JP2005214382A - High-strength slide member and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば自動車の駆動部分において摺動接触する各種摺動部材に適用可能な高強度摺動部材及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a high-strength sliding member that can be applied to various sliding members that are in sliding contact with a driving portion of an automobile, for example, and a method for manufacturing the same.
近年では、環境問題等への対応から、モータを駆動源とする自動車が増大していく見込みである。このような自動車には、数万rpmに及ぶモータの回転をコンパクトなサイズで減速する減速機用歯車が必要であり、その歯車には、高速摺動に伴なう摩耗、スカッフィング及びフレーキングといった表面損傷や、高頻度で繰り返される曲げ応力に耐え得る高強度な材料が求められている。これらの表面損傷や曲げ応力に対処するには、材料の表面硬度を高めることが有効な手段である。 In recent years, automobiles that use motors as drive sources are expected to increase in response to environmental problems. Such automobiles require gears for reduction gears that reduce the rotation of motors in the order of tens of thousands of rpm in a compact size, such as wear due to high-speed sliding, scuffing and flaking. There is a demand for a high-strength material that can withstand surface damage and bending stress that is frequently repeated. In order to cope with such surface damage and bending stress, it is an effective means to increase the surface hardness of the material.
ところが、ベアリングなどの摺動部材において、その表面での微小な金属接触が潤滑油の分解を促進し、これにより生成した水素が基材内部に侵入することで、摺動部材の寿命が大幅に低下する場合があることがわかってきた。このような場合、材料の硬度を高めることは水素脆化に対する感度を増大させ、かえって部材強度を低下させる恐れがある。 However, in sliding members such as bearings, minute metal contact on the surface accelerates the decomposition of the lubricating oil, and hydrogen generated thereby penetrates into the base material, greatly increasing the life of the sliding member. It has been found that there may be a decline. In such a case, increasing the hardness of the material may increase the sensitivity to hydrogen embrittlement and may reduce the strength of the member.
そこで、従来にあっては、摺動部材の基材内部に水素が侵入するのを抑制する対策として、基材表面にショットピーニングを施して寿命を向上させる方法、金属接触やその後の水素の侵入速度を遅らせる目的で、基材に黒染め処理やCu,Niなどを湿式めっきする方法及びCrイオンスパッタによる方法などが提案されていた。
しかしながら、上記したような従来の摺動部材にあっては、ショットピーニングを用いた方法では、微小割れの進展を遅らせるのみで、水素の発生や基材への侵入を防止できるものではなく、また、黒染め処理やCu、Niなどを湿式めっきする方法では、いずれも相手部材との摺動接触によって被膜が早期に失われ、しかも電気的なめっきでは、被膜の生成時にかえって水素を基材中に侵入させてしまうという問題点があった。 However, in the conventional sliding member as described above, the method using shot peening does not prevent the generation of hydrogen and the penetration into the base material only by delaying the progress of microcracking, and In all of the methods of wet plating with black dyeing treatment or Cu, Ni, etc., the film is lost early due to sliding contact with the mating member, and in the case of electrical plating, hydrogen is used instead of the base material when the film is formed. There was a problem of letting it invade.
さらに、Crイオンスパッタを用いた方法では、比較的硬い表面が得られると共に、真空中の処理であるために被膜の生成時に水素が侵入しない点で有効と考えられるが、摺動接触する表面に生成された活性な新生面が、潤滑油の分解や水素の侵入を防ぐことができないという問題点があった。 Furthermore, the method using Cr ion sputtering is effective in that a relatively hard surface is obtained and hydrogen does not enter during the formation of the coating because of the treatment in vacuum. There was a problem that the generated active new surface could not prevent the decomposition of the lubricating oil and the intrusion of hydrogen.
本発明は、上記従来の問題点に着目して成されたもので、水素の発生や基材への侵入を抑制することができる高強度摺動部材を提供することを目的としており、基材の表面に、摺動接触する相手部材に対して凝着の生じ難い硬質膜を形成し、且つ硬質膜が、水素抑制物質を含有することを特徴としている。ここで、水素抑制物質は、水素を吸着する水素吸着物質と、水素の拡散を抑止する水素拡散抑止物質とがあり、水素吸着物質を用いる場合には、硬質膜に分散又は層として含ませることができ、水素拡散抑止物質を用いる場合には、硬質膜に層として含ませることができる。 The present invention was made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and aims to provide a high-strength sliding member capable of suppressing the generation of hydrogen and the intrusion into the base material. A hard film that hardly adheres to a mating member that is in sliding contact is formed on the surface, and the hard film contains a hydrogen-suppressing substance. Here, the hydrogen suppressing substance includes a hydrogen adsorbing substance that adsorbs hydrogen and a hydrogen diffusion suppressing substance that suppresses the diffusion of hydrogen. When a hydrogen adsorbing substance is used, it is included in the hard film as a dispersion or layer. When a hydrogen diffusion inhibitor is used, it can be included as a layer in the hard film.
