JPWO2018142225A1 - 摺動部材及び内燃機関の摺動部材 - Google Patents

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Abstract

摺動部材は、基材と、基材上に形成された被膜層とを備える。被膜層は、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、モリプデン基合金粒子及びセラミックス粒子からなる群より選ばれた少なくとも１種の複数の無機粒子に由来の無機部と、他の鉄基合金粒子、銅粒子及び銅合金粒子からなる群より選ばれた少なくとも１種の複数の金属粒子に由来の金属部とを有し、部同士が界面を介して結合している。摺動部材は、基材と被膜層との界面及び部同士の界面のいずれかにおける少なくとも一＃に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む界面層を有している。界面層は、その厚みが２μｍ以下である。

Description

本発明は、摺動部材及び内燃機関の摺動部材に関する。
従来、耐摩耗性に優れかつ相手攻撃性の小さいバルブシート用焼結合金が提案されている（特許文献１参照。）。このバルブシート用焼結合金は、炭素：１．０〜１．３ｗｔ％、クロム：１．５〜３．４ｗｔ％、残部が鉄及び不可避的不純物からなる焼結合金スケルトンのマトリックス中に、硬度ＨＶ５００〜９００の硬質合金粒子（Ａ）と、硬度ＨＶ１０００以上の硬質合金粒子（Ｂ）と、硬度ＨＶ１５００以上のセラミックス粒子（Ｃ）と、ＣａＦ２粒子（Ｄ）とが、Ａ：２０〜３０ｗｔ％、Ｂ：１〜１０ｗｔ％、Ｃ：１〜１０ｗｔ％、Ｄ：０．５〜７ｗｔ％（Ａ＋Ｂ＋Ｃ：４０ｗｔ％未満）の割合で分散されており、かつ、前記スケルトンの空孔に銅ないし銅合金が１０〜２０ｗｔ％溶浸されていることを特徴とする。
日本国特開平６−１７９９３７号公報
しかしながら、特許文献１に記載されたバルブシート用焼結合金は、耐摩耗性に関して改善の余地があった。
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、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現し得る摺動部材及び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、所定の無機部及び所定の金属部、又は所定の硬質部及び所定の軟質部を有する被膜層を基材上に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。
本発明によれば、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現し得る摺動部材及び内燃機関の摺動部材を提供することができる。
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２は、図１に示した摺動部材のＩＩ線で囲んだ部分の拡大図である。 図３は、図１に示した摺動部材のＩＩＩ線で囲んだ部分の拡大図である。 図４は、図１に示した摺動部材のＩＶ線で囲んだ部分の拡大図である。 図５は、図１に示した摺動部材のＶ線で囲んだ部分の拡大図である。 図６は、図１に示した摺動部材のＶＩ線で囲んだ部分の拡大図である。 図７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。 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。 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。 図１０は、実施例１の摺動部材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。 図１１は、実施例３の摺動部材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。
以下、本発明の一実施形態に係る摺動部材及び内燃機関の摺動部材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。
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。また、図２は、図１に示した摺動部材のＩＩ線で囲んだ部分の拡大図である。さらに、図３は、図１に示した摺動部材のＩＩＩ線で囲んだ部分の拡大図である。また、図４は、図１に示した摺動部材のＩＶ線で囲んだ部分の拡大図である。さらに、図５は、図１に示した摺動部材のＶ線で囲んだ部分の拡大図である。また、図６は、図１に示した摺動部材のＶＩ線で囲んだ部分の拡大図である。
図１〜図６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上に形成された被膜層２０とを備える。そして、被膜層２０は、所定の無機部２１と、所定の金属部２３とを有する。また、被膜層２０は、これらの部同士（例えば、無機部２１，２１同士、無機部２１と金属部２３、金属部２３，２３同士である。）が界面を介して結合している。なお、特に限定されるものではないが、被膜層２０は、気孔２０ｃを有していてもよい。
そして、図２〜図６に示すように、摺動部材１は、基材１０と被膜層２０との界面及び部同士（例えば、無機部２１，２１同士、無機部２１と金属部２３、金属部２３，２３同士である。）の界面のいずれかにおける少なくとも一部に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む界面層１１，２２，２４を有している。つまり、界面層は、無機部又は金属部と基材との界面、無機部同士の界面、無機部と金属部との界面、金属部同士の界面などに形成される可能性がある。また、界面層の厚みは２μｍ以下である。
ここで、所定の無機部とは、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及びセラミックス粒子からなる群より選ばれた少なくとも１種の複数の無機粒子に由来するものである。
また、所定の金属部とは、他の鉄基合金粒子、銅粒子及び銅合金粒子からなる群より選ばれた少なくとも１種の複数の金属粒子に由来するものである。
そして、特に限定されるものではないが、図５及び図６に示すように、基材１０が扁平な凹部からなる塑性変形部１０ｂを有している。なお、図示しないが、基材が扁平な凹部からなる塑性変形部を有しない場合が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
また、特に限定されるものではないが、図２〜図６に示すように、被膜層２０が扁平形状の無機部２１、金属部２３が堆積された構造を有する塑性変形部２０ａを有している。なお、図示しないが、被膜層が扁平形状の無機部や金属部が堆積された構造を有する塑性変形部を有しない場合が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
