JP2008259965A - 表面処理方法および摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部材に適用可能な部材表面の摩擦抵抗を低減する。
【解決手段】基材１２の表面に、吸湿性化合物１６を含有する被覆層２４を形成する。吸湿性化合物１６は、好ましくは吸湿性を有するナトリウム化合物であり、好適には、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウムおよび硫酸ナトリウムからなる群より選択される少なくとも１種を含む。被覆層２４は、さらに撥水性フッ素化合物２６を含有することも可能であり、好適である。
【選択図】図３

Description

本発明は、表面処理方法および摺動部材に関する。より詳細には、基材表面の摩擦抵抗を低減する表面処理方法および該方法により表面処理された部材を摺動させて使用する摺動部材に関する。

一般に、複数の部材を相互に摺動させる摺動部材において、各基材間の、特に摺動面の摩耗劣化を抑制するために、固体接触部分の摩擦係数を下げることが重要である。例えば、ピストンリングやピストンスカートなどのエンジン部品においては、摺動部分における摩擦の低減により、摺動する各部材表面の損耗や劣化が抑制されるだけでなく、さらにエネルギー損失が低減されることにより、燃費の向上にもつながるため、摺動部材における摩擦抵抗の低減は特に重要な課題である。

摩擦係数を低減するために、例えば、固体潤滑剤を配合した被覆層による摺動部の表面処理などによる検討が行なわれてきた。

特許文献１には、摺動する２つの部材のうち、一方の部材の、少なくとも摺動する他方の部材に対する摺動面部を二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、グラファイトの固体潤滑材とポリアミドイミド樹脂バインダからなる低熱樹脂被覆層面とした摺動部材について記載されている。

また、特許文献２には、耐熱性樹脂をベース材とするピストンリング用被覆材において、潤滑性向上成分として、グラファイト、ＰＴＦＥ、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２のうちから選ばれる少なくとも１種の固体潤滑剤を含むものについて記載されている。

ＰＴＦＥやＭｏＳ_２などの固体潤滑剤の添加による摩擦係数を低減させる機序は一般に、これらの固体潤滑剤が有する層状構造に起因した層間すべりにより、固体接触部におけるせん断抵抗を低下させることによるものとされる。このため、固体潤滑剤の添加による摩擦係数の低減効果には自ずと限界があり、また固体潤滑剤の大量の添加はむしろ、耐摩耗性など、機械的強度の低下に繋がるおそれがある。特に、想定荷重以上の強い荷重で固体接触することが想定されるような場合には、大量の固体潤滑剤の配合により摺動部分の焼きつきや摩耗の可能性がさらに高まる。

一方、摩擦抵抗を低下させる別の方法として、摺動する部材間にグリースや液体潤滑剤などの潤滑油剤を塗布することも広く知られている。また、摺動部材間に塗布する潤滑油剤として、例えばポリ−α−オレフィン（ＰＡＯ）などの合成油からなる、トラクション係数の低い基油を選択することにより、潤滑油剤層内のせん断抵抗を下げ、摩擦抵抗を低下させることが可能である。しかし、このようなトラクション係数の低い基油は、一般に高価であり、全体としてコストの増大に繋がる傾向にあるため、実用性の観点から適当でない場合があった。また、このような高価な基油を選択した場合であっても、画期的なトラクション係数の低下に繋がる場合はそれほど多くはなく、費用対効果の観点から、あまり適さない場合もあった。

特開平４−１７５４４２号公報 特許第３６１３５００号公報

本発明は、摩擦係数の低い摺動部材を作製することが可能な表面処理方法を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、低摩擦な摺動部材の提供にある。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）基材の表面に、吸湿性化合物を含有する被覆層を形成する工程を含む、表面処理方法。

（２）上記（１）に記載の表面処理方法において、前記被覆層を形成する工程は、溶媒中に、吸湿性化合物と、バインダとを含む表面処理液を調製する工程と、前記表面処理液を前記基材の表面に塗布する工程と、溶媒を除去する工程と、を含む、表面処理方法。

（３）上記（２）に記載の表面処理方法において、前記表面処理液は、さらに撥水性を有するフッ素化合物を含有する、表面処理方法。

（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の表面処理方法において、前記吸湿性化合物が、ナトリウム化合物である、表面処理方法。

（５）上記（４）に記載の表面処理方法において、前記ナトリウム化合物が、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウムおよび硫酸ナトリウムからなる群より選択される少なくとも１種を含む、表面処理方法。

（６）第１の部材と、第２の部材とを相互に摺動させる摺動部材であって、前記第１の部材および前記第２の部材のうち少なくとも一方は、基材と、前記基材の表面を被覆する被覆層と、を備え、前記被覆層は、吸湿性化合物を含有する、摺動部材。

（７）上記（６）に記載の摺動部材において、前記被覆層は、さらに撥水性を有するフッ素化合物を含有する、摺動部材。

（８）第１の基材を含む第１の部材と、第２の基材を含む第２の部材とを相互に摺動させる摺動部材であって、前記第２の部材に対面する前記第１の基材の表面には、吸湿性化合物を含有する第１の被覆層が、前記第１の部材に対面する前記第２の基材の表面には、撥水性を有するフッ素化合物を含有する第２の被覆層が、それぞれ形成されている、摺動部材。

