CN102747324A

CN102747324A - 具备dlc膜的滑动部件

Info

Publication number: CN102747324A
Application number: CN2012101160136A
Authority: CN
Inventors: 冈本晋哉; 杉本一等; 马场�升
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2012-10-24
Also published as: JP2012224043A; US20120270064A1

Abstract

本发明涉及具备DLC膜的滑动部件，在具备类金刚石碳膜的滑动部件中，通过提高类金刚石碳膜对于剪切的附着性(耐刮擦性)，可以提高滑动部件的耐磨损性及长寿命化。该滑动部件是在基材上配置包含第一层的DLC膜，其特征在于，所述基材为包含选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种的合金钢，所述第一层包含选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种，相同的晶体结构从所述基材向第一层连续。

Description

具备DLC膜的滑动部件

技术领域

本发明涉及具备类金刚石碳膜(DLC膜)的滑动部件。

背景技术

类金刚石碳膜一般为高硬度且表面平滑，耐摩擦性优异，由于其固体润滑性，摩擦系数低，具有优异的低摩擦性能。而且，在无润滑环境下，通常的平滑的钢材表面的摩擦系数为0.5以上，作为现有表面处理材料的Ni-P镀层或Cr镀层、TiN涂层或CrN涂层等表面的摩擦系数约为0.4。相对于此，类金刚石碳膜的摩擦系数约为0.1。

现在，有效地利用这些优异的特性，试图应用到包括钻头刀刃在内的切削工具、磨削工具等加工工具及如塑性加工用模具、阀门栓或输带辊这样的在无润滑环境下使用的滑动部件等。另一方面，在从能源消耗及环境方面期望尽可能降低机械损失的内燃机等的机械零件中，现在，润滑油存在下的滑动成为主流。

在树脂包覆电缆制造工序中，在一边向芯线挤出树脂一边进行包覆的挤出模具的出口产生树脂的残渣，其残渣附着在树脂包覆后的电缆表面，从而招致树脂包覆电缆的产品收率的降低成为长期以来的课题。在合金钢的挤出模具的出口附近，通过非平衡磁控溅射法(UBMS法)形成类金刚石碳膜时，树脂的残渣的产生量锐减。但是，判明为了抑制挤出模具的制造成本，在由不包含铬元素的碳钢构成的挤出模具中形成类金刚石碳膜时，类金刚石碳膜的附着力降低。

只要能够在挤出模具的出口附近形成附着力高的类金刚石碳膜，就可以在树脂包覆电缆制造工序中提高产品收率，实现高效率化，进而可以提供可靠性高的树脂包覆电缆。不限于树脂包覆电缆制造工序，只要在各种产业机器的滑动零件上形成附着力高的类金刚石碳膜，就可以提供高效率及高可靠性的产业机器。

在专利文献1中公开了树脂或者橡胶用模具，其特征为，在钢或铝合金、铜合金等的表面形成硬质被膜而成的树脂或者橡胶用模具及树脂或者橡胶成型装置零件中，硬质被膜的至少最表面为包含1～20原子％的氟的金刚石状碳膜或者硬质碳膜。

在专利文献2中公开了非晶质碳被膜，其特征为，所述非晶质碳被膜由在基材上形成的膜厚0.5nm～200nm的无氢碳膜和在无氢碳膜上形成的含氢率为5at.％～25at.％、膜厚为无氢碳膜的2倍～1000倍的含氢碳膜构成。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-169459号公报

