JP2006194281A - 低摩擦摺動機構 - Google Patents
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Abstract
【課題】硬質炭素材料とグリースを用いた摺動機構であって、優れた低摩擦特性を示す低摩擦摺動機構を提供すること。
【解決手段】エステル油やはエーテル油を基油とするグリースの存在下で互いに摺動する摺動部材を備える摺動機構である。少なくとも一方の摺動部材の摺動部には、硬質炭素被膜が被覆され、この硬質炭素被膜の水素含有量が２０原子％以下である。
グリースは、カルシウム若しくはリチウムを含有する金属セッケン、又はウレア系化合物を増ちょう剤とする。
【選択図】なし
【解決手段】エステル油やはエーテル油を基油とするグリースの存在下で互いに摺動する摺動部材を備える摺動機構である。少なくとも一方の摺動部材の摺動部には、硬質炭素被膜が被覆され、この硬質炭素被膜の水素含有量が２０原子％以下である。
グリースは、カルシウム若しくはリチウムを含有する金属セッケン、又はウレア系化合物を増ちょう剤とする。
【選択図】なし
Description
本発明は、低摩擦摺動機構に係り、更に詳細には、硬質炭素被膜を介して摺動する摺動部材間に特定のグリースが存在する摩擦摺動機構であって、優れた動摩擦係数を呈する低摩擦摺動機構に関する。
従来から、各種の機械装置において部材同士の摺動は原則として不可避であり、摺動機構における部材同士の摩擦係数を低減することは、作動効率の向上や部材の長寿命化をもたらすばかりか、作動音を低減して静粛化を実現するなど、普遍的な技術的課題である。
また近年、地球全体の温暖化、オゾン層の破壊など地球規模での環境問題が大きくクローズアップされ、とりわけ地球全体の温暖化に大きな影響があるといわれているＣＯ２削減については各国でその規制値の決め方をめぐって大きな関心を呼んでいる。
かかるＣＯ２削減については、自動車の燃費の削減を図ることが大きな課題の１つであり、各種の摺動機構を有する自動車においても、摩擦係数の低い摺動機構を実現すべく、摺動材料と潤滑油が果たす役割は大きい。
かかるＣＯ２削減については、自動車の燃費の削減を図ることが大きな課題の１つであり、各種の摺動機構を有する自動車においても、摩擦係数の低い摺動機構を実現すべく、摺動材料と潤滑油が果たす役割は大きい。
自動車において、摺動材料の役割は、エンジンの摺動部位の中で摩擦摩耗環境が苛酷な部位に対して耐磨耗性に優れ且つ低い摩擦係数を発現することであり、最近では、フォロワ部位であるバルブリフタやリフタシムに対して、種々の硬質薄膜材料の適用やローラニードルベアリングを組み込んだローラロッカーアームの適用が進んできている。
一般に、硬質炭素材料、特にＤＬＣ（ダイヤモンド ライク カーボン）材料は、空気中、潤滑油不存在下における摩擦係数が、酸化チタン（ＴｉＮ）や窒化クロム（ＣｒＮ）といった耐磨耗性の硬質被膜材料と比べて低いことから低摩擦摺動材料として期待されている。
また、潤滑油における省燃費対策としては、（１）低粘度化による、流体潤滑領域における粘性抵抗及びエンジン内の攪拌抵抗の低減、（２）最適な摩擦調整剤と各種添加剤の配合による、混合及び境界潤滑領域下での摩擦損失の低減、が提言されており、摩擦調整剤としては、モリブデンジチオカルバメイト（ＭｏＤＴＣ）やモリブデンジチオフォスフェート（ＭｏＤＴＰ）といった有機モリブデン化合物を中心に多くの研究がなされており、従来の鋼材料から成る摺動面においては、使用開始初期に優れた低摩擦係数を示す有機モリブデン化合物を配合した潤滑油が適用され、効果を上げていた。
このようなＤＬＣ材料の摩擦特性や、有機モリブデン化合物の摩擦調整剤としての性能については、例えば非特許文献１及び２報告されている。
