(57)【要約】【課題】  耐摩擦および乾燥稼働特性が改善された滑動部材および当該滑動部材を製造するための方法を提供する。【解決手段】  本発明は、基板と、基板の表面に形成され平均最大粗さ値Ｒｚを有するダイヤモンド層とを有する滑動部材に関する。乾燥稼働特性を改善するために、本発明は、ダイヤモンド層は、削摩屑を集めるための再現可能な凹部を有することを提案し、ここで凹部の深さは平均最大粗さ値Ｒｚよりも大きい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の表面に形成され平均最大粗さ値Ｒｚを有するダイヤモンド層とを有する滑動部材であって、
前記ダイヤモンド層は、削摩屑（Ａ）を保持するための再現可能な凹部（Ｖ）を有しており、前記凹部（Ｖ）の深さは前記平均最大粗さ値Ｒｚよりも大きい滑動部材。
【請求項２】
前記平均最大粗さ値Ｒｚは０．１〜５．０μｍの範囲である、請求項１に記載の滑動部材。
【請求項３】
前記凹部（Ｖ）は、０．２〜１００μｍ、好ましくは０．５〜５０μｍの深さを有する、前記請求項のいずれかに記載の滑動部材。
【請求項４】
前記凹部（Ｖ）の表面はグラファイトから形成される、前記請求項のいずれかに記載の滑動部材。
【請求項５】
前記凹部（Ｖ）は線形構造を有する、前記請求項のいずれかに記載の滑動部材。
【請求項６】
前記線形構造は、滑動方向（Ｔ）に対して傾きを有するか交差している、前記請求項のいずれかに記載の滑動部材。
【請求項７】
前記凹部（Ｖ）は、その中に集まった前記削摩屑（Ａ）の除去を可能にするように、前記ダイヤモンド層の端部に向かって開口している、前記請求項のいずれかに記載の滑動部材。
【請求項８】
前記凹部（Ｖ）の幅は０．５μｍ〜１０ｍｍの間である、前記請求項のいずれかに記載の滑動部材。
【請求項９】
前記凹部（Ｖ）は網状パターンを形成する、前記請求項のいずれかに記載の滑動部材。
【請求項１０】
前記凹部（Ｖ）は溝状の形を有する、前記請求項のいずれかに記載の滑動部材。
【請求項１１】
前記ダイヤモンド層の表面の１ないし９５％の部分が前記凹部（Ｖ）によって形成される、前記請求項のいずれかに記載の滑動部材。
【請求項１２】
前記基板は、好ましくはＳｉＣであるセラミック、金属、または金属−セラミック複合材料から形成されている、前記請求項のいずれかに記載の滑動部材。
【請求項１３】
前記請求項のいずれかに記載の滑動部材を製造するための方法であって、
平均最大粗さ値Ｒｚを有するダイヤモンド層を、基板の表面に付加するステップと、
前記ダイヤモンド層上に凹部（Ｖ）を作製するステップであって、前記凹部（Ｖ）の深さは前記平均最大粗さ値Ｒｚよりも大きい、ステップと、
からなる方法。
【請求項１４】
前記請求項のいずれかに記載の滑動部材を製造するための方法であって、
基板の表面に、所定の深さの凹部（Ｖ）を作製するステップと、
前記表面にダイヤモンド層を付加するステップであって、前記ダイヤモンド層の平均最大粗さ値Ｒｚは前記凹部（Ｖ）深さよりも小さい、ステップと、
からなる方法。
【請求項１５】
前記ダイヤモンド層は、前記表面にＣＶＤ法で付加される、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記凹部（Ｖ）は、エッチングまたはレーザにより機械的に作製される、請求項１３ないし１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記凹部は、前記ダイヤモンド層の作製中に生成されるダイヤモンド隆起（Ｅ）の平滑化により作製される、請求項１３ないし１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記平均最大粗さ値Ｒｚは０．１〜５．０μｍの範囲である、請求項１３ないし１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記凹部（Ｖ）は、０．２〜１００μｍ、好ましくは０．