DE102015104103A1

DE102015104103A1 - Gleitelement und gleitende Maschine

Info

Publication number: DE102015104103A1
Application number: DE102015104103.0A
Authority: DE
Inventors: Masaru Okuyama; Mamoru Tohyama; Hiroyuki Mori; Munehisa Matsui; Naoya Ikeda; Yoshio Fuwa; Shinyoshi Takatoshi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: JP2015193918A; CN104930334B; DE102015104103B4; US9624975B2; CN104930334A; US20150267746A1; JP6177267B2

Abstract

[Technisches Problem] Eine Aufgabe besteht darin, ein Gleitelement zu schaffen, das eine Gleitfläche aufweist, die den Reibungskoeffizienten in großem Ausmaß reduziert und eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß aufweist. [Lösung des Problems] Das erfindungsgemäße Gleitelement schließt ein: ein Basismaterial; und einen Gleitfilm, der eine Oberfläche des Basismaterials überdeckt und eine Gleitfläche bildet, und in Gegenwart von Schmieröl in einem feuchten Zustand verwendet wird. Der erfindungsgemäße Gleitfilm ist ein laminierter Film, der eine untergelegte Schicht auf der Oberfläche des Basismaterials und eine äußerste Schicht auf wenigstens einem Teil der untergelegten Schicht einschließt. Diese äußerste Schicht ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen speziellen, Bor enthaltenden, amorphen Kohlenstoff (speziellen B-DLC) einschließt, der 4 bis 50% B und 5 bis 50% H enthält, wenn die äußerste Schicht insgesamt 100% umfasst. Dieser spezielle B-DLC verschleißt während des Gleitens, um die Gleitfläche zu glätten, und es zeigt sich ein ausgezeichnet niedriges Reibungsverhalten. Die untergelegte Schicht des B-DLC trägt zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Gleitfilms bei.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, das eine Gleitfläche besitzt, die geeignet ist, sowohl die Reibung in einem großen Ausmaß zu reduzieren, als auch die Verschleißfestigkeit sicherzustellen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Maschine, die dieses Gleitelement besitzt.
[Stand der Technik]
Fahrzeuge sind mit Antriebsmechanismen, wie Verbrennungsmotoren, ausgestattet, die eine Anzahl von gleitenden Elementen (z. B. Nocken und Nockenwellen, Zylinder und Kolben und verschiedene Wellen und Lagerungen) umfassen. Bei den Maschinen, die solche gleitenden Elemente aufweisen (gleitende Maschinen), wird nachdrücklich gefordert, dass der Reibungskoeffizient zwischen gleitenden Elementen zur Reduzierung der Reibungsverluste und dergleichen reduziert wird.
Zu diesem Zweck wurde vorgeschlagen, jede Gleitfläche mit einem amorphen Kohlenstoffilm auszubilden, der als diamantähnlicher Kohlenstofffilm (diamond-like carbon film = DLC-Film”) bezeichnet werden kann, der geeignet ist, beispielsweise den Reibungskoeffizienten zu senken. Entsprechende Beschreibungen werden in der unten genannten Patentliteratur 1–4 gefunden,
[Liste der Zitate]
(Patentliteratur]

[PTL 1] JP2011-32429A
[PTL 2] JP2011-26591 A
[PTL 3] JP2007-99949A
[PTL 4] JP2007-23356A

[Kurzfassung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Die Patentliteraturbeispiele 1 bis 3 schlagen den Gebrauch eines Gleitelements mit geringer Reibung in Schmieröl vor, wobei das Gleitelement mit geringer Reibung eine Gleitfläche besitzt, die mit einem amorphen, harten Kohlenstofffilm ausgebildet ist, der Bor (B) enthält (was als „B-DLC-Film” bezeichnet werden kann). Jedoch ist der in diesen Literaturbeispielen vorgeschlagene B-DLC-Film ein harter Überzug, in dem der Anteil an Wasserstoff (H) gering ist. Um den Reibungskoeffizienten der mit dem harten B-DLC-Film überzogenen Gleitfläche weiter zu reduzieren, kann die Oberfläche des zu überziehenden Basismaterials vorab als eine Spiegelfläche mit ein Oberflächenrauheit (Ra) von weniger als 0,1 vorgesehen werden.
Das Literaturbeispiel 4 schlägt den Gebrauch eines Gleitelements in Schmieröl vor, wobei das Gleitelement eine Gleitfläche aufweist, die mit einem amorphen, harten Kohlenstofffilm überzogen ist, der Silizium (Si) enthält (was als „Si-DLV-Film” bezeichnet werden kann). Das Patentliteraturbeispiel 4 schlägt auch vor, eine Gleitfläche durch Laminieren eines weichen Si-DLC-Films auf einen auf der Oberfläche des Basismaterials aufgebrachten harten Si-DLC-Film auszubilden. Jedoch ist der Reibungskoeffizient einer solchen Gleitfläche immer noch 0,07 oder mehr ([0072] und 9 des Patentliteraturbeispiels 4) und es kann nicht unbedingt gesagt werden, dass der Reibungskoeffizient ausreichend reduziert wird. Dies scheint daran zu liegen, dass der Entwicklungsmechanismus eines reduzierten Reibungskoeffizienten wegen des Si-DLC-Films von einer adsorbierten Wasserschicht abhängt, die von Silanol-(SiOH) verursacht-wird, das auf der Oberfläche ([0011], etc.) erzeugt wird. Es ist zu beachten, dass das Literaturbeispiel 4 die Oberflächenrauheit und die Dicke einer darunter befindlichen Schicht, auf der der Si-DLC-Film ausgebildet wird, nicht detailliert beschreibt.
Die vorliegende Erfindung entstand angesichts dieser Umstände und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleitelement zu schaffen, das eine Gleitfläche aufweist, die geeignet ist, sowohl den Reibungskoeffizienten in einem großen Ausmaß zu reduzieren, als auch eine ausreichende Verschleißfestigkeit sicherzustellen. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine gleitende Maschine zu schaffen, die das gleitende Element enthält.
[Lösung der Aufgabe]
Als Ergebnis intensiver Studien zur Lösung der vorstehenden Probleme und der Wiederholung von Versuchen und Fehlschlägen haben die Erfinder kürzlich herausgefunden, dass ein beachtlich niedriger Reibungskoeffizient unter einer feuchten Bedingung erhalten werden kann, in der Schmieröl vorhanden ist, indem die Gleitfläche mit einem B-DLC-Film versehen ist, der eine gegenüber konventionellen Zusammensetzungen neue Kombination enthält. Es wurde auch gefunden, dass die Verschleißfestigkeit der Gleitfläche gesichert werden kann, wenn der B-DLC-Film auf einer harten Unterschicht ausgebildet wird. Mit der Entwicklung dieser Verbesserungen wurde, wie nachfolgend beschrieben, die vorliegende Erfindung vollendet.
«Gleitelement»

