JP6519962B2 - 摺動部材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、摺動部材及びその製造方法に関する。さらに詳細には、本発明は、優れた高温耐摩耗性を有する摺動部材及びその製造方法に関する。この摺動部材は、例えば、高温環境下で使用される内燃機関の摺動部位に適用することが好適である。具体的には、シリンダヘッド及びバルブシートにおけるエンジンバルブの着座部、エンジンバルブにおけるバルブフェースやエンジンバルブにおけるバルブガイドとの摺動部位、軸受機構の軸受メタルに適用することが好適である。
従来、特許文献１は、冷間で加工誘起変態を生じさせることにより基材の表面に硬質皮膜を形成することを可能とした硬質皮膜の形成方法を開示している。そして、この硬質皮膜の形成方法は、基材の表面に固相状態の金属粉末を圧縮性の気体を媒体として吹き付けて硬質の金属皮膜を形成する硬質皮膜の形成方法であって、該金属粉末は加工誘起変態が生じる金属材料で構成されており、該金属粉末を該加工誘起変態が生じる高速で該基材に叩きつけることにより、該金属粉末を扁平に塑性変形させながら該基材の表面に幾重にも堆積させ且つ堆積した該金属粉末に該加工誘起変態を生じさせて該基材に叩きつける前の該金属粉末より高い硬さの金属皮膜を該基材の表面に形成することを特徴とする。
しかしながら、特許文献１に記載された硬質皮膜は、高温耐摩耗性が不十分であるという問題点があった。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、優れた高温耐摩耗性を有する摺動部材、摺動部材の製造方法及び摺動部材を有する内燃機関の摺動部材を提供することを目的とする。
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、基材上の少なくと も一部に金属間化合物層を含む中間層を形成し、更に析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなり、断面における第１粒子の割合が５０面積％以上である皮膜層を形成することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の摺動部材は、基材と、該基材上に形成された皮膜層と、を備え、該皮膜層が、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなるものである。そして、この摺動部材は、上記基材と上記皮膜層との間の少なくとも一部に形成され た金属間化合物層を含む中間層を備える。さらに、皮膜層の断面における第１粒子の割合 が５０面積％以上である。
また、本発明の内燃機関の摺動部材は、上記本発明の摺動部材を内燃機関の摺動部位に有するものである。
さらに、本発明の摺動部材の製造方法は、非溶融の状態であり、かつ、析出硬化型銅合金からなる第１粉末、又は該第１粉末及び該第１粉末より硬質である第２粉末を含む混合粉末を、上記基材上に吹き付けて、上記皮膜層を該基材上に形成する工程を含む。また、この摺動部材の製造方法は、上記第１粉末又は上記混合粉末を上記基材上に吹き付ける際に、該第１粉末又は該混合粉末を、該基材上に、該第１粉末が該基材上に吹き付けられて、該基材及び上記皮膜層の少なくとも一方に塑性変形部を形成する速度で、吹き付ける。
本発明によれば、優れた高温耐摩耗性を有する摺動部材、摺動部材の製造方法及び摺動部材を有する内燃機関の摺動部材を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態に係る摺動部材、内燃機関の摺動部材、シリンダヘッド、バルブシート、エンジンバルブ、内燃機関の軸受機構、摺動部材の製造方法について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の各実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
まず、本発明の第１の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の各実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の摺動部材１は、基材１０と、基材１０上に形成された皮膜層２０とを備えたものである。そして、この皮膜層２０は、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子２３を含む粒子集合体２１からなる。ここで、本実施形態においては、基材１０が塑性変形部１０ａを有し、皮膜層２０が塑性変形部２０ａを有する。また、本発明において、析出硬化型銅合金とは、析出硬化した後の銅合金のみを意味するのではなく、析出硬化する前の銅合金を含むことを意味する。そして、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子において、全ての第１粒子が析出硬化した後の銅合金からなる粒子であることが好ましいが、これに限定されるものではない。例えば、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子において、一部の第１粒子が析出硬化した後の銅合金からなる粒子であり、残部の第１粒子が析出硬化する前の銅合金からなる粒子であってもよい。また、例えば、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子において、全ての第１粒子が析出硬化する前の銅合金からなる粒子であってもよい。なお、析出硬化型銅合金は、粒子分散強化型銅合金と呼ばれることもある。
上述のように、基材と、基材上に形成された皮膜層とを備え、皮膜層が析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなる摺動部材とすることにより、優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。なお、本発明においては、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成は必ずしも必要ではないが、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。
現時点においては、以下のような理由の少なくとも１つにより、その効果が得られていると考えている。
詳しくは後述するが、析出硬化型銅合金からなる第１粉末を基材上に吹き付けると、第１粉末が基材に衝突したときに、例えば、基材がその表面に基材と皮膜層との密着性を阻害する酸化皮膜を有する場合に、その酸化皮膜が除去され、皮膜層との密着性に優れた新生界面が基材に露出形成されるためと考えられる。
また、例えば、第１粉末が基材や基材に付着した第１粒子に衝突したときに、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換され、基材と第１粉末との間や第１粉末と第１粒子との間における溶着や原子拡散が進行するためとも考えられる。
さらに、例えば、第１粉末が基材に衝突したときに、第１粉末が基材にめり込むことによるアンカー効果により、換言すれば、基材に扁平な凹部からなる塑性変形部が形成されることにより、基材と皮膜層との密着性が向上するためとも考えられる。
また、例えば、第１粉末が基材や基材に付着した第１粒子に衝突したときに、第１粉末や第１粒子が扁平形状となることによって、換言すれば、皮膜層に扁平形状の第１粒子が堆積された構造を有する塑性変形部が形成されることにより、第１粒子と第１粒子との間における隙間が少なくなって、粒子集合体における第１粒子同士の密着性が向上するためとも考えられる。
