(57)【要約】【課題】摺動機構において摺動面を低摩擦化する。【解決手段】本発明に係る摺動機構は、第１摺動面を有する第１摺動部品と、前記第１摺動面と摺動する第２摺動面を有する第２摺動部品と、前記第１摺動面に形成され、Ｍｏが添加された硬質炭素被膜と、前記第２摺動面に形成された硫黄添加層とを具備することを特徴とする。前記硬質炭素被膜はアモルファス状の炭素被膜であり、例えばダイヤモンドライクカーボン、アモルファスカーボン、又は水素化アモルファスカーボンである。前記摺動機構は無潤滑下で使用されてもよい。前記硬質炭素被膜は、質量％でＭｏを９％以上１５％以下含有するのが好ましい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１摺動面を有する第１摺動部品と、
前記第１摺動面と摺動する第２摺動面を有する第２摺動部品と、
前記第１摺動面に形成され、Ｍｏが添加された硬質炭素被膜と、
前記第２摺動面に形成された硫黄添加層と、
を具備することを特徴とする摺動機構。
【請求項２】
前記硬質炭素被膜は、アモルファス状の炭素被膜であることを特徴とする請求項１に記載の摺動機構。
【請求項３】
前記摺動機構は無潤滑下で使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動機構。
【請求項４】
前記硬質炭素被膜は、質量％でＭｏを９％以上１５％以下含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低摩擦かつ耐磨耗性に優れた摺動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドライクカーボンやアモルファスカーボンなどの硬質炭素膜は、固体潤滑性が優れており、かつ硬質であることから、部品の摺動性及び耐磨耗性を向上させる材料として知られている（例えば特許文献１参照）。具体的には、通常の平滑な鋼材材料の摩擦係数は、無潤滑下で０．４以上であるのに対して、硬質炭素膜を用いると０．１５以下の摩擦係数を実現できる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３３６５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
摺動機構の摺動面において、さらに低摩擦化することが望まれている。
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、低摩擦かつ耐磨耗性に優れた摺動機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係る摺動機構は、第１摺動面を有する第１摺動部品と、
前記第１摺動面と摺動する第２摺動面を有する第２摺動部品と、
前記第１摺動面に形成され、Ｍｏが添加された硬質炭素被膜と、
前記第２摺動面に形成された硫黄添加層と、
を具備することを特徴とする。
【０００６】
前記硬質炭素被膜はアモルファス状の炭素被膜であり、例えばダイヤモンドライクカーボン、アモルファスカーボン、又は水素化アモルファスカーボンである。前記摺動機構は無潤滑下で使用されてもよい。前記硬質炭素被膜は、質量％でＭｏを９％以上１５％以下含有するのが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明者等は、硫化モリブデンの優れた固体潤滑性に着目し、摺動面に硫化モリブデンを生成させることにより摺動機構の摺動面をさらに低摩擦化し、かつ高い耐磨耗性を実現することを検討した。その結果、摺動機構を構成する第１摺動部品及び第２摺動部品において、第１摺動部品の摺動面に、Ｍｏが添加された硬質炭素被膜を形成し、第２摺動部品の摺動面に硫黄添加層（例えば浸硫層）を形成することにより、潤滑油の有無に関わらず摺動面に硫化モリブデンが生成し、摺動機構の摺動面をさらに低摩擦化し、かつ高い耐磨耗性を実現できることを見出した。
【０００８】
硬質炭素被膜は例えばアモルファス状の炭素被膜であり、例えばダイヤモンドライクカーボン（以下ＤＬＣと記載）であるが、アモルファスカーボン又は水素化アモルファスカーボンであってもよい。硬質炭素被膜は、例えばＰＶＤ法で形成することができる。この場合、スパッタリングターゲットとして炭素ターゲット及びＭｏターゲットの双方を同時に用いることにより、硬質炭素被膜にＭｏを添加することができる。そして、炭素ターゲットとＭｏターゲットの面積比率を変えることにより、硬質炭素被膜におけるＭｏ含有率を変えることができる。硬質炭素被膜におけるＭｏ含有率は、質量％で９％以上１５％以下であるのが好ましい。
