(57)【要約】【課題】摩擦係数が小さく、且つ耐摩耗性に優れた被膜を容易且つ迅速に形成することができる表面処理方法を提供する。【解決手段】金属粉末若しくは金属化合物の粉末を成形した成形体、又は前記成形体を加熱処理した成形体を電極とし、油中において前記電極と被加工物との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって電極材料又は電極材料の反応生成物の被膜を前記被加工物の表面に形成する第１の放電表面処理工程と、前記第１の放電表面処理工程において形成された被膜の表面に、前記第１の放電表面処理工程における放電エネルギーよりも小さな放電エネルギーによって電極材料又は電極材料の反応生成物の被膜を形成する第２の放電表面処理工程と、前記第１及び第２の放電表面処理工程において形成された被膜の表面に固体潤滑被膜を形成する固体潤滑被膜形成工程とを含むことを特徴とする表面処理方法とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末若しくは金属化合物の粉末を成形した成形体、又は前記成形体を加熱処理した成形体を電極とし、油中において前記電極と被加工物との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって電極材料又は電極材料の反応生成物の被膜を前記被加工物の表面に形成する第１の放電表面処理工程と、
前記第１の放電表面処理工程において形成された被膜の表面に、前記第１の放電表面処理工程における放電エネルギーよりも小さな放電エネルギーによって電極材料又は電極材料の反応生成物の被膜を形成する第２の放電表面処理工程と、
前記第１及び第２の放電表面処理工程において形成された被膜の表面に固体潤滑被膜を形成する固体潤滑被膜形成工程と
を含むことを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】
前記固体潤滑被膜は、前記第１及び第２の放電表面処理工程において形成された被膜の表面に、固体潤滑剤を含む樹脂組成物をスプレー塗布することによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
【請求項３】
前記固体潤滑剤が、ＭｏＳ２、グラファイト及びフッ素樹脂からなる群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項２に記載の表面処理方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面処理方法により形成された被膜を有す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、表面処理方法、及びその表面処理方法により形成された被膜を有する摺動部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の表面処理方法として、固体潤滑剤を４０質量％以下含有した圧粉体の電極を用い、加工液中又は気中において、電極と被加工物の間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって固体潤滑剤を含有する被膜を形成する放電表面処理方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この放電表面処理方法によれば、固体潤滑剤を被膜に含有させることができるので、固体潤滑剤が有する固体潤滑作用を被膜に付与することができる。さらに、この放電表面処理方法によれば、高硬度の被膜を形成することもできる。
一方、固体潤滑剤を含有した樹脂組成物を被加工物の表面に塗布することによって、固体潤滑作用のある被膜を形成することも知られている。
【特許文献１】特開２００６−３２２０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の放電表面処理方法では、固体潤滑剤からなる部分と、それ以外の成分からなる部分とが被膜に分布するため、固体潤滑剤以外の成分からなる部分が被膜の表面に露出した場合には、その露出部の摩擦係数が大きくなり、被膜全体の摩擦係数を十分に低下させることができない。さらに、放電表面処理方法によって形成された被膜は、高硬度であるものの、脆いため、熱による引張や圧縮等の繰返し応力が作用する環境下では剥離してしまう。また、このような高硬度の被膜を有する摺動部材では、相手側部材の硬度が低いと、その相手側部材を摩耗させてしまうこともある。
