(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被膜が被覆された摺動部材において、ビッカース硬度またはヌープ硬度が８０００より大きい、ダイヤモンド被膜またはダイヤモンド微結晶を３０体積％以上含有する被膜からなる下層被膜上に、上層被膜が積層されており、該上層被膜が、ヌープ硬度が２０以上２０００以下の、硫化物、ホウ化物、リン酸塩、炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか１種類以上からなることを特徴とする被覆摺動部材。
【請求項２】
被膜が被覆された摺動部材において、ビッカース硬度またはヌープ硬度が８０００より大きい、ダイヤモンド被膜またはダイヤモンド微結晶を３０体積％以上含有する被膜からなる下層被膜上に、上層被膜が積層されており、該上層被膜が、１０００以上２０００以下のヌープ硬度の硬質炭素膜であることを特徴とする被覆摺動部材。
【請求項３】
前記上層被膜の膜厚が、０．１μｍ以上２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の被覆摺動部材。
【請求項４】
前記上層被膜の膜厚が、上層被膜の平均表面粗さＲａ以上であり上層被膜の最大表面粗さＲｍａｘ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の被覆摺動部材。
【請求項５】
前記下層被膜の厚さが０．５μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の被覆摺動部材。
【請求項６】
前記上層被膜の平均表面粗さＲａが０．１５μｍ以上０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の被覆摺動部材。
【請求項７】
被覆される母材が、鉄系合金、超硬合金、セラミックス、アルミニウム合金、マグネシウム合金のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の被覆摺動部材。
【請求項８】
潤滑下で使用されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の被覆摺動部材。
【請求項９】
エンジンオイル潤滑下で使用されることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の被覆摺動部材。
【請求項１０】
前記下層被膜が、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、フィラメントＣＶＤ法、燃焼炎法で合成されることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の被覆摺動部材。
【請求項１１】
前記上層被膜が、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、フィラメントＣＶＤ法、燃焼炎法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、カソードアークイオンプレーティング法のいずれかで合成されることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の被覆摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面コーティングを施した機械部品などの摺動部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在工業製品に使用されている摺動部材には、鋼やセラミックス材料など各種材料が使用されている。そして、その多くには、焼付や摩擦抵抗を低減させるための各種試みがなされており、例えば、潤滑剤の使用、摺動面の形状や粗さの最適化、硬化処理、摺動面への被覆処理等が挙げられる。
【０００３】
摺動面の被覆処理に関しては、クロム処理めっき処理、リン酸塩皮膜処理などが古くから適用されているが、最近では、二硫化モリブデン処理や窒化クロム処理、窒化チタン処理などが注目を浴びている。これらの例として、特開平７−１１８８３２号公報、特開昭６１−８７９５０号公報、特開平６−５７４０７号公報等が挙げられる。また、特開平６−２２７８８２号公報に記載されるように、硬質炭素膜やを摺動部品に適用しようとする試みもなされており、特開平６−２２７８８２号公報記載の温水栓やハードディスクなどの磁気記憶媒体など既にいくつかの製品で実用化がなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電気製品の小型化、携帯化に伴う消費電力低減の動きが著しく、駆動部の摩擦抵抗の低減が大きな課題となっている。また、自動車など輸送用機器分野においても低燃費化が強く叫ばれ、エンジンなどの摺動部における摩擦係数の低減への要求も強い。一方で、高面圧の摺動や駆動部の長寿命化など、耐摩耗性への関心も依然として高いものがある。
