JP7396905B2 - 摺動部材及びピストンリング - Google Patents
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Description
(1)基材と、
該基材上に形成され、表面が摺動面となる、水素含有量が3原子%以下であり、残部が炭素からなる成分組成を有する、厚さが3μm以上の非晶質炭素皮膜と、
を有し、
前記非晶質炭素皮膜の前記表面は、算術平均粗さRaが0.10μm以下であり、
前記非晶質炭素皮膜の前記表面には、インデンテーション硬さが25GPa以上の硬質領域と、インデンテーション硬さが20GPa以下の軟質領域とが混在しており、
前記表面における硬質領域の面積をA、軟質領域の面積をBとして、A/(A+B)が0.20以上0.70以下であることを特徴とする摺動部材。
前記表面の硬質領域の部位では、前記表面からの深さ方向に硬質部位のみが存在し、
前記表面の軟質領域の部位では、前記表面からの深さ方向にまず軟質部位が位置し、その後、硬質部位が位置する、上記(1)に記載の摺動部材。
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10上に形成され、表面20Aが摺動面となる非晶質炭素皮膜(DLC皮膜)20と、を有する。また、任意で、基材10と非晶質炭素皮膜20との間に中間層12を有してもよい。
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。
中間層12は、基材10とDLC皮膜20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、DLC皮膜20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、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、窒化物、炭窒化物からなるものとすることが好ましい。DLC皮膜20の密着性を十分に高める観点から、中間層12の厚さは、0.1μm以上であることが好ましく、0.2μm以上であることがより好ましい。また、摺動時に中間層12が塑性流動を起こしてDLC皮膜20が剥離することを十分に抑制する観点から、中間層12の厚さは、0.6μm以下であることが好ましく、0.5μm以下であることがより好ましい。
<DLC皮膜の成分組成>
DLC皮膜20は、水素含有量が3原子%以下であり、残部が炭素からなる成分組成を有する。なお、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。
DLC皮膜の水素含有量の評価は、摺動部が平坦な面や曲率が十分大きな面に形成されたDLC皮膜に対してはRBS(Rutherford Backscattering Spectrometry)/HFS(Hydrogen Forward Scattering Spectrometry)によって評価することができる。これに対して、ピストンリングの外周面など平坦でない摺動面に形成されたDLC皮膜に対しては、RBS/HFS及びSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)を組み合わせることによって評価する。RBS/HFSは公知の皮膜組成の分析方法であるが、平坦でない面の分析には適用できないので、以下のようにしてRBS/HFS及びSIMSを組み合わせる。
本実施形態において、DLC皮膜20の厚さは3μm以上とする。厚さが3μm未満の場合、DLC皮膜20によって期待される本発明の効果が十分に発揮されないからである。DLC皮膜の厚さの上限は特に限定されないが、基材との密着性を確保して剥離を防ぐ観点から、DLC皮膜20の厚さは40μm以下であることが好ましい。なお、本発明において、DLC皮膜の厚さは、DLC皮膜の厚さ方向に沿った断面を含む樹脂埋め込み試料を観察し、当該断面において、基材または中間層の凹部からDLC皮膜の表面までの長さを測定することにより求めるものとする。
図1及び図2を参照して、本実施形態では、摺動前の段階で、つまり摺動部材100が未使用の段階で、DLC皮膜20の表面20Aに硬質領域18Aと軟質領域18Bとを混在させておく。さらに、表面20Aにおける硬質領域の面積をA、軟質領域の面積をBとして、A/(A+B)が0.20以上0.70以下であることが重要である。
図1及び図2を参照して、DLC皮膜20の形成方法を説明する。DLC皮膜20は、例えば、カーボンターゲットを用いた真空アーク放電(VA法)による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DLC皮膜を形成することができる。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DLC皮膜を成膜する場合、その硬さは、(i)カソードの放電量、(ii)アーク電流値、及び(iii)基材に印加するバイアス電圧によって調整できる。いずれの指標も高くするほど、硬さの小さいDLC皮膜が得られる。また、DLC皮膜の膜厚は、ターゲットの放電時間等の条件を変えることで調整できる。なお、フィルター型陰極真空アーク方式(FCVA法)を用いることでもよい。
上記のような研磨の結果、DLC皮膜20の表面粗さは、算術平均粗さRaで0.10μm以下となる。なお、「DLC皮膜のRa」は、以下の方法により測定するものとする。すなわち、DLC皮膜の任意の位置において、JIS B0601(2001)に従い、基準長さ:1.25mm、カットオフ値λc:0.25mm、カットオフ比λc/λs=100の条件で、DLC皮膜の粗さ曲線を測定し、算術平均粗さRaを求める。なお、測定は3回行い、その3回の平均値を採用するものとする。
