JP2007046029A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】硬質炭素被膜を形成した部材に対する潤滑剤の存在下での摺動相手部材として、従来の鋼製部材よりもさらに優れた摺動特性、低摩擦特性が得られる材料を見出し、従来よりもさらに低い摩擦係数を示し、より優れた省燃費効果を発揮することができる摺動部材を提供する。
【解決手段】例えばエンジンオイルのような潤滑剤の存在下において相対的に摺動する摺動面を備えた摺動部材の一方の摺動面の一部又は全部に硬質炭素被膜を形成する一方、相手側摺動面の一部又は全部を金属モリブデンによって構成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車用エンジンに代表される内燃機関に適した摺動部材に係わり、特に自動車用エンジン油の存在下において優れた低摩擦性を示す摺動材料の組み合わせに関するものである。

自動車用エンジンを始めとする機械部品一般において、摩擦損失の低減は旧来より常に求められている。さらに近年のエネルギー消費削減の観点から、その要請はさらに強くなっている。
このような摩擦低減の方策の一つとして、材料表面に低摩擦の被膜を設ける方法がある。さらにそのような被膜として硬質炭素胃膜を挙げることができる。

硬質炭素被膜は、アモルファス状の炭素あるいは水素化炭素から成る膜であって、ａ−Ｃ：Ｈ（アモルファスカーボンまたは水素化アモルファスカーボン）、ｉ−Ｃ（アイカーボン）、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボンまたはディーエルシー）などとも呼ばれている。

当該被膜の形成方法としては、炭化水素ガスをプラズマ分解して基板上に堆積させるプラズマＣＶＤ法、あるいはアーク放電で原料を加熱蒸発させた後イオン化し、これを基盤表面に堆積させるアークイオンプレーティング法等がある。
上記硬質炭素被膜は、高硬度で、表面が平滑であって耐摩耗性に優れると共に、摩擦係数も一般に低く、優れた摺動特性を発揮することが知られている。

このような硬質炭素被膜は、その組成や構造などにもよるが、一般に、潤滑剤中においても低い摩擦係数が得られることから、潤滑剤中で使われる摺動部品においても、その摺動面に硬質炭素被膜を設けることが行われている。

一方、このような硬質炭素被膜を施した部材に対して相対摺動する相手材については、一般に鋼材から成るものが用いられることが多い。
これは、摺動部材の一方に硬質炭素被膜を施した際、他方の部材は従来の部材をそのまま踏襲して使用することが多いことによるものと考えられる。

上記のように、相手材として鋼材をそのまま使用した場合であっても、一方の摺動面に硬質炭素被膜を形成することによって、両部材間の摩擦係数をそれなりに低下させることは可能である。
しかしながら、摩擦係数のなお一層の低減が望まれているのが現状である。

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って、その目的とするところは、硬質炭素被膜を形成した部材に対する潤滑剤の存在下における摺動相手部材として、従来の鋼製部材よりもさらに優れた摺動特性、低摩擦特性が得られる材料を見出し、このような材料から成る部材を組み合わせることによって、従来よりもさらに低い摩擦係数を示し、より優れた省燃費効果を発揮することができる摺動部材を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、硬質炭素被膜の成分や成膜方法と共に、硬質炭素被膜と組み合わせる相手部材の材質などについて鋭意検討を重ねた結果、特に金属モリブデンと硬質炭素被膜の組み合わせが摩擦低減に極めて効果的であることを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の摺動部材は、潤滑剤の存在下において相対的に摺動する摺動面を備えた摺動部材であって、一方の摺動面の少なくとも一部に硬質炭素被膜を形成すると共に、他方の摺動面、すなわち摺動相手側の摺動面の少なくとも一部を金属モリブデンにより構成することを特徴としている。

本発明によれば、一方の摺動面の一部又は全面に硬質炭素被膜を形成する一方、この摺動面に潤滑剤を介して相対的に摺動する相手側摺動面の一部又は全面を金属モリブデンにより形成するようにしていることから、両摺動面間の摩擦係数を大幅に低減することができ、従来の硬質炭素被膜と鋼製部材との組み合わせに較べてさらに優れた省燃費効果を発揮することができる。

以下、本発明の低摩擦摺動部材について、さらに詳細に説明する。

本発明の摺動部材は、上記したように、例えば自動車用エンジンオイルのような潤滑剤の存在下において相対的に摺動する摺動部材における摺動面の一方に硬質炭素被膜を形成し、他方の摺動面を金属モリブデンにより構成したものであるが、硬質炭素被膜と金属モリブデンの組み合わせが低い摩擦係数を示す理由については、現時点において必ずしも明確とは言えない。しかしながら、以下のように推測することができる。

