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JP2007277663A - Sliding material - Google Patents

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JP2007277663A
JP2007277663A JP2006107439A JP2006107439A JP2007277663A JP 2007277663 A JP2007277663 A JP 2007277663A JP 2006107439 A JP2006107439 A JP 2006107439A JP 2006107439 A JP2006107439 A JP 2006107439A JP 2007277663 A JP2007277663 A JP 2007277663A
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layer
metal
carbon
composition ratio
film
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JP2006107439A
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Inventor
Kenji Shimoda
健二 下田
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sliding material capable of improving wear resistance and adhesion with a counter material while further suppressing friction with the counter material. <P>SOLUTION: The sliding material comprises: a metallic layer 14 which is laminated on a substrate 12 and is joined to the substrate 12; a first layer 16 which is laminated on the metallic layer 14 and is a mixture of metal and carbon formed by grading composition ratio of metal and carbon by changing the composition ratio so as to successively increase carbon in the lamination direction; and a second layer 18 which is laminated on the first layer 16 and is a mixture of metal and carbon formed with a prescribed composition ratio of metal and carbon, wherein the first layer 16 and the second layer 18 are formed in a constant density of 2.2 g/cm<SP>3</SP>to 2.4 g/cm<SP>3</SP>, respectively. The metal is preferably Ti, Ta, Cr, Zr, Hf, V, Nb, Mo, W or Si. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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。   The present invention relates to a sliding material, and in particular, a metal layer laminated on a base material and in close contact with the base material, laminated on the metal layer, and the composition ratio of the metal and carbon with respect to the lamination direction sequentially. The first layer in which the metal and carbon are mixed and formed by inclining the composition ratio of the metal and carbon by being changed so as to increase the carbon, and the first layer is laminated. The present invention relates to a sliding material having a second layer in which a metal and carbon are mixed by forming a predetermined composition ratio.

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。   Generally, a sliding material such as a connecting rod, a piston ring, or a sliding bearing used in a vehicle, particularly an automobile, is subjected to a surface treatment that coats a sliding surface with a hard ceramic material or the like. The sliding surface of the sliding material is covered with a ceramic material or the like, thereby improving the wear resistance, seizure resistance, impact resistance, or the like of the sliding surface.

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−Like Carbon:DLC)皮膜等の硬質皮膜が用いられる。   A hard ceramic material or the like is coated on the sliding surface of the sliding material by a physical vapor deposition method (PVD method) such as a sputtering method or an ion plating method, a chemical vapor deposition method (CVD method), or the like. Examples of such a ceramic material coating include a TiC coating and a TiN coating that are titanium coatings, a CrN coating that is a chromium coating, and diamond-like carbon (diamond-like carbon). A hard coating such as a DLC) coating is used.

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。   Here, in Patent Document 1, in a sliding member including a base material and a protective film formed on the surface of the base material, the protective film includes a metal layer and a metal-carbon composition formed on the metal layer. A sliding member is shown that includes a graded layer and a diamond-like carbon layer formed on the metal-carbon composition graded layer and having a hardness change region in which the hardness increases as the distance from the metal-carbon composition graded layer increases.

特開2004−10923号公報JP 2004-10923 A

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。   The above-mentioned diamond-like carbon layer achieves low friction by self-lubricating by sliding with a mating member, and polishing down into a layer due to the graphite structure that is the fine structure of the diamond-like carbon layer. Therefore, the wear resistance in the sliding material may not be obtained sufficiently. In addition, when the film has a thin multilayer structure, the presence of a layer having no graphite structure may increase the sliding resistance with the counterpart material and increase the friction coefficient.

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。   Therefore, an object of the present invention is to laminate a metal layer that is laminated on a base material and is in close contact with the base material, and a metal layer, and to increase the composition ratio of the metal and the carbon in order with respect to the lamination direction. The first layer in which the metal and carbon are mixed and formed by inclining the composition ratio of the metal and carbon, and the first layer is laminated, and the metal and carbon have a predetermined composition ratio. In the sliding material having the second layer in which the metal and the carbon are mixed, the friction with the counterpart material is further suppressed to further improve the wear resistance and adhesion.

