KR101436108B1 - 슬라이딩 부재 - Google Patents

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KR101436108B1
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다이도 메탈 고교 가부시키가이샤
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Abstract

슬라이딩 부재(1)는, Al과 Si 입자를 포함하는 Al기재의 베어링 합금층(2)과, Al기재의 베어링 합금층(2) 위에 설치된 DLC층(3)을 갖추고 있다. Al기재의 베어링 합금층(2)에 포함되는 Si 입자의 적어도 일부는 DLC층(3) 측의 표면에 노출되어 있다.

Description

슬라이딩 부재{SLIDING MEMBER}
본 발명은, 베어링 합금층상에 다이아몬드와 같은 카본(DIAMOND LIKE CARBON:DLC)층을 갖춘 슬라이딩 부재에 관한 것이다.
Al합금 또는 Cu합금으로 이루어지는 베어링 합금층을 가지는 미끄럼 베어링등의 슬라이딩 부재는, 초기 친숙성이 비교적 양호하고, 뛰어난 내피로성 및 내마모성을 가지고 있다. 이러한 슬라이딩 부재는, 예를 들면 자동차나 일반 산업 기계의 고출력 엔진의 베어링에 이용되고 있다. 그런데 최근에는, 한층 더 엔진이 고성능화됨에 따라, 베어링 특성이 보다 뛰어난 슬라이딩 부재가 요망되어오고 있다.
베어링 특성으로서 친숙성 및 내마모성의 향상을 도모한 슬라이딩 부재는, 일본 특허공개공보 2001-165167호 공보에 개시되어 있다. 이 슬라이딩 부재는, Al합금 또는 Cu합금으로 이루어지는 베어링 합금층에 환상 돌기가 형성되어 있다. 그리고, 이 슬라이딩 부재는, 환상 돌기의 표면에 다이아몬드와 같은 카본층을 가지고 있다. 이러한 종래의 슬라이딩 부재는, 환상 돌기가 슬라이딩 상대의 상대 부재의 하중을 받아 용이하게 소성변형 하는 것에 의해서 슬라이딩 부재의 친숙성이 양호하게 되는 것, 및 베어링 합금층의 표면에 다이아몬드와 같은 카본층이 설치되있는 것에 의해서 내마모성이 양호한 것을 개시하고 있다.
근래에는, 베어링 특성으로서 친숙성 및 내마모성의 향상과 함께 마찰 계수의 저감도 요망되고 있다.
일본 특허공개공보 2001-165167호
따라서, 본 발명의 목적은, 마찰 계수가 작은 슬라이딩 부재를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, Si입자를 포함한 Al를 주체로 하는 Al기재의 베어링합금층과, 상기 Al기재의 베어링 합금에 적층되어 있는 DLC층을 갖추고, 상기 Al기재의 베어링 합금에 포함되는 상기 Si입자의 적어도 일부는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있다.
Al기재의 베어링 합금은, Al를 주로 하여 Si입자를 포함하고 필요에 따라서 그 외의 성분을 포함하고 있다. 그리고, Al기재의 베어링 합금에 포함되는 Si입자의 일부는, DLC(Diamond Like Carbon) 층 측의 면에 노출하고 있다. 여기서, DLC층 측의 면에 노출하고 있는 Si입자란, Al기재의 베어링 합금을 구성하는 Al 매트릭스에 덮이지 않은 것을 의미한다. 그 때문에, 이 DLC측의 면에 노출하고 있는 Si입자는, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면으로부터 DLC층 측에 돌출하고 있는 것도 포함한다. 이 DLC층 측에 노출하는 Si입자는, Al기재의 베어링 합금에 포함되는 Si입자의 양의 비율(질량%) 및 Si입자의 입자 지름을 조정하는 것에 의해 얻을 수 있다.
Al기재의 베어링 합금은, 철 등으로 뒤쪽에 덧대도 좋다.
DLC층은, 탄화수소, 혹은 탄소의 동소체로 이루어지는 비정질을 주성분으로 하는 층이다. DLC층은, 플라스마 화학 기상 성장법(CVD법), 물리 기상 성장법(PVD법) 등에 의해, Al기재의 베어링 합금상에 형성된다.
본 실시 형태에서, DLC층은, Al기재의 베어링 합금과는 반대측의 면에서 슬라이딩 상대의 상대 부재와 슬라이딩한다. 이하, DLC층의 상대 부재와 슬라이딩하는, Al기재의 베어링 합금과는 반대측의 면은 「DLC층의 슬라이딩 면」이라고 칭한다.
발명자는, DLC층의 슬라이딩 면의 형상을, DLC층의 형성 속도를 조정, 또는 Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 존재하는 Si입자의 분포를 조정하는 것으로써 조정하고 있다.
DLC층은, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자로부터 DLC층의 두께 방향으로 성장한다. 그 때문에, DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자로부터 성장한 DLC층은, 이 노출하는 Si입자의 평면 형상을 반영한다. 즉, DLC층의 슬라이딩 면은, Al기재의 베어링 합금으로부터 노출하는 Si입자에 대응하는 부분이 다른 부분과 비교해 돌출한 돌기부가 된다. 이 때, DLC층을 구성하는 탄소는, Al기재의 베어링 합금의 주된 성분인 Al와 비교하여, 동족의 원소인 규소(Si)와의 결합력이 높다. 그 때문에, DLC층은, Al기재의 베어링 합금으로부터 노출하는 Si입자를 매체로서 Al기재의 베어링 합금과의 결합력을 높일 수 있다. 또, DLC층의 슬라이딩 면에 있어서의 DLC층의 돌출량은, 이 경우, Al기재의 베어링 합금으로부터 DLC층 측에 돌출하는 Si입자의 돌출량에 따라 커진다.
