(57)【要約】【課題】周期構造が消滅した後の長期に渡って摺動特性が損なうことがない摺動部材及びこのような摺動部材を製造することができる製造方法を提供する。【解決手段】摺動部材の製造方法は膜形成工程と摩耗工程とを備える。膜形成工程は、第１部材の摺動面に、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。摩耗工程は、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とを相対的に摺動させて、周期構造を犠牲層として摩滅させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材の摺動面に、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、
第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とを相対的に摺動させて，前記周期構造を犠牲層として摩滅させる摩耗工程とを備えたことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項２】
前記非晶質炭素膜は，前記第１部材の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の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に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項３】
前記第２部材の少なくとも摺動面が，前記摩耗工程において酸化物の摩耗粉を生じる材質としていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項４】
前記第１部材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２又は請求項３のいずれかに記載の摺動部材の製造方法。
【請求項５】
前記請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の摺動部材の製造方法を用いる摺動部材であって、
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の凹凸が２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下かつ非晶質炭素膜の膜厚以下であることを特徴とする摺動部材。
【請求項６】
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占の周期構造を有する非晶質炭素膜の周期ピッチが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項５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、摺動部材および摺動部材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擦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、摺動時にＤＬＣ膜と鋼材の微細な摩耗粉が生成され、マイルド摩耗面に似た滑らかで強固に固着した移着膜の形成が期待できる。
【０００５】
ＤＬＣ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及び特許文献２）。
【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３）。
【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２００７−１６２０４５号公報
【特許文献３】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及び特許文献２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３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】
本発明は、上記課題に鑑みて、周期構造が消滅した後の長期に渡って摺動特性が損なうことがない摺動部材及びこのような摺動部材を製造することができる製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の摺動部材の製造方法は、第１部材の摺動面に、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、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面とを相対的に摺動させて，前記周期構造を犠牲層として摩滅させる摩耗工程とを備えたものである。
【００１１】
本発明の摺動部材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，第１部材から発生する微細な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。周期構造を有するＤＬＣ膜は微細な加工ツールとして作用し、第２部材からもマイルド摩耗粉のような微細な摩耗粉が発生する。また，周期構造は第２部材に形成される突出した移着粒子を削り落とし、トラップすることで移着粒子の成長を抑制し、摩耗粉の微細化と移着膜の平滑化に寄与する。この段階では顕著な摩擦低減効果は得られないが、周期構造を犠牲層として摩滅させる工程において、微細な摩耗粉が延しつぶされる。
【００１２】
前記非晶質炭素膜は、前記第１部材の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の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。
【００１３】
このように構成することで、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。
【００１４】
前記第２部材の少なくとも摺動面が、前記摩耗工程において酸化物の摩耗粉を生じる材質としているのが好ましい。
【００１５】
前記第１部材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。
【００１６】
本発明の摺動部材は、前記摺動部材の製造方法を用いる摺動部材であって、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の凹凸が２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下かつ非晶質炭素膜の膜厚以下である。
【００１７】
