JP2009030082A - 摺動部材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】接触摺動部における油膜の厚さが比較的薄い状況下おいても、境界潤滑領域での摺動を維持し、信頼性が高く、安価な摺動部材、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の摺動部材は、互いに摺動する摺動部材１０１であって、少なくとも一方の摺動部材１０１の摺動面１３０に炭酸カルシウムの成分が転写されたものであり、炭酸カルシウムが有する固体潤滑機能を摺動面１３０に付与して、摺動部材１０１の摺動面１３０の耐摩耗、耐焼付き性を向上させ、境界潤滑領域においても摩耗を低減した構成である。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の摺動部材は、互いに摺動する摺動部材１０１であって、少なくとも一方の摺動部材１０１の摺動面１３０に炭酸カルシウムの成分が転写されたものであり、炭酸カルシウムが有する固体潤滑機能を摺動面１３０に付与して、摺動部材１０１の摺動面１３０の耐摩耗、耐焼付き性を向上させ、境界潤滑領域においても摩耗を低減した構成である。
【選択図】図１
Description
本発明は、各種産業機器、例えば冷凍冷蔵庫用圧縮機、工作機械、自動車用内燃機関などが駆動する際に互いに接触して、摺動する摺動部分に用いられる摺動部材及びその製造方法に関するものである。
近年、様々な産業機器にあっては、高出力化や低回転数化など様々な駆動条件に対して適合できる摺動部分の表面改質技術が強く望まれている。
図１３は摺動部分に用いられる従来の摺動部材の断面図である。図１３において、第１の摺動部材１及びその相手側となる第２の摺動部材１０は、例えば、冷凍冷蔵庫用圧縮機のクランクシャフトとベアリングや、ピストンピンとコンロッド等に代表されるような互いに摺動し合う部材である。第１の摺動部材１と第２の摺動部材１０との間の接触摺動部２０には、潤滑と冷却の機能を有する潤滑油が供給される。
図１３は摺動部分に用いられる従来の摺動部材の断面図である。図１３において、第１の摺動部材１及びその相手側となる第２の摺動部材１０は、例えば、冷凍冷蔵庫用圧縮機のクランクシャフトとベアリングや、ピストンピンとコンロッド等に代表されるような互いに摺動し合う部材である。第１の摺動部材１と第２の摺動部材１０との間の接触摺動部２０には、潤滑と冷却の機能を有する潤滑油が供給される。
従来の摺動部材において、第１の摺動部材１及び第２の摺動部材１０は、加工し易く、かつ比較的安価な鉄やアルミニウムを主成分とする鉄系やアルミニウム系の材料により形成されている。
第１の摺動部材１及びその相手側である第２の摺動部材１０の両摺動面３０，４０を微視的に見ると、各々には粗さやうねりがある。接触摺動部２０の摺動実態は、摺動面３０，４０の凹凸による金属接触部分と、摺動部材間の潤滑油などの油膜部分とで支え合っており、いわゆる境界潤滑領域と流体潤滑領域とが共存する混合潤滑領域であることが知られている。
冷凍冷蔵庫用圧縮機にて通常よく使用される回転数である１５００〜３０００ｒｐｍの条件下において、接触摺動部２０の油膜の厚さは１〜２μｍ程度かそれ以下と計算されている。従来の摺動部材においては、摺動面３０，４０の凹凸を小さくして、第１の摺動部材１及び第２の摺動部材１０の摺動面３０，４０を平滑化することにより、接触摺動部２０での摺動による摩耗を抑え、摩擦損失を低減していた（例えば、特許文献１参照。）。
そこで、従来の摺動部材においては、第１の摺動部材１及び第２の摺動部材１０の各摺動面３０，４０は、両面ともＲａ０．３〜０．６μｍ程度の表面粗さに研削加工された後、ラッピングやホーニング等によりＲａ０．２μｍ以下に仕上げ加工されている。この結果、第１の摺動部材１及び第２の摺動部材１０の両方の摺動面３０，４０の粗さやうねりは殆ど除去されていた。
特開２０００−１４５６３７号公報
しかしながら、上記従来の構成では、例えば、冷凍冷蔵庫用圧縮機において更なる高出力化、低回転化が進むことで、摺動実態が一層苛酷になり、その結果、第１の摺動部材１と第２の摺動部材１０との間の接触摺動部２０の油膜が破断し、摺動部材１，１０同士の金属接触が主となる境界潤滑領域での摺動状態が支配的となる。このような摺動状態が長期間継続すると、金属接触過多による摺動発熱が顕著となり、接触摺動部２０において凝着摩耗やアブレシブ摩耗が進行することがある。その結果、互いの接触摺動面の荒れが加速され、最終的に、凝着による焼付きや、異常摩耗が発生する可能性がある。
本発明は、上記従来の構成における課題を解決するものであり、油膜厚さが比較的薄い状況下、つまり境界潤滑領域においても、摺動部材の摩耗を低減し、信頼性が高い摺動部材を提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明の摺動部材は、互いに摺動する摺動部材であって、少なくとも一方の摺動部材の摺動面に炭酸カルシウムの成分が転写されたものであり、炭酸カルシウムが有する固体潤滑機能が摺動面に付与されている。このため、本発明の摺動部材は摺動部材の摺動面の耐摩耗、耐焼付き性を向上させるという作用を有する。
本発明の摺動部材及びその製造方法によれば、接触摺動部における油膜厚さが比較的薄い状況下、つまり境界潤滑領域においても摩耗や焼付きを抑制し、信頼性が高い摺動部材及びその製造方法を提供することができる。
本発明に係る第１の観点の摺動部材は、互いに摺動する摺動部材であって、少なくとも一方の摺動部材の摺動面に炭酸カルシウムの成分が転写されたものである。このように構成された第１の観点の摺動部材は、炭酸カルシウムが有する固体潤滑機能を摺動面に付与しており、摺動部材の摺動面の耐摩耗、耐焼付き性を向上させ、境界潤滑領域においても摩耗を低減し、信頼性が高い摺動部材を提供することができる。
