JP7083295B2 - 摺動部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦特性に優れた摺動部材及びその製造方法に関する。

自動車のエンジンに用いられる摺動部材では、摩擦を低減することにより、燃費を向上させることが求められている。摩耗を低減させる方法としては、従来より各種報告されている。例えば、非特許文献１には、摺動部の表層部に鉄系合金溶射被膜を形成することにより、ピストンリングとライナ内面間の摩擦の減少や、シリンダライナの耐摩耗性及びエンジンの燃費向上を図れることが記載されている。

また、近年では、エンジンオイルに摩擦調整剤を添加して、摩擦の低下を図ることが行われている。従来、最も頻繁に使用されている摩擦調整剤として、ＭｏＤＴＣ（モリブデンジチオカーバメートまたはジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン）が存在する。

特開２０１６－１１７９４９号公報 特開２００７－１９１７９５号公報

丁侃 他、「ライナレスエンジン用溶射シリンダの加工に関する研究」２０１２年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集、ｐ，２４９－２５０

しかしながら、添加剤としてＭｏ（モリブデン）を含む摩擦調整剤の作用メカニズムや、材料によって摩擦調整剤の効果が異なる理由については特定されていない。例えば、非特許文献１に記載の鉄系合金溶射被膜を形成した摺動部材の場合においても、潤滑油にＭｏを含む摩擦調整剤を添加することにより摩擦を下げることは可能であるが、さらに摩擦を下げる材料が存在する可能性も考えられており、その開発が望まれている。

なお、特許文献１には、基材に固体潤滑剤と、鉄（Ｆｅ），タングステン（Ｗ），クロム（Ｃｒ）等の金属とを含む溶射粉末を溶射した溶射膜を形成したピストンリングが記載されている。特許文献１によれば、耐摩耗性は向上させることができるものの、摩擦の低減については記載がなく、本願発明とは具体的な構成が異なっている。

また、特許文献２には、エンジンブロックのシリンダー摺動面にプラズマ溶射によりＦｅを含む溶射膜を形成し、この溶射膜には酸素を含有させ、かつ、酸化チタン（ＴｉＯ_２）等のセラミックスを添加することが記載されている。特許文献２によれば、摩擦を低減することができるが、セラミックを多く含む溶射材を用いているので、Ｍｏを含む潤滑油環境下においては摩擦を低減する効果を得ることができず、本願発明とは具体的な構成が異なっている。

本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、Ｍｏを含む潤滑油環境下において摩擦特性を向上させることができる摺動部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の摺動部材は、添加剤としてＭｏを含む潤滑油環境下で摺動するものであって、摺動部は金属材料よりなり、摺動部の表層部に、組成としてチタン（Ｔｉ）を主成分とする金属材料を溶射材として溶射することにより形成されたＴｉを含む溶射膜を有するものである。

本発明の摺動部材の製造方法は、添加剤としてＭｏを含む潤滑油環境下で摺動する摺動部材を製造するものであって、金属材料よりなる摺動部の表面に、組成としてＴｉを含む金属材料を溶射材として溶射し、摺動部の表層部にＴｉを含む溶射膜を形成する溶射膜形成工程を含むものである。

本発明の摺動部材によれば、摺動部の表層部にＴｉを含む溶射膜を有しているので、摺動により表面に露出した活性なＴｉが潤滑油に含まれる添加剤の分解反応を促進し、摺動部の表面に、低摩擦である二硫化モリブデンを含む低摩擦被膜を有効に形成させることができる。これにより、従来のＦｅを含む材料と比較をして、摩擦を低減することができる。よって、自動車の摺動部材に用いるようにすれば、摩擦の低減により燃費を向上させることができる。

また、溶射膜には微細な穴が存在するので、この穴が油溜りとして機能し、摩擦を低減することができる。特に、摺動部の表面粗さを有効負荷粗さ（Ｒｋ）と初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）との和で、３．０μｍ以下としたので、摩擦をより低減することができる。

更に、溶射膜に含まれる酸素の存在比率を１０質量％以下としたので、Ｔｉを活性な状態で存在させることで、添加剤の分解反応をより促進し、摩擦を更に低減することができる。

加えて、溶射膜を大気プラズマ溶射により形成したので、安定して容易に形成することができる。

本発明の一実施の形態に係る摺動部材の摺動部における表層部の構成を表す模式図である。 図１に示した摺動部材の摺動部における表層部の摺動時の作用を説明するための模式図である。 表面粗さと摩擦係数との関係を表す特性図である。 溶射膜の酸素量と摩擦係数との関係を表す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る摺動部材１０の摺動部１１における表層部の構成を模式的に表すものである。図２は、摺動部材１０の摺動部１１における表層部の摺動時の作用を説明するためのものである。この摺動部材１０は、添加剤としてＭｏを含む潤滑油環境下で摺動するものであり、例えば、自動車の摺動部材、具体的には、シリンダボアに好ましく用いられるものである。なお、Ｍｏを含む潤滑油というのは、構成元素としてＭｏを含む添加剤が添加された潤滑油を意味し、例えば、ＭｏＤＴＣなどの有機モリブデンが添加剤として添加された潤滑油を意味している。このように構成元素としてＭｏを含む添加剤は、例えば、摩擦調整剤として用いられている。

