DE102016113664A1

DE102016113664A1 - Gleitelement, Gegenstück dazu und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102016113664A1
Application number: DE102016113664.6A
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi MANABE; Noritsugu Umehara; Hiroyuki Kousaka; Takafumi Hattori
Original assignee: Nagoya University NUC; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nagoya University NUC; Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2017-02-02
Also published as: JP2017025396A; US20170029932A1; JP6298019B2

Abstract

Es wird ein Herstellungsverfahren für ein Gleitelement vorgeschlagen, das einen Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm (CNx-Film) (12) aufweist, der auf einer Fläche eines Substrats (11) ausgebildet ist, wobei eine Fläche des CNx-Films (12) als Gleitfläche wirkt, und das in einer Umgebung gleitet, in der Schmiermittel vorhanden ist. Der Stickstoffhaltige CNx-Film (12) wird gebildet, indem Kohlenstoff mittels eines gefilterten Lichtbogenbeschichtungsverfahrens bzw. Lichtbogenverdampfungsverfahrens auf die Fläche des Substrats aufgebracht wird während ein Stickstoffionenstrahl (B2) in Richtung zur Fläche des Substrats (11) ausgestrahlt wird, so dass ein Stickstoffgehalt des CNx-Films (12) 2 at% bis 11 at% ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Gleitelement, bei dem ein Stickstoffhaltiger amorpher Kohlenstofffilm auf einer Gleitfläche ausgebildet ist, ein Gegenstück für ein Gleitelement, bei dem ein Stickstoffhaltiger amorpher Kohlenstofffilm auf einer Fläche desselben ausgebildet ist, sowie ein Herstellungsverfahren hierfür. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Gleitelement, bei dem eine Fläche des amorphen Kohlenstofffilms als Gleitfläche wirkt, und das in einer Umgebung gleiten kann, in der Schmiermittel auf der Gleitfläche vorhanden ist, ein Gegenstück für ein Gleitelement sowie ein Herstellungsverfahren hierfür.
2. Stand der Technik
Tribologie bzw. Reibungslehre spielt eine wichtige Rolle in der Schlüsselindustrie von Japan, beispielsweise der Automobilindustrie. In der Automobilindustrie werden beispielsweise für den globalen Umweltschutz verschiedene Anstrengungen unternommen, um den Kohlendioxidausstoß von Fahrzeugen zu verringern. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Entwicklung einer Leistungsquelle mit hoher Energieeffizienz, beispielsweise ein Hybridsystem. Zur weiteren Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und zur Weiterentwicklung einer Leistungsquelle ist jedoch die Verringerung von Energieübertragungsverlusten, die durch Reibung in einer Brennkraftmaschine oder einem Antriebssystem verursacht werden, ein wichtiger Ansatzpunkt.
Amorphe Kohlenstoffmaterialien (DLC) erfahren als neue tribologische Materialien zum Beschichten der Gleitfläche eines Gleitelements aus Formstahl oder hochlegiertem Stahl zur Verringerung des Reibungskoeffizienten des Gleitelements in einer Leistungssystemvorrichtung und zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit Aufmerksamkeit.
Als ein Bespiel eines Herstellungsverfahrens für ein Gleitelement, das ein derartiges amorphes Kohlenstoffmaterial nutzt, schlägt die japanische Patentanmeldung JP 2013-057093 A ein Herstellungsverfahren für ein Gleitelement vor, bei dem ein Stickstoffhaltiger amorpher Kohlenstofffilm auf der Fläche bzw. Oberfläche eines Substrats ausgebildet wird. Bei diesem Herstellungsverfahren wird ein Elektronenstrahl auf eine Kohlenstoffvorgabe bzw. ein Kohlenstoffziel (carbon target) gestrahlt, um eine Mehrzahl von Vorsprüngen auf der Oberfläche des amorphen Kohlenstofffilms zu bilden, während ein Stickstoffionenstrahl auf die Fläche des Substrats gestrahlt wird, so dass der amorphe Kohlenstofffilm gebildet wird, während vom Kohlenstoffziel verdampfte Kohlenstoffpartikel auf der Fläche des Substrats angelagert werden.
Dementsprechend werden mehrere Vorsprünge auf der Fläche des amorphen Kohlenstofffilms des so erhaltenen Gleitelements gebildet, und die Vorsprünge sind weicher als die übrige Fläche des amorphen Kohlenstofffilms ohne die Vorsprünge. Auf der Fläche des amorphen Kohlenstofffilms ist die Härte eines jeden Vorsprungs 12 GPa oder weniger und die Härte der übrigen Fläche ist in einem Bereich von 14 GPa bis 30 GPa. Wie vorstehend beschrieben ist, können durch das Ausbilden weicher Vorsprünge auf der Fläche des amorphen Kohlenstofffilms die Reibungseigenschaften des Gleitelements in einem nicht geschmierten Zustand verbessert werden.
Wenn das in der JP 2013-057093 A offenbarte Gleitelement jedoch in einer Hochlastumgebung verwendet wird, in welcher ein Schmiermittel vorhanden ist, kann die Bildung eines Ölfilms auf der Gleitfläche durch die auf der Gleitfläche gebildeten Vorsprünge behindert werden. Daher steigt der Verschleiß des Gleitelements während des Gleitens und es steht zu befürchten, dass der Reibungskoeffizient des Gleitelements ansteigen kann.
Da zudem die Vorsprünge relativ große Kohlenstoffpartikel (Tröpfchen) sind, die während der Filmbildung anhaften und vom Kohlenstoffziel stammen, sind auch nach der Abnutzung der Vorsprünge nach dem Gleiten weiche Teile im amorphen Kohlenstofffilm vorhanden. Als Ergebnis nimmt, wenn das Gleitelement in einer Hochlastumgebung gleiten soll, der Verschleiß des Gleitelements auch in einer Umgebung zu, in der ein Schmiermittel vorhanden ist.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft ein Gleitelement, bei dem der Verschließ und der Reibungskoeffizient eines auf der Gleitfläche des Gleitelements ausgebildeten amorphen Kohlenstofffilms verringert werden können, selbst wenn das Gleitelement unter Hochlastbedingungen gleitet, wo ein Schmiermittel vorhanden ist, ein Gegenstück für ein Gleitelement, bei dem der Verschließ und der Reibungskoeffizient eines auf einer Gleitfläche des Gegenstücks ausgebildeten amorphen Kohlenstofffilms verringert werden können, selbst wenn das Gleitelement unter Hochlastbedingungen gleitet, sowie ein Herstellungsverfahren hierfür.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Gleitelement, das einen Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm aufweist, der auf einer Fläche eines Substrats ausgebildet ist, wobei eine Fläche des amorphen Kohlenstofffilms als Gleitfläche wirkt, und das in einer Umgebung verwendet wird, in der Schmiermittel auf der Gleitfläche vorhanden ist. Bei dem Verfahren wird der Stickstoffhaltige amorphe Kohlenstofffilm auf dem Substrat ausgebildet, indem Kohlenstoff mittels eines gefilterten Lichtbogenbeschichtungsverfahrens bzw. Lichtbogenverdampfungsverfahrens auf die Fläche des Substrats aufgebracht wird während ein Stickstoffionenstrahl in Richtung zur Fläche des Substrats ausgestrahlt wird, so dass ein Stickstoffgehalt des amorphen Kohlenstofffilms 2 at% bis 11 at% ist.
