JP2000320673A

JP2000320673A - 低フリクション炭素薄膜

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Publication number: JP2000320673A
Application number: JP11126754A
Authority: JP
Inventors: Shojiro Miyake; 宅正二郎三; Yutaka Mabuchi; 渕豊馬; Yoshiteru Yasuda; 田芳輝保; Motokata Ishihara; 原基固石; Kunio Maki; 木邦雄眞
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-24
Anticipated expiration: 2019-05-07
Also published as: JP4203971B2

Abstract

(57)【要約】【課題】無潤滑下での摩擦係数の低さと、潤滑下での
摩擦係数の低さとを兼ね備えた低フリクション炭素薄膜
を提供する。【解決手段】例えば、基材２の表面に炭素を主成分と
する第１の層４と、鉄を主成分とする第２の層５を交互
に積層することにより、摺動時に炭素と共に鉄を摩擦面
に露出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種産業用機械の
摺動部分における摩擦特性を改善するために、摺動部材
に対する表面処理として適用される炭素薄膜に係わり、
さらに詳しくは、非晶質の炭素膜中に鉄を含有すること
によって、無潤滑下での摩擦係数の低さと潤滑下での摩
擦係数の低さとの両立を可能にし、特に潤滑油中の極圧
添加剤との相乗効果が得られる低フリクション炭素薄膜
に関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】炭素膜に関しては、従
来から多くの研究がなされている。例えば、プラズマＣ
ＶＤやＰＶＤイオンプレーティング，イオンビーム蒸着
などによって、硬質のアモルファスカーボン（ａ−Ｃ）
やダイヤモンド、水素化カーボン（ａ−Ｃ：Ｈ），メタ
ル含有アモルファスカーボン（ａ−ＭｅＣ：Ｈ），ダイ
ヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの炭素膜を得る
ことができ、これらの炭素膜に関する成膜方法や膜質の
改善について数多くの提案がなされている（例えば、特
開平６−１３８０３５号公報等）。

【０００３】これら炭素膜を用いた表面処理には、様々
な用途が期待されることから、これまで長い間、広範囲
の研究が行われており、近年では成膜装置の発展などに
よってコスト的な問題も解消されてきたことから、工業
的にも適用範囲が大きく広がりつつある。

【０００４】その最も大きな理由として、炭素膜自体の
固体潤滑性と硬さが挙げられる。すなわち、摩擦面に炭
素膜の表面処理を施した場合、摩擦面における摩擦係数
を下げると共に、耐摩耗性を向上させる効果が得られる
ことから、ＤＬＣ膜を始めとする非晶質系の炭素膜は、
摩擦／摩耗特性の観点から非常に魅力的な特性を備えた
表面処理膜と言える。

【０００５】これらの炭素薄膜は固体潤滑性を有するこ
とから、宇宙関係やデバイス関係など、無潤滑下での用
途にこれまで注目されてきたが、摩擦／摩耗特性に優れ
る点から潤滑油中で用いられる部品に対する表面処理材
料としての用途も今後拡がっていくことが予想される。
つまり、潤滑油中においても接触部位をミクロ的に見た
場合には、摩擦する固体同士が潤滑油を介することなく
直接接触するいわゆるメタルコンタクトの状況も存在す
ることから、潤滑下においても摩擦係数を下げる効果が
期待でき、これらの炭素薄膜を潤滑剤中の部品にも応用
しようとするアイディアである。ただし、潤滑油中での
摺動では、流体圧の影響によって油膜が接触部位の間に
発生し、メタルコンタクトの割合は無潤滑下の摺動に較
べて圧倒的に少なく、単に従来からある炭素膜を適用し
ただけでは、フリクションの低減に限界があるという問
題点があった。

【０００６】一方、内燃機関や変速器などに用いられる
潤滑油においても、これまでに摺動部品の摩擦／摩耗特
性を改善するために多くの改善がなされてきており、そ
の一つとして極圧添加剤の開発が挙げられる。特に金属
系極圧添加剤は、鉄を主体とする摩擦面に対して摺動時
に反応被膜を生成し、この被膜により摩擦／摩耗特性を
改善する。特にモリブデン系極圧添加剤では、摺動中に
摩擦面に固体潤滑材として知られるＭｏＳ₂ (二硫化モ
リブデン）が生成され、この効果によってフリクション
が大幅に減少する。しかしながら、鉄系材料からなる摩
擦面が炭素膜によって被覆されてしまえば反応被膜が生
成せず、このような効果は期待できなくなるという問題
点があって、これら問題点の解消が無潤滑環境の摩擦／
摩耗特性に加えて、潤滑下での摩擦／摩耗特性にも優れ
た低フリクション炭素薄膜を得るための課題となってい
た。