（９）上記（６）から（８）のいずれか１つに記載の摺動部材において、前記吸湿性化合物が、ナトリウム化合物である、摺動部材。

（１０）上記（９）に記載の摺動部材において、前記ナトリウム化合物が、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウムおよび硫酸ナトリウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む、摺動部材。

部材表面の摩擦係数を低減することが可能となる。

以下、図面を用いて詳細に説明する。なお、各図面において、同様の構成については同一の符号を付すとともに、重複する説明については省略する。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態における、摩擦係数の低い摺動面を有する摺動部材に適用可能な部材１０の構成の概略を示す断面図である。図１に示す部材１０は、基材１２の表面に被覆層１４が形成されている。また、被覆層１４は、吸湿性化合物１６を含有している。他の材料として、好適には吸湿性化合物１６を被覆層１４全体に均一に分散させた状態で保持するバインダ１８を含有し、さらに図示しない固体潤滑剤などを含有している場合もある。

図１に示す基材１２の表面に被覆層１４を形成させた部材１０を作製する方法として、必ずしもこれに限定されるわけではないが、例えば適当な溶媒中に、吸湿性化合物１６と、バインダ１８と、必要に応じて用いられる図示しない固体潤滑剤などと、を含む表面処理液を調製し、この表面処理液を基材１２の表面に塗布し、その後、溶媒を除去することにより行なうことが可能である。

本実施の形態において、吸湿性化合物１６とは、吸湿性を有する種々の物質を指すが、ここでいう「吸湿性を有する」とは、図２に示す水層２２を実質的に形成可能なことを意味しており、必ずしも吸湿性化合物１６そのものが有意の吸湿性を有するものでなくてもよい。このような吸湿性化合物は、例えば、過塩基性Ｎａスルフォネートなどの液体を使用することも可能であるが、成形性の観点から、少なくとも常温にて固体のものが好ましい。好ましい吸湿性化合物として、具体的には硝酸マグネシウムや硫酸マグネシウムなどのマグネシウム化合物、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウムなどのナトリウム化合物、シリカゲル（ＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏ）などを挙げることが可能であるが、これに限定されない。

また、図１に示す吸湿性化合物１６として特に好適に用い得るナトリウム化合物として、上述した物質に限らず、種々のものを用いることができる。ただし、基材１２の材質によっては腐食や劣化の要因となり得るものはあまり好ましくない（例えば、水酸化ナトリウムや塩化ナトリウムなど）。また著しい潮解性を有するものも被覆層１４そのものの安定性が確保できない可能性があるため適当でない（例えば、水酸化ナトリウムなど）。また、高温状態において用いる可能性のある場合には、分解性の高いものも好ましくない（例えば、炭酸水素ナトリウムなど）。吸湿性化合物１６として好適に用い得る、種々の使用条件や基材１２の材質に依存しない、汎用的なナトリウム化合物として、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、硫酸ナトリウムなどの正塩（中性塩）を挙げることができる。これらのナトリウム化合物から１つを選択し、もしくは複数を組み合わせて用いることができる。これらの物質は一般に入手が容易であり、安価であるという利点も兼備しており、好適である。

また、他の実施の形態として、吸湿性化合物１６として特に好適に用い得るナトリウム化合物として、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウムおよび硫酸ナトリウムからなる群から選択される少なくとも１種と、他の吸湿性化合物および／または吸湿性を有する他のナトリウム化合物と、を組み合わせて使用することも可能である。また、他の実施の形態として、基材１２や被覆層１４の組成によっては、強酸と強塩基からなる正塩である硝酸ナトリウム、硫酸ナトリウムなどが好適である場合もある。また、他の実施の形態として、水和物を使用しても無水物を使用しても良いが、安定な無水物が得られない物質を使用する場合を除き、吸湿性のより良好と思われる無水物が好適である。

また、本実施の形態において、被覆層１４中に配合するバインダ１８として、以下のものに限定されるわけではないが、例えばポリイミドアミド、ポリイミド、エポキシなどの有機バインダや、ＳｉＯ（酸化ケイ素、ポリシラザン法による）、酸化チタンなどの無機バインダなど、種々のものを選択し、使用することができる。

さらに、本実施の形態において、被覆層１４中に、場合によっては配合することのできる固体潤滑剤として、グラファイト、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２などを挙げることができる。

本実施の形態において、表面処理液に適応し得る溶媒として、バインダ１８を均一に溶解し得るものであればいかなるものも好適に使用可能である。具体的にはｎ−メチルピロリドン、キシレン、トルエン、およびそれらのうち２種以上を含む混合物などを例示することが可能であるが、これらに限定されない。

また、表面処理液に使用した溶媒の除去は、基材１２および被覆層１４の変形等の影響を与えない限り、いかなる方法によるものであっても良いが、例えば所定の温度に維持したオーブンや温風による乾燥が好適である。

図２は、図１に示す部材１０（第１の部材）を用いて構成される、本発明の実施の形態における摺動部材について説明する断面概略図である。図２に示す摺動部材１００は、第１の部材１０と、第２の部材４０とを相互に摺動させるように構成され、用いられる。なお、図２において、第１の部材１０と、第２の部材４０との界面は通常、実際には摺動面同士が固体接触するような構成を有しているが、ここでは説明を容易にするために、各部材間に所定の間隔を有する構成として示している。

