JP5678917B2

JP5678917B2 - 摺動部材とその製造方法

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Publication number: JP5678917B2
Application number: JP2012094597A
Authority: JP
Inventors: 紀幸上野; 岳人小林; 克弥倉地
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2032-04-18
Also published as: JP2013221195A

Description

本発明はケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とし、その表面に耐衝撃性や耐摩耗性等を付与する被膜を備えた摺動部材と、このような被膜を母材表面に形成して摺動部材を製造する方法に関するものである。

アルミニウム合金製のエンジン部品である、シリンダライナやピストン等には、耐衝撃性や耐摩耗性、低フリクション性といった性能のより一層の向上に対する要求が厳しくなっている。

このような要請に対し、特許文献１にはピストン表面の一部もしくは全部をαアルミナを含むプラズマ酸化被膜で覆う技術が開示されている。

特許文献１で開示のピストンはアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、及びマグネシウム合金のいずれか一種の素材からなるものが対象であり、その表面にαアルミナとγアルミナを含むプラズマ酸化被膜が形成される旨が記載されている。

しかしながら、プラズマ酸化被膜がαアルミナとγアルミナを含む旨の記載はあるものの、実際にαアルミナとγアルミナがどのような積層構造を呈しているのかなど、具体的な被膜構成は一切不明である。

本発明者等もアルミニウム合金製の摺動部材の表面に耐衝撃性や耐摩耗性等を付与する被膜を形成する技術開発を進める中で、プラズマ酸化被膜の有用性に着目し、プラズマ酸化処理を経て、被膜の高性能を特徴付ける被膜構成を明らかにすることができ、このような被膜を表面に具備する摺動部材とその製造方法の発案に至っている。

特開２００６−１４４５７４号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性や耐衝撃性、耐剥離性などの特性に優れた摺動部材とその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による摺動部材は、ケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とする摺動部材の表面から母材内部に向かって順に、第２のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第１のαアルミナ層、第１のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第２のαアルミナ層、γアルミナ層が形成されてなるものである。

本発明の摺動部材は、その対象としてエンジンピストンやエンジンのシリンダライナ（シリンダボア）などを挙げることができ、エンジンピストンの場合にはその全周もしくはそのリング溝などの周りに耐摩耗性等を有する被膜が形成され、エンジンのシリンダライナの場合にはその内周面に被膜が形成される。この摺動部材はケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とするものであり、この母材にプラズマ処理を施すことにより、プラズマ化したO₂がアルミニウム合金表面から内部に浸透していく過程でアルミナ層が形成されたものであり、母材表面に近いアルミニウム合金ほど多くのO₂と接触し、密度の高いアルミナ層、言い換えれば、原子間距離が小さいアルミナ層が形成されるものである。

より具体的には、表面から母材内部に向かって順に、第２のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第１のαアルミナ層、第１のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第２のαアルミナ層、γアルミナ層が形成されている。

第１のαアルミナ層と第２のαアルミナ層を比較した際に、第１のαアルミナ層は相対的に第２のαアルミナ層に比してαアルミナの原子間距離が小さいが、このことは、第１のαアルミナ層における原子間距離の小さなαアルミナの割合が第２のαアルミナ層に比して大きいことをも意味するものである。すなわち、たとえば第２のαアルミナ層を構成する原子間距離が相対的に大きなαアルミナが第１のαアルミナ層に含有されることを排除するものではないが、その割合が少ない形態を含むものである。

