JP2007277663A

JP2007277663A - 摺動材

Info

Publication number: JP2007277663A
Application number: JP2006107439A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shimoda; 健二下田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】摺動材において、相手材との摩擦を更に抑制して、耐摩耗性と密着性とをより向上させることである。
【解決手段】基材１２に積層され、基材１２と密着される金属層１４と、金属層１４に積層され、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成される金属と炭素とが混合した第１層１６と、第１層１６に積層され、金属と炭素とを所定の組成比として形成することにより金属と炭素とが混合した第２層１８とを有する摺動材であって、第１層１６と第２層１８は、密度が２．２ｇ/ｃｍ^３から２．４ｇ/ｃｍ^３一定で形成される。金属は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷまたはＳｉであることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、摺動材に係り、特に、基材に積層され、基材と密着される金属層と、金属層に積層され、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成される金属と炭素とが混合した第１層と、第１層に積層され、金属と炭素とを所定の組成比として形成することにより金属と炭素とが混合した第２層とを有する摺動材に関する。

車両、特に、自動車に用いられるコネクティングロッド、ピストンリング、滑り軸受け等の摺動材には、一般的に、硬質なセラミック系材料等を摺動面にコーティングする表面処理が施されている。そして、摺動材の摺動面にセラミック系材料等を被覆することにより、摺動面の耐摩耗性、耐焼付き性または耐衝撃性等を向上させている。

硬質なセラミック材料等は、摺動材における摺動面に、スパッタリング法またはイオンプレーティング法等の物理蒸着法（ＰＶＤ法）や化学蒸着法（ＣＶＤ法）等によりコーティングされる。このようなセラミック材料等の皮膜には、チタン系材料の皮膜であるＴｉＣ皮膜やＴｉＮ皮膜、クロム系材料の皮膜であるＣｒＮ皮膜、炭素系材料の皮膜であるダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ−ＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ：ＤＬＣ）皮膜等の硬質皮膜が用いられる。

ここで、特許文献１には、基材と、基材の表面に形成した保護膜とを含む摺動部材において、保護膜は、金属層と、金属層の上に形成された金属―カーボン組成傾斜層と、金属―カーボン組成傾斜層の上に形成され、金属―カーボン組成傾斜層から離れるに従って硬度が増加する硬度変化領域を有するダイヤモンドライクカーボン層とを備える摺動部材が示されている。

特開２００４−１０９２３号公報

上述したダイヤモンドライクカーボン層は、相手材と摺動することにより、ダイヤモンドライクカーボン層の微細構造であるグラファイト構造に起因した層状に磨り減る自己潤滑により低摩擦化を達成している。そのために、摺動材における耐摩耗性が十分に得られない場合がある。また、皮膜を薄膜の多層積層構造にした場合には、グラファイト構造でない層の存在により、相手材との摺動抵抗が高まり、摩擦係数が大きくなる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、基材に積層され、基材と密着される金属層と、金属層に積層され、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成される金属と炭素とが混合した第１層と、第１層に積層され、金属と炭素とを所定の組成比として形成することにより金属と炭素とが混合した第２層とを有する摺動材において、相手材との摩擦を更に抑制して、耐摩耗性と密着性とをより向上させることである。

本発明に係る摺動材は、基材に積層され、基材と密着される金属層と、金属層に積層され、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成される金属と炭素とが混合した第１層と、第１層に積層され、金属と炭素とを所定の組成比として形成することにより金属と炭素とが混合した第２層とを有する摺動材であって、第１層と第２層は、密度が２．２ｇ/ｃｍ^３から２．４ｇ/ｃｍ^３一定で形成されることを特徴とする。

本発明に係る摺動材において、金属は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷまたはＳｉであることが好ましい。

本発明に係る摺動材において、第１層は、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、炭素/金属原子比で１．７から１０まで、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成されることが好ましい。

