JP2016113642A

JP2016113642A - 摺動部材の製造方法

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Publication number: JP2016113642A
Application number: JP2014251113A
Authority: JP
Inventors: 宮本　典孝; Noritaka Miyamoto; 典孝宮本; 智子小崎; Tomoko Ozaki; 仁志和田; Hitoshi Wada
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-06-23

Abstract

【課題】より高い密着強度を確保した状態で摺動層としての皮膜を形成することのできるようにした摺動部材の製造方法を得る。【解決手段】基材の摺動部にコールドスプレー法によりＣｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎ粒子を粒子速度６７０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で衝突させて摺動皮膜（第１の皮膜）を形成する。形成した皮膜の上にコールドスプレー法により第１の皮膜よりも軟質な軸受材（Ｃｕ−Ｓｎ等）を第２の皮膜として形成することで、さらに疲労強度も十分確保された軸受材が得られる。【選択図】なし

Description

本発明は、例えば自動車用エンジンのコンロッドの大端部などである摺動部材の製造方法および摺動部材に関する。

自動車用エンジンのコンロッドの大端部の摺動面に、プラズマ溶射によって、Ａｌ−Ｓｎ系、Ａｌ−Ｐｂ系またはＡｌ−Ｓｎ−Ｐｂ系の溶射層（皮膜）を形成したものが知られている（特許文献１）。溶射により摺動層を形成することで、ベアリングメタルを嵌め合いするものと比較して、コンロッドの縮小と軽量化が可能となる。しかし、溶射により形成した皮膜には気孔や酸化物が形成されやすい不都合がある。摺動用皮膜を直接形成する他の方法として、コンロッドの摺動面に、Ｓｎを含むＣｕ合金粉末などの軟質性を有する金属材料粉末を、加熱した窒素ガスにより５００ｍ／ｓｅｃ〜１０５０ｍ／ｓｅｃの速度でブラスト処理した摺動面に衝突させる、いわゆるコールドスプレー法によって成膜することも提案されている（特許文献２）。コールドスプレー法で成膜することで、生成される摺動皮膜に気孔や酸化物が形成されるのを回避することができ、軸受けの耐疲労性が向上するとともに、耐焼き付き性も向上する。

特開昭６１−００６４２１号公報特開２００７−０１６２８８号公報

特許文献２に記載される摺動部材の製造方法では、Ｓｎを含むＣｕ合金粉末などの軟質な金属材料粉末を、ブラスト処理した基材（コンロッド）の摺動面に直接衝突させるようにしている。しかしながら、Ｃｕ−Ｓｎなどの軟質な合金粉末粒子を、平均硬さがＨＶ２３０〜３８０にある基材に突き刺さるようにし、かつ部分的に基材と融合した接合状態とすることは容易でなく、摺動部材に求められる高い密着強度を確保することは困難である。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、より高い密着強度を確保した状態で摺動層を形成することのできるようにした、より改良された摺動部材の製造方法および摺動部材を提供することを課題とする。

本発明者らは、多くの実験と研究を繰り返して行うことにより、硬さがＨＶ３００程度の焼結鍛造品であるコンロッド基材に、所定の成分比（ｗｔ％）のＣｕ−Ｚｎ粉末を、所定速度になるように条件を高めてコールドスプレーすることで、Ｃｕ−Ｚｎ粉末と基材とが化学結合し、形成された皮膜の基材に対する密着強度が極めて大きくなることを見出した。また、形成されたＣｕ−Ｚｎ系皮膜の上に、例えばＣｕ−Ｓｎ系のようなより軟質な軸受材をコールドスプレーすることで、安価なＮ_２ガスを用いても、密着強度の高い皮膜を形成できることを見出した。

本発明は上記の知見に基づいており、第１の発明による摺動部材の製造方法は、基材である焼結鍛造部材の摺動部にコールドスプレー法によりＣｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎ粒子を粒子速度６７０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で衝突させて皮膜を形成することを特徴とする。

後の実験例に示すように、第１の本発明によれば、基材が硬さＨＶ３００程度のものであっても、基材との間で７０ＭＰａ以上の密着強度を備えたＣｕ−Ｚｎ系の被膜が形成される。

第２の発明による摺動部材の製造方法は、基材である焼結鍛造部材の摺動部にコールドスプレー法によりＣｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎ粒子を粒子速度６７０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で衝突させてアンダー層としての第１の皮膜を設け、該アンダー層の上にコールドスプレー法により前記アンダー層よりも軟質な軸受材を第２の皮膜として形成することを特徴とする。

後の実験例に示すように、第２の発明によれば、従来の焼結によるものとほぼ同等の焼き付き荷重を持つ、Ｃｕ−Ｚｎ系層とそれよりも軟質な軸受材の２層構造からなる皮膜を備えた摺動部材が得られる。