(1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gleitelement vorgesehen, das ein Basismaterial und einen Gleitfilm umfasst, der eine Oberfläche des Basismaterials bedeckt und eine Gleitfläche bildet. Das Gleitelement wird bei Anwesenheit von Schmieröl in einem benetzten Zustand benutzt. Das Gleitelement ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitfilm einen laminierten Film umfasst, der laminierte Film eine untergelegte, auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildete Schicht umfasst, und eine äußerste Schicht, die auf wenigstens einem Teil der untergelegten Schicht ausgebildet ist, die äußerste Schicht einen speziellen, Bor enthaltenden amorphen Kohlenstoff (nachfolgend als „spezieller B-DLC” bezeichnet) enthält, der spezielle B-DLC 4 bis 50% Bor (B) und 5 bis 50% Wasserstoff (H) enthält, wenn die äußerste Schicht insgesamt 100% umfasst.
(2) Das Gleitelement der vorliegenden Erfindung besitzt die vom laminierten Film gebildete Gleitfläche, von dem die äußerste Schicht auf wenigstens einem Teil der der Oberfläche des Basismaterials untergelegten Schicht vorhanden ist, und die äußerste Schicht den speziellen B-DFLC umfasst, der einen relativ großen Anteil von B und H enthält. Diese Gleitfläche entwickelt ein ausgezeichnet niedriges Reibungsverhalten in einem feuchten Zustand beim Vorhandensein von Schmieröl. Bei einer gleitenden Maschine, die das Gleitelement der vorliegenden Erfindung enthält, können daher die für die Aktion benötigte Antriebskraft, der Reibungsverlust und dergleichen in großem Ausmaß gesenkt werden, so dass der Wirkungsgrad der gleitenden Maschine verbessert und die Einsparung von Energie ermöglicht wird.
(3) Der Grund dafür, dass die erfindungsgemäße Gleitfläche, insbesondere die äußerste Schicht, ein beachtlich niedriges Reibungsverhalten aufweist, ist nicht unbedingt gewiss, aber es scheint unter den gegebenen Umständen wie folgt zu sein. Weil der erfindungsgemäße spezielle B-DLC einen großen Anteil an B und H (insbesondere der Anteil an H ist groß) aufweist, ist der Anteil an C (insbesondere der Anteil an C des sp²-hybridisierten Orbitals) relativ klein und es ist wahrscheinlicher, dass das spezielle B-DLC abgetragen wird, als das konventionelle B-DLC. Demgemäß wird das anfänglich auf der untergelegten bzw. unterliegenden Schicht ausgebildete spezielle B-DLC während der Zeit unmittelbar nach dem Beginn des Gleitens abgetragen, so dass die Gleitfläche geglättet wird, um die Oberflächenrauheit beachtlich zu reduzieren. Dies gestattet es, dass erfindungsgemäß die Strömungsmittelschmierung durch das Schmieröl stabil auf der Gleitfläche auftritt. Deshalb ist es unwahrscheinlich, dass ein fester Kontakt aufgrund von Mischschmierung, Grenzschmierung und dergleichen auftritt. Außerdem besitzt das spezielle B-DLC selbst eine ausgezeichnete Gleitfähigkeit und es scheint, dass die erfindungsgemäße Gleitfläche ein beachtlich niedriges Reibungsverhalten unter einer feuchten Bedingung aufweist.

Das Glätten der Gleitfläche gemäß der vorliegenden Erfindung scheint aufgrund des abgetragenen speziellen B-DLC (Film) während des Zusammenwirkens mit der untergelegten Schicht aufzutreten. Beispielsweise, selbst wenn die Oberflächenrauheit der untergelegten Schicht als arithmetische Durchschnittsrauheit (Ra/JIS B0601: '01) bei einer Ausführungsform eine Oberflächenrauheit von 0,1 oder mehr (oder mehr als 0,1) ist, oder 0,15 oder mehr bei einer anderen Ausführungsform, oder 0,2 oder mehr bei einer weiteren Ausführungsform, scheint es, dass eine superglatte Gleitfläche ausgebildet ist, die eine Oberflächenrauheit von 0,05 oder weniger bei einer Ausführungsform oder 0,04 oder weniger bei einer anderen Ausführungsform als die Ra hat, weil dabei ein Zustand erreicht werden kann, in dem die feinen Ausnehmungen auf der Oberfläche der untergelegten Schicht mit dem speziellen B-DLC ausgefüllt sind. Es ist zu beachten, dass die glatte äußerste Oberfläche nur von der äußersten Schicht (spezieller B-DLC-Film) ausgebildet wird, oder auch so gebildet werden kann, dass die äußerste Schicht und die untergelegte Schicht ineinander übergehen.
Somit ist im Verlauf des Gleitens die Gleitfläche gemäß der vorliegenden Erfindung geglättet und die Oberflächenrauheit der äußersten Schicht kann deshalb vor dem Gleiten in gewissem Ausmaß groß sein. Diese Betrachtung betrifft die untergelegte Schicht oder die Oberfläche des Basismaterials. Es ist jedoch zu verstehen, dass vorzugsweise jede ihrer Oberflächenrauheiten selbst vor dem Gleiten mit Rücksicht auf die Vermeidung von Verschleiß des Gleitfilms klein ist. Beispielsweise ist die Oberflächenrauheit der untergelegten Schicht vor dem Gleiten (wenn der Film ausgebildet ist) als das Ra vorzugsweise 0,3 oder weniger bei einer Ausführungsform, oder 0,1 oder weniger bei einer anderen Ausführungsform.

(4) Damit der erfindungsgemäße laminierte Film fortfährt, stabil den oben beschriebenen niedrigen Reibungskoeffizienten aufzuweisen, ist es auch wichtig, die Verschleißwiderstandsfähigkeit sicherzustellen. Beispielsweise kann eine verschleißwiderstandsfähige Schicht als untergelegte Schicht vorgesehen werden, um eine höhere Härte oder elastischeres Verhalten aufzuweisen als die äußerste Schicht oder der spezielle B-DLC, wodurch sowohl das niedrige Reibungsverhalten als auch die höhere Verschleißfestigkeit der Gleitfläche auf ein höheres Niveau gebracht wird. Eine solche untergelegte Schicht kann eine harte Schicht, wie eine aufgekohlte Schicht und eine nitrierte Schicht sein, die direkt auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildet wird, aber die Verschleißfestigkeit kann weiter dadurch verbessert werden, dass ein harter Film verwendet wird, der die Oberfläche des Basismaterials überzieht. Ein solcher harter Film kann aus Nitrit (wie CrN und TiN), Karbid (wie CrC), hartem, amorphem Kohlenstoff oder anderem, geeignetem Material gebildet sein.

Besondere Beispiele des harten, amorphem Kohlenstoffs schließen ein: Bor enthaltenden amorphen Kohlenstoff, der eine andere Zusammensetzung hat als jene des speziellen B-DLC, so dass es harter (Hart-B-DLC), Silizium enthaltender, amorpher Kohlenstoff ist, der Silizium (Si) enthält, und verschiedene Typen von amorphem Kohlenstoff, bei denen der H-Gehalt Null oder gering ist (H-freier DLC). Vorzugsweise hat die untergelegte, aus solch hartem, amorphem Kohlenstoff gebildete Schicht bei einer Ausführungsform eine Oberflächenhärte von 20 GPa oder mehr, oder 23 GPa oder mehr bei einer anderen Ausführungsform, oder 25 GPa bei einer weiteren Ausführungsform.
Es ist zu beachten, dass die untergelegte Schicht wegen Verschleiß der äußersten Schicht (siehe 1A bis 1C) teilweise freiliegt. Es wird deshalb vorgezogen, dass die untergelegte Schicht nicht nur exzellent hinsichtlich ihrer Verschleißwiderstandsfähigkeit ist, sondern auch einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist, um hinsichtlich der Gleitfähigkeit exzellent zu sein. Wie verständlich ist, kann die erfindungsgemäße, unterlegte Schicht als eine einzige Schicht vorgesehen sein, oder andernfalls zwei oder mehr Schichten umfassen.

(5) Die erfindungsgemäße Gleitfläche ist derart geglättet, dass der spezielle B-DLC-Film als die äußerste Schicht gemäß der Gestalt (hauptsächlich dem Außendurchmesser) des gegenüberliegenden Materials (1A) abgetragen wird, Um stabile hohe Gleitfähigkeit (niedrige Reibung und hohe Verschleißfestigkeit) zu erhalten, wird deshalb vorgezogen, dass die äußerste Schicht (spezieller B-DLC-Film) wenigstens vor dem Beginn des Gleitens eine ausreichend große Dicke aufweist. Es ist jedoch zu beachten, dass die Ausbildung einer übermäßigen Dicke nicht realistisch ist und unerwünscht sein kann, weil der Abstand zwischen den Gleitflächen mit dem Fortschreiten des Verschleißes exzessiv zunimmt.

