JP3155220B2 - 摺動部材の製造方法 - Google Patents

摺動部材の製造方法

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JP3155220B2 JP01975797A JP1975797A JP3155220B2 JP 3155220 B2 JP3155220 B2 JP 3155220B2 JP 01975797 A JP01975797 A JP 01975797A JP 1975797 A JP1975797 A JP 1975797A JP 3155220 B2 JP3155220 B2 JP 3155220B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性、耐焼付
性に優れ、且つ密着性にも優れた高硬度のイオンプレー
ティング皮膜を有する摺動部材の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関におけるピストンリングや圧縮
機のベーンのような摺動部材の摺動表面は高い摺動性能
が要求されているので、優れた性能を有する硬質クロム
めっきが従来から用いられてきた。しかし、近年内燃機
関の高出力化や排気ガス対策、軽量化などから、また、
従来タイプのフロンガスの使用規制等からこれら摺動部
材表面の受ける負荷は増大してきており、イオンプレー
ティングによるTiN膜、TiC膜、CrN膜等が用い
られるように成ってきている。しかしながら、TiN
膜、TiC膜、CrN膜は硬度がHv1500以上と非
常に硬く、耐摩耗性に優れる反面、相手材の摩耗を抑え
るために、また、摩擦力を低減するために自身の表面粗
さを細かくすると耐焼付性が悪くなることがあり、特
に、ピストンリング、ロッカーアームのパッド、バルブ
リフター、シムやタペット等のオイル潤滑が行われる摺
動面に用いた場合には、自身の耐摩耗性の点では優れる
が耐焼付性の面では、従来の硬質クロムめっきや窒化処
理表面と比べ特に優位性が見出せないこともあった。
【0003】 一般的に、イオンプレーティングによる
硬質皮膜を有する摺動部材の摺動面の形成方法として
は、相手材の磨耗および磨耗力の低減を考え、皮膜厚さ
を研磨代分厚くコーティングし、表面を研磨仕上げによ
り、表面粗さを細かくすることが行われている。さら
に、基板表面を粗してメカニカルな投効果を与えるこ
とも行われている(トライボロジスト、Vol141、
No.11(1996)第27頁)。しかしこの場合で
も皮膜の表面は研磨仕上げにより表面粗さを細かくする
ことが普通である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このような従来技術に
おいては、イオンプレーティング膜からなる摺動面の表
面の粗さを、相手材の摩耗を抑えるために細かくしたこ
とによって、又、イオンプレーティング膜は本来オイル
との濡れ性が悪いために、オイルの供給状況が不安定に
なり、悪化すると、耐焼付性を悪くしていた。
【0005】本発明はTiN膜,TiC膜、CrN膜等
のイオンプレーティングによる硬質皮膜が施された摺動
部材が有する上記のような問題点を解消し、耐焼付性、
耐摩耗性にすぐれ、且つ、相手材を摩耗させない、耐久
性に優れた摺動部材の製造方法を提供することを目的と
している。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、(1)表面平
均粗さを2〜8μmとした下地にイオンプレーティング
により、主として金属クロムと窒化クロムからなる硬質
皮膜を被覆せしめ、続いて該皮膜面の70〜95面積%
を研磨することにより、平均粗さが0.8μm以下の研
磨平坦面とし、且つ該皮膜面の5〜30面積%を、非研
磨凹凸面からなるオイル溜まりとしたことを特徴とする