また、本発明の高強度部材の製造方法は、とくに水素抑制物質が水素吸着物質である場合には、イオンスパッタ法により硬質膜を形成することを特徴としており、水素抑制物質が水素拡散抑止物質である場合には、成膜中の温度が200〜250℃であるイオンプレーティング法又はイオンスパッタ法により硬質膜を形成することを特徴としている。 The method for producing a high-strength member of the present invention is characterized in that a hard film is formed by ion sputtering, particularly when the hydrogen suppressing substance is a hydrogen adsorbing substance. In this case, a hard film is formed by an ion plating method or an ion sputtering method in which the temperature during film formation is 200 to 250 ° C.
本発明の高強度摺動部材によれば、基材の表面に、摺動接触する相手部材に対して凝着の生じ難い硬質膜を形成し、且つ硬質膜が、水素抑制物質を含有することにより、相手部材との金属接触に伴う新生表面の発生を抑制して、潤滑油の分解による水素の生成を抑制すると共に、摩耗に伴う水素抑制物質の流出を抑制することができ、さらに、相手部材との摺動接触時において表面粗さ程度の突起による金属接触が生じたとしても、硬質膜中の水素抑制物質により、生成した水素が基材に侵入するのを防止することができる。 According to the high-strength sliding member of the present invention, on the surface of the base material, a hard film that hardly adheres to the mating member that is in sliding contact is formed, and the hard film contains a hydrogen suppressing substance. Thus, it is possible to suppress the generation of a new surface due to metal contact with the mating member, to suppress the generation of hydrogen due to the decomposition of the lubricating oil, and to suppress the outflow of the hydrogen inhibiting substance due to wear. Even if metal contact occurs due to protrusions having a surface roughness of about a degree of sliding contact with the member, the hydrogen suppressing substance in the hard film can prevent the generated hydrogen from entering the substrate.
また、本発明の高強度摺動部材の製造方法によれば、とくに水素抑制物質が水素吸着物質である場合において、イオンスパッタ法により硬質膜を形成することから、成膜時の温度上昇による基材の軟化を抑制することができると共に、基材に対して充分な密着性を有する硬質膜を備えた高強度摺動部材を得ることができる。 Further, according to the method for manufacturing a high-strength sliding member of the present invention, a hard film is formed by ion sputtering, particularly when the hydrogen suppressing substance is a hydrogen adsorbing substance. A high-strength sliding member provided with a hard film that can suppress softening of the material and has sufficient adhesion to the base material can be obtained.
さらに、とくに水素抑制物質が水素拡散抑止物質である場合において、成膜中の温度が200〜250℃であるイオンプレーティング法又はイオンスパッタ法により硬質膜を形成することから、鉄基合金から成る基材の軟化を防止することができ、真空中での処理であるから成膜時において基材に水素が侵入することがないうえに、熱処理や機械加工時において基材に侵入した水素を放出させることもでき、基材に対して充分な密着性を有し且つ靭性を有する硬質膜を備えた高強度摺動部材を得ることができる。 Further, particularly when the hydrogen suppressing substance is a hydrogen diffusion suppressing substance, a hard film is formed by an ion plating method or an ion sputtering method in which the temperature during film formation is 200 to 250 ° C. Softening of the substrate can be prevented, and since it is a treatment in vacuum, hydrogen does not enter the substrate during film formation, and hydrogen that has entered the substrate during heat treatment or machining is released. A high-strength sliding member provided with a hard film having sufficient adhesion to the substrate and having toughness can be obtained.
本発明の高強度摺動部材は、基材の表面に、摺動接触する相手部材に対して凝着の生じ難い硬質膜を形成し、且つ硬質膜が、水素抑制物質を含有したものとなっている。このとき、水素抑制物質としては、水素を吸着する機能を有する水素吸着物質と、水素の拡散を抑止する水素拡散抑止物質を用いることができる。 The high-strength sliding member of the present invention forms on the surface of the base material a hard film that hardly adheres to the mating member that is in sliding contact, and the hard film contains a hydrogen-suppressing substance. ing. At this time, as the hydrogen suppressing substance, a hydrogen adsorbing substance having a function of adsorbing hydrogen and a hydrogen diffusion inhibiting substance that inhibits hydrogen diffusion can be used.
水素抑制物質として水素吸着物質を用いた場合には、この水素吸着物質を硬質膜中に分散させた状態で含有させることができる。このとき、水素吸着物質の分散量は、僅かであっても水素吸着の効果を発揮することができるが、より確実な水素吸着効果を得るためには0.3原子量%以上とするのが望ましい。 When a hydrogen adsorbing substance is used as the hydrogen suppressing substance, the hydrogen adsorbing substance can be contained in a state dispersed in the hard film. At this time, even if the amount of dispersion of the hydrogen adsorbing material is small, the effect of hydrogen adsorption can be exhibited, but in order to obtain a more reliable hydrogen adsorption effect, it is desirable to be 0.3 atomic weight% or more. .
