(57)【要約】【課題】低摩擦化の実現に重要なＤＬＣ由来の低高度カーボンの移着性が低い非金属無機材料に対して、周期構造が消滅した後も長期に渡って安定した低摩擦状態が維持される摺動面構造およびこのような摺動面構造を製造することができる摺動面構造の製造方法を提供する。【解決手段】非晶質炭素膜は、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有する。非晶質炭素膜と非金属無機材料との間には、摺動初期において、摺動方向に対してくさび状となる隙間が形成される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質炭素膜を備えた第１部材と非金属無機材料からなる第２部材とが相対的に摺動する摺動面構造の製造方法であって、
凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有する非晶質炭素膜を形成する膜形成工程と、
非晶質炭素膜と非金属無機材料とを相対的に摺動させて、当接する摺動面間に摺動方向に対して摺動初期において形成されるくさび状の隙間を、摩耗粉にて生成されるカーボンにて埋める摩耗工程とを備えたことを特徴とする摺動面構造の製造方法。
【請求項２】
グレーティング状凹凸の周期構造を摺動方向に配向させることを特徴とする請求項１に記載の摺動面構造の製造方法。
【請求項３】
前記非晶質炭素膜は、基材表面に予め凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化 するグレーティング状凹凸の周期構造形成を行った後、成膜して形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動面構造の製造方法。
【請求項４】
前記非晶質炭素膜の基材表面にあらかじめ形成する周期構造は、加工闘値近傍の照射強度で 直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の摺動面構造の製造方法。
【請求項５】
非晶質炭素膜を備えた第１部材と非金属無機材料からなる第２部材とが相対的に摺動する摺動面構造であって、
前記非晶質炭素膜は、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有し、かつ、非晶質炭素膜と非金属無機材料との間には、摺動初期において、当接する摺動面間に摺動方向に対してくさび状となる隙間が形成されることを特徴とする摺動面構造。
【請求項６】
非晶質炭素膜と非金属無機材料との当接点において形成されるくさび状の隙間の勾配が１／１０以下であることを特徴とする請求項５に記載の摺動面構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面構造および摺動面構造の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜は優れたトライボロジー特性を示す。このため、従来から様々な分野で注目されている。ＤＬＣ膜と鋼材の摺動では摩耗粉に起因する移着膜が低摩擦化に寄与することが示唆されている。また、低摩擦を示す移着膜では、最表面にＤＬＣ由来のグラファイト化されたカーボンが生成されており、低硬度カーボン移着物が低摩擦の要因と考えられている。
【０００３】
シリコンを添加したＳｉ−ＤＬＣ膜に酸素プラズマ処理を施すと、シリコン酸化物がカーボン移着物を固着させるバインダーの役割を果たし、低摩擦化することが報告されている。このように、低摩擦化を実現するためには低硬度カーボンの生成とともに移着膜の固着性が重要となる。
【０００４】
一方、サブミクロンの周期ピッチと溝深さをもつグレーティング状の周期構造をＤＬＣ膜に付与すると、ＤＬＣ膜と鋼材の微細な摩耗粉が生成される。その結果、マイルド摩耗面に似た滑らかで強固に固着したカーボン移着膜が鋼材側に形成され、摩擦低減効果が得られる。
【０００５】
ＤＬＣ膜の摩擦特性を向上させるために、基材の摺動面に成膜されたＤＬＣ膜に、フェムト秒レーザ等を照射することで、照射領域をガラス状炭素に改質された改質領域を形成するようにした摺動材（摺動部材）が従来においては提案されている（特許文献１）。
【０００６】
