JP2008138811A - 摺動部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部材１の内周面のＣｒめっき皮膜１５にクラックを形成することなく、所望の摺動特性が得られるようにする。
【解決手段】プラトー部及び凹部が形成された摺動部材１の内周面の上にＣｒめっき皮膜１５が形成され、このＣｒめっき皮膜１５表面におけるプラトー部１２の面積率が６０％以上８５％以下となるようにする。
【選択図】図５

Description

本発明は、摺動部材及びその製造方法に関する。

ロータリーピストンエンジンの燃焼室を構成するローターハウジングにおいては、シール部材（アペックスシール）が摺動する長円形状の内周面（トロコイド面）に、その耐摩耗性向上のためにＨｖ１０００程度の硬さを有するＣｒめっき皮膜が形成されている。例えば、特許文献１には、上記トロコイド面にＣｒめっき皮膜を形成するとともに、逆電処理を行なうことによってＣｒめっき皮膜表面に幅０．１〜０．３μｍ程度の微細クラックを４００〜１３００本／ｃｍ形成することが記載されている。このような微細クラックを多数形成すると、潤滑油が摺動面に供給され易くなって油切れを生じ難くなるとともに、シールの摺動に伴ってＣｒめっき皮膜表面に生ずる摩擦熱がクラックに存する潤滑油に放散され易くなるため、局部的な異常昇温が防止される。

また、上記ロータハウジングは一般には、鋼板製ライナーをアルミ合金製ハウジング本体に鋳ぐみ、そのライナーの加工後にＣｒめっきを施すことによって形成されている。
特開２００６−２１９７５６号公報

上記Ｃｒめっき皮膜にクラックを形成すると低摩擦の摺動特性を得る上では有利になるものの、クラックの形成にはめっき浴中で逆電処理を行なう必要があり、しかも、摺動特性の向上に有効なクラックを形成することは難しい。すなわち、めっき浴中での正電処理によるＣｒめっき皮膜の形成と逆電処理によるクラックの形成とを繰り返していくと、めっき浴の組成がだんだん変化していくことから、Ｃｒ源や触媒を適宜添加していくことになる。しかし、めっき浴の組成を一定に保つことは難しく、しかも設備の老朽化の問題もあり、同じクラック幅及びクラック数密度にすることが難しい。このため、一定品質の摺動部材を量産することが難しいというのが実情である。

これに対して、Ｃｒめっき後に例えばフォトマスクによってエッチングし、所望パターンの溝等の凹部を形成することが考えられるが、そのための工程数の大幅な増加が必要になり、コスト高になる。

そこで、本発明は、Ｃｒめっき皮膜にクラックを形成することなく、所望の摺動特性が得られるようにすることを課題とする。

本発明は、このような課題を解決するために、摺動部材用ワークの摺動面にプラトー部と凹部とを形成しておいてＣｒめっきを施すようにした。

請求項１に係る発明は、表面にＣｒめっき皮膜が形成された内周面を備え、該内周面をシール部材が流体潤滑剤の存在下で摺動する摺動部材であって、
上記内周面には、プラトー部と、該プラトー部に対して相対的に凹んだ凹部とが形成され、
上記Ｃｒめっき皮膜は、上記プラトー部及び凹部が形成された上記内周面の上に形成され、
上記Ｃｒめっき皮膜表面におけるプラトー部の面積率が６０％以上８５％以下であることを特徴とする。

従って、このような摺動部材であれば、Ｃｒめっき皮膜のプラトー部がシール部材の摺動面となり、凹部が流体潤滑剤（以下、「潤滑剤」又は「潤滑油」と称す。）の溜まり部となる。プラトー部の面積率が６０％以上８５％以下であるから、摩擦係数の低下が図れ、シール部材の摩耗防止にも有利になる。この場合、当該面積率が６０％未満になると、相対的に凹部の面積率が大きくなるから、潤滑剤の保持には有利になるものの、そのことはプラトー部から凹部への潤滑剤が逃げ易くなること、つまり、潤滑膜が薄くなることを意味する。よって、境界潤滑の割合が増大し、摩擦力が大きくなるとともに、摩耗量も多くなる。また、プラトー部の面積率が８５％を超えると、潤滑膜が形成される面は増大するものの、潤滑剤の保持量は少なくなる。よって、局所的な当たり（境界潤滑）を生じた場合、潤滑剤による潤滑が図れ難くなるとともに、当該境界潤滑部で生じた摩擦熱を潤滑剤に伝えて放熱する効果が十分に得られなくなる。これにより、摩擦力が大きくなるとともに、摩耗量も多くなる。

