JP2013057093A - Sliding member, method for manufacturing the same, and sliding structure - Google Patents

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Yoshio Fuwa
良雄 不破
Tetsushi Jinno
哲史 神野
Tokuji Umehara
徳次 梅原
Takayuki Nooiyama
貴行 野老山
Kazuki Sakakibara
和希 榊原
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Nagoya University NUC
Toyota Motor Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sliding member capable of securing a lower friction coefficient than that of conventional ones in the atmosphere and a method for producing the sliding member.SOLUTION: The method for producing the sliding member is used for forming an amorphous carbon film containing nitrogen on a surface of a substrate. In the method, by irradiating nitrogen ion beams to the surface of the substrate and irradiating electronic beams to a carbon target in such a way that a plurality of projection parts is formed on the surface of the amorphous carbon film, the amorphous film is formed while a part of the carbon target is deposited on the surface of the substrate.

Description

本発明は、摺動面に非晶質炭素被膜が形成された摺動部材及びその製造方法に係り、特に、初期馴染み性に優れた摺動部材及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a sliding member having an amorphous carbon film formed on a sliding surface and a manufacturing method thereof, and more particularly to a sliding member excellent in initial adaptability and a manufacturing method thereof.

従来から、自動車産業などの我が国の基幹産業において、トライボロジーは重要な役割を担っている。例えば、自動車産業においては、現在、地球環境保全のため、自動車からの排出される二酸化炭素の削減を目指してさまざまな取り組みが行われており、その一例としてハイブリットシステムなどのエネルギー効率の良い動力源の開発が良く知られている。しかし更なる低燃費を目指すためには、動力源の開発だけでなくエンジン内部および駆動系における摩擦によるエネルギーの伝達ロスの低減が重要な課題となる。   Traditionally, tribology has played an important role in Japanese key industries such as the automobile industry. For example, in the automobile industry, various efforts are currently being made to reduce the carbon dioxide emitted from automobiles in order to preserve the global environment. As an example, energy efficient power sources such as hybrid systems are being used. The development of is well known. However, in order to achieve further low fuel consumption, not only the development of the power source but also the reduction of energy transmission loss due to friction in the engine and in the drive system becomes an important issue.

前記課題を鑑みて、動力系機器における摺動部材の摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、構造用鋼あるいは高合金鋼からなる摺動部材の摺動面に被覆する新たなトライボロジー材料としての非晶質炭素材料(DLC)が注目されている。   In view of the above-mentioned problems, a new coating covering the sliding surface of a sliding member made of structural steel or high alloy steel in order to reduce the friction coefficient of the sliding member in power system equipment and improve the wear resistance. Amorphous carbon material (DLC) is attracting attention as a tribological material.

このような非晶質炭素材料を利用した摺動部材の一例として、窒化炭素被膜に珪素を含有させることにより炭素の一部を珪素で置換して、窒素炭素珪素材料からなる被膜を形成した摺動部材が開示されている(例えば特許文献1参照)。また、別の例として、基材上に、窒化炭素膜と、この窒化炭素膜上に形成されたカーボンコーティング膜とを被覆した摺動部材が開示されている(例えば特許文献2参照)。   As an example of a sliding member using such an amorphous carbon material, a silicon nitride film containing silicon is used to replace a part of carbon with silicon to form a film made of a nitrogen carbon silicon material. A moving member is disclosed (for example, refer to Patent Document 1). As another example, a sliding member is disclosed in which a carbon nitride film and a carbon coating film formed on the carbon nitride film are coated on a base material (see, for example, Patent Document 2).

特開2002−167206号公報JP 2002-167206 A 特開2009−013192号公報JP 2009-013192 A

しかし、このような摺動部材を用いた場合には、これまでの非晶質炭素材料に比べて耐摩耗性を有する点で優れているが、このような材料を用いたとしても、大気中において、無潤滑状態(潤滑油を供給しない状態)で摺動させた場合には、摩擦係数が高く、初期摩耗が充分大きかった。   However, when such a sliding member is used, it is superior in that it has wear resistance as compared with conventional amorphous carbon materials. When sliding in a non-lubricated state (without supplying lubricating oil), the friction coefficient was high and the initial wear was sufficiently large.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、潤滑環境下ばかりでなく、大気中(無潤滑状態)であっても、摺動初期の段階で、これまでに比べてより低い摩擦係数を確保することができる摺動部材およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is not only in a lubrication environment but also in the atmosphere (non-lubricated state) at the initial stage of sliding. An object of the present invention is to provide a sliding member capable of ensuring a lower friction coefficient than before and a method for manufacturing the same.

前記課題を鑑み、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、以下の新たな知見を得た。具体的には、電子ビーム蒸着法を利用して基材の表面に非晶質炭素被膜を形成しようとした場合、電子ビームをカーボンターゲットに照射し、カーボンターゲットの一部が、溶融・蒸発し、カーボンターゲットからカーボン原子が飛び出して基材の表面に堆積する。   In view of the above problems, the present inventors obtained the following new findings as a result of intensive studies. Specifically, when an amorphous carbon film is to be formed on the surface of a substrate using the electron beam evaporation method, the carbon target is irradiated with an electron beam, and a part of the carbon target is melted and evaporated. Then, carbon atoms jump out from the carbon target and deposit on the surface of the substrate.

これまでのイオンビームスパッタリング等のスパッタリングによりカーボンターゲットに飛び出した原子は、電子ビームで蒸発した原子よりも高エネルギーを有しているので、電子ビームを用いた場合に比べて、基材に高速で衝突する。   Atoms that have jumped out of the carbon target by sputtering such as ion beam sputtering so far have higher energy than atoms that have been evaporated by electron beam. collide.

しかしながら、電子ビームによりカーボンターゲットから飛び出した原子は、スパッタリングの場合に比べて、速度は速くないが、多量のカーボン原子がカーボンターゲットから放出される。これにより、イオンビームスパッタ法で成膜した非晶質炭素被膜に比べて、より軟質の非晶質炭素被膜を、より速い成膜速度で成膜することができる。   However, the atoms jumping out of the carbon target by the electron beam are not faster than the sputtering, but a large amount of carbon atoms are released from the carbon target. As a result, a softer amorphous carbon film can be formed at a higher film formation rate than an amorphous carbon film formed by ion beam sputtering.

そして、本発明では、電子ビーム蒸着法を利用した場合、非晶質炭素被膜の表面には、蒸発せずに溶融したまま、カーボンターゲットから飛び出す粒径の大きなクラスターカーボンが、非晶質炭素被膜の表面に付着し、これが複数の突起部(ドロップレット)となる。この突起部の硬さは、同じ非晶質炭素被膜の突起部が形成されていない被膜表面の硬さに比べて低く(軟質であり)、このような複数の突起部が、大気中における摺動部材の摩擦特性の向上に大きく寄与するとの新たな知見を得た。   In the present invention, when the electron beam evaporation method is used, the cluster carbon having a large particle size that jumps out from the carbon target while being melted without being evaporated is formed on the surface of the amorphous carbon film. It adheres to the surface of this and becomes a plurality of protrusions (droplets). The hardness of the protrusions is lower (softer) than the hardness of the film surface where the protrusions of the same amorphous carbon film are not formed, and the plurality of protrusions are not slid in the atmosphere. The new knowledge that it contributes greatly to the improvement of the friction characteristic of the moving member was acquired.

本発明は、この新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動部材の製造方法は、基材の表面に、窒素を含有した非晶質炭素被膜を成膜する摺動部材の製造方法であって、前記基材の表面に向けて窒素イオンビームを照射すると共に、前記非晶質炭素被膜の表面に、複数の突起部が形成されるように、カーボンターゲットに電子ビームを照射することにより、前記カーボンターゲットの一部を前記基材の表面に蒸着させながら前記非晶質被膜を成膜することを特徴とする。   The present invention is based on this new knowledge, and the manufacturing method of a sliding member according to the present invention is a manufacturing of a sliding member in which an amorphous carbon film containing nitrogen is formed on the surface of a substrate. In this method, the surface of the substrate is irradiated with a nitrogen ion beam, and the carbon target is irradiated with an electron beam so that a plurality of protrusions are formed on the surface of the amorphous carbon film. Thus, the amorphous film is formed while depositing a part of the carbon target on the surface of the substrate.

