JP2008074947A - 低摩擦摺動機構及びこれを用いた摺動システム - Google Patents
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Abstract
【課題】摩擦係数が極めて小さくなる低摩擦摺動機構及びこれを用いた摺動システムを提供すること。
【解決手段】摺動部材がなす２面間に相対滑りが発生し、摺動面はイオン性液体の存在により潤滑になっており、摺動部材のいずれか一方又は両方にＤＬＣやダイヤモンドが被覆されている低摩擦摺動機構である。イオン性液体がカチオン成分とアニオン成分と極性物質とを含有して成り、該カチオン成分は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン、アンモニウム誘導体カチオンなどであり、該アニオン成分は、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン、リン酸二水素アニオンなどである。
上記低摩擦摺動機構を適用した自動車用内燃機関、自動車用変速機である。
【選択図】なし
【解決手段】摺動部材がなす２面間に相対滑りが発生し、摺動面はイオン性液体の存在により潤滑になっており、摺動部材のいずれか一方又は両方にＤＬＣやダイヤモンドが被覆されている低摩擦摺動機構である。イオン性液体がカチオン成分とアニオン成分と極性物質とを含有して成り、該カチオン成分は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン、アンモニウム誘導体カチオンなどであり、該アニオン成分は、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン、リン酸二水素アニオンなどである。
上記低摩擦摺動機構を適用した自動車用内燃機関、自動車用変速機である。
【選択図】なし
Description
本発明は、低摩擦摺動機構及びこれを用いた摺動システムに係り、更に詳細には、摩擦係数が極めて小さくなりうる低摩擦摺動機構及びこれを用いた摺動システムに関する。
イオン性液体は、溶媒の中で、従来の有機溶媒とは異なる諸物性を示すものとして最近注目されてきている。
ここで、イオン性液体とは、陽イオン（カチオン）と陰イオン（アニオン）よりなり、常温付近の使用温度域で液体である有機塩のことを指す。
なお、イオン性液体は、常温溶融塩、イオン液体、イオン流体、イオン性オイルなどと呼ばれることがある。
ここで、イオン性液体とは、陽イオン（カチオン）と陰イオン（アニオン）よりなり、常温付近の使用温度域で液体である有機塩のことを指す。
なお、イオン性液体は、常温溶融塩、イオン液体、イオン流体、イオン性オイルなどと呼ばれることがある。
一般の有機溶媒は蒸気圧があるため揮発性であり燃焼性のものがほとんどであるのに対し、イオン性液体は蒸気圧が無視でき不揮発性であり優れた熱安定性を示す。また、化学的、電気化学的にも安定である。
このため、このようなイオン性液体を摺動部材に応用する試みが報告されている（例えば非特許文献１参照。）。
上村秀人、南一郎、森誠之：機能材料、１１号 ｖｏｌ．２４（２００４） ６３．
このため、このようなイオン性液体を摺動部材に応用する試みが報告されている（例えば非特許文献１参照。）。
上村秀人、南一郎、森誠之：機能材料、１１号 ｖｏｌ．２４（２００４） ６３．
上記報告にあるように、イオン性液体の摺動部材への応用に関しては、イオン性液体の優れた特性を活かすことに着眼されている。
例えば、潤滑剤としてのイオン性液体を低粘度化しても蒸気圧が低いイオン性液体は粘性ロスを極限まで減らすことができ、耐熱性に優れ、長期間安定した性能を発揮できる可能性が示唆されている。
しかしながら、摺動材料との組み合わせの影響に関しては、研究されていない。
例えば、潤滑剤としてのイオン性液体を低粘度化しても蒸気圧が低いイオン性液体は粘性ロスを極限まで減らすことができ、耐熱性に優れ、長期間安定した性能を発揮できる可能性が示唆されている。
しかしながら、摺動材料との組み合わせの影響に関しては、研究されていない。
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、摩擦係数が極めて小さくなる低摩擦摺動機構及びこれを用いた摺動システムを提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、イオン性液体とＤＬＣやダイヤモンドの薄膜とを組み合わせることにより、上記課題が解決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、摺動部材がなす２面間に相対滑りが発生する低摩擦摺動機構であって、
摺動面は、常温でイオンのみから成り且つ液状又はゲル状の塩であるイオン性液体の存在により潤滑になっており、摺動部材のいずれか一方又は両方にＤＬＣ及び／又はダイヤモンドが被覆されていることを特徴とする。
摺動面は、常温でイオンのみから成り且つ液状又はゲル状の塩であるイオン性液体の存在により潤滑になっており、摺動部材のいずれか一方又は両方にＤＬＣ及び／又はダイヤモンドが被覆されてい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、上記イオン性液体が、カチオン成分とアニオン成分と極性物質とを含有して成るイオン伝導体であり、
