(57)【要約】 【課題】  本発明は、CVDやPVD等の製膜プロセスを要せず、表面を平滑にするための研磨を要せず、また付加的な加熱プロセスを要さずに、高真空中で高い潤滑特性を発揮し、かつ炭素のみから成る固体潤滑膜を提供することを目的とする。【解決手段】  平均粒径が100ナノメートル未満のダイヤモンド粒子から構成されていることを特徴とする固体潤滑材及び同真空用固体潤滑膜並びに高速のアルゴンガス吹き付け法、溶射法又は揮発性溶媒塗布法により、摩擦面に100ナノメートル未満のダイヤモンド粒子を主成分とする堆積膜を形成することを特徴とする真空用固体潤滑膜の製造方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径が100ナノメートル未満のダイヤモンド粒子から構成される粉体が摩擦面に塗布されていることを特徴とする真空用固体潤滑膜。
【請求項２】
99〜1wt％のダイヤモンドと1〜99wt％のオニオン構造炭素を組成とする平均粒径が100ナノメートル未満の粒子から構成される粉体が摩擦面に塗布されていることを特徴とする真空用固体潤滑膜。
【請求項３】
機械的に粉砕された単結晶ダイヤモンド又はダイヤモンド凝集体であることを特徴とする請求項１又は２記載の真空用固体潤滑膜。
【請求項４】
摩擦面に常温で高速吹付した堆積膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空用固体潤滑膜。
【請求項５】
高速のアルゴンガス吹き付け法、溶射法又は揮発性溶媒塗布法により、摩擦面に100ナノメートル未満のダイヤモンド粒子を主成分とする堆積膜を形成することを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の真空用固体潤滑膜の製造方法。
【請求項６】
真空中で使用される機器の摺動面の一方又は双方に、平均粒径が100ナノメートル未満のダイヤモンド粒子からなる固体潤滑膜を備えていることを特徴とする真空機器。
【請求項７】
真空中で使用される機器の摺動面の一方又は双方に、99〜1wt％のダイヤモンドと1〜99wt％のオニオン構造炭素を組成とする平均粒径が100ナノメートル未満の粒子からなる固体潤滑膜を備えていることを特徴とする真空機器。
【請求項８】
機械的に粉砕された単結晶ダイヤモンド又はダイヤモンド凝集体であることを特徴とする請求項６又は７記載の真空機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空中で利用する炭素系固体潤滑膜及び真空用炭素系固体潤滑膜の製造方法並びに真空機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造機器や宇宙機器など、真空中の可動部分を持つ機器において、真空可動部の潤滑技術は、製品の高精度化や機器の高耐久化・高信頼化にとって極めて重要である。
真空中の潤滑には、潤滑油やグリースなどの液体による潤滑ではなく、蒸気圧の低い固体膜を用いた潤滑が一般に行われている。
【０００３】
近年、真空用として最も一般的に用いられている固体潤滑膜は、二硫化モリブデン（MoS2）や二硫化タングステン（WS2）をはじめとする層状化合物を、単体あるいは複合物質として薄膜状あるいはバルク層状に形成したものである。
しかし、MoS2やWS2は重金属化合物であるため、生体に与える負荷が大きい。従って、例えば食品や医薬品の製造プロセスへの適用には制限が生じるという欠点がある。
また、生活環境の保全の観点から、MoS2やWS2などの重金属化合物の産業利用には制限を設けることが社会的要請となっている。
従って、今後の真空機器の性能向を計る上で、真空中で優れた潤滑特性を有し、かつ生体や生活環境に対する負荷が小さい固体潤滑膜の開発が求められているのである。
【０００４】