本発明に係る第２の観点の摺動部材は、上記の第１の観点における摺動部材の摺動面に微細くぼみを多数形成したものである。このように構成された第２の観点の摺動部材は、微細くぼみが油溜りとして機能するため、上記の第１の観点による効果に加えて、摺動面外部からの潤滑油の供給が滞るような条件下であっても、接触摺動部の潤滑油を保持し摩耗を低減させることができ、さらに信頼性が高い摺動部材を提供することができる。
本発明に係る第３の観点の摺動部材の製造方法は、炭酸カルシウムの成分を有する投射粒子を摺動部材の摺動面に投射することにより、上記の第１の観点又は第２の観点における摺動部材を製造する製造方法である。上記の第３の観点の摺動部材の製造方法においては、投射粒子の衝突時の衝撃エネルギーによって、摺動部材と投射粒子の表面温度が上昇し、お互いの表面を活性化させることで、摺動面に、固体潤滑機能を有する炭酸カルシウムの成分が転写されるとともに、同時に多数の微細くぼみも形成されるので、信頼性が高く、かつ生産性に優れた摺動部材の製造方法を提供することができる。
本発明に係る第４の観点の摺動部材の製造方法は、上記の第３の観点における投射粒子が石灰石粉末としたものである。第４の観点の摺動部材の製造方法において、投射粒子の形状はアスペクト比（縦方向の径と横方向の径の比率）が概ね１〜１．５からなる塊状であるため、投射粒子の移送経路中における流動性は高い。したがって、第４の観点の摺動部材の製造方法によれば、上記の第３の観点の製造方法による効果に加えて、さらに投射される投射粒子の量のばらつきを抑制することが可能となり、生産性に優れ、かつ信頼性が高い摺動部材を提供することができる。
本発明に係る第５の観点の摺動部材の製造方法は、上記の第３の観点における投射粒子が、貝殻、サンゴ、真珠層、卵殻のうち、少なくとも一つを原料として粉末としたものである。第５の観点の摺動部材の製造方法においては、従来、産業廃棄物として処理されていた材料を投射粒子としてリサイクルすることができるため、上記の第３の観点の製造方法による効果に加えて、さらに地球環境保護に配慮し、かつ信頼性が高い摺動部材を提供することができる。
以下、本発明に係る好適な実施例について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、以下に述べる実施例は本発明の具体例であり、これらの実施例の構成によって本発明が限定されるものではなく、本発明は以下の各実施例に示される技術的思想により構築される全ての構成が含まれものである。
図１は本発明に係る実施例１の摺動部材の一部を拡大して示した拡大断面概略図であり、図２は実施例１の摺動部材の製造方法を示す模式図である。
本発明に係る実施例１の摺動部材１０１について、以下に説明する。
摺動部材１０１は、アルミニウム系の材質であるアルミ合金（ＪＩＳ：Ａ６０６３）を基材１０２として形成したものである。
摺動部材１０１は、アルミニウム系の材質であるアルミ合金（ＪＩＳ：Ａ６０６３）を基材１０２として形成したものである。
摺動部材１０１の摺動面１３０には、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が数μｍの厚さで転写された転写層１０４が形成されている。ここで、転写とは、投射粒子１１１の成分を基材１０２の表面及び表面近傍に移着、混入させることを言う。ここでは、転写させたい成分を有した投射粒子１１１を所定の速度で摺動部材１０１の摺動面１３０に投射することで実現している。
また、摺動面１３０には多数の略円形の微小な微細くぼみ１０５が形成されている。微細くぼみ１０５の開口径は最大で１０数μｍ程度である。
また、摺動面１３０には多数の略円形の微小な微細くぼみ１０５が形成されている。微細くぼみ１０５の開口径は最大で１０数μｍ程度である。
次に、実施例１の摺動部材１０１の製造方法について詳細に説明する。
まず、摺動部材１０１の摺動面１３０となる基材１０２の表面を研削加工することにより、表面粗さをＲａ０．３μｍ程度に仕上げておく。次に、投射粒子供給装置１２１（図２）を用いて、投射粒子１１１を基材１０２の表面に投射する。
まず、摺動部材１０１の摺動面１３０となる基材１０２の表面を研削加工することにより、表面粗さをＲａ０．３μｍ程度に仕上げておく。次に、投射粒子供給装置１２１（図２）を用いて、投射粒子１１１を基材１０２の表面に投射する。
投射粒子供給装置１２１は、貯蔵タンク（図示せず）内に貯蔵された投射粒子１１１を移送するための投射粒子移送配管１２２を、キャリアガス１２３が流れるガス配管１２４に接合して、ガス配管１２４の先端にノズル１２５が設置されたものである。
実施例１において、投射粒子１１１として用いた石灰石粉末は、地球資源の石灰石を原料とし、微粉砕機（ローラーミル）と高精度の分級機（セパレーター）にて生産された重質炭酸カルシウムのことである。石灰石粉末は、その平均粒径が２０μｍ前後であり、アスペクト比（縦方向の径と横方向の径の比率）が平均で１．３２である塊状を有するものである。
次に、実施例１で使用した石灰石粉末と、化学的に製造された工業用炭酸カルシウムとの化学成分、及び比重を表１に示す。
次に、実施例１で使用した石灰石粉末と、化学的に製造された工業用炭酸カルシウムとの化学成分、及び比重を表１に示す。
表１から、酸素（Ｏ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）の成分比率の合計は９８％以上となり、石灰石粉末は、工業用炭酸カルシウムと同様に高純度の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）であることが分かる。また、比重もほぼ同じである。