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の周期ピッチが１０μｍ以下であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の摺動部材の製造方法では、周期構造を犠牲層として摩滅させる工程において、微細な摩耗粉が延しつぶされ、強固に固着された低硬度カーボン移着層が形成されるとともにＤＬＣ膜が平滑化する。このため、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る。
【００１９】
グレーティング状の凹凸の周期構造形成を行った後、非晶質炭素膜を成膜するものでは、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。なお、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、移着粒子の成長抑制や摩耗粉の微細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。
【００２０】
第２部材の摺動面が摩耗工程において酸化物の摩耗粉を生じるものでは、酸素に富んだ微細な摩耗粉が延しつぶされて、摩耗率がシビア摩耗の１／２０〜１／１０００となるマイルド摩耗面のような移着層を形成することができる。マイルド摩耗面のような移着層は強固にカーボン移着物を第２部材の摺動面に固着させるバインダーの働きをして、摺動特性向上に寄与する。
【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（ＤＬＣ膜）の凹凸が２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下かつ非晶質炭素膜の膜厚以下とすることで、微細な摩耗粉の発生と周期構造の摩滅を基材が露出することなく効率的に実現できる。
【００２３】
非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）の周期ピッチを１０μｍ以下とすることで，低硬度カーボンの生成促進と移着粒子の成長抑制により，マイルド摩耗面に似た移着層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態を示す摺動部材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部材の製造方法の斜視図である。
【図４】第１部材の摺動面の拡大断面図である。
【図５】第１部材の基材表面を示し、（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６】第１部材の基材表面の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７】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８】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９】第１部材の周期構造に対して第２部材を直交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１０】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】第２部材の摺動面を示し、（ａ）は周期構造が形成されていない鏡面ＤＬＣ膜に対して摺動させたときの拡大図であり、（ｂ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対して直交方向に摺動させたときの拡大図であり、（ｃ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対して平行方向に摺動させたときの拡大図である。
【図１２】第２部材の摺動面を示し、（ａ）は周期構造が形成されていない鏡面ＤＬＣ膜に対して摺動させたときの拡大図およびプロファイル図であり、（ｂ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対して直交方向に摺動させたときの拡大図およびプロファイル図であり、（ｃ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対して平行方向に摺動させたときの拡大図およびプロファイル図である。
【図１３】第２部材を１００００往復させた状態の第１部材の摺動面を示し、（ａ）は周期構造が形成されていない鏡面ＤＬＣ膜に対して摺動させたときの拡大図であり、（ｂ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対して直交方向に摺動させたときの拡大図であり、（ｃ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対して平行方向に摺動させたときの拡大図である。
【図１４】第１部材の摺動面の摩耗粉を示し、（ａ）は周期構造が形成されていない鏡面ＤＬＣ膜に対して摺動させたときの拡大図であり、（ｂ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対して直交方向に摺動させたときの拡大図であり、（ｃ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対して平行方向に摺動させたときの拡大図である。
【図１５】第２部材を１０往復させた状態の第１部材の摺動面を示し、（ａ）は周期構造が形成されていない鏡面ＤＬＣ膜に対して摺動させたときの拡大図であり、（ｂ）は周期構造が形成されたＤＬＣ膜に対して平行方向に摺動させたときの拡大図である。
【図１６】第２部材の摺動面の移着膜の構造を示し、（ａ）は基材と第１層と第２層のＳＥＭ画像図であり、（ｂ）は第１層と第２層のＳＥＭ画像図である。
【図１７】鏡面ＤＬＣ膜に第２部材を摺動させた場合の第２部材の摺動痕を示し、（ａ）は１０往復時のＳＥＭ画像図とＥＤＸ分析による酸素分布図であり、（ｂ）は１００往復時のＳＥＭ画像図とＥＤＸ分析による酸素分布図であり、（ｃ）は２０００往復時のＳＥＭ画像図とＥＤＸ分析による酸素分布図であり、（ｄ）は１００００往復時のＳＥＭ画像図とＥＤＸ分析による酸素分布図である。
【図１８】周期平行ＤＬＣ膜に第２部材を摺動させた場合の第２部材の摺動痕を示し、（ａ）は１０往復時のＳＥＭ画像図とＥＤＸ分析による酸素分布図であり、（ｂ）は１００往復時のＳＥＭ画像図とＥＤＸ分析による酸素分布図であり、（ｃ）は２０００往復時のＳＥＭ画像図とＥＤＸ分析による酸素分布図であり、（ｄ）は１００００往復時のＳＥＭ画像図とＥＤＸ分析による酸素分布図である。
【図１９】周期平行ＤＬＣの往復動回数と摩擦係数との関係を示し、（ａ）は移着膜生成過程の範囲を示すグラフ図であり、（ｂ）は移着膜範囲拡大過程の範囲を示すグラフ図であり、（ｃ）は低摩擦化過程の範囲を示すグラフ図である。
【図２０】周期平行ＤＬＣの摺動面を示し、１０往復された状態の拡大図である。
