じて、当該燒結体に再成形（サイジングともいう。）を施すことも可能である。

（ｂ）混合物供給工程
次に、後述する多孔質層を構成する金属粉末に接着剤を混合したものを用意し、かかる混合物を工程（ａ）で得られた母体の表面、ここでは少なくとも摺動被膜を形成する領域に供給する。この実施形態では、混合物として、アルコールなど気化可能な溶媒に溶かした状態の接着剤を金属粉末（ここではＣｕ粉末）に混合したものを使用する。図２に、混合物を供給した後の母体表面近傍を模式的に示す。同図より、母体１の表面（表層）には、溶媒に溶かした状態の接着剤４を金属粉末３と混合したもの（混合物２）の層が形成されている。

また、この実施形態のように、溶媒に溶かした接着剤４を使用した場合、母体１表面に供給された混合物２中の接着剤４は、溶媒の気化により、溶媒中に溶けていた液相状態から固相状態へと変化（固化）する。その結果、母体１表面には、図３に示すように、固相状態の接着剤４’中に金属粉末３が分散した状態の混合物２’の層が残る。

（ｃ）加熱工程
表面に混合物２’を供給した状態の母体１を、金属粉末３の焼結温度にまで加熱する。これにより、混合物２’中の金属粉末３が焼結すると共に、混合物２から接着剤４’が除去される。この結果、図４に示すように、金属粉末３からなり、接着剤４’を空孔に置換した状態の多孔質層６が母体１の表面に形成される。

（ｄ）摺動被膜形成工程
工程（ｃ）で得られた多孔質層６に摺動性材料を供給し、これを固化させることで摺動被膜を形成する。これにより、多孔質層６の表面に摺動被膜７を形成してなる摺動部材が形成される。図５は製品としての摺動部材の断面表層付近を示すもので、原料粉末５を焼結して得られる母体１の表面に金属粉末３からなる多孔質層６が形成され、かつ多孔質層６上に摺動性材料からなる摺動被膜７が形成されている。摺動被膜７は、その一部が多孔質層６の空孔に入り込んだ状態で多孔質層６に密着している。

このように、金属粉末３と接着剤４’との混合物２’を母体１の表面に供給し、これを加熱して金属粉末３の焼結と、接着剤４’の除去とを行うことで、金属粉末が接着剤４’により一時的に母体１の表面に保持され、かつ母体１表面に、金属粉末３を焼結してなる多孔質層６が形成される。そのため、母体１を焼結金属で形成した場合であっても、加熱工程（焼結工程）に到るまでのハンドリング性を確保して、当該母体１の表面に多孔質層６を形成することができる。また、上述の方法であれば、カムなど摺動面が曲面をなすものに対しても多孔質層６を確実に形成することができる。よって、高いアンカー効果により摺動被膜７の剥離強度を向上させつつも、母体１を高密度に圧粉成形して、摺動部材に適した強度、剛性を付与することができる。これにより、種々の形状をなす摺動部材に対応する（製造する）ことが可能となる。また、加熱処理で、金属粉末３の焼結と接着剤４’の除去とを同時に行うことができるので、処理工程を増やさずに済む。

また、この実施形態では、混合物２として、溶媒に溶かした状態の接着剤４と金属粉末３とを混合したものを使用し、かつ混合物２を母体１の表面に供給した後、溶媒の気化により接着剤４’を固相化させるようにした。この場合、溶媒の気化に伴い接着剤４’が収縮を伴って固化するため、接着剤４’中に分散した金属粉末３同士を寄せ固めることができる。そのため、接着剤４’が金属粉末３の焼結に先立って気化除去された場合であっても、母体１表面に対する金属粉末３自体の保持力を高めることができ、確実に多孔質層６を形成することができる。

また、上述の方法であれば、混合物２全体の粘性（流動性）を溶媒によって適当に調整できるので、母体１表面への供給をより一層容易に行うことができる。また、使用可能な供給方法の選択肢が増えることで、用途や目的に合わせた供給方法が選択可能となる。例えば、混合物２を噴霧により母体１表面に供給することもできる。この方法であれば、母体１表面のうち、摺動被膜７が形成される箇所のみに混合物２を供給することができる。あるいは、母体１全体を、混合物２に含浸させることで、容易に混合物２を母体１表面に供給することもできる。かかる方法は非常に簡便であるため、低コストに大量生産を図る場合には好適である。また、接着剤４’の配合比あるいは溶媒の配合比を調整するだけで、多孔質層６の空孔率を高精度かつ容易に管理することができる。