５〜５０μｍの深さで作製される、請求項１３ないし１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記凹部（Ｖ）の表面は、好ましくはレーザによる作製中に、グラファイトに熱的に変換される、請求項１３ないし１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記凹部（Ｖ）は線形構造として形成される、請求項１３ないし２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記線形構造は、滑動方向（Ｔ）に対して傾きを有するか交差している、請求項１３ないし２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記凹部（Ｖ）は、その中に集まった前記削摩屑（Ａ）の搬送除去を可能にするように、前記ダイヤモンド層の端部に向かって開口して作製される、請求項１３ないし２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記線形構造は、０．５μｍ〜１０ｍｍの間で作製される、請求項１３ないし２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記凹部（Ｖ）は網状パターンとして形成される、請求項１３ないし２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記凹部（Ｖ）は溝状の形を有する、請求項１３ないし２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記ダイヤモンド層の表面の１ないし９５％の部分が前記凹部（Ｖ）によって形成される、請求項１３ないし２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記基板は、好ましくはＳｉＣであるセラミック、金属、または金属−セラミック複合材料から形成されている、請求項１３ないし２７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に定義された滑動部材に関する。また、この滑動部材を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
このタイプの滑動部材の一つは、特許文献１および特許文献２により公知である。ダイヤモンド層の摩擦係数および摩耗(abrasion)を低減するために、ダイヤモンド結晶間に形成されるギャップを、軟らかい金属で埋めることが提案されている。しかし実用においては、軟らかい金属からなる埋め材(filling)は比較的速く摩耗してしまうことが示されている。これは、滑動部材の耐摩擦特性を失わせる。
【特許文献１】米国特許第５，１０８，８１３号明細書
【特許文献２】国際公開第００／２６４３３号パンフレット
【特許文献３】欧州特許出願公開第０５２９３２７号明細書
【特許文献４】欧州特許第０６１７２０７号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１９７１６３３０号明細書
【特許文献６】欧州特許第０６１４９９９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献３より、構造化表面を有する焼成セラミック生成物が公知である。摩擦特性を改善するために、構造体を、均一な凹みの規則的な列として形成することが提案されている。焼成セラミック生成物は良好な摩擦特性を示すが、極端な負荷においては耐摩耗性(resistance to abrasion)が十分ではない。
【０００４】
特許文献４より、ダイヤモンド層付きの、互いに対向する摩擦応力被影響接触面(tribological stressed contact surfaces)が設けられたベアリングが、公知である。このようなベアリングは、特定の応用例においては、十分な乾燥稼働(ドライランニング)および耐摩擦特性を有さない。
【０００５】
特許文献５より、グラインディング工具上にコーティングを作製する方法が公知である。ここでは、ダイヤモンド層を特に粗くすることが提案されている。このようなダイヤモンド層は、スライディングリング（スライドリング）またはベアリング用の摩擦応力被影響面の作製には適していない。