专利文献2：日本特开2003-26414号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，以铝合金或铜合金为基材的场合，基材为软质，并且，基材中几乎不包含铬元素，因此，存在即使以它们为基材在其上形成由金属铬层、硬质碳层构成的类金刚石碳膜，也无法得到附着性的课题。另外，以铝合金、铜合金为基材，在基材表面通过湿式法施加硬质铬镀层等硬质金属膜的场合，或者通过干式法施加氮化铬等硬质陶瓷膜的场合，由金属元素构成的结晶在基材和硬质金属膜、硬质陶瓷膜之间不会成长，因此存在无法得到作为类金刚石碳膜整体的附着性的课题。还有，即使基材为硬质材料，为氮化铝或氧化铝等绝缘体的场合，由于不能在基材上施加偏压，存在不能形成被膜的课题。另外，在中间层(金属层)的形成中使用真空电弧蒸镀法的场合，由于会产生很多大粒子，形成后的被膜缺乏平滑性，进一步在其表面层叠被膜时，表面粗糙度被追踪或放大，因此，无法得到富有平滑性的被膜，其结果是，在用于滑动部件的表面时，存在容易产生类金刚石碳膜的破裂或剥离的课题。

本发明的目的在于，在具备类金刚石碳膜的滑动部件中，通过提高类金刚石碳膜对于剪切的附着性(耐刮擦性)，从而，提供持续长期可靠性高的滑动部件。

用于解决课题的手段

本发明的滑动部件是在基材上配置包含第一层的DLC膜的滑动部件，其特征在于，所述基材为包含选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种的合金钢，所述第一层包含选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种，相同的晶体结构从所述基材向第一层连续。

发明效果

根据本发明，由于提高了基材和第一层的附着性，在用于滑动部件时，可以提供持续长期可靠性高的滑动部件。

附图说明

图1为表示实施例中的基材及硬质碳被膜的截面结构的图；

图2为表示实施例中的基材及硬质碳被膜的经TEM分析的截面结构的图；

图3为表示比较例中的基材及硬质碳被膜的截面结构的图。

符号说明

1基材(实施例)

2类金刚石碳膜

3基材(比较例)

11合金钢

12金属碳化物

21第一层

22第二层

23硬质碳层

31碳钢

32渗碳体组织

211连续的晶体结构

具体实施方式

本发明涉及一种通过提高类金刚石碳膜对于剪切的附着性(耐刮擦性)，延续长期可靠性高的、具有类金刚石碳膜的滑动部件。

本实施方式中示出的类金刚石碳膜可适用于各种产业用机械零件等的滑动部件(钢铁基材)。

类金刚石碳膜(下面，称为“DLC膜”)2可以通过使用非平衡磁控溅射(UBMS)法在基材1上形成。

一般，所谓DLC膜是以非晶状的碳或氢化碳而形成的膜，也称作非晶碳或氢化非晶碳(a-C:H)等。在DLC膜的形成中，使用对碳化氢气体进行等离子体分解而成膜的等离子体CVD法、使用碳及/或碳化氢离子的离子束蒸镀法等气相合成法、利用电弧放电使石墨等蒸发而成膜的离子喷镀法、通过在惰性气体气氛下对靶进行溅射而成膜的溅射法等。

这样，在多种多样的DLC膜的制法中，所谓UBMS法为这样一种成膜方法，其特征在于，通过在靶的中心部和周缘部有意图地打破配置在靶的背面侧的磁极的平衡，而成为非平衡，将来自靶的周缘部的磁极的磁力线的一部分延伸至基材，聚束在靶的附近的等离子体容易沿着磁力线扩散到基材的附近，由此，能够增加在DLC膜2的形成中照射在基材1上的离子量，作为结果，能够在基材1的上面侧形成致密的DLC膜2，进而，可以通过离子照射控制DLC膜2的结构及膜质。

另外，详细情况使用实施例进行说明。

如图1所示，本发明的滑动部件优选在基材1的上面自上述基材1起，依次形成第一层21、用于提高上述第一层21和硬质碳层23的附着性的第二层22、及硬质碳层23。

基材1优选为包含选自常温常压下的晶体结构为体心立方晶格的V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种元素的合金钢。由于在基材1中形成金属碳化物12，因此，可以使基材1高硬度化，其结果是，在基材1上形成的DLC膜2的附着性变得良好。

