JP6063376B2 - 摺動部材 - Google Patents
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Description
本発明は、原動機や動力伝達装置などに用いられる摺動部材に係り、相対する二つの部材の間に潤滑添加剤を含有するグリースを介在させて互いに摺動する摺動部材に関する。
原動機や動力伝達装置などに用いられる摺動部材については、互いに摺動する部材の保護や燃費向上を通じた地球環境保護を目的として、摩擦を減らすための研究が精力的に進められており、数多くの手法が提案されている。例えば、浸炭処理、窒化処理、セラミックス硬質皮膜処理などは前記した目的のためによく用いられる手法である。
近年では、摺動部材の表面にＤＬＣ膜を形成すると、摺動時にＤＬＣ膜の炭素成分がグラファイト化して固体潤滑剤として機能し、低摩擦化できることに注目が集まり、研究報告等が盛んに行われている。
例えば、特許文献１や特許文献２には、互いに摺動する摺動部材の一部に非晶質硬質炭素膜（ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）とも呼ばれる。）を形成することが記載されている。
また、例えば、特許文献３には、互いに摺動する摺動部材の表面に、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法により第１のＤＬＣ膜と第２のＤＬＣ膜を順に被覆することが記載されている。また、第１のＤＬＣ膜の表面硬さをナノインデンテーション試験で２０〜３０ＧＰａとし、第２のＤＬＣ膜の表面硬さを７０〜９０ＧＰａとすることが記載されている。
さらに、例えば、特許文献４には、非有機モリブデン系固体潤滑剤と非セッケン系増ちょう剤を含むグリースを介在させて互いに摺動する摺動部材のうちの一方の部材の表面にＤＬＣ膜を形成することが記載されている。
しかしながら、特許文献１、２には、ＤＬＣ膜の条件や製造手法、効果などが記載されていないため、十分に低摩擦化できないおそれがあった。
また、特許文献３には、ＡＩＰ法を用いたＤＬＣ膜の形成が記載されているが、物理蒸着による方法であり、優れた膜物性を有する反面、蒸着源の指向性が大きく、被覆する部材の形状や同時に処理可能な数量が限定される。さらに、潜在的に非常に高硬度で、かつ表面が過度に粗くなる性質があり、相手攻撃性の抑制が難しく、成膜後の研磨工程等が必要になることが多く、コストも必要になる。そのために安価で簡便にこれを形成することが困難であった。
そして、特許文献４に記載の技術は、低摩擦化の効果を奏するために潤滑添加剤を添加したグリースを用いているが、当該潤滑添加剤として添加できる成分が特定のものに制限されるだけでなく、十分に低摩擦化できないおそれがあった。
本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、安価且つ簡便でありながら低摩擦性に優れた摺動部材を提供することを課題とする。
前記課題を解決した本発明は、相対する二つの部材の間にジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン、ジチオリン酸モリブデン、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレンのうちの少なくとも一つを潤滑添加剤として含有し、銅系の添加剤を含有しないグリースを介在させて互いに摺動する摺動部材であって、前記二つの部材のうちの少なくとも一つの部材の摺動面に、水素を１７〜２９原子％含み、ヤング率が２０１ＧＰａ以上２５３ＧＰａ以下、膜厚が０．５〜２０μｍである非晶質硬質炭素膜を形成したことを特徴としている。
また、本発明は、相対する二つの部材の間にジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン、ジチオリン酸モリブデン、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレンのうちの少なくとも一つを潤滑添加剤として含有し、銅系の添加剤を含有しないグリースを介在させて互いに摺動する摺動部材であって、前記二つの部材のうちの少なくとも一つの部材の摺動面に、水素を含み、ヤング率が２０１ＧＰａ以上２５３ＧＰａ以下、前記グリースを介在させた摩擦係数が０．０５７以上０．１０６以下、膜厚が０．５〜２０μｍである非晶質硬質炭素膜を形成したことを特徴としている。
