JP5608466B2 - Surface structure - Google Patents
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Description
本発明は、耐摩擦性が向上する表面構造に関するものである。 The present invention relates to a surface structure with improved friction resistance.
調節弁やガスガバナなどは、接触摩擦部を有する摺動面をもつ装置である。このような装置の摺動部においては、耐摩擦性を高めるために接触摩擦部を硬質材料より構成し、また、熱処理などによる硬質処理をしている。接触摩擦部に硬質層を形成することで耐摩擦性を高める技術もある。また、接触摩擦部における摺動性を高めるために、潤滑剤が用いられている。 A control valve, a gas governor, or the like is a device having a sliding surface having a contact friction portion. In the sliding portion of such an apparatus, the contact friction portion is made of a hard material in order to improve the friction resistance, and is hard-treated by heat treatment or the like. There is also a technique for improving the friction resistance by forming a hard layer in the contact friction portion. Further, a lubricant is used in order to improve the slidability in the contact friction portion.
ただし、潤滑剤は、減圧排気されている環境では使用し難いなど、使用可能な範囲が限られ、また、経時変化を伴うため、常に整備保守が必要になるなどの問題がある。これに対し、潤滑剤を用いることなく優れた摺動性が得られる硬質層の材料として、ダイアモンドライクカーボン(DLC)がある(特許文献1,2,3,4参照)。 However, the range of usable lubricants is limited, for example, it is difficult to use in an environment where the pressure is exhausted under reduced pressure, and there is a problem that maintenance and maintenance are always necessary because it involves a change with time. On the other hand, diamond-like carbon (DLC) is available as a hard layer material that provides excellent slidability without using a lubricant (see Patent Documents 1, 2, 3, and 4).
しかしながら、DLCの膜は、割れが発生すると、発生した割れの部分を起点として広い面積で一度に膜剥がれを起こすという問題がある。この問題に対し、特許文献1,2,3,4では、DLC膜をセグメントに分割して形成している。セグメントに分割することで、まず、DLC膜の剥離の進展が抑えられるようになり、一つのセグメントで膜が剥離しても隣のセグメントはその影響を受けないようになる。これにより剥離の進展を抑え、膜の寿命を長くすることができる。また、セグメントに分割することで、母体の変形に伴うDLC膜に与えられる大きなひずみが回避できるようになり、剥離の進展が抑制できるようになる。 However, when a crack occurs in the DLC film, there is a problem in that the film peels at once over a wide area starting from the generated crack. With respect to this problem, in Patent Documents 1, 2, 3, and 4, the DLC film is divided into segments. By dividing into segments, first, the progress of peeling of the DLC film can be suppressed, and even if the film peels in one segment, the adjacent segment is not affected. Thereby, progress of peeling can be suppressed and the lifetime of the film can be extended. Moreover, by dividing into segments, a large strain applied to the DLC film accompanying the deformation of the matrix can be avoided, and the progress of peeling can be suppressed.
しかしながら、DLC膜をセグメントに分割して形成することが、容易ではないという問題がある。例えば、特許文献3,4では、タングステン線の金網を用いて格子状にマスキングすることで、セグメントにDLC膜を形成している。また、特許文献2では、セグメント形態に対応したパターン形状の凸状パターンを形成し、この上からDLC膜を堆積し、この後、凸状パターンを除去するという、所謂リフトオフ法によりセグメントにDLC膜を形成している。このように、いずれにおいても、マスクを用いており、位置精度の問題や、製造工程の増加をまねくという問題などがある。 However, there is a problem that it is not easy to divide the DLC film into segments. For example, in Patent Documents 3 and 4, a DLC film is formed on a segment by masking in a lattice shape using a wire mesh of tungsten wire. Further, in Patent Document 2, a DLC film is formed on a segment by a so-called lift-off method in which a convex pattern having a pattern shape corresponding to the segment form is formed, a DLC film is deposited thereon, and then the convex pattern is removed. Is forming. As described above, in any case, a mask is used, and there are problems of positional accuracy and an increase in manufacturing processes.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、剥離の進展が抑制された状態のDLC膜より構成される硬質層がより簡便に形成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to more easily form a hard layer composed of a DLC film in a state in which the progress of peeling is suppressed. And
本発明に係る表面構造は、粗面とされた基材の表面と、表面に接して形成され、ダイアモンドライクカーボンからなり、複数の亀裂がある硬質層とを備え、表面の表面粗さRaが0.1から0.4の範囲とされ、硬質層は、層厚1〜3μmの範囲とされている。 Surface structure according to the present invention, the the radicals material surface roughened, are formed on the surfaces, Ri diamond-like carbon Tona, and a hard layer with multiple cracks, the table surface roughness of the surface Ra is in the range of 0.1 to 0.4, the hard layer is a layer thickness range 1 to 3 [mu] m.