【０００６】
特許文献６より、多結晶ダイヤモンドの層からなる摩耗面が形成された、ベアリングまたはシーリング構成の構成部品が公知である。ダイヤモンド層は、その摩擦応力被影響面の耐摩耗性が減少するように形成される。この目的のため、この面は、硬い多結晶ダイヤモンド層の上に位置する軟らかいナノ結晶ダイヤモンド層から形成される。実用においては、そのようなダイヤモンド層は十分な耐摩擦および乾燥稼働特性を有さない。
【０００７】
特に高い応力がかかる構成部品の分野において、特にスライディングベアリングおよびスライディングリングシールにおいては、耐摩擦および乾燥稼働特性の改善が望まれる。特に乾燥稼働中において、非常に高い摩擦係数および／または摩擦係数変動が突然起こる。このような摩擦係数および／または摩擦係数変動もまた、従来のダイヤモンド層でコーティングされた滑動部材を破壊する。
【０００８】
本発明の目的は、現在の技術において定義される欠点を取り除くことである。特に、耐摩擦および乾燥稼働特性が改善された滑動部材を示す。さらに、そのような滑動部材を製造するための方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、請求項１、１３および１４の特徴によって解決される。請求項２ないし１２および１５ないし２８の特徴からは、有用な実施形態が得られる。本発明によれば、ダイヤモンド層は、削摩屑(abrasion)を保持するための再現可能な凹部を有しており、ここで凹部の深さは、平均最大粗さ値Ｒｚより大きいものとする。
【発明の効果】
【００１０】
驚くべきことに、このような滑動部材は、大幅に改善された耐摩擦および乾燥稼働特性特を示す。現在の知見によれば、これは、ナノ結晶ダイヤモンドおよびグラファイトからなる削摩屑が、特に乾燥稼働中において形成されることによると考えられる。従来のダイヤモンド層では、その表面上において、削摩屑は、ダイヤモンド結晶間の凹みに溜まる。全ての凹みが埋まると、摩擦係数の大幅な増加が見られる。これがダイヤモンド層を破壊する。本発明による、平均最大粗さ値Ｒｚより大きい深さを有する凹部をダイヤモンド層に設けることによって、削摩屑を保持するためのより大きな空間が生まれる。耐摩擦および乾燥稼働特性が大幅に改善される。
【００１１】
ＤＩＮ  ＥＮ  ＩＳＯ  ４２８７での意味において、「平均最大粗さ値Ｒｚ（average maximum roughness value Rz）」は、粗さ曲線の最大高さを意味する。これは、単一の測定長内における、粗さ曲線の最も高い曲線ピークＲｐの高さと、最大の曲線谷部Ｒｖの深さとの和である。
【表１】
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【００１２】
最高から最深曲線ポイントへの垂直距離であるＲｚは、粗さの縦軸値のちらばり範囲の尺度である。Ｒｚは、粗さ曲線における５回の単一測定長ｌｒの最大曲線高さから、算術平均として計算される。
【００１３】
本発明で提案する凹部は、ダイヤモンド層が作られるときに偶然形成される凹部ではない。再現可能に、好ましくは指定された構成で製造される凹部である。凹部は、ダイヤモンド層が作製された後にダイヤモンド層中に導入可能である。しかし凹部は、ダイヤモンド層を付加するよりも前に基板表面に導入されることも可能である。本発明によって提供される凹部は、ダイヤモンド結晶間に生じる凹み（例えばギャップ）とは、明らかにその寸法が異なる。本発明によって提供される凹部は、これら凹みよりも大きな深さを有する。
【００１４】
平均最大粗さ値Ｒｚは、０．１〜５．０μｍの範囲であることが有用である。このような平均最大粗さ値Ｒｚを有するダイヤモンド層は、スライディングリングシールまたはベアリングの製造に特に適している。このような平均最大粗さ値Ｒｚを有するダイヤモンド層はまた、乾燥稼働中において特に多量の削摩屑を示さない。いずれにせよ、削摩屑は、本発明により提供される凹部中に保持され得るほど微量である。凹部は０．２〜１００μｍ、好ましくは０．５〜５０μｍの深さを有することが有用である。凹部の表面はグラファイトからなり得る。これにより、凹部に含まれた削摩屑の除去が簡単になる。
