JP7290171B2 - 摺動部材、その製造方法及び被覆膜 - Google Patents
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Description
本発明に係る摺動部材10は、例えば図5のピストンリングの例に示すように、摺動面16に被覆膜1を有する摺動部材10である。その被覆膜1は、断面を明視野TEM像により観察したとき、相対的に黒で示される黒色の硬質炭素層Bと相対的に白で示される白色の硬質炭素層Wとを含む繰り返し単位(図2中、符号*で表す。)が、厚さ方向Yに積層されて1μm~50μmの範囲内の合計厚さを有している。そして、隣り合う黒色の硬質炭素層Bと白色の硬質炭素層Wにおいて、硬度は、黒色の硬質炭素層Bよりも白色の硬質炭素層Wが高く、[sp2/(sp2+sp3)]比は、黒色の硬質炭素層Bよりも白色の硬質炭素層Wが大きい、ことに特徴がある。なお、以下において、[sp2/(sp2+sp3)]比を簡略化して「sp2/sp3比」と表すことがある。
基材11は、図1及び図2に示すように、被覆膜1が設けられる対象部材である。基材11としては、特に限定されず、鉄系金属、非鉄系金属、セラミックス、硬質複合材料等を挙げることができる。例えば、炭素鋼、合金鋼、焼入れ鋼、高速度工具鋼、鋳鉄、アルミニウム合金、マグネシウム合金、超硬合金等を挙げることができる。なお、被覆膜1の成膜温度を考慮すれば、200℃を超える温度で特性が大きく劣化しない基材であることが好ましい。
中間層12は、図1及び図2に示すように、基材11と被覆膜1との間に必要に応じて設けられていることが好ましい。この中間層12により、基材11と被覆膜1との間の密着性をより向上させることができる。
被覆膜1は、図2~図4に示すように、その断面の明視野TEM像を観察したとき、相対的に白黒2色で示される2種類の硬質炭素層(W,B)を有している。その黒色の硬質炭素層Bと白色の硬質炭素層Wとは積層されて繰り返し単位(図2中、符号*で表す。)となり、その繰り返し単位が厚さ方向Yに積層されて、合計厚さが1μm~50μmの範囲内の被覆膜1となっている。なお、「相対的」とは、断面を明視野TEM像により観察したときの色合いの相対関係の意味であり、黒色に見える層が「黒色の硬質炭素層B」であり、白色に見える層が「白色の硬質炭素層W」である。
被覆膜1の成膜は、アーク式PVD法、スパッタPVD法等のPVD法を適用できる。なかでも、カーボンターゲットを用い、成膜原料に水素原子を含まないアークイオンプレーティング法で形成することが好ましい。被覆膜1を例えばアークイオンプレーティング法で形成する場合、バイアス電圧のON/OFF、バイアス電圧値の制御、アーク電流の調整、ヒーターによる基材の加熱制御、基材をセットする治具(ホルダー)に冷却機構を導入した基材の強制冷却、等を成膜条件とすることができる。特に本発明では、上記被覆膜1を成膜するため、黒色の硬質炭素層Bはバイアス電圧を印加して成膜し、白色の硬質炭素層Wはバイアス電圧を0V又は小さい範囲(例えば0V超~-50V以下)で印加して成膜している。
硬質炭素層は、グラファイトに代表される炭素結合sp2結合と、ダイヤモンドに代表される炭素結合sp3結合とが混在する膜である。ここでは、EELS分析(Electron Energy-Loss Spectroscopy:電子エネルギー損失分光法)により、1s→π*強度と1s→σ*強度を測定し、1s→π*強度をsp2強度、1s→σ*強度をsp3強度と見立てて、その比である1s→π*強度と1s→σ*強度の比を[sp2/(sp2+sp3)]比(「sp2/sp3比」と略すことがある。)として算出した。したがって、本発明でいうsp2/sp3比とは、正確にはπ/σ強度比のことを指す。具体的には、STEM(走査型TEM)モードでのスペクトルイメージング法を適用し、加速電圧200kV、試料吸収電流10-9A、ビームスポットサイズ径が1nmの条件で、1nmのピッチで得たEELSを積算し、約10nm領域からの平均情報としてC-K吸収スペクトルを抽出し、sp2/sp3比を算出する。
