JP4918972B2

JP4918972B2 - 高速摺動部材

Info

Publication number: JP4918972B2
Application number: JP2005216631A
Authority: JP
Inventors: 拓郎山口; 年雄堀
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: JP2007031773A

Description

本発明は、高速摺動部材に係り、更に詳細には、内燃機関や駆動系伝達機関などにおける種々の摺動面の摩擦特性を向上させることができ、特に自動車の燃費性能を向上させ得る高速摺動部材に関する。

環境問題への対応から、今後の自動車はモーター駆動車が増大していく見込みである。
モーター駆動車に用いられる減速機用歯車は数万ｒｐｍに及ぶモーターの回転をコンパクトなサイズで減速する必要があるため、摺動面の温度上昇に伴なう焼きつきや摩耗などの表面損傷が懸念される。

こうした表面損傷の防止策として、近年、ダイヤモンドライクカーボン（以下「ＤＬＣ」という）膜の被覆が利用されてきている。
ＤＬＣは、ダイヤモンドやグラファイトの結合が混在しており、巨視的には非晶質とみなされる構造を有している。
そのため、ダイヤモンドとグラファイトの中間的な性質を有し、硬度や固体潤滑性に優れていることから、歯車やベルト式ＣＶＴなどにおいてもフリクションロス低減や摺動発熱低減による焼きつきや摩耗防止に役立つと期待できる。

ここで、被ＤＬＣ膜部品や相手部品の面粗度を向上することは、製膜時の基材とＤＬＣ膜の密着性を得る上で重要であり、また使用時にも金属接触による摺動面の損傷やフリクション増大を防ぐことができる。

例えば、相手面の粗さを規定し、膜の耐剥離性を向上させることが提案されている（特許文献１参照）。
特開平７−２９４１１８号公報

また、潤滑下においては、摩耗による表面粗さの悪化を抑制できるため、潤滑状態を初期の状態のまま長期間に亘り維持できるとされる。

更に、相手部品の研摩作用については、イオンプレーティング法によるＤＬＣの製膜時に不可避に形成される、ドロップレットとよばれる製膜用ターゲット材料の粒状化物が大きく影響することが知られている。
ドロップレットは多すぎたり大きすぎると相手部品の摺動面への攻撃性が高くなったり、ＤＬＣ膜中に押し込まれてＤＬＣ膜の剥離原因となる恐れがあるが、高さや量を規定を適度に規定することで摺動相手表面の粗さが向上し、一層のフリクション低減が可能である。

例えば、アーク式イオンプレーティング法により成膜した膜に関して、表面に残存するマクロパーティクル（ドロップレット）の高さと量を規定することや、膜の硬さと膜厚さに応じてドロップレットの高さを規定し、膜の耐剥離性を向上することが提案されている（特許文献２，３参照）。
特開平７−１１８８３２号公報特開２００２−３０９９１２号公報

潤滑油中では摺動面間にナノメートルのオーダーの油膜が形成され、油膜は摺動速度が速くなるほど厚くなる。
そのため、摺動面の粗さに対して摺動速度が速くなるほど摺動表面の粗さによる突起の接触が生じにくくなり、接触が少なくなる混合潤滑、又は接触がほとんどない流体潤滑といわれる状態となる。

従来は、表面粗さによる突起が油膜厚さに対して十分に大きいことが多かったので、油膜を厚く、また突起を少なくする方策のみが考えられ、上記特許文献のいずれも面粗さの上限を規定するものである。

しかし、高速で摺動させて使用する部品において、製膜時の密着性を得る目的でＤＬＣを製膜する面の粗さを向上し、更に相手面の粗さがＤＬＣ又はドロップレットにて研摩されると、両摺動面を合成した粗さが油膜厚さ程度まで低下する場合がある。

このとき、部品の剛性が低いなどの理由で摺動面間の接触の状態が変動すると、接触面がスティック（固着）とスリップ（滑り）を繰り返す、スティックスリップが生じると、面が荒れてフリクションはかえって悪化し、場合によっては焼き付きに至ることとなる。

スティックスリップを防止する方策のひとつに表面粗さを悪くすることが考えられるが、単に表面粗さを粗くするのでは摺動面のフリクションを下げることができず、またＤＬＣによる使用中の摺動面の粗さ変化をも考慮しておく必要がある。

しかしながら、こうした摺動後の面性状の変化を考慮してＤＬＣを製膜する基材及びＤＬＣの表面性状を最適化しようとする例はなかった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スティックスリップが生じにくく、摩擦係数を一層低減できる高速摺動部材を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、表面粗さを規定した金属部材に、表面に粒状突起形状を有するＤＬＣ膜を被覆することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の高速摺動部材は、表面粗さがＲａ０．００５〜０．１μｍである金属部材に、表面に粒状突起形状を有するダイヤモンドライクカーボン膜が被覆され、この粒状突起の高さが０．０２〜０．０５μｍであり、ダイヤモンドライクカーボン膜の表面粗さがＲｓｋ０〜４μｍであることを特徴とする。