加納、他，日本トライボロジー学会予稿集，１９９９年５月，ｐ．１１〜１２ 加納、他（Ｋａｎｏ ｅｔ ａｌ．），ワールド・トライボロジー・コングレス（Ｗｏｒｌｄ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ）２００１．９，Ｖｉｅｎｎａ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｐ．３４２
加納、他，日本トライボロジー学会予稿集，１９９９年５月，ｐ．１１〜１２ 加納、他（Ｋａｎｏ ｅｔ ａｌ．），ワールド・トライボロジー・コングレス（Ｗｏｒｌｄ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ）２００１．９，Ｖｉｅｎｎａ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｐ．３４２
しかしながら、上記非特許文献１には、空気中において低摩擦性に優れる一般のＤＬＣ材料が、潤滑油存在下においては、その摩擦低減効果が必ずしも大きくないことが報告されており、また、非特許文献２によれば、このような摺動材料に有機モリブデン化合物を含有する潤滑油組成物を適用したとしても摩擦低減効果が十分発揮されないことがあることもわかってきた。
更に、自動車などの摺動機構のうちでも、比較的高温や高圧に曝されるベアリングやジョイント部などについては、潤滑剤として潤滑油ではなくグリースが使用されるが、このようなグリースとＤＬＣなどの硬質炭素材料との併用については、未だ検討されていない。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、硬質炭素材料とグリースを用いた摺動機構であって、優れた低摩擦特性を示す低摩擦摺動機構を提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、ＤＬＣなどの硬質炭素材料と特定のグリースを併用することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の低摩擦摺動機構は、エステル油及びエーテル油の少なくとも一方を基油とするグリースを用いた摺動機構であって、かかるグリースの存在下で互いに摺動する摺動部材を備え、
少なくとも一方の上記摺動部材の摺動部には、硬質炭素被膜が被覆されており、
この硬質炭素被膜の素含有量が２０原子％以下である、ことを特徴とする。
少なくとも一方の上記摺動部材の摺動部には、硬質炭素被膜が被覆されており、
この硬質炭素被膜の素含有量が２０原子％以下である、ことを特徴とする。
また、本発明の低摩擦摺動機構の好適形態は、上記グリースが、カルシウム若しくはリチウムを含有する金属セッケン、又はウレア系化合物を増ちょう剤とすることを特徴とする。
本発明によれば、ＤＬＣなどの硬質炭素材料と特定のグリースを併用することとしたため、硬質炭素材料とグリースを用いた摺動機構であって、優れた低摩擦特性を示す低摩擦摺動機構を提供することができる。
以下、本発明の成形品につき詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
上述の如く、本発明の低摩擦摺動機構は、エステル油若しくはエーテル油又はこれらの混合物を基油とするグリースの存在下で互いに摺動する摺動部材を備えた摺動機構である。
また、少なくとも一方の上記摺動部材の摺動部には、硬質炭素被膜が被覆されており、この硬質炭素被膜の水素含有量が２０原子％以下である。
上述の如く、本発明の低摩擦摺動機構は、エステル油若しくはエーテル油又はこれらの混合物を基油とするグリースの存在下で互いに摺動する摺動部材を備えた摺動機構である。
また、少なくとも一方の上記摺動部材の摺動部には、硬質炭素被膜が被覆されており、この硬質炭素被膜の水素含有量が２０原子％以下である。
