JP4214931B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は互いに相対移動する２つの部材で構成される摺動部材、特に、摺動面に硬質炭素層を持つ摺動部材において、摩擦係数および摩耗量を共に低減できるようにした摺動部材に関する。

ＤＬＣをはじめとする硬質炭素膜は低温低圧雰囲気下での成膜が可能であることから、対象とする材料が幅広く選定でき、低摩擦係数と高耐摩耗性を両立した摺動材料として注目されている。例えば、特許文献１（特開２００３−１１１９９０号公報）には、ミシン用の摺動部材であって、相対運動する第１部材と第２部材の摺動部分において、第１部材の表面に金、銀などのいずれかの金属を含有するＤＬＣ被膜層を形成すると共に、第２部材の表面にフッ素系被膜層を形成したものが記載されている。また、特許文献２（特開平６−２１２４２９号公報）には、ＡＶ，ＯＡ機器部品などの電気的接触を要求される摺動部の材料として好適に用いるための硬質炭素膜として、Ｂ，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇの群から選ばれる少なくとも１種の元素を不純物元素として含有する硬質炭素膜が記載されている。

特開２００３−１１１９９０号公報 特開平６−２１２４２９号公報

本発明者らは、従来知られているＤＬＣを含む硬質炭素膜を自動車用の摺動部材（特に、自動車用エンジン部品）として使用すべく、ベンチマークテストを行ったところ、目標とする摩擦係数（≦０．０５）および耐摩耗性（摩耗深さ≦０．１μｍ／３０ｍｉｎ，ＬＡＷ−８０℃エンジンオイル油浴中）の双方において満足した結果を得ることができなかった。

その要因の１つには、互いに相対移動する摺動部材の場合、相手方の影響を受けることとなるが、自動車のエンジン部品のように長時間に及ぶ高負荷状況下では、硬質炭素膜が相手材からの負荷（荷重、熱、凝着反応、等）により、自身の内部在留応力および組織欠陥などの相乗作用によって、部材間の摩擦係数が大きくなり、摩耗が進展した結果と考えられる。硬質炭素膜自身の耐摩耗性向上のために、金属およびＨＣ系ガスの添加などにより、摩擦摩耗特性を解決しようとする試みも行われるが、成膜性に不都合が生じ実用化にはいたっていない。

特許文献１、２には、ＤＬＣに金、銀などの金属を添加したものが記載されるが、その具体的な使用態様はいずれも常温常圧下のものであり、かつ、相手方もフッ素系被膜層であるか電気的接触が求められる通常の金属材料であり、自動車のエンジン部品でのように相手方から過酷な負荷（荷重、熱、凝着反応、等）を受けるように使用状態での検証はなされていない。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、互いに相対移動する２つの部材で構成される摺動部材において、相手方から過酷な負荷を受けるような使用環境下においても、摩擦係数の低下と摩耗量の低減との双方を満足できるようにした新たな摺動部材を提供することを目的とする。本発明による摺動部材を自動車用エンジン部品に採用することにより、画期的な燃費の向上が図られる。

本発明による摺動部材の第１の形態は、互いに相対移動する第１部材と第２部材とで構成される摺動部材であって、第１部材の摺動面は１Ｂ族金属を１種または２種以上を含有する硬質炭素層であり、第２部材の摺動面は硬質炭素層であることを特徴とする。

本発明において、硬質炭素層とはＤＬＣを含む従来知られた硬質炭素材からなる成膜層であり、基材に対して固体カーボンを物理蒸着方法（ＰＶＤ）あるいは化学蒸着方法（ＣＶＤ）により蒸着するような方法により形成することができる。添加する１Ｂ族金属はＣｕ，Ａｇ，Ａｕのいずれか１種でもよく２種以上であってもよい。１Ｂ族金属を含有する硬質炭素層は基材に直接成膜してもよいが、基材に下層として硬質炭素層を形成し、その上に１Ｂ族金属を含有する硬質炭素層を成膜することは好ましい。また、１Ｂ族金属を含有する硬質炭素層の膜厚は０．１〜０．７μｍが望ましい。０．１μｍ未満では軟質金損である１Ｂ族金属を含有した効果が不十分であり、０．７μｍを越える場合は軟質金属の性質が支配的になるため有効でない。

上記の摺動部材では、硬質炭素膜のグラファイト組織による自己潤滑効果、および１Ｂ族金属添加による相手材からの衝撃緩和、相手材との凝着防止、自己材料の組織欠陥防止などの効果から、後の実施例に記載のように、特に、エンジンオイル中のような潤滑雰囲気中において、従来のもの（例えば、一方が焼き入れしたスティールであり、他方が硬質炭素膜である摺動部材）と比較して、摩擦係数の低下、摺動部材の摩耗の低減、相手攻撃性の低減が得られる。結果として、エンジンの燃費向上が図られる。社会的にも、資源の保護、有害物質の発生抑制、地球温暖化防止などを達成することができる。