貯蔵タンクに貯留された投射粒子１１１は、電動ギアポンプ（図示せず）により投射粒子移送配管１２２を通って、ガス配管１２４との接合部位まで移送される。ガス配管１２４内のキャリアガス１２３は、エアーポンプ（図示せず）を使用した乾燥空気であり、ガス圧が０．３〜０．６ＭＰａの範囲内となるよう調整されている。
このように、ガス配管１２４と投射粒子移送配管１２２との接合部位まで連続的に移送された投射粒子１１１が、キャリアガス１２３によりノズル１２５の先端口１２６より１００ｍ／ｓ前後の速度で摺動部材１０１の摺動面１３０に対して略垂直に投射される。なお、ノズル１２５の先端口１２６から摺動部材１０１の摺動面１３０までの距離は３０〜４０ｍｍの範囲内とした。
さらに、上記のように製造された実施例１の摺動部材１０１について、図３及び図４を用いて詳述する。
図３は、摺動部材１０１における摺動面１３０のＥＤＸ元素分析特性図、図４は摺動面１３０のＸ線回折分析特性図である。
図３は、投射粒子１１１の投射前後の摺動部材１０１の摺動面１３０をＥＤＸ分析装置にて分析した結果を示しており、（ａ）が投射前であり、（ｂ）が投射後である。図３において、横軸は印加電圧［ｋｅＶ］、縦軸は１秒当りのカウント数（強度）［ｃｐｓ］である。なお、図３に示す分析結果においては、分析条件として印加電圧を最大１５ｋｅＶとし、表面から深さ２〜４μｍ前後に存在する元素の情報を示した。
図３は、投射粒子１１１の投射前後の摺動部材１０１の摺動面１３０をＥＤＸ分析装置にて分析した結果を示しており、（ａ）が投射前であり、（ｂ）が投射後である。図３において、横軸は印加電圧［ｋｅＶ］、縦軸は１秒当りのカウント数（強度）［ｃｐｓ］である。なお、図３に示す分析結果においては、分析条件として印加電圧を最大１５ｋｅＶとし、表面から深さ２〜４μｍ前後に存在する元素の情報を示した。
この結果から、投射後において、投射前に比べ、投射粒子１１１の構成元素である酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、及びカルシウム（Ｃａ）のピークが顕著に高くなっていることが分かる。
図４は、投射粒子１１１の投射前後の摺動部材１０１の摺動面１３０をＸ線回折装置で分析した結果であり、（ａ）が投射前であり、（ｂ）が投射後である。図４において、横軸はＸ線の入射角度（回折角２θ）［ｄｅｇ］、縦軸は１秒当りのカウント数（強度）［ｃｐｓ］である。なお、図４に示す分析結果は、薄膜Ｘ線回折法にて実施したものであり、表面から深さ５μｍ前後の組織構造の情報を示したものである。各図の下方に記載した横軸を起点とする複数の縦実線はいずれも炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３−Ｃａｌｃｉｔｅ）のピーク位置を示し、また、縦破線は基材１０２であるアルミニウム（Ａｌ）のピーク位置を示す。
この結果から、投射後において、回折角２θが２９°付近のピーク、すなわち炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３−Ｃａｌｃｉｔｅ）のピークが発現していることが分かる。
図３及び図４に示す結果から、摺動部材１０１の摺動面１３０には、投射粒子１１１の成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が転写された転写層１０４が形成されていると判断できる。また、図示していないが、表面から深さが１０μｍ以上の組織構造を分析したＸ線回折結果では、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）のピークが極端に小さくなることが示されていた。このため、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を多く含有する転写層１０４の厚みは、数μｍ程度であると推察される。
図３及び図４に示す結果から、摺動部材１０１の摺動面１３０には、投射粒子１１１の成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が転写された転写層１０４が形成されていると判断できる。また、図示していないが、表面から深さが１０μｍ以上の組織構造を分析したＸ線回折結果では、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）のピークが極端に小さくなることが示されていた。このため、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を多く含有する転写層１０４の厚みは、数μｍ程度であると推察される。
次に、以上のように製造された摺動部材１０１の摩擦摩耗特性について、リングオンディスク方式の摩擦摩耗試験装置を用いて評価したので以下に詳述する。
摺動部材１０１をディスクとして配置し、相手側摺動部材として、摺動面の内径が３８ｍｍ、外径が４０ｍｍ、表面粗さがＲａ０．２以下、アルミニウム系の材質であるアルミ合金（Ａ６０６３）で形成されたリングを用いた。
摺動部材１０１をディスクとして配置し、相手側摺動部材として、摺動面の内径が３８ｍｍ、外径が４０ｍｍ、表面粗さがＲａ０．２以下、アルミニウム系の材質であるアルミ合金（Ａ６０６３）で形成されたリングを用いた。
試験条件は、温度２２〜２８℃、相対湿度５５〜６５％の雰囲気下において、垂直荷重４９Ｎ、すべり速度０．４７ｍ／ｓとした。