さらに、例えば、第１粉末が基材や基材に付着した第１粒子に衝突したときに、基材に扁平な凹部が形成される過程や、第１粉末や第１粒子が扁平形状となる過程において、換言すれば、基材や皮膜層に塑性変形部が形成される過程において、塑性変形による発熱により、基材と第１粉末との間や第１粉末と第１粒子との間における溶着や原子拡散が進行するためとも考えられる。
但し、上記の理由以外の理由により上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
ここで、各構成についてさらに詳細に説明する。
上記基材１０としては、特に限定されるものではないが、詳しくは後述する摺動部材の製造方法、つまり、皮膜層の形成方法に適用し得る金属であることが好ましい。もちろん、摺動部材が適用される高温環境下で使用可能なものとすることは言うまでもない。
金属としては、例えば、従来公知のアルミニウムや鉄、チタン、銅などの合金を適用することが好ましい。
そして、アルミニウム合金としては、例えば、日本工業規格で規定されているＡＣ２Ａ、ＡＣ８Ａ、ＡＤＣ１２などを適用することが好ましい。また、鉄合金としては、例えば、日本工業規格で規定されているＳＵＳ３０４、鉄系焼結合金などを適用することが好ましい。さらに、銅合金としては、例えば、ベリリウム銅や銅合金系焼結合金などを適用することが好ましい。
また、上記皮膜層２０としては、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなるものであれば、特に限定されるものではない。
例えば、皮膜層の厚みは適用される部位の温度や摺動環境により適宜調整すればよく、特に限定されるものではないが、例えば、０．０５〜５．０ｍｍとすることが好ましく、０．１〜２．０ｍｍとすることがより好ましい。０．０５ｍｍ未満であると、皮膜層自体の剛性が不足するため、特に基材強度が低い場合に塑性変形を起こすことがある。また、１０ｍｍ超であると、成膜時に発生する残留応力と界面密着力の関係により皮膜の剥離が生じる可能性がある。
例えば、皮膜層の気孔率が大きいと強度が不足し、高温耐摩耗性を低下させる可能性があるという観点から、皮膜層の気孔率は可能な限り小さいことが好ましい。そして、より優れた熱伝導性を有する摺動部材とすることができるという観点から、皮膜層の断面における気孔率は３面積％以下であることが好ましく、特に０面積％であることが好ましい。なお、現時点においては、気孔率を０．１面積％まで低減することが可能となっているため、高温耐摩耗性や熱伝導性、さらには生産性などの観点から、０．１〜３面積％とすることが好ましい。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。また、皮膜層の断面における気孔率は、例えば、皮膜層における断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像などの観察、及び断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の２値化などの画像処理によって、算出することができる。
また、析出硬化型銅合金としては、特に限定されるものではないが、例えば、ニッケル及びケイ素を含む析出硬化型銅合金、換言すれば、いわゆるコルソン合金と呼ばれるものを適用することが好ましい。しかしながら、これに限定されるものでなく、例えば、クロムを含む析出硬化型銅合金、換言すれば、いわゆるクロム銅と呼ばれるものや、ジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、換言すれば、いわゆるジルコニウム銅と呼ばれるものを適用することもできる。さらに、例えば、ニッケル、ケイ素及びクロムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型合金、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金などを適用することもできる。
例えば、ニッケル及びケイ素を含む析出硬化型銅合金においては、より優れた熱伝導性を有するものとなり得るという観点から、ニッケルの含有量が１〜２１質量％であることが好ましく、ケイ素の含有量が０．２〜８質量％であることが好ましい。また、例えば、クロムを含む析出硬化型銅合金においては、より優れた熱伝導性を有するものとなり得るという観点から、クロムの含有量が０．０２〜１質量％であることが好ましい。さらに、例えば、ニッケル及びケイ素を含む析出硬化型銅合金においては、ケイ化ニッケル（Ｎｉ２Ｓｉ）を析出させるという観点から、ニッケルとケイ素の含有量の比（Ｎｉ：Ｓｉ）が質量比で３．５〜４．５：１の範囲内にあることが好ましい。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。また、上記の析出硬化型銅合金に、他の元素を添加してもよいことは言うまでもない。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第２の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。また、図３は、図２に示す摺動部材のＩＩＩ線で囲んだ部分の拡大図である。さらに、図４は、図２に示す摺動部材のＩＶ線で囲んだ部分の拡大図である。図２〜図４に示すように、本実施形態の摺動部材２は、粒子集合体２１が、複数の第１粒子２４の少なくとも一部の内部又は表面２４ａに少なくとも１つの析出相２５を含む構成が、上記の第１の実施形態と相違している。なお、図２〜図４においては、複数の第１粒子の内部及び表面２４ａの一方又は双方に析出相２５を含む場合を示している。また、第１粒子２４における析出硬化型銅合金は、添加元素として、ニッケル及びケイ素を含むものである。この場合、析出相は、代表的には、ケイ化ニッケル（Ｎｉ２Ｓｉ）からなるものである。なお、図示しないが、複数の第１粒子の一部の内部及び表面の一方又は双方に析出相を含む場合も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
上述のように、基材と、基材上に形成された皮膜層とを備え、皮膜層が析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなり、粒子集合体が複数の第１粒子の少なくとも一部の内部及び表面の一方又は双方に少なくとも１つの析出相を含む摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。なお、本発明においては、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成は必ずしも必要ではないが、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。
現時点においては、以下のような理由により、その効果が得られていると考えている。
詳しくは後述するが、析出硬化型銅合金からなる第１粉末を基材上に吹き付けると、例えば、第１粉末が基材や基材に付着した第１粒子に衝突したときに、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換され、第１粉末及び第１粒子の少なくとも一方の析出硬化型銅合金における析出硬化が促進されるためと考えられる。
但し、上記の理由以外の理由により上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第３の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図５は、本発明の第３の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。図５に示すように、本実施形態の摺動部材３は、基材１０と皮膜層２０との間の全体に亘って形成された所定の中間層３０を備えた構成が、上記の第２の実施形態と相違している。ここで、所定の中間層３０は、拡散層若しくは金属間化合物層又は拡散層及び金属間化合物層を含むものである。また、中間層が拡散層を含むものである場合には、中間層が拡散層である場合を含む。さらに、中間層が金属間化合物層を含むものである場合には、中間層が金属間化合物層である場合を含む。