オイル潤滑が行われる摺動部に用いられる摺動部材の製
造方法、(2)表面平均粗さを2〜8μmとした下地に
イオンプレーティングにより、主として窒化クロムから
なる硬質皮膜を被覆せしめ、続いて該皮膜面の70〜9
5面積%を研磨することにより、平均粗さが0.8μm
以下の研磨平坦面とし、且つ該皮膜面の5〜30面積%
を、非研磨凹凸面からなるオイル溜まりとしたことを特
徴とするオイル潤滑が行われる摺動部に用いられる摺動
部材の製造方法、及び(3)表面平均粗さを2〜8μm
とした下地にイオンプレーティングにより、主として窒
化チタン又は炭化チタンからなる硬質皮膜を被覆せし
め、続いて該皮膜面の70〜95面積%を研磨すること
により、平均粗さが0.8μm以下の研磨平坦面とし、
且つ該皮膜面の5〜30面積%を、非研磨凹凸面面から
なるオイル溜まりとしたことを特徴とするオイル潤滑が
行われる摺動部に用いられる摺動部材の製造方法に関す
る。
【0007】上記方法において、皮膜の内部から外部に
向かって窒素濃度を連続的又は段階的に増加させること
ができる。
【0008】
【作用】前述のとおり、表面粗さを細かくすると、イオ
ンプレーティングによる硬質皮膜の保油性が悪くなり、
オイルの潤滑性が利用できなくなるので、ブラスト処理
などにより下地表面平均粗さを好ましくは2μm〜8μ
mの粗さとすると、イオンプレーティングではある程度
の膜厚まで皮膜形成時の皮膜表面粗さは下地粗さを反映
した表面粗さとなるので、平均表面粗さが2〜10μm
のイオンプレーティング皮膜を得ることができる。尚、
この母材ブラスト処理は、硬質皮膜の粗研磨よりも加工
性がすぐれている利点があり、さらに下地加工変質層は
物理的に削り取れるので、イオンプレーティング膜と下
地と密着性が良くなる効果も有する。
【0009】本発明では得られたイオンプレーティング
皮膜表面をラッピング等の手段で表面より数μm研磨
し、摺動表面の70〜95%を平均表面粗さ(以下「表
面粗さ」と略す)0.8μm以下に研磨して平坦面と
し、摺動表面の残部5〜30%は非研磨のまま残す。従
って、摺動表面の5〜30%を占める研磨されていない
部分は平坦面よりは粗さが著しく大きい凹凸面となる。
即ち、相手材と摺動する表面は表面粗さが0.8μm以
下の細かい表面粗さに成っているため相手材を摩耗させ
ることはない。又、前記凹凸部は潤滑オイルを凹部で溜
めるので、オイル潤滑が行われる摺動面ではオイル潤滑
により耐焼付性が向上する。凹凸部面積が5%以下では
保油性は十分ではなく、耐焼付性向上効果は十分でな
い。凹凸部面積が30%以上となると、相手材との摺動
面積が70%以下となるので、相手材を摩耗させること
がある。特に、相手材がアルミ合金や軟鋼等の比較的低
硬度材の場合には摩耗が顕著である。
【0010】
【発明の実施の形態】以下に実施例を示して具体的に本
発明を説明する。本発明は、ブラストにより下地表面平
均粗さを2μm〜8μmにする工程、イオンプレーティ
ングにより硬質の窒化物や炭化物皮膜を形成する工程、
表面の70〜95面積%をラッピング等により研磨する
工程より実施される。
【0011】ブラスト工程では、砂と空気との混合高圧
ガスを、摺動部材の摺動下地面に吹き付け、下地面の汚
れ、酸化物等の皮膜密着性の阻害物質を除去し活性面を
得ると同時に下地表面粗さを本発明に適した粗さにす
る。尚、アルミナ、シリコンカーバイド等の粉の粒度を
変えることにより、また、圧力、吹きかけ回数を変化さ
せることにより、下地表面粗さを変えることが出来るの
で、数回の試行で摺動部材の母材に適したブラスト条件
を見つけだすことが出来る。下地表面粗さが細かすぎる
と、皮膜表面を研磨しただけでは、非研磨部分の凹凸が
形成できず、皮膜表面粗さが粗すぎると、それだけ皮膜
の膜厚さを厚くしなければ成らないこと及び皮膜表面研
磨に時間がかかることから、下地表面粗さは2μm〜8
