DE112012001715T5

DE112012001715T5 - Gleitbauteil

Info

Publication number: DE112012001715T5
Application number: DE201211001715
Authority: DE
Inventors: Munehisa Matsui; Yoshio Fuwa; Takatoshi Shinyoshi; Satoshi Jinno; Koichiro Akari; Hiroyuki Mori; Kenji Shimoda; Satoshi Hirota; Hirotaka Ito; Keiji Hayashi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2014-01-09
Also published as: BR112013026585A2; KR101567182B1; US20140038868A1; US9121548B2; BR112013026585B1; JP5436486B2; JP2012224888A; WO2012140890A1; KR20130130076A

Abstract

Ein Gleitbauteil (10) weist Folgendes auf: ein Substrat (2), das eine Gleitoberfläche hat, die unter dem Vorhandensein von Schmieröl gleitet; und eine Schicht (1), die an zumindest einem Teil der Gleitoberfläche befestigt ist. Die Schicht (1) enthält Kohlenstoff (C), Titan (Ti) und Bor (B), sie wurde durch wiederholtes und abwechselndes Aufschichten einer ersten Lage (11), die amorphen Kohlenstoff als einen Hauptbestandteil enthält, und einer zweiten Lage (12), die C und Ti als Hauptbestandteile enthält, erzielt, und sie hat eine Härte von 18 GPa oder mehr.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleitbauteil, das hauptsächlich im Nasszustand unter Verwendung von Schmieröl verwendet wird.
STAND DER TECHNIK
Unter dem Gesichtspunkt von Umweltproblemen und Ressourcenschonung gibt es einen Bedarf für eine Verringerung des Energieverlusts aufgrund von Reibung in einem Gleitbauteil, etwa in einer Ventilsystemkomponente und einem Kolben, der einen Motor bildet. Aus diesem Grund sind auf einer Gleitoberfläche des Gleitbauteils verschiedene Oberflächenbehandlungen durchgeführt worden, um den Reibungskoeffizienten des Gleitbauteils zu verringern und seine Verschleißbeständigkeit zu verbessern. Unter anderem wird als eine Schicht, die das Gleitvermögen der Gleitoberfläche verbessert, verbreitet eine amorphe Kohlenstoffhartschicht verwendet, die eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht (DLC-Schicht) genannt wird.
Um die ursprünglichen Eigenschaften der DLC-Schicht zu verbessern und andere Eigenschaften zu erlangen, wird der DLC-Schicht zum Beispiel ein Metallbestandteil hinzugefügt, oder sie wird so ausgebildet, dass sie mit einer Schicht aufgeschichtet ist, die andere Eigenschaften hat. Als Entgegenhaltungen zum Aufschichten der DLC-Schicht lassen sich die Patentdokumente 1 bis 5 als Beispiele nennen. Die Patentdokumente 1 bis 5 offenbaren alle eine Überzugsschicht mit geringer Reibung und hervorragender Verschleißbeständigkeit. Alle diese Überzugsschichten haben einen mehrlagigen Aufbau. Zum Beispiel wird der mehrlagige Aufbau ausgebildet, indem eine DLC-Schicht mit unterschiedlichen Eigenschaften aufgeschichtet wird, indem eine DLC-Schicht aufgeschichtet wird, zu der andere Bestandteile hinzugefügt wurden, oder indem eine DLC-Schicht und eine Schicht einer anderen Verbindung aufgeschichtet werden.
Zum Beispiel offenbart das Patentdokument 1 eine Überzugsschicht, die erzielt wird, indem wiederholt und abwechselnd eine Kohlenstoffhartschicht, zu der mindestens eine Art von Metallbestandteil hinzugefügt wurde, zusammen mit mindestens einer Art von Metall, Metallcarbid, Metallnitrid oder Metallcarbonitrid aufgeschichtet wird. Insbesondere kann eine mehrlagige Schicht erzielt werden, indem abwechselnd eine Kohlenstoffhartschicht, zu der Bor hinzugefügt wurde, und eine Kohlenstoffhartschicht, zu der Silizium hinzugefügt wurde, aufgeschichtet werden, eine mehrlagige Schicht kann erzielt werden, indem abwechselnd Titancarbonitrid und eine Kohlenstoffhartschicht aufgeschichtet werden, und eine mehrlagige Schicht kann erzielt werden, indem abwechselnd eine Kohlenstoffhartschicht, zu der Wolfram hinzugefügt wurde, und eine Kohlenstoffhartschicht, zu der Bor hinzugefügt wurde, aufgeschichtet werden. Da in dem Patentdokument 1 ein Gleitvorgang in einer schmierstofffreien Umgebung erfolgen soll, in der kein Schmieröl verwendet wird, ist davon auszugehen, dass in einem Verschleißversuch für einen Probekörper, der eine solche mehrlagige Schicht aufweist, kein Schmieröl verwendet wird. Die Wechselwirkung zwischen dem in der mehrlagigen Schicht enthaltenen Bestandteil und dem in dem Schmieröl enthaltenen Bestandteil beeinflusst stark die Reibverschleißeigenschaften, doch wird in dem Patentdokument 1 eine solche Wechselwirkung überhaupt nicht berücksichtigt.
Darüber hinaus offenbaren auch die Patentdokumente 2, 3 und 5 eine mehrlagige Schicht, doch auch in diesen Dokumenten erfolgte keine Beurteilung in Schmieröl. Indessen wird in dem Patentdokument 4 ein Gleitversuch unter Verwendung eines Schmierstoffs durchgeführt, der Molybdändialkyldithiocarbamat (Mo-DTC) enthält. Allerdings ist die Schicht, die in dem Gleitbauteil enthalten ist, das in dem Patentdokument 4 offenbart ist, eine mehrlagige DLC-Schicht, die Kohlenstoff und Wasserstoff enthält und im Wesentlichen keinen anderen Bestandteil enthält. Aus diesem Grund wird die Wechselwirkung zwischen dem Bestandteil, der der Schicht hinzugefügt wurde, und dem Bestandteil, der in dem Schmieröl enthalten ist, nicht berücksichtigt.
Um den Reibungskoeffizienten eines vorhandenen Gleitbauteils zu verringern, das die DLC-Schicht aufweist, die den Metallbestandteil enthält, wird in vielen Fällen die Verwendung von molybdänhaltigem Schmieröl vorausgesetzt, zu dem Mo-DTC und dergleichen hinzugefügt wurde. Beim Gleitvorgang in molybdänhaltigem Schmieröl kommt es jedoch zu einem Oxidationsverschleiß der DLC-Schicht, und somit wird verglichen mit dem Gleitvorgang in Schmieröl, das kein Molybdän enthält, oder dem Gleitvorgang in einer Umgebung ohne Schmierstoff der Verschleiß gefördert. Des Weiteren bestehen Bedenken, dass die Verwendung von Schmieröl, das das Schwermetall Molybdän enthält, zu Umweltproblemen führen kann. Aus diesem Grund gibt es einen Bedarf für ein Gleitbauteil, das in Schmieröl ohne Molybdän einen geringen Reibungskoeffizienten zeigt.
ENTGEGENHALTUNGEN
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: JP 10-237627 A
Patentdokument 2: JP 2001-261318 A
Patentdokument 3: JP 2002-322555 A
Patentdokument 4: JP 2008-81630 A
Patentdokument 5: JP 2002-38255 A

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges Gleitbauteil zur Verfügung zu stellen, das in Schmieröl geringe Reibung und hohe Verschleißbeständigkeit zeigt.
Die Erfinder haben eine Untersuchung zu einem Gleitbauteil durchgeführt, das eine DLC-Schicht (Ti-DLC-Schicht) aufweist, zu der Titan hinzugefügt wurde, und sie haben die bemerkenswerte Feststellung gemacht, dass aufgrund eines Gleitvorgangs in molybdänhaltigem Schmieröl der Reibungskoeffizient abnimmt und der Verschleiß zunimmt. Im Verlauf der Ausbildung einer Ti-DLC-Schicht ist daher der Versuch unternommen worden, die Verschleißbeständigkeit zu verbessern, indem die Härte der Schicht auf eine solche Weise verbessert wurde, dass als eine harte Verbindung aktiv Titancarbid (TiC) ausgebildet wird. Indem gleichzeitig verschiedene Probleme ausgeräumt wurden, die durch das Vorhandensein von TiC hervorgerufen wurden, kam es schließlich zu der später beschriebenen Erfindung.
Und zwar wird ein Gleitbauteil zur Verfügung gestellt, das Folgendes aufweist: ein Substrat, das eine Gleitoberfläche hat, die unter dem Vorhandensein von Schmieröl gleitet, und eine Schicht, die auf zumindest einem Teil der Gleitoberfläche befestigt ist, wobei die Schicht Kohlenstoff (C), Titan (Ti) und Bor (B) enthält, durch wiederholtes und abwechselndes Aufschichten einer ersten Lage, die amorphen Kohlenstoff als einen Hauptbestandteil enthält, und einer zweiten Lage, die C und Ti als Hauptbestandteile enthält, erzielt wurde und eine Härte von 18 GPa oder mehr hat.
Darüber hinaus wird als die Härte der Schicht ein Messwert genommen, der unter Verwendung von MTS, hergestellt von TOYO Corporation, und Triboscope, hergestellt von Hysitron, Inc., durch Nanoindentierung ermittelt wird.