また、従来には、基材の表面に、水素を含有した非晶質炭素被膜を成膜する工程と、非晶質炭素被膜の表面に紫外線を照射する工程とで、摺動部材を製造するものもある（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１６８８４５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１５９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記特許文献１に示すものでは、ＤＬＣ層を形成した後、そのＤＬＣ層の表面にレーザ照射するものであり、特許文献２では、ＤＬＣ層を形成した後、そのＤＬＣ層の表面に紫外線を照射するものである。このため、レーザ照射等によって、ＤＬＣをグラファイト化していることになり、ＤＬＣ本来の物性が損なわれることになる。また、長期に渡る使用によって、改質層が消滅すれば、摺動部材としての機能を損なうことになっていた。
【０００９】
また、従来においては、移着性の低いセラミックス等を摺動材とした場合、ＤＬＣ膜の摩擦特性に及ぼす周期構造付与の影響は明らかとなっていない。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みて、低摩擦化の実現に重要なＤＬＣ由来の低硬度カーボンの移着性が低い非金属無機材料に対して、周期構造が消滅した後も長期に渡って安定した低摩擦状態が維持される摺動面構造およびこのような摺動面構造を製造することができる摺動面構造の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の摺動面構造の製造方法は、非晶質炭素膜を備えた第１部材と非金属無機材料からなる第２部材とが相対的に摺動する摺動面構造の製造方法であって、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有する非晶質炭素膜を形成する膜形成工程と、非晶質炭素膜と非金属無機材料とを相対的に摺動させて、当接する摺動面間に摺動方向に対して摺動初期において形成されるくさび状の隙間を、摩耗粉にて生成されるカーボン付着物にて埋める摩耗工程とを備えたものである。
【００１２】
本発明の摺動面構造の製造方法によれば、連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）に設けているため、摺動時に小さな曲率半径をもつ周期構造先端が摩耗し、なじみが進行する。この際に発生する微細なＤＬＣ膜の摩耗粉はグラファイト化され、低摩擦化の実現に重要な低硬度カーボンの生成が促進される。このとき、移着性の低い非金属無機材料ではヘルツ接触領域に移着膜はほとんど形成されないが、非金属無機材料の形状を摺動面間に摺動方向に対してくさび状の隙間が形成される形状とすることで、くさび状の隙間を埋めるようにカーボン付着物が形成され、面接触に近い摺動となる。周期構造を設けたＤＬＣ膜は、突出したカーボン付着物を微細な加工ツールとしての作用で削り落とし、付着物の平滑化に寄与する。摺動回数の増加に伴いＤＬＣ膜の周期構造が摩滅すると、平滑化したＤＬＣ膜とカーボン付着物の摺動となり、周期構造が消滅した後も長期に渡って安定した低摩擦状態が維持される。
【００１３】
グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に配向しているのが好ましい。また、非晶質炭素膜は、基材表面に予め凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造形成を行った後、成膜して形成するのが好ましい。
【００１４】
前記非晶質炭素膜の基材表面にあらかじめ形成する周期構造は、加工闘値近傍の照射強度で 直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成されているのが好ましい。
【００１５】
本発明の摺動面構造は、非晶質炭素膜を備えた第１部材と非金属無機材料からなる第２部材とが相対的に摺動する摺動面構造であって、前記非晶質炭素膜は、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有し、かつ、非晶質炭素膜と非金属無機材料との間には、摺動初期において、当接する摺動面間に摺動方向に対してくさび状となる隙間が形成されるものである。
【００１６】
本発明の摺動構造によれば、連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造をＤＬＣ膜（非晶質炭素膜）に設けているため、摺動時に小さな曲率半径をもつ周期構造先端が摩耗し、なじみが進行する。この際に発生する微細なＤＬＣ膜の摩耗粉はグラファイト化され、低摩擦化の実現に重要な低硬度カーボンの生成が促進される。このとき、移着性の低い非金属無機材料ではヘルツ接触領域に移着膜はほとんど形成されないが、非金属無機材料の形状を摺動面間に摺動方向に対してくさび状の隙間が形成される形状とすることで、くさび状の隙間を埋めるようにカーボン付着物が形成され、面接触に近い摺動となる。周期構造を設けたＤＬＣ膜は、突出したカーボン付着物を微細な加工ツールとしての作用で削り落とし、付着物の平滑化に寄与する。摺動回数の増加に伴いＤＬＣ膜の周期構造が摩滅すると、平滑化したＤＬＣ膜とカーボン付着物の摺動となり、周期構造が消滅した後も長期に渡って安定した低摩擦状態が維持される。
