JP5104208B2 - 耐摩耗補強方法及び摺動構造体 - Google Patents

Description

本発明は、耐摩耗補強方法及び摺動構造体に関する。

上記摺動構造体の１つに、航空機用の各種アクチュエータがある。航空機用のアクチュエータは、円筒状のハウジング内にベアリングを介して摺接すると共にピストンロッド（駆動軸）が連接されたピストンから構成されており、その特徴として、専用の潤滑性のある作動油によって駆動されるのではなく、航空機燃料によって駆動される場合が多い。航空機の場合、自重を極力軽くすることが要求されるので、専用の潤滑油を航空機に搭載して駆動するのではなく、航空機が必ず搭載している燃料油を用いてアクチュエータを駆動することが頻繁に行われる。このような航空機用のアクチュエータは、潤滑性に優れた潤滑油によって駆動されるのではなく、潤滑性の面で潤滑油に劣る航空機燃料によって駆動されるので、アクチュエータの摺動面における摩耗という面で、潤滑油によって駆動される一般的なアクチュエータに比較して不利である。

このような耐摩耗性における不利を克服するために、従来の航空機用のアクチュエータでは、摺動面にＣｒめっきや無電解Ｎｉめっきを施したり、ＷＣ-Ｃo（タングステンカーバイド−コバルト）を高速フレーム溶射によって被膜することが行われている。また、ＤＬＣ（Diamond like Carbon）やＣｒＮ（窒化クロム）等の硬質薄膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）あるいはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）によって成膜する技術の適用が試されている。
なお、本出願人は、航空機用のアクチュエータの耐摩耗性に関する先行技術文献について調査したが、適切なものを発見できなかったので、航空機用のアクチュエータとは異なる機械部品の耐摩耗性に関する先行技術文献として、下記特許文献１〜３を提示する。
特開平３−５１５７６号公報 特許第３４５４２３２号公報 特開２００１−２８９３３０号公報

ところで、Ｃｒめっきや無電解Ｎｉめっきを施す手法は、めっき面を仕上げ加工する必要がある関係で作業性が悪いと共にコスト高であり、耐摩耗性の点でも下記の溶射よりも劣る。ＷＣ-Ｃoを高速フレーム溶射によって被膜する手法は、ハウジングの内周面にＷＣ-Ｃoを溶射する関係、また被膜表面を仕上げ加工する必要がある関係で、作業性が悪いと共にコスト高である。硬質薄膜をＣＶＤ等によって製膜する手法は、硬質薄膜の性質が安定せず、耐摩耗性にバラツキが発生するという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性を付与するための被膜の作業性が良く、かつ耐摩耗性のバラツキが少ない耐摩耗補強方法及び摺動構造体を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、耐摩耗補強方法に係る第１の解決手段として、摺動関係にある少なくとも一対の部品からなり、一方の部品の摺動面にはシール部材が設けられている摺動構造体の耐摩耗補強方法であって、シール部材の材料と一定の反応性を有する金属からなる耐摩耗性金属めっき膜を他方の部品の摺動面に設ける、という手段を採用する。
また、耐摩耗補強方法に係る第２の解決手段として、上記第１の手段において、シール部材がフッ素樹脂、他方の部品がアルミニウムから形成され、他方の部品の表面に下地めっき膜としての無電解Ｎｉ−Ｐ−Ｂ（ニッケル−リン−ボロン）めっき膜を形成し、この下地めっき膜上に耐摩耗性金属めっき膜としてのＲｈ（ロジウム）めっき膜を形成する、という手段を採用する。
また、耐摩耗補強方法に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、摺動構造体は、他方の部品が中空状のハウジング、一方の部品が前記ハウジング内を摺動自在に可動すると共にピストンロッドが連接されたピストンであり、該ピストンによって仕切られたハウジング内の２箇所の空隙に注入される作動油の圧力差によってピストンが可動するアクチュエータである、という手段を採用する。
一方、本発明では、摺動構造体に係る第１の解決手段として、摺動関係にある少なくとも一対の部品からなり、一方の部品の摺動面にはシール部材が設けられている摺動構造体であって、他方の部品の摺動面にシール部材の材料と一定の反応性を有する金属からなる耐摩耗性金属めっき膜が設けられる、という手段を採用する。
また、摺動構造体に係る第２の解決手段として、上記第１の手段において、シール部材がフッ素樹脂、他方の部品がアルミニウムから形成され、他方の部品の表面に下地めっき膜としての無電解Ｎｉ−Ｐ−Ｂ（ニッケル−リン−ボロン）めっき膜を形成し、この下地めっき膜上に耐摩耗性金属めっき膜としてのＲｈ（ロジウム）めっき膜を形成する、という手段を採用する。
また、摺動構造体に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、他方の部品が中空状のハウジング、一方の部品が前記ハウジング内を摺動自在に可動すると共にピストンロッドが連接されたピストンであり、該ピストンによって仕切られたハウジング内の２箇所の空隙に注入される作動油の圧力差によってピストンが可動する、という手段を採用する。