Das erfindungsgemäße Gleitbauteil weist eine Schicht auf, die durch abwechselndes Aufschichten einer ersten Lage, die amorphen Kohlenstoff als einen Hauptbestandteil enthält, und einer zweiten Lage, die C und Ti als Hauptbestandteile enthält, erzielt wurde. Da C und Ti als die Hauptbestandteile der zweiten Lage Hartcarbid (TiC) bilden, verbessert sich die Härte der Schicht. Da die zweite Lage zusammen mit der ersten Lage aufgeschichtet ist, die amorphen Kohlenstoff als einen Hauptbestandteil enthält, ergänzt die erste Lage die Reibungssenkungswirkung, die nicht ausreichend nur durch die zweite Lage erzielt wird. Da die Schicht B enthält, verbessert sich zudem die Haftfestigkeit zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage und verbessert sich die Zähigkeit der Schicht. Somit verbessert sich die Verschleißbeständigkeit.
Das erfindungsgemäße Gleitbauteil zeigt im Nasszustand unter Verwendung von Schmieröl geringe Reibung und hohe Verschleißbeständigkeit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein erfindungsgemäßes Gleitbauteil darstellt.
2 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel einer Schichtausbildungsvorrichtung darstellt, die eine Schicht ausbildet, die in dem erfindungsgemäßen Gleitbauteil vorgesehen ist.
3 ist eine schematische Darstellung, die eine Reibungsversuchsmaschine der Ring-auf-Block-Bauart darstellt.
4 ist eine grafische Darstellung, die ein Ergebnis eines Reibungsversuchs darstellt und Reibungskoeffizienten und Verschleißtiefen verschiedener Gleitbauteile darstellt.
5 ist eine grafische Darstellung, die ein Ergebnis eines Reibungsversuchs darstellt, der unter Verwendung von verschiedenen Arten von Schmierölen erfolgte, und Reibungskoeffizienten und Verschleißtiefen verschiedener Gleitbauteile darstellt.
6 stellt ein Schnittbetrachtungsergebnis der Schicht dar, die in dem erfindungsgemäßen Gleitbauteil vorgesehen ist.
7 stellt ein Schnittbetrachtungsergebnis einer Schicht dar, die in einem Gleitbauteil des Stands der Technik vorgesehen ist.
8 stellt ein HAADF-Bild gemäß einem HAADF-RTEM-Verfahren und ein auf einer TEM-EDX-Analyse basierendes Konzentrationsprofil in der Schicht dar, die in dem erfindungsgemäßen Gleitbauteil vorgesehen ist.
9 stellt ein Linienanalyseergebnis dar, das auf TEM-EELS in der Schicht basiert, die in dem erfindungsgemäßen Gleitbauteil vorgesehen ist.
10 stellt ein Schnittbetrachtungsergebnis der Schicht dar, die in dem erfindungsgemäßen Gleitbauteil vorgesehen ist.
11 stellt ein Schnittbetrachtungsergebnis einer Schicht dar, die in einem Gleitbauteil vorgesehen ist, das einem Vergleichsbeispiel der Erfindung entspricht.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Gleitbauteils beschrieben. Solange explizit nichts anderes angegeben wird, schließen die in dieser Beschreibung aufgeführten numerischen Wertebereiche von ”x bis y” die Untergrenze x und die Obergrenze y ein. Der obere Grenzwert, der untere Grenzwert und die in den Ausführungsbeispielen genannten numerischen Werte können in den numerischen Wertebereich aufgenommen werden, und diese Werte können beliebig miteinander kombiniert werden, um den numerischen Wertebereich zu erzielen.
Ein Gleitbauteil der Erfindung weist ein Substrat, das eine Gleitoberfläche aufweist, die unter dem Vorhandensein von Schmieröl einen Gleitvorgang hervorruft, und eine Schicht auf, die an zumindest einem Teil der Gleitoberfläche befestigt ist. Im Folgenden werden das Substrat, die Schicht und das Schmieröl beschrieben.
– Substrat –
Das Material des Substrats unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, solange das Material als das Gleitbauteil verwendet werden kann. Es kann ein Material verwendet werden, das aus Metall, Keramik und Harz gewählt ist. Zum Beispiel lassen sich ein Metallsubstrat wie Kohlenstoffstahl, Legierungsstahl, Gusseisen, Aluminiumlegierung und Titanlegierung, ein Keramiksubstrat wie Supersteel, Aluminiumoxid und Siliziumnitrid und ein Harzsubstrat wie Polyimid und Polyamid als Beispiele nennen.
Es ist wünschenswert, dass die Oberflächenrauheit des Substrats auf der Oberfläche, die mit zumindest der Schicht versehen ist, als mittlere Rauheit (Ra), wie sie durch JIS B 0031 (1994) festgelegt ist, kleiner oder gleich 0,1 μm, 0,04 μm und 0,01 μm ist. Unter dem Gesichtspunkt der Haftfestigkeit zwischen dem Substrat und der Schicht kann die Oberfläche, an der die Schicht in dem Substrat befestigt wird, in Antwort auf das Material des Substrats einer Behandlung wie einer Nitrierungsbehandlung, einer eine feine Unebenheit bildenden Behandlung und einer eine Zwischenlage bildenden Behandlung unterzogen werden. Die Art der Zwischenlage unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Zum Beispiel lassen sich eine Chromlage, eine Titanlage, eine Wolframlage, eine Chromverbindungslage, eine Titanverbindungslage, eine Wolframverbindungslage und eine Mischverbindungslage, die zwei Arten oder mehr von Chrom, Titan und Wolfram enthält, als Beispiele nennen. Der Aufbau der Zwischenlage kann ein einlagiger Aufbau oder ein mehrlagiger Aufbau sein. Im Fall des einlagigen Aufbaus, in dem die Zwischenlage durch die Verbindung gebildet wird, kann der Aufbau eine Einzelzusammensetzungslage, deren Zusammensetzung an jeder Position in der Dickenrichtung konstant ist, und eine Gradientenzusammensetzungslage sein, deren Zusammensetzung sich allmählich in der Dickenrichtung ändert. In dem Fall, dass die Zwischenlage ein mehrlagiger Aufbau ist, können die Dicken und/oder die Zusammensetzungen der jeweiligen aufgeschichteten Lagen voneinander verschieden sein, und die Zusammensetzung kann in der Dickenrichtung geändert werden, indem die Dicken und/oder die Zusammensetzungen der jeweiligen Lagen geändert werden.
Darüber hinaus sind als Gegenmaterial, auf dem die Schicht gleitet, Metall wie Kohlenstoffstahl, Legierungsstahl, Gusseisen, Aluminiumlegierung und Titanlegierung, Keramik wie Hartmetall, Aluminiumoxid und Siliziumnitrid und Harz wie Polyimid und Polyamid geeignet. Wenn die Oberfläche des Gegenmaterials ebenfalls mit einer DLC-Schicht des Stands der Technik oder einer später genauer beschriebenen Schicht versehen ist, kann der Reibungskoeffizient zudem noch weiter gesenkt werden.
– Schichtaufbau –
Die Schicht hat einen Aufbau, der durch wiederholtes und abwechselndes Aufschichten einer ersten Lage und einer zweiten Lage erzielt wurde. Der Aufbau der Schicht wird nun unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein erfindungsgemäßes Gleitbauteil darstellt. Wie oben beschrieben wurde, weist ein Gleitbauteil 10 ein Substrat 2, das eine Gleitoberfläche hat, eine Schicht 1, die an zumindest einem Teil der Gleitoberfläche befestigt ist, und bei Bedarf eine Zwischenlage 3 auf, die sich zwischen der Schicht 1 und dem Substrat 2 befindet. Die Schicht enthält Kohlenstoff (C), Titan (Ti) und Bor (B).
Die Schicht 1 hat einen Aufbau, in dem eine erste Lage 11 und eine zweite Lage 12 wiederholt und abwechselnd aufeinander geschichtet sind. Die erste Lage 11 enthält amorphen Kohlenstoff als einen Hauptbestandteil, und die zweite Lage 12 enthält C und Ti als Hauptbestandteile. Aus diesem Grund ist C in der gesamten Schicht 1 enthalten, während Ti und B nicht in der gesamten Schicht 1 enthalten sein müssen. Ti kann zumindest in der zweiten Lage 12 enthalten sein und in der zweiten Lage als Titancarbid (TiC) vorliegen. TiC ist wünschenswerter Weise ein feiner Kristall in Nanogrößenordnung und kann in der zweiten Lage 12 gleichmäßig vorkommen. Dabei ist es wünschenswert, dass die Matrix der zweiten Lage 12 durch amorphen Kohlenstoff gebildet wird. B ist ein Bestandteil, der die Haftfestigkeit zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage verbessert, die aufeinander geschichtet sind. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass B zumindest in der Umgebung der Grenzfläche zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage vorkommt. Insbesondere ist es wünschenswert, dass die zweite Lage C, Ti und B enthält und mindestens eine Oberflächenschicht der zweiten Lage (das heißt mindestens eine Seite des Grenzflächenabschnitts zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage in der zweiten Lage) eine Ti-B-C-Lage hat, deren B-Gehalt höher als der der anderen Abschnitte ist.
Die Dicken der ersten Lage und der zweiten Lage unterliegen keinen besonderen Beschränkungen, doch ist es wünschenswert, dass das Verhältnis (T = T1/T2) der Dicke T1 der ersten Lage bezogen auf die Dicke T2 der zweiten Lage größer oder gleich 0,3 und kleiner oder gleich 2 ist. Ein noch wünschenswerterer Wert von T ist größer oder gleich 0,4 und 0,5 und kleiner oder gleich 1,5 und 1. Dass T größer oder gleich 0,3 ist, ist wünschenswert, weil die Reibungssenkungswirkung ausreichend durch die erste Lage erreicht wird. Dass T kleiner oder gleich 2 ist, ist wünschenswert, weil die Verschleißbeständigkeitsverbesserungswirkung ausreichend durch die zweite Lage erreicht wird. Des Weiteren kann die Dicke des von einem Paar der ersten Lage und der zweiten Lage gebildeten Mehrlagenabschnitts 10 bis 60 nm, 15 bis 45 nm und 20 bis 30 nm betragen. Es ist wünschenswert, dass die Dicke der Ti-B-C-Lage in T2 1 bis 10 nm und 4 bis 6 nm beträgt. Dass die Dicke der Ti-B-C-Lage größer oder gleich 1 nm ist, ist wünschenswert, weil die Schichtzähigkeitsverbesserungswirkung ausreichend erreicht wird. Wenn die Ti-B-C-Lage indessen mit mehr als 10 nm Dicke ausgebildet wird, lässt sich kaum noch stark die Haftfestigkeit zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage verbessern und ist es vom technischen Gesichtspunkt her schwer, die dicke Ti-B-C-Lage auszubilden. Darüber hinaus wird im Beispiel ein Verfahren zum Messen der Dicke der Ti-B-C-Lage beschrieben.
