JP3357661B2 - 潤滑性被膜の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摺動部に形成され
る潤滑性被膜の形成方法に関し、より詳細には、ブラス
ト法により固体潤滑剤の分散された潤滑性被膜を形成す
る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】摺動部の潤滑は液体潤滑剤を使用して行
われることが多いが、設計上の理由により液体潤滑剤を
使用することができない場合や、使用環境における制
約、例えば真空中において使用される場合のように液体
・吸着気体が蒸発・脱着してしまうような場合、さらに
近年の環境問題に対する感覚の鋭敏化に伴い、可能な限
り液体潤滑剤の使用を低減しようという社会的な要求等
から、摺動部の潤滑に液体潤滑剤を使用することなく、
又は液体潤滑剤の使用量を可及的に低減し得るよう、黒
鉛、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）粉末、あるいは二硫
化タングステン（ＷＳ_２）系の固体潤滑剤、プラスチッ
ク等の固体を用いた固体潤滑法が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述のような固体潤滑
法において使用される固体潤滑剤は、液体潤滑剤とは異
なり流動性を有しないことから、摺動部を被覆する被膜
が破断すると修復が不可能となり、摩擦力の低下が得ら
れなくなる。そこで、このような問題点を解消するため
に、潤滑性を持つ高分子に二硫化モリブデン等の固体潤
滑剤を添加して、さらに補強材としてガラス繊維を混入
する等して自己摩耗に伴い固体潤滑剤を供給する複合材
料も提案されている。しかし、この方法による場合に
は、自己摩耗が進行すると好適な潤滑性が得られないと
いう問題点がある。

【０００４】また、近年においてはより過酷な条件下に
おいて摩擦抵抗が少なく、長期寿命に耐え得る被膜が求
められていることから、電解メッキや無電解メッキによ
り母相金属中に固体潤滑剤から成る分散相を形成して潤
滑性を持たせた、母相／分散相から成る複合メッキから
成る潤滑性被膜を形成する方法についても提案されてお
り、例えば、黒鉛を６％以上含む無電解Ｎｉ−Ｐ／黒鉛
の複合被膜同士を摩擦させて潤滑性を得るもの、摩擦係
数の小さい固体潤滑剤である二硫化モリブデン（ＭｏＳ
_２）粒子を分散相とするＣｕ／ＭｏＳ_２，Ｎｉ／ＭｏＳ
_２被膜や、高温において耐酸化性を発揮するＢＮ（六方
晶）やＣａＦ_２粒子を分散相とするＮｉ−Ｐ／ＢＮ，Ｎ
ｉ−Ｃｏ−Ｐ／ＢＮ，Ｎｉ−Ｐ／ＣａＦ_２等の複合メッ
キが検討されている。

【０００５】しかし、前述のように電解メッキや無電解
メッキを利用した複合メッキ法による場合には、有害な
化学薬品を使用し、また、被覆処理時に発生する有害な
蒸気による環境汚染等の公害の問題を有するものであ
る。

【０００６】また、前述の方法により複合メッキを行う
場合には、設備費が高価であると共に、母相中に固体潤
滑剤の分散された複合メッキはメッキ層が厚くなるだけ
でなく、摺動部より剥離し易い。さらに、該部の後加工
が困難となる等の問題点を有する。

【０００７】さらに、被処理成品の摺動部(素地）の材
質によっては、難メッキ性のものもあり、如何なる材質
の被処理製品に対しても容易に潤滑性被膜を形成し得る
ものではない。

【０００８】そこで本本発明は、上記従来技術における
欠点を解消するためになされたものであり、電解メッキ
や無電解メッキによることなく、比較的簡単でかつ公害
等の発生し難い方法により、素地を選ばず、かつ、密着
強度の高さと摩擦係数の小ささを併せ持つ潤滑性被膜を
形成する方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の潤滑性被膜の形成方法は、金属、セラミッ
ク又はこれらの混合体から成る被処理成品の摺動部の表
面に、母相を成す金属(以下、「母相金属」という）の
粒体と固体潤滑剤の粒体とを混合して成る噴射粒体を、
噴射速度８０m/sec以上で噴射して、母相中に固体潤滑
剤の分散された被膜を形成することを特徴とする(請求
項１）。

