(57)【要約】【課題】潤滑油に添加される摩擦調整剤の摩擦低減効果を高めることができる摺動システムを提供する。【解決手段】添加剤としてＭｏＤＴＣを含有し、基油が鉱物油を含まない全合成油から成る潤滑油と、その潤滑油中で互いに摺動する第１の摺動部材および第２の摺動部材とを有する。第１の摺動部材は、少なくとも摺動面を含む表層部が、Ｃｒを１３％以上含む鋼材から成る。【選択図】図２
2018135943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
添加剤としてＭｏＤＴＣを含有し、基油が鉱物油を含まない全合成油から成る潤滑油と、
前記潤滑油中で互いに摺動する第１の摺動部材および第２の摺動部材とを有し、
前記第１の摺動部材は、少なくとも摺動面を含む表層部が、Ｃｒを１３％以上含む鋼材から成ることを
特徴とする摺動システム。
【請求項２】
前記第１の摺動部材は、摺動面に、Ｍｏ（IV）を全Ｍｏのうち５５％以上含む低摩擦摺動被膜を有し、前記低摩擦摺動被膜の摺動面とは反対側に酸化層を有することを特徴とする請求項１記載の摺動システム。
【請求項３】
前記潤滑油は、基油がポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）から成ることを特徴とする請求項１または２記載の摺動システム。
【請求項４】
前記第２の摺動部材は鋼材から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摺動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車のエンジン等で使用されるオイルとして、流体潤滑領域での粘性抵抗を低減させるため、より低粘度の潤滑油が求められている。例えば、８０℃での粘度が７．５ｍＰａ・ｓの汎用のエンジンオイルを、８０℃での粘度が１．５ｍＰａ・ｓの潤滑油に変えると、１０・１５モード燃費が３．８％向上することが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、低粘度を示す潤滑油は、流体潤滑領域で摩擦が低下するが、高い荷重条件下では摩擦面から容易に排出されてしまう。このため、エンジンピストンの上死点や低回転数の運転時など、境界潤滑領域となる摩擦条件では、表面間の接触により摩擦が増大してしまうことが指摘されている（例えば、非特許文献２参照）。さらに、このような摩擦条件では、焼付き荷重が低下し、金属同士の焼付きや摩耗の促進などの可能性があり課題となっている。
【０００４】
また、従来、最も頻繁に使用される潤滑油の添加剤の一つに、摩擦調整剤のＭｏＤＴＣ（モリブデンジチオカーバメイト）がある。このＭｏＤＴＣについて、摺動条件や潤滑油の添加剤の組合せによる効果の違いから、その反応過程のメカニズムが推定されている（例えば、非特許文献３参照）。また、ＭｏＤＴＣの摩擦低減効果が得られるメカニズムとして、摺動時にＭｏＤＴＣが分解されて、低摩擦のＭｏＳ２（二硫化モリブデン）が形成される反応が推定されている（例えば、非特許文献４参照）。さらに、摺動部材が異なる場合、メカニズムは特定されていないものの、ＭｏＤＴＣの低摩擦効果が異なることが、経験的に知られている（例えば、非特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Okuyama, Y., et.al., “Study of Low-Viscosity Engine Oil on Fuel Economy and Engine Reliability”, SAE International, 2011.04.12, No. 2011-01-1247
【非特許文献２】Ushioda, N., et al., “Effect of Low Viscosity Passenger Car Motor Oils on Fuel Economy Engine Tests”, SAE International, 2013.10.14, No. 2013-01-2606
【非特許文献３】A. Morina and A. Neville, “Tribofilms: aspects of formation, stability and removal”, Journal of Physics D: Applied Physics, 2007, Vol. 40, No. 18, p.5476-5487
