JP5436486B2 - 摺動部材 - Google Patents
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Description
前記皮膜は、炭素(C)、チタン(Ti)およびホウ素(B)を含み、非晶質炭素を主成分として含む第一層と、CおよびTiを主成分として含む第二層と、を繰り返し交互に積層してなり、硬さが18GPa以上であることを特徴とする。
基材の材質は、摺動部材として使用できれば特に限定されるものではない。金属、セラミックス、樹脂から選ばれる材料を用いればよい。たとえば、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄、アルミニウム合金、チタン合金などの金属製基材、超鋼、アルミナ、窒化珪素などのセラミックス製基材、ポリイミド、ポリアミドなどの樹脂製基材、等が挙げられる。
皮膜は、第一層と第二層とを繰り返し交互に積層した構造を有する。皮膜の構造を、図1を用いて説明する。図1は、本発明の摺動部材を模式的に示す断面図である。摺動部材10は、前述の通り、摺動面をもつ基材2と、摺動面の少なくとも一部に固定した皮膜1と、必要に応じて皮膜1と基材2との間に位置する中間層3と、を備える。皮膜は、炭素(C)、チタン(Ti)およびホウ素(B)を含む。
皮膜は、皮膜全体を100原子%としたときに、Tiを6原子%以上40原子%以下、Bを2原子%以上30原子%以下含むとよい。
本発明の摺動部材は、潤滑油を用いた湿式条件で使用される。潤滑油は、モリブデン(Mo)、硫黄(S)、リン(P)、亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)等を含む。これらの元素は、ベース油に添加される添加剤に含まれる。主な添加剤としては、アルカリ土類金属系添加剤であるCa−スルホネート、Mg−スルホネート、Ba−スルホネート、Na−スルホネートなど、極圧添加剤であるりん酸エステル、亜りん酸エステル、ジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン(Mo−DTC)、亜鉛ジアルキルジチオフォスフェート(Zn−DTP)など、が挙げられる。また、無灰分散剤であるコハク酸イミド、コハク酸エステルなど、上記の元素を含まない添加剤を含んでもよい。潤滑油は、本発明の摺動部材の摺動の際に、少なくともその摺動面に供給されればよい。
先に説明した皮膜の成膜方法に特に限定はなく、各種成膜手法により成膜することが可能である。たとえば、物理蒸着法(PVD法)および化学蒸着法(CVD法)が挙げられ、具体的には、真空蒸着法、スパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング(UBMS)法、アークイオンプレーティング(AIP)法、分子線エピタキシー(MBE)法、熱CVD法、プラズマCVD法、あるいはこれらの成膜方法を二つ以上組み合わせて複合させた方法などが挙げられる。
鋼材(マルテンサイト系ステンレス鋼:SUS440C)製の基材を準備した。基材は、寸法:6.3mm×15.7mm×10.1mm、表面硬さ:Hv650、表面粗さ:Raで0.011μm(JISに規定の十点平均粗さ(Rz)で0.1μm)であった。
基材の表面に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング装置(株式会社神戸製鋼所製UBMS504)を用い、種々の皮膜を成膜した。装置の模式図を図2に示した。装置20は、容器21、容器21の中央部において複数の基材Sを回転可能に保持する基台22および基台22の周囲に配設されターゲットを載置可能な4つのマグネトロン23を備える。
上記手順で得られた試料について、皮膜全体の膜組成を分析、および皮膜の硬さ測定を行った。結果を表1に示した。膜組成は、電子プローブ微小部分析法(EPMA:加速電圧10kV、分析面領域100μm、にて分析)、X線光電子分光法(XPS)、オージェ電子分光法(AES)、ラザフォード後方散乱法(RBS)により定量した。皮膜の硬さは、ナノインデンター試験機(株式会社東陽テクニカ製MTS)により試料の表面硬さを測定した測定値から算出した。なお、残部はCを主成分とし、H(1〜30原子%程度)および不可避不純物としてのO(3原子%未満)などを含む。
