特許 7493202 被膜を備える摺動部品及び被膜の形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-23

(45)【発行日】2024-05-31

(54)【発明の名称】被膜を備える摺動部品及び被膜の形成方法

(51)【国際特許分類】

   F16C 33/12 20060101AFI20240524BHJP

   F16C 33/14 20060101ALI20240524BHJP

   F16C 17/00 20060101ALI20240524BHJP

   C23C 26/00 20060101ALI20240524BHJP

【ＦＩ】

F16C33/12 A

F16C33/14 Z

F16C17/00 Z

C23C26/00 B

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020145828

(22)【出願日】2020-08-31

(65)【公開番号】P2022040897

(43)【公開日】2022-03-11

【審査請求日】2023-04-11

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年１１月１３日 日本機械学会第２７回機械材料・材料加工技術講演会（Ｍ＆Ｐ２０１９）論文集において発表 令和１年１１月２１日－２２日 フェニックス・プラザ（福井市）で開催された日本機械学会第２７回機械材料・材料加工技術講演会において発表

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(73)【特許権者】

【識別番号】599002043

【氏名又は名称】学校法人 名城大学

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】山下 晃信

(72)【発明者】

【氏名】宇佐美 初彦

【審査官】松江川 宗

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２３９８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１４５８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０３８２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２０３１９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｃ １７／００－１７／２６，３３／００－３３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被膜を備える摺動部品であって、
前記被膜は、前記摺動部品の摺動面に設けられる被膜本体を備え、
前記被膜本体は、
前記摺動部品の摺動面に立設して形成されており、お互いに隙間を設けて配置される複数の凸部と、
前記凸部の間の隙間に充填されて形成される充填部と、
を有し、
前記凸部及び前記充填部の一方が硬質材で形成されており、他方が、前記硬質材より硬さが小さい軟質材で形成されている、被膜を備える摺動部品において、
前記凸部は、前記軟質材で形成されており、前記充填部は、前記硬質材で形成されている、被膜を備え、
前記凸部は、前記凸部の表面側に設けられる第一層と、前記第一層と前記摺動部品との間に設けられる第二層と、を有し、前記第一層は、前記第二層よりも硬さが小さい、被膜を備える摺動部品。

【請求項2】

請求項１に記載の被膜を備える摺動部品であって、
前記被膜本体は、前記凸部と前記充填部とが格子状に形成されており、前記摺動部品の摺動方向に対して、前記凸部と前記充填部とが交互に位置している、被膜を備える摺動部品。

【請求項3】

請求項１に記載の被膜を備える摺動部品であって、
前記凸部の軟質材はＺｎであり、前記充填部の硬質材はＣｕ－Ｓｎ合金である、被膜を備える摺動部品。

【請求項4】

請求項１に記載の被膜を備える摺動部品であって、
前記凸部は、前記第一層がＳｎで形成されると共に、前記第二層がＺｎで形成されており、
前記充填部の硬質材は、Ｃｕ－Ｓｎ合金である、被膜を備える摺動部品。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１つに記載の被膜を備える摺動部品であって、
前記被膜は、前記被膜本体の表面に設けられる表面層を有している、被膜を備える摺動部品。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１つに記載の被膜を備える摺動部品であって、
前記摺動部品は、軸受である、被膜を備える摺動部品。

【請求項7】

被膜の形成方法であって、
摺動部品の摺動面にお互いに隙間を設けて立設させて、第一材料で複数の凸状体を形成する凸状体形成工程と、
前記凸状体の間の隙間に第二材料を充填して充填体を形成する充填体形成工程と、
前記凸状体及び前記充填体を形成した摺動部品を熱処理して、前記凸状体及び前記充填体の一方を硬質材で形成し、他方を前記硬質材より硬さが小さい軟質材で形成する熱処理工程と、
を備える、被膜の形成方法。

【請求項8】

請求項７に記載の被膜の形成方法であって、
前記充填体形成工程は、前記凸状体の間の隙間に前記第二材料を充填すると共に、前記凸状体の表面に前記第二材料を被覆して前記充填体を形成する、被膜の形成方法。

【請求項9】

請求項７または８に記載の被膜の形成方法であって、
前記摺動部品は、Ｃｕ合金で形成されており、
前記第一材料は、Ｚｎであり、
前記第二材料は、Ｓｎであり、
前記熱処理工程は、熱処理温度が１８０℃以上３５０℃以下である、被膜の形成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、被膜を備える摺動部品及び被膜の形成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車用エンジン部品や航空機用エンジン部品等の機械部品には、軸受等の摺動部品が用いられている。このような摺動部品は、摩擦特性を高めるために、相手材との摺動面に低摩擦材料等を被覆することが行われている。特許文献１には、摺動部表面にめっき膜を成膜し、その最表面に分散したダイヤモンド微粒子を共析させることにより、摺動抵抗の低い摺動面を形成することが示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１７２０３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、軸受等の摺動部品の摩擦特性を向上させるために、摺動部品の摺動面の全面に硬質膜を被覆し、更に硬質膜の全面に低摩耗性薄膜を被覆することが行われている。しかし、相手材との摺動により低摩耗性薄膜が摩耗した場合には、摺動抵抗が上昇する可能性がある。

