JP2009013487A

JP2009013487A - 摺動部品及び摺動機構

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Publication number: JP2009013487A
Application number: JP2007179170A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Izeki; 利幸井関
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】溶射被膜の耐磨耗性が向上した摺動部品及び摺動機構を提供する。
【解決手段】摺動面１２を有する金属基材と、溶射により前記摺動面に形成された溶射被膜とを具備し、前記溶射被膜は、黄銅と、前記黄銅中に分散した添加材と、を有している。前記黄銅は、重量％で、Ｚｎ：１０〜５５％、残部がＣｕからなり、前記添加材は、Ｃｒ_３Ｃ_２と、溶射によって溶融可能な材料であるバインダ材料を含有している。前記溶射被膜は、重量％で、前記添加材を２．５〜３０％含有し、かつ前記添加材中にＣｒ_３Ｃ_２を２〜２５％含有する。前記金属基材は、例えば鋳鉄、または少なくとも前記摺動面が浸炭処理された浸炭鋼からなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、溶射被膜を有する摺動部品及び摺動機構に関する。特に本発明は、耐磨耗性が向上した溶射被膜を有する摺動部品及び摺動機構に関する。

摺動機構として、一方の摺動部品を高力黄銅などの銅合金で形成し、他方の摺動部品を浸炭処理した鋼で形成する場合がある。このような材料の組み合わせを行うと、摺動機構の摩擦係数及び耐磨耗性等がよくなる。しかし、摺動部品の全体を銅合金で形成するとコストが高くなる。そこで、摺動部品の単価を下げる為に、摺動部品を銅合金ではなく鉄系材料で形成し、その摺動面に被膜を形成する技術の開発が行われている。被膜に求められる特性は、低摩擦係数及び耐磨耗性、並びに相手材を磨耗させないことである。

被膜を形成する方法として、溶着肉盛りにより被膜を形成する方法、及び溶射により被膜を形成する方法がある。溶着肉盛りにより被膜を形成する場合、被膜に含まれる成分の一部が蒸散して被膜の組成が変わってしまうことがある。また、被膜が厚くなりがちであり、材料コストが高くなる。

これに対して溶射により被膜を形成する方法は、被膜の組成の変化を抑制することができ、かつ被膜を薄くすることができるという特徴を有している。従来の溶射被膜の一例として、黄銅材料にＭｏを添加したものがある（例えば特許文献１参照）。
特開平７−４８６６５号公報

しかし、例えば摺動部品の相手材の鋼が高硬度である場合、黄銅材料にＭｏを添加した溶射被膜では耐磨耗性が十分ではない場合がある。
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、溶射被膜の耐磨耗性が向上した摺動部品及び摺動機構を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る摺動部品は、摺動面を有する金属基材と、
溶射により前記摺動面に形成された溶射被膜と、
を具備し、
前記溶射被膜は、黄銅と、前記黄銅中に分散した添加材と、を有しており、
前記黄銅は、重量％で、Ｚｎ：１０〜５５％、残部がＣｕからなり、
前記添加材は、Ｃｒ_３Ｃ_２と、溶射によって溶融可能な材料であるバインダ材料を含有しており、
前記溶射被膜は、重量％で、前記添加材を２．５〜３０％含有し、かつ前記添加材中にＣｒ_３Ｃ_２を２〜２５％含有することを特徴とする。

前記バインダ材料は、例えばＮｉとＣｒからなる。前記金属基材は、例えば少なくとも前記摺動面が鋳鉄又は鋼からなる。前記黄銅は、さらにＡｌ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＰｂの少なくとも一種を、合計の重量％で、０．１〜１０％含有してもよい。

本発明に係る摺動機構は、第１の摺動面を有する第１の摺動部品と、
前記第１の摺動面と摺動する第２の摺動面を有する第２の摺動部品と、
を具備し、
前記第１の摺動部品は、少なくとも前記摺動面が鋼からなり、
前記第２の摺動部品は、鋳鉄からなる基材と、溶射により前記第２の摺動面に形成された溶射被膜とを有し、
前記溶射被膜は、黄銅と、前記黄銅中に分散した添加材と、を有しており、
前記黄銅は、重量％で、Ｚｎ：１０〜５５％、残部がＣｕからなり、
前記添加材は、Ｃｒ_３Ｃ_２と、溶射によって溶融可能な材料であるバインダ材料からなり、
前記溶射被膜は、重量％で、前記添加材を２．５〜３０％含有し、かつ前記添加材中にＣｒ_３Ｃ_２を２〜２５％含有することを特徴とする。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、摺動機構の一例としてロッカカムとクレードルの組み合わせを用いている。ロッカカム及びグレードルは、例えば図１に示す斜板式油圧ポンプに用いられる。

