JP4968715B2 - 高強度歯車、伝動機構及び高強度歯車の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高強度歯車、伝動機構及び高強度歯車の製造方法に係り、更に詳細には、自動車、産業機械、農業機械などの各種機械構造物の機械要素の歯車として利用される高強度歯車、伝動機構及び高強度歯車の製造方法に関する。

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されている。

その反面、製膜時に被処理材との熱膨張差で生じる内部応力や靱性の不足によって膜が剥離してしまうことがあり、この問題は厚膜化するほど顕著となる。

このため、例えば、炭素層と、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）などの金属又は半金属層を積層させ、靱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１１−１０１３号公報

また、膜密度の高い層と低い層を積層させ、靱性を向上し且つ密度の低い層の摩耗粉の個体潤滑作用によりフリクションも向上することが提案されている（特許文献２参照）。
特開２００２−３２２５５５号公報

更に、プラズマＣＶＤ法により得た、水素２０〜４０原子％（以下「ａｔ％」と記載する）と珪素１〜５ａｔ％を含むＤＬＣ膜が、潤滑油中で耐焼きつき性及びフリクションを低減できることが提案されている（特許文献３参照）。
特開２００３−３３６５４２号公報

更にまた、イオンプレーティング法による水素１０ａｔ％以下のＤＬＣ膜が、エンジン油中でのフリクションを低減できることが提案されている（特許文献４参照）。
これには、イオンプレーティング法では不可避に生じ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の研磨効果が大きく寄与していると考えられている。
特開２０００−２９７３７３号公報

しかし、特許文献１，２に記載の技術では、上記特性の向上は、無潤滑下で発揮させるものであって、潤滑油中での特性については記載されていない。

また、特許文献３に記載の技術では、ＣＶＤ法によるＤＬＣは、強固で耐焼きつき性にも優れるが、潤滑油中でのフリクション低減効果が十分とはいえない。

更に、特許文献４に記載の技術では、顕著なフリクション低減を示すが、特にイオンプレーティング法では、製膜を炭化水素系のガス雰囲気で行わないとプラズマが不安定となり、処理中に失火するなど安定した製膜ができないという問題点があった。

特に、歯車の歯のように凹凸が形成されている場合には、凸である歯先に対して凹となる歯元には膜が生成されにくいため、歯元でも一定の膜厚を得るためには全体を厚膜化せざるをえない。そのため歯車では、厚膜化による剥離強度低下の問題と、製膜に時間がかかることで、膜の安定性が低下する、工法が選定できない、という問題があった。

このような背景から、上述の従来技術では、潤滑油中で低フリクションであり、高面圧下且つ高速摺動下で使用しても剥離しないＤＬＣ膜を歯車に設けることは困難であった。

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、摩擦係数が一層低減され、潤滑油中でも低フリクション性を示し、歯面疲労強度に優れる高強度歯車、伝動機構及び高強度歯車の製造方法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、歯車の噛み合い面に、水素含有量が１０ａｔｍ％以下のダイヤモンドライクカーボン膜を２種類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、本発明の高強度歯車は、浸炭処理又は浸炭窒化処理を行った鉄基合金から成り、被処理歯車の噛み合い面に、第１のダイヤモンドライクカーボン膜（以下「第１ＤＬＣ膜」のように示す）と第２ＤＬＣ膜を順に被覆して成る高強度歯車であって、
上記第１ＤＬＣ膜は、水素含有量が１０ａｔｍ％以下であり、且つ第１ＤＬＣ膜の表面硬さが、ナノインデンテーション試験で２０〜３０ＧＰａであり、
上記第２ＤＬＣ膜は、該第１ＤＬＣ膜の少なくとも一部に且つイオンプレーティング法により被覆されており、水素含有量が１０ａｔｍ％以下、表面粗さがＲａ０．１〜０．２μｍであることを特徴とする。

また、本発明の高強度歯車の好適形態は、第２ＤＬＣ膜の表面硬さが、ナノインデンテーション試験で７０〜９０ＧＰａであることを特徴とする。

更に、本発明の高強度歯車伝動機構は、上記高強度歯車を用いた伝動機構であって、
該第２ＤＬＣ膜が、少なくとも、隣接する歯車相互の噛み合い面に被覆されていることを特徴とする。

更にまた、本発明の高強度歯車伝動機構の好適形態は、歯車相互間に、潤滑油を介在させることを特徴とする。

また、本発明の高強度歯車の製造方法は、上記高強度歯車を製造するに当たり、
カーボンターゲットに対して被処理歯車を回転させるとともに、噛み合い面の一部又は全部に、水素含有量が１０ａｔｍ％以下である第１ＤＬＣ膜を形成した後に、
歯車の回転を停止状態又は低速状態とし、該第１ＤＬＣ膜の表面の少なくとも一部に第２ＤＬＣ膜をイオンプレーティング法により形成することを特徴とする。

本発明によれば、歯車の噛み合い面に、水素含有量が１０ａｔｍ％以下のダイヤモンドライクカーボン膜を２種類被覆することとしたため、摩擦係数が一層低減され、潤滑油中でも低フリクション性を示し、歯面疲労強度に優れる高強度歯車が得られる。