Es ist wünschenswert, die Schicht zu erzielen, indem die ersten Lagen und die zweiten Lagen mit insgesamt so vielen wie 10 bis 1000 Lagen aufgeschichtet werden. Des Weiteren ist es unter dem Gesichtspunkt der Haltbarkeit wünschenswert, dass die Schicht dick ist, wobei die Dicke jedoch 0,5 bis 7 μm und 1 bis 5 μm betragen kann.
Des Weiteren werden die Ausdrücke die ”erste Lage” und die ”zweite Lage” lediglich dazu verwendet, zwei Lagen zu unterscheiden. Aus diesem Grund unterliegt die Reihenfolge des Aufschichtens der Lagen auf dem Substrat keinen besonderen Beschränkungen und die Schicht kann auch von der zweiten Lage aus ausgebildet werden. Unter dem Gesichtspunkt der Haftfestigkeit bezüglich der Zwischenlage ist es jedoch wünschenswert, auf der Oberfläche des Substrats oder der Zwischenlage zunächst wie in 1 gezeigt die erste Lage auszubilden. Des Weiteren kann die Schichtausbildung mit der ersten Lage oder der zweiten Lage enden. Allerdings ist es unter dem Gesichtspunkt der Reibverschleißeigenschaften wünschenswert, auf der äußersten Oberfläche wie in 1 gezeigt die zweite Lage auszubilden.
Es ist wünschenswert, dass die Oberflächenrauheit der Schicht als mittlere Rauheit (Ra), wie sie durch JIS B 0031 (1994) festgelegt ist, kleiner oder gleich 0,1 μm, 0,07 μm und 0,04 μm ist. Wenn Ra mehr als 1 μm beträgt, ist kaum ein Anstieg der Schmierungsrate durch Schmieröl zu erwarten und ist es schwer, den Reibungskoeffizienten zu senken.
Die Härte der Schicht ist größer oder gleich 18 GPa. Wünschenswerter Weise ist die Härte größer oder gleich 19 GPa und 20 GPa. Wenn die Schicht jedoch zu hart ist, kommt es zum Brechen und Ablösen der Schicht. Es ist vorzuziehen, dass die Obergrenze der Härte der Schicht kleiner oder gleich 50 GPa, 40 GPa und 35 GPa ist.
– Schichtzusammensetzung –
Wenn für die gesamte Schicht 100 at% angenommen wird, kann die Schicht 6 at% bis 40 at% Ti und 2 at% bis 30 at% B enthalten.
Ti formt zusammen mit C TiC und trägt zur Verbesserung der Härte der Schicht bei. Des Weiteren wird bei Schmieröl, das Molybdän als Zusatzbestandteil enthält, der Zusatzbestandteil an TiC adsorbiert, und auf der Schichtoberfläche bildet sich somit eine Molybdänsulfidschicht (MoS₂-Schicht), die von einer mehrlagigen Verbindung gebildet wird, wodurch sich die geringe Reibung zeigt. Wenn der Ti-Gehalt größer oder gleich 6 at% ist, wird ausreichend TiC gebildet, und dieser Zustand ist somit unter dem Gesichtspunkt der Reibverschleißeigenschaften wünschenswert. Unter dem Gesichtspunkt der Härte der Schicht ist es wünschenswert, eine große Menge Ti aufzunehmen, und es ist wünschenswert, dass der Ti-Gehalt größer oder gleich 15 at%, 18 at% und 20 at% ist. Wenn der Ti-Gehalt 50 at% wird, wird die Schicht theoretisch zu einer TiC-Schicht. Da es eine große Menge an TiC gibt, adsorbiert TiC allerdings auch andere Zusatzbestandteile als den molybdänhaltigen Zusatzstoff im Schmieröl. Aus diesem Grund ist es schwierig, eine gleichmäßige MoS₂-Schicht zu bilden, und somit ist dieser Zustand unter dem Gesichtspunkt der Senkung der Reibung nicht wünschenswert. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass der Ti-Gehalt nicht mehr als 40 at% beträgt. Die noch wünschenswertere Obergrenze des Ti-Gehalts ist kleiner oder gleich 35 at%, 30 at% und 25 at%.
B verbessert die Haftfestigkeit zwischen den Schichten, was bei der Schicht des mehrlagigen Aufbaus zu einem Problem führt. Des Weiteren kommt es beim Gleiten von Schmieröl, das kein Molybdän enthält, aufgrund des Vorhandenseins von B nicht aktiv zur Adsorption von anderen Zusatzstoffen als dem molydbänhaltigen Zusatzstoff. Dementsprechend kann sich selbst in dem Schmieröl, das kein Molybdän enthält, die geringe Reibung zeigen. Wenn der B-Gehalt größer oder gleich 2 at% ist, ist die Haftfestigkeitsverbesserungswirkung zu erwarten, doch beträgt der B-Gehalt besser noch größer oder gleich 2,5 at% und 2,8 at%. Wenn B jedoch übermäßig enthalten ist, verschlechtert sich die Haftfestigkeit zwischen den Schichten. Da B ein Bestandteil ist, der sich kaum sputtern lässt, ist es zudem schwierig, zu der Schicht eine große Menge B hinzuzufügen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass der B-Gehalt kleiner oder gleich 30 at%, 20 at%, 10 at% und 5 at% ist.
Darüber hinaus kann die Schicht andere Halbleiter und Metallbestandteile enthalten, um neue Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit zu erreichen. Insbesondere lassen sich Al, Mn, Mo, Si, Cr, W, V, Ni und dergleichen als Beispiele nennen. Dabei müssen die Zugabemengen dieser hinzugefügten Bestandteile in einem bestimmten Bereich von kleiner als 20 at% und 10 at% eingestellt werden, damit sie keinen nachteiligen Einfluss auf die Reibverschleißeigenschaften nehmen, die durch Ti und B erzielt werden.
Wenn für die gesamte Schicht 100 at% angenommen wird, kann zudem 2 bis 30 at% und 5 bis 24 at% Wasserstoff (H) enthalten sein. Die Schicht wird umso härter, je geringer der H-Gehalt ist, doch wenn der H-Gehalt kleiner als 2 at% ist, verschlechtern sich die Haftfestigkeit zwischen der Schicht und dem Substrat und die Zähigkeit der Schicht. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass der H-Gehalt größer oder gleich 5 at% und 7 at% ist. Wenn der H-Gehalt mehr als 30 at% beträgt, wird die Härte der Schicht weich und verschlechtert sich somit die Verschleißbeständigkeit. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass der H-Gehalt kleiner oder gleich 24 at% und 20 at% ist.
Des Weiteren kann die Schicht als unvermeidliche Verunreinigungen neben dem Reformierbestandteil Sauerstoff (O) enthalten. Es ist wünschenswert, den O-Gehalt im Bereich von weniger als 3 at% und 1 at% einzustellen, wenn für die gesamte Schicht 100 at% angenommen wird. Wenn eine große Menge Sauerstoff hinzugegeben wird, bestehen Bedenken, dass der Netzwerkaufbau der Schicht zusammenbrechen kann. Dadurch nimmt die Härte der Schicht ab und verschlechtert sich somit die Verschleißbeständigkeit.
– Schmieröl –
Das erfindungsgemäße Gleitbauteil wird in einem Nasszustand verwendet, der Schmieröl nutzt. Das Schmieröl enthält Molybdän (Mo), Schwefel (S), Phosphor (P), Zink (Zn), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Natrium (Na), Barium (Ba) und Kupfer (Cu). Diese Bestandteile sind in dem Zusatzstoff enthalten, der dem Basisöl zugegeben wird. Als Hauptzusatzstoffe lassen sich ein Zusatzstoff auf Erdalkalimetallbasis wie Ca-Sulfonat, Mg-Sulfonat, Ba-Sulfonat und Na-Sulfonat und ein Extremdruckzusatzstoff wie Phosphorsäureester, Phosphitester, Molybdändialkyldithiocarbamat (Mo-DTC) und Zinkdialkyldithiophosphat (Zn-DTP) als Beispiele nennen. Des Weiteren kann ein Zusatzstoff, der keinen der oben beschriebenen Bestandteile enthält, enthalten sein, etwa aschefreies Dispersionsmittel wie Succinimid und Bernsteinsäureester. Das Schmieröl kann zumindest der Gleitoberfläche zugeführt werden, wenn das erfindungsgemäße Gleitbauteil einen Gleitvorgang hervorruft.
Insbesondere kann das Schmieröl allgemeiner Schmierstoff sein, der insgesamt 300 ppm (0,03 Masse%) oder mehr mindestens einer Art von S, P, Zn, Ca, Mg, Na, Ba und Cu enthält, wenn für den gesamten Schmierstoff 100 Masse% angenommen wird.
