JP2001316686A - 硬質炭素皮膜摺動部材 - Google Patents
硬質炭素皮膜摺動部材Info
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Abstract
硬質炭素皮膜摺動部材を提供する。 【解決手段】 基材11の上に硬質炭素皮膜12を形成
しかつ潤滑油中で使用される硬質炭素皮膜摺動部材にお
いて、少なくとも表面層に元素周期律表の第IIb,I
II,IV,Va,VIa,VIIaおよびVIII族
のうちから選ばれる少なくとも1種の金属元素を5〜7
0at%含むものとした硬質炭素皮膜摺動部材。
Description
部材、特に、エンジンオイル,トランスミッションオイ
ル等の潤滑油中で使用される低摩擦な硬質炭素皮膜摺動
部材に関するものである。
膜あるいは水素化炭素膜で、a−C:H(アモルファス
カーボンまたは水素化アモルファスカーボン),i−C
(アイカーボン),DLC(ダイヤモンドライクカーボ
ンまたはディ−エルシ−)とも呼ばれている。
解して成膜するプラズマCVD法や、炭素,炭化水素イ
オンを用いるイオンビーム蒸着法等の気相合成法や、グ
ラファイト等をアーク放電により蒸発させ成膜するイオ
ンプレーティング法、などが用いられる。
摩擦性に優れ、その固体潤滑性から低摩擦係数で優れた
低摩擦性能を有している。そして、通常の平滑な鋼材表
面の摩擦係数が無潤滑下で0.5〜1.0であるのに対
し、硬質炭素膜は無潤滑下での摩擦係数が0.1程度で
ある。
リル刃をはじめとする切削工具,研削工具等の加工治具
や塑性加工用金型、バルブコックやキャプスタンローラ
のような無潤滑下での摺動部品等への応用が図られてい
る。
機械部品においても、エネルギー消費や環境問題の面か
らできるだけ機械損失を低減したいという要求が高まっ
ており、特に、摩擦損失の大きい摺動条件の厳しい部位
で、これらの固体潤滑性を有する硬質炭素皮膜による低
摩擦化が望まれている。
上記硬質炭素膜を摺動部品にコーティングし、エンジン
油やトランスミッション油等の潤滑油中で摺動させた場
合、その平滑性からある程度の低摩擦とはなるが、他の
固体潤滑性を有していない硬質の皮膜処理をした摺動部
材、たとえば窒化チタン(TiN)や窒化クロム(Cr
N)イオンプレーティング皮膜処理を施した摺動部材と
同等の低摩擦性能しか示さないという問題点が明らかに
なった。すなわち、従来の硬質炭素皮膜処理された摺動
部材では、無潤滑下で固体潤滑性があるにもかかわら
ず、同等の表面粗さの固体潤滑性を有しない皮膜処理摺
動部材や超仕上げ加工された鋼製部品と同等の摩擦性能
しか示さないという問題が明らかになった。
3個を1kgfの荷重で押し付け、0.03m/sec
の相対速度で滑らせた場合、硬質炭素膜であるダイヤモ
ンドライクカーボンの摩擦係数は0.10〜0.12
で、同等の表面粗さで皮膜処理をしない鉄鋼材や、ある
いは、窒化クロム(CrN)イオンプレーティング処理
膜と潤滑油中では同等の摩擦係数である。
ョンオイル等には耐摩耗性向上や摩擦特性向上を目的と
して種々の極圧添加剤が添加されており、これらの添加
剤は金属,主に鉄鋼製摺動部材の表面に吸着あるいは摺
動によって摺動部位表面に添加剤の反応生成物を生成す
ることによって、摩擦を低下させたり、金属同士の接触
を抑制し耐摩耗性を向上する効果を狙って添加してあ
る。
中にあってはプラズマCVD法等により処理された従来
の硬質炭素皮膜摺動部材では、表面が安定で、皮膜を施
さない金属表面に比べてオイル添加剤の吸着や添加剤反
応膜形成が生じにくく、添加剤の持つ性能を十分に引き
出せないことが判った。
されたものであり、炭素皮膜中の特定の金属含有量が5
〜70at%である硬質炭素皮膜を処理した摺動部材と
することで、潤滑油中でもその固体潤滑性が有効に働
き、低摩擦で耐摩耗性に優れた摺動部材を提供すること
を目的としている。