Gemäß den Nachforschungen durch die Erfinder wurde festgestellt, dass zur stabilen Aufrechterhaltung der hohen Gleitfähigkeit bei einer Ausführungsform ein Schichtdickenverhältnis (T1/R2) 3 bis 200 beträgt, oder 4 bis 100 bei einer anderen Ausführungsform, oder 5 bis 50 bei einer weiteren Ausführungsform. Dabei ist das Schichtdickenverhältnis (T1/R2) definiert als das Verhältnis einer Schichtdicke (anfängliche Schichtdicke) (T1) der äußersten Schicht zu einer Oberflächenrauheit (R2) auf der Basis einer arithmetischen Durchschnittsrauheit (Ra) der untergelegten Schicht, auf der die äußerste Schicht ausgebildet ist. Selbst wenn das Fortschreiten des Verschleißes an einer Stelle, wo die äußerste Schicht am stärksten abgetragen wird (ein in 1A von einer unterbrochenen Linie umgebener Bereich) unterstützt in diesem Falle die untergelegte Schicht teilweise das gegenüberliegende Material, so dass das Fortschreiten des Verschleißes in einem Zustand endet, in dem die äußerste Schicht Ausnehmungen in der untergelegten Schicht ausfüllt. Als Ergebnis wird wegen der glatten äußersten Oberfläche (Gleitfläche) (1B) die niedrige Reibung aufrechterhalten. Falls im Gegensatz dazu die anfänglich äußerste Schicht eine geringe Dicke relativ zur Oberflächenrauheit der untergelegten Schicht besitzt (falls das Schichtdickenverhältnis unangemessen klein ist), erscheinen aufgrund der Oberflächenrauheit der untergelegten Schicht auf der äußersten Oberfläche der Gleitfläche Unregelmäßigkeiten und die äußerste Oberfläche (Gleitfläche) kann nicht geglättet werden, so dass der Reibungskoeffizient zwischen den Gleitflächen nicht reduziert werden kann (1C).
Das Schichtdickenverhältnis, wie es in der vorliegenden Beschreibung angesprochen wird, ist speziell basiert auf der Schichtdicke (T1, anfängliche Dicke) der äußersten Schicht vor dem Gleiten (vor dem Beginn der Aktion der gleitenden Maschine). Jedoch selbst nach dem Starten der Aktion der gleitenden Maschine kann, falls es einen Bereich gibt, der nahezu zur Gänze nicht in Gleitkontakt mit dem gegenüberliegenden Material steht, (ein Bereich, in dem der Verschleiß nicht fortschreitet), die Schichtdicke (T1) der äußersten Schicht des Bereichs benutzt werden, um das Schichtdickenverhältnis zu berechnen. Messungen der Schichtdicke (nicht nur jene der äußersten Schicht, sondern jene der untergelegten Schicht) können auf der Basis einer Abbildung mittels Rasterelektronenmikroskop nach Beobachtung des Querschnitts der Gleitfläche und Feststellung der Grenzen einer jeden Schicht ausgeführt werden. Falls es schwierig ist, die Grenze zwischen der untergelegten Schicht und äußersten Schicht festzustellen, die die gleiche Natur aufweisen, wird die Grenze durch Anwendung einer Elementaranalyse oder dergleichen beispielsweise für den Querschnitt der Gleitfläche festgestellt. Wenn die Oberflächenrauheit der untergelegten Schicht die Schichtdicke der äußersten Schicht beeinflusst, kann eine aus der arithmetischen Durchschnittsrauheit (Ra) erhaltene Mittellinie als Grenze (Bezugsposition für die Messung der Schichtdicke) benutzt werden, und die Dicke von der Mittellinie zur äußersten Oberfläche kann als Schichtdicke bestimmt werden. Die auf diese Weise definierte Schichtdicke wird an jedem von zehn beliebig ausgewählten Punkten gemessen und die gemessenen Werte werden arithmetisch gemittelt, um als Schichtdicke der äußersten Schicht verwendet zu werden.
«Gleitende Maschine»
Die vorliegende Erfindung kann nicht nur als das Gleitelement wahrgenommen werden, sondern auch als gleitende Maschine, die das Gleitelement benutzt. Das bedeutet, dass gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine gleitende Maschine vorgesehen ist, die ein Paar Gleitelemente umfasst mit einander zugewandt gleitenden Oberflächen, die sich relativ zueinander bewegen können, und Schmieröl, das zwischen die einander zugewandten Gleitflächen eingefügt werden kann. Die gleitende Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Gleitelemente das oben beschriebene, erfindungsgemäße Gleitelement umfasst.
«Anderes»

(1) Der spezielle B-DLC gemäß der vorliegenden Erfindung kann C, H, B und andere Elemente (modifizierende Elemente) enthalten, die zur Verbesserung der Eigenschaften wirksam sind. Wie zu verstehen ist, kann der spezielle B-DLC auch „unvermeidbare Verunreinigungen” enthalten, die aus technischen Gründen schwer zu entfernen sind.

Die bei der vorliegenden Erfindung so benannte „Schicht” kann mit anderen Worten ein „Film” sein, aber ist nicht notwendigerweise in einer filmartigen Form, in der die Schicht kontinuierlich vorhanden ist. Beispielsweise kann die äußerste Schicht eine filmartige Form aufweisen, in der die äußerste Schicht kontinuierlich derart vorhanden ist, dass sie vor dem Gleiten die untergelegte Schicht vollständig abdeckt und/oder in einem Zustand, in dem die äußerste Schicht nach dem Beginn des Gleitens intermittierend vorhanden ist. Das heißt, die untergelegte Schicht kann in einem sich zeigenden (freigelegten), teilweise auf der äußersten Oberfläche (Gleitfläche) befindlichen Zustand sein. Somit kann die erfindungsgemäße Gleitfläche nur von der äußersten Schicht gebildet werden oder kann auch so gestaltet sein, dass gemischt die äußerste Schicht und die untergelegte Schicht gegenwärtig sind.

(2) Die erfindungsgemäße Gleitfläche ist nicht hinsichtlich ihrer speziellen Glätte (wie Oberflächenrauheit), Reibungskoeffizient, Verschleißfestigkeit und anderer Eigenschaften beschränkt. Dies ist der Fall, weil sich solche Eigenschaften abhängig von den Gleitbedingungen (wie eine sich zwischen den Gleitflächen ändernde Last, die Materialqualität und die Form des Gegenmaterials und der Typ des Schmieröls) verändern. Es reicht aus zu sagen, dass ein Beispiel des Reibungskoeffizienten der erfindungsgemäßen Gleitfläche (unter einer feuchten Bedingung) beispielsweise 0,01 bis 0,05 sein kann.
(3) Das beim Betrieb der erfindungsgemäßen gleitenden Maschine benutzte Schmieröl ist nicht hinsichtlich Typ und Zusammensetzung beschränkt, aber kann gewöhnlich ein Basisöl und verschiedene andere Additive enthalten. Beispielsweise kann das Schmieröl, wenn die Gesamtheit des Schmieröls 100 Massenprozent umfasst, 500 ppm oder mehr von einem oder mehreren von Molybdän (Mo), Schwefel (S), Phosphor (P), Zink (Zn), Kalzium (Ca), Magnesium (Mg), Natrium (Na), Barium (Ba), Kupfer (Cu) und dergleichen enthalten.

