JP2013221195A - Sliding member and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とし、その表面に耐衝撃性や耐摩耗性等を付与する被膜を備えた摺動部材と、このような被膜を母材表面に形成して摺動部材を製造する方法に関するものである。 The present invention relates to a sliding member having a base material made of an aluminum alloy containing silicon and having a coating for imparting impact resistance, wear resistance, etc. on the surface thereof, and a sliding member formed by forming such a coating on the surface of the base material. The present invention relates to a method of manufacturing a moving member.
アルミニウム合金製のエンジン部品である、シリンダライナやピストン等には、耐衝撃性や耐摩耗性、低フリクション性といった性能のより一層の向上に対する要求が厳しくなっている。 Cylinder liners, pistons, and the like, which are engine parts made of aluminum alloys, are demanded to further improve performance such as impact resistance, wear resistance, and low friction.
このような要請に対し、特許文献1にはピストン表面の一部もしくは全部をαアルミナを含むプラズマ酸化被膜で覆う技術が開示されている。
In response to such a request,
特許文献1で開示のピストンはアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、及びマグネシウム合金のいずれか一種の素材からなるものが対象であり、その表面にαアルミナとγアルミナを含むプラズマ酸化被膜が形成される旨が記載されている。
The piston disclosed in
しかしながら、プラズマ酸化被膜がαアルミナとγアルミナを含む旨の記載はあるものの、実際にαアルミナとγアルミナがどのような積層構造を呈しているのかなど、具体的な被膜構成は一切不明である。 However, although there is a description that the plasma oxide coating contains α-alumina and γ-alumina, the specific coating configuration is not known at all, such as what laminated structure the α-alumina and γ-alumina actually exhibit. .
本発明者等もアルミニウム合金製の摺動部材の表面に耐衝撃性や耐摩耗性等を付与する被膜を形成する技術開発を進める中で、プラズマ酸化被膜の有用性に着目し、プラズマ酸化処理を経て、被膜の高性能を特徴付ける被膜構成を明らかにすることができ、このような被膜を表面に具備する摺動部材とその製造方法の発案に至っている。 As the present inventors are proceeding with technological development to form a film that imparts impact resistance, wear resistance, etc. to the surface of the sliding member made of aluminum alloy, we pay attention to the usefulness of the plasma oxide film, and plasma oxidation treatment Through this process, the coating composition that characterizes the high performance of the coating film can be clarified, and a sliding member having such a coating film on the surface and a manufacturing method thereof have been proposed.
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性や耐衝撃性、耐剥離性などの特性に優れた摺動部材とその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a sliding member excellent in characteristics such as wear resistance, impact resistance, and peel resistance, and a method for manufacturing the same.
前記目的を達成すべく、本発明による摺動部材は、ケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とする摺動部材の表面から母材内部に向かって順に、第2のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第1のαアルミナ層、第1のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第2のαアルミナ層、γアルミナ層が形成されてなるものである。 In order to achieve the above object, the sliding member according to the present invention is compared with the second α-alumina layer in order from the surface of the sliding member having a silicon-containing aluminum alloy as a base material toward the inside of the base material. The first α-alumina layer having a relatively small inter-atomic distance of α-alumina, the second α-alumina layer having a relatively large inter-atomic distance of α-alumina compared to the first α-alumina layer, and the γ-alumina layer It is formed.
本発明の摺動部材は、その対象としてエンジンピストンやエンジンのシリンダライナ(シリンダボア)などを挙げることができ、エンジンピストンの場合にはその全周もしくはそのリング溝などの周りに耐摩耗性等を有する被膜が形成され、エンジンのシリンダライナの場合にはその内周面に被膜が形成される。この摺動部材はケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とするものであり、この母材にプラズマ処理を施すことにより、プラズマ化したO2がアルミニウム合金表面から内部に浸透していく過程でアルミナ層が形成されたものであり、母材表面に近いアルミニウム合金ほど多くのO2と接触し、密度の高いアルミナ層、言い換えれば、原子間距離が小さいアルミナ層が形成されるものである。 Examples of the sliding member of the present invention include an engine piston and an engine cylinder liner (cylinder bore). In the case of an engine piston, wear resistance or the like is provided around the entire circumference or ring groove thereof. In the case of an engine cylinder liner, a film is formed on the inner peripheral surface thereof. This sliding member is made of an aluminum alloy containing silicon as a base material. By applying plasma treatment to this base material, the plasma O 2 is infiltrated into the inside from the aluminum alloy surface and alumina. A layer is formed, and an aluminum alloy closer to the surface of the base material comes into contact with more O 2 to form a dense alumina layer, in other words, an alumina layer having a small interatomic distance.