炭素は、固体潤滑剤としての機能を有し、かつ生体や生活環境に対する負荷の小さい物質として有望である。
例えば、層状炭素であるグラファイトは、大気中で有効な固体潤滑剤として古くから用いられてきた。しかしグラファイトは、MoS2やWS2と異なり、真空中でその潤滑機能が失われるという欠点があるため、グラファイトやこれを含む固体潤滑膜は真空環境の用途に供せない。
【０００５】
化学蒸着（CVD）や物理蒸着（PVD）によって得られるダイヤモンド膜は固体潤滑膜として機能することが知られている。しかし、そのためには表面を研磨して平滑な表面を作る必要がある。そのため平面以外での用途は困難、あるいは不可能という欠点がある。
CVDやPVDを用いて、結晶粒をナノレベルに小さくすることで、研磨なしで平滑な表面のダイヤモンド膜を得ることができる。
しかしそのためには、ダイヤモンド膜の成長条件をきわめて精密に制御しなくては成らないという欠点がある。
【０００６】
また、一般に、CVDやPVDは製膜時に基材の高温加熱が必要であるため、基材物質の選定に制限が生じるとともに、成膜後に発生する膜の内部応力によって、潤滑膜が基材から剥離しやすいという欠点がある。
更に、平滑なダイヤモンド膜を形成しても、真空中では、ダイヤモンド表面と摩擦相手材の化学的結合力が増大し、摩擦係数が顕著に増大する場合があるという欠点がある。
【０００７】
CVDやPVDによって作られるダイヤモンドライクカーボン膜は、膜中の水素含有量を増やすことで、真空中で摩擦係数0.01程度の低摩擦が得られることが報告されている。
しかし、ダイヤモンド膜と同様に、基材の高温加熱が必要であるため、基材物質の選定に制限が生じるとともに、膜の内部応力によって潤滑膜の剥離が生じやすいという欠点がある。
【０００８】
爆薬の爆轟生成物から抽出される直径5〜10ナノメートルのナノダイヤモンド粉体を1730°Cに加熱して得られるオニオン構造炭素粒子からなる粉末は、真空中で高い潤滑特性を示すことが報告されている。
しかし、オニオン構造炭素を得るために、ナノダイヤモンドの高温加熱という付加的プロセスを要するという欠点がある。またオニオン構造炭素粉末から潤滑膜を形成する方法については明らかでない。
ダイヤモンドと焼結体、オイル、グリース等の潤滑油（剤）、塗料、防錆剤、めっき金属、樹脂等とを複合させて使用することがいくつか提案されている（特許文献１〜１１）。しかし、これらは真空中で劣化を起こし、真空機器に使用する材料としては適当でない。また、焼結体にダイヤモンドが埋め込まれるものについては、ダイヤモンドと焼結体が接触する部分が出てくるので、他の潤滑剤を併用しなければ、それ自体で潤滑性の十分な機能を持つことはできないという問題がある。
【特許文献１】特開２００２−３６３６１６号公報
【特許文献２】特開２００２−２６５９６８号公報
【特許文献３】特開２００１−１４６５９９号公報
【特許文献４】特開平５−５１５８８号公報
【特許文献５】特開２００１−１２３１９２号公報
【特許文献６】特開平５−１７１１６９号公報
【特許文献７】特開平５−１４０４７８号公報
【特許文献８】特開２００２−１８０２９７号公報
【特許文献９】特開平５−１５６３０４号公報
【特許文献１０】特開２００１−６２６８３号公報
【特許文献１１】特開２００３−３１３５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、CVDやPVD等の製膜プロセスを要せず、表面を平滑にするための研磨を要せず、また付加的な加熱プロセスを要さずに、高真空中で高い潤滑特性を発揮し、かつ炭素のみから成る固体潤滑材及び真空用固体潤滑膜並びにその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、平均粒径が100ナノメートル以下のダイヤモンドを含む粒子から構成される粉体を摩擦面に塗布することで、高真空中で高い潤滑特性を発揮する固体潤滑膜が形成されることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、１）平均粒径が100ナノメートル未満のダイヤモンド粒子から構成される粉体が摩擦面に塗布されていることを特徴とする真空用固体潤滑膜、２）99〜1wt％のダイヤモンドと1〜99wt％のオニオン構造炭素を組成とする平均粒径が100ナノメートル未満の粒子から構成される粉体が摩擦面に塗布されていることを特徴とする真空用固体潤滑膜、３）機械的に粉砕された単結晶ダイヤモンド又はダイヤモンド凝集体であることを特徴とする１）又は２）記載の真空用固体潤滑膜、４）摩擦面に常温で高速吹付した堆積膜であることを特徴とする１）〜３）のいずれかに記載の真空用固体潤滑膜、５）高速のアルゴンガス粉末吹き付け法、溶射法又は揮発性溶媒塗布法により、摩擦面に100ナノメートル未満のダイヤモンド粒子を主成分とする堆積膜を形成することを特徴とする１）〜４）のいずれかに記載の真空用固体潤滑膜の製造方法、６）真空中で使用される機器の摺動面の一方又は双方に、平均粒径が100ナノメートル未満のダイヤモンド粒子からなる固体潤滑膜を備えていることを特徴とする真空機器、７）真空中で使用される機器の摺動面の一方又は双方に、99〜1wt％のダイヤモンドと1〜99wt％のオニオン構造炭素を組成とする平均粒径が100ナノメートル未満の粒子からなる固体潤滑膜を備えていることを特徴とする真空機器、８）機械的に粉砕された単結晶ダイヤモンド又はダイヤモンド凝集体であることを特徴とする６又は７記載の真空機器、を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
CVDやPVD等の製膜プロセスを要せず、表面を平滑にするための研磨を要せず、また付加的な加熱プロセスを要せずに、高真空中で高い潤滑特性を発揮し、かつ炭素のみから成る固体潤滑材を提供することができるので、生体や生活環境に対する負荷も小さいという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の固体潤滑材、特に真空用固体潤滑膜に用いる粒径100ナノメートル未満の粒子とは、例えば1)爆薬の爆轟生成物から抽出される直径5〜10ナノメートルのナノダイヤモンド粒子単体、2)このナノダイヤモンド粒子の凝集体、3)99〜1wt%のナノダイヤモンド粒子と1〜99wt%のオニオン構造炭素を組成とする平均直径100ナノメートル未満の凝集体、3)100ナノメートル以上の粒径の単結晶あるいは多結晶ダイヤモンド粒子を機械的粉砕やその他任意の物理・化学的プロセスによって100ナノメートル未満に小型化して得られる粒子のどれであってもよい。
特に、粒径等が本発明に適合するものであれば、ダイヤモンド粒子若しくはその凝集体の製造方法は、特に制限されない。ダイヤモンド粒子とオニオン構造炭素粒子は、上記の組成範囲で任意に配合することができる。
本発明においては、ダイヤモンド粒子とオニオン構造炭素粒子以外の物質、例えば、オイル、グリース等の潤滑油（剤）、塗料、防錆剤、めっき金属、樹脂等とを複合させて使用するものではなく、また焼結体への混合使用又は焼結体の空孔を利用して分散使用を行うものではない。すなわち、真空機器の摺動摩擦面に直接使用するものである。
【００１３】
また、オニオン構造炭素は、その平均粒径が100ナノメートル未満であれば、その生成方法に関する制限はない。摩擦面への塗布方法は、プラズマ溶射、ガスによる吹き付け法、粉末を分散させた揮発性液体を摩擦面に塗布し乾燥するなどの方法を用いることができる。
塗布時の温度に特に制限はないが、通常常温（１５°Ｃ〜３５°Ｃ程度）で行うことができる。プラズマ溶射では、温度はある程度上昇するが、これはダイヤモンドの膜を形成時には、特に支障のない温度である。
