KR101436109B1 - 슬라이딩 부재 - Google Patents

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다이도 메탈 고교 가부시키가이샤
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Abstract

슬라이딩 부재는, 경질 입자를 포함한 Cu를 주체로 하는 Cu기재 베어링 합금층이라고 상기 Cu기재 베어링 합금층에 적층되고 있는 DLC층과를 갖추고 있다. 상기 Cu기재 베어링 합금층에 포함되는 상기 경질 입자의 적어도 일부는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있다.

Description

슬라이딩 부재 {SLIDING MEMBER}
본 발명은, 베어링 합금층 상에 다이아몬드와 같은 카본층(Diamond Like Carbon:DLC)을 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 최근, 한층 더 엔진이 고성능화됨에 따라, 베어링 특성이 보다 뛰어난 슬라이딩 부재가 요망되고 있다.
베어링 특성으로서 친숙성 및 내마모성의 향상을 도모한 슬라이딩 부재는, 일본특허공개 2001-165167호 공보에 개시되고 있다.이 슬라이딩 부재는, Al합금 또는 Cu합금으로 이루어지는 베어링 합금층에 환상 돌기가 형성되고 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 설치되고 있는 것에 의해서 내마모성이 양호한 것을 개시하고 있다.
근래에는, 베어링 특성으로서 친숙성 및 내마모성의 향상과 함께 마찰 계수의 저감도 요망되고 있다.
일본특허공개공보 제 2001-165167호
따라서, 본 발명의 목적은, 마찰 계수가 저감된 슬라이딩 부재를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, 경질 입자를 포함한 Cu를 주체로 하는 Cu기재 베어링 합금층과 상기 Cu기재 베어링 합금층에 적층되고 있는 DLC층을 갖추고, 상기 Cu기재 베어링 합금층에 포함되는 상기 경질 입자의 적어도 일부는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있다.
Cu기재 베어링 합금층은, Cu를 주로 하고 경질 입자를 포함하고 있고 필요에 따라서 그 외의 성분을 포함하고 있다. 그리고, Cu기재 베어링 합금층에 포함되는 경질 입자의 일부는, DLC(다이아몬드 라이크 카본：Diamond Like Carbon) 층 측의 면에 노출하고 있다. 여기서, DLC층 측의 면에 노출하고 있는 경질 입자란, Cu기재 베어링 합금층을 구성하는 Cu 매트릭스에 덮이지 않은 것을 의미한다. 그 때문에, 이 DLC측의 면에 노출하고 있는 경질 입자는, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면으로부터 DLC층 측에 돌출하고 있는 것도 포함한다. 이 DLC층 측에 노출하는 경질 입자는, Cu기재 베어링 합금층에 포함되는 경질 입자의 양의 비율(질량%) 및 경질 입자의 입자 지름을 조정하는 것에 의해 얻을 수 있다.
Cu기재 베어링 합금층은, 철 등으로 형성되는 뒤에 덧대는 층에 설치해도 좋다. 또, 뒤에 덧대는 층과 Cu기재 베어링 합금층의 사이에는 접착층을 마련해 뒤에 덧대는 층과 Cu기재 베어링 합금층과의 접착성을 높여도 괜찮다. 이 경우, 접착층은, Cu도금층인 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서, 상기 경질 입자는, 붕화물, 규화물, 산화물, 질화물, 탄화물 및 금속간 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 한 종류의 화합물이며, 상기 경질 입자의 입자 지름은, 평균 0.520(μm)이다.
붕화물은, NiB, Ni3B, CrB, CrB, ZrB2, CoB, TiB2, VB2, TaB2, WB, MoB, FeB계 등인 것이 바람직하다. 규화물은, TiSi2, WSi2, MoSi2, TaSi2, CrSi2, FeSi계, MnSi계 등인 것이 바람직하다. 산화물은, SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, WO, MoO3, MnO계, FeO계, VO계 등인 것이 바람직하다. 질화물은, Si2N4, TiN, ZrN, TaN, VN, AlN, CBN, Cr2N 등인 것이 바람직하다. 탄화물은, WC, W2C, SiC, B4C, TiC, TaC, VC, ZrC, Mo2C등인 것이 바람직하다. 금속간 화합물로서는, NiSn계, FeW계, FeMo계, FeMn계, FeCr계, FeAl계, CrAl계, VAl계, TiAl계, WAl계 등인 것이 바람직하다.
또, 다른 경질 입자의 재료로서 Ni기재 자용성(自溶性) 합금(NiBSi계), Co기재 자용성 합금(CoMoSiB계), C, W 또는 Mo를 이용해도 괜찮다.
또, 상기 경질 입자는, 금속의 규화물 또는 금속의 탄화물인 것이 특히 바람직하다.