また、本発明は、相対する二つの部材の間にジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン、ジチオリン酸モリブデン、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレンのうちの少なくとも一つを潤滑添加剤として含有し、銅系の添加剤を含有しないグリースを介在させて互いに摺動する摺動部材であって、前記二つの部材のうちの少なくとも一つの部材の摺動面に、水素を含み、ヤング率が２０１ＧＰａ以上２５３ＧＰａ以下、前記グリースを介在させた摩擦係数が０．０５７以上０．１０６以下、膜厚が０．５〜２０μｍである非晶質硬質炭素膜を形成したことを特徴としている。
前記した数値範囲のヤング率を有する非晶質硬質炭素膜は、比較的硬質でありながら適度な硬さを有している。そのため、摺動部材が摺動して摩擦が起きると、非晶質硬質炭素膜の炭素成分の黒鉛質物質への構造変化やグリースに含有されている潤滑添加剤の摩擦化学反応を促進することができる。なお、摩擦化学反応とは、摩擦によって生じる圧力や摩擦熱によって進められる化学反応のことをいう。
構造変化して得られた黒鉛質物質や潤滑添加剤が摩擦化学反応により形成した物質は、いずれも層状構造物質であり、摩擦界面や摩擦によって生成されたトライボフィルムは、これらが混在した状態になる。
本発明では、比較的硬質でありながら適度な硬さを有する非晶質硬質炭素膜を、構造変換や摩擦化学反応に、積極的に関与させることによって、摩擦界面や部材表面に異なる複数の層状構造物質相を十分に生成させ、混在させる。混在する各層状構造物質は、それぞれ異なる摩擦特性を有していると考えられるため、これらが十分に生成され、混在することによって、その効果を重畳的に得ることができる結果、より幅広い範囲で安定して低摩擦化を図ることが可能となる。また、水素を含む非晶質硬質炭素膜でよいので、ＡＩＰ法によるよりも安価且つ簡便にこれを得ることができる。
構造変化して得られた黒鉛質物質や潤滑添加剤が摩擦化学反応により形成した物質は、いずれも層状構造物質であり、摩擦界面や摩擦によって生成されたトライボフィルムは、これらが混在した状態になる。
本発明では、比較的硬質でありながら適度な硬さを有する非晶質硬質炭素膜を、構造変換や摩擦化学反応に、積極的に関与させることによって、摩擦界面や部材表面に異なる複数の層状構造物質相を十分に生成させ、混在させる。混在する各層状構造物質は、それぞれ異なる摩擦特性を有していると考えられるため、これらが十分に生成され、混在することによって、その効果を重畳的に得ることができる結果、より幅広い範囲で安定して低摩擦化を図ることが可能となる。また、水素を含む非晶質硬質炭素膜でよいので、ＡＩＰ法によるよりも安価且つ簡便にこれを得ることができる。
本発明によれば、安価且つ簡便でありながら低摩擦性に優れた摺動部材を提供することができる。
本発明の主旨は、摺動面における非晶質硬質炭素膜とグリース中の潤滑添加剤の組み合わせにおいて、非晶質硬質炭素膜のヤング率を向上させて潤滑添加剤との摩擦反応を積極的に起こすことで良好な摩擦層を形成し、低摩擦化を図ることにある。
次に、適宜図面を参照して、本発明の一実施形態に係る摺動部材について詳細に説明する。
図１は、摺動部材の一例として、ステアリング装置のラックアンドピニオン摺動機構を、ラックの軸方向と平行且つラックに設けられた歯車に対して垂直な方向に切断した断面図である。
図１は、摺動部材の一例として、ステアリング装置のラックアンドピニオン摺動機構を、ラックの軸方向と平行且つラックに設けられた歯車に対して垂直な方向に切断した断面図である。
図１に図示する摺動部材１は、相対する二つの部材２、３の間にグリース４を介在させて互いに摺動するものであって、前記した二つの部材２、３のうちの少なくとも一つの部材（図１においては、部材２）の摺動面２ａに、非晶質硬質炭素膜（以下単に、「ＤＬＣ膜」という。）５を形成している。
ＤＬＣ膜５のヤング率は、２００ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下であることが必要である。ＤＬＣ膜５のヤング率がこの範囲にあれば、比較的硬質でありながら適度な硬さを有しているため、摺動部材１が摺動して摩擦が起きると、ＤＬＣ膜５の炭素成分の黒鉛質物質への構造変化や潤滑添加剤の摩擦化学反応を促進することができる。
