(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム部材又はアルミニウム合金部材と、該部材の表面層に形成され、かつ、粒径が０．１〜１μｍの銅、スズ、銀、亜鉛又は鉄の少なくともいずれかからなる金属粒子が分散した厚さが１〜１０μｍであるＮＨ4ＭｇＡｌＦ6よりなる化成皮膜とを備えたことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
上記金属粒子が、上記化成皮膜の表面付近に分散してい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】
ケイフッ化マグネシウム及びケイフッ化アンモニウムを溶解した水溶液に、金属塩としてケイフッ化銅、塩化銅、硝酸銅、ケイフッ化亜鉛、塩化亜鉛、炭酸亜鉛、塩化鉄(III)又は黄血ソーダのいずれかを添加することによって処理液を作製するステップと、８０〜９５℃の該処理液中にアルミニウム部材又はアルミニウム合金部材を浸漬するステップとを含んでなる摺動部材の表面処理方法。
【請求項４】
上記水溶液のＰＨが１〜５であることを特徴とする請求項３に記載の摺動部材の表面処理方法。
【請求項５】
上記ケイフッ化マグネシウムの溶解量を水１００重量部に対して０．１〜２０重量部、及びケイフッ化アンモニウムの溶解量を水１００重量部に対して０．０５〜１０重量部とし、かつ、上記金属塩の添加量を水１００重量部に対して０．０５〜５重量部としたことを特徴とする請求項３に記載の摺動部材の表面処理方法。
【請求項６】
上記水溶液への上記アルミニウム部材又はアルミニウム合金部材の浸漬時間が１〜１０分間であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の摺動部材の表面処理方法。
【請求項７】
請求項３〜６に記載されたいずれかの表面処理方法によってその表面層に化成皮膜を形成した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、内燃機関等の摺動部に適用される化成処理技術の一つであるＢＦコート処理を応用したものであり、皮膜の表層部に金属粒子を析出及び複合化させる表面処理に関する。更に詳しくは、自動車のエンジン用ピストンの表面に、軟質の金属粒子を分散させた表面皮膜を形成して摺動特性を改善させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、エンジン用ピストンの摺動面等には、特開平１１−１９３４７８号公報に記載されているＢＦコート処理を用いた摺動皮膜を形成している。このＢＦコート処理は、フッ素化合物及びケイフッ化アンモニウムを含む処理液にアルミニウム合金部材等の被処理物を浸漬することによって、その表面に摺動皮膜を形成させる表面処理技術である。この表面処理によれば、アルミニウム合金部材の表面に形成した摺動皮膜は、１μｍ以下の微小結晶が無数に集積した集合体で、１〜２０μｍの厚さを有し、かつ、この微小結晶が優先的に摩耗することによって相手材との初期なじみ性を向上させている。
【０００３】
しかし、上記摺動皮膜は、比較的硬質な皮膜であるため、相手材がアルミニウム合金など軟質な部材の場合は、初期なじみ性を向上させる効果が小さい。
一方、これに対してスズめっきは、一般に内燃機関の部品であるアルミニウム製又はアルミニウム合金製ピストンのスカート部に適用される表面処理である。スズ（Ｓｎ）は、軟質な金属であり、初期なじみ性を持たせる効果はあるが、耐摩耗性は劣っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決し、相手材が軟質な部材の場合でも高い初期なじみ性を有し、かつ耐摩耗性に優れた摺動皮膜を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る摺動部材は、被処理物の母材と、該母材の表面層に形成され、かつ、その表面部に金属粒子が分散した化成皮膜とを備えている。この金属粒子は、銅、スズ、銀、亜鉛、コバルト又は鉄の少なくともいずれかであることが好ましい。
上記化成皮膜の表面部には、軟質な金属粒子が多数分散しているため、この金属粒子が相手材と摺動することによって、摺動特性を向上させることができる。本発明に係る摺動部材の表面処理方法は、上記目的を達成するため、マグネシウムイオン、アンモニウムイオン及びフッ化物イオンを含む水溶液に金属塩を添加することによって処理液を作製するステップと、この処理液中に被処理物を浸漬するステップとを含んでなる。
【０００６】
