JP6667493B2 - 摺動システム - Google Patents

Description

本発明は、摺動面と潤滑油の新たな組合わせにより、摺動面間に作用する摩擦係数の低減等を図れる摺動システムに関する。

多くの機械は摺接しつつ相対移動する摺動部材を備える。このような摺動部材を有する系（本明細書では「摺動システム」という。／例えば、摺動機械）では、その摺動部分に作用する抵抗力（摺動抵抗）を小さくすることにより、性能の向上と共に稼動に必要なエネルギーの低減が図られる。このような摺動抵抗の低減は、通常、摺動面間に作用する摩擦係数の低減により達成される。

摺動面間に作用する摩擦係数は、摺動面の表面状態と摺動面間の潤滑状態により異なる。このため摩擦係数の低減を図る場合、摺動面の表面改質と摺動面間へ供給する潤滑剤（潤滑油）の改良が検討される。これらに関連する記載が、例えば下記の特許文献にある。

特許第６１１４７３０号公報

特許文献１は、窒化クロム膜で被覆された摺動面とＭｏ三核体からなる油溶性モリブデン化合物を含む潤滑油との組合わせにより、低摩擦特性と高耐摩耗性の両立を図っている。但し、特許文献１では、潤滑油として通常のエンジンオイルを想定しているため、具体的な摩擦特性は油温を８０℃としたときのものしか特許文献１には記載されていない。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、摺動被膜と潤滑油の新たな組合わせにより、従来よりも低温域において、摩擦係数を低減できる摺動システムを提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、特定の窒化クロム膜とＭｏ−ＤＴＰを含む潤滑油との新たな組合わせにより、低温域においても、摺動面間の摩擦係数を低減できることを発見した。しかも、この低摩擦特性は高耐摩耗性と両立されることもわかった。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《摺動システム》
（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、Ｃｒ：４０〜６５％、Ｎ：３５〜５５％であると共に、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１５〜８５％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リン酸モリブデン（単に「Ｍｏ−ＤＴＰ」という。）を含み、該Ｍｏ−ＤＴＰは、前記潤滑油全体に対してＭｏの質量割合で１２５〜８００ｐｐｍ含まれ、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。

（２）特定の窒化クロム膜により被覆された摺動面と、Ｍｏ−ＤＴＰを含む潤滑油とを組合わせることにより、摺動面間の摩擦係数を低減した摺動システムが得られる。本発明の摺動システムによれば、摺動抵抗や摩擦損失の低減が可能となり、各種機械の運動性能や省エネルギー化等の向上を図る。

また本発明に係る窒化クロム膜は、その低摩擦特性と併せて優れた耐摩耗性をも発揮し得る。従って本発明の摺動システムは、境界潤滑（摩擦）条件から混合潤滑（摩擦）条件に至る厳しい条件下で長期間運転される駆動系機械等にも好適である。

例えば、本発明の摺動システムによれば、潤滑油の温度（単に「油温」という。）が６０℃以下さらには５０℃以下でも、摺動面間の摩擦係数を０．０６以下さらには０．０５以下とできる。また、鉄鋼材のみからなる従来の摺動面に対して、窒化クロム膜からなる摺動面は、耐摩耗性を指標する摩耗深さが１／４以下さらには１／６以下ともなり得る。従って本発明の摺動システムは、油温の上昇が緩やかなハイブリッド車用内燃機関や駆動伝達装置（変速機、差動装置等）に好適である。

（３）本発明に係る特定の窒化クロム膜とＭｏ−ＤＴＰを含む潤滑油との組合わせにより低摩擦特性等を発現するメカニズムは必ずしも定かではないが、現状では次のように考えられる。

本発明の摺動システム（具体的には摺動機械）を稼働させると、窒化クロム膜からなる摺動面上において、潤滑油中に含まれるＭｏ−ＤＴＰの吸着反応が促進される。これに伴い、Ｍｏ−ＤＴＰとＣａ、Ｚｎ等の添加剤の吸着が抑制され、選択的にＭｏＳ_２構造の硫化モリブデン化合物が窒化クロム膜からなる被覆面（摺動面）に比較的多く（厚く）吸着されるようになると考えられる。このＭｏＳ_２構造の硫化モリブデン化合物は、層状構造を有し、低せん断特性を示す。これにより、境界摩擦を含む広い運転状況下でも、窒化クロム膜からなる摺動面上で摩擦係数が低減されるようになったと考えられる。

