(57)【要約】【課題】ＤＬＣ層を完成させた後に後加工をすることなく、潤滑剤を保持する凹部を容易に形成できる耐摩耗材の製造方法を提供する。【解決手段】スパッタ装置を用いて基材Ｂ上にＤＬＣ層１２を積層させる耐摩耗材１の製造方法であり、前記ＤＬＣ層１２の積層と同時に、スパッタリングにより、ＤＬＣを構成する元素以外の第３元素を含む粒子を形成中の前記ＤＬＣ層１２に付着させる工程と、前記スパッタリングを継続することにより、前記ＤＬＣ層１２に一旦付着した前記第３元素を含む粒子を弾き出すことで、前記ＤＬＣ層の表面に複数の凹部１４を形成する工程と、を有する耐摩耗材１の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材を移動させるテーブルと、前記テーブル上の前記基材に対して磁場を発生させるコイルと、を有するスパッタ装置を用い、前記基材上にＤＬＣ層を積層させる、耐摩耗材の製造方法であり、
前記ＤＬＣ層の積層と同時に、スパッタリングにより、ＤＬＣを構成する元素以外の第３元素を含む粒子を形成中の前記ＤＬＣ層に付着させる工程と、
前記スパッタリングを継続することにより、前記ＤＬＣ層に一旦付着した前記第３元素を含む粒子を弾き出すことで、前記ＤＬＣ層の表面に複数の凹部を形成する工程と、を有する耐摩耗材の製造方法。
【請求項２】
前記スパッタ装置として、アンバランスドマグネトロンスパッタ装置が用いられる、請求項１に記載の耐摩耗材の製造方法。
【請求項３】
前記スパッタ装置が備えるカソードの出力を増減することにより、前記ＤＬＣ層の表面に形成される前記複数の凹部の数量を調整する、請求項１または２に記載の耐摩耗材の製造方法。
【請求項４】
前記各工程を経て得られた耐摩耗材にて、前記耐摩耗材の表面積に対する前記複数の凹部の合計面積の比が０．１〜２３％である、請求項１〜３のいずれかに記載の耐摩耗材の製造方法。
【請求項５】
前記第３元素が、タングステン、クロム、モリブデン、チタンから選択される１種以上の元素である、請求項１〜４のいずれかに記載の耐摩耗材の製造方法。
【請求項６】
前記基材と前記ＤＬＣ層との間に、組成の異なる複数の中間層を設ける工程を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の耐摩耗材の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の耐摩耗材の製造方法により得られた耐摩耗材であって、
前記複数の凹部が有する空間に潤滑剤が保持されている耐摩耗材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗材の製造方法及び当該製造方法により得られた耐摩耗材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、基材上に形成されることで耐摩耗性を発揮する耐摩耗材として、種々の構成を有するものが提案されている。この構成の一例が、引用文献１に記載された、転がり軸受けのＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングである。当該コーティングにおけるＤＬＣ層の表面には凹部が形成されており、この凹部にグリース等の潤滑剤が保持されることで、転がり軸受けが長寿命化され、また、高速回転可能となっている。この凹部は、プラズマエッチング、集束イオンビーム加工、レーザー加工により形成される。
【０００３】
しかし、引用文献１に記載の手法では、ＤＬＣ層を完成させた後の後加工により凹部を形成している。このため、凹部を形成することにより工程が複雑化してしまう。また、製造装置も大型化せざるをえない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３８０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願は前記問題に鑑みて発明されたものであって、その課題は、ＤＬＣ層を完成させた後に後加工をすることなく、潤滑剤を保持する凹部を容易に形成できる耐摩耗材の製造方法、及び、当該製造方法により得られた耐摩耗材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基材を移動させるテーブルと、前記テーブル上の前記基材に対して磁場を発生させるコイルと、を有するスパッタ装置を用い、前記基材上にＤＬＣ層を積層させる、耐摩耗材の製造方法であり、前記ＤＬＣ層の積層と同時に、スパッタリングにより、ＤＬＣを構成する元素以外の第３元素を含む粒子を形成中の前記ＤＬＣ層に付着させる工程と、前記スパッタリングを継続することにより、前記ＤＬＣ層に一旦付着した前記第３元素を含む粒子を弾き出すことで、前記ＤＬＣ層の表面に複数の凹部を形成する工程と、を有する耐摩耗材の製造方法である。