【０００５】
そうしたなか、特開平６−２９４３０７号公報に示されるように、摺動部にダイヤモンドを適用しようという試みもなされているが、ダイヤモンドは高額であると同時に研磨コストが高く、機械部品として普及することを阻んできた。
【０００６】
一般に、摩擦摩耗において表面粗さは耐摩耗性や摩擦係数に大きく影響を及ぼす。平滑であれば極めて低い摩擦係数を示すダイヤモンドも、例えば気相合成で得られるダイヤモンド膜の表面は極めて粗く、摩擦係数や相手攻撃性が大きくなるという問題を有していた。図１は、従来のダイヤモンド被膜を被覆した摺動部材の摺動前（ａ）、及び摺動後（ｂ）の断面概略図である。本発明は、ダイヤモンドを被覆した表面が粗い場合に、摩擦係数や相手攻撃性が小さい摺動特性を実現する事を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ダイヤモンド、あるいはダイヤモンド微結晶を含む被膜を被覆した部材の摩擦係数を低減するべく、次のものを提案する。
【０００８】
被膜が被覆された摺動部材において、ビッカース硬度８０００より大きいダイヤモンド被膜、またはダイヤモンド微結晶を３０体積％以上含有する下層被膜を形成しさらに、この下層被膜上にヌープ硬度が２０以上２０００以下である炭素膜または金属膜または化合物膜からなる上層被膜が積層されていることを特徴とする被覆摺動部材である。
【０００９】
ダイヤモンド被膜、あるいはダイヤモンド微結晶を３０体積％以上含有する被膜は、一般に耐摩耗性が優れ、また摩擦係数も低い。ダイヤモンド微結晶を含有する割合が３０体積％より小さい被膜は、８０００以下の硬度となりやすく硬度が小さいために耐摩耗性が劣り、摩擦係数も高くなる。一方、ダイヤモンド被膜、あるいはダイヤモンド微結晶を３０体積％以上含有する被膜であっても、基材が粗かったり、被膜そのものが粗い場合には、摩擦係数と相手攻撃性が大きくなる。これを防ぐため、この上層に、ヌープ硬度が２０以上２０００以下の炭素膜または金属膜または化合物膜を積層することとした。
【００１０】
図２に本発明による摺動部材の、摺動前（ａ）、及び摺動後（ｂ）の断面概略図を示す。炭素膜または金属膜または化合物膜の上層被膜は、摺動の初期に凸の部分から磨耗され、短時間で凸部が平滑になる。凸部が平坦化するに伴い、下層被膜が部分的に表層に現れる。上層被膜は、硬度が高い下層被膜よりやや凹となり、相手材と固体接触するのは逆にやや凸となり残った下層被膜の部分が主となる。全体的には表面は平滑になるため、相手攻撃性は小さく、固体接触するダイヤモンドの効果で摩擦係数は小さくなる。
【００１１】
炭素膜、金属膜または化合物膜の上層被膜のヌープ硬度は、２０００より大きいとでは硬すぎて摺動による平滑化に時間がかかり好ましくない。ヌープ硬度が２０より小さい場合には、柔らかすぎて簡単に除去されてしまう。
【００１２】
膜のヌープ硬度、ビッカース硬度は、あらかじめ単層で得られた膜の硬さで成膜条件を設定するのが一般的である。積層した後のそれぞれの膜の硬さを測定するには、膜表面を斜めに研磨するかまたはボール膜厚計による研磨を行なうことで、各層のヌープ硬度を測定することが出来る。
また、下層被膜のダイヤモンド微結晶の割合は、透過型電子顕微鏡による画像から求めることが出来る。
【００１３】
上層被膜に適用される材料は、炭素、アルミニウム、シリコン、チタン、クロム、鉄、ニッケル、亜鉛、モリブデン、銀、タングステン、金、二硫化モリブデン等の硫化物、ホウ化チタン等のホウ化物、リン酸マンガンなおのリン酸塩、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、窒化クロムなどの炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか１種類以上を用いることが好ましい。
【００１４】
