(57)【要約】【課題】  摺動面に自己潤滑性を付与するために母材の摺動面に低摩擦材料を配置する場合において、低摩擦材料の脱落を抑制する。【解決手段】  低摩擦材料層２０に、母材１０の一部を露出させる凹部２１を形成し、その表面に拘束層３０を形成する。凹部２１の形状を、摺動面２から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ状としたので、この凹部２１の表面に接するように拘束層３０を形成することによって、低摩擦材料層２０が幾何学的に拘束されるような構造を容易に形成することができる。【選択図】  図１
2005194931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動部材の摺動面の少なくとも一部に露出した低摩擦材料層と、
前記摺動部材の母材に接着すると共に前記低摩擦材料層にその外側から干渉することで前記低摩擦材料層を拘束する拘束層と、
を備えたことを特徴とする摺動部材の摺動面構造。
【請求項２】
請求項１に記載の摺動部材の摺動面構造であって、
前記低摩擦材料層は、摺動面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め部を少なくとも一部に備えていることを特徴とする摺動部材の摺動面構造。
【請求項３】
母材の表面に低摩擦材料層を形成する工程と、
前記母材の一部を露出させる凹部を前記低摩擦材料層に形成する工程と、
前記凹部の表面に接する拘束層を形成する工程と、
を含む摺動部材の摺動面形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の摺動部材の摺動面形成方法であって、
前記凹部は、摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を少なくとも一部に有することを特徴とする摺動部材の摺動面形成方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載の摺動部材の摺動面形成方法であって、
形成された前記拘束層の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層を露出させる工程を更に含むことを特徴とする摺動部材の摺動面形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンリングやシリンダライナなどの摺動部材における摺動面の構造および形成方法に関し、特に、埋設されている低摩擦材料の脱落を抑制できるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンリングやシリンダライナなどの摺動面に自己潤滑性を付与するために、母材の摺動面に各種の低摩擦材料を配置して複合化する構成が提案されている。例えば特許文献１は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、母材３０１の摺動面３０２に黒鉛などからなる略円柱形の固体潤滑材３２０を埋め込む構造を開示している。また特許文献２は、オイルの吸着性に優れた材料の粒子やウィスカーを母材中に分散させた構造を開示している。
【０００３】
【特許文献１】実開平４−８０９６３号公報
【特許文献２】特開平７−１４５４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらの構造では、母材に埋め込まれる低摩擦材料が脱落しやすいという問題点がある。
【０００５】
そこで本発明の目的は、摺動面に自己潤滑性を付与するために母材の摺動面に低摩擦材料を配置する場合において、低摩擦材料の脱落を抑制できる摺動面構造、およびそ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】
【０００６】
第１の本発明は、摺動部材の摺動面の少なくとも一部に露出した低摩擦材料層と、前記摺動部材の母材に接着すると共に前記低摩擦材料層にその外側から干渉することで前記低摩擦材料層を拘束する拘束層と、を備えたことを特徴とする摺動部材の摺動面構造である。
【０００７】
第１の本発明では、摺動面の少なくとも一部に露出した低摩擦材料層により、摺動面に自己潤滑性が付与される。そして拘束層が、摺動部材の母材に接着すると共に低摩擦材料層にその外側から干渉することで低摩擦材料層を拘束するので、これによって低摩擦材料の脱落が抑制される。
【０００８】
