摺動部材及びその製造方法
【課題】摺動面に均一に分散してグラファイトを含み、これにより、耐摩耗性ばかりでなく、低摩擦特性を得ることができる摺動部材及びこの摺動部材を安価かつ量産できる製造方法を提供する。
【解決手段】セラミック粉末と、金属粉末と、グラファイト粉末とを、混合して焼結することにより、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末を製造する工程と、該サーメット粉末から、コールドスプレー法により、基材の摺動面にサーメット皮膜を成膜する工程と、を含む。
【解決手段】セラミック粉末と、金属粉末と、グラファイト粉末とを、混合して焼結することにより、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末を製造する工程と、該サーメット粉末から、コールドスプレー法により、基材の摺動面にサーメット皮膜を成膜する工程と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面にグラファイトを含む摺動部材及びその製造方法に係り、特に、摺動面に耐摩耗性及び摺動特性に優れた皮膜が形成された摺動部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車において、エンジン、トランスミッションなど様々な機器に摺動部材が用いられており、この摺動部材の摺動特性を向上させるために様々な開発がなされている。この摺動部材の摩擦係数を低減させることは、自動車の燃費の向上にも繋がるので、特に重要視されている。近年では、このような摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、摺動部材の表面のコーティング技術として、その表面に非晶質炭素皮膜を被覆する技術が注目されている。
【０００３】
非晶質炭素皮膜は、ダイヤモンド構造とグラファイト構造とを含むアモルファス構造を有するので、耐摩耗性及び潤滑性に優れている。しかしながら、非晶質炭素皮膜は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの成膜方法により成膜されるため、大量生産には適さず、コストを多大に要することがある。
【０００４】
そこで、安価かつ量産に皮膜を形成する方法として、溶射による成膜方法や、コールドスプレーによる成膜方法が採用されている。例えば、コールドスプレー法は、皮膜の材料の融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱した圧縮ガスを、先細末広がりのノズルにより流速を高め、このガス流れの中に皮膜の材料となる粉末を投入して加速させ、該粉末を固相状態のまま基材に高速で衝突させて皮膜を形成する方法である。この方法によれば、皮膜材料となる粉末を溶融させることなく成膜できるので、基材の熱変形及び皮膜の酸化を抑制することができる。
【０００５】
たとえば、ＷＣ系の造粒−焼結サーメット粒子を含有する粉末から、コールドスプレー法により、基材の表面に皮膜を成膜する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。また、ＷＣなどの硬質表面材料粒子と、コバルト等のバインダ材料が被覆されたグラファイト粒子との粉末から、コールドスプレー法により、皮膜を成膜する方法が提案されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２３１５２７号公報
【特許文献２】特開２００７−１２６７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、例えば、特許文献１のように、造粒−焼結サーメット粒子から皮膜を形成した場合には、基材の表面の耐摩耗性を向上させることができるが、皮膜には、グラファイトなどの固体潤滑剤となる材料が含まれていない。従って、摺動部材として用いた場合には、相手部材の摺動面に対して攻撃性が高く、十分な摺動特性を得ることができないことがある。
【０００８】
一方、特許文献２のように、グラファイト粉末を皮膜に含有させた場合であったとしても、以下の２つの理由により、十分な摺動特性を得ることができないことがある。第一の理由に、サーメット粒子とグラファイト粒子の比重差、それぞれの粒子の適正な成膜条件（温度、速度など）に差があるため、成膜時には、均一にグラファイト粒子が皮膜中に分散されず、場合によっては、摺動面を含む皮膜中のグラファイト粒子の割合が低下することが挙げられる。
【０００９】
第二の理由に、グラファイト粒子には、バインダ材料が被覆されているため、摺動面には、グラファイト粒子が露出せず、バインダ材料が存在することが挙げられる。これにより、摺動時には、バインダ材料が相手部材に凝着することもあり、グラファイト本来の潤滑作用が期待できないことがある。
【００１０】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摺動面に均一に分散してグラファイトを含み、これにより、耐摩耗性ばかりでなく、低摩擦特性を得ることができる摺動部材及びこの摺動部材を安価かつ量産できる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を鑑みて、発明者らが、鋭意検討を重ねた結果、セラミック粉末と、金属粉末とを混合して焼結したサーメット粉末を製造する際に、グラファイト粉末を添加することにより、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなる粉末を用いれば、グラファイト粒子と、サーメット粒子とを一体的に基材の摺動面に吹き付けることができ、摺動面の表面及び皮膜中に、グラファイト粒子を均一に分散して形成できるとの新たな知見を得た。
【００１２】
本発明は、この新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動部材の製造方法は、セラミック粉末と、金属粉末と、グラファイト粉末とを、混合して焼結することにより、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末を製造する工程と、該サーメット粉末から、コールドスプレー法により、基材の摺動面にサーメット皮膜を成膜する工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１３】
このようにして製造された摺動部材は、セラミック粉末と、金属粉末と、グラファイト粉末とを、混合して焼結することにより、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末から、コールドスプレー法により、基材の摺動面にサーメット皮膜が被覆されたものである。
【００１４】
本発明によれば、まず、セラミック粉末と、金属粉末と、グラファイト粉末とを均一に混合して、これらの粉末の粒子同士を焼結させた混合粒子からなる粉末を製造する。すなわち、この焼成の際に、セラミック粉末のセラミックと、金属粉末の金属とから、サーメットが生成されると共、このサーメットにグラファイト粒子が介在したサーメット粒子からなるサーメット粉末が得られる。焼結時には、金属粒子の金属は、セラミック粒子のセラミックと合わさってサーメットになると共に、グラファイト粒子をこのサーメットに結合させることができる。