該カチオン成分は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン及びアンモニウム誘導体カチオンから成る群より選ばれた少なくとも１種の分子性カチオンであり、
該アニオン成分は、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン及びリン酸二水素アニオンから成る群より選ばれた少なくとも１種の分子性アニオンであることを特徴とする。
該カチオン成分は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン及びアンモニウム誘導体カチオンから成る群より選ばれた少なくとも１種の分子性カチオンであり、
該アニオン成分は、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン及びリン酸二水素アニオンから成る群より選ばれた少なくとも１種の分子性アニオンであることを特徴とする。
一方、本発明の摺動システムは、上記低摩擦摺動機構を自動車用内燃機関や自動車用変速機に適用したことを特徴とする。
本発明によれば、イオン性液体とＤＬＣやダイヤモンドの薄膜とを組み合わせることとしたため、摩擦係数が極めて小さくなる低摩擦摺動機構及びこれを用いた摺動システムを提供できる。
以下、本発明の低摩擦摺動機構について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、濃度、含有量、充填量などについての「％」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、摺動部材がなす２面間に相対滑りが発生する低摩擦の摺動機構である。また、摺動面は、常温でイオンのみから成り且つ液状又はゲル状の塩であるイオン性液体の存在により潤滑になっている。更に、摺動部材のいずれか一方又は両方にＤＬＣ、ダイヤモンドのいずれか一方又は双方が被覆されている。
このように、イオン性液体とＤＬＣ及びダイヤモンドとを組合せることで、ＤＬＣやダイヤモンドが被覆されていない摺動面に比べて摩擦係数が極めて小さくなる。
ここで、上記ＤＬＣ又は上記ダイヤモンドは、ｓｐ３結合とｓｐ２結合含有量の比ｓｐ３／ｓｐ２が２以上であることが好適である。
ｓｐ３結合とｓｐ２結合含有量の比ｓｐ３／ｓｐ２が２より小さいと、硬度が低下し十分な摩擦低減効果が発現されない。ｓｐ３結合とｓｐ２結合含有量の比ｓｐ３／ｓｐ２が２以上とすることで、十分な硬度を確保でき、またアニオン、カチオンあるいは添加剤との吸着反応が促進され、摩擦係数を更に減少できる。
ｓｐ３結合とｓｐ２結合含有量の比ｓｐ３／ｓｐ２が２より小さいと、硬度が低下し十分な摩擦低減効果が発現されない。ｓｐ３結合とｓｐ２結合含有量の比ｓｐ３／ｓｐ２が２以上とすることで、十分な硬度を確保でき、またアニオン、カチオンあるいは添加剤との吸着反応が促進され、摩擦係数を更に減少できる。
また、上記ＤＬＣ中に含有される水素量は３ａｔ％以下であることが好適である。より好ましくは、１ａｔ％以下、特に好ましくは０．５ａｔ％以下であることがよい。
このように水素含有量を減らすことで、水素を多量に含有するＤＬＣに比べてる摩擦係数を極めて減少できる。
なお、水素量が３ａｔ％を超えるとアニオン、カチオンあるいは添加剤との吸着反応が十分行われず、摩擦係数発現効果を十分発揮できなくなる傾向にある。
このように水素含有量を減らすことで、水素を多量に含有するＤＬＣに比べてる摩擦係数を極めて減少できる。
なお、水素量が３ａｔ％を超えるとアニオン、カチオンあるいは添加剤との吸着反応が十分行われず、摩擦係数発現効果を十分発揮できなくなる傾向にある。
かかるＤＬＣの製膜方法としては、大きくＰＶＤ（物理気相蒸着）とＣＶＤ（化学気相蒸着）の２種類がある。ＣＶＤでは、メタンなどのＣＨ系のガスを出発原料に合成させれるため、創成したＤＬＣ中には水素を１０ａｔ％程度含有するのが通常である。一方、ＰＶＤでは、グラファイトを出発原料とするため、創成したＤＬＣ中には水素をほとんど含有しない。よって、ＰＶＤにより創成したＤＬＣは、ＣＶＤにより創成したものに対して、水素が含有されないので、極めて低い摩擦係数を示しやすい。
更に、上記ダイヤモンドは、粒径が２０ｎｍ以下であるナノ結晶であることが好適である。より好ましくは、１０ｎｍ以下、特に好ましくは１ｎｍ以下であることがよい。ダイヤモンドによる薄膜は、ＰＶＤで創成したＤＬＣに対して、硬度が更に高いため、更に摩擦を低減できる。
通常のダイヤモンド薄膜の結晶粒径は数μｍと大きいため、摺動中に相手材料を攻撃し、アブレイシブ摩耗が発生しやすい。ダイヤモンドの結晶粒径を２０ｎｍ以下とすることで、このようなアブレイシブ摩耗を抑制できる。
なお、粒径が２０ｎｍを超えると結晶粒径が大きいため、相手攻撃性が増し、アブレイシブ摩耗が発生しやすくなる。
通常のダイヤモンド薄膜の結晶粒径は数μｍと大きいため、摺動中に相手材料を攻撃し、アブレイシブ摩耗が発生しやすい。ダイヤモンドの結晶粒径を２０ｎｍ以下とすることで、このようなアブレイシブ摩耗を抑制できる。
なお、粒径が２０ｎｍを超えると結晶粒径が大きいため、相手攻撃性が増し、アブレイシブ摩耗が発生しやすくなる。
更にまた、ＤＬＣ、ダイヤモンドのいずれか一方又は双方が形成する薄膜の表面粗さＲａは、０．０２μｍ以下であることが好適である。より好ましくは、０．０１μｍ以下、特に好ましくは０．０００５μｍ以下であることがよい。