より具体的には、表面から母材内部に向かって順に、第2のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第1のαアルミナ層、第1のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第2のαアルミナ層、γアルミナ層が形成されている。 More specifically, a first α-alumina layer and a first α-alumina layer in which the interatomic distance of α-alumina is relatively smaller than the second α-alumina layer in order from the surface toward the inside of the base material. A second α-alumina layer and a γ-alumina layer having a relatively large inter-atomic distance of α-alumina compared to the above are formed.
第1のαアルミナ層と第2のαアルミナ層を比較した際に、第1のαアルミナ層は相対的に第2のαアルミナ層に比してαアルミナの原子間距離が小さいが、このことは、第1のαアルミナ層における原子間距離の小さなαアルミナの割合が第2のαアルミナ層に比して大きいことをも意味するものである。すなわち、たとえば第2のαアルミナ層を構成する原子間距離が相対的に大きなαアルミナが第1のαアルミナ層に含有されることを排除するものではないが、その割合が少ない形態を含むものである。 When comparing the first α-alumina layer and the second α-alumina layer, the first α-alumina layer has a relatively small interatomic distance of α-alumina compared to the second α-alumina layer. This also means that the proportion of α-alumina having a small interatomic distance in the first α-alumina layer is larger than that in the second α-alumina layer. That is, for example, it does not exclude that α-alumina having a relatively large interatomic distance constituting the second α-alumina layer is contained in the first α-alumina layer, but includes a mode in which the ratio is small. .
αアルミナは化学的に安定で、融点が高く、硬度が高く、機械的強度が高く、電気絶縁性が高いなど、優れた特性を有している。 α-alumina has excellent properties such as chemical stability, high melting point, high hardness, high mechanical strength, and high electrical insulation.
一方、結晶形態がαアルミナと異なるγアルミナは、αアルミナに比して靭性が高く、したがって母材との間における耐剥離性を高めることのできる層を形成する。 On the other hand, γ-alumina having a crystal form different from that of α-alumina has higher toughness than α-alumina, and thus forms a layer capable of enhancing the peel resistance with respect to the base material.
第2のαアルミナ層を形成するαアルミナの原子間距離は一般的な長さ(この長さはXASF(X線吸収微細構造)分析にて原子間エネルギを測定し、この原子間エネルギから定性的に長さの大小を特定するものであり、一般的な長さとは定性的に長さが短いことを意味している)であり、それに対して、第1のαアルミナ層を形成するαアルミナの原子間距離は一般的な原子間距離よりも小さな長さである。そして、各層の原子間距離の測定は上記するXASF分析にておこなうことができる。この分析方法を概説するに、元素にX線を照射してそのエネルギを上げていくと一定強度以上でK、L、M殻などの電子がたたき出され、X線の吸収が起こり、この電子(光電子)が球面波(直接波)として広がるとともに、周辺原子との間で散乱を繰り返す(散乱波)結果、直接波と散乱波が干渉を起こすことで吸収端より周期的吸収が観察されことになる。50〜100eVの高エネルギ側にわたる周期的吸収観察を広域X線吸収微細構造(EXAFS)と呼び、吸収端より約50eV高エネルギ側では比較的鋭い吸収が得られ、これをX線吸収微細構造(XANES)とよび、これらEXAFSとXANESを総称してXAFSと呼ぶことができる。 The distance between the atoms of the α-alumina forming the second α-alumina layer is a general length (this length is qualitatively determined by measuring the interatomic energy by XASF (X-ray absorption fine structure) analysis). In other words, the general length means that the length is qualitatively short), while the α forming the first α-alumina layer. The interatomic distance of alumina is smaller than the general interatomic distance. And the measurement of the interatomic distance of each layer can be performed by the XASF analysis described above. To outline this analysis method, when an element is irradiated with X-rays and its energy is increased, electrons such as K, L, and M shells are knocked out at a certain intensity or more, and X-ray absorption occurs. (Photoelectrons) spread as spherical waves (direct waves) and repeat scattering with surrounding atoms (scattered waves) As a result, the direct waves and scattered waves cause interference, and periodic absorption is observed from the absorption edge. become. Periodic absorption observation over the high energy side of 50 to 100 eV is called the wide-area X-ray absorption fine structure (EXAFS), and relatively sharp absorption is obtained on the high energy side about 50 eV from the absorption edge. XANES) and these EXAFS and XANES can be collectively referred to as XAFS.