第１および第２の発明において、好適には、コールドスプレー法の作動ガスとしてＮ_２ガスを用いる。Ｎ_２ガスは安価であり工業的に入手しやすいので、硬い鋼材である焼結鍛造部材の摺動部に対し安価にコールドスプレーで軸受を形成することができ、部品の軽量化が可能となる。また、例えはＣｕ−Ｓｎ系材のような軟質な軸受材を直接焼結鍛造コンロッドのような基材にコールドスプレーしようとしても、Ｎ_２ガスでは高い密着性を備えた皮膜を形成することができないが、Ｃｕ−Ｚｎ系である前記アンダー層である第１の皮膜に対しては、安価なＮ_２ガスを用いての製膜が可能となる。そのために、製造コストが低減する。

本発明によれば、密着強度が極めて大きい摺動皮膜を備えた摺動部材を製造することができる。

コールドスプレー処理を行った装置を説明する概略図。実験で得た試験片での基材と皮膜との界面のＳＥＭ写真。図２に示す界面における２か所におけるＥＤＸポイント分析のグラフ。実験で得た他の試験片での基材と皮膜との界面のＳＥＭ写真。図４に示す界面における２か所におけるＥＤＸポイント分析のグラフ。焼き付き荷重の測定装置を説明する概略図。各試験片と焼き付き荷重を示すグラフ。本発明による供試品の往復動荷重試験結果を基準ラインと共に示すグラフ。Ｃｕ中に含まれるＺｎの量と硬さの関係を示すグラフ。

以下、本発明者が行った実験結果を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。
［実験１：密着強度］
自動車用の焼結鍛造コンロッドを基材として用意した。硬さはＨＶ３００、大端部径は直径４７ｍｍである。また、コールドスプレー用の粉末として、表１に示すＣｕ−Ｚｎ系、Ｃｕ−Ｓｎ系、Ａｌ−Ｓｎ系を用意した。いずれも平均粒径（メディアン径）２０μｍである。それぞれに対して、表２に示す処理条件でコールドスプレー処理を行った。処理時のコンロッドとスプレーノズルとの位置関係は、図１に示すようにした。なお、図１において、１はコンロッド、２はコンロッドの大端部、３はスプレーノズルである。

コールドスプレー中の粒子速度（ｍ／ｓ）をＳｐｒａｙＷａｔｃｈ（Ｏｓｅｉｒ社）で測定した。また、成膜した皮膜について、せん断密着試験法により密着強度を測定した。それらの結果を表３に示した。なお、表３では、密着強度のランクを、密着強度の測定値が７０ＭＰａ以上のものを○、７０ＭＰａより低いが成膜されたものを△、成膜しなかったものを×として示した。また、−は、データを取得していないことを示している。

表３に示すように、作動ガスにＨｅを用いて粒子速度１１００ｍ／ｓが出ているものは多くが７０ＭＰａ以上の高い密着強度が得られた。一方、作動ガスにＮ_２を用いているものの中では、粒子速度が６７０ｍ／ｓ以上になるようにしてＣｕ−１７Ｚｎ、Ｃｕ−４０Ｚｎをコールドスプレーしたときに、基材にブラスト処理を施さなくても、多くの場合、７０ＭＰａ以上の高い密着強度が得られた。なお、ブラスト無し、Ｃｎ−１７Ｚｎ、４ＭＰａ、６７０ｍ／ｓでの△で示される密着強度の実測値は２４ＭＰａであった。このことから、硬さはＨＶ３００である焼結鍛造コンロッド基材に対しても、Ｃｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎ程度の粉末を、粒子速度６７０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で衝突させて皮膜を形成した場合、作動ガスとして安価なＮ_２を用いた場合であっても、十分に実用に供することのできる密着強度を備えた摺動皮膜の層が形成されることが分かった。

［実験２：Ｚｎの存在意味の検証］
実験１によって、安価なＮ_２を用いても、Ｃｎ−Ｚｎ系について、６７０ｍ／ｓ以上の粒子速度が出るような条件でコールドスプレーを行えば高い密着強度が得られることがわかったので、その理由を究明すべく、Ｃｕ−Ｓｎ系と比較する形で、界面の観察を行った。方法としては、Ｃｕ−６ＳｎにＣｎ−４０Ｚｎ粉末を１０ｗｔ％混ぜたものを用意し、粒子速度１１００ｍ／ｓでコールドスプレーを行った。そのときの他の処理条件は表４に示した。そして、付着した粒子の断面を観察するためにＦＩＢ加工して、ＦＥ−ＳＥＭ観察およびＥＤＸ分析を行った。

