JP2004301317A - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 潤滑剤を介して互いに摺動し合う摺動部材の間の摩擦を大幅に低減し、製造工程の簡略化を図る。
【解決手段】 微小凹部２が分布した表面１を有し、この表面が相手材と潤滑剤を介して互いに摺動し合う、表面硬度がＨＲＣ２５〜６５の焼入れ鋼または鋳鉄から成る摺動部材であって、摺動表面に分散している微小凹部の開口部のサイズが１５〜１５０μｍの範囲であり、微小凹部を除いた部位が平滑である。この摺動部材を製造するに際しては、摺動部材の表面に、サイズが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である粒子３２を、投射圧が０．１〜０．５ＭＰａの範囲で投射して、上記表面に微小凹部を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、潤滑剤を介して互いに摺動し合う摺動部材に係わり、特に、オイル溜りとして作用する微小凹部を摺動表面に分布させた摺動部材およびその製造方法に関する。

上記したような摺動部材としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１によれば、バルブリフタ用シムのカムと摺動する平面には、開口が１０〜１００平方μｍ、深さが０．１〜１μｍの微小凹部が、合計面積率が５〜３０％で均等に分布しており、平面の表面粗さはＲａ０．１μｍ以下としている。また、その摺動部材を製造するに際して、レーザ光の照射によって微小凹部を形成している。

一方、別の微小凹部形成方法として、特許文献２に記載されたものがある。この特許文献２の凹部形成方法では、感光性樹脂フィルムによるフォトレジスト層を形成し、次いで、このフォトレジスト層にフォトマスクを介して平行光による露光を行ったうえ、現像してマスキングパターンを形成し、このマスキングパターンを通じて微細砥粒をエアーとともに吹き付けることによって微小凹部を形成している。

なお、本明細書においては、「合計面積率」とは、微小凹部が形成されるべき面における任意領域の面積に対して、当該任意領域内に多数形成された微小凹部の開口部面積の合計の比率を言う。摺動表面の全面積に対する比率を言う場合には、「摺動表面に対する微小凹部の合計面積率」と称する。
特開２００１−２５４８０８号公報 特開２００１−９６４６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたバルブリフタ用シムにあっては、カムシャフトのカムとバルブリフタとの接触部分の大きさと比較して、微小凹部のサイズが極端に小さくなるようにして選ばれているため、オイル溜りとして機能する微小凹部に保持される潤滑剤がきわめて微量となる。特に摩擦し合う摺動面同士が直接接触するようなきわめて厳しい潤滑状態にある環境下では、潤滑性能を向上させる作用は少なく、摩擦の低減効果は必ずしも十分でない。

また、上記バルブリフタ用シムを製造するに際しては、レーザ光を照射することによって微小凹部を形成するようにしているため、製造コストが比較的高いという問題がある。

さらに、特許文献２に記載されたマスクブラスト加工法による微小凹部形成にあっては、フォトレジスト層を形成する工程、フォトレジスト層にマスキングパターンを形成する工程、マスキングパターンを通じて微細砥粒を吹き付ける工程、マスキングパターンを除去する工程を順次行わなくてはならないことから、製造効率が良いとは言えないという問題がある。

本発明者らは、鋭意研究した結果、相手材と潤滑剤を介して摺動し合う、焼入れ鋼または鋳鉄から成る摺動部材の摺動表面に分布させた微小凹部の直径を所定の範囲に設定することで、相手材との間の摩擦を大幅に低減し得ることを見出すに至った。また、その製造に際して、粒子径が略均一な球状粒子を投射することで微小凹部を形成し、製造工程を大幅に簡略化し得ることを見出すに至った。

そこで、本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、潤滑剤を介して互いに摺動し合う摺動部材の間の摩擦を大幅に低減でき、かつ、製造工程の簡略化をも実現し得る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。

本発明の目的は、下記する手段により達成される。

本発明は、微小凹部が分布した摺動表面を有し、この摺動表面が相手材と潤滑剤を介して互いに摺動し合う、表面硬度がＨＲＣ２５〜６５の焼入れ鋼または鋳鉄から成る摺動部材において、摺動表面に分散している微小凹部の開口部のサイズが１５〜１５０μｍの範囲であり、微小凹部を除いた部位が平滑であることを特徴とする摺動部材である。

また、本発明は、その摺動部材を製造するに際して、摺動部材とすべきワークの被処理面に、サイズが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である粒子を、投射圧が０．１〜０．５ＭＰａの範囲で投射して、前記被処理面に微小凹部を形成する微小凹部形成処理を施し、微小凹部が分布した摺動表面を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法である。

本発明の摺動部材によれば、相手材と潤滑剤を介して摺動する摺動表面に分散させた微小凹部がオイル溜りとして機能し、摩擦し合う相手材の表面との接触部分に潤滑剤を十分に行き渡らすことができ、すなわち、潤滑性能を向上させることができ、その結果、相手材との間における摩擦の大幅な低減を実現し得るという効果を奏する。

また、本発明の摺動部材の製造方法によれば、製造工程を簡略化することができ、その結果、摺動部材の製造コストを大幅に低減し得るという効果を奏する。

以下、本発明に係る摺動部材およびその製造方法について、詳細に説明する。

本発明に係る摺動部材は、微小凹部が分布した表面を有し、この表面が相手材と潤滑剤を介して互いに摺動し合う摺動表面となり、表面硬度がＨＲＣ２５〜６５の焼入れ鋼または鋳鉄から成る。摺動表面に分散している微小凹部がオイル溜りとして機能し、摩擦係数が大幅に低減することになる。ここに、微小凹部のサイズとしては、開口部のサイズが１５〜１５０μｍの範囲であることが望ましい。

この理由は、微小凹部の開口部のサイズが１５μｍよりも小さいときには、摺動面同士の直接接触を低減するような潤滑機能が発揮されず、摩擦の低減効果が少ないからである。一方、微小凹部の開口部のサイズが１５０μｍを超えたときには、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えることができずに、微小凹部を起点とした微細なクラックの形成によるピッチングおよびこれに伴うスカッフィングが生じてしまい、その結果、摺動面の粗さが悪化して摩擦の低減効果が減少する可能性があるからである。

