(57)【要約】【課題】従来の、すべり・転がり接触面と同等の潤滑性能を維持しながらも、接触面の使用、リサイクル及び廃棄処理段階での環境負荷が従来法に比べて小さい、耐摩耗性の潤滑性皮膜を得ること及び該潤滑性皮膜の製造方法を提供する。【解決手段】基材表面に形成される潤滑性皮膜であって、Ｆｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４の混合酸化鉄からなり、プラズマ溶射法により基材表面に形成される。また、皮膜の構造は、粒径数十ミクロン程度の固体がスポンジ状に配置されたものとする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面に形成される皮膜であって、２種類以上の酸化鉄からなることを特徴とする潤滑性皮膜。
【請求項２】
皮膜の組成が、Ｆｅ２Ｏ３とＦｅ３Ｏ４　の重量比でおよそ３５：６５である請求項１に記載の潤滑性皮膜。
【請求項３】
基材表面に亜鉛皮膜を形成し、その上に２種類以上の酸化鉄よりなる皮膜を形成した潤滑性皮膜。
【請求項４】
基材表面に、プラズマ溶射法により２種類以上の酸化鉄よりなる皮膜を形成することを特徴とする、請求項１、２または３記載の潤滑性皮膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯車、軸受、カムなどの接触荷重下で使用する、すべり・転がり接触面として有用な潤滑性皮膜及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のすべり・転がり接触面では、接触面の焼き付き又は摩耗を防止するために、潤滑作用を有する液体又は固体（潤滑剤）を共存させる場合が多い。潤滑の方式は、湿式潤滑と固体潤滑とに大別され、湿式潤滑では油剤が多く用いられ、固体潤滑では二硫化モリブデンや黒鉛等の層状固体潤滑剤の利用が中心となっている。潤滑剤を利用しない、すべり・転がり接触面としては、基材表面に固体皮膜を形成する方法があり、硬質クロムめっき、軟質金属薄膜、スパッターした層状固体潤滑剤皮膜等が、その代表例である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のすべり・転がり接触面では、接触面に潤滑性を持たせることに重きをおいてきたため、環境への配慮に欠ける部分が多い。湿式潤滑剤として油剤を利用する場合、油剤の処理が環境上問題となる。固体潤滑剤では、潤滑剤が粉体又は油やグリースに混入された状態であるため、潤滑剤として使用後の適正処理に手間がかかる。また、基材表面に固体皮膜を形成する方法では、一般には、基材と皮膜の材質が異なるため、これらをリサイクルしようとすると、基材と皮膜の分離が必要となり、リサイクル性に優れない。
【０００４】
本発明は、すべり・転がり接触面の潤滑性又は耐摩耗性は、従来の接触面と同等の性能を維持しながらも、接触面の使用、リサイクル及び廃棄処理段階での環境負荷が従来法に比べて小さい、すべり・転がり接触面に利用する潤滑性皮膜を得ることを目的としており、さらに該潤滑性皮膜の製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の潤滑性皮膜は、２種類以上の酸化鉄からなることを特徴とする。
【０００６】
また、皮膜形成に使用する酸化鉄としては、Ｆｅ２Ｏ３およびＦｅ３Ｏ４を採用するのが好適で、その比率を重量比でおよそ３５：６５とした皮膜の場合、油剤や固体の潤滑剤を用いることなく、接触面に潤滑性を持たせることが可能となる。
【０００７】
