JP4320605B2

JP4320605B2 - 一対の摺動部材

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Publication number: JP4320605B2
Application number: JP2004065818A
Authority: JP
Inventors: 博之村瀬; 良雄不破; 幹雄山田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: JP2005256868A

Description

本発明は、相対的に摺動する一対の摺動部材に関する。

資源保護や環境問題等の観点から、自動車に対してさらなる燃費の向上が要求される。このため、例えば、エンジンを構成するカム・バルブリフタ、カム・ロッカアーム、ピストンリング・シリンダ等の摺動部材において、摩擦によるエネルギー損失をより一層低減することが必要となる。

摺動部材の耐摩耗性の向上、摩擦係数の低減を図るため、例えば、特許文献１には、ロッカアームの摺動面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を形成する方法が開示されている。また、特許文献２には、一対の摺動部材において、一方の摺動面にはＤＬＣ膜を形成し、他方の摺動面にはフッ素樹脂が分散した膜を形成する方法が開示されている。
特開２００２−３７１８０９号公報特開２００３−２４５４８５号公報

しかしながら、当接する一方の摺動面にＤＬＣ膜を形成するだけでは、摩擦係数の低減化には充分でない。この場合、他方の摺動面、つまり相手側摺動部材の摺動面にフッ素樹脂膜を形成しても、フッ素樹脂は摩耗し易く、摺動により下地が表出し易いため、摩擦係数の低減化は難しい。

一方、当接する各々の摺動面を鏡面加工すれば、流体潤滑に近づくため、摩擦係数は小さくなると考えられる。しかし、エンジン部品等のように曲面を有する部材の場合には、鏡面加工は難しく、加工コストも高いため実用的ではない。また、油を保持させて焼付きを抑制すべく、摺動面にオイルピットやプラトホーニング加工を施す場合もある。このような場合には、摺動面を鏡面加工することはできない。

本発明は、このような実状を鑑みてなされたものであり、摩擦係数が小さく、耐摩耗性および耐焼付き性に優れた一対の摺動部材を提供することを課題とする。

本発明の一対の摺動部材は、相対的に摺動する第一摺動部材と第二摺動部材とからなる一対の摺動部材であって、該第一摺動部材の摺動面には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が形成され、該第二摺動部材の摺動面には、リン酸鉄系膜が形成されており、該リン酸鉄系膜の膜厚は、０．３μｍ〜８μｍであることを特徴とする。

本発明の一対の摺動部材を構成する二つの摺動部材は、当接して相対的に摺動する摺動面を持つ。そして、各々の摺動面には、異なる表面処理がなされている。すなわち、一方の第一摺動部材の摺動面にはＤＬＣ膜が、他方の第二摺動部材の摺動面にはリン酸鉄系膜が形成されている。これより、本発明の一対の摺動部材では、摩擦係数が小さく、焼付きやフレッティング摩耗も抑制される。この理由は、以下（１）〜（３）のように考えられる。

（１）ＤＬＣ膜とリン酸鉄系膜とは凝着し難い。よって、凝着摩耗が生じ難い。

（２）リン酸鉄系膜を形成するための化成処理は、リン酸マンガン等を用いた他の化成処理と比較して、下地をほとんどエッチングしない。つまり、化成処理を施してリン酸鉄系膜を形成しても、被処理面は荒れ難い。このため、第二摺動部材の摺動面の粗さは大きくならない。よって、摺動時に油膜を破断して、相手材である第一摺動部材と直接接触するおそれは少ない。仮に、摺動面どうしが直接接触しても、各々の摺動面には、ＤＬＣ膜とリン酸鉄系膜とが形成されているため、摩擦係数は小さい。また、被処理面にプラトホ−ニング加工等が施されている場合、その面性状をほとんど変えることなくリン酸鉄系膜が形成される。このため、焼付き等の抑制効果も高い。さらに、被処理面が荒れ難いため、被処理面を予め鏡面加工し、流体潤滑に近づけることも可能である。

（３）仮に第二摺動部材の摺動面にリン酸鉄系膜が形成されていないと、摺動時に第一摺動部材のＤＬＣ膜が極微細に剥離するおそれがある。この剥離で生成したエッジによりアブレーシブ摩耗が生じ、摩擦係数が大きくなる。リン酸鉄系膜は、ＤＬＣ膜の剥離を抑制する役割を果たす。よって、アブレーシブ摩耗が抑制される。

本発明の一対の摺動部材では、一方の第一摺動部材の摺動面にはＤＬＣ膜が、他方の第二摺動部材の摺動面にはリン酸鉄系膜が形成される。このため、本発明の一対の摺動部材では摩擦係数が小さい。また、本発明の一対の摺動部材は、耐摩耗性および耐焼付き性に優れる。