以下、本発明の高強度歯車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、本発明の高強度歯車は、浸炭処理又は浸炭窒化処理を行った鉄基合金を被処理歯車とし、噛み合い面に、第１ＤＬＣ膜と第２ＤＬＣ膜を順に被覆して成る。

このとき、上記第１ＤＬＣ膜は、水素含有量が１０ａｔｍ％以下の膜とする。
また、上記第２ＤＬＣ膜は、該第１ＤＬＣ膜の少なくとも一部に、且つイオンプレーティング法により、被覆される。更に、上記第２ＤＬＣ膜は、水素含有量が１０ａｔｍ％以下、表面粗さがＲａ０．１〜０．２μｍの膜とする。

このように、歯車の噛み合い面に、かかるＤＬＣ膜の２層構造を設けることで、以下のような効果が発揮される。
即ち、第２ＤＬＣ膜（イオンプレーティング法で製膜）が薄膜で済むので剥離しにくい。また、万一剥がれてもドロップレットによる研磨効果が発揮されるので、水素含有量が１０ａｔｍ％以下であるＤＬＣ膜単独の低フリクションに加えて研磨効果の分、フリクションが低下する。

また、上記第２ＤＬＣ膜を、イオンプレーティング法により形成し、表面粗さをＲａ０．１〜０．２とすることで、適度なドロップレット量となり、ＤＬＣ膜の割れや相手面を過度に攻撃しないようになる。

更に、被処理歯車を構成する浸炭処理又は浸炭窒化処理を行った鉄基合金は、歯車の用途によって適宜選択できるが、製膜処理時の温度（２００℃程度）に軟化せず、靱性を有する材料、熱処理ができるものがよい。

上記鉄基合金としては、代表的には、Ｓ０９ＣＫ，Ｓ１５ＣＫ，Ｓ２０ＣＫ等の機械構造用炭素肌焼鋼や、ＳＮＣ４１５、ＳＮＣ８１５等のニッケル・クロム系、ＳＮＣＭ２２０、ＳＮＣＭ４１５、ＳＮＣＭ４２０、ＳＮＣＭ６１６、ＳＮＣＭ８１５等のニッケル・クロム・モリブデン系、ＳＣｒ４１５、ＳＣｒ４２０等のクロム系、ＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４１８、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４２１、ＳＣＭ８２２等のクロム・モリブデン系、ＳＭｎ４２０、ＳＭｎＣ４２０等のマンガン及びマンガン・クロム系などの機械構造用合金肌焼鋼が使用できる。

また、本発明の高強度歯車においては、第１ＤＬＣ膜の表面は、ナノインデンテーション試験で２０〜３０ＧＰａの硬さである。
第１ＤＬＣ膜がこのような硬さであれば、イオンプレーティングの研磨効果と組み合わせることで優れた低フリクションが得られる。３０ＧＰａを超える硬さでは、膜の靱性が損なわれ、また安定した硬さを得ることが困難となる。

更に、第２ＤＬＣ膜の表面は、ナノインデンテーション試験で７０〜９０ＧＰａの硬さであることが好適である。
この第２ＤＬＣ膜を幅広く製膜するほど、優れた低フリクションが得られる。また、潤滑油中でも優れた低フリクションを示し、摩耗による面荒れが生じにくくなる。

上記のナノインデンテーション試験について説明する。
材料の硬度は材料表面に働く面圧を圧痕の押し込み深さで定義される。従来の硬さ試験においては一定荷重を負荷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硬度を算出していた。しかしながら、近年の電子デバイス等の最小化により、微小材料に対する極微小荷重による強度試験では圧痕位置の同定、圧痕寸法の測定が事実上不可能となっている。そのため負荷荷重（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う手法が考案され、これをナノインデンテーション試験と呼んでいる。

次に、本発明の高強度歯車伝動機構について詳細に説明する。
本発明の高強度歯車伝動機構は、上述の高強度歯車を２以上用いて構成される。
また、該第２ＤＬＣ膜を、少なくとも、隣接する歯車相互の噛み合い面に被覆する。
このとき、噛み合い面を構成する２つの歯車においては、双方の歯車が第２ＤＬＣ膜を有する場合のみならず、いずれか一方が第２ＤＬＣ膜を有する場合も含まれる。

これにより、減速歯車又は増速歯車では、歯の表と裏（ドライブ側とドリブン側）一対に製膜されていれば、順回転及び逆回転により相手となる歯車の全ての歯と噛み合うことで、効率よく相手面を研磨できる。特に、モジュールの大きい歯車の場合は、一方の歯車の両面に製膜するより隣接する２歯の間に被覆する方が歯先の厚膜化（盛り上がり）を防げる。

また、上記高強度歯車伝動機構においては、歯車相互間に潤滑油を介在させることが好適である。

ここで、上記潤滑油は、例えば、潤滑油基油に、脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤、脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤、リン酸エステル系極圧添加剤、ポリブテニルコハク酸イミド、ポリブテニルコハク酸イミドの誘導体又はジオチリン酸亜鉛及びこれらの任意の組合せに係る成分を含有させた潤滑油が使用できる。

なお、上記潤滑油基油は特に限定されるものではなく、鉱油、合成油、油脂及びこれらの混合物など、潤滑油の基油として通常使用されるものであれば、種類を問わず使用することができる。また、上記潤滑剤には、液体状の潤滑油の他、固体状の石墨や滑石、半固体状のグリースなども含まれる。

