CN109915486A - 滑动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及滑动系统。提供通过氮化铬膜与润滑油的新组合而能大幅降低滑动部中的摩擦系数的滑动系统。本发明的滑动系统具备具有可相对移动的对置的滑动面的一对滑动部件和可介于该对置的滑动面间的润滑油。而且，滑动面的至少一者包含被特定的氮化铬膜被覆的被覆面，润滑油含有包含二烷基二硫代磷酸钼(Mo‑DTP)的油溶性钼化合物。该氮化铬膜将膜整体设为100原子％(简称为“％”)时为Cr：40～65％、N：35～55％，且通过X射线衍射进行分析时得到的(111)面相对于(200)面的面积比例即相对面积为15～85％。另外，优选以相对于润滑油整体的Mo含有质量计包含150～800ppm的Mo‑DTP。

Description

滑动系统
技术领域
本发明涉及利用滑动面与润滑油的新组合来实现作用于滑动面间的摩擦系数的降低等的滑动系统。
背景技术
许多机械具备一边滑接一边相对移动的滑动部件。在具有这样的滑动部件的系统(本说明书中称作“滑动系统”。/例如是滑动机械)中，通过减小作用于该滑动部分的阻力(滑动阻力)，可实现性能的提高并降低运转所需的能量。这样的滑动阻力的降低通常通过作用于滑动面间的摩擦系数的降低来实现。
作用于滑动面间的摩擦系数根据滑动面的表面状态和滑动面间的润滑状态而不同。因此，在实现摩擦系数的降低的情况下，探讨了滑动面的表面改性和向滑动面间供给的润滑剂(润滑油)的改良。有关这些的记载例如在下述专利文献中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第6114730号公报
发明内容
专利文献1通过被氮化铬膜被覆的滑动面与包含含有Mo三核体的油溶性钼化合物的润滑油的组合，实现了低摩擦特性和高耐磨性的兼得。但是，在专利文献1中，假定通常的发动机油作为润滑油，因此，专利文献1中仅记载了具体的摩擦特性是将油温设为80℃时的摩擦特性。
本发明是鉴于这样的状况而完成的，目的在于，提供一种滑动系统，其利用滑动被膜与润滑油的新组合，由此即使在比以往低的温度区域也能够降低摩擦系数。
用于解决课题的手段
本发明人为了解决该课题而进行了深入研究，发现：利用特定的氮化铬膜与含有Mo-DTP的润滑油的新组合，即使在低温区域也能够降低滑动面间的摩擦系数。而且，也获知该低摩擦特性可与高耐磨性兼得。通过开发该成果，直至完成之后所述的本发明。
《滑动系统》
(1)本发明的滑动系统是具备具有可相对移动的对置的滑动面的一对滑动部件和可介于该对置的滑动面间的润滑油的滑动系统，其中，上述滑动面的至少一者包含被氮化铬膜被覆的被覆面，上述氮化铬膜将膜整体设为100原子％(简称为“％”)时为Cr：40～65％、N为35～55％，且通过X射线衍射进行分析时得到的(111)面相对于(200)面的面积比例即相对面积为15～85％，上述润滑油含有作为油溶性钼化合物的二烷基二硫代磷酸钼(简称为“Mo-DTP”。)，相对于上述润滑油整体以Mo的质量比例计包含125～800ppm的该Mo-DTP。
(2)通过组合由特定的氮化铬膜被覆的滑动面与包含Mo-DTP的润滑油，得到降低了滑动面间的摩擦系数的滑动系统。根据本发明的滑动系统，可以降低滑动阻力和摩擦损失，实现各种机械的运动性能和节能化等的提高。
另外，本发明涉及的氮化铬膜除了其低摩擦特性以外也可以发挥优异的耐磨性。因此，本发明的滑动系统也适于在从边界润滑(摩擦)条件至混合润滑(摩擦)条件的严酷条件下长期运转的驱动系统机械等。