ＤＬＣ膜５のヤング率が２００ＧＰａ未満であると、ＤＬＣ膜５が軟らか過ぎるため、ＤＬＣ膜５の炭素成分の黒鉛質物質への構造変化が不十分であり、同時に、潤滑添加剤の摩擦化学反応が十分に進行しないため、低摩擦化を図ることができない。
一方、ＤＬＣ膜５のヤング率が３００ＧＰａを超えると、ＤＬＣ膜５の炭素成分の黒鉛質物質への構造変化や潤滑添加剤の摩擦化学反応を促進するには十分であるものの、相手攻撃性が大きくなり過ぎるため、長期使用により相手材の摩耗が激しくなることが予想されるので好ましくない。
ＤＬＣ膜５のヤング率は、２２５ＧＰａとするのが好ましく、２４７ＧＰａとするのがより好ましく、２５３ＧＰａとするのがさらに好ましい。
ヤング率は、ＩＳＯ １４５７７に準拠したナノインデンテーション法で測定することができ、精度よく算出することができる。
一方、ＤＬＣ膜５のヤング率が３００ＧＰａを超えると、ＤＬＣ膜５の炭素成分の黒鉛質物質への構造変化や潤滑添加剤の摩擦化学反応を促進するには十分であるものの、相手攻撃性が大きくなり過ぎるため、長期使用により相手材の摩耗が激しくなることが予想されるので好ましくない。
ＤＬＣ膜５のヤング率は、２２５ＧＰａとするのが好ましく、２４７ＧＰａとするのがより好ましく、２５３ＧＰａとするのがさらに好ましい。
ヤング率は、ＩＳＯ １４５７７に準拠したナノインデンテーション法で測定することができ、精度よく算出することができる。
ＤＬＣ膜５の硬さを示すヤング率は、ＤＬＣ膜５中の水素含有量とよい相関性がある。つまり、ＤＬＣ膜５中の水素含有量が多いとＤＬＣ膜５のヤング率は低くなる傾向があり、ＤＬＣ膜５中の水素含有量が少ないとＤＬＣ膜５のヤング率が高くなる傾向がある。ＤＬＣ膜５のヤング率が前記したように２００ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下の範囲である場合、原料ガス、ガス圧力、成膜時間、バイアス電圧、プラズマ出力などの成膜条件によっても若干異なるが、ＤＬＣ膜５中の水素含有量は１７〜２９ａｔ％（原子％）程度とすればよい。
なお、ＤＬＣ膜５の膜厚は０．５〜２０μｍ程度あれば、前記した作用効果を奏することができる。ＤＬＣ膜５の好ましい膜厚は１〜１０μｍ程度である。
なお、ＤＬＣ膜５の膜厚は０．５〜２０μｍ程度あれば、前記した作用効果を奏することができる。ＤＬＣ膜５の好ましい膜厚は１〜１０μｍ程度である。
かかるＤＬＣ膜５は、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成することができる。ＤＬＣ膜５を形成するための原料ガスとしては、メタン（ＣＨ4）、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）、ベンゼン（Ｃ6Ｈ6）やトルエン（Ｃ7Ｈ8）などを用いることができる。ガス圧力は０．４〜２．２Ｐａなどとすることができる。成膜時間は３０〜２６０ｍｉｎ、バイアス電圧は５００〜２０００Ｖ、プラズマ出力は２０〜２００Ｗなどとすることができる。
相対する二つの部材２、３は、いわゆる普通鋼や特殊鋼などの鉄鋼材料で形成されたものであればどのようなものも用いることができる。また、非鉄金属やセラミックなどで形成することもできる。
普通鋼としては、日本工業規格（ＪＩＳ）で規格されている一般構造用圧延鋼材（ＳＳ材）、溶接構造用圧延鋼材（ＳＭ材）、ボイラーおよび圧力容器用鋼材（ＳＢ材）、高圧ガス容器用鋼板および鋼帯（ＳＧ材）、熱間圧延鋼材および鋼帯（ＳＰＨ材）、鋼管用熱間圧延炭素鋼鋼帯（ＳＰＨＴ材）、自動車構造用熱間圧延鋼板および鋼帯（ＳＡＰＨ材）、冷間圧延鋼板および鋼帯（ＳＰＣ材）などを挙げることができる。
また、特殊鋼としては、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２材）、クロムモリブデン鋼鋼材（ＳＣＭ材）が好ましいが、機械構造用炭素鋼（Ｓ−Ｃ材）、炭素工具鋼鋼材（ＳＫ材）、切削工具用合金工具鋼鋼材（ＳＫＳ材）、冷間ダイス用合金工具鋼鋼材（ＳＫＤ材）、熱間金型用合金工具鋼鋼材（ＳＫＴ材）、高速度工具鋼鋼材（ＳＫＨ材）、炭素クロム軸受鋼鋼材（ＳＵＪ材）、ばね鋼鋼材（ＳＵＰ材）、ステンレス鋼鋼材（ＳＵＳ材）、耐熱鋼鋼材（ＳＵＨ材）、定温圧力容器用炭素鋼鋼材（ＳＬＡ材）、磁心鋼や磁石鋼、鍛鋼品（ＳＦ材）、鋳鋼品（ＳＣ材）、鋳鉄品（ＦＣ材）などを挙げることができる。
非鉄金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタンまたはこれらから選択されるいずれか一つを主成分とする合金を挙げることができる。