Erfindungsgemäß kann Kohlenstoff auf die Fläche des Substrats aufgebracht werden, während grobe Kohlenstoffpartikel durch magnetische Ablenkfelder, die bei dem gefilterten Lichtbogenbeschichtungsverfahren (filtered arc deposition method; FAD-Verfahren) erzeugt werden, separiert werden. Dementsprechend kann ein amorpher Kohlenstofffilm mit einer glatten Oberfläche (Gleitfläche) ohne Tröpfchen auf der Fläche bzw. Oberfläche des Substrats erhalten werden. Zudem ist der amorphe Kohlenstofffilm, der aus Kohlenstoff in Form eines Plasmas durch das Lichtbogenbeschichtungsverfahren gebildet wird, ein härterer Film als derjenige, der beispielsweise durch das in der JP 2013-057093 A beschriebene Verfahren ausgebildet wird, und der Film hat einen Stickstoffgehalt von 2 at% bis 11 at%.
Wenn das Gleitelement, auf dem der amorphe Kohlenstofffilm ausgebildet ist, gleitet, wird Stickstoff in der als Gleitfläche dienenden Fläche des amorphen Kohlenstofffilms freigesetzt und eine Graphitartige Strukturübergangsschicht wird auf der Gleitfläche gebildet. Selbst wenn somit das Gleitelement in einer Hochlastumgebung gleitet, in der ein Schmiermittel vorhanden ist, wird durch die Strukturübergangsschicht der Reibungskoeffizient des Gleitelements verringert.
Insbesondere ist in dem amorphen Kohlenstofffilm die Unterschicht der während des Gleitens ausgebildeten Strukturübergangsschicht eine harte Schicht, die härter ist als die des Standes der Technik. Daher gibt es eine große Härtedifferenz zwischen der Strukturübergangsschicht und der harten Schicht. Daher tritt während des Gleitens ein adaptiver Effekt der Strukturübergangsschicht deutlicher auf und das Gleitelement zeigt einen geringen Reibungskoeffizienten und hat eine erhöhte Verschleißfestigkeit.
Wenn der Stickstoffgehalt des amorphen Kohlenstofffilms geringer als 2 at% ist, ist die während des Gleitens freigesetzte Stickstoffmenge gering und es ist schwierig, die vorstehend beschriebene Strukturübergangsschicht zu bilden. Daher kann keine ausreichende Verringerung des Reibungskoeffizienten des Gleitelements erzielt werden.
Zudem ist es schwierig, einen amorphen Kohlenstofffilm auszubilden, der einen Stickstoffgehalt von mehr als 11 at% hat. Selbst wenn ein derartiger amorpher Kohlenstofffilm ausgebildet wird, ist die Härte des amorphen Kohlenstofffilms gering, so dass der adaptive Effekt der Strukturübergangsschicht, der aufgrund der Härtedifferenz zwischen der Strukturübergangsschicht und der harten Schicht auftritt, nicht ausreichend realisiert werden kann.
Das Ausbilden des amorphen Kohlenstofffilms kann derart ausgeführt werden, dass der Stickstoffgehalt 10 at% bis 11 at% ist. Wie aus von den Erfindern erstellten Beispielen hervorgeht, kann, wie später beschrieben werden wird, durch das Einstellen des Stickstoffgehalts des amorphen Kohlenstofffilms auf 10 at% bis 11 at% eine noch zuverlässigere Verringerung des Verschleißes und eine Verringerung des vorstehend beschriebenen Reibungskoeffizienten erzielt werden.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist gerichtet auf ein Herstellungsverfahren für ein Gegenstück zu einem Gleitelement, das einen Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm aufweist, der auf einer Fläche eines Substrats ausgebildet ist, und in einer Umgebung verwendet wird, in der Schmiermittel auf dem Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm vorhanden ist, auf dem das Gleitelement gleitet. Das Verfahren weist auf: Ausbilden des Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilms auf dem Substrat, indem Kohlenstoff mittels eines gefilterten Lichtbogenbeschichtungsverfahrens bzw. Lichtbogenverdampfungsverfahrens auf die Fläche des Substrats aufgebracht wird während ein Stickstoffionenstrahl in Richtung zur Fläche des Substrats ausgestrahlt wird, so dass ein Stickstoffgehalt des amorphen Kohlenstofffilms 2 at% bis 11 at% ist.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Gleitelement, das einen Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm aufweist, der auf einer Fläche eines Substrats ausgebildet ist, wobei eine Fläche des amorphen Kohlenstofffilms als Gleitfläche wirkt, und das in einer Umgebung verwendet wird, in der Schmiermittel auf der Gleitfläche vorhanden ist. Ein Stickstoffgehalt des amorphen Kohlenstofffilms ist 2 at% bis 11 at%, und eine Oberflächenhärte des amorphen Kohlenstofffilms liegt in einem Bereich von 25 GPa bis 80 GPa.
Bei dem erfindungsgemäßen Gleitelement wird, wenn das Gleitelement gleitet, Stickstoff in der als Gleitfläche fungierenden Fläche des amorphen Kohlenstofffilms freigesetzt und eine Graphitartige Strukturübergangsschicht wird auf der Gleitfläche gebildet. Selbst wenn somit das Gleitelement in einer Hochlastumgebung gleitet, in der ein Schmiermittel vorhanden ist, wird durch die Strukturübergangsschicht der Reibungskoeffizient des Gleitelements verringert.