이와 같이 Si입자의 평면 형상에 대응해 DLC층의 슬라이딩 면에 형성된 돌기부는, 상대 부재로부터 하중을 받기 쉽다. 그 때문에, 상대 부재와의 슬라이딩시에, DLC층의 슬라이딩 면에 형성된 돌기부와 상대 부재가 접하는 것으로, 슬라이딩에 의한 마찰열은 이 돌기부에 생기기 쉽다. 그 결과, DLC층의 슬라이딩 면에 형성된 돌기부는, 마찰열에 의해서 그라파이트화가 진행해 연화하고, 전단력에의 내성이 저하한다. 따라서, 상대 부재와의 슬라이딩시에 전단력이 더해지면, DLC층의 미끄러짐이 생기기 쉬워져, DLC층의 마찰 계수가 저하한다.
이하, DLC층의 슬라이딩 면에 Si입자의 평면 형상을 반영한 돌기부를 형성할 때의 DLC층의 형성 속도는, 제1의 형성 속도라고 칭한다.
한편, DLC층의 슬라이딩 면은, DLC층의 형성 속도, 또는 Al기재의 베어링 합금으로부터 노출하는 Si입자의 분포를 조정하는 것으로써, 비교적 평탄한 형상으로 할 수 있다. 이와 같이 DLC층의 슬라이딩 면을 비교적 평탄하게 형성하면, 상대 부재의 하중은 DLC층의 슬라이딩 면의 전체에 가해지기 쉬워진다. 여기서, DLC층 및 Si입자는, Al기재의 베어링 합금의 매트릭스인 Al와 비교해 경질이다.
이것에 의해, Al기재의 베어링 합금으로부터 노출하는 Si입자상에 형성된 DLC층은, 슬라이딩 면에 하중이 더해져도 변형하기 어렵다. 이것에 대해, Al기재의 베어링 합금 중 Si입자가 노출하고 있지 않는 부분, 즉 Al기재의 베어링 합금의 ㅁ매트릭스인 Al상에 형성된 DLC층은, 슬라이딩 면 측으로부터 하중이 더해지면, Al의 변형에 따라 Al기재의 베어링 합금 측에 변형하기 쉽다. 그 때문에, 평탄한 DLC층의 슬라이딩 면 전체에 상대 부재로부터 하중이 균일하게 더해질 때, 상대 부재의 하중은, DLC층 중 노출하는 Si입자상의 부분에 집중한다. 그 결과, 상대 부재와의 슬라이딩시에, Al기재의 베어링 합금으로부터 노출한 Si입자상에 형성된 DLC층의 부분과 상대 부재가 접하기 쉽고, 이 부분에 마찰열이 발생하기 쉬워진다. 이것에 의해, Si입자상에 형성된 DLC층은, 마찰열에 의해서 그라파이트화가 진행해 연화하고, 전단력에의 내성이 저하한다. 따라서, 상대 부재와의 슬라이딩시에 전단력이 더해지면, DLC층의 미끄러짐이 생기기 쉬워져, DLC층의 마찰 계수가 저하한다.
이하, DLC층의 슬라이딩 면을 비교적 평탄하게 형성할 때의 DLC층의 형성 속도는, 제2의 형성 속도라고 칭한다.
또, DLC층의 형성 속도, 또는 Al기재의 베어링 합금으로부터 노출하는 Si입자의 분포를 조정하는 것으로써, Al기재의 베어링 합금으로부터 노출하는 Si입자상에는, 도 5에 나타낸 바와 같이 제2의 형성 속도로 형성한 DLC층보다 얇은 DLC층을 형성할 수도 있다. 즉, Al기재의 베어링 합금으로부터 노출하는 Si입자상에는, 다른 부분보다 얇은 DLC층을 형성할 수 있다. 이것에 의해, DLC층의 슬라이딩 면은, 노출하는 Si입자에 대응하는 위치에 오목부를 형성한다. 이와 같이 DLC층에 오목한 부분을 형성하는 것에 의해, 슬라이딩 부분을 윤활 하는 윤활유는 이 오목부에 쌓이게 된다. 그 결과, 슬라이딩 부재와 상대 부재와의 윤활이 촉진되어 슬라이딩 부재의 저마찰화의 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 내소부성(耐燒付性) 향상의 필요에도 응할 수 있다.
이하, DLC층의 슬라이딩 면에 오목부를 형성할 때의 DLC층의 형성 속도는, 제3의 형성 속도라고 칭한다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자는, 면적율이 1(%) 이상, 10(%) 이하이다.