【０００７】

【発明の目的】本発明は、従来の炭素薄膜における上記
課題に着目してなされたものであって、無潤滑下での摩
擦係数の低さと、潤滑下での摩擦係数の低さとを兼ね備
えた低フリクション炭素薄膜を提供することを目的とし
ている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】これまで、非晶質構造を
主体とした炭素膜について解析を行ってきた結果、潤滑
油中で用いられる摺動部品に対して炭素膜による表面処
理を施したとしても、表面処理を施すことなく鉄のみを
主体とした従来の部品に比べ、必ずしも期待どおりのフ
リクション低減効果が得られない場合があることが潤滑
油や摺動条件をさまざまに組み合わせた広範囲な摩擦試
験を実施することによって明らかとなっている。

【０００９】すなわち、基油のみから構成される潤滑油
を用いた場合には、潤滑下においても炭素膜によるフリ
クション低減効果が得られる。しかしながら、モリブデ
ン系などの極圧添加剤を含む潤滑油を用いた場合では、
添加剤による効果が表面処理を施さない鉄のみのものと
比較して、必ずしも同等な効果が得られないことがあっ
た。

【００１０】このとき、摩擦試験後に摩擦面の表面分析
を行ったところ、摺動表面が鉄のみの場合にはモリブデ
ン系極圧添加剤による反応被膜が観察され、固体潤滑材
の一種であるＭｏＳ₂の存在が確認された。これに対
し、炭素膜を摩擦面に被覆した場合には試験後の摩擦面
に添加剤の構成元素の吸着はほとんど認められず、反応
被膜の生成を確認することができなかった。また、摩耗
防止剤として潤滑油に広範囲に用いられている亜鉛系極
圧添加剤を含む潤滑油による試験においても同様に、摺
動表面が鉄の場合には反応被膜が認められるのに対し
て、炭素膜を摩擦面とした場合には反応被膜が認められ
ず、鉄が炭素膜により被覆されることによって、極圧添
加剤の本来の作用が発揮されていないものと推定され
た。

【００１１】そこで、本発明者らは、炭素薄膜中に鉄を
含有させたところ、モリブデン系極圧添加剤との反応被
膜を摩擦面上に生成させることができ、炭素薄膜の固体
潤滑性による効果と潤滑油中の添加剤に基づく反応被膜
による効果を両立させ、さらにそれぞれの効果が双方の
効果を補完し合う相乗効果が得られ、無潤滑下での摩擦
係数の低さと、潤滑下での摩擦係数の低さとを兼ね備え
た低フリクション炭素薄膜が得られることを見出だすに
至った。

【００１２】本発明は、このような知見に基づくもので
あって、本発明の請求項１に係わる低フリクション炭素
薄膜は、非晶質の炭素膜中に鉄を含有し、少なくとも摺
動時に炭素膜中の鉄の一部が摩擦面に露出している構成
としたことを特徴としており、低フリクション炭素薄膜
におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決す
るための手段としている。

【００１３】本発明による低フリクション炭素薄膜の実
施態様として請求項２に係わる炭素薄膜においては、Ｐ
ＶＤ法、またはＰＶＤ法とＣＶＤ法とを併用して成膜さ
れている構成とし、同じく実施態様として請求項３に係
わる低フリクション炭素薄膜においては、さらにＭｏ，
Ｗ，ＣｒおよびＶのうちの１種または２種以上を含有し
ている構成としたことを特徴としている。さらに実施態
様として請求項４に係わる低フリクション炭素薄膜は、
炭素を主成分とする第１の層と、鉄を主成分とする第２
の層との交互積層構造を備えている構成とし、請求項５
に係わる低フリクション炭素薄膜においては、上記交互
積層構造における第１および第２の層の積層厚さが１ｎ
ｍ〜５０ｎｍの範囲にある構成としており、請求項６に
係わる低フリクション炭素薄膜においては、第１の層と
第２の層の界面に、ＳｉまたはＴｉを主成分とする介在
層を備えている構成とし、請求項７に係わる低フリクシ
ョン炭素薄膜においては、第１および第２の層を構成す
る炭素および鉄の濃度が連続的に変化する傾斜構造を備
えている構成とし、請求項８に係わる低フリクション炭
素薄膜においては、第１および第２の層の少なくとも一
方に、Ｍｏ，Ｗ，ＣｒおよびＶのうちの１種または２種
以上を含有している構成としたことを特徴としている。

【００１４】さらに、本発明による低フリクション炭素
薄膜の実施態様として請求項９に係わる炭素薄膜は、モ
リブデン系極圧添加剤を含む潤滑油を使用する環境で用
いる摺動部品の表面に成膜することができ、具体的に
は、請求項１０ないし請求項１２に記載しているよう
に、内燃機関のバルブリフターの冠面、内燃機関のカム
シャフトとバルブリフターの間に挿入されるシムの表
面、あるいは同じく内燃機関のピストンリングにおける
シリンダブロックのボアとの摺動面に成膜して使用する
ことができる。

