(57)【要約】【課題】摺動部材の製造方法を提供する。【解決手段】摺動部材の製造方法では、樹脂及び扁平状の固体潤滑剤粒子を含むコーティング剤を基材の表面に塗布し、前記コーティング剤が塗布された前記基材を、前記基材の表面に平行な方向に振動させ、振動させた前記基材上の前記コーティング剤を固化する。前記振動は、周波数が２０〜１００ｋＨｚであり、周波数と振幅の積が５０ｋＨｚ・μｍ以上である正弦波振動である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動部材の製造方法であって、
樹脂及び扁平状の固体潤滑剤粒子を含むコーティング剤を基材の表面に塗布することと、
前記コーティング剤が塗布された前記基材を、前記基材の表面に平行な方向に振動させることと、
振動させた前記基材上の前記コーティング剤を固化することとを含み、
前記振動が、周波数が２０〜１００ｋＨｚであり、周波数と振幅の積が５０ｋＨｚ・μｍ以上である正弦波振動である、摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃費規制が強化される中、自動車用エンジンの熱効率向上は非常に重要である。熱効率向上のために、エンジンの各部品の表面に対して低摩擦化処理が行われている。例えば、バルブリフタへのダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜の適用、ピストンスカートへの樹脂コーティングの適用、ピストンリングへのＣｒＮ／ＤＬＣ膜の適用などが行われている。
【０００３】
特許文献１には、バインダー樹脂中に固体潤滑剤が分散した樹脂コーティング層を有する摺動部材が記載されている。特許文献１によれば、固体潤滑剤のｃ軸配向率を高くすることで、摺動面の摩擦係数を低減し、耐焼付き性を向上できる。
【０００４】
特許文献２には、樹脂ボンド型永久磁石の成形において、金型中の磁性粉末充填率を向上させるために、プレス成型時に超音波振動を付与することが記載されている。磁性粉末とバインダーとを複合化させた原料粉末（コンパウンド粉末）が超音波振動により加熱され、バインダー樹脂が溶融又は粘度低下することで金型にコンパウンド粉末が均一充填される。磁性粉末として磁気異方性の磁性粉末を用いた場合、超音波振動の付与により磁性粉末の回転が容易となり配向度が向上するため、磁気特性を改善できる。
【０００５】
特許文献３には、複数の空孔を有する弾性層を備える加圧ロールが記載されている。複数の空孔は扁球状であり、空孔の長径は弾性層の径方向に配向している。このような加圧ロールの製造方法は、シリコーンゴムに扁球状のフィラーを配合して得た弾性材料を円筒金型に注入し、円筒金型をシリコーンゴムの硬化温度付近に加熱しながら回転させることを含む。特許文献３によれば、金型を回転させる際に、円筒金型の外周に設けた超音波振動装置により弾性材料に超音波振動を印加することにより、弾性材料中の扁球状フィラーを円筒金型の径方向に整列させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−０３１９８７号公報
【特許文献２】特開平８−１７０１０５号公報
【特許文献３】特開２０１４−２３８５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の摺動部材では、コーティング層の厚さを大きくすることで固体潤滑剤のｃ軸配向率を高めている。しかし、摺動部材の用途によってはコーティング層の厚さを大きくできない場合がある。
【０００８】
そこで本発明は、コーティング層の厚さに関わらず小さい摩擦係数を有する摺動部材を製造する方法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】
【０００９】
本発明の一態様に従えば、摺動部材の製造方法であって、樹脂及び扁平状の固体潤滑剤粒子を含むコーティング剤を基材の表面に塗布することと、前記コーティング剤が塗布された前記基材を、前記基材の表面に平行な方向に振動させることと、振動させた前記基材上の前記コーティング剤を固化することとを含み、前記振動が、周波数が２０〜１００ｋＨｚであり、周波数と振幅の積が５０ｋＨｚ・μｍ以上である正弦波振動である、摺動部材の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の製造方法により製造される摺動部材は、コーティング層の厚さに関わらず低摩擦係数を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】摺動部材の製造方法のフローチャートである。
【図２】振動工程を説明する概念図である。
【図３】製造された摺動部材の模式的な断面図である。
【図４】実施例における摩擦係数測定方法を説明する概念図である。
