JPH10330913A - Frictional sliding member and its production - Google Patents
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- JPH10330913A JPH10330913A JP15450397A JP15450397A JPH10330913A JP H10330913 A JPH10330913 A JP H10330913A JP 15450397 A JP15450397 A JP 15450397A JP 15450397 A JP15450397 A JP 15450397A JP H10330913 A JPH10330913 A JP H10330913A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、例えばメカニカ
ルシールの密封環に適用される摩擦摺動部材及びその製
造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a friction sliding member applied to, for example, a sealing ring of a mechanical seal and a method of manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】メカニカルシールは、高度な技術と信頼
性が要求される原子力発電所をはじめ、石油、化学、製
鉄、製紙、上下水道、食品、船舶等の回転機器用のシー
ルとして、また自動車用のクーラ及びエンジン冷却用ポ
ンプ、土木用水中ポンプ、農業用ポンプ、及び家庭用機
器等の量産用シールとして、高温、高圧、高速等の過酷
な条件で広く使用されている。2. Description of the Related Art Mechanical seals are used as seals for rotating equipment such as nuclear power plants, which require advanced technology and reliability, as well as petroleum, chemical, steel, paper, water and sewage, food, ships, etc. Widely used under severe conditions such as high temperature, high pressure and high speed as seals for mass production of coolers and engine cooling pumps, civil engineering submersible pumps, agricultural pumps and household appliances.
【０００３】上記メカニカルシールの摩擦摺動部材であ
る静止密封環と回転密封環とは、一般に、カーボン
（Ｃ）と炭化珪素（ＳｉＣ）、超硬合金と炭化珪素等、
互いに異なる材料の組合わせで使用されているが、特に
高圧、高速の条件下で使用される場合には、上記超硬合
金や炭化珪素製のものは、耐摩耗性に優れるものの脆弱
であるため、遠心力による破損を防止すべく、外周に金
属製の補強環を装着することが行われている。また、耐
摩耗性に劣るが靱性を有する基材の摺動面に、硬質薄膜
を被覆することにより、耐摩耗性を向上させて、高圧、
高速の条件下でも使用可能にすることが検討されてい
る。The stationary seal ring and the rotary seal ring, which are friction sliding members of the mechanical seal, generally include carbon (C) and silicon carbide (SiC), cemented carbide and silicon carbide, and the like.
Although they are used in a combination of different materials, especially when used under high pressure and high speed conditions, the above-mentioned cemented carbide and silicon carbide products are excellent in wear resistance but brittle. In order to prevent breakage due to centrifugal force, a metal reinforcing ring is mounted on the outer periphery. Also, by coating a hard thin film on the sliding surface of the substrate having poor toughness but having toughness, the wear resistance is improved,
It has been studied to make it usable even under high-speed conditions.
【０００４】従来、材料の耐摩耗性を向上させる一般的
な表面改質技術として、当該材料（基材）の表面に、イ
オンを注入したり、硬質の結晶薄膜を形成したりするこ
とが知られている。前者のイオン注入に使用されるイオ
ン種は窒素（Ｎ）やカーボンであり、アンモニアガスを
利用した窒化処理や、メタンガスを利用した炭化処理等
の熱力学的な方法が広く工業化されている。また、後者
の結晶薄膜の被覆に使用されるコーティング材として
は、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒
化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（ＡＬ2 Ｏ3 ）、
窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ3 ）等であり、そのコーティング技
術としては、物理的蒸着法（ＰＶＤ）や化学的蒸着法
（ＣＶＤ）が広く工業化されている。さらに、最近で
は、金属を蒸着させながら、イオン化した窒素を基材の
表面に照射して、当該表面に窒化物層を形成する方法が
提案されている（例えば特開平８−１０５４４７号公報
参照）。Conventionally, as a general surface modification technique for improving the abrasion resistance of a material, it has been known to implant ions or form a hard crystalline thin film on the surface of the material (substrate). Have been. The ion species used for the former ion implantation are nitrogen (N) and carbon, and thermodynamic methods such as nitriding using ammonia gas and carbonizing using methane gas are widely industrialized. Further, as the coating material used for coating the latter crystal thin film, titanium nitride (TiN), titanium carbide (TiC), boron nitride (BN), aluminum oxide (AL 2 O 3 ),
Silicon nitride (Si 3 N 3 ) and the like, and as a coating technique, physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD) are widely industrialized. Furthermore, recently, there has been proposed a method of irradiating ionized nitrogen onto a surface of a base material while depositing a metal to form a nitride layer on the surface (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-105447). .
