(57)【要約】【課題】焼付きを抑制することができる摺動部材を提供する。【解決手段】摺動部材１は、摺動面２ａに複数のディンプル３が形成された部材である。ディンプル３には固体潤滑剤４が充填されている。該固体潤滑剤４の外表面には、固体潤滑剤４よりも硬度の高い硬質粒子５からなる硬質粒子層５ａが配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動面に複数の凹部が形成された摺動部材であって、
前記凹部には、固体潤滑剤が充填されており、
前記固体潤滑剤の外表面には、前記固体潤滑剤よりも硬度の高い硬質粒子からなる硬質粒子層が配置されていることを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面に複数の凹部が形成された摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。特許文献１には、玉軸受用保持器のポケット（本発明の摺動部材に相当する）の内周面（本発明の摺動面に相当する）にディンプル状の凹部が複数形成され、凹部に固体潤滑剤が充填されることが開示されている。そして、凹部に充填される固体潤滑剤が玉の転動によって摺動面に行き渡り、固体潤滑層を形成することで、摺動面の焼付きを防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−６４０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
自動車分野において、エンジンやトランスミッションなどの部品に摺動部材が用いられている。一例として、例えばエンジン起動時に使用されるスタータのピニオンギアとドライブプレートギアからなるギア対では、耐摩耗性や耐焼付き性に優れた摺動部材を用いることが求められている。このため、このギア対に上述の特許文献１に開示された技術を適用することが検討されている。
【０００５】
しかし、上述の技術をギア対に適用した場合、固体潤滑剤による潤滑しかないので、ギアの歯面（すなわち摺動面）がなじむまでに時間がかかり、歯面に局部的に高面圧が発生しやすい。このような状況において、エンジンの起動が繰り返されると、ギアの歯面に焼付きが生じる問題がある。
【０００６】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、焼付きを抑制することができる摺動部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る摺動部材は、摺動面に複数の凹部が形成された摺動部材であって、前記凹部には、固体潤滑剤が充填されており、前記固体潤滑剤の外表面には、前記固体潤滑剤よりも硬度の高い硬質粒子からなる硬質粒子層が配置されていることを特徴としている。
【０００８】
本発明に係る摺動部材では、固体潤滑剤の外表面に固体潤滑剤よりも硬度の高い硬質粒子からなる硬質粒子層が配置されるので、相手部材と摺動する摺動初期に、硬質粒子のアブレシブ作用によって摺動面を早期になじませることができる。そして、硬質粒子がなくなることにつれて固体潤滑剤が凹部から摺動面に出て、摺動面に行き渡り固体潤滑層を形成することができるので、焼付きを抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、焼付きを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る摺動部材を示す模式平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図３】焼付き試験の結果を示す図である。
【図４】硬質粒子の硬さと焼付き荷重との関係を示す図である。
【図５】ディンプル径と焼付き荷重との関係を示す図である。
【図６】ディンプルの面積率と焼付き荷重との関係を示す図である。
【図７】硬質粒子層の厚さと焼付き荷重との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明に係る摺動部材の実施形態について説明する。図１は実施形態に係る摺動部材を示す模式平面図であり、図２は図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。本実施形態の摺動部材１は、金属母材２と、該金属母材２の一表面２ａに形成された複数のディンプル３とを備えている。金属母材２は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、鋳鉄、クロム鋼などの金属材料によって形成されている。表面２ａは摺動部材１が相手部材（図示せず）と摺動する摺動面になるので、以下の説明において該表面２ａを摺動面２ａと称する。
