WO2017043022A1 - 摺動部材及びピストンリング - Google Patents

摺動部材及びピストンリング Download PDF

Info

Publication number
WO2017043022A1
WO2017043022A1 PCT/JP2016/003742 JP2016003742W WO2017043022A1 WO 2017043022 A1 WO2017043022 A1 WO 2017043022A1 JP 2016003742 W JP2016003742 W JP 2016003742W WO 2017043022 A1 WO2017043022 A1 WO 2017043022A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
carbon film
laminated
sliding member
thickness
film
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/003742
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
章郎 篠原
Original Assignee
株式会社リケン
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社リケン filed Critical 株式会社リケン
Priority to US15/758,447 priority Critical patent/US10655208B2/en
Publication of WO2017043022A1 publication Critical patent/WO2017043022A1/ja

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0605—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
    • C23C14/025—Metallic sublayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/343—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one DLC or an amorphous carbon based layer, the layer being doped or not
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
    • C23C28/44—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by a measurable physical property of the alternating layer or system, e.g. thickness, density, hardness
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/043—Sliding surface consisting mainly of ceramics, cermets or hard carbon, e.g. diamond like carbon [DLC]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/12—Structural composition; Use of special materials or surface treatments, e.g. for rust-proofing
    • F16C33/122—Multilayer structures of sleeves, washers or liners
    • F16C33/125—Details of bearing layers, i.e. the lining
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/24—Brasses; Bushes; Linings with different areas of the sliding surface consisting of different materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2206/00—Materials with ceramics, cermets, hard carbon or similar non-metallic hard materials as main constituents
    • F16C2206/02—Carbon based material
    • F16C2206/04—Diamond like carbon [DLC]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2223/00—Surface treatments; Hardening; Coating
    • F16C2223/30—Coating surfaces
    • F16C2223/60—Coating surfaces by vapour deposition, e.g. PVD, CVD
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1025—Construction relative to lubrication with liquid, e.g. oil, as lubricant

