JP2010120806A - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大幅な低フリクション化を図ることができるのはもちろんのこと、量産化が可能となるとともに、製造コストを低減することができる摺動部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】部材１，２間への高面圧の印加によって、局所的固体接触が摺動界面で起こり、摺動部材の摺動面で微視的摩耗が生じる。摺動部材１の潤滑膜１１には、炭素系分子１２が、単体あるいはその単体の集合体として含有されている。炭素系分子１２が、上記微視的摩耗によって、潤滑膜１１から露出し、その一部がそこから遊離し、摺動界面に供給される。そのような炭素系分子１２は、転動可能な中空構造を有するから、摺動界面で分子レベルのボールベアリングとして作用する。この場合、炭素系分子が少なくとも一つ存在すると、存在しない場合と比較して、局所的フリクションを低減することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、相手部材と摺動する摺動面を有する摺動部材およびその製造方法に係り、特に、相手部材とのフリクションの低減のための摺動面の改良に関する。

摺動部材の分野では、自動車のエンジン等のように相手部材との間に潤滑油が介在する環境下において、相手部材とのフリクションの低減化や耐摩耗性の向上が図られており、それらを実現するために、ボールベアリングが用いられることが多い。

ところが、たとえばエンジン内部における多くの摺動部にボールベアリングを適用した場合、軽量化が困難となり、設置スペースが狭くなるため、ボールベアリングの使用の代わりに、ＰＴＦＥ〔テフロン（登録商標）〕や二硫化モリブデンからなる潤滑膜を摺動面に被覆している。このようにして固体潤滑特性の向上が図られることが多いが、その効果は、ボールベアリングの効果には及ばない。

以上のような背景から、摺動面でのフリクションの大幅な低減化のために、種々の技術が提案されている。たとえば特許文献１の技術は、ナノメータスケールの構造物への適用を目的として、２枚のグラファイト基板の互いの摺動面にフラーレンあるいはカーボンナノチューブを蒸着し、グラファイト基板の間に配置されたそれら分子を、分子ベアリングとして作用させることを提案している。

しかしながら、この技術では、フリクションのゼロ化という高効果が期待されるものの、２枚のグラファイトの摺動面にフラーレンやカーボンナノチューブを、蒸着法により正確に配置する必要がある。このため、その製造が難しく、量産化への適用が非常に困難であり、しかも、その製造コストは、自動車部品に見合ったものではない。

特開２００３−６２７９９号公報

したがって、本発明は、大幅な低フリクション化を図ることができるのはもちろんのこと、量産化を可能とするとともに、製造コストを低減することができる摺動部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の摺動部材は、相手部材と摺動する摺動面に潤滑膜が形成され、潤滑膜には、転動可能な中空構造を有する炭素系分子が、単体あるいはその単体の集合体として含有されていることを特徴としている。

本発明の摺動部材では、部材間への高面圧の印加により局所的固体接触が摺動界面で起こったとき、摺動部材の摺動面で微視的摩耗が生じる。ここで、摺動部材の摺動面に形成された潤滑膜には、転動可能な中空構造を有する炭素系分子が、単体あるいはその単体の集合体として含有されている。したがって、炭素系分子は、上記微視的摩耗によって、潤滑膜から露出し、その一部がそこから遊離することにより、摺動界面に供給される。そのような炭素系分子は、転動可能な中空構造を有するから、摺動界面で分子レベルのボールベアリングとして作用する。

この場合、炭素系分子が少なくとも一つ存在すると、存在しない場合と比較して、局所的フリクションを低減することができるので、摺動界面で大幅な低フリクション化を図ることができる。その結果、フリクションによるエネルギ損失の低減を図ることができるので、摺動部材が適用される自動車のエンジン等の内燃機関の燃費改善を図ることができる。また、摺動部材の摺動面の潤滑膜に転動可能な中空構造を有する炭素系分子を含有させるという簡単な構成によって上記効果を得ることができるので、 量産化が可能となるとともに、製造コストを低減することができる。

本発明の摺動部材は種々の構成を用いることができる。たとえば、潤滑膜は、ＤＬＣ膜であることが好適である。この態様では、ＤＬＣは、その材質自体のフリクションが低く、硬度が高く（耐磨耗性が良好）、化学的安定性が高く（耐食性が良好）、凝着性が弱い（耐焼付き性が良好）であるから、摺動特性が良好となる。しかも、ＤＬＣは無害な炭素と水素を主成分としてから環境調和性を満足することができ、原料（炭化水素ガスまたはグラファイト）の存在量が多くて安定的である。

