(57)【要約】【課題】  内燃機関のコンロッドの小端部にダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜を応用した軸受装置において、相手材の表面処理を適切にして耐焼付性を高める。【解決手段】  リン酸塩系化成処理皮膜を施したすべり軸受と、ＤＬＣ被膜を有する鋼軸とを組合わせる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸塩系化成処理皮膜を施したすべり軸受と、ＤＬＣ被膜を有する鋼軸とを組合わせたことを特徴とする軸受装置。
【請求項２】
前記すべり軸受が内燃機関コネクティングロッドの小端部自体もしくは該小端部に圧入されたブシュであり、かつ前記鋼軸がピストンピンである請求項１記載の軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は軸受装置に関するものであり、さらに詳しく内燃機関のコンロッドの小端部軸受装置にダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜を応用する技術に関するものである。以下、コネクティングロッド、ＤＬＣ及びリン酸塩化成処理の順に従来技術を説明する。
【背景技術】
【０００２】
コネクティングロッド
コネクティングロッド（以下「コンロッド」という）の小端部にはブシュが圧入され、ブシュはピストンピンを介してピストンと連結されている。従来は、ピストンピンとしては、焼入れ炭素鋼製ピンが、またブシュにはCu合金又はCu-Pb合金が、一般に、使用されていた。最近ではブシュを使用しないでコンロッド小端部に直接ピストンピンを支承するいわゆる直承装置も知られている。
【０００３】
コンロッドの摺動条件をエンジンの他の部品と比較したグラフが  非特許文献１（トライボロジスト、Vol.47/No.11/2002,第23〜27頁「エンジンしゅう動部品へのＤＬＣコーティングの適用課題」）の図１（自動車技術協会：自動車ハンドブック（基礎理論編、自動車技術協会(1990)53より引用）に示されている。この図によると、コンロッドの摩擦圧力はピストンリングと動弁系の中間にある。
【０００４】
最近の量産車では、ピストンピンの鋼材を窒化及び酸化処理し、相手材の直受コンロッド小端部を浸炭焼入れする軸受装置が知られている。しかしながら、この窒化＋酸化処理は相手材の攻撃性が高いという問題がある。さらに、ピストンピンの鋼材を焼入れし、相手材コンロッドの鋼材は圧延もしくは鍛造のままとした軸受装置も知られている。
【０００５】
ＤＬＣ
ＤＬＣの特性は摩擦係数が低いことと、硬度が高いことなどであるが、硬度はAISI440Cの約5〜10倍であると報告されている（非特許文献２（トライボロジスト、Vol.47/No.11/2002,第13頁）。したがって、ＤＬＣ被膜は硬度が高いにも拘わらず相手材への攻撃性は低い傾向があると言えよう。
【０００６】
ＤＬＣ被膜を利用する技術の提案の一つである特許文献１（特開平１０−２９７６２号公報）は、糸条またはフィルムなどを加熱した状態で延伸するための加熱ローラーの外表面に水素化アモルファスカーボンによる硬質カーボン膜を形成することを提案している。
【０００７】
特許文献２（特開平３−２４０９５７号公報）は、Ｃ、Ｈを主成分とし、さらにケイ素質物質を含むＤＬＣ被膜を提案している。実施例において、試験された相手材はJIS SUJ2 焼入れ焼戻し材であり、試験条件は潤滑なしである。ＤＬＣ被膜のケイ素質物質に由来するSiO2が相手材表面に形成されており、これが「ころ」の働きをして摺動特性の向上に寄与する。
【０００８】
非特許文献１はエンジン摺動部品へのＤＬＣ被膜について次のように概説している。  （イ）ＤＬＣはディーゼルエンジンの燃料噴射ポンププランジャに実用されている。（ロ）競走エンジンのピストンリングのＤＬＣ被膜はCrN被膜と同等の性能をもっている。（ハ）カムフォロワの低摩擦化のためにＤＬＣ被膜を試験した結果、エンジン油中でのＤＬＣの摩擦係数は浸炭鋼のものとほとんど同じとなっている。
【０００９】
