JP6424951B2 - 摺動部品および摺動構造体 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、内燃機関に組み込まれるオイルリングやカムローブ等の、各種摺動環境に用いられる摺動部品に関するものである。そして、これら摺動部品が組み込まれて構成される、内燃機関等の摺動構造体に関するものである。

従来、内燃機関の構成部品であるオイルリング、カムローブ、タペット、ピストンピン、シリンダライナー、ミッションギア、スラストプレートやベーン等の、摺動構造体を構成する摺動部品には、その素材としてＪＩＳ鋼種であるＳＵＪ２やＳＫＤ１１が用いられてきた。ＳＫＤ１１は、焼入れ焼戻しによって６０ＨＲＣ以上の高い硬さを達成でき、かつ、組織中の炭化物も豊富であることから、耐摩耗性に優れる鋼種である。そして、素材の成分組成を改良したことで、素材に優れた摺動特性（自己潤滑特性）を付与し、耐摩耗性を向上したプレス金型が提案されている（特許文献１）。

特開２００７−００２３３３号公報

特許文献１のプレス金型は、その自己潤滑特性の発現によって、優れた耐摩耗性を有する。しかし、特許文献１のプレス金型の材料を、内燃機関の構成部品に適用することは、考えられていなかった。

本発明の目的は、耐摩耗性に優れた摺動部品を提供することである。そして、この摺動部品を具備した摺動構造体を提供することである。

本発明は、質量％で、Ｃ：０．７〜１．６％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１〜０．１２％、Ｎｉ：０．３〜１．５％、Ｃｒ：７．０〜１３．０％、ＭｏおよびＷのうちの１種または２種：（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式で０．５〜１．７％、Ｖ：０〜０．７０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．１０〜０．７０％、Ｎｂ：０〜０．３０％、残部Ｆｅおよび不純物の成分組成を有し、硬さが５２ＨＲＣ以上５８ＨＲＣ未満であることを特徴とする摺動部品である。

また、本発明は、上記した本発明の摺動部品が、この摺動部品の摺動面に潤滑油が介在する環境下で、相手部品の摺動面と摺動するように構成されたことを特徴とする摺動構造体である。

本発明によれば、摺動部品の耐摩耗性を向上させることができる。

本発明例および比較例の摺動部品の、硬さと疲労強度との関係の一例を示す図である。 本発明例および比較例の摺動部品の、ボールオンディスク試験で測定した摩擦係数の結果の一例を示す図である。 本発明例および比較例の摺動部品の、疲労強度とボールオンディスク試験で測定した摩擦係数が０．２０に到達したときの摺動距離との関係の一例を示す図である。

各種の摺動構造体を構成する多くの摺動部品は、オイルリングやカムローブといった内燃機関の構成部品に代表されるように、その摺動面に潤滑油が介在する環境下で、相手部品の摺動面と摺動して、使用されている。そして、この環境下で、本発明の摺動部品は、自己潤滑特性が効果的に発揮されて、摺動部品の耐摩耗性が向上することを突きとめた。以下、本発明の構成要件について、説明する。

（１）本発明の摺動部品は、質量％で、Ｃ：０．７〜１．６％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１〜０．１２％、Ｎｉ：０．３〜１．５％、Ｃｒ：７．０〜１３．０％、ＭｏおよびＷのうちの１種または２種：（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式で０．５〜１．７％、Ｖ：０〜０．７０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．１０〜０．７０％、Ｎｂ：０〜０．３０％、残部Ｆｅおよび不純物の成分組成を有する。
上記の成分組成において、特に、本発明の摺動部品を特徴付けるのが、その自己潤滑特性の発現に大きく寄与する「ＳとＣｕとの共同添加」である。従来、ＳおよびＣｕは、鉄鋼材料の熱間加工性を阻害する元素であるとして、殆どの鉄鋼材料で積極的に添加されることのない元素であった。以下、本発明の摺動部品の成分組成について、その作用効果を説明する。