【００１５】

【発明の作用】本発明に係わる低フリクション炭素薄膜
の潤滑下におけるフリクション低減のメカニズムとして
は次のように考えられる。

【００１６】すなわち、潤滑油中の摺動において、摩擦
部位では摺動部材が相互に直接接触するメタルコンタク
トの状況が発生するが、この接触部位において、炭素薄
膜による固体潤滑性に加え、炭素薄膜中の鉄が摩擦表面
に露出した部位においては、例えばモリブデン系極圧添
加剤と鉄との反応によって、反応被膜が生成し、この被
膜による固体潤滑性が得られる。一般に、ＭｏＳ₂ 単体
の摩擦係数は０．０１よりも小さいとされており、この
値は炭素薄膜について報告されている摩擦係数に比べて
も小さく、炭素薄膜単体の場合に比べてさらにフリクシ
ョンが低減することになる。

【００１７】ただし、添加剤による反応被膜は摺動時に
生成されるものであって、最初から存在する炭素薄膜と
は相違して、反応被膜の状態は摩擦部位における潤滑条
件，摺動条件，添加剤の劣化状態などに大きく影響され
ることになる。摩擦特性に影響すると考えられる反応被
膜の量的なものは生成と摩耗とのバランス上にある。す
なわち被膜の生成は化学反応によるため、化学反応に必
要な温度や圧力などがある一定のレベル以上となる荷重
や滑り速度などの負荷が必要となる。また、負荷が大き
すぎたり、潤滑油の供給量が極端に少ない場合など摩耗
速度が反応被膜の生成速度を上回る条件下では反応被膜
は安定して存在できず、反応被膜によるフリクション低
減は期待できない。

【００１８】このように、添加剤の反応被膜による作用
は、条件によっては必ずしも一律に有効ではないため、
フリクション低減作用を安定して得るためには、炭素膜
の共存が必要と考えられる。炭素膜の表面硬さは、ビッ
カース硬さで優に１０００を超えるものが多く、低フリ
クション特性と相俟って優れた耐摩耗性を示す。このこ
とは、炭素薄膜中に含まれる鉄の摩耗を間接的に抑制す
ることにもつながり、鉄を含む炭素薄膜の低フリクショ
ン特性を維持するのにも寄与する。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明に係わる低フリクション炭
素薄膜は、非晶質炭素膜中に鉄を含み、この鉄の一部が
少なくとも摺動時に摩擦面に露出している構造のもので
あって、炭素膜の固体潤滑性に基づく低フリクション特
性と、潤滑油中に含まれる極圧添加剤と炭素膜中に含ま
れる鉄との反応生成物による低フリクション特性とが両
立し、潤滑下での大幅なフリクション低減が達成される
ものであるが、このような炭素薄膜は、例えば請求項２
に記載しているように、ＰＶＤ法（物理蒸着法）、また
はＰＶＤ法とＣＶＤ法（化学蒸着法）とを併用すること
によって成膜することができる。

【００２０】すなわち、非晶質構造の炭素薄膜自体の成
膜は、ＣＶＤ，ＰＶＤいずれの方法でも可能であり、Ｐ
ＶＤ法を適用した場合には、ターゲットにグラファイト
を用いることが多いため炭素膜は炭素のみから構成され
る。ＣＶＤ法による場合は、プラズマＣＶＤによる成膜
が主流であり、原料として炭化水素系ガスを用いること
が多く、炭素膜内に水素が含まれることになる。いずれ
の炭素薄膜も固体潤滑性を示すと共に、高い硬度が得ら
れ、本発明に係わる低フリクション炭素薄膜に好適なも
のとなる。また、鉄を炭素膜中に含ませる方法として
は、鉄のターゲットを用いたＰＶＤ法による成膜方法を
採用することができる。

【００２１】例えば、鉄と炭素のターゲットを両端に配
置し、これらの中間位置に回転するテーブルを置くと共
に、テーブルの端に基材を載置して成膜を開始すると、
テーブルの回転周期に応じて鉄と炭素の膜が交互に積層
され、請求項４に記載しているような積層構造、すなわ
ち図１（ａ）に模式的に示すように、例えば鋼製の基材
２の上に、中間層３を介して、炭素を主成分とする第１
の層４と、鉄を主成分とする第２の層５が交互に積層さ
れた低フリクション炭素薄膜１が得られる。