このように、基材の表面に硬質膜を形成し、且つ硬質膜に水素吸着物質を拡散させることにより、相手部材との金属接触に伴う新生表面の発生を抑制して、潤滑油の分解による水素の生成を抑制すると共に、摩耗に伴う水素吸着物質の流出を抑制することができ、さらに、相手部材との摺動接触時において表面粗さ程度の突起による金属接触が生じたとしても、硬質膜中の水素吸着物質により、生成した水素を吸着して水素が基材に侵入するのを防止することができる。 In this way, by forming a hard film on the surface of the base material and diffusing a hydrogen adsorbing substance in the hard film, the generation of a new surface due to metal contact with the counterpart member is suppressed, and the lubricant is decomposed. In addition to suppressing the generation of hydrogen, it is possible to suppress the outflow of hydrogen-adsorbing substances due to wear, and even if metal contact occurs due to protrusions with a surface roughness of about the surface roughness during sliding contact with the mating member, The hydrogen adsorbing substance in the film can adsorb the produced hydrogen and prevent hydrogen from entering the substrate.
また、水素抑制物質として水素吸着物質を用いた場合には、この水素吸着物質を層の状態で含有させることができ、より具体的には、硬質膜が、基材側又は膜中に、水素吸着物質から成る水素吸着層を有するものとすることができる。このとき、水素吸着層の厚さは、僅かであっても水素吸着の効果を発揮することができるが、切れ目無く層を形成するためには0.1μm以上とするのが望ましい。 Further, when a hydrogen adsorbing substance is used as the hydrogen suppressing substance, this hydrogen adsorbing substance can be contained in the state of a layer. More specifically, the hard film is formed on the substrate side or in the film with hydrogen. It may have a hydrogen adsorption layer made of an adsorbing substance. At this time, even if the thickness of the hydrogen adsorption layer is small, the effect of hydrogen adsorption can be exhibited. However, in order to form the layer without breaks, it is desirable that the thickness be 0.1 μm or more.
このように、基材の表面に硬質膜を形成し、且つ硬質膜に水素吸着層を含ませることにより、硬質膜に水素吸着物質を分散させたものと同様の効果を得ることができるうえに、水素吸着層により、摺動接触面の全体にわたって安定した水素吸着効果を得ることができ、しかも、硬質膜の靭性及び密着性を向上させることができる。 As described above, by forming a hard film on the surface of the base material and including the hydrogen adsorption layer in the hard film, the same effect as that obtained by dispersing the hydrogen adsorbing substance in the hard film can be obtained. The hydrogen adsorption layer can provide a stable hydrogen adsorption effect over the entire sliding contact surface, and can improve the toughness and adhesion of the hard film.
さらに、当該高強度摺動部材は、より好ましい実施形態として、硬質膜を硬質炭素被膜であるダイヤモンドライクカーボン(DLC)で形成することができ、この際、最表面から少なくとも深さ1μmまでの間には水素抑制物質を含まないものとする。 Further, as a more preferred embodiment, the high-strength sliding member can be formed of a hard film of diamond-like carbon (DLC), which is a hard carbon coating, and at this time, at least from the outermost surface to a depth of 1 μm. Shall not contain any hydrogen-suppressing substances.
このように、硬質膜をダイヤモンドライクカーボンで形成すれば、ダイヤモンドライクカーボンは金属と凝着し難く且つ高強度である点でとくに優れているので、少なくとも深さ1μmまでの最表層には水素吸着物質(水素抑制物質)が不要であり、摺動接触面における潤滑油に含まれる水素が直接侵入することがなく、最表層よりも下層に含まれる水素吸着物質により、相手部材との金属接触で生じた水素のみを吸着することができる。 In this way, if the hard film is formed of diamond-like carbon, diamond-like carbon is particularly excellent in that it does not easily adhere to metal and has high strength, so at least the outermost layer up to a depth of 1 μm has hydrogen adsorption. No substance (hydrogen suppression substance) is required, hydrogen contained in the lubricating oil on the sliding contact surface does not enter directly, and the hydrogen adsorbing substance contained in the lower layer than the outermost layer allows metal contact with the mating member. Only the produced hydrogen can be adsorbed.
さらに、当該高強度摺動部材では、水素吸着物質として、Ni、Pd、Ti、Zr及びこれらの金属を含む化合物から選択した材料を用いることができる。このとき、化合物としては、金属間化合物や、合金、酸化物などが用いられ、例えばTiでは、TiN、TiAlN及びTi2O3などが用いられる。これにより、当該高強度摺動部材は、水素吸着力をより一層高めることができる。 Further, in the high-strength sliding member, a material selected from Ni, Pd, Ti, Zr and a compound containing these metals can be used as the hydrogen adsorbing substance. At this time, as the compound, an intermetallic compound, an alloy, an oxide, or the like is used. For example, in Ti, TiN, TiAlN, Ti 2 O 3 or the like is used. Thereby, the said high intensity | strength sliding member can raise hydrogen adsorption power further.
以上のように、水素抑制物質が水素吸着物質である高強度摺動部材では、これを製造するに際し、イオンスパッタ法により硬質膜を形成することができる。これにより、成膜時の温度上昇による基材の軟化を抑制することができると共に、基材に対して充分な密着性を有する硬質膜を備えた高強度摺動部材を得ることができる。 As described above, in the case of manufacturing a high-strength sliding member in which the hydrogen suppressing substance is a hydrogen adsorbing substance, a hard film can be formed by ion sputtering. Thereby, while being able to suppress softening of the base material by the temperature rise at the time of film-forming, the high intensity | strength sliding member provided with the hard film | membrane which has sufficient adhesiveness with respect to a base material can be obtained.
