CN105546314A - 滑动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明目的是提供借助氮化铬膜和润滑油的新组合可显著降低滑动部分上的摩擦系数的滑动系统。本发明滑动系统包含:具有可相对移动,同时彼此面对的滑动表面的一对滑动元件;和可插入彼此面对的滑动表面之间的润滑油。滑动表面中的至少一个作为氮化铬膜涂覆表面形成,且润滑油包含具有Mo三核化学结构的油溶性钼化合物。当氮化铬膜整体为100原子%(简称为“%”)时,氮化铬膜包含40-65%Cr和35-55%N,且氮化铬膜具有15-60%的相对表面积,其中相对表面积为在使用X射线衍射分析时所得(111)平面与(200)平面的表面积比。润滑油优选以润滑油整体的5-800ppm的质量含量包含油溶性钼化合物。

Description

滑动系统
技术领域
本发明涉及一种滑动系统,其借助氮化铬膜和润滑油的组合可显著降低作用于滑动表面之间的摩擦系数和滑动阻力等,所述润滑油包含具有特殊化学结构的油溶性钼化合物。
发明背景
各种机器具有在彼此滑动地接触时相对移动的滑动元件。在具有该类滑动元件的系统(在本说明书中称为“滑动系统”,例如滑动机器)中,作用于滑动部分上的阻力(滑动阻力)可因此被降低以增强性能并降低操作所需能量。该滑动阻力降低通常通过降低作用于滑动表面之间的摩擦系数实现。
作用于滑动表面之间的摩擦系数取决于各滑动表面的表面条件和滑动表面之间的润滑状态而不同。因此,为降低摩擦系数,可想到改进滑动表面并改进在滑动表面之间提供的润滑剂(润滑油)。已知各类对滑动表面的表面改进,其中通常进行改进使得滑动表面各自用非晶碳膜(所谓的类金刚石碳(DLC)膜)形成,其可降低摩擦并具有优异的抗磨性。润滑剂也根据滑动机器的类型、使用环境和其它因素以各种方式改进,但在许多情况下,改进可通过配混入具有降低摩擦的作用的添加剂而实现。关于以上的描述在例如以下专利文献(PTL)中找到。
[引用目录]
[专利文献]
[PTL1]
JP2011-252073A
[PTL2]
JP2004-339486A(EP1462508B1)
[PTL3]
专利No.3728740(JP8-296030A)
发明内容
[技术问题]
PTL1提出将润滑剂与含H(20%)DLC膜组合,其中润滑剂包含具有在预定范围内的氮/钼(N/Mo)质量比的有机钼化合物作为包含Mo双核的二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)(熟知的发动机油添加剂)的替代物。
PTL2提出普通DLC膜和润滑剂的组合,其中DLC膜不含金属元素和其它添加剂元素,且润滑剂通过将550ppm(作为Mo的量)的二硫代氨基甲酸钼加入基油中而得到。然而,PTL2仅描述了该组合可降低摩擦系数,PTL2中没有披露机制等。此外,通过该组合得到的摩擦系数为至多约0.1,因此,摩擦系数的降低可能是不充分的。
PTL3描述了向内燃机的活塞环的外圆周滑动表面提供CrN型氮化铬和Cr2N型氮化铬的混合物的离子镀膜,其中CrN和Cr2N的晶体取向比因此被最佳化以改进活塞环的抗磨性、抗磨损能力和其它性能。然而,PTL3仅描述了使用普通发动机油作为润滑剂进行抗磨性试验和其它试验,PTL3中没有描述以上膜影响滑动表面之间的摩擦系数的影响等,也没有给出相应启示。
本发明鉴于这种情况产生,且本发明的目的是,提供与现有技术相比可至少显著降低滑动表面之间的摩擦系数的滑动系统,通过滑动膜和润滑油的新组合实现。
[解决问题的方法]
作为实现以上目的的深入研究以及重复试验和误差的结果,本发明的发明人发现特殊氮化铬膜和包含具有特殊化学结构的油溶性钼化合物的润滑油的新组合可显著地降低滑动表面之间的摩擦系数。此外,还发现该优异的低摩擦性能可与抗磨性同时满足。随着该成就的发展,本发明的发明人完成如下文所述的本发明。
《滑动系统》
(1)本发明滑动系统包含:具有可相对移动,同时彼此面对的滑动表面的一对滑动元件;和可插入彼此面对的滑动表面之间的润滑油。滑动系统具有如下特征。滑动表面中的至少一个包含氮化铬膜涂覆表面。润滑油包含具有钼(Mo)三核化学结构的油溶性钼化合物。当氮化铬膜整体为100原子%(简称为“%”)时,氮化铬膜包含40-65%铬(Cr)和35-55%氮(N)。氮化铬膜具有15-60%的相对表面积。相对表面积为在使用X射线衍射分析时所得(111)平面与(200)平面的表面积比。
