特開 2024-7924 摺動システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024007924

(43)【公開日】2024-01-19

(54)【発明の名称】摺動システム

(51)【国際特許分類】

   F16C 33/24 20060101AFI20240112BHJP

   C01B 32/05 20170101ALI20240112BHJP

   F16C 17/02 20060101ALI20240112BHJP

   C23C 26/00 20060101ALN20240112BHJP

【ＦＩ】

F16C33/24 Z

C01B32/05

F16C17/02 Z

F16C33/24 A

C23C26/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022109347

(22)【出願日】2022-07-06

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （１）予稿集 ▲１▼発行日 令和３年１０月２７日～令和３年１０月２９日 ▲２▼刊行物 トライボロジー会議２０２１ 秋 松江予稿集，Ａ３３，一般社団法人日本トライボロジー学会 （２）学会発表 ▲１▼開催日 令和３年９月６日～令和３年９月１０日 ▲２▼集会名 トライボロジー会議２０２１秋 松江 ▲３▼開催場所 オンライン開催

(71)【出願人】

【識別番号】000157083

【氏名又は名称】トヨタ自動車東日本株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100131026

【弁理士】

【氏名又は名称】藤木 博

(74)【代理人】

【識別番号】100194124

【弁理士】

【氏名又は名称】吉川 まゆみ

(72)【発明者】

【氏名】行則 啓太

(72)【発明者】

【氏名】小池 亮

(72)【発明者】

【氏名】深谷 良介

(72)【発明者】

【氏名】足立 幸志

(72)【発明者】

【氏名】坪内 正克

【テーマコード（参考）】

3J011

4G146

4K044

【Ｆターム（参考）】

3J011AA20

3J011BA08

3J011DA01

3J011JA02

3J011KA02

3J011MA02

3J011QA03

3J011QA04

3J011SB12

3J011SB14

3J011SB20

3J011SD04

3J011SE10

4G146AA05

4G146AA16

4G146AA17

4G146AB07

4G146AC21B

4G146AD02

4G146AD17

4G146AD26

4G146AD40

4G146BC09

4G146BC10

4G146CB19

4G146CB32

4G146CB34

4K044AA03

4K044AA06

4K044BA13

4K044BA18

4K044BB01

4K044BC01

(57)【要約】

【課題】より低摩擦化することができる摺動システムを提供する。
【解決手段】相対移動し得る第１摺動部材１０及び第２摺動部材２０を備え、第１摺動部材１０と第２摺動部材２０との摺動面間には、水素ガスを含む水素含有雰囲気ガスが存在する。第１摺動部材１０の摺動面は、Ｗ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＣｒのうちの少なくとも１種を含む炭化物が添加されたＤＬＣにより構成されている。第２摺動部材２０の摺動面は、Ａｌを含む酸化物を主成分とするセラミックスにより構成されている。水素含有雰囲気ガスは酸素ガスを含んでいる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

相対移動し得る第１摺動部材及び第２摺動部材を備え、前記第１摺動部材と前記第２摺動部材との摺動面間に、水素ガスを含む水素含有雰囲気ガスが存在する摺動システムであって、
前記第１摺動部材の摺動面は、タングステン（Ｗ），ケイ素（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ）及びクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも１種を含む炭化物が添加されたＤＬＣよりなり、
前記第２摺動部材の摺動面は、アルミニウム（Ａｌ）を含む酸化物を主成分とするセラミックスよりなり、
前記水素含有雰囲気ガスは酸素ガスを含む
ことを特徴とする摺動システム。

【請求項2】

前記第２摺動部材の摺動面は、硬質アルマイトよりなることを特徴とする請求項１記載の摺動システム。

【請求項3】

前記水素含有雰囲気ガスにおける酸素ガスの濃度は、１ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の摺動システム。