αアルミナは化学的に安定で、融点が高く、硬度が高く、機械的強度が高く、電気絶縁性が高いなど、優れた特性を有している。

一方、結晶形態がαアルミナと異なるγアルミナは、αアルミナに比して靭性が高く、したがって母材との間における耐剥離性を高めることのできる層を形成する。

第１のαアルミナ層と第２のαアルミナ層を形成するαアルミナの原子間距離はXASF（X線吸収微細構造）分析にて原子間エネルギを測定し、この原子間エネルギから長さの大小を特定するものである。この分析方法を概説するに、元素にX線を照射してそのエネルギを上げていくと一定強度以上でK、L、M殻などの電子がたたき出され、X線の吸収が起こり、この電子（光電子）が球面波（直接波）として広がるとともに、周辺原子との間で散乱を繰り返す（散乱波）結果、直接波と散乱波が干渉を起こすことで吸収端より周期的吸収が観察されることになる。50〜100eVの高エネルギ側にわたる周期的吸収観察を広域X線吸収微細構造（EXAFS)と呼び、吸収端より約50eV高エネルギ側では比較的鋭い吸収が得られ、これをX線吸収微細構造(XANES)とよび、これらEXAFSとXANESを総称してXAFSと呼ぶことができる。

このように、本発明の摺動部材は、その母材表面から母材内部にかけて原子間距離の異なる第１、第２のαアルミナ層、γアルミナ層が順に、グラデーション状に形成されている。

このような構成により、第１、第２のαアルミナ層、γアルミナ層を母材表面に形成された被膜として括った場合に、この被膜と母材の間の耐剥離性を被膜を構成するγアルミナ層で保証することができ、被膜を構成する第１、第２のαアルミナ層で摺動部材表面における耐摩耗性、耐衝撃性などを保証することができる。特に、摺動部材の最表面に位置する原子間距離の小さな第１のαアルミナ層によって被膜の硬度が高められ、耐摩耗性、耐衝撃性の向上に大きく寄与している。

また、本発明による摺動部材では、前記母材におけるケイ素の含有割合が6〜12質量%の範囲であるのが好ましい。

ケイ素の割合が6質量%未満では酸化してできるアルミナ層の厚みが薄くなり過ぎ、アルミナ層ができることで期待される耐摩耗性や耐衝撃性等の効果を十分に奏することが難しい。

一方でケイ素の割合が13質量%以上ではアルミニウム合金母材そのものが硬くなり過ぎ、今度は摺動部材として適さなくなる可能性が高まるためである。

また、本発明は摺動部材の製造方法にも及ぶものであり、この製造方法は、導電性のハウジングと該ハウジングの内部に配された電極棒からなるプラズマ発生部、ハウジングと電極棒の間にパルス状の放電電圧を印加する第１の交流電源、ハウジングと電極棒のいずれか一方と導電性の被加工物の間にパルス状のバイアス電圧を印加する第２の交流電源、を備えたプラズマ処理装置を用意し、ケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とする摺動部材を被加工物としてプラズマ処理装置に配設し、プラズマ発生部に原料ガスを導入し、バイアス電圧と放電電圧の周波数を異ならしめ、かつ、バイアス電圧のパルス幅を放電電圧のパルス幅よりも狭くしてプラズマ照射をおこない、摺動部材の表面から母材内部に向かって順に、第２のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第１のαアルミナ層、第１のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第２のαアルミナ層、γアルミナ層が形成されてなる摺動部材を製造するものである。

本発明の製造方法で使用するプラズマ処理装置としては大気圧プラズマ装置が好適に用いられる。すなわち、大気圧プラズマ装置を使用することで摺動部材の全体を処理容器に収容する必要もなくなり、摺動部材の全体のみならずその一部のみを処理することも可能となり、さらには処理設備の小型化を図ることができる。

また、バイアス電圧が印加されていることにより、プラズマ発生部で発生したプラズマがそのバイアス電圧によって被加工物である摺動部材に効果的に引き寄せられる。そのため、バイアス電圧を印加しなかった場合に比して強力なプラズマジェットが摺動部材の表面に提供される。さらに、バイアス電圧を印加することで酸素ラジカルをアルミニウム合金中により深く潜り込ませることができると考えられ、このことによって摺動部材の表面からその内部に向かって順に、第１、第２のαアルミナ層、γアルミナ層を形成することができる。