微小凹部の開口部が略円形状の場合にも、上記の理由により、当該開口部の直径が１５〜１５０μｍの範囲であることが望ましい。

微小凹部の深さについては、０．５〜１０μｍの範囲であることが望ましい。

つまり、微小凹部の深さが０．５μｍに満たないときには、オイル溜りとして実質的に機能しないので、摩擦の低減効果が十分に得られないからである。一方、微小凹部の深さが１０μｍを超えたときには、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えることができずに、微小凹部を起点とした微細クラックの形成によるピッチングおよびこれに伴うスカッフィング生じてしまい、その結果、摺動面の粗さが悪化して摩擦の低減効果が減少する可能性があるからである。

微小凹部の分布については、相手材の表面と潤滑剤を介して互いに摺動し合う摺動表面に対する微小凹部の合計面積率を５〜４０％の範囲とすることが望ましい。

つまり、上記合計面積率が５％に満たないときには、オイル溜りとして実質的に機能しないので、摩擦の低減効果が十分に得られないからである。一方、上記合計面積率が４０％を超えたときには、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えることができずに、微小凹部を起点とした微細クラックの形成によるピッチングおよびこれに伴うスカッフィング生じてしまい、その結果、摺動面の粗さが悪化して摩擦の低減効果が減少する可能性があるからである。

さらに、摺動表面における微小凹部を除いた部位については、その表面粗さＲａが０．１μｍを超えると、摺動時に発生するヘルツ接触面圧に十分に耐えきれなくなってスカッフィングが生じてしまい、摺動面の粗さが悪化することによって、上記と同様に摩擦が急増してしまう傾向がある。したがって、摺動表面における、微小凹部を除いた部位の表面粗さを中心線平均粗さＲａで０．１μｍ以下とすることが望ましい。

前記の摺動部材は各種自動車用部品に適用可能である。摺動表面としては、バルブリフタ用シムのような平面状部材の表面、シリンダブロックのボアのような円筒部材の内周面、カムシャフトやクランクシャフトのような円筒部材の外周面やカムロブ面（カム部材の外周面に相当する）、さらには、ギア部品の歯面などが例示され、これら以外にもあらゆる摺動表面を対象とすることができる。さらに、各種軸受部品の摺動面も対象となる。

さらにまた、本発明の摺動部材を製造するに際しては、摺動部材とすべきワークの被処理面である表面に粒子を投射して、被処理面に微小凹部を形成する微小凹部形成処理すなわちブラスト処理を施し、微小凹部が分布した摺動表面を形成することができる。

特に、上述した円筒部材、カムロブあるいはギア部品のような摺動部材を形成するに際しては、摺動部材とすべきワークと粒子の投射手段とを相対的に回転させながら微小凹部形成処理を施すことにより、微小凹部が分布した摺動表面を形成することができる。

微小凹部形成処理を施す場合、粒子径が略均一な球状粒子を用いると、摺動部材の表面に、開口部が略円形状でその直径が略均一な微小凹部を形成することが可能である。

また、粒子は、セラミックあるいはセラミック硬質膜がコーティングされた粒子から成ることが望ましい。

つまり、粒子がセラミックよりも軟らかい材質であるときには、表面硬度がＨＲＣ２５〜６５の焼入れ鋼または鋳鉄から成る摺動部材に塑性変形を生じさせることができず、有効な微小凹部が形成されない可能性があるからである。

粒子のサイズについては、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であることが望ましい。

この理由は、粒子のサイズが０．１ｍｍに満たないときには、形成される微小凹部の開口部のサイズが１５μｍよりも小さくなり、オイル溜りとして機能する微小凹部が実質的に形成できなくなり、一方、粒子のサイズが０．５ｍｍを超えるときには、形成される微小凹部の開口部のサイズが１５０μｍよりも大きくなってしまうからである。

投射する粒子が球状粒子である場合にも、上記の理由により、直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であることが望ましい。

さらに、球状粒子の直径のばらつきについては、±１０％以内とすることが望ましい。

これにより、摺動部材の表面に、開口部が略円形状でその直径が略均一な微小凹部を形成することが可能である。

また、粒子を投射するときの投射圧については、０．１〜０．５ＭＰａの範囲とすることが望ましい。

つまり、上記投射圧が０．１ＭＰａに満たないときには、オイル溜りとして機能する微小凹部を実質的に形成できなくなり、０．５ＭＰａを超えるときには、形成される微小凹部の開口部の直径が１５０μｍよりも大きくなってしまうからである。

また、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率が５〜４０％の範囲となるようにするために、被処理面に投射される粒子の投射量を制御手段により制御することが望ましい。

つまり、粒子の投射量が不安定であると、摺動部材の摺動表面における部位ごとの微小凹部の合計面積率にばらつきが生じてしまうからである。さらには、粒子の投射量が多すぎるときには、短時間の微小凹部形成処理であっても、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率が瞬時に４０％を超えてしまい、前述した問題が生じるからである。

また、円筒部材のような回転体である摺動部材を形成するに際しては、ワークと粒子の投射手段とを一定の回転速度で相対的に１回転する間に微小凹部形成処理により形成される微小凹部の摺動表面に対する合計面積率が所期の合計面積率の半分以下となるように、被処理面に投射される粒子の投射量を制御手段により制御しておき、ワークと投射手段とを前記一定の回転速度で相対的に２回転以上回転させている間、粒子の投射による微小凹部形成処理を連続して行うことが望ましい。

つまり、加工終了時に投射手段の作動を停止した直後に惰性で粒子の投射が続いたとしても、被処理面における加工開始位置と加工終了位置との継ぎ目の領域における微小凹部の合計面積率が他の領域と比較して大きく異なることがなく、すなわち、摺動表面のすべての領域にわたって安定した合計面積率の微小凹部の分布を得ることができる。

