(57)【要約】【課題】相手攻撃性が低くかつ耐焼き付き性に優れる摺動部材を提供する。【解決手段】本発明の摺動部材は、基材と、上記基材表面に形成された硬質炭素膜と、を備える。  そして、上記硬質炭素膜が、炭素の元素濃度が９８原子％を超え、かつラマン分光スペクトルのＤバンドのピーク強度（ＩＤ）とＧバンドのピーク強度（ＩＧ）との強度比（ＩＤ／ＩＧ）が０．７以下であり、表面粗さ（Ｒａ）が、０．０５μｍ以下であり、相手攻撃性が低くかつ耐焼き付き性に優れる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、上記基材表面に形成された硬質炭素膜と、を備える摺動部材であって、
上記硬質炭素膜が、炭素の元素濃度が９８原子％を超え、かつラマン分光スペクトルのＤバンドのピーク強度（ＩＤ）とＧバンドのピーク強度（ＩＧ）との強度比（ＩＤ／ＩＧ）が０．７以下であり、
表面粗さ（Ｒａ）が、０．０５μｍ以下であることを特徴とすることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
上記硬質炭素膜の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が、０．３以上であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
表面粗さ（Ｒａ）が、０．０２μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
【請求項４】
内燃機関用ピストンピンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の摺動部材。
【請求項５】
摺動部材と、該摺動部材と摺動する相手部材と、を備えた摺動装置であって、
上記相手部材が、アルミニウム合金及び／又は銅合金をから成る摺動面を有し、
上記摺動部材が上記請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の摺動部材であることを特徴とする摺動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材に係り、更に詳細には、水素フリーの硬質炭素膜を備える摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用の摺動部材の表面に低摩擦の固体潤滑膜を形成することで、省燃費化や部材の長寿命化が図られており、上記固体潤滑膜として明確な結晶構造を持たない非晶質の硬質炭素膜が開発されている。
【０００３】
上記硬質炭素膜（ダイヤモンドライクカーボン：ＤＬＣ）は、その炭素原子同士の結合に、ｓｐ２結合とｓｐ３結合の両方の結合を含む。
【０００４】
そして、上記ｓｐ２結合は潤滑性を発現し、上記ｓｐ３結合は高硬度を発現するため、硬質炭素膜は、ｓｐ２結合とｓｐ３結合との割合によって特性が異なり、また、水素など他の元素の含有率などによっても、硬度や密度、耐熱性などの特性が大きく変化する。
【０００５】
上記硬質炭素膜のｓｐ２結合とｓｐ３結合との割合や水素などの含有率は、成膜方法や成膜条件により調節することができ、目的に応じて、スパッタリング、アークイオンプレーティングなどのＰＶＤ方式やプラズマＣＶＤなどの成膜法が採用されている。
【０００６】
特許文献１には、水素と炭素以外の他元素を添加することで高硬度化した硬質炭素膜が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０２１６７１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、内燃機関用の摺動部材のうち、ピストンピンは、燃焼圧によって押し下げられたピストンからの応力をコンロッドに伝えるため、摺動面の面圧が非常に高く、相手攻撃性が高いであると相手部材を摩耗させてしまう。そして、摩耗粉が発生すると摺動面の摩擦力が上がり、発熱や潤滑不良などによって油膜が切れ、ついには焼き付きが生じてしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、相手攻撃性が低くかつ耐焼き付き性に優れる摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、水素フリーの硬質炭素膜を所望の硬さにすると共に、所望の表面粗さにすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、本発明の摺動部材は、基材と、上記基材表面に形成された硬質炭素膜と、を備える。
そして、上記硬質炭素膜が、炭素の元素濃度が９８原子％を超え、かつラマン分光スペクトルのＤバンドのピーク強度（ＩＤ）とＧバンドのピーク強度（ＩＧ）との強度比（ＩＤ／ＩＧ）が０．７以下であり、表面粗さ（Ｒａ）が、０．０５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の摺動装置は、摺動部材と、該摺動部材と摺動する相手部材と、を備える。