【００１５】
凹部が線形構造（linear structures）を有することが有用である。凹部は特に、直線、または三日月型の形状であり得る。線形構造は、滑動方向に対して傾いているか、交差していることが有用である。さらなる構成で定義されるように、集められた削摩屑を除去できるように、ダイヤモンド層の端部に向かって開口していてもよい。削摩屑をダイヤモンド層の端部で除去することにより、滑動部材の耐摩擦および乾燥稼働特性がさらに増大する。
【００１６】
凹部の幅は、０．５〜１０ｍｍの間であり得る。さらに、凹部は網状パターン(net like pattern)を有するか、または溝状(trough-like)であることが有用であることが示されている。
【００１７】
ダイヤモンド層の表面の１〜９５％の部分が凹部によって形成されていることが有利である。従って凹部は、表面の実質的な部分をも形成する。この場合、ダイヤモンド層の摩擦応力被影響接触面は、個々の島状部、好ましくは規則的に空間を空けられた島状部に存在する。
【００１８】
さらなる実施形態において、基板は、セラミック、好ましくはＳｉＣ、あるいは金属または金属−セラミック複合材料から形成される。
【００１９】
本発明により提供される滑動部材を作製するために、第１の様態によれば、以下の工程を有する方法を実行することができる。
【００２０】
平均最大粗さ値Ｒｚを有するダイヤモンド層を、基板の表面に付加し、当該ダイヤモンド層に、深さが当該平均最大粗さ値Ｒｚよりも大きいような凹部を作製する。
【００２１】
第２の様態によれば、本発明において定義される滑動部材を作製するために、以下の工程を有する方法が提供される。すなわち、
基板の表面に、指定された深さの凹部を作製し、
当該表面に、平均最大粗さ値Ｒｚが当該凹部の深さ未満であるようなダイヤモンド層を付加する。
【００２２】
本提案による方法は、比較的実行が単純である。
【００２３】
ダイヤモンド層は、ＣＶＤ法によって表面に付加することが有用である。このような方法は現在の技術において公知であり、文献、例えばＫ．  Ｂａｃｈｍａｎｎ、Ｗ．  ｖａｎ  Ｅｎｃｋｅｗｏｒｔ、”Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ”、Ｄｉａｍｏｎｄ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（１）、１９９２、Ｓ．  １０２１−１０３４に記載されている。
【００２４】
凹部は、エッチングまたはレーザによって、機械的に作製され得る。また、ダイヤモンド層の作製中に生じるダイヤモンド隆起(diamond elevations)を平滑化にすることによっても、作製され得る。そのようなダイヤモンド隆起は、ダイヤモンド層から突出している。平滑化により、これらの隆起は除去され、破砕される。平滑化はラッピング(lapping)によって行い得る。
【００２５】
さらに特に有利な実施形態において、凹部の表面は熱的に、好ましくはレーザによる作成中に、グラファイトに変換され得る。特にダイヤモンド層の端部に向かって開口する線形凹部の実施形態において、凹部内のグラファイト層は、削摩屑を除去することを容易にする。
【００２６】
本方法のさらなる有利な実施形態については、滑動部材について記載した実施形態に言及する。これらはまた方法についても同様に当てはまるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図面に基づいて、本発明の有利な実施形態を以下により詳細に説明する。図１は、例えばＳｉＣなどの基板上にＣＶＤ法により堆積された、従来のダイヤモンド層の表面のＲＥＭ像である。表面の地勢は、ダイヤモンド結晶の｛１１１｝および｛１００｝領域により特徴付けられる。ダイヤモンド結晶間に窪みが位置している。図示の従来のダイヤモンド層の平均最大粗さ値Ｒｚは１．１である。
【００２８】
図２ａ〜図２ｃは、本発明におけるダイヤモンド層のＲＥＭ像を、様々な拡大率で示している。ここでもダイヤモンド層の平均最大粗さ値Ｒｚは１．１である。また、線形凹部Ｖが、Ｔとして示す滑動方向に対して傾きを有して設けられており、これら凹部は、ダイヤモンド層の幅全体にわたって延びている。凹部Ｖは規則的な間隔で並べられており、一定距離の平行線を形成している。図３はダイヤモンド層を再び斜視図として示している。