【００１７】
非晶質炭素膜と非金属無機材料との当接点において形成されるくさび状の隙間の勾配が１／１０であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、周期構造が消滅した後も長期に渡って優れた摺動特性を継続する。しかも、ＤＬＣ膜（非晶質炭素膜）に硬度低下などの物性変化を生じない。
【００１９】
グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に配向したものでは、グラファイト化された摩耗粉を摺動面内に拘束する作用が大きく、摺動痕周囲に散逸する摩耗粉が大幅に減少する。その結果、効率的にくさび状の隙間が強固に付着したカーボンで埋められる。
【００２０】
グレーティング状の凹凸の周期構造形成を行った後、成膜して形成するものでは、形態が異なるだけで通常のＤＬＣ膜と組成的には同一な周期構造を有するＤＬＣ膜を形成できる。したがって、硬度低下などの物性変化を生じることなく、ＤＬＣ膜本来の特性を維持したものとなる。ＤＬＣ膜の硬度が低下すると、ＤＬＣ膜の微細な加工ツールとしての作用が低下し、付着物の平滑化に支障が生じるため、周期構造が消滅した後も長期に渡って摺動特性が向上する摺動部材が得られない。
【００２１】
加工闘値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成するものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。
【００２２】
非晶質炭素膜と非金属無機材料との当接点において形成されるくさび状の隙間の勾配が１／１０以下であれば、カーボン付着物が非金属無機材料に強固に付着するとともに、カーボン付着物が広い面積に形成される。その結果、カーボン付着物による荷重分担率が増加するため、摩擦が低減される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態を示す摺動面構造の製造方法の工程を示す簡略ブロック図である。
【図２】膜形成工程を示す簡略ブロックである。
【図３】本発明の実施形態を示す摺動面構造の製造方法の斜視図である。
【図４】非晶質炭素膜の摺動面の拡大断面図である。
【図５】非晶質炭素膜と非金属無機材料とを相対的に摺動させている状態の要部拡大簡略図である。
【図６】非晶質炭素膜の基材表面を示し、（ａ）は周期構造の拡大平面図であり、（ｂ）は周期構造の断面プロファイル図である。
【図７】非結晶炭素膜を示し、（ａ）周期構造の拡大平面図であり、（ｂ）は周期構造の断面プロファイル図である。
【図８】前記周期構造形成方法に用いるレーザ表面加工装置の簡略図である。
【図９】算術平均粗さの定義を説明するためのグラフ図である。
【図１０】連続摺動時における往復動回数と摩擦係数との関係を示ものであって、第１部材の周期構造に対して第２部材を平行方向に往復動させた際の往復動回数と摩擦係数との関係を示すグラフ図である。
【図１１】図１０のグラフ図の横軸を対数表示としたグラフ図である。
【図１２】周期構造が形成されていない鏡面ＤＬＣ膜に対して摺動させたときの摺動面の拡大図である。
【図１３】周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対して摺動させたときの摺動面の拡大図である。
【図１４】摺動面を示し、（ａ）は周期構造が形成されていない鏡面ＤＬＣ膜に対してサファイアボールを摺動させたときの拡大図であり、（ｂ）はプロファイル図である。
【図１５】摺動面を示し、（ａ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対してサファイアボールを摺動させたときの拡大図であり、（ｂ）はプロファイル図である。
【図１６】（ａ）は周期構造が形成されていない鏡面ＤＬＣ膜に対してサファイアボールを摺動させたときの摺動面の拡大図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿うプロファイル図であり、（ｃ）は堆積膜を示す斜視図である。
【図１７】（ａ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対してサファイアボールを摺動させたときの摺動面の拡大図であり、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線に沿うプロファイル図であり、（ｃ）は堆積膜を示す斜視図である。