【請求項4】

前記第１摺動部材の摺動面を構成するＤＬＣに添加される炭化物は、タングステン（Ｗ）及び、ケイ素（Ｓｉ）のうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１記載の摺動システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、相対移動し得る第１摺動部材及び第２摺動部材を備え、第１摺動部材と第２摺動部材との摺動面間に水素ガスを含む水素含有雰囲気ガスが存在する摺動システムに関する。

【背景技術】

【0002】

多くの機械は摺接しつつ相対移動する摺動部材を備えている。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」と言い、例えば、摺動機械が挙げられる）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、摺動面の表面状態により異なるため、摩擦係数の低減を図る場合、摺動面の材料の改良が検討される。

【0003】

摺動面の材料としては、例えば、低摩擦化及び耐摩耗性に優れる非晶質炭素（いわゆるダイヤモンドライクカーボン；ＤＬＣ）が用いられている。例えば、特許文献１には、水素を含有するＤＬＣ膜からなる第１面を有する第１部材と、ＺｒおよびＡｌの少なくともいずれかを含む酸化物を主成分とするセラミックスからなり、第２面を有する第２部材とを備え、第１面と第２面とが摺動面であり、該摺動面における雰囲気が水素である摺動装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－１９４１７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の摺動装置では、第２面のセラミックスの硬度が十分でないと、第１面のＤＬＣ膜の表面において構造分解が起きず、第２面への炭素移着が不十分となって低摩擦力カーボン膜が形成されないという問題があった。また、第２面の水素による還元反応を抑制しないと、水素脆性破壊による強度低下を招いてしまうという問題もあった。

【0006】

本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、より低摩擦化することができる摺動システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の摺動システムは、相対移動し得る第１摺動部材及び第２摺動部材を備え、第１摺動部材と第２摺動部材との摺動面間に、水素ガスを含む水素含有雰囲気ガスが存在するものであって、第１摺動部材の摺動面は、タングステン（Ｗ），ケイ素（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ）及びクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも１種を含む炭化物が添加されたＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）よりなり、第２摺動部材の摺動面は、アルミニウム（Ａｌ）を含む酸化物を主成分とするセラミックスよりなり、水素含有雰囲気ガスは酸素ガスを含むものである。

【発明の効果】

【0008】

本発明の摺動システムによれば、第１摺動部材の摺動面をＷ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＣｒのうちの少なくとも１種を含む炭化物が添加されたＤＬＣにより構成すると共に、水素含有雰囲気ガスに酸素ガスを含むようにしたので、水素含有雰囲気ガスに含まれる酸素により、第１摺動部材の摺動面に含まれる炭化物が優先的に酸化され、第２摺動部材の摺動面への移着元となる炭素の生成を促進することができる。よって、第２摺動部材の摺動面に低摩擦の非晶質カーボン膜の形成を促進することができ、低摩擦化することができる。また、水素含有雰囲気ガスに含まれる酸素により、第２摺動部材の摺動面における水素による還元反応を抑制し、水素脆性破壊による強度低下を抑制することができる。

【0009】

また、第２摺動部材の摺動面を硬質アルマイトにより構成するようにしたので、硬度を高く、厚膜化することができ、第１摺動部材の摺動面における構造破壊を促進することができる。更に、硬質アルマイトはポア（細孔）を持つので、第２摺動部材の摺動面への非晶質カーボン膜の定着を促すことができる。

【0010】

更に、水素含有雰囲気ガスにおける酸素ガスの濃度を１ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下とするようにしたので、より高い効果を得ることができる。

【0011】

加えて、第１摺動部材の摺動面を構成するＤＬＣに添加される炭化物として、より酸化されやすいタングステン（Ｗ）及び、ケイ素（Ｓｉ）のうちの少なくとも１種を含むようにしたので、より高い効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施の形態に係る摺動システムにおける摺動時の作用を説明するための模式図である。

【図2】水素含有雰囲気ガスにおける酸素ガスの濃度と、摩擦係数との関係を表す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0014】