Definitions

  • the present invention relates to a sliding member, particularly a sliding member that requires high reliability such as an automobile part.
  • DLC diamond-like carbon
  • Patent Documents 1 to 3 are known in which a laminated carbon film formed by alternately laminating a high hardness carbon film and a low hardness carbon film is formed on the sliding surface. In this technique, the stress of the entire laminated carbon film is relieved by the low-hardness carbon coating, so that the adhesion of the laminated carbon film to the substrate can be obtained.
  • Patent Document 1 a low density carbon film having a density of 2.2 g / cm 3 or less and a high density carbon film having a density of 2.3 to 3.2 g / cm 3 are alternately laminated.
  • a DLC multilayer film in which the thickness T1 is 0.4 to 30 nm, the thickness T2 of the high-density carbon layer is 0.4 to 10 nm, and T1 / T2 is 0.2 to 5 is described.
  • Patent Document 2 in a piston ring in which a carbon-based film is coated on a sliding surface, the film is a laminated film in which two or more layers having different hardnesses are laminated, and the hardness of the two types of layers.
  • the difference is 500 to 1700 HV
  • the piston ring is characterized in that the high hardness layer has a thickness equal to or greater than the thickness of the low hardness layer, and the total thickness of the coating is 5.0 ⁇ m or more. Has been.
  • Patent Document 3 in a diamond-like carbon film formed on a substrate via a bonding layer, a soft carbon film having a hardness of 500 to 2000 Hv and having substantially no hydrogen in the upper layer of the bonding layer, and a hardness of 2000 to A high toughness diamond-like carbon film layer is formed by alternately stacking four or more hard carbon films having substantially no hydrogen content of 4000 Hv, and 500 to 2000 Hv is formed on the upper layer of the high-toughness diamond-like carbon film layer.
  • a diamond-like carbon film characterized by forming a lubricious diamond-like carbon film layer containing hydrogen is described.
  • the high hardness (high density) carbon film ensures the wear resistance of the laminated carbon film as a whole, that is, the durability of the sliding member, while the low hardness (low density).
  • the carbon film relaxes the stress of the entire laminated carbon film to ensure the adhesion of the laminated carbon film to the substrate.
  • a very severe sliding environment of high temperature and high surface pressure is obtained. Therefore, in recent years, it has been desired for the sliding member to achieve both wear resistance and film adhesion even under the above severe sliding conditions.
  • the techniques of Patent Documents 1 to 3 are not sufficient in terms of achieving both wear resistance and film adhesion under the severe sliding conditions as described above.
  • an object of the present invention is to provide a sliding member and a piston ring that are excellent in both wear resistance and film adhesion even under severe sliding conditions.
  • Patent Document 1 describes that the thickness ratio of T1 / T2 is 0.2 to 5, as long as the high-hardness carbon film and the low-hardness carbon film are laminated, either one may be thicker.
  • Patent Document 2 only discloses that the thickness of the low-hardness carbon film is smaller than the thickness of the high-hardness carbon film.
  • Patent Document 3 does not pay any attention to the thickness ratio.
  • the gist configuration of the present invention is as follows. (1) A sliding member used under lubricating oil, A substrate; A metal intermediate layer formed on the sliding surface side of the substrate; A laminated carbon film formed on the metal intermediate layer, wherein the first carbon film and the second carbon film are alternately laminated; A hard carbon film formed on the laminated carbon film; Have The image in the bright field observation of the transmission electron microscope of the first carbon film is brighter than the image in the bright field observation of the transmission electron microscope of the second carbon film, The thickness of the first carbon film is T1, the thickness of the second carbon film is T2, and T2 is 10 nm to 1000 nm and T1 / T2 is 0.010 to 0.60. Moving member.
  • the thickness of the laminated carbon film is T3, the thickness of the hard carbon film is T4, T3 is 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and T3 / T4 is 2 or more and 20 or less, (1) or ( The sliding member as described in 2).
  • the metal intermediate layer is made of one or more elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Co, V, Mo, Si, and W or a carbide thereof, and the thickness of the metal intermediate layer is 0.1 ⁇ m or more.
  • a piston ring comprising the sliding member according to any one of (1) to (6) above, wherein an outer peripheral surface of the piston ring is the sliding surface.
  • the sliding member and piston ring of the present invention are excellent in both wear resistance and film adhesion even under severe sliding conditions.
  • a sliding member 100 Referring to FIG. 1, a sliding member 100 according to an embodiment of the present invention is used under lubricating oil, and a base material 10 and a metal formed on the sliding surface 10A side of the base material.
  • An intermediate layer 12 a laminated carbon film 18 formed on the metal intermediate layer, in which the first carbon film 14 and the second carbon film 16 are alternately laminated, and the laminated carbon film are formed.
  • Hard carbon film 20 The laminated carbon film 18 and the hard carbon film 20 are collectively referred to as “carbon coating” hereinafter.
  • the material of the base material 10 is not particularly limited as long as it has a strength necessary for the base material of the sliding member.
  • preferable materials for the substrate 10 include steel, martensitic stainless steel, austenitic stainless steel, high-grade cast iron, and the like.
  • the sliding member 100 of this embodiment is a seal ring such as CVT
  • the material of the base material 10 is a resin
  • the sliding member 100 is a vane of a compressor
  • the material of the base material 10 is an aluminum alloy. It is done.
  • the metal intermediate layer 12 has a function of relaxing the stress at the interface with the substrate 10 and improving the adhesion of the laminated carbon film 18 by being formed between the substrate 10 and the laminated carbon film 18.
  • the metal intermediate layer 12 is preferably made of one or more elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Co, V, Mo, Si, and W or a carbide thereof.
  • the thickness of the metal intermediate layer 12 is preferably 0.1 ⁇ m or more and 0.6 ⁇ m or less, and more preferably 0.2 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less. When the thickness is less than 0.1 ⁇ m, there is a possibility that the function of improving the adhesion of the laminated carbon film 18 may not be sufficiently obtained. When the thickness exceeds 0.6 ⁇ m, the metal intermediate layer 12 is plastically flowed during sliding. This is because the laminated carbon film 18 is easily peeled off.
  • Examples of the method for forming the metal intermediate layer 12 include a sputtering method.
  • the substrate 10 after cleaning is placed in a vacuum chamber of a PVD film forming apparatus, and a metal intermediate layer 12 is formed by sputtering discharge of a metal target with Ar gas introduced.
  • the metal target may be selected from Cr, Ti, Co, V, Mo, Si and W.
  • the thickness of the metal intermediate layer 12 can be adjusted by the discharge time of the metal target.
  • the laminated carbon film 18 is formed by alternately laminating the first carbon film 14 and the second carbon film 16.
  • the first carbon film 14 is a low hardness (low density) carbon film, and has a function of relaxing the stress of the entire laminated carbon film 18 and ensuring the adhesion of the laminated carbon film 18 to the base material 10.
  • the second carbon film 16 is a high hardness (high density) carbon film and has a function of ensuring the wear resistance of the laminated carbon film 18 as a whole, that is, the durability of the sliding member.
  • the difference in hardness and density as described above between the first carbon film 14 and the second carbon film 16 can be grasped as a difference in brightness of an image (TEM image) in bright field observation of a transmission electron microscope. it can. Since the electron dose to be transmitted increases as the density decreases, the TEM image of a substance having the same composition becomes brighter and whiter as the density decreases. Therefore, in this embodiment, the TEM image of the first carbon film 14 becomes brighter than the TEM image of the second carbon film 16.
  • the actual hardness and density of the first carbon film 14 and the second carbon film 16 are measured by using a microindentation hardness tester, GIXA method (oblique incidence X-ray analysis method). It can measure by the measurement by GIXR method (X-ray reflectivity measuring method).
  • GIXA method oblique incidence X-ray analysis method
  • GIXR method X-ray reflectivity measuring method
  • the Martens hardness of the first carbon film 14 is preferably 5 to 13 GPa
  • the Martens hardness of the second carbon film 16 is preferably 13 to 26 GPa.
  • the density of the second carbon film 16 is higher than the density of the first carbon film 14.