【図２１】周期平行ＤＬＣの摺動面プロファイルを示し、（ａ）は１０往復時の摺動面プロファイル図であり、（ｂ）は２０００往復時の摺動面プロファイル図であり、（ｃ）は１００００往復時の摺動面プロファイル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下本発明の実施の形態を図１〜図２１に基づいて説明する。
【００２６】
図１は本発明に係る摺動部材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と図４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４（図３参照）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。図例における第１部材１は平板体で構成し、第２部材２としては円柱状のピン部材で構成した。また、第１部材１及び第２部材２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２１の摺動面２ａとして、球面状であっても、平坦面であってもよい。また、第２部材２としては、後述するように、摩耗工程において酸化物の摩耗粉を生じる材質が好ましい。
【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５（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７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】
第１工程２１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、エネルギ一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、高エネルギ一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６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）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、この非晶質炭素膜４に対して、第２部材２の摺動面を摺動させる。
【００３３】
このため、図４に示すように、第１部材１の周期構造先端が摩耗し、この摩耗によって、ＤＬＣ由来の低硬度カーボンが生成される、また、周期構造により、微細な摩耗粉が生成され、マイルド摩耗面に似た滑らかで強固に固着した移着膜が形成される。
【００３４】
前記摺動部材の製造方法では、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３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，第１部材１から発生する微細な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。周期構造３を有するＤＬＣ膜４は微細な加工ツールとして作用し、第２部材２からもマイルド摩耗粉のような微細な摩耗粉が発生する。また、周期構造３は第２部材２に形成される突出した移着粒子を削り落とし、トラップすることで移着粒子の成長を抑制し、摩耗粉の微細化と移着膜の平滑化に寄与する。この段階では顕著な摩擦低減効果は得られないが、周期構造３を犠牲層として摩滅させる工程において、微細な摩耗粉が延しつぶされる。これによって、強固に固着された低硬度カーボン移着層が形成されるとともにＤＬＣ膜４が平滑化する。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部材が得られる。
【００３５】
また、グレーティング状の凹凸の周期構造形成を行った後、非晶質炭素膜４を成膜することで、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膜本来の特性を維持したものとなる。なお、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、移着粒子の成長抑制や摩耗粉の微細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部材が得られない。
【００３６】
非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）４の凹凸が２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下かつ非晶質炭素膜の膜厚以下とすることで、微細な摩耗粉の発生と周期構造の摩滅を基材が露出することなく効率的に実現できる。
【００３７】
非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）４の周期ピッチを１０μｍ以下とすることで，低硬度カーボンの生成促進と移着粒子の成長抑制により、マイルド摩耗面に似た移着層を形成することができる。
【００３８】
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３を容易に得ることができる。
【００３９】
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をピン部材にて構成したが、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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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】
【００４３】
周期構造を有するＤＬＣ膜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。
【００４４】
まず、周期構造を有するＤＬＣ膜を作成した。この場合、バフ研磨したＳＵＳ４４０Ｃ基板(算術平均粗さ：Ｒａ０．０２μｍ)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６に示している。
【００４５】
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を成膜しているため、図６に示す周期構造ＤＬＣ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。
【００４６】
算術平均粗さＲａは、図８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】
2015000408.tif 000003
【００４７】
実験方法としては、ピンオンプレート試験装置を用いて往復摺動実験を行った。ピン試験片（第２部材２）の材質はＳＵＪ２とし，先端形状は曲率半径５ｍｍの半球形とした。プレート試験片（第１部材１）は周期構造ＤＬＣおよびバフ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。
【００４８】
