(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動面に硬質Ｃｒめっき層を有している摺動部材において、厚さ方向に独立している微細な空洞が前記硬質Ｃｒめっき層の内部に分布して形成されており、前記硬質Ｃｒめっき層の断面における空洞面積比率が５〜３０％であり、前記硬質Ｃｒめっき層との母材の境界面が振幅５〜３０μｍ、ピッチ２０〜１００μｍの表面粗さを有しており、前記摺動部材がシリンダライナであることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
摺動面に硬質Ｃｒめっき層を有している摺動部材において、厚さ方向に独立している微細な空洞が前記硬質Ｃｒめっき層の内部に分布して形成されており、前記硬質Ｃｒめっき層の断面における空洞面積比率が５〜３０％であり、前記硬質Ｃｒめっき層との母材の境界面が振幅５〜３０μｍ、ピッチ２０〜１００μｍの表面粗さを有しており、前記摺動部材がピストンリングであることを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬質Ｃｒめっき層を摺動面に有している摺動部材（内燃機関のシリンダライナ又はピストンリング）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関用のピストンリングの外周面、側面、あるいはシリンダライナの内周面に硬質Ｃｒめっきを施すことがある。しかし、硬質Ｃｒめっきは、高硬度、耐摩耗性、低摩擦係数を有するが、保油性が乏しい欠点がある。
【０００３】
そこで、潤滑油溜まりとして機能する微細な凹部を表面に形成したポーラスＣｒめっきが、耐焼き付き性を改善するために行われており、特にシリンダライナの内周面に利用されている。
【０００４】
この微細な凹部の形成方法には、
・Ｃｒめっき後、逆電処理でエッチングする方法
・母材に表面粗さを付加し、それをめっき表面に残存させる方法
等がある。
【０００５】
硬質Ｃｒめっき後、逆電処理によるエッチングによって形成された微細な凹部は網目状に延びており、後工程の研磨加工での加工代の大小により、
チャンネルタイプ：凹部が網目状に延びているもの（加工代が小の場合）
ピットタイプ：凹部が独立して分散しているもの（加工代が大の場合）
インターメディエイトタイプ：上記２つの中間的なもの（加工代が中の場合）の３つに分けられる。そして摺動部材に要求される耐摩耗性、耐焼き付き性等の摺動特性に応じて、使い分けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のポーラスＣｒめっきは表面にのみ凹部が存在し、摺動特性改善に効果的な凹部はめっき層内部に存在しない。従って、摺動面が摩耗すると凹部が無くなり、耐焼き付き性が劣化する不都合がある。
【０００７】
本発明の課題は、摺動面の摩耗が進行しても耐焼き付き性、耐摩耗性を良好に維持できる硬質Ｃｒめっき層を有している摺動部材（シリンダライナ又はピストンリング）を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、次の解決手段を採る。
即ち、本発明は、摺動面に硬質Ｃｒめっき層を有している摺動部材において、厚さ方向に独立している微細な空洞が前記硬質Ｃｒめっき層の内部に分布して形成されており、前記硬質Ｃｒめっき層の断面における空洞面積比率が５〜３０％であり、前記硬質Ｃｒめっき層との母材の境界面が振幅５〜３０μｍ、ピッチ２０〜１００μｍの表面粗さを有しており、前記摺動部材がシリンダライナ又はピストンリングであることを特徴とする。
【０００９】
