(57)【要約】【課題】潤滑油が摺動面に供給された状態において、低摩擦特性を発現することができる摺動部材を提供する。【解決手段】潤滑油が摺動面に供給された状態で摺動する摺動部材であって、前記摺動部材は、基材の表面に珪素および窒素を含有した非晶質炭素皮膜が被覆されており、前記非晶質炭素皮膜の表面である前記摺動面の十点平均粗さＲｚは、４０〜５１ｎｍであり、前記非晶質炭素皮膜に対して、ラマン分光分析を行うことにより得られたラマンスペクトルのＧバンドのピーク強度ＰＧに対するＣ＝Ｎ結合のピーク強度ＰＣ＝Ｎの比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧが、０．３５以上である。【選択図】図１
2016148088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑油が摺動面に供給された状態で摺動する摺動部材であって、
前記摺動部材は、基材の表面に珪素および窒素を含有した非晶質炭素皮膜が被覆されており、
前記非晶質炭素皮膜の表面である前記摺動面の十点平均粗さＲｚは、４０〜５１ｎｍであり、
前記非晶質炭素皮膜に対して、ラマン分光分析を行うことにより得られるラマンスペクトルのＧバンドのピーク強度ＰＧに対するＣ＝Ｎ結合のピーク強度ＰＣ＝Ｎの比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧが、０．３５以上であることを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潤滑油が摺動面に供給された状態で摺動する摺動部材に係り、特に、基材の表面に珪素および窒素を含有した非晶質炭素皮膜が被覆された摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、そのような摺動部材の摺動特性を向上させるために様々な開発がされている。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、摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、例えば、摺動部材の摺動面に非晶質炭素皮膜を被覆する技術が開発されている。
【０００３】
このような技術として、たとえば、特許文献１には、乾式下（乾燥摩擦条件下）で摺動する摺動部材であって、基材に、珪素及び窒素を含有した非晶質炭素皮膜が形成された摺動部材が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１５３９４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す摺動部材は、乾式下で低摩擦特性を発現することができるが、例えば潤滑油中など、潤滑油が摺動面に供給された環境下では、低摩擦特性を十分に発現するに至っていない。
【０００６】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、潤滑油が摺動面に供給された状態において、低摩擦特性を発現することができる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】
【０００７】
前記課題を鑑みて、本発明に係る摺動部材は、潤滑油が摺動面に供給された状態で摺動する摺動部材であって、前記摺動部材は、基材の表面に珪素および窒素を含有した非晶質炭素皮膜が被覆されており、前記非晶質炭素皮膜の表面である前記摺動面の十点平均粗さＲｚは、４０〜５１ｎｍであり、前記非晶質炭素皮膜に対して、ラマン分光分析を行うことにより得られるラマンスペクトルのＧバンドのピーク強度ＰＧに対するＣ＝Ｎ結合のピーク強度ＰＣ＝Ｎの比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧが、０．３５以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、潤滑油が摺動面に供給された環境下においても、低摩擦を十分に発現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る摺動部材の非晶質炭素皮膜に対して、ラマン分光分析を行うことにより得られたラマンスペクトルのＧバンドのピーク強度ＰＧとＣ＝Ｎ結合のピーク強度ＰＣ＝Ｎとを説明するための図。
【図２】本実施形態に係る摺動部材を摺動させたときの、摺動面近傍の状態を説明するための図。
