JP2021076214A - 摺動部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦係数の低く、安定した摺動特性を摺動初期から維持することができる摺動部品と、これを簡単に製造することができる製造方法を提供する。【解決手段】摺動部品１は、鉄基地１１に黒鉛粒子１３が分散した鉄系基材１０と、鉄系基材１０の表面に形成された錫を主材とする錫皮膜２０と、を備えた摺動部品であり、摺動部品１の黒鉛粒子１３は、錫皮膜２０から露出している。その製造方法では、鉄基地１１に黒鉛粒子１３が分散した鉄系基材１０を準備する準備工程と、鉄系基材１０の表面に、錫を主材とする錫皮膜２０を成膜する成膜工程とを含み、成膜工程において、錫皮膜２０から黒鉛粒子１３が露出するように、錫皮膜２０を成膜する。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄系基材の表面に金属皮膜が形成された摺動部品とその製造方法に関する。

従来から、産業機械、航空機、車両などの機械には、摺動部品が用いられている。このような摺動部品には、耐摩耗性、低摩擦特性、耐焼き付き性などの様々な特性が求められている。

このような摺動部品として、たとえば、特許文献１には、摺動面を構成する基材と、基材の表面に形成された中間層と、中間層の表層に、固体潤滑材粒子が埋没した表面層を有した摺動部品が提案されている。摺動部品の基材は、炭素鋼などの鉄系材料であり、固体潤滑材粒子が黒鉛からなる。

特許第６１９６８００号公報

しかしながら、特許文献１に係る摺動部品は、固体潤滑材粒子からなる表面層が形成されているが、摺動部品の摺動条件によっては、表面層を構成する固体潤滑材粒子が中間層から脱落してしまうことがある。これに伴い、摩擦係数の低く、安定した摺動特性を維持できないことがあった。

この点を鑑みて、たとえば、特許文献１に係る製造方法では、表面層の固体潤滑材粒子を中間層に押し込むように、表層を中間層に押圧しているが、固体潤滑材粒子を均一に中間層に分散させているので、固体潤滑材粒子が存在する中間層が摩耗していない摺動初期では摩擦係数が変動して不安定になりやすい。

本発明はこのような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摩擦係数の低く、安定した摺動特性を摺動初期から維持することができる摺動部品と、これを簡単に製造することができる製造方法を提供することにある。

本発明に係る摺動部品は、鉄基地に黒鉛粒子が分散した鉄系基材と、前記鉄系基材に形成された錫を主材とする錫皮膜と、を備えた摺動部品であって、前記黒鉛粒子は、前記錫皮膜から露出している。

本発明に係る摺動部品の製造方法は、鉄基地に黒鉛粒子が分散した鉄系基材を準備する準備工程と、前記鉄系基材の表面に、錫を主材とする錫皮膜を成膜する成膜工程とを含み、前記成膜工程において、前記錫皮膜から前記黒鉛粒子が露出するように、前記錫皮膜を成膜する。

本発明に係る摺動部品によれば、摩擦係数の低く、安定した摺動特性を摺動初期から維持することができる。本発明に係る摺動部品の製造方法によれば、このような摺動特性を有した摺動部品を簡単に製造することができる。

以上に説明した内容以外の本発明の課題、構成、及び効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。

第１実施形態の摺動部品の一例を示す概略断面図である。 図１に示す摺動部品の製造方法の一例を示す。 第２実施形態の摺動部品の一例を示す概略断面図である。 図３に示す摺動部品の製造方法の一例を示す。 第３実施形態の摺動部品の一例を示す概略断面図である。 図５に示す摺動部品の摺動状態を説明した模式的断面図である。 実施例１および比較例１の摩擦試験の結果を示したグラフである。 実施例１および比較例２および３の摩擦試験の結果を示したグラフである。 図８Ａに示す初期の摩擦試験の結果を示したグラフである。 図８Ａに示す終期の摩擦試験の結果を示したグラフである。 実施例２に係る摩擦試験前後のＳＥＭ写真と、ＥＤＸによる炭素および錫の分布を示した写真である。 実施例２に係る摩擦試験後のＳＥＭ写真と、ＥＤＸによる炭素、錫、鉄、および酸素の分布を示した写真である 実施例３に係る摩擦試験前後のＳＥＭ写真とＥＤＸによる炭素および錫の分布を示した写真である。 実施例４、５および比較例４に係る摩擦試験の結果を示したグラフである。 実施例６−１〜実施例６−４に係る摩擦試験の結果を示したグラフである。 実施例７に係る摩擦試験の結果を示したグラフである。