鉱油としては、具体的には、原油を常圧蒸留及び減圧蒸留して得られた潤滑油留分を溶剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、水素化精製、硫酸洗浄、白土処理等の精製処理等を適宜組み合わせて精製したパラフィン系又はナフテン系等の油やノルマルパラフィン等が使用でき、溶剤精製、水素化精製処理したものが一般的であるが、芳香族分をより低減することが可能な高度水素化分解プロセスやＧＴＬ Ｗａｘ（ガス・トウー・リキッド・ワックス）を異性化した手法で製造したものを用いることがより好ましい。

合成油としては、具体的には、ポリ−α−オレフィン（例えば、１−オクテンオリゴマー、１−デセンオリゴマー、エチレン−プロピレンオリゴマー等）、ポリ−α−オレフィンの水素化物、イソブテンオリゴマー、イソブテンオリゴマーの水素化物、イソパラフィン、アルキルベンゼン、アルキルナフタレン、ジエステル（例えば、ジトリデシルグルタレート、ジオクチルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート、ジオクチルセバケート等）ポリオールエステル（例えば、トリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンペラルゴネート、トリメチロールプロパンイソステアリネート等のトリメチロールプロパンエステル；ペンタエリスリトール２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールペラルゴネート等のペンタエリスリトールエステル）、ポリオキシアルキレングリコール、ジアルキルジフェニルエーテル及びポリフェニルエーテル等が挙げられる。中でも、１−オクテンオリゴマー、１−デセンオリゴマー等のポリ−α−オレフイン又はその水素化物が好ましい例として挙げられる。

また、上記潤滑油基油は、鉱油系基油及び合成系基油を単独又は混合して用いる以外に、２種類以上の鉱油系基油又は２種類以上の合成系基油の混合物であっても差し支えない。また、上記混合物における２種類以上の基油の混合比も特に限定されず任意に選ぶことができる。

上記潤滑油基油中の硫黄分については、特に制限はないが、基油全量基準で、０．２％以下であることが好ましく、より好ましくは０．１％以下、さらには０．０５％以下であることが好ましい。特に、水素化精製鉱油や合成系基油の硫黄分は、０．００５％以下、又は実質的に硫黄分を含有していない（５ｐｐｍ以下）ことから、これらを基油として用いることが好ましい。

また、潤滑油基油中の芳香族含有量についても、特に制限はないが、内燃機関用潤滑油として長期間低摩擦特性を維持するためには、全芳香族含有量が１５％以下であることが好ましく、より好ましくは１０％以下、さらには５％以下であることが好ましい。即ち、潤滑油基油の全芳香族含有量が１５％を超える場合には、酸化安定性が劣るため好ましくない。
なお、ここで言う全芳香族含有量とは、ＡＳＴＭ、Ｄ２５４９に規定される方法に準拠して測定される芳香族留分（ａｒｏｍａｔｉｃｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ）含有量を意味している。

更に、潤滑油基油の動粘度にも、特に制限はないが、内燃機関用潤滑油として使用する場合には、１００℃における動粘度が２ｍｍ^２／ｓ以上であることが好ましく、より好ましくは３ｍｍ^２／ｓ以上である。一方、１００℃における動粘度は、２０ｍｍ^２／ｓ以下であることが好ましく、１０ｍｍ^２／ｓ以下であることが更に好ましく、特に８ｍｍ^２／ｓ以下であることが好ましい。潤滑油基油の１００℃における動粘度が２ｍｍ^２／ｓ未満である場合には、十分な耐磨耗性が得られない上に蒸発特性が劣る可能性があるため好ましくない。一方、動粘度が２０ｍｍ^２／ｓを超える場合には低摩擦性能を発揮しにくく、低温性能が悪くなる可能性があるため好ましくない。本発明においては、上記基油の中から選ばれる２種以上の基油を任意に金剛した混合物等が使用でき、１００℃における動粘度が上記の好ましい範囲内である限りにおいては、基油単独の動粘度が上記以外のものであっても使用可能である。

更にまた、潤滑油基油の粘度指数にも、特別な制限はないが、８０以上であることが好ましく、１００以上であることが更に好ましく、特に内燃機関用潤滑油として使用する場合には、１２０以上であることが好ましい。潤滑油基油の粘度指数を高めることで、よりオイル消費が少なく、低温粘度特性、省燃費性能に優れた内燃機関用潤滑油組成物を得ることができる。

上記潤滑油中に使用される脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤及び脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤のいずれか一方又は双方としては、炭素数６〜３０、好ましくは炭素数８〜２４、特に好ましくは炭素数１０〜２０の直鎖状又は分枝状炭化水素基を有する脂肪酸エステル、脂肪族アミン化合物、及びこれらの任意の混合物を挙げることができる。炭素数が６〜３０の範囲外のときは、摩擦低減効果が十分に得られない可能性がある。

