JP2015151551A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】基材上にＤＬＣ層を備えるものにあって、境界潤滑域での摩擦係数の低減を図ると共に、混合潤滑域への早期移行を図る。
【解決手段】摺動部材１１は、基材１２上に、摺動層１３を備えている。摺動層１３を、表面の軟質層１４と、その下面側のＤＬＣ層１５とから構成する。軟質層１４を、ヤング率Ｅが６〜３０ＧＰａであり、硬さＨｔが０．２〜３．０ＧＰａであり、且つ、それらの比の値［Ｅ／Ｈｔ］を、１０〜３０とする。ＤＬＣ層１５を、硬さＨｄが、５〜６０ＧＰａとする。
【選択図】図３

Description

本発明は、基材の表面側に複数層からなる摺動層を有する摺動部材に関する。

例えば自動車のエンジン等に用いられるすべり軸受等の摺動部材は、裏金層上に設けられた例えば銅合金等の軸受合金層（基材）上に、ダイヤモンドライクカーボン（以下「ＤＬＣ」とも略す）層を設けることにより、耐摩耗性の向上を図ることが考えられている（特許文献１、２参照）。

即ち、特許文献１では、基材上に、硬質層と軟質層との積層構造を有する硬質炭素皮膜を形成し、その表面を研磨することにより、下地の硬質層が露出した平滑な摺動表面を得るようにする技術が開示されている。また、特許文献２では、基材上に、窒化炭素膜（ａ−ＣＮｘ膜）と、その窒化炭素膜上に形成された非晶質のカーボンコーティング膜とを備えた構成が開示されている。

特開２００９−１６７５１２号公報 特開２００９−１３１９２号公報

上記のように、表面にＤＬＣ層を設けた摺動部材（軸受）にあっては、従来のエンジン環境にあっては、比較的良好に機能し、損傷なく使用することができていた。ところが、エンジンの更なる高性能化、高機能化が進められると、特に、ハイブリッド車のように、エンジンの起動、停止を頻繁に繰返す環境下では、摺動部材にとってはより過酷な状況に曝されることになり、摺動部材における摩擦特性のより一層の向上が求められる。そのためには、境界潤滑域での摩擦係数の低減、混合潤滑域への早期移行を図ることが重要となる。

しかしながら、上記特許文献１の技術では、表面の平滑化によって低摩擦係数を図ろうとしているものの、摺動面にオイルを引込んで、油膜を形成することが難しいため、境界潤滑域での摩擦係数は高いものとなっていた。また、特許文献２では、境界潤滑域の摩擦係数は低くなるが、なじみ層厚さが薄いため形状なじみはなされず、油膜を形成しないため、混合潤滑域への早期移行が難しいものとなっていた。尚、この特許文献２では、窒素雰囲気を必要としており、油中で使用するすべり軸受への適用は想定されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、基材上にＤＬＣ層を備えるものにあって、境界潤滑域での摩擦係数の低減を図ると共に、混合潤滑域への早期移行を図ることができる摺動部材を提供することにある。

本発明者等は、基材上にＤＬＣ層を備える摺動部材にあって、境界潤滑域での摩擦係数の低減及び混合潤滑域への早期移行を図るべく、鋭意研究を重ねた。その結果、ＤＬＣ層の表面部に、軟質層を設ける積層構造とすると共に、それら軟質層及びＤＬＣ層の物性を制御することにより、境界潤滑域における摩擦特性を向上させ、且つ、オイルの引込みを起こしやすく（油膜形成をしやすく）することができることを見出し、本発明を成し遂げたのである。尚、本発明における硬さ及びヤング率は、周知のナノインデンターにより求められる数値である。

即ち、本発明の摺動部材は、基材の表面側に、複数層からなる摺動層を有するものであって、前記摺動層は、最表面に炭素基の軟質層を備えると共に、前記軟質層の直下にダイヤモンドライクカーボン層を備え、前記軟質層は、ヤング率Ｅが６〜３０ＧＰａであり、硬さＨｔが０．２〜３．０ＧＰａであり、且つ、それらの比の値［Ｅ／Ｈｔ］が、１０〜３０であり、前記ダイヤモンドライクカーボン層は、硬さＨｄが、５〜６０ＧＰａであるところに特徴を有する（請求項１の発明）。