潤滑油として鉱油を使用し、潤滑油は実験前に０．１ｍＬ滴下するのみであり、すべり長さ（摺動距離）の増加によって潤滑油は消費される。試験途中で、接触摺動部にて摩耗が進行し、摩擦係数が急激に増加して０．３以上に達した地点で潤滑油が枯渇して焼付きが発生したものと判断し、試験を終了させた。なお、上記のディスクとリングの仕様条件を実施例１条件１とする。
潤滑油として鉱油を使用し、潤滑油は実験前に０．１ｍＬ滴下するのみであり、すべり長さ（摺動距離）の増加によって潤滑油は消費される。試験途中で、接触摺動部にて摩耗が進行し、摩擦係数が急激に増加して０．３以上に達した地点で潤滑油が枯渇して焼付きが発生したものと判断し、試験を終了させた。なお、上記のディスクとリングの仕様条件を実施例１条件１とする。
また、本発明に係る実施例１の摺動部材１０１に関する摩擦摩耗特性を評価するために、投射粒子１１１の形状などを変更した他の仕様も実施例１条件１の仕様と併せて下記表２に示す。他のいずれの仕様も、基材１０２はアルミニウム系の材質であるアルミ合金（Ａ６０６３）、相手側摺動部材は外径、内径、及び表面粗さを同じとしたアルミニウム系の材質であるアルミ合金（Ａ６０６３）で形成したリングを用いた。
実施例１条件２は、表面粗さをＲａ０．３μｍに研削加工した後に、投射粒子１１１を摺動部材１０１の摺動面１３０に投射している。投射粒子１１１として、炭酸カルシウムの成分が９８％以上の石灰石粉末を用いた。石灰石粉末は、平均粒径が３μｍ前後であり、アスペクト比が平均で１．２７の塊状を有するものである。なお、実施例１条件２においては、実施例１条件１とほぼ同等程度の炭酸カルシウム成分が転写された転写層１０４を確認している。実施例１条件２では、微細くぼみ１０５が最大でも１μｍ程度であり、実質的に平滑面とほぼ同等である。
比較例は、従来の摺動部材であって、Ｒａ０．３〜０．６μｍ程度の表面粗さに研削加工され、その後、ラッピングによりＲａ０．２μｍ以下となるように表面仕上げ加工されている。
表２に示す仕様による摩擦摩耗特性に関する試験結果を以下に説明する。
図５は実施例１における実施例１条件１、実施例１条件２、及び比較例における焼付きに関する特性図であり、条件毎に焼付きまでのすべり長さ［ｍ］を比較したグラフである。
図６は実施例１における実施例１条件１、実施例１条件２、及び比較例のディスクの比摩耗量の特性図であり、条件毎に試験後の摩耗体積を各々のすべり長さ及び垂直荷重で除して算出した比摩耗量［ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）］を比較したグラフである。
図５は実施例１における実施例１条件１、実施例１条件２、及び比較例における焼付きに関する特性図であり、条件毎に焼付きまでのすべり長さ［ｍ］を比較したグラフである。
図６は実施例１における実施例１条件１、実施例１条件２、及び比較例のディスクの比摩耗量の特性図であり、条件毎に試験後の摩耗体積を各々のすべり長さ及び垂直荷重で除して算出した比摩耗量［ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）］を比較したグラフである。
図５に示した結果から、比較例がすべり長さ約１００ｍ程度で早々に焼付いたのに対し、実施例１条件１の焼付きまでのすべり長さは比較例に比べて約１４倍であった。一方、実施例１条件２の焼付きまでのすべり長さは比較例に比べて約１０倍であった。また、図示していないが、実施例１条件１、実施例１条件２では、焼付きが発生するまでの摩擦係数は０．１〜０．２の間で推移しており、境界潤滑領域での摺動を保持していたことを確認した。
また、図６に示した結果から、実施例１条件１の比摩耗量が比較例に比べて約１／１４０であった。一方、実施例１条件２の比摩耗量は比較例に比べて約１／７０であった。
したがって、実施例１条件１、並びに実施例１条件２の摺動部材１０１はともに著しく耐焼付き性及び耐摩耗性が改善されていた。
これは、摺動部材１０１の摺動面１３０に形成された炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を成分とする転写層１０４が耐焼付き性、耐摩耗性の向上に大きく寄与したためであると推察される。
したがって、実施例１条件１、並びに実施例１条件２の摺動部材１０１はともに著しく耐焼付き性及び耐摩耗性が改善されていた。
これは、摺動部材１０１の摺動面１３０に形成された炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を成分とする転写層１０４が耐焼付き性、耐摩耗性の向上に大きく寄与したためであると推察される。
具体的には、投射粒子１１１の投射による衝撃力によって、摺動部材１０１の摺動面１３０と投射粒子１１１の表面の温度が瞬間的に上昇した際に、両者の表面が活性化し、投射粒子１１１の成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が摺動面１３０に転写されたことで、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が有する無機系の固体潤滑作用の特性が発揮され、接触摺動部での金属接触を抑制し、接触摺動部の耐摩耗性が向上したものと推察される。
以上のことから、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）に顕著な固体潤滑効果があることを見出すことができ、さらに、実施例１に示した製造方法により、石灰石粉末に対して、耐摩耗性及び耐焼付き性に優れた摺動部材１０１を製造するための用途を新たに創出することができた。
