(57)【要約】      （修正有）【課題】境界潤滑状態等の過酷な潤滑環境下で使用された場合であっても、摩擦係数が小さく、優れた摺動性能を有する摺動部材を提供する。【解決手段】相手部材と相対的にすべり接触する摺動面を有する摺動部材において、摺動面をなす少なくとも一部の表面に、面積率が７５％以上の固体潤滑皮膜が形成されていることを特徴とする摺動部材を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手部材と相対的にすべり接触する摺動面を有する摺動部材において、
前記摺動面をなす少なくとも一部の表面に、面積率が７５％以上の固体潤滑被膜が形成されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記固体潤滑被膜の面積率は、９５％以下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】
前記固体潤滑被膜の厚さは、０．１０μｍ以上８．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記固体潤滑被膜は、深さが０．１０μｍ以上５μｍ以下の微小くぼみを有する表面に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項５】
前記固体潤滑被膜は、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．３０μｍ以上０．７０μｍ以下の表面に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相手部材と相対的にすべり接触する摺動面を有する摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の摺動部材は、自動車等用の各種エンジンや軸受用保持器（リテーナ）等で用いられている。近年、エネルギー問題への社会的要請が高まるにつれて、摺動部材のさらなる摩擦低減を図ることにより、エネルギー効率を向上させることが求められている。
このような摺動部材に用いられる材料としては、比較的摩擦係数の低い窒化ケイ素や炭化ケイ素等が知られている。特許文献１〜特許文献３では、窒化ケイ素や炭化ケイ素等からなる摺動部材の更なる摩擦低減を図るための技術が提案されている。
【０００３】
特許文献１では、窒化ケイ素及び炭化ケイ素からなる材料に遊離炭素を含有させてなる摺動部材において、その表層部における遊離炭素の含有率と、その内部における遊離炭素の含有率とを特定することが提案されている。
特許文献２では、窒化ケイ素や炭化ケイ素等のケイ素を含む非酸化セラミックス中に、鉄の化合物を分散させることが提案されている。
【０００４】
特許文献３では、窒化ケイ素や炭化ケイ素等の硬質材料からなる摺動部材の表面に、潤滑油溜まりとなる微細なディンプルを多数形成することが提案されている。
【特許文献１】特開平７−３３５２７号公報
【特許文献２】特開平６−１２２５５５号公報
【特許文献３】特開平９−１３３２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術では、無潤滑状態では顕著な効果を示すが、ある程度潤滑剤が存在する潤滑状態では十分な摩擦低減効果を得ることが難しい。  また、特許文献２に記載の技術では、非酸化セラミックス中に分散させた鉄の化合物が凝集することで強度が低下する懸念があるとともに、潤滑油膜が局所的に保持されずに十分な摩擦低減効果が得られない場合がある。
さらに、特許文献３に記載の技術では、微細なディンプルを多数形成するための加工に手間がかかるとともに、上述した特許文献２と同様に、ディンプル以外には潤滑油膜が十分に保持されないため、摩擦低減効果が十分に得られない場合がある。
【０００６】
このため、上述した特許文献１〜特許文献３に記載の技術では、例えば、自動車等用の各種エンジン中のバルブリフターにおけるカム・シム間のように、面圧が大きく且つ相手部材との摺動速度が相対的に小さい、いわゆる、境界潤滑状態で使用される摺動部材に適用した場合に摩擦低減を図るという点で更なる改善の余地がある。