【0005】

そこで本開示の目的は、摩擦特性の良い、被膜を備える摺動部品及び被膜の形成方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る被膜を備える摺動部品において、前記被膜は、前記摺動部品の摺動面に設けられる被膜本体を備え、前記被膜本体は、前記摺動部品の摺動面に立設して形成されており、お互いに隙間を設けて配置される複数の凸部と、前記凸部の間の隙間に充填されて形成される充填部と、を有し、前記凸部及び前記充填部の一方が硬質材で形成されており、他方が、前記硬質材より硬さが小さい軟質材で形成されており、前記凸部は、前記軟質材で形成されており、前記充填部は、前記硬質材で形成されている、被膜を備え、前記凸部は、前記凸部の表面側に設けられる第一層と、前記第一層と前記摺動部品との間に設けられる第二層と、を有し、前記第一層は、前記第二層よりも硬さが小さい、被膜を備える。

【0007】

本開示に係る被膜を備える摺動部品において、前記被膜本体は、前記凸部と前記充填部とが格子状に形成されており、前記摺動部品の摺動方向に対して、前記凸部と前記充填部とが交互に位置していてもよい。

【0012】

本開示に係る被膜を備える摺動部品において、前記凸部の軟質材はＺｎであり、前記充填部の硬質材はＣｕ－Ｓｎ合金であってもよい。

【0013】

本開示に係る被膜を備える摺動部品において、前記凸部は、前記第一層がＳｎで形成されると共に、前記第二層がＺｎで形成されており、前記充填部の硬質材は、Ｃｕ－Ｓｎ合金であってもよい。

【0014】

本開示に係る被膜を備える摺動部品において、前記被膜は、前記被膜本体の表面に設けられる表面層を有していてもよい。

【0015】

本開示に係る被膜を備える摺動部品において、前記摺動部品は、軸受であってもよい。

【0016】

本開示に係る被膜の形成方法は、摺動部品の摺動面にお互いに隙間を設けて立設させて、第一材料で複数の凸状体を形成する凸状体形成工程と、前記凸状体の間の隙間に第二材料を充填して充填体を形成する充填体形成工程と、前記凸状体及び前記充填体を形成した摺動部品を熱処理して、前記凸状体及び前記充填体の一方を硬質材で形成し、他方を前記硬質材より硬さが小さい軟質材で形成する熱処理工程と、を備える。

【0017】

本開示に係る被膜の形成方法において、前記充填体形成工程は、前記凸状体の間の隙間に前記第二材料を充填すると共に、前記凸状体の表面に前記第二材料を被覆して前記充填体を形成してもよい。

【0018】

本開示に係る被膜の形成方法において、前記摺動部品は、Ｃｕ合金で形成されており、前記第一材料は、Ｚｎであり、前記第二材料は、Ｓｎであり、前記熱処理工程は、熱処理温度が１８０℃以上３５０℃以下であってもよい。

【発明の効果】

【0019】

上記構成によれば、被膜を備える摺動部品の摩擦特性を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本開示の実施形態において、被膜を備える摺動部品の構成を示す図である。

【図2】本開示の実施形態において、凸部のみが複数の層で形成されている被膜の構成を示す図である。

【図3】本開示の実施形態において、被膜本体の表面に表面層を有する被膜の構成を示す図である。

【図4】本開示の実施形態において、被膜の形成方法を示すフローチャートである。

【図5】本開示の実施形態において、凸状体形成工程を説明するための図である。

【図6】本開示の実施形態において、充填体形成工程を説明するための図である。

【図7】本開示の実施形態において、凸状体の間の隙間に第二材料を充填すると共に、凸状体の表面に第二材料を被覆して充填体を形成した構成を示す図である。

【図8】本開示の実施形態において、凸部がＺｎで形成され、充填部がＳｎで形成された被膜の構成を示す図である。

【図9】本開示の実施形態において、凸部がＺｎで形成され、充填部がＣｕ－Ｓｎ合金で形成された被膜の構成を示す図である。

【図10】本開示の実施形態において、凸部の第一層がＳｎで形成され、第二層がＺｎで形成され、充填部がＣｕ－Ｓｎ合金で形成された被膜の構成を示す図である。

【図11】本開示の実施形態において、凸部がＺｎで形成され、充填部がＣｕ－Ｓｎ合金で形成され、表面層がＣｕ－Ｓｎ合金で形成された被膜の構成を示す図である。

【図12】本開示の実施形態において、実施例１から５の試験片の構成を示す図である。

【図13】本開示の実施形態において、比較例１の試験片の構成を示す図である。

【図14】本開示の実施形態において、摩擦摩耗特性評価結果を示すグラフである。

【図15】本開示の実施形態において、摩擦摩耗特性評価結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下に本開示の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、被膜を備える摺動部品１０の構成を示す図であり、図１（ａ）は、被膜を備える摺動部品１０の断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ方向の断面図である。被膜を備える摺動部品１０は、摺動部品１２と、摺動部品１２の摺動面１２ａに設けられる被膜１４と、を備えている。