ここで、使用するグリースとしては、上述の如く、エステル油及び／又はエーテル油を基油とするものであるが、この基油は、エステル油又はエーテル油のみを含むものに限定されるものではなく、これら以外の天然油や合成油を含んでいてもよい。
他の基油成分としては、鉱油やシリコーン油、フルオロカーボン油などを挙げることができる。
他の基油成分としては、鉱油やシリコーン油、フルオロカーボン油などを挙げることができる。
エステル油としては、潤滑剤の成分として使用できるものであれば、天然油であるか合成油であるかは不問であるが、具体例としては、ジトリデシルグルタレート、ジオクチルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート、ジオクチルセバケート、トリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンペラルゴネート、トリメチロールプロパンイソステアリネート、ペンタエリスリトール２−エチルヘキサノエート及びペンタエリスリトールペラルゴネートなどを挙げることができ、トリメチロールプロパンカプリレートが好適である。
エーテル油としては、潤滑剤の成分として使用できるものであれば、天然油であるか合成油であるかは不問であるが、具体例としては、ポリオキシアルキレングリコール、ジアルキルジフェニルエーテル及びポリフェニルエーテルなどを挙げることができ、ジアルキルジフェニルエーテルが好適である。
上述のような成分を含む基油は、代表的には１００℃における基油粘度が２〜１００ｍｍ２／ｓｅｃ程度、好ましくは２〜４０ｍｍ２／ｓｅｃ程度、更に好ましくは１０〜２０ｍｍ２／ｓｅｃ程度となる。
なお、動粘度が２ｍｍ２／ｓｅｃ未満の場合には、十分な耐摩耗性が得られない上に蒸発特性が劣化する可能性があるため好ましくない。一方、動粘度が１００ｍｍ２／ｓｅｃを超えると、低摩擦性能を発揮しにくく、低温性能が悪化する可能性があるため好ましくない。
なお、動粘度が２ｍｍ２／ｓｅｃ未満の場合には、十分な耐摩耗性が得られない上に蒸発特性が劣化する可能性があるため好ましくない。一方、動粘度が１００ｍｍ２／ｓｅｃを超えると、低摩擦性能を発揮しにくく、低温性能が悪化する可能性があるため好ましくない。
また、基油の粘度指数は、代表的には１００以上、好ましくは１２０以上、更に好ましくは１４０以上となる。
粘度指数が高い基油を選択することにより、低温粘度特性が良好となるだけではなく、オイル消費量を低減でき、低温粘度特性、省燃費性能や摩擦低減効果に優れた組成物を得ることができる。
粘度指数が高い基油を選択することにより、低温粘度特性が良好となるだけではなく、オイル消費量を低減でき、低温粘度特性、省燃費性能や摩擦低減効果に優れた組成物を得ることができる。
一方、上記グリースに含まれる増ちょう剤としては、各種の金属せっけん系材料や非金属せっけん系材料を挙げることができる。
金属せっけん系材料としては、高級脂肪酸のナトリウム、カルシウム、アルミニウム、リチウム、バリウム、銅及び鉛塩や、高級脂肪酸と低級脂肪酸又は二塩基酸などとの複合塩を挙げることができる。
これらの金属せっけん系材料としては、カルシウムステアレート、リチウムステアレート、リチウムヒドロキシステアレート、ナトリウムステアレート及びアルミニウムステアレートが好適である。
金属せっけん系材料としては、高級脂肪酸のナトリウム、カルシウム、アルミニウム、リチウム、バリウム、銅及び鉛塩や、高級脂肪酸と低級脂肪酸又は二塩基酸などとの複合塩を挙げることができる。
これらの金属せっけん系材料としては、カルシウムステアレート、リチウムステアレート、リチウムヒドロキシステアレート、ナトリウムステアレート及びアルミニウムステアレートが好適である。
また、非金属せっけん系材料としては、シリカゲルやベントナイトなどの無機系材料（有機増ちょう剤）、銅フタロシアニン、アリル尿素、イミド誘導体及びインダスレンブルーなどの有機系材料（無機増ちょう剤）を挙げることができる。