  • a metal thin film having a thickness of 100 nm or less between the first carbon film 14 and the second carbon film 16 adjacent to each other in the laminated carbon film 18.
  • This thin metal layer has a function of improving the adhesion between the first carbon layer 14 and the second carbon layer 16 and further improving the durability of the sliding member.
  • the metal intermediate layer 12 one or more elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Co, V, Mo, Si, and W or carbides thereof can be used for the metal thin layer. It is preferable to use an element that forms the metal intermediate layer 12. More preferably, the thickness of the metal thin film is 50 nm or less.
  • the first carbon film 14 and the second carbon film 16 are substantially made of only amorphous carbon (DLC). Amorphous carbon can be confirmed by Raman spectrum measurement using a Raman spectrophotometer (Ar laser). Further, it is preferable that the first carbon film 14 and the second carbon film 16 do not substantially contain hydrogen.
  • substantially free of hydrogen means that the hydrogen content in the film is 10 atm% or less by HFS (HydrogeningForwardatterScattering) analysis, and the balance is substantially composed of carbon. Means. The hydrogen content is preferably 5 atm% or less.
  • the first carbon film 14 and the second carbon film 16 can be formed using, for example, a PVD method such as ion plating.
  • the PVD method can form an amorphous carbon film that has almost no hydrogen and has high hardness and excellent wear resistance.
  • the bias voltage applied to the substrate is set high.
  • the bias voltage is increased, the kinetic energy of the carbon ions that collide with the substrate increases, so that carbon is not deposited on the substrate surface, but is repelled from the substrate surface by sputtering. For this reason, the first carbon film to be formed has an amorphous and rough structure, and therefore the density is low.
  • the bias voltage is increased, the base material temperature is increased by irradiation with high-energy carbon ions, so that the residual stress of the first carbon film is relaxed and the adhesion to the base material is improved.
  • the second carbon film 16 having a high film density can be formed by setting the bias voltage applied to the substrate low.
  • each first carbon film 14 is T1 and the thickness of each second carbon film 16 is T2
  • T2 is more than 10 nm and 1000 nm or less
  • T1 / T2 is 0.010 or more and 0.60. It is important that: First, regarding T2, when T2 is 10 nm or less, the hard second carbon film 16 is too thin, so that sufficient wear resistance under severe sliding conditions cannot be obtained, and when T2 exceeds 1000 nm. The hard second carbon film 16 is too thick, and the laminated carbon film 18 is liable to peel off under severe sliding conditions, so that sufficient film adhesion cannot be obtained.
  • T2 is preferably 100 nm or more and 600 nm or less.
  • T1 / T2 is preferably 0.010 or more and 0.4 or less.
  • the total thickness T3 of the laminated carbon film 18 is preferably 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and more preferably 5 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • T3 is less than 3 ⁇ m, the effect of relaxing the stress of the entire laminated carbon film 18 becomes insufficient, and the adhesion of the laminated carbon film 18 to the base material 10 may not be sufficiently obtained, and T3 exceeds 20 ⁇ m. In this case, there is a possibility that the wear resistance of the laminated carbon film 18 as a whole, that is, the durability of the sliding member cannot be obtained sufficiently.
  • the thickness T1 of the first carbon film 14 and the thickness T2 of the second carbon film 16 can be adjusted by high voltage and low voltage bias application times, respectively. Further, the thickness T3 of the laminated carbon film 18 can be adjusted by the number of laminations of the first and second carbon films and the arc discharge time of the carbon cathode.
  • the position of the laminated carbon film 18 in contact with the metal intermediate layer 12 may be the first carbon film 14 or the second carbon film 16, but is preferably the first carbon film 14.
  • the position of the laminated carbon film 18 in contact with the hard carbon film 20 may be the first carbon film 14 or the second carbon film 16, but is preferably the second carbon film 16.
  • the hard carbon film 20 has a function of ensuring the wear resistance of the carbon coating, that is, the durability of the sliding member, as the uppermost layer on the sliding surface of the sliding member.
  • the hard carbon film 20 consists essentially of amorphous carbon (DLC). Further, similarly to the first carbon film 14 and the second carbon film 16, it is preferable that the hard carbon film 20 does not substantially contain hydrogen.
  • the Martens hardness of the hard carbon film 20 is 6 GPa or more and 30 GPa or less. If it is less than 6 GPa, there is a possibility that the durability of the sliding member cannot be sufficiently secured. If it exceeds 30 GPa, the hard carbon film may be likely to be deficient or chipped.
  • the thickness T4 of the hard carbon film 20 is preferably set so that T3 / T4 is 2 or more and 20 or less, more preferably 5 or more and 15 or less.
  • T3 / T4 is 2 or more and 20 or less, more preferably 5 or more and 15 or less.
  • the hard carbon film 20 can be formed using a PVD method such as ion plating, for example, in the same manner as the laminated carbon film 18.
  • a PVD method such as ion plating
  • the hardness can be adjusted by a bias voltage applied to the substrate.
  • piston ring 200 by one Embodiment of this invention consists of the said sliding member 100, and the outer peripheral surface 30 is taken as the laminated structure of the carbon film shown in FIG.
  • the outer peripheral surface 30 used as a sliding surface is excellent in both abrasion resistance and film adhesion even under severe sliding conditions.
  • the inner peripheral surface 32 and the upper and lower surfaces 34A and 34B of the piston ring do not need to have the carbon film laminated structure shown in FIG.
  • the sliding member 100 can be applied to various products such as a valve lifter, a vane, a rocker arm, and a seal ring in addition to the piston ring.
  • the metal intermediate layer and the carbon film (laminated carbon film, hard carbon film) described in Table 1 and Table 2 were formed on the outer peripheral surface of the piston ring under the following conditions.
  • the metal intermediate layer is formed by subjecting the piston ring body (base material) to ultrasonic cleaning with acetone and isopropyl alcohol and then placing it in the vacuum chamber of the PVD film forming apparatus. Formed by discharge.
  • the type of metal target was selected from Cr, Ti, and W. The thickness of the metal intermediate layer was adjusted by the discharge time of the metal target.
  • a laminated carbon film was continuously formed in the same chamber.
  • a laminated carbon film is formed by vacuum arc discharge of a carbon target, and a low-density carbon layer and a high-density carbon layer are alternately laminated by alternately switching the bias voltage applied to the piston ring during discharge between a high voltage and a low voltage. The resulting structure was obtained.
  • a hard carbon film was continuously formed in the same chamber.
  • the hard carbon film was formed by vacuum arc discharge of a carbon target in the same manner as the laminated carbon film.
  • the hardness was adjusted by a bias voltage applied to the piston ring body during film formation.
  • the cross section of the laminated carbon film was observed with a TEM in bright field.
  • the low density carbon film appeared bright and the high density carbon film appeared dark.
  • the measured value of each film in the cross-sectional TEM image was defined as thickness T1 and T2.
  • the thickness T3 of the laminated carbon film and the thickness T4 of the hard carbon film were also determined by bright field observation using TEM.
  • the Martens hardness of the hard carbon layer was measured using an ultra-fine indentation hardness tester manufactured by Elionix Co., Ltd. As a condition, the test was performed using a Belkovic indenter under a load at which the indentation depth was about 1/10 of the thickness of the hard carbon layer.
  • T1 / T2 is set to 0.010 or more and 0.60 or less, so that the above high temperature and high surface pressure are slid.
  • wear resistance and film adhesion were obtained.
  • T1 / T2 is less than 0.010, sufficient film adhesion cannot be obtained, and when T1 / T2 exceeds 0.60, sufficient wear resistance cannot be obtained.
  • the sliding member of the present invention can be preferably applied to a piston ring for an internal combustion engine having a curved sliding surface and a high contact surface pressure with a cylinder bore in the early stage of sliding.
  • the sliding member of the present invention is excellent in both wear resistance and film adhesion even under severe sliding conditions, and is particularly suitable as a piston ring for downsizing turbo engines with improved fuel efficiency corresponding to environmental conservation. Can be used for
  • Sliding member 10
  • Base material 10A
  • Metal intermediate layer 14
  • Second carbon film high hardness carbon film
  • Laminated carbon film 20
  • Hard carbon film 200
  • Piston ring 30
  • Inner peripheral surface 34A, 34B Upper and lower surfaces (upper and lower side surfaces)