図２に示すような構成を有する摺動部材１００による、第１の部材１０と第２の部材４０との間の摩擦抵抗低減の機序は、完全には解明されていないが、概ね次のような理由によるものであると考えられる。

すなわち、第１の部材１０の表面に形成された被覆層１４中に含有する吸湿性化合物１６の吸湿作用により、摺動面近傍の大気中および／または後述する潤滑油剤中に含まれる水分が引き寄せられ、被覆層１４の表面全体またはその一部に薄膜状の水層２２が形成される。このため、（摺動面同士が固体接触するように配置されているはずの）第１の部材１０と第２の部材４０との間に水層２２の薄膜が形成されることにより、第１の部材１０と第２の部材４０との間の摩擦抵抗が低減する。

本実施の形態において、基材１２として熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、金属材料、さらにそれらを組み合わせたものなど、摺動部材の基材として適用し得るものであればいかなるものを使用することも可能である。好適な金属材料として、具体的には、炭素鋼やステンレス鋼、またアルミニウムや銅などを含有する合金材などを挙げることが可能であるが、これに限定されない。

また、第２の部材４０として、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、金属材料、さらにそれらを組み合わせたものなど、基材１２と同様、摺動部材の基材として適用し得るものであればいかなるものを使用することも可能である。なお、基材１２と第２の部材４０は、同一のものを採用しても良く、また異なるものであっても構わない。

本実施の形態において、図１に示す被覆層１４の厚みは、基材１２の材質や第２の部材４０との摺動面積、被覆層１４に配合する材料の種類やその形状等の諸条件により適宜設定することが可能であるが、例えば５〜２０μｍとすることができる。一般に被覆層１４の厚みが概ね５μｍ未満の場合には、吸湿性化合物や固体潤滑剤等の均一な配置が困難となる可能性があり、また、場合によっては摺動面からの欠落や脱離につながる可能性がある。一方、被覆層１４の厚みが概ね２０μｍを超える場合には、基材１２からの剥離などに伴い、摺動特性へ影響を及ぼす可能性がある。

また、本実施の形態において、吸湿性化合物１６の形状は、特に限定されるわけではなく、粉末状、粒子状、結晶状など、いかなる形状のものを使用することも可能であり、また形状や大きさを揃える必要もない。ただし、吸湿性化合物１６の大きさが大き過ぎると、被覆層１４中での分布が偏ってしまったり、被覆層１４の厚さによっては被覆層１４内から脱落したりする場合も想定されるため、最大の外寸を５μｍ以下程度に調整することが好ましい。

また、本実施の形態において、被覆層１４中に配合する吸湿性化合物１６の配合量は、吸湿性化合物の寸法や吸湿性の程度により適宜設定することが可能であり、特に限定されるわけではないが、より具体的には、バインダ１８に対して例えば３〜２０ｖｏｌ％とすることが可能である。被覆層１４中に配合する吸湿性化合物の配合量がバインダ１８に対して３ｖｏｌ％未満の場合には、図２に示すような摺動部材１００を適用する際、水層２２が十分に形成されず、摺動面に対する摩擦抵抗低減の効果が十分に発揮されない場合がある。一方、被覆層１４中に配合する吸湿性化合物の配合量がバインダ１８に対して２０ｖｏｌ％を超える場合には、被覆層１４の強度低下や、過度に水層２２が形成されることにより、摺動面に対する摩擦抵抗低減の効果が十分に発揮されない場合がある。

このように、基材１２の表面に、吸湿性化合物１６を含有する被覆層１４を形成した第１の部材１０を、図２に示す摺動部材１００に適用することにより、互いに摺動する各部材間の摩擦抵抗を低減させることが可能となる。

また、図２に示すように、摺動部材１００に潤滑油剤をさらに適用することも可能である。図２に例示するような場合には、第１の部材１０と第２の部材４０との間、より詳細には、水層２２と第２の部材４０との間に、潤滑油剤に由来する油層２０がさらに形成されていると想定される。このとき、図２に示す摺動部材１００における第１の部材１０と第２の部材４０との摺動に伴う摩擦抵抗は、主として部材間に形成された水層２２および／または油層２０におけるせん断応力に起因するものとなると考えられ、被覆層１４を有しない従来の摺動部材と比較して、摩擦抵抗を低下させることが可能となる。

＜実施の形態２＞
図３は、本発明の他の実施の形態における、摩擦係数の低い摺動面を有する摺動部材に適用可能な部材３０の構成の概略を示す断面図である。図３に示す部材３０は、基材１２の表面に、被覆層１４に代えて被覆層２４が形成されていることを除き、図１に示す部材１０と同様の構成を有している。

図３において、被覆層２４は、吸湿性化合物１６および撥水性フッ素化合物２６を含有している。より具体的には、バインダ１８に対し、吸湿性化合物１６および撥水性フッ素化合物２６が均一に分散された構成を有している。

本実施の形態において、撥水性フッ素化合物２６とは、撥水性を有するフッ素化合物を意味するものである。具体的な撥水性フッ素化合物２６の例として、ポリテトラフルオロエチレン（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（ＰＥＡ）、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）などの撥水性を有するフッ素樹脂を挙げることが可能である。ただし撥水性フッ素化合物２６は、これに限定されるものではなく、所定の撥水性を有するものであればいかなるフッ素化合物を使用することも可能である。

