JP5385039B2

JP5385039B2 - 摺動性と表面圧縮残留応力を同時に付与するショットピーニング用粉末およびそれを用いた摺動性部材の製造方法

Info

Publication number: JP5385039B2
Application number: JP2009173034A
Authority: JP
Inventors: 慶明松原; 勝柳本
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-07-24
Also published as: JP2011025346A

Description

本発明は、摺動性と表面圧縮残留応力を同時に付与するショットピーニング用粉末およびその粉末をショットピーニングしてなる摺動性部材の製造方法に関するものである。

一般に軟質金属相は、摺動部の潤滑は油などの液体潤滑剤を使用して行われることが多いが、設計上の理由により液体潤滑剤を使用することができない場合や、真空中において使用されるなどのように使用環境における制約がある場合、固体潤滑剤が用いられる。また、近年、エネルギー問題への社会的要請が高まるにつれて、自動車用のエンジンやトランスミッションに使用される摺動部材のさらなる摩擦低減が求められている。

そのため摺動部に使用される液体潤滑材の摩擦抵抗を低減するために粘性の低いものが使用される傾向にあり、摺動部における潤滑材の厚みが薄くなり、摺動部材同士が接触する可能性のある境界潤滑環境で使用される軸受が増加しているため、境界潤滑環境下でも高い摺動性を持った、剥離寿命の長い部材の開発が必要とされており、固体潤滑剤で摺動部を被覆することが行われている。

この摺動部材への固体潤滑剤の被覆方法として、例えば特開２００２−１６１３７１号公報（特許文献１）や特開２００７−１００５９号公報（特許文献２）にあげられるように、亜鉛や錫などの軟質金属粉末と二硫化モリブデンといった固体潤滑剤粉末の混合粉末や、軟質金属粉末もしくは固体潤滑剤粉末単体をショットピーニングする成膜技術が開示されている。

特許文献１においては、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤粉末が軟質金属中に分散した被膜を形成することで、従来、密着強度が低かった固体潤滑剤単体の被膜の密着性を改善しているため、固体潤滑剤の潤滑性を保ったまま、耐久性の高い被膜を形成できるとしている。また、特許文献２においては、摺動面に形成する被膜の被覆面積、厚み、表面粗さを制御することで摩擦係数が小さく、優れた摺動性能を有する摺動部材ができるとしている。

また、［（トライボロジー会議２００７年春予稿集第１２３〜１２４頁「固体潤滑剤ショットコーティングによる転がり軸受の長寿命化）］（非特許文献１）にあげられるように、錫もしくは亜鉛の軟質金属粉末を摺動部材にショットピーニングし、軟質金属被膜を形成することで摺動部材の摩擦係数を低減させる技術が開示されている。

さらに、硬質相に関しては、境界潤滑環境下での剥離寿命を向上させる別の手法として、特開２０００−２３０５４４号公報（特許文献３）のように硬質な金属（ハイス鋼など）をショットピーニングすることにより、表面に圧縮残留応力を付与する手法がある。これらに用いられる粉末は、一般的に軸受鋼などショットピーニング対象の基材よりも硬い粉末が用いられている。
特開２００２−１６１３７１号公報特開２００７−１００５９号公報特開２０００−２３０５４４号公報［トライボロジー会議２００７年春予稿集第１２３〜１２４頁「固体潤滑剤ショットコーティングによる転がり軸受の長寿命化」］

上述した軟質金属相や硬質相である、これら両方を同時に付与することができる粉末がないため、両者を併用するためには硬質粉末と軟質粉末の２種類の粉末を別々にショットピーニングする必要があるが、ショットピーニングは基本的にバッチ処理のため、工程が複雑でコストがかかるという問題がある。

上述した問題を解消するために発明者らは鋭意開発を進めた結果、軟質金属相中に硬質相が含まれる粉末をショットピーニングすることにより、軟質金属相により表面が被覆されつつ、硬質相により表面に圧縮残留応力を付与することができることを発明した。硬質相の硬さは一般的な軸受鋼の硬さよりも軟らかいＨｖ３００以上で残留応力を付与することが可能である。そこで、境界潤滑状態などの過酷な潤滑環境下の転がり軸受の摺動面に、摩擦係数を低減する軟質金属膜と、表面圧縮残留応力を同時に付与することができるショットピーニング用の粉末、およびそれを用いた摺動性部材の製造方法を提供する。

