(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に、非晶質炭素被膜が形成された摺動部材であって、
前記非晶質炭素被膜には、Ｂｉからなるクラスターが分散しており、
前記非晶質炭素被膜に対して、Ｂｉが０．５〜２０ａｔ％含有していることを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非晶質炭素被膜を被覆した摺動部材に係り、特に、耐摩耗性に優れた摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車において、エンジン、トランスミッションなど様々な機器に摺動部材が用いられている。そこでは、摺動部材の摺動抵抗を低減してエネルギ損失を減らし、地球環境の保護のための今後の燃費規制に対応すべく、様々な研究開発が進められている。
【０００３】
例えば、このような研究開発の１つに、構造用鋼または高合金鋼からなる摺動部材の耐摩耗性を向上させると共に低摩擦特性を得るために、その摺動面にコーティングを行う技術がある。近年、このコーティング材料として、ナノダイヤモンド粒子ライクカーボン（ＤＬＣ）などの非晶質炭素材料が注目されている。この非晶質炭素材料が形成された被膜（非晶質炭素被膜）は、炭素を主成分とする硬質の被膜であり、該硬質の被膜の炭素は固体潤滑剤としても作用するので、低い摺動抵抗と高い耐摩耗性とを両立できる被膜である。
【０００４】
たとえば、このような技術として、非晶質炭素被膜に、Ａｇ，Ｍｇ，Ｉｎ，Ｓｎ等の金属を含有させた摺動部材が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、別の技術として、非晶質炭素被膜を被覆した第１摺動部材と、鉄系金属からなる第２摺動部材とを組み合わせたものが提案されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１７７３１３号公報
【特許文献２】特開２００４−１７６８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の摺動部材を、潤滑油中で相手部材に対して、繰り返し摺動した場合、その摺動面において著しい摩耗が生じることがあった。特に、内燃機関用のシリンダボアとピストンリング、燃料噴射弁を構成するシリンダとピストンなどに適用した場合、これらの部材は他の部材に比べて小型化、高面圧化となっており、さらには各種燃料の使用等により、摺動部材と相手部材との間に油膜切れが起こり易く、その結果、双方に著しい摩耗が生じることがあった。
【０００７】
そして、近年、自動車エンジン部品の高出力化および高回転化による高性能化が著しくなり、上述したエンジンで使用される摺動部材においては、例えば特許文献２の如く、摺動部材の基材表面に、単に非晶質炭素被膜を被覆しただけでは、充分な摺動特性を得ることができないことがあった。
【０００８】
本発明は、このような点を鑑みて、その目的とすることころは、基材表面に、非晶質炭素被膜を被覆し、これを高面圧下でかつ摺動頻度の高い摺動部材として使用したとしても、その表面の非晶質炭素被膜の摩耗を抑制することができる、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】
【０００９】
発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。具体的には、特許文献１に記載の技術では、非晶質炭素被膜に、Ａｇ，Ｍｇ，Ｉｎ，Ｓｎ等の金属を添加しているが、この技術は、これらの金属が摺動部材に一般的に用いられる金属材料と相溶しにくい特性を考慮したものである。この結果、これらの金属元素を含む非晶質炭素被膜と相手部材とが摺動する場合に、凝着が生じにくくなる。すなわち、これらの金属を用いた場合には、相手部材との凝着摩耗を抑制することができる。
【００１０】
