JP2016060921A - 被覆摺動部材 - Google Patents
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Abstract
Description
特に、実質的に炭素のみで構成された硬質炭素被膜は、ダイヤモンドと同じ結合状態であるsp3構造の比率が、グラファイトと同じ結合状態のsp2構造に比べて高く、高硬度で耐摩耗性が高い。
又、DLC薄膜は平滑であれば極めて低い摩擦係数を示すが、膜の表面粗さが大きくなると、摩擦係数や相手攻撃性が大きくなる。そこで、母材の表面に、カソードアークイオンプレーティング法によりDLC薄膜を下層として設け、下層の表面に摩擦係数や相手攻撃性が小さい低硬度のDLC薄膜を積層する技術が報告されている(特許文献2)。この技術によれば、下層のDLC薄膜の表面が粗くても摩擦係数や相手攻撃性が小さい摺動特性が得られるとされている。
これに対し、特許文献1、2記載の技術の場合、下層のDLC薄膜の厚さが約1μmのものしか検討されておらず、被膜厚さを3μm以上として表面粗さが大きくなった場合に研磨加工を容易にする方策が開示されていない。又、特許文献1、2には、潤滑油中で低摩擦を実現する方策も開示されていない。
なお、特許文献3の実施例4には、プラズマCVD法でDLC薄膜を成膜することも記載されているが、このDLC薄膜の厚さは3μm未満であり、上記した研磨加工を容易にする技術を開示するものではない。
一方、高硬度である第1の硬質炭素層の成膜後に表面を平滑に研磨することは困難である。そこで、第1の硬質炭素層の表面に、第1の硬質炭素層より柔らかくて研磨し易い第2の硬質炭素層を設けることで、第1の硬質炭素層の表面の一部(凸部)のみを研磨すれば第1の硬質炭素層が十分に平滑になるので、研磨の困難性を低減し生産性を向上させつつ低摩擦を実現できる。なお、DLC膜である第2の硬質炭素層が窒素を含むと、被膜表面に極性基となる窒素原子が存在し、潤滑油に含まれる油性添加剤が表面に物理吸着ないしは化学吸着しやすくなり、潤滑油中での低摩擦が実現される。さらに、窒素を含まないDLC膜(第1の硬質炭素層)に比べて耐摩耗性が低下し、表面を研磨し易くなる。つまり、第2の硬質炭素層中の窒素は、潤滑油と接触する環境下での低摩擦を実現すると共に、被膜を柔らかくして研磨を容易にするという2つの作用を有する。
Icd/Icgが0.8〜1.8であると、第1の硬質炭素層中の炭素のsp3結合とsp2結合の割合を適度にし、耐摩耗性を維持しつつ内部応力が小さい硬質炭素層とすることができる。
Ecd/Ecgが1.7〜3.8であると、第1の硬質炭素層中の炭素のsp3結合とsp2結合の割合を適度にし、耐摩耗性を維持しつつ内部応力が小さい硬質炭素層とすることができる。
Icd/Icgが1.5〜2.5であると、第2の硬質炭素層中の炭素のsp3結合とsp2結合の割合を適度にし、耐摩耗性を維持しつつ内部応力が小さい硬質炭素層とすることができる。
前記第1のガウス関数Idの積分強度Ecdと、前記第2のガウス関数Igの積分強度Ecgとの比率であるEcd/Ecgが4.0〜6.0であるとよい。
Ecd/Ecgが4.0〜6.0であると、第2の硬質炭素層中の炭素のsp3結合とsp2結合の割合を適度にし、耐摩耗性を維持しつつ内部応力が小さい硬質炭素層とすることができる。
本発明の実施形態に係る被覆摺動部材は、潤滑油と接触する環境下で使用されるものである。
図1は、本発明の実施形態に係る被覆摺動部材10の断面図を示す。被覆摺動部材10は、母材12と、中間層16と、厚さ3μm以上の第1の硬質炭素層14と、第2の硬質炭素層15と、をこの順に積層してなる。
母材12としては、鉄、鋳鉄、超硬合金、ステンレス鋼などが挙げられる。特に母材12としてピストンリングを用いる場合はステンレス鋼が好ましい。さらに,母材12の表面に窒化クロムなど金属窒化物系の硬質被膜や窒化処理を施してもよい。母材の表面粗さは特に限定されないが、JIS−B0601に従う算術平均粗さRaが0.1μm以下であることが好ましい。