本発明に係る摺動材において、第２層は、金属と炭素とにおける所定の組成比が、炭素/金属原子比で１０以上１５以下であることが好ましい。

本発明に係る摺動材において、第２層の膜厚は、金属層と第１層と第２層とを合わせた膜厚の１０％以内であることが好ましい。

本発明に係る摺動材において、摩擦係数が０．０５以下であることが好ましい。

上記摺動材によれば、相手材との摩擦を更に抑制して、耐摩耗性と密着性とをより向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、摺動材１０の構成を示す断面図である。摺動材１０は、基材１２に積層され、基材１２と密着される金属層１４と、金属層１４に積層され、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成される金属と炭素とが混合した第１層１６と、第１層１６に積層され、金属と炭素とを所定の組成比として形成することにより金属と炭素とが混合した第２層１８とを有している。

基材１２には、構造用炭素鋼や構造用合金鋼等を使用することができる。構造用合金鋼には、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロム鋼、マンガン鋼、マンガンクロム鋼またはアルミニウムクロムモリブデン鋼等を用いることができる。これらの構造用炭素鋼や構造用合金鋼は、焼入れ、焼戻し等の熱処理を行って、所定の硬さや強度にして用いることが好ましい。勿論、他の条件次第では、基材１２は、これらの材料に限定されることはなく、超硬合金、合金工具鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金等を用いることができる。

金属層１４は、上記構造用炭素鋼や構造用合金鋼等の基材１２に積層されて、基材１２と密着される。そして、金属層１４は、基材１２における表面を活性化させる機能及び基材１２における界面との密着性を投錨効果により高める機能等を有している。

金属層１４を構成する金属には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷであるIV―Ｂ族、Ｖ―Ｂ族及びVI―Ｂ族の金属やＳｉを用いることができる。また、金属層１４を構成する金属は、好ましくは、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒである。そして、金属層１４を構成する金属は、更に好ましくは、材料が低コストであること等からＴｉである。また、金属層１４を構成する金属には、IV―Ａ族、Ｖ―Ａ族、VI―Ａ族等の元素を用いてもよい。

これらの金属は、基材１２に含まれる炭素、窒素または酸素と化学反応して、金属炭化物、金属窒化物または金属酸化物等を形成し易いからである。そして、基材１２と金属層１４との界面に、上記元素の金属炭化物、金属窒化物または金属酸化物が形成されることにより、基材１２と金属層１４との密着性を高めることができる。勿論、他の条件次第では、金属層１４を構成する金属は、これらの元素に限定されることはない。

金属層１４は、数十ｎｍの膜厚で基材１２に積層される。金属層１４の膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。勿論、金属層１４の膜厚は、上記膜厚の範囲に限定されることはない。また、他の条件次第では、金属層１４に加えてまたは金属層１４に代えて、ＴｉＮ等の金属窒化物層、ＴｉＣ等の金属炭化物、ＴｉＣＮ等の金属炭窒化物層を設けることができる。ＴｉＮ、ＴｉＣ及びＴｉＣＮ等は硬質材料であるため、硬質層を追加する等により皮膜の硬さをより高めることができ、皮膜の耐摩耗性が更に向上するからである。

第１層１６は、金属層１４に積層され、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成される金属と炭素とが混合した層である。第１層１６は、皮膜の内部応力を緩和させる機能と摩耗を抑制する機能とを有している。第１層１６は、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、積層方向に対して、徐々に皮膜を軟質化させて内部応力を緩和させることができる。これは、金属が多くなると、金属と炭素との結合が増えて皮膜の硬度が高くなるからである。

第１層１６は、金属層１４側において硬度が高く、積層方向に対して徐々に軟質化するため、第２層１８の荷重バックアップ層としての機能を有している。そのため、第２層１８が摩耗した場合においても、更なる摩耗の進行を抑制することができる。また、第１層１６は、金属層１４側において金属の割合が多いので、金属層１４との密着性を更に向上させることができる。

第１層１６は、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、炭素/金属原子比で１．７から１０まで、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成されることが好ましい。金属層１４側における金属と炭素との組成比を、炭素/金属原子比で１．７とするのは、炭素/金属原子比で１．７より小さいと金属と炭素とが化学反応して金属炭化物が形成されることにより、第１層１６と金属層１４との界面に金属炭化物からなる結晶質の層が生成し、剥離の起点となる場合があるからである。また、第２層１８側における金属と炭素との組成比を炭素/金属原子比で１０とするのは、炭素/金属原子比で１０より大きい場合には密着性が低下するからである。勿論、他の条件次第では、金属と炭素との組成比は、上記組成比の範囲に限定されることはない。