【００１５】
このようにして得られたサーメット粉末を、コールドスプレー法により、固相状態（サーメット材料が固相の状態）で圧縮ガスと共に基材の摺動面に吹き付けて、グラファイト粒子を含有したサーメット皮膜を、基材の摺動面に成膜することができる。この際、サーメットとグラファイト粒子が一体となって吹き付けられるので、サーメット皮膜には、グラファイト粒子が均一に分散することになる。この結果、摺動面にも、グラファイト粒子が均一に分散して配置されるので、摺動時には、摺動面のグラファイトが固体潤滑剤として作用し、潤滑性を確保する（低摩擦特性を得る）ことができる。また、コールドスプレー法により成膜するので、摺動部材を安価かつ量産できる。
【００１６】
より好ましくは、混合粉末に用いるグラファイト粉末は、造粒粉末である。この造粒粉末は、樹脂バインダを用いて天然黒鉛粉末など微細な粉末を結合して、結合体とし、この結合体を粉砕した粉末であり、この際、所望の平均粒径に分級されてもよい。造粒したグラファイト粒子を用いることにより、成膜時には、その一部のグラファイト粒子は、解砕して皮膜により均一に分散する。これにより、摺動面にグラファイトが配置されることにより、摺動面の摺動特性をさらに向上させることができる。
【００１７】
また、グラファイト粉末の平均粒径は、成膜時の皮膜にグラファイト粒子を残存させることができるのであれば、特にその範囲は限定されないが、より好ましくは、１０μｍ〜３０μｍである。このような範囲のグラファイト粉末を用いることにより、コールドスプレー法により皮膜を形成した場合に、皮膜中にグラファイト粒子を残存させ易い。発明者らの後述する実験によれば、平均粒径が１０μｍ未満である場合には、皮膜中にグラファイト粒子が残存しにくく、３０μｍを超える場合には、皮膜が成膜され難い。
【００１８】
さらに、このグラファイト粉末は、混合した粉末全体（混合時の粉末全体）に対して、１．６〜４．８質量％含有していることがより好ましい。このような範囲となるように、混合粉末に対してグラファイト粉末を含有することにより、コールドスプレー法により皮膜を成膜し易く、皮膜中にグラファイト粒子を残存させ易い。発明者らの後述する実験によれば、混合時の粉末全体に対して、グラファイト粉末が１．６質量％未満である場合には、皮膜中にグラファイト粒子が残存しにくく、混合時の粉末全体に対して、グラファイト粉末が１．６質量％未満である場合には、皮膜が成膜され難い。
【００１９】
また、本発明でいうサーメットとは、炭化物、酸化物、窒化物、硼化物などのセラミック材料と金属材料との複合材料を意味する。セラミック材料としては、例えば、ＴｉＣ、Ｔｉ（ＣＮ）、ＷＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｍｏ２Ｃ、ＢＮなどを挙げることができ、金属材料としては、焼結時に、このセラミック材料を結合することができる材料であり、例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、及び、Ｍｏから選択される一種、または、これらから選択される２種以上が単体又は合金を挙げることができる。
【００２０】
そして、このサーメット粒子の原材料となるセラミック粉末は、上に示すセラミック材料から選定され、金属粉末は、上に示す金属材料から選定され、より好ましくは、前記セラミック材料は、ＷＣ粒子からなるＷＣ粉末であり、金属粉末は、Ｃｏ粒子からなるＣｏ粉末又はＭｏ粒子からなるＭｏ粉末である。これらの粉末を用いることにより、ＷＣ−Ｃｏ、系サーメット又はＷＣ−Ｍｏ系サーメットに、Ｃｏ又はＭｏを結合材としてグラファイト粒子とを含むサーメット粒子を含む粉末を得ることができる。
【００２１】
本発明として、前記製造方法により製造された摺動部材を開示する。本発明に係る摺動部材は、サーメットにグラファイト粒子が均一に分散したコールドスプレー皮膜が、基材の摺動面に被覆されていることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明によれば、コールドスプレーより成膜されたサーメット皮膜（コールドスプレー皮膜）は、サーメットに、グラファイト粒子が均一に分散しているので、摺動面には、均一に分散したグラファイト粒子が存在する。これにより、コールドスプレー皮膜にサーメットを含むことにより、摺動部材の耐摩耗性を向上させることができ、さらには、摺動面のグラファイトが、相手部材との固体潤滑剤として作用するので、摩擦係数の低減もすることができる。このようなサーメットとしては、上述した材料が好ましく、さらに、グラファイト粒子の形態は、上述した形態であることが好ましい。
【００２３】
より好ましくは、本発明に係る摺動部材のグラファイト粒子は、コールドスプレー皮膜の摺動面に対して面積率で、１０〜３０％含むものである。この面積率の範囲内となるように、グラファイト粒子を含有することで、より好適な潤滑特性を発現することができる。すなわち、面積率が１０％未満である場合には、グラファイトの固体潤滑特性を十分発揮することができず、面積率が３０％を超える場合には、グラファイト粒子の含有率が増加することにより、コールドスプレー皮膜の強度が低下することがある。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、摺動面に均一に分散してグラファイトを含むことができ、これにより、耐摩耗性ばかりでなく、低摩擦特性を得ることができる摺動部材及びこの摺動部材を安価かつ量産できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】天然黒鉛粉末を電子顕微鏡で撮影した写真図。
【図２】造粒したグラファイト粉末を電子顕微鏡で撮影した写真図。
【図３】サーメット粉末を電子顕微鏡で撮影した図。
【図４】本実施形態にかかる摺動部材の断面を電子顕微鏡で撮影した図。
【図５】本実施形態に係るコールドスプレー装置を説明するための図。
【図６】摩擦摩耗試験を説明するための図。
【図７】実施例１及び比較例１の摩擦係数と摩耗量の結果と示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に本発明に係る摺動部材及びその製造方法の実施形態に関して説明する。まず、グラファイト粒子を製造する。まず、図１に示すように、グラファイト粒子の原材料として、天然黒鉛粉末を準備する。
【００２７】
この天然黒鉛粉末と、ＰＶＤ（ポリビニルアルコール）などの樹脂バインダを混練し、高速攪拌型混合造粒機を用いて、図２に示すように、数ｍｍ程度の平均粒径に造粒し、卓上型衝撃式粉砕機を用いて、平均粒径１０〜５０μｍに粉砕し、粒度調整し、粒度調整した粉末を乾燥し、造粒粉末を製造する。一方、セラミック粉末として、平均粒径０．２μｍ〜５．０μｍのＷＣ粉末と、金属粉末として、平均粒径１μｍ〜１０μｍのＣｏ粉末又はＭｏ粉末を準備する。
【００２８】
次に、造粒−焼結法によりサーメット粉末を製造する。具体的には、バインダ（例えばＰＶＡ：ポリビニルアルコール）を各種溶媒（水またはアルコール等の溶剤）に分散させたものを、原料であるセラミック粉末、金属粉末、及び造粒したグラファイト粉末を混合した混合粉末に添加、混合しスラリーを調製する。そしてこのスラリーを、噴霧造粒機等を用いて球状の顆粒粉末に造粒し、次にこの顆粒粉末中から有機バインダを除去するため、および顆粒に適度な機械的強度を持たせる目的で脱脂・焼結を行う。