しかしながら、上述したように、これまでよりも高い負荷が摺動面に作用した場合には、このような特性だけでは十分とはいえず、発明者は、非晶質炭素被膜と相手部材との表面の滑動性および非晶質炭素被膜の強度をより高めることが望ましいと考えた。そこで、発明者は、上述した金属よりも、より延性・展性があり、非晶質炭素被膜に含有してもこの被膜の強度低下が抑制される元素として、Ｂｉ（ビスマス）に着眼した。そして、このＢｉをクラスターにして、非晶質炭素被膜に含有させることにより、これまで同程度の非晶質炭素被膜の強度を確保しつつ、摺動時には、このＢｉが非晶質炭素被膜の表面に延在し、これにより、摺動部材の耐摩耗性を画期的に向上させることができるとの新たな知見を得た。
【００１１】
本発明は、発明者の新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動部材は、基材の表面に、非晶質炭素被膜が形成された摺動部材であって、前記非晶質炭素被膜には、Ｂｉからなるクラスターが分散していることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、非晶質炭素被膜には、Ｂｉからなるクラスター（すなわち粒子）が分散しているので、非晶質炭素被膜が形成された面を摺動面として、相対的に相手部材を摺動させると、非晶質炭素被膜の表面に、低せん断性を有したＢｉ薄膜が形成される。このＢｉ薄膜により、摺動部材と相手部材とのせん断抵抗を低減し、摺動部材の耐摩耗性を向上させ、摩擦係数を下げることができる。
【００１３】
そして、このように、摺動時に、耐摩耗性を向上させ、さらには、摩擦係数を下げるように、Ｂｉからなる被膜が非晶質炭素被膜の表面に形成されるのであれば、特に、Ｂｉの含有量は、限定されるものではない。しかしながら、前記非晶質炭素被膜に対して、Ｂｉは０．５〜２０ａｔ％（原子％）含有していることがより好ましい。
【００１４】
本発明によれば、このような範囲となるようにＢｉを含有されることにより、摺動時に非晶質炭素被膜の表面にＢｉの薄膜が形成され、より確実に、摺動部材の耐摩耗性を向上させ、摩擦係数を下げることができる。
【００１５】
すなわち、Ｂｉの含有量が２０ａｔ％を超えた場合には、非晶質炭素被膜の硬度が低下するおそれがあり、これにより、摺動部材の摺動特性が低下する。一方、Ｂｉの含有量が０．５ａｔ％未満である場合には、Ｂｉによる摺動特性の向上は、十分でないことがある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基材表面に、非晶質炭素被膜を被覆し、これを高面圧下でかつ摺動頻度の高い摺動部材として使用したとしても、その表面の非晶質炭素被膜の摩耗を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る摺動部材の模式的概念図。
【図２】実施例１、比較例１、および比較例２に係る摺動部材の摩耗試験の結果を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る摺動部材の模式的概念図である。
【００１９】
まず、図１に示すように、摺動部材の基材１０を準備する。基材１０としては、例えば、炭素鋼（ＪＩＳ：Ｓ４５Ｃ、Ｓ３０Ｃなど）、クロム鋼、クロムモリブデン鋼などの合金鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣｒ、ＳＣＭなど）、合金工具鋼（ＪＩＳ規格：ＳＫＳ，ＳＫＤなど）、ステンレス鋼、軸受鋼、バネ鋼などの特殊用途鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ、ＳＵＪ、ＳＵＰなど）、または鋳鉄の鉄系基材を挙げることができる。しかしながら、後述する非晶質炭素被膜２０との密着性を確保することができるのであれば、これらの金属材料に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｚｎ等を含むアルミニウム合金、銅、または、Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ等を含む銅合金などの金属材料を挙げることができる。
【００２０】
次に、基材１０の表面に非晶質炭素被膜２０を被覆する。具体的には、基材１０を、スパッタリング、真空蒸着、イオン化蒸着、イオンプレーティング、などを利用した物理的蒸着法（ＰＶＤ）により成膜する。