Im Hinblick auf die Reduzierung der Umweltbelastungen wird jedoch bevorzugt, dass der Anteil an Mo nicht mehr als 100 ppm beträgt. Insbesondere wird bevorzugt, Schmieröl zu verwenden, das im Wesentlichen frei von Molybdändialkyldithiocarbamat (MoDTC) ist, das konventionell als ein Reibungseinsteller oder dergleichen benutzt wurde (ein solches Schmieröl kann als „MoDTC-frei” bezeichnet werden.
Es wird im Allgemeinen gesagt, dass, wenn MoDTC-freies Öl benutzt wird, der Reibungskoeffizient zwischen den Gleitflächen zunehmen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch der Reibungskoeffizient zwischen den Gleitflächen erheblich reduziert werden, unabhängig davon, ob das Schmieröl ein MoDTC enthaltendes Öl oder ein MoDTC-freies Öl ist. Der Grund dafür, dass eine solche reibungsreduzierende Wirkung erzielt werden kann, ist nicht unbedingt sicher, es scheint aber, dass das spezielle B-DLC dazu beiträgt, zusätzlich zu dem oben beschriebenen Glätten einen speziellen Grenzfilm mit hoher Gleitfähigkeit zwischen den Gleitflächen zu bilden.

(4) Sofern nicht anders festgelegt, schließt ein numerischer Bereich „x bis y”, wie hier genannt, den unteren Grenzwert x und den oberen Grenzwert y ein. Verschiedene numerische Werte oder irgendwelche, hier beschriebene numerische, in numerischen Bereichen eingeschlossene Werte können frei gewählt oder als neue untere oder obere Grenzwerte herangezogen werden, und irgendein neuer numerischer Bereich wie „a bis b” kann dadurch unter Verwendung solcher neuer unterer oder oberer Grenzwerte neu vorgesehen werden.

[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
1A ist eine erläuternde Ansicht, die die Umgebung einer Gleitfläche (laminierter Film) darstellt.
1B ist eine erläuternde Ansicht, eines Falles, in dem die Schichtdicke einer äußersten Schicht für die Oberflächenrauheit einer darunter liegenden Schicht ausreichend ist.
1C ist eine erläuternde Ansicht, eines Falles, in dem die Schichtdicke einer äußersten Schicht für die Oberflächenrauheit einer darunter liegenden Schicht ungenügend ist.
2 ist eine schematische Ansicht einer filmbildenden Vorrichtung.
3 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Aspekt eines Ring-auf-Block-Reibungstests darstellt.
4 ist eine Darstellung, die den Reibungskoeffizienten einer jeden Probe mit der Verschleißtiefe darstellt.
5A ist ein Verteilungsdiagramm, das eine Beziehung zwischen der anfänglichen Oberflächenrauheit und dem Reibungskoeffizienten einer Gleitfläche darstellt.
5B ist ein Verteilungsdiagramm, das eine Beziehung zwischen der anfänglichen Oberflächenrauheit und der Verschleißtiefe von Gleitflächen darstellt.
6 ist ein Satz von mikroskopischen Fotografien, die durch Beobachtung der Gleitflächen einer jeden Probe erhalten wurden.
7 ist ein Diagramm, das die Gleitfläche der Probe 1 nach dem Reibungstest darstellt.
8 ist ein Diagramm, das die Gleitfläche der Probe 2 nach dem Reibungstest darstellt.
9 ist ein Diagramm, das die Gleitfläche der Probe 3 nach dem Reibungstest darstellt.
10 ist ein Diagramm, das die Gleitfläche der Probe 4 nach dem Reibungstest darstellt.
11 ist ein Diagramm, das die Gleitfläche der Probe 4C nach dem Reibungstest darstellt
12 ist ein Verteilungsdiagramm, das eine Beziehung zwischen dem Schichtdickenverhältnis und dem Reibungskoeffizienten an der Gleitfläche darstellt.
13 ist ein Diagramm, das die Gleitfläche der Probe 5 nach dem Reibungstest darstellt.
14 ist ein Diagramm, das die Gleitfläche der Probe 6 nach dem Reibungstest darstellt.
[Beschreibung von Ausführungsformen]
Die vorliegende Erfindung wird mehr im Detail unter Bezugnahme auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Merkmal oder mehrere Merkmale, die frei aus der folgenden Beschreibung ausgewählt sind, können den oben beschriebenen Merkmalen der Erfindung hinzugefügt werden. Der hier beschriebene Inhalt kann nicht nur auf das Gleitelement und die gleitende Maschine der vorliegenden Erfindung, sondern auch auf ein Verfahren zu deren Herstellung angewandt werden. Das Herstellungsverfahren betreffende Merkmale können, wenn sie als Produkt-by-process-Merkmal verstanden werden, auch ein Produkt betreffende Merkmale sein. Welche Ausführungsform die beste ist oder nicht, kann je nach Zielvorstellung, geforderter Ausführungsart oder anderen Faktoren unterschiedlich sein.
«Äußerste Schicht»

(1) Die äußerste Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen speziellen B-DLC (Film). Vorzugsweise enthält der spezielle B-DLC 4 bis 50% B bei einer Ausführungsform, oder 23 bis 50% B bei einer anderen Ausführungsform, oder 24 bis 40% B bei noch einer anderen Ausführungsform, oder 25 bis 35% B bei einer weiteren Ausführungsform, oder 27 bis 33% B bei noch einer weiteren Ausführungsform. Vorzugsweise enthält der spezielle B-DLC 5 bis 50% H bei einer Ausführungsform, oder 26 bis 50% H bei einer anderen Ausführungsform, oder 27 bis 40% H bei noch einer anderen Ausführungsform, oder 28 bis 35% H Anteil davon bei einer weiteren Ausführungsform. B und H beeinflussen die Härte und damit die Verschleißfestigkeit des speziellen B-DLC. Ein zu kleiner Anteil davon steigert die Härte des B-DLC übermäßig, während ein zu großer Anteil davon die Härte des B-DLC übermäßig reduziert. In beiden Fällen wird die Oberflächenglätte der äußersten Schicht beeinträchtigt.

Falls der Anteil an O zu groß ist, wird der spezielle B-DLC übermäßig weich gemacht, so dass eine erfolgreiche Filmbildung schwierig sein kann. Vorzugsweise wird deshalb der Anteil an O bei einer Ausführungsform geringer gehalten als 6%, oder bei einer anderen Ausführungsform geringer gehalten als 3%. Der spezielle B-DLC kann Al, Mn, Si, Ti, Cr, W, V, Ni und dergleichen enthalten. Der Anteil an diesen Elementen ist nicht beschränkt, aber der Gesamtanteil davon kann vorzugsweise bei einer Ausführungsform bis zu 8% oder bei einer anderen Ausführungsform bis zu 4% sein. Die Zusammensetzung des speziellen B-DLC kann gleichförmig sein oder sich entsprechend der Dickenrichtung der äußersten Schicht ändern, oder etwa einen Gradienten aufweisen.

(2) Die Gleitfläche gemäß der vorliegenden Erfindung nützt sich mit der Zeit ab, um sich entsprechend dem an einem Gegenmaterial gleitenden speziellen B-DLC-Film zu glätten. Deshalb ist die Oberflächenrauheit vor dem Beginn des Gleitens (anfängliche Oberflächenrauheit) nicht besonders beschränkt. Deshalb kann die anfängliche Oberflächenrauheit der Gleitfläche bei einer Ausführungsform 0,1 Mikrometer oder mehr betragen, oder 0,15 Mikrometer oder mehr bei einer anderen Ausführungsform, oder 0,2 Mikrometer bei einer weiteren Ausführungsform. Jedoch wird es vorgezogen, wenn die anfängliche Oberflächenrauheit reduziert wird. Beispielsweise kann vorzugsweise als Ra die Oberflächenrauheit bei einer Ausführungsform 0,4 Mikrometer oder weniger, oder bei einer anderen Ausführungsform 0,3 Mikrometer oder weniger betragen.

