JP5074510B2 - 薄膜によって被覆された潤滑環境における摺動接触部材 - Google Patents

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Description

本発明は潤滑環境における摩擦学の技術的分野に関する。
更に詳細には、本発明は、摩耗を削減し、接線力の伝達を最小にするための被覆および表面処理に関する。
機械部材のトライボロジー性能の向上のために、多くの技術的解決策が提案されている。硬化処理の従来の場合と、PVD(物理蒸着(Physical Vapour Deposition))またはPACVD(プラズマ補助化学蒸着(Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition))などの様々な方法によって得られる硬質薄膜の付着との間には本質的に相違がある。
硬質薄膜の付着の中で、遷移金属窒化物(Tin、CrN、TiAIN等)の付着、無定形炭素(DLC)の被覆等を挙げることができる。機械的および技術的な理由により、これらの表面被覆の付着は概ね5μmを越えないことが分かる。この厚さを超えると、膜の脆化および剥離の危険性が生じる可能性がある。長期間に亘る薄膜の完全な密着および強度を得ることも重要である。従って、当業者は、約0.04μmの粗さ(Ra)を有する、不均一性が非常に僅かな表面性状を要請する。
従って、表面処理および真空蒸着によるトライボロジー性能は、僅かな粗さを有する表面で保証されるにすぎないことが従来技術から分かる。
例えば、特許文献１の教示を挙げることができ、それはDLC付着の硬度およびその厚さの関数として表面粗さパラメータ(Rz)の最大値を設定する。一般に当業者は可能な限り最低の粗さを要請し、それは、例えばRa≦0.04μmである。
このように、高い表面粗さは硬質付着を受け付けるためには不適切であり、それは高い表面粗さが、被覆の機械的強度に対して弊害となる過剰な可塑性変形をもたらしやすい部分的な過剰圧力を引き起こす表面の不均一を生じさせるためであることが、従来技術の分析から分かる。更に、潤滑化された状況において、粗さの振幅が高すぎる場合、油膜は部分的に破壊され、相対的運動をする表面同士はもはや完全に分離されず、それによって先述の表面の摩擦係数の増加および早期の摩耗を起こす。
摩擦学の分野での科学的刊行物も、潤滑への粗さの影響を論じる。例えば、非特許文献１を挙げることができる。
これらの刊行物から、摩擦係数を減少するために可能な限り最低の粗さを求める必要があるという結論によって、表面粗さの振幅を検討する必要があることが分かる。
また、科学的刊行物の非特許文献２から分かるように、正弦波プロファイルとして扱われる粗い接触面に関する多くの分析が、接触面の不均一に関連する過剰圧力の効果を明らかにし、輪郭曲線の周期を増大することによって、これらの過剰圧力が制限される可能性があることを示していることは、注目に値する。しかし、高い波長の輪郭曲線上の接触圧力のこの減少は、母材の弾性変形によって説明される。PVDまたはPACVD法によって得られる硬質付着の場合、これらの付着は、それらの高い弾性係数およびそれらの高い硬度のために、母材の変形に対応できず、従ってそれらは急速に損傷される。
米国特許第6,886,521号明細書
「Occurrence of microelastohydrodynamic lubrication in simple sliding motion with transverse roughness」-J. Wang, M. Kaneta、F. Guo、P. Yang-Journal of Engineering Tribology-220巻J13(2006年5月)号、273〜285ページ 「Influence of harmonic surface roughness on the fatigue life of elastohydrodynamic lubricated contact-A.D. Chapkov, F. Colin, A. A. Lubrecht-Journal of Engineering Tribology-220巻J13(2006年5月)号287〜294ページ」
従って、薄膜付着は、例えば無定形炭素の場合、粗さ(Ra)が百分の数ミクロンを越えず、一般的には0.04μm未満であるような、非常に高い仕上げ平滑度を有する表面上で実施される必要があることが、摩擦学の分野における従来技術から明らかに分かる。
当業者の一般的知識に対して驚くべき、予測できない方法によって、十分に高い周期を伴う一定の粗さを有する表面性状は、部材が潤滑化された状況において作動する場合、PVDまたはPACVD法によって得られる薄い付着を、許容できることが分かった。
従ってその結果、本発明の一基本的特徴によると、薄膜は、粗さ輪郭曲線を有する表面上に付着し、その粗さ輪郭曲線のパラメータおよび平均周期はトライボロジー性能を向上するために決定される。これらの特定の粗さ輪郭曲線は、適切な機械加工のパラメータ(ターニング、ミリング、ブローチの回転速度、ツール送り等)を選択することによって得られる。
更に詳細には、本発明の一基本的特徴によると、フランス規格ISO4288によって規定される、μm単位での輪郭曲線の平均周期(PSM)の二乗と、μm単位での粗さ輪郭曲線(Pa)との間の比率Aが、5×105μm以上である、すなわち次式で示される。
Figure 0005074510
パラメータ(PSM)の広範な拡散のために、この式は摩擦域において摺動方向と平行に測定された8つの測定値から算出された平均パラメータに適用する。
トライボロジー試験も106μm超の(A)および更により良好な107μm超の(A)を示す顕著な結果をもたらした。
結果的に、うねりの周期を利用するだけで、通常は容認されない輪郭曲線高さを伴う激しく劣化した表面性状を容認することが可能である。
0.4μmの粗さ(Pa)を有する輪郭曲線に対して、前式の適用は、この輪郭曲線の平均周期(PSM)が450μm超である場合に良好な結果が得られることを示す。この輪郭曲線の平均周期(PSM)が2mm超である場合、更に良好な結果が得られる。
高い仕上げ平滑度を有する表面性状を得る必要がある従来技術の教示に反し、本発明の基本的特徴のために、結果的に同等またはより優れたトライボロジー性能を伴う部材を、最小の費用で得ることができる。
従って、経済的または技術的理由のために、ラッピング、研削または他の方法によって顕著な表面性状を得ることが不可能な場合、本発明によると、上流側の機械加工方法に関係する表面のうねりをもっぱら維持しながら、尖った縁部および粗さの尖端の存在を制限するために、表面を簡単に荒削りするだけで十分である。後者は、上記に規定されたパラメータ(A)を最大にするために、更に最適化される(回転速度、ツール送り等)。これらのうねりは、潤滑のために許容可能な正弦波プロファイルを得るのに役立ち、このことは、組立てライン市場の用途のために製造費用を削減するのに好都合となる。
粗さの特質について高い周期を得るために、多くの方法が利用でき、それらは、ターニング、ミリング等の従来の機械加工方法を使用して概ね簡単に実施されることに留意されたい。
ここで、本発明による処理の様々な例を示す下記の表を参照することができる。表面の処理および摩擦係数の、潤滑化された状況における試験中での影響を観察するために、部材すなわちサンプルは様々な機械加工方法によって得られた平坦な試験用試料である。表面はPACVD法によるDLCの付着によって被覆された。サンプルは、100℃に加熱された5W30オイルバス内で潤滑化された状況で、一定の速度で回転する未処理の100C6鋼鉄環に向かい合わせで、試験された。サンプルに向かい合う環の摩擦係数は試験中に測定された。4つのサンプル(A)、(B)、(C)、(D)は、それらの摩擦係数を比較するために用意された。
Figure 0005074510
これらの結果は、上記に規定された比率Aが、粗さパラメータ(Ra)および(Rz)よりも摩擦係数に影響することを実証する。例えばサンプル(A)は、非常に低い粗さに係わらず、本発明の分野に適合せず、表中で最も高い摩擦係数を有することが観察される。対照的に、サンプル(C)は、サンプル(A)よりもかなり高い(Ra)を有しているが、非常に高い比率Aを有し、僅かな摩擦挙動を示す。
本明細書からその利点は明らかに分かる。
本発明は、自動車分野において、特にエンジンの摩擦部材の場合に、有利な適用であることが分かる。