図１に示すように、この斜板式油圧ピストンポンプ５１においては、ドライブシャフト５２とシリンダブロック５３とが同軸上に配置され、シリンダブロック５３と共に回転するピストン５４の一端部に嵌め込まれる球状頭部を有してなるピストンシュー５５を、ドライブシャフト５２に対して傾斜配置されるロッカカム１０に対して摺動させることにより、ピストン５４をシリンダブロック５３内で往復運動させ、これによりバルブプレート５７の吸入ポート５７ａを介して吸い込まれた油を高圧にしてそのバルブプレート５７の吐出ポート５７ｂから吐出するように構成されている。なお、ロッカカム１０の傾斜は、クレードル２０との摺動面に沿った回転により変更され、吐出油量の調整に用いられる。このため、ロッカカム１０とクレードル２０の摺動部分には、耐磨耗性が求められる。

また、この斜板式油圧ピストンポンプ５１の高出力化で不可欠なことは、油圧の高圧化と高流量化であって、ピストンシュー５５とロッカカム１０との摺動性の改善、並びにロッカカム１０とピストン５４との傾斜角度を大きくとることによって高圧油の吐出量を多くすることが重要である。

図２（Ａ）はロッカカム１０の斜視図であり、図２（Ｂ）はクレードル２０の斜視図である。図３はロッカカム１０とクレードル２０を組み合わせた状態を説明するための図である。

図２（Ａ）に示すように、ロッカカム１０は凸状の曲面である摺動面１２を有しており、クレードル２０は凹状の曲面である摺動面２２を有している。そして図３に示すように、摺動面２２上に摺動面１２が配置され、摺動面２２，１２が互いに摺動することでロッカカム１０はクレードル２０上で摺動する。

本実施形態において、ロッカカム１０は浸炭処理が行われた鋼（例えばクロム鋼であるＳＣｒ４２０）、高周波焼入れが行われた鋼、又は表面に窒化処理が行われた鋼で形成されており、クレードル２０は鋳鉄で形成されている。そして摺動面１２，２２のいずれか一方に溶射被膜が形成されている。

本発明者が鋭意検討を行った結果、溶射により溶融可能なバインダ材料にＣｒ_３Ｃ_２を加えた添加材を黄銅に添加し、これを摺動部品に溶射して溶射被膜を形成することにより、溶射被膜の耐磨耗性を向上させることができることを見出した。そして、溶射被膜における添加材の比率、及び添加材におけるＣｒ_３Ｃ_２の比率をそれぞれ適切な範囲にすることにより、相手方の摺動部品の磨耗量を抑えることができることを見出した。

本実施形態に係る溶射被膜は、上記した知見に基づいたものであり、黄銅に添加材を分散させた構造を有している。黄銅は、Ｚｎ：１０〜５５重量％、残部がＣｕからなる。黄銅としては高力黄銅を用いるのが好ましく、この場合は、さらにＡｌ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＰｂの少なくとも一種を、合計の重量％で、０．１〜１０％含有する。溶射被膜の母材に黄銅を用いるには、摩擦係数を低くする為である。

添加材は、Ｃｒ_３Ｃ_２、及び溶射によって溶融可能な材料であるバインダ材料からなる。Ｃｒ_３Ｃ_２の含有率は、例えば２５〜５０重量％である。溶射被膜にＣｒ_３Ｃ_２を添加するのは、溶射被膜に十分な耐磨耗性を持たせる為である。添加材にバインダ材料を添加するのは、Ｃｒ_３Ｃ_２は溶射で溶融しない為である。バインダ材料は、例えばＮｉ_ｘＣｒ_１−ｘ（０．６＜ｘ＜０．９）である。溶射被膜における添加材の含有量は、２．５〜３０重量％である。ただし、溶射被膜に含まれるＣｒ_３Ｃ_２が２〜２５％となるようにする。

溶射被膜を上記した構成にする為には、黄銅に上記した組成を有する添加材を添加した溶射材料を使用すればよい。溶射材料の状態における添加材の添加量は、溶射時の飛散を考慮して、５〜５０重量％とする。

なお、ロッカカム１０及びクレードル２０のいずれに溶射被膜を形成する場合においても、溶射被膜と基材（ロッカカム１０の場合は例えば浸炭処理が行われた鋼、クレードル２０の場合は例えば鋳鉄）の間には、熱膨張差を緩和することを目的とした中間層を設けるのが好ましい。中間層に求められる性質は、熱膨張係数が基材を構成する材料と溶射被膜の間の値であること、及び、基材及び溶射被膜のいずれに対しても濡れ性がよいことである。中間層としては、例えばＮｉ_ｙＡｌ_１−ｙ（０．８＜ｙ＜０．９８）を溶射して形成された膜を用いる。