상기의 경질 입자는, 입자 지름의 평균이 0.5(μm) 이상일 때, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 노출하기 쉬워진다. 또, 경질 입자는, 입자 지름의 평균이 20(μm) 이하일 때, Cu기재 베어링 합금층 안에 경질 입자가 분산해 존재하기 쉬워진다. 그 때문에, 경질 입자는, 입자 지름의 평균을 0.520(μm)으로 설정하고 있다. 이것보다, Cu기재 베어링 합금층에 포함되는 경질 입자의 양의 비율이 적은 경우에서도, 경질 입자는, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 있고, 보다 많이 노출한다. 상기 입자 지름의 평균은, 1~10(μm)이 보다 바람직하다.
본 실시 형태에서는, 경질 입자의 입자 지름의 평균은, 예를 들면 피셔법에 의해 측정하고 있다.
또한, 경질 입자는, 미리 입자 지름이 조정되고 있는 시판품을 이용해도 괜찮다.
DLC층은, 탄화수소, 혹은 탄소의 동소체로부터 되는 비정질을 주성분으로 하는 층이다. DLC층은, 플라스마 화학 기상 성장법(CVD법), 물리 기상 성장법(PVD법) 등에 의해, Cu기재 베어링 합금층 위에 형성된다.
본 실시 형태에서는, DLC층은, Cu기재 베어링 합금층과는 반대측의 면에서 슬라이딩 상대의 상대 부재와 슬라이딩한다. 이하, DLC층의 상대 부재와 슬라이딩하는, Cu기재 베어링 합금층과는 반대측의 면은 「DLC층의 슬라이딩 면」이라고 칭한다.
발명자는, DLC층의 슬라이딩 면의 형상을, DLC층의 형성 속도를 조정, 또는 Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 존재하는 경질 입자의 분포를 조정하는 것에 의해, 조정하고 있다.
DLC층은, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자로부터 DLC층의 두께 방향으로 성장한다. 그 때문에, DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자로부터 성장한 DLC층은, 이 노출하는 경질 입자의 평면 형상을 반영한다. 즉, DLC층의 슬라이딩 면은, Cu기재 베어링 합금층으로부터 노출하는 경질 입자에 대응하는 부분이 다른 부분과 비교해 돌출한 돌기부가 된다. 이 때, DLC층을 구성하는 탄소는, Cu기재 베어링 합금층의 주된 성분인 Cu에 비해, 원소의 족이 근사한 붕화물, 규화물, 산화물, 질화물, 탄화물 및 금속간 화합물로 이루어지는 경질 입자와의 결합력이 높다. 특히 DLC층을 구성하는 탄소는, 동족의 탄소나 규소를 포함한 탄화물이나 규화물로 이루어지는 경질 입자와의 결합력이 높다. 그 때문에, DLC층은, Cu기재 베어링 합금층으로부터 노출하는 경질 입자를 매체로 Cu기재 베어링 합금층과의 결합력을 높일 수 있다. 또, DLC층의 슬라이딩 면에 있어서의 DLC층의 돌출량은, 이 경우, Cu기재 베어링 합금층으로부터 DLC층 측에 돌출하는 경질 입자의 돌출량에 따라 커진다.
이와 같이 경질 입자의 평면 형상에 대응해 DLC층의 슬라이딩 표면에 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 경질 입자의 평면 형상을 반영한 돌기부를 형성할 때의 DLC층의 형성 속도는, 제1의 형성 속도라고 칭한다.
한편, DLC층의 슬라이딩 면은, DLC층의 형성 속도, 또는 Cu기재 베어링 합금층으로부터 노출하는 경질 입자의 분포를 조정하는 것에 의해, 비교적 평탄한 형상으로 할 수 있다.
이와 같이 DLC층의 슬라이딩 면을 비교적 평탄하게 형성하면, 상대 부재의 하중은 DLC층의 슬라이딩 면 전체에 가해지기 쉬워진다. 여기서, DLC층 및 경질 입자는, Cu기재 베어링 합금층의 매트릭스인 Cu와 비교해 경질이다. 그 때문에, Cu기재 베어링 합금층으로부터 노출하는 경질 입자상에 형성된 DLC층은, 슬라이딩 면에 하중이 더해져도 변형하기 어렵다.
이것에 대해, Cu기재 베어링 합금층 중 경질 입자가 노출하고 있지 않은 부분, 즉 Cu기재 베어링 합금층의 매트릭스를 구성하는 Cu상에 형성된 DLC층은, 슬라이딩 면 측으로부터 하중이 가해지면, Cu의 변형에 따라 Cu기재 베어링 합금층 측으로 변형하기 쉽다.