すなわち、硬質炭素被膜は、一般に炭素、あるいは炭素と水素から成るアモルファス構造であるが、一部の炭素には未結合手、いわゆるダングリングボンドが存在しているものと考えられる。
このような未結合手は、周囲に存在する原子や分子を吸着する働きがあり、本発明における硬質炭素被膜では、表面近傍の炭素原子が潤滑剤中の成分や摺動の相手方から脱落したモリブデン原子を吸着しているものと推測される。もちろん実際には数個から数百個の原子がクラスターの状態で吸着していると考えられる。

このようにモリブデン原子が硬質炭素被膜表面に吸着すると、近傍の炭素原子の電子分布が変化する。このことにより炭素原子が、潤滑剤中の基材成分分子や添加剤成分分子をより容易に吸着できるようになり、硬質炭素被膜にこれら分子の薄い膜が形成され、部材間の直接接触を防ぐ効果が高まっているものと推定される。これらの薄い膜は「トライボフィルム」などと呼ばれる。

本発明の摺動部材は、一方の部材の摺動面に硬質炭素被膜が形成したものであるが、この硬質炭素被膜に対する摺動相手材については、必ずしもその全面を金属モリブデンにする必要はなく、当該部材が用いられる条件に応じて適宜の面積を金属モリブデンとすればよい。また、部材全体をいわゆるバルクとしての金属モリブデンで構成する必要もなく、例えばめっきや肉盛などの手法によって、部材の表面、特に硬質炭素被膜に対して摺動する部分の表面のみに金属モリブデンの層を設けるようにしてもよい。

本発明の摺動部材において一方の摺動面に形成する硬質炭素被膜とは、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）とすることができる。
このような硬質炭素被膜には、上記ＤＬＣも含めて、水素を含んで成るものと、水素を実質的に含まないものとがある。

すなわち、硬質炭素被膜の成膜にＣＶＤ法（化学気相堆積法）を用いると、上記したように炭化水素ガスをプラズマ分解させるという成膜原理の関係上、通常、水素を含んだ前者のような硬質炭素被膜が得られる。
一方、ＰＶＤ法（物理気相堆積法）による成膜の場合には、成膜時の雰囲気ガスに炭化水素系ガスを加えるか否かによって、水素を含んだものと水素を実質的に含まないものとを作り分けることができる。

上記したダングリングボンドは、一般に水素を含まない硬質炭素被膜に多いとされる。
水素を含む硬質炭素被膜では、その成膜過程において、水素によってダングリングボンドの一部分が終端されるために、最終的に膜内のダングリングボンド密度は低くなると考えられる。

本発明の摺動部材における一方の摺動面に成膜する硬質炭素被膜においては、上記したような摩擦低減機構からすれば、ダングリングボンド密度がある程度あることが好ましいと考えられ、このためには、当該硬質炭素被膜中の水素量はなるべく少なくした方がよいということになる。

本発明の摺動部材においては、このような観点から、上記硬質炭素被膜中の水素量を２０原子％以下とすることが望ましく、このレベルの水素量の被膜は、上記したようなＣＶＤ法によっても成膜することができる。
そして、さらに安定した摺動特性を確保するためには、１原子％以下の水素量とすることが望ましく、そのためには、炭化水素のような水素含有ガスを実質的に使用しないＰＶＤ法、例えばアークイオンプレーティング法を適用することができる。

本発明の摺動部材に用いる潤滑剤は特に限定されないが、本発明においては硬質炭素被膜及び金属モリブデン表面において、潤滑剤中の添加剤との反応が重要な役割を果たしているものと考えられる。この観点から酸化防止剤や摩擦調整剤、粘度調整剤などをバランスよく含む自動車用エンジン油は好ましい潤滑剤の一つとして挙げることができる。

潤滑剤の基油成分としては、鉱油や、合成油であるポリアルファオレフィンなどを適宜選ぶことができる。ポリアルファオレフィンの場合は、硬質炭素被膜表面におけるトライボフィルムの形成が比較的容易になることから、摩擦を低減しやすい。
また、添加剤としては、分子構造中に水酸基を有する化合物を用いると、これもトライボフィルムの形成が容易になるものと推測され、摩擦係数を下げやすい。その中で特に効果的な物質としてグリセリンのモノエステル、たとえばグリセリンモノオレイトなどを挙げることができる。

以下、本発明を実施例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
〈円板試験片〉
純度９９．９％以上の金属モリブデン材を直径３０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板形状に加工し、続いてその表面にラッピングにより仕上加工を施した。表面粗さはＲａ（中心線平均粗さ）で０．０２１μｍであった。

〈ボール状試験片〉
上記円板試験片に摺接する相手材として、ＪＩＳ Ｇ４８０５に高炭素クロム軸受鋼として規定されるＳＵＪ２鋼から成る直径６ｍｍのボールベアリング用ボールの表面に、アークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）を用いてＤＬＣによる硬質炭素被膜を成膜した。成膜時の雰囲気ガスにはアルゴンのみを用い、炭化水素系ガスは加えなかった。
ＤＬＣ被膜を成膜した後、膜厚を測定したところ、０．８μｍであった。また、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）を用いて被膜中の水素量を測定した結果、０．１原子％以下であった。