第２の本発明は、請求項１に記載の摺動部材の摺動面構造であって、前記低摩擦材料層は、摺動面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め部を少なくとも一部に備えていることを特徴とする摺動部材の摺動面構造である。
【０００９】
第２の本発明では、低摩擦材料層が、摺動面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め部を少なくとも一部に備えたので、これによって低摩擦材料の脱落を好適に抑制できる。
【００１０】
第３の本発明は、母材の表面に低摩擦材料層を形成する工程と、前記母材の一部を露出させる凹部を前記低摩擦材料層に形成する工程と、前記凹部の表面に接する拘束層を形成する工程と、を含む摺動部材の摺動面形成方法である。
【００１１】
第３の本発明では、部分的に母材を露出させる凹部を低摩擦材料層に形成し、この凹部の表面に接する拘束層を形成することによって、微細な拘束構造を容易に形成でき、体積あたりの材料境界面面積の拡大によって低摩擦材料層の脱落を抑制できる。なお、低摩擦材料層の形成と凹部の形成とは、この順に行われてもよいし、同時に行われてもよい。
【００１２】
第４の本発明は、請求項３に記載の摺動部材の摺動面形成方法であって、前記凹部は、摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を少なくとも一部に有することを特徴とする摺動部材の摺動面形成方法である。
【００１３】
第４の本発明では、凹部が、摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を少なくとも一部に有することとしたので、この凹部の表面に接する拘束層を形成することによって、低摩擦材料層が幾何学的に拘束されるような構造を容易に形成することができる。なお、テーパ部の形状は、断面積が連続的に減少する斜行状のほか、断面積が離散的に減少する階段状やネジ山状などのように各種の形状を採用できる。
【００１４】
第５の本発明は、請求項３または４に記載の摺動部材の摺動面形成方法であって、形成された前記拘束層の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層を露出させる工程を更に含むことを特徴とする摺動部材の摺動面形成方法である。
【００１５】
第５の本発明では、拘束層の表面の除去によって低摩擦材料層を容易に露出させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。第１実施形態に係る摺動部材１は略環状のピストンリングであり、図１（ｄ）に示されるように、その摺動面２の少なくとも一部に露出した低摩擦材料層２０と、摺動部材１の母材１０に接着すると共に低摩擦材料層２０に接することで低摩擦材料層２０をその外側から摺動面２の法線方向に拘束する拘束層３０と、を備えている。また、低摩擦材料層２０の全体の形状は、摺動面２から内部に行くに従い断面積が拡大するような抜け止め形状ないし逆テーパ状となっている。
【００１７】
この第１実施形態に係る摺動部材１の摺動面２の形成方法は、以下のとおりである。図１（ａ）において、まず、鋼材からなる母材１０の摺動面２に、低摩擦材料層２０を形成する。
【００１８】
この低摩擦材料層２０には例えば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）やＰＴＦＥ（４フッ化エチレン）などの固体潤滑材をポリアミド、フェノール、ポリイミドなどの樹脂材料中に数％から数１０％分散保持させたスラリーを用い、その形成は、該スラリーを母材１０の摺動面１１に塗布した後、焼成することにより行う。低摩擦材料層２０の膜厚は数μｍから１０μｍ程度とするのが好適である。このような低摩擦材料層２０では、得られる被膜が軟質であるためやや耐摩耗性に劣るが、固体潤滑材や樹脂材料が摺動面にとどまることで低い摩擦係数を維持することが可能である。
【００１９】
次に、図１（ｂ）に示されるとおり、低摩擦材料層２０の表面に、バイトを用いた切削加工により複数の凹部２１を形成する。この凹部２１は、ピストンリングである摺動部材１の外周面の全周にわたって周方向に形成された螺旋状または環状の条痕である。凹部２１の深さは、凹部２１の底部に母材１０の一部が露出するような深さに設定する。なお凹部２１の幅は０．１ｍｍ程度、凹部２１の深さは１０μｍ程度とする。また凹部２１の断面形状は、摺動面２の表面から内部に行くに従って断面積が縮小するような形状、すなわち抜け勾配にする。このような切削加工の結果、低摩擦材料層２０の形状は、摺動面２の表面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め状または逆テーパ状にされることになる。
