(57)【要約】【課題】非晶質硬質炭素膜を被覆した第１部材５と鉄系第２部材６との組み合わせの耐摩耗性及び耐焼付性を向上する。【解決手段】非晶質硬質炭素膜１は面粗度がＲｚ１ミクロン以下の第１部材５の摺動面に形成されており、かつ鉄系部材６の摺動面の面粗度がＲｚ１ミクロン以下である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質硬質炭素膜を被覆した第１部材と鉄系第２部材との組み合わせにおいて、前記非晶質硬質炭素膜は面粗度がＲｚ１ミクロン以下の第１部材の摺動面に形成されており、かつ前記鉄系第２部材の摺動面の面粗度がＲｚ１ミクロン以下であることを特徴とする非晶質硬質炭素膜被覆した部材と鉄系部材との組み合わせ。
【請求項２】
前記非晶質硬質炭素膜の水素含有量が５ａｔ％以下（ゼロを含む）でありかつ金属元素含有量が１ａｔ％以下（ゼロを含む）であることを特徴とする請求項１記載の非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材の組み合わせ。
【請求項３】
前記鉄系第２部材が鋳鉄、チル鋳鉄、あるいは浸炭鋼であることを特徴とする請求項１記載の非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材の組み合わせ。
【請求項４】
前記非晶質硬質炭素膜被覆第１部材がピストンリングであり、かつ前記鉄系第２部材がシリンダーライナーであることを特徴とする請求項１から３記載までの何れか１項記載の非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材との組み合わせ。
【請求項５】
前記非晶質硬質炭素膜被覆第１部材がバルブリフターであり、かつ前記鉄系第２部材がカムシャフトであることを特徴とする請求項１から３記載までの何れか１項記載の非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材との組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は鋳鉄などの鉄系材料を相手材とした場合の耐摩耗性、耐焼き付き性にすぐれた非晶質硬質炭素皮膜と、それを用いた摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、摺動部材においては耐摩耗性、耐スカッフ（焼き付き）、摩擦損失の低減が要求される。摺動部材は、特殊な場合を除いて、一般にオイルにより潤滑され、摺動部材の面粗さや供給されるオイル量によって摺動箇所の潤滑条件が決まる。
一般にオイルが潤沢に供給される条件下では流体潤滑が支配的となり、ほとんど摺動部材同士の表面は接触することはない。しかしながら、オイル供給量が減少し、接触部の温度が上昇し、あるいは摺動部に高い面圧がかかるような摺動部では油膜厚さが薄くなる場合がある。このような状況下で摺動部材の表面粗さと油膜厚さとの相対的な関係において、油膜厚さの方が小さくなるような場合には摺動部材の表面同士が接触する。このように部分的に固体接触が起こるために摺動部材は摩耗することになる。こうした摩耗を防ぐために摺動面への表面処理、硬化処理や、摺動面形状や粗さの最適化などが必要となる。
【０００３】
たとえば自動車用エンジンの鋳鉄ライナー材を相手材とするピストンリングにはＣｒめっきや窒化などの表面処理が行われ、あるいはディーゼルエンジンなど非常に摺動条件の厳しい場合にはイオンプレーティングによるＣｒＮ被覆などの表面処理が行われている。通常、ピストンリングの摺動面の粗さはＲｚ０．４ミクロン程度であり、相手材である鋳鉄ライナー表面の粗さはＲｚ２−３ミクロン程度である。
【０００４】
通常、鋳鉄ライナー表面にはホーニング加工によりクロスハッチ模様のオイルポケットが形成され、保油性を高める工夫がなされている。ホーニング加工された表面の性状はオイル消費や耐摩耗性に影響する。即ち、通常砥石１回で仕上げると面粗度は山型形状になり、さらに加工すると面粗度の山型先端部が削り取られ、窪みだけが残ったプラトーと呼ばれている台形形状となる。面粗度の良い山型形状の低Ｒａ（０．１２ミクロン程度）鋳鉄ライナーはオイル消費は少なくなるが、耐スカッフ性はやや悪化する傾向がみられる。一方プラトー形状の低Ｒａ（０．１４ミクロン程度）鋳鉄ライナーは表面の保油性が良くかつ耐スカッフ性にも優れる（例えば、非特許文献１参照）。