また、特にバイアス電圧が交流電圧であることにより、摺動部材に照射されるプラズマジェットに強弱が生じ、これが摺動部材表面に凹凸を生ぜしめ、この表面凹凸によって摺動部材表面の潤滑油の保持が良好なものとなる。すなわち、摺動部材がシリンダライナの場合には、耐摩耗性の向上として耐焼付け性の向上や摩擦抵抗の低減、潤滑油消費量の抑制が求められるが、摺動部材の表面に凹凸が形成されることで潤滑油の保持が良好となり、このことが摩擦抵抗の低減に繋がり、耐摩耗性の向上に繋がる。

特に、原料ガスが圧縮エア、圧縮酸素のいずれか一種のほかに不活性ガス（好ましくは窒素ガス）を含む混合ガスの場合には、摺動部材の表面により一層変化の激しい凹凸を形成することができ、潤滑油保持性は一層良好なものとなる。

また、プラズマ処理にて形成された第１のαアルミナ層に対し、さらにホーニング加工をおこなってもよい。

ホーニング加工によって摺動部材の凸部分にプラトー面を形成することができ、凸部分の尖りをなだらかにすることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の摺動部材によれば、母材表面から内部にかけて順に原子間距離の異なる第１、第２のαアルミナ層とγアルミナ層を有した摺動部材であることから、表面被膜と母材の間の耐剥離性を被膜を構成するγアルミナ層で保証することができ、被膜を構成する第１、第２のαアルミナ層で摺動部材表面における耐摩耗性や耐衝撃性などを保証することができる。また、本発明の摺動部材の製造方法によれば、プラズマ処理装置を使用してバイアス電圧と放電電圧をともに交流電圧とし、双方の電圧の周波数を異ならしめるとともにバイアス電圧のパルス幅を放電電圧のパルス幅よりも狭くしてプラズマ照射をおこなうことにより、母材表面から内部にかけて順に原子間距離の異なる第１、第２のαアルミナ層とγアルミナ層を有した摺動部材を製造することができる。

本発明の摺動部材の実施の形態の表面を拡大した縦断面図である。本発明の摺動部材の製造方法を説明した図である。放電電圧とバイアス電圧の制御図である。加工表面に傷が生じるまでの時間を測定した実験結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の摺動部材とその製造方法の実施の形態を説明する。

（摺動部材の実施の形態）
図１は本発明の摺動部材の実施の形態の表面を拡大した縦断面図である。同図で示す摺動部材５は、ケイ素を含んだアルミニウム合金母材１において、その表面から母材１の内部に向かって順に、第２のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第１のαアルミナ層２、第１のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第２のαアルミナ層３、およびγアルミナ層４が形成されている。

アルミニウム合金母材１はケイ素の含有割合が6〜12質量%に調整されている。

αアルミナは化学的に安定で、融点が高く、硬度が高く、機械的強度が高く、電気絶縁性が高いなど、優れた特性を有しているが、特に母材表層に原子間距離が小さい第１のαアルミナ層２が形成されていることで、被膜の硬度が高められ、その耐摩耗性や耐衝撃性が向上している。

さらに、結晶形態がαアルミナと異なり、αアルミナに比して靭性が高いγアルミナ層４が母材と接していることによって、被膜と母材１の間における耐剥離性を高めることができる。

このように、図示する摺動部材５は、図示のごとき３層構造の被膜をその表面に有していることで、耐摩耗性や耐衝撃性、耐剥離性などの特性に優れたものである。

なお、この摺動部材５としては、エンジンピストンやエンジンのシリンダライナを挙げることができ、エンジンピストンの場合にはその全周もしくはそのリング溝などの周りに図示する３層構造の被膜が形成され、エンジンのシリンダライナの場合にはその内周面に３層構造の被膜が形成される。