【００２９】
さらに、焼結後の粉末をボールミル等の解砕機を用いて解砕する。この解砕を行うことにより、顆粒一個々々が分離し、球状の粉末を得ることができる。次に、使用するコールドスプレー装置の種類やスプレー条件に応じて必要な粒度分布のコールドスプレー用粉末を得る目的で分級を行う。
【００３０】
分級としては、ふるいによる方法の他に、気流による分級およびその他の方法ならびにこれらを組み合わせた方法等が知られている。この分級により、図３に示すように、平均粒径が、５μｍ〜２０μｍのサーメット粒子からなるサーメット粉末を得る。
【００３１】
この造粒−焼結法により得られる粉末粒子は、球状で比較的粒度分布が揃っているため流動性が良く、また多孔質であり比表面積が大きく溶融され易いためスプレー効率が高い利点がある。
【００３２】
次に、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末から、図５に示すコールドスプレー装置（成膜装置）を用いて、基材の摺動面にサーメット皮膜を成膜した。図５は、本実施形態に係るコールドスプレー法により、サーメット皮膜を成膜するためのコールドスプレー装置の模式図である。
【００３３】
本実施形態に係る摺動部材１０は、クロムモリブデン鋼などの鉄系の基材１１に、固相状態のサーメット粒子（粉末）を堆積させて皮膜を成膜した部材であって、図５に示すような成膜装置２０を用いて製造することができる。
【００３４】
成膜装置２０は、圧縮ガス供給手段２１と、粉末供給手段２２と、ノズル２３と、ノズル移動手段２４と、を少なくとも備えている。圧縮ガス供給手段２１は、圧縮ガスを後述するノズル２３に供給するため手段であって、圧縮ガスの圧力を調整する圧力調整弁２１ａを介してノズル２３に接続されている。また、圧縮ガス供給手段２１は、エア、不活性ガス等が充填されたボンベ、大気を圧縮するコンプレッサなどで挙げられるものであり、０．１〜５．０ＭＰａの圧力条件のガスをノズル２３に供給できるものであれば、特に限定されるものではない。また、圧縮ガス供給手段２１の下流には、圧縮ガスを加熱するための加熱手段２１ｂがさらに配設されている。加熱手段２１ｂにより圧縮ガスを加熱し、所望の温度条件でサーメット粉末を基材１１に吹き付けることができる。なお、加熱手段２１ｂは、サーメット粉末を圧縮ガスにより間接的に加熱するためのものであり、圧縮ガス供給手段２１の内部に配置されていてもよく、後述するヒータ２３ａによりサーメット粉末を所望の温度に加熱することができるのであれば、特に必要なものではない。
【００３５】
粉末供給手段２２には、基材１１に吹き付けるサーメット粉末が収容されており、サーメット粉末を所定の供給量でノズル２３に供給可能なように、ノズル２３に接続されている。ノズル２３の内部には、供給されたサーメット粉末を加熱するためのヒータ２３ａが設けられている。ノズル２３は、ノズル移動手段２４に接続されおり、ノズル移動手段２４を駆動させることにより、基材の摺動面に、均一な厚みのサーメット皮膜（コールドスプレー皮膜）を成膜することができる。
【００３６】
該装置２０を用いて、以下の方法により摺動部材の成膜を行う。具体的には、まず、圧力調整弁２１ａにより圧縮ガスを０．５〜５．０ＭＰａ程度に圧力調整すると共に、加熱手段２１ｂにより所定の温度に加熱し、ノズル２３に供給する。一方、平均粒径が５〜２０μｍの程度のサーメット粉末を粉末供給手段２２のポッパー２２ａに収容し、該粉末供給手段２２からノズル２３に、サーメット粉末を供給する。
【００３７】
そして、ノズル２３を介して、圧縮ガスと共に固相状態のサーメット粉末を基材１１の表面に吹き付けて、皮膜１２を基材１１の表面に成膜する。なお、吹き付けの際に、予めサーメット粉末が、基材の表面において１００〜８００℃程度の温度条件（好ましくは、３００〜６００℃）で吹き付けられるように、圧縮ガスを加熱手段２１ｂで加熱するとともに、ノズル２３内のヒータ２３ａにより、サーメット粉末を加熱し、この粉末の温度調整したサーメット粉末を、基材１１の摺動面に吹き付けて、サーメット皮膜を成膜する。
【００３８】
コールドスプレー用のサーメット粉末中のサーメット粒子には炭化タングステン及び金属以外の成分が含まれてもよい。ただし、このセラミック（ＷＣ）及び金属（Ｃｏ又はＭｏ）以外の成分の含有量はできるだけ少ないことが好ましい。
【００３９】
このように、サーメット粒子には、金属等が被覆されていない状態で、グラファイト粒子を含有しており、グラファイト粒子が一体となって吹き付けられるので、図４に示すように、サーメット皮膜には、グラファイト粒子が均一に分散することになる。この結果、摺動面にも、グラファイト粒子が均一に分散して配置されるので、摺動時には、摺動面のグラファイトが固体潤滑剤として作用し、潤滑性を確保する（低摩擦特性を得る）ことができる。さらには、造粒したグラファイト粒子を用いることにより、成膜時には、その一部のグラファイト粒子は、解砕して皮膜に、さらに均一に分散する。
【実施例】
【００４０】
本発明を以下の実施例に基づいて説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４１】
（実施例１）
＜プレート試験片＞
サーメット皮膜が形成された摺動部材（円盤状のプレート試験片）を製作した。まず、グラファイトとして、図１に示すような天然黒鉛粉末を２５０ｇ準備し、これをＰＶＡバインダ６５ｇと混練し、高速攪拌型混合造粒機を用いて、図２に示すように、１ｍｍ程度の平均粒径に造粒し、卓上型衝撃式粉砕機を用いて、平均粒径１０〜３０μｍに粉砕し、粒度調整し、粒度調整した粉末を乾燥し、造粒粉末を製造した。
【００４２】
次に、平均粒径１μｍのＷＣ粉末と、平均粒径３μｍのＣｏ粉末を、Ｃｏ粉末が１２質量％となるように混合すると共に、さらに、粉末全体に対して、１．６質量％となるように、グラファイトの造粒粉末を添加し、ＰＶＡに分散させ、噴霧造粒機を用いて球状の顆粒粉末に造粒し、顆粒に適度な機械的強度を持たせる目的で、脱脂及び１３００℃で焼結を行った。その後、焼結後の粉末をボールミル等の解砕機を用いて解砕し、分級して、グラファイト粒子含有のサーメット粉末（平均粒径１５μｍ）を製造した（図３参照）。
【００４３】
なお、サーメット粉末の平均粒径は、堀場製作所製のレーザ回折／散乱式粒度測定器“ＬＡ−３００”を用いて確認し、グラファイト粒子の平均粒径は、島津製作所製のレーザ回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ‐２０００Ｊ（ドライ測定用））を用いて確認した。
【００４４】
この得られたサーメット粉末を、図５に示すコールドスプレー装置を用いて、ヘリウムガスを作動ガスとし、ガス圧２ＭＰａ、ガス温度５００℃、投射距離２０ｍｍ、トラバース速度２０ｍｍ／秒、粉末供給量２０ｇ／分、で、直径２８ｍｍの円盤状のクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣＭ４１５）からなるプレートの表面(摺動面）に、厚さ０．３ｍｍとなるように、吹き付けて、サーメット皮膜（コールドスプレー皮膜）を成膜した。