【0022】

摺動部品１２は、例えば、自動車用のエンジン部品や航空機用エンジン部品等の機械部品に用いられる摺動部品である。より具体的には、摺動部品１２は、例えば、航空機用エンジンの燃料ポンプ部品の軸受、自動車用過給機の軸受、滑り軸受の摺動部等とすることができる。摺動部品１２は、レシプロエンジンのクランクメタル、ピストンピン、ピストンスカート等とすることも可能である。摺動部品１２の構成材料は、特に限定されないが、Ｃｕ（銅）合金等の金属材料で形成することが可能である。摺動部品１２がＣｕ合金で形成されている場合には、摺動部品１２は、青銅や黄銅等のＣｕ合金で形成することができる。

【0023】

被膜１４は、摺動部品１２の摺動面１２ａに設けられる被膜本体１６を備えている。被膜本体１６は、複数の凸部１８と、充填部２０とを有している。被膜本体１６は、複数の凸部１８と充填部２０とが一体的に形成されている。

【0024】

複数の凸部１８は、摺動部品１２の摺動面１２ａに立設して形成されており、お互いに隙間を設けて配置されている。凸部１８は、摺動部品１２の摺動面１２ａから被膜本体１６の表面まで形成されている。凸部１８は、摺動部品１２の摺動面１２ａに対して略垂直に設けることができる。凸部１８の形状は、特に限定されないが、角柱状（三角柱状、四角柱状等）、円柱状等の柱状とすることができる。凸部１８の幅は、例えば、５００μｍとするとよい。凸部１８の高さは、例えば、５μｍ未満（好ましくは０．１～１μｍ）とするとよい。凸部１８と凸部１８との間の隙間は、例えば、５０μｍから１００μｍとすることができる。

【0025】

充填部２０は、複数の凸部１８の隙間に充填されて形成されている。充填部２０は、摺動部品１２の摺動面１２ａから被膜本体１６の表面まで形成されている。充填部２０は、複数の凸部１８の間に隙間なく充填されているとよい。充填部２０の高さは、凸部１８の高さと同じにすることができる。

【0026】

被膜本体１６は、凸部１８と充填部２０とが格子状に形成されており、摺動部品１２の摺動方向に対して、凸部１８と充填部２０とが交互に位置している構成することができる。被膜本体１６が格子状である場合には、凸部１８はセグメントを構成し、充填部２０は格子を構成することができる。被膜本体１６を格子状に構成することにより、摺動部品１２の摺動方向に対して、凸部１８と充填部２０とが交互に位置するようにすることができるので、後述するように被膜１４の摩擦特性を良好にして耐摩耗性をより向上させることが可能となる。被膜本体１６は、凸部１８と充填部２０とを正格子状や千鳥格子状等に配列させて格子状に構成することが可能である。

【0027】

凸部１８及び充填部２０の一方は、硬質材で形成されており、他方は、硬質材よりも硬さが小さい軟質材で形成されている。このように凸部１８及び充填部２０は、異なる硬さで形成されており、一方が他方よりも硬さが大きく、他方が一方よりも硬さが小さくなるように形成されている。凸部１８が硬質材で形成されている場合には、充填部２０は軟質材で形成される。凸部１８が軟質材で形成されている場合には、充填部２０は硬質材で形成される。

【0028】

凸部１８及び充填部２０において、硬質材で形成されている一方は、主に、摺動時に荷重を支持する機能を有しており、軟質材で形成されている他方は、主に、すべりを高める機能を有している。なお、凸部１８及び充填部２０の硬さについては、ビッカース硬さ、ブリネル硬さ、ロックウェル硬さ等の硬さで対比可能である。凸部１８及び充填部２０の硬さは、例えば、摺動部品１２の使用環境での硬さとすることができる。

【0029】

凸部１８及び充填部２０は、異なる硬さで形成されているので、凸部１８及び充填部２０の剛性（ヤング率）も異なっている。被膜本体１６の表面に硬さと剛性といった機械的性質の異なる薄膜層が複合的に存在することにより、摺動時に低摩耗を継続的に維持することができる。例えば、凸部１８が硬質材で形成されており、充填部２０が軟質材で形成されている場合には、摺動時に充填部２０の軟質材が凸部１８の表面に供給されるので、摩擦係数を低減することができる。この理由は、硬質材の上に、軟質材のようなせん断抵抗の低い材料が薄膜状に存在すると低摩耗を発現するからである。そして、摺動時に被膜本体１６の表面が徐々に摩耗した場合でも、被膜本体１６の表面に硬質材と軟質材とが複合的に継続して存在することにより、摺動時に低摩耗を継続的に維持することができる。更に、剛性が低い層が接触荷重負荷に伴い変形し凹部を形成することで、弾性流体潤滑機構を発現し、油剤の供給源として機能することで、低摩擦を維持する。