【図３】実施例１、２及び比較例１〜４に係る摺動部材を製造するための製造装置の模式的概略図。
【図４】ボールオンディスク摩擦試験機を説明するための図。
【図５】実施例１、２および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素皮膜の表面粗さＲｚとピーク強度比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧの関係を示したグラフ。
【図６】実施例１、２および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素皮膜の摩擦係数の結果を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の本発明の摺動部材及びその製造方法を実施形態について説明する。
本実施形態に係る摺動部材は、潤滑油が摺動面に供給された状態（湿式環境下）で摺動する摺動部材である。摺動部材は、基材の表面に珪素および窒素を含有した非晶質炭素皮膜が被覆されている。
【００１１】
この基材の材質としては、摺動時において非晶質炭素皮膜との密着性を確保することができるような材質および表面硬さを有する材料であれば、特に限定されるものではなく、例えば、鋼、鋳鉄、アルミニウム、高分子樹脂等の基材などを挙げることができる。
【００１２】
基材の表面に被覆される非晶質炭素皮膜の表面の表面粗さ（すなわち、摺動部材の摺動面の表面粗さ）は、十点平均粗さＲｚで４０〜５１ｎｍの範囲にある。さらに、本実施形態では、非晶質炭素皮膜に対して、ラマン分光分析を行うことにより得られたラマンスペクトルのＧバンドのピーク強度ＰＧに対するＣ＝Ｎ結合のピーク強度ＰＣ＝Ｎの比（ピーク強度比）ＰＣ＝Ｎ／ＰＧが、０．３５以上である。
【００１３】
ここで、レーザーラマン分光装置を用いて、非晶質炭素皮膜に対して、ラマン分光分析を行うことにより、図１に示すようにラマンスペクトル（破線Ｔ）を得られる。得られたラマンスペクトル（破線Ｔ）をガウス関数を用いてカーブフィッティングすることにより各ピーク分離する。
【００１４】
図１では、ＣＨまたはＣＮのピーク、ＣＨ２のピーク、Ｄバンドのピーク、Ｇバンドのピーク、Ｃ＝Ｎのピークに分離している。これらのうち、本実施形態では、非晶質炭素皮膜は、測定されたＧバンドのピーク強度ＰＧに対するＣ＝Ｎ結合のピーク強度ＰＣ＝Ｎの比（ピーク強度比）ＰＣ＝Ｎ／ＰＧが、０．３５以上となっている。
【００１５】
このような摺動部材は、基材の表面に以下のように非晶質炭素皮膜を成膜することにより、製造することができる。具体的には、プラズマＣＶＤにより、基材表面に、珪素及び窒素を含有し、上述した表面粗さおよびピーク強度比の条件を満たす、非晶質炭素皮膜（Ｓｉ含有ＣＮｘＨｙ被膜）を成膜する。
【００１６】
本実施形態では、成膜における原料ガスとして、少なくともメタンなどの炭化水素系ガス、窒素ガス、及びテトラメチルシランなどの珪素原子を含むガスを用い、搬送ガスとしてアルゴンなどの不活性ガスを用いる。
【００１７】
成膜時には、基材を、電極に対峙させ、基材と電極との間に、原料ガスと搬送ガスを流すと共に、バイアス電圧を作用させることによりプラズマを発生させて、プラズマＣＶＤにより、基材表面に、珪素及び窒素を含有した非晶質炭素皮膜を成膜する。
【００１８】
ここで、成膜される基材の表面粗さ、成膜時のバイアス電圧、成膜温度等を調整することにより、非晶質炭素皮膜の表面（摺動面）の十点平均粗さＲｚを、４０〜５１ｎｍの範囲とすることができる。
【００１９】
さらに、成膜時に、窒素ガス、炭化水素系ガス、さらに珪素原子を含むガスの混合割合を調整する（例えば、全体の成膜ガス流量に対し窒素のガス流量をこれまでよりも大きくする）こと、成膜時のマイクロ波投入パワー等を調整することにより、非晶質炭素皮膜のピーク強度比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧを０．３５以上にすることができる。
【００２０】