プラズマ種、ガス種あるいは揮発性溶媒に、特に制限はない。また、塗布された粉末と摩擦面との接着強度や粉末粒子間の結合強度に関しての制限はない。
摩擦面と摩擦相手材もステンレスや銅などの金属、セラミックス、ガラス、プラスチックなどがあり、広範囲の材料に使用することができる。真空中で使用されるものを対象とし、その材料の選択に特に制限はない。
真空中で使用される機器の摺動面の一方に、本発明の固体潤滑膜を形成しても良いが、双方の機器の摺動面に、本発明の固体潤滑膜を形成しても良い。
【００１４】
塗布法としてガス吹き付け法を用いた場合の、真空用炭素系固体潤滑膜の製造方法の一例を図１(a)〜(c)に示す。
まず、図１(a) に示すように、摩擦面１を大気中または減圧雰囲気中に設置し、ナノダイヤモンド凝集体からなる原料粉体２と加圧ガス３を封入した容器４を摩擦面近傍に設置する。
次に、図１(b)に示すように、バルブ５を開き、ガスと原料粉体を高速にノズル６から噴射して、摩擦面に吹き付けると、摩擦面に原料粉体の堆積膜７が生成する。
摩擦相手材８を摩擦面上の堆積膜７に接触させて摩擦を行うと、膜７を構成するダイヤモンド粒子間が圧縮され、緻密な膜９が摩擦面と摩擦相手材の間に形成される（図１(c)）。
【００１５】
摩擦相手材と摩擦面間の押し付け荷重、すべり速度、および摩擦面や摩擦相手材の表面粗さを適切に選ぶと、膜９は摩擦面と摩擦相手材の間で安定して存在し、真空用炭素系固体潤滑膜として機能する。
すなわち、CVDやPVD等の製膜プロセスを要せず、表面を平滑にするための研磨を要せず、また付加的な加熱プロセスを要さずに、高真空中で高い潤滑特性を発揮し、かつ炭素のみから成る固体潤滑膜が製造される。
以上については、ガス吹き付け法を塗布法として用いた場合の例を示したが、粉末を分散させた揮発性液体を摩擦面に塗布し乾燥するなどの方法でも同様の結果が得られる。
また、プラズマ溶射を塗布法として用いた場合は、99〜1％のダイヤモンドと1〜99％のオニオン構造炭素を組成とする平均粒径が100ナノメートル未満の粒子から構成される真空用固体潤滑膜の製造に特に有効である。
【実施例】
【００１６】
本発明の実施例を具体的に説明する。なお、以下に示す実施例又は比較例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこれらの実施例又は比較例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲内での変形、他の実施態様又は実施例は、全て本発明に含まれるものである。
【００１７】
原料として、機械的粉砕法によって作られた平均粒径50、100、200ナノメートルの単結晶ダイヤモンド粒子からなる粉体と、平均粒径75ナノメートルのナノダイヤモンド凝集体からなる粉末の４種類を用いる。100ナノメートル,200ナノメートルのダイヤモンド粒子はいずれも比較例である。
これらを、図１(a)に示す装置を用いて、アルゴンガス吹き付け法により15ｍｍ×15ｍｍのSUS304表面に、原料粉体の堆積膜を作成した（図1(b)の７）。  
次に、図１(c)に示すように、摩擦相手材として直径4.75mmの炭化ケイ素（SiC）焼結体ボールを原料粉体の体積膜上に接触させ、荷重0.5ニュートン、すべり速度3.5mm/sにて、直径約6mmの円を描いて摩擦させた。
【００１８】
図２(a)は、原料粉体の体積膜上にできた摩擦痕の拡大SEM写真である。矢印はSiCボールのすべり方向を示す。４種類の粉体から作られた堆積膜は全て、SiCボールの摩擦によってもSUS304から剥離せず、白く見える摩擦痕、すなわち図1(c)の9に相当する圧縮された緻密膜が形成された。
【００１９】
図２(b)の右図は、平均粒径50ナノメートルのダイヤモンド粉体が堆積したままの膜（図1(a)の７に相当）の表面のSEM写真であり、図２(b)の左図は、その圧縮された緻密膜（図1(c)の９に相当）の表面SEM写真である。
