(57)【要約】【課題】  摺動皮膜の構成成分の混合比率を自由に制御することができる摺動皮膜の形成方法を提供すること。【解決手段】  相手部材に対して摺動し得る摺動部材１の摺動面２にＳｎをめっきし、次いで、摺動面２へ固体潤滑剤を投射することによって、摺動面２上に摺動皮膜７を形成する。Ｓｎをめっきする工程と、固体潤滑剤を投射する工程とが順次単独で実行されるため、各工程においてＳｎまたは固体潤滑剤の積層量を制御すれば、Ｓｎおよび固体潤滑剤の混合比率を自由に制御することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手部材に対して摺動し得る摺動部材の摺動面にＳｎをめっきし、次いで、前記摺動面へ固体潤滑剤を投射することによって、前記摺動面上に摺動皮膜を形成することを特徴とする、摺動皮膜の形成方法。
【請求項２】
前記摺動皮膜中の固体潤滑剤の含有量が３０重量％を超えるように、固体潤滑剤の投射時間を制御することを特徴とする、請求項１に記載の摺動皮膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動皮膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関用ピストンなどの摺動部材の摺動面は、各種表面処理によって形成される摺動皮膜で被覆されている。
皮膜を形成するための表面処理の手法として、例えば、炭素工具鋼からなるエキスパンダを前処理した後、Ｓｎ粒体とＭｏＳ２粒体とを含む噴射粒体をエキスパンダへ噴射することによって、エキスパンダの表面に潤滑性皮膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、Ｓｎ粒体とＭｏＳ２粒体とを含む噴射粒体をアルミ板へ噴射することによって、アルミ板の表面に潤滑性皮膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１６１３７１号公報
【特許文献２】特開２００６−３４２３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の方法では、Ｓｎ粒体とＭｏＳ２粒体とが互いに混じり合った状態で同時に噴射されるので、Ｓｎ粒体の噴射条件（噴射圧力、噴射速度、噴射時間など）と、ＭｏＳ２粒体の噴射条件とが同じとなる。
同じ噴射条件下では、相対的に比重の小さいＭｏＳ２粒体が、相対的に比重の大きいＳｎ粒体よりも摺動部材に付着し難い。そのため、噴射粒体中のＭｏＳ２粒体の混合比率を増加させても、形成される皮膜中のＭｏＳ２の混合比率は、その増加分に見合うように増加しない。したがって、噴射粒体中のＭｏＳ２粒体の混合比率を１００重量％とする場合を除いて、皮膜中のＭｏＳ２の混合比率の設計には制約が課される。
【０００６】
一方、摺動部材の使用目的や使用条件に応じて、皮膜の摩擦性能や耐焼付性を自由に設計したいという要望がある。皮膜の摩擦性能や耐焼付性の設計は、皮膜の構成成分の混合比率を調節することによって行なうことができるが、複数の粒体からなる噴射粒体を同時に噴射して皮膜を形成する従来法では、上記混合比率の制約から、構成成分の混合比率を自由に制御することが困難である。
【０００７】
本発明の目的は、摺動皮膜の構成成分の混合比率を自由に制御することができる摺動皮膜の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の摺動皮膜の形成方法は、相手部材に対して摺動し得る摺動部材の摺動面にＳｎをめっきし、次いで、前記摺動面へ固体潤滑剤を投射することによって、前記摺動面上に摺動皮膜を形成することを特徴としている。
また、本発明の摺動皮膜の形成方法では、前記摺動皮膜中の固体潤滑剤の含有量が３０重量％を超えるように、固体潤滑剤の投射時間を制御することが好適である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の摺動皮膜の形成方法によれば、摺動面にＳｎがめっきされ、その後、摺動面へ固体潤滑剤が投射されることによって摺動皮膜が形成される。Ｓｎをめっきする工程と、固体潤滑剤を投射する工程とが順次単独で実行されるため、各工程においてＳｎまたは固体潤滑剤の積層量を制御すれば、Ｓｎおよび固体潤滑剤の混合比率を自由に制御することができる。その結果、摺動部材の使用目的や使用条件に応じて、皮膜の摩擦性能や耐焼付性を自由に設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】摺動皮膜の形成方法の手順を示すフロー図である。