（摺動部材の製造方法の実施の形態）
次に、図２を参照して本発明の摺動部材の製造方法を説明する。

図２は、製造方法で使用するプラズマ処理装置を示したものであるが、このプラズマ処理装置１０は、導電性のハウジング６とハウジング６の内部に配された電極棒７とからなるプラズマ発生部８、ハウジング６と電極棒７の間にパルス状の放電電圧を印加する第１の交流電源９Ａ、ハウジング６と電極棒７のいずれか一方（図ではハウジング６）と導電性の被加工物であるシリンダライナ用のアルミニウム合金母材１の間にパルス状のバイアス電圧を印加する第２の交流電源９Ｂ、から大略構成されている。なお、図示するプラズマ処理装置１０は大気圧プラズマ装置であるため、摺動部材５の全体を処理容器に収容する必要もなくなり、摺動部材５の全体のみならずその一部のみを処理することも可能となり、さらには処理設備の小型化を図ることができる。

図示例では被加工物が筒状であることから、プラズマ発生部８は不図示のモータ等によって回転自在に構成されており（Ｘ方向）、ハウジング６の下方は管状構造を呈し、その側面に開設されたノズル６ａからアルミニウム合金母材１の表面にプラズマが照射されるようになっている（Ｙ方向）。なお、図示を省略するが、アルミニウム合金母材１が導電性の回転テーブルに載置され、ハウジングが回転する代わりに回転テーブルが回転することで筒状のアルミニウム合金母材１の表面にプラズマ照射がおこなわれる形態であってもよい。

プラズマ発生部８の上方からは、原料ガスである圧縮酸素と不活性ガスである窒素の混合ガスが提供され、第１の交流電源９Ａが印加されることによってプラズマ発生部８にてプラズマが発生する。

そして、プラズマ発生部８で発生したプラズマが第２の交流電源９Ｂに印加されたバイアス電圧によって被加工物であるアルミニウム合金母材１に引き寄せられ、強力なプラズマジェットとしてアルミニウム合金母材１の表面に噴射される。

バイアス電圧が印加されることで酸素ラジカルをアルミニウム合金母材１の内部により深く潜り込ませることができ、このことによって摺動部材５の表面からその内部に向かって順に、第１のαアルミナ層２、第２のαアルミナ層３、およびγアルミナ層４を形成することができる。

また、バイアス電圧が交流電圧であることにより、アルミニウム合金母材１に照射されるプラズマジェットに強弱が生じ、これがアルミニウム合金母材１表面に凹凸を生ぜしめ、この表面凹凸によって摺動部材５表面の潤滑油の保持が良好なものとなる。すなわち、シリンダライナである摺動部材５には耐摩耗性の向上として耐焼付け性の向上や摩擦抵抗の低減、潤滑油消費量の抑制が求められるが、摺動部材５の表面に凹凸が形成されることで潤滑油の保持が良好となり、このことが摩擦抵抗の低減に繋がり、耐摩耗性の向上に繋がる。

また、原料ガスとして圧縮酸素のほかに不活性ガスである窒素ガスを含む混合ガスを使用することで、摺動部材５の表面により一層変化の激しい凹凸を形成することができ、潤滑油保持性は一層良好なものとなる。

最後に、ホーニング加工によって摺動部材の凸部分にプラトー面を形成することにより、凸部分の尖りをなだらかにするのが好ましい。

[実施例]
ここで、プラズマ処理法の具体的な実施例を説明する。まず、放電電圧の周波数を35kHz、バイアス電圧の周波数を21kHzとし、放電電圧のパルス幅を8msec、バイアス電圧のパルス幅を58msecとし、双方の電圧を1kVとする。すなわち、放電電圧とバイアス電圧は図３の制御図で示すように、バイアス電圧のパルス幅を放電電圧のパルス幅よりも狭くしてプラズマ照射をおこなう。

原料ガスとしては酸素が20%、窒素が80%の混合ガスとする。

この製造方法により、図１で示す被膜を構成する上記各層の厚みとして、第１のαアルミナ層２の厚みt1は100nm程度、第２のαアルミナ層３の厚みt2は200nm程度、γアルミナ層４の厚みt3は100nm程度の摺動部材を製造することができる。

[加工表面に傷が生じるまでの時間を測定した実験とその結果]
本発明者等は、シリンダライナの内周面とピストンリングの摺動面を模擬した装置を用いて、耐摩耗性を評価する実験をおこなった。