炭素数６〜３０の直鎖状又は分枝状炭化水素基としては、具体的には、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基、ヘンイコシル基、ドコシル基、トリコシル基、テトラコシル基、ペンタコシル基、ヘキサコシル基、ヘプタコシル基、オクタコシル基、ノナコシル基、及びトリアコンチル基等のアルキル基や、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基、トリデセニル基、テトラデセニル基、ペンタデセニル基、ヘキサデセニル基、ヘプタデセニル基、オクタデセニル基、ノナデセニル基、イコセニル基、ヘンイコセニル基、ドコセニル基、トリコセニル基、テトラコセニル基、ペンタコセニル基、セキサコセニル気、ヘプタコセニル基、オクタコセニル基、ノナコセニル基及びトリアコンテニル基等のアルケニル基などを挙げることができる。
なお、上記アルキル基及びアルケニル基には、考えられる全ての直鎖状構造及び分枝状構造が含まれ、また、アルケニル基における二重結合の位置は任意である。

また、上記脂肪酸エステルとしては、かかる炭素数６〜３０の炭化水素基を有する脂肪酸と脂肪族１価アルコール又は脂肪族多価アルコールとのエステルなどを例示でき、具体的には、グリセリンモノオレート、グリセリンジオレート、ソルビタンモノオレート及びソルビタンジオレートなどを特に好ましい例として挙げることができる。
上記脂肪族アミン化合物としては、脂肪族モノアミン又はそのアルキレンオキシド付加物、脂肪族ポリアミン、イミダゾリン化合物等、及びこれらの誘導体等を例示できる。具体的には、ラウリルアミン、ラウリルジエチルアミン、ラウリルジエタノールアミン、ドデシルジプロパノールアミン、パルミチルアミン、ステアリルアミン、ステアリルテトラエチレンペンタミン、オレイルアミン、オレイルプロピレンジアミン、オレイルジエタノールアミン及びＮ−ヒドロキシエチルオレイルイミダゾリン等の脂肪族アミン化合物や、これら脂肪族アミン化合物のＮ，Ｎ−ジポリオキシアルキレン−Ｎ−アルキル（又はアルケニル）（炭素数６〜２８）等のアミンアルキレンオキシド付加物、これら脂肪族アミン化合物に炭素数２〜３０のモノカルボン酸（脂肪酸等）や、シュウ酸、フタル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸等の炭素数２〜３０のポリカルボン酸を作用させて、残存するアミノ基及びイミノ基の一方又は双方の一部又は全部を中和したりアミド化しいた、いわゆる酸変性化合物等が挙げられる。好適な例としては、Ｎ，Ｎ−ジポリオキシエチレン−Ｎ−オレイルアミン等が挙げられる。

また、上記潤滑油に含まれる脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤及び脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤の一方又は双方の含有量は、特に制限はないが、潤滑油全量基準で、０．０５〜３．０％であることが好ましく、更に好ましくは０．１〜２．０％、特に好ましくは０．５〜１．４％であることがよい。上記含有量が０．０５％未満であると摩擦低減効果が小さくなり易く、３．０％を超えると潤滑油への溶解性や貯蔵安定性が著しく悪化し、沈殿物が発生し易いので、好ましくない。

上記ポリブテニルコハク酸イミドとしては、次の一般式（１）及び（２）

で表される化合物が挙げられる。これら一般式におけるＰＩＢは、ポリブテニル基を示し、高純度イソブテン又は１−ブテンとイソブテンの混合物をフッ化ホウ素系触媒又は塩化アルミニウム系触媒で重合させて得られる数平均分子量が９００〜３５００、望ましくは１０００〜２０００のポリブテンから得られる。上記数平均分子量が９００未満の場合は清浄効果が劣り易く、３５００を超える場合は低温流動性に劣り易いため、望ましくない。
また、上記一般式におけるｎは、清浄性に優れる点から１〜５の整数、より望ましくは２〜４の整数であることがよい。更に、上記ポリブテンは、製造過程の触媒に起因して残留する微量のフッ素分や塩素分を、吸着法や十分な水洗等の適切な方法により、５０ｐｐｍ以下、より望ましくは１０ｐｐｍ以下、特に望ましくは１ｐｐｍ以下まで除去してから用いることもよい。

かかるポリブテニルコハク酸イミドの製造方法としては、特に限定はないが、例えば、上記ポリブテンの塩素化物又は塩素やフッ素が充分除去されたポリブテンと無水マレイン酸とを１００〜２００℃で反応させて得られるポリブテニルコハク酸を、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン及びペンタエチレンヘキサミン等のポリアミンと反応させることにより得ることができる。

また、上述したポリブテニルコハク酸イドミの誘導体としては、上記一般式（１）又は（２）で表される化合物に、ホウ素化合物や含酸素有機化合物を作用させて、残存するアミノ基及びイミノ基の一方又は双方の一部又は全部を中和したり、アミド化した、いわゆるホウ素変性又は酸変性化合物を例示できる。その中でもホウ素含有ポリブテニルコハク酸イミド、特にホウ素含有ビスポリブテニルコハク酸イミドが現時点では最も好ましいものとして挙げられる。

