(57)【要約】【課題】  より簡単なプロセスで、十分に実用に耐える高耐摩耗性と低フリクション性を備えたマグネシウム基材からなる摺動部材を得る。【解決手段】  マグネシウム基材の摺動面に、ポリアミドイミド樹脂に好ましくはシリコーンおよびフッ素を適量添加した樹脂からなる被覆層を焼き付け塗布により形成する。耐摩耗性と低フリクション効果を備えたマグネシウム基材摺動部材が得られる。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム基材の摺動面に、ポリアミドイミド樹脂を主成分とする樹脂からなる層が被覆層として焼き付け塗布されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
被覆層の表面粗さが５μｍＲｚの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
被覆層の膜厚は２〜２００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項４】
樹脂層を形成する樹脂は添加剤としてシリコーンおよびフッ素から選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項５】
シリコーンの添加量が１０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
【請求項６】
フッ素が３０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材がマグネシウム基材である摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウムは、実用金属中で最も軽量であり比強度も優れており、軽量化が求められる分野でマグネシウムあるいはマグネシウム合金は広く用いられている。しかし、マグネシウムは、鉄、アルミニウムに比べ、摺動特性が劣っており、軽量化の観点から鉄あるいはアルミニウムからの置き換え効果の高い、例えば、カムキャリアーやオイルパンのバランサー部のような摺動を伴う部分に対しては、その適用が困難であった。
【０００３】
すなわち、高耐摩耗性、低フリクション性を達成するには、表面粗さを下げる（一般に１μｍＲｚ以下）ことが望ましいが、硬度の低いマグネシウムの場合は、表面の研磨加工によって、表面粗さを１μｍＲｚ以下とすることは困難である。図１は鉄とアルミニウムとマグネシウムの表面粗さの平均的な達成度を示しており、鉄では、切削加工後の表面粗さを１μｍＲｚ程度、研磨後の表面粗さを０．１μｍＲｚ程度とすることができ、摺動部材として十分に実用に耐える程度に摺動面を鏡面化することができる。軽量材であるアルミニウムの場合でも、切削加工後の表面粗さ１．８μｍＲｚ程度、研磨後の表面粗さを１μｍＲｚ程度にすることができる。しかし、マグネシウムの場合は、切削後の表面粗さも２μｍＲｚと高く、研磨後の表面粗さも１．２μｍＲｚ程度が限界となっており、軽量ではあっても、そのままでは、マグネシウムあるいはマグネシウム合金は摺動部材には適さない。
【０００４】
さらに、マグネシウムは電位的に卑な金属であり、それ自身が緻密な酸化被膜を形成することがないことから、耐食性に優れた被膜を設けることが実用上必要であり、耐食性被膜あるいはその上にさらに形成する被膜に対して、何らかの手段により、耐密着性と耐摩等性を持たせることによって、マグネシウム基材を摺動部材として使用することが、従来から提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３等を参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７５６８７号公報
【特許文献２】特開２００３−１２９１５８号公報
【特許文献３】特開２００４−１４９６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、マグネシウム基材上に酸化膜を形成し、さらに酸化層上に、第ＶＩａ属元素の酸化物や硫化物と溶剤で溶解した樹脂とを混合した塗布材を塗布して被覆層を形成したものが提案されており、前記樹脂としてポリアミドイミド樹脂を用いること、塗布材は、さらにフッ素、窒化ホウ素、黒鉛等を含んでよいこと、が記載されている。添加物としてフッ素を含ませることにより、被覆層表面の耐摩耗性や耐焼付性を向上させている。
【０００７】
特許文献２では、樹脂系プライマを塗布したマグネシウム合金に、四フッ化エチレンを主成分とする樹脂微粉末を熱硬化性樹脂に分散させた樹脂を塗布、焼成することにより、耐食性、耐摩耗性を具備したマグネシウム合金を得るようにしており、熱硬化性樹脂の一例としてポリアミドイミド樹脂が挙げられている。