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から2.4g/cm一定で形成されることを特徴とする。 The sliding material according to the present invention is laminated on a base material, and is laminated on the metal layer, and is laminated on the metal layer, and the composition ratio of the metal and the carbon is sequentially changed with respect to the lamination direction. By changing so as to increase, the first layer in which the composition ratio of the metal and carbon is inclined and the metal and carbon are mixed, the first layer is laminated, and the metal and carbon have a predetermined composition. A sliding material having a second layer in which metal and carbon are mixed by forming as a ratio, and the first layer and the second layer have a density of 2.2 g / cm 3 to 2.4 g / cm 3. It is characterized by being formed constant.

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。   In the sliding material according to the present invention, the metal is preferably Ti, Ta, Cr, Zr, Hf, V, Nb, Mo, W, or Si.

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。   In the sliding material according to the present invention, the first layer has a composition ratio of metal and carbon such that carbon is increased in order from a carbon / metal atomic ratio of 1.7 to 10 with respect to the stacking direction. Therefore, it is preferable that the composition ratio of the metal and carbon is inclined.

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。   In the sliding material according to the present invention, the second layer preferably has a predetermined composition ratio of metal to carbon of 10 to 15 in terms of a carbon / metal atomic ratio.

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。   In the sliding material according to the present invention, the thickness of the second layer is preferably within 10% of the total thickness of the metal layer, the first layer, and the second layer.

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。   In the sliding material according to the present invention, the friction coefficient is preferably 0.05 or less.

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。   According to the above sliding material, it is possible to further suppress the friction with the counterpart material and further improve the wear resistance and adhesion.

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。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the sliding member 10. The sliding material 10 is laminated on the base material 12, and is laminated on the metal layer 14 that is in close contact with the base material 12, and the composition ratio of the metal and carbon is sequentially changed to carbon in the laminating direction. The first layer 16 in which the metal and carbon are mixed and formed by inclining the composition ratio of the metal and carbon, and the first layer 16 is laminated, and the metal and carbon are combined. It has the 2nd layer 18 in which the metal and carbon mixed by forming as a predetermined composition ratio.

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。   For the substrate 12, structural carbon steel, structural alloy steel, or the like can be used. As the structural alloy steel, chrome molybdenum steel, nickel chrome steel, nickel chrome molybdenum steel, chrome steel, manganese steel, manganese chrome steel, aluminum chrome molybdenum steel, or the like can be used. These structural carbon steels and structural alloy steels are preferably used with a predetermined hardness and strength by performing a heat treatment such as quenching and tempering. Of course, depending on other conditions, the base material 12 is not limited to these materials, and cemented carbide, alloy tool steel, stainless steel, aluminum alloy and the like can be used.

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。   The metal layer 14 is laminated on the base material 12 such as the structural carbon steel or structural alloy steel, and is in close contact with the base material 12. The metal layer 14 has a function of activating the surface of the base material 12 and a function of increasing the adhesion with the interface of the base material 12 by a throwing effect.

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。   The metal constituting the metal layer 14 is made of Ti, Ta, Cr, Zr, Hf, V, Nb, Mo, W metals such as IV-B group, VB group and VI-B group metals or Si. Can do. The metal constituting the metal layer 14 is preferably Ti, Ta, or Cr. The metal constituting the metal layer 14 is more preferably Ti because the material is low cost. Further, for the metal constituting the metal layer 14, elements such as IV-A group, VA group, VI-A group, etc. may be used.

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。   This is because these metals easily form a metal carbide, metal nitride, metal oxide, or the like by chemically reacting with carbon, nitrogen or oxygen contained in the substrate 12. And the adhesiveness of the base material 12 and the metal layer 14 can be improved by forming the metal carbide, metal nitride, or metal oxide of the said element in the interface of the base material 12 and the metal layer 14. . Of course, depending on other conditions, the metal constituting the metal layer 14 is not limited to these elements.

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。   The metal layer 14 is laminated on the substrate 12 with a film thickness of several tens of nm. The film thickness of the metal layer 14 is 10 nm or more and 30 nm or less, for example. Of course, the film thickness of the metal layer 14 is not limited to the above film thickness range. Further, depending on other conditions, a metal nitride layer such as TiN, a metal carbide such as TiC, and a metal carbonitride layer such as TiCN can be provided in addition to or instead of the metal layer 14. This is because TiN, TiC, TiCN, and the like are hard materials, so that the hardness of the film can be further increased by adding a hard layer, and the wear resistance of the film is further improved.