さらに、特に限定されるものではないが、図２〜図４に示すように、被膜層２０が扁平な凹部を形成した無機部２１、金属部２３からなる塑性変形部２０ｂと、扁平形状の無機部２１、金属部２３が堆積された構造を有する塑性変形部２０ａとを有している。なお、図示しないが、被膜層が扁平な凹部を形成した無機部や金属部からなる塑性変形部を有さず、扁平形状の無機部や金属部が堆積された構造を有する塑性変形部を有しない場合が、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、本実施形態の摺動部材は、基材と、基材上に形成された被膜層とを備え、被膜層が所定の無機部と、所定の金属部とを有し、部同士が界面を介して結合しており、さらに、基材と被膜層との界面及び部同士の界面のいずれかにおける少なくとも一部に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む界面層を有し、界面層の厚みが２μｍ以下である摺動部材であるので、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。
つまり、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、無機部の含有割合が少ない場合でも、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、熱伝導率が高くない無機部や金属部を有する被膜層であっても、界面層の厚みが２μｍ以下であるので、熱伝導率の低下を抑制ないし防止することが可能となり、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。
一方、界面層の厚みが２μｍを超えると、基材や、好適には基地材となる金属部などへ無機部に含まれる成分が拡散してしまうこととなるので、所望の効果が得られない。なお、現時点における断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像とエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析とによる界面層の検出限界を考慮すれば、界面層の厚みの下限は３０ｎｍ程度である。また、特に限定されるものではないが、界面層の厚みは１μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下であることがより好ましい。さらに、特に限定されるものではないが、界面層の厚みは０．０３μｍ以上であることが好ましく、０．０５μｍ以上であることがより好ましく、０．１μｍ以上であることがさらに好ましい。
また、摺動部材においては、基材及び被膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有することが好ましい。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
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、上述の効果が得られていると考えている。
例えば、摺動部材の製造方法で用いる原料である上述の無機粒子や金属粒子を基材上に吹き付けたときに、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換され、無機粒子や金属粒子と基材との間において焼結処理の場合と比較してごく短い時間、溶着や原子拡散が進行する。また、無機粒子や金属粒子と基材に付着した無機部や金属部との間においても焼結処理の場合と比較してごく短い時間、溶着や原子拡散が進行することがある。さらに、無機粒子や金属粒子が基材や、基材に付着した無機部や金属部に衝突して塑性変形する際に発熱して、溶着や原子拡散が進行することがある。これらによって、無機部や金属部と基材との密着性や、無機部や金属部などの部間の密着性が向上するためと考えられる。なお、換言すれば、基材と被膜層との界面及び部同士の界面のいずれかにおける少なくとも一部に、拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を有する厚みが２μｍ以下の界面層が形成されることにより、無機部や金属部と基材との密着性や、無機部や金属部などの部間の密着性が向上するためとも考えられる。
また、例えば、上述の無機粒子や金属粒子を基材上に吹き付けたときに、無機粒子や金属粒子が基材や、基材に付着した無機部や金属部にめり込むことによるアンカー効果によって、無機部や金属部と基材との密着性や、無機部や金属部などの部間の密着性が向上するためと考えられる。なお、換言すれば、塑性変形部が形成されることによって、無機部や金属部と基材との密着性や、無機部や金属部などの部間の密着性が向上するためとも考えられる。
さらに、例えば、上述の無機粒子と金属粒子とを基材上に吹き付けたときに、無機粒子や金属粒子によって、例えば、基材がその表面に基材と被膜層との密着性を阻害する酸化被膜を有する場合には、その酸化被膜が除去され、被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。
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。
なお、本発明において、「部同士が界面を介して結合している」とは、部間において、溶着、原子拡散、めり込み（進入）、塑性変形部形成のうちの少なくとも１つが生じていることを意味する。
ここで、各構成要素についてさらに詳細に説明する。
上記基材としては、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、被膜層の形成方法に適用し得る金属が好ましい。また、基材は、摺動部材が内燃機関の摺動部材として用いられた場合において、摺動部材が適用される高温環境下で使用可能であるものであることが好ましいことは言うまでもない。
そして、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。
また、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。さらに、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。また、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、上記被膜層としては、その気孔率に関して、特に限定されるものではない。例えば、被膜層の気孔率が大きいと強度が不足し、耐摩耗性及び熱伝導性を低下させる可能性があるという観点からは、被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、高い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は、被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、１面積％以下であることがより好ましく、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、優れた耐摩耗性や熱伝導性、生産性の向上などをバランス良く実現し得るという観点からは、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、被膜層の断面における気孔率は、例えば、被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。
さらに、上記被膜層としては、その厚みに関して、特に限定されるものではない。つまり、被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、被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被膜層の剥離が生じる可能性がある。