前記硬質Ｃｒめっき層の断面における空洞面積比率（空洞面積比率は断面の面積に対するその断面における空洞の総面積の比率をいう。）は、耐焼き付き性および耐摩耗性の点から５〜３０％とする。上記範囲において、必要とされる摺動特性に応じて選択するとよい。空洞面積比率が大きいと耐摩耗性、耐焼き付き性が低下し、小さいと耐焼き付き性が低下する。シリンダライナの場合、より好ましい空洞面積比率の範囲は１０〜２０％である。
【００１０】
硬質Ｃｒめっき層との母材の境界面は、振幅５〜３０μｍ、ピッチ２０〜１００μｍの表面粗さとする。この表面粗さは旋削加工等で実現できる。表面粗さのピッチが小さすぎると、１つのうねりの中に空洞が複数存在しなくなり、空洞が厚さ方向に平均化して分布しなくなる。同様に、表面粗さの振幅が小さすぎても、平均化の効果が生じない。また、めっき面はめっきの平滑化作用により母材面よりも滑らかになる傾向がある。この作用により、母材面の振幅の大きさが５μｍ未満あるいはピッチの大きさが２０μｍ未満であると、最終めっき面が平滑化し、図３（ａ）に近似したものとなるので好ましくない。同様に、母材面の振幅の大きさが３０μｍを越えると、最終めっき面の研磨加工代が増大する不利があり、ピッチの大きさが１００μｍを越えると、摺動面に局部的に図３（ａ）に近似する部分が生じるので好ましくない。以上から上記範囲とする。
【００１１】
上記の摺動部材は、フッ素イオンを含むＣｒめっき浴を用いて、硬質Ｃｒめっき工程と電解エッチング工程（以下、電解エッチング工程は単にエッチング工程という。）とを繰り返し行い、めっきを積層することによって製造できる。フッ素イオンを含むＣｒめっき浴によって、硬質Ｃｒめっきの上に更に硬質Ｃｒめっきを施すと、めっき層間に優れた密着性を得ることができる。
【００１２】
本発明の摺動部材は上記のように形成されているので、摺動表面が摩耗すると、硬質Ｃｒめっき層の内部に分布する空洞が摺動表面に露出して凹部となるため、常に適量の潤滑油を摺動面に保持できる。従って、摩耗が進行しても耐焼き付き性、耐摩耗性を良好に維持できる。また、硬質Ｃｒめっき層の内部に分布する空洞は厚さ方向に独立しているので、硬質Ｃｒめっき層の破壊脱落が抑制される。
【００１３】
なお、摺動面に対して垂直な方向から見た空洞の開口幅は、平均値で２〜８μｍとするのが、強度上の面から望ましい。これは、従来のポーラスＣｒめっきの凹部の開口幅の平均値と比較すると、約１／２である。
【００１４】
図３は、母材の表面を所定の表面粗さを有している凹凸面とするのが良い理由を説明するための模式図である。
【００１５】
図３（ａ）は母材の表面が平坦面に形成されている場合で、硬質Ｃｒめっき工程とエッチング工程を３回繰り返して行った場合を示している。
【００１６】
最初の硬質Ｃｒめっき工程とエッチング工程で形成された硬質Ｃｒめっき層はその表面に網目状に延びている微細な凹部を有する。この凹部は断面が略Ｖ字状をなしており、２回目の硬質Ｃｒめっき工程とエッチング工程によって積層される硬質Ｃｒめっき層で覆われ、空洞５となる。同様にして、３回目の硬質Ｃｒめっき工程とエッチング工程によって、二層目の硬質Ｃｒめっき層の表面の凹部も覆われて、空洞５となる。このようにして、硬質Ｃｒめっき層２は、その表面に網目状に延びている微細な凹部４を有し、内部には網目状に延びている微細な空洞５が厚さ方向に独立分布して形成される。すなわち、二層目の硬質Ｃｒめっき層に形成された空洞５と三層目の硬質Ｃｒめっき層に形成された空洞５は厚さ方向に独立しており、それぞれ母材表面と平行な平面内を網目状に延びて形成されている。
【００１７】
従って、表面が摩耗していくと、図に示すａ−ａ線、ｂ−ｂ線、ｃ−ｃ線の位置にいくに従って、表面に露出する凹部の開口幅が次第に小さくなり、耐焼き付き性を一定に維持できない。
【００１８】