また、内周面にリン酸塩処理により形成された結晶層を機械的に除去し、一定の粗さとするシリンダライナが開示されている（例えば、特許文献９参照。）。
【０００５】
内燃機関やコンプレッサ等に使用されるアルミニウム合金製シリンダと外周面にダイヤモンドライクカーボンからなる硬質皮膜を形成したピストンリングとの組み合わせが開示されている（例えば特許文献１参照。）。シリンダ材に使用されるアルミニウム合金としてはＪＩＳ    ＡＤＣ１２などのＳｉ７−１２ｗｔ％、Ｃｕ１−５ｗｔ％、不可避不純物６ｗｔ％以下、残部Ａｌからなる亜共晶アルミニウム合金や、Ａ３９０などのＳｉ１２−２０ｗｔ％、Ｃｕ３−５ｗｔ％、不可避不純物６ｗｔ％以下、残部Ａｌからなる過共晶アルミニウム合金などがあり、Ａ３９０の場合にはシリンダ内周面にはホーニング仕上げを施す必要がある。
ダイヤモンドライクカーボンからなる硬質皮膜はＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の炭化物が分散し、これら元素の含有比率は５〜４０ａｔ％であり、皮膜硬度はＨＶ７００−２０００の範囲にあるのが、耐焼き付き性、耐摩耗性の点で好ましいとされている。
【０００６】
また動弁系摺動部材であるシムやバルブリフター表面の面粗度はＲｍａｘ０．２ミクロン程度でほぼ鏡面状態であり、相手材であるカムシャフトのノーズ部の面粗度は通常Ｒｍａｘ３ミクロン程度となっている。
【０００７】
非晶質硬質炭素膜は結晶構造を持たず、ＨＶ２０００程度の高硬度を有し、耐摩耗性に優れ、摩擦係数も０．２程度と小さいので、摺動部材の表面処理として優れた特徴を有している。従来非晶質硬質炭素膜に水素や金属元素を含有させることにより、さらに高硬度でかつ低摩擦の皮膜を形成することが行われている。またＳＵＪ−２材を相手材とした無潤滑条件下での摩擦係数は皮膜中の炭素含有量による影響がみられるので、炭素含有量を７０−９０％とし、０．０５以下の低摩擦係数を達成することが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
また、水素化非晶質硬質炭素膜あるいは金属含有の水素化非晶質硬質炭素膜を適用したバルブリフターが開示されている（例えば、特許文献３参照）。尚、ここで述べた水素化非晶質硬質炭素は炭化水素ガスおよび金属含有有機材料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により生成されたものである。
【０００９】
金属元素を含有するダイヤモンドライクカーボン皮膜を適用したピストンリングもあり、タングステン炭化物やシリコン炭化物を所定量含有させることにより耐摩耗性、耐スカッフ性を向上させている（例えば、特許文献１、４、５、６参照）。尚、ここで云うダイヤモンドライクカーボンは炭化水素ガスを使用した反応性イオンプレーティング法あるいは反応性スパッタリング法により生成されたものである。
【００１０】
また、合成ダイヤモンドもしくはダイヤモンドライクカーボン材料をピストン、ピストンリングにコーティングし、さらにその上にクロムなど金属薄層をオーバーコートしたものもある（例えば、特許文献７参照）。尚、ここで云う合成ダイヤモンドもしくはダイヤモンドライク材料とは炭化水素ガスから生成されたものである。
【００１１】
さらに、表面の水素含有量が１０ａｔ％以下の非晶質硬質炭素膜であって、表面粗さがＲａ０．１μｍ以下の炭素膜を被覆した摺動部材はエンジン油中で低摩擦特性を示すことが開示されている（例えば、特許文献８参照）。
また、イオンプレーティング法によるＴｉＮ皮膜やＣｒＮ皮膜、ＣＨ４など炭化水素ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により成膜されたＤＬＣ膜、ＣＶＤ法により成膜されたダイヤモンド皮膜などのエンジン油（７．５Ｗ−３０）中でのフリクションン挙動が開示されている（例えば、非特許文献２）。
【００１２】
【特許文献１】