Insbesondere ist in dem amorphen Kohlenstofffilm die Unterschicht der während des Gleitens ausgebildeten Strukturübergangsschicht eine harte Schicht mit einer Härte von 25 GPa bis 80 GPa. Daher gibt es eine große Härtedifferenz zwischen der Strukturübergangsschicht und der harten Schicht. Somit tritt während des Gleitens ein adaptiver Effekt der Strukturübergangsschicht deutlicher auf und das Gleitelement zeigt einen geringen Reibungskoeffizienten und hat eine erhöhte Verschleißfestigkeit. Bei einem amorphen Kohlenstofffilm mit einer Härte von weniger als 25 GPa kann kein durch die vorstehend beschriebene Härtedifferenz erzeugter adaptiver Effekt erwartet werden. Zudem ist es schwierig, einen amorphen Kohlenstofffilm mit einer Härte von mehr als 80 GPa auszubilden.
Die erfindungsgemäße Bezeichnung „die Oberflächenhärte des amorphen Kohlenstofffilms liegt in einem Bereich von 25 GPa bis 80 GPa” bedeutet hierbei, dass die Härte an jedem Punkt der Fläche amorphen Kohlenstofffilms in einem Bereich von 25 GPa bis 80 GPa liegt.
Der Stickstoffgehalt ist 10 at% bis 11 at%. Wie aus von den Erfindern erstellten Beispielen hervorgeht, kann, wie später beschrieben werden wird, durch das Einstellen des Stickstoffgehalts des amorphen Kohlenstofffilms auf 10 at% bis 11 at% eine noch zuverlässigere Verringerung des Verschleißes und eine Verringerung des vorstehend beschriebenen Reibungskoeffizienten erzielt werden.
Ein vierter Aspekt betrifft ein Gegenstück zu einem Gleitelement, das einen Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm aufweist, der auf einer Fläche eines Substrats ausgebildet ist, und in einer Umgebung verwendet wird, in der Schmiermittel auf dem Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm vorhanden ist, auf dem das Gleitelement gleitet. Ein Stickstoffgehalt des amorphen Kohlenstofffilms ist 2 at% bis 11 at%, und eine Oberflächenhärte des amorphen Kohlenstofffilms liegt in einem Bereich von 25 GPa bis 80 GPa.
Gemäß der Erfindung können, selbst wenn das Gleitelement unter Hochlastbedingungen, bei denen ein Schmiermittel vorhanden ist, gleitet, der Verschleiß und der Reibungskoeffizient eines amorphen Kohlenstofffilms, der auf der Gleitfläche des Gleitelements ausgebildet ist, oder eines amorphen Kohlenstofffilms, der auf der Fläche des Gegenstücks zu einem Gleitelement ausgebildet ist, verringert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer Fertigungsvorrichtung zum Herstellen eines Gleitelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2A einen Zustand eines amorphen Kohlenstofffilms des Gleitelements vor dem Gleiten;
2B den Zustand des amorphen Kohlenstofffilms des Gleitelements während des Gleitens;
3 die Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt amorpher Kohlenstofffilme gemäß Beispielen 2 bis 6, Vergleichsbeispiel 1 und Referenzbeispiel 1 sowie die Härte der amorphen Kohlenstofffilme derselben;
4A ist eine schematische Ansicht einer Kugel/Scheibe-Testvorrichtung für Reibung und Verschleiß (Kugel/Scheibe-Tribometer);
4B eine Draufsicht auf 4A;
5A die Reibungskoeffizienten der Gleitelemente (Kugelproben) gemäß der Beispiele 1 bis 6 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 bei 3000 Reibungszyklen;
5B den spezifischen Verschleiß der Gleitelemente (Kugelproben) gemäß der Beispiele 1 bis 6 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 nach einem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest;
6 die Veränderung der Reibungskoeffizienten der Gleitelemente (Kugelproben) gemäß Beispiel 4 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3;
7A die Reibungskoeffizienten der Gleitelemente (Kugelproben) gemäß Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 1 bei 3000 Reibungszyklen;
7B den spezifischen Verschleiß der Gleitelemente (Kugelproben) gemäß Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 1 nach dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest;
8A die Gleitfläche des Gleitelements (Kugelprobe) gemäß Vergleichsbeispiel 1 nach dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest;
8B die Gleitfläche des Gleitelements (Kugelprobe) gemäß Vergleichsbeispiel 4 nach dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest nach dem Gleiten;
9 eine schematische Seitenansicht einer Block/Ring-Testvorrichtung für Reibung und Verschleiß (Block/Ring-Tribometer);
10 Änderungen des Reibungskoeffizienten von Gleitelementen (Blockproben) gemäß Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 2 während eines Block/Ring-Reibungs- und Verschleißtests;
11A die Gleitfläche eines Gleitelements (Blockprobe) gemäß Vergleichsbeispiel 2 nach dem Block/Ring-Reibungs- und Verschleißtest; und
11B die Gleitfläche eines Gleitelements (Blockprobe) gemäß Vergleichsbeispiel 4 nach dem Block/Ring-Reibungs- und Verschleißtest.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden ein Gleitelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sowie ein Herstellungsverfahren hierfür beschrieben. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Fertigungsvorrichtung 50 zum Herstellen eines Gleitelements gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
Ein in dieser Ausführungsform erzeugtes Gleitelement 10 ist ein Gleitelement, bei welchem ein amorpher Kohlenstofffilm (amorpher Kohlenstoffnitritfilm, nachfolgend als CNx-Film bezeichnet) 12 mit Stickstoff auf der Fläche bzw. Oberfläche eines Substrats 11 ausgebildet ist. Das Gleitelement 10 gleitet in einer Umgebung, in der sich ein Schmiermittel auf der als Gleitfläche fungierenden Fläche des CNx-Films 12 befindet.
Bei dem Herstellungsverfahren des Gleitelements 10 gemäß dieser Ausführungsform wird Kohlenstoff mittels eines Kohlenstoffionenstrahls B1, der durch ein gefiltertes Lichtbogenbeschichtungsverfahren erzeugt wird, auf die Fläche des Substrats 11 aufgebracht, während ein Stickstoffionenstrahl B2 in Richtung zur Fläche des Substrats 11 ausgestrahlt wird, so dass der Stickstoffgehalt des CNx-Films 12 2 at% bis 11 at% wird. Dementsprechend wird der CNx-Film 12 auf der Fläche des Substrats 11 gebildet.
Wie in 1 gezeigt ist, ist die Fertigungsvorrichtung 50 die bei dieser Ausführungsform verwendet wird, eine dynamische Mischfilmausbildungsvorrichtung, bei welcher eine T-förmige gefilterte Lichtbogenbeschichtungs-Filmbildungsvorrichtung (FAD-Filmbildungsvorrichtung) 30, die üblicherweise Anwendung findet, sowie eine Mikrowellenionenquelle 41 kombiniert sind.
