(57)【要約】【課題】表面に、非晶質炭素とタングステンと含有した保護被膜を形成した際に、摩擦係数を十分に低減することができる摺動部材を提供する。【解決手段】  基材１１に保護被膜１４が形成された摺動部材１である。保護被膜１４は、タングステンに非晶質炭素を添加した被膜であり、非晶質炭素は、保護被膜１４に対して１６〜３５質量％含有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材に保護被膜が形成された摺動部材であって、
前記保護被膜は、タングステンに非晶質炭素を添加した被膜であり、
前記非晶質炭素は、前記保護被膜に対して１６〜３５質量％含有していることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記保護被膜の硬さは、１６ＧＰａ〜２１ＧＰａの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
前記保護被膜は、前記基材に、タングステンをＰＶＤにより蒸着させた被膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記基材は鉄系材料からなり、前記基材と前記保護被膜の間には、前記基材から順に、クロムからなる第１中間層と、クロム、タングステン、および炭素からなる第２中間層とが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の表面に保護被膜を形成した摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
摺動部材の耐摩耗性を向上させると共に低摩擦特性を得るために、摺動部材の摺動面にコーティングを行う技術があり、該コーティング材料として、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの非晶質炭素材料が使用されつつある。該非晶質炭素材料により形成された被膜（非晶質炭素被膜）は、炭素を主成分とする硬質の被膜であり、低い摺動抵抗と高い耐摩耗性とを両立できる被膜である。
【０００３】
このような摺動部材の一例として摺動部材に基材の表面に保護被膜として、ＤＬＣ被膜（非晶質炭素被膜）を形成した摺動部材であって、非晶質炭素被膜に５〜１５質量％のタングステンが添加された摺動部材が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、別の摺動部材の保護被膜として、非晶質炭素被膜に１０〜２５質量％のタングステンが添加された摺動部材などが提案されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０２４９９６号公報
【特許文献２】特開２００１−２２５４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１および２の如き摺動部材によれば、固体潤滑剤として非晶質炭素を主材とした保護被膜により、低摩擦特性を得ることができると考えられ、さらに、タングステンを添加することにより、非晶質炭素による保護被膜の内部応力を引き下げて、保護被膜表面の摩擦抵抗を低減させることができると考えられている。しかしながら、後述する発明者の実験によれば、このような保護被膜を形成したとしても、摺動部材の摩擦係数を十分に下げることができない場合があった。
【０００６】
本発明はこのような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、表面に、非晶質炭素とタングステンと含有した保護被膜を形成した際に、摩擦係数を十分に低減することができる摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を鑑みて、発明者が鋭意検討を重ねた結果、タングステンは、非晶質炭素（ＤＣＬ）に比べて、硬度が低く、低せん断性を有し、低せん断力を有するタングステンが摺動面に存在すれば、摺動部材の低摩擦化を図ることができると考えた。