本発明による摺動部材の第２の形態は、互いに相対移動する第１部材と第２部材とで構成される摺動部材であって、２つの部材の摺動面は共に１Ｂ族金属を１種または２種以上を含有する硬質炭素層であることを特徴とする。ここでも、第１と第２の部材は、基材に下層として硬質炭素層を形成し、その上に表層部として１Ｂ族金属含有する硬質炭素層を成膜することが好ましい。

後の実施例に示すように、この形態のものも、従来のもの（例えば、一方が焼き入れしたスティールであり、他方が硬質炭素膜である摺動部材）と比較して、摩擦係数の優れた低下効果が得られるが、潤滑面の表層が共に軟質金属である１Ｂ族金属含有する硬質炭素層であることと、カーボンの自己潤滑性効果の割合がやや低下することから、耐摩耗効果は、前記第１の形態のものよりも、やや低減する。

前記したように、摺動部材が、自動車のエンジン部品のように長時間に及ぶ高負荷状況下で使用されるときには、自身および相手材は、相手側の荷重による応力により母材が変形を受け、亀裂が進展して剥離が生じる恐れがある。それを回避するために、本発明による摺動部材において、硬質炭素層は、ＨＶ≧２０００、ヤング率≧２５０Ｇｐａであり、１Ｂ族金属を含有する硬質炭素層は、ＨＶ≧１０００、ヤング率≧１５０Ｇｐａであるように、双方の硬度を設定することが望ましい。この範囲に硬度を設定することにより、本発明者らの実験では、摺動面を形成する被膜層に亀裂や剥離が生じるのを回避することができた。

本発明による摺動部材において、第１部材の摺動面を形成する層は、１Ｂ族金属を０．５〜８０ｗｔ％を含むことが望ましい。本発明者らの実験では、１Ｂ族金属が０．５ｗｔ％以下ではカーボン結合の密着性が脆弱となり、８０ｗｔ％以上では１Ｂ族金属の特性が支配的となり耐摩耗性が低下した。

本発明によれば、自動車のエンジン部品のように長時間に及ぶ高負荷状況下で使用しても、低い摩擦係数（例えば、約０．０４〜０．０６程度）と高い耐摩耗性（例えば、≦約０．４μｍ）の双方を満足する摺動部材が得られる。

以下、本発明を実施例により説明するが、これは例示であって、本発明がこの実施例に限られることはない。

［実施例１］
図１に示す試験装置を用意した。図１において、１は平板状の固定部材（ブロック）であり、２はブロック１に摺接して回転するリング部材である。ブロック１は、素材がＳＵＳ系焼き入れ材（ＳＵＳ４４０Ｃ）である基材１Ａの表面に硬質炭素層として膜厚２μｍのＤＬＣ被膜層１Ｂを形成した。リング部材２は、素材が軸受け鋼（ＳＡＥ４６２０）である基材２Ａの表面に下層の硬質炭素層として膜厚２μｍのＤＬＣ被膜層２Ｂを形成し、その上の被覆層２Ｃとして、ａ．膜厚０．５μｍのＣｕ添加ＤＬＣ被膜層（Ｃｕ添加量６０ｗｔ％）をＰＶＤ法により形成したもの、ｂ．膜厚０．５μｍのＡｕ添加ＤＬＣ被膜層（Ａｕ添加量６０ｗｔ％）をＰＶＤ法より形成したもの、ｃ．膜厚０．５μｍのＡｇ添加ＤＬＣ被膜層（Ａｇ添加量６０ｗｔ％）をＰＶＤ法より形成したもの、の３種を用意した。

ブロック１と各リング部材２とを接触させた状態で、８０℃に保ったエンジンオイル油浴に入れ、負荷３２０ＭＰａ，すべり速度０．３Ｍ／ｓｅｃ，試験時間３０ｍｉｎの条件で摩擦摩耗試験を行い、摩擦係数（μ）と摩耗深さ（μｍ）を測定した。なお、試験方法はＬＦＷ−１（リングオンブロック法）に準じて行った。その結果を図２に示す。

［比較例１］
リング部材２として、表面がＳＴＥＥＬ（焼き入れ）のものを用いた以外は、実施例１と同じ条件で摩擦摩耗試験を行い、摩擦係数（μ）と摩耗深さ（μｍ）を測定した。その結果を図２に示す。

［比較例２］
ブロック１は実施例１と同じであるが、リング部材２として、基材２Ａの表面にフッ素系樹脂を厚さ５μｍでコーティングしたものを用い、実施例１と同じ条件で摩擦摩耗試験を行い、摩擦係数（μ）と摩耗深さ（μｍ）を測定した。その結果を図２に示す。

［評価］
図２に示すように、実施例１の３種の摺動部材は、摩擦係数がいずれも約０．０５μ程度であり、摩耗深さは大きいもので約０．３μｍ以下であった。いずれも、比較例１の従来の摺動部材と比較して、摩擦係数および摩耗量共に著しい低減効果を示したことがわかる。また、比較例２のものは、摩擦係数の低減効果は比較例１のものよりも優れているが、自動車部品を対象とする高温エンジンオイル油浴中では、フッ素樹脂が軟質化されるために摩耗が増大し、実施例１と比較して十分な耐摩耗効果が得られないことがわかる。