Nachfolgend wird das Herstellungsverfahren für das Gleitelement 10 beschrieben. Zunächst wird das Substrat 11 des Gleitelements 10 vorbereitet. Beispiele für das Material des Substrats 11 umfassen Substrate aus Stahl, Gusseisen, Aluminium, Polymerharze und Silizium. Das Material ist nicht besonders beschränkt, solange das Material eine Qualität und Oberflächenhärte hat, die das Anhaften am CNx-Film während des Gleitens gewährleisten.
Eine Zwischenschicht aus Silizium (Si) kann auch auf der Oberfläche des Substrats 11 vor der Ausbildung des CNx-Films vorgesehen werden, um die Haftung zwischen dem Substrat 11 und dem CNx-Film 12 zu verbessern, wobei anstelle von Silizium, Chrom (Cr), Titan (Ti) oder Wolfram (W) verwendet werden können.
Dann wird der CNx-Film 12 auf der Fläche des Substrats 11 unter Verwendung der Fertigungsvorrichtung 50 ausgebildet. Zunächst wird ein Kohlenstoffziel G, das als Kathode dient, an einer Stelle angeordnet, die einer Anode 33 der Filmbildungsvorrichtung 30 gegenüberliegt. Das Substrat 11, auf welchem der CNx-Film 12 ausgebildet werden soll, wird auf einem Gestell 51 angeordnet.
Anschließend wird mittels einer Stromzufuhreinheit 38 über einen Auslösewiderstand 39 eine Lichtbogenentladung am Kohlenstoffziel G erzeugt, während Argongas von einem ersten Gaszufuhranschluss 32 zugeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird aufgrund der Lichtbogenentladung ein Plasma erzeugt, so dass Kohlenstoff im Kohlenstoffziel G ionisiert wird.
Magnetfelder und elektrische Felder, die durch elektromagnetische Spulen 35a bis 35c und eine Stromquelle 34 erzeugt werden, die außerhalb einer T-förmigen Leitung 37 angeordnet sind, werden an den erhaltenen Kohlenstoffionenstrahl B1 angelegt, so dass Kohlenstoffionen über die Leitung 37 zum Substrat 11 transportiert werden. Zu diesem Zeitpunkt wird über eine Stromquelle 70 eine negative Vorspannung an das Substrat 11, das auf dem Gestell 51 gelagert ist, angelegt. Dementsprechend wird durch das gefilterte Lichtbogenbeschichtungsverfahren eine Kohlenstoffionenstrahlbeschichtung auf dem Substrat 11 ausgeführt.
Wenn die Kohlenstoffionenstrahlbeschichtung auf dem Substrat 11 ausgeführt wird, wird der Fertigungsvorrichtung 50 Stickstoffgas von einem zweiten Gaszufuhranschluss 52 zugeführt, und der Stickstoffionenstrahl B2 wird unter Verwendung der Mikrowellenionenquelle 41 in Richtung zur Fläche des ausgebildeten Substrats 11 ausgestrahlt. Dementsprechend kann der CNx-Film 12, in dem amorpher Kohlenstoff mit Stickstoff dotiert ist, leicht auf der Oberfläche des Substrats 11 ausgebildet werden. Durch Steuern des Partialdrucks von Stickstoff, der in die Fertigungsvorrichtung 50 eingebracht wird, kann der Stickstoffgehalt des CNx-Films 12 auf 2 at% bis 11 at% gebracht werden.
Obgleich dies nicht dargestellt ist, ist bei der Ausführungsform ein Rotationsmechanismus am Gestell vorgesehen, um einen homogeneren CNx-Film 12 auszubilden, und die Rotation eines Motors, der mit dem Rotationsmechanismus verbunden ist, wird auf das Substrat 11 übertragen, das von einem Kohlenstofflager mittels einer Feder gelagert ist.
Bei dieser Ausführungsform werden grobe Kohlenstoffpartikel, die vom Kohlenstoffziel G stammen und während der Lichtbogenentladung erzeugt werden, durch magnetische Ablenkfelder separiert, die in der Leitung 37 durch die elektromagnetischen Spulen 35A bis 35C erzeugt werden, so dass sie in einem Tröpfchensammelabschnitt 36 der T-förmigen Leitung 37 gesammelt werden (μ-TFAD-Verfahren). Dementsprechend wird ein glatter CNx-Film 12, der keine groben Partikel (Tröpfchen) enthält, auf der Fläche des Substrats 11 ausgebildet.
Zudem wird der ausgebildete CNx-Film 12 ein wasserstofffreier harter Film, bei dem das Verhältnis von sp³-Verbindungen hoch ist. Insbesondere wird die Filmdichte des CNx-Films unabhängig davon, ob der Stickstoffgehalt des CNx-Films 12 2 at% bis 11 at% ist, in einem Bereich von 2,3 g/cm³ bis 3,5 g/cm³, wenn die Oberflächenhärte des CNx-Films in einem Bereich von 25 GPa bis 80 GPa liegt.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird bei dieser Ausführungsform das Anlagern von Kohlenstoff durch den Kohlenstoffionenstrahl (gefilterter Lichtbogenplasmastrahl) B1 durch das gefilterte Lichtbogenbeschichtungsverfahren sowie das Bestrahlen mit dem Stickstoffionenstrahl B2 unter Verwendung der Mikrowellenionenquelle 41 simultan an dem auf dem Gestell 51 abgelagerten Substrat 11 ausgeführt. Wie in 2A dargestellt ist, wird daher ein hochfester CNx-Film 12 mit einer glatten Oberfläche ohne Tröpfchen ausgebildet, der Stickstoff enthält.
Wie in 2B gezeigt ist, wird, wenn das Gleitelement 10 mit dem CNx-Film 12 gleitet, Stickstoff in der Fläche des CNx-Films 12, die als Gleitfläche dient, freigesetzt, und eine Graphitartige Strukturübergangsschicht 12a (mit einer Schichtdicke von 10 nm bis 20 nm) wird auf der Gleitfläche ausgebildet.
Insbesondere wird bei einem Prozess zum Ausbilden der Strukturübergangsschicht 12a, die zum Aufbrechen der Verbindung eines jeden Elements im CNx-Film 12 benötigte Energie durch Reibung mit einem Gegenstück 13 zur Verfügung gestellt. Nicht gebundene Atome die nicht gebunden sind, da die Bindung gebrochen ist, werden wiederholt gebunden. Dementsprechend werden Stickstoffatome zu Stickstoffgas und zur Außenseite des CNx-Films 12 freigesetzt, und Kohlenstoff bildet eine C=C-Verbindung (Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelverbindung) und verbleibt im CNx-Film 12.