【０００８】
一般に、摩擦係数は、以下のようにして表すことができる。
摩擦係数＝（１）真実接触部のせん断強さ（抵抗）／（２）材料の塑性流動圧力（硬度）
そこで、これまで非晶質炭素が保護被膜の主材であったところ、タングステンを保護被膜の主材とすることにより（１）の真実接触部のせん断強さを小さくすることができ、（２）に相当する材料（保護被膜）の硬さは、主材のタングステンに非晶質炭素を添加することにより、高い状態に保つことができ、これにより、摩擦係数を低減することができると考えた。
【０００９】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明に係る摺動部材は、基材に保護被膜が形成された摺動部材であって、前記保護被膜は、タングステンに非晶質炭素を添加した被膜であり、前記非晶質炭素は、前記保護被膜に対して１６〜３５質量％含有していることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、保護被膜を構成する材料としてタングステンを主材とすることにより、タングステンによる低せん断性が起因して、摺動部材の摩擦係数を低減することができるばかりでなく、上述した範囲内でタングステンに添加した非晶質炭素により、保護被膜の塑性流動圧力（硬度）が高まり、摺動部材の摩擦係数を低減することができる。
【００１１】
そして、非晶質炭素の含有量が、１６質量％未満の場合には、タングステンと炭素により、タングステンカーバイドが形成されやすくなり、保護被膜の硬度が急激に上昇することになる。これにより、摺動部材の摩擦係数の低減を十分に図ることができない。一方、非晶質炭素の含有量が、３５質量％を超えた場合には、摺動時に、タングステンによる低せん断性が十分発現されず、この場合も同様に、十分な摩擦係数の低減を図ることができない。
【００１２】
また、より好ましい態様としては、前記保護被膜の硬さは、１６ＧＰａ〜２１ＧＰａの範囲にある。保護被膜の硬さを、このような範囲内とすることにより、摺動部材の耐摩耗性を高めることができる。保護被膜の硬さが１６ＧＰａ未満の場合には、保護被膜の摩耗が促進されてしまい、保護被膜の硬さが２１ＧＰａを超えた場合には、保護被膜が硬くなりすぎて保護被膜により相手材の摩耗が増大するおそれがある。
【００１３】
さらに、好ましい態様としては、前記保護被膜は、前記基材に、タングステンをＰＶＤにより蒸着させた被膜である。この態様によれば、成膜時に発生するタングステンのドロップレットにより、保護被膜の表面（摺動面）を粗くすることができる。これにより、タングステン自体は低せん断性を有する材料であるため、保護被膜の表面が粗くなったとしても相手材を摩耗させることがほとんどなく、この粗さを有した摺動面が潤滑油溜りとして作用し、保護被膜の表面（摺動面）に油膜を形成することができる。これにより、摺動部材の摩擦係数を低減し、耐摩耗性を向上させることができる。
【００１４】
さらに、より好ましい態様としては、前記基材は鉄系材料からなり、前記基材と前記保護被膜の間には、前記基材から順に、クロムからなる第１中間層と、クロム、タングステン、および炭素からなる第２中間層とが形成されている。
【００１５】
この態様によれば、鉄系材料からなる基材に対して、第１中間層としてクロムからなる中間層を形成することにより、基材と第１中間層との密着性を高めることができる。次に、第２中間層としてクロム、タングステン、および炭素からなる中間層を形成することにより、第１中間層はクロムを含み、保護被膜はタングステンと非晶質炭素を含むので、第２中間層は、第１中間層および保護被膜の双方に対して密着性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、表面に非晶質炭素とタングステンと含有した保護被膜を形成した際に、タングステンによる保護被膜の低せん断抵抗の確保と、非晶質炭素による保護被膜の硬度の確保を行うことにより、摺動部材の摩擦係数を十分に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施系形態に係る摺動部材の模式的概念図。