【００１０】前記母相金属は、例えば、金（Ａｕ）や銀
（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉ
ｎ）や、これらを含む合金等から成る軟質金属とすれば
好適である(請求項２）。

【００１１】上記噴射速度下限８０m/secは、鉛(Ｐ
ｂ）、熱伝導の悪い、インジウム（Ｉｎ）及びこれらを
含む合金等軟質金属の拡散浸透に好適である。

【００１２】また、前記噴射粒体は、前記母相金属に対
して前記固体潤滑剤を重量比で５〜３０％混合すれば好
適である(請求項３）。

【００１３】さらに、前記噴射粒体における各粒体のサ
イズは、前記母相金属の粒体を３００〜２０μm、好ま
しくは１００〜２０μm、前記固体潤滑剤の粒体を2００
μm以下、好ましくは５０μm以下の粒径とする(請求項
４）。

【００１４】また、前記母相金属は、これを錫（Ｓｎ）
又は錫合金とすることができ（請求項５）、前記固体潤
滑剤は、これを二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、二硫化
タングステン（ＷＳ_２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、又はポ
リテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂
のいずれか１種又は数種から成るものとすることができ
る(請求項６）。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき説
明する。

【００１６】本発明の潤滑性被膜の形成方法は、既知の
ブラスト装置により潤滑性被膜と成る噴射粒体を被処理
成品の摺動部表面に噴射することにより、摺動部に潤滑
性被膜を形成するものであり、より具体的には、下記の
噴射粒体を下記のブラスト装置を使用して噴射すること
により、被処理成品の摺動部に潤滑性被膜を形成する。

【００１７】〔噴射粒体〕本発明の方法において使用さ
れる噴射粒体は、形成される潤滑性被膜の母相を成す金
属と、これに分散されて分散相を成す固体潤滑剤の粒体
とを混合したものであり、一例として、母相金属に対し
て重量比で５〜３０％、好ましくは１０〜１５％の固体
潤滑剤の粒体を添加したものを使用する。

【００１８】この母相金属としては、好ましくは軟質金
属を使用し、相互溶解度、滑り特性、摩耗量等から金
（Ａｇ）、インジウム（Ｉｎ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓ
ｎ）、銀（Ａｇ）、又はこれらを含有する合金等が使用
可能である。

【００１９】もっとも、コスト的な問題や、該金属が人
体に対して有する毒性等の問題を考慮すれば、錫（Ｓ
ｎ）又は錫合金を使用することが好ましい。

【００２０】また、この母相金属粒体の粒径は、３００
〜２０μm、好ましくは１００〜２０μmである。

【００２１】母相金属に混合されて噴射される固体潤滑
剤の粒体は、層間滑り等により低摩擦を実現する層状化
合物や、せん断され易い性質を有する固体等、摩擦を低
下し得る性質を有する材質を選択して使用し、本実施形
態にあっては二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、二硫化タ
ングステン（ＷＳ_２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、フッ素樹
脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン：ＰＴＦＥ）
等が使用可能である。その粒径は２００μm以下が好ま
しく、より好ましくは５０μm以下とする。

【００２２】〔ブラスト装置〕以上のように、母相金属
の粒体及び固体潤滑剤の粒体が混合されて成る噴射粒体
は、既知のブラスト装置により被処理成品の摺動部に噴
射される。

【００２３】本実施形態においては、ブラスト装置とし
てエア式のブラスト装置、特に後述の実施例にあっては
重力式のブラスト装置を使用する例について説明する
が、本発明の方法において使用されるブラスト装置は、
例えば同様にエア式のブラスト装置であれば直圧式のブ
ラスト装置、サイホン式のブラスト装置、或いは他の型
式のブラスト装置を使用することができ、また、エア以
外の圧縮ガスを使用して噴射するものであっても良い。

