(57)【要約】【課題】回転体状物品とディスク面との間（いわゆるボールオンディスクモデル）の摩擦抵抗を、効果的に低減する技術を提供し、特にエンジンのカムバルブリフタ等の摺動機構の動作特性の向上を図ること。【解決手段】非平衡型マグネトロンスパッタリング法により製造され、水素含有量２０〜２５ａｔ％である硬質炭素からなる摺動材料を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非平衡型マグネトロンスパッタリング法により製造され、水素含有量２０〜２５ａｔ％である硬質炭素からなる摺動材料。
【請求項２】
基材に請求項１記載の摺動材料からなる被膜を被覆形成してある摺動部材。
【請求項３】
前記基材が鉄を主材とする鉄系基材である請求項２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記基材が回転体状物品と接触する接触面を備えてなる請求項２または３に記載の摺動部材。
【請求項５】
請求項４に記載の摺動部材と前記回転体状物品とを備えてなる摺動機構。
【請求項６】
前記回転体状物品がカムであり、前記接触面がバルブリフタの押圧面であるエンジンオイル浸漬環境で用いられる請求項５に記載の摺動機構。
【請求項７】
外周にカム面が形成され、カム軸の回転に伴ってカム軸周りに回転するカムと、前記カムのカム面に押圧状態で接触される接触面が形成されたバルブリフタとを備え、前記カム軸の回転に伴って前記バルブリフタが所定の往復方向に往復移動する動弁系摺動機構の前記接触面に形成する硬質炭素被膜の製造方法の選択方法であって、
異なった製造方法で製造された複数の前記硬質炭素被膜のおのおのについて、前記動弁系摺動機構の動作環境である、エンジンオイル浸漬状態及び平均動作温度環境下での、前記押圧状態での硬質炭素被膜と前記カム面との間の摩擦係数を測定するとともに、所定期間の摺動動作後における前記バルブリフタの母材と前記硬質炭素被膜との間の密着状態及び前記カム面の表面状態を評価し、
測定された前記摩擦係数が低く、前記バルブリフタの母材と前記硬質炭素被膜との間の密着状態が保たれ、さらに前記カム面に傷が認められない製造方法を、前記硬質炭素被膜の製造方法として選択する製造方法の選択方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材の摺動性を改善する摺動材料、その摺動材料を被覆してなる摺動部材、およびエンジンのカムバルブリフタ等の摺動機構に関する。また、その摺動材料を得るための製造方法を選択する技術にも関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車エンジン等に用いられる動弁系摺動機構の摺動部材は、自動車エンジンの高性能化や燃費向上のために、摩擦抵抗を低減させることが望まれている。そこで、これら摺動部材に、摺動材料からなる種々の被膜を形成し、少ないエネルギーでその摺動部材を駆動できるようにするための動作特性の向上が検討されている。中でも、前記摺動材料として、硬質炭素皮膜としてのダイヤモンドライクカーボン（以下ＤＬＣと略称する）被膜を用いることが検討されている。（例えば特許文献１）
【０００３】
ＤＬＣ被膜は、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、スパッタリング法もしくはこれらの方法の種々改良法等により作製することができ、製造方法に由来して、種々の膜厚、硬度、摩擦係数のものが得られる。ＤＬＣ被膜の摩擦係数には、ＤＬＣに含まれる水素含有量やＤＬＣの硬さが大きく影響しており、製造方法によっては、製造条件を適宜設定することによって、生成するＤＬＣ被膜におけるこれら物性を所望の値に制御できる場合もある。
【０００４】
従来、低摩擦係数のＤＬＣ被膜を得るためには、硬度の高いＤＬＣを合成する必要があると考えられがちで、硬度の高いＤＬＣ被膜を得るには、水素含有量を少なくして、ＤＬＣ中に含まれるダイヤモンド構造を増やす必要があると考えられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５５５８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、発明者らの検討によると、例えば、上記自動車エンジンの動弁系摺動機構を対象とした場合、ＤＬＣ被膜の硬度を高くすべく、水素含有量の少ないＤＬＣを採用したとしても、当該機構にとって良好な動作状態が得られないことが判明した。