JP2006348858A - 組合せ摺動部材、及びこれを用いた内燃機関及び機械装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 組合せた部材の双方の摩耗を低減すると共に、組合せた部材全体の焼付き特性、摩擦特性など向上することができる組合せ摺動部材を提供する組合せ摺動部材を提供する。
【解決手段】 非晶質炭素材料からなる被膜を形成した第一摺動部材と、該第一摺動部材の被膜に摺動する面に、浸硫窒化処理を行った皮膜を形成した第二摺動部材と、を備えてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、摺動面に表面処理膜を形成した組合せ摺動部材に係り、特に、摺動面の摺動特性が向上する組合せ摺動部材に関する。

従来から、自動車において、エンジンなど機器には、摺動部材が用いられており、この摺動部材の摺動特性を向上させるために、様々な開発がされている。その中でも、その摺動面の耐摩耗性を向上させ、低摩擦特性を得るために、非晶質炭素材料（ＤＬＣ）からなる被膜を摺動部材の表面に形成することは良く知られた技術である。

例えば、ディーゼルエンジンにおいて、浸硫処理を行った表面に酸化鉄を形成したシリンダライナと、この表面に摺動する面に金属窒化物皮膜、クロムメッキ皮膜、炭素系皮膜（ダイヤモンドライクカーボン）などの皮膜を形成したピストンリングと、の組合せが開示されている（特許文献１参照）。

国際公開第０１／０３３０６５号パンフレット

ところで、近年、自動車のエンジンは、高出力及び高回転を得るべく、さらなる高性能化が求められている。例えば、燃料噴射部品のシリンダとピストンのような部材は、装置の軽量化に伴いその大きさが小型化する一方、このような高性能化を図るために摺動面に作用する面圧は、さらに高面圧化する傾向にある。そして、摺動時において、この高面圧化により部材の摺動面に油膜切れが発生し、その結果、双方の摺動面が著しく摩耗し、焼付けが生じる虞がある。

しかし、前述した如く、摺動部材の一方の表面に、炭素系皮膜を形成した場合には、クロムメッキ皮膜などの皮膜を形成するに比べ、この皮膜が硬質であるために耐摩耗性は向上すると考えられるが、このように一方の部材の耐摩耗性を向上させてしまうと、必然的に他方（相手材）の摩耗は促進してしまい、摺動部材全体としての摩擦係数の低減、耐焼付き性の向上などの諸性能を総合的に向上させることは困難になる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、上述した過酷な使用環境下においても組合せる摺動部材の双方の摩耗を低減すると共に、この組合せた摺動部材の焼付き特性、摩擦特性などの諸特性を向上することができる組合せ摺動部材を提供することにある。

本発明者らは、上記の課題を解決する過程として、高負荷が作用するような摺動面には、非晶質炭素材料（ダイヤモンドライクカーボン：ＤＬＣ）のような潤滑性のある硬質被膜を施すことが有効であり、さらに、このような硬質被膜を用いた場合においては、摺動部材の初期馴染みを向上させて初期摩耗粉を抑制することが重要であると考えた。そして、硬質被膜を用いた摺動材料の相手材の条件としては、（１）硬質被膜が極端に摩耗しないように、この被膜よりも低い表面硬さを有すること、（２）表面硬さを低くしても、硬質被膜により摺動面が摩耗しないように、馴染み性に優れた表面組成を有すること、の少なくとも２つの条件が必要であると考え、この考えに基づいて、多くの実験と研究を行うことにより、相手材の摺動面に浸硫窒化処理を行った皮膜を形成することが好適であるとの知見を得た。

本発明は、本発明者らが得た上記の新たな知見に基づくものであり、本発明の組合せ摺動部材は、非晶質炭素材料からなる被膜を形成した第一摺動部材と、該第一摺動部材の被膜に摺動する面に、浸硫窒化処理を行った皮膜を形成した第二摺動部材と、を備えたことを特徴としている。

本発明の如き組合せ摺動部材は、浸硫窒化処理を行った皮膜（浸硫窒化処理皮膜）が、非晶質炭素材料からなる被膜（ＤＬＣ被膜）に対して、初期馴染み性がよく、初期摩耗粉も発生し難いので、長時間摺動しても摺動面の摩耗が進行することなく、双方の組合せ摺動部材の耐摩耗性を向上させることができる。また、組合せ摺動部材全体としての焼付き特性及び摩擦特性も向上するので、長寿命化を図ることができる。

このＤＬＣ被膜を成膜する方法としては、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどを利用した物理的蒸着法（ＰＶＤ）により成膜してもよく、プラズマ処理などを利用した化学気相成長法（ＣＶＤ）により成膜してもよい。