中間層16は本発明において必須の構成ではないが、中間層16を設けると母材12と第1の硬質炭素層14との密着性が向上する。中間層16としては、クロム、チタン、炭化ダングステン、及び炭化シリコンの群から選ばれる1種以上を含む組成とすることが好ましい。
実質的に水素を含まず炭素のみによって構成されたダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜は、ダイヤモンドと同じ結合状態であるsp3構造の比率が、グラファイトと同じ結合状態のsp2構造に比べて高く、高硬度で耐摩耗性が高くなる。そして、炭素をカソードとして用い、真空アーク法(カソードアークイオンプレーティング法)により炭素カソードから炭素をアーク放電によって蒸発させることで、膜中へは原料からの水素は取り込まれず、実質的に水素を含まないDLC膜が得られる。
第1の硬質炭素層14の水素と炭素の含有量は、平坦な面に形成された硬質炭素被膜に対してはRBS(Rutherford Backscattering Spectrometry)/HFS(Hydrogen Forward Scattering Spectrometry)によって評価し、ピストンリング外周面のような平坦でない面に形成された硬質炭素被膜に対してはRBS/HFS及びSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)を組み合わせることによって評価する。RBS/HFSは公知の被膜組成の分析方法であるが、平坦でない面に対しては適用できないので、以下のようにRBS/HFS及びSIMSを組み合わせる。
第1の基準試料の成膜は反応性スパッタリング法を用い、雰囲気ガスとしてC2H2,Ar,H2を導入して行う。そして、第1の基準試料の被膜に含まれる水素量は導入するH2流量及び/又はC2H2流量を変えることによって調整する。このようにして水素と炭素のみによって構成され、水素含有量の異なる硬質炭素被膜を形成し、これらの第1の基準試料の硬質炭素被膜の組成(水素を含めたすべての元素)をRBS/HFSによって測定する。
次に、第1の基準試料の被膜をSIMSで分析し、水素と炭素の二次イオン強度を測定する。ここでSIMS分析は、平坦でない面、例えばピストンリングの外周面に形成された被膜でも測定できる。したがって、第1の基準試料の同一の被膜につき、RBS/HFSによって得られた水素量と炭素量(単位:原子%)と、SIMSによって得られた水素と炭素の二次イオン強度の比率との関係を示す実験式(計量線)を求めることで、実際のピストンリングの外周面について測定したSIMSの水素と炭素の二次イオン強度から、水素量と炭素量を算出することができる。なお、SIMSによる二次イオン強度の値は少なくとも被膜表面から20nm以上の深さ、且つ50nm四方の範囲において観測されたそれぞれの元素の二次イオン強度の平均値を採用する。
次に、第2の基準試料の被膜をSIMSで分析し、水素と炭素、窒素の二次イオン強度を測定する。したがって、第2の基準試料の同一の被膜につき、RBS/HFSによって得られた水素量と炭素量、及び窒素量(単位:原子%)と、SIMSによって得られた水素と炭素、窒素の二次イオン強度の炭素の二次イオン強度を基準とした水素と窒素のそれぞれの強度比との関係を示す実験式(計量線)を求めることで、実際の平坦でない試料について測定したSIMSの水素と炭素、窒素の二次イオン強度から、水素量と炭素量、及び窒素量を算出することができる。なお、SIMSによる二次イオン強度の値は少なくとも被膜表面から20nm以上の深さ、且つ50nm四方の範囲において観測されたそれぞれの元素の二次イオン強度の平均値を採用する。
Icd/Icgが0.8未満、又はEcd/Ecgが1.7未満である場合、第1の硬質炭素層14中の炭素間結合のうちsp3結合の割合が高く、ダイヤモンド結晶に近い状態の被膜となるが、ダイヤモンドライクカーボン膜は非晶質であり、ダイヤモンド結晶に比べて結晶性が高くない。このため、ダイヤモンド結晶に近いsp3結合が多過ぎると、被膜内に応力が発生する。このため、ピストンリングに代表される剛性の低い摺動部材に適用されると母材が変形する場合がある。
