JP2007010051A - 高速摺動機構及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スティックスリップが生じにくく、摩擦係数を一層低減できる高速摺動機構及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】Ｒａ０．００５〜０．１μｍである金属部材表面に、水素を１０原子％以下含有するＤＬＣが被覆された高速摺動部材Ａと、Ｒａ０．２μｍ以下且つＲｓｋ０〜４μｍである高速摺動部材Ｂとが摺動して成る高速摺動機構である。高速摺動部材ＡのＤＬＣ表面の硬度が７０〜９０ＧＰａである。
高速摺動部材Ａに、水素含有量が１０原子％以下であるＤＬＣをイオンプレーティング法により被覆し、その後エアロラップ処理を行い高速摺動機構を製造する。
【選択図】なし

Description

本発明は、高速摺動機構及びその製造方法に係り、更に詳細には、内燃機関や駆動系伝達機関などにおける種々の摺動面の摩擦特性を向上させることができ、特に自動車の燃費性能を向上させ得る高速摺動機構及びその製造方法に関する。

環境問題への対応から、今後の自動車はモーター駆動車が増大していく見込みである。
モーター駆動車に用いられる減速機用歯車は数万ｒｐｍに及ぶモーターの回転をコンパクトなサイズで減速する必要があるため、摺動面の温度上昇に伴なう焼きつきや摩耗などの表面損傷が懸念される。

こうした表面損傷の防止策として、近年、ダイヤモンドライクカーボン（以下「ＤＬＣ」という）膜の被覆が利用されてきている。
ＤＬＣは、ダイヤモンドやグラファイトの結合が混在しており、巨視的には非晶質とみなされる構造を有している。
そのため、ダイヤモンドとグラファイトの中間的な性質を有し、硬度や固体潤滑性に優れていることから、歯車やベルト式ＣＶＴなどにおいてもフリクションロス低減や摺動発熱低減による焼きつきや摩耗防止に役立つと期待できる。

ここで、被ＤＬＣ膜部品や相手部品の面粗度を向上することは、製膜時の基材とＤＬＣ膜の密着性を得る上で重要であり、また使用時にも金属接触による摺動面の損傷やフリクション増大を防ぐことができる。

例えば、相手面の粗さを規定し、膜の耐剥離性を向上させることが提案されている（特許文献１参照）。
特開平７−２９４１１８号公報

また、潤滑下においては、摩耗による表面粗さの悪化を抑制できるため、潤滑状態を初期の状態のまま長期間に亘り維持できるとされる。

更に、相手部品の研摩作用については、イオンプレーティング法によるＤＬＣの製膜時に不可避に形成される、ドロップレットとよばれる製膜用ターゲット材料の粒状化物が大きく影響することが知られている。
ドロップレットは多すぎたり大きすぎると相手部品の摺動面への攻撃性が高くなったり、ＤＬＣ膜中に押し込まれてＤＬＣ膜の剥離原因となる恐れがあるが、高さや量を規定を適度に規定することで摺動相手表面の粗さが向上し、一層のフリクション低減が可能である。

例えば、アーク式イオンプレーティング法により成膜した膜に関して、表面に残存するマクロパーティクル（ドロップレット）の高さと量を規定することや、膜の硬さと膜厚さに応じてドロップレットの高さを規定し、膜の耐剥離性を向上することが提案されている（特許文献２，３参照）。
特開平７−１１８８３２号公報 特開２００２−３０９９１２号公報

潤滑油中では摺動面間にナノメートルのオーダーの油膜が形成され、油膜は摺動速度が速くなるほど厚くなる。
そのため、摺動面の粗さに対して摺動速度が速くなるほど摺動表面の粗さによる突起の接触が生じにくくなり、接触が少なくなる混合潤滑、又は接触がほとんどない流体潤滑といわれる状態となる。

従来は、表面粗さによる突起が油膜厚さに対して十分に大きいことが多かったので、油膜を厚く、また突起を少なくする方策のみが考えられ、上記特許文献のいずれも面粗さの上限を規定するものである。

しかし、高速で摺動させて使用する部品において、製膜時の密着性を得る目的でＤＬＣを製膜する面の粗さを向上し、更に相手面の粗さがＤＬＣ又はドロップレットにて研摩されると、両摺動面を合成した粗さが油膜厚さ程度まで低下する場合がある。

このとき、部品の剛性が低いなどの理由で摺動面間の接触の状態が変動すると、接触面がスティック（固着）とスリップ（滑り）を繰り返す、スティックスリップが生じると、面が荒れてフリクションはかえって悪化し、場合によっては焼き付きに至ることとなる。

スティックスリップを防止する方策のひとつに表面粗さを悪くすることが考えられるが、単に表面粗さを粗くするのでは摺動面のフリクションを下げることができず、またＤＬＣによる使用中の摺動面の粗さ変化をも考慮しておく必要がある。

