JP2019066002A - 摺動システム - Google Patents
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Abstract
Description
(1)本発明の摺動システムは、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、を備えた摺動システムであって、前記摺動面の少なくとも一方は、窒化クロム膜で被覆された被覆面からなり、前記窒化クロム膜は、膜全体を100原子%(単に「%」という。)として、N:32〜47%とCr:残部とからなると共に、X線回折で分析したときに得られる(200)面に対する(111)面の面積割合である相対面積が20〜30%であり、前記潤滑油は、油溶性モリブデン化合物であるジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン(単に「Mo−DTC」という。)を含み、該Mo−DTCは、前記潤滑油全体に対してMoの質量割合で50〜800ppm含まれる。
(1)本発明でいう「摺動システム」は、摺動部材と潤滑油を備えれば足り、機械としての完成体に限らず、その一部を構成する機械要素の組合わせ等でもよい。本発明の摺動システムは、適宜、摺動構造、摺動機械(例えばエンジン、変速機)等と換言してもよい。
本発明に係る潤滑油はMo−DTC(図6参照)を含むものであれば、基油の種類や他の添加剤の有無等を問わない。Mo−DTCが過少であると、低摩擦特性が発揮され難くなるが、Mo−DTCが過多でも問題はない。但し、Moはレアメタルの一種であり、含有されるMoの合計量は少ないほど好ましい。そこで本発明に係るMo−DTCは、潤滑油全体に対するMoの質量割合で50〜800ppm、200〜700ppmさらには2300〜600ppmであると好ましい。なお、潤滑油全体に対するMoの質量割合をppmで表すときは、適宜、「ppmMo」とも表記する。Mo−DTC以外のMo系化合物等が潤滑油中に含まれる場合、そのMo総量の上限値は、潤滑油全体に対して400ppmMoさらには300ppmMoであると好ましい。
本発明に係る窒化クロム膜は、その成膜方法を問わないが、例えば、アークイオンプレティーング(AIP)法、スパッタリング(SP)法(特にアンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法等の物理蒸着(PVD)法により、所望の窒化クロム膜が効率的に形成され得る。
本発明に係る摺動部材は、潤滑油を介在させつつ相対移動する摺動面を有するものであれば、その種類、形態、摺動形態等を問わない。このような摺動部材を備える摺動システムも、その具体的な形態や用途を問わず、摺動抵抗の低減や摺動による機械損失の低減が要求される多種多様な機械や装置等に幅広く適用され得る。例えば、自動車等の駆動系ユニット(エンジンや変速機等)に本発明の摺動システムが利用されると好適である。このような摺動システムを構成する摺動部材として、例えば、動弁系を構成するカム、バルブリフタ、フォロワ、シム、バルブ、バルブガイド等、その他、ピストン、ピストンリング、ピストンピン、クランクシャフト、歯車、ロータ、ロータハウジング等がある。
窒化クロム膜を被覆した複数の供試材(摺動部材)と、Mo−DTC(油溶性モリブデン化合物)の配合量を変えた複数の潤滑油とを用意し、それらの組合わせを種々変えつつブロックオンリング摩擦試験を行った。この試験結果に基づいて、本発明をより具体的に説明する。
(1)基材
焼入れ処理した鋼材(JIS SUS440C)からなるブロック状(6.3mm×15.7mm×10.1mm)の基材を複数用意した。各基材の表面(被覆処理面)は鏡面仕上げ(表面粗さRa:0.08μm)した。
上記の基材表面に、表1に示す種々の窒化クロム膜を成膜した供試材(試料1〜5)を用意した。窒化クロム膜の成膜はアークイオンプレティーング(AIP)法またはスパッタリング(SP)法により行った。
(1)膜組成と膜特性
各試料の膜組成は、EPMA(日本電子株式会社製JXA−8200)により定量した。膜硬さは、ナノインデンター試験機(HYSITRON社製TRIBOSCOPE)により測定した。膜厚は、CMS社製Calotestにより得られた摩耗痕から特定した。こうして得られた各試料に係る膜組成、膜特性を表1に併せて示した。なお、本実施例に係る表面形状(粗さ)は、白色干渉法非接触表面形状測定機(Zygo社製NewView5022)により測定した。
各試料の窒化クロム膜をX線回折により分析した。これにより得られた各プロフィルを図1Aに重ねて示した。また、試料3に係るプロフィルを拡大して図1Bに示した。なお、適宜、図1Aと図1Bを併せて図1という。
摩擦試験に用いる潤滑油として、エンジンオイルを想定し、表2に示す複数の試作油を調製した。試作油の調製は、基油(炭化水素系ベースオイル/SK lubricants社製YUBASE 8)に、表1に示すように各添加剤を配合した後、60℃×30分間の加熱撹拌して行った。このとき用いた添加剤は次の通りである。