例如，根据本发明的滑动系统，即使润滑油的温度(简称为“油温”。)为60℃以下进而为50℃以下，也可以使滑动面间的摩擦系数为0.06以下进而为0.05以下。另外，相对于仅由钢材构成的现有的滑动面，由氮化铬膜构成的滑动面的作为耐磨性的指标的磨损深度也可以成为1/4以下进而成为1/6以下。因此，本发明的滑动系统适于油温的上升平缓的混合动力车辆用内燃机或驱动传递装置(变速机、差速器等)。
(3)通过本发明涉及的特定的氮化铬膜与含有Mo-DTP的润滑油的组合而呈现低摩擦特性等的机制未必确定，但当前认为为如下那样。
在使本发明的滑动系统(具体为滑动机械)工作时，在由氮化铬膜构成的滑动面上，润滑油中所含的Mo-DTP的吸附反应被促进。认为与之相伴，Mo-DTP与Ca、Zn等的添加剂的吸附被抑制，选择性地MoS2结构的硫化钼化合物较多(厚)地吸附于由氮化铬膜构成的被覆面(滑动面)上。该MoS2结构的硫化钼化合物具有层状结构，显示低剪切特性。由此认为，即使在包括边界摩擦的宽范围的运转状况下，在由氮化铬膜构成的滑动面上摩擦系数也被降低。
予以说明，本发明的氮化铬膜通常比滑动部件的基材(例如钢材)硬，且也不易向滑动对方侧的滑动面移动。因此，根据本发明的滑动系统，在上述的润滑油的存在下也发挥高耐磨性，长期稳定地呈现优异的低摩擦特性。
(4)本发明涉及的氮化铬膜主要包含Cr和N，但可以含有不阻碍低摩擦特性、或改善低摩擦特性的掺杂元素(例如O)等作为其以外的元素。氮化铬膜中的Cr和N主要以CrN的形式存在，但一部分也可以是Cr2N(氮化二铬)等。鉴于此，本发明涉及的氮化铬膜优选将膜整体设为100原子％(简称为“％”)时为Cr：40～65％进而45～62％、N：35～55％进而38～50％。
另外，氮化铬膜可以包含掺杂元素。例如，可以包含1～15％进而5～13％的O，可以包含0.5～5％进而1～3％的B。予以说明，这样的膜组成通过电子探针显微分析仪(EPMA)来确定。
进而，本发明涉及的氮化铬膜在具有特定的晶体结构时容易呈现低摩擦特性。即，本发明涉及的氮化铬膜优选在通过X射线衍射进行分析时得到的(111)面相对于(200)面的面积比例即相对面积为15～85％、20～80％进而25～76％。予以说明，各面的面积比例(相对面积)基于通过X射线衍射得到的分布(profile)通过图像解析而算出。
《其它》
(1)本发明中所说的“滑动系统”只要具备滑动部件和润滑油即可，不限于作为机械的完成体，可以是构成其一部分的机械元件的组合等。本发明的滑动系统也可以适当称作滑动结构、滑动机械(例如发动机、变速机)等。
本发明涉及的氮化铬膜形成的被覆面只要形成为相对移动的对置的滑动部件的至少一个滑动面即可。当然，更优选对置的两个滑动面均为氮化铬膜形成的被覆面。
(2)除非另外指出，则本说明书中所说的“x～y”包含下限值x及上限值y。可将本说明书中记载的各种数值或数值范围中包含的任意数值作为新的下限值或上限值并重新设定“a～b”的范围。
附图说明
图1A是对各试样涉及的氮化铬膜进行了X射线衍射得到的分布。
图1B是试样3涉及的氮化铬膜的X射线衍射分布的放大图。
图2A是比较了各试样涉及的摩擦系数的柱状图。
图2B是比较了各试样涉及的磨损深度的柱状图。
图3是表示各试样涉及的表面粗糙度与摩擦系数的关系的散点图。
图4是表示各试样涉及的相对面积与摩擦系数的关系的散点图。
图5是表示试样3及试样C1涉及的Mo-DTP的Mo量与摩擦系数的关系的曲线图。
图6是表示Mo-DTP的分子结构(R：烷基)的一例的示意图。
具体实施方式
对上述的本发明的构成要素可以附加从本说明书中任意选择的一个或两个以上的构成要素。本说明书中说明的内容不仅适用于作为本发明的滑动系统整体，还可以适用于构成其的滑动部件和润滑油。
《润滑油》
