(57)【要約】【課題】乾式下であっても、大気中において、摺動部材の摩擦係数を低減することができる組合せ摺動部材を提供する。【解決手段】この組合せ摺動部材は、摺動面に非晶質炭素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窒化炭素膜を形成した第二摺動部材と、を有してなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動面に非晶質炭素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窒化炭素膜を形成した第二摺動部材と、を有することを特徴とする組合せ摺動部材。
【請求項２】
第一摺動部材に形成された非晶質炭素膜の摺動面と該摺動面に摺動する第二摺動部材に形成された窒化炭素膜の摺動面の一方または双方の少なくとも一部がグラファイト化していることを特徴とする請求項１に記載の組合せ摺動部材。
【請求項３】
前記第一摺動部材に形成した非晶質炭素膜の表面粗さは、十点平均粗さＲｚ０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の組合せ摺動部材。
【請求項４】
前記第一摺動部材に形成した非晶質炭素膜の表面硬さは、Ｈｖ１０００からＨｖ５０００であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の組合せ摺動部材。
【請求項５】
摺動面に非晶質炭素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窒化炭素膜を形成した第二摺動部材と、を乾式下において、摺動させることを特徴とする摺動方法。
【請求項６】
第一摺動部材に形成された非晶質炭素膜の摺動面と該摺動面に摺動する第二摺動部材に形成された窒化炭素膜の摺動面の一方または双方の少なくとも一部にグラファイト化が発現するようにして第一摺動部材と第二摺動部材を摺動させることを特徴とする請求項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、少なくとも一方の表面に非晶質炭素膜を形成した部材を組合せた組合せ摺動部材に係り、特に、乾式下において摩擦係数を低減することができる組合せ摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車において、エンジン、トランスミッションなど様々な機器に摺動部材が用いられており、この摺動部材の摺動特性を向上させるために様々な開発がなされている。この摺動部材の摩擦係数を低減させることは、自動車の燃費の向上にも繋がるので、特に重要視されている。近年では、このような摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、摺動部材の表面のコーティング技術として、その表面に非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）を被覆する技術が注目されている。
【０００３】
このような非晶質炭素膜を用いた摺動部材の一例として、基材上に被膜を有する摺動部材であって、その被膜の最表面に、ビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００のダイヤモンドライクカーボン、メタル入りダイヤモンドライクカーボン、窒化炭素からなる層を備えた摺動部材が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１６９１３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述したような摺動部材は、互いに摺動する一方の摺動面に、ダイヤモンドライクカーボンのような非晶質炭素膜を形成したものであるが、この摺動部材と摺動する他方の摺動部材の表面に関しては、被膜のコーティング等の表面処理等がなされているわけでない。すなわち、摺動部材の一方の表面にこのような非晶質炭素膜を形成させたとしても、摺動時に発生する摩擦抵抗は、その一方の摺動面に接触する他方の摺動部材の摺動面の表面状態に依存することは明らかであり、この他方の摺動面の材質、表面硬さ、表面粗さ等を考慮しなければ、摩擦係数を低減することはできない。
【０００６】
また、流体潤滑状態に近づけるべく、双方の摺動部材間に潤滑油等を給油しながら、摺動部材を摺動させる場合には、潤滑油により形成される油膜厚み伴って、摩擦係数を低減させることは可能であるが、乾式下（無給油状態）において、双方の摺動部材を摺動させたときには、摩擦界面に潤滑油が無いために、摺動材料の相互表面に凝着が発生しやすくなる。そしてこの凝着により摺動面を粗くする結果となり、摩擦係数は一般的に、０．１〜１の如き高い値になってしまう。