本発明によれば、窒素イオンビームを基材表面に向けて照射すると共に、電子ビームで蒸発したカーボンターゲットの一部を基材の表面に蒸着させながら、非晶質炭素被膜を成膜するので、摺動部材の基材の表面(摺動面)に、窒素を含有した非晶質炭素被膜(CNx)を成膜することができる。   According to the present invention, an amorphous carbon film is formed while irradiating a nitrogen ion beam toward the substrate surface and depositing a part of the carbon target evaporated by the electron beam on the surface of the substrate. An amorphous carbon film (CNx) containing nitrogen can be formed on the surface (sliding surface) of the base material of the sliding member.

そして、電子ビームをカーボンターゲットに照射することにより、カーボンターゲットからは、これまでのスパッタリングなどの方法に比べて多量のカーボン原子が蒸発して放出される。これにより、これまでのスパッタリングなどの成膜方法に比べて、非晶質炭素被膜の成膜速度を高めることができる。   By irradiating the carbon target with an electron beam, a large amount of carbon atoms is evaporated and emitted from the carbon target as compared with the conventional sputtering method. Thereby, the film-forming speed | rate of an amorphous carbon film can be raised compared with film-forming methods, such as sputtering so far.

また、一部蒸発せずに溶融した状態のカーボンターゲットから飛び出す粒径の大きなクラスターカーボンが、基材表面および成膜段階の被膜の表面に蒸着して、この結果、非晶質炭素被膜の表面に突起部が形成される。   In addition, cluster carbon having a large particle size that jumps out from the carbon target in a molten state without being partially evaporated is deposited on the surface of the substrate and the surface of the film in the film formation stage. A protrusion is formed on the surface.

従来では、アークイオンプレーティング法、レーザーデポジッション法、スパッタリング法などにより非晶質炭素被膜を成膜した場合には、成膜時の突起部は、突起部以外の被膜表面と略同等の硬さとなる。したがって、一般的には、非晶質炭素被膜の表面は摺動面となるので、その表面は平滑であること(すなわち、突起部(ドロップレット)が形成されないこと)が好ましいとされていた。   Conventionally, when an amorphous carbon film is formed by an arc ion plating method, a laser deposition method, a sputtering method, or the like, the protrusions at the time of film formation have substantially the same hardness as the film surface other than the protrusions. It becomes. Therefore, in general, since the surface of the amorphous carbon film is a sliding surface, it is preferable that the surface is smooth (that is, no protrusions (droplets) are formed).

しかしながら、本発明では、電子ビーム蒸着法により非晶質炭素被膜を成膜するので、成膜時に生成される突起部は、突起部以外の非晶質炭素被膜の表面よりも硬さが低くなる(すなわち軟質となる)。これにより、この軟質の突起部が、摺動時における摺動部材の摩擦特性を向上させることができる。   However, in the present invention, since the amorphous carbon film is formed by the electron beam evaporation method, the protrusion generated at the time of film formation has a lower hardness than the surface of the amorphous carbon film other than the protrusion. (Ie become soft). Thereby, this soft protrusion part can improve the friction characteristic of the sliding member at the time of sliding.

さらに、突起部の高さは、摺動部材の適用箇所に応じて設定すればよく、例えば、発明者らが確認した実験の一例によれば、摺動回数が多く(摺動する頻度が高い)箇所には、突起部の高さはより低いことが望ましく、一方、摺動回数が少なく(摺動する頻度が低い)箇所には、突起部の高さは高いことが望ましい。   Furthermore, the height of the protrusion may be set according to the application location of the sliding member. For example, according to an example of an experiment confirmed by the inventors, the number of sliding is large (the frequency of sliding is high). ), The height of the protrusion is desirably lower, while the height of the protrusion is desirably high at a position where the number of sliding times is small (the frequency of sliding is low).

そして、後者の場合、より好ましい態様としては、前記突起部の高さが0.6μm〜1.0μmとなるように、非晶質炭素被膜を成膜する。この態様によれば、大気中(無潤滑状態)において摺動部材を摺動させたときに、摺動初期の段階から、摺動部材の摩擦係数を0.1以下にすることができる。これは、突起部(ドロップレット)が被膜表面に比べて軟質であることから、相手部材に対して低せん断性を発現することができるからである。   In the latter case, as a more preferable embodiment, an amorphous carbon film is formed so that the height of the protrusion is 0.6 μm to 1.0 μm. According to this aspect, when the sliding member is slid in the atmosphere (non-lubricated state), the friction coefficient of the sliding member can be made 0.1 or less from the initial stage of sliding. This is because the protrusions (droplets) are softer than the surface of the coating, so that low shear properties can be expressed with respect to the mating member.

すなわち、突起部の高さが0.6μmよりも低い場合には、突起部がすぐに摩滅してしまい、摺動初期において、十分に摩擦係数を低減することができない。一方、突起部の高さが1.0μmを超える突起部を形成しようとした場合には、非晶質炭素被膜の膜厚を厚くしなければならず、このような突起部では、初期摩耗が増大し、摺動初期の摩擦係数が増大するおそれがある。   That is, when the height of the protrusion is lower than 0.6 μm, the protrusion is worn away immediately, and the coefficient of friction cannot be sufficiently reduced in the initial stage of sliding. On the other hand, in the case where a protrusion having a protrusion height exceeding 1.0 μm is to be formed, the film thickness of the amorphous carbon film must be increased. There is a possibility that the coefficient of friction increases in the initial stage of sliding.

本発明として、上述した特性を有する摺動部材をも開示する。本発明に係る摺動部材は、基材の表面に、珪素及び窒素を含有した非晶質炭素被膜を成膜する摺動部材であって、前記非晶質炭素被膜の表面には、複数の突起部が形成されており、該突起部は、該突起部以外の前記表面よりも軟質であることを特徴とする。   As the present invention, a sliding member having the above-described characteristics is also disclosed. The sliding member according to the present invention is a sliding member for forming an amorphous carbon film containing silicon and nitrogen on the surface of a base material, and a plurality of surfaces are formed on the surface of the amorphous carbon film. A protrusion is formed, and the protrusion is softer than the surface other than the protrusion.

本発明によれば、非晶質炭素被膜の突起部が、該突起部以外の前記表面よりも軟質であるので、この突起部の軟質の特性により、摺動部材の摺動特性を高めることができる。   According to the present invention, since the protrusion of the amorphous carbon film is softer than the surface other than the protrusion, the soft characteristics of the protrusion can improve the sliding characteristics of the sliding member. it can.

より好ましい態様としては、前記突起部の高さが0.6μm〜1.0μmである。この態様によれば、大気中(無潤滑状態)における摺動初期の段階において、摺動部材の摩擦係数を0.1以下にすることができる。上述したように、突起部の高さが0.6μmよりも低い場合には、突起部がすぐに摩滅してしまい、摺動初期において、十分に摩擦係数を低減することができない。一方、突起部の高さが1.0μmを超えた場合には、非晶質炭素被膜が形成された摺動部材の初期摩耗が増大し、摺動初期の摩擦係数が増大するおそれがある。   As a more preferable aspect, the height of the protrusion is 0.6 μm to 1.0 μm. According to this aspect, the friction coefficient of the sliding member can be reduced to 0.1 or less at the initial stage of sliding in the atmosphere (non-lubricated state). As described above, when the height of the protruding portion is lower than 0.6 μm, the protruding portion is quickly worn out, and the friction coefficient cannot be sufficiently reduced in the early stage of sliding. On the other hand, when the height of the protrusion exceeds 1.0 μm, the initial wear of the sliding member on which the amorphous carbon film is formed increases, and the friction coefficient at the initial sliding may increase.

