JP2016094874A

JP2016094874A - 摺動構造

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Publication number: JP2016094874A
Application number: JP2014231063A
Authority: JP
Inventors: 靖夫魚崎; Yasuo Uosaki; 小田　信行; Nobuyuki Oda; 信行小田; 宣夫坂手; Nobuo Sakate; 晋三根生; Susumu Mineoi
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2016-05-26
Anticipated expiration: 2034-11-13
Also published as: JP6142862B2

Abstract

【課題】アルミニウム合金製ロータ等の第１摺動部材と、そのロータ溝に収容されるアペックスシール等の第２摺動部材とを組み合わせた摺動構造において、耐摩耗性を向上させ、高い耐久信頼性を確保する。
【解決手段】アルミニウム合金製ロータ４の基材表面であって、ロータ４の溝部４１に収容されたアペックスシール５との摺接面に、ＴｉＯ_２よりなる皮膜を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車の内燃機関（ロータリピストンエンジン）等における、複数の摺動部材が組み合わされた摺動構造に関するものである。

従来より、例えばロータリピストンエンジンにおけるアペックスシールとアペックスシールを収めるロータ頂部に形成された溝部との組合せ、コンプレッサにおけるベーンとベーンを収めるロータ溝との組合せ、あるいは往復動式エンジンにおけるピストン溝とピストンリングの組合せ等において、双方の耐摩耗性を向上させる技術開発が進められてきた。

例えば、特許文献１には、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金製ロータを６４０℃〜８００℃で酸化熱処理してＴｉＯ_２皮膜を形成し、鋳鉄製アペックスシールとの組合せにおいて双方の耐摩耗性を確保する技術が記載されている。また、特許文献２には、鋳鉄製ロータを熱処理してアペックスシールを収容する溝部の耐摩耗性を上げる技術が記載されている。

特開昭５６−１２６６２３号公報特開２００４−１６２１５２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、高価なＴｉ合金をロータとするとともに高温での熱処理が必要となりコスト面等において現実的ではない。

また、特許文献１に実施例として記載されている鋳鉄製アペックスシールは、ロータハウジングのトロコイド面を形成するＣｒめっき層との摺動もあるため、鋳鉄製アペックスシールの耐摩耗性を確保することが困難である。

この点、鋳鉄製アペックスシールについて、前記トロコイド面のＣｒめっき層と摺動する断面Ｒ状の頂部近傍をチル化して高硬度にすることが行われている。

そうすると、チル化処理により、前記トロコイド面のＣｒめっき層との摺動についてはアペックスシールの耐摩耗性は確保される一方、アペックスシールの鋳鉄組織からなる基部と、チル化処理されたチル部の両方が、ロータ溝と摺動することになり、基部とチル部両方に対するロータ溝の耐摩耗性を確保する必要性が生じる。

さらに近年、エンジンの軽量化が重要な課題となっており、特にロータリピストンエンジンでは主要構成部品であるロータを軽量化すれば、従来よりも大幅に回転数を高めることができ、エンジン性能（トルク／出力／燃費）を向上させることができる。従って、特許文献１，２に記載の、これまで量産されてきた鋳鉄製ロータに代えて、アルミニウム合金製ロータの実用化が求められている。

しかしながら、アルミニウム合金は鋳鉄に比べ硬度が低く、例えば鋳造材のＡＣ４Ｂ材をＴ６処理した高硬度のものでも硬度（ビッカース硬さ）Ｈｖ１３０程度である。従って、ロータとして単にアルミニウム合金製の基材を採用すると、上述のごとく鋳鉄組織の基部（Ｈｖ４００程度）とチル化処理されたチル部（Ｈｖ６００程度）とを有するアペックスシールとの摺動により、ロータ溝の摩耗が進み、ガスシール性が悪化する懸念がある。このため、ロータ溝のより高い耐摩耗性を確保する必要がある。

以上より、本発明は、アルミニウム合金製ロータ等の第１摺動部材と、そのロータ溝に収容されるアペックスシール等の第２摺動部材とを組み合わせた摺動構造において、耐摩耗性を向上させ、高い耐久信頼性を確保することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明では、第１摺動部材の基材表面であって、第２摺動部材との摺接面に、ＴｉＯ_２よりなる皮膜を形成した。

