CN111108227B - 滑动构件和活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种滑动构件，其具有兼顾高耐磨损性和低摩擦系数并且耐脱落性优异的硬质碳膜。本发明的滑动构件(100)的特征在于，具有基材(10)和形成在基材(10)上的硬质碳膜(12)，在硬质碳膜(12)中，压痕硬度从基材侧朝向表面侧逐渐降低，进而，在硬质碳膜(12)中，在0≤T/Ttotal≤0.6中的压痕硬度分布以第一直线近似，在0.9≤T/Ttotal≤1中的压痕硬度分布以第二直线近似，第一直线与第二直线的交点(T2/Ttotal，H2)满足下述式(1)以及下述式(2)。式(1)：(H3‑H1)×T2/Ttotal+H1＜H2≤0.9×H1，式(2)：0.6≤T2/Ttotal≤0.9。

Description

滑动构件和活塞环

技术领域

本发明涉及具有兼顾高耐磨损性和低摩擦系数且耐脱落性优异的硬质碳膜的滑动构件及由该滑动构件构成的活塞环。

背景技术

在活塞环等滑动构件中，一般通过在基材上覆盖类金刚石碳(DLC：Diamond LikeCarbon)膜这样的硬质碳膜来提高硬度和耐磨损性。

专利文献1的目的之一在于提供具有高硬度且耐磨损性优异的DLC膜的滑动构件，记载了一种滑动构件，其具有基材、形成于该基材上的中间层、和通过离子镀法形成在该中间层上的DLC膜。另外，优选将膜的压痕硬度设为20～70GPa。

专利文献2的目的在于兼顾高耐久性和低摩擦系数，记载了一种滑动构件，其具有基材、在该基材上由通过离子镀法形成的DLC构成的下层膜、在该下层膜上由通过CVD法形成的DLC构成的上层膜，其中，下层膜的压痕硬度为20GPa以上45GPa以下，上层膜的压痕硬度为5GPa以上20GPa以下。

现有技术

专利文献

专利文献1：日本特开2006-250348号公报；

专利文献2：日本特开2009-167512号公报。

发明内容

发明要解决的课题

在以专利文献1中记载的方法形成的DLC膜中，由于表层的压痕硬度固定并且为20～70GPa这样的高硬度，所以耐磨损性良好，但加工性存在改善的余地。

在专利文献2中，通过采用具有比下层膜柔软的上层膜的滑动构件，使上层膜作为磨合层发挥作用而改善加工性。但是，在该方法中，由于压痕硬度在上层膜和下层膜的边界不连续地变化，所以上层膜会脱落。

本发明鉴于上述课题，其目的在于提供一种滑动构件，其具有兼顾高耐磨损性和低摩擦系数并且耐脱落性优异的硬质碳膜。另外，本发明的目的在于提供一种由该滑动构件构成的活塞环。并且，本发明的目的还在于提供一种通过提高加工性而容易在加工业中进行制造的滑动构件、以及由该滑动构件构成的活塞环。

用于解决课题的方案

本发明人在为了解决上述问题而进行研究时发现：通过使硬质碳膜的压痕硬度从基材侧向表面侧逐渐降低，并且将硬质碳膜在厚度方向上的压痕硬度分布设为规定形状，从而能够获得具有兼顾高耐磨损性和低摩擦系数并且耐脱落性优异的硬质碳膜的滑动构件。

本发明是基于上述见解而完成的，其主旨构成如下所述。

[1]一种滑动构件，其特征在于，具有：

基材；

硬质碳膜，其形成在该基材上，

在所述硬质碳膜中，压痕硬度从所述基材侧朝向所述硬质碳膜的表面侧逐渐降低，

在所述硬质碳膜中，将其膜厚设为Ttotal(μm)，将从所述基材侧起的厚度位置设为T(μm)，将0≤T/Ttotal≤0.6中的压痕硬度分布以将T/Ttotal作为变量的第一直线进行近似，将0.9≤T/Ttotal≤1中的压痕硬度分布以将T/Ttotal作为变量的第二直线进行近似，

