JP2011026591A - 低摩擦摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の低摩擦摺動部材は、モリブデンを含まない潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜とを備える。潤滑油は、SおよびPのうちの少なくとも一種ならびにZn、Ca、Mg、Na、BaおよびCuのうちの少なくとも一種を含有する。非晶質硬質炭素膜は、炭素を主成分とし、非晶質硬質炭素膜全体を100原子%としたときに、Hを5原子%以上25原子%以下含み、さらにB、Al、MnまたはMoを所定量含むことを特徴とする。
【選択図】図2
Description
前記潤滑油は、硫黄(S)およびリン(P)のうちの少なくとも一種ならびに亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)のうちの少なくとも一種を合計で500ppmを超えて含み、
前記非晶質硬質炭素膜は、炭素(C)を主成分とし、該非晶質硬質炭素膜全体を100原子%としたときに、水素(H)を5原子%以上25原子%以下含み、硼素(B)を4原子%以上30原子%以下含むことを特徴とする。
なお、本明細書では、潤滑油中の添加剤が解離してなるイオンが膜表面に吸着あるいは膜表面で反応することを「吸着する」、そのようなイオンを「吸着物」と略記することもある。
基材の材質は、摺動部材として使用できれば特に限定されるものではない。金属、セラミックス、樹脂から選ばれる材料を用いればよい。たとえば、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄、アルミニウム合金、チタン合金などの金属製基材、超鋼、アルミナ、窒化珪素などのセラミックス製基材、ポリイミド、ポリアミドなどの樹脂製基材、等が挙げられる。
DLC膜は、炭素(C)を主成分とし、水素(H)を含み、硼素(B)、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)またはモリブデン(Mo)を含む。なお、これらの元素を含むDLC膜は、炭素と反応して炭化物を形成している可能性もあるが、その構造は全体として非晶質であるのが好ましい。
本発明の低摩擦摺動部材は、潤滑油を用いた湿式条件で使用される。潤滑油は、Moを含まず、SおよびPのうちの少なくとも一種ならびにZn、Ca、Mg、Na、BaおよびCuのうちの少なくとも一種を含有する。これらの元素は、ベース油に添加される添加剤に含まれる。主な添加剤としては、アルカリ土類金属系添加剤であるCa−スルホネート、Mg−スルホネート、Ba−スルホネート、Na−スルホネートなど、極圧添加剤であるりん酸エステル、亜りん酸エステル、亜鉛ジアルキルジチオフォスフェート(Zn−DTP)など、が挙げられる。また、無灰分散剤であるコハク酸イミド、コハク酸エステルなど、上記の元素を含まない添加剤を含んでもよい。すなわち、本発明の低摩擦摺動部材の表面には、負イオンとして、S−、PO2 −、PO3 −、SO2 −、SO3 −、PO2S−、PSO2 −、CNO−等が吸着あるいは反応して境界膜を形成する。潤滑油は、DLC膜が形成された本発明の低摩擦摺動部材の摺動の際に、少なくともその摺動面に供給されればよい。
先に説明したDLC膜は、各種スパッタリング法、特に、マグネトロンスパッタリング法の中でもアンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により成膜されるのが望ましい。UBMS法は、ターゲットに印加する磁場のバランスを意図的に崩して被処理体(基材)へのイオン入射を強めた方法である。ターゲット蒸発面近傍から、基材の近傍に伸びる磁力線にトラップされた電子により、原料ガスのイオン化が促進されるとともに反応が進みやすくなる。加えて、基材に対して多くのイオンが入射するため、緻密なDLC膜を効率よく成膜することができる。
処理ガス圧は、0.5〜1.5Paとするのが望ましい。また、ターゲットに印可する電力は1kW〜3kW、基板近傍の磁場の強度は6〜10mTとするのが有効である。
なお、本発明の低摩擦摺動部材は、Moを含まない潤滑油中で既に説明した相手材と摺接させることを特徴とする摺動方法として捉えることも可能である。
基材として鋼材(マルテンサイト系ステンレス鋼:SUS440C)を準備した。基材は、6.3mm×15.7mm×10.1mmであり、表面硬さ:HRC60、表面粗さ:Ra0.005μmであった。
基材の表面に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング装置(株式会社神戸製鋼所製UBMS504)を用い、添加元素の種類および添加量の異なる非晶質炭素膜を成膜した。装置内には、基材を配設するとともに、グラファイトターゲットおよび添加元素の単体からなるターゲット(たとえば、添加元素がBであれば純硼素ターゲット、添加元素がAlであれば純アルミニウムターゲット)を装置に付属のマグネトロンに一つずつ載置した。このとき、各ターゲットの表面と基材の成膜面とが向かい合うようにした。基材の表面からターゲットの表面までの距離は100〜800mmであった。なお、マグネトロンは、各ターゲットの裏側に位置し、外側磁極(強磁場)と内側磁極(弱磁場)とからなる。それらのバランスを意図的に崩す(非平衡磁場)ことで、外側磁極からの磁力線の一部が基板まで伸び、プラズマの一部が磁力線に沿って基板近傍まで拡散し易くなる。
上記手順で得られた摺動部材(試料#00〜#24、#B1および#B2)について、各種DLC膜の組成、表面の硬さ、弾性率および表面粗さを測定した。
ブロック・オン・リング型摩擦試験機(FALEX社製LFW−1型試験機)を用いて摩擦試験を行い、表1に示した#00〜#24の各試料の摩擦特性を評価した。図1にブロック・オン・リング型摩擦試験機の構成を示す。図1に示すように、ブロック・オン・リング型摩擦試験機は、ブロック試験片1と、相手材となるリング試験片2と、から構成される。ブロック試験片1は、表1に示す各試料のいずれかであり、基材1sおよび皮膜1fからなる。リング試験片2はSAE4620浸炭鋼であり、外径φ35mm幅8.8mmのリング状(外周面の十点平均粗さRz1.3μm)を呈する。リング試験片2は、その外周面21がブロック試験片1の皮膜1fの表面に当接する状態で設置される。