上述のように、基材と、基材上に形成された皮膜層と、基材と皮膜層との間の少なくとも一部に形成された拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む中間層とを備え、皮膜層が析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなる摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。なお、本発明においては、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成は必ずしも必要ではないが、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。また、基材と皮膜層との間の全体に亘って拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む中間層が形成されている構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。
現時点においては、以下のような理由により、その効果が得られていると考えている。
詳しくは後述するが、析出硬化型銅合金からなる第１粉末を基材上に吹き付けると、例えば、第１粉末が基材に衝突したときに、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換され、基材と第１粉末及び第１粒子の少なくとも一方との間でそれぞれに含まれる成分元素の拡散が生じて、基材と皮膜層との間に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む中間層が形成されるためと考えられる。
但し、上記の理由以外の理由により上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
ここで、上記中間層３０についてさらに詳細に説明する。中間層は、拡散層若しくは金属間化合物層又は拡散層及び金属間化合物層を含むものである。拡散層としては、組成について傾斜構造を有するものを好適例として挙げることができる。しかしながら、拡散層は、組成について傾斜構造を有するものに限定されるものではない。また、特に限定されるものではないが、金属間化合物層を含む中間層としては、金属間化合物層が組成に関して傾斜構造を有する拡散層で挟まれた構造を有するものを好適例として挙げることができる。中間層は、例えば、基材に含まれる成分元素と第１粒子に含まれる成分元素とで構成されている。具体的には、基材としてアルミニウム合金を適用した場合には、アルミニウムと銅を含む合金からなる中間層が形成される。しかしながら、これに限定されるものではなく、例えば、基材として、ステンレス鋼（ＳＵＳ）を適用した場合には、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の成分元素と銅を含む合金からなる中間層が形成される。
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第４の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図６は、本発明の第４の実施形態に係る摺動部材を模式的に示す断面図である。また、図７は、図６に示す摺動部材のＶＩＩ線で囲んだ部分の拡大図である。図６及び図７に示すように、本実施形態の摺動部材４は、粒子集合体２１が、鉄基合金粒子、コバルト基合金粒子、クロム基合金粒子、ニッケル基合金粒子、モリブデン基合金粒子などの合金粒子からなるか又はセラミックス粒子からなる複数の第２粒子２７を含む構成が、上記の第３の実施形態と相違している。なお、第２粒子２７の内部には析出相２５が含まれないことは言うまでもない。
上述のように、基材と、基材上に形成された皮膜層と、を備え、皮膜層が析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなり、粒子集合体が、鉄基合金粒子、コバルト基合金粒子、クロム基合金粒子、ニッケル基合金粒子、モリブデン基合金粒子などの合金粒子からなるか又はセラミックス粒子からなる複数の第２粒子を含む摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。なお、本発明においては、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成は必ずしも必要ではないが、基材及び皮膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有する構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。また、粒子集合体が、第１粒子の表面に少なくとも１つの所定の析出相を含む構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。さらに、基材と皮膜層との間の少なくとも一部に中間層が形成されている構成を有する摺動部材とすることにより、より優れた高温耐摩耗性を有するものとすることができる。
現時点においては、以下のような理由の少なくとも１つにより、その効果が得られていると考えている。
詳しくは後述するが、析出硬化型銅合金からなる第１粉末や第２粉末を基材上に吹き付けると、第２粉末が基材に衝突したときに、例えば、基材がその表面に基材と皮膜層との密着性を阻害する酸化皮膜を有する場合に、その酸化皮膜が除去され、皮膜層との密着性に優れた新生界面が基材に露出形成されるためとも考えられる。このような現象は、第２粉末を構成する粒子が第１粉末を構成する粒子より硬い硬質粒子である場合に、特に起こりやすい。
また、例えば、第２粉末が基材に衝突したときに、第２粉末が基材にめり込むことによるアンカー効果により、換言すれば、基材に扁平な凹部からなる塑性変形部が形成されることにより、基材と皮膜層との密着性が向上するためとも考えられる。このような現象は、第２粉末を構成する粒子が第１粉末を構成する粒子より硬い硬質粒子である場合に、特に起こりやすい。
さらに、特に限定されるものではないが、第１粉末を構成する粒子より硬い粒子で構成される第２粉末を用いた場合には、それらの境界面における第１粒子２４の表面２４ａ近傍（図７参照。ここで、第１粒子の表面近傍とは、例えば、図中矢印Ｘで示すように表面２４ａから内部に向かって１μｍ程度までの領域である。）において析出相２５が析出し易い。これは、第１粉末が第２粒子に衝突したときに、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換されたり、第１粉末の一部が塑性変形部を形成したりする過程で発生する熱により、第１粒子の析出硬化型銅合金の一部における析出硬化がより促進されるためと考えられる。
但し、上記の理由以外の理由により上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
ここで、上記第２粒子２７についてさらに詳細に説明する。第２粒子としては、特に限定されるものではないが、基材より硬質であることが好ましく、析出硬化型銅合金より硬質であることが好ましい。また、第２粒子としては、例えば、鉄基合金粒子、コバルト基合金粒子、クロム基合金粒子、ニッケル基合金粒子、モリブデン基合金粒子などの合金粒子やセラミックス粒子を適用することが好ましい。さらに、これらの粒子は、１種を単独で又は２種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