なお、本発明でいう「窒素を含有した非晶質炭素被膜」とは、いわゆるCNx膜のことであり、酸素原子及び水素原子をさらに含有していてもよい。そして、より好ましい態様としては、突起部の硬さは、12GPa以下であり、突起部以外の前記非晶質炭素被膜の表面の硬さは、14〜30GPaの範囲にある。   The “nitrogen-containing amorphous carbon film” in the present invention is a so-called CNx film, and may further contain oxygen atoms and hydrogen atoms. And as a more preferable aspect, the hardness of a projection part is 12 GPa or less, and the hardness of the surface of the said amorphous carbon film other than a projection part exists in the range of 14-30 GPa.

この態様によれば、摺動時に、突起部が摩耗しながら、摺動部材の表面に流動し、摺動部材の摩擦係数を低くすることができる。すなわち、突起部以外の非晶質炭素被膜の表面の硬さが、12GPa以下である場合には、被膜の耐摩耗性が不足し、30GPaを超えるような被膜は成膜できない。また、突起部の硬さが12GPaを超える場合には、非晶質炭素被膜の他の表面に対して軟質であるとはいえず、上述した摺動特性を発現することが難しくなる。   According to this aspect, at the time of sliding, the protrusion flows while flowing on the surface of the sliding member, and the friction coefficient of the sliding member can be lowered. That is, when the hardness of the surface of the amorphous carbon coating other than the protrusions is 12 GPa or less, the coating has insufficient wear resistance, and a coating exceeding 30 GPa cannot be formed. Moreover, when the hardness of a projection part exceeds 12 GPa, it cannot be said that it is soft with respect to the other surface of an amorphous carbon film, and it becomes difficult to express the sliding characteristic mentioned above.

また、本発明に係る摺動部材は、潤滑状態、無潤滑状態どちらでも使用してもよいが、より好ましくは、上述した摺動部材及び上述した製造方法により製造された摺動部材を第1の摺動部材として備え、該第1の摺動部材に摺動する摺動部材を第2の摺動部材として備え、該第1及び第2の摺動部材が無潤滑状態で摺動する摺動構造にすることにより、低摩擦で、これらの摺動部材を摺動させることができる。   The sliding member according to the present invention may be used in either a lubricated state or a non-lubricated state, but more preferably, the sliding member manufactured by the above-described sliding member and the above-described manufacturing method is the first. A sliding member that slides on the first sliding member as a second sliding member, and the first and second sliding members slide without lubrication. By employing a moving structure, these sliding members can be slid with low friction.

本発明によれば、潤滑環境下ばかりでなく、大気中(無潤滑状態)であっても、摺動初期の段階で、これまでに比べてより低い摩擦係数を確保することができる。   According to the present invention, a lower friction coefficient can be ensured at the initial stage of sliding not only in a lubrication environment but also in the atmosphere (non-lubricated state) compared to the past.

本発明の実施形態に係る摺動部材を製造するための製造装置の模式的概略図。The schematic schematic diagram of the manufacturing apparatus for manufacturing the sliding member which concerns on embodiment of this invention. 実施例1に係る摺動部材(非晶質炭素被膜)の表面を原子間力顕微鏡(AFM)で、観察した結果を示した図であり、(a)は、非晶質炭素被膜の表面のAFMの画像であり、(b)は、非晶質炭素被膜に形成された突起部の一例を示した図。It is the figure which showed the result of having observed the surface of the sliding member (amorphous carbon film) which concerns on Example 1 with atomic force microscope (AFM), (a) is the surface of an amorphous carbon film. It is an AFM image, and (b) is a diagram showing an example of a protrusion formed on an amorphous carbon film. 実施例1に係る摺動部材(非晶質炭素被膜)の表面を、電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を示した写真図。The photograph figure which showed the result of having observed the surface of the sliding member (amorphous carbon film) concerning Example 1 with the electron microscope (SEM). 実施例1〜4の突起部の高さの最大値、最小値およびその平均値を示した図。The figure which showed the maximum value of the protrusion part of Examples 1-4, the minimum value, and the average value. 実施例1〜4の突起部の幅の最大値、最小値およびその平均値を示した図。The figure which showed the maximum value of the width | variety of the projection part of Examples 1-4, the minimum value, and the average value. 実施例1〜4の突起部の占める面積率の最大値、最小値およびその平均値を示した図。The figure which showed the maximum value of the area ratio which the projection part of Examples 1-4 occupies, the minimum value, and the average value. 図7は、実施例1〜4の任意の点における硬さ試験の結果であり、(a)は、120〜800nmの突起部の高さを満たす6つの突起部における荷重変位曲線を示した図であり、(b)は、突起部以外の被膜表面の4箇所における荷重変位曲線を示した図。FIG. 7 is a result of a hardness test at an arbitrary point in Examples 1 to 4, and (a) is a diagram showing a load displacement curve in six protrusions satisfying the height of the protrusions of 120 to 800 nm. (B) is the figure which showed the load displacement curve in four places of the film surfaces other than a projection part. 図7(a)の曲線から求めた突起部の硬さの最大値、最小値、および平均値と、(b)の曲線から求めた突起部以外の硬さの最大値、最小値、および平均値を示した図。The maximum value, minimum value, and average value of the hardness of the protrusion obtained from the curve of FIG. 7A, and the maximum value, minimum value, and average of the hardness of the protrusion other than the protrusion determined from the curve of FIG. The figure which showed the value. ボールオンディスク摩擦試験機を説明するための図。The figure for demonstrating a ball-on-disk friction tester. 実施例1に係る摺動部材の摩擦試験の結果を示しており、(a)は、摺動部材のサイクル数と摩擦係数との関係を示した図であり、(b)は、5000サイクル時における非晶質炭素被膜の表面を電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を示した写真図。The result of the friction test of the sliding member which concerns on Example 1 is shown, (a) is the figure which showed the relationship between the cycle number of a sliding member, and a friction coefficient, (b) is 5000 cycles. The photograph figure which showed the result of having observed the surface of the amorphous carbon film in SEM with an electron microscope (SEM). 実施例2に係る摺動部材の摩擦試験の結果を示しており、(a)は、摺動部材のサイクル数と摩擦係数との関係を示した図であり、(b)は、5000サイクル時における非晶質炭素被膜の表面を電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を示した写真図。The result of the friction test of the sliding member which concerns on Example 2 is shown, (a) is the figure which showed the relationship between the cycle number of a sliding member, and a friction coefficient, (b) is 5000 cycles. The photograph figure which showed the result of having observed the surface of the amorphous carbon film in SEM with an electron microscope (SEM). 実施例3に係る摺動部材の摩擦試験の結果を示しており、(a)は、摺動部材のサイクル数と摩擦係数との関係を示した図であり、(b)は、5000サイクル時における非晶質炭素被膜の表面を電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を示した写真図。The result of the friction test of the sliding member which concerns on Example 3 is shown, (a) is the figure which showed the relationship between the cycle number of a sliding member, and a friction coefficient, (b) is 5000 cycles. The photograph figure which showed the result of having observed the surface of the amorphous carbon film in SEM with an electron microscope (SEM). 実施例4に係る摺動部材の摩擦試験の結果を示しており、(a)は、摺動部材のサイクル数と摩擦係数との関係を示した図であり、(b)は、5000サイクル時における非晶質炭素被膜の表面を電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を示した写真図。The result of the friction test of the sliding member which concerns on Example 4 is shown, (a) is the figure which showed the relationship between the cycle number of a sliding member, and a friction coefficient, (b) is 5000 cycles. The photograph figure which showed the result of having observed the surface of the amorphous carbon film in SEM with an electron microscope (SEM). 実施例1〜4の摺動部材に係る突起部の高さに対する、摺動初期の摩擦係数と、10000サイクルにおける摩擦係数とを示した図。The figure which showed the friction coefficient of the sliding initial stage with respect to the height of the projection part which concerns on the sliding member of Examples 1-4, and the friction coefficient in 10000 cycles.

以下の本発明の摺動部材及びその製造方法を実施形態について説明する。図1は、本実施形態の摺動部材を製造(基材に被膜を成膜)するための模式的な装置構成図である。   Embodiments of a sliding member and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for manufacturing the sliding member of the present embodiment (forming a film on a base material).

