JP2021042435A - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦を低減するとともに、その状態を長時間維持することが可能な摺動部材およびその製造方法を提供する。【解決手段】鋼からなる基材１と、基材１の表面に形成される合金層２と、を備え、基材１の表層部には、直径が０．０１μｍ〜２．０ｍｍであり、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上を含む金属粒子１ａが５０．０個／ｃｍ２以上の個数密度で分散する分散層１ｂが存在し、分散層１ｂの厚さは、２０．０〜３０００μｍであり、合金層２は、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上と、Ｆｅとを含み、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの合計含有量が、質量％で、１０．０〜７５．０％であり、かつ厚さが３．０〜１００ｎｍである、摺動部材１０。【選択図】 図１

Description

本発明は、摺動部材およびその製造方法に関する。

自動車のクランクシャフト等で使用される摺動部材には、耐摩耗性に加えて、低燃費化の観点から優れた摺動特性が要求されており、特に部材表面における摩擦の低減が求められている。

通常の鉄鋼材料において、無潤滑油環境（ドライ環境）または潤滑油環境下で摺動させる場合に焼き付きが問題になる場合が多い。そのため、様々な手法で焼き付きを防ぐための対策が採られる。例えば、ドライ環境ではＤＬＣ成膜またはＰＴＦＥ系のフッ素樹脂によるコーティングによる対策が採られる。

また、特許文献１では、高速回転、高荷重下で使用されても、摺動部材自身および相手シャフト材の摩耗がともに少ない耐久性、信頼性に優れた摺動部材が開示されている。さらに、特許文献２では、耐焼付性と耐摩耗性に優れた摺動部品用めっき皮膜並びにそのめっき皮膜で被覆された摺動用部品が開示されている。

そして、特許文献３では、安価な固体潤滑膜を用いても固体潤滑膜と部材との密着力が低下せず、長時間にわたって低摩擦係数が得られ、しかも高い耐摩耗性が保持できる固体潤滑膜付き部材が開示されている。

特開平４−３２５６９７号公報 国際公開第２００４／０６３４２６号 特開２０００−１７８７２０号公報

一般に、鋼材部品または鋼材表面への焼き付き現象は、摺動時に発生する磨耗粉に由来する等の物理的要因の他、高温かつ高圧環境下で摺動界面にて発生する化学的要因（例えば、摺動相手材の移着または凝着など化学反応に起因すると思われる異種材の発生）に支配される。すなわち、物理的または化学的要因が複雑に入り組んだ結果、焼き付き現象が発生する。

上述のＤＬＣ成膜を鋼材部品表面へ施した場合、良好な表面性状は得られる。しかし、摺動時の高温高圧環境では、不測の熱衝撃および応力集中が懸念される。ＤＬＣ成膜は、かかる環境に十分抗すると言えないのが現状である。また、上述のフッ素樹脂コーティングは利便性が高く、低コストの表面処理方法であるものの、フッ素樹脂の内部に形成されるピンホールが原因と思われる早期腐食劣化の他、高温環境下では毒性のある危険ガスが発生し易い等の環境的懸念がある。このように、上述の方法では、鋼材表面の焼き付き現象を十分に抑制し、良好な摺動性能を維持するには限界がある。

また、特許文献１および２では、基材の表面にめっきによる皮膜を形成しているため、皮膜の厚さが数μｍ以上と厚い。そのため、皮膜が摺動時に剥離するおそれがある。そのため、皮膜の持続性に問題がある。

特許文献３に記載の固体潤滑膜付き部材によれば、固体潤滑膜と部材との密着性が低下しないため、長時間にわたって低摩擦係数が得られ、しかも高い耐摩耗性が保持できるとされている。しかし、表面の固体潤滑膜が摩耗した場合、凹みに堆積している固体潤滑膜が掘り起こされ、染み出すとされているが、その際に露出した基材が相手材と接触する可能性があるため、摺動特性が維持できない可能性が考えられる。

本発明は上記の問題を解決し、摩擦を低減するとともに、その状態を長時間維持することが可能な摺動部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の摺動部材およびその製造方法を要旨とする。

（１）鋼からなる基材と、該基材の表面に形成される合金層と、を備え、
前記基材の表層部には、直径が０．０１μｍ〜２．０ｍｍであり、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上を含む金属粒子が５０．０個／ｃｍ^２以上の個数密度で分散する分散層が存在し、
前記分散層の厚さは、２０．０〜３０００μｍであり、
前記合金層は、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上と、Ｆｅとを含み、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの合計含有量が、質量％で、１０．０〜７５．０％であり、かつ厚さが３．０〜１００ｎｍである、
摺動部材。

（２）前記合金層の表面に形成され、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上からなる金属層をさらに備える、
上記（１）に記載の摺動部材。