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Sliding-Contact Bearings (AREA)

Abstract

厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れる摺動部材を提供する。 本発明は、潤滑油下で使用される摺動部材１００であって、基材１０と、該基材の摺動面１０Ａ側に形成された金属中間層１２と、該金属中間層上に形成され、第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６とが交互に積層されてなる積層炭素膜１８と、該積層炭素膜上に形成された硬質炭素膜２０とを有する。第１の炭素膜１４の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像は、第２の炭素膜１６の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像よりも明るい。そして、第１の炭素膜１４の厚さをT1、第２の炭素膜１６の厚さをT2として、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下であり、T1/T2が0.010以上0.60以下であることを特徴とする。

Description

摺動部材及びピストンリング
　本発明は、摺動部材、特に自動車部品などの高い信頼性を要求される摺動部材に関する。
　摺動部材の摺動面には、硬質炭素被膜を被覆して耐摩耗性を高めることが一般的に行われている。この炭素被膜には、ダイヤモンドライクカーボン（DLC）と呼ばれる非晶質炭素が用いられる。DLCの構造的本質は、炭素の結合としてダイヤモンド結合（SP3結合）とグラファイト結合（SP2結合）とが混在したものである。よって、DLCは、ダイヤモンドに類似した硬度、耐摩耗性、熱伝導性、化学安定性を有し、一方でグラファイトに類似した固体潤滑性を有することから、例えば自動車部品などの摺動部材の保護膜として好適である。
　ただし、硬質炭素被膜は内部応力が高く、硬度が非常に高いため、厚く形成すると基材との密着性が悪く、剥離しやすいという問題があった。そこで、高硬度な炭素被膜と低硬度な炭素被膜とを交互に積層してなる積層炭素膜を摺動面に形成する、特許文献１～３のような技術が知られている。この技術では、低硬度炭素被膜によって積層炭素膜全体の応力が緩和されるため、積層炭素膜の基材に対する密着性が得られる。
　特許文献１には、密度が2.2ｇ/cm3以下の低密度炭素膜と、密度が2.3～3.2ｇ/cm3の高密度炭素膜とを交互に積層してなり、前記低密度炭素膜の厚さT1が0.4～30ｎｍであり、前記高密度炭素層の厚さT2が0.4～10ｎｍであり、T1/T2が0.2～5であるDLC多層膜が記載されている。
　特許文献２には、炭素系皮膜が摺動面に被覆されたピストンリングにおいて、前記皮膜は硬度の異なる２種類の層が２層以上積層された積層皮膜であり、前記２種類の層の硬度差は500～1700ＨＶで、硬度の高い層が硬度の低い層の厚さと同一又はそれ以上の厚さを有し、皮膜全体の厚さが5.0μｍ以上であることを特徴とするピストンリングが記載されている。
　特許文献３には、基板上に結合層を介して形成されたダイヤモンド状炭素膜において、結合層の上層に硬度が500～2000Ｈｖの実質的に水素を含まない軟質炭素膜と、硬度が2000～4000Ｈｖの実質的に水素を含まない硬質炭素膜を交互に４層以上積層した高靭性ダイヤモンド状炭素膜層を形成し、最上層である該高靭性ダイヤモンド状炭素膜層の上層に500～2000Ｈｖの水素を含む潤滑性ダイヤモンド状炭素膜層を形成したことを特徴とするダイヤモンド状炭素膜が記載されている。
特開２００２－３２２５５５号公報 特開２０１２－２０２５２２号公報 特開２００８－１９５１号公報
　特許文献１～３の技術はいずれも、高硬度（高密度）炭素膜によって積層炭素膜全体としての耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性を確保し、一方で、低硬度（低密度）炭素膜によって積層炭素膜全体の応力を緩和して、積層炭素膜の基材に対する密着性を確保している。しかしながら、例えば、環境保全に対応して燃費を向上させたダウンサイジングターボエンジン用のピストンリングの場合、高温かつ高面圧という、非常に厳しい摺動環境となる。そのため、近年摺動部材には、上記のような厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性を両立させることが望まれている。しかし、特許文献１～３の技術では、上記のような厳しい摺動条件下での耐摩耗性及び被膜密着性を両立に関して十分ではなかった。
　本発明は上記課題に鑑み、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れる摺動部材及びピストンリングを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するべく、本発明者らが鋭意検討したところ、上記のような厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性を両立させるには、積層炭素膜において、低硬度炭素膜の厚さを高硬度炭素膜の厚さよりも小さくし、さらにその厚さの比を特定の範囲内に収めることが必須であることを見出した。これに対し特許文献１は、厚さの比に関してT1/T2が0.2～5と記載しているように、高硬度炭素膜と低硬度炭素膜は積層しさえすれば、どちらが厚くでもよいという程度の技術である。特許文献２も、低硬度炭素膜の厚さを高硬度炭素膜の厚さよりも小さくするということを開示するのみである。特許文献３は、厚さの比に何ら着目していない。本発明は、上記特許文献１～３では実現できない、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性を両立させるという目的を達成するために、低硬度炭素膜及び高硬度炭素膜の厚さを最適化するという、従来にない技術思想に基づいて完成されたものである。
　すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
　（１）潤滑油下で使用される摺動部材であって、
　基材と、
　該基材の摺動面側に形成された金属中間層と、
　該金属中間層上に形成され、第１の炭素膜と第２の炭素膜とが交互に積層されてなる積層炭素膜と、
　該積層炭素膜上に形成された硬質炭素膜と、
を有し、
　前記第１の炭素膜の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像が、前記第２の炭素膜の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像よりも明るく、
　前記第１の炭素膜の厚さをT1、前記第２の炭素膜の厚さをT2として、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下であり、T1/T2が0.010以上0.60以下であることを特徴とする摺動部材。
　（２）前記積層炭素膜の隣接する前記第１の炭素膜と前記第２の炭素膜との間に、厚さが100ｎｍ以下の金属薄膜を有する、上記（１）に記載の摺動部材。
　（３）前記積層炭素膜の厚さをT3、前記硬質炭素膜の厚さをT4として、T3が3μｍ以上20μｍ以下であり、T3/T4が2以上20以下である、上記（１）又は（２）に記載の摺動部材。
　（４）前記第１の炭素膜、前記第２の炭素膜及び前記硬質炭素膜が実質的に水素を含まない、上記（１）～（３）のいずれか一項に記載の摺動部材。
　（５）前記硬質炭素膜のマルテンス硬さが6GPa以上30GPa以下である、上記（１）～（４）のいずれか一項に記載の摺動部材。
