JP2015193918A - 摺動部材および摺動機械 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の摺動部材は、基材と、基材の表面を被覆して摺動面を構成する摺動膜とからなり、潤滑油の存在する湿式条件下で用いられる。本発明に係る摺動膜は、基材の表面上に形成された下地層と下地層上の少なくとも一部に形成された最表層とからなる積層膜である。この最表層は、最表層全体を100原子%としたときに4〜50%のBと5〜50%のHを含む特定ホウ素含有非晶質炭素(特定B−DLC)からなることを特徴とする。この特定B−DLCは、摺動時に自ら摩耗して摺動面を平滑化し、優れた低摩擦性を発揮する。特定B−DLCの下地層は、摺動膜の耐摩耗性向上に寄与する。
【選択図】図4
Description
(1)本発明の摺動部材は、基材と、該基材の表面を被覆して摺動面を構成する摺動膜とからなり、潤滑油の存在する湿式条件下で用いられる摺動部材であって、前記摺動膜は、前記基材の表面上に形成された下地層と該下地層上の少なくとも一部に形成された最表層とからなる積層膜からなり、該最表層は、該最表層全体を100原子%(単に「%」という。)としたときに4〜50%のホウ素(B)と5〜50%の水素(H)を含む特定ホウ素含有非晶質炭素(以下、「特定B−DLC」という。)からなることを特徴とする。
本発明は摺動部材としてのみならず、それを用いた摺動機械としても把握される。すなわち本発明は、相対移動し得る対向した摺動面を有する一対の摺動部材と、該対向する摺動面間に介在し得る潤滑油と、を備えた摺動機械であって、前記摺動部材の少なくとも一方は、上述した本発明の摺動部材からなることを特徴とする摺動機械でもよい。
(1)本発明に係る特定B−DLCは、C、HおよびBの他、特性改善に有効な元素(改質元素)を適宜含み得る。また、コスト的または技術的な理由により除去困難な「不可避不純物」を含有し得ることは当然にある。
(1)本発明に係る最表層は特定B−DLC(膜)からなる。特定B−DLCは、Bが4〜50%、23〜50%、24〜40%、25〜35%さらには27〜33%含まれると好ましい。またHが5〜50%、26〜50%、27〜40%さらには28〜35%含まれると好ましい。B、Hは特定B−DLCの硬さひいては摩耗性に影響し、それらが過少ではB−DLCの硬さが過大となり、過多ではB−DLCの硬さが過小となり、いずれにしても最表層の平滑化が妨げられる。
本発明では、下地層の種類を問わないが、下地層は摺動面に露出することがあり得るため、耐摩耗性に優れると共に摺動性(低摩擦性)にも優れると好ましい。最表層の平滑化により摺動面の低摩擦化が図られるため、本発明では下地層の表面粗さは問わないが、その表面粗さはRaで0.6μm以下、0.2μm以下さらには0.1μm以下であると好ましい。なお、下地層の層厚は問わないが、例えば1〜5μm程度であると、下地層が形成される基材の表面粗さの影響を吸収でき、安定した低摩擦摺動が確保され得る。
摺動面が形成される基材はその材質を問わないが、通常、金属材料、特に鉄鋼(炭素鋼または合金鋼)材からなる。基材表面は、適宜、窒化、浸炭等の表面処理がなされていてもよい。その表面粗さは問わないが、Raで0.3μm以下さらには0.1μm以下であると好ましい。また下地層の密着性を向上させるため、基材表面にCrやCrC等からなる中間層が一層以上形成されていてもよい。
最表層および下地層の生成方法は問わないが、最表層となる特定B−DLCや下地層となるSi−DLC、B−DLC、TiN等は、例えば、プラズマCVD法、イオンプレーティング法、スパッタリング法(特にアンバランスドマグネトロンスパッタリング法)等により効率的に形成され得る。
本発明の摺動部材は、その具体的な形態や用途を問わず、多種多様な摺動機械に用いることができる。このような摺動部材として、軸と軸受、ピストンとライナー、噛合する歯車、動弁系を構成するカムとバルブリフタ若しくはフォロワ、バルブとバルブガイド、ロータとロータハウジング等がある。また摺動機械として、例えば、自動車等に搭載されるエンジンや変速機等の駆動系ユニット等がある。
表1Aおよび表1B(適宜、両表を併せて単に「表1」という。)に示す種々の試料(摺動部材)を製造した。各試料は、基材であるブロック試験片(15.7mm×6.5mm×10mm)の摺動面となる一面に、種々の被膜を形成したものである。但し、試料C1は、基材の研磨面をそのまま摺動面とした。
試料C1の基材には、浸炭鋼(JIS SCM420)の焼入れ焼戻し材(HV700±50)を用いた。試料C1以外の基材には、マルテンサイト系ステンレス鋼(JIS SUS440C)の焼入れ焼戻し材(HRC58)を用いた。なお、各基材の表面(被処理面)は、成膜前に、表1に示す表面粗さ(Ra)に研磨した。なお、本実施例でいう表面粗さは全て、特に断らない限り、JIS B0601:’01に準拠した算術平均粗さ(Ra)に基づく。
(1)試料1〜4および試料C8〜C11は、基材表面にSi−DLC膜(下地層)とB−DLC膜(最表層)を順に成膜して積層膜を形成したものである。これらの成膜は、表1Aに示す成膜条件下で、図2に示す成膜装置1を用いて、直流プラズマCVD(PCVD)法により行った。具体的には次の通りである。