（３）前記基材の肉厚中央部におけるＳｎ、ＢｉおよびＩｎの含有量が、いずれも質量％で、０．０１％以下である、
上記（１）または（２）に記載の摺動部材。

（４）上記（１）から（３）までのいずれかに記載の摺動部材を製造する方法であって、
鋼からなる基材を加熱する、加熱工程と、
前記加熱工程で加熱された前記表面に対して、金属微粒子をピーニングする、ピーニング工程と、を備え、
前記金属微粒子は、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの純金属から選択される１種以上、および／またはＳｎ、ＢｉおよびＩｎのいずれかを含有する複数種の合金から選択される１種以上を含み、
前記ピーニング工程で用いられる前記金属微粒子に含まれる前記純金属および／または前記合金の融点の最大値をＴ_ｍ（℃）とした場合に、
前記加熱工程では、前記基材の表面をＴ_ｍ〜８００℃の温度範囲まで加熱する、
摺動部材の製造方法。

（５）前記加熱工程において、高周波誘導加熱によって前記表面を加熱する、
上記（４）に記載の摺動部材の製造方法。

（６）上記（１）から（３）までのいずれかに記載の摺動部材を製造する方法であって、
鋼からなる基材を加熱する、第１加熱工程と、
前記第１加熱工程で加熱された前記表面に対して、金属微粒子をピーニングする、ピーニング工程と、
前記ピーニング工程の後に、前記基材の表面を８００〜１０００℃の温度範囲まで加熱する、第２加熱工程と、を備え、
前記金属微粒子は、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの純金属から選択される１種以上、および／またはＳｎ、ＢｉおよびＩｎのいずれかを含有する複数種の合金から選択される１種以上を含み、
前記ピーニング工程で用いられる前記金属微粒子に含まれる前記純金属および／または前記合金の融点の最大値をＴ_ｍ（℃）とした場合に、
前記第１加熱工程では、前記基材の表面をＴ_ｍ〜Ｔ_ｍ＋３００℃の温度範囲まで加熱する、
摺動部材の製造方法。

（７）前記第１加熱工程および前記第２加熱工程において、高周波誘導加熱によって前記表面を加熱する、
上記（６）に記載の摺動部材の製造方法。

（８）前記金属微粒子の平均粒径が３０〜５００μｍである、
上記（４）から（７）までのいずれかに記載の摺動部材の製造方法。

（９）前記金属微粒子は、鋼からなる微粒子の表面がＳｎ、ＢｉおよびＩｎの純金属から選択される１種以上、および／またはＳｎ、ＢｉおよびＩｎのいずれかを含有する複数種の合金から選択される１種以上によって被覆されている、
上記（４）から（８）までのいずれかに記載の摺動部材の製造方法。

本発明によれば、摺動特性に優れ、かつその状態が長時間持続する摺動部材を得ることが可能である。

本発明の一実施形態に係る摺動部材の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摺動部材の製造方法を説明するための概念図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る摺動部材の概略構成を示す図である。図１に示すように、本発明の一実施形態に係る摺動部材１０は、基材１、合金層２および金属層３を備える。合金層２は基材１の表面に形成され、さらに金属層３は合金層２の表面に形成される。なお、金属層３は形成されていなくてもよい。

合金層２は、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上と、Ｆｅとを含む。また、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの合計含有量が、質量％で、１０．０〜７５．０％である。具体的には、合金層２は、ＳｎおよびＦｅを含む合金、ＢｉおよびＦｅを含む合金、ＩｎおよびＦｅを含む合金、またはＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される２種または３種ならびにＦｅを含む合金によって構成される。そして、合金層２の厚さは３．０〜１００ｎｍである。

なお、ここでいう合金とは、複数の金属原子を含むことを意味しており、必ずしも原子レベルで格子状に規則的に配列していることには限定されない。これは、オージェ電子分光分析装置など高解像度の表面分析装置であっても、深さ方向、面方向それぞれ１ｎｍ程度の平均情報としてしか得られないためである。例えば、分散層の上にサブナノオーダーのＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上の金属層が形成される場合であっても、実際の表面では粗さがあり、かつこれらの層の膜厚は必ずしも均一ではないため、分析では下地のＦｅを含む情報として得られ、結果的に上述のように複数の金属原子を含む層と表現されることになる。

Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎは非常に軟質な金属であり、それを含む合金も軟質である。そのため、基材１の表面に軟質な合金層２が形成されていることによって、合金層２が潤滑皮膜としての役割を果たす。その結果、摺動相手となる部材（「相手部材」ともいう。）との摩擦が低減し、基材１の摺動特性を向上させることが可能となる。

合金層２の厚さが３．０ｎｍ未満では摺動特性の向上効果が不十分となる。一方、厚さが１００ｎｍを超えると、摺動相手となる部材との接触抵抗が上昇し、摺動特性が劣化する。

金属層３はＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上からなるものである。すなわち、純Ｓｎ、純Ｂｉ、純Ｉｎ、ＳｎおよびＢｉの合金、ＳｎおよびＩｎの合金、ＢｉおよびＩｎの合金、ならびにＳｎ、ＢｉおよびＩｎの合金が含まれる。金属層３が合金層２の表面に形成されることにより、さらなる摩擦の低減が可能となる。なお、ここでいう「合金」とは、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される２種または３種の金属が混ざり合ったものを指し、必ずしも相互溶解している必要はない。