Claims (6)

  1. トライボロジー機能を備えた薄膜、例えば無定形炭素(DLC)で被覆された、潤滑環境における摺動接触部材であって、
    前記薄膜は、粗さ輪郭曲線を有する表面上に付着し、前記粗さ輪郭曲線のパラメータおよび平均周期はトライボロジー性能を向上するために決定され、その結果、フランス規格ISO4288によって規定される、μm単位での輪郭曲線の平均周期(PSM)の二乗と、μm単位での粗さ輪郭曲線(Pa)との間の比率Aが、5×105μm以上である、すなわち
    Figure 0005074510
    で示されることを特徴とする摺動接触部材。
  2. 前記比率Aが106μm超であることを特徴とする請求項1に記載の部材。
  3. 前記比率Aが107μm超であることを特徴とする請求項1に記載の部材。
  4. 前記粗さPaが約0.4μmである輪郭曲線に対して、前記輪郭曲線の平均周期PSMが450μm超であることを特徴とする請求項1に記載の部材。
  5. 前記粗さPaが約0.4μmである輪郭曲線に対して、前記輪郭曲線の平均周期PSMが2mm超であることを特徴とする請求項1に記載の部材。
  6. 自動車分野、特にエンジンの構成部材の分野における、請求項1から5のいずれか一項に記載の部材の使用。
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