【００２０】
次に、図１（ｃ）に示されるとおり、凹部２１を含む摺動面２の全体を被覆するように、耐磨耗材料からなる拘束層３０を形成する。この拘束層３０を構成する耐磨耗材料には例えば、アルミナ、クロミア、ジルコニアなどのセラミック系の溶射材料を用い、その形成は例えばプラズマ溶射により行う。この場合には膜厚が数１０μｍ〜数１００μｍ程度の厚膜の形成が可能であるが、被膜面が数μｍ〜２０μｍＲｚ程度の面粗さであり、研削研磨加工が必要になる。
【００２１】
次に、図１（ｄ）に示されるとおり、形成された拘束層３０の表面にラップ盤によりラッピングを行うことにより、拘束層３０の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層２０を露出させる。このような切削加工により摺動面２の最表面には、低摩擦材料層２０と拘束層３０とが存在し、かつ両者が交互に分布することになる。なお、本実施形態の摺動部材１０はピストンリングであるため、以上の工程の後には合口の作成のための切割り加工が行われることになる。
【００２２】
以上のようにして形成された摺動部材１では、摺動面２の最表面に低摩擦材料層２０と拘束層３０とが存在するので、低摩擦材料層２０のもつ自己潤滑性と、拘束層３０のもつ耐磨耗性との両者を摺動面２に付与することができる。また、母材１０とは別途の拘束層３０を備えることとしたので、単に母材中に固形潤滑材を分散させる構造に比し、低摩擦材料層ないし固体潤滑材を母材１０の表面に正しく整列させることができる。
【００２３】
また、低摩擦材料層２０の形状を、摺動面２の表面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め状または逆テーパ状にし、且つその外側に拘束層３０を形成するので、拘束層３０が母材１０に接着すると共に低摩擦材料層２０にその外側から干渉（すなわち、低摩擦材料層２０がその剥離方向に運動しようとする場合に拘束層３０の圧縮応力が摺動面２の法線方向の成分を含有）し、これによって低摩擦材料層２０が、拘束層３０に拘束されることになる。このような拘束層３０による拘束は、低摩擦材料層２０がその剥離方向に運動しようとする場合に、拘束層３０が楔あるいは蟻溝と同様にその応力を漸増させる作用と言い換えることもできる。このように本実施形態では、母材１０と拘束層３０との接着力を、低摩擦材料層２０の拘束に寄与させることができ、母材１０と低摩擦材料層２０との密着性ないし剥離強度が小さい場合であっても、低摩擦材料層２０の脱落を好適に抑制することができる。
【００２４】
また本実施形態では、凹部２１の形状を、摺動面２から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ状としたので、これを外側から形成する場合にその形成が容易であると共に、この凹部２１の表面に接するように拘束層３０を形成することによって、低摩擦材料層２０が幾何学的に拘束されるような構造を容易に形成することができる。
【００２５】
また本実施形態では、凹部２１が摺動部材１の周方向を長手として形成されるため、形成後の低摩擦材料層２０の形状も、摺動部材１の使用時の摺動方向である図中上下方向と略直交する方向を長手方向とすることができ、その脱落を好適に抑制することができる。
【００２６】
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る摺動部材１０１は同様にピストンリングであり、図２（ｅ）に示されるように、その摺動面１０２の少なくとも一部に露出した低摩擦材料層１２０と、母材１１０に接着すると共に低摩擦材料層１２０に接することで低摩擦材料層１２０をその外側から摺動面１０２の法線方向に拘束する拘束層１３０と、を備えている。また、低摩擦材料層１２０の全体の形状は、摺動面１０２の表面から内部に行くに従い断面積が拡大する逆テーパ状となっている。
【００２７】
この第２実施形態に係る摺動部材１０１の摺動面１０２の形成方法は、以下のとおりである。図２（ａ）において、まず、鋼材からなる母材１１０の摺動面１０２に、バイトを用いた切削加工により複数の略弧状断面の条痕１０３を形成し、これに続いて条痕１０３を覆うように、低摩擦材料層１２０を形成する。この低摩擦材料層１２０の材質およびコーティング方法は、上記第１実施形態における低摩擦材料層２０と同様である。
【００２８】