【００４５】
（比較例１）
実施例１と同じようにして、基材の摺動面に、サーメット皮膜を成膜した。実施例１と相違する点は、グラファイト粉末を添加せずに、サーメット粉末を製造し、このサーメット粉末を用いて、皮膜を成膜した点である。
【００４６】
＜摩擦摩耗試験＞
実施例１及び比較例１のプレート試験片に対して、以下の摩擦摩耗試験を行った。直径６．４ｍｍ、ビッカース硬さＨｖ７６０相当のＪＩＳ規格：高炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ２）の球状のボール試験片を準備した。図６に示すように、プレート試験片の皮膜表面に、ボール試験片を、面圧１３００ＭＰａで、プレート試験の中心から６ｍｍの位置に押し当てて、周速０．３ｍ／ｓでプレート試験を１００分間回転させた。このときのプレート試験の摩擦係数及び摩耗量（摩耗深さ）を測定した。この結果を、図７に示す。
【００４７】
＜結果１及び考察＞
実施例１のプレート試験片は、図４に示すように、サーメットにグラファイト粒子が均一に分散したコールドスプレー皮膜が、基材の摺動面に被覆されていた。さらに、図７に示すように、実施例１及び比較例１のプレート試験片の皮膜の摩耗量（摩耗深さ）は、ほとんど変化なかったが、実施例１のプレート試験片のほうが、比較例１のものに比べて、摩擦係数が小さかった。これは、実施例１のプレート試験片は、摺動面に、グラファイトが存在することにより、試験時に、このグラファイトが固体潤滑剤として作用したものであると考えられる。
【００４８】
（実施例２）
実施例１と同様に、プレート試験片を製作した。実施例１と相違する点は、グラファイト粒子の平均粒径を５μｍ、１０μｍ、３０μｍ、又は５０μｍから選択し、その配合比を粉末全体に対して、０．８質量％、１．６質量％、４．８質量％、又は８．０質量％となるように、グラファイトの造粒粉末を添加して、サーメット粉末を製造し、この粉末を用いて、プレート試験片を製作した点である。
【００４９】
（実施例３）
実施例１と同じように、プレート試験片を製作した。実施例１と相違する点は、Ｃｏ粉末の変わりに、同量のＭｏ粉末を用い、さらに、グラファイト粒子の平均粒径を３０μｍにし、その配合比を粉末全体に対して、１．６質量％、又は４．８質量％となるように、グラファイトの造粒粉末を添加して、サーメット粉末を製造し、この粉末を用いて、プレート試験片を製作した点である。
【００５０】
（比較例２）
実施例１と同じように、プレート試験片を製作した。実施例１と相違する点は、グラファイト粒子の平均粒径を３０μｍにし、その配合比を粉末全体に対して、０．８質量％、１．６質量％、４．８質量％、又は８．０質量％となるように、グラファイトの造粒粉末を添加して、セラミック粉末、金属粉末のみを焼結し、グラファイト粉末を単純混合した混合粉末を用いて、コールドスプレー法により、皮膜を成膜した点である。
【００５１】
実施例２、３、比較例２に対して、実施例１と同じように、摩擦摩耗試験を行い、摩擦係数、摩耗量（摩耗深さ）を測定した。この結果、表１に示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
＜結果２及び考察＞
実施例２の結果から、グラファイト粒子の平均粒径が５μｍである場合には、皮膜中にグラファイト粒子が残存しにくく、平均粒径が５０μｍである場合には、皮膜が成膜され難い。この結果から、グラファイト粉末の平均粒径は、成膜時の皮膜にグラファイト粒子を残存させることができるのであれば、特にその範囲は限定されないが、より好ましくは、１０μｍ〜３０μｍであると考えられる。
【００５４】
さらに、焼結前に混合する粉末全体に対して、グラファイト粉末が０．８質量％である場合には、皮膜中にグラファイト粒子が残存しにくく、グラファイト粉末が８．０質量％である場合には、皮膜が成膜され難い。この結果から、焼結前に混合する粉末全体に対して、グラファイト粉末は、粉末全体に対して、１．６〜４．８質量％であることがより好ましい。
【００５５】
また、比較例２のように、グラファイト粉末を単純混合した粉末を用いた場合には、グラファイトの平均粒径や、配合比を変化させても、皮膜の成膜をすることができなかった。これは、ＷＣ−Ｃｏ粉末と、グラファイト粉末との比重差が大きく、コールドスプレー時に、グラファイト粒子が飛行中に分散したり、基材との衝突時にガスの障壁により跳ね返されたりして、成膜できなかったものと推測される。さらに、ＷＣ−Ｃｏ粉末が、基材の摺動面に堆積しようとしても、グラファイト粒子との層間すべりにより、堆積が抑制され、成膜できなかったものと推測される。
【００５６】
従って、実施例２及び３は、比較例２とは異なり、造粒−焼結により、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末を用いたことにより、成膜性が確保されたものと考えられる。
【００５７】
また、実施例３のように、金属粉末に、Ｍｏを用いた場合には、Ｃｏを用いた場合に比べて、摩擦係数が僅かながらに低減された。
【００５８】
また、実施例２及び３のうち、グラファイト粒子の含有が認められたプレート試験片を電子顕微鏡で観察し、グラファイトの残存率を確認したところ、グラファイト粒子は、コールドスプレー皮膜の摺動面に対して面積率で、１０〜３０％含んでいた。面積率が１０％未満である場合には、グラファイトの固体潤滑特性を十分発揮することができず、面積率が３０％超えとなる皮膜は、成膜され難いと考えられる。
【符号の説明】
【００５９】
１０：摺動部材、１１：基材、１２：サーメット皮膜（コールドスプレー皮膜）、２０：成膜装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面にグラファイトを含む摺動部材及びその製造方法に係り、特に、摺動面に耐摩耗性及び摺動特性に優れた皮膜が形成された摺動部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車において、エンジン、トランスミッションなど様々な機器に摺動部材が用いられており、この摺動部材の摺動特性を向上させるために様々な開発がなされている。この摺動部材の摩擦係数を低減させることは、自動車の燃費の向上にも繋がるので、特に重要視されている。近年では、このような摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、摺動部材の表面のコーティング技術として、その表面に非晶質炭素皮膜を被覆する技術が注目されている。
【０００３】
非晶質炭素皮膜は、ダイヤモンド構造とグラファイト構造とを含むアモルファス構造を有するので、耐摩耗性及び潤滑性に優れている。しかしながら、非晶質炭素皮膜は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの成膜方法により成膜されるため、大量生産には適さず、コストを多大に要することがある。
【０００４】