鋭意研究した結果、硬質炭素皮膜における特定の金属元
素含有量が5〜70at%含む構成としたことにより、
潤滑油中での低摩擦性能を実現可能とした。
については報告がほとんど無く、不明な点が多かった訳
であるが、本発明では硬質炭素皮膜に含まれる特定金属
元素濃度の潤滑油中での摩擦特性に及ぼす影響について
明らかにし、潤滑油中で低摩擦が実現できる硬質炭素皮
膜の特定金属元素濃度を規定したものである。
部材は、請求項1に記載しているように、潤滑油中で使
用される硬質炭素皮膜摺動部材において、少なくとも表
面層に元素周期律表の第IIb,III,IV,Va,
VIa,VIIaおよびVIII族のうちから選ばれる
少なくとも1種の金属元素を5〜70at%含むものと
したことを特徴としている。
材においては、請求項2に記載しているように、金属元
素の含有量が25〜60at%の範囲であるものとする
ことができる。
元素がモリブデン(Mo),タングステン(W),ニオ
ブ(Nb),チタン(Ti)および鉄(Fe)のうちか
ら選ばれるものとすることができ、請求項4に記載のよ
うに、硬質炭素皮膜摺動部材を構成する硬質炭素皮膜が
スパッタリング,プラズマCVDあるいはイオンプレー
ティングにより作製されたダイヤモンドライクカーボン
膜(アモルファスカーボン膜)であるものとすることが
できる。
質炭素皮膜の厚さが0.5μm以上10μm以下であ
り、表面粗さがRa0.1μm以下でかつ表面硬度がH
v1000以上であるものとすることができる。
属元素の含有量が25〜60at%であり、硬質炭素皮
膜の厚さが0.5μm以上10μm以下であり、表面粗
さがRa0.1μm以下でかつ表面硬度がHv1000
以上であり、金属元素がモリブデン(Mo)であって硬
質炭素皮膜摺動部材を構成する硬質炭素皮膜がイオンプ
レーティングにより作製されたダイヤモンドライクカー
ボン膜(アモルファスカーボン膜)であるものとするこ
とができる。
求項7に記載のように、内燃機関の動弁機構のアジャス
ティングシムあるいはバルブリフターに用いられるもの
とすることができる。
動部材は、請求項8に記載のように、鉱油および合成油
を基油とし、モリブデンジチオカーバメートをモリブデ
ン量として50〜1000ppm,ジチオリン酸亜鉛を
リン量として0.01〜0.2wt%含む潤滑油中で使
用されるものとしたり、請求項9に記載のように、鉱油
および合成油を基油とし、硫化油脂,ポリサルファイ
ド,硫化オレフィンなどのいおう(S)系添加剤を含
み、そのいおう(S)成分の含有量が0.2wt%以上
である潤滑油中で使用されるものとしたりすることがで
きる。
上記の構成としたことにより、極圧添加剤が表面に吸着
しやすくかつ反応生成物を表面に形成しやすくなり、潤
滑油中で低摩擦な硬質炭素皮膜摺動部材とすることが可
能になる。たとえば、省燃費を目的としてエンジンオイ
ルなどに使用されるような鉱油および合成油を基油と
し、モリブデンジチオカーバメートをモリブデン量とし
て50〜1000ppm,ジチオリン酸亜鉛をリン量と
して0.01〜0.2wt%を含む潤滑油中において
は、従来の硬質炭素皮膜表面には潤滑油中に極圧添加剤
として添加されているモリブデンジチオカーバメートお
よびジチオリン酸亜鉛の添加剤皮膜が形成されず、従来
の炭素皮膜を形成しない鋼製の摺動部材よりも摩擦係数
が高くなっていたが、特定の金属、すなわち、元素周期
律表の第IIb,III,IV,Va,VIa,VII
aおよびVIII族のうちから選ばれる少なくとも1種
の金属元素を5〜70at%炭素皮膜に含有させること
で潤滑油添加剤の皮膜が表面に形成され、低い摩擦係数
が得られることとなる。
濃度が5at%未満であるとその低摩擦効果が得られ
ず、70at%超過となると高面圧下での耐摩耗性が不
足するようになるため、70at%を上限とした。
25〜60at%の範囲とすることが耐摩耗性,平滑性