特開平２００１−２８０４９７号公報
【００１３】
【特許文献２】
特許０２９７１９２８号公報（第４図）
【００１４】
【特許文献３】
米国特許５，２４９，５５４号（第１図）
【００１５】
【特許文献４】
特開平１１−１６６６２５号公報（第１図）
【００１６】
【特許文献５】
特開平１１−１７２４１３号公報（第１図）
【００１７】
【特許文献６】
特開２０００−１２０８７０号公報（第１図）
【００１８】
【特許文献７】
米国特許４，９７４，４９８号（第１図、第２図）
【００１９】
【特許文献８】
特開２０００−２９７３７３号公報
【００２０】
【特許文献９】
特開平１１−１５３０５９号公報
【００２１】
【非特許文献１】
山縣  裕著「現代の錬金術」山海堂、１９９８年６月２０日、ｐ．７６−７７
【００２２】
【非特許文献２】
保田、加納、馬渕、坂根、三宅、斉藤「エンシ゛ン油中における硬質炭素膜の摩擦特性（第１報）」
トライボロジー会議予稿集、Ａ５、ｐ９−１０、１９９９年５月
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
これまで、非晶質硬質炭素膜の自動車部品への適用に関しては皮膜自体の低摩擦性に着目したものがほとんどであり、耐摩耗性や耐焼き付き性に着目したものはあまりみられない。本発明者らは非晶質硬質炭素膜の耐摩耗性及び耐焼き付き性について次のように考察した。
【００２４】
従来の非晶質硬質炭素膜を施した部材と相手材である鉄系部材との組み合わせにおいては、非晶質硬質炭素膜の低摩擦性に着目して、固体接触時の摩擦力を低減することを狙いとしていた。これに対して、バルブリフターとカムシャフトなどのエンジン部品ではオイル潤滑を前提としたものであり、オイルによる流体潤滑領域においては摺動面に存在する油膜の粘性によるせん断抵抗が摩擦損失の大半を占めるために、摺動部材の表面処理による影響はほとんど受けない場合が多く、むしろ摺動部の形状、面粗度による影響の方が大きい場合が多いことに本発明者らは着目した。
【００２５】
次に、内燃機関のピストン系の機械損失（摩擦損失）はピストン本体の機械損失とピストンリングによる機械損失からなる。ピストンリングの潤滑状態は上死点付近では境界潤滑的挙動を示し、負荷（ガス圧）による影響が大きい。一方中間工程から下死点にかけては流体潤滑的挙動を示し、摩擦力は負荷による影響は比較的小さく、回転数による影響が大となる。すなわち、行程全体でみた場合にはエンジンオイルによる流体潤滑が支配的で、これにより摩擦損失が決まっている。即ち、上下死点付近で摩擦力のピークが出現するが、この時のピストンスピードは非常に遅いため、摩擦損失としては小さく、むしろ、ピストンスピードの速い中間行程におけるオイル粘性による摩擦損失の方が支配的であり全体に占める割合も大きい。
したがって、ピストンリングによる摩擦損失を低減するためには、リング自体の張力低減、オイルの低粘度化が有効である。しかしながら、オイルを低粘度化する場合には油膜厚さが薄くなるため、非晶質硬質炭素膜の摩耗の増加やスカッフし易くなるなどの問題が発生する。
【００２６】
ところで、自動車用エンジンオイルは現在では５Ｗ−３０（低温側−２５℃で３５００ｃＰ、高温側１００℃で９．３〜１２．５ｃＰ）が標準的であるが、最近では低燃費エンジンに５Ｗ−２０（低温側−２５℃で３５００ｃＰ、高温側１００℃で５．６〜９．３ｃＰ）が採用されてきている。
【００２７】
炭化水素を原料としたプロセスにより生成された非晶質硬質炭素膜は３０−５０％程度の水素を含有する。このため表面が水素原子で終端された状況となり、無潤滑下での摩擦に対しては低摩擦係数を示し、優れた摩擦特性を示すが、エンジンオイル使用時には濡れ性やオイル中の添加剤成分が表面にうまく吸着しないなどの問題がある。