上述のように、金属層３は形成されなくてもよいが、形成される場合には、その厚さが過剰であると却って摺動特性が劣化するおそれがある。そのため、金属層３の厚さは１０００μｍ以下とすることが好ましい。一方、下限は特に制限はないが、金属層３による摩擦の低減効果を得たい場合には、例えば、３．０μｍ以上とすることができる。

また、基材１の表層部には、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上を含む金属粒子１ａが分散する分散層１ｂが存在する。なお、本発明において、分散層１ｂとは、直径（円相当径）が０．０１μｍ〜２．０ｍｍである金属粒子１ａが５０．０個／ｃｍ^２以上の個数密度で分散する層を指すものとする。また、分散層１ｂの厚さは２０．０〜３０００μｍである。

金属粒子１ａは全てが同一成分である必要はない。例えば、全ての金属粒子がＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される２種または３種を含んでいてもよいし、Ｓｎを含む金属粒子、Ｂｉを含む金属粒子、Ｉｎを含む金属粒子が別々に分散していてもよい。その場合は、Ｓｎを含む金属粒子、Ｂｉを含む金属粒子、Ｉｎを含む金属粒子の合計個数密度が５０．０個／ｃｍ^２以上で分散する層を分散層１ｂとする。

潤滑皮膜として機能する合金層２および金属層３は、相手部材との摺動により消耗する。金属層３は摺動の初期に消費される。しかしながら、分散層１ｂからＳｎ、ＢｉおよびＩｎの１種以上とＦｅとが基材の表面へと拡散することにより、合金層２が再生され、長時間にわたって維持されるようになる。Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎは常温環境下においても、速やかに基材１の表面に拡散する特性を有する。

分散層１ｂ中における金属粒子１ａの直径が０．０１μｍ未満では、合金層２の再生に寄与しにくい。一方、２．０ｍｍを超えると、個数密度を５０．０個／ｃｍ^２以上とすることが困難となる。

また、分散層１ｂの厚さが２０．０μｍ未満では、供給できるＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上の量が少なく、合金層２を長時間維持することが難しくなる。一方、厚さが３０００μｍを超えると、基材１の表層部における機械特性が劣化するおそれがある。そのため、分散層１ｂの厚さは２０．０〜３０００μｍとする。特に、合金層２を長時間維持したい場合には、分散層１ｂの厚さは２０００μｍ超としてもよい。

基材１は鋼からなる。鋼としては、例えば、フェライト鋼、オーステナイト鋼、マルテンサイト鋼、または二相以上の組織を有する鋼等を用いることができる。また、組織中の析出物等の分散・固溶状態についても制限はない。

なお、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎは、表面に偏析しやすいだけでなく、結晶粒界にも偏析しやすい傾向がある。そのため、これらの元素が基材１中に多量に含有されると、基材１の結晶粒界に偏析し、脆性破壊および粒界腐食などが生じる原因となる。そのため、これらの元素が多量に含まれる領域は、基材１の表層部のみに限定することが好ましい。すなわち、基材１の肉厚中央部においては、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの含有量は、いずれも質量％で、０．０１％以下であることが好ましい。

上記の構造を有する摺動部材１０を製造する方法について、特に制限はないが、例えば、以下に示す方法により製造することができる。

本発明の一実施形態に係る摺動部材１０の製造方法は、鋼からなる基材１を加熱する、加熱工程と、加熱された基材１の表面に対して、金属微粒子１１をピーニングする、ピーニング工程と、を備える。

図２は、本発明の一実施形態に係る摺動部材の製造方法を説明するための概念図である。図２に示すように、高温に加熱した基材１の表面に対して、金属微粒子１１をピーニングすることにより、基材１の内部にＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上を含む金属粒子１ａを物理的に分散させることができる。そして、その結果、基材１の表層部に分散層１ｂが形成され、基材１の表面に合金層２が形成される。また、ピーニング時間に応じて、合金層２の表面にはさらに金属層３が形成される。

ここで、ピーニング工程で用いられる金属微粒子は、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの純金属から選択される１種以上、および／またはＳｎ、ＢｉおよびＩｎのいずれかを含有する複数種の合金から選択される１種以上を含む。なお、上記の合金には、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される２種以上からなる合金に加えて、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上とこれらの元素以外の元素とからなる合金が含まれる。そして、金属微粒子に含まれる純金属および／または合金の融点の最大値をＴ_ｍ（℃）とした場合に、加熱工程では、基材１の表面をＴ_ｍ〜８００℃の温度範囲まで加熱する。

すなわち、金属微粒子として、Ｓｎ、ＢｉまたはＩｎの純金属のいずれか１種を用いる場合には、Ｓｎ、ＢｉまたはＩｎの融点がＴ_ｍ（℃）となる。また、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの純金属から選択される２種以上を複合的に用いる場合には、用いられる元素の融点の最大値をＴ_ｍ（℃）として採用する。なお、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの融点はそれぞれ、２３２℃、２７１℃、１５７℃である。

