(57)【要約】【課題】真空チャンバを用いずに低コストで処理でき、低い摩擦係数を安定して維持でき、耐摩耗性と耐焼付き性に優れた摺動部材とその製造方法を提供する。【解決手段】鋼材の表面に塩浴窒化処理により表面硬度がＨｖ１０００から１２００の窒化化合物層を形成し、窒化化合物層の表面に硬度がＨｖ２０００から３０００のダイヤモンドライクカーボン膜をコーティングする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に塩浴窒化処理による表面硬度がＨｖ１０００から１２００の窒化化合物層を有する鋼材と、該窒化化合物層の表面にコーティングされた硬度がＨｖ２０００から３０００のダイヤモンドライクカーボン膜とからなる、ことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
鋼材の表面に塩浴窒化処理により表面硬度がＨｖ１０００から１２００の窒化化合物層を形成し、該窒化化合物層の表面に硬度がＨｖ２０００から３０００のダイヤモンドライクカーボン膜をコーティングする、ことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項３】
鋼材をアルカリ脱脂処理し、次いで約５８０℃で約６０分塩浴窒化処理して、約３０μｍ厚の化合物層を形成する、ことを特徴とする請求項２に記載の摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦係数が小さく、摩耗しにくく、焼付きにくい、摺動部材とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
舶用過給機のスラスト軸受には、従来から硬質金属（例えば、浸炭焼入したクロムモリブデン鋼材）が摺動部材として用いられている。しかし、かかる硬質金属の表面硬度はＨｖ７００前後にすぎず、潤滑油中の異物による摩耗と焼付が避けられない問題点があった。
【０００３】
そこで、表面硬度を高めるために、表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜をコーティングすることが要望されている。ＤＬＣ膜はダイヤモンドに近い特性を有し、表面硬度が非常に高い利点を有する。しかしＤＬＣ膜は母材との密着性（又は付着性）が悪く剥離しやすい欠点がある。そのため、密着性を向上させる技術が、特許文献１、非特許文献１、等に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１６７６６０号公報
【非特許文献１】
赤理孝一郎、ＤＬＣ膜の密着性向上技術、トライボロジスト、第４７巻第１１号、８０９−８１４、２００２年１１月
【０００５】
特許文献１の「摺動部材及びその製造方法」は、基材の表面に、硬質炭素の薄膜を形成し、続いて薄膜上からイオンを注入することにより、１×１０１６／ｃｍ２以上のイオンが基材内部に注入されるようにして被覆中の原子と注入した原子と基材を構成する原子の混合層を形成し、その後混合層の上面に硬質炭素被膜を形成するものである。
【０００６】
また、非特許文献１は、基材硬度を上げる手段として、ラジカル窒化処理を提案しており、これにより密着性が改善されることを報告している。なおラジカル窒化処理とは、プラズマ窒化処理の一種であり、真空チャンバ中で水素とアンモニアを反応させ、処理部材の表面にプラズマを発生させて表面を窒化する手段である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したイオン注入やラジカル窒化処理では、真空チャンバ中で基材（処理部材）を処理するため、生産性が低く、コストが非常に高い問題点がある。そのため、硬度が最優先される工具等には適するものの、コストが重視される軸受（例えば舶用過給機のスラスト軸受）には適用が困難であった。
また、イオン注入やラジカル窒化処理によりＤＬＣ膜の密着性は向上するものの、その摩擦係数、耐摩耗性、耐焼付き性は、舶用過給機のスラスト軸受のような高速回転、高面圧下では、必ずしも十分ではなかった。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、真空チャンバを用いずに低コストで処理でき、低い摩擦係数を安定して維持でき、耐摩耗性と耐焼付き性に優れた摺動部材とその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、表面に塩浴窒化処理による表面硬度がＨｖ１０００から１２００の窒化化合物層を有する鋼材と、該窒化化合物層の表面にコーティングされた硬度がＨｖ２０００から３０００のダイヤモンドライクカーボン膜とからなる、ことを特徴とする摺動部材が提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、鋼材の表面に塩浴窒化処理により表面硬度がＨｖ１０００から１２００の窒化化合物層を形成し、該窒化化合物層の表面に硬度がＨｖ２０００から３０００のダイヤモンドライクカーボン膜をコーティングする、ことを特徴とする摺動部材の製造方法が提供される。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、鋼材をアルカリ脱脂処理し、次いで約５８０℃で約６０分塩浴窒化処理して、約３０μｍ厚の化合物層を形成する。
