(57)【要約】【課題】摺動部材の基材表面に、高い摩擦係数と優れた耐摩耗性とを具備する皮膜を表面処理により形成する。【解決手段】アーク式イオンプレーティング装置の真空槽内に、反応ガスを一定間隔で導入し、基材１の表面に、金属の層３と前記金属の窒化物、炭化物または炭窒化物からなる化合物層４とを交互に積層し、金属層３を形成する際、アークポイントから飛散する金属のドロップレット５を皮膜２中に分散させ、前記ドロップレット５を、相手材との凝着粒子として機能させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に、アーク式イオンプレーティング法により、金属の層と前記金属の化合物の層とを交互に積層してなる皮膜を形成し、前記皮膜中に、前記金属のドロップレットを分散させたことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
化合物が、窒化物、炭化物および炭窒化物のうちの１種であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
金属が、周期律表のＩＶａ，Ｖａ．ＶＩａ属から選択された１種であることを特徴とする請求項２に記載の摺動部材。
【請求項４】
金属をターゲットとしてアーク式イオンプレーティング法により基材表面に成膜を行う際、真空槽内に反応ガスを一定間隔で導入することを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項５】
反応ガスを導入する間隔を調整して、ドロップレット量を制御することを特徴とする請求項４に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項６】
前処理として、同じ真空槽内でイオンエッチング処理を行うことを特徴とする請求項４または５に記載の摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面処理を施した摺動部材、特に高い摩擦係数と優れた耐摩耗性とが要求される用途に向けて好適な摺動部材と該摺動部材の製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い摩擦係数と優れた耐摩耗性とが要求される摺動部材としては、例えばディスクブレーキ用ディスクロータやクラッチのクラッチディスクがある。
ところで従来、摩擦係数を高めるには、アブレッシブ摩耗を利用する方策が一般に採用されており、上記したディスクロータやクラッチディスクについても、金属母相中に硬質のセラミックス粒子を分散させた複合材料の使用が種々検討されている（例えば、特許文献１、特許文献２等参照）。
【０００３】
一方、耐摩耗性の向上を目的に、基材の表面に、スパッタリング法やイオンプレーティング法等の物理蒸着法（ＰＶＤ法）により耐摩耗性皮膜を形成することが、従来より広く行われている。例えば、特許文献３には、基材の表面に、ＰＶＤ法により金属層と窒化物、炭化物または酸化物の層とを交互に積層形成したものが、特許文献４には、金属層と周期律表のＩＶａ，Ｖａ．ＶＩａ属から選択された金属の窒化物、炭化物または酸化物の層とを交互に積層形成したものが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−４７９４５号公報
【特許文献２】
特開平７−８３２５５号公報
【特許文献３】
特開平２−１７５８５９号公報
【特許文献４】
特開２００１−２３９６０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１および２に記載されるような複合材料の使用によれば、アブレッシブ摩耗により相手攻撃性が大きくなるため、摺動部材としての耐久性の面で問題があり、その上、成形性や機械加工性の悪化による製造コストの上昇が避けられない、という問題があった。なお、特許文献２に記載のものでは、相手材との摺動面のみに複合材料を配置するようにしているが、この場合は、複合材料と基材との接合に面倒な処理（鋳造法、溶射法等）が必要になり、新たなコスト負担が生じる。
一方、上記特許文献３および４に記載されるように金属の層と化合物の層とを交互に積層形成した摺動部材によれば、金属の層が相手材に凝着することで、高摩擦係数化が期待されるが、実際の使用においては、微小な凝着が発生すると、すぐに焼付きに発展し、摺動部材としての耐久性に大きな問題が残る。
【０００６】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、高い摩擦係数と優れた耐摩耗性とを具備する皮膜を表面処理により形成することを可能にし、もって耐久性の向上とコスト低減とに大きく寄与する摺動部材を提供し、併せてこの摺動部材を容易かつ安定して製造できる製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る摺動部材は、基材の表面に、アーク式イオンプレーティング法により、金属の層と前記金属の化合物の層とを交互に積層してなる皮膜を形成し、前記皮膜中に、前記金属のドロップレットを分散させたことを特徴とする。
