(57)【要約】【課題】大気中において無潤滑状態であっても、窒素ガス中の無潤滑状態と同様に低摩擦係数を発現することができる摺動部材を提供する。【解決手段】基材の表面に、窒素を含有した非晶質炭素被膜が被覆された摺動部材であって、前記非晶質炭素被膜は、１４〜３０原子％のタンタルをさらに含有している。【選択図】図６
2015078406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に、窒素を含有した非晶質炭素被膜が被覆された摺動部材であって、
前記非晶質炭素被膜は、１４〜３０原子％のタンタルをさらに含有していることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
請求項１に記載の摺動部材を第１の摺動部材として備え、該第１の摺動部材に摺動する摺動部材を第２の摺動部材として備え、該第１及び第２の摺動部材が大気中において無潤滑状態で摺動することを特徴とする摺動構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面に非晶質炭素被膜が形成された摺動部材およびこれを備えた摺動構造に係り、特に、低摩擦に優れた摺動部材および摺動構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車産業などの我が国の基幹産業において、トライボロジーは重要な役割を担っている。例えば、自動車産業においては、現在、地球環境保全のため、自動車から排出される二酸化炭素の削減を目指してさまざまな取り組みが行われており、その一例としてハイブリットシステムなどのエネルギー効率の良い動力源の開発が良く知られている。しかし更なる低燃費を目指すためには、動力源の開発だけでなくエンジン内部および駆動系における摩擦によるエネルギーの伝達ロスの低減が重要な課題となる。
【０００３】
前記課題を鑑みて、動力系機器における摺動部材の摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、構造用鋼あるいは高合金鋼からなる摺動部材の摺動面に被覆する新たなトライボロジー材料としての非晶質炭素材料（ＤＬＣ）が注目されている。
【０００４】
このような非晶質炭素材料を利用した摺動部材の一例として、基材の表面に、窒素を含有した非晶質炭素被膜（非晶質窒化炭素被膜）が形成された摺動部材（例えば特許文献１参照）が開示されている。この他にも、窒素を含有した非晶質炭素被膜（非晶質窒化炭素被膜）にさらにケイ素が添加された摺動部材（例えば特許文献２参照）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−０５７０９３号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５３９４３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および２では、非晶質窒化炭素被膜が形成された摺動部材を、窒素ガス中の無潤滑状態（乾燥状態）で摺動させることにより、摩擦係数０．０１以下を達成することができるが、大気中において無潤滑状態では、摩擦係数は増大してしまう。
【０００７】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大気中において無潤滑状態であっても、窒素ガス中の無潤滑状態と同様に低摩擦係数を発現することができる摺動部材およびこれを備えた摺動構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を鑑みて発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、窒素を含む非晶質炭素被膜（非晶質窒化炭素被膜）に遷移元素としてＴａ（タンタル）を所定量含有させることにより、大気中において無潤滑状態であっても、窒素ガス中の無潤滑状態と同様に低摩擦係数を発現することができるとの新たな知見を得た。
【０００９】
本発明は、この新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動部材は、基材の表面に、窒素を含有した非晶質炭素被膜が被覆された摺動部材であって、前記非晶質炭素被膜は、１４〜３０原子％のタンタルをさらに含有していることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、上述した如く、窒素を含有した非晶質炭素被膜に、１４〜３０原子％のタンタルをさらに含有することにより、大気中であっても、非晶質炭素被膜の表面から酸素が脱離して、その表面が構造変化を起こし、その表面にグラファイト状の低せん断を有した摩擦生成物が生じたため、低摩擦が発現されたと考えられる。すなわち、タンタルがこのような摩擦生成物を生成するための触媒の如く作用するものと考えられる。