【００２２】ところが、第１の層（炭素）４と第２の層
（鉄）５の積層面は、完全な平面とはならず、多少のう
ねりを伴う波形に形成されることから、摺動開始後間も
なく最表層が部分的に摩耗することによって第１および
第２の両層が摩擦面に露出するため、炭素膜の固体潤滑
性に基づく低フリクション特性と、潤滑油中の添加剤と
鉄との反応被膜による低フリクション特性とが両立する
ことになる。このとき、摩擦面における炭素と鉄の露出
面積比は、第１の層４と第２の層５の積層厚さの比にほ
ぼ一致する。

【００２３】なお、このような積層構造を上記のような
ターゲットと回転テーブルを用いたＰＶＤ法によって形
成する場合、炭素あるいは鉄の成膜時には、他方のター
ゲットからも鉄あるいは炭素が若干飛び込むことから、
各層は完全に純粋な成分とはならず、第１の層４中には
鉄が、第２の層５中には炭素がそれぞれある程度含有さ
れることになる。すなわち、本発明に係わる低フリクシ
ョン炭素薄膜においては、層構造の強化のために添加さ
れるＳｉやＴｉ、Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｖなどを別にすれ
ば、実質的に炭素と鉄のみから構成されており、第１お
よび第２の層中における炭素あるいは鉄含有量が増減し
たとしても、その層内における他方の成分が相対的に増
減するだけであって、性能的にはほとんど影響しない。

【００２４】このような積層構造における第１の層４と
第２の層５の積層厚さとしては、請求項５に記載してい
るように、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲とすることが望まし
い。これは、積層厚さが１ｎｍに満たない場合には明確
な積層構造が得られず、とくに相手層が５０ｎｍを超え
たときには、摩擦面における露出面積の割合が小さくな
りすぎて、摩擦／摩耗特性に対する相手層の影響が支配
的なものとなって、炭素膜による低フリクション特性と
反応被膜による低フリクション特性の両立が難しくなる
ことによる。また、逆に積層厚さが５０ｎｍを超えた場
合には、最表面層が摩耗して摩擦面に炭素と鉄の両者が
露出するまでに時間を要することによる。

【００２５】さらに、上記のようなターゲットと回転テ
ーブルを用いたＰＶＤ法によって炭素薄膜を形成するに
際して、テーブルの回転周期が比較的短い場合には、明
確な積層構造とはならず、炭素膜中に鉄が分散した構造
となる。また、スパッタリング時の強度を高めると、鉄
がイオンや原子の状態だけでなく、クラスター状のまま
で飛散するようになることから、図１（ｂ）に模式的に
示すように、炭素膜６中に鉄７が粒状に分散することに
なり、いずれにしても摺動中に鉄の一部が摩擦面に露出
し、潤滑油中の添加剤との反応被膜が生成されることに
よって、炭素膜の固体潤滑性に基づく低フリクション特
性と、反応被膜による潤滑下での低フリクション特性と
を両立させることができる。

【００２６】上記のような交互積層構造を備えた炭素薄
膜においては、各層間の密着力を向上させる観点から、
請求項６に記載しているように、炭化物を形成しやす
く、しかも鉄との結合力の強いＳｉあるいはＴｉを主成
分とする介在層を第１の層と第２の層の間に形成するこ
とが望ましい。なお、このようなＳｉあるいはＴｉから
なる介在層についても、上記のようなスパッタリングで
成膜するが、層の厚さをとくに薄くする場合が多いの
で、当該介在層中にも鉄あるいは炭素が混入することに
なるが、当該炭素薄膜を構成する鉄や炭素が介在層中に
混入しても特に支障はない。

【００２７】また、同様に、各層間の不連続面をなく
し、層間密着力を高めて膜全体の強度を向上させる観点
から、請求項７に記載しているように、第１および第２
の層を構成する炭素および鉄の濃度が連続的に変化する
傾斜濃度分布を持たせるようにすることもできる。これ
には、例えば、円周上に薄膜の積層成分となる数種のタ
ーゲットを並べて配置すると共に、中央に基材を載置し
た回転テーブルを置き、回転テーブルの回転数と成膜速
度の調整により、積層周期および薄膜成分の傾斜状態を
任意に設定することができる。

【００２８】さらに、請求項３あるいは請求項８に記載
しているように、炭素薄膜中、あるいは炭素を主成分と
する第１の層および鉄を主成分とする第２の層の一方も
しくは両方の層中に、Ｍｏ，Ｗ，ＣｒおよびＶのうちの
１種または２種以上を添加することができ、これによっ
て薄膜自体の強度や薄膜の耐熱性を改善することができ
る。

【００２９】本発明に係わる低フリクション炭素薄膜
は、極めて顕著なフリクション低減効果が得られること
から、請求項９に記載しているように、モリブデン系極
圧添加剤を含む潤滑油を使用する潤滑環境下で用いる摺
動部品の表面に適用することが望ましい。このようなモ
リブデン系極圧添加剤としては、例えばモリブデンジチ
オカルバメート（ＭｏＤＴＣ）が挙げられる。当該添加
剤は、摺動時に摩擦面上において、摩擦面上に露出した
鉄との化学反応によって、固体潤滑材として機能するＭ
ｏＳ２を含む被膜を生成し、著しいフリクション
低減効果が得られる。