非晶質硬質炭素膜が金属を含有すると金属炭化物が形成されるため硬度が増して、耐摩耗性、耐スカッフ性が向上するが、一方で局所的に高面圧が加えられた場合には、皮膜に欠けなどを発生し、この欠けが起点となって皮膜の破壊が進展するなどの問題がある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決すべくなされたものであり、実施例に対応する図１で説明すると、非晶質硬質炭素膜を被覆した第１部材と鉄系第２部材との組み合わせにおいて、前記非晶質硬質炭素膜は面粗度がＲｚ１ミクロン以下の第１部材の摺動面に形成されており、かつ前記鉄系第２部材の摺動面の面粗度がＲｚ１ミクロン以下であることを特徴とする。さらに、（１）前記非晶質硬質炭素膜の水素含有量が５ａｔ％以下（ゼロを含む）でありかつ金属元素含有量が１ａｔ％以下（ゼロを含む）であり、（２）鉄系第２部材がＦＣ２３０材もしくはＦＣ２５０材またはこれらのチル材であり、（３）非晶質硬質炭素膜被覆第１部材がピストンリングであり、かつ前記鉄系第２部材がシリンダーライナーであり、（４）非晶質硬質炭素膜被覆第１部材がバルブリフターであり、かつ前記鉄系第２部材がカムシャフトであることを特徴とする。
【００２９】
本発明は、非晶質硬質炭素膜を被覆した第１部材と鉄系第２部材との組み合わせにおいて、両方の部材の摺動面粗さを特定することにより、摩耗と焼き付きを防止するものである。すなわち、本発明によるＲｚ１ミクロン以下の平滑面上に非晶質硬質炭素皮膜を形成した第１の摺動部材と、同様にＲｚ１ミクロン以下に仕上げた相手材との組み合わせの摺動面に存在する低粘度エンジンオイルは、油膜厚さが薄いので、オイルの粘性による損失が少なく、摩擦損失が大幅に減少する。また、高面圧の場合において、摺動面が固体接触しても摺動部材表面に形成された非晶質硬質炭素膜の高硬度と低摩擦性によりスカッフ発生を抑制することができる。
摺動面の互いの面粗度はさらに好ましくはＲｚ０．５ミクロン以下が良く、面粗度が良いほど油膜厚さを薄くすることができ、オイル供給量を減らすことができる。この対策の特長について従来技術と対比して説明する。
【００３０】
これに対して、ホーニング加工を程したシリンダーライナー（鉄系第２部材に相当する）はオイルポケットによる保油性をもっているが、本発明はこのような手段を採用せずに、摩耗と焼き付きを防止する。
特許文献８では、上述のように、表面の水素含有量が１０ａｔ％以下の硬質炭素膜で表面粗さがＲａ０．１μｍ以下である場合に、エンジン油中で低摩擦となる摺動部材が開示されているが、規定している表面粗さは硬質炭素膜を形成した表面の粗さのみであって、相手材の面粗度には言及していない。
【００３１】
特許文献９では、内周面にリン酸塩処理により形成された結晶層を機械的に除去し、一定の粗さとするシリンダライナが開示されている。これによればリン酸塩皮膜は、化成層により形成され、表面にはリン酸塩の結晶層が形成され、その下部には局所的に母材の溶出が生じてエッチングポケットが形成される。このエッチングポケットは保油性に富むため、耐焼き付き性を高める効果がある。
これに対して本発明はリン酸塩処理による保油性に富むエッチングポケットを利用することなく、
非晶質硬質炭素膜を被覆した部材と鉄系部材との組み合わせにおいて、非晶質硬質炭素皮膜の持つ特性により耐摩耗性、耐焼き付き性に優れた摺動部材を提供する。
【００３２】
非特許文献２ではカムフォロワ単体試験において、試験終了時のカムとフォロワの合成表面粗さとフリクショントルクとの間には良い相関があることが示されている。これは互いの部品の面粗度を向上させることによりフリクションを低減できることを示しているが、耐摩耗性や耐焼き付き性については言及されていない。また、非晶質硬質炭素膜は水素化膜である。
【００３３】
【作用】
非晶質硬質炭素膜は無潤滑条件下で低摩擦係数を示すことは良く知られており、潤滑条件の厳しい場合において皮膜の持つ潤滑性を利用した摺動部材もディーゼル燃料噴射ポンプ部品などで数多く実用化されている。
【００３４】
一方、通常の内燃機関部品ではエンジンオイル潤滑下において、摺動初期において互いの摺動面の粗さにより摩擦力が一時的に増大するが、ある程度なじむと面粗度は向上し、摩擦力は減少し、形成される油膜の粘性抵抗により摩擦力は決まる。したがって、内燃機関の摩擦損失を低減するためには、エンジンオイルの粘度を低粘度化すると大きな効果が得られる。しかしながら、エンジンオイルを低粘度化すると油膜厚さが薄くなり、面粗度が粗い場合には固体接触する割合が増大し、摺動面へのダメージが大きくなり、摩耗速度が増大する。