(2)因此将涂有特殊氮化铬膜的滑动表面和包含具有特殊化学结构的油溶性钼化合物的润滑油相结合,容许得到可显著降低滑动表面之间的摩擦系数的滑动系统。具体而言,可发展低摩擦性能使得摩擦系数在一个实施方案中为0.07或更小,在另一实施方案中0.06或更小,在又一实施方案中0.05或更小。因此,根据本发明滑动系统,滑动阻力和摩擦损失可显著降低,容许例如各种机器的运动性能和能量节约方面相当大的改进。
此外,除低摩擦性能外,本发明氮化铬膜可显示出优异的抗磨性。例如,与仅由钢材料形成的滑动表面的摩擦深度相比,氮化铬膜的滑动表面在一个实施方案中可具有1/4或更小,在另一实施方案中1/5或更小的摩擦深度,摩擦深度为抗磨性的指示。因此,本发明滑动系统特别适于在从边界润滑(摩擦)条件至混合润滑(摩擦)条件的严苛条件下长时间操作的机器,例如驱动系统中的机器。因此,当用于驱动系统装置如发动机和变速器时,本发明可贡献于燃料消耗量的降低和其它益处。
(3)尽管本发明特殊氮化铬膜和特殊润滑剂的组合发展优异的低摩擦性能和其它有利性能的机制并不是确定的,但在深入研究以后,本发明发明人在本发明情况下认为如下。
当操作本发明滑动系统(尤其是滑动机器)时,促进了包含在润滑油中且包含Mo三核(其也可称为“Mo-三核化合物”或者简称为“Mo-三核”)的油溶性钼化合物在氮化铬膜的滑动表面上的吸附反应。这容许滑动表面容易吸附与Mo-三核为竞争性吸附关系的其它添加剂或其组成元素(例如Mo和S)。这显示出导致较大量(大厚度)的不同于Mo-三核的MoS2结构硫化钼化合物吸附在氮化铬膜的涂覆表面(滑动表面)上。已知MoS2结构硫化钼化合物具有层状结构并显示出低剪切性能。这显示出甚至在多种操作情况(包括边界摩擦)下容许氮化铬膜的滑动表面上的摩擦系数显著降低。
因此优选的是,在操作本发明滑动系统时,Mo和S存在于氮化铬膜的滑动表面上,且S与Mo的原子数之比在使用X射线光电子能谱(XPS)分析时,在一个实施方案中为2或更大,在另一实施方案中为4或更大,在另一实施方案中为5或更大。还优选的是,当通过XPS检测的量整体为100原子%时,Mo的检测量在一个实施方案中为0.04原子%或更多,在另一实施方案中为0.06原子%或更多。
本发明氮化铬膜通常比滑动元件的基础材料(例如钢材料)更硬,并且不太可能转移和粘附在配对滑动元件的滑动表面上。因此,本发明滑动系统在上述润滑油的存在下显示出高抗磨性,并且可长时间稳定地得到优异的低摩擦性能。
(4)本发明Mo-三核在其结合在末端的官能团、分子量和其它性能方面不受限,条件是Mo-三核具有Mo3S7或Mo3S8中的至少一种(特别是Mo3S7)的分子结构骨架。仅作为参考,图6举例说明了Mo3S7硫化钼化合物的一个实例,在图中R表示烃基。
本发明Mo-三核可反应以吸附在滑动表面上,由此在滑动表面上形成具有化学结构如Mo3S7、Mo3S8和Mo2S6的硫化钼化合物。该类硫化钼化合物还具有与二硫化钼(MoS2)类似的结构,并且基于层状结构可显示出在滑动表面之间的低剪切性能以贡献于摩擦系数的降低。
(5)本发明氮化铬膜主要包含Cr和N,但可进一步包含掺杂元素(例如O)和不抑制低摩擦性能或改进低摩擦性能的其它元素作为附加元素。氮化铬膜中的Cr和N主要作为CrN存在,但其一部分可以为Cr2N(一氮化二铬)或者其它合适的形式。结合上文,优选的是,当氮化铬膜整体为100原子%(简称为“%”)时,本发明氮化铬膜在一个实施方案中包含40-65%Cr和35-55%N,在另一实施方案中45-62%Cr和38-50%N。例如,当氮化铬膜包含掺杂元素如O时,优选的是氮化铬膜在一个实施方案中包含2-15%O,在另一实施方案中7-13%O。该膜组成可使用电子电子探针微量分析仪(EPMA)描述。
本发明氮化铬膜在具有特殊晶体结构时可容易地发展低摩擦性能。为此,优选的是本发明氮化铬膜在一个实施方案中具有15-60%,在另一实施方案中20-45%的相对表面积,其中相对表面积为(111)平面与(200)平面的表面积比。所述平面的表面积比(相对表面积)可通过图像分析基于使用X射线衍射得到的图计算。
《其它》
(1)如本发明中所提及的“滑动系统”是足够的,条件是它包含滑动元件和润滑油,并且不仅可以为作为机器的完成产品,但也可以为构成产品的一部分的机械元件的组合,等。本发明滑动系统也可称为滑动结构、滑动机器(例如发动机、变速器)或其它合适的术语。