【００３０】このような潤滑環境下で用いる摺動部品の
具体例としては、請求項１０に記載しているような内燃
機関のバルブリフター、請求項１１に記載しているよう
にな内燃機関のカムシャフトとバルブリフターの間に挿
入されるシム、さらには請求項１２に記載しているよう
な内燃機関のピストンリングなどを挙げることができ、
これら摺動部品の摩擦面に成膜することにより、優れた
摩擦／摩耗特性が発揮されることになる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の請求項１に係わる低フリクショ
ン炭素薄膜は、非晶質炭素膜中に鉄を含み、この鉄の一
部が少なくとも摺動時に摩擦面に露出している構造のも
のであるから、炭素膜の固体潤滑性による低フリクショ
ン特性と、潤滑油中に含まれる極圧添加剤と基材中の鉄
との反応生成物による低フリクション特性とを兼ね備え
たものとすることができ、無潤滑下および潤滑下での摩
擦／摩耗特性を大幅に改善することができるという極め
て優れた効果をもたらすものである。

【００３２】本発明による低フリクション炭素薄膜の実
施態様として請求項２に係わる炭素薄膜においては、Ｐ
ＶＤ法、またはＰＶＤ法とＣＶＤ法とを併用することに
よって成膜されているので、このような薄膜の厚さや成
分を自由にコントロールしながら高能率に成膜すること
ができ、請求項３に係わる低フリクション炭素薄膜にお
いては、当該炭素薄膜中に、Ｍｏ，Ｗ，ＣｒおよびＶの
うちの１種または２種以上を含有しているので、その強
度や耐熱性を改善することができる。

【００３３】また、同じく実施態様として請求項４に係
わる低フリクション炭素薄膜は、炭素を主成分とする第
１の層と鉄を主成分とする第２の層からなる交互積層構
造を備えているので、摺動開始直後に最上層が部分的に
摩耗することによって第１および第２の層中の炭素およ
び鉄を確実に摩擦面に露出させることができ、鉄がある
程度まとまった状態に成膜されるので、潤滑油中の添加
剤との反応被膜を確実に得ることができ、さらに各層の
積層厚さの調整によって摩擦面における鉄の露出面積を
容易にコントロールすることができる。さらに、請求項
５に係わる低フリクション炭素薄膜においては、交互積
層構造における第１および第２の層の積層厚さが１ｎｍ
〜５０ｎｍの範囲にあるので、明確な積層構造が得られ
ると共に、摺動開始後速やかに炭素および鉄を摩擦面に
露出させることができ、最低限の露出面積を確保して、
炭素膜の固体潤滑性による低フリクション特性と、潤滑
油中に含まれる極圧添加剤と鉄との反応生成物による低
フリクション特性とを両立させることができるという効
果がもたらされる。

【００３４】また、実施態様として請求項６に係わる低
フリクション炭素薄膜においては、第１の層と第２の層
の界面に、ＳｉまたはＴｉを主成分とする介在層を備え
ているので、両層間の密着力が向上し、膜全体の強度を
向上させることができ、請求項７に係わる低フリクショ
ン炭素薄膜においては、第１および第２の層を構成する
炭素および鉄の濃度が連続的に変化する傾斜濃度分布を
備えているので、両層間の不連続性が緩和され、同様に
膜全体の強度を向上させることができ、請求項８に係わ
る低フリクション炭素薄膜においては、第１および第２
の層の少なくとも一方に、Ｍｏ，Ｗ，ＣｒおよびＶのう
ちの１種以上を含有しているので、各層の強度や耐熱性
を改善することができる。

【００３５】さらに、本発明による低フリクション炭素
薄膜の実施態様として請求項９に係わる炭素薄膜は、モ
リブデン系極圧添加剤を含む潤滑油を使用する環境で用
いる摺動部品、例えば請求項１０ないし請求項１２に記
載しているように、内燃機関のバルブリフター、内燃機
関のカムシャフトとバルブリフターの間に挿入されるシ
ム、あるいは同じく内燃機関のピストンリングの表面に
成膜して使用されるものであるから、炭素膜の固体潤滑
性による無潤滑下におけるフリクション低減効果と、Ｍ
ｏＳ₂を含む鉄との反応被膜による潤滑油中におけるフ
リクション低減効果とを最大限に活用することができと
いう優れた効果がもたらされる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。

