(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動面に非晶質炭素材料からなる被膜を形成した第一摺動部材と、該第一摺動部材の摺動面と摺動する摺動面がＨｖ４００以上の表面硬さを有する第二摺動部材と、第一摺動部材と第二摺動部材との摺動面に、カーボンスーツを０．２〜２重量％含有させた潤滑油と、を備え、前記非晶質炭素材料からなる被膜の表面粗さは、中心線平均粗さＲａ０．０５〜０．７μｍであることを特徴とする摺動部材と潤滑油との組合せ。
【請求項２】
前記第二摺動部材の摺動面は、鉄系合金材料からなることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材と潤滑油との組合せ。
【請求項３】
前記第二摺動部材の摺動面には、非晶質炭素材料からなる被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材と潤滑油との組合せ。
【請求項４】
摺動面に非晶質炭素材料からなる被膜を形成した第一摺動部材と、該第一摺動部材の摺動面と摺動する摺動面にＨｖ４００以上の表面硬さを有する第二摺動部材と、を備え、前記非晶質炭素材料からなる被膜の表面粗さは、中心線平均粗さＲａ０．０５〜０．７μｍである組合せ摺動部材の摺動方法であって、
該摺動方法は、組合せ摺動部材の摺動面に、カーボンスーツを０．２〜２重量％含有させた潤滑油を給油しながら、摺動させることを特徴とする摺動方法。
【請求項５】
前記第二摺動部材の摺動面は、鉄系合金材料からなることを特徴とする請求項４に記載の摺動方法。
【請求項６】
前記第二摺動部材の摺動面には、非晶質炭素材料からなる被膜が形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の摺動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動する少なくとも一方の摺動面に非晶質炭素被膜を形成した摺動部材と潤滑油の組合せに係り、特に、摺動面の表面粗さを早期に低減することにより、耐摩耗性に優れ、低摩擦化が可能となる摺動部材と潤滑油の組合せに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、構造用鋼等の摺動部材の耐摩耗性を向上させ、低摩擦特性を得るために、その摺動面に非晶質炭素材料からなる被膜（ＤＬＣ被膜）を形成することは、よく知られている。特に、自動車のディファレンシャルギヤ、または、カム及びリフタ等の部材は、一般の摺動部材に比べ、摺動する頻度も高く、使用環境も厳しいので、このような部材へのＤＬＣの適用は、今後さらに期待されている。
【０００３】
しかし、このような摺動部材に形成したＤＬＣ薄膜の表面が粗いと、ＤＬＣ被膜は硬質被膜であるために、相手部材の表面を摩耗させる（相手攻撃性が大きくなる）ばかりでなく、潤滑油存在下で部材を摺動させたとしても、理想の潤滑状態が得られず摩擦係数は高くなる。
【０００４】
このような問題を鑑みて、鉄鋼材料を基材として潤滑油存在下で摺動する自動車エンジン用の摺動部材であって、相手材と接触して摺動する基材の表面に、表面粗さＲａが０．０３μｍ以下になるように硬質炭素薄膜を被覆した摺動部材が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１３８１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、ＤＬＣ被膜を形成した摺動部材は、その表面粗さを小さくすることにより、摩耗特性及び摩擦特性を向上させることができるが、この表面粗さは、摺動部材の下地の表面粗さに大きく依存する。しかし、ギヤの歯面、動弁系のカムなどの部材は、摺動面が複雑な形状をしているため、部材の摺動面を鏡面加工することは難しい。そして、このような表面に、ＤＬＣ被膜を形成しても、下地表面に合わせて、被膜表面は粗くなってしまう。
【０００６】
さらに、スパッタリングなどの物理的蒸着法（ＰＶＤ）により、ＤＬＣ被膜を形成した場合には、ＤＬＣのドロップレットが表面に付着することがあり、たとえ下地表面を鏡面加工後に被膜形成を行っても、このドロップレットが過多の場合には、被膜表面は粗くなってしまう。
【０００７】
