JP5640942B2 - Sliding member and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、非晶質炭素被膜を被覆した摺動部材に係り、特に、耐摩耗性に優れた摺動部材に関する。 The present invention relates to a sliding member coated with an amorphous carbon coating, and more particularly to a sliding member excellent in wear resistance.
従来から、自動車において、エンジン、トランスミッションなど様々な機器に摺動部材が用いられている。そこでは、摺動部材の摺動抵抗を低減してエネルギ損失を減らし、地球環境の保護のための今後の燃費規制に対応すべく、様々な研究開発が進められている。 Conventionally, sliding members are used in various devices such as engines and transmissions in automobiles. There, various research and developments are underway to reduce the sliding resistance of the sliding member to reduce energy loss and to meet future fuel efficiency regulations for protecting the global environment.
例えば、このような研究開発の1つに、構造用鋼または高合金鋼からなる摺動部材の耐摩耗性を向上させると共に低摩擦特性を得るために、その摺動面にコーティングを行う技術がある。近年、このコーティング材料として、ナノダイヤモンド粒子ライクカーボン(DLC)などの非晶質炭素材料が注目されている。この非晶質炭素材料が形成された被膜(非晶質炭素被膜)は、炭素を主成分とする硬質の被膜であり、該硬質の被膜の炭素は固体潤滑剤としても作用するので、低い摺動抵抗と高い耐摩耗性とを両立できる被膜である。 For example, one such research and development is a technique for coating the sliding surface in order to improve the wear resistance of a sliding member made of structural steel or high alloy steel and to obtain low friction characteristics. is there. In recent years, amorphous carbon materials such as nanodiamond particle-like carbon (DLC) have attracted attention as this coating material. The film on which the amorphous carbon material is formed (amorphous carbon film) is a hard film mainly composed of carbon, and since the carbon of the hard film also acts as a solid lubricant, it has a low sliding property. It is a coating that can achieve both dynamic resistance and high wear resistance.
たとえば、このような技術として、非晶質炭素被膜に、Ag,Mg,In,Sn等の金属を含有させた摺動部材が提案されている(例えば特許文献1参照)。また、別の技術として、非晶質炭素被膜を被覆した第1摺動部材と、鉄系金属からなる第2摺動部材とを組み合わせたものが提案されている(例えば特許文献2参照)。 For example, as such a technique, a sliding member in which an amorphous carbon film contains a metal such as Ag, Mg, In, or Sn has been proposed (see, for example, Patent Document 1). As another technique, a combination of a first sliding member coated with an amorphous carbon film and a second sliding member made of an iron-based metal has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1に記載の摺動部材を、潤滑油中で相手部材に対して、繰り返し摺動した場合、その摺動面において著しい摩耗が生じることがあった。特に、内燃機関用のシリンダボアとピストンリング、燃料噴射弁を構成するシリンダとピストンなどに適用した場合、これらの部材は他の部材に比べて小型化、高面圧化となっており、さらには各種燃料の使用等により、摺動部材と相手部材との間に油膜切れが起こり易く、その結果、双方に著しい摩耗が生じることがあった。 However, when the sliding member described in Patent Document 1 is repeatedly slid with respect to the mating member in the lubricating oil, significant wear may occur on the sliding surface. In particular, when applied to a cylinder bore and piston ring for an internal combustion engine, a cylinder and a piston constituting a fuel injection valve, etc., these members are smaller and have higher surface pressure than other members. Due to the use of various fuels and the like, the oil film is easily cut between the sliding member and the counterpart member, and as a result, significant wear may occur on both sides.
そして、近年、自動車エンジン部品の高出力化および高回転化による高性能化が著しくなり、上述したエンジンで使用される摺動部材においては、例えば特許文献2の如く、摺動部材の基材表面に、単に非晶質炭素被膜を被覆しただけでは、充分な摺動特性を得ることができないことがあった。 In recent years, the performance of automobile engine parts has been greatly improved due to higher output and higher rotation. In the sliding member used in the above-described engine, the surface of the base material of the sliding member is disclosed in Patent Document 2, for example. In addition, sufficient sliding characteristics may not be obtained by simply coating an amorphous carbon film.