鉄基合金としては、例えば、日本工業規格で規定されているＳＵＳ４４０Ｃなどを挙げることができる。また、コバルト基合金としては、例えば、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−４００、Ｔ−８００などを挙げることができる。さらに、クロム基合金としては、例えば、フェロクロムなどを挙げることができる。また、ニッケル基合金としては、例えば、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−７００などを挙げることができる。さらに、モリブデン基合金としては、例えば、フェロモリブデンなどを挙げることができる。また、セラミックスとしては、例えば、ＷＣ／Ｃｏ、Ａｌ２Ｏ３などを挙げることができる。その中で、高温耐摩耗性に優れたコバルト基合金を適用することが好ましく、具体的には、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−４００、Ｔ−８００などを適用することが好ましい。
また、特に限定されるものではないが、皮膜層の断面における第２粒子の割合は、高温耐摩耗性及び熱伝導性をより優れたものとするという観点からは、１〜５０面積％とすることが好ましく、１〜２５面積％とすることがより好ましく、１〜１８面積％とすることがさらに好ましく、５〜１８面積％とすることが特に好ましい。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。また、断面で観察し、算出した面積％を体積％に読み替えることが可能であり、体積％を各粒子の密度で換算することにより重量％に読み替えることが可能であることは言うまでもない。
なお、上述のように、高温耐摩耗性及び熱伝導性をより優れたものとするという観点からは、皮膜層の断面における第２粒子の割合は、１〜５０面積％とすることが好ましいが、高い熱伝導性が必ずしも必要でない一方で、優れた耐摩耗性が必要である場合には、皮膜層の断面における第２粒子の割合は、５０〜９９面積％としても構わない。また、第１粒子及び第２粒子以外の第３粒子を含んでいてもよい。
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る内燃機関の摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第５の実施形態に係る内燃機関の摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図８は、摺動部材を内燃機関の摺動部位に有する内燃機関の摺動部材を模式的に示す断面図である。より具体的には、エンジンバルブを含む動弁機構を模式的に示す断面図である。図８に示すように、カムロブ４０が回転すると、バルブリフタ４１がバルブスプリング４２を圧縮しつつ押し下げられると同時に、エンジンバルブ４３がステムシール４４を有するバルブガイド４５に案内されて押し下げられ、シリンダヘッド４６におけるエンジンバルブ４３の着座部４６Ａからエンジンバルブ４３が離間して、排気ポート４７と図示しない燃焼室とが連通する（エンジンバルブの開き状態）。その後、カムロブ４０がさらに回転すると、バルブスプリング４２の反発力により、バルブリフタ４１、リテーナ４８及びコッタ４９とともにエンジンバルブ４３が押し上げられ、着座部４６Ａにエンジンバルブ４３が接触して排気ポート４７と図示しない燃焼室とを遮断する（エンジンバルブの閉じ状態）。このようなエンジンバルブ４３開閉をカムロブ４０の回転と同期して行う。そして、このようにエンジンバルブ４３のバルブステム４３Ａはシリンダヘッド４６側に圧入されたバルブガイド４５の中を通って、オイル潤滑されながら組み込まれている。また、図示しない燃焼室の開閉弁部分にあたるエンジンバルブ４３のバルブフェース４３Ｂは動作時にシリンダヘッド４６におけるエンジンバルブ４３の着座部４６Ａと接触又は非接触状態となる。なお、図８においては、排気ポート４７側を示したが、本発明の摺動部材は、図示しない吸気ポート側に適用することもできる。
そして、シリンダヘッド及びエンジンバルブの摺動部位であるシリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部４６Ａの摺動面４６ａに、上述した皮膜層が形成された摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態〜第４の実施形態における摺動部材（１，２，３，４）が適用されている。このような構成とすることにより、優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。さらに、本発明の摺動部材を基材であるシリンダヘッド上に適用することにより、排気ポートや吸気ポートの形状自由化やエンジンバルブの径拡大を図ることが可能となり、燃費や出力、トルクなどを向上させることが可能となる。
また、例えば、図示しないが、バルブステムの摺動面及び相手材であるバルブガイドの摺動面の一方若しくは双方に、並びに／又は、バルブステム軸端の摺動面、バルブフェースの摺動面及び圧入型のバルブシートの摺動面からなる群より選ばれた少なくとも１ヶ所に、上述した皮膜層が形成された摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態〜第４の実施形態における摺動部材を適用することもできる。このような構成とすることにより、優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。
つまり、本実施形態のシリンダヘッドは、上記実施形態の摺動部材をエンジンバルブの着座部に有するものであることが好ましい。また、本実施形態の他のシリンダヘッドは、上記実施形態の摺動部材を有するバルブシートを備えたシリンダヘッドであって、該摺動部材を該バルブシートのエンジンバルブの着座部に有するものであることが好ましい。さらに、本実施形態のバルブシートは、上記実施形態の摺動部材をエンジンバルブの着座部に有するものであることが好ましい。また、本実施形態のエンジンバルブは、上記実施形態の摺動部材をバルブフェースに有するものであることが好ましい。さらに、本実施形態の他のエンジンバルブは、上記実施形態の摺動部材をバルブガイドとの摺動部位に有するものであることが好ましい。
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第６の実施形態に係る摺動部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、上記の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図９は、摺動部材を内燃機関の軸受機構の軸受メタルに有する内燃機関の軸受機構を模式的に示す断面図である。より具体的には、コンロッドの摺動部材である軸受メタルを模式的に示す断面図である。図９に示すように、コンロッド６０の図示しないクランク側の大端部６０Ａは上下に２分されている。そして、大端部６０Ａには、クランクピン６１を受けるための２分された軸受メタル６２が配設されている。
そして、軸受メタル６２として、その摺動面６２ａに、上述した皮膜層が形成された摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態〜第４の実施形態における摺動部材（１，２，３，４）が適用されている。このような構成とすることにより、優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。