このようにして得られた、本実施形態に係る摺動部材の非晶質炭素皮膜は、上述したピーク強度比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧが０．３５以上であるので、図２に示すように、グラファイトの六員環の１つが電気陰性度の低い窒素に置き換わった結合が増え、この結合は、グラファイトを分極させ、グラファイトに双極子を持たせる。これにより、非晶質炭素皮膜の表面には、Ｎリッチの層が形成され、無極性である潤滑油（ＰＡＯ等）を、分極した非晶質炭素皮膜の表面（摺動面）に吸着させ、摺動面に強固な油膜を形成することができる。このような結果、本実施形態に係る摺動部材は、相手材と摺動させたとしても、これまでのものに比べて、油膜保持力が高く、低摩擦特性を発現することができる。
【実施例】
【００２１】
以下に本発明の実施例を説明する。
【００２２】
（実施例１）
以下に示す方法により、基材（試験片）の表面に非晶質炭素皮膜が被覆された摺動部材を作製した。具体的には、図３に示すように、非晶質炭素皮膜の成膜には、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用した表面波励起プラズマＣＶＤ装置を用いた。直径４００ｍｍ、高さ３００ｍｍの円筒状のチャンバ内において、１００ｍｍ×６０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）製の試験片（基材）と、石英管表面との半径方向の距離ｄが２０ｍｍとなる位置に試験片ホルダを設置した。成膜ガスとしてアルゴン（Ａｒ）、メタン（ＣＨ４）、窒素（Ｎ２）およびテトラメチルシラン（ＴＭＳ：Ｓｉ（ＣＨ３）４）を準備した。なお、ＴＭＳにより、成膜される膜中にはＳｉが含まれることになる。１０００Ｗのマイクロ波パワーを定常波で投入し、高密度プラズマ（電子密度ｎｅ＞１０１１ｃｍ−３）を、直径１０．５ｍｍ、長さ１５０ｍｍの石英アンテナに沿って生成した。
【００２３】
その後、試験片ホルダと試験片に−６００Ｖのバイアス電圧を印加しながら、試験片をプラズマ中に晒すことで、Ａｒプラズマによる試験片の表面洗浄を行った。成膜温度が４００℃となるように試験片を加熱し、その後、表１に示す流量（割合）で、Ａｒガス、ＣＨ４ガス、Ｎ２ガス、およびＴＭＳガスを混入し、マイクロ波パワーを１０００Ｗ、電圧を−６００Ｖに維持した状態で、全圧を４０Ｐａとして成膜を２０分間行った。なお、この実施例１では、上述した特許文献１に示す成膜方法の条件よりも、ピーク強度比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧを大きくすべく、全体の成膜ガス流量に対し窒素のガス流量を大きくし、さらに成膜時に酸素ガスを導入することによりピーク強度比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧを変化させている。
【００２４】
また、特許文献１に示す成膜方法では、成膜時のマイクロ波パワーをパルス化して投入していたのに対し、実施例１では、窒素ガスの三重結合を分解しＣ＝Ｎの結合を形成するためこれを定常波で投入している。このために成膜時の基材温度は、特許文献１に示した基材温度よりも４００℃と高めになっている。
【００２５】
【表１】
2016148088.tif 000003
【００２６】
（実施例２）
実施例１と同じように、基材の表面に非晶質炭素皮膜を成膜し、摺動部材を作製した。実施例２の成膜条件が、実施例１のものと相違する点は、表１に示す成膜ガスの条件である。
【００２７】
（比較例１〜４）
実施例１と同じように、基材の表面に非晶質炭素皮膜を成膜し、摺動部材を作製した。比較例１〜４の成膜条件が、実施例１のもの相違する点は、表１に示す成膜ガスの条件である。
【００２８】
＜表面粗さの測定＞
実施例１、２および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素皮膜の表面（摺動部材の摺動面）の十点平均粗さＲｚを、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−１９９４に準拠して原子間力顕微鏡装置（セイコーインスツルメンツ株式会社製、ＮＰＸ１００）を用いて測定した。この結果を表２に示す。
【００２９】
＜ピーク強度比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧ＞
実施例１、２および比較例１〜４に係る非晶質炭素皮膜に対して、レーザーラマン分光装置（日本分光株式会社製、ＮＲＳ−１０００）を用いて、測定条件をレーザー波長：５３２ｎｍ、レーザー径：１μｍとして、ラマン分光分析によるラマンスペクトルを測定した。
【００３０】