上記ホウ素化合物としては、ホウ酸、ホウ酸塩、ホウ酸エステル等が挙げられる。具体的には、上記ホウ酸として、オルトホウ酸、メタホウ酸及びテトラホウ酸などが挙げられる。また、上記ホウ酸塩としては、アンモニウム塩等、具体的には、メタホウ酸アンモニウム、四ホウ酸アンモニウム、五ホウ酸アンモニウム及び八ホウ酸アンモニウム等のホウ酸アンモニウムが好適例として挙げられる。また、ホウ酸エステルとしては、ホウ酸と好ましくは炭素数１〜６のアルキルアルコールとのエステル、より具体的には、ホウ酸モノメチル、ホウ酸ジメチル、ホウ酸トリメチル、ホウ酸モノエチル、ホウ酸ジエチル、ホウ酸トリエチル、ホウ酸モノプロピル、ホウ酸ジプロピル、ホウ酸トリププロピル、ホウ酸モノブチル、ホウ酸ジブチル及びホウ酸トリブチル等が好適例として挙げられる。なお、ホウ素含有ポリブテニルコハク酸イミドにおけるホウ素含有量Ｂと窒素含有量Ｎとの質量比「Ｂ／Ｎ」は、通常０．１〜３であり、好ましくは０．２〜１である。

また、上記含酸素有機化合物としては、具体的には、ぎ酸、酢酸、グリコール酸、プロピオン酸、乳酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデシル酸、ラウリン酸、トリデカン酸、ミリスチン酸、ペンタデカン酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、オレイン酸、ノナデカン酸及びエイコサン酸等の炭素数１〜３０のモノカルボン酸、シュウ酸、フタル酸、トリメリット酸及びピロメリット酸等の炭素数２〜３０のポリカルボン酸並びにこれらの無水物、又はエステル化合物、炭素数２〜６のアルキレンオキサイドやヒドロキシ（ポリ）オキシアルキレンカーボネート等が挙げられる。

なお、本発明に用いる潤滑油では、ポリブテニルコハク酸イミド及びその誘導体の一方又は双方の含有量は特に制限されないが、０．１〜１５％が好ましく、１．０〜１２％であることが更に好ましい。０．１％未満では清浄性効果に乏しくなることがあり、１５％を超えると含有量に見合う清浄性効果が得られにくく、抗乳化性が悪化し易い。

上記ジチオリン酸亜鉛としては、次の一般式（３）

で表される化合物が挙げられる。
上記式（３）中のＲ４、Ｒ５、Ｒ６及びＲ７は、それぞれ個別に炭素数１〜２４の炭化水素基を示す。これら炭化水素基としては、炭素数１〜２４の直鎖状又は分枝状のアルキル基、炭素数３〜２４の直鎖状又は分枝状のアルケニル基、炭素数５〜１３のシクロアルキル基又は直鎖状若しくは分枝状のアルキルシクロアルキル基、炭素数６〜１８のアリール基又は直鎖状若しくは分枝状のアルキルアリール基、炭素数７〜１９のアリールアルキル基等のいずれかであることが望ましい。また、アルキル基やアルケニル基は、第１級、第２級及び第３級のいずれであってもよい。

上記Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６及びＲ７としては、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基、ヘンイコシル基、ドコシル基、トリコシル基及びテトラコシル基等のアルキル基や、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ブタジエニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基、トリデセニル基、テトラデセニル基、ペンタデセニル基、ヘキサデセニル基、ヘプタデセニル基及びオレイル基等のオクタデセニル基や、ノナデセニル基、イコセニル基、ヘンイコセニル基、ドコセニル基、トリコセニル基及びテトラコセニル基等のアルケニル基や、シクロペンチル基、シクロヘキシル基及びシクロヘプチル基等のシクロアルキル基や、メチルシクロペンチル基、ジメチルシクロペンチル基、エチルシクロペンチル基、プロピルシクロペンチル基、エチルメチルシクロペンチル基、トリメチルシクロペンチル基、ジエチルシクロペンチル基、エチルジメチルシクロペンチル基、プロピルメチルシクロペンチル基、プロピルエチルシクロペンチル基、ジ−プロピルシクロペンチル基、プロピルエチルメチルシクロペンチル基、メチルシクロヘキシル基、ジメチルシクロヘキシル基、エチルシクロヘキシル基、プロピルシクロヘキシル基、エチルメチルシクロヘキシル基、トリメチルシクロヘキシル基、ジエチルシクロヘキシル基、エチルジメチルシクロヘキシル基、プロピルメチルシクロヘキシル基、プロピルエチルシクロヘキシル基、ジ−プロピルシクロヘキシル基、プロピルエチルメチルシクロヘキシル基、メチルシクロヘプチル基、ジメチルシクロヘプチル基、エチルシクロヘプチル基、プロピルシクロヘプチル基、エチルメチルシクロヘプチル基、トリメチルシクロヘプチル基、ジエチルシクロヘプチル基、エチルジメチルシクロヘプチル基、プロピルメチルシクロヘプチル基、プロピルエチルシクロヘプチル基、ジ−プロピルシクロヘプチル基及びプロピルエチルメチルシクロヘプチル基等のアルキルシクロアルキル基や、フェニル基及びナフチル基等のアリール基や、トリル基、キシリル基、エチルフェニル基、プロピルフェニル基、エチルメチルフェニル基、トリメチルフェニル基、ブチルフェニル基、プロピルメチルフェニル基、ジエチルフェニル基、エチルジメチルフェニル基、テトラメチルフェニル基、ペンチルフェニル基、ヘキシルフェニル基、ヘプチルフェニル基、オクチルフェニル基、ノニルフェニル基、デジルフェニル基、ウンデジルフェニル基及びドデシルフェニル基等のアルキルアリール基や、ベンジル基、メチルベンジル基、ジメチルベンジル基、フェネチル基、メチルフェネチル基及びジメチルフェネチル基等のアリールアルキル基が例示できる。
なお、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６及びＲ７がとり得る上記炭化水素基には、考えられる全ての直鎖状構造及び分枝状構造が含まれ、また、アルケニル基の二重結合の位置、アルキル基のシクロアルキル基への結合位置、アルキル基のアリール基への結合位置、及びアリール基のアルキル基への結合位置は任意である。また、上記炭化水素基の中でも、その炭化水素
基が、直鎖状又は分枝状の炭素数１〜１８のアルキル基である場合若しくは炭素数６〜１８のアルール基、又は直鎖状若しくは分枝状アルキルアリール基である場合が特に好ましい。