を損なうことなく、潤滑油中での低摩擦特性が得られる
こととなる。また、炭素皮膜に添加する金属元素は、元
素周期律表第IIb,III,IV,Va,VIa,V
IIaおよびVIII族のうち、添加剤の反応皮膜形成
を考慮した場合に、モリブデン(Mo),タングステン
(W),ニオブ(Nb),チタン(Ti)および鉄(F
e)のうちから選ばれるものとすることが好ましい。
性と相手攻撃性を考慮して、Ra0.1μm以下とする
ことが好ましく、表面硬度は耐摩耗性が確保できるHv
1000以上とすることが好ましい。また、表面皮膜の
膜厚については、0.5μm未満であると密着強度が不
足する傾向となり、10μm超過となると膜内の残留応
力が大きくなり、自然に剥離してしまう可能性があるた
め、膜厚は0.5〜10μmの範囲とすることが好まし
い。
れば、潤滑油中で使用される硬質炭素皮膜摺動部材にお
いて、少なくとも表面層に元素周期律表の第IIb,I
II,IV,Va,VIa,VIIaおよびVIII族
のうちから選ばれる少なくとも1種の金属元素を5〜7
0at%含むものとしたから、極圧添加剤が裏面に吸着
しやすくかつ反応生成物を表面に形成しやすくなり、潤
滑油中で低摩擦な硬質炭素皮膜摺動部材とすることが可
能になるという著しく優れた効果がもたらされる。
金属元素の含有量が25〜60at%の範囲であるもの
とすることによって、耐摩耗性,平滑性を損うことな
く、潤滑油中での低摩擦特性を得ることが可能になると
いう著しく優れた効果がもたらされる。
に、前記金属元素がモリブデン(Mo),タングステン
(W),ニオブ(Nb),チタン(Ti)および鉄(F
e)のうちから選ばれるものとすることによって、添加
剤の反応皮膜形成を考慮した場合に有効なものになるこ
とがあるという著しく優れた効果がもたらされる。
に、硬質炭素皮膜摺動部材を構成する硬質炭素皮膜がス
パッタリング,プラズマCVDあるいはイオンプレーテ
ィングにより作製されたダイヤモンドライクカーボン膜
(アモルファスカーボン膜)であるものとすることによ
って、高硬度で、表面が平滑で、耐摩耗性に優れ、それ
自体のもつ固体潤滑性能により低摩擦係数で優れた低摩
擦性能を有する硬質炭素皮膜とすることが可能であると
いう著しく優れた効果がもたらされる。
質炭素皮膜の厚さが0.5μm以上10μm以下である
ものとすることによって、膜厚が小さいことによる密着
強度の低下を防ぐと共に膜厚が大きいことによる膜内の
残留応力の増大を防ぐことが可能となり、また、表面粗
さがRa0.1μm以下でかつ表面硬度がHv1000
以上であるものとすることによって、表面粗さが大きい
ことによる低摩擦特性の劣化と相手攻撃性の増大を防ぐ
ことが可能となり、表面硬度をHv1000以上とする
ことで良好な耐摩耗性が確保できるようになるという著
しく優れた効果がもたらされる。
属元素の含有量が25〜60at%であり、硬質炭素皮
膜の厚さが0.5μm以上10μm以下であり、表面粗
さがRa0.1μm以下でかつ表面硬度がHv1000
以上であり、金属元素がモリブデン(Mo)であって硬
質炭素皮膜摺動部材を構成する硬質炭素皮膜がイオンプ
レーティングにより作製されたダイヤモンドライクカー
ボン膜(アモルファスカーボン膜)であるものとするこ
とによって、潤滑剤中で低摩擦であって摺動特性により
一層優れた摺動部材を提供することが可能であるという
著大なる効果がもたらされる。
燃機関の動弁機構のアジャスティングシムあるいはバル
ブリフターに用いることによって、内燃機関の動弁特性
をより一層良好なものにすることが可能になるという著
しく優れた効果がもたらされる。
油および合成油を基油とし、モリブデンジチオカーバメ
ートをモリブデン量として50〜1000ppm,ジチ
オリン酸亜鉛をリン量として0.01〜0.2wt%含
む潤滑油中で使用されるようになすことによって、潤滑
油添加剤の皮膜が表面に形成され、低い摩擦係数を得る