図１は、本発明の一実施の形態に係る摺動システムにおける摺動時の作用を説明するための模式図である。この摺動システムは、相対移動し得る第１摺動部材１０及び第２摺動部材２０を備え、第１摺動部材１０と第２摺動部材２０との摺動面間に、水素ガスを含む水素含有雰囲気ガスが存在するものである。本発明でいう「摺動システム」は、第１摺動部材及び第２摺動部材を備え、その摺動面間に水素含有雰囲気ガスが存在すれば足り、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、摺動機械等と換言してもよい。なお、本発明の摺動システムは、例えば、燃料電池車や水素エンジン車用の水素タンクのコンプレッサーに用いることができる。

【0015】

第１摺動部材１０及び第２摺動部材２０は、相対移動する摺動面を有する機械部品である。例えば、水素タンクのコンプレッサーであれば、第１摺動部材１０をシリンダー、第２摺動部材２０をピストンとすることができる。

【0016】

第１摺動部材１０は、例えば、第１基材の表面に第１摺動被膜としてＤＬＣ膜１１を有しており、第１摺動部材１０の摺動面はＤＬＣ膜１１により構成されている。第１基材は、各種装置の摺動部品であれば形状及び材質等に特に限定はない。例えば、水素タンクのコンプレッサーであれば、金属系基材（例えばステンレス鋼材）により構成することができる。

【0017】

ＤＬＣ膜１１は、Ｗ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＣｒのうちの少なくとも１種を含む炭化物が添加されたＤＬＣにより構成されている。ＤＬＣは、炭化水素または炭素の同素体からなる非晶質であり、高硬度で、耐摩耗性、化学的安定性に優れている。Ｗ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＣｒのうちの少なくとも１種を含む炭化物を添加するのは、Ｗ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＣｒは第２摺動部材２０の摺動面の構成元素であるＡｌと同様に酸化されやすいので、これらの炭化物が優先的に酸化されて、第２摺動部材２０の摺動面への添加金属酸化物を含むカーボンからなる低摩擦カーボン膜の移着を促進することができるからである。

【0018】

また、ＤＬＣ膜１１を構成するＤＬＣに添加される炭化物は、より酸化されやすいＷ及びＳｉのうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。炭化物がより優先的に酸化されて、第２摺動部材２０の摺動面への移着元となる添加金属酸化物を含むカーボンからなる低摩擦カーボン膜の移着生成をより促進することができるからである。

【0019】

なお、ＤＬＣ膜１１は、例えば、スパッタリング＋プラズマＣＶＤ複合プロセスにより形成することができる。

【0020】

第２摺動部材２０は、例えば、第２基材の表面に第２摺動被膜２１を有しており、第２摺動部材２０の摺動面は第２摺動被膜２１により構成されている。第２基材は、各種装置の摺動部品であれば形状及び材質等に特に限定はないが、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成することが好ましい。第２摺動被膜２１を容易に形成することができるからである。

【0021】

第２摺動被膜２１は、Ａｌを含む酸化物を主成分とするセラミックスにより構成されている。ここで、主成分とは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、６０質量％以上の成分のことである。Ａｌを含む酸化物は、Ａｌ以外の元素を含んでいてもよいが、第２摺動被膜２１は、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３に換算して６０質量％以上含むセラミックスにより構成することが好ましい。第２摺動部材２０の摺動面の表面に、酸化され安定なＡｌを多く存在させることができるからである。

【0022】

特に、第２摺動被膜２１は硬質アルマイトにより構成することが好ましい。アルマイトというのは、アルミニウム又はアルミニウム合金を陽極酸化処理することにより得られる酸化皮膜であり、硬質アルマイトは低温の電解浴中で電解処理され、例えば、ＪＩＳ Ｈ８６０３の１種では硬度がＨＶ４００以上のものである。硬質アルマイトにより構成するようにすれば、硬度を高くすることができ、第１摺動部材１０の摺動面における構造破壊を促進することができるので好ましい。硬質アルマイトの硬度は、例えば、ＨＶ７００程度とすることが好ましい。より高い効果を得られるからである。また、アルマイトはポア（細孔）を持つため、第２摺動部材の摺動面への非晶質カーボン膜の定着を促すことができる。

