JP2017133049A - 摺動部材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【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、該基材上に形成された、水素を実質的に含まない第一の硬質炭素層14と、該第一の硬質炭素層に接して形成された、水素含有量が5原子%以上25原子%以下の第二の硬質炭素層16と、を有し、前記第一の硬質炭素層の表面形状が、突出山部高さRpk:0.08μm以上0.90μm以下を満たし、前記第一の硬質炭素層の厚さが0.35μm以上1.5μm以下であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
(1)基材と、
該基材上に形成された、水素を実質的に含まない第一の硬質炭素層と、
該第一の硬質炭素層上に形成された、水素含有量が5原子%以上25原子%以下の第二の硬質炭素層と、
を有し、前記第一の硬質炭素層の表面形状が、突出山部高さRpk:0.08μm以上0.90μm以下を満たし、
前記第一の硬質炭素層の厚さが0.35μm以上1.5μm以下であることを特徴とする、潤滑油下で使用される摺動部材。
フィルタードカソード法を用いない真空アークイオンプレーティング法によって、前記第一の硬質炭素層上に、水素含有量が5原子%以上25原子%以下の第二の硬質炭素層を形成する第二工程と、
を有し、前記第一工程は、前記第一の硬質炭素層の表面形状が、突出山部高さRpk:0.08μm以上0.90μm以下を満たすように行うことを特徴とする、潤滑油下で使用される摺動部材の製造方法。
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、この基材の表面(摺動面側)に形成された中間層12と、この中間層上に形成された、水素を実質的に含まない第一の硬質炭素層14(水素非含有硬質炭素層)と、この第一の硬質炭素層に接して形成された、水素含有量が5原子%以上25原子%以下の第二の硬質炭素層16(水素含有硬質炭素層)と、を有する。なお、本明細書において、第一の硬質炭素層14及び第二の硬質炭素層16、さらには後述する任意の傾斜層を合わせて、「硬質炭素被膜18」と称する。
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。
中間層12は、基材10と硬質炭素被膜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、硬質炭素膜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、中間層12は、Cr、Ti、Si及びW、その炭化物、窒化物、炭窒化物から選択された一つ以上からなるものとすることが好ましい。中間層は、前記から選択された金属や化合物からなる単層に限定されず、複数層を積層した多層構造としてもよい。中間層12の厚さは、0.02μm以上0.6μm以下であることが好ましい。厚さが0.02μm未満の場合、その上の硬質炭素被膜18との密着性が十分に得られない可能性があり、厚さが0.6μmを超えると、塑性流動を起こしやすくなり、中間層12が剥離しやすくなるからである。
硬質炭素被膜18は、基材10上に接して、又は好適には中間層12上に接して形成された第一の硬質炭素層14と、第一の硬質炭素層に接して形成された第二の硬質炭素層16とを有する。
本発明の実施形態による摺動部材は、エンジンオイルなどの、有機モリブデン系化合物を含有する潤滑油が介在する内燃機関の摺動部に使用されるピストンリング、ピストン、ピストンピン、タペット、バルブリフタ、シム、ロッカーアーム、カム、カムシャフト、タイミングギア、タイミングチェーンに適用することができる。
既述の方法で、TEM像から第一の硬質炭素層の表面におけるRpkを求めた。また、同じTEM像を用いて、既述の方法で、中間層、第一の硬質炭素層及び第二の硬質炭素層の厚さを求めた。結果を表1に示す。得られた硬質炭素被膜の厚さを成膜時間で除することによって、成膜速度を算出した。実施例1〜5及び比較例1〜5における第一の硬質炭素層の成膜速度の平均値を1とした際の、第一及び第二の硬質炭素層の全体(硬質炭素被膜)の成膜速度を指数化して、表1に示す。
硬質炭素被膜の水素含有量は、平坦又は曲率半径が十分に大きく測定上平面と見なせる領域に形成された被膜を、RBS(Rutherford Backscattering Spectrometry)/HFS(Hydrogen Forward Scattering Spectrometry)により、測定する。
上記で作製した実施例、比較例の試験片の硬質炭素被膜を形成した面を、算術平均粗さRa0.03μm以下となるようにラッピングフィルム(ダイヤモンド#4000)により研磨し、以下の方法で、往復動試験を行った。
試験時間 : 60min
荷重 : 400N
往復動周波数 : 50Hz
振幅 : 3mm
潤滑油 : エンジンオイル(0W−20/有機Mo添加オイル)
潤滑油温 : 80℃
試験片の摺動面(表面)を目視又は光学顕微鏡(100〜400倍)で観察し、被膜損傷の有無を以下の基準で評価した。試験片の摺動面に100μm以上の大きさのピットが認められる場合を「ピット状欠落」、第一硬質炭素層と第二硬質炭素層の層間が剥離しているものを「層間剥離」と表記した。
10 基材
12 中間層
14 第一の硬質炭素層(水素非含有硬質炭素層)
16 第二の硬質炭素層(水素含有硬質炭素層)
18 硬質炭素被膜
20 炭素カソードを備えるアーク式蒸発源
22 金属カソードを有するスパッタ源
24 真空容器
26 ターンテーブル
28 自転するワークホルダー
30 ヒーター
60 試験片(SUS2製円柱)
68 摺動相手材(SUS2製ディスク)
Claims (6)
- 基材と、
該基材上に形成された、水素を実質的に含まない第一の硬質炭素層と、
該第一の硬質炭素層上に形成された、水素含有量が5原子%以上25原子%以下の第二の硬質炭素層と、
を有し、前記第一の硬質炭素層の表面形状が、突出山部高さRpk:0.08μm以上0.90μm以下を満たし、
前記第一の硬質炭素層の厚さが0.35μm以上1.5μm以下であることを特徴とする、潤滑油下で使用される摺動部材。 - 前記第二の硬質炭素層の水素含有量が10原子%超え20原子%以下である、請求項1に記載の摺動部材。
- 前記第一の硬質炭素層及び前記第二の硬質炭素層の合計厚さが5μm以上である、請求項1又は2に記載の摺動部材。
- 前記第一の硬質炭素層と前記第二の硬質炭素層との間に、水素含有量が前記第一の硬質炭素層から前記第二の硬質炭素層に向けて増加する傾斜層を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の摺動部材。
- 前記基材と前記第一の硬質炭素層との間に、Cr、Ti、Si及びW、その炭化物、窒化物、炭窒化物から選択された一つ以上の材料からなる中間層を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の摺動部材。
- フィルタードカソード法を用いない真空アークイオンプレーティング法によって、基材上に、水素を実質的に含まない厚さが0.35μm以上1.5μm以下である第一の硬質炭素層を形成する第一工程と、
フィルタードカソード法を用いない真空アークイオンプレーティング法によって、前記第一の硬質炭素層上に、水素含有量が5原子%以上25原子%以下の第二の硬質炭素層を形成する第二工程と、
を有し、前記第一工程は、前記第一の硬質炭素層の表面形状が、突出山部高さRpk:0.08μm以上0.90μm以下を満たすように行うことを特徴とする、潤滑油下で使用される摺動部材の製造方法。
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