JP2019098339A

JP2019098339A - 摺動部材、工具および焼結ダイヤモンドで構成された摺動面の製造方法

Info

Publication number: JP2019098339A
Application number: JP2017228063A
Authority: JP
Inventors: 大祐柳田; Daisuke Yanagida; 幸司渡邊; Koji Watanabe; 久南; Hisashi Minami
Original assignee: Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
Current assignee: Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: JP7163559B2

Abstract

【課題】優れた潤滑性能を長期間維持することができ、かつ、耐久性・耐焼付性に優れた摺動面を有する摺動部材および工具と、それらの製造方法を提供する。【解決手段】摺動部材および工具の摺動面に油だまりとなる微細穴４，４，…が形成された焼結ダイヤモンド１を用いる。微細穴４，４，…の形成は、焼結ダイヤモンド表面のダイヤモンド粒子２，２，…間に存在する焼結助剤３を放電加工などのエネルギー応用加工によって選択的に除去することによって行う。これにより、摺動面１ａに形成された微細穴４，４，…が油だまりとして機能することとなり、摺動面１ａの潤滑性能を長期間維持できるようになる。【選択図】図１

Description

この発明は、摺動部材、工具および焼結ダイヤモンドで構成された摺動面の製造方法に関し、より詳細には、焼結ダイヤモンドで構成された摺動面に潤滑剤を保持するための微細穴（油だまり）を形成する技術と、そのような微細穴を有する摺動面を備えた摺動部材および工具に関する。

近年、携帯電話やタブレット端末などの携帯用通信機器が急速に普及している。これらの携帯用通信機器は日進月歩で小型・軽量化が図られており、それにともなって、これら携帯用通信機器に使用される部品の小型・軽量化、高精度化が一層求められるようになっている。

このような携帯用通信機器において電池容器などに用いられる各種部品は、薄肉・軽量化を実現するためにプレス成形による深絞り加工で製作されている。使用される素材としては、比強度が高く、耐食性に優れたチタン材（Ｔｉ）が好適に用いられている。

ところで、チタン材のプレス加工では被加工材（被加工物）が金型面へ焼付き易いことから、その潤滑剤には、塩素化パラフィンなどの極圧添加剤を添加した潤滑油が多量に使用される。

しかし、塩素化パラフィンなどの極圧添加剤は難分解性で生物濃縮性が高い一方で、リサイクルが困難であることなどから、使用による環境への悪影響が考慮され、その使用量は制限される傾向にある。

そのため、最近では、極圧添加剤の使用を抑制する方法として、金型面にＤＬＣ（Diamond‐Like Carbon）などの硬質膜をコーティングすることによって、金型の摺動特性や耐焼付性を向上させる技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００３−１５４４１８号公報

しかしながら、硬質膜をコーティングした金型には以下の問題があり、その改善が望まれていた。

すなわち、金型面にコーティングされる硬質膜の膜厚は、通常数μｍ程度と極めて薄いことから、比較的面圧が低い場合には優れた摺動特性を示し得るが、高い面圧が作用するシェービング加工や絞り・しごき加工などの金型に適用した場合には、比較的短期間で硬質膜が損耗あるいは剥離してしまい、優れた摺動特性が短期間で失われてしまうという問題がある。そのため、チタン材のような比強度が高い材料の深絞り加工などを実現するためには、優れた潤滑性能を長期間維持することができ、耐久性に優れた金型の開発が求められている。

この点について出願人は、金型の摺動面に、極めて高い硬度を有し、かつ、耐摩耗性に優れている焼結ダイヤモンドを用いることを検討した。焼結ダイヤモンドを構成するダイヤモンド粒子は優れた摺動特性を有しており、摺動面を焼結ダイヤモンドで構成した金型の摩擦係数は非常に低くなるため金型の材料に適している。しかしながら、高い面圧下（シェービング加工や絞り・しごき加工など）でプレス加工した場合、金型との接触界面から潤滑剤が排出されることで、被削材が摺動面に焼付く問題が判明した。