【図２】実施例１〜９および比較例１〜５に係る摺動部材の成膜条件を示した表図。
【図３】実施例１〜９および比較例１〜３の摺動部材により行う摩擦摩耗試験を説明するための模式的斜視図。
【図４】実施例１〜９および比較例１〜３に係る摺動部材の保護被膜の非晶質炭素（ＤＬＣ）の含有量と摩擦摩耗試験の摩擦係数との関係を示したグラフ。
【図５】実施例１〜９および比較例１〜３に係る摺動部材の保護被膜の非晶質炭素（ＤＬＣ）の含有量と摩擦摩耗試験の摩耗深さとの関係を示したグラフ。
【図６】実施例１〜９および比較例１、２の摺動部材の保護被膜の非晶質炭素（ＤＬＣ）の含有量と膜硬度との関係を示したグラフ。
【図７】実施例１〜９および比較例１、２の摺動部材の保護被膜の非晶質炭素（ＤＬＣ）の含有量と保護被膜の表面粗さとの関係を示したグラフ。
【図８】実施例４，６，７，９および比較例３に係る摺動部材の保護被膜の表面をＸＰＳ分析した結果を示したグラフ。
【図９】（ａ）は、実施例７の保護被膜および第１および第２の中間層の構成を説明するための図、（ｂ）は、比較例４の保護被膜および中間層の構成を説明するための図、（ｃ）は、比較例５の保護被膜および中間層の構成を説明するための図。
【図１０】実施例７、比較例４、および比較例５に係る剥離荷重を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の本発明の実施形態を図１を参照しながら説明する。
本発明に係る摺動部材は、基材１１に、保護被膜１４が被覆されており、基材１１と保護被膜１４との間には、第１および第２の中間層１２、１３が形成されている。本実施形態では、摺動部材１の基材は、たとえば鉄系基材であり、鉄系基材としては、具体的には、鋳鉄、ステンレス鋼、炭素鋼、クロム鋼、またはクロムモリブデン鋼などを挙げることができる。
【００１９】
また、本実施形態では、基材１１と、後述する保護被膜１４の間に、基材１１の表面から順に、クロムからなる第１中間層１２と、クロム、タングステン、および炭素からなる第２中間層１３が形成されている。
【００２０】
各中間層１２、１３は、スパッタリング、真空蒸着、イオン化蒸着、またはイオンプレーティングなどを利用した物理的蒸着法（ＰＶＤ）により成膜ことができる。たとえば、第１中間層１２は、基材の表面に、クロムターゲットを用いてスパッタリングにより成膜することができる。第１中間層１２としてクロムからなる中間層を形成することにより、鉄系の基材１１と第１中間層１２との密着性を高めることができる。
【００２１】
また、第２中間層１３は、第１中間層１２の表面に、クロムターゲットと、タングステンカーバイドターッゲットとを用いて、スパッタリングすることにより、成膜することができる。
【００２２】
第２中間層１３としてクロム、タングステン、および炭素からなる中間層を形成することにより、第１中間層１２はクロムを含み、後述する保護被膜１４はタングステンと非晶質炭素を含むので、第２中間層１３は、第１中間層１２および保護被膜１４の双方に対して密着性を高めることができる。
【００２３】
保護被膜１４は、第２中間層１３の上に形成されている。保護被膜１４は、タングステンを主材として、タングステンに非晶質炭素を添加した被膜であり、非晶質炭素は、保護被膜１４に対して１６〜３５質量％含有している。なお、本実施形態では、保護被膜１４では、この非晶質炭素以外は、タングステンで構成されている。また、保護被膜１４の硬さは、１６ＧＰａ〜２１ＧＰａの範囲にある。
【００２４】
保護被膜１４は、第２中間層１３の表面に、タングステンターゲットを用いて、スパッタリングなどＰＶＤによりタングステンを蒸着するとともに、タングステンターゲットと基材１１との間に、不活性ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガス、及び反応性ガスとしてのアセチレンガスなどの炭化水素系ガスを供給しながら、プラズマを発生させることにより、成膜することができる。この際に、供給する炭化水素系ガスの流量を調整することにより、上述した範囲の非晶質炭素を保護被膜１４に含有させることできる。さらに、保護被膜１４の硬さは、基材１１に印加するバイアス電圧を調整することにより、調整することができる。