ＳＥＭ観察では、図２に示すように、作動ガスにＨｅを用いた粒子速度１１００ｍ／ｓの条件なので、皮膜はよく密着していた。基材と皮膜との界面の中で密着が悪そうな箇所（図２中のＡ）とすべてが混ざっている代表的な箇所（図２中のＢ）の界面部分を選択して、ＥＤＸポイント分析を行った。その結果を図３に示した。図３より、密着が悪そうな箇所（Ａ部分析）にはＺｎが検出されないが、混ざりが良い箇所（Ｂ部分析）にはＺｎが観察された。その結果から、Ｚｎの存在が密着に影響している可能性がわかった。

［実験３：Ｚｎの存在意味の検証］
実験２の結果をみてさらに確認実験を行った。実験２ではＨｅガスを作動ガスとして用いたが、工業的に実用的なＮ_２ガスを用いて実験した。実験３は実験２と同じ粉末を用い、基材に粒子がまばらに付着するようにトラバース速度や供給量を調整した。粒子速度７５０ｍ／ｓでコールドスプレーを行い、そのときの他の処理条件は表５に示した。そして、付着した粒子の断面を観察するためにＦＩＢ加工して、ＦＥ−ＳＥＭ観察およびＥＤＸ分析を行った。

ＳＥＭ観察では、Ｎ_２ガスを用いた粒子速度７５０ｍ／ｓの条件であるが、粒子は外観上付着しているのがわかった。界面をＦＩＢ加工して断面観察を行った。その結果を図４に示した。図４において、界面に隙間がある粒子Ｃ部と、組織が複雑になっており界面がよく密着している粒子Ｄ部について、ＥＤＸポイント分析を行った。その結果を図５に示した。この実験でも、Ｄ部のＥＤＸ分析結果が示すように、Ｃｎ−Ｚｎ粒子の部分は基材と複雑に混じり合い、それにより高い密着が得られるものと推測された。これらの結果から、実験１でＺｎが適度に含まれている粉末は作動ガスがＮ_２でも高い密着が得られた理由は、基材が硬い鉄であっても、界面が融合しやすいからであると考えられる。その適度な量とは、Ｃｕ中のＺｎ量として１７〜４５ｗｔ％程度である。

［実験４：耐焼き付き性］
次に、上記のようにしてコールドスプレーした試験片の耐焼き付き性を調査した。実験では、基材である調質鍛造試験片（３０×３０×５ｍｍ、硬さＨＶ３２０）に、ブラストなどの前処理なしで、表７の１〜６に示す材料によるコールドスプレーを実施したものを用意し、それらについて、焼き付き荷重を計測した。なお、基本的には、表６のＮ_２ガスの条件でコールドスプレーを実施したが、Ｃｕ−６ＳｎにおいてはＮ_２ガス条件では成膜されなかったので、これについては表６のＨｅの条件にて実施した。コールドスプレー後厚さおよび仕上げ後厚さを表７に示した。

なお、Ｃｕ−Ｚｎ系のコールドスプレーによる成膜を下地層（アンダー層：第１の皮膜）とし、２層目にＣｕ−６Ｓｎを施工して第２の被膜としたものは、Ｎ_２ガスでも十分に密着したので、表７での試験片５と６でのＣｕ−６Ｓｎ層は、Ｎ_２コールドスプレーでの施工品である。また、表７での試験片１と試験片２は、実験１において十分に実用に供することのできる摺動皮膜の層が形成されたものである。また、試験片７は比較品であり、同じ基材にＣｕ−６Ｓｎを焼結処理したものである。

なお、ここで「ピッチ（ｍｍ）」とはガンをトラバースさせるときの間隔（ガンを持たせているロボットの移動量）である。

焼き付き荷重の測定は、図６に示すようにリングオンディスク試験を実施して測定した。その結果を図７に示した。なお、図６において、１０はリングオンディスク試験装置、１１はコールドスプレーを施した試験品、１２は相手リングであるＳ４５Ｃ焼き入れ品、１３は油である。また、試験条件は表８に示した。

図７に示すように、試験片７である従来材のＣｕ−６Ｓｎ焼結品に対し、コールドスプレー品である試験片３（Ｃｕ−６Ｓｎ（Ｈｅ））の焼き付き荷重はほぼ同等である。また、やはりコールドスプレー品である試験片１（Ｃｕ−１７Ｚｎ）および試験片２（Ｃｕ−４０Ｚｎ）の焼き付き荷重も、現在規格値として一般に採用されている値（１５ＭＰａ）を備えている。このことと前記実験３の結果から、摺動部にコールドスプレー法によりＣｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎを粒子速度６７０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で衝突させて、所定厚さに摺動層を形成することにより、十分に実用に耐える耐焼き付き性を備えた摺動部材が得られることがわかる。