上記ドロップレットは、金属の未溶融粗大粒子であり、アーク式イオンプレーティング法の実施に付随して発生する。そして従来は、このドロップレットが皮膜の表面粗さを悪化させる原因となるため、できるだけドロップレットを発生させないようにイオンプレーティング条件を設定していた。本発明に係る摺動部材は、このドロップレットを積極的に利用したもので、本摺動部材においては、皮膜中に分散しているドロップレットが相手材との凝着粒子として機能し、高い摩擦係数が得られるようになる。この場合、ドロップレットの周辺には金属の化合物の層が存在するので、相手材との凝着が焼付きまで発展することはない。しかも、化合物の層の存在により、耐摩耗性も十分となる。
本摺動部材において、上記化合物の種類は任意であるが、窒化物、炭化物および炭窒化物のうちの１種である構成とすることができる。また、上記金属の種類も任意であるが、前記した窒化物、炭化物、炭窒化物等の層を形成する場合は、窒化物または炭化物を形成し易い金属を選択するのが望ましい。このような金属としては、周期律表のＩＶａ，Ｖａ．ＶＩａ属に属するＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ等がある。
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明に係る摺動部材の製造方法は、金属をターゲットとしてアーク式イオンプレーティング法により基材表面に成膜を行う際、真空槽内に反応ガスを一定間隔で導入することを特徴とする。
このように真空槽内に反応ガスを一定間隔で導入することにより、その非導入時には金属の層が、その導入時には金属の化合物の層が形成され、金属の層と化合物の層とを交互に積層しかつドロップレットを分散させた皮膜を有する摺動部材を簡単に得ることができる。
本発明の製造方法において、上記ドロップレットの量を制御する方法は任意であるが、反応ガスを導入する間隔を調整することにより、ドロップレット量を簡単に制御することができる。
また、本発明の製造方法は、前処理として、同じ真空槽内でイオンエッチング処理を行うようにしてもよく、これにより基材表面が洗浄され、基材に対する皮膜の密着性が向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて説明する。
図１は、本発明に係る摺動部材の１つの実施の形態を示したものである。同図において、１は基材、２は、基材１の表面に後述のアーク式イオンプレーティング法により積層形成された皮膜である。皮膜２は、交互に積層された金属の層（金属層）３とその金属の化合物の層（化合物層）４との内部に、前記金属のドロップレット５を分散させた組織となっている。
【００１０】
本実施の形態において、上記基材１の種類は任意であり、鉄系材料であっても、非鉄系材料であってもよい。
また、上記金属層３を構成する金属としては、周期律表のＩＶａ，Ｖａ．ＶＩａ属に属する金属の１つが選択され、また上記化合物層４を構成する化合物は、前記選択した金属の窒化物、炭化物または炭窒化物からなっている。例えば、金属としてＴｉを選択した場合、その窒化物、炭化物、炭窒化物はそれぞれＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮとなる。
【００１１】
上記ドロップレット５は、アーク式イオンプレーティング法により金属層３を成膜する際、ターゲット（蒸発源）である純金属から飛び出した未溶融粗大粒子であり、金属層３に取込まれた状態（捕捉された状態）で基材１の表面に堆積する。
上記金属層３および化合物層４の膜厚は任意であるが、金属層３は、ドロップレット５を捕捉できる範囲内でできるだだけ薄く形成し、化合物層４は、ドロップレット５を埋没させない範囲内でできるだけ厚く形成する。また、皮膜２の全膜厚や金属層３と化合物層４との積層数は、用途（使用条件）に応じて適宜大きさおよび数とするが、一例として皮膜２の全膜厚は、１〜１０μｍ、全積層数は、１０層程度が選択される。
【００１２】
上記のように構成した摺動部材は、相手材と摩擦接触した際、その皮膜２中に分散しているドロップレット５が相手材に凝着し、これにより高い摩擦係数が得られるようになる。この場合、ドロップレット５の周辺には硬質の化合物層４が存在するので、相手材との凝着が焼付きまで発展することはない。しかも、化合物層４の化合物として、窒化物、炭化物、炭窒化物を選択した場合は、耐摩耗性も十分となる。
【００１３】
図２は、上記した皮膜２を基材１の表面に形成するためのアーク式イオンプレーティング装置の１つの実施の形態を示したものである。同図において、１０は真空槽であり、この真空槽１０内の一端側には、蒸発源である金属ターゲット１１を支持する陰極ホルダ１２が配置されている。また、この真空槽１０内の一端側には、金属ターゲット１１との間にアーク放電１３を発生する陽極１４が配設されており、陰極ホルダ１２と陽極１４とはアーク放電用電源１５に接続されている。
【００１４】
一方、真空槽１０内の他端側には、上記した基材１の多数を周面に支持する基材ホルダ１６が配設されている。この基材ホルダ１６は、駆動手段１７によりその軸線回りに回転駆動されるようになっており、これには、各基材１に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源１８が接続されている。
【００１５】