【００２５】
このようにして得られた摺動部材１によれば、保護被膜１４を構成する材料としてタングステンを主材とすることにより、タングステンによる低せん断性が起因して、摺動部材１の摩擦係数を低減することができる。さらに、上述した範囲内でタングステンに添加した非晶質炭素により、保護被膜１４の塑性流動圧力（硬度）が高まり、摺動部材１の摩擦係数を低減することができる。
【００２６】
そして、非晶質炭素の含有量が、１６質量％未満の場合には、後述する発明者らの実験結果から、タングステンと炭素により、タングステンカーバイドが形成されやすくなり、保護被膜１４の硬度が急激に上昇することになる。これにより、摺動部材の摩擦係数の低減を十分に図ることができないことがある。一方、非晶質炭素の含有量が、３５質量％を超えた場合には、摺動時に、タングステンによる低せん断性が十分発現されず、この場合も同様に、十分な摩擦係数の低減を図ることができない。
【００２７】
さらに、保護被膜１４の硬さを、１６ＧＰａ〜２１ＧＰａの範囲内とすることにより、摺動部材１の耐摩耗性を高めることができる。保護被膜１４の硬さが１６ＧＰａ未満の場合には、保護被膜１４の摩耗が促進されてしまい、保護被膜１４の硬さが２１ＧＰａを超えた場合には、保護被膜１４が硬くなりすぎて保護被膜により相手材の摩耗が増大するおそれがある。
【００２８】
さらに、タングステンターゲットを用いてＰＶＤにより保護被膜１４を成膜したので、成膜時に発生するタングステンのドロップレットにより、保護被膜１４の表面（摺動面）を粗くすることができる。これにより、タングステン自体は低せん断性を有する材料であるため、保護被膜１４の表面が粗くなったとしても相手材を摩耗させることがほとんどなく、この粗さを有した表面（摺動面）が潤滑油溜りとして作用し、保護被膜１４の表面に油膜を形成することができる。これにより、摺動部材１の摩擦係数を低減することができる。
【実施例】
【００２９】
本発明に係る実施例を以下に説明する。
〔実施例１〕
基材として、６ｍｍ×１５ｍｍ×厚さ１０ｍｍ、表面粗さＲａ（ＪＩＳ規格）０．０３μｍのステンレス鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ４４０Ｃ焼入れ）に、スパッタリング装置を用いて、第１中間層として、厚さ０．３μｍのクロムからなる層（膜）を形成した。さらに、第１中間層の表面に、第２中間層として、Ｃｒターゲットの印加電圧の出力を次第に弱めると共に、ＷＣターゲットの印加電圧の出力を次第に高めることにより、Ｃｒ層の表面に厚さ０．３μｍのＣｒ−ＷＣ傾斜層（膜）を形成した。
【００３０】
次に、このように中間層が形成された基材の表面に、図２に示す条件で、保護被膜を成膜した。具体的には、スパッタリング装置に、モリブデンターゲット（純度９９．９質量％以上）を配置し、チャンバー内の真空度を２×１０−３Ｐａ、チャンバー内の温度を２００℃（ヒータ温度）にして、基材にバイアス電圧を付与せずに、基材自転速度１．５ｒｐｍ、タングステンのターゲット電力４ｋＷ、アルゴンガス流量２２５ｓｃｃｍ、成膜ガス（アセチレンガス）流量１５０ｓｃｃｍの条件で、厚さ３．５μｍに成膜した。
【００３１】
〔実施例２および３〕
実施例１と同じように摺動部材を製作した。実施例２および３が実施例１と相違する点は、保護被膜を成膜する際にアセチレンガスの流量を図２に示す流量に調整することにより非晶質炭素の含有量を調整した点である。
【００３２】
〔実施例４〜７〕
実施例１と同じように摺動部材を製作した。実施例４〜７が実施例１と相違する点は、図２に示す成膜条件で、基材に印加するバイアス電圧を調整することにより、保護被膜の膜硬さを調整した点と、成膜する際にアセチレンガスの流量を図２に示す流量に調整することにより非晶質炭素の含有量を調整した点（なお実施例４は実施例１と同じ流量）と、基材の自転速度を４．５ｒｐｍにした点である。