【０００７】
これによると、ＤＬＣ層の積層と共にＤＬＣ層の表面に複数の凹部を形成できる。また、第３元素を含む粒子の脱落痕が凹部となるので、非常に微小な凹部を形成可能であり、また、スパッタリングの継続に応じて凹部の大きさをコントロールすることも容易である。
【０００８】
また、前記スパッタ装置として、アンバランスドマグネトロンスパッタ装置が用いられることができる。
【０００９】
これによると、基材上に形成される層の形成状況をコントロールするのが容易である。
【００１０】
また、前記スパッタ装置が備えるカソードの出力を増減することにより、前記ＤＬＣ層の表面に形成される前記複数の凹部の数量を調整することができる。
【００１１】
これによると、ＤＬＣ層の表面に形成される凹部の数量を調整することが容易にできる。
【００１２】
また、前記各工程を経て得られた耐摩耗材にて、前記耐摩耗材の表面積に対する前記複数の凹部の合計面積の比が０．１〜２３％であるものとできる。
【００１３】
これによると、凹部の合計面積により、各凹部に潤滑剤を含ませた際に所望の耐摩耗性能を実現できる。
【００１４】
また、前記第３元素が、タングステン、クロム、モリブデン、チタンから選択される１種以上の元素であるものとできる。
【００１５】
これによると、ＤＬＣ層に付着した前記選択に係る第３元素により、ＤＬＣ層の性能を向上できる。
【００１６】
また、前記基材と前記ＤＬＣ層との間に、組成の異なる複数の中間層を設ける工程を有するものとできる。
【００１７】
これによると、用途に応じた性能を有する、種々の耐摩耗材を製造できる。
【００１８】
また、本発明は、前記耐摩耗材の製造方法により得られた耐摩耗材であって、前記複数の凹部が有する空間に潤滑剤が保持されている耐摩耗材である。
【００１９】
これによると、各凹部に潤滑剤が保持されることにより、潤滑作用が発揮され、摩擦の小さい耐摩耗材を実現できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、非常に微小な凹部を形成可能であり、また、凹部の大きさをコントロールすることも容易である。このため、ＤＬＣ層を完成させた後に後加工をすることなく、潤滑剤を保持する凹部を容易に形成できる耐摩耗材の製造方法、及び、当該製造方法により得られる耐摩耗材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る製造方法で得られた、基材上に形成された耐摩耗材の層構造の一例を示す、断面視の概略図である。
【図２】前記製造方法において用いるアンバランスドマグネトロンスパッタ装置の一例を示す、平面視の概略図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、前記製造方法の手順を示した、断面視の概略図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、前記製造方法の、図３（Ｃ）に示した後の手順を示した、断面視の概略図である。
【図５】（Ａ）は前記製造方法で得られた耐摩耗材の表面に正対して撮影した顕微鏡写真であり（図中の目盛表示は長さ１００μm）、（Ｂ）は拡大して示した顕微鏡写真である（図中の目盛表示は長さ５０μm）。
【図６】前記製造方法で得られた耐摩耗材の表面に対して斜めに撮影した顕微鏡写真である（図中の目盛表示は長さ１００μm）。
【図７】バーベルオンディスク摩擦摩耗試験機の構成を示す概略図である。
【図８】図７に示した試験機による試験結果をまとめたグラフである。
【図９】ピット無し、ピット面積率５％、ピット面積率２３％で試作した各耐摩耗材に関して示したストライベックカーブである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明につき、一実施形態を取り上げて説明を行う。
【００２３】
本実施形態に係る、基材Ｂ上に形成された耐摩耗材１の層構造の一例を図１に示す。この耐摩耗材１は、基材Ｂ上に形成された中間層１１と、中間層１１上に形成されたＤＬＣ層１２とからなる。
【００２４】