また、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎのいずれかを含有する複数種の合金から選択される１種以上を用いる場合には、用いられる合金の融点の最大値をＴ_ｍ（℃）として採用する。さらに、純金属と合金とを混合して用いる場合には、用いられる純金属および合金の融点の最大値をＴ_ｍ（℃）として採用する。なお、一般的には、合金の融点は純金属の融点よりも低くなる。

本発明において、合金の融点は、示差走査熱量計（ＤＳＣ）により実測することとする。ＤＳＣは、測定試料と参照材料とを同時に加熱し、その温度を測定することにより参照材料との温度上昇の差を検出し、測定試料の相転移に伴う発熱および吸熱を検出し融点を測定する方法である。

基材１の表面温度がＴ_ｍ（℃）未満では、基材１が十分に軟化せず、ピーニングによる表層部の変形および折り畳み効果が不十分となり、上述の規定を満足する分散層１ｂを形成することが難しくなる。一方、表面温度が８００℃を超えると、金属微粒子１１が表面に衝突するのと同時に溶融して表面を覆い、ピーニング効果が得られず、上記と同様に、上述の規定を満足する分散層１ｂを形成することが難しくなる。また、表面温度が高すぎる場合、形成された分散層１ｂからＳｎ、ＢｉおよびＩｎの１種以上が直ちに表面偏析してしまい、分散層１ｂが消滅してしまうおそれがある。

加熱工程において、基材１の表面を加熱する方法については特に制限はなく、例えば、高周波誘導加熱を採用することができる。

さらに、本発明の他の実施形態に係る摺動部材１０の製造方法は、鋼からなる基材１を加熱する、第１加熱工程と、加熱された基材１の表面に対して、金属微粒子１１をピーニングする、ピーニング工程と、ピーニング工程の後に、基材１の表面を８００〜１０００℃の温度範囲まで加熱する、第２加熱工程と、を備える。

そして、本実施形態においては、第１加熱工程で、基材１の表面をＴ_ｍ〜Ｔ_ｍ＋３００℃の温度範囲まで加熱する。第１加熱工程における加熱温度を比較的低温に設定し、ピーニングを行った後、第１加熱工程より高い温度で第２加熱工程を行うことで、金属微粒子１１に含まれるＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上が基材１のより深部まで拡散し、分散層１ｂを厚くすることが可能となる。第２加熱工程における加熱時間については特に制限はないが、２０〜３００秒とすることが好ましく、３０〜２４０秒とすることがより好ましく、４０〜１８０秒とすることがさらに好ましい。

第１加熱工程および第２加熱工程において、基材１の表面を加熱する方法については特に制限はなく、例えば、高周波誘導加熱を採用することができる。

また、金属微粒子１１の大きさについて、特に制限は設けないが、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上の内部への拡散効果を十分に発揮するためには、平均粒径が３０〜５００μｍであることが好ましい。

Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎは軟質であることから、純Ｓｎ、純Ｂｉ、純Ｉｎ等をピーニングしても、基材の内部まで拡散させることは困難である。そのため、例えば、鋼からなる微粒子の表面がＳｎ、ＢｉおよびＩｎの純金属から選択される１種以上、および／またはＳｎ、ＢｉおよびＩｎのいずれかを含有する複数種の合金から選択される１種以上によって被覆されている粒子を、ピーニング用の金属微粒子１１として用いることが好ましい。

例えば、鋼球と純Ｓｎ、純Ｂｉおよび純Ｉｎから選択される１種以上の粒子をボールミル内で混合させることによって、鋼球の表面をＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上によって被覆することができる。この際、鋼球と純Ｓｎの粒子、純Ｂｉの粒子および純Ｉｎの粒子を同じボールミル内で混合させることで、表面にＳｎ、ＢｉおよびＩｎが被覆した鋼球を用意してもよい。また、表面にＳｎが被覆した鋼球、表面にＢｉが被覆した鋼球および表面にＩｎが被覆した鋼球を別々に用意したうえで、混合して使用してもよい。さらに、鋼球の表面への純Ｓｎ、純Ｂｉおよび純Ｉｎから選択される１種以上の被覆は、電解もしくは無電解の粉末めっき、または各種蒸着によって行ってもよい。

ピーニング時間についても特に制限はないが、１０〜３００秒とすることが好ましい。ピーニング時間が１０秒未満では、分散層の形成が不十分となるおそれがある。一方、ピーニング時間が３００秒を超えると、金属層３の厚さが過剰になるだけでなく、金属層３の表面の酸化が進み、潤滑性が低下するおそれがある。

また、同様に、金属層３の酸化を防止する観点から、ピーニング工程は窒素雰囲気等の不活性ガス中で行うことが好ましく、金属微粒子１１も不活性ガスによって吹き付けることが好ましい。これにより、金属微粒子１１自体の酸化も防止することが可能となる。