なお、他の方法でも本発明の高強度摺動部材を製造することが可能であるが、例えば歯車のように曲げ疲労強度をも要求される場合には、成膜時の温度上昇による基材の軟化を抑制できるとともに硬質膜の密着性を確保し易い点から、イオンスパッタ法を用いるのが好ましい。 Although the high-strength sliding member of the present invention can be manufactured by other methods, when a bending fatigue strength is also required, such as a gear, for example, the substrate due to a temperature rise during film formation It is preferable to use an ion sputtering method from the viewpoint that the softening of the film can be suppressed and the adhesion of the hard film can be easily secured.
次に、当該高強度摺動部材は、硬質膜に含有させる水素抑制物質として水素拡散抑止物質を用いた場合には、好ましい実施形態として、硬質膜中に、水素拡散抑止物質から成る水素拡散抑止層を有するものとすることができる。 Next, when a hydrogen diffusion inhibiting substance is used as the hydrogen inhibiting substance contained in the hard film, the high-strength sliding member has, as a preferred embodiment, a hydrogen diffusion inhibiting substance comprising a hydrogen diffusion inhibiting substance in the hard film. It can have a layer.
すなわち、基材の表面に硬質膜を形成し、且つ硬質膜中に水素拡散抑止層を設けることにより、相手部材との金属接触に伴う新生表面の発生を抑制して、潤滑油の分解による水素の生成を抑制すると共に、摩耗に伴う水素拡散抑止物質の流出を抑制することができ、さらに、相手部材との摺動接触時において表面粗さ程度の突起による金属接触が生じたとしても、硬質膜中の水素拡散抑止層により、生成した水素の拡散を抑止して水素が基材に侵入するのを防止することができる。 That is, by forming a hard film on the surface of the base material and providing a hydrogen diffusion inhibiting layer in the hard film, generation of a new surface due to metal contact with the counterpart member is suppressed, and hydrogen generated by decomposition of the lubricating oil In addition, it is possible to suppress the outflow of the hydrogen diffusion inhibiting substance due to wear, and even if metal contact is caused by protrusions with a surface roughness of about the surface roughness during sliding contact with the mating member, The hydrogen diffusion inhibiting layer in the film can inhibit the diffusion of the produced hydrogen and prevent hydrogen from entering the substrate.
なお、上記の如く水素拡散抑止層を含む硬質膜を基材表面に設ける場合においても、先の水素吸着物質を用いる場合と同様に、硬質膜を硬質炭素被膜であるダイヤモンドライクカーボン(DLC)で形成することができ、このように、硬質膜をダイヤモンドライクカーボンで形成すれば、最表層には水素抑制物質が不要であり、摺動接触面における潤滑油に含まれる水素が直接侵入することがなく、最表層よりも下層に設けた水素拡散抑止層により、相手部材との金属接触で生じた水素の拡散を抑止することができる。 Even when a hard film including a hydrogen diffusion inhibiting layer is provided on the surface of the substrate as described above, the hard film is made of diamond-like carbon (DLC), which is a hard carbon film, as in the case of using the hydrogen adsorbing material. In this way, if the hard film is formed of diamond-like carbon, no hydrogen suppression substance is required on the outermost layer, and hydrogen contained in the lubricating oil on the sliding contact surface may directly invade. In addition, hydrogen diffusion caused by metal contact with the mating member can be suppressed by the hydrogen diffusion suppression layer provided below the outermost layer.
また、硬質膜に含有させる水素抑制物質として水素拡散抑止物質を用いた場合、より好ましい実施形態としては、基材が鉄基合金から成ると共に、硬質膜が、ビッカース硬度1000以上の硬度を有し、硬質膜中の水素拡散抑止層が、密度8g/cm3以上である金属又はその化合物から成るものとするのが良い。 When a hydrogen diffusion inhibitor is used as the hydrogen inhibitor contained in the hard film, as a more preferred embodiment, the base material is made of an iron-based alloy, and the hard film has a Vickers hardness of 1000 or more. The hydrogen diffusion inhibiting layer in the hard film is preferably made of a metal having a density of 8 g / cm 3 or more or a compound thereof.
このとき、硬質膜の硬度をビッカース硬度1000以上としたのは、1000未満にすると、硬質膜の耐摩耗性が低下して水素拡散抑止層に摩耗が及び、これにより水素拡散抑止効果が不足する恐れがあるからであり、また、水素拡散抑止層を形成する金属又はその化合物の密度を8g/cm3以上としたのは、8g/cm3未満にすると、硬質膜の変形を吸収する効果が不足する恐れがあるからである。 At this time, the hardness of the hard film is set to Vickers hardness of 1000 or more. When the hardness is less than 1000, the wear resistance of the hard film is lowered and the hydrogen diffusion suppressing layer is worn, and thereby the hydrogen diffusion suppressing effect is insufficient. This is because the density of the metal or the compound forming the hydrogen diffusion suppressing layer is set to 8 g / cm 3 or more. When the density is less than 8 g / cm 3 , the effect of absorbing the deformation of the hard film is obtained. This is because there is a risk of shortage.