【００１２】
ディンプル３は、例えば略円柱状の空所からなり、円形状の開口３ａを有する。複数のディンプル３は、所定の規則で摺動面２ａに等間隔に配列されている。ディンプル３を形成する方法は、特に限定されず、機械的な形成方法、化学的な形成方法、或いはレーザなどの熱による形成方法であっても良い。
【００１３】
より具体的には、機械的な形成方法として、例えばサンドブラスト又はショットピーニングを利用してディンプルを形成することが挙げられる。化学的な形成方法として、例えば、複数の円孔が形成された樹脂フィルムをマスキング材として金属母材２の摺動面２ａに貼り付けた後に、円孔から露出した金属母材２をエッチング液でエッチングすることにより、ディンプル３を形成することが挙げられる。一方、レーザなどの熱による形成方法は、例えば摺動面２ａに直接レーザ光を照射し、金属母材２を溶融させることでディンプル３を形成することが挙げられる。
【００１４】
図２に示すように、ディンプル３には固体潤滑剤４が充填されている。固体潤滑剤４として、例えば二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、グラファイト（黒鉛）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化黒鉛（（ＣＦ）ｎ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二硫化タングステン（ＷＳ２）、メラミンシアヌレート（ＭＣＡ）などを用いることができる。
【００１５】
また、固体潤滑剤４の外表面には、該固体潤滑剤４よりも硬度の高い硬質粒子５からなる硬質粒子層５ａが配置されている。ここで、固体潤滑剤４の外表面は、固体潤滑剤４の表面のうち、ディンプル３の開口３ａに囲まれた部分を指す。図２に示すように、硬質粒子層５ａは、固体潤滑剤４を覆うように固体潤滑剤４の外側（図２では、固体潤滑剤４の上側）に形成されている。
【００１６】
そして、硬質粒子５として、例えば二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ホウ素（ＢＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などが挙げられる。
【００１７】
以上のように構成された摺動部材１では、固体潤滑剤４の外表面に固体潤滑剤４よりも硬度の高い硬質粒子５からなる硬質粒子層５ａが配置されるので、相手部材と摺動する摺動初期に、硬質粒子５のアブレシブ作用によって摺動面２ａを早期になじませることができる。また、硬質粒子５がなくなることにつれて固体潤滑剤４がディンプル３から摺動面２ａに出て、摺動面２ａに行き渡り固体潤滑層を形成することができるので、焼付きを抑制することができる。なお、ここでの「なじませる」とは、摺動面の粗さを小さくし、相手部材との当たりを良くすることを意味する。
【００１８】
そして、本実施形態では、ディンプル３の深さは２０μｍ以上であることが好ましい。これは、相手部材との摺動によって摺動面２ａが徐々に摩耗していくので、該摺動面２ａに固体潤滑剤４からなる固体潤滑層を確保するために必要な深さである。
【００１９】
また、ディンプル３の径は、以下の理由により０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。すなわち、ディンプル３の径が０．０５ｍｍ未満では、ディンプル３に充填された固体潤滑剤４がディンプル３から出難いので潤滑性不足を招いてしまう。一方、ディンプル３の径が０．５ｍｍを超えるとディンプル３の外周のエッジ部（言い換えれば、開口３ａの縁部）に高面圧が生じやすく、焼付きが発生しやすくなる。なお、本実施形態で述べる「径」は、直径のことを指す。
【００２０】
更に、ディンプル３の面積率は、以下の理由により１０％〜７０％であることが好ましい。すなわち、面積率が１０％未満では、固体潤滑剤４の量が少ないので、潤滑性不足を招いてしまう。一方、面積率が７０％を超えると、摺動面２ａの強度が不足となり、焼付きが発生しやすくなる。なお、ここでの面積率とは、摺動面２ａ全面積に対して全てのディンプル３の開口３ａの面積が占める比率のことを意味しており、言い換えれば、（全てのディンプル３の開口３ａの総面積）／（全てのディンプル３の開口３ａの総面積＋それ以外の実際に摺動する部分の面積）に相当するものである。
【００２１】
また、本実施形態では、硬質粒子５の粒径は１μｍ以下であることが好ましい。これは、硬質粒子５の粒径が１μｍを超えると、なじんだ摺動面２ａの粗さが大きくなってしまうので、焼付きが生じやすくなるからである。
【００２２】