【００１２】
上記本発明によれば、摺動部材の表面に硬度がＨｖ２０００から３０００のダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）がコーティングされているので、耐摩耗性と耐焼付き性に優れていることが後述する試験により確認された。
また、ＤＬＣ膜の下地処理として、鋼材の表面に塩浴窒化処理により表面硬度がＨｖ１０００から１２００の窒化化合物層が形成されているので、被膜剥離が起こり難く、低い摩擦係数を安定して維持できることが後述する試験により確認された。この塩浴窒化処理は、真空チャンバを用いずに処理できるので、低コストで処理ができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１４】
【実施例】
ＤＬＣ膜の耐アブレシブ摩耗特性と、耐焼付性を試験するため、アブレシブ摩耗試験と焼付摩擦試験を実施した。
【００１５】
アブレシブ摩耗試験は、潤滑油中、表面処理材と砥粒の摩擦によるアブレシブ摩耗特性の把握とスラストカラー材の選定を目的とする。この試験では、舶用過給機のスラスト軸受を対象として、摺動速度８ｍ／ｍｉｎ、荷重２Ｎ、２０μｍのアルミナ砥粒の混入したオイルバス潤滑条件下で、２Ｈｒ試験し、試験片表面の摩耗深さを計測した。
【００１６】
焼付摩擦試験は、境界潤滑条件におけるＤＬＣ膜の摩擦特性と表面損傷状態の観察を目的とする。この試験では、舶用過給機のスラスト軸受を対象として、摺動速度６０ｍ／ｍｉｎ、荷重４００Ｎ、塗布潤滑油条件で試験し、摩擦係数の変化を計測した。
【００１７】
試験片には、本発明による摺動部材と、参考比較用に従来の摺動部材、およびその他一般的に想定される摺動部材を試験した。
【００１８】
図１は、摺動部材の表面硬度と摩耗深さとの関係を示す試験結果である。この図において、Ａは本発明による摺動部材、Ｂは従来の摺動部材、ＣとＤはその他に一般的に想定される摺動部材である。
【００１９】
本発明による摺動部材Ａは、この例では、マルテンサイト系ステンレス鋼材（ＳＵＳ４２０Ｊ２）の表面に塩浴窒化処理により表面硬度がＨｖ１１３０の窒化化合物層を形成し、この窒化化合物層の表面に硬度が約Ｈｖ３０００のＤＬＣ膜をコーティングしたものである。
【００２０】
また、従来の摺動部材Ｂは、クロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ４３５）を浸炭焼入により表面硬度を約Ｈｖ７２０まで高めたものである。さらに、摺動部材Ｃは、従来と同じクロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ４３５）を塩浴窒化処理により表面硬度を約Ｈｖ８３０まで高めたものである。また、摺動部材Ｄは、本発明と同じマルテンサイト系ステンレス鋼材（ＳＵＳ４２０Ｊ２）の表面に塩浴窒化処理により表面硬度がＨｖ１１３０の窒化化合物層を形成したものである。なお、摺動部材Ｂ〜Ｄには、ＤＬＣ膜のコーティングはない。
【００２１】
図１から、表面硬度が高いほど摩耗深さが浅く、Ｈｖ２０００から３０００の硬度であれば、摩耗深さを約１．６μｍ未満にできることがわかる。
【００２２】
図２は、ＤＬＣ膜の有無と摩耗深さとの関係を示す試験結果である。この図において、Ａ−２，Ａ−３，Ａ−４は本発明に類似する摺動部材、Ｅは一般的に想定される摺動部材である。また、Ａ〜Ｄは図１と同様である。
【００２３】
摺動部材Ａ−２は、本発明と異なるマルテンサイト系ステンレス鋼材（ＳＵＪ２）の表面に塩浴窒化処理により窒化化合物層を形成し、この窒化化合物層の表面に硬度が約Ｈｖ３０００のＤＬＣ膜をコーティングしたものである。
摺動部材Ａ−３は、従来と同じクロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ４３５）を塩浴窒化処理により表面硬度を約Ｈｖ８３０まで高め、この表面に硬度が約Ｈｖ３０００のＤＬＣ膜をコーティングしたものである。
