(57)【要約】【課題】非晶質炭素被膜の表面にパルスレーザを照射することにより、耐摩耗性を高めつつ低摩擦化を図ることができる摺動部材の製造方法を提供する。【解決手段】摺動面に被覆された非晶質炭素被膜にパルスレーザを照射して、前記非晶質炭素被膜を改質する摺動部材の製造方法であって、前記パルスレーザにより前記非晶質炭素被膜の表面が周期性を有した表面とならず、かつ、前記非晶質炭素被膜の内部から表面に進むにしたがって炭素密度が傾斜的に低くなるような出力に調整したパルスレーザを、前記非晶質炭素被膜の表面に照射する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動面に被覆された非晶質炭素被膜にパルスレーザを照射して、前記非晶質炭素被膜を改質する摺動部材の製造方法であって、
前記非晶質炭素被膜の表面が周期性を有した表面とならず、かつ、前記非晶質炭素被膜の内部から表面に進むにしたがって炭素密度が傾斜的に低くなるような出力に調整したパルスレーザを、前記非晶質炭素被膜の表面に照射することを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項２】
前記パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、０．０４Ｊ／ｃｍ２〜０．０９Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射することを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受、ピストンといった機械部品の摺動面に用いられるに好適な摺動部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車において、エンジン、トランスミッションなど様々な機器に摺動部材が用いられており、これらの摺動部材の摺動抵抗を低減してエネルギー損失を減らし、地球環境の保護のための今後の燃費規制に対応すべく、様々な研究開発が進められている。たとえば、このような研究開発の１つに、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、その摺動面にコーティングを行う技術があるが、近年、このコーティング材料として、非晶質炭素被膜が注目されている。
【０００３】
非晶質炭素被膜は、ダイヤモンドの炭素構造及びグラファイトの炭素構造が混在した構造となっており、ダイヤモンドの如き耐摩耗性を有するとともに、グラファイトの如き固体潤滑性を有する。
【０００４】
例えば、非晶質炭素被膜の内部から摺動面にいくに従い硬度が低くなるように、摺動面に形成された非晶質炭素被膜にパルスレーザを照射する摺動部材の製造方法が提案されている（たとえば引用文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１６８８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の如く、非晶質炭素被膜の表面にパルスレーザを照射することにより、非晶質炭素被膜の表層は、改質されてグラファイト化されることになるが、発明者らの後述する実験によれば、特許文献１に示す方法で、パルスレーザを照射した場合には、非晶質炭素被膜の炭素の一部が除去されて、非晶質炭素被膜の摺動面が周期性を有した表面になってしまうことがある。この結果、周期性を有した表面は、上述した如くグラファイト化しているので、その表面は摩耗し易く、摺動時間の経過に伴い摩擦係数も高くなる傾向にある。
【０００７】
本発明はこのような点を鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、非晶質炭素被膜の表面にパルスレーザを照射することにより、耐摩耗性を高めつつ低摩擦化を図ることができる摺動部材の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を鑑みて本発明に係る摺動部材の製造方法は、摺動面に被覆された非晶質炭素被膜にパルスレーザを照射して、前記非晶質炭素被膜を改質する摺動部材の製造方法であって、前記非晶質炭素被膜の表面が周期性を有した表面とならず、かつ、前記非晶質炭素被膜の内部から表面に進むにしたがって炭素密度が傾斜的に低くなるような出力に調整したパルスレーザを、前記非晶質炭素被膜の表面に照射することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、パルスレーザを非晶質炭素被膜に照射することにより、その摺動面は、グラファイト化することにより、内部の非晶質炭素被膜よりも低密度となるので、摺動部材の摩擦係数を低減することができる。さらに、摺動部材の摺動面は周期性を有しないので、周期性を有するものに比べて、耐摩耗性を向上させることができる。