以下、本発明の第１〜第３実施形態に係る摺動部品を、図１〜図６を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
図１に示すように、本実施形態に係る摺動部品１は、鉄基地１１に黒鉛粒子１３が分散した鉄系基材１０と、鉄系基材１０に形成された錫を主材とする錫皮膜２０と、を備えた摺動部品である。以下の鉄系基材１０と錫皮膜２０について詳述する。

１．摺動部品について
以下に本実施形態に係る摺動部品１を説明した後、この摺動部品１の製造方法を説明する。

１−１．鉄系基材１０について
本実施形態の摺動部品１係る鉄系基材１０は、鉄基地１１に分散させた黒鉛粒子１３の黒鉛を固体潤滑材として作用させ、摺動部品１の摺動特性を高めるためのものである。したがって、鉄系基材１０は、黒鉛粒子１３を含んでいればよく、炭素量が１．５質量％以上を含有した鉄および炭素を主成分とした合金であってもよく、鉄系合金粉末と黒鉛粉末とを圧粉成形後、焼結した焼結体であってもよい。例えば、鉄および炭素を主成分とした合金である場合には、鉄基地１１に対して含有する炭素量が１．５質量％以上であれば、鉄基地１１に含有する黒鉛が析出する。したがって、この場合には、鉄系基材１０として、鋳鉄のみならず、鋳鋼も挙げることができる。

鉄基地１１に黒鉛粒子１３が分散し、鉄系基材１０の表面（後述する摺動面に対応する表面）に、黒鉛粒子１３が露出していれば、特に限定されるものではない。このような鉄系基材１０の材料としては、炭素量を２．１〜６．７質量％含む鋳鉄を挙げることができ、例えば、球状黒鉛鋳鉄、ねずみ鋳鉄、または黒心可鍛鋳鉄などを挙げることができる。

ここで、本実施形態では、その一例として、黒鉛粒子１３が、球状の黒鉛粒子であり、球状の黒鉛粒子１３を含む鉄系基材１０としては、上述した球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）を挙げることができる。球状黒鉛鋳鉄である場合、鉄系基材１０の鉄基地１１は、フェライトからなるものであってもよく、鉄系基材１０としては、ＦＣＤ３７０、ＦＣＤ４００、ＦＣＤ４５０、ＦＣＤ５００（ＪＩＳ規格）等を挙げることができ、フェライトの場合、鉄基地１１により多くの黒鉛粒子を含むことができる。一方、鉄系基材１０の鉄基地１１は、パーライトからなるものであってもよく、鉄系基材１０としては、ＦＣＤ６００、ＦＣＤ７００、ＦＣＤ８５０（ＪＩＳ規格）等を挙げることができる。さらに、鉄系基材１０は、焼入処理、窒化処理、または浸窒処理がされていてもよい。

１−２．錫皮膜２０について
錫皮膜２０は、錫を主材とする皮膜である。本実施形態では、錫皮膜２０は、摺動時に、鉄系基材１０の黒鉛粒子１３から脱離した黒鉛の微粒子を、保持する機能を有するものである。これに加えて、錫皮膜２０は、摺動時に相手部材と接触することで塑性流動し、鉄系基材１０の表面において、摺動部品１の摺動面の馴染み性を高めるものである。このような錫皮膜は、錫を主材とした皮膜である。

ここで、錫皮膜２０は、軟質金属材料で構成され、加工硬化が小さい材料からなる。具体的には、「錫を主材とする錫皮膜２０」とは、錫皮膜２０に錫を５０質量％以上含んでいればよく、たとえば、錫皮膜２０が錫および不可避不純物からなる。この他にも、錫皮膜２０は、５０質量％以上の錫に、他の金属材料が添加された皮膜であってもよく、ビッカース硬さが、Ｈｖ５〜１００の範囲にある錫皮膜であることが好ましい。たとえば、他の金属材料としては、銀、金、白金、亜鉛、アンチモン、鉛、インジウム、またはビスマスを挙げることができる。

