JP2004051836A

JP2004051836A - ヨウ素含有炭素摺動皮膜

Info

Publication number: JP2004051836A
Application number: JP2002212757A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Sakamoto; 坂本　幸弘; Matsufumi Takatani; 高谷　松文; Hiroe Okawa; 大川　広衛; Yutaka Kawase; 川瀬　豊
Original assignee: Daido Metal Co Ltd; Chiba Institute of Technology
Current assignee: Daido Metal Co Ltd; Chiba Institute of Technology
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】炭素系の摺動皮膜でありながら、なじみ性、異物埋収性、耐荷重性に優れ、しかも非焼付性、低フリクション性にも優れたヨウ素含有炭素摺動皮膜を提供する。
【解決手段】基材４の表面に設けられる炭素系の摺動皮膜８は、ヨウ素を含ませた構成とする。摺動皮膜８は、例えばプラズマＣＶＤ法により作製する。ヨウ素を含んだ摺動皮膜８は、ＤＬＣ皮膜に比べて軟質となり、また、ヨウ素の潤滑特性により摩擦係数が低減する。これにより、摺動皮膜８は、炭素系の摺動皮膜でありながら、なじみ性、異物埋収性、耐荷重性に優れ、しかも非焼付性、低フリクション性にも優れたものとなる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材の表面に設けられるヨウ素含有炭素摺動皮膜に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
例えば自動車におけるエンジン用のすべり軸受においては、基材の表面に、鉛を主体とした摺動皮膜（オーバレイ）を設けるようにしている。この摺動皮膜には、なじみ性や異物埋収性に加えて、非焼付性、耐摩耗性、低フリクション性などの特性が必要である。近年エンジンの高性能化、高出力化などに伴い、軸受も耐荷重性や、非焼付性、耐摩耗性の向上が求められている。また、近年の環境負荷物質の使用規制から鉛の使用が制限されつつあり、固体潤滑剤として鉛を用いない摺動皮膜や摺動材料が産業界で求められている。
【０００３】
これらの課題を解決するために、最近では炭素系の摺動皮膜としてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）皮膜が提案されている。炭素系皮膜は、熱伝導性に優れ、かつ摺動相手材との反応性が高温までないため、非焼付性に優れている。しかしながら、一般的にＨＶ（ビッカース硬さ）２０００〜７０００を示すＤＬＣは硬質であり、ＤＬＣ皮膜は、耐荷重性、耐摩耗性、低フリクション性に比較的優れているが、なじみ性や異物埋収性の観点からは不適である。また、硬質のＤＬＣ皮膜を、多くの軸受材料に使用されている基地が比較的軟らかい銅合金やアルミ合金上に被覆した場合、荷重を受けた際に皮膜に割れや剥離が発生しやすく、耐荷重性の観点からも不適である。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、炭素系の摺動皮膜でありながら、なじみ性、異物埋収性、耐荷重性に優れ、しかも非焼付性、低フリクション性にも優れたヨウ素含有炭素摺動皮膜を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明者らは、炭素系の摺動皮膜において、ヨウ素を含ませたヨウ素含有炭素摺動皮膜を見出した（請求項１の発明）。
【０００６】
ヨウ素はハロゲン元素の一つであり、一般に殺菌剤、防かび剤等に多量に使用されており、鉛に比較して毒性はほとんどない。本発明のヨウ素含有炭素摺動皮膜は、ヨウ素を含むことでＤＬＣ皮膜に比べて軟質となり、なじみ性、異物埋収性、耐荷重性に優れたものとなる。また、ヨウ素は潤滑特性を向上させる作用があり、ヨウ素を含むことで、潤滑特性が向上し、摩擦係数を低減させることができる。これにより、非焼付性、低フリクション性にも優れたものとなる。