そうして、本発明によれば、Ｃｒめっき皮膜にクラックを形成する場合とは違って、上記凹部は機械加工又はエッチングにより、規則正しく形成することができ、品質（摺動特性）が安定した摺動部材を得ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１において、
上記内周面で囲まれた孔の軸心が略水平となるように設けられ、上記シール部材が上記内周面を周方向に摺動するようになされていて、
上記プラトー部は菱形に形成され、
上記凹部として、相隣るプラトー部間の、上記周方向に対して一方向に斜めに延びる周方向に間隔をおいた多数の傾斜溝と、該傾斜溝に交差して他方向に斜めに延びる周方向に間隔をおいた多数の傾斜溝とを備え、
上記内周面のうち上記孔を挟んで水平に相対する部位は、上記孔を挟んで上下に相対する部位に比べて、上記周方向に対する上記傾斜溝の傾斜角度が大きくなっていることを特徴とする。

すなわち、上記内周面のうち上記孔を挟んで水平に相対する部位では、流体潤滑剤がその自重で垂れて潤滑膜が薄くなりやすい。そこで、本発明では、当部位の傾斜溝の傾斜角度を大きくする（水平に近付ける）ことにより、流体潤滑剤が傾斜溝に留まり易くなるようにしてその垂れを抑制し、流体潤滑性を高めるようにしている。当該傾斜角度は５５度以上７５度以下とすることが好ましい。

一方、上記内周面のうち上記孔を挟んで上下に相対する部位では、上記水平に相対する部位に比べて、上記傾斜溝の傾斜角度を小さくする（周方向に近付ける）ことにより、流体潤滑剤が傾斜溝に逃げ易くしている。これにより、流体潤滑に基いて潤滑膜に生ずる圧力が傾斜溝に解放されて低圧の状態になり、潤滑膜が薄くなる。その結果、当該上下に相対する部位において、シール部材の摺動速度が速くな場合においても、潤滑膜の剪断に必要な力が軽減され、摩擦低減が図れる。当該傾斜角度は１５度以上３５度以下とすることが好ましい。

請求項３に係る発明は、表面にＣｒめっき皮膜が形成された内周面を備え、該内周面をシール部材が流体潤滑剤の存在下で摺動する摺動部材の製造方法であって、
摺動部材用ワークの内周面に、機械加工によって凹凸を形成し、
上記内周面の相対的に凹んだ凹部が残るように、相対的に突出した凸部を削ってプラトー部を形成し、
しかる後に、上記内周面に上記プラトー部と凹部内面とを含む全面にわたってＣｒめっき皮膜を形成することにより、該Ｃｒめっき皮膜表面に占めるプラトー部の面積率が６０％以上８５％以下となるようにすることを特徴とする。

すなわち、例えば摺動部材の摺動面を構成するライナー部材表面にプラトー部及び凹部を形成しておいて、このライナー部材を摺動部材本体に接合することも考えられる。しかし、その場合は、当該接合後に摺動面の粗加工及びＣｒめっきを施したとき、粗加工代が加工場所によって異なるから、凹部の深さにバラツキを生じ、摺動特性の安定化が図れない。また、Ｃｒめっき後にフォトマスクによってエッチングし、所望パターンの凹部を形成することが考えられるが、そのための工程数の大幅な増加が必要になり、コスト高になる。

そこで、本発明においては、摺動部材用ワークの内周面に機械加工によって凹凸を形成し、凹部が残るように、相対的に突出した凸部を削ってプラトー部を形成し、しかる後にＣｒめっきを行なうようにしたものである。これにより、Ｃｒめっき後にクラック形成のための逆電処理をすることが不要になり、しかも工程数の大幅な増加を招くことなく、Ｃｒめっき皮膜表面に占めるプラトー部の面積率が６０％以上８５％以下となった、摺動特性の安定した摺動部材を製作することができ、品質の高い摺動部材を量産する上で有利になる。

請求項１に係る発明によれば、プラトー部及び凹部が形成された摺動部材内周面の上にＣｒめっき皮膜が形成され、このＣｒめっき皮膜表面におけるプラトー部の面積率が６０％以上８５％以下であるから、Ｃｒめっき皮膜表面にクラックを形成することなく、摩擦係数が低く、シール部材の摩耗が抑制された摺動面が得られ、品質（摺動特性）が安定した摺動部材を得る上で有利になる。