炭素系分子としては、フラーレン、カーボンナノチューブ、アダマンタン、フラーレンの水素化合物、カーボンナノチューブの水素化合物、および、アダマンタンの水素化合物の少なくとも１つを用いることができる。フラーレンとしては、Ｃ_６０フラーレンを用いることができる。

本発明の摺動部材を、たとえばエンジンに適用する場合、摺動部材としてシリンダボアあるいはピストンに用いることができる。摺動部材としてシリンダボアを用いる場合、相手部材はピストンであり、摺動部材としてピストンを用いる場合、相手部材はシリンダボアである。また、摺動部材だけでなく相手部材にも、本発明の潤滑膜を適用してもよい。

本発明の摺動部材の製造方法は、潤滑膜の原材料へのプラズマ処理によって、相手部材と摺動する摺動面に潤滑膜を形成する潤滑膜形成工程を含み、潤滑膜形成工程では、転動可能な中空構造を有する炭素系分子、および、炭素系分子を水素化したものの少なくとも一方を含有する炭素系分子ガスを、原材料のプラズマに導入し、炭素系分子ガスをイオン化し、潤滑膜の原材料の摺動面への堆積時、イオン化された炭素系分子ガスを潤滑膜中に取り込ませて分子化することを特徴としている。

本発明の摺動部材の製造方法は、本発明の摺動部材と同様な効果を得ることができる。

本発明の摺動部材あるいはその製造方法によれば、相手部材との微視的摩耗によって、転動可能な中空構造を有する炭素系分子が潤滑膜から摺動界面に供給され、そこで分子レベルのボールベアリングとして作用する。これにより、大幅な低フリクション化を図ることができるのはもちろんのこと、量産化が可能となるとともに、製造コストを低減することができる等の効果を得ることができる。

（１）摺動部材の基本構成
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る一実施形態の摺動部材１の概略構成を表す側断面図である。摺動部材１は本体部１０を備え、本体部１０の表面に潤滑膜１１が形成されている。潤滑膜１１の内部には、転動可能な中空構造を有する炭素系分子１２が分散して含有されている。

潤滑膜１１は、たとえばダイヤモンド・ライク・カーボン（Diamond-Like Carbon（ＤＬＣ））からなるＤＬＣ膜であり、その膜厚はたとえば３μｍである。潤滑膜１１としては、ＤＬＣ膜に限定されず、種々の変形が可能である。たとえば、ＣｒＮや、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等からなるドライコーティング膜、あるいは、Ｎｉ等のめっき膜でもよい。

ＤＬＣは、その材質自体のフリクションが低く、硬度が高く（耐磨耗性が良好）、化学的安定性が高く（耐食性が良好）、凝着性が弱い（耐焼付き性が良好）。しかも、ＤＬＣは無害な炭素と水素を主成分としてから環境調和性を満足することができ、原料（炭化水素ガスまたはグラファイト）の存在量が多くて安定的である。具体的には、上記他の材質と比較した場合、ＤＬＣは、同等の耐食性を有するＣｒＮより、フリクションが低い。また、ＤＬＣは、上記いずれの特性においても、Ｎｉめっきより優れている。

このようにＤＬＣは、上記他の材質と比較して、潤滑膜として種々のメリットがあるから、好適である。また、炭素系分子１２としてフラーレンを用いた場合、ＤＬＣ膜の表面が摺動時のエネルギによりグラファイト化した際、ＤＬＣ膜は、フラーレンとの接触点においてナノスケールのギア（ナノギア）として作用し、低フリクション化に寄与する。

炭素系分子１２では、その一部が、潤滑膜１１の相手部材（図示略）との局所的固体接触時に、潤滑膜１１から摺動面へ遊離して、そこで分子ベアリングとして作用する。また、炭素系分子１２は、図６（Ａ）に示すように分子単体で存在していてもよく、あるいは、図６（Ｂ）に示すように、その分子が複数からなる集合体で存在していてもよい。なお、図６では、図示の便宜のため、炭素系分子１２の分子を単純化して示している。