【非特許文献４】M. I. De Barros Bouchet et al., “Mechanisms of MoS2 formation by MoDTC in presence of ZnDTP: effect of oxidative degradation”, Wear, June 2005, Vol. 258, p.1643-1650
【非特許文献５】権藤、山本、「モリブデンジチオカーバメイト（MoDTC）による表面膜形成機構と摩擦面材質の影響」、トライボロジスト、1991年、36、3、p.242-248
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献２に記載のように、低粘度の潤滑油ほど上死点や低回転時などの境界潤滑領域での摩擦が増大してしまうことから、境界潤滑領域でも低摩擦を維持できる摺動機構を開発するために、まず潤滑油中の添加剤が低摩擦の反応膜を形成するメカニズムを解明する必要があると考えられる。非特許文献３に記載のように、摺動条件や添加剤の組合せによる効果の違いから、添加剤の反応過程のメカニズムが推定されているが、摺動部材と添加剤との組合せ、すなわち添加剤の摩擦低減効果を活かす摺動部材について検討したものは存在しない。
【０００７】
そこで、本発明は、潤滑油に添加される摩擦調整剤の摩擦低減効果を高めることができる摺動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、摩擦調整剤を含む潤滑油中での摺動特性が摺動部材の種類により異なるという知見から、様々な摺動部材の摩擦面に形成される反応膜のでき方に着目し、表層にＣｒの不動態膜が形成される摺動部材が、低摩擦の二硫化モリブデンを生成しやすいことを見出し、本発明に至った。
【０００９】
すなわち、本発明に係る摺動システムは、添加剤としてＭｏＤＴＣを含有し、基油が鉱物油を含まない全合成油から成る潤滑油と、前記潤滑油中で互いに摺動する第１の摺動部材および第２の摺動部材とを有し、前記第１の摺動部材は、少なくとも摺動面を含む表層部が、Ｃｒを１３％以上含む鋼材から成ることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る摺動システムは、図１に示す反応により、Ｃｒを含むＦｅ系材料とＭｏＤＴＣとが相互作用して、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）層を含む安定した反応膜を形成すると推定される。すなわち、図１（ａ）に示すように、添加剤として摩擦調整剤のＭｏＤＴＣを含む潤滑油中で、Ｃｒを含むＦｅ系材料から成る第１の摺動部材（Fe/Cr Substrate）に対して第２の摺動部材を摺動させたとき、摺動の初期の段階で、第１の摺動部材の表面が露出する。また、非特許文献４に記載のように、摺動時にはＭｏＤＴＣが分解（MoDTC resolution）され、ＭｏＳ２と中間生成物のＭｏＳ２−ｘＯｘとが生成される。このとき、図１（ｂ）に示すように、露出した第１の摺動部材の表面に分布するＣｒにより、ＭｏＳ２−ｘＯｘが還元（Reduction）され、第１の摺動部材の表面にＣｒ酸化物（Cr oxide）が生成される。また、ＣｒがＭｏＳ２−ｘＯｘを還元することにより、ＭｏＳ２層の生成が促進される。また、形成された不動態膜により第１の摺動部材中のＦｅの酸化を防ぎ、ＭｏＳ２層を含む安定した反応膜を形成すると推定される。
【００１１】
このように、本発明に係る摺動システムは、低摩擦の安定した反応膜を形成することができ、添加剤の摩擦調整剤の摩擦低減効果を高めることができる。第１の摺動部材として、少なくとも摺動面を含む表層部がＣｒを１３％以上含む鋼材を用いて摩擦をすることにより、摩擦を低減することができる。これは、Ｃｒを多く含むことにより、反応膜中に低摩擦のＭｏＳ２層が形成されやすく、かつ反応膜が薄く形成され、ＭｏＳ２層が配向しやすいことに起因する。これにより、摩擦低下が早く進むとともに、摩擦係数をより小さくすることができると考えられる。
【００１２】