なお、本発明に係る窒化クロム膜は、通常、摺動部材の基材（例えば鋼材）よりも硬く、かつ摺動相手側の摺動面へも移着しにくい。このため本発明の摺動システムによれば、上述した潤滑油の存在下で、高耐摩耗性も発揮され、優れた低摩擦特性が長期的に安定して発現される。

（４）本発明に係る窒化クロム膜は、主にＣｒとＮとからなるが、それ以外の元素として、低摩擦特性を阻害しないか、または低摩擦特性を改善するドープ元素（例えばＯ）等を含有していてもよい。窒化クロム膜中のＣｒとＮは、主にＣｒＮとして存在しているが、一部がＣｒ_２Ｎ（窒化二クロム）等であってもよい。これらを踏まえて、本発明に係る窒化クロム膜は、膜全体を１００原子％（単に「％」という。）として、Ｃｒ：４０〜６５％さらには４５〜６２％、Ｎ：３５〜５５％さらには３８〜５０％であると好適である。

また窒化クロム膜はドープ元素を含むでもよい。例えば、Ｏを１〜１５％さらには５〜１３％含んでもよいし、Ｂを０．５〜５％さらには１〜３％ふんでもよい。なお、このような膜組成は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により特定される。

さらに本発明に係る窒化クロム膜は、特定の結晶構造を有するときに低摩擦特性を発現し易い。すなわち、本発明に係る窒化クロム膜は、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１５〜８５％、２０〜８０％さらには２５〜７６％であると好適である。なお、各面の面積割合（相対面積）は、Ｘ線回折により得られるプロフィルに基づいて画像解析により算出した。

《その他》
（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。

本発明に係る窒化クロム膜による被覆面は、相対移動する対向した摺動部材の少なくとも一方の摺動面に形成されていればよい。勿論、対向する両摺動面とも窒化クロム膜による被覆面となっているとより好ましい。

（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

各試料に係る窒化クロム膜をＸ線回折して得られたプロフィルである。 試料３に係る窒化クロム膜のＸ線回折プロフィルの拡大図である。 各試料に係る摩擦係数を比較した棒グラフである。 各試料に係る摩耗深さを比較した棒グラフである。 各試料に係る表面粗さと摩擦係数の関係を示す散布図である。 各試料に係る相対面積と摩擦係数の関係を示す散布図である。 試料３および試料Ｃ１に係るＭｏ−ＤＴＰのＭｏ量と摩擦係数の関係を示すグラフである。 Ｍｏ−ＤＴＰの分子構造（Ｒ：アルキル基）の一例を示す模式図である。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の摺動システム全体としてのみならず、それを構成する摺動部材や潤滑油にも適宜該当し得る。

《潤滑油》
本発明に係る潤滑油はＭｏ−ＤＴＰ（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−ＤＴＰが過少であると、低摩擦特性が発揮され難くなるが、Ｍｏ−ＤＴＰ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−ＤＴＰは、潤滑油全体に対するＭｏの質量割合で１２５〜８００ｐｐｍ、１５０〜７００ｐｐｍさらには２００〜６0０ｐｐｍ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−ＤＴＰ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。

潤滑油は、Ｍｏ−ＤＴＰ以外の化合物を含んでもよい。例えば、潤滑油全体に対してＰの質量割合で２００〜１５００ｐｐｍさらには４００〜１２００ｐｐｍとなるリン化合物、潤滑油全体に対してＳの質量割合で５００〜３０００ｐｐｍさらには１０００〜２７００ｐｐｍとなる硫黄化合物、潤滑油全体に対してＮの質量割合で２００〜２０００ｐｐｍさらには５００〜１５００ｐｐｍとなる窒素化合物等の少なくとも一種以上を潤滑油は含んでもよい。