また、上記無機粒子としては、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、セラミックス粒子を挙げることができる。また、セラミックス粒子としては、摺動部材に適用される従来公知のものを適用することができる。これらは１種を単独で適用してもよく、２種以上を組み合わせて適用してもよい。これらを適用した摺動部材は、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。
さらに、上記鉄基合金の具体例としては、Ｆｅ−２８Ｃｒ−１６Ｎｉ−４．５Ｍｏ−１．５Ｓｉ−１．７５Ｃなどの硬質鉄基合金を挙げることができる。また、上記コバルト基合金の具体例としては、例えば、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−４００などの硬質コバルト基合金や、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）６などの硬質コバルト基合金を挙げることができる。さらに、ニッケル基合金の具体例としては、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−７００やＮｉ７００（登録商標）（Ｎｉ−３２Ｍｏ−１６Ｃｒ−３．１Ｓｉ）などの硬質ニッケル基合金を挙げることができる。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
また、特に限定されるものではないが、無機部のビッカース硬さは、５００ＨＶ以上１５００ＨＶ以下であることが好ましい。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
さらに、特に限定されるものではないが、金属部のビッカース硬さは、５００ＨＶ未満であることが好ましい。なお、特に限定されるものではないが、他の鉄基合金粒子に由来する金属部のビッカース硬さの下限は、１５０ＨＶ以上であることが好ましく、２００ＨＶ以上であることがより好ましく、３００ＨＶ以上であることがさらに好ましい。また、特に限定されるものではないが、銅粒子や銅合金粒子に由来する金属部のビッカース硬さの下限は、８０ＨＶ以上であることが好ましい。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
そして、上記他の鉄基合金の好適例としては、オーステナイト相を有するステンレス鋼、つまり、オーステナイト系ステンレス鋼を挙げることができる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、日本工業規格で規定されているＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ３０４Ｌなどを適用することが好ましい。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
また、上記銅又は銅合金としては、例えば、純銅、又は銅を５０質量％以上含有する合金、コルソン合金等の析出硬化系銅合金などを挙げることができる。より具体的には、純銅や白銅、析出硬化系銅合金などを好適例として挙げることができる。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
ここで、各種部（例えば、無機部、金属部等がある。）や粒子（例えば、無機粒子、金属粒子等がある。）の硬さは、例えば、日本工業規格で規定されているビッカース硬さ試験（ＪＩＳ Ｚ ２２４４）に準拠して測定・算出されるビッカース硬さを指標とすればよい。また、このビッカース硬さとしては、例えば、被膜層における無機部や金属部については３〜３０箇所程度、少なくとも３〜５箇所程度について、無機粒子や金属粒子については３〜３０個程度、少なくとも３〜５個程度について測定して得られる算出平均値を適用する。さらに、各種部などのビッカース硬さを測定・算出する際には、必要に応じて、被膜層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像などの観察、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析などを組み合わせればよい。
なお、後述する実施例とほぼ同様の方法により基材上に被膜層を形成した場合において、Ｆｅ−２８Ｃｒ−１６Ｎｉ−４．５Ｍｏ−１．５Ｓｉ−１．７５Ｃのビッカース硬さは、６２４ＨＶ程度であり、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−４００のビッカース硬さは、７９２ＨＶ程度であり、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）６のビッカース硬さは、６７６ＨＶ程度であり、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−７００のビッカース硬さは、７７９ＨＶ程度であり、Ｎｉ７００（登録商標）のビッカース硬さは、７７９〜８３６ＨＶ程度である。
また、特に限定されるものではないが、無機部のヤング率は、１００ＧＰａ以上であることが好ましく、１５０ＧＰａ以上であることがより好ましく、２００ＧＰａ以上であることがさらに好ましい。なお、特に限定されるものではないが、無機部のヤング率の上限は、好ましくは１０００ＧＰａ以下、より好ましくは５００ＧＰａ以下、さらに好ましくは３００ＧＰａ以下である。これにより、優れた耐摩耗性及び熱伝導性や耐変形性を実現することができる。
ここで、各種部（例えば、無機部、金属部等がある。）や粒子（例えば、無機粒子、金属粒子等がある。）のヤング率は、試料をマイクロインデンタ（ＭＴＳ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製 Ｎａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ ＸＰ）のステージに固定し、圧子（Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ（三角錐形））を使用し、連続剛性測定（ＭＴＳ Ｓｙｓｔｅｍ社特許技術）を５回行ってデータを得る。ヤング率を接触深さ約８００ｎｍでの数値で算出するという解析条件で、上記得られたデータを解析することで測定できる。
さらに、特に限定されるものではないが、拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方の層は、拡散層及び金属間化合物層のいずれか一方であるか、又は拡散層及び金属間化合物層の双方を含む。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ものとしては、金属間化合物層が組成につい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。拡散層や金属間化合物層などの層は、例えば、基材、所定の無機部、所定の金属部などに含まれる成分元素で構成されている。具体的には、基材としてアルミニウム合金のもの、金属部としてオーステナイト系ステンレス鋼のものを適用した場合には、アルミニウムとオーステナイト系ステンレス鋼の成分元素を含む合金からなる層が形成されることがある。また、基材としてアルミニウム合金のもの、無機部としてコバルト基合金のものを適用した場合には、アルミニウムとコバルトを含む合金からなる層が形成されることがある。しかしながら、これに限定されるものではなく、例えば、基材としてアルミニウム合金のもの、無機部としてニッケル基合金のものを適用した場合には、アルミニウムとニッケルとを含む合金からなる層が形成されることがある。