【００３７】［ピン／ディスク型摩擦試験］実施例１〜実施例４あらかじめ浸炭処理処理を施したクロムモリブデン鋼Ｓ
ＣＭ４１５（ＪＩＳＧ４１０５）からなる基材２の表
面に、ＣＶＤ法とＰＶＤ法を併用することにより、ダイ
ヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなる炭素膜層
（炭素を主成分とする第１の層）４と、鉄を主成分とす
る第２の層５とを層間隔がそれぞれ２０ｎｍ，５ｎｍ，
３０ｎｍおよび１２ｎｍとなるように交互に積層し、図
１（ａ）に示すように、基材２の表面に低フリクション
炭素薄膜１を備えたディスク材を得た。なお、基材２の
表面には表面粗さＲａ０．０１〜０．０３μｍ程度に仕
上げ加工を施してあり、形成された炭素薄膜１の表面粗
さは、下地である基材２の表面粗さにほぼ一致し、成膜
前の粗さとほとんど変わらない値となった。

【００３８】このとき、積層に際して、実施例１および
実施例３に係わる炭素薄膜１においては、第１および第
２の層４，５の間に、それぞれＳｉおよびＴｉを主成分
とする介在層を形成した。また、実施例４に係わる炭素
薄膜１においては、第１および第２の層４および５中へ
の鉄および炭素の拡散度合いを高め、これらの濃度分布
を連続的に変化させた傾斜構造のものとした。それぞれ
の膜圧は識別不可能であり、層間隔を（）内に記載し
た。

【００３９】そして、このようにして得られたディスク
材を鋼炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２（ＪＩＳＧ４８０
５）からなるピン型試験片３本と組み合わせ、表１に示
す試験条件のもとにピン／ディスク型摩擦試験を行い、
無潤滑環境と、モリブデン系極圧添加剤を含む潤滑油に
よる潤滑環境とでそれぞれ摩擦係数を測定して、各低フ
リクション炭素薄膜１の摩擦特性についてそれぞれ調査
した。これらの結果を表２に示す。

【００４０】実施例５〜実施例８実施例１と同じ基材２の表面に、アモルファスカーボン
（ａ−Ｃ）からなる炭素膜（第１の層）４と鉄を主成分
とする第２の層５とをＰＶＤ法によって交互に積層する
ことにより、それぞれ１５ｎｍ，５ｎｍ，５ｎｍおよび
０．５ｎｍの層間隔を備えた低フリクション炭素薄膜１
を形成し、図１（ａ）に示すようなディスク材を得た。
このとき、実施例５に係わる炭素薄膜１においては、炭
素を主成分とする第１の層４中にＭｏおよびＷを添加
し、実施例６に係わる炭素薄膜１においては、同じく第
１の層４中にＣｒおよびＶを添加した。また、実施例７
に係わる炭素薄膜１においては、実施例４と同様に、第
１および第２の層４および５中の鉄および炭素の濃度を
連続的に変化させた傾斜構造のものとした。なお、実施
例８に係わる炭素薄膜１については、層間隔が０．５ｎ
ｍと小さいため、明確な交互積層構造とはならなかっ
た。

【００４１】そして、このようにして得られたディスク
材を用いて、同様のピン／ディスク型摩擦試験を実施
し、各低フリクション炭素薄膜１の摩擦特性についてそ
れぞれ調査した。これらの結果を表２に併せて示す。

【００４２】比較例１実施例１と同じ基材２の表面に、炭素膜としてダイヤモ
ンドライクカーボン（ＤＬＣ）のみをＣＶＤ法により成
膜してディスク材とし、同様のピン／ディスク型摩擦試
験を行い、その摩擦特性について調査した。この結果を
表２に併せて示す。

【００４３】比較例２実施例１と同じ基材２の表面に、ＣＶＤ法とＰＶＤ法と
の併用により、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）
からなる炭素膜層と、鉄を主成分とする層とを交互に積
層し、最表面層に鉄を主成分とする厚さ１００ｎｍの層
を備えたディスク材を得た。そして、このようにして得
られたディスク材を用いて、同様のピン／ディスク型摩
擦試験を実施し、その摩擦特性について調査した結果を
表２に併せて示す。

【００４４】比較例３実施例１と同じ基材２の表面に、ＰＶＤ法によってアモ
ルファスカーボン（ａ−Ｃ）からなる炭素膜層と鉄を主
成分とする層とを交互に積層し、最表面層に厚さ８０ｎ
ｍの炭素膜層を備えたディスク材を得た。そして、この
ようにして得られたディスク材を用いて、同様のピン／
ディスク型摩擦試験を実施し、その摩擦特性について調
査した。なお、この実施例ではモリブデン系極圧添加剤
を含まない潤滑油を用いた。この結果を表２に併せて示
す。