このように表面粗さが大きいＤＬＣ被膜は、研磨加工等により表面粗さを下げることも可能であるが、被膜が硬質であるために加工に時間を要する。さらに、ＤＬＣ被膜の厚みは、通常２〜４μｍ程度であるため、このような表面加工を行うと下地が露出するおそれもある。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、たとえ初期状態において、非晶質炭素材料からなる被膜の表面が粗い場合であっても、摺動初期の段階において、表面粗さを低減させて境界潤滑から流体潤滑に近づけることにより、低摩耗及び低フリクション化が可能な摺動部材と潤滑油の組合せを提供することにある。さらに、本発明は、この摺動部材の摺動特性を向上させることができる摺動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記の課題である、簡易的に摺動部材の低摩耗及び低フリクション化を実現するためには、摩耗粉の発生が少ない摺動の初期段階において、部材の表面粗さを小さくすることが重要であると考えた。そして、その解決手段として、摺動部材間に流す潤滑油により、表面粗さを低減させる方法に着眼した。
【００１０】
そこで、発明者らは多くの実験と研究を行うことにより、潤滑油に摺動面を研磨するような粒子を含有させることが好ましいとの知見を得、さらに、この粒子としては、（１）非晶質炭素材料を削ることができる硬さを有していること、（２）潤滑油に均一に分散し易いこと、（３）潤滑油に比べ比重が小さく沈殿し難いこと、の理由から、カーボンスーツ（炭素すす）が好適であるとの知見を得た。
【００１１】
本発明は、発明者らが得た上記の新たな知見に基づくものであり、本発明の摺動部材と潤滑油との組合せは、摺動面に非晶質炭素材料からなる被膜を形成した第一摺動部材と、該第一摺動部材の摺動面と摺動する摺動面がＨｖ４００以上の表面硬さを有する第二摺動部材と、第一摺動部材と第二摺動部材との摺動面に、カーボンスーツを０．２〜２重量％含有させた潤滑油と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の如き摺動部材と潤滑油の組合せは、硬質であるカーボンスーツを含有させた潤滑油を用いて摺動部材を摺動させることにより、非晶質炭素材料からなる被膜の表面粗さを小さくすることができる。また、カーボンスーツは、微少粒子であるので潤滑油に均一に分散し、潤滑油よりも比重が軽いことから沈殿することがないので、摺動面間に、ムラ無く所定量のカーボンスーツを介在させることができるので、早期に安定して摺動面の表面粗さ、うねり等を低減することができる。この結果、摺動面間の馴染み性が向上し、摺動面間の潤滑状態を境界潤滑から流体潤滑に近づけることが可能となり、摺動部材の相手攻撃性を抑制し、摩擦係数を低減することができる。
【００１３】
また、第二摺動部材は、第一摺動部材の摺動面と摺動する摺動面がＨｖ４００以上の表面硬さが必要であり、この表面硬さよりも低い場合には、表面が柔らかい第二摺動部材が主に、カーボンスーツに削られ摩耗することになり、第一摺動部材の表面粗さは、低減されない。
【００１４】
さらに、この潤滑油に含有させるカーボンスーツの量は、０．２〜２重量％の範囲にあることが必要であり、この範囲よりも小さいと、カーボンスーツの量が少ないため、相互の摺動面の表面粗さを効果的に低減することができない。また、上記範囲よりも大きいと、カーボンスーツの量が多いため、相互の摺動面の表面の粗さを低減することができるが、カーボンスーツにより表面が過剰に削られて摩耗し、非晶質炭素材料からなる被膜を摩滅させる虞がある。
【００１５】
また、この第一摺動部材と第二摺動部材との間に介在させる潤滑油は、鉱油、合成油など特に限定されるものではなく、軸受油、ギヤ油、エンジン油等が好ましい。また、カーボンスーツを均一に分散できるのであれば、この潤滑油にさらに増稠剤を分散させたグリースであってもよい。
【００１６】
また、このＤＬＣ被膜を成膜する場合には、スパッタリング、真空蒸着、イオン化蒸着、イオンプレーティング、などを利用した物理的蒸着法（ＰＶＤ）により成膜してもよく、プラズマ処理などを利用した化学気相成長法（ＣＶＤ）により、成膜してもよい。さらに、この非晶質炭素材料中に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｗなどの添加元素を含有させてもよい。
【００１７】