一方、固体潤滑剤を含有した樹脂組成物を塗布する方法では、被加工物と被膜との接合強度を確保するために、樹脂組成物の塗布前に被加工物の表面をショットブラスト等の機械的加工によって荒らして接合面積を増大させる必要がある。そのため、ショットブラストを行うにあたってマスキング等の工程が増加し、コストアップや生産性が低下してしまう。さらに、この方法では、高硬度の被膜を形成することができないので、低硬度のＡｌやＣｕ等を被加工物として使用することが難しい。
【０００４】
本発明は、上記のような問題を解消するためになされたものであり、摩擦係数が小さく、且つ耐摩耗性に優れた被膜を容易且つ迅速に形成することができる表面処理方法を提供することを目的とする。また、本発明は、摺動部材の相手側部材の摩耗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】
【０００５】
本発明者等は、上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、放電表面処理を第１の放電表面処理工程及び第２の放電表面処理工程の２段階に分け、第２の放電表面処理工程の放電エネルギーを第１の放電表面処理工程の放電エネルギーよりも小さくして放電表面処理することにより、低硬度のＡｌやＣｕ等を被加工物として使用する場合であっても高硬度の被膜を形成して耐磨耗性を確保することができると共に、ショットブラスト等の機械的加工を行わなくても表面粗度（Ｒｙ）が数μｍ〜数十μｍの凹凸を有する被膜を迅速且つ容易に形成し、その被膜表面に形成される固体潤滑被膜との接合強度を増大させることができることを見出した。さらに、上記放電表面処理によって形成された被膜の表面に固体潤滑被膜を形成することにより、低硬度のＡｌやＣｕ等を被加工物として使用する場合であっても、摩擦係数が小さく、且つ耐摩耗性に優れた被膜を形成することができることを見出した。
【０００６】
すなわち、本発明は、金属粉末若しくは金属化合物の粉末を成形した成形体、又は前記成形体を加熱処理した成形体を電極とし、油中において前記電極と被加工物との間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって電極材料又は電極材料の反応生成物の被膜を前記被加工物の表面に形成する第１の放電表面処理工程と、前記第１の放電表面処理工程において形成された被膜の表面に、前記第１の放電表面処理工程における放電エネルギーよりも小さな放電エネルギーによって電極材料又は電極材料の反応生成物の被膜を形成する第２の放電表面処理工程と、前記第１及び第２の放電表面処理工程において形成された被膜の表面に固体潤滑被膜を形成する固体潤滑被膜形成工程とを含むことを特徴とする表面処理方法である。
また、本発明は、上記表面処理方法により形成された被膜を有することを特徴とする摺動部材である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、摩擦係数が小さく、且つ耐摩耗性に優れた被膜を容易且つ迅速に形成することができる表面処理方法を提供することができる。また、本発明によれば、摺動部材の相手側部材の摩耗を抑制することができる摺動部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
まず、放電表面処理の原理について図１を用いて説明する。図１は、放電表面処理に用いる放電表面処理装置の断面模式図である。
放電表面処理では、金属粉末若しくは金属化合物の粉末を成形した成形体、又はこの成形体を加熱処理した成形体を電極１として用い、その電極１を、主軸３と連結された電極支持具２で固定し、石油系の加工液７で満たされた加工槽８に設置した被加工物（母材）９と所定間隙離間して配置する。そして、電極１を陰極、被加工物９を陽極とし、両者が接触しないように主軸３はボールネジ４とモータ５でサーボを取りつつ、両者間に放電電源６で電圧を印加し、放電を発生させる。
放電の熱により被加工物９及び電極１は溶融・気化され、気化により発生する爆風や静電気力によって、溶融した電極１の一部（溶融粒子）を被加工物９の表面に輸送する。そして、溶融した電極１の一部が被加工物９の表面に到達すると、再凝固し被膜となる。
【０００９】