Der spezielle B-DLC, der eine selbstglättende Fähigkeit entwickelt, kann vorzugsweise eine Oberflächenhärte von beispielsweise 25 GPa oder weniger bei einer Ausführungsform, oder 20 GPa oder weniger bei einer anderen Ausführungform besitzen. Es ist zu beachten, dass die Oberflächenhärte eines wärmebehandelten Stahl-Basismaterials bei etwa 8 GPa liegt.
Im Hinblick auf die Sicherstellung der Zähigkeit, wie auch der Selbstglättungsfähigkeit kann der Elastizitätsmodul des speziellen B-DLC zum Beispiel vorzugsweise 200 GPa oder weniger bei einer Ausführungsform, oder 170 GPa oder weniger bei einer anderen Ausführungsform, oder 150 GPa oder weniger bei einer weiteren Ausführungsform betragen. Jedoch werden unzulässig niedrige Elastizitätsmodule die Härte reduzieren. Deshalb können die Elastizitätsmodule vorzugsweise 100 GPa oder mehr bei einer Ausführungsform, oder 120 GPa oder mehr bei einer anderen Ausführungsform betragen.
«Untergelegte Schicht»
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Typ der untergelegten bzw. unterliegenden Schicht nicht beschränkt, aber die untergelegte Schicht kann vorzugsweise sowohl eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Abnützung als auch Gleitfähigkeit (geringe Reibungseigenschaft) besitzen, weil die untergelegte Schicht an der Gleitfläche exponiert werden kann. Weil die geringe Reibung der Gleitfläche durch Glättung der äußersten Oberfläche erreicht wird, ist die Oberflächenrauheit der untergelegten Schicht bei der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt. Jedoch kann die Oberflächenrauheit als Ra bei einer Ausführungsform vorzugsweise 0,6 Mikrometer oder weniger betragen, oder 0,2 Mikrometer oder weniger bei einer anderen Ausführungsform oder 0,1 Mikrometer oder weniger bei einer weiteren Ausführungsform. Die Schichtdicke der untergelegten Schicht ist ebenfalls nicht beschränkt. Falls die Schichtdicke beispielsweise bei 1 bis 5 Mikrometer liegt, kann die Auswirkung der Oberflächenrauheit auf das Basismaterial, auf dem die untergelegte Schicht ausgebildet ist, absorbiert werden und ein stabiles Gleiten mit geringer Reibung sichergestellt werden.
«Basismaterial»
Das Basismaterial über dem die Gleitfläche ausgebildet wird, ist hinsichtlich seines Materials nicht beschränkt, aber kann gewöhnlich ein metallisches Material, insbesondere ein Stahlmaterial (Kohlenstoffstahl oder legierten Stahl) umfassen. Die Oberfläche des Basismaterials kann einer geeigneten Oberflächenbehandlung, wie Nitrierhärtung und Einsatzhärtung unterzogen werden. Die Oberflächenrauheit kann bei einer Ausführungsform, ohne darauf beschränkt zu sein, als Ra vorzugsweise 0,3 Mikrometer oder weniger betragen, oder bei einer anderen Ausführungsform 0,1 Mikrometer oder weniger. Um die Grenzflächenadhäsion mit der untergelegten Schicht zu verbessern, können auf der Oberfläche des Basismaterials eine oder mehrere Zwischenschichten, wie aus Cr und CrC gebildet, ausgebildet werden.
«Erzeugung jeder Schicht»
Das Verfahren zur Erzeugung der äußersten Schicht und der untergelegten Schicht ist nicht beschränkt, aber der spezielle B-DLC als äußerste Schicht und Si-DLC, B-DLC, TiN oder dergleichen als untergelegte Schicht können wirkungsvoll, beispielsweise unter Anwendung des Plasma-CVD-Verfahrens, der Ionenplattierung, des Bedampfungsverfahrens (insbesondere unausgeglichenes Bedampfungsverfahren mittels Magnetron) oder anderer geeigneter Verfahren ausgebildet werden.
Wenn der spezielle B-DLC (Film) unter Anwendung des Gleichstrom-Plasma-CVD-Verfahrens ausgebildet wird, werden beispielsweise Reaktionsgase und Trägergas in eine Vakuumkammer eingeleitet, in der das Basismaterial mit darauf ausgebildeter untergelegter Schicht positioniert wird. In diesem Zustand wird durch Entladung Plasma erzeugt, so dass der bzw. das plasmaionisierte C, CH, B und dergleichen in den Reaktionsgasen an der zu behandelnden Oberfläche (Basismaterialoberfläche oder Oberfläche der untergelegten Schicht) anhaften und dadurch das spezielle B-DLC bilden. Bei dieser Aktion kann durch Anwendung (i) einer abgesenkten Behandlungstemperatur und (ii) Plasmasteuerung leicht der spezielle B-DLC-Film ausgebildet werden, in dem der Wasserstoffanteil groß ist und der leicht durch Abnützung geglättet werden kann.
Insbesondere die abgesenkte Behandlungstemperatur reduziert die Plasmadichte, wodurch ein einen hohen Wasserstoffanteil aufweisender spezieller B-DLC vorgesehen wird, in dem ein großer Anteil an Wasserstoff in die das Ausgangsmaterial bildenden Gase einbezogen ist. Zudem wird es durch Steuerung des Plasmas in einen Zustand, in dem die negativen Glimmentladungen einander überlappen, wahrscheinlich, dass als Reaktionsgas benutzter Kohlenwasserstoff zerfällt, so dass der spezielle B-DLC leicht so ausgebildet wird, dass er einen großen Anteil an H und ein geeignetes Verhältnis von Sp₂ orbital hybridisiertem C (Csp²) besitzt.
Beispiele der benutzten Reaktionsgase schließen Kohlenwasserstoffgase, wie Methan (CH₄), Acetylen (C₂H₂) und Benzen (C₆H₆); und TEB (Triethylboran), TMB (Trimethylboran), B₂H₆ (Diboran) und andere Borverbindungen ein, die B-Quellen sein können. Das Trägergas kann Argongas sein, aber die Verwendung von Wasserstoffgas schwächt das erzeugte Ionenbombardement auf die Oberfläche des B-DLC, so dass der spezielle B-DLC leicht so ausgebildet werden kann, dass er einen großen Anteil an H und ein geeignetes Verhältnis von Csp² besitzt.
Der die untergelegte Schicht bildende Si-DLC kann auch unter Anwendung des Gleichstromplasma-CVD-Verfahrens in ähnlicher Weise wie jene für den speziellen B-DLC ausgebildet werden, durch Ersetzen des Gases als B-Quelle durch TMS (Tetramethylsilan) als die Si-Quelle oder ein anderes geeignetes Gas und Einstellung der Behandlungsbedingung. Außerdem kann TiN als untergelegte Schicht auch unter Anwendung des Gleichstromplasma-CVD-Verfahrens in ähnlicher Weise wie jene für den speziellen B-DLC ausgebildet werden, durch Ersetzen des Gases als B-Quelle durch TiCl₄ (Titantetrachlorid) als Ti-Quelle oder ein anderes geeignetes Gas und Einstellung der Behandlungsbedingung.
«Beabsichtigte Verwendung»
Spezielle Form und beabsichtigte Verwendung des Gleitelements der vorliegenden Erfindung sind nicht beschränkt und das Gleitelement der vorliegenden Erfindung kann für eine breite Vielfalt von gleitenden Maschinen verwendet werden. Beispiele solcher Gleitelemente schließen ein: eine Welle und ein Lager; einen Kolben und eine Buchse; miteinander in Eingriff befindliche Zahnräder; einen Nocken und einen Ventilhebel oder ein Folgeglied, die ein dynamisches Ventilsystem bilden; ein Ventil und eine Ventilführung und ein Rotor und ein Rotorgehäuse. Beispiele von gleitenden Maschinen schließen eine Antriebseinheit, wie einen Verbrennungsmotor oder ein Getriebe in einem Auto oder einem anderen Fahrzeug ein.
[Beispiele]
«Herstellung von Proben»
Verschiedene, in den Tabellen 1A und 1B aufgelistete Proben (Gleitelemente) wurden hergestellt (beide Tabellen können einfach gemeinsam als „Tabelle 1 bezeichnet werden). Jede Probe wurde so gestaltet, dass jeder der verschiedenen Überzüge auf einer Oberfläche ausgebildet wurde, die eine Gleitfläche eines blockförmigen Teststücks (15,7 mm × 6,5 mm × 10 mm) als Basismaterial ist. Es ist jedoch zu beachten, dass die Gleitfläche der Probe C1 die polierte Oberfläche des Basismaterials ohne irgendeinen Film war.
«Basismaterial»
Ein vergütetes Material (HV 700 ± 50) von aufgekohltem Stahl (JIS SCM420) wurde als Basismaterial der Probe C1 benutzt. Vergütete Materialien (HRC 58) von Edelstahl auf Martensitbasis (JIS SUS440C) wurden als die Basismaterialien anderer Proben als der Probe C1 benutzt. Eine Oberfläche (zu behandelnde Oberfläche) eines jeden Basismaterials wurde, wie in Tabelle 1 aufgelistet, vor der Filmbildung bis zur Oberflächenrauheit (Ra) poliert. Soweit nicht anders angegeben, werden die Werte der Oberflächenrauheit beim vorliegenden Beispiel alle in Übereinstimmung mit JIS B0601: '01 auf der Basis der arithmetischen Durchschnittsrauheit (Ra) angegeben.
«Filmausbildung»

