(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が少なくともリン酸鉄と、さらにモリブデンおよび／またはタングステンの酸化物を含有する単位面積当たりの付着量が０．３〜３ｇ／ｍ2 の無機複合皮膜で覆われており、該無機複合皮膜中のモリブデンおよび／またはタングステンの含有量が１wt％〜２０wt％の範囲であり、さらにその最表面の粗さがＲｚで２μｍ以下であることを特徴とする、鉄鋼摺動部材。
【請求項２】
表面粗さがＲｚで２μｍ以下に仕上げられた鉄鋼摺動部材を、少なくともリン酸イオンが含有されその濃度範囲がリンとして０．０５mol ／Ｌ〜１mol ／Ｌであり、さらにモリブデンおよび／またはタングステンの酸素酸イオンが含有されその濃度範囲がモリブデンおよび／またはタングステンとして０．１mmol／Ｌ〜５０mmol／Ｌである酸性水溶液に接触させることを特徴とする、摺動部材の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は優れた摩擦摩耗特性を有する鉄鋼摺動部材と、それを作製するための表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジンの摩擦による機械的エネルギー損失のうち動弁系が占める割合は２０〜２５％といわれている。特に、エンジン回転数が低いときにはこの比率はさらに大きくなり、とりわけアイドリング時の低回転数域では燃費への影響が非常に大きくなる。最近カムがシムを介して直接バルブリフターを上下動させるタイプの直打式のエンジンが多くなっているが、カムノーズ付近では油膜厚さが１μｍ以下と薄いため、カム−シムとの間では金属接触を含む境界混合潤滑域となりエンジンの中でも厳しい摺動環境となる。
【０００３】
また、現在ではエンジンの摺動部品は廃車までメンテナンスフリーであることが要求されており、カムとシムとの摺動においては、燃費向上を目的とした低摩擦係数と、耐久性を目的とした耐摩耗性が強く要求されている。
【０００４】
そこで、カムにはチル鋳鉄を、シムには熱処理されたクロムモリブデン鋼等の表面硬度の高い材料を用い、さらにシムには摺動時の初期なじみ性向上を目的としたリン酸マンガン処理が施されている。リン酸マンガン処理により、シム表面には無機結晶皮膜であるリン酸マンガンが４〜５μｍの膜厚で形成される。
【０００５】
無処理の金属部品同士が摺動すると、特に摺動面の表面粗さが大きい場合、なじむ前に突起部分同士が摺動時に金属接触して焼き付きを起こすことがあるが（材料表面の粗さなどに起因する不均一な接触圧力が次第に均一化されて接触状態が改善されることを「なじみ」と称される）、リン酸マンガン皮膜は、エンジンオイルとの親和性に優れ、しかもカム−シムとの直接的な金属接触を妨げるので、初期から摩擦係数が小さくなじみがスムーズに行われる。
【０００６】
しかし、最近ではさらに摩擦係数を低減し燃費を上げようという要請と、加工機械の発展により比較的低コストで高精度の仕上げ加工ができるようになってきたことから、例えばシムの表面の粗さをＲｚで１μｍ以下といったきわめて平滑な表面とする動きが出てきた。これに対して、リン酸マンガン処理は素材のエッチングを使用して皮膜を形成する方法（化成処理）であり、程度の差こそあれ本質的に素材表面を荒らしてしまう性質を有するので、前記のような精密な仕上げにはそろそろ追随できなくなってきたのである。
【０００７】
一方、主に耐摩耗性を目的に開発された方法として、スパッタリングやイオンプレーティングのような物理的な成膜法によるＴｉＮやＣｒＮなどの高硬度皮膜もシムに適用されるようになってきた。しかし、これらの皮膜は性能的にはきわめて優れるものの、減圧下で行う処理であるためバッチ方式となり量産性に劣ること、皮膜に欠陥があると相手材を損傷させてしまうことから非常に厳しい品質管理が必要なことなどから、必然的に高コストとなり汎用的に用いるのは難しい状況にある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、前記のような精密な表面仕上げを施された摺動材料表面の特性を損なうことなく、安価で量産性に優れた表面処理を行う方法はいまだ見出されていないのである。そこで、本発明ではこのような低面粗度の材料表面を荒らすことなく皮膜を形成することができて、しかも優れた摩擦摩耗特性を有する表面処理方法とそれを適用した摺動材料を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明者らはかかる技術的な課題を解決するために鋭意研究を行った結果、成膜時のエッチング量がきわめて少ない化成処理であるリン酸鉄処理に注目し、これにモリブデンおよび／またはタングステンの酸化物を複合させることにより摺動に適した低面粗度の表面処理皮膜が得られることを新たに見出したのである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の鉄鋼摺動部材とは、表面が少なくともリン酸鉄と、さらにモリブデンおよび／またはタングステンの酸化物を含有する単位面積当たりの付着量が０．