そして、上記相手部材が、アルミニウム合金及び／又は銅合金をから成る摺動面を有し、上記摺動部材が上記摺動部材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ラマン分光スペクトルのＤバンドのピーク強度（ＩＤ）とＧバンドのピーク強度（ＩＧ）との強度比（ＩＤ／ＩＧ）が０．７以下である水素フリーの硬質炭素膜を形成し、表面粗さ（Ｒａ）を０．０５μｍ以下にしたため、相手攻撃性が低くかつ耐焼き付き性に優れる摺動部材を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の摺動部材について詳細に説明する。
上記摺動部材は、基材と、上記基材表面に形成された硬質炭素膜と、を備え、上記硬質炭素膜が、炭素の元素濃度が９８原子％を超え、かつラマン分光スペクトルのＤバンドのピーク強度（ＩＤ）とＧバンドのピーク強度（ＩＧ）との強度比（ＩＤ／ＩＧ）が０．７以下であり、表面粗さ（Ｒａ）が、０．０５μｍ以下である。
【００１５】
一般に、硬質炭素膜の特性は、ラマン分光スペクトルにおける、１３５０ｃｍ−１近傍のＤバンドのピークと、１５５０ｃｍ−１近傍のＧバンドのピークと関連付けて評価されている。
【００１６】
上記Ｄバンドのピークは構造の乱れと欠陥に起因し、上記Ｇバンドのピークは炭素原子の六角格子内振動（グラファイト構造）に起因しており、Ｄバンドのピークと、Ｇバンドのピークとの強度比（ＩＤ／ＩＧ）が小さいほど、硬質炭素膜の硬度が高くなると考えられている。
【００１７】
本発明の硬質炭素膜は、ラマン分光スペクトルの強度比（ＩＤ／ＩＧ）が０．７以下であり、構造の乱れや欠陥が少なく硬度が高い。
【００１８】
さらに、上記硬質炭素膜は、炭素の元素濃度が９８原子％を超える水素フリーの硬質炭素膜であり、炭素原子と大きさが異なる水素原子や他の原子を含有しないため、膜内部に疎密な部分がなく、均一かつ高密度であるため負荷荷重に対する変形抵抗が大きく、耐久性が優れる。
【００１９】
加えて、本発明の摺動部材は、表面粗さ（Ｒａ）が０．０５μｍ以下であり、摺動面が平滑であるため、上記硬質炭素膜の変形し難さと相俟って、高い面圧下においても、粗さ凹凸の山つぶれなど局所的な変形がなく片当たりが防止されて相手攻撃性が小さい。したがって、相手部材から摩耗粉が発生し難いため耐焼付き性が優れる。
【００２０】
上記摺動部材は、表面粗さ（Ｒａ）が、０．０２μｍ以下であることがより好ましい。
表面粗さ（Ｒａ）が０．０２μｍ以下であることで、さらに相手攻撃性が小さくなり耐焼付き性が向上する。
【００２１】
上記硬質炭素膜は、強度比（ＩＤ／ＩＧ）が０．３以上であることが好ましい。
強度比（ＩＤ／ＩＧ）が０．３未満では、硬質炭素膜が硬くなり過ぎ、グラファイトライクな特性が小さくなって硬質炭素膜自体の潤滑性や相手なじみ性が低下し、摺動部材の表面粗さによっては相手攻撃性が高くなることがあり、相手部材を摩耗させ易くなる。
【００２２】
本発明では、硬質炭素膜の強度比（ＩＤ／ＩＧ）を、以下の条件で測定した。
装置：Ｒａｍａｎｏｒ  Ｔ６４０００  （Ｊｏｂｉｎ  Ｙｖｏｎ／愛宕物産）
測定モード：顕微ラマン
対物レンズ：×１００
ビーム径：１μｍ
光源：Ａｒ＋レーザー／５１４．５  ｎｍ
レーザーパワー：１０ｍＷ
回折格子：Ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ  ６００  ｇｒ／ｍｍ
分散：Ｓｉｎｇｌｅ  ２１Ａ／ｍｍ
スリット：１００  μｍ
検出器：ＣＣＤ／Ｊｏｂｉｎ  Ｙｖｏｎ  １０２４×２５６
【００２３】
本発明の摺動部材は、内燃機関用の摺動部材、例えば、ピストン、ピストンピン、ピストンリング、ピストンスカート、シリンダライナ、コンロッド、クランクシャフト、ベアリング、軸受け、メタル、ギヤー、チェーン、ベルト、オイルポンプ等、摩擦条件が厳しく、低摩擦性が要求される様々な摺動部材に使用できるが、特に、ピストンピンは燃焼圧をコンロッドに伝達するため、摺動面の面圧が高く、高い耐焼付き性が要求されるため好適に使用できる。
【００２４】
本発明の摺動部材をピストンピンに用いることで、ピストンの軸径やピン幅が狭く、摺動面の面積が小さく摺動面の面圧が高い場合であっても焼付きを防止できる。
加えて、ピストンやコンロッドの相手部材の摩耗をも防止できるため、ピストンピン孔が拡がることによる、打音の発生を防止できる。
【００２５】
したがって、ピストンピンを短小化することができ、ピストン形状の設計の自由度が高くなり、例えば、ピストンスカートをピストンヘッドよりも小径化するなどによる軽量化が可能であり、燃費性能を向上させることができる。
【００２６】
本発明の摺動部材は、摺動面がアルミニウム合金及び／又は銅合金をから成る相手部材と組み合わせることが好ましい。同種材同士を摺動させるとその親和性が高さから凝着が生じ易く、摩耗が生じて耐焼付き性が低下する。