上記とすることで、摺動中に相手材料を攻撃しするというアブレイシブ摩耗を抑制できる。
上記とすることで、摺動中に相手材料を攻撃しするというアブレイシブ摩耗を抑制できる。
また、ＤＬＣ、ダイヤモンドのいずれか一方又は双方が形成する薄膜の表面粗さＲｓｋはマイナスであることが好適である。
表面粗さＲｓｋをマイナスとすることで、アブレイシブ摩耗を抑制するのみならず、摩擦係数低減効果を持続できるという優れた効果がもたらされる。具体的には、Ｒｓｋが−０．５より小さい程よい。
表面粗さＲｓｋをマイナスとすることで、アブレイシブ摩耗を抑制するのみならず、摩擦係数低減効果を持続できるという優れた効果がもたらされる。具体的には、Ｒｓｋが−０．５より小さい程よい。
一方、上記イオン性液体は、カチオン成分とアニオン成分と極性物質とを含有して成るイオン伝導体であることが好適である。
また、カチオン成分の全部又は一部が分子性カチオンであり、且つアニオン成分の全部又は一部が分子性アニオンであることが望ましい。
更に、本発明においては、分子性カチオン及び分子性アニオンを含み、これらが形成する常温溶融塩を含有することが望ましい。
なお、極性物質とは、分子内の正電荷（原子核が担う）と負電荷（電子が担う）の重心が一致せず、電気的な偏りがある状態をいう。この正負電荷の各重心が一致しないことにより、当該分子には自発的かつ永久的に電気双極子が存在することとなる。このような極性が基板上への吸着のし易さに影響する。
また、カチオン成分の全部又は一部が分子性カチオンであり、且つアニオン成分の全部又は一部が分子性アニオンであることが望ましい。
更に、本発明においては、分子性カチオン及び分子性アニオンを含み、これらが形成する常温溶融塩を含有することが望ましい。
なお、極性物質とは、分子内の正電荷（原子核が担う）と負電荷（電子が担う）の重心が一致せず、電気的な偏りがある状態をいう。この正負電荷の各重心が一致しないことにより、当該分子には自発的かつ永久的に電気双極子が存在することとなる。このような極性が基板上への吸着のし易さに影響する。
一方、常温溶融塩であれば、形成するカチオン成分及びアニオン成分の双方がそれぞれ分子性カチオン及び分子性アニオンである必要はない。
ここで、「常温溶融塩」とは、常温で溶融する塩であり、高温で蒸発せず、極性、比熱の高い安定な媒体であるものをいう。
ここで、「常温溶融塩」とは、常温で溶融する塩であり、高温で蒸発せず、極性、比熱の高い安定な媒体であるものをいう。
ここで、本発明のイオン伝導体に用いられるカチオン成分とアニオン成分について具体例を挙げて詳細に説明する。
なお、本発明においては、以下に示すカチオン成分とアニオン成分を適宜組合わせて用いることができる。
なお、本発明においては、以下に示すカチオン成分とアニオン成分を適宜組合わせて用いることができる。
上記カチオン成分の一種である分子性カチオンとしては、例えば、イミダゾリウム誘導体カチオン、より具体的には次式（１）で表される一置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｍｏｎｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
（式中のＲ１１は、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基やブチル基などを挙げることができる。
そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基やブチル基などを挙げることができる。
また、次式（２）で表される二置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｄｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
（式中のＲ２１及びＲ２２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ２１及びＲ２２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ２１がメチル基であり、Ｒ２２がメチル基、エチル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基であるものや、Ｒ２１がエチル基であり、Ｒ２２がブチル基であるものなどを挙げることができる。
そして、Ｒ２１及びＲ２２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ２１がメチル基であり、Ｒ２２がメチル基、エチル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基であるものや、Ｒ２１がエチル基であり、Ｒ２２がブチル基であるものなどを挙げることができる。
更に、次式（３）で表される三置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｔｒｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