また、硬質粒子５の硬さは１５００ＨＶ以上であることが好ましい。これは、硬質粒子５の硬さが１５００ＨＶ未満では、相手部材への攻撃性（例えば、相手部材の摺動面にある突起を削ること）が不十分となり、早期に摺動面２ａをなじませることが困難になるからである。
【００２３】
更に、硬質粒子５からなる硬質粒子層５ａの厚さは、以下の理由により、０．５μｍ以上且つ表面粗さ（最大高さＲｚ）以下であることが好ましい。すなわち、硬質粒子層５ａの厚さが０．５μｍ未満の場合、摺動面２ａのなじみ不足となる可能性がある。一方、硬質粒子層５ａの厚さを表面粗さ（最大高さＲｚ）以下としたのは、硬質粒子５によって初期の表面突起がなくなってなじめば、それ以降は硬質粒子５はない方が良く、ディンプル３に充填された固体潤滑剤４ができるだけ早く摺動面２ａに出て、摺動面２ａ全体に行き渡り、潤滑膜を形成させたいからである。
【００２４】
更に、本実施形態では、充填された固体潤滑剤４の厚さと硬質粒子層５ａの厚さとの和がディンプル３の深さと等しくなることが好ましい。これは、摺動初期から硬質粒子５を相手部材の摺動面と接触させ、早期に摺動面をなじませるためである。
【００２５】
以下、摺動部材１の製造方法を簡単に説明する。本実施形態の摺動部材１の製造方法は、主に、金属母材２の表面に複数のディンプル３を形成する第１工程と、ディンプル３に固体潤滑剤４及び硬質粒子層５ａを形成する第２工程とを含む。
【００２６】
第１工程では、上述の機械的な形成方法、化学的な形成方法、或いはレーザなどの熱による形成方法を用いて、金属母材２の表面（具体的には、摺動面となる表面）に複数のディンプル３を形成する。
【００２７】
第２工程では、固体潤滑剤４及び硬質粒子５をポリアミドイミド（ＰＡＩ）などの液体樹脂（３０ｗｔ％）に混合した状態で各ディンプル３に充填する。その際に、後に形成される硬質粒子層５ａが固体潤滑剤４を覆うように、硬質粒子５を固体潤滑剤４よりも外側に配置させて上述の充填作業を行う。次に、焼成によって充填した固体潤滑剤４及び硬質粒子５を固める。これによって、上述の構造を有する摺動部材１が製造される。
【００２８】
以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２９】
[実施例及び比較例]
実施例及び比較例では、摺動部材として上述のスタータのピニオンギアとドライブプレートギアとの摺動状態を想定し、表１に示す組み合わせで、摩擦摩耗試験用円筒試験片と平板試験片とを作製した。円筒試験片の諸条件として、内径が２０ｍｍ、外径が２５．６ｍｍ、高さが１７ｍｍ、表面粗さが１．５μｍＲｚであった。平板試験片の諸条件として、サイズが３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍ、表面粗さが１．５μｍＲｚであった。そして、円筒試験片及び平板試験片には、ともにＳＣｒ２０のクロム鋼に浸炭焼き入れ処理を施したものを用いた。なお、円筒試験片については、実施例及び比較例ともに同じものを用いた。
【００３０】
[実施例]
実施例に係る平板試験片は、実施形態の摺動部材と同じ構造を採用しており、ディンプルの深さ及び径並びに面積率が表１に示す通りである。そして、固体潤滑剤としてＭｏＳ２（厚さ１８．５μｍ）、硬質粒子として粒径１μｍのＡｌ２Ｏ３をそれぞれ用い、硬質粒子層の厚さが１．５μｍであった。なお、表１に記載の「研削」は、作製した円筒試験片及び平板試験片に対し、所定の表面粗さを確保するようにそれぞれの摺動面に研削加工を施したことを指す。
【００３１】
[比較例１〜３]
また、比較のため、作製した平板試験片に研削加工のみを施したもの（比較例１）、研削加工且つ深さ２０μｍのディンプルを形成したもの（比較例２）、研削加工、深さ２０μｍのディンプルを形成し、且つディンプルに厚さ２０μｍのＭｏＳ２（すなわち、固体潤滑剤）が充填されたもの（比較例３）をそれぞれ用意した。比較例２及び３に係るディンプルの径及び面積率は実施例と同じであった。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
次に、各組み合わせの円筒試験片及び平板試験片に対し、焼付き限界を求める焼付き試験を行った。焼付き試験ではリングオンディスク試験機を用いて、無潤滑、５００ｒｐｍ（０．６ｍ／ｓｅｃ）の条件下で２分間ごとに２５０Ｎずつ荷重を増加させ、摩擦係数が０．２以上となった時の荷重をもって焼付き荷重（Ｎ）とした。
【００３４】
図３は焼付き試験の結果を示す図である。図３から、比較例１〜３と比べて実施例の焼付き荷重が最も高いことが分かった。この結果により、本発明による焼付き抑制の効果が証明された。
【００３５】
[硬質粒子の硬さと焼付き荷重との関係]