【０００７】
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、たとえ乾式下である場合であっても、大気中において摺動部材の摩擦係数を低減することができる組合せ摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく多くの実験と研究を行うことにより、大気中の乾式下において、非晶質炭素材料と窒化炭素材料と摺動させたときに、接触する一方または双方の摺動面の一部が変質することによりグラファイト化が発現して、さらなる摺動に伴い摺動面のグラファイト化が促進されて、接触面間に固体潤滑状態が生じ、摩擦係数を低減できるとの知見を得た。
【０００９】
本発明は、本発明者らが得た上記の新たな知見に基づくものであり、本発明の組合せ摺動部材は、摺動面に非晶質炭素膜（ＤＬＣ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窒化炭素膜（ＣＮｘ膜）を形成した第二摺動部材と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の如き組合せ摺動部材は、第一摺動部材に形成された非晶質炭素膜の表面と、第二摺動部材の表面に形成されたＣＮｘ膜の表面とが、接触して摺動したときに、非晶質炭素膜と窒化炭素膜の一方または双方の表面の一部にグラファイト化が発現し、さらにはそのグラファイト化が促進されるので、摺動部材の摩擦係数が低減される。
【００１１】
すなわち、第一摺動部材に形成された非晶質炭素膜の摺動面と該摺動面に摺動する第二摺動部材に形成された窒化炭素膜の摺動面の一方または双方の少なくとも一部がグラファイト化していることがより好ましい態様である。
【００１２】
また、このような組合せ摺動部材は、乾式下（乾式摩擦下）において摺動させたとしてもグラファイトが固体潤滑剤として作用するために、潤滑油、グリースを供給する必要がなく、摩擦係数を極めて低い値まで低減することができる。さらに、双方の摺動面のグラファイト化は、大気中であっても実現可能であるために、このような組合せ摺動部材の適用範囲は、極めて広範である。
【００１３】
非晶質炭素膜及び窒化炭素膜を成膜する方法としては、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどを利用した物理気相成長法（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。
【００１４】
また、第一摺動部材に被覆した非晶質炭素膜の表面粗さは、十点平均粗さＲｚ０．５μｍ以下であることが好ましい。このような表面粗さを得るためには、被覆前のこれら摺動部材の基材の表面粗さを、前記表面粗さとなるように調整することにより達成することができる。そして、この範囲の表面粗さにすることにより、組合せ摺動部材の摩擦係数は小さくすることができる。すなわち、第一摺動部材の非晶質炭素膜の表面粗さが、十点平均粗さＲｚ０．５μｍよりも大きいと、互いに摺動する面同士の実接触面積が小さくなるために、双方の摺動面間にグラファイトが生成されたとしてもその量は充分ではなく、さらには表面粗さに起因した摩擦抵抗が大きく作用するため摩擦係数は大きくなってしまう。
【００１５】
さらに、この組合せ摺動部材の第一摺動部材に被覆した非晶質炭素膜の表面硬さは、Ｈｖ１０００〜５０００であることが好ましく、このような表面硬さの範囲にすることにより、一方の摺動部材が過剰に摩耗することがないので、第一摺動部材と第二摺動部材との双方の耐摩耗性を向上させることができる。すなわち、第一摺動部材の非晶質炭素膜の表面硬さがＨｖ１０００以下の場合には、第二摺動部材の窒化炭素膜は硬質であるため、第一摺動部材の非晶質炭素膜が大きく摩耗してしまい、この非晶質炭素膜の表面硬さがＨｖ５０００以上の場合には、この第一摺動部材の非晶質炭素膜の表面により、第二摺動部材の窒化炭素膜が大きく摩耗してしまう。
【００１６】
また、この非晶質炭素膜中に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｗ、Ｂなどの添加元素を含有させてもよく、このような元素を添加することにより、被膜の表面硬さを調整することもできる。
【００１７】
また、この非晶質炭素膜を第一摺動部材の表面に形成するにあたっては、第一摺動部材の基材と被覆されるこの膜との間に、中間層として、クロム（Ｃｒ）からなる層を設けることにより、この膜の密着性を向上させることができる。さらにこのクロムの代わりに、チタン（Ｔｉ）またはタングステン（Ｗ）を用いてもよい。窒化炭素膜を第二摺動部材に形成するにあたって、同様にこのような中間層を設けても同様の効果が得られる。