本发明氮化铬膜的涂覆表面可作为相对移动同时彼此面对的滑动元件中至少一个的滑动表面形成。如所理解,更优选彼此面对的滑动表面两者都是氮化铬膜的涂覆表面。
(2)除非另外指出,如本文中所提及的数值范围“x至y”包括下限值x和上限值y。可适当地选择或提取本文所述数值范围内包括的各数值或任何数值作为新的下限值或上限值,由此可使用该新的下限值或上限值新提供任何数值范围,例如“a至b”。
附图简要说明
[图1A]
图1A为使用X射线衍射得到的根据试样的氮化铬膜的一组图。
[图1B]
图1B为根据试样3的X射线衍射图的放大图。
[图2]
图2为对比各试样的摩擦系数的柱状图。
[图3]
图3为对比各试样的摩擦深度的柱状图。
[图4]
图4为显示试样的相对表面积与摩擦系数之间的关系的分布图。
[图5]
图5为使用XPS得到的Mo的一组3d谱,用于分析各试样在摩擦试验以后的滑动表面。
[图6]
图6为显示本发明Mo-三核的一个实例的分子结构图。
具体实施方式
自由地选自这里描述的一个或多个特征可与本发明的上述特征结合。本文所述内容不仅可适用于本发明整体滑动系统,而且适用于构成滑动系统的滑动元件和润滑油。此外,方法特征也可以为关于产品的特征。最佳或者非最佳的实施方案根据目标、所需性能和其它因素而不同。
《润滑油》
本发明润滑油在基油类型以及存在或不存在其它添加剂等方面不受限,条件是润滑油包含Mo-三核。一般而言,润滑油如发动机油包含各种添加剂,包括S、P、Zn、Ca、Mg、Na、Ba或Cu等。甚至在该类润滑油中,本发明Mo-三核优先作用于涂有氮化铬膜的滑动表面(涂覆表面)上,并贡献于硫化钼化合物(例如MoS2、Mo3S7、Mo3S8和Mo2S6)的形成,这可降低摩擦系数。
本发明润滑油可包含不同于Mo-三核的其它Mo基化合物(例如MoDTC),但所含Mo的总量可优选为小的,因为Mo是一种稀有金属。
过小量的Mo-三核使得难以显示出如上效果,而过大量的Mo-三核可能不导致任何问题。然而,如上所述,Mo的使用可优选为小的。因此,优选本发明Mo-三核在一个实施方案中具有5-800ppm,在另一实施方案中10-500ppm,在又一实施方案中40-200ppm,在另一实施方案中60-100ppm的Mo与润滑油整体的质量比。当Mo与润滑油整体的质量比以ppm表示时,它由“ppmMo”表示。应当指出,即使润滑油包含不同于Mo-三核的其它Mo基化合物等时,其它Mo基化合物的Mo总量与润滑油整体之比的上限可优选为在一个实施方案中400ppmMo,在另一实施方案中300ppmMo。
《氮化铬膜》
形成本发明氮化铬膜的方法不受限。例如,所需氮化铬膜可有效地使用物理蒸气沉积(PVD)方法,例如电弧离子镀(AIP)方法和溅射(SP)方法(特别是非平衡磁控溅射(UBMS)方法)形成。
AIP方法为其中金属目标(气化源)用作阴极以导致在反应性气体(工艺气体)中电弧放电使得由金属目标产生的金属离子与反应性气体粒子反应以在施加了偏置电压(负电压)的待涂覆表面上形成致密膜的方法。在本发明一个实施方案中,目标可以为金属Cr,且反应性气体可例如为N2气体。当形成除Cr和N外还包含掺杂元素的氮化铬膜时,可使用包含掺杂元素的目标或反应性气体。氮化铬膜的组成、结构和其它性能可通过调整所述目标和/或反应性气体的组分和/或调整反应性气体的气体压力而控制。例如,可由此调整N2的气体压力以容许得到CrN的单层膜或者CrN和Cr2N的复合膜。
SP方法为其中在阴极侧的目标与阳极侧的待涂覆表面之间施加电压,并且导致由于辉光放电而产生的非活性气体原子离子与目标表面碰撞使得由目标释放的粒子(原子/分子)沉积以在待涂覆表面上形成膜的方法。在本发明一个实施方案中,溅射例如使用金属Cr作为目标和Ar气体作为非活性气体进行,并且释放的Cr原子(离子)可由此与N2气体反应以在滑动表面上形成氮化铬膜。
《意欲用途》
本发明滑动元件在类型、形式、滑动形式和其它特征方面不受限,条件是滑动元件具有相对移动,同时润滑油插入其间的滑动表面。具有该滑动元件的滑动系统在其具体形式和意欲用途方面不受限,并且可宽泛地适用于要求降低滑动阻力和降低由于滑动导致的机器损失的各种机器、设备等。例如,本发明滑动系统可优选用于车辆如汽车的驱动系统装置(例如发动机和变速器)。构成该滑动系统的滑动元件的实例包括:构成动力阀系统的组件,例如凸轮、气门挺杆、从动器、垫片、阀和阀导管;活塞;活塞环;活塞销;曲轴;齿轮;转子;和转子壳体。