・Mo−DTC:株式会社ADEKA製 アデカサクラルーブ 165
・Zn−DTP:Lubrizol社製 1371
(セカンダリーアルキルタイプ/摩耗防止剤・酸化防止剤)
・過塩基性カルシウムスルホネート:Lubrizol社製 6477C
(塩基価:300mgKOH)
・ポリブテニルコハク酸イミド:Lubrizol社製 6412
(無杯分散剤)
(1)各供試材と試作油Dを組合わせて、ブロックオンリング摩擦試験(単に「摩擦試験」という。)を行った。摩擦試験は、各供試材を摺動面幅6.3mmのブロック試験片とし、浸炭鋼材(AISI4620)から成るFALEX社製S−10標準試験片(硬さHV800、表面粗さ1.7〜2.0μmRzjis)をリング試験片(外径φ35mm、幅8.8mmの)として行った。この際、試験荷重:133N(ヘルツ面圧:210MPa)、すべり速度:0.3m/s、油温:40℃(一定)として、30分間の摩擦試験を行い、試験終了直前の1分間におけるμ平均値を本試験における各摺動面の摩擦係数とした。
(1)摩擦特性
図2Aから明らかなように、Mo−DTC(Mo量:500ppm)を含む潤滑油を用いた場合、油温が40℃と低いにも拘わらず、試料3だけが他の試料よりも摩擦係数が低減することがわかった。また、図2Bから明らかなように、試料3は試料C1よりも摩耗深さが非常に小さく、優れた耐摩耗性を発揮することも確認できた。
図3から明らかなように、摺動面の表面粗さと摩擦係数の間には特段の相関がみられなかった。このことは、摺動面の表面粗さがほぼ同程度であるにも拘わらず、摩擦係数が大きく異なる試料1と試料3を比較すると明らかである。従って、試料3の低摩擦特性は、摺動面の平滑化が要因であるとは考えられない。
図4から明らかなように、低摩擦特性を示した試料3は、他の試料と異なり、窒化クロム膜の(200)面に対する(111)面の相対面積が限られた特定範囲内にあることがわかった。すなわち、(200)面の配向性が強い窒化クロム膜よりも、(111)面がある程度(20〜30%)混在している窒化クロム膜であるときに、低摩擦特性が発現されることがわかった。この理由として、その相対面積が一定範囲内にある窒化クロム膜は、Mo−DTCや他のオイル添加剤の競争吸着により、その膜上においてMoの硫黄化合物がより形成され易くなることが考えられる。
図5から明らかなように、Mo−DTC量が過少であると、試料3の摩擦係数は試料C1の摩擦係数と大差ない。しかし、Mo−DTCがMo量で50ppm以上さらには200ppm以上になると、特定の窒化クロム膜を有する試料3は、試料C1と異なり、低摩擦特性を明確に発現することがわかった。
以上の結果から、(200)面に対する(111)面の相対面積が所定範囲内にある特定構造の窒化クロム膜と、所定量以上のMo−DTCを含む潤滑油とを組合わせることにより、低温域においても低摩擦特性が発現されることが明らかとなった。これは、摺動面が特定の窒化クロム膜からなる場合に限り、Mo−DTCがその摺動面上に吸着もしくは反応して、低せん断特性を発現する硫化モリブデン化合物(例えばMoS2等)が形成されるためと考えられる。そして、この硫化モリブデン化合物が摺動表面に直接接触するときの境界摩擦係数をも低減し、ひいては、マクロ接触部全体の摩擦係数をも低減するようになったと考えられる。
Claims (5)
- 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、
を備えた摺動システムであって、
前記摺動面の少なくとも一方は、窒化クロム膜で被覆された被覆面からなり、
前記窒化クロム膜は、膜全体を100原子%(単に「%」という。)として、N:32〜47%とCr:残部とからなると共に、X線回折で分析したときに得られる(200)面に対する(111)面の面積割合である相対面積が20〜30%であり、
前記潤滑油は、油溶性モリブデン化合物であるジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン(単に「Mo−DTC」という。)を含み、
該Mo−DTCは、前記潤滑油全体に対してMoの質量割合で50〜800ppm含まれる摺動システム。 - 前記Mo−DTCは、前記潤滑油全体に対してMoの質量割合で200〜700ppm含まる請求項1に記載の摺動システム。
- 前記窒化クロム膜は、CrNと共にCr2Nを含む請求項1または2に記載の摺動システム。
- 前記潤滑油は、該潤滑油全体に対してPの質量割合で200〜1500ppmとなるリン化合物、該潤滑油全体に対してSの質量割合で500〜3000ppmとなる硫黄化合物または該潤滑油全体に対してNの質量割合で200〜2000ppmとなる窒素化合物の少なくとも一種以上を含む請求項1〜3のいずれかに記載の摺動システム。
- ハイブリッド車用内燃機関または変速機を含む駆動伝達装置である請求項1〜4のいずれかに記載の摺動システム。
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