また、特に限定されるものではないが、被膜層の断面における所定の無機部の割合は、耐摩耗性や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、１０〜５０面積％とすることがより好ましく、１０〜４０面積％とすることがさらに好ましく、１０〜２０質量％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。なお、被膜層の断面における無機部の割合は、例えば、被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、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、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、被膜層の断面における無機部の割合は、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、被膜層の断面における無機部の割合は、５０〜９９面積％としても構わない。
（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同一の符号を付して説明を省略する。
図７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。図７に示すように、本実施形態の摺動部材２は、基材１０と、基材１０上に形成された被膜層２０とを備える。そして、被膜層２０は、所定の硬質部２１Ａと、所定の軟質部２３Ａとを有する。また、被膜層２０は、これらの部同士が界面を介して結合している。なお、特に限定されるものではないが、被膜層２０は、気孔２０ｃを有していてもよい。また、特に限定されるものではないが、基材１０は、被膜層２０と界面全体に亘って扁平な凹部からなる塑性変形部１０ｂを有していてもよい。
そして、摺動部材２は、基材１０と被膜層２０との界面及び部同士（例えば、硬質部２１Ａ，２１Ａ同士、無機部２１Ａと金属部２３Ａ、金属部２３Ａ，２３Ａ同士である。）の界面のいずれかにおける少なくとも一部に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む界面層を有している。つまり、界面層は、硬質部又は軟質部と基材との界面、硬質部同士の界面、硬質部と軟質部との界面、軟質部同士の界面などに形成される可能性がある。また、界面層の厚みは２μｍ以下である。なお、本実施形態の摺動部材２に関しても、図２〜図６を参照することができる。この場合、図２〜図６中の無機部２１を硬質部２１Ａ、金属部２３を軟質部２３Ａと解釈すればよい。
ここで、所定の硬質部とは、そのビッカース硬さが５００ＨＶ以上１５００ＨＶ以下であり、複数の硬質粒子に由来するものであれば、成分については特に限定されるものではない。
また、所定の軟質部とは、そのビッカース硬さが５００ＨＶ未満であり、複数の軟質粒子に由来するものであれば、成分については特に限定されるものではない。
上述のように、本実施形態の摺動部材は、基材と、基材上に形成された被膜層とを備え、被膜層が所定の硬質部と、所定の軟質部とを有し、部同士が界面を介して結合しており、さらに、基材と被膜層との界面及び部同士の界面のいずれかにおける少なくとも一部に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む界面層を有し、界面層の厚みが２μｍ以下である摺動部材であるので、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。
つまり、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、硬質部の含有割合が少ない場合でも、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、熱伝導率が高くない硬質部や軟質部を有する被膜層であっても、界面層の厚みが２μｍ以下であるので、熱伝導率の低下を抑制ないし防止することが可能となり、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。
一方、界面層の厚みが２μｍを超えると、基材や、好適には基地材となる軟質部などへ硬質部に含まれる成分が拡散してしまうこととなるので、所望の効果が得られない。なお、現時点における断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像とエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析とによる界面層の検出限界を考慮すれば、界面層の厚みの下限は３０ｎｍ程度である。また、特に限定されるものではないが、界面層の厚みは１μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下であることがより好ましい。さらに、特に限定されるものではないが、界面層の厚みは０．０３μｍ以上であることが好ましく、０．０５μｍ以上であることがより好ましく、０．１μｍ以上であることがさらに好ましい。
また、摺動部材においては、基材及び被膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有することが好ましい。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
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、上述の効果が得られていると考えている。
例えば、摺動部材の製造方法で用いる原料である上述の硬質粒子や軟質粒子を基材上に吹き付けたときに、その運動エネルギーの一部が熱エネルギーに変換され、硬質粒子や軟質粒子と基材との間において焼結処理の場合と比較してごく短い時間、溶着や原子拡散が進行する。また、硬質粒子や軟質粒子と基材に付着した硬質部や軟質部との間においても焼結処理の場合と比較してごく短い時間、溶着や原子拡散が進行することがある。さらに、硬質粒子や軟質粒子が基材や、基材に付着した硬質部や軟質部に衝突して塑性変形する際に発熱して、溶着や原子拡散が進行することがある。これらによって、硬質部や軟質部と基材との密着性や、硬質部や軟質部などの部間の密着性が向上するためと考えられる。なお、換言すれば、基材と被膜層との界面及び部同士の界面のいずれかにおける少なくとも一部に、拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を有する厚みが２μｍ以下の界面層が形成されることにより、硬質部や軟質部と基材との密着性や、硬質部や軟質部などの部間の密着性が向上するためとも考えられる。
また、例えば、上述の硬質粒子や軟質粒子を基材上に吹き付けたときに、硬質粒子や軟質粒子が基材や、基材に付着した硬質部や軟質部にめり込むことによるアンカー効果によって、硬質部や軟質部と基材との密着性や、硬質部や軟質部などの部間の密着性が向上するためと考えられる。なお、換言すれば、塑性変形部が形成されることによって、硬質部や軟質部と基材との密着性や、硬質部や軟質部などの部間の密着性が向上するためとも考えられる。
さらに、例えば、上述の硬質粒子と軟質粒子とを基材上に吹き付けたときに、硬質粒子や軟質粒子によって、例えば、基材がその表面に基材と被膜層との密着性を阻害する酸化被膜を有する場合には、その酸化被膜が除去され、被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。