그 때문에, 평탄한 DLC층의 슬라이딩 면의 전체에 상대 부재로부터 하중이 균일하게 더해질 때, 상대 부재의 하중은, DLC층 중 노출하는 경질 입자상의 부분에 집중한다. 그 결과, 상대 부재와의 슬라이딩시에, Cu기재 베어링 합금층으로부터 노출한 경질 입자상에 형성된 DLC층의 부분과 상대 부재가 접하기 쉽고, 이 부분에 마찰열이 발생하기 쉬워진다. 이것에 의해, 경질 입자상에 형성된 DLC층은, 마찰열에 의해서 그라파이트화가 진행해 연화하고, 전단력에의 내성이 저하한다. 따라서, 상대 부재와의 슬라이딩시에 전단력이 가해지면, 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 Cu기재 베어링 합금층으로부터 노출하는 경질 입자의 분포를 조정하는 것에 의해, Cu기재 베어링 합금층으로부터 노출하는 경질 입자상에는, 도 5에 나타낸 바와 같이 제2의 형성 속도로 형성한 DLC층보다 얇은 DLC층을 형성할 수도 있다. 즉, Cu기재 베어링 합금층으로부터 노출하는 경질 입자상에는, 다른 부분보다 얇은 DLC층을 형성할 수 있다. 이것에 의해, DLC층의 슬라이딩 면은, 노출하는 경질 입자에 대응하는 위치에 오목부를 형성한다. 이와 같이, 이 DLC층에 오목한 부분을 형성하는 것에 의해, 슬라이딩 부분을 윤활 하는 윤활유를 이 오목부에 모을 수 있다. 그 결과, 슬라이딩 부재와 상대 부재와의 윤활이 촉진되어 슬라이딩 부재의 저마찰화의 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 내소부성의 향상의 요망에도 응할 수 있다.
이하, DLC층의 슬라이딩 면에 오목부를 형성할 때의 DLC층의 형성 속도는, 제3의 형성 속도라고 칭한다.
본 발명의 일실시 형태에서는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자는, 상호 사이의 평균 거리가 3~50(μm)이다.
노출하는 경질 입자의 상호간에 있어서의 평균 거리를 50(μm) 이하로 하면, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 있어 노출하는 경질 입자의 분포가 드문드문하게 되기 어렵다. 그 때문에, Cu기재 베어링 합금층과 DLC층과의 높은 결합력을 발휘시키기 쉽다. 그 결과, 내소부성이 향상한다. 한편, 노출하는 경질 입자의 상호간에 있어서의 평균 거리를 3(μm) 이상으로 하면, 유막 형성의 관점으로부터, DLC층의 슬라이딩 면에 형성되는 돌기부의 수나 DLC층의 슬라이딩 면에 형성되는 오목부의 크기가 보다 적절히 된다. 그 때문에, 유막절단이 생기기 어렵고, 뛰어난 내소부성을 발휘한다. 그래서, 경질 입자의 상호간의 평균 거리를 규정하는 것에 의해, Cu기재 베어링 합금층과 DLC층과의 결합력의 확보와 내소부성의 확보를 모두 얻을 수 있다. 상기 평균 거리는, 5~45(μm)가 보다 바람직하다.
본 발명의 일실시 형태에서는, 상기 DLC층 측의 면의 총면적에 대한 상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있는 경질 입자의 면적율은, 0.1~14(%)이다.
여기서, 경질 입자의 총 면적은, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 노출하고 있는 경질 입자의 투영 면적, 즉 경질 입자의 평면 형상이 차지하는 면적의 총합에 상당한다. 즉, 면적율이란, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 총면적에 대한 노출한 경질 입자의 총면적의 비율이다.또, 본 명세서 중에 있어서의 경질 입자의 면적율이란, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측 면의 단위면적 당의, 이것에 포함되는 전 경질 입자의 투영 면적의 합계를 의미한다.
면적율이 0.1(%) 이상일 때, 경질 입자는 DLC층의 형성에 기여하기 쉬워진다. 그 때문에, DLC층의 형성 속도를 조정하고, DLC층의 슬라이딩 면에 돌기부나 오목부를 형성시키기 쉽다. 그 결과, 내소부성의 향상을 도모하기 쉬워진다. 또, 면적율이 0.1(%) 이상에서는, DLC층과 경질 입자가 접하는 면적이 확실히 확보되어 Cu기재 베어링 합금층과 DLC층과의 높은 결합력을 발휘한다. 그 결과, 상기 면적율을 갖는 것에 의해 DLC층의 박리를 억제하기 쉬워져, 내소부성이 향상한다. 이것에 대해, 면적율이 14(%) 이하이면, DLC층의 형성 속도에 관련되지 않고, DLC층의 슬라이딩 면에 있어서의 돌기부 및 오목부가 과대가 되는 것을 방지하기 쉽다. 그 때문에, 면적율을 14(%) 이하로 하면, 유막 형성의 면에서 유리하다. 또, 내마모성의 관점으로부터, 이 면적율을 14(%) 이하로 하는 것이 바람직하다.이상과 같은 이유에 의해, 면적율을 규정하는 것에 의해, 내마모성과 내소부성의 향상을 도모할 수 있다. 상기 면적율은, 2~10%가 보다 바람직하다.