本発明は、このような点を鑑みて、その目的とすることころは、基材表面に、非晶質炭素被膜を被覆し、これを高面圧下でかつ摺動頻度の高い摺動部材として使用したとしても、その表面の非晶質炭素被膜の摩耗を抑制することができる、摺動部材を提供することにある。 In view of such a point, the present invention aims to cover the surface of the base material with an amorphous carbon coating, which is used as a sliding member with high surface pressure and high sliding frequency. An object of the present invention is to provide a sliding member that can suppress wear of the amorphous carbon film on the surface even if it is used.
発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。具体的には、特許文献1に記載の技術では、非晶質炭素被膜に、Ag,Mg,In,Sn等の金属を添加しているが、この技術は、これらの金属が摺動部材に一般的に用いられる金属材料と相溶しにくい特性を考慮したものである。この結果、これらの金属元素を含む非晶質炭素被膜と相手部材とが摺動する場合に、凝着が生じにくくなる。すなわち、これらの金属を用いた場合には、相手部材との凝着摩耗を抑制することができる。 As a result of intensive studies, the inventors have obtained the following knowledge. Specifically, in the technique described in Patent Document 1, metals such as Ag, Mg, In, and Sn are added to the amorphous carbon film. However, in this technique, these metals are added to the sliding member. This is because it is difficult to be compatible with commonly used metal materials. As a result, adhesion is less likely to occur when the amorphous carbon coating containing these metal elements and the mating member slide. That is, when these metals are used, adhesion wear with the mating member can be suppressed.
しかしながら、上述したように、これまでよりも高い負荷が摺動面に作用した場合には、このような特性だけでは十分とはいえず、発明者は、非晶質炭素被膜と相手部材との表面の滑動性および非晶質炭素被膜の強度をより高めることが望ましいと考えた。そこで、発明者は、上述した金属よりも、より延性・展性があり、非晶質炭素被膜に含有してもこの被膜の強度低下が抑制される元素として、Bi(ビスマス)に着眼した。そして、このBiをクラスターにして、非晶質炭素被膜に含有させることにより、これまで同程度の非晶質炭素被膜の強度を確保しつつ、摺動時には、このBiが非晶質炭素被膜の表面に延在し、これにより、摺動部材の耐摩耗性を画期的に向上させることができるとの新たな知見を得た。 However, as described above, when a higher load than before is applied to the sliding surface, such characteristics alone are not sufficient, and the inventor has determined that the amorphous carbon coating and the mating member It was considered desirable to increase the surface slipperiness and the strength of the amorphous carbon coating. Therefore, the inventor has focused on Bi (bismuth) as an element that is more ductile and malleable than the above-described metal and that suppresses a decrease in strength of the coating even when contained in an amorphous carbon coating. Then, this Bi is clustered and contained in the amorphous carbon coating, so that the strength of the amorphous carbon coating is kept to the same level as before, and when sliding, this Bi becomes the amorphous carbon coating. The new knowledge that it extended to the surface and can improve the abrasion resistance of a sliding member epoch-making by this was acquired.
本発明は、発明者の新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動部材は、基材の表面に、非晶質炭素被膜が形成された摺動部材であって、前記非晶質炭素被膜には、Biからなるクラスターが分散していることを特徴とする。 The present invention is based on the inventor's new knowledge, and the sliding member according to the present invention is a sliding member in which an amorphous carbon film is formed on the surface of a substrate, In the carbonaceous film, Bi clusters are dispersed.