アルミニウムまたはアルミニウム合金としては、ＪＩＳで規格されている純Ａｌ（１０００系）、Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金（２０００系）、Ａｌ−Ｍｎ，Ａｌ−Ｍｎ−Ｍｇ系合金（３０００系）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ，Ａｌ−Ｓｉ系合金（４０００系）、Ａｌ−Ｍｇ系合金（５０００系）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金（７０００系）、Ａｌ−Ｃｕ合金（ＡＣ１Ａ）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金（ＡＣ１Ｂ）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ合金（ＡＣ５Ａ）、Ａｌ−Ｓｉ合金（ＡＣ３Ａ、ＡＤＣ１）、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金（ＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金（ＡＣ４Ｂ、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１２）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金（ＡＣ４Ｃ、ＡＣ４ＣＨ、ＡＤＣ３）Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ合金（ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ、ＡＣ８Ｃ、ＡＣ９Ａ、ＡＣ９Ｂ、ＡＤＣ１４）、Ａｌ−Ｍｇ合金（ＡＣ７Ａ、ＡＤＣ５、ＡＤＣ６）などを挙げることができる。
マグネシウムまたはマグネシウム合金としては、ＪＩＳで規格されている１〜７種を挙げることができる。
チタンまたはチタン合金としては、ＪＩＳで規格されている１〜４種を挙げることができる。
チタンまたはチタン合金としては、ＪＩＳで規格されている１〜４種を挙げることができる。
二つの部材２、３は、前記した材料の中でも、ギア用途に用いられる鋼種で形成されるのが好ましい。なお、二つの部材２、３は、同じ鋼種で形成することもでき、異なる鋼種で形成することもできる。
二つの部材２、３は、ＤＬＣ膜５の形成を阻害するものでなければ、焼入れ、焼もどし、焼なまし、焼ならしなどの熱処理や、浸炭や窒化処理などを目的とした表面処理、さらには、研磨、ショットピーニング、エッチングなどの一般的な表面仕上処理を施すことができる。
二つの部材２、３は、ＤＬＣ膜５の形成を阻害するものでなければ、焼入れ、焼もどし、焼なまし、焼ならしなどの熱処理や、浸炭や窒化処理などを目的とした表面処理、さらには、研磨、ショットピーニング、エッチングなどの一般的な表面仕上処理を施すことができる。
また、本発明の摺動部材１は、互いに摺動する二つ以上の部材２、３で構成されていればよく、これを構成する部材の数は制限されない。図１では、ステアリング装置のラックアンドピニオン摺動機構について二つの部材２、３を例示して説明しているが、例えば、図示しないリサーキュレーティングボール方式のステアリング装置のように、数多くの部材で構成されたものであっても、そのうちの一部の部材２の摺動面２ａにＤＬＣ膜５を形成すれば本発明の効果を奏することができる。なお、リサーキュレーティングボール方式のステアリング装置は、軸回りに回転し、その外周面に断面が半円形状を成す溝が螺旋状に形成されたボールシャフトと、円筒形状を成し、内側に前記したボールシャフトが挿入され、内周面に半円形状を成す溝が螺旋状に設けられたナットと、前記したボールシャフトの溝とナットの溝で形成される円形状の溝に入れられる数個から数十個のボールと、を含んで構成される。
摺動部材１の他の例示としては、図示はしないが、自動車用ステアリング機構として用いられる、ラックをスライドさせながら支持するラックガイドや、パワーアシスト機構駆動のためのウォームギア、ボールベアリング（転がり軸受け）などが挙げられる。また、スパーギアやベベルギアなどのギア機構や、接触面が移動する機構の摺動面などを挙げることができる。さらには、内燃機関のエンジンピストンリングの上下面およびピストンリング溝の少なくとも一方にＤＬＣ膜５を形成し、これらの間にグリース４を介在させることや、ピストンリング上下面およびピストン摩擦面の少なくとも一方にＤＬＣ膜５を形成し、これらの間にグリース４を介在させること、ピストンおよびピストンピン摩擦面の少なくとも一方にＤＬＣ膜５を形成し、これらの間にグリース４を介在させることなどが挙げられる。