【００２４】〔噴射方法及び作用〕以上のようにして、
噴射粒体を被処理成品の表面に８０m/sec以上、好まし
くは１５０m/sec以上の噴射速度にて噴射する。噴射さ
れた噴射粒体の被処理成品の表面への衝突前後の速度変
化により、エネルギー不変の法則を考慮すると、被処理
成品の表面及び噴射粒体の表面にはいずれも熱エネルギ
ーが生じる。

【００２５】このエネルギーの変換は、噴射粒体が衝突
した変形部分のみで行われるので、噴射粒体及び被処理
成品の表面付近に局部的に温度上昇が起こる。

【００２６】また、温度上昇は噴射粒体の衝突前の速度
に比例するので、噴射粒体の噴射速度を高速にすると、
噴射粒体及び被処理成品の表面の温度を上昇させること
ができる。

【００２７】従って、噴射粒体を成す母相金属と固体潤
滑剤とが被処理成品との衝突により加熱され、噴射粒体
が被処理成品の表面に活性吸着されて拡散・浸透すると
考えられ、被処理成品の表面に母相金属中に固体潤滑剤
が分散された潤滑性被膜が形成される。

【００２８】以上のようにして形成された潤滑性被膜
は、分散された固体潤滑剤によりその摩擦係数が低下す
るだけでなく、母相金属として軟質金属を使用する場合
には、以下の原理による摩擦係数の低下により、固体潤
滑剤による摩擦係数の低下との相乗効果により、より高
い低摩擦性が実現される。

【００２９】摩擦力は、凝着部分の面積Ａとせん断強さ
ｓとの積で表され、軟質金属に対して硬質金属を摩擦さ
せたときには、軟質金属のためにせん断強さｓは小さく
なるが、凝着部分の面積Ａは大きくなる〔図１(Ａ）参
照〕。従って、凝着部分の面積Ａが大きいことにより、
摩擦力を表すＡ×ｓは小さくならない。

【００３０】また、これとは逆に、硬質金属に対して硬
質金属を摩擦させた場合には、凝着部分の面積Ａは小さ
くなるが、せん断強さｓは大きくなるので、その積であ
る摩擦力はやはり小さくならない〔図１(Ｂ）参照〕。

【００３１】しかし、軟質金属から成る母相を有する潤
滑性被膜が硬質金属上に形成されると、加重は下の硬質
金属により支えられて凝着部分の面積Ａが減少すると共
に、せん断強さｓは表面に形成された軟質金属より成る
母相を備えた潤滑性被膜のものとなるため、Ａとｓの
積、すなわち摩擦抵抗が減少する〔図１(Ｃ）参照〕。

【００３２】また、ブラスト加工により形成された潤滑
性被膜は、母相及び分散相が被処理成品の表面に浸透拡
散しているために、摺動部表面から剥離し難く、また、
摺動部を長時間摺動させた場合であっても摩耗が少なく
長寿命であり、さらに、最表面の錫(Ｓｎ)は、摺動の際
に移動、移着を繰り返すことにより残存するので効果を
持続し、摺動部発熱を低減し、焼き付きを防止するもの
と考えられる。

【００３３】〔実施例〕以上説明した本発明の潤滑性被
膜の形成方法の好適な実施例について以下説明する。

【００３４】(１）実施例１ 本実施例にあっては、市販されている切削用チップ（Ｃ
ＢＮ）に対して噴射粒体を噴射して潤滑性被膜を形成し
た。なお、本願実施例１の加工条件を下表１にに示す。

【００３５】

【表１】 実施例１の処理条件

【００３６】以上の処理条件において潤滑性被膜の形成
された切削用チップ(実施例１）と、未処理の切削用チ
ップ（比較例１）、及び前記表１と同一の条件におい
て、錫（Ｓｎ）のみを噴射した切削用チップ(比較例
２）を使用して、クロムモリブデン鋼(ＳＣＭ４２０）
浸炭品の切削加工を行った結果を表２に示す。