この摺動部材１０は、摺動部１１が金属材料により構成されている。摺動部１１というのは部材同士が擦れ合う部分である。金属材料としては、例えば、鋼又は鋳鉄が好ましく挙げられる。

摺動部１１は、表層部に、組成としてＴｉを主成分とする金属材料を溶射材として溶射することにより形成されたＴｉを含む溶射膜１２を有している。Ｔｉを主成分とする金属材料というのは、Ｔｉを６０質量％以上含む金属材料、好ましくは９０質量％以上含む金属材料である。溶射膜１２には、微細な穴（ピット）１３が存在しており、この穴１３が油溜まりとして機能することにより、摺動時に油膜を保持できるようになっている。また、溶射膜１２は、酸化物を生成する自由エネルギーが小さく不動態となりやすいＴｉを含んでいるので、Ｔｉの作用により、潤滑油に添加されているＭｏＤＴＣなどの構成元素としてＭｏを含む添加剤の分解反応を促進し、例えば、図２に示したように、低摩擦である二硫化モリブデンを含む低摩擦被膜１４を表面により多く形成させることができるようになっている。

なお、ＴｉがＭｏＤＴＣなどの構成元素としてＭｏを含む添加剤を分解するメカニズムは次のように推定される。まず、図２（Ａ）に示したように、摺動部１１の表面、具体的には溶射膜１２の表面にはＴｉの酸化被膜１２Ａが存在する。この酸化被膜１２Ａが、図２（Ｂ）に示したように、摺動部材２０との摺動による摩擦で削られると、溶射膜１２に存在する活性なＴｉが露出する。この活性なＴｉは、図２（Ｃ）に示したように、ＭｏＤＴＣなどの構成元素としてＭｏを含む添加剤から酸素を奪い、酸素を奪われた添加剤は分解する。分解した添加剤は、低摩擦の二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を生成し、溶射膜１２の表面に二硫化モリブデンを含む低摩擦被膜１４を形成する。

摺動部１１の表面粗さ、すなわち溶射膜１２の表面粗さは、有効負荷粗さ（Ｒｋ）と初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）との和で、３．０μｍ以下であることが好ましい。摩擦をより低減することができるからである。また、溶射膜１２に含まれる酸素の存在比率は、１０質量％以下であることが好ましく、８質量％以下であればより好ましい。摩擦をより低減することができるからである。また、低摩擦を得るための手段として、一般的に皮膜を硬くすることが有効であることから、酸素の存在比率は、１質量%以上であることが好ましく、２質量%以上であればより好ましい。

この摺動部材１０は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、例えば、摺動部材１０を成型し、熱処理を行い、研磨する（摺動部形成工程）。次いで、例えば、摺動部１１の表面に、組成としてＴｉを含む金属材料（具体的には、Ｔｉを含む金属粉末）を溶射材として溶射し、摺動部１１の表層部にＴｉを含む溶射膜１２を形成する（溶射膜形成工程）。溶射膜形成工程では、大気プラズマ溶射により溶射膜１２を形成することが好ましい。安定して容易に形成することができるからである。

このように本実施の形態によれば、摺動部１１の表層部にＴｉを含む溶射膜１２を有しているので、摺動により表面に露出した活性なＴｉが潤滑油に含まれる添加剤の分解反応を促進し、摺動部１１の表面に、低摩擦である二硫化モリブデンを含む低摩擦被膜を形成させることができる。これにより、摩擦を低減することができる。よって、自動車の摺動部材に用いるようにすれば、摩擦の低減により燃費を向上させることができる。

また、溶射膜１２には微細な穴１３が存在するので、この穴１３が油溜りとして機能し、摩擦を低減することができる。特に、摺動部１１の表面粗さを有効負荷粗さ（Ｒｋ）と初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）との和で、３．０μｍ以下としたので、摩擦をより低減することができる。

更に、溶射膜１２に含まれる酸素の存在比率を１質量％以上１０質量％以下、更には、２質量％以上８質量％以下としたので、摩擦を更に低減することができる。

加えて、溶射膜１２を大気プラズマ溶射により形成したので、安定して容易に形成することができる。

（実施例１，比較例１）
実施例１として、軸受鋼（ＳＵＪ２）よりなるディスク状の試験片を用意し、Ｔｉを含む金属材料を溶射材として大気プラズマ溶射を行い、Ｔｉを含む溶射膜１２を形成した。その際、溶射材には２種類の金属粉末を用意し、各溶射材についてそれぞれ溶射膜１２を複数ずつ形成した。溶射材の１種類目の金属粉末の組成は、Ｔｉ１００質量％であり、２種類目の金属粉末の組成は、Ｔｉ９０質量％、アルミニウム（Ａｌ）６質量％、バナジウム（Ｖ）４質量％である。各溶射膜１２を形成したのち、研磨を行い、各溶射膜１２の表面粗さを調整した。表面粗さは、有効負荷粗さ（Ｒｋ）と初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）との和で表した。