一般的に、グリースとは、潤滑基油に増ちょう剤を拡散させて、常温で半固体または半流動性を有するゼリー状の潤滑剤とし、潤滑油より高い粘度を有するものをいう。
ここで、潤滑基油は、鉱油系および合成油系のうちの少なくとも一方を用いることができる。鉱油系潤滑基油としては、ナフテン系鉱油、パラフィン系鉱油などが挙げられる。合成油系潤滑基油としては、合成炭化水素油、エステル油、エーテル油、ポリグリコール油、シリコーン油、フッ素油、パーフルオロポリエーテル油、ポリオレフィン油、ポリオールエステル油、植物油、流動パラフィンなどが挙げられる。潤滑基油は、一般的には７５〜９６質量％含有されている。
増ちょう剤は、セッケン系および非セッケン系のうちの少なくとも一方を用いることができる。
セッケン系増ちょう剤は、油脂または脂肪酸をアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物でケン化したものである。これらの金属としては、ナトリウム、リチウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムなどが挙げられるが、アルミニウムであってもよい。油脂または脂肪酸としては、ステアリン酸、１２−ヒドロキシステアリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、オレイン酸のうちの少なくとも一つが挙げられる。セッケン系増ちょう剤として具体的には、カルシウムセッケン、カルシウム複合セッケン、ナトリウムセッケン、アルミニウムセッケン、アルミニウム複合セッケン、リチウムセッケン、リチウム複合セッケンなどがある。
非セッケン系増ちょう剤は、有機系および無機系のうちの少なくとも一方を用いることができる。有機系の非セッケン系増ちょう剤としては、ウレア化合物（ポリウレア）、ナトリウムテレフタラメート、ＰＴＦＥ、インダスレン、フタロシアニンなどが挙げられる。無機系の非セッケン系増ちょう剤としては、有機物で表面処理されたベントナイト、シリカゲルなどが挙げられる。
なお、市販されているグリース中には増ちょう剤が約５〜２０質量％含有されている。本発明では、かかる含有量で増ちょう剤が含有されていれば所望の効果を得ることができるが、適宜含有量を増減させてもよい。
セッケン系増ちょう剤は、油脂または脂肪酸をアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物でケン化したものである。これらの金属としては、ナトリウム、リチウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムなどが挙げられるが、アルミニウムであってもよい。油脂または脂肪酸としては、ステアリン酸、１２−ヒドロキシステアリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、オレイン酸のうちの少なくとも一つが挙げられる。セッケン系増ちょう剤として具体的には、カルシウムセッケン、カルシウム複合セッケン、ナトリウムセッケン、アルミニウムセッケン、アルミニウム複合セッケン、リチウムセッケン、リチウム複合セッケンなどがある。
非セッケン系増ちょう剤は、有機系および無機系のうちの少なくとも一方を用いることができる。有機系の非セッケン系増ちょう剤としては、ウレア化合物（ポリウレア）、ナトリウムテレフタラメート、ＰＴＦＥ、インダスレン、フタロシアニンなどが挙げられる。無機系の非セッケン系増ちょう剤としては、有機物で表面処理されたベントナイト、シリカゲルなどが挙げられる。
なお、市販されているグリース中には増ちょう剤が約５〜２０質量％含有されている。本発明では、かかる含有量で増ちょう剤が含有されていれば所望の効果を得ることができるが、適宜含有量を増減させてもよい。