しかしながら、こうした摺動後の面性状の変化を考慮してＤＬＣを製膜する基材及びＤＬＣの表面性状を最適化しようとする例はなかった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スティックスリップが生じにくく、摩擦係数を一層低減できる高速摺動機構及びその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、表面粗さを規定した金属部材表面に、水素を含有するＤＬＣを被覆した高速摺動部材Ａと、表面粗さを規定した高速摺動部材Ｂと、を摺動させることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の高速摺動機構は、高速摺動部材Ａ，Ｂが互いに摺動して成る高速摺動機構であって、
高速摺動部材Ａは、表面粗さがＲａ０．００５〜０．１μｍである金属部材表面に、水素を１０原子％以下の割合で含有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されて成り、
高速摺動部材Ｂは、表面粗さがＲａ０．２μｍ以下且つＲｓｋ０〜４μｍであることを特徴とする。

また、本発明の高速摺動機構の好適形態は、高速摺動部材Ａにおいて、ダイヤモンドライクカーボン表面のナノインデンター硬度が７０〜９０ＧＰａであることを特徴とする。

更に、本発明の高速摺動機構の製造方法は、上記高速摺動機構を製造するに当たり、
高速摺動部材Ａに、水素含有量が１０原子％以下であるダイヤモンドライクカーボンをイオンプレーティング法により被覆し、その後エアロラップ処理を行うことを特徴とする。

更にまた、本発明の高速摺動機構の製造方法の好適形態は、高速摺動部材Ｂの表面粗さをＲａ０．３〜０．５とした後、バレル研磨又はラッピング研磨にて表面粗さをＲａ０．２μｍ以下に仕上げることを特徴とする。

本発明によれば、表面粗さを規定した金属部材表面に、水素を含有するＤＬＣを被覆した高速摺動部材Ａと、表面粗さを規定した高速摺動部材Ｂと、を摺動させることにより、スティックスリップが生じにくく、摩擦係数を一層低減できる。

以下、本発明の高速摺動機構について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。

上述の如く、本発明の高速摺動機構は、以下の高速摺動部材Ａ，Ｂが互いに摺動して成る。
即ち、高速摺動部材Ａは、表面粗さがＲａ０．００５〜０．１μｍである金属部材表面に、水素を１０原子％以下の割合で含有するダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）が被覆されて成る。
また、高速摺動部材Ｂは、表面粗さがＲａ０．２μｍ以下且つＲｓｋ０〜４μｍである。

このような構成により、高速摺動部材Ａに被覆するＤＬＣは、製膜時に十分な密着性を確保できる。なお、表面粗さをＲａ０．００５μｍ未満としても、特に密着性やフリクション性能は大きく向上しないので不経済である。
また、ＤＬＣ製膜時の水素量を１０原子％以下に低減することでフリクション性能に優れ、摺動発熱に対しても劣化しにくい膜が得られる。

また、高速摺動部材ＢのＲｓｋが０以上であれば、高さ方向の形状は摺動側に鋭い凸形状を有し、スティックスリップを生じにくくなる。あまり凸形状が鋭いと摺動相手面を荒らすのでＲｓｋは４以下がよい。
更に、Ｒａが粗すぎるとフリクションが大きくなり、摺動相手のＤＬＣが剥離しやすくなるのでＲａ０．２μｍ以下がよい。

また、高速摺動部材Ａにおいて、ＤＬＣ表面の硬度は、７０〜９０ＧＰａであることが好ましい。薄膜であるＤＬＣの硬度測定には、極低荷重の硬度測定が可能なナノインデンターを用いる。
これにより、潤滑油中でも優れた低フリクションを示し、摩耗による面荒れが生じにくくなる。

次に、本発明の高速摺動機構の製造方法について詳細に説明する。
本発明の製造方法は、上述の高速摺動機構を製造するに当たり、高速摺動部材Ａには、水素含有量が１０原子％以下であるダイヤモンドライクカーボンをイオンプレーティング法により被覆し、その後エアロラップ処理を行う。
このときは、イオンプレーティング法特有のドロップレットの大きさを制御することで、潤滑油中でも特に優れた低フリクションを示す。

また、高速摺動部材Ｂの表面粗さをＲａ０．３〜０．５とした後、バレル研磨又はラッピング研磨にて表面粗さをＲａ０．２μｍ以下に仕上げる。
このように、粗い面として凸部を形成した後に研摩仕上げすることで、凸部が残存するのでスティックスリップを防止でき、且つ凸部の表面（頂点）が滑らかにされるので摺動相手のＤＬＣ表面を攻撃せず、早期になじみが得られる。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜４、比較例１〜７）
＜製膜装置＞
神戸製鋼所製のアークイオンプレーティング（以下「ＡＩＰ」という）／アンバランスドマグネトロンスパッタリング（以下「ＵＢＭＳ」をいう）複合製膜装置を使用した。

