JP2019171512A - 摺動部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に摩擦特性を向上させることができる摺動部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】摺動部材１０は、摺動部１１が金属材料よりなり、摺動部１１の表層部に、組成としてＣｒを含む投射材を投射することにより形成されたＣｒを含む改質層１２を有している。摺動部材１０は、添加剤としてＭｏを含む潤滑油環境下で摺動するものであり、摺動により表面に露出した活性なＣｒが潤滑油に含まれる添加剤の分解反応を促進し、摺動部１１の表面に、低摩擦である二硫化モリブデンを含む被膜を形成させる。【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦特性に優れた摺動部材及びその製造方法に関する。

自動車等に使用される歯車等の摺動部材には高い疲労強度が要求されている。特に、近年のエンジンの高出力化と小型化へのニーズから、摺動部材にかかる負荷が増大しており、疲労強度の一層の向上が求められている。このような疲労強度を向上させる方法としては、例えば、ショットピーニング処理により表面を硬化させると共に高い圧縮残留応力を生成させる技術が知られている。

また、歯車等の摺動部材においては、摩擦の低減及び耐摩耗性の向上も求められており、これらの特性を向上させる方法についても従来より各種報告されている。例えば、特許文献１には、固体潤滑剤を被覆したショット材を用いてショットピーニング処理を行うことにより、表面に硬質の改質層を形成すると共に、その上に固体潤滑皮膜を形成することが記載されている。これによれば、改質層及びその上の固体潤滑皮膜により、摩擦を低減し、耐摩耗性を向上させることができる。

特許文献２には、金属母材表面に硬質クロムめっきを施すと共に、硬質クロムめっきによって形成された硬質クロムめっき層に、微粒子ショットピーニング処理をすることにより、硬質クロムめっき層が保有する微細なクラックを減少させることが記載されている。これによれば、表面の硬質クロムめっき層の硬度が向上し、耐摩耗性が向上し、摩擦が低減する。

特許文献３には、母材表面にショットピーニングにより多数の微細な凹部を形成した後、その表面に対して固体潤滑剤粒子をショット噴射し、表面に固体潤滑剤被膜を形成することが記載されている。これによれば、凹部が油溜まりとして作用すると共に、表面の固体潤滑剤被膜により摩擦力が低減し、耐摩耗性が向上する。

特許文献４には、摺動面に凹凸パターンを形成し、その凹部に固体潤滑剤を充填することが記載されている。これによれば、固体潤滑剤の剥離を防止し、長期間にわたって潤滑性、耐摩耗性、耐焼付き性を確保することができる。

特許文献５には、浸炭処理後の歯車に、２種類の粒径の投射材を用いて投射エア圧を最適化したショットピーニングを行うことにより、耐摩耗性及びピッチング強度に優れた歯車を形成することが記載されている。

特許文献６には、母材表面にダイヤモンドライクカーボン層が形成されており、このダイヤモンドカーボン層は、クロム（Ｃｒ）などを含む金属層と、金属とカーボンとならなる複合層と、カーボン層とを母材側からこの順に積層したものである転がり摺動部材が記載されている。これによれば、ダイヤモンドライクカーボン層と母材との密着性を向上させることができ、高面圧下であってもダイヤモンドライクカーボン層の剥離を防止することができる。

特開２０１２−２４７０２９号公報 特開２００７−６３６５４号公報 特開２００６−７７８０２号公報 特開２００５−３２５９６１号公報 特開２０１４−２１０２９４号公報 特開２００８−４５６３１号公報

しかしながら、特許文献１〜６に記載の方法では、新しい工程が必要であり、工数が増加したり、価格が高くなり、簡単に実施することができないという問題があった。また、特許文献１又は特許文献３に記載の方法では、固体潤滑膜が摩耗すると潤滑作用が失われてしまうので、耐久性が懸念されるという問題もあった。

本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、容易に摩擦特性を向上させることができる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。

本発明の摺動部材は、添加剤としてモリブデン（Ｍｏ）を含む潤滑油環境下で摺動するものであって、摺動部は金属材料よりなり、摺動部の表層部に、組成としてＣｒを含む投射材を投射することにより形成されたＣｒを含む改質層を有するものである。

本発明の摺動部材の製造方法は、添加剤としてＭｏを含む潤滑油環境下で摺動する摺動部材を製造するものであって、金属材料よりなる摺動部の表面に、組成としてクロム（Ｃｒ）を含む投射材を投射し、摺動部の表層部にＣｒを含む改質層を形成する改質層形成工程を含むものである。