이와 같이, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 면적율을 규정하는 것으로써, Al기재의 베어링 합금과 DLC층과의 밀착성은 향상한다.여기서, Si입자의 면적율이란, Al기재 베어링 합금의 DLC층 측의 면의 전체에 대해, Al기재 베어링 합금으로부터 DLC층 측에 노출하는 Si입자의 투영 면적, 즉 Si입자의 평면 형상이 차지하는 면적이다. 이 Si입자의 면적율을 1(%) 미만으로 하면, Al기재의 베어링 합금과 DLC층과의 결합에의 Si입자의 영향은 작아진다. 또, Si입자의 면적율이 1(%) 미만이면, Si입자의 형상을 반영한 DLC층의 슬라이딩 면의 요철도 감소한다. 그 결과, Si입자에 의한 저마찰화에의 기여는 작아지는 경향이 있다. 또, Si입자의 면적율이 커지면, Al기재의 베어링 합금과 DLC층과의 결합에의 Si입자의 기여는 증대한다. 한편, 내마모성의 관점으로부터, Si입자의 면적율을 10(%) 이하로 하는 것이 바람직하다. 이상의 이유로부터, DLC층 측에 노출하는 Si입자는, 면적율을 1(%) 이상, 10(%) 이하로 설정하고 있다. 여기서, 본 명세서 중에 있어서의 Si입자의 면적율이란, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면의 단위면적 당의, 이것에 포함되는 전 Si입자의 투영 면적의 합계를 의미한다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자는, 영역 분할에 의한 어스펙트비가 3 이하이며, 상호 사이의 거리가 15(μm) 이하이다.
이와 같이, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 영역 분할에 의한 어스펙트비 및 상호 사이의 거리를 규정하는 것에 의해, Si입자는 Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 균일하게 분산하게 된다. 그 때문에, Al기재의 베어링 합금과 DLC층과의 결합력은, 한층 더 향상한다. 또, Si입자가 균일하게 분산하는 것에 의해, DLC층의 슬라이딩 면에 있어서의 요철도 균일하게 분산한다. 그 때문에, 상대 부재와의 마찰, 특히 기동시에 있어서의 마찰은 감소한다.따라서, 내소부성을 보다 높일 수 있다.
여기서, 영역 분할법에 의해 도출된 보로노이 다각형의 어스펙트비에 대해 설명한다. 본 발명에 있어서의 영역 분할법에서는, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 존재하는 Si입자 중 해당 면에서 서로 이웃이 되는 Si입자의 사이에 가상적인 선을 설정하는 것에 의해서, Si입자가 그 중에 위치하는 보로노이 다각형을 도출한다. 이것에 의해, 1개의 Si입자가 점유하는 영역, 즉 설정한 가상적인 선에 의해서 둘러싸인 영역을 확정한다. 그리고, 이 가상적인 선에 의해서 둘러싸인 영역의 면적을 통계적으로 계산하는 것에 의해, 영역을 분할한 면적을 정량적으로 판단하는 것이다. 즉, Si입자의 함유량이 동일하면, 노출하는 Si입자의 투영 면적과 노출하는 Si입자의 수는 상관한다. 이것에 의해, 노출하는 Si입자의 투영 면적이 커지면, 노출하는 Si입자의 수는 감소하고, 영역 분할 면적 즉 1개의 입자가 점유 하는 영역 면적의 평균은 증대한다. 이것에 대해, 노출하는 Si입자의 투영 면적이 작아지면, 노출하는 Si입자의 수는 증가하고, 영역 분할 면적의 평균은 감소한다.따라서, 영역 분할 면적의 대소에 의해서 노출하는 Si입자의 투영 면적을 정량적으로 파악할 수 있다. 그리고, 이 순서에 의해서 분할한 점유 영역의 타원에 있어 가장 긴 직경과 짧은 축과의 비는, 영역 분할법에 의해 도출된 보로노이 다각형의 어스펙트비이다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재는, 상기 Al기재의 베어링 합금은, 1.58(질량%)의 Si입자를 포함하고, 잔부가 실질적으로 Al로부터 되고, 상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있는 Si입자는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있는 그 Si입자의 총 면적에 대해, 입자 지름 4(μm) 미만의 Si입자의 면적이 20%~60%를 차지하고, 입자 지름 4μm~20μm의 Si입자의 면적이 40% 이상을 차지하고 있다.
Al기재의 베어링 합금은, 1.58(질량%)의 Si입자와 잔부가 실질적으로 Al인 것이 바람직하다. Si입자를 1.5(질량%) 이상으로 설정하는 것으로써, Si입자는 Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출한 상태로 설치된다. 한편, Si입자가 8(질량%) 이하이면, Al기재의 베어링 합금의 경도는 과대가 되지 않는다. 그 때문에, Al기재의 베어링 합금의 내피로성은 향상한다.
또한, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있는 그 Si입자의 총 면적에 대해, 입자 지름 4(μm) 미만의 Si입자의 면적이 20~60%를 차지하고 입자 지름 4~20μm의 Si입자의 면적이 40% 이상을 차지하고 있는 것이 바람직하다. Si입자의 입자 지름 및 면적율이 이 범위 내에 있을 때, 상대 부재로부터 하중을 받았을 때, DLC층의 슬라이딩 면은 그라파이트화 되는 부분의 면적이 최적이 된다. 그 때문에, DLC층의 슬라이딩 면은 최적인 양의 그라파이트화가 촉진된다. 그 결과, DLC층의 마찰 계수를 저감할 수 있고 내마모성도 향상할 수 있다. 또, DLC층과 Al기재의 베어링 합금과의 밀착성을 매우 뛰어난 것으로 할 수 있어 나아가서는 내소부성이 향상된다.
Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 총면적은, Si입자의 입자 지름을 변경하는 것에 의해서 조정할 수 있다.