【００２１】
より具体的に、スパッタリング法による成膜を例示すると、カーボンターゲットと、Ｂｉターゲットを準備し、これらのターゲットに対して、同時にアルゴン等の不活性ガスを電界で加速し照射する。
【００２２】
これにより、カーボンターゲットおよびＢｉターゲットの表面の原子または分子を放電させ、これらを物理的作用により蒸気化することにより、基材１０の表面に非晶質炭素被膜２０を成膜する。このようにして、Ｂｉからなるクラスター２１すなわちＢｉ粒子を内部に分散した非晶質炭素被膜２０が、基材１０の表面に被覆された摺動部材１を得ることができる。
【００２３】
摺動部材１の非晶質炭素被膜２０には、Ｂｉからなるクラスター（Ｂｉ粒子）２１が分散しているので、非晶質炭素被膜２０が形成された面を摺動面として、相対的に相手部材を摺動させると、非晶質炭素被膜２０の表面に、低せん断性を有したＢｉ薄膜が形成される。このＢｉ薄膜により、摺動部材１と相手部材とのせん断抵抗を低減し、摺動部材１の耐摩耗性を向上させ、摩擦係数を下げることができる。
【００２４】
本実施形態では、非晶質炭素被膜２０に対して、Ｂｉをクラスターの状態で０．５〜２０ａｔ％（原子％）含有させる。スパッタリング法で成膜する場合には、Ｂｉターゲットに対するターゲット電力（電圧×電流）を調整することにより、このような範囲でＢｉを含有させることができる。
【００２５】
そして、０．５〜２０ａｔ％の範囲となるように、非晶質炭素被膜２０に対してＢｉを含有させることにより、摺動時に非晶質炭素被膜２０の表面にＢｉ薄膜が形成され、より確実に、摺動部材の耐摩耗性を向上させ、摩擦係数を下げることができる。
【００２６】
すなわち、Ｂｉの含有量が２０ａｔ％を超えた場合には、非晶質炭素被膜２０の硬度が低下するおそれがあり、これにより、摺動部材１の摺動特性が低下する。一方、Ｂｉの含有量が、０．５ａｔ％未満である場合には、Ｂｉによる摺動部材１の摺動特性の向上が十分でないことがある。非晶質炭素被膜２０に対して、Ｂｉをクラスターの状態で１．０ａｔ％以上であることがより好ましい。
【００２７】
また、Ｂｉからなるクラスターの大きさは、２００ｎｍ以下であることが好ましい。２００ｎｍを超えた場合には、非晶質炭素被膜２０の硬度が低下し、この結果、この強度が低下する。
【００２８】
また、非晶質炭素被膜２０の成膜する際に、上述した不活性ガスと共に、例えば、メタンガス、アセチレンガスなどの炭化水素ガスを導入し、放電により炭化水素ガスを分解し、水素を含有する非晶質炭素被膜２０を成膜してもよい。
【００２９】
これにより、非晶質炭素被膜２０には、Ｂｉからなるクラスター２１に加えて、水素原子を含むので、得られた摺動部材は、さらなる低摩擦特性を発現することができる。ここで、非晶質炭素被膜２０に対する水素の含有量としては、０ａｔ％を超え、３５ａｔ％以下であることが好ましく、水素の含有量が、３５ａｔ％を超えた場合には、非晶質炭素被膜２０の強度が低下するおそれがある。
【００３０】
したがって、このような効果をより効率的に発現するためには、非晶質炭素被膜２０に対する水素の含有量は、５〜２５ａｔ％であることがより好ましい。このような範囲の水素を含有することにより、摺動部材のさらなる低摩擦特性を発現すると共に、非晶質炭素被膜の強度を確保することができる。
【実施例】
【００３１】
以下に本発明を実施例により説明する。
【００３２】
（実施例１）
摺動部材の基材として、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ４４０Ｃ、焼き入れ品、表面硬さＨｖ５００）の棒材より、１６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍのサイコロ試験片（表面粗さＲａ０．１μｍ）を準備した。次に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により、このサイコロ試験片の１６ｍｍ×６ｍｍを構成する表面に、Ｂｉからなるクラスターが分散した非晶質炭素被膜を成膜した。
【００３３】
