JP2007285312A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、表面に微細孔を有し、その微細孔が油溜まりを形成することによって、油の潤滑効果を活用できる摺動部材を提供することを解決すべき課題とする。
【解決手段】本発明の摺動部材は、所定形状を有し一部表面が摺動面となる摺動部材であって、鉄系多孔質材と、該鉄系多孔質材を鋳包んだアルミニウム合金と、で構成され、前記摺動面は、前記鉄系多孔質材の表面と、該鉄系多孔質材の孔中に存在し、ショットブラスト処理を施されて、表面に凹部が形成された前記アルミニウム合金の表面と、からなることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、一部表面が摺動面となるエンジンブロック、油圧ポンプ、コンプレッサー部品、軸受け等に使用できる所定形状を有する摺動部材に関するものである。

往復、回転運動等を行う各種機械には、一般的に摺動部材が不可欠である。例えば、エンジンやコンプレッサー等にも様々な摺動部材が使用されている。

一般的に、摺動面においては、摩擦による摩耗量を減らすには、摺動面は鏡面となっているのが望ましい。しかし摺動面が鏡面となっていると、鏡面仕上げした金属同士をオイルを介して擦り合わせると摩擦抵抗は低く押さえられるが、ある程度の熱が発生するため、焼き付きのおそれがある。そのため、摺動面は適当な表面粗さを持つものがそれぞれの用途に合わせて要求される。

また一般的に、摺動面には、適正な潤滑剤を供給し、摩擦力や摩耗又は他の形の表面損傷を軽減させることが行われている。十分な油膜厚さを確保するために、摺動面は潤滑剤を適正量保持する必要がある。潤滑剤を適正量保持するために、例えば摺動面にクロスハッチと呼ばれるバツ状の条痕を付け、条痕内に潤滑剤が保持される用にする手法が古くから行われている。

また特許文献１には、５〜５０重量％のＴｉＣＮと、残りが鉄系合金からなる摺動面の表面から１ｍｍ深さまでの表面部における空孔率を７〜２０体積％とし、内部空孔率をこれより減少させた鉄系摺動材料について記載されている。特許文献１に記載の鉄系摺動材料は、潤滑油の存在する条件で用いると表面部の空孔に潤滑油が含浸されて、摩擦摩耗が大幅に改善できることが開示されている。

また特許文献２には、焼結合金中にＣａ、Ｓｒ、Ｂａの酸化物、炭化物、硫化物およびこれらの相互固溶体またはカーボンの中の少なくとも一種以上の分散相と、周期律表の４ａ、５ａ，６ａ属金属の炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の硬質相と、残りフェライト、オーステナイト、マルテンサイトまたはＦｅを主成分として含む合金でなる結合相とからなる鉄系焼結合金の表面部から該分散相が除去されて微細孔が形成された鉄系焼結合金について記載されている。特許文献２に記載の鉄系焼結合金は、表面部に形成された微細孔の中に、潤滑物質を含浸でき、摩擦係数を低下させることが開示されている。

また特許文献３には、摺動部材の摺動面（材質：炭素鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼）に、粒径０．６〜１．０ｍｍのショットを用いてショットピーニング処理を施すことによって、摺動初期の摩擦係数を低減するように（ショット後の表面形状の尖端が丸くなった凸形状になるように）摺動面の表面形態を変化させることが開示されている。摺動初期の摩擦係数を低減させることによって、摩擦発熱を抑制し、潤滑グリスの劣化を抑制出来ることが開示されている。
特公昭６３−１３８３号公報 特開平６−２７９９５９号公報 特開平９−２６８３１９号公報

しかしながら、上記摺動面に条痕を付ける方法は、使用時にだんだん条痕が摩耗し、潤滑剤の保持力が低下してくることは、よく知られている。また上記特許文献１の場合は、プレス成形や焼成工程で空孔の量や大きさを制御するのが困難であり、得られる空孔の大きさや空孔率のばらつきが大きいという製造管理上及び品質管理上の問題がある。また上記特許文献２の場合は、上記のような特殊な物質を含む合金を用いたものである。