第一层21优选包含选自常温常压下的晶体结构为体心立方晶格结构的V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种元素。进而，优选在第一层21中包含基材1中所包含的Fe及具有与选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种元素的晶格常数接近的晶格常数的元素。通过包含基材1所含的Fe及具有与选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种元素的晶格常数接近的晶格常数的元素，相同的晶体结构从基材1向第一层21易于连续，因此，在基材1上形成的DLC膜2的附着性变得良好。

第二层22为碳及金属的混合物或者金属的碳化物，优选上述第二层22中所包含的金属的含量从上述基材1侧向硬质碳层23侧减少，上述第二层22中所包含的碳的含量从上述基材1侧向上述硬质碳层23侧增加。上述金属优选为选自常温常压下的晶体结构为体心立方晶格且容易形成碳化物的V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种元素，进而，优选在第二层22中包含具有与选自第一层21中所包含的V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种元素的晶格常数接近的晶格常数的元素。通过包含具有与选自第一层21中所包含的V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种元素的晶格常数接近的晶格常数的元素，相同的晶体结构211从第一层21向第二层22易于连续，因此，在基材1上形成的DLC膜2的附着性变得良好。另外，在第二层22中，由于选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种元素形成碳化物，在第二层22上形成的硬质碳层23的附着性变得良好。

进而，通过在第一层21及第二层22中包含具有与选自基材1中所包含的V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种元素的晶格常数接近的晶格常数的元素，相同的晶体结构211从基材1向第二层22易于连续，因此，在基材1上形成的DLC膜2的附着性变得良好。

另外，优选在硬质碳层23中混杂sp²键合碳和sp³键合碳。

形成DLC膜2后，通过纳米压痕法(ISO14577)，对DLC膜2的表面进行DLC膜2的硬度评价。另外，通过在DLC膜2上压入洛氏金刚石压头，进行DLC膜2有无剥离的附着性评价。另外，作为DLC膜2的根据剪切的附着力的评价，进行划痕试验。进而，进行对DLC膜2的截面的透射型电子显微镜(TEM)的观察和选区电子衍射像的结晶状态的解析。

在根据洛氏金刚石压头的压痕试验的附着性评价中，用1471N(150kgf)的试验力压入前端直径200μm的圆锥形的洛氏金刚石压头，用光学显微镜观察由于该压入而形成的压痕周边的DLC膜2的破裂或剥离的状态。

根据划痕试验的附着力的评价是使用前端直径200μm的圆锥型金刚石压头，在垂直负载范围0～100N、负载加载速度100N/min、扫描速度10mm/min的条件下，扫描DLC膜2的表面而进行，进行试验后的划痕的光学显微镜观察，将在划痕内部的DLC膜上重复的局部剥离或连续的剥离开始之处的垂直负载值定为DLC膜2的剪切的附着力。利用直至剥离开始处的扫描距离与整个扫描距离的比例和最大负载100N的积算出DLC膜2的附着力。

根据纳米压痕法(ISO14577)进行的评价，是在如下条件下进行，即：在DLC膜2的表面压入对棱角115度的Berkovich三棱锥压头10秒钟，直至最大负载为3mN，以最大负载保持1秒钟，之后花10秒钟进行卸载。

DLC膜2的截面的TEM观察及解析用的试验片，用离子减薄装置进行薄片化而制作。

上述的滑动部件优选用于各种产业机器所用的滑动部件。

下面，使用实施例进行说明。

〔实施例〕

图1为表示本发明的实施例的滑动部件的剖面图。

在图1中，滑动部件是在基材1上，自基材1侧具备由第一层21、第二层22、硬质碳层23构成的DLC膜2。

在此，对于基材1，使用包含Cr元素4at.％的高速工具钢JISSKH51材料、包含Cr元素1at.％的CrMo钢JIS SCM415材料、包含Cr元素11at.％的模具钢JIS SKD11材料，并且以各个基材1的表面粗糙度Ra为0.05μm的方式进行精加工。之后，用UBMS法形成DLC膜2。