このように、本発明の摺動部材は、その母材表面から母材内部にかけて原子間距離の異なる第1、第2のαアルミナ層、γアルミナ層が順に、グラデーション状に形成されている。 Thus, in the sliding member of the present invention, the first and second α-alumina layers and γ-alumina layers having different interatomic distances are sequentially formed in a gradation from the surface of the base material to the inside of the base material.
このような構成により、第1、第2のαアルミナ層、γアルミナ層を母材表面に形成された被膜として括った場合に、この被膜と母材の間の耐剥離性を被膜を構成するγアルミナ層で保証することができ、被膜を構成する第1、第2のαアルミナ層で摺動部材表面における耐摩耗性、耐衝撃性などを保証することができる。特に、摺動部材の最表面に位置する原子間距離の小さな第1のαアルミナ層によって被膜の硬度が高められ、耐摩耗性、耐衝撃性の向上に大きく寄与している。 With such a configuration, when the first and second α-alumina layers and γ-alumina layers are bundled as a coating formed on the surface of the base material, the coating has a peeling resistance between the coating and the base material. The γ-alumina layer can guarantee the wear, and the first and second α-alumina layers constituting the coating can guarantee the wear resistance, impact resistance, etc. on the surface of the sliding member. In particular, the first α-alumina layer having a small interatomic distance located on the outermost surface of the sliding member increases the hardness of the coating film, greatly contributing to the improvement of wear resistance and impact resistance.
また、本発明による摺動部材では、前記母材におけるケイ素の含有割合が6〜12質量%の範囲であるのが好ましい。 In the sliding member according to the present invention, the silicon content in the base material is preferably in the range of 6 to 12% by mass.
ケイ素の割合が6質量%未満では酸化してできるアルミナ層の厚みが薄くなり過ぎ、アルミナ層ができることで期待される耐摩耗性や耐衝撃性等の効果を十分に奏することが難しい。 If the silicon content is less than 6% by mass, the thickness of the alumina layer formed by oxidation becomes too thin, and it is difficult to sufficiently achieve the effects such as wear resistance and impact resistance that are expected from the formation of the alumina layer.
一方でケイ素の割合が13質量%以上ではアルミニウム合金母材そのものが硬くなり過ぎ、今度は摺動部材として適さなくなる可能性が高まるためである。 On the other hand, when the proportion of silicon is 13% by mass or more, the aluminum alloy base material itself becomes too hard, which increases the possibility of becoming unsuitable as a sliding member.