特に、一般的な潤滑油の供給下における摺動を考慮すると、融点が２００℃以上となるように、錫に他の金属材料が添加された錫皮膜２０が好ましく、このような錫皮膜２０としては、錫に亜鉛または銀が添加された錫皮膜であることが好ましい。特に、錫に亜鉛または銀を添加することにより、錫皮膜２０の防食性を高めることができる。

錫皮膜２０の膜厚は、５μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、３μｍ以下である。この膜厚の範囲を満たすことにより、錫皮膜２０から、黒鉛粒子１３を露出させることができるとともに、摺動部品１を摺動させた際に、黒鉛粒子１３から脱離した黒鉛の微粒子を錫皮膜２０に保持させることでき、錫皮膜２０による摺動抵抗の上昇も抑えることができる。一方、錫皮膜２０の膜厚は、０．５μｍ以上であることが好ましい。この膜厚の範囲を満たすことにより、摺動時に、黒鉛から脱落した黒鉛の微粒子を錫皮膜２０に保持し易い。

２．摺動部品の製造方法
以下に、上述した摺動部品１の製造方法を説明する。

２−１．準備工程について
まず、摺動部品１を構成する鉄系基材１０を準備する。鉄系基材１０は、上述した鉄基地１１に黒鉛粒子１３が分散したものである。本実施形態では、鉄系基材１０の一例として、球状黒鉛鋳鉄を準備する。なお、鉄基地１１の表面（少なくとも摺動面に対応する表面）に、焼入処理、浸窒処理、または窒化処理が施されていてもよく、この鉄基地１１の表面を研磨してもよい。

２−２．成膜工程について
次に、鉄系基材１０の表面に、錫を主材とする錫皮膜２０を成膜する。成膜工程では、上述した錫を主材とした錫材料（金属材料）を溶融した溶融物を、鉄基地１１の表面に被覆する（溶融メッキを行う）ことにより錫皮膜２０を成膜してもよい。この他にも、錫皮膜２０を電気メッキ、ＣＶＤ、またはＰＶＤ等により成膜してもよく、その後の二次加工等を行うことにより、錫皮膜２０から鉄系基材１０に由来する黒鉛粒子１３を露出させることができるものであれば、特に限定されるものではない。

ここで、発明者が鋭意検討を重ねた結果、黒鉛粒子１３が露出した鉄系基材１０の表面に、固相状態で錫粒子２０Ａを投射した際に、露出した黒鉛粒子１３に錫が付着し難く、鉄基地１１の表面に錫が付着することが分かった。したがって、より好ましい態様としては、本実施形態では、図２に示すように、成膜工程において、錫を主材とする錫粒子２０Ａを投射することにより、錫粒子２０Ａの一部を付着させる。これにより、錫粒子２０Ａの一部を付着させて、錫皮膜２０を形成しつつも、鉄系基材１０の表面から露出した黒鉛粒子１３を露出させることができる。

ここで、錫粒子２０Ａは、軟質金属材料で構成され、加工硬化が小さい材料からなる。錫を主材とする錫粒子２０Ａとは、錫粒子２０Ａ中に錫を５０質量％以上含んでいればよく、錫および不可避不純物からなる粒子、または、５０質量％以上の錫に、他の金属材料が添加された粒子であってもよい。鉄系基材１０への投射時に、錫粒子２０Ａの変形および付着性を考慮すると、他の金属材料が添加された錫粒子２０Ａのビッカース硬さが、Ｈｖ５〜１００の範囲にある粒子であることが好ましい。上述した如く、他の金属材料としては、銀、金、白金、亜鉛、アンチモン、鉛、インジウム、またはビスマスを挙げることができる。

２−３．熱処理工程について
さらに、成膜工程後、錫皮膜に対して熱処理工程を行ってもよい。具体的には、熱処理工程では、錫皮膜２０を１２０℃以上の温度、より好ましくは１８０℃以上の温度で加熱する。これにより、鉄系基材１０の鉄基地１１と錫皮膜２０との界面において、錫皮膜２０の錫材料が溶融し、鉄基地１１に対する錫皮膜２０の密着性を高めることができ、錫皮膜２０の表面の平滑化を図ることができる。