図４は、図３に示す部材３０を用いて構成される、本発明の他の実施の形態における摺動部材について説明する断面概略図である。図４において、摺動部材２００は、第１の部材１０に代えて（第１の）部材３０を適用したことを除き、図２に示す摺動部材１００とほぼ同様の構成を有しており、第１の部材３０と、第２の部材４０とを相互に摺動させるように構成され、用いられる。なお、図４において、第１の部材３０と、第２の部材４０との界面は通常、実際には摺動面同士が固体接触するような構成を有しているが、図２と同様の理由により、各部材間に所定の間隔を有する構成として示している。

図４に示すような構成を有する摺動部材２００による、第１の部材３０と第２の部材４０との間の摩擦抵抗低減の機序は、図２に示す摺動部材１００と同様、完全には解明されていないが、概ね次のような理由によるものであると考えられる。

すなわち、図２に示す摺動部材１００と同様に、第１の部材３０の表面に形成された被覆層２４中に含有する吸湿性化合物１６の吸湿作用により、摺動面近傍の大気中および／または後述する潤滑油剤中に含まれる水分が引き寄せられ、被覆層２４の表面全体またはその一部に薄膜状の水層２２が形成される。このため、（摺動面同士が固体接触するように配置されているはずの）第１の部材３０と第２の部材４０との間に水層２２の薄膜が形成されることにより、第１の部材３０と第２の部材４０との間の摩擦抵抗が低減する。

一方、被覆層２４中に含有する撥水性フッ素化合物２６による撥水作用により、第２の部材４０に対面する第１の部材３０表面は図２に示す第１の部材１０表面と比較して水に対する濡れ性が低下している。このような構成を有する摺動部材２００は、第１の部材３０（または被覆層２４）と水層２２との間の摩擦抵抗がさらに低下しているものと想定される。このため、図４に示す摺動部材２００は、図２に示す摺動部材１００と同等またはそれ以上の摩擦抵抗低減効果を有するものと考えられる。

本実施の形態において、図３に示す被覆層２４の厚みは、適宜設定することが可能であるが、例えば５〜２０μｍとすることができる。基材１２の材質や第２の部材４０（図４）との摺動面積、被覆層２４に配合する材料の種類やその形状等の諸条件にもよるが、一般に被覆層２４の厚みが５μｍ未満の場合には、吸湿性化合物や固体潤滑剤等の均一な配置が困難となる可能性があり、また、場合によっては摺動面からの欠落や脱離につながる可能性がある。一方、被覆層２４の厚みが２０μｍを超える場合には、基材１２からの剥離などに伴い、摺動特性へ影響を及ぼす可能性がある。

本実施の形態において、被覆層２４中に配合する吸湿性化合物１６の配合量は、吸湿性化合物の寸法や吸湿性の程度により適宜設定することが可能であり、特に限定されるわけではないが、より具体的には、バインダ１８に対して例えば３〜１５ｖｏｌ％とすることが可能である。被覆層２４中に配合する吸湿性化合物の配合量がバインダ１８に対して３ｖｏｌ％未満の場合には、図４に示すような摺動部材２００を適用する際、水層２２が十分に形成されず、摺動面に対する摩擦抵抗低減の効果が十分に発揮されない場合がある。一方、被覆層２４中に配合する吸湿性化合物の配合量がバインダ１８に対して１５ｖｏｌ％を超える場合には、被覆層２４の強度低下や、過度に水層２２が形成されることにより、摺動面に対する摩擦抵抗低減の効果が十分に発揮されない場合がある。

また、本実施の形態において、被覆層２４中に配合する撥水性フッ素化合物２６の形状は、特に限定されるわけではなく、粉末状、粒子状、結晶状など、いかなる形状のものを使用することも可能であり、また形状や大きさを揃える必要もない。ただし、撥水性フッ素化合物２６の大きさが大き過ぎると、被覆層２４中での分布が偏ってしまったり、被覆層２４の厚さによっては被覆層２４内から脱落したりする場合も想定されるため、最大の外寸を５μｍ以下程度に調整することが好ましい。

本実施の形態において、被覆層２４中に配合する撥水性フッ素化合物２６の配合量は、撥水性フッ素化合物の寸法や撥水性の程度により適宜設定することが可能であり、特に限定されるわけではないが、より具体的には、バインダ１８に対して例えば５〜３０ｖｏｌ％とすることが可能である。被覆層２４中に配合する撥水性フッ素化合物の配合量がバインダ１８に対して５ｖｏｌ％未満の場合には、図４に示すような摺動部材２００を適用する際、水層２２に対する撥水効果が十分に発揮されず、摺動面に対するさらなる摩擦抵抗低減の効果が発揮されない場合がある。一方、被覆層２４中に配合する撥水性フッ素化合物の配合量がバインダ１８に対して３０ｖｏｌ％を超える場合には、被覆層２４の強度が低下し、耐摩耗性が低下する要因に繋がる場合がある。また、他の実施の形態として、被覆層２４中に配合する撥水性フッ素化合物２６の配合量を、バインダ１８の質量に対して例えば５〜３０質量％とすることが可能である。

このように、基材１２の表面に、吸湿性化合物１６と、撥水性フッ素化合物２６とを含有する被覆層２４を形成した第１の部材３０を図４に示す摺動部材２００に適用することにより、各部材間の摩擦抵抗を低減させることが可能となる。