Als Ergebnis wird, wenn das Gleitelement 10 in einer Hochlastumgebung gleitet, in der ein Schmiermittel vorhanden ist, da die Graphitartige Strukturübergangsschicht 12a auf der Gleitfläche ausgebildet ist, die Strukturübergangsschicht 12a eine adaptive Schicht und der Reibungskoeffizient des Gleitelements 10 wird verringert.
Darüber hinaus ist in dem CNx-Film 12 die Unterschicht der Strukturübergangsschicht 12a, die während des Gleitens ausgebildet wird, eine harte Schicht (Unterschicht) 12b, die härter ist als der CNx-Film, der bei dem vorstehend beschriebenen Filmbildungsverfahren ausgebildet wurde (insbesondere hat diese eine Härte von 25 GPa bis 80 GPa). Daher gibt es eine große Härtedifferenz zwischen der Strukturübergangsschicht 12a und der harten Schicht 12b. Als Ergebnis ist der adaptive Effekt der Strukturübergangsschicht 12a während des Gleitens deutlich spürbarer und das Gleitelement 10 zeigt einen niedrigen Reibungskoeffizienten und hat einen erhöhten Verschleißwiderstand.
In einem Fall, bei dem der Stickstoffgehalt des CNx-Films 12 kleiner als 2 at% ist, ist die Menge des während des Gleitens freigesetzten Stickstoffs gering, und es ist schwierig, die vorstehend beschriebene Strukturübergangsschicht 12a auszubilden. Eine Verringerung des Reibungskoeffizientens des Gleitelements 10 kann somit nicht in ausreichender Weise erzielt werden. Überdies ist es schwierig, einen CNx-Film auszubilden, der einen Stickstoffgehalt von mehr als 11 at% hat. Selbst wenn ein derartiger CNx-Film ausgebildet wird, kann der adaptive Effekt der Strukturübergangsschicht 12a, der aufgrund der Härtedifferenz zwischen der Strukturübergangsschicht 12a und der harten Schicht 13b auftritt, nicht in geeigneter Weise erzielt werden.
Darüber hinaus kann bei einem amorphen Kohlenstofffilm mit einer Härte von weniger als 25 GPa der wie vorstehend beschrieben durch die Härtedifferenz erzielte adaptive Effekt nicht erwartet werden. Es ist zudem schwierig, einen amorphen Kohlenstofffilm mit einer Härte von mehr als 80 GPa auszubilden.
Insbesondere in einem Fall, bei dem der Stickstoffgehalt des CNx-Films 12 10 at% bis 11 at% ist, wie in dieser Ausführungsform, kann eine zuverlässige Verringerung des Verschleißes sowie des Reibungskoeffizienten erzielt werden.
Nachfolgend werden Beispiele der Erfindung beschrieben.
(Beispiel 1)
<Herstellung eines Gleitelements>
Unter Verwendung eines dynamischen Mischverfahrens, bei dem ein gefiltertes Lichtbogenplasmastrahlverfahren (FAD-Verfahren) und eine Stickstoffionenstrahlbeschickung unter Verwendung einer Mikrowellenionenquelle kombiniert werden, wurde ein Stickstoffhaltiger amorpher Kohlenstofffilm (CNx-Film) auf einem Substrat ausgebildet. Während der Filmbildung wurde die gleiche Filmbildungsvorrichtung wie die der vorstehend beschriebenen Filmbildungsvorrichtung aus 1 verwendet.
Hierbei wurde als Substrat ein Substrat (SUJ2 gemäß JIS Standards), das der Form einer Probe entspricht, die später beschrieben wird, vorbereitet. Das Substrat und ein Kohlenstoffziel wurden in einer Vakuumkammer angeordnet, und die Luft in der Vakuumkammer wurde durch eine Turbomolekularpumpe evakuiert, um das Innere der Kammer auf 2,0 bis 4,0 × 10^–3 Pa zu bringen. Zudem wurde Kühlwasser bei 20°C in dem Gestell zirkuliert, auf dem das Substrat angeordnet war, so dass die Temperatur des Substrats auf einem konstanten Wert gehalten wurde.
Anschließend wurde eine Stickstoffionenstrahlerzeugungsquelle eingestellt, so dass die Strömungsrate des Stickstoffgases, das in eine Stickstoffionenerzeugungsquelle eingebracht wurde, 0,44 sccm war, der Partialdruck bei 3,07 × 10^–2 Pa lag, die Beschleunigungsspannung der Stickstoffhilfsionen eine Beschleunigungsspannung von – 100 V (48 mA) war und die Mikrowellenausgabe der Stickstoffhilfsionen (nitrogen assist ions) 142 W (Reflektionsausgabe von 55 W) war. Der Stickstoffionenstrahl in dem eingestellten Zustand wurde in Richtung zur Fläche des Substrats gestrahlt und Argongas strömte mit einer Strömung von 8 sccm, wodurch eine Lichtbogenentladung am Kohlenstoffziel bei einer angelegten Spannung von –100 V und einem angelegten Strom von 30 A erzeugt wurde, und ein Kohlenstoffionenstrahl, der aus dem Kohlenstoff des durch das Plasma ionisierten Kohlenstoffziels erzeugt wurde, wurde in Richtung zur Fläche des Substrats, an das die Vorspannung von –100 V angelegt wurde, für 10 Minuten aufgebracht. Dementsprechend wurde ein CNx-Film mit einer Dicke von 0,5 μm und einem Stickstoffgehalt von 2 at% auf der Fläche des Substrats ausgebildet.
(Beispiel 2)
Wie in Beispiel 1 wurde ein Gleitelement hergestellt. Der Unterschied zu Beispiel 1 ist, dass, wie in Tabelle 1 gezeigt, der Stickstoffgehalt des CNx-Films auf 4 at% eingestellt wurde, indem der Partialdruck des Stickstoffgases verändert wurde.
(Beispiel 3)
Wie in Beispiel 1 wurde ein Gleitelement hergestellt. Der Unterschied zu Beispiel 1 ist, dass, wie in Tabelle 1 gezeigt, der Stickstoffgehalt des CNx-Films auf 5 at% eingestellt wurde, indem der Partialdruck des Stickstoffgases verändert wurde.
(Beispiel 4)
Wie in Beispiel 1 wurde ein Gleitelement hergestellt. Der Unterschied zu Beispiel 1 ist, dass, wie in Tabelle 1 gezeigt, der Stickstoffgehalt des CNx-Films auf 8 at% eingestellt wurde, indem der Partialdruck des Stickstoffgases verändert wurde.