【００３３】
〔比較例１〕
実施例１と同じように摺動部材を製作した。比較例１が実施例１と相違する点は、保護被膜を成膜する際に、タングステンターゲットを用いなかった点と、アセチレンガスの流量を図２に示す流量にした点である。
【００３４】
〔比較例２および３〕
実施例１と同じように摺動部材を製作した。比較例２および３が実施例１と相違する点は、保護被膜を成膜する際に、アセチレンガスの流量を図２に示す流量にした点である。
【００３５】
＜ＤＬＣ含有量の測定＞
実施例１〜９および比較例１〜５に係る摺動部材の保護被膜を、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）により分析し、炭素の含有量を算出した。この結果を図２の表に示す。
【００３６】
＜摩擦摩耗試験＞
図３に示すように、上に示す実施例１〜９および比較例１〜３の摺動部材に相当するブロック試験片５１、リング試験片５２、及び潤滑油５３を組合せて、摩擦摩耗試験（ブロックオンリング試験：ＬＦＷ−１試験、ＦＡＬＥＸ社製）を行った。
【００３７】
具体的にはリング試験片５２として、ＳＡＥ４６２０浸炭材（φ３５ｍｍ、幅８．８ｍｍ、表面粗さＲａ（ＪＩＳ規格）０．０３μｍ）を準備し、この一部に潤滑油５３が浸かるように、油浴槽５４に潤滑油５３をはり、油温を８０℃に保持した状態でリング試験片５２を１６０ｒｐｍ（周速０．３ｍ／ｓ）で回転させて試験片表面に油膜を形成させ、リング試験片５２の外周面にブロック試験片５１を接触させて荷重１１７７Ｎを負荷しながら、３０分間の連続試験を行った。そして、このときに、リング試験片５２に作用する回転抵抗（摺動抵抗）を、装置に取り付けたロードセルにより検出し、摩擦係数および摺動部材の摩耗深さを測定した。なお、潤滑油には、ベース油（ＳＡＥ粘度グレード５Ｗ−３０の市販エンジン油）を用いた。この結果を図２、図４、図５に示す。図４は、実施例１〜９および比較例１〜３に係る摺動部材の保護被膜の非晶質炭素（ＤＬＣ）の含有量と摩擦摩耗試験の摩擦係数との関係を示したグラフであり、図５は、実施例１〜９および比較例１〜３に係る摺動部材の保護被膜の非晶質炭素（ＤＬＣ）の含有量と摩擦摩耗試験の摩耗深さとの関係を示したグラフである。
【００３８】
＜膜硬度および表面粗さの測定＞
実施例１〜９および比較例１〜５に係る摺動部材の保護被膜の膜硬度（表面硬さ）を、表面硬さ計としてナノインテンダー（株式会社東陽テクニカ製ＭＴＳ）を用いて測定し、さらに、この保護被膜の表面粗さをサーフコーダ（株式会社小坂研究所、表面粗さ測定機）を用いて測定した。この結果を図２、図６、図７に示す。図６は、実施例１〜９および比較例１、２の摺動部材の保護被膜の非晶質炭素（ＤＬＣ）の含有量と膜硬度との関係を示したグラフであり、図７は、実施例１〜９および比較例１、２の摺動部材の保護被膜の非晶質炭素（ＤＬＣ）の含有量と保護被膜の表面粗さとの関係を示したグラフである。
【００３９】
＜Ｗの構造分析＞
実施例４，６，７，９および比較例３に係る摺動部材の保護被膜の表面のＷの構造を、ＸＰＳ分析した。この結果を図８に示す。図８は、実施例４，６，７，９および比較例３に係る摺動部材の保護被膜の表面をＸＰＳ分析した結果を示したグラフである。なお、図８には、タングステンカーバイド（ＷＣ）のみのＸＰＳ分析結果も合わせて示した。
【００４０】
〔結果１〕
図４に示すように、実施例１〜９に係る摺動部材は、比較例１〜３のものに比べて、摩擦係数が低かった。これは、保護被膜を構成する材料としてタングステンを主材とすることにより、タングステンによる低せん断性が起因して、摺動部材の摩擦係数を低減することができるばかりでなく、上述した１６〜３４．６質量％でタングステンに添加した非晶質炭素により、保護被膜の塑性流動圧力（硬度）が高まり、摺動部材の摩擦係数を低減することができたと考えられる。
【００４１】
〔結果２〕