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上記アンモニアガスを
利用した窒化処理やメタンガスを利用した炭化処理、物
理的蒸着法、及び化学的蒸着法の何れについても、基材
を４００〜１０００°Ｃ程度に加熱する必要があるの
で、基材の熱変形が大きくなるという欠点があり、上記
密封環のような寸法精度が要求される摩擦摺動部材に
は、適用し難いという問題があった。特に、物理的蒸着
法については、基材と薄膜との密着強度が充分でないの
で、摩擦により薄膜が剥離したり、その剥離片によって
異常摩耗を生じたりするという問題があった。また、基
材の表面に金属を蒸着させながらイオン化した窒素を照
射する方法については、イオン化した窒素を、１０ｋｅ
Ｖ以上の多大なエネルギーで照射するため、薄膜の表面
粗さが粗く、摩擦係数が大きくなって耐摩耗性に劣り、
しかも熱変形が大きい。このため、上記密封環のような
高速度で摺動する摩擦摺動部材には適用し難いという問
題があった。この発明は、上記問題点に鑑みてなされた
ものであり、摩擦係数が小さく、耐摩耗性に優れる摩擦
摺動部材を提供することを目的とする。またこの発明
は、熱変形が少なく、基材と薄膜との密着性が良好で、
優れた耐摩耗性を発揮することができる摩擦摺動部材の
製造方法を提供することを目的とする。In any of the nitriding treatment using ammonia gas, the carbonization treatment using methane gas, the physical vapor deposition method, and the chemical vapor deposition method, the substrate is kept at about 400 to 1000 ° C. Since it is necessary to heat, there is a disadvantage that thermal deformation of the base material is increased, and there is a problem that it is difficult to apply to a friction sliding member requiring dimensional accuracy such as the above-mentioned sealing ring. In particular, the physical vapor deposition method has a problem that the thin film peels off due to friction or abnormal wear occurs due to the peeled pieces because the adhesion strength between the substrate and the thin film is not sufficient. Regarding the method of irradiating ionized nitrogen while depositing a metal on the surface of the base material, the ionized nitrogen is reduced to 10 ke.
Irradiation with a large energy of V or more, the surface roughness of the thin film is rough, the coefficient of friction is large, and the wear resistance is poor,
Moreover, the thermal deformation is large. For this reason, there is a problem that it is difficult to apply to a friction sliding member that slides at a high speed such as the sealing ring. The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a friction sliding member having a small friction coefficient and excellent wear resistance. Also, the present invention has a small thermal deformation, good adhesion between the substrate and the thin film,
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a friction sliding member capable of exhibiting excellent wear resistance.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
のこの発明の摩擦摺動部材は、基材の摺動面に、耐摩耗
性を有する結晶薄膜を形成している摩擦摺動部材におい
て、上記結晶薄膜が、結晶方位を（２ ０ ０）面に配
向させた面心立方構造の窒化チタンであることを特徴と
する。この摩擦摺動部材は、上記結晶薄膜を面心立方構
造の窒化チタンで構成し、その結晶方位を（２ ０
０）面に配向させたので、摩擦係数が少なく耐摩耗性に
優れるものとなる。According to a first aspect of the present invention, there is provided a friction sliding member having a wear resistant crystalline thin film formed on a sliding surface of a substrate. The crystal thin film is a titanium nitride having a face-centered cubic structure in which the crystal orientation is oriented in the (200) plane. In this friction sliding member, the crystal thin film is formed of titanium nitride having a face-centered cubic structure, and its crystal orientation is (20).
Since it is oriented on the 0) plane, the coefficient of friction is small and the wear resistance is excellent.
【０００７】上記摩擦摺動部材は、上記窒化チタンの
（２ ０ ０）面に対する配向強度（Ｓ200 ）と、（１
１ １）面に対する配向強度（Ｓ111 ）との比（Ｓ
200 ／Ｓ111 ）が１．１０以上であるのが好ましい。こ
れにより、上記結晶薄膜は、さらに摩擦係数が小さく、
より耐摩耗性に優れるものとなる。すなわち、本願発明
者は、鋭意研究の結果、上記窒化チタンの結晶薄膜は、
その結晶方位を（２ ０ ０）面に配向させると、摩擦
係数が少なく耐摩耗性に優れるとの知見を得、しかも、
窒化チタンの（２ ０ ０）面に対する配向強度（Ｓ
200 ）と、（１ １ １）面に対する配向強度
（Ｓ111 ）との比（Ｓ200 ／Ｓ111 ）が、１．１０以上
であると、結晶薄膜の摩擦係数をさらに小さくすること
ができ、より優れた耐摩耗性を発揮することができると
の知見を得、かかる知見に基づいて本願発明を完成した
ものである。上記結晶薄膜は、チタンの真空蒸着と窒素
イオンビームの照射とを併用して形成したものであるの
が好ましく、この場合には、結晶方位を（２ ０ ０）
面に容易且つ安定的に配向させることができる。The friction sliding member has an orientation strength (S 200 ) of the titanium nitride with respect to the ( 200 ) plane and (1)
11 ) The ratio of the orientation intensity (S 111 ) to the plane (S 111 ) (S
(200 / S 111 ) is preferably 1.10. Thereby, the crystal thin film has a smaller friction coefficient,
It becomes more excellent in abrasion resistance. That is, as a result of earnest research, the inventor of the present application has found that the titanium nitride crystal thin film
When the crystal orientation is oriented to the (200) plane, it has been found that the coefficient of friction is small and the wear resistance is excellent.
Orientation strength of titanium nitride relative to (200) plane (S
When the ratio (S 200 / S 111 ) of the orientation intensity (S 111 ) to the ( 11 1) plane (S 200 / S 111 ) is 1.10 or more, the friction coefficient of the crystalline thin film can be further reduced, The inventors have obtained the knowledge that they can exhibit more excellent wear resistance, and have completed the present invention based on such knowledge. The crystal thin film is preferably formed by using both vacuum deposition of titanium and irradiation of a nitrogen ion beam. In this case, the crystal orientation is set to (200).
It can be easily and stably oriented on the surface.