摺動部材10としてピストンリングを適用した。C:0.65質量%、Si:0.38質量%、Mn:0.35質量%、Cr:13.5質量%、Mo:0.3質量%、P:0.02質量%、S:0.02質量%、残部:鉄及び不可避不純物からなるピストンリング基材11(直径88mm、リング径方向幅2.9mm、リング軸方向幅1.2mm)を用いた、このピストンリング基材11上に、窒化処理により40μmの窒化層を形成し、中間層12として、厚さ0.2μmの金属クロム層をイオンプレーティング法にて形成した。次に、中間層12の上に、カーボンターゲットを使用したアークイオンプレーティング装置を用いて、黒色の硬質炭素層Bと白色の硬質炭素層Wとの繰り返し単位を成膜して被覆膜1を得た。
成膜された被覆膜1について、その断面の明視野TEM像を撮影した。図3及び図4に示すように、被覆膜1は、相対的に黒で示される黒色の硬質炭素層Bと、相対的に白で示される白色の硬質炭素層Wとが厚さ方向に交互に積層されているのが確認できた。また、sp2/sp3比は、黒色の硬質炭素層Bの各部で0.25~0.75の範囲内であり、白色の硬質炭素層Wの各部で0.4~0.80の範囲内であった。
上記した被覆膜1の断面写真は、被覆膜1の断面を加速電圧200kVの明視野TEMで撮像して得た。また、被覆膜1の総厚さ、黒色の硬質炭素層Bや白色の硬質炭素層Wの厚さは、明視野TEM像から求めた。厚さの測定には、用いたアークイオンプレーティング装置のコーティング有効範囲の中央付近で被覆膜1を成膜したピストンリングと、上端及び下端付近で被覆膜1を成膜したピストンリングとを測定試料として用いた。得られた黒色の硬質炭素層Bの厚さT1と白色の硬質炭素層Wの厚さT2との比(T1/T2)を計算した。
成膜された被覆膜1の各種の特性は、自動車用摺動部材の評価で一般的に行われているSRV(Schwingungs Reihungund und Verschleiss)試験機120による摩擦摩耗試験方法により得た。具体的には、図6に示すように、摩擦摩耗試験試料20の摺動面を摺動対象物21であるSUJ2材に当接させた状態で、潤滑油に5W-30(Mo-DTCなし)を用いて、1000Nの荷重をかけながら、それぞれの荷重で10分間及び60分間往復摺動させ、摩擦摩耗試験試料20の摺動面を顕微鏡で観察した。図6において、符号12は中間層であり、符号1は被覆膜である。
この実施例2も摺動部材10としてピストンリングを適用し、実施例1と同じピストンリング基材11を用いた、窒化層と中間層12も実施例1と同様に形成した。黒色の硬質炭素層Bと白色の硬質炭素層Wとの繰り返し単位についても実施例1と同様、中間層12の上に、カーボンターゲットを使用したアークイオンプレーティング装置を用いて成膜して被覆膜1を得た。なお、この実施例では、黒色の硬質炭素層Bと白色の硬質炭素層Wとを繰り返し成膜する場合において、黒色の硬質炭素層Bの形成前には、ボンバード処理(バイアス電圧:-500V~-2000Vの任意の電圧、具体的には-1000V)によってカーボン層(図7の薄い白色層を参照)を形成している。
実施例2の被覆膜1について、その断面の明視野TEM像を撮影し、図7に示した。図7に示すように、被覆膜1は、相対的に黒で示される黒色の硬質炭素層Bと、相対的に白で示される白色の硬質炭素層Wとが厚さ方向に交互に積層されているのが確認できた。また、図7に示すように、白色の硬質炭素層Wには微細な縞模様が見られ、黒色の硬質炭素層Bにも微細な縞模様が見られた。この被覆膜1のsp2/sp3比は、黒色の硬質炭素層Bの各部で0.05~0.55の範囲内であり、白色の硬質炭素層Wの各部で0.20~0.70の範囲内であった。また、ビッカース硬度は、黒色の硬質炭素層Bのビッカース硬度は700~1100HVの範囲内であり、白色の硬質炭素層Wのビッカース硬度は隣り合う黒色の硬質炭素層Bのビッカース硬度よりも高く且つ1200~1900HVの範囲内であった。
この実施例3も摺動部材10としてピストンリングを適用し、実施例1と同じピストンリング基材11を用いた、窒化層と中間層12も実施例1と同様に形成した。黒色の硬質炭素層Bと白色の硬質炭素層Wとの繰り返し単位についても実施例1と同様、中間層12の上に、カーボンターゲットを使用したアークイオンプレーティング装置を用いて成膜して被覆膜1を得た。なお、この実施例でも、実施例2と同様、黒色の硬質炭素層Bの形成前にはボンバード処理によってカーボン層を形成している。