【０００８】
特許文献３では、アルミニウム合金あるいはマグネシウム合金である基材の表面粗さを８〜１８μｍＲｚとし、そこにポリアミドイミド樹脂と、塗膜改質剤としてのエポキシシランと、窒化珪素またはアルミナの硬質粒子とからなる乾性被膜潤滑剤よりなる被覆層を焼成・硬化させて摺動部材としている。
【０００９】
上記のように、マグネシウム基材の耐摩耗性等を改善して安定した摺動部材を得るために、従来から、被覆層として、密着性が高く、耐摩耗性も良好であり、摩擦係数も低くて安定しているポリアミドイミド樹脂を何らかの形で用いること、さらに摩耗量やフリクション性を低下させるためにフッ素等を添加すること、等が行われている。しかし、いずれの場合も、特定の金属酸化物や硫化物を併用する、四フッ化エチレンのような他の樹脂を併用する、エポキシシランのような塗膜改質剤を併用するなど、さらに他の材料を何らかの方法で同時に使用することを必要としており、有効な摺動部材とするまでの製造プロセスが複雑となっている。
【００１０】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、より簡単なプロセスで製造することができながら、十分に実用に耐える高耐摩耗性と低フリクション性を備えたマグネシウム基材からな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】
【００１１】
本発明者らは、上記の課題を解決するために多くの実験と研究を行うことにより、マグネシウム基材の摺動面に、ポリアミドイミド樹脂を主成分とする樹脂を単に焼き付け塗布して被覆層を形成するたけで、被覆層の密着性も高く、摺動面を鉄と同程度に鏡面化することが可能となり、十分に実用に耐える高耐摩耗性と低フリクション性を備える摺動部材が得られるという事実を知見した。すなわち、図１のマグネシウムの箇所において「樹脂塗布後、表面粗さ」として示すように、上記の被覆層を設けることにより、研磨では１．２μｍＲｚ程度が限度であったマグネシウム表面粗さを０．５μｍＲｚ程度まで低下させることができた。
【００１２】
また、図２に、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）を主成分とする樹脂を焼き付け塗布して被覆層を形成した場合での、鉄、アルミニウム、マグネシウムの摩耗深さと摩擦係数（μ）を比較したグラフを示すように、鉄は、そのような被覆層の影響はほとんどなく、摩耗および摩擦係数の双方において有利であり、摺動部材として好ましい材料であるが、重量がマグネシウムの約４倍であり、軽量化の点で劣っている。しかし、マグネシウムの場合、軽量でありながら、上記したポリアミドイミド樹脂を主成分とする樹脂からなる被覆層を形成することにより、摩耗量も大きく改善されて鉄基材と同程度となり、摩擦係数も鉄素材と同程度となっている。
【００１３】
本発明は、上記の知見に基づくものであり、本発明による摺動部材は、基本的に、マグネシウム基材の摺動面に、ポリアミドイミド樹脂を主成分とする樹脂からなる層が被覆層として焼き付け塗布されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、「マグネシウム基材」とは、純マグネシウム材以外に、その合金材、例えば、ＡＭ６０、ＡＭ２１２、ＷＥ４３およびＡＺ９１の鋳造材（高圧および低圧鋳造材、ダイカスト材、チクソモールド材等も含む）、ＡＺ３１またはＡＺ８０の展伸材、さらにマグネシウム粉末と合金元素粉末とを混合した後に焼結させたマグネシウム焼結材などがある。なお、合金の種類を示す各記号は、ＪＩＳのＭｇ合金１種またはＭｇ合金鋳物２種によるものである。
【００１５】
本発明において、ポリアミドイミド樹脂は、耐熱性、密着性に優れた公知のポリアミドイミド樹脂を使用することができる。このようなポリアミドイミド樹脂としては、例えば、基材のコート用に用いられている市販のものが利用できる。また、「ポリアミドイミド樹脂を主成分とする樹脂」とは、ポリアミドイミド樹脂単独でもよく、改質剤として適宜の添加剤（例えば、エポキシ樹脂やエポキシシラン等）を適量含んだ樹脂でもよいことを意味している。また、必要な場合には、適宜の溶剤も適量含まれる。
【００１６】
本発明において、「焼き付け塗布」とは、従来この種のコーティング処理で通常行われている焼成・固定処理であってよく、例えば、前記樹脂を摺動面に塗布した後、１５０℃〜２００℃程度の温度で６０〜９０分程度焼成するような処理である。
【００１７】