基材表面に亜鉛皮膜を形成し、その上に２種類以上の酸化鉄よりなる皮膜を形成すると、摩擦係数が０．１以下の低摩擦係数の潤滑性皮膜が形成できる。
【０００８】
さらに、本発明における酸化鉄皮膜の形成をプラズマ溶射法により行うと、粒径数十ミクロン程度の固体がスポンジ状に配置された皮膜が形成でき、摩擦により接触面近傍の酸化鉄固体が微粉化し、摩擦面に潤滑性の膜を形成しやすくなる効果がある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。
プラズマ溶射法により、鋼材表面に形成した混合酸化鉄皮膜の模式図を図１に示す。図１（ａ）は、鋼材表面に直接砂鉄皮膜を形成したときの模式図であり、図１（ｂ）は、鋼材表面に、亜鉛皮膜を形成した後に、亜鉛皮膜上にプラズマ溶射により砂鉄皮膜を形成した模式図で、プラズマ溶射による砂鉄皮膜は、鋼材以外の亜鉛表面にも形成可能である。混合酸化鉄には、島根県に分布する天然砂鉄を用いた。島根県産の天然砂鉄は、Ｆｅ２Ｏ３とＦｅ３Ｏ４の混合酸化鉄で、その重量割合は、およそ３５：６５となっている。砂鉄のプラズマ溶射は、キャリアガスにＡｒ＋Ｈ２を使用し、大気中で行い、皮膜厚さは１５０μｍとした。また、亜鉛皮膜は、亜鉛の蒸気圧が高くプラズマ溶射が困難なため、ガスワイヤ溶射法により形成し、キャリアガスにＣ２Ｈ２＋Ｏ２を使用し、膜厚は１００μｍとした。皮膜形成にプラズマ溶射法を用いることにより、粒径数十ミクロン程度の固体がスポンジ状に配置された皮膜が形成でき、図２に示すように、この構造が皮膜の良好な潤滑性を保証する。
【００１０】
図１（ａ）および図１（ｂ）の砂鉄皮膜を直径５０ｍｍ、板厚８ｍｍの鋼板上に形成し、これらと工具鋼製のリング（外径２５．６ｍｍ、肉厚２．８ｍｍ、高さ１５ｍｍ）とを、ディスク−リング型摩擦試験機により摩擦させる。
【００１１】
摩擦は、負荷荷重を１０〜３０Ｎ、摩擦速度を０．０６〜０．３６ｍ／ｓの範囲で、一定に設定し、図１（ａ）の砂鉄皮膜及び図１（ｂ）の亜鉛／砂鉄皮膜について、それぞれ４条件について実施する。また、摩擦は、大気中、室温、無潤滑の条件で行う。
【００１２】
図３は、図１（ａ）の砂鉄皮膜を、図中の４条件で工具鋼製のリングと摩擦させるときの、摩擦距離と摩擦係数の関係を示す。該潤滑性皮膜は、摩擦距離が増大しても摩耗や凝着現象は起こさず、摩擦係数が０．６〜０．８の間にある潤滑性皮膜である。図４は、負荷荷重３０Ｎ、摩擦速度０．３６ｍ／ｓで摩擦した後の、図１（ａ）の砂鉄皮膜の断面顕微鏡写真を示す。摩擦面で凝着又は摩耗が生じた形跡はなく、摩擦前と相違が認められない。
【００１３】
図５は、図１（ｂ）の亜鉛／砂鉄皮膜を、図中の４条件で工具鋼製のリングと摩擦させるときの、摩擦距離と摩擦係数の関係を示す。該皮膜においても、摩擦距離の増大による摩耗や凝着現象は見られず、摩擦係数が０．４から０．６の間にある潤滑性皮膜であることがわかる。図６は、負荷荷重３０Ｎ、摩擦速度０．３６ｍ／ｓで摩擦した後の、図１（ｂ）の亜鉛／砂鉄皮膜の断面顕微鏡写真を示す。図１（ａ）の砂鉄皮膜と同様に、凝着又は摩耗が生じた形跡はなく、皮膜は潤滑性を示す。
【００１４】
図７は、摩擦速度を０．２４ｍ／ｓと一定にした状態で、負荷荷重を２０Ｎから１０００Ｎまで段階的に増大させて、図１（ｂ）に示す亜鉛／砂鉄皮膜をリングと摩擦させるときの、負荷荷重と摩擦係数の関係を示す。図の左側の縦軸は摩擦係数を、右側の縦軸は負荷荷重を示す。２０から１０００Ｎの全荷重範囲で、摩擦係数は約０．０６とほぼ一定の値を示し、亜鉛皮膜上に形成した砂鉄皮膜は、非常に小さな摩擦係数を有する潤滑性皮膜である。
【００１５】