【００１１】
このような結果、本発明に係る摺動部材によれば、大気中において無潤滑状態であっても、窒素ガス中の無潤滑状態と同様に低摩擦係数を発現することができる。ここで、非晶質炭素被膜に含有するタンタルの含有量が、１４原子％未満である場合、摩擦係数の低減に対するタンタルの効果が十分得られないことがある。一方、非晶質炭素被膜に含有するタンタルの含有量が３０質量％を超えた場合には、非晶質炭素被膜の組成がタンタルに近づくため、摩擦係数の低減に対する非晶質炭素（グラファイト）の効果が十分得られないことがある。
【００１２】
さらに、本発明に係る摺動構造は、上述した摺動部材を第１の摺動部材として備え、該第１の摺動部材に摺動する摺動部材を第２の摺動部材として備え、該第１及び第２の摺動部材が大気中において無潤滑状態で摺動することが好ましい。
【００１３】
本発明に係る摺動構造によれば、上述した如く、第１の摺動部材の表面に被覆された非晶質炭素被膜により、たとえ大気中において無潤滑状態で第２の摺動部材と摺動させたとしても、窒素ガス中の無潤滑状態と同様に低摩擦係数を発現することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、大気中において無潤滑状態であっても、窒素ガス中の無潤滑状態と同様に低摩擦係数を発現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る摺動部材の模式的概念図。
【図２】図１に示す摺動部材を含む摺動構造を説明するための図であり、（ａ）は、摺動部材の非晶質炭素被膜の構造変化前の状態を説明するための図、（ｂ）は、摺動部材の非晶質炭素被膜の構造変化後の状態を説明するための図。
【図３】本発明に係る摺動部材の非晶質炭素被膜を成膜するための成膜装置の模式的概念図。
【図４】ボールオンディスク摩擦試験機を説明するための図。
【図５】実施例１、３および比較例１、２、５に摺動部材に係る摩擦試験の結果を示した図。
【図６】実施例１〜３および比較例１〜５に係る摺動部材のタンタルの含有量と、平均摩擦係数の関係を示した図。
【図７】実施例３および比較例１、６、７に係る摩擦試験の結果を示した図。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は、順に、比較例１、比較例２、実施例１、実施例３、および比較例５に係る摺動部材（第１の摺動部材）と摺動する摺動部材（第２の摺動部材）の表面を光学顕微鏡で観察した結果を示した図。
【図９】摩擦試験前後の実施例１および比較例１に係る摺動部材のオージェ電子分光法による非晶質炭素被膜の表面の元素分析結果を示した図。
【図１０】実施例２および比較例１〜５に係る非晶質炭素被膜のＴａ含有量とＮ／Ｃ比との関係を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の実施形態に係る摺動部材を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る摺動部材の模式的概念図である。図２は、図１に示す摺動部材を含む摺動構造を説明するための図であり、（ａ）は、摺動部材の非晶質炭素被膜の構造変化前の状態を説明するための図、（ｂ）は、摺動部材の非晶質炭素被膜の構造変化後の状態を説明するための図である。
【００１７】
本実施形態に係る摺動部材１０は、大気中で無潤滑状態において摺動するに好適な摺動部材であり、基材１１の表面には、窒素を含有した非晶質炭素被膜（非晶質窒化炭素被膜：ＣＮｘ被膜）１２が被覆されている。この非晶質炭素被膜１２には、さらに、１４〜３０原子％のタンタル（Ｔａ）を膜内に均一に含有している。
【００１８】
基材１１の材質としては、摺動時において非晶質炭素被膜１２との密着性を確保することができるような材質、表面硬さ、および表面粗さを有する材料であれば、特に限定されるものではなく、例えば、鋼、鋳鉄、アルミニウム、高分子樹脂、シリコン等の基材などを挙げることができる。
【００１９】
このような摺動部材１０を第１の摺動部材として備え、第１の摺動部材の非晶質炭素被膜１２に摺動する摺動部材を第２の摺動部材２０として備え、該第１及び第２の摺動部材１０，２０を大気中において無潤滑状態で摺動させる。
【００２０】
ここで、摺動時には、第２の摺動部材２０との間に、非晶質炭素被膜１２の材料で構成される移着膜１２ａが形成される。本実施形態では、摺動部材１０の非晶質炭素被膜１２に１４〜３０原子％のタンタルをさらに含有することにより、大気中であっても、非晶質炭素被膜１２の表面から酸素・窒素が脱離して、その表面が構造変化を起こし、その表面にグラファイト状の低せん断を有した移着膜１２ａが生じたため、低摩擦が発現されたと考えられる。すなわち、タンタルがこのような摩擦生成物を生成するための触媒の如く作用するものと考えられる。