さらに、摺動部材１０１の摺動面１３０に形成された微細くぼみ１０５について、図５及び図６の結果を用いて考察する。
実施例１条件２により製造された摺動部材の耐焼付き性、耐摩耗性は、比較例と比べると明らかに改善されているが、実施例１条件１と比べて、耐焼付き性、耐摩耗性がやや低いことが分かる。
実施例１条件２により製造された摺動部材の耐焼付き性、耐摩耗性は、比較例と比べると明らかに改善されているが、実施例１条件１と比べて、耐焼付き性、耐摩耗性がやや低いことが分かる。
実施例１条件１は、投射粒子１１１の投射による衝撃力により、摺動面１３０が塑性変形して、開口径が最大で１０数μｍ程度からなる多数の微細くぼみ１０５が形成されている。この結果、外部からの潤滑油の供給が滞るような条件下であっても、微細くぼみ１０５が油溜りとして機能して、接触摺動部にて潤滑作用が発揮できると推察される。
一方、実施例１条件２は、微細くぼみ１０５の開口径が最大でも１μｍ程度であり、実質的に平滑面とほぼ同等であることから、接触摺動部での油溜りによる潤滑作用が十分に発揮することができないため、接触摺動部で摩耗が進行し、焼付きが発生したと推察される。
したがって、摺動面１３０に、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が転写された転写層１０４と微細くぼみ１０５が同時に形成されるように、投射粒子１１１の粒度や投射条件などを適宜調整することが、耐摩耗性、耐焼付き性の向上の観点からより好ましい。
以上のように、摺動部材１０１の摺動面１３０に、石灰石粉末で構成された投射粒子１１１を投射することにより、投射粒子１１１の成分が転写された転写層１０４と、略円形の微細くぼみ１０５が形成される。
この結果、接触摺動部に、無機系の固体潤滑作用の特性とともに、潤滑剤の潤滑作用が付与されることにより、接触摺動部における摩耗が相乗的に低減される。このため、実施例１に示した摺動部材の製造方法は、信頼性の高い摺動部材１０１を製造することができる。
加えて、実施例１において示した、投射粒子１１１を摺動部材１０１の摺動面１３０に高速投射する摺動部材１０１の製造方法は、投射粒子１１１の材質や形状、投射条件を調整することによって、摺動部材１０１の摺動面１３０に投射粒子１１１の成分が転写された転写層１０４と多数の微細くぼみ１０５を同時に形成して、摺動面１３０を耐摩耗性及び耐焼付き性に優れた表面に改質することができる。
そのため、実施例１の摺動部材１０１の製造方法によれば、ＰＶＤやＣＶＤなどを用いた製造方法に比べて複雑な装置が不要であり、摺動部材１０１を安価に製造することが可能である。
そのため、実施例１の摺動部材１０１の製造方法によれば、ＰＶＤやＣＶＤなどを用いた製造方法に比べて複雑な装置が不要であり、摺動部材１０１を安価に製造することが可能である。
なお、実施例１の摺動部材の製造方法では、粒径が２０μｍ以下の石灰石粉末（重質炭酸カルシウム）を投射粒子１１１として用いたが、最近の粉砕分級技術の進歩により、粒径が数百〜１μｍ以下まで生産できるようになっており、摺動部材１０１の材質、例えば硬度などに合わせて、適切な粒度分布を選択すればよい。
また、実施例１の摺動部材の製造方法において用いる石灰石粉末の形状は、粒度に関係なく、アスペクト比が１〜１．５の塊状であり、投射粒子移送配管１２２内にて移送される投射粒子１１１の流動性が高く、ノズル１２５の先端口１２６から投射粒子１１１が均一に投射されるので、摺動面１３０に均一な転写層１０４が形成できる。即ち、石灰石粉末は、投射粒子１１１として適した粒子であると言える。
加えて、石灰石粉末は、通常、大気中では水分や二酸化炭素、空気とは反応しない安定的な物質で取り扱い易く、また、安価であることから、生産性に優れている。
また、石灰石を原料とした石灰乳から、炭酸ガス反応法、あるいはソーダ灰反応法にて製造された軽質炭酸カルシウム粉末を投射粒子１１１として用いても、石灰石を粉砕分級して製造された重質炭酸カルシウムと同じく、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が主成分であるので、同様な効果が得られる。
また、石灰石を原料とした石灰乳から、炭酸ガス反応法、あるいはソーダ灰反応法にて製造された軽質炭酸カルシウム粉末を投射粒子１１１として用いても、石灰石を粉砕分級して製造された重質炭酸カルシウムと同じく、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が主成分であるので、同様な効果が得られる。
図７は本発明に係る実施例２の摺動部材の一部を拡大して示した拡大断面概略図であり、図８は実施例２の摺動部材の製造方法を示す模式図である。
本発明に係る実施例２の摺動部材２０１について、以下に説明する。
摺動部材２０１は、アルミニウム系の材質であるアルミ合金（ＪＩＳ：Ａ６０６３）を基材２０２として形成したものである。
摺動部材２０１は、アルミニウム系の材質であるアルミ合金（ＪＩＳ：Ａ６０６３）を基材２０２として形成したものである。
摺動部材２０１の摺動面２３０には、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が数μｍの厚さで転写された転写層２０４が形成されている。ここで、転写とは、投射粒子２１１の成分を基材２０２の表面及び表面近傍に移着、混入させることを言う。ここでは転写させたい成分を有した投射粒子２１１を所定の速度で摺動部材２０１の摺動面２３０に投射することで実現している。
また、摺動面２３０には多数の略円形の微小な微細くぼみ２０５が形成されている。微細くぼみ２０５の開口径は最大で１０数μｍ程度である。