また、バイアス電圧をかけてＰＶＤにより成膜をする場合には、バイアス電圧の大きさを所定電圧に設定することにより、被膜の表面硬さを調整することができる。また、この非晶質炭素材料中に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｗなどの添加元素を含有させてもよく、このような元素を添加することにより、被膜の表面硬さを調整することもできる。

さらに、このＤＬＣ被膜を摺動部材に形成するにあたっては、摺動部材の母材と被膜との間に、中間層として、Ｃｒからなる層を設けることにより、ＤＬＣ被膜の密着性を向上させることができる。Ｃｒの代わりに、ＴｉまたはＷを用いても同様に、密着性を向上させることができる。

一方、第二摺動部材の摺動面に形成される浸硫窒化処理皮膜の成膜方法としては、硫黄を含むアルカリ金属塩中に、この部材を浸漬させることにより成膜してもよく、窒素系ガスと硫黄系ガスを含有した成膜用のガスを用いて、プラズマＣＶＤにより、第二摺動部材の表面を成膜してもよい。

また、この浸硫窒化処理皮膜は、硫化物と窒化物とからなる多孔質の表面層と、窒化物からなる中間層と、を備えることが好ましく、このような皮膜は、ＤＬＣ被膜に対して馴染み性が良く、相互の摺動面の損傷を低減することができる。

さらに、この第二摺動部材の浸硫窒化処理を行う材料は、鋳鉄、鋼、又はそれらの合金材料であることが好ましく、このような金属材料の表面を浸硫窒化処理することにより得られた皮膜は、表面層として、軟質の硫化鉄層あるいは硫化鉄を含んだ多孔質の窒化鉄層と、この層と母材との中間層として、窒化鉄層と、が形成されることになる。そして、この浸硫窒化処理皮膜は、窒化鉄を含むことによりＤＬＣ被膜に対して程良い表面硬さを確保しつつ、硫化鉄を含むことによりＤＬＣ被膜に対して摺動面の凝着、焼付きを防止することができ、ＤＬＣ被膜に対して初期馴染み性も良いので、組合せ摺動部材としての摺動性は向上する。

さらに、第一摺動部材の被膜の表面硬さは、Ｈｖ１０００以上であり、第二摺動部材の皮膜の表面硬さは、Ｈｖ５００〜１３００であることが好ましい。第一摺動部材と第二摺動部材の表面硬さの関係がこのような範囲を満足することにより、第一摺動部材又は第二摺動部材の一方の摩耗が極端に促進することがない。すなわち、第一摺動部材の表面硬さがＨｖ１０００以下、又は、第二摺動部材の表面硬さがＨｖ５００以下である場合には、この表面硬さを満たさない摺動部材の摩耗が促進し、結果として、双方の摺動部材が摩耗することになる。

また、第一摺動部材の被膜の表面粗さが、中心線平均粗さＲａ０．５μｍ以下であることが好ましく、このような粗さを確保することにより、第二摺動部材の摩耗を抑制することができる。そして、このような表面粗さを得るためには、被膜前のこれら摺動部材の母材の表面粗さを、前記表面粗さの範囲に調整することにより達成することができる。

さらに、第一摺動部材の膜厚は、０．１μｍ以上であり、第二摺動部材の膜厚は、１μｍ以上であることが好ましく、この膜厚よりも小さい場合には、摺動時にこれらの膜は、すぐに摩滅してしまい、所望の効果を得ることができない。

そして、このような摺動部材を、内燃機関を構成するピストンリングとシリンダブロックに用いる場合には、当該内燃機関のピストンリングの摺動面に前記組合せ摺動部材の第一摺動部材を用い、シリンダブロックの摺動面には前記組合せ摺動部材の第二摺動部材を用いることが好ましい。

さらに、この機械装置を構成するピストンとシリンダに、このような摺動部材を用いる場合には、当該機械装置のピストンの摺動面に前記組合せ摺動部材の第一摺動部材を用い、シリンダの摺動面に前記組合せ摺動部材の第二摺動部材を用いることが好ましい。

内燃機関のピストンリングとシリンダブロック、または、機械装置のピストンとシリンダに、この様な組合せ摺動部材を適用することにより、双方の部品の摩耗を低減し摺動特性を向上することができる。すなわち、第一摺動部材の摺動面は、第二摺動部材の摺動面に比べて、表面硬さが高く摩耗し難くいので、第一摺動部材を、摺動面が常に相手材の摺動面と接触するピストンリング及びピストンに用いたので、双方の部材の摩耗を抑えることができ、これらの機器の長寿命化を図ることができる。

本発明によれば、組合せた摺動部材の双方の摩耗を低減すると共に、組合せ摺動部材としての焼付き特性、摩擦特性など向上することができ、組合せ摺動部材全体としての寿命を長寿命化することができる。