本実施形態の中間層１１は、基材Ｂに近い方（内方）から順に、内中間層１１１、中中間層１１２、外中間層１１３の３層が形成されている。基材Ｂには鉄系材料が用いられる（ただし、他の材料であってもよい）。内中間層１１１はクロムからなる。中中間層１１２はクロム及びタングステンからなる。外中間層１１３はタングステン及びＤＬＣからなる。中間層１１の層数及び各層の組成は、種々に変更して実施できる。また、基材ＢとＤＬＣ層１２との密着性を高めるためには中間層１１を形成することが望ましいが、場合によっては中間層１１を形成せず、基材Ｂに直接的にＤＬＣ層１２を形成することもできる。
【００２５】
本実施形態に係る耐摩耗材１は、特に、対向面同士が面方向に摺動するように構成される摺動部品への適用が効果的である。本実施形態の耐摩耗材１を備えた部品としては、例えば、ピストンスカート、ピストンピン、ピストンリング、シリンダボア、クランクシャフト、カムシャフト、ローラーロッカー、バルブ、ステムキャップ、ラッシュアジャスタ、バルブリフタ、プロペラシャフト、クラッチサポートから選択される自動車用部品が挙げられる。なお、これはあくまでも一例であって、耐摩耗性が要求される種々の部品に、本実施形態の耐摩耗材１を備えさせることができる。
【００２６】
なお、摺動する両対向面のうち一方の面にのみ本実施形態の耐摩耗材１を形成することもできるし、両対向面の両方とも本実施形態の耐摩耗材１を形成することもできる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る耐摩耗材１の製造方法について説明する。耐摩耗材１は、真空環境下で物理的に蒸着を行うＰＶＤ法、より具体的にはアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ法）、及び、化学的に蒸着を行うＣＶＤ法の組み合わせにより製造される。具体的には、基材Ｂを移動（具体的には水平面内で回転）させるテーブル２１と、テーブル２１上の基材Ｂに対して磁場を発生させるコイル２２と、を有するスパッタ装置であるアンバランスドマグネトロンスパッタ装置（以下「ＵＢＭＳ」装置）２を用いる。ＵＢＭＳ装置２を用いることで、基材Ｂ上に形成される層の形成状況をコントロールするのが容易である。
【００２８】
本実施形態ではＵＢＭＳ装置２により、基材Ｂ上にスパッタリングにより中間層１１を形成し、その後、アセチレンガスを用いたＣＶＤ法によってＤＬＣ層１２を積層させる。後述する、ＤＬＣ層１２の表面に凹部（ピット１４）を形成する処理はＵＢＭＳ法によりなされる。中間層１１としては、まずクロムからなる内中間層１１１を形成する。続いて、クロム及びタングステンからなる混合層である中中間層１１２を形成する。さらに、タングステン及びＤＬＣからなる混合層である外中間層１１３を形成する。外中間層１１３はＵＢＭＳ法とアセチレンガスを用いたＣＶＤ法との併用により形成される。
【００２９】
図２に、耐摩耗材１の製造に用いられるＵＢＭＳ装置２の一例を示す。図示の例では、テーブル２１が図示矢印Ｍの方向に回転し、テーブル２１の径外位置に、周方向に等間隔で４台のコイル２２…２２が設けられている。４台のコイル２２…２２における径内位置には、クロムターゲット２３とタングステンカーバイトターゲット２４が周方向に交互に配置されている。つまり、２個のクロムターゲット２３，２３と２個のタングステンカーバイトターゲット２４，２４は径方向で対向する、１対のコイル２２，２２の径内位置に配置されている。隣り合うコイル２２，２２の磁極は異なっている（図４に「Ｎ」「Ｓ」を例示）。本実施形態では、タングステンカーバイトターゲット２４に対して不活性ガス、具体的にはアルゴンガスをイオン化させたAr+イオンを衝突させることで、タングステンカーバイト（以下「ＷＣ」）粒子１３を飛び出させることができる。このように飛び出たＷＣ粒子１３は、ＤＬＣ層１２に後述する凹部（ピット１４）を形成する際に、形成中のＤＬＣ層１２（特に、ＤＬＣ層１２に付着した状態のＷＣ粒子１３）に衝突させるため用いられる。なお、前述のようにＤＬＣ層１２を形成するためにはアセチレンガスが用いられるので、ＵＢＭＳ装置２の内部ではアセチレンガスとアルゴンガスの両方が存在することになる。ただし、アルゴンガスは専らＷＣ粒子１３の形成のために用いられ、ＤＬＣ層１２の形成のためには寄与しない。
【００３０】
ＵＢＭＳ装置２においてテーブル２１を移動させ、コイル２２が発する磁場に基材Ｂを通過させることで、ＤＬＣ層１２を形成できる。ＵＢＭＳ装置２にはガスが供給される。この供給されたガスに電圧をかけることでプラズマ化し、生じたプラズマ中に位置する基材Ｂに対してＤＬＣの成膜を行うことができる。本実施形態では、プラズマの原料となるガスとしてアセチレンガスを用いている。しかしこれに限定されず、種々の炭化水素ガスを用いてＤＬＣの成膜が可能である。
【００３１】