首先，一边导入惰性气体，一边施加偏压，形成含铬(Cr)元素而成的第一层21。

之后，导入惰性气体和碳化氢气体，同时施加偏压，形成第二层22。

在第二层22的形成中，首先，形成铬碳化物层(碳化铬层)，之后，进行控制以使铬靶输入功率缓慢地减少、且碳靶输入功率缓慢地增加。在此，在构成铬碳化物层的碳化铬中，存在Cr₃C₂、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆等种类，但不限定于这些种类。

最后，导入惰性气体及碳化氢气体，一边施加偏压，一边形成硬质碳层23。

就DLC膜2而言，一般是，基材1等基底越是高硬度，附着性越良好。在此，DLC膜2是指包含第一层21、第二层22、硬质碳层23的层叠被膜。

将以上述的构成形成的本实施例的DLC膜2的诸特性示于表1。

表1

以上述的构成形成的本实施例的DLC膜2的膜厚为1.2μm，表面粗糙度Ra为0.08μm，根据纳米压痕法测出的DLC膜2的硬度为32GPa。

根据压入洛氏金刚石压头的附着性评价的结果是，未发现压痕周边的DLC膜2的剥离，基材1和DLC膜2的附着性良好。

根据划痕试验的附着力评价的结果，本实施例的DLC膜的附着力显示高的值，即：使用JIS SKH51材料时显示65N，使用JIS SCM415材料时显示58N，使用JIS SKD11材料时显示53N。

图2表示DLC膜2的剖面的TEM图像。

观察及分析的结果判明，使用JIS SKH51基材的场合，由在取体心立方晶格晶体结构的基材1的表面的Fe元素构成的结晶上，外延生长有由取体心立方晶格晶体结构的第一层21的Cr元素构成的结晶。此外，体心立方晶格结构的Fe元素的晶格常数为

而体心立方晶格结构的Cr元素的晶格常数为时，两者的晶格常数几乎相等为外延生长的原因。这样，由于相同的晶体结构211从基材1的表面向第一层21连续，从而，可以提高压入洛氏金刚石压头的DLC膜2的附着性及划痕试验的DLC膜2的剪切的附着力。基材使用JISSCM415材料、JIS SKD11材料的情况也一样。

根据本实施例，如上所述可以提供附着力高的DLC膜2，因此可以提供持续长期的可靠性高的滑动部件。另外，将本发明的滑动部件适用于各种产业机器时，持续长期为高附着力，最表面的硬质碳层23产生低摩擦效果，因此，能够提供低负荷高效率的产业机器。

另外，在本实施例中，将第一层21设定为含铬元素而成的层，将第二层22设定为铬碳化物层，但不限定于这些。将基材1设定为包含V、Nb、Mo、Ta、W中的至少一种元素的合金钢，将第一层21设定为包含V、Nb、Mo、Ta、W中的至少一种元素的层，将第二层22设定为包含V、Nb、Mo、Ta、W中的至少一种元素和C元素的层，进而只要基材1及各层中包含的元素的晶格结构相同，就可以得到同样的效果。另外，只要是基材1及各层中包含的元素构成的晶格的晶格常数相近的组合，在基材1的表面和第一层21之间、第一层21和第二层22之间或者基材1的表面和第一层21和第二层22之间，就容易引起外延生长，可得到更加良好的效果。

在本实施例中的硬质碳层23中，作为以石墨为代表的碳键合的sp²键合碳和作为以类金刚石为代表的碳键合的sp³键合碳混杂。由此，可以提供摩擦系数低的DLC膜2。

利用以上的组合，在本实施例中形成的DLC膜2与基材1的附着性高，对滑动部件赋予低摩擦性。作为结果，可以提供持续长期为低负荷、高效率、可靠性高的滑动部件。

在本实施例中，基材使用回火温度低的JIS SCM415材料(回火温度：约170℃)的情况下，将DLC膜2的形成中的温度设定为回火温度(170℃)以下，以抑制基材1的软化的方式设定温度条件。