一方、Icd/Icgが1.8を超え、又はEcd/Ecgが3.8を超える場合、第1の硬質炭素層14中の炭素間結合のうちsp3結合の割合が低くなり過ぎ、より低硬度のsp2結合の割合が増え、被膜の耐摩耗性が低下する場合がある。
従って、Icd/Icg又はEcd/Ecgを上記範囲に規定することで、被膜中の炭素のsp3結合とsp2結合の割合を適度にし、耐摩耗性を維持しつつ内部応力が小さい硬質炭素層とすることができる。
図3は、硬質炭素被膜3を形成するための成膜装置50の一例を示す。成膜装置50は、炭素カソードを備えたカソード放電型アーク式蒸発源を有するアークイオンプレーティング装置である。成膜装置50は、真空室40、真空室40の対向する壁面にそれぞれ設置された炭素カソード56、炭素カソード56に接続されたアーク放電電源58、真空室40内に設置された複数の治具120、各治具120を軸心Ax周りに回転させるモータ59、治具120に接続されたバイアス電源52を有する。
治具120には、ピストンリングの母材12が複数個、合い口部を同じ向きに揃えて積み重ねて各治具120の中心軸に取り付けられている。
アークイオンプレーティング法で、水素を含まない第1の硬質炭素層14を形成するためには、炭素カソードを用いる必要があると共に、成膜雰囲気中のガスを、分子式中に水素を含まないガス(例えば、アルゴン等の不活性ガス)とする。成膜雰囲気を、ガスを導入しない高真空雰囲気としてもよい。つまり、第1の硬質炭素層14を成膜する時に、成膜室の内壁に吸着した水分やリークなど不可避的に成膜室内に流入するガス成分を除き、外部より水素又は水素を構成元素として含む分子成分を導入せずに成膜することで、水素を含まない第1の硬質炭素層14を形成することができる。
ガスを導入しない高真空雰囲気での成膜では、アーク放電によって生成されたプラズマ中の炭素イオンは衝突によるエネルギー損失が少ないため炭素同士が強固に結びつきやすくなり、形成された硬質炭素被膜の機械的強度が高いがアーク放電の安定性が低下し、放電が停止する頻度が高くなる傾向がある。
これに対してArなど不活性ガスを導入する雰囲気での成膜では、アーク放電にともなってカソードより放出される炭素イオンなどが被膜を形成する前にAr原子やイオンと衝突することでエネルギーを失う頻度が高くなるが、高真空雰囲気の場合と比較してアーク放電が安定して維持されやすくなる。
以上の点から、Arなど不活性ガスは導入しないか、圧力を低くし1×10−2Pa以下とすることが好ましい。この圧力を超えて不活性ガスを導入すると被膜が柔らかくなり耐摩耗性が低下する場合がある。
炭素カソードとしては、固体カーボン(例えばグラファイト、HOPG、炭素棒)を使用することができる。
成膜時の温度は、200℃以下が好ましく、より好ましくは、160℃以下である。成膜温度が200℃を超えると、形成される被膜がグラファイト化して強度が低下することがある。
ここで、ドロップレットを少なくして被膜中への混入を抑制するため、アーク放電電流を低くしたり、例えばドロップレットを選別することができる磁場輸送型フィルタや衝立等のドロップレットを除去する機構を備えることは可能であるが、成膜速度が低下したり、ドロップレット除去機構のメンテナンスが必要になるので生産性が低下する。一方、第1の硬質炭素層14は実質的に水素を含まず炭素のみによって構成され、高硬度であるため、第1の硬質炭素層14の成膜後に表面を平滑に研磨することが困難になる。
すなわち、第2の硬質炭素層15は、炭素を用いる真空アーク法により形成され、実質的に水素を含まず炭素と窒素のみによって構成されたダイヤモンドライクカーボンからなる。
ダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜が水素を含まない場合、被膜への潤滑油成分の吸着が阻害され難くなり、摺動面の摩擦係数を低減するトライボフィルムが形成される。これによって低摩擦が実現される。
さらに、第2の硬質炭素層15が窒素を含むことで、被膜表面に極性基となる窒素原子が存在し、潤滑油に含まれる油性添加剤が表面に物理吸着ないしは化学吸着しやすくなり、潤滑油中での低摩擦が実現される。