第１層１６および第２層１８の密度が２．２ｇ/ｃｍ^３から２．４ｇ/ｃｍ^３一定で形成されることが好ましい。このように、第１層１６を、密度が２．２ｇ/ｃｍ^３から２．４ｇ/ｃｍ^３一定であることにより、皮膜中の密度の差による割れ、剥離を抑制することができ、皮膜の耐摩耗性や密着性を向上させることができる。勿論、他の条件次第では、密度は、上記の範囲に限定されることはない。また、第１層１６の膜厚は、１μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。勿論、第１層１６の膜厚は、上記膜厚の範囲に限定されることはない。

第１層１６の金属には、上述した金属であるＴｉ、Ｔａ、Ｃｒ等を用いることができる。第１層１６の金属は、金属層１４と同じ金属を用いることが好ましい。例えば、金属層１４にチタンを用いた場合には、第１層１６の金属にはチタンが用いられる。勿論、他の条件次第では、第１層１６の金属と金属層１４の金属とは、異なる金属を用いることができる。

第２層１８は、第１層１６に積層され、金属と炭素とを所定の組成比として形成することにより金属と炭素とが混合した層である。第２層１８は、摺動材１０が相手材と摺動し、相手材に金属―酸素層が形成されることにより相手材と摺動材１０との摩擦を抑制する機能を有している。例えば、金属にチタンを用いた場合には、相手材にＴｉ−Ｏ層が形成される。そして、第２層１８は、摺動材１０と相手材とが摺動するときの初期なじみ層として機能することができる。

第２層１８は、金属と炭素とにおける所定の組成比が、炭素/金属原子比で１０以上１５以下であることが好ましい。そして、更に好ましくは、炭素/金属原子比で１０以上１２以下である。炭素/金属原子比で１０以上１５以下であるのは、第１層１６よりも炭素の割合を多くすることにより、皮膜の硬さを小さくすることができるからである。また、第１層１６よりも炭素の割合を多くすることにより、摩擦係数を下げて、例えば、０．０５以下とすることができるからである。そして、第１層１６の上に、第１層１６より硬度が低い第２層１８を積層することにより、第２層１８を摺動初期のなじみ層として機能させることができる。このように、下地が硬い層の上に、軟らかい層が薄く存在することが有効だからである。勿論、他の条件次第では、金属と炭素とにおける所定の組成比は、上記の範囲に限定されることはない。

第２層１８の膜厚は、金属層１４と第１層１６と第２層１８とを合わせた膜厚の１０％以内であることが好ましい。第２層１８の膜厚が、金属層１４と第１層１６と第２層１８とを合わせた膜厚の１０％以内であるのは、摺動材１０が相手材と摺動したときに、相手材に金属―酸素層を形成させて、摺動材１０と相手材との摩擦を抑えるためには十分な膜厚だからである。金属層１４と第１層１６と第２層１８とを合わせた膜厚が２μｍである場合には、第２層１８の膜厚は、０．２μｍである。勿論、他の条件次第では、第２層１８の膜厚は、上記膜厚の範囲に限定されることはない。

第２層１８の金属には、上述した金属であるＴｉ、Ｔａ、Ｃｒ等を用いることができる。第２層１８の金属は、第１層１６の金属、金属層１４の金属と同じ金属が用いられることが好ましい。例えば、第１層１６の金属、金属層１４にチタンを用いた場合には、第２層１８の金属にはチタンが用いられる。勿論、他の条件次第では、第２層１８の金属と、第１層１６の金属及び金属層１４の金属とは異なる金属を用いることができる。

つぎに、上記構成における摺動材１０の製造方法について説明する。図２は、摺動材１０の製造方法を示すフローチャートである。摺動材１０の製造方法は、基材準備工程（Ｓ１０）と、金属層形成工程（Ｓ１２）と、第１層形成工程（Ｓ１４）と、第２層形成工程（Ｓ１６）とを備えている。