【図２】摩擦係数および焼付面圧の評価するための試験機の概略構成図である。
【図３】各実施例および各比較例の焼付面圧および摩擦係数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は摺動皮膜の形成方法の手順を示すフロー図である。
摺動皮膜を形成するには、まず、図１（ａ）に示すように、摺動部材１にＳｎめっきが施される。
摺動部材１は、各種動力機構において相手部材に対して摺動する部材であって、その用途に応じた形状に形成されており、相手部材に接する摺動面２を有している。なお、本実施形態では、図解し易くする目的で、略円盤状の摺動部材１とし、その上面を摺動面２としている。
【００１２】
摺動部材１の用途としては、例えば、ピストン、ピストンリング、カムシャフト、バルブリフター、シリンダライナ、コンロッド、クランクシャフト、ベアリング、軸受けメタル、チェーン、スプロケット、チェーンガイド、ギヤなどの自動車用途が挙げられる。また、自動車用途の摺動部材１と相手部材との組み合わせとしては、例えば、ピストンとシリンダライナ、軸受けメタルとクランクシャフトなどの組み合わせが挙げられる。
【００１３】
また、摺動部材１を構成する材料としては、摺動部材１の用途により異なるが、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス、銅、チタン、ジルコニウムなどの金属、例えば、セラミック、プラスチック、ガラスなどの非金属が挙げられる。なお、上記の材料には、例示した金属の合金が含まれ、例えば、アルミニウムには、ＡＣ２Ａ、ＡＣ３Ａ、ＡＣ４Ａ、ＡＣ８Ａなどの鋳物用アルミニウム合金、ＡＤＣ１、ＡＤＣ３、ＡＤＣ５、ＡＤＣ６などのダイカスト用アルミニウム合金などが含まれる。
【００１４】
Ｓｎめっきの方法としては、摺動部材１の構成材料により異なるが、例えば、電解錫めっき、無電解錫めっきなど、公知の錫めっき法が挙げられる。
そして、上記Ｓｎめっきによって、摺動部材１の摺動面２にＳｎめっき層３が形成される。Ｓｎめっき層３の厚さは、例えば、２〜１０μｍであり、好ましくは、６〜１０μｍである。Ｓｎめっき層３の厚さが上記範囲であれば、Ｓｎめっき層３へ固体潤滑剤を投射することによって、固体潤滑剤をＳｎめっき層３中に容易に混在させることができる。
【００１５】
なお、摺動部材１が非金属である場合は、Ｓｎめっき層３の形成に先立って、摺動面２に下地層を形成することが好ましい。下地層としては、例えば、無電解銅めっきなどによって形成されるＣｕめっき層などが挙げられる。下地層を形成しておくことによって、非金属摺動部材１の摺動面２上に、Ｓｎめっき層３を容易に形成することができる。
Ｓｎめっき層３の形成後、図１（ｂ）に示すように、摺動部材１の摺動面２へ固体潤滑剤が投射される。
【００１６】
固体潤滑剤としては、摺動部材１の用途により異なるが、例えば、黒鉛、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、硫化タングステン（ＷＳ２）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが挙げられる。これらは、単独使用または２種以上併用することができる。また、自動車用途の場合には、上記のうち、ＭｏＳ２が好ましい。
固体潤滑剤の投射には、例えば、直圧式エアブラスト装置、重力式エアブラスト装置、サイフォン式エアブラスト装置など、公知のエアブラスト装置４を用いることができる。
【００１７】
具体的には、エアブラスト装置４は、略円筒形のノズル５を備えている。ノズル５は、その軸方向に直交する方向に沿って揺動自在（スライド自在）に設置されている。ノズル５径Ｄ（直径）は、摺動部材１の用途や構成材料に応じて適宜定められる。
そして、エアブラスト装置４では、ノズル５に摺動面２を対向させた姿勢で摺動部材１をセットし、ノズル５を往復揺動させながら固体潤滑剤を噴射することによって、固体潤滑剤を摺動面２へ投射する。ノズル５を往復揺動させることによって、摺動面２全体にムラが少なく固体潤滑剤を投射することができる。
【００１８】
投射条件は、摺動部材１の用途により異なるが、例えば、自動車用途の場合には、投射圧力が、０．５〜１．５ＭＰａである。
また、ノズル５の先端６から摺動面２までの最短距離（投射距離ｄ）が、例えば、自動車用途の場合には、５〜５０ｍｍである。
また、揺動ストローク（往復揺動の折り返し点間の距離）が、例えば、自動車用途の場合には、１０〜８０ｍｍである