[实施例]
《概述》
将涂有各种氮化铬膜的待测试材料(滑动元件)与包含Mo-三核(油溶性钼化合物)的润滑油(称为“润滑油A”)或不含Mo-三核的润滑油(称为"润滑油B)结合以进行环块法(block-on-ring)摩擦试验。参考摩擦试验的结果更具体地描述本发明。
《试样的制备》
(1)基础材料
制备多个块状基础材料(6.3mm×15.7mm×10.1mm),其各自包含淬火钢材料(JISSUS440C)。各基础材料的表面(待涂覆表面)为镜面磨光的(表面粗糙度Ra:0.08μm)。
还制备仅渗碳的钢材料(JISSCM420)作为不用氮化铬膜涂覆的对比试样(表1中的试样C1)。也将渗碳表面(700的硬度Hv)镜面磨光至相同的粗糙度。
(2)氮化铬膜的膜形成
待测试材料(试样1-5)通过在以上相应基础材料的表面上形成如表1中所列各氮化铬膜而制备。氮化铬膜的形成使用电弧离子镀(AIP)方法或溅射(SP)方法进行。
使用电弧离子镀方法形成膜通过在具有0.3-6Pa的调整压力的N2气体(反应性气体)中在金属Cr目标上产生电弧放电而进行。含O氮化铬膜的形成使用N2气体和O2气体的混合物气体作为反应性气体而进行。在该操作期间,O量与混合气体整体之比为0.1体积%。含B氮化铬膜的形成使用Cr-B合金(Cr-5质量%B)目标进行。
使用溅射方法形成膜通过将金属Cr目标用Ar气体溅射以导致释放的Cr原子(离子)与N2气体反应而进行。在该操作期间,N2气体的压力为0.5-6Pa。
(3)对比例
还制备了另一对比试样作为待测试材料(试样C2),将上述基础材料(SUS440C)的表面用市售无氢DLC膜(可由NIPPONITF,INC.得到)涂覆作为氮化铬膜的替代。
《氮化铬膜的测量和分析》
(1)膜组成和膜性能
使用EPMA(可由JEOLLtd得到的JXA-8200)将各试样的膜组成量化。膜硬度使用纳米硬度计(nanoindenter)试验仪(可由HysitronCorporation得到的TRIBOSCOPE)测量。膜厚度由使用可由CSMInstrumentsSA得到的Calotest得到的磨痕描述。由此得到的各试样的膜组成和膜性能也列于表1中。根据本发明实施例的表面轮廓(粗糙度)使用白光干涉型非接触表面轮廓仪(由ZygoCorporation得到的NewView5022)测量。
(2)膜结构
使用X射线衍射分析各试样的氮化铬膜。因此所得的各轮廓以叠加方式显示于图1A中。作为其中的一个实例,根据试样3的轮廓以放大的方式显示于图1B中。图1A和图1B可集合地称为图1。
(111)平面与(200)平面的相对表面积根据前面描述的方法基于图1所示各轮廓得到。因此计算的各试样的相对表面积也列于表1中。如从试样的轮廓中所发现的,在所有试样中没有检测到Cr,主要检测到CrN。然而,注意到在试样3中除CrN外,还检测到Cr2N。是否检测到Cr2N也列于表1中。
《润滑油》
制备表3所列两类发动机油作为待用于摩擦试验中的润滑油。润滑油A通过如下方式得到:另外将可由INFINEUMINTERNATIONALLIMITED得到的在公开文件“MolybdenumAdditiveTechnologyforEngineOilApplications”中表示为“三核”的Mo三核(其可简称为“Mo-三核”)配混到具有0W-20的粘度级并对应于ILSACGF-5标准的作为基础的发动机油(可由TOYOTAMOTORCORPORATION得到的基油SN0W-20)中,使得油整体中的Mo含量为80ppmMo当量。另一方面,润滑油B为基础发动机油本身,未另外配混所述油添加剂。两种润滑油不含二硫代氨基甲酸钼(MoDTC)。
《环块摩擦试验》
(1)摩擦系数
对于各待测试材料和各润滑油的组合进行环块摩擦试验(简称为“摩擦试验”)以测量各滑动表面的摩擦系数(mu)。在使用包含Mo-三核的润滑油A时,各待测试材料的摩擦系数也列于表1中。对比这些摩擦系数的柱状图显示于图2中。
摩擦试验如下所述进行:使用各待测试材料作为具有6.3mm的滑动表面宽度的块试片,使用可由FALEXCORPORATION得到的渗碳钢材料(AISI4620)标准试片S-10(硬度HV为800和表面粗糙度Rzjis为1.7-2.0μm)作为环试片(35mm外径和8.8mm宽度)。摩擦试验在133N的试验负荷(210MPa的Hertz接触压力)、0.3m/s的滑动速度和80℃的油温(固定)的条件下进行30分钟,并恰在试验完成前1分钟期间测量mu平均值作为摩擦系数。