本発明に係る摺動システムは、基油の潤滑油が鉱物油を含んでいない。一般的に、鉱物油には金属を含む様々な不純物が入っているため、合成油と比較して酸化劣化しやすい。このため、潤滑油が鉱物油を含んでいると、鉱物油中の不純物が酸化することで、金属面上でのＣｒの酸化を阻害し、ＭｏＳ２層の生成が抑制されてしまう可能性が考えられる。また、鉱物油中の不純物が摺動面に吸着し、ＭｏＤＴＣの吸着を阻害するため、やはりＭｏＳ２層の生成が阻害されてしまう。このことから、本発明に係る摺動システムは、基油の潤滑油が鉱物油を含まないため、ＭｏＳ２層を含む安定した反応膜を効率良く形成することができる。
【００１３】
本発明に係る摺動システムで、第１の摺動部材は、少なくとも摺動面を含む表層部がＣｒを１３％以上含む鋼材であればよく、表層部以外の部分は、Ｃｒの含有量が１３％以上であっても１３％未満であってもよい。また、表層部以外の部分は、鋼材であっても、鋼材以外の材質であってもよい。Ｃｒを１３％以上含む鋼材は、例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、クロムメッキなどである。
【００１４】
本発明に係る摺動システムで、前記潤滑油は、基油がポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）から成ることが好ましい。この場合、ＰＡＯと他の基油とを混合したものと比較して、ＭｏＤＴＣの摩擦低減効果をより高めることができる。
【００１５】
本発明に係る摺動システムで、第２の摺動部材も鋼材から成ることが好ましい。第１の摺動部材と第２の摺動部材は、同じ種類の鋼材であってよく、異なるものであってもよい。鋼材は、例えば、軸受鋼、ステンレス鋼などである。
【００１６】
本発明に係る摺動システムは、前記潤滑油中で摺動したとき、摺動面にＣｒ酸化物が形成されるよう構成されていることが好ましい。この場合、表面にＣｒが多く露出しているものや、表層にＣｒを多く含んでいるものが好ましい。また、あらかじめ摺動面にＣｒ酸化物を有していてもよい。これらにより、摺動面に露出した活性なＣｒがＭｏＤＴＣを還元し、低摩擦の安定した反応膜を形成することができ、摩擦調整剤の摩擦低減効果を高めることができる。
【００１７】
本発明に係る摺動システムで、第１の摺動部材と第２の摺動部材とを潤滑油中で摺動させることにより第１の摺動部材の摺動面に形成される低摩擦の反応膜は、ＸＰＳの定量分析による全Ｍｏ量のうち、Ｍｏ（IV）を５５％以上含む低摩擦摺動被膜と、前記低摩擦摺動被膜の摺動面とは反対側に形成される酸化層とを有することが好ましい。すなわち、摺動させることにより、本発明に係る摺動システムは、添加剤としてＭｏＤＴＣを含有し、基油が鉱物油を含まない全合成油から成る潤滑油と、前記潤滑油中で互いに摺動する第１の摺動部材および第２の摺動部材とを有し、前記第１の摺動部材は、少なくとも摺動面を含む表層部がＣｒを１３％以上含む鋼材から成り、摺動面に、Ｍｏ（IV）を全Ｍｏのうち５５％以上含む低摩擦摺動被膜を有し、前記低摩擦摺動被膜の摺動面とは反対側に酸化層を有することが好ましい。この場合、低摩擦摺動被膜がＭｏ（IV）を５５％以上含むため、低摩擦のＭｏＳ２が形成される割合が多くなり、より低い摩擦を示すことができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、潤滑油に添加される摩擦調整剤の摩擦低減効果を高めることができる摺動システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る摺動システムの、摺動による反応膜の形成過程を示す（ａ）摺動の初期の段階で、第１の摺動部材の表面が露出する状態、（ｂ）第１の摺動部材の表面にＣｒ酸化物が生成され、ＭｏＳ２層の生成が促進される状態の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の摺動システムの、ボールオンディスク摩擦試験により得られたボールの摩擦回数と摩擦係数μとの関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態の摺動システムの、摺動部材中のＣｒ量に対して示した、図２に示すボールオンディスク摩擦試験後に摺動部材上に形成された反応膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真および元素分析結果である。