なお、基材１の鋳込み段階でＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上を添加したとしても、二層に分離し、基材１中にＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上を含む金属粒子１ａを分散させることは容易ではない。上述の方法によって摺動部材１０を製造することで、基材１の表層部のみに金属粒子１ａを分散させることができるため、基材の機械特性を劣化させることなく、部材の摺動特性を向上させることが可能となる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

試験材には４品種のＪＩＳ規格相当品を用いた。すなわち、ＪＩＳ Ｇ ４０５１（２００９）に規定されている機械構造用炭素鋼のＳ４５Ｃ鋼（０．４２Ｃ−０．２０Ｓｉ−０．７０Ｍｎ−０．０１Ｓ−０．１０Ｃｒ）、ＪＩＳ Ｇ ５１１１（１９９１）に規定されている構造用高張力炭素鋼のＳＣＭｎ３鋼（０．３８Ｃ−０．５３Ｓｉ−１．５０Ｍｎ−０．０１Ｐ−０．０１Ｓ）、ＪＩＳ Ｇ ４０５３（２０１６）に規定されている機械構造用炭素鋼のＳＣＭ４３５鋼（０．３５Ｃ−０．２０Ｓｉ−０．７５Ｍｎ−０．１０Ｎｉ−１．００Ｃｒ−０．２０Ｍｏ）、ＪＩＳ Ｇ ４４０４（２００６）に規定されている合金工具鋼鋼材のＳＫＤ１１鋼（１．５０Ｃ−０．２０Ｓｉ−０．４０Ｍｎ−０．０１Ｐ−０．０１Ｓ−１２．０Ｃｒ−１．００Ｍｏ−０．３０Ｖ）である。

Ｓ４５Ｃ鋼については、焼入れ材（８７０℃から水冷）および焼戻し材（８１０℃から炉冷）の２種類を、ＳＣＭｎ３鋼については、焼入れ焼戻し材（１０００℃から油焼入れ後、４００℃で焼戻し）を用いた。また、ＳＣＭ４３５鋼は焼入れ焼戻し材（９００℃から油焼入れ後、６００℃で焼戻し）を、ＳＫＤ１１鋼は焼入れ焼戻し材（焼入れ：１０３０℃から空冷、低温焼戻し：１８０℃から空冷）を用いた。試験材は、機械加工によりディスク形状（直径１５ｍｍ×厚さ４ｍｍ）とした後、後述する被膜処理面については、さらに鏡面に仕上げた。

続いて、高周波電源、加熱用高周波誘導加熱（以下、「ＩＨ」という。）コイルおよび出力制御盤を微粒子ピーニング（以下、「ＦＰＰ」という。）装置と組み合わせた装置を用いて、試験材に対して被膜処理を行った。すなわち、本実施例で用いる装置は、金属微粒子投射用ノズル（内径６ｍｍ）を有するＦＰＰ装置の内部に、円筒状のＩＨコイル（内径４０ｍｍ、巻き数４、幅３５ｍｍ）を備えている。

耐火レンガの上に設置した試験材をＩＨコイルの内側に設置することで、非接触により試験材を加熱した。そして、試験材の表面を表１に示す温度Ｔ１（℃）まで１０秒以内で加熱し、その温度で保持しながら、当該表面に対してＦＰＰ処理を施した。そして、金属微粒子の噴射を止め、ノズル先端から供給される圧縮気体で急冷した。なお、この処理は窒素雰囲気制御下で実施した。

ただし、試験Ｎｏ．１２〜１４については、ＦＰＰ処理後ただちに金属微粒子の噴射およびノズル先端からの圧縮気体の噴射を止め、表１に示す温度Ｔ２（℃）まで１０秒以内に昇温し、その温度で表１に記載の時間ｔ２（ｓ）保持してから、ノズル先端から供給される圧縮気体で急冷した。

粒子投射の供給量は２．０ｇ／秒、噴射圧力は０．５４ＭＰａ、噴射間距離は１００ｍｍとし、表１に示す時間噴射した。噴射に供した金属微粒子には、鋼球にＳｎを被覆したものを用いた。具体的には、平均粒径が１００μｍの鋼球（１．００Ｃ−０．５０Ｓｉ−０．６Ｍｎ、Ｈｖ８００）およびＳｎ粒子（直径１００μｍ、純度９９．９９％）をボールミル内で１００ｒｐｍにて２時間混合することによって、鋼球にＳｎを約１０μｍの厚みで被覆した。

なお、試験Ｎｏ．１７の試験材については、ＦＰＰ処理は行わなかった。また、試験Ｎｏ．１８の試験材については、ＦＰＰ処理の代わりにＳｎめっきを施した。

試験Ｎｏ．１〜１８の各試験材について、まず表面構造の解析を行った。具体的には、オージェ分光分析装置（アルバック・ファイ社製ＳＡＭ６７０）を用いた深さ方向分析により、基材の表面に形成された合金層の組成および厚さ、ならびに金属層の厚さを測定した。また、基材の表層部に存在する分散層の厚さは、表面からバフ研磨で少しずつ削り込んでは表面に存在する直径が０．０１μｍ〜２．０ｍｍの金属粒子の個数を数えることを繰り返し、削り込み深さと個数密度との関係を求めることによって決定した。なお、分散層の厚さは、表面から、金属粒子の個数密度が５０．０個／ｃｍ^２を下回る深さまでの距離とした。すなわち、分散層には、表面に平行な面で切断した場合、０．０１μｍ〜２．０ｍｍの金属粒子が５０．０個／ｃｍ^２以上存在する。