【００３７】

【表２】 ＳＣＭ４２０浸炭品の切削試験

【００３８】表２に示すように、クロムモリブデン鋼
(ＳＣＭ４２０）の浸炭品(表面硬度ＨＶ７００）の切削
加工数は、比較例１の切削チップ(未処理）において最
大で３００個程度であるが、実施例１の切削チップにあ
っては、５倍の１５００個の加工が可能となった。

【００３９】また、単に錫(Ｓｎ)をブラストしたのみの
比較例２の切削チップと比較しても１．５倍の量の被処
理品を加工することができ、飛躍的にその寿命を延命す
ることができた。

【００４０】従って、切削加工に要する刃具費用を、比
較例１の場合に比較し、１／５に、比較例２の場合に比
較して２／３とすることができ、加工に際して発生する
コストを減少することができると共に、刃具交換等の作
業回数も減少し、作業性ないしは作業効率も向上するこ
とができた。

【００４１】さらに、製造された製品の切削面がきれい
であり、製品の品質を向上させることができた。

【００４２】(２）実施例２及び実施例３ 炭素工具鋼(ＳＫ−３）から成るエキスパンダ(パイプ拡
管ツール）に対し、前処理としてショットピーニングを
行った後、二硫化タングステン（ＷＳ_２）から成る固体
潤滑剤を含む噴射粒体を噴射して潤滑性被膜を形成した
例(実施例２）、及び二硫化モリブデン(ＭｏＳ_２）を含
む噴射粒体を噴射して潤滑性被膜を形成した例(実施例
３）の加工条件を下表３に示す。

【００４３】

【表３】 実施例２及び実施例３の処理条件

【００４４】以上の条件において製造されたエキスパン
ダ(実施例２及び実施例３）と、未処理のエキスパンダ
(比較例３）によりそれぞれ液体潤滑剤を使用すること
なく銅パイプの拡管を行った結果を表４に示す。

【００４５】

【表４】 銅パイプの拡管試験

【００４６】以上の比較試験の結果、本発明の方法によ
り潤滑性被膜を形成されたエクスパンダ(実施例２及び
実施例３）は、未処理のエクスパンダ(比較例３）に比
較してその加工数を飛躍的に増大させることができ、潤
滑油等の液体潤滑剤を使用することなしに摺動部の好適
な潤滑が行われていることが確認された。

【００４７】真空装置の熱交換器等においては、品質上
の問題から潤滑油を使用することができず、また、鉛等
の成分を含む材質も公害の問題から使用ができないた
め、本発明の方法による潤滑性被膜の形成は、このよう
な分野においても有効に利用し得るものである。

【００４８】固体潤滑剤として二硫化モリブデン（Ｍｏ
Ｓ_２）を使用した実施例３に比較して、二硫化タングス
テン（ＷＳ_２）を使用した実施例２のエキスパンダの効
果が高いのは、二硫化タングステン（ＷＳ_２）は二硫化
モリブデン(ＭｏＳ_２）よりも比重があるため、より深
く摺動部の表面に浸透拡散したためと思われる。また、
二硫化タングステン（ＷＳ_２）は、耐熱温度についても
二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）より高いため、より効果
が持続して長寿命を得られたものと思われる。

【００４９】(３） 実施例４ 記録媒体ディスクを回転させるハードディスクドライブ
(ＨＤＤ）用のスピンドルモータに使用される、耐熱性
ステンレス鋼(ＳＵＳ３０４）から成るつば付軸に対
し、前処理としてショットの噴射による多数の微小な凹
凸(マイクロディンプル）を形成した後、噴射粒体を噴
射して潤滑性被膜を形成した(実施例４）。この際の加
工条件を下表６に示す。