进而，将所述第一直线的T＝0μm处的所述硬质碳膜的压痕硬度设为H1(GPa)，将所述第一直线与所述第二直线的交点处的所述硬质碳膜的压痕硬度设为H2(GPa)，将该交点处的所述厚度位置设为T2(μm)，将所述第二直线的T＝Ttotal处的所述硬质碳膜的压痕硬度设为H3(GPa)，此时，所述H2以及所述T2满足下述式(1)以及下述式(2)，

式(1)：(H3-H1)×T2/Ttotal+H1＜H2≤0.9×H1

式(2)：0.6≤T2/Ttotal≤0.9。

[2]根据[1]所述的滑动构件，其中，

上述H2还满足下述式(3)，

式(3)：H2≥0.6×H1。

[3]根据上述[1]或[2]所述的滑动构件，其中，

在将所述第一直线的斜率设为a，将所述第二直线的斜率设为b时，b/a还满足下述式(4)，

式(4)：2≤b/a≤30。

[4]根据上述[1]至[3]中任一项所述的滑动构件，其中，

所述H1为30GPa以上。

[5]根据上述[1]至[4]中任一项所述的滑动构件，其中，

所述H3为5GPa以上且20GPa以下。

[6]根据上述[1]至[5]中任一项所述的滑动构件，其中，

所述Ttotal为3μm以上。

[7]根据上述[1]至[6]中任一项所述的滑动构件，其中，

所述硬质碳膜的表面粗糙度Ra为0.15μm以下。

[8]根据上述[1]至[7]中任一项所述的滑动构件，其中，

在所述基材与所述硬质碳膜之间具有中间层，该中间层由选自Cr、Ti、Co、V、Mo及W以及它们的碳化物、氮化物及碳氮化物中的一种以上的材料构成。

[9]一种活塞环，其由上述[1]～[8]中任一项所述的滑动构件构成。

发明的效果

根据本发明，能够得到一种滑动构件，其具有兼顾高耐磨损性和低摩擦系数并且耐脱落性优异的硬质碳膜。另外，根据本发明，能够得到一种由该滑动构件构成的活塞环。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的滑动构件100的示意性剖视图。

图2是示出了本发明的一个实施方式的DLC膜12的压痕硬度相对于T/Ttotal的分布的图。

图3A是对在本发明的一个实施方式的压痕硬度试验中通过倾斜研磨法而露出的试验面以及该试验面的试验方向进行说明的图。

图3B是在本发明的一个实施方式的压痕硬度试验中以沿着DLC膜12的厚度方向的截面来观察该试验面和该试验方向时的图。

图3C是对在本发明的一个实施方式的压痕硬度试验中将沿着试验方向的压痕硬度换算成DLC膜12的沿着从基材侧朝向表面侧的厚度方向的压痕硬度时的换算式中各参数的获取方法进行说明的图。

图4是本发明的一个实施方式的活塞环200的剖视立体图。

图5A是用于简易的磨料磨损试验的试验机的概要图。

图5B是用于滚动滑动疲劳试验的试验机的概要图。

具体实施方式

以下，参照图1～4，说明本发明的滑动构件和活塞环的一个实施方式。

(滑动构件)

参照图1，本发明方式的滑动构件100包括基材10和形成在基材10上的硬质碳膜12。

[基材]

本实施方式中的基材10只要具有作为滑动构件所需要的强度即可，没有特别限定，作为基材10的材料，例如可列举出铁、铸铁、超硬合金、不锈钢、铝合金等具有导电性的材料。另外，在将基材10的材料采用铁系材料的情况下，也可以实施淬火及回火等硬化处理、氮化处理。另外，在将滑动构件100用作活塞环的情况下，优选将以往适用的马氏体系不锈钢、弹簧钢、碳钢等用作基材。

[硬质碳膜]