そこで、本発明は、境界潤滑状態等の過酷な潤滑環境下で使用された場合であっても、摩擦係数が小さく、優れた摺動性能を有する摺動部材を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決するために、本発明は、相手部材と相対的にすべり接触する摺動面を有する摺動部材において、前記摺動面をなす少なくとも一部の表面に、面積率が７５％以上の固体潤滑被膜が形成されていることを特徴とする摺動部材を提供する。
これにより、摺動部材の摺動面での潤滑性が良好になるため、摺動面の摩擦係数が小さくなり、優れた摺動性能を得ることができる。よって、境界潤滑状態等の過酷な潤滑環境下で使用される摺動部材であっても、十分な摩擦低減効果を得ることができる。
【０００８】
なお、本発明において、摺動部材とは、相手部材と相対的にすべり接触する摺動面を有する部材を指す。このような摺動部材の具体例としては、円筒面，球面，平面等において接触運動を行う機械部品であって、例えば、自動車のエンジンを構成するカム及びカムフォロア，ピストンリング，燃料噴射装置，フリクションプレート，クラッチ部品や、すべり軸受を構成するすべり部材や、転がり軸受やすべり軸受用のリテーナが挙げられる。
【０００９】
また、本発明において、固体潤滑被膜の素材としては、摺動部材の摺動面として必要な強度を付与し、且つ、摺動部材をなす素材と密着性がよいものであれば特に限定されない。例えば、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、金属石けん、フッ素樹脂、ナイロン、ポリアセタール、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリエステル、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、黒鉛、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、銅、銅合金、亜鉛、亜鉛合金、スズ、スズ合金、及び酸化金属が挙げられる。
【００１０】
このような固体潤滑被膜の形成方法としては、例えば、塗布、焼成、溶射、スパッタリング、イオンプレーティング、及びショットピーニングが挙げられる。特に、固体潤滑被膜を形成した後の摺動部材の表層部の硬さを向上させることを考慮すると、ショットピーニング法を行うことが好ましい。また、固体潤滑被膜を摺動部材にさらに密着して形成するためには、母材である摺動部材を加熱させた状態でショットピーニング法を行うことがより好ましい。
【００１１】
さらに、摺動部材をなす素材としては、特に限定されないが、例えば、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）等の軸受鋼や、ＳＣＭ４２０，ＳＣＲ４２０等の肌焼鋼や、ＳＵＳ４４０等のステンレス鋼に、焼入れ及び焼戻し処理を施したり、浸炭又は浸炭窒化処理と焼入れ及び焼戻し処理とを施したりしたものが挙げられる。
また、本発明の摺動部材において、前記固体潤滑被膜の面積率は、９５％以下であることが好ましい。
【００１２】
これにより、固体潤滑被膜が摺動部材の摺動面から剥離し難くなるため、摺動面の摩擦係数をより小さくできるとともに、固体潤滑被膜が剥離することで生じる音響不良や振動上昇を効果的に抑制することができる。
さらに、本発明に係る摺動部材において、前記固体潤滑被膜の厚さは、０．１０μｍ以上８．０μｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
これにより、摺動部材の摺動面での潤滑性を良好にして、摺動面の摩擦係数を小さくできるとともに、摺動部材として必要な強度が得られるため、さらに優れた摺動性能を得ることができる。
ここで、固体潤滑被膜の厚さが０．１０μｍ未満であると、良好な潤滑性が得られなくなり、一方、８．０μｍ超過であると、摺動部材として必要な強度が得られなくなる。  
【００１４】
さらに、本発明に係る摺動部材において、前記固体潤滑被膜は、深さが０．１０μｍ以上５μｍ以下の微小くぼみを有する表面に形成されていることが好ましい。