（式中のＲ３１〜Ｒ３３は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ３１〜Ｒ３３としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ３１がエチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がプロピル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がブチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキサデシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
そして、Ｒ３１〜Ｒ３３としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ３１がエチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がプロピル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がブチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキサデシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
また、次式（４）で表されるピリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
（式中のＲ４１〜Ｒ４４は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ４１〜Ｒ４４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ４１がエチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるもの、Ｒ４１がブチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４３がメチル基でありＲ４４が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４４がメチル基でありＲ４３が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がエチル基であるもの、Ｒ４１がヘキシル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４１がオクチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
そして、Ｒ４１〜Ｒ４４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ４１がエチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるもの、Ｒ４１がブチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４３がメチル基でありＲ４４が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４４がメチル基でありＲ４３が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がエチル基であるもの、Ｒ４１がヘキシル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４１がオクチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
更に、次式（５）で表されるピロリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
（式中のＲ５１及びＲ５２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ５１及びＲ５２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ５１がメチル基であり、Ｒ５２がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、ヘキシル基であるもの、オクチル基であるもの、Ｒ５１がエチル基であり、Ｒ５２がブチル基であるもの、Ｒ５１及びＲ５２がプロピル基、ブチル基、ヘキシル基であるものなどを挙げることができる。
そして、Ｒ５１及びＲ５２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ５１がメチル基であり、Ｒ５２がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、ヘキシル基であるもの、オクチル基であるもの、Ｒ５１がエチル基であり、Ｒ５２がブチル基であるもの、Ｒ５１及びＲ５２がプロピル基、ブチル基、ヘキシル基であるものなどを挙げることができる。
また、次式（６）で表されるアンモニウム誘導体カチオン（Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
（式中のＲ６１〜Ｒ６４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ６１〜Ｒ６４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ６１〜Ｒ６４がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、Ｒ６１がメチル基であり、Ｒ６２〜Ｒ６４がオクチル基であるものなどを挙げることができる。