(1) Jede der Proben 1 bis 4 und der Proben C8 bis C11 wurde derart gestaltet, dass ein Si-DLC-Film (untergelegte Schicht) und ein B-DLC-Film (äußerste Schicht) in dieser Reihenfolge auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildet wurden, um einen laminierten Film zu bilden. Die Filmausbildung dieser Filme wurde, wie in 2 gezeigt, ausgeführt durch ein Gleichstromplasma-CVD-(PCVD)-Verfahren unter Verwendung einer filmbildenden Vorrichtung 1 unter den in Tabelle 1A aufgelisteten Filmbildungsbedingungen. Das spezielle Verfahren ist wie folgt.

Die filmbildende Vorrichtung 1 umfasst: eine rostfreie Kammer 10, einen leitfähigen Tisch 11, ein Gaszuleitungsrohr 12 und ein Gasausleitungsrohr 13. Verschiedene Gaszylinder 15 sind mit dem Gaszuleitungsrohr 12 über (nicht gezeigte) Ventile und eine Durchfluss-Steuerung (Mengenstrom) 14 verbunden.
Grundmaterialspeicherbehälter 18, die durch Heizvorrichtungen 17 beheizbar sind, sind ebenfalls über (nicht gezeigte) Ventile und eine Durchfluss-Steuerung (Mengenstrom) 16 mit dem Gaszuleitungsrohr 12 verbunden. Eine (nicht gezeigte) Rotationspumpe und eine (nicht gezeigte) Diffusionspumpe sind über (nicht gezeigte) Ventile mit dem Gasausleitungsrohr 13 verbunden.
Eine die filmbildende Vorrichtung 1 verwendende Filmausbildung wurde bei einer wie folgt geschilderten Verfahrensweise durchgeführt. Basismaterialien 19 werden auf dem Basistisch 11 in der Kammer 10 der filmbildenden Vorrichtung 1 positioniert. Die Kammer 10 wird dann abgedichtet und unter Verwendung der mit dem Gasausleitungsrohr 13 verbundenen Rotations- und Diffusionspumpen bis zum Vakuum evakuiert. Auf eine gewünschte, wie in Tafel 1A aufgelistete Zusammensetzung eingestellte Gase werden vom Gaszuleitungsrohr 12 in die zum Vakuum evakuierte Kammer 10 eingeleitet. Von einer Plasmaleistungsquelle wird an der Kammer 10 eine Spannung angelegt. Auf diese Weise wird um die Basismaterialien 19 eine Glimmentladungsumgebung 110 ausgebildet.
Das Filmausbildungsverfahren ist speziell wie folgt. Die Entladungsbeheizung, das Glimmentladungsnitrieren und das Vorbedampfen werden zunächst in dieser Reihenfolge ausgeführt (Vorbehandlungsschritt). Die Behandlungsbedingungen zu diesem Zeitpunkt (Menge des benutzten bzw. eingebrachten Gases, Kammerinnendruck, Temperatur des Basismaterials und angelegte Spannung) sind in Tabelle 2 aufgelistet. Die gleiche Behandlung wurde bei allen Proben durchgeführt.
Auf den Vorbehandlungsschritt folgend wurde ein Syntheseschritt zur Ausbildung eines Si-DLC-Films durchgeführt, auf den ein synthetischer Behandlungsschritt zur Ausbildung eines B-DLC-Films folgte. Die Behandlungsbedingungen sind in der Tabelle 1A aufgelistet.
TMS (Tetramethylsilan) als Ausgangsmaterialgas für den Si-DLC-Film und TEB (Triethylbor) Ausgangsmaterialgas für den B-DLC-Film wurden in entsprechende, getrennt vorgesehene Grundmaterialspeicherbehälter 18 verbracht und durch die Heizvorrichtungen 17 beheizt und nach der Bedampfung zugeleitet. Die Zusammensetzung (der Gehalt an Si oder B und H) wurde durch Einstellung des Verhältnisses (Durchfluss) von TMS oder TEB und CH₄ und der Kunststofftemperatur gesteuert, wie in der Tabelle 1 dargestellt.

(2) Jede der Proben C2 und C3 ist so gestaltet, dass nur ein Si-DLC-Film auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildet wird, und die Probe C7 ist so gestaltet, dass nur ein B-DLC-Film auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildet wird. Diese einzelnen Filme werden in Einklang mit den in der Tabelle 1 aufgelisteten Behandlungsbedingungen in ähnlicher Weise wie jene der oben beschriebenen laminierten Filme ausgebildet.
(3) Jede der Proben C4 und C5 ist so gestaltet, dass ein B-DLC-Film durch Aufdampfen auf die zu behandelnde Oberfläche des Basismaterials unter Verwendung einer unausgeglichenen Magnetronbedampfungsvorrichtung (erhältlich von der Kobe Steel Ltd.) ausgebildet wird. Insbesondere nachdem eine Cr-basierte Zwischenschicht auf einer Oberfläche des Basismaterials ausgebildet wurde, wurde der B-DLC-Film darauf durch Aufsprühen (englisch: sputtering) von B₄C und Graphitzielobjekten unter Verwendung von Ar-Gas ausgebildet, während CH₄-Gas (kohlenwasserstoffbasiertes Gas) eingeleitet wird.
(4) Die Probe 6 wird so gestaltet, dass ein auf Molybdändisulfid basierter Überzug (MK 4190 erhältlich von TOVO DRILUBE CO., LTD.) auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildet wird.
(5) Jede der Proben 5 und 6 ist so gestaltet, dass der Si-DLC-Film in den Proben 1 bis 4 in einen TiN-Film (Nitridfilm) verändert wird und ein B-DLC-Film (äußerste Schicht) wird auf der untergelegten Schicht ausgebildet. Die Filmbildung dieser laminierten Filme wurde unter den in Tabelle 1B aufgelisteten Bedingungen im Wesentlichen wie bei den Proben 1 bis 4 durchgeführt. Es ist jedoch zu beachten, dass TiCl₄ (Titantetrachlorid) als Ausgangsmaterial bei der Ausbildung des TiN-Films (untergelegte Schicht) nach dem vorher beschriebenen Vorbehandlungsschritt benutzt wurde. Wie das bei den Proben 1 bis 4 benutzte TMS wurde TiCl₄ (Titantetrachlorid) in den Grundmaterialspeicherbehälter 18 verbracht, durch die Heizvorrichtung 17 beheizt und nach der Beampfung zugeführt. Die Filmbildung des TiN-Films wurde ausgeführt, während der Einstellung des Verhältnisses (Durchfluss) von TiCl₄ und N₂ oder dergleichen und der Kunststofftemperatur wie in Tabelle 1B.