本実施形態の摺動部材の製造方法は、基材の表面(摺動表面)に、窒素を含有した非晶質炭素被膜が形成された摺動部材を製造する方法である。具体的には、基材表面に向けて窒素イオンビームを照射すると共に、非晶質炭素被膜の表面に、複数の突起部が形成されるように、カーボンターゲットに電子ビームを照射することにより、カーボンターゲットの一部を前記基材の表面に蒸着させながら前記非晶質被膜を成膜する方法である。   The manufacturing method of the sliding member of this embodiment is a method of manufacturing a sliding member in which an amorphous carbon film containing nitrogen is formed on the surface (sliding surface) of a base material. Specifically, by irradiating the surface of the substrate with a nitrogen ion beam and irradiating the carbon target with an electron beam so that a plurality of protrusions are formed on the surface of the amorphous carbon film, In this method, the amorphous film is formed while a part of the carbon target is deposited on the surface of the substrate.

まず、摺動部材の基材を準備する。この基材の材質としては、摺動時において非晶質炭素被膜との密着性を確保することができるような材質および表面硬さを有する材料であれば、特に限定されるものではなく、例えば、鋼、鋳鉄、アルミニウム、高分子樹脂、シリコン等の基材などを挙げることができる。   First, a base material for the sliding member is prepared. The material of the base material is not particularly limited as long as the material has a surface hardness and a material that can ensure adhesion with the amorphous carbon coating during sliding. And base materials such as steel, cast iron, aluminum, polymer resin, and silicon.

また、この基材の表面には、非晶質炭素被膜を成膜前に、基材と非晶質炭素被膜との密着力を高めるために、ケイ素(Si)からなる中間層を設けてもよく、さらにケイ素の代わりに、クロム(Cr)、チタン(Ti)またはタングステン(W)を用いてもよい。   In addition, an intermediate layer made of silicon (Si) may be provided on the surface of the base material in order to increase the adhesion between the base material and the amorphous carbon film before forming the amorphous carbon film. Further, chromium (Cr), titanium (Ti), or tungsten (W) may be used instead of silicon.

図1に示すような成膜装置(IBAD(イオンビームアシスト蒸着)装置)を利用して、イオンビームミキシング法と電子ビーム蒸着法を組み合わせることにより、基材の表面に非晶質窒化炭素被膜を成膜する(成膜工程)。まず、図1に示すように、基材およびカーボンターゲットを、成膜装置内に配置する。   By using a film forming apparatus (IBAD (ion beam assisted vapor deposition) apparatus) as shown in FIG. 1 and combining an ion beam mixing method and an electron beam vapor deposition method, an amorphous carbon nitride film is formed on the surface of the substrate. A film is formed (film formation process). First, as shown in FIG. 1, a base material and a carbon target are disposed in a film forming apparatus.

次に、ターボモレキュラーポンプを用いて、真空チャンバ内の圧力を減圧する。具体的には、ターボモレキュラーポンプは、ターボ分子ポンプで、真空チャンバ内の空気を排気し、チャンバ内を真空に近い状態にする(2.0〜4.0×10−3Pa)。一般に、ロータリーポンプや拡散ポンプなどがこの程度の真空度を得るためには用いられるが、後述する摩擦実験を行なうため、吸着する油の影響を無くするため、油を使用しないターボ分子ポンプを用いて、真空チャンバ内の空気を排気する。 Next, the pressure in the vacuum chamber is reduced using a turbomolecular pump. Specifically, a turbo molecular pump is a turbo molecular pump that exhausts air in a vacuum chamber to bring the chamber into a state close to vacuum (2.0 to 4.0 × 10 −3 Pa). In general, rotary pumps and diffusion pumps are used to obtain this degree of vacuum. However, in order to eliminate the influence of adsorbed oil, a turbo molecular pump that does not use oil is used in order to perform the friction experiment described later. Then, the air in the vacuum chamber is exhausted.

次に、冷却水により基材の間接的に冷却するとともに、窒素イオンビーム発生源から所定の加速エネルギーで窒素イオンビームを基材に向けて照射する。これにより、基材の表面をクリーニングする。そして、窒素イオンビームを基材の表面に照射すると共に、基材の表面に後述する複数の突起部が形成されるように、カーボンターゲットに電子ビーム発生源からの所定の出力となる電子ビームを照射し、カーボンターゲットの一部を溶融・蒸発させ、蒸発したカーボンを基材の表面に蒸着させながら、基材の表面に非晶質被膜を成膜する。   Next, the substrate is indirectly cooled with cooling water, and the substrate is irradiated with a nitrogen ion beam with a predetermined acceleration energy from a nitrogen ion beam generation source. This cleans the surface of the substrate. Then, the surface of the base material is irradiated with a nitrogen ion beam, and an electron beam having a predetermined output from the electron beam generation source is applied to the carbon target so that a plurality of projections described later are formed on the surface of the base material. Irradiation is performed to melt and evaporate a part of the carbon target, and an amorphous film is formed on the surface of the substrate while evaporating the evaporated carbon on the surface of the substrate.

ここで、図1に示すサーモカップルは、熱電対で成膜時の基材の表面温度を予測するための計測器であり、これを用いて、基材の裏面の温度を測定する。また、膜厚計(シックネスゲージ)は、成膜された非晶質炭素被膜の膜厚を測定するための水晶振動子型膜厚計であり、これを用いて、成膜時間と伴に増加する非晶質炭素被膜の膜厚を計測する。この計測器の原理は、水晶振動子を発振しておき、成膜途中の膜の固有振動数の変化から、堆積した膜材料の重量を求め、体積重量を膜密度で除して膜体積と膜厚を算出する。   Here, the thermocouple shown in FIG. 1 is a measuring instrument for predicting the surface temperature of the base material at the time of film-forming with a thermocouple, and this is used to measure the temperature of the back surface of the base material. The film thickness meter (thickness gauge) is a crystal oscillator type film thickness meter for measuring the film thickness of the deposited amorphous carbon film, and increases with the film formation time using this. The film thickness of the amorphous carbon film to be measured is measured. The principle of this measuring instrument is that the crystal oscillator is oscillated, the weight of the deposited film material is obtained from the change in the natural frequency of the film during film formation, and the volume weight is divided by the film density to obtain the film volume. The film thickness is calculated.

このようにして、得られた非晶質炭素被膜は、窒素イオンビームを基材表面に向けて照射すると共に、カーボンターゲットの一部を基材の表面に蒸着させながら、非晶質炭素被膜を成膜するので、基材の表面(摺動面)に、窒素を含有した非晶質炭素被膜(CNx被膜)を成膜することができる。   In this way, the obtained amorphous carbon film is irradiated with a nitrogen ion beam toward the substrate surface, and a part of the carbon target is deposited on the surface of the substrate while the amorphous carbon film is formed. Since the film is formed, an amorphous carbon film (CNx film) containing nitrogen can be formed on the surface (sliding surface) of the substrate.

なお、本実施形態では、窒素イオンビームを基材に向けて照射しているので、炭素と窒素とのsp結合が増加した非晶質炭素被膜(CNx被膜)を得ることができる。この被膜(CNx被膜)を有した摺動部材は、窒素を含まないもの(DLC被膜)に比べて、低摩擦係数を有する。なお、CNx被膜における窒素原子の含有量/炭素原子の含有量の原子比は、特に限定されるものではないが、0.1〜0.25の範囲の原子比であれば、上述した低摩擦特性を発現することができる。 In the present embodiment, since the substrate is irradiated with a nitrogen ion beam, an amorphous carbon film (CNx film) in which sp 2 bonds between carbon and nitrogen are increased can be obtained. The sliding member having this coating (CNx coating) has a lower coefficient of friction than that containing no nitrogen (DLC coating). In addition, the atomic ratio of the content of nitrogen atoms / the content of carbon atoms in the CNx film is not particularly limited, but the above-described low friction can be used as long as the atomic ratio is in the range of 0.1 to 0.25. Characteristic can be expressed.

