JPH11152560A

JPH11152560A - 摺動部を有する機械部品

Info

Publication number: JPH11152560A
Application number: JP33366097A
Authority: JP
Inventors: Takeo Hisada; 建男久田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1999-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】機械部品の摩擦係数を小さくすることで、該
部品が用いられる機械の性能や燃費等を向上させ、また
併せて高耐摩耗性、高剛性を有する摺動部を有する機械
部品を提供する。【解決手段】ピストンピンを構成するベース鋼の表層
硬さは、ＨＶ３００以上に設定される。このベース鋼の
表面に、ＤＬＣコーティングが施される。これにより、
ピストンピンの摩擦抵抗は小さくなり、性能や燃費が向
上する。また、ベース鋼として硬質粒子を含有する粒子
分散ハイスを用いた場合は、ＤＬＣコーティング膜によ
り硬質粒子のマテリアルからの突出を防ぎ、高耐摩耗性
および高剛性と、摩擦係数の低減とを両立し得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＤＬＣコーティ
ングを施すことで摩擦係数を小さくした摺動部を有する
機械部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各種機械部品、例えば図５に示す如く、
自動車のエンジンを構成するピストン１０とコンロッド
１２とを連結するピストンピン１４は、ピストン１０お
よびコンロッド１２に対して摺接状態で相互に回転自在
に構成されている。このような各部品間に摺動部を有す
るエンジンの性能と燃費を両立するには、ピストン１０
およびコンロッド１２に対するピストンピン１４のメカ
ロス(エネルギーのロス)を低減することが効果的であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記メカロスを低減す
るには、ピストンピン１４の摩擦係数を小さくすること
が有効であることは周知であるが、従来は油潤滑以上に
摩擦係数を小さくする手段が見つかっていない。但し、
一部でピストンピン１４にＣｒＮ(クロムナイトライド)
等による表面処理を施して摩擦係数を小さくする試みが
なされているが、この手段では費用に見合う効果が得ら
れていないのが現状である。

【０００４】また、ピストンピン１４に要求される耐摩
耗性やヤング率を上げるため、該ピン１４を構成する鋼
における炭化物、窒化物、珪化物等の硬質粒子の含有率
を増加すると、マトリックスから突出した硬質粒子がピ
ストン１０やコンロッド１２を傷付け、その結果として
摩擦係数が大きくなって燃費を低下させる問題を招いて
いた。そして、この問題は、前記油潤滑では解決し得な
いものであり、耐摩耗性および剛性の向上と摩擦係数の
低減とを両立することは困難であった。

【０００５】

【発明の目的】この発明は、前述した従来の技術に内在
している欠点に鑑みこれを好適に解決するべく提案され
たものであって、機械部品の摩擦係数を小さくすること
で、該部品が用いられる機械の性能や燃費等を向上する
ことができ、また併せて高耐摩耗性、高剛性を有する摺
動部を有する機械部品を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を克服し、所期
の目的を好適に達成するため、本発明に係る摺動部を有
する機械部品は、表層硬さがＨＶ３００以上の鋼の表面
に、ＤＬＣコーティングを施したことを特徴とする。な
おＤＬＣは、Ｘ線回析ではっきりとした結晶構造を示さ
ないアモルファス状の炭素膜、あるいは膜中に存在する
炭素の未結合手に水素を結合させた水素化炭素膜であ
る。

【０００７】前記課題を克服し、所期の目的を好適に達
成するため本願の別の発明に係る摺動部を有する機械部
品は、硬質粒子を含有し、その表層硬さがＨＶ３００以
上の鋼の表面に、ＤＬＣコーティングを施したことを特
徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る摺動部を有す
る機械部品につき、好適な実施例を挙げて以下詳細に説
明する。本願の発明者は、機械部品の摩擦係数を低減し
て機械の性能や燃費等を向上することができ、また併せ
て高耐摩耗性、高剛性を達成し得る手段として、各種試
験を行なった結果、機械部品の表面にＤＬＣ(ダイヤモ
ンドライクカーボン)コーティングを施すことが極めて
有効であることを知見した。