特に摩擦低減剤として知られている脂肪酸エステルを含む潤滑油を用いた場合、摺動部では表面の第2の硬質炭素層が削れ、いずれも水素を含まない第1の硬質炭素層および第2の硬質炭素層の両方が露出するが、上述のように水素を含まないDLC膜は潤滑油成分(エステル)の吸着を阻害し難いので、摩擦低減効果に優れる。上記脂肪酸エステルにはグリセリンモノオレート,グリセリンジオレートなどが挙げられる。
一方、本発明者は、DLC膜である第2の硬質炭素層15が窒素を含むと、窒素を含まないDLC膜(第1の硬質炭素層14)に比べて耐摩耗性が低下し、表面を研磨し易くなることを見出した。つまり、第2の硬質炭素層15中の窒素は、潤滑油と接触する環境下での低摩擦を実現すると共に、被膜を柔らかくして研磨を容易にするという2つの作用を有することが判明した。
第2の硬質炭素層15の水素と炭素と窒素の含有量は、第1の硬質炭素層14と同様、RBS/HFS及びSIMSによって評価する。
上記膜厚が3%未満であると、第2の硬質炭素層15の耐摩耗性が高過ぎるため、平滑に研磨することが容易でなくなって凹凸が残り、潤滑油と接触する環境下で相手材を攻撃して摩耗させる。
一方、上記膜厚が35%を超えると、第1の硬質炭素層14に比べて耐摩耗性が低い第2の硬質炭素層15の割合が多くなるため、摺動部材表面の耐摩耗性が劣る。
上記膜厚が10〜25%であるとより好ましい。
なお、上記したように、第1の硬質炭素層14表面の凹凸を第2の硬質炭素層15によって埋めるため、第2の硬質炭素層15は第1の硬質炭素層14の表面に直接形成されている。つまり、第2の硬質炭素層15と第1の硬質炭素層14とは直接接している。
なお、図4は、後述する実施例1の第2の硬質炭素層15の表面のラマン分光分析スペクトル、及びそのピーク波形分離を示す。
母材となる試験片100(幅6.35mm、長さ15.75mm、高さ10.16mm、ASTM試験法準拠、SUS440C、 HRC45-50)の一方の面(幅6.35mm×長さ15.75mmの面)を鏡面研磨し、JIS−B0601に従う算術平均粗さRaを0.02μm以下とした。
次に、図3に示す成膜装置50内の治具120に、上記試験片を鏡面研磨面が炭素カソード56に対向するようにして取り付けた。そして、成膜装置50の真空室40内を、真空排気機構によって5×10-3Pa以下の圧力に到達するまで真空排気した。
真空排気後、母材12にイオンボンバード処理を実施し、その後、クロムからなる中間層16を母材12表面に形成した(図1参照)。次に、アーク放電によって炭素カソード(炭素99at%以上)56を蒸発させながら、外部よりガスを導入せずに、母材12表面に第1の硬質炭素層14を形成した。これに引き続き、アーク放電を停止しないで窒素ガスを導入し、反応性アークイオンプレーティング法によって窒素を含有する第2の硬質炭素層15を形成した。
実施例2〜5は、第1の硬質炭素層14の形成時に表2に示す不活性ガスを導入したこと以外は、実施例1と同様にして第1の硬質炭素層14及び第2の硬質炭素層15を形成した。なお、実施例2〜5の第1の硬質炭素層形成時において、不活性ガス圧力はそれぞれ5×10−2Pa以下とした。
又、実施例2〜5は、第2の硬質炭素層15の形成時に窒素ガスの導入圧力を変えたこと以外は、実施例1と同様にして第1の硬質炭素層14及び第2の硬質炭素層15を形成した。なお、窒素ガスの導入圧力を高くするほど、第2の硬質炭素層が含有する窒素量が増加する。
第1の硬質炭素層14の形成時に不活性ガスとしてArを5×10-1Pa導入したこと以外は、実施例1と同様にして第1の硬質炭素層14を形成したが、第2の硬質炭素層15を形成しなかった。
(比較例2)
第2の硬質炭素層15を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様にして第1の硬質炭素層14を形成した。
第2の硬質炭素層15の形成時に窒素ガスの導入圧力を実施例1より高くしたこと以外は、実施例1と同様にして第1の硬質炭素層14及び第2の硬質炭素層15を形成した。