上記の構成を備えた高強度摺動部材では、高強度で高密度の金属又は金属化合物から成る水素拡散抑止層により、とくに摺動部材における歪集中部への水素拡散を抑止すると共に、硬質膜及び同硬質膜中の水素拡散抑止層の摩耗を防止して、水素拡散抑止効果を保持することができ、また、上記の水素拡散抑止層が、硬質膜の変形を吸収してその内部応力を緩和するので、硬質膜の靭性や密着性を向上させることもできる。 In the high-strength sliding member having the above-described configuration, the hydrogen diffusion suppressing layer made of a high-strength and high-density metal or metal compound suppresses hydrogen diffusion particularly to the strain concentration portion in the sliding member, and the hard film. In addition, it is possible to prevent wear of the hydrogen diffusion suppressing layer in the hard film and maintain the hydrogen diffusion suppressing effect, and the above hydrogen diffusion suppressing layer absorbs deformation of the hard film and reduces its internal stress. Since it relaxes, the toughness and adhesion of the hard film can be improved.
さらに、当該高強度摺動部材は、上記の如く基材が鉄基合金から成る場合には、硬質膜が鉄又は鉄の化合物から成るものであることが望ましい。このように、基材と硬質膜の材質を同種にすれば、双方の弾性率や熱膨張率などの性質が近いものとなり、成膜時の内部応力の発生や部材使用中の歪の発生を低減することができ、また、鉄基合金から成る基材が軟化することのない200〜250℃程度の比較的低温での成膜においても硬質膜の充分な靭性や密着性を得ることができる。 Further, in the high-strength sliding member, when the base material is made of an iron-based alloy as described above, the hard film is preferably made of iron or an iron compound. In this way, if the material of the base material and the hard film are the same type, the properties such as the elastic modulus and thermal expansion coefficient of both will be close, and the generation of internal stress during film formation and the generation of strain during use of the member Moreover, sufficient toughness and adhesion of a hard film can be obtained even in film formation at a relatively low temperature of about 200 to 250 ° C. without causing the base material made of an iron-based alloy to be softened. .
さらに、当該高強度摺動部材では、水素拡散抑止層を形成する水素拡散抑止物質として、Ni,Cd,Cu及びWから選択した材料を用いることができ、これにより、水素拡散抑止機能と硬質膜の靭性の面でより一層優れたものとなる。 Furthermore, in the high-strength sliding member, a material selected from Ni, Cd, Cu, and W can be used as a hydrogen diffusion inhibiting substance that forms the hydrogen diffusion inhibiting layer. In terms of toughness, it becomes even better.
以上のように、水素抑制物質が水素拡散抑止物質である高強度摺動部材では、これを製造するに際し、成膜中の温度が200〜250℃であるイオンプレーティング法又はイオンスパッタ法により硬質膜を形成することができる。これにより、とくに鉄基合金から成る基材の軟化を防止することができ、真空中での処理であるから成膜時において基材に水素が侵入することがないうえに、熱処理や機械加工時において基材に侵入した水素を放出させることもでき、基材に対して充分な密着性を有し且つ靭性を有する硬質膜を備えた高強度摺動部材を得ることができる。 As described above, in the case of manufacturing a high-strength sliding member in which the hydrogen suppressing substance is a hydrogen diffusion suppressing substance, the material is hardened by an ion plating method or an ion sputtering method in which the temperature during film formation is 200 to 250 ° C. A film can be formed. This can prevent softening of the base made of iron-base alloy in particular, and since it is a treatment in a vacuum, hydrogen does not enter the base during film formation, and also during heat treatment and machining. In this case, hydrogen that has entered the substrate can be released, and a high-strength sliding member having a hard film having sufficient adhesion to the substrate and having toughness can be obtained.
なお、上記の高強度摺動部材の製造方法は、例えば、浸炭焼入れ・焼き戻しした歯車のように部材内部や歯車の歯元疲労強度が要求される摺動部材の製造に好適であり、硬質膜の充分な密着性や靭性を確保し、充分な部材強度や疲労強度を得ることができる。 The manufacturing method of the above-described high-strength sliding member is suitable for manufacturing a sliding member that requires the fatigue strength of the inside of the member and the gear teeth, such as a carburized and quenched and tempered gear. Sufficient adhesion and toughness of the film can be secured, and sufficient member strength and fatigue strength can be obtained.