なお、硬質炭素被膜と摺動面の間には、中間層（例えばＣｒ膜）を形成するのが好ましい。
【０００９】
硫黄添加層は、例えば第２摺動部品の摺動面に、塩浴浸硫窒化法、低温浸硫法、イオン浸硫窒化法、ガス浸硫窒化法、プラズマ浸硫窒化法、及び電解浸硫法のいずれかを行うことにより形成されるが、他の方法を用いてもよい。硫黄の濃度が５重量％以上の領域を硫黄添加層と定義した場合、硫黄添加層の深さは、５μｍ以上あるのが好ましい。
【００１０】
また摺動機構の少なくとも摺動面は、例えば硬度ＨＶ６５０以上の鋼で形成されるが、他の金属で形成されても良い。鋼（例えばＳＣｒ４２０、ＳＣＭ４４０、又はＳＫＤ１１）を用いる場合、摺動面が例えば浸炭処理、ガス軟窒化、又はプラズマ窒化されることにより、上記した硬度を実現できる。
【実施例】
【００１１】
定速摩擦摩耗試験を行う為に、実施例１〜３に係るリング及びチップの組、及び比較例１〜４に係るリング及びチップの組を作製した。各組において、チップの素材にはＳＣＭ４４０Ｈを使用し、リングの素材にはＳＣｒ４２０Ｈを使用した。またリングの表面には浸炭処理を施した。
【００１２】
詳細には、実施例１〜３においては、チップの摺動面に浸硫窒化処理を行い、リングの摺動面に、中間層としてのＣｒ膜及びＭｏを添加したＤＬＣ膜をこの順に形成した。実施例１，２，３それぞれにおけるＭｏ含有量は、１０ａｔ％，２０ａｔ％，１０ａｔ％    である。ただし実施例３においては、さらにＷを１０ａｔ％添加した。
【００１３】
なお、浸硫窒化処理は、ガス軟窒化処理を行った後に浸硫処理を行うものである。ガス軟窒化処理に使用したガスは、ＣＯ２＋ＮＨ３＋Ｎ２であり、浸硫処理に使用したガスはＨ２Ｓであった。また各処理における処理温度は５７０℃であった。
【００１４】
また比較例１において、チップの摺動面にはガス軟窒化処理を行い、リングの摺動面には被膜を形成しなかった。比較例２において、チップの摺動面には浸硫窒化処理を行ったが、リングの摺動面には被膜を形成しなかった。比較例３において、チップの摺動面にはガス軟窒化を行い、リングの摺動面には、中間層としてのＣｒ膜及び添加元素がないＤＬＣ膜をこの順に形成した。そして比較例４において、チップの摺動面にはガス軟窒化を行い、リングの摺動面には、中間層としてのＣｒ膜及びＭｏを１０ａｔ％添加したＤＬＣ膜をこの順に形成した。
【００１５】
これらリング及びチップの組を、図１に示す定速摩擦磨耗試験機で試験した。この定速摩擦磨耗試験機において、リング２８はフリー軸受け２９，３８およびフリー軸３７によって回転可能に取り付けられている。チップ２７は取り付けソケット３０によって取り付けられている。取り付けソケット３０はガイド軸３１に取り付けられており、ガイド軸３１はガイドホルダー３２によって保持されている。ガイド軸３１はロードセル（荷重計測用）３３およびカップリング３４を介してペロシリンダー３９に接続されており、ペロシリンダー３９には監視用圧力計３５およびエアチューブ３６が接続されている。また、前記ガイドホルダー３２は、フリー軸３７およびペンディングロードセル（摩擦係数計測用）を保持している。ガイドホルダー３２にはストレンゲージ４０が取り付けられており、ストレンゲージ４０にはストッパーが取り付けられている。なお、リング２８は摺動時の相手材となる材料が用いられる。また、摺動面積は５×５ｍｍ角である。
【００１６】
定速摩擦摩耗試験の概要は以下の通りである。１ｍ/秒の一定速度で回転するリング２８に、チップ２７を所定の面圧で押し付けて１０分保持して、このときの摩擦係数を測定した。また、試験後のチップを実測することにより磨耗量を測定した。
【００１７】
表１は、無潤滑下における定速摩擦磨耗試験の結果を、各実施例及び各比較例の条件と共に示している。面圧は１０ＭＰａとした。またリング２８の磨耗量は極少量であったため、チップ２７の磨耗量のみを示した。チップ２７の磨耗量は５点で測定し、これらの平均値を表１に示した。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