なお、このような問題は、上述したプレス加工用金型に限らず、摺動面に焼結ダイヤモンドを使用した各種金属加工用（たとえば、切削加工など）の工具はもちろん、摺動面が焼結ダイヤモンドで構成された様々な摺動部材（たとえば、軸受けなど）においても同様の問題があり、その解決が望まれていた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、優れた潤滑性能を長期間維持することができ、かつ、耐久性・耐焼付性に優れた摺動面を有する摺動部材および工具と、それらの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の摺動部材は、焼結ダイヤモンドで構成された摺動面を有し、上記摺動面に潤滑剤の保持を目的とした微細穴を有することを特徴とする。

また、請求項２に記載の工具は、焼結ダイヤモンドで構成された摺動面を有し、上記摺動面に潤滑剤の保持を目的とした微細穴を有することを特徴とする。

また、請求項３に記載の焼結ダイヤモンドで構成された摺動面の製造方法は、エネルギー応用加工（たとえば、放電加工、レーザ加工、電子ビーム加工、電解加工、化学加工などで、それらを複合してもよい）で焼結ダイヤモンドのダイヤモンド粒子間に存在する焼結助剤部を選択的に除去することで微細穴を形成することを特徴とする。

本発明に係る摺動部材および工具によれば、摺動面が焼結ダイヤモンドで構成され、かつ、この摺動面に潤滑剤の保持を目的とした微細穴が形成されているので、その摺動面は、高い耐摩耗性と優れた摩擦特性・耐焼付性を有することとなり、耐久性に優れ、かつ、優れた潤滑性能を長期間維持可能な摺動部材および工具を提供することができる。なお、ここでの潤滑剤とは、油、水や二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤などいずれの潤滑剤でもよく、いずれかひとつに限定されるものではない。

また、本発明に係る摺動面の製造方法によれば、摺動面を形成する焼結ダイヤモンドのダイヤモンド粒子間に存在する焼結助剤部がエネルギー応用加工によって選択的に除去される（焼結助剤・焼結助剤の周囲に存在するダイヤモンド粒子の一部あるいは全部が加工される、または脱落する）ことによって微細穴が形成されるので、焼結ダイヤモンドの摺動面に対して潤滑剤の油だまりとなり得る微細穴を形成することができる。これにより、高い耐摩耗性と優れた摩擦特性・耐焼付性を有し、耐久性に優れ、かつ、優れた潤滑性能を長期間維持可能な摺動面を製造することができる。

本発明に係る焼結ダイヤモンドで構成された摺動面の製造方法の一例を模式的に示した説明図である。同製造方法の実験例として型彫り放電加工機を用いた摺動面の製造方法を示す概略構成図である。同実験例によって形成された摺動面（微細穴あり）と研磨によって形成された摺動面（微細穴なし）のそれぞれの摩擦試験の結果を示す説明図である。図３の摩擦試験後における各摺動面の写真であり、図４（ａ）は放電加工によって形成された摺動面（微細穴あり）を示しており、図４（ｂ）は研磨によって形成された摺動面（微細穴なし）を示している。本発明に係る工具をプレス加工のダイに適用した場合の一例を模式的に示した部分拡大断面図である。

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。
本発明は、被加工物などの対象物と摺動接触する摺動面が焼結ダイヤモンドで構成された部材や部品に適用される。本発明の主たる特徴は、焼結助剤（コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）などが２０ｖｏｌ％以下）とダイヤモンド粒子（平均ダイヤモンド粒子径０．１μｍ〜５０μｍ）で構成された焼結ダイヤモンドの摺動面に潤滑剤の保持を目的とした微細穴を形成することによって、この微細穴を潤滑剤の油だまりとして用い、これにより、耐久性に優れ、かつ、優れた潤滑性能を長期間維持できる摺動面を備えた部材・部品を提供することにある。

図１は、本発明に係る摺動面の製造方法の一例を模式的に示している。この図１に示す製造方法は、放電加工により、摺動面１ａを構成する焼結ダイヤモンド１のダイヤモンド粒子２，２，…間に存在する焼結助剤３を選択的に除去することによって、摺動面１ａの表面に油だまりとなる多数の微細穴４，４，…を形成させるものである。ただし、焼結助剤・焼結助剤の周囲に存在するダイヤモンド粒子の一部あるいは全部が加工される、または脱落することにより微細穴4を形成してもよい。