また、図４に示すように、摺動部材２００に潤滑油剤をさらに適用することも可能である。図４に例示するような場合には、第１の部材３０と第２の部材４０との間、より詳細には、水層２２と第２の部材４０との間に、潤滑油剤に由来する油層２０がさらに形成されていると想定される。このとき、図４に示す摺動部材２００における第１の部材３０と第２の部材４０との摺動に伴う摩擦抵抗は、図２に示す摺動部材１００と同様、主として部材間に形成された水層２２および／または油層２０におけるせん断応力に起因するものとなると考えられ、被覆層２４を有しない従来の摺動部材と比較して、摩擦抵抗を低下させることが可能となる。

＜実施の形態３＞
図５は、本発明の他の実施の形態における、摩擦係数の低い摺動面を有する摺動部材に適用可能な各部材の構成の概略を示す断面図である。図５（ａ）に示す部材５０は、基材３２の表面に、撥水性フッ素化合物２６を含有する被覆層３４が形成されている。一方、図５（ｂ）に示す第１の部材１０は、基材１２の表面に、吸湿性化合物１６を含有する被覆層１４が形成されており、図１に示す部材１０と同様の構成を有する部材を用いることができる。

図６は、図５（ａ）に示す第２の部材５０と図５（ｂ）に示す第１の部材１０とを用いて構成される、本発明の他の実施の形態における摺動部材について説明する断面概略図である。図６において、摺動部材３００は、第１の部材１０と、第２の部材５０とを相互に摺動させるように構成されており、第２の部材４０に代えて第２の部材５０を適用したことを除き、図２に示す摺動部材１００とほぼ同様の構成を有している。なお、図６において、第１の部材１０と、第２の部材５０との界面は通常、実際には摺動面同士が固体接触するような構成を有しているが、図２と同様の理由により、各部材間に所定の間隔を有する構成として示している。

図６において、第２の部材５０に対面する第１の基材１２の表面に、吸湿性化合物１６を含有する第１の被覆層１４が形成された第１の部材１０と、第１の部材１０に対面する第２の基材３２の表面に、撥水性フッ素化合物２６を含有する第２の被覆層３４が形成された第２の部材５０とを互いに摺動させるような構成を有している。図６に示すような摺動部材３００による、第１の部材１０と第２の部材５０との間の摩擦抵抗低減の機序は、前述した他の実施の形態と同様、完全には解明されていないが、概ね次のような理由によるものであると考えられる。

すなわち、図２に示す摺動部材１００と同様に、第１の部材１０の表面に形成された被覆層１４中に含有する吸湿性化合物１６の吸湿作用により、摺動面近傍の大気中および／または後述する潤滑油剤中に含まれる水分が引き寄せられ、被覆層１４の表面全体またはその一部に薄膜状の水層２２が形成される。このため、摺動面同士が固体接触するように配置されているはずの第１の部材１０と第２の部材５０との間に水層２２の薄膜が形成されることにより、第１の部材１０と第２の部材５０との間の摩擦抵抗が低減する。

第１の部材１０と第２の部材５０との間に形成された水層２２は、被覆層３４中に含有する撥水性フッ素化合物２６による撥水作用により、第２の部材５０表面との濡れ性が低下することにより、第２の部材５０（または被覆層３４）と水層２２との間の摩擦抵抗がさらに低下する。このため、図６に示す摺動部材３００は、図２、４にそれぞれ示す摺動部材１００，２００と同等またはそれ以上の摩擦抵抗低減効果を有するものと考えられる。

本実施の形態において、図５（ａ）に示す被覆層３４の厚みは、基材３２の材質や第１の部材１０との摺動面積、被覆層３４に配合する固形材料の種類やその形状等の諸条件により適宜設定することが可能であるが、例えば５〜２０μｍとすることができる。一般に被覆層３４の厚みが５μｍ未満の場合には、吸湿性化合物や固体潤滑剤等の均一な配置が困難となる可能性があり、また、場合によっては摺動面からの欠落や脱離につながる可能性がある。一方、被覆層３４の厚みが２０μｍを超える場合には、基材３２からの剥離などに伴い、摺動特性へ影響を及ぼす可能性がある。

本実施の形態において、被覆層３４中に配合する撥水性フッ素化合物２６の配合量は、撥水性フッ素化合物の寸法や撥水性の程度により適宜設定することが可能であり、特に限定されるわけではないが、より具体的には、バインダに対して例えば５〜３０ｖｏｌ％とすることが可能である。被覆層３４中に配合する撥水性フッ素化合物の配合量がバインダに対して５ｖｏｌ％未満の場合には、図６に示すような摺動部材３００を適用する際、水層２２に対する撥水効果が十分に発揮されず、摺動面に対する摩擦抵抗低減の効果が十分に得られない場合がある。一方、被覆層３４中に配合する撥水性フッ素化合物の配合量がバインダに対して３０ｖｏｌ％を超える場合には、被覆層３４の強度が低下し、経時劣化の要因に繋がる場合がある。また、他の実施の形態として、被覆層３４中に配合する撥水性フッ素化合物２６の配合量を、バインダ１８の質量に対して例えば５〜３０質量％とすることが可能である。

このように、基材１２の表面に、吸湿性化合物１６を含有する被覆層１４を形成した第１の部材１０と、基材３２の表面に、撥水性フッ素化合物２６を含有する被覆層３４を形成した第２の部材５０とを、図６に示す摺動部材３００に適用することにより、各部材間の摩擦抵抗を低減させることが可能となる。

