JP2017053435A - 摺動部材及びピストンリング - Google Patents
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Abstract
【課題】厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れる摺動部材を提供する。
【解決手段】本発明は、潤滑油下で使用される摺動部材１００であって、基材１０と、該基材の摺動面１０Ａ側に形成された金属中間層１２と、該金属中間層上に形成され、第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６とが交互に積層されてなる積層炭素膜１８と、該積層炭素膜上に形成された硬質炭素膜２０とを有する。第１の炭素膜１４の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像は、第２の炭素膜１６の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像よりも明るい。そして、第１の炭素膜１４の厚さをT1、第２の炭素膜１６の厚さをT2として、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下であり、T1/T2が0.010以上0.60以下であることを特徴とする。
【選択図】図１
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【選択図】図１
Description
本発明は、摺動部材、特に自動車部品などの高い信頼性を要求される摺動部材に関する。
摺動部材の摺動面には、硬質炭素被膜を被覆して耐摩耗性を高めることが一般的に行われている。この炭素被膜には、ダイヤモンドライクカーボン（DLC）と呼ばれる非晶質炭素が用いられる。DLCの構造的本質は、炭素の結合としてダイヤモンド結合（SP3結合）とグラファイト結合（SP2結合）とが混在したものである。よって、DLCは、ダイヤモンドに類似した硬度、耐摩耗性、熱伝導性、化学安定性を有し、一方でグラファイトに類似した固体潤滑性を有することから、例えば自動車部品などの摺動部材の保護膜として好適である。
ただし、硬質炭素被膜は内部応力が高く、硬度が非常に高いため、厚く形成すると基材との密着性が悪く、剥離しやすいという問題があった。そこで、高硬度な炭素被膜と低硬度な炭素被膜とを交互に積層してなる積層炭素膜を摺動面に形成する、特許文献１〜３のような技術が知られている。この技術では、低硬度炭素被膜によって積層炭素膜全体の応力が緩和されるため、積層炭素膜の基材に対する密着性が得られる。
特許文献１には、密度が2.2ｇ/cm3以下の低密度炭素膜と、密度が2.3〜3.2ｇ/cm3の高密度炭素膜とを交互に積層してなり、前記低密度炭素膜の厚さT1が0.4〜30ｎｍであり、前記高密度炭素層の厚さT2が0.4〜10ｎｍであり、T1/T2が0.2〜5であるDLC多層膜が記載されている。
特許文献２には、炭素系皮膜が摺動面に被覆されたピストンリングにおいて、前記皮膜は硬度の異なる２種類の層が２層以上積層された積層皮膜であり、前記２種類の層の硬度差は500〜1700ＨＶで、硬度の高い層が硬度の低い層の厚さと同一又はそれ以上の厚さを有し、皮膜全体の厚さが5.0μｍ以上であることを特徴とするピストンリングが記載されている。
特許文献３には、基板上に結合層を介して形成されたダイヤモンド状炭素膜において、結合層の上層に硬度が500〜2000Ｈｖの実質的に水素を含まない軟質炭素膜と、硬度が2000〜4000Ｈｖの実質的に水素を含まない硬質炭素膜を交互に４層以上積層した高靭性ダイヤモンド状炭素膜層を形成し、最上層である該高靭性ダイヤモンド状炭素膜層の上層に500〜2000Ｈｖの水素を含む潤滑性ダイヤモンド状炭素膜層を形成したことを特徴とするダイヤモンド状炭素膜が記載されている。
特許文献１〜３の技術はいずれも、高硬度（高密度）炭素膜によって積層炭素膜全体としての耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性を確保し、一方で、低硬度（低密度）炭素膜によって積層炭素膜全体の応力を緩和して、積層炭素膜の基材に対する密着性を確保している。しかしながら、例えば、環境保全に対応して燃費を向上させたダウンサイジングターボエンジン用のピストンリングの場合、高温かつ高面圧という、非常に厳しい摺動環境となる。そのため、近年摺動部材には、上記のような厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性を両立させることが望まれている。しかし、特許文献１〜３の技術では、上記のような厳しい摺動条件下での耐摩耗性及び被膜密着性を両立に関して十分ではなかった。