上記表面処理方法によれば、従来用いていた設備をそのまま用いることができて、処理コストが安価になる。また、処理方法が簡単であり、そして、被処理物の表面層に化成皮膜を効率的に形成することができる。該化成皮膜の表面部には、上記金属塩に含まれている金属イオンが析出することによって形成された金属粒子が分散して設けられている。このため、化成皮膜自身の耐久性を保持しつつ、同時に、初期なじみ性を向上させることが可能である。上記水溶液の濃度は、そのＰＨが２〜５となる程度が好ましい。また、上記被処理物を浸漬する際における処理液の温度は、７０〜９８℃が好ましく、更に好ましくは８０〜９５℃である。そして、上記金属塩は、銅、亜鉛、コバルト及び鉄の少なくともいずれかの金属の塩を含んでいるものを用いる。例えば、ケイフッ化銅、塩化銅、硝酸銅、ケイフッ化亜鉛、塩化コバルト（II）、塩化鉄（III）などである。なお、上記被処理物には、アルミニウム部材又はアルミニウム合金部材を好適に用いることができる。
さらに、本発明に係る摺動部材の表面処理方法の一態様では、ケイフッ化マグネシウム及びケイフッ化アンモニウムを溶解した水溶液に、金属塩としてケイフッ化銅、塩化銅又は硝酸銅のいずれかを添加することによって処理液を作製するステップと、７０〜９８℃の処理液中にアルミニウム合金部材を浸漬するステップとを含んでいる。
【０００７】
上記表面処理方法によれば、アルミニウム合金部材の表層部に化成皮膜を効率的に形成させることができ、この化成皮膜の表面部には銅粒子が適度に分散及び析出している。即ち、化成皮膜の生成と金属粒子の析出及び複合化を同時に行うことができ、該複合化によって、皮膜に機能を付加させることができる。上記ケイフッ化マグネシウムの溶解量は水１００重量部に対して０．１〜２０重量部、及びケイフッ化アンモニウムの溶解量は水１００重量部に対して０．０５〜１０重量部とし、上記金属塩の添加量を水１００重量部に対して０．０５〜５重量部とすることが好ましい。なお、上記化成皮膜の厚さは保護性があるため、一定の厚さ、例えば１〜１０μｍを保持することができる。
【０００８】
そして、本発明に係る摺動部材では、上述したいずれかの表面処理方法によってその表面層に化成皮膜を形成している。
この摺動部材は、エンジン用ピストンなどに好適に用いることができ、耐摩耗性を有すると共に初期なじみ性を備えている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るについて、図面を用いて詳細に説明する。
本発明に係る表面処理は、アルミニウム部材又はアルミニウム合金部材の表面層に、Ｓｎ，Ａｇ，Ｃｕ等の軟質な金属粒子を分散析出させたＢＦコート皮膜を形成する方法である。この処理によって、皮膜に耐摩耗性を与えると共に、スズめっきと同程度の初期なじみ性を付与することができる。
【００１０】
［表面処理工程の概要］
上記表面処理の工程を大まかに説明する。まず、マグネシウムイオン（Ｍｇ2+）、アンモニウムイオン（ＮＨ3+）及びフッ化物イオン（Ｆ-）の群から選択される一又は二以上のイオンを含む溶液に、析出させようとする金属イオンを供給できる金属塩を添加する。次いで、この溶液を適当な温度に加熱して処理液を作成し、該処理液中に被処理材を浸漬して一定時間保持することによって、該被処理材の表面が処理液によってエッチングされると同時に、処理液中の金属イオンが析出して金属粒子が分散したＢＦコート皮膜がその表面層に生成される。
この処理方法によって生成した皮膜は、その表面付近に金属粒子が取り込まれた化成皮膜であるため、化成皮膜自身の耐久性を保持しつつ表面の軟質な金属粒子によって初期なじみ性を改善することができる。
【００１１】
以下に、各工程ごとに更に詳細な説明を行う。
［被処理物］
本発明に係る表面処理を適用する被処理物は、アルミニウム部材又はアルミニウム合金部材である。具体的には、純アルミニウム部材、アルミニウム展伸材、アルミニウム鋳物又はアルミニウム・ダイカスト材などを好適に用いることができる。また、表面処理を施す前に行う前処理としては、上記被処理物の表面に付着した油等を除去するだけでも良いが、有機溶剤や脱脂剤等を用いてアルカリ・エッチングや酸洗処理を施しても良い。
【００１２】
［処理液］
本発明に用いる処理液は、マグネシウムイオン、アンモニウムイオン及びフッ化物イオンを含む水溶液に、析出させようとする金属イオンを供給できる金属塩を添加して加熱したものである。
上記水溶液は、ＰＨが１〜５好ましくは１．５〜３．５の範囲の濃度を有し、例えば水１００重量部に対して、０．１〜２０重量部のケイフッ化マグネシウム（ＭｇＳｉＦ6・６Ｈ2Ｏ）と、０．０５〜１０重量部のケイフッ化アンモニウム（（ＮＨ4）2ＳｉＦ6）とを加えた混合溶液を好適に用いることができる。
上記の金属塩は、例えば銅イオンを供給できる金属塩であるケイフッ化銅（ＣｕＳｉＦ6・４Ｈ2Ｏ）、塩化銅（ＣｕＣｌ2・２Ｈ2Ｏ）、又は硝酸銅（Ｃｕ（ＮＯ3）2・６Ｈ2Ｏ）などを好適に用いることができる。また、これら以外の金属塩としては、亜鉛イオンを析出させる場合は、例えばケイフッ化亜鉛（ＺｎＳｉＦ6・４Ｈ2Ｏ）、塩化亜鉛や炭酸亜鉛などが好ましく、コバルトイオンを析出させる場合は、例えば塩化コバルト（II）や炭酸コバルト（II）などが好ましい。そして、鉄イオンを析出させる場合は、例えば塩化鉄（III）や黄血ソーダなどが好ましい。上記金属塩の添加量は、水１００重量部に対して０．０５〜５重量部、好ましくは０．１〜１重量部である。