さらに、錫皮膜２０を構成する錫材料の融点以上（たとえば錫材料が錫のみである場合は錫の融点２３２℃以上）で加熱することが好ましく、上記した効果をより確実に得ることができるばかりでなく、鉄基地１１の表面に錫皮膜２０をより均一に被覆することができる。なお、熱処理工程において、錫皮膜２０を加熱する温度は、３００℃以下であることが好ましく、鉄基地の鉄との化合物の形成を抑えることができる。なお、加熱時間は、加熱温度にもよるが、０．５〜５時間の範囲にあることが好ましい。

３．摺動部品１の摺動環境およびその効果について
本実施形態に係る摺動部品１は、その摺動面に潤滑油またはグリースが存在する環境下で摺動する（用いられる）ことが好ましく、特に、摺動面に潤滑油を強制的に供給するような環境下で摺動することがより好ましい。

ここで、従来、鋳鉄のみで構成される摺動部品では、摺動部品の表面に露出した黒鉛粒子が、固体潤滑材として作用するが、黒鉛粒子から脱離した黒鉛は潤滑油またはグリースにより洗い流され、摺動面から脱落してしまう。これにより、黒鉛粒子から脱離した黒鉛による摺動特性の向上は、それほど期待できなかった。

しかしながら、本実施形態では、摺動時に黒鉛粒子１３から脱離した黒鉛の微粒子は、摺動部品１の表面に形成された錫皮膜２０により保持される。これにより、鉄系基材１０に分散した黒鉛粒子１３ばかりでなく、錫皮膜２０に付着した黒鉛の微粒子により、錫皮膜２０に黒鉛が混合され、摺動部品１の摺動特性を高めることができる。さらに、錫皮膜２０は、軟質の金属であるため、摺動時には、錫皮膜２０が塑性流動し、相手部材の表面に倣いやすく、相手部材の摺動面に対するなじみ性を高めることができる。

これらの機能が合わさって、後述する発明者らの実験からも明らかなように、摺動部品１の摩擦係数を低減するばかりでなく、摺動部品１の摺動時の摩擦係数の変動も抑えることができる。さらに、錫皮膜２０に付着した黒鉛の微粒子により、摺動部品１の錫皮膜２０が、これに摺動する相手部材の表面に移着することを抑えることができる。

〔第２実施形態〕
以下に、図３および図４を参照し、第２実施形態に係る摺動部品１とその製造方法について説明する。第２実施形態に係る摺動部品１が、第１実施形態に係る摺動部品１と相違する点は、鉄系基材１０の表面の状態である。したがって、第１実施形態の摺動部品１と同じ構成および製造方法における同じ工程については、その詳細な説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態では、黒鉛粒子１３は、鉄系基材１０（鉄基地１１）の表面から突出しており、突出した黒鉛粒子１３は、錫皮膜２０から露出している。黒鉛粒子１３が、鉄系基材１０の鉄基地１１の表面から突出する突出量は、球状黒鉛鋳鉄の材種によって異なる。

このような黒鉛粒子１３を含む摺動部品１は、ローラバニシングなどの押圧加工を施すこと（押圧工程）により得ることができる。具体的には、押圧工程は、第１実施形態で示した成膜工程前、または、熱処理工程後に行ってもよい。しかしながら、より好ましい態様としては、成膜工程後、熱処理工程前に行うことがより好ましい。

具体的には、図４に示すように、押圧工程において、錫皮膜２０が形成された摺動部品１に対して、ローラ状の押圧部材６で、錫皮膜２０の表面を前記鉄系基材に向かって押圧することにより、鉄系基材１０の表面から黒鉛粒子１３を突出させる。

本実施形態によれば、成膜工程後に押圧工程を行うことにより、押圧工程後に成膜工程を行った際に生じる、錫粒子の投射により鉄系基材１０から黒鉛粒子１３が脱落することを抑えることができる。さらに成膜工程後に成膜された錫皮膜２０を押圧することにより、鉄基地１１の表面に対する錫皮膜２０の密着性を高めることができるばかりでなく、錫皮膜２０の表面から黒鉛粒子１３をより好適に露出させることができる。

さらに、必要に応じて、熱処理工程を行う場合には、熱処理工程を行う前に、押圧工程を行うことにより鉄基地１１の表面に対する錫皮膜２０の密着性を高めた状態で、その後の熱処理工程で、鉄基地１１の表面に対する錫皮膜２０の密着性をさらに高めることができる。