本発明の摺動部材によれば、摺動部の表層部にＣｒを含む改質層を有しているので、摺動により表面に露出した活性なＣｒが潤滑油に含まれる添加剤の分解反応を促進し、摺動部の表面に、低摩擦である二硫化モリブデンを含む被膜を形成させることができる。これにより、摩擦を低減することができ、かつ、摩耗も低減することができ、焼き付き等も抑制することができる。また、摺動部の表面粗さＲａを０．０３μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内としたので、摩擦をより低減することができる。

本発明の摺動部材の製造方法によれば、摺動部の表面に、組成としてＣｒを含む投射材を投射するようにしたので、投射材の投射により表層部を硬化させることができると共に、表面に油溜まりとなるディンプルを形成することができ、かつ、Ｃｒを含む投射材を用いることによりＣｒを含む活性な改質層を容易に形成することができる。よって、本発明の摺動部材を容易に得ることができる。また、表面硬化及びディンプルの形成と、Ｃｒの添加とを同一工程により行うことができるので、新たな工程を追加することなく容易に製造することができ、製造工程の簡素化を図ることができる。

更に、湿式法、又は、非酸化雰囲気中における乾式法により投射材を投射するようにしたので、改質層に含まれるＣｒの活性を高めることができ、より高い効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係る摺動部材の摺動部における表層部の構成を表す模式図である。 図１に示した摺動部材の摺動部における表層部の摺動時の作用を説明するための模式図である。 実施例１−１及び比較例１−１の摩擦係数を比較して表す特性図である。 実施例１−２及び比較例１−２の摩擦係数を比較して表す特性図である。 実施例１−１及び比較例１−１の摩擦後の摩耗深さを表す特性図である。 表面粗さＲａと摩擦係数との関係を表す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る摺動部材１０の摺動部１１における表層部の構成を模式的に表すものである。図２は、摺動部材１０の摺動部１１における表層部の摺動時の作用を説明するためのものである。この摺動部材１０は、添加剤としてＭｏを含む潤滑油環境下で摺動するものであり、例えば、歯車又は軸受けとして好ましく用いられるものである。なお、Ｍｏを含む潤滑油というのは、構成元素としてＭｏを含む添加剤が添加された潤滑油を意味し、例えば、ＭｏＤＴＣなどの有機モリブデンが添加剤として添加された潤滑油を意味している。このように構成元素としてＭｏを含む添加剤は、例えば、摩擦調整剤として用いられている。

この摺動部材１０は、摺動部１１が金属材料により構成されている。摺動部１１というのは部材同士が擦れ合う部分である。金属材料としては、例えば、鋼又は鋳鉄が好ましく挙げられる。

摺動部１１は、表層部に、組成としてＣｒを含む投射材を投射することにより形成されたＣｒを含む改質層１２を有している。改質層１２は、投射材の投射により硬化されており、耐摩耗性が向上されている。また、改質層１２は、投射材の投射により表面に油溜まりとなるディンプル１３が形成されており、摺動時に油膜を保持できるようになっている。更に、改質層１２には、Ｃｒを含む投射材を用いることによりＣｒが添加されている。このように改質層１２にＣｒを添加するのは、Ｃｒの作用により、潤滑油に添加されているＭｏＤＴＣなどの構成元素としてＭｏを含む添加剤の分解反応を促進し、例えば、図２に示したように、低摩擦である二硫化モリブデンを含む被膜１４を表面により多く形成させるためである。二硫化モリブデンを含む被膜１４が形成されると、摩擦をより低減することができ、かつ、摩耗も低減し、焼き付き等も抑制することができる。また、改質層１２の表面でＣｒが不動態を形成するので、耐食性が向上する。