本発明において、好ましくは、前記ポリアミドイミド樹脂を主成分とする樹脂からなる被覆層の表面粗さは０．１〜５μｍＲｚの範囲である。本発明者らの実験では、表面粗さが低いほど低フリクション性能が得られるが、５μｍＲｚを越えると摩擦係数（μ）の上昇が大きくなった。これは、粗さによる凝着や凹凸の影響と考えられる。また、０．１μｍＲｚより小さくなると再び摩擦係数が上昇した。これは、油膜が切れて接触面積が増加したためと考えられる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、前記ポリアミドイミド樹脂を主成分とする樹脂からなる被覆層の膜厚は２〜２００μｍの範囲であり、さらに好ましくは、５〜１００μｍの範囲である。膜厚が２μｍ未満では、耐用時間が短くなり実機として使用するのには十分でなく、２００μｍ以上ではオーバースペックとなる。本発明者らの実験では、自動車で使用するエンジンの摺動部分に本発明による摺動部材を用い、３０万ｋｍ走行時の膜厚残を測定したところ、開始時に５μｍの膜厚の場合、走行距離１０万ｋｍ程度までは初期摩耗と馴染みによる膜厚減少が見られたが、それ以降での摩耗はほとんど進行せず、３０万ｋｍ走行後も２μｍの膜厚残が観測された。
【００１９】
本発明において、好ましくは、樹脂層を形成する樹脂として、ポリアミドイミド樹脂にシリコーンおよびフッ素から選ばれる少なくとも１種を添加した樹脂が用いられる。後の実施例に示すように、このような物質を添加することにより、ポリアミド樹脂単独の場合よりも、耐摩耗性、低フリクション性能がさらに向上する。シリコーンとしては、ポリシロキサン構造、ポリジメチルシロキサンを挙げることができ、フッ素としては、四フッ化エチレンを挙げることができる。
【００２０】
本発明者らの実験では、シリコーンの場合、その添加量が１０ｗｔ％以下、好ましくは０．０１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲が望ましく、０．０１ｗｔ％未満では、十分なフリクション低下が発現せず、１０ｗｔ％を越えると低フリクション効果が低減する。フッ素の場合は、その添加量が３０ｗｔ％以下、好ましくは１ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲が望ましく、フッ素の場合も、１ｗｔ％未満では、十分なフリクション低下が発現せず、３０ｗｔ％を越えると低フリクション効果が低減する。添加量が多くなり低フリクション効果がなくなるのは、基材と樹脂との密着性が低下して剥離が生じやすくなるためと推測される。
【００２１】
本発明において、シリコーンとフッ素との双方を添加することもでき、後の実施例に示すように、シリコーンとフッ素との相乗効果によるさらなるフリクション低減効果が得られる。
【実施例】
【００２２】
以下、実施例により本発明を説明する。
基材として、マグネシウム合金（ＪＩＳＡＺ９１Ｄ）の表面を定法により研削と研磨したもの用意した。
基材表面に被覆層を形成する樹脂として、表１に示す成分配合のものを用いた。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
［実施例１］
フリクション試験を行った。マグネシウム基材として表面粗さが０．１〜６．０μｍＲｚの範囲のものを複数個用意した。実施例品として上記基材の表面に、ポリアミドイミド樹脂８０ｗｔ％、添加剤シリコーン樹脂１ｗｔ％である表１の成分組成の樹脂を用意し、それを各基材の表面に１８０℃、６０分の条件で焼き付け塗布して被覆層とした。被覆膜の厚みは平均２０μｍとした。被覆層の表面粗さは基材の表面粗さとほぼ同じであった。
【００２５】
各被覆層を形成しない基材および実施例品Ｗに対して、図３に示すようにして摩擦係数（μ）を測定した。標準リングの回転数は５０ｒｐｍ、加重の大きさは１２Ｎ・ｍであり、油槽のエンジンオイルはトヨタ  キャッスルＳＬ  ５Ｗ−２０を用いた。その結果を図４に示す。
【００２６】
図４に示すように、マグネシウム単体のものよりも、実施例品はポリアミドイミド樹脂を主成分とする樹脂からなる層が被覆層として形成されていることにより、すべての表面粗さの範囲で摩擦係数（μ）が大きく低下している。また、マグネシウム単体では２μｍＲｚ程度以下、および４μｍＲｚ程度以上で凝着が見られ、摩擦係数の上昇が見られたが、実施例品の場合は、表面粗さが１．０μｍＲｚ程度に達するまでは、低いほど低フリクション性能となっている。また、１．０μｍＲｚより低くなると摩擦係数は幾分上昇したが、これは境界面での油膜切れが原因と推定され、すべての範囲で、凝着は観察されなかった。
【００２７】
［実施例２］
密着性をテストした。被覆膜が剥離すると凝着摩耗が進行するので、十分に高い密着性が実機として求められる。実施例１で用いた実施例品の被覆膜に対して、表面から圧力を変えた高圧水を噴射して、膜の剥がれを目視により観察した。いずれのものも、水圧２０Ｍｐａまでは剥離が生じなかった。水圧２０Ｍｐａでの剥離開始は、摺動部材の実機として十分に実用に耐える値であり、本発明による摺動部材は満足できる被覆膜の密着性を備えていることを確認した。