・Ｃ：０．７〜１．６質量％（以下、単に「％」と記す。）
Ｃは、基地中に固溶して、摺動部品に強度を付与する元素である。また、炭化物を形成して、摺動部品の耐摩耗性や耐焼付き性を高める元素である。しかし、Ｃが多くなり過ぎると、基地に固溶するＣ量が増加して、摺動部品の形状に仕上げるときの被削性が劣化する。また、粗大な炭化物が生成されて、焼入れ時の熱処理変寸が大きくなる。よって、Ｃは、０．７〜１．６％とする。好ましくは０．９％以上である。また、好ましくは１．３％以下とする。より好ましくは１．１％以下とする。

・Ｓｉ：０．５〜３．０％
Ｓｉは、摺動部品の高温軟化特性を向上させる元素である。しかし、Ｓｉが多過ぎると、組織中のデルタフェライトの形成が顕著になり、摺動部品の硬さの維持を阻害する。よって、Ｓｉは、０．５〜３．０％とする。好ましくは０．９％以上である。また、好ましくは２．０％以下である。より好ましくは１．５％以下である。さらに好ましくは１．１％以下である。

・Ｍｎ：０．１〜３．０％
Ｍｎは、焼入れ性を高める元素である。しかし、多過ぎると、被削性が劣化する。よって、Ｍｎは、０．１〜３．０％とする。好ましくは０．３％以上である。より好ましくは０．４％以上である。また、好ましくは１．０％以下である。より好ましくは０．６％以下である。

・Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、通常、添加しなくても、不可避的に含有する元素である。そして、摺動部品の靱性を阻害する元素である。よって、０．０５％以下とする。好ましくは０．０３％以下とする。より好ましくは０．０２％以下とする。

・Ｓ：０．０１〜０．１２％
Ｓは、後述するＣｕと共に、本発明の摺動部品の自己潤滑特性の向上に寄与する元素である。本発明者は、特許文献１の成分組成を有する摺動部品を、その摺動面に潤滑油が介在した環境で使用したときに、摺動面に生じている現象を調査した。その結果、この使用中において、摺動部品と相手部品との摺動面どうしが焼付きを生じる程の高い面圧で接触すると、摺動部品の摺動面に吸着した潤滑油中の有機物成分が脱水素化されて、これがダイヤモンドやグラファイト等の物質に変化することを知見した。そして、これらダイヤモンドやグラファイト等の中でも、周期的に硫酸イオンまたは硫酸分子の挟み込まれた構成を有する「グラファイト層間化合物」は、摺動部品の自己潤滑特性を向上させて、お互いの摺動面間の摩擦係数を低く維持できることを見いだした。

そして、摺動部品中のＳは、その使用中の摺動面において酸化され、硫酸イオンを生成する。そして、この生成された硫酸イオンが、グラファイト層間に挟み込まれて、上記のグラファイト層間化合物の形成を促す。または、この生成された硫酸イオンが、上記した潤滑油の脱水素化で生成された水素イオンと結合して、硫酸分子となり、これがグラファイト層間に挟み込まれて、上記のグラファイト層間化合物の形成を促す。これにより、グラファイトのＣ軸方向の面間隔が大きくなって、ナノレベルの状態でグラファイトがダイヤモンドに同素変態することを抑制し、すべりの自由度を高め潤滑性が向上する。しかし、摺動部品中のＳが過剰になると、グラファイト層間に挟み込めない程の、過剰の硫酸イオンが摺動面に生成される。そして、この過剰の硫酸イオンが摺動面の損傷を助長して、自己潤滑特性の発現を阻害する。よって、Ｓは、０．０１〜０．１２％とする。好ましくは０．０３％以上である。より好ましくは０．０４％以上である。さらに好ましくは０．０５％以上である。また、好ましくは０．０９％以下である。より好ましくは０．０８％以下である。

・Ｎｉ：０．３〜１．５％
Ｎｉは、焼入れ焼戻し工程で、後述するＡｌと結合してＮｉ−Ａｌ系金属間化合物を析出し、摺動部品の硬さの維持に寄与する元素である。しかし、Ｎｉが多過ぎると、焼入れ焼戻し前の焼鈍状態において、摺動部品の形状に加工するときの被削性が劣化する。よって、Ｎｉは、０．３〜１．５％とする。好ましくは０．４％以上である。また、好ましくは１．０％以下である。より好ましくは０．８％以下である。さらに好ましくは０．６％以下である。