また、例えば、図示しないが、コンロッドの図示しないピストン側の小端部におけるピストンピンを受けるための２分された軸受メタルの摺動面に、上述した皮膜層が形成された摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態〜第４の実施形態における摺動部材を適用することもできる。このような構成とすることにより、優れた高温耐摩耗性を有するものとなる。また、第１粒子として析出硬化型銅合金からなるものを適用しているため、高い熱伝導性を確保することができるという利点もある。
つまり、本実施形態の内燃機関の軸受機構は、上記実施形態の摺動部材を内燃機関の軸受機構の軸受メタルに有するものであることが好ましい。
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態に係る摺動部材の製造方法について詳細に説明する。本実施形態の摺動部材の製造方法は、本発明の摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態〜第４の実施形態における摺動部材を製造する方法である。この摺動部材の製造方法は、非溶融の状態であり、かつ、析出硬化型銅合金からなる第１粉末、又は第１粉末及び該第１粉末より硬質である第２粉末を含む混合粉末を、基材上に吹き付けて、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体、又は複数の第１粒子及び第１粒子より硬質である複数の第２粒子を含む粒子集合体からなる皮膜層を基材上に形成する工程を含む。
次に、本発明の第７の実施形態に係る摺動部材の製造方法について詳細に説明する。本実施形態の摺動部材の製造方法は、本発明の摺動部材、例えば、上述した第１の実施形態〜第４の実施形態における摺動部材を製造する方法である。この摺動部材の製造方法は、非溶融の状態であり、かつ、析出硬化型銅合金からなる第１粉末、又は第１粉末及び該第１粉末より硬質である第２粉末を含む混合粉末を、基材上に吹き付けて、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体、又は複数の第１粒子及び第１粒子より硬質である複数の第２粒子を含む粒子集合体からなる皮膜層を基材上に形成する工程を含む。
上述のように、非溶融の状態として添加元素を析出させることなく、析出硬化型銅合金からなる第１粉末、又は第１粉末及び第１粉末より硬質である第２粉末を含む混合粉末を、基材上に、好ましくは第１粉末又は第１粉末及び第２粉末が基材上に吹き付けられて、基材及び皮膜層の少なくとも一方に塑性変形部を形成する速度で、吹き付けて、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体、又は複数の第１粒子及び複数の第２粒子を含む粒子集合体からなる皮膜層を基材上に形成すること、換言すれば、キネティックスプレー、コールドスプレー、ウォームスプレーなどと呼ばれる方法により皮膜層を形成することにより、高温耐摩耗性に優れた皮膜層を効率良く形成することができる。但し、本発明の摺動部材は、このような製造方法により製造されたものに限定されるものではない。
ここで、より具体的な製造方法についてさらに詳細に説明する。
上記原料として用いる第１粉末としては、非溶融の状態であり、かつ、析出硬化型銅合金からなるものであれば、特に限定されるものではない。第１粉末は、例えば、過飽和固溶体の状態であることが好ましい。過飽和固溶体の状態であることにより、大きい延性を有する、換言すれば、変形能を有するため、皮膜層を効率よく形成することができ、成膜性を向上させることができる。ここで、過飽和固溶体の状態である粉末としては、特に限定されるものではないが、例えば、アトマイズ法などにより急冷凝固させて得られる粉末を適用することが好ましい。また、第１粉末が基材等に衝突したときに、その衝撃による加圧、及びその扁平化による基材等との変形速度の差により生じる摩擦熱により、微細な硬質相（析出相）が形成される。その結果、皮膜層の強度が高まる。
また、原料としては、第１粉末に、鉄基合金粉末、コバルト基合金粉末、クロム基合金粉末、ニッケル基合金粉末、モリブデン基合金粉末などからなる合金粉末やセラミックス粉末を含む第２粉末をさらに加えてもよい。第２粉末は、１種単独で用いてもよく、又は２種以上を適宜混合して用いてもよい。
さらに、原料として用いる第１粉末や第２粉末の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、例えば５〜４０μｍとすることが好ましく、２０〜４０μｍとすることがより好ましい。平均粒子径を５μｍ未満とすると、流動性の低さから粉末供給不良となることがある。また、平均粒子径を５０μｍ超とすると、成膜時の粒子速度不足から成膜不良となることがある。なお、「平均粒子径」としては、例えば、画像解析式粒子径分布測定装置を用いて測定・算出した、個数基準の平均粒子径（ｄ５０）を用いることができる。また、このような平均粒子径を測定・算出する際の「粒子径」としては、例えば、観察される粉末（観察面）の輪郭線上の任意の２点間の距離の最大の距離を採用することができる。しかしながら、これに限定されるものではなく、例えば、観察される粉末（観察面）の円相当径を採用することもできる。さらに、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置を用いて測定・算出した、個数基準の平均粒子径（ｄ５０）を用いてもよい。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。
また、粉末を吹き付ける速度は、好ましくは第１粉末が基材上に吹き付けられて、基材及び皮膜層の少なくとも一方に塑性変形部を形成するような高速であることが好ましいが、特に限定されるものではない。例えば、粉末速度を３００〜１２００ｍ／ｓとすることが好ましく、５００〜１０００ｍ／ｓとすることがより好ましく、６００〜８００ｍ／ｓとすることがさらに好ましい。また、粉末を吹き付けるために供給する作動ガスの圧力を２〜５ＭＰａとすることが好ましく、３．５〜５ＭＰａとすることがより好ましい。２ＭＰａ未満とすると、粉末速度が得られず、気孔率が大きくなることがある。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。
さらに、作動ガスの温度は、特に限定されるものではないが、例えば、４００〜８００℃とすることが好ましく、６００〜８００℃とすることがより好ましい。作動ガスの温度を４００℃未満とすると、気孔率が大きくなり、耐摩耗性が低くなることがある。また、作動ガスの温度を８００℃超とすると、ノズル詰まりを起こすことがある。但し、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。
また、作動ガスの種類としては、特に限定されるものではないが、例えば、窒素、ヘリウムなどを挙げることができる。これらは、１種を単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて用いてもよい。また、燃料ガスと窒素とを混合して用いてもよい。
さらに、皮膜層を形成した後、例えば、２５０〜５００℃で０．５〜４時間時効処理ないし焼き戻しをしてもよい。これにより、高温耐摩耗性や熱伝導性を向上させることができる。また、この時効処理ないし焼き戻しは、例えば、エンジン組立後の検査における試運転の際の燃焼室からの受熱を利用することも可能である。
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
まず、原料として、銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）のみを用意した。
まず、原料として、銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）のみを用意した。