本発明によれば、非晶質炭素被膜には、Biからなるクラスター(すなわち粒子)が分散しているので、非晶質炭素被膜が形成された面を摺動面として、相対的に相手部材を摺動させると、非晶質炭素被膜の表面に、低せん断性を有したBi薄膜が形成される。このBi薄膜により、摺動部材と相手部材とのせん断抵抗を低減し、摺動部材の耐摩耗性を向上させ、摩擦係数を下げることができる。 According to the present invention, since the cluster (that is, particles) made of Bi is dispersed in the amorphous carbon coating, the surface on which the amorphous carbon coating is formed is used as a sliding surface, and the relative member Is slid, a Bi thin film having low shearing properties is formed on the surface of the amorphous carbon coating. With this Bi thin film, the shear resistance between the sliding member and the mating member can be reduced, the wear resistance of the sliding member can be improved, and the friction coefficient can be lowered.
そして、このように、摺動時に、耐摩耗性を向上させ、さらには、摩擦係数を下げるように、Biからなる被膜が非晶質炭素被膜の表面に形成されるのであれば、特に、Biの含有量は、限定されるものではない。しかしながら、前記非晶質炭素被膜に対して、Biは0.5〜20at%(原子%)含有していることがより好ましい。 In this way, when the coating made of Bi is formed on the surface of the amorphous carbon coating so as to improve the wear resistance during sliding and further reduce the friction coefficient, Bi is particularly preferable. The content of is not limited. However, it is more preferable that Bi is contained in an amount of 0.5 to 20 at% (atomic%) with respect to the amorphous carbon film.
本発明によれば、このような範囲となるようにBiを含有されることにより、摺動時に非晶質炭素被膜の表面にBiの薄膜が形成され、より確実に、摺動部材の耐摩耗性を向上させ、摩擦係数を下げることができる。 According to the present invention, by containing Bi so as to be in such a range, a Bi thin film is formed on the surface of the amorphous carbon coating during sliding, and more reliably wear resistance of the sliding member. The friction coefficient can be lowered.
すなわち、Biの含有量が20at%を超えた場合には、非晶質炭素被膜の硬度が低下するおそれがあり、これにより、摺動部材の摺動特性が低下する。一方、Biの含有量が0.5at%未満である場合には、Biによる摺動特性の向上は、十分でないことがある。 That is, when the Bi content exceeds 20 at%, the hardness of the amorphous carbon coating film may be lowered, and thereby the sliding characteristics of the sliding member are lowered. On the other hand, when the Bi content is less than 0.5 at%, the improvement of the sliding characteristics by Bi may not be sufficient.
本発明によれば、基材表面に、非晶質炭素被膜を被覆し、これを高面圧下でかつ摺動頻度の高い摺動部材として使用したとしても、その表面の非晶質炭素被膜の摩耗を抑制することができる。 According to the present invention, even if the surface of the base material is coated with an amorphous carbon coating, and this is used as a sliding member with a high surface pressure and a high sliding frequency, Wear can be suppressed.
以下の本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明の実施形態に係る摺動部材の模式的概念図である。 The following embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic conceptual view of a sliding member according to an embodiment of the present invention.
まず、図1に示すように、摺動部材の基材10を準備する。基材10としては、例えば、炭素鋼(JIS:S45C、S30Cなど)、クロム鋼、クロムモリブデン鋼などの合金鋼(JIS規格:SCr、SCMなど)、合金工具鋼(JIS規格:SKS,SKDなど)、ステンレス鋼、軸受鋼、バネ鋼などの特殊用途鋼(JIS規格:SUS、SUJ、SUPなど)、または鋳鉄の鉄系基材を挙げることができる。しかしながら、後述する非晶質炭素被膜20との密着性を確保することができるのであれば、これらの金属材料に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム、Cu,Mg,Zn等を含むアルミニウム合金、銅、または、Zn,Al,Sn等を含む銅合金などの金属材料を挙げることができる。
First, as shown in FIG. 1, a
次に、基材10の表面に非晶質炭素被膜20を被覆する。具体的には、基材10を、スパッタリング、真空蒸着、イオン化蒸着、イオンプレーティング、などを利用した物理的蒸着法(PVD)により成膜する。
Next, an
より具体的に、スパッタリング法による成膜を例示すると、カーボンターゲットと、Biターゲットを準備し、これらのターゲットに対して、同時にアルゴン等の不活性ガスを電界で加速し照射する。 More specifically, as an example of film formation by a sputtering method, a carbon target and a Bi target are prepared, and an inert gas such as argon is simultaneously accelerated and irradiated to these targets.