なお、上記加熱温度は、７０〜９８℃が好ましく、更に好ましくは８０〜９５℃で、特に９０℃が好ましい。加熱温度が７０℃未満の場合は、ケイフッ化物の分解が少なく反応性が低いという問題があり、一方、９８℃を超えると、部分的に沸騰が起こり熱効率が低下するという問題がある。
【００１３】
［皮膜の形成］
上記処理液中に被処理物を一定時間の間浸漬させることによって、被処理物の表面層が処理液によってエッチングされ、該表面層に化成皮膜が生成されると共に、該化成皮膜の表面部に金属粒子が分散して析出する。この金属粒子は、水溶液中の金属イオンの析出によって生成するものである。該化成皮膜は保護性を有し、その成長が一定厚さまでに達すると、被処理物のエッチングを阻害して、金属粒子の析出と化成皮膜の成長が停止する。上記の浸漬時間は、１〜１０分間、好ましくは３〜８分間であり、このうち特に５分間が好ましい。
【００１４】
［皮膜の構造］
本発明に係る処理方法を用いて形成した化成皮膜は、図１に示すように、被処理物１の表面層に形成した化成皮膜３である。この化成皮膜３は、ＮＨ4ＭｇＡｌＦ6であり、その厚さは１〜１０μｍ、好ましくは２〜８μｍである。この化成皮膜３の表面部には、処理液中の金属イオンが析出して生成した金属粒子５が分散している。この金属粒子５としては、軟質なＣｕ，Ｓｎ，ＡｇやＺｎ，Ｃｏ，Ｆｅ等の粒子が好ましく、粒径は０．１〜１μｍが好ましい。また、金属粒子５の分散量としては、化成皮膜３の表面の面積率で５０〜１００％が好ましい。また、被処理物１の母材７中には共晶シリコン９の結晶が形成されている。
上記化成皮膜によれば、化成皮膜３自身の耐久性を保持しつつ、軟質な金属粒子５によって初期なじみ性を改善することが可能である。
【００１５】
上記構成を有するによる作用を以下に説明する。
【実施例】
まず、１重量部のケイフッ化マグネシウムと０．５重量部のケイフッ化アンモニウムを１００重量部の水に溶解して水溶液を作製した。次いで、この水溶液にケイフッ化銅の水溶液０．３重量部を添加し、９０℃に加熱して処理液を作製した。
そして、上記処理液に被処理物であるアルミニウム合金部材（ＡＣ８Ａ）を５分間浸漬させることによって、その表面部に金属粒子を分散させた化成皮膜を上記アルミニウム合金部材の表層部に形成した。
一方、比較例として、上記ケイフッ化銅の金属塩を添加しない状態の水溶液にアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）を５分間浸漬して、金属粒子が分散していない従来の化成皮膜を形成した。
【００１６】
上記本発明例に係る化成皮膜の断面写真を写真２と写真４に、比較例に係る化成皮膜の断面写真を写真１と写真３に示す。
また、上記で用いたアルミニウム合金及び化成皮膜をＸ線回析して得られたグラフを図２〜図４に示す。図２はアルミニウム合金母材（ＡＣ８Ａ材）７をＸ線回析した結果を示すグラフ、図３は従来の処理方法によって生成させた化成皮膜（ＮＨ4ＭｇＳｉＦ6）をＸ線回析したグラフ、及び図４は本発明例に係る処理方法によって生成させた化成皮膜３をＸ線回析したグラフである。
図２から判るように、アルミニウム合金母材７にはＳｉが若干含有されており、また、図３と図４とを比較すると、本発明例に係る化成皮膜３には、従来の皮膜にはない銅粒子５が含まれていることが判る。
図５及び図６は、本発明例に係る化成皮膜を示す組織写真であり、図７及び図８は、従来（比較例）の化成皮膜を示す組織写真である。
【００１７】
【発明の効果】
本発明に係る摺動部材の表面処理方法によれば、相手材がアルミニウム合金などの軟質な部材であっても、初期なじみ性を向上させることができ、また、優れた耐摩耗性を備えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る化成皮膜の断面構造を示す概略図である。
【図２】本発明例に係るアルミニウム合金母材のＸ線回析結果を示すグラフである。
【図３】本発明例に係る化成皮膜をＸ線回析した結果を示すグラフである。
【図４】従来の化成皮膜をＸ線回析した結果を示すグラフである。
【図５】本発明例に係る化成皮膜の断面を示す、倍率が４００倍の組織写真である。
【図６】実施例に係る化成皮膜の断面を示す、倍率が２０００倍の組織写真である。
【図７】比較例に係る化成皮膜の断面を示す、倍率が４００倍の組織写真である。
【図８】比較例に係る化成皮膜の断面を示す、倍率が２０００倍の組織写真である。
【符号の説明】
１  被処理物
３  化成皮膜
５  金属粒子
７  母材
９  共晶シリコン
【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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