続いて、ボールオンディスク方式の摩擦試験（ＣＳＭ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製Ｔｒｉｂｏｍｅｔｅｒ）により、摩擦特性の評価を行った。ボールは市販の直径６ｍｍのＳＵＪ２球を用い、荷重１０Ｎ、摩擦速度１０ｍｍ／秒、摩擦時間１２０分、潤滑剤なしの条件で摩擦試験を実施した。摩擦係数は、試験機のソフトウェアから提供される値を用いた。そして、「初期摩擦係数」として摩擦開始から１分間の平均摩擦係数を計測するとともに、低摩擦の持続性として摩擦係数が０．３を超えるまでの摩擦時間を評価した。本発明においては、初期摩擦が０．２０以下でかつ低摩擦の持続性が１５分以上であった場合に、摺動特性に優れると判断した。

それらの結果を表１にまとめて示す。

表１の結果から分かるように、本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．１〜１４では、初期摩擦が０．２０以下でかつ低摩擦の持続性が１５分以上となり、摺動特性が優れる結果となった。特に、第１加熱工程における加熱温度を比較的低温に設定し、ピーニングを行った後、第１加熱工程より高い温度で第２加熱工程を行った試験Ｎｏ．１２〜１４では、厚い分散層が形成され、その結果、持続性が極めて優れる結果となった。

これに対して、ＦＰＰ処理時の表面温度が低すぎる試験Ｎｏ．１５では、基材中に分散層が形成されず、低摩擦の持続性が劣る結果となった。また、表面温度が高すぎる試験Ｎｏ．１６では、合金層および金属層が酸化され酸化物となったため、摩擦特性が劣る結果となった。さらに、ＦＰＰ処理を実施しなかった試験Ｎｏ．１７では、初期摩耗係数が劣る結果となった。そして、表面にＳｎめっきを施した試験Ｎｏ．１８では、基材中に分散層が存在しないため、低摩擦の持続性が劣る結果となった。

上述の４品種のＪＩＳ規格相当品を試験材として用い、実施例１と同様の調査をさらに実施した。ただし、本実施例においては、ＦＰＰ処理において噴射に供した金属微粒子には、鋼球にＢｉを被覆したものを用いた。具体的には、平均粒径が１００μｍの鋼球（１．００Ｃ−０．５０Ｓｉ−０．６Ｍｎ、Ｈｖ８００）およびＢｉ粒子（直径１００μｍ、純度９９．９９％）をボールミル内で１００ｒｐｍにて１時間混合することによって、鋼球にＢｉを約１０μｍの厚みで被覆した。

試験材の表面を表２に示す温度Ｔ１（℃）まで１０秒以内で加熱し、その温度で保持しながら、当該表面に対してＦＰＰ処理を施した。そして、金属微粒子の噴射を止め、ノズル先端から供給される圧縮気体で急冷した。ただし、試験Ｎｏ．１２および１３については、ＦＰＰ処理後ただちに金属微粒子の噴射およびノズル先端からの圧縮気体の噴射を止め、表２に示す温度Ｔ２（℃）まで１０秒以内に昇温し、その温度で表２に記載の時間ｔ２（ｓ）保持してから、ノズル先端から供給される圧縮気体で急冷した。それ以外の条件は実施例１と同一である。なお、試験Ｎｏ．１６の試験材については、ＦＰＰ処理は行わなかった。また、試験Ｎｏ．１７の試験材については、ＦＰＰ処理の代わりにＢｉめっきを施した。

試験Ｎｏ．１〜１７の各試験材について、実施例１と同じ方法により表面構造の解析および摩擦特性の評価を行った。それらの結果を表２にまとめて示す。

表２の結果から分かるように、本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．１〜１３では、初期摩擦が０．２０以下でかつ低摩擦の持続性が１５分以上となり、摺動特性が優れる結果となった。特に、第１加熱工程における加熱温度を比較的低温に設定し、ピーニングを行った後、第１加熱工程より高い温度で第２加熱工程を行った試験Ｎｏ．１２および１３では、厚い分散層が形成され、その結果、持続性が極めて優れる結果となった。

これに対して、ＦＰＰ処理時の表面温度が低すぎる試験Ｎｏ．１４では、基材中に分散層が形成されず、低摩擦の持続性が劣る結果となった。また、表面温度が高すぎる試験Ｎｏ．１５では、合金層および金属層が酸化され酸化物となったため、摩擦特性が劣る結果となった。さらに、ＦＰＰ処理を実施しなかった試験Ｎｏ．１６では、初期摩耗係数が劣る結果となった。そして、表面にＢｉめっきを施した試験Ｎｏ．１７では、基材中に分散層が存在しないため、低摩擦の持続性が劣る結果となった。