非特許文献３（日本トライボロジー学会トライボロジー予稿集（東京1999-5）,A6、「エンジン油中における硬質炭素膜の摩擦特性（第2報）」では、荷重が面圧で0.7Gpa（一定）で試験した結果について「エンジンオイル潤滑下での鋼とＤＬＣの摩擦試験後の摺動表面を分析した結果、鋼と鋼との摺動表面には形成される極圧添加剤：ZnDTPの構成元素が、ＤＬＣ表面には全く認められないこと、相手のSUJ2製のピンには高次の炭化水素の形成が見られることが明らかとなった。」とのまとめが示されている。
【００１０】
リン酸塩化成処理
特許文献３（特開平７−９０６１１号公報）は、ギヤ、歯車、カムなどの鉄鋼材料の表面に、素地粗さの低下及び耐焼付性に良好なリン酸マンガン系化成皮膜を形成するための特定組成の処理液を提案している。実施例における摺動相手材はSUJ2であり、試験条件はモーターオイルを使用した潤滑油条件である。
【００１１】
リン酸マンガン系化成被膜は金属どうしの接触を防止し、また犠牲的に摩耗する初期なじみ効果をもっていることが知られている。このような高硬度のリン酸マンガン系被膜が初期なじみ性に優れている理由に関しては、潤滑油の保持効果及び表面発熱の抑制と考えられている（非特許文献４（トライボロジスト、Vol.47/No.8/2002,第54頁））。
【特許文献１】特開平１０−２９７６２号公報
【特許文献２】特開平３−２４０９５７号公報
【特許文献３】特開平７−９０６１１号公報
【非特許文献１】トライボロジスト、Vol.47/No.11/2002,第23〜27頁
【非特許文献２】トライボロジスト、Vol.47/No.11/2002,第13頁
【非特許文献３】日本トライボロジー学会トライボロジー予稿集（東京1999-5）,A6
【非特許文献４】トライボロジスト、Vol.47/No.8/2002,第54頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術では、ＤＬＣ被膜を被覆した摺動部材の相手材の表面処理については検討されていなかった。本発明者らは自動車エンジンコンロッド小端部の軸受装置において、ピストンピンにＤＬＣ被膜を施すと耐焼付性が改善されるが、相手材であるブシュ又はコンロッド小端部にリン酸塩化成処理を施すと耐焼付性が一層改善されることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、リン酸塩系化成処理被膜を施したすべり軸受と、ＤＬＣ被膜を有する鋼軸とを組合わせたことを特徴とする軸受装置を提供する。具体的には、前記すべり軸受が内燃機関コネクティングロッドの小端部自体又は小端部に圧入されたブシュであり、前記鋼軸がピストンピンである。
以下、本発明を詳しく説明する。
【００１４】
図１は、耐焼付性試験装置の概略図であり、１は周速が0.6ｍ/sで回転する軸受材に相当する材料を用いた供試材平板鍛造材（生材：硬度Hv250）あるいはこれに表面処理を施したもの)、２は30kgf/10minの割合で漸増する荷重を受ける軸である。軸はSCM440浸炭焼入れ軸(硬度Hv550)あるいはＤＬＣ被膜（厚さ３μm）を被着したものである。供試材平板１と軸２は油種SL 5W/30（温度50℃）で潤滑した。試験の結果を図２のグラフを参照して説明する。
【００１５】
グラフ中の「生材」、「焼入れ」の組合せは従来の一般的コンロッド小端部のブシュを用いない場合の材料構成に該当している。
次に「化成処理リン酸Mn」、「焼入れ」の組合せは、リン酸Mnの初期なじみ効果によって耐焼付性が向上している。この効果は特許文献３より予測されるところである。
【００１６】
特許文献２及び非特許文献１〜３におけるＤＬＣ被膜の評価は荷重一定の条件で行なわれているので、荷重が増大して境界潤滑領域の割合が多くなった場合の摺動特性を予測することはできない。これに対して、図２に示された「生材」もしくは「化成処理リン酸Mn」と「ＤＬＣ」の組合せは境界潤滑領域が多く、かつ潤滑油中で摺動されるＤＬＣ被膜に関して、化成被膜はなじみ性をもつことを示している。この性質の原因となっている物性については、Hv1000〜2000に達するＤＬＣ被膜の高硬度が考えられる。すなわち、リン酸マンガン被膜は、相手材との摺動によって初期摩耗するとき、相手材は硬質で平坦なＤＬＣ被膜であるため、摩耗後の化成皮膜表面も平坦になる；そして潤滑油中での互いに平滑な面同士の摺動となるため、化成被膜はそれ以上摩耗しないとの現象が起こっているのであろう。
