JP5342365B2 - 低摩擦摺動部材 - Google Patents
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Description
前記潤滑油は、モリブデン(Mo)を100ppm以上含み、硫黄(S)およびリン(P)のうちの少なくとも一種ならびに亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)のうちの少なくとも一種を合計で500ppmを超えて含み、
前記非晶質硬質炭素膜の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)で0.001μm以上0.05μm以下であり、
前記非晶質硬質炭素膜は、炭素(C)を主成分とし、該非晶質硬質炭素膜全体を100原子%としたときに、水素(H)を5原子%以上25原子%以下含み、硼素(B)を4原子%以上25原子%以下含み、該非晶質硬質炭素膜の酸素(O)含有量は6原子%未満であることを特徴とする。
基材の材質は、摺動部材として使用できれば特に限定されるものではない。金属、セラミックス、樹脂から選ばれる材料を用いればよい。たとえば、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄、アルミニウム合金、チタン合金などの金属製基材、超硬合金、アルミナ、窒化珪素などのセラミックス製基材、ポリイミド、ポリアミドなどの樹脂製基材、等が挙げられる。
DLC膜は、炭素(C)を主成分とし、水素(H)を含み、硼素(B)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)またはマンガン(Mn)を含む。なお、これらの元素を含むDLC膜は、炭素と反応して炭化物を形成している可能性もあるが、その構造は全体として非晶質であるのが好ましい。特に、本発明の低摩擦摺動部材は、炭化物を実質的に含まないDLC膜を備えるとよい。炭化物により、DLC膜の表面への均一な境界膜の形成が妨げられる。そのため、炭化物を含むDLC膜を備える摺動部材は、低摩擦が安定的に得られ難い。なお、「炭化物を実質的に含まない」とは、たとえば、DLC膜のX線回折から、炭化物の存在を示すピークが得られないことである。あるいは、高分解能の透過電子顕微鏡(TEM)を用いて150万倍以上の高倍率でDLC膜を観察したときに、炭化物が検出されないことである。ただし、Tiを含むDLC膜は、TiCを含むとよい。TiCは、非晶質のマトリックスに分散された微粒子として存在するのがよい。
本発明の低摩擦摺動部材は、潤滑油を用いた湿式条件で使用される。潤滑油は、Moを含み、SおよびPのうちの少なくとも一種ならびにZn、Ca、Mg、Na、BaおよびCuのうちの少なくとも一種を含有する。これらの元素は、ベース油に添加される添加剤に含まれる。主な添加剤としては、Mo系添加剤であるモリブデンジチオカーバメート(Mo−DTC)、モリブデンジチオホスフェート、モリブデンジアルキルジチオフォスフェートなど、アルカリ土類金属系添加剤であるCa−スルホネート、Mg−スルホネート、Ba−スルホネート、Na−スルホネートなど、極圧添加剤であるりん酸エステル、亜りん酸エステル、亜鉛ジアルキルジチオフォスフェート(Zn−DTP)など、が挙げられる。また、無灰分散剤であるコハク酸イミド、コハク酸エステルなど、上記の元素を含まない添加剤を含んでもよい。すなわち、本発明の低摩擦摺動部材の表面には、負イオンとして、S−、PO2 −、PO3 −、SO2 −、SO3 −、PO2S−、PSO2 −、CNO−等が吸着あるいは反応して境界膜を形成する。潤滑油は、DLC膜が形成された本発明の低摩擦摺動部材の摺動の際に、少なくともその摺動面に供給されればよい。
先に説明したDLC膜は、スパッタリング法、特に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法により成膜されるのが望ましい。UBMS法は、ターゲットに印加する磁場のバランスを意図的に崩して被処理体(基材)へのイオン入射を強めた方法である。ターゲット蒸発面近傍から、基材の近傍に伸びる磁力線にトラップされた電子により、原料ガスのイオン化が促進されるとともに反応が進みやすくなる。加えて、基材に対して多くのイオンが入射するため、緻密なDLC膜を効率よく成膜することができる。
基材として鋼材(マルテンサイト系ステンレス鋼:SUS440C)を準備した。基材は、6.3mm×15.7mm×10.1mmであり、表面硬さ:HRC60、表面粗さ:Ra0.005μmであった。
基材の表面に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング装置(株式会社神戸製鋼所製UBMS504)を用い、添加元素の種類および添加量の異なる非晶質炭素膜を成膜した。装置内には、基材を配設するとともに、グラファイトターゲットおよび添加元素の単体からなるターゲット(たとえば、添加元素がBであれば純硼素ターゲット、添加元素がMgであれば純マグネシウムターゲット)を装置に付属のマグネトロンに一つずつ載置した。このとき、各ターゲットの表面と基材の成膜面とが向かい合うようにした。基材の表面からターゲットの表面までの距離は100〜800mmであった。なお、マグネトロンは、各ターゲットの裏側に位置し、外側磁極(強磁場)と内側磁極(弱磁場)とからなる。それらのバランスを意図的に崩す(非平衡磁場)ことで、外側磁極からの磁力線の一部が基板まで伸び、プラズマの一部が磁力線に沿って基板近傍まで拡散し易くなる。
上記手順で得られた摺動部材(試料#00〜#27)について、各種DLC膜の組成、表面の硬さ、弾性率および表面粗さを測定した。