そこで、安価かつ量産に皮膜を形成する方法として、溶射による成膜方法や、コールドスプレーによる成膜方法が採用されている。例えば、コールドスプレー法は、皮膜の材料の融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱した圧縮ガスを、先細末広がりのノズルにより流速を高め、このガス流れの中に皮膜の材料となる粉末を投入して加速させ、該粉末を固相状態のまま基材に高速で衝突させて皮膜を形成する方法である。この方法によれば、皮膜材料となる粉末を溶融させることなく成膜できるので、基材の熱変形及び皮膜の酸化を抑制することができる。
【０００５】
たとえば、ＷＣ系の造粒−焼結サーメット粒子を含有する粉末から、コールドスプレー法により、基材の表面に皮膜を成膜する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。また、ＷＣなどの硬質表面材料粒子と、コバルト等のバインダ材料が被覆されたグラファイト粒子との粉末から、コールドスプレー法により、皮膜を成膜する方法が提案されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２３１５２７号公報
【特許文献２】特開２００７−１２６７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、例えば、特許文献１のように、造粒−焼結サーメット粒子から皮膜を形成した場合には、基材の表面の耐摩耗性を向上させることができるが、皮膜には、グラファイトなどの固体潤滑剤となる材料が含まれていない。従って、摺動部材として用いた場合には、相手部材の摺動面に対して攻撃性が高く、十分な摺動特性を得ることができないことがある。
【０００８】
一方、特許文献２のように、グラファイト粉末を皮膜に含有させた場合であったとしても、以下の２つの理由により、十分な摺動特性を得ることができないことがある。第一の理由に、サーメット粒子とグラファイト粒子の比重差、それぞれの粒子の適正な成膜条件（温度、速度など）に差があるため、成膜時には、均一にグラファイト粒子が皮膜中に分散されず、場合によっては、摺動面を含む皮膜中のグラファイト粒子の割合が低下することが挙げられる。
【０００９】
第二の理由に、グラファイト粒子には、バインダ材料が被覆されているため、摺動面には、グラファイト粒子が露出せず、バインダ材料が存在することが挙げられる。これにより、摺動時には、バインダ材料が相手部材に凝着することもあり、グラファイト本来の潤滑作用が期待できないことがある。
【００１０】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摺動面に均一に分散してグラファイトを含み、これにより、耐摩耗性ばかりでなく、低摩擦特性を得ることができる摺動部材及びこの摺動部材を安価かつ量産できる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を鑑みて、発明者らが、鋭意検討を重ねた結果、セラミック粉末と、金属粉末とを混合して焼結したサーメット粉末を製造する際に、グラファイト粉末を添加することにより、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなる粉末を用いれば、グラファイト粒子と、サーメット粒子とを一体的に基材の摺動面に吹き付けることができ、摺動面の表面及び皮膜中に、グラファイト粒子を均一に分散して形成できるとの新たな知見を得た。
【００１２】
本発明は、この新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動部材の製造方法は、セラミック粉末と、金属粉末と、グラファイト粉末とを、混合して焼結することにより、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末を製造する工程と、該サーメット粉末から、コールドスプレー法により、基材の摺動面にサーメット皮膜を成膜する工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１３】
このようにして製造された摺動部材は、セラミック粉末と、金属粉末と、グラファイト粉末とを、混合して焼結することにより、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末から、コールドスプレー法により、基材の摺動面にサーメット皮膜が被覆されたものである。
【００１４】
本発明によれば、まず、セラミック粉末と、金属粉末と、グラファイト粉末とを均一に混合して、これらの粉末の粒子同士を焼結させた混合粒子からなる粉末を製造する。すなわち、この焼成の際に、セラミック粉末のセラミックと、金属粉末の金属とから、サーメットが生成されると共、このサーメットにグラファイト粒子が介在したサーメット粒子からなるサーメット粉末が得られる。焼結時には、金属粒子の金属は、セラミック粒子のセラミックと合わさってサーメットになると共に、グラファイト粒子をこのサーメットに結合させることができる。
【００１５】
このようにして得られたサーメット粉末を、コールドスプレー法により、固相状態（サーメット材料が固相の状態）で圧縮ガスと共に基材の摺動面に吹き付けて、グラファイト粒子を含有したサーメット皮膜を、基材の摺動面に成膜することができる。この際、サーメットとグラファイト粒子が一体となって吹き付けられるので、サーメット皮膜には、グラファイト粒子が均一に分散することになる。この結果、摺動面にも、グラファイト粒子が均一に分散して配置されるので、摺動時には、摺動面のグラファイトが固体潤滑剤として作用し、潤滑性を確保する（低摩擦特性を得る）ことができる。また、コールドスプレー法により成膜するので、摺動部材を安価かつ量産できる。
【００１６】
より好ましくは、混合粉末に用いるグラファイト粉末は、造粒粉末である。この造粒粉末は、樹脂バインダを用いて天然黒鉛粉末など微細な粉末を結合して、結合体とし、この結合体を粉砕した粉末であり、この際、所望の平均粒径に分級されてもよい。造粒したグラファイト粒子を用いることにより、成膜時には、その一部のグラファイト粒子は、解砕して皮膜により均一に分散する。これにより、摺動面にグラファイトが配置されることにより、摺動面の摺動特性をさらに向上させることができる。
【００１７】
また、グラファイト粉末の平均粒径は、成膜時の皮膜にグラファイト粒子を残存させることができるのであれば、特にその範囲は限定されないが、より好ましくは、１０μｍ〜３０μｍである。このような範囲のグラファイト粉末を用いることにより、コールドスプレー法により皮膜を形成した場合に、皮膜中にグラファイト粒子を残存させ易い。発明者らの後述する実験によれば、平均粒径が１０μｍ未満である場合には、皮膜中にグラファイト粒子が残存しにくく、３０μｍを超える場合には、皮膜が成膜され難い。
【００１８】
さらに、このグラファイト粉末は、混合した粉末全体（混合時の粉末全体）に対して、１．６〜４．８質量％含有していることがより好ましい。このような範囲となるように、混合粉末に対してグラファイト粉末を含有することにより、コールドスプレー法により皮膜を成膜し易く、皮膜中にグラファイト粒子を残存させ易い。発明者らの後述する実験によれば、混合時の粉末全体に対して、グラファイト粉末が１．６質量％未満である場合には、皮膜中にグラファイト粒子が残存しにくく、混合時の粉末全体に対して、グラファイト粉末が１．６質量％未満である場合には、皮膜が成膜され難い。
【００１９】