すなわち、ここに開示する摺動構造は、アルミニウム合金製の基材を有する第１摺動部材と、該第１摺動部材に対して摺動する鋳鉄製の第２摺動部材とが組み合わされた構造であって、前記第１摺動部材は、前記基材の表面で前記第２摺動部材との摺接面にＴｉＯ_２よりなる皮膜を有してなり、前記第２摺動部材は、鋳鉄組織からなる基部と、前記鋳鉄組織がチル化処理されてなるチル部とを備えたことを特徴とする。

上述のごとく、アルミニウム合金は鋳鉄に比べて硬度が低いため、前記第２摺動部材が摺動することにより前記第１摺動部材が摩耗する。従って、本発明によれば、第１摺動部材における、第２摺動部材との摺接面に硬度の高いＴｉＯ_２皮膜を形成することにより、第２摺動部材の基部とチル部双方との摺動に対して、第１摺動部材の耐摩耗性を向上させることができ、耐久信頼性の高い摺動構造を得ることができる。

なお、前記皮膜の膜厚は、好ましくは５μｍ以上１５μｍ以下であり、特に好ましくは５μｍ以上１０μｍ以下である。また、前記皮膜の硬さは、好ましくはＨｖ５００以上Ｈｖ８００以下であり、特に好ましくはＨｖ６００以上Ｈｖ８００以下である。そして、好ましい態様では、前記皮膜の膜厚は５μｍ以上１５μｍ以下であり且つ前記皮膜の硬さはＨｖ５００以上Ｈｖ８００以下である。特に好ましい態様では、前記皮膜の膜厚は５μｍ以上１０μｍ以下であり且つ前記皮膜の硬さはＨｖ６００以上Ｈｖ８００以下である。これにより、第１摺動部材の優れた耐摩耗性を確保しつつ、相手攻撃性の高まりを抑えて双方のバランスに優れた摺動構造をもたらすことができ、摺動構造の耐久信頼性をより向上させることができる。

また、前記皮膜の気孔率は、好ましくは５．５％以上１０％以下であり、より好ましくは６．０％以上９．５％以下、特に好ましくは６．４％以上９．２％以下である。これにより、ＴｉＯ_２皮膜のオイル保持性が良好に保たれ、摺接面に対するオイル供給性が高まるため、前記摺動構造の耐摩耗性が効果的に向上する。

そして、前記皮膜の表面粗さは、好ましくはＲａ０．１μｍ以上Ｒａ１．２μｍ以下であり、より好ましくはＲａ０．４μｍ以上Ｒａ１．２μｍ以下、特に好ましくはＲａ０．４μｍ以上Ｒａ１．０μｍ以下である。これにより、良好なオイル供給性を保ちつつ、前記第２摺動部材への相手攻撃性を効果的に抑制することができる。

なお、好ましい態様では、前記第２摺動部材のチル部が、第３摺動部材に対しても摺動する構成とすることができる。

本発明は、ロータリピストンエンジン、往復動式エンジン、コンプレッサ等における摺動部材が組み合わされてなる摺動構造に適用することができる。特に好ましくは、ロータリピストンエンジンの摺動構造、すなわちアペックスシールとアペックスシールを収めるロータ頂部の溝部との組合せに適用することができる。

従って、好ましい態様では、前記第１摺動部材は、頂部に溝部を有するロータリピストンエンジンのロータであり、前記第２摺動部材は、前記溝部に収容されたアペックスシールである。

また、前記第３摺動部材は、好ましくは前記ロータリピストンエンジンのロータハウジングである。

なお、第２摺動部材の基部及びチル部は、鋳鉄組織よりなる単一部材のうちの一部がチル化処理されてチル部を形成する構成であってもよく、また鋳鉄組織からなる部材とチル組織からなる別部材が一体的に接合された構成であってもよい。

以上述べたように、本発明によると、第１摺動部材における、第２摺動部材との摺接面に硬度の高いＴｉＯ_２皮膜を形成することにより、第２摺動部材の基部とチル部双方との摺動に対して、第１摺動部材の耐摩耗性を向上させることができ、耐久信頼性の高い摺動構造を得ることができる。また、前記ＴｉＯ_２皮膜の膜厚を調節することにより、皮膜の硬さ、皮膜表面の気孔率及び／又は表面粗さを制御することができるため、第１摺動部材の耐摩耗性を向上させるとともに、第２摺動部材に対する第１摺動部材の相手攻撃性の高まりを抑えて、より耐久信頼性の高い摺動構造を得ることができる。