また上記特許文献３は、摩擦発熱を抑制し、潤滑グリスの劣化を抑制するために、ショットピーニング処理を施したものであり、潤滑剤の保持を目的としたものではない。

したがって、上記問題点を解決する、潤滑剤を適正量保持できる摺動面を有する摺動部材が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、摺動面に微細孔を有し、その微細孔が油溜まりを形成することによって、摺動面における摩擦係数を効果的に低減させることが出来る摺動部材を提供することを目的とする。

そこで、本発明者等はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、鉄系多孔質材をアルミニウム合金で鋳包んだ構成を持つ摺動部材において、摺動面にショットブラスト処理を施すことにより、摺動面のアルミニウム合金部分のみに凹部を形成出来ることを発見し、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、所定形状を有し一部表面が摺動面となる摺動部材であって、鉄系多孔質材と、該鉄系多孔質材を鋳包んだアルミニウム合金と、で構成され、前記摺動面は、前記鉄系多孔質材の表面と、該鉄系多孔質材の孔中に存在し、ショットブラスト処理を施されて、表面に凹部が形成された前記アルミニウム合金の表面と、
からなることを特徴とする。

また本発明の摺動部材において、前記ショットブラスト処理条件は下記条件である。

ショット粒材質：亜鉛
ショット粒の粒径：２００μｍ以上８００μｍ以下
エア圧：０．１ＭＰａ以上０．３ＭＰａ以下
噴射距離：５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下
投射時間：５秒以上４５秒以下

また本発明の摺動部材はシリンダーボアであることが好ましい。

本発明の摺動部材は、鉄系多孔質材をアルミニウム合金で鋳包んだ構成であるため、アルミニウム合金単体よりも強度が高い。また鉄系多孔質材は、多孔質であるため、アルミニウム合金との密着性を確保できる。

また該アルミニウム合金は、鉄系多孔質材に比べ硬度が小さい。そのため、該摺動部材の摺動面に、ショットブラスト処理を施すと、アルミニウム合金のみに選択的に凹部を形成することが出来る。

そして前記凹部は、ショットブラスト処理条件を制御することにより、その量、孔径等が制御される。そのため該凹部は、潤滑剤等を使用した場合、潤滑剤等の油溜まりとなることが出来る。

従って、本発明の摺動部材は、摺動面のアルミニウム合金部分のみに、凹部を有することが出来、摺動面全体としては傷を付けずに、潤滑剤等の使用時に潤滑剤等を適正量保持でき、そのため低い摩擦係数を持つことが出来る。

そのため本発明の摺動部材は、良好な摺動特性を持つことが出来る。

なおシリンダーボアに本発明の摺動部材を適用することによって、寸法精度の厳しいシリンダーボアにおいて、摺動面の寸法精度を変えることなく、良好な摺動特性を持つことが出来る。

本発明の摺動部材は、所定形状を有し一部表面が摺動面となる摺動部材であって、鉄系多孔質材をアルミニウム合金で鋳包んだ構成の摺動部材である。

また前記摺動部材は、摺動面のアルミニウム合金部分のみに選択的に凹部を有する。該凹部は、摺動面にショットブラスト処理を施されることによって形成される。

本発明における摺動部材は、所定の形状を有する。所定形状は、特に限定はなく、摺動部材としての用途に合わせたものとなる。例えば本発明の摺動部材は、一部表面が摺動面となるエンジンブロック、油圧ポンプ、コンプレッサー部品、軸受け等に使用できる。