即ち、ＤＬＣ被膜の硬度を高くした場合、必ずしも摩擦抵抗が低下するわけではなく、さらに、ＤＬＣ被膜が剥がれ、或いは相手側の面であるカム面を傷つける場合があることが判明した。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、例えば、動弁系摺動機構を構成する一方に部材の表面にＤＬＣ被膜を形成する場合に、摺動面間の摩擦抵抗をできるだけ低減できるとともに、ＤＬＣ被膜が剥がれにくい摺動機構を得ることにあり、さらにその摺動機構を構成するための摺動部材、及び、摺動材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、本発明者らは、回転するディスク面に荷重を付与したボールを押し付け、そのディスク面を、ディスク面に直行する軸心周りに回転させることにより、摩擦抵抗を求めて、特にエンジンのカムバルブリフタ等の摺動機構の動作環境を模擬した試験モデルを作成し、その試験モデルにおけるＤＬＣ被膜の摩擦抵抗と耐久性とを検討した。そして、種々のＤＬＣ被膜製造方法について、鋭意研究したところ、下記新知見を得た。
【０００９】
即ち、水素含有量、硬さの異なるＤＬＣ被膜を得るには、非平衡型マグネトロンスパッタリング（以下ＵＢＭＳと略称する）法が好適に用いられる。そこで、このＵＢＭＳ法により、ＤＬＣ製膜時の雰囲気組成を変更することにより、水素含有量が種々異なるＤＬＣ被膜を作成したところ、特定の条件下で、回転体状物品とディスク面との間の低い摩擦係数をもちながら、きわめて高い耐久性を備えたＤＬＣ被膜が得られることを見出したのである。
【００１０】
本発明は、上記新知見に基づきなされたものであって、以下の特徴構成を備える。
【００１１】
〔構成〕
本発明の摺動材料の特徴構成は、非平衡型マグネトロンスパッタリング法により製造され、水素含有量２０〜２５ａｔ％である硬質炭素からなる点にある。
【００１２】
〔作用効果〕
つまり、上記構成によれば、後述の実験より、比較的高い硬度で、摩擦係数が低く、耐久性に優れた摺動材料が得られる。この摺動部材は、水素含有量が高く、従来硬度の高いＤＬＣ被膜が好ましいとされていたのに対して、あまり硬度が高くないものの、高い耐熱性と、摺動部材の基材に対する高い密着性とを兼ね備えた優れたＤＬＣ被膜となっていることがわかった。尚、水素含有量が２０％より低いと、基材に対する密着性が充分でないために好ましくない。また、水素含有量が２５％を超えると、ダイヤモンド構造をとる炭素の割合が少なくなり、被膜自体の耐久性が低下するため好ましくない。
【００１３】
〔構成〕
また、本発明の摺動部材の特徴構成は、基材に請求項１記載の摺動材料からなる被膜を被覆形成してある点にある。また、前記基材が鉄を主材とする鉄系基材であることが好ましく、さらに、前記基材が回転体状物品と接触する接触面を備えてなることが好ましい。
【００１４】
〔作用効果〕
つまり、上述の摺動材料が、高い密着性で被覆された摺動部材は、前記摺動材料による低い摩擦係数を備え、密着性が高いことから、種々の用途において摺動部材の耐久性の向上に寄与するものと期待される。
【００１５】
また、基材が鉄系材料であると、特に、前記摺動材料の密着性が高く、具体的には、回転体状物品と接触する接触面において摩擦係数の低減効果が高い。
【００１６】
〔構成〕
また、本発明の摺動機構の特徴構成は、前記摺動部材と前記回転体状物品とを備えてなる点にあり、さらに具体的には、前記回転体状物品がカムであり、前記接触面がバルブリフタの押圧面であるエンジンオイル浸漬環境で用いられることが好ましい。
【００１７】
〔作用効果〕
つまり、前記摺動部材を備えた摺動機構は、摺動部材の摩擦係数が低く耐久性が高い上に、摩擦係数が低いことから前記摺動部材の摺動駆動に要するエネルギーが少なくて済み、特にエンジン回りで用いられるバルブリフタの押圧面等に前記摺動材料の被膜を形成したものであると、そのエンジンの燃費向上に寄与すると考えられ、燃料費削減、地球温暖化ガスの排出抑制等にも寄与する。
【００１８】
〔構成〕
また、本発明は、外周にカム面が形成され、カム軸の回転に伴ってカム軸周りに回転するカムと、前記カムのカム面に押圧状態で接触される接触面が形成されたバルブリフタとを備え、前記カム軸の回転に伴って前記バルブリフタが所定の往復方向に往復移動する動弁系摺動機構の前記接触面に形成する硬質炭素被膜の製造方法の選択方法であって、