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。
上記硬質粒子は、ビッカース硬さが５００ＨＶ以上１５００ＨＶ以下であることが好ましい。上記硬質粒子としては、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、セラミックス粒子などを好適例として挙げることできる。また、セラミックス粒子としては、摺動部材に適用される従来公知のものを適用することができる。これらは１種を単独で適用してもよく、２種以上を組み合わせて適用してもよい。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
また、上記鉄基合金の具体例としては、Ｆｅ−２８Ｃｒ−１６Ｎｉ−４．５Ｍｏ−１．５Ｓｉ−１．７５Ｃ（ビッカース硬さ：６２４ＨＶ程度）などの硬質鉄基合金を挙げることができる。さらに、上記コバルト基合金の具体例としては、例えば、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−４００（ビッカース硬さ：７９２ＨＶ程度）などの硬質コバルト基合金や、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）６（ビッカース硬さ：６７６ＨＶ程度）などの硬質コバルト基合金を挙げることができる。また、ニッケル基合金の具体例としては、ＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ−７００（ビッカース硬さ：７７９ＨＶ程度）やＮｉ７００（登録商標）（Ｎｉ−３２Ｍｏ−１６Ｃｒ−３．１Ｓｉ）（ビッカース硬さ：７７９〜８３６ＨＶ程度）などの硬質ニッケル基合金を挙げることができる。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
さらに、特に限定されるものではないが、硬質部のヤング率は、１００ＧＰａ以上であることが好ましく、１５０ＧＰａ以上であることがより好ましく、２００ＧＰａ以上であることがさらに好ましい。なお、特に限定されるものではないが、硬質部のヤング率の上限は、好ましくは１０００ＧＰａ以下、より好ましくは５００ＧＰａ以下、さらに好ましくは３００ＧＰａ以下である。これにより、優れた耐摩耗性及び熱伝導性や耐変形性を実現することができる。
また、上記軟質粒子は、ビッカース硬さが５００ＨＶ未満であることが好ましい。上記軟質粒子としては、他の鉄基合金粒子、銅粒子、銅合金粒子などを好適例として挙げることができる。これらは１種を単独で適用してもよく、２種以上を組み合わせて適用してもよい。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
上記他の鉄基合金の好適例としては、オーステナイト相を有するステンレス鋼、つまり、オーステナイト系ステンレス鋼を挙げることができる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、日本工業規格で規定されているＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ３０４Ｌなどを適用することが好ましい。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
上記銅や銅合金の具体例としては、純銅、又は銅を５０質量％以上含有する合金、コルソン合金等の析出硬化系銅合金などを挙げることができる。例えば、純銅や白銅、析出硬化系銅合金などを適用することができる。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
また、特に限定されるものではないが、軟質粒子が他の鉄基合金からなるものである場合、軟質部のビッカース硬さの下限は、１５０ＨＶ以上であることが好ましく、２００ＨＶ以上であることがより好ましく、３００ＨＶ以上であることがさらに好ましい。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
さらに、特に限定されるものではないが、軟質粒子が銅や銅合金からなるものである場合、軟質部のビッカース硬さの下限は、８０ＨＶ以上であることが好ましい。これにより、より優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現することができる。
（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、つまり、上述した摺動部材を摺動部位に有す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、摺動部材として、内燃機関の摺動部材を例に挙げて詳細に説明するが、特に限定されるものではない。また、被膜層の表面側を摺動面とすることは言うまでもない。なお、上記の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、上述した被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２の実施形態における摺動部材（１，２）が適用されている。これにより、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、無機部の含有割合が少ない場合でも、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、熱伝導率が高くない無機部や金属部を有する被膜層であっても、界面層の厚みが２μｍ以下であるので、熱伝導率の低下を抑制ないし防止することが可能となり、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、本発明の摺動部材をシリンダヘッドに適用することにより、圧入型のバルブシートをなくすことが可能となる。その結果、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、エンジンの燃費や出力、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、上述した被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２の実施形態における摺動部材を適用することもできる。これにより、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、無機部の含有割合が少ない場合でも、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、熱伝導率が高くない無機部や金属部を有する被膜層であっても、界面層の厚みが２μｍ以下であるので、熱伝導率の低下を抑制ないし防止することが可能となり、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。
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ことが好ましい。