【００５０】

【表５】 実施例４の処理条件

【００５１】以上の条件において製造された動圧軸受
(実施例４）と、未処理の動圧軸受(比較例４）及び、固
体潤滑剤を添加しない点を除き、前記表５における加工
条件と同様の条件で製造された動圧軸受(比較例５）の
それぞれを、スピンドルモータに組み込んでこのモータ
を運転した結果を表６に示す。

【００５２】なお、ここに使用されるつば付軸１０は、
シール４０により被蓋されたきょう体３０内に、スリー
ブ２０により支承されて回転されるものであり、軸１０
を回転すると、スリーブ２０の内径に刻んだヘリンボー
ンで半径方向に動圧を発生すると共に、スリーブ２０の
底面と、きょう体３０の内部底面に形成されたヘリンボ
ーンによりつば部１２に軸線ａ方向に動圧を発生させて
軸を浮かせて回転し得るよう構成されている。

【００５３】なお、潤滑性被膜を形成する前処理として
摺動部にマイクロディンプルを形成したのは、図２に示
す軸受機構１は、動圧の発生を軸１０とスリーブ２０又
はきょう体３０間の空気により発生させているが、この
空気は潤滑油に比較して粘性が低く、軸を浮上させるた
めに発生させる動圧が小さいため、マイクロディンプル
を形成して動圧発生部を流れる空気に乱流を生じさせて
見かけ上の粘性を高め、潤滑油を使用した場合と同等の
動圧を生じさせることを目的としたためである。

【００５４】試験はテストモータの回転数を１４，００
０rpmとし、６０秒の回転の後、１０秒の停止を繰り返
して行った。また、前述のように潤滑油等の液体潤滑剤
は使用していない。

【００５５】

【表６】 動圧軸受の動作試験

【００５６】前述の軸受機構において、つば付軸１０は
回転中は動圧により浮いてきょう体３０やスリーブ２０
とは非接触の状態となるが、モータの始動、停止時にお
いてはきょう体３０やスリーブ２０と接触する。

【００５７】比較例１の未処理のつば付軸にあっては、
始動、停止を１０回繰り返したのみで焼き付きが生じた
が、本発明の方法により潤滑性被膜を形成したつば付軸
(実施例４）にあっては、始動、停止を１０，０００回
繰り返した場合であっても焼付が生じないものであっ
た。

【００５８】ＨＤＤ用のスピンドルモータの動圧軸受
は、現状においてスリーブ２０およびきょう体３０と回
転軸１０間に潤滑油を封入したオイルベアリング式のも
のが主として研究、開発されているが、このオイルベア
リング式の動圧軸受にあっては、温度による潤滑油の粘
度変化に伴う回転精度や、油漏れに対する対策が必要で
ある等の問題点を有する。本発明の方法による潤滑性被
膜の形成は、潤滑油等の液体潤滑剤のない状態において
回転軸１０とスリーブ２０やきょう体３０が接触した場
合であっても焼付を生じない程の潤滑性を有するもので
あり、前述のような問題点を有するオイルベアリング式
に代えて、空気による動圧軸受の可能性を示唆するもの
である。

【００５９】また、前述の実施例において難メッキ材と
されているステンレス鋼に対しても良好に潤滑性被膜を
形成することが可能であり、かつ、この潤滑性被膜が使
用に耐え得る密着性を有するものであることが確認され
た。

【００６０】(４）実施例５ エンジンのアルミ合金製ピストンに対し、前処理として
ショットの噴射による多数の微小な凹凸(マイクロディ
ンプル）を形成した後、噴射粒体を噴射して潤滑性被膜
を形成した例(実施例５）の加工条件を下表７に示す。

【００６１】なお、前処理として摺動部の表面に多数の
マイクロディンプルを形成したのは、このマイクロディ
ンプルにより油膜切れが生じにくい油溜まりを形成すこ
とを目的とする。

