JP4004631B2 - バルブリフターの摺動用コーティング皮膜材料及びそれを用いたバルブリフター - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相手材料の表面を加工により研磨できない形状を有する部位や加工コストの面から研磨できない部位等へ適用すると有効な摺動用コーティング皮膜材料及びそれを用いた摺動材料に関する。より具体的には動弁系摺動部位に適用することのできるコーティング皮膜材料及びそれを被覆形成した動弁系摺動材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジン等に用いる動弁系摺動材料においては、近年高出力及び高回転による自動車エンジンの高性能化とともに、燃費の向上が解決課題に挙げられ、優れた性能の摺動材料の出現が望まれている。
【０００３】
ＳＡＥpaper 970002には、アークイオンプレート（Arc Ion Plating）法によって、窒化チタン（ＴｉＮ）をコーティングし、得られたドロップレットの研磨効果を利用してカムを研磨し、カムノーズを滑らかにすることによって、摩擦抵抗を減らすことが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ドロップレットの研磨効果を利用したＴｉＮコーティング法は、処理温度が高いために基材の硬度低下による耐久性や耐摩耗性の不足や、処理による基材の変形などの問題点がある。また、コストが高く好ましくない。
【０００５】
一方、一般的な樹脂コーティングにおいては、固体潤滑剤を含有させることによって潤滑効果は得られているものの、ＴｉＮコーティング法で得られる如き、優れた摩擦抵抗低減法は、未だ開発されていない。
【０００６】
本発明は上記状況の下なされたものであって、動弁系の摩擦抵抗を減らし、エンジンの燃費等を向上することのできる、優れた摺動用コーティング皮膜材料、及びそれを用いた動弁系摺動材料を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は、平均粒径が５μｍ以下である鋭角形状の硬質粉末、固体潤滑剤及び樹脂バインダーを含有し、
当該鋭角形状の硬質粉末によってラッピングされた相手材粉末の一部を埋収することを特徴とする、
バルブリフターの摺動用コーティング皮膜材料により有効に解決されることが見出された。
【０００８】
本発明の摺動用コーティング皮膜材料は、皮膜材料中に鋭角形状の硬質粉末及び固体潤滑剤を含有することを大きな特徴とする。これにより、下記の作用効果が奏されるものと推定される。
【０００９】
即ち、
▲１▼当該鋭角形状の硬質粉末が相手材料の粗面化部をラッピングする。
▲２▼ラッピングされた相手材粉末の一部を上記摺動用コーティング皮膜材料が埋収する。
▲３▼上記▲１▼と▲２▼を繰り返しながら相手材の表面を滑らかにする。
▲４▼同時に摺動用コーティング皮膜材料に含まれる固体潤滑剤によりラッピング中の摩擦抵抗をやわらげ、摺動面の傷つき、焼付きを抑え、相手面をマイルドに且つ低摩擦で研磨する。
【００１０】
その結果、摺動材料に被覆された本発明の摺動用コーティング皮膜材料は、相手材料をラッピングしながら、コーティング皮膜材料に含有されるそれ自身も丸くなった硬質粉末と、ラッピングされた相手材微粉末が、コーティング皮膜の耐摩耗効果を奏し、且つ相手材料表面をなじませるという相乗的効果を発揮するものと考えられる。
【００１１】
また、本発明のコーティング皮膜材料は、樹脂バインダーを含有する一般的且つ低廉な樹脂コーティング材として使用することができる。
更に極圧添加剤を含有させることにより、油との親和性が向上し、耐焼付性、耐久性が向上することができる。
【００１２】
更に、摺動材料基材の表面を粗面化処理することにより、上記コーティング皮膜材料との密着性を良くし、且つ表面が硬化することにより耐摩耗性を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられる鋭角形状硬質粉末とは、少なくとも１か所以上、好ましくは３〜６か所、の鋭角を有する硬質粉末を言う。ここで、鋭角とは、一般的には直角（９０°）以下と定義されるが、本発明においては、厳密に直角以下にとらわれるものではない。本発明の上記作用効果を奏することのできる鋭角を少なくとも１か所以上有するものであり、鋭角形状を持たない実質的な球状粒子とは明確に区別される。
【００１４】
硬質粉末の具体例としては、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、c-ＢＮ、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ダイヤモンド等を挙げることができる。硬度は、好ましくはＨＶ５００以上、より好ましくはＨＶ１０００以上である。硬質粉末の種類は、摺動する相手の材質、硬さ等により適宜選択される。
【００１５】
硬質粒子の大きさは好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。コーティング材中に含まれる含有量は、好ましくは１〜２０ｖｏｌ％、より好ましくは１〜１０ｖｏｌ％である。
【００１６】
固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂)、グラファイト、ｈ−ＢＮ、二硫化タングステン（ＷＳ₂)、ＰＴＦＥ、フッ素系樹脂、Ｐｂ，ＣＦ等を挙げることができる。グラファイトは天然、人造グラファイトのいずれでもよいが、人造グラファイトが耐摩耗性の観点から好ましい。
これらの固体潤滑剤は、摩擦係数を低く且つ安定にする作用とともに、なじみ性を有する。これらの作用を十分に発揮させるために、固体潤滑剤の平均粒径は１５μｍ以下、特に０．２〜１０μｍであることが好ましい。
【００１７】
本発明に用いることのできる極圧添加剤としては、ＺｎＳ、Ａｇ₂Ｓ、ＣｕＳ、
