JP6915549B2 - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、摺動部材およびその製造方法に関する。

自動車のクランクシャフト等で使用される摺動部材には、耐摩耗性に加えて、低燃費化の観点から優れた摺動特性が要求されており、特に部材表面における摩擦の低減が求められている。

通常の鉄鋼材料において、無潤滑油環境（ドライ環境）または潤滑油環境下で摺動させる場合に焼き付きが問題になる場合が多い。そのため、様々な手法で焼き付きを防ぐための対策が採られる。例えば、ドライ環境ではＤＬＣ成膜またはＰＴＦＥ系のフッ素樹脂によるコーティングによる対策が採られる。

また、特許文献１では、耐焼付性と耐摩耗性に優れた摺動部品用めっき皮膜並びにそのめっき皮膜で被覆された摺動用部品が開示されている。

国際公開第２００４／０６３４２６号

一般に、鋼材部品または鋼材表面への焼き付き現象は、摺動時に発生する磨耗粉に由来する等の物理的要因の他、高温かつ高圧環境下で摺動界面にて発生する化学的要因（例えば、摺動相手材の移着または凝着など化学反応に起因すると思われる異種材の発生）に支配される。すなわち、物理的または化学的要因が複雑に入り組んだ結果、焼き付き現象が発生する。

上述のＤＬＣ成膜を鋼材部品表面へ施した場合、良好な表面性状は得られる。しかし、摺動時の高温高圧環境では、不測の熱衝撃および応力集中が懸念される。ＤＬＣ成膜は、かかる環境に十分抗すると言えないのが現状である。また、上述のフッ素樹脂コーティングは利便性が高く、低コストの表面処理方法であるものの、フッ素樹脂の内部に形成されるピンホールが原因と思われる早期腐食劣化の他、高温環境下では毒性のある危険ガスが発生し易い等の環境的懸念がある。このように、上述の方法では、鋼材表面の焼き付き現象を十分に抑制し、良好な摺動性能を維持するのには限界がある。

また、特許文献１に記載される摺動用部品においては、基材の表面に合金層をめっきによって被覆しているため、皮膜の厚さが数μｍ以上と厚い。そのため、皮膜が摺動時に剥離するおそれがある。

本発明は上記の問題を解決し、焼き付きを防止しつつ、表面における摩擦を低減することが可能な摺動部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の摺動部材およびその製造方法を要旨とする。

（１）鋼からなる基材と、該基材の表面に酸化Ｉｎ層を介して形成され、厚さが３０〜１００ｎｍである金属Ｉｎ層と、を備える、
摺動部材。

（２）前記金属Ｉｎ層の表面における算術平均粗さＲａが１００ｎｍ以下である、
上記（１）に記載の摺動部材。

（３）鋼からなる基材の表面が酸化性ガスを含む雰囲気に接した状態で、２００℃以上３００℃以下の温度域まで加熱し、前記基材の表面に、酸化Ｆｅを主体とする皮膜を形成する工程と、
前記酸化Ｆｅを主体とする皮膜の表面に、Ｉｎ皮膜をＰＶＤ法によって形成する工程と、を備える、
摺動部材の製造方法。

本発明によれば、耐焼き付き性および摺動特性に優れる摺動部材を得ることが可能である。

本発明の一実施形態に係る摺動部材は、基材および金属Ｉｎ層を備える。基材は鋼からなる。鋼としては、例えば、炭素鋼を用いることができる。また、金属Ｉｎ層は、基材の表面に、酸化Ｉｎ層を介して形成される。

Ｉｎは、低融点（１５６℃）かつ軟質（モース硬度で１．２）な金属である。そのため、基材の表面に形成された金属Ｉｎ層は、潤滑膜として機能し、摩擦低減を実現することが可能になる。また、Ｉｎは基材中の主成分元素であるＦｅと共晶化合物を形成しにくいため、焼き付きが起こりにくく、耐焼き付き性を向上させる効果も有する。