そして、電子ビームをカーボンターゲットに照射することにより、カーボンターゲットからは、これまでのスパッタリングなどの方法に比べて多量のカーボン原子が蒸発して放出されるので、これまでの方法に比べて成膜速度を高めることができる。   By irradiating the carbon target with an electron beam, a larger amount of carbon atoms is evaporated and emitted from the carbon target than in the conventional sputtering method. Speed can be increased.

また、一部蒸発せずに溶融した状態のカーボンターゲットから飛び出す粒径の大きなクラスターカーボンが、基材表面および成膜段階の被膜の表面に蒸着する。この結果、非晶質炭素被膜の表面に複数の突起部が形成される。   In addition, cluster carbon having a large particle size that jumps out from a carbon target in a molten state without being partially evaporated is deposited on the surface of the substrate and the surface of the coating film in the film formation stage. As a result, a plurality of protrusions are formed on the surface of the amorphous carbon film.

ここで、非晶質炭素被膜の表面に形成される突起部(ドロップレット)の高さ、突起部の幅、および、複数の突起部が被膜表面に対して占有する占有率(面積率)は、電子ビームに供給する電圧および電流と、成膜時間と、を調整することにより、調整することができる。本実施形態では、突起部の高さが、摺動部材の摺動初期の段階における摩擦係数の支配的な因子となるため、突起部の高さが0.6μm〜1.0μmとなるように、非晶質炭素被膜を成膜する。   Here, the height of protrusions (droplets) formed on the surface of the amorphous carbon film, the width of the protrusions, and the occupation ratio (area ratio) occupied by the plurality of protrusions with respect to the film surface are It can be adjusted by adjusting the voltage and current supplied to the electron beam and the film formation time. In the present embodiment, the height of the protrusion is a dominant factor of the friction coefficient in the initial sliding stage of the sliding member, so that the height of the protrusion is 0.6 μm to 1.0 μm. Then, an amorphous carbon film is formed.

この条件としては、たとえば、電子ビームの出力を、10kV,0.7〜0.9Aに制御し、成膜時間を、20分〜60分程度で、このような範囲の非晶質炭素被膜を成膜することができる。なお、突起部の高さを上述した範囲に製造すれば、その効果を発現するための突起部の幅、突起部の面積率を有した突起が形成されることになる。   As this condition, for example, the output of the electron beam is controlled to 10 kV, 0.7 to 0.9 A, the film formation time is about 20 to 60 minutes, and an amorphous carbon film in such a range is formed. A film can be formed. If the height of the protrusion is manufactured in the above-described range, a protrusion having the width of the protrusion and the area ratio of the protrusion to achieve the effect is formed.

従来の如く、アークイオンプレーティング法、レーザーデポジッション法、スパッタリング法などにより非晶質炭素被膜を成膜した場合には、成膜時の突起部は、突起部以外の被膜表面の硬さ略同等で硬質となる。したがって、一般的には、摩擦係数を高めるためには、非晶質炭素被膜の表面は摺動面となるので、その表面は平滑であること(すなわち、突起部(ドロップレット)が形成されないこと)が好ましいとされていた。   When an amorphous carbon film is formed by an arc ion plating method, a laser deposition method, a sputtering method or the like as in the prior art, the protrusions at the time of film formation are approximately the hardness of the film surface other than the protrusions. Equivalent and hard. Therefore, in general, in order to increase the coefficient of friction, the surface of the amorphous carbon film is a sliding surface, so that the surface is smooth (that is, no protrusions (droplets) are formed). ) Was preferred.

しかしながら、本実施形態では、電子ビーム蒸着法により非晶質炭素被膜を成膜するので、成膜時に生成される突起部は、突起部以外の非晶質炭素被膜の表面よりも硬さが低い(すなわち軟質である)ため、摺動時における摺動部材の摩擦特性を向上させることができる。   However, in this embodiment, since the amorphous carbon film is formed by the electron beam evaporation method, the protrusion generated at the time of film formation is lower in hardness than the surface of the amorphous carbon film other than the protrusion. (That is, soft), it is possible to improve the friction characteristics of the sliding member during sliding.

特に、突起部の高さが0.6μm〜1.0μmとなるように、非晶質炭素被膜を成膜すれば、大気中(無潤滑状態)において摺動部材を摺動させたときに、摺動初期の段階から、摺動部材の摩擦係数を0.1以下にすることができる。これは、突起部(ドロップレット)が、それ以外の被膜表面に比べて軟質であることから、相手部材に対して低せん断性を発現するからである。   In particular, when the amorphous carbon film is formed so that the height of the protrusion is 0.6 μm to 1.0 μm, when the sliding member is slid in the atmosphere (non-lubricated state), From the initial stage of sliding, the friction coefficient of the sliding member can be made 0.1 or less. This is because the protrusions (droplets) are softer than the other coating surfaces, and thus exhibit low shearing properties with respect to the mating member.

また、突起部の高さを、0.3μm以下にした場合には、摺動初期の段階で、突起部が摩滅するものの、低い突起部(ドロップレット)が非晶質炭素被膜の摺動面(表面)に広がり、時間経過と共に、良い潤滑性のある(摩擦係数の低い)膜が形成される。このように、本実施形態では、摺動部材の使用環境下に応じて、非晶質炭素被膜表面に形成される突起部の高さを選定すればよい。   In addition, when the height of the protrusion is 0.3 μm or less, the protrusion is worn out in the initial stage of sliding, but the low protrusion (droplet) is the sliding surface of the amorphous carbon film. A film with good lubricity (low friction coefficient) is formed over time and spreads over time. Thus, in this embodiment, what is necessary is just to select the height of the projection part formed in the surface of an amorphous carbon film according to the use environment of a sliding member.

以下に、本発明を実施例により説明する。
(実施例1)
<摺動部材の製作>
窒素を含有した非晶質炭素被膜(CNx膜)の成膜に、図1に示す成膜装置を用いた。まず、基材として、(100)方位を表面に有するシリコンウエアを準備した。この基材とカーボンターゲットを真空チャンバ内に配置し、チャンバ内を、2.0〜4.0×10−3Paとなるように、ターボモレキュラーポンプで、真空チャンバ内の空気を排気した。そして、基材が設置された設置台に、20℃の冷却水を循環させて、基材の温度を一定に保持した。
Hereinafter, the present invention will be described by way of examples.
Example 1
<Production of sliding members>
A film forming apparatus shown in FIG. 1 was used for forming an amorphous carbon film (CNx film) containing nitrogen. First, silicon wear having a (100) orientation on the surface was prepared as a base material. The base material and the carbon target were placed in a vacuum chamber, and the air in the vacuum chamber was evacuated with a turbo molecular pump so that the inside of the chamber became 2.0 to 4.0 × 10 −3 Pa. And the cooling water of 20 degreeC was circulated through the installation base with which the base material was installed, and the temperature of the base material was kept constant.

次に、窒素イオン発生源へのアシスト窒素イオンへの窒素ガスの流量10sccmとし、アシスト窒素イオンの加速電圧が加速電圧:1.0kV(34mA)となり、窒素アシストイオンのマイクロ波出力0.4kW(反射出力:0kW)となるように、窒素イオンビーム発生源を調整した。この調整した常態の窒素イオンビームを基材の表面に向けて照射し、基材の表面のクリーニングを5分間行なった。   Next, the flow rate of nitrogen gas to assist nitrogen ions to the nitrogen ion generation source is set to 10 sccm, the acceleration voltage of assist nitrogen ions becomes acceleration voltage: 1.0 kV (34 mA), and the microwave output of nitrogen assist ions is 0.4 kW ( The nitrogen ion beam generation source was adjusted so that the reflected output was 0 kW. The adjusted normal nitrogen ion beam was irradiated toward the surface of the substrate, and the surface of the substrate was cleaned for 5 minutes.