«Messbeobachtungen»
Für jede der in Tabelle 1 aufgelistete Probe wurden entsprechende Eigenschaften gemessen. Die Ergebnisse sind insgesamt in der Tabelle 1 aufgelistet. Insbesondere wurde die Oberflächenrauheit (Ra) unter Anwendung einer kontaktfreien, interferometrischen Weißlichtprofilanalysevorrichtung (New View 5022, erhältlich bei Zygo Corporation) gemessen. Die Filmdicke (Schichtdicke) wurde gemessen unter Anwendung einer präzisen Filmdickenmessvorrichtung (CALOTEST, erhältlich bei CSEM Instruments SA). Der B-Anteil und der Si-Anteil in jedem Überzugfilm wurden durch EPMA-Analyse (JXA-8200, erhältlich von JEOL Ltd.) gemessen und der H-Anteil wurde durch RBS/HFS-Analyse (Pelletron 3SDH, erhältlich von National Electrostatics Corporation) gemessen.
«Reibungstest»
Die oben beschriebene überzogene Oberfläche einer jeden Probe (mit Ausnahme der Probe C1) wurde als Gleitfläche benutzt, um einen Reibungstest unter Verwendung eines Ring-auf-Block-Testgeräts (LFW-1, erhältlich von FALEX CORPORATION) durchzuführen. Die 3 zeigt einen Überblick über den Aspekt des Reibungstests. Insbesondere wurde die Gleitfläche 21f (15,7 mm × 6,5 mm) des Blockteststücks 21 gemäß einer jeden Probe in einem mit einem Schmieröl L gefüllten Bad 20 in Gleitkontakt mit einer Gleitfläche 22f eines Ringteststücks 22 gebracht, während es gegen die Gleitfläche 22f gepresst wurde, und der Reibungskoeffizient zu diesem Zeitpunkt und die Verschleißtiefe nach dem Test wurden gemessen. Ein aufgekohltes Material (SAE4620, (phi) 35 mm × 8,8 mm, Oberflächenrauheit Ra von 0,2 ± 0,1 Mikrometer) wurde als Ringteststück 22 verwendet. Das benutzte Schmieröl war echtes Motoröl, erhältlich von TOYOTA MOTOR CORPORATION (Toyota Castle SN 0W-20/ILSAC standard GF-5, MODTC-frei). Die Testbedingungen waren wie folgt: Die Last F für das Andrücken des Blockteststücks 21 gegen das Ringteststück 22 war 133 N, die Gleitgeschwindigkeit zwischen beiden Teststücken war 0,3 m/s, die Öltemperatur des Schmieröls war 80°C (festgelegt) und die Testzeit 30 Minuten. Der Reibungskoeffizient war ein Durchschnittswert während einer Minute unmittelbar vor dem Testende. Die Verschleiß- bzw. Abnutzungstiefe wurde aus der Form berechnet, die durch den Gebrauch der kontaktfreien, interferometrischen Weißlichtprofilanalysevorrichtung als eine Tiefe von der nicht gleitenden Oberfläche zum tiefsten Teil der Gleitfläche erhalten wurde. Die so erhaltenen Ergebnisse sind insgesamt in der Tabelle 1 aufgelistet.
«Auswertung»
(1) Reibungskoeffizient
Die 4 zeigt die Reibungskoeffizienten gemäß den Proben der Tabelle 1 A im Vergleich. Wie aus 4 und Tabelle 1A ersichtlich ist, entwickelten die Proben 1 bis 4 und Probe C7, die jeweils auf der Gleitfläche (äußerste Schicht) den speziellen B-DLC aufweist, einen beachtlich geringeren Reibungskoeffizienten als jene der anderen Proben. Beispielsweise zeigte sich, dass Probe 1 einen Reibungskoeffizienten von nicht mehr als 0,01 aufweist und eine superniedrige Reibungseigenschaft entwickelt.
Es wurde gefunden, dass bei Probe 1 die Verschleißtiefe der äußersten Schicht 0,7 Mikrometer zur anfänglichen Dicke vor dem Reibungstest 0,7 Mikrometer beträgt, und nahezu der gesamte B-DLC-Film der äußersten Schicht in einem Teil der Gleitfläche sich in einem verschlissenen Zustand befindet. Es wurde jedoch auch gefunden, dass die Abnützung bei Probe 1 nicht über die anfängliche Dicke der äußersten Schicht hinaus fortschreitet und die Verschleißfestigkeitseigenschaft somit dank der untergelegten Schicht sichergestellt ist. Deshalb scheint es, dass bei Probe 1 der die äußerste Schicht bildende B-DLC-Film während des Gleitens abgenützt wird, um eine glatte Gleitfläche zu bilden, während der die untergelegte Schicht bildende Si-DLC-Film die Verschleißfestigkeitseigenschaft sicherstellt, so dass beide Schichten synergistisch wirken, um stabil ein beachtlich niedriges Reibungsverhalten aufzuweisen.
Wie durch den Vergleich der Schichtdicke und der Verschleißtiefe der in der Tabelle 1A aufgelisteten Proben 2 bis 4 gefunden wurde, ist die Verschleißtiefe geringer als die Schichtdicke, wenn die Schichtdicke des die äußerste Schicht bildenden B-DLC-Films ausreichend ist. Es scheint, dass dies der Fall ist, weil dann, falls die Gleitfläche durch den Verschleiß des B-DLC-Films so ausreichend geglättet ist, dass sie einen beträchtlich reduzierten Reibungskoeffizienten aufweist, sich die Gleitfläche nicht weiter abnützt.
(2) Wirkung der anfänglichen Oberflächenrauheit
Die 5A zeigt eine Beziehung zwischen der Oberflächenrauheit (anfängliche Oberflächenrauheit) und dem Reibungskoeffizienten der Gleitflächen (äußerste Schichten) vor dem Reibungstest, und die 5B zeigt eine Beziehung zwischen der anfänglichen Oberflächenrauheit und der Verschleißtiefe. Aus diesen Diagrammen ist zu entnehmen, dass der Reibungskoeffizient und die Verschleißtiefe dazu neigen, klein zu sein, wenn die anfängliche Oberflächenrauheit klein ist. Es wurde jedoch auch gefunden, dass abhängig von der Zusammensetzung (B-Anteil, H-Anteil) des die Gleitfläche bildenden B-DLC-Films, der Vergleich der Probe C4 oder der Probe C5 mit den Proben 1 bis 4 zeigt, dass selbst bei einer vergleichbaren, anfänglichen Oberflächenrauheit der Reibungskoeffizient beachtlich unterschiedlich ist.
Die 6 zeigt das Aussehen der Gleitflächen der Probe 2, der Probe C4 und der Probe C5 nach dem Reibungstest. Es wurde gefunden, dass im Falle eines harten B-DLC-Films mit einem geringen Anteil von B und H, wie bei der Probe C4 und bei der Probe C5, die Gleitfähigkeit weitgehend wegen der Wirkung der anfänglichen Oberflächenrauheit gering ist und das Auftreten der Filmdelaminierung wahrscheinlich ist. Es wurde auch gefunden, dass im Falle eines speziellen B-DLC mit einem relativ großen Anteil an B und H, wie bei der Probe 2, die glatte Gleitfläche relativ stabil gehalten wird, selbst wenn die anfängliche Oberflächenrauheit groß ist, und eine Filmdelaminierung oder dergleichen nicht auftritt.
(3) Änderung der Gleitfläche
Die 7 bis 11 zeigen Ansichten von Gleitflächen der Proben 1 bis 4 und der Probe C4 vor und nach dem Reibungstest. In jeder Figur sind das auf der linken Seite dargestellte 3D-Bild und die im 3D-Bild-Querschnitt auf der rechten Seite dargestellten Kurven der Oberflächenrauheit durch die Messung unter Verwendung der kontaktfreien interferometrischen Weißlichtprofilanalysevorrichtung geschaffen.
Wie aus den 7 bis 10 ersichtlich ist, verändert sich die Gleitfläche (B-DLC-Film) gemäß der Proben 1 bis 4 in eine äußere Gestalt, die vom gegenüberliegenden Gleitmaterial abhängig ist (mit anderen Worten, passt sich der Oberfläche des gegenüberliegenden Gleitmaterials an), selbst obwohl die anfängliche Oberflächenrauheit vor dem Reibungstest groß ist und ein beachtlich niedriges Reibungsverhalten aufweisen kann. Im Gegensatz dazu weist, wie aus 11 ersichtlich ist, die Gleitfläche (B-DLC-Film) gemäß der Probe C4 während des Gleitens eine weniger glatte Gleitfläche auf, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass der Reibungskoeffizient abnimmt, selbst obwohl die anfängliche Oberflächenrauheit kleiner ist als bei den Proben 2 bis 4.
(4) Beziehung zwischen der Schichtdicke und dem Reibungskoeffizienten
Die 12 zeigt eine Beziehung zwischen der Schichtdicke und dem Reibungskoeffizienten der Proben 1 bis 4 und der Proben C4 und C8 bis C11. Es wurde aus 12 entnommen, dass die niedrige Reibung in ausreichendem Maße erreicht werden kann, wenn das Schichtdickenverhältnis wie bei der Proben 1 bis 4 in einem geeigneten Bereich liegt. Es wurde jedoch auch herausgefunden, dass die niedrige Reibung mit dem harten B-DLC-Film nicht mit einer einzigen Schicht in ausreichendem Maße erreicht werden kann, selbst obwohl die Schichtdicke wie bei der Probe C4 im geeigneten Bereich liegt.
Wie oben beschrieben, wurde bestätigt, dass ein Gleitelement erhalten werden kann, das sowohl das niedrige Reibungsverhalten, als auch das Widerstandsverhalten gegen Verschleiß auf hohem Niveau erreichen kann, indem die Gleitfläche mit dem laminiertem Film versehen wird, der enthält: die den speziellen B-DLC umfassende äußerste Schicht, die einen relativ hohen Anteil an B und H enthält, und die untergelegte Schicht, deren Widerstandsverhalten gegen Verschleiß oder deren Gleitfähigkeit ausgezeichnet ist.
Wie aus der Tabelle 1B herausgefunden wurde, werden die obigen Vorteile nicht nur in den Fällen der Proben 1 bis 4 erhalten, bei denen die untergelegte Schicht ein Si-DLV-Film ist, sondern auch in den Fällen der Proben 5 und 6, wo die untergelegte Schicht ein TiN-Film ist. Insbesondere zeigen die 13 und 14 Ansichten von Gleitflächen der Proben 5 und 6 vor und nach dem Reibungstest in gleicher Weise wie bei der Probe 4 (10). Wie aus Obigem ersichtlich ist, ist selbst in den Fällen, in denen die untergelegte Schicht ein TiN-Film ist, die Gleitfläche (B-DLV-Film) dem gegenüberliegenden Gleitmaterial angepasst und es kann sich ein beachtlich niedriges Reibungsverhalten zeigen. Auch zeigt die 12 eine Beziehung zwischen der Schichtdicke und dem Reibungskoeffizienten der Proben 5 und 6. Es wird der 12 entnommen, dass die niedrige Reibung ausreichend erreicht werden kann, wenn die Schichtdicke wie bei den Proben 5 und 6 innerhalb eines geeigneten Bereichs liegt, wobei die äußerste Schicht den speziellen B-DLC enthält.
[Tabelle 1A]
Tabellel 1B]
[Tabelle 2]
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ra/JIS B0601: '01 [0009]
JIS SCM420 [0049]
JIS SUS440C [0049]
JIS B0601: '01 [0049]
SAE4620 [0057]