そこで薄い油膜条件下で使用される摺動部材の摺動面の面粗度を向上させる必要性がある。例えば通常の鋳鉄製シリンダーライナーの場合は面粗度は通常Ｒｚ２−３ミクロンであるが、Ｒｚ１ミクロン以下とすることが必要である。しかしながら、面粗度を向上させると真実接触面積が増大するため、接触部での凝着が起こりやすくなるため、従来の表面処理であるＣｒめっきや窒化などではすぐにスカッフ（焼き付き）を発生してしまう。
【００３５】
さらに、非晶質硬質炭素膜の水素含有量は５ａｔ％以下で、金属元素含有量が１ａｔ％以下であることが好ましい。これらの元素の含有量はゼロ、すなわち検出限界未満であってよい。さらに、鉄系部材は、シリンダーライナである場合はＦＣ２３０材またはＦＣ２５０材であり、パーライト地ねずみ鋳鉄が好ましい。カムシャフトの場合はチル鋳鉄、ハードナブル鋳鉄、ＳＣＭ４２０鍛造浸炭焼き入れ材であり、バルブリフターと摺動するカム部はセメンタイトとパーライトの混じったチル組織であることが好ましい。
上記非晶質硬質炭素皮膜は水素をほとんど含まず、金属的な性質を示し、オイルの濡れ性も良く、油中の添加剤成分は皮膜表面に化学吸着により強固に吸着するため、低粘度油に添加される有機モリブデン系添加剤（Ｍｏ−ＤＴＣ）などが有効に作用する。さらに本発明による非晶質硬質炭素皮膜は金属分も含まないため、炭化物粒子の析出が無く、高面圧下においても皮膜に欠けを生じにくい。なお、水素濃度は膜厚方向で変化するので摺動面（皮膜表面）の濃度を指すものとする。
【００３６】
また、相手材である鉄系第２部材である鋳鉄材料などの摺動面を機械加工により摺動部表面をＲｚ１ミクロン、さらに好ましくはＲｚ０．５ミクロン程度まで仕上げする。非晶質硬質炭素皮膜１を形成する第１部材２の材質は問わないが、ＳＵＳ４４０Ｂ相当材を窒化した材料、炭素鋼やＳＣＭ４１５、ＳＣＭ４２０などの浸炭焼き入れ材などが好ましく、これを同様に機械加工により摺動部表面をＲｚ１ミクロン、さらに好ましくはＲｚ０．５ミクロン程度まで仕上げする。
【００３７】
【発明の実施形態】
以下、図面に示す実施形態についてさらに詳細に説明する。
【００３８】
図１は本発明による一実施例の説明図であり、非晶質硬質炭素膜１を被覆した第１部材２と鉄系第２部材３とを組み合わせたものであり、非晶質硬質炭素膜１を被覆した第１部材２の摺動面の面粗度がＲｚ１ミクロン以下であり、相手材である鉄系第２部材３の摺動面面粗度がＲｚ１ミクロン以下である。
【００３９】
非晶質硬質炭素膜１を形成する第１部材２は皮膜を形成する前にＲｚ１ミクロン以下まで機械加工により仕上げを行い、その後非晶質硬質炭素膜１を形成する。本発明による水素、金属分を含まない非晶質硬質炭素膜は真空アーク放電法により所定の圧力下で真空チャンバー（図示せず）内でカーボンカソード上にアーク放電を連続的に発生させ、第１部材２にバイアス電圧を印加することにより所定の膜厚に形成する。膜厚は０．５ミクロンから５ミクロン程度が好ましい。成膜時にマクロパーティクルなどにより面粗度が悪化する場合には再度機械加工により仕上げを行い、面粗度Ｒｚを１ミクロン以下に仕上げる。
【００４０】
図２は非晶質硬質炭素被覆部材がピストンリングであり、鉄系部材がシリンダーライナーである組み合わせの実施形態を示したものである。
ピストンリングは圧延、線引きされた炭素鋼（Ｃ０．７４−０．９０％，Ｓｉ０．３５％以下、Ｍｎ０．６０％以下、Ｐ０．０３０％以下、Ｓ０．０３０％以下、引張り強さ１３７３Ｎ／ｍｍ２以上、硬度Ｈｖ４００−５８０）の外周表面をバフ仕上げによりＲｚ０．５ミクロン程度まで仕上げ、洗浄を行った後、真空アーク放電法による非晶質硬質炭素膜を膜厚０．３    〜  １    ミクロン、好ましくは０．５ミクロンで形成する。尚、この時にピストンリング表面と非晶質硬質皮膜との密着性を向上させるため、Ｃｒなどの金属中間層を厚さ０．２−０．５ミクロン程度形成しても良い。相手材であるシリンダーライナーはＦＣ２５０材或いはＦＣ２３０材を旋削、研磨によりＲｚ１ミクロン程度まで仕上げる。さらに好ましくはＲｚ０．５ミクロン程度まで仕上げると良い。本発明によればこの様にして仕上げたシリンダーライナーには保油性を高める為に行うホーニング加工は無くても良い。
【００４１】