次に、クリーニング条件と同じ条件で、基材の表面に向けて窒素イオンビームを照射すると共に、カーボンターゲットに、電子ビーム蒸着の電子ビームの出力を、電圧10kV、電流0.7〜0.9Aの範囲に調節した電子ビームを照射し、カーボンターゲットの一部を溶融及び蒸発させて、この蒸発したカーボンターゲットの一部を、窒素イオンビームが照射された基材の表面に蒸着させた。成膜時間は、4分40秒、膜厚計により、成膜速度は、1.0〜2.0nm/s、膜厚は、160nmであった。   Next, under the same conditions as the cleaning conditions, the surface of the substrate is irradiated with a nitrogen ion beam, and the output of the electron beam for electron beam evaporation is applied to the carbon target at a voltage of 10 kV and a current of 0.7 to 0.9 A. An electron beam adjusted to the above range was irradiated to melt and evaporate a part of the carbon target, and a part of the evaporated carbon target was deposited on the surface of the substrate irradiated with the nitrogen ion beam. The film formation time was 4 minutes and 40 seconds, and the film formation rate was 1.0 to 2.0 nm / s and the film thickness was 160 nm by a film thickness meter.

このようにして、基材の表面(摺動面)に、窒素を含有した非晶質炭素被膜(CNx被膜)が形成された摺動部材を得た。   Thus, a sliding member was obtained in which an amorphous carbon film (CNx film) containing nitrogen was formed on the surface (sliding surface) of the base material.

(実施例2〜4)
実施例1と同じように、基材に非晶質炭素被膜を形成した摺動部材を製作した。実施例1と相違する点は、成膜時間を、順次、12分20秒、32分00秒、46分00秒にすることにより、非晶質炭素被膜の膜厚を、370nm,1090nm及び1600nmにした点である。
(Examples 2 to 4)
As in Example 1, a sliding member having an amorphous carbon film formed on a base material was manufactured. The difference from Example 1 is that the film formation time is set to 12 minutes 20 seconds, 32 minutes 00 seconds, 46:00 hours, so that the film thickness of the amorphous carbon film is 370 nm, 1090 nm and 1600 nm. This is the point.

(比較例1および2)
実施例1と同じように、基材に非晶質炭素被膜を形成した摺動部材を製作した。比較例1が、実施例1と相違する点は、イオンビームミキシング法を利用したスパッタリング(イオンビームスパッタ)により、窒素を含む非晶質炭素被膜を成膜した点であり、比較例2が、実施例1と相違する点は、スパッタリングによりドロップレットが形成されるように非晶質炭素被膜(DLC)を成膜した点である。
(Comparative Examples 1 and 2)
As in Example 1, a sliding member having an amorphous carbon film formed on a base material was manufactured. Comparative Example 1 is different from Example 1 in that an amorphous carbon film containing nitrogen is formed by sputtering (ion beam sputtering) using an ion beam mixing method. The difference from Example 1 is that an amorphous carbon film (DLC) is formed so that droplets are formed by sputtering.

<表面観察>
実施例1〜4の摺動部材の非晶質炭素被膜が形成された表面を、原子間力顕微鏡(AFM)および電子顕微鏡(SEM)で観察し、表面の突起部が形成されていることを確認した。
<Surface observation>
The surface on which the amorphous carbon film of the sliding member of Examples 1 to 4 was formed was observed with an atomic force microscope (AFM) and an electron microscope (SEM), and a protrusion on the surface was formed. confirmed.

図2は、実施例1に係る摺動部材(非晶質炭素被膜)の表面を原子間力顕微鏡(AFM)で、観察した結果を示した図であり、(a)は、非晶質炭素被膜の表面のAFMの画像であり、(b)は、非晶質炭素被膜に形成された突起部の一例を示した図である。   FIG. 2 is a diagram showing the result of observing the surface of the sliding member (amorphous carbon coating) according to Example 1 with an atomic force microscope (AFM). FIG. It is the image of AFM of the surface of a film, (b) is a figure showing an example of the projection part formed in the amorphous carbon film.

なお、原子間力顕微鏡は、試料と探針間に働く力を利用して試料表面の凹凸をナノメートルレベルでの分解能で観察できるものである。装置は、測定ヘッド(セイコーインスツルメンツ株式会社製 NPX100)、コントローラ(セイコーインスツルメンツ株式会社製Nanopocs1000)で構成されている。測定範囲0.5nm〜1000μm、スキャン速度12〜1792秒/フレームで測定を行うことができるものである。   The atomic force microscope is capable of observing the unevenness of the sample surface with a resolution at the nanometer level by using the force acting between the sample and the probe. The apparatus includes a measuring head (NPX100 manufactured by Seiko Instruments Inc.) and a controller (Nanopocs1000 manufactured by Seiko Instruments Inc.). Measurement can be performed at a measurement range of 0.5 nm to 1000 μm and a scanning speed of 12 to 1792 seconds / frame.

図3は、実施例1に係る摺動部材(非晶質炭素被膜)の表面を、電子顕微鏡(SEM)で観察した結果である。   FIG. 3 is a result of observing the surface of the sliding member (amorphous carbon coating) according to Example 1 with an electron microscope (SEM).

図2(a),(b)に示すようなAFM画像の結果を用いて、実施例1〜4の摺動部材の非晶質炭素被膜の表面に形成された20個の突起部の幅と高さを測定し、突起部の高さおよび幅を測定した。図4に、実施例1〜4の突起部の高さの最大値、最小値およびその平均値(○)を示した。図5に、実施例1〜4の突起部の幅の最大値、最小値およびその平均値(○)を示した。   Using the results of the AFM images as shown in FIGS. 2A and 2B, the widths of the 20 protrusions formed on the surface of the amorphous carbon film of the sliding members of Examples 1 to 4 The height was measured, and the height and width of the protrusion were measured. In FIG. 4, the maximum value of the protrusion part of Examples 1-4, the minimum value, and the average value ((circle)) were shown. In FIG. 5, the maximum value of the protrusion part of Examples 1-4, the minimum value, and the average value ((circle)) were shown.

さらに、図3に示すようなSEM画像の結果を用いて、非晶質炭素被膜の表面に占める複数の突起部の面積率を評価するにあたりSEM画像を2値化処理し、ヒストグラムを用いて突起部の面積率を測定した。実施例1〜4のそれぞれに対しSEM画像を3枚測定し、図6に、実施例1〜4の突起部の占める面積率の最大値、最小値およびその平均値(○)を示した。   Furthermore, when evaluating the area ratio of the plurality of protrusions on the surface of the amorphous carbon film using the result of the SEM image as shown in FIG. The area ratio of the part was measured. Three SEM images were measured for each of Examples 1 to 4, and FIG. 6 shows the maximum and minimum values of the area ratio occupied by the protrusions of Examples 1 to 4 and the average value (◯).

[結果1]
実施例1〜4に係る非晶質炭素被膜の膜厚、突起部の高さ(平均値)、突起部の幅(平均値)、突起部の幅(平均値)、突起部の面積率(平均値)は以下の表1に示すとおりとなった。
[Result 1]
The film thickness of the amorphous carbon film according to Examples 1 to 4, the height of the protrusion (average value), the width of the protrusion (average value), the width of the protrusion (average value), the area ratio of the protrusion ( The average value was as shown in Table 1 below.

Figure 2013057093
Figure 2013057093

<硬さ試験>
実施例1〜4における非晶質炭素被膜の表面をHysitron社製AFMナノインデンターにより押し込み硬さ測定をした場合の荷重変位曲線を求め、本荷重変位曲線より、塑性変形による押し込み痕の投影面積を算出し、最大押し込み荷重を押し込み痕の投影面積で除することで硬さを算出した。
<Hardness test>
The load displacement curve when the surface of the amorphous carbon coating in Examples 1 to 4 was subjected to indentation hardness measurement with an AFM nanoindenter manufactured by Hystron was obtained, and the projected area of the indentation trace due to plastic deformation was determined from this load displacement curve. The hardness was calculated by dividing the maximum indentation load by the projected area of the indentation mark.