図１は、本発明を適用したロータリピストンエンジンを概略的に示す断面図である。図２は、図１に示すアペックスシールの拡大図であり、（ａ）はロータ溝部に収容されたアペックスシールがロータ及びロータハウジングのトロコイド面に対し摺動する様子を説明するための図、（ｂ）はアペックスシールの構成を示す図である。図３は、プラズマ電解析出法によるＴｉＯ_２皮膜の形成方法を説明するための図である。図４は、リグ摩耗試験に使用するディスク試験片の（ａ）平面図、及び（ｂ）側面図である。図５は、ロータ材であるＡＣ４Ｂ材のディスク試験片表面に形成されたＴｉＯ_２皮膜表面のＳＥＭ像であり、ＴｉＯ_２皮膜の膜厚は（ａ）５μｍ、（ｂ）１０μｍ、（ｃ）５０μｍである。図６は、ロータ材であるＡＣ４Ｂ材のディスク試験片表面に形成されたＴｉＯ_２皮膜表面の表面粗さを測定したグラフ図であり、ＴｉＯ_２皮膜の膜厚は（ａ）５μｍ、（ｂ）１０μｍ、（ｃ）５０μｍである。図７は、リグ摩耗試験に使用するピン試験片の（ａ）正面図、及び（ｂ）側面図である。図８は、リグ摩耗試験において、（ａ）はピン試験片をディスク試験片に対し摺動させる様子を説明するための図、（ｂ）は摩耗試験後にピン試験片のＲ部に形成された摺動痕摩耗幅を示す図である。図９は、リグ摩耗試験において、実施例及び比較例のディスク試験片に対し、（ａ）鋳鉄部、（ｂ）チル部に相当するピン試験片を摺動させた場合の、ディスク摩耗減量を示すグラフ図である。図１０は、リグ摩耗試験において、実施例及び比較例のディスク試験片に対し、（ａ）鋳鉄部、（ｂ）チル部に相当するピン試験片を摺動させた場合の、ピン摺動痕摩耗幅を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

図１は本実施形態に係るロータリピストンエンジンの簡略図であり、ロータハウジング（第３摺動部材）１のトロコイド面２を、出力軸３を回転させるロータ（第１摺動部材）４の各頂部に装着されたアペックスシール（第２摺動部材）５の頂面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４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３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、トロコイド面２が形成された例えば鋼板製のライナーをアルミ合金に鋳ぐるむなどして製作される。そのトロコイド面２は、上述のごとく、アペックスシール５が押し付けられながら摺動するため、高い耐熱性、耐摩耗性、低摩擦性が要求される。このため、トロコイド面２にはＣｒ含有メッキ皮膜が形成されている。

ロータ４は、回転軸心の方向から見て各辺の中央部が外側に膨出する略三角形状のブロック体からなり、アルミニウム合金製の基材を有する。

アルミニウム合金材としては、例えば、ＪＩＳ規格に規定されるＡＣ２Ｂ材、ＡＣ４Ｂ材、ＡＣ４Ｄ材、ＡＣ８Ａ材等、又はＡＡ（アメリカアルミニウム協会）規格に規定されるＡ３９０材等を用いることができる。また、特に好ましくは鋳造性に優れるＡＣ４Ｂ材を使用することができる。

ロータ４の略三角形状の各頂部には、アペックスシール５を収容するための溝部４１が設けられている。

図２（ａ）は、ロータ頂部の拡大図である。図２（ａ）に示すように、アペックスシール５は、スプリング（図示せず）を介してロータ頂部の溝部４１に収容されている。

アペックスシール５は、ロータ回転時、前記スプリング、燃焼ガス圧、及び慣性力によりロータハウジング１のトロコイド面２に押し付けられるため、ロータ溝部４１内で上下にスライドする。また、ロータ４の回転方向に押し付けられて傾くことから、ロータ４とアペックスシール５のエッジが強く押し付けられる。この結果、ロータ頂部の溝部４１の例えば図２に示す位置Ａ１，Ａ２において、摩耗すると考えられる。