　（６）前記金属中間層がCr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷからなる群から選択された一つ以上の元素またはその炭化物からなり、前記金属中間層の厚さが0.1μｍ以上0.6μｍ以下である、上記（１）～（５）のいずれか一項に記載の摺動部材。
　（７）上記（１）～（６）のいずれか一項に記載の摺動部材からなるピストンリングであって、その外周面が前記摺動面であるピストンリング。
　本発明の摺動部材及びピストンリングは、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れる。
本発明の一実施形態による摺動部材１００の模式断面図である。 本発明の一実施形態によるピストンリング２００の断面斜視図である。
　（摺動部材）
　図１を参照して、本発明の一実施形態による摺動部材１００は、潤滑油下で使用されるものであり、基材１０と、この基材の摺動面１０Ａ側に形成された金属中間層１２と、この金属中間層上に形成され、第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６とが交互に積層されてなる積層炭素膜１８と、この積層炭素膜上に形成された硬質炭素膜２０と、を有する。なお、積層炭素膜１８及び硬質炭素膜２０を合わせて、以下「炭素被膜」という。
　（基材）
　基材１０の材質は、摺動部材の基材として必要な強度を有するものであれば特に限定されない。本実施形態の摺動部材１００をピストンリングとする場合、基材１０の好ましい材料としては、鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、高級鋳鉄等が挙げられる。本実施形態の摺動部材１００をＣＶＴなどのシールリングとする場合、基材１０の材料としては樹脂が挙げられ、コンプレッサのベーンなどとする場合、基材１０の材料としてはアルミ合金等が挙げられる。
　（金属中間層）
　金属中間層１２は、基材１０と積層炭素膜１８との間に形成されることにより基材１０との界面の応力を緩和し、積層炭素膜１８の密着性を高める機能を有する。この機能を発揮する観点から、金属中間層１２は、Cr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷからなる群から選択された一つ以上の元素またはその炭化物からなるものとすることが好ましい。また、金属中間層１２の厚さは、0.1μｍ以上0.6μｍ以下であることが好ましく、0.2μｍ以上0.5μｍ以下であることがより好ましい。厚さが0.1μｍ未満の場合、積層炭素膜１８の密着性を高める機能を十分に得ることができない可能性があり、厚さが0.6μｍを超えると、摺動時に金属中間層１２が塑性流動を起こしやすく、積層炭素膜１８が剥離しやすくなるからである。
　金属中間層１２の形成方法としては、例えばスパッタ法を挙げることができる。洗浄後の基材１０をＰＶＤ成膜装置の真空チャンバ内に配置し、Ａｒガスを導入した状態で金属ターゲットのスパッタ放電によって、金属中間層１２を成膜する。金属ターゲットは、Cr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷから選択すればよい。金属中間層１２の厚さは、金属ターゲットの放電時間により調整できる。
　（積層炭素膜）
　積層炭素膜１８は、第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６とが交互に積層されてなるものである。第１の炭素膜１４は、低硬度（低密度）炭素膜であり、積層炭素膜１８全体の応力を緩和して、積層炭素膜１８の基材１０に対する密着性を確保する機能を有する。第２の炭素膜１６は、高硬度（高密度）炭素膜であり、積層炭素膜１８全体としての耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性を確保する機能を有する。
　第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６との上記のような硬度及び密度の違いは、透過型電子顕微鏡の明視野観察における像（TEM像）の明るさの違いとして把握することができる。密度が低くなるほど透過する電子線量が増加するため、組成が同じ物質のTEM像は密度が低くなるほど明るく、白くなる。そのため本実施形態では、第１の炭素膜１４のTEM像が、第２の炭素膜１６のTEM像よりも明るくなる。
　第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６の実際の硬度及び密度は、これらの単層を形成し、微小押し込み硬さ試験機を用いた測定、GIXA法（斜入射Ｘ線分析法）による測定、又はGIXR法（Ｘ線反射率測定法）による測定により測定できる。この方法を用いた場合、第１の炭素膜１４のマルテンス硬さは5～13ＧＰａ、第２の炭素膜１６のマルテンス硬さは13～26ＧＰａであることが好ましい。第１の炭素膜１４の密度よりも第２の炭素膜１６の密度が高い。
　積層炭素膜１８の隣接する第１の炭素膜１４と第２の炭素膜１６との間には、厚さが100ｎｍ以下の金属薄膜を有することが好ましい。この金属薄層は、第１の炭素層１４と第２の炭素層１６との密着性を向上させ、摺動部材の耐久性をより向上する機能を有する。金属薄層には、金属中間層１２と同じくCr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷからなる群から選択された一つ以上の元素またはその炭化物を用いることができる。金属中間層１２を形成する元素を用いるのが好ましい。金属薄膜の厚さを50ｎｍ以下とするとより好ましい。
　第１の炭素膜１４及び第２の炭素膜１６は、実質的に非晶質炭素（DLC）のみからなる。非晶質炭素であることは、ラマン分光光度計（Arレーザ）を用いたラマンスペクトル測定により確認できる。また、第１の炭素膜１４及び第２の炭素膜１６は実質的に水素を含まないことが好ましい。ここで、本明細書において「実質的に水素を含まない」とは、ＨＦＳ（Hydrogen Forward Scattering）分析による膜中の水素含有率が10ａｔｍ％以下であり、残部が実質的に炭素のみからなることを意味する。水素含有量は5ａｔｍ％以下であることが好ましい。
　第１の炭素膜１４及び第２の炭素膜１６は、例えば、イオンプレーティング等のＰＶＤ法を用いて形成することができる。ＰＶＤ法は、水素をほとんど含まない高硬度で耐摩耗性に優れた非晶質炭素被膜を形成することができる。
　カーボンターゲットを用いた真空アーク放電によるイオンプレーティング法を用いて、第１の炭素膜１４を成膜する場合、基材に印加するバイアス電圧を高く設定する。バイアス電圧を高くすると、基材に衝突するカーボンイオンの運動エネルギーが大きくなるため、カーボンが基材表面で堆積せずにスパッタリングにより基材表面からはじき飛ばされる。このため、形成される第１の炭素膜は、非晶質で粗な組織となるため密度は低くなる。また、バイアス電圧を高くすると、高エネルギーのカーボンイオンの照射によって基材温度が上昇するため、第１の炭素膜の残留応力が緩和され、基材との密着性が向上する。第１の炭素膜１４を形成した後、基材に印加するバイアス電圧を低く設定することにより、膜密度の高い第２の炭素膜１６を形成することができる。
　ここで本実施形態では、各第１の炭素膜１４の厚さをT1、各第２の炭素膜１６の厚さをT2として、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下であり、T1/T2が0.010以上0.60以下であることが肝要である。まず、T2に関して、T2が10ｎｍ以下の場合、硬質な第２の炭素膜１６が薄すぎるため、厳しい摺動条件下での耐摩耗性を十分に得ることができず、T2が1000ｎｍを超えると、硬質な第２の炭素膜１６が厚すぎて、厳しい摺動条件下では積層炭素膜１８が剥離を起こしやすく、被膜密着性を十分に得ることができない。T2は100ｎｍ以上600ｎｍ以下であることが好ましい。