次に、摺動面１２，２２のいずれかに溶射被膜を形成する方法を説明する。まず摺動面にブラスト処理を行う。次いで、必要に応じて予熱を行う。そして必要に応じて、中間層となる溶射被膜を形成する。その後、上記した組成を有する溶射材を用いて溶射被膜を形成する。溶射の方法は、例えば高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ溶射）であるが、他の溶射方法、例えばプラズマ溶射でもよい。

なお、本実施形態では摺動機構として摺動機構の一例としてロッカカムとクレードルの組み合わせを用いたが、他の摺動機構の摺動面に、本実施形態で示した溶射被膜を本実施形態と同様の手法で形成しても良い。

（実施例１）
鋳鉄であるＦＣＤ６００からなる試験片の摺動面にブラスト処理を行い、その後、摺動面に中間層及び照射被膜を、この順に高速フレーム溶射により形成した。中間層としては、Ｎｉ_０．９５Ａｌ_０．０５を使用した。また溶射被膜となる溶射材料において、黄銅としては、表１に組成を示す高力黄銅を使用し、添加材としてはＣｒ_３Ｃ_２を７５％、バインダ材料であるＮｉ_０．７５Ｃｒ_０．２５を２５重量％含むものを使用した。また、溶射材料の添加材含有率を、２０重量％（すなわち溶射材料のＣｒ_３Ｃ_２の含有率が１５重量％）及び３０重量％（すなわち溶射材料のＣｒ_３Ｃ_２の含有率が２２．５重量％）にすることにより、２つの実施例に係る試料を作製した。なお、表１における単位は重量％である。

また、比較例として、添加材をＭｏとし、溶射材料の添加材含有率を５重量％にした試料を作製した。比較例に係る試料の構成は、溶射材料の成分を除いて実施例と同様である。

上記した実施例及び比較例に係る試料の特性を調べる為、浸炭処理が行われたＳＣｒ４２０からなる相手材に対する摺動試験を行った。相手材に対する試料の面圧は３０ＭＰａとして、摺動速度は０．５ｍ／秒として、８時間ほど摺動を行い、試料の摺動面及び相手材それぞれの磨耗量と、すべり摩擦係数μを測定した。

実施例に係る２つの試料は、すべり摩擦係数μが０．１２であり、比較例に係る試料もすべり摩擦係数μが０．１２であった。このことから、すべり摩擦係数に関しては、実施例に係る試料は比較例に係る試料と同等の特性を有することが分かった。

一方、実施例において溶射材料の添加材含有率を２０重量％とした場合、試料の摺動面及び相手材の磨耗量は、それぞれ平均値が１３μｍ及び１μｍであった。また、溶射材料の添加材含有率を３０重量％とした場合、試料の摺動面及び相手材の磨耗量は、それぞれ平均値が１１．５μｍ及び０．７５μｍであった。これに対し、比較例に係る試料の摺動面及び相手材の磨耗量は、それぞれ平均値が１４９μｍ及び０．７５μｍであった。このことから、実施例に係る試料は、いずれも耐磨耗性が比較例と比べてよく、かつ相手材の磨耗量も比較例と同等であることが分かった。

（実施例２）
浸炭処理が行われたＳＣｒ４２０からなる試験片の摺動面にブラスト処理を行い、その後、摺動面に中間層及び照射被膜を、この順に溶射により形成した。中間層及び黄銅、及び添加材は、実施例１と同様のものを使用した。また、溶射材料の添加材含有率を、１０重量％及び２０重量％にすることにより、２つの実施例に係る試料を作製した。

また、比較例として、溶射材料の添加材含有率を１００重量％及び９０重量％にした試料をそれぞれ作製した。比較例に係る試料の構成は、溶射材料の成分を除いて実施例と同様である。

図４の各図は、実施例及び比較例の溶射被膜の表面ＳＥＭ写真である。（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）は、それぞれ添加材含有率が１０重量％、２０重量％、９０重量％、及び１００重量％の場合の溶射被膜の断面光学顕微鏡写真である。本写真から分かるように、溶射後においても黄銅と添加材は互いに分離して存在している。そして添加材含有率が低い場合は母材である黄銅中に添加材が分散している状態になっている（図４（Ａ）及び（Ｂ））。また、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）の例における溶射被膜の硬度は、それぞれＨＶ２８０、ＨＶ２８３、ＨＶ６５０、及びＨＶ５６２であった。このように、添加材含有率が低い場合、溶射被膜の硬度がある程度低くなり、これにより、溶射被膜の表面粗さの確保が容易になる。