更に、本発明の高速摺動部材の他の好適形態は、ダイヤモンドライクカーボン膜に、水素を１０原子％以下の割合で含有することを特徴とする。

更にまた、本発明の高速摺動部材の更に他の好適形態は、ダイヤモンドライクカーボン膜のナノインデンター硬度が７０〜９０ＧＰａであることを特徴とする。

本発明によれば、表面粗さを規定した金属部材に、表面に粒状突起形状を有するＤＬＣ膜を被覆することとしたため、スティックスリップが生じにくく、摩擦係数を一層低減できる。

以下、本発明の高速摺動部材について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。

上述の如く、本発明の高速摺動部材は、表面粗さがＲａ０．００５〜０．１μｍである金属部材に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を被覆して成る。
また、このＤＬＣ膜は、表面に粒状突起形状を有し、この粒状突起の高さが０．０２〜０．０５μｍである。

このような構成により、金属部材に被覆するＤＬＣ膜は製膜時に十分な密着性が確保される。なお、表面粗さをＲａ０．００５μｍ未満としても、特に密着性やフリクション性能は大きく向上しないので不経済である。

ここで、ＤＬＣ膜の表面粗さは、Ｒｓｋ０〜４μｍである。
スキューネスＲｓｋが０以上であれば、高さ方向の形状は摺動側に鋭い凸形状を有し、スティックスリップを生じにくくなる。あまり凸形状が鋭いと摺動相手面を荒らすことがあるのでＲｓｋは４以下がよい。

また、スキューネスＲｓｋは、形状測定にて得られた粗さ曲線の高さ方向の特徴を示すパラメータであり、次式（１）にて表される。
Ｒｓｋ＝（Ｒｑ^３）・｛１／Ｌｒ∫_０ ^ＬｒＺ^３（ｘ）ｄｘ｝ …（１）
但し、式中のＲｑは、粗さ曲線の２乗平均平方根で、次式（２）
Ｒｑ＝√｛１／Ｌｒ∫_０ ^ＬｒＺ^２（ｘ）ｄｘ｝ …（２）
で表され、式中のＬｒは測定基準長さ、Ｚ（ｘ）は粗さ曲線を示す。

更に、ＤＬＣ膜は、水素を１０原子％以下の割合で含有することが好ましい。
これにより、フリクション性能に優れ、摺動発熱に対しても劣化しにくい膜が得られる。イオンプレーティング法で成膜するときは、剥離しにくい薄膜を形成できる。潤滑油中で摺動させるときは特に優れた低フリクションを発揮できる。万一剥離しても、ドロップレットによる研磨効果は発揮されるので、ＤＬＣ膜単独の低フリクションに加えて研磨効果の分だけフリクションを低減できる。

更にまた、ＤＬＣ膜（膜表面）の硬度は、７０〜９０ＧＰａであることが好ましい。
本発明では上記ＤＬＣ膜の硬度はナノインデンター硬度である。材料の硬度は材料表面に働く圧痕の押し込み深さで定義され、従来の硬度試験に於いては一定荷重を付加して圧子を材料に押し込み、除荷後の圧痕寸法を測定し、その測定値に基いて圧子の幾何学的因子を考慮して、その材料硬度を算出していた。しかしながら近年の電子デバイスの細小化により、微小材料に対する極微小荷重による強度評価では圧痕位置の同定、圧痕寸法の測定が不可能となっている。そのために負荷荷重（Ｐ）に対する圧子押し込み深さ（ｈ）を動的に測定し、押し込み荷重−変位曲線から硬度評価を行なう手法が考案され、この方法により求めた硬度をナノインデター硬度という。
これにより、摺動によっても摩耗しにくい十分な硬さを有し、低フリクション且つスティックスリップを生じない性能を維持できる。なお、硬すぎるとＤＬＣ膜の靭性が損なわれることがあるので９０ＧＰａ以下がよい。

次に、高速摺動部材の製造方法について詳細に説明する。
製造方法は、上述の高速摺動部材を製造するに当たり、ダイヤモンドライクカーボンをイオンプレーティング法により被覆し、その後エアロラップ（登録商標）処理を行う。
これは、上述の高速摺動部材に特有のＤＬＣ膜の粒状突起は、スパッタリング法では得られにくく、ＣＶＤ法又はイオンプレーティング法にて、金属部材に高い負のバイアスを与えることで得られる。また、特に潤滑油中で低フリクションを得るにはイオンプレーティング法が適しているからである。