基材準備工程（Ｓ１０）は、摺動材１０における基材１２を前処理等して準備する工程である。基材１２は、まず、基材１２表面が、所定の表面粗さとなるように研磨材等により研磨される。そして、研磨された基材１２は、アセトン等の有機溶剤で超音波洗浄等により脱脂洗浄され準備される。

準備された基材１２は、アークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）により、金属層１４と、第１層１６と、第２層１８とが積層される。勿論、他の条件次第では、他の方法で積層することもできる。

まず、アークイオンプレーティング法について説明する。図３は、アークイオンプレーティング法における皮膜の形成方法を示す模式図である。チタン等の金属材料をアーク放電により昇華させる際、アセチレン等の炭化水素ガスを導入し、放電により生成される高エネルギー密度プラズマにて、金属およびカーボンをイオン化させ、基材１２に負のバイアス電圧を負荷させることにより、金属およびカーボンのイオンを基材１２に引き寄せて積層させることができる。アークイオンプレーティング法は、固体カーボンターゲットを利用したスパッタリング法で皮膜を形成するよりも成膜速度が速いため、生産性が向上し、製造コストを抑えることができる。

アークイオンプレーティング法で使用されるアークイオンプレーティング装置は、アーク電源と、真空槽内に置かれた皮膜を形成する基材１２に、負のバイアス電圧を印加するためのバイアス電源と、炭素の原料である炭化水素ガス及び窒素、アルゴン等の放電用ガス等の導入口を備えており、アーク電源に金属の原料である金属ターゲットを設けて構成される。金属ターゲットは、アーク電源のカソードとして作用し、アノードとのアーク放電により金属ターゲットから金属が昇華されイオン化される。上記構成により、導入口より導入される炭化水素ガス雰囲気で、金属ターゲットをアーク放電で昇華させつつ金属及び炭素をイオン化させて基材１２上に金属と炭素とが混合した皮膜である金属と複合したダイヤモンドライクカーボン被膜を形成させることができる。

また、アークイオンプレーティング装置において、金属アーク電流、炭化水素ガスの種類及び流量、バイアス電圧等を制御することにより、金属の皮膜または金属と炭素との組成比を変えた金属と炭素とが混合した被膜である金属と複合したダイヤモンドライクカーボン被膜を形成することができる。そして、更に、金属と炭素との組成比を変えて皮膜を形成することにより、皮膜の硬さ、摩擦係数、密着性及び密度等を制御することができる。

炭化水素ガスには、メタン、エチレン、アセチレン、ベンゼン等を使用することができる。また、炭化水素ガスには、アセチレンガスを使用することが好ましい。勿論、他の条件次第では、他の炭化水素ガスを使用することができる。また、炭化水素ガスの流量は、１００ｓｃｃｍ以上３００ｓｃｃｍ以下であることが好ましい。勿論、炭化水素ガスの流量は、この範囲に限定されることはない。

皮膜における金属と炭素との組成比と、硬さと、摩擦係数との関係について説明する。図４は、金属にチタンを使用した場合において、皮膜におけるチタンと炭素との組成比であるＣ/Ｔｉ原子比と、硬さと、摩擦係数との関係を示す図である。図４では、縦軸に皮膜の硬さと摩擦係数μを取り、横軸に皮膜におけるチタンと炭素との組成比であるＣ/Ｔｉ原子比を取っている。図４に示される各データは、アークイオンプレーティング装置を使用して、金属アーク電流、炭化水素ガスの流量またはバイアス電圧等を変えることにより、Ｃ/Ｔｉ原子比が異なる皮膜を形成させて取得されたデータである。

図４では、皮膜のＣ/Ｔｉ原子比が小さいほど、皮膜の硬さと摩擦係数とは大きくなり、皮膜のＣ/Ｔｉ原子比が大きいほど、皮膜の硬さと摩擦係数とは小さくなる。そして、皮膜の硬さと摩擦係数は、Ｃ/Ｔｉ原子比が大きくなるに比例して、略直線状に低下する。これは、Ｃ/Ｔｉ原子比が小さいほどチタンの割合が多くなり、チタンと炭素との結合が増加すること等によるからである。このように、金属と炭素との組成比を変えることにより、皮膜の硬さと摩擦係数とを制御することができる。