すなわち、焼結ダイヤモンド１は、周知のとおり、非導電体であるダイヤモンド粒子２，２，…をコバルト（Ｃｏ）などの金属系（導電体）の焼結助剤３を用いて焼結してなるものであることから、放電加工などによって焼結助剤３（焼結助剤３で構成された焼結助剤部）のみを選択的に除去することができる。本発明は、このような焼結ダイヤモンドの特徴を利用することによって、焼結ダイヤモンドで構成された摺動面１ａに多数の微細穴４，４，…を形成させるものである。

ここで微細穴４とは、ダイヤモンド粒子２，２，…間に存在する焼結助剤３の除去によって形成される穴であることから、その深さは概ね表面から５０μｍ以下程度で、内径は焼結ダイヤモンドの平均ダイヤモンド粒子径０．１μｍ〜５０μｍ以下の微小サイズの穴を意味する。具体的には、ダイヤモンド粒子２，２，…の粒子径や分布状況などに応じて、０．１μｍ乃至５０μｍ程度のサイズの穴が形成され得る。

なお、以下に説明する摺動面の製造方法は、図１に示すように、電極と焼結助剤３との間での放電を利用して焼結助剤３を選択的に除去する（放電加工による）ものであることから、電極に対向した部位にのみに微細穴４，４，…を形成させることができる。したがって、摺動面１ａとする部位（形状・範囲）を選んで、当該部位に対してのみ油だまりとなる微細穴４，４，…を形成させることができる。つまり、摺動面１ａの形状や範囲を任意に設定することができ、放電加工が可能な形状であれば、たとえば、立体的な形状であっても、その表面に微細穴４，４，…を形成でき、摺動面１ａとして用いることができるようになる。

図２乃至図４は、型彫り放電加工機５を用いた実験例を示している。
実験には型彫り放電加工機を用い、Ｚ軸方向にサーボ制御しながら、Ｘ軸方向に一定速度で送り放電加工を行った（図２参照）。使用した工具電極６は、焼結ダイヤモンド１の表面に微細穴４，４，…を均一に形成させるために薄板状の銅板電極を用いた。ただし、電極材料は導電性を有する材料であればよく、銅に限定されない。また、焼結ダイヤモンド１には、平均ダイヤモンド粒子径が２５μｍ、焼結助剤３がコバルトで構成された焼結ダイヤモンドを使用した。実験にあたっての放電条件は、放電電流Ｉｅは２Ａ、無負荷電圧Ｕｉは１２０Ｖ、放電持続時間Ｔｅは０．２μｓと３０μｓの２通りとし、加工液には一般的な放電加工油を用いた。

この実験の結果、放電持続時間Ｔｅが０．２μｓの場合と３０μｓの場合のいずれにおいても焼結助剤３が選択的に除去され、焼結ダイヤモンド１の表面に多数の微細穴４，４，…がほぼ均一に形成された。なお、この実験により、放電持続時間Ｔｅが長い方がこの微細穴４，４，…の深さや大きさが大きくなることが確認された。すなわち、摺動面１ａに形成される微細穴４，４，…の深さや大きさ、さらにはその密度は、放電持続時間Ｔｅなどの放電条件を適宜選択することによって制御することが可能である。したがって、摺動面１ａに摺動接触する対象物の材質や摺動面に１ａかかる負荷の大きさなどに応じて、最適な状態の摺動面１ａを形成することができるようになる。

図３は、実験によって得られた焼結ダイヤモンド１の表面（摺動面：微細穴あり）と、研磨によって形成された焼結ダイヤモンドの表面（摺動面：微細穴なし）とに対して、それぞれリングオンディスク形式による摩擦試験を行った結果を示している。この摩擦試験では、外径がφ６ｍｍ、内径がφ３ｍｍのチタン製のパイプを用い、このパイプを１０００ｒｐｍで回転させながら、約１００Ｎの荷重で焼結ダイヤモンドの表面（摺動面）に押し当てて、摩擦係数の測定を行った。なお、摩擦係数の測定に際しては、焼結ダイヤモンドの摺動面にはあらかじめ一定量の潤滑油を供給しておき、試験終了までは、潤滑油の供給は行っていない。