上記した実施例及び比較例に係る試料の特性を調べる為、鋳鉄であるＦＣ３００からなる相手材に対する摺動試験を行った。相手材に対する試料の面圧は３０ＭＰａとして、摺動速度は０．５ｍ／秒として、８時間ほど摺動を行い、試料の摺動面及び相手材それぞれの磨耗量と、すべり摩擦係数μを測定した。

実施例に係る２つの試料は、添加材が１０重量％の場合のすべり摩擦係数μが０．０９であり、添加材が２０重量％の場合のすべり摩擦係数μが０．１１であった。このことからすべり摩擦係数に関しては、本実施例に係る試料は、実施例１の比較例に係る試料と同等以上の特性を有することが分かった。

また、試料の摺動面及び相手材の磨耗量は、添加材が１０重量％の場合がそれぞれ平均値で１．５μｍ及び１．７５μｍであり、添加材が２０重量％の場合が２．６５μｍ及び２．５μｍであった。このことから、実施例に係る試料は、いずれも耐磨耗性が実施例１の比較例と比べてよく、かつ相手材の磨耗量も実施例１の比較例と同等であることが分かった。

一方、本実施例の比較例に係る試料のすべり摩擦係数μは、添加材が１００重量％の場合及び９０重量％の場合のいずれにおいても、０．１４であり、実施例１の比較例と比べてやや悪かった。また本実施例の比較例に係る試料の摺動面の磨耗量は、添加材が１００重量％の場合が平均値で１．６μｍ、添加材が９０重量％の場合が平均値で１．１５μｍと、低い値になった。しかし、相手材の磨耗量は、添加材が１００重量％の場合は平均値で２２．５μｍ、添加材が９０重量％の場合は３８μｍと、高い値になった。このことから、添加材が多すぎると、相手材の磨耗量が増加することが示された。

以上から、溶射被膜を黄銅及び添加材で構成し、この添加材を、Ｃｒ_３Ｃ_２と、溶射によって溶融可能な材料であるバインダ材料で構成し、かつ溶射被膜中のＣｒ_３Ｃ_２を本発明に係る範囲内にすることにより、溶射被膜の耐磨耗性を向上させることができることが示された。また、相手材の磨耗量も少なくできることが示された。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

斜板式油圧ポンプ５１の構成を説明するための一部断面図。（Ａ）はロッカカム１０の斜視図、（Ｂ）はクレードル２０の斜視図。ロッカカム１０とクレードル２０を組み合わせた状態を説明するための図。実施例及び比較例の溶射被膜の表面ＳＥＭ写真。

符号の説明

１０…ロッカカム、１２，２２…摺動面、２０…クレードル、５１…斜板式油圧ポンプ

Claims

摺動面を有する金属基材と、
溶射により前記摺動面に形成された溶射被膜と、
を具備し、
前記溶射被膜は、黄銅と、前記黄銅中に分散した添加材と、を有しており、
前記黄銅は、重量％で、Ｚｎ：１０〜５５％、残部がＣｕからなり、
前記添加材は、Ｃｒ_３Ｃ_２と、溶射によって溶融可能な材料であるバインダ材料を含有しており、
前記溶射被膜は、重量％で、前記添加材を２．５〜３０％含有し、かつ前記添加材中にＣｒ_３Ｃ_２を２〜２５％含有することを特徴とする摺動部品。
前記バインダ材料は、ＮｉとＣｒからなることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
前記金属基材は、少なくとも前記摺動面が鋳鉄又は鋼からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部品。
前記黄銅は、さらにＡｌ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、及びＰｂの少なくとも一種を、合計の重量％で、０．１〜１０％含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部品。
第１の摺動面を有する第１の摺動部品と、
前記第１の摺動面と摺動する第２の摺動面を有する第２の摺動部品と、
を具備し、
前記第１の摺動部品は、少なくとも前記摺動面が鋼からなり、
前記第２の摺動部品は、鋳鉄からなる基材と、溶射により前記第２の摺動面に形成された溶射被膜とを有し、
前記溶射被膜は、黄銅と、前記黄銅中に分散した添加材と、を有しており、
前記黄銅は、重量％で、Ｚｎ：１０〜５５％、残部がＣｕからなり、
前記添加材は、Ｃｒ_３Ｃ_２と、溶射によって溶融可能な材料であるバインダ材料からなり、
前記溶射被膜は、重量％で、前記添加材を２．５〜３０％含有し、かつ前記添加材中にＣｒ_３Ｃ_２を２〜２５％含有することを特徴とする摺動機構。