여기서, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자의 총면적 즉 면적율은, 경질 입자의 입자 지름을 변경하는 것에 의해서 조정할 수 있다.
경질 입자의 면적율은, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면을 현미경으로 촬영해, 촬영한 사진을 화상 해석 장치에 의해 해석한다. 이 때, 예를 들면 관찰 시야 0.0125 mm2에 존재하는 경질 입자를 모두 추출해, 그 추출 결과로부터 각 경질 입자의 면적을 구한다. 그리고, 관찰 시야의 면적과 경질 입자의 면적의 총합의 비로부터 면적율이 산출된다. 덧붙여 관찰 시야에 존재하는 경질 입자의 총면적과 관찰 시야와의 면적율은, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자의 총면적과 Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면적과의 면적율로 동일하다. 그러나, 용도에 따라 의도적으로 부위에 따라 면적율을 바꾸어도 괜찮다.
Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자의 입자 지름을 도출하는데 있어, 상기 0.0125 mm2에 존재하는 경질 입자에 대해 각각 면적을 측정한다. 그리고, 측정한 경질 입자의 면적과 동일한 면적의 가상적인 원을 설정해, 설정한 가상적인 원의 지름으로부터 입자 지름이 환산된다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자의 면적율을 A(%), 상기 DLC층의 두께를 T(μm)로 하면, A≥0.5×T이다.
경질 입자의 면적율 A(%)와 DLC층의 두께 T(μm)란, 슬라이딩 시의 마찰에 영향을 준다. 즉, 어느 경질 입자의 면적율에 대해 DLC층의 두께가 얇을 때, 또는 어느 DLC층의 두께에 대해서 경질 입자의 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 경질 입자의 면적율 A(%)와 DLC층의 두께 T(μm)를 관련 지을 수 있다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, 상기 DLC층의 경도를 H(HV), 상기 DLC층의 두께를 T(μm)로 하면, H≤10000/T이다.
DLC층의 경도를 H(HV)로 하고, 그 두께를 T(μm)로 하면, H≤10000/T 일 때, 경질 입자가 상기에서 설명한 바와 같은 DLC층의 경도 차이의 발현에 주는 영향은 커진다. 즉, DLC층의 경도에 대한 두께를 상기 범위에 제어하면, 내마모성이 뛰어난 DLC층의 슬라이딩 면에 있어 경질 입자의 유무에 의한 그라파이트화를 효과적으로 촉진하기 쉽다. 따라서, DLC층의 경도와 두께를 상관 시키는 것으로, 마찰 계수의 저감과 내마모성의 향상을 모두 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재에서는, 상기 DLC층은, H≤6000이고, 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 Cu기재 베어링 합금층으로부터 노출하는 경질 입자를 반영한 요철이 형성되기 쉬워진다. 이 DLC층의 두께는, 플라스마 CVD법, PVD법등에 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. 이 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 Cu기재 베어링 합금층 경도의 1.1배 이상이며, 슬라이딩 대상이 되는 상대방의 상대 부재의 경도의 0.9배 이하이다.
DLC층의 경도를 Cu기재 베어링 합금층의 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 것에 의해, DLC층 및 상대 부재의 마모를 모두 저감할 수 있다.
또, Cu기재 베어링 합금층과 DLC층 사이에는, 상호간의 결합력을 높이기 위해서 중간층을 설치해도 좋다. 중간층은, 예를 들면 Si, Ti, Cr, W등의 금속이나 탄화물, 질화물로 이루어지는 층이 바람직하다. 중간층은, 두께 방향으로 조성을 변화시켜도 괜찮다. 예를 들면 SiC계나 TiC계 등을 이용하는 경우, Cu기재 베어링 합금층 측의 Si나 Ti의 농도를 높여 DLC층 측의 C의 농도를 높인 조성으로 해도 좋다.