Si입자의 면적율은, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면을 현미경으로 촬영해, 촬영한 사진을 화상 해석 장치에 의해 해석한다. 이 때, 예를 들면 관찰 시야 0.0125 mm2에 존재하는 Si입자 모두를 추출하고, 그 추출 결과로부터 각 Si입자의 면적이 요구된다. 그리고, 관찰 시야의 면적과 Si입자의 면적의 총계의 비로부터 면적율이 산출된다. 또, 관찰 시야에 존재하는 Si입자의 총면적과 관찰 시야와의 면적율은, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 총면적과 Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면적과의 면적율로 동일하다. 그러나, 용도에 따라 의도적으로 부위에 따라 면적율을 바꾸어도 괜찮다.
Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 입자 지름을 도출하는데 있어, 상기 0.0125 mm2에 존재하는 Si입자에 대해 각각 면적을 측정한다.그리고, 측정한 Si입자의 면적과 동일한 면적의 가상적인 원을 설정해, 이 가상적인 원의 지름으로부터 입자 지름이 환산된다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 면적율을 A(%), 상기 DLC층의 두께를 T(μm)로 하면, A≥0.5×T이다.
Si입자의 면적율 A(%)와 DLC층의 두께 T(μm)는, 슬라이딩시의 마찰에 영향을 준다. 즉, 어느 Si입자의 면적율에 대해 DLC층의 두께가 얇을 때, 또는 어느 DLC층의 두께에 대해서 Si입자의 면적율이 클 때, DLC층 중 전단력에 의해서 미끄러짐이 생기는 부분을 생기기 쉽게 할 수 있어 마찰 계수의 저감이 실현되기 쉬워진다. 이와 같이, DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 면적율 A(%)와 DLC층의 두께 T(μm)가 관련될 수 있다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, 상기 DLC층의 경도 H(HV), 상기 DLC층의 두께를 T(μm)로 하면, H≤10000/T, 한편 T≤20이다.
DLC층의 경도를 H(HV)로 하고, 그 두께를 T(μm)로 하면, H≤10000/T, 또 T≤20 일 때, Si입자가 상기 설명한 바와 같이 DLC층의 경도 차이의 발현에 주는 영향은 커진다. 즉, DLC층의 경도에 대한 두께를 상기 범위로 제어하면, 내마모성이 뛰어난 DLC층의 슬라이딩 면에 있어 Si입자의 유무에 의한 그라파이트화를 효과적으로 촉진하기 쉽다. 따라서, DLC층의 경도와 두께를 상관 시키는 것으로, 마찰 계수의 저감과 내마모성의 향상을 함께 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, 상기 DLC층은, H≤6000, 한편 T≤15이다. 즉, DLC층의 경도 H는 H≤6000(HV)이며, DLC층의 두께 T는 T≤15(μm)이다.
DLC층의 두께가 15(μm) 이하이면, DLC층의 슬라이딩 면에는 Al기재의 베어링 합금으로부터 노출하는 Si입자를 반영한 요철이 형성되기 쉬워진다. 이 DLC층의 두께는, 플라스마 CVD법, PVD법 등에 의한 DLC층의 형성 시간을 조정하는 것에 의해 얻을 수 있다.
또, DLC층의 경도 H가 6000(HV) 이하이면, 충분한 내마모성을 가지면서, DLC층에 의한 상대 부재에의 공격성을 용이하게 억제할 수 있다. DLC층의 경도는, DLC층에 포함되는 수소나 Si, Ti, W등의 첨가 원소의 함유량, 및 DLC층의 혼성 궤도의 비(sp2/sp3)를 조정하는 것에 의해 변경 가능하다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, 상기 DLC층의 경도는, 상기 Al기재의 베어링 합금의 경도의 1.1배 이상이며, 슬라이딩 대상이 되는 상대방의 상대 부재의 경도의 0.9배 이하이다.
DLC층의 경도를 Al기재의 베어링 합금의 1.1배 이상으로 하면, 내마모성을 효과적으로 발휘시키기 쉽다. 한편, DLC층의 경도를 슬라이딩 상대의 상대 부재의 경도의 0.9배 이하로 하면, 상대 부재의 마모를 확실히 억제하기 쉽다. 그래서, DLC층의 경도를 설정하는 것으로, DLC층 및 상대 부재의 마모를 모두 저감할 수 있다.
또, Al기재의 베어링 합금과 DLC층 사이에는, 상호 간의 결합력을 높이기 위해서 중간층을 설치해도 좋다. 중간층은, 예를 들면 Si, Ti, Cr, W등의 금속이나 탄화물, 질화물로부터 되는 층이 바람직하다. 중간층은, 두께 방향으로 조성을 변화시켜도 괜찮다. 예를 들면 SiC계나 TiC계 등을 이용하는 경우, Al기재의 베어링 합금측의 Si나 Ti의 농도를 높여 DLC층 측의 C의 농도를 높인 조성으로 해도 좋다.