上記ジチオリン酸亜鉛の好適な具体例としては、ジイソプロピルジチオリン酸亜鉛、ジイソブチルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｓｅｃ−ブチルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｓｅｃ−ペンチルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｎ−ヘキシルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｓｅｃ−ヘキシルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｎ−デジルジオリン酸亜鉛、ジ−２−エチルヘキシルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｎ−デシルジチオリン酸亜鉛、ジ−ｎ−ドデシルジチオリン酸亜鉛、ジイソトリデシルジチオリン酸亜鉛及びこれらの任意の組合せに係る混合物等が挙げられる。

また、上記ジチオリン酸亜鉛の含有量は、特に制限されないが、より高い摩擦低減効果を発揮させる観点から、潤滑油全量基準且つリン元素換算量で、０．１％以下であることが好ましく、また０．０６％以下であることが更に好ましく、ジチオリン酸亜鉛が含有されないことが特に好ましい。ジチオリン酸亜鉛の含有量が潤滑油全量基準且つリン元素換算量で０．１％を超えると、摺動面における上記脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤や上記脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤の優れた摩擦低減効果が阻害される可能性がある。

かかるジチオリン酸亜鉛の製造方法としては、従来方法を任意に採用することができ、特に制限されないが、具体的には、上記Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６及びＲ７に対応する炭化水素基を持つアルコール又はフェノールを五酸化リン（Ｐ_２Ｏ_５）と反応させてジチオリン酸とし、これを酸化亜鉛で中和させることにより合成することができる。なお、上記ジチオリン酸亜鉛の構造は、使用する原料アルコールによって異なることは言うまでもない。
本発明においては、上記一般式（３）に包含される２種以上のジチオリン酸亜鉛を任意の割合で混合して使用することもできる。

上述の潤滑油は、ＤＬＣ膜同士又はＤＬＣ膜と鉄基部材との摺動面に介在させた場合に、極めて優れた低摩擦特性を示すものであるが、特に内熱機関用潤滑油として必要な性能を高める目的で、金属系清浄剤、酸化防止剤、粘度指数向上剤、他の無灰摩擦調整剤、他の無灰分散剤、摩耗防止剤若しくは極圧剤、防鎮剤、非イオン系界面活性剤、抗乳化剤、金属不活性化剤、消泡剤等を単独で又は複数種を組合せて配合し、必要な性能を高めることができる。

上記金属系清浄剤としては、潤滑油用の金属系清浄剤として通常用いられる任意の化合物が使用できる。例えば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のスルホネート、フェネート、サリシレートナフテネート等を単独で又は複数種を組合せて使用できる。ここで、上記アルカリ金属としてはナトリウム（Ｎａ）やカリウム（Ｋ）等、上記アルカリ土類金属としてはカルシウム（Ｃａ）やマグネシウム（Ｍｇ）等が例示できる。また、具体的な好適例としては、Ｃａ又はＭｇのスルフォネート、フェネート及びサリシレートが挙げられる。
なお、これた金属系清浄剤の全塩基価及び添加量は、要求される潤滑油の性能に応じて任意に選択できる。通常、全塩基価は、過塩素酸法で０〜５００ｍｇＫＯＨ／ｇ、望ましくは１５０〜４００ｍｇＫＯＨ／ｇであり、その添加量は組成物全量基準で、通常０．１〜１０％である。

また、上記酸化防止剤としては、潤滑油用の酸化防止剤として通常用いられる任意の化合物を使用できる。例えば、４，４’−メチレンビス（２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール）、オクタデシル−３−（３，５−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート等のフェノール系酸化防止剤、フェニル−α−ナフチルアミン、アルキルフェニル−α−ナフチルアミン、アルキルジフェニルアミン等のアミン系酸化防止剤、並びにこれらの任意の組合せに係る混合物が挙げられる。また、かかる酸化防止剤の添加量は、潤滑油全量基準で、通常０．０１〜５％である。

更に、上記粘度指数向上剤としては、具体的には、各種メタクリル酸エステルから選ばれる１種又は２種以上のモノマーの共重合体やその水添物等のいわゆる非分散型年度指数向上剤、及び更に窒素化合物を含む各種メタクリル酸エステルを共重合させたいわゆる分散型粘度指数向上剤等が例示できる。また、他の粘度指数向上剤の具体低としては、不分散型又は分散型エチレン−α−オレフィン共重合体（α−オレフィンとしては、例えばプロピレン、１−ブテン、１−ペンテン等）及びその水素化物、ポリイソブチレン及びその水添物、スチレン−ジエン水素化共重合体、スチレン−無水マレイン酸エステル共重合体、並びにポリアルキルスチレン等も例示できる。