本発明によれば、シール部材の材料と一定の反応性を有する金属からなる耐摩耗性金属めっき膜を他方の部品の摺動面に設けるので、従来のＷＣ-Ｃoの高速フレーム溶射による被膜やＤＬＣ等の硬質薄膜のＣＶＤ等による製膜とは異なり、耐摩耗性を付与するための被膜の作業性が良く、かつ耐摩耗性のバラツキが少ない。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る航空機用アクチュエータＡ（摺動構造体）の断面図である。この航空機用アクチュエータＡは、中空円筒状のハウジング１（部品）内に円盤状のピストン２（部品）が棒状のピストンロッド３（駆動軸）と連接された状態で収納されたものであり、ピストン２によって仕切られたハウジング１内の２箇所の空隙Ｋ1，Ｋ2に外部から注入される作動油の圧力差によってピストン２及びピストンロッド３が紙面左右方向に可動する。ハウジング１はアルミ合金から形成されており、一方、ピストン２及びピストンロッド３は、ステンレスから形成された一体部品である。

ハウジング１には、ピストンロッド３との摺動面（円筒面）にベアリング１ａとシール部材１ｂとが設けられており、またピストン２には、ハウジング１との摺動面（円筒面）にベアリング２ａとシール部材２ｂとが設けられている。ベアリング１ａ，２ａは、ハウジング１とピストン２及びピストンロッド３の荷重を支えると共に摩擦抵抗を低減するためのものであり、樹脂から形成されている。シール部材１ｂ，２ｂは、作動油の漏れを防止するためのものであり、フッ素樹脂から形成されている。
このように構成された本航空機用アクチュエータＡは、航空機燃料（燃料油）を作動油として用いるものである。

このような航空機用アクチュエータＡにおいて、ハウジング１のベアリング１ａ及びシール部材１ｂは、ピストンロッド３の摺動面Ｓ1（円筒状の周面）と摺動し、またピストン２のベアリング２ａ及びシール部材２ｂは、ハウジング１の摺動面Ｓ2（円筒状の内周面）と摺動する。

図２は、上記各摺動面Ｓ2の拡大断面図である。この図２に示すように、ハウジング１の摺動面Ｓ2は、アルミ合金からなる母材１ｃの表面に、０．５μｍ厚のジンケート処理膜１ｄ、５μｍ厚の無電解Ｎｉ−Ｐ−Ｂ（ニッケル−リン−ボロン）めっき膜１ｅ（下地めっき膜）、０．１μｍ厚のＲｈ（ロジウム）めっき膜１ｆ（仕上げめっき膜）が順次積層された構造を有する。なお、ピストンロッド３の摺動面Ｓ1は、母材であるステンレス上に例えばＲｈ（ロジウム）めっき膜１ｆのみが形成されている。

無電解Ｎｉ−Ｐ−Ｂめっき膜１ｅは、アルミ合金からなる母材１ｃを補強するためのめっき膜である。また、Ｒｈめっき膜１ｆは、本実施形態における耐摩耗性金属めっき膜に相当し、シール部材（フッ素樹脂）と一定の反応性を有する金属として選定されたＲｈ（ロジウム）からなるめっき膜である。
なお、ジンケート処理膜１ｄは、母材１ｃ表面の酸化膜等を除去するためのジンケート処理によって形成されたものであり、めっき処理の技術分野において周知のものである。