また、本発明でいうサーメットとは、炭化物、酸化物、窒化物、硼化物などのセラミック材料と金属材料との複合材料を意味する。セラミック材料としては、例えば、ＴｉＣ、Ｔｉ（ＣＮ）、ＷＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｍｏ２Ｃ、ＢＮなどを挙げることができ、金属材料としては、焼結時に、このセラミック材料を結合することができる材料であり、例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、及び、Ｍｏから選択される一種、または、これらから選択される２種以上が単体又は合金を挙げることができる。
【００２０】
そして、このサーメット粒子の原材料となるセラミック粉末は、上に示すセラミック材料から選定され、金属粉末は、上に示す金属材料から選定され、より好ましくは、前記セラミック材料は、ＷＣ粒子からなるＷＣ粉末であり、金属粉末は、Ｃｏ粒子からなるＣｏ粉末又はＭｏ粒子からなるＭｏ粉末である。これらの粉末を用いることにより、ＷＣ−Ｃｏ、系サーメット又はＷＣ−Ｍｏ系サーメットに、Ｃｏ又はＭｏを結合材としてグラファイト粒子とを含むサーメット粒子を含む粉末を得ることができる。
【００２１】
本発明として、前記製造方法により製造された摺動部材を開示する。本発明に係る摺動部材は、サーメットにグラファイト粒子が均一に分散したコールドスプレー皮膜が、基材の摺動面に被覆されていることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明によれば、コールドスプレーより成膜されたサーメット皮膜（コールドスプレー皮膜）は、サーメットに、グラファイト粒子が均一に分散しているので、摺動面には、均一に分散したグラファイト粒子が存在する。これにより、コールドスプレー皮膜にサーメットを含むことにより、摺動部材の耐摩耗性を向上させることができ、さらには、摺動面のグラファイトが、相手部材との固体潤滑剤として作用するので、摩擦係数の低減もすることができる。このようなサーメットとしては、上述した材料が好ましく、さらに、グラファイト粒子の形態は、上述した形態であることが好ましい。
【００２３】
より好ましくは、本発明に係る摺動部材のグラファイト粒子は、コールドスプレー皮膜の摺動面に対して面積率で、１０〜３０％含むものである。この面積率の範囲内となるように、グラファイト粒子を含有することで、より好適な潤滑特性を発現することができる。すなわち、面積率が１０％未満である場合には、グラファイトの固体潤滑特性を十分発揮することができず、面積率が３０％を超える場合には、グラファイト粒子の含有率が増加することにより、コールドスプレー皮膜の強度が低下することがある。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、摺動面に均一に分散してグラファイトを含むことができ、これにより、耐摩耗性ばかりでなく、低摩擦特性を得ることができる摺動部材及びこの摺動部材を安価かつ量産できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】天然黒鉛粉末を電子顕微鏡で撮影した写真図。
【図２】造粒したグラファイト粉末を電子顕微鏡で撮影した写真図。
【図３】サーメット粉末を電子顕微鏡で撮影した図。
【図４】本実施形態にかかる摺動部材の断面を電子顕微鏡で撮影した図。
【図５】本実施形態に係るコールドスプレー装置を説明するための図。
【図６】摩擦摩耗試験を説明するための図。
【図７】実施例１及び比較例１の摩擦係数と摩耗量の結果と示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に本発明に係る摺動部材及びその製造方法の実施形態に関して説明する。まず、グラファイト粒子を製造する。まず、図１に示すように、グラファイト粒子の原材料として、天然黒鉛粉末を準備する。
【００２７】
この天然黒鉛粉末と、ＰＶＤ（ポリビニルアルコール）などの樹脂バインダを混練し、高速攪拌型混合造粒機を用いて、図２に示すように、数ｍｍ程度の平均粒径に造粒し、卓上型衝撃式粉砕機を用いて、平均粒径１０〜５０μｍに粉砕し、粒度調整し、粒度調整した粉末を乾燥し、造粒粉末を製造する。一方、セラミック粉末として、平均粒径０．２μｍ〜５．０μｍのＷＣ粉末と、金属粉末として、平均粒径１μｍ〜１０μｍのＣｏ粉末又はＭｏ粉末を準備する。
【００２８】
次に、造粒−焼結法によりサーメット粉末を製造する。具体的には、バインダ（例えばＰＶＡ：ポリビニルアルコール）を各種溶媒（水またはアルコール等の溶剤）に分散させたものを、原料であるセラミック粉末、金属粉末、及び造粒したグラファイト粉末を混合した混合粉末に添加、混合しスラリーを調製する。そしてこのスラリーを、噴霧造粒機等を用いて球状の顆粒粉末に造粒し、次にこの顆粒粉末中から有機バインダを除去するため、および顆粒に適度な機械的強度を持たせる目的で脱脂・焼結を行う。
【００２９】
さらに、焼結後の粉末をボールミル等の解砕機を用いて解砕する。この解砕を行うことにより、顆粒一個々々が分離し、球状の粉末を得ることができる。次に、使用するコールドスプレー装置の種類やスプレー条件に応じて必要な粒度分布のコールドスプレー用粉末を得る目的で分級を行う。
【００３０】
分級としては、ふるいによる方法の他に、気流による分級およびその他の方法ならびにこれらを組み合わせた方法等が知られている。この分級により、図３に示すように、平均粒径が、５μｍ〜２０μｍのサーメット粒子からなるサーメット粉末を得る。
【００３１】
この造粒−焼結法により得られる粉末粒子は、球状で比較的粒度分布が揃っているため流動性が良く、また多孔質であり比表面積が大きく溶融され易いためスプレー効率が高い利点がある。
【００３２】
次に、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末から、図５に示すコールドスプレー装置（成膜装置）を用いて、基材の摺動面にサーメット皮膜を成膜した。図５は、本実施形態に係るコールドスプレー法により、サーメット皮膜を成膜するためのコールドスプレー装置の模式図である。
【００３３】
本実施形態に係る摺動部材１０は、クロムモリブデン鋼などの鉄系の基材１１に、固相状態のサーメット粒子（粉末）を堆積させて皮膜を成膜した部材であって、図５に示すような成膜装置２０を用いて製造することができる。
【００３４】
成膜装置２０は、圧縮ガス供給手段２１と、粉末供給手段２２と、ノズル２３と、ノズル移動手段２４と、を少なくとも備えている。圧縮ガス供給手段２１は、圧縮ガスを後述するノズル２３に供給するため手段であって、圧縮ガスの圧力を調整する圧力調整弁２１ａを介してノズル２３に接続されている。また、圧縮ガス供給手段２１は、エア、不活性ガス等が充填されたボンベ、大気を圧縮するコンプレッサなどで挙げられるものであり、０．１〜５．０ＭＰａの圧力条件のガスをノズル２３に供給できるものであれば、特に限定されるものではない。また、圧縮ガス供給手段２１の下流には、圧縮ガスを加熱するための加熱手段２１ｂがさらに配設されている。加熱手段２１ｂにより圧縮ガスを加熱し、所望の温度条件でサーメット粉末を基材１１に吹き付けることができる。なお、加熱手段２１ｂは、サーメット粉末を圧縮ガスにより間接的に加熱するためのものであり、圧縮ガス供給手段２１の内部に配置されていてもよく、後述するヒータ２３ａによりサーメット粉末を所望の温度に加熱することができるのであれば、特に必要なものではない。