以上説明したように、本発明によれば、粗面とされた基材の表面に接してダイアモンドライクカーボンからなる複数の亀裂を備えた硬質層を形成するようにしたので、剥離の進展が抑制された状態のDLC膜より構成される硬質層がより簡便に形成できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, since so as to form a hard layer having a plurality of cracks formed of diamond-like carbon on the surfaces of the rough and the substrates, progress of peeling is suppressed The excellent effect that the hard layer comprised from the DLC film of the state made can be formed more simply is acquired.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における表面構造の構成を示す断面図である。この表面構造は、基材101の粗面とされた表面102と、表面102に形成されたダイアモンドライクカーボン(DLC)からなる硬質層103とを備える。また、表面102の表面粗さRaが0.1から0.4の範囲とされ、硬質層103は、層厚1〜3μmの範囲とされているものである。このような粗面は、例えば、サンドブラストなどのブラスト処理による加工や、バフ研磨などの粗研磨により形成することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the surface structure in the embodiment of the present invention. This surface structure includes a rough surface 102 of the substrate 101 and a hard layer 103 made of diamond-like carbon (DLC) formed on the surface 102. Further, Table roughness Ra of the surface 102 is in the range of 0.1 to 0.4, the hard layer 103 are those which are in the range of thickness 1 to 3 [mu] m. Such a rough surface can be formed by, for example, processing by blasting such as sand blasting or rough polishing such as buffing.
硬質層103は、基材101の表面102の上に、よく知られたPVD法によりDLCを堆積することで形成すればよい。例えば、DLCは、黒鉛をターゲットとしたイオンプレーティング法やスパッタリング法により堆積できる。また、硬質層103は、表面102を被覆するように形成されていればよい。硬質層103は、粗面とされている表面102に形成されるため、複数の亀裂104を備えた状態となる。言い換えると、硬質層103は、セグメントに分割された複数のDLC膜から構成されたものとなる。このように、本実施の形態によれば、単にDLC膜を形成すれば、セグメントに分割された状態となるので、剥離しにくい状態の硬質層がより簡便に形成できるようになる。 The hard layer 103 may be formed by depositing DLC on the surface 102 of the substrate 101 by a well-known PVD method. For example, DLC can be deposited by ion plating or sputtering using graphite as a target. Moreover, the hard layer 103 should just be formed so that the surface 102 may be coat | covered. Since the hard layer 103 is formed on the roughened surface 102, the hard layer 103 has a plurality of cracks 104. In other words, the hard layer 103 is composed of a plurality of DLC films divided into segments. As described above, according to the present embodiment, simply forming the DLC film results in a state of being divided into segments, so that a hard layer that is difficult to peel can be formed more easily.
このように、上述した実施の形態によれば、金網などのいわゆるステンシルマスクやレジストなどによるマスクパターンなどを用いる必要がないので、剥離の進展が抑制された状態のDLC膜より構成される硬質層が、より容易に形成できるようになる。 As described above, according to the above-described embodiment, since it is not necessary to use a so-called stencil mask such as a wire mesh or a mask pattern made of a resist or the like, a hard layer composed of a DLC film in which the progress of peeling is suppressed. However, it can be formed more easily.
以下、実際に作製した試料の評価について説明する。 Hereinafter, evaluation of the actually produced sample will be described.