請求項２に係る発明によれば、上記内周面で囲まれた孔の軸心が略水平となるように設けられていて、周方向に対して互いに逆方向に延びる多数の傾斜溝によって菱形プラトー部が形成され、上記内周面のうち上記孔を挟んで水平に相対する部位は、上記孔を挟んで上下に相対する部位に比べて、上記周方向に対する傾斜溝の傾斜角度が大きくなっているから、水平に相対する部位では流体潤滑剤の垂れが抑制されて流体潤滑性が高まり、上下に相対する部位では潤滑膜を薄くなって潤滑膜の剪断に必要な力が軽減され、摩擦低減が図れる。

請求項３に係る発明によれば、摺動部材用ワークの内周面に機械加工によって凹凸を形成し、上記内周面の相対的に凹んだ凹部が残るように、相対的に突出した凸部を削ってプラトー部を形成し、しかる後に、上記内周面に上記プラトー部と凹部とを含む全面にわたってＣｒめっき皮膜を形成することにより、該Ｃｒめっき皮膜表面に占めるプラトー部の面積率が６０％以上８５％以下となるようにしたから、Ｃｒめっき後のクラック形成のための逆電処理が不要になり、工程数の大幅な増加を招くことなく、摺動特性の安定した摺動部材を製作することができ、品質の高い摺動部材を量産する上で有利になる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は実施形態に係るロータリーピストンエンジンの概略図である。同図において、１は摺動部材としてのロータハウジング、２は内部流体（ガス）をシールする流体シール部材としてのアペックスシールである。ロータハウジング１のトロコイド状内周面（長円形状内周面）３を、出力軸を回転させるロータ５の各頂部に装着されたアペックスシール２が摺動するようになっている。このエンジンでは、吸気口６からオイルを含む燃料が空気と共に作動室７に吸入され、ロータ５の回転に伴って圧縮されつつ矢印８の方向に移動した燃料が点火プラグ９Ａ，９Ｂにより着火されて膨張し、燃焼ガスの圧力によって出力軸に回転を与えた後、排気口１０から排気される、という一連の行程が繰り返されることになる。

ロータハウジング１は、図２に示すように、トロコイド状内周面３が形成された例えば高張力鋼板製のライナー１１の背面に目立てが施され、このライナー１１がアルミ合金製ハウジング本体に鋳ぐるまれるなどして製作される。そのライナー１１の内周面３は、アペックスシール２が摺動するため、高い耐熱性、耐摩耗性、低摩擦性が要求される。そのため、内周面３には表面にプラトー部（平坦部）と凹部とを有するＣｒめっき皮膜（ＣｒＭｏ合金めっき皮膜を含む）が形成されている。

ロータハウジング１は、その内周面で囲まれた孔（作動室７）の軸心が略水平になるように設けられている。そのため、上記プラトー部及び凹部の形成パターンは内周面３の全体にわたって一定ではなく、アペックスシール２の摺動条件が異なる部位には異なるパターンを採用している。

図３は内周面３のうちロータハウジング１の孔を挟んで上下に相対する部位（以下、「長軸側内周面」という。）３ａのプラトー部・凹部パターンを示す。図４は内周面３のうちロータハウジング１の孔を挟んで水平に相対する部位（以下、「短軸側内周面」という。）３ｂのプラトー部・凹部パターンを示す。本実施形態では、長軸側内周面３ａのプラトー部１２ａ及び短軸側内周面３ｂのプラトー部１２ｂのいずれも、その形状は菱形であり、相隣るプラトー部間が凹部に形成されている。すなわち、長軸側内周面３ａ及び短軸側内周面３ｂ各々の凹部として、上記内周面３の周方向に対して一方向に斜めに延びる周方向に間隔をおいた多数の傾斜溝１３ａ，１３ｂと、該傾斜溝に交差して他方向に斜めに延びる周方向に間隔をおいた多数の傾斜溝１３ａ，１３ｂとを備えている。

図３に示すように長軸側内周面３ａでは、傾斜溝１３ａの周方向に対する傾斜角度αが１５度以上３５度以下になされている。一方、短軸側内周面３ｂでは、図４に示すように、傾斜溝１３ｂの周方向に対する傾斜角度βが長軸側内周面３ａの上記傾斜角度よりも大きく、５５度以上７５度以下になされている。傾斜溝１３ａ，１３ｂの深さは１５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。Ｃｒめっき皮膜表面におけるプラトー部１２ａ，１２ｂの面積率は６０％以上８５％以下、プラトー数密度（単位面積当たりのプラトー部の個数）は５個／ｍｍ^２以上３０個／ｍｍ^２以下であることが好ましい。