実施例3の被覆膜1についても、その断面の明視野TEM像は図7と同様の形態を示していた。この被覆膜1のsp2/sp3比は、黒色の硬質炭素層Bの各部で0.05~0.35の範囲内であり、白色の硬質炭素層Wの各部で0.20~0.50の範囲内であった。黒色の硬質炭素層Bのビッカース硬度は1050~1600HVの範囲内であり、白色の硬質炭素層Wのビッカース硬度は隣り合う黒色の硬質炭素層Bのビッカース硬度よりも高く且つ1650~2200HVの範囲内であった。実施例3のビッカース硬度も実施例2と同様の方法で測定した。
11 基材(ピストンリング基材)
11a 下地層
12 中間層
16 摺動面
20 摩擦摩耗試験試料
21 摺動対象物
120 SRV試験機
B 黒色の硬質炭素層
W 白色の硬質炭素層
Y 厚さ方向
Claims (13)
- 基材上の摺動面に被覆膜を有する摺動部材であって、
前記被覆膜は、断面を明視野TEM像により観察したとき、相対的に黒で示される黒色の硬質炭素層と相対的に白で示される白色の硬質炭素層とを含む繰り返し単位が、厚さ方向に積層されて1μm~50μmの範囲内の合計厚さを有し、
隣り合う前記黒色の硬質炭素層と前記白色の硬質炭素層において、ビッカース硬度は、前記黒色の硬質炭素層よりも前記白色の硬質炭素層が高く、[sp2/(sp2+sp3)]比は、前記黒色の硬質炭素層よりも前記白色の硬質炭素層が大きい、ことを特徴とする摺動部材。 - 前記黒色の硬質炭素層の厚さT1と前記白色の硬質炭素層の厚さT2の比(T1/T2)が、1/10~1.5/1の範囲内である、請求項1に記載の摺動部材。
- 前記繰り返し単位の厚さが、0.2~2μmの範囲内である、請求項1又は2に記載の摺動部材。
- 前記黒色の硬質炭素層のビッカース硬度が700~1600HVの範囲内であり、前記白色の硬質炭素層のビッカース硬度が隣り合う前記黒色の硬質炭素層のビッカース硬度よりも高く且つ1200~2200HVの範囲内である、請求項1~3のいずれか1項に記載の摺動部材。
- 前記黒色の硬質炭素層の[sp2/(sp2+sp3)]比が0.05~0.75の範囲内であり、前記白色の硬質炭素層の[sp2/(sp2+sp3)]比が前記黒色の硬質炭素層の[sp2/(sp2+sp3)]比よりも大きく且つ0.20~0.80の範囲内である、請求項1~4のいずれか1項に記載の摺動部材。
- 断面を明視野TEM像により観察したとき、前記基材又は該基材上に設けられた下地膜と、前記被覆膜との間に、硬質炭素下地膜が設けられている、請求項1~5のいずれか1項に記載の摺動部材。
- 断面を明視野TEM像により観察したとき、前記被覆膜の上に、硬質炭素表面膜が設けられている、請求項1~6のいずれか1項に記載の摺動部材。
- 前記白色の硬質炭素層は、微細な縞模様を有する、請求項1~7のいずれか1項に記載の摺動部材。
- 前記黒色の硬質炭素層は、微細な縞模様を有する、請求項1~8のいずれか1項に記載の摺動部材。
- 前記黒色の硬質炭素層と前記白色の硬質炭素層は、それぞれの直下に、ボンバード処理によって形成されたカーボン層を有する、請求項1~9のいずれか1項に記載の摺動部材。
- 前記摺動部材がピストンリングである、請求項1~10のいずれか1項に記載の摺動部材。
- 基材上の摺動面に被覆膜を有する摺動部材の製造方法であって、
前記被覆膜は、断面を明視野TEM像により観察したとき、相対的に黒で示される黒色の硬質炭素層と相対的に白で示される白色の硬質炭素層とを含む繰り返し単位が、厚さ方向に積層されて1μm~50μmの範囲内の合計厚さを有し、
前記黒色の硬質炭素層はバイアス電圧を-100~-300Vの範囲で印加して基材温度を100℃~300℃の範囲で成膜し、前記白色の硬質炭素層はバイアス電圧を0V又は0V超~-50V以下の範囲で印加して前記基材温度を低下しながら成膜する、ことを特徴とする摺動部材の製造方法。 - 断面を明視野TEM像により観察したとき、相対的に黒で示される黒色の硬質炭素層と相対的に白で示される白色の硬質炭素層とを含む繰り返し単位が、厚さ方向に積層されて1μm~50μmの範囲内の合計厚さを有し、隣り合う前記黒色の硬質炭素層と前記白色の硬質炭素層において、ビッカース硬度は、前記黒色の硬質炭素層よりも前記白色の硬質炭素層が高く、[sp2/(sp2+sp3)]比は、前記黒色の硬質炭素層よりも前記白色の硬質炭素層が大きい、ことを特徴とする被覆膜。
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