Darüber hinaus können diese Bestandteile dem Basisöl in der Form einer Verbindung zugegeben werden, doch wird in dieser Beschreibung der Gehalt des Substrats als die in die jeweiligen Bestandteile umgewandelte Menge gesetzt, wenn für das gesamte Schmieröl 100 Masse% angenommen wird. Das Basisöl kann Pflanzenöl, Mineralöl oder synthetisches Öl sein, das allgemein verwendet wird. Des Weiteren enthält auf Mo basierendes Schmieröl, das Molybdän enthält, in der Beschreibung 100 ppm oder mehr Mo, wenn für das gesamte Schmieröl 100 Masse% angenommen wird. Allerdings zeigt das erfindungsgemäße Gleitbauteil die geringe Reibung und die hohe Verschleißbeständigkeit auch in Schmieröl, dessen Mo-Gehalt kleiner als 100 ppm ist, wenn für das gesamte Schmieröl 100 Masse% angenommen wird. Es ist wünschenswert, dass nicht auf Mo basierendes Schmieröl, das kein Molybdän enthält, überhaupt kein Mo in dem Schmieröl enthält (0 ppm), doch sind 10 ppm oder weniger Mo als unvermeidbare Verunreinigungen zulässig, wenn für das gesamte Schmieröl 100 Masse% angenommen wird.
Darüber hinaus unterliegt die Obergrenze des Gehalts der in dem Schmieröl enthaltenen Bestandteile keinen besonderen Beschränkungen, doch kann sie gleich der allgemeinen Schmieröls sein. Zum Beispiel beträgt die Obergrenze der mindestens einen Art von Mo, S, P, Zn, Ca, Mg, Na, Ba und Cu insgesamt 30.000 ppm (3 Masse%) oder weniger.
Als Schmieröl lassen sich insbesondere ATF (Automatikgetriebeöl), CVTF (Öl für stufenloses Getriebe), Antriebssystemöl wie Getriebeöl, Heizöl wie Benzin und Leichtöl, Motoröl und dergleichen als Beispiele nennen. Diese Arten von Schmieröl können in Antwort auf das Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Gleitbauteils verwendet werden.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Gleitbauteil als Gleitverfahren verstanden werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gleitbauteil in dem Schmieröl auf dem oben beschriebenen Gegenmaterial gleitet.
– Herstellungsverfahren für Gleitbauteil –
Das oben beschriebene Schichtausbildungsverfahren unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, und die Schicht kann durch verschiedene Schichtausbildungsverfahren ausgebildet werden. Zum Beispiel lassen sich ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren) und ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren) als Beispiele nennen. Insbesondere lassen sich ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Sputterverfahren, ein unsymmetrisches Magnetronsputterverfahren (UBMS), ein Lichtbogen-Ionenplattierverfahren (AIP), ein Molekularstrahl-Epitaxieverfahren (MBE), ein thermisches CVD-Verfahren, ein Plasma-CVD-Verfahren und ein durch Kombination von zwei oder mehr Schichtausbildungsverfahren erzieltes Verfahren als Beispiele nennen.
Zum Beispiel kann das UBMS-Verfahren eine Ioneninjektion zu einem Werkstück (Substrat) stärken, indem ein Gleichgewicht eines Magnetfelds, das auf ein Target aufgebracht wird, absichtlich zusammenbrechen gelassen wird. Aus diesem Grund wird die Ionisation eines Ausgangsgases leicht durch Elektronen gefördert, die von Magnetfeldlinien eingefangen werden, die von der Umgebung der Targetverdampfungsfläche aus zur Umgebung des Substrats gehen, und es erfolgt leicht eine Reaktion. Da darüber hinaus viele Ionen auf das Substrat treffen, kann die Schicht dicht und effizient ausgebildet werden.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Gleitbauteils durch das UBMS-Verfahren werden zumindest ein Ti-haltiges Target und ein B-haltiges Target verwendet. Bei Bedarf können ein C-haltiges Target und Targets, die das Ausgangsmaterial der Zwischenlage enthalten, verwendet werden. Darüber hinaus kann bei dem Ti-haltigen Target, dem B-haltigen Target und dem C-haltigen Target ein Target als ein weiteres Target dienen. Als bestimmte Beispiele lassen sich verschiedene Targets nennen, die reines Ti, reines B, TiC, TiB, B₄C und TiBC enthalten. Diese Targets können innerhalb des gleichen Reaktionsbehälters angeordnet sein. Des Weiteren werden als Behandlungsgas in den Reaktionsbehälter ein Edelgas als ein Sputtergas und ein C-haltiges Gas als ein Reaktionsgas eingeleitet.
Als Sputtergas kann eine Art oder mehr der Edelgase verwendet werden. Zum Beispiel lassen sich ein Argongas (Ar-Gas), ein Xenongas (Xe-Gas), ein Heliumgas (He-Gas), ein Stickstoffgas (N₂-Gas) und dergleichen als Beispiele nennen. Als C-haltiges Gas kann ein Kohlenwasserstoffgas und dergleichen verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Art oder mehr von Methan (CH₄), Acetylen (C₂H₂) und Benzol (C₆H₆) verwendet werden. Indem der Behandlungsgasdruck und das Durchflussmengenverhältnis zwischen dem Sputtergas und dem C-haltigen Gas geeignet eingestellt werden, kann das in der Schicht enthaltene Verhältnis von C, Ti und B geeignet eingestellt werden.
Wie oben beschrieben wurde, ist es wünschenswert, dass die in dem erfindungsgemäßen Gleitbauteil vorgesehene Schicht TiC enthält. Die Ausbildung von TiC wird durch die Schichtausbildungstemperatur beeinflusst. Im Allgemeinen nimmt die Oberflächentemperatur des Substrats durch die Sputterenergie zu, doch wenn die Schichtausbildungstemperatur auf größer oder gleich 150°C und 250 bis 350°C eingestellt wird, kann die TiC enthaltende Hartschicht leicht erzielt werden. Darüber hinaus ist die Schichtausbildungstemperatur die Oberflächentemperatur des Substrats während der Schichtausbildung und kann durch ein Thermoelement oder ein Strahlungsthermometer gemessen werden.
Das Ansteuerungsverfahren für die jeweiligen Targets unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, und es kann entweder ein Direktstrom, ein Wechselstrom, eine Hochfrequenz, eine Pulswelle und dergleichen verwendet werden. Es ist wünschenswert, die auf das Target aufgebrachte Leistung geeignet in Antwort auf die in der Schicht enthaltenen Gehalte an Ti und B einzustellen. Insbesondere kann eine Leistung im Bereich von 0 kW bis 5,0 kW verwendet werden. Indem die auf das Target aufgebrachte Leistung geändert wird, ist es möglich, die erste Lage und die zweite Lage oder die Ti-B-C-Lage mit einer gewünschten Zusammensetzung auszubilden. Des Weiteren kann die magnetische Felddichte der Targetoberfläche größer oder gleich 0,1 mT und 0,2 mT bis 2,0 mT sein.
Des Weiteren wird die Härte der ausgebildeten Schicht durch die Vorspannung des Substrats beeinflusst, um die Ionenauftreffenergie auf das Substrat zu definieren. Da die Vorspannung auf das Substrat aufgebracht wird, kann leicht hartes TiC ausgebildet werden. Außerdem setzt sich auch der amorphe Kohlenstoff dicht auf der Substratoberfläche und es verbessert sich somit die Härte der Schicht (zum Beispiel 18 GPa oder mehr). Wenn die Schicht ausgebildet wird, indem auf das Substrat eine negative Vorspannung von größer oder gleich 5 V und kleiner als 500 V aufgebracht wird, zeigt sich die Ionenimplantationswirkung durch UBMS. Wenn die Schicht indessen ausgebildet wird, indem auf das Substrat eine negative Vorspannung von größer oder gleich 500 V und kleiner oder gleich 1200 V aufgebracht wird, führt das C-haltige Gas eine Zersetzungsreaktion in der Substratoberfläche herbei und kann die amorphe Kohlenstoffschicht somit einem Plasma-CVD-Verfahren entsprechend ausgebildet werden. Wenn die Schicht auf dem Substrat ausgebildet wird, ist es dementsprechend optimal, auf das Substrat zur Ausbildung der ersten Lage eine negative Vorspannung im Bereich von größer oder gleich 500 V und kleiner oder gleich 1200 V und zur Ausbildung der zweiten Lage eine negative Vorspannung im Bereich von größer oder gleich 5 V und kleiner als 500 V aufzubringen.
Soweit wurde bislang das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gleitbauteils gemäß dem UBMS-Verfahren beschrieben, doch unterliegt das Schichtausbildungsverfahren keinen besonderen Beschränkungen, solange das Verfahren zum Ausbilden der Schicht mit dem oben beschriebenen bevorzugten Aufbau als dem erfindungsgemäßen Gleitbauteil verwendet werden kann.
In der Beschreibung sind verschiedene Techniken offenbart, wie sie bislang beschrieben wurden, doch werden die Haupttechniken nun unten beschrieben.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gleitbauteil zur Verfügung gestellt, das Folgendes aufweist: ein Substrat, das eine Gleitoberfläche hat, die unter dem Vorhandensein von Schmieröl gleitet, und eine Schicht, die an zumindest einem Teil der Gleitoberfläche befestigt ist, wobei die Schicht Kohlenstoff (C), Titan (Ti) und Bor (B) enthält, durch wiederholtes und abwechselndes Aufschichten einer ersten Lage, die amorphen Kohlenstoff als einen Hauptbestandteil enthält, und einer zweiten Lage, die C und Ti als Hauptbestandteile enthält, erzielt wurde und eine Härte von 18 GPa oder mehr hat.
Gemäß dieser Gestaltung ist es möglich, das Gleitbauteil zu erzielen, das im Nasszustand unter Verwendung von Schmieröl geringe Reibung und hohe Verschleißbeständigkeit zeigt.