(Beispiel 5)
Wie in Beispiel 1 wurde ein Gleitelement hergestellt. Der Unterschied zu Beispiel 1 ist, dass, wie in Tabelle 1 gezeigt, der Stickstoffgehalt des CNx-Films auf 10 at% eingestellt wurde, indem der Partialdruck des Stickstoffgases verändert wurde.
(Beispiel 6)
Wie in Beispiel 1 wurde ein Gleitelement hergestellt. Der Unterschied zu Beispiel 1 ist, dass, wie in Tabelle 1 gezeigt, der Stickstoffgehalt des CNx-Films auf 11 at% eingestellt wurde, indem der Partialdruck des Stickstoffgases verändert wurde.
(Vergleichsbeispiel 1)
Wie in Beispiel 1 wurde ein Gleitelement hergestellt. Der Unterschied zu Beispiel 1 ist darin, dass ein CNx-Film durch ein Ionenstrahlunterstütztes Beschichtungsverfahren (IBAD-Verfahren), das in der JP 2013-057093 A beschrieben ist, hergestellt wurde, indem der Stickstoffgehalt des CNx-Films auf 7,4 at% eingestellt wurde, wie in Tabelle 1 gezeigt ist.
Insbesondere wurde ein Stickstoffionenstrahl auf die Fläche eines Substrats geschickt, und ein Elektronenstrahl, der derart eingestellt war, dass die Ausgabeleistung des Elektronenstrahls für die Elektronenstrahlbeschichtung eine Spannung von 10 kV hatte, wurde in Richtung zum Kohlenstoffziel gestrahlt, um einen Teil des Kohlenstoffziels zu schmelzen und zu verdampfen, so dass der verdampfte Anteil des Kohlenstoffziels auf die Oberfläche des Substrats, das mit dem Stickstoffionenstrahl bestrahlt wurde, aufgebracht wurde. Zudem war es in Vergleichsbeispiel 1 schwierig, den Stickstoffgehalt zu steuern, und der Stickstoffgehalt wurde auf einem konstanten Wert gehalten.
(Vergleichsbeispiel 2)
Es wurde ein Gleitelement (hergestellt durch NIPPON ITF, INC.) vorbereitet, bei welchem ein amorpher Kohlenstofffilm (DLC-Film), der keinen Stickstoff jedoch Wasserstoff enthielt, mittels eines PVD-Verfahrens auf der Oberfläche des Substrat ausgebildet wurde.
(Vergleichsbeispiel 3)
Wie in Beispiel 1 wurde ein Gleitelement hergestellt. Der Unterschied zu Beispiel 1 ist, dass ein amorpher Kohlenstofffilm (DLC-Film), der keinen Stickstoff enthielt, durch ein Lichtbogenionenplattierungsverfahren (AIP-Verfahren) ausgebildet wurde, wie in Tabelle 1 gezeigt ist.
(Referenzbeispiel 1)
Wie in Beispiel 1 wurde ein Gleitelement hergestellt. Der Unterschied zu Beispiel 1 ist, dass kein Stickstoffionenstrahl ausgestrahlt wurde und ein amorpher Kohlenstofffilm (DLC-Film), in dem der Stickstoffgehalt der Fläche des Substrats 0 at% war, d. h. kein Stickstoff enthalten war, ausgebildet wurde.
[Tabelle 1]
<Härtetest>
Die Härte des CNx-Films der Gleitelemente gemäß der Beispiele 2 bis 6 und des Vergleichsbeispiels 1 sowie des DLC-Films gemäß Referenzbeispiel 1 wurden gemessen. Insbesondere wurde eine Lastverschiebungskurve für einen Fall, bei dem die Eindrückhärte der Flächen durch ein von Hysitron, Inc. hergestelltes AFM-Nanostempelgerät gemessen wurde, erstellt, eine Projektionsfläche einer Eindrückkerbe aufgrund der plastischen Verformung wurde anhand der Lastverschiebungskurve berechnet, und die Härte wurde durch Dividieren der maximalen Eindrücklast durch die Projektionsfläche der Eindrückkerbe bestimmt.
[Ergebnis 1]
Im Ergebnis nahm, wie in Referenzbeispiel 1 und den Beispielen 2 bis 6 beschrieben, die Härte des Films ab, wenn der Stickstoffgehalt zunahm. Im Vergleich zum CNx-Film jedoch, der durch das IBAD-Verfahren wie im Vergleichsbeispiel 1 erzeugt wurde, ist ersichtlich, dass die Härte beim gleichen Stickstoffgehalt um das Fünffache zugenommen hat.
Zudem ist aus den Ergebnissen von Referenzbeispiel 1 und den Beispielen 2 bis 6 ersichtlich, dass, wenn der CNx-Film mit einem Stickstoffgehalt von 2 at% bis 11 at% ausgebildet wurde, CNx-Filme mit einer Härte von etwa 25 GPa bis 80 GPa ausgebildet werden konnten (siehe 3).
<Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest 1>
Ein Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest wurde unter Verwendung einer Testvorrichtung, die in den 4A und 4B gezeigt ist, ausgeführt. Kugelproben für die Gleitelemente gemäß der Beispiele 1 bis 6 und Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden vorbereitet. Insbesondere wurden die CNx-Filme und DLC-Filme entsprechend der Beispiele 1 bis 6 und Vergleichsbeispiele 1 und 2 auf SUJ2 (JIS-Standards) konformen kugelartigen Körpern mit einem Durchmesser von 8 mm ausgebildet. Eine SUJ2-konforme Scheibenprobe wurde als Gegenstück vorbereitet.
Anschließend wurde, wie in den 4A und 4B gezeigt ist, die Kugelprobe an einem Kugelhalter angebracht und an einem Stab mit einem daran angebrachten Dehnungsmesser befestigt. Der Stab wurde in vertikale Richtung bewegt, so dass das vordere Ende der Kugelprobe mit der Fläche der Scheibenprobe, die auf einem drehenden Gestell angebracht wurde, in Kontakt kam, um eine Nennlast aufzubringen. Dieser Test wurde in einer Umgebung ausgeführt, in der ein Schmiermittel (PAO) auf der Gleitfläche vorhanden war, indem die Nennlast auf 0,3 N (ein Hertzscher Kontaktdruck von etwa 150 MPa bis 250 MPa) und eine Gleitgeschwindigkeit von 3,14 × 10^–2 m/s eingestellt wurde.