ここで、鉄系基材１０への押圧は、鉄系基材１０の表層を圧縮弾性変形させて、鉄基地１１の表面から黒鉛粒子を突出させることが好ましい。具体的には、押圧加工時に鉄系基材１０に作用させる面圧は、０．１〜１．０ＧＰａの範囲にあることが好ましい。このような押圧により、鉄系基材１０の表層からその表面に黒鉛粒子１３が絞り出されるように、鉄基地１１の表面から黒鉛粒子１３を突出させることができるとともに、鉄系基材１０の鉄基地１１の塑性変形を抑えることにより、鉄系基材１０の加工硬化を低減することができる。この結果、摺動時に、相手部材の表面に対して、摺動部品１の錫皮膜２０が倣いやすくなるので、摺動面に局所的な面圧が作用することを抑えることができる。

第２実施形態に係る摺動部品１によれば、黒鉛粒子１３は、鉄系基材１０の表面から突出しており、突出した黒鉛粒子１３は、錫皮膜２０から露出することができる。これにより、摺動部品１を摺動させた際には、鉄系基材１０の表面から突出した黒鉛粒子１３が、相手部材に接触して削れやすく、この削れた黒鉛の微粒子が錫皮膜２０に保持される。これにより、黒鉛粒子１３による固体潤滑機能をさらに発揮することができ、摺動部品１の摩擦係数をより低減することができる。

〔第３実施形態〕
以下に、図５および図６を参照し、第３実施形態に係る摺動部品１とその製造方法について説明する。第３実施形態に係る摺動部品１が、第２実施形態に係る摺動部品１と相違する点は、鉄系基材１０に鱗片状の黒鉛粒子１３が分散した鉄系基材を用いた点である。したがって、第２実施形態の摺動部品１と同じ構成および製造方法における同じ工程については、その詳細な発明を省略する。

本実施形態では、その一例として、図５に示すように、黒鉛粒子１３が、鱗片状の黒鉛粒子であり、鱗片状の黒鉛粒子１３を含む鉄系基材１０としては、上述したねずみ鋳鉄を挙げることができる。ねずみ鋳鉄である場合、鉄系基材１０の鉄基地は、フェライトからなるまたはフェライトを多く含むものであってもよく、鉄系基材としては、ＦＣ１００、ＦＣ１５０、ＦＣ２００、ＦＣ２５０（ＪＩＳ規格）等を挙げることができ、鉄基地により多くの黒鉛粒子を含むことができる。一方、鉄系基材の鉄基地は、パーライトからなるものであってもよく、鉄系基材としては、ＦＣ３００、ＦＣ３５０（ＪＩＳ規格）等を挙げることができる。さらに、鉄系基材は、浸炭処理、窒化処理、または浸窒処理がされていてもよい。

本実施形態によれば、図６に示すように、第１実施形態で用いた球状黒鉛鋳鉄に比べて、より微細な鱗片状の黒鉛粒子１３を含むので、同じ炭素量を有する鉄系基材１０であっても、より微細な黒鉛粒子１３が分散されることになる。この結果、図６に示すように、摺動時には、より微細な黒鉛の微粒子１３ａを錫皮膜により均一に分散させることができるため、摺動部品１の摩擦係数をさらに低減することができるとともに、摩擦係数の変動も抑えることができる。

なお、本実施形態では、第２実施形態と同様に、鱗片状の黒鉛粒子１３を鉄基地１１の表面から突出させ、これを錫皮膜２０の表面から露出させているが、第１実施形態と同様に、押圧加工を行わなくても、第１実施形態に示す製造方法と同様の製造方法で、錫皮膜から黒鉛粒子を露出させることができる。このような摺動部品であっても、摺動特性を向上させることができる点は、後述する実施例７により明らかである。

以下に本発明に係る実施例の一例を説明する。

実施例１および比較例１〜３に係るディスク試験片を作製し、黒鉛粒子が分散された鉄系基材と錫皮膜との相乗効果を確認した。

〔実施例１〕
実施例１に係る摺動部品を作製した。まず、鉄系基材として、鉄基地がフェライトであり、この鉄基地に球状の黒鉛粒子が分散した基材（球状黒鉛鋳鉄：ＦＣＤ４５０）を準備した。具体的には、球状黒鉛鋳鉄の鋳塊から外径４４ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚さ７ｍｍのリング状のディスク試験片を旋削により切り出した。次に、ディスク試験片であるドーナツ状の表面を、ダイヤモンドスラリーの研磨剤で、算術平均粗さＲａ０．０１μｍ以下まで研磨した。