図7は、実施例1〜4の任意の点における硬さ試験の結果であり、(a)は、120〜800μmの突起部の高さhを満たす6つの突起部における荷重変位曲線を示しており、(b)は、突起部以外の被膜表面の4箇所における荷重変位曲線を示している。図8は、図7(a)の曲線から求めた突起部の硬さの最大値、最小値、および平均値と、(b)の曲線から求めた突起部以外の硬さの最大値、最小値、および平均値を示している。   FIG. 7 is a result of a hardness test at an arbitrary point in Examples 1 to 4, and (a) shows a load displacement curve in six protrusions satisfying the height h of the protrusions of 120 to 800 μm. (B) shows load displacement curves at four locations on the surface of the coating film other than the protrusions. 8 shows the maximum value, minimum value, and average value of the hardness of the protrusions determined from the curve of FIG. 7A, and the maximum value and minimum of the hardness of the protrusions other than the protrusions determined from the curve of FIG. Values and average values are shown.

[結果2]
図8に示すように、非晶質炭素被膜の突起部の硬さ(平均値7.5GPa)は、それ以外の非晶質炭素被膜の硬さ(平均値14.8GPa)よりも低く、突起部は、その他の表面に比べて軟質であった。具体的には、突起部の硬さは、最大値であっても12GPa以下であり、突起部以外の被膜表面の硬さは、最小値であっても14GPaであった。
[Result 2]
As shown in FIG. 8, the hardness (average value 7.5 GPa) of the protrusions of the amorphous carbon coating is lower than the hardness (average value 14.8 GPa) of the other amorphous carbon coatings. The part was softer than other surfaces. Specifically, the hardness of the protruding portion was 12 GPa or less even at the maximum value, and the hardness of the coating surface other than the protruding portion was 14 GPa even at the minimum value.

[考察]
結果2となったのは、電子ビームを照射時に、一部蒸発せずに溶融した状態のカーボンターゲットから飛び出す粒径の大きなクラスターカーボンが、基材表面および成膜段階の被膜の表面に蒸着し、この結果、非晶質炭素被膜の表面に軟質の突起部が形成されたと考えられる。
[Discussion]
The result 2 was that when the electron beam was irradiated, cluster carbon having a large particle size popping out from the carbon target in a melted state without being partially evaporated was deposited on the surface of the substrate and the film surface in the film formation stage. As a result, it is considered that soft protrusions were formed on the surface of the amorphous carbon film.

<摩擦試験>
以下の手順で実施例1〜4および比較例1および2の摩擦試験を行った。まず、直径8mm、以下の表2に示す窒化珪素球を準備した。
<Friction test>
The friction test of Examples 1-4 and Comparative Examples 1 and 2 was performed in the following procedure. First, silicon nitride spheres having a diameter of 8 mm and shown in Table 2 below were prepared.

Figure 2013057093
Figure 2013057093

図9に示すボールオンディスク摩擦試験機を用いた。摩耗試験を行う事前準備として、ボール試験片Bをアセトンとエタノールで各10分間超音波洗浄した。その後、チャンバ30内において、ボール試験片Bを試験機の本体から取り外したボールホルダー35に固定し、光学顕微鏡(図示せず)を用いてこの表面に傷が無いことを確認後、これらをデシケータ(図示せず)内に投入し、ボール試験片Bを乾燥させた。一方、ディスク試験片Dの表面に形成した非晶質炭素被膜の表面(摺動面)の埃などの異物をハンドブロー(図示せず)で取り除いた。   A ball-on-disk friction tester shown in FIG. 9 was used. As a preliminary preparation for the wear test, the ball specimen B was ultrasonically cleaned with acetone and ethanol for 10 minutes each. Thereafter, in the chamber 30, the ball test piece B is fixed to the ball holder 35 removed from the main body of the testing machine, and it is confirmed that there is no scratch on the surface using an optical microscope (not shown), and these are then desiccator. (Not shown) was put in, and the ball test piece B was dried. On the other hand, foreign matters such as dust on the surface (sliding surface) of the amorphous carbon coating formed on the surface of the disk test piece D were removed by hand blow (not shown).

次に、ディスク試験片Dをディスクホルダー44に保持させると共に、ボール試験片Bが固定されたボールホルダー35をステージ31と一体となるように試験機の本体に取り付けた。平行板ばね32に接着したひずみゲージ33(協和電業製,KF−1−120−C1−16)を用いて、ボール試験片Bがディスク試験片Dの非晶質炭素被膜の表面に対して付加される荷重の値が0.1Nの荷重(ヘルツ平均接触圧力(135MPa))が付加されるようにステージ31を調整して、これらを当接させた。なお、ボール試験片Bとディスク試験片Dの接触位置は、この3軸ステージ31によって決定され、垂直荷重は、z軸を上下させることにより調整した。   Next, the disc test piece D was held on the disc holder 44, and the ball holder 35 to which the ball test piece B was fixed was attached to the main body of the testing machine so as to be integrated with the stage 31. Using a strain gauge 33 (manufactured by Kyowa Denki Co., Ltd., KF-1-120-C1-16) bonded to the parallel leaf spring 32, the ball test piece B is against the surface of the amorphous carbon coating of the disk test piece D. The stage 31 was adjusted so that a load having a load value of 0.1 N (Hertz average contact pressure (135 MPa)) was applied, and these were brought into contact with each other. The contact position between the ball test piece B and the disk test piece D was determined by the triaxial stage 31, and the vertical load was adjusted by moving the z axis up and down.

そして、乾式下(乾燥摩擦条件下)で、チャンバ内に大気を導入し、モータ41を駆動してプーリ42を回転させ、ベルト43を介して、窒素ガス雰囲気下でディスクホルダー44のディスク試験片Dを、ボール試験片Bに対して回転半径が2mm、相対速度(摺動速度)が42m/s(回転数200rpm)となる定速回転条件で1分間回転させた。   Then, under a dry condition (under dry friction conditions), the atmosphere is introduced into the chamber, the motor 41 is driven to rotate the pulley 42, and the disk test piece of the disk holder 44 in the nitrogen gas atmosphere via the belt 43. D was rotated for 1 minute with respect to the ball test piece B under a constant speed rotation condition in which the radius of rotation was 2 mm and the relative speed (sliding speed) was 42 m / s (number of rotations: 200 rpm).

このときの摩擦力を、ひずみゲージ34で測定し、センサインターフェイス(協和電業製,PCD−300A)を介して、コンピュータ内にデータを取り込み、記録した。そして、摩擦係数を換算した。   The frictional force at this time was measured with the strain gauge 34, and data was taken in and recorded in the computer via the sensor interface (PCD-300A, manufactured by Kyowa Denki Co., Ltd.). And the friction coefficient was converted.

この結果を図10(a)〜図13(a)、図14に示す。図10(a)〜図13(a)は、実施例1〜4に係る摺動部材のサイクル数と摩擦係数との関係を示した図であり、図14は、各実施例1〜4の摺動部材に係る突起部の高さに対する、摺動初期の摩擦係数と、10000サイクルにおける摩擦係数とを示した図である。なお、図10(b)〜図13(b)には、それぞれ、5000サイクル時における実施例1〜4の非晶質炭素被膜の表面を電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を示した写真図である。   The results are shown in FIGS. 10 (a) to 13 (a) and FIG. FIG. 10A to FIG. 13A are diagrams showing the relationship between the number of cycles of the sliding member according to Examples 1 to 4 and the friction coefficient, and FIG. It is the figure which showed the friction coefficient of the sliding initial stage with respect to the height of the projection part which concerns on a sliding member, and the friction coefficient in 10,000 cycles. In addition, in FIG.10 (b)-FIG.13 (b), the photograph figure which showed the result of having observed the surface of the amorphous carbon film of Examples 1-4 at the time of 5000 cycles with an electron microscope (SEM), respectively. It is.

[結果3]
図10(a)に示すように、実施例1の摺動部材の場合には、摺動初期の摩擦係数が0.27程度と高く、10000サイクルでは、摩擦係数が0.13程度に低減された。
[Result 3]
As shown in FIG. 10A, in the case of the sliding member of Example 1, the friction coefficient at the initial stage of sliding is as high as about 0.27, and the friction coefficient is reduced to about 0.13 at 10,000 cycles. It was.