【０００８】また、この発明の摩擦摺動部材の製造方法
は、基材の摺動面に、耐摩耗性を有する結晶薄膜を形成
する工程を含む摩擦摺動部材の製造方法において、上記
基材の摺動面に、チタンを真空蒸着する工程と窒素イオ
ンビームを照射する工程とを同時又は交互に行って、結
晶方位を（２ ０ ０）面に配向させた面心立方構造の
窒化チタンの結晶薄膜を形成することを特徴とする。こ
の摩擦摺動部材の製造方法においては、チタンの蒸着金
属粒子は、基材の被処理面に付着する前に窒素イオンと
反応して窒化物となって基材に注入されるか、或いは基
材に付着した後、窒素イオンと反応して窒化物となって
基材に注入され、最終的に基材の被処理面が、窒化チタ
ンの結晶薄膜で被覆される。このように、上記窒化チタ
ンの結晶薄膜は、その一部が基材に注入されるために、
基材と金属間結合した状態になる。したがって、上記窒
化チタンは、被処理面との明瞭な境界を生じることな
く、被処理面の内部に向かって濃度が漸次減少した状態
で、基材に密着する。この結果、上記結晶薄膜は、基材
に対して非常に強固に密着することになる。また、上記
結晶薄膜は、（２ ０ ０）に配向した面心立方構造と
なり、摩擦係数が小さく、耐摩耗性に優れるものとな
る。Further, the present invention provides a method of manufacturing a frictional sliding member, which comprises a step of forming a wear-resistant crystalline thin film on a sliding surface of the substrate. A step of vacuum-depositing titanium and a step of irradiating with a nitrogen ion beam on the sliding surface of (i) are performed simultaneously or alternately, and the crystal orientation is oriented to the (200) plane. It is characterized by forming a crystalline thin film. In this method of manufacturing a friction sliding member, the deposited metal particles of titanium react with nitrogen ions before adhering to the surface to be treated of the substrate and are converted into nitride to be injected into the substrate, or After adhering to the material, it reacts with nitrogen ions to form a nitride and is injected into the substrate. Finally, the surface to be treated of the substrate is coated with a crystalline thin film of titanium nitride. As described above, the crystal thin film of titanium nitride is partially injected into the base material.
It is in a state of bonding between the base material and the metal. Therefore, the titanium nitride adheres to the base material in a state where the concentration gradually decreases toward the inside of the surface to be processed without generating a clear boundary with the surface to be processed. As a result, the crystal thin film adheres very firmly to the substrate. Further, the crystal thin film has a face-centered cubic structure oriented in (200), has a small friction coefficient, and has excellent wear resistance.
【０００９】上記摩擦摺動部材の製造方法においては、
窒素イオンビームの照射エネルギーを、１〜７ｋｅＶに
設定するのが好ましく、また窒素イオンビームの照射電
力の最大値を、０．１Ｗ／ｃｍ2 にするのが好ましい。
この製造方法によれば、チタンの蒸発速度、窒素イオン
の密度、加速電圧、基材の加熱温度等を最適に制御する
ことができる。このため、結晶薄膜の表面粗さが粗くな
るのを抑制することができるとともに、当該結晶薄膜の
摩擦係数をより小さくして、より優れた耐摩耗性を発揮
させることができる。しかも、基材が高温に加熱される
のを抑制して、その熱変形を小さくすることができる。In the above method of manufacturing a friction sliding member,
The irradiation energy of the nitrogen ion beam is preferably set to 1 to 7 keV, and the maximum value of the irradiation power of the nitrogen ion beam is preferably set to 0.1 W / cm 2 .
According to this manufacturing method, it is possible to optimally control the evaporation rate of titanium, the density of nitrogen ions, the acceleration voltage, the heating temperature of the substrate, and the like. For this reason, it is possible to suppress the surface roughness of the crystal thin film from becoming rough, and to further reduce the friction coefficient of the crystal thin film, thereby exhibiting more excellent wear resistance. In addition, it is possible to suppress the substrate from being heated to a high temperature and to reduce the thermal deformation thereof.
【００１０】上記摩擦摺動部材の製造方法においては、
基材をその軸線回りに回転させるとともに、当該基材に
対するチタン蒸気の入射角度と、窒素イオンビームの入
射角度とを、略等しくするのが好ましく、この場合に
は、基材の摺動面に緻密且つ均一な結晶薄膜を形成する
ことができる。[0010] In the above method of manufacturing a friction sliding member,
While rotating the base material around its axis, it is preferable that the incident angle of titanium vapor with respect to the base material and the incident angle of the nitrogen ion beam be substantially equal to each other. A dense and uniform crystal thin film can be formed.
【００１１】[0011]
【実施例】以下この発明の実施例について、添付図面を
参照しながら詳述する。図１は、この発明の摩擦摺動部
材及びその製造方法において、当該摩擦摺動部材の基材
の摺動面に、窒化チタンの結晶薄膜を形成するための装
置を示す概略図である。上記装置は、摩擦摺動部材の基
材１を保持するホルダ２と、このホルダ２に保持された
基材１に向かってチタン蒸気３を発する蒸発源４と、上
記基材１に対して窒素イオンビーム５を照射するイオン
源６とを備えており、これらホルダ２、蒸発源４、及び
イオン源６は、真空空間に配置されている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic view showing an apparatus for forming a crystal thin film of titanium nitride on a sliding surface of a base material of the friction sliding member in the friction sliding member and the method of manufacturing the same according to the present invention. The apparatus comprises: a holder 2 for holding a base 1 of a friction sliding member; an evaporation source 4 for emitting titanium vapor 3 toward the base 1 held by the holder 2; An ion source 6 for irradiating the ion beam 5 is provided, and the holder 2, the evaporation source 4, and the ion source 6 are arranged in a vacuum space.