ここで、上述のごとく、ロータハウジング１のトロコイド面２にはＣｒ含有めっき皮膜が形成されており、これに摺動するアペックスシール５の耐摩耗性も向上させる必要がある。従って、アペックスシール５の頂部（Ａ３）近傍は、鋳鉄組織がチル化処理された構成となっている。すなわち、アペックスシール５は、図２（ｂ）に示すように、鋳鉄組織からなる鋳鉄部５１（基部）と、この鋳鉄組織がチル化処理されてなるチル部５２とを備えた構成となっている。

これにより、例えば図２（ａ）のＡ２に示す、ロータ頂部のエッジには、アペックスシール５のチル部５２が摺動する可能性があり、溝部４１の耐摩耗性を向上させる必要がある。

そこで、本発明は、ロータ４のアルミニウム合金製基材の表面であってアペックスシール５との摺接面にＴｉＯ_２よりなる皮膜を有することを特徴とする。

ＴｉＯ_２皮膜は、硬度がＨｖ５００程度以上であり、上述の鋳鉄及びチル化処理された鋳鉄の硬度と同程度である。従って、摺接面にＴｉＯ_２皮膜を形成することにより、ロータ溝部４１とアペックスシール５を含む摺動構造の耐摩耗性を向上させることができる。

ＴｉＯ_２皮膜は、図３に示すように、プラズマ電解析出法によりアルミニウム合金製基材の摺接面表面に形成する。

プラズマ電解析出法は、図３に示すように、電解槽１１に入れられた電解質を含む電解液１２に、アノード１３に接続されたアルミニウム合金製基材１４が浸漬されており、このアノード１３と、アルミニウム合金製基材１４から離間されて電解液１２に浸漬されたカソード１５との間に電圧を印加することにより行うことができる。電解液１２には、電解質としてＴｉＯ_２の前駆体であるチタン（ＩＶ）塩１６、具体的には例えばＴｉＣｌ_４やＨ_２ＴｉＦ_６等のハロゲン化チタン若しくはＴｉＯＣｌ_２等のオキシハロゲン化チタン、又は電解槽１１中にチタニル（ＴｉＯ^２＋）を生じさせる硫酸チタニル、シュウ酸チタニル等のチタン（ＩＶ）化合物が含まれる。また、電解液１２には、電解質として、これらチタン（ＩＶ）塩等に加え、さらに別の導電性塩が少なくとも１種が含まれ、具体的には例えば、硝酸塩、硫酸塩、過塩素酸塩等を含む。さらに、電解液１２は、電解質に加え、例えばクエン酸塩、酒石酸塩、乳酸塩等の安定化剤、ヒドロキシルアミン等の促進剤、Ｈ_３ＰＯ_４等の緩衝剤等を含んでもよい。この電解液１２中において両電極１３，１５間に電圧を印加して酸素プラズマ１７を発生させ、アルミニウム合金製基材１４の表面にＴｉＯ_２層１８を電解析出させ、ＴｉＯ_２皮膜を形成する。なお、電解液の温度は、好ましくは１５℃〜３５℃、より好ましくは２０℃〜３０℃、特に好ましくは２３℃〜２７℃である。

両電極１３，１５に印加する平均電圧は、好ましくは２００〜１０００Ｖ、特に好ましくは２００〜６００Ｖであり、直流電流又は直流パルス電流を使用することが好ましい。平均電流密度は、好ましくは０．０２〜１００ｍＡ／ｃｍ^２、特に好ましくは０．１〜１０ｍＡ／ｃｍ^２である。直流パルス電流を使用する場合は、パルス幅１〜１００ｍｓ、周波数１０〜１，０００Ｈｚであることが好ましい。なお、ＴｉＯ_２皮膜の膜厚は、平均電流密度又は電解処理時間等に依存して、これらのパラメータを制御することにより所望の膜厚とすることができる。

また、アルミニウム合金製基材１４として、ロータ頂部のみ電解液に浸漬し、ロータ溝部４１のアペックスシール５との摺接面表面にのみＴｉＯ_２皮膜を形成することが好ましい。

従って、本発明によれば、ロータ溝部４１のアペックスシール５との摺接面に硬度の高いＴｉＯ_２皮膜を形成することにより、アペックスシールの鋳鉄部５１とチル部５２両者との摺動に対して、ロータ４の耐摩耗性を向上させることができ、耐久信頼性の高い摺動構造を得ることができる。