潤滑膜１１中に含有される炭素系分子１２としては、多数個の炭素原子によって合成される炭素の同素体で、外部からの荷重に対する転がり方向に異方性を持たない球形状分子分子（たとえばＣ_６０フラーレン）あるいはその水素化合物が最も望ましい。また、閉構造の擬似球形体（たとえばＣ_７０、Ｃ_７４、Ｃ_７６等の高次フラーレン、アダマンタン（Adamantane、Ｃ_１０Ｈ_１６）、あるいは、それらの水素化合物）でもよい。さらに、それらと比較してフリクション性能が劣るが、少なくとも一方向に円形断面を持つ分子（たとえばカーボンナノチューブ）あるいはその水素化合物でもよい。

具体的には、Ｃ_６０フラーレンは、直径０．７ｎｍ程度の球状をなし、高硬度を有するから、その球形状は、高荷重条件下でも維持される。また、炭素系分子１２の上記遊離は、潤滑膜１１表面における極一部によるものであるから、潤滑膜１１と相手部材との間の潤滑油中への堆積が防止されるとともに、装置内のフィルタを潤滑油が通過する時、炭素系分子１２によるその目詰まりが防止される。

炭素系分子１２は、転動容易性の観点から、上記のようにＣ_６０フラーレンのように球形状をなすのが望ましいが、Ｃ_７０フラーレン等の高次フラーレンや、カーボンナノチューブ、アダマンタン（Adamantane）等を用いる場合、転動動作を起こし（転動可能性を有すること）、かつ転動方向の直径が数ｎｍ以下と非常に小さいものであればよい。それら材質を用いる場合、転動方向の直径が上記値よりも大きくなると、転動動作が困難となる。アダマンタンを用いる場合、アダマンタンはフラーレンよりも小さいから、フラーレンが入り込むことが困難な摺動界面のクリアランスにも入り込むことができ、これにより摺動特性が良好となる。

炭素系分子１２が球形状をなさない場合（たとえば、カーボンナノチューブのように円柱状をなす場合）、潤滑膜１１の表面（摺動面）からの遊離時にカーボンナノチューブが摺動方向に転動し易いことが望ましい。これを実現するために、潤滑膜１１の形成時にカーボンナノチューブを予め配向させておくことが好適である。

炭素系分子１２は、以上のような構成とする場合、転動可能性およびナノスケールのサイズを有することが、分子ベアリングとしての機能を発揮するために重要である。

（２）摺動部材の製造方法
本発明の一実施形態に係る摺動部材１の製造方法について説明する。摺動部材１の製造方法では、プラズマ処理によって、潤滑膜１１の原材料からなる原材料へのプラズマ処理によって、本体部１０の表面（摺動面）に潤滑膜１１を形成する（潤滑膜形成工程）。

このような潤滑膜形成工程では、炭素系分子、および、炭素系分子を水素化したものの少なくとも一方を含有する炭素系分子ガスを原材料のプラズマに導入すると、炭素系分子ガスは、脱水素化されてイオン化する。原材料のプラズマが本体部１０の表面に衝突することより、そこに堆積して潤滑膜１１が形成される。このとき、イオン化された炭素系分子ガスも本体部１０の表面に衝突することより、潤滑膜１１に取り込まれて、その内部で炭素を受け取って分子化する。

なお、この場合、電圧が印加された本体部１０への高速衝突では、イオン化された炭素系分子は、衝突によって急激にエネルギを失う。このとき、イオン化された炭素系分子および水素イオンは安定化しようとすることから、イオン化された炭素系分子は、水素イオンを受け取り、その結果、炭素系分子中で水素化フラーレンとして存在するものもある。

以上のようにして、摺動部材１の本体部１０の表面に、潤滑膜１１が形成され、潤滑膜１１内部には炭素系分子１２が分散した状態となる。このようなプラズマ処理を用いた潤滑膜形成工程の具体的手法として、次のようなＣＶＤ法あるいはＰＶＤ法がある。

ＣＶＤ法を用いる場合について説明する。まず、ＣＶＤ装置の真空炉内に摺動部材１の本体部１０をセットする。次いで、真空炉の真空度をたとえば１０^−２〜１０^−３Ｐａ程度に、温度をたとえば５０〜１５０℃程度に調整した後、本体部１０にＤＣパルス電圧を負荷する。