また、本発明は摺動部材の製造方法にも及ぶものであり、この製造方法は、導電性のハウジングと該ハウジングの内部に配された電極棒からなるプラズマ発生部、ハウジングと電極棒の間にパルス状の放電電圧を印加する第1の交流電源、ハウジングと電極棒のいずれか一方と導電性の被加工物の間にパルス状のバイアス電圧を印加する第2の交流電源、を備えたプラズマ処理装置を用意し、ケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とする摺動部材を被加工物としてプラズマ処理装置に配設し、プラズマ発生部に原料ガスを導入し、バイアス電圧と放電電圧の周波数を異ならしめ、かつ、バイアス電圧のパルス幅を放電電圧のパルス幅よりも狭くしてプラズマ照射をおこない、摺動部材の表面から母材内部に向かって順に、第2のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第1のαアルミナ層、第1のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第2のαアルミナ層、γアルミナ層が形成されてなる摺動部材を製造するものである。 The present invention also extends to a method for manufacturing a sliding member. This manufacturing method includes a plasma generating portion comprising a conductive housing and an electrode rod disposed inside the housing, and a space between the housing and the electrode rod. A first AC power source for applying a pulsed discharge voltage to the first AC power source, and a second AC power source for applying a pulsed bias voltage between one of the housing and the electrode rod and the conductive workpiece. A plasma processing apparatus is prepared, a sliding member having an aluminum alloy containing silicon as a base material is disposed in the plasma processing apparatus as a workpiece, a source gas is introduced into the plasma generation unit, and a bias voltage and a discharge voltage are controlled. Plasma irradiation is performed with the frequency being different and the pulse width of the bias voltage being narrower than the pulse width of the discharge voltage, and the second α alumina is sequentially applied from the surface of the sliding member toward the inside of the base material. A first α-alumina layer having a relatively small inter-atomic distance of α-alumina as compared to the first α-alumina layer, a second α-alumina layer having a relatively large inter-atomic distance of α-alumina as compared with the first α-alumina layer, A sliding member formed with a γ-alumina layer is manufactured.
本発明の製造方法で使用するプラズマ処理装置としては大気圧プラズマ装置が好適に用いられる。すなわち、大気圧プラズマ装置を使用することで摺動部材の全体を処理容器に収容する必要もなくなり、摺動部材の全体のみならずその一部のみを処理することも可能となり、さらには処理設備の小型化を図ることができる。 An atmospheric pressure plasma apparatus is preferably used as the plasma processing apparatus used in the production method of the present invention. That is, by using the atmospheric pressure plasma apparatus, it is not necessary to accommodate the entire sliding member in the processing container, and it is possible to process not only the entire sliding member but also a part thereof, as well as processing equipment. Can be miniaturized.
また、バイアス電圧が印加されていることにより、プラズマ発生部で発生したプラズマがそのバイアス電圧によって被加工物である摺動部材に効果的に引き寄せられる。そのため、バイアス電圧を印加しなかった場合に比して強力なプラズマジェットが摺動部材の表面に提供される。さらに、バイアス電圧を印加することで酸素ラジカルをアルミニウム合金中により深く潜り込ませることができると考えられ、このことによって摺動部材の表面からその内部に向かって順に、第1、第2のαアルミナ層、γアルミナ層を形成することができる。 Further, since the bias voltage is applied, the plasma generated in the plasma generating portion is effectively attracted to the sliding member as the workpiece by the bias voltage. Therefore, a powerful plasma jet is provided on the surface of the sliding member as compared with the case where no bias voltage is applied. Further, it is considered that by applying a bias voltage, oxygen radicals can be deeply embedded in the aluminum alloy, whereby the first and second α aluminas are sequentially formed from the surface of the sliding member toward the inside thereof. Layers and γ-alumina layers can be formed.
また、特にバイアス電圧が交流電圧であることにより、摺動部材に照射されるプラズマジェットに強弱が生じ、これが摺動部材表面に凹凸を生ぜしめ、この表面凹凸によって摺動部材表面の潤滑油の保持が良好なものとなる。すなわち、摺動部材がシリンダライナの場合には、耐摩耗性の向上として耐焼付け性の向上や摩擦抵抗の低減、潤滑油消費量の抑制が求められるが、摺動部材の表面に凹凸が形成されることで潤滑油の保持が良好となり、このことが摩擦抵抗の低減に繋がり、耐摩耗性の向上に繋がる。 In particular, when the bias voltage is an alternating voltage, the plasma jet irradiated to the sliding member is strong and weak, which causes unevenness on the surface of the sliding member. Good holding. In other words, when the sliding member is a cylinder liner, it is required to improve seizure resistance, reduce frictional resistance, and reduce the amount of lubricating oil consumption as an improvement in wear resistance, but unevenness is formed on the surface of the sliding member. As a result, the retention of the lubricating oil becomes good, which leads to a reduction in frictional resistance and an improvement in wear resistance.