Claims

Gleitelement umfassend: ein Basismaterial; und einen Gleitfilm, der eine Oberfläche des Basismaterials bedeckt und eine Gleitfläche bildet, wobei das Gleitelement bei Anwesenheit von Schmieröl in einem benetzten Zustand verwendet wird; der Gleitfilm einen laminierten Film umfasst, wobei der laminierte Film umfasst: eine untergelegte, auf der Oberfläche des Basismaterials ausgebildete Schicht; und eine äußerste Schicht, die auf wenigstens einem Teil der untergelegten Schicht ausgebildet ist, die äußerste Schicht einen speziellen, Bor enthaltenden amorphen Kohlenstoff (nachfolgend als „spezieller B-DLC” bezeichnet) enthält, der spezielle B-DLC 4–50% Bor (B) und 5 bis 50% Wasserstoff (H), wenn die äußerste Schicht insgesamt mit 100% angesetzt wird, das Gleitelement ein Schichtdickenverhältnis (T1/R2) von 3 bis 200 aufweist, wobei das Schichtdickenverhältnis (T1/R2) definiert ist als das Verhältnis einer Schichtdicke (T1) der äußersten Schicht zu einer Oberflächenrauheit (R2) auf der Basis einer arithmetischen Durchschnittsrauheit (Ra) der untergelegten Schicht.
Gleitelement nach Anspruch 1, bei welchem das Schichtdickenverhältnis 5,8 bis 37,5 beträgt.
Gleitelement nach Anspruch 2, bei welchem das Schichtdickenverhältnis 12,6 bis 23,3 beträgt.
Gleitelement nach Anspruch 1, bei welchem die äußerste Schicht einen speziellen B-DLC umfasst, der 23 bis 50% B und 26 bis 50% H umfasst, wenn die äußerste Schicht insgesamt 100% ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die untergelegte Schicht Nitrid, Karbid, oder harten, amorphen Kohlenstoff, härter als die äußerste Schicht umfasst.
Gleitelement nach Anspruch 5, bei welchem der harte, amorphe Kohlenstoff der untergelegten Schicht Silizium enthaltender amorpher Kohlenstoff ist (nachfolgend als ein „Si-DLC” bezeichnet) der Silizium (Si) enthält.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Oberflächenrauheit der untergelegten Schicht 0,1 Mikrometer oder mehr als die Ra ist.
Gleitende Maschine umfassend: ein Paar Gleitelemente mit gleitenden Oberflächen, die einander zugewandt sind und sich relativ zueinander bewegen können; und Schmieröl, das zwischen die einander zugewandten Gleitflächen eingefügt werden kann, wobei wenigstens eines der Gleitelemente das Gleitelement umfasst, das in einem der Ansprüche 1 bis 7 genannt ist.