粒子の投射量の制御は、粒子を運搬する媒体である気体に混合される粒子の供給量を調整したり、粒子を投射するノズルの先端からワークの被処理面に至る経路の一部を閉じる遮蔽手段（例えば、スリット状の板やメッシュ）を設けたりすることによって行われる。

つまり、被処理面に最終的に到達して微小凹部の形成に実質的に関与する粒子の量がコントロールされ、微小凹部の合計面積率の制御が可能になる。

遮蔽手段をノズルと摺動部材との間に進退移動可能に配置し、加工部への粒子の投射を開始する瞬間に、ノズルから加工部に至る経路を開くために遮蔽手段を例えば後退移動する一方、ブラスト処理が終了した瞬間（例えば、摺動部材が１回転し終わった瞬間）に、ブラストノズルから加工部に至る経路を閉じるために遮蔽手段を例えば前進移動してもよい。かかる構成の遮蔽手段にあっては、被処理面における加工開始位置と加工終了位置との継ぎ目の領域において、非加工部あるいは二重加工部が形成されることを抑制し、もって、摺動表面のすべての領域にわたって安定した合計面積率の微小凹部分布を得るのに効果的である。

さらに、粒子の投射による微小凹部の形成に際して微小凹部の周辺に生じる凸部を、凹部形成後に除去するようにすることで、摩擦を悪化させる原因となる微小な突起が取り除かれる。

微小凹部の周辺に生じる凸部の除去は、例えば、ラッピング、超仕上げ、ポリッシング、ホーニングのいずれかによって容易に行うことができる。

本発明に係る摺動部材の製造方法を具現化した加工装置の実施形態およびその作用について、図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る、円筒部材Ｗの被処理面に対して微小凹部形成処理を施す加工装置１０を示す概略構成図である。

加工装置１０は、概説すれば、摺動部材とすべきワークとしての円筒部材Ｗを回転駆動する駆動手段２０と、円筒部材Ｗの外周面に向けて硬質の球状粒子３２を投射するショットブラスト装置３０（投射手段に相当する）と、を有している。円筒部材Ｗは、例えば、カムシャフトやクランクシャフトの円筒部材であり、表面硬度がＨＲＣ２５〜６５の焼入れ鋼または鋳鉄から成る。この円筒部材Ｗの外周表面が、微小凹部を形成すべき被処理面となる。

そして、円筒部材Ｗの外周面に対して、ショットブラスト装置３０から球状粒子３２を投射することにより、円筒部材Ｗの外周面に微小凹部を形成する微小凹部形成処理すなわちショットブラスト処理を施す。円筒部材Ｗに微小凹部形成処理を施すことにより、微小凹部が分布した摺動表面を有する摺動部材が製造される。図示例では、円筒部材Ｗの上部部分がショトブラスト処理により微小凹部が形成される加工部となる。加工部は、円筒部材Ｗの回転に伴って順次移動することになる。

以下、加工装置１０を詳述する。

前記駆動手段２０は、円筒部材Ｗの回転軸Ｗａを着脱自在に把持する図示しないチャック、当該チャックに連結され円筒部材Ｗを回転駆動するモータＭなどから構成されている。円筒部材Ｗは、図中矢印で示される回転方向に回転する。円筒部材Ｗの回転速度は、モータＭの回転速度を調整することにより、可変自在となっている。円筒部材Ｗは、例えば、３０ｒｐｍで回転する。

前記ショットブラスト装置３０は、円筒部材Ｗの上方に配置されている。粒子タンク３３に貯蔵された球状粒子３２は、粒子供給装置３５を経て、配管ホース３６に供給される。配管ホース３６の一端には、球状粒子３２を運搬する媒体である気体（例えば、エアー）を供給する供給源３４が接続され、配管ホース３６の他端には、ブラストノズル３１（ノズルに相当する）が接続されている。配管ホース３６に供給された球状粒子３２は、球状粒子運搬媒体に混合される。

ブラストノズル３１の先端は、加工部から所定距離離間した位置に配置されている。前記離間する距離は、例えば、１００ｍｍである。投射する球状粒子３２の直径は０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲、投射圧は０．１〜０．５ＭＰａの範囲で適宜選択される。一例を挙げれば、直径０．３ｍｍのジルコニアセラミックからなる球状粒子３２が、噴射圧力０．５ＭＰａで投射される。

球状粒子３２は、セラミックあるいはセラミック硬質膜がコーティングされた粒子から成り、球状粒子３２の直径のばらつきは、±１０％以内である。

図中符号２１は、加工装置１０全体の制御を司るコントローラを示し、当該コントローラ２１は、駆動手段２０、供給源３４および粒子供給装置３５の作動を制御する。

ところで、油溜まりとして作用する微小凹部を摺動表面に形成する場合には、前述したように、微小凹部を起点とした微細クラックの形成によるピッチングなどの発生を抑制するために、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率が４０％を超えないようにしなければならない。

また、良好な摺動性能を得るためには、摺動表面の全領域にわたって微小凹部を均一に分散させ、微小凹部の合計面積率の局所的なばらつきを可及的に小さくする必要がある。しかしながら、ショットブラスト装置では、一般的に、作動停止を指令してから球状粒子３２の投射が完全に停止するまでにはある程度の時間遅れがあり、作動停止を指示した直後には、惰性によって球状粒子３２の投射が続いている。このため、図示例のように円筒部材Ｗに対して微小凹部形成処理を施すに際して、外周面上の任意の位置から微小凹部形成処理を開始し、円筒部材を１回転（３６０°回転）させて同じ位置で微小凹部形成処理を終了しようとした場合には、次の問題が生じ得る。つまり、惰性によって球状粒子３２の投射が続いているため、加工開始位置つまり加工終了位置の周辺に二重加工部が形成されてしまい、微小凹部の合計面積率がその付近だけ増大してしまうという問題がある。これとは逆に、時間遅れを見込んで、加工開始位置よりも手前側の位置で微小凹部形成処理を終了しようとした場合には、非加工部が形成される虞もある。