続いて、還元性ガス（たとえばアルゴンガス）を導入し、プラズマ化すると、イオンボンバードメント効果により本体部１０の表面の清浄性が向上する。次いで、潤滑膜１１の原料ガス（ＤＬＣ膜形成の場合、炭化水素ガス（たとえばブタンやアセチレン等）、および、一部が水素化された炭素分子ボール（たとえばフラーレン）を真空炉内に導入する。

この場合、ガス流入量、圧力、温度、バイアスの電圧値、パルスDuty値（矩形波の１周期とHighパルス側の幅の比率）は、最適なプラズマ状態を継続できる範囲に常時調整される。これにより、本体部１０の表面上に潤滑膜１１が形成され、潤滑膜１１内部には炭素系分子１２が分散した状態となる。

ＰＶＤ法を用いる場合について説明する。まず、ＰＶＤ装置の真空炉内に摺動部材１の本体部１０をセットする。次いで、真空炉内の真空度をたとえば１０^−２〜１０^−３Ｐａ程度、温度をたとえば５０〜１５０℃程度に調整した後、本体部１０にＤＣパルス電圧を負荷する。

続いて、真空炉内に還元性ガス（たとえばアルゴンガス）を導入し、それをプラズマ化すると、イオンボンバードメント効果により本体部１０の表面の清浄性が向上する。次に、真空炉内に設置された潤滑膜１１の固体材料（たとえばグラファイト）をアーク放電や電子線照射等の手法によりプラズマ化すると同時に、一部が水素化された炭素系分子（たとえばフラーレン）を導入してプラズマ化する。すると、本体部１０の表面上に潤滑膜１１が形成され、潤滑膜１１内部には炭素系分子１２が分散した状態となる。

（３）摺動部材の動作
摺動部材１の動作について、図２，３を参照して説明する。図２は、相手部材２と摺動する摺動部材１の摺動界面近傍の状態を表し、（Ａ）は摺動界面に潤滑油３が介在する流体潤滑状態、（Ｂ）は摺動界面で局所的固体接触が起こった境界潤滑状態の概略構成を表す側断面図である。図３は、図２（Ｂ）で局所的固体接触が起こった箇所（点Ｐで示される箇所）の部分拡大図である。

図２（Ａ）に示す流体潤滑状態では、部材１，２間に潤滑油３が介在しており、潤滑膜１１中に存在している炭素系分子１２は、摺動部材１の摺動には寄与しない。一方、部材１，２間への高面圧の印加によって、図２（Ｂ）に示す境界潤滑状態となったとき、局所的固体接触が摺動界面で起こり、摺動部材の摺動面で微視的摩耗が生じる。

ここで、摺動部材１の潤滑膜１１には、転動可能な中空構造を有する炭素系分子１２が、単体あるいはその単体の集合体として含有されている。したがって、上記微視的摩耗によって、炭素系分子１２が潤滑膜１１から露出し、その一部がそこから遊離することにより、摺動界面に供給される。そのような炭素系分子１２は、転動可能な中空構造を有するから、図３に示すように、摺動界面で分子レベルのボールベアリングとして作用する。この場合、炭素系分子１２が少なくとも一つ存在すると、存在しない場合と比較して、局所的フリクションを低減することができる。特に、この場合、炭素系分子１２は、潤滑油３の中を移動することができるから、必要な箇所に入り込むことができ、これにより、その低減効果を効果的に得ることができる。

以上のことから本実施形態では、摺動界面で大幅な低フリクション化を図ることができるので、フリクションによるエネルギ損失の低減を図ることができ、その結果、摺動部材１が適用される自動車のエンジン等の内燃機関の燃費改善を図ることができる。また、摺動部材１の潤滑膜１１に転動可能な中空構造を有する炭素系分子１２を含有させるという簡単な構成によって上記効果を得ることができるので、 量産化が可能となるとともに、製造コストを低減することができる。