본 발명의 슬러이딩 부재는, Al기재의 베어링 합금상에 DLC층을 형성하는 것으로, 상대방의 축 부재와의 사이의 마찰 계수를 저감할 수 있다. 그리고, 본 발명의 슬라이딩 부재는 종래 제품과 비교하여, Al기재의 베어링 합금과 DLC층과의 사이에 높은 결합력을 얻을 수 있어 내소부성을 높일 수 있어 저마찰화가 실현되고 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재를 개략적으로 나타내 보이는 단면도
도 2는 일실시 형태의 슬라이딩 부재에 대해 Al기재의 베어링 합금의 슬라이딩 면을 개략적으로 나타내 보이는 횡단 평면도
도 3은 제1의 형성 속도로 DLC층을 형성했을 경우의 슬라이딩 부재를 개략적으로 나타내 보이는 단면도
도 4는 제2의 형성 속도로 DLC층을 형성했을 경우의 슬라이딩 부재를 개략적으로 나타내 보이는 단면도
도 5는 제3의 형성 속도로 DLC층을 형성했을 경우의 슬라이딩 부재를 개략적으로 나타내 보이는 단면도
도 6은 일실시 형태의 슬라이딩 부재의 복수의 실시예 제품 및 비교예 제품을 나타내는 개략도
도 7은 DLC층의 경도과 두께와의 관계를 나타내는 개략도
본 실시 형태의 슬라이딩 부재를 도 1에 나타낸다. 도 1에 나타내는 슬라이딩 부재(1)는, Al기재의 베어링 합금(2) 및 DLC층(3)을 갖추고 있다. Al기재의 베어링 합금(2)은 도시되지 않은 뒤에 덧대는 층 상에 설치되어 있다. DLC층(3)은 Al기재의 베어링 합금(2) 상에 설치되어 있다. Al기재의 베어링 합금(2)는, 도 2에 나타낸 바와 같이 Al 매트릭스(2a)와 Si입자(2b)로 구성되어 있다. 즉, Al기재의 베어링 합금(2)은, Al를 주성분으로 하는 Al 매트릭스(2a) 중에 Si입자(2b)를 포함하고 있다. 이 Al기재의 베어링 합금(2)에 포함되는 Si입자(2b)는, 적어도 일부가 Al기재의 베어링 합금(2)의 DLC층(3) 측의 면에 노출하고 있다. 여기서 노출이란, Si입자(2b)가 Al기재의 베어링 합금(2)의 DLC층(3) 측의 면과 동일한 평면상에 위치하는 상태, 또는 Si입자(2b)가 그 면으로부터 DLC층(3) 측에 돌출된 상태의 쌍방을 포함한다.
제1의 형성 속도로 DLC층(3)을 형성했을 때, DLC층(3)은 도 3에 나타내는 형상이 된다. 즉, DLC층(3)의 슬라이딩 면은, Al기재의 베어링 합금(2)의 DLC층(3) 측의 면에 노출하는 Si입자(2b)의 형상을 반영한 돌기부(4)를 형성한다.
또, 제2의 형성 속도로 DLC층(3)을 형성했을 때, DLC층(3)은 도 4에 나타내는 형상이 된다. 즉, DLC층(3)의 슬라이딩 면은, Al기재의 베어링 합금(2)로부터 노출하는 Si입자(2b)의 형상에 관계없이 평탄면(3a)를 형성한다.
또, 제3의 형성 속도로 DLC층(3)을 형성했을 때, DLC층(3)은 도 5에 나타내는 형상이 된다. DLC층(3)의 슬라이딩 면은, Al기재의 베어링 합금(2)의 DLC층(3)의 면에 노출하는 Si입자(2b)의 형상을 반영한 오목부(5)를 형성한다.
다음으로, 본 발명의 실시형태의 슬라이딩 부재의 제조 방법에 대해 설명한다.
우선, Al기재의 베어링 합금이 되는 Al기재 베어링 합금판은, 용해한 Al에 소정량의 Si를 첨가해, 연속 주조하는 것에 의해서 형성된다. 이때, Al기재 베어링 합금판은, 판두께 15mm로 형성된다.
다음으로, 연속 주조된 Al기재 베어링 합금판은, 냉간으로 6mm의 두께로 연속 압연된다. 이 연속 압연 및 후술하는 압접의 가공을 제어, 즉 압하율을 제어하는 것에 의해, 입자 지름이 다른 Si입자가 소정의 비율로 혼재하는 상태가 된다. 그리고, 연속 압연된 Al기재 베어링 합금판에, 일그러짐 제거 및 첨가 원소의 안정화를 도모하기 위해서 소둔이 행해진다.
소둔이 행해진 Al기재 베어링 합금판은, 접착층을 형성하기 위한 Al제의 얇은 판자가 압접하는 것과 동시에, 이 얇은 판자를 사이에 두고 뒤에 덧대는 강판이 압접된다. 이것에 의해, Al기재 베어링 합금판과 뒤에 덧대는 강판이, 이른바 바이메탈을 형성한다. 그 후, 압접된 Al기재 베어링 합금판 및 뒤에 덧대는 강판에, 접합력을 높이면서 일그러짐을 제거하기 위해서 소둔이 행해진다. 소둔이 행해진 Al기재 베어링 합금판 및 뒤에 덧대는 강판에는, 구조적인 강도를 더하기 위해서 필요에 따라서 용체화(溶體化) 처리를 가해, 수냉 후에 시효(時效) 처리를 가해도 괜찮다. 이러한 처리가 행해진 Al기재 베어링 합금판과 뒤에 덧대는 강판과의 바이메탈은, 반원 통 모양으로 형성된다.
반원 통 모양으로 형성된 바이메탈은, 그 내주면에 일반적인 플라스마 CVD법 또는 PVD법등에 의해서 DLC층을 형성한다. 이것에 의해, 반원 통 모양의 슬라이딩 부재를 얻을 수 있다.
상기의 순서로 형성한 슬라이딩 부재의 시료를 이용하고 마찰 계수에 대해 검증했다.