(2)滑动表面的摩擦深度
在使用润滑油A的摩擦试验以后使用先前所述非接触表面轮廓仪测量各待测试材料的滑动表面以得到摩擦深度。其结果也列于表1中。另外,摩擦系数对比的柱状图显示于图3中,其中标明了相应膜硬度。
(3)滑动表面的表面分析
在使用润滑油A的摩擦试验以后使用X射线光电子能谱(XPS)分析各待测试材料的滑动表面。在各滑动表面上检测到的元素的比例(原子%)列于表2中。另外,使用Mo的3d谱的状态分析结果显示于图5中。可理解的是,Mo的氧化物或硫化物的存在可通过观察Mo的3d谱确定。
《评估》
(1)摩擦性能
首先,如从图2中获悉,当使用不含Mo-三核的润滑油B时,滑动表面上具有氮化铬膜的试样、滑动表面上具有无HDLC膜的试样和具有渗碳材料本身的滑动表面的试样之间,摩擦系数差得不太多。在所有试样中摩擦系数高于0.07。
另一方面,发现当使用包含Mo-三核的润滑油A时,摩擦系数仅在滑动表面上具有特殊氮化铬膜的试样2-4中显著降低。具体而言,发现在所有试样2-4中摩擦系数为0.05或更低,并且与具有渗碳材料本身的滑动表面的试样C1的摩擦系数(0.09)相比降低40%或更多。
接着,如从图3中获悉,还证明摩擦深度在具有氮化铬膜的所有试样1-5中是小的,即约0.2μm,未达到具有DLC膜的试样C2的水平,但试样1-5显示与试样C1的摩擦深度(1μm或更大)相比足够的抗磨性。通过SP方法形成并且具有最少量N的氮化铬膜是最硬的,但在所有氮化铬膜中硬度稳定在15-25GPa内。因此可认为膜硬度与组成(例如N量)或制备方法等之间不存在特殊关系。
(2)氮化铬膜的结构
如上所述,在存在润滑油A的情况下,试样2-4的氮化铬膜与试样1和5的氮化铬膜在滑动性能方面明显不同。这显示出是因为试样2-4与试样1和5之间的膜结构不同。即,试样1-5的氮化铬膜主要由CrN形成,但(111)平面与(200)平面的相对表面积在试样2-4与试样1和5之间是明显不同的,如从图1和表1所理解的。
为阐明这方面,现在参考图4,其显示在润滑油A的存在下,相对表面积与摩擦系数之间的关系。如从图4中获悉,发现在具有过小的相对表面积和强(200)平面取向的氮化铬膜(试样1)和具有过大的相对表面积和强(111)平面取向的氮化铬膜(试样5)中,摩擦系数都是大的。另一方面,发现在在一个实施方案中具有15-60%,在另一实施方案中20-45%的相对表面积且其中(200)平面和(111)平面以合适的比例混合的氮化铬膜(试样2-4)中,摩擦系数为0.05或更小,且这些试样显示出优异的低摩擦性能。
(3)滑动表面的表面分析
如从表2中发现,在润滑油A的存在下显示出低摩擦性能的试样2-4的滑动表面上检测到Mo,而在未显示低摩擦性能的试样1和5的滑动表面上没有检测到Mo。此外,如从图5中获悉,发现在试样2-4的滑动表面上产生Mo的硫化物或氧化物,而该产生的产物在试样1和5的滑动表面上没有被证实。此外,还发现在试样2和3的滑动表面上检测到比Mo氧化物更大量的硫化钼(MoS2)。另外,如从表2中获悉,在其中检测到0.04原子%或更多Mo的所有试样中检测到S的量为Mo的量两倍或更大(或者4倍或更大)。
(4)考虑
鉴于以上结果,可认为,在存在包含Mo-三核的润滑油的情况下,由于Mo-三核的吸附或反应而在表面(滑动表面)上形成带有硫化钼化合物如Mo3S7、Mo3S8和MoS2的其中(200)平面和(111)平面在一定范围内混合的特殊结构的氮化铬膜。还可认为具有层状结构的硫化钼显示出低剪切性能,并且本发明氮化铬膜的滑动表面由此显示出优异的低摩擦性能。
[表1]
[表2]
[表3]

Claims (7)

1.滑动系统,其包含:
具有可相对移动,同时彼此面对的滑动表面的一对滑动元件;和
可插入彼此面对的滑动表面之间的润滑油,
其中滑动表面中的至少一个包含氮化铬膜涂覆表面;
其中润滑油包含具有Mo三核化学结构的油溶性钼化合物,
其中当氮化铬膜整体为100原子%(简称为“%”)时,氮化铬膜包含40-65%Cr和35-55%N,且氮化铬膜具有15-60%的相对表面积,其中相对表面积为在使用X射线衍射分析时所得(111)平面与(200)平面的表面积比。