【００４５】比較例４実施例１と同じ基材２の表面に、ＣＶＤ法によりダイヤ
モンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなる炭素膜層を形
成したのち、さらにその上に鉄による溶射を施し、厚さ
５μｍの鉄を主成分とする溶射膜を形成してディスク材
とした。そして、このようにして得られたディスク材を
用いて、同様のピン／ディスク型摩擦試験を実施し、そ
の摩擦特性について調査した結果を表２に併せて示す。

【００４６】

【表１】

【００４７】

【表２】

【００４８】表２に示した結果から明らかなように、非
晶質の炭素膜中に鉄が分散状態で、あるいは比較的小さ
い層間隔を有する炭素膜との交互積層状態で含有されて
いる炭素薄膜１を用いた実施例１ないし実施例８の場合
には、ディスクの最表面が炭素を主成分とする層４、あ
るいは鉄を主成分とする層５によって覆われていたとし
ても、摩擦試験の開始後間もなく最表面層の摩耗によっ
てその下の層が摩擦面に露出することから、炭素膜の固
体潤滑性による摩擦低減効果と、潤滑油中の添加剤と鉄
と反応被膜による摩擦低減効果とが最大限に発揮され、
潤滑下、無潤滑下のいずれにおいても低い摩擦係数を示
した。

【００４９】これに対し、基材の上に炭素膜のみが形成
され、鉄を含有しない比較例１の場合には、炭素膜の固
体潤滑性によって無潤滑下においては上記実施例と同等
の性能を示すものの、潤滑下においては摩擦係数を低下
させることはできず、最表面に１００ｎｍという厚さの
鉄の層を備えた比較例２においては、下層の炭素膜層が
摩擦面に露出しないことから、潤滑下においては上記実
施例と同等の摩擦係数を示したものの、無潤滑下におい
ては極めて高い摩擦係数を示した。また、逆に最表面に
８０ｎｍという厚さの炭素膜層を備えた比較例３におい
ては、下層の鉄が摩擦面に露出しないために無潤滑下に
おいては上記実施例と同等の低い摩擦係数を示す反面、
潤滑下における摩擦係数を低下させることができないこ
とが確認された。さらに、炭素膜の上に溶射によって５
μｍという厚い鉄の溶射膜を形成した比較例４において
は、下地の炭素膜が摩擦面に露出しなかったため、無潤
滑下の摩擦係数が高いことが判明した。

【００５０】［カム／フォロワ単体試験］市販エンジン
のカムシャフトとバルブリフターを使用し、その間に本
発明に係わる低フリクション炭素薄膜を備えたシムを挿
入し、モリブデン系極圧添加剤を含む潤滑油を用いて、
弁ばねのばね乗数や試験時の面圧などを実際のエンジン
の運転時と同じに設定し、表２に示す試験条件のもと
に、試験開始後３時間経過した時点におけるカム軸平均
フリクショントルクを測定し、２種の比較例シムの場合
と比較した。

【００５１】なお、カムシャフトはチル鋳鉄からなるも
のであって、カムロブ部の表面粗さは、Ｒａ０．０５〜
０．１μｍ程度であった。また、シムについては、市販
品の表面にラップ加工を施してＲａ０．０３μｍ前後の
表面粗さとしたのち、その表面に、実施例１と同様にＣ
ＶＤ法とＰＶＤ法を併用してダイヤモンドライクカーボ
ン（ＤＬＣ）と鉄を主成分とする層とを層間隔が２０ｎ
ｍとなるように交互積層したものを発明例シムとし、ラ
ップ加工を施した市販シムの表面に、比較例１と同様に
ＣＶＤ法によってダイヤモンドライクカーボン（ＤＬ
Ｃ）のみを成膜したものと、市販シムの表面にラップ加
工のみを施したものを比較に用いた。これらの結果を図
２に示す。

【００５２】

【表３】

【００５３】図２から明らかなように、ラップ加工のみ
を施した比較例シム２を用いた組合わせにおいては、試
験開始後３時間経過した時点のトルクが２．４ｋｇｆ・
ｃｍであるのに対し、炭素膜のみを形成した比較例シム
１の場合には、２．３ｋｇｆ・ｃｍであって、これらの
間に大きな差は認められなかった。これに対し、実施例
１と同様の交互積層構造を備えた発明例シムの場合には
フリクショントルクが１．４ｋｇｆ・ｃｍまで減少し、
本発明に係わる低フリクション炭素薄膜の効果が確認さ
れた。

【００５４】［ピストン／ボア往復運動単体摩擦試験］
市販エンジン用のピストンリング（ＳＷＯＳＣ−Ｖばね
鋼製）と、市販エンジンのライナーから切り出され、表
面にクロスハッチ加工を施したボア材（ＦＣＴ片状黒鉛
鋳鉄製）を使用し、ピストンリングの側に実施例１と同
様の交互積層構造（層間隔２０ｎｍ）を有する炭素薄膜
を形成し、モリブデン系極圧添加剤を含む潤滑油を用い
て、表４に示す試験条件のもとに、試験開始後３時間経
過した時点における摩擦係数を測定し、比較例１と同様
に炭素膜のみを形成したピストンリング、および通常用
いられるＣｒめっきのみを施したピストンリングの場合
と比較した。これらの結果を図３に示す。