실시예 제품은, 상술한 본 실시 형태의 슬라이딩 부재에 근거하는 제조 방법으로 얻었다. 또, 실시예 제품은, DLC층의 형성 속도를 조정하는 것으로, 제1의 형성 속도로 DLC층의 슬라이딩 면에 돌기부를 형성, 제2의 형성 속도로 DLC층의 슬라이딩 면을 비교적 평탄하게 형성, 또는 제3의 형성 속도로 DLC층의 슬라이딩 면에 오목부를 형성할 수 있다. 도 6에 나타내는 각 실시예 제품 중 실시예 제품 1은, 도 3에 나타낸 바와 같이 제1의 형성 속도로 DLC층을 형성하고 있다. 또, 실시예 제품 2는, 도 4에 나타낸 바와 같이 제2의 형성 속도로 DLC층을 형성하고 있다. 실시예 제품 3은, 도 5에 나타낸 바와 같이 제3의 형성 속도로 DLC층을 형성하고 있다. 또한 실시예 제품 4~실시예 제품 22, 및 비교예 제품 1은, 모두 제2의 형성 속도로 DLC층을 형성하고 있다. 여기서 검증의 비교로 채용한 비교예 제품 1은, Al기재의 베어링 합금에 Si를 함유하고 있지 않다. 또, 비교예 제품 2는, DLC층을 갖추지 않았다.
도 6에 근거하여, 실시예 제품 및 비교예 제품에 대해 설명한다.
(Si함유량에 대해)
실시예 제품 1~실시예 제품 22 및 비교예 제품 2는, 모두 Al기재의 베어링 합금에 Si를 1~15(질량%) 함유하고 있다. 이것에 대해, 비교예 제품 1은, Al기재의 베어링 합금에 Si를 함유하고 있지 않다.
(Si입자의 면적율에 대해)
실시예 제품 4~실시예 제품 22 및 비교예 제품 2의 경우, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 면적율은, 모두 1~10(%)으로 설정되어 있다. 이것에 대해, 실시예 제품 1~실시예 제품 3은, Si입자의 면적율이 0.5(%)로 설정되어 있다. 또, 비교예 제품 1은, Si를 함유하고 있지 않기 때문에, Si입자가 Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하고 있지 않다.
(Si입자의 영역 분할에 의한 어스펙트비에 대해)
실시예 제품 7~실시예 제품 22 및 비교예 제품 2의 경우, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 영역 분할법에 의해 도출된 보로노이 다각형의 어스펙트비는, 모두 3 이하로 설정되어 있다. 이것에 대해, 실시예 제품 1~실시예 제품 3은, Si입자의 어스펙트비가 4.5로 설정되어 있다.또, 실시예 제품 4는 Si입자의 어스펙트비가 3.6, 실시예 제품 5는 Si입자의 어스펙트비가 4, 실시예 제품 6은 Si입자의 어스펙트비가 3.2로 각각 설정되어 있다.
(Si입자의 상호간의 거리에 대해)
실시예 제품 7~실시예 제품 22 및 비교예 제품 2의 경우, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 상관 거리는, 모두 15(μm) 이하로 설정되어 있다. 이것에 대해, 실시예 제품 1 실시예 제품 3은, Si입자의 상호 간의 거리가 25(μm)로 설정되어 있다. 또, 실시예 제품 4는 Si입자의 상호 간의 거리가 18(μm), 실시예 제품 5는 Si입자의 상호 간의 거리가 20(μm), 실시예 제품 6은 Si입자의 상호 간의 거리가 16(μm)로 각각 설정되어 있다.
(Si입자의 입자 지름과 면적율과의 관계에 대해)
실시예 제품 11~실시예 제품 22 및 비교예 제품 2는, 입자 지름이 4(μm) 미만의 Si입자의 면적율이 20~60(%)이며, 입자 지름이 4~20(μm)의 Si입자의 면적율이 40(%) 이상을 차지하고 있다. 이것에 대해, 실시예 제품 1~실시예 제품 3 및 실시예 제품 6은, 입자 지름이 4(μm) 미만의 Si입자의 면적율이 15(%)이고, 입자 지름이 4~20(μm)의 Si입자의 면적율이 모두 85(%)가 되고 있다. 마찬가지로 실시예 제품 4, 실시예 제품 5, 실시예 제품 7 실시예 제품 10은, 모두 입자 지름이 4(μm) 미만의 Si입자의 면적율이 65(%) 이상이며, 입자 지름 420(μm)의 Si입자의 면적율이 35(%) 이하이다.
(DLC층의 경도와 두께와의 관계에 대해)
실시예 제품 14~실시예 제품 22는, 모두 DLC층의 경도 H(HV)와 두께 T(μm)와의 관계가 H≤10000/T, 한편 T≤20을 만족하고 있다. 이것에 대해, 실시예 제품 1~실시예 제품 13은, 모두 H＞10000/T이다. 또, 비교예 제품 2는, DLC층을 갖추지 않았다. 또한, 비교예 제품 1은, DLC층을 갖추고 있지만, H＞10000/T이다. 여기서, DLC층의 경도 H와 두께 T와의 사이에는, 도 7에 나타내는 관계가 있다. 이 때, 실시예 제품 14~실시예 제품 22는, 도 7에 나타내는 H≤10000/T로 유도되는 곡선보다 도 원점에 가까운 영역에 존재한다.