図３は非晶質硬質炭素被覆部材がバルブリフターであり、鉄系第２部材がカムシャフトである組み合わせの実施形態について示したものである。バルブリフターはＳＣＭ４２０材などを鍛造加工し、冠面をＲａ０．０２ミクロン程度まで超仕上げし、洗浄した後真空チャンバー（図示せず）内でカーボンカソードを使用した真空アーク放電法により水素、金属を含まない非晶質硬質炭素膜を膜厚０．３−２ミクロン程度形成する。尚、この時にリフター冠面と非晶質硬質皮膜との密着性を向上させるため、Ｃｒなどの金属中間層を厚さ０．２−０．５ミクロン程度形成しても良い。相手材であるチルカム材は鋳鉄を凝固させる時にカム部の冷却速度を速めて硬いセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）を析出させたものである。このようにシャフト部とカム部で凝固速度を変えることで硬いカム部とねじりに強いシャフト部を同時に作る。
【００４２】
本発明による非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材の組み合わせはこのような構造であるので、低粘度エンジンオイル潤滑下において摩擦損失を低減することができる。
以下実施例を示し、本発明の内容について説明する。
【００４３】
【実施例】
実施例１
本発明による非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材の組み合わせの一実施例についてピンオンディスク式の単体スカッフ試験を行い、スカッフ面圧、試験後の表面状態を比較した。試料の作製条件は以下の通りである。
ピン：材質ＳＵＳ４４０Ｂ、摺動部寸法３．５ｍｍ×５．０ｍｍ先端Ｒ２０、面粗度Ｒｚ０．４ミクロン
表面処理：非晶質硬質炭素膜（カーボンカソードによる真空アーク放電法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２５００
ディスク：材質ＦＣ２５０（直径６０ｍｍ×厚さ１２ｍｍ）、面粗度Ｒｚ０．５ミクロン
試験条件は次の通りである。
試験条件：摺動速度８ｍ／ｓｅｃ、荷重１−３０ＭＰａ、０．２Ｍｐａ段階で漸増、３０ｓｅｃ保持、使用オイル−５Ｗ−２０、温度１００℃。
尚、成膜した非晶質硬質炭素膜の水素含有量をＨＦＳ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）法により分析した結果、表層付近で１．７ａｔ％、深さ５０ｎｍ以下では検出限界以下であった。この組み合わせでのスカッフ面圧は約４００ＭＰａであり、試験後の非晶質硬質炭素膜の表面に欠けは見られなかった。
【００４４】
比較例１
テ゛ィスク面粗度を本発明の値より粗くして実験を行った。
ピン：材質ＳＵＳ４４０Ｂ、摺動部寸法３．５ｍｍ×５．０ｍｍ先端Ｒ２０、面粗度Ｒｚ０．４ミクロン
表面処理：非晶質硬質炭素膜（カーボンカソードによる真空アーク放電法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２５００
ディスク：材質ＦＣ２５０（直径６０ｍｍ×厚さ１２ｍｍ）、面粗度Ｒｚ２．０ミクロン
試験条件は次の通りである。
試験条件：摺動速度８ｍ／ｓｅｃ、荷重１−３０ＭＰａ、０．２Ｍｐａ段階で漸増、３０ｓｅｃ保持、使用オイル−５Ｗ−２０、温度１００℃。
この組み合わせでのスカッフ面圧は約２００ＭＰａであり、皮膜表面に多数のキズが発生し、皮膜摩耗量も多かった。
【００４５】
比較例２
この比較例では非晶質硬質炭素膜でなくピンの窒化を行った。
ピン：材質ＳＵＳ４４０Ｂ、摺動部寸法３．５ｍｍ×５．０ｍｍ先端Ｒ２０、面粗度Ｒｚ０．４ミクロン
表面処理：ガス窒化（窒化層厚さ８０ミクロン、硬度ＨＶ９００）
ディスク：材質ＦＣ２５０（直径６０ｍｍ×厚さ１２ｍｍ）、面粗度Ｒｚ０．５ミクロン
試験条件：摺動速度８ｍ／ｓｅｃ、荷重１−３０ＭＰａ、０．２Ｍｐａ段階で漸増、３０ｓｅｃ保持、使用オイル−５Ｗ−２０、温度１００℃。
この組み合わせでのスカッフ面圧は約３６０ＭＰａであり、摩耗がやや大きかった。
【００４６】
比較例３
この比較例では水素含有非晶質硬質炭素膜を使用した。
ピン：材質ＳＵＳ４４０Ｂ、摺動部寸法３．５ｍｍ×５．０ｍｍ先端Ｒ２０、面粗度Ｒｚ０．４ミクロン