本发明涉及的润滑油只要含有Mo-DTP(参照图6)，就不管基油的种类和有无其它添加剂等。如果Mo-DTP过少，则不易发挥低摩擦特性，但即使Mo-DTP过多也是没有问题的。不过，Mo是稀有金属的一种，含有的Mo的合计量越少越优选。因此，本发明涉及的Mo-DTP优选以Mo相对于润滑油整体的质量比例计为125～800ppm、150～700ppm、进而200～600ppm。予以说明，在以ppm表示Mo相对于润滑油整体的质量比例时，也适当表述为“ppmMo”。在润滑油中含有Mo-DTP以外的Mo系化合物等的情况下，该Mo总量的上限值相对于润滑油整体优选为400ppmMo，更优选为300ppmMo。
润滑油可以含有Mo-DTP以外的化合物。例如，润滑油可以含有：相对于润滑油整体以P的质量比例计为200～1500ppm、进而为400～1200ppm的磷化合物、相对于润滑油整体以S的质量比例计为500～3000ppm、进而为1000～2700ppm的硫化合物、相对于润滑油整体以N的质量比例为200～2000ppm、进而为500～1500ppm的氮化合物等中的至少一种。
作为这样的磷化合物，除了Mo-DTP以外还有Zn-DTP、磷酸酯等。作为硫化合物，除了Mo-DTP以外还有Zn-DTP、磺酸Ca(Ca-Sulfonate)等。作为氮化合物，有琥珀酰亚胺、油胺等。认为在含有这样的Mo-DTP以外的(油溶性)化合物的润滑油中，Mo-DTP也优先作用于被氮化铬膜被覆的滑动面(被覆面)上，有助于例如可降低摩擦系数的硫化钼化合物(MoS2等)的形成。
《氮化铬膜》
本发明涉及的氮化铬膜不管其成膜方法，例如可通过电弧离子镀(AIP)法、溅射(SP)法(特别是非平衡磁控溅射(UBMS)法)等物理蒸镀(PVD)法有效地形成所期望的氮化铬膜。
AIP法为如下方法：例如在反应气体(工艺气体)中，将金属靶(蒸发源)作为阴极引起电弧放电，使从金属靶产生的金属离子与反应气体粒子反应，在施加了偏压(负压)的被覆处理面上形成致密的皮膜(保护膜)。如果是本发明的情况，则例如可以使靶为金属Cr、使反应气体为N2气体。另外，如果是含有Cr和N以外的掺杂元素的氮化铬膜，则可以使用含有该掺杂元素的靶或反应气体。另外，除调整靶或反应气体的成分外，也可以调整反应气体的气压来调整氮化铬膜的组成、结构等。例如，如果通过调整N2气压可以得到由CrN构成的单层膜，则也可以得到由CrN和Cr2N构成的复合膜。
SP法为如下方法：将靶设为阴极侧，将被覆处理面设为阳极侧，施加电压，使通过辉光放电产生的非活性气体原子离子与靶表面碰撞，使飞出的靶的粒子(原子·分子)堆积于被覆处理面以形成皮膜。如果是本发明的情况，则例如使靶为金属Cr、使非活性气体为Ar气体进行溅射，使放出的Cr原子(离子)与N2气体反应，从而能够在滑动面上形成氮化铬膜。
《用途》
本发明涉及的滑动部件只要具有使润滑油介于其间且相对移动的滑动面，则不管其种类、形态、滑动形态等。具备这样的滑动部件的滑动系统也不管其具体的形态和用途，可以广泛应用于要求降低滑动阻力和降低滑动引起的机械损耗的各种各样的设备、装置等。例如，优选本发明的滑动系统利用于汽车等的驱动系统单元(发动机或变速机等)。作为构成这样的滑动系统的滑动部件，例如有构成动力阀系统的凸轮、阀挺杆、随动机构、填隙片、阀、气门导管等、以及活塞、活塞环、活塞销、曲轴、齿轮、转子、转子壳体等。
实施例
《概要》
准备被覆了氮化铬膜的多个供试材料(滑动部件)和改变了Mo-DTP(油溶性钼化合物)的配合量的多种润滑油，各种改变它们的组合并进行块-环(Block-on-Ring)摩擦试验。基于该试验结果，进一步具体说明本发明。
《试样的制造》
(1)基材
准备多个由经淬火处理的钢材(JIS SUS440C)构成的块状(6.3mm×15.7mm×10.1mm)的基材。将各基材的表面(被覆处理面)进行镜面加工(表面粗糙度Ra：0.08μm)。