特に、原料ガスが圧縮エア、圧縮酸素のいずれか一種のほかに不活性ガス(好ましくは窒素ガス)を含む混合ガスの場合には、摺動部材の表面により一層変化の激しい凹凸を形成することができ、潤滑油保持性は一層良好なものとなる。 In particular, in the case where the source gas is a mixed gas containing an inert gas (preferably nitrogen gas) in addition to either compressed air or compressed oxygen, the surface of the sliding member should be formed with unevenness that varies more rapidly. Thus, the lubricating oil retention is further improved.
また、プラズマ処理にて形成された第1のαアルミナ層に対し、さらに弾性ホーニング加工をおこなってもよい。 Further, an elastic honing process may be further performed on the first α-alumina layer formed by the plasma treatment.
弾性ホーニング加工によって摺動部材の凸部分にプラトー面を形成することができ、凸部分の尖りをなだらかにすることができる。 A plateau surface can be formed on the convex portion of the sliding member by elastic honing, and the sharpness of the convex portion can be made smooth.
以上の説明から理解できるように、本発明の摺動部材によれば、母材表面から内部にかけて順に原子間距離の異なる第1、第2のαアルミナ層とγアルミナ層を有した摺動部材であることから、表面被膜と母材の間の耐剥離性を被膜を構成するγアルミナ層で保証することができ、被膜を構成する第1、第2のαアルミナ層で摺動部材表面における耐摩耗性や耐衝撃性などを保証することができる。また、本発明の摺動部材の製造方法によれば、プラズマ処理装置を使用してバイアス電圧と放電電圧をともに交流電圧とし、双方の電圧の周波数を異ならしめるとともにバイアス電圧のパルス幅を放電電圧のパルス幅よりも狭くしてプラズマ照射をおこなうことにより、母材表面から内部にかけて順に原子間距離の異なる第1、第2のαアルミナ層とγアルミナ層を有した摺動部材を製造することができる。 As can be understood from the above description, according to the sliding member of the present invention, the sliding member having the first and second α-alumina layers and γ-alumina layers having different interatomic distances from the base material surface to the inside in order. Therefore, the peel resistance between the surface coating and the base material can be ensured by the γ-alumina layer constituting the coating, and the first and second α-alumina layers constituting the coating can be used on the surface of the sliding member. Wear resistance and impact resistance can be guaranteed. In addition, according to the method for manufacturing a sliding member of the present invention, both the bias voltage and the discharge voltage are set to AC voltage using the plasma processing apparatus, the frequency of both voltages is made different, and the pulse width of the bias voltage is set to the discharge voltage. The sliding member having first and second α-alumina layers and γ-alumina layers having different interatomic distances in order from the base material surface to the inside is produced by performing plasma irradiation with a narrower pulse width than Can do.
以下、図面を参照して本発明の摺動部材とその製造方法の実施の形態を説明する。 Embodiments of a sliding member and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(摺動部材の実施の形態)
図1は本発明の摺動部材の実施の形態の表面を拡大した縦断面図である。同図で示す摺動部材5は、ケイ素を含んだアルミニウム合金母材1において、その表面から母材1の内部に向かって順に、第2のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第1のαアルミナ層2、第1のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第2のαアルミナ層3、およびγアルミナ層4が形成されている。
(Embodiment of sliding member)
FIG. 1 is an enlarged longitudinal sectional view of the surface of an embodiment of a sliding member of the present invention. In the aluminum
アルミニウム合金母材1はケイ素の含有割合が6〜12質量%に調整されている。
In the aluminum
αアルミナは化学的に安定で、融点が高く、硬度が高く、機械的強度が高く、電気絶縁性が高いなど、優れた特性を有しているが、特に母材表層に原子間距離が小さい第1のαアルミナ層2が形成されていることで、被膜の硬度が高められ、その耐摩耗性や耐衝撃性が向上している。 α-Alumina has excellent properties such as chemical stability, high melting point, high hardness, high mechanical strength, and high electrical insulation, but the interatomic distance is particularly small on the surface layer of the base material. By forming the first α-alumina layer 2, the hardness of the coating is increased, and its wear resistance and impact resistance are improved.