これにより、カーボンターゲットおよびBiターゲットの表面の原子または分子を放電させ、これらを物理的作用により蒸気化することにより、基材10の表面に非晶質炭素被膜20を成膜する。このようにして、Biからなるクラスター21すなわちBi粒子を内部に分散した非晶質炭素被膜20が、基材10の表面に被覆された摺動部材1を得ることができる。
Thereby, the atoms or molecules on the surfaces of the carbon target and the Bi target are discharged, and these are vaporized by a physical action, whereby the
摺動部材1の非晶質炭素被膜20には、Biからなるクラスター(Bi粒子)21が分散しているので、非晶質炭素被膜20が形成された面を摺動面として、相対的に相手部材を摺動させると、非晶質炭素被膜20の表面に、低せん断性を有したBi薄膜が形成される。このBi薄膜により、摺動部材1と相手部材とのせん断抵抗を低減し、摺動部材1の耐摩耗性を向上させ、摩擦係数を下げることができる。
Since the cluster (Bi particles) 21 made of Bi are dispersed in the
本実施形態では、非晶質炭素被膜20に対して、Biをクラスターの状態で0.5〜20at%(原子%)含有させる。スパッタリング法で成膜する場合には、Biターゲットに対するターゲット電力(電圧×電流)を調整することにより、このような範囲でBiを含有させることができる。
In the present embodiment, Bi is contained in an amount of 0.5 to 20 at% (atomic%) in a cluster state with respect to the
そして、0.5〜20at%の範囲となるように、非晶質炭素被膜20に対してBiを含有させることにより、摺動時に非晶質炭素被膜20の表面にBi薄膜が形成され、より確実に、摺動部材の耐摩耗性を向上させ、摩擦係数を下げることができる。
And by containing Bi with respect to the
すなわち、Biの含有量が20at%を超えた場合には、非晶質炭素被膜20の硬度が低下するおそれがあり、これにより、摺動部材1の摺動特性が低下する。一方、Biの含有量が、0.5at%未満である場合には、Biによる摺動部材1の摺動特性の向上が十分でないことがある。非晶質炭素被膜20に対して、Biをクラスターの状態で1.0at%以上であることがより好ましい。
That is, when the Bi content exceeds 20 at%, the hardness of the
また、Biからなるクラスターの大きさは、200nm以下であることが好ましい。200nmを超えた場合には、非晶質炭素被膜20の硬度が低下し、この結果、この強度が低下する。
The size of the cluster made of Bi is preferably 200 nm or less. When it exceeds 200 nm, the hardness of the
また、非晶質炭素被膜20の成膜する際に、上述した不活性ガスと共に、例えば、メタンガス、アセチレンガスなどの炭化水素ガスを導入し、放電により炭化水素ガスを分解し、水素を含有する非晶質炭素被膜20を成膜してもよい。
Further, when the
これにより、非晶質炭素被膜20には、Biからなるクラスター21に加えて、水素原子を含むので、得られた摺動部材は、さらなる低摩擦特性を発現することができる。ここで、非晶質炭素被膜20に対する水素の含有量としては、0at%を超え、35at%以下であることが好ましく、水素の含有量が、35at%を超えた場合には、非晶質炭素被膜20の強度が低下するおそれがある。
Thereby, in addition to the
したがって、このような効果をより効率的に発現するためには、非晶質炭素被膜20に対する水素の含有量は、5〜25at%であることがより好ましい。このような範囲の水素を含有することにより、摺動部材のさらなる低摩擦特性を発現すると共に、非晶質炭素被膜の強度を確保することができる。
Therefore, in order to express such an effect more efficiently, the hydrogen content in the
以下に本発明を実施例により説明する。 Hereinafter, the present invention will be described by way of examples.