【００２８】
［実施例３］
摩耗量をテストした。実施例１で使用したと同じ被覆層であって、被膜厚が、５μｍ、１１μｍ、５０μｍの３種の摺動部材を用意した。但し、被覆層の表面粗さはほぼ１．０μｍＲｚにそろえた。各摺動部材に対して、実際のエンジンに組み込んでテストを行い、３０万ｋｍ走行までの膜厚を測定した。その結果を図５に示す。図５に示すように、いずれのものも、走行距離１０万ｋｍ程度までは初期摩耗と馴染みにより膜厚が減少し、それ以降での摩耗はほとんど進行しなかった。膜厚５μｍのものでも、３０万ｋｍ走行後、２μｍの膜厚が残っており、実際の自動車で使用する摺動部品に本発明品を適用する場合、５μｍまたはそれ以上の膜厚とすればよいことがわかる。
【００２９】
［実施例４］
シリコーンまたはフッ素の添加によるフリクション低下効果をテストした。シリコーンの添加量を０〜２０ｗｔ％の範囲で、また、フッ素の添加量を０〜４０ｗｔ％の範囲で変化させて、表１の成分組成である複数種の樹脂を用意した。それを実施例１と同様にして基材の表面に焼き付け塗布し、実施例１と同様にして摩擦係数（μ）を測定した。その結果を図６に示す。
【００３０】
図６に示すように、シリコーンでは、添加量０．０１ｗｔ％程度以上で有意なフリクション低下が見られ、１０ｗｔ％程度でその効果は消失している。また、フッ素では、添加量１ｗｔ％以上で有意なフリクション低下が見られ、３０ｗｔ％程度でその効果は消失している。このように、本発明において、適量のシリコーン（好ましくは、０．０１〜１０ｗｔ％）またはフッ素（好ましくは、１〜３０ｗｔ％）をポリアミドイミド樹脂に添加することにより、さらにフリクションの低下した摺動部材が得られることがわかる。添加量が多くなりフリクション低下の効果がなくなるのは、基材と被覆膜との密着性が低下して剥離が生じたためである。
【００３１】
［実施例５］
シリコーンまたはフッ素の添加による摩耗量の低下効果をテストした。表１に示した樹脂であって、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）単独のもの（−◇−）、ポリアミドイミド樹脂にフッ素１ｗｔ％添加したもの（−△−）、ポリアミドイミド樹脂にフッ素２０ｗｔ％添加したもの（−◆−）、さらに、ポリアミドイミド樹脂にシリコーン０．０１ｗｔ％添加したもの（−▲−）、ポリアミドイミド樹脂にシリコーン５ｗｔ％添加したもの（−●−）を用意した。各樹脂を実施例３と同様にして１２μｍ厚で基材に焼き付け塗布し、実施例３と同様にして、３０万ｋｍ走行での摩耗量の変化を調べた。その結果を図７に示す。
【００３２】
図７に示すように、ポリアミドイミド樹脂単独のもの（−◇−）の場合よりも、すべての樹脂種において、またすべての距離において、摩耗量が減少していることがわかる。
【００３３】
［実施例６］
シリコーンとフッ素との相乗効果によるフリクション低減効果をテストした。表１に示した樹脂であって、フッ素の添加量を０〜４０ｗｔ％の間で変化させ、それぞれに対して、シリコーンを０．０１ｗｔ％、０．１ｗｔ％、１ｗｔ％、３ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％を添加した樹脂を用意した。それぞれの樹脂について、実施例１と同様にして試験片を作り、実施例１と同様にした摩擦係数（μ）を測定した。ただし、表面粗さはほぼ２．０μｍＲｚとし、被覆膜厚はほぼ１２μｍとした。その結果を図８に示す。図８から、フッ素の単独添加の場合よりも、シリコーンをさらに適量添加した樹脂の方がフリクションが低下しており、低フリクション効果に相乗効果があることが示される
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】鉄、アルミニウム、マグネシウムの表面粗さを比較するグラフ。
【図２】鉄、アルミニウム、マグネシウムの摩耗量（μｍ）と摩擦係数（μ）を比較するグラフ。
【図３】フリクション試験を行う装置を説明する図。
【図４】表面粗さと摩擦係数（μ）の関係を示すグラフ。
【図５】走行距離と膜厚残との関係を示すグラフ。
【図６】シリコーン、フッ素を添加したときの摩擦係数（μ）の変化を示すグラフ。
【図７】シリコーン、フッ素を添加したときの摩耗量の変化を示すグラフ。
【図８】シリコーンとフッ素を添加したときの相乗効果を示すグラフ。
【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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