３〜３ｇ／ｍ2 の無機複合皮膜で覆われており、該無機複合皮膜中のモリブデンおよび／またはタングステンの含有量が１wt％〜２０wt％の範囲であり、さらにその最表面の粗さがＲｚで２μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の表面処理方法とは、表面粗さがＲｚで２μｍ以下に仕上げられた鉄鋼摺動部材を、少なくともリン酸イオンが含有されその濃度範囲がリンとして０．０５mol ／Ｌ〜１mol ／Ｌであり、さらにモリブデンおよび／またはタングステンの酸素酸イオンが含有されその濃度範囲がモリブデンおよび／またはタングステンとして０．１mmol／Ｌ〜５０mmol／Ｌである酸性水溶液に接触させることを特徴とするものである。
【００１２】
以下、本発明の詳細について説明する。
本発明の摺動部材の素材は鉄鋼材料であれば特に限定されないが摺動時の耐摩耗性を考慮して、高周波焼き入れ、浸炭焼き入れおよび窒化処理等の熱処理により表面が硬化された材料が好ましく、材質としてはたとえばＪＩＳのＳＣＭ，ＳＣＲおよびＳＵＪなどの材料を用いることができる。本発明の摺動部材では、これらの鉄鋼素材上に少なくともリン酸鉄および酸化モリブデンが複合された単位面積当たりの付着量が０．３〜３ｇ／ｍ2 の無機複合皮膜が形成されていなければならない。
【００１３】
ここで、酸化モリブデンの代わりに酸化タングステンでもよく、また酸化モリブデンと酸化タングステンが同時に混在しても良い。この無機複合皮膜は、付着量が０．３ｇ／ｍ2 未満では皮膜量が不足して十分な耐摩耗性を得ることができず、３ｇ／ｍ2 を越える膜厚では性能上問題はないが皮膜を形成することが困難となるので現実的ではない。
【００１４】
前記の無機複合皮膜においては、さらにモリブデンおよび／またはタングステンの含有量は１wt％〜２０wt％の範囲に限定されなければならない。モリブデンとタングステンとは何れか一方でも混在しても良いので、ここでの含有量とはモリブデンとタングステンの合計とすればよい。この含有量が、１wt％未満であると十分な耐摩耗性が得ることができず、一方２０wt％を越えると十分な皮膜密着性が得られない。
【００１５】
また、前記の無機複合皮膜表面、すなわち本発明の摺動部材の最表面の粗さはＲｚで２μｍ以下であることが必要である。これが、２μｍを越えるような場合は、金属接触しやすくなるため、カム−シムの摩耗の増加またはフリクションの上昇に結びつくことがある。
【００１６】
本発明の摺動部材の表面処理方法では、前記鉄鋼素材の表面がＲｚで２μｍ以下に仕上げられていることが前提となっている。本発明の表面処理方法とは、脱脂剤等を用いて表面を清浄にした鉄鋼素材を濃度範囲が０．０５mol ／Ｌ〜１mol ／Ｌのリン酸イオンと、さらに濃度範囲が０．１mmol／Ｌ〜５０mmol／Ｌのモリブデンおよび／またはタングステンの酸素酸イオンを少なくとも含有する酸性水溶液に接触させることにより行われる。
【００１７】
ここで、リン酸イオンが０．０５mol ／Ｌ未満であると皮膜形成反応が十分起こらなくなり、１mol ／Ｌを超える濃度では素材のエッチング反応が激しくなり、表面を荒らしてしまう結果となる。また、モリブデンおよびタングステンは、モリブデン酸およびタングステン酸、それらのアルカリ金属塩またはアンモニウム塩で添加することができるが、これらの濃度範囲が０．１mmol／Ｌ未満であると形成される皮膜中のモリブデンおよび／またはタングステン酸化物が不足して、十分な耐摩耗性が得られなくなり、５０mmol／Ｌを越えると皮膜の鉄鋼素材に対する密着性が劣化する。モリブデン酸とタングステン酸は何れか一方でも同時に添加されていても良いので、ここでの濃度とはモリブデン酸とタングステン酸の合計とすればよい。
【００１８】
さらに、前記表面処理液は処理が効率よく行われるためにpHが３〜４に調整されていることが好ましい。pHの調整はリン酸に対して適量のアルカリ金属の水酸化物またはアンモニア水を添加することで行うことができる。また、同様の理由で処理を行うときの処理液の温度は５０〜８０℃に加温するのが好ましい。このような条件の処理液に、対象鉄鋼素材を１０分間程度浸漬することにより処理を行うことができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例とともにあげ、より具体的に説明する。