(実施例1)
摺動部材の基材として、ステンレス鋼(JIS規格:SUS440C、焼き入れ品、表面硬さHv500)の棒材より、16mm×6mm×10mmのサイコロ試験片(表面粗さRa0.1μm)を準備した。次に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により、このサイコロ試験片の16mm×6mmを構成する表面に、Biからなるクラスターが分散した非晶質炭素被膜を成膜した。
Example 1
As a base material of the sliding member, a 16 mm × 6 mm × 10 mm dice test piece (surface roughness Ra 0.1 μm) was prepared from a rod of stainless steel (JIS standard: SUS440C, hardened product, surface hardness Hv500). . Next, an amorphous carbon film in which clusters of Bi were dispersed was formed on the surface constituting 16 mm × 6 mm of this dice test piece by an unbalanced magnetron sputtering method.
具体的には、グラファイトターゲットとBiターゲットを用い、処理室内に基材(サイコロ試験片)を配置し、基材温度を100℃にした。次に、反応ガスとしてArにCH4(メタン)5体積%含有したガスを処理室内に流すと共に、グラファイトターゲット側のバイアス電圧を100V印加し、Biターゲット側のバイアス電圧を80V印加した。 Specifically, using a graphite target and a Bi target, a base material (dice test piece) was placed in the processing chamber, and the base material temperature was set to 100 ° C. Next, a gas containing 5% by volume of CH 4 (methane) in Ar as a reaction gas was allowed to flow into the processing chamber, a bias voltage on the graphite target side was applied by 100 V, and a bias voltage on the Bi target side was applied by 80 V.
これにより、基材表面に1.5μmの膜厚の非晶質炭素被膜を被覆し、本発明に相当する摺動部材を得た。なお、得られた非晶質炭素被膜の表面粗さは、Ra0.12μm、表面硬さは、Hv2000、Bi含有量は、5at%、Biからなるクラスターの大きさは、50nm、水素含有量は、10at%であった。 As a result, the surface of the substrate was coated with an amorphous carbon film having a thickness of 1.5 μm, and a sliding member corresponding to the present invention was obtained. The surface roughness of the obtained amorphous carbon film is Ra 0.12 μm, the surface hardness is Hv2000, the Bi content is 5 at%, the size of the cluster composed of Bi is 50 nm, and the hydrogen content is 10 at%.
(比較例1)
実施例1と同様に摺動部材を作製した。実施例1と相違する点は、Biターゲットを用いていない点である。すなわち、比較例1の場合、16mm×6mm×10mmのサイコロ試験片(JIS規格:SUS440C、焼き入れ品、表面硬さHv500、表面粗さRa0.1μm)の16mm×6mmを構成する表面に、実施例1と同じ条件で、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により、カーボンターゲットのみを用いて、Biを含有しない非晶質炭素被膜を被覆した。
(Comparative Example 1)
A sliding member was produced in the same manner as in Example 1. The difference from the first embodiment is that no Bi target is used. That is, in the case of the comparative example 1, it is carried out on the surface constituting a 16 mm × 6 mm × 10 mm dice test piece (JIS standard: SUS440C, quenched product, surface hardness Hv500, surface roughness Ra 0.1 μm). Under the same conditions as in Example 1, an amorphous carbon film not containing Bi was coated by using an unbalanced magnetron sputtering method using only a carbon target.
これにより、基材表面に1.5μmの膜厚の非晶質炭素被膜を被覆した摺動部材を得た。なお、得られた非晶質炭素被膜の表面粗さは、Ra0.12μm、表面硬さは、Hv2100、水素含有量は、10at%であった。 Thereby, the sliding member which coat | covered the amorphous carbon film with a film thickness of 1.5 micrometers on the base-material surface was obtained. The obtained amorphous carbon coating had a surface roughness Ra of 0.12 μm, a surface hardness of Hv2100, and a hydrogen content of 10 at%.