次に、皮膜における金属と炭素との組成比と、密着性との関係について説明する。図５は、金属にチタンを使用した場合において、皮膜におけるチタンと炭素との組成比であるＣ/Ｔｉ原子比と、密着性との関係を示す図である。図５では、縦軸に皮膜の密着力を取り、横軸に皮膜におけるチタンと炭素との組成比であるＣ/Ｔｉ原子比を取っている。図５に示される各データは、アークイオンプレーティング装置を使用して、金属アーク電流、炭化水素ガスの流量またはバイアス電圧等を変えることにより、Ｃ/Ｔｉ原子比が異なる皮膜を形成させて取得されたデータである。図５に示すように、Ｃ/Ｔｉ原子比をより小さくすることにより、皮膜の密着性をより高くすることができる。

更に、皮膜における金属と炭素との組成比と、密度と、バイアス電圧との関係について説明する。図６は、金属にチタンを使用した場合において、皮膜におけるチタンと炭素とにおける組成比であるＣ/Ｔｉ原子比と、密度と、バイアス電圧との関係を示す図である。図６では、縦軸に皮膜の密度を取り、横軸に皮膜におけるチタンと炭素との組成比であるＣ/Ｔｉ原子比を取っている。図６に示される各データは、アークイオンプレーティング装置を使用して、バイアス電圧を１００Ｖ、２００Ｖ、４００Ｖ及び８００Ｖと変えることにより、各々のバイアス電圧でＣ/Ｔｉ原子比が異なる皮膜を形成させて取得されたデータである。

図６に示すように、一定のバイアス電圧を印加した場合には、Ｃ/Ｔｉ原子比が大きくなるに従って、皮膜の密度は減少する。これは、皮膜中のカーボン（グラファイト）の割合が多くなる等のためである。また、Ｃ/Ｔｉ原子比を一定とした場合には、バイアス電圧が高くなると、皮膜の密度が大きくなる。バイアス電圧が高くなると、密度が大きくなるのは、炭素やチタンにおける各原子の入射エネルギーが大きくなること等によるからである。そして、バイアス電圧を、順次変えて制御することにより、皮膜の密度を一定にて、Ｃ/Ｔｉ原子比を変えながら皮膜を形成することができる。このように、皮膜の密度は、バイアス電圧により制御することができる。

次に、アークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）により、基板１２に金属層１４と、第１層１６と、第２層１８とを積層させる工程である、金属層形成工程（Ｓ１２）と、第１層形成工程（Ｓ１４）と、第２層形成工程（Ｓ１６）とについて説明する。

金属層形成工程（Ｓ１２）は、前処理された基材１２に金属層１４を形成する工程である。まず、前処理された基材１２は、アークイオンプレーティング装置の真空槽内にセットされる。そして、真空槽内は、所定の真空度になるまで真空ポンプ等により真空排気される。真空槽内が所定の真空度に到達した後、前処理された基材１２は、所定のヒータ温度で、所定の時間予熱される。

金属層１４は、金属ターゲットを用いて、前処理された基材１２にイオンボンバード処理を行なうことにより積層される。イオンボンバード処理は、金属アーク電流、バイアス電圧等を制御することにより行うことができる。そして、金属層１４は、所定の時間、前処理された基材１２にイオンボンバード処理することにより数十ｎｍ以下の膜厚、例えば、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の膜厚で形成される。

第１層形成工程（Ｓ１４）は、金属層１４が積層された基材１２に、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成される金属と炭素とが混合した第１層１６を形成する工程である。第１層１６は、金属アーク電流、炭化水素ガスの種類及び流量、バイアス電圧等を制御することにより形成される。炭化水素ガスには、アセチレンガスを使用することが好ましい。

第１層１６は、上述した金属アーク電流、炭化水素ガスの種類及び流量、バイアス電圧等を制御することにより、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、炭素/金属原子比で１．７から１０まで、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成されることが好ましい。これにより、第１層１６は、図４及び図５に示すように、所定の硬さ、所定の摩擦係数、所定の密着性を有するようにすることができる。