本实施方式中的硬质碳膜12是类金刚石碳(DLC：Diamond Like Carbon)膜12。以下，参照图2说明DLC膜12的特性。

图2示出了在XY平面上DLC膜12的压痕硬度分布，其中设Ttotal(μm)为DLC膜12的膜厚，设T(μm)为DLC膜12的从基材侧的厚度位置，设T/Ttotal为横轴(X轴)，设H为纵轴(Y轴)，并且本说明书中的“压痕硬度分布”是指根据国际标准ISO14577规定的纳米压痕硬度试验法通过以下试验获得的压痕硬度分布。即，如图3A所示，通过“倾斜研磨法”对DLC膜12的表面进行平面研磨，使由DLC膜构成的试验面露出。在此，也参照图3B，以沿着试验方向的试验长度L成为DLC膜12的膜厚Ttotal的至少30倍的方式进行倾斜研磨，试验面通过基于微细的金刚石研磨的最终研磨而成为镜面。特别是对于活塞环，由于外周面(DLC膜的表面)为曲面形状，因此，如果对外周面进行平面研磨而如图3A所示地使椭圆状的试验面露出，则能够确保比膜厚(Ttotal)长的试验长度L。例如，如果是公称直径

以上的活塞环，则通过倾斜研磨使基材(当基材和硬质碳膜之间设置中间层时为基材或中间层)的表面的至少一部分露出，并且以“露出的基材(或中间层)的沿试验面的长径方向的长度”与“试验面的长径”的比例为30％以下的方式进行抛光，则试验长度L为DLC膜12的膜厚(Ttotal)的至少30倍。接着，沿着该试验面的试验方向(长径方向)以6mN的压入载荷压入顶端形状为正三角锥(Berkovich型)的金刚石压头以使压入深度尽可能小，此时连续地取得施加于压头的载荷和压头的位移，得到“载荷-位移曲线”。另外，考虑压痕硬度试验机的性能等，在能够减小压入深度的情况下，也可以以6mN以下的压入载荷进行试验，但得到硬度分布时的压入载荷需要全部以相同的载荷进行试验。在此，压入金刚石压头的间隔(图3B中用黑圆点表示)根据膜厚任意确定，但优选在0≤T/Ttotal≤0.6的区域和0.9≤T/Ttotal≤1的区域分别尽可能设为等间隔。压痕硬度试验机中多数组装有自动载物台，例如可以自动设定为以5μm间距的间隔连续压入压头。然后，根据ISO14577中记载的计算方法求出DLC膜12的压痕硬度。在此，DLC覆膜12在相同厚度位置是均质的。因此，可以使用以下换算式将沿着上述试验方向的压痕硬度换算成DLC膜的沿着从基材侧朝向表面侧的厚度方向的压痕硬度。

在此，上述换算式是将在通常用于薄膜的膜厚测定的卡罗测试中用于计算膜厚的计算式恰当地应用于表面为曲面的DLC膜的换算式。参照图3C，a是从DLC膜与基材(或中间层)的边界沿试验方向的距离，b是基材(或中间层)的露出面沿试验方向的长度，a'(＝a)是用于配合卡罗测试的计算式的参数，

是活塞环的公称直径。

在本实施方式中，在0≤T/Ttotal≤0.6的区域中的DLC膜12的压痕硬度分布以将T/Ttotal作为变量的第一直线进行近似。此外，在0.9≤T/Ttotal≤1的区域中DLC膜12的压痕硬度分布以将T/Ttotal作为变量的第二直线进行近似。此外，DLC膜12的压痕硬度从基材侧朝向表面侧逐渐降低。在做这些近似时，优选使用最小平方法，优选使用5点以上的数据。另外，在本说明书中，“逐渐减小”是指第一直线的斜率(a)和第二直线的斜率(b)均为负。

进而，将在第一直线的T＝0μm时的DLC膜12的压痕硬度设为H1(GPa)，将第一直线与第二直线的交点处的DLC膜12的压痕硬度设为H2(GPa)，将该交点处的厚度位置设为T2(μm)，将第二直线的T＝Ttotal处的DLC膜12的压痕硬度设为H3(GPa)。此时，H2以及T2满足下述式(1)以及下述式(2)。即，H2位于图2中斜线所示的区域内。