(Si입자의 면적율과 DLC층의 두께와의 관계에 대해)
실시예 제품 4, 실시예 제품 6, 실시예 제품 8, 실시예 제품 10~실시예 제품 12, 및 실시예 제품 14~실시예 제품 22는, 모두 Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 면적율 A(%)와 DLC층의 두께 T와의 관계가 A≥0.5×T를 만족한다. 이것에 대해, 실시예 제품 1 실시예 제품 3, 실시예 제품 5, 실시예 제품 7, 실시예 제품 9 및 실시예 제품 13은, 모두 A＜0.5×T이다.
(밀착성 시험에 대해)
도 6에 나타내는 실시예 제품 1~실시예 제품 22, 및 비교예 제품 1은, 모두 Al기재의 베어링 합금과 DLC층과의 밀착성을 시험했다. 여기에서, DLC층의 밀착성은, DLC층에 박리 하중을 더해 DLC층을 당겨 벗기는 것으로 시험했다. 구체적으로는, DLC층은, 0(N) 200(N)의 박리 하중이 연속적으로 더해진다. 이때, DLC층에 박리 하중을 더하면서 이동하는 거리는, 10(mm)으로 설정하였다. 또, 박리 하중을 더하는 상대가 되는 구상(球狀) 부재는, 재질이 크롬강철(SUJ2)이며, 직경이 3(mm)이다. 또, 박리 하중을 더할 때, 슬라이딩 부재와 구상 부재와의 사이에는, 윤활유를 10(마이크로리터) 공급했다.
시료마다 DLC층의 박리가 생겼을 때의 박리 하중은, 도 6에 나타내는 대로이다. 도 6에 의하면, 실시예 제품 1~실시예 제품 22는, 모두 박리 하중이 100(N) 이상인 것을 알 수 있다. 이것에 대해, 비교예 제품 1은, 박리 하중이 50(N)이다. 이것으로부터, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 Si입자가 노출한 본 실시 형태의 실시예 제품 1~실시예 제품 22는, DLC층의 밀착성이 높은 것을 나타내 보이고 있다. 즉, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출한 Si입자는, DLC층과 Al기재의 베어링 합금과의 사이의 결합력을 높이기 위해서 기여하고 있는 것이 분명하다.
노출하는 Si입자의 면적율을 1%이상으로 규정한 실시예 제품 4~실시예 제품 22는, 실시예 제품 1~실시예 제품 3과 비교해 DLC층의 밀착성이 높다. 또, 노출하는 Si입자의 어스펙트비, 및 노출하는 Si입자의 상호간의 거리를 규정한 실시예 제품 7~실시예 제품 22는, 실시예 제품 1~실시예 제품 6과 비교해 DLC층의 밀착성이 보다 향상하고 있다. 또한, Si입자의 입자 지름과 면적율을 소정의 관계로 규정한 실시예 제품 11~실시예 제품 22는, 실시예 제품 1~실시예 제품 10과 비교해 DLC층의 밀착성이 보다 향상하고 있다.
(소부시험에 대해)
도 6에 나타내는 실시예 제품 1~실시예 제품 22, 및 비교예 제품 1~비교예 제품 2는, 저마찰화에 의해 내소부성이 향상한다고 하는 관점으로부터, 마찰 계수의 저수치화를 확인하기 위해서, 모두 내소부성에 대해 시험했다. 여기에서는, 내소부성은, 다음의 조건으로 시험했다. 시험의 대상이 되는 시료는, 상대방이 되는 축 부재와의 사이에서 2(m/sec)의 속도로 회전시키면서, 시험 하중을 1(MPa/5 min)으로 가했다. 이 때, 시료에 공급되는 윤활유는, SAE＃30이며, 온도를 60(℃), 급유량을 20(ml/min)으로 설정했다. 상대방의 축 부재는, 재질이 탄소강(S55C)이며, 경도가 600(HV)이다.
시료에 소부가 생겼을 때의 면압(MPa)은, 도 6에 나타내는 대로이다. 시료는, 슬라이딩 면과는 반대의 배면 측에서의 온도가 200(℃)을 넘었을 때, 또는 상대가 되는 축 부재와의 사이의 마찰력이 50(N)을 넘었을 때, 소부가 생겼다고 판정하고 있다. 도 6에 의하면, 실시예 제품 1~실시예 제품 22는, 모두 소부시의 면압이 18(MPa) 이상이다. 이것에 대해, 비교예 제품 1 및 비교예 제품 2는, 소부시의 면압이 9(MPa) 이하이다. 이것으로부터, DLC층 측의 면에 Si입자가 노출하는 Al기재의 베어링 합금 상에 DLC층을 형성한 실시예 제품 1~실시예 제품 22는, 소부면압이 향상, 즉 내소부성이 높은, 나아가서는 마찰 계수가 작은 것을 나타내고 있다.특히, DLC층의 두께 및 경도를 소정의 범위로 규정한 실시예 제품 14~실시예 제품 22는, 실시예 제품 1~실시예 제품 13과 비교해 내소부성이 향상하고 있다. 또, Al기재의 베어링 합금의 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 면적율과 DLC층의 두께를 소정의 관계로 규정한 실시예 제품 4, 실시예 제품 6, 실시예 제품 8, 실시예 제품 10~실시예 제품 12, 및 실시예 제품 14~실시예 제품 22는, 모두 근사의 조건으로 형성한 실시예 제품과 비교해 내소부성이 향상하고 있다.