【図５】振動の周波数と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図６】振動の周波数と振幅の積と、摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図７】固体潤滑剤粒子の添加量と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図８】固体潤滑剤粒子の種類及び振動の有無による摩擦係数の違いを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
摺動部材の製造方法の実施形態を説明する。摺動部材の製造方法は、図１に示すように、樹脂及び扁平状の固体潤滑剤粒子を含むコーティング剤を基材の表面に塗布すること（Ｓ１）と、前記コーティング剤が塗布された前記基材を、前記基材の表面に平行な方向に振動させること（Ｓ２）と、振動させた前記基材上の前記コーティング剤を固化すること（Ｓ３）とを含む。以下、各工程について順に説明する。
【００１３】
（１）塗布（Ｓ１）
まず、固体潤滑剤粒子と樹脂を混合して、コーティング剤を調製する。固体潤滑剤粒子は、摺動部材の摩擦係数を低減するとともに耐焼付き性を向上させるために用いる。固体潤滑剤粒子は、層状の結晶構造を有する材料から構成される。このような材料として、例えば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、グラフェンが挙げられる。これらは１種のみを単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。これらの材料は、結晶の層に平行な方向に摩擦すると、層間の結合が弱いために層間で滑りを発生する。そのため、これらの材料は低摩擦係数を示す。
【００１４】
固体潤滑剤粒子は、扁平状の形状を有する。ここで、扁平状とは、投影面積が最大となる面（以下適宜「扁平面」と称する）の円相当径が、扁平面に垂直な方向の長さ（厚み）の最大値よりも大きいことを意味する。例えば、固体潤滑剤粒子は、フレーク状、鱗片状、板状、薄片状であってよい。固体潤滑剤粒子の厚み方向は、固体潤滑剤粒子を構成する材料の結晶のｃ軸と略等しい。すなわち、固体潤滑剤粒子の扁平面は、固体潤滑剤粒子を構成する材料の結晶の層と略平行である。
【００１５】
樹脂は、固体潤滑剤粒子を結合するバインダーとして用いられる。樹脂としては耐熱性の樹脂を用いる。樹脂は、好ましくは１００℃以上、より好ましくは１５０℃以上の熱変形温度を有する。例えば、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリフェニルサルファイド樹脂を用いることができる。
【００１６】
固体潤滑剤粒子及び樹脂に加えて、樹脂を溶解するための溶媒を混合してよい。溶媒は、使用する樹脂に応じて適宜選択される。例えば、樹脂としてポリアミドイミド樹脂を用いる場合、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ−エチルピロリドン（ＮＥＰ）、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン（ＤＭＩ）、γ−ブチルラクトン（ＧＢＬ）等を用いることができる。樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合は、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、トルエン等を用いることができる。
【００１７】
さらに、アルミナ、シリカ等の硬質粒子を添加してもよい。また、添加剤を混合してもよい。添加剤としては、金属清浄剤、酸化防止剤、耐摩耗剤、錆止め剤、抗乳化剤、極圧剤、摩擦調整剤等が挙げられる。
【００１８】
次いで、調製したコーティング剤を基材の表面に塗布して、基材の表面をコーティング剤で被覆する。
【００１９】
基材は、各種装置の摺動部品に用いられるものであれば特に限定されず、任意の材料から構成された任意の形状の基材を用いてよい。例えば、金属系基材、セラミックス系基材、プラスチック系基材、ゴム系基材を用いてよい。基材には必要に応じて表面処理を行なってもよい。
【００２０】
塗布方法は特に限定されない。例えば、スプレーコート法等を用いてよい。
【００２１】
（２）振動（Ｓ２）
次いで、コーティング剤で被覆した基材を振動させる。基材を振動させる方法は特に限定されないが、例えば、図２に示すように、基材１０の裏面（コーティング剤３０で被覆した表面１０ａに対向する面）１０ｂに取り付けた、交流電源９０に電気的に接続されたアクチュエータ７０によって、基材１０を振動させてよい。
【００２２】
図２中、基材１０の振動方向を両矢印で表している。基材１０の振動方向は基材１０の表面１０ａに平行である。なお、本願において、「基材を基材の表面に平行な方向に振動させる」とは、基材の表面に対して−１０°〜１０°の範囲内の角度をなす方向に基材を振動させることを意味するものとする。
【００２３】
基材１０の振動は、正弦波振動（単振動）である。振動の周波数は、２０〜１００ｋＨｚであり、好ましくは２０〜８０ｋＨｚである。また、振動の周波数と振幅の積は５０ｋＨｚ・μｍ以上である。後述する実施例で示すように、振動の周波数及び振幅を前記条件を満たす値にすることにより、製造される摺動部材の摩擦係数を十分に小さくすることができる。