本発明における鉄系多孔質材は、鉄系の多孔質材であれば、材質及び形状を問わない。また該多孔質材は、焼結して形成された多孔質材であることがより望ましい。

例えば、鉄系の多孔質材の材質には、Cr、Mo、Si、V、W、Cu、C、Mn、P、S、Ni が含まれていてもよい。

また鉄系多孔質材の形状は、例えば円筒状、リング状、板状、円板状でもよい。

鉄系多孔質材は、空隙率１２％以上５０％以下が望ましい。この範囲の空隙率を持つ多孔質材であれば、アルミニウム合金との密着性と強度とがともに良好な摺動部材となる。

また鉄系多孔質材は、摺動部材全体に用いられていても良いし、摺動面周辺の一部に用いられていても良い。

また本発明におけるアルミニウム合金は、Cu、Si、Mg、Zn、Fe、Mn、Ni、Sn、Ti を含むことが出来る。

例えばアルミニウム合金としてＪＩＳ規格のＡ２０００系及びＡＤＣ１２、ＡＣ８Ａ、ＡＣ４Ｃ、ＡＣ２Ｂ等が挙げられる。

本発明の摺動部材は、前記鉄系多孔質材を、前記アルミニウム合金で鋳包んだ構成となる。製造方法は通常の鋳造方法であり、特に限定はない。

例えば目的に応じた所定形状になるように、所定形状の型に、摺動面に鉄系多孔質材が位置するように設置し、前記アルミニウム合金を、所定圧力、所定温度で含浸鋳造し、鉄系多孔質材を鋳包み、なおかつ多孔質材の孔内まで、アルミニウム合金を含浸する。

その後、所定温度で冷却し、摺動部材を型から取り出す。

次いで型から取り出した摺動部材の摺動面をホーニングマシンで鏡面加工を行う。該鏡面加工を施すことにより摺動面は、鉄系多孔質焼結体表面とアルミニウム合金表面の両方が存在する表面となる。また鏡面加工を施されることにより、摺動面は低摩擦係数の表面となる。

次に鏡面加工を施された摺動面に下記条件でショットブラスト処理を行う。

ショット粒材質：亜鉛、ショット粒の粒径：２００μｍ以上８００μｍ以下、エア圧：０．１ＭＰａ以上０．３ＭＰａ以下、噴射距離：５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下、投射時間：５秒以上４５秒以下。

上記条件は、鉄系多孔質材を傷つけずに、アルミニウム合金の表面にのみ凹部を形成出来る条件である。

該形成された凹部は、表面からの深さが０．１μｍ〜５μｍ、凹部の直径は、５μｍ〜１００μｍである。

このように形成された凹部は、潤滑剤等を使用した場合、潤滑剤等の油溜まりとなることが出来る。

そのため、該摺動部材は、表面に新たな傷を付けずに、潤滑剤等の使用時に潤滑剤等を適正量保持できるため、低い摩擦係数を持つことが出来、良好な摺動特性を持つことが出来る。

また必要な面に部分的にショットブラスト処理を行うことが出来るので、従来から行われている電解腐食処理に比べ、低コストで簡便に処理を行うことが出来る。

以下に、図１を用いて本発明の摺動部材の試験例の製造方法を説明する。

図１は、本発明の試験例の摺動部材の製造方法の一部の説明図（断面図）を表す。

鉄系の多孔質材である、空隙率１８％の円筒状の鉄系多孔質焼結体１を用意した。鉄系多孔質焼結体１の材質は、純鉄（ＫＩＰ４４０Ｂ）を用いた。鉄系多孔質焼結体１の形状は直径８６ｍｍの円筒形状であり、高さ１６０ｍｍ、筒の厚み５ｍｍのものを用いた。

図１に示すように、上記鉄系多孔質焼結体１をシリンダーブロックの金型２に、摺動面に鉄系多孔質焼結体１が面するように設置した。金型２はシリンダーブロックの金型であり、図１に示すような筒状の形状となっている。

この金型２にアルミニウム合金（ＡＤＣ１２）を、鉄系多孔質焼結体１の外周面側と底面から注湯した。このときの鋳造条件は、溶湯温度６８０℃、型温２５０℃、鉄基多孔質焼結体１の予熱８００℃、溶湯圧力８３ＭＰａとした。