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。   The first layer 16 is laminated on the metal layer 14, and the composition ratio of the metal and carbon is inclined by changing the composition ratio of the metal and carbon sequentially with increasing carbon in the lamination direction. It is a layer in which the metal and carbon formed are mixed. The first layer 16 has a function of relaxing the internal stress of the film and a function of suppressing wear. The first layer 16 is formed by gradually changing the composition ratio of the metal and carbon with respect to the stacking direction so as to increase the amount of carbon, thereby gradually softening the film with respect to the stacking direction. Can be relaxed. This is because as the amount of metal increases, the bond between the metal and carbon increases and the hardness of the coating increases.

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。   The first layer 16 has a function as a load backup layer of the second layer 18 because the first layer 16 has high hardness on the metal layer 14 side and gradually softens in the stacking direction. Therefore, even when the second layer 18 is worn, further progress of wear can be suppressed. In addition, since the first layer 16 has a large proportion of metal on the metal layer 14 side, the adhesion with the metal layer 14 can be further improved.

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。   The first layer 16 is formed by changing the composition ratio of metal and carbon from 1.7 to 10 in a carbon / metal atomic ratio with respect to the stacking direction so that the amount of carbon increases in order. And the composition ratio is preferably inclined. The metal / carbon composition ratio on the metal layer 14 side is set to 1.7 in terms of the carbon / metal atomic ratio. If the carbon / metal atomic ratio is less than 1.7, the metal and carbon undergo a chemical reaction to form a metal. This is because when the carbide is formed, a crystalline layer made of the metal carbide is generated at the interface between the first layer 16 and the metal layer 14 and may become a starting point of peeling. The reason why the metal / carbon composition ratio on the second layer 18 side is 10 in terms of the carbon / metal atomic ratio is that when the carbon / metal atomic ratio is greater than 10, the adhesion decreases. Of course, depending on other conditions, the composition ratio of metal to carbon is not limited to the range of the composition ratio.

第1層16および第2層18の密度が2.2g/cmから2.4g/cm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から2.4g/cm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。 It is preferable that the density of the first layer 16 and the second layer 18 is constant between 2.2 g / cm 3 and 2.4 g / cm 3 . Thus, since the density of the first layer 16 is constant from 2.2 g / cm 3 to 2.4 g / cm 3 , cracking and peeling due to the difference in density in the film can be suppressed, Abrasion resistance and adhesion can be improved. Of course, depending on other conditions, the density is not limited to the above range. Moreover, it is preferable that the film thickness of the 1st layer 16 shall be 1 micrometer or more and 3 micrometers or less. Of course, the film thickness of the first layer 16 is not limited to the range of the film thickness.

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。   As the metal of the first layer 16, Ti, Ta, Cr, etc., which are the metals described above, can be used. The metal of the first layer 16 is preferably the same metal as the metal layer 14. For example, when titanium is used for the metal layer 14, titanium is used for the metal of the first layer 16. Of course, depending on other conditions, different metals can be used for the metal of the first layer 16 and the metal of the metal layer 14.

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。   The second layer 18 is a layer in which the metal and carbon are mixed by being stacked on the first layer 16 and forming the metal and carbon in a predetermined composition ratio. The second layer 18 has a function of suppressing friction between the mating material and the sliding material 10 when the sliding material 10 slides on the mating material and a metal-oxygen layer is formed on the mating material. . For example, when titanium is used as the metal, a Ti—O layer is formed on the counterpart material. The second layer 18 can function as an initial conforming layer when the sliding material 10 and the counterpart material slide.

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。   The second layer 18 preferably has a predetermined composition ratio of metal to carbon of 10 to 15 in terms of a carbon / metal atomic ratio. More preferably, the carbon / metal atomic ratio is 10 or more and 12 or less. The reason why the carbon / metal atomic ratio is 10 or more and 15 or less is that the hardness of the film can be reduced by increasing the proportion of carbon as compared with the first layer 16. Moreover, it is because a friction coefficient can be lowered | hung by making the ratio of carbon larger than the 1st layer 16, for example, can be 0.05 or less. Then, by laminating the second layer 18 having a lower hardness than the first layer 16 on the first layer 16, the second layer 18 can function as a familiar layer at the initial stage of sliding. This is because it is effective that the soft layer is thinly present on the hard base layer. Of course, depending on other conditions, the predetermined composition ratio between the metal and the carbon is not limited to the above range.