そして、Ｒ６１〜Ｒ６４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ６１〜Ｒ６４がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、Ｒ６１がメチル基であり、Ｒ６２〜Ｒ６４がオクチル基であるものなどを挙げることができる。
更に、次式（７）で表されるホスフォニウム誘導体カチオン（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ
Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
（式中のＲ７１〜Ｒ７４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ７１〜Ｒ７４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ７１がメチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやイソブチル基であるもの、Ｒ７１がエチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１〜Ｒ７４がブチル基であるものやオクチル基であるもの、Ｒ７１がテトラデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやヘキシル基であるもの、Ｒ７１がヘキサデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１がベンジル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がフェニル基であるものなどを挙げることができる。
そして、Ｒ７１〜Ｒ７４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ７１がメチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやイソブチル基であるもの、Ｒ７１がエチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１〜Ｒ７４がブチル基であるものやオクチル基であるもの、Ｒ７１がテトラデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやヘキシル基であるもの、Ｒ７１がヘキサデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１がベンジル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がフェニル基であるものなどを挙げることができる。
また、次式（８）で表されるグアニジウム誘導体カチオン（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
（式中のＲ８１〜Ｒ８６は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ８１〜Ｒ８６としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、プロピル基、イソプロピル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ８１〜Ｒ８６の全てが水素であるものやメチル基であるもの、Ｒ８１がエチル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がイソプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８６がメチル基であるものなどを挙げることができる。
そして、Ｒ８１〜Ｒ８６としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、プロピル基、イソプロピル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ８１〜Ｒ８６の全てが水素であるものやメチル基であるもの、Ｒ８１がエチル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がイソプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８６がメチル基であるものなどを挙げることができる。
更に、次式（９）で表されるイソウロニウム誘導体カチオン（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
（式中のＲ９１〜Ｒ９５は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示し、Ａ９は酸素原子又は硫黄原子を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ９１〜Ｒ９５としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ａ９が酸素原子（Ｏ）であって、Ｒ９１〜Ｒ９５の全てがメチル基であるものやＲ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるもの、Ａ９が硫黄原子（Ｓ）であって、Ｒ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるものなどを挙げることができる。