【0030】

更に、被膜本体１６の表面に硬質材と軟質材とが複合的に存在することにより、相手材との凝着部の面積増加を抑制し、さらに油剤を巻き込んだ状態とすることで、摩擦特性が良好になり、耐摩耗性を向上することができる。被膜本体１６が格子状に構成されている場合には、摺動部品１２の摺動方向に対して、凸部１８の面と、充填部２０の面とが交互に位置するようにすることができるので、相手材との凝着部の引き延ばしをせん断し易くなり、摩擦特性が更に良好になることで耐摩耗性をより向上させることができる。また、油剤の巻き込みは、エンジン油等の潤滑油を用いた潤滑下では、軟質材の弾性変形に起因した形状変化による弾性流体潤滑効果が発現することで、摩擦特性が良好になり、耐摩耗性が向上する。

【0031】

凸部１８及び充填部２０を形成するための硬質材や軟質材は、特に限定されないが、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ（銀）等の金属材料や、ＳｎＳ（硫化錫）等の金属硫化物を用いることができる。凸部１８が硬質材で形成されており、充填部２０が軟質材で形成される場合には、例えば、凸部１８をＺｎで形成し、充填部２０をＳｎで形成することができる。凸部１８が軟質材で形成されており、充填部２０が硬質材で形成される場合には、例えば、凸部１８をＺｎで形成し、充填部２０をＣｕ－Ｓｎ合金で形成してもよいし、凸部１８をＳｎで形成し、充填部２０をＣｕ－Ｓｎ合金で形成してもよい。なお、これらはあくまでも例示であり、凸部１８及び充填部２０を形成するための硬質材や軟質材の組み合わせは、これらの組み合わせに限定されない。

【0032】

被膜本体１６は、凸部１８及び充填部２０の少なくとも一方が複数の層で形成されていてもよい。より詳細には、凸部１８のみが複数の層で形成されていてもよいし、充填部２０のみが複数の層で形成されていてもよい。また、凸部１８及び充填部２０の両方が、複数の層で形成されていてもよい。

【0033】

例として、凸部１８のみが複数の層で形成されている被膜１４について説明する。図２は、凸部１８のみが複数の層で形成されている被膜１４の構成を示す図である。図２では、凸部１８は、２層で構成されている。凸部１８は、凸部１８の表面側に設けられる第一層１８ａと、第一層１８ａと摺動部品１２との間に設けられる第二層１８ｂと、を有している。凸部１８における第一層１８ａを第二層１８ｂより軟質にすることにより、凸部１８の表面をより低摩擦にすることができる。また、第二層１８ｂが第一層１８ａと摺動部品１２との間の相互拡散反応を抑制する材料で形成されている場合には、第二層１８ｂは、拡散バリア層として機能することができる。

【0034】

例えば、凸部１８の第一層１８ａがＳｎ、第二層１８ｂがＺｎ、充填部２０がＣｕ－Ｓｎ合金で形成されている被膜１４の場合には、凸部１８における第一層１８ａが第二層１８ｂより軟質であるので、凸部１８の表面をより低摩擦にすることができる。また、摺動部品１２がＣｕ合金で形成されている場合には、ＺｎはＳｎとＣｕとの相互拡散を抑制するので、第二層１８ｂは、第一層１８ａのＳｎと摺動部品１２のＣｕとの拡散を抑制する拡散バリア層としての機能も有している。

【0035】

被膜１４は、被膜本体１６の表面に設けられる表面層を有していてもよい。図３は、被膜本体１６の表面に表面層２２を有する被膜１４の構成を示す図である。表面層２２は、低摩擦材料で形成するとよい。これにより、摺動初期において、被膜１４の表面が低摩擦化されて摩擦特性が良好になり、耐摩耗性を向上させることができる。表面層２２は、凸部１８または充填部２０と同じ材料で形成されていてもよいし、異なる材料で形成されていてもよい。なお、図３では、表面層２２が充填部２０と同じ材料で形成されている場合を示している。表面層２２を凸部１８または充填部２０と同じ材料で形成することにより、表面層２２と被膜本体１６との密着性を向上させることができる。例えば、凸部１８がＺｎで形成され、充填部２０がＳｎで形成されている場合には、表面層２２をＳｎで形成することができる。また、凸部１８がＺｎで形成され、充填部２０がＣｕ－Ｓｎ合金で形成されている場合には、表面層２２をＣｕ－Ｓｎ合金で形成することができる。

【0036】

表面層２２は、凸部１８が軟質材で形成されている場合には凸部１８と同じ軟質材で形成し、充填部２０が軟質材で形成されている場合には充填部２０と同じ軟質材で形成するとよい。例えば、凸部１８が硬質材で形成され、充填部２０が軟質材で形成されており、表面層２２が充填部２０と同じ軟質材で形成されている場合には、凸部１８の表面に軟質材が設けられているので、凸部１８の表面がより低摩擦化され、摩擦特性が良好になり、被膜１４の耐摩耗性を向上させることができる。表面層２２の厚みは、例えば、０．１μｍから１μｍとすることができる。なお、勿論、被膜１４は、表面層２２を設けずに、被膜本体１６のみで構成されていてもよい。