次に、図２（ｂ）に示されるとおり、形成された低摩擦材料層１２０の表面にラップ盤によりラッピングを行うことにより、低摩擦材料層１２０の表面を所定厚さだけ除去してその表面を平坦にする。なお、この工程は省略してもよい。
【００２９】
次に、図２（ｃ）に示されるとおり、低摩擦材料層１２０の表面に、バイトを用いた切削加工により複数の略弧状断面の凹部１２１を形成する。この凹部１２１は、ピストンリングである摺動部材１０１の外周面の全周にわたって周方向に形成された螺旋状または環状の条痕であるが、先に形成した条痕１０３とは図中上下方向の位置において一致しないように、オフセットされた位置に形成される。凹部１２１の深さは、凹部１２１の底部に母材１１０の一部が露出するような深さに設定する。なお凹部１２１の幅は０．１ｍｍ程度、凹部１２１の深さは１０μｍ程度とする。また凹部１２１の断面形状は、摺動面１０２の表面から内部に行くに従って断面積が縮小するような形状、すなわち抜け勾配にする。このような切削加工の結果、低摩擦材料層１２０の形状は、摺動面１０２の表面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め状または逆テーパ状にされることになる。
【００３０】
次に、図２（ｄ）に示されるとおり、凹部１２１を含む摺動面１０２の全体を被覆するように、耐磨耗材料からなる拘束層１３０を形成する。この拘束層１３０の材質およびコーティング方法は、上記第１実施形態における拘束層３０と同様である。
【００３１】
次に、図２（ｅ）に示されるとおり、形成された拘束層１３０の表面にラップ盤によりラッピングを行うことにより、拘束層１３０の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層１２０を露出させる。このような切削加工により摺動面１０２の最表面には、低摩擦材料層１２０と拘束層１３０とが存在し、かつ両者が交互に分布することになる。
【００３２】
以上のようにして形成された摺動部材１０１では、摺動面１０２の最表面に低摩擦材料層１２０と拘束層１３０とが存在するので、上記第１実施形態と同様に、低摩擦材料層１２０のもつ自己潤滑性と、拘束層１３０のもつ耐磨耗性との両者を摺動面１０２に付与することができる。
【００３３】
また本実施形態では、低摩擦材料層１２０の形状を、摺動面１０２の表面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め状または逆テーパ状にし、且つその外側に拘束層１３０を形成するので、拘束層１３０が母材１１０に接着すると共に低摩擦材料層１２０にその外側から干渉し、これによって低摩擦材料層１２０が、拘束層１３０に拘束されることになる。したがって本実施形態では、母材１１０と拘束層１３０との接着力を、低摩擦材料層１２０の拘束に寄与させることができ、母材１１０と低摩擦材料層１２０との密着性ないし剥離強度が小さい場合であっても、低摩擦材料層１２０の脱落を好適に抑制することができる。
【００３４】
また本実施形態では、凹部１２１の形状を、摺動面１０２から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ状としたので、これを外側から形成する場合にその形成が容易であると共に、この凹部１２１の表面に接するように拘束層１３０を形成することによって、低摩擦材料層１２０が幾何学的に拘束されるような構造を容易に形成することができる。
【００３５】
なお、上記各実施形態では、凹部２１，１２１の全体の形状を、摺動面２，１０２から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ状としたが、本発明における凹部は、摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を、少なくとも一部に有してさえいれば、これに被覆される拘束層における対応部分を所望の抜け止め効果が得られるような形状（すなわち、拘束層３０が低摩擦材料層２０にその外側から摺動面２の法線方向に接することにより低摩擦材料層２０を拘束するような形状）にすることができ、本発明に所期の効果を得ることができる。また、本発明における凹部の形状は、上記各実施形態における凹部２１，１２１のような断面積が直線的または連続的に減少する斜行状のほか、断面積が離散的に減少する階段状やネジ山状などのように、各種の形状を任意に採用できる。
【００３６】