【００２４】
基材１０を振動させる前には固体潤滑剤粒子は特定の配向を持たずにランダムな向きを向いていてよい。振動工程（Ｓ２）においてコーティング剤３０中の樹脂は流動性を有しており、振動印加により固体潤滑剤粒子の向きが変わって固体潤滑剤粒子が所定の方向に配向する。固体潤滑剤粒子は、厚み方向（ｃ軸方向）が基材１０の表面１０ａに略直交するように（すなわち、固体潤滑剤粒子の扁平面が基材１０の表面１０ａと略平行となるように）配向する。
【００２５】
（３）固化（Ｓ３）
次いで、コーティング剤を固化する。例えば、加熱によりコーティング剤中の溶媒を除去することによりコーティング剤を固化させることができる。それによりコーティング剤中の樹脂の流動性がなくなり、固体潤滑剤粒子が配向した状態で固定される。
【００２６】
以上により、図３に示すような摺動部材１００が得られる。摺動部材１００は、基材１０と、基材１０の表面１０ａを被覆するコーティング層５０を有する。コーティング層５０は、固化したコーティング剤からなる層である。コーティング層５０は、樹脂５２、及び樹脂５２中に分散した固体潤滑剤粒子５４を有する。固体潤滑剤粒子５４は、扁平面が基材１０の表面１０ａに略平行になるように配向している。コーティング層５０の厚さは特に限定されないが、例えば、３〜２０μｍ、特に５〜１５μｍとしてよい。コーティング層５０の表面５０ａが、摺動部材１００の摺動面（他の部材により摩擦される面）となる。コーティング層５０の表面５０ａを摩擦すると、固体潤滑剤粒子５４の結晶の層間で滑りが発生するため、低摩擦係数が得られる。また、後述の実施例で示すように、従来よりも少ない固体潤滑剤粒子の使用量で十分な摩擦低減効果を得ることができるため、固体潤滑剤の使用量を低減させることもできる。固体潤滑剤の使用量の低減により、摺動部材の耐摩耗性の向上及び製造コストの低減が可能となる。
【００２７】
製造される摺動部材は、他の部材に対して摺動する種々の機械部品として使用できる。具体的には、湿式クラッチ、エンジンのピストン、ギヤ、スプライン、すべり軸受、ワッシャー、動弁系部品等が挙げられる。摺動部材は、潤滑油を用いた湿式条件にて他の部材に対して摺動させてよい。
【００２８】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記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。
【実施例】
【００２９】
以下に本発明の内容を実施例及び比較例により具体的に説明するが、本発明はこれらによって制限されるものではない。
【００３０】
実施例１〜１７、比較例１〜１０
ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂を溶媒（Ｎ−エチル−２−ピロリドン（ＮＥＰ））に溶解した。得られたＰＡＩ樹脂の溶液に固体潤滑剤粒子を加えた。固体潤滑剤粒子の材料及び添加量は、表１に記載のとおりとした。なお、ＭｏＳ２からなる固体潤滑剤粒子及びＢＮからなる固体潤滑剤粒子はいずれも扁平状の形状を有していた。得られた混合物をニーダーで１時間混練し、コーティング剤を得た。
【００３１】
鋳造アルミＡＣ８Ａからなるプレート状の基材をアクチュエータに取り付け、基材の表面にスプレーコート法によりコーティング剤を塗布した。次いで、アクチュエータにより基材の表面に平行な方向に基材を正弦波振動させた。振動の周波数及び振幅は表１に記載の値とした。その後、基材を１８０℃で９０分間加熱することにより、基材上のコーティング剤中の溶媒を揮発させてコーティング剤を乾燥させた。それにより、基材上にコーティング層が形成された、テストピースを得た。コーティング層の厚さは表１に記載の値であった。
【００３２】
比較例１１〜２０
固体潤滑剤粒子の材質及び添加量を表１に記載のとおりとして、実施例１と同様にコーティング剤を得た。なお、比較例１７、１９で用いたグラファイトからなる固体潤滑剤粒子及び比較例１８、２０で用いたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる固体潤滑剤粒子はいずれも、一次粒子が集合した略球状の二次粒子であった。実施例１と同様にして基材にコーティング剤を塗布した。次いで、比較例１９、２０では、実施例１と同様にしてアクチュエータにより基材を正弦波振動させた。振動の周波数及び振幅は表１に記載の値とした。比較例１１〜１８では、アクチュエータによる基材の振動は行わなかった。次いで、比較例１１〜２０の基材を、実施例１と同様にして加熱して、基材上のコーティング剤中の溶媒を揮発させてコーティング剤を乾燥させた。それにより、基材上にコーティング層が形成された、テストピースを得た。コーティング層の厚さは表１に記載の値であった。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