【0037】

次に、被膜１４の形成方法について説明する。図４は、被膜１４の形成方法を示すフローチャートである。被膜１４の形成方法は、凸状体形成工程（Ｓ１０）と、充填体形成工程（Ｓ１２）と、熱処理工程（Ｓ１４）と、を備えている。

【0038】

凸状体形成工程（Ｓ１０）は、摺動部品１２の摺動面１２ａにお互いに隙間を設けて複数の凸状体を第一材料で形成する工程である。図５は、凸状体形成工程（Ｓ１０）を説明するための図である。複数の凸状体３０は、摺動部品１２の摺動面１２ａにお互いに隙間を設けて第一材料で形成される。凸状体３０をお互いに隙間を設けて形成するためには、網目状のマスキングを用いるとよい。このようなマスキングには、例えば、幅２００μｍのマスク材を５００μｍ間隔で格子状に配置したものを用いることができる。また、摺動部品１２の摺動面１２ａは、凸状体３０を形成する前に、表面の凹凸を均すために研磨等の処理を行ってもよい。

【0039】

複数の凸状体３０は、例えば、摺動部品１２の摺動面１２ａに網目状のマスキングをした後に、第一材料を成膜することにより形成することが可能である。第一材料は、特に限定されないが、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ（銀）等の金属材料や、ＳｎＳ（硫化錫）等の金属硫化物を用いることができる。第一材料の成膜方法には、ショットブラスト、ショットピーニング、めっき、物理蒸着法（真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等）、化学蒸着法等の一般的な成膜方法を用いることが可能である。例えば、第一材料をショットブラストやショットピーニングで成膜する場合には、平均粒径が７５μｍから１５０μｍの第一材料粒子を用いるとよい。なお、第一材料が摺動部品１２の構成材料と同じ材料である場合には、摺動部品１２の摺動面１２ａを機械加工やエッチィング等して凸状体３０を形成してもよい。このようにして凸状体３０は、例えば、正格子状や千鳥格子状等に形成される。

【0040】

充填体形成工程（Ｓ１２）は、凸状体３０の間の隙間に第二材料を充填して充填体を形成する工程である。図６は、充填体形成工程（Ｓ１２）を説明するための図である。充填体３２は、複数の凸状体３０の間の隙間に第二材料を充填して形成する。例えば、充填体３２は、凸状体３０が設けられた摺動面１２ａに、第二材料を成膜することにより形成することが可能である。第二材料には、第一材料と異なる材料が用いられる。第二材料は、特に限定されないが、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ（銀）等の金属材料や、ＳｎＳ（硫化錫）等の金属硫化物を用いることができる。第二材料の成膜方法は、第一材料の成膜方法と同様に、ショットブラストやショットピーニング等で行うことが可能である。第二材料をショットブラストやショットピーニングで成膜する場合には、平均粒径が５０μｍから１００μｍの第二材料粒子を用いるとよい。また、第二材料の成膜後に凸状体３０の表面を露出させるために、凸状体３０の表面を予めマスキングして成膜してもよいし、成膜後に研磨等してもよい。

【0041】

熱処理工程（Ｓ１４）は、凸状体３０及び充填体３２を形成した摺動部品１２を熱処理して、凸状体３０及び充填体３２の一方を硬質材で形成し、他方を硬質材より硬さが小さい軟質材で形成する工程である。凸状体３０及び充填体３２を熱処理して、凸状体３０及び充填体３２の一方を硬質材で形成し、他方を硬質材より硬さが小さい軟質材で形成する。熱処理することにより、凸状体３０と充填体３２との密着性を高めることができる。

【0042】

熱処理条件（熱処理温度、熱処理時間等）を変えることにより、被膜１４の構成を変えることが可能となる。例えば、第一材料、第二材料及び摺動部品１２の構成材料が相互拡散反応を生じない熱処理条件の場合には、凸状体３０が熱処理されて第一材料の凸部１８が形成され、充填体３２が熱処理されて第二材料の充填部２０が形成される。凸部１８を充填部２０より硬質にする場合には、第一材料には、第二材料よりも硬さが大きい硬質材を用いればよい。充填部２０を凸部１８より硬質にする場合には、第二材料には、第一材料よりも硬さが大きい硬質材を用いればよい。

【0043】

また、第一材料と摺動部品１２の構成材料との相互拡散反応や、第二材料と摺動部品１２の構成材料との相互拡散反応が生じる熱処理条件の場合には、凸部１８や充填部２０をこれらの相互拡散反応で生成する化合物で形成することができる。例えば、第一材料、第二材料及び摺動部品１２の構成材料が金属材料である場合において、凸部１８を充填部２０より硬質にする場合には、熱処理により凸状体３０の第一材料と、摺動部品１２の構成材料とを相互拡散反応させることにより合金化させて凸部１８を形成し、凸部１８を充填部２０より硬質にすればよい。充填部２０を凸部１８より硬質にする場合には、充填体３２の第二材料と、摺動部品１２の構成材料とを相互拡散反応させることにより合金化させて充填部２０を形成し、充填部２０を凸部１８より硬質にすればよい。