(比較例2)
実施例1と同様に摺動部材を作製した。実施例1と相違する点は、Biターゲットの代わりに、Auターゲットを用いた点である。すなわち、比較例2の場合、16mm×6mm×10mmのサイコロ試験片(JIS規格:SUS440C、焼き入れ品、表面硬さHv500、表面粗さRa0.1μm)の16mm×6mmを構成する表面に、実施例1と同じ条件で、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により、カーボンターゲットおよびAuターゲットを用いて、Auをクラスターの形態で含有した非晶質炭素被膜を被覆した。
(Comparative Example 2)
A sliding member was produced in the same manner as in Example 1. The difference from the first embodiment is that an Au target is used instead of the Bi target. That is, in the case of the comparative example 2, it is carried out on the surface constituting a 16 mm × 6 mm × 10 mm dice test piece (JIS standard: SUS440C, quenched product, surface hardness Hv500, surface roughness Ra 0.1 μm). Under the same conditions as in Example 1, an amorphous carbon film containing Au in the form of clusters was coated with a carbon target and an Au target by an unbalanced magnetron sputtering method.
これにより、基材表面に1.5μmの膜厚の非晶質炭素被膜を被覆した摺動部材を得た。なお、得られた非晶質炭素被膜の表面粗さは、Ra0.12μm、Au含有量は、5at%、Auからなるクラスターの大きさは、80nm、水素含有量は、15at%であった。 Thereby, the sliding member which coat | covered the amorphous carbon film with a film thickness of 1.5 micrometers on the base-material surface was obtained. The surface roughness of the obtained amorphous carbon film was Ra 0.12 μm, the Au content was 5 at%, the size of the cluster made of Au was 80 nm, and the hydrogen content was 15 at%.
<摩耗試験>
実施例1、比較例1、および比較例1の摺動部材の相手部材として、ステンレス鋼(JIS規格:SUS440C)を用いて、外径35mm、内径30mm、幅10mmの円筒試験片を作製した。得られた円筒試験片の周面の表面粗さは、Ra0.20μm、表面硬さは、Hv380であった。
<Abrasion test>
A cylindrical test piece having an outer diameter of 35 mm, an inner diameter of 30 mm, and a width of 10 mm was produced using stainless steel (JIS standard: SUS440C) as a counterpart member of the sliding members of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 1. The surface roughness of the peripheral surface of the obtained cylindrical test piece was Ra 0.20 μm, and the surface hardness was Hv380.
そして、それぞれの実施例、比較例1、および比較例2の摺動部材(サイコロ試験片)の16mm×6mmの表面(すなわち、非晶質炭素被膜が被覆された表面)と、円筒試験片の外周面を接触させ、潤滑油(SAE5W−30)を供給しながら、荷重60kgf、回転数160rpmの条件で、円筒試験片を30分間回転させる摩耗試験を行った。この結果を図2に示す。図2に示す、摺動部材に相当するサイコロ試験片の摩耗量は、摩耗痕深さであり、円筒試験片の摩耗量は摩耗重量である。 Then, the surface of 16 mm × 6 mm (that is, the surface coated with the amorphous carbon film) of the sliding member (dice test piece) of each of Examples, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and the cylindrical test piece An abrasion test was performed in which a cylindrical test piece was rotated for 30 minutes under the conditions of a load of 60 kgf and a rotation speed of 160 rpm while contacting the outer peripheral surface and supplying lubricating oil (SAE5W-30). The result is shown in FIG. The wear amount of the dice test piece corresponding to the sliding member shown in FIG. 2 is the wear scar depth, and the wear amount of the cylindrical test piece is the wear weight.