式(1)：(H3-H1)×T2/Ttotal+H1＜H2≤0.9×H1

式(2)：0.6≤T2/Ttotal≤0.9

下面，参照图2说明将DLC膜12的压痕硬度分布设为这种分布的技术意义。DLC膜12具有压痕硬度分布以第一直线近似的第一倾斜区域和压痕硬度分布以第二直线近似的第二倾斜区域。而且，在由第一直线与第二直线的交点划分的第一倾斜区域与第二倾斜区域的边界中，压痕硬度连续地变化，因此耐脱落性提高。进而，该边界处的压痕硬度H2满足上述式(1)，该边界的厚度位置T2满足上述式(2)。因此，在第一倾斜区域中，能够在通过维持高压痕硬度来确保耐磨损性的同时，使第二倾斜区域作为压痕硬度比第一区域低的磨合层发挥作用，因此，在形成DLC膜后进行的后加工中，能够在较短时间内降低表面粗糙度。由此，能够使高耐磨损性和低摩擦系数工业性并存。在此，关于上述式(1)，若(H3-H1)×T2/Ttotal+H1≥H2，则H2的压痕硬度变得过低，因此耐磨耗性差。如果H2＞0.9×H1，则H2过高，因此硬度变化急剧，耐脱落性差。考虑到硬度与膜残留应力相关，但认为由于残留应力的急剧变化，容易在DLC膜的内部产生裂缝。另外，关于上述式(2)，当T2/Ttotal＞0.9，则磨合层的区域变窄，因此，如果长时间不进行形成DLC膜后的后加工，则无法降低表面粗糙度，在工业中导致摩擦系数增大的情况较多。若T2/Ttotal＜0.6，则具有高压痕硬度的第一区域变少，膜寿命变短。

从进一步提高高负荷的滑动环境下的耐磨损性的观点出发，H2优选满足下述式(3)。即，H2优选位于图2中粗线所示的区域内。

式(3)：H2≥0.6×H1

第一直线的斜率a和第二直线的斜率b优选满足下述式(4)。

式(4)：2≤b/a≤30

如果b/a为2以上，则能够作为第二倾斜区域的磨合层有效地发挥功能，并且通过与第一倾斜区域的硬度变化实现低摩擦系数，如果为30以下，则抑制急剧的硬度变化，难以引起膜内部的裂缝的产生。硬度变化急剧，容易引起膜内部的裂缝的产生。

从确保滑动构件中的DLC膜通常需要的压痕硬度的观点出发，H1优选为30GPa以上。若硬度过高，则DLC膜内部的残留应力也变高，DLC膜容易自脱落，因此H1优选为60GPa以下。

从确保DLC膜12的耐磨损性同时使表层作为磨合层充分发挥功能的观点出发，H3优选为5GPa以上20GPa以下。

DLC膜12的表面粗糙度Ra优选为0.15μm以下。因为表面粗糙度Ra越小，越能够获得低摩擦系数。在此，DLC膜12具有第二倾斜区域的磨合层，因此，当对其表面12A实施任意或公知的研磨加工，则与现有的DLC膜相比能够在短时间内降低表面粗糙度Ra。另外，本说明书中的“表面粗糙度Ra”是指JIS B0601(2001)中规定的算术平均粗糙度Ra。

具有这样的特性的DLC膜12例如可以通过对利用离子镀法在基材10上成膜的DLC膜实施离子轰击处理而得到。以下，对DLC膜12的制作方法进行说明。

首先，通过离子镀法在基材10上形成DLC膜。具体地说，在1×10^-1Pa以下的真空环境中，利用真空电弧放电使碳阴极蒸发，使其离子化，由此，在施加了负偏压的基材10的表面堆积离子化的碳。由此，在基材10上形成DLC膜。另外，离子镀法也包含利用磁性过滤器捕获去除蒸发时未离子化的碳的所谓FCVA法(Filtered Cathodic Vacuum Arc)。硬度的调节方法不依赖于磁性过滤器的有无。