図５に示すように、実施例４〜９に係る摺動部材の摩耗深さは、実施例１〜３のものに比べて、小さくなった。これは、図２および図６に示すように、基材に付与するバイアス電圧を調整する（高くする）ことにより、実施例１〜３のものに比べて、実施例４〜９に係る摺動部材の膜硬度を高まり、この結果、実施例４〜９に係る摺動部材の耐摩耗性を高めることができたと考えられる。
【００４２】
さらに、図６に示すように、比較例１および２に係る摺動部材の膜硬度は、実施例４〜９のものと同程度であり、比較例１および２に係る摺動部材の保護被膜の表面粗さは、実施例４〜９のものよりも小さかった。しかしながら、このような特性を有していたとしても、図５に示すように、比較例１および２に係る摺動部材の摺動部材の摩耗深さは、実施例４〜９に係る摺動部材のものよりも大きくなった。これは、比較例１および２に係る摺動部材の保護被膜は、非晶質炭素を主材としており、実施例４〜９の如く、主材としたタングステンの低せん断性の効果が期待できなかったからであると考えられる。さらに、図７に示すように、実施例１〜９に係る保護被膜は、ＰＶＤによりタングステンを主材として成膜されており、成膜時に発生するタングステンのドロップレットにより、保護被膜の表面（摺動面）が粗くなったと考えられる。これにより、実施例１〜９のものは、比較例１および２のものに比べて、その摺動面の粗さを有した摺動面が潤滑油溜りとして作用し、保護被膜の表面に油膜を形成することができたと考えられる。
【００４３】
〔結果３〕
図８に示すように、実施例４、６、７、および９に係る摺動部材の保護被膜は、タングステンカーバイドはほとんど生成されていなかったが、比較例３に係る摺動部材の保護被膜は、タングステンカーバイドが生成されていた。この結果から、比較例３に係る摺動部材の保護被膜は、他のものに比べて膜硬度が高くなったと考えられる。このような結果から、保護被膜に対して、非晶質炭素の含有量が、１６質量％未満の場合には、タングステンと炭素により、タングステンカーバイドが形成されやすくなり、保護被膜の硬度が急激に上昇することになる。この膜硬度の上昇により、比較例３に係る摺動部材は、十分な摩擦係数の低減を図ることができなかったと考えられる。
【００４４】
〔比較例４および５〕
実施例７と同じように摺動部材を製作した。比較例４が実施例７と相違する点は、保護被膜を成膜する前の中間層を、図９に示すように、厚さ０．８μｍのＴｉ層とした点であり、比較例５が実施例７と相違する点は、保護被膜を成膜する前の中間層を、図９に示すように、厚さ０．７μｍのＣｒ層とした点である。なお、比較例４および５は、中間層の密着性の効果を確認するための比較例であり、本発明の摺動部材に含まれるものである。
【００４５】
＜中間層の剥離荷重＞
実施例７、比較例４、および比較例５に係る摺動部材の保護被膜の剥離荷重を測定した。具体的には、スクラッチ試験により、ダイヤモンドコーンに荷重をかけて保護被膜を引掻き、保護被膜が剥離した時の荷重を密着力とした。この結果を図１０に示す。
【００４６】
〔結果４〕
図１０に示すように、実施例７に係る摺動部材の剥離荷重は、比較例４および５のものに比べて大きく、実施例７に係る摺動部材の基材に対する保護被膜の密着強度は、比較例４および５のものに比べて高いといえる。これは、鉄系材料からなる基材に、第１中間層としてクロムからなる中間層を形成することにより、基材と第１中間層との密着性を高めることができたと考えられる。さらに、第２中間層として、クロム、タングステン、および炭素からなる中間層を形成することにより、第１中間層はクロムを含み、保護被膜はタングステンと非晶質炭素を含むので、第２中間層は、第１中間層および保護被膜の双方に対して密着性を高めることができたと考えられる。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１：摺動部材、１１：基材、１２：第１中間層、１３：第２中間層、１４：保護被膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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