【００１２】上記ホルダ２は、回転軸７の先端に取付け
られており、当該回転軸７の軸線Ｌ１を中心として回転
可能になっている。また、上記回転軸７の軸線Ｌ１は、
鉛直方向に対して所定角度θ傾斜しており、上記基材１
は、その軸線Ｌ２を上記回転軸７の軸線Ｌ１に一致させ
た状態で、ホルダ２の下面に保持される。なお、上記ホ
ルダ２は水冷されている。The holder 2 is attached to the tip of a rotating shaft 7 and is rotatable about the axis L1 of the rotating shaft 7. The axis L1 of the rotating shaft 7 is
The substrate 1 is inclined at a predetermined angle θ with respect to the vertical direction.
Is held on the lower surface of the holder 2 with its axis L2 aligned with the axis L1 of the rotary shaft 7. The holder 2 is water-cooled.
【００１３】蒸発源４は、上記ホルダ２の下面側に対向
させた状態で設けられており、チタン蒸気３を略鉛直方
向へ向かって発生させる。すなわち、チタン蒸気３の発
生方向と基材１の軸線Ｌ２とは、上記回転軸７の傾斜角
θと略同じ角度だけ相対的に傾斜している。イオン源６
は、蒸発源４に対して基材１の軸線Ｌ２を挟んで反対側
に設けられており、その窒素イオンビーム５の照射方向
は、基材１の軸線Ｌ２に対して上記回転軸７の傾斜角θ
と略同じ角度だけ傾斜している。すなわち、基材１に対
するチタン蒸気３の入射角度αと、基材１に対する窒素
イオンビーム５の入射角度βとは、略等しくなるように
設定されている。The evaporation source 4 is provided so as to face the lower surface of the holder 2 and generates the titanium vapor 3 in a substantially vertical direction. That is, the direction in which the titanium vapor 3 is generated and the axis L2 of the substrate 1 are relatively inclined by substantially the same angle as the inclination angle θ of the rotating shaft 7. Ion source 6
Is provided on the opposite side of the evaporation source 4 with respect to the axis L2 of the substrate 1, and the irradiation direction of the nitrogen ion beam 5 is inclined with respect to the axis L2 of the substrate 1. Angle θ
It is inclined by almost the same angle as. That is, the angle of incidence α of the titanium vapor 3 on the substrate 1 and the angle of incidence β of the nitrogen ion beam 5 on the substrate 1 are set to be substantially equal.
【００１４】以上の構成の成膜装置を使用して、以下の
方法で基材１の摺動面１ａを窒化チタンによる面心立方
構造の結晶薄膜で被覆することにより摩擦摺動部材（実
施例）を作製した。基材１の材質として、マルテンサイ
ト系ステンレス鋼、例えばＳＵＳ４２０Ｊ２を用い、こ
れを所定の寸法形状に加工した後、焼き入れ（９８０°
Ｃ、１時間保持後油冷）及び焼き戻し（６３０°Ｃ、４
時間保持後炉冷）を行い、さらに、摺動面１ａをラッピ
ング仕上げして、その表面粗さＲａを０．０５μｍ以下
とした。The sliding surface 1a of the substrate 1 is coated with a crystal thin film having a face-centered cubic structure made of titanium nitride by the following method using the film forming apparatus having the above-described structure, thereby forming a friction sliding member (Example 1). ) Was prepared. As a material of the base material 1, a martensitic stainless steel, for example, SUS420J2 is used, processed into a predetermined shape, and then quenched (980 °).
C, oil cooling after holding for 1 hour) and tempering (630 ° C, 4
After holding for a time, the furnace was cooled, and the sliding surface 1a was lapping-finished to have a surface roughness Ra of 0.05 μm or less.
【００１５】上記基材１をホルダ２に取り付けて軸線Ｌ
２回りに回転させながら、蒸発源４から発したチタン蒸
気３を、基材１の摺動面１ａに対して蒸着速度０．４〜
４．０ｎｍ／ｓｅｃで蒸着させながら、基材１の摺動面
１ａに対して、加速電圧１．５〜１５ｋｅＶ、電流密度
０．２ｍＡ／ｃｍ2 の条件で、イオン源６から窒素イオ
ンビーム５を照射して、当該摺動面１ａに窒化チタンに
よる面心立方構造の結晶薄膜を形成した。The substrate 1 is attached to the holder 2 and the axis L
The titanium vapor 3 emitted from the evaporation source 4 is applied to the sliding surface 1a of the substrate 1 at a vapor deposition rate of 0.4
The nitrogen ion beam 5 was applied from the ion source 6 to the sliding surface 1a of the substrate 1 under the conditions of an acceleration voltage of 1.5 to 15 keV and a current density of 0.2 mA / cm 2 while being deposited at 4.0 nm / sec. To form a crystal thin film having a face-centered cubic structure made of titanium nitride on the sliding surface 1a.