摩擦特性評価
図４に示すようにしてテストピースの平均摩擦係数を評価した。具体的には、容器１１０にエンジンオイル１３０を入れ、該エンジンオイル１３０中で、各実施例及び比較例のテストピースのコーティング層５０に直径１０ｍｍのＳＵＪ２からなる軸受球１５０を荷重１０Ｎで押し付けながら、摺動速度２Ｈｚ（最大０．１ｍ／ｓ）で５０回往復摺動させた。それにより、コーティング層の平均摩擦係数を求めた。
【００３５】
実施例１〜１０及び比較例１〜８から得られた、振動周波数と摩擦係数の関係を図５に示す。実施例１〜１０及び比較例１〜８では、周波数と振幅の積を２００〜２５０ｋＨｚ・μｍとすることで振動の投入エネルギーを略一定とした。図５中の破線は、基材を振動させなかった比較例１２の摩擦係数を表している。図５より、周波数により摩擦係数が大きく異なることが分かった。コーティング層の厚さが５〜１５μｍのいずれの場合においても、周波数が２０〜１００ｋＨｚの場合、０．０５以下の摩擦係数が得られ、周波数が２０〜８０ｋＨｚの場合、０．０４以下のより小さい摩擦係数が得られた。特に、周波数を５０ｋＨｚとした実施例２、６、９では、振動を印加しなかった比較例１２と比べて、摩擦係数を半減させることができた。周波数２０〜１００ｋＨｚの帯域は超音波帯域であり、可聴音帯域と比べてエネルギーが高い。そのため、コーティング剤中の固体潤滑剤粒子の配向性を高めることができ、その結果コーティング層の摩擦係数が小さくなったと考えられる。周波数が１００ｋＨｚを超えると、出力振幅を高めることが難しく、結果として十分な投入エネルギーを得ることができなかったため、コーティング剤中の固体潤滑剤粒子の配向性を十分に高めることができなかったと考えられる。
【００３６】
実施例２、１１、１２及び比較例９、１０から得られた、振動の周波数と振幅の積と、摩擦係数との関係を図６に示す。実施例２、１１、１２及び比較例９、１０では、周波数を一定（５０ｋＨｚ）とし、振幅を変化させることにより、振動の周波数と振幅の積を変化させた。図６中の破線は、基材を振動させなかった比較例１２の摩擦係数を表している。図６に示されるように、周波数と振幅の積が５０ｋＨｚ・μｍ以上の場合に高い摩擦係数低減効果が得られ、２００ｋＨｚ・μｍ以上の場合に特に高い摩擦係数低減効果が得られた。
【００３７】
実施例２及び１３〜１６、並びに比較例１１〜１５から得られた、固体潤滑剤粒子の添加量と摩擦係数との関係を図７に示す。図７中、振動を印加した実施例２及び１３〜１６の摩擦係数が〇で表され、振動を印加しなかった比較例１１〜１５の摩擦係数が×で表されている。一般に、固体潤滑剤粒子の添加量が多いほど小さい摩擦係数が得られることが知られている。図７によれば、振動を印加しない場合、０．０４以下の摩擦係数を達成するためには５０ｗｔ％以上の固体潤滑剤粒子が必要であったが、振動を印加する場合は２０ｗｔ％の固体潤滑剤粒子で０．０４以下の摩擦係数を達成できた。すなわち、振動を印加することで、固体潤滑剤粒子の使用量を大幅に低減させることができる。さらに、振動印加により従来以上の摩擦低減効果も期待される。
【００３８】
図８は、実施例２及び１７、並びに比較例１２及び１６〜２０に基づき、固体潤滑剤粒子の種類及び振動の有無による摩擦係数の違いを示したグラフである。固体潤滑剤粒子としてＭｏＳ２又はＢＮの粒子を用いた場合、振動の印加により摩擦係数が大きく低減したが、グラファイト又はＰＴＦＥの粒子を用いた場合は、振動の印加による摩擦係数の低減量は小さかった。これは以下の理由によるものと考えられる。ＭｏＳ２又はＢＮからなる固体潤滑剤粒子は扁平状の形状を有していたため、基材の振動により、結晶のｃ軸（固体潤滑剤粒子の厚さ方向）が基材表面に略直交するように配向し、その結果、固体潤滑剤粒子の結晶の層が基材の表面に略平行に配向した。そのため、基材の表面に平行な方向の摺動に対する摩擦が小さくなった。一方、グラファイトからなる固体潤滑剤粒子は略球状の形状を有していたため、基材を振動させても特定の方向に配向せず、グラファイトのｃ軸がランダムな方向に向いていた。そのため、振動の印加による摩擦係数の低減は小さかった。ＰＴＦＥからなる固体潤滑剤粒子も略球状の形状であったため、振動により特定の方向に配向せず、振動の印加による摩擦係数の低減は小さかった。
【符号の説明】
【００３９】
１０：基材、３０：コーティング剤、５０：コーティング層、５２：樹脂、５４：固体潤滑剤粒子、７０：アクチュエータ、９０：交流電源、１００：摺動部材、１１０：容器、１３０：エンジンオイル、１５０：軸受球
【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】
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【図７】
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【図８】
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