〈摩擦特性評価〉
上記によって得られた円板試験片とボール状試験片を組み合わせ、ボールオンディスク試験法により上記組み合わせの摩擦特性を評価した。試験に際しては、自動車用エンジン油５Ｗ−３０ＳＬを用いた。
すなわち、円板試験片を上記エンジン油中で回転させた状態でボール状試験片を押し当て、ボール状試験片を保持しているアームにかかるトルクを測定し、摩擦係数を計算した。
試験条件として、摺動痕の直径は８ｍｍ、油温は６０℃、ボール状試験片にかけた垂直荷重は１０Ｎ、摺動速度は毎秒２．０ｃｍとし、初期のなじみ効果を考慮して、試験開始から５分経過した時点の測定値をもって摩擦係数とみなした。なお、ボール状試験片は、摺動中に転がらないように固定した。
当該実施例１の組み合わせによる摩擦係数は０．０２３であった。この結果を材料の組み合わせと共に表１に示す。

（実施例２）
〈円板試験片〉
純度９９．９％以上の金属モリブデン材を用いて、上記実施例１と同一形状の円板形状に加工した。ラッピング加工後の表面粗さはＲａで０．０２０μｍであった。

〈ボール状試験片〉
上記実施例１と同様のボールベアリング用ボールの表面に、プラズマＣＶＤ法により、アセチレンガスとメタンガスを原料として、ＤＬＣによる硬質炭素被膜を成膜した。
ＤＬＣ被膜の膜厚は１．２μｍ、また、ＳＩＭＳによる被膜中の水素量の測定結果は、２０原子％であった。

〈摩擦特性評価〉
上記実施例１と同様の条件によって摩擦特性を評価した結果、摩擦係数は０．０３１であった。この結果を表１に併せて示す。

（比較例１）
〈円板試験片〉
ＪＩＳ Ｇ４０５３に機械構造用クロムモリブデン鋼として規定されるＳＣＭ４３５鋼材（規格値：０．１５〜０．３０％Ｍｏ）を用いて、上記実施例１と同様の寸法、形状の円板に加工し、続いてその表面をラッピング加工した。ラッピング後の表面粗さは、Ｒａで０．０１９μｍであった。

〈ボール状試験片〉
アークイオンプレーティング法によりＤＬＣ被膜を成膜した上記実施例１と同様のボール状試験片を用いた。

〈摩擦特性評価〉
上記実施例１と同様の条件によって摩擦特性を評価した結果、摩擦係数は０．０７３であった。この結果を表１に併せて示す。
この摩擦係数は実施例１と比べて高く、硬質炭素被膜と組み合わせる相手材がモリブデンを含んでいても、上記ＳＣＭ４３５のように微量添加成分に留まる場合には摩擦低減効果は得られなかった。

（比較例２）
〈円板試験片〉
純度９９％の金属Ｎｉ材を用いて、上記実施例１と同様の寸法、形状の円板に加工し、続いてその表面をラッピング加工した。ラッピング後の表面粗さは、Ｒａで０．０１７μｍであった。

〈ボール状試験片〉
アークイオンプレーティング法によりＤＬＣ被膜を成膜した上記実施例１と同様のボール状試験片を用いた。

〈摩擦特性評価〉
上記実施例１と同様の条件によって摩擦特性を評価した結果、摩擦係数は０．０６９であった。この結果を表１に併せて示す。
この摩擦係数は実施例１と比べて高く、硬質炭素被膜と金属Ｎｉとの組み合わせでは、摩擦低減効果が得られないことが確認された。

（比較例３）
〈円板試験片〉
上記実施例１と同様に、純度９９．９％以上の金属モリブデン材を用いて、同一形状の円板形状に加工した。ラッピング加工後の表面粗さはＲａで０．０１９μｍであった。

〈ボール状試験片〉
上記実施例１と同様のボールベアリング用ボールの表面に硬質炭素被膜を成膜することなく、そのままボール状試験片として使用した。

〈摩擦特性評価〉
上記実施例１と同様の条件によって摩擦特性を評価した結果、摩擦係数は０．１１８であった。この結果を表１に併せて示す。
このように、一方の部材の摺動面が金属モリブデンであっても、組み合わせる相手材の摺動面が硬質炭素被膜でない場合には、摩擦係数を低減することができないことが判明した。