【００２１】
このような結果、本発明に係る摺動部材１０によれば、大気中において無潤滑状態であっても、窒素ガス中の無潤滑状態と同様に低摩擦係数を発現することができる。ここで、発明者らの後述する実験から、非晶質炭素被膜１２に含有するタンタルの含有量が、１４原子％未満である場合、摩擦係数の低減に対するタンタルの効果が十分得られないことがある。一方、非晶質炭素被膜１２に含有するタンタルの含有量が３０質量％を超えた場合には、非晶質炭素被膜の組成がタンタルに近づくため、摩擦係数の低減に対する非晶質炭素（グラファイト）の効果が十分得られないことがある。
【００２２】
このような摺動部材１０は、たとえば、上述した基材１１の表面に、窒素イオンビームを照射するとともに、タンタル（Ｔａ）およびカーボンからなるターゲットに電子ビームを照射することにより、タンタルおよびカーボンからなるターゲットの一部を基材１１の表面に蒸着させながら成膜することができる。ここで、非晶質炭素被膜１２内のタンタルの含有量は、ターゲットにおけるカーボンとタンタルの割合を調整することにより、上述した範囲に調整することができる。
【００２３】
なお、本発明および本実施形態では、窒素を含有した非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）１２にさらに、タンタル（Ｔａ）を含有したが、タンタル（Ｔａ）の代わりに、たとえば、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）などの元素が所定の割合、非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）１２にさらに含有した場合も、同様の効果を発現する可能性を有する。
【実施例】
【００２４】
以下の本発明を実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
＜摺動部材の製作＞
窒素を含有した非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）の成膜に、図３に示す成膜装置を用いた。なお、図３に示す成膜装置は、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）を利用した装置である。
【００２５】
まず、基材として、（１００）方位を表面に有するシリコンウエアを準備した。この基材１１とカーボンとタンタルからなるターゲットを真空チャンバ内のステージ９４に配置し、チャンバ内を、２．０〜４．０×１０−３Ｐａとなるように、ターボモレキュラーポンプで、真空チャンバ内の空気を排気し、基材を２６０℃となるように温度調節した。
【００２６】
なお、ターゲットは、カーボンターゲットの表面の一部に、純タンタル箔（５．０ｍｍ×５．０ｍｍ）が被覆されている。ここで、カーボンターゲットの表面に被覆するタンタル箔の面積を調整することにより、窒素を含有した非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）に含有させるタンタルの含有量を調整することができる。
【００２７】
次に、不活性ガス導入部９１からアルゴン（０．５ｓｃｃｍ）と窒素（０．５ｓｃｃｍ）が混合したガスを導入し、プラズマソース部９５において、これらのガスをマイクロ波（１００Ｗ）で電離させ、その外側に配置した電磁石９４の磁場内に閉じ込め、電源９７による電子雪崩によるプラズマ生成を連続的に行った。その後、プラズマ生成部から加速電極板を用いて生成されたプラズマに電圧（２．０ｋＶ）を印加してイオンビーム化した。このアルゴンと窒素の混合イオンビームが、ターゲットＴ（Ｔａ）に衝突することにより、スパッタリングされ、ターゲットの原子および分子（すなわちカーボンとタンタル）が、ターゲットから放出された。この放出された原子および分子を、モータによって回転している基材１１の表面に、１２０分間付着させ、１４原子％のタンタルが含有した厚さ２４０ｎｍの窒素を含有した非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）を成膜した。
【００２８】
（実施例２、３）
実施例１と同じように摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、カーボンターゲットの表面の一部に被覆する純タンタル箔の面積を変更し、窒素を含有した非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）に、実施例２では、タンタルを２０原子％、実施例３では、タンタルを３０原子％含有させた点である。
【００２９】
（比較例１〜５）