なお、ＴｉＯ_２皮膜の膜厚は、好ましくは５μｍ以上１５μｍ以下であり、特に好ましくは５μｍ以上１０μｍ以下である。また、前記皮膜の硬さは、好ましくはＨｖ５００以上Ｈｖ８００以下であり、特に好ましくはＨｖ６００以上Ｈｖ８００以下である。そして、好ましい態様では、前記ＴｉＯ_２皮膜の膜厚は５μｍ以上１５μｍ以下であり且つ前記皮膜の硬さはＨｖ５００以上Ｈｖ８００以下である。また、特に好ましい態様では、前記皮膜の膜厚は５μｍ以上１０μｍ以下であり且つ前記皮膜の硬さはＨｖ６００以上Ｈｖ８００以下である。これにより、ロータ４の優れた耐摩耗性を確保しつつ、相手攻撃性の向上を抑えて双方のバランスに優れた摺動構造をもたらすことができ、摺動構造の耐久信頼性をより向上させることができる。

そして、前記皮膜の表面粗さは、好ましくはＲａ０．１μｍ以上Ｒａ１．２μｍ以下であり、より好ましくはＲａ０．４μｍ以上Ｒａ１．２μｍ以下、特に好ましくはＲａ０．４μｍ以上Ｒａ１．０μｍ以下である。これにより、良好なオイル供給性を保ちつつ、アペックスシール５への相手攻撃性を効果的に抑制することができる。

次に、具体的に実施した実施例について説明する。

ロータ材の仕様を検討の上、試験片を試作し、ロータとアペックスシールの摺動を模擬したリグ摩耗試験を行い、耐久信頼性を評価した。

表１に、具体的に実施した実施例及び比較例について示す。

［ロータ材］
表１に示すように、アルミニウム合金製ロータ材に相当するディスク試験片のディスク材を、実施例１〜３及び比較例１，３では、鋳造性に優れるＡＣ４Ｂ材を使用し、比較例２では、耐摩耗性に優れる高Ｓｉ合金のＡ３９０材を使用した。両アルミニウム合金の化学成分および硬度を表２に示す。Ｓｉ含有量の多いＡ３９０材は、Ｓｉ晶出物の量が多いため硬度が高い。

［ディスク試験片の作製］
次に、図４に示すように、ロータ材の試験片としてディスク試験片２０を作成した。

上述の両ロータ材を砂型のディスク試験片鋳型を用いて重力鋳造した後、Ｔ６熱処理を行った。Ｔ６熱処理条件は、溶体化処理として５００℃で６時間保持した後水冷し、その後、時効処理として１６０℃で６時間保持した後空冷した。その後、これらを機械加工し、直径２０ａが６０ｍｍ（両端カット部の径２０ｂが５７ｍｍ）、厚さ２０ｃが５ｍｍのディスク試験片２０を作製した。

［ディスク試験片の表面処理］
図３に示すプラズマ電解析出法により、実施例１〜３のＡＣ４Ｂ材のディスク試験片２０の表面にＴｉＯ_２よりなる金属酸化物層を形成した。

電解質として、２０．０ｇ／ＬのＨ_２ＴｉＦ_６（６０％）及び４．０ｇ／ＬのＨ_３ＰＯ_４を含む電解質水溶液に、ディスク試験片を浸漬した。ｐＨはアンモニア水を用いて３．０に調整した。平均電圧２９０Ｖ、平均電流密度８．６ｍＡ／ｃｍ^２、パルス幅２５ｍｓ、周波数３０Ｈｚの直流パルス電流を用いて、２５℃の電解質溶液で所定時間電解処理を行った。

ＴｉＯ_２皮膜の膜厚は、電解処理時間により調節した。実施例１，２，３において、電解処理時間は各々１．５分、３分、１５分であり、ＴｉＯ_２皮膜の膜厚は各々５μｍ、１０μｍ、５０μｍであった。

図５は、各々のＴｉＯ_２皮膜表面のＳＥＭ像である。図５に示すように、ＴｉＯ_２皮膜の表面は気孔を有しており、これによりオイル保持性が高くなっている。また、図６は、各々のＴｉＯ_２皮膜表面の表面粗さＲａを求めたものである。