Die Reibungskraft zu dieser Zeit wurde durch eine Kraftmessdose gemessen und die Reibungskoeffizienten der Gleitelemente (Kugelproben) der Beispiele 1 bis 6 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden anhand eines Werts berechnet, der durch Dividieren der Reibungskraft durch die Nennlast bestimmt wurde. Darüber hinaus wurde der spezifische Verschleiß der Gleitelemente (Kugelproben) der Beispiele 1 bis 6 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 gemessen. Die Ergebnisse sind in den 5A und 5B sowie Tabelle 1 dargestellt.
5A zeigt die Reibungskoeffizienten der Gleitelemente (Kugelproben) entsprechend der Beispiele 1 bis 6 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 bei 3000 Reibungszyklen. 5B zeigt den spezifischen Verschleiß der Gleitelemente (Kugelproben) entsprechend der Beispiele 1 bis 6 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 nach dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest.
[Ergebnis 2]
Wie in den 5A und 5B gezeigt ist, waren die Reibungskoeffizienten und der spezifische Verschleiß der Gleitelemente der Beispiele 1 bis 6 niedriger als der der Vergleichsbeispiele 1 und 2. Darüber hinaus nahmen die Reibungskoeffizienten und der spezifische Verschleiß der Gleitelemente der Beispiele 1 bis 3 in dieser Reihenfolge zu. Das bedeutet, in einem Fall, bei dem der Stickstoffgehalt 2 at% bis 5 at% war, stieg sowohl der Reibungskoeffizient als auch der spezifische Verschleiß mit einer Zunahme des Stickstoffgehalts an.
Das Gleitelement gemäß Beispiel 4 hatte den höchsten Reibungskoeffizienten und die Reibungskoeffizienten der Gleitelemente 4 bis 6 nahmen in dieser Reihenfolge ab. Der spezifische Verschleiß derselben war niedriger als der der Beispiele 1 bis 3. Das bedeutet, wenn der Stickstoffgehalt 8 at% bis 11 at% war, hatte der Reibungskoeffizient die Tendenz abzunehmen, wenn der Stickstoffgehalt zunahm, und der spezifische Verschleiß blieb im Wesentlichen konstant.
Anhand dieser Ergebnisse kann abgelesen werden, dass, wie in den Beispielen 4 bis 6 gezeigt ist, wenn der Stickstoffgehalt des CNx-Films in einem Bereich von 2 at% bis 11 at% ist, der Reibungskoeffizient und der spezifische Verschleiß der Gleitelemente abnahmen. Wie zudem aus den Beispielen 5 und 6 ersichtlich ist, kann davon ausgegangen werden, dass, wenn der Stickstoffgehalt des CNx-Films bei 10 at% bis 11 at% lag, ein niedriger Reibungskoeffizient und ein hierzu kompatibler Verschleißwiderstand erzielt werden konnten.
<Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest 2>
Ein Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest 2 wurden bei den Gleitelementen gemäß Beispiel 4 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 auf die gleiche Weise wie bei dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest 1 ausgeführt. Der Unterschied zum Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest 1 ist, dass die CNx-Filme und der DLC-Film dieser Beispiele nicht nur auf den Kugelproben (Gleitelementen) sondern auch auf den Scheibenproben (Gleitelementen) ausgebildet wurden.
Die Änderungen der Reibungskoeffizienten der Gleitelemente gemäß Beispiel 4 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in 6 dargestellt. 6 zeigt die Änderung des Reibungskoeffizienten der Gleitelemente von Beispiel 4 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 3.
Darüber hinaus wurden die Reibungskoeffizienten und der spezifische Verschleiß der Gleitelemente gemäß Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 4 gemessen. Die Ergebnisse sind in den 7A und 7B gezeigt. 7A zeigt die Reibungskoeffizienten der Gleitelemente (Kugelproben) gemäß Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel bei 3000 Reibungszyklen. 7B zeigt den spezifischen Verschleiß der Gleitelemente (Kugelproben) gemäß Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 1 nach dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest.
<Oberflächenbetrachtung>
Die Gleitflächen der Gleitelemente nach Beispiel 4 und dem Vergleichsbeispiel 1 nach dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest wurden betrachtet. Die Ergebnisse sind in den 8A und 8B gezeigt. 8A zeigt die Gleitfläche des Gleitelements (Scheibenprobe) gemäß Vergleichsbeispiel nach dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest und 8B zeigt die Gleitfläche des Gleitelements (Scheibenprobe) gemäß Beispiel 4 nach dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest.
[Ergebnis 3]
Wie in 6 gezeigt ist, waren die Reibungskoeffizienten der Gleitelemente gemäß Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 1, bei welchen der Stickstoffhaltige amorphe Kohlenstofffilm (CNx-Film) ausgebildet war, geringer als jene der Gleitelemente der Vergleichsbeispiele 2 und 3, in welchen der amorphe Kohlenstoffilm (DLC-Film) keinen Stickstoff enthielt.
Zudem nahm, obgleich der Reibungskoeffizient des Gleitelements von Beispiel 4 unmittelbar nach dem Start des Tests höher war als der des Vergleichsbeispiels 1 der Reibungskoeffizient des Gleitelements gemäß Beispiel 4 über die Zeit ab. Wie ferner in den 6 und 7A gezeigt ist, war der Reibungskoeffizient des Gleitelements gemäß Beispiel 4 nach 3000 Reibungszyklen niedriger als der des Vergleichsbeispiels 1.
Wie in 7B gezeigt ist, war der spezifische Verschleiß des Gleitelements nach Beispiel 4 niedriger als der des Vergleichsbeispiels 1. Wie in 8A gezeigt ist, war der CNx-Film des Gleitelements von Vergleichsbeispiel 1 zum Ende des Tests verschlissen. Jedoch war, wie in 8B gezeigt ist, der CNx-Film des Gleitelements gemäß Beispiel 4 nicht verschlissen und zum Ende des Tests noch vorhanden.
Wie ferner in Tabelle 1 gezeigt ist, war, bei dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest 1, da der CNx-Film nur auf der Kugelprobe gemäß Beispiel 4 ausgebildet war, der spezifische Verschleiß derselben 1/20 von dem des DLC-Films gemäß Vergleichsbeispiel 2. Bei dem Kugel/Scheibe-Reibungs- und Verschleißtest 2 jedoch war, da der CNx-Film sowohl auf der Kugelprobe als auch auf der Scheibenprobe gemäß Beispiel 4 ausgebildet war, der spezifische Verschleiß 1/100 von dem des DLC-Films gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 in Tabelle 1.