したがって、微小凹部の形成においては、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率が４０％を超えることなく適度にばらついた微小凹部の分布状態を得ることができること、および、加工開始位置と加工終了位置との継ぎ目の領域において非加工部あるいは二重加工部が形成されることを抑制し摺動表面のすべての領域にわたって安定した微小凹部の合計面積率を得ることができること、が必要である。

本発明者らが鋭意検討した結果、球状粒子３２の投射量を制御することによって、微小凹部の合計面積率を摺動表面のすべての領域にわたって安定させることができることを見出すに至った。

そこで、本実施形態では、次のように構成されている。

前記粒子供給装置３５は、被処理面に投射される球状粒子３２の投射量を制御する制御手段に相当し、球状粒子運搬媒体である気体に混合される球状粒子３２の供給量を調整する。粒子供給装置３５により球状粒子３２の供給量を調整することにより、球状粒子３２の投射量を制御し、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率を、所期の合計面積率としている。ここで、所期の合計面積率とは、５〜４０％の範囲で適宜選択されるが、本実施形態では、所期の合計面積率を例えば１０％としている。

特に、円筒部材Ｗのような回転体である摺動部材を形成するに際しては、円筒部材Ｗを一定の回転速度で１回転する間に微小凹部形成処理により形成される微小凹部の摺動表面に対する合計面積率が所期の合計面積率の半分以下となるように、粒子供給装置３５により球状粒子３２の投射量を予め制御する。そして、球状粒子３２の投射による微小凹部形成処理は、円筒部材Ｗを前記一定の回転速度で２回転以上回転させている間中、連続して行われる。粒子供給装置３５は、球状粒子３２の投射量が例えば０．２ｇ／ｓとなるように、エアーに混合される球状粒子３２の供給量を調整する。この条件の場合には、円筒部材Ｗが回転速度３０ｒｐｍで回転している状態で円筒部材Ｗを１回転させて微小凹部形成処理を施すと、円筒部材Ｗの外周面には合計面積率が約１％で分布した微小凹部が形成される。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

まず、コントローラ２１は、駆動手段２０の作動を制御し、円筒部材Ｗを一定の回転速度（例えば、３０ｒｐｍ）で回転させる。

円筒部材Ｗが一定の回転速度で回転している状態の下で、円筒部材Ｗの外周表面に対して、ショットブラスト装置３０から硬質の球状粒子３２をエアーとともに吹き付ける。微小凹部形成処理を施すとき、コントローラ２１は、粒子供給装置３５の作動を制御し、球状粒子３２の投射量が例えば０．２ｇ／ｓとなるように、エアーに混合される球状粒子３２の供給量を調整する。円筒部材Ｗが１回転した後には、円筒部材Ｗの外周面には合計面積率が約１％で分布した微小凹部が形成される。第１の実施形態では、円筒部材Ｗが１回転する間に形成される微小凹部の合計面積率は、所期の合計面積率（１０％）の１／１０となる。

球状粒子３２の投射による微小凹部形成処理は、円筒部材Ｗを前記一定の回転速度（例えば、３０ｒｐｍ）で２回転以上の所定回転（例えば、１０回転）回転させている間中、連続して継続される。

円筒部材Ｗが所定回転（例えば、１０回転）回転すると、微小凹部形成処理を終了し、球状粒子３２の投射を停止する。

その後、加工済みの円筒部材Ｗはチャックから簡単に取り出すことができる。球状粒子３２の投射による微小凹部の形成に際して微小凹部の周辺に生じる凸部を凹部形成後に除去することが好ましい。微小な突起が取り除かれるので、摩擦を悪化させる原因を排除できる。微小凹部の周辺に生じる凸部の除去は、例えば、ラッピング、超仕上げ、ポリッシング、ホーニングのいずれかによって容易に行うことができる。これにより、微小凹部が分布した摺動表面を有する摺動部材の製造が完了する。

以上の操作により、円筒部材Ｗの外周面には、球状粒子３２の衝突によって押し込まれた微小な微小凹部が形成される。円筒部材Ｗが１回転する間に形成される微小凹部の合計面積率が１％となるように球状粒子３２の投射量を制御していることから、円筒部材Ｗを１０回転させて微小凹部形成処理を施すと、最終的に形成される微小凹部の合計面積率は、所期の合計面積率である１０％にほぼ等しくなる。

上述したように、第１の実施形態に係る加工装置１０は、摺動部材を製造するに際して、摺動部材とすべきワークの被処理面に、直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である球状粒子３２を、投射圧が０．１〜０．５ＭＰａの範囲で投射して、被処理面に微小凹部を形成する微小凹部形成処理を施し、微小凹部が分布した摺動表面を形成する摺動部材の製造方法を具現化したものであり、相手材と潤滑剤を介して摺動し合う、焼入れ鋼または鋳鉄から成る摺動部材の摺動表面に分布させた微小凹部の直径を所定の範囲に設定することができ、相手材との間の摩擦を大幅に低減した摺動部材を得ることができる。また、その製造に際して、粒子径が略均一な球状粒子３２を投射することで微小凹部を形成しているので、製造工程の大幅な簡略化をも実現することができる。

また、この加工装置１０は、特に、回転体である摺動部材を製造するに際して、摺動部材とすべきワークＷと、当該ワークＷの被処理面に直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である球状粒子３２を投射圧が０．１〜０．５ＭＰａの範囲で投射するショットブラスト装置３０とを相対的に回転させて、被処理面に微小凹部を形成する微小凹部形成処理を施し、微小凹部が分布した摺動表面を形成する摺動部材の製造方法を具現化したものであり、微小凹部を摺動表面に均一に分散させることができ、回転体である摺動部材の製造工程のさらなる簡略化を図ることができる。

また、球状粒子３２は、セラミックあるいはセラミック硬質膜がコーティングされた粒子から成るので、表面硬度がＨＲＣ２５〜６５の焼入れ鋼または鋳鉄から成る摺動部材に塑性変形を生じさせて、有効な微小凹部を確実に形成することができる。