본 발명의 슬라이딩 부재는 Cu기재 베어링 합금층 위에 DLC층을 형성하는 것에 의해, 상대방의 축 부재와의 사이의 마찰을 저감할 수 있다. 또, 종래의 ㅅ그리슬라이딩 부재에 비해 Cu기재 베어링 합금층과 DLC층과의 사이에 높은 결합력을 얻을 수 있고 내소부성을 높일 수 있어 저마찰화를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태의 슬라이딩 부재를 개략적으로 나타내 보이는 단면도
도 2는 일실시 형태의 슬라이딩 부재에 대해 Cu기재 베어링 합금층의 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 실시에 제품 및 비교에 제품을 나타내는 개략도
도 7은 DLC층의 경도와 두께와의 관계를 나타내는 개략도
본 실시 형태의 슬라이딩 부재를 도 1에 나타낸다.b도 1에 나타내는 슬라이딩 부재(1)는, Cu기재 베어링 합금층(2) 및 DLC층(3)을 갖추고 있다. Cu기재 베어링 합금층(2)은, 도시하지 않는 뒤에 덧대는 층 위에 설치되어 있다. DLC층(3)은, Cu기재 베어링 합금층(2) 위에 설치되고 있다. Cu기재 베어링 합금층(2)은, 도 2에 나타낸 바와 같이 Cu 매트릭스(2a)와 경질 입자(2b)로 구성되어 있다. 즉, Cu기재 베어링 합금층(2)은, Cu를 주성분으로 하는 Cu 매트릭스(2a) 중에 경질 입자(2b)를 포함하고 있다. 이 Cu기재 베어링 합금층(2)에 포함되는 경질 입자(2b)는, 적어도 일부가 Cu기재 베어링 합금층(2)의 DLC층(3)측의 면에 노출하고 있다. 여기서 노출이란, 경질 입자(2b)가 Cu기재 베어링 합금층(2)의 DLC층(3) 측의 면과 동일한 평면상에 위치하는 상태, 또는 경질 입자(2b)가 그 면으로부터 DLC층(3)측에 내민 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, Cu기재 베어링 합금층(2)의 DLC층(3) 측의 면에 노출하는 경질 입자(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, Cu기재 베어링 합금층(2)으로부터 노출하는 경질 입자(2b)의 형상과 관계없이 평탄면(3a)를 형성한다.
또, 제3의 형성 속도로 DLC층(3)을 형성했을 때, DLC층(3)은 도 5에 나타내는 형상이 된다. 즉, DLC층(3)의 슬라이딩 면은, Cu기재 베어링 합금층(2)의 DLC층(3)측의 면에 노출하는 경질 입자(2b)의 형상을 반영한 오목부(5)를 형성한다.
다음에, 본 실시 형태의 슬라이딩 부재의 제조 방법에 대해 설명한다.
우선, Cu분말은, 입자 지름이 미리 소정의 크기로 조정된 경질 입자, 및 그 외의 성분의 분말과 소정의 질량의 비율로 혼합된다. 본 실시 형태의 경우, 경질 입자는 Mo2C이다. Cu분말은, 이것에 대신하여, CuSnNi 합금, 또는 CuSnNiZn 합금 등으로 이루어진 Cu합금 분말을 이용해도 괜찮다. 또, 경질 입자는, 2 종류 이상을 혼합해 이용해도 괜찮다.
다음으로, Cu분말과 경질 입자가 혼합된 혼합 분말은, 두께 1.3 mm의 띠 모양의 강판에 살포된다. 이 띠 모양의 강판은, 뒤에 덧대는 층에 상당하고, 미리 Cu도금층이 피착되어 있다. 다음으로, 분말이 살포된 강판은, 환원성의 분위기에서 800~950℃로 약 15분간 가열된다. 이것에 의해, 분말이 살포된 강판은, 첫 번째 소결이 이루어진다. 그 결과, Cu분말과 경질 입자가, Cu기재 베어링 합금층을 형성한다. 그 후, Cu기재 베어링 합금층이 형성된 강판은, 치밀화를 위해서 롤 압연 및 소결이 반복된다. 이것에 의해, Cu기재 베어링 합금층이 형성된 강판은, Cu기재 베어링 합금층의 두께가 약 0.4 mm이며, 전체의 두께가 약 1.6 mm의 이른바 바이메탈로 형성된다. 형성된 바이메탈은, 반원 통 모양으로 형성된다.
반원 통 모양으로 형성된 바이메탈은, 그 내주면에, 일반적인 플라스마 CVD법 또는 PVD법 등에 의해서 DLC층을 형성한다. 이것에 의해, 반원 통 모양의 슬라이딩 부재를 얻을 수 있다.
상기의 순서로 형성한 슬라이딩 부재의 시료를 이용하여 마찰 계수에 대해 검증했다.
실시예 제품은, 상기에서 설명한 본 실시 형태의 슬라이딩 부재에 근거하는 제조 방법으로 얻었다. 또, 실시예 제품은, DLC층의 형성 속도를 조정하는 것으로써, 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. 또, 실시예 제품 4~실시예 제품 24, 및 비교예 제품 1은, 모두 제2의 형성 속도로 DLC층을 형성하고 있다. 여기서 검증의 비교로서 채용한 비교예 제품 1은, Cu기재 베어링 합금층에 경질 입자를 함유하고 있지 않다. 또, 비교예 제품 2는, DLC층을 갖추지 않았다. 도 6에 근거하여, 실시예 제품 및 비교예 제품에 대해 설명한다.
(Cu기재 베어링 합금에 대해)
실시예 제품 1~실시예 제품 24, 비교예 제품 1, 및 비교예 제품 2의 Cu기재 베어링 합금층은, 모두 Sn를 6(질량%), Ni를 3(질량%), Bi를 5(질량%) 포함한 Cu를 주로 하는 구리 합금으로 형성되어 있다.