（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、被膜層の表面側を摺動面とすることは言うまでもない。また、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分割されている。そして、大端部６０Ａには、クランクピン６１を受けるための２分割された軸受メタル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、上述した被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２の実施形態における摺動部材（１，２）が適用されている。これにより、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、無機部の含有割合が少ない場合でも、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、熱伝導率が高くない無機部や金属部を有する被膜層であっても、界面層の厚みが２μｍ以下であるので、熱伝導率の低下を抑制ないし防止することが可能となり、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。
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分割された軸受メタルの摺動面に、上述した被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２の実施形態における摺動部材を適用することもできる。これにより、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、無機部の含有割合が少ない場合でも、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。また、熱伝導率が高くない無機部や金属部を有する被膜層であっても、界面層の厚みが２μｍ以下であるので、熱伝導率の低下を抑制ないし防止することが可能となり、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。
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ことが好ましい。なお、コンロッドの大端側の摺動面に直接成膜（メタルを使わずに直接形成）することもできる。また、コンロッドの小端側の摺動面に直接成膜（メタルを使わずに直接形成）することもできる。
なお、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、ピストンリングやピストンに適用することもできる。つまり、被膜層をピストンリングの表面に適用することが好ましい。また、被膜層をピストンのリング溝内面に適用することが好ましい。さらに、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をシリンダボア内面（シリンダライナーの代替や、ボア溶射の代替とすることができる。）に適用することが好ましい。また、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をクランクシャフトのジャーナルのメタルに適用することが好ましい。さらに、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をクランクシャフトのジャーナルのメタルの部位に直接成膜（メタルを使わずに被膜層を直接形成する。）することが好ましい。また、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をカムシャフトのジャーナルのメタルの表面に適用することが好ましい。さらに、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をカムシャフトのジャーナルのメタルの部位に直接成膜（メタルを使わずに被膜層を直接形成する。）することが好ましい。また、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をカムシャフトのカムロブ表面に適用することが好ましい。さらに、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をピストンとピストンピンのメタルに適用することが好ましい。また、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をピストンとピストンピンのメタルの部位に直接成膜することが好ましい。さらに、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をピストンスカートの表面に適用することが好ましい。また、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をバルブリフタの冠面に適用することが好ましい。さらに、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をバルブリフタの側面に適用することが好ましい。また、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をシリンダヘッドにおけるリフターボアのバルブリフタとの摺動面に適用することが好ましい。さらに、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をスプロケットの歯の表面（このとき、例えば、鉄焼結合金のスプロケットの代わりにアルミニウム焼結合金のスプロケット上に被膜層を形成する。）に適用することが好ましい。また、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をチェーンのピンに適用することが好ましい。さらに、本実施形態の内燃機関の摺動部材は、被膜層をチェーンプレートに適用することが好ましい。
また、上述した第１の実施形態〜第２の実施形態における摺動部材は、被膜層を内燃機関以外の歯車の歯の表面（このとき、例えば、鋼の歯車をアルミニウム合金化し、このアルミニウム合金上に被膜層を形成する。）に適用することが好ましい。ここで、内燃機関以外とは、例えば、自動車のデファレンシャルギアや、自動車の発電機、自動車以外の発電機などを挙げることができる。さらに、上述した第１の実施形態〜第２の実施形態における摺動部材は、すべり軸受け全般（転がり軸受ではない広義の意味でのすべり軸受けである。）に適用することが好ましい。
次に、摺動部材の製造方法について詳細に説明する。摺動部材の製造方法は、例えば、上述した実施形態における基材と、基材上に形成された被膜層とを備え、被膜層が所定の無機部又は硬質部及び所定の金属部又は軟質部を有し、部同士が界面を介して結合しており、基材と被膜層との界面及び部同士の界面の少なくとも一方の少なくとも一部に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む厚みが２μｍ以下である界面層を有す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、上述した無機粒子又は硬質粒子及び上述した金属粒子又は軟質粒子を含む混合物を、非溶融の状態で基材上に吹き付けて、基材上に所定の被膜層を形成する工程を含む。
上述のように、非溶融の状態とした混合物を、基材上に吹き付けて、基材上に所定の被膜層を形成することにより、耐摩耗性及び熱伝導性に優れた被膜層を効率良く形成することができる。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被膜層を形成することにより、耐摩耗性及び熱伝導性に優れた被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。