このような表面硬さを有する第二摺動部材の摺動面は、汎用性、非晶質炭素材料の馴染み性等の理由より、少なくとも鉄系合金材料からなることが好ましく、第二摺動部材そのものが、鉄合金材料からなっても良い。このような鉄系合金材料としては、鋼、鋳物などが挙げられ、この表面硬さを得るために、窒化浸炭、高周波焼入れ等の表面処理がされていても良い。
【００１８】
また別の態様では、第二摺動部材の摺動面に、非晶質炭素材料からなる被膜が形成されていることが好ましい。このように第二摺動部材の表面にも非晶質炭素材料からなる被膜を形成することにより、より一層、摺動部材の摩耗を低減することができる。特に、非晶質炭素材料からなる被膜同士の接触により発生する過剰な被膜厚の減少を抑制し、非晶質炭素材料が有する摺動特性を十分に発揮することができ、摺動部材の長寿命化に繋がる。
【００１９】
さらに別の態様では、本発明に係る摺動部材と潤滑油との組合せとしては、非晶質炭素材料からなる被膜の表面粗さが、中心線平均粗さＲａ０．０５〜０．７μｍであることが好ましい。
【００２０】
すなわち、中心線平均粗さＲａ０．０５μｍより小さい場合には、カーボンスーツにより、摺動面の表面粗さを低減させるまでもなく、摺動時に、流体潤滑に近い潤滑状態を得ることができる。よって、摺動面はアブレッシブ摩耗することはほとんど無く、摩擦係数も低いので、カーボンスーツによる効果は期待できない。また、中心線平均粗さＲａ０．７μｍより大きい場合には、このカーボンスーツを用いて表面粗さを低減するには、この表面粗さは大き過ぎる。
【００２１】
本発明は、上述した摺動部材の好適な摺動方法として以下に示す摺動方法をも開示する。摺動面に非晶質炭素材料からなる被膜を形成した第一摺動部材と、該第一摺動部材の摺動面と摺動する摺動面にＨｖ４００以上の表面硬さを有する第二摺動部材と、を備えた組合せ摺動部材の摺動方法であって、該摺動方法は、組合せ摺動部材の摺動面に、カーボンスーツを０．２〜２重量％含有させた潤滑油を給油しながら、摺動させることを特徴とする。
【００２２】
非晶質炭化材料は表面硬さが高いので、摩耗抑制のためにはこの被膜の表面粗さを小さくする必要がある。特に、表面粗さを小さくすることが困難な形状をした部材に、この被膜を施した場合には、このような摺動方法を行うことにより、この被膜の表面粗さを小さくすることができ、好適である。また、このような摺動方法により、組合せ摺動部材の摩擦係数は小さくなり、部材の長寿命化も図ることができる。
【００２３】
このような摺動方法は、使用する機器装置に上記摺動部材を直接取り付けて、機器を運転と共に摺動してもよく、ラッピング加工等の加工装置に各部材を取り付けて、表面粗さを低減するような表面加工に利用してもよい。また、この潤滑油の給油方法としては、循環潤滑、ミスト潤滑、又は、オイルバスによる油浴潤滑等が挙げられ、摺動時に第一摺動部材と第二摺動部材との間に、潤滑油を給油することができるのであれば、特に限定さるものではない。
【００２４】
また、別の態様では、本発明に係る摺動方法は、第二摺動部材の摺動面が鉄系合金材料からなることが好ましく、さらに、この摺動面に非晶質炭素材料からなる被膜が形成されていることは、なお好ましい。このような第二摺動部材を摺動させることにより、より効果的に摺動特性を向上させることができる。特に、ＰＶＤにより被膜を形成した場合には、被膜表面にドロップレットを含むことがあるので、このような摺動方法は、有効な方法である。
【００２５】
さらに、別の態様では、本発明に係る摺動方法は、非晶質炭素材料からなる被膜の表面粗さが、中心線平均粗さＲａ０．０５〜０．７μｍであることが好ましい。前記の如く、被膜の表面が、この範囲の表面粗さを有することにより、カーボンスーツを用いて、効果的に、被膜の表面粗さを低減することができる。
【００２６】
このような摺動方法において、非晶質炭素材料からなる被膜の表面粗さが、中心線平均粗さＲａ０．０５μｍ以下になった場合には、カーボンスーツが含有した潤滑油をカーボンスーツが含有しない新油に更油することが好ましい。このような更油を行うことにより、摺動時に発生した摩耗粉を排除し、カーボンスーツによる表面の研磨を回避できるので、摺動部材の表面が理想的な表面状態を維持したまま膜厚を減らすことなく、摺動を行うことができ、部材の長寿命化を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、初期状態において摺動部材の相手材の表面粗さが粗く、摺動時に摺動面が流体潤滑状態になりにくい場合であっても、この摺動部材は、早期に相手部材の摺動面に馴染むと共に、相互の摺動面を滑らかにするので、摩耗量を減少させることができ、低フリクション化を図ることができる。