【図１８】摺動面の摺動終端部を示し、（ａ）は周期構造が形成されていない鏡面ＤＬＣ膜に対してサファイアボールを摺動させたときの拡大図であり、（ｂ）はプロファイル図である。
【図１９】摺動面の摺動終端部を示し、（ａ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対してサファイアボールを摺動させたときの拡大図であり、（ｂ）はプロファイル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下本発明の実施の形態を図１〜図１９に基づいて説明する。
【００２５】
図１は本発明に係る摺動面構造の製造方法を示すブロック図を示し、この製造方法は、膜形成工程Ｐ１と摩耗工程Ｐ２とを備える。膜形成工程Ｐ１は、図３に示すように、第１部材１の摺動面１ａにグレーティング状凹凸の周期構造３を有する非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）４を形成するものであり、摩耗工程Ｐ２は、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとを相対的に摺動させて、周期構造３を犠牲層として摩滅させるものである。
【００２６】
図例における第１部材１は平板体で構成し、第２部材２としては球体で構成した。また、第１部材１は、炭素鋼、銅、アルミニウム、白金、超硬合金等であっても、炭化ケイ素や窒化ケイ素等のシリコン系セラミックスであっても、エンジニアプラスチック等であってもよい。第２部材２は非金属無機材料からなる。なお、非金属無機材料には、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）,ジルコニア(ＺｒＯ2),ステアタイト(ＭｇＳｉＯ3),チタン酸バリウム(ＢａＴｉＯ3),フエライト、ベリリア(ＢｅＯ),ウラニア（ＵＯ2）,トリア(ＴｈＯ2),炭化ウラニウム(ＵＣ,ＵＣ2),窒化珪素(Ｓｉ3Ｎ4)等の種々の材料がある。このため、本発明においては、これらから種々選択できる。
【００２７】
膜形成工程Ｐ１は図２に示すように、周期構造形成工程Ｐ１ａと成膜工程Ｐ１ｂとを備える。周期構造形成工程Ｐ１ａは、図６（ａ）（ｂ）に示すように、微小の凹部５と微小の凸部６とが交互に所定ピッチで配設されてなる周期構造を形成する工程であり、図８に示すように、レーザ発生器１１と光学系１０とを備えたレーザ表面加工装置を使用して形成する。
【００２８】
このレーザ表面加工装置では、レーザ発生器１１は、ミラー１２により加工材料Ｗに向けて折り返され、メカニカルシャッタ１３に導かれる。レーザ照射時はメカニカルシャッタ１３を開放し、レーザ照射強度は１／２波長板１４と偏光ビームスプリッタ１６によって調整可能とし、１／２波長板１５によって偏光方向を調整し、集光レンズ１７によって、ＸＹθステージ１９上の加工材料Ｗ表面に集光照射することになる。
【００２９】
膜形成工程Ｐ１では、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成している。すなわち、アブレーション閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザをワーク（加工材料）Ｗに照射した場合、入射光と加工材料Ｗの表面に沿った散乱光またはプラズマ波の干渉により、レーザ波長と同程度の周期間隔で、エネルギー分布にわずかな粗密が生じる。一般的な加工方法ではレーザ照射面全体が加工されるが、加工閾値近傍のエネルギー密度でレーザ照射することで、高エネルギー部分を選択的に加工することができる。その結果、１光軸のレーザ照射でありながら、グレーティング状の周期構造が形成される。このとき、加工に用いるレーザのパルス幅が長くなるほど熱影響や加工蒸散物との相互作用によるレーザの散乱によって周期構造に乱れが生じることになる。
【００３０】
成膜工程Ｐ１ｂは、ＤＬＣコーティングであり、例えば、プラズマイオン注入法を採用することができる。プラズマイオン注入法は、高真空中でのプラズマプロセスであるイオン化蒸着により成膜する方法である。すなわち、真空チャンバ中にトルエンガスや他の炭化水素ガスが導入され直流アーク放電プラズマ中で炭化水素イオンが励起されたラジカルが生成される。このため、炭化水素イオンは直流の負電圧にバイアスされた基板（コーティングされる部材）にバイアス電圧に応じたエネルギーで衝突し固体化し成膜する。
【００３１】