上述したように、混合物を基材上に吹き付ける際には、混合物を、基材及び被膜層の少なくとも一方に塑性変形部を形成する速度で、基材に吹き付けることが好ましい。これにより、より耐摩耗性及び熱伝導性に優れた被膜層を効率良く形成することができる。
しかしながら、混合物を吹き付ける速度は、上述のものに限定されるものではない。例えば、粒子速度を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、粒子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。作動ガスの圧力を２ＭＰａ未満とすると、粒子速度が得られず、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、耐摩耗性及び熱伝導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、メインガスとキャリアガスのように、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、上記原料として用いる無機粒子や硬質粒子としては、上述した無機部や硬質部となり得るものであれば特に限定されるものではないが、無機粒子のヤング率に対する無機部のヤング率の比が１．５以上となるものを用いることが好ましい。これにより、耐摩耗性及び熱伝導性や耐変形性に優れた被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。
また、上記原料として用いる金属粒子や軟質粒子としては、上述した金属部や軟質部となり得るものであれば特に限定されるものではない。
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〜実施例３）
まず、原料としての無機粒子及び金属粒子として、表１に示すものを用意した。なお、表１及び表２におけるＴｒｉｂａｌｏｙ Ｔ−４００、Ｔ−７００は、ケナメタルステライト社製のものである。
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、狙い被膜層厚み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、用意した無機粒子と金属粒子の混合物を、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（ＣＧＴ社製、Ｋｉｎｅｔｉｋｓ４０００（ノズル：２７ＴＣ）、ガス温度：７５０℃、ガス圧力：３．６ＭＰａ、メインガス流量：７３ｍ３／ｈ、キャリアガス流量４．５ｍ３／ｈ、粒子供給量：４３ｇ／ｍｉｎ）を用いて吹き付けて、被膜層厚み０．４〜０．５ｍｍの被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、各例の摺動部材を得た。なお、被膜層厚みは、０．２ｍｍである（以下、同様である。）。
（比較例１）
まず、原料としての無機粒子、金属粒子等として、表２に示すものを用意した。
次いで、用意した無機粒子、金属粒子等の混合物に、ステアリン酸亜鉛を１質量％添加して混合し、成型圧力７トン／ｃｍ２で圧縮成型した。この成形体の上部に所定量の溶浸用銅を配置して、アンモニア分解ガス雰囲気中で、１１２０℃の温度にて３０分間焼結を行って焼結体を得た。この焼結と同時に溶浸も行われた。
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、狙い被膜層厚み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。
さらに、上記焼結体を用意した基材に圧入して配置した。
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。
（比較例２〜比較例４）
まず、原料としての無機粒子、金属粒子等として、表２に示すものを用意した。
次いで、用意した無機粒子、金属粒子等の混合物に、ステアリン酸亜鉛を１質量％添加して混合し、成型圧力７トン／ｃｍ２で圧縮成型した。この成形体をアンモニア分解ガス雰囲気中で、１１２０℃の温度にて３０分間焼結を行って焼結体を得た。
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、狙い被膜層厚み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。
さらに、上記焼結体を用意した基材に圧入して配置した。
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、各例の摺動部材を得た。
Figure 2018142225
Figure 2018142225
ここで、表１及び表２において、無機部、金属部、無機粒子、金属粒子のビッカース硬さは、日本工業規格で規定されているビッカース硬さ試験（ＪＩＳ Ｚ ２２４４）に準拠して測定・算出した。なお、算術平均値を求めるために測定数を１０箇所とした。また、測定位置を定めるに当たって、被膜層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像などの観察、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析の結果などを利用した。
また、表１及び表２において、無機部、金属部、無機粒子、金属粒子のヤング率は、試料をマイクロインデンタ（ＭＴＳ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製 Ｎａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ ＸＰ）のステージに固定し、圧子（Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ（三角錐形））を使用し、連続剛性測定を５回行ってデータを得、ヤング率を接触深さ約８００ｎｍでの数値で算出するという解析条件で、得られたデータを解析することで測定した。
さらに、表１及び表２において、基材や被膜層における界面層の厚みは、摺動部材の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、摺動部材の断面における塑性変形部の有無は、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３においては、厚み２μｍ以下の界面層だけが観察された。一方、比較例１〜比較例４においては、界面層の厚みが２μｍを超え、具体的には５μｍを超えていることが観察された。また、実施例１〜実施例３においては、基材及び被膜層に塑性変形部が観察された。
図１０は、実施例１の摺動部材の基材と銅部との境界面付近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。
図１０より、α部分における銅とアルミニウムとの比が、おおよそＣｕ：Ａｌ＝９：４（原子比）であることから、Ｃｕ９Ａｌ４の金属間化合物層が形成されていると考えられる。また、図１０より、β部分における銅とアルミニウムとの比が、おおよそＣｕ：Ａｌ＝１：２（原子比）であることから、ＣｕＡｌ２の金属間化合物層が形成されていると考えられる。なお、α部分やβ部分を含む各領域においては、ＨＡＡＤＦ像において、コントラストが均一な領域が観察できた。
図１１は、実施例３の摺動部材の基材と銅合金部との境界面付近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。