そして、Ｒ９１〜Ｒ９５としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基などを挙げることができる。
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ａ９が酸素原子（Ｏ）であって、Ｒ９１〜Ｒ９５の全てがメチル基であるものやＲ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるもの、Ａ９が硫黄原子（Ｓ）であって、Ｒ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるものなどを挙げることができる。
一方、上記分子性アニオンとしては、例えば硫酸アニオン［ＳＯ４２−］、硫酸一水素アニオン［ＨＳＯ４−］又は次式（１０）で表される硫酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆａｔｅｓ ａｎｉｏｎ）；
（式中のＲ１０１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
そして、Ｒ１０１としては、上述したＲ１１と同様のものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、代表的な具体例としては、Ｒ１０１がメチル基やエチル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基であるものなどを挙げることができる。
そして、Ｒ１０１としては、上述したＲ１１と同様のものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
また、代表的な具体例としては、Ｒ１０１がメチル基やエチル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基であるものなどを挙げることができる。
また、次式（１１）で表されるスルホン酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ ａｎｉｏｎ）；
（式中のＲ１１１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基、更にはそのフッ素置換体を示す。）を挙げることができる。
そして、代表的な具体例としては、Ｒ１１１がフッ素置換されたメチル基（トリフルオロメタンサルフォネートアニオンに相当）であるもの、更にはｐ−トリル基（ｐ−トルエンスルホン酸アニオンに相当）であるものを挙げることができる。
そして、代表的な具体例としては、Ｒ１１１がフッ素置換されたメチル基（トリフルオロメタンサルフォネートアニオンに相当）であるもの、更にはｐ−トリル基（ｐ−トルエンスルホン酸アニオンに相当）であるものを挙げることができる。
更に、次式（１２）〜（１４）で表されるアミドアニオン（Ａｍｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）又はイミドアニオン（Ｉｍｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）；
を挙げることができる。
なお、アミドアニオンやイミドアニオンについては必ずしもこれらに限定されるものではない。
なお、アミドアニオンやイミドアニオンについては必ずしもこれらに限定されるものではない。
また、次式（１５）又は（１６）で表されるメタンアニオン（Ｍｅｔｈａｎｅｓ Ａｎｉｏｎ）；
を挙げることができる。
なお、メタンアニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
なお、メタンアニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
また、次式（１７）〜（２３）で表されるホウ素含有化合物アニオン；
を挙げることができる。
なお、ホウ素含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
なお、ホウ素含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
更に、次式（２４）〜（３２）で表されるリン含有化合物アニオン；
を挙げることができる。
なお、リン含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
なお、リン含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
更に、次式（３３）又は（３４）で表されるカルボン酸アニオン；
を挙げることができる。
なお、カルボン酸アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
なお、カルボン酸アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