これらの非金属せっけん系増ちょう剤としては、尿素系化合物、例えば、ジウレア、ナトリウムテレフタラメート及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が好適である。
これらの非金属せっけん系増ちょう剤としては、尿素系化合物、例えば、ジウレア、ナトリウムテレフタラメート及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が好適である。
上述したグリースには、上記基油及び増ちょう剤にも、酸化防止剤、清浄剤、摩耗防止剤及び固体潤滑剤などを添加することが可能である。
酸化防止剤としては、特に限定されるものではなく従来からグリースに使用されているものを挙げることでき、例えば、アミン化合物、フェノール、硫黄化合物及びカルバメートを挙げることができる。
また、清浄剤としては、特に限定されるものではなく従来からグリースに使用されているものを挙げることでき、例えば、スルホネート、フェネート、サリシレート及びアミン化合物を挙げることができる。
摩耗防止剤としては、特に限定されるものではなく従来からグリースに使用されているものを挙げることでき、例えば、リン酸エステル、ジアルキルジチオリン酸亜鉛、硫黄化合物及び塩化物を挙げることができる。
更に、固体潤滑剤としては、特に限定されるものではなく従来からグリースに使用されているものを挙げることでき、例えば、二硫化モリブデン、黒鉛、ＰＴＦＥ及びカーボンブラックを挙げることができる。
なお、上述のグリース自体の性状は、使用する摺動機構の目的や作動状況などに影響を受けるが、代表的には、ちょう度が２６５〜２９５程度、滴点が１００〜３００℃程度のものが好ましい。
次に、摺動機構について説明する。
本発明で対象とする摺動機構としては、グリースの存在下で摺動する摺動部材同士を有しており、摺動部材一方又は双方において、その摺動部に硬質炭素被膜が被覆されていればよい。
本発明で対象とする摺動機構としては、グリースの存在下で摺動する摺動部材同士を有しており、摺動部材一方又は双方において、その摺動部に硬質炭素被膜が被覆されていればよい。
ここで、硬質炭素被膜としては、炭素を含有する結晶質又は非晶質の薄膜、特にダイヤモンド薄膜及びＤＬＣ薄膜を挙げることができる。
上記ＤＬＣ薄膜は、いわゆるＤＬＣ材料から構成されるものであり、このＤＬＣ材料は、炭素原子を主体として構成された非晶質のものであり、炭素原子同士の結合形態がダイヤモンド構造（ＳＰ３結合）とグラファイト結合（ＳＰ２結合）の両方から成る。
上記ＤＬＣ薄膜は、いわゆるＤＬＣ材料から構成されるものであり、このＤＬＣ材料は、炭素原子を主体として構成された非晶質のものであり、炭素原子同士の結合形態がダイヤモンド構造（ＳＰ３結合）とグラファイト結合（ＳＰ２結合）の両方から成る。
具体的には、炭素原子のみから成るａ−Ｃ（アモルファスカーボン）、水素を含有するａ−Ｃ：Ｈ（水素アモルファスカーボン）、及びチタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）などの金属原子を一部に含むＭｅＣが挙げられるが、本発明においては、水素含有量が少ないものほど好ましく、水素含有量が２０原子％以下のもの、好ましくは１０原子％以下、特に０．５原子％以下、更には水素を含まないａ−Ｃ系（アモルファスカーボン系）材料を好適に用いることができる。
なお、かかる硬質炭素被膜の膜厚としては、対象とする摺動機構の種類や要求性能、摺動部材を構成する材料の種類、摺動部の表面粗さなどに影響を受けるが、ＤＬＣ薄膜にあっては、代表的に０．３〜２．０μｍ程度である。