上記構成によれば、摺動層の最表面に炭素基の軟質層を有し、その軟質層が、所定の硬さを有する硬いＤＬＣ層上に存在することにより、境界潤滑域（摺動層と相手部材との間の油膜が極めて薄く、相手部材との直接接触が頻繁となる状態）において、相手部材との間での適度な初期なじみ性（相手部材に対応する形状への早期の変形し易さ）を得ることができ、掘り起こし及び凝着を抑えることができ、ひいては、摩擦係数を大幅に低減することができる。しかも、ヤング率Ｅ／硬さＨｔの比の値を規定したことにより、早期に混合潤滑域（摺動層と相手部材との間に薄い油膜が形成され、相手部材との直接接触も起こっている状態）に移行させ、更に摩擦係数を低減させることができる。

前記ＤＬＣ層は、硬さＨｄが５〜６０ＧＰａであることが必要となる。前記軟質層のヤング率Ｅ及び硬さＨｔは、ナノインデンターにより求められ、ヤング率Ｅが６〜３０ＧＰａであり、硬さＨｔが０．２〜３．０ＧＰａである。且つ、それらの比の値［Ｅ／Ｈｔ］が、１０〜３０であることが重要となる。歩留まり等生産性上、より好ましくは、２０〜３０である。これに対し、軟質層における比の値［Ｅ／Ｈｔ］が、１０未満である場合には、ヤング率に対して硬さが過剰であるため、摩耗がほとんどなく初期なじみが得られず、境界潤滑域での摩擦係数低減の効果に劣るものとなる。他方、比の値［Ｅ／Ｈｔ］が、３０を越える場合には、ヤング率に対して硬さが不足してしまい、なじみ（摩耗）の度合いが大きくなって境界潤滑域での低摩擦係数を得ることができるが、オイルを引込みにくく、油膜形成ができにくいものとなる。

図１には、本発明品Ａ（１０≦Ｅ／Ｈｔ≦３０）、比較品Ｂ（Ｅ／Ｈｔ＜１０）、比較品Ｃ（３０＜Ｅ／Ｈｔ）の３種類の軟質層に関して、オイルの引込み速度と摩擦係数との関係を調べたボールオンディスク試験の結果（ストライベック線図）を例示している。また、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、夫々、本発明品Ａ、比較品Ｂ、比較品Ｃにおける軟質層の初期なじみ（摩耗）の様子を模式的に示す断面図である。

軟質層が硬い比較品Ｂでは、図２（ｂ）に示すように、初期なじみが得られず（適切に摩耗せず）、図１に示すように、境界潤滑域での摩擦係数（μ）は大きいものとなっている。他方、軟質層が軟らか過ぎる比較品Ｃでは、図２（ｃ）に示すように、初期なじみは十分に得られるため、図１に示すように、境界潤滑域での摩擦係数を低減することができるものの、油膜が破断されがちになり、混合潤滑域での摩擦係数の低下の開始が遅くなる。これに対し、本発明の構成を有する本発明品Ａでは、図２（ａ）に示すように、適度な初期なじみ性が得られ、且つ、油膜形成を促進することができる。この結果、図１に示すように、境界潤滑域での摩擦係数を低減させることができると共に、摩擦係数の低下が開始される速度を小さくして混合潤滑域に早期に移行させることができ、より一層の摩擦特性の向上を図ることができる。

本発明のＤＬＣ層は、ダイヤモンド及びグラファイト構造からなる非晶質体を主構成として形成されている層である。具体的には、金属含有ＤＬＣ、弗素含有ＤＬＣ、水素含有ＤＬＣ、水素非含有ＤＬＣ等の各種のＤＬＣを採用することができる。また、このＤＬＣ層も、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＰＶＤ法（物理気相成長法）などによって、基材上に形成することができる。成膜条件（出力、ガス条件）を調整することにより、やはり、ＤＬＣ層のヤング率、硬さ、膜厚を制御することができる。このＤＬＣ層は、硬さＨｄが、５〜６０ＧＰａであることが必要となる。

本発明の軟質層は、炭素基の膜からなり、例えば、ＤＬＣ（水素含有ＤＬＣや水素非含有ＤＬＣが好ましい）、ポリマーライクカーボン（以下「ＰＬＣ」と略す、水素含有ＰＬＣが好ましい）、グラファイト（以下「Ｇｒ」と略す）を採用することができる。この軟質層は、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＰＶＤ法（物理気相成長法）などによって形成することができる。このとき、成膜条件（出力、ガス条件）を調整することにより、ヤング率、硬さ、膜厚を制御することができる。更に、構造的に、グラフェン、カーボンナノチューブ、フラーレン等を採用することも可能である。この場合、軟質層には、いわゆる樹脂オーバレイ（固体潤滑剤（例えばＭｏＳ_２、ＷＳ_２等）及びバインダ樹脂からなる層）を含まないものとすることができる。また、軟質層の厚みとしては、例えば、０．０５〜１０．０μｍとすることができる。