本発明の高強度摺動部材の効果を調べるために、以下に示すローラピッティング試験を行った。ローラピッティング試験は、図3に示すように、モータにより回転駆動される駆動軸21に、評価用ローラR1を装着すると共に、駆動軸21との間に減速機22を介装した従動軸23に、評価用ローラR1よりも大径の相手ローラR2を装着し、デッドウエイトの荷重をてこにより増力する負荷装置によって相手ローラR2の外周面に評価用ローラR1の外周面を押し付ける。そして、駆動軸21を回転駆動して評価用ローラR1を回転させると同時に、従動軸23とともに相手ローラR2を回転させて、両ローラR1,R2の間に減速による滑りを発生させ、評価用ローラR1に生じるピッティングを検出装置24により検出するものである。
In order to examine the effect of the high-strength sliding member of the present invention, the following roller pitting test was performed. In the roller pitting test, as shown in FIG. 3, the
実施例1〜5及び比較例1〜5については、高強度摺動部材に相当する評価用ローラの基材と、これに摺動接触する相手ローラの材料に、いずれもJIS SCM420Hを使用した。JIS SCM420Hは、C:0.17〜0.23質量%、Si:0.15〜0.35質量%、Mn:0.55〜0.90質量%、Cr:0.85〜1.25質量%、及びMo:0.15〜0.35を含む機械構造用鋼である。そして、いずれのローラも浸炭処理により表面硬度をHv740とした後、表面粗さをRa0.2μmに仕上げた。その後、評価用ローラをアルカリ洗浄し、その基材表面に、複数のイオン放出源を用いたマルチターゲットのイオンスパッタにより硬質膜を形成した。 In Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, JIS SCM420H was used for the base material of the evaluation roller corresponding to the high-strength sliding member and the material of the mating roller that was in sliding contact with this. JIS SCM420H is C: 0.17 to 0.23 mass%, Si: 0.15 to 0.35 mass%, Mn: 0.55 to 0.90 mass%, Cr: 0.85 to 1.25 mass% %, And Mo: steel for mechanical structure containing 0.15 to 0.35. Each of the rollers was carburized to a surface hardness of Hv740 and then finished with a surface roughness of Ra 0.2 μm. Thereafter, the evaluation roller was washed with alkali, and a hard film was formed on the surface of the substrate by multi-target ion sputtering using a plurality of ion emission sources.
実施例1〜3については、図1(a)に示すように、基材1の表面に、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)から成る硬質膜2を形成し、この際、夫々の硬質膜2に水素吸着物質(水素抑制物質)としてNi,Zr及びTiを分散状態で含有させた。
In Examples 1 to 3, as shown in FIG. 1A, a
実施例4については、図1(b)に示すように、基材1の表面に、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)から成る硬質膜3を形成し、この際、硬質膜3が、ダイヤモンドライクカーボンのみから成る上側層3aと、ダイヤモンドライクカーボン中に水素吸着物質としてPbを分散状態で含有する下側層3bとから成るものとした。
In Example 4, as shown in FIG. 1B, a
実施例5については、図1(c)に示すように、基材1の表面に、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)から成る硬質膜4を形成し、この際、硬質膜4が、ダイヤモンドライクカーボンのみから成る上側層4aと、水素吸着物質であるPbから成る水素吸着層4bとから成るものとした。
In Example 5, as shown in FIG. 1C, a
比較例1については、図1(d)に示すように、基材1のみとした。比較例2については、図1(e)に示すように、基材1の表面に黒染め処理5を施した。黒染め処理は、基材表面に黒錆(Fe3O4)を生じさせる防錆処理であって、ここでは、5%の希塩酸で酸洗の後、市販のスーパーブルー染色液にて黒染め処理を行った。
In Comparative Example 1, only the
比較例3については、図1(f)に示すように、基材1の表面に、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)から成る被膜6を形成した。また、比較例4及び5については、図1(g)に示すように、基材1の表面に、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)から成る被膜7を形成し、この際、夫々の被膜にAl,Feを分散状態で含有させた。
In Comparative Example 3, as shown in FIG. 1 (f), a
なお、上記の実施例1〜5及び比較例2〜5において、硬質膜及び被膜2〜7の厚さは2〜4μmであり、とくに実施例4及び5では、上側層3a,4aの厚さを0.2μmとし、残部を下側層3b及び水素吸着層4bとした。また、実施例1〜4及び比較例4,5では、分散させた金属の含有量を約1原子量%とした。
In Examples 1 to 5 and Comparative Examples 2 to 5, the thicknesses of the hard film and the
ローラーピッティング試験片形状及びイオンスパッタ成膜条件は以下の通りである。
<ローラーピッティング試験片形状>
評価用ローラ外径 :26 mm
評価用ローラクラウニング :なし(フラット)
相手ローラ外径 :130 mm
相手ローラクラウニング :R150 mm
<イオンスパッタ成膜条件>
窒素ガス導入前真空度 :1×10−3〜5×10−5Torr
成膜時バイアス電圧 :100V
成膜前温度 :200〜250℃
全膜厚 :2〜4μm
The shape of the roller pitting test piece and the ion sputtering film forming conditions are as follows.