【００１７】
ＤＬＣ被膜としてはH：20〜40wt%を含有し、残部がCであるものが好ましく、より好ましくは、さらに、特許文献２で開示されたSiを２〜６wt%含有するものであることが好ましい。ＤＬＣ被膜の厚さは０．１〜１０μmであることが好ましく、２〜４μmがより好ましい。また、ＤＬＣ被膜の基材としては、鋼材が好ましく、より好ましくは浸炭もしくは窒化処理鋼材である。また、基材とＤＬＣ被膜の中間には下地膜として0.01 〜1μmの厚さのSiC被膜を介挿することが好ましい。
【００１８】
リン酸塩系化成処理は、リン酸マンガン化成処理であることが好ましい。リン酸マンガン化成被膜の厚さは０．１〜１０μmが好ましく、より好ましくは０．５〜２μmである。リン酸化成処理を施す基材は炭素鋼、銅合金などである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
実施例１
図１を参照して説明した耐焼付性試験をＤＬＣ被膜−化成処理の組合せについて行った。
ＤＬＣ被膜は、浸炭炭素鋼に特許文献２、実施例１に記載されたプラズマ化学蒸着法により成膜し、四塩化珪素の流量を調節することによりＤＬＣ被膜中のSi量を変化させた。H量は２０〜３０重量％とした。ＤＬＣ被膜の厚さは３μmであった。
試験の結果を図３に示す。Si量が２〜６重量％において耐焼付性が最も高くなっている。
【００２０】
実施例２
実施例１において、アセチレン（Ｃ２Ｈ５）とテトラメチルシラン（（ＣＨ３）４Ｓｉ）の流量を変化させてＤＬＣ被膜のH量を変化させ、またSi量は一定とした。図４に試験の結果を示す。この結果はSi、H量が同じ組成のＤＬＣ膜では同じ耐焼付性の値が得られている。
【００２１】
実施例３
図５は、摩耗試験装置の概略図であり、１はストローク：10mm、周波数：7Hzで往復する供試材板(S55C圧延材のまま（生材：硬度Hv250）あるいはこれに表面処理を施したもの)、２は980Nの荷重を受ける軸である。軸はS55C焼入れ軸(硬度Hv550)、あるいはＤＬＣ被膜（厚さ３μm）を被着したものである。供試材板１と軸２は油種SL 5W/30（温度50℃）で潤滑した。試験の結果を図６及び図７のグラフを参照して説明する。
【００２２】
S55C圧延材（供試材１、生材）にリン酸塩化成処理被膜を施すと、その初期なじみ作用により、焼入れ軸２により供試材１は多く摩耗され、摩擦係数は低くなる。一方、リン酸塩化成処理被膜を施したS55C圧延材とＤＬＣ被膜を組合わせると、初期なじみ作用は現れるが、リン酸塩化成処理被膜及び軸の摩耗量が少ない。即ち、摩耗の進行が停止すると見られる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明によると、従来の一般的コンロッド小端部軸受機構と比較して、耐摩耗性（自材および相手材）：約1/2、耐焼付き性：約2倍、低摩擦係数：約2/3という優れた性能を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】耐焼付性試験機の要部の説明図である。
【図２】耐焼付性試験結果を、供試材と軸の材料組合せ別々に示すグラフである。
【図３】耐焼付性試験結果を、ＤＬＣ膜のSi量に対して表示したグラフである。
【図４】耐焼付性試験結果を、ＤＬＣ膜のH量に対して表示したグラフである。
【図５】摩耗試験機の要部の説明図である。
【図６】摩耗試験の結果を、供試材と軸の材料組合せ別に示すグラフである。
【図７】摩擦係数を、供試材と軸の材料組合せ別に示すグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１供試材
２軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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