【実施例】
【００２８】
以下に、本発明を実施例により説明する。
［実施例１］
本発明に係る第一摺動部材として下記に示すリング試験片と、該第一摺動部材の摺動面に摺動させる第二摺動部材として下記に示すブロック試験片と、を製作し、これら（組合せ）摺動部材の摺動面に給油する下記に示す潤滑油を準備し、この組合せの評価試験として下記に示す摩擦摩耗試験を行った。
【００２９】
（第一摺動部材：リング試験片）
外径３５ｍｍ、高さ８．７ｍｍ、表面粗さを中心線平均粗さＲａ０．５±０．０３μｍとなるようにクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０：ＪＩＳ規格）からなる円筒基材を製作し、この基材を浸炭焼き入れ後、基材温度を２００℃〜３００℃の温度範囲に保持して、アークイオンプレーティング法により、表面硬さがＨｖ２０００、膜厚が２〜３μｍの範囲に入るように、円筒基材の外周面に、非晶質炭素材料からなる被膜（ＤＬＣ被膜）を形成し、リング試験片とした。
【００３０】
（第二摺動部材：ブロック試験片）
表面粗さがＲａ０．２±０．０３μｍの範囲になるように１５．７×１０．０×６．３ｍｍのクロムモリブデン鋼（鉄系合金材料）からなるブロック基材を製作し、この基材の表面硬さが７５０Ｈｖとなるように浸炭焼入れし、ブロック試験片とした。
【００３１】
（潤滑油）
エンジン油（ＳＡＥ粘度グレード５Ｗ−３０）の新油を準備した。この新油にエンジンの耐久試験に使用したカーボンスーツを含有した同種の油を、カーボンスーツが、油中に０．３重量％含有するように混合し、潤滑油とした。
【００３２】
（摩擦摩耗試験）
図１に示すように、上に示すブロック試験片１０、リング試験片２０、及び潤滑油３０を組合せて、摩擦摩耗試験を行った。具体的には、リング試験片２０の一部に潤滑油３０が浸かるように、湯浴槽４０に潤滑油３０を張り、油温を８０℃に保持した状態でリング試験片２０を２００ｒｐｍで回転させて試験片表面に油膜を形成させ、リング試験片２０の外周面にブロック試験片１０を接触させて荷重１２０ｋｇｆを負荷しながら、３０分間の連続試験を行った。そして、このときに、リング試験片２０に作用する回転抵抗（摺動抵抗）を、装置に取り付けたロードセルにより検出し、摩擦係数を測定した。また、試験後のブロック試験片の表面の摩耗深さを摩耗量として測定した。さらに、この試験前後のブロック試験片の表面粗さも測定した。この結果を表１に示す。
【００３３】
［実施例２］
実施例１と同様に摺動部材を製作し、これに給油する潤滑剤を準備した。実施例１と異なる点は、潤滑油に含有させたカーボンスーツ量を１．８重量％にした点である。この組合せに対して実施例１の摩擦摩耗試験と同様の試験を行った。この結果を表１に示す。
【００３４】
［実施例３］
実施例２と同様に摺動部材を製作し、これに給油する潤滑剤を準備した。実施例２と異なる点は、浸炭焼入れを行ったブロック試験片の摺動面に、リング試験片に形成したＤＬＣ被膜と同じ性状のＤＬＣ被膜を形成した点である。この組合せに対して実施例２の摩擦摩耗試験と同様の試験を行った。この結果を表１に示す。
【００３５】
［比較例１］
実施例１と同様に摺動部材を製作し、これに給油する潤滑剤を準備した。実施例１と異なる点は、潤滑油にカーボンスーツを含有しなかった（新油のみ：カーボンスーツ量０重量％）点である。この組合せに対して実施例１の摩擦摩耗試験と同様の試験を行った。この結果を表１に示す。
【００３６】
［比較例２］
実施例１と同様に摺動部材を製作し、これに給油する潤滑剤を準備した。実施例１と異なる点は、潤滑油に含有させたカーボンスーツ量を０．１重量％にした点である。この組合せに対して実施例１の摩擦摩耗試験と同様の試験を行った。この結果を表１に示す。
【００３７】
［比較例３］
実施例３と同様に摺動部材を製作し、これに給油する潤滑剤を準備した。実施例３と異なる点は、潤滑油に含有させたカーボンスーツ量を２．６重量％にした点である。この組合せに対して実施例３の摩擦摩耗試験と同様の試験を行った。この結果を表１に示す。
