JP5418405B2 - 摺動部品の使用方法および該摺動部品を用いた摺動装置 - Google Patents
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本発明に係る摺動部品の使用方法は、基材の最表面に硬質保護層が形成された摺動部品の使用方法であって、
前記硬質保護層は、炭素を59原子%以上含み、更に窒素および金属元素を含んでおり、かつ前記窒素を含有する炭素非晶質体と前記金属元素の化合物結晶体との複合体により構成され、前記化合物結晶体は金属炭化物、金属窒化物および金属炭窒化物のうちの少なくとも1つであり、前記硬質保護層の表面硬度は1800以上のビッカース硬度であり、
前記摺動部品は前記硬質保護層と前記基材との間に複数の中間層が介在し、前記複数の中間層が、前記基材の直上に形成され前記金属元素からなる第1中間層と、前記第1中間層の直上に形成され前記金属元素と前記金属炭化物とからなる第2中間層と、前記第2中間層の直上に形成され前記金属炭化物と前記炭素非晶質体とからなる第3中間層とを備える摺動部品を、モリブデン化合物を含有する潤滑油が共存する環境下で使用する。
本発明に係る摺動装置は、摺動部品が潤滑油を介して相手部品と摺動する摺動装置であって、前記潤滑油はモリブデン化合物を含有し、前記摺動部品は該摺動部品を構成する基材の摺動面に硬質保護層が形成されており、前記硬質保護層は、炭素を59原子%以上含み、更に窒素および金属元素を含んでおり、かつ前記窒素を含有する炭素非晶質体と前記金属元素の化合物結晶体との複合体により構成され、前記化合物結晶体は金属炭化物、金属窒化物および金属炭窒化物のうちの少なくとも1つであり、前記硬質保護層の表面硬度は1800以上のビッカース硬度であり、前記摺動部品は前記硬質保護層と前記基材との間に複数の中間層が介在し、前記複数の中間層が、前記基材の直上に形成され前記金属元素からなる第1中間層と、前記第1中間層の直上に形成され前記金属元素と前記金属炭化物とからなる第2中間層と、前記第2中間層の直上に形成され前記金属炭化物と前記炭素非晶質体とからなる第3中間層とを備える。
前述したように、本発明者らは、摩擦調整剤としてモリブデン化合物(具体的にはMo-DTC)を含有した潤滑油(具体的にはエンジンオイル)が共存する環境下で摺動試験を系統的に行い、摺動試験後の試験片および潤滑油を詳しく調査し、さらに各種の熱分析および構造解析を実施することによって非晶質炭素皮膜の摩耗メカニズムを解明した。以下、その実験・調査について説明する。
前記硬質保護層は、炭素(C)を59原子%以上含み、更に窒素(N)および金属元素を含んでおり、かつ前記窒素を含有する炭素非晶質体と前記金属元素の化合物結晶体との複合体により構成され、前記化合物結晶体は金属炭化物、金属窒化物および金属炭窒化物のうちの少なくとも1つであり、前記硬質保護層の表面硬度は1800以上のビッカース硬度(Hv)であり、前記摺動部品は前記硬質保護層と前記基材との間に複数の中間層が介在し、前記複数の中間層が、前記基材の直上に形成され前記金属元素からなる第1中間層と、前記第1中間層の直上に形成され前記金属元素と前記金属炭化物とからなる第2中間層と、前記第2中間層の直上に形成され前記金属炭化物と前記炭素非晶質体とからなる第3中間層とを備える摺動部品を、モリブデン(Mo)化合物を含有する潤滑油が共存する環境下で使用することを特徴とする。
(i)前記硬質保護層は、炭素、窒素および前記金属元素の合計を100原子%とした場合の原子比で、前記窒素が0.1原子%以上35原子%以下であり、前記金属元素が0.05原子%以上38原子%以下であり、前記窒素と前記金属元素との合計が5原子%以上である。
(ii)前記硬質保護層は、25原子%以下の水素(H)、18原子%以下の酸素(O)、および5原子%以下のアルゴン(Ar)を更に含む。
(iii)前記金属元素がクロム(Cr)、チタン(Ti)およびタングステン(W)の少なくとも1種である。