この摩擦試験の結果、図３に示すように、放電加工によって微細穴４，４，…を形成した焼結ダイヤモンド１では、試験開始直後には摩擦係数が一時的に上昇したものの、すぐに摩擦係数は低い値（約０．１μ程度）にまで低下し、その後長時間にわたって（図３の実験では１４００秒を経過しても）、低い摩擦係数を持続することが確認された。つまり、微細穴４，４，…のある焼結ダイヤモンド１では、摩擦係数が低い状態が安定して持続することが確認された。

これに対して、摺動面を研磨によって形成した微細穴４のない焼結ダイヤモンドでは、試験開始直後は低い摩擦係数を示すものの、試験開始から約２２０秒が経過した時点で摩擦係数が急激に上昇した。そして、この時点で荷重が大きく変動したため、焼付きが発生したと判断し摩擦試験を中断・終了した。ここで、このような摩擦係数の上昇は、摺動面における潤滑油切れによるものと推定される。このように、微細穴４が形成されていない焼結ダイヤモンドを摺動面に用いると、きわめて短時間で対象物に対する焼付きが起きることが確認された。

図４は、摩擦試験後における微細穴あり／微細穴なしのそれぞれの摺動面を撮影した写真である。これらの写真からも明らかなように、放電加工によって微細穴４，４，…が形成された摺動面は、図４（ａ）に示すように、チタン製パイプとの摺動痕が確認されるものの、チタン材の凝着はまったく見られなかった。

これに対して、研磨により形成された摺動面（微細穴なし）は、図４（ｂ）に示すように、チタン製パイプ（チタン材）の凝着を示すリング状の凝着痕が明確に現れた。つまり、微細穴４を形成させていない摺動面には、チタン材の焼付きが生じていた。

以上の実験および試験結果からは、表面に微細穴４，４，…を形成させた焼結ダイヤモンド１は、その表面に形成された微細穴４，４，…が潤滑剤（潤滑油）の油だまりとして機能すること、すなわち、潤滑剤の保持性が高められていることが確認できる。また、摺動面１ａに油だまりが設けられることで、耐焼付性が飛躍的に向上していることも確認できる。したがって、表面に微細穴４，４，…を形成させた焼結ダイヤモンド１は、焼結ダイヤモンド自身が備える優れた耐摩耗性・耐久性に加えて、摩擦特性・耐焼付性に優れ、しかも、潤滑性能を長期間維持することができることから、このような性能が求められる部位への適用に適していることが判明した。たとえば、チタン材やステンレス材のような焼付き易い材料を加工する工具や、高い面圧下で使用される切削工具や軸受けなどの摺動部への適用にきわめて適していることが判明した。

また、本実施形態では、微細穴４の形成にあたり放電加工を用いていることから、たとえば、被加工物などの金属製の対象物が摺動面１ａに凝着して微細穴４が目詰まりした場合には、金属凝着物のみを放電加工によって選択的に除去することができることから、微細穴４，４，…の再生、すなわち、摺動面１ａの長寿命化を図ることができる。

加えて、微細穴４，４，…による潤滑剤の保持性向上により、潤滑剤の使用量を減らすことができるので、工具や摺動部材に使用した際のランニングコストの低減化にも効果を生じる。

次に、表面に微細穴４，４，…が形成された焼結ダイヤモンド１を用いた工具について説明する。図５は、焼結ダイヤモンド１をプレス加工用の金型（工具）に適用した場合を模式的に示している。