【００１６】比較例として、上記実施例と同じ基材を用
い、その摺動面にＰＶＤ処理により窒化チタンの結晶薄
膜を形成した。上記実施例及び比較例について、１８０
°折曲げ試験をして、その表面を走査型電子顕微鏡で観
察した。この結果、実施例については、結晶薄膜の表面
に割れは生じているが、剥離は生じていないことが確認
された。これに対して比較例は、結晶薄膜が剥離してい
ることが確認された。したがって、実施例は比較例より
も結晶薄膜と基材との密着性が良好で、耐剥離性に優れ
ることが分かる。As a comparative example, a crystal thin film of titanium nitride was formed on the sliding surface by PVD treatment using the same base material as in the above embodiment. For the above examples and comparative examples, 180
A bending test was performed, and the surface was observed with a scanning electron microscope. As a result, it was confirmed that in the example, cracks occurred on the surface of the crystal thin film, but no peeling occurred. On the other hand, in the comparative example, it was confirmed that the crystal thin film was peeled off. Therefore, it can be seen that the examples have better adhesion between the crystalline thin film and the base material than the comparative examples, and are excellent in peel resistance.
【００１７】上記実施例及び比較例について、オージェ
電子分光分析装置により、結晶薄膜表面から基材１の内
部にかけて構成物質を分析した。この結果を図２に示
す。なお図２において、Ｉx は鉄（Ｆｅ）又は窒化チタ
ンが吸収した光の量、いわゆる強度であり、ΣI は分析
結果に現れた構成物質全体の強度、すなわち吸光量であ
る。図２より、実施例については、基材１の表面に窒化
チタンの結晶薄膜が形成され、当該結晶薄膜の表面から
基材１の内部にかけての比較的長い範囲において、窒化
チタンが徐々に減少していることが分かる。これは、結
晶薄膜と基材１との間に、窒化チタンと鉄との混合層が
形成されていることを示している。これに対して比較例
は、結晶薄膜の表面から窒化チタンが急激に減少してい
ることが分かる。これは比較例においては、上記混合層
の形成がなく、結晶薄膜と基材１とが殆ど機械的結合状
態になっていることを示している。したがって、上記実
施例の結晶薄膜は、基材１との明瞭な境界がなく、原子
的な結合状態となって濃度勾配をもっており、基材１と
の密着性が比較例よりも極めて良好であることが分か
る。In the above Examples and Comparative Examples, constituent substances were analyzed from the surface of the crystalline thin film to the inside of the substrate 1 by an Auger electron spectrometer. The result is shown in FIG. In FIG. 2, Ix is the amount of light absorbed by iron (Fe) or titanium nitride, the so-called intensity, and ΔI is the intensity of the entire constituent material appearing in the analysis result, that is, the amount of light absorbed. From FIG. 2, in the example, a titanium nitride crystal thin film is formed on the surface of the substrate 1, and the titanium nitride gradually decreases in a relatively long range from the surface of the crystal thin film to the inside of the substrate 1. You can see that it is. This indicates that a mixed layer of titanium nitride and iron is formed between the crystal thin film and the substrate 1. On the other hand, in the comparative example, it can be seen that titanium nitride is rapidly reduced from the surface of the crystal thin film. This indicates that, in the comparative example, the above-mentioned mixed layer was not formed, and the crystal thin film and the substrate 1 were almost in a mechanically connected state. Therefore, the crystal thin film of the above example has no clear boundary with the substrate 1, is in an atomic bonding state and has a concentration gradient, and the adhesion to the substrate 1 is much better than the comparative example. You can see that.
【００１８】上記実施例は、チタン蒸気３と窒素イオン
ビーム５とを、基材１に対して等角度で入射して、窒化
チタンの結晶薄膜を形成するので、基材１の摺動面１ａ
を水平にして蒸発源４に正対させ、窒素イオンビーム５
を基材１に対して略４５°の角度で入射させる従来の成
膜方法に比較して、より緻密且つ均質な窒化チタンの結
晶薄膜を得ることができる。In the above embodiment, the titanium vapor 3 and the nitrogen ion beam 5 are incident on the substrate 1 at an equal angle to form a crystal thin film of titanium nitride.
Is leveled to face the evaporation source 4 and the nitrogen ion beam 5
In comparison with the conventional film forming method in which the light is incident on the substrate 1 at an angle of about 45 °, a denser and more uniform titanium nitride crystal thin film can be obtained.
【００１９】次に、この発明の摩擦摺動部材の製造方法
において、窒化チタン膜を形成する際の窒素イオンビー
ム５の照射エネルギー及び照射電力を変化させて、これ
ら照射エネルギー及び照射電力が、摩擦摺動部材の熱変
形に及ぼす影響について調べた。この結果を図３に示
す。図３において、「水平面歪」は、結晶薄膜の表面
を、一端から他端にかけてトレースして、両端間の変化
分を測定したものである。また、「円周面歪」は、結晶
薄膜の表面の円周上をトレースして、そのうねり状態を
調べ、最大値と最小値との差を測定したものである。図
３より、摩擦摺動部材の熱変形、つまり水平面歪及び円
周面歪を抑えるためには、窒素イオンビーム５の照射エ
ネルギーを１〜７ｋｅＶの範囲にする必要があること、
照射電力を０．１Ｗ／ｃｍ2 以下にする必要があること
が分かる。これは、照射エネルギー及び照射電力を上記
範囲にすることにより、主として、成膜時の摩擦摺動部
材の昇温を、１００°Ｃ以下に抑えることができるから
である。Next, in the method of manufacturing a friction sliding member according to the present invention, the irradiation energy and irradiation power of the nitrogen ion beam 5 when forming the titanium nitride film are changed so that these irradiation energy and irradiation power are changed by friction. The effect of the sliding member on thermal deformation was investigated. The result is shown in FIG. In FIG. 3, “horizontal plane strain” is obtained by tracing the surface of the crystal thin film from one end to the other end and measuring a change between both ends. The “circumferential surface strain” is obtained by tracing the circumference of the surface of the crystal thin film, examining the undulation state, and measuring the difference between the maximum value and the minimum value. From FIG. 3, it is necessary to set the irradiation energy of the nitrogen ion beam 5 in the range of 1 to 7 keV in order to suppress the thermal deformation of the friction sliding member, that is, the horizontal plane distortion and the circumferential surface distortion.