Darüber hinaus kann in dem Gleitbauteil die zweite Lage Titancarbid (TiC) enthalten. Des Weiteren kann in dem Gleitbauteil die zweite Lage C, Ti und B enthalten und eine Ti-B-C-Lage aufweisen, die auf mindestens einer Seite von Grenzflächenabschnitten zwischen der zweiten Lage und der ersten Lage ausgebildet ist, sodass sie einen höheren B-Gehalt als die anderen Abschnitte hat. Durch eine solche Gestaltung ist es möglich, die Wirkung der Erfindung noch zuverlässiger zu erreichen.
Des Weiteren kann in dem Gleitbauteil eine Dicke der Ti-B-C-Lage 1 bis 10 nm betragen. Durch eine solche Gestaltung ist es möglich, ausreichend die Schichtzähigkeitsverbesserungswirkung zu erzielen, und es ist eine große Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage zu erwarten.
Darüber hinaus kann in dem Gleitbauteil ein Verhältnis (T = T1/T2) einer Dicke T1 der ersten Lage bezogen auf die Dicke T2 der zweiten Lage größer oder gleich 0,3 und kleiner oder gleich 2 sein. Gemäß einer solchen Gestaltung ist es möglich, ausreichend die Reibungssenkungswirkung durch die erste Lage zu erzielen und ausreichend die Verschleißbeständigkeitsverbesserungswirkung durch die zweite Lage zu erzielen.
Des Weiteren kann in dem Gleitbauteil eine Dicke eines Mehrlagenabschnitts, der ein Paar der ersten Lage und der zweiten Lage aufweist, 10 bis 60 nm betragen, und die erste Lage und die zweite Lage können mit insgesamt so vielen wie 10 bis 1000 Schichten aufgeschichtet sein. Durch eine solche Gestaltung ist es möglich, ausreichend die Schichtzähigkeitsverbesserungswirkung zu erreichen, und es ist eine große Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage zu erwarten.
Darüber hinaus kann das Substrat in dem Gleitbauteil auf einer Oberfläche, an der die Schicht befestigt ist, eine Chrom (Cr) enthaltende Zwischenlage aufweisen.
Des Weiteren kann die Schicht in dem Gleitbauteil, wenn für die gesamte Schicht 100 at% angenommen wird, 6 at% bis 40 at% Ti und 2 at% bis 30 at% B enthalten. Dadurch werden die geringe Reibung und die hohe Verschleißbeständigkeit des Gleitbauteils noch zuverlässiger verbessert und somit wird auch die Haftfestigkeit zwischen den Schichten verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Verwendung des Gleitbauteils zur Verfügung gestellt, wobei als das Schmieröl Motoröl verwendet wird. Durch eine solche Gestaltung ist es möglich, das Gleitbauteil so zu verwenden, dass es im Nasszustand unter Verwendung von Schmieröl geringe Reibung und hohe Verschleißbeständigkeit zeigt.
Des Weiteren kann bei dem oben beschriebenen Verwendungsverfahren in dem Schmieröl, wenn für das gesamte Schmieröl 100 Masse% angenommen wird, insgesamt 300 ppm oder mehr mindestens einer Art von Schwefel (S), Phosphor (P), Zink (Zn), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Natrium (Na), Barium (Ba) und Kupfer (Cu) enthalten sein. Dementsprechend ist es möglich, die Wirkung der Erfindung noch zuverlässiger zu erreichen.
Darüber hinaus kann in dem Schmieröl, wenn für das gesamte Schmieröl 100 Masse% angenommen wird, 100 ppm oder mehr Molybdän (Mo) enthalten sein. Alternativ kann, wenn für das gesamte Schmieröl 100 Masse% angenommen wird, der Gehalt an Molybdän (Mo) 10 ppm oder weniger betragen. Auf jeden Fall ist es möglich, das Gleitbauteil so zu verwenden, dass es geringe Reibung und hohe Verschleißbeständigkeit zeigt.
Es sind zwar die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gleitbauteils beschrieben worden, doch ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vom Fachmann können verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Beispiele
Im Folgenden wird die Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf Beispiele des erfindungsgemäßen Gleitbauteils beschrieben.
Basierend auf den Ausführungsbeispielen wurden Gleitbauteile gemäß Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellt, indem auf der Oberfläche des Substrats verschiedene Schichten ausgebildet wurden. Dann erfolgte für die jeweiligen Gleitbauteile die Beurteilung der Betrachtung der Struktur der Schicht, der Analyse der Zusammensetzung der Schicht und der Reibverschleißeigenschaften. Es wird nun das Verfahren zur Herstellung des Gleitbauteils beschrieben.
– Substrat –
Es wurde ein Substrat aus Stahl (martensitischer rostfreier Stahl: SUS440C) angefertigt. Das Substrat hatte die Abmessungen: 6,3 mm × 15,7 mm × 10,1 mm, die Oberflächenhärte: Hv650 und die Oberflächenrauheit: 0,011 μm in Ra ausgedrückt (0,1 μm bezogen auf die über 10 Punkte gemittelte Rautiefe (Rz), wie sie durch JIS festgelegt ist).
– Herstellung Gleitbauteil –
Auf der Oberfläche des Substrats wurden verschiedene Schichten ausgebildet, indem eine unsymmetrische Magnetron-Sputtervorrichtung (UBMS504, hergestellt von Kobe Steel, Ltd.) verwendet wurde. Eine schematische Darstellung der Vorrichtung ist in 2 gezeigt. Die Vorrichtung 20 weist einen Behälter 21, eine Befestigung 22, die drehbar um den Mittelabschnitt des Behälters 21 eine Vielzahl von Substraten S hält, und vier Magnetrons 23 auf, die um die Befestigung 22 herum angeordnet sind und auf denen ein Target platziert werden kann.
Der Behälter 21 ist in einer Zylinderform ausgebildet und weist zwei Gaseinlassrohre 21a, die an seinem oberen Abschnitt ausgebildet sind, und ein Gasabgaberohr 21b auf, das an seinem unteren Abschnitt ausgebildet ist. Die zwei Gaseinlassrohre 21a sind jeweils über ein (nicht gezeigtes) Ventil mit verschiedenen (nicht gezeigten) Gaszylindern verbunden. Das Gasabgaberohr 21b ist über ein (nicht gezeigtes) Ventil mit einer (nicht gezeigten) Turbomolekularpumpe und einer (nicht gezeigten) Kreiselpumpe verbunden. Des Weiteren sind auf der Innenwand des Behälters 21 in der Umfangsrichtung im gleichen Abstand vier Magnetrons 23 angeordnet.
Die Befestigung 22 ist mit einer Gleichstrompuls-Energieversorgung verbunden, und auf das Substrat S wird bei Bedarf eine Vorspannung aufgebracht. Die Befestigung 22 dreht sich in der Mitte des Behälters 21, und die jeweiligen Halter, die das Substrat S halten, drehen sich ebenfalls. Aus diesem Grund ist es möglich, auf der Oberfläche aller Substrate S, die von der Befestigung 22 gehalten werden, gleichmäßig eine Schicht auszubilden.
Auf den Vorderseiten von drei der vier Magnetrons 23, die an der Vorrichtung 20 angebracht sind, sind jeweils ein Target aus reinem Titan (Ti), ein als B-Zufuhrquelle verwendetes Target aus Borcarbid (B₄C) und ein zum Ausbilden der Zwischenlage verwendetes Target aus reinem Chrom (Cr) platziert. Auf die Targets kann unabhängig voneinander Energie aufgebracht werden.
Als ein Probekörper hergestellt wurde, wurde die Vielzahl von Substraten S von der Befestigung 22 gehalten. Die Oberflächen der jeweiligen Targets und die Schichtausbildungsflächen der Substrate C waren einander durch Drehen der Befestigung 22 während des Schichtausbildungsvorgangs zugewandt. Dabei betrug der kürzeste Abstand von der Oberfläche des Substrats zur Oberfläche des Targets 150 mm.
<<Ausbildung Zwischenlage>> Zunächst erfolgte die Absaugung des Behälters 21 bei 3 × 10^–3 Pa. Als Nächstes wurde der Gasdruck innerhalb des Behälters auf 0,4 Pa eingestellt, indem vom Gaseinlassrohr 21a aus ein Argongas (Ar-Gas) eingelassen wurde. Auf das Cr-Target wurde von einer an der Vorrichtung angebrachten Energieversorgungsvorrichtung 3,0 kW aufgebracht, um so das Cr-Target durch das Ar-Gas zu sputtern, und in dem Cr-Target wurde eine Plasmaentladung erzeugt, um auf der Oberfläche des Substrats S eine Cr-Schicht auszubilden. Des Weiteren wurde auf der Oberfläche der Cr-Schicht eine auf Cr-C basierende Schicht ausgebildet, indem vom Gaseinlassrohr 21a aus ein Acetylengas (C₂H₂-Gas) eingeleitet wurde. Indem die Durchflussmenge des Acetylengases allmählich von 0 auf 15 sccm erhöht wurde, änderte sich dabei der Gradient der Konzentration an C in der Dickenrichtung, sodass die Konzentration an C auf der Schichtoberflächenseite der auf Cr-C basierenden Schicht am höchsten wurde. Auf diese Weise wurde eine Zwischenlage mit einer Gesamtdicke von etwa 0,6 μm ausgebildet.