【0023】

水素含有雰囲気ガスは、水素ガスに加えて、酸素ガスを含んでいる。酸素により第１摺動部材１０の摺動面に含まれる炭化物を酸化して、第２摺動部材２０の摺動面への移着元となるカーボンの生成を促進すると共に、第２摺動部材２０の摺動面における水素による還元反応を抑制し、水素脆性破壊による強度低下を抑制するためである。水素含有雰囲気ガスにおける酸素ガスの濃度は、１ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。この範囲内において、摩擦係数を小さくすることができるからである。

【0024】

この摺動システムにおける低摩擦化のメカニズムは以下のように考えられる。まず、例えば、図１（Ａ）に示したように、第１摺動部材１０と第２摺動部材２０とを摺動させると、水素含有雰囲気ガスに含まれる水素により、第２摺動部材２０の摺動面、すなわち第２摺動被膜２１の表面が還元され、酸化物から酸素が取り除かれて、不安定なＡｌの表面層２２が形成される。また、水素含有雰囲気ガスに含まれる酸素により、第１摺動部材１０の摺動面、すなわち図１（Ａ）に〇で示したＤＬＣ膜１１に含まれるＷ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＣｒのうちの少なくとも１種を含む炭化物が酸化され、Ｗ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ又はＣｒとの結合が切れた炭素が生成される。その際、Ｗ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＣｒはＡｌと同等に酸化されやすいので、これらの炭化物が優先的に酸化されると同時に、第２摺動部材２０の摺動面におけるＡｌの還元はある程度制限される。

【0025】

次いで、例えば、図１（Ｂ）に示したように、第２摺動被膜２１に形成された表面層２２の還元されたＡｌは不安定で吸着しやすいので、ＤＬＣ膜１１で生成された炭素は、第２摺動被膜２１の表面層２２が形成された部位に移着する。続いて、例えば、図１（Ｃ）に示したように、第２摺動被膜２１の表面に移着した炭素により、表面層３３の上に、低摩擦の非晶質カーボン膜２３が形成される。非晶質カーボン膜２３の厚みは、例えば、数百ｎｍ程度である。また、ＤＬＣ膜１１に含まれるＷ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＣｒのうちの少なくとも１種を含む炭化物が、水素含有雰囲気ガスに含まれる酸素により優先酸化されるのが収まると、第２摺動被膜２１に形成された表面層２２の不安定なＡｌが水素含有雰囲気ガスに含まれる酸素により再酸化され、水素による還元反応が抑制されて、水素脆性破壊が抑制される。

【0026】

なお、図１では、ＤＬＣ膜１１に添加されたＷ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＣｒのうちの少なくとも１種を含む炭化物を白丸で概念的に表している。

【0027】

このように本実施の形態によれば、第１摺動部材１０の摺動面をＷ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＣｒのうちの少なくとも１種を含む炭化物が添加されたＤＬＣにより構成すると共に、水素含有雰囲気ガスに酸素ガスを含むようにしたので、水素含有雰囲気ガスに含まれる酸素により、第１摺動部材１０の摺動面に含まれる炭化物が優先的に酸化され、第２摺動部材２０の摺動面への移着元となる炭素の生成を促進することができる。よって、第２摺動部材２０の摺動面に低摩擦の非晶質カーボン膜２３の形成を促進することができ、低摩擦化することができる。また、水素含有雰囲気ガスに含まれる酸素により、第２摺動部材２０の摺動面における水素による還元反応を抑制し、水素脆性破壊による強度低下を抑制することができる。

【0028】

また、第２摺動部材２０の摺動面を厚膜の硬質アルマイトにより構成するようにしたので、第２基材を含めた硬度を高くすることができ、第１摺動部材１０の摺動面における構造破壊を促進することができる。

【0029】

更に、水素含有雰囲気ガスにおける酸素ガスの濃度を１ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下とするようにしたので、より高い効果を得ることができる。