【００２０】
（実施例１〜５）（比較例１〜５）
評価試験には、浸炭焼き入れ焼き戻しを行って表面硬化させた後、表面粗さＲｚが０．８μｍに研削仕上げされたＪＩＳ  ＳＣＭ４１５製の円筒テストピースを用いた。また、円筒テストピースは本発明の表面処理を行う前に、６５℃に加温した日本パーカライジング製アルカリ脱脂剤ファインクリーナー３０１の２％水溶液に１０分間浸漬後、十分水洗して表面を清浄にした。
【００２１】
表面処理皮膜中のＭｏおよびＷの分析は蛍光Ｘ線分析により行い、皮膜付着量は重量法により測定した。表面粗さは触針式の表面粗さ計を用いて測定しＲｚを求めた。
【００２２】
摺動評価は、潤滑油としてキャッスルクリーンＳＪ５Ｗ３０のエンジンオイルを用い、前記円筒テストピースの摺動面に塗布し、その後ウェスで軽くふき取り、オイルが非常に少ない条件とした。摺動の相手材にはカム材（チル鋳鉄）の平板テストピースを用いた。これらの円筒テストピース（図１の１）と平板テストピース（図１の２）を図１のように組み合わせて、平板テストピース側を５００rpm で回転させ、円筒テストピースの上から５分毎に２００Ｎづつ荷重を増加し、摩擦係数が０．３を越えるときを焼き付きとして、焼き付き荷重の評価を行った。なお、前記円筒テストピースの摺動部分の面積は２cm2 である。
【００２３】
実施例１〜５および比較例１〜５の表面処理液には、脱イオン水に所定濃度のリン酸［Ｈ3 ＰＯ4 ］と、さらにモリブデン酸アンモニウム［（ＮＨ4 ）6 Ｍｏ7 Ｏ24・４Ｈ2 Ｏ］またはタングステン酸ナトリウム［Ｎａ2 ＷＯ4 ・２Ｈ2 Ｏ］を溶解し、最後に水酸化ナトリウム［ＮａＯＨ］を添加してpHを３．２に調整した。これらの水溶液を６０℃に加温し、前記円筒テストピースを１０分間浸漬して処理を行った。実施例および比較例の表面処理液の内容と、それぞれにより処理された円筒テストピースの皮膜性状および焼き付き荷重を表１に示す。
【００２４】
【表１】
0003792083.tif 000002
【００２５】
表１の実施例１〜５および比較例１〜５から明らかなように、本発明の方法を用いた本発明の摺動部材は優れた焼き付き特性を有することがわかる。これに対して、本発明以外の方法を用いて製造した摺動部材や、本発明の以外の表面性状を有する摺動部材では、低い荷重域において焼き付きを起こしてしまうことが明らかとなった。
【００２６】
（実施例６）（比較例６）
次に、動弁系のフリクションを実際の２０００cc直列４気筒エンジンのヘッド単体にトルク計を取り付けた装置で測定を行った。カムはチル鋳鉄を用い、シム（ＳＣＭ４１５の浸炭焼き入れ焼き戻し材）については表面粗さＲｚを０．４μｍに加工した後、前記実施例１と同様の本発明の表面処理を行ったものと（実施例６）と従来技術であるリン酸マンガン処理を行ったもの（比較例６）を比較評価した。その結果、従来技術の比較例６に対して本発明の実施例６では、動弁系のフリクション比率を１５％低減することができた。ここで、実施例６のシム表面を分析したところ、皮膜量：１．４５ｇ／ｍ2 、表面粗さＲｚ：０．５μｍおよび皮膜中のＭｏ含有量：１．９６wt％であった。
【００２７】
なお、比較例６に適用したリン酸マンガン処理は、前記シムを６０℃に加温した日本パーカライジング製アルカリ脱脂剤ファインクリーナー４３６０の２％水溶液中に１０分間浸漬および水洗して表面を清浄化した後、日本パーカライジング製表面調整剤プレパレンＶＭＡ（濃度３ｇ／Ｌ）およびプレパレンＶＭＢ（濃度３ｇ／Ｌ）の常温混合水溶液中に１分間浸漬し、水洗することなく８５℃に加温した日本パーカライジング製リン酸マンガン処理剤パルフォスＭ５の１０％水溶液中に５分間浸漬後、十分水洗して行った。また、前記パルフォスＭ５処理液には、処理を行う前に反応促進剤として日本パーカライジング製促進剤１３１を３pt分だけ添加した。
【００２８】
実施例６および比較例６の実際のエンジンを用いたフリクションの評価によれば、本発明の方法で作製した本発明のシムを用いることにより、従来技術であるリン酸マンガン処理したシムに比べてフリクションを大きく低減することができることが示された。
【００２９】
【発明の効果】
本発明により、低コストで量産性に優れる鉄鋼摺動部材の製造方法を提供することができる。また、本発明の摺動部材はきわめて良好な摩擦摩耗特性を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１〜５および比較例１〜５において用いた焼き付き荷重評価装置の概略図。
【符号の説明】
１…平板テストピース
２…円筒テストピース
【図１】
0003792083.tif 000003