【０００９】先ず、機械部品の各種ベース鋼を種々変更
させたディスクの表面にＤＬＣコーティングを施した実
施例〜と、これに対応してＤＬＣコーティングを施
すかまたは施していない比較例〜との夫々につい
て、水平回転するディスクにピンを所定の加圧力で圧接
するピンオンディスク試験を乾式で行ない、その結果を
図１に示す。このときの各種試験条件は、摩擦速度３ｍ
／ｓｅｃ、摩擦距離１０，０００ｍ、負荷２０ｋｇとし
た。またピンは、ＳＵＳ４４０をＨＲＣ４０に焼入れ焼
戻ししたものを使用した。なお、図１においてＨＴは焼
入れ・焼戻しを表わし、ＣＱＴは浸炭焼入れ・焼戻しを
表わし、Ｎは焼ならしを表わす。

【００１０】各実施例および比較例の熱処理条件は、以
下の通りである。実施例,比較例；Ｈ:８５０℃(油冷)、Ｔ:５００℃
(水冷) 実施例；Ｈ:９３０℃(カーボンポテンショル０.８％
ガス中)、Ｔ:１６０℃(空冷) 比較例；９００℃(空冷) 実施例,比較例；Ｈ:１２００℃(油冷)、Ｔ:５５０
℃(空冷) 実施例,比較例；Ｈ:１１５０℃(油冷)、Ｔ:５６０
℃(空冷)

【００１１】また実施例,比較例の化学成分は、以
下の通りである。ＳＫＨ５１相当のガス噴霧粉末にＷＣ
粉末を２０ｖｏｌ％、ＴｉＮ粉末１０ｖｏｌ％を混合し
た。これを軟鋼性の容器に入れ、内部を脱気して溶接で
封入しＨＩＰで固化した。なお、上記においてＨは焼入
れ、Ｔは焼戻しを表わす。

【００１２】更に、実施例〜および比較例におけ
るＤＬＣコーティング条件は、以下の通りである。炭素
源としてキシレンガスを使用し、このガスをプラズマ放
電によりイオン化し、炭素イオンを機械部品に印加した
負のバイアス電圧により加速衝突させることでコーティ
ング膜を施すイオンプレーティング装置を用いた。そし
て、実施例,および比較例は、ＤＬＣは１層で硬
さがＨＶ２３００、実施例,は、ＤＬＣは２層で、
鋼と接触する第１層の硬さがＨＶ２５００で、その外側
の第２層がＨＶ１５００に設定した。

【００１３】ベース鋼として、構造用鋼であるＳＣＭ４
３５を用い、ＤＬＣコーティングを施していない比較例
とＤＬＣコーティングを施した実施例との比較で
は、図１より判明する如く、実施例の摩擦係数がＤＬ
Ｃコーティングを施していない比較例に比して極めて
小さいことが確認された。しかも比較例では一部に焼
付きを生じたが、実施例では焼付きは全く生じないこ
とが判明した。

【００１４】また、ベース鋼として構造用鋼であるＳＣ
Ｒ４２０を用い、その表層硬さが低くＤＬＣコーティン
グを施していない比較例と表層硬さが高いＤＬＣコー
ティングを施した実施例との比較では、実施例のよ
うにベース鋼の表層硬さがＨＶ(ビッカース硬さ)７５１
のものについては、実施例と同様に摩擦係数は極めて
小さく、かつ焼付きも生じないことが確認された。但
し、ＤＬＣコーティングを施した場合であっても、比較
例のようにベース鋼の表層硬さがＨＶ１１８のものに
ついては、ベース鋼に施されたＤＬＣコーティング膜が
試験中に剥離してしまった。なお、実施例のようにベ
ース鋼の表層硬さがＨＶ４２５のものではＤＬＣコーテ
ィング膜の剥離は生じていない。すなわち、ＤＬＣコー
ティングを施す場合は、ベース鋼の表層硬さが所要値以
上でないと有効に作用しないため、工業的に実用に供し
得るには、ベース鋼の表層硬さがＨＶ３００以上である
ことが条件となることを確認した。