도 6에 나타내는 실시예 제품 1~실시예 제품 8, 실시예 제품 11~실시예 제품 22, 및 비교예 제품 1 비교예 제품 2의 경우, 모두 시료의 슬라이딩 상대가 되는 상대방의 축 부재는, 재질이 탄소강(S55C)이며, 슬라이딩부에 있어서의 경도가 600(HV)이다. 한편, 실시예 제품 9~실시예 제품 10의 경우, 상대방의 축 부재는, 탄소강(S55C)의 슬라이딩 면에 DLC층을 코팅하고 있고, 슬라이딩부에 있어서의 경도는 3000(HV)이다. 실시예 제품 7과 실시예 제품 9를 대비하면, 실시예 제품 9는 실시예 제품 7과 비교해 소부면압이 향상하고 있다. 즉, 실시예 제품 9는, 상대방의 축 부재에 있어서의 슬라이딩 면의 경도에 대해 0.9배 이하의 경도의 DLC층을 가지고 있다. 이것에 의해, 실시예 제품 9는, 실시예 제품 7과 비교해 슬라이딩 부분에 있어서의 마모가루의 발생이 감소해, 소부면압이 향상한다. 상대 부재 이외의 조건이 일치하는 실시예 8과 실시예 10과의 사이에서도, 상대방의 축 부재에 있어서의 슬라이딩 면의 경도에 대해 0.9배 이하의 경도의 DLC층을 가지는 실시예 제품 10은, 실시예 제품 8과 비교해 소부면압이 향상하고 있다.
(DLC층의 형성 속도의 영향에 대해)
도 6에 나타내는 실시예 제품 1, 실시예 제품 2 및 실시예 제품 3은, 각각 DLC층을 형성하는 형성 속도가 차이가 난다. 구체적으로는, 실시예 제품 1은 제1의 형성 속도로 도 3에 나타내는 DLC층을 형성하고, 실시예 제품 2는 제2의 형성 속도로 도 4에 나타내는 DLC층을 형성하고, 실시예 제품 3은 제3의 형성 속도로 도 5에 나타내는 DLC층을 형성하고 있다. 또, 실시예 제품 1 실시예 제품 3은, 모두 Si함유량, Si입자의 면적율 등의 특성이 동일하게 설정되어 있다. 한편, 실시예 제품 1 실시예 제품 3은, 모두 박리 하중 및 소부면압에 큰 차이가 없다. 이것에 의해, DLC층의 형성 속도는, 박리 하중 및 소부면압에게 주는 영향이 작은 것을 알 수 있다. 이와 같이, DLC층의 형성 속도가 슬라이딩 부재의 특성에 주는 영향은 작으므로, 실시예 제품 4~실시예 제품 22, 및 비교예 제품 1에서는 제2의 형성 속도로 DLC층을 형성하고 있다.
(실시예 제품의 효과)
이상 설명한 실시예 제품 1~실시예 제품 22는, Al기재의 베어링 합금상에 DLC층을 형성하는 것으로, 상대방의 축 부재와의 사이의 마찰 계수를 저감 할 수 있다. 그리고, 실시예 제품 1~실시예 제품 22는, 비교예 1 및 비교예 2와 비교하여, Al기재의 베어링 합금과 DLC층과의 사이에 높은 결합력을 얻을 수 있어 내소부성을 높일 수 있어 저마찰화가 실현되고 있다.
본 실시 형태는, 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 적당 변경해 실시할 수 있다.
불가피적 불순물에 대해서는 설명을 생략하고, 각 성분에는 불가피적 불순물이 포함될 수 있다.
1; 슬라이딩 부재
2; Al기재의 베어링 합금
3; DLC층
2a; Al 매트릭스
2b; Si입자

Claims (8)

  1. Si입자를 포함한 Al를 주체로 하는 Al기재의 베어링 합금과
    상기 Al기재의 베어링 합금에 적층되고 있는 DLC층을 갖추고
    상기 Al기재의 베어링 합금에 포함되는 상기 Si입자의 적어도 일부는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있고,
    상기 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자는, 영역 분할에 의한 어스펙트비가 3 이하이며, 상호의 사이의 거리가 15(μm) 이하인 슬라이딩 부재.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자는, 면적율이 1(%) 이상, 10(%) 이하인 슬라이딩 부재.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 Al기재의 베어링 합금은, 1.58(질량%)의 Si입자를 포함하고, 잔부가 Al로 이루어지고,
    상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있는 Si입자는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있는 그 Si입자의 총 면적에 대해, 입자 지름 4μm 미만의 Si입자의 면적이 20%~60%를 차지하고, 입자 지름 4μm~20μm의 Si입자의 면적이 40% 이상을 차지하고 있는 슬라이딩 부재.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 DLC층 측의 면에 노출하는 Si입자의 면적율을 A(%), 상기 DLC층의 두께를 T(μm)로 하면,
    　A≥0.5×T
    인 슬라이딩 부재.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 DLC층의 경도를 H(HV), 상기 DLC층의 두께를 T(μm)로 하면,
    　H≤10000/T, 한편 T≤20
    인 슬라이딩 부재.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 DLC층은, H≤6000이고, T≤15인 슬라이딩 부재.
  8. 제 1항, 제 2항, 제 4항 내지 제 7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 DLC층의 경도는, 상기 Al기재의 베어링 합금 경도의 1.1배 이상이며, 슬라이딩 대상이 되는 상대방의 상대 부재의 경도의 0.9배 이하인 슬라이딩 부재.
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