【図４】本発明の実施の形態の摺動システムの、図２に示すボールオンディスク試験後の摩耗痕の、（ａ）光電子分光分析装置（ＸＰＳ）による定量分析結果を示すグラフ、（ｂ）全Ｍｏ量に占めるＭｏ（IV）の比率と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態の摺動システムの、第１の摺動部材であるFe-17％Cr（SUS440C）の、図２に示すボールオンディスク試験後の、第１の摺動システムと反応膜との境界付近の（ａ）透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真、（ｂ）エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）による元素分析結果を示すグラフ、（ｃ）電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）分析のスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態の摺動システムは、添加剤としてＭｏＤＴＣを含有し、基油がＰＡＯから成る潤滑油と、潤滑油中で互いに摺動する第１の摺動部材および第２の摺動部材とを有しており、第１の摺動部材は、Ｃｒを１３％以上含む鋼材から成っている。
以下、第１の摺動部材を含む様々な摺動部材に対して行ったボールオンディスク試験および、形成された反応膜の元素分析の結果に基づいて、本発明の実施の形態の摺動システムについて説明する。
【００２１】
［ボールオンディスク試験］
回転するディスクに対し、回転しないよう固定したボールを接触させて摩擦抵抗を計測するボールオンディスク（Ball on disk）試験を行った。ボールオンディスク試験は、各摺動部材から成るディスクとスチール（SUJ2）製のボールとを接触させ、摩擦調整剤のＭｏＤＴＣを含み、基油がＰＡＯ８から成る潤滑油の中に浸漬させて実施した。ボールの押付荷重は１０Ｎで、０．５ｍ／ｓの速度で円運動させて摩擦力の測定を行った。潤滑油は、８０℃で一定となるように温度調整をした。なお、本発明の実施の形態の摺動システムでは、第１の摺動部材がディスクに対応し、第２の摺動部材がボールに対応している。
【００２２】
試験では、ディスクを構成する各摺動部材として、鉄を主成分とした鋼材から成り、それぞれＣｒを１．０％含むもの（Fe-1.0％Cr；SCr440）、１．５％含むもの（Fe-1.5％Cr；SUJ2）、１２％含むもの（Fe-12％Cr）、１４％含むもの（Fe-14％Cr）、１７％含むもの（Fe-17％Cr；SUS440C）、および、鋼材の表面にＣｒメッキを施したもの（Cr plating；表面のＣｒの含有量は９９％）の６種類を使用した。
【００２３】
各摺動部材を使用して得られた、ボールの回転数と摩擦係数μとの関係を、図２に示す。図２に示すように、Ｃｒの含有量が多いほど、摩擦係数μの低下が速く、低下後の摩擦係数μも低い傾向があることが確認された。特に、Ｃｒを１４％以上含む摺動部材では、２０００〜３０００回で、摩擦係数μが約０．０５〜０．０６まで低下し、３０００回以上で、その低下した摩擦係数μで安定することが確認された。
【００２４】
［反応膜の元素分析］
ボールオンディスク試験後に摺動面に形成された反応膜の構造を把握するため、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の中で反応膜断面の元素分析を行った。元素分析には、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）および電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）を用いた。分析は、摺動部材を、Ｃｒ量が０〜１％のもの、１〜１３％のもの、１３〜２０％のもの、２０％以上のものの４つに分類して行った。
【００２５】