本発明は上記課題に鑑み、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れる摺動部材及びピストンリングを提供することを目的とする。
上記目的を達成するべく、本発明者らが鋭意検討したところ、上記のような厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性を両立させるには、積層炭素膜において、低硬度炭素膜の厚さを高硬度炭素膜の厚さよりも小さくし、さらにその厚さの比を特定の範囲内に収めることが必須であることを見出した。これに対し特許文献１は、厚さの比に関してT1/T2が0.2〜5と記載しているように、高硬度炭素膜と低硬度炭素膜は積層しさえすれば、どちらが厚くでもよいという程度の技術である。特許文献２も、低硬度炭素膜の厚さを高硬度炭素膜の厚さよりも小さくするということを開示するのみである。特許文献３は、厚さの比に何ら着目していない。本発明は、上記特許文献１〜３では実現できない、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性を両立させるという目的を達成するために、低硬度炭素膜及び高硬度炭素膜の厚さを最適化するという、従来にない技術思想に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）潤滑油下で使用される摺動部材であって、
基材と、
該基材の摺動面側に形成された金属中間層と、
該金属中間層上に形成され、第１の炭素膜と第２の炭素膜とが交互に積層されてなる積層炭素膜と、
該積層炭素膜上に形成された硬質炭素膜と、
を有し、
前記第１の炭素膜の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像が、前記第２の炭素膜の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像よりも明るく、
前記第１の炭素膜の厚さをT1、前記第２の炭素膜の厚さをT2として、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下であり、T1/T2が0.010以上0.60以下であることを特徴とする摺動部材。
（１）潤滑油下で使用される摺動部材であって、
基材と、
該基材の摺動面側に形成された金属中間層と、
該金属中間層上に形成され、第１の炭素膜と第２の炭素膜とが交互に積層されてなる積層炭素膜と、
該積層炭素膜上に形成された硬質炭素膜と、
を有し、
前記第１の炭素膜の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像が、前記第２の炭素膜の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像よりも明るく、
前記第１の炭素膜の厚さをT1、前記第２の炭素膜の厚さをT2として、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下であり、T1/T2が0.010以上0.60以下であることを特徴とする摺動部材。
（２）前記積層炭素膜の隣接する前記第１の炭素膜と前記第２の炭素膜との間に、厚さが100ｎｍ以下の金属薄膜を有する、上記（１）に記載の摺動部材。
（３）前記積層炭素膜の厚さをT3、前記硬質炭素膜の厚さをT4として、T3が3μｍ以上20μｍ以下であり、T3/T4が2以上20以下である、上記（１）又は（２）に記載の摺動部材。
（４）前記第１の炭素膜、前記第２の炭素膜及び前記硬質炭素膜が実質的に水素を含まない、上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の摺動部材。
（５）前記硬質炭素膜のマルテンス硬さが6GPa以上30GPa以下である、上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の摺動部材。
（６）前記金属中間層がCr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷからなる群から選択された一つ以上の元素またはその炭化物からなり、前記金属中間層の厚さが0.1μｍ以上0.6μｍ以下である、上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の摺動部材。
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の摺動部材からなるピストンリングであって、その外周面が前記摺動面であるピストンリング。