その発明の要旨とするところは、
（１）粉末としてビッカース硬度がＨＶ１００以下の軟質金属相がＳｎ、ＨＶ１００を超える硬さをもつ硬質相がＣｕ ₆ Ｓｎ ₅ および／またはＣｕ ₃ ＳｎであるＳｎ−Ｃｕ合金粉末であることを特徴とする摺動性と表面圧縮残留応力を同時に付与するショットピーニング用粉末。

（２）素材から摺動部材を製造する際に、前記（１）に記載の粉末を用いてショットピーニングして製造することを特徴とする摺動性部材の製造方法。
（３）前記（２）に記載の摺動性部材の表面圧縮残留応力が６００〜１５００ＭＰａであることを特徴とする摺動性部材の製造方法にある。

以上述べたように、本発明による軟質金属を高速で相手材に衝突させると、その衝突時に粉末表面が相手材と凝着を起こし、移着することにより、皮膜が形成され、表面に軟質金属皮膜を有するショット粉末でショットピーニングを行うと核となる粉末により表面に圧縮残留応力が付与されると同時に表面の軟質金属が相手材を被覆し潤滑材として働き効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について本発明の一例であるＳｎ−Ｃｕ系合金を基にして詳細に説明する。図１は、Ｓｎ−Ｃｕ２元状態図である。この図１より軟質金属であるＳｎ相とその軟質金属とＣｕとの合金Ｃｕ₆Ｓｎ₅およびＣｕ₃Ｓｎからなる相の２相組成はＳｎが６１質量％以上でえられるが、このうち摺動被膜としてはＳｎ：６５〜９５質量％であることが望ましい。したがって、Ｃｕは５〜３５質量％なる成分組成となる。

粉末はＣｕ量に応じて軟質金属Ｓｎ相と硬質相Ｃｕ₆Ｓｎ₅及びＣｕ₃Ｓｎ相の割合が変化するため、Ｓｎ：６１〜６５質量％未満では軟質なＳｎの被膜が充分に形成されず、逆に、Ｓｎ：９５超え〜１００質量％では表面圧縮残留応力の増加が見られない。上述した組成の合金粉末の形成方法としては、例えば鋳造材の粉砕、ガスや水などによるアトマイズ、水中紡糸法による線材の切断や粉砕、液体急冷による薄帯の粉砕などがあげられる。これらは必要な粒度、形状によって使い分けることが可能である。

また、軟質金属としてのビッカース硬さＨＶは１００以下とし、また硬質相の硬さは一般的な軸受鋼の硬さよりも軟らかいＨｖ３００以上とすることが望ましい。例えば軟質金属としてのビッカース硬さＨＶは１００以下とし、その軟質金属中にビッカース硬さＨＶ２００以上の硬質相が分散している粉末をショットピーニングを行うと、軟質金属は衝突時に軟質金属のみが変形し、表面に付着するが、硬質相と相手表面両方が変形することで、表面に圧縮残留応力が付与する。

また、硬質相が摺動時に相手材もしくは被覆材を研磨する等悪影響を及ぼす可能性がある場合、粉末を熱処理し、硬質相を粗大化させることで軟質金属Ｓｎ相のみを被覆することができる。熱処理は１６０〜４１５℃の温度範囲で１時間以上行うことで、微細に分散していた硬質相が粗大化する。

上記合金粉末を、ショットピーニング法により摺動部材表面に成膜する。その形成した被膜の平均膜厚は、０．５〜２．５μｍとする。平均膜厚が０．５μｍ未満では潤滑効果が十分でなく、摺動部材同士の接触する可能性のある境界潤滑環境で使用される軸受としての摩擦係数の低減が十分に得ることが出来ない。また、２．５μｍを超えるとその効果は飽和することから、その範囲を０．５〜２．５μｍとした。

ショットピーニング法は、粉末を高速で摺動部材に衝突させることで被膜を形成するため、短時間で密着性が高い得ることができ、また摺動部材を加熱する必要がないため、摺動性被膜を形成する方法として好適である。ショットピーニングの条件としては圧力０．４〜０．８ＭＰａの圧縮空気を用いて１〜２０分粉末を噴射する。このとき、粉末中に硬質相があることで、摺動部材表面に圧縮応力が付与される。

摺動部材表面に形成する圧縮応力は６００〜１５００ＭＰａの範囲とする。この範囲とする理由は摺動の際に軟質金属であるＳｎが摩擦抵抗を下げる働きを行うものであり、その効果を得るためには６００ＭＰａ以上必要であり、また、１５００ＭＰａを超えると部材の寿命に影響を及ぼすことから、その範囲を６００〜１５００ＭＰａとした。好ましくは６００〜１２００ＭＰａとする。