より具体的には、硬質な基材の上に軟質な金属Ｉｎ層を形成すると、荷重は下地である基材が担うため、真荷重が小さくなる。一方、せん断作用は軟質な金属Ｉｎ層が担うため、単位面積あたりのせん断力が小さくなる。その結果、摩擦力を小さくすることが可能となる。

また、局所的に高い面圧を受けた摺動面は、加工発熱により高温となり、焼き付きの出発起点となり得る。しかしながら、Ｉｎは低融点であることから、融点に容易に到達し液状になるものと考えられる。そして、液状になることで、固体間界面に潤滑作用が生じる。その結果、Ｉｎの潤滑膜による耐焼き付き効果が発現する。

Ｉｎが上記の特性を有するため、金属Ｉｎ層の厚さを３０ｎｍ以上とすることによって、摺動部材の耐焼き付き性および摺動特性を向上させることが可能になる。一方、金属Ｉｎ層の厚さが過剰となり、１００ｎｍを超えると、摺動相手となる部材との接触抵抗が上昇し、摺動特性が劣化するとともに、焼き付きが発生するおそれが生じる。したがって、金属Ｉｎ層の厚さは、３０〜１００ｎｍとする。

また、上記の金属Ｉｎ層が、基材表面に直接形成されるのではなく、酸化Ｉｎ層を介して基材の表面に形成されることにより、基材との密着性が向上し、優れた摺動特性を発揮する。

さらに、金属Ｉｎ層の表面における算術平均粗さＲａは、１００ｎｍ以下であることが好ましい。表面のＲａが１００ｎｍを超えると、摺動相手となる部材との接触抵抗が上昇し、摺動特性が劣化するおそれが生じるためである。

上記の構造を有する摺動部材を製造する方法について、特に制限はないが、例えば、以下に示す方法により製造することができる。

本発明の一実施形態に係る摺動部材の製造方法は、鋼からなる基材の表面に事前に酸化Ｆｅを主体とする皮膜を形成する工程と、上記の酸化Ｆｅを主体とする皮膜の表面に、Ｉｎ皮膜を形成する工程と、を備える。

基材の表面が酸化性ガスを含む雰囲気に接した状態で、２００℃以上３００℃以下の温度域まで３０分以上６０分以下加熱することによって、基材の表面に酸化Ｆｅを主体とする皮膜を形成することができる。酸化性ガスの種類については特に制限はなく、酸素、水蒸気等が挙げられる。また、真空中に酸化性ガスを供給することによって酸化雰囲気を調整してもよいし、上記の酸化性ガスに非酸化性ガスを混合させることによって酸化雰囲気を調整してもよい。非酸化性ガスとしては、アルゴン等の希ガスまたは水素ガスなどが挙げられる。

続いて、上記の酸化Ｆｅを主体とする皮膜の表面に、Ｉｎ皮膜をＰＶＤ法によって形成する。上述のように、Ｉｎは低融点かつ軟質な金属であるため、少ない励起条件下で成膜することが可能となる。ＰＶＤ法には、具体的には、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等が含まれる。中でも成膜の均一性に優れるスパッタリング法を用いることが望ましい。純Ｉｎをターゲット材として用いることにより、Ｉｎ皮膜を形成することが可能となる。

なお、ＰＶＤ法を用いる場合、形成するＩｎ皮膜の表面におけるＲａは、皮膜の厚さに比例する傾向があり、皮膜の厚さを１００ｎｍ以下とすることによって、Ｒａを１００ｎｍ以下に制御することが可能になる。

以上の工程により、酸化Ｆｅを主体とする皮膜の表面に、Ｉｎ皮膜を形成すると、Ｆｅより酸化されやすいＩｎが酸化Ｆｅを還元し、酸化Ｉｎ層を形成する。これにより、金属Ｉｎ層と基材との間に酸化Ｉｎ層が形成され、金属Ｉｎ層と基材との密着性が向上する結果となる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

機械構造用炭素鋼（ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されるＳ４５Ｃ）からなる、直径１５ｍｍ、厚さ３ｍｍの円盤状の基材（試験Ｎｏ．１〜９）を用意した。そして、まず、試験Ｎｏ．２〜６および８の各基材の表面が酸化性ガスを含む雰囲気に接した状態で、２５０℃で４５分加熱することによって、基材の表面に酸化Ｆｅを主体とする皮膜を形成した。