【０００７】
この場合、ヨウ素の含有率が０．２質量％以上であると、ヨウ素を添加したことによる効果（軟質化、摩擦係数の低減、非焼付性）が特に優れたものとなり、また、２０質量％以下であると、耐摩耗性が優れたものとなる。このため、ヨウ素の含有率は、０．２〜２０質量％の範囲が好ましい（請求項２の発明）。
【０００８】
また、水素も皮膜を軟質化させると共に、摩擦係数を低減させる効果があるため、皮膜中に水素を含ませても良い。水素の含有率は、０〜４０質量％の範囲が好ましい。水素の含有率が４０質量％を超えると、摩擦係数低減の効果がなくなり、また、脆弱になるため、耐摩耗性、耐荷重性が悪化する。
【０００９】
摺動皮膜の厚さが０．５μｍ以上であると、皮膜による摺動特性（低摩擦係数、耐摩耗性、非焼付性）の効果を長期に維持することができ、２０μｍ以下であると、特に耐摩耗性が優れる。このため、摺動皮膜の厚さは、０．５〜２０μｍの範囲が好ましい（請求項３の発明）。
【００１０】
皮膜硬さがＨＶ４０未満であると耐摩耗性が低下しやすく、ＨＶ１０００を超えると、なじみ性、異物埋収性及び非焼付性が低下する。このため、皮膜硬さはＨＶ４０〜１０００の範囲が好ましい（請求項４の発明）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
まず、本発明のヨウ素含有炭素摺動皮膜の作製方法について説明する。本発明の摺動皮膜は、図２に示すＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）タイプＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマ装置（周波数：１３．５６ＭＨｚ、出力：５００Ｗ）を用い、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（化学蒸着法）により基材上に作製した。
【００１２】
図２において、石英管からなるチャンバー１の外周部にＲＦコイル２が巻装され、このＲＦコイル２に交流電源３を接続している。試料となる基材４は、チャンバー１内に設置された試料台５上にセットし、反応ガスを、チャンバー１内に矢印Ａ方向に流すと共に、図示しない真空ポンプにより矢印Ｂ方向に排気し、圧力が６．７×１０^−３ＭＰａになるようにガス流量をコントロールした。
【００１３】
反応ガスとしては、本実施例では、予めヨウ素をエタノールに溶解し、これをガス化したものを用いた。また、比較例としての試料を作成する際には、ヨウ素を用いず、エタノールのみをガス化したものを反応ガスとして用いた。
【００１４】
反応ガスとしてエタノールのみを用いて作製した比較例の皮膜は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光測定装置）やラマンスペクトル分析を行った結果、アモルファスカーボン皮膜（ダイヤモンドライクカーボン皮膜）であると判断された。
【００１５】
一方、反応ガスとして、エタノールにヨウ素を添加したガスを用いて作製した本発明品の皮膜は、同様な解析を行った結果、アモルファスカーボン中に、ヨウ素が均一に含まれていることが確認された。また、皮膜断面のＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｍｉｃｒｏ　Ａｎａｌｙｚｅｒ）分析でも、ヨウ素が内部まで均一に含まれていることを確認した。
【００１６】
本発明の摺動皮膜の効果を評価するため、下記の表１に示すように、実施例１〜１１の試料と、比較例１の試料とを作成し、これらの摺動特性を評価した。試験片としては、図１に模式的な断面で示すように、鋼からなる裏金６と、この裏金６上に、りん青銅合金（Ｃｕ＋Ｓｎ５＋Ｐ０．０５：質量％）を約０．３ｍｍ焼結することにより形成した合金層７とからなる２層構造の基材４を用い、この基材４の表面（合金層７の表面）に、上記した方法により摺動皮膜８を作製するようにした。
【００１７】
【表１】