なお、ＣｒがＭｏＤＴＣなどの構成元素としてＭｏを含む添加剤を分解するメカニズムは次のように推定されている。まず、摺動部１１の表面、具体的には改質層１２の表面に存在する酸化物層（図示せず）が摺動による摩擦で削られると、改質層１２に存在する活性なＣｒが露出する。摺動部１１が鋼や鋳鉄よりなる場合には、活性なＦｅ（鉄）及び場合により活性なニッケル（Ｎｉ）等も露出する。また、潤滑油に含まれるＭｏＤＴＣなどの添加剤は、熱により分解し、潤滑油中には、中間生成物である酸硫化モリブデン（ＭｏＳ_２−ｘＯ_ｘ）が存在している。金属のイオン化傾向は、Ｃｒ＞Ｆｅ≒Ｍｏ＞Ｎｉであるので、Ｆｅよりも酸化しやすいＣｒが潤滑油中に存在する酸硫化モリブデンから酸素を奪い、クロム酸化物となる。一方で、酸素を奪われた酸硫化モリブデンは二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）となり、改質層１２の表面に二硫化モリブデンを含む被膜１４を形成する。本実施の形態では、改質部１２にＣｒが多く含まれているので、潤滑油に含まれる添加剤が分解しやすくなり、低摩擦である二硫化モリブデンを含む被膜１４が形成されやすくなっている。

改質層１２の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上であることが好ましい。これよりも改質層１２の厚みが薄いと摩耗により改質層１２が短期間で消耗してしまい、十分な効果を得ることができないからである。摺動部１１の表面粗さＲａ、すなわち改質層１２の表面粗さＲａは、０．０３μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内であることが好ましく、０．０４μｍ以上０．３μｍ以下の範囲内であればより好ましい。この範囲内において、摩擦をより低減することができるからである。

この摺動部材１０は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、例えば、摺動部材１０を成型し、熱処理を行い、研磨する（摺動部形成工程）。次いで、例えば、摺動部１１の表面に、組成としてＣｒを含む投射材を投射し、摺動部１１の表層部にＣｒを含む改質層１２を形成する（改質層形成工程）。なお、従来は、摺動部形成工程の後、アルミナやシリカを主成分とする投射材を投射して面粗度仕上げを行っていた。これに対して、本実施の形態は、従来の面粗度仕上げに代えて、従来と異なる投射材を投射し、面粗度仕上げとＣｒの添加を同時に行うものである。投射材としては、例えば、Ｃｒを含む鋼材が挙げられる。

改質層形成工程では、湿式法又は、非酸化雰囲気中における乾式法により投射材を投射することが好ましい。非酸化雰囲気中とは，例えば窒素やアルゴンなどの不活性ガスを用いた圧縮エアにより投射する方法が考えられる。乾式法では、投射材が摺動部１１の表面に当たった時にその熱でＣｒが酸化しやすいが、湿式法では、投射材が摺動部１１の表面に当たった時の昇温を抑えるとともに，液膜が空気を遮断することで、Ｃｒの酸化を抑制することができ、改質層１２に活性なＣｒを多く存在させることができるからである。また、乾式法であっても、非酸化雰囲気中において行うことにより、Ｃｒの酸化を抑制することができ、改質層１２に活性なＣｒを多く存在させることができるからである。

なお、湿式法は、水や油などの液体と投射材とを混合したスラリーを投射する方法である。乾式法における非酸化性雰囲気としては、例えば、真空雰囲気、又は、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気が好ましく挙げられる。特に、湿式法により行うようにすれば、投射材の回収・再利用が容易であり、また、粉塵爆発の恐れも低くできるので好ましい。

また、改質層形成工程では、摺動部１１の表面粗さＲａ、すなわち改質層１２の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内となるように、投射材を投射することが好ましい。摺動部１１の表面粗さＲａは、例えば、投射材の粒径やエア圧により調整することができる。

このように本実施の形態によれば、摺動部１１の表層部にＣｒを含む改質層１２を有しているので、摺動により表面に露出した活性なＣｒが潤滑油に含まれる添加剤の分解反応を促進し、摺動部１１の表面に、低摩擦である二硫化モリブデンを含む被膜１４を形成させることができる。これにより、摩擦を低減することができ、かつ、摩耗も低減することができ、焼き付き等も抑制することができる。また、摺動部１１の表面粗さＲａを０．０３μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内としたので、摩擦をより低減することができる。

更に、摺動部１１の表面に、組成としてＣｒを含む投射材を投射するようにしたので、投射材の投射により表層部を硬化させることができると共に、表面に油溜まりとなるディンプル１３を形成することができ、かつ、Ｃｒを含む投射材を用いることによりＣｒを含む活性な改質層１２を容易に形成することができる。よって、本実施の形態に係る摺動部材１０を容易に得ることができる。また、表面硬化及びディンプル１３の形成と、Ｃｒの添加とを同一工程により行うことができるので、新たな工程を追加することなく容易に製造することができ、製造工程の簡素化を図ることができる。