このように構成された本航空機用アクチュエータＡは、ハウジング１とピストン２との間の空隙に作動油が外部から注入されることによりピストン２が可動するので、上記耐摩耗強化膜が形成されたハウジング１の摺動面Ｓ2は、作動油が介在した状態でベアリング２ａ及びシール部材２ｂと摺動する。

しかしながら、本航空機用アクチュエータＡでは、航空機燃料を作動油として用いる関係で、上記各摺動面における潤滑性が専用の潤滑油を作動油として用いる場合よりも劣る。本航空機用アクチュエータＡでは、シール部材２ｂに対する耐摩耗性を向上させるためにＲｈめっき膜１ｆを設けている。

一般に、フッ素樹脂が金属などの硬い材料と摩擦されたとき、バンド構造からフィルム状の移着膜を相手摩擦面に形成し、この移着膜が潤滑性に優れているために摩擦係数を小さくする効果があるとされている。一方、この移着膜は、摩擦面から剥離し易く、剥離と成形とが繰り返されることにより、フッ層樹脂が摩耗すると考えられている。
本実施形態では、シール部材２ｂ（フッ素樹脂）がハウジング１の摺動面Ｓ2と摺動すると、Ｒｈ（ロジウム）がフッ素（Ｆ）に対して一定の反応性を有することによりＲｈめっき膜１ｆの表面にフッ化物（剥離し難い移着膜）を形成し、シール部材２ｂに対する耐摩耗性を発揮する。

以下では、本航空機用アクチュエータＡのＲｈめっき膜１ｆの耐摩耗性に関する実験結果について詳しく説明する。
図３は試験片の外形図、また図４は試験装置の構成図である。試験片は、アルミ合金板の片面に上記Ｒｈめっき膜１ｆと同等な積層膜Ｆが設けられたライナ板Ｌ１（上記ハウジング１と同等のもの）と、ステンレスブロックの片面に上記シール部材２ｂと同等なシール部材Ｎが設けられたシールブロック片Ｌ２からなり、図示する寸法を有する。

試験装置は、上記ライナ板Ｌ１を積層膜Ｆが上面となるようにスライドトレイＴの底に固定し、このライナ板Ｌ１上にシール部材Ｎが所定荷重で当接するように上記シールブロック片Ｌ２を配置し、また上記航空機燃料（作動油）と同等な試験油ＵをスライドトレイＴ内に充填し、該スライドトレイＴをモータＭによって水平方向に往復運動させることによりライナ板Ｌ１とシールブロック片Ｌ２とを摺動させる。また、この試験装置は、モータＭを含む駆動設備を除いてチャンバＣ内に収納されており、当該チャンバＣ内は図示するように窒素ガス（Ｎ_２ガス）雰囲気となっている。

図５は、このような試験片及び試験装置を用いた試験結果（摩耗量の他者比較）を示すグラフであり、図６は、試験結果（摩耗量と表面粗さとの関係）を示すグラフである。図５に示すように、上記試験装置を用いて複数の上記試験片を摺動させて得られたシール部材Ｎの摩耗量の平均値（最左の棒グラフ）は、他の膜（ＨＶＯＦ膜、Ｎｉ−Ｐ−Ｂめっき膜またはハードＣｒめっき膜）を設けた試験片の摩耗量の１／３以下である。したがって、本航空機用アクチュエータＡのＲｈめっき膜１ｆがハウジング１の摺動面に優れた耐摩耗性を付与するものであることが確認された。