真空槽１０には、反応ガスを導入するためのガス導入口１９と真空槽１０内を排気するための排気口２０とが設けられており、ガス導入口１９は窒素ガス、メタンガス等のガス源に、排気口２０は真空ポンプにそれぞれ配管接続されている。なお、陰極ホルダ１２の背面側には、イオン化を促進するための磁石２１が配置されている。また、基材ホルダ１６には基材１を加熱するための加熱手段が内蔵されている。
【００１６】
本摺動部材を製造するには、金属ターゲット１１を陰極ホルダ１２に、基材１を基材ホルダ１７にそれぞれセットした後、真空槽１０内を所定の真空度となるまで真空排気する。そして先ず、反応ガスの導入を遮断した状態で、直流電源１５から陰極ホルダ１２と陽極１４とに所定の電流（アーク電流）を流す。すると、金属ターゲット１１と陽極１４との間にアーク放電１３が発生し、このアーク放電１３により金属ターゲット１１が局部的に加熱溶融され、いわゆるアークスポットＳから金属Ｍが蒸発（昇華）し、金属ターゲット１１と基材ホルダ１７との間に金属イオンＭ＋を含むプラズマＰが形成される。このとき、基材ホルダ１７上の基材１には負のバイアス電圧が印加されており、前記プラズマＰ中の金属イオンＭ＋は基材１側に引込まれ、これにより基材１の表面には、上記した第１層目の金属層３（図１）が形成される。
一方、上記アークスポットＳからは、金属の未溶融粗大粒子であるドロップレット５も飛び出し、このドロップレット５も基材１側へ飛散し、金属層３に捕捉された状態で基材１の表面に堆積する。
【００１７】
そして、金属層３が所定厚さに形成されるタイミングで、ガス導入口１９から真空槽１０内に窒素、メタン等の反応ガスを導入する。このとき、排気口２０からの真空排気を継続すると共に、ガス源からのガス流量を調整して真空槽１０内を所定のガス圧に設定する。この真空槽１０内への反応ガスの導入により、金属イオンＭ＋と反応ガスとの間で化学反応が起こり、反応ガスが窒素の場合には窒化物が、反応ガスがメタンの場合には炭化物が、反応ガスが窒素とメタンとの混合ガスの場合は炭窒化物がそれぞれ生成する。これら生成した窒化物、炭化物または炭窒化物は、先に基材１の表面に形成されていた金属層３上に堆積し、これにより上記した化合物層４（図１）が積層形成される。このとき、該金属層３に捕捉されていたドロップレット５の大部分が化合物層４に埋込まれる。
【００１８】
一方、真空槽１０内への反応ガスの導入により、金属ターゲット１１の表面にも窒化物や炭化物の膜が形成され、この膜によりアークスポットＳの融点が高くなり、アークポットＳが小さくなる。すると、このアークスポットＳから飛び出すドロップレット４は、そのサイズが著しく小さくなると共に、その発生量も極めて少なくなり、これにより化合物層４中のドロップレット４は無視できる存在となる。
その後は、上記した真空槽１０内への反応ガスの導入を遮断して、２層目の金属層３を形成し、以降、真空槽１０内への反応ガスの導入を一定間隔で繰返す。これにより、基材１の表面には、図１に示したように、金属層３と化合物層４とを交互に必要数だけ積層した皮膜２が形成され、これにて摺動部材の製造は完了する。
【００１９】
ここで、上記したアーク式イオンプレーティング法の実施に際しては、事前にイオンエッチング処理を行って基材１の表面を洗浄するのが望ましい。このイオンエッチング処理は、上記した金属ターゲット１１と陽極１４との間に、高アーク電流を加えることにより実施可能であり、この場合は、金属ターゲット１１の表面から飛び出した金属イオンＭ＋により基材１の表面が洗浄され、酸化物が除去される。このイオンエッチング処理に際しても、ドロップレットが発生し、金属イオンと一緒に基材ホルダ１７上の基材１に引き込まれる。この結果、基材１の表面には、図３に示すようにドロップレット５´が分散する薄い金属層３´が形成される。なお、このドロップレット５´を含む金属層３´は、図１に示した１層目の金属層３およびドロップレット５の代替として用いるようにしてもよい。
【００２０】
なお、上記実施の形態においては、金属層３の金属として、周期律表のＩＶａ，Ｖａ．ＶＩａ属に属する金属を選択し、化合物層４として、前記選択した金属の窒化物、炭化物、炭窒化物の層としたが、前記金属としては周期律表のＩＶａ，Ｖａ．ＶＩａ属以外の金属Ａｌ，Ｓｉ，Ｆｅ等を選択してもよく、また、前記化合物層としては酸化物の層としてもよい。
【００２１】
【実施例】
上記基材１としてＳＣＭ１５の浸炭材からなる円板を用いて、その表面を鏡面に仕上げ、一方、上記金属ターゲット１１の金属としてＴｉを選定した。そして、図２に示したアーク式イオンプレーティング装置を用いて、表１に示す条件で真空排気、予熱、前処理（イオンエッチング）、成膜を順に行い、図３に示したものと同様に金属層（Ｔｉ層）３と化合物層（ＴｉＮ層）４とを交互に積層してなる皮膜２を約３μｍ厚さに有する摺動部材（本発明試料）を製作した。この場合、イオンエッチング処理により最下層に、ドロップレット５´を含む金属層３´が形成されることは前記したとおりである。なお、窒素導入時間を２０分と３０分の２通りに設定したのは、皮膜２中のドロップレット５の量（数）を変化させるためである。以下、窒素導入時間を２０分に設定して製作した試料を本発明試料１、窒素導入時間を３０分に設定して製作した試料を本発明試料２としてそれぞれ表記することとする。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