μmが良く、4μmから6μmが最適である。
【0012】以下実施例により本発明を説明する。SU
S440C材の試験片(5mm×5mm×20mm)を
約100本、端面を揃えてスタックし両サイドを板を介
してナットにより抑え被処理物とした。まず、サンドブ
ラストにより該端面下地表面粗さを調整した。サンドは
カーボランダムの#180を用い、圧力490KPaで
外周面を2度ブラストした。下地表面粗さは平均4.3
μmであった。これをトリクロロエタンのリンス洗浄及
び蒸気脱脂を行い、サンドを完全に洗い流した。なお、
クリーンな圧縮空気等によりサンドを除去出来れば、ト
リクロロエタンによる洗浄は必要ではない。
【0013】続いて、上記処理後の被処理物にHCDイ
オンプレーティング法により、硬質皮膜をコーティング
した。以下その方法について図1に基づき詳述する。該
テストピースを真空槽1内に設置後、図示しない真空ポ
ンプにより1×104torr 以下に減圧し、ヒーター3に
より約400℃に加熱し所定時間経過後アルゴンガスを
約1×102torr まで導入口10より導入して、直流電
圧を印加し、グロー放電を起こさせ、アルゴンイオンに
よる下地表面のボンバードを行なった。つぎにホローカ
ソード4で電子ビームを発生させ、るつぼ5中の蒸発材
6である金属クロム又は金属チタンに当て金属元素を蒸
発させた。尚、電子ビームは集束コイル7により収束さ
れている。続いて、窒素ガス又はアセチレンガスを所定
圧に成るまで導入口9より導入し、クロム或いはチタン
と窒素或いは炭素からなる硬質皮膜を試験片であるリン
グ2の端面に形成した。形成膜厚は5〜30μmとし
た。
【0014】尚、窒素濃度が皮膜内部より皮膜外部に向
けて連続的或いは段階的に増大する皮膜の形成の場合
は、導入窒素ガス量を所定コーティング時間をかけ、連
続的に或いは段階的に所定窒素ガス分圧まで増やすこと
によりコーティングすることが出来る。
【0015】以上のようにして、各種の条件によりクロ
ム或いはチタンと窒素或いは炭素を主成分とする各種組
織の皮膜をコーティングした試験片を作成した。イオン
プレーティング条件及び得られた皮膜の結果を図2(表
1)に示す。尚、表1の皮膜の組成分析はEPMA、組
織分析はX線解析、膜厚さは金属顕微鏡、表面粗さは触
針式の粗さ測定器で測定した。
【0016】次に、上記各試験片の皮膜表面をラッピン
グ研磨により、平均表面粗さが0.8μm以下の部分が
全表面の100%、約95%、約70%、約50%とな
るように仕上げ、図3に示す摩擦摩耗試験機により、そ
の耐焼付性について調べた。非研磨部分の割合は面像解
析装置(旭化成(株)製)を用い決定した。尚、図4は
約5%、約30%の試験片の一例の表面写真である。
【0017】(耐焼付性試験) 試験装置は図3その概要を図解的に示すものであっ
て、ステ−タ11に取り外し可能に取り付けられた直径
80mmの円板(摺動相手材)12の中央に裏側から注
油孔13を通して潤滑油が注油される。また、ステータ
11は油圧装置14によって右方に向けて所定圧力で押
され押圧力Pが作用するようにしてある。円板12に相
対向してロータ15が配され、該ロータは駆動装置16
によって所定速度で回転する。ロータ15の円板16に
対する端面には試料保持具17aに同心円上に等間隔を
なして正方形の摺動面を有する4個の試験片が取り付け
られた該摺動面が円板12に対接摺動する。このような
装置において、摺動面に所定の給油速度で給油しながら
ロータ11を回転させる。一定時間毎にステータ11に
作用する圧力を段階的に増加させ、円板12と試験片と
の摺動により発生する摩擦力をトルクTとしてスピンド
ル18を介してロードセル20に作用させ、その変化を
動歪計21で読み、記録紙に記録させる。焼付が発生す
るとトルクが急激に上昇する。従って、トルクTが急激
に上昇したときに摺動接触面に作用している接触面圧を