異なった製造方法で製造された複数の前記硬質炭素被膜のおのおのについて、前記動弁系摺動機構の動作環境である、エンジンオイル浸漬状態及び平均動作温度環境下での、前記押圧状態での硬質炭素被膜と前記カム面との間の摩擦係数を測定するとともに、所定期間の摺動動作後における前記バルブリフタの母材と前記硬質炭素被膜との間の密着状態及び前記カム面の表面状態を評価し、
測定された前記摩擦係数が低く、前記バルブリフタの母材と前記硬質炭素被膜との間の密着状態が保たれ、さらに前記カム面に傷が認められない製造方法を、前記硬質炭素被膜の製造方法として選択する製造方法の選択方法にも関する。
【００１９】
〔作用効果〕
つまり、外周にカム面が形成され、カム軸の回転に伴ってカム軸周りに回転するカムと、前記カムのカム面に押圧状態で接触される接触面が形成されたバルブリフタとを備え、前記カム軸の回転に伴って前記バルブリフタが所定の往復方向に往復移動する動弁系摺動機構の前記接触面は、カムとの接触により磨耗しやすい部分であり、この接触面に硬質炭素被膜を形成すると、前記カムと接触面との摩擦抵抗を減少させ、前述のエンジンの燃費向上に寄与するものと考えられる。その硬質炭素被膜の製造方法を選択するに当たって、製造方法毎に個別に前記動弁系摺動機構の動作環境である、エンジンオイル浸漬状態及び平均動作温度環境下での、前記押圧状態での硬質炭素被膜と前記カム面との間の摩擦係数を測定するとともに、所定期間の摺動動作後における前記バルブリフタの母材と前記硬質炭素被膜との間の密着状態及び前記カム面の表面状態を評価して、摩擦係数、密着状態の好ましい製造方法を選定すれば、前記動弁系摺動機構における摺動部材に対する好適な摺動材料を製造することができる。評価の基準としては、測定された前記摩擦係数が低く、前記バルブリフタの母材と前記硬質炭素被膜との間の密着状態が保たれ、さらに前記カム面に傷が認められないことを条件として考えれば、実用上問題となる条件を充足する製造方法を選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の摺動機構としてのバルブリフタの概略図である。
【図２】ボールオンディスク型の摩擦係数の測定方法を示す図である。
【図３】本発明の摺動部材の耐久性を示す顕微鏡写真である。
【図４】摺動部材がない場合の基材の耐久性を示す顕微鏡写真である。
【図５】摩擦係数の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明の摺動材料及び摺動部材及び摺動機構実施の形態を示す。以下には、発明を明瞭に説明するために、具体的な数値、材料等を挙げて説明を行うが、本発明はこれらの構成に限られるものではない。
【００２２】
本発明の摺動材料としてのＤＬＣ被膜１３は、図１に示すように、外周にカム面が形成され、カム軸の回転に伴ってカム軸周りに回転するカム１２と、前記カム１２のカム面に押圧状態で接触される接触面１１ａが形成されたバルブリフタ１１（摺動部材の一例）とを備え、前記カム軸の回転に伴って前記バルブリフタ１１が所定の往復方向（図示する例では上下方向）に往復移動する内燃機関Ｅの動弁系摺動機構１０において、前記カム１２に対する接頭面１１ａに、ＵＢＭＳ法により下記条件にて、高分解能ERDAによって測定した水素含有量２０〜２５ａｔ％になるように形成される。
【００２３】
製膜装置    ：神戸製鋼所製ＵＢＭＳ製膜装置
被膜温度：220℃（成膜中の最高温度）
ガス圧：0.4-0.5Pa
【００２４】
このようにして得られたＤＬＣ被膜を分析すると、ビッカース硬さＨｖが２５００ｋｇ／ｍｍ2、膜厚３．２μｍであった。
【００２５】
このＤＬＣ被膜を炭素工具鋼ＳＫＳ９３の基材に形成した試料片１を作成し、図２に示す試験モデルにて下記試験条件で摩擦係数を測定した。つまり、前記動弁系摺動機構の動作環境である、エンジンオイル浸漬状態及び平均動作温度環境下での、前記押圧状態での硬質炭素被膜と前記カム面との間の摩擦係数を測定するとともに、所定期間の摺動動作後における前記バルブリフタの母材と前記硬質炭素被膜との間の密着状態及び前記カム面の表面状態を評価した。図中Ｄは資料片のディスクの厚さ、Ｒはディスクの直径、Ｆはボールにかける荷重、ｒはボールの半径である。その結果、摩擦係数が０．０３５であり、被膜の密着性は充分高かった。
【００２６】
荷重Ｆ：３００ｇ
回転速度Ｖ：１．２ｍ／秒