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(周期平行ＤＬＣ)および直交(周期直交ＤＬＣ)の２方向とした。摺動条件は荷重５Ｎ、ストローク２０ｍｍ，往復周波数０．５Ｈｚとし、１００００往復までの摺動抵抗をロードセルにより測定した。
【００４９】
各種ＤＬＣ膜の摩擦係数を図９と図１０に示す。摩擦係数は、５００往復までは、鏡面ＤＬＣ＞周期ＤＬＣであり、１０００往復〜５０００往復までは、鏡面ＤＬＣ＜周期ＤＬＣであり、７０００往復を越えれば、鏡面ＤＬＣ＞周期ＤＬＣであり、１００００往復では、鏡面ＤＬＣ＞周期直交ＤＬＣ≫周期平行ＤＬＣである。すなわち、周期平行ＤＬＣおよび周期直交ＤＬＣはいずれも１０００往復〜５０００往復付近まで鏡面ＤＬＣより高い摩擦係数を示した。１００００往復では，周期直交ＤＬＣは鏡面ＤＬＣの摩擦係数を６％下回るだけであったが、周期平行ＤＬＣは鏡面ＤＬＣに対して４０％を超える顕著な摩擦低減効果が得られた。
【００５０】
図１１に各種ＤＬＣ膜に１００００往復させたピン試験片（第２部材２）の摺動面写真を示し、図１２はピン試験片の摺動面プロファイル図を示している。図１１から、鏡面ＤＬＣは摩耗粉が大量・広範囲に付着していることがわかり、周期平行ＤＬＣは摩耗粉の幅方向への広がりが少ないことがわかる。また、図１２から、鏡面ＤＬＣは金属接触によるピン試験片の摩耗発生があり、摩擦係数が低い周期平行ＤＬＣは移着膜が薄く平滑で明色部の比率が高いことがわかる。すなわち、鏡面ＤＬＣに摺動させたピン中央部は大部分の移着膜が剥離し、ピン試験片の摩耗面が露出していた。一方、周期直交ＤＬＣおよび周期平行ＤＬＣに摺動させたピン中央部には明色の移着膜が生成されており、後者の移着膜は平滑で明色の比率が高くなった。なお、図１２（ａ）では摩擦係数μが０．１９６であり、図１２（ｂ）では摩擦係数μが０．１８６であり、図１２（ｃ）では摩擦係数μが０．１１１であった。
【００５１】
図１３(ストローク２０ｍｍ、１００００往復)からわかるように、摩耗生成物は、鏡面ＤＬＣでは周囲に大量に付着し、周期直交ＤＬＣでは周囲に中量に付着し、周期平行ＤＬＣでは周囲に少量が付着していた。なお、摺動痕幅は、鏡面ＤＬＣ、周期直交ＤＬＣ、及び周期平行ＤＬＣともに約１３０μｍである。摺動痕深さは、鏡面ＤＬＣでは１３９ｎｍであり、周期直交ＤＬＣでは１５３ｎｍであり、周期平行ＤＬＣでは６５ｎｍである。
【００５２】
ＤＬＣ膜摺動痕周囲の摩耗粉の様子を図１４(ストローク２０ｍｍ、１００００往復)に示す。鏡面ＤＬＣでは移着粒子が成長し、大量の摩耗粉（シビア摩耗粉）が生じた。一方、周期ＤＬＣでは摩耗粉が微細化し、摩耗量が低減された。特に周期平行ＤＬＣでは大幅に摩耗粉が減少した。摺動面内の周期構造にはトラップされた摩耗粉が観察された。周期構造は突出した移着粒子を削り落とし、トラップすることで移着粒子の成長を抑制し、摩耗粉の微細化と移着膜の平滑化に寄与したと推察される.周期平行ＤＬＣで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したと考えられる。
【００５３】
図１５(ストローク２０ｍｍ、１０往復)に示すように，鏡面ＤＬＣでは移着粒子の除去，トラップ作用がないため、僅か１０往復で大きく成長した摩耗粉が生成された。ＥＤＸ分析の結果、摩耗粉はピン由来の金属酸化物が主体であった。また、微細な摩耗粉の方が高い酸素含有率を示した。
【００５４】
図１６に移着膜剥離部のＳＥＭ画像を示す。剥離した移着膜断面から移着膜は２層構造であることがわかる。第１層は金属酸化物(ピンの摩耗粉)とカーボンの混合物、第２層はＤＬＣ由来のカーボン移着物と思われる。図１７（鏡面ＤＬＣ）および図１８（周期平行ＤＬＣ）にピン摺動痕のＳＥＭ画像とＥＤＸ分析による酸素分布を示す。ＳＥＭ画像の黒い部分はカーボン移着物である。鏡面ＤＬＣでは２０００往復から１００００往復までの間に第１層から剥離し、酸素量が減少した。周期平行ＤＬＣでは、酸素に富んだ微細な摩耗粉が延しつぶされ、マイルド摩耗面に似た第１層が１００００往復まで強固に固着していることが確認された。マイルド摩耗面に似た第１層は強固にカーボン移着物をピンに固着させるバインダーの働きをしていると考えられる。周期平行ＤＬＣは２０００往復あたりから平滑化の進行が認められた。周期平行ＤＬＣの低摩擦化の原因は強固に固着されたカーボン移着膜の生成とＤＬＣ膜・移着膜の平滑化であると考えられる。
【００５５】
図１９に周期平行ＤＬＣの往復動回数と摩擦係数との関係を示し、図１９（ａ）の楕円内の範囲は移着膜生成過程を示し、図１９（ｂ）の楕円内の範囲は移着膜領域拡大過程を示し、図１９（ｃ）の楕円内の範囲は低摩擦化過程を示している。また、図２０は周期平行ＤＬＣの摺動面を示し、１０往復させた場合である。図２１は周期平行ＤＬＣの摺動面プロファイルを示し、（ａ）は１０往復時の摺動面プロファイル図であり、（ｂ）は２０００往復時の摺動面プロファイル図であり、（ｃ）は１００００往復時の摺動面プロファイル図である。
【００５６】
図２０では、摩耗粉トラップが移着粒子の成長を抑制し、摩耗粉微細化に寄与することが分かり、図２１（ａ）では、周期構造の多刃工具作用によりピン移着膜は平滑化することが分かる。図２１（ｂ）では、半分程度の周期構造が摩耗にて平滑化していることが分かる。図２１（ｃ）では、大半の周期構造が摩耗にて平滑化していることが分かる。
【００５７】
周期構造を有するDLC膜の摺動特性を評価した結果、以下の結論を得た。
（１）周期平行ＤＬＣは鏡面ＤＬＣに対して摩耗粉が微細化し、４０％を超える摩擦低減効果が得られる。
（２）周期平行ＤＬＣの移着膜は、酸素に富んだ金属酸化物含有層とカーボン移着層の2層構造となる。
（３）周期平行ＤＬＣの低摩擦化要因は強固に固着されたカーボン移着膜の生成とＤＬＣ膜・移着膜の平滑化であると考えられる。
【符号の説明】
【００５８】
１     第１部材
１ａ   摺動面
２     第２部材
２ａ   摺動面
３     周期構造部
４     非晶質炭素（ＤＬＣ）
５     凹部
６     凸部
Ｐ１   膜形成工程
Ｐ１ａ 周期構造形成工程
Ｐ１ｂ 成膜工程
Ｐ２   摩耗工程
【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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【図１１】
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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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【図２０】
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【図２１】
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