本実施形態の耐摩耗材１の製造方法につき、以下、順を追って説明する。図３（Ａ）に示すように、まずは基材Ｂ上に中間層１１を形成する。次に、図３（Ｂ）に示すように、ＵＢＭＳ装置２にＤＬＣ成膜用のガス（例えばアセチレンガス）を導入してプラズマＰとする。これと共に、ＤＬＣを構成する元素以外の第３元素であるタングステンを含むタングステンカーバイト（以下「ＷＣ」）粒子１３をスパッタする。これにより、中間層１１上にＷＣ粒子１３が付着する。そうなると、図３（Ｃ）に示すように、中間層１１上に付着したＷＣ粒子１３が「核」となり、その「核」に沿うようにＤＬＣが形成されていく。
【００３２】
図４（Ａ）に示すように、ＷＣ粒子１３からなる「核」に沿ったＤＬＣに対してスパッタされたＷＣ粒子１３が衝突することで、前記「核」とその周囲のＤＬＣが脱落する。つまり、形成中のＤＬＣ層１２に一旦付着したＷＣ粒子１３が弾き出されるということである。これにより、最初に形成される凹部である初期ピット１４Ｘが複数、形成中のＤＬＣ層１２の表面に形成される。そしてＷＣ粒子１３のスパッタが継続されると、図４（Ｂ）に示すように、初期ピット１４Ｘは、その縁部がＷＣ粒子１３の衝突により削られることで拡大していく。つまり、初期ピット１４Ｘの一部に対する集中的なＷＣ粒子１３の衝突により、凹部が成長していく。これと共に、ＤＬＣ層１２の形成も継続される。最終的には、図４（Ｃ）に示すように、拡大された凹部であるピット１４がＤＬＣ層１２の表面に点在するように形成される。
【００３３】
ここで、図５（Ａ）（Ｂ）及び図６に、ＤＬＣ層１２の表面の顕微鏡写真を示す。図５（Ａ）はＤＬＣ層１２の表面に正対して撮影したものであって倍率は４３２倍である。図５（Ｂ）は図５（Ａ）の一部領域を拡大したものであって倍率は１０７１倍である。図６はＤＬＣ層１２の表面に対して斜め向きに撮影したものであって倍率は４３２倍である。本実施形態の製造方法によると、初期ピット１４Ｘが中間層１１上に付着したＷＣ粒子１３の場所に形成されることから、写真からわかるように、ピット１４の配置は規則的ではなく不規則となる。また、個々のピット１４の大きさも不均一となる。これらが、本実施形態の製造方法により製造された耐摩耗材１に現れる特徴的な外観である。
【００３４】
複数のピット１４…１４の数量（または密度）、及び、各ピット１４の大きさは、ＵＢＭＳ装置２が備えるカソードの出力を増減することにより調整できる。カソードの出力が相対的に大きいと、ＤＬＣ層１２に衝突するＷＣ粒子１３の数量が増えるため、ピット１４の数量は多くなり（密度が大きくなり）、各ピット１４の大きさも大きくなる。一方、カソードの出力が相対的に小さいと、ＤＬＣ層１２に衝突するＷＣ粒子１３の数量が減るため、ピット１４の数量は少なくなり（密度が小さくなり）、各ピット１４の大きさも小さくなる。このことを利用して、所望の数量及び大きさの複数のピット１４…１４を容易に形成できる。このように、ＤＬＣ層１２の積層と共に複数の凹部（ピット１４）を形成できる。第３元素を含む粒子（本実施形態ではＷＣ粒子１３）の脱落痕が凹部となるので、非常に微小な凹部を形成可能であり、また、ＤＬＣ層１２へのＷＣ粒子１３の衝突につき調整することで、凹部の大きさをコントロールすることも容易である。
【００３５】
各ピット１４の大きさは、平面視における径寸法で５μm〜２００μm、ＤＬＣ層１２の表面からの深さで２μm以下とされる。深さに関し、下限値は特に定まらないが、あえて言えばＷＣ粒子１３一つの大きさとなる。
【００３６】
次に、本実施形態の製造方法により製造された耐摩耗材１に関して試験を行い、摩擦摩耗特性の評価を行ったので説明する。
【００３７】
ＤＬＣ層１２の摩擦摩耗特性を評価するために、バーベルオンディスク摩擦摩耗試験機３を用いた。試験機３の概略を図７に示す。この試験機３は、潤滑油を満たした容器３１（二点鎖線で示す）の内部でディスク試験片３２の直上にバーベル３３を配して構成されている。鉛直方向にバーベル３３を移動させ、ディスク試験片３２の表面に接触させることにより、垂直荷重３Ｐを与え、その状態でディスク試験片３２を一方向３Ｒに回転させることにより、ディスク試験片３２とバーベル３３の２表面どうしを摺動させる。
【００３８】
本試験の設定条件は、垂直荷重３Ｐを２６３０N、すべり速度（ディスク試験片３２の回転数）を５００rpmとし、潤滑油は汎用エンジンオイルとした。また、ディスク試験片３２の表面に、本実施形態に係る耐摩耗材１と同じく、中間層１１を成膜した上でＤＬＣ層１２を成膜して試験に供した。
【００３９】