一方、シリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部の加工完了状態で、狙い皮膜層厚み０．２ｍｍを想定して、アルミニウム基材（日本工業規格 Ｈ ４０４０ Ａ５０５６）の前加工を行って、前加工されたアルミニウム基材を用意した。
次いで、回転テーブルに用意したアルミニウム基材を装着し、回転テーブルを回転させながら、用意した合金粉末を、用意したアルミニウム基材上に、高圧型コールドスプレー装置（プラズマ技研工業株式会社製、ＰＣＳ−１０００、作動ガス：種類；窒素、温度；６００℃、粒子速度；６８０〜７２０ｍ／ｓ、圧力；４ＭＰａ）を用いて吹き付けて、皮膜層厚み０．４〜０．５ｍｍの皮膜層を基材上に形成した。
しかる後、機械加工により、実際のシリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部の形状に仕上げて、本例の摺動部材を得た。なお、皮膜層厚みは、０．２ｍｍである。
（実施例２）
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−ニッケル−ケイ素−バナジウム−クロム合金粉末（組成：Ｃｕ−１４Ｎｉ−３Ｓｉ−２Ｖ−２．２Ｃｒ−１．４Ｆｅ−１．２Ａｌ、アトマイズ粉末）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−ニッケル−ケイ素−バナジウム−クロム合金粉末（組成：Ｃｕ−１４Ｎｉ−３Ｓｉ−２Ｖ−２．２Ｃｒ−１．４Ｆｅ−１．２Ａｌ、アトマイズ粉末）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
（実施例３）
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）及びコバルト基合金粉末（ケナメタルステライト社製、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−４００）からなり、これらをＣｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ：ＴＲＩＢＡＬＯＹ＝９５：５（質量比）の割合で含む混合粉末を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）及びコバルト基合金粉末（ケナメタルステライト社製、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−４００）からなり、これらをＣｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ：ＴＲＩＢＡＬＯＹ＝９５：５（質量比）の割合で含む混合粉末を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
（実施例４）
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）及びコバルト基合金粉末（ケナメタルステライト社製、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−４００）からなり、これらをＣｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ：ＴＲＩＢＡＬＯＹ＝８５：１５（質量比）の割合で含む混合粉末を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）及びコバルト基合金粉末（ケナメタルステライト社製、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−４００）からなり、これらをＣｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ：ＴＲＩＢＡＬＯＹ＝８５：１５（質量比）の割合で含む混合粉末を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
（比較例１）
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、ステンレス鋼粉末（日本工業規格 ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、ステンレス鋼粉末（日本工業規格 ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
（比較例２）
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−鉄−マンガン合金粉末（組成：Ｃｕ−４Ｆｅ−４Ｍｎ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−鉄−マンガン合金粉末（組成：Ｃｕ−４Ｆｅ−４Ｍｎ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
（比較例３）
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−ニッケル合金粉末（組成：Ｃｕ−３０Ｎｉ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−ニッケル合金粉末（組成：Ｃｕ−３０Ｎｉ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の摺動部材を得た。
（比較例４）
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−スズ合金粉末（組成：Ｃｕ−３０Ｓｎ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返した。しかしながら、皮膜層の形成が困難であった。上記各例の仕様の一部を表１に示す。なお、各例の皮膜層の断面における第１粒子や第２粒子の割合や気孔率は、皮膜層における断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像などの観察、及び断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の２値化などの画像処理を複数回行うことによって、算出した。また、各例の第１粒子における析出相は、皮膜層における断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像などの観察、及びエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析によって特定した。さらに、各例における摺動部材の断面における中間層の有無や塑性変形部の有無は、皮膜層における断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像などの観察、及びエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析によって特定した。なお、実施例１〜実施例４及び比較例１〜比較例３のいずれにおいても、基材及び皮膜層に塑性変形部が観察された。