図1及び図2に示すように、DLC皮膜20において、表面20Aの硬質領域18Aの部位では、当該表面からの深さ方向に硬質部位(硬質DLC層14)のみが存在し、表面20Aの軟質領域18Bの部位では、当該表面からの深さ方向にまず軟質部位(軟質DLC層14の残存部分)が位置し、その後、硬質部位(硬質DLC層14)が位置する。この構成により、優れた耐熱性、相手材に対する低い攻撃性、高い耐摩耗性、及び低い摩擦係数の全てを実現することができる。
本発明の一実施形態による摺動部材100の製造方法は、
基材10を用意する工程と、
任意で、前記基材10の表面に中間層12を形成する工程と、
前記基材10の表面、又は、前記中間層12の表面に、所定の表面粗さを有する硬質DLC層14を形成する工程と、
前記硬質DLC層14上に軟質DLC層16を形成する工程と、
前記軟質DLC層16を研磨して、DLC皮膜20を形成する工程と、
を有し、その研磨量を調整して、DLC皮膜20の表面20Aに、硬質DLC層14が露出した硬質領域18Aと、軟質DLC層16が残存した軟質領域18Bとを混在させ、かつ、表面20Aにおける硬質領域18Aの面積をA、軟質領域18Bの面積をBとして、A/(A+B)を0.20以上0.70以下に制御することを特徴とする。
図3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、外周面22、内周面24、及び上下面26A,26Bの4面によってリング形状を呈し、外周面22が図1に示すDLC皮膜20により形成される。すなわち、本実施形態のピストンリング200は、上記摺動部材100からなるものであり、その外周面22が図1に示すDLC皮膜の表面20Aとなる。これにより、摺動面となる外周面22では、優れた耐熱性を得ることができ、相手材であるシリンダの内周面に対する攻撃性が低く、さらに高い耐摩耗性と低い摩擦係数を実現することが可能である。
各水準のピストンリングから切断して得た試験片を電気炉に投入して、雰囲気温度250℃で100時間の熱処理を行った。その後、試験片のDLC皮膜の表面を光学顕微鏡で観察した。その際、DLC皮膜に部分的な剥離、脱落、又は消失が見られた水準は「×」とし、剥離、脱落、及び消失のいずれも見られなかった水準は「〇」とした。結果を表1に示す。
各水準のピストンリングから切断して得た試験片を用いて、以下の試験条件で転動すべり疲労試験を行った。この試験は、回転するドラムと摺動する試験片にくり返し荷重を加え、試験片の摩耗量からDLC皮膜の耐摩耗性を評価するものである。
荷重:20~50N、サインカーブ50Hz
相手材(ドラム):直径80mmのSUJ2材
摺動速度:正転逆転パターン運転(±10m/s)、速度±10m/sで20秒保持
加速度:0.23m/s2
潤滑油:無添加モーターオイル、0.1cc/min
ドラム表面温度:80℃
試験時間:正転逆転パターン運転を1サイクルとして10サイクル
試験後に、接触式形状測定機で試験片の摩耗量を測定し、摩耗量が1.0μm以下の水準を「◎」、摩耗量が1.0μm超え2.0μm以下の水準を「○」、摩耗量が2.0μm超えの水準を「×」とした。また、5サイクルまでの摩擦係数を測定し、摩擦係数が0.16以下の水準を「○」、0.16超えの水準を「×」とした。結果を表1に示す。
摺動相手材としてSUJ2材(JIS G 4805)のディスク(φ25mm×t8mm)を用意し、各水準の摺動部材について、振動摩擦摩耗試験(オプチモール社:SRV試験機)により、次の試験条件で往復動試験を行った。試験後に、相手材の摩耗量を測定し、摩耗量が1.0μm以下の水準を「◎」、摩耗量が1.0μm超え2.0μm以下の水準を「○」、摩耗量が2.0μm超えの水準を「×」とした。結果を表1に示す。
試験時間 : 10min
荷重 : 100N
往復動周波数 : 50Hz
振幅 : 3.0mm
潤滑油 : エンジンオイル5W-30(エステル)
潤滑油温 : 80℃
10 基材
12 中間層
14 硬質DLC層
16 軟質DLC層
18A 硬質領域
18B 軟質領域
20 非晶質炭素皮膜(DLC皮膜)
20A 非晶質炭素皮膜の表面(摺動面)
200 ピストンリング
22 ピストンリングの外周面
24 ピストンリングの内周面
26A ピストンリングの上面(上側面)
26B ピストンリングの下面(下側面)
Claims (4)
- 基材と、
該基材上に形成され、表面が摺動面となる、水素含有量が3原子%以下であり、残部が炭素からなる成分組成を有する、厚さが3μm以上の非晶質炭素皮膜と、
を有し、
前記非晶質炭素皮膜の前記表面は、算術平均粗さRaが0.10μm以下であり、
前記非晶質炭素皮膜の前記表面には、インデンテーション硬さが25GPa以上の硬質領域と、インデンテーション硬さが20GPa以下の軟質領域とが混在しており、
前記表面における硬質領域の面積をA、軟質領域の面積をBとして、A/(A+B)が0.20以上0.70以下であることを特徴とする摺動部材。 - 前記非晶質炭素皮膜において、
前記表面の硬質領域の部位では、前記表面からの深さ方向に硬質部位のみが存在し、
前記表面の軟質領域の部位では、前記表面からの深さ方向にまず軟質部位が位置し、その後、硬質部位が位置する、請求項1に記載の摺動部材。 - 前記基材と前記非晶質炭素皮膜との間に、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、窒化物、炭窒化物からなる中間層を有する、請求項1又は2に記載の摺動部材。
- 請求項1~3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。
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