そして、本発明で用いるグリース４は、潤滑添加剤としてジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン（Ｍｏ−ＤＴＣ）、ジチオリン酸モリブデン（Ｍｏ−ＤＴＰ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のうちの少なくとも一つを含有している。これらの潤滑添加剤はいずれも摩擦によるＤＬＣ膜５の結合構造の変化や摩擦化学反応によって層状構造物質になり得る成分または層状構造物質である。これらは、摺動時に摩擦界面や部材２、３の表面に生成されるトライボフィルムまたはその一部として機能することによって低摩擦化を具現する。また、耐摩耗性を向上させ、極圧性を向上させ、耐酸化性を向上させる機能も有する。これらの潤滑添加剤は、市販されているグリースに含まれ得るものであるが、任意に添加することもできる。
また、グリース４は、本発明の所望する効果を阻害しない範囲で前記した以外の添加剤として、極圧剤、酸化防止剤、防錆剤、金属不活性剤、粘着剤、構造改良剤などを含有させることもできる。なお、極圧剤としては、リン酸エステル、ジアルキルジチオリン酸、硫黄化合物塩化物などを挙げることができ、２〜１０質量％含有させることができる。油性剤としては、脂肪酸、エステルなどを挙げることができ、０．１〜５質量％含有させることができる。酸化防止剤としては、アミン化合物、フェノール、硫黄化合物、カルバメートなどを挙げることができ、０．１〜５質量％含有させることができる。防錆剤としては、スルホネート、アミン化合物、エステル類、脂肪酸などを挙げることができ、０．１〜５質量％含有させることができる。金属不活性剤としては、ベンゾトリアゾール、メルカプトチアゾールなどを挙げることができ、０．０５〜１質量％含有させることができる。粘着剤としては、ポリブテン、ポリイソブチレン、レジンなどを挙げることができ、０．５〜２質量％含有させることができる。構造改良剤としては、脂肪酸、グリセロール、グリコールなどを挙げることができ、０．１〜１．０質量％含有させることができる。
以上、本発明に係る摺動部材の一実施形態について説明した。一実施形態に係る摺動部材１によれば、低摩擦性に優れる。そのため、これを自動車等の摺動部分に適用すれば、滑らかなトルク伝達や静粛性などを得ることができ、自動車等の商品性を高めることができる。また、性質の異なるＤＬＣ膜５を複数層形成する必要がなく、グリースに含有される潤滑添加剤も特殊なものに限定されないため、安価且つ簡便に低摩擦性に優れた摺動部材１を提供することができる。
さらに、プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ膜５を成膜できるため、安価且つ簡便に、低摩擦性に優れた摺動部材１を製造することができる。
さらに、プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ膜５を成膜できるため、安価且つ簡便に、低摩擦性に優れた摺動部材１を製造することができる。
次に、本発明に係る摺動部材の効果を確認した実施例について具体的に説明する。
まず、ＳＵＪ２材からなる直径φ２０ｍｍのディスク材Ｄ（図２参照）の表面を鏡面研磨した。そして、鏡面研磨した表面の上に、表１に示す条件でＤＬＣ膜を成膜し、実施例１〜４および比較例１、２、４〜６に係るディスク材Ｄを作製した。なお、比較例３に係るディスク材ＤにはＤＬＣ膜を成膜しなかった。表１中のＣ2Ｈ2はアセチレン、Ｃ7Ｈ8はトルエン、ＣＨ4はメタンを表す。固体炭素としては等方性黒鉛を用いた。
まず、ＳＵＪ２材からなる直径φ２０ｍｍのディスク材Ｄ（図２参照）の表面を鏡面研磨した。そして、鏡面研磨した表面の上に、表１に示す条件でＤＬＣ膜を成膜し、実施例１〜４および比較例１、２、４〜６に係るディスク材Ｄを作製した。なお、比較例３に係るディスク材ＤにはＤＬＣ膜を成膜しなかった。表１中のＣ2Ｈ2はアセチレン、Ｃ7Ｈ8はトルエン、ＣＨ4はメタンを表す。固体炭素としては等方性黒鉛を用いた。
表１に示す潤滑添加剤を含有したグリースを実施例１〜４および比較例１〜６に係るディスク材ＤのＤＬＣ膜上に塗布し、ＳＵＪ２材からなる直径φ６ｍｍのボール材Ｂを用いて、図２に示すボールオンディスク摩擦摩耗試験を行った。なお、グリースの基剤は、合成炭化水素（ポリ−αオレフィン）にＬｉ系セッケンの増ちょう剤が添加されたものを用いた。ここで、表１に示されるＰＴＦＥとは、ポリテトラフルオロエチレンを表し、Ｍｏ系とは、ジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン（Ｍｏ−ＤＴＣ）を表す。ＰＴＦＥは５質量％含有し、Ｍｏ系は５質量％含有していた。