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。   The thickness of the second layer 18 is preferably within 10% of the total thickness of the metal layer 14, the first layer 16, and the second layer 18. The film thickness of the second layer 18 is within 10% of the total film thickness of the metal layer 14, the first layer 16, and the second layer 18 when the sliding material 10 slides with the counterpart material. This is because the metal-oxygen layer is formed on the counterpart material and the film thickness is sufficient to suppress the friction between the sliding material 10 and the counterpart material. When the total thickness of the metal layer 14, the first layer 16, and the second layer 18 is 2 μm, the thickness of the second layer 18 is 0.2 μm. Of course, depending on other conditions, the film thickness of the second layer 18 is not limited to the above range of film thickness.

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。   As the metal of the second layer 18, Ti, Ta, Cr, etc., which are the metals described above, can be used. The metal of the second layer 18 is preferably the same metal as the metal of the first layer 16 and the metal of the metal layer 14. For example, when titanium is used for the metal of the first layer 16 and the metal layer 14, titanium is used for the metal of the second layer 18. Of course, depending on other conditions, a metal different from the metal of the second layer 18 and the metal of the first layer 16 and the metal of the metal layer 14 can be used.

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。   Below, the manufacturing method of the sliding material 10 in the said structure is demonstrated. FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the sliding member 10. The manufacturing method of the sliding member 10 includes a base material preparation step (S10), a metal layer formation step (S12), a first layer formation step (S14), and a second layer formation step (S16). .

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。   The base material preparation step (S10) is a step of preparing the base material 12 in the sliding material 10 by pretreatment or the like. The substrate 12 is first polished with an abrasive or the like so that the surface of the substrate 12 has a predetermined surface roughness. The ground substrate 12 is prepared by degreasing and cleaning with an organic solvent such as acetone by ultrasonic cleaning or the like.

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。   In the prepared base material 12, the metal layer 14, the first layer 16, and the second layer 18 are laminated by an arc ion plating method (AIP method). Of course, depending on other conditions, it can be laminated by other methods.

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。   First, the arc ion plating method will be described. FIG. 3 is a schematic diagram showing a film forming method in the arc ion plating method. When a metal material such as titanium is sublimated by arc discharge, a hydrocarbon gas such as acetylene is introduced, the metal and carbon are ionized by high energy density plasma generated by the discharge, and the substrate 12 has a negative bias voltage. , The metal and carbon ions can be attracted to the substrate 12 and laminated. Since the arc ion plating method has a higher film formation rate than the case where a film is formed by a sputtering method using a solid carbon target, productivity can be improved and manufacturing cost can be reduced.

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。   An arc ion plating apparatus used in the arc ion plating method includes an arc power source, a bias power source for applying a negative bias voltage to a base material 12 that forms a film placed in a vacuum chamber, carbon, Introducing a hydrocarbon gas, which is a raw material, and a discharge gas such as nitrogen, argon, etc., and an arc power source is provided with a metal target, which is a metal raw material. The metal target acts as a cathode of an arc power source, and metal is sublimated and ionized from the metal target by arc discharge with the anode. With the above configuration, in a hydrocarbon gas atmosphere introduced from the introduction port, the metal target is sublimated by arc discharge and the metal and carbon are ionized to form a composite film of metal and carbon mixed on the base material 12. A diamond-like carbon film can be formed.

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。   Also, in the arc ion plating system, by controlling the metal arc current, the type and flow rate of hydrocarbon gas, bias voltage, etc., the metal film or the metal and carbon mixed with different composition ratios of the metal and carbon are mixed. It is possible to form a diamond-like carbon film composited with a metal which is a coated film. Further, by changing the composition ratio of metal and carbon to form a film, the hardness, friction coefficient, adhesion, density, etc. of the film can be controlled.

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。   As the hydrocarbon gas, methane, ethylene, acetylene, benzene, or the like can be used. Moreover, it is preferable to use acetylene gas for hydrocarbon gas. Of course, other hydrocarbon gases can be used depending on other conditions. The flow rate of the hydrocarbon gas is preferably 100 sccm or more and 300 sccm or less. Of course, the flow rate of the hydrocarbon gas is not limited to this range.

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。   The relationship between the composition ratio of metal and carbon, hardness, and friction coefficient in the film will be described. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the C / Ti atomic ratio, which is the composition ratio between titanium and carbon in the coating, hardness, and friction coefficient when titanium is used as the metal. In FIG. 4, the vertical axis represents the hardness of the film and the friction coefficient μ, and the horizontal axis represents the C / Ti atomic ratio which is the composition ratio of titanium and carbon in the film. Each data shown in FIG. 4 is obtained by forming a film having a different C / Ti atomic ratio by changing a metal arc current, a flow rate of hydrocarbon gas, a bias voltage, or the like using an arc ion plating apparatus. Data.