これにより、表面に形成された微小くぼみに固体潤滑被膜が充填されて、摺動部材の摺動面により良好な潤滑性が得られるため、さらに優れた摺動性能を得ることができる。
ここで、微小くぼみが０．１０μｍ未満であると、潤滑性を良好にするための効果が十分に得られなくなり、一方、５μｍ超過であると、得られる効果が飽和する。
【００１５】
なお、本発明において、摺動部材の摺動面に微小くぼみを形成する方法としては、特に限定されないが、例えば、ＪＩＳ  Ｒ  ６００１に規定された平均粒径４５μｍの鋼球や、炭化ケイ素、二酸化ケイ素、アルミナ、ガラスビーズ等のショット材を用いたショットピーニング方法や、バレル法を単独又は組み合わせて行う方法が挙げられる。特に、微小くぼみを形成した後の摺動部材の表層部の硬さを向上させることを考慮すると、ショットピーニング法を適用することが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明の摺動部材において、前記固体潤滑被膜は、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．３０μｍ以上０．７０μｍ以下の表面に形成されていることが好ましい。
これにより、境界潤滑状態等の過酷な潤滑環境下で使用した場合であっても、初期なじみが緩やかに生じて、摺動部材の摺動面に良好な潤滑性が得られるため、優れた摺動性能を得ることができる。
ここで、表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．３０μｍ未満であると、初期なじみを緩やかに生じさせて、潤滑性を良好にするための効果が十分に得られなくなり、一方、５μｍ超過であると、得られる効果が飽和する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の摺動部材によれば、その摺動面をなす少なくとも一部の表面に、特定面積率の固体潤滑被膜を形成したことにより、摺動面での潤滑性が良好になるため、摺動面の摩擦係数が小さくなり、優れた摺動性能を得ることができる。よって、境界潤滑状態等の過酷な潤滑環境下で使用される摺動部材として適用した場合であっても、摩擦低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態では、高炭素クロム軸受鋼二種（ＳＵＪ２）からなる素材を所定形状に加工した後、８４０℃の混合ガス雰囲気（ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス）で３時間浸炭窒化した後、油焼入れ及び焼戻しを行って、円筒状の試験片（外径：３０ｍｍ，内径：２２ｍｍ，幅：８．５ｍｍ）Ｓ１，Ｓ２を作製した。得られた試験片Ｓ１，Ｓ２の外周面をなす表層部は、残留オーステナイト量が１５〜４０体積％で、硬さがＨＲＣ５８〜６７（Ｈｖ６５３〜９００）であった。そして、得られた試験片Ｓ１，Ｓ２のうち一方の試験片Ｓ１に対してのみ、以下に示す処理を施した。
【００１９】
まず、表１に示す前処理「有り」の試験片Ｓ１において、その摺接面をなす外周面に微小くぼみ（ディンプル）を形成する前処理を行った。
なお、表１に示す前処理「有（ショットＡ）」とは、ショットピーニング装置を用いて、噴射圧力２．０〜９．０ｋｇ／ｃｍ2 、噴射時間１０〜２０分の条件下でショット材としてＪＩＳ  Ｒ  ６００１に規定された平均粒径４５μｍの鋼球を大気中で加速して噴射することにより、試験片Ｓ１の外周面にディンプルを形成した処理を指す。
【００２０】
また、表１に示す前処理「有（バレル）」とは、種々のメディアや添加剤を配合して表面に大きなディンプルを形成する粗加工を行った後、プラトー部（平坦部）の粗さを整える仕上げ加工を行い、試験片Ｓ１の外周面にディンプルを形成した処理を指す。
さらに、表１に示す前処理「有（ショットＢ）」とは、ショットピーニング装置を用いて、噴射圧力２．０〜９．０ｋｇ／ｃｍ2 、噴射時間１０〜２０分の条件下で、粒径の異なる二種類のショット材（ＪＩＳ  Ｒ  ６００１に規定された平均粒径４５μｍの鋼球と、ガラスビーズ）を大気中で加速して噴射することにより、試験片Ｓ１の外周面にディンプルを形成した処理を指す。
【００２１】