(iv)前記複合体は、前記炭素非晶質体の母相中に粒径0.1 nm以上100 nm以下の前記化合物結晶体が分散して構成されており、前記硬質保護層中における前記化合物結晶体の体積率が0.08体積%以上76体積%以下で、前記化合物結晶体の数密度が10-6個・μm-3以上1012個・μm-3以下である。
(v)前記複合体は、前記炭素非晶質体の層と前記化合物結晶体の層とが交互に積層して構成されており、前記硬質保護層中における前記化合物結晶体の体積率が30体積%以上76体積%以下で、前記化合物結晶体の層の厚さが1 nm以上50 nm以下で、前記炭素非晶質体の層の厚さが0.3 nm以上100 nm以下である。
(vi)前記摺動部品は、内燃機関内に配されるバルブリフタ、アジャスティングシム、カム、カムシャフト、ロッカーアーム、タペット、ピストン、ピストンピン、ピストンリング、タイミングギア、タイミングチェーン、およびオイルポンプ内に配されるドライブギア、ドリブンギア、ロータ、ベーン、カムのいずれかである。
(vii)前記潤滑油がエンジンオイルであり、前記モリブデン化合物がジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン(Mo-DTC)またはジチオリン酸モリブデン(Mo-DTP)である。
本発明の硬質保護層は、本来高硬度かつ高靭性を有する非晶質炭素を主体とし、該非晶質炭素の脆弱化を抑制するミクロ構造を付加した複合体である。これにより前述した化学機械摩耗に対して優れた耐久性を示す。同時に、本発明の硬質保護層は、金属元素が適量添加されていることによって、油性添加剤、極圧添加剤および摩擦低減剤などとの相互作用を活発化し、これらの添加剤を含む潤滑油中での使用においても優れた低摩擦特性を示す。
本発明の硬質皮膜の製造方法としては、スパッタ法や、プラズマCVD法、イオンプレーティング法など既存の方法を用いることができるが、硬質保護層の製造方法としては、反応性スパッタ法を用いることが特に好ましい。反応性スパッタ法は、皮膜表面を平滑に作製でき、かつ金属元素、窒素および炭素を複合した硬質皮膜を作製しやすい成膜方法である。また、イオン化し難い炭素を供給するために炭化水素ガスを用いて反応性スパッタ法を実施することにより、より硬質の皮膜を作製することができる。
実施例1の摺動部材サンプルの作製方法は下記のとおりである。非平衡マグネトロンスパッタ装置内に、鉄鋼基材、金属ターゲットおよびグラファイトターゲットをセットし、アルゴンガス、炭化水素ガスおよび窒素ガスを導入しながら反応性スパッタ法により鉄鋼基材表面に硬質保護層を形成した。
実施例1と同様の手順によって、実施例2〜16、比較例1〜9および11〜16のサンプルを作製した。このとき、ターゲットの金属種、ターゲット投入電力、ガス流量、および成膜時間をそれぞれ調整し、異なる組成や膜厚を有する硬質保護層を成膜した(後述する表1〜2参照)。
比較例10、17および18は、アークイオンプレーティング装置内に、グラファイトターゲットを配し、鉄鋼基材表面に硬質保護層を成膜した例である。はじめに、グラファイトターゲットをカソードとして電力を投入してアーク放電を起こし、非晶質の単層膜を成膜した。次に、成膜中に膜表面に付着したドロップレット(ターゲットから発生する炭素塊)を取り除くために、アークイオンプレーティング装置から取り出した試験片に対してラッピング処理を施した。得られた硬質保護層は、水素およびアルゴンを含まず炭素のみからなる膜(炭素100原子%)であり、膜硬度がHv=8000であった。
上記実施例1〜16、比較例1〜18で作製したサンプルに対して各種の観察・分析・測定を行った。ミクロ構造、化学結合形態および組成は、透過型電子顕微鏡、X線回折法およびX線光電子分光法により分析した。ただし、X線光電子分光法は、エネルギー分解能の関係で組成の測定精度が数原子%である。そのため、添加元素の含有量が1原子%以下のサンプルの組成は、X線光電子分光法と、波長分散型特性X線分光法または蛍光X線分光法とを併用して分析した。また、水素の有無の分析は、弾性反跳粒子検出装置を併設したラザフォード後方散乱分析により実施した。さらに、Mo-DTC添加のエンジンオイルまたはMo-DTC無添加のエンジンオイル(ともに粘度指標:0W-20)中での往復摺動試験を行った。それぞれの結果一覧を表1、2に示す。