【００１５】次に、ベース鋼として、硬さがＨＶ１００
０以上の硬質粒子(炭化物、窒化物、珪化物等)を、５ｖ
ｏｌ％以上含有した耐摩耗材であるＳＫＨ５７を用い、
ＤＬＣコーティングを施していない比較例とＤＬＣコ
ーティングを施した実施例との比較では、比較例に
おいては一部に焼付きを生ずると共にピンが大きく摩耗
してしまった。これは、硬質粒子がマトリックスから突
出し、相手材であるピンを損傷させることに起因してい
ると考えられる。これに対し、ＤＬＣコーティングを施
した実施例の摩擦係数は、比較例に比して極めて小
さく、かつ焼付きは全く生じないことが確認された。す
なわち、硬質粒子を含有する高耐摩耗性のベース鋼で
は、ＤＬＣコーティングを施すことによって硬質粒子の
マトリックスからの突出を抑え、これによって摩擦係数
を低減することができることが判明した。

【００１６】またベース鋼として、硬さがＨＶ１０００
以上の硬質粒子を２０ｖｏｌ％以上含有し、かつヤング
率を２８０ＧＰａ以上に設定した耐摩耗および高ヤング
率材である粒子分散ハイスを用い、ＤＬＣコーティング
を施していない比較例とＤＬＣコーティングを施した
実施例との比較では、比較例においては、前記比較
例と同様に一部に焼付きを生ずると共にピンが大きく
摩耗してしまった。これに対し、ＤＬＣコーティングを
施した実施例の摩擦係数は、比較例に比して極めて
小さく、かつ焼付きは全く生じないことが判明した。す
なわち、硬質粒子を含有する高耐摩耗性でかつ高剛性の
ベース鋼であっても、ＤＬＣコーティングを施すことに
よって硬質粒子のマトリックスからの突出を抑え、これ
によって摩擦係数を低減することができることが判明し
た。

【００１７】

【実施例１】次に、ベース鋼としてＳＣＲ４２０を用
い、ＤＬＣコーティングを施した機械部品としてのピス
トンピン(実施例)とＤＬＣコーティングを施していな
いピストンピン(比較例)、およびベース鋼として粒子
分散ハイスを用い、ＤＬＣコーティングを施したピスト
ンピン(実施例)とＤＬＣコーティングを施していない
ピストンピン(比較例)との夫々を製造し、各ピンを使
用した自動車において、そのガソリンの消費量とピスト
ンにおけるピストンピンを支持するピンボス部の損傷状
況を調べた結果を、図２に示す。なお、ガソリンの消費
量は、２０００ｃｃクラスの自家用車を用いたＪＩＳ規
格の１０モード燃費試験での結果に拠り、ピンボス部の
損傷状況は、１０モード燃費試験後、エンジンオイルを
規定の２０％に減少し、全負荷で１時間エンジンを回し
た状態で判定した。また実施例,の何れの場合も、
ＤＬＣコーティング膜の厚みは、４.０〜５.０μに設定
した。

【００１８】ベース鋼としてＳＣＲ４２０を用いた比較
例に対しＤＬＣコーティングを施した実施例のピス
トンピンでは、燃料消費率が改善された。また、ベース
鋼として粒子分散ハイスを用いた比較例のピストンピ
ンでは、ピンボス部に損傷が発生し、燃料消費率が低下
した。これは、ピストンピンの硬質粒子が悪い潤滑条件
下でピンボス部を損傷したものと考えられる。これに対
し、ＤＬＣコーティングを施した実施例のピストンピ
ンでは、硬質粒子を含有してもピンボス部の損傷は発生
せず、燃料消費率は改善された。すなわち、高ヤング率
のベース鋼にＤＬＣコーティングを施すことにより、高
耐摩耗性および高剛性と、摩擦係数の低減とを両立し得
ることが可能になり、ピンの高剛性化に伴う軽量化、更
には慣性力の低下によるコンロッドやクランクの軽量化
等、動力系の大幅な改善の可能性を示した。