すなわち、図５に示す例では、被加工物Ｗと摺動接触するダイ１１側を焼結ダイヤモンド１で構成している。これにより、被加工物Ｗと摺動接触するダイ１１の摺動面（ダイ１１の上面、肩Ｒ面および内壁面）が潤滑性能を長期間維持可能な状態で被加工物Ｗと接触することになるので、被加工物Ｗとして焼付き易いチタン材やステンレス材を使用しても、焼付き起こすことなく被加工物Ｗを加工することができる。なお、図５に示す例では、ダイ１１側の摺動面１ａのみを焼結ダイヤモンド１１で構成した場合を示したが、パンチ１０側も焼結ダイヤモンド１を適用することももちろん可能である。

なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、焼結ダイヤモンド１の摺動面１ａに微細穴４，４，…を形成させる方法として放電加工を用いた場合を示したが、焼結ダイヤモンド１のダイヤモンド粒子２，２，…間に存在する焼結助剤３を選択的に除去できる方法であれば放電加工以外のエネルギー応用加工によって焼結助剤３を除去することも可能である。

たとえば、焼結助剤３の除去にあたり、炭酸ガスレーザなどのレーザビームを照射して焼結助剤３を除去するレーザ加工や、電解液を用いて焼結助剤３を溶解除去する電解加工、電子ビームを照射して焼結助剤３を除去する電子ビーム加工、さらには、薬品を用いて焼結助剤３を化学的に除去する化学エッチングなどを用いることができる。また、放電加工やこれらの加工を組み合わせた複合的な加工によって焼結助剤３を除去することも可能である。ただし、焼結助剤・焼結助剤の周囲に存在するダイヤモンド粒子の一部あるいは全部が加工される、または脱落することにより微細穴4を形成してもよい。

また、上述した実施形態では、微細穴４，４，…が形成された焼結ダイヤモンド１をプレス加工の金型に適用した場合を示したが、プレス加工以外の加工用の工具（たとえば、切削工具や研磨・研削工具など）に適用することも可能である。たとえば、切削工具の一例として、すくい面と逃げ面あるいは少なくともいずれか一方の面に微細穴を有する旋削用バイトに適用することが可能である。

また、本発明に係る摺動面１ａは、耐摩耗性・耐久性・摩擦特性・耐焼付性などが求められる部品や部材における摺動面であれば工具以外にも適用可能であり、たとえば、工作機械のガイド面や各種軸受けや、固体潤滑剤の効果が必要とされる半導体機器や宇宙環境などの特殊環境下で使用される摺動面を有する様々な摺動部材に適用することも可能である。

なお、上述した実施形態では、焼結ダイヤモンド１の焼結助剤３としてコバルトを用いた場合を示したが、他の材質の焼結助剤３を用いることも可能である。ただし、焼結助剤３の選択的な除去にあたり、放電加工や電解加工のように焼結ダイヤモンド１を電極として利用する場合には、焼結助剤３として導電性を有する材質を用いることは勿論である。また、ダイヤモンド粒子同士が結合した焼結ダイヤモンドは高強度で耐摩耗性に優れるため本発明に好適であるが、用途に応じてダイヤモンド粒子同士が結合していない焼結ダイヤモンドであってもよい。また、粒子径の大きいダイヤモンド粒子で構成される焼結ダイヤモンドは高強度で耐摩耗性に優れるため、本発明に好適であるが、用途に応じてダイヤモンド粒子径を選択してもよく、本発明はダイヤモンド粒子径に制限されるものではない。

１焼結ダイヤモンド
１ａ摺動面
２ダイヤモンド粒子
３焼結助剤
４微細穴
５型彫り放電加工機
６工具電極
Ｗ被加工物

Claims

焼結ダイヤモンドで構成された摺動面を有し、前記摺動面に潤滑剤の保持を目的とした微細穴を有することを特徴とする摺動部材。
焼結ダイヤモンドで構成された摺動面を有し、前記摺動面に潤滑剤の保持を目的とした微細穴を有することを特徴とする工具。
請求項１または２に記載の摺動面の製造方法であって、エネルギー応用加工で焼結ダイヤモンドのダイヤモンド粒子間に存在する焼結助剤部を選択的に除去することで微細穴を形成することを特徴とする焼結ダイヤモンドで構成された摺動面の製造方法。