作为没有被覆氮化铬膜的比较试样(表1的试样C1)，也准备仅进行了渗碳处理的钢材(JIS SCM420)。将其渗碳面(硬度HV700)也镜面加工成同样的表面粗糙度。
(2)氮化铬膜的成膜
准备在上述的基材表面成膜有表1所示的各种氮化铬膜的供试材料(试样1～5)。氮化铬膜的成膜通过电弧离子镀(AIP)法或溅射(SP)法进行。
电弧离子镀法进行的成膜通过在调整为0.3～6Pa的N2气体(反应气体)中使由金属Cr构成的靶电弧放电而进行。含有O的氮化铬膜的成膜将N2气体和O2气体的混合气体用作反应气体而进行。予以说明，此时的O量的比例相对于混合气体整体设为0.1体积％。另外，含有B的氮化铬膜的成膜通过将Cr-B合金(Cr-5质量％B)用作靶而进行。
溅射法进行的成膜通过将由金属Cr构成的靶利用Ar气体进行溅射，使放出的Cr原子(离子)和N2气体反应而进行。此时的N2气体设为0.5～6Pa。
《氮化铬膜的测定和分析》
(1)膜组成和膜特性
各试样的膜组成通过EPMA(日本电子株式会社制JXA-8200)进行了定量。膜硬度通过纳米压痕(nanoindenter)试验机(HYSITRON社制TRIBOSCOPE)进行测定。膜厚根据由CMS社制Calotest得到的磨损痕迹进行确定。将这样得到的各试样涉及的膜组成、膜特性一并示于表1。予以说明，本实施例涉及的表面形状(粗糙度)通过白色干涉法非接触表面形状测定机(Zygo社制NewView5022)进行测定。
(2)膜结构
通过X射线衍射分析了各试样的氮化铬膜。将由此得到的各分布重叠地示于图1A。另外，将试样3涉及的分布放大并示于图1B。予以说明，适当将图1A和图1B合称为图1。
基于图1所示的分布，通过上述的方法求出(111)面相对于(200)面的相对面积。将这样算出的各试样的相对面积一并示于表1。予以说明，如从各试样的分布可知的那样，任何试样均未检测到Cr，主要检测到CrN。但是，仅试样3中除检测到CrN外还检测到Cr2N。将有无检测到该Cr2N也一并示于表1。
《润滑油》
作为用于摩擦试验的润滑油，假定发动机油，制备表2所示的多种试制油。试制油的制备通过在基油(烃类基础油/SK lubricants社制YUBASE8)中如表1所示配合各添加剂后进行60℃×30分钟的加热搅拌而进行。此时使用的添加剂如下。
·Mo-DTP：株式会社ADEKA制アデカサクラルーブ300
·Zn-DTP(二烷基二硫代磷酸锌)：Lubrizol社制1371
(仲烷基型/抗磨剂·抗氧化剂)
·高碱性磺酸钙：Lubrizol社制6477C
(碱值：300mgKOH)
·聚丁烯基琥珀酰亚胺：Lubrizol社制6412
(无灰分散剂)
将各试制油中所含的代表性的元素量也一并示于表2。调整各含有元素量，使得Mo、Zn、P、Ca、N的元素含量以及碱值(过碱性磺酸Ca)变得与普通市售的发动机油中包含的量及特性等同。
《块-环摩擦试验》
(1)将各供试材料和试制油D组合，进行块-环摩擦试验(简称为“摩擦试验”。)。摩擦试验将各供试材料作为滑动面宽度6.3mm的块试样片、将由渗碳钢材(AISI4620)构成的FALEX社制S-10标准试样片(硬度HV800、表面粗糙度1.7～2.0μmRzjis)作为环试样片(外径宽度8.8mm)而进行。此时，设为试验负荷：133N(赫兹表面压力：210MPa)、滑动速度：0.3m/s、油温：40℃(恒定)，进行30分钟的摩擦试验，将试验结束之前的1分钟期间的μ平均值作为本试验中的各滑动面的摩擦系数。
将对比了各供试材料的摩擦系数的柱状图示于图2A。另外，通过上述的非接触表面形状测定机测定摩擦试验后的各供试材料的滑动面，求出各磨损深度和表面粗糙度。分别将对比了各磨损深度的柱状图示于图2B，将各供试材料涉及的表面粗糙度与摩擦系数的关系示于图3。进而，还将各供试材料的摩擦系数与各供试材料的氮化铬膜的(111)面相对于(200)面的相对面积的关系示于图4。