圧縮された緻密膜の表面は、粒子が高密度に集合した平滑な面になっていることがわかる。
同様に、図２(c)、(d)および(e)は、それぞれ平均粒径75ナノメートルのナノダイヤモンド凝集体からなる粉末、平均粒径100および200ナノメートルの単結晶ダイヤモンド粒子からなる粉体から得られた、粒子が堆積したままの膜（右）と圧縮された緻密膜（左）の表面SEM写真である。
【００２０】
図２(c)の平均粒径75ナノメートルのナノダイヤモンド凝集体からなる粉末の場合、圧縮された緻密膜の表面の平滑性は、図２(ｂ)の平均粒径50ナノメートルのダイヤモンド粉体の場合とほぼ同等であるが、粒子の平均粒径が大きくなる図２(d)、(e)の場合には、圧縮された緻密膜表面の平滑性が失われていく傾向がわかる。
図３(a)と(b)は、実験で観測された大気中と真空中（＜10-3Pa）での摩擦係数とSiCボールの磨耗率を、平均粒径の関数として示したものである。
図３(a)の摩擦係数を見ると、真空中において、平均粒径50ナノメートルのダイヤモンド、75ナノメートルのナノダイヤモンド凝集体、および平均粒径100ナノメートルのダイヤモンドは、固体潤滑材として十分に利用しうる、0.1以下の低い摩擦係数を示すことがわかる。
【００２１】
一方、図３(b)のSiCボールの磨耗率を見ると、真空中での平均粒径50ナノメートルのダイヤモンド、75ナノメートルのナノダイヤモンド凝集体は、固体潤滑膜を形成しないで直接SUS304表面をSiCボールで摩擦した場合のSiCボールの磨耗率と同等か、それ以下の値を与えた。
なお、図３(b)の矢印は、図中のデータ点が、計測誤差によって過大評価しており、実際にはそれより小さな値をとることを示している。
【００２２】
以上から、平均粒径50ナノメートルのダイヤモンド、平均粒径100ナノメートルのダイヤモンド、75ナノメートルのナノダイヤモンド凝集体の、３種類の粉末から形成された膜は、摩擦係数と磨耗率の両方の観点から、真空中で優れた固体潤滑特性を示すが、100ナノメートル以上の平均粒径の粉体では、磨耗率が大きく、潤滑材よりも研磨材の特性が顕著になることがわかった。
したがって、平均粒径が100ナノメートル未満のダイヤモンド粒子から構成される粉体を摩擦面に塗布することが、真空用固体潤滑膜を得る上で重要であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明によれば、CVDやPVD等の製膜プロセスを要せず、表面を平滑にするための研磨を要せず、また付加的な加熱プロセスを要せずに、高真空中で高い潤滑特性を発揮し、かつ炭素のみから成る固体潤滑膜を提供することができるので、生体や生活環境に対する負荷も小さいという優れた効果を有し、半導体製造機器や宇宙機器など、特に真空中の可動部分を持つ機器に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の１例を示すガス吹き付けによる真空用炭素系固体潤滑膜の製造方法の説明図である。
【図２】種々の平均粒径を持つダイヤモンド粉体の堆積膜と、SiCボールの摩擦によって形成された、圧縮された緻密膜の表面SEM写真である。
【図３】大気中と真空中（＜10-3Pa）での摩擦係数とSiCボールの磨耗率を、平均粒径の関数として示したものである。
【符号の説明】
【００２５】
１  摩擦面
２  原料粉体
３  加圧ガス
４  容器
５  バルブ
６  ノズル
７  原料粉体の堆積膜
８  摩擦相手材
９  圧縮された緻密膜
【図１】
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【図２】
2005350584.tif 000004
【図３】
2005350584.tif 000005