ことが可能になるという著しく優れた効果がもたらされ
る。
油および合成油を基油とし、硫化油脂,ポリサルファイ
ド,硫化オレフィンなどのいおう(S)系添加剤を含
み、そのいおう(S)成分の含有量が0.2wt%以上
である潤滑油中で使用されるようになすことによって、
潤滑油中での十分良好な低摩擦性能を実現することが可
能になるという著しく優れた効果がもたらされる。
が、本発明は以下に示す実施例に限定されないことはい
うまでもない。
0mm,厚み4mmの円板基材11の上に硬質炭素皮膜
12をコーティングした試験片10により、摩擦試験を
行った。このときの試験片10は表1に示すような仕様
で円板基材11の上に硬質炭素皮膜12を作製したもの
とした。
5)よりなる基材11の表面をRa0.04μmの超仕
上げ加工した後、炭化水素ガスを用いたプラズマCVD
法により硬質炭素皮膜をコーティングしながら、Moを
ターゲット材料としたスパッタリング法を同一の真空容
器内で行い炭素皮膜表面のMo濃度が27at%となる
ようにMo元素を炭素皮膜中に添加した。成膜後仕上げ
加工無しで皮膜表面はRa0.09μmであった。
μmに超仕上げ加工した後、プラズマCVD装置で炭化
水素ガスを用いてダイヤモンドライクカーボン(DL
C)皮膜12を基材11の上に成膜した後さらにWをタ
ーゲット材料としたスパッタリング法によりWをコーテ
ィングし、これを交互に繰り返して積層膜とすることで
硬質炭素皮膜表面のW濃度が48at%となるようにW
元素を炭素皮膜中に添加した。
材料の変わりに、それぞれの添加金属のFe,Ti,C
r,Wをターゲット材料として使用し、実施例1と同様
の方法で炭素皮膜表面の添加金属濃度が表1の値となる
ように金属元素を炭素皮膜中に添加した。それぞれの硬
質炭素皮膜の濃度は、実施例3でFe30at%、実施
例4でTi25at%、実施例5でCr30at%、実
施例6でW10at%であった。成膜後仕上げ加工無し
でそれぞれの皮膜表面粗さはRa0.07〜0.08μ
mであった。
5)よりなる基材11の表面をRa0.04μmの超仕
上げ加工した後、蒸発源としてグラファイトとモリブデ
ン(Mo)を用いたイオンプレーティング法により硬質
炭素皮膜をコーティングしながら、Moのコーティング
を同一の真空容器内で行い炭素皮膜表面のMo濃度が4
0at%となるようにMo元素を炭素皮膜中に添加し
た。成膜後仕上げ加工無しでそれぞれの皮膜表面粗さは
Ra0.09μmであった。
の摺動部材を製作したうち、比較例1は浸炭鋼(JIS
SCM415)よりなる基材11の表面をRa0.2
4μmに研削加工した摺動部材、比較例2は比較例1の
摺動部材に更にイオンプレーティング法により2.0μ
mの膜厚を有する硬度Hv1500の窒化チタン(Ti
N)皮膜のコーティングを施した摺動部材、比較例3は
浸炭鋼(JIS SCM415)よりなる基材11の表
面をRa0.04μmの超仕上げ加工した後、プラズマ
CVD装置で炭化水素ガスを用いてダイヤモンドライク
カーボン(DLC)皮膜12を基材11の上に成膜した
摺動部材である。
で表面のW濃度が2at%となるようにW元素を硬質炭
素皮膜に添加した摺動部材、比較例5は実施例6と同様
の方法で表面のW濃度が80at%となるようにW元素
を硬質炭素皮膜に添加した摺動部材である。 (摩擦試験例)摩擦試験装置としては図2(a)に示す
ようなピンオンディスクタイプの摩耗試験機20を用い
て摩擦係数を計測した。この装置は回転軸21に回転自
在に支持されたワークテーブル22が回転自在に配置さ
れ、このワークテーブル22に試験片摺動部材23を設
置し、この試験片摺動部材23の上面側に外径φ5m
m,長さ5mmのころ軸受用SUJ2ローラをピンとし
て用いて、ピン24を図2(b)に示すように3個配置
し、スプリング25によって荷重P:1.0kgで押し
付けるように構成されたものである。このとき、ピン2