得られたラマンスペクトルをガウス関数を用いてカーブフィッティングすることによりピーク分離して、Ｇバンドのピーク強度ＰＧ（Ｇバンドのピーク位置（ラマンシフト量）１５２７ｃｍ−１）と、Ｃ＝Ｎ結合のピーク強度ＰＣ＝Ｎ（Ｃ＝Ｎ結合のピーク位置（ラマンシフト量）１６０４ｃｍ−１）とを測定し、Ｇバンドのピーク強度ＰＧに対するＣ＝Ｎ結合のピーク強度ＰＣ＝Ｎの比であるピーク強度比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧを算出した。この結果を表２に示す。なお、Ｇバンドを表すピーク強度ＰＧは、炭素原子同士がｓｐ２結合しているグラファイト構造の割合に相当する。
【００３１】
表２から実施例１、２および比較例１〜４の非晶質炭素皮膜の表面粗さＲｚとピーク強度比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧの関係を図５に示した。
【００３２】
【表２】
2016148088.tif 000004
【００３３】
＜摩擦係数測定試験＞
実施例１、２および比較例１〜４に係る摺動部材の摩擦係数を測定した。具体的には、図４に示すボールオンディスク摩擦試験機を用いた。具体的には、まず、摺動部材であるディスク試験片Ｄをディスクホルダー４４に保持させると共に、ボール試験片Ｂ（ＪＩＳ規格：ＳＵＪ２，直径８ｍｍ）が固定されたボールホルダー３５をステージ３１と一体となるように試験機の本体に取り付けた。平行板ばね３２に接着したひずみゲージ３３を用いて、ボール試験片Ｂがディスク試験片（摺動部材）Ｄの非晶質炭素皮膜の表面に対して付加される荷重の値が１Ｎの荷重が付加されるようにステージ３１を調整して、これらを当接させた。なお、ボール試験片Ｂとディスク試験片Ｄの接触位置は、このステージ３１によって決定され、垂直荷重は、ｚ軸を上下させることにより調整した。
【００３４】
そして、ボール試験片Ｂとディスク試験片Ｄとの摺動面に、潤滑油（ポリ−α−オレフィン系合成潤滑油：ＰＡＯ）を常時供給した。モータ４１を駆動してプーリ４２を回転させ、ベルト４３を介して、ディスクホルダー４４のディスク試験片Ｄを、ボール試験片Ｂに対して回転半径が２ｍｍ、相対速度（摺動速度）が４１．９ｍ／ｓ（回転数２００ｒｐｍ）となる定速回転条件で、摺動距離が１５０ｍとなるまで６０分間回転させた。
【００３５】
このときの摩擦力を、ひずみゲージ３４で測定し、センサインターフェイス（協和電業製，ＰＣＤ−３００Ａ）を介して、コンピュータ内にデータを取り込み、記録し、各摺動部材の摩擦係数を換算した。この結果を表３および図６に示す。
【００３６】
【表３】
2016148088.tif 000005
【００３７】
（結果）
図６に示すように、実施例１、２に係る摺動部材の摩擦係数は、比較例１〜４のものに比べて低くなっており、実施例１に係る摺動部材の摩擦係数は、比較例４のものに比べて６６％低減されていた。
【００３８】
この結果から、図５に示すように、摺動面の十点平均粗さＲｚが、４０〜５１ｎｍの範囲にあることを前提として、ピーク強度比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧが、０．３５以上の条件を満たせば、摺動部材の低摩擦係数が発現すると考えられる。
【００３９】
これは、上述したピーク強度比ＰＣ＝Ｎ／ＰＧが増加することにより、グラファイトの六員環の１つが電気陰性度の低い窒素に置き換わった結合が増え、この結合は、グラファイトを分極させ、グラファイトに双極子を持たせることによると考えられる。これにより、無極性である潤滑油（ＰＡＯ分子）を、分極した非晶質炭素皮膜の表面（摺動面）に吸着させ、摺動面に強固な油膜を形成することができると考えられる。このような結果、実施例１、２に係る摺動部材は、比較例１〜４のものに比べて、油膜保持力が高く、低摩擦特性を発現することができたと考えられる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲および明細書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。
【図１】
2016148088.tif 000006
【図２】
2016148088.tif 000007
【図３】
2016148088.tif 000008
【図４】
2016148088.tif 000009
【図５】
2016148088.tif 000010
【図６】
2016148088.tif 000011