〔結果1および考察〕
図2に示すように、実施例1の場合、サイコロ試験片(摺動部材)および円筒試験片(相手部材)のいずれの摩耗量も、比較例1のものに比べて少なかった。このような結果となったのは、実施例1の摺動部材は、非晶質炭素被膜にBiからなるクラスターが分散して含まれていたからであると考えられる。すなわち、実施例1の場合には、非晶質炭素被膜に、Biからなるクラスター(Bi粒子)が分散しているので、摺動時に、非晶質炭素被膜の表面に、極薄い低せん断性を有したBi薄膜が形成されていた。これにより、摺動部材と相手部材とのせん断抵抗を低減し、比較例1に比べての耐摩耗性を向上させ、摩擦係数を下げることができたと考えられる。
[Result 1 and discussion]
As shown in FIG. 2, in the case of Example 1, the amount of wear of each of the dice test piece (sliding member) and the cylindrical test piece (counter member) was less than that of Comparative Example 1. This result is considered to be because the sliding member of Example 1 contained a cluster of Bi dispersed in the amorphous carbon film. That is, in the case of Example 1, since the cluster (Bi particle | grains) which consists of Bi is disperse | distributing in the amorphous carbon film, on the surface of an amorphous carbon film at the time of sliding, it is very thin low shear property A Bi thin film having the structure was formed. Thereby, it is considered that the shear resistance between the sliding member and the mating member was reduced, the wear resistance as compared with Comparative Example 1 was improved, and the friction coefficient was reduced.
また、実施例1のサイコロ試験片(摺動部材)の摩耗量は、比較例2のものよりも少なかった。このような結果となったのは、比較例2の摺動部材には、非晶質炭素被膜にAuからなるクラスターが分散して含まれているが、Auを用いた場合には、Biを用いた場合に比べて、非晶質炭素被膜の表面硬さが低くなる。この結果、比較例2の摺動部材は、実施例1のものに比べて、摩耗量が多くなったと考えられる。以上のことから、摺動部材の摺動特性を向上させるべく非晶質炭素被膜に、クラスターとして含有させる元素は、Biが最適であると考えられる。 Further, the amount of wear of the dice test piece (sliding member) of Example 1 was less than that of Comparative Example 2. The result is that the sliding member of Comparative Example 2 contains a cluster of Au dispersed in the amorphous carbon coating, but when Au is used, Bi is used. The surface hardness of the amorphous carbon coating is lower than when used. As a result, the sliding member of Comparative Example 2 is considered to have increased the amount of wear compared to that of Example 1. From the above, it is considered that Bi is optimal as an element to be included as a cluster in the amorphous carbon coating in order to improve the sliding characteristics of the sliding member.
(実施例2)
実施例1と同様に摺動部材を作製した。実施例1と相違する点は、非晶質炭素被膜に対してBiを含有する量を、以下の表1に示すように変化させた点である。具体的には、非晶質炭素被膜を成膜する際に、Biターゲットに印加する電圧を変化させることにより、Biの含有量を変化させた。そして、実施例1と同様に摩耗試験を行った。この結果を表1に示す。なお、表1に示す摩擦係数の値は、摩耗試験開始30分直後の摩擦係数の値である。また、表1には、Biクラスターを含有していない(Bi含有量:0at%)摺動部材(比較例1相当の摺動部材)の摩擦試験の結果も合わせて示した。
(Example 2)
A sliding member was produced in the same manner as in Example 1. The difference from Example 1 is that the amount of Bi contained in the amorphous carbon coating was changed as shown in Table 1 below. Specifically, the Bi content was changed by changing the voltage applied to the Bi target when the amorphous carbon film was formed. And the abrasion test was done like Example 1. FIG. The results are shown in Table 1. In addition, the value of the friction coefficient shown in Table 1 is the value of the friction coefficient immediately after 30 minutes from the start of the wear test. Table 1 also shows the results of a friction test of a sliding member (a sliding member corresponding to Comparative Example 1) that does not contain Bi clusters (Bi content: 0 at%).