更に、次式（３５）又は（３６）で表される金属元素含有アニオン；
を挙げることができる。
なお、金属元素含有アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
なお、金属元素含有アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
他方、分子性アニオンではないが、他のアニオン成分としてハロゲン化物アニオン（Ｈａｌｏｇｅｎｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）であるフッ素アニオン［Ｆ−］や塩素アニオン［Ｃｌ−］、臭素アニオン［Ｂｒ−］、ヨウ素アニオン［Ｉ−］を挙げることもできる。
更に、本発明においては、上記イオン性液体は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン又はアンモニウム誘導体カチオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性カチオンの混合物と、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン［（ＨＦｎ）Ｆ−（ｎは実数で１〜３が望ましい。）］、硫酸一水素アニオン又はリン酸二水素アニオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性アニオンの混合物とから成ることが望ましい。
以上に説明した本発明の低摩擦摺動機構は、自動車用内燃機関や自動車用変速機の摺動システムとして適用できる。
具体的には、自動車用内燃機関としては、例えば、ピストン、ピストンピン、コンロッド、カム、カムシャフト、クランクシャフトなどに利用できる。
また、自動車用変速機としては、例えば、ワッシャーを介して摺接するサイドギヤ背面とデフケース内面間、ギヤ歯面などに利用できる。
具体的には、自動車用内燃機関としては、例えば、ピストン、ピストンピン、コンロッド、カム、カムシャフト、クランクシャフトなどに利用できる。
また、自動車用変速機としては、例えば、ワッシャーを介して摺接するサイドギヤ背面とデフケース内面間、ギヤ歯面などに利用できる。
以下、本発明をいくつかの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１〜５、比較例１、２）
・イオン性液体
上記式（６）で表されるアンモニウム誘導体カチオンと上記式（１４）で表されるイミドアニオンからなるイオン性液体Ａと、上記式（６）で表されるアンモニウム誘導体カチオンと上記式（１７）で表されるホウ素含有化合物アニオンからなるイオン性液体Ｂの２種類を用いて摩擦評価を実施した。
・イオン性液体
上記式（６）で表されるアンモニウム誘導体カチオンと上記式（１４）で表されるイミドアニオンからなるイオン性液体Ａと、上記式（６）で表されるアンモニウム誘導体カチオンと上記式（１７）で表されるホウ素含有化合物アニオンからなるイオン性液体Ｂの２種類を用いて摩擦評価を実施した。
イオン性液体Ａは、動粘度＠４０℃：２０．４ｍｍ２／ｓ、粘度指数：１６８、流動点：−５０℃、
イオン性液体Ｂは、動粘度＠４０℃：８５．３ｍｍ２／ｓ、粘度指数：１２５、流動点：−７．５℃
であった。
イオン性液体Ｂは、動粘度＠４０℃：８５．３ｍｍ２／ｓ、粘度指数：１２５、流動点：−７．５℃
であった。
表１に示すように、それぞれの摺動部材を組合せ、低摩擦摺動機構を作製し、以下の摩擦試験を実施した。
・摩擦係数測定
図１に示すように、摺動側試験片としてシリンダー状試験片１、相手側試験片としてディスク状試験片２を用いて、シリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験を行い、以下に示す条件のもとに摩擦係数を測定した。
図１に示すように、摺動側試験片としてシリンダー状試験片１、相手側試験片としてディスク状試験片２を用いて、シリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験を行い、以下に示す条件のもとに摩擦係数を測定した。
〔１〕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 ：４００Ｎ（摺動側試験片の押し付け荷重）
振幅 ：３．０ｍｍ
周波数 ：５０Ｈｚ
試験温度 ：８０℃
測定時間 ：３０分
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 ：４００Ｎ（摺動側試験片の押し付け荷重）
振幅 ：３．０ｍｍ
周波数 ：５０Ｈｚ
試験温度 ：８０℃
測定時間 ：３０分
〔２〕シリンダー状試験片（摺動側）の作製
ＪＩＳ Ｇ４８０５に高炭素クロム軸受鋼鋼材として規定されるＳＵＪ２鋼を素材として摺動側試験片であるシリンダー状試験片１を上記寸法に機械加工した後、表面粗さＲａを０．０４μｍに仕上げた。
ＪＩＳ Ｇ４８０５に高炭素クロム軸受鋼鋼材として規定されるＳＵＪ２鋼を素材として摺動側試験片であるシリンダー状試験片１を上記寸法に機械加工した後、表面粗さＲａを０．０４μｍに仕上げた。
〔３〕ディスク状試験片（摺動相手側）の作製
同じくＳＵＪ２鋼を用いて、相手側試験片であるディスク状試験片２を上記寸法に機械加工し、上部摺動面の表面粗さＲａを０．０５μｍに仕上げたのち、ＰＶＤアークイオン式イオンプレーティング法により、この表面上に水素原子の量が０．５原子％以下、ヌープ硬度Ｈｋ＝２１７０ｋｇ／ｍｍ２、表面粗さＲｙ＝０．０３μｍのＤＬＣ薄膜を厚さ０．５μｍに成膜した。