　さらに、T2を上記範囲に設定した場合でも、T1/T2が0.010未満の場合、軟質な第１の炭素膜１４が硬質な第２の炭素膜１６に対して薄すぎるため、厳しい摺動条件下では積層炭素膜１８が剥離を起こしやすく、被膜密着性を十分に得ることができない。また、T1/T2が0.60超えの場合、軟質な第１の炭素膜１４が硬質な第２の炭素膜１６に対して厚すぎるため、厳しい摺動条件下での耐摩耗性を十分に得ることができない。T1/T2は0.010以上0.4以下であることが好ましい。
　積層炭素膜１８全体の厚さT3は、3μｍ以上20μｍ以下であることが好ましく、5μｍ以上15μｍ以下であることがより好ましい。T3が3μｍ未満の場合、積層炭素膜１８全体の応力を緩和する効果が不十分となり、積層炭素膜１８の基材１０に対する密着性が十分に得られない可能性があり、T3が20μｍを超える場合、積層炭素膜１８全体としての耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性が十分に得られない可能性がある。
　第１の炭素膜１４の厚さT1、第２の炭素膜１６の厚さT2は、それぞれ高電圧及び低電圧のバイアス印加時間によって調整できる。また、積層炭素膜１８の厚さT3は、第１及び第２の炭素膜の積層回数と、カーボンカソードのアーク放電時間によって調整できる。
　積層炭素膜１８の金属中間層１２と接する位置（すなわち最下層）は、第１の炭素膜１４でも第２の炭素膜１６でもよいが、第１の炭素膜１４とすることが好ましい。また、積層炭素膜１８の硬質炭素膜２０と接する位置（すなわち最上層）は、第１の炭素膜１４でも第２の炭素膜１６でもよいが、第２の炭素膜１６とすることが好ましい。
　（硬質炭素膜）
　硬質炭素膜２０は、摺動部材の摺動面における最上層として、炭素被膜の耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性を確保する機能を有する。硬質炭素膜２０は、実質的に非晶質炭素（DLC）のみからなる。また、第１の炭素膜１４及び第２の炭素膜１６と同様に、硬質炭素膜２０は実質的に水素を含まないことが好ましい。
　硬質炭素膜２０のマルテンス硬さが6GPa以上30GPa以下であることが好ましい。6GPa未満の場合、摺動部材の耐久性を十分に確保できない可能性があり、30GPaを超える場合、硬質炭素膜に欠損（欠け）や剥離が発生しやすくなる可能性がある。
　硬質炭素膜２０の厚さT4は、T3/T4が2以上20以下となるように設定することが好ましく、5以上15以下となるように設定することがより好ましい。T3/T4を2以上とすることにより、炭素被膜の密着性をより高めることができ、T3/T4を20以下とすることにより、炭素被膜の耐摩耗性、すなわち摺動部材の耐久性をより高めることができる。
　硬質炭素膜２０は、積層炭素膜１８と同様に、例えば、イオンプレーティング等のＰＶＤ法を用いて形成することができる。カーボンターゲットを用いた真空アーク放電によるイオンプレーティング法を用いて、硬質炭素膜２０を成膜する場合、その硬さは、基材に印加するバイアス電圧によって調整できる。
　（ピストンリング）
　図２を参照して、本発明の一実施形態によるピストンリング２００は、上記摺動部材１００からなるものであり、その外周面３０が図１に示す炭素被膜の積層構造とする。これにより、摺動面となる外周面３０は、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れる。ピストンリングの内周面３２及び上下面３４Ａ，３４Ｂは、図１に示す炭素被膜の積層構造とする必要はない。
　本発明の一実施形態による摺動部材１００は、ピストンリング以外にも、バルブリフタ、ベーン、ロッカーアーム、シールリング等、種々の製品に適用することができる。
　ピストンリングの外周面に、以下の条件で、表１及び表２に記載の金属中間層及び炭素被膜（積層炭素膜、硬質炭素膜）を形成した。
　金属中間層は、ピストンリング本体（基材）をアセトン及びイソプロピルアルコールにて超音波洗浄を行った後、ＰＶＤ成膜装置の真空チャンバー内に配置し、Ａｒガスを導入した状態で金属ターゲットのスパッタ放電によって形成した。金属ターゲットの種類はＣｒ、Ｔｉ、Ｗから選択した。金属中間層の厚さは、金属ターゲットの放電時間によって調整した。
　金属中間層の形成後、続けて同一チャンバー内で積層炭素膜を形成した。積層炭素膜は、カーボンターゲットの真空アーク放電によって形成し、放電中にピストンリングに印加するバイアス電圧を高電圧及び低電圧で交互に切り替えることで低密度炭素層と高密度炭素層が交互に積層された構造が得られた。
　積層炭素膜形成後、続けて同一チャンバーにて硬質炭素膜を形成した。硬質炭素膜は、積層炭素膜と同様にカーボンターゲットの真空アーク放電によって形成した。硬さは、成膜中にピストンリング本体に印加するバイアス電圧によって調整した。
　（膜厚の測定）
　積層炭素膜の断面をＴＥＭにて明視野観察した。低密度炭素膜は明るく見え、高密度炭素膜は暗く見えた。断面ＴＥＭ像における各膜の測定値を厚さT1及びT2とした。同様に、積層炭素膜の厚さT3、硬質炭素膜の厚さT4もＴＥＭによる明視野観察により求めた。
　（硬質炭素膜の硬さの測定）
　株式会社エリオニクス製、超微小押し込み硬さ試験機を用いて、硬質炭素層のマルテンス硬さを測定した。条件としては、ベルコビッチ圧子を用いて、押し込み深さが硬質炭素層の膜厚の1/10程度となる荷重にて試験を行った。
　（評価試験）
　各発明例・比較例のピストンリング片と、ＳＵＪ２材（JIS G 4805）からなる相手材とを用いた往復摺動試験にて、以下のとおり、被膜密着性（耐剥離性）の評価及び耐摩耗性（耐久性）の評価を行った。
　（被膜密着性の評価方法）
　相手材に0W-20エンジン油を塗布し80℃に加熱した後、ピストンリング片に300Nの荷重を印加して相手材に押しつけ、50Hzの速度にて1時間往復摺動させた。試験後のピストンリング摺動痕の状態から、炭素被膜の密着性を判断した。結果を表１及び表２に示す。
　評価基準
◎：評価試験数Ｎ＝５について、炭素被膜の剥離が全く発生しなかった。
○：評価試験数Ｎ＝５のうち、試験数ｎ≧３について炭素被膜に剥離がみられず、試験数ｎ≦２について炭素被膜に微小剥離がみられた。
×：評価試験数Ｎ＝５のうち、試験数ｎ≧３について炭素被膜に剥離がみられた。
　（耐摩耗性の評価方法）
　相手材に0W-20エンジン油を塗布し80℃に加熱した後、ピストンリング片に50Nの荷重を印加して相手材に押しつけ、50Hzの速度にて6時間往復摺動させた。試験後のピストンリング摺動痕の形状から炭素被膜の摩耗量（摩耗深さ）を求めた。結果は、試料No.22の摩耗量を１としたときの指数表示で表１及び表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１及び表２から明らかなように、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下の範囲の場合、T1/T2を0.010以上0.60以下とすることによって、上記のような高温かつ高面圧の厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性が得られた。しかし、T1/T2が0.010未満の場合、被膜密着性を十分に得ることができず、T1/T2が0.60を超える場合、耐摩耗性を十分に得ることができなかった。
　本発明の摺動部材は、摺動面が曲面であり、摺動初期におけるシリンダボアとの接触面圧が高い内燃機関用ピストンリングに好ましく適用することができる。本発明の摺動部材は、厳しい摺動条件下でも耐摩耗性及び被膜密着性の両方に優れるので、特に、環境保全に対応して燃費を向上させたダウンサイジングターボエンジン用のピストンリングとして好適に使用できる。
　１００　摺動部材
　１０　基材
　１０Ａ　摺動面
　１２　金属中間層
　１４　第１の炭素膜（低硬度炭素膜）
　１６　第２の炭素膜（高硬度炭素膜）
　１８　積層炭素膜
　２０　硬質炭素膜
　２００　ピストンリング
　３０　外周面
　３２　内周面
　３４Ａ，３４Ｂ　上下面（上下側面）