以下、本発明の一対の摺動部材について詳細に説明する。なお、本発明の一対の摺動部材は、下記の実施形態に限定されるものではない。本発明の一対の摺動部材は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。

上述したように、本発明の一対の摺動部材は、相対的に摺動する第一摺動部材と第二摺動部材とからなる一対の摺動部材であって、該第一摺動部材の摺動面には、ＤＬＣ膜が形成され、該第二摺動部材の摺動面には、リン酸鉄系膜が形成されている。

第一摺動部材および第二摺動部材の基材の材質は、摺動部材として使用できるものであれば特に限定されない。基材として、例えば、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の構造用材料を用いればよい。また、第一摺動部材と第二摺動部材とでは、基材の材質が同じでもよく、異なっていてもよい。

第一摺動部材の摺動面には、ＤＬＣ膜が形成される。ＤＬＣ膜は、炭素（Ｃ）と水素（Ｈ）とを主成分とするアモルファス状の膜である。ＤＬＣ膜は、プラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等、既に公知のＣＶＤ法、ＰＶＤ法により形成することができる。例えば、プラズマＣＶＤ法により形成する場合には、メタン等の炭化水素ガス、水素ガス、およびアルゴンガスを導入ガスとして使用すればよい。

ＤＬＣ膜は、上記炭素および水素に加え、さらにクロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）から選ばれる一種以上を含んでいてもよい。これらの金属を含有することで、摺動時に供給される油中の添加剤との反応性が向上する。また、成膜時に膜厚を厚くし易い。なお、ＤＬＣ膜における炭素等の濃度は均一である必要はなく、例えば、膜厚方向に濃度勾配があってもよい。

ＤＬＣ膜の膜厚は、特に限定されるものではない。本摺動部材が使用される条件等を考慮し、ＤＬＣ膜の形成方法に応じて適宜決定すればよい。例えば、１μｍ以上７μｍ以下とすると好適である。１μｍ未満では耐摩耗性が充分ではない。反対に、７μｍを超えても摩擦係数に影響は少なく、コスト面で不利である。

ＤＬＣ膜の硬さは、特に限定されるものではない。例えば、ビッカース硬さ（Ｈｖ）で１０００以上２５００以下とするとよい。また、ＤＬＣ膜の表面粗さ（Ｒｚ、以下同じ。）は、特に限定されるものではない。例えば、表面粗さを１μｍ以下とすることが望ましい。１μｍを超えると、第二摺動部材への攻撃性が増し、第二摺動部材の摺動面を摩耗させるおそれがある。表面粗さを０．６μｍ以下とするとより好適である。

また、第一摺動部材の摺動面には、上記ＤＬＣ膜の他、該ＤＬＣ膜と基材との間に、クロム、モリブデン、タングステン、チタンから選ばれる一種以上を含む金属膜が形成されていることが望ましい。ＤＬＣ膜と基材との間に金属膜を介在させることで、ＤＬＣ膜の密着性を向上させることができる。金属膜は、各金属の単体からなる膜でもよく、二種以上の金属を混合して含む膜でもよい。金属膜は、イオンプレーティング法、スパッタリング法等、通常の金属膜形成方法により形成すればよい。金属膜の膜厚は、特に限定されるものではない。例えば、ＤＬＣ膜の密着性向上効果を充分に発揮させるには、金属膜の膜厚を０．０５μｍ以上とするとよい。なお、金属膜を必要以上に厚く形成しても、密着性向上効果は変わらず、コスト高になる。

第二摺動部材の摺動面には、リン酸鉄系膜が形成される。リン酸鉄系膜は、リン酸鉄膜あるいはモリブデン含有リン酸鉄膜であることが望ましい。これらのリン酸鉄膜等を形成するには、摺動面に対して既に公知の化成処理を行えばよい。例えば、リン酸鉄膜を形成する場合には、ＮａＨ₂ＰＯ₄、ＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄等を含む水溶液と摺動面とを接触させればよい。また、モリブデン含有リン酸鉄膜を形成する場合には、例えば、特開２００１−７３１６７号公報に記載の方法に従うとよい。

リン酸鉄系膜の膜厚は、０．３μｍ以上８μｍ以下とする。０．３μｍ未満では耐摩耗性が充分ではなく、摩擦係数の低減効果も少ない。反対に、８μｍを超えても摩擦係数に影響は少なく、コスト面で不利である。

リン酸鉄系膜の表面粗さは、特に限定されるものではない。例えば、表面粗さを１μｍ以下とすることが望ましい。１μｍを超えると、第一摺動部材との接触により凸部の基材表面が表出し、摩擦係数が大きくなるおそれがある。なお、リン酸鉄系膜を形成するための化成処理では、被処理面となる基材表面はほとんどエッチングされない。よって、リン酸鉄系膜の表面粗さは、基材の表面粗さとほぼ同じになると考えてよい。