まず、シリンダライナと同様の材質（Siを含んだAl合金）で作成した板状のテストピースに表面処理をおこなうに当たり、ホーニング処理をおこなったもの、プラズマ処理をおこなったものの大きく2種類の表面処理法でテストピース表面に被膜を形成した。

プラズマ処理をおこなったものに関しては、テストピースとして、Si量が6質量%未満のもの、6〜12質量%のもの、13質量%以上のものに対してプラズマ処理をおこなった。

表面処理後の上記各テストピースをモータでピストンリングを駆動させる実験装置に固定し、テストピース表面にエンジンオイルを所定量塗布し、テストピース表面でピストンリングを高速で摺動させた。なお、各テストピースとも、ピストンリングとの接触面積、摺動速度、摺動の際の圧力、摺動の際のスライド距離は同一である。

ピストンリングを所定時間摺動させた後にテストピースを取り出して表面傷（スカッフ跡）の有無を確認し、これを繰り返すことで表面傷が生じるまでの時間を測定し、これを耐スカッフ時間として評価指標とした。実験結果を図４に示す。

同図より、ホーニング加工のテストピースに対して、プラズマ処理によるテストピースの耐スカッフ時間は格段に長くなっており、母材中のSi量が13質量%以上のテストピースで12倍に、母材中のSi量が6〜12質量%のテストピースで27倍程度になっている。

また、同図より、母材中のSi量が6質量%未満のテストピースはホーニング加工のテストピースよりも性能が低下している。これは、プラズマ処理にて酸化してできるアルミナ層の厚みが薄過ぎ、アルミナ層ができることで期待される耐摩耗性が十分に高められていないことが理由である。

この実験結果より、プラズマ処理によって母材表面にアルミナ層の被膜を形成する効果が確認され、さらに、母材中のSi量が6質量%以上の場合が好ましいこと、母材中のSi量が6〜12質量%の場合が望ましいことが確認された。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…（ケイ素を含んだ）アルミニウム合金母材、２…第１のαアルミナ層、３…第２のαアルミナ層、４…γアルミナ層、５…摺動部材（シリンダライナ、被加工物）、６…（導電性の）ハウジング、６ａ…ノズル、７…電極棒、８…プラズマ発生部、９Ａ…第１の交流電源、９Ｂ…第２の交流電源、１０…プラズマ処理装置

Claims

ケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とする摺動部材の表面から母材内部に向かって順に、第２のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第１のαアルミナ層、第１のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第２のαアルミナ層、γアルミナ層が形成されてなる摺動部材。
前記母材におけるケイ素の含有割合が6〜12質量%の範囲である請求項１に記載の摺動部材。
導電性のハウジングと該ハウジングの内部に配された電極棒からなるプラズマ発生部、ハウジングと電極棒の間にパルス状の放電電圧を印加する第１の交流電源、ハウジングと電極棒のいずれか一方と導電性の被加工物の間にパルス状のバイアス電圧を印加する第２の交流電源、を備えたプラズマ処理装置を用意し、
ケイ素を含んだアルミニウム合金を母材とする摺動部材を被加工物としてプラズマ処理装置に配設し、プラズマ発生部に原料ガスを導入し、バイアス電圧と放電電圧の周波数を異ならしめ、かつ、バイアス電圧のパルス幅を放電電圧のパルス幅よりも狭くしてプラズマ照射をおこない、摺動部材の表面から母材内部に向かって順に、第２のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が小さい第１のαアルミナ層、第１のαアルミナ層に比して相対的にαアルミナの原子間距離が大きな第２のαアルミナ層、γアルミナ層が形成されてなる摺動部材を製造する摺動部材の製造方法。
原料ガスが圧縮エア、圧縮酸素のいずれか一種と不活性ガスの混合ガスである請求項３に記載の摺動部材の製造方法。
プラズマ処理にて形成された第１のαアルミナ層に対し、さらにホーニング加工をおこなう請求項３または４に記載の摺動部材の製造方法。