上記銅−ニッケル−ケイ素合金粉末（組成：Ｃｕ−２．９Ｎｉ−０．７Ｓｉ、アトマイズ粉末）に代えて、銅−スズ合金粉末（組成：Ｃｕ−３０Ｓｎ）を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返した。しかしながら、皮膜層の形成が困難であった。上記各例の仕様の一部を表１に示す。なお、各例の皮膜層の断面における第１粒子や第２粒子の割合や気孔率は、皮膜層における断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像などの観察、及び断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の２値化などの画像処理を複数回行うことによって、算出した。また、各例の第１粒子における析出相は、皮膜層における断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像などの観察、及びエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析によって特定した。さらに、各例における摺動部材の断面における中間層の有無や塑性変形部の有無は、皮膜層における断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像などの観察、及びエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析によって特定した。なお、実施例１〜実施例４及び比較例１〜比較例３のいずれにおいても、基材及び皮膜層に塑性変形部が観察された。
［性能評価］
上記得られた各例の摺動部材等を用いて、下記の各種性能を評価した。
上記得られた各例の摺動部材等を用いて、下記の各種性能を評価した。
（高温耐摩耗性）
図１０は摩耗試験装置の概略を示す断面図である。図１０に示すように、バルブスプリング４２、エンジンバルブ４３、ステムシール４４、バルブガイド４５、シリンダヘッド４６、４６’、コッタ４９等の実際のエンジンの部品を用いて、エンジンの動弁機構に似た摩耗試験装置を構築した。なお、シリンダヘッド４６におけるエンジンバルブ４３の着座部４６Ａとしては、上記各例において得られた摺動部材（１，２，３，４）を適用した。また、摺動部材（１，２，３，４）は、基材１０上に形成された所定の皮膜層２０を備えている。さらに、図中のエンジンバルブ４３は、開き状態を示しており、エンジンバルブ４３は、図示しない偏心カムにより図中矢印Ｙで示す上下方向に振動して、エンジンバルブ４３の開閉を繰り返す。なお、シリンダヘッド４６におけるエンジンバルブ４３の着座部４６Ａの摺動面４６ａは、ガスバーナＢの火炎Ｆにより高温環境下とされている。また、着座部４６Ａは、温度計Ｔにより温度が計測されている。さらに、シリンダヘッド４６内には冷却水Ｗが循環している。
図１０は摩耗試験装置の概略を示す断面図である。図１０に示すように、バルブスプリング４２、エンジンバルブ４３、ステムシール４４、バルブガイド４５、シリンダヘッド４６、４６’、コッタ４９等の実際のエンジンの部品を用いて、エンジンの動弁機構に似た摩耗試験装置を構築した。なお、シリンダヘッド４６におけるエンジンバルブ４３の着座部４６Ａとしては、上記各例において得られた摺動部材（１，２，３，４）を適用した。また、摺動部材（１，２，３，４）は、基材１０上に形成された所定の皮膜層２０を備えている。さらに、図中のエンジンバルブ４３は、開き状態を示しており、エンジンバルブ４３は、図示しない偏心カムにより図中矢印Ｙで示す上下方向に振動して、エンジンバルブ４３の開閉を繰り返す。なお、シリンダヘッド４６におけるエンジンバルブ４３の着座部４６Ａの摺動面４６ａは、ガスバーナＢの火炎Ｆにより高温環境下とされている。また、着座部４６Ａは、温度計Ｔにより温度が計測されている。さらに、シリンダヘッド４６内には冷却水Ｗが循環している。
上述した摩耗試験装置を用い、下記の試験条件下、摩耗量を測定、算出した。具体的には、形状測定装置を用いて試験前と試験後のシリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部の形状を取得し、４カ所の摩耗量を測定し、平均値を算出して、これを摩耗量とした。得られた結果を表２に示す。
＜試験条件＞
・温度：３００℃（排気ポート側のシリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部を想定した。）
・入力回数：５４００００回
・温度：３００℃（排気ポート側のシリンダヘッドにおけるエンジンバルブの着座部を想定した。）
・入力回数：５４００００回
（熱伝導性）
上記得られた各例の摺動部材を用いて、レーザーフラッシュ法により、各例の摺動部材の熱伝導率を計測・算出して、熱伝導性を評価した。得られた結果を表２に示す（但し、比較例２及び３は測定していない。）。
上記得られた各例の摺動部材を用いて、レーザーフラッシュ法により、各例の摺動部材の熱伝導率を計測・算出して、熱伝導性を評価した。得られた結果を表２に示す（但し、比較例２及び３は測定していない。）。
（成膜性）
上記各例の皮膜層と同様の形成条件で、上記各例の粉末を、平板状のアルミニウム基材上に、一定時間吹き付けて、粉末供給量と未付着粉末量とを計測し、付着率を算出して、成膜性を評価した。得られた結果を表２に示す。
上記各例の皮膜層と同様の形成条件で、上記各例の粉末を、平板状のアルミニウム基材上に、一定時間吹き付けて、粉末供給量と未付着粉末量とを計測し、付着率を算出して、成膜性を評価した。得られた結果を表２に示す。
表１及び表２より、本発明の範囲に属する実施例１〜４は、本発明外の比較例１〜３と比較して、２０〜７０％程度摩耗量が少なく、優れた高温耐摩耗性を有することが分かる。
これは、非溶融の状態であり、かつ、過飽和固溶体の状態であるアトマイズ粉末からなる析出硬化型銅合金からなる第１粉末を、基材上に高速で吹き付けて、析出硬化型銅合金をからなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなる皮膜層を基材上に形成したためと考えられる。また、添加元素として、ニッケル及びケイ素を含む析出硬化型銅合金からなるものを適用したためとも考えられる。さらに、粒子集合体が、第１粒子の表面にケイ化ニッケル（Ｎｉ２Ｓｉ）からなる析出相を含むためとも考えられる。また、基材及び皮膜層の双方が、塑性変形部を有するためとも考えられる。さらに、皮膜層の気孔率が、３面積％以下であるためとも考えられる。また、基材と皮膜層との間の少なくとも一部に形成された中間層を備えたためとも考えられる。
また、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有すれば、高い熱伝導性を有するものと解されるため、表１及び表２より、本発明の範囲に属する実施例１、３、４は、熱伝導率が高く、高い熱伝導性を確保できることが分かる。これは、第１粉末として析出硬化型銅合金からなるものを適用したためと考えられる。また、皮膜層の気孔率が、３面積％以下であるためとも考えられる。さらに、実施例２は、熱伝導率が特別に高いわけではないが、圧入して用いる摺動部材と比較して、薄膜化することができるため、伝熱性は高いと言える。
さらに、表１及び表２より、第２粉末を添加していない本発明の範囲に属する実施例１、２は、本発明外の比較例１〜３と比較して、優れた高温耐摩耗性を有する摺動部材を同等ないしより高い付着率で効率良く作製できることが分かる。また、本発明外の比較例４は、本発明の範囲に属する実施例１〜４や、本発明外の比較例１〜３と比較して、皮膜層の形成が困難であることが分かる。
また、表１及び表２より、コバルト基合金粉末からなる第２粉末を添加した実施例３及び４は、本発明外の比較例１〜３と比較して、４０〜７０％程度摩耗量が少なく、また、添加していない実施例１より摩耗量がいっそう少なく、より優れた高温耐摩耗性を有することが分かる。
これは、非溶融の状態であり、かつ、過飽和固溶体の状態であるアトマイズ粉末からなる析出硬化型銅合金からなる第１粉末とコバルト基合金粉末からなる第２粉末を、基材上に高速で吹き付けて、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子とコバルト基合金粒子からなる複数の第２粒子を含む粒子集合体からなる皮膜層を基材上に形成したためと考えられる。