本工序可以通过使电弧电流以每1台的时间平均值为1～30A/小时的速率渐增来进行。在此，一般而言，进行离子镀法的DLC成膜装置大多相对于基材10的有效成膜区域具有多个蒸发源，为了使膜厚分布良好而使电弧电流、放电时间不均匀。每1台的时间平均值是指将各蒸发源的速率进行平均化的值。或者，加热器温度可以以10-200℃/小时的速率逐渐增加。由此，由于基材10的温度在100℃至220℃的范围内逐渐增加，因此使DLC膜的压痕硬度从基材侧朝向表面侧逐渐降低。但是，若利用离子镀法的成膜开始时的基材10的温度(100～220℃)与离子轰击处理后的基材10的温度之差为20℃以下，则第一倾斜区域中的硬度的逐渐降低率变小，难以使H2为0.9×H1以下。从使H1设为30GPa以上60Pa以下的观点出发，成膜开始时的电弧电流优选设为每1台为40A以上100A以下。从使膜厚设为3μm以上的观点出发，优选负的偏压为0V以上且小于150V。

在本工序中，形成DLC膜直到膜厚达到希望的厚度Ttotal。在此，在本工序中成膜的DLC膜的压痕硬度分布还不是本实施方式的2阶段的压痕硬度分布，而是由图2所示的第一直线和从第一直线延伸的虚线表示的直线分布。

接着，转移到离子轰击处理。即，对通过离子镀法成膜的DLC膜实施离子轰击处理。在这种情况下，通过在下述的范围内适当地调节偏压、放电电流、处理时间和基材温度，可以使在T2/Ttotal≤T/Ttotal≤1的情况下DLC膜的压痕硬度分布从图2中虚线所示的分布改变成第二直线所示的分布。

在此，以往在离子轰击处理中作为真空蒸镀的前处理利用惰性气体离子溅射清洗附着在基材的表面上的杂质。然而，本实施方式能够以完全不同于溅射清洗的目的，即以改变DLC膜的压痕硬度分布的目的来使用离子轰击处理。以下，说明离子轰击处理的条件。

优选负的偏压的大小为400V以上900V以下。在低于400V的情况下，不是由离子轰击处理导致的硬度变化而是碳膜的成膜成为主导地位。在超过900V的情况下，基材10的温度过度升温。每1台的放电电流优选为40A以上且80A以下。在小于40A的情况下，电弧放电不稳定，在超过80A的情况下，基材10的温度过度升温。离子轰击处理的处理时间优选为0.1分钟以上且小于5分钟。在不足0.1分钟的情况下，缺乏基材10的升温效果，T2/Ttotal超过0.9。在超过5分钟的情况下，基材10过度升温，T2/Ttotal变得比0.6小。另外，在偏压满足400V以上且900V以下、且每1台的放电电流满足40A以上且80A以下的范围内，若使偏压的绝对值增加，则显示出基材10的温度变高、DLC膜12的硬度(H2及H3)降低的倾向，若使放电电流增加，则显示出基材10的温度变高、DLC膜12的硬度(H2及H3)降低的倾向。另外，离子轰击处理中的基材10的温度优选为300℃以上且450℃以下。

由此，能够得到一种滑动构件，其具有兼顾高耐磨损性和低摩擦系数并且耐脱落性优异的硬质碳膜。另外，如本实施方式所示，优选通过对使用离子镀法成膜的DLC膜以上述的条件实施离子轰击处理，得到第二倾斜区域，但本发明不限于此。例如，在形成DLC膜直至第一倾斜区域的厚度达到期望的厚度(期望的T2)之后，接着连续形成第二倾斜区域。此时，适当调节使第二倾斜区域的硬度逐渐降低的成膜条件。具体来说，在以下范围内适当地调节电弧电流和加热器温度中的至少一个。对于电弧电流，以5～30A/小时的速率使每1台的时间平均值逐渐增加。若以低于5A/小时的速率使电弧电流逐渐增加，则第2倾斜区域中的硬度的渐减率变得比第1倾斜区域中的硬度的渐减率小，H2变为(H3-H1)×T2/Ttotal+H1以下。加热器温度以50～300℃/小时的速率逐渐增加。由此，通过在180℃到320℃的范围内适当逐渐增加基材10的温度，可以将在T2/Ttotal≤T/Ttotal≤1时的DLC膜的压痕硬度分布从图2中虚线所示的分布改变成第二直线所示的分布。