<Roller pitting test piece shape>
Evaluation roller outer diameter: 26 mm
Roller crowning for evaluation: None (flat)
Counter roller outer diameter: 130 mm
Counter roller crowning: R150 mm
<Ion sputtering film formation conditions>
Degree of vacuum before introducing nitrogen gas: 1 × 10 −3 to 5 × 10 −5 Torr
Bias voltage during film formation: 100V
Pre-deposition temperature: 200-250 ° C
Total film thickness: 2-4 μm
そして、下記の試験条件にて、評価用ローラに剥離が生じるまで又は107サイクルに達するまでローラピッティング試験を行い、試験後に、硬質膜の残存状況及び剥離部断面の組織観察を行った。また、基材中への侵入水素量として、試験後に室温から400℃までの放出水素量の測定を行った。
<ローラピッティング試験条件>
荷重 :460kg
回転数 :1500rpm
滑り率 :−60%
油温 :110℃
供給油量 :1l/min
Then, under the following test conditions, a roller pitting test was performed until the evaluation roller peeled or reached 10 7 cycles, and after the test, the remaining state of the hard film and the structure observation of the cross section of the peeled portion were performed. Moreover, the amount of hydrogen released from room temperature to 400 ° C. after the test was measured as the amount of hydrogen penetrating into the substrate.
<Roller pitting test conditions>
Load: 460kg
Rotation speed: 1500rpm
Slip rate: -60%
Oil temperature: 110 ° C
Supply oil volume: 1 l / min
表1に結果をまとめて示す。なお、上記試験に用いた試験油では、対象部材が通常の鋼である場合、水素脆化型のピッティングが生じて早期(普通の油の約1/10)に被膜の剥離が生じる。したがって、上記試験において被膜が残存し、これが機能すれば寿命は約10倍となる。 Table 1 summarizes the results. In the case of the test oil used in the above test, when the target member is ordinary steel, hydrogen embrittlement type pitting occurs and the coating peels off early (about 1/10 of ordinary oil). Therefore, the film remains in the above test, and if it functions, the life is about ten times longer.
表1から明らかなように、比較例1では、図4に示すように、水素脆化的な組織変化が観察され、短寿命で剥離が生じた。また、比較例2及び比較例3では、いずれも被膜が初期に失われ、組織変化及び剥離が生じた。さらに、比較例4及び5では、被膜は残存したものの加工目に沿った線状剥離が生じ、水素侵入量も多かったために剥離が生じた。これに対して、本発明の実施例1〜3では、線状剥離はみられたが、侵入水素量が比較例に比べて著しく少なく、剥離も生じなかった。とくに、実施例4及び5では、侵入水素量が極めて少なく、優れた水素抑制性能を示した。 As is clear from Table 1, in Comparative Example 1, as shown in FIG. 4, a hydrogen embrittlement-like structural change was observed, and peeling occurred in a short life. Moreover, in Comparative Example 2 and Comparative Example 3, both of the films were lost in the initial stage, and the tissue change and peeling occurred. Further, in Comparative Examples 4 and 5, although the coating remained, linear peeling along the processing line occurred, and peeling occurred because of a large amount of hydrogen penetration. On the other hand, in Examples 1 to 3 of the present invention, linear peeling was observed, but the amount of invading hydrogen was remarkably smaller than that of the comparative example, and peeling did not occur. In particular, in Examples 4 and 5, the amount of invading hydrogen was very small, and excellent hydrogen suppression performance was shown.
以上のことから、本発明の高強度摺動部材は、基材表面に、摺動接触する相手部材に対して凝着の生じ難い硬質膜を形成し、且つ硬質膜に、水素吸着物質を分散又は層の状態で含有させたことにより、摺動時の水素が基材中に侵入することを抑制して優れた強度を発揮することを確認した。 From the above, the high-strength sliding member of the present invention forms a hard film that hardly adheres to the mating member in sliding contact with the surface of the base material, and the hydrogen adsorbing substance is dispersed in the hard film. Alternatively, it was confirmed that by containing it in the state of a layer, hydrogen at the time of sliding was prevented from entering the base material and exhibited excellent strength.
次に、本発明の高強度摺動部材の効果を調べるために、実施例6〜9及び比較例6〜10について、同様のローラピッティング試験を行った。実施例6〜9及び比較例6〜10については、高強度摺動部材に相当する評価用ローラの基材と、これに摺動接触する相手ローラの材料に、いずれもJIS SCM420Hを使用した。そして、いずれのローラも浸炭処理により表面硬度をHv740とした後、表面粗さをRa0.2μmに仕上げ、その後、評価用ローラをアルカリ洗浄し、その基材表面に、複数のイオン放出源を用いたマルチターゲットのイオンスパッタにより硬質膜を形成した。 Next, in order to investigate the effect of the high-strength sliding member of the present invention, the same roller pitting test was performed on Examples 6 to 9 and Comparative Examples 6 to 10. For Examples 6 to 9 and Comparative Examples 6 to 10, JIS SCM420H was used for both the base material of the evaluation roller corresponding to the high-strength sliding member and the material of the mating roller that was in sliding contact therewith. Each roller has a surface hardness of Hv 740 by carburization, and then finished with a surface roughness Ra of 0.2 μm. Thereafter, the evaluation roller is washed with alkali, and a plurality of ion emission sources are used on the substrate surface. A hard film was formed by multi-target ion sputtering.