環境温度：８０℃：エンジンオイル（新日本石油社製エコウィル）中に浸漬
ディスク寸法：径Ｒ：４０ｍｍ、厚さＤ：５ｍｍ
材質：炭素工具鋼ＳＫＳ９３
物性：硬度Ｈｖ：６３０、表面粗度Ｒａ：０．１以下
ボール寸法：径ｒ：9.525ｍｍ（3/8）、
材質：ＳＵＪ２
測定法：ボールオンディスク型摩擦係数評価試験（（周方向）回転する相手材に対し、ボールを垂直な状態で一定の荷重を負荷する際に発生する応力を計測し、摩擦係数に換算する）にて、連続６００秒間測定し、３００秒から５４０秒までの摩擦係数の平均値を求めた。
【００２７】
得られた試料片について、摩擦係数測定条件での荷重Ｆを４ｋｇとし、３０分間試験を行ったのちの試料片表面をＳＥＭにて観察したところ図３のようになった。また、基材にＤＬＣ被膜を設けることなく試験を行ったところ、図４のようになった。
【００２８】
図３中央部に破線で囲って示した部分が、上記試験においてディスクがボールと接触していた部分である。図３においてボールとディスクとの接触が明らかに判別できる程度に傷ついていることがわかった。つまり、被膜のある場合、基材表面の耐摩擦耐久性は大きく向上していることがわかる。
【００２９】
次に、同様のＵＢＭＳ法により水素含有量１０ａｔ％のＤＬＣ被膜を作成した試料片２を同様に試験したところ、
硬さＨv：3000
膜厚：3.2μm
耐熱性：400℃
で、
摩擦係数が、0.028
であって、摺動特性は好ましかったが、試験後キズ、はがれ等が認められ、被膜の密着性が、充分ではなかった。
【００３０】
さらに、ＡＩＰ（アークイオンプレーティング）法、ＣＶＤ法により各種水素含有量のＤＬＣ被膜を作成した試料片３〜６を同様に試験したところ、表１のようになった。また、摩擦係数の測定経過は、図５のようになった。尚、Ｐ−ＣＶＤ法とは、プラズマＣＶＤ法として知られている蒸着方法（例えば特開平５−１１７８６６参照）であり、Ｆ−ＡＩＰ法とは、フィルタードＡＩＰ法として知られている蒸着方法（例えば HYPERLINK "" 特開２０００−２７１６９９、Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｄｕｃｔ  ｂｉａｓ  ｏｎ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｏｆ  ｖａｃｕｕｍａｒｃ  ｐｌａｓｍａｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｃｕｒｖｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｌｔｅｒｓ：Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ７５（１０）  １９９４  Ｐ４９００参照）である。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
その結果、好ましい物性と、製造方法、ＤＬＣ被膜の水素含有量、硬度等には相関性が見られず、個別の対応で、ＤＬＣ被膜の物性をコントロールする必要があることがわかり、ＵＢＭＳ法により水素含有量を調整すると、中程度の硬度の膜であるにもかかわらず低い摩擦係数を実現できるとともに、耐久性、耐熱性に優れたものとすることができることがわかった。この意味で、前記ＵＢＭＳによるＤＬＣ被膜は、測定された前記摩擦係数が低く、スクラッチ試験によりＤＬＣ被膜と基材との密着性を評価したところ、前記バルブリフタの母材と前記ＤＬＣ被膜との間に高い密着状態が保たれ、さらに前記カム面に傷が認められず、好適な製造方法であることが見出された。また、鉄基材に対して密着性が高いので、エンジン部品のカムバルブリフタなど、エンジンオイル浸漬環境で用いられる鉄基材の摺動部材を用いた摺動機構での低摩擦実現に有用であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の摺動材料は、例えばカムバルブリフタ等に用いられる被膜として、低摩擦を実現でき、エンジンの動作特性の改善、省エネルギー化に寄与することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１３  摺動材料（ＤＬＣ被膜）
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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