【００１９】

【実施例２】次に、ベース鋼としてＳＵＳ４４０Ｂを用
い、ＤＬＣコーティングを施した機械部品としてのピス
トンリング(実施例)とＤＬＣコーティングを施してい
ないピストンリング(比較例)とを製造し、各リングを
使用した自動車において、前述した実施例１と同一の条
件でガソリンの消費量を調べた結果を、図３に示す。こ
の図３から明らかな如く、比較例に対しＤＬＣコーテ
ィングを施した実施例のピストンリングでは、燃料消
費率が改善された。

【００２０】

【実施例３】次に、ベース鋼としてネズミ鋳鉄を用い、
ＤＬＣコーティングを施した機械部品としてのシリンダ
ーライナー(実施例)とＤＬＣコーティングを施してい
ないシリンダーライナー(比較例)とを製造し、各ライ
ナーを使用した自動車において、前述した実施例１と同
一の条件でガソリンの消費量を調べた結果を、図４に示
す。この図４から明らかな如く、比較例に対しＤＬＣ
コーティングを施した実施例のシリンダーライナーで
は、燃料消費率が改善された。

【００２１】前述した実施例では機械部品として自動車
のエンジン部品の一つであるピストンピン、ピストンリ
ング、シリンダーライナー等を例に挙げて説明したが、
本願はこれに限定されるものでなく、その他各種分野の
機械装置における摺動部を有する部品一般に採用可能で
ある。

【００２２】なおＤＬＣコーティング膜は、前述したイ
オンプレーティング法の他に、スパッタリング法等、各
種の製膜法を用いて施すことができる。また膜は、層状
に複数施すことができ、その場合に内側の第１層を硬く
し、外側の第２層を相手とのなじみのために軟らかくす
ることが可能である。更には、残留応力制御を目的とし
て、別のコーティングと組合わせることもできる。更に
また、ＤＬＣコーティング膜の膜厚は、その効果と工業
的な経済性から１〜１０μｍが適当である。

【００２３】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明に係る摺動部
を有する機械部品によれば、ＤＬＣコーティングを施す
ことにより極めて摩擦係数が低減され、当該機械部品の
使用時における摺動部のメカロスを低減することができ
る。すなわち、例えば自動車のエンジン部品としてのピ
ストンピンに本発明を採用した場合は、性能および燃費
が向上すると共に、焼付きが防止される。また、高耐摩
耗性および高剛性とするために硬質粒子を含有させた鋼
をベースとした場合は、ＤＬＣコーティング膜により硬
質粒子のマトリックスからの突出を防ぎ、相手材を傷付
けて摩擦係数を大きくすることを防止し得る。すなわ
ち、本発明の機械部品は、摩擦係数の低減と耐摩耗性お
よび剛性の向上とを両立することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係るＤＬＣコーティングを施した部品
と施していない部品のピンオンディスク試験の結果を示
す表図である。

【図２】第１実施例に係るＤＬＣコーティングを施した
ピストンピンと施していないピストンピンを用いた実験
例の結果を示す表図である。

【図３】第２実施例に係るＤＬＣコーティングを施した
ピストンリングと施していないピストンリングを用いた
実験例の結果を示す表図である。

【図４】第３実施例に係るＤＬＣコーティングを施した
シリンダーライナーと施していないシリンダーライナー
を用いた実験例の結果を示す表図である。

【図５】機械部品としてのピストンピンを示す概略図で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表層硬さがＨＶ３００以上の鋼の表面
に、ＤＬＣコーティングを施したことを特徴とする摺動
部を有する機械部品。
【請求項２】硬質粒子を含有し、その表層硬さがＨＶ
３００以上の鋼の表面に、ＤＬＣコーティングを施した
ことを特徴とする摺動部を有する機械部品。