また、摺動面２３０には多数の略円形の微小な微細くぼみ２０５が形成されている。微細くぼみ２０５の開口径は最大で１０数μｍ程度である。
次に、実施例２の摺動部材２０１の製造方法について詳細に説明する。
まず、摺動部材２０１の摺動面２３０となる基材２０２の表面を研削加工することにより、表面粗さをＲａ０．３μｍ程度に仕上げておく。次に、投射粒子供給装置２２１（図８）を用いて、投射粒子２１１を基材２０２の表面に投射する。
まず、摺動部材２０１の摺動面２３０となる基材２０２の表面を研削加工することにより、表面粗さをＲａ０．３μｍ程度に仕上げておく。次に、投射粒子供給装置２２１（図８）を用いて、投射粒子２１１を基材２０２の表面に投射する。
投射粒子供給装置２２１は、貯蔵タンク（図示せず）内に貯蔵された投射粒子２１１を移送するための投射粒子移送配管２２２を、キャリアガス２２３が流れるガス配管２２４に接合して、ガス配管２２４の先端にノズル２２５を設置したものである。
実施例２において、投射粒子２１１として、粒度は２０μｍ以下で、アスペクト比が２．０以下の塊状のホタテ貝殻粉末を用いた。
ここで、実施例２において使用したホタテ貝殻粉末と、化学的に製造された工業用炭酸カルシウムとの化学成分、及び比重を表３に示す。
ここで、実施例２において使用したホタテ貝殻粉末と、化学的に製造された工業用炭酸カルシウムとの化学成分、及び比重を表３に示す。
表３から、酸素（Ｏ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）の成分比率の合計は９８％以上となり、ホタテ貝殻粉末は、工業用炭酸カルシウム同様に高純度の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）であることが分かる。また、比重もほぼ同じである。
貝殻とは、炭酸カルシウムの結晶とコンキオリンと総称されるタンパク質を主とする間基質とからなり、その構造は、多数の炭酸カルシウム結晶が間基質によって繋ぎ合わされたものである。実施例２で使用したホタテ貝殻粉末とは、貝殻を熱処理により乾燥、殺菌して、間基質やゴミ、有機物などを完全に除去し、ジョークラッシャー、カッターミルなどの粗粉砕、アトマイザーミル、ジェットミルなどの中粉砕、微粉砕などの工程により粒度を調整したものである。
貯蔵タンクに貯留された投射粒子２１１は、電動ギアポンプ（図示せず）により投射粒子移送配管２２２を通って、ガス配管２２４との接合部位まで移送される。ガス配管２２４内のキャリアガス２２３は、エアーポンプ（図示せず）を使用した乾燥空気であり、ガス圧が０．３〜０．６ＭＰａの範囲内となるよう調整されている。
このように、ガス配管２２４と投射粒子移送配管２２２との接合部位まで連続的に移送された投射粒子２１１が、キャリアガス２２３によりノズル２２５の先端口２２６より１００ｍ／ｓ前後の速度で摺動部材２０１の摺動面２３０に対して略垂直に投射される。なお、ノズル２２５の先端口２２６から摺動部材２０１の摺動面２３０までの距離は３０〜４０ｍｍの範囲内とした。
このように、ガス配管２２４と投射粒子移送配管２２２との接合部位まで連続的に移送された投射粒子２１１が、キャリアガス２２３によりノズル２２５の先端口２２６より１００ｍ／ｓ前後の速度で摺動部材２０１の摺動面２３０に対して略垂直に投射される。なお、ノズル２２５の先端口２２６から摺動部材２０１の摺動面２３０までの距離は３０〜４０ｍｍの範囲内とした。
さらに、上記のように製造された実施例２の摺動部材２０１について、図９及び図１０を用いて詳述する。
図９は摺動部材２０１の摺動面２３０のＥＤＸ元素分析特性図であり、図１０は摺動部材２０１の摺動面２３０のＸ線回折分析特性図である。
図９は、投射粒子２１１の投射前後の摺動部材２０１の摺動面２３０をＥＤＸ分析装置にて分析した結果を示している。図９において、横軸は印加電圧［ｋｅＶ］、縦軸は１秒当りのカウント数（強度）［ｃｐｓ］である。なお、図９に示す分析結果においては、分析条件として印加電圧を最大１５ｋｅＶとし、表面から深さ２〜４μｍ前後に存在する元素の情報を示した。この結果から、投射後において、投射前に比べ、投射粒子２１１の構成元素である酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、及びカルシウム（Ｃａ）のピークが顕著に高くなっていることが分かる。
図９は、投射粒子２１１の投射前後の摺動部材２０１の摺動面２３０をＥＤＸ分析装置にて分析した結果を示している。図９において、横軸は印加電圧［ｋｅＶ］、縦軸は１秒当りのカウント数（強度）［ｃｐｓ］である。なお、図９に示す分析結果においては、分析条件として印加電圧を最大１５ｋｅＶとし、表面から深さ２〜４μｍ前後に存在する元素の情報を示した。この結果から、投射後において、投射前に比べ、投射粒子２１１の構成元素である酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、及びカルシウム（Ｃａ）のピークが顕著に高くなっていることが分かる。
図１０は、投射粒子２１１の投射前後の摺動部材２０１の摺動面２３０をＸ線回折装置で分析した比較結果であり、横軸はＸ線の入射角度（回折角２θ）［ｄｅｇ］、縦軸は１秒当りのカウント数（強度）［ｃｐｓ］である。なお、図１０に示す分析結果は、薄膜Ｘ線回折法にて実施したものであり、表面から深さ５μｍ前後の組織構造の情報を示したものである。各図の下方に記載した横軸を起点とする複数の縦実線はいずれも炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３−Ｃａｌｃｉｔｅ）のピーク位置を示し、また、縦破線は基材であるアルミニウム（Ａｌ）のピーク位置を示す。この結果から、投射後において、回折角２θが２９°付近のピーク、すなわち炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３−Ｃａｌｃｉｔｅ）のピークが発現していることが分かる。