図１に、上記装置の製膜用チャンバーの概略を示す。
真空チャンバー１は、ディフュージョンポンプによって真空とし、適宜アルゴンやメタンなどのガスを導入できる。
蒸発源２は、複数設けられ、製膜方式をＡＩＰ又はＵＢＭＳとしたり、ターゲット材料をグラファイトや金属に変更できる。蒸発源２は、電源７が接続されている。
被処理部品ホルダー５には被処理部品がセットされ、回転テーブル３，４の回転によって、それぞれのターゲット前にて製膜される。また、被処理部品ホルダー５には、バイアス電源６により被処理部品にバイアス電圧を与えられる。

＜処理条件＞
ＤＬＣ製膜部品は、ＳＵＪ２製のφ５×５ｍｍのピンとした。調質にて硬度Ｈｖ７００としたピンを研磨して所定の表面粗さとし、アルカリ洗浄の後、真空度１０−４〜１０−５Ｐａ、雰囲気ガスＡｒ０．６Ｐａにてイオンクリーニングの後、ＡＩＰ又はＵＢＭＳにて厚さ１μｍのＤＬＣ膜を製膜した。

本発明の実施例ではいずれも炭化水素系のガスは導入しなかったが、比較例５ではメタンガスを導入してその影響を調べた。
また、いずれの製膜品も製膜後にエアロラップを行うことで大きなドロップレットは全て除去した。

製膜後のＤＬＣ層の表面硬度はＤｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ製の超軽荷重薄膜硬度テスタにて求めた。
摺動相手はφ３０×２．５ｍｍの円盤とし、ＪＩＳ ＳＣＭ４１５Ｈ材から旋削加工後、浸炭焼き入れ・焼き戻し処理を行い、表面硬度を７２０Ｈｖとした。その後、研削加工及び研摩により所定の表面粗さを得た。

＜試験＞
図２に示すように、３ピンオンディスク式の摩擦試験にてフリクションを測定した。
具体的には、ＤＬＣを製膜したφ３０×２．５ｍｍのディスク８を回転方向１０に回転させ、摺動相手であるφ５×５ｍｍのピン９を押し付けたときのフリクションを測定した。
試験後にＤＬＣの剥離有無を調べるために摺動面を観察した。
試験油は日産純正オートマチック油Ｍａｔｉｃ−Ｄとし、供給油温８０℃中に浸漬して試験を行った。荷重は４９０Ｎ一定とし、回転数は０．１ｍ／ｓから増速し、１ｍ／ｓでのフリクションを測定し、ＤＬＣ膜なしに対する低下率で整理した。

実施例１〜４、比較例１〜７における製膜条件及び試験結果を表１にまとめて示す。

本発明の実施例１〜４では、試験後もスティックスリップによるＤＬＣ膜の剥離や焼き付きが生ぜず、ＤＬＣ膜のない比較例１に比べてフリクションが大幅に低下した。
比較例２では、ピンの基材粗さが悪く、またＤＬＣの硬度も不足していたために、スティックスリップは生じなかったが膜が剥離し、フリクションも低下しなかった。
比較例３では、ＵＢＭＳで製膜したためにＤＬＣの硬度が不足しており、フリクションが十分にさがらなかった。
比較例４では、ディスクの粗さが悪かったので相手膜が剥離し、フリクションが下がらなかった。
比較例５及び６では、Ｒｓｋが０以下であったためにスティックスリップが生じて焼き付いた。
比較例７では、ディスクの表面粗さが悪すぎてピンのＤＬＣ膜が剥離してしまった。

製膜用チャンバーを示す概略図である。 ３ピンオンディスク式の摩擦試験機を示す概略図である。

符号の説明

１ 真空チャンバー
２ 蒸発源
３ 回転テーブル（主）
４ 回転テーブル（副）
５ 被処理部品ホルダー
６ バイアス電源
７ 蒸発源電源
８ ディスク
９ ピン
１０ ディスク回転方向

Claims (4)

1. 高速摺動部材Ａ，Ｂが互いに摺動して成る高速摺動機構であって、
   高速摺動部材Ａは、表面粗さがＲａ０．００５〜０．１μｍである金属部材表面に、水素を１０原子％以下の割合で含有するダイヤモンドライクカーボンが被覆されて成り、
   高速摺動部材Ｂは、表面粗さがＲａ０．２μｍ以下且つＲｓｋ０〜４μｍであることを特徴とする高速摺動機構。
2. 高速摺動部材Ａにおいて、ダイヤモンドライクカーボン表面の硬度が７０〜９０ＧＰａであることを特徴とする請求項１に記載の高速摺動機構。
3. 請求項１又は２に記載の高速摺動機構を製造するに当たり、
   高速摺動部材Ａに、水素含有量が１０原子％以下であるダイヤモンドライクカーボンをイオンプレーティング法により被覆し、その後エアロラップ処理を行うことを特徴とする高速摺動機構の製造方法。
4. 高速摺動部材Ｂの表面粗さをＲａ０．３〜０．５とした後、バレル研磨又はラッピング研磨にて表面粗さをＲａ０．２μｍ以下に仕上げることを特徴とする高速摺動機構の製造方法。

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