さらに、結晶形態がαアルミナと異なり、αアルミナに比して靭性が高いγアルミナ層4が母材と接していることによって、被膜と母材1の間における耐剥離性を高めることができる。
Furthermore, unlike the α-alumina, the γ-alumina layer 4 having a higher toughness than the α-alumina is in contact with the base material, whereby the peel resistance between the coating and the
このように、図示する摺動部材5は、図示のごとき3層構造の被膜をその表面に有していることで、耐摩耗性や耐衝撃性、耐剥離性などの特性に優れたものである。
Thus, the sliding
なお、この摺動部材5としては、エンジンピストンやエンジンのシリンダライナを挙げることができ、エンジンピストンの場合にはその全周もしくはそのリング溝などの周りに図示する3層構造の被膜が形成され、エンジンのシリンダライナの場合にはその内周面に3層構造の被膜が形成される。
Examples of the sliding
(摺動部材の製造方法の実施の形態)
次に、図2を参照して本発明の摺動部材の製造方法を説明する。
(Embodiment of manufacturing method of sliding member)
Next, the manufacturing method of the sliding member of this invention is demonstrated with reference to FIG.
図2は、製造方法で使用するプラズマ処理装置を示したものであるが、このプラズマ処理装置10は、導電性のハウジング6とハウジング6の内部に配された電極棒7とからなるプラズマ発生部8、ハウジング6と電極棒7の間にパルス状の放電電圧を印加する第1の交流電源9A、ハウジング6と電極棒7のいずれか一方(図ではハウジング6)と導電性の被加工物であるシリンダライナ用のアルミニウム合金母材1の間にパルス状のバイアス電圧を印加する第2の交流電源9B、から大略構成されている。なお、図示するプラズマ処理装置10は大気圧プラズマ装置であるため、摺動部材5の全体を処理容器に収容する必要もなくなり、摺動部材5の全体のみならずその一部のみを処理することも可能となり、さらには処理設備の小型化を図ることができる。
FIG. 2 shows a plasma processing apparatus used in the manufacturing method. This
図示例では被加工物が筒状であることから、プラズマ発生部8は不図示のモータ等によって回転自在に構成されており(X方向)、ハウジング6の下方は管状構造を呈し、その側面に開設されたノズル6aからアルミニウム合金母材1の表面にプラズマが照射されるようになっている(Y方向)。なお、図示を省略するが、アルミニウム合金母材1が導電性の回転テーブルに載置され、ハウジングが回転する代わりに回転テーブルが回転することで筒状のアルミニウム合金母材1の表面にプラズマ照射がおこなわれる形態であってもよい。
In the illustrated example, since the workpiece is cylindrical, the
プラズマ発生部8の上方からは、原料ガスである圧縮酸素と不活性ガスである窒素の混合ガスが提供され、第1の交流電源9Aが印加されることによってプラズマ発生部8にてプラズマが発生する。
From above the
そして、プラズマ発生部8で発生したプラズマが第2の交流電源9Bに印加されたバイアス電圧によって被加工物であるアルミニウム合金母材1に引き寄せられ、強力なプラズマジェットとしてアルミニウム合金母材1の表面に噴射される。
The plasma generated by the
バイアス電圧が印加されることで酸素ラジカルをアルミニウム合金母材1の内部により深く潜り込ませることができ、このことによって摺動部材5の表面からその内部に向かって順に、第1のαアルミナ層2、第2のαアルミナ層3、およびγアルミナ層4を形成することができる。
By applying a bias voltage, oxygen radicals can be deeply embedded inside the aluminum
また、バイアス電圧が交流電圧であることにより、アルミニウム合金母材1に照射されるプラズマジェットに強弱が生じ、これがアルミニウム合金母材1表面に凹凸を生ぜしめ、この表面凹凸によって摺動部材5表面の潤滑油の保持が良好なものとなる。すなわち、シリンダライナである摺動部材5には耐摩耗性の向上として耐焼付け性の向上や摩擦抵抗の低減、潤滑油消費量の抑制が求められるが、摺動部材5の表面に凹凸が形成されることで潤滑油の保持が良好となり、このことが摩擦抵抗の低減に繋がり、耐摩耗性の向上に繋がる。
Further, when the bias voltage is an alternating voltage, the plasma jet irradiated to the aluminum
また、原料ガスとして圧縮酸素のほかに不活性ガスである窒素ガスを含む混合ガスを使用することで、摺動部材5の表面により一層変化の激しい凹凸を形成することができ、潤滑油保持性は一層良好なものとなる。
Further, by using a mixed gas containing nitrogen gas, which is an inert gas in addition to compressed oxygen, as a raw material gas, unevenness with more drastic changes can be formed on the surface of the sliding
最後に、弾性ホーニング加工によって摺動部材の凸部分にプラトー面を形成することにより、凸部分の尖りをなだらかにするのが好ましい。 Finally, it is preferable to make the sharpness of the convex portion smooth by forming a plateau surface on the convex portion of the sliding member by elastic honing.