本発明の摺動部材及びピストンリングは、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れる。
（摺動部材）
図１を参照して、本発明の一実施形態による摺動部材１００は、潤滑油下で使用されるものであり、基材１０と、この基材の摺動面１０Ａ側に形成された金属中間層１２と、この金属中間層上に形成され、第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６とが交互に積層されてなる積層炭素膜１８と、この積層炭素膜上に形成された硬質炭素膜２０と、を有する。なお、積層炭素膜１８及び硬質炭素膜２０を合わせて、以下「炭素被膜」という。
図１を参照して、本発明の一実施形態による摺動部材１００は、潤滑油下で使用されるものであり、基材１０と、この基材の摺動面１０Ａ側に形成された金属中間層１２と、この金属中間層上に形成され、第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６とが交互に積層されてなる積層炭素膜１８と、この積層炭素膜上に形成された硬質炭素膜２０と、を有する。なお、積層炭素膜１８及び硬質炭素膜２０を合わせて、以下「炭素被膜」という。
（基材）
基材１０の材質は、摺動部材の基材として必要な強度を有するものであれば特に限定されない。本実施形態の摺動部材１００をピストンリングとする場合、基材１０の好ましい材料としては、鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高級鋳鉄等が挙げられる。本実施形態の摺動部材１００をＣＶＴなどのシールリングとする場合、基材１０の材料としては樹脂が挙げられ、コンプレッサのベーンなどとする場合、基材１０の材料としてはアルミ合金等が挙げられる。
基材１０の材質は、摺動部材の基材として必要な強度を有するものであれば特に限定されない。本実施形態の摺動部材１００をピストンリングとする場合、基材１０の好ましい材料としては、鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高級鋳鉄等が挙げられる。本実施形態の摺動部材１００をＣＶＴなどのシールリングとする場合、基材１０の材料としては樹脂が挙げられ、コンプレッサのベーンなどとする場合、基材１０の材料としてはアルミ合金等が挙げられる。
（金属中間層）
金属中間層１２は、基材１０と積層炭素膜１８との間に形成されることにより基材１０との界面の応力を緩和し、積層炭素膜１８の密着性を高める機能を有する。この機能を発揮する観点から、金属中間層１２は、Cr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷからなる群から選択された一つ以上の元素またはその炭化物からなるものとすることが好ましい。また、金属中間層１２の厚さは、0.1μｍ以上0.6μｍ以下であることが好ましく、0.2μｍ以上0.5μｍ以下であることがより好ましい。厚さが0.1μｍ未満の場合、積層炭素膜１８の密着性を高める機能を十分に得ることができない可能性があり、厚さが0.6μｍを超えると、摺動時に金属中間層１２が塑性流動を起こしやすく、積層炭素膜１８が剥離しやすくなるからである。
金属中間層１２は、基材１０と積層炭素膜１８との間に形成されることにより基材１０との界面の応力を緩和し、積層炭素膜１８の密着性を高める機能を有する。この機能を発揮する観点から、金属中間層１２は、Cr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷからなる群から選択された一つ以上の元素またはその炭化物からなるものとすることが好ましい。また、金属中間層１２の厚さは、0.1μｍ以上0.6μｍ以下であることが好ましく、0.2μｍ以上0.5μｍ以下であることがより好ましい。厚さが0.1μｍ未満の場合、積層炭素膜１８の密着性を高める機能を十分に得ることができない可能性があり、厚さが0.6μｍを超えると、摺動時に金属中間層１２が塑性流動を起こしやすく、積層炭素膜１８が剥離しやすくなるからである。
金属中間層１２の形成方法としては、例えばスパッタ法を挙げることができる。洗浄後の基材１０をＰＶＤ成膜装置の真空チャンバ内に配置し、Ａｒガスを導入した状態で金属ターゲットのスパッタ放電によって、金属中間層１２を成膜する。金属ターゲットは、Cr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷから選択すればよい。金属中間層１２の厚さは、金属ターゲットの放電時間により調整できる。