第１層１６は、バイアス電圧を、順次変えて制御することにより、皮膜の密度を一定にて、Ｃ/Ｔｉ原子比を変えながら皮膜を形成することができる。第１層１６のＣ/Ｔｉ原子比を１．７から１２まで変化させる場合には、図６に示すように、バイアス電圧を１００Ｖから順次上げて４００Ｖとすることにより、密度を２．２ｇ/ｃｍ^３以上２．４ｇ/ｃｍ^３以下の略一定にして、Ｃ/Ｔｉ原子比を１．７から１２まで変えることができる。

第２層形成工程（Ｓ１６）は、金属層１４と第１層１６とが積層された基材１２に、金属と炭素とを所定の組成比として形成することにより金属と炭素とが混合した第２層１８を形成する工程である。第２層１８は、金属アーク電流、炭化水素ガスの種類及び流量、バイアス電圧等を制御することにより形成される。炭化水素ガスには、第１層１６の形成と同様にアセチレンガスを使用することが好ましい。

第２層１８は、上述した金属アーク電流、炭化水素ガスの種類及び流量、バイアス電圧等を制御することにより、金属と炭素とにおける所定の組成比が、炭素/金属原子比で１０以上１５以下であるようにして形成されることが好ましい。これにより、第２層１６は、図４及び図５に示すように、所定の硬さ、所定の摩擦係数、所定の密着性を有するようにすることができる。第２層１８を形成するときのバイアス電圧は、一定の電圧を印加して成膜される。勿論、他の条件次第では、第１層１６の形成と同様に、バイアス電圧を変化させて成膜してもよい。

第２層形成工程の後に、第２層１８の表面に溶融粒子（ドロップレット）が付着して形成された突起物を除去する工程を設けることができる。このような突起物の除去には、ウォータージェット、サンドペーパ（＃５００程度）、ペーパーラップ、エアロラップ等を用いることができる。そして、突起物を除去した後に形成される第２層１８における表面の凹部は、例えば、オイル潤滑される場合に、オイル溜りとして機能することにより、オイル切れ等が生じても有効に摺動材１０をオイル潤滑させることができる。

上記構成によれば、相手材との摩擦を更に抑制して、耐摩耗性と密着性とをより向上させることができる。

上記構成によれば、アークイオンプレーティング法により金属層１４と、第１層１６と、第２層１８とを形成するため、スパッタリング法よりも成膜速度を速くすることができる。それにより、摺動材１０の生産性がより向上し、生産コストを更に下げることができる。

上記構成によれば、金属と炭素とにおける組成比を管理することにより、皮膜の硬さ、摩擦係数、密着性及び密度等を制御することができる。そして、金属アーク電流とアセチレンガスの流量を増加させて、コーティング時間を更に短縮させることにより、摺動材１０の生産性がより向上し、生産コストを更に下げることができる。

上記構成による実施例１における摺動材１０の製造を行った。図７は、実施例１における摺動材１０の構成を示す図である。基材１２には、クロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４１５を使用した。基材１２は、浸炭した後、焼入れ、焼戻しの熱処理を行い、硬さをビッカース硬さでＨＶ８００とした。そして、熱処理された基材１２は、ダイヤモンドラップされ、表面粗さ０．０２Ｒａで鏡面仕上げされた。また、鏡面仕上された基材１２は、アセトンで５分間、超音波洗浄し脱脂洗浄された。

洗浄された基材１２は、アークイオンプレーティング装置の真空槽内にセットされ、ベース圧２×１０^−３Ｐａまで真空排気された。そして、洗浄された基材１２は、ヒータ温度５００℃で、３０分間予熱された。

洗浄された基材１２にイオンボンバート処理を行なって、Ｔｉの金属層１４を基材１２に積層した。イオンボンバート処理は、Ｔｉアーク電流が８０Ａ、バイアス電圧６００Ｖ、処理時間５分間で行った。そして、イオンボンバート処理により、チタンを基材１２に数十ｎｍ積層させた。