図９及び図１０に示す結果から、摺動部材２０１の摺動面２３０には、投射粒子２１１の成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が転写された転写層２０４が形成されていると判断できる。また、図示していないが、表面から深さが１０μｍ以上の組織構造を分析したＸ線回折結果では、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）のピークが極端に小さくなることが示されていた。このため、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を多く含有する転写層２０４の厚みは、数μｍ程度であると推察される。
次に、以上のように形成された摺動部材２０１の摩擦摩耗特性について、リングオンディスク方式の摩擦摩耗試験装置を用いて評価したので以下に詳述する。
摺動部材２０１をディスクとして配置し、相手側摺動部材（図示せず）として、摺動面２３０の内径が３８ｍｍ、外径が４０ｍｍ、表面粗さがＲａ０．２以下、アルミニウム系の材質であるアルミ合金（Ａ６０６３）で形成したリングを用いた。
試験条件は、温度２２〜２８℃、相対湿度５５〜６５％の雰囲気下において、垂直荷重４９Ｎ、すべり速度０．４７ｍ／ｓとした。
試験条件は、温度２２〜２８℃、相対湿度５５〜６５％の雰囲気下において、垂直荷重４９Ｎ、すべり速度０．４７ｍ／ｓとした。
潤滑油として鉱油を使用し、潤滑油は実験前に０．１ｍＬ滴下するのみであり、すべり長さ（摺動距離）の増加によって潤滑油は消費される。試験途中で、接触摺動部にて摩耗が進行し、摩擦係数が急激に増加して０．３以上に達した地点で潤滑油が枯渇して焼付きが発生したものと判断し、試験を終了させた。なお、上記のディスクとリングの仕様条件を実施例２条件１とする。
また、本発明に係る実施例２の摺動部材２０１に関する摩擦摩耗特性を評価するために、表面状態を変更した他仕様の比較例を実施例２条件１と併せて下記表４に示す。いずれも、基材２０２はアルミニウム系の材質であるアルミ合金（Ａ６０６３）、相手側摺動部材は外径、内径、及び表面粗さを同じとしたアルミニウム系の材質であるアルミ合金（Ａ６０６３）で形成したリングである。
比較例は、従来の摺動部材であって、Ｒａ０．３〜０．６μｍ程度の表面粗さに研削加工され、その後、ラッピングによりＲａ０．２μｍ以下となるように表面仕上げ加工されている。
表４に示す仕様による摩擦摩耗特性に関する試験結果を以下に説明する。
図１１は実施例２条件１及び比較例における焼付きに関する特性図であり、実施例２条件１及び比較例における焼付きまでのすべり長さを比較したグラフである。図１２は実施例２条件１及び比較例のディスクの比摩耗量の特性図であり、試験後の摩耗体積を各々のすべり長さ及び垂直荷重で除して導出した比摩耗量［ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）］を比較したグラフである。
図１１は実施例２条件１及び比較例における焼付きに関する特性図であり、実施例２条件１及び比較例における焼付きまでのすべり長さを比較したグラフである。図１２は実施例２条件１及び比較例のディスクの比摩耗量の特性図であり、試験後の摩耗体積を各々のすべり長さ及び垂直荷重で除して導出した比摩耗量［ｍｍ３／（Ｎ・ｍ）］を比較したグラフである。
図１１に示した結果から、比較例がすべり長さ約１００ｍ程度で早々に焼付いたのに対し、実施例２条件１の焼付きまでのすべり長さは比較例に比べて約１１倍となっている。また、図示していないが、実施例２条件１では、焼付きが発生するまでの摩擦係数は０．１〜０．２で安定的に推移しており、境界潤滑領域での摺動を保持していたことを確認した。
また、図１２に示した結果から、実施例２条件１の比摩耗量が比較例に比べて約１／１００となっている。
したがって、実施例２条件１の摺動部材２０１は著しい耐焼付き性及び耐摩耗性の改善が確認された。
したがって、実施例２条件１の摺動部材２０１は著しい耐焼付き性及び耐摩耗性の改善が確認された。
これは、摺動部材２０１の摺動面２３０に形成された炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を成分とする転写層２０４が耐焼付き性及び耐摩耗性の向上に寄与したためであると推察する。
具体的には、投射粒子２１１の投射による衝撃力によって、摺動部材２０１の摺動面２３０と投射粒子２１１の表面の温度が瞬間的に上昇した際に、両者の表面が活性化し、投射粒子２１１の成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が摺動面２３０に転写されたことで、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）が有する無機系の固体潤滑作用の特性が発揮され、接触摺動部での金属接触を抑制し、比較例に比べて接触摺動部の耐摩耗性がより向上したものと推察される。
以上のことから、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）に顕著な固体潤滑効果があることを見出すことができる。さらに、実施例２に示した製造方法により、ホタテ貝殻粉末に対して、耐摩耗性及び耐焼付き性に優れた摺動部材２０１を製造するための用途を新たに創出することができた。