図11(a)に示すように、実施例2の摺動部材の場合には、1000サイクルまでの摺動初期の段階で、摩擦係数が0.1を下回り、その後、1500サイクルを越えたあたりから、摩擦係数が増加した。   As shown in FIG. 11 (a), in the case of the sliding member of Example 2, at the initial stage of sliding up to 1000 cycles, the coefficient of friction was less than 0.1, and thereafter around 1500 cycles. From this, the coefficient of friction increased.

図12(a)、図13(a)に示すように、実施例3および4の摺動部材の場合には、摺動初期の摩擦係数が、0.1を下回り、その後、10000サイクルでは、摩擦係数が増加した。   As shown in FIG. 12 (a) and FIG. 13 (a), in the case of the sliding members of Examples 3 and 4, the friction coefficient at the initial stage of sliding is less than 0.1, and thereafter at 10,000 cycles, The coefficient of friction increased.

また、図には示していないが、比較例1の摺動部材の場合、摩擦係数が0.15程度で略一定であり、比較例2の摺動部材の場合、摩擦係数が0.3程度で略一定であった。   Although not shown in the drawing, in the case of the sliding member of Comparative Example 1, the friction coefficient is approximately constant at about 0.15, and in the case of the sliding member of Comparative Example 2, the friction coefficient is about 0.3. It was almost constant.

図10(b)〜図13(b)に示すように、これらの摺動部材の表面を、試験途中(5000サイクル時)に確認したところ、サイクル数が増えるに従って、相手部材に突起部が削られていることがわかった。   As shown in FIGS. 10 (b) to 13 (b), the surfaces of these sliding members were confirmed during the test (at the time of 5000 cycles). As the number of cycles increased, the protrusions on the mating member were cut. I found out.

[考察]
結果3に示すように、実施例3および4の如く、突起部の高さが0.6μm〜1.0μmとなるように、非晶質炭素被膜を成膜すれば、大気中(無潤滑状態)において摺動部材を摺動させたときに、摺動初期の段階から、摺動部材の摩擦係数を0.1以下にすることができる。これは、突起部(ドロップレット)が被膜表面に比べて軟質であることから、相手部材に対して、非晶質炭素被膜の表面が低せん断性を発現したことによると考えられる。
[Discussion]
As shown in the result 3, as in Examples 3 and 4, when the amorphous carbon film is formed so that the height of the protrusion is 0.6 μm to 1.0 μm, the atmosphere (non-lubricated state) ), When the sliding member is slid, the friction coefficient of the sliding member can be made 0.1 or less from the initial stage of sliding. This is thought to be because the surface of the amorphous carbon coating exhibited low shearing properties with respect to the counterpart member because the protrusions (droplets) were softer than the coating surface.

また、実施例1の如く、突起部の高さを、0.3μm以下にした場合には、摺動初期の段階で、突起部が摩滅するものの、低い突起部(ドロップレット)が非晶質炭素被膜の摺動面(表面)に広がり、時間経過と共に、良い潤滑性のある(摩擦係数の低い)膜が形成される。   Further, as in Example 1, when the height of the protrusion is 0.3 μm or less, the protrusion is worn out at the initial stage of sliding, but the low protrusion (droplet) is amorphous. The film spreads on the sliding surface (surface) of the carbon film, and a film having good lubricity (low friction coefficient) is formed with time.

さらに、比較例1および2では、サイクル数にかかわらず、摩擦係数が0.1を下回らなかったところ、実施例2に係る摺動部材の如く、突起部の高さが0.4μm(0.3μm〜0.6μm未満)の場合であっても、ごく初期の摺動時において、摩擦係数が0.1を下回ることがあるので、このような摺動条件で摺動部材を使用する場合には、この突起部の高さが適しているといえる。このように、摺動部材の使用環境下に応じて、突起部の高さを選定すれば、所望の摩擦特性を得ることができる。   Further, in Comparative Examples 1 and 2, the friction coefficient did not fall below 0.1 regardless of the number of cycles. As in the sliding member according to Example 2, the height of the protrusions was 0.4 μm (0. Even in the case of 3 μm to less than 0.6 μm, the friction coefficient may be less than 0.1 at the very initial sliding, so when using the sliding member under such sliding conditions It can be said that the height of this protrusion is suitable. As described above, if the height of the protrusion is selected according to the usage environment of the sliding member, desired friction characteristics can be obtained.

以上、本発明の実施の形態を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。   As mentioned above, although it explained in full detail using embodiment of this invention, a concrete structure is not limited to this embodiment and an Example, There exists a design change in the range which does not deviate from the summary of this invention. They are also included in the present invention.

31…ステージ,32…平行板ばね,33…ひずみゲージ,35…ボールホルダー,41…モータ,42…プーリ,43…ベルト,44…ディスクホルダー,B…ボール試験片,D…ディスク試験片   DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 ... Stage, 32 ... Parallel leaf | plate spring, 33 ... Strain gauge, 35 ... Ball holder, 41 ... Motor, 42 ... Pulley, 43 ... Belt, 44 ... Disc holder, B ... Ball test piece, D ... Disc test piece

Claims (6)

基材の表面に、窒素を含有した非晶質炭素被膜を成膜する摺動部材の製造方法であって、
前記基材の表面に向けて窒素イオンビームを照射すると共に、前記非晶質炭素被膜の表面に、複数の突起部が形成されるように、カーボンターゲットに電子ビームを照射することにより、前記カーボンターゲットの一部を前記基材の表面に蒸着させながら前記非晶質被膜を成膜することを特徴とする摺動部材の製造方法。
A method for producing a sliding member in which an amorphous carbon film containing nitrogen is formed on the surface of a substrate,
By irradiating the surface of the base material with a nitrogen ion beam and irradiating the carbon target with an electron beam so that a plurality of protrusions are formed on the surface of the amorphous carbon coating, the carbon A method for producing a sliding member, characterized in that the amorphous film is formed while a part of a target is deposited on the surface of the substrate.
前記突起部の高さが0.6μm〜1.0μmとなるように、非晶質炭素被膜を成膜することを特徴とする請求項1に記載の摺動部材の製造方法。   The method for manufacturing a sliding member according to claim 1, wherein the amorphous carbon film is formed so that the height of the protrusion is 0.6 μm to 1.0 μm. 基材の表面に、窒素を含有した非晶質炭素被膜を成膜する摺動部材であって、
前記非晶質炭素被膜の表面には、複数の突起部が形成されており、該突起部は、該突起部以外の前記非晶質炭素被膜の表面よりも軟質であることを特徴とする摺動部材。
A sliding member for forming a nitrogen-containing amorphous carbon film on the surface of a substrate,
A plurality of protrusions are formed on the surface of the amorphous carbon film, and the protrusions are softer than the surface of the amorphous carbon film other than the protrusions. Moving member.
前記突起部の高さが0.6μm〜1.0μmであることを特徴とする請求項3に記載の摺動部材。   The sliding member according to claim 3, wherein a height of the protruding portion is 0.6 μm to 1.0 μm. 前記突起部の硬さは、12GPa以下であり、突起部以外の前記非晶質炭素被膜の表面の硬さは、14〜30GPaの範囲にあることを特徴とする請求項3または4に記載の摺動部材。   The hardness of the said protrusion part is 12 GPa or less, and the hardness of the surface of the said amorphous carbon film other than a protrusion part exists in the range of 14-30 GPa, The Claim 3 or 4 characterized by the above-mentioned. Sliding member. 請求項1に記載の製造方法により製造された摺動部材、または請求項3〜5のいずれかに記載の摺動部材を第1の摺動部材として備え、該第1の摺動部材に摺動する摺動部材を第2の摺動部材として備え、該第1及び第2の摺動部材が無潤滑状態で摺動することを特徴とする摺動構造。   The sliding member manufactured by the manufacturing method according to claim 1 or the sliding member according to any one of claims 3 to 5 is provided as a first sliding member, and the sliding member is slid on the first sliding member. A sliding structure comprising a moving sliding member as a second sliding member, wherein the first and second sliding members slide in a non-lubricated state.
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