これに対して、図３（ｂ）は、母材の表面を微細な凹凸形状を有している凹凸面とし、硬質Ｃｒめっき工程とエッチング工程を３回繰り返して行った場合を示している。硬質Ｃｒめっき層２は、その表面に網目状に延びている微細な凹部４を有し、内部には母材表面の凹凸面に沿って網目状に延びており厚さ方向に独立して分布している微細な空洞５を有している。
【００１９】
母材表面が微細な凹凸面に形成されている場合は、網目状に延びている空洞５が母材表面の凹凸面に沿って形成されるため、平面内に形成されず、厚さ方向に波状に形成される。すなわち、二層目の硬質Ｃｒめっき層に形成された空洞５と三層目の硬質Ｃｒめっき層に形成された空洞５は厚さ方向に独立しており、それぞれ母材表面の凹凸面に沿って網目状に延びて、厚さ方向に波状に形成されている。すなわち、硬質Ｃｒめっき層はＣｒめっきが積層されて形成されており、積層めっき間の境界面は微細な凹凸面をなし、厚さ方向に独立している空洞５が凹凸面に沿って網目状に延びている。
【００２０】
そのため、表面が図に示すａ−ａ線、ｂ−ｂ線、ｃ−ｃ線の位置へ順次摩耗した場合においても、表面に露出する凹部の開口幅と密度は厚さ方向の各位置において平均化し、表面に露出する凹部はチャンネルタイプ、ピットタイプ、インターメディエイトタイプが混在したものになる。以上より、使用中の耐焼き付き性を一定に維持することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態を示しており、シリンダライナ１の内周面に硬質Ｃｒめっき層２が形成されている。シリンダライナ１の内周面の母材表面は微細な凹凸形状を有している凹凸面３に形成されており、この凹凸面３上に、前記硬質Ｃｒめっき層２が形成されている。硬質Ｃｒめっき層２は、その表面に網目状に延びている微細な凹部４を有しているとともに、内部には母材表面の凹凸面３に沿って網目状に延びており厚さ方向に独立して分布している微細な空洞５を有している。
【００２２】
前記凹凸面３は振幅５〜３０μｍ、ピッチ２０〜１００μｍの表面粗さを有している面であり、前記硬質Ｃｒめっき層２の断面における空洞面積比率は１０〜２０％である。
【００２３】
次に、上記シリンダライナ１の内周面における硬質Ｃｒめっき層２の形成方法について説明する。
【００２４】
（１）凹凸面の形成
シリンダライナ１の内周面の母材表面は、旋削加工によって、所定の表面粗さを有する凹凸面に形成される。
【００２５】
（２）めっき処理
所定の表面粗さを有する凹凸面とされた内周面の母材表面上に、硬質Ｃｒめっき→（硬質Ｃｒめっき工程−エッチング工程）の繰り返し→研磨加工を行った。
【００２６】
硬質Ｃｒめっきのめっき浴組成、および硬質Ｃｒめっき工程とエッチング工程の各条件を下記に示す。なお、最初の硬質Ｃｒめっきは、ストライクめっき条件で、通常３〜１０分であり、他の条件は下記に示す条件と同じである。
【００２７】
（イ）めっき浴組成
ＣｒＯ３            ２５０ｇ／ｌ
Ｈ２ＳＯ４              １ｇ／ｌ
Ｈ２ＳｉＦ６            ５ｇ／ｌ
（ロ）硬質Ｃｒめっき工程
電流密度              ６０Ａ／ｄｍ２
めっき浴温            ５０℃
めっき時間            １０分
（ハ）エッチング工程
電流密度              ５０Ａ／ｄｍ２
めっき浴温            ５０℃
時間                  ６０秒
【００２８】
上記の条件で、硬質Ｃｒめっき工程→エッチング工程の１サイクルを行うと、図２（ａ）に示されているように、硬質Ｃｒめっき層２Ａが内周面の母材表面上に形成され、硬質Ｃｒめっき層２Ａの表面には網目状に延びている微細な凹部４が形成される。この場合、凹部４は内周面の母材表面の凹凸面３に沿って形成されるため、平面内に形成されず、厚さ方向に波状に形成される。