非晶質炭素膜４のグレーティング状凹凸の周期構造３は、図７に示すように、連続的に高さが変化するものである。非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）４の凹凸の高低差（凹部５の底部から凸部６の頂点までの高さ）が２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下かつ非晶質炭素膜の膜厚以下とするのが好ましい。また、非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）の周期ピッチを１０μｍ以下とするのが好ましい。
【００３２】
そして、第１部材１の摺動面１ａにグレーティング状凹凸の周期構造３を有する非晶質炭素膜４を形成した後は、図３に示すように、このＤＬＣ膜（非晶質炭素膜）４に対して、第２部材２を摺動させる。
【００３３】
このように、摺動させれば、連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）４に設けているため、摺動時に小さな曲率半径をもつ周期構造先端が摩耗し、なじみが進行する。この際に発生する微細なＤＬＣ膜４の摩耗粉はグラファイト化され、低摩擦化の実現に重要な低硬度カーボンの生成が促進される。
【００３４】
このとき、移着性の低い非金属無機材料ではヘルツ接触領域に移着膜はほとんど形成されないが、非晶質炭素膜４を備えた平板体の第１部材１と、非金属無機材料からなる球体の第２部材２とを、相対的に摺動させれば、図５に示すように、摺動初期においては、当接する摺動面間に摺動方向に対してくさび状の隙間８が形成される。この場合の隙間８は、第１部材１と第２部材２との当接点２０を頂点とする断面直角三角形状をなる。このくさび状の隙間８として、勾配（Ｈ／Ｗ）が１／１０以下に設定されるのが好ましい。図５の矢印Ａ、Ｂは、第１部材１に対する第２部材２の摺動方向を示している。このように、往復動することによって、矢印Ａ方向側及び矢印Ｂ方向側に隙間８ができる。
【００３５】
このため、摺動回数が増加していけば、くさび状の隙間８を埋めるようにカーボン付着物が形成され、面接触に近い摺動となる。周期構造３を設けたＤＬＣ膜４は、突出したカーボン付着物を微細な加工ツールとしての作用で削り落とし、付着物の平滑化に寄与する。摺動回数の増加に伴いＤＬＣ膜４の周期構造３が摩滅すると、平滑化したＤＬＣ膜４とカーボン付着物の摺動となり、周期構造３が消滅した後も長期に渡って安定した低摩擦状態が維持される。
【００３６】
また、この実施形態では、グレーティング状凹凸の周期構造３が摺動方向に配向しているので、グラファイト化された摩耗粉を摺動面内に拘束する作用が大きく、摺動痕周囲に散逸する摩耗粉が大幅に減少する。その結果、効率的にくさび状の隙間が強固に付着したカーボンで埋められる。
【００３７】
グレーティング状の凹凸の周期構造形成を行った後、成膜して形成するものでは、形態が異なるだけで通常のＤＬＣ膜４と組成的には同一な周期構造を有するＤＬＣ膜４を形成できる。したがって、硬度低下などの物性変化を生じることなく、ＤＬＣ膜４本来の特性を維持したものとなる。ＤＬＣ膜４の硬度が低下すると、ＤＬＣ膜４の微細な加工ツールとしての作用が低下し、付着物の平滑化に支障が生じるため、周期構造３が消滅した後も長期に渡って摺動特性が向上する摺動面構造が得られない。
【００３８】
また、加工闘値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成するので、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造３を容易に得ることができる。
【００３９】
非晶質炭素膜４と非金属無機材料との当接点２０のくさび状の隙間８の勾配が１／１０以下であれば、カーボン付着物が非金属無機材料に強固に付着するとともに、カーボン付着物が広い面積に形成される。その結果、カーボン付着物による荷重分担率が増加するため、摩擦が低減される。
【００４０】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、前記実施形態では、第１部材１を平板体にて構成し、第２部材２を球体にて構成したが、第１部材１と第２部材２の形状としても、図例のものに限らず、他の種々の形状のものにて構成できる。しかしながら、この場合、摺動初期において、摺動方向に対してくさび状となる隙間８が形成される必要がある。このため、第１部材１を平板体にて構成した場合、第２部材２として、その摺動面が、第１部材１側に、２つの面が、その頂点部において突き合わされる扁平三角形状のもの、その頂点部が平坦面とされる台形状のもの等であってもよい。
【００４１】