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言う。このように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およびカムフォロア、ピストンリング、燃料噴射装置、フリクションプレート、クラック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等が上げられる。

さらに、摺動部材をなす素材としては、例えば、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼等の軸受鋼やＳＣＭ４２０、ＳＣｒ４２０等の肌焼鋼やＳＵＳ４４０等のステンレス鋼に、焼入れおよび焼戻し処理を施したものや、浸炭処理または浸炭窒化処理と焼入れおよび焼戻し処理とを施したもの等が挙げられる。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す各種組成のＳｎ−Ｃｕ合金粉末をガスアトマイズで製造した。製造した粉末が、金属間化合物が微細に分散した組織となったことを走査電子顕微鏡にて確認した後、作製した粉末を粒度１０５〜３８μｍに分級し、分級後の粉末を用いて摺動部材の摺動表面に噴射圧力が０．４ＭＰａ、噴射時間が５分の条件下でショットピーニングすることにより、潤滑性被膜を形成した。一方、摺動部材として、一般的な軸受に使用されるＪＩＳ記号がＳＵＪ２である軸受鋼を、ＨＲＣ６０の硬さに焼き入れて、これを用いた。

形成した被膜の平均膜厚は、試験片の摺動面に相当する部位を切断し、その断面をバフ研磨で鏡面仕上げした後、走査電子顕微鏡にて観察を行った。観察はＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）での１０００倍で５視野分行い、その平均を求めた。そのときのＣｕの濃度は最大で３％以下で殆ど検出されなかった。また、表面圧縮残留応力はＸ線を用いて測定した。さらに、摺動部材は直径２６ｍｍで長さが２８ｍｍの小ローラーとし、これを用いてローラーピッチング試験を実施し、軟質膜単体のＬ₅₀寿命（５０％が破損する寿命）と比較した。軟質膜単体のＬ₅₀寿命に対して、２倍以上：◎、１倍以上２倍未満：○、１倍未満０．５倍以上：△、０．５倍未満：×とした。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜６は本発明例であり、Ｎｏ．７〜１０は比較例である。

比較例Ｎｏ．７はＳｎが１００％、すなわち、軟質膜単体の場合であり、表面圧縮残留応力が小さい。この場合をローラーピッチング試験（Ｌ₅₀）の基準とした。比較例Ｎｏ．８は軟質相が少なく、硬質相が多いために表面圧縮残留応力が大き過ぎ、摺動部材の寿命に影響を及ぼし摺動部材の寿命が短くなる。比較例Ｎｏ．９は比較例Ｎｏ．８よりさらに軟質相が少なく、硬質相が多く、かつ平均膜厚が薄いために表面圧縮残留応力がより大くなり、摺動部材の寿命をより短縮させる。

比較例Ｎｏ．１０は処理しない場合であり、その時の表面圧縮応力は小さく、摺動部材の寿命が短い。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜６はいずれも本発明の条件を満たしていることから、その摺動部材の寿命が軟質金属単独の場合に比較して２倍以上延びることが分かる。

以上のように、Ｓｎの軟質金属とそれ以上の硬さをもつＣｕ ₆ Ｓｎ ₅ および／またはＣｕ ₃ ＳｎであるＳｎ−Ｃｕ合金粉末の硬質金属との合金または金属間化合物とからなる膜をショットピーニング等を用いて形成させることにより、軟質金属は衝突時に軟質金属のみが変形し、表面に付着するが、硬質相は硬質相と相手の摺動部材の両方が変形することで、表面に圧縮残留応力が付与される、この形成された膜には軟質金属より硬く、基材となる軸受などの摺動部材より柔らかい金属間化合物が含まれ、この形成された膜においては軟質金属が潤滑性、初期なじみ性を狙い、金属化合物が耐摩耗性を狙うことで摺動性能が高く、耐久性がある被膜ができ、摺動部材の寿命の向上を図ることができる。

Ｓｎ−Ｃｕ２元状態図である。

Claims

粉末としてビッカース硬度がＨＶ１００以下の軟質金属相がＳｎ、ＨＶ１００を超える硬さをもつ硬質相がＣｕ ₆ Ｓｎ ₅ および／またはＣｕ ₃ ＳｎであるＳｎ−Ｃｕ合金粉末であることを特徴とする摺動性と表面圧縮残留応力を同時に付与するショットピーニング用粉末。
素材から摺動部材を製造する際に、請求項１に記載の粉末を用いてショットピーニングして製造することを特徴とする摺動性部材の製造方法。
請求項２に記載の摺動性部材の表面圧縮残留応力が６００〜１５００ＭＰａであることを特徴とする摺動性部材の製造方法。