図２に示すボールオンディスク摩擦摩耗試験は、ボール材Ｂへの荷重を５Ｎとし、ディスク材Ｄの摺動速度を１００ｍｍ／秒とし、温度条件を２５℃として１００００サイクル（５０ｍｉｎ）行った。実施例１〜４および比較例１〜６についてボールオンディスク摩擦摩耗試験を３回行い、摩擦係数の平均値を求めた。摩擦係数の平均値は、ディスク材Ｄ上にＤＬＣ膜を形成していない比較例３を基準とし、０．１１０以下を合格、０．１１０を超えるものを不合格とした。
また、実施例１〜４および比較例１〜６のＤＬＣ膜のヤング率は、ＩＳＯ １４５７７に準拠したナノインデンターを用いて測定した。
実施例１〜４および比較例１〜６のＤＬＣ膜の水素含有量は、ラザフォード後方散乱分光法（Rutherford Backscattering Spectrometry；ＲＢＳ）により測定した。ＲＢＳでは、試料にヘリウム（Ｈe）イオンを照射して、特に水素含有量については、反跳して前方に散乱した水素を検出した結果より算出した。
実施例１〜４および比較例１〜６のＤＬＣ膜の水素含有量は、ラザフォード後方散乱分光法（Rutherford Backscattering Spectrometry；ＲＢＳ）により測定した。ＲＢＳでは、試料にヘリウム（Ｈe）イオンを照射して、特に水素含有量については、反跳して前方に散乱した水素を検出した結果より算出した。
実施例１〜４および比較例１〜６のＤＬＣ膜の成膜条件（製法、原料ガス、ガス圧力［Ｐａ］、バイアス電圧、プラズマ出力［Ｗ］またはアーク電圧［Ｖ］）、水素含有量［ａｔ％］、ヤング率［ＧＰａ］、グリースに含有された潤滑添加剤の種類および摩擦係数（平均値）を前記表１に併せて示した。
表１に示すように、実施例１〜４は、いずれも本発明の要件を満たしているので、摩擦係数が小さかった。
これに対して、比較例１、２は、ヤング率が２００ＧＰａ未満であったため、摩擦係数が大きくなった。これは、ＤＬＣ膜の硬さが低かったため、ＤＬＣ膜の炭素成分の黒鉛質物質への構造変化が不十分であり、同時に、潤滑添加剤の摩擦化学反応が十分に進行しなかったことによると考えられる。
また、比較例３は、ディスク材の表面にＤＬＣ膜を形成しなかったため、摩擦係数が大きくなった。
そして、比較例４は、グリースが本発明で狙いとするような潤滑添加剤を含有していないため、摩擦係数が大きくなった。
なお、比較例５、６は、いずれも摩擦係数は合格していたものの、ＤＬＣ膜のヤング率が高過ぎるため、相手攻撃性が大きく、長期使用により相手材の摩耗が激しくなることが予想されるので好ましくないと判断された。
これに対して、比較例１、２は、ヤング率が２００ＧＰａ未満であったため、摩擦係数が大きくなった。これは、ＤＬＣ膜の硬さが低かったため、ＤＬＣ膜の炭素成分の黒鉛質物質への構造変化が不十分であり、同時に、潤滑添加剤の摩擦化学反応が十分に進行しなかったことによると考えられる。
また、比較例３は、ディスク材の表面にＤＬＣ膜を形成しなかったため、摩擦係数が大きくなった。
そして、比較例４は、グリースが本発明で狙いとするような潤滑添加剤を含有していないため、摩擦係数が大きくなった。
なお、比較例５、６は、いずれも摩擦係数は合格していたものの、ＤＬＣ膜のヤング率が高過ぎるため、相手攻撃性が大きく、長期使用により相手材の摩耗が激しくなることが予想されるので好ましくないと判断された。
表１の実施例１〜４および比較例１〜４について、ヤング率と摩擦係数の関係を示したのが、図３のグラフである。なお、ＤＬＣ膜を形成していない比較例３は、ＤＬＣ膜のヤング率でもってプロットすることができないので、その摩擦係数０．１１０を同図中に破線で示した。また、ＤＬＣ膜のヤング率が極端に大きい比較例５、６は図示していない。同図中、◆および◇のプロットは、潤滑添加剤としてＰＴＦＥを添加していることを表し、■のプロットは、潤滑添加剤としてＭｏ系を添加していることを表し、○のプロットは、潤滑添加剤を添加していないことを表している。
図３および表１に示すように、本発明の要件を満たす実施例１〜４は、ＤＬＣ膜のヤング率が大きくなるにつれて摩擦係数が小さくなり、同図中で示すように右肩下がりの分布となっている。これに対し、ヤング率が２００ＧＰａ未満の比較例１、２は、潤滑添加剤が添加されたグリースを用いていても、摩擦係数が十分小さくならなかった。
そして、表１の実施例１〜４および比較例１〜６について、ＤＬＣ膜の水素含有量と摩擦係数の関係を示したのが、図４のグラフである。なお、ＤＬＣ膜を形成していない比較例３は、ＤＬＣ膜のヤング率でもってプロットすることができないので、その摩擦係数０．１１０を同図中に破線で示した。同図中、◆および◇のプロットは、潤滑添加剤としてＰＴＦＥを添加していることを表し、■および□のプロットは、潤滑添加剤としてＭｏ系を添加していることを表し、○のプロットは、潤滑添加剤を添加していないことを表している。