【0044】

また、充填体形成工程（Ｓ１２）において、凸状体３０の間の隙間に第二材料を充填すると共に、凸状体３０の表面に第二材料を被覆して充填体３２を形成してもよい。図７は、凸状体３０の間の隙間に第二材料を充填すると共に、凸状体３０の表面に第二材料を被覆して充填体３２を形成した構成を示す図である。

【0045】

第一材料、第二材料及び摺動部品１２の構成材料が相互拡散反応を生じない熱処理条件で熱処理する場合には、凸部１８が第一材料で形成され、充填部２０が第二材料で形成される。そして、被膜本体１６の表面に、第二材料からなる表面層２２が形成される。

【0046】

第二材料と摺動部品１２の構成材料との相互拡散反応が生じるが、凸状体３０の表面の第二材料まで摺動部品１２の構成材料が拡散しないような相互拡散反応の進行が比較的遅い熱処理条件で熱処理する場合には、凸部１８は、凸部１８の表面側が第二材料からなる第一層１８ａで形成され、第一層１８ａと摺動部品１２との間が第一材料からなる第二層１８ｂで形成される。そして、充填部２０が、第二材料と摺動部品１２の構成材料とが相互拡散反応した化合物で形成される。このような場合には、凸部１８を複数の層で形成することができる。

【0047】

熱処理条件として、第二材料と摺動部品１２の構成材料との相互拡散反応が生じるが、凸状体３０の表面の第二材料まで摺動部品１２の構成材料が拡散するような相互拡散反応の進行が比較的速い熱処理条件で熱処理する場合には、凸部１８が第一材料で形成され、充填部２０が第二材料と摺動部品１２の構成材料とが相互拡散反応した化合物で形成される。そして、被膜本体１６の表面に、第二材料と摺動部品１２の構成材料とが相互拡散反応した化合物からなる表面層２２が形成される。

【0048】

次に、上記の被膜１４の形成方法における具体例として、第一材料がＺｎ、第二材料がＳｎ、摺動部品１２の構成材料がＣｕ合金である場合について説明する。この場合には、熱処理条件である熱処理温度を１８０℃以上３５０℃以下の範囲で変えることにより、異なる被膜１４が形成される。例えば、摺動部品１２が軸受である場合には、軸受の用途等に応じて熱処理条件を変更することで異なる被膜１４を形成可能なので生産性等が向上する。なお、以下の具体例において、硬さの大小関係は、Ｓｎ＜Ｚｎ＜Ｃｕ－Ｓｎ合金の関係にある。

【0049】

図８は、凸部１８がＺｎで形成され、充填部２０がＳｎで形成された被膜１４の構成を示す図である。Ｚｎ、Ｓｎ及びＣｕが殆ど相互拡散反応しない熱処理条件で熱処理する場合には、凸状体３０が熱処理されてＺｎの凸部１８が形成され、充填体３２が熱処理されてＳｎの充填部２０が形成される。このような熱処理条件は、例えば、熱処理温度が１８０℃、熱処理時間が３時間である。更に、充填体３２が凸状体３０の表面を覆うように形成されている場合には、被膜本体１６の表面にＳｎの表面層２２が形成される。

【0050】

図９は、凸部１８がＺｎで形成され、充填部２０がＣｕ－Ｓｎ合金で形成された被膜１４の構成を示す図である。ＺｎとＣｕとが殆ど相互拡散反応せず、ＳｎとＣｕとが相互拡散反応する熱処理条件で熱処理する場合には、凸状体３０が熱処理されてＺｎの凸部１８が形成され、充填体３２が熱処理されてＳｎとＣｕとが相互拡散反応してＣｕ－Ｓｎ合金の充填部２０が形成される。このような熱処理条件は、例えば、熱処理温度が２００℃から３５０℃、熱処理時間が３時間である。

【0051】

図１０は、凸部１８の第一層１８ａがＳｎで形成され、第二層１８ｂがＺｎで形成され、充填部２０がＣｕ－Ｓｎ合金で形成された被膜１４の構成を示す図である。充填体３２が凸状体３０の表面を覆うように形成されている場合において、ＳｎとＣｕとが相互拡散反応の進行が比較的遅い熱処理条件で熱処理する場合には、摺動部品１２に含まれるＣｕが凸状体３０の表面に位置する充填体３２まで周りこんで拡散しない。このため、凸部１８として、凸部１８の表面側にＳｎの第一層１８ａが形成され、第一層１８ａと摺動部品１２との間にＺｎの第二層１８ｂが形成される。そして、充填体３２が熱処理されてＳｎとＣｕとが相互拡散反応してＣｕ－Ｓｎ合金の充填部２０が形成される。このような熱処理条件は、例えば、熱処理温度が２２５℃から２４０℃、熱処理時間が３時間である。なお、Ｓｎ―Ｚｎ系の相互溶解度は非常に小さいので、凸部１８において第一層１８ａと摺動部品１２との間にＺｎの第二層１８ｂを中間層として介在させることで、第一層１８ａのＳｎと摺動部品１２のＣｕとの化合物の形成が抑制される。