上述の４品種のＪＩＳ規格相当品を試験材として用い、実施例１および２と同様の調査をさらに実施した。ただし、本実施例においては、ＦＰＰ処理において噴射に供した金属微粒子には、鋼球にＩｎを被覆したものを用いた。具体的には、平均粒径が３０μｍ、１００μｍ、５００μｍの鋼球（１．００Ｃ−０．５０Ｓｉ−０．６Ｍｎ、Ｈｖ８００）に電解めっきを施し、約１０μｍの厚みでＩｎを被覆した。

試験材の表面を表３に示す温度Ｔ１（℃）まで１０秒以内で加熱し、その温度で保持しながら、当該表面に対してＦＰＰ処理を施した。そして、金属微粒子の噴射を止め、ノズル先端から供給される圧縮気体で急冷した。ただし、試験Ｎｏ．１４および１５については、ＦＰＰ処理後ただちに金属微粒子の噴射およびノズル先端からの圧縮気体の噴射を止め、表３に示す温度Ｔ２（℃）まで１０秒以内に昇温し、その温度で表３に記載の時間ｔ２（ｓ）保持してから、ノズル先端から供給される圧縮気体で急冷した。それ以外の条件は実施例１と同一である。なお、試験Ｎｏ．１８の試験材については、ＦＰＰ処理は行わなかった。また、試験Ｎｏ．１９の試験材については、ＦＰＰ処理の代わりにＩｎめっきを施した。

試験Ｎｏ．１〜１９の各試験材について、実施例１と同じ方法により表面構造の解析および摩擦特性の評価を行った。それらの結果を表３にまとめて示す。

表３の結果から分かるように、本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．１〜１５では、初期摩擦が０．２０以下でかつ低摩擦の持続性が１５分以上となり、摺動特性が優れる結果となった。特に、第１加熱工程における加熱温度を比較的低温に設定し、ピーニングを行った後、第１加熱工程より高い温度で第２加熱工程を行った試験Ｎｏ．１４および１５では、厚い分散層が形成され、その結果、持続性が極めて優れる結果となった。

これに対して、ＦＰＰ処理時の表面温度が低すぎる試験Ｎｏ．１６では、基材中に分散層が形成されず、低摩擦の持続性が劣る結果となった。また、表面温度が高すぎる試験Ｎｏ．１７では、合金層および金属層が酸化され酸化物となったため、摩擦特性が劣る結果となった。さらに、ＦＰＰ処理を実施しなかった試験Ｎｏ．１８では、初期摩耗係数が劣る結果となった。そして、表面にＩｎめっきを施した試験Ｎｏ．１９では、基材中に分散層が存在しないため、低摩擦の持続性が劣る結果となった。

上述のうち２品種のＪＩＳ規格相当品を試験材として用い、実施例１〜３と同様の調査をさらに実施した。ただし、本実施例において、試験Ｎｏ．１およびＮｏ．２では、ＦＰＰ処理において噴射に供した金属微粒子に、鋼球にＳｎを被覆したものと鋼球にＢｉを被覆したものとを１：１の質量比で混合したものを用いた。また、試験Ｎｏ．３では、ＦＰＰ処理において噴射に供した金属微粒子に、鋼球にＢｉを被覆したものと鋼球にＩｎを被覆したものとを１：１の質量比で混合したものを用いた。

さらに、試験Ｎｏ．４では、ＦＰＰ処理において噴射に供した金属微粒子に、鋼球にＳｎを被覆したものと鋼球にＩｎを被覆したものとを１：１の質量比で混合したものを用いた。そして、試験Ｎｏ．５では、ＦＰＰ処理において噴射に供した金属微粒子に、鋼球にＳｎを被覆したものと鋼球にＢｉを被覆したものと鋼球にＩｎを被覆したものとを１：１：１の質量比で混合したものを用いた。それ以外の条件は実施例１〜３と同一である。

また、試験Ｎｏ．６では、ＦＰＰ処理において噴射に供した金属微粒子に、鋼球にＢｉとＩｎとが１：１の質量比で混合した合金を被覆したものを用いた。すなわち、あらかじめＢｉとＩｎとが１：１の質量比で混合した合金を作製し、これをターゲット材として熱蒸着で鋼球に被覆した。被覆厚さは平均で２μｍであった。試験Ｎｏ．７および８では、ＦＰＰ処理において噴射に供した金属微粒子に、Ｎｏ．６と同様に、鋼球にＳｎとＩｎとが１：１の質量比で混合した合金を被覆したものを用いた。被覆厚さは平均で２μｍであった。なお、ＢｉとＩｎとの合金およびＳｎとＩｎとの合金の融点は、ＤＳＣにより実測した。