【００１８】
実施例１〜１１は、摺動皮膜の厚さｔ（μｍ）と、皮膜中に含まれるヨウ素の含有率Ｉ（質量％）を変えたものを示している。皮膜中に含まれるヨウ素の含有率は、エタノール中に溶解させたヨウ素の量で調整した。皮膜厚さは、プラズマ処理の処理時間を変えて作製した。ヨウ素の定量分析は、ＸＰＳでの標準試料からその強度比率で測定した。一方、比較例１は、反応ガスにエタノールのみを用いて皮膜を作製したものであり、皮膜中のヨウ素の含有率が０質量％、皮膜厚さが１０μｍのものである。
【００１９】
これら実施例１〜１１と比較例１の試料について、図３に示すスラスト型摩擦摩耗試験機により、乾式（Ｄｒｙ）及び湿式（Ｗｅｔ）の各条件で焼付試験及び摩耗試験を実施し、その結果を表１に示している。
【００２０】
【表２】

【００２１】
【表３】

【００２２】
表２には焼付試験の試験条件を示し、表３には摩耗試験の試験条件を示している。焼付試験では、図３に示すように、試験片（摺動材）９を、試験機における上部側の試験片取付軸１２の下面に取り付け、相手軸１３を回転させた状態で、上部より静荷重を付加して試験片９を相手軸１３に接触させ、面圧を１０分ごとに１ＭＰａずつ上げていき、焼き付いた時の面圧を焼付面圧として測定した。なお、図３中、符号１４は、オイル１６を収容するオイル容器である。
【００２３】
摩耗試験では、上記焼付試験と同様に、試験片９を、試験片取付軸１２の下面に取り付け、相手軸１３を回転させた状態で、上部より静荷重を付加して試験片９を相手軸１３に接触させ、まず、面圧１ＭＰａで１０分間なじみ運転し、この後、面圧５ＭＰａで４時間の試験を行い、その時の摩耗量を測定した。また、摩擦係数μは、上記なじみ運転終了後において、面圧５ＭＰａで、値が安定した時の値を測定値とした。
【００２４】
表１において、皮膜硬さ（Ｈａｒｄｎｅｓｓ）については、皮膜の断面からの硬さをマイクロビッカース硬度計（ＨＶ）で、測定荷重０．０１ｋｇにて測定した。皮膜厚さが０．５μｍ以下の極薄膜側（実施例５，６）の測定は、マイクロビッカース硬度計では測定できないため、他の方法、例えばスクラッチテストにて測定し、ＨＶに換算した。
【００２５】
表１について検討してみる。まず、ヨウ素を含有した摺動皮膜とした実施例１〜１１と、ヨウ素を含有しない摺動皮膜とした比較例１とを比較してみる。比較例１では、皮膜硬さがＨＶ２０００であるのに対し、実施例１〜１１は、ＨＶ８００以下であり、実施例１〜１１は、比較例１よりも軟質であることがわかる。また、Ｄｒｙ条件において、比較例１では、摩擦係数μが０．４５、焼付面圧が３ＭＰａであるのに対し、実施例１〜１１では、摩擦係数μが０．３１以下、焼付面圧が６ＭＰａ以上であり、実施例１〜１１は、比較例１に比べて摩擦係数μが低く、焼付面圧が高くなっていることがわかる。また、Ｗｅｔ条件において、比較例１では、摩擦係数μが０．１５、焼付面圧が１０ＭＰａであるのに対し、実施例１〜１１では、摩擦係数μが０．０９以下、焼付面圧が１５ＭＰａ以上であり、実施例１〜１１は、比較例１に比べて摩擦係数μが低く、焼付面圧が高くなっていることがわかる。
【００２６】
従って、実施例１〜１１は、比較例１に比べて、軟質であるため、なじみ性、異物埋収性に優れたものとなり、また、Ｄｒｙ及びＷｅｔとも摩擦係数μが低く、焼付面圧が高くなっているため、非焼付性、低フリクション性に優れたものとなっている。
【００２７】
また、本実施例のように、ヨウ素を含有した摺動皮膜８を、基地が比較的軟らかい合金層７の表面に被覆したものでは、荷重を受けた際にその摺動皮膜８が合金層７の変形に追従しやすくなるため、当該摺動皮膜８に割れや剥離が発生しにくくなり、耐荷重性にも優れたものとなる。
【００２８】
次に、実施例１〜１１において、ヨウ素の含有率の違いについて検討してみる。ヨウ素の含有率が０．２質量％以上、２０質量％以下である実施例３〜９では、皮膜硬さがＨＶ２００以下と軟らかく、かつＤｒｙ、Ｗｅｔとも摩擦係数μが低く、焼付面圧は高くなっており、ヨウ素を添加したことによる効果（軟質化、摩擦係数の低減、非焼付性）が顕著である。これらの結果をみると、皮膜におけるヨウ素の含有率としては、０．２〜２０質量％の範囲が好ましいと思われる。
【００２９】
また、ヨウ素含有率が１０質量％である実施例５〜８において、皮膜厚さｔの違いについて検討してみる。皮膜厚さｔが０．５μｍ以上、２０μｍ以下である実施例６〜８では、特にＤｒｙにおける摩耗量が少なくなっており、耐摩耗性が良い。このため、皮膜厚さとしては、０．５〜２０μｍの範囲が好ましいと思われる。なお、実施例５，６では、皮膜厚さｔがそれぞれ０．１μｍ、０．５μｍであるのに対して、摩耗量はＤｒｙ、Ｗｅｔともそれより大きい１０μｍ、７μｍ（Ｄｒｙ）、５μｍ、４μｍ（Ｗｅｔ）となっている。これは、摩耗量が皮膜厚さを超え、素地（基材）まで摩耗していることを示している。
【００３０】
実施例１〜１１において、皮膜硬さについて検討してみる。皮膜硬さがＨＶ４０以上である実施例１〜９では、Ｄｒｙ環境での摩耗量が少なくなっており、耐摩耗性が良くなる。また、ＨＶ１０００を超える皮膜硬さになると、なじみ性、異物埋収性及び非焼付性が低下すると予想される。このため、皮膜硬さは、ＨＶ４０〜１０００の範囲が好ましいと思われる。
【００３１】
本発明は、上記した実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
摺動皮膜は、上記した実施例ではプラズマＣＶＤ法により作製する方法を例示したが、これに限られず、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（物理蒸着）による反応性スパッタリング法や、イオン化蒸着法などで作製するようにしても良い。
摺動材の基材４は、例えば鉄板の１層構造でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験片（摺動材）の模式的な断面図
【図２】ＩＣＰタイプＲＦプラズマ装置の概略構成を示す図
【図３】スラスト型摩擦摩耗試験機の概略構成を示す断面図
【符号の説明】
図面中、４は基材、６は裏金、７は合金層、８は摺動皮膜、９は試験片である。

Claims

基材の表面に設けられる炭素系の摺動皮膜であって、ヨウ素を含ませたことを特徴とするヨウ素含有炭素摺動皮膜。
ヨウ素の含有率が０．２〜２０質量％であることを特徴とする請求項１記載のヨウ素含有炭素摺動皮膜。
厚さが０．５〜２０μｍであることを特徴とする請求項１または２記載のヨウ素含有炭素摺動皮膜。
硬さがビッカース硬度ＨＶ４０〜１０００であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヨウ素含有炭素摺動皮膜。