表面処理：水素含有非晶質硬質炭素膜（Ｃ２Ｈ２によるプラズマＣＶＤ法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２０００
ディスク：材質ＦＣ２５０（直径６０ｍｍ×厚さ１２ｍｍ）、面粗度Ｒｚ０．５ミクロン
試験条件：摺動速度８ｍ／ｓｅｃ、荷重１−３０ＭＰａ、０．２ＭＰａ段階で漸増、３０ｓｅｃ保持、使用オイル−５Ｗ−２０、温度１００℃。
尚、成膜した非晶質硬質炭素膜の水素含有量をＨＦＳ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）法により分析した結果、３０−５０ａｔ％程度の水素が検出された。この組み合わせでのスカッフ面圧は約３２０ＭＰａであり、比較例１，２よりは高かったが、試験後の皮膜表面にキズが少し見られた。
【００４７】
比較例４
この比較例ではＷ含有非晶質硬質炭素膜を使用した。
ピン：材質ＳＵＳ４４０Ｂ、摺動部寸法３．５ｍｍ×５．０ｍｍ先端Ｒ２０、面粗度Ｒｚ０．４ミクロン
表面処理：Ｗ含有非晶質硬質炭素膜（ＷＣターゲットによるＣ２Ｈ２反応性スパッタリング法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２２００
ディスク：材質ＦＣ２５０（直径６０ｍｍ×厚さ１２ｍｍ）、面粗度Ｒｚ０．５ミクロン
試験条件：摺動速度８ｍ／ｓｅｃ、荷重１−３０ＭＰａ、０．２ＭＰａ段階で漸増、３０ｓｅｃ保持、使用オイル−５Ｗ−２０、温度１００℃。
尚、成膜した非晶質硬質炭素膜の水素含有量をＨＦＳ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｏｒｗａｒｄ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）法により分析した結果、約２０ａｔ％程度の水素が検出された。またＥＳＣＡ分析により皮膜中のＷ含有量について分析した結果、約１５ａｔ％程度のＷが検出された。この組み合わせでのスカッフ面圧は約２５０ＭＰａであり、試験後の皮膜表面に欠けが見られた。
表１及び表２は上記の単体スカッフ試験の結果についてまとめたものである。
【００４８】
【表  １】
2004176848.tif 000003
【００４９】
【表２】
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以下実際のエンジン部品での評価結果について述べる。
【００５０】
実施例２（ピストンリング）
図２に示したように本発明による非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材の組み合わせの一実施例について非晶質硬質炭素膜１をピストンリング５の外周面に形成し、鋳鉄シリンダーライナー６と組合わせて、往復動モータリング試験を行い、摩擦損失と試験後の表面状態を比較した。試料の作製条件及び試験条件は以下の通り。
ピストンリング（サイドレール）：φ８７．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、材質炭素鋼（Ｃ０．７４−０．９０％，Ｓｉ０．３５％以下、Ｍｎ０．６０％以下、Ｐ０．０３０％以下、Ｓ０．０３０％以下、引張り強さ１３７３Ｎ／ｍｍ２以上、硬度Ｈｖ４００−５８０）、外周表面粗さＲｚ０．５ミクロン
表面処理：非晶質硬質炭素膜（カーボンカソードによる真空アーク放電法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２５００
シリンダーライナー：材質ＦＣ２５０、面粗度Ｒｚ１．０ミクロン
オイル：低粘度油（５ｃＳｔ，４０℃）をボア内周面に塗布後拭き取り。
温度：室温、  回転数：５００ｒｐｍ
この組み合わせでの摩擦損失は２１０分後で約１．６Ｎｍで、表面に損傷は全く見られなかった。
【００５１】
比較例５（ピストンリング、従来粗さ）
ピストンリング（サイドレール）：φ８７．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、材質炭素鋼（Ｃ０．７４−０．９０％，Ｓｉ０．３５％以下、Ｍｎ０．６０％以下、Ｐ０．０３０％以下、Ｓ０．０３０％以下、引張り強さ１３７３Ｎ／ｍｍ２以上、硬度Ｈｖ４００−５８０）、外周表面粗さＲｚ０．５ミクロン