また、本発明における凹部が、摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を有していない場合にも、本発明の形成方法によれば微細な拘束構造を容易に形成でき、また体積あたりの材料境界面面積の拡大によって低摩擦材料層の脱落抑制という所期の効果を相当程度に得ることができる。
【００３７】
また、上記各実施形態では、凹部２１，１２１を条痕とし、これをバイトを用いた切削加工によって形成することとしたが、本発明における凹部は条痕状に限られず、例えばディンプル状などの散点状であってもよい。また凹部の形成方法は切削に限られず、低摩擦材料層の形成の際に印刷や金型を用いる樹脂成形、レーザによる刻設、あるいは化学的作用による食刻であってもよい。低摩擦材料層の形成に印刷を用いる場合には、例えばシルクスクリーンや孔版の利用により、低摩擦材料層の形成と凹部の形成とを同時に行うことができる。また図１（ｄ）および図２（ｅ）に示される拘束層の表面除去工程も、切削以外の方法によることが可能である。
【００３８】
また、上記各実施形態では、固定潤滑材を含有させた樹脂材料の塗布および焼成によって低摩擦材料層２０，１２０を形成することとしたが、本発明における低摩擦材料は他の各種の材料を選択でき、またその形成方法も任意である。例えば、低摩擦である上に耐磨耗性にも優れた材料として知られるＤＬＣ（Diamond-Like Carbon；ダイヤモンド状炭素）を低摩擦材料層の材質として採用してもよく、この場合にはその形成は、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition；物理蒸着法）や、プラズマＣＶＤなどのＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学蒸着法）によって行われることになる。ＤＬＣでは数μｍ程度の膜厚でＨＶ（ビッカース硬さ）１０００以上の硬質の膜が得られ、高い耐磨耗性と、後加工の必要のない高い平滑性を得ることができる。
【００３９】
また、本発明における拘束層３０，１３０を構成する耐磨耗材料も、上記各実施形態に挙げたもの以外の各種の材料を選択でき、またその形成方法も任意であって、セラミックス系以外の溶射材料、すなわちサーメット系や金属系の溶射材料を用いてもよく、特にセラミックス系およびサーメット系の溶射材料では硬質な皮膜を形成することができる。サーメット系の溶射材料ではＨＶＯＦ（High Velocity Oxy-Fuel）などの高速火炎溶射が用いられることになり、ＷＣ−Ｃｏ系材料が特に好適である。
【００４０】
さらに、耐磨耗材料としてはＴｉＮ、ＣｒＮ等の窒化物、ＴｉＣ，ＳｉＣ等の炭化物、ＴｉＣＮ等の複合炭窒化物からなる硬質膜を使用でき、その場合にはその形成はアーク方式やホロカソード方式などのイオンプレーティングにより行うことができる。例えばアークイオンプレーティングにより鋼基材上に３５０°Ｃ〜５５０°Ｃの成膜温度でＴｉＮ、ＣｒＮ膜を形成した場合には、０．１μｍ〜数μｍ程度の膜厚でも、ＴｉＮ膜でＨＶ２０００、ＣｒＮ膜でＨＶ１４００程度の非常に硬質な拘束層を形成でき、機械部品として十分な耐磨耗性を得ることができる（ただし、ＣｒＮ膜は１０μｍ以上の厚膜の形成も可能である）。また、耐磨耗材料の形成にはスパッタリングなどの他の各種ＰＶＤ、さらにはＣＶＤをも利用することができる。
【００４１】
また、上記各実施形態では摺動部材をピストンリングとしたが、本発明はシリンダライナやピストンスカート等の各種エンジン部品、さらには軸受などの潤滑性を要する各種の機械装置・機械要素の摺動部材に広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）ないし（ｄ）は本発明の第１実施形態に係る摺動部材の摺動面構造およびその形成方法を示す断面図である。
【図２】（ａ）ないし（ｅ）は本発明の第２実施形態に係る摺動部材の摺動面構造およびその形成方法を示す断面図である。
【図３】従来の摺動面構造の一例を示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）はその正面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１，１０１      摺動部材
２，１０２      摺動面
１０，１１０    母材
２０，１２０    低摩擦材料層
２１，１２１    凹部
３０，１３０    拘束層
【図１】
2005194931.tif 000003
【図２】
2005194931.tif 000004
【図３】
2005194931.tif 000005