【００１８】
本発明は、上述した組合せ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。本発明に係る摺動方法は、摺動面に非晶質炭素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窒化炭素膜を形成した第二摺動部材と、を乾式下において、摺動させることを特徴としている。
【００１９】
本発明の如き摺動方法は、乾式下において、第一摺動部材と第二摺動部材とを摺動させることにより、摺動時の摩擦係数を小さくすることができる。また、乾式下において低摩擦化を図ることができるので、潤滑油、グリースなどの給脂不良による焼き付け等の問題が発生することなく、この摺動部材を適用した機器の長寿命化を図ることができる。
【００２０】
さらに、第一摺動部材に形成された非晶質炭素膜の摺動面と該摺動面に摺動する第二摺動部材に形成された窒化炭素膜の摺動面の一方または双方の少なくとも一部にグラファイト化が発現するようにして第一摺動部材と第二摺動部材を摺動させることが好ましい。このように、第一摺動部材の摺動面と第二摺動部材の摺動面の一部がグラファイト化するような条件に基づいて、第一摺動部材と第二摺動部材を摺動させるので、摺動時の低摩擦化が実現可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、乾式下であっても、大気中において、組合せ摺動部材の摩擦係数を低減することができる。この結果、この組合せ摺動部材を車両の動力機器に適用した場合には、摩擦抵抗によるエネルギ損失が少なくなるため、車両の燃費を向上させることができる。
【００２２】
さらに、本発明に係る組合せ摺動部材は、乾式下において組合せ摺動部材の摩擦係数を低減することが可能であるため、組合せ摺動部材を適用した装置、機器のオイルレス化を図ることができる。
【実施例】
【００２３】
以下に、本発明を実施例により説明する。
【００２４】
（実施例１）
本発明に係る組合せ摺動部材の第一摺動部材として円筒試験片を製作し、第二摺動部材として平板試験片を製作した。
【００２５】
円筒試験片（第一摺動部材）：非晶質炭素膜を形成する基材として、内径φ２０ｍｍ、外径φ２５．６ｍｍ、高さ１７ｍｍ、十点平均粗さＲｚ０．５μｍの浸炭焼入れをしたクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０：ＪＩＳ規格）を準備し、この表面に、スパッタリング装置（神戸製鋼所製）を用いて、中間層としてクロム（Ｃｒ）を０．５μｍ被覆し、さらに炭素材料からなるターゲット（カーボンターゲット）を装置内に配置し、ターゲットと基材との間に、アルゴン（Ａｒ）ガスとメタン（ＣＨ４）ガスとからなる処理ガスを流した状態で、基材温度を２００℃に保持して、ターゲットと基材との間に１００Ｖに調整したバイアス電圧をかけながらプラズマを発生させて、基板表面にターゲットのスパッタ粒子をスパッタリングすることにより、端面に膜厚が２μｍ、表面硬さがＨｖ３０００、表面粗さが十点平均粗さＲｚ０．５μｍとなるように非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）を成膜した。
【００２６】
平板試験片（第二摺動部材）：窒化炭素膜を形成する基材として、３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍ、表面粗さを十点平均粗さＲｚ０．０１μｍの単結晶シリコンウエハを準備し、この３０ｍｍ×３０ｍｍの表面に、カーボンターゲットへのアルゴンビームスパッタリング（加速電圧１ｋＶ，加速電流１００ｍＡ）と、同時に、この基板へ窒素イオン（加速電圧０．５ｋＶ，イオン電流密度３０μＡ／ｃｍ２）を照射させるダイナミキシングにより、膜厚が１００ｎｍ、表面粗さが十点平均粗さＲｚ０．５μｍとなるように窒素炭素膜（ＣＮｘ膜）を成膜した。
【００２７】
乾式摩擦試験：円筒試験片のＤＬＣ膜が形成された面を平板試験片のＣＮｘ膜が形成された面に接触させながら、１００Ｎの荷重をかけて、すべり速度が３０ｍｍ／ｓとなるように円筒試験片を乾式下において摺動させ、このときの摩擦係数を測定した。この結果を図１及び表１に示す。
【００２８】
（比較例１）
実施例１と同様の円筒試験片と平板試験片とを製作した。実施例１と異なる点は、円筒試験片の表面に、非晶質炭素膜を形成しなかった点である（比較例１は、ＳＣＭ４２０を浸炭焼入れした面が摺動面となる）。これらの試験片を組合せて、実施例１と同様に乾式摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。この結果を表１及び図１に示す。