表面処理：非晶質硬質炭素膜（カーボンカソードによる真空アーク放電法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２５００
シリンダーライナー：材質ＦＣ２５０、面粗度Ｒｚ２．０ミクロン
オイル：低粘度油（５ｃＳｔ，４０℃）をボア内周面に塗布後拭き取り。
温度：室温、  回転数：５００ｒｐｍ
この組み合わせでの摩擦損失は２１０分後で約１．８Ｎｍで、実施例２と比較して約１３％程度大きな値となった。また、レール外周面上に若干摩耗が見られた。
【００５２】
実施例３（バルブリフター）
図３に示したように本発明による非晶質硬質炭素被覆部材と鉄系部材の組み合わせの一実施例について非晶質硬質炭素膜１を被覆したバルブリフター７とカムシャフト８のモータリング試験を行い、摩擦トルクと試験前後の表面粗さを比較した。試料の作製条件及び試験条件は以下の通りである。
バルブリフター：材質ＳＣＭ４２０浸炭ガス軟窒化、冠面面粗度Ｒａ０．０２ミクロン
表面処理：非晶質硬質炭素膜（カーボンカソードによる真空アーク放電法）膜厚１ミクロン、硬度ＨＶ２５００
カムシャフト：材質ＦＣ３００チル材、カム部面粗度Ｒａ０．３ミクロン
オイル：５Ｗ−３０、回転数：２００−３２００ｒｐｍ
この組み合わせの場合には摩擦トルクは比較例６のＣｒ２Ｎ皮膜の場合に比べて平均で４５％程度低減された。またリフター面粗度は試験前後でほとんど変化が無く、カムノーズ９側表面はＲａ０．０５ミクロンであったものが、Ｒａ０．０１ミクロンとリフターと同程度まで向上した。
【００５３】
比較例６（バルブリフター、従来粗さ）
バルブリフター：材質ＳＣＭ４２０浸炭ガス軟窒化、冠面面粗度Ｒａ０．０２ミクロン
表面処理：Ｃｒ２Ｎ膜（アークイオンプレーティング法）膜厚４ミクロン、硬度  ＨＶ２０００
カムシャフト：材質ＦＣ３００チル材、カム部面粗度Ｒａ０．３ミクロン
オイル：５Ｗ−３０、回転数：２００−３２００ｒｐｍ
この組み合わせの場合には摩擦トルクは実施例３の場合に比べて摩擦トルクは大きかった。バルブリフター面粗度は試験前後でＲａ０．０２から０．０５へ悪化しており、カムノーズ側はＲａ０．０５ミクロンであったものが、０．０３ミクロンまで向上した。
表３はバルブリフターの試験結果をまとめたものである。
【００５４】
【表３】
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【００５５】
【発明の効果】
上記した低粘度エンジン油中での単体スカッフ試験の結果から、相手材である鋳鉄材料の面粗度を向上させることにより非晶質硬質炭素膜を被覆した摺動部材との組み合わせにおいて耐スカッフ性を大幅に向上できることが分かった。
さらに、低粘度オイルの使用によりその粘性による摩擦損失を低減することができ、エンジンの低燃費化、排出ガスの低減が可能となる。また、面粗度が良いほど油膜厚さを薄くすることができ、オイル供給量を減らすこともでき、しかも初期の面粗度と同等以上の面粗度が運転中に維持される。
水素、金属分を含まない非晶質硬質炭素皮膜を摺動部材に被覆することにより、高硬度で強度の高い皮膜とすることができるため、高面圧下での使用に際しても、欠け、キズの発生が少ない。オイル中の濡れ性も良く、添加剤も充分機能する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例のピストンリングとシリンダボアの組み合わせについて示した図である。
【図３】本発明の実施例のバルブリフターとカムシャフトの組み合わせについて示した図である。
【符号の説明】
１・・・非晶質硬質炭素膜
２・・・第１部材
３・・・鉄系第２部材
４・・・オイル
５・・・ピストンリング
６・・・シリンダーライナー
７・・・バルブリフター
８・・・カムシャフト
９・・・カムノーズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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