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。   In FIG. 4, the smaller the C / Ti atomic ratio of the film, the larger the hardness and the friction coefficient of the film, and the larger the C / Ti atomic ratio of the film, the smaller the film hardness and the friction coefficient. Then, the hardness and friction coefficient of the film decrease in a substantially linear manner in proportion to the increase in the C / Ti atomic ratio. This is because, as the C / Ti atomic ratio is smaller, the proportion of titanium increases, and the bond between titanium and carbon increases. Thus, the hardness and the friction coefficient of the film can be controlled by changing the composition ratio between the metal and carbon.

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。   Next, the relationship between the composition ratio between the metal and carbon in the coating and the adhesion will be described. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the C / Ti atomic ratio, which is the composition ratio between titanium and carbon in the coating, and the adhesion when titanium is used as the metal. In FIG. 5, the vertical axis represents the adhesion of the film, and the horizontal axis represents the C / Ti atomic ratio, which is the composition ratio of titanium and carbon in the film. Each data shown in FIG. 5 is obtained by forming a film having a different C / Ti atomic ratio by changing a metal arc current, a flow rate of hydrocarbon gas, a bias voltage, or the like using an arc ion plating apparatus. Data. As shown in FIG. 5, the adhesion of the film can be further increased by reducing the C / Ti atomic ratio.

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。   Furthermore, the relationship between the composition ratio of metal and carbon in the film, the density, and the bias voltage will be described. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the C / Ti atomic ratio, which is the composition ratio between titanium and carbon, the density, and the bias voltage when titanium is used as the metal. In FIG. 6, the vertical axis represents the density of the film, and the horizontal axis represents the C / Ti atomic ratio, which is the composition ratio of titanium and carbon in the film. Each data shown in FIG. 6 shows that an arc ion plating apparatus is used to change the bias voltage to 100V, 200V, 400V and 800V to form films with different C / Ti atomic ratios at each bias voltage. Is the data acquired.

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。   As shown in FIG. 6, when a constant bias voltage is applied, the density of the film decreases as the C / Ti atomic ratio increases. This is because the ratio of carbon (graphite) in the film increases. Further, when the C / Ti atomic ratio is constant, the coating density increases as the bias voltage increases. The reason why the density increases as the bias voltage increases is that the incident energy of each atom in carbon or titanium increases. By sequentially changing the bias voltage and controlling the film, it is possible to form the film while changing the C / Ti atomic ratio at a constant film density. Thus, the density of the film can be controlled by the bias voltage.

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。   Next, a metal layer forming step (S12), which is a step of laminating the metal layer 14, the first layer 16, and the second layer 18 on the substrate 12 by the arc ion plating method (AIP method), The first layer forming step (S14) and the second layer forming step (S16) will be described.

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。   The metal layer forming step (S12) is a step of forming the metal layer 14 on the pretreated base material 12. First, the pretreated substrate 12 is set in a vacuum chamber of an arc ion plating apparatus. The inside of the vacuum chamber is evacuated by a vacuum pump or the like until a predetermined degree of vacuum is reached. After the inside of the vacuum chamber reaches a predetermined degree of vacuum, the pretreated base material 12 is preheated for a predetermined time at a predetermined heater temperature.

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。   The metal layer 14 is laminated by performing ion bombardment on the pretreated substrate 12 using a metal target. The ion bombardment can be performed by controlling the metal arc current, the bias voltage, and the like. The metal layer 14 is formed with a film thickness of several tens of nm or less, for example, a film thickness of 10 nm or more and 30 nm or less by ion bombarding the pretreated substrate 12 for a predetermined time.

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。   In the first layer forming step (S14), by changing the composition ratio of the metal and carbon to the base material 12 on which the metal layer 14 is laminated in such a manner that the amount of carbon is increased sequentially with respect to the lamination direction, This is a step of forming the first layer 16 in which the metal and carbon are formed by inclining the composition ratio of the metal and carbon. The first layer 16 is formed by controlling the metal arc current, the type and flow rate of hydrocarbon gas, the bias voltage, and the like. As the hydrocarbon gas, acetylene gas is preferably used.