［実施例２］
図１に示す試験装置を用意した。リング部材２には、実施例１と同様に、素材がＳＡＥ４６２０である基材２Ａの表面に下層の硬質炭素層として膜厚２μｍのＤＬＣ被膜層２Ｂを形成し、その上の被覆層２Ｃとして、ａ．膜厚０．５μｍのＣｕ添加ＤＬＣ被膜層（Ｃｕ添加量６０ｗｔ％）をＰＶＤ法により形成したもの、ｂ．膜厚０．５μｍのＡｕ添加ＤＬＣ被膜層（Ａｕ添加量６０ｗｔ％）をＰＶＤ法により形成したもの、ｃ．膜厚０．５μｍのＡｇ添加ＤＬＣ被膜層（Ａｇ添加量６０ｗｔ％）をＰＶＤ法により形成したもの、の３種を用意した。

ブロック１も、素材がＳＵＳ４４０Ｃ（マルテンサイト系ステンレス）に高周波焼き入れにより表面を硬化させたものである基材１Ａの表面に硬質炭素層として膜厚２μｍのＤＬＣ被膜層１Ｂを形成し、さらにその上の被覆層として、ａ１．膜厚０．５μｍのＣｕ添加ＤＬＣ被膜層（Ｃｕ添加量６０ｗｔ％）をＰＶＤ法により形成したもの、ｂ１．膜厚０．５μｍのＡｕ添加ＤＬＣ被膜層（Ａｕ添加量６０ｗｔ％）をＰＶＤ法により形成したもの、ｃ１．膜厚０．５μｍのＡｇ添加ＤＬＣ被膜層（Ａｇ添加量６０ｗｔ％）をＰＶＤ法により形成したもの、の３種を用意した。

そして、リング部材ａとブロックａ１との組み合わせ，リング部材ｂとブロックｂ１との組み合わせ，リング部材ｃとブロックｃ１との組み合わせ，について、実施例１と同じ条件で摩擦摩耗試験を行い、摩擦係数（μ）と摩耗深さ（μｍ）を測定した。その結果を比較例１の摺動部材の結果と共に、図３に示す。

［評価］
図３に示すように、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇを表層に添加したＤＬＣ同士の組み合わせでも、比較例１と比べ、摩擦係数および摩耗量共に著しい低減効果が見られる。しかし、双方の表面に軟質金属を添加したことから、カーボンの自己潤滑効果の割合がやや低下したために、実施例１での摺動部材よりも摩耗量がやや大きくなっていることがわかる。

［比較例３］
参考までに、ＤＬＣ被膜層と他の２つの硬質皮膜との組み合わせで、実施例１と同じ条件で摩擦摩耗試験を行った。比較例３−１は、ブロック１は実施例１と同じであり、リング部材２として基材２ＡにＣｒＮ_２を膜厚２μｍでコーティングしたものを用いた場合であり、比較例３−２は、ブロック１は実施例１と同じであり、リング部材２として基材２ＡにＴｉＮを膜厚２μｍでコーティングしたものを用いた場合である。その結果を実施例１でのリング部材がａ．膜厚０．５μｍのＣｕ添加ＤＬＣ被膜層（Ｃｕ添加量６０ｗｔ％）を形成したものと共に、図４に示す。

［評価］
図４に示すように、ＣｒＮ_２およびＴｉＮは、ＤＬＣを攻撃し、実施例１のものと比較して、特に摩耗が著しい。また、摩擦係数に関しても低減効果は確認されなかった。このことからも、本発明による摺動部材の優位性が認識される。

実施例で用いた試験装置を説明する図。 実施例１と比較例１、２の試験結果を示すグラフ。 実施例２の試験結果を示すグラフ。 比較例３での試験結果を示すグラフ。

符号の説明

１…摺動部材の一方側である平板状の固定部材（ブロック）、１Ａ…基材、１Ｂ…ＤＬＣ被膜層、２…摺動部材の他方側であるリング部材、２Ａ…基材、２Ｂ…ＤＬＣ被膜層、２Ｃ…１Ｂ系金属を添加したＤＬＣ被膜層

Claims (4)

1. 互いに相対移動する第１部材と第２部材とで構成される摺動部材であって、第１部材の摺動面は１Ｂ族金属を１種または２種以上を含有する硬質炭素層であり、第２部材の摺動面は硬質炭素層であることを特徴とする摺動部材。
2. 第１部材は硬質炭素層上に表層部として１Ｂ族金属を１種または２種以上を含有する硬質炭素層を備えることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 硬質炭素層は、ＨＶ≧２０００、ヤング率≧２５０Ｇｐａであり、１Ｂ族金属を１種または２種以上を含有する硬質炭素層は、ＨＶ≧１０００、ヤング率≧１５０Ｇｐａ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. 第１部材の摺動面を形成する層は、１Ｂ族金属を０．５〜８０ｗｔ％を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部材。
   

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