【0030】

加えて、第１摺動部材１０の摺動面を構成するＤＬＣに添加される炭化物として、より酸化されやすいＷ，Ｓｉのうちの少なくとも１種を含むようにしたので、より高い効果を得ることができる。

【実施例0031】

（実施例１－１）
第１摺動部材１０として、ステンレス鋼材よりなるディスク状の第１基材の表面に第１摺動被膜としてＷＣ及び水素を添加したＤＬＣ膜１１を形成した試験片を用意した。また、第２摺動部材２０として、アルミニウムよりなる球状の第２基材の表面に硬質アルマイトよりなる第２摺動被膜２１を形成した試験片を用意した。用意した試験片について、水素含有雰囲気ガス中において、ボールオンディスク型の摩擦試験を行った。水素含有雰囲気ガスには、酸素ガス９００ｐｐｍを添加した水素ガスを用いた。温度は２５℃一定、荷重は１Ｎ、摺動速度は０．１ｍ／ｓとし、安定化時の摩擦係数を測定した。その結果、摩擦係数μは０．０２であった。得られた結果を表１に示す。

【0032】

（実施例１－２，１－３）
実施例１－２では、第１摺動部材１０のＤＬＣ膜１１への添加物をＳｉＣ及び水素としたことを除き、他は実施例１－１と同様にして摩擦試験を行い、安定化時の摩擦係数を測定した。実施例１－３では、第２摺動部材２０の第２摺動被膜２１を酸化アルミニウムにより構成したことを除き、他は実施例１－１と同様にして摩擦試験を行い、安定化時の摩擦係数を測定した。その結果、実施例１－２の摩擦係数μは０．０２１、実施例１－３の摩擦係数μは０．０２９であった。得られた結果を実施例１－１と共に表１に示す。

【0033】

（比較例１－１～１－５）
第１摺動部材の第１摺動被膜の材料、第２摺動部材の第２摺動被膜の材料を表１に示したように変えたことを除き、他は実施例１－１と同様にして摩擦試験を行い、安定化時の摩擦係数を測定した。具体的には、比較例１－１は、第１摺動被膜を水素添加ＤＬＣ、第２摺動被膜を硬質アルマイトとし、比較例１－２は、第１摺動被膜を水素添加ＤＬＣ、第２摺動被膜を酸化アルミニウムとし、比較例１－３は、第１摺動被膜をＷＣ，水素添加ＤＬＣ、第２摺動被膜を炭化ケイ素とし、比較例１－４は、第１摺動被膜及び第２摺動被膜を硬質アルマイトとし、比較例１－５は、第１摺動被膜及び第２摺動被膜を水素添加ＤＬＣとした。なお、比較例１－４では、第１摺動部材の第１基材をアルミニウムにより構成した。得られた結果を実施例１－１～１－３と共に表１に示す。

【0034】

【表1】

【0035】

表１に示したように、本実施例によれば、比較例に比べて、摩擦係数を小さくすることができることが分かった。

【0036】

（実施例２）
水素含有雰囲気ガスにおける酸素ガスの濃度を０．０００００２ｐｐｍ、０．０２ｐｐｍ、２ｐｐｍ、９００ｐｐｍ、６３０００ｐｐｍ、２１０００００ｐｐｍと変化させたことを除き、他は実施例１－１と同様にして摩擦係数を測定した。得られた結果を図２に示す。図２に示したように、水素含有雰囲気ガスにおける酸素ガス濃度を高くするに従い、摩擦係数は小さくなった後、大きくなる傾向が見られた。すなわち、水素含有雰囲気ガスにおける酸素ガスの濃度は、１ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下が好ましいことが分かった。

【0037】

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

【符号の説明】

【0038】

１０…第１摺動部材、１１…ＤＬＣ膜、２０…第２摺動部材、２１…第２摺動被膜、２２…表面層、２３…非晶質カーボン膜

【図1】

【図2】