次に、直圧式のショットピーニング装置を用いて、粒径が７０μｍの錫粒子を固相状態で、研磨した表面に投射し、厚さが１〜５μｍ範囲に収まる錫皮膜を成膜した。なお、投射条件は、投射圧力が０．７ＭＰａ、投射距離３０ｍｍ、投射時間１０分である。なお、得られた錫皮膜の表面から、鉄系基材の黒鉛粒子が露出していることが確認された。成膜後、ディスク試験片（錫皮膜）を２４０℃で３時間加熱した。

〔比較例１〕
実施例１と同様に、摺動部品を作製した。実施例１と相違する点は、鉄系基材として、黒鉛粒子が存在しない鉄基地からなる基材（機械構造用炭素鋼：Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳ規格））を用いた点であり、実施例１と同様の条件で、鉄基地の表面に錫皮膜を成膜した。

〔比較例２〕
実施例１のディスク試験片に対して、錫皮膜を成膜していないものを比較例２のディスク試験片とした。

〔比較例３〕
実施例１のディスク試験片に対して、錫皮膜を形成せず、ローラバニシングにより鉄基地から黒鉛粒子を突出させたものを比較例３のディスク試験片とした。

（摩擦係数の測定）
実施例１および比較例１〜３に係るディスク試験片に対して、摩擦係数を測定した。具体的には、外径４０ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚さ１４ｍｍの炭素鋼（Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳ規格））からなるリング試験片を準備した。ディスク試験片に接触するリング試験片のドーナツ状の端面を、ダイヤモンドスラリーの研磨剤で、算術平均粗さＲａ０．０１μｍ以下まで研磨した。

ディスク試験片の錫皮膜が形成された表面に、リング試験片のドーナツ状の端面を押し当てて、リング試験片を摺動させた。摺動条件は、荷重は、３００Ｎであり、摩擦速度（周速）を０．２５ｍ／ｓで、摩擦距離１０００ｍｍまで測定した。なお、ディスク試験片とリング試験片には潤滑油ＰＡＯ４（４０℃で４ｓｃｔとなる粘度特性の潤滑油）を用い、試験前に接触界面に０．２ｍｌ供給した。試験雰囲気は、室温大気中である。この結果を、図７、図８Ａ〜８Ｃに示す。図７は、実施例１および比較例１の摩擦試験の結果を示したグラフである。図８Ａは、実施例１および比較例２および３の摩擦試験の結果を示したグラフであり、図８Ｂは、図８Ａに示す初期の摩擦試験の結果を示したグラフであり、図８Ｃは、図８Ａに示す終期の摩擦試験の結果を示したグラフである。

図７に示す結果から、実施例１に係るディスク試験片の摩擦係数の変動は、比較例１のものに比べて小さかった。この結果から、実施例１に係るディスク試験片の摺動面には、黒鉛粒子が露出するように、錫皮膜が形成されていたため、摺動時に、黒鉛粒子の一部が脱離した黒鉛の微粒子が錫皮膜に安定して保持され、この結果、ディスク試験片の摩擦係数の変動が小さかったと考えられる。

図８Ａに示すように、実施例１に係るディスク試験片の摩擦係数は、比較例２および３に係るディスク試験片の摩擦係数よりも小さかった。図８Ｂおよび図８Ｃに示す摺動初期および終期における摩擦試験の結果からも明らかなように、実施例１に係るディスク試験片の摩擦係数の変動は、比較例２、３のものに比べて小さかった。比較例２および３の試験片は、黒鉛粒子が鉄系基材に分散しているが、摺動時に黒鉛粒子から脱離した黒鉛の微粒子の一部が摺動面から押し出され、さらには、ディスク試験片の鉄基地が直接接触したことにより、図８Ａ〜図８Ｃのような結果になったと考えられる。