また、比較のため、上記実施例と同じ条件で真空排気、予熱および前処理を行った後、窒素を連続に導入しながら成膜を行って、図４（Ａ）に示すように、ＴｉＮ層４のみの皮膜２Ａを形成した比較試料１を製作した。また、窒素導入を完全に遮断して成膜を行って、図４（Ｂ）に示すように、ドロップレット５を含むＴｉ層３のみの皮膜２Ｂを形成した比較試料２を製作した。なお、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す比較試料１、２においても、イオンエッチング処理により最下層に、ドロップレット５´を含む金属層３´が形成される。また、これら比較試料１、２の製作に際しては、約３μｍの厚さの皮膜２Ａ、２Ｂが形成されるように各成膜時間を設定した。
【００２４】
上記のように製作した本発明試料１，２および比較試料１，２について、顕微鏡観察によりドロップレット５の大きさの測定試験を行った結果、各試料とも、ドロップレット５の大きさは、約５〜１０μｍの範囲にあり、高さ（厚さ）は約１μｍであった。
また、本発明試料１，２および比較試料１，２について、粗さ計によりドロップレット５の数の測定試験を行った結果、長さ２０ｍｍ当りの数は、本発明試料１が５０個、本発明試料２が７５個、比較試料１が０個、比較試料２が５０個であった。本発明試料１と２との比較より、窒素導入時間を長くするほど、ドロップレット５の数が増加することは明らかである。。
【００２５】
次に、上記のように製作した本発明試料１，２および比較試料１，２について摩擦試験を行い、摩擦係数を求めた。摩擦試験は、図５に示すように、円板試料３０の被膜面（摺動面）３０ａに、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉ系合金製（Ｈｖ１５０）で先端アール（Ｒ）が２ｍｍのピン３１を４．９Ｎの荷重で押付け、無潤滑、室温のもと、２ｍｍ／秒の速度で距離１０ｍｍの範囲を５００往復摺動させる条件で行った。結果を図６に示す。
【００２６】
図６に示す結果より、ＴｉＮ層４のみの皮膜２Ａを形成した比較試料１に対し、ＴｉＮ層４中にドロップレット５を適当量分散させた本発明試料１および２は、摩擦係数が高くなっており、ドロップレットの存在が、高摩擦係数を確保する上で極めて有効であることが確認できた。また、本発明試料１と本発明試料２との比較より、ドロップレット数の多い本発明試料２の方がドロップレット数の少ない本発明試料１よりも摩擦係数が高くなっており、摩擦係数を高くする点だけを考慮すれば、ドロップレットの数を増やすことが有利といえる。ただし、ドロプレット数の増加と相対に、ＴｉＮ４の面積率が減じて耐摩耗性が低下するので、摩擦係数と耐摩耗性とを考慮して、ドロップレット４の生成量を適当に制御する必要がある。一方。Ｔｉ層３のみの皮膜２Ｂを形成した比較試料２は、摩擦係数が最も高くなっているが、比較的短時間（摺動回数２００回）で焼付きが発生し、耐久性の面で問題がある。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る摺動部材によれば、皮膜中に分散させた金属のドロップレットが相手材に対する凝着粒子として機能するので、焼付きを抑えながら高い摩擦係数を確保することができ、金属の化合物層により優れた耐摩耗性を確保できることと相俟って、耐久性は十分となる。また、アーク式イオンプレーティング法により成膜を行うので、複合材材化する場合に比べてコスト低減を達成できる。
また、本発明に係る摺動部材の製造方法によれば、金属をターゲットとしてアーク式イオンプレーティング法により基材表面に成膜を行う際、真空槽内に反応ガスを一定間隔で導入するだけなので、金属の層と該金属の化合物の層とを交互に積層しかつドロップレットを分散させた皮膜を有する摺動部材を容易にかつ安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る摺動部材の表層部の組織を模式的に示す断面図である。
【図２】本摺動部材を得るためのアーク式イオンプレーティング装置の構造と皮膜形成の原理とを示す模式図である。
【図３】前処理としたイオンエッチング処理を行った場合の表層部の組織を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施例で製作した比較試料の表層部の組織を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施例で行った摩擦試験の方法を模式的に示す斜視図である。
【図６】本発明の実施例で行った摩擦試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１    基材
２    皮膜
３    金属層
４    化合物層
５    ドロップレット
１０  アーク式イオンプレーティング装置の真空槽
【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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