【００１０】
さらに、好ましい態様としては、前記パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、０．０４Ｊ／ｃｍ２〜０．０９Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射する。このような範囲のフルーエンスで、パルスレーザを照射することにより、非晶質炭素被膜の表面が周期性を有した表面とならず、かつ、前記非晶質炭素被膜の内部から表面に進むにしたがって炭素密度が傾斜的に低くなるような摺動部材を容易に製造することができる。
【００１１】
すなわち、フルーエンスが、０．０４Ｊ／ｃｍ２未満の場合には、摺動面のグラファイト化（炭素の低密度化）が十分に促進されず、摺動部材の低摩擦を期待することができず、０．０９Ｊ／ｃｍ２を越えた場合には、摺動面が周期的な摺動面となり、非晶質炭素被膜の摩耗が促進され易くなる。
【００１２】
ここで、「パルスレーザ」とは、出力光強度が時間的に変化して一定の持続時間だけ発振するレーザのことであるが、本明細書では、特にパルス幅が１０−９秒〜１０−１５のレーザをパルスレーザと称する。そして、「フルーエンス」（ｆｌｕｅｎｃｅ）とは、レーザの１パルス当りの出力エネルギーを照射断面積で割って求めたエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ２）である。一般に、レーザを材料表面に照射することで材料表面が蒸散する現象が生じるエネルギー密度の最小値（アブレーション閾値）近傍の低いフルーエンスの範囲で、パルスレーザを照射すれば熱影響がほとんど生じないことが知られている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、非晶質炭素被膜の表面にパルスレーザを照射することにより、耐摩耗性を高めつつ低摩擦化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の摺動部材の製造方法を実施するための製造装置に関する概略構成図である。
【図２】平板状の摺動部材表面に対するパルスレーザの照射動作を示す説明図である。
【図３】図３（ａ）は、実施例２のフルーエンス０．０６Ｊ／ｃｍ２でパルスレーザを照射した摺動部材の表面を顕微鏡で観察したときの写真図、（ｂ）は、実施例３のフルーエンス０．０８Ｊ／ｃｍ２でパルスレーザを照射した摺動部材の表面を顕微鏡で観察したときの写真図、（ｃ）は、比較例４のフルーエンス０．１６Ｊ／ｃｍ２でパルスレーザを照射した摺動部材の表面を顕微鏡で観察したときの写真図。
【図４】実施例１〜３および比較例１〜３に係る摺動部材の摩擦・摩耗試験の結果を示した図。
【図５】密度測定試験の原理を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。
【００１６】
まず、摺動部材の基材を準備する。摺動部材の基材は、摺動時において非晶質炭素被膜との密着性を確保することができるような材質および表面硬さであれば、金属、セラミック又は樹脂など特に限定されるものではなく、この摺動部材と摺動する他方の摺動部材も、この非晶質炭素被膜に対して極端に表面硬さが低く、摺動時に摩耗し易いものでなければ、その材質は特に限定されるものではない。
【００１７】
次に、摺動部材の摺動面に非晶質炭素被膜が被覆されるように、プラズマＰＶＤ法、スパッタリング法、真空蒸着法、非平衡マグネトロンスパッタリング法など物理気相成長法、または、プラズマＣＶＤ法又はアークイオンプレーティング法などの化学気相成長法を利用して、非晶質炭素被膜を成膜する。なお、非晶質炭素被膜が摺動部材の摺動面に形成できるのであれば、特にその成膜方法は、限定されるものではない。
【００１８】
また、この非晶質炭素被膜中に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｗ、Ｂなどの添加元素を含有させてもよく、このような元素を添加することにより、被膜の表面硬さを調整することもできる。
【００１９】
摺動部材の摺動面に形成される非晶質炭素被膜の膜厚は、３μｍ〜３０μｍが好ましい。３μｍより薄いと摩耗により非晶質炭素被膜が除去されるおそれがあり、３０μｍより厚いと非晶質炭素被膜が内部圧縮応力の影響を受け易い。
【００２０】
次に、摺動面に被覆された非晶質炭素被膜にパルスレーザを照射する。具体的には、図１に示す製造装置を用いて、パルスレーザを照射する。製造装置は、パルスレーザシステム１、シャッタ２、レーザ制御ユニット３、反射ミラー４及び５、凹面反射鏡６、３軸ステージ７を少なくとも備えている。凹面反射鏡６による集光以外に、石英等からなるレンズを用いてレーザを集光させてもよい。