以下に示す実施例２および３に係るディスク試験片を作製し、摺動前後における錫皮膜の表面状態を確認する試験を行った。

〔実施例２〕
実施例１と同じようにして、ディスク試験片を作製した。

〔実施例３〕
実施例１と同じようにして、ディスク試験片を作製した。実施例１と相違する点は、錫皮膜を成膜後、熱処理前に、ローラバニシング処理を行った点である。

実施例２および実施例３のディスク試験片に対して、錫皮膜の表面をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で観察するとともに、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線）により所定の元素の分布を測定した。さらに、実施例２および実施例３のディスク試験片に対して、実施例１と同様の摩擦試験を行い、錫皮膜の表面をＳＥＭで観察するとともに、ＥＤＸにより所定の元素の分布を測定した。この結果を、図９Ａ〜図９Ｃに示す。図９Ａは、実施例２に係る摩擦試験前後のＳＥＭ写真と、ＥＤＸによる炭素および錫の分布を示した写真である。図９Ｂは、実施例２に係る摩擦試験後のＳＥＭ写真と、ＥＤＸによる炭素、錫、鉄、および酸素の分布を示した写真である。図９Ｃは、実施例３に係る摩擦試験前後のＳＥＭ写真とＥＤＸによる炭素および錫の分布を示した写真である。

図９Ａおよび図９Ｃに示すように、摩擦試験前の錫皮膜の表面には、実施例２および実施例３のいずれの場合も、黒鉛粒子が露出していることがわかり、さらに、摩擦試験後の錫皮膜表面にも、黒鉛粒子または黒鉛粒子から脱離した黒鉛の微粒子が、錫に混在した状態で介在していることがわかった。錫と黒鉛との密着性は、それほど強くないため、錫皮膜の成膜時には、錫皮膜から黒鉛粒子が露出していると考えられる。一方、図９Ｂから、摺動後、脱離した黒鉛の微粒子の周りを囲うように錫が覆われており、黒鉛の微粒子は、物理的に錫に保持されていると想定される。

以下に示す実施例４および５に係るディスク試験片を作製し、錫皮膜として錫に亜鉛を添加したスズ皮膜と、押圧処理による効果を確認する試験を行った。

〔実施例４〕
実施例１と同じようにして、ディスク試験片を作製した。実施例１と相違する点は、錫皮膜に、錫を主材として亜鉛が添加された粒子を用いて、錫に亜鉛が添加された錫皮膜を成膜した点である。なお、錫皮膜に含有している亜鉛の含有量は、１５質量％である。

〔実施例５〕
実施例４と同じようにしてディスク試験片を作製した。実施例４と相違する点は、錫皮膜を成膜後、熱処理前に、ローラバニシング処理を行った点である。

〔比較例４〕
比較例２と同じようにしてディスク試験片を作製した。したがって、比較例４は、錫皮膜を形成せず、鉄系基材の表面を研磨した試験片である。

実施例４、５および比較例４に係るディスク試験片に対して、摩擦試験を行った。この結果を、図１０に示す。

図１０に示すように、比較例４に係るディスク試験片は、摺動初期に摩擦係数の変動が大きく、初期なじみ性が低いことがわかり、試験終了時の摩擦係数は、０．１５であった。実施例４に係るディスク試験片は、比較例４のものに比べて、初期なじみ性が高く、試験終了時の摩擦係数は、比較例４のものに比べて低く、０．０４であった。さらに、実施例５に係るディスク試験片は、比較例４および実施例４のものに比べて、さらに初期なじみ性が高く、試験終了時の摩擦係数は、比較例４および実施例４のものに比べて低く、０．０２であった。

このことから、錫を主材とした錫皮膜を鉄系基材の表面に形成すれば、鉄系基材に由来の黒鉛粒子の黒鉛（脱離した黒鉛）の微粒子を錫皮膜に保持することができることがわかる。この結果、摺動部品の摩擦係数を低減することができるばかりでなく、摩擦係数の変動をも低減することができる。これに加えて、実施例５の如く、鉄系基材の表面から黒鉛粒子を突出させることにより、このような効果がより顕著なものになると考えられる。

以下に示す実施例６−１〜６−４に係るディスク試験片を作製し、錫皮膜の熱処理による影響を確認する試験を行った。

〔実施例６−１〜６−４〕
実施例６―１〜６−４のディスク試験片を、実施例１と同じようにして作製した。実施例６−１が、実施例１と相違する点は、錫皮膜に対して熱処理を行っていない点である。実施例６−２、６−３が、実施例１と相違する点は、錫皮膜に対する熱処理の温度を、それぞれ１８０℃、２１０℃にした点である。実施例６−４は、実施例１と同じ条件で作製した。