実施例6〜9については、図2に示すように、基材11の表面に、FeNを主成分とする硬質膜12を形成し、この際、硬質膜12中に、水素拡散抑止物質(水素抑制物質)から成る水素拡散抑止層12aを設けたものとし、且つ夫々の水素拡散抑止物質をNi,W,Cd及びCuとした。
In Examples 6 to 9, as shown in FIG. 2, a
比較例6については、基材のみとし、比較例7については、先の比較例2と同様に基材表面に黒染め処理を施したものとした。また、比較例8については、基材表面にCrNから成る被膜を形成し、且つ被膜がCdから成る水素拡散抑止層を含むものとし、比較例9及び10については、基材表面にFeNから成る被膜を形成し、且つ被膜がAl,Crから成る水素拡散抑止層を含むものとした。 For Comparative Example 6, only the base material was used, and for Comparative Example 7, the base material surface was black-dyed in the same manner as in Comparative Example 2 above. In Comparative Example 8, a film made of CrN is formed on the surface of the substrate, and the film includes a hydrogen diffusion inhibiting layer made of Cd. In Comparative Examples 9 and 10, a film made of FeN is formed on the surface of the substrate. And the coating includes a hydrogen diffusion suppressing layer made of Al or Cr.
なお、ローラピッティング試験片形状、イオンプレーティング成膜条件及びローラピッティング試験条件は、先の実施例1〜5及び比較例1〜5の場合と同様である。ここで、硬質膜の厚さは、薄過ぎると、部材の形状が複雑である場合や表面粗さが大きい場合に基材が露出してしまう恐れがあり、厚過ぎると、硬質膜の靭性や密着性が損なわれる恐れがあるので、1〜4μm程度とするのが良く、より望ましくは2〜4μm程度とする。 The shape of the roller pitting test piece, the ion plating film forming conditions, and the roller pitting test conditions are the same as those in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5. Here, if the thickness of the hard film is too thin, the base material may be exposed when the shape of the member is complicated or the surface roughness is large. Since adhesion may be impaired, the thickness is preferably about 1 to 4 μm, and more preferably about 2 to 4 μm.
そして、実施例6〜9及び比較例6〜10について、評価用ローラに剥離が生じるまで又は107サイクルに達するまでローラピッティング試験を行い、試験後に、硬質膜の残存状況及び剥離部断面の組織観察を行った。また、基材中への侵入水素量として、試験後に室温から400℃までの放出水素量の測定を行った。その結果を表2に示す。 Then, for Example 6-9 and Comparative Example 6-10 performs roller pitting test until delamination evaluation roller reaches up to or 10 7 cycles occurs, after the test, the residual situation and the releasing portion cross section of the hard film Tissue observation was performed. Moreover, the amount of hydrogen released from room temperature to 400 ° C. after the test was measured as the amount of hydrogen penetrating into the substrate. The results are shown in Table 2.
表2から明らかなように、比較例6では、水素脆化的な組織変化が観察され、短寿命で剥離が生じた。また、比較例7及び比較例8では、いずれも被膜が初期に失われ、組織変化及び剥離が生じた。さらに、比較例9及び10では、被膜は残存したものの加工目に沿った線状剥離が生じ、水素侵入量も多かったために剥離が生じた。これに対して、本発明の実施例6〜9では、線状剥離はみられたが、侵入水素量が比較例に比べて著しく少なく、優れた水素抑制性能を示した。 As is apparent from Table 2, in Comparative Example 6, a hydrogen embrittlement-like structural change was observed, and peeling occurred in a short life. Moreover, in Comparative Example 7 and Comparative Example 8, both of the films were lost in the initial stage, resulting in a change in structure and peeling. Further, in Comparative Examples 9 and 10, although the coating remained, linear peeling along the processing line occurred, and peeling occurred due to a large amount of hydrogen penetration. On the other hand, in Examples 6 to 9 of the present invention, linear peeling was observed, but the amount of invading hydrogen was significantly smaller than that of the comparative example, and excellent hydrogen suppression performance was exhibited.
以上のことから、本発明の高強度摺動部材は、基材表面に、摺動接触する相手部材に対して凝着の生じ難い硬質膜を形成し、且つ硬質膜に、水素拡散抑止物質から成る水素拡散抑止層を含有させたことにより、摺動時の水素が基材中に侵入することを抑制して優れた強度を発揮することを確認した。 From the above, the high-strength sliding member of the present invention forms a hard film that hardly adheres to the mating member that is in sliding contact with the base material surface, and the hard film is made of a hydrogen diffusion inhibitor. It was confirmed that by including the hydrogen diffusion inhibiting layer, the hydrogen at the time of sliding was prevented from entering the base material and exhibited excellent strength.
1 11 基材
2〜4 12 硬質膜
4b 水素吸着層
12a 水素拡散抑止層
1 11 Base material 2-4 4 Hard film 4b
Claims (11)
When manufacturing the high-strength sliding member according to any one of claims 1 and 6 to 9, a hard film is formed by an ion plating method or an ion sputtering method in which a temperature during film formation is 200 to 250 ° C. A manufacturing method of a high-strength sliding member characterized by the above.
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JP2004025529A JP2005214382A (en) | 2004-02-02 | 2004-02-02 | High-strength slide member and its manufacturing method |
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JP2017202946A (en) * | 2016-05-09 | 2017-11-16 | 学校法人立命館 | Slide member for hydrogen environment |
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2004
- 2004-02-02 JP JP2004025529A patent/JP2005214382A/en active Pending
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