反応性スパッタ法で成膜した膜(実施例1〜16および比較例1〜9、11〜16)は、いずれも膜表面にクレータが存在しない平滑面であった。これに対し、アークイオンプレーティング法で成膜した比較例10、17、18の膜表面には、直径1μm以上のクレータが106個/mm2オーダーの数密度で存在し、直径10μm以上の大きいクレータが103個/mm2オーダーの数密度で存在した。これらは、成膜中に付着したドロップレットを取り除いた痕がクレータとして残存したものと考えられた。
往復摺動試験は下記の方法で実施した。図6は、往復摺動試験の方法を示す模式図である。表面粗さがRa=0.02μmである短冊状の鉄鋼基材3’(材質:Cr-Mo合金鋼、形状:50 mm×15 mm×5 mmt)の表面上に硬質保護層2を成膜して短冊状試験片1’を作製した。往復摺動試験は、円筒状試験片6(材質:鋳鉄、形状:4 mmφ×11 mm)の側面と短冊状試験片1’の表面とを線接触させ、接触面にMo-DTC添加のエンジンオイルを1.0 ml/secの速度で金属管7から滴下しながら、短冊状試験片1’を往復摺動させて実施した。摺動条件としては、面圧を822 MPa(荷重784 N)、摺動速度を0〜1.6 m/sec、摺動幅を30 mm、摺動開始温度を110℃とした。短冊状試験片の温度は試験前に加熱して初期温度を110℃となるように設定したものであり、摺動中は摩擦熱によって150℃程度まで上昇した。往復回数を1.8×106回として摺動試験を実施し、硬質皮膜表面に0.1 mm以上の大きさの剥離箇所が確認されない場合に十分な耐久性を有する(○ 耐摩耗性あり)と判断した。なお、比較例11〜14、16、18では、Mo-DTC無添加のエンジンオイルを用いた。
図10は、短冊状試験片(実施例1および比較例1、4〜7、10)の硬質皮膜表面にロックウェル圧子を押込んだときのロックウェル圧痕周囲の観察像である。ロックウェル圧痕試験では、基材との密着性が悪い皮膜を試験した場合、一般的に圧痕周囲に界面剥離が観察されるが、実施例1〜11および比較例1〜10で密着性に起因すると思われる界面剥離は確認されなかった。ただし、圧痕周囲に剥離の起点となるクラックが確認されたものがあり、これは靭性が低かったためと判断された。
前述と同様の作製方法により、実際の自動車部品の表面に硬質皮膜を形成して実施例17〜24および比較例19〜22を作製した。実施例17〜20および比較例19、20は、直動式バルブシステムを模擬したモータリングエンジン内のバルブリフタ冠面に硬質皮膜を形成したものである。実施例21〜24および比較例21、22は、ベーン式オイルポンプのベーン表面に硬質皮膜を形成したものである。潤滑油としてMo-DTCを含有したエンジンオイル(粘度指数:0W-20)を用いて、実機耐久試験を実施し耐久性を評価した。結果を表3に示す。
20,20’…硬質保護層、21…第1中間層、22…第2中間層、23…第3中間層、
3…基材、3’… 鉄鋼基材、
4…炭素非晶質体、5a…化合物結晶体の粒子、5b…化合物結晶体の層、
6…円筒状試験片、7…金属管、8…潤滑油、9…相手部材。
Claims (9)
- 基材の最表面に硬質保護層が形成された摺動部品の使用方法であって、
前記硬質保護層は、炭素を59原子%以上含み、更に窒素および金属元素を含んでおり、かつ前記窒素を含有する炭素非晶質体と前記金属元素の化合物結晶体との複合体により構成され、
前記化合物結晶体は金属炭化物、金属窒化物および金属炭窒化物のうちの少なくとも1つであり、
前記硬質保護層の表面硬度は1800以上のビッカース硬度であり、
前記摺動部品は前記硬質保護層と前記基材との間に複数の中間層が介在し、