<<Ausbildung Schicht>> Nach dem Ende der Ausbildung der Zwischenlage wurde der Gasdruck innerhalb des Behälters auf 0,5 Pa eingestellt, indem ein Ar-Gas und ein C₂H₂-Gas eingelassen wurden. Als Nächstes wurde in den jeweiligen Targets eine Plasmaentladung erzeugt, indem über die an der Vorrichtung angebrachte Energieversorgungsvorrichtung eine vorbestimmte Leistung an das Ti-Target und das B₄C-Target aufgebracht wurde. Währenddessen wurde auf das Substrat S durch die mit der Befestigung 22 verbundene Gleichstrompuls-Energieversorgung eine negative Vorspannung aufgebracht. In den Beispielen wurde zunächst die erste Lage ausgebildet, indem für eine vorbestimmte Dauer eine Vorspannung von 1000 V aufgebracht wurde. Als Nächstes wurde die zweite Lage ausgebildet, indem die auf das Substrat S aufgebrachte Vorspannung von 1000 V auf 100 V geändert wurde. Eine weitere erste Lage wurde auf der Oberfläche der zweiten Lage ausgebildet, indem die auf das Substrat S aufgebrachte Vorspannung nach einer vorbestimmten Dauer erneut auf 1000 V geändert wurde. Indem die intermittierende Vorspannung mehrmals geändert wurde, wurde auf der Oberfläche der Zwischenlage durch wiederholtes und abwechselndes Aufschichten der ersten Lage und der zweiten Lage eine mehrlagige Schicht ausgebildet, die eine Dicke von 1,5 bis 3 μm hatte.
Insbesondere wurden sieben Arten von Probekörpern (Gleitbauteilen) erzielt, indem abwechselnd die Vorspannung gemäß der in Tabelle 1 angegebenen Schichtausbildungsdauer geändert wurde. Die in der Schicht enthaltenen Mengen an Ti und B und die Dicke der Ti-B-C-Lage wurden geändert, indem die auf das Target aufgebrachte Leistung zusammen mit der Änderung der Vorspannung im Bereich von 0 bis 5,0 kW geändert wurde. Die Oberflächentemperatur des Substrats S während des Schichtausbildungsvorgangs betrug in jedem Fall 300°C.
Darüber hinaus ist das Vergleichsbeispiel 1 ein Probekörper, der eine einlagige amorphe Kohlenstoffschicht (einlagige DLC-Schicht) ohne einen mehrlagigen Aufbau hat. Die einlagige DLC-Schicht wurde mit der Vorspannung von 100 V ausgebildet, indem eine Plasmaentladung des Targets aus reinem C herbeigeführt wurde, das auf dem Magnetron 23 innerhalb des Behälters 21 platziert war, in den gleichzeitig ein Ar-Gas und ein Methangas eingeleitet wurden.
– Analyse der Schichtzusammensetzung und Messung der Schichthärte –
Für die bei diesem Vorgang erzielten Probekörper erfolgten die Analyse der Schichtzusammensetzung der gesamten Schicht und die Messung der Härte der Schicht. Das Ergebnis ist in Tabelle 1 angegeben. Die Schichtzusammensetzung wurde durch Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA: eine Analyse mit einer Beschleunigungsspannung von 10 kV und einem Analyseoberflächenbereich von 100 μm), Röntgenfotoelektronenspektroskopie (XPS), Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) und ein Rutherford-Rückstreu-Spektroskopieverfahren (RBS) ermittelt. Die Härte der Schicht wurde anhand eines Messwerts berechnet, der durch Messen der Oberflächenhärte des Probekörpers durch Nanoindention (MTS, hergestellt von TOYO Corporation) ermittelt wurde. Darüber hinaus enthält der Rest C als einen Hauptbestandteil sowie H (etwa 1 bis 30 at%) und O (weniger als 3 at%) als unvermeidbare Verunreinigungen.
– Beurteilung Reibverschleißeigenschaften –
Es erfolgte ein Ring-auf-Block-Versuch, indem die Probekörper, die gemäß dem oben beschriebenen Vorgang erzielt wurden, als ein Blockversuchsstück verwendet wurden. 3 stellt eine schematische Darstellung einer Reibungsversuchsmaschine der Ring-auf-Block-Bauart (LFW-1, hergestellt von FALEX Corporation) dar. Wie in 3 gezeigt ist, weist die Reibungsversuchsmaschine der Ring-auf-Block-Bauart 30 ein Blockversuchsstück 31 und als Gegenmaterial ein Ringversuchsstück 32 auf. Das Blockversuchsstück 31 und das Ringversuchsstück 32 sind vorhanden, während eine in dem Blockversuchsstück 31 ausgebildete Schicht 31f gegen das Ringversuchsstück 32 stößt. Das Ringversuchsstück 32 ist drehbar in einem Ölbad 33 vorhanden. In diesem Versuch wurde als das Ringversuchsstück 32 ein S-10 Ringversuchsstück (Material: gehärtetes Stahlmaterial aus SAE4620, Form: Φ35 mm, Breite 8,8 mm und Oberflächenrauheit: 1,3 μm Rz, FALEX Corporation) als ein Standardversuchsstück der Reibungsversuchsmaschine 30 verwendet. Des Weiteren wurde in dem Ölbad 33 ein einen molybdänhaltigen Zusatzstoff enthaltendes Motoröl (auf Mo basierendes Motoröl, Viskositätsgrad: 0W-20), das bei 80°C gehalten wurde, verwendet. Das auf Mo basierende Motoröl enthält als einen Zusatzstoff Mo-DTP, Mo-DTC und dergleichen, wobei sich anhand der Inhaltsangaben des Schmierstoffherstellers und der Analyse der Metallbestandteile in dem Öl herausstellte, dass das Motoröl 0,01 Masse% (100 ppm) oder mehr Mo und 0,05 Masse% (500 ppm) andere Bestandteile als Mo (insbesondere Ca, Zn, S und P) enthielt, wenn für das Motoröl 100 Masse% angenommen wurde.
In dem Reibungsversuch wurde das Ringversuchsstück 32 zunächst im unbelasteten Zustand gedreht. Anschließend glitt das Ringversuchsstück 32 auf dem Blockversuchsstück 31 mit einer Gleitgeschwindigkeit von 0,3 m/s, indem von der Oberfläche des Blockversuchsstücks 31 aus eine Last von 300 N (Hertzsche Oberflächenpressung von 310 MPa) aufgebracht wurde. Dabei gibt die Hertzsche Oberflächenpressung den Maximalwert der tatsächlichen Oberflächenpressung unter Berücksichtigung der elastischen Verformung des Kontaktabschnitts zwischen dem Blockversuchsstück 31 und dem Ringversuchsstück 32 an. Nach 30-minütiger Gleittätigkeit wurden die Reibverschleißeigenschaften gemessen. Die gemessenen Reibverschleißeigenschaften schließen den Reibungskoeffizienten zwischen dem Blockversuchsstück 31 und dem Ringversuchsstück 32 und die maximale Verschleißtiefe der jeweiligen Blockversuchsstücke 31 ein. Das Messergebnis ist in Tabelle 2 angegeben.
Darüber hinaus erfolgte mit den Probekörpern, die durch Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wurden, wie oben beschrieben ein Ring-auf-Block-Versuch, indem anstelle des auf Mo basierenden Motoröls ein nicht auf Mo basierendes Motoröl I oder ein nicht auf Mo basierendes Motoröl II (Viskositätsgrad: 0W-20) im Wesentlichen ohne Mo verwendet wurde, deren Gehalt an molybdänhaltigem Zusatzstoff kleiner als der des auf Mo basierenden Motoröls war. Das Ergebnis ist in Tabelle 3 und 5 angegeben. Das Ergebnis von dem in Tabelle 3 angegebenen ”Nur Substrat” ist ein Ergebnis, in dem der Ring-auf-Block-Versuch auf dem Substrat (SUS440C) ohne die Zwischenlage und die Schicht erfolgte.
<Betrachtung des Schichtquerschnitts>
Um zu überprüfen, dass die in den Beispielen ausgebildete Schicht einen mehrlagigen Aufbau hatte, wurde der Querschnitt der Schicht unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) betrachtet. Aus den Probekörpern des Beispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 2 wurde ein dünner Probekörper zum Betrachten des Querschnitts hergestellt, und das durch TEM erzielte Betrachtungsergebnis ist in den 6 und 7 gezeigt. Abgesehen davon ist der von der Oberfläche der Schicht aus gesehene Stoff (die Oberseite des Bilds in den 6 und 7) eine Aluminiumschutzschicht, die zur Herstellung des dünnen Probekörpers ausgebildet wurde.
Bei dem Betrachtungsergebnis (6) des Probekörpers von Beispiel 1 wurde in der Schicht ein mehrlagiger Aufbau gefunden, der durch Aufschichten von zwei Arten von Schichten erzielt wurde, die durch den Kontrast klar unterschieden werden können. Gemäß dem (nicht gezeigten) Begrenzungsfeld-Beugungsbild, war das Beugungsmuster von der hellen Schicht ein Lichthofmuster amorphen Kohlenstoffs. Des Weiteren deutet das Beugungsmuster von der dunklen Schicht auf das Vorhandensein feiner, etwa 5 nm großer Kristalle aus TiC hin. Das heißt, es wurde herausgefunden, dass der Probekörper von Beispiel 1 eine heterogene mehrlagige Schicht mit einem mehrlagigen Aufbau aufweist, der durch wiederholtes und abwechselndes Aufschichten zweier verschiedener Arten von Schichten, das heißt einer ersten Lage, die amorphen Kohlenstoff enthält, und einer zweiten Lage, die TiC enthält, erzielt wurde. Darüber hinaus wurde die Schicht in den Beispielen 1 bis 3 unabhängig von der Änderung der auf das Target aufgebrachten Spannung gemäß dem gleichen Vorgang ausgebildet. Aus diesem Grund ist ersichtlich, dass die Schichten der Beispiele 2 und 3 heterogene mehrlagige Schichten sind, die durch die erste Lage und die zweite Lage erzielt werden.