このようにして、アルミニウム合金溶湯を、鉄系多孔質焼結体１の外周面側と底面から内部へ含浸させた。このようにして得られたシリンダーボア３の摺動内周面を、ホーニングマシンで鏡面加工した。

上記のように製造されたシリンダーボア３を用いて各種条件でショットブラスト処理を行いその表面観察を行った。

ショットブラスト処理は、図１の下図のようにシリンダーボア３の摺動面である筒の内面にショットブラスト装置４を用いて行った。ショットブラスト装置は、新東ブレーター社製を用いた。

表１に実施したショットブラスト処理条件を示す。また図２に表１に示した条件でショットブラスト処理を行った一部のシリンダーボアの摺動内周面表面のＳＥＭ観察結果を示す。

各ショットブラスト処理条件で行った各試料の表面粗さを接触式表面粗さ計で測定し表１のＲｚ（μｍ）の欄に記載した。また表１に記載の記載Ｎｏ．は図２のＳＥＭ写真の数字に対応する。

表１、図２のＮｏ．１（記載Ｎｏ．０）（以下Ｎｏ．は記載Ｎｏ．を用いて説明する）は、ホーニングマシンで鏡面加工し、ショットブラスト処理を行わなかったものである。図２の記載Ｎｏ．０のＳＥＭ写真に見られるように試料表面は、ホーニング加工のクロスハッチ条痕が見られるがＳＥＭ写真上で黒く見られるはずの凹部は観察されなかった。

鏡面加工されたシリンダーボアの摺動内周面を観察すると、鉄系多孔質焼結体の空隙部にアルミニウム合金が入り込んだ表面が観察された。従って表面には、鉄系多孔質焼結体表面とアルミニウム合金表面の両者が存在していた。

図２の記載Ｎｏ．１は、ショット粒子をアルミナ（株式会社新東ブレーター製、品番ＡＦ８０粒子径約２００μｍ）とし、表１に記載の条件でショットブラスト処理を行ったものの表面ＳＥＭ写真を表す。

アルミナは鉄及びアルミニウム合金よりも固いため図２の記載Ｎｏ．１にみられるように、表面はアルミニウム合金も鉄系多孔質焼結材も全体的にアルミナ粒子によって削られ、表面は全体的に大きな凹凸ができているのが観察される。また表１に見られるように表面粗さ（Ｒｚ）は１６．９μｍと大きなものとなっている。

図２の記載Ｎｏ．２−２はショット粒子を鉄（株式会社新東ブレーター製、品番ＳＢ−３、粒子径約３００μｍ）とし、表１に記載のショット条件でショットブラスト処理を行ったものの表面ＳＥＭ写真を表す。

鉄のショット粒子を用いているため、ショットブラスト処理により全体的にアルミニウム合金も鉄系多孔質焼結材も表面が削られ、表１に見られるように表面粗さＲｚが８．８μｍ以上となった。

表面粗さは大きい値となるが、図２の記載Ｎｏ．２−２に見られるように、表面に細かい凹部は少ない。

図２の記載Ｎｏ．２−４はショット粒子を亜鉛（株式会社新東ブレーター製、品番ＡＤ−４、粒子径約４００μｍ）とし、表１に記載のショット条件でショットブラスト処理を行ったものの表面ＳＥＭ写真を表す。

表１に記載のように表面粗さは５μｍ未満であり、図２の記載Ｎｏ．２−４に見られるように表面に細かい凹部が多数存在することが観察された。凹部は様々な形状が見られるが、略円形状とすると直径２μｍ〜２０μｍ程度の凹部が観察された。

亜鉛のショット粒子は、アルミニウム合金より硬く鉄系多孔質焼結材より軟らかいため、鉄を傷つけずアルミニウム合金部分を選択的に切削することが出来るため表面粗さ（Ｒｚ）をあまり大きくせず、細かい凹部を多数形成出来たと考えられる。