从通过离子轰击处理而形成具有第1倾斜区域和第2倾斜区域的DLC膜的观点出发，Ttotal优选设为3μm以上，更优选设为5μm以上。从生产性的观点出发，Ttotal优选为30μm以下。

DLC膜12可以含有氢，或者也可以几乎不含有氢(例如3at％以下)。特别是，在将DLC膜12应用于活塞环的情况下，当使氢含量为5at％以下，则能够进一步提高耐磨损性的效果。

以上，以本实施方式为例，说明了本发明的滑动构件，但本发明不限于此，在权利要求书中可以适当加以变更。

例如，为了提高相对于基材的硬质碳膜密合性，也可以在基材与硬质碳膜之间设置由选自Cr、Ti、Co、V、Mo及W以及它们的碳化物、氮化物及碳氮化物中的一种以上的材料构成的中间层。中间层的厚度优选为0.01μm以上且0.6μm以下，更优选为0.02μm以上且0.5μm以下。这是因为如果在0.01μm以上，则可以提高硬质碳膜的密合性，如果在0.6μm以下，则滑动时中间层难以发生塑性流动，硬质碳膜难以脱落。中间层例如可以通过适当地使用任意或公知的PVD(physical vapor deposition，物理气相沉积)法而形成于基材上。

(活塞环)

参照图4，本发明的一个实施方式的活塞环200由上述滑动构件100构成，其外周面20为图1所示的DLC膜的表面12A。对于活塞环200而言，由于成为滑动面的外周面20兼顾高耐磨损性和低摩擦系数，并且耐脱落性优异的DLC膜的表面12A，因此即使在高负荷的滑动环境下也能够得到高耐磨损性和优异的耐脱落性。另外，活塞环的内周面22和上下面24A、24B不需要采用图1所示的结构。

本发明的一个实施方式的滑动构件100除了活塞环以外还可以适用于例如作为汽车等的内燃机的气门部件的气门挺杆以及垫片、作为内燃机的部件的活塞销、压缩机以及油压泵用的叶片等。

[实施例]

对于各发明例和比较例，以图4所示的活塞环的外周面成为表1所示的DLC膜的表面的方式，在以下条件下制作活塞环。

在各发明例及比较例中，使用公知的PVD法，在公称直径80mm、厚度2.5mm、宽度1.2mm的尺寸构成的硅铬钢的基材上形成铬构成的厚度0.4μm的中间层。接着，在1×10^-1Pa以下的真空环境中，使用由使用了碳靶的真空电弧放电进行的离子镀法，从已述的范围适当调节偏压、电弧电流、放电时间和基材的温度，由此在中间层上形成表1所示的膜厚Ttotal的DLC膜。接着，从已述的范围适当调节偏压、放电电流、处理时间和基材的温度，进行离子轰击处理，由此得到具有表1所示的压痕硬度分布的DLC膜。但是，对于发明例2而言，不是成膜后的离子轰击处理而是使用离子镀法从已述的范围适当调节电弧电流和加热器温度，并在成膜第1倾斜区域之后成膜第2倾斜区域。对于比较例2而言，通过离子镀法在190℃以下的基材温度下成膜第一倾斜区域后，暂时停止成膜，其间使加热器温度上升，保持基材直至基材温度超过240℃，然后再开始成膜，成膜第二倾斜区域。

(评价方法和评价结果的说明)