また、往復揺動の１分間の往復回数（揺動回転数）は、例えば、自動車用途の場合には、１００〜２５０ｃｐｍ（count per minute）である。
【００１９】
また、投射時間が、例えば、自動車用途の場合には、２０〜６０秒である。
以上の工程を経ることによって、図１（ｃ）に示すように、摺動部材１の摺動面２に摺動皮膜７が形成される。
以上のように、摺動皮膜７は、Ｓｎと固体潤滑剤とが分離して２層となることなく、Ｓｎと固体潤滑剤とが混在する１層として形成される。
【００２０】
摺動皮膜７の厚さは、摺動部材１の用途により異なるが、例えば、自動車用途の場合には、２〜１０μｍであり、好ましくは、６〜１０μｍである。
また、摺動皮膜７中の固体潤滑剤の含有量（混合比率）は、摺動部材１の用途により異なるが、例えば、自動車用途の場合には、３０重量％を超え、９０重量％以下である。
固体潤滑剤の含有量は、例えば、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）によって測定することができる。
【００２１】
ＥＰＭＡを用いて固体潤滑剤の含有量を測定するには、例えば、摺動皮膜７に電子線を照射し、それによって発生するＸ線強度を検出して、Ｓｎおよび固体潤滑剤を含む検出成分を定量分析する。
定量分析は、例えば、検出成分の総量から摺動部材１の成分（例えば、アルミニウムなど）を差し引いた値（基準値）を１００とし、基準値に対するＳｎの量を算出する。そして、基準値からＳｎの量を差し引いた値を固体潤滑剤の含有量と定義する。
【００２２】
また、摺動皮膜７の摩擦係数および焼付面圧は、摺動部材１の用途に応じて適宜定められる。例えば、自動車用途の場合には、摩擦係数が、０．０１０〜０．１０である。
摩擦係数および焼付面圧は、例えば、図２に示す構成の摩擦試験機８によって測定することができる。
摩擦試験機８は、摺動部材１を固定するための回転円盤９と、略円筒形の押圧リング１０とを備えている。このような構成を有する摩擦試験機の市販品としては、例えば、高千穂精機株式会社製  鈴木式摩擦試験機が挙げられる。
【００２３】
回転円盤９は、摺動部材１を固定した状態で、中心軸ａを回転軸として回転自在とされている。
押圧リング１０におけるリング状の一方面１１には、その中心から周面１２に至るまで径方向に延びる断面Ｕ字状の溝１３が形成されている。
また、押圧リング１０を構成する材料としては、例えば、相手部材の構成材料が挙げられ、例えば、上記した摺動部材１と同様の材料が挙げられる。例えば、摺動部材１が自動車用ピストン用途の場合には、押圧リング１０の構成材料には、シリンダライナの構成材料（例えば、鋳鉄）が適用される。
【００２４】
摩擦試験機８を用いて摩擦係数を測定するには、摺動面２を上方に向けた姿勢で摺動部材１を回転円盤９上に固定し、摺動部材１の摺動面２と押圧リング１０の一方面１１とが接触するように押圧リング１０をセットする。押圧リング１０は、周方向に回転しないように固定される。
次いで、押圧リング１０を回転円盤９の中心軸ａ下方へ押し込むことによって摺動面２を加圧しながら、回転円盤９を回転させる。また、摺動部材１の製品に即した結果を得る目的で、押圧リング１０の中空部分１４の他方面１５側から、摺動不良による焼き付きを防止するための液体潤滑剤を流し込む。流し込まれた液体潤滑剤は、自重によって一方側に達し、溝１３に沿って押圧リング１０の径方向外側へ流れ、回転円盤９の回転動作によって摺動部材１の摺動面２と押圧リング１０の一方面１１と接触部分に満遍なく供給される。
【００２５】
そして、摺動部材１の摺動面２と押圧リング１０一方面１１との間に発生する摩擦力を測定し、その摩擦力に基づいて摩擦係数を算出する。
摩擦試験の条件は、摺動部材１の用途により異なるが、押圧リング１０により加えられる圧力（試験面圧）が、例えば、自動車用途の場合には、２〜３０ＭＰａである。
また、回転円盤９の回転速度が、例えば、自動車用途の場合には、０．１０〜２．０ｍ／ｓである。
【００２６】
また、液体潤滑剤としては、例えば、自動車用ピストン用途の場合には、エンジンオイルが挙げられる。エンジンオイルの粘度グレードについては、そのピストンが適用される車種などに応じて適宜選択される。また、エンジンオイルを液体潤滑剤と使用する場合の油温は、ピストンの構成材料に応じて適宜定められる。
一方、焼付面圧を測定するには、例えば、上記摩擦係数の測定後、押圧リング１０から摺動部材１に加える圧力を徐々に増加させていき、摩擦係数が基準値以上になったとき、もしくは急激な発熱を伴なう磨耗量の著しい増加が発生したときの圧力値を、焼付面圧として測定する。
【００２７】