【００２１】
パルスレーザシステム１は、フェムト秒レーザを発振する公知のパルスレーザシステムが用いられる。なお、フェムト秒レーザ以外のパルスレーザを使用することもできる。すなわち、非晶質炭素被膜が熱的、機械的な影響により変質しない範囲で局所的に高密度のエネルギーを加えることが可能であれば改質層を形成することができることから、非晶質炭素被膜の状態（層厚、基材の材料等の外部環境）によっては、例えばピコ秒（１０−９秒〜１０−１２秒）レーザやナノ秒（１０−６秒〜１０−９秒）レーザといったパルスレーザを発振するパルスレーザシステムを使用してもよい。
【００２２】
フェムト秒レーザシステム１から発振されたレーザパルスは、シャッタ２を通過してレーザ制御ユニット３に入射される。レーザ制御ユニット３では、レーザパルスの波長を変換するとともに偏光制御を行う。偏光制御では、直線偏光（縦方向・横方向）及び円偏光を必要に応じて行う。直線偏光にすると、細長い溝部が周期的に形成された微細構造となり、円偏光にすると、粒状突起部が周期的に形成された微細構造となる。
【００２３】
レーザ制御ユニット３から出射されたレーザパルスは、反射ミラー４及び５により反射されて凹面反射鏡（放物鏡）６に入射して集光されるようになる。そして、集光されたレーザパルスは、３軸ステージ７の試料台に設置された摺動部材Ｍの非晶質炭素被膜の表面（摺動面）に照射される。
【００２４】
３軸ステージ７は、試料台を取り付けたＺ軸ステージ及びＺ軸ステージを取り付けたＸＹ軸ステージを備えており、制御装置８からの制御信号に基づいてＸＹ軸ステージ及びＺ軸ステージを移動させて摺動部材Ｍの非晶質炭素被膜の表面（摺動面）の照射位置を移動させるようにする。
【００２５】
本実施形態では、摺動部材Ｍを移動させてレーザパルスを照射するようにしているが、レーザパルスの発振及び光学系を含む装置側を移動させるようにしてもよく、また両方を移動させて摺動部材Ｍ表面の照射位置を位置決めするようにしてもよい。
【００２６】
図２は、平板状の摺動部材Ｍ表面に対するパルスレーザの照射動作を示す説明図である。この例では、主走査方向をＺ軸にとり、副走査方向をＸ軸にとっている。照射位置を１つの円で示しており、円内が照射領域となっている。主走査方向に照射する場合には、Ｚ軸方向に所定の速度でＺ軸ステージを移動させて行う。その際に主走査方向Ｚ１に照射スポットが重なり合いながら（具体的には、隣接する円の中心と円周の一部が一致するように重なり合いながら）帯状に摺動部材Ｍ表面が照射されるようにする。
【００２７】
主走査方向Ｚ１について照射した後、ＸＹ軸ステージにより摺動部材ＭをＸ軸方向にずらす。その際に主走査方向Ｚ１の照射領域と重なり合うように副走査方向に位置決めする。この例では照射領域を示す円の半径分だけ副走査方向にずらすようにしており、そのため、次の主走査方向Ｚ２の照射領域と主走査方向Ｚ１の照射領域が重なり合うように位置決めされる。そして、主走査方向Ｚ２に主走査方向Ｚ１と同様に所定の速度で照射位置を移動させながら照射動作が行われる。以後、副走査方向にずらしながら主走査方向に照射動作を繰り返すことで、基板Ｔ表面には満遍なく複数回の照射動作が行われるようになる。
【００２８】
レーザパルスの照射スポットの中心部と周辺部では、照射エネルギーに差が生じることから、適宜照射スポットの重なり合う部分を調整して照射領域全体の照射エネルギーがほぼ均一になるように設定する。この際に、パルスレーザにより前記非晶質炭素被膜の表面が周期性を有した表面とならず（非晶質炭素被膜の一部がパルスレーザにより除去されないよう）、かつ、前記非晶質炭素被膜の内部から表面に進むにしたがって炭素密度が傾斜的に低くなるような出力に調整したパルスレーザを、前記非晶質炭素被膜の表面に照射する。
【００２９】
より具体的には、本実施形態では、従来知られたパルスレーザによる照射とは異なり、パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、０．０４Ｊ／ｃｍ２〜０．０９Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射する。すなわち、発明者らの実験によれば、フェムト秒レーザを発振する公知のパルスレーザシステムを用いた場合、このような範囲でパルスレーザを照射することにより、非晶質炭素被膜の一部がパルスレーザにより除去されないため、非晶質炭素被膜の表面が周期性を有した表面とならず、かつ、非晶質炭素被膜の内部から表面に進むにしたがって炭素密度が傾斜的に低くなることがわかった。すなわち、フルーエンスが、０．０４Ｊ／ｃｍ２未満の場合には、摺動面のグラファイト化（炭素の低密度化）が十分に促進されず、摺動部材の低摩擦を期待することができず、０．０９Ｊ／ｃｍ２を越えた場合には、パルスレーザにより非晶質炭素被膜の一部が除去されることにより摺動面が周期的な摺動面となり、非晶質炭素被膜の摩耗が促進され易くなる。