【００６２】

【表７】 実施例５の処理条件 以上の処理条件により、潤滑性被膜の形成されたピスト
ン(実施例５）と、前記表７における処理条件と同一の
条件において前処理(マイクロディンプルの形成）のみ
を行ったピストン(比較例６）を使用したエンジンの燃
焼試験を行った結果を表８に示す。

【００６３】

【表８】 エンジンの燃焼試験

【００６４】以上の結果、本発明の潤滑性被膜の形成さ
れたピストンを使用したエンジンにあっては、未処理品
に対して５％燃費の向上が、マイクロディンプルのみの
形成された比較例６に対して２．８％の燃費の向上がみ
られ、摺動部の潤滑性が向上されていることが確認され
た。このことから、本発明の方法により作製された潤滑
性被膜は、エンジンオイル等の液体潤滑剤と共に使用す
る場合においても有効に作用するものであり、エンジン
の燃費向上手段としても使用し得るものであることが確
認された。

【００６５】(６）その他 本発明の潤滑性被膜の形成方法は、前述したものの他、
摺動部を有するその他の各種工具ないしは機器に使用す
ることが可能であり、例えば鍛造金型、プレス金型等に
本発明の方法により潤滑性被膜を形成することにより、
離型性の向上や摩耗防止を図ることができ、また、例え
ばタップ付きのねじに本発明の方法により潤滑性被膜を
形成することにより、ねじ込み性の向上による作業効率
の向上や、焼付防止等を図ることができる。

【００６６】

【発明の効果】以上説明した本発明の構成により、本発
明の潤滑性被膜の形成方法によれば、ブラストという比
較的簡単な方法により被処理成品の摺動部表面に潤滑性
が高く、密着強度の高い潤滑性被膜を形成することがで
きた。

【００６７】また、本発明の方法による潤滑性被膜の形
成方法によれば、ステンレス鋼等の難メッキ性の材料に
対しても比較的容易に、かつ密着強度の高い潤滑性被膜
を形成することができる。

【００６８】また、前述のような潤滑性被膜をブラスト
法というクリーンな方法により形成することができるこ
とから、電解メッキや無電解メッキにより被膜を形成す
る場合のように、化学薬品等による処理を行う必要がな
く、公害発生のおそれがなく環境に優しい方法により作
製することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 摩擦力の減少の原理を説明する図であり、
(Ａ）及び(Ｂ）は、潤滑性被膜のない状態、(Ｃ）は潤
滑性被膜を設けた状態を示す。

【図２】 動圧軸受の要部断面図。

【符号の説明】

１０ つば付軸 １２ つば部 ２０ スリーブ ３０ きょう体 ４０ シール ａ 軸線

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属、セラミック又はこれらの混合体か
   ら成る被処理成品の摺動部の表面に、母相を成す金属の
   粒体と固体潤滑剤の粒体とを混合して成る噴射粒体を、
   噴射速度８０m/sec以上で噴射して、母相中に固体潤滑
   剤の分散された被膜を形成することを特徴とする潤滑性
   被膜の形成方法。
2. 【請求項２】 前記母相を成す金属が、軟質金属である
   ことを特徴とする請求項１記載の潤滑性被膜の形成方
   法。
3. 【請求項３】 前記噴射粒体は、前記母相を成す金属に
   対して前記固体潤滑剤を重量比で５〜３０％混合して成
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の潤滑性被膜の
   形成方法。
4. 【請求項４】 前記母相を成す金属の粒体を３００〜２
   ０μm、前記固体潤滑剤の粒体を２００μm以下の粒径と
   したことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の
   潤滑性被膜の形成方法。
5. 【請求項５】 前記母相を成す金属が、錫(Ｓｎ）又は
   錫合金であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１
   項記載の潤滑性被膜の形成方法。
6. 【請求項６】 前記固体潤滑剤が、二硫化モリブデン
   (ＭｏＳ_２）、二硫化タングステン(ＷＳ_２）、窒化ホウ
   素(ＢＮ）、フッ素樹脂のいずれか１種又は数種から成
   ることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の潤
   滑性被膜の形成方法。