摺動部材Ａ−４は、クロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ４３５）を浸炭焼入により表面硬度を約Ｈｖ７２０まで高め、この表面に硬度が約Ｈｖ３０００のＤＬＣ膜をコーティングしたものである。
【００２４】
摺動部材Ｅは、クロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ４３５）を浸炭焼入により表面硬度を約Ｈｖ７２０まで高め、この表面に硬度が約Ｈｖ１５００の軟質ＤＬＣ膜をコーティングしたものである。
【００２５】
図２から、ＤＬＣ膜がない場合には摩耗深さが深く（１．８〜３μｍ）、ＤＬＣ膜がある場合には、その硬度がＨｖ１５００、Ｈｖ３０００のどちらの場合でも摩耗深さが浅い（０．５〜１．９μｍ）ことがわかる。従って、摩耗深さを浅くするためには、ＤＬＣ膜が不可欠であるといえる。
【００２６】
図３は、ＤＬＣ膜の有無と摩擦係数との関係を示す試験結果である。この図におけるＡ〜ＥおよびＡ−２，Ａ−３，Ａ−４は図２と同様である。
この図から、ＤＬＣ膜がない場合には初期摩擦係数が大きく（０．３８〜０．５３）、ＤＬＣ膜がある場合には、その硬度がＨｖ１５００、Ｈｖ３０００のどちらの場合でも初期摩擦係数が小さい（０．２１〜０．２５）ことがわかる。また、ＤＬＣ膜がある場合の定常時摩擦係数は初期摩擦係数より小さく（０．０８〜０．１９）、初期から定常時まで安定した低い摩擦係数となることがわかる。
【００２７】
図４は、焼付摩擦試験による摩擦係数の変化を示す図である。この図において、（Ａ）は本発明による摺動部材Ａ、（Ｂ）は従来の摺動部材Ｂ、（Ｃ）は上述した摺動部材Ｄである。
【００２８】
この図から、従来の摺動部材Ｂでは、試験開始直後に凝着による摩擦変動（矢印）が起きており、低い摩擦係数を安定して維持できないことがわかる。また、摺動部材Ｄでは、試験開始直後の凝着による摩擦変動（矢印）の他に、短時間（約２２分）で焼付きが起きており、やはり低い摩擦係数を安定して維持できない。
【００２９】
これに対して、本発明による摺動部材Ａでは、凝着による摩擦変動は観察されず、焼付までの時間も長い（約３０分）。なお、本試験は、焼付現象を早期に起こすために実際の条件より遥かに過酷な面圧（１．５ＭＰａ以上）で行っており、摺動部材Ａは実際には十分長時間の使用において、低い摩擦係数を安定して維持できることが確認された。
【００３０】
上述した本発明を舶用過給機のスラスト軸受等に適用する場合、異物による摩耗と焼付を防止する目的で、硬度が高く、低摩擦特性を有するダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を軸、軸受のどちらか一方、または両方のコーティングする。また、単にＤＬＣ膜をコーティングするだけではＤＬＣ膜が剥離しやすいため、下地処理として塩浴窒化処理を施し、ＤＬＣ膜の密着性を高める。
【００３１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である
【００３２】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、摺動部材の表面に硬度がＨｖ２０００から３０００のダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）がコーティングされているので、耐摩耗性と耐焼付き性に優れていることが試験により確認された。
また、ＤＬＣ膜の下地処理として、マルテンサイト系ステンレス鋼材の表面に塩浴窒化処理により表面硬度がＨｖ１０００から１２００の窒化化合物層が形成されているので、被膜剥離が起こり難く、低い摩擦係数を安定して維持できることが試験により確認された。この塩浴窒化処理は、真空チャンバを用いずに処理できるので、低コストで処理ができる。
【００３３】
従って、本発明の摺動部材とその製造方法は、真空チャンバを用いずに低コストで処理でき、低い摩擦係数を安定して維持でき、耐摩耗性と耐焼付き性に優れる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】摺動部材の表面硬度と摩耗深さとの関係を示す試験結果である。
【図２】ＤＬＣ膜の有無と摩耗深さとの関係を示す試験結果である。
【図３】ＤＬＣ膜の有無と摩擦係数との関係を示す試験結果である。
【図４】焼付摩擦試験による摩擦係数の変化を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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