また、ＤＬＣ薄膜の表面粗さも、対象とする摺動機構の種類や要求性能、摺動部材を構成する材料（基材）の種類、摺動部の表面粗さなどに影響を受けるが、自動車の摺動機構にＤＬＣ薄膜を適用する場合には、代表的にＲａで０．１μｍ以下である。
更に、上記硬質炭素薄膜は、通常、摺動部材の摺動部全体に被覆されるが、摺動部の一部にのみ被覆されていてもよい。
また、ＤＬＣ薄膜の表面粗さも、対象とする摺動機構の種類や要求性能、摺動部材を構成する材料（基材）の種類、摺動部の表面粗さなどに影響を受けるが、自動車の摺動機構にＤＬＣ薄膜を適用する場合には、代表的にＲａで０．１μｍ以下である。
更に、上記硬質炭素薄膜は、通常、摺動部材の摺動部全体に被覆されるが、摺動部の一部にのみ被覆されていてもよい。
次に、摺動部材を構成する材料（基材）については、特に限定されるものではなく、鋼などの鉄基合金やアルミ合金などの非鉄金属合金に代表される金属材料、各種ゴム及びプラスチックなどに代表される樹脂材料、セラミックス材料を挙げることができる。
即ち、本発明の摺動機構における摺動部材の組合せとしては、金属材料、樹脂材料及びセラミックス材料同士のような同種材料の組み合わせ、金属材料と樹脂材料、金属材料とセラミックス材料相互間のような異種材料の組み合わせを挙げることができる。
即ち、本発明の摺動機構における摺動部材の組合せとしては、金属材料、樹脂材料及びセラミックス材料同士のような同種材料の組み合わせ、金属材料と樹脂材料、金属材料とセラミックス材料相互間のような異種材料の組み合わせを挙げることができる。
従って、本発明の低摩擦摺動機構の対象となる摺動は、上述の同種材料間又は異種材料間に硬質炭素薄膜と上記の所定グリースが介在する状態、又は摺動部材の双方に硬質炭素薄膜が被覆された場合である、硬質薄膜間に上記の所定グリースが介在する状態での摺動となる。
なお、かかる摺動における摩擦・摺動形式は特に限定されるものではなく、点接触、線接触及び面接触のいずれの形式によるものも、本発明の低摩擦摺動機構の対象となる。
なお、かかる摺動における摩擦・摺動形式は特に限定されるものではなく、点接触、線接触及び面接触のいずれの形式によるものも、本発明の低摩擦摺動機構の対象となる。
本発明の低摩擦摺動機構は、比較的高温で高圧の条件下などグリースが必要とされる各種の摺動機構に適用することができ、機械・装置の種類に限定されるものではないが、自動車の摺動機構に好適に用いることができる。
この場合、軸受球とスリーブとの間は金属相互間の摺動となり、シールリングとドライブシャフトとの間は金属とゴムとの摺動、樹脂製軸受とユニバーサルジョイントとの間は金属とプラスチックとの摺動に相当する。
この場合、軸受球とスリーブとの間は金属相互間の摺動となり、シールリングとドライブシャフトとの間は金属とゴムとの摺動、樹脂製軸受とユニバーサルジョイントとの間は金属とプラスチックとの摺動に相当する。
なお、摺動部材の基材の表面粗さ、即ち硬質炭素被膜の被覆前における摺動部材の表面粗さは、対象とする摺動機構の種類や要求性能などに影響を受けるが、基材が鋼の場合には、Ｒａで０．１μｍ以下にすることが好ましい。
また、基材がアルミニウム合金の場合は０．０２μｍ以下にすることが好ましい。
また、基材がアルミニウム合金の場合は０．０２μｍ以下にすることが好ましい。
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜４）
図１に示すシリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験機を用いて摩擦係数の測定を行うべく、シリンダー状試験片１０及びディスク状試験片をＳＵＪ２鋼で作成した。
次いで、ディスク状試験片の上部摺動面表面に、ＰＶＤアークイオン式イオンプレーティング法により、水素原子量０．５原子％以下、ヌープ硬度Ｈｋ＝２１７０ｋｇ／ｍｍ２、表面粗さＲｙ＝０．０３μｍ、厚さ０．５μｍのＤＬＣ薄膜を成膜し、ディスク状試験片２０を作成し、シリンダー状試験片１０とディスク状試験片２０を摺動部材とする本例の摺動機構を製作した。