第１部材１側が球体であり、第２部材２側が平板体であってもよく、両者が球体であってもよい。このため、形成されるくさび状の隙間８の形状として、直角三角形に限らず、当接部から２つの辺が相互に離間していく二等辺三角形状であってもよい。また、くさび状の隙間８は、前記実施形態では、直角三角形状であっため、勾配として、１／１０以下が好ましいとしていたが、この勾配で１／１０を角度に換算すれば、arctan(1/10)＝５．７１°となります。このため、隙間８がその断面形状が直角三角形状であれば、５．７１°以下が好ましいことになります。なお、この勾配やくさび角度としては、５．７１°以下に限るものではない。
【００４２】
周期構造形成工程Ｐ１ａに使用するレーザとしては、フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ、及びナノ秒レーザといったパルスレーザを使用することができる。また、摩耗工程Ｐ２において、第１部材１側を固定して第２部材２を第１部材１に対して摺動させても、逆に、第２部材２側を固定して第１部材１を第２部材２に対して摺動させても、第１部材１と第２部材２とを摺動させてもよい。
【００４３】
また、摺動方向として、周期構造３の配向方向に対して、平行方向であっても、直交方向であっても、さらには、所定角度（例えば、４５度程度）に傾斜したものであってもよい。また、摺動方向として直線状ではなく、円形や楕円形状であってもよい。摺動時の荷重、摺動ストローク、往復周波数等も任意に設定できる。
【００４４】
ところで、ＤＬＣコーティングの処理には、化学蒸着（ＣＶＤ、Chemical Vapor Deposition）法および物理蒸着（ＰＶＤ、Physical Vapor Deposition）法によるプラズマ技術等がある。このため、本発明では、プラズマＣＶＤ法、イオン化蒸着法、スパッタ法、アークイオンプレーティング法の従来からある種々の方法で、非晶質炭素膜を形成することができる。
【実施例１】
【００４５】
周期構造３を有するＤＬＣ膜４の作成およびその摺動特性を評価し、移着膜制御による低摩擦化について検証した。
【００４６】
まず、周期構造３を有するＤＬＣ膜４を作成した。この場合、研磨したＳＵＳ４４０Ｃ基板(算術平均粗さ：Ｒａ２ｎｍ)にフェムト秒レーザを加工しきい値近傍のエネルギー密度で照射し、グレーティング状の周期構造(ピッチ約７００ｎｍ、深さ約２００ｎｍ)を形成した後、プラズマイオン注入法でａ−Ｃ:ＨのＤＬＣ膜４を成膜した。原料ガスにはトルエン(Ｃ7Ｈ8)を用い、中間層としてＳｉ／Ｃ傾斜層を設けた。中間層の膜厚は２５０ｎｍ、中間層を含むＤＬＣ膜の膜厚は１μｍとした。すなわち、基材の上にこの中間層が形成され、この中間層の上にＤＬＣ膜４が成膜される。成膜後のＤＬＣ表面のＡＦＭ像および断面プロファイルを前記図７に示している。
【００４７】
ＤＬＣ表面には深さ５０ｎｍ前後の周期構造形状が認められる。周期構造形成後にＤＬＣ膜４を成膜しているため、図７に示すＤＬＣ膜はレーザ未照射基板に成膜したものと形態が異なるだけで組成的には同一である。
【００４８】
算術平均粗さＲａは、図９に示すように、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線ｍの方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をｙ=ｆ（ｘ）で表したときに、次の数１の式によって求められる値をマイクロメートル（μｍ）で表したものをいう。
【数１】
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【００４９】
実験方法としては、ボールオンプレート試験装置を用いて往復摺動実験を行った。ボール試験片（第２部材２）は直径６．３５ｍｍのサファイアボールとした。プレート試験片（第１部材１）は周期構造ＤＬＣおよび研磨面に成膜した鏡面ＤＬＣの２種類とした。ここで、周期構造ＤＬＣとは、摺動面にグレーティング状凹凸の周期構造３を有する非晶質炭素膜４を有するものであり、鏡面ＤＬＣは、鏡面に仕上げた摺動面にＤＬＣ膜を形成したものである。
【００５０】
周期構造ＤＬＣに対する摺動方向は、周期構造の配向方向に対して、平行とした。摺動条件は荷重５Ｎ、ストローク２０ｍｍ、往復周波数０．５Ｈｚとし、摺動抵抗をロードセルにより測定した。
【００５１】
１００００往復までの周期構造ＤＬＣと鏡面ＤＬＣの摩擦係数を図１０に示す。また、図１１は、図１０のグラフにおいて、横軸を対数表示としたものである。鏡面ＤＬＣは摺動試験開始直後から１００往復程度まで高摩擦を示した後、急速に摩擦係数が低下した。２０００往復で最小値をとった後、増加に転じ、５０００往復でほぼ定常状態となった。周期構造ＤＬＣは比較的安定した摩擦係数を示し、３０００往復でほぼ定常状態となった。定常状態での摩擦係数は鏡面ＤＬＣより１５〜３０％程度低減された。