【００３５】
粉末供給手段２２には、基材１１に吹き付けるサーメット粉末が収容されており、サーメット粉末を所定の供給量でノズル２３に供給可能なように、ノズル２３に接続されている。ノズル２３の内部には、供給されたサーメット粉末を加熱するためのヒータ２３ａが設けられている。ノズル２３は、ノズル移動手段２４に接続されおり、ノズル移動手段２４を駆動させることにより、基材の摺動面に、均一な厚みのサーメット皮膜（コールドスプレー皮膜）を成膜することができる。
【００３６】
該装置２０を用いて、以下の方法により摺動部材の成膜を行う。具体的には、まず、圧力調整弁２１ａにより圧縮ガスを０．５〜５．０ＭＰａ程度に圧力調整すると共に、加熱手段２１ｂにより所定の温度に加熱し、ノズル２３に供給する。一方、平均粒径が５〜２０μｍの程度のサーメット粉末を粉末供給手段２２のポッパー２２ａに収容し、該粉末供給手段２２からノズル２３に、サーメット粉末を供給する。
【００３７】
そして、ノズル２３を介して、圧縮ガスと共に固相状態のサーメット粉末を基材１１の表面に吹き付けて、皮膜１２を基材１１の表面に成膜する。なお、吹き付けの際に、予めサーメット粉末が、基材の表面において１００〜８００℃程度の温度条件（好ましくは、３００〜６００℃）で吹き付けられるように、圧縮ガスを加熱手段２１ｂで加熱するとともに、ノズル２３内のヒータ２３ａにより、サーメット粉末を加熱し、この粉末の温度調整したサーメット粉末を、基材１１の摺動面に吹き付けて、サーメット皮膜を成膜する。
【００３８】
コールドスプレー用のサーメット粉末中のサーメット粒子には炭化タングステン及び金属以外の成分が含まれてもよい。ただし、このセラミック（ＷＣ）及び金属（Ｃｏ又はＭｏ）以外の成分の含有量はできるだけ少ないことが好ましい。
【００３９】
このように、サーメット粒子には、金属等が被覆されていない状態で、グラファイト粒子を含有しており、グラファイト粒子が一体となって吹き付けられるので、図４に示すように、サーメット皮膜には、グラファイト粒子が均一に分散することになる。この結果、摺動面にも、グラファイト粒子が均一に分散して配置されるので、摺動時には、摺動面のグラファイトが固体潤滑剤として作用し、潤滑性を確保する（低摩擦特性を得る）ことができる。さらには、造粒したグラファイト粒子を用いることにより、成膜時には、その一部のグラファイト粒子は、解砕して皮膜に、さらに均一に分散する。
【実施例】
【００４０】
本発明を以下の実施例に基づいて説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４１】
（実施例１）
＜プレート試験片＞
サーメット皮膜が形成された摺動部材（円盤状のプレート試験片）を製作した。まず、グラファイトとして、図１に示すような天然黒鉛粉末を２５０ｇ準備し、これをＰＶＡバインダ６５ｇと混練し、高速攪拌型混合造粒機を用いて、図２に示すように、１ｍｍ程度の平均粒径に造粒し、卓上型衝撃式粉砕機を用いて、平均粒径１０〜３０μｍに粉砕し、粒度調整し、粒度調整した粉末を乾燥し、造粒粉末を製造した。
【００４２】
次に、平均粒径１μｍのＷＣ粉末と、平均粒径３μｍのＣｏ粉末を、Ｃｏ粉末が１２質量％となるように混合すると共に、さらに、粉末全体に対して、１．６質量％となるように、グラファイトの造粒粉末を添加し、ＰＶＡに分散させ、噴霧造粒機を用いて球状の顆粒粉末に造粒し、顆粒に適度な機械的強度を持たせる目的で、脱脂及び１３００℃で焼結を行った。その後、焼結後の粉末をボールミル等の解砕機を用いて解砕し、分級して、グラファイト粒子含有のサーメット粉末（平均粒径１５μｍ）を製造した（図３参照）。
【００４３】
なお、サーメット粉末の平均粒径は、堀場製作所製のレーザ回折／散乱式粒度測定器“ＬＡ−３００”を用いて確認し、グラファイト粒子の平均粒径は、島津製作所製のレーザ回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ‐２０００Ｊ（ドライ測定用））を用いて確認した。
【００４４】
この得られたサーメット粉末を、図５に示すコールドスプレー装置を用いて、ヘリウムガスを作動ガスとし、ガス圧２ＭＰａ、ガス温度５００℃、投射距離２０ｍｍ、トラバース速度２０ｍｍ／秒、粉末供給量２０ｇ／分、で、直径２８ｍｍの円盤状のクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣＭ４１５）からなるプレートの表面(摺動面）に、厚さ０．３ｍｍとなるように、吹き付けて、サーメット皮膜（コールドスプレー皮膜）を成膜した。
【００４５】
（比較例１）
実施例１と同じようにして、基材の摺動面に、サーメット皮膜を成膜した。実施例１と相違する点は、グラファイト粉末を添加せずに、サーメット粉末を製造し、このサーメット粉末を用いて、皮膜を成膜した点である。
【００４６】
＜摩擦摩耗試験＞
実施例１及び比較例１のプレート試験片に対して、以下の摩擦摩耗試験を行った。直径６．４ｍｍ、ビッカース硬さＨｖ７６０相当のＪＩＳ規格：高炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ２）の球状のボール試験片を準備した。図６に示すように、プレート試験片の皮膜表面に、ボール試験片を、面圧１３００ＭＰａで、プレート試験の中心から６ｍｍの位置に押し当てて、周速０．３ｍ／ｓでプレート試験を１００分間回転させた。このときのプレート試験の摩擦係数及び摩耗量（摩耗深さ）を測定した。この結果を、図７に示す。
【００４７】
＜結果１及び考察＞
実施例１のプレート試験片は、図４に示すように、サーメットにグラファイト粒子が均一に分散したコールドスプレー皮膜が、基材の摺動面に被覆されていた。さらに、図７に示すように、実施例１及び比較例１のプレート試験片の皮膜の摩耗量（摩耗深さ）は、ほとんど変化なかったが、実施例１のプレート試験片のほうが、比較例１のものに比べて、摩擦係数が小さかった。これは、実施例１のプレート試験片は、摺動面に、グラファイトが存在することにより、試験時に、このグラファイトが固体潤滑剤として作用したものであると考えられる。
【００４８】
（実施例２）
実施例１と同様に、プレート試験片を製作した。実施例１と相違する点は、グラファイト粒子の平均粒径を５μｍ、１０μｍ、３０μｍ、又は５０μｍから選択し、その配合比を粉末全体に対して、０．８質量％、１．６質量％、４．８質量％、又は８．０質量％となるように、グラファイトの造粒粉末を添加して、サーメット粉末を製造し、この粉末を用いて、プレート試験片を製作した点である。
【００４９】
（実施例３）
実施例１と同じように、プレート試験片を製作した。実施例１と相違する点は、Ｃｏ粉末の変わりに、同量のＭｏ粉末を用い、さらに、グラファイト粒子の平均粒径を３０μｍにし、その配合比を粉末全体に対して、１．６質量％、又は４．８質量％となるように、グラファイトの造粒粉末を添加して、サーメット粉末を製造し、この粉末を用いて、プレート試験片を製作した点である。
【００５０】
（比較例２）