上記の手順で得られた試料をブロック試験片として用い、リング・オン・ブロック試験を行った。図3に、リング・オン・ブロック型摩擦試験機(FALEX社製LFW−1)の概略図を示す。図3に示すように、リング・オン・ブロック型摩擦試験機30は、ブロック試験片31と、相手材となるリング試験片32とから構成される。ブロック試験片31とリング試験片32とは、ブロック試験片31に形成された皮膜31fとリング試験片32とが当接する状態で設置される。リング試験片32はオイルバス33中に回転可能に設置される。本試験では、リング試験片32として、本摩擦試験機30の標準試験片であるS−10リング試験片(材質:SAE4620スチール浸炭処理材、形状:φ35mm、幅8.8mm、表面粗さ:Rzで1.3μm、FALEX社製)を用いた。また、オイルバス33には、80℃に加熱保持したモリブデン系添加剤含有エンジン油(Mo系エンジン油、粘度グレード:0W−20)を用いた。このMo系エンジン油中には、添加剤としてMo−DTP、Mo−DTCなどを含み、油中金属成分の分析結果および潤滑油メーカーの配合データから、エンジン油を100質量%としたとき、元素に換算して、Moを0.01質量%(100ppm)以上、Mo以外の元素(具体的にはCa、Zn、S、P)を合計で0.05質量%(500ppm)以上含むことを確認した。
各実施例において形成された皮膜が積層構造であることを確認するために、透過電子顕微鏡(TEM)を用いて皮膜の断面を観察した。実施例1および比較例2の試料から断面観察用の薄片状試料を作製し、TEMで観察した結果を図6および図7に示した。なお、皮膜の表面に見られる組織(図6および図7の写真上側)は、薄片状試料作製のために形成されたアルミニウム保護膜である。
Claims (12)
- 潤滑油の存在下で摺動される摺動面をもつ基材と、該摺動面の少なくとも一部に固定した皮膜と、を備え、
前記皮膜は、炭素(C)、チタン(Ti)およびホウ素(B)を含み、非晶質炭素を主成分として含む第一層と、CおよびTiを主成分として含む第二層と、を繰り返し交互に積層してなり、硬さが18GPa以上であることを特徴とする摺動部材。 - 前記第二層は、炭化チタン(TiC)を含む請求項1記載の摺動部材。
- 前記第二層は、C、TiおよびBを含み、該第二層と前記第一層との界面部の少なくとも一方にB含有量が他の部分よりも高いTi−B−C層を有する請求項1記載の摺動部材。
- 前記Ti−B−C層の厚さは、1〜10nmである請求項3記載の摺動部材。
- 前記第二層の厚さT2に対する前記第一層の厚さT1の比(T=T1/T2)が、0.3以上2以下である請求項1〜4のいずれかに記載の摺動部材。
- 前記皮膜は、一組の前記第一層および前記第二層からなる積層部の厚さが10〜60nmであって、該第一層および該第二層が合計で10〜1000層積層されてなる請求項1〜5のいずれかに記載の摺動部材。
- 前記基材は、前記皮膜を固定される表面にクロム(Cr)を含む中間層を有する請求項1〜6のいずれかに記載の摺動部材。
- 前記皮膜は、該皮膜全体を100原子%としたときに、Tiを6原子%以上40原子%以下、Bを2原子%以上30原子%以下含む請求項1〜7のいずれかに記載の摺動部材。
- 前記潤滑油は、エンジン油である請求項1〜8のいずれかに記載の摺動部材。
- 前記潤滑油は、全体を100質量%としたときに、硫黄(S)、リン(P)、亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ナトリウム(Na)、バリウム(Ba)および銅(Cu)のうちの少なくとも一種を合計で300ppm以上含む請求項1〜9のいずれかに記載の摺動部材。
- 前記潤滑油は、全体を100質量%としたときに、モリブデン(Mo)を100ppm以上含む請求項1〜10のいずれかに記載の摺動部材。
- 前記潤滑油は、全体を100質量%としたときに、モリブデン(Mo)含有量が10ppm以下である請求項1〜10のいずれかに記載の摺動部材。
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