【００５５】

【表４】

【００５６】図３から判るように、Ｃｒめっきのみを施
した比較例ピストンリング２との組合わせにおいては、
潤滑油の油膜厚さが最小となる折り返し点近傍位置で摩
擦係数が最大値をとり、全体では０．１０〜０．２５の
範囲で変動し、炭素膜のみを形成した比較例ピストンリ
ング１を用いた場合には、折り返し点近傍において摩擦
係数がわずかに低下する傾向が認められるが、他の部位
ではほとんど摩擦係数に変化は見られず、全体では０．
１０〜０．２０の範囲で変動した。これに対し実施例１
と同様の交互積層構造を備えた発明例ピストンリングシ
ムの場合には、折り返し点近傍で摩擦係数の顕著な低減
傾向が認められると共に、この他の部位においても一律
に摩擦係数の低減効果を得ることができ、添加剤による
反応被膜の効果が炭素薄膜による効果に比べて、比較的
潤滑条件の良い状況においても効果的に作用することが
確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明に係わる低フリクション炭素薄
膜における鉄と炭素膜との交互積層構造例を模式的に示
す断面図である。（ｂ）本発明に係わる低フリクション炭素薄膜におい
て、炭素膜中に鉄が粒状に分散した構造例を模式的に示
す断面図である。

【図２】本発明に係わる低フリクション炭素薄膜を備え
たシムを用いた場合のカム軸平均フリクショントルクを
炭素膜のみを備えたシムおよびラップ加工のみを施した
シムの場合と比較して示すグラフである。

【図３】本発明に係わる低フリクション炭素薄膜を備え
たピストンリングを用いた場合の摩擦係数を炭素膜のみ
を備えたピストンリングおよびＣｒめっきのみを施した
ピストンリングの場合と比較して示すグラフである。

【符号の説明】

１低フリクション炭素薄膜４（炭素を主成分とする）第１の層５（鉄を主成分とする）第２の層７鉄

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者保田芳輝神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者石原基固神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者眞木邦雄神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3J044 AA02 BB05 BB14 BB27 BB28 BB30 BB31 DA07 DA09 DA10 DA12 DA13 DA14 DA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非晶質の炭素膜中に鉄を含有し、少なく
とも摺動時に炭素膜中の鉄の一部が摩擦面に露出してい
ることを特徴とする低フリクション炭素薄膜。
【請求項２】ＰＶＤ法、またはＰＶＤ法とＣＶＤ法と
を併用して成膜されていることを特徴とする請求項１記
載の低フリクション炭素薄膜。
【請求項３】Ｍｏ，Ｗ，ＣｒおよびＶのうちの１種ま
たは２種以上を含有していることを特徴とする請求項１
または請求項２記載の低フリクション炭素薄膜。
【請求項４】炭素を主成分とする第１の層と、鉄を主
成分とする第２の層との交互積層構造を備えていること
を特徴とする請求項１または請求項２記載の低フリクシ
ョン炭素薄膜。
【請求項５】第１および第２の層の積層厚さが１ｎｍ
〜５０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項４記載
の低フリクション炭素薄膜。
【請求項６】第１の層と第２の層の界面に、Ｓｉまた
はＴｉを主成分とする介在層を備えていることを特徴と
する請求項４または請求項５記載の低フリクション炭素
薄膜。
【請求項７】第１および第２の層を構成する炭素およ
び鉄の濃度が連続的に変化する傾斜構造を備えているこ
とを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれかに記
載の低フリクション炭素薄膜。
【請求項８】第１および第２の層の少なくとも一方
に、Ｍｏ，Ｗ，ＣｒおよびＶのうちの１種または２種以
上を含有していることを特徴とする請求項４ないし請求
項６のいずれかに記載の低フリクション炭素薄膜。
【請求項９】モリブデン系極圧添加剤を含む潤滑油を
使用する環境で用いる摺動部品の表面に成膜されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに
記載の低フリクション炭素薄膜。
【請求項１０】内燃機関のバルブリフターの冠面に成
膜されていることを特徴とする請求項９記載の低フリク
ション炭素薄膜。
【請求項１１】内燃機関のカムシャフトとバルブリフ
ターの間に挿入されるシムの表面に成膜されていること
を特徴とする請求項９記載の低フリクション炭素薄膜。
【請求項１２】内燃機関のピストンリングにおけるシ
リンダブロックのボアとの摺動面に成膜されていること
を特徴とする請求項９記載の低フリクション炭素薄膜。