具体的には、グラファイトターゲットとＢｉターゲットを用い、処理室内に基材（サイコロ試験片）を配置し、基材温度を１００℃にした。次に、反応ガスとしてＡｒにＣＨ４（メタン）５体積％含有したガスを処理室内に流すと共に、グラファイトターゲット側のバイアス電圧を１００Ｖ印加し、Ｂｉターゲット側のバイアス電圧を８０Ｖ印加した。
【００３４】
これにより、基材表面に１．５μｍの膜厚の非晶質炭素被膜を被覆し、本発明に相当する摺動部材を得た。なお、得られた非晶質炭素被膜の表面粗さは、Ｒａ０．１２μｍ、表面硬さは、Ｈｖ２０００、Ｂｉ含有量は、５ａｔ％、Ｂｉからなるクラスターの大きさは、５０ｎｍ、水素含有量は、１０ａｔ％であった。
【００３５】
（比較例１）
実施例１と同様に摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、Ｂｉターゲットを用いていない点である。すなわち、比較例１の場合、１６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍのサイコロ試験片（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ４４０Ｃ、焼き入れ品、表面硬さＨｖ５００、表面粗さＲａ０．１μｍ）の１６ｍｍ×６ｍｍを構成する表面に、実施例１と同じ条件で、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により、カーボンターゲットのみを用いて、Ｂｉを含有しない非晶質炭素被膜を被覆した。
【００３６】
これにより、基材表面に１．５μｍの膜厚の非晶質炭素被膜を被覆した摺動部材を得た。なお、得られた非晶質炭素被膜の表面粗さは、Ｒａ０．１２μｍ、表面硬さは、Ｈｖ２１００、水素含有量は、１０ａｔ％であった。
【００３７】
（比較例２）
実施例１と同様に摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、Ｂｉターゲットの代わりに、Ａｕターゲットを用いた点である。すなわち、比較例２の場合、１６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍのサイコロ試験片（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ４４０Ｃ、焼き入れ品、表面硬さＨｖ５００、表面粗さＲａ０．１μｍ）の１６ｍｍ×６ｍｍを構成する表面に、実施例１と同じ条件で、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により、カーボンターゲットおよびＡｕターゲットを用いて、Ａｕをクラスターの形態で含有した非晶質炭素被膜を被覆した。
【００３８】
これにより、基材表面に１．５μｍの膜厚の非晶質炭素被膜を被覆した摺動部材を得た。なお、得られた非晶質炭素被膜の表面粗さは、Ｒａ０．１２μｍ、Ａｕ含有量は、５ａｔ％、Ａｕからなるクラスターの大きさは、８０ｎｍ、水素含有量は、１５ａｔ％であった。
【００３９】
＜摩耗試験＞
実施例１、比較例１、および比較例１の摺動部材の相手部材として、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ４４０Ｃ）を用いて、外径３５ｍｍ、内径３０ｍｍ、幅１０ｍｍの円筒試験片を作製した。得られた円筒試験片の周面の表面粗さは、Ｒａ０．２０μｍ、表面硬さは、Ｈｖ３８０であった。
【００４０】
そして、それぞれの実施例、比較例１、および比較例２の摺動部材（サイコロ試験片）の１６ｍｍ×６ｍｍの表面（すなわち、非晶質炭素被膜が被覆された表面）と、円筒試験片の外周面を接触させ、潤滑油（ＳＡＥ５Ｗ−３０）を供給しながら、荷重６０ｋｇｆ、回転数１６０ｒｐｍの条件で、円筒試験片を３０分間回転させる摩耗試験を行った。この結果を図２に示す。図２に示す、摺動部材に相当するサイコロ試験片の摩耗量は、摩耗痕深さであり、円筒試験片の摩耗量は摩耗重量である。
【００４１】
〔結果１および考察〕