なお、表１において、上記実施例１及び２の組み合わせによる摺動部材においては、いずれも、比較例１〜３の組み合わせに較べて低い摩擦係数が得られることが確認されたが、これら実施例のうちでは、ＰＶＤ法による成膜を採用したことによって硬質炭素被膜中の水素量を低いものとした実施例１の組み合わせによる摩擦係数が低いことが確認され、より好ましいと言うことができる。

（実施例３）
〈円板試験片〉
純度９９．９％以上の金属モリブデン材を用いて、実施例１と同一形状の円板形状に加工した。ラッピング加工後の表面粗さはＲａで０．０２０μｍであった。

〈ボール状試験片〉
摺動の相手となるボール状試験片は、上記実施例１と同一のバッチで製作したＡＩＰ法のものを用いた。なお膜厚や水素量などは実施例１と同一と見なし、別個の測定は行わなかった。

〈摩擦特性評価〉
上記によって得られた円板試験片とボール状試験片を組み合わせ、ボールオンディスク試験法により上記組み合わせの摩擦特性を評価した。試験に際しては、潤滑剤としてポリアルファオレフィンを用いた。粘度は、実施例１の自動車用エンジン油５Ｗ−３０ＳＬと、試験温度である８０℃で同等になるように調整した。
この実施例の摩擦係数は０．０２７であった。この結果を表１に併せて示す。

（実施例４）
円板試験片・ボール状試験片とも実施例１と同じものを準備し、摩擦特性評価での潤滑剤の種類のみ変更した。摩擦特性評価の条件も実施例１と同じである。
潤滑剤には、実施例３のポリアルファオレフィンに、オレイン酸モノグリセリド（グリセロールモノオレイト）を１体積％添加しよく攪拌したものを用いた。
この実施例の摩擦係数は０．０２１であった。この結果を表１に併せて示す。

（実施例５）
円板試験片・ボール状試験片とも実施例１と同じものを準備し、摩擦特性評価での潤滑剤の種類のみ変更した。摩擦特性評価の条件も実施例１と同じである。
用いた潤滑剤は鉱油が基油で、これに実施例４と同じくオレイン酸モノグリセリドを１体積％添加してよく攪拌したものを用いた。粘度は試験温度である８０℃においてエンジン油５Ｗ−３０ＳＬと同等になるよう調整している。
この実施例の摩擦係数は０．０３２であった。この結果を表１に併せて示す。

（比較例４）
円板試験片・ボール状試験片とも比較例２と同じものを準備した。円板試験片がニッケル製ということになる。潤滑剤は実施例４と同じものを用いた。摩擦特性評価の条件も実施例１と同じである。
この例における摩擦係数は０．０５７で、同条件で相手がモリブデン製円板である実施例４に比べると、摩擦係数は高かった。

（比較例５）
円板試験片・ボール状試験片とも比較例３と同じものを準備した。円板試験片がモリブデン製、ボールがＳＵＪ２製ということになる。潤滑剤は実施例４と同じものを用いた。摩擦特性評価の条件は実施例１と同じである。
この例での摩擦係数は０．１２０で、部材の一方がモリブデンであり、潤滑剤がポリアルファオレフィン＋オレイン酸モノグリセリドであっても、ボールに硬質炭素被膜がないために摩擦係数は高くなった。

（実施例６）
実施例４から、潤滑剤に加える添加剤成分を変更した例である。円板試験片、ボール状試験片は実施例４と同じものを準備した。潤滑剤としては、ポリアルファオレフィンを基油とし、これにオレイン酸トリグリセリドを１体積％添加して十分に攪拌したものを用いた。これ以外の条件（温度、速度、荷重など）は実施例１のものを踏襲した。
この例での摩擦係数は０．０２８で十分に低い値となったが、分子中にグリセリン由来の水酸基が残っているオレイン酸モノグリセリドを添加した実施例４よりは高くなった。

Claims (10)

1. 潤滑剤を介して相対的に摺動する摺動面を備えた摺動部材において、一方の摺動面の少なくとも一部に硬質炭素被膜を設けると共に、相手方摺動面の少なくとも一部を金属モリブデンにより構成したことを特徴とする摺動部材。
2. 上記硬質炭素被膜がダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 上記硬質炭素被膜がＣＶＤ法又はＰＶＤ法により成膜されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
4. 上記硬質炭素被膜中の水素量が２０原子％以下であることを特徴とする請求項３に記載の摺動部材。
5. 上記硬質炭素被膜がアークイオンプレーティング法により成膜されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
6. 上記硬質炭素被膜中の水素量が１原子％以下であることを特徴とする請求項４又は５に記載の摺動部材。
7. 上記潤滑剤が自動車用エンジンオイルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の摺動部材。
8. 上記潤滑剤がポリアルファオレフィンを基油とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の摺動部材
9. 上記潤滑剤が含水酸基化合物を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の摺動部材。
10. 上記含水酸基化合物がエステルであることを特徴とする請求項９に記載の摺動部材。