【実施例】
【００３０】
以下の本発明を実施例に基づいて説明する。
［実施例１〜４］
以下に示すようにして、実施例１〜４に係る摺動部材を製造した。平板状（５０×５０×１０ｍｍ）のシリコンブロックからなる基材の表面に公知のプラズマＣＶＤ装置により摺動部材の摺動面に非晶質炭素被膜を８２ｎｍの厚さで被覆した。なお、本実施形態では、このような膜厚の非晶質炭素被膜を成膜したが、これは、以下に示す比較例１〜４の非晶質炭素被膜も同様である。
【００３１】
非晶質炭素被膜を形成した摺動部材を用いて、図１に示す製造装置により直線偏光されたレーザパルスを照射して表面加工を行った。フェムト秒レーザシステムとして、サイバーレーザー社製ＩＦＲＩＴを用い、波長８００ｎｍ、パルス幅１８０ｆｓ、パルスエネルギー最大１．０ｍＪ、周波数１．０ｋＨｚのレーザパルスを直線偏光制御し、焦点距離ｆ＝２０００ｍｍの放物鏡で集光し、１５０ｍＷ〜４１０ｍＷのレーザ出力で大気中の摺動部材の非晶質炭素被膜の表面に垂直に照射した。レーザパルスのスポット面積は２．４９７μｍ２であった。レーザパルスのフルーエンスをアブレーション閾値近傍の０．０４Ｊ／ｃｍ２〜０．０９Ｊ／ｃｍ２に設定し（具体的には、実施例１〜４の順に、０．０４Ｊ／ｃｍ２、０．０６Ｊ／ｃｍ２、０．０８Ｊ／ｃｍ２、０．０９Ｊ／ｃｍ２）、毎秒１０００パルスでレーザパルスを照射しながらステージ移動速度を８ｍｍ／ｓに調整することで照射動作を調整した。そして、副走査方向のずらし量を６０μｍに設定した。なお、レーザパルスの各フルーエンスは、レーザ出力を変えることで調整した。
【００３２】
［比較例１〜４］
実施例１と同じようにして、摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、比較例１は、非晶質炭素被膜の表面にパルスレーザを照射していない摺動部材、比較例２〜４は、パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、順に０．０２Ｊ／ｃｍ２、０．１０Ｊ／ｃｍ２、０．１６Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射した摺動部材を作製した点である。
【００３３】
＜表面観察＞
実施例２、３、比較例４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜の表面を顕微鏡で観察した。図３（ａ）は、実施例２のフルーエンス０．０６Ｊ／ｃｍ２でパルスレーザを照射した摺動部材の表面を顕微鏡で観察したときの写真図、（ｂ）は、実施例３のフルーエンス０．０８Ｊ／ｃｍ２でパルスレーザを照射した摺動部材の表面を顕微鏡で観察したときの写真図、（ｃ）は、比較例４のフルーエンス０．１６Ｊ／ｃｍ２でパルスレーザを照射した摺動部材の表面を顕微鏡で観察したときの写真図である。
【００３４】
［結果１］
実施例２および３に係る摺動部材は、全て、非晶質炭素被膜の表面（摺動面）が周期性を有した表面とはなっていなかった。一方、パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、フルーエンス０．１６Ｊ／ｃｍ２のもの（比較例４）は、非晶質炭素被膜の表面（摺動面）が周期構造となり、その周期構造は、偏光方向Eに対して直角方向に形成されていた。
【００３５】
＜摩擦・摩耗試験＞
リング・オン・プレート試験装置を用いて非晶質炭素被膜の摺動試験を行った。実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材（直径４５ｍｍ）のプレート試験片として用いた。リング外径２５．６ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ１８ｍｍの材質ＦＣ２３０からなるリング試験片を製作した。プレート試験片の摺動面（非晶質炭素被膜が被覆された表面）と、リング試験片の端面とを接触させ、６０℃±１に加温した、粘度１４．８ｍｍ2／ｓのパラフィン系鉱油（添加剤なし）を潤滑油として供給しながら、周速度２ｍ／秒、面圧を４．４ＭＰａ、滑り距離１０．０００ｍｍの摩擦・摩耗試験を行い、摩擦係数を測定した。この結果を図４に示す。なお、図３にも、摩擦係数の結果を合わせて示した。
【００３６】
［結果２］