本発明における基材とは、摺動層を設けるための構成物のことである。例えば、裏金層上に軸受合金層を設けたものを基材として、その軸受合金層上に摺動層を設けることができる。またその際に、軸受合金層と上述してきたＤＬＣ層との間に、例えば接着層や別のＤＬＣ層等の中間層を設けることもできる。前記軸受合金層の材質としては、Ａｌ基、Ｃｕ基等を採用することができる。

本発明においては、前記軟質層の厚み寸法Ｔ（μｍ）と、前記ダイヤモンドライクカーボン層の硬さＨｄ（ＧＰａ）との関係が、
Ｔ≦２のときに、Ｈｄ×Ｔ≧６であり、
２＜Ｔ≦３．２のときに、Ｈｄ×（Ｔ−２）≦６
となるように構成することができる（請求項２の発明）。

本発明者等の研究によれば、上記請求項１の構成に加えて、更に、軟質層の厚み寸法Ｔと、その下側のＤＬＣ層の硬さＨｄとを更に上記関係式を満たすようにすることにより、境界潤滑域での摩擦係数の低減、混合潤滑域への早期移行による摩擦特性の向上の効果を、より一層高めることができることが確認された。

３種類の軟質層における引込み速度と摩擦係数との関係を調べた試験結果を概略的に示す図 本発明品Ａ（ａ）、比較品Ｂ（ｂ）、比較品Ｃ（ｂ）における軟質層の初期なじみ（摩耗）の様子を概略的に示す断面図 本発明の実施形態を示すもので、摺動部材の構造を模式的に示す断面図

以下、本発明を、例えば自動車のエンジンのクランクシャフト用のすべり軸受に適用した実施形態について、図面を参照しながら説明する。後に掲載する表１に示すように、実施例１〜１２は、本実施形態に係る摺動部材（すべり軸受）であり、特許請求の範囲（請求項１）に記載された構成を備えている。また、そのうち実施例７〜１２の摺動部材は、更に請求項２に記載された通りの構成を備えている。

図３は、本実施形態に係る摺動部材（すべり軸受）１１の構成を概略的に示している。この摺動部材１１は、基材１２の表面（上面）側に、複数層からなる摺動層１３を備えている。本実施形態では、前記摺動層１３は、図示しないクランクシャフト等の相手部材が摺動する表面側（最表面）に炭素基の軟質層１４を備えると共に、その軟質層１４の直下にＤＬＣ層１５を備えた二層構造とされている。

尚、詳しく図示はしていないが、前記基材１２は、例えば鋼からなる裏金層と、その裏金層の上面（摺動面側）に設けられたＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金等からなる軸受合金層とを備えている。また、上記基材１２（軸受合金層）とＤＬＣ層１５との間に、例えば別のＤＬＣ層等の中間層を設けるようにしても良い。

前記軟質層１４は、炭素基の膜からなり、具体的には、ＤＬＣ、ＰＬＣ、Ｇｒが採用されている。この軟質層１４の厚み寸法Ｔは、０．０５〜１０．０μｍとされている。そして、軟質層１４は、ヤング率Ｅが６〜３０ＧＰａであり、硬さＨｔが０．２〜３．０ＧＰａであり、且つ、それらの比の値［Ｅ／Ｈｔ］が、１０〜３０とされている。

前記ＤＬＣ層１５は、具体的には、金属含有ＤＬＣ、弗素含有ＤＬＣ、水素含有ＤＬＣ、水素非含有ＤＬＣが採用されている。尚、後述する表１では、夫々Ｍｅ、Ｆ、Ｈ、Ｈフリーと記す。このＤＬＣ層１５の厚み寸法Ｔｄは、例えば、１．０〜５．０μｍとされている。そして、このＤＬＣ層１５は、硬さＨｄが、５〜６０ＧＰａとされている。

また、本実施形態では、実施例７〜１２の摺動部材に限っては、軟質層１４の厚み寸法Ｔ（μｍ）と、ＤＬＣ層１５の硬さＨｄ（ＧＰａ）との関係が、
Ｔ≦２の場合には、Ｈｄ×Ｔ≧６であり、
２＜Ｔ≦３．２の場合には、Ｈｄ×（Ｔ−２）≦６
となるように構成されている。