＜製法＞
上記ロータハウジング１の製法を説明する。

（製法例１）
まず、摺動面を構成する鋼板製ライナーをアルミ合金製ハウジング本体に鋳ぐるんでなるロータハウジング用ワークを形成する。次にこのワークの内周面を粗加工によって所定のプロフィール（トロコイド形状）に仕上げるとともに、該内周面にＮＣ粗切削によって凹凸を形成する。すなわち、図５Ａに示すように、ワーク１Ａの内周面に上記傾斜溝１３ａ，１３ｂに対応する深溝１４を形成する。次にＮＣ仕上げ切削によって、図５Ｂに示すように、深溝１４が残るように、相対的に突出した凸部を鎖線位置まで除去してプラトー部を形成する。

しかる後に、当該ワークの内周面にＣｒめっきを施し、図５Ｃに示すように、上記プラトー部と深溝１４の内面とを含む内周面全面にわたってＣｒめっき皮膜１５を形成する。そうして、Ｃｒめっき皮膜１５表面の最終仕上げ加工（ホーニング）を行なう。上記ＮＣ仕上げ切削においては、Ｃｒめっき皮膜表面１５に占めるプラトー部１２の面積率が６０％以上８５％以下となるように、上記凸部の切削を行なう。同図において、符号１３は傾斜溝（凹部）である。

（製法例２）
上記ロータハウジング用ワークの内周面を粗加工によって所定のプロフィールに仕上げるとともに、図６に示すように当該ワーク１Ａの内周面にローレット加工具によって上記傾斜溝１３ａ，１３ｂに対応する傾斜溝を形成する。

すなわち、ローレット加工具は、中央の回転体１６と、該回転体１６に装着された一対のローレット１７，１７とを備えてなる。このローレット１７の周面に上記傾斜溝を形成するための対応する傾斜突条が形成されている。回転体１６には、その軸心に対して直交する互いに逆方向に開口したシリンダ部１８，１８が形成されており、各シリンダ部１８にローレット１７を回転自在に保持するロッド状ホルダ１９が進退自在に挿入されている。

ローレット加工にあたっては、図６に示すように、ローレット加工具をワーク１Ａの孔内に挿入し、回転体１６の軸心をワーク孔の軸心に一致させ、シリンダ部１８にオイルを供給することにより、油圧でローレット１７，１７をワーク１Ａの内周面に押当てる。その状態で回転体１６を回転させることにより、ローレット１７によってワーク１Ａの内周面に傾斜溝を形成する。

図６は長軸側内周面３ａに上記傾斜角度の小さな傾斜溝を形成する例を示しており、短軸側内周面３ｂに傾斜溝を形成するときは、傾斜角度の大きな傾斜溝を形成するローレットを装着した同様のローレット加工具を用いる。ローレット１７として、交差した傾斜突条を周面に有するものを用いると、交差した傾斜溝を同時に形成することができるが、片傾斜の突条を有するローレットを用い、一方に傾斜した傾斜溝を形成した後、他方に傾斜した傾斜溝を形成するようにしてもよい。

上記ローレット加工後、仕上げ加工によってプラトー部の表面粗さを調整する。次いで、Ｃｒめっきを行なって、上記プラトー部と傾斜溝内面とを含む内周面全面にわたってＣｒめっき皮膜を形成する。そうして、Ｃｒめっき皮膜表面の最終仕上げ加工（ホーニング）を行なう。

なお、ローレット加工に代えて、加圧面に傾斜突条を有するプレス型を内周面に押し当てるプレス加工を採用してもよい。

＜プラトー面積率について＞
プラトー面積率（＝プラトー部面積／（プラトー部面積＋凹部（傾斜溝）の開口面積））を種々に変えたテストピースを作成し、図７に示す試験器を用いて摩擦試験を行ない、摩擦係数及びシール摩耗量を測定した。同図において、２１は円板状のテストピース、２２はチル鋳鉄製摺動片２３を固定した円板状の回転支持台である。テストピース２１の下面に周縁近傍を周回するようにＣｒめっき層２４が環状に設けられている。テストピース２１の中心部には該テストピース２１を貫通するエア供給孔２５が形成されている。テストピース２１の周縁近傍にはＣｒめっき層２４の部位で該テストピース２１を貫通する潤滑油供給孔２６が形成されている。回転支持台２２には３個のシール部材２３が周方向に１２０度の角度間隔をおいて固定され、各シール部材２３の上端が支持台２２より上方へ突出している。この３個の摺動片２３にテストピース２１が載せられている。