[実施例]
ここで、プラズマ処理法の具体的な実施例を説明する。まず、放電電圧の周波数を35kHz、バイアス電圧の周波数を21kHzとし、放電電圧のパルス幅を8msec、バイアス電圧のパルス幅を58msecとし、双方の電圧を1kVとする。すなわち、放電電圧とバイアス電圧は図3の制御図で示すように、バイアス電圧のパルス幅を放電電圧のパルス幅よりも狭くしてプラズマ照射をおこなう。
[Example]
Here, a specific embodiment of the plasma processing method will be described. First, the frequency of the discharge voltage is 35 kHz, the frequency of the bias voltage is 21 kHz, the pulse width of the discharge voltage is 8 msec, the pulse width of the bias voltage is 58 msec, and both voltages are 1 kV. That is, as shown in the control diagram of FIG. 3, the discharge voltage and the bias voltage are irradiated with plasma by making the pulse width of the bias voltage narrower than the pulse width of the discharge voltage.
原料ガスとしては酸素が20%、窒素が80%の混合ガスとする。 The raw material gas is a mixed gas of 20% oxygen and 80% nitrogen.
この製造方法により、図1で示す被膜を構成する上記各層の厚みとして、第1のαアルミナ層2の厚みt1は100nm程度、第2のαアルミナ層3の厚みt2は200nm程度、γアルミナ層4の厚みt3は100nm程度の摺動部材を製造することができる。
According to this manufacturing method, the thickness of each of the layers constituting the coating shown in FIG. 1 is as follows. The thickness t1 of the first α alumina layer 2 is about 100 nm, the thickness t2 of the second
[加工表面に傷が生じるまでの時間を測定した実験とその結果]
本発明者等は、シリンダライナの内周面とピストンリングの摺動面を模擬した装置を用いて、耐摩耗性を評価する実験をおこなった。
[Experiments and results of measuring the time to scratch on the machined surface]
The present inventors conducted an experiment to evaluate the wear resistance using an apparatus simulating the inner peripheral surface of the cylinder liner and the sliding surface of the piston ring.
まず、シリンダライナと同様の材質(Siを含んだAl合金)で作成した板状のテストピースに表面処理をおこなうに当たり、弾性ホーニング処理をおこなったもの、プラズマ処理をおこなったものの大きく2種類の表面処理法でテストピース表面に被膜を形成した。 First, when surface treatment is performed on a plate-shaped test piece made of the same material as the cylinder liner (Al alloy containing Si), there are two types of surfaces, one that has undergone elastic honing treatment and one that has undergone plasma treatment. A coating was formed on the surface of the test piece by the treatment method.
プラズマ処理をおこなったものに関しては、テストピースとして、Si量が6質量%未満のもの、6〜12質量%のもの、13質量%以上のものに対してプラズマ処理をおこなった。 Regarding the plasma-treated samples, plasma treatment was performed on test pieces having a Si content of less than 6% by mass, 6-12% by mass, and 13% by mass or more.
表面処理後の上記各テストピースをモータでピストンリングを駆動させる実験装置に固定し、テストピース表面にエンジンオイルを所定量塗布し、テストピース表面でピストンリングを高速で摺動させた。なお、各テストピースとも、ピストンリングとの接触面積、摺動速度、摺動の際の圧力、摺動の際のスライド距離は同一である。 Each test piece after the surface treatment was fixed to an experimental apparatus that drives a piston ring with a motor, a predetermined amount of engine oil was applied to the surface of the test piece, and the piston ring was slid at a high speed on the surface of the test piece. Each test piece has the same contact area with the piston ring, sliding speed, sliding pressure, and sliding distance when sliding.