次に、チタン層の上にチタンと炭素とが混合した第１層１６と第２層１８とを形成した。図８は、チタンと炭素とが混合した第１層１６と第２層１８との成膜条件を示す図である。Ｔｉアーク電流は、６０Ａで一定とした。炭化水素ガスとして用いられたアセチレンガスの流量は、５０ｍｌ/ｍｉｎから３００ｍｌ/ｍｉｎまで成膜時間に対して比例させて制御した。バイアス電圧は、１００Ｖから４００Ｖまで成膜時間に対して比例させて制御した。なお、第１層１６と第２層１８との成膜時間は合わせて６０分間とした。

比較例１における摺動材について説明する。図９は、比較例１における摺動材の構成を示す図である。比較例１は、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５である基材に積層され、基材と密着されるチタン層と、チタン層に積層され、チタンと炭素との組成比を、積層方向に対して、炭素/Ｔｉ原子比で１．７から１０まで、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、チタンと炭素との組成比を傾斜させて形成されるチタンと炭素とが混合した組成傾斜層とから構成される摺動材である。そして、チタンと炭素とが混合した層は、チタンと炭素との組成比を、密度が２．２ｇ/ｃｍ^３以上２．４ｇ/ｃｍ^３以下で傾斜させて形成させた。したがって、比較例１では、実施例１の構成に対して、第２層１８を積層しない構成とした。比較例１における基材の前処理、チタン層の形成方法、チタンと炭素とが混合した組成傾斜層の形成方法については実施例１と同様に行った。

比較例２における摺動材について説明する。図１０は、比較例２における摺動材の構成を示す図である。比較例２は、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５である基材に積層され、基材と密着されるチタン層と、チタン層に積層され、チタンと炭素との組成比を、積層方向に対して、炭素/金属原子比で１．７から１０まで、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、チタンと炭素との組成比を傾斜させて形成されるチタンと炭素とが混合した組成傾斜層と、組成傾斜層に積層され、チタンと炭素との組成比を、炭素/金属原子比で１０以上１２以下として形成することによりチタンと炭素とが混合した層とを有する摺動材である。比較例２では、実施例１の構成に対して、組成傾斜層の形成においてチタンと炭素との組成比を、密度が２．２ｇ/ｃｍ^３から２．４ｇ/ｃｍ^３一定にしないで傾斜させて形成させた。比較例２における基材の前処理、チタン層の形成方法については、実施例１と同様に行った。その他のチタンと炭素とが混合した組成傾斜層については、所定のバイアス電圧等により形成させた。

実施例１と、比較例１と２とにおける摺動材について、摩擦係数と、摩耗量と、密着強さとを測定した。摩擦係数と摩耗量の測定は、ボールオンディスク摩擦摩耗試験により行った。そして、密着強さは、スクラッチ密着試験により行った。

ボールオンディスク摩擦摩耗試験の試験方法について説明する。図１１は、ボールオンディスク摩擦摩耗試験の概要を示す模式図である。摺動材を模擬したディスク状の試験片と摺動させるボール状冶具が、試験片の上に置かれる。そして、ボール状冶具が、試験片の表面を所定のすべり速度で動くことにより、ボール状冶具と試験片とが摺動する。ここで、ボール状冶具には、Ｆｅ系材料であるＪＩＳＧ４８０５における軸受鋼ＳＵＪ２を使用した。また、ボールオンディスク摩擦摩耗試験の試験条件は、試験片に負荷される荷重を１０Ｎ、ボール状冶具と試験片との接触面の接触応力を１３００ＭＰａ、すべり速度を０．３ｍ/ｓ、距離を２ｋｍ、潤滑をドライとして試験を行った。

スクラッチ密着試験の試験方法について説明する。図１２は、スクラッチ密着試験の概要を示す模式図である。スクラッチ密着試験は、最大垂直荷重２００Ｎで日本機械学会基準に準拠した試験方法である。試験片の上にダイヤモンド圧子を所定の荷重で押圧した後、所定の荷重負荷速度で荷重を負荷しながら試験片を移動させ、試験片にコーティング等された皮膜が剥離したところの荷重で密着性を評価する試験法である。ここで、スクラッチ密着試験の試験条件は、ダイヤモンド圧子の先端半径を０．２ｍｍ、荷重負荷速度を１０Ｎ/ｍｍとした。