(比較例4,6)
第2の硬質炭素層15の形成時に窒素ガスの導入圧力を実施例1より低くしたこと以外は、実施例1と同様にして第1の硬質炭素層14及び第2の硬質炭素層15を形成した。
実施例1と同様にして第1の硬質炭素層14を形成した後、アセチレンとArを導人しながら高周波パイアス(周波数13. 56MHz)を印加し、高周波放電プラズマを利用したプラズマCVD法によって水素を含有する硬質炭素層を第1の硬質炭素層14上に形成した。
この水素含有硬質炭素層は、以下の測定法により水素を34.3原子%含有することが判明した。
次に、図5に示すようにして、各実施例及び比較例について、成膜後の被膜表面を研磨加工して平滑化した。図5において、平らなガラス定盤110上にラッピングペーパー112(粒度#1200のダイヤモンドを砥粒としてコーティングしたフィルム)を配置し、試験片100の第2の硬質炭素層15の表面15aをラッピングペーパー112に押し付けながら往復動させることにより研磨を行った。試験片100には3Nの荷重を加え、往復動のストロークを30mm、周期を0.4秒とし、10分間研磨した。
次に、ラッピングペーパー112を砥粒の粒度が#2000のものに交換し、上記と同じ条件で研磨を行った。研磨加エ終了後、触診式粗さ計を用いて研磨後の表面15aのJIS−B0601に従う算術平均粗さRaを、それぞれ違う位置で10回測定し、平均値をRaとして採用した。Raが0.2μm以下であれば、研磨加工性が良好であるといえる。
なお、第2の硬質炭素層15を形成しなかった比較例1,2の場合、第1の硬質炭素層14の表面につき、上記と同様にして研磨加工を行い、Raを測定した。
又、比較例7の場合、プラズマCVD法によって形成した水素を含有する硬質炭素層の表面につき、上記と同様にして研磨加工を行い、Raを測定した。
第1の硬質炭素層14及び第2の硬質炭素層15の水素と炭素と窒素の含有量は、上述のとおりに平坦な面に形成された硬質炭素被膜に対する測定法(RBS/HFS)で求めた。
真空アーク法によって形成された被膜には、アーク放電にともなって炭素カソードより放出される炭素の微小粒子が取り込まれ、被膜表面は平坦でなく凹凸がある。そこで、第1の硬質炭素層14の厚さ及び第2の硬質炭素層15の厚さは以下の方法で測定した。
まず、試験片100の被膜の最表面の算術平均粗さRaが0.2μm以下になるよう研磨した。次に、これを集束イオンビーム(FIB)によって、図7に示すように、研磨面に対して垂直な断面を作製した。この断面の母材12と第1の硬質炭素層14の境界線につき、異なる10点の位置P1,P2,P3・・・の座標を求め、これらの座標から最小二乗法によって境界線を表す二次曲線BWを求めた。なお、母材12と第1の硬質炭素層14の間に介装された中間層16は母材の一部とみなした。
この曲線BW上に無作為に選択した10箇所の位置から、それぞれ垂直方向に第1の硬質炭素層14と第2の硬質炭素層15の境界までの距離L1と、この境界から最表面15aまでの距離L2をそれぞれ測定した。10点のL1,L2をそれぞれ平均し、それぞれ第1の硬質炭素層14の厚さ及び第2の硬質炭素層15の厚さとした。なお、第1の硬質炭素層14と第2の硬質炭素層の境界はEDX(エネルギー分散型X線分析)で窒素の分布を測定し窒素が分布する最も母材12側の境界の位置とした。又、窒素が図7の上方に向けて増加する分布を示し、明瞭な境界が規定できない場合は、窒素含有量が最も多い部位の1/2の窒素含有量を示す部位を境界とみなした。
なお、第2の硬質炭素層15を形成しなかった比較例1,2の場合は、曲線BWから垂直方向に最表面15aまでの距離の平均を、第1の硬質炭素層14の厚さとした。
第1の硬質炭素層14及び第2の硬質炭素層15の表面のラマン分光スペクトルは、レーザラマン分光光度計(日本分光株式会社製の製品名NRS-310、レーザー光波長532nm)を用いて測定した。各層の表面は、上記した硬質炭素層の組成の測定における表面と同一とした。ラマン分光スペクトルは、第1の硬質炭素層14及び第2の硬質炭素層15の表面の場所を変えて5点測定し、その平均値を後述するピークAとした。