・Ｃｒ：７．０〜１３．０％
Ｃｒは、基地の焼入れ性を高める元素である。また、上述のＣと炭化物を形成して、摺動部品の耐摩耗性や耐焼付き性を高める元素である。しかし、炭化物の増加は、被削性を劣化させる。よって、Ｃｒは、７．０〜１３．０％とする。好ましくは７．５％以上である。より好ましくは８．０％以上である。また、好ましくは１１．０％以下である。より好ましくは１０．０％以下である。さらに好ましくは９．０％以下である。

・ＭｏおよびＷのうちの１種または２種：（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式で０．５〜１．７％
ＭｏおよびＷは、焼入れ焼戻し後の組織中に微細な炭化物を形成して、摺動部品に疲労強度を付与する元素である。しかし、多過ぎると、被削性や靭性の低下を招く。ＭｏおよびＷは、単独または複合で添加できる。そして、この際の添加量は、ＷがＭｏの約２倍の原子量であることから、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式で一緒に規定できる。そして、本発明では、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の値で０．５〜１．７％とする。好ましくは０．７％以上である。より好ましくは０．９％以上である。さらに好ましくは１．０％以上である。また、好ましくは１．５％以下である。より好ましくは１．３％以下である。さらに好ましくは１．２％以下である。

・Ｖ：０〜０．７０％
Ｖは、焼入れ性の向上のために含有することができる。但し、Ｖは、硬質のＶＣ炭化物を形成するため、過剰のＶの含有は被削性を阻害する。よって、本発明では、Ｖを含有する場合でも、０．７０％以下とする。好ましくは０．５０％以下である。より好ましくは０．３０％以下である。さらに好ましくは０．２０％以下である。

・Ｃｕ：０．１〜１．０％
Ｃｕは、前述したＳと共に、本発明の摺動部品の自己潤滑特性の向上に寄与する元素である。つまり、Ｃｕは、上記の「グラファイト層間化合物」を生成するための触媒作用を示す元素である。Ｃｕは、焼入れ焼戻し後の摺動部品において、その摺動面に極く微量を析出させることができる。そして、摺動面に析出したＣｕは、上述の「グラファイト層間化合物」の形成を促す触媒の機能を有する。しかし、Ｃｕを過剰に含有すると、素材の赤熱脆化を招いて、熱間加工性が劣化する。よって、Ｃｕは、０．１〜１．０％とする。好ましくは０．２％以上である。より好ましくは０．３％以上である。また、好ましくは０．８％以下である。より好ましくは０．６％以下である。さらに好ましくは０．５％以下である。

・Ａｌ：０．１０〜０．７０％
Ａｌは、上記のＮｉと結合してＮｉ―Ａｌ系金属間化合物を形成し、摺動部品の硬さの維持に寄与する元素である。しかし、Ａｌが多過ぎると、組織中のデルタフェライトの形成が顕著になり、摺動部品の硬さの維持を阻害する。よって、Ａｌは、０．１０〜０．７０％とする。好ましくは０．１５％以上とする。より好ましくは０．２５％以上とする。また、好ましくは０．５０％以下とする。より好ましくは０．４５％以下である。

・Ｎｂ：０〜０．３０％
Ｎｂは、Ｖと同様、焼入れ性の向上のために含有することができる。但し、過剰のＮｂの含有は被削性を阻害する。よって、本発明では、Ｎｂを含有する場合でも、０．３０％以下とする。好ましくは０．２０％以下とする。より好ましくは０．１５％以下とする。なお、上記の効果を得るのに好ましい含有量は、０．０３％以上である。より好ましくは０．０５％以上である。さらに好ましくは０．０７％以上である。

以上の成分組成によって、本発明の摺動部品が有する自己潤滑特性は、その摺動面に介在する潤滑油の「摩擦による変質挙動」を利用して発揮される。よって、本発明に係る自己潤滑特性の発現には、その使用中の相手部品との間で、例えば、炭化水素系といった、潤滑油が介在してさえすればよく、相手部品について、幅広い素材（材質）の選択が可能である。