次に、本実施の形態の表面処理方法について図２〜４を用いて説明する。図２は、本実施の形態の表面処理方法によって被加工物９の表面に形成される被膜を説明するための断面模式図である。図３及び図４は、本実施の形態の放電表面処理工程において被加工物９の表面に形成される被膜を説明するための放電処理装置の電極１及び形成される被膜の一部の断面模式図である。
本実施の形態の表面処理方法では、放電表面処理工程を行った後に、固体潤滑被膜形成工程を行う。
本実施の形態の放電表面処理工程は、軸受、軸、エンジンのシリンダ内壁等の摺動部材である被加工物９の耐摩耗性（硬度）を向上させるために行う。そのため、硬度が低いＡｌやＣｕ等を被加工物９として使用することが可能となる。また、本実施の形態の放電表面処理工程により得られる被膜１０は、下記で詳述する固体潤滑被膜形成工程による固体潤滑被膜１２との接合強度に優れているので、硬度が比較的高い材料を被加工物９として使用する場合にも有効である。
【００１０】
被膜１０としては、特に限定されることはなく、被膜１０に要求される耐摩耗性に応じて適宜選択すればよい。この被膜１０の耐摩耗性は、放電表面処理装置に用いる電極１の種類を変えることによって調整することができる。また、被膜１０の厚さは、使用環境や用途等に応じて適宜設定すればよく、一般に０．１〜０．３ｍｍである。
耐摩耗性を有する被膜１０を与える電極１は、金属粉末若しくは金属化合物の粉末を成形した成形体、又はこの成形体を加熱処理した成形体であり、当該技術分野において公知である。具体的には、電極１に用いられる金属若しくは金属化合物として、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｇ、又は前記金属を主成分とする合金等が挙げられる。
【００１１】
例えば、Ｃｏ粉末及びＦｅ粉末を含む成形体を電極１として用いた場合、放電表面処理によってＣｏ及びＦｅを含む被膜１０を被加工物９の表面に形成することができる。この被膜１０は、放電表面処理工程中に加工液７が分解されて生じたＣとＣｏやＦｅとが反応して生成した金属間化合物や、Ｃを含有する合金から構成される膜であり、Ｃｏ単独の被膜やＦｅ単独の被膜に比べて高硬度である。この被膜１０のビッカース硬度は、３００ＨＶ〜８００ＨＶであり、鉄鋼材料と同程度の硬度を有する。この被膜１０を有する摺動部材とすれば、摺動部材の相手側部材が鉄鋼材料である場合に、摺動部材が鉄鋼材料と同程度の硬度を有するので、相手側部材の摩耗も抑制できることとなる。
【００１２】
低硬度のＡｌやＣｕ等を被加工物９として使用する場合、高硬度の被膜１０の厚さは、摩擦による剪断力のピークが被膜１０の内部に位置するように決定される。例えば、弾性変形領域における剪断力のピークは、表面から深さｚｍに位置し、以下の式で見積もられる。
ｚｍ＝０．４７ａ
式中、ａは摺動面の接触半径である。
一般的な使用環境においては、剪断力のピークが、表面から深さ０．１ｍｍ〜０．３ｍｍであれば十分である。仮に摩擦による剪断力のピークが被加工物９中に位置すると、被膜１０が剥離せずとも、低硬度の被加工物９から剥離してしまう。摩擦による剪断力のピークを被膜１０中に位置させることで、高硬度の被膜１０で剪断力を保持できるようになる。
【００１３】
放電表面処理工程において形成される被膜１０の表面には凹凸１１が形成される。この表面の凹凸１１のＲｙが大きすぎると、摩擦係数が大きくなり、この被膜１０を形成した摺動部材の相手側部材の摩耗が増大する等の問題が生じる。一方、表面の凹凸１１のＲｙが小さすぎると、下記で詳述する固体潤滑被膜形成工程によって得られる固体潤滑被膜１２と被膜１０との結合力が小さくなり、固体潤滑被膜１２が簡単に剥離する等の問題が生じる。従って、これらの問題を防止すべく、放電表面処理工程において形成される被膜１０の表面の凹凸１１のＲｙを数μｍ〜数十μｍ、具体的には５μｍ〜２０μｍの範囲とする必要がある。
【００１４】
本実施の形態の放電表面処理工程では、Ｒｙが数μｍ〜数十μｍの範囲の凹凸１１を有する被膜１０を形成させるために、２段階の放電表面処理工程を行う。Ｒｙが数μｍ〜数十μｍの範囲の凹凸１１を有する被膜１０を１段階の放電表面処理工程によって形成しようとすると、処理時間が長くなることがあるためである。