さらに、投射粒子２１１の投射による衝撃力により、摺動面２３０が塑性変形して多数の微細くぼみ２０５が形成されている。この結果、外部からの潤滑油の供給が滞るような条件下であっても、微細くぼみ２０５が油溜りとなるため、接触摺動部にて潤滑作用が発揮されたと推察される。
以上のように、摺動部材２０１の摺動面２３０に、ホタテ貝殻粉末で構成された投射粒子２１１を投射することにより、投射粒子２１１の成分が転写された転写層２０４と、略円形の微細くぼみ２０５が形成される。
この結果、接触摺動部に、無機系の固体潤滑作用の特性とともに、潤滑剤の潤滑作用が付与されることにより、接触摺動部における摩耗が相乗的に低減されるため、信頼性の高い摺動部材２０１を製造することができる。
この結果、接触摺動部に、無機系の固体潤滑作用の特性とともに、潤滑剤の潤滑作用が付与されることにより、接触摺動部における摩耗が相乗的に低減されるため、信頼性の高い摺動部材２０１を製造することができる。
加えて、上記のように、投射粒子２１１を摺動部材２０１の摺動面２３０に高速投射する摺動部材２０１の製造方法は、投射粒子２１１の材質や形状、投射条件、並びに摺動部材２０１の材質などを調整することによって、摺動部材２０１の摺動面２３０に投射粒子２１１の成分が転写された転写層２０４や多数の微細くぼみ２０５を同時に形成して、耐摩耗性及び耐焼付き性に優れた表面に改質することができる。
そのため、実施例２に係る摺動部材２０１の製造方法によれば、ＰＶＤやＣＶＤなどに比べて、複雑な装置が不要であり、摺動部材２０１を安価に製造することが可能である。
なお、実施例２では、投射粒子２１１はホタテ貝殻粉末である。現在、食品加工時に排出される大量の貝殻の廃棄処理が問題になっているが、実施例２の摺動部材の製造方法によれば、貝殻のリサイクル先として、耐摩耗性及び耐焼付き性に優れた摺動部材２０１を形成する製造用途を新たに見出すことができる。
そのため、実施例２に係る摺動部材２０１の製造方法によれば、ＰＶＤやＣＶＤなどに比べて、複雑な装置が不要であり、摺動部材２０１を安価に製造することが可能である。
なお、実施例２では、投射粒子２１１はホタテ貝殻粉末である。現在、食品加工時に排出される大量の貝殻の廃棄処理が問題になっているが、実施例２の摺動部材の製造方法によれば、貝殻のリサイクル先として、耐摩耗性及び耐焼付き性に優れた摺動部材２０１を形成する製造用途を新たに見出すことができる。
また、実施例２は、地球環境に配慮した投射粒子２１１を用いると言う特長を有している。
また、同様なリサイクル可能な粉末として、イシサンゴ目（Ｓｃｌｅｒａｃｔｉｎｉａ）の造礁サンゴを殺菌、熱乾燥して粉末化したサンゴ粉末や、ウグイスガイ科アコヤガイ（Ｐｉｎｃｔａｄａｆｕｃａｔａ）を原料とした真珠層粉末、卵の殻を原料とした卵殻粉末がある。いずれも炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）成分が全体の９８％以上を占めており、これらを単体でも混合させても、投射粒子２１１として活用することが可能であり、同様の効果が得られる。
また、同様なリサイクル可能な粉末として、イシサンゴ目（Ｓｃｌｅｒａｃｔｉｎｉａ）の造礁サンゴを殺菌、熱乾燥して粉末化したサンゴ粉末や、ウグイスガイ科アコヤガイ（Ｐｉｎｃｔａｄａｆｕｃａｔａ）を原料とした真珠層粉末、卵の殻を原料とした卵殻粉末がある。いずれも炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）成分が全体の９８％以上を占めており、これらを単体でも混合させても、投射粒子２１１として活用することが可能であり、同様の効果が得られる。
また、これらを原料とした各種反応法（炭酸ガス反応法、ソーダ灰反応法）による粉体化技術を活用することで、結晶型や、形状、粒度を制御し、投射粒子２１１の均質化を図ることも可能である。
以上のように、本発明の摺動部材は安価で、かつ信頼性が高いため、潤滑油を用いた多くの各種産業機器の摺動部に適用できる。
１０１，２０１ 摺動部材
１０２，２０２ 基材
１０４，２０４ 転写層
１０５，２０５ 微細くぼみ
１１１，２１１ 投射粒子
１２１，２２１ 投射粒子供給装置
１２２，２２２ 投射粒子移送配管
１２３，２２３ キャリアガス
１２４，２２４ ガス配管
１２５，２２５ ノズル
１２６，２２６ 先端口
１３０，２３０ 摺動面
１０２，２０２ 基材
１０４，２０４ 転写層
１０５，２０５ 微細くぼみ
１１１，２１１ 投射粒子
１２１，２２１ 投射粒子供給装置
１２２，２２２ 投射粒子移送配管
１２３，２２３ キャリアガス
１２４，２２４ ガス配管
１２５，２２５ ノズル
１２６，２２６ 先端口
１３０，２３０ 摺動面
Claims (5)
- 互いに摺動する摺動部材であって、少なくとも一方の前記摺動部材の摺動面に炭酸カルシウムの成分が転写された摺動部材。
- 摺動部材の摺動面に微細くぼみを多数形成した請求項１に記載の摺動部材。
- 炭酸カルシウムの成分を有する投射粒子を摺動部材の摺動面に投射することにより請求項１又は請求項２に記載の摺動部材を製造する摺動部材の製造方法。
- 投射粒子は石灰石粉末である請求項３に記載の摺動部材の製造方法。
- 投射粒子は、貝殻、サンゴ、真珠層、卵殻のうち、少なくとも一つを原料とした粉末である請求項３に記載の摺動部材の製造方法。
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-
2007
- 2007-07-24 JP JP2007192326A patent/JP5054452B2/ja active Active
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