また、図６に示すように、摺動部材３００に潤滑油剤をさらに適用することも可能である。図６に例示するような場合には、第１の部材１０と第２の部材５０との間、より詳細には、水層２２と第２の部材５０との間に、潤滑油剤に由来する油層２０がさらに形成されていると想定される。このとき、図６に示す摺動部材３００における第１の部材１０と第２の部材５０との摺動に伴う摩擦抵抗は、主として部材間に形成された水層２２および／または油層２０におけるせん断応力に起因するものと考えられ、被覆層１４，３４を有しない従来の摺動部材と比較して、摩擦抵抗を低下させることが可能となる。

以上説明した、本発明の実施の形態として図２，４，６に示した各摺動部材において、第１の部材（１０，３０，１０）と第２の部材（４０，４０，５０）との組み合わせはそれぞれ、あくまでも例示であって、これらに限定されるものではない。例えば、図２において、第２の部材４０に代えて、図１に示す部材１０または図３に示す部材３０と同様の構成を有する部材を適用することも可能である。また、図４において、第２の部材４０に代えて、図３に示す部材３０または図５（ａ）に示す部材５０と同様の構成を有する部材を適用することも可能である。ただし、言及するまでもないことであるが、これら各構成の選択に応じて、吸湿性化合物および／または撥水性フッ素化合物の含有量など、適宜変更することが可能である。

本発明の実施の形態に係る摺動部材に相当する被験試料をそれぞれ作製し、その摩擦抵抗の低減効果を、通常の摺動部材に相当する被験試料と比較した。

［評価の概要］
スラストタイプの鈴木式摩擦摩耗試験機（ＥＦＭ−III、(株)エー・アンド・デイ製）を用いて、被験試料（試験片）間の動摩擦係数を測定した。試験機要部の概略について図７に示す。平板状のディスク試験片５２に対し円筒状のリング試験片５４を一定荷重にて押し当てた接触面５６が試験部位となる。この状態で、リング試験片５４を所定の速度にて回転させることにより、接触面においてディスク試験片５２とリング試験片５４が摺動する。このときの動摩擦係数を経時的に測定することにより、摺動部材間の摩擦抵抗の変化の様子を確認することができる。

［表面処理液１の調製］
ｎ−メチルピロリドン、キシレンを質量比３：１で含有する溶媒１００質量部に対して、バインダとしてポリアミドイミド樹脂（１０００（商品名）、ポリプラスチックス株式会社製）を８０質量部、吸湿性化合物として炭酸ナトリウム（試薬特級Ｎａ_２ＣＯ_３、高杉製薬製）、固体潤滑剤としてＭｏＳ_２（Ｃパウダー（商品名）、平均粒径１．２μｍ、株式会社ダイゾー製）をそれぞれ添加して撹拌し、均一に分散させて、表面処理液１を調製した。なお、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＭｏＳ_２は、乾燥時において、ポリアミドイミド樹脂に対し、それぞれ１０ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％となるように換算し、添加した。

［表面処理液２の調製］
ｎ−メチルピロリドン、キシレンを質量比３：１で含有する溶媒１００質量部に対して、バインダとしてポリアミドイミド樹脂（１０００（商品名））を８０質量部、吸湿性化合物として炭酸ナトリウム（試薬特級Ｎａ_２ＣＯ_３、高杉製薬製）、撥水性フッ素化合物としてＰＴＦＥ（ｆｌｕｏｎ（商品名）、平均粒径７μｍ、旭硝子株式会社製）、固体潤滑剤としてＭｏＳ_２（Ｃパウダー（商品名））をそれぞれ添加して撹拌し、均一に分散させて、表面処理液２を調製した。なお、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＰＴＦＥ、ＭｏＳ_２は、乾燥時において、ポリアミドイミド樹脂に対し、それぞれ１０ｖｏｌ％、５ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％となるように換算し、添加した。

［表面処理液３の調製］
ｎ−メチルピロリドン、キシレンを質量比３：１で含有する溶媒１００質量部に対して、バインダとしてポリアミドイミド樹脂（１０００（商品名））を８０質量部、撥水性フッ素化合物としてＰＴＦＥ（ｆｌｕｏｎ Ｌ１７３Ｊ（商品名））をそれぞれ添加して撹拌し、均一に分散させて、表面処理液３を調製した。なお、ＰＴＦＥは、乾燥時において、ポリアミドイミド樹脂に対し、５ｖｏｌ％となるように換算し、添加した。

［表面処理液４の調製］
シクロヘキサン、キシレンを含有する溶媒１００質量部に対して、バインダとして市販のペルヒドロポリシラザン（ＳｉＨ_２ＮＨ）を２０質量部、撥水性フッ素化合物としてＰＴＦＥ（ｆｌｕｏｎ Ｌ１７３Ｊ（商品名））をそれぞれ添加して撹拌し、均一に分散させて、表面処理液４を調製した。なお、ＰＴＦＥは、乾燥時において、被覆層の体積に対し、５ｖｏｌ％となるように換算し、添加した。