さらに、表１に示す前処理「有（ＳＦ）」とは、超仕上げ加工を施して、試験片Ｓ１の外周面にディンプルを形成した処理を指す。
その後、試験片Ｓ１の外周面に形成したディンプルの深さを、以下に示すようにして測定した。まず、三次元非接触表面形状測定システムを用いて、１００倍で３０視野分の観察を行った。次に、得られた画像を断面プロファイルに変換して、ＸＹ方向のそれぞれ５断面を測定した結果の平均値を算出した。この結果は、表１に併せて示した。
【００２２】
次に、試験片Ｓ１の外周面に固体潤滑被膜を形成した。具体的には、ショットピーニング装置を用いて、噴射圧力２．０〜９．０ｋｇ／ｃｍ2 、噴射時間１０〜２０分の条件下でスズ（高純度化学研究所製，商品名ＳＮ１０１０４）を大気中で加速して噴射することにより、試験片Ｓ１の外周面に固体潤滑被膜を形成した。
【００２３】
その後、試験辺Ｓ１の外周面に形成された固体潤滑被膜の面積率を、以下に示すようにして測定した。まず、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）を用いて、試験片Ｓ１の外周面の観察（２０００倍、３０視野分）を行った。次に、試験片Ｓ１の外周面の２００μｍ四方を１０００倍に拡大し、固体潤滑被膜が形成される前の元素特性Ｘ線強度の１０倍以上のＸ線強度が検出された部分を固体潤滑被膜が形成されている領域として判定した。そして、３０視野分の結果を画像解析し、固体潤滑被膜の面積率の平均値を算出した。なお、表１に示す面積率は、観察視野の面積を１００％とした時の値であり、例えば、面積率７５％の固体潤滑被膜とは、観察視野に空孔部（固体潤滑被膜が形成されていない部分）が２５％存在する固体潤滑被膜を指す。この結果は、表１に併せて示した。
【００２４】
また、固体潤滑被膜の厚さを、各実施例と同様の条件で固体潤滑被膜が形成された破壊検査用の各試験片Ｓ１を用いて以下に示すようにして行った。まず、破壊検査用の試験片Ｓ１を切断し、バフ研磨で鏡面仕上げを施した後、電子顕微鏡（日本電子株式会社製，ＪＳＭ−６３６０ＬＶ）を用いて、５０００倍で３０視野分の観察を行った。
このとき、図１に示すように、１視野中で、横方向に固体潤滑被膜の断面層が観察されるように設置し、縦方向（固体潤滑被膜の膜厚方向）に沿って６区間に分割して、各区間の膜厚を算出した。そして、６区間の膜厚の平均値を１視野の平均膜厚とし、さらに、３０視野分の平均膜厚を算出した。この結果は、表１に併せて示した。図１は、試験片Ｓ１の摺動面をなす外周面に形成された固体潤滑被膜の電子顕微鏡写真であり、図１においては、最大膜厚が２．５μｍであり、最小膜厚が０．５μｍであった。
【００２５】
さらに、固体潤滑被膜が形成された後の試験片Ｓ１において、微小硬度計を用いた硬さ試験を行った。その結果、固体潤滑被膜が形成された試験片Ｓ１の外周面をなす表層部（表面から２〜１５μｍの深さまでの部分）に硬さの勾配が見られ、その勾配の最高硬さはＨｖ７８０〜Ｈｖ１１３０であり、固体潤滑被膜が形成される前の保持器４の表層部の最高硬さと比べて５〜２０％増大していることが分かった。
【００２６】
このようにして得られた試験片Ｓ１と試験片Ｓ２とを、図２に示す二円筒式摩耗試験機の円筒１０にそれぞれ装着して、以下に示す条件で摩耗試験を行った。
この摩耗試験は、上下に対向させた一対の円筒１０の上方向から荷重Ｐを負荷しながら、一対の円筒１０にそれぞれ装着した試験片Ｓ１，Ｓ２を互いに接触状態で逆方向に低速で回転させることで行った。また、この摩耗試験は、特に潤滑不良状態での摩耗特性を評価するために、回転中は油膜が切れ易い低粘度の潤滑油を注ぐようにした。この結果は、回転後の両試験片Ｓ１，Ｓ２の摩耗量（ｇ／ｍ）の平均値を求め、Ｎｏ．２７の摩耗量を１．００とした時の比として、表１に併せて示した。
〔寿命試験条件〕
荷重：１９６１Ｎ（２００ｋｇｆ）
回転速度：２５０ｍｉｎ-1 
回転時間：２００時間
滑り率：３０％
潤滑油：鉱油ＶＧ１０
潤滑油温度：６０℃
試験個数：１０個