そして、図2、図4に示すようにして、得られたラマン分光分析スペクトルのピーク波形分離を行った。具体的には、まず図2の第1の硬質炭素層14のラマン分光スペクトルの波数900〜1900cm−1のピークAにおいて、波数900〜910cm−1の領域で実際に複数個得られた観測値に関する波数の平均値kSとスペクトル強度の平均値ISを算出する。同様に、波数1890〜1900cm−1の領域で実際に複数個得られた観測値に関する波数の平均値kTとスペクトル強度の平均値ITを算出する。そして、このようにして求めた2点を結ぶ直線をベースラインBとする。
次に、ベースラインBを差し引いたピークAを波数1200cm−1以上1400cm−1以下の範囲に最大値を持つ第1のガウス関数Idと、波数1450cm−1以上1650cm−1以下の範囲に最大値を持つ第2のガウス関数Igとにピーク波形分離する。Id,Igは、ベースラインBを0点とし、ピークAとの二乗残差の重み付き和が最も小さくなるように演算して決定する。
そして、第1のガウス関数Idの最大値Icdと、第2のガウス関数Igの最大値Icgとの比率により、Icd/Icgを求める。又、第1のガウス関数Idの積分強度Ecdと、第2のガウス関数Igの積分強度Ecgとの比率により、Ecd/Ecgを求める。なお、Ecd、Ecgは、ベースラインBを0点とし、それぞれガウス関数Id,Igを波数0から∞まで積分した積分値である。
図6に示すリングオンブロツク摺動試験により、硬質炭素被膜の耐摩耗性を評価した。評価は、試験片100の硬質炭素被膜の表面15a側をリング200(外径:34.99mm、材質:SAE4620)に押し付け、リング200を回転運動させて摺動させて行った。リング200は軸方向を水平にして潤滑油210中に約半分浸潰しており、回転することで摺動部に潤滑油210を供給するようになっている。試験条件は表1に示すとおりである。なお、表1に記載の潤滑油は、市販のエンジンオイルであり、「Eスペシャル」はエステルを含有することを示す。
一方、リング200は円形であり、その摩耗深さの測定が困難なため、リング200の表面の十点平均粗さRzjisを測定し、試験前のRzjisからの増分(変化)であるΔRzjisを算出した。なお、十点平均粗さRzjisは、上記触針式粗さ測定器を用い、測定場所や触針の移動方向を変えながら10回以上測定し平均値を採用した。測定条件はJISB0633:2001に準拠した。
又、摺動試験中の摩擦力を測定し、試験終了前20秒間(試験開始後1980〜2000秒)に測定された摩擦力の平均値を、試験時に印加した荷重で除した数値を摩擦係数として算出した。本方法で測定した摩擦係数は、動摩擦係数とみなして良い。
摩耗深さが0.3μm以下であれば、潤滑油と接触する環境下での耐摩耗性に優れるといえる。
ΔRzjisが1.0μm以下であれば、潤滑油と接触する環境下での相手材への攻撃が低減するといえる。
摩擦係数が0.1以下であれば、潤滑油と接触する環境下での低摩擦性に優れる。
又、比較例7の場合、プラズマCVD法によって形成した水素を含有する硬質炭素層の表面につき、上記と同様にして試験及び評価した。
得られた結果を表2に示す。
一方、不活性であるArを1×10−2Paを超えて導入した比較例1の場合、摩耗深さが0.3μmを超え、潤滑油と接触する環境下での耐摩耗性に劣った。これは、炭素イオンが被膜である硬質炭素層を形成する前にAr原子やイオンと衝突してエネルギーを失い、被膜が柔らかくなったためと考えられる。又、比較例1の場合、Icd/Icgが1.8を超え、Ecd/Ecgが3.8を超えた。
第1の硬質炭素層上に第2の硬質炭素層を有しない比較例2の場合、最表面の研磨加工が困難となり、研磨後の表面のRaが0.2μmを超え、潤滑油と接触する環境下で相手材であるリングを激しく攻撃して摩耗させた。