次に、実施例１と、比較例１と２における摺動材について、ボールオンディスク摩擦摩耗試験とスクラッチ密着試験との試験結果について説明する。表１は、ボールオンディスク摩擦摩耗試験とスクラッチ密着試験により測定された摩擦係数、摩耗量、密着強さの結果である。

摩擦係数は、実施例１が０．０４、比較例１が０．２、比較例２が０．０４であった。また、比較例１については、試験の途中で焼付きを生じた。実施例１と比較例２とが優れた摩擦特性を示したのは、第２層であるＣ/Ｔｉ原子比１０〜１２の低摩擦層を有していること等によるものである。

摩耗量は、実施例１が０．１５μｍ、比較例２が０．２μｍであった。なお、比較例１については、焼付きを生じたため測定できなかった。

密着強さは、実施例１が５０Ｎ、比較例１が５０Ｎ、比較例２が３０Ｎであった。また、比較例２では、皮膜層内で割れ、剥離が観察された。比較例２の密着強さが低いのは、チタンと炭素との組成比を傾斜させて形成されるチタンと炭素とが混合した組成傾斜層において、密度が２．２ｇ/ｃｍ^３から２．４ｇ/ｃｍ^３一定にしないで傾斜させて形成させたこと等によるものである。

本発明に係る実施の形態において、摺動材１０の構成を示す断面図である。本発明に係る実施の形態において、摺動材１０の製造方法を示すフローチャートである。本発明に係る実施の形態において、アークイオンプレーティング法における皮膜の形成方法を示す模式図である。本発明に係る実施の形態において、金属にチタンを使用した場合において、皮膜におけるチタンと炭素との組成比であるＣ/Ｔｉ原子比と、硬さと、摩擦係数との関係を示す図である。本発明に係る実施の形態において、金属にチタンを使用した場合において、皮膜におけるチタンと炭素との組成比であるＣ/Ｔｉ原子比と、密着性との関係を示す図である。本発明に係る実施の形態において、金属にチタンを使用した場合において、皮膜におけるチタンと炭素とにおける組成比であるＣ/Ｔｉ原子比と、密度と、バイアス電圧との関係を示す図である。本発明に係る実施の形態において、実施例１における摺動材１０の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、チタンと炭素とが混合した第１層１６と第２層１８との成膜条件を示す図である。本発明に係る実施の形態において、比較例１における摺動材の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、比較例２における摺動材の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、ボールオンディスク摩擦摩耗試験の概要を示す模式図である。本発明に係る実施の形態において、スクラッチ密着試験の概要を示す模式図である。

符号の説明

１０摺動材、１２基材、１４金属層、１６第１層、１８第２層、Ｓ１０基材準備工程、Ｓ１２金属層形成工程、Ｓ１４第１層形成工程、Ｓ１６第２層形成工程。

Claims

基材に積層され、基材と密着される金属層と、
金属層に積層され、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成される金属と炭素とが混合した第１層と、
第１層に積層され、金属と炭素とを所定の組成比として形成することにより金属と炭素とが混合した第２層と、
を有する摺動材であって、
第１層と第２層は、密度が２．２ｇ/ｃｍ^３から２．４ｇ/ｃｍ^３一定で形成されることを特徴とする摺動材。
請求項１に記載の摺動材であって、
金属は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷまたはＳｉであることを特徴とする摺動材。
請求項１または２に記載の摺動材であって、
第１層は、金属と炭素との組成比を、積層方向に対して、炭素/金属原子比で１．７から１０まで、順次、炭素が多くなるようにして変えることにより、金属と炭素との組成比を傾斜させて形成されることを特徴とする摺動材。
請求項１から３のいずれか１に記載の摺動材であって、
第２層は、金属と炭素とにおける所定の組成比が、炭素/金属原子比で１０以上１５以下であることを特徴とする摺動材。
請求項１から４のいずれか１に記載の摺動材であって、
第２層の膜厚は、金属層と第１層と第２層とを合わせた膜厚の１０％以内であることを特徴とする摺動材。
請求項１から５のいずれか１に記載の摺動材であって、
摩擦係数が０．０５以下であることを特徴とする摺動材。