(比較例3)
実施例2と同様に摺動部材を作製した。実施例2と相違する点は、比較例2と同様にAuターゲットを用いた点と、非晶質炭素被膜に対してAuを含有する量を、以下の表1に示すように変化させた点である。具体的には、非晶質炭素被膜を成膜する際に、Auターゲットに印加する電圧を変化させることにより、Auの含有量を変化させた。そして、実施例2と同様に摩耗試験を行った。この結果を表1に示す。なお、表1には、Auクラスターを含有していない(Au含有量:0at%)摺動部材(比較例1相当の摺動部材)の摩擦試験の結果も合わせて示した。
(Comparative Example 3)
A sliding member was produced in the same manner as in Example 2. The difference from Example 2 is that the Au target was used as in Comparative Example 2, and the amount of Au contained in the amorphous carbon coating was changed as shown in Table 1 below. It is. Specifically, when the amorphous carbon film was formed, the voltage applied to the Au target was changed to change the Au content. And the abrasion test was done like Example 2. FIG. The results are shown in Table 1. Table 1 also shows the results of a friction test of a sliding member (a sliding member corresponding to Comparative Example 1) that does not contain Au clusters (Au content: 0 at%).
〔結果2および考察〕
表1に示すように、実施例2のサイコロ試験片(摺動部材)は、比較例3のものに比べて、摩耗量が少なく、摩擦係数も低いことがわかった。これは、結果1の考察で示した理由と同じ理由であると考えられる。さらに、Biをクラスターの状態で、非晶質炭素被膜に含有することにより、サイコロ試験片の摩耗量および円筒試験片の摩耗量が低減され、摩擦係数も低くなっていることがわかる。
[Result 2 and discussion]
As shown in Table 1, it was found that the dice test piece (sliding member) of Example 2 had a smaller amount of wear and a lower friction coefficient than those of Comparative Example 3. This is considered to be the same reason as shown in the discussion of result 1. Further, it can be seen that by containing Bi in a cluster state in the amorphous carbon coating, the wear amount of the dice test piece and the wear amount of the cylindrical test piece are reduced, and the friction coefficient is also lowered.
そして、表1からも明らかなように、非晶質炭素被膜に対して、Biをクラスターの状態で0.5〜20at%含有させた場合には、サイコロ試験片の摩耗量および円筒試験片の摩耗量がさらに低減され、摩擦係数もさらに低くなると考えられる。 As is apparent from Table 1, when Bi is contained in an amount of 0.5 to 20 at% in a cluster state with respect to the amorphous carbon coating, the wear amount of the dice test piece and the cylindrical test piece It is considered that the amount of wear is further reduced and the friction coefficient is further reduced.
これは、Biの含有量が20at%を超えた場合には、非晶質炭素被膜の硬度が低下してしまい、これにより、サイコロ試験片の摩耗量の摩耗量が増加したと考えられる。この結果、相手部材である円筒試験片の摩耗量も増加し、この結果、摩擦係数が増加したと考えられる。 This is presumably because when the Bi content exceeds 20 at%, the hardness of the amorphous carbon coating is lowered, thereby increasing the wear amount of the die test piece. As a result, the wear amount of the cylindrical test piece which is the counterpart member also increased, and as a result, the friction coefficient is considered to have increased.
一方、含有量が、Biの含有量が、0.5at%未満である場合には、Biのクラスターにより、Bi被膜の形成が十分でない場合もあり、これにより、サイコロ試験片の摩耗量および円筒試験片の摩耗量が増加したと考えられる。この結果、摩擦係数が増加したと考えられる。 On the other hand, when the content of Bi is less than 0.5 at%, the Bi coating may not be sufficiently formed due to the Bi cluster. It is thought that the amount of wear of the specimen increased. As a result, the friction coefficient is considered to have increased.
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed.
1:摺動部材、10:基材、20:非晶質炭素被膜、21:クラスター 1: sliding member, 10: base material, 20: amorphous carbon coating, 21: cluster
Claims (1)
前記非晶質炭素被膜には、Biからなるクラスターが分散しており、
前記非晶質炭素被膜に対して、Biが0.5〜20at%含有していることを特徴とする摺動部材。 A sliding member having an amorphous carbon film formed on the surface of a substrate,
In the amorphous carbon film, clusters of Bi are dispersed ,
A sliding member comprising 0.5 to 20 at% Bi relative to the amorphous carbon coating .
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