実施例１〜３に係る摺動部材の摩擦係数は、比較例１、２に係る摺動部材（フルーエンス０Ｊ／ｃｍ２（レーザパルスを照射していない）、０．０２Ｊ／ｃｍ２）の摩擦係数よりも、低い結果となった。この結果から、フルーエンスが、０．０４Ｊ／ｃｍ２以下では、非晶質炭素被膜の表面の改質（グラファイト化）が十分でなかったと考えられる。さらに、比較例３に係る摺動部材（フルーエンス０．１０Ｊ／ｃｍ２）の摩擦係数は低かったが、摺動面を観察すると、実施例１に係る摺動部材に比べて摩耗量が大きかった。さらに、比較例４に係る摺動部材（フルーエンス０．１６Ｊ／ｃｍ２）の摺動面を観察すると、実施例１に係る摺動部材に比べて摩耗量が大きく、摩擦係数も大きくなった。このような結果、比較例３に係る摺動部材（フルーエンス０．０９Ｊ／ｃｍ２を越えたパルスレーザを照射した場合）の表面は、周期的な構造の摺動面となっているため、非晶質炭素被膜の摩耗が促進され易くなったと考えられる。
【００３７】
このような結果、パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、０．０４Ｊ／ｃｍ２〜０．０９Ｊ／ｃｍ２のフルーエンスで照射することにより、非晶質炭素被膜の表面が周期性を有した表面とならず、かつ、非晶質炭素被膜の内部から表面に進むにしたがって炭素密度が傾斜的に低くなり、耐摩耗性を高めつつ低摩擦化を図ることができる摺動部材を得ることができると考えられる。
【００３８】
＜密度測定試験＞
実施例２に係る摺動部材（フルーエンス０．０６Ｊ／ｃｍ２）と、比較例１に係る摺動部材（レーザパルスを照射していない）ものに対して、中性子反射法により、炭素の原子数密度を測定した。具体的には、図５および表１に示す条件で、中性子ビーム源のビームを、離間して配置されたスリット１、２を介して摺動部材の摺動面（非晶質炭素被膜が形成された表面）に照射し、得られた散乱ベクトルから散乱長密度Ｎｂを求めた。なお、散乱長密度Ｎｂは、原子数密度Ｎ（個数／ｃｍ３）に比例する値であり、Ｎと核散乱振幅ｂ（ｃｍ）の積で与えられる。核散乱振幅ｂは、元素固有の値（既知）であるため、解析からＮｂが求まっている場合、原子数密度が算出できることになる。この結果を、表２に示す。
【００３９】
【表１】
2014058720.tif 000003
【００４０】
【表２】
2014058720.tif 000004
【００４１】
［結果３］
表２に示すように、実施例２の摺動部材の如くパルスレーザを照射した場合には、非晶質炭素被膜の内部から表面に進むにしたがって炭素密度が傾斜的に低くなっていることが確認できた。さらに、実施例２に係る非晶質炭素被膜は、パルスレーザを照射することにより、膜厚（体積）が増加していることがわかった。これらの結果から、摺動面に被覆された非晶質炭素被膜にパルスレーザを照射することにより、摺動面に近づくにしたがって非晶質炭素材料のグラファイト化が促進されたと考えられる。
【００４２】
＜ラマン測定試験＞
実施例２に係る摺動部材（フルーエンス０．０６Ｊ／ｃｍ２）と、実施例３に係る摺動部材（フルーエンス０．０８Ｊ／ｃｍ２）と、比較例４に係る摺動部材（フルーエンス０．１６Ｊ／ｃｍ２）に対して、ラマン分光測定装置（日製エレクトロニクス株式会社製ＬＡＢＲＡＭ、レーザースポット径２μｍ）を用いて、ラマン強度比を測定した。なお、これらの摺動部材に対しては、パルスレーザを照射前、上述した摩擦・摩耗試験（摺動試験）後においても、ラマン散乱ピーク強の強度比（ＩＤ／ＩＧ）（以下「ラマン強度比」という）を測定した。
【００４３】
［結果４］
表３に示すように、いずれの場合にも、パルスレーザを照射後には、ラマン強度比が増加しており、パルスレーザを照射することにより、非晶質炭素被膜の表層がグラファイト化していることがわかる。そして、ラマン分光測定において、ｓｐ２結合に基づいて１３５５ｃｍ−１に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ３結合に基づいて１５９０ｃｍ−１に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）を、照射処理前後と、摺動試験後で比較した場合、実施例２、３は変化がない（摩耗無し）に対して、比較例４は、摺動後に構造が変化する（摩擦しやすい）ことがわかる。
【００４４】
【表３】
2014058720.tif 000005
【符号の説明】
【００４５】
Ｍ  摺動部材
１  パルスレーザシステム
２  シャッタ
３  レーザ制御ユニット
４  反射ミラー
５  反射ミラー
６  凹面反射鏡
７  ３軸ステージ
８  制御装置
【図１】
2014058720.tif 000006
【図２】
2014058720.tif 000007
【図３】
2014058720.tif 000008
【図４】
2014058720.tif 000009
【図５】
2014058720.tif 000010