また、本願発明者は、硬質粒子の硬さと焼付き荷重との関係について調査した。使用されたサンプルは、上述の実施例に係る試験片に対し、硬さの異なる８種類の硬質粒子（詳細は表２参照）を用いたものであった。そして、表２に示す各サンプルについて、上述の実施例と同じ焼付き試験を行った。
【００３６】
【表２】
2020112191.tif 000004
【００３７】
試験の結果を図４に示す。図４から、硬質粒子の硬さが１５００ＨＶ以上になると、焼付き荷重が高くなり、良好な耐焼付き性を得られることが分かった。これは、硬質粒子の硬さが１５００ＨＶ未満では相手部材への攻撃性（例えば、相手部材の摺動面にある突起を削ること）が不十分となり、早期に摺動面をなじませられなかったことが原因と考えられる。
【００３８】
[ディンプル径と焼付き荷重との関係]
続いて、本願発明者はディンプル径と焼付き荷重との関係について調査した。使用されたサンプルは、上述の実施例に係る試験片に対し、ディンプル径を変更したものであった（詳細は表３参照）。そして、表３に示す各サンプルについて、上述の実施例と同じ焼付き試験を行った。
【００３９】
【表３】
2020112191.tif 000005
【００４０】
試験の結果は図５に示す。図５から、ディンプル径が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲では、焼付き荷重が高くなり、良好な耐焼付き性を得られることが分かった。これは、０．０５ｍｍ未満ではディンプルに充填された固体潤滑剤がディンプルから出難いので潤滑性不足となり、０．５ｍｍを超えるとディンプル外周のエッジ部に高面圧が生じ、焼付きが発生しやすくなったと推察される。
【００４１】
[ディンプルの面積率と焼付き荷重との関係]
続いて、本願発明者はディンプルの面積率と焼付き荷重との関係について調査した。使用されたサンプルは、上述の実施例に係る試験片に対し、ディンプルの面積率を変更したものであった（詳細は表４参照）。そして、表４に示す各サンプルについて、上述の実施例と同じ焼付き試験を行った。
【００４２】
【表４】
2020112191.tif 000006
【００４３】
試験の結果は図６に示す。図６から、ディンプルの面積率が１０％〜７０％の範囲では、焼付き荷重が高くなり、良好な耐焼付き性を得られることが分かった。これは、１０％未満では固体潤滑剤の量が少ないので潤滑性不足となり、一方７０％を超えると摺動面の強度が不足となり、焼付きが発生しやすくなったと推察される。
【００４４】
[硬質粒子層の厚さと焼付き荷重との関係]
また、本願発明者は硬質粒子層の厚さと焼付き荷重との関係について調査した。使用されたサンプルは、上述の実施例に係る試験片に対し、硬質粒子層の厚さを変更したものであった（詳細は表５参照）。そして、表５に示す各サンプルについて、上述の実施例と同じ焼付き試験を行った。
【００４５】
【表５】
2020112191.tif 000007
【００４６】
試験の結果は図７に示す。図７から、硬質粒子層の厚さが０．５μｍ〜１．５μｍの範囲では、焼付き荷重が高くなり、良好な耐焼付き性を得られることが分かった。これは、０．５μｍ未満ではなじみ不足となり、一方１．５μｍを超えると摺動面の摩耗が大きくなるとともに固体潤滑剤が摺動面に出るまでに時間がかかるので、潤滑性不足となり、焼付きが発生しやすくなった推察される。
【００４７】
[耐久試験]
更に、本願発明者は、エンジン起動時に使用されるスタータのピニオンギアとドライブプレートギアからなるギア対を用いて、ピニオンギア側に上述した実施例（すなわち、研削＋ディンプル（深さ２０μｍ）＋ＭｏＳ２（厚さ１８．５μｍ）＋Ａｌ２Ｏ３（厚さ１．５μｍ））と同じ加工処理を行ったサンプルを適用した。更に、比較のために従来のピニオンギア（すなわち、加工処理を行っていないもの）も用いた。次に、作製した発明品と従来品について、スタートストップ連続耐久試験を実施した。
【００４８】
その結果として、従来品の場合は３万回で両ギアの歯面に焼付きが生じて異音が発生したのに対し、発明品の場合は７万回後でも焼付き及び異音の発生がなかった。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば摺動面に形成される凹部について、上述したディンプルに限定されず、溝などであっても良い。
【符号の説明】
【００５０】
１    摺動部材
２    金属母材
２ａ    摺動面
３    ディンプル
３ａ    開口
４    固体潤滑剤
５    硬質粒子
５ａ    硬質粒子層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020112191.tif 000013
【図７】
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