It is understood that the irradiation power needs to be 0.1 W / cm 2 or less. This is because, by setting the irradiation energy and the irradiation power in the above ranges, the temperature rise of the friction sliding member during film formation can be mainly suppressed to 100 ° C. or less.
【００２０】窒化チタンの結晶薄膜について、その（２
０ ０）面及び（１ １ １）面に対する配向強度
と、摩擦係数及び耐摩耗性との関係を調べた。上記配向
強度は、Ｘ線回折装置を用いて（２ ０ ０）面からの
信号Ｉ200 と、（１ １ １）面からの信号Ｉ111 とを
測定し、各信号のレベル比Ｉ200 ／Ｉ 111 を、（２ ０
０）面に対する配向強度Ｓ200 と（１ １ １）面に
対する配向強度Ｓ111 との比（Ｓ200 ／Ｓ111 ）とした
ものである。また、上記耐摩耗性は、スラスト式摩擦摩
耗試験機を用い、相手材としてのカーボンに、面圧５ｋ
ｇ／ｃｍ2 （０．５Ｍｐａ）、周速２ｍ／ｓｅｃで摺接
させて、結晶薄膜の摩擦係数及び摩耗量を調べた。この
結果を図４に示す。図４より、窒化チタンの結晶薄膜に
ついて、その摩擦係数を小さくして摩耗量を少なくする
には、当該結晶薄膜の結晶方位が、（１ １ １）面よ
りも（２０ ０）に対してより強く配向し、しかもＳ
200 ／Ｓ111 ≧１．０の関係にあることが必要条件であ
ることが分かる。With respect to the crystal thin film of titanium nitride, (2)
Orientation strength with respect to (0 0) plane and (11 1) plane
And the relationship between the coefficient of friction and the wear resistance. The above orientation
The intensity was measured from the (200) plane using an X-ray diffractometer.
Signal I200And the signal I from the (1 1 1) plane111And
Measure the level ratio of each signal I200/ I 111To (20
0) Orientation strength S with respect to plane200And the (1 1 1) plane
Orientation strength S111And the ratio (S200/ S111)
Things. In addition, the above wear resistance is determined by thrust friction
Using a wear tester, apply a surface pressure of 5k to carbon as the mating material.
g / cmTwo(0.5Mpa), sliding contact at a peripheral speed of 2m / sec
Then, the coefficient of friction and the amount of wear of the crystalline thin film were examined. this
FIG. 4 shows the results. FIG. 4 shows that the crystal thin film of titanium nitride
The friction coefficient to reduce the amount of wear
The crystal orientation of the crystal thin film is higher than that of the (111) plane.
(200) more strongly, and S
200/ S111≧ 1.0 is a necessary condition
You can see that
【００２１】さらに、上記窒化チタンの結晶薄膜につい
て、（２ ０ ０）面、（１ １１）面及び（２ ２
０）面に対する配向強度と、摩擦係数及び耐摩耗性との
関係を調べた。この結果を表１に示す。なお、試験条件
は前記と同様である。Further, regarding the crystal thin film of titanium nitride, the (200) plane, the (111) plane and the (2 2
The relationship between the orientation strength with respect to the 0) plane, the friction coefficient and the wear resistance was examined. Table 1 shows the results. The test conditions are the same as described above.
【００２２】[0022]
【表１】 [Table 1]
【００２３】表１より、窒化チタンの結晶薄膜につい
て、その摩擦係数を小さくして摩耗量を少なくするに
は、当該結晶薄膜の結晶方位が（１ １ １）面及び
（２ ２０）よりも（２ ０ ０）により強く配向し、
しかもＳ200 ／Ｓ111 ≧１．１０の関係にあることがよ
り好ましいことが分かる。From Table 1, it can be seen that the crystal orientation of the titanium nitride crystal thin film is smaller than that of the (111) plane and (220) in order to reduce the coefficient of friction and reduce the amount of wear. 20 0) more strongly oriented,
Moreover, it is more preferable that the relationship of S 200 / S 111 ≧ 1.10.
【００２４】上記実施例においては、チタン蒸気３の蒸
着と窒素イオンビーム５の照射とを同時に行っている
が、これを交互に行ってもよく、この場合においても上
記と同様な作用効果を得ることができる。この発明の摩
擦摺動部材及びその製造方法は、特に高圧、高速で使用
されるメカニカルシールの密封環に好適に適用される
が、この密封環以外に、熱変形が少なく耐摩耗性が要求
されるすべり軸受等の摩擦摺動部材にも好適に適用され
る。In the above embodiment, the deposition of the titanium vapor 3 and the irradiation of the nitrogen ion beam 5 are performed simultaneously, but they may be performed alternately, and in this case, the same operation and effect as described above are obtained. be able to. INDUSTRIAL APPLICABILITY The friction sliding member and the method of manufacturing the same according to the present invention are particularly suitably applied to a sealing ring of a mechanical seal used at a high pressure and at a high speed. It is also suitably applied to friction sliding members such as sliding bearings.