（２）本発明の摺動部品は、硬さが５２ＨＲＣ以上５８ＨＲＣ未満である。
一般的に、摺動部品の硬さを下げることは、摺動部品の耐摩耗性の低下に繋がると考えられていた。したがって、従来の摺動部品は６０ＨＲＣ以上の硬さに調整されていた。しかし、本発明の摺動部品は、上述した成分組成によって、従来のＳＫＤ１１よりも高い疲労強度を有している。そして、その疲労強度の値は、摺動部品の硬さを適度に下げることで、より顕著に向上する。つまり、図１に示すように、従来のＳＫＤ１１（図１中の×印）は、一般的な摺動部品の硬さである６０ＨＲＣに調整したときの疲労強度が約５６０ＭＰａであった。そして、その疲労強度の値は、硬さを下げていっても、約６００ＭＰａ程度までにしか上昇しない。一方、本発明に係る成分組成の材料（図１中の○印）の場合、その疲労強度の値は、硬さを５８ＨＲＣに下げたときに約６３０ＭＰａの高い疲労強度を示す。そして、それ以降、低い硬さ域において上記の高い疲労強度を維持する。

そして、上述した成分組成でなる本発明の摺動部品において、それが呈する使用中の摩擦係数は、その摺動部品の有する疲労強度の値の上昇とともに効果的に減少して、本発明の自己潤滑特性が相乗的に向上する（図３参照）。そして、この相乗的に向上した自己潤滑特性を安定して得られる疲労強度として、本発明では、従来のＳＫＤ１１では到達が困難な６００ＭＰａを超える疲労強度を有する摺動部品を狙いとする。好ましくは６３０ＭＰａを超える疲労強度である。そして、本発明の摺動部品の硬さは、この６００ＭＰａを超える疲労強度を容易に達成できる範囲として、５８ＨＲＣ未満とする。好ましくは５７ＨＲＣ以下である。

但し、本発明の摺動部品を使用するときに、その相手部品の硬さが高いことを想定すれば、本発明の摺動部品の硬さを低くすることは得策ではない。例えば、相手部品にＪＩＳ鋼種の軸受鋼であるＳＵＪ２を用いた場合、その硬さは、通常、６０〜６２ＨＲＣに調整されており、本発明の摺動部品よりも硬さが高い。ＳＵＪ２は、ＪＩＳ−Ｇ−４８０５で規格化されている「高炭素クロム軸受鋼鋼材」であり、その成分組成は、質量％で、以下の通りである。
Ｃ：０．９５〜１．１０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．５０％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｒ：１．３０〜１．６０％、残部Ｆｅおよび不純物

そして、本発明の摺動部品がオイルリングやカムローブであるなら、その摺動面は、回転または往復運動といった“間欠的な”接触形態で、相手部品の摺動面と摺動する。このような接触形態において、本発明の摺動部品の硬さが相手部品のそれよりも大幅に低いと、負荷されるヘルツ応力が上昇する。そして、このヘルツ応力が、摺動部品の疲労強度を越えると、摺動面に微細な塑性変形が生じる。そして、摺動部品のはく離摩耗を誘発して、摺動面間の摩擦係数が上昇し、本発明の自己潤滑特性を阻害する。よって、本発明の摺動部品の硬さは、下限を５２ＨＲＣとする。この下限において、好ましくは５３ＨＲＣである。より好ましくは５４ＨＲＣである。さらに好ましくは５５ＨＲＣである。
これらの条件によって、例えば、相手部品の素材にＳＵＪ２等の金属材料を用いることができ、焼付き（凝着）損傷の抑制と、疲労寿命の向上との両立をはかった長寿命の摺動構造体の機構を得ることができる。

表１の試料Ｎｏ．１、２の成分組成を有する、それぞれの摺動部品１、２を準備した。なお、試料Ｎｏ．２はＳＫＤ１１である。

次に、摺動部品１、２のそれぞれについて、狙い硬さがＡ：５０ＨＲＣ、Ｂ：５５ＨＲＣ、Ｃ：６０ＨＲＣの３種類に調整したものを準備した。このとき、それぞれの摺動部品の実際の硬さは、摺動部品１−Ａが５０．４ＨＲＣ、１−Ｂが５６．２ＨＲＣ、１−Ｃが６２．０ＨＲＣ、２−Ａが５０．０ＨＲＣ、２−Ｂが５５．８ＨＲＣ、２−Ｃが６１．０ＨＲＣであった。そして、狙い硬さが６０ＨＲＣのＳＫＤ１１でなる摺動部品２−Ｃが、従来の摺動部品に相当する。そして、これら摺動部品の疲労強度を測定した。疲労強度の測定方法は、それぞれの摺動部品を回転曲げ疲労試験片に加工して、これに大越式回転曲げ疲労試験を行うものとした。試験片の形状から定まる断面二次モーメントと、試験片の平行部の中央に吊る錘の重量の調整とによって、試験片の表面応力を調整した。応力振幅は、試験片の１回転において、引張および圧縮の応力が等しくなる条件（振幅比−１という）とした。試験片の回転速度は、５０Ｈｚ（３，０００ｒｐｍ）とした。そして、回転曲げ疲労試験片の破断に至るときの応力を、疲労強度とした。結果を図１に示す。