2.根据权利要求1的滑动系统,其中氮化铬膜进一步包含2-15%O。
3.根据权利要求1或2的滑动系统,其中除CrN外,氮化铬膜还包含Cr2N。
4.根据权利要求1的滑动系统,其中所述三核具有Mo3S7或Mo3S8中的至少一种的分子结构骨架。
5.根据权利要求1或4的滑动系统,其中润滑油以Mo与润滑油整体的质量比5-800ppm包含油溶性钼化合物。
6.根据权利要求1或5的滑动系统,其中Mo和S存在于氮化铬膜的滑动表面上,且S与Mo的原子数目之比在使用X射线光电子能谱(XPS)分析时为2或更大。
7.根据权利要求6的滑动系统,其中当通过XPS检测的量整体为100原子%时,存在0.04原子%或更多的Mo。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109595453A (zh) * 2017-10-03 2019-04-09 丰田自动车株式会社 滑动系统
CN109915486A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 丰田自动车株式会社 滑动系统

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102078435B1 (ko) * 2016-07-14 2020-02-17 주식회사 엘지화학 유기 전계 발광 소자 및 이의 제조 방법
JP6808560B2 (ja) * 2017-04-03 2021-01-06 株式会社豊田中央研究所 摺動システム
CN107101084B (zh) * 2017-06-14 2018-11-06 合肥工业大学 摩擦剪切诱导化学反应在表面成膜降低摩擦系数的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040121919A1 (en) * 2000-02-14 2004-06-24 Gao Jason Zhisheng Lubricating oil compositions comprising a trinuclear compound antioxidant
CN1727457A (zh) * 2004-07-30 2006-02-01 英菲诺姆国际有限公司 润滑表面的方法
US20060269790A1 (en) * 2005-12-21 2006-11-30 Sarabanda Jose Valentim L Piston ring for internal combustion engines
US20080095939A1 (en) * 2004-07-03 2008-04-24 Manfred Fischer Method for Producing a Coat on a Piston Ring and Piston Ring
CN103635602A (zh) * 2011-03-02 2014-03-12 欧瑞康贸易股份公司(特吕巴赫) 用于在润滑条件下通过摩擦应用改进磨损和摩擦性能的用含金属碳层涂布的滑动组件

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0652511A (ja) * 1992-07-31 1994-02-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気ヘッドとその製造方法
JP3728740B2 (ja) * 1995-04-28 2005-12-21 日本ピストンリング株式会社 内燃機関用ピストンリング
AU729795B2 (en) 1996-12-13 2001-02-08 Infineum Usa Lp Lubricating oil compositions containing organic molybdenum complexes
WO1999031113A1 (en) * 1997-12-12 1999-06-24 Infineum Usa L.P. Method for the preparation of trinuclear molybdenum-sulfur compounds and their use as lubricant additives