ここで、第２の放電表面処理工程では、第１の放電表面処理工程における放電エネルギーよりも小さな放電エネルギーによって処理を行う。放電エネルギーは、放電電流［Ａ］、放電電圧［Ｖ］及び放電時間［ｓ］によって定まるが、これらの積（［Ａ］×［Ｖ］×［ｓ］）が、第１の放電表面処理工程よりも第２の放電表面処理工程の方が小さい条件下にて処理を行う。具体的には、第１の放電表面処理工程における放電エネルギーの条件は、放電電流が８〜２０Ａ、放電電圧が２０〜４０Ｖ、放電時間が４〜６４μｓであり、第２の放電表面処理工程における放電エネルギーの条件は、放電電流が２〜８Ａ、放電電圧が２０〜４０Ｖ、放電時間が１〜８μｓである。各放電表面処理工程では、所望の厚さの被膜を得るために、上記条件下での放電を１，０００〜３０，０００Ｈｚで繰返すことによって行う。
【００１５】
第１の放電表面処理工程を行うと、図３に示すように、Ｒｙが数十μｍを超える大きな凹凸１１を表面に有する被膜１０ａが形成される。この被膜１０ａの表面上に固体潤滑被膜１２を形成すると、固体潤滑被膜１２の表面にも凹凸形状が残り、摩擦係数を十分に低減することができない。
そこで、第１の放電表面処理工程後に、第１の放電表面処理工程における放電エネルギーよりも小さな放電エネルギー下にて第２放電表面処理工程を行い、被膜１０ａ上にＲｙが小さな被膜１０ｂを形成し、被膜１０の表面の凹凸１１のＲｙを調整する。
【００１６】
より詳細に説明すると、第１の放電表面処理工程を行った場合、図３に示すように、被膜１０ａ表面の凸部と電極１表面の凹部との距離が長く、被膜１０ａ表面の凹部と電極１表面の凸部との距離が短くなる。放電は、距離が短い場所で生じ易いため、第２の放電表面処理工程において、第１の放電表面処理工程における放電エネルギーよりも小さな放電エネルギーを用いて放電を行うと、図４に示すように、被膜１０ａ表面の凹部に被膜１０ｂが形成され、被膜１０ａの凸部と同程度の高さになるまで処理を続けると、Ｒｙが数μｍ〜数十μｍの範囲の凹凸１１を有する被膜１０を形成することができる。
上記のような２段階の放電表面処理工程を行えば、所望のＲｙを有する被膜１０を容易且つ迅速に形成することができるので、固体潤滑被膜形成工程の前に、被膜１０を研磨や放電加工、ショットブラスト等する必要がなく、コスト削減や生産性の向上にもつながる。
【００１７】
本実施の形態の固体潤滑被膜形成工程は、上記放電表面処理工程で形成された被膜１０の表面に固体潤滑被膜１２を形成することができる方法であれば特に限定されない。固体潤滑被膜１２の形成方法としては、例えば、はけ塗りやスプレー塗布等が挙げられるが、容易性の観点からスプレー塗布が好ましい。これらの方法では、塗布後、樹脂組成物を加熱すること等によって樹脂組成物を硬化することができる。加熱温度は、使用する樹脂の種類にあわせて適宜設定すればよい。
具体的には、液状の樹脂と固体潤滑剤とを混合して樹脂組成物を調製し、その樹脂組成物をスプレーで被膜１０の表面に吹きつけた後、２００℃程度で１時間〜４時間保持して上記樹脂組成物を被膜１０に馴染ませ、次に冷却することで固体潤滑被膜１２を形成することができる。
上記方法により形成される固体潤滑被膜１２の厚さは、使用環境や用途等に応じて適宜設定すればよく、一般に数十μｍ程度である
【００１８】
。
本実施の形態の固体潤滑被膜形成工程では、固体潤滑剤を含む樹脂組成物が使用される。
ここで、固体潤滑剤としては、特に限定されることはなく、当該技術分野において公知のものを使用することができる。固体潤滑剤の例としては、例えば、ＭｏＳ２、グラファイト、フッ素樹脂等が挙げられ、これらは単独又は組み合わせて使用することができる。
樹脂組成物における固体潤滑剤の含有量は、使用環境や用途等に応じて適宜設定すればよいが、一般に１０〜５０質量％である。
【００１９】
固体潤滑性剤として、複数の固体潤滑剤を組み合わせて使用する場合、これらの混合割合は、使用環境や用途等に応じて適宜調整すればよい。例えば、摺動部材の使用環境が真空中又は真空に近い状態であり、且つ耐荷重性が要求される場合は、ＭｏＳ２の割合を増加させればよい。一方、摺動部材の使用環境が空気中であり、且つ耐荷重性が要求されると共にコストを抑えたい場合には、グラファイトの割合を増加させればよい。また、大きな耐荷重性が要求されず、摩擦係数を低下させたい場合には、フッ素樹脂の割合を増加させればよい。
【００２０】
樹脂組成物は、上記固体潤滑剤に加えて、固体潤滑剤を被膜１０に固着させるバインダを含む。バインダとしては、特に限定されることはなく、当該技術分野において公知のものを使用することができる。バインダの例としては、ポリアミドイミド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられ、これらは単独又は組み合わせて使用することができる。この中でも、ポリアミドイミドは、耐熱性及び機械的強度に優れ、幅広い使用環境に対応できるため好ましい。