［表面処理液５の調製］
ｎ−メチルピロリドン、キシレンを質量比３：１で含有する溶媒１００質量部に対して、バインダとしてポリアミドイミド樹脂（１０００（商品名）、ポリプラスチックス株式会社製）を８０質量部、固体潤滑剤としてＭｏＳ_２（Ｃパウダー（商品名）、平均粒径１．２μｍ、株式会社ダイゾー製）をそれぞれ添加して撹拌し、均一に分散させて、表面処理液５を調製した。なお、ＭｏＳ_２は、乾燥時のポリアミドイミド樹脂に対し、乾燥時に１０ｖｏｌ％となるように換算し、添加した。

［ディスク（１）の作製］
図７に示すディスク試験片５２の基材材料として炭素鋼Ｓ４５Ｃ焼入れ焼戻し（愛知製鋼製、ＨＶ６５０〜７００）を使用した。この試験片に対しスプレーコーティングにより表面処理液１を塗布した後、２００℃のオーブンにて３０分間乾燥させて、厚さ５μｍ、表面粗さＲａ＝０．４μｍの表面被覆層を有するディスク（１）を作製した。なお、スプレーコーティングは、口径０．５μｍのノズルを用い、２．５〜３．５Ｐａ・ｓｅｃのスプレー圧にて、１５〜２０ｃｍ程度の距離を設けて行なった。

［ディスク（２）の作製］
表面処理液１に代えて表面処理液２を使用したことを除き、ディスク（１）の作製と同様の方法により、厚さ５μｍ、表面粗さＲａ＝０．５μｍの表面被覆層を有するディスク（２）を作製した。

［ディスク（３）の作製］
表面処理液１に代えて表面処理液５を使用したことを除き、ディスク（１）の作製と同様の方法により、厚さ５μｍ、表面粗さＲａ＝０．５μｍの表面被覆層を有するディスク（３）を作製した。

［ディスク（４）の作製］
基材材料に表面処理液を使用しない、ディスク（４）を作製した。ディスク（１）〜（３）と同程度の表面粗さになるように表面を研磨し、表面粗さＲａ＝０．５μｍとしたものを用いた。

［リング（１）の作製］
図７に示すリング試験片５４の基材材料として炭素鋼Ｓ４５Ｃ焼入れ焼戻し（愛知製鋼製、ＨＶ６５０〜７００）を使用した。この試験片に対しスプレーコーティングにより表面処理液３を塗布した後、２００℃のオーブンにて３０分間乾燥させて、厚さ５μｍ、表面粗さＲａ＝０．５μｍの表面被覆層を有するリング（１）を作製した。なお、スプレーコーティングは、口径０．５μｍのノズルを用い、２．５〜３．５Ｐａ・ｓｅｃのスプレー圧にて、１５〜２０ｃｍ程度の距離を設けて行なった。

［リング試験片（２）の作製］
表面処理液３に代えて表面処理液４を使用したことを除き、リング（１）の作製と同様の方法により、厚さ５μｍ、表面粗さＲａ＝０．５μｍの表面被覆層を有するリング（２）を作製した。なお、スプレーコーティングは、口径０．３μｍのノズルを用い、２．５〜３．５Ｐａ・ｓｅｃのスプレー圧にて、１５〜２０ｃｍ程度の距離を設けて行なった。

［リング試験片（３）の作製］
基材材料に表面処理液を使用しない、リング（３）を作製した。リング（１）、（２）と同程度の表面粗さになるように表面を研磨し、表面粗さＲａ＝０．５μｍとしたものを用いた。

表１に、ディスク（１）〜（４）、リング（１）〜（３）についてまとめた。

［実施例１］
図７に示すディスク試験片５２としてディスク（１）を、リング試験片５４としてリング（３）をそれぞれ使用して、動摩擦抵抗の測定を行なった。潤滑油剤として８０℃に加温した１５０Ｎ基油（出光興産社製、添加物として酸化防止剤を含有）を使用し、リング試験片の回転速度を０．３ｍ／ｓ、試験面圧５ＭＰａ〜１０ＭＰａになるまで所定のなじみ試験（概ね２分程度）を実施した後、１０ＭＰａの一定荷重を加えた状態で６０分間、摩擦試験を行なった。１０分毎に動摩擦係数を測定した結果を表３に示す。

［実施例２］
ディスク（１）に代えてディスク（２）を使用したことを除き、実施例１と同様にして、動摩擦抵抗の測定を行なった。結果を表３に示す。

［実施例３］
リング（３）に代えてリング（２）を使用したことを除き、実施例１と同様にして、動摩擦抵抗の測定を行なった。結果を表３に示す。

［実施例４］
リング（３）に代えてリング（１）を使用したことを除き、実施例１と同様にして、動摩擦抵抗の測定を行なった。結果を表３に示す。

［比較例１］
ディスク（１）に代えてディスク（３）を使用したことを除き、実施例１と同様にして、動摩擦抵抗の測定を行なった。結果を表３に示す。

［比較例２］
ディスク（１）に代えてディスク（４）を使用したことを除き、実施例１と同様にして、動摩擦抵抗の測定を行なった。結果を表３に示す。

上記実施例および比較例における、図７に示すディスク試験片５２とリング試験片５４との組み合わせについて表２にまとめた。

固体潤滑剤であるＭＯＳ_２を含有する被覆処理を施した比較例１では、動摩擦係数が０．０６５〜０．０６程度となっており、摺動する双方の部材ともに処理を行なっていない比較例２（０．０８５〜０．０８程度）よりはいくらかの摩擦抵抗の低減がなされているが、なお不十分である。