【0052】

図１１は、凸部１８がＺｎで形成され、充填部２０がＣｕ－Ｓｎ合金で形成され、表面層２２がＣｕ－Ｓｎ合金で形成された被膜１４の構成を示す図である。充填体３２が凸状体３０の表面を覆うように形成されている場合において、ＳｎとＣｕ合金とが相互拡散反応の進行が比較的速い熱処理条件で熱処理する場合には、摺動部品１２に含まれるＣｕが凸状体３０の上面の充填体３２まで周りこんで拡散する。このため、凸状体３０が熱処理されてＺｎの凸部１８が形成され、充填体３２が熱処理されてＳｎとＣｕとが反応してＣｕ－Ｓｎ合金の充填部２０が形成される。そして、被膜本体１６の表面にＣｕ－Ｓｎ合金の表面層２２が形成される。このような熱処理条件は、例えば、熱処理温度が３００℃から３５０℃、熱処理時間が３時間である。

【0053】

上記構成の被膜を備える摺動部品によれば、被膜は、摺動部品の摺動面に設けられる被膜本体を備え、被膜本体は、摺動部品の摺動面に立設して形成されており、お互いに隙間を設けて配置される複数の凸部と、凸部の間の隙間に充填されて形成される充填部と、を有し、凸部及び充填部の一方が硬質材で形成されており、他方が、硬質材より硬さが小さい軟質材で形成されている。これにより、被膜本体の表面に硬質材と軟質材とが複合的に存在するので、摺動時に低摩耗を継続的に維持して摩擦特性を向上させることができる。

【0054】

上記構成の被膜を備える摺動部品によれば、摺動面の全面に硬質膜を被覆し、更に硬質膜の全面に低摩耗性薄膜を被覆したものと比べて、摺動を続けた場合の摺動抵抗の上昇を抑制できる。また、上記構成の被膜を備える摺動部品によれば、摺動抵抗の上昇を抑制できたことにより、摩擦特性が良好になり、耐摩耗性を向上できる。

【0055】

上記構成の被膜の形成方法によれば、摺動部品の摺動面にお互いに隙間を設けて立設させて、第一材料で複数の凸状体を形成する凸状体形成工程と、凸状体の間の隙間に第二材料を充填して充填体を形成する充填体形成工程と、凸状体及び充填体を形成した摺動部品を熱処理して、凸状体及び充填体の一方を硬質材で形成し、他方を硬質材より硬さが小さい軟質材で形成する熱処理工程と、を備えている。これにより、摺動耗性を向上させた被膜を形成可能となる。

【実施例】

【0056】

被膜の摩耗特性について評価した。

【0057】

（試験片）
まず、実施例１から５の試験片について説明する。試験片の形状は、リング状とした。試験片の寸法は、外径４４ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚み７ｍｍとした。図１２は、実施例１から５の試験片の構成を示す図であり、図１２（ａ）は、実施例１の試験片の構成を示す図であり、図１２（ｂ）は、実施例２から３の試験片の構成を示す図であり、図１２（ｃ）は、実施例４から５の試験片の構成を示す図である。実施例１から５の試験片は、基材は同じであり、被膜の構成が相違している。基材は、青銅からなるＣｕ合金で形成した。

【0058】

実施例１の試験片の被膜は、図１２（ａ）に示すように、凸部をＺｎで形成し、充填部をＳｎで形成した。そして、凸部及び充填部（被膜本体）の表面に表面層をＳｎで形成した。

【0059】

実施例２、３の試験片の被膜は、図１２（ｂ）に示すように、充填部をＣｕ－Ｓｎ合金で形成した。凸部は、凸部の表面側の第一層をＳｎで形成し、第一層と基材との間の第二層をＺｎで形成した。実施例２、３の試験片の被膜では、凸部及び充填部（被膜本体）の表面に表面層を形成していない。

【0060】

実施例４、５の試験片の被膜は、図１２（ｃ）に示すように、凸部をＺｎで形成し、充填部をＣｕ－Ｓｎ合金で形成した。そして、凸部及び充填部（被膜本体）の表面に表面層をＣｕ－Ｓｎ合金で形成した。

【0061】

次に、実施例１から５の試験片の作製方法について説明する。各試験片の作製方法については、熱処理温度が相違しており、その他の構成については同じとした。

【0062】

基材は、被膜を形成する一端面を鏡面仕上げした。基材表面に網目状のマスキングをした。マスキングは、基材表面に、幅２００μｍのマスク材を５００μｍ間隔で格子状に配置した。マスキングした基材表面に、Ｚｎ粒子をショットブラストして成膜した。Ｚｎ粒子の平均粒径は、１００μｍとした。マスキングを取り外し、基材表面に凸状体を格子状に形成した。凸状体の厚みは、約１μｍから５μｍとした。

【0063】

次に、凸状体を形成した基材に、Ｓｎ粒子をショットブラストして成膜した。Ｓｎ粒子の平均粒径は、７０μｍとした。これにより、凸状体の隙間をＳｎ粒子で充填させながら、凸状体の表面をＳｎ粒子で覆うようにして充填体を形成した。充填体の厚みは、約１μｍから５μｍとした。