ブロック・オン・リング型摩擦試験機(FALEX社製LFW−1型試験機)を用いて摩擦試験を行い、表1に示した#00〜#27の各試料の摩擦特性を評価した。図1にブロック・オン・リング型摩擦試験機の構成を示す。図1に示すように、ブロック・オン・リング型摩擦試験機は、ブロック試験片1と、相手材となるリング試験片2と、から構成される。ブロック試験片1は、表1に示す各試料のいずれかであり、基材1sおよび皮膜1fからなる。リング試験片2はSAE4620浸炭鋼であり、外径φ35mm幅8.8mmのリング状(外周面の十点平均粗さRz1.3μm)を呈する。リング試験片2は、その外周面21がブロック試験片1の皮膜1fの表面に当接する状態で設置される。
境界摩擦の低減要因を調べるため、試料#06および基材(SUS440C)について、Mo系エンジン油中での摩擦試験後の表面の吸着物を分析した。吸着物の分析は、二次イオン質量分析(TOF−SIMS)により行った。図6および図7に、吸着物の分析結果をそれぞれ示す。各図において、点線で囲まれた領域が、リング試験片と摺接した摺動部に相当する。なお、図6および図7において分析した各成分の後に括弧書きで示す数値は、測定した表面全体を100としたときの各成分の質量割合を示す。しかし、各成分が多く存在するのは明るく見える箇所であるため、括弧内の数値と摺動面のみにおける成分の質量割合とは異なる。
上記の摩擦低減メカニズムの違いに関し、その要因を確かめるために、試料#06が備えるDLC−B膜の構造および試料#15が備えるDLC−Ti膜の構造を、TEMを用いて調べた。なお、TEMには、日本電子株式会社製JEM−2010Fを用いた。結果を図8および図9に示す。
Claims (8)
- 潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜とを備える低摩擦摺動部材であって、
前記潤滑油は、モリブデン(Mo)を100ppm以上含み、硫黄(S)およびリン(P)のうちの少なくとも一種ならびに亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)のうちの少なくとも一種を合計で500ppmを超えて含み、
前記非晶質硬質炭素膜の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)で0.001μm以上0.05μm以下であり、
前記非晶質硬質炭素膜は、炭素(C)を主成分とし、該非晶質硬質炭素膜全体を100原子%としたときに、水素(H)を5原子%以上25原子%以下含み、硼素(B)を4原子%以上25原子%以下含み、該非晶質硬質炭素膜の酸素(O)含有量は6原子%未満であることを特徴とする低摩擦摺動部材。 - 潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜とを備える低摩擦摺動部材であって、
前記潤滑油は、モリブデン(Mo)を100ppm以上含み、硫黄(S)およびリン(P)のうちの少なくとも一種ならびに亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)のうちの少なくとも一種を合計で500ppmを超えて含み、
前記非晶質硬質炭素膜の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)で0.001μm以上0.05μm以下であり、
前記非晶質硬質炭素膜は、炭素(C)を主成分とし、該非晶質硬質炭素膜全体を100原子%としたときに、水素(H)を5原子%以上25原子%以下含み、マグネシウム(Mg)を7原子%以上15原子%以下含み、該非晶質硬質炭素膜の酸素(O)含有量は6原子%未満であることを特徴とする低摩擦摺動部材。 - 潤滑油を用いた湿式条件で使用され、基材と該基材の表面に形成され相手材と摺接する非晶質硬質炭素膜とを備える低摩擦摺動部材であって、
前記潤滑油は、モリブデン(Mo)を100ppm以上含み、硫黄(S)およびリン(P)のうちの少なくとも一種ならびに亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)のうちの少なくとも一種を合計で500ppmを超えて含み、
前記非晶質硬質炭素膜の表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)で0.001μm以上0.05μm以下であり、
前記非晶質硬質炭素膜は、炭素(C)を主成分とし、該非晶質硬質炭素膜全体を100原子%としたときに、水素(H)を5原子%以上25原子%以下含み、マンガン(Mn)を5原子%以上20原子%以下含み、該非晶質硬質炭素膜の酸素(O)含有量は6原子%未満であることを特徴とする低摩擦摺動部材。 - 前記非晶質硬質炭素膜の表面に、摺動の際に負イオンが吸着または反応して形成される境界膜を有する請求項1〜3のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
- 前記負イオンは、S − 、PO 2 − 、PO 3 − 、SO 2 − 、SO 3 − 、PO 2 S − 、PSO 2 − およびCNO − から選ばれる少なくとも一種である請求項4に記載の低摩擦摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜の酸素(O)含有量は、3原子%未満である請求項1〜5のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜は、炭化物を含まない請求項1〜6のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜の硬さは、12GPa以上である請求項1〜7のいずれかに記載の低摩擦摺動部材。
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