【００２５】[0025]
【発明の効果】以上のように、請求項１に係る摩擦摺動
部材によれば、基材の摺動面を覆う結晶薄膜を、結晶方
位が（２ ０ ０）面に配向する面心立方構造の窒化チ
タンにより構成したので、摩擦係数が小さく優れた耐摩
耗性を発揮することができる。As described above, according to the friction sliding member of the first aspect, the crystal thin film covering the sliding surface of the base material is formed by a face-centered cubic in which the crystal orientation is oriented to the (200) plane. Since it is made of titanium nitride having a structure, it has a small friction coefficient and can exhibit excellent wear resistance.
【００２６】請求項２に係る摩擦摺動部材によれば、上
記窒化チタンの（２ ０ ０）面に対する配向強度と、
（１ １ １）面に対する配向強度との比が１．１０以
上であるので、より摩擦係数が小さくより優れた耐摩耗
性を発揮することができる。According to the friction sliding member of the second aspect, the orientation strength of the titanium nitride with respect to the (200) plane and
Since the ratio of the orientation strength to the (11 1) plane is 1.10 or more, the friction coefficient is smaller and more excellent wear resistance can be exhibited.
【００２７】請求項３に係る摩擦摺動部材によれば、上
記結晶薄膜を、チタンの真空蒸着と窒素イオンビームの
照射とを併用して形成しているので、結晶方位を（２
００）面に容易且つ安定的に配向させることができると
ともに、熱変形が少なく、基材と薄膜との密着性に優
れ、より優れた耐摩耗性を発揮することができる。According to the friction sliding member of the third aspect, since the crystal thin film is formed by using both the vacuum deposition of titanium and the irradiation of the nitrogen ion beam, the crystal orientation is set to (2).
It can be easily and stably oriented on the (00) plane, has little thermal deformation, has excellent adhesion between the substrate and the thin film, and can exhibit more excellent wear resistance.
【００２８】請求項４に係る摩擦摺動部材の製造方法に
よれば、上記結晶薄膜を、基材との明瞭な境界を生じる
ことなく、基材の内部に向かって濃度を漸次減少させた
状態で形成するこができるので、結晶薄膜と基材との良
好な密着性を確保することができる。このため、結晶薄
膜の剥離を生じ難く、優れた耐久性を発揮することがで
きる。また、（２ ０ ０）に配向した面心立方構造の
結晶薄膜を容易且つ安定的に形成することができる。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a friction sliding member, wherein the concentration of the crystal thin film is gradually reduced toward the inside of the substrate without forming a clear boundary with the substrate. Therefore, good adhesion between the crystal thin film and the substrate can be ensured. Therefore, the crystalline thin film is hardly peeled off, and excellent durability can be exhibited. In addition, a crystal thin film having a face-centered cubic structure oriented in (200) can be easily and stably formed.
【００２９】請求項５に係る摩擦摺動部材の製造方法に
よれば、窒素イオンビームの照射エネルギーを、１〜７
ｋｅＶに設定しているので、結晶薄膜の表面粗さが粗く
なるのを抑制することができるとともに、当該結晶薄膜
の摩擦係数をより小さくして、より優れた耐摩耗性を発
揮させることができる。しかも、基材が高温に加熱され
るのを抑制して、その熱変形を小さくすることができ
る。According to the method of manufacturing a friction sliding member according to the fifth aspect, the irradiation energy of the nitrogen ion beam is set to 1 to 7
Since it is set to keV, it is possible to suppress the surface roughness of the crystal thin film from becoming rough, and to further reduce the friction coefficient of the crystal thin film and exhibit more excellent wear resistance. . In addition, it is possible to suppress the substrate from being heated to a high temperature and to reduce the thermal deformation thereof.
【００３０】請求項６に係る摩擦摺動部材の製造方法に
よれば、窒素イオンビームの照射電力の最大値を、０．
１Ｗ／ｃｍ2 に設定しているので、結晶薄膜の表面粗さ
が粗くなるのを抑制することができるとともに、当該結
晶薄膜の摩擦係数をより小さくして、より優れた耐摩耗
性を発揮させることができる。しかも、基材が高温に加
熱されるのを抑制して、その熱変形を小さくすることが
できる。According to the method of manufacturing a friction sliding member of the sixth aspect, the maximum value of the irradiation power of the nitrogen ion beam is set to 0.1.
Since it is set to 1 W / cm 2 , it is possible to suppress the surface roughness of the crystal thin film from becoming rough, and to further reduce the friction coefficient of the crystal thin film to exhibit more excellent wear resistance. be able to. In addition, it is possible to suppress the substrate from being heated to a high temperature and to reduce the thermal deformation thereof.