（４）摺動部材の適用例
摺動部材の具体的な適用例について図４，５を参照して説明する。図４は、摺動部材１の具体的な適用例としてのシリンダボア１０１を用いた内燃機関１００（たとえばエンジン）の概略構成の一部を表す図である。図５は、内燃機関１００において局所的固体接触が起こった箇所（点Ｑで示される箇所）の部分拡大図である。内燃機関１００では、ピストン１０２がシリンダボア１０１の内部において、その内周面（摺動面）に沿って摺動する。ピストン１０２は、下部に形成されたスカート部（図示略）、上部に形成されたランド部１３１、および、ランド１３１部間の溝に設けられたリング部１３２を有する。

シリンダボア１０１が摺動部材１に対応し、シリンダブロック１１０の一部が本体部１０に対応し、ピストンリング１３２が相手部材に対応している。シリンダボア１０１の内周面には、潤滑膜１１１が形成され、潤滑膜１１１の内部に転動可能な構造を有する炭素系分子１１２が分散して含有されている。潤滑膜１１１および炭素系分子１１２は、潤滑膜１１および炭素系分子１２に対応し、それらと同様な構成を有している。

このような内燃機関１００では、次のような態様を用いると、摺動部材１による上記効果を効果的に得ることができる。たとえば、図５に示すように、炭素系分子１１２の直径ｄ（たとえばフラーレンのように球形状の場合はその直径、たとえばナノチューブのように円柱状の場合は円形状底面の直径）が、潤滑油１０３の最小油膜厚ｔよりも小さく設定する態様は、気密性の観点から好適である。また、ピストン１０２は、シリンダボア１０１に対する上下方向への摺動時に回転するから、カーボンナノチューブを用いる態様では、その摺動に従ってカーボンナノチューブの配向方向が摺動方向に揃ってくる。

本発明に係る一実施形態の摺動部材の概略構成を表す側断面図である。 相手部材と摺動する図１の摺動部材の摺動界面近傍の状態を表し、（Ａ）は摺動界面に潤滑油が介在する流体潤滑状態、（Ｂ）は摺動界面で局所的固体接触が起こった境界潤滑状態の概略構成を表す側断面図である。 図２（Ｂ）で局所的固体接触が起こった箇所（点Ｐで示される箇所）の部分拡大図である。 図１の摺動部材の具体的な適用例としてのシリンダボアを用いた内燃機関の概略構成の一部を表す図である。 図４で局所的固体接触が起こった箇所（点Ｑで示される箇所）の部分拡大図である。 （Ａ），（Ｂ）は、潤滑膜中での炭素系分子の存在形態を示す図である。

符号の説明

１…摺動部材、２…相手部材、１２，１１２…炭素系分子、１０１…シリンダボア（摺動部材）、１０２…ピストン（相手部材）、１３２…リング部（相手部材）

Claims (8)

1. 相手部材と摺動する摺動面に潤滑膜が形成され、
   前記潤滑膜には、転動可能な中空構造を有する炭素系分子が、単体あるいはその単体の集合体として含有されていることを特徴とする摺動部材。
2. 前記潤滑膜は、ＤＬＣ膜であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記炭素系分子は、フラーレン、カーボンナノチューブ、アダマンタン、フラーレンの水素化合物、カーボンナノチューブの水素化合物、および、アダマンタンの水素化合物の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 前記フラーレンは、Ｃ_６０フラーレン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摺動部材。
5. 潤滑膜の原材料へのプラズマ処理によって、相手部材と摺動する摺動面に前記潤滑膜を形成する潤滑膜形成工程を含み、
   前記潤滑膜形成工程では、
   転動可能な中空構造を有する炭素系分子、および、前記炭素系分子を水素化したものの少なくとも一方を含有する炭素系分子ガスを、前記原材料のプラズマに導入し、
   前記炭素系分子ガスをイオン化し、
   前記潤滑膜の原材料の前記摺動面への堆積時、前記イオン化された炭素系分子ガスを前記潤滑膜中に取り込ませて分子化することを特徴とする摺動部材の製造方法。
6. 前記潤滑膜は、ＤＬＣ膜であることを特徴とする請求項５に記載の摺動部材の製造方法。
7. 前記炭素系分子は、フラーレン、カーボンナノチューブ、アダマンタン、フラーレンの水素化合物、カーボンナノチューブの水素化合物、および、アダマンタンの水素化合物の少なくとも１つであることを特徴とする請求項５または６に記載の摺動部材の製造方法。
8. 前記フラーレンは、Ｃ_６０フラーレンであることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の摺動部材の製造方法。

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