【００２９】
更に、硬質Ｃｒめっき工程→エッチング工程が繰り返して行われると、最初の１サイクルの工程で形成された硬質Ｃｒめっき層２Ａの上に更に硬質Ｃｒめっき層２Ｂが積層されるため、最初の硬質Ｃｒめっき層２Ａに形成された凹部４は二層目の硬質Ｃｒめっき層２Ｂによって覆われて、空洞５となる。この際凹部４には硬質Ｃｒめっきが部分的に析出するので、空洞５は凹部４よりも小さくなって最初の硬質Ｃｒめっき層２Ａに残留する。二層目の硬質Ｃｒめっき層２Ｂには、最初の硬質Ｃｒめっき層２Ａと同様の微細な凹部４が表面に形成されている。
【００３０】
以下、硬質Ｃｒめっき工程→エッチング工程が所定回数、繰り返して行われると、内周面の母材表面上に所定厚さで硬質Ｃｒめっき層２が形成される。
【００３１】
上記の条件で、硬質Ｃｒめっき工程→エッチング工程の１サイクルを行うと、０．０１ｍｍ程度のめっき厚さを得ることができるので、例えば０．１５ｍｍのめっき厚さを得るには、１５サイクル繰り返し行えばよい。
【００３２】
（１）耐焼き付き性試験（本発明と従来例との比較）
以下、本発明の摺動部材の耐焼き付き性が、従来の摺動部材に比べて、摺動面の摩耗によって劣化しないことを示す耐焼き付き性試験について説明する。
【００３３】
（１）試験片
通常のポーラスＣｒめっきを施した比較例１，２，３の試験片と、本発明の硬質Ｃｒめっき層を有している実施例１，２，３，４の試験片を用意した。試験片の母材は、シリンダライナ用鋳鉄（ＪＩＳ  ＦＣ３００相当）である。
【００３４】
（２）めっき処理
（比較例）：
比較例１，２，３は硬質Ｃｒめっき工程→エッチング工程→研磨加工工程によって作成した。硬質Ｃｒめっきのめっき浴組成、および硬質Ｃｒめっき工程とエッチング工程の各条件を下記に示す。
【００３５】
（イ）めっき浴組成
前記本発明の一実施形態で示したＣｒめっき浴組成と同じ。
（ロ）硬質Ｃｒめっき工程
前記本発明の一実施形態で示した硬質Ｃｒめっき工程の条件と同じ。
ただし、めっき時間が３時間。
（ハ）エッチング工程
前記本発明の一実施形態で示したエッチング工程の条件と同じ。
【００３６】
（実施例）：
前記本発明の一実施形態で説明した硬質Ｃｒめっき層２の形成方法と同じ。空洞面積比率は１５％、母材の表面粗さは振幅８μｍ、ピッチ３０μｍである。
【００３７】
（３）試験方法
上記試験片の硬質Ｃｒめっき層を表面から種々の研磨代で研削して、耐焼き付き性試験に供した。
【００３８】
図４に耐焼き付き性試験に使用した公知の高面圧焼き付き試験機の概要を示す。上記で説明した試験片１０は、ステータ１１により保持され、油圧装置により所定荷重Ｐでロータ１２側に押し付けられる。一方、相手部材たる相手試験片１３は、ロータ１２により保持され、ロータ１２の回転により回転させられる。
【００３９】
このような装置において、ステータ１１に形成されている注油孔１４から摺動面に所定量の給油をしながら、相手試験片１３を回転させる。一定時間毎に試験片１０に作用させる荷重を段階的に増加させ、試験片１０と相手試験片１３との摺動により発生するトルクをトルクメータで測定し、記録計に記録させる。焼き付き現象が発生するとトルクが急激に上昇する。したがって、トルクが急激に上昇するときの試験片１０に作用する荷重を焼き付き荷重とし、この焼き付き荷重の大小で焼き付き特性の良否を判定する。
【００４０】
試験条件は次の通りである。
0003650061.tif 000002
【００４１】
（４）試験結果
耐焼き付き性試験で得られた各試験片の焼き付き荷重を図５に示す。図５に示されているように、比較例は２０μｍ以上の表面研磨により凹部が消滅して、耐焼き付き荷重が大幅に低下する。これに対して、実施例は６０μｍの表面研磨を行っても、耐焼き付き性が低下しない。