(경질 입자의 성분에 대해)
실시예 제품 1~실시예 제품 3, 및 비교예 제품 2를 구성하는 경질 입자는, Al2O3이다. 또, 실시예 제품 4, 실시예 제품 6, 실시예 제품 7, 및 실시예 제품 10 실시예 제품 24를 구성하는 경질 입자는, 모두 Mo2C이다. 실시예 제품 5, 실시예 제품 8, 및 실시예 제품 9를 구성하는 경질 입자는, TiSi2이다. 즉, 실시예 제품 1~실시예 제품 3, 및 비교예 제품 2를 제외한 다른 실시예 제품의 경질 입자는, 모두 금속의 규화물 또는 금속의 탄화물이다.
(경질 입자의 평균 입경에 대해)
실시예 제품 1~실시예 제품 8, 실시예 제품 10~실시예 제품 24, 및 비교예 제품 2의 경우, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자의 평균 입경은, 0.520(μm)이다. 이것에 대해, 실시예 제품 9의 경우, 경질 입자의 평균 입경은 25(μm)이다.
(경질 입자의 상호간의 평균 거리에 대해)
실시예 제품 1~실시예 제품 6, 실시예 제품 8, 실시예 제품 10~실시예 제품 12, 및 실시예 제품 14~실시예 제품 24의 경우, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자의 상호간의 평균 거리는, 모두 350(μm)이다. 이것에 대해, 실시예 제품 7은 경질 입자 상호간의 평균 거리가 80(μm), 실시예 제품 9는 경질 입자 상호간의 평균 거리가 90(μm), 실시예 제품 13은 경질 입자 상호간의 평균 거리가 55(μm)로 각각 설정되어 있다.
(경질 입자의 면적율에 대해)
실시예 제품 1~실시예 제품 6, 실시예 제품 8, 실시예 제품 10, 실시예 제품 12, 실시예 제품 14, 실시예 제품 15, 및 실시예 제품 17~실시예 제품 24의 경우, 경질 입자의 면적율은, 모두 0.1~14(%)를 차지하고 있다. 이것에 대해, 실시예 제품 7은 경질 입자의 면적율이 0.08(%), 실시예 제품 9는 경질 입자의 면적율이 0.07(%), 실시예 제품 11 및 실시예 제품 13은 경질 입자의 면적율이 0.09(%), 실시예 제품 16은 경질 입자의 면적율이 0.05(%)이며, 모두 경질 입자의 면적율이 0.1(%)보다 작다.
(DLC층의 경도와 두께와의 관계에 대해)
실시예 제품 1~실시예 제품 24는, 모두 DLC층의 경도 H(HV)와 두께 T(μm)와의 관계가 H≤10000/T를 만족한다. 여기서, DLC층의 경도 H와 두께 T와의 사이에는, 도 7에 나타내는 관계가 있다. 이 때, 실시예 제품 1~실시예 제품 24는, 도 7에 나타내는 H≤10000/T로 이끌리는 곡선보다 원점에 가까운 영역에 존재한다.
(경질 입자의 면적율과 DLC층의 두께와의 관계에 대해)
실시예 제품 1~실시예 제품 6, 실시예 제품 8, 실시예 제품 10, 실시예 제품 12, 실시예 제품 15, 및 실시예 제품 17~실시예 제품 24는, 모두 Cu기재 베어링 합금층의 DLC측의 면에 노출하는 경질 입자의 면적율 A(%)와 DLC층의 두께 T와의 관계가 A≥0.5×T를 만족한다. 이것에 대해, 실시예 제품 7, 실시예 제품 9, 실시예 제품 11, 실시예 제품 13, 실시예 제품 14, 및 실시예 제품 16은, 모두 A＜0.5×T이다.
(밀착성 시험에 대해)
도 6에 나타내는 실시예 제품 1~실시예 제품 24, 및 비교예 제품 1은, 모두 Cu기재 베어링 합금층과 DLC층과의 밀착성을 시험했다. 여기에서는, DLC층의 밀착성은, DLC층에 박리 하중을 더해 DLC층을 당겨 벗기는 것으로 시험했다. 구체적으로는, DLC층은, 0(N)~300(N)의 박리 하중이 연속적으로 더해진다. 이 때, DLC층에 박리 하중을 더하면서 이동하는 거리는, 10(mm)으로 설정하였다. 또, 박리 하중을 더하는 상대가 되는 구상 부재는, 재질이 크롬강철(SUJ2)이며, 직경이 3(mm)이다.또, 박리 하중을 더할 때, 슬라이딩 부재와 구상 부재와의 사이에는, 윤활유를 10(마이크로리터) 공급했다.