本試験の結果を示す。図８に、本試験で得られた流体領域での摩擦係数に及ぼすピット面積率、つまり、耐摩耗材１（具体的にはＤＬＣ層１２）の表面積に対する複数のピット１４…１４の平面視における合計面積の比の影響を示す。図８においては、ピット面積率を0〜23％に設定した５種（0%、0.1%、5%、9%、23%）のＤＬＣ層１２を成膜し評価した。ただし、本実施形態の製造方法に関係なく、ＤＬＣ層１２の表面には自然に形成されたピットが存在する。このため本試験では、0.1%を本実施形態の製造方法にて人為的に得られるピット面積率の最小値と考えるものとする。摩擦係数は、ピット面積率が5％で最小値を取り、0.1〜23％ではピット面積率0％に比べて摩擦係数の低下が確認される。従って、低摩擦化のためには、0.1〜23％のピット面積率を形成することが有効であることがわかった。このように、凹部の合計面積により、各凹部に潤滑剤を含ませた際に所望の耐摩耗性能を実現できる。
【００４０】
ここで発明者は、なぜピット１４がＤＬＣ層１２に形成されると低摩擦化するのか、メカニズムとして以下の仮説を考えた。図９は、横軸をＶ／Ｐ（速度を面圧で割ったもの）とし、縦軸を摩擦係数（μ）としたストライベックカーブである。図９において、ピット無し（ピット面積率0％）のＤＬＣ層（図中三角ポイント）と、最も低摩擦効果のあったピット率5％のＤＬＣ層１２（図中斜め四角ポイント）とのストライベックカーブを比較すると、混合潤滑領域での摩擦係数低減が確認される。このことから、各ピット１４が潤滑剤を保持する「オイル溜まり」として機能することで摩擦係数が低下していると考えられる。また図９における、ピット面積率23％のＤＬＣ層１２（図中丸ポイント）では、混合潤滑領域の図上プロットがピット面積率0％のものに近づくことから、ピット面積率が大き過ぎると、各ピット１４が保有する油量が多くなることで、かえって摺動面（ＤＬＣ層１２におけるピット以外の表面）へのオイル供給量が減少するのではないかと考えられる。なお、以上はあくまでも本願の出願時点での仮説であって、客観的な正しさを保証するものではない。
【００４１】
以上、本実施形態の製造方法により、ＤＬＣ層を形成した後にプラズマエッチング等の後加工をすることなく、潤滑剤を保持するピット１４を容易に形成できる耐摩耗材１を製造できる。
【００４２】
そして、前記実施形態の製造方法により得られた耐摩耗材１における、複数の各ピット１４…１４が有する空間に潤滑剤が保持されることにより、潤滑作用が発揮され、摩擦の小さい耐摩耗材１とできる。潤滑剤としては、一例としてグリースが挙げられるが、各ピット１４に保持可能な粘度や付着性を有する潤滑剤であれば、種々のものを用いることができる。このように、本実施形態の製造方法によると、摩擦の小さい耐摩耗材１を容易に得られる。
【００４３】
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、種々に変更して実施できる。例えば、本発明の耐摩耗材１は、前記実施形態のようなＵＢＭＳ法に限定されず、ＤＬＣ層１２を形成することのできる種々の方法で実施できる。
【００４４】
また、前記実施形態では、ピット１４を形成するため、形成中のＤＬＣ層１２に付着及び衝突させる粒子が、ＤＬＣを構成する元素以外の第３元素としてタングステンを含むもの（具体的にはタングステンカーバイト（ＷＣ））の粒子であった。しかし、第３元素としてはこの他に、クロム、モリブデン、チタンを用いることができる。つまり、ＤＬＣ層１２に付着及び衝突させる粒子は、タングステン、クロム、モリブデン、チタンから選択される１種以上の元素を含むものであってよい。
【符号の説明】
【００４５】
１          耐摩耗材
１１        中間層
１２        ＤＬＣ層
１３        第３元素を含む粒子、タングステンカーバイト粒子
１４        凹部、ピット
２          アンバランスドマグネトロンスパッタ（ＵＢＭＳ）装置
２１        テーブル
２２        コイル
２３，２４  ターゲット
Ｂ          基材
【図１】
2019137885.tif 000003
【図２】
2019137885.tif 000004
【図３】
2019137885.tif 000005
【図４】
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【図５】
2019137885.tif 000007
【図６】
2019137885.tif 000008
【図７】
2019137885.tif 000009
【図８】
2019137885.tif 000010
【図９】
2019137885.tif 000011