JP6307299B2 - 摺動機械および摺動部材 - Google Patents
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Description
(1)本発明の摺動機械は、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、前記摺動面の少なくとも一方は、全体を100原子%としたときに23〜32原子%のホウ素(B)と26〜33原子%の水素(H)と残部である炭素(C)および不可避不純物とからなるホウ素含有非晶質炭素膜(以下、「B−DLC膜」という。)により最表面の少なくとも一部が被覆された特定摺動面であることを特徴とする。
本発明は摺動機械としてのみならず、その構成要素である摺動部材としても把握される。すなわち本発明は、上述した摺動機械に用いられ、少なくとも一部がB−DLC膜で被覆された特定摺動面を備えることを特徴とする摺動部材でもよい。さらに本発明は、その特定摺動面を構成する摺動膜(B−DLC膜)としても把握できる。
(1)本発明に係るB−DLC膜は、C、H、Bなどの他に、特性改善に有効な元素を適宜含み得る。なお、当然ながら、原料中に含まれる不純物や成膜時等に混入する不純物など、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」も本発明に係るB−DLC膜中に含有され得る。
(1)本発明に係る特定摺動面の少なくとも一部を構成するB−DLC膜は、従来のB含有DLCよりも、BおよびHを比較的多く含有する。具体的にいうと、Bは、23〜50%、26〜35%さらには27〜32%であると好ましい。またHは、26〜50%、27〜40%さらには28〜35%であると好ましい。B、HはB−DLC膜(膜)の硬さひいては摩耗性に影響し、それらが過少ではB−DLC膜の硬さが過大となり、過多ではB−DLC膜の硬さが過小となり、いずれにしても特定摺動面の安定した平滑化が妨げられる。
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、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。またB−DLC膜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。
本発明に係るB−DLC膜の生成方法は問わないが、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。その際、使用する原料ガスの種類や流量等を適宜変更することによりB−DLC膜の組成制御がなされる。
本発明の摺動機械は、その具体的な形態や用途を問わず、多種多様な機械や装置等へ幅広く適用できる。特に本発明の摺動機械は、摺動面間の摩擦係数が非常に小さくなる超低摩擦特性を発現するため、摺動抵抗の低減や摺動による機械損失の低減が厳しく要求される機械等に好適である。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に好適である。
表1に示す種々の試料(摺動部材)を製造した。各試料は、ブロック試験片(15.7mm×6.5mm×10mm)の摺動面(特定摺動面)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を除き、ブロック試験片の基材には、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。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。なお、被膜を形成される各基材表面(被処理面)は、研磨により表1に示す表面粗さ(Ra)とした。この点は試料C1の摺動面も同様である。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1〜3、C5およびC6は、各基材表面に組成の異なるB−DLC膜を形成したものである。これらの成膜は、図1に示す成膜装置1を用いて、表1に示す各成膜条件の下で、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。膜厚は、精密膜厚測定器(CALOTEST、CSEM社製)により測定した。硬さは,ナノインデンター試験機(TRIBOSCOPE,HYSITRON社製)により測定した。被膜中のB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2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
各試料に係る摩擦係数を図3に示した。図3および表1から明らかなように、試料1〜3の摩擦係数が他の試料よりも群を抜いて小さくなっている。具体的にいうと、試料2、試料3の摩擦係数は0.02以下であり、試料1の摩擦係数は0.01以下さらには0.005以下と、極めて小さくなった。
各試料に係る被膜の摩耗深さを、その膜厚と共に図5に示した。図5および表1から明らかなように、試料C2〜C6の被膜は殆ど摩耗していないが、試料1〜3のB−DLC膜は相応に摩耗した。但し、試料1〜3のB−DLC膜も摩滅することはなかった。なお試料C7の被膜は、摩耗深さが10μmを超えて摩滅した。
Claims (4)
- 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、
前記摺動面の少なくとも一方は、全体を100原子%としたときに23〜32原子%のホウ素(B)と26〜33原子%の水素(H)と残部である炭素(C)および不可避不純物とからなるホウ素含有非晶質炭素膜(以下、「B−DLC膜」という。)により最表面の少なくとも一部が被覆された特定摺動面であることを特徴とする摺動機械。 - 前記Bは、26〜32原子%である請求項1に記載の摺動機械。
- 前記Hは、27〜33原子%である請求項1または2に記載の摺動機械。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の摺動機械に用いられ、
少なくとも一部が前記B−DLC膜で被覆された特定摺動面を備えることを特徴とする摺動部材。
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