これら粘度指数向上剤の分子量は、せん断安定性を考慮して選定することが必要である。具体的には、粘度指数向上剤の数平均分子量は、例えば分散型及び非分散型ポリメタクリレートでは５０００〜１００００００、好ましくは１０００００〜８０００００がよく、ポリイソブチレン又はその水素化物では８００〜５０００、エチレン−α−オレフィン共重合体又はその水素化物では８００〜３０００００、好ましくは１００００から２０００００がよい。また、かかる粘度指数向上剤は、単独で又は複数種を任意に組合せて含有させることができるが、通常その含有量は、潤滑油組成物基準で０．１〜４０．０％であることが望ましい。

更にまた、他の無灰摩擦調整剤としては、ホウ酸エステル、高級アルコール、脂肪族エーテル等の無灰摩擦調整剤、ジチオリン酸モリブデン、ジチオカルバミン酸モリブデン、二硫化モリブデン等の金属系摩擦調整剤等が挙げられる。
また、他の無灰分散剤としては、数平均分子量が９００〜３５００のポリブテニル基を有するポリブテニルベンジルアミン、ポリブテニルアミン、数平均分子量が９００未満のポリブテニル基を有するポリブテニルコハク酸イミド等及びそれらの誘導体等が挙げられる。

更に、上記摩耗防止剤又は極圧剤としては、ジスルフィド、硫化油脂、硫化オレフィン、炭素数２〜２０の炭化水素基を１〜３個含有するリン酸エステル、チオリン酸エステル、亜リン酸エステル、チオ亜リン酸エステル及びこれらのアミン塩等が挙げられる。

更にまた、上記防錆剤としては、アルキルベンゼンスフォーネート、ジノニルナフタレンスルフォネート、アルケニルコハク酸エステル及び多価アルコールエステル等が挙げられる。

また、上記非イオン系界面活性剤及び抗乳化剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル及びポリオキシエチレンアルキルナフチルエーテル等のポリアルキレングリコール系非イオン系界面活性剤が挙げられる。

更に、上記金属不活性剤としては、イミダゾリン、ピリミジン誘導体、チアジアゾールエーテル等が挙げられる。
更にまた、上記消泡剤としては、シリコーン、フルオロシリコーン及びフルオロアルキルエーテル等が挙げられる。

なお、これら添加剤を本発明に用いる潤滑油に含有させる場合には、その含有量は、潤滑油全量基準で、他の摩擦調整剤、他の無灰分散剤、摩耗防止剤又は極圧剤、防錆剤、及び抗乳化剤については０．０１〜５％、金属不活性剤については０．００５〜１％、消泡剤については０．０００５〜１％の範囲から適宜選択できる。

また、水酸基含有化合物を主成分とする潤滑剤を、本発明における摺動部材と鉄基もしくはアルミニウム系材料との摺動面に供給することで、より一層の摩擦低減効果を得ることができる。
上記潤滑剤としては、アルコール類、好ましくはグリセリン、もしくはエチレングリコールが挙げられる。

次に、本発明の高強度歯車の製造方法について詳細に説明する。
本発明は、上述した高強度歯車を製造するに当たり、以下の工程１，２を行うことを特徴とする。

（工程１）
カーボンターゲットに対して被処理歯車を回転させるとともに、噛み合い面の一部又は全部に、水素含有量が１０ａｔｍ％以下である第１ＤＬＣ膜を形成する。

（工程２）
歯車の回転を停止状態又は低速状態とし、該第１ＤＬＣ膜の表面の少なくとも一部に第２ＤＬＣ膜をイオンプレーティング法により形成する。

これにより、特に工程２では、イオンプレーティング法による製膜対象が１歯だけとなるので短時間で製膜が完了できる。特に、製膜しにくい歯元部が、回転させた場合よりもターゲットに正対している時間が長いので歯元部にも膜が被覆しやすい。

また、上記工程１の被処理歯車の回転速度は、歯車の形状や大きさなどにより差異があるが、１〜１０ｒｐｍ程度とすることができる。

更に、工程２では、イオンプレーティング法による被覆後に、エアロラップ処理を行ってもよい。
このときは、イオンプレーティング法特有のドロップレットの大きさ及び量を制御して、潤滑油中でも特に優れた低フリクションを示すようになり得る。

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。

＜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。また、蒸発源２には、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＞
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の後、下地としてクロム層を製膜した。膜の厚さは歯先と歯元で異なるが、ピッチ点近傍で０．２μｍとした。

その後、ＤＬＣ膜を製膜した。表１に示すように、一部の比較例を除き、水素含有量が１０ａｔｍ％以下であるＤＬＣはＵＢＭＳにて全ての歯に製膜し、厚さ１μｍとした。

その後、ＡＩＰ蒸発源にて回転テーブル３，４の回転を停止し表層の製膜を行った。一部の実施例、比較例では、回転テーブル４を回転させて全ての歯に表層の製膜を行った。

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。一部の比較例はバイアス電圧を変えて硬質層と軟質層を積層させたり、金属などを添加したＤＬＣ膜を積層させた。またメタンガスを導入してその影響を調べた。