上記した摺動部材１１は、例えば次の手順で製造される。即ち、まず、鋼からなる裏金層上に、Ｃｕ基又はＡｌ基の軸受合金層をライニングすることにより、いわゆるバイメタルからなる基材１２が形成される。この基材１２は、半円筒状又は円筒状に成形される。成形された基材１２は、軸受合金層の表面に、例えばボーリング加工又はブローチ加工等の表面仕上げが施される。

そして、前記基材１２（軸受合金層）上に、プラズマＣＶＤ法又はＰＶＤ法によって、ＤＬＣ層１５を形成する。更に、ＤＬＣ層１５上に、プラズマＣＶＤ法又はＰＶＤ法等によって、軟質層１４を形成する。このとき、成膜条件（出力、ガス条件）を調整することにより、軟質層１４のヤング率、硬さ、膜厚を制御することができる。具体的には、この実施形態では、ＰＶＤとしてのスパッタリング法を用いて、ＤＬＣ層１５を成膜させた後、バイアス電圧０Ｖとしてヤング率、硬さ、膜厚を制御した軟質層１４を形成した。

さて、本発明者等は実施形態の摺動部材１１について、境界潤滑域での摩擦係数、及び、混合潤滑域への移行早さを調べるための試験、即ち、周知のボールオンディスク試験を行った。試験を行うにあたっては、表１に示すように、本発明を具体化した実施例１〜１２、及び、比較のための比較例１〜４の１６種類の試験片（例えば直径４６ｍｍの円板）を作製した。尚、表１ではＣｕ合金軸受合金層を用いた。表１には、実施例１〜１２及び比較例１〜４の構成、即ち、軟質層１４の種類、ヤング率Ｅ、硬さＨｔ、比の値［Ｅ／Ｈｔ］、厚み寸法Ｔ、ＤＬＣ層１５の種類、硬さＨｄ、厚み寸法Ｔｄを、試験結果と共に示している。

実施例１〜１２では、所定の硬さＨｄ及び厚み寸法Ｔｄを有するＤＬＣ層１５上（最表面）に、ＤＬＣ、ＰＬＣ、Ｇｒからなる軟質層１４を所定厚み寸法Ｔで有すると共に、軟質層１４のヤング率Ｅ、硬さＨｔ、それらの比の値［Ｅ／Ｈｔ］が所定範囲内とされている。即ち、軟質層１４におけるヤング率Ｅが６〜３０ＧＰａの範囲内であり、硬さＨｔが０．２〜３．０ＧＰａの範囲内であり、且つ、それらの比の値［Ｅ／Ｈｔ］が、１０〜３０とされている。

これに対し、比較例１では、軟質層１４を設けないもの（表面がＤＬＣ層）とされている。比較例２〜４ではＤＬＣ層１１５上に軟質層１１４が存在するものの、比較例２では、軟質層１１４のヤング率Ｅ、硬さＨｔがともに大きく、比の値［Ｅ／Ｈｔ］が１０未満の値である５とされている。比較例３では、比の値［Ｅ／Ｈｔ］が、３０を超えた値である３５とされている。比較例４では、軟質層１１４のヤング率Ｅが、３０ＧＰａを超えた値である４０とされている。

また、実施例１〜１２に関しては、軟質層１４の厚み寸法Ｔと、ＤＬＣ層１５の硬さＴｄとの関係についても、併せて記載している。このとき、厚み寸法Ｔが２μｍ以下の場合には、Ｈｄ×Ｔの値を記載し、厚み寸法Ｔが２μｍを越え３．２μｍ以下の場合には、Ｈｄ×（Ｔ−２）の値を記載している。上記のように、実施例７〜１２では、Ｔ≦２の場合に、Ｈｄ×Ｔ≧６であり、２＜Ｔ≦３．２の場合に、Ｈｄ×（Ｔ−２）≦６であるという範囲を満たしている。実施例１〜６については、その範囲から外れている。

ボールオンディスク試験については、周知であるので、詳しい説明は省略するが、垂直軸を中心に回転する試験片に対し、その上面外周部に同一位置で転動する鋼球を例えば荷重１Ｎで載置し、それらの相対速度を一定（例えば５００ｍｍ／ｓ）に保ったまま、速度を可変させ、鋼球と試験片との間にあるオイル（例えばＳＡＥ♯１０）が引込まれる速度を変化させて各引込み速度における摩擦係数を測定するものである。試験結果は、次の表１の通りである。ここでは、境界潤滑域での摩擦係数μｂ、及び、摩擦係数μｂの低下が開始する（μｂが０．０１低下する）引込み速度Ｖｍを記載している。