（積層炭素膜）
積層炭素膜１８は、第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６とが交互に積層されてなるものである。第１の炭素膜１４は、低硬度（低密度）炭素膜であり、積層炭素膜１８全体の応力を緩和して、積層炭素膜１８の基材１０に対する密着性を確保する機能を有する。第２の炭素膜１６は、高硬度（高密度）炭素膜であり、積層炭素膜１８全体としての耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性を確保する機能を有する。
積層炭素膜１８は、第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６とが交互に積層されてなるものである。第１の炭素膜１４は、低硬度（低密度）炭素膜であり、積層炭素膜１８全体の応力を緩和して、積層炭素膜１８の基材１０に対する密着性を確保する機能を有する。第２の炭素膜１６は、高硬度（高密度）炭素膜であり、積層炭素膜１８全体としての耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性を確保する機能を有する。
第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６との上記のような硬度及び密度の違いは、透過型電子顕微鏡の明視野観察における像（TEM像）の明るさの違いとして把握することができる。密度が低くなるほど透過する電子線量が増加するため、組成が同じ物質のTEM像は密度が低くなるほど明るく、白くなる。そのため本実施形態では、第１の炭素膜１４のTEM像が、第２の炭素膜１６のTEM像よりも明るくなる。
第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６の実際の硬度及び密度は、これらの単層を形成し、微小押し込み硬さ試験機を用いた測定、GIXA法（斜入射Ｘ線分析法）による測定、又はGIXR法（Ｘ線反射率測定法）による測定により測定できる。この方法を用いた場合、第１の炭素膜１４のマルテンス硬さは5〜13ＧＰａ、第２の炭素膜１６のマルテンス硬さは13〜26ＧＰａであることが好ましい。第１の炭素膜１４の密度よりも第２の炭素膜１６の密度が高い。
積層炭素膜１８の隣接する第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６との間には、厚さが100ｎｍ以下の金属薄膜を有することが好ましい。この金属薄層は、第１の炭素層１４と第２の炭素層１６との密着性を向上させ、摺動部材の耐久性をより向上する機能を有する。金属薄層には、金属中間層１２と同じくCr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷからなる群から選択された一つ以上の元素またはその炭化物を用いることができる。金属中間層１２を形成する元素を用いるのが好ましい。金属薄膜の厚さを50ｎｍ以下とするとより好ましい。
第１の炭素膜１４及び第２の炭素膜１６は、実質的に非晶質炭素（DLC）のみからなる。非晶質炭素であることは、ラマン分光光度計（Arレーザ）を用いたラマンスペクトル測定により確認できる。また、第１の炭素膜１４及び第２の炭素膜１６は実質的に水素を含まないことが好ましい。ここで、本明細書において「実質的に水素を含まない」とは、ＨＦＳ（Hydrogen Forward Scattering）分析による膜中の水素含有率が10ａｔｍ％以下であり、残部が実質的に炭素のみからなることを意味する。水素含有量は5ａｔｍ％以下であることが好ましい。
第１の炭素膜１４及び第２の炭素膜１６は、例えば、イオンプレーティング等のＰＶＤ法を用いて形成することができる。ＰＶＤ法は、水素をほとんど含まない高硬度で耐摩耗性に優れた非晶質炭素被膜を形成することができる。
カーボンターゲットを用いた真空アーク放電によるイオンプレーティング法を用いて、第１の炭素膜１４を成膜する場合、基材に印加するバイアス電圧を高く設定する。バイアス電圧を高くすると、基材に衝突するカーボンイオンの運動エネルギーが大きくなるため、カーボンが基材表面で堆積せずにスパッタリングにより基材表面からはじき飛ばされる。このため、形成される第１の炭素膜は、非晶質で粗な組織となるため密度は低くなる。また、バイアス電圧を高くすると、高エネルギーのカーボンイオンの照射によって基材温度が上昇するため、第１の炭素膜の残留応力が緩和され、基材との密着性が向上する。第１の炭素膜１４を形成した後、基材に印加するバイアス電圧を低く設定することにより、膜密度の高い第２の炭素膜１６を形成することができる。