[試料]
試料としては、SUS316を円板状に加工した基板を用いた。また、試料1は、表面粗さをRa0.2とし、試料2は、表面粗さをRa0.002とし、試料3は、表面粗さをRa0.8とした。試料1が、上述した実施の形態の基板101に相当する。なお、試料1は、よく知られたバフ研磨により表面粗さをRa0.2とした。また、試料2は、よく知られた鏡面研磨により、Ra0.002とした。試料2の表面は、所謂鏡面加工した状態である。また、試料3は、SUS316の円板の表面を、旋盤により加工してRa0.8とした。また、形成した硬質層は、層厚1μmとした。
[sample]
As a sample, a substrate obtained by processing SUS316 into a disk shape was used. Sample 1 has a surface roughness of Ra0.2, sample 2 has a surface roughness of Ra0.002, and sample 3 has a surface roughness of Ra0.8. The sample 1 corresponds to the substrate 101 of the above-described embodiment. Sample 1 has a surface roughness Ra of 0.2 by well-known buffing. Sample 2 was set to Ra0.002 by well-known mirror polishing. The surface of the sample 2 is in a so-called mirror-finished state. In Sample 3, the surface of the SUS316 disk was processed with a lathe to obtain Ra 0.8. The formed hard layer had a layer thickness of 1 μm.
[評価方法1]
直径9.6mmのアルミナ球を用いた荷重増加方式のボールオンディスク型の摩擦摩耗試験により評価を行う。負荷荷重は最大15kgとする。また、摺動速度は0.15m/秒とし、形成した硬質層が破壊するときの臨界荷重を摩擦係数の変化から判断する。
[Evaluation Method 1]
Evaluation is performed by a ball-on-disk friction and wear test using a load increasing method using 9.6 mm diameter alumina spheres. The maximum load is 15 kg. The sliding speed is 0.15 m / sec, and the critical load when the formed hard layer breaks is determined from the change in the friction coefficient.
[評価方法2]
各試料において、摩擦摩耗試験の後における硬質層表面の状態を、金属顕微鏡により観察する。
[Evaluation Method 2]
In each sample, the state of the hard layer surface after the frictional wear test is observed with a metal microscope.
[結果]
まず、試料1は、図2の(a)に示すように、上記摩擦摩耗試験の最大負荷荷重の範囲では、摩擦係数に大きな変化はなく、硬質層の破壊は確認されない。これに対し、試料2は、図2の(b)に示すように、負荷荷重5kgの前で摩擦係数が測定限界を超えて大きくなり、この時点で硬質層の破壊が確認される。また、試料3は、図2の(c)に示すように、負荷荷重2kgで摩擦係数が測定限界を超えて大きくなり、この時点で硬質層の破壊が確認される。また、試料3は、負荷荷重2kgになるまでの間に、徐々に摩擦係数が増加している。
[result]
First, as shown in FIG. 2A, sample 1 has no significant change in the coefficient of friction in the range of the maximum load load in the frictional wear test, and the destruction of the hard layer is not confirmed. On the other hand, as shown in FIG. 2 (b), the friction coefficient of the sample 2 increases beyond the measurement limit before the load of 5 kg, and at this point, the hard layer is confirmed to be broken. Further, as shown in FIG. 2 (c), the friction coefficient of the sample 3 increases beyond the measurement limit at a load of 2 kg, and at this point in time, the hard layer is confirmed to be broken. In addition, the friction coefficient of Sample 3 gradually increases until the load is 2 kg.
次に、金属顕微鏡による観察結果について示す。試料1は、図3の写真に示すように、摩擦摩耗試験箇所に筋状の切削痕が確認されるが、硬質層が残存している。これに対し、試料2は、図4の写真に示すように、摩擦摩耗試験箇所の硬質層が剥離していることがわかる。同様に、試料3は、図5の写真に示すように、摩擦摩耗試験箇所の硬質層が剥離していることがわかる。 Next, it shows about the observation result by a metal microscope. In the sample 1, as shown in the photograph of FIG. 3, streak-like cutting marks are confirmed at the frictional wear test location, but the hard layer remains. On the other hand, as shown in the photograph of FIG. Similarly, as shown in the photograph of FIG. 5, it can be seen that the hard layer at the frictional wear test location is peeled off from Sample 3.