境界摩擦の低減要因を調べるため、試料#00、#01、#03、#06、#B1、#10、#13、#23および基材(SUS440C)について、エンジン油中での摩擦試験後の表面の吸着物を分析した。吸着物の分析は、二次イオン質量分析(TOF−SIMS)により行った。図5〜図12に、吸着物の分析結果をそれぞれ示す。各図において、点線で囲まれた領域が、リング試験片と摺接した摺動部に相当する。なお、図5〜図11において分析した各成分の後に括弧書きで示す数値および図12の写真左下の数値は、測定した表面全体を100としたときの各成分の質量割合を示す。しかし、各成分が多く存在するのは明るく見える箇所であるため、図中の数値と摺動面のみにおける成分の質量割合とは異なる。
B含有量の異なるB−DLC膜を有する試料#B1および#B2に対して、試料#02〜#06と同様の摩擦試験を行い、摩擦係数を測定した。結果を図13に示す。
上記手順で作製したうちのいずれかのDLC膜について、XRD測定を行った。また、試料#00、#06および#13が備えるDLC膜の構造を、TEMを用いて調べた。なお、TEMには、日本電子株式会社製JEM−2010Fを用いた。XRD測定結果を図14、TEMによる観察結果および電子線回折像の解析結果を図15〜18に示した。
Claims (12)
- モリブデンを含まない潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜とを備える低摩擦摺動部材であって、
前記潤滑油は、硫黄(S)およびリン(P)のうちの少なくとも一種ならびに亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)のうちの少なくとも一種を合計で500ppmを超えて含み、
前記非晶質硬質炭素膜は、炭素(C)を主成分とし、該非晶質硬質炭素膜全体を100原子%としたときに、水素(H)を5原子%以上25原子%以下含み、硼素(B)を4原子%以上30原子%以下含むことを特徴とする低摩擦摺動部材。 - モリブデンを含まない潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜とを備える低摩擦摺動部材であって、
前記潤滑油は、硫黄(S)およびリン(P)のうちの少なくとも一種ならびに亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)のうちの少なくとも一種を合計で500ppmを超えて含み、
前記非晶質硬質炭素膜は、炭素(C)を主成分とし、該非晶質硬質炭素膜全体を100原子%としたときに、水素(H)を5原子%以上25原子%以下含み、アルミニウム(Al)を7原子%以上20原子%以下含むことを特徴とする低摩擦摺動部材。 - モリブデンを含まない潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜とを備える低摩擦摺動部材であって、
前記潤滑油は、硫黄(S)およびリン(P)のうちの少なくとも一種ならびに亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)のうちの少なくとも一種を合計で500ppmを超えて含み、
前記非晶質硬質炭素膜は、炭素(C)を主成分とし、該非晶質硬質炭素膜全体を100原子%としたときに、水素(H)を5原子%以上25原子%以下含み、マンガン(Mn)を5原子%以上20原子%以下含むことを特徴とする低摩擦摺動部材。 - モリブデンを含まない潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜とを備える低摩擦摺動部材であって、
前記潤滑油は、硫黄(S)およびリン(P)のうちの少なくとも一種ならびに亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)のうちの少なくとも一種を合計で500ppmを超えて含み、
前記非晶質硬質炭素膜は、炭素(C)を主成分とし、該非晶質硬質炭素膜全体を100原子%としたときに、水素(H)を5原子%以上25原子%以下含み、モリブデン(Mo)を7原子%以上20原子%以下含むことを特徴とする低摩擦摺動部材。 - 前記非晶質硬質炭素膜の酸素(O)含有量は、6原子%未満である請求項1〜4のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜の酸素(O)含有量は、3原子%未満である請求項5に記載の低摩擦摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜の配向性は、スパッタリング法で成膜され主として炭素と水素とからなる別の非晶質炭素膜が有するグラファイトの(002)配向よりも配向性が低い請求項1〜6のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜は、炭化物を実質的に含まない請求項1、2または3に記載の低摩擦摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜は、モリブデン炭化物を含む請求項4記載の低摩擦摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜は、摺接時にその表面に硫化モリブデン膜が生成される請求項4または8記載の低摩擦摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜の硬さは、12GPa以上である請求項1〜10のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
- 請求項1〜11のいずれかに記載の低摩擦摺動部材を前記潤滑油中で相手材と摺接させることを特徴とする摺動方法。
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