このようなリン化合物として、Ｍｏ−ＤＴＰ以外にＺｎ−ＤＴＰ、リン酸エステル等がある。硫黄化合物として、Ｍｏ−ＤＴＰ以外にＺｎ−ＤＴＰ、Ｃａ- Sulfonate等がある。窒素化合物として、コハク酸イミド、オレイルアミン等がある。このようなＭｏ−ＤＴＰ以外の（油溶性）化合物を含む潤滑油中でも、Ｍｏ−ＤＴＰは、窒化クロム膜で被覆された摺動面（被覆面）上に優先的に作用し、例えば、摩擦係数を低減させ得る硫化モリブデン化合物（ＭｏＳ_２等）の形成に寄与すると考えられる。

《窒化クロム膜》
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。

ＡＩＰ法は、例えば、反応ガス（プロセスガス）中で、金属ターゲット（蒸発源）を陰極としてアーク放電を起こし、金属ターゲットから生じた金属イオンと反応ガス粒子を反応させて、バイアス電圧（負圧）を印加した被覆処理面に、緻密な皮膜を形成する方法である。本発明の場合なら、例えば、ターゲットを金属Ｃｒ、反応ガスをＮ_２ガスとするとよい。また、ＣｒとＮ以外のドープ元素を含む窒化クロム膜であれば、そのドープ元素を含むターゲットまたは反応ガスを用いるとよい。また、ターゲットや反応ガスの成分を調整する他、反応ガスのガス圧を調整して、窒化クロム膜の組成、構造等を調整することもできる。例えば、Ｎ_２ガス圧の調整により、ＣｒＮからなる単層膜を得ることもできれば、ＣｒＮとＣｒ_２Ｎからなる複合膜を得ることも可能となる。

ＳＰ法は、ターゲットを陰極側、被覆処理面を陽極側として電圧を印加し、グロー放電により生じた不活性ガス原子イオンをターゲット表面に衝突させて、飛び出したターゲットの粒子（原子・分子）を被覆処理面に堆積させて皮膜を形成する方法である。本発明の場合なら、例えば、ターゲットを金属Ｃｒ、不活性ガスをＡｒガスとしてスパッタリングを行い、放出されたＣｒ原子（イオン）とＮ_２ガスを反応させることにより摺動面上に窒化クロム膜を形成することができる。

《用途》
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。

《概要》
窒化クロム膜を被覆した複数の供試材（摺動部材）と、Ｍｏ−ＤＴＰ（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。

《試料の製造》
（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。

窒化クロム膜を被覆しない比較試料（表１の試料Ｃ１）として、浸炭処理しただけの鋼材（ＪＩＳ ＳＣＭ４２０）も用意した。その浸炭面（硬さＨＶ７００）も同様な表面粗さに鏡面仕上げした。

（２）窒化クロム膜の成膜
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。

アークイオンプレティーング法による成膜は、０．３〜６Ｐａに調整したＮ_２ガス（反応ガス）中で、金属Ｃｒからなるターゲットをアーク放電させて行った。Ｏを含む窒化クロム膜の成膜は、Ｎ_２ガスとＯ_２ガスの混合ガスを反応ガスに用いて行った。なお、このときのＯ量の割合は、混合ガス全体に対して０．１体積％とした。また、Ｂを含む窒化クロム膜の成膜は、Ｃｒ−Ｂ合金（Ｃｒ−５質量％Ｂ）をターゲットに用いて行った。

スパッタリング法による成膜は、金属ＣｒからなるターゲットをＡｒガスでスパッタリングし、放出されたＣｒ原子（イオン）とＮ_２ガスを反応させて行った。このときのＮ_２ガスは０．５〜６Ｐａとした。

《窒化クロム膜の測定と解析》
（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。

（２）膜構造
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。

図１に示すプロフィルに基づいて、既述した方法により、（２００）面に対する（１１１）面の相対面積を求めた。こうして算出した各試料の相対面積を表１に併せて示した。なお、各試料のプロフィルからわかるように、いずれの試料でもＣｒは検出されず、主にＣｒＮが検出された。但し、試料３のみ、ＣｒＮの他にＣｒ_２Ｎが検出された。このＣｒ_２Ｎの検出の有無も表１に併せて示した。