第2の硬質炭素層中の炭素と窒素の合計含有量に対する窒素の割合が3%未満である比較例4の場合、被膜が硬くなって最表面の研磨加工が困難となり、研磨後の表面のRaが0.2μmを超え、潤滑油と接触する環境下で相手材であるリングを激しく攻撃して摩耗させた。又、比較例4の場合、第2の硬質炭素層のIcd/Icgが1.5未満となり、Ecd/Ecgが4.0未満となった。
第2の硬質炭素層の膜厚が第1の硬質炭素層の膜厚の30%を超えた比較例6の場合、
耐摩耗性が低い第2の硬質炭素層の割合が多くなり、摺動部材表面の耐摩耗性に劣った。
第2の硬質炭素層に代えて、水素を含有する硬質炭素層を設けた比較例7の場合、この硬質炭素層が窒素を含有しないため、潤滑油と接触する環境下で摩擦係数が高くなった。
12 母材
14 第1の硬質炭素層
15 第2の硬質炭素層
15a 第2の硬質炭素層の表面
Claims (7)
- 潤滑油と接触する環境下で使用される被覆摺動部材であって、
母材と、前記母材の表面に形成された硬質炭素被膜とを有し、
前記硬質炭素被膜は、
炭素を用いる真空アーク法により前記母材の表面に形成され、実質的に水素を含まず炭素のみによって構成されたダイヤモンドライクカーボンからなる厚さ3μm以上の第1の硬質炭素層と、
炭素を用いる真空アーク法により前記第1の硬質炭素層の表面に直接形成され、実質的に水素を含まず炭素と窒素のみによって構成されたダイヤモンドライクカーボンからなる第2の硬質炭素層とによって構成され、
前記第2の硬質炭素層の膜厚が、前記第1の硬質炭素層の膜厚の3〜35%である被覆摺動部材。 - 前記第2の硬質炭素層の表面のJIS−B0601に従う算術平均粗さRaが0.2μm以下である請求項1記載の被覆摺動部材。
- 前記第2の硬質炭素層の原子%で表した炭素と窒素の合計含有量に対する窒素の割合が3〜15%である請求項1又は2に記載の被覆摺動部材。
- 前記第1の硬質炭素層の表面のラマン分光分析において、波数900〜1900cm−1の領域にピークを有し、かつ該ピークを波数1200cm−1以上1400cm−1以下の範囲に最大値を持つ第1のガウス関数Idと、波数1450cm−1以上1650cm−1以下の範囲に最大値を持つ第2のガウス関数Igとにピーク波形分離したとき、
前記第1のガウス関数Idの最大値Icdと、前記第2のガウス関数Igの最大値Icgとの比率であるIcd/Icgが0.8〜1.8である請求項1〜3のいずれかに記載の被覆摺動部材。 - 前記第1の硬質炭素層の表面のラマン分光分析において、波数900〜1900cm−1の領域にピークを有し、かつ該ピークを波数1200cm−1以上1400cm−1以下の範囲に最大値を持つ第1のガウス関数Idと、波数1450cm−1以上1650cm−1以下の範囲に最大値を持つ第2のガウス関数Igとにピーク波形分離したとき、
前記第1のガウス関数Idの積分強度Ecdと、前記第2のガウス関数Igの積分強度Ecgとの比率であるEcd/Ecgが1.7〜3.8である請求項1〜4のいずれかに記載の被覆摺動部材。 - 前記第2の硬質炭素層の表面のラマン分光分析において、波数900〜1900cm−1の領域にピークを有し、かつ該ピークを波数1200cm−1以上1400cm−1以下の範囲に最大値を持つ第1のガウス関数Idと、波数1450cm−1以上1650cm−1以下の範囲に最大値を持つ第2のガウス関数Igとにピーク波形分離したとき、
前記第1のガウス関数Idの最大値Icdと、前記第2のガウス関数Igの最大値Icgとの比率であるIcd/Icgが1.5〜2.5である請求項1〜5のいずれかに記載の被覆摺動部材。 - 前記第2の硬質炭素層の表面のラマン分光分析において、波数900〜1900cm−1の領域にピークを有し、かつ該ピークを波数1200cm−1以上1400cm−1以下の範囲に最大値を持つ第1のガウス関数Idと、波数1450cm−1以上1650cm−1以下の範囲に最大値を持つ第2のガウス関数Igとにピーク波形分離したとき、
前記第1のガウス関数Idの積分強度Ecdと、前記第2のガウス関数Igの積分強度Ecgとの比率であるEcd/Ecgが4.0〜6.0である請求項1〜6のいずれかに記載の被覆摺動部材。
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