각 시료에 DLC층의 박리가 생겼을 때의 박리 하중은, 도 6에 나타내는 대로이다. 여기에 의하면, 실시예 제품 1~실시예 제품 24는, 모두 박리 하중이 110(N) 이상인 것을 알 수 있다. 이것에 대해, 비교예 제품 1은, 박리 하중이 100(N)이다.이것으로부터, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 경질 입자가 노출한 본 실시 형태의 실시예 제품 1~실시예 제품 24는, 경질 입자를 포함하지 않는 비교예 1과 비교하여, DLC층의 밀착성이 향상하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측의 면에 노출한 경질 입자는, DLC층과 Cu기재 베어링 합금층 사이의 결합력을 높이는데 기여하고 있는 것이 분명하다.
경질 입자의 성분이 박리 하중에 주는 영향은, 실시예 제품 2, 실시예 제품 4 및 실시예 제품 5로 검증한다. 도 6에 의하면, 경질 입자의 성분이 금속의 탄화물인 Mo2C로 이루어지는 실시예 제품 4, 및 경질 입자의 성분이 금속의 규화물인 TiSi2로 이루어지는 실시예 제품 5는, 경질 입자의 성분이 금속의 산화물인 Al2O3로이루어지는 실시예 제품 1과 비교해 박리 하중이 향상하고 있다. 이것으로부터, 경질 입자는, 금속의 탄화물 또는 금속의 규화물로 형성하는 것에 의해, Cu기재 베어링 합금층과 DLC층의 결합에 기여가 높아지는 것을 알 수 있다.
경질 입자의 평균 입경은, 20(μm) 이하가 되면, 박리 하중 즉 Cu기재 베어링 합금층과 DLC층 사이의 결합력에 기여가 커지는 것을 알 수 있다. 즉, 경질 입자의 평균 입경이 20(μm)을 넘는 실시예 제품 9보다, 다른 근사 조건의 실시예 제품이 박리 하중이 향상하고 있다. 이것으로부터, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측에 노출하는 경질 입자는, 평균 입경이 20(μm) 이하인 것이 보다 바람직하다.
또, 경질 입자의 상호 사이의 평균 거리는, 50(μm) 이하가 되면, Cu기재 베어링 합금층과 DLC층 사이의 결합력에의 기여가 커지는 것을 알 수 있다. 즉, 경질 입자의 상호 사이의 평균 거리가 50(μm)을 넘는 실시예 제품 7, 실시예 제품 9, 및 실시예 제품 13보다, 다른 근사 조건의 실시예 제품이 박리 하중이 향상하고 있다. 이것으로부터, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측에 노출하는 경질 입자는, 상호 사이의 평균 거리가 50(μm) 이하인 것이 보다 바람직하다.
또, 경질 입자의 면적율 A는, 0.1(%) 이상이 되면, Cu기재 베어링 합금층과 DLC층 사이의 결합력에의 기여가 커지는 것을 알 수 있다. 즉, 경질 입자의 면적율이 0.1(%) 미만이 되는 실시예 제품 7, 실시예 제품 9, 실시예 제품 11, 실시예 제품 13, 및 실시예 제품 16보다, 다른 근사 조건의 실시예 제품이 박리 하중이 향상하고 있다. 이것으로부터, Cu기재 베어링 합금층의 DLC층 측에 노출하는 경질 입자는, 면적율이 0.1(%) 이상인 것이 보다 바람직하다.
(소부시험에 대해)
도 6에 나타내는 실시예 제품 1~실시예 제품 24, 및 비교예 제품 1~비교예 제품 2는, 저마찰화에 의해 내소부성이 향상한다고 하는 관점으로부터, 마찰 계수의 저수치화를 확인하기 위해서, 모두 내소부성에 대해 시험했다. 여기서, 내소부성은, 다음의 조건으로 시험했다. 시험의 대상이 되는 시료는, 상대방이 되는 축 부재와의 사이에 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. 또, 실시예 제품 23에서는 탄소강(S55C)을 담금질한 축 부재를 이용하고 실시예 제품 21, 24에서는 탄소강(S55C)에 DLC를 코팅한 축 부재를 이용했다.
시료에 소부가 생겼을 때의 면압(MPa)은, 도 6에 나타내는 대로이다. 시료는, 슬라이딩 면과는 반대의 배면 측에서 온도가 250(℃)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 24는, 모두 소부시의 면압이 19(MPa) 이상이다. 이것에 대해, 비교예 제품 1 및 비교예 제품 2는, 소부시의 면압이 11(MPa) 이하이다. 이것으로부터, DLC층 측의 면에 경질 입자가 노출하는 Cu기재 베어링 합금층 상에 DLC층을 형성한 실시예 제품 1~실시예 제품 24는, 소부면압이 향상, 즉 내소부성이 높은, 나아가서는 마찰 계수가 작은 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 제품 1~실시예 제품 6, 실시예 제품 8, 실시예 제품 10, 실시예 제품 12, 실시예 제품 15, 및 실시예 제품 17~실시예 제품 24는, DLC층의 두께 T와 경질 입자의 면적율 A를 소정의 관계로 규정하고 있다. 이것에 의해, 실시예 제품 1~실시예 제품 6, 실시예 제품 8, 실시예 제품 10, 실시예 제품 12, 실시예 제품 15, 및 실시예 제품 17~실시예 제품 24는, 모두 근사의 조건으로 형성한 실시예 제품과 비교해 내소부성이 향상하고 있다.