更に、湿式法、又は、非酸化雰囲気中における乾式法により投射材を投射するようにしたので、改質層１２に含まれるＣｒの活性を高めることができ、より高い効果を得ることができる。

（実施例１−１，１−２、比較例１−１，１−２）
実施例１−１，１−２として、軸受鋼（ＳＵＪ２）よりなるディスク状の試験片を用意し、Ｃｒを１５質量％〜３０質量％含む投射材を用いて、湿式のブラストを行った。その際、エア圧を変えることにより表面粗さＲａを調整し、実施例１−１の表面粗さＲａは０．１５μｍ、実施例１−２の表面粗さＲａは０．３μｍとした。ブラストを行った試験片について、ＭｏＤＴＣをＭｏ分で２００ｐｐｍ含む潤滑油中で、ボールオンディスク型の摩擦試験を行った。相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とした。潤滑油の温度は８０℃一定、荷重は１０Ｎ、摺動速度は０．５ｍ／ｓとし、安定後の摩擦係数を測定した。

比較例１−１，１−２として、実施例１−１，１−２と同様の試験片を用意し、投射材をシリカに変えたことを除き、他は実施例１−１，１−２と同様にしてブラストを行い、摩擦係数を測定した。その際、比較例１−１の表面粗さＲａは０．１５μｍ、比較例１−２の表面粗さＲａは０．３μｍとした。

得られた結果を図３及び図４に示す。図３及び図４に示したように、本実施例によれば、比較例に比べて摩擦係数を７５％〜８１％も低下させることができた。すなわち、組成としてＣｒを含む投射材を投射し、Ｃｒを含む改質層１２を形成するようにすれば、摩擦を低減できることが分かった。

また、実施例１−１及び比較例１−１の試験片について、ＭｏＤＴＣをＭｏ分で２００ｐｐｍ含む潤滑油中で、往復摺動型の摩擦試験を行い、摩擦後の摩耗深さを測定した。相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とし、潤滑油の温度は８０℃一定、荷重は１０Ｎ、摺動速度は０．５ｍ／ｓとした。摩耗深さは摩擦痕に対して垂直方向の断面について調べた。得られた結果を図５に示す。図５二示したように、本実施例によれば、比較例に比べて摩耗深さが浅く、摩耗が６０％程度少なくできることが分かった。

更に、実施例１−１及び比較例１−１の試験片について、表面及び表面から５０μｍまでの深さの硬さをビッカース硬度により調べた。その結果、実施例と比較例で差は見られなかった。すなわち、耐摩耗性が向上したのは、Ｃｒを含む改質層１２を形成したことにより、潤滑油に含まれる添加剤の分解反応を促進し、摺動部の表面に低摩擦である二硫化モリブデンを含む被膜が形成されたためであると考えられる。

（実施例２）
実施例１−１，１−２と同様にして、試験片にブラストを行い、摩擦係数を測定した。その際、エア圧を０．０５ＭＰａ〜０．５ＭＰａまで条件を変えることにより、表面粗さＲａを調整し、表面粗さＲａと摩擦係数との関係を調べた。得られた結果を図６に示す。図６に示したように、表面粗さＲａを０．０３μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内とすることが好ましく、０．０４μｍ以上０．３μｍ以下の範囲内とすればより好ましいことが分かった。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

１０…摺動部材、１１…摺動部、１２…改質層、１３…ディンプル、１４…被膜

Claims (6)

1. 添加剤としてモリブデン（Ｍｏ）を含む潤滑油環境下で摺動する摺動部材であって、
   摺動部は金属材料よりなり、摺動部の表層部に、組成としてクロム（Ｃｒ）を含む投射材を投射することにより形成されたＣｒを含む改質層を有することを特徴とする摺動部材。
2. 前記摺動部の表面粗さＲａは０．０３μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
3. 歯車又は軸受けであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の摺動部材。
4. 添加剤としてモリブデン（Ｍｏ）を含む潤滑油環境下で摺動する摺動部材の製造方法であって、
   金属材料よりなる摺動部の表面に、組成としてクロム（Ｃｒ）を含む投射材を投射し、摺動部の表層部にＣｒを含む改質層を形成する改質層形成工程を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
5. 前記改質層形成工程において、摺動部の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上０．４μｍ以下の範囲内となるように、投射材を投射することを特徴とする請求項４記載の摺動部材の製造方法。
6. 前記改質層形成工程では、湿式法、又は、非酸化雰囲気中における乾式法により投射材を投射することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の摺動部材の製造方法。

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