ピストンリングを所定時間摺動させた後にテストピースを取り出して表面傷(スカッフ跡)の有無を確認し、これを繰り返すことで表面傷が生じるまでの時間を測定し、これを耐スカッフ時間として評価指標とした。実験結果を図4に示す。 After sliding the piston ring for a predetermined time, the test piece is taken out and checked for the presence of surface scratches (scuff marks). By repeating this, the time until the surface scratches are measured is measured and this is evaluated as the scuff resistance time. It was used as an index. The experimental results are shown in FIG.
同図より、弾性ホーニング加工のテストピースに対して、プラズマ処理によるテストピースの耐スカッフ時間は格段に長くなっており、母材中のSi量が13質量%以上のテストピースで12倍に、母材中のSi量が6〜12質量%のテストピースで27倍程度になっている。 From the figure, the scuff resistance time of the test piece by plasma treatment is significantly longer than the test piece of elastic honing processing, and the test piece with Si content in the base material of 13% by mass or more is 12 times greater. The amount of Si in the base material is about 27 times higher for test pieces with 6-12 mass%.
また、同図より、母材中のSi量が6質量%未満のテストピースは弾性ホーニング加工のテストピースよりも性能が低下している。これは、プラズマ処理にて酸化してできるアルミナ層の厚みが薄過ぎ、アルミナ層ができることで期待される耐摩耗性が十分に高められていないことが理由である。 Further, from the figure, the performance of the test piece whose Si content in the base material is less than 6% by mass is lower than that of the elastic honing test piece. This is because the thickness of the alumina layer formed by oxidation by plasma treatment is too thin, and the wear resistance expected by the formation of the alumina layer is not sufficiently enhanced.
この実験結果より、プラズマ処理によって母材表面にアルミナ層の被膜を形成する効果が確認され、さらに、母材中のSi量が6質量%以上の場合が好ましいこと、母材中のSi量が6〜12質量%の場合が望ましいことが確認された。 From this experimental result, the effect of forming a film of an alumina layer on the surface of the base material by plasma treatment was confirmed. Further, it is preferable that the amount of Si in the base material is 6% by mass or more, and the amount of Si in the base material is It was confirmed that 6 to 12% by mass is desirable.
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
1…(ケイ素を含んだ)アルミニウム合金母材、2…第1のαアルミナ層、3…第2のαアルミナ層、4…γアルミナ層、5…摺動部材(シリンダライナ、被加工物)、6…(導電性の)ハウジング、6a…ノズル、7…電極棒、8…プラズマ発生部、9A…第1の交流電源、9B…第2の交流電源、10…プラズマ処理装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
ケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とする摺動部材を被加工物としてプラズマ処理装置に配設し、プラズマ発生部に原料ガスを導入し、バイアス電圧と放電電圧の周波数を異ならしめ、かつ、バイアス電圧のパルス幅を放電電圧のパルス幅よりも狭くしてプラズマ照射をおこない、摺動部材の表面から母材内部に向かって順に、第2のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第1のαアルミナ層、第1のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第2のαアルミナ層、γアルミナ層が形成されてなる摺動部材を製造する摺動部材の製造方法。 One of a plasma generating part comprising a conductive housing and an electrode rod disposed inside the housing, a first AC power supply for applying a pulsed discharge voltage between the housing and the electrode rod, and either the housing or the electrode rod And a second AC power source for applying a pulsed bias voltage between the conductive workpiece and a conductive workpiece,
A sliding member having a silicon-containing aluminum alloy as a base material is disposed in the plasma processing apparatus as a workpiece, a raw material gas is introduced into the plasma generation unit, the frequency of the bias voltage and the discharge voltage is made different, and Plasma irradiation is performed by making the pulse width of the bias voltage narrower than the pulse width of the discharge voltage, and in order from the surface of the sliding member toward the inside of the base material, the α-alumina is relative to the second α-alumina layer. The first α-alumina layer having a smaller interatomic distance and the second α-alumina layer and the γ-alumina layer having a relatively larger inter-atom distance than the first α-alumina layer are formed. A sliding member manufacturing method for manufacturing a moving member.
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