なお、比較例には、ＤＬＣ薄膜を被覆していないもの及びＣＶＤ法により形成した水素を１０ａｔ％程度含有するＤＬＣを用いた。
また、ダイヤモンド薄膜は、ＥＣＲスパッタリングを用いて、マイクロ波パワー４００Ｗ、黒鉛ターゲット、バイアス電圧３００Ｖの条件下で、アルゴンを用い、圧力２×１０−１Ｐａ中でアルゴンガスを用いて、ＥＣＲスパッタリングを行い、ＳＣＭ４１５浸炭焼入れ焼き戻し基板上に炭素膜を形成した。
同じくＳＵＪ２鋼を用いて、相手側試験片であるディスク状試験片２を上記寸法に機械加工し、上部摺動面の表面粗さＲａを０．０５μｍに仕上げたのち、ＰＶＤアークイオン式イオンプレーティング法により、この表面上に水素原子の量が０．５原子％以下、ヌープ硬度Ｈｋ＝２１７０ｋｇ／ｍｍ２、表面粗さＲｙ＝０．０３μｍのＤＬＣ薄膜を厚さ０．５μｍに成膜した。
なお、比較例には、ＤＬＣ薄膜を被覆していないもの及びＣＶＤ法により形成した水素を１０ａｔ％程度含有するＤＬＣを用いた。
また、ダイヤモンド薄膜は、ＥＣＲスパッタリングを用いて、マイクロ波パワー４００Ｗ、黒鉛ターゲット、バイアス電圧３００Ｖの条件下で、アルゴンを用い、圧力２×１０−１Ｐａ中でアルゴンガスを用いて、ＥＣＲスパッタリングを行い、ＳＣＭ４１５浸炭焼入れ焼き戻し基板上に炭素膜を形成した。
〔４〕試験結果
上記シリンダー状試験片及びディスク状試験片を用いて摩擦係数を測定した。その結果を図２のグラフに示す。
図２の結果から明らかなように、上部摺動表面にＰＶＤにより形成したＤＬＣ薄膜を有するディスク状試験片を用いた実施例においては、ＤＬＣ薄膜のないディスク状試験片及びＣＶＤにより形成したＤＬＣを用いた比較例に較べて、摩擦係数が大幅に低下することが確認された。
上記シリンダー状試験片及びディスク状試験片を用いて摩擦係数を測定した。その結果を図２のグラフに示す。
図２の結果から明らかなように、上部摺動表面にＰＶＤにより形成したＤＬＣ薄膜を有するディスク状試験片を用いた実施例においては、ＤＬＣ薄膜のないディスク状試験片及びＣＶＤにより形成したＤＬＣを用いた比較例に較べて、摩擦係数が大幅に低下することが確認された。
以上、本発明を実施例及び比較例により詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨内であれば種々の変形が可能である。
例えば、産業機械に使われている歯車摺動部材等に用いることもできる。
例えば、産業機械に使われている歯車摺動部材等に用いることもできる。
１ シリンダー状試験片
２ ディスク状試験片
２ ディスク状試験片
Claims (9)
- 摺動部材がなす２面間に相対滑りが発生する低摩擦摺動機構であって、
摺動面は、常温でイオンのみから成り且つ液状又はゲル状の塩であるイオン性液体の存在により潤滑になっており、摺動部材のいずれか一方又は両方にＤＬＣ及び／又はダイヤモンドが被覆されていることを特徴とする低摩擦摺動機構。 - 上記イオン性液体が、カチオン成分とアニオン成分と極性物質とを含有して成るイオン伝導体であり、
該カチオン成分は、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン及びアンモニウム誘導体カチオンから成る群より選ばれた少なくとも１種の分子性カチオンであり、
該アニオン成分は、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン及びリン酸二水素アニオンから成る群より選ばれた少なくとも１種の分子性アニオン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ＤＬＣ又は上記ダイヤモンドにおいて、ｓｐ３結合とｓｐ２結合含有量の比ｓｐ３／ｓｐ２が２以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の低摩擦摺動機構。
- 上記ＤＬＣ中に含有される水素量が３ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の低摩擦摺動機構。
- 上記ダイヤモンドがナノ結晶であり、その粒径が２０ｎｍ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ＤＬＣ及び／又は上記ダイヤモンドが形成する薄膜の表面粗さＲａが０．０２μｍ以下であ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。
- 上記ＤＬＣ及び／又は上記ダイヤモンドが形成する薄膜の表面粗さＲｓｋがマイナスであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の低摩擦摺動機構。
- 請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の低摩擦摺動機構を自動車用内燃機関に適用したことを特徴とする摺動システム。
- 請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の低摩擦摺動機構を自動車用変速機に適用したことを特徴とする摺動システム。
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