【００３１】請求項７に係る摩擦摺動部材の製造方法に
よれば、基材をその軸線回りに回転させるとともに、当
該基材に対するチタン蒸気の入射角度と、窒素イオンビ
ームの入射角度とを、略等しくしているので、基材の摺
動面に緻密且つ均一な結晶薄膜を形成することができ
る。According to the friction sliding member manufacturing method of the present invention, while rotating the base material around its axis, the incident angle of the titanium vapor and the incident angle of the nitrogen ion beam with respect to the base material are determined. Since they are substantially equal, a dense and uniform crystal thin film can be formed on the sliding surface of the base material.
【図１】この発明の摩擦摺動部材の製造装置を示す概略
図である。FIG. 1 is a schematic view showing an apparatus for manufacturing a friction sliding member of the present invention.
【図２】オージェ電子分光分析装置による結晶薄膜表面
から基材の内部にかけての分析結果を示すグラフ図であ
る。FIG. 2 is a graph showing an analysis result from the surface of a crystal thin film to the inside of a base material by an Auger electron spectrometer.
【図３】窒素イオンビームの照射エネルギーと摩擦摺動
部材の変形量との関係を示すグラフ図である。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the irradiation energy of a nitrogen ion beam and the amount of deformation of a friction sliding member.
【図４】窒化チタンの結晶薄膜の配向性と摩擦係数及び
耐摩耗性との関係を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the orientation of a crystal thin film of titanium nitride and the coefficient of friction and wear resistance.
１ 基材 ２ ホルダ ３ チタン蒸気 ４ 蒸発源 ５ 窒素イオンビーム ６ イオン源 ７ 回転軸 α チタン蒸気の入射角 β 窒素イオンビームの入射角 Ｌ２ 基材の軸線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 2 Holder 3 Titanium vapor 4 Evaporation source 5 Nitrogen ion beam 6 Ion source 7 Rotation axis α Titanium vapor incident angle β Nitrogen ion beam incident angle L2 Base axis
Claims (7)
膜を形成している摩擦摺動部材において、 上記結晶薄膜が、結晶方位を（２ ０ ０）面に配向さ
せた面心立方構造の窒化チタンであることを特徴とする
摩擦摺動部材。A friction sliding member having a wear-resistant crystal thin film formed on a sliding surface of a substrate, wherein the crystal thin film has a crystal orientation oriented to a (200) plane. A friction sliding member comprising titanium nitride having a centered cubic structure.
る配向強度（Ｓ200 ）と、（１ １１）面に対する配向
強度（Ｓ111 ）との比（Ｓ200 ／Ｓ111 ）が１．１０以
上である請求項１記載の摩擦摺動部材。2. The ratio (S 200 / S 111 ) of the orientation intensity (S 200 ) of the titanium nitride to the ( 200 ) plane and the orientation intensity (S 111 ) to the ( 111 ) plane is 1.10. The friction sliding member according to claim 1, which is as described above.
イオンビームの照射とを併用して形成したものである請
求項１記載の摩擦摺動部材。3. The friction sliding member according to claim 1, wherein the crystal thin film is formed by using both vacuum deposition of titanium and irradiation of a nitrogen ion beam.
膜を形成する工程を含む摩擦摺動部材の製造方法におい
て、 上記基材の摺動面に、チタンを真空蒸着する工程と窒素
イオンビームを照射する工程とを同時又は交互に行っ
て、結晶方位を（２ ０ ０）面に配向させた面心立方
構造の窒化チタンの結晶薄膜を形成することを特徴とす
る摩擦摺動部材の製造方法。4. A method for producing a friction sliding member, comprising a step of forming an abrasion-resistant crystalline thin film on a sliding surface of a substrate, wherein titanium is vacuum-deposited on the sliding surface of the substrate. And a step of irradiating with a nitrogen ion beam simultaneously or alternately to form a crystal thin film of titanium nitride having a face-centered cubic structure in which the crystal orientation is oriented to the (200) plane. A method for manufacturing a moving member.
が、１〜７ｋｅＶである請求項４記載の摩擦摺動部材の
製造方法。5. The method according to claim 4, wherein the irradiation energy of the nitrogen ion beam is 1 to 7 keV.
が、０．１Ｗ／ｃｍ2 である請求項４記載の摩擦摺動部
材の製造方法。6. The method according to claim 4, wherein the maximum value of the irradiation power of the nitrogen ion beam is 0.1 W / cm 2 .
もに、当該基材に対するチタン蒸気の入射角度と、窒素
イオンビームの入射角度とを、略等しくする請求項４記
載の摩擦摺動部材の製造方法。7. The friction sliding member according to claim 4, wherein the base member is rotated about its axis, and the incident angle of titanium vapor on the base member and the incident angle of the nitrogen ion beam are made substantially equal. Production method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15450397A JPH10330913A (en) | 1997-05-27 | 1997-05-27 | Frictional sliding member and its production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15450397A JPH10330913A (en) | 1997-05-27 | 1997-05-27 | Frictional sliding member and its production |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10330913A true JPH10330913A (en) | 1998-12-15 |
Family
ID=15585674
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15450397A Pending JPH10330913A (en) | 1997-05-27 | 1997-05-27 | Frictional sliding member and its production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10330913A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019025713A (en) * | 2017-07-27 | 2019-02-21 | 京セラ株式会社 | Thermal head and thermal printer |
-
1997
- 1997-05-27 JP JP15450397A patent/JPH10330913A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019025713A (en) * | 2017-07-27 | 2019-02-21 | 京セラ株式会社 | Thermal head and thermal printer |
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