上記条件で作製した各シリンダーボア試料を用いて摺動実験を行った。

摺動実験は、摺動させる相手材をピストンリング（窒化ＳＵＳ）とし、往復摺動試験機を用いて、ストローク・速度：４０ｍｍ・５００ｃｐｍ、荷重：３ｋｇｆ、面圧最大ヘルツ応力：２０ｋｇｆ／ｍｍ^２、試験温度：７０℃の条件で摺動試験を行い、焼付前の摩擦係数と焼き付き時間（分）を測定した。潤滑油としてＣＣ級ディーゼル用Ｅ／Ｇオイル、塗布：０．１３ｍｇ／ｃｍ^２を用いた。

表２に、各試料の焼付前の摩擦係数と焼き付き時間を表した。また図３に表面粗さ（Ｒｚ）と焼き付き時間（分）とを比較したグラフ、図４に表面粗さ（Ｒｚ）と焼き付き前の摩擦係数とを比較したグラフを示す。

摺動試験は試料の記載Ｎｏ．０、１、３、２−３、２−４で行った。

ショットブラスト処理を行っていない記載Ｎｏ．０の試料は、表面粗さ（Ｒｚ）が０．７μｍであり、摺動試験において０．１５分という短時間で焼き付いてしまった。また焼付前の摩擦係数も０．６４という高いものであった。

またアルミナを用いてショットブラスト処理を行った記載Ｎｏ．１の試料は、表面粗さ（Ｒｚ）が１６．９μｍという高いものであり、ＳＥＭ観察において大きな凹凸が見られたものである。記載Ｎｏ．１の試料は、摺動試験において焼付き時間は２９分であり、焼付前の摩擦係数は０．３であった。

それに対し亜鉛を用いてショットブラスト処理を行った記載Ｎｏ．３、２−３、２−４の試料は、表面粗さ（Ｒｚ）が２〜５μｍであり、ＳＥＭ観察において多数の凹部が観察されたものである。記載Ｎｏ．３、２−３、２−４の試料は、Ｒｚが低いにもかかわらず、焼き付き時間が他の試料に比べ大幅に向上した。また焼付前の摩擦係数も他の試料に比べ低くなった。

亜鉛をショット粒子に用いた試料は、表面に凹部が多数存在することにより、凹部が油溜まりとなって、潤滑油を保持出来たと考えられる。そのため摺動試験において摩擦係数を小さくでき、これにより焼き付き時間を長くできたと考えられる。

このように上記摺動部材は、摺動面において上記凹部が油溜まりを形成することによって、潤滑剤等を適正量保持出来、表面を新たに油保持用の傷をつけることなく、低い摩擦係数を持ちながら、油の潤滑効果を活用できる摺動部材となることが出来る。

本発明の摺動部材の試験例の製造方法の一部説明図（断面図）を表す。 本発明の試験例の摺動部材の内周面表面のＳＥＭ観察結果を表す。 表面粗さ（Ｒｚ）と焼き付き時間（分）とを比較したグラフを示す。 表面粗さ（Ｒｚ）と焼き付き前の摩擦係数とを比較したグラフを示す。

符号の説明

１、鉄系多孔質焼結体、２、金型、３、シリンダーボア、４ショットブラスト装置。

Claims (3)

1. 所定形状を有し一部表面が摺動面となる摺動部材であって、
   鉄系多孔質材と該鉄系多孔質材を鋳包んだアルミニウム合金とで構成され、
   前記摺動面は前記鉄系多孔質材の表面と、該鉄系多孔質材の孔中に存在しショットブラスト処理を施されて表面に凹部が形成された前記アルミニウム合金の表面と、
   からなることを特徴とする摺動部材。
2. 前記ショットブラスト処理条件は、下記条件である請求項１記載の摺動部材。
   ショット粒材質：亜鉛
   ショット粒の粒径：２００μｍ以上８００μｍ以下
   エア圧：０．１ＭＰａ以上０．３ＭＰａ以下
   噴射距離：５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下
   投射時間：５秒以上４５秒以下
3. 前記摺動部材がシリンダーボアである請求項１又は２記載の摺動部材。

Images