ＦｅＳ、ＦｅＳ₂、Ｓｂ₃Ｓ₂、ＰｂＳ、Ｂｉ₂Ｓ₃、ＣｄＳ等の如き硫黄含有金属化合物、チラウム類、モルフォリン・ジサルファイド、ジチオ酸塩、スルフィド類、スルフォキサイド類、スルフォン酸類、チオホスフィネート類、チオカーボネート類、ジチオカーボメート類、アルキルチオカルバモイル類、硫化オレフィン等の硫黄含有化合物、塩素化炭化水素等のハロゲン系化合物、ジチオリン酸亜鉛などのチオリン酸塩やチオカルバミン酸塩等の有機金属系化合物、ジチオリン酸モリブデン、ジチオカルビミン酸モリブデン等の有機モリブデン化合物などを挙げることができる。
【００１８】
極圧添加剤の平均粒径は好ましくは５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下である。また、極圧添加剤を含有する場合には、その配合量は、固体潤滑剤及び硬質粉末の総量のうちの１０ｖｏｌ％以下、より好ましくは１〜５ｖｏｌ％含有することが好ましい。
【００１９】
本発明に含有することのできる樹脂バインダーとしては、例えば、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等、ポリアミド（ナイロン）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＦＥＰ等）、エラストマー等が挙げられる。具体的には、芳香族ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミド又は芳香族ポリアミドイミド、あるいはこれらのジイソシアネート変性、ＢＰＤＡ変性、スルホン変性樹脂のワニスなどの熱硬化性樹脂が好ましく用いられる。
【００２０】
更に具体的には、上記樹脂バインダーは、使用条件により適宜使い分けることができ、例えば、耐熱性が要求される場合にはＰＡＩやＰＩが好ましく、低温焼成や低コストが要求される場合にはエポキシ樹脂やフェノール樹脂が好ましく、微小な動きが要求される場合にはエラストマーが好ましく、低摩擦が要求される場合にはフッ素樹脂が好ましく用いられる。
【００２１】
本発明のコーティング材料は、樹脂バインダーを３０〜７０ｖｏｌ％含有することが好ましい。
この配合量において、熱硬化性樹脂を含む固体潤滑被膜中における固体潤滑剤の保持性が維持され、充分な耐焼付性となじみ性が得られるとともに、本発明の鋭角形状硬質粉末の上記効果が有効に発揮される。
【００２２】
本発明では、固体潤滑被膜組成物を調製するにあたり、適量の有機溶剤（希釈剤）を含有することができる。有機溶剤は、粘度を調整して混合を容易とするものであり、熱硬化性樹脂を溶解可能なものであれば特に制限なく用いられる。例えば樹脂がポリアミドイミドであれば、キシレン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、トルエンなどを組成物１００重量部に対して１００〜３００重量部用いることができる。
【００２３】
本発明では、上記の固体潤滑剤及び鋭角形状硬質粉末、更に必要に応じて樹脂バインダー、極圧添加剤、耐摩耗添加剤を含有する組成物を、動弁摺動基材表面に被覆形成することにより、本発明の上記効果を発揮する動弁摺動材料を得ることができる。
【００２４】
動弁摺動基材としては、一般的にＳＣＭ４１５（ＪＩＳ規格）等を挙げることができる。
【００２５】
以下コーティング法を例示する。
基材を超音波又はアルカリ洗浄機等で十分に脱脂や洗浄する。その後アルカリエッチングと酸洗との組合せ等の化学的処理によりライニングの表面を粗面化する、ショットブラストなどの機械的処理によりライニング表面を粗面化する、ボーリング加工等によりライニング表面に凹凸を形成する等の方法をとることができる。更に密着性を高める必要があるときは、ライニング表面に厚み０．１〜５μｍのリン酸亜鉛又はリン酸亜鉛カルシウム化成処理を施してもよい。ボーリングなどの下地処理と化成処理を組み合わせると、極めて密着性が高いコーティング皮膜層が得られる。表面粗さは、好ましくは１０μｍＲｚ以下、より好ましくは１〜６μｍＲｚである。
【００２６】
湯洗後温風乾燥し、適当な希釈剤で希釈した本発明の組成物をスプレーでライニング上に塗布し、１５０〜３００℃で乾燥・焼結する。成膜後の表面粗さが粗いときはバフ等による平滑化処理を行う。スプレー法の他に、タンブリング法、浸漬法、はけ塗り法、印刷法などの方法によりコーティング被膜を被覆形成することができる。コーティング被膜の厚みは１〜５０μｍであることが好ましい。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を実施例により例証するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２８】
実施例１及び比較例１
熱硬化性樹脂としてポリアミドイミド樹脂（ＨＰＣ、日立化成製）６０ｖｏｌ％、固体潤滑剤として二硫化モリブデン３０ｖｏｌ％及び鋭角形状硬質粉末としてＳｉＣ（塊状、ＧＣ♯８０００、平均粒径１μｍ）１０ｖｏｌ％と、有機溶剤適量とをボールミルに投入し、３時間粉砕混合して実施例１のコーティング被膜材料とした。
【００２９】
次に、図１に示す動弁系バルブリフター１において、カムと接触する面をショットブラストにより粗面化して２μｍＲｚの表面粗さとした。次いで、上記コーティング皮膜材料をスプレーコーティングにより約１０〜２０μｍの膜厚となるようにコーティングし、その後１６０℃で約６０分間加熱硬化させてコーティング被膜２を形成し、バルブリフターを製造した。
【００３０】
一方、上記で調製したコーティング被膜材料において、用いたポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）及び二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）の量、硬質粉末の種類及び量を表１に示す通りの組成比に変更して各コーティング被膜材料を調製した以外は上記と同様にして、コーティング被膜を形成し、各バルブリフターを製造した。
【００３１】
このバルブリフターについて、すりあわせによる表面粗さの変化を測定した。その結果を表１に併記する。
【００３２】
【表１】

