JP6295285B2 - 摺動システム - Google Patents
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Description
(1)本発明の摺動システムは、相対移動し得る対向した摺動面を有する一対の摺動部材と、該対向する摺動面間に介在する潤滑油と、を備えた摺動システムであって、前記摺動面の少なくとも一方は、結晶質の炭化クロム膜で被覆された被覆面からなり、前記潤滑油は、Moの三核体からなる化学構造を有する油溶性モリブデン化合物を含み、前記炭化クロム膜は、膜全体を100原子%として、Cr:50〜75原子%を含むことを特徴とする。
(1)本発明に係るMo三核体は、末端に結合している官能基や分子量等は問わないが、Mo3S7またはMo3S8の少なくとも一方(特にMo3S7)の分子構造骨格を有するものであると好ましい。参考までに、Mo3S7からなる硫化モリブデン化合物の一例を図5に示した。図中のRはヒドロカルビル基である。
本発明に係る潤滑油は、Mo三核体を含むものであれば、基油の種類や他の添加剤の有無等を問わない。通常、エンジンオイル等の潤滑油には、S、P、Zn、Ca、Mg、Ca、BaまたはCu等を含む種々の添加剤が含まれる。このような潤滑油中でも、本発明に係るMo三核体は、炭化クロム膜で被覆された摺動面(被覆面)上に優先的に作用し、摩擦係数を低減させ得る硫化モリブデン化合物(MoS2、Mo3S7、Mo3S8 、Mo2S6等)の生成させる。
本発明に係る炭化クロム膜は、その成膜方法を問わないが、例えば、スパッタリング(SP)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、アークイオンプレティーング(AIP)法等の物理蒸着(PVD)法により、所望の炭化クロム膜が効率的に形成され得る。
本発明に係る摺動部材は、潤滑油を介在させつつ相対移動する摺動面を有するものであれば、その種類、形態、摺動様式等を問わない。このような摺動部材を備える摺動システムも、その具体的な形態、様式、用途等を問わず、信頼性の確保を前提に、摺動抵抗の低減や摺動による機械損失の低減が要求される多種多様な機械や装置等に幅広く適用され得る。例えば、自動車等のエンジンユニットや駆動系ユニット(変速機等)に本発明の摺動システムが利用されると好適である。このような摺動システムを構成する摺動部材として、例えば、動弁系を構成するカム、バルブリフタ(例えば、摺動面がカムとの接触面)、フォロワ、シム、バルブ、バルブガイド等、その他、ピストン(例えば、摺動面がピストンスカート)、ピストンリング、ピストンピン、クランクシャフト、歯車、ロータ、ロータハウジング、バルブ、バルブガイド、ポンプ等がある。
摺動面の種類が異なる複数の供試材(摺動部材)と、Mo三核体(油溶性モリブデン化合物)を含有した潤滑油(「配合オイル」という。)とを組合わせて、摺動試験(ブロックオンリング摩擦試験)を行った。この試験結果等に基づいて、本発明をより具体的に説明する。
(1)基材
焼入れ処理した鋼材(JIS SCM420)からなるブロック状(6.3mm×15.7mm×10.1mm)の基材を複数用意した。各基材の表面(被覆処理面)は鏡面仕上げ(表面粗さ:Ra0.08μm)した。
CrC膜は、アンバランスマグネトロンスパッタリング装置を用いて成膜した。具体的にいうと、チャンバー内を予備排気した後、純CrターゲットをArガスでスパッタリングし、基材表面にCr中間層を形成した。これに続いて、C2H2ガスをさらに導入して、CrC膜を合成した。
(1)膜組成
摺動試験前に各試料の膜組成をEPMA(日本電子株式会社製JXA−8200)により定量した。この結果を表1に併せて示した。なお、鋼材(SCM420)の基材組成(単位:質量%)は、Cr:0.9〜1.2%、C:0.17〜0.23%、Si:0.15〜0.35%、Mn:0.60〜0.90%、残部:Feおよび不可避不純物である。
ラマン分光装置(日本分光株式会社製NRS−3200)を用いてCrC膜を分析した。この分析は、摺動試験前のみならず、摺動試験後も行った。また、比較のため、市販のDLC膜(株式会社神戸製鋼所製)と、標準品であるMoS2も分析した。それらのラマンスペクトルを図3に併せて示した。
摩擦試験に用いる潤滑油として、粘度グレード0W−20でILSAC GF−5規格に相当するエンジンオイル(トヨタ自動車株式会社製モーターオイルSN 0W−20)を用意した。このエンジンオイルは、モリブデンジチオカーバメート(MoDTC)を含んでいない。
(1)摩擦係数
各供試材と配合オイルとを組合わせてブロックオンリング摩擦試験(単に「摩擦試験」という。)を行い、各摺動面の摩擦係数(μ)を測定した。こうして得られた各摩擦係数を対比して、図1に棒グラフで示した。
摩擦試験後の各摺動面の表面形状(粗さ)を、白色干渉法非接触表面形状測定機(Zygo社製NewView5000)を用いて測定した。これにより求めた各摩耗深さを対比した棒グラフを図2に示した。ちなみに、CMS社製Calotestを用いて摩耗痕から特定した試験前の各膜厚は1〜2μm(CrC膜:1〜1.5μm)であった。
摩擦試験後の各摺動面を、X線光電子分光(XPS)により分析した。各摺動面で検出された元素の割合(原子%)を表1に併せて示した。
(1)摩擦係数
図1から明らかなように、Mo三核体を含む潤滑油を用いた場合、浸炭材に係る摩擦係数よりも、Cr系被膜に係る摩擦係数の方が低い。特に、CrC膜に係る摩擦係数は、浸炭材に係る摩擦係数に対して、60%以上も顕著に低くなった。
図2から明らかなように、Mo三核体を含む潤滑油を用いた場合、浸炭材に係る摩耗深さよりも、Cr系被膜に係る摩耗深さの方が小さい。特に、CrC膜に係る摩耗深さは、浸炭材に係る摩耗深さに対して、1/5以下にまで低減した。これらのことから、Mo三核体を含む潤滑油とCrC膜との組合わせによって、低摩擦化と高耐摩耗化を高次元で両立できることが明らかとなった。
CrC膜とMo三核体を含有した潤滑油との組合わせにより、低摩擦化と高耐摩耗化を高次元で両立できるようになった理由は次のように推察される。
Claims (5)
- 相対移動し得る対向した摺動面を有する一対の摺動部材と、
該対向する摺動面間に介在する潤滑油と、
を備えた摺動システムであって、
前記摺動面の少なくとも一方は、結晶質の炭化クロム膜で被覆された被覆面からなり、
前記潤滑油は、Moの三核体からなる化学構造を有する油溶性モリブデン化合物を含み、
前記炭化クロム膜は、膜全体を100原子%として、Cr:50〜75原子%を含むことを特徴とする摺動システム。 - 前記炭化クロム膜は、Cr7C3とCr3C2の少なくとも一方を含む請求項1に記載の摺動システム。
- 前記三核体は、Mo3S7またはMo3S8の少なくとも一方の分子構造骨格を有する請求項1に記載の摺動システム。
- 前記潤滑油は、前記油溶性モリブデン化合物を、該潤滑油全体に対するMoの質量割合で25〜900ppm含む請求項1または3に記載の摺動システム。
- 前記被覆面には、摺動中にMoS2が生成される請求項1〜4のいずれかに記載の摺動システム。
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