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。   The first layer 16 controls the metal arc current, the type and flow rate of the hydrocarbon gas, the bias voltage, and the like so that the composition ratio of the metal and carbon is the carbon / metal atomic ratio with respect to the stacking direction. It is preferable that the composition ratio of metal to carbon is inclined from 1.7 to 10. Thereby, as shown in FIG.4 and FIG.5, the 1st layer 16 can have predetermined | prescribed hardness, a predetermined | prescribed friction coefficient, and predetermined | prescribed adhesiveness.

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以上2.4g/cm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。 The first layer 16 can form a film while changing the C / Ti atomic ratio at a constant film density by sequentially controlling the bias voltage. In the case where the C / Ti atomic ratio of the first layer 16 is changed from 1.7 to 12, the density is increased to 2.2 V / g by increasing the bias voltage sequentially from 100 V to 400 V as shown in FIG. in the cm 3 or more 2.4 g / cm 3 or less of a substantially constant, the C / Ti atomic ratio may vary from 1.7 to 12.

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。   In the second layer forming step (S16), the metal and carbon are mixed at a predetermined composition ratio on the base material 12 on which the metal layer 14 and the first layer 16 are laminated. This is a step of forming the two layers 18. The second layer 18 is formed by controlling the metal arc current, the type and flow rate of hydrocarbon gas, the bias voltage, and the like. As the hydrocarbon gas, it is preferable to use acetylene gas as in the formation of the first layer 16.

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。   The second layer 18 controls the metal arc current, the type and flow rate of hydrocarbon gas, the bias voltage, etc., so that the predetermined composition ratio of metal to carbon is 10 to 15 in terms of carbon / metal atomic ratio. It is preferable to be formed as follows. Thereby, as shown in FIG.4 and FIG.5, the 2nd layer 16 can be made to have predetermined | prescribed hardness, a predetermined | prescribed friction coefficient, and predetermined | prescribed adhesiveness. A bias voltage for forming the second layer 18 is formed by applying a constant voltage. Of course, depending on other conditions, as with the formation of the first layer 16, the film may be formed by changing the bias voltage.

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。   After the second layer forming step, a step of removing projections formed by adhesion of molten particles (droplets) to the surface of the second layer 18 can be provided. For removing such protrusions, a water jet, sand paper (about # 500), paper wrap, aero wrap, or the like can be used. The concave portion on the surface of the second layer 18 formed after removing the protrusions functions as an oil reservoir when oil-lubricated, for example. 10 can be oil-lubricated.

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。   According to the said structure, friction with a counterpart material can further be suppressed and abrasion resistance and adhesiveness can be improved more.

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。   According to the above configuration, since the metal layer 14, the first layer 16, and the second layer 18 are formed by the arc ion plating method, the film formation rate can be made faster than the sputtering method. Thereby, the productivity of the sliding member 10 can be further improved, and the production cost can be further reduced.

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。   According to the said structure, the hardness of a membrane | film | coat, a friction coefficient, adhesiveness, a density, etc. can be controlled by managing the composition ratio in a metal and carbon. Further, by increasing the flow rates of the metal arc current and acetylene gas and further reducing the coating time, the productivity of the sliding material 10 can be further improved and the production cost can be further reduced.

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。   The sliding member 10 in Example 1 having the above-described configuration was manufactured. FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the sliding member 10 according to the first embodiment. As the substrate 12, SCM415 which is chromium molybdenum steel was used. The base material 12 was carburized and then subjected to heat treatment such as quenching and tempering, and the hardness was set to HV800 in terms of Vickers hardness. The heat-treated base material 12 was diamond-wrapped and mirror-finished with a surface roughness of 0.02Ra. Further, the mirror-finished substrate 12 was ultrasonically washed with acetone for 5 minutes and degreased and washed.

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。 The cleaned base material 12 was set in a vacuum chamber of an arc ion plating apparatus and evacuated to a base pressure of 2 × 10 −3 Pa. The cleaned substrate 12 was preheated at a heater temperature of 500 ° C. for 30 minutes.

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。   The cleaned base material 12 was subjected to ion bombardment, and a Ti metal layer 14 was laminated on the base material 12. The ion bombardment was performed with a Ti arc current of 80 A, a bias voltage of 600 V, and a treatment time of 5 minutes. Then, several tens of nm of titanium was laminated on the substrate 12 by ion bombardment.

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。   Next, the first layer 16 and the second layer 18 in which titanium and carbon were mixed were formed on the titanium layer. FIG. 8 is a diagram showing film forming conditions for the first layer 16 and the second layer 18 in which titanium and carbon are mixed. The Ti arc current was constant at 60A. The flow rate of the acetylene gas used as the hydrocarbon gas was controlled in proportion to the film formation time from 50 ml / min to 300 ml / min. The bias voltage was controlled from 100 V to 400 V in proportion to the film formation time. The film formation time for the first layer 16 and the second layer 18 was 60 minutes in total.