Claims (7)

  1. 　潤滑油下で使用される摺動部材であって、
    　基材と、
    　該基材の摺動面側に形成された金属中間層と、
    　該金属中間層上に形成され、第１の炭素膜と第２の炭素膜とが交互に積層されてなる積層炭素膜と、
    　該積層炭素膜上に形成された硬質炭素膜と、
    を有し、
    　前記第１の炭素膜の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像が、前記第２の炭素膜の透過型電子顕微鏡の明視野観察における像よりも明るく、
    　前記第１の炭素膜の厚さをT1、前記第２の炭素膜の厚さをT2として、T2が10ｎｍ超え1000ｎｍ以下であり、T1/T2が0.010以上0.60以下であることを特徴とする摺動部材。
  2. 　前記積層炭素膜の隣接する前記第１の炭素膜と前記第２の炭素膜との間に、厚さが100ｎｍ以下の金属薄膜を有する、請求項１に記載の摺動部材。
  3. 　前記積層炭素膜の厚さをT3、前記硬質炭素膜の厚さをT4として、T3が3μｍ以上20μｍ以下であり、T3/T4が2以上20以下である、請求項１又は２に記載の摺動部材。
  4. 　前記第１の炭素膜、前記第２の炭素膜及び前記硬質炭素膜が実質的に水素を含まない、請求項１～３のいずれか一項に記載の摺動部材。
  5. 　前記硬質炭素膜のマルテンス硬さが6GPa以上30GPa以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の摺動部材。
  6. 　前記金属中間層がCr、Ti、Co、V、Mo、Si及びＷからなる群から選択された一つ以上の元素またはその炭化物からなり、前記金属中間層の厚さが0.1μｍ以上0.6μｍ以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載の摺動部材。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の摺動部材からなるピストンリングであって、その外周面が前記摺動面であるピストンリング。
PCT/JP2016/003742 2015-09-09 2016-08-15 摺動部材及びピストンリング WO2017043022A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/758,447 US10655208B2 (en) 2015-09-09 2016-08-15 Sliding member and piston ring