【００２９】
本発明の滑動部材のためのダイヤモンド層の厚さは、０．１μｍ〜５０μｍの間、好ましくは１〜２０μｍの間であることが有用である。これとともに、＜１１１＞組織設定（texture setting）を有するダイヤモンド層が好ましい。説明については、その開示を本願において援用するＤＥ  １００  ２７  ４２７．７号を参照されたい。さらに＜１１０＞の組織も設定され得る。図２および図３に示す設計例において、ダイヤモンド層の層厚は１２μｍである。線形凹部Ｖの幅は約２０μｍであり、凹部Ｖの深さは約５μｍである。この設計例において、凹部Ｖの深さは従って、平均最大粗さ値Ｒｚの約４．５倍である。一般に、凹部Ｖの深さは、平均最大粗さ値Ｒｚの２倍より上、好ましくは３倍より上、とくに好ましくは４倍より上であることが有用であることが見いだされた。
【００３０】
図４ａおよびｂは、ダイヤモンド層を有するスライディングリングを示す。また、ダイヤモンド層自体には、線形凹部Ｖが設けられている。図４ａに示すスライディングリングにおいて、凹部Ｖは、規則的な間隔で平行に並べられている。図４ｂに示すスライディングリングにおいては、凹部は内周面から外周面へと向かい、半径方向に向かって傾いている。
【００３１】
図５および６は、乾燥稼働テストの結果を比較して示している。特定の摩擦係数を、摩擦経路上に適用している。図５に示す結果は、例えば図１に示すようにダイヤモンド層でコーティングされたスライディングリングを用いて得られたものである。図６に示す結果は、本発明によって提供される例えば図２〜４に示すダイヤモンド層でコーティングされた、スライディングリングを用いて得られたものである。この測定において、表面圧は０．２Ｎ／ｍｍ2であり、回転速度は１．３ｍ／ｓであり、稼働時間は４時間である。本発明によるダイヤモンド層でコーティングされた滑動部材は、大幅に良い乾燥稼働特性を有することが示されている。ダイヤモンド層は、４時間のテスト時間の後も、依然として完全に無傷である。層の欠けはまったく観察されない。
【００３２】
図７は、ＣＶＤ法で作製された従来のダイヤモンド層のＲＥＭ像を示す。このようなダイヤモンド層はしばしば、隆起Ｅを有する。これらの隆起Ｅは通常望ましくない。しかし本発明の主題によれば、そのような隆起Ｅを有するダイヤモンド層もまた、本発明で提供される滑動部材を作製するために用いられることが可能である。
【００３３】
図８は、本発明によって提供される滑動部材のダイヤモンド層のＲＥＭ像を示す。この層は、図７に示される隆起Ｅを、例えばラッピングによって除去することにより作製される。隆起根Ｅｓが残存している。このサンプル設計においては、摩擦応力被影響面は、ダイヤモンド層の表面上に突出する隆起根Ｅｓが合わさってできる面でしかない。動作時において発生する削摩屑は、ここでは隆起根Ｅｓの周りに堆積され得る。当然、図８に示す隆起根Ｅｓは、例えば図２〜４に示す凹部とも組み合わされることができる。この場合、本提案による滑動部材は、優れたならし(running in)特性を有する。ならしの間に発生する比較的高い摩耗は、特に隆起根をすり減らさせる。削摩屑は、ならしの間に、凹部Ｖに搬送される。これによってダイヤモンド層の表面はほとんど損傷を受けない。なぜなら、隆起根Ｅｓはこれよりも上に位置するからである。ならし後、隆起根Ｅｓは実質的に摩滅される。ならしによって発生する摩耗は、部分的に凹部に閉じこめられる。ダイヤモンド層は、ならしによってはほとんど摩耗せず、特に長い寿命を有する。さらに、ダイヤモンド層の堆積によって生じる層厚の差は、隆起根Ｅｓによって等しくされ得る。
【００３４】
図９ａは、摩擦経路における様々な測定結果を示す。これは、温度を℃として、摩擦面の距離をμｍとして、そしてフリクション数をμとして取り込んでいる。これらの結果は、摩擦面間に導入される削摩屑の効果を示している。もし削摩屑が摩擦面の間に来ると、温度が上昇し、摩擦面の距離は増加する。同時に、フリクション数も急激に上昇する。