試験Ｎｏ．１〜８の試験材について、実施例１〜３と同じ方法により表面構造の解析および摩擦特性の評価を行った。それらの結果を表４にまとめて示す。なお、試験Ｎｏ．１〜５の合金層は、いずれもＦｅと、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される２種または３種と、からなる合金であった。また、金属層に相当する層はＳｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される２種または３種が混じり合っており、必ずしも相互溶解はしていなかった。

一方、試験Ｎｏ．６の合金層は、Ｆｅ、ＢｉおよびＩｎの合金であり、金属層はＢｉとＩｎとがほぼ１：１の質量比で混合した合金であった。また、試験Ｎｏ．７および８の合金層は、Ｆｅ、ＳｎおよびＩｎの合金であり、金属層はＳｎとＩｎとがほぼ１：１の質量比で混合した合金であった。

表４の結果から分かるように、本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．１〜８では、初期摩擦が０．２０以下でかつ低摩擦の持続性が１５分以上となり、摺動特性が優れる結果となった。特に、第１加熱工程における加熱温度を比較的低温に設定し、ピーニングを行った後、第１加熱工程より高い温度で第２加熱工程を行った試験Ｎｏ．６〜８では、厚い分散層が形成され、その結果、持続性が極めて優れる結果となった。

本発明によれば、摺動特性に優れ、かつその状態が長時間持続する摺動部材を得ることが可能である。したがって、本発明に係る摺動部材は、自動車、船舶等の輸送機械、一般産業機械等に使用される摺動部材として好適に用いることができる。

１．基材
１ａ．金属粒子
１ｂ．分散層
２．合金層
３．金属層
１０．摺動部材
１１．金属微粒子

Claims (9)

1. 鋼からなる基材と、該基材の表面に形成される合金層と、を備え、
   前記基材の表層部には、直径が０．０１μｍ〜２．０ｍｍであり、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上を含む金属粒子が５０．０個／ｃｍ^２以上の個数密度で分散する分散層が存在し、
   前記分散層の厚さは、２０．０〜３０００μｍであり、
   前記合金層は、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上と、Ｆｅとを含み、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの合計含有量が、質量％で、１０．０〜７５．０％であり、かつ厚さが３．０〜１００ｎｍである、
   摺動部材。
2. 前記合金層の表面に形成され、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎから選択される１種以上からなる金属層をさらに備える、
   請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記基材の肉厚中央部におけるＳｎ、ＢｉおよびＩｎの含有量が、いずれも質量％で、０．０１％以下である、
   請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
4. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載の摺動部材を製造する方法であって、
   鋼からなる基材を加熱する、加熱工程と、
   前記加熱工程で加熱された前記表面に対して、金属微粒子をピーニングする、ピーニング工程と、を備え、
   前記金属微粒子は、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの純金属から選択される１種以上、および／またはＳｎ、ＢｉおよびＩｎのいずれかを含有する複数種の合金から選択される１種以上を含み、
   前記ピーニング工程で用いられる前記金属微粒子に含まれる前記純金属および／または前記合金の融点の最大値をＴ_ｍ（℃）とした場合に、
   前記加熱工程では、前記基材の表面をＴ_ｍ〜８００℃の温度範囲まで加熱する、
   摺動部材の製造方法。
5. 前記加熱工程において、高周波誘導加熱によって前記表面を加熱する、
   請求項４に記載の摺動部材の製造方法。
6. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載の摺動部材を製造する方法であって、
   鋼からなる基材を加熱する、第１加熱工程と、
   前記第１加熱工程で加熱された前記表面に対して、金属微粒子をピーニングする、ピーニング工程と、
   前記ピーニング工程の後に、前記基材の表面を８００〜１０００℃の温度範囲まで加熱する、第２加熱工程と、を備え、
   前記金属微粒子は、Ｓｎ、ＢｉおよびＩｎの純金属から選択される１種以上、および／またはＳｎ、ＢｉおよびＩｎのいずれかを含有する複数種の合金から選択される１種以上を含み、
   前記ピーニング工程で用いられる前記金属微粒子に含まれる前記純金属および／または前記合金の融点の最大値をＴ_ｍ（℃）とした場合に、
   前記第１加熱工程では、前記基材の表面をＴ_ｍ〜Ｔ_ｍ＋３００℃の温度範囲まで加熱する、
   摺動部材の製造方法。
7. 前記第１加熱工程および前記第２加熱工程において、高周波誘導加熱によって前記表面を加熱する、
   請求項６に記載の摺動部材の製造方法。
8. 前記金属微粒子の平均粒径が３０〜５００μｍである、
   請求項４から請求項７までのいずれかに記載の摺動部材の製造方法。
9. 前記金属微粒子は、鋼からなる微粒子の表面がＳｎ、ＢｉおよびＩｎの純金属から選択される１種以上、および／またはＳｎ、ＢｉおよびＩｎのいずれかを含有する複数種の合金から選択される１種以上によって被覆されている、
   請求項４から請求項８までのいずれかに記載の摺動部材の製造方法。

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