以上、本発明の一実施形態に係る摺動部材を説明したが、本発明は、母体の表面に、金属粉末と接着剤との混合物を供給し、これを加熱することで、金属粉末を燒結するとともに、接着剤を除去する工程を含むものでである限り、他の方法を採ることも可能である。

上記実施形態では、混合物２として、溶媒に溶かした状態の接着剤４と金属粉末３とを混合したものを使用し、これを母体１の表面に供給するようにしたが、これ以外の方法も使用可能である。例えば、供給可能な程度の粘性（流動性）を有するのであれば、特に溶媒に溶かすことなく、例えば溶融状態の接着剤４’を金属粉末３と混合したものを母体１の表面に供給するようにしても構わない。

この際、接着剤４’としては、上述の場合を除き、金属粉末３同士あるいは金属粉末３と母体１（を構成する金属）とを所要の接着力で接着するものである限り、任意の材料が使用可能である。また、接着剤４’を溶媒に溶かして使用する場合であれば、例えばアルコールなど常温で容易に気化する有機溶媒と、この有機溶媒に対して高い溶解度を示す樹脂とを組み合わせて使用するのが好ましい。

多孔質層６を形成する金属粉末３としては、摺動被膜７を形成する摺動製材料との間で比較的密着性の良好なものを選択使用するのが好ましい。また、母体１は燒結金属製であるから、金属粉末３を燒結して多孔質層６を形成する限り、多孔質層６と母体１との密着性は確保される。例えばＣｕ粉末は、母体１の形成金属（例えばＦｅ）との密着性にも優れ、かつ通常は樹脂材料からなる接着剤４’との密着性も良好であるから、金属粉末３の材料として好ましい。

また、摺動部材という用途を考慮すれば、摺動被膜７と多孔質層６との密着性に加えて、多孔質層６と母体１との密着性を高めることが肝要となる。その場合、多孔質層６を形成する金属粉末３として、母体１を形成する原料粉末５より粒径の小さいものを使用するのが好ましい。なお、母体１の原料粉末５（金属粉末）としては、摺動部材に要求される機械的強度、剛性等が確保できるものであれば、特に制限なく使用できる。

摺動被膜７を形成する摺動性材料としては、多孔質層６の表面開孔内部に入り込むことで多孔質層６との間でアンカー効果を奏するものであれば任意の材料が選択可能である。その中でも、特に樹脂を摺動被膜７の材料として使用するのが好ましい。樹脂であれば、種類を問わず、比較的低温で液状化が可能であり、被膜形成処理（コーティング処理）も容易である。また、樹脂は金属に比べて軟らかいため、摺動相手材を傷付けることもなく好適である。もちろん、摺動被膜７と摺接する摺動相手材との間の摺動特性をさらに改善する目的で、樹脂に固体潤滑剤等を添加したものを摺動性材料として使用することもできる。

以上の説明より、本発明によれば、母体の形状に依らず高い剥離強度を有する摺動被膜を形成した摺動部材を製造することができる。従って、その用途は特に限定されることなく、種々の分野に係る摺動部材に対して本発明を適用することが可能となる。

本発明に係る摺動部材の製造方法を示す流れ図である。 混合物を母体表面に供給した状態における母体の表層付近を模式的に示す断面図である。 溶媒が気化した状態における母体の表層付近を模式的に示す断面図である。 金属粉末が焼結され、かつ混合物中の接着剤が除去された状態の母体表層付近を模式的に示す断面図である。 多孔質層上に摺動被膜が形成された状態における母体の表層付近を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 母体
２、２’ 混合物
３ 金属粉末
４、４’ 接着剤
５ 原料粉末
６ 多孔質層
７ 摺動被膜

Claims (2)

1. 焼結金属製の母体の表面に、金属粉末と接着剤との混合物を供給する工程と、
   前記混合物を加熱することで、前記混合物中の前記金属粉末を焼結すると共に、前記混合物から前記接着剤を除去する工程と、
   前記金属粉末を焼結して得られた多孔質層に摺動性材料を供給して、前記摺動被膜を形成する工程と、
   を経て得られる摺動部材の製造方法。
2. 前記混合物として、溶媒に溶かした状態の前記接着剤と前記金属粉末とを混合したものを使用し、かつ前記混合物を前記母体の表面に供給した後、前記溶媒の気化により前記接着剤を固化させる請求項１記載の摺動部材の製造方法。

Images