本発明の一対の摺動部材は、例えば、カム・バルブリフタ、カム・ロッカアーム、ピストンリング・シリンダ、ピストンスカート・シリンダ、軸・軸受、ギヤ・ギヤ、各種スラスト軸受・相手部材等として具現化すると好適である。つまり、これら一対の部品において、その一方を第一摺動部材とし、他方を第二摺動部材とすればよい。

上記実施形態に基づいて、本発明の一対の摺動部材を試験片として作製した。この試験片を用いて摩擦試験を行い、摩擦係数を測定した。また、本発明の一対の摺動部材を、ピストンリング・シリンダ、およびバルブリフタ・カムとして具現化し、これらをエンジンに組み付けた。そして、エンジン運転試験を行い、クランク軸回転トルクを測定した。以下、順に説明する。

〈摩擦試験〉
はじめに、本発明の第一摺動部材となるブロック試験片を作製した。ブロック試験片は１７Ｃｒ鋼製であり、その一面（縦１５ｍｍ、横６．３ｍｍ）を摺動面とした。摺動面について、まず基材表面にＣｒ膜をスパッタリング法で形成した。Ｃｒ膜の厚さは約０．１μｍとした。次いで、Ｃｒ膜の表面に、ＣおよびＨからなるＤＬＣ膜をスパッタリング法で形成した。ＤＬＣ膜の厚さは約２μｍ、硬さはＨｖ２３００、表面粗さは０．６μｍＲｚとした。

次に、本発明の第二摺動部材となるリング試験片を作製した。リング試験片は鋳鉄製であり、その側周面（外径３５ｍｍ、幅８．６ｍｍ）を摺動面とした。摺動面にはリン酸鉄化成処理を施し、リン酸鉄膜を形成した。リン酸鉄膜の厚さは約２μｍ、表面粗さは０．５μｍＲｚとした。

以下、図を用いて、ブロック試験片およびリング試験片における各摺動面の膜構造を説明する。図１に、ブロック試験片およびリング試験片の要部断面を模式的に示す。図１に示すように、ブロック試験片１０は、１７Ｃｒ鋼製の基材１２と、基材１２の表面に順に形成されたＣｒ膜１３とＤＬＣ膜１４とを持つ。ブロック試験片１０では、ＤＬＣ膜１４の表面が摺動面１１となる。リング試験片２０は、鋳鉄製の基材２２と、基材２２の表面に形成されたリン酸鉄膜２３とを持つ。リング試験片２０では、リン酸鉄膜２３の表面が摺動面２１となる。ブロック試験片１０とリング試験片２０とは、それぞれの摺動面１１、２１が当接された状態で相対的に摺動する。

作製したブロック試験片とリング試験片とを摩擦試験機（ＬＦＷ−１、ファレックス社製）に設置し、摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。摩擦試験は、以下の手順で行った。まず、リング試験片を８０℃の油浴（５Ｗ３０ベースオイル）に半分程度浸漬させ、回転速度１６００ｒｐｍで回転させた。次に、リング試験片の上部にブロック試験片の摺動面を当接し、ブロック試験片の上から除々に荷重をかけた。ブロック試験片から付加した荷重は、最終的に２５０Ｎとした。

また、比較例として種々のブロック試験片およびリング試験片を作製し、上記同様に摩擦試験を行って、摩擦係数を測定した。これらの摩擦係数の測定結果を図２に示す。図２は、各摩擦係数を、摺動面に何も処理を施さなかったブロック試験片およびリング試験片の組合せ（比較例１）の摩擦係数を１００％とした時の相対値として示す。なお、摩擦係数は、試験開始後に安定した時の値を採用した。

図２に示すように、摺動面の組合せが「ＤＬＣ膜−リン酸鉄膜」である実施例１、「ＤＬＣ膜−鋳鉄」である比較例２、および「ＤＬＣ膜−リン酸亜鉛膜」である比較例３では、摺動面に何も処理を施さず摺動面の組合せが「１７Ｃｒ鋼−鋳鉄」である比較例１と比較して、いずれも摩擦係数は小さくなった。なかでも、摺動面の組合せが「ＤＬＣ膜−リン酸鉄膜」である実施例１では、摩擦係数が比較例１と比較して約４０％も低減し、低減率が大きかった。なお、比較例２では、リング試験片の摺動面にリン酸亜鉛膜を形成した。よって、摺動面の表面粗さが大きくなり、摩擦係数が大きくなったと考えられる。これより、摺動面の組合せが「ＤＬＣ膜−リン酸鉄膜」である本発明の一対の摺動部材では、摩擦係数が小さいことが確認された。