また、過剰なドロップレットは相手面を荒らすので、ＤＬＣ膜の表面性状を荒らさないエアロラップで除去することが良い。
なお、使用前に軽負荷で摺動させることで、ドロップレットを短期間で除去できるが、負荷をかけすぎるとドロップレットがＤＬＣ膜中に埋没して剥離の原因となることがある。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜５、比較例１〜７）
＜製膜装置＞
神戸製鋼所製のアークイオンプレーティング（以下「ＡＩＰ」という）／アンバランスドマグネトロンスパッタリング（以下「ＵＢＭＳ」をいう）複合製膜装置を使用した。

図１に、上記装置の製膜用チャンバーの概略を示す。
真空チャンバー１は、ディフュージョンポンプによって真空とし、適宜アルゴンやメタンなどのガスを導入できる。
蒸発源２は、複数設けられ、製膜方式をＡＩＰ又はＵＢＭＳとしたり、ターゲット材料をグラファイトや金属に変更できる。蒸発源２は、電源７が接続されている。
被処理部品ホルダー５には被処理部品がセットされ、回転テーブル３，４の回転によって、それぞれのターゲット前にて製膜される。また、被処理部品ホルダー５には、バイアス電源６により被処理部品にバイアス電圧を与えられる。

＜処理条件＞
ＤＬＣ製膜部品は、ＳＣＭ４１５製とし、φ３０×２．５ｍｍの円盤形状を切削加工後に浸炭焼入れ・焼戻し処理を行い、表面硬度をＨｖ７２０とした。
その後、研削加工及び研磨により、所定の表面粗さを得た。
また、アルカリ洗浄の後、真空度１０−４〜１０−５Ｐａ、雰囲気ガスＡｒ０．６Ｐａにてイオンクリーニングを行った後、ＡＩＰ又はＵＢＭＳにて厚さ１μｍのＤＬＣ膜を製膜した。

本発明の実施例ではいずれも炭化水素系のガスは導入しなかったが、比較例５ではメタンガスを導入してその影響を調べた。
また、いずれの製膜品も製膜後にエアロラップを行うことで大きなドロップレットは全て除去した。
製膜後のＤＬＣ層の表面硬度は、ＤｉｇｉｔａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ製の超軽荷重薄膜硬度テスタにて求めた。

＜試験＞
図２に示すように、３ピンオンディスク式の摩擦試験にてフリクションを測定した。
具体的には、ＤＬＣを製膜したφ３０×２．５ｍｍのディスク８を回転方向１０に回転させ、摺動相手のピン９を押し付けたときのフリクションを測定した。
ピン９は、ＳＵＪ製でφ５×５ｍｍ、表面粗さはＲａ０．２μｍとした。

また、試験後にＤＬＣの剥離有無を調べるために摺動面を観察した。
試験油は日産純正オートマチック油Ｍａｔｉｃ−Ｄとし、供給油温８０℃中に浸漬して試験を行った。荷重は４９０Ｎ一定とし、回転数は０．１ｍ／ｓから増速し、１ｍ／ｓでのフリクションを測定し、ＤＬＣ膜なしに対する低下率で整理した。

実施例１〜５、比較例１〜７における製膜条件及び試験結果を表１にまとめて示す。

本発明の実施例１〜５では試験後もスティックスリップによるＤＬＣ膜の剥離や焼き付きが生ぜず、ＤＬＣ膜のない比較例１に比べてフリクションが大幅に低下した。
比較例２，３では、基材の面粗度が粗すぎたために、スティックスリップは生じなかったが、あまりフリクションは低下しなかった。
比較例５，７では、ＵＢＭＳで製膜したためにＤＬＣ表面の突起形状が形成させず、Ｒｓｋが負となってスティックスリップによる剥離が生じ、フリクションも低下しなかった。
比較例４，６では、バイアスが低すぎてＤＬＣ表面の突起形状十分な大きさに形成されず、また硬度も十分でなかったために剥離した。

製膜用チャンバーを示す概略図である。３ピンオンディスク式の摩擦試験機を示す概略図である。

符号の説明

１真空チャンバー
２蒸発源
３回転テーブル（主）
４回転テーブル（副）
５被処理部品ホルダー
６バイアス電源
７蒸発源電源
８ディスク
９ピン
１０ディスク回転方向

Claims

表面粗さがＲａ０．００５〜０．１μｍである金属部材に、表面に粒状突起形状を有するダイヤモンドライクカーボン膜が被覆され、この粒状突起の高さが０．０２〜０．０５μｍであり、且つ前記ダイヤモンドライクカーボン膜の表面粗さがＲｓｋ０〜４μｍであることを特徴とする高速摺動部材。
ダイヤモンドライクカーボン膜に、水素を１０原子％以下の割合で含有することを特徴とする請求項１に記載の高速摺動部材。
ダイヤモンドライクカーボン膜のナノインデンター硬度が７０〜９０ＧＰａであることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１つの項に記載の高速摺動部材。