図４および表１に示すように、本発明の要件を満たす実施例１〜４は、ＤＬＣ膜の水素含有量が小さいほど摩擦係数も小さくなる。しかしながら、ＤＬＣ膜の水素含有量が１５ａｔ％未満になると、同図中の比較例５、６のように期待されるほど摩擦係数が小さくならなかった。これは、ＤＬＣ膜が過度に硬いため相手攻撃性が大きく、相手材の摩耗量が増大したためと考えられる。
次に、ＤＬＣ膜を形成したピニオンギア部品（実施例５）とラック部品を組み合わせ、ラックアンドピニオン摺動機構におけるピニオンシャフトのフリクショントルクを測定した。なお、ピニオンギア部品へのＤＬＣ膜の形成は、実施例１と同じ条件で行い、グリースには、潤滑添加剤として少なくとも有機モリブデンおよび二硫化モリブデンの混合物と、ＰＴＦＥとが添加されている協同油脂社製マルテンプＡＣ−Ｐを使用した。ＤＬＣ膜を形成していないピニオンギア部品（比較例７）を用いた場合のフリクショントルクも同様に測定した。実施例５と比較例７のフリクショントルク［Ｎ・ｍ］を図５に示す。なお、同図中、横軸はピニオンギア部品の回転角度［°］を表し、縦軸はフリクショントルク［Ｎ・ｍ］を表している。
比較例７のフリクショントルクは約１．６Ｎ・ｍであった。また、比較例７のフリクショントルクは周期的に変動し、終始安定していなかった。
これに対し、実施例５のフリクショントルクは、比較例７の約２０％減となる約１．２〜１．３Ｎ・ｍであった。また、フリクショントルクの変動が殆どなく、終始安定していた。
これに対し、実施例５のフリクショントルクは、比較例７の約２０％減となる約１．２〜１．３Ｎ・ｍであった。また、フリクショントルクの変動が殆どなく、終始安定していた。
以上に説明したように、本発明の要件を満たす実施例は、低摩擦性に優れることがわかった。そのため、これを自動車等の摺動部分に適用すれば、滑らかなトルク伝達や静粛性などを得ることができ、自動車等の商品性を高めることが示唆された。また、性質の異なるＤＬＣ膜を複数層形成する必要がなく、グリースに含有される潤滑添加剤も特殊なものに限定されないため、安価且つ簡便に低摩擦性に優れた摺動部材を提供できることが示唆された。
さらに、プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ膜を成膜でき、安価且つ簡便に、低摩擦性に優れた摺動部材を製造できることが示唆された。
さらに、プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ膜を成膜でき、安価且つ簡便に、低摩擦性に優れた摺動部材を製造できることが示唆された。
１ 摺動部材
２ 部材
２ａ 摺動面
３ 部材
４ グリース
５ ＤＬＣ膜（非晶質硬質炭素膜）
２ 部材
２ａ 摺動面
３ 部材
４ グリース
５ ＤＬＣ膜（非晶質硬質炭素膜）
Claims (2)
- 相対する二つの部材の間にジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン、ジチオリン酸モリブデン、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレンのうちの少なくとも一つを潤滑添加剤として含有し、銅系の添加剤を含有しないグリースを介在させて互いに摺動する摺動部材であって、
前記二つの部材のうちの少なくとも一つの部材の摺動面に、水素を１７〜２９原子％含み、ヤング率が２０１ＧＰａ以上２５３ＧＰａ以下、膜厚が０．５〜２０μｍである非晶質硬質炭素膜を形成したことを特徴とする摺動部材。 - 相対する二つの部材の間にジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン、ジチオリン酸モリブデン、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレンのうちの少なくとも一つを潤滑添加剤として含有し、銅系の添加剤を含有しないグリースを介在させて互いに摺動する摺動部材であって、
前記二つの部材のうちの少なくとも一つの部材の摺動面に、水素を含み、ヤング率が２０１ＧＰａ以上２５３ＧＰａ以下、前記グリースを介在させた摩擦係数が０．０５７以上０．１０６以下、膜厚が０．５〜２０μｍである非晶質硬質炭素膜を形成したことを特徴とする摺動部材。
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