ここで本実施形態では、各第１の炭素膜１４の厚さをT1、各第２の炭素膜１６の厚さをT2として、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下であり、T1/T2が0.010以上0.60以下であることが肝要である。まず、T2に関して、T2が10ｎｍ以下の場合、硬質な第２の炭素膜１６が薄すぎるため、厳しい摺動条件下での耐摩耗性を十分に得ることができず、T2が1000ｎｍを超えると、硬質な第２の炭素膜１６が厚すぎて、厳しい摺動条件下では積層炭素膜１８が剥離を起こしやすく、被膜密着性を十分に得ることができない。T2は100ｎｍ以上600ｎｍ以下であることが好ましい。
さらに、T2を上記範囲に設定した場合でも、T1/T2が0.010未満の場合、軟質な第１の炭素膜１４が硬質な第２の炭素膜１６に対して薄すぎるため、厳しい摺動条件下では積層炭素膜１８が剥離を起こしやすく、被膜密着性を十分に得ることができない。また、T1/T2が0.60超えの場合、軟質な第１の炭素膜１４が硬質な第２の炭素膜１６に対して厚すぎるため、厳しい摺動条件下での耐摩耗性を十分に得ることができない。T1/T2は0.010以上0.4以下であることが好ましい。
積層炭素膜１８全体の厚さT3は、3μｍ以上20μｍ以下であることが好ましく、5μｍ以上15μｍ以下であることがより好ましい。T3が3μｍ未満の場合、積層炭素膜１８全体の応力を緩和する効果が不十分となり、積層炭素膜１８の基材１０に対する密着性が十分に得られない可能性があり、T3が20μｍを超える場合、積層炭素膜１８全体としての耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性が十分に得られない可能性がある。
第１の炭素膜１４の厚さT1、第２の炭素膜１６の厚さT2は、それぞれ高電圧及び低電圧のバイアス印加時間によって調整できる。また、積層炭素膜１８の厚さT3は、第１及び第２の炭素膜の積層回数と、カーボンカソードのアーク放電時間によって調整できる。
積層炭素膜１８の金属中間層１２と接する位置（すなわち最下層）は、第１の炭素膜１４でも第２の炭素膜１６でもよいが、第１の炭素膜１４とすることが好ましい。また、積層炭素膜１８の硬質炭素膜２０と接する位置（すなわち最上層）は、第１の炭素膜１４でも第２の炭素膜１６でもよいが、第２の炭素膜１６とすることが好ましい。
（硬質炭素膜）
硬質炭素膜２０は、摺動部材の摺動面における最上層として、炭素被膜の耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性を確保する機能を有する。硬質炭素膜２０は、実質的に非晶質炭素（DLC）のみからなる。また、第１の炭素膜１４及び第２の炭素膜１６と同様に、硬質炭素膜２０は実質的に水素を含まないことが好ましい。
硬質炭素膜２０は、摺動部材の摺動面における最上層として、炭素被膜の耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性を確保する機能を有する。硬質炭素膜２０は、実質的に非晶質炭素（DLC）のみからなる。また、第１の炭素膜１４及び第２の炭素膜１６と同様に、硬質炭素膜２０は実質的に水素を含まないことが好ましい。
硬質炭素膜２０のマルテンス硬さが6GPa以上30GPa以下であることが好ましい。6GPa未満の場合、摺動部材の耐久性を十分に確保できない可能性があり、30GPaを超える場合、硬質炭素膜に欠損（欠け）や剥離が発生しやすくなる可能性がある。
硬質炭素膜２０の厚さT4は、T3/T4が2以上20以下となるように設定することが好ましく、5以上15以下となるように設定することがより好ましい。T3/T4を2以上とすることにより、炭素被膜の密着性をより高めることができ、T3/T4を20以下とすることにより、炭素被膜の耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性をより高めることができる。
硬質炭素膜２０は、積層炭素膜１８と同様に、例えば、イオンプレーティング等のＰＶＤ法を用いて形成することができる。カーボンターゲットを用いた真空アーク放電によるイオンプレーティング法を用いて、硬質炭素膜２０を成膜する場合、その硬さは、基材に印加するバイアス電圧によって調整できる。
（ピストンリング）
図２を参照して、本発明の一実施形態によるピストンリング２００は、上記摺動部材１００からなるものであり、その外周面３０が図１に示す炭素被膜の積層構造とする。これにより、摺動面となる外周面３０は、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れる。ピストンリングの内周面３２及び上下面３４Ａ，３４Ｂは、図１に示す炭素被膜の積層構造とする必要はない。