Indessen wurde bei dem Betrachtungsergebnis (7) des Probekörpers von Vergleichsbeispiel 2 in der Schicht ein Streifenmuster beobachtet, doch wurde nicht das Vorhandensein der dunklen Schicht festgestellt. Dann wurde an jeder Position der Schicht gemäß einem (nicht gezeigten) Begrenzungsfeldbeugungsbild ein Beugungsmuster erzielt, das ein Lichthofmuster amorphen Kohlenstoffs darstellte. Dementsprechend stellte sich heraus, dass der Probekörper von Vergleichsbeispiel 2 eine Schicht aufwies, in der die gesamte Schicht aus amorphem Kohlenstoff ausgebildet ist, und dass ein mehrlagiger Aufbau durch Aufschichten einer Vielzahl homogener Schichten erzielt wurde.
Des Weiteren erfolgte für Beispiel 1 die Analyse der Zusammensetzung der Schicht, indem energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) verwendet wurde. 8 stellt ein HAADF-Bild gemäß einem Weitwinkelbeugungs-Ringdunkelfeld-Rastertransmissionsmikroskopverfahren (HAADF-RTEM-Verfahren) und ein Konzentrationsprofil gemäß der TEM-EDX-Analyse dar. In dem Konzentrationsprofil sind die Analyserichtung und die Positionen 1 bis 4 des HAADF-Bilds angegeben. Darüber hinaus ist der Kontrast des HAADF-Bilds entgegengesetzt zum Kontrast des Hellfeldbilds (zum Beispiel 6, 7, 10 und 11).
Die Position 1 befindet sich in dem HAADF-Bild an der dunkelsten Lage (das heißt der ersten Lage, die amorphen Kohlenstoff enthält), und gemäß der EDX-Analyse stellt sich heraus, dass in ihrer Umgebung hauptsächlich C enthalten ist und außerdem eine geringe Menge Ti und eine geringe Menge B enthalten ist. Die Position 3 befindet sich in dem HAADF-Bild an der hellsten Lage (das heißt der zweiten Lage, die eine große Menge Ti enthält), und gemäß der EDX-Analyse stellt sich heraus, dass in ihrer Umgebung C und Ti mit im Wesentlichen der gleichen Menge enthalten sind und dass eine geringe Menge B enthalten ist. Die Position 2 und die Position 4 befinden sich in der Umgebung der Grenze zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage, und gemäß der EDX-Analyse stellt sich heraus, dass an jedem der Punkte C und Ti zusammen mit einer geringen Menge B enthalten sind. Allerdings wurde verglichen mit der Umgebung der Position 4 in der Umgebung der Position 2 eine große Menge B erfasst. Das heißt, es stellt sich heraus, dass B einen Konzentrationsgradienten hat, in dem die Konzentration bezogen auf die Substratseite in der Dickenrichtung der zweiten Lage an der Schichtoberflächenseite höher wird. Insbesondere stellt sich heraus, dass an dem Abschnitt, der sich in der zweiten Lage auf der Schichtoberflächenseite befindet, die Ti-B-C-Lage ausgebildet ist, die eine große Menge B hat.
Als nächstes wurden die Schichtdicken der ersten Lage und der zweiten Lage für Beispiel 1 gemessen. Des Weiteren wurde für die zweite Lage auch die Schichtdicke der Ti-B-C-Lage mit der großen Menge B in der zweiten Lage gemessen. Die Messung der Schichtdicke erfolgte, indem basierend auf einem EDX-Analyseergebnis tatsächlich eine Vielzahl von Positionen auf dem TEM-Bild gemessen wurde. Zum Beispiel ist 10 ein Ergebnis, das durch Betrachten des Querschnitts des dünnen Probekörpers vom Beispiel 1 mit der hohen TEM-Vergrößerung erzielt wurde. Durch die Grenze der hellen Schicht und der dunklen Schicht von 10 kann eine Grenze zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage klar bestimmt werden. Da die andere Grenze zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage aufgrund des Vorhandenseins der Ti-B-C-Lage allein durch das TEM-Bild nicht klar bestimmt werden kann, wird die andere Grenze anhand eines Elektronenenergieverlustspektroskopievorgangs (EELS, 9) kombiniert mit TEM und einem Konzentrationsprofil (8) einer EDX-Analyse definiert. Das heißt, dass in dem Konzentrationsprofil der EDX-Analyse und der auf TEM-EELS basierenden Linienanalyse der Bereich, in dem das B-Spektrum klar erfasst wird, als die Ti-B-C-Lage gemessen wurde. Die Ziffern 1 bis 4 von 9 entsprechen jeweils denen in 8 beschriebenen Positionen 1 bis 4. Anhand der EELS-Linienanalyse von 9 ergibt sich zum Beispiel, dass B an der Position 3 erfasst wurde, nicht aber an der Position 2. Das heißt, dass die Ti-B-C-Lage in dem Beispiel einem Bereich (dem in 8 gezeigten B-Erfassungsbereich) entspricht, in dem die Zählimpulse für B (die Vertikalachse) in dem Konzentrationsprofil der EDX-Analyse 30 × 10⁴ oder mehr betrugen. Das Messergebnis der Schichtdicke ist in Tabelle 4 und Tabelle 5 angegeben. Darüber hinaus gibt in Tabelle 4 ”T1” die Dicke der ersten Lage und ”T2” die Dicke der zweiten Lage an (wobei die Einheit nm ist). Dann gibt das Verhältnis ”T1/T2” von T1 bezogen auf T2 das Dickenverhältnis der mehrlagigen Schicht an.
Die gleiche Messung erfolgte für den Probekörper von Vergleichsbeispiel 4. Das Ergebnis, das durch Betrachten des Querschnitts des dünnen Probekörpers von Vergleichsbeispiel 4 mit der hohen TEM-Vergrößerung erzielt wurde, ist in 11 gezeigt, und das Messergebnis der Schichtdicke ist in Tabelle 4 angegeben. Des Weiteren wurde in dem Verfahren zur Herstellung des Probekörpers von Vergleichsbeispiel 3 eine Schicht ausgebildet, indem eine vorbestimmte Leistung auf ein B₄C-Target aufgebracht wurde, und dadurch wurde das Vergleichsbeispiel 3' hergestellt, indem zu der Schicht eine geringe Menge B hinzugefügt wurde. Dann wurde wie oben beschrieben die Dicke der Ti-B-C-Lage gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 5 angegeben.
Der Probekörper von Vergleichsbeispiel 1 weist eine einlagige DLC-Schicht auf. Der Probekörper von Vergleichsbeispiel 2 weist eine Schicht auf, die eine DLC-Schicht mit einem mehrlagiger Aufbau ist, wobei der Aufbau durch Aufschichten von zwei Arten von DLC-Lagen ausgebildet ist, wobei während des Schichtausbildungsvorgangs verschiedene Vorspannungen auf das Substrat aufgebracht wurden. Da der Probekörper von Vergleichsbeispiel 2 die DLC-Schicht mit einer hochgradig dichten DLC-Lage aufweist, die durch Aufbringen einer hohen Vorspannung darauf ausgebildet wurde, ist die Oberflächenhärte höher als die des Probekörpers von Vergleichsbeispiel 1. Allerdings gibt es keinen großen Unterschied zwischen beiden Reibungskoeffizienten. Was die Verschleißtiefe betrifft, ist der mehrlagige Aufbau im Vergleichsbeispiel 2 ausgebildet und ist die Schicht mit einer Vielzahl von Grenzflächen versehen. Aufgrund des Einflusses der Grenzflächen verschlechtert sich daher die Zähigkeit der Schicht und wird somit auch die Verschleißbeständigkeit beeinflusst.
In dem Probekörper von Vergleichsbeispiel 3, der die Schicht mit der zweiten Lage aufweist, die Ti, aber kein B enthält, ist die Reibung geringer als bei den Probekörpern von Vergleichsbeispiel 1 und 2 und verbessert sich die Oberflächenhärte. Allerdings ist die Verschleißbeständigkeit gering. Es wird davon ausgegangen, dass die Verbesserung der Härte von Vergleichsbeispiel 3 von der Ausbildung von TiC abhängt, wenn auf das Substrat eine geringe Vorspannung aufgebracht wird, doch stellt sich heraus, dass allein durch die Verbesserung der Härte aufgrund von TiC keine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit erwartet werden kann.
Die Probekörper von Vergleichsbeispiel 4 und von den Beispielen 1 bis 3 weisen eine Schicht auf, die C als einen Hauptbestandteil sowie Ti und B enthält. In den Probekörpern der Beispiele 1 bis 3 zeigt sich beim Reibungskoeffizienten verglichen mit dem Probekörper von Vergleichsbeispiel 1, der die einlagige DLC-Schicht aufweist, eine geringe Reibung, und bei der Verschleißtiefe verbessert sich stark die Verschleißbeständigkeit verglichen mit jedem der Vergleichsbeispiele.
Die Verbesserung der Oberflächenhärte der Probekörper der Beispiele 1 bis 3 wird durch die Schicht hervorgerufen, die die zweite Lage aufweist, die TiC als superharte Verbindung enthält. Es wird davon ausgegangen, dass TiC aufgrund von Ti ausgebildet wird, das in der Schicht enthalten ist, und dass sich die Oberflächenhärte verbessert. Allerdings ist der Grund, warum die Härte der Schicht von Vergleichsbeispiel 4 äußerst gering ist, der, dass die Dicke (T1) der ersten Lage, die amorphen Kohlenstoff enthält, mehr als zweimal so groß wie die Dicke (T2) der zweiten Lage ist, die TiC enthält. Das heißt, dass es, um die Hartschicht zu erzielen, wirksam ist, die zweite Lage so ausreichend auszubilden, dass das Verhältnis von T1/T2 2 oder weniger beträgt und besonders wünschenswerter Weise 1 oder weniger beträgt. Dann verbessert sich auch stark die Verschleißbeständigkeit.