摩擦試験は、エア供給孔２５からエアを供給し且つ潤滑油供給孔２６から温度１００℃の潤滑油を供給しながら行なった。潤滑油としては、０Ｗ−２０のエンジンオイルを用いた。荷重は１００Ｎ、摺動片２３の周速は１２．５ｍ／ｓとした。試験結果を表１に示す。

プラトー面積率６０％の実施例１及びプラトー面積率８５％の実施例２は、それよりもプラトー面積率が小さい比較例１及びプラトー面積率が大きい比較例２よりも、摩擦係数が小さく、シール摩耗量（シール部材の高さ摩耗量）が少ない。従って、プラトー面積率は６０％以上８５％以下にすることが好ましいということができる。

＜プラトー数密度について＞
摺動部材内周面のプラトー数密度を変えてスカッフ（内周面の潤滑膜が切れ、直接接触したシール部材によって引っかき傷ができる現象）の発生度合いを調べた。結果を図８に示す。同図に示すように、プラトー数密度が５個／ｍｍ^２未満になると、或いは３０個／ｍｍ^２を超えると、スカッフの発生が急に多くなる。このことから、プラトー数密度は５個／ｍｍ^２以上３０個／ｍｍ^２以下であることが好ましいということができる。

なお、本発明はロータリーピストンエンジンのロータハウジングに限らず、シール部材が摺動する長円形状内周面を有し且つ摺動負荷が長軸側内周面と短軸側内周面とで相異なる油圧ポンプやコンプレッサのハウジングにも適用することができる。

また、凹部としては傾斜溝等の溝に限らず多数の独立した穴（窪み）であってもよい。

本発明の実施形態に係るロータリーピストンエンジンの概略正面図である。 同エンジンのロータハウジングの斜視図である。 長軸側内周面のプラトー部・凹部パターンを示す平面図である。 短軸側内周面のプラトー部・凹部パターンを示す平面図である。 摺動部材の製造工程を示す断面図である。 ロータハウジング内周面のローレット加工の態様を示す一部断面にした概略正面図である。 摩擦試験器を一部断面にして示す正面図である。 Ｃｒめっき皮膜表面のプラトー数密度とスカッフ発生度合いとの関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１ ロータハウジング（摺動部材）
１Ａ ワーク
２ シール部材
３ 内周面
３ａ 長軸側内周面
３ｂ 短軸側内周面
１２，１２ａ，１２ｂ プラトー部
１３，１３ａ，１３ｂ 傾斜溝（凹部）
１４ 深溝
１５ Ｃｒめっき皮膜

Claims (3)

1. 表面にＣｒめっき皮膜が形成された内周面を備え、該内周面をシール部材が流体潤滑剤の存在下で摺動する摺動部材であって、
   上記内周面には、プラトー部と、該プラトー部に対して相対的に凹んだ凹部とが形成され、
   上記Ｃｒめっき皮膜は、上記プラトー部及び凹部が形成された上記内周面の上に形成され、
   上記Ｃｒめっき皮膜表面におけるプラトー部の面積率が６０％以上８５％以下であることを特徴とする摺動部材。
2. 請求項１において、
   上記内周面で囲まれた孔の軸心が略水平となるように設けられ、上記シール部材が上記内周面を周方向に摺動するようになされていて、
   上記プラトー部は菱形に形成され、
   上記凹部として、相隣るプラトー部間の、上記周方向に対して一方向に斜めに延びる周方向に間隔をおいた多数の傾斜溝と、該傾斜溝に交差して他方向に斜めに延びる周方向に間隔をおいた多数の傾斜溝とを備え、
   上記内周面のうち上記孔を挟んで水平に相対する部位は、上記孔を挟んで上下に相対する部位に比べて、上記周方向に対する上記傾斜溝の傾斜角度が大きくなっていることを特徴とする摺動部材。
3. 表面にＣｒめっき皮膜が形成された内周面を備え、該内周面をシール部材が流体潤滑剤の存在下で摺動する摺動部材の製造方法であって、
   摺動部材用ワークの内周面に、機械加工によって凹凸を形成し、
   上記内周面の相対的に凹んだ凹部が残るように、相対的に突出した凸部を削ってプラトー部を形成し、
   しかる後に、上記内周面に上記プラトー部と凹部内面とを含む全面にわたってＣｒめっき皮膜を形成することにより、該Ｃｒめっき皮膜表面に占めるプラトー部の面積率が６０％以上８５％以下となるようにすることを特徴とする摺動部材の製造方法。

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