【００２９】
（比較例２）
実施例１と同様の円筒試験片と平板試験片とを製作した。実施例１と異なる点は、円筒試験片をステンレス鋼（ＳＵＳ３０４：ＪＩＳ規格）により製作した点である。尚、この円筒試験片の表面粗さは、実施例１の平板試験片の表面粗さと同じである。そして、これらの試験片を組合せて、実施例１と同様に乾式摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。この結果を表１及び図１に示す。
【００３０】
（比較例３）
実施例１と同様の円筒試験片と平板試験片とを製作した。実施例１と異なる点は、円筒試験片を窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）により焼結させて製作した点である。尚、この平板試験片の表面粗さは、実施例１の円筒試験片の表面粗さと同じである。そして、これらの試験片を組合せて、実施例１と同様に乾式摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。この結果を表１及び図１に示す。
【００３１】
（比較例４）
実施例１と同様の円筒試験片と平板試験片とを製作した。実施例１と異なる点は、摺動面が浸炭焼入れをした表面となるように、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０）により平板試験片を製作した点である。尚、この平板試験片の表面粗さは、実施例１の平板試験片の表面粗さと同じである。そして、これらの試験片を組合せて、実施例１と同様に乾式摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。この結果を表１及び図１に示す。
【００３２】
（比較例５）
実施例１と同様の円筒試験片と平板試験片とを製作した。実施例１と異なる点は、平板試験片をステンレス鋼（ＳＵＳ３０４：ＪＩＳ規格）により製作した点である。尚、この平板試験片の表面粗さは、実施例１の平板試験片の表面粗さと同じである。そして、これらの試験片を組合せて、実施例１と同様に乾式摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。この結果を表１及び図１に示す。
【００３３】
（比較例６）
実施例１と同様の円筒試験片と平板試験片とを製作した。実施例１と異なる点は、平板試験片を窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）により焼結させて製作した点である。尚、この平板試験片の表面粗さは、実施例１の平板試験片の表面粗さと同じである。そして、これらの試験片を組合せて、実施例１と同様に乾式摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。この結果を表１及び図１に示す。
【００３４】
（比較例７）
実施例１と同様の円筒試験片と平板試験片とを製作した。実施例１と異なる点は、円筒試験片の成膜と同様の方法で、摺動面にＤＬＣ膜を成膜して、平板試験片を製作した点である。尚、この平板試験片の表面粗さは、実施例１の平板試験片の表面粗さと同じである。そして、これらの試験片を組合せて、実施例１と同様に乾式摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。この結果を表１及び図１に示す。
【００３５】
（比較例８）
実施例１と同様の円筒試験片と平板試験片とを製作した。実施例１と異なる点は、平板試験片の成膜と同様の方法で、摺動面にＣＮｘ膜を成膜して、円筒試験片を製作した点である。尚、この円筒試験片の表面粗さは、実施例１の平板試験片の表面粗さと同じである。そして、これらの試験片を組合せて、実施例１と同様に乾式摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。この結果を表１及び図１に示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
（結果１）
実施例１の組合せ摺動部材は、摩擦係数が０．０８となり、比較例１〜比較例８に比べて摩擦係数は低かった。比較例１〜比較例３のように平板試験片の表面に窒化炭素膜（ＣＮＸ膜）を形成した場合、比較例４〜比較例６のように円筒試験片の表面に非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）を形成した場合も、摩擦係数は低減されなかった。さらに、比較例７のように円筒試験片、平板試験片の双方にＤＬＣ膜を形成した場合、比較例８のように円筒試験片、平板試験片の双方にＣＮｘ膜を形成した場合は、比較例１〜６に比べて摩擦係数は低減されているが、実施例１の如き摩擦の低減化はされなかった。