各摺動部材の反応膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真および元素分析結果を、図３に示す。なお、図３には、図２に示す摺動部材のうち、Ｃｒ量が０〜１％のものを代表して、Ｃｒを含まない材料（Fe-0％Cr；マルエージング鋼）の結果を、Ｃｒ量が１〜１３％のものを代表して、Ｃｒを１．５％含むもの（Fe-1.5％Cr；SUJ2）の結果を、Ｃｒ量が１３〜２０％のものを代表して、Ｃｒを１７％含むもの（Fe-17％Cr；SUS440C）の結果を、Ｃｒ量が２０％以上のものを代表して、鋼材の表面にＣｒメッキを施したもの（Cr plating；表面のＣｒの含有量は９９％）の結果を示す。
【００２６】
図３に示すように、反応膜（Reaction film）の厚さは、Ｃｒ量が０〜１％のもので２００ｎｍ以上、Ｃｒ量が１〜１３％のもので５０〜１００ｎｍ、Ｃｒ量が１３〜２０％のもので３０〜５０ｎｍ、Ｃｒ量が２０％以上のもので１０〜２０ｎｍであり、Ｃｒの含有量が多いほど薄くなることが確認された。また、反応膜は、Ｃｒ量が１％以上のもので、摺動部材側に鉄やモリブデンの酸化層（Fe, Mo oxide）を有し、表面側に二硫化モリブデン層（ＭｏＳ２）を有していることが確認された。また、二硫化モリブデン層は、Ｃｒの含有量が多いほど薄くなり、配向がより明確になることが確認された。なお、Ｃｒ量が０〜１％のものでは、反応膜は、酸化鉄の結晶（Fe oxide）から成っており、二硫化モリブデン層は形成されていないことが確認された。
【００２７】
各摺動部材の、図２に示すボールオンディスク試験後の摩耗痕について、光電子分光分析（ＸＰＳ）により得られたＭｏのスペクトルを、図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示すように、Ｍｏのスペクトルは、二硫化モリブデンを示すＭｏ（IV）の２つのピークと、酸化モリブデンを示すＭｏ（VI）の２つのピークとが存在することが確認された。このピーク強度から全Ｍｏ量に占めるＭｏ（IV）の比率を求め、摩擦係数（Friction coefficient）との相関をプロットしたものを、図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示すように、横軸であるＭｏ（IV）／Ｍｏが大きい、つまりＭｏ（IV）の生成比率が多いほど、摩擦係数が低減することが確認された。特に、摩擦係数μが０．０６以下を示す領域では、Ｍｏ（IV）の比率が５５％以上であり、ＭｏＳ２がより多く生成することが低摩擦に寄与することが確認された。
【００２８】
Fe-17％Cr（SUS440C）の摺動部材について、摺動部材と反応膜との境界付近を詳しく分析した結果を、図５に示す。図５（ａ）に示すように、摺動部材と酸化層との間に、３〜５ｎｍの層が認められた。この境界層をＥＤＸで分析すると、図５（ｂ）に示すように、ＣｒとＯとを比較的多く含むことが確認された。また、図５（ｃ）に示すように、摺動部材、境界層および酸化層をＥＥＬＳで分析すると、摺動部材および境界層で、スペクトル中にＣｒ−Ｌ２およびＣｒ−Ｌ３の二つのピークが認められた。この２つのピークから、摺動部材および境界層は、それぞれＣｒを含む金属（Cr metal）およびＣｒ２Ｏ３であることが確認された。また、酸化層では、スペクトル中にピークは認められず、酸化層はアモルファス（Amorphous）であることが確認された。
【００２９】
以上のボールオンディスク試験や元素分析の結果から、以下のことが確認された。すなわち、本発明の実施の形態の摺動システムは、添加剤としてＭｏＤＴＣを含み、基油が鉱物油を含まない全合成油から成る潤滑油中で摺動することにより、低摩擦のＭｏＳ２層を含む安定した反応膜を形成することができ、添加剤の摩擦調整剤の摩擦低減効果を高めることができる。また、ＭｏＳ２の生成量が多く、ＭｏＳ２層が配向しやすいため、摩擦低下が早く進むとともに、摩擦係数をより小さくすることができる。また、第１の摺動部材の表面に形成されたＣｒ酸化物の不動態膜により、第１の摺動部材中のＦｅの酸化を防ぐことができる。
【図１】
2018135943.tif 000003
【図２】
2018135943.tif 000004
【図３】
2018135943.tif 000005
【図４】
2018135943.tif 000006
【図５】
2018135943.tif 000007