また、表１及び表２より、コバルト基合金粉末からなる第２粉末の添加量をより多くした実施例４は、実施例３と比較して、優れた高温耐摩耗性を有することが分かる。また、実施例４は、実施例３と比較して、熱伝導率が若干低くなるものの、高い熱伝導性を確保できることが分かる。現時点においては、高温耐摩耗性及び熱伝導性が優れ、さらに付着率が高いため低コストで生産できるという観点からは実施例３が最も好ましいと考えられる。また、高温耐摩耗性の観点からは実施例４が最も好ましいと考えられる。
さらに、図１１は、実施例４の摺動部材の基材１０と皮膜層２０との境界面付近における断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。また、図１２は、実施例４の摺動部材の図１１に示す線分Ｚにおけるエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析（線分析）の結果を示すグラフである。なお、図１１に示す位置Ｐと図１２に示す位置Ｐとは同じ位置を示している。また、図１２において、図１１に示す線分Ｚの基材１０側端部の位置を０．０μｍの位置とし、線分Ｚの皮膜層２０側端部の位置を２．０μｍの位置としている。
図１１及び図１２より、摺動部材は、アルミニウム合金の基材１０と、基材１０上に形成された銅合金の皮膜層２０とを備えており、基材１０と皮膜層２０との間に中間層が形成されていることが分かる。そして、中間層は、約０．７５〜１．３１μｍの位置に形成されていることが分かる。また、拡散層は、約０．７５〜０．９６μｍの位置と約１．２３〜１．３１μｍ位置に形成されていることが分かる。さらに、拡散層は、組成に関して傾斜構造を有していることが分かる。また、約０．９６〜１．２３μｍの位置においては、アルミニウムとマグネシウムと銅との比が、Ａｌ：Ｍｇ：Ｃｕ＝２：１：１（原子比）程度であり、金属間化合物層が形成されていることが分かる。
このように、基材と皮膜層との間に、拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む中間層を備えるため、優れた高温耐摩耗性や熱伝導性を有するとも考えられる。また、組成に関して傾斜構造を有する拡散層を含む中間層を備えるため、優れた高温耐摩耗性や熱伝導性を有するとも考えられる。さらに、金属間化合物層が組成に関して傾斜構造を有する拡散層で挟まれた構造を有する中間層を備えるため、優れた高温耐摩耗性や熱伝導性を有するとも考えられる。
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上述した各実施形態や各実施例に記載した構成は、実施形態毎や実施例毎に限定されるものではなく、例えば、第１粉末や第２粉末の種類や割合などの構成や成膜条件を変更したり、各実施形態や各実施例の構成を上述した各実施形態や各実施例以外の組み合わせにしたりすることができる。
１，２，３，４ 摺動部材
１０ 基材
１０ａ 塑性変形部
２０ 皮膜層
２０ａ 塑性変形部
２１ 粒子集合体
２３，２４ 第１粒子
２４ａ 表面
２５ 析出相
２７ 第２粒子
３０ 中間層
４０ カムロブ
４１ バルブリフタ
４２ バルブスプリング
４３ エンジンバルブ
４３Ａ バルブステム
４３ａ 摺動面
４３Ｂ バルブフェース
４３ｂ 摺動面
４４ ステムシール
４５ バルブガイド
４５ａ 摺動面
４６，４６’ シリンダヘッド
４６Ａ 着座部
４６ａ 摺動面
４７ 排気ポート
４８ リテーナ
４９ コッタ
６０ コンロッド
６０Ａ 大端部
６１ クランクピン
６２ 軸受メタル
６２ａ 摺動面
Ｂ ガスバーナ
Ｆ 火炎
Ｔ 温度計
Ｗ 冷却水
１０ 基材
１０ａ 塑性変形部
２０ 皮膜層
２０ａ 塑性変形部
２１ 粒子集合体
２３，２４ 第１粒子
２４ａ 表面
２５ 析出相
２７ 第２粒子
３０ 中間層
４０ カムロブ
４１ バルブリフタ
４２ バルブスプリング
４３ エンジンバルブ
４３Ａ バルブステム
４３ａ 摺動面
４３Ｂ バルブフェース
４３ｂ 摺動面
４４ ステムシール
４５ バルブガイド
４５ａ 摺動面
４６，４６’ シリンダヘッド
４６Ａ 着座部
４６ａ 摺動面
４７ 排気ポート
４８ リテーナ
４９ コッタ
６０ コンロッド
６０Ａ 大端部
６１ クランクピン
６２ 軸受メタル
６２ａ 摺動面
Ｂ ガスバーナ
Ｆ 火炎
Ｔ 温度計
Ｗ 冷却水
Claims (14)
- 基材と、
上記基材上に形成された皮膜層と、
上記基材と上記皮膜層との間の少なくとも一部に形成された金属間化合物層を含む中間層と、を備え、
上記皮膜層が、析出硬化型銅合金からなる複数の第１粒子を含む粒子集合体からなり、
上記皮膜層の断面における上記第１粒子の割合が５０面積％以上である
ことを特徴とする摺動部材。 - 上記析出硬化型銅合金が、添加元素として、ニッケル及びケイ素を含み、
上記粒子集合体が、上記複数の第１粒子の少なくとも一部の内部及び／又は表面にケイ化ニッケルからなる少なくとも１つの析出相を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。 - 上記基材及び上記皮膜層の少なくとも一方が、塑性変形部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
- 上記皮膜層の断面における気孔率が、３面積％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の摺動部材。
- 上記粒子集合体が、鉄基合金粒子、コバルト基合金粒子、クロム基合金粒子、ニッケル基合金粒子及びモリブデン基合金粒子からなる群より選ばれた少なくとも１種の合金粒子からなる複数の第２粒子、並びに／又はセラミックス粒子からなる複数の第２粒子を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の摺動部材。
- 請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の摺動部材を内燃機関の摺動部位に有することを特徴とする内燃機関の摺動部材。
- 非溶融の状態であり、かつ、析出硬化型銅合金からなる第１粉末、又は該第１粉末及び該第１粉末より硬質である第２粉末を含む混合粉末を、基材上に吹き付けて、皮膜層を該基材上に形成する工程を含み、
上記第１粉末又は上記混合粉末を上記基材上に吹き付ける際に、該第１粉末又は該混合粉末を、該基材上に、該第１粉末が該基材上に吹き付けられて、該基材及び上記皮膜層の少なくとも一方に塑性変形部を形成する速度で、吹き付ける
ことを特徴とする摺動部材の製造方法。 - 上記第１粉末が、過飽和固溶体の状態であることを特徴とする請求項７に記載の摺動部材の製造方法。
- 上記第１粉末が、急冷凝固粉末であることを特徴とする請求項７又は８に記載の摺動部材の製造方法。
- 上記第１粉末又は上記混合粉末の吹き付け速度が、３００〜１２００ｍ／ｓであること を特徴とする請求項７〜９のいずれか１つの項に記載の摺動部材の製造方法。
- 上記第１粉末又は上記混合粉末の吹き付け速度が、５００〜１０００ｍ／ｓであること を特徴とする請求項７〜１０のいずれか１つの項に記載の摺動部材の製造方法。
- 上記第１粉末又は上記混合粉末の吹き付け速度が、６００〜８００ｍ／ｓであることを 特徴とする請求項７〜１１のいずれか１つの項に記載の摺動部材の製造方法。
- 上記第１粉末又は上記混合粉末の吹き付ける際に用いる作動ガスの温度が、４００〜８ ００℃であることを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１つの項に記載の摺動部材の製 造方法。
- 上記第１粉末又は上記混合粉末の吹き付ける際に用いる作動ガスの温度が、６００〜８ ００℃であることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１つの項に記載の摺動部材の製 造方法。
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