(2)将试样3或C1的供试材料与试制油A～D的任一种组合，同样进行上述的摩擦试验，求出各情况下的摩擦系数。将添加到各试制油中的Mo-DTP的Mo量与各供试材料的摩擦系数的关系示于图5。
《评价》
(1)摩擦特性
如从图2A可知的那样，可知：在使用了含有Mo-DTP(Mo量：500ppm)的润滑油的情况下，尽管油温低至40℃，但试样2～5的任一者与试样C1相比摩擦系数都降低。另外，如从图2B可知的那样，也确认了试样2～5的任一者与试样C1相比，磨损深度非常小，发挥优异的耐磨性。
(2)表面粗糙度
如从图3可知的那样，在滑动面的表面粗糙度与摩擦系数之间未看到特殊的关联，另外，不能说显示了低摩擦特性的试样2～5的滑动面特别平滑。因此，不认为试样2～5涉及的低摩擦特性的主要因素是滑动面的平滑化。
(3)氮化铬膜的结构
如从图4可知的那样，可知显示低摩擦特性的试样2～5与未显示低摩擦特性的试样1相比，氮化铬膜的(111)面相对于(200)面的相对面积大。即，可知，与(200)面的取向性强的氮化铬膜相比，混合有一定程度(例如15％以上)的(111)面的氮化铬膜呈现低摩擦特性。作为其理由，认为该相对面积为一定以上的氮化铬膜由于Mo-DTP和其它油添加剂的竞争吸附而在该膜上更容易形成Mo的硫化合物。
(4)Mo-DTP量(Mo当量)
如从图5可知的那样，在Mo-DTP量过少时，试样3和试样C1的摩擦系数为同种程度。但是，可知：在Mo-DTP以Mo量计为125ppm以上进而为150ppm以上时，具有特定的氮化铬膜的试样3与试样C1不同，明显地呈现低摩擦特性。
(5)考察
根据以上的结果可知，通过将(111)面相对于(200)面的相对面积为规定值以上的特定结构的氮化铬膜和含有规定量以上的Mo-DTP的润滑油进行组合，即使在低温区域也呈现低摩擦特性。认为这是因为，在由特定的氮化铬膜构成的滑动面上，Mo-DTP吸附或进行反应，形成呈现低剪切特性的硫化钼化合物(例如MoS2等)。即，认为也降低该硫化钼化合物与滑动表面直接接触时的边界摩擦系数，进而也降低宏观接触部整体的摩擦系数。
【表1】
X射线衍射结果所示的“-”、“○”、“△”为如下那样。
-：无实质衍射峰。/○：有强衍射峰。/△：有弱衍射峰。
【表2】

Claims (5)

1.滑动系统，其具备具有可相对移动的对置的滑动面的一对滑动部件和可介于该对置的滑动面间的润滑油，其中，
上述滑动面的至少一者包含被氮化铬膜被覆的被覆面，
上述氮化铬膜将膜整体设为100原子％(简称为“％”)时为Cr：40～65％、N：35～55％，且通过X射线衍射进行分析时得到的(111)面相对于(200)面的面积比例即相对面积为15～85％，
上述润滑油含有作为油溶性钼化合物的二烷基二硫代磷酸钼(简称为“Mo-DTP”)，
相对于上述润滑油整体以Mo的质量比例计包含125～800ppm的该Mo-DTP。
2.权利要求1所述的滑动系统，其中，上述氮化铬膜进一步包含O：1～15％或B：0.5～5％。
3.权利要求1或2所述的滑动系统，其中，上述氮化铬膜在含有CrN的同时含有Cr2N。
4.权利要求1～3中任一项所述的滑动系统，其中，上述润滑油包含相对于该润滑油整体以P的质量比例计成为200～1500ppm的磷化合物、相对于该润滑油整体以S的质量比例计成为500～3000ppm的硫化合物及相对于该润滑油整体以N的质量比例计成为200～2000ppm的氮化合物中的至少一种。
5.权利要求1～4中任一项所述的滑动系统，其为混合动力车用内燃机或包含变速机的驱动传递装置。
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