実施例１と同じように摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、カーボンターゲットの表面の一部に被覆する純タンタル箔の面積を変更し、窒素を含有した非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）に、比較例１〜５では、タンタルを順次０、５、４０、５０、５８原子％含有させた点である。
【００３０】
（比較例６および７）
実施例１と同じように摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、窒素を含有した非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）の代わりに、窒素を含まない非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）を成膜した（アルゴンのみイオンビームを用いた）点と、さらに、比較例６では、タンタルを０原子％とし、比較例７では、タンタルを３０原子％とした点である。
【００３１】
＜摩擦試験＞
実施例１〜３および比較例１〜７に係る摺動部材に対して摩擦試験をおこなった。これらの摺動部材（ディスク試験片）に摺動する摺動部材（第２の摺動部材）として、ボール試験片（ＪＩＳ規格：ＳＵＪ２）を準備した。
【００３２】
図４に示すボールオンディスク摩擦試験機を用いた。摩耗試験を行う事前準備として、ボール試験片２０をアセトンとエタノールで各１０分間超音波洗浄した。その後、チャンバ内において、ボール試験片２０を試験機の本体から取り外したボールホルダーに固定し、光学顕微鏡（図示せず）を用いてこの表面に傷が無いことを確認後、これらをデシケータ（図示せず）内に投入し、ボール試験片２０を乾燥させた。一方、ディスク試験片１０の表面に形成した非晶質炭素被膜の表面（摺動面）の埃などの異物をハンドブロー（図示せず）で取り除いた。
【００３３】
次に、ディスク試験片である実施例１〜３および比較例１〜７に係る摺動部材１０をディスクホルダー４４に保持させると共に、ボール試験片２０が固定されたボールホルダー３５をステージ３１と一体となるように試験機の本体に取り付けた。平行板ばねに接着したひずみゲージ３３（協和電業製，ＫＦ−１−１２０−Ｃ１−１６）を用いて、ボール試験片２０がディスク試験片１０の非晶質炭素被膜１２の表面に対して付加される荷重の値が８．０Ｎの荷重（ヘルツ平均接触圧力（０．９７ＧＰａ））が付加されるようにステージ３１を調整して、これらを当接させた。なお、ボール試験片２０とディスク試験片１０の接触位置は、この３軸ステージ３１によって決定され、垂直荷重は、ｚ軸を上下させることにより調整した。
【００３４】
そして、乾式下（乾燥摩擦条件下）で、チャンバ内に大気を導入し、モータ４１を駆動してプーリ４２を回転させ、ベルト４３を介して、大気中（無給油・無潤滑状態、湿度８〜１５％、温度２３℃）でディスクホルダー４４のディスク試験片１０を、ボール試験片２０に対して回転半径が２ｍｍ、相対速度（摺動速度）が６２．８ｍ／ｓ（回転数３００ｒｐｍ）となる定速回転条件で回転させた。
【００３５】
このときの摩擦力を、ひずみゲージ３４で測定し、センサインターフェイス（協和電業製，ＰＣＤ−３００Ａ）を介して、コンピュータ内にデータを取り込み、記録した。そして、摩擦係数を換算した。
【００３６】
この結果を図５〜図７および表１に示す。図５は、実施例１、３および比較例１、２、５に摺動部材に係る摩擦試験の結果を示した図である。図６は、実施例１〜３および比較例１〜５に係る摺動部材のタンタルの含有量と、平均摩擦係数の関係を示した図である。図７は、実施例３および比較例１、６、７に係る摩擦試験の結果を示した図である。
【００３７】
（結果１）
図５に示すように、実施例３（タンタル含有量３０原子％）の場合、約８０００サイクルで摩擦係数が０．０１を下回っていた。一方、比較例５（タンタル含有量５８原子％）の場合、１４０００サイクルで膜が摩滅し、摩擦係数が急激に増加した。また、実施例１（タンタル含有量１４原子％）の場合、摩擦係数は徐々に減少し、０．０１程度の摩擦係数となった。
【００３８】
さらに、図６に示すように、タンタルの含有量と、１５０００サイクルにおける平均摩擦係数との関係から、実施例１〜３の如く、１４〜３０原子％のタンタルを、非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）に含有している場合、平均摩擦係数は他の場合に比べて低かった。しかしながら、図７に示すように、窒素を含有してない非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）では、タンタルの含有量に拘らず、実施例よりも摩擦係数が高くなった。
【００３９】
【表１】
2015078406.tif 000003
【００４０】
＜光学顕微鏡観察＞