また、図６は、試験結果（摩耗量と表面粗さとの関係）を示すグラフである。図６に示すように、上記試験片の摩耗量（四角印で示す）は、表面粗さがＮｉ−Ｐ−Ｂめっき膜を有すると共に仕上げ研磨処理を行った試験片よりも粗いにも拘らず、当該Ｎｉ−Ｐ−Ｂめっき膜の試験片の摩耗量（三角印で示す）よりも同等あるいはそれ以下なので、本航空機用アクチュエータＡのＲｈめっき膜１ｆが表面粗さに起因して実現されているものではないことが確認された。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えれれる。
（１）上記実施形態では、航空機用アクチュエータＡに本願発明を適用したものであるが、本願発明は航空機用アクチュエータＡ以外の各種摺動構造体に適用可能である。
（２）上記実施形態では、補強金属膜として無電解Ｎｉ−Ｐ−Ｂめっき膜１ｅを採用し、また耐摩耗性金属めっき膜としてＲｈめっき膜１ｆを採用したが、本発明は、これに限定されるものではない。補強金属膜については、簿材を補強できるだけの強度を有し、かつ、母材及び耐摩耗性金属めっき膜と高密着性を有するものであれば、Ｎｉ−Ｐ−Ｂめっき以外の膜や表面処理であっても良い。耐摩耗性金属めっき膜については、シール部材２ｂと一定の反応性を有する金属からなるものであれば、Ｒｈ（ロジウム）以外の金属であっても良い。

本発明の一実施形態に係わる航空機用アクチュエータＡ（摺動構造体）の断面図である。 本発明の一実施形態に係わる航空機用アクチュエータＡの要部拡大断面図である。 本発明の一実施形態における試験片の外形図である。 本発明の一実施形態における試験装置の構成図である。 本発明の一実施形態における試験結果（摩耗量の他者比較）を示すグラフである。 本発明の一実施形態における試験結果（摩耗量と表面粗さとの関係）を示すグラフである。

符号の説明

Ａ…航空機用アクチュエータ、１…ハウジング（部品）、１ａ…ベアリング、１ｂ…シール部材、１ｃ…母材、１ｄ…ジンケート処理膜、１ｅ…無電解Ｎｉ−Ｐ−Ｂめっき膜、１ｆ…Ｒｈめっき膜（耐摩耗性金属めっき膜）、２…ピストン（部品）、２ａ…ベアリング、２ｂ…シール部材、３…ピストンロッド

Claims (4)

1. 摺動関係にある少なくとも一対の部品からなり、一方の部品の摺動面にはシール部材が設けられている摺動構造体の耐摩耗補強方法であって、
   前記シール部材の材料と一定の反応性を有する金属からなる耐摩耗性金属めっき膜を他方の部品の摺動面に設け、
   前記シール部材がフッ素樹脂、前記他方の部品がアルミニウムから形成され、前記他方の部品の表面に下地めっき膜としての無電解Ｎｉ−Ｐ−Ｂ（ニッケル−リン−ボロン）めっき膜を形成し、この下地めっき膜上に前記耐摩耗性金属めっき膜としてのＲｈ（ロジウム）めっき膜を形成することを特徴とする耐摩耗補強方法。
2. 摺動構造体は、他方の部品が中空状のハウジング、一方の部品が前記ハウジング内を摺動自在に可動すると共にピストンロッドが連接されたピストンであり、該ピストンによって仕切られたハウジング内の２箇所の空隙に注入される作動油の圧力差によってピストンが可動するアクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の耐摩耗補強方法。
3. 摺動関係にある少なくとも一対の部品からなり、一方の部品の摺動面にはシール部材が設けられている摺動構造体であって、
   他方の部品の摺動面に前記シール部材の材料と一定の反応性を有する金属からなる耐摩耗性金属めっき膜が設けられ、
   前記シール部材がフッ素樹脂、前記他方の部品がアルミニウムから形成され、前記他方の部品の表面に下地めっき膜としての無電解Ｎｉ−Ｐ−Ｂ（ニッケル−リン−ボロン）めっき膜を形成し、この下地めっき膜上に前記耐摩耗性金属めっき膜としてのＲｈ（ロジウム）めっき膜を形成することを特徴とする摺動構造体。
4. 他方の部品が中空状のハウジング、一方の部品が前記ハウジング内を摺動自在に可動すると共にピストンロッドが連接されたピストンであり、該ピストンによって仕切られたハウジング内の２箇所の空隙に注入される作動油の圧力差によってピストンが可動することを特徴とする請求項３記載の摺動構造体。
   

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