4はホルダー24Hに回転できないようにそれぞれ固定
されている。そして、回転軸21がモータ26に連結さ
れてボールピン24に対して相対滑り速度0.01〜
1.0m/secで回転駆動され、ピン24と試験片摺
動部材23との間で発生する摩擦力に応じたトルクをロ
ードセル27で計測し、摩擦係数を算出するものとして
いる。また、試験片摺動部材23が潤滑油28L中に浸
漬されるように、油浴槽28が設置され、図示しない油
温コントロールユニットにより油温が80℃となるよう
に設定されているものとした。
摩擦試験機20の試験片摺動部材23として配置し、潤
滑油中で摩擦係数を測定した結果を示す。
15kgf(面圧0.23GPa)、滑り速度0.03
〜1.0m/sec(30〜1000rpm)で行っ
た。潤滑油は、通常のエンジンオイル,鉱油を基油とし
モリブデンジチオカーバメートをモリブデン量として5
00ppm,ジチオリン酸亜鉛をリン量として0.12
wt%を含む摩擦低減を目的としたエンジンオイル、お
よび鉱油を基油とし、ポリサルファイド,硫化オレフィ
ンのいおう(S)系添加剤を含み、潤滑油中のいおう
(S)含有量が0.5wt%であるS系添加剤潤滑油を
使用した。
速度0.5m/s(500rpm)での摩擦係数の計測
結果から判るように、特定の金属を添加した実施例1〜
7の硬質炭素皮膜は通常のエンジンオイル中では比較例
1〜5のいずれよりも低摩擦であり、添加剤反応皮膜が
形成されることによる効果と考えられた。また、鉱油を
基油としモリブデンジチオカーバメートをモリブデン量
として500ppm,ジチオリン酸亜鉛をリン量として
0.12wt%を含むエンジンオイル中の試験では、金
属を添加しない比較例3の硬質炭素皮膜をコーティング
した摺動部材に比べて、金属を含有した実施例1〜7の
硬質炭素皮膜摺動部材は低い摩擦係数を示し、実施例2
および7の硬質炭素皮膜摺動部材は比較例1の摩擦係数
と同等であり、硬質炭素皮膜へ金属を含有させることに
よって、鋼製摺動部材と同等の表面添加剤皮膜反応が生
じるようになったものと考えられた。
や金属添加量が5at%未満の硬質炭素皮膜摺動部材や
比較例2の摺動部材にあっては、相手材ピンには添加剤
皮膜が生成されるものの、自身の表面には皮膜が生成さ
れないため、比較例1や実施例のような摩擦の低減効果
は得られないことが判った。
から、鉱油を基油としポリサルファイド,硫化オレフィ
ンのいおう(S)系添加剤を含み、潤滑油中のいおう
(S)含有量が0.5wt%であるS系添加剤潤滑油に
あっても同様のことがいえる。
素皮膜摺動部材を図6に示すような内燃機関の動弁機構
のアジャスティングシム60に用いた場合のカム一つ当
たりの摩擦損失トルクを計測した。このとき、トルク計
測は図示していないカムシャフト軸52に取り付けられ
たトルク計で計測した。
吸気バルブ又は排気バルブ53はバルブガイド54に挿
通され、バルブ53の軸端の上方にバルブリフター55
が設置されている。また、シリンダヘッド56とバルブ
リフター55の間にはバルブスプリング57がリテーナ
58とコッタ59によりバルブ53に固定され、バルブ
53を閉じる方向にスプリング57による荷重を負荷し
ている。さらにまた、バルブリフター55の上面には図
に示すようにアジャスティングシム60が嵌合されてお
り、カム51とのクリアランスが0.3mm程度となる
ようにアジャスティングシム60の厚さにより調整され
ている。さらに、カムシャフト軸52は図示していない
クランクシャフトの駆動によりタイミングベルトを介し
て駆動される。そして、カムシャフト軸52が駆動する
ことによりカム51が回転し、アジャスティングシム6
0と摺接し、バルブ53を往復運動させる機構となって
いる。このときの試験条件は、カム軸回転数300rp
m(アイドリング時相当)、スプリングMax荷重50
kgf、エンジン油温80℃で、アジャスティングシム