＜試験＞
ＤＬＣ膜の剥離強度及びフリクション性能を調べるため、モーターベンチによる歯車ユニット試験を行った。この概要を図２に示す。
回転数１０００、３０００、５０００ｒｐｍ、入力トルク２０、６０、９０Ｎｍの範囲で各ステップ１０分間の運転を行い、フリクション性能はＤＬＣ膜なしの噛み合い損失を１とする損失比として、また剥離は試験後の噛み合い面観察にて調べた。損失測定の感度を上げるため、歯車は下記諸元の遊星歯車２段減速とした。

（歯車諸元）
３ピニオン、モジュール０．８７、歯数２４／６０、ねじれ角２５°

（歯車材料）
ＪＩＳ ＳＣＭ４２０Ｈを選び、歯切り後に浸炭焼き入れ焼き戻しにて表面硬度を７２０Ｈｖとした。被製膜歯車はピニオンギアとし、歯研にて噛み合い面の表面粗さをＲａ０．０７とした。摺動相手は表面粗さＲａ０．２とした。

（試験油）
日産純正オートマチック油Ｍａｔｉｃ−Ｄとし、供給油温１００℃、４ｌ／ｍｉｎの給油を行った。

なお、製膜後の下層及び表層の表面硬度は、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ製超軽荷重薄膜硬度テスタにて求めた。

表１に、実施例１〜４、比較例１〜８の製膜条件及び試験結果を示す。

本発明の高強度歯車の一実施形態である実施例１〜４では、試験後も剥離せず、ＤＬＣ膜のない比較例１に比べて、噛み合い損失を大幅に低減できた。
特に、実施例４では、全ての歯に表層のＤＬＣを製膜したので、優れた損失低減効果を示した。
但し、製膜中のプラズマの失火などにより製膜速度が遅くなるため、実用上は実施例１〜３のように一部の歯に製膜されていれば十分な損失低減効果を示す。

また、試験後の相手歯車の噛み合い面は研磨されて鏡面化されており、それが損失低減に大きく寄与しているものと考えられた。
従って、表層のＤＬＣの製膜範囲は、近接する２歯の向き合う両噛み合い面（ドライブ面とドリブン面）に製膜されていれば十分である。これは、１つの歯面は相手歯車の全ての歯と噛み合うので、十分な研磨効果が発揮されるためである。
もちろん、その製膜時に製膜対象の歯の近傍の歯に製膜されても剥離強度や損失低減性能が悪化することはない。

なお、比較例２、３では、バイアス電圧の設定が不適切で硬度が本発明の範囲に満たないため、試験後にＤＬＣ膜が失われ、損失も低下しなかった。

また、比較例４では、メタンガス添加により水素含有量が１０ａｔｍ％以下であるＤＬＣ膜の硬度が低すぎるために膜剥離はなかったがあまり損失は低減できなかった。

更に、比較例５〜７では、金属を添加したが、硬度が低い上に表面粗さが粗く、油中では損失低減効果がほとんどなかった。

更にまた、比較例８では、表面に軟質のＤＬＣ膜を製膜したが、油中では損失低減できなかった。

また、比較例９では、下層にＵＢＭＳによる水素含有量１０ａｔｍ％以下のＤＬＣ膜を製膜しなかったのでＤＬＣ膜がつきにくく、剥離してしまった。

更に、比較例１０では、表層製膜時にメタンガスを導入し、且つドロップレットが過剰で面粗さが悪かったので剥離が生じ、損失もあまり低減できなかった。

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 (5)

1. 浸炭処理又は浸炭窒化処理を行った鉄基合金から成り、被処理歯車の噛み合い面に、第１のダイヤモンドライクカーボン膜と第２のダイヤモンドライクカーボン膜を順に被覆して成る高強度歯車であって、
   上記第１のダイヤモンドライクカーボン膜は、水素含有量が１０ａｔｍ％以下であり、且つ第１のダイヤモンドライクカーボン膜の表面硬さが、ナノインデンテーション試験で２０〜３０ＧＰａであり、
   上記第２のダイヤモンドライクカーボン膜は、該第１のダイヤモンドライクカーボン膜の少なくとも一部に且つイオンプレーティング法により被覆されており、水素含有量が１０ａｔｍ％以下、表面粗さがＲａ０．１〜０．２μｍであることを特徴とする高強度歯車。
2. 第２のダイヤモンドライクカーボン膜の表面硬さが、ナノインデンテーション試験で７０〜９０ＧＰａであることを特徴とする請求項１に記載の高強度歯車。
3. 請求項１又は２に記載の高強度歯車を用いた伝動機構であって、
   該第２のダイヤモンドライクカーボン膜が、少なくとも、隣接する歯車相互の噛み合い面に被覆されていることを特徴とする高強度歯車伝動機構。
4. 歯車相互間に、潤滑油を介在させることを特徴とする請求項３に記載の高強度歯車伝動機構。
5. 請求項１又は２に記載の高強度歯車を製造するに当たり、
   カーボンターゲットに対して被処理歯車を回転させるとともに、噛み合い面の一部又は全部に、水素含有量が１０ａｔｍ％以下である第１のダイヤモンドライクカーボン膜を形成した後に、
   歯車の回転を停止状態又は低速状態とし、該第１のダイヤモンドライクカーボン膜の表面の少なくとも一部に第２のダイヤモンドライクカーボン膜をイオンプレーティング法により形成することを特徴とする高強度歯車の製造方法。

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