しかしながら、試験片１および試験片２の焼き付き荷重は、試験片７である従来材のＣｕ−６Ｓｎ焼結品よりも低い。それで、１層目にＣｕ−Ｚｎ系の被膜をアンダー層として施工した後、その上に２層目として第１の皮膜よりも軟質なＣｕ−６Ｓｎをコールドスプレーした試験片５と試験片６を作り、焼き付き荷重を測定したところ、試験片７である従来材のＣｕ−６Ｓｎ焼結品と同等以上の値が得られた。

このことから、摺動部にコールドスプレー法によりＣｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎを粒子速度６７０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で衝突させてアンダー層を設け、該アンダー層の上にコールドスプレー法により前記アンダー層よりも軟質な軸受材を所定厚さに形成することにより、一層高い耐焼き付き性を備えた摺動部材が得られることがわかる。また、この形態の摺動部材では、万が一、アンダー層である第１の皮膜よりも軟質な軸受材であるＣｕ−６Ｓｎの層が少し摩耗しても、Ｃｕ−Ｚｎ層がバックアップ層として機能することで、耐久性も向上する。

上記のことから、本発明によれば、硬い鋼材のコンロッドに対して、安価なＮ_２ガスのみを作動ガスとするコールドスプレーにより高い焼き付き荷重を備えた軸受（摺動部材）が形成でき、部品軽量化をすることが可能となることがわかる。

［実験５：疲労テスト］
実験４での試験片６（Cu-40Zn(t=0.15mm)+Cu-6Sn(t=0.2mm)）の構成のものについて、疲労テスト（往復動荷重試験）を行った。実験４と同条件でコンロッド大端部にコールドスプレー処理した後、機械加工にて合計厚さ０．２５ｍｍとした。そしてその後、固体潤滑オーバレイとして、ＭｏＳ_２＋ＰＡＩ樹脂の層を６μｍ形成して供試材とした。試験条件は、往復動荷重、周速：７ｍ／ｓ（３０００ｒｐｍ）、面圧：１００ＭＰａ、油種：１０Ｗ−３０、給油温度：１６０℃、繰り返し数：１０^７回とした。その結果を、現在一般的に適用されている基準ラインと共に、図８に示した。

図８に示すように、本発明品である供試材品は基準ラインよりも優位な位置にあり、このことから、本発明の方法により製造されるコンロッド軸受（摺動部材）は疲労強度も十分確保されていることが確認された。

［追加の考察］
上記実験２と実験３でＺｎの存在意味の検証を行った。ここでは、何故にＣｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎが好適なのか、何故に粒子速度が６７０ｍ／ｓｅｃ以上であることが好適なのか、をさらに検討する。一般的には、コールドスプレー時には、変形しやすい適度な柔らかさを備える粉末が、高速で基材に衝突し基材の塑性変形も伴いながら付着すると考えられている。その際に、界面でせん断変形、融点、熱伝導率、清浄度等が関わる何らかの固相結合が生じてる。粒子速度６７０ｍ／ｓｅｃ以上でコールドスプレーした場合での、Ｃｕ−ＺｎのＺｎが１７〜４５ｗｔ％が好適なのは、それらの物性が複雑に絡んでいるからと考えられる。また、Ｃｕ中に含まれるＺｎの量と硬さの関係は図９に示すようであり、Ｚｎ量の増大とともに硬さが増すが、２０〜３５ｗｔ％程度で硬さＨＢ９０であり、コンロッドのような硬い鉄系基材においては、この程度の硬さと熱物性が前記固相結合に望ましいといえる。これらのことからも、本発明において、Ｃｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎを粒子速度６７０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で衝突させて皮膜を形成することは意味があるといえる。

また、Ｚｎが少なすぎると衝突時に硬い鉄系基材を変形させるほどにはならず、多すぎるとＣｕリッチよりも延性が無くなり、界面の粒子側の変形が少なくなって摩擦熱が少なくなる可能性がある。また、Ｚｎが多すぎると熱伝導率が悪化することも考えられる。これらのことからも、本発明において、粉末としてＣｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎを用いることは意味があるといえる。

１…コンロッド、
２…コンロッドの大端部、
３…スプレーノズル、
１０…リングオンディスク試験装置、
１１…コールドスプレーを施した試験品、
１２…相手リングであるＳ４５Ｃ焼き入れ品、
１３…油。

Claims

基材の摺動部にコールドスプレー法によりＣｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎ粒子を粒子速度６７０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で衝突させて皮膜を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
基材の摺動部にコールドスプレー法によりＣｕ−（１７〜４５ｗｔ％）Ｚｎ粒子を粒子速度６７０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で衝突させてアンダー層としての第１の皮膜を設け、該アンダー層の上にコールドスプレー法により前記アンダー層よりも軟質な軸受材を第２の皮膜として形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
前記アンダー層よりも軟質な軸受材がＣｕ−Ｓｎ系材料であることを特徴とする請求項２に記載の摺動部材の製造方法。
コールドスプレー法による作動ガスとしてＮ_２ガスを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法。