図２を参照して、本発明の一実施形態によるピストンリング２００は、上記摺動部材１００からなるものであり、その外周面３０が図１に示す炭素被膜の積層構造とする。これにより、摺動面となる外周面３０は、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れる。ピストンリングの内周面３２及び上下面３４Ａ，３４Ｂは、図１に示す炭素被膜の積層構造とする必要はない。
本発明の一実施形態による摺動部材１００は、ピストンリング以外にも、バルブリフタ、ベーン、ロッカーアーム、シールリング等、種々の製品に適用することができる。
ピストンリングの外周面に、以下の条件で、表１及び表２に記載の金属中間層及び炭素被膜（積層炭素膜、硬質炭素膜）を形成した。
金属中間層は、ピストンリング本体（基材）をアセトン及びイソプロピルアルコールにて超音波洗浄を行った後、ＰＶＤ成膜装置の真空チャンバー内に配置し、Ａｒガスを導入した状態で金属ターゲットのスパッタ放電によって形成した。金属ターゲットの種類はＣｒ、Ｔｉ、Ｗから選択した。金属中間層の厚さは、金属ターゲットの放電時間によって調整した。
金属中間層の形成後、続けて同一チャンバー内で積層炭素膜を形成した。積層炭素膜は、カーボンターゲットの真空アーク放電によって形成し、放電中にピストンリングに印加するバイアス電圧を高電圧及び低電圧で交互に切り替えることで低密度炭素層と高密度炭素層が交互に積層された構造が得られた。
積層炭素膜形成後、続けて同一チャンバーにて硬質炭素膜を形成した。硬質炭素膜は、積層炭素膜と同様にカーボンターゲットの真空アーク放電によって形成した。硬さは、成膜中にピストンリング本体に印加するバイアス電圧によって調整した。
（膜厚の測定）
積層炭素膜の断面をＴＥＭにて明視野観察した。低密度炭素膜は明るく見え、高密度炭素膜は暗く見えた。断面ＴＥＭ像における各膜の測定値を厚さT1及びT2とした。同様に、積層炭素膜の厚さT3、硬質炭素膜の厚さT4もＴＥＭによる明視野観察により求めた。
積層炭素膜の断面をＴＥＭにて明視野観察した。低密度炭素膜は明るく見え、高密度炭素膜は暗く見えた。断面ＴＥＭ像における各膜の測定値を厚さT1及びT2とした。同様に、積層炭素膜の厚さT3、硬質炭素膜の厚さT4もＴＥＭによる明視野観察により求めた。
（硬質炭素膜の硬さの測定）
株式会社エリオニクス製、超微小押し込み硬さ試験機を用いて、硬質炭素層のマルテンス硬さを測定した。条件としては、ベルコビッチ圧子を用いて、押し込み深さが硬質炭素層の膜厚の1/10程度となる荷重にて試験を行った。
株式会社エリオニクス製、超微小押し込み硬さ試験機を用いて、硬質炭素層のマルテンス硬さを測定した。条件としては、ベルコビッチ圧子を用いて、押し込み深さが硬質炭素層の膜厚の1/10程度となる荷重にて試験を行った。
（評価試験）
各発明例・比較例のピストンリング片と、ＳＵＪ２材（JIS G 4805）からなる相手材とを用いた往復摺動試験にて、以下のとおり、被膜密着性（耐剥離性）の評価及び耐摩耗性（耐久性）の評価を行った。
各発明例・比較例のピストンリング片と、ＳＵＪ２材（JIS G 4805）からなる相手材とを用いた往復摺動試験にて、以下のとおり、被膜密着性（耐剥離性）の評価及び耐摩耗性（耐久性）の評価を行った。
（被膜密着性の評価方法）
相手材に0W-20エンジン油を塗布し80℃に加熱した後、ピストンリング片に300Nの荷重を印加して相手材に押しつけ、50Hzの速度にて1時間往復摺動させた。試験後のピストンリング摺動痕の状態から、炭素被膜の密着性を判断した。結果を表１及び表２に示す。
評価基準
◎：評価試験数Ｎ＝５について、炭素被膜の剥離が全く発生しなかった。
○：評価試験数Ｎ＝５のうち、試験数ｎ≧３について炭素被膜に剥離がみられず、試験数ｎ≦２について炭素被膜に微小剥離がみられた。
×：評価試験数Ｎ＝５のうち、試験数ｎ≧３について炭素被膜に剥離がみられた。
相手材に0W-20エンジン油を塗布し80℃に加熱した後、ピストンリング片に300Nの荷重を印加して相手材に押しつけ、50Hzの速度にて1時間往復摺動させた。試験後のピストンリング摺動痕の状態から、炭素被膜の密着性を判断した。結果を表１及び表２に示す。
評価基準
◎：評価試験数Ｎ＝５について、炭素被膜の剥離が全く発生しなかった。
○：評価試験数Ｎ＝５のうち、試験数ｎ≧３について炭素被膜に剥離がみられず、試験数ｎ≦２について炭素被膜に微小剥離がみられた。
×：評価試験数Ｎ＝５のうち、試験数ｎ≧３について炭素被膜に剥離がみられた。
（耐摩耗性の評価方法）