表1に示した各試料について、各特性をそれぞれ測定し、その結果を表1に併せて示した。具体的にいうと、表面粗さ(Ra)は、白色干渉法非接触形状測定機(New View 5022、ザイゴ株式会社製)により測定した。膜厚(層厚)は、精密膜厚測定器(CALOTEST、CSEM社製)により測定した。被膜中のB量とSi量はEPMA分析(日本電子製、JXA−8200)により測定し、H量はRBS/HFS分析(National Electrostatics Corporation製、Pelletron 3SDH)により測定した。
上述した各試料の被覆面(試料C1を除く)を摺動面として、リング・オン・ブロック型摩擦試験機(LFW−1、FALEX社製)により摩擦試験を行った。この様子の概略を図3に示した。具体的にいうと、各試料に係るブロック試験片21の摺動面21f(15.7mm×6.5mm)を、潤滑油Lが入った浴槽20内で回転するリング試験片22の摺動面22fに押圧しつつ摺接させて、そのときの摩擦係数と試験後の摩耗深さを測定した。リング試験片22には、浸炭材(SAE4620、φ35mm×8.8mm、表面粗さRa0.2±0.1μm)を用いた。潤滑油は、トヨタ自動車株式会社の純正エンジン油(トヨタキャッスル SN 0W−20/ILSAC規格:GF−5、MoDTC非含有)を用いた。また、リング試験片22に対してブロック試験片21を押圧する荷重F:133N、両試験片のすべり速度:0.3m/s、潤滑油の油温:80℃(一定)、試験時間:30分間とした。なお、摩擦係数は、試験終了直前の1分間における平均値とした。また摩耗深さは、白色干渉法非接触形状測定機により得られた形状から、非摺動面から摺動面の最深部までの深さとして算出した。こうして得られた結果を表1に併せて示した。
(1)摩擦係数
表1Aの各試料に係る摩擦係数を図4に対比して示した。図4および表1Aから明らかなように、摺動面(最表層)に特定B−DLCが存在する試料1〜4と試料C7は、他の試料よりも群を抜いて小さい摩擦係数を発現した。例えば、試料1は摩擦係数が0.01以下であり、超低摩擦特性を発現することが明らかとなった。
摩擦試験前の摺動面(最表層)の表面粗さ(初期表面粗さ)と摩擦係数の関係を図5Aに、その初期表面粗さと摩耗深さの関係を図5Bにそれぞれ示した。これらから、初期表面粗さが小さいほど、摩擦係数および摩耗深さは小さくなる傾向にあることがわかる。但し、試料C4または試料C5と試料1〜4とを比較するとわかるように、初期表面粗さが同じでも、摺動面を構成するB−DLC膜の組成(B量、H量)により、摩擦係数は大きく異なることもわかる。
試料1〜4と試料C4について、摩擦試験前後の摺動面の様子を図7〜図11にそれぞれ示した。なお、各図の左側に示した立体図と右側に示した立体図断面における表面粗さ曲線は、白色干渉法非接触形状測定機により測定して描いたものである。
試料1〜4と試料C4、C8〜C11について、層厚比と摩擦係数の関係を図12に示した。図12から、試料1〜4のように層厚比の範囲が適切であると、低摩擦化を十分に図れることがわかる。但し、試料C4のように層厚比の範囲が適切でも、硬質なB−DLC単層膜では、低摩擦化を十分に図れないこともわかる。
Claims (8)
- 基材と、
該基材の表面を被覆して摺動面を構成する摺動膜とからなり、
潤滑油の存在する湿式条件下で用いられる摺動部材であって、
前記摺動膜は、前記基材の表面上に形成された下地層と該下地層上の少なくとも一部に形成された最表層とからなる積層膜からなり、
該最表層は、該最表層全体を100原子%(単に「%」という。)としたときに4〜50%のホウ素(B)と5〜50%の水素(H)を含む特定ホウ素含有非晶質炭素(以下、「特定B−DLC」という。)からなり、
該下地層の算術平均粗さ(Ra)に基づく表面粗さ(R2)に対する該最表層の層厚(T1)の比である層厚比(T1/R2)は3〜200であることを特徴とする摺動部材。 - 前記層厚比は5.8〜37.5である請求項1に記載の摺動部材。
- 前記層厚比は12.6〜23.3である請求項2に記載の摺動部材。
- 前記最表層は、該最表層全体を100%としたときに23〜50%のBと26〜50%のHを含む特定B−DLCからなる請求項1に記載の摺動部材。
- 前記下地層は、前記最表層よりも硬質な窒化物、炭化物または硬質非晶質炭素からなる請求項1〜4のいずれかに記載の摺動部材。
- 前記下地層の硬質非晶質炭素は、ケイ素(Si)を含有したケイ素含有非晶質炭素(以下、「Si−DLC」という。)である請求項5に記載の摺動部材。
- 前記下地層の表面粗さはRa:0.1μm以上である請求項1〜6のいずれかに記載の摺動部材。
- 相対移動し得る対向した摺動面を有する一対の摺動部材と、
該対向する摺動面間に介在し得る潤滑油と、
を備えた摺動機械であって、
前記摺動部材の少なくとも一方は、請求項1〜7のいずれかに記載の摺動部材からなることを特徴とする摺動機械。
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