在各发明例和比较例中，通过已述的方法，以“基材或中间层的沿试验面的长径方向的长度”相对于“试验面的长径”的比例为20％以下的方式对活塞环的外周面实施倾斜研磨，实施压痕硬度试验。虽然也与膜厚有关，但在各发明例以及比较例中，L/Ttotal为35～100倍。压痕硬度试验机使用Elionix公司制的ENT-1100a。另外，将压入载荷设为6mN并以5μm间距的等间隔将压头连续压入试验面，由此得到DLC膜厚的深度方向的硬度分布。另外，在各发明例和比较例中，通过用SEM(Scanning Electron Microscope)观察DLC膜的截面来测定膜厚。另外，在各发明例和比较例中，通过以下方法评价耐磨损性(膜寿命)、摩擦系数以及耐脱落性。

＜耐磨损性(膜寿命)＞

在各发明例和比较例中，进行简易磨料磨损试验。在简易磨料磨损试验中，把金刚石研磨膏作为研磨剂涂布在DLC膜的表面上，如图5A所示，通过在DLC膜的表面上使钢球旋转进行研磨，定期观察研磨痕。将直至基材的表面露出的时间作为磨损时间。这是将一般用于薄膜膜厚测定的卡罗测试视为在研磨条件管理下作为简易磨料磨损试验。另外，对于各发明例和比较例，用以下的方法制作基准样品。即，作为标准样品，在DLC膜的整个膜厚范围内，通过离子镀法制作了具有与各发明例和比较例的H1相同压痕硬度的样品。试验片为as-coat状态。除了DLC膜的压痕硬度之外，本发明的样品与各个发明实施例和比较例相同。对各基准样品进行同样的简易磨料磨损试验，将直到基材的表面露出的时间作为基准磨损时间。然后，计算各发明例和比较例的磨损时间比(＝磨损时间/基准磨损时间)，评价耐磨损性。将评价结果示于表1。另外，如果磨损时间比为0.70以上，则可以视为具有高耐磨损性(膜寿命)，因此在表1中，将磨损时间比为0.70以上的情况记为“○”，将小于0.70的情况记为“×”。另外，试验条件如下。

试验钢球：SUJ2

金刚石研磨膏：0.25μm

钢球旋转速度：500rpm

＜耐脱落性和低摩擦系数＞

在各发明例和比较例中，作为能够迅速再现实机试验的脱落的评价，进行了滚动滑动疲劳试验。图5B表示试验机的概略。在滚动滑动疲劳试验中，通过对旋转的滚筒30和滑动的试验片32反复施加载荷，能够在比较短的时间内确认DLC膜的耐脱落性。在此，试验片32是以使各发明例和比较例中的活塞环外周面的一部分成为该滚动滑动疲劳试验中的滑动面的方式将各活塞环切断而得到的。这些活塞环外周是用规定的研磨加工对DLC表面进行加工而成的。通过用光学显微镜观察试验后的试验片32的滑动面上有无脱落，评价耐脱落性。另外，通过检测试验中的摩擦力，也评价了摩擦系数。活塞环外周表面的表面粗糙度的评价结果也一起如表1所示。此外，在表1中，将摩擦系数为0.16以下的情况设为“○”，将超过0.16的情况设为“×”。另外，试验条件如下。

载荷：20～50N、正弦波50Hz

对象材料(滚筒)：直径80mm的SUJ2材料

滑动速度：正转反转模式运转(±10m/s)，以速度±10m/s保持20s

加速度：0.23m/s²

润滑剂：无添加的马达油、0.1cc/min

温度：滚筒表面温度80℃

试验时间：以正转反转模式运转为1个循环做10个循环

摩擦系数：设为至5个循环为止的初始摩擦系数

[表1]