【００２７】
本発明の摺動部材がピストンピンである場合は、例えば、摺動面がアルミニウム合金であるピストンと、摺動面が銅合金であるコンロッドと組み合わせた摺動装置とすることで、軽量化が可能になる。
【００２８】
上記基材としては、鉄（Ｆｅ）を５０％質量以上含有する鉄系材料を使用することができ、浸炭鋼を好ましく使用できる。
浸炭鋼は、表面が硬く局所的な負荷荷重に対して変形し難い一方で、内部は靭性を有し折れにくいためピストンピンに好適に使用できる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００３０】
［実施例１］
浸炭鋼（ ＳＣｒ４２０）を研磨して表面粗さ（Ｒａ）を０．０２μｍにした後、洗浄した基材にアークイオンプレーディング法により、ＩＤ／ＩＧが０．５５の硬質炭素膜（日本アイ・ティ・エフ：ＨＡコーティング）を形成し、テープラップ処理によりドロップレットを除去し、表面粗さ（Ｒａ）が０．００６μｍの摺動部材を得た。
【００３１】
［実施例２］
テープラップ処理により、表面粗さ（Ｒａ）を０．０２８μｍにする他は、実施例１と同様にして摺動部材を得た。
【００３２】
［実施例３］
テープラップ処理により、表面粗さ（Ｒａ）を０．０３９μｍにする他は、実施例１と同様にして摺動部材を得た。
【００３３】
［実施例４］
ＩＤ／ＩＧが０．５１の硬質炭素膜（日本アイ・ティ・エフ）を形成し、テープラップ処理によりドロップレットを除去し、表面粗さ（Ｒａ）を０．０２２１μｍにする他は、実施例１と同様にして摺動部材を得た。
【００３４】
［実施例５］
ＩＤ／ＩＧが０．５５の硬質炭素膜（日本アイ・ティ・エフ）を形成し、テープラップ処理によりドロップレットを除去し、表面粗さ（Ｒａ）を０．０２μｍにする他は、実施例１と同様にして摺動部材を得た。
【００３５】
［実施例６］
アークイオンプレーディング法により、ＩＤ／ＩＧが０．２８の硬質炭素膜（ハウザー社）を形成し、テープラップ処理によりドロップレットを除去し、表面粗さ（Ｒａ）を０．０２１３μｍにする他は、実施例１と同様にして摺動部材を得た。
【００３６】
［比較例１］
テープラップ処理により表面粗さ（Ｒａ）を０．０９５２μｍにする他は、実施例６と同様にして摺動部材を得た。
【００３７】
［比較例２］
フィルター型カソーディック真空アーク法（ＦＣＶＡ方式）により、ＩＤ／ＩＧが０．７８の硬質炭素膜（ナノフィルム  テクノロジーズインターナショナル社）を形成し、テープラップ処理によりドロップレットを除去し、表面粗さ（Ｒａ）を０．０２０５μｍにする他は、実施例１と同様にして摺動部材を得た。
【００３８】
［比較例３］
スパッタにより、ＩＤ／ＩＧが１．９３の硬質炭素膜（神港精機社）を形成し、テープラップ処理によりドロップレットを除去し、表面粗さ（Ｒａ）を０．０２１μｍにする他は、実施例１と同様にして摺動部材を得た。
【００３９】
［比較例４］
ＰＶＤ法により、クロム（Ｃｒ）を含有するＩＤ／ＩＧが０．６４の硬質炭素膜（エリコンバルザース社）を形成し、テープラップ処理によりドロップレットを除去し、表面粗さ（Ｒａ）を０．０４５μｍにする他は、実施例１と同様にして摺動部材を得た。
【００４０】
＜評価＞
実施例１〜６、比較例１〜４の摺動部材を以下の方法で評価した。
評価結果を表１に示す。
【００４１】
（耐焼付き性）
５Ｗ３０汎用油を１滴塗布した平滑な相手部材上で摺動部材を往復摺動させ、３分毎に荷重を１００Ｎずつ上げ、摩擦係数が跳ね上がった点を焼付きとし、焼付きが起こった荷重を焼付き荷重とした。
実施例１〜４、６及び比較例１〜４では相手部材にアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ材）を用い、実施例５では相手部材に銅合金を用いた。
【００４２】
（相手攻撃性）
０Ｗ２０油を連続滴下した平滑な相手部材上で摺動部材に４００Ｎの荷重をかけ、１５分間往復摺動させ、摺動部材と相手部材の摩耗量を形状測定器にて測定した。
実施例１〜４、６及び比較例１〜４では相手部材にアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ材）を用い、実施例５では相手部材に銅合金を用いた。
【００４３】
【表１】
2020050912.tif 000002
【００４４】
硬質炭素膜のＩＤ／ＩＧが０．７以下、かつ表面粗さ（Ｒａ）が、０．０５μｍ以下である実施例１〜６は、焼き付き荷重が１４００Ｎ以上であり、相手部材の摩耗量も少ないことから、本発明の摺動部材は、耐焼き付き性が優れると共に相手攻撃性が低いことが確認された。
【００４５】
比較例１は、表面粗さが大きいため相手攻撃性が高かった。比較例２，３はＩＤ／ＩＧが大きく、また、比較例４は添加元素を含むため、耐焼き付き性が低かった。
また、実施例４と実施例６との比較から、ＩＤ／ＩＧが０．３以上であると、相手攻撃性がより低くなることが確認された。