摩擦係数の基準値としては、摺動部材１の用途により異なるが、例えば、自動車用途の場合には、０．１〜０．３である。
以上説明した摺動皮膜の形成方法によれば、Ｓｎをめっきする工程と、固体潤滑剤を投射する工程とが順次単独で実行される。そのため、例えば、Ｓｎめっき工程におけるめっき時間、固体潤滑剤を投射する工程における投射時間などを調節することによって、Ｓｎおよび／または固体潤滑剤の積層量を制御すれば、摺動皮膜７中のＳｎおよび固体潤滑剤の混合比率を自由に制御することができる。その結果、摺動部材１の使用目的や使用条件に応じて、皮膜の摩擦性能や耐焼付性を自由に設計することができる。
【００２８】
このような摺動皮膜の形成方法は、自動車用途の摺動部材に限らず、各種動力機構に利用される摺動部材の皮膜形成に好適に利用することができる。
【実施例】
【００２９】
次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
実施例１
まず、無電解錫めっきによって、ＡＣ８Ａアルミニウム合金からなる試験用ディスク（上面の面積２０００ｍｍ２、厚さ０．５ｃｍ）の表面に、６μｍのＳｎめっき層を形成した。
【００３０】
次いで、エアブラスト装置（株式会社不二機販製）を用いて、ＭｏＳ２粒体（平均粒径３０μｍ以下）を試験用ディスクの上面へ投射した。以上の工程を経て、試験用ディスクの上面に、厚さ６μｍの皮膜を形成した。ただし、ＭｏＳ２の投射条件は、下記表１のように設定した。
【００３１】
【表１】
2010202915.tif 000003
【００３２】
実施例２
ＭｏＳ２粒体の投射時間を５秒にしたこと以外は実施例１に従い、無電解錫めっきをする工程と、ＭｏＳ２粒体を投射する工程とを実行することによって、試験用ディスクの上面に、厚さ６μｍの皮膜を形成した。
比較例１
無電解錫めっきをしなかったこと以外は実施例１に従い、ＭｏＳ２粒体を投射する工程を実行することによって、試験用ディスクの上面に、ＭｏＳ２のみからなる、厚さ３μｍの皮膜を形成した。
比較例２
ＭｏＳ２粒体を投射しなかったこと以外は実施例１に従い、無電解錫めっきをする工程を実行することによって、試験用ディスクの上面に、Ｓｎのみからなる、厚さ６μｍの皮膜を形成した。
評価試験
（１）ＥＰＭＡ分析
ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製  ＪＸＡ８８００Ｒ）を用いて、各実施例の皮膜に電子線を照射し、皮膜における構成成分の分布状態を示すＳＥＭ画像を撮影した。このＳＥＭ画像を観察することによって、皮膜の断面解析を行なった。
【００３３】
ＳＥＭ画像によると、いずれの実施例においても、皮膜中にＭｏ元素およびＳ元素が混在していることが確認された。
また、ＳＥＭ画像におけるＸ線強度に基づいて、各成分の定量分析を行なった。具体的には、検出された構成成分の総量から試験用ディスクのＡｌ成分を差し引いた値（基準値）を１００とし、基準値に対するＳｎの量を算出した。そして、基準値からＳｎの量を差し引いた値をＭｏＳ２の量と定義した。その結果、各実施例の皮膜には、下記表２に示す混合比率でＳｎおよびＭｏＳ２が含まれていることが確認された。
【００３４】
【表２】
2010202915.tif 000004
【００３５】
（２）摩擦係数および焼付面圧の測定
摩擦試験機（高千穂精機株式会社製  鈴木式摩擦試験機）を用いて、各実施例および各比較例の皮膜の摩擦係数を測定した。ただし、摩擦試験機の測定条件は、下記表３のように設定した。
【００３６】
【表３】
2010202915.tif 000005
【００３７】
摩擦係数の測定後、試験面圧を徐々に増加させていき、摩擦係数が０．２以上となったときの面圧を焼付面圧とした。得られた結果を図３および表４に示す。
【００３８】
【表４】
2010202915.tif 000006
【００３９】
図３および表４によると、無電解錫めっきをする工程と、ＭｏＳ２を投射する工程とを順次単独で実行することによって得られた皮膜では、ＭｏＳ２の投射時間を調節するなどしてＳｎまたはＭｏＳ２の積層量を制御することによって、Ｓｎのみからなる皮膜とＭｏＳ２のみからなる皮膜との間の特性を発現できることが確認された。すなわち、皮膜の摩擦係数および焼付面圧を、ＳｎまたはＭｏＳ２の積層量を制御することによって自由に設計できることが確認された。
【符号の説明】
【００４０】
１    摺動部材
２    摺動面
７    摺動皮膜
【図１】
2010202915.tif 000007
【図２】
2010202915.tif 000008
【図３】
2010202915.tif 000009