以下に、本発明を実施例により説明する。

（実施例１）
以下のように第一摺動部材と第二摺動部材とからなる組合せ摺動部材を製作した。第一摺動部材として、まずステンレス鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ４４０Ｃ、焼入れ品、表面硬さＨｖ５００）の棒材から、１６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍのサイコロ部材（母材）を製作した。このサイコロ部材の表面粗さが中心線平均粗さＲａ０．１μｍとなるように、表面粗さを調整し、アンバランスドマグネトロンスパッタリング装置（神戸製鋼所社製）を用いて、この表面に、非晶質炭素材料（ＤＬＣ）からなる被膜を被覆した。この被膜の成膜条件としては、アルゴン（Ａｒ）にメタン（ＣＨ_４）を体積率で５％混合したガスをフローガスとして用い、雰囲気温度を１００℃にしてサイコロ部材にバイアス電圧１００Ｖを印加し、グラファイトターゲットをスパッタ粒子にすることにより、表１に示す如く表面硬さ：２０００Ｈｖ、表面粗さＲａ（中心線平均粗さ）０．１２μｍ、膜厚１．５μｍとなるＤＬＣ被膜を形成した、サイコロ試験片を得た。

一方、第二摺動部材として、まず、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ４４０Ｃ）の棒材から、外形３５ｍｍ×内径３０ｍｍ×幅１０ｍｍの円筒部材（母材）を製作した。そして、この円筒部材の表面粗さが中心線平均粗さＲａ０．１μｍとなるように、表面粗さを調整し、硫黄が含有するアルカリ金属塩を５６５℃の温度に加熱保持した浴槽に、この円筒部材を浸漬することにより、この円筒部材の外周面に、表面硬さ７００Ｈｖ、表面粗さＲａ０．１６μｍ、膜厚１５μｍとなる浸硫窒化処理皮膜を形成した、円筒試験片を得た。

そして、この組合せ摺動部材に対して、摩擦摩耗試験を行った。具体的には、ＤＬＣ被膜が形成されたサイコロ試験片（第一摺動部材）の１６ｍｍ×６ｍｍの面と、浸硫窒化処理皮膜が形成された円筒試験片（第二摺動部材）の外周面とを接触させ、その接触した摺動面に潤滑油（ＳＡＥ５Ｗ−３０）を給油しながら、荷重３０ｋｇｆを負荷し、円筒試験片の円筒軸を中心として回転数１６００ｒｐｍの条件で回転させて、３０分間試験を行った。この試験中における組合せ摺動部材の摩擦係数を測定すると共に、この試験後のサイコロ試験片の摩耗痕深さ、円筒試験片の摩耗重量を測定し、これらの測定値をそれぞれの摩耗量とした。この試験結果を図１に示す。

（実施例２）
実施例１と同様に組合せ摺動部材を製作した。実施例１と異なる点は、バイアス電圧を調整することによりサイコロ試験片（第一摺動部材）のＤＬＣ被膜の表面硬さをＨｖ３０００にした点と、円筒試験片（第二摺動部材）の母材に高炭素クロム軸受鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＪ２）を用い、浸硫窒化処理皮膜の表面硬さを８００Ｈｖにした点である。そして、この組合せ摺動部材に対して、実施例１と同様に摩擦摩耗試験を行った。その結果を図１に示す。

（比較例１）
実施例１と同様に組合せ摺動部材を製作した。実施例１と異なる点は、成膜時間を調整することによりサイコロ試験片（第一摺動部材）のＤＬＣ被膜の膜厚を３μｍにした点と、円筒試験片（第二摺動部材）の母材表面に浸硫窒化処理の代わり、窒化処理（５７０℃×２ｈｒ）を行い、窒化処理皮膜の表面硬さをＨｖ８００、表面粗さＲａ０．１２μｍにした点である。そして、この組合せ摺動部材に対して、実施例１と同様に摩擦摩耗試験を行った。その結果を図１に示す。

（比較例２）
実施例１と同様に組合せ摺動部材を製作した。実施例１と異なる点は、成膜時間を調整することによりサイコロ試験片（第一摺動部材）のＤＬＣ被膜の膜厚を３μｍにした点と、円筒試験片（第二摺動部材）の母材表面に浸硫窒化処理を行う代わり、その表面に通常の焼き入れを行い、この円筒試験片を、表面硬さＨｖ７００、表面粗さＲａ０．１２ｍとなるようにした点である。そして、上述した摩擦摩耗試験を行った。その結果を図１に示す。