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１に示すように、外周面に面積率で７５％以上の固体潤滑被膜が形成されたＮｏ．１〜Ｎｏ．２６の試験片Ｓ１を用いた摩耗試験では、外周面に固体潤滑被膜が形成されていないＮｏ．２７〜Ｎｏ．２９の試験片Ｓ１や、固体潤滑被膜の面積率が７５％未満のＮｏ．３０〜Ｎｏ．３３の試験片Ｓ１を用いた場合と比較して、摩耗量が少なく、Ｎｏ．２７の０．３６倍以下であった。
【００２９】
特に、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６とＮｏ．７，Ｎｏ．８の結果と、Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１５とＮｏ．１６の結果から、固体潤滑被膜の面積率を７５％以上９５％以下とすることにより、摩耗量がさらに少なくなっていることが分かる。
また、Ｎｏ．３とＮｏ．１７，Ｎｏ．１８の結果と、Ｎｏ．１１とＮｏ．１９，Ｎｏ．２０の結果から、固体潤滑被膜の厚さを０．１０μｍ以上８．０μｍ以下とすることにより、摩耗量がさらに少なくなっていることが分かる。
【００３０】
さらに、Ｎｏ．１１とＮｏ．２１，Ｎｏ．２２の結果から、ショットピーニング法によりディンプルの深さを０．１０μｍ以上５μｍ以下とすることにより、摩耗量がさらに少なくなっていることが分かる。この理由としては、ディンプルの深さを上記範囲内にすることで試験片Ｓ１の外周面により優れた潤滑性が得られるとともに、ショットピーニング法により試験片Ｓ１の外周面をなす表層部の硬さが向上したためであると考えられる。
【００３１】
さらに、Ｎｏ．３とＮｏ．２３，Ｎｏ．２４との結果、及び、Ｎｏ．１１とＮｏ．２５，Ｎｏ．２６との結果から、表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を０．３０μｍ以上０．７０μｍ以下とすることにより、摩耗量がさらに少なくなっていることが分かる。
続いて、表１で示す結果のうち、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１６と、Ｎｏ．３０〜Ｎｏ．３３の結果を用いて、固体潤滑被膜の面積率と、試験片の摩耗量との関係を示す図３のグラフを作成した。
【００３２】
図３に示すように、面積率７５％以上の固体潤滑被膜を形成した試験片Ｓ１を用いた場合には、面積率７５％未満の固体潤滑被膜を形成した試験片Ｓ１を用いた場合と比べて、試験片の摩耗量が少なくなっていることが分かる。
また、ディンプルの深さを調節するための前処理を行った後に固体潤滑被膜を形成した試験片Ｓ１を用いた場合には、前処理を行わずに固体潤滑被膜を形成した試験片Ｓ１を用いた場合と比べて、試験片の摩耗量が少なくなっていることが分かる。
【００３３】
以上の結果から、摺動面となる外周面に面積率７５％以上の固体潤滑被膜が形成された試験片Ｓ１を用いることにより、試験片Ｓ１と試験片Ｓ２との間が過酷な潤滑環境下で使用された場合であっても、試験片Ｓ１，Ｓ２の摩耗量を少なくできることが確認できた。  また、試験片Ｓ１の外周面に形成する固体潤滑被膜の厚さや、表面のディンプルの深さ及び中心線平均粗さについても特定することにより、試験片Ｓ１と試験片Ｓ２との間が過酷な潤滑環境下で使用された場合であっても、試験片Ｓ１，Ｓ２の摩耗量をさらに少なくできることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】試験片Ｓ１の摺接面をなす外周面に形成された固体潤滑被膜を示す電子顕微鏡写真である。
【図２】実施形態で用いた二円筒式摩耗試験機を示す図である。
【図３】試験片Ｓ１の摺動面をなす外周面に形成された固体潤滑被膜の面積率と、試験片Ｓ１，Ｓ２の摩耗量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０  円筒
Ｓ１  試験片
Ｓ２  試験片
【図２】
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【図３】
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【図１】
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