相手材に0W-20エンジン油を塗布し80℃に加熱した後、ピストンリング片に50Nの荷重を印加して相手材に押しつけ、50Hzの速度にて6時間往復摺動させた。試験後のピストンリング摺動痕の形状から炭素被膜の摩耗量（摩耗深さ）を求めた。結果は、試料No.22の摩耗量を１としたときの指数表示で表１及び表２に示す。
相手材に0W-20エンジン油を塗布し80℃に加熱した後、ピストンリング片に50Nの荷重を印加して相手材に押しつけ、50Hzの速度にて6時間往復摺動させた。試験後のピストンリング摺動痕の形状から炭素被膜の摩耗量（摩耗深さ）を求めた。結果は、試料No.22の摩耗量を１としたときの指数表示で表１及び表２に示す。
表１及び表２から明らかなように、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下の範囲の場合、T1/T2を0.010以上0.60以下とすることによって、上記のような高温かつ高面圧の厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性が得られた。しかし、T1/T2が0.010未満の場合、被膜密着性を十分に得ることができず、T1/T2が0.60を超える場合、耐摩耗性を十分に得ることができなかった。
本発明の摺動部材は、摺動面が曲面であり、摺動初期におけるシリンダボアとの接触面圧が高い内燃機関用ピストンリングに好ましく適用することができる。本発明の摺動部材は、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れるので、特に、環境保全に対応して燃費を向上させたダウンサイジングターボエンジン用のピストンリングとして好適に使用できる。
１００ 摺動部材
１０ 基材
１０Ａ 摺動面
１２ 金属中間層
１４ 第１の炭素膜（低硬度炭素膜）
１６ 第２の炭素膜（高硬度炭素膜）
１８ 積層炭素膜
２０ 硬質炭素膜
２００ ピストンリング
３０ 外周面
３２ 内周面
３４Ａ，３４Ｂ 上下面（上下側面）
１０ 基材
１０Ａ 摺動面
１２ 金属中間層
１４ 第１の炭素膜（低硬度炭素膜）
１６ 第２の炭素膜（高硬度炭素膜）
１８ 積層炭素膜
２０ 硬質炭素膜
２００ ピストンリング
３０ 外周面
３２ 内周面
３４Ａ，３４Ｂ 上下面（上下側面）
Claims (7)
- 潤滑油下で使用される摺動部材であって、
基材と、
該基材の摺動面側に形成された金属中間層と、
該金属中間層上に形成され、第１の炭素膜と第２の炭素膜とが交互に積層されてなる積層炭素膜と、
該積層炭素膜上に形成された硬質炭素膜と、
を有し、
前記第１の炭素膜の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像が、前記第２の炭素膜の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像よりも明るく、
前記第１の炭素膜の厚さをT1、前記第２の炭素膜の厚さをT2として、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下であり、T1/T2が0.010以上0.60以下であることを特徴とする摺動部材。 - 前記積層炭素膜の隣接する前記第１の炭素膜と前記第２の炭素膜との間に、厚さが100ｎｍ以下の金属薄膜を有する、請求項１に記載の摺動部材。
- 前記積層炭素膜の厚さをT3、前記硬質炭素膜の厚さをT4として、T3が3μｍ以上20μｍ以下であり、T3/T4が2以上20以下である、請求項１又は２に記載の摺動部材。
- 前記第１の炭素膜、前記第２の炭素膜及び前記硬質炭素膜が実質的に水素を含まない、請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部材。
- 前記硬質炭素膜のマルテンス硬さが6GPa以上30GPa以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の摺動部材。
- 前記金属中間層がCr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷからなる群から選択された一つ以上の元素またはその炭化物からなり、前記金属中間層の厚さが0.1μｍ以上0.6μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の摺動部材。
- 請求項１〜６のいずれか一項に記載の摺動部材からなるピストンリングであって、その外周面が前記摺動面であるピストンリング。
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