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以上2.4g/cm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。 The sliding material in Comparative Example 1 will be described. FIG. 9 is a diagram illustrating the configuration of the sliding member in Comparative Example 1. Comparative Example 1 is laminated on a base material made of chromium molybdenum steel SCM415, and is laminated on the titanium layer and the titanium layer, and the composition ratio of titanium and carbon is set to By changing the Ti atomic ratio from 1.7 to 10 in order so as to increase the carbon, the composition gradient layer in which titanium and carbon are mixed and formed by inclining the composition ratio of titanium and carbon. It is a configured sliding material. The layer in which titanium and carbon were mixed was formed by inclining the composition ratio of titanium and carbon at a density of 2.2 g / cm 3 or more and 2.4 g / cm 3 or less. Therefore, in Comparative Example 1, the second layer 18 is not stacked with respect to the configuration of Example 1. The substrate pretreatment, the titanium layer forming method, and the composition gradient layer forming method in which titanium and carbon were mixed in Comparative Example 1 were performed in the same manner as in Example 1.

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から2.4g/cm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。 The sliding material in Comparative Example 2 will be described. FIG. 10 is a diagram illustrating the configuration of the sliding member in Comparative Example 2. Comparative Example 2 is laminated on a base material that is chromium molybdenum steel SCM415, and is laminated on a titanium layer that is in close contact with the base material, and is laminated on the titanium layer. A composition gradient layer in which titanium and carbon are formed by inclining the composition ratio of titanium and carbon by sequentially changing the metal atomic ratio from 1.7 to 10 so as to increase carbon. It is a sliding material having a layer in which titanium and carbon are mixed by being laminated on a composition gradient layer and forming the composition ratio of titanium and carbon as a carbon / metal atomic ratio of 10 or more and 12 or less. In Comparative Example 2, the composition ratio of titanium and carbon in the formation of the composition gradient layer is inclined with respect to the configuration of Example 1 without making the density constant from 2.2 g / cm 3 to 2.4 g / cm 3. Formed. The substrate pretreatment and the titanium layer forming method in Comparative Example 2 were performed in the same manner as in Example 1. Other composition gradient layers in which titanium and carbon were mixed were formed by a predetermined bias voltage or the like.

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。   For the sliding materials in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the friction coefficient, the amount of wear, and the adhesion strength were measured. The coefficient of friction and the amount of wear were measured by a ball-on-disk friction and wear test. The adhesion strength was determined by a scratch adhesion test.

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JIS G4805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。   A test method for the ball-on-disk friction and wear test will be described. FIG. 11 is a schematic diagram showing an outline of a ball-on-disk friction and wear test. A ball-shaped jig that slides with a disk-shaped test piece simulating a sliding material is placed on the test piece. The ball-shaped jig and the test piece slide as the ball-shaped jig moves on the surface of the test piece at a predetermined sliding speed. Here, bearing steel SUJ2 in JIS G4805, which is an Fe-based material, was used for the ball-shaped jig. The test conditions for the ball-on-disk friction and wear test are as follows: the load applied to the test piece is 10 N, the contact stress of the contact surface between the ball-shaped jig and the test piece is 1300 MPa, the sliding speed is 0.3 m / s, and the distance is The test was conducted with 2 km and dry lubrication.

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。   A test method for the scratch adhesion test will be described. FIG. 12 is a schematic diagram showing an outline of the scratch adhesion test. The scratch adhesion test is a test method conforming to the Japan Society of Mechanical Engineers standards with a maximum vertical load of 200N. After pressing the diamond indenter onto the test piece with a predetermined load, the test piece is moved while a load is applied at a predetermined load load speed, and the adhesiveness is applied by the load at which the film coated on the test piece is peeled off. This is a test method for evaluating Here, the test conditions of the scratch adhesion test were a diamond indenter tip radius of 0.2 mm and a load loading speed of 10 N / mm.

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。   Next, the test results of the ball-on-disk friction and wear test and the scratch adhesion test will be described for the sliding materials in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. Table 1 shows the results of the coefficient of friction, the amount of wear, and the adhesion strength measured by the ball-on-disk friction and abrasion test and the scratch adhesion test.