焼付発生面圧とし、この焼付発生面圧の代償で耐焼付性
の良否を判定する。
【0018】試験条件は次の通りである。 摺動速度:8m/秒 潤滑油 :SAE#20 モータオイル 潤滑条件:300ml/分 油温 :90℃ 接触圧力:20kg/cm2 から3分経過毎に10kg
/cm2 づづ上昇させる。 摺動相手材:鋳鉄材(FC300相当) 試験結果を図5(表2)に示す
【0019】何れの試験片に於いても、非研磨部分を皮
膜摺動面全体の5〜25%残すようにしたことによっ
て、耐焼付性が摺動面全体を表面粗さ0.8μm以下と
したものよりも向上した。また、非研磨部分の割合を3
0%以上としたものは、初期からの摩擦力が高く、前者
同様耐焼付性の向上はならなかった。
【0020】
【発明の効果】上記結果のように、非研磨部分を摺動面
全体の5%〜30%残すようにすることによって、その
部分が油溜まりとなって、耐焼付性が改善できることが
判る。但し、非研磨部分が30%を超えると、相手材を
摩耗させる傾向が強くなり耐焼付性が向上しないと考え
られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 イオンプレーティング装置の概念図である。
【図2】 本発明の実施例におけるイオンプレーティン
グ条件を説明する図表(表1)である。
【図3】 超高圧摩耗試験の概念図である。
【図4】 試験片の表面構造を示す写真である。
【図5】 焼付試験の結果を示す図表(表2)である。
【符号の説明】
1 真空槽 2 リング(試験片) 4 ホローカソード 5 るつぼ 6 蒸発材(金属クロム又は金属チタン) 9 窒素ガス又はアセチレンガス導入口 10 アルゴンガス導入口 11 ステータ 12 円板 13 注油孔 14 油圧装置 15 ロータ 16 駆動装置 17a 試料保持具 18 スピンドル 20 ロードセル 21 動歪計
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/00 - 14/58 F16J 9/26 C25D 7/00 C23C 26/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面平均粗さを2〜8μmとした下地に
    イオンプレーティングにより、主として金属クロムと窒
    化クロムからなる硬質皮膜を被覆せしめ、続いて該皮膜
    面の70〜95面積%を研磨することにより、平均粗さ
    が0.8μm以下の研磨平坦面とし、且つ該皮膜面の5
    〜30面積%を、非研磨凹凸面からなるオイル溜まりと
    したことを特徴とするオイル潤滑が行われる摺動部に用
    いられる摺動部材の製造方法。
  2. 【請求項2】 表面平均粗さを2〜8μmとした下地に
    イオンプレーティングにより、主として窒化クロムから
    なる硬質皮膜を被覆せしめ、続いて該皮膜面の70〜9
    5面積%を研磨することにより、平均粗さが0.8μm
    以下の研磨平坦面とし、且つ該皮膜面の5〜30面積%
    を、非研磨凹凸面からなるオイル溜まりとしたことを特
    徴とするオイル潤滑が行われる摺動部に用いられる摺動
    部材の製造方法。
  3. 【請求項3】 表面平均粗さを2〜8μmとした下地に
    イオンプレーティングにより、主として窒化チタン又は
    炭化チタンからなる硬質皮膜を被覆せしめ、続いて該皮
    膜面の70〜95面積%を研磨することにより、平均粗
    さが0.8μm以下の研磨平坦面とし、且つ該皮膜面の
    5〜30面積%を、非研磨凹凸面面からなるオイル溜ま
    りとしたことを特徴とするオイル潤滑が行われる摺動部
    に用いられる摺動部材の製造方法。
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