【００４２】
（２）耐焼き付き性試験（空洞の面積比率）
次に、硬質Ｃｒめっき層の内部に分布する空洞の面積比率が耐焼き付き性に及ぼす影響について試験を行った。この試験に供した試験片は、上記（１）耐焼き付き性試験（本発明と従来例との比較）で説明した実施例の試験片と同じである。ただし、めっき処理の条件におけるエッチング条件を種々変えることによって、空洞の面積比率が異なる種々の試験片を作成した。結果を図６に示す。
【００４３】
図６に示されているように、硬質Ｃｒめっき層の断面における空洞面積比率は５〜３０％の範囲で耐焼き付き性が良好であることがわかる。より好ましい範囲は１０〜２７％である。
【００４４】
（３）耐焼き付き性試験（母材の表面粗さ）
次に、母材の表面粗さが耐焼き付き性に及ぼす影響について試験を行った。この試験に供した試験片は、上記（１）耐焼き付き性試験（本発明と従来例との比較）で説明した実施例の試験片と同じである。ただし、母材表面の表面粗さを種々変えることによって、母材の表面粗さが異なる種々の試験片を作成した。結果を図７に示す。
【００４５】
図７に示されているように、硬質Ｃｒめっき前の母材表面の表面粗さを振幅Ｈ（谷底から山頂までの高さ）が５μｍ以上、ピッチＰ（山頂と山頂との距離）が２０μｍ以上に調整したものは、耐焼き付き性が良好であることがわかる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の摺動部材（シリンダライナ又はピストンリング）は、使用中に摩耗しても耐焼き付き性、耐摩耗性を良好に維持できるので、摺動部材の長寿命化を図ることができ、また、この摺動部材と組み合わせる相手材を選択する自由度が拡大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示しており、（ａ）はシリンダライナを示す縦断面図、（ｂ）は硬質Ｃｒめっき層の一部を内周面と垂直な方向から見た拡大図、（ｃ）は内周面の一部の拡大断面図である。
【図２】上記シリンダライナに形成する硬質Ｃｒめっき層の製造工程を説明する模式図であり、（ａ）は硬質Ｃｒめっき工程→エッチング工程の１サイクル後を示し、（ｂ）は同工程の２サイクル後を示す。
【図３】母材の表面を所定の表面粗さを有している凹凸面とするのが良い理由を説明するための模式図であり、（ａ）は母材の表面が平坦面に形成されている場合、（ｂ）は母材の表面が微細な凹凸形状を有している凹凸面に形成されている場合を示す。
【図４】高面圧焼き付き試験機の説明図である。
【図５】本発明と従来例の耐焼き付き性の試験結果を示すグラフである。
【図６】空洞の面積比率を変えた場合の耐焼き付き性の試験結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）は母材の表面粗さを変えた場合の耐焼き付き性の試験結果を示すグラフであり、（ｂ）は表面粗さの振幅を示す説明図、（ｃ）は表面粗さのピッチを示す説明図である。
【符号の説明】
１  シリンダライナ
２  硬質Ｃｒめっき層
３  凹凸面
４  凹部
５  空洞
１０  試験片
１１  ステータ
１２  ロータ
１３  相手試験片
１４  注油孔
【図１】
0003650061.tif 000003
【図２】
0003650061.tif 000004
【図３】
0003650061.tif 000005
【図４】
0003650061.tif 000006
【図５】
0003650061.tif 000007
【図６】
0003650061.tif 000008
【図７】
0003650061.tif 000009