（比較例３）
実施例１と同様に組合せ摺動部材を製作した。実施例１と異なる点としては、サイコロ試験片（第一摺動部材）の母材表面にＤＬＣ被膜を形成せずに、表面の焼き入れを行い、表面硬さＨｖ７００、表面粗さＲａ０．２ｍとなるようにした点である。そして、上述した摩擦摩耗試験を行った。その結果を図１に示す。

（結果）
図１に示すように、実施例１及び実施例２のサイコロ試験片及び円筒試験片の摩耗量は同程度であり、摩擦係数も同程度であった。また、比較例１〜比較例３のサイコロ試験片、及び円筒試験片は、実施例１、２に比べて、その摩耗量は多く、摩擦係数も高かった。

（評価１）
実施例１及び実施例２の結果より、母材にステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）又は鋼クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を用いた場合であっても、同程度の摩擦係数（μ）、摩耗量が得られることから、浸硫窒化処理を行う母材が、鉄系の金属を主材とする材料、すなわち、鋳鉄、鋼、又はこれらの金属の合金材料であるならば、実施例１又は２と同様の効果が得られると考えられる。また、ＤＬＣ被膜の表面硬さがＨｖ２０００（実施例１）であっても、Ｈｖ３０００（実施例２）であっても、同程度の摩擦係数、摩耗量となることから、ＤＬＣ被膜の表面は、ある程度の高い表面硬さを確保すれば良いと考えられる。

（評価２）
実施例１及び比較例１、２の組合せ摺動部材は、円筒試験片の表面処理が相違しており、この相違点と、上記結果から、ＤＬＣ被膜に摺動する面（円筒試験片の外周面）に、浸硫窒化処理を施すことにより、他に比べ、良好な摩耗特性、摩擦特性が得られると考えられる。すなわち、この処理において得られた浸硫窒化処理皮膜は、表面層として、軟質の硫化鉄層あるいは硫化鉄を含んだ多孔質の窒化鉄層と、この層と母材との中間層として、窒化鉄層と、が形成され、このような組成及び構造の層は、特にＤＬＣ被膜に対して初期馴染み性に優れていると考えられえる。

（評価３）
実施例１及び比較例３の組合せ摺動部材は、サイコロ試験片の表面処理のみが相違しており、この相違点と、上記結果から、浸硫窒化処理皮膜に摺動する相手材の表面には、ＤＬＣ被膜のような硬質被膜を施すことが好ましいと考えられる。

（評価４）
評価２、３より、浸硫窒化処理皮膜は、ＤＬＣ被膜に対して適度な表面硬さを有している（ＤＬＣ被膜よりも低い表面硬さである）ことからＤＬＣ被膜の初期摩耗は抑制され、この浸硫窒化処理皮膜は、ＤＬＣ被膜に対して馴染み性が良いことから、双方の摺動面の初期損傷を低減することができ、実施例１、２の如き組合せ摺動部材は、他に比べ、特に摩耗特性、摩擦特性に優れた結果になったと考えられる。

実施例の組合せ摺動部材と比較例の組合せ摺動部材の摩耗試験結果を示した図。

Claims (8)

1. 非晶質炭素材料からなる被膜を形成した第一摺動部材と、
   該第一摺動部材の被膜に摺動する面に、浸硫窒化処理を行った皮膜を形成した第二摺動部材と、を備えたことを特徴とする組合せ摺動部材。
2. 前記浸硫窒化処理を行った皮膜は、硫化物と窒化物とからなる多孔質の表面層と、窒化物からなる中間層と、を備えていることを特徴する請求項１に記載の組合せ摺動部材。
3. 前記第二摺動部材の浸硫窒化処理を行う材料は、鋳鉄、鋼、又はそれらの合金材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の組合せ摺動部材。
4. 前記第一摺動部材の被膜の表面硬さは、Ｈｖ１０００以上であり、前記第二摺動部材の皮膜の表面硬さは、Ｈｖ５００〜１３００であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の組合せ摺動部材。
5. 前記第一摺動部材の被膜の表面粗さが、中心線平均粗さＲａ０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の組合せ摺動部材。
6. 前記第一摺動部材の膜厚は、０．１μｍ以上であり、前記第二摺動部材の膜厚は、１μｍ以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の組合せ摺動部材。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の組合せ摺動部材を用いた内燃機関であって、当該内燃機関を構成するピストンリングの摺動面には前記組合せ摺動部材の第一摺動部材が用いられ、シリンダブロックの摺動面には前記組合せ摺動部材の第二摺動部材が用いられていることを特徴とする内燃機関。
8. 請求項１から６のいずれか一項に記載の組合せ摺動部材を用いた機械装置であって、当該機械装置を構成するピストンの摺動面には前記組合せ摺動部材の第一摺動部材が用いられ、シリンダの摺動面には前記組合せ摺動部材の第二摺動部材が用いられていることを特徴とする機械装置。

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