表３に、ＴｉＯ_２皮膜表面の気孔率、硬度及び表面粗さを示す。

気孔率は、図５に示すＳＥＭ像において、気孔の面積率を求めたものであり、実施例１〜３において４〜１０％程度である。これにより、膜厚が薄いほど気孔率が高いことが判る。また、硬さは約Ｈｖ５００〜Ｈｖ８００の範囲である。また、表面粗さは、Ｒａ０．７〜Ｒａ１．６程度であり、膜厚が厚くなるほど表面粗さが大きくなることが判る。なお、表面粗さは、基材の粗さを小さくし、膜厚を薄くすることによりＲａ０．４程度まで低減することができる。

また、表１に示す比較例３では、表面処理として一般的な陽極酸化処理（Ａｌ_２Ｏ_３皮膜形成、膜厚５μｍ）を行った。なお、本比較例については、気孔が小さ過ぎるため、気孔率は計測できなかった。

なお、表１に示す比較例１では、ロータ材として実施例１〜３と同じＡＣ４Ｂ材を使用しているが、表面処理を行わなかった。また、表１に示す比較例２では、ロータ材として耐摩耗性に優れる上述のＡ３９０材を使用し、比較例１と同様に表面処理を行わなかった。

［アペックスシール材］
アペックスシール材として、表４の成分からなる鋳鉄材料を使用した。

アペックスシールの鋳放し組織はベイナイトであるが、上述のごとく、ロータハウジング１と摺動する部位を電子ビームにて再溶融し、炭化物を晶出させたチル組織としている。従って、アペックスシールは、ベイナイトの鋳鉄部と、チル組織のチル部の２層の金属組織で構成されている。なお、鋳鉄部及びチル部の硬さは各々Ｈｖ４１０及びＨｖ６３７である。

［ピン試験片の作製］
リグ摩耗試験に用いるピン試験片２１の形状を図７に示す。

アペックスシールは、上述のごとく、ロータ溝部４１内で鋳鉄部５１とチル部５２の両方の組織が摺動するため、ピン試験片２１として、鋳鉄部とチル部に相当する２種類の組織のＲ部２２を有するピン試験片２１を作製した。

具体的には、上述の鋳鉄材料から図７に示すピン試験片を採取した。鋳鉄部に相当するピン試験片２１は、採取後そのままリグ摩耗試験に使用し、チル部に相当するピン試験片２１は、採取後Ｒ部２２を電子ビームにて再溶融し、炭化物を晶出させてチル組織として、ピン試験片２１として使用した。

［リグ摩耗試験条件］
摺動特性を、ピンオンディスク型摩擦摩耗試験機（高千穂精機社製、デュアルマイクロテスター μ―１００Ｎ）により評価した。図８に示すように、ロータ材としてのディスク試験片２０に、アペックスシール材としてのピン試験片２１のＲ部２２を押し当てて往復摺動させた。

試験条件は、試験荷重８５Ｎ、試験温度１５０℃、ストローク４０ｍｍ、滑潤油量１０ｍＬ／分、油温９０℃、周波数２．５Ｈｚ、試験時間６０分であった。なお、潤滑油として、通常のエンジン油に比べ潤滑性の劣る無添加タービンオイル＃３２（ＪＸ日鉱日石エネルギー社製）を使用した。

ロータ材の摩耗量は、試験前後のディスク試験片２０の重量減少量（ディスク摩耗減量（ｍｇ））を測定することにより評価した。また、ロータ材の相手攻撃性として、ピン試験片２１のＲ部２２の摺動痕の幅２３（ピン摺動痕摩耗幅（ｍｍ））を測定することにより評価した。

［リグ摩耗試験結果］
表５、図９及び図１０に、リグ摩耗試験の試験結果を示す。

＜ロータ材の耐摩耗性について＞
表５及び図９（ａ）に示すように、アペックスシール５の鋳鉄部５１に相当するピン試験片２１の摺動に対するディスク摩耗減量は、鋳鉄部５１に対するロータ材の耐摩耗性を示している。

ディスク摩耗減量は、比較例１の表面処理を行っていないＡＣ４Ｂ材では８．４０ｍｇ、比較例２のＡＣ４Ｂ材よりも耐摩耗性の優れるＡ３９０材では表面処理なしの仕様で３．９５ｍｇとなった。