Figure 2007277663
Figure 2007277663

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。   The coefficient of friction was 0.04 in Example 1, 0.2 in Comparative Example 1, and 0.04 in Comparative Example 2. In Comparative Example 1, seizure occurred during the test. The reason why Example 1 and Comparative Example 2 showed excellent frictional characteristics is that the second layer has a low friction layer having a C / Ti atomic ratio of 10 to 12, and the like.

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。   The amount of wear was 0.15 μm in Example 1 and 0.2 μm in Comparative Example 2. Note that Comparative Example 1 could not be measured because seizure occurred.

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から2.4g/cm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。 The adhesion strength was 50N in Example 1, 50N in Comparative Example 1, and 30N in Comparative Example 2. In Comparative Example 2, cracking and peeling were observed in the coating layer. The adhesion strength of Comparative Example 2 is low because the density is 2.2 g / cm 3 to 2.4 g in the composition gradient layer in which titanium and carbon are formed by inclining the composition ratio of titanium and carbon. This is because, for example, / cm 3 is not inclined but is inclined.

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。In embodiment which concerns on this invention, it is sectional drawing which shows the structure of the sliding material 10. FIG. 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。In embodiment which concerns on this invention, it is a flowchart which shows the manufacturing method of the sliding material 10. 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。In embodiment which concerns on this invention, it is a schematic diagram which shows the formation method of the membrane | film | coat in the arc ion plating method. 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。In embodiment which concerns on this invention, when titanium is used for a metal, it is a figure which shows the relationship between C / Ti atomic ratio which is a composition ratio of the titanium and carbon in a film | membrane, hardness, and a friction coefficient. 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。In embodiment which concerns on this invention, when titanium is used for a metal, it is a figure which shows the relationship between C / Ti atomic ratio which is a composition ratio of titanium and carbon in a film | membrane, and adhesiveness. 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。In embodiment which concerns on this invention, when titanium is used for a metal, it is a figure which shows the relationship between C / Ti atomic ratio which is a composition ratio in titanium and carbon in a film | membrane, a density, and a bias voltage. 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。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows the structure of the sliding material 10 in Example 1. FIG. 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。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows the film-forming conditions of the 1st layer 16 and the 2nd layer 18 which titanium and carbon mixed. 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。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows the structure of the sliding material in the comparative example 1. FIG. 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。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows the structure of the sliding material in the comparative example 2. FIG. 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。In embodiment which concerns on this invention, it is a schematic diagram which shows the outline | summary of a ball-on-disk friction wear test. 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。In embodiment which concerns on this invention, it is a schematic diagram which shows the outline | summary of a scratch adhesion test.

符号の説明Explanation of symbols

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。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sliding material, 12 base material, 14 metal layer, 16 1st layer, 18 2nd layer, S10 base material preparation process, S12 metal layer formation process, S14 1st layer formation process, S16 2nd layer formation process.

Claims (6)

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から2.4g/cm一定で形成されることを特徴とする摺動材。
A metal layer laminated to the base material and in close contact with the base material;
A metal layer formed on a metal layer, and the composition ratio of the metal and carbon is changed in such a manner that the composition ratio of the metal and the carbon is gradually increased with respect to the stacking direction so as to increase the amount of carbon. A first layer mixed with carbon;
A second layer in which the metal and the carbon are mixed by being stacked on the first layer and forming the metal and the carbon at a predetermined composition ratio;
A sliding material having
The first layer and the second layer are formed with a constant density of 2.2 g / cm 3 to 2.4 g / cm 3 .
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。
The sliding material according to claim 1,
A sliding material characterized in that the metal is Ti, Ta, Cr, Zr, Hf, V, Nb, Mo, W or Si.
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。
The sliding material according to claim 1 or 2,
The first layer is formed by changing the composition ratio of metal and carbon from 1.7 to 10 in a carbon / metal atomic ratio with respect to the stacking direction so that the amount of carbon increases in order. A sliding material characterized in that it is formed by inclining the composition ratio.
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。
The sliding material according to any one of claims 1 to 3,
The second layer has a predetermined composition ratio between metal and carbon of 10 to 15 in terms of carbon / metal atomic ratio.
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。
The sliding material according to any one of claims 1 to 4,
A sliding material characterized in that the thickness of the second layer is within 10% of the total thickness of the metal layer, the first layer, and the second layer.
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。
The sliding material according to any one of claims 1 to 5,
A sliding material having a friction coefficient of 0.05 or less.
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