また、球状粒子３２の直径のばらつきが±１０％以内であるので、摺動部材の表面には、開口部が略円形状でその直径が略均一な微小凹部を形成することができる。

また、被処理面に投射される球状粒子３２の投射量を粒子供給装置３５により制御することによって、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率を、所期の合計面積率とすることができる。

特に、ワークとショットブラスト装置３０とを一定の回転速度で相対的に１回転する間に微小凹部形成処理により形成される微小凹部の摺動表面に対する合計面積率が所期の合計面積率の半分以下となるように、被処理面に投射される球状粒子３２の投射量を粒子供給装置３５により制御し、ワークＷとショットブラスト装置３０とを前記一定の回転速度で相対的に２回転以上回転させている間、微小凹部形成処理を連続して行うことから、ショットブラスト装置３０の作動を停止した直後に惰性で球状粒子３２の投射が続いたとしても、加工開始位置の周辺における微小凹部の合計面積率が他の部分と比較して大幅に増大する虞がなく、摺動部材の外周面の全周にわたって安定した合計面積率の微小凹部の分布を得ることができる。

また、粒子供給装置３５は、球状粒子運搬媒体である気体に混合される球状粒子３２の供給量を調節するので、球状粒子３２の投射量を簡便かつ正確に制御することができ、所期の合計面積率で微小凹部を分布させることが確実に実現される。

また、球状粒子３２の投射による微小凹部の形成に際して微小凹部の周辺に生じる凸部を微小凹部形成処理後に除去するので、摩擦を悪化させる原因を排除できる。

また、微小凹部の周辺に生じる凸部の除去は、例えば、ラッピング、超仕上げ、ポリッシング、ホーニングのいずれかによって容易に行うことができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る、円筒部材Ｗの被処理面に対して微小凹部形成処理を施す加工装置１０ａを示す概略構成図である。なお、図１に示した加工装置１０と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２の実施形態に係る加工装置１０ａにあっては、被処理面に投射される球状粒子３２の投射量を制御する制御手段として、粒子供給装置３５のほかに、ブラストノズル３１から円筒部材Ｗの被処理面である外周面に至る経路の一部を閉じる遮蔽手段４１をさらに有している点で、第１の実施形態の加工装置１０と相違している。

前記遮蔽手段４１は、円筒部材Ｗの表面から例えば５０ｍｍ離れた位置に配置され、間隙２ｍｍの窓部４２が形成された遮蔽板４３から構成されている。遮蔽板４３は、球状粒子３２が衝突する側の表面（図示例では上面）がゴムなどの弾性材料で覆われている。これにより、遮蔽板４３は、ブラストノズル３１から投射された球状粒子３２が繰り返し衝突したとしても、摩耗によって損傷を受けることがなく、長期間の使用に耐えうる。なお、遮蔽板４３をワーク表面から離間させる距離および窓部４２の間隙は自由に選択できる。

第２の実施形態においても、円筒部材Ｗを一定の回転速度で１回転する間に微小凹部形成処理により形成される微小凹部の摺動表面に対する合計面積率が所期の合計面積率の半分以下となるように、粒子供給装置３５および遮蔽板４３により球状粒子３２の投射量を予め制御する。そして、球状粒子３２の投射による微小凹部形成処理は、円筒部材Ｗを前記一定の回転速度で２回転以上回転させている間中、連続して行われる。粒子供給装置３５は、第１の実施形態と同様に、球状粒子３２の投射量が例えば０．２ｇ／ｓとなるように、エアーに混合される球状粒子３２の供給量を調整する。ブラストノズル３１から投射された球状粒子３２は、その一部が遮蔽板４３によって遮られる。円筒部材Ｗが回転速度３０ｒｐｍで回転している状態で円筒部材Ｗを１回転させて微小凹部形成処理を施すと、円筒部材Ｗの外周面には合計面積率が約０．４％で分布した微小凹部が形成される。

第２の実施形態の作用を説明する。

第１の実施形態と同様に、円筒部材Ｗが一定の回転速度（例えば、３０ｒｐｍ）で回転している状態の下で、微小凹部形成処理を施す。ブラストノズル３１から投射された球状粒子３２は、その一部が遮蔽板４３によって遮られ、窓部４２を通過した球状粒子３２のみが円筒部材Ｗの表面に衝突する。円筒部材Ｗが１回転した後には、円筒部材Ｗの外周面には合計面積率が約０．４％で分布した微小凹部が形成される。第２の実施形態では、円筒部材Ｗが１回転する間に形成される微小凹部の合計面積率は、所期の合計面積率（１０％）の１／２５となる。

球状粒子３２の投射による微小凹部形成処理は、円筒部材Ｗを所定回転（例えば、２５回転）回転させている間中、連続して継続される。

円筒部材Ｗが所定回転（例えば、２５回転）回転すると、微小凹部形成処理を終了し、球状粒子３２の投射を停止する。

その後、加工済みの円筒部材Ｗをチャックから取り出し、微小凹部の周辺に生じた凸部を除去すると、微小凹部が分布した摺動表面を有する摺動部材の製造が完了する。

以上の操作により、円筒部材Ｗの外周面には、球状粒子３２の衝突によって押し込まれた微小な微小凹部が形成される。円筒部材Ｗが１回転する間に形成される微小凹部の合計面積率が０．４％となるように球状粒子３２の投射量を制御していることから、円筒部材Ｗを２５回転させて微小凹部形成処理を施すと、最終的に形成される微小凹部の合計面積率は、所期の合計面積率である１０％にほぼ等しくなる。

上述したように、第２の実施形態に係る加工装置１０ａにあっては、被処理面に投射される球状粒子３２の投射量を制御する制御手段は、球状粒子３２を投射するブラストノズル３１の先端からワークＷの被処理面に至る経路の一部を閉じる遮蔽手段４１としての遮蔽板４３を含んでいるので、当該遮蔽板４３によって円筒部材Ｗの表面に衝突する球状粒子３２の数を絞り込むことができる。このため、円筒部材Ｗが１回転する間に形成される微小凹部の合計面積率を、第１の実施形態に比べて小さく抑えることが可能になる。したがって、円筒部材Ｗを複数回連続して回転させて微小凹部形成処理を施す場合に、加工開始位置の周辺における微小凹部の合計面積率が増大することを一層抑制でき、摺動部材の外周面の全周にわたって一層安定した合計面積率の微小凹部の分布を得ることができる。