実施例１，２，３の摩擦係数は、それぞれ０．０９、０．０６、０．０８であった。これに対して比較例１，２，３，４の摩擦係数は、それぞれ０．５１，０．４５，０．１３，０．１６であった。このことから、各実施例は比較例に対して摩擦係数が十分低くなることが示された。特に実施例２は、摩擦係数が最も低くなった。なお、実施例１，３の摩擦係数は略同じであった為、Ｗの添加の有無は摩擦係数に影響を与えないと判断できる。
【００２０】
また、実施例１，２，３の磨耗量は、それぞれ０．０００８ｍｍ、０．２９５４ｍｍ、０．０００８ｍｍであった。これに対して比較例１，２，３，４の磨耗量は、それぞれ０．５１ｍｍ，０．４５ｍｍ，０．１３ｍｍ，０．１６ｍｍであった。このことから、実施例１，３は比較例に対して磨耗量が十分低くなることが示された。なお、実施例２は磨耗量が多かったが、これはＭｏの添加量が多くてチップ２７の硬度が低下した為である。なお、実施例１，３の摩擦係数は略同じであった為、Ｗの添加の有無は磨耗量に影響を与えないと判断できる。
【００２１】
以上のことから、低摩擦係数と低磨耗量を高次元で両立させる為には、ＤＬＣ等の硬質炭素被膜に対するＭｏの添加量を適切な範囲に収める必要があると判断できる。
【００２２】
次に、ＤＬＣ膜に対するＭｏの添加量と摩擦特性の関係を調べるために、Ｍｏの添加量を変えたチップ２７を複数作製し、これらを表１と同様の方法で試験した。結果を図２に示す。図２において、横軸はＤＬＣ膜に対するＭｏの添加量を示しており、縦軸は摩擦係数及びチップの磨耗量（ｍｍ）を示す。
【００２３】
Ｍｏの添加量が１０ａｔ％以下の場合、チップ２７の磨耗量は、Ｍｏの添加量が増えるに従って減少していくが、Ｍｏの添加量が１０ａｔ％を超えると、チップ２７の磨耗量はＭｏの添加量が増えるに従って増加した。一方、チップ２７とリング２８の間の摩擦係数は、Ｍｏの添加量が１３ａｔ％までは、Ｍｏの添加量が増加するに従って摩擦係数が低下したが、それよりＭｏの添加量が増えても摩擦係数はあまり変化しなかった。
【００２４】
図２のグラフから、ＤＬＣ等の硬質炭素被膜に対するＭｏの添加量が９％以上１５％以下の場合、摩擦係数が０．１以下となり、かつチップの磨耗量が０．１ｍｍ以下となるため、低摩擦係数と低磨耗量を高次元で両立できることが分かった。
【００２５】
表２は、潤滑下における定速摩擦磨耗試験の結果を示している。潤滑下の試験は、実施例１及び比較例３に対して行った。面圧は１０ＭＰａとした。潤滑油としてはエンジンオイル（昭和シェル株式会社製  リムラＤ  ＳＡＥ１０Ｗ）を使用した。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
実施例１の摩擦係数及び磨耗量は、それぞれ０．０１３４及び０．０１であった。これに対して比較例３の摩擦係数及び磨耗量は、それぞれ０．０１７３及び０．０１であった。このことから、潤滑下において実施例１は、比較例３と同等以上の特性を有することが分かった。
【００２８】
次に、実施例１〜３及び比較例２〜４それぞれにおける無潤滑下の摩擦係数の面圧依存性を、図１に示した定速摩擦磨耗試験機を用いて調べた。結果を図３に示す。実施例１〜３は、面圧が１．０ＭＰａ〜１２．５ＭＰａの範囲で摩擦係数が０．１前後であり、顕著な面圧依存性を示さなかった。
【００２９】
これに対して、比較例４は、面圧が２．０ＭＰａで摩擦係数が０．５以上と大きくなり、それから面圧が上がるにつれて徐々に低下した。また比較例２，３は、顕著な面圧依存性を示さなかったが、いずれの面圧においても摩擦係数が実施例１〜３より高かった。
【００３０】
以上から、本発明を適用することにより、いずれの面圧においても摩擦係数を低くできることが示された。
【００３１】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】定速摩擦磨耗試験機の構成を示す図。
【図２】ＤＬＣ膜に対するＭｏの添加量と摩擦特性の関係を示すグラフ。
【図３】無潤滑下の摩擦係数の面圧依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３３】
２９，３８…フリー軸受け、３０…取付けソケット、３１…ガイド軸、３２…ガイドホルダー、３３…ロードセル、３４…カップリング、３５…監査用圧力計、３６…エアチューブ、３７…フリー軸、３９…ペロシリンダー、４０…ストレンゲージ、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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