そして、それぞれの摺動部品にボールオンディスク試験を行って、各摺動部品の有する自己潤滑特性を評価した。試験条件は、以下の通りである。そして、摺動距離が１００ｍに到達するまでの間で、摩擦係数の変化を連続的に測定した。結果を図２に示す。
装置：ＣＳＭ製摩擦摩耗試験機
試験片：
・ディスク（摺動部品）：直径２０ｍｍ×厚さ５ｍｍ
・ボール（相手部品）：ＳＵＪ２（直径６ｍｍ、硬さ６２ＨＲＣ）
ボール荷重：１０Ｎ
ディスク回転数：５００ｒｐｍ
摺動半径：３．３ｍｍ
摺動距離：１００ｍ
塗油量：０．１μｌ
油種（潤滑油）：
・基油：市販パラフィン油
・蟻酸：添加量２．９×１０^−４ｐｐｍ

図２より、自己潤滑特性を発現しない成分組成である摺動部品２−Ａ、２−Ｂ、２−Ｃは、その摩擦係数が上昇して、０．３０を超える摩擦係数の値を計測した。そして、摺動部品２−Ｂ、２―Ｃは、摺動距離が１００ｍに到達する前に、焼付きが発生して、摩擦係数が急激に上昇した。

これに対して、自己潤滑特性を発現する成分組成である摺動部品１−Ａ、１−Ｂ、１−Ｃは、１００ｍの摺動距離の間で、焼付きが発生しなかった。そして、摺動部品１−Ａ、１−Ｂは、その間の摩擦係数の値が、０．３０以下を維持した。そして、上記の自己潤滑特性を発現する成分組成に加えて、硬さを「５２ＨＲＣ以上５８ＨＲＣ未満」に調整した本発明の摺動部品１−Ｂは、自己潤滑特性が相乗的に向上して、摩擦係数がさらに低下し、その値は０．２０以下であった。

図３に、各摺動部品の疲労強度と、上記で計測した摩擦係数が０．２０に到達したときの摺動距離との関係を示す。ここで「０．２０」の摩擦係数の値は、上述の通り、本実施例の試験条件において、摺動部品が相乗的な自己潤滑特性を発揮しているときの摩擦係数の指標である。図３より、本発明の摺動部品１−Ｂは、疲労強度が６００ＭＰａを超えている。そして、摺動距離が１００ｍに到達したときでも、０．２０以下の低い摩擦係数を維持していた（図３においては、便宜上、その「１００ｍ」の位置に示している）。本発明の摺動部品１−Ｂは、摺動部品１−Ａ、１−Ｃに比べて、自己潤滑特性が向上しており（摩擦係数が小さく）、かつ、その向上した自己潤滑特性が、長い摺動距離で安定的に維持された。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：０．７〜１．６％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０１〜０．１２％、Ｎｉ：０．３〜１．５％、Ｃｒ：７．０〜１３．０％、ＭｏおよびＷのうちの１種または２種：（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式で０．５〜１．７％、Ｖ：０〜０．７０％、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．１０〜０．７０％、Ｎｂ：０〜０．３０％、残部Ｆｅおよび不純物の成分組成を有し、硬さが５２ＨＲＣ以上５８ＨＲＣ未満であり、内燃機関の構成部品である摺動構造体を構成することを特徴とする摺動部品。
2. 請求項１に記載の摺動部品が、該摺動部品の摺動面に潤滑油が介在する環境下で、相手部品の摺動面と摺動するように構成されたことを特徴とする摺動構造体。
3. 前記相手部品の硬さが６０〜６２ＨＲＣであることを特徴とする請求項２に記載の摺動構造体。

Images