これらの比較例に対し、吸湿性化合物を含有する被覆層を有する実施例１では、試験開始直後より動摩擦係数が０．０４程度とほぼ安定した摩擦係数の低減効果が発揮されている。この理由として、次のようなことが推定される。被覆層に添加したＮａ_２ＣＯ_３により摺動面に対し環境中のＨ_２Ｏが吸着することにより、摺動部に油層／水層が混在する薄膜が生じると、油層と水層との境界部分でせん断を受けることになる。このとき、あたかも油層と水層との境界付近が摺動しているかのように振る舞うため、水層の薄膜が生じない従来の摺動部材と比較して摺動部材自身がおける摩擦が低減するものと考えられる。

また、実施例２，４においても、動摩擦係数は試験開始直後からいずれも０．０４程度となっており、比較例に比して摩擦抵抗が低減している。また、試験時間の経過とともに、動摩擦係数はさらに低下し、６０分経過後においては０．０３付近まで動摩擦係数が低下している。この理由として、次のようなことが推定される。実施例１と同様に、被覆層に添加したＮａ_２ＣＯ_３により摺動面に対し環境中のＨ_２Ｏが吸着することにより、摺動部に油層／水層が混在する薄膜が生じると、油層と水層との境界部分でせん断を受けることになるため、摩擦抵抗は低下の方向に向かう。これに加えて、撥水性フッ素化合物であるＰＴＦＥが摺動面付近にさらに存在することにより、ＰＴＦＥを有する被覆層と水層を含む薄膜との間の親和力が小さくなる。このＰＴＦＥ／Ｈ_２Ｏ層間に対しても、摺動によるせん断を受けることになるため、さらに摩擦抵抗が低減することになるものと考えられる。

さらに、実施例３，４に関しては、バインダの組成を除きほぼ同様の構成を有している。これらがほぼ同程度の摩擦抵抗を有していることから、本発明の効果は一般に、有機系、無機系などのバインダの種類に関わらず、主として被覆層に含有する吸湿性化合物や撥水性フッ素化合物によるものであると考えられる。

本発明は、摩擦抵抗の低減を所望する種々の基材の表面処理に利用することが可能であり、特に各種摺動部材の摺動面に適用することが可能である。

本発明の実施の形態における摺動部材に適用可能な部材の構成の概略を示す断面図である。 図１に示す部材を適用した摺動部材について説明する断面概略図である。 本発明の他の実施の形態における摺動部材に適用可能な部材の構成の概略を示す断面図である。 図３に示す部材を適用した摺動部材について説明する断面概略図である。 本発明の別の実施の形態における摺動部材に適用可能な各部材の構成の概略を示す断面図である。 図５に示す部材を適用した摺動部材について説明する断面概略図である。 摩擦抵抗測定試験機の要部の概略について示す図である。

符号の説明

１０，３０，４０，５０ 部材、１２，３２ 基材、１４，２４，３４ 被覆層、１６ 吸湿性化合物、１８ バインダ、２０ 油層、２２ 水層、２６ 撥水性フッ素化合物、５２ ディスク試験片、５４ リング試験片、５６ 接触面、１００，２００，３００ 摺動部材。

Claims (10)

1. 基材の表面に、吸湿性化合物を含有する被覆層を形成する工程を含むことを特徴とする表面処理方法。
2. 請求項１に記載の表面処理方法において、
   前記被覆層を形成する工程は、
   溶媒中に、吸湿性化合物と、バインダとを含む表面処理液を調製する工程と、
   前記表面処理液を前記基材の表面に塗布する工程と、
   溶媒を除去する工程と、
   を含むことを特徴とする、表面処理方法。
3. 請求項２に記載の表面処理方法において、
   前記表面処理液は、さらに撥水性を有するフッ素化合物を含有することを特徴とする、表面処理方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の表面処理方法において、
   前記吸湿性化合物が、ナトリウム化合物であることを特徴とする、表面処理方法。
5. 請求項４に記載の表面処理方法において、
   前記ナトリウム化合物が、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウムおよび硫酸ナトリウムからなる群より選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする、表面処理方法。
6. 第１の部材と、第２の部材とを相互に摺動させる摺動部材であって、
   前記第１の部材および前記第２の部材のうち少なくとも一方は、
   基材と、前記基材の表面を被覆する被覆層と、
   を備え、
   前記被覆層は、吸湿性化合物を含有することを特徴とする摺動部材。
7. 請求項６に記載の摺動部材において、
   前記被覆層は、さらに撥水性を有するフッ素化合物を含有することを特徴とする、摺動部材。
8. 第１の基材を含む第１の部材と、第２の基材を含む第２の部材とを相互に摺動させる摺動部材であって、
   前記第２の部材に対面する前記第１の基材の表面には、吸湿性化合物を含有する第１の被覆層が、
   前記第１の部材に対面する前記第２の基材の表面には、撥水性を有するフッ素化合物を含有する第２の被覆層が、
   それぞれ形成されていることを特徴とする摺動部材。
9. 請求項６から８のいずれか１項に記載の摺動部材において、
   前記吸湿性化合物が、ナトリウム化合物であることを特徴とする摺動部材。
10. 請求項９に記載の摺動部材において、
    前記ナトリウム化合物が、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウムおよび硫酸ナトリウムからなる群から選択される少なくとも１種を含むことを特徴とする摺動部材。

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