図８は、図７に示す、該潤滑性皮膜の摩擦係数を、代表的な固体潤滑剤である二硫化モリブデンを潤滑剤に使用する、すべり・転がり接触面の摩擦係数と比較している。ここで、二硫化モリブデンの摩擦係数は、Ｔｓｕｙａらの論文から引用している（Ｙ．Ｔｓｕｙａ　ｅｔ　ａｌ．：　Ｌｕｂ．　Ｅｎｇ．，　（１９７４））。亜鉛／砂鉄皮膜の摩擦係数は、二硫化モリブデンとほぼ同等である。
【００１６】
図９は、図１（ｂ）の亜鉛／砂鉄皮膜に、荷重を２０Ｎから１５０Ｎまで負荷して摩擦させた後の、接触面表面及び断面顕微鏡写真を示す。該潤滑性皮膜には、明らかな摩耗や砂鉄皮膜の剥離は見られず、該潤滑性皮膜は、それ自身が潤滑性を有する。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の混合酸化鉄からなる、潤滑性皮膜は、従来の接触面とは異なり、油剤や固体の潤滑剤を用いることなく、接触面に潤滑性を持たせることが可能である。そして、混合酸化鉄からなる潤滑性皮膜は、粒径５０から１００μｍ程度の混合酸化鉄粉体、たとえば篩い分けした天然砂鉄を、プラズマ溶射により基材表面に皮膜することにより形成できる。酸化鉄皮膜の形成をプラズマ溶射法により行うと、粒径数十ミクロン程度の固体がスポンジ状に配置された皮膜が形成でき、摩擦により接触面近傍の酸化鉄固体が微粉化し、摩擦面に潤滑性の膜を形成しやすくなる効果がある。
【００１８】
また、酸化鉄は、常温の大気中では酸化することはなく、混合酸化鉄からなる、潤滑性皮膜は基材の防錆皮膜の役割を果たすことが期待されるうえに、酸化鉄は、赤錆や黒錆の形で自然界に多く存在することからも類推できるように、環境毒性が非常に小さく、本発明による潤滑性皮膜は、従来法に比べて環境負荷が小さいすべり・転がり接触面となっている。
【００１９】
さらに、混合酸化鉄による、潤滑性皮膜を、鋼材以外の金属材料や無機材料表面にも形成することは可能であるが、この場合には、基材と皮膜が異種材質となり、従来の固体皮膜によるすべり・転がり接触面と同様にリサイクル処理に難点が生じるため、該潤滑性皮膜のリサイクル処理を容易とするには、鋼材表面に混合酸化鉄皮膜を形成することが重要となる。
【００２０】
該潤滑性皮膜は、環境影響を重視する場合及び油剤や固体の潤滑剤を用いることが困難な環境、例えば、真空中で使用される、歯車、軸受、すべり面などに適用可能と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ溶射により鋼材及び亜鉛皮膜表面に形成した混合酸化鉄皮膜の模式図である。
【図２】プラズマ溶射により形成した砂鉄皮膜の潤滑機構を表した図である。
【図３】図１（ａ）の潤滑性皮膜の摩擦係数を示す図である。
【図４】図１（ａ）の潤滑性皮膜の摩擦後の断面顕微鏡写真である。
【図５】図１（ｂ）の潤滑性皮膜の摩擦係数を示す図である。
【図６】図１（ｂ）の潤滑性皮膜の摩擦後の断面顕微鏡写真である。
【図７】負荷荷重を２０Ｎから１０００Ｎへ段階的に増加させたときの、図１（ｂ）の潤滑性皮膜の摩擦係数を示す図である。
【図８】図７で示した摩擦係数を、代表的な固体潤滑剤である二硫化モリブデンの摩擦係数と比較した図である。
【図９】負荷荷重を１０Ｎから１５０Ｎへ段階的に増加させながら摩擦させた後の、図１（ｂ）の潤滑性皮膜の表面及び断面顕微鏡写真である。
【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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【図９】
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