<Block/Ring-Reibungs- und Verschleißtest>
Ein Block/Ring-Reibungs- und Verschleißtest wurde unter Verwendung einer Testvorrichtung, die in 9 gezeigt ist, ausgeführt. Blockproben der Gleitelemente gemäß Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 2 wurden vorbereitet. Wie in 9 gezeigt ist, wurde eine Ringprobe (SUJ2 nach JIS Standards) vorbereitet, eine Blockprobe wurde darauf angeordnet, und eine Nennlast wurde durch ein Gewicht mittels einer Nivelliervorrichtung auf die Blockprobe auf der Umfangsfläche der Ringprobe entlang der vertikalen Richtung aufgebracht.
In diesem Zustand wurde ein Abschnitt der Ringprobe in ein Schmiermittel (auf Ölbasis (PAO), das in einem Motoröl verwendet wird) eingetaucht, und während der Drehung der Ringprobe glitt die Ringprobe entlang der Blockprobe. Der Reibungskoeffizient wurde unter Verwendung eines Dehnungsmessers gemessen, während die Nennlast zwischen 98 N und 294 N verändert wurde (während die Last in Stufen auf 98 N, 196 N und 294 N erhöht wurde) und die Ringprobe mit einer Gleitgeschwindigkeit von 160 U/min gedreht wurde. Die Ergebnisse sind in 10 gezeigt. 10 zeigt die Änderung der Reibungskoeffizienten der Gleitelemente (Blockproben) gemäß Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 2 entsprechend der Änderung der Nennlast.
Die Flächen der Gleitelemente gemäß Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 2 nach dem Block/Ring-Reibungs- und Verschleißtest wurden unter dem Mikroskop betrachtet. Die Ergebnisse sind in den 11A und 11B gezeigt. 11A zeigt die Gleitfläche des Gleitelements (Blockprobe) gemäß Vergleichsbeispiel 2 nach dem Block/Ring-Reibungs- und Verschleißtest und 11B zeigt die Gleitfläche des Gleitelements (Blockprobe) gemäß Beispiel 4 nach dem Block/Ring-Reibungs- und Verschleißtest.
[Ergebnis 4]
Das Gleitelement gemäß Beispiel 4 war, wie in Ergebnis 2 beschrieben ist, das Gleitelement mit dem höchsten Reibungskoeffizienten von den anderen Beispielen. Unabhängig davon war der Reibungskoeffizient desselben jedoch bei jeder Last niedriger als der des Vergleichsbeispiels 2. Zudem war, wie aus den 11A und 11B ersichtlich ist, der Verschleiß (die Verschleißtiefe) des Gleitelements gemäß Beispiel 4 niedriger als der des Vergleichsbeispiels 2. Es ist davon auszugehen, dass dies an den vorstehend Bezug nehmend auf die 2A und 2B beschriebenen Gründen liegt.
Da der CNx-Film des Gleitelements gemäß Beispiel 4 im Gegensatz zum DLC-Film des Gleitelements gemäß Vergleichsbeispiel 2 keinen Wasserstoff enthielt, kann insbesondere davon ausgegangen werden, dass dessen Härte hoch war, die Dichte der baumelnden Verbindungen (getrennten Verbindungen) hoch war und das Ansprechverhalten auf Additive und dergleichen im Schmiermittel exzellent war.
Obgleich vorstehend eine Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben wurde, sind die spezifischen Ausführungen nicht auf diese Ausführungsform und die Beispiele beschränkt, und Änderungen in der Ausgestaltung gelten als von der Erfindung umfasst, ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen. Zudem kann das erfindungsgemäße Gleitelement als Motorkomponente in einem Fahrzeug und als Antriebsstrangkomponente wie beispielsweise ein Getriebe verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013-057093 A [0004, 0006, 0010, 0072]

Claims

Herstellungsverfahren für ein Gleitelement, das einen Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm (12) aufweist, der auf einer Fläche eines Substrats (11) ausgebildet ist, wobei eine Fläche des amorphen Kohlenstofffilms (12) als Gleitfläche wirkt, und das in einer Umgebung verwendet wird, in der Schmiermittel auf der Gleitfläche vorhanden ist, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden des Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilms (12) auf dem Substrat (11), indem Kohlenstoff mittels eines gefilterten Lichtbogenbeschichtungsverfahrens auf die Fläche des Substrats aufgebracht wird während ein Stickstoffionenstrahl in Richtung zur Fläche des Substrats (11) ausgestrahlt wird, so dass ein Stickstoffgehalt des amorphen Kohlenstofffilms (12) 2 at% bis 11 at% ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausbilden des amorphen Kohlenstofffilms (12) derart ausgeführt wird, dass der Stickstoffgehalt 10 at% bis 11 at% ist.
Herstellungsverfahren für ein Gegenstück zu einem Gleitelement, das einen Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm (12) aufweist, der auf einer Fläche eines Substrats (11) ausgebildet ist, und in einer Umgebung verwendet wird, in der Schmiermittel auf dem Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm vorhanden ist, auf dem das Gleitelement gleitet, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden des Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilms (12) auf dem Substrat (11), indem Kohlenstoff mittels eines gefilterten Lichtbogenbeschichtungsverfahrens auf die Fläche des Substrats aufgebracht wird während ein Stickstoffionenstrahl in Richtung zur Fläche des Substrats (11) ausgestrahlt wird, so dass ein Stickstoffgehalt des amorphen Kohlenstofffilms (12) 2 at% bis 11 at% ist.
Gleitelement, das einen Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm (12) aufweist, der auf einer Fläche eines Substrats (11) ausgebildet ist, wobei eine Fläche des amorphen Kohlenstofffilms (12) als Gleitfläche wirkt, und das in einer Umgebung verwendet wird, in der Schmiermittel auf der Gleitfläche vorhanden ist, wobei: ein Stickstoffgehalt des amorphen Kohlenstofffilms (12) 2 at% bis 11 at% ist, und eine Oberflächenhärte des amorphen Kohlenstofffilms (12) in einem Bereich von 25 GPa bis 80 GPa liegt.
Gleitelement nach Anspruch 4, wobei der Stickstoffgehalt 10 at% bis 11 at% ist.
Gegenstück zu einem Gleitelement, das einen Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm (12) aufweist, der auf einer Fläche eines Substrats (11) ausgebildet ist, und in einer Umgebung verwendet wird, in der Schmiermittel auf dem Stickstoffhaltigen amorphen Kohlenstofffilm vorhanden ist, auf dem das Gleitelement gleitet, wobei: ein Stickstoffgehalt des amorphen Kohlenstofffilms (12) 2 at% bis 11 at% ist, und eine Oberflächenhärte des amorphen Kohlenstofffilms (12) in einem Bereich von 25 GPa bis 80 GPa liegt.