この試験結果から明らかなように、ＤＬＣ層１５上に軟質層１４を所定厚み寸法Ｔで有すると共に、軟質層１４のヤング率Ｅ、硬さＨｔ、それらの比の値［Ｅ／Ｈｔ］を所定範囲内とした実施例１〜１２の摺動部材１１は、いずれも、境界潤滑域での摩擦係数μｂが比較的小さく、且つ、摩擦係数μｂの低下が開始する引込み速度Ｖｍが比較的小さく、早期に混合潤滑域に移行するものとなった。これに対し、軟質層を設けなかった比較例１、軟質層１４のヤング率Ｅや硬さＨｔ、それらの比の値［Ｅ／Ｈｔ］のいずれかが所定範囲から外れた比較例２〜４では、境界潤滑域での摩擦係数μｂが大きく、摩擦係数μｂの低下が開始する引込み速度Ｖｍも比較的大きくなっていた。

これは、実施例１〜１２の摺動部材１１にあっては、軟質層１４が、所定の硬さＨｄを有するＤＬＣ層１５上に存在することにより、境界潤滑域において、相手部材との間での適度な初期なじみ性を得ることができ、掘り起こし及び凝着を抑えて摩擦係数を大幅に低減することができたものと考えられる。しかも、軟質層１４におけるヤング率Ｅ、硬さＨｔ、それらの比の値［Ｅ／Ｈｔ］を、所定範囲内としたことにより、早期に混合潤滑域に移行させ、更に摩擦係数を低減させることができたものと考えられる。

これに対し、軟質層１１４における比の値［Ｅ／Ｈｔ］が、１０未満である比較例２では、硬すぎるため、摩耗がほとんどないため初期なじみが得られず、境界潤滑域での摩擦係数低減の効果に劣るものとなると考えられる。また、比の値［Ｅ／Ｈｔ］が、３０を越える比較例３の場合には、ヤング率に対して軟らか過ぎてしまい、なじみ（摩耗）の度合いが大きくなって境界潤滑域での低摩擦係数を得ることができるが、オイルを引込みにくく、油膜形成ができにくいものとなると考えられる。

そして、実施例の中を見てみると、比の値［Ｅ／Ｈｔ］の値が２０以上である、実施例４〜６及び実施例１０〜１２は、摩擦係数μｂの低下が開始する引込み速度Ｖｍを、より小さくすることができた。従って、比の値［Ｅ／Ｈｔ］の値は、２０〜３０であることがより好ましいと考えられる。更に、軟質層１４の厚み寸法Ｔと、ＤＬＣ層１５の硬さＴｄとの関係を、所定範囲とした実施例７〜１２では、その範囲から外れている実施例１〜６に比べて、境界潤滑域での摩擦係数μｂをより一層小さくすることができた。尚、軸受合金層の材質としてＡｌ基を採用した場合も同様の試験結果を得た。

尚、本発明の摺動部材は、上記した実施形態（各実施例）に限定されるものではなく、例えば、裏金層や軸受合金層の材質や厚み寸法、ＤＬＣ層や軟質層の形成方法等についても、様々な変更が可能である。また、各成分には不可避的不純物が含まれ得る。更には、摺動部材は、自動車のエンジン用のすべり軸受に限らず、様々な用途に使用することができる等、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

図面中、１１は摺動部材、１２は基材、１３は摺動層、１４は軟質層、１５はダイヤモンドライクカーボン層を示す。

Claims (2)

1. 基材の表面側に、複数層からなる摺動層を有する摺動部材であって、
   前記摺動層は、最表面に炭素基の軟質層を備えると共に、前記軟質層の直下にダイヤモンドライクカーボン層を備え、
   前記軟質層は、ヤング率Ｅが６〜３０ＧＰａであり、硬さＨｔが０．２〜３．０ＧＰａであり、且つ、それらの比の値［Ｅ／Ｈｔ］が、１０〜３０であり、
   前記ダイヤモンドライクカーボン層は、硬さＨｄが、５〜６０ＧＰａであることを特徴とする摺動部材。
2. 前記軟質層の厚み寸法Ｔ（μｍ）と、前記ダイヤモンドライクカーボン層の硬さＨｄ（ＧＰａ）との関係は、
   Ｔ≦２のときに、Ｈｄ×Ｔ≧６であり、
   ２＜Ｔ≦３．２のときに、Ｈｄ×（Ｔ−２）≦６であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。

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