樹脂組成物におけるバインダの含有量は、使用環境や用途等に応じて適宜設定すればよいが、一般に４０〜９０質量％である。
なお、固体潤滑被膜１２の特性を変化させることがなければ、固体潤滑被膜１２に他の特性を付与するために、他の成分を加えることも可能である。
【００２１】
上記成分を含有する樹脂組成物を使用して被膜１０の表面に固体潤滑被膜１２を形成すると、被膜１０の表面の凹凸１１にバインダが侵入し、被膜１０と固体潤滑被膜１２との接合面積が増加することに起因して接合強度が増大する。特に、本発明によれば、上記の放電表面処理によって適度に粗い凹凸１１を形成することができるので、固体潤滑被膜形成工程の前にショットブラスト等で表面を荒らす必要もない。そのため、ショットブラストを行うために必要となるマスキング等の工程を加える必要もなく、コストアップや生産性の低下を抑制することもできる。
【００２２】
上記表面処理方法によれば、摩擦係数が小さく、且つ耐摩耗性に優れた被膜を容易且つ迅速に形成することができるので、この被膜を有する部材を摺動部材として用いることが可能となる。特に、上記表面処理方法によって耐摩耗性の低いＡｌやＣｕに被膜を形成すれば、Ａｌの軽量性及び高熱伝導性や、Ｃｕの高熱伝導性を損なうことなく、低摩擦性及び耐摩耗性を付与することができる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらによって限定されない。
アルミ合金（Ａ１０５０）を被加工物、Ｃｏ粉末を成形した成形体を電極としてそれぞれ用いて第１の放電表面処理を行った。ここで、放電は、放電電流１１Ａ、放電電圧２５Ｖ、放電時間８μｓの条件にて、数十ｋＨｚで繰り返し行い、厚さが０．２ｍｍのＣｏ被膜をアルミ合金の表面に形成した。
次に、放電電流４Ａ、放電電圧２５Ｖ、放電時間２μｓの条件にて、数十ｋＨｚで繰り返し放電を行い、上記のＣｏ被膜の表面にＣｏ被膜をさらに形成して被膜全体としてＲｙが２０μｍの凹凸を有するＣｏ被膜を形成した。
次に、１０質量％のＭｏＳ２、１０質量％のグラファイト、及び８０質量％のポリアミドイミドからなる樹脂組成物を上記Ｃｏ被膜の表面にスプレー塗布した後、１９０℃に加熱し、厚さが５０μｍの固体潤滑被膜を形成した。
【００２４】
上記表面処理によってＣｏ被膜及び固体潤滑被膜を形成したアルミ合金について、鉄鋼材料（ＦＣ２５０）からなる先端半径１０ｍｍのピンを使用する摺動試験を行った。この摺動試験は、滑り速度：０．１ｍ／ｓ、加圧力：４Ｎ、摺動距離：７００ｍとし、潤滑油環境下で行った。また、比較のために、上記のアルミ合金及びＣｏ被膜のみを形成したアルミ合金についても同じ摺動試験を行った。
上記摺動試験の結果、Ｃｏ被膜及び固体潤滑被膜を形成したアルミ合金では、摩擦係数は０．１と低く、ピンやディスク（被膜）のいずれにおいても摩耗が確認されなかった。
これに対し、Ｃｏ被膜のみを形成したアルミ合金では、摩擦係数が０．１７と高く、ピンの先端も磨耗していた。また、アルミニウム合金では、ディスク（アルミニウム合金）が０．３μｍ程度削られていた。
【００２５】
以上の結果からわかるように、本発明の表面処理方法は、摩擦係数が小さく、且つ耐摩耗性に優れた被膜を容易且つ迅速に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】放電表面処理に用いる放電表面処理装置の断面模式図である。
【図２】本発明の表面処理方法によって被加工物の表面に形成された被膜の断面模式図である。
【図３】第１の放電表面処理工程において被加工物の表面に形成される被膜を説明するための放電処理装置の電極及び形成される被膜の一部の断面模式図である。
【図４】第２の放電表面処理工程において被加工物の表面に形成される被膜を説明するための放電処理装置の電極及び形成される被膜の一部の断面模式図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  電極、２  電極支持具、３  主軸、４  ボールネジ、５  モータ、６  放電電源、７  加工液、８  加工槽、９  被加工物、１０、１０ａ、１０ｂ  被膜、１１  凹凸、１２  固体潤滑被膜。
【図１】
2010047820.tif 000002
【図２】
2010047820.tif 000003
【図３】
2010047820.tif 000004
【図４】
2010047820.tif 000005