도 6에 나타내는 실시예 제품 1~실시예 제품 20, 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 21 및 실시예 제품 24의 경우, 상대방의 축 부재는, 탄소강(S55C)의 슬라이딩 면에 DLC층을 코팅하고 있다. 즉, 실시예 제품 21의 경우, 상대방의 축 부재의 슬라이딩부에 있어서의 경도는, 5000(HV)이다. 실시예 제품 24의 경우, 상대방의 축 부재의 슬라이딩부에 있어서의 경도는, 2000(HV)이다. 또, 실시예 제품 23의 경우, 상대방의 축 부재는, 탄소강(S55C)에 담금질한 것이고, 슬라이딩부에 있어서의 경도가 700(HV)이다. 또, 실시예 제품 20의 경우, 상대방의 축 부재의 슬라이딩부에 있어서의 경도가 600(HV)인데 대해, DLC층의 경도는 500(HV)으로 설정해져 있다. 실시예 제품 22의 경우, 상대방의 축 부재의 슬라이딩부에 있어서의 경도가 600(HV)인데 대해, DLC층의 경도는 110(HV)으로 설정해져 있다. 이와 같이, DLC층의 경도를 상대방의 축 부재의 슬라이딩부에 있어서의 경도의 0.9배 이하로 설정한 실시예 제품 20~실시예 제품 24는, 소부면압의 향상을 도모되고 있다. 즉, DLC층의 경도를 상대방의 축 부재의 슬라이딩부에 있어서의 경도의 0.9배 이하로 설정한 실시예 제품 20~실시예 제품 24는, 이 경도의 조건을 채우지 않는 경우와 비교해 마모가루의 발생이 감소해, 소부면압이 향상한다.
(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 Cu합금의 성분, 경질 입자의 성분, 경질 입자의 평균 입경, 및 경질 입자의 입자간의 평균 거리 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 작은 것으로부터, 실시예 제품 4~실시예 제품 24, 및 비교예 제품 1에서는 제2의 형성 속도로 DLC층을 형성하고 있다.
이상 설명한 실시예 제품 1~실시예 제품 24는, Cu기재 베어링 합금층 위에 DLC층을 형성하는 것에 의해, 상대방의 축 부재와의 사이의 마찰을 저감할 수 있다. 그리고, 실시예 제품 1~실시예 제품 24는, 비교예 제품 1 및 비교예 제품 2에 비해, Cu기재 베어링 합금층과 DLC층과의 사이에 높은 결합력을 얻을 수 있고 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; Cu기재 베어링 합금층
3; DLC층
2a; Cu 매트릭스
2b; 경질 입자
3a; 평탄면
4; 돌기부
5; 오목부

Claims (9)

  1. 경질 입자를 포함하고 Cu를 주체로 하는 Cu기재 베어링 합금층과
    상기 Cu기재 베어링 합금층에 적층되어 있는 DLC층을 구비하고,
    상기 Cu기재 베어링 합금층에 포함되는 상기 경질 입자의 적어도 일부는, 상기 DLC층 측의 면에 노출하고, 상기 DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자는, 상호 사이의 평균 거리가 3~50(μm)인 슬라이딩 부재.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 경질 입자는, 붕화물, 규화물, 산화물, 질화물, 탄화물 및 금속간 화합물로부터 되는 군으로부터 선택되는 적어도 한 종류의 화합물이며,
    상기 경질 입자의 입자 지름은, 평균 0.5~20(μm)인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 부재.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 경질 입자는, 금속의 규화물 또는 금속의 탄화물인 슬라이딩 부재.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 DLC층 측의 면의 총 면적에 대한 상기 DLC층 측의 면에 노출하고 있는 경질 입자의 면적율은, 0.1~14(%)인 슬라이딩 부재.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 DLC층 측의 면에 노출하는 경질 입자의 면적율을 A(%), 상기 DLC층의 두께를 T(μm)로 하면,
    　A≥0.5×T
    인 슬라이딩 부재.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 DLC층의 경도를 H(HV), 상기 DLC층의 두께를 T(μm)로 하면,
    　H≤10000/T
    인 슬라이딩 부재.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 DLC층은, H≤6000이고, T≤15인 슬라이딩 부재.
  9. 제 1항 내지 제 3항, 제 5항 내지 제 8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 DLC층의 경도는, 상기 Cu기재 베어링 합금층의 경도의 1.1배 이상이며, 슬라이딩 대상이 되는 상대방의 상대 부재의 경도의 0.9배 이하인 슬라이딩 부재.
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