（改変例）
第１、第２の実施形態では、ワークＷを回転しているが、ショットブラスト装置３０をワークＷの軸心を中心に回転させて、微小凹部が分布した摺動表面を形成することもできる。

第２の実施形態では、粒子供給装置３５のほかに、遮蔽手段４１をさらに有する加工装置１０ａについて説明したが、遮蔽手段４１のみによっても、球状粒子３２の投射量を制御することができる。したがって、球状粒子３２の投射量を制御することが困難なタイプのショットブラスト装置を使用する場合であっても、簡易な遮蔽手段４１を追加するだけで、球状粒子３２の投射量を制御できるようになり、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率が４０％を超えることなく適度にばらついた微小凹部の分布状態を容易に得ることができる。

また、遮蔽手段４１を進退移動可能に配置し、球状粒子３２の投射を開始する瞬間に、ブラストノズル３１から加工部に至る経路を開くために例えば後退移動する一方、微小凹部形成処理が終了した瞬間に、前記経路を閉じるために例えば前進移動してもよい。かかる構成の遮蔽手段４１にあっては、被処理面における加工開始位置と加工終了位置との継ぎ目の領域において、非加工部あるいは二重加工部が形成されることを確実に抑制でき、摺動表面のすべての領域にわたって安定した合計面積率の微小凹部分布を得るのに効果的なものとなる。

また、遮蔽手段４１は、遮蔽板４３に限られるものではなく、網目状のメッシュのような部材を用いることも可能である。

摺動部材の摺動表面が円筒部材の外周面である場合を示したが、摺動表面はこの場合に限定されるものではない。例えば、摺動表面は、シリンダブロックのボアのように円筒部材の内周面、カムロブ面のようにカム部材の外周面、ギア部品の歯面、各種軸受部品の摺動面でもよい。さらには、バルブリフタ用シムのような平面状部材の表面を摺動表面とする場合にも本発明を適用できる。

平面状部材の場合にあっては、ワークＷとショットブラスト装置３０とを相対的に平行移動させながら、微小凹部形成処理を施せばよい。さらに、ワークＷとショットブラスト装置３０とを一定の移動速度で相対的に平行に往動する間に微小凹部形成処理により形成される微小凹部の摺動表面に対する合計面積率が所期の合計面積率の半分以下となるように、球状粒子３２の投射量を制御手段により制御し、ワークＷとショットブラスト装置３０とを前記一定の移動速度で相対的に平行に１往復以上移動させている間、微小凹部形成処理を連続して行うようにすれば、球状粒子３２の投射を終了した直後に惰性で球状粒子３２の投射が続いたとしても、加工開始位置の周辺の合計面積率が大幅に増大する虞がなく、摺動部材の表面の全域にわたって安定した合計面積率の微小凹部を形成することができる。

第１、第２の実施形態では、球状粒子３２を例示したが、投射する粒子は球形に限られず、適宜の形状を有する粒子を採用できる。但し、粒子のサイズは、球状粒子３２と同様に、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であることが望ましい。

以下、本発明を実施例に基づいて、さらに具体的に説明する。

（実施例１〜８）
まず、円筒形状の表面硬度がＨＲＣ６０の焼入れ鋼の外周表面を研削加工によって仕上げた後、超仕上研磨加工を施すことによって、表面粗さＲａが０．０４μｍ前後という極めて平滑な表面を得た。その後、加工装置１０（図１参照）を使用し、直径が０．１０〜０．１２ｍｍのジルコニアセラミックから成る球状粒子３２を、投射圧０．２〜０．５ＭＰａで投射することにより、表面に微小凹部を形成して本実施例の摺動部材を製作した。

球状粒子３２を投射するに際しては、円筒形状の摺動部材を回転数３０ｒｐｍで回転させ、２秒間で摺動部材が１周する間に、投射量約１ｇ／ｓの割合で球状粒子３２を投射した。

すなわち、下記の表１に示すように、投射圧０．２ＭＰａで投射した摺動部材（実施例１）、投射圧０．３ＭＰａで投射した摺動部材（実施例２）、投射圧０．４ＭＰａで投射した摺動部材（実施例３）および投射圧０．５ＭＰａで投射した摺動部材（実施例４）を用意した。

同様にして、直径が０．３１〜０．３６ｍｍのジルコニアセラミックから成る球状粒子３２を投射圧０．２〜０．５ＭＰａで投射することにより、表面に微小凹部を形成して本実施例の摺動部材を製作した。

すなわち、下記の表１に示すように、投射圧０．２ＭＰａで投射した摺動部材（実施例５）、投射圧０．３ＭＰａで投射した摺動部材（実施例６）、投射圧０．４ＭＰａで投射した摺動部材（実施例７）および投射圧０．５ＭＰａで投射した摺動部材（実施例８）を用意した。

実施例１〜８では、図３に示すように、表面１に対する微小凹部２の合計面積率が５〜４０％の範囲に収まるような摺動部材を製造することができた。

（実施例９、１０）
同様にして、表面硬度がＨＲＣ３０および４５の焼入れ鋼の外周表面を研削加工によって仕上げた後、超仕上研磨加工を施すことによって、表面粗さＲａが０．０４μｍ前後という極めて平滑な表面を得た。

その後、直径が０．３１〜０．３６ｍｍのジルコニアセラミックから成る球状粒子３２を投射圧０．５ＭＰａで投射することにより、表面に微小凹部を形成して本実施例の摺動部材を製作した。

すなわち、下記の表１に示すように、表面硬度がＨＲＣ３０の焼入れ鋼の外周表面に微小凹部を形成した摺動部材（実施例９）および表面硬度がＨＲＣ４５の焼入れ鋼の外周表面に微小凹部を形成した摺動部材（実施例１０）を用意した。