【００３８】
（評価１）
結果１から、実施例１の組合せ摺動部材が、乾式下において油膜が形成されないにもかかわらず（流体潤滑状態が得られないにもかかわらず）摩擦係数が０．１以下になるまで低減した理由は、円筒試験片に形成された非晶質炭素膜の摺動面と該摺動面に摺動する平板試験片に形成された窒化炭素膜の摺動面の双方の一部にグラファイト化が発現し、これら部材が摺動するにともなってこれら摺動面の一部のグラファイト化が促進することによる。また、比較例１〜６のように、一方の摺動面にＤＬＣ膜またはＣＮｘ膜を形成しても、または、比較例７，８のように、双方の面に同じ材質の膜を形成しても、摩擦係数が低減されなかった理由としては、ＤＬＣ膜またはＣＮｘ膜のいずれか一方のみを用いた乾式摩擦、または同じ材質の膜を用いた乾式摩擦の場合には、摩擦係数を０．１以下にする程度にまで膜表面がグラファイト化しなかったからであると考えられる。
【００３９】
（実施例２及び３）
実施例１と同様に円筒試験片と平板試験片とを製作した。実施例１と実施例３は同一の試験片であり、実施例２は、円筒試験片の摺動面の表面粗さを十点平均粗さＲｚ０．１μｍにした点が、実施例１とは異なる。これらの試験片を組合せて、実施例１と同様に乾式摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。この結果を表２及び図２に示す。
【００４０】
（比較例９〜１１）
実施例１と同様に円筒試験片と平板試験片とを製作した。実施例１と異なる点は、円筒試験片の摺動面の表面粗さを順次、十点平均粗さＲｚ１μｍ，３μｍ，５μｍにした点である。これらの試験片を組合せて、実施例１と同様に乾式摩擦試験を行って摩擦係数を測定した。この結果を表２及び図２に示す。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
（結果２）
実施例２，３の組合せ摺動部材は、摩擦係数が０．１以下の低摩擦となり、比較例９〜１１の組合せ摺動部材は、表面粗さが大きくなるに従って、摩擦係数も大きくなった。
【００４３】
（評価２）
結果２から、円筒試験片のＤＬＣ膜の表面粗さが、十点平均粗さＲｚ０．５μｍよりも大きいと、互いに摺動する面同士の実接触面積が小さくなるために、双方の摺動面間にグラファイトが生成されたとしてもその量は充分ではなく、さらには表面粗さに起因した摩擦抵抗が大きく作用するため摩擦係数は大きくなってしまうと考えられ、このようにＤＬＣ膜とＣＮｃ膜とを組合せて摺動させた場合において、ＤＬＣ膜の表面粗さは、十点平均粗さＲｚ０．５μｍ以下であることが好ましいと考えられる。
【００４４】
以上、本発明に係る組合せ摺動部材のいくつかの実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００４５】
たとえば、本実施例では、第一摺動部材の基材にステンレス鋼、第二摺動部材の基材にシリコンウエハを用いたが、摺動時においてＤＬＣ膜、ＣＮｘ膜の密着強度が確保できること、表面粗さの調整ができること等が満たしていれば、この材料に特に限定されるものではなく、これらの基材はいずれも汎用性の高い鉄系金属であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る組合せ摺動部材は、潤滑油の管理が必要な箇所、グリースなどの給脂が定期的に必要な箇所であって、低摩擦化が必要な摺動部を備えた機器に対して、特に有効に利用することができる。また、車両のエンジンを構成するピストンリングとシリンダの摺動部材などに用いた場合には、エンジンオイルの潤滑不良が発生して無給油状態になったとしても、摩擦係数を低い状態に維持することができることから、本発明に係る組合せ摺動部材は、潤滑管理を行わなければならない機器のフェイルセーフ設計を行う必要がある箇所に適用することが有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施例１の組合せ摺動部材と比較例１〜８の組合せ摺動部材の摩擦試験結果を示した図。
【図２】実施例２及び３の組合せ摺動部材と比較例９〜１１の組合せ摺動部材の摩擦試験結果を示した図。
【図１】
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【図２】
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