60と摺動する相手カム51の表面粗さは超仕上げ加工
を施し、Ra0.05μmに仕上げられているものとし
ている。
1および硬質炭素皮膜コーティングした比較例3の摺動
部材を同様にアジャスティングシム60に用いた場合の
損失トルクも同じ条件にて計測した。計測した結果を図
5に示す。このとき、エンジンオイルは従来のエンジン
オイル5W−30SJおよび5W−30相当粘度のモリ
ブデンジチオカーバメートをモリブデン量として500
ppm、ジチオリン酸亜鉛をリン量として0.12wt
%を含むエンジンオイルを使用した。
ように、ピンディスク摩擦試験と同様に、比較例に比べ
て実施例のアジャスティングシムは摩擦損失トルクが小
さく、低摩擦性能に優れていることが認められた。そし
て特に、イオンプレーティング法を用いた実施例7はど
ちらのオイルにおいても低い摩擦トルクとなった。
た試験片の斜面説明図である。
図である。
数計測結果を示すグラフである。
剤油中での摩擦係数計測結果を示すグラフである。
数試験結果を示すグラフである。
Claims (9)
- 【請求項1】 潤滑油中で使用される硬質炭素皮膜摺動
部材において、少なくとも表面層に元素周期律表の第I
Ib,III,IV,Va,VIa,VIIaおよびV
III族のうちから選ばれる少なくとも1種の金属元素
を5〜70at%含むことを特徴とする硬質炭素皮膜摺
動部材。 - 【請求項2】 金属元素の含有量が25〜60at%の
範囲であることを特徴とする請求項1に記載の硬質炭素
皮膜摺動部材。 - 【請求項3】 金属元素がモリブデン(Mo),タング
ステン(W),ニオブ(Nb),チタン(Ti)および
鉄(Fe)のうちから選ばれることを特徴とする請求項
1または2に記載の硬質炭素皮膜摺動部材。 - 【請求項4】 硬質炭素皮膜摺動部材を構成する硬質炭
素皮膜がスパッタリング,プラズマCVDあるいはイオ
ンプレーティングにより作製されたダイヤモンドライク
カーボン膜(アモルファスカーボン膜)であることを特
徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の硬質炭素
皮膜摺動部材。 - 【請求項5】 硬質炭素皮膜の厚さが0.5μm以上1
0μm以下であり、表面粗さがRa0.1μm以下でか
つ表面硬度がHv1000以上であることを特徴とする
請求項4に記載の硬質炭素皮膜摺動部材。 - 【請求項6】 金属元素の含有量が25〜60at%で
あり、硬質炭素皮膜の厚さが0.5μm以上10μm以
下であり、表面粗さがRa0.1μm以下でかつ表面硬
度がHv1000以上であり、金属元素がモリブデン
(Mo)であって硬質炭素皮膜摺動部材を構成する硬質
炭素皮膜がイオンプレーティングにより作製されたダイ
ヤモンドライクカーボン膜(アモルファスカーボン膜)
であることを特徴とする請求項1に記載の硬質炭素皮膜
摺動部材。 - 【請求項7】 内燃機関の動弁機構のアジャスティング
シムあるいはバルブリフターに用いられることを特徴と
する請求項1ないし6のいずれかに記載の硬質炭素皮膜
摺動部材。 - 【請求項8】 鉱油および合成油を基油とし、モリブデ
ンジチオカーバメートをモリブデン量として50〜10
00ppm,ジチオリン酸亜鉛をリン量として0.01
〜0.2wt%含む潤滑油中で使用されることを特徴と
する請求項1ないし7のいずれかに記載の硬質炭素皮膜
摺動部材。 - 【請求項9】 鉱油および合成油を基油とし、硫化油
脂,ポリサルファイド,硫化オレフィンなどのいおう
(S)系添加剤を含み、そのいおう(S)成分の含有量
が0.2wt%以上である潤滑油中で使用されることを
特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の硬質炭
素皮膜摺動部材。
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