（比較例１）
上記した各実施例の摺動部材に用いた円筒形状の焼入れ鋼に対して超仕上研磨加工を施した後、スチールから成る直径０．３ｍｍの球状粒子３２を投射圧０．５ＭＰａで投射したものを比較例１とした。

上記実施例１〜１０の摺動部材および比較例１の摺動部材の表面状態を、分析調査した。この測定の結果を下記の表２に示す。

表２からわかるように、実施例１〜１０の摺動部材では、いずれの摺動部材においても、微小凹部の開口部の直径および深さが所定の範囲に分布していた。すなわち、微小凹部の開口部の直径が１５〜１５０μｍの範囲に分布し、微小凹部の深さが０．５〜１０μｍの範囲に分布していた。一方、比較例１の摺動部材では、微小凹部の深さが０．５μｍに満たなかった。

上記したように、実施例１〜１０の摺動部材では、いずれの摺動部材においても、球状粒子３２を所定の条件で投射することによって微小凹部を形成するようにしているので、製造工程を簡略化することが可能であり、摺動部材の製造コストを大幅に低減することができる。

（実施例１１）
まず、円筒形状の表面硬度がＨＲＣ６０の焼入れ鋼の外周表面を研削加工によって仕上げた後、超仕上研磨加工を施すことによって、表面粗さＲａが０．０４μｍ前後という極めて平滑な表面を得た。その後、加工装置１０（図１参照）を使用し、直径が０．３ｍｍのジルコニアセラミックから成る球状粒子３２を、投射圧０．５ＭＰａで投射することにより、表面に微小凹部を形成した。ブラストノズル３１の先端を、加工部から１００ｍｍ離間した位置に配置した。

球状粒子３２を投射するに際しては、円筒形状の摺動部材を回転数３０ｒｐｍで回転させ、粒子供給装置３５での球状粒子３２の供給流量を０．２ｇ／ｓに調整し、投射量約０．２ｇ／ｓの割合で球状粒子３２を投射した。この条件の場合、円筒形状の摺動部材が１回転する間に形成される微小凹部の摺動表面に対する合計面積率は、１％であった。摺動部材を１０回転させている間中、球状粒子３２の投射を連続して継続した。そして、摺動部材が１０回転した時点で、球状粒子３２の投射を停止して微小凹部の形成を終了し、実施例１１の摺動部材を製作した。

（実施例１２）
実施例１１と同様の条件で円筒形状の焼入れ鋼に対して超仕上研磨加工を施した後、加工装置１０ａ（図２参照）を使用し、直径が０．３ｍｍのジルコニアセラミックから成る球状粒子３２を、投射圧０．５ＭＰａで投射することにより、表面に微小凹部を形成した。ブラストノズル３１の先端を、加工部から１００ｍｍ離間した位置に配置し、間隙２ｍｍの窓部４２が形成された遮蔽板４３を、加工部から５０ｍｍ離間した位置に配置した。

球状粒子３２を投射するに際しては、実施例１１と同様に、ブラストノズル３１からの投射量は約０．２ｇ／ｓであるが、投射された球状粒子３２の一部を遮蔽板４３によって遮り、表面に投射されないようにした。この条件の場合、円筒形状の摺動部材が１回転する間に形成される微小凹部の摺動表面に対する合計面積率は、０．４％であった。摺動部材を２５回転させている間中、球状粒子３２の投射を連続して継続した。そして、摺動部材が２５回転した時点で、球状粒子３２の投射を停止して微小凹部の形成を終了し、実施例１２の摺動部材を製作した。

（実施例１３）
円筒形状の表面硬度がＨＲＣ６０の焼入れ鋼の外周表面を研削加工によって仕上げた後、超仕上研磨加工を施すことによって、表面粗さＲａが０．０４μｍ前後という極めて平滑な表面を得た。その後、加工装置１０（図１参照）を使用し、サイズが０．３ｍｍのアルミナセラミックから成る粒子（メッシュサイズ＃４６のアルミナ砥粒）３２を、投射圧０．５ＭＰａで投射することにより、表面に微小凹部を形成した。

粒子３２を投射するに際しては、円筒形状の摺動部材を回転数３０ｒｐｍで回転させ、２秒間で摺動部材が１周する間に、投射量約１ｇ／ｓの割合で粒子３２を投射した。この結果、図４に示すように、表面１に対する微小凹部２の合計面積率が５〜４０％の範囲に収まるような摺動部材を製造することができた。

（比較例２）
実施例１１と同様の条件で円筒形状の焼入れ鋼に対して超仕上研磨加工を施した後、加工装置１０（図１参照）を使用し、直径が０．３ｍｍのジルコニアセラミックから成る球状粒子３２を、投射圧０．５ＭＰａで投射することにより、表面に微小凹部を形成した。

球状粒子３２を投射するに際しては、円筒形状の摺動部材を回転数３０ｒｐｍで回転させ、粒子供給装置３５での球状粒子３２の供給流量を５ｇ／ｓに調整し、投射量約５ｇ／ｓの割合で球状粒子３２を投射した。摺動部材を１回転させている間中、球状粒子３２の投射を連続して継続した。そして、摺動部材が１回転した時点で、球状粒子３２の投射を停止して微小凹部の形成を終了し、比較例２とした。

（比較例３）
粒子供給装置での球状粒子３２の供給流量を２ｇ／ｓとした点を除いて、比較例２と同じとし、摺動部材が１回転した時点で、球状粒子３２の投射を停止して微小凹部の形成を終了し、比較例３とした。

（微小凹部の合計面積率の調査）
上記実施例１１、１２の摺動部材および比較例２、３の摺動部材について、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率を調査した。

実施例１１、１２の摺動部材では、いずれの摺動部材においても、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率はほぼ１０％であり、加工開始位置の周辺の合計面積率が他の部位に比べて増大しておらず、微小凹部が摺動部材の外周面の全周にわたって均一に分散して形成されていた。一方、比較例２の摺動部材では、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率が約８０％であり、適正範囲の上限とされている４０％をはるかに超えてしまった。また、比較例３の摺動部材では、加工開始位置の周辺を除いた部位では、合計面積率がほぼ１０％で微小凹部が分布していたが、加工開始位置の周辺では、二重処理部が生じ、微小凹部の合計面積率が１５％を超えており、合計面積率が局所的に異なった。