図１１より、基材と皮膜層との間に界面層が形成されていることが分かる。そして、界面層は、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、組成につい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。
［性能評価］
上記各例の摺動部材を用いて、下記の各種性能を評価した。
（耐摩耗性）
高千穂精機株式会社製のバルブシート摩耗試験機を用い、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１及び表２に併記する。
＜試験条件＞
・相手バルブ材：ＳＵＨ３５
・試験温度：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。）
・試験回数：３０００回／ｍｉｎ×１８０ｍｉｎ
（熱伝導性）
レーザーフラッシュ法により、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１及び表２に併記する。
表１及び表２より、本発明の範囲に属する実施例１〜実施例３は、本発明外の比較例１〜比較例４と比較して、摩耗量が少ない傾向を有することが分かる。
つまり、焼結処理させて得られる被膜層を有する比較例１〜比較例４の摺動部材と比較して、実施例１〜実施例３の摺動部材は、所定の無機部及び所定の金属部、又は所定の硬質部及び所定の軟質部を有し、部同士が界面を介して結合しており、さらに、基材と被膜層との界面及び部同士の界面のいずれかにおける少なくとも一部に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む界面層を有し、界面層の厚みが２μｍ以下である摺動部材であるので、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を有する。
また、焼結処理させて得られる被膜層を有する摺動部材と比較して、無機粒子の含有割合が少ない場合でも、優れた耐摩耗性及び熱伝導性を実現し得ることが分かる。
さらに、実施例１及び実施例２のような優れた耐摩耗性を有する摺動部材が得られたのは、金属部に含まれる他の鉄基合金として、オーステナイト系ステンレス鋼を含むためとも考えられる。
また、実施例１のような優れた耐摩耗性を有する摺動部材が得られたのは、所定の無機部のヤング率が１００ＧＰａ以上であるためとも考えられる。
さらに、実施例１〜実施例３のような優れた耐摩耗性を有する摺動部材が得られたのは、基材及び被膜層の少なくとも一方が塑性変形部を有するためとも考えられる。
また、実施例１〜実施例３のような優れた耐摩耗性を有する摺動部材が得られたのは、上述した摺動部材の製造方法において、混合物を非溶融の状態で基材上に吹き付けて、基材上に被膜層を形成する工程を含むためとも考えられる。
さらに、実施例１〜実施例３のような優れた耐摩耗性を有する摺動部材が得られたのは、上述した混合物を、基材及び被膜層の少なくとも一方に塑性変形部を形成する速度で、基材に吹き付けたためとも考えられる。
また、実施例３のような優れた耐摩耗性を有する摺動部材が得られたのは、上記原料として用いる無機粒子として、無機粒子のヤング率に対する無機部のヤング率の比が１．５以上となるものを用いたためとも考えられる。すなわち、実施例３においては、５８．９ＧＰａと変形し易いヤング率の無機粒子を用いて被膜層を効率よく形成することができ、無機部となった状態では２０４ＧＰａと優れた耐摩耗性を有する摺動部材となったと考えられる。このヤング率の変化は、上述した所定の混合物を、基材及び被膜層の少なくとも一方に塑性変形部を形成する速度で、基材に吹き付けたためとも考えられる。
なお、実施例３の摺動部材は、熱伝導性が優れることも分かる。ここで、焼結処理させて得られる各比較例に対して、実施例３を含む各実施例は拡散が抑制されているため、異種元素の固溶による熱伝導率の低下が避けられており、高い耐摩耗性と高い熱伝導性が両立できていることは言うまでもない。
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要素は、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、各種粒子の仕様の細部や成膜条件の細部を変更したり、各実施形態や各実施例の構成要素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 摺動部材
１０ 基材
１０ｂ 塑性変形部
１１ 界面層
２０ 被膜層
２０ａ，２０ｂ 塑性変形部
２０ｃ 気孔
２１ 無機部
２１Ａ 硬質部
２２ 界面層
２３ 金属部
２３Ａ 軟質部
２４ 界面層
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 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

Claims (8)

  1. 基材と、
    上記基材上に形成された被膜層と、を備える摺動部材であって、
    上記被膜層が、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及びセラミックス粒子からなる群より選ばれた少なくとも１種の複数の無機粒子に由来の無機部と、他の鉄基合金粒子、銅粒子及び銅合金粒子からなる群より選ばれた少なくとも１種の複数の金属粒子に由来の金属部と、を有し、該部同士が界面を介して結合しており、
    上記基材と上記被膜層との界面及び上記部同士の界面のいずれかにおける少なくとも一部に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む界面層を有し、
    上記界面層の厚みが２μｍ以下である
    ことを特徴とする摺動部材。
  2. 上記無機部のビッカース硬さが、５００ＨＶ以上１５００ＨＶ以下であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 上記金属部のビッカース硬さが、５００ＨＶ未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
  4. 上記他の鉄基合金粒子が、オーステナイト系ステンレス鋼粒子を含む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。
  5. 上記無機部のヤング率が、１００ＧＰａ以上である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。
  6. 上記基材及び上記被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１〜５のいずれか１つの項に記載の摺動部材。
  7. 基材と、
    上記基材上に形成された被膜層と、を備える摺動部材であって、
    上記被膜層が、ビッカース硬さが５００ＨＶ以上１５００ＨＶ以下である複数の硬質粒子に由来の硬質部と、ビッカース硬さが５００ＨＶ未満である複数の軟質粒子に由来の軟質部と、を有し、該部同士が界面を介して結合しており、
    上記基材と上記被膜層との界面及び上記部同士の界面のいずれかにおける少なくとも一部に拡散層及び金属間化合物層の少なくとも一方を含む界面層を有し、
    上記界面層の厚みが２μｍ以下である
    ことを特徴とする摺動部材。
  8. 請求項１〜７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。
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