一方、実施例１〜３のＴｉＯ_２皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材では、ディスク摩耗減量は０．１５〜０．３４ｍｇとなり、全ての膜厚（５〜５０μｍ）で比較例２のＡ３９０材よりも優れた耐摩耗性を示した。これにより、比較例１，２の表面処理なしのＡＣ４Ｂ材及びＡ３９０材に比べ、ＡＣ４Ｂ材の表面にＴｉＯ_２皮膜を形成したものでは、ロータ材の耐摩耗性が大幅に向上することが判った。

また、ＴｉＯ_２皮膜の膜厚が薄いほどディスク摩耗減量は少なく、ロータ材の耐摩耗性が向上することが判った。これは、膜厚が薄いほど気孔率が高いため、オイルの保持性が高かったためと考えられる。

また、比較例３のＡｌ_２Ｏ_３皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材のディスク摩耗減量は２．９ｍｇであり、比較例２のＡ３９０材よりも耐摩耗性は優れるものの、ＴｉＯ_２皮膜の耐摩耗性には及ばないことが判った。Ａｌ_２Ｏ_３皮膜はＴｉＯ_２皮膜に比べ、硬度が低いこと、微細な気孔を有しているものの、比較的大きな気孔が分散したＴｉＯ_２皮膜の方がオイルの保持性が高かった可能性が考えられる。

表５及び図９（ｂ）に示すように、アペックスシール５のチル部５２に相当するピン試験片２１の摺動に対するディスク摩耗減量は、チル部５２に対するロータ材の耐摩耗性を示している。

ディスク摩耗減量は、比較例１の表面処理なしのＡＣ４Ｂ材では４．８０ｍｇ、比較例２のＡ３９０材では１．０５ｍｇとなった。

一方、実施例１〜３のＴｉＯ_２皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材のディスク摩耗減量は、０．９〜１．２５ｍｇであり、実施例１，２の薄膜（５μｍ）と中間膜（１０μｍ）では比較例２のＡ３９０材よりも優れた耐摩耗性を示した。

また、鋳鉄部の場合と同様に、ＴｉＯ_２皮膜の膜厚が薄いほどディスク摩耗減量は少なく、ロータ材の耐摩耗性が向上することが判った。

また、比較例３のＡｌ_２Ｏ_３皮膜のディスク摩耗減量は２．４０ｍｇであり、比較例２のＡ３９０材よりも耐摩耗性が劣る結果となった。

以上より、ＴｉＯ_２皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材のロータ４は、アペックスシール５の鋳鉄部５１とチル部５２の両方に対して、Ａ３９０材やＡｌ_２Ｏ_３皮膜よりも優れた耐摩耗性を示すことが判った。

［ロータ材の相手攻撃性について］
上述のごとく、ロータ材の表面にＴｉＯ_２皮膜を形成することにより、ロータ材の耐摩耗性を効果的に向上させることができる。しかし、これによりロータ４の硬度が高くなっていることから、相手攻撃性が高まり、相手材であるアペックスシール５を摩耗させる可能性が考えられる。そこで、上記実施例１〜３及び比較例１〜３において、ロータ材の相手攻撃性を評価した。すなわち、前述のディスク試験片の相手材であるピン試験片の摺動痕摩耗幅により、ロータ材の相手攻撃性を評価した。表５と図１０にリグ摩耗試験の試験結果を示す。

表５及び図１０（ａ）に示すように、比較例１の表面処理なしのＡＣ４Ｂ材、比較例２のＡ３９０材、及び比較例３のＡｌ_２Ｏ_３皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材に対する、鋳鉄部のピン試験片の摺動痕摩耗幅は、各々０．３９ｍｍ、０．７５ｍｍ、及び０．３９ｍｍであった。

これに対し、実施例１〜３に示すＴｉＯ_２皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材に対する、鋳鉄部のピン試験片の摺動痕摩耗幅は、０．３４〜０．６０ｍｍであり、全ての膜厚（５〜５０μｍ）で比較例２のＡ３９０材よりも相手攻撃性が小さい結果となった。しかし、比較例１，３に比べて、実施例１は相手攻撃性が小さいものの、実施例２，３は相手攻撃性が大きい結果となった。これは、ＴｉＯ_２皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材の硬度が高いことが影響していると考えられる。

しかしながら、比較例１，３では、ロータ材の耐摩耗性が実施例１〜３に比べ大きく劣ることから、耐摩耗性と相手攻撃性とのバランス面を考慮すると、実施例１〜３のＴｉＯ_２皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材が優れていると言える。