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015177758A JP6343266B2 (ja) 2015-09-09 2015-09-09 摺動部材及びピストンリング
JP2015-177758 2015-09-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017043022A1 true WO2017043022A1 (ja) 2017-03-16

Family

ID=58240586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2016/003742 WO2017043022A1 (ja) 2015-09-09 2016-08-15 摺動部材及びピストンリング

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10655208B2 (ja)
JP (1) JP6343266B2 (ja)
WO (1) WO2017043022A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018235750A1 (ja) * 2017-06-20 2018-12-27 日本ピストンリング株式会社 摺動部材及び被覆膜
WO2024063157A1 (ja) * 2022-09-22 2024-03-28 日本ピストンリング株式会社 摺動部材、その製造方法及び被覆膜

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR102016017735B1 (pt) * 2016-07-29 2021-05-18 Mahle Metal Leve S.A. elemento deslizante para motores de combustão interna
JP6533818B2 (ja) * 2017-10-20 2019-06-19 株式会社リケン 摺動部材およびピストンリング
US11560808B2 (en) * 2018-09-19 2023-01-24 Raytheon Technologies Corporation Seal assembly for gas turbine engine
EP3636795A1 (en) * 2018-10-09 2020-04-15 Nanofilm Technologies International Pte Ltd Thick, low-stress tetrahedral amorphous carbon coatings
EP3650583A1 (en) * 2018-11-08 2020-05-13 Nanofilm Technologies International Pte Ltd Ta-c based coatings with improved hardness
EP3954913A4 (en) * 2019-04-11 2022-12-14 Eagle Industry Co., Ltd. SLIDE COMPONENT
JP7385223B2 (ja) * 2019-07-04 2023-11-22 オーエスジー株式会社 複合硬質炭素被膜、複合硬質炭素被膜被覆工具、および複合硬質炭素被膜の製造方法
JP7290171B2 (ja) * 2019-09-30 2023-06-13 日本ピストンリング株式会社 摺動部材、その製造方法及び被覆膜

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007169698A (ja) * 2005-12-21 2007-07-05 Riken Corp 非晶質硬質炭素皮膜
JP2013194273A (ja) * 2012-03-19 2013-09-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 耐食および耐摩耗コーティング構造
JP2015083875A (ja) * 2014-11-25 2015-04-30 Ｔｐｒ株式会社 ピストンリング

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3995900B2 (ja) 2001-04-25 2007-10-24 株式会社神戸製鋼所 ダイヤモンドライクカーボン多層膜
JP2008001951A (ja) 2006-06-23 2008-01-10 Nachi Fujikoshi Corp ダイヤモンド状炭素膜およびその形成方法
DE102010002686A1 (de) * 2010-03-09 2011-09-15 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Verfahren zur Beschichtung eines Gleitelements
JP2012202522A (ja) * 2011-03-28 2012-10-22 Tpr Co Ltd ピストンリング
WO2014088096A1 (ja) * 2012-12-07 2014-06-12 株式会社リケン ピストンリング
JP6339784B2 (ja) * 2013-09-30 2018-06-06 株式会社リケン ピストンリング

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007169698A (ja) * 2005-12-21 2007-07-05 Riken Corp 非晶質硬質炭素皮膜
JP2013194273A (ja) * 2012-03-19 2013-09-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 耐食および耐摩耗コーティング構造
JP2015083875A (ja) * 2014-11-25 2015-04-30 Ｔｐｒ株式会社 ピストンリング

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018235750A1 (ja) * 2017-06-20 2018-12-27 日本ピストンリング株式会社 摺動部材及び被覆膜
US11293548B2 (en) 2017-06-20 2022-04-05 Nippon Piston Ring Co., Ltd Sliding member and coating film
WO2024063157A1 (ja) * 2022-09-22 2024-03-28 日本ピストンリング株式会社 摺動部材、その製造方法及び被覆膜

Also Published As

Publication number Publication date
US20180245200A1 (en) 2018-08-30
US10655208B2 (en) 2020-05-19
JP2017053435A (ja) 2017-03-16
JP6343266B2 (ja) 2018-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6343266B2 (ja) 摺動部材及びピストンリング
JP4400603B2 (ja) 硬質炭素被膜を有する部材
JP6472389B2 (ja) ピストンリング及びその製造方法
WO2017150571A1 (ja) 摺動部材及びピストンリング
JP6920698B2 (ja) 摺動部材及び被覆膜
JP5976328B2 (ja) ピストンリング
JP2008286354A (ja) 摺動部材
JPWO2017022659A1 (ja) ピストンリング
JP2021095957A (ja) 摺動機構
JP2018076958A (ja) ピストンリング
JP6533818B2 (ja) 摺動部材およびピストンリング
WO2012140890A1 (ja) 摺動部材
JP6181905B1 (ja) 摺動部材及びピストンリング
JP5914334B2 (ja) 高靭性被膜及び摺動部材
JP2011133018A (ja) ピストンリング
JP6756641B2 (ja) ピストンリング
JP6343581B2 (ja) 摺動部材および摺動機械
JP6143916B2 (ja) ピストンリング
WO2019022010A1 (ja) 転がり軸受用保持器および転がり軸受
JP2019082241A (ja) ピストンリング
JP2017227274A (ja) ピストンリング
JP6938807B1 (ja) 摺動部材及びピストンリング
EP4080033A1 (en) Piston ring, and method for manufacturing same
JP2013091823A (ja) 摺動部品
JP2006348858A (ja) 組合せ摺動部材、及びこれを用いた内燃機関及び機械装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16843895

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15758447

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16843895

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1