上述した摩擦試験後のボール試験片２０の表面を光学顕微鏡により観察した。図８（ａ）〜（ｅ）は、順に、比較例１、比較例２、実施例１、実施例３、および比較例５に係る摺動部材（第１の摺動部材）と摺動する摺動部材（第２の摺動部材）の表面を光学顕微鏡で観察した結果を示した図である。
【００４１】
（結果２）
図８（ａ）〜（ｅ）に示すように、実施例１（タンタル含有量１４原子％）および実施例３（タンタル含有量３０原子％）の場合、黒色の移着膜がボール試験片の表面に付着していた。一方、比較例５（タンタル含有量５８原子％）の場合、ボール試験片の表面には黒色の移着膜の付着は見られず、その他の比較例でもその移着膜の付着は、実施例１および３よりも少なかった。
【００４２】
＜オージェ電子分光法（ＡＥＳ）による原子組成分析＞
上述した非晶質炭素被膜の原子組成の変化を明らかにするため、オージェ電子分光法により分析を行った。このオージェ電子分光法は、超高真空中に保持された固体試料に電子ビームを照射し、発生するオージェ電子を検出して、表面の特に高合金鋼の元素分析を行う手法である。固体表面近傍の数ｎｍまでの深さで発生したオージェ電子のみが脱出可能であることから、極表面の分析が可能である。本実施例では、Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ社製オージェ電子分光分析装置を使用して、一次電子の加速電圧５ｋＶ，電流１００ｎｍの条件で、非晶質炭素被膜の表面の元素分析を行った。この結果を図９、図１０および表１に示す。
【００４３】
図９は、摩擦試験前後の実施例１および比較例１に係る摺動部材のオージェ電子分光法による非晶質炭素被膜の表面の元素分析結果を示した図である。なお、図９に示す、運動エネルギーが２６０〜２７０ｅＶは炭素原子、３７０ｅＶ付近は窒素原子、５００ｅＶ付近は酸素原子の存在を示している。
【００４４】
図１０は、実施例２および比較例１〜４に係る非晶質炭素被膜のＴａ含有量とＮ／Ｃ比との関係を示した図である。なお、参考例として、タンタルの含有量が４５原子％における非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）のＮ／Ｃ比を図１０にプロットした。
【００４５】
（結果３および考察）
一般的に、非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）は、摩擦に伴って、窒素原子の存在数が減少しながら摩擦係数が低減すると報告されているが、図９の結果から、比較例１とは異なり、実施例１の場合、摩擦試験後には、非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）の表面から酸素が脱離して、摩擦係数が低減していた。
【００４６】
結果１〜３の結果により、実施例１〜３の非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）の場合には、摺動時に膜表面が構造変化を起こし、グラファイト状の低せん断を有した摩擦生成物（移着膜）が生じたため、比較例１〜７に比べて、低摩擦を発現されたと考えられる。
【００４７】
また、非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）や同膜にＴａを含有させた場合、上記のようにグラファイト状の低せん断を有する摩擦生成物を生じやすくなる理由として、膜中に窒素を含有することで、結晶構造に不安定な部分ができ、その結果、炭素結合周辺の結晶構造が変化しやすくなると考えられる。一方で、窒素を含有しない非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）の場合、Ｔａと炭素でＴａＣという結晶構造の安定した箇所が形成されるため、上述のようなグラファイト状の低せん断を有する摩擦生成物が形成しづらくなり、結果として摩擦係数の低減もＣＮｘ被膜と比較すると見込めないと考えられる。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４９】
１０…摺動部材（第１の摺動部材，ディスク試験片）、１１…基材、１２…非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）、２０：第２の摺動部材（ボール試験片）
【図１】
2015078406.tif 000004
【図２】
2015078406.tif 000005
【図３】
2015078406.tif 000006
【図４】
2015078406.tif 000007
【図５】
2015078406.tif 000008
【図６】
2015078406.tif 000009
【図７】
2015078406.tif 000010
【図８】
2015078406.tif 000011
【図９】
2015078406.tif 000012
【図１０】
2015078406.tif 000013