実施例１と同じように、プレート試験片を製作した。実施例１と相違する点は、グラファイト粒子の平均粒径を３０μｍにし、その配合比を粉末全体に対して、０．８質量％、１．６質量％、４．８質量％、又は８．０質量％となるように、グラファイトの造粒粉末を添加して、セラミック粉末、金属粉末のみを焼結し、グラファイト粉末を単純混合した混合粉末を用いて、コールドスプレー法により、皮膜を成膜した点である。
【００５１】
実施例２、３、比較例２に対して、実施例１と同じように、摩擦摩耗試験を行い、摩擦係数、摩耗量（摩耗深さ）を測定した。この結果、表１に示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
＜結果２及び考察＞
実施例２の結果から、グラファイト粒子の平均粒径が５μｍである場合には、皮膜中にグラファイト粒子が残存しにくく、平均粒径が５０μｍである場合には、皮膜が成膜され難い。この結果から、グラファイト粉末の平均粒径は、成膜時の皮膜にグラファイト粒子を残存させることができるのであれば、特にその範囲は限定されないが、より好ましくは、１０μｍ〜３０μｍであると考えられる。
【００５４】
さらに、焼結前に混合する粉末全体に対して、グラファイト粉末が０．８質量％である場合には、皮膜中にグラファイト粒子が残存しにくく、グラファイト粉末が８．０質量％である場合には、皮膜が成膜され難い。この結果から、焼結前に混合する粉末全体に対して、グラファイト粉末は、粉末全体に対して、１．６〜４．８質量％であることがより好ましい。
【００５５】
また、比較例２のように、グラファイト粉末を単純混合した粉末を用いた場合には、グラファイトの平均粒径や、配合比を変化させても、皮膜の成膜をすることができなかった。これは、ＷＣ−Ｃｏ粉末と、グラファイト粉末との比重差が大きく、コールドスプレー時に、グラファイト粒子が飛行中に分散したり、基材との衝突時にガスの障壁により跳ね返されたりして、成膜できなかったものと推測される。さらに、ＷＣ−Ｃｏ粉末が、基材の摺動面に堆積しようとしても、グラファイト粒子との層間すべりにより、堆積が抑制され、成膜できなかったものと推測される。
【００５６】
従って、実施例２及び３は、比較例２とは異なり、造粒−焼結により、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末を用いたことにより、成膜性が確保されたものと考えられる。
【００５７】
また、実施例３のように、金属粉末に、Ｍｏを用いた場合には、Ｃｏを用いた場合に比べて、摩擦係数が僅かながらに低減された。
【００５８】
また、実施例２及び３のうち、グラファイト粒子の含有が認められたプレート試験片を電子顕微鏡で観察し、グラファイトの残存率を確認したところ、グラファイト粒子は、コールドスプレー皮膜の摺動面に対して面積率で、１０〜３０％含んでいた。面積率が１０％未満である場合には、グラファイトの固体潤滑特性を十分発揮することができず、面積率が３０％超えとなる皮膜は、成膜され難いと考えられる。
【符号の説明】
【００５９】
１０：摺動部材、１１：基材、１２：サーメット皮膜（コールドスプレー皮膜）、２０：成膜装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック粉末と、金属粉末と、グラファイト粉末とを、混合して焼結することにより、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末を製造する工程と、
該サーメット粉末から、コールドスプレー法により、基材の摺動面にサーメット皮膜を成膜する工程と、を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項２】
前記グラファイト粉末は、造粒粉末であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項３】
前記グラファイト粉末の平均粒径は、１０μｍ〜３０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項４】
前記グラファイト粉末は、混合した粉末全体に対して、１．６〜４．８質量％含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材の製造方法。
【請求項５】
前記セラミック粉末は、ＷＣ粉末であり、前記金属粉末は、Ｃｏ粉末又はＭｏ粉末であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摺動部材の製造方法。
【請求項６】
サーメットにグラファイト粒子が均一に分散したコールドスプレー皮膜が、基材の摺動面に被覆されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項７】
前記グラファイト粒子は、面積率で、１０〜３０％含むことを特徴とする請求項６に記載の摺動部材。
【請求項１】
セラミック粉末と、金属粉末と、グラファイト粉末とを、混合して焼結することにより、グラファイト粒子を含有したサーメット粒子からなるサーメット粉末を製造する工程と、
該サーメット粉末から、コールドスプレー法により、基材の摺動面にサーメット皮膜を成膜する工程と、を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項２】
前記グラファイト粉末は、造粒粉末であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項３】
前記グラファイト粉末の平均粒径は、１０μｍ〜３０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項４】
前記グラファイト粉末は、混合した粉末全体に対して、１．６〜４．８質量％含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材の製造方法。
【請求項５】
前記セラミック粉末は、ＷＣ粉末であり、前記金属粉末は、Ｃｏ粉末又はＭｏ粉末であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摺動部材の製造方法。
【請求項６】
サーメットにグラファイト粒子が均一に分散したコールドスプレー皮膜が、基材の摺動面に被覆されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項７】
前記グラファイト粒子は、面積率で、１０〜３０％含むことを特徴とする請求項６に記載の摺動部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１０５９９２（Ｐ２０１１−１０５９９２Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６２５７３（Ｐ２００９−２６２５７３）
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（３０４０２７３４９）国立大学法人豊橋技術科学大学 (391)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（３０４０２７３４９）国立大学法人豊橋技術科学大学 (391)
【Ｆターム（参考）】
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