另外，在第一层21和硬质碳层23之间形成的第二层22中，优选：首先形成Cr碳化物层，之后，从基材1侧向硬质碳层23侧，Cr浓度连续地减少，且C浓度连续地增加。另外，用Cr_xC_y表示作为构成第二层22的物质的Cr碳化物时，优选使x和y的比率一点点地变化，从而，使组成从基材1侧向硬质碳层23侧一点点地变化。

用UBMS法，能够在完全相同的腔室中不破坏真空地实施基材1表面的清洁、从第一层21到硬质碳层23的形成。另外，利用离子照射可控制DLC膜2的膜质及结构。有效地利用该优点，在本实施例中，在DLC膜2的形成中使用UBMS法，并且优选使用UBMS法，但只要是具有同样的优点及效果的制法，就不限定于UBMS法。

如以上所述，通过如上设计从基材1到硬质碳层23的结构，即可提供根据剪切的附着力良好的DLC膜2。

(比较例)

图3为表示本发明的比较例的滑动部件的剖面图。

在本图中，滑动部件是在基材3上，自基材3侧具备由第一层21、第二层22、硬质碳层23构成的DLC膜2。

在此，对于基材3，使用碳钢JIS S50C材料，以基材3的表面粗糙度Ra为0.05μm的方式进行精加工。之后，用UBMS法且用和实施例同样的方法形成DLC膜2。

形成DLC膜2后，由于DLC膜2自然剥离，不能进行DLC膜2的膜厚、表面粗糙度Ra、硬度的评价。也不能进行根据压入洛氏金刚石压头的附着性评价、根据划痕试验的附着力的评价，但可推测在根据压入洛氏金刚石压头的附着性评价中，压痕周围全周剥离、根据划痕试验的附着力为0N。

残余有一部分DLC膜2的部分的DLC膜2的截面的TEM的观察结果判明，在基材3的表面存在渗碳体组织32，渗碳体组织32阻碍从基材3的表面向DLC膜2的结晶成长，因此，无法得到附着性和附着力。

根据本比较例，如上所述，成为提供附着力低的DLC膜2，由于DLC膜2会立刻剥离，因此，无法持续最表面的硬质碳层23产生的低摩擦效果。因此，将本比较例的DLC膜2用于各种产业机器的滑动部件的场合，无法提供低负荷且高效率的产业机器。

Claims

1.滑动部件，在基材上配置包含第一层的DLC膜，其特征在于，

所述基材为包含选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种的合金钢，

所述第一层包含选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种，

相同的晶体结构从所述基材向第一层连续。

2.权利要求1的滑动部件，其特征在于，

所述DLC膜自基材侧起，依次包含第一层、第二层、硬质碳层，

所述第二层包含选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种和C元素，

具有从第一层向第二层连续的结晶。

3.权利要求2的滑动部件，其特征在于，相同的晶体结构从所述基材向第二层连续。

4.如权利要求2或3所述的滑动部件，其特征在于，所述第二层是从基材侧向硬质碳层侧，选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种的浓度变低，C元素的浓度变高。

5.权利要求1或2的滑动部件，其特征在于，所述基材和所述第一层中包含的元素的晶格结构相同。

6.权利要求2的滑动部件，其特征在于，所述第一层和所述第二层中包含的元素的晶格结构相同。

7.权利要求2的滑动部件，其特征在于，所述基材与所述第一层和所述第二层中包含的元素的晶格结构相同。

8.权利要求2的滑动部件，其特征在于，所述硬质碳层为sp²键合碳和sp³键合碳混杂。

9.滑动部件的制造方法，其特征在于，在由包含选自V、Cr、Nb、Mo、Ta、W的至少一种的合金钢构成的基材上，用非平衡磁控溅射法，按照第一层、第二层、硬质碳层的顺序进行层叠，形成DLC膜。