なお、ＴｉＯ_２皮膜の膜厚が薄いほどピン摺動痕摩耗幅が小さくなっており、これはＴｉＯ_２皮膜の膜厚が薄いほど表面粗さが小さくなるため、相手材への研削作用が小さかったためと考えられる。

また、表５及び図１０（ｂ）に示すように、比較例１の表面処理なしのＡＣ４Ｂ材、比較例２のＡ３９０材、及び比較例３のＡｌ_２Ｏ_３皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材に対する、チル部のピン試験片の摺動痕摩耗幅は、各々０．１８ｍｍ、０．５０ｍｍ、及び０．１８ｍｍであった。

これに対し、実施例１〜３に示すＴｉＯ_２皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材に対する、チル部のピン試験片の摺動痕摩耗幅は、０．３４〜０．４４ｍｍで、上述の鋳鉄部と同様に、比較例２のＡ３９０材よりも相手攻撃性が小さい。しかし、比較例１，３に比べると、実施例１〜３全てにおいて相手攻撃性が大きい結果となった。

しかしながら、鋳鉄部の場合と同様に、比較例１，３では、ロータ材の耐摩耗性が実施例１〜３に比べ大きく劣ることから、耐摩耗性と相手攻撃性とのバランス面を考慮すると、実施例１〜３のＴｉＯ_２皮膜を形成したＡＣ４Ｂ材が優れていると言える。

以上の試験結果から、ＴｉＯ_２皮膜は、チル部と鋳鉄部の両方でＡ３９０材やＡｌ_２Ｏ_３皮膜よりも優れた相手攻撃性を示すこと、一般的なＡｌ_２Ｏ_３陽極酸化皮膜に比べ相手攻撃性はやや劣位にあるが、耐摩耗性と相手攻撃性とのバランスに優れることがわかる。

本発明は、第１摺動部材における、第２摺動部材との摺接面に硬度の高いＴｉＯ_２皮膜を形成することにより、第２摺動部材の基部とチル部双方との摺動に対して、第１摺動部材の耐摩耗性を向上させることができ、耐久信頼性の高い摺動構造を得ることができるので、極めて有用である。また、前記ＴｉＯ_２皮膜の膜厚を調節することにより、皮膜の硬さ、皮膜表面の気孔率及び／又は表面粗さを制御することができるため、第１摺動部材の耐摩耗性を向上させるとともに、第２摺動部材に対する第１摺動部材の相手攻撃性の高まりを抑えて、より耐久信頼性の高い摺動構造を得ることができるので、極めて有用である。

１ロータハウジング（第３摺動部材）
４ロータ（第１摺動部材）
４１溝部
５アペックスシール（第２摺動部材）
５１鋳鉄部（基部）
５２チル部

Claims

アルミニウム合金製の基材を有する第１摺動部材と、該第１摺動部材に対して摺動する鋳鉄製の第２摺動部材とが組み合わされた摺動構造であって、
前記第１摺動部材は、前記基材の表面で前記第２摺動部材との摺接面にＴｉＯ_２よりなる皮膜を有してなり、
前記第２摺動部材は、鋳鉄組織からなる基部と、前記鋳鉄組織がチル化処理されてなるチル部とを備えた
ことを特徴とする摺動構造。
請求項１において、
前記皮膜の気孔率が５．５％以上１０％以下であることを特徴とする摺動構造。
請求項１又は請求項２において、
前記皮膜の表面粗さがＲａ０．４μｍ以上Ｒａ１．２μｍ以下であることを特徴とする摺動構造。
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記皮膜の膜厚が５μｍ以上１５μｍ以下であり、
前記皮膜の硬さがＨｖ５００以上Ｈｖ８００以下である
ことを特徴とする摺動構造。
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記第２摺動部材のチル部は、第３摺動部材に対しても摺動することを特徴とする摺動構造。
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記第１摺動部材は、頂部に溝部を有するロータリピストンエンジンのロータであり、
前記第２摺動部材は、前記溝部に収容されたアペックスシールである
ことを特徴とする摺動構造。
請求項５において、
前記第１摺動部材は、頂部に溝部を有するロータリピストンエンジンのロータであり、
前記第２摺動部材は、前記溝部に収容されたアペックスシールであり、
前記第３摺動部材は、前記ロータリピストンエンジンのロータハウジングである
ことを特徴とする摺動構造。