【0064】

凸状体及び充填体を形成した基材を熱処理した。熱処理温度は、実施例１が１８０℃、実施例２が２２５℃、実施例３が２４０℃、実施例４が３００℃、実施例５が３５０℃とした。熱処理時間は、いずれも３時間とした。熱処理雰囲気は、大気雰囲気とした。

【0065】

実施例１では、凸状体が熱処理されてＺｎの凸部が形成された。また、凸状体の間に充填された充填体が熱処理されてＳｎの充填部が形成された。そして、表面側の充填体が熱処理されてＳｎの表面層が形成された。

【0066】

実施例２，３では、凸状体と、凸状体の表面に位置する充填体とが熱処理されて２層からなる凸部が形成された。より詳細には、凸部は、凸部の表面側にＳｎの第一層が形成され、第一層と基材との間にＺｎの第二層が形成された。また、凸状体の間に充填された充填体と、基材に含まれるＣｕとが相互拡散反応することにより、Ｃｕ－Ｓｎ合金からなる充填部が形成された。

【0067】

実施例４，５では、凸状体が熱処理されてＺｎの凸部が形成された。また、凸状体の間に充填された充填体及び表面側の充填体と、基材に含まれるＣｕとが相互拡散反応することにより、Ｃｕ－Ｓｎ合金からなる充填部及び表面層が形成された。

【0068】

次に、比較例１の試験片について説明する。図１３は、比較例１の試験片の構成を示す図である。比較例１の試験片は、基材と、基材表面の全面に被覆されるＺｎ層と、Ｚｎ層の表面の全面に被覆されるＳｎ層とから構成されている。基材は、実施例１から５の試験片と同様の基材を用いた。

【0069】

次に、比較例１の試験片の作製方法について説明する。基材は、被膜を形成する一端面を鏡面仕上げした。基材表面に、Ｚｎ粒子をショットブラストして成膜した。Ｚｎ粒子の平均粒径は、１００μｍとした。Ｚｎ層の厚みは、約１μｍから５μｍとした。次に、Ｚｎ層を形成した基材の表面に、Ｓｎ粒子をショットブラストして成膜した。Ｓｎ粒子の平均粒径は、７０μｍとした。これにより、Ｚｎ層を覆うようにしてＳｎ層を形成した。Ｓｎ層の厚みは、約１μｍから５μｍとした。Ｚｎ層及びＳｎ層を形成した基材を熱処理した。熱処理温度は、１８０℃とした。熱処理時間は、３時間とした。熱処理雰囲気は、大気雰囲気とした。

【0070】

（摩擦摩耗特性）
各試験片について、摩擦摩耗特性を評価した。摩擦摩耗特性は、３個の球体を相手材とした３ボールオンディスク型装置で摩擦係数を測定して評価した。球体には、各試験片との接触面が直径２．５ｍｍの平面となるように研磨された直径６．３５ｍｍのクロム軸受鋼ＳＵＪ２の球体を用いた。試験条件は、負荷荷重３００Ｎ、試験速度０．５ｍ／ｓ、試験距離１０００ｍとした。潤滑油には、自動車用エンジン油を用いた。

【0071】

図１４は、摩擦摩耗特性評価結果を示すグラフである。図１４では、縦軸に摩擦係数を取り、横軸にすべり距離を取り、実施例１から５の摩擦係数を示している。実施例１から５の試験片は、いずれも小さい摩擦係数を有しており、摩擦特性が良好であり、耐摩耗特性に優れていることがわかった。実施例１から５の摩擦係数は、約０．１以下であった。実施例２，３の摩擦係数は、実施例１、４、５の摩擦係数より小さくなった。この結果から、実施例２、３の試験片は、実施例１、４、５の試験片よりも摩擦特性が良好であり、耐摩耗特性に優れていることが明らかとなった。

【0072】

次に、実施例３及び比較例１の試験片について摩擦摩耗特性を評価して比較を行った。摩擦摩耗特性は、上記と同様に３ボールオンディスク型装置で摩擦係数を測定して評価した。試験条件は、負荷荷重３００Ｎ、試験速度０．５ｍ／ｓ、試験距離１０００ｍとした。潤滑油には、自動車用エンジン油を用いた。図１５は、摩擦摩耗特性評価結果を示すグラフである。図１５では、縦軸に摩擦係数を取り、横軸にすべり距離を取り、実施例３、比較例１の摩擦係数を示している。実施例３は、比較例１より摩擦係数が小さくなった。比較例１では、摩擦係数が約０．１以上であり、すべり距離が４００ｍ以上では摩擦係数が急激に上昇した。これに対して実施例３では、摩擦係数が０．１より小さくなり、すべり距離が４００ｍ以上でも摩擦係数は略一定であった。この結果から、実施例３の試験片は、比較例１の試験片よりも摩擦特性が良好であり、耐摩耗特性に優れていることがわかった。

【符号の説明】

【0073】

１０ 被膜を備える摺動部品
１２ 摺動部品
１４ 被膜
１６ 被膜本体
１８ 凸部
２０ 充填部
２２ 表面層
３０ 凸状体
３２ 充填体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】