Da die Probekörper von Vergleichsbeispiel 4 und von den Beispielen 1 bis 3 zusammen mit Ti B enthalten, verbessert sich zudem die Verschleißbeständigkeit. Dies liegt daran, dass sich aufgrund des Vorhandenseins von B die Haftfestigkeit der Grenzfläche zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage verbessert und sich die Zähigkeit der Schicht verbessert. Darüber hinaus stellt sich bei dem Probekörper von Vergleichsbeispiel 3 heraus, dass nach dem Reibverschleißversuch ein Riss in der Schichtoberfläche auftritt und der Riss durch die Ablösung von der Grenzfläche hervorgerufen wird. Insbesondere wenn der B-Gehalt größer oder gleich 3 at% ist, stellt sich heraus, dass die Ti-B-C-Lage in einer Dicke ausgebildet wird, in der sie sich ausreichend in der zweiten Lage zeigt, und dass sich die Verschleißbeständigkeit stark verbessert.
Wie aus dem Reibverschleißversuchsergebnis von Vergleichsbeispiel 3 hervorgeht, wird die Senkung des Reibungskoeffizienten durch Ti, das in der Schicht enthalten ist, stark beeinflusst. Unter dem Vorhandensein eines auf Mo basierenden Motoröls zeigt der Reibungssenkungsmechanismus eine geringe Reibung auf eine Weise, dass an der Schichtoberfläche ein von einem auf Mo basierenden Zusatzstoff abgeleiteter Bestandteil absorbiert wird und auf der Gleitoberfläche eine aus einer mehrlagigen Verbindung ausgebildete MoS₂-Schicht als eine Grenzschicht gebildet wird. Da der von dem auf Mo basierenden Zusatzstoff abgeleitete Bestandteil leicht an Carbid adsorbiert wird, zeigen die Probekörper der Beispiele, die die Schicht mit der zweiten Lage aufweisen, die TiC enthält, in dem auf Mo basierenden Motoröl hervorragende Reibverschleißeigenschaften.
Auch in dem Gleitbauteil, das eine TiC-Schicht (Einzellage) als Schicht aufweist, wird an der Oberfläche der TiC-Schicht unter dem Vorhandensein von auf Mo basierendem Motoröl aufgrund des Gleitvorgangs ein von einem auf Mo basierendem Zusatzstoff abgeleiteter Bestandteil adsorbiert. Allerdings versteht sich, dass auch ein anderer von einem Zusatzstoff abgeleiteter Bestandteil, der in dem auf Mo basierenden Motoröl enthalten ist, an der Oberfläche der TiC-Schicht adsorbiert wird. Da anstelle der MoS₂-Schicht, in der die auf der Gleitoberfläche ausgebildete Grenzschicht gleichmäßig ist, eine Schicht ausgebildet wird, die Ca, Zn, P und dergleichen enthält, wird davon ausgegangen, dass das Aufzeigen der Eigenschaften geringer Reibung schwierig ist. Da die Schicht in den Beispielen als der mehrlagige Aufbau mit der ersten Lage, die amorphen Kohlenstoff enthält, und der zweiten Lage, die TiC enthält, ausgebildet ist, wird vermutet, dass die geringe Reibung durch das Vorhandensein einer passenden Menge TiC in der Gleitoberfläche hervorgerufen wird.
Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, dass es für die Verbesserung der Reibverschleißeigenschaften des Gleitbauteils wichtig ist, dass zusammen mit Ti und B als ein Hauptbestandteil C enthalten ist und dass der mehrlagige Aufbau mit der ersten Lage, die amorphen Kohlenstoff enthält, und der zweiten Lage, die TiC enthält, vorhanden ist.
Darüber hinaus versteht sich, dass das Gleitbauteil von Beispiel 3 ungeachtet der Art des Motoröls geringe Reibung und hohe Verschleißbeständigkeit zeigt. 5 ist eine grafische Darstellung, die das Reibverschleißversuchsergebnis des Gleitbauteils von Beispiel 3 und des Gleitbauteils und des Substrats (SUS404C) von Vergleichsbeispiel 1 darstellt, wobei dies ein Ergebnis ist, das erzielt wurde, indem zusätzlich zu auf Mo basierendem Motoröl ein Versuch in zwei verschiedenen Arten von nicht auf Mo basierenden Motorölen durchgeführt wurde. Bei dem Substrat und dem Gleitbauteil von Vergleichsbeispiel 1 war die Verschleißbeständigkeit in auf Mo basierendem Motoröl gering. Indessen stellt sich heraus, dass der Reibungskoeffizient in dem nicht auf Mo basierendem Motoröl zunimmt, obwohl sich die Verschleißbeständigkeit verbessert. Wie oben beschrieben wurde, zeigt das Gleitbauteil von Beispiel 3 in dem auf Mo basierendem Motoröl geringe Reibung und hohe Verschleißbeständigkeit. Dann stellt sich heraus, dass die Reibverschleißeigenschaften des Gleitbauteils von Beispiel 3 in dem nicht auf Mo basierenden Motoröl stark verringert sind. Es wird vermutet, dass es zu diesem Ergebnis kommt, weil abgesehen von der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit gemäß dem mehrlagigen Aufbau der Schicht aufgrund dessen, dass die Schicht Ti und B enthält, durch die Wechselwirkung von Ti und B bezogen auf verschiedene Zusatzstoffe in Motoröl die Grenzschicht gebildet wird, die die geringe Reibung fördert. Das heißt, es stellt sich heraus, dass das erfindungsgemäße Gleitbauteil sogar dann ausreichend geringe Reibung und hohe Verschleißbeständigkeit zeigen kann, wenn ein Mo-haltiger Schmierstoff und ein Schmierstoff, der einen geringen Mo-Gehalt enthält, verwendet werden.
Es wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-091450 beansprucht, die am 15 April 2011 eingereicht wurde und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Um die Erfindung zum Ausdruck zu bringen, ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wie oben beschrieben geeignet und ausreichend anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben worden, doch sollte beachtet werden, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele durch den Fachmann leicht abgewandelt und/oder verbessert werden können. Es versteht sich dementsprechend, dass die Abwandlung oder die Verbesserung im Schutzumfang der Ansprüche enthalten ist, solange die vom Fachmann durchgeführte Abwandlung oder Verbesserung nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abweicht.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die Erfindung hat breite gewerbliche Anwendbarkeit auf dem technischen Gebiet eines Gleitbauteils, das hauptsächlich im Nasszustand unter Verwendung von Schmieröl verwendet wird.

Claims

Gleitbauteil mit: einem Substrat, das eine Gleitoberfläche hat, die unter dem Vorhandensein von Schmieröl gleitet; und einer Schicht, die an zumindest einem Teil der Gleitoberfläche befestigt ist, wobei die Schicht eine Härte von 18 GPa oder mehr hat, Kohlenstoff (C), Titan (Ti) und Bor (B) enthält und durch wiederholtes und abwechselndes Aufschichten einer ersten Lage, die amorphen Kohlenstoff als einen Hauptbestandteil enthält, und einer zweiten Lage, die C und Ti als Hauptbestandteile enthält, erzielt wurde.
Gleitbauteil nach Anspruch 1, wobei die zweite Lage Titancarbid (TiC) enthält.
Gleitbauteil nach Anspruch 1, wobei die zweite Lage C, Ti und B enthält und eine Ti-B-C-Lage aufweist, die auf mindestens einer Seite von Grenzflächenabschnitten zwischen der zweiten Lage und der ersten Lage ausgebildet ist, sodass sie einen höheren B-Gehalt als die anderen Abschnitte hat.
Gleitbauteil nach Anspruch 3, wobei eine Dicke der Ti-B-C-Lage 1 bis 10 nm beträgt.
Gleitbauteil nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis (T = T1/T2) einer Dicke T1 der ersten Lage bezogen auf eine Dicke T2 der zweiten Lage größer oder gleich 0,3 und kleiner oder gleich 2 ist.
Gleitbauteil nach Anspruch 1, wobei in der Schicht eine Dicke eines Mehrlagenabschnitts, der ein Paar der ersten Lage und der zweiten Lage aufweist, 10 bis 60 nm beträgt und die erste Lage und die zweite Lage mit insgesamt so vielen wie 10 bis 1000 Lagen aufgeschichtet sind.
Gleitbauteil nach Anspruch 1, wobei das Substrat auf einer Oberfläche, an der die Schicht befestigt ist, eine Chrom (Cr) enthaltende Zwischenlage aufweist.
Gleitbauteil nach Anspruch 1, wobei die Schicht, wenn für die gesamte Schicht 100 at% angenommen wird, 6 at% bis 40 at% Ti und 2 at% bis 30 at% B enthält.
Verfahren zur Verwendung des Gleitbauteils gemäß Anspruch 1, wobei als das Schmieröl Motoröl verwendet wird.
Verfahren zur Verwendung des Gleitbauteils nach Anspruch 9, wobei in dem Schmieröl, wenn für das gesamte Schmieröl 100 Masse% angenommen wird, insgesamt 300 ppm oder mehr mindestens einer Art von Schwefel (S), Phosphor (P), Zink (Zn), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Natrium (Na), Barium (Ba) und Kupfer (Cu) enthalten ist.
Verfahren zur Verwendung des Gleitbauteils nach Anspruch 9, wobei in dem Schmieröl, wenn für das gesamte Schmieröl 100 Masse% angenommen wird, 100 ppm oder mehr Molybdän (Mo) enthalten ist.
Verfahren zur Verwendung des Gleitbauteils nach Anspruch 9, wobei, wenn für das gesamte Schmieröl 100 Masse% angenommen wird, ein Gehalt an Molybdän (Mo) 10 ppm oder weniger beträgt.