実施例６−１〜６−４に係るディスク試験片に対して、実施例１と同じようにして、摩擦試験を行った。この結果を図１１に示す。図１１に示すように、熱処理を行った実施例６−２〜６−４のもの、熱処理を行っていない実施例６−１のものも、摩擦係数は低い値となった。

なお、熱処理を行ったものは、熱処理を行っていないものに比べて、錫皮膜の摩耗量が少なく、錫皮膜の密着性が高くなったと考えられる。特に、錫皮膜の錫の融点以上に加熱したものは、錫皮膜が完全に溶融したため、錫皮膜の密着性が最も高くなり、そのため錫皮膜の耐摩耗性が高かったと考えられる。

〔実施例７〕
実施例７に係るディスク試験片を作製し、鉄系基材の炭素粒子の形状による影響を確認する試験を行った。実施例１と相違する点は、鉄基地に鱗片状の黒鉛粒子が分散した基材（ねずみ鋳鉄：ＦＣ２５０）を準備し、この鉄系基材に実施例１と同じようにして、錫皮膜を成膜した点である。実施例１と同じようにして摩擦試験を行った。この結果を、図１２に示す。

図１２に示すように、実施例７に係るディスク試験片の摩擦係数は、これまでに示した実施例および比較例のものの中で、最も低い摩擦係数であった。これは、鱗片状の黒鉛粒子を鉄系基材に分散させることにより、摺動時には、球状の黒鉛粒子に比べて、より微細な黒鉛の微粒子を錫皮膜により均一に分散させることができるたからであると考えられる。なお、実施例７のディスク試験片に、さらに押圧加工（ローラバニシング加工）を施すことにより、摩擦係数を低減することができると考えられる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１：摺動部品、１０：鉄系基材、１１：鉄基地、１３：黒鉛粒子、１３ａ：黒鉛の微粒子、２０：錫皮膜

Claims (11)

1. 鉄基地に黒鉛粒子が分散した鉄系基材と、前記鉄系基材に形成された錫を主材とする錫皮膜と、を備えた摺動部品であって、
   前記黒鉛粒子は、前記錫皮膜から露出していることを特徴とする摺動部品。
2. 前記黒鉛粒子は、鱗片状の黒鉛粒子であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記錫皮膜は、錫からなる皮膜、若しくは錫に亜鉛、銀、アンチモン、鉛、インジウム、またはビスマスが添加された皮膜であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
4. 前記黒鉛粒子は、前記鉄基地の表面から突出していることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
5. 前記摺動部品は、潤滑油またはグリースの潤滑環境下で摺動することを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
6. 鉄基地に黒鉛粒子が分散した鉄系基材を準備する準備工程と、
   前記鉄系基材の表面に、錫を主材とする錫皮膜を成膜する成膜工程とを含み、
   前記成膜工程において、前記錫皮膜から前記黒鉛粒子が露出するように、前記錫皮膜を成膜することを特徴とする摺動部品の製造方法。
7. 前記成膜工程において、錫を主材とする錫粒子を前記鉄系基材に投射することにより、前記錫粒子の一部を付着させることを特徴とする請求項６に記載の摺動部品の製造方法。
8. 前記準備工程において、前記黒鉛粒子が、鱗片状の黒鉛粒子である鉄系基材を準備することを特徴とする請求項６に記載の摺動部品の製造方法。
9. 前記成膜工程において、前記錫粒子として、錫からなる粒子、若しくは錫に亜鉛、銀、アンチモン、鉛、インジウム、またはビスマスが添加された粒子を前記鉄系基材に投射することを特徴とする請求項７に記載の摺動部品の製造方法。
10. 前記成膜工程の後、前記錫皮膜の表面を、前記鉄系基材に向かって押圧することにより、前記鉄基地の表面から前記黒鉛粒子を突出させることを特徴とする請求項６に記載の摺動部品の製造方法。
11. 前記成膜工程の後、前記錫皮膜を１２０℃以上の温度で加熱する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の摺動部品の製造方法。

Images