【００３５】
図９ｂは、乾燥稼働中における、従来のダイヤモンド層の様子を模式的に示す。まず、ダイヤモンド結晶Ｄ（図９ｂ（ｉ））の結晶点が崩れる。これによって発生する削摩屑Ａが、ダイヤモンド結晶間に形成された凹みＺの間を貫通する（図９ｂ（ｉｉ）を参照）。凹みＺが完全に削摩屑Ａで埋まると（図９ｂ（ｉｉｉ）を参照）、削摩屑Ａは表面に移動する。まもなく壊滅的な摩耗が起こり、特にダイヤモンド層が欠け、滑動部材を故障させる。
【００３６】
本発明によって提供される滑動部材の製造は、常に２つの方法で行い得る。第１の方法においては、例えばＳｉＣからなる基板がまず用意される。次に、従来の方法で基板に凹部Ｖを導入する。これは、ダイヤモンドでコーティングされた工具を用いた、機械的な除去により行い得る。除去はまた、従来のレーザによっても可能である。いずれの場合でも、凹部Ｖは、基板の表面に、指定された並びで導入される。凹部Ｖにおいて、これは溝状構造または溝であり得る。凹部Ｖは通常、指定された規則的なパターンを形成し、２〜１０μｍの深さおよび８〜３０μｍの直径または幅を有する。このように準備された基板を次に、従来のＣＶＤ法でコーティングする。塗布されるダイヤモンド層の層厚は８〜１０μｍである。パラメータは、基板に先に導入された凹部Ｖがダイヤモンド層の表面に反映されるように、設定される。
【００３７】
第２の方法においては、ダイヤモンド層の塗布後にやはりまず凹部Ｖを作製する。この目的のため、凹部はやはりダイヤモンド層の表面から、例えばソーあるいは好ましくはレーザ処理によって機械的に加工される。レーザ処理の場合、処理表面がグラファイトに変化する。これにより、削摩屑が容易に搬送され得る特に滑らかな凹部が形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】現在の技術によるダイヤモンド層の走査電子顕微鏡（ＲＥＭ）像
【図２ａ】様々な拡大率による、本発明におけるダイヤモンド層のＲＥＭ像の図
【図２ｂ】様々な拡大率による、本発明におけるダイヤモンド層のＲＥＭ像の別の図
【図２ｃ】様々な拡大率による、本発明におけるダイヤモンド層のＲＥＭ像のさらに別な図
【図３】本発明におけるダイヤモンド層の斜視図
【図４ａ】異なる凹部パターンの模式図
【図４ｂ】異なる凹部パターンの模式図
【図５】従来のダイヤモンド層を用いた乾燥稼働テストの結果
【図６】本発明におけるダイヤモンド層を用いた乾燥稼働テストの結果
【図７】ダイヤモンド隆起を有する従来のダイヤモンド層のＲＥＭ像
【図８】本発明のおけるさらなるダイヤモンド層のＲＥＭ像
【図９ａ】乾燥稼働中における異なる測定結果
【図９ｂ】乾燥稼働中において発生するプロセスの模式図
【符号の説明】
【００３９】
Ｔ  削摩屑の搬送方向
Ｖ  凹部
Ｅ  隆起
Ｅｓ  隆起根
Ｄ  ダイヤモンド結晶
Ｚ  ギャップ
Ａ  削摩屑
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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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９ａ】
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【図９ｂ】
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2005524801.tif 000017
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【国際調査報告】
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2005524801.tif 000020
2005524801.tif 000021
2005524801.tif 000022
2005524801.tif 000023
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