前記複数の中間層が、前記基材の直上に形成され前記金属元素からなる第1中間層と、前記第1中間層の直上に形成され前記金属元素と前記金属炭化物とからなる第2中間層と、前記第2中間層の直上に形成され前記金属炭化物と前記炭素非晶質体とからなる第3中間層とを備える摺動部品を、モリブデン化合物を含有する潤滑油が共存する環境下で使用することを特徴とする摺動部品の使用方法。 - 請求項1に記載の摺動部品の使用方法において、
前記硬質保護層は、前記炭素、前記窒素および前記金属元素の合計を100原子%とした場合の原子比で、前記窒素が0.1〜35原子%であり、前記金属元素が0.05〜38原子%であり、前記窒素と前記金属元素との合計が5原子%以上であることを特徴とする摺動部品の使用方法。 - 請求項2に記載の摺動部品の使用方法において、
前記硬質保護層は、25原子%以下の水素、18原子%以下の酸素、および5原子%以下のアルゴンを更に含むことを特徴とする摺動部品の使用方法。 - 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の摺動部品の使用方法において、
前記金属元素がクロム、チタンおよびタングステンの少なくとも1種であることを特徴とする摺動部品の使用方法。 - 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の摺動部品の使用方法において、
前記複合体は、前記炭素非晶質体の母相中に粒径0.1〜100 nmの前記化合物結晶体が分散して構成されており、
前記硬質保護層中における前記化合物結晶体の体積率が0.08〜76体積%で、前記化合物結晶体の数密度が10-6〜1012個・μm-3であることを特徴とする摺動部品の使用方法。 - 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の摺動部品の使用方法において、
前記複合体は、前記炭素非晶質体の層と前記化合物結晶体の層とが交互に積層して構成されており、
前記硬質保護層中における前記化合物結晶体の体積率が30〜76体積%で、前記化合物結晶体の層の厚さが1〜50 nmで、前記炭素非晶質体の層の厚さが0.3〜100 nmであることを特徴とする摺動部品の使用方法。 - 請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の摺動部品の使用方法において、
前記摺動部品は、内燃機関内に配されるバルブリフタ、アジャスティングシム、カム、カムシャフト、ロッカーアーム、タペット、ピストン、ピストンピン、ピストンリング、タイミングギア、タイミングチェーン、およびオイルポンプ内に配されるドライブギア、ドリブンギア、ロータ、ベーン、カムのいずれかであることを特徴とする摺動部品の使用方法。 - 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の摺動部品の使用方法において、
前記潤滑油がエンジンオイルであり、前記モリブデン化合物がジアルキルジチオカルバミン酸モリブデンまたはジチオリン酸モリブデンであることを特徴とする摺動部品の使用方法。 - 摺動部品が潤滑油を介して相手部品と摺動する摺動装置であって、
前記潤滑油はモリブデン化合物を含有し、
前記摺動部品は該摺動部品を構成する基材の摺動面に硬質保護層が形成されており、
前記硬質保護層は、炭素を59原子%以上含み、更に窒素および金属元素を含んでおり、かつ前記窒素を含有する炭素非晶質体と前記金属元素の化合物結晶体との複合体により構成され、
前記化合物結晶体は金属炭化物、金属窒化物および金属炭窒化物のうちの少なくとも1つであり、
前記硬質保護層の表面硬度は1800以上のビッカース硬度であり、
前記摺動部品は前記硬質保護層と前記基材との間に複数の中間層が介在し、
前記複数の中間層が、前記基材の直上に形成され前記金属元素からなる第1中間層と、前記第1中間層の直上に形成され前記金属元素と前記金属炭化物とからなる第2中間層と、前記第2中間層の直上に形成され前記金属炭化物と前記炭素非晶質体とからなる第3中間層とを備えることを特徴とする摺動装置。
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