如表1所示，对于比较例1而言，T2/Ttotal超过0.9，b/a小于2，第二倾斜区域窄，不能使表层的压痕硬度充分降低，因此，不能够以后加工中的研磨加工充分降低表面粗糙度，结果摩擦系数变高。对于比较例2而言，T2/Ttotal不在0.6～0.9的范围，第二倾斜区域的斜率接近于0，b/a≈0，第一倾斜区域和第二倾斜区域的边界的压痕硬度不连续的变化，因此耐脱落性差。对于比较例3而言，b/a在1以下，显示凹型的硬度分布，在DLC膜的厚度方向的大部分上压痕硬度变低，耐磨损性差。对于比较例4而言，T2/Ttotal比0.6小，第二倾斜区域延伸到基材附近，因此耐磨损性差。对于比较例5而言，H2超过0.9×H1，b/a也超过30，因此压痕硬度的变化变得过大，所以耐脱落性差。对于比较例6而言，接近表层为止的压痕硬度几乎恒定，并且压痕硬度在表面层附近急剧变化，所以耐脱落性差。在此基础上，DLC膜的硬度在表面上保持较高，并且在后加工中通过研磨加工不能充分降低表面粗糙度，结果摩擦系数变高。与此相对，对于发明例1至5而言，压痕硬度在第一倾斜区域和第二倾斜区域的边界处连续变化，并且在该边界处的压痕硬度H2满足式(1)，厚度位置T2满足式(2)，因此，兼具高耐磨损性和低摩擦系数且耐脱落性优异。特别地，对于发明例1至3和5而言，满足式(3)，从而获得更高的耐磨损性。

工业上的可利用性

根据本发明能够得到一种滑动构件，其具有兼顾高耐磨损性和低摩擦系数并且耐脱落性优异的硬质碳膜。另外，根据本发明，能够得到一种由该滑动构件构成的活塞环。

附图标记说明

100：滑动构件

10：基材

12：硬质碳膜(DLC膜)

12A：滑动面

200：活塞环

20：外周面

22：内周面

24A、24B：上下面

30：滚筒

32：试验片

Claims (9)

1.一种滑动构件，其特征在于，具有：

基材；

硬质碳膜，其形成在该基材上，

在所述硬质碳膜中，压痕硬度从所述基材侧朝向所述硬质碳膜的表面侧逐渐降低，

在所述硬质碳膜中，将其膜厚设为Ttotal，所述Ttotal的单位为μm，将从所述基材侧起的厚度位置设为T，所述T的单位为μm，将0≤T/Ttotal≤0.6中的压痕硬度分布以将T/Ttotal作为变量的第一直线进行近似，将0.9≤T/Ttotal≤1中的压痕硬度分布以将T/Ttotal作为变量的第二直线进行近似，

进而，将所述第一直线的T＝0μm处的所述硬质碳膜的压痕硬度设为H1，所述H1的单位为GPa，将所述第一直线与所述第二直线的交点处的所述硬质碳膜的压痕硬度设为H2，所述H2的单位为GPa，将该交点处的所述厚度位置设为T2，所述T2的单位为μm，将所述第二直线的T＝Ttotal处的所述硬质碳膜的压痕硬度设为H3，所述H3的单位为GPa，此时，所述H2以及所述T2满足下述式1以及下述式2，

式1：(H3-H1)×T2/Ttotal+H1＜H2≤0.9×H1，

式2：0.6≤T2/Ttotal≤0.9。

2.根据权利要求1所述的滑动构件，其中，

所述H2还满足下述式3，

式3：H2≥0.6×H1。

3.根据权利要求1所述的滑动构件，其中，

在将所述第一直线的斜率设为a，将所述第二直线的斜率设为b时，b/a还满足下述式4，

式4：2≤b/a≤30。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动构件，其中，

所述H1为30GPa以上。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动构件，其中，

所述H3为5GPa以上且20GPa以下。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动构件，其中，

所述Ttotal为3μm以上。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动构件，其中，

所述硬质碳膜的表面粗糙度Ra为0.15μm以下。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动构件，其中，

在所述基材与所述硬质碳膜之间具有中间层，该中间层由选自Cr、Ti、Co、V、Mo及W以及它们的碳化物、氮化物及碳氮化物中的一种以上的材料构成。

9.一种活塞环，其由权利要求1至3中任一项所述的滑动构件构成。

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