JP2001335878A (ja) * 2000-05-30 2001-12-04 Teikoku Piston Ring Co Ltd 摺動部材
DE602004022732D1 (de) 2003-03-26 2009-10-08 Infineum Int Ltd Verwendung einer Organomolybdänverbindung enthaltenden Zusammensetzung für die Schmierung von diamentartigen Kohlenstoffschichten
EP1462508B1 (en) 2003-03-26 2009-08-26 Infineum International Limited Use of an organomolybdenum compound containing composition for the lubrication of diamond-like carbon coated surfaces
US7951756B2 (en) * 2003-08-06 2011-05-31 Nippon Oil Corporation System having DLC contact surfaces, method of lubricating the system, and lubricant for the system
JP4386420B2 (ja) * 2003-12-25 2009-12-16 株式会社神戸製鋼所 水潤滑性に優れた硬質皮膜
EP2021286B1 (en) 2006-05-05 2016-10-26 Vanderbilt Chemicals, LLC Antioxidant additive for lubricant compositions, comprising organotungstate, diarylamine and organomolybdenum compounds
JP2010168603A (ja) * 2009-01-20 2010-08-05 Ntn Corp 耐摩耗性CrN膜
JP2011252073A (ja) 2010-06-01 2011-12-15 Idemitsu Kosan Co Ltd 低摩擦摺動材料用潤滑油組成物、及びこれを用いた摺動機構

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040121919A1 (en) * 2000-02-14 2004-06-24 Gao Jason Zhisheng Lubricating oil compositions comprising a trinuclear compound antioxidant
US20080095939A1 (en) * 2004-07-03 2008-04-24 Manfred Fischer Method for Producing a Coat on a Piston Ring and Piston Ring
CN1727457A (zh) * 2004-07-30 2006-02-01 英菲诺姆国际有限公司 润滑表面的方法
US20060269790A1 (en) * 2005-12-21 2006-11-30 Sarabanda Jose Valentim L Piston ring for internal combustion engines
CN101365899A (zh) * 2005-12-21 2009-02-11 马勒国际公司 内燃机活塞环
CN103635602A (zh) * 2011-03-02 2014-03-12 欧瑞康贸易股份公司(特吕巴赫) 用于在润滑条件下通过摩擦应用改进磨损和摩擦性能的用含金属碳层涂布的滑动组件

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109595453A (zh) * 2017-10-03 2019-04-09 丰田自动车株式会社 滑动系统
CN109915486A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 丰田自动车株式会社 滑动系统

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