《潤滑油》
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２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−ＤＴＰ：株式会社ＡＤＥＫＡ製 アデカサクラルーブ３００
・Ｚｎ−ＤＴＰ（ジアルキルジチオリン酸亜鉛）： 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
（無灰分散剤）

各試作油中に含まれる代表的な元素量も表２に併せて示した。各含有元素量は、Ｍｏ、Ｚｎ、Ｐ、Ｃａ，Ｎの元素含有量ならびに塩基価（過塩基性Ｃａ−スルホネート）が一般的な市販のエンジン油に含まれる量や特性と同等になるように調整した。

《ブロックオンリング摩擦試験》
（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。

各供試材の摩擦係数を対比した棒グラフを図２Ａに示した。また、摩擦試験後の各供試材の摺動面を、前述した非接触表面形状測定機により測定し、それぞれの摩耗深さと表面粗さを求めた。各摩耗深さを対比した棒グラフを図２Ｂに、各供試材に係る表面粗さと摩擦係数の関係を図３にそれぞれ示した。さらに、各供試材の摩擦係数と各供試材の窒化クロム膜の（２００）面に対する（１１１）面の相対面積との関係も図４に示した。

（２）試料３またはＣ１の供試材と試作油Ａ〜Ｄのいずれかとを組合わせて、上述した摩擦試験を同様に行い、各場合の摩擦係数を求めた。各試作油に添加したＭｏ−ＤＴＰのＭｏ量と各供試材の摩擦係数との関係を図５に示した。

《評価》
（１）摩擦特性
図２Ａから明らかなように、Ｍｏ−ＤＴＰ（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２〜５はいずれも試料Ｃ１よりも摩擦係数が低減した。また、図２Ｂから明らかなように、試料２〜５はいずれも試料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。

（２）表面粗さ
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ず、また、低摩擦特性を示した試料２〜５の摺動面が特段平滑であったとはいえない。従って、試料２〜５に係る低摩擦特性は、摺動面の平滑化が要因であるとは考えられない。

（３）窒化クロム膜の構造
図４から明らかなように、低摩擦特性を示した試料２〜５は、低摩擦特性を示さなかった試料１よりも、窒化クロム膜の（２００）面に対する（１１１）面の相対面積が大きいことがわかった。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（例えば、１５％以上）混在している窒化クロム膜の方が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以上である窒化クロム膜の方が、Ｍｏ−ＤＴＰ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。

（４）Ｍｏ−ＤＴＰ量（Ｍｏ当量）
図５から明らかなように、Ｍｏ−ＤＴＰ量が過少であると、試料３も試料Ｃ１も摩擦係数は同程度である。しかし、Ｍｏ−ＤＴＰがＭｏ量で１２５ｐｐｍ以上さらには１５０ｐｐｍ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。

（５）考察
以上の結果から、（２００）面に対する（１１１）面の相対面積が所定値以上である特定構造の窒化クロム膜と、所定量以上のＭｏ−ＤＴＰ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、特定の窒化クロム膜からなる摺動面上に、Ｍｏ−ＤＴＰが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ＭｏＳ_２等）が形成されるためと考えられる。すなわち、そ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 (6)

1. 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、Ｃｒ：４０〜６５％、Ｎ：３５〜５５％であると共に、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１５〜８５％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リン酸モリブデン（単に「Ｍｏ−ＤＴＰ」という。）を含み、
   該Ｍｏ−ＤＴＰは、前記潤滑油全体に対してＭｏの質量割合で１２５〜８００ｐｐｍ含まれ、
   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摺動システム。
2. 前記窒化クロム膜は、さらにＯ：１〜１５％またはＢ：０．５〜５％含む請求項１に記載の摺動システム。
3. 前記窒化クロム膜は、ＣｒＮと共にＣｒ_２Ｎを含む請求項１または２に記載の摺動システム。
4. 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。
5. 前記潤滑油の温度が６０℃以下のときに、前記摺動面間の摩擦係数が０．０６以下となり得る請求項１〜４のいずれかに記載の摺動システム。
6. 前記Ｍｏ−ＤＴＰは、前記潤滑油全体に対してＭｏの質量割合で１５０〜７００ｐｐｍ含まれる請求項１〜５のいずれかに記載の摺動システム。

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