図１に示すシリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験機を用いて摩擦係数の測定を行うべく、シリンダー状試験片１０及びディスク状試験片をＳＵＪ２鋼で作成した。
次いで、ディスク状試験片の上部摺動面表面に、ＰＶＤアークイオン式イオンプレーティング法により、水素原子量０．５原子％以下、ヌープ硬度Ｈｋ＝２１７０ｋｇ／ｍｍ２、表面粗さＲｙ＝０．０３μｍ、厚さ０．５μｍのＤＬＣ薄膜を成膜し、ディスク状試験片２０を作成し、シリンダー状試験片１０とディスク状試験片２０を摺動部材とする本例の摺動機構を製作した。
次に、表１に示すグリースを約０．３ｇ、シリンダー状試験片１０とディスク状試験片２０との間に塗布し、下記の条件下で摩擦試験を行い摩擦係数を測定した。
試験片材料及びグリースの成分表示を表１に示す。また、試験１０分後における各例の摺動機構の摩擦係数をグラフ化して図２に示した。
試験片材料及びグリースの成分表示を表１に示す。また、試験１０分後における各例の摺動機構の摩擦係数をグラフ化して図２に示した。
［摩擦試験条件］
・試験装置 ；シリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験機
・摺動側試験片；φ１５×２２ｍｍシリンダー状試験片
・相手側試験片；φ２４×７．９ｍｍディスク状試験片
・荷重 ；１００Ｎ（摺動側試験片の押し付け荷重）
・振幅 ；１．５ｍｍ
・周波数 ；５０Ｈｚ
・試験温度 ；８０℃
・測定時間 ；１０ｍｉｎ
・試験装置 ；シリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験機
・摺動側試験片；φ１５×２２ｍｍシリンダー状試験片
・相手側試験片；φ２４×７．９ｍｍディスク状試験片
・荷重 ；１００Ｎ（摺動側試験片の押し付け荷重）
・振幅 ；１．５ｍｍ
・周波数 ；５０Ｈｚ
・試験温度 ；８０℃
・測定時間 ；１０ｍｉｎ
（比較例１〜６）
ディスク状試験片にＤＬＣ薄膜を成膜しなかった以外は、実施例１〜４と同様の操作を繰り返し、摩擦係数を測定した。得られた結果を図２に示す。
ディスク状試験片にＤＬＣ薄膜を成膜しなかった以外は、実施例１〜４と同様の操作を繰り返し、摩擦係数を測定した。得られた結果を図２に示す。
１０ シリンダー状試験片
２０ ディスク状試験片
２０ ディスク状試験片
Claims (6)
- エステル油及び／又はエーテル油を基油とするグリースの存在下で互いに摺動する摺動部材を備える摺動機構であって、
少なくとも一方の上記摺動部材の摺動部には、硬質炭素被膜が被覆されており、
この硬質炭素被膜の水素含有量が２０原子％以下である、ことを特徴とする低摩擦摺動機構。 - 上記硬質炭素薄膜の水素含有量が１０原子％以下であることを特徴とする請求項１に記載の低摩擦摺動機構。
- 上記硬質炭素薄膜の水素含有量が０．５原子％以下であることを特徴とする請求項１に記載の低摩擦摺動機構。
- 上記硬質炭素薄膜が実質的に水素を含まないことを特徴とする請求項１に記載の低摩擦摺動機構。
- 上記摺動部材を構成する基材の表面粗さが、上記硬質炭素薄膜の被覆前において、Ｒａで０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の低摩擦摺動機構。
- 上記グリースが、カルシウム若しくはリチウムを含有する金属セッケン、又はウレア系化合物を増ちょう剤とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の低摩擦摺動機構。
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