その後、試験Ｎｏ．２〜７の基材に対して、純度９９．９９％以上のＩｎをターゲット材としたスパッタリング装置を用いることで、Ｉｎ皮膜を形成させた。具体的には、二極ＤＣスパッタリング装置を用い、ＤＣ電圧：４５０Ｖ、スパッタ時間：１０〜６０秒の条件で行うことにより、Ｉｎ皮膜の厚さを調整した。そして、それにより、各試験材を得た。

また、試験Ｎｏ．８および９の基材に対して、純度９９．９９％以上のＩｎを融点以上加熱し液体状態にし、それに基材に塗布することでＩｎめっきを行った。それによりＮｏ．８および９の試料を得た。

それぞれの試料に形成された金属Ｉｎ層の厚さおよび算術平均粗さＲａは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定した。また、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いた酸素およびＩｎの深さ分析を行うことによって、基材と金属Ｉｎ層との間における酸化Ｆｅ層および酸化Ｉｎ層の有無の判定を行った。

その後、Ｂａｌｌ−ｏｎ−Ｄｉｓｋ摩擦試験器を用いて、ボール：高純度アルミナ製（直径６．３５ｍｍ）、荷重：１０Ｎ、試験温度：室温、回転直径：３ｍｍ、摩擦距離２ｍ、摺動速度：１０ｍｍ／ｓの条件で摺動試験を行った。なお、潤滑油は使用していない。

そして、摩擦試験による動摩擦係数の測定を行うとともに、試験後の各試料について、目視で摺動痕の判定を行い、焼き付きの有無を評価した。

それらの結果を表１にまとめて示す。

表１の結果を参照して、本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．２〜４では、動摩擦係数が０．７以下と低く、かつ焼き付きも生じなかった。また、Ｎｏ．２では比較的薄い酸化Ｉｎ層が形成したため表面のＲａの値が小さくなったが、Ｎｏ．３および４では酸化Ｉｎ層がＮｏ．２と比較し厚くなったため、表面のＲａの値が増加する傾向となった。これに対して、試験Ｎｏ．１では、金属Ｉｎ層を形成しなかったため、動摩擦係数が０．７を超え、また焼き付きも発生する結果となった。また、試験Ｎｏ．５および６では、金属Ｉｎ層の厚さが過剰であったため、動摩擦係数が０．７を超え、また焼き付きも発生する結果となった。

試験Ｎｏ．７では、酸化性ガスを含む雰囲気に接した状態での加熱を行なわなかったため、酸化Ｉｎ層を基材と金属Ｉｎ層との間に含まなかった。この結果、動摩擦係数が０．７を超え、また焼き付きも発生する結果となった。さらに、試験Ｎｏ．８および９では、酸化Ｉｎ層を形成させず、めっきにより金属Ｉｎ層を形成させたため、上記同様、動摩擦係数が０．７を超え、また焼き付きも発生する結果となった。

本発明によれば、耐焼き付き性および摺動特性に優れる摺動部材を得ることが可能である。したがって、本発明に係る摺動部材は、自動車、船舶等の輸送機械、一般産業機械等に使用される摺動部材として好適に用いることができる。

Claims (3)

1. 鋼からなる基材と、該基材の表面に酸化Ｉｎ層を介して形成され、厚さが３０〜１００ｎｍである金属Ｉｎ層と、を備える、
   摺動部材。
2. 前記金属Ｉｎ層の表面における算術平均粗さＲａが１００ｎｍ以下である、
   請求項１に記載の摺動部材。
3. 鋼からなる基材の表面が酸化性ガスを含む雰囲気に接した状態で、２００℃以上３００℃以下の温度域まで加熱し、前記基材の表面に、酸化Ｆｅを主体とする皮膜を形成する工程と、
   前記酸化Ｆｅを主体とする皮膜の表面に、Ｉｎ皮膜をＰＶＤ法によって形成する工程と、を備える、
   摺動部材の製造方法。