【００５２】
図１２は、鏡面ＤＬＣに対して１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示し、図１３は、周期構造ＤＬＣに１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示している。図１４の（ａ）は鏡面ＤＬＣに対して１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示し、図１４の（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面プロファイルを示している。
【００５３】
図１５の（ａ）は周期構造ＤＬＣに対して１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示し、図１５の（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面プロファイルを示している。図１６の（ａ）は鏡面ＤＬＣに対して１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示し、図１６の（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線に沿う断面プロファイルを示し、（ｃ）は摺動面に対してサファイアボールを摺動させたときの堆積膜を示す斜視図である。
【００５４】
図１７の（ａ）は周期構造ＤＬＣに対して１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示し、図１７の（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線に沿う断面プロファイルを示し、（ｃ）は摺動面に対してサファイアボールを摺動させたときの堆積膜を示す斜視図である。
【００５５】
鏡面ＤＬＣであっても周期構造ＤＬＣであっても、サファイアボールは球面を保っており、摩耗ほとんど認められない。ヘルツ接触部分に移着膜は認められないが、ボールとプレート間に生じるくさび状の隙間を埋めるように膜状の付着物が形成されている。サファイアボールに摩耗がないことから、この付着物はＤＬＣ由来のカーボンと考えられる。
【００５６】
鏡面ＤＬＣに摺動させたサファイアボールには多量の摩耗粉が認められた。周期構造ＤＬＣに摺動させたサファイアボールでは、付着物に同心円状の干渉縞が現れており、くさび状の隙間がきれいに埋められて面接触に近い摺動になっていることが示唆される。周期構造ＤＬＣは、摩耗粉を摺動面内に拘束する作用が大きいため、摺動痕周囲に散逸する摩耗粉が大幅に減少するとともに、突出した付着物を削り落とし、付着物の平滑化に寄与したと推察される。
【００５７】
図１８は摺動痕終端部を示し、（ａ）は鏡面ＤＬＣの摺動痕終端部写真を示し、（ｂ）は（ａ）の断面プロファイルを示す。図１９は摺動痕終端部を示し、（ａ）は周期構造ＤＬＣの摺動痕終端部写真を示し、（ｂ）は（ａ）の断面プロファイルを示す。
【００５８】
摺動痕終端部の輪郭は図１２と図１３に示したサファイアボールの付着物形状と一致していることがわかる。また、周期構造ＤＬＣの摺動痕は比較的平滑であるが、鏡面ＤＬＣの断面プロファイルにはサファイアボール側の付着物に起因する構が認められることから、サファイアボール側のカーボン付着物も荷重支持を一部分担していると考えられる。カーボン付着物が平滑化する周期構造ＤＬＣでは、カーボン付着物の荷重分担率が鏡面ＤＬＣより大きくなることで、摩擦低減効果が得られたと考えられる。
【符号の説明】
【００５９】
１     第１部材
１ａ   摺動面
２ａ   摺動面
２     第２部材
３     周期構造
４     非晶質炭素膜
８     隙間
Ｐ１   膜形成工程
Ｐ２   摩耗工程
【図１】
2015148263.tif 000004
【図２】
2015148263.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図６】
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【図７】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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