次に、基材の表面を鏡面加工してDLC膜(硬質層)を形成した場合と、本実施の形態による粗面とした表面にDLC膜を形成した場合とについて、電子顕微鏡により観察した比較結果について説明する。 Next, the case where the surface of the substrate was mirror-finished to form a DLC film (hard layer) and the case where the DLC film was formed on the roughened surface according to the present embodiment were compared with an electron microscope. The results will be described.
まず、鏡面加工した表面にDLC膜を形成すると、図6の写真(2000倍)に示すように、平坦な膜が形成されていることがわかる。これに対し、本実施の形態による粗面とした表面にDLC膜を形成すると、図7の写真(2000倍)に示すように、下地の凹凸に添ってDLC膜が形成され、また、複数の亀裂が形成されていることがわかる。 First, when a DLC film is formed on the mirror-finished surface, it can be seen that a flat film is formed as shown in the photograph (2000 times) in FIG. On the other hand, when the DLC film is formed on the rough surface according to the present embodiment, as shown in the photograph (2000 times) in FIG. It can be seen that cracks are formed.
また、鏡面加工した表面に形成したDLC膜に対して前述した摩擦摩耗試験を行った箇所は、図8の写真(1000倍)に示すように、広範囲にわたって膜剥がれが起きていることがわかる。これに対し、本実施の形態による粗面とした表面に形成したDLC膜に対して前述した摩擦摩耗試験を行った箇所は、図9の写真(1500倍)に示すように、摩擦部が部分的に白く観察されて基材の表面が露出しているが、部分的であり、他の箇所は、DLC膜が残存していることがわかる。また、基材が露出している箇所は、粗面とした凸部に相当していることがわかる。 Moreover, as shown in the photograph (1000 times) of FIG. 8, it can be seen that film peeling occurred over a wide range at the place where the above-described frictional wear test was performed on the DLC film formed on the mirror-finished surface. In contrast, the frictional wear test described above for the DLC film formed on the roughened surface according to the present embodiment has a frictional portion as shown in the photograph of FIG. 9 (1500 times). It is observed that the surface of the base material is exposed white, but it is partial, and it can be seen that the DLC film remains in other portions. Further, it can be seen that the portion where the base material is exposed corresponds to a rough convex portion.
以上の実験の結果から明らかなように、Ra0.2とした表面構造によれば、耐摩耗性の高い状態が得られている。また、同様の結果(耐摩耗性の高い状態)が、Ra0.1〜0.4において得られている。これは、本実施の形態によれば、硬質層がセグメントに分割したことに等しい状態になっているためと考えられる。 As is clear from the results of the above experiments, according to the surface structure with Ra0.2, a high wear resistance state is obtained. Moreover, the same result (state with high abrasion resistance) is obtained in Ra0.1-0.4. This is presumably because, according to the present embodiment, the hard layer is in a state equivalent to being divided into segments.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、DLC膜は、PVD法に限らず、CVD法により形成してもよい。アセチレンなどの炭化水素ガスを原料ガスとしたプラズマアシストCVD法によりDLC膜が形成できる。また、基材は、SUSなどのステンレス鋼に限らず、アルミニウム、マグネシウムなどの金属系の材料から構成されていても同様である。 It should be noted that the present invention is not limited to the embodiment described above, and that many modifications can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the DLC film may be formed not only by the PVD method but also by the CVD method. A DLC film can be formed by a plasma assisted CVD method using a hydrocarbon gas such as acetylene as a source gas. Further, the base material is not limited to stainless steel such as SUS, and the same applies even if it is made of a metal material such as aluminum or magnesium.
101…基材、102…表面、103…硬質層、104…亀裂。 101 ... substrate, 102 ... surface, 103 ... hard layer, 104 ... crack.
Claims (1)
前記表面に接して形成され、ダイアモンドライクカーボンからなり、複数の亀裂がある硬質層とを備え、
前記表面の表面粗さRaが0.1から0.4の範囲とされ、
前記硬質層は、層厚1〜3μmの範囲とされていることを特徴とする表面構造。 A roughened surface of the substrate;
Wherein a is formed in contact with the surface, Ri diamond like carbon Tona, and a hard layer with multiple cracks,
Table surface roughness Ra of the surface is in the range of 0.1 to 0.4,
The hard layer has a surface thickness in the range of 1 to 3 μm.
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