作製した各試験片について、基油をポリαオレフィン（ＰＡＯ８）とし、添加剤としてＭｏＤＴＣをＭｏ量で２００ｐｐｍ含む潤滑油中で、ボールオンディスク型の摩擦試験を行った。相手材は軸受鋼（ＳＵＪ２）とした。潤滑油の温度は８０℃一定、荷重は１０Ｎ、摺動速度は０．５ｍ／ｓとし、安定後の摩擦係数を測定した。

比較例１として、実施例１と同様の試験片を用意し、溶射材をＦｅ－Ｃｒ系金属材料に変えたことを除き、他は実施例１と同様にして溶射膜を複数形成し、表面粗さを調整した。溶射材の金属粉末の組成は、Ｆｅ９８．２質量％、Ｃｒ１．８質量％である。なお、比較例１の溶射材は、実施例１の溶射材と物性が近いものを用い、溶射膜の硬さが同程度となるようにした。比較例１の各試験片についても、実施例１と同様にして、摩擦係数を測定した。

得られた結果を図３に示す。図３に示したように、実施例１によれば、比較例１に比べて摩擦係数を３０％～４０％も低下させることができた。また、実施例１では、表面粗さ（Ｒｋ＋Ｒｐｋ）が３．０μｍ以下の場合において、摩擦係数をより小さく、０．０３以下とすることができた。なお、実施例１において２種類の溶射材を用いたが、溶射材の組成による摩擦係数の違いは見られなかった。また、摩擦試験を行った後の試験片について表面の断面構造を透過型電子顕微鏡で観察したところ、Ｔｉを含む溶射膜１２の表面に、二硫化モリブデンを含む低摩擦被膜１４が形成されていることが確認された。

すなわち、組成としてＴｉを含む金属材料を溶射し、Ｔｉを含む溶射膜１２を形成するようにすれば、溶射膜１２の表面に低摩擦である二硫化モリブデンを含む低摩擦被膜１４を形成させることができ、摩擦を低減できることが分かった。また、溶射膜１２の表面粗さを有効負荷粗さ（Ｒｋ）と初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）との和で、３．０μｍ以下とすれば、摩擦をより低減できることが分かった。

（実施例２）
実施例１と同様にして、２種類の溶射材を用い、試験片に溶射膜１２をそれぞれ形成した。その際、溶射出力を５段階で変化させることにより、溶射膜１２における酸素量を変化させた。作製した各試験片について、実施例１と同様にして摩擦係数を調べた。得られた結果を図４に示す。図４に示したように、溶射膜１２における酸素量が少ないほど摩擦係数が小さくなる傾向が見られ、溶射膜１２における酸素量を１０質量％以下とすれば、摩擦係数を０．０４よりも小さくすることができ好ましいことが分かった。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

１０…摺動部材、１１…摺動部、１２…溶射膜、１２Ａ…酸化被膜、１３…穴、１４…低摩擦被膜

Claims (7)

1. 添加剤としてモリブデン（Ｍｏ）を含む潤滑油環境下で摺動する摺動部材であって、
   摺動部は金属材料よりなり、摺動部の表層部に、組成としてチタン（Ｔｉ）を主成分とする金属材料を溶射材として溶射することにより形成されたＴｉを含む溶射膜を有し、
   前記溶射膜は活性なＴｉを有し、
   前記溶射膜に含まれる酸素の存在比率は１質量％以上１０質量％以下である
   ことを特徴とする摺動部材。
2. 前記溶射材は、Ｔｉを６０質量％以上含む金属材料であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
3. 前記摺動部の表面粗さは、有効負荷粗さ（Ｒｋ）と初期摩耗高さ（Ｒｐｋ）との和で、３．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の摺動部材。
4. 前記溶射膜は、大気プラズマ溶射により形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１に記載の摺動部材。
5. シリンダボアであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１に記載の摺動部材。
6. 添加剤としてモリブデン（Ｍｏ）を含む潤滑油環境下で摺動する摺動部材の製造方法であって、
   金属材料よりなる摺動部の表面に、組成としてチタン（Ｔｉ）を含む金属材料を溶射材として溶射し、摺動部の表層部にＴｉを含む溶射膜を形成する溶射膜形成工程を含み、
   前記溶射膜は活性なＴｉを有し、
   前記溶射膜に含まれる酸素の存在比率は１質量％以上１０質量％以下である
   ことを特徴とする摺動部材の製造方法。
7. 前記溶射膜形成工程では、大気プラズマ溶射により溶射膜を形成することを特徴とする請求項６記載の摺動部材の製造方法。

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