上記したように、実施例１１、１２の摺動部材では、いずれの摺動部材においても、場所によって微小凹部の合計面積率が異なることがなく、摺動部材の外周面の全周にわたって安定した合計面積率の微小凹部を形成することが可能であり、製品の品質安定化を実現することができた。

以上説明したように、本発明は、摩擦し合う摺動面同士が直接接触するようなきわめて厳しい潤滑状態にある環境下で摺動する摺動部材およびその製造方法において、技術的な取り組みを鋭意行ってきた結果、摺動部材の摩擦低減、製造簡略化、製造コスト低減、および、製品の品質安定化に直結する大きな効果が得られる技術を見出したものであって、工業的に有益なものである。

本発明は、摩擦し合う摺動面同士が直接接触するようなきわめて厳しい潤滑状態にある環境下で摺動する摺動部材およびその製造方法に適用できる。

第１の実施形態に係る、円筒部材の被処理面に対して微小凹部形成処理を施す加工装置を示す概略構成図である。 第２の実施形態に係る、円筒部材の被処理面に対して微小凹部形成処理を施す加工装置を示す概略構成図である。 本発明の摺動部材における摺動表面の顕微鏡観察結果の一例を示す微小凹部を有する表面の凹凸像（５０倍）である。 本発明の摺動部材における摺動表面の顕微鏡観察結果の一例を示す微小凹部を有する表面の凹凸像（５０倍）である。

符号の説明

１ 相手材の表面と潤滑剤を介して互いに摺動し合う表面、
２ 微小凹部、
１０、１０ａ 加工装置、
２０ 駆動手段、
２１ コントローラ、
３０ ショットブラスト装置（投射手段）、
３１ ブラストノズル（ノズル）、
３２ 粒子、
３５ 粒子供給装置（制御手段）、
４１ 遮蔽手段（制御手段）、
４２ 窓部、
４３ 遮蔽板、
Ｗ 円筒部材（ワーク）。

Claims (20)

1. 微小凹部が分布した摺動表面を有し、この摺動表面が相手材と潤滑剤を介して互いに摺動し合う、表面硬度がＨＲＣ２５〜６５の焼入れ鋼または鋳鉄から成る摺動部材において、
   摺動表面に分散している微小凹部の開口部のサイズが１５〜１５０μｍの範囲であり、微小凹部を除いた部位が平滑であることを特徴とする摺動部材。
2. 微小凹部の開口部が略円形状であり、当該開口部の直径が１５〜１５０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 微小凹部の深さが０．５〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
4. 摺動表面に対する微小凹部の合計面積率が５〜４０％の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の摺動部材。
5. 摺動表面における、微小凹部を除いた部位の表面粗さがＲａ０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の摺動部材。
6. 平面状部材の表面が摺動表面である請求項１〜５のいずれか一つに記載の摺動部材。
7. 円筒部材の内周面が摺動表面である請求項１〜５のいずれか一つに記載の摺動部材。
8. 円筒部材の外周面またはカム部材の外周面が摺動表面である請求項１〜５のいずれか一つに記載の摺動部材。
9. ギア部品の歯面が摺動表面である請求項１〜５のいずれか一つに記載の摺動部材。
10. 請求項１〜９に記載の摺動部材を製造するに際して、
    摺動部材とすべきワークの被処理面に、サイズが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である粒子を、投射圧が０．１〜０．５ＭＰａの範囲で投射して、前記被処理面に微小凹部を形成する微小凹部形成処理を施し、微小凹部が分布した摺動表面を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
11. 請求項１〜９に記載の摺動部材を製造するに際して、
    投射する粒子が、直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である球状粒子であることを特徴とする請求項１０に記載の摺動部材の製造方法。
12. 請求項７〜９に記載の摺動部材を製造するに際して、
    摺動部材とすべきワークと、当該ワークの被処理面にサイズが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である粒子を投射圧が０．１〜０．５ＭＰａの範囲で投射する投射手段とを相対的に回転させて、前記被処理面に微小凹部を形成する微小凹部形成処理を施し、微小凹部が分布した摺動表面を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
13. 粒子が、セラミックあるいはセラミック硬質膜がコーティングされた粒子から成ることを特徴とする請求項１０〜１２に記載の摺動部材の製造方法。
14. 球状粒子の直径のばらつきが±１０％以内であることを特徴とする請求項１１に記載の摺動部材の製造方法。
15. 被処理面に投射される粒子の投射量を制御手段により制御することによって、摺動表面に対する微小凹部の合計面積率を、所期の合計面積率とすることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか一つに記載の摺動部材の製造方法。
16. ワークと投射手段とを一定の回転速度で相対的に１回転する間に微小凹部形成処理により形成される微小凹部の摺動表面に対する合計面積率が所期の合計面積率の半分以下となるように、被処理面に投射される粒子の投射量を制御手段により制御し、
    ワークと投射手段とを前記一定の回転速度で相対的に２回転以上回転させている間、微小凹部形成処理を連続して行うことを特徴とする請求項１２に記載の摺動部材の製造方法。
17. 制御手段は、粒子を運搬する媒体である気体に混合される粒子の供給量を調節することを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の摺動部材の製造方法。
18. 制御手段は、粒子を投射するノズルの先端からワークの被処理面に至る経路の一部を閉じる遮蔽手段を含んでいることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の摺動部材の製造方法。
19. 粒子の投射による微小凹部の形成に際して微小凹部の周辺に生じる凸部を微小凹部形成処理後に除去することを特徴とする請求項１０〜１８のいずれか一つに記載の摺動部材の製造方法。
20. 微小凹部の周辺に生じる凸部が、ラッピング、超仕上げ、ポリッシング、ホーニングのいずれかによって除去されることを特徴とする請求項１９に記載の摺動部材の製造方法。