図２に示すように、実施例１の場合、サイコロ試験片（摺動部材）および円筒試験片（相手部材）のいずれの摩耗量も、比較例１のものに比べて少なかった。このような結果となったのは、実施例１の摺動部材は、非晶質炭素被膜にＢｉからなるクラスターが分散して含まれていたからであると考えられる。すなわち、実施例１の場合には、非晶質炭素被膜に、Ｂｉからなるクラスター（Ｂｉ粒子）が分散しているので、摺動時に、非晶質炭素被膜の表面に、極薄い低せん断性を有したＢｉ薄膜が形成されていた。これにより、摺動部材と相手部材とのせん断抵抗を低減し、比較例１に比べての耐摩耗性を向上させ、摩擦係数を下げることができたと考えられる。
【００４２】
また、実施例１のサイコロ試験片（摺動部材）の摩耗量は、比較例２のものよりも少なかった。このような結果となったのは、比較例２の摺動部材には、非晶質炭素被膜にＡｕからなるクラスターが分散して含まれているが、Ａｕを用いた場合には、Ｂｉを用いた場合に比べて、非晶質炭素被膜の表面硬さが低くなる。この結果、比較例２の摺動部材は、実施例１のものに比べて、摩耗量が多くなったと考えられる。以上のことから、摺動部材の摺動特性を向上させるべく非晶質炭素被膜に、クラスターとして含有させる元素は、Ｂｉが最適であると考えられる。
【００４３】
（実施例２）
実施例１と同様に摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、非晶質炭素被膜に対してＢｉを含有する量を、以下の表１に示すように変化させた点である。具体的には、非晶質炭素被膜を成膜する際に、Ｂｉターゲットに印加する電圧を変化させることにより、Ｂｉの含有量を変化させた。そして、実施例１と同様に摩耗試験を行った。この結果を表１に示す。なお、表１に示す摩擦係数の値は、摩耗試験開始３０分直後の摩擦係数の値である。また、表１には、Ｂｉクラスターを含有していない（Ｂｉ含有量：０ａｔ％）摺動部材（比較例１相当の摺動部材）の摩擦試験の結果も合わせて示した。
【００４４】
（比較例３）
実施例２と同様に摺動部材を作製した。実施例２と相違する点は、比較例２と同様にＡｕターゲットを用いた点と、非晶質炭素被膜に対してＡｕを含有する量を、以下の表１に示すように変化させた点である。具体的には、非晶質炭素被膜を成膜する際に、Ａｕターゲットに印加する電圧を変化させることにより、Ａｕの含有量を変化させた。そして、実施例２と同様に摩耗試験を行った。この結果を表１に示す。なお、表１には、Ａｕクラスターを含有していない（Ａｕ含有量：０ａｔ％）摺動部材（比較例１相当の摺動部材）の摩擦試験の結果も合わせて示した。
【００４５】
【表１】
0005640942.tif 000002
【００４６】
〔結果２および考察〕
表１に示すように、実施例２のサイコロ試験片（摺動部材）は、比較例３のものに比べて、摩耗量が少なく、摩擦係数も低いことがわかった。これは、結果１の考察で示した理由と同じ理由であると考えられる。さらに、Ｂｉをクラスターの状態で、非晶質炭素被膜に含有することにより、サイコロ試験片の摩耗量および円筒試験片の摩耗量が低減され、摩擦係数も低くなっていることがわかる。
【００４７】
そして、表１からも明らかなように、非晶質炭素被膜に対して、Ｂｉをクラスターの状態で０．５〜２０ａｔ％含有させた場合には、サイコロ試験片の摩耗量および円筒試験片の摩耗量がさらに低減され、摩擦係数もさらに低くなると考えられる。
【００４８】
これは、Ｂｉの含有量が２０ａｔ％を超えた場合には、非晶質炭素被膜の硬度が低下してしまい、これにより、サイコロ試験片の摩耗量の摩耗量が増加したと考えられる。この結果、相手部材である円筒試験片の摩耗量も増加し、この結果、摩擦係数が増加したと考えられる。
【００４９】
一方、含有量が、Ｂｉの含有量が、０．５ａｔ％未満である場合には、Ｂｉのクラスターにより、Ｂｉ被膜の形成が十分でない場合もあり、これにより、サイコロ試験片の摩耗量および円筒試験片の摩耗量が増加したと考えられる。この結果、摩擦係数が増加したと考えられる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００５１】
１：摺動部材、１０：基材、２０：非晶質炭素被膜、２１：クラスター
【図１】
0005640942.tif 000003
【図２】
0005640942.tif 000004