また、図３に、摺動面の粗さと摩擦係数の関係を示す。図３の横軸は当接する２つの摺動面の合成粗さである。図３に示すように、摺動面に何も処理を施さない場合には、通常、合成粗さが小さくなるにつれ、摩擦係数は小さくなる傾向にある（図中白丸で示す。）。これは、合成粗さが小さいほど金属接触が減少し、流体潤滑が増加するからである。これに対して、実施例１の摩擦係数は、従来の傾向で想定される値よりもかなり小さいことがわかる（図中黒丸で示す。）。つまり、一方の摺動面にＤＬＣ膜を形成し、他方の摺動面にリン酸鉄膜を形成すると、摩擦係数を大幅に低減できることがわかる。

〈エンジン運転試験〉
本発明の一対の摺動部材を、ピストンリング・シリンダとして具現化し、実施例２の摺動部材とした。つまり、１７Ｃｒ鋼製のピストンリングの摺動面にＤＬＣ膜を形成し、鋳鉄製のシリンダボアにリン酸鉄膜を形成した。なお、ＤＬＣ膜と基材との間には、厚さ約０．２μｍのＣｒ膜を介在させた。これに対して、ピストンリングの摺動面にＣｒＮ膜を形成しただけの従来のピストンリング・シリンダを、比較例４の摺動部材とした。

また、本発明の一対の摺動部材を、動弁系のバルブリフタ・カムとして具現化し、実施例３の摺動部材とした。つまり、クロムモリブデン鋼製のバルブリフタの摺動面にＤＬＣ膜を形成し、合金鋳鉄製のカムにリン酸鉄膜を形成した。上記同様、ＤＬＣ膜と基材との間には、Ｃｒ膜を介在させた。これに対して、バルブリフタの摺動面にリン酸鉄膜を形成しただけの従来のバルブリフタ・カムを、比較例５の摺動部材とした。なお、ＤＬＣ膜、リン酸鉄膜等の形成方法や、膜厚、硬さ、表面粗さは、上記実施例１の各試験片に準ずるものとした。

これらの摺動部材をエンジンに組み付け、以下のようにエンジン運転試験を行って、モータリング法によりクランク軸回転トルクを測定した。エンジン運転試験には、１８００ｃｃ直列４気筒エンジンを用い、回転速度２０００ｒｐｍでモータ駆動させた。なお、ピストン部についての測定の際には、シリンダヘッドを取り外して試験を行った。また、動弁系についての測定の際には、ピストンおよびコンロッドを取り外して試験を行った。

その結果、実施例２の摺動部材を用いた場合には、比較例４の摺動部材を用いた場合と比較して、クランク軸回転トルクが１５％減少した。また、実施例３の摺動部材を用いた場合には、比較例５の摺動部材を用いた場合と比較して、クランク軸回転トルクが２０％減少した。なお、実施例２、実施例３の摺動部材において、リン酸鉄膜に変え、モリブデン含有リン酸鉄膜を形成した場合についても、上記同様の結果が得られた。このように、摺動面の組合せが「ＤＬＣ膜−リン酸鉄系膜」である本発明の一対の摺動部材によれば、摩擦によるエネルギー損失が低減されるため、燃費を向上させることができる。

摩擦試験で使用したブロック試験片およびリング試験片の要部断面を示す模式図である。摩擦係数の測定結果を示す。摺動面の粗さと摩擦係数との関係を示す。

符号の説明

１０：ブロック試験片（第一摺動部材）１１：摺動面１２：基材
１３：Ｃｒ膜（金属膜）１４：ＤＬＣ膜
２０：リング試験片（第二摺動部材）２１：摺動面２２：基材
２３：リン酸鉄膜（リン酸鉄系膜）

Claims

相対的に摺動する第一摺動部材と第二摺動部材とからなる一対の摺動部材であって、
該第一摺動部材の摺動面には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が形成され、
該第二摺動部材の摺動面には、リン酸鉄系膜が形成されており、
該リン酸鉄系膜の膜厚は、０．３μｍ〜８μｍであることを特徴とする一対の摺動部材。
前記ＤＬＣ膜は、炭素および水素に加え、さらにクロム、モリブデン、タングステン、シリコン、チタンから選ばれる一種以上を含む請求項１に記載の一対の摺動部材。
前記第一摺動部材の摺動面には、前記ＤＬＣ膜と基材との間に、クロム、モリブデン、タングステン、チタンから選ばれる一種以上を含む金属膜が形成されている請求項１に記載の一対の摺動部材。
前記リン酸鉄系膜は、リン酸鉄膜あるいはモリブデン含有リン酸鉄膜である請求項１に記載の一対の摺動部材。