【００３３】
なお、本実施例での試験は、図１に示すヘッド単体試験機（試験部の詳細は図２に示す）を使用し、回転数５００ｒｐｍ、試験時間２０時間の試験条件で行った。試験終了後（２０時間経過後）、供試材（バルブリフター１及びカム２）の表面を、接触式粗さ計（測定長０．８ｍｍ）で表面粗さを測定した。本実施例でいう合成粗さは、その測定結果を下記式で計算したものをいう。
【００３４】
【数１】

【００３５】
上記の結果から、本発明の材料を被覆形成したコーティング被膜は、動弁系摺動することによってカムを研磨し、カムノーズを滑らかにすることによって、動弁系の摩擦抵抗を減らしていることが明らかである。
【００３６】
実施例２ 実施例１においてバルブリフターのカムとの接触面にコーティングする代わりに、図４に示すピストン３のスカート部に実施例１と同様の皮膜材料４をコーティングした以外は実施例１と同様にして被覆形成を行ったところ、実施例１と全く同様の結果が得られた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の摺動用コーティング皮膜材料によれば、動弁系の摩擦抵抗を減らし、エンジンの燃費等を向上することのできる、優れた摺動用コーティング皮膜を形成することができる。
特に、相手材料の表面を、その形状あるいは加工コスト等の点から、加工により研磨できない部位に極めて有効に適用できる。
本発明の摺動用コーティング皮膜材料は、自動車エンジン用ピストン等の動弁系摺動材料に好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で用いたバルブリフターとコーティング材を示す。
【図２】実施例で用いたヘッド単体試験機の全体図を示す。
【図３】図２で示したヘッド単体試験機の試験部詳細図を示す。
【図４】実施例２で用いたピストンとコーティング材を示す。
１：バルブリフター
２：コーティング材
３：ピストン
４：コーティング材
１０：シリンダーヘッド
１１：モーター
１２：ベアリング
１３：カップリング
１５：カム
１６：バルブ

Claims (3)

1. 平均粒径が５μｍ以下である鋭角形状の硬質粉末、固体潤滑剤及び樹脂バインダーを含有し、
   前記硬質粉末によってラッピングされた相手材粉末の一部を埋収することを特徴とする、
   バルブリフターの摺動用コーティング皮膜材料。
2. 更に極圧添加剤を含有することを特徴とする請求項１に記載のバルブリフターの摺動用コーティング皮膜材料。
3. 粗面化処理した基材に、請求項１または２に記載の摺動用コーティング皮膜材料を被覆形成したことを特徴とするバルブリフター。

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