【００３８】
［比較例４］
実施例２と同様に摺動部材を製作し、これに給油する潤滑剤を準備した。実施例２と異なる点は、円筒基材を浸炭焼入れ後、ＤＬＣ被膜を形成せずにリング試験片とした点である。この組合せに対して実施例２の摩擦摩耗試験と同様の試験を行った。この結果を表１に示す。
【００３９】
［比較例５］
実施例２と同様に摺動部材を製作し、これに給油する潤滑剤を準備した。実施例２と異なる点は、ブロック試験片の材質をねずみ鋳鉄（ＪＩＳ：ＦＣ２００）にした点である。この組合せに対して実施例２の摩擦摩耗試験と同様の試験を行った。この結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
0004539457.tif 000002
【００４１】
［結果１］
実施例１〜３は、比較例１〜５に比べて、全体的にブロック試験片の摩耗量は小さく、摩擦係数も低かった。さらに、比較例１，２及び５は、他に比べて、試験後のリング試験片の表面粗さは、あまり低減されていなかった（表１の粗さの差の欄参照）。尚、比較例３のブロック試験片は、ＤＬＣ被膜が摩滅していた。
【００４２】
［評価１］
上述した実施例１，２及び比較例１，２の結果から、カーボンスーツを潤滑油に含有させたことにより、リング試験片（ＤＬＣ被膜）の表面が研磨され、表面粗さが低減されたと考えられる。そして、表面粗さの低減に伴い、ブロック試験片の摩耗量も小さくなり、摩擦係数も低くなったと考えられる。このことから、潤滑油に含有させるカーボンスーツの下限の含有量は、０．１重量％よりも多い必要があり、より好ましくは、０．２重量％以上であると考えられる。
【００４３】
［評価２］
上述した実施例２，３の結果から、ブロック試験片の摺動面にＤＬＣ被膜が形成されていても、さらに表面粗さを低減することができ、非晶質炭素材料が有する摺動特性をより効果的に発揮することができたと考えられる。
【００４４】
［評価３］
実施例２，３及び比較例３の結果から、カーボンスーツが多すぎると、リング試験片の表面粗さは低減できるが、カーボンスーツによるブロック試験片の表面は削られ過ぎて、ブロック試験片の摩耗量は著しく増加した（ＤＬＣ被膜が摩滅した）と考えられる。このことから、潤滑油に含有させるカーボンスーツの上限の含有量は、２．６重量％よりも少ない必要があり、より好ましくは、２重量％以下であると考えられる。さらに評価１を考慮すると、このカーボンスーツの最適量は、０．１重量％よりも多く、２．６重量％よりも少なくなければならず、より好ましくは、０．２〜２重量％であると考えられる。
【００４５】
［評価４］
実施例２及び比較例４の結果から、潤滑油に適量のカーボンスーツを含有させたことにより、いずれの例も摺動面の表面粗さは低減したが、鋼同士を摺動させた場合には、摩耗粉の発生が多く、摩耗が促進されたと考えられる。このことから、カーボンスーツは、ＤＬＣ被膜のような硬質被膜の表面粗さを低減に適した粒子であると考えられる。
【００４６】
［評価５］
実施例３及び比較例５の結果から、一方の摺動面にＤＬＣ被膜を設けたとしても、その相手材料としてねずみ鋳鉄のような表面硬さの小さい材料を用いた場合には、この相手材料のみが摩耗してしまい、ＤＬＣ被膜の表面粗さの表面は、低減されないと考えられる。このことから、ブロックリングの表面硬さは、Ｈｖ２００よりも大きい必要があり、より好ましくは、Ｈｖ４００以上であると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る摺動部材と潤滑油の組合せは、内燃機関のシリンダヘッドを構成するバルブリフタなどの摺動する頻度が高く、耐摩耗性が要求されるような環境において使用される摺動部材に特に好適であり、本発明の摺動部材を内燃機関のシリンダヘッドに適用した場合には、当該シリンダヘッドを構成するバルブリフタの摺動面に組合せ部材の第一摺動部材を用い、カムの摺動面には組合せ摺動部材の第二摺動部材を用いることが好適である。
【００４８】
また、本発明に係る摺動方法は、このような摺動部材の適用箇所において摺動させる場合ばかりでなく、摺動部材のラッピング加工、研磨加工にも利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】摩擦摩耗試験を説明するための図。
【図１】
0004539457.tif 000003