さらに好ましくは、上層被膜のヌープ硬度が１０００以上２０００以下の硬質炭素膜である場合である。硬質炭素膜そのものが優れた摺動性を有するからである。ここで、硬質炭素膜の硬さが、ヌープ硬度の値が２０００より大きいと、前述のように硬すぎて摺動による平滑化に時間がかかり好ましくない。ヌープ硬度が１０００より小さくても十分に効果があるが、耐摩耗性において特に好ましい領域がヌープ硬度１０００以上である。
【００１５】
膜厚に関しては、上層被膜の炭素膜、金属膜または化合物膜は、一般に０．１μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましい。０．１μｍより小さい膜厚では薄すぎるので凸部の平滑化の機能を十分に果たせなく、２．０μｍより大きいと被覆処理のコストが大きくなるためである。
【００１６】
さらに望ましくは、上層被膜の炭素膜、金属膜または化合物膜の膜厚は、上層被膜の平均表面粗さＲａ以上であり上層被膜の最大表面粗さＲｍａｘ以下が好ましい。ここで、厳密には平均表面粗さＲａと最大表面粗さＲｍａｘは、上層被膜を被覆する前の下層被膜の表面粗さで規定してもよいが、上層被膜を炭素膜または金属膜または化合物膜を被覆した後の粗さで規定しても大きくは変わらない。
上層被膜の膜厚が、上層被膜の平均表面粗さＲａより小さい場合、薄すぎて凸部の平滑化の機能を十分に果たせなく、上層被膜の最大表面粗さＲｍａｘより大きい場合、摺動特性に優れた下層被膜のダイヤモンドの効果が現れにくいためである。
【００１７】
また、ダイヤモンド被膜またはダイヤモンド微結晶を３０体積％以上含有する下層被膜の厚さは、任意の厚さが適用できるが、好ましくは０．５μｍ以上３μｍ以下であることが望ましい。膜厚が３μｍを越えると、表面粗さが大きくなり摺動部材として不利になることと、製造コストが高くなることがあげられる。膜厚が０．５μｍより小さくなると、ダイヤモンド結晶が島状にばらばらに離れた状態となりやすく、膜として母材全体を覆うことが困難になることがあるためである。ただし、この範囲より下層被膜が厚い場合でも、あるいは薄い場合でも、十分に効果は認められる。
【００１８】
上層被膜の表面粗さは、平均表面粗さＲａが０．１５μｍ以上０．３μｍ以下であるものが最適である。この表面粗さは、下層被膜を被覆した段階の粗さでもよいが、上層の炭素膜または金属膜または化合物膜を被覆した後の粗さで規定しても大きくは変わらない。上層被膜の平均表面粗さＲａが０．３μｍより大きくても、本発明による下層被膜、上層被膜を被覆すると、摩耗や摩擦係数を小さくする効果は十分ある。しかし、あらかじめ基材の粗さを十分に小さくするなどして、できるかぎり平均表面粗さＲａを０．３μｍ以下にした方がより効果的である。さらに下層被膜を成膜後、または上層被膜を成膜後に研磨工程を追加して面粗さを小さくしてもよい。
【００１９】
これらの被覆摺動部材の母材としては、各種鋼材、ＷＣ基の超硬合金、あるいは窒化硅素、炭化硅素、酸化アルミ、酸化ジルコニウムなどをベースにした各種セラミックス、アルミニウム合金、マグネシウム合金等が最適である。
【００２０】
膜の構造においては、下層被膜と母材との間に、密着性の向上や、母材硬度の向上を目的として、さらに中間層をもうけることもできる。その中間層の例としては、シリコン、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステンなどが挙げられる。
【００２１】
各種鋼材、アルミニウム合金、マグネシウム合金等、基材上に直接にダイヤモンドの合成が困難な場合は、別の基材にあらかじめ気相合成ダイヤを合成したのちにこのダイヤ膜を取りだし目的の基材上にろう付けなどの手法で張り付けてもよい。
【００２２】
使用環境としては、潤滑下、無潤滑下いずれの環境下でも効果がある。しかし、摩擦係数の差が現れにくい液体潤滑下でその効果は顕著となる。
液体潤滑下でも、自動車エンジンオイルや機械油をはじめとする油潤滑下で使用すると摩擦損失の低減に極めて効果が大きい。
【００２３】
具体的な適用対象としては、高速摺動、高面圧摺動の部品に適する。紡績・繊維関係では、家庭用・工業用ミシンの釜や、糸道、各種軸受などの高速摺動部品に適する。ＯＡ機器では、レーザープリンタなどのＯＡ機器の高速軸受などが挙げられる。家電では、冷蔵庫やエアコンのコンプレッサ部品などの高面圧部品に適する。自動車などの輸送機器においては、エンジン部品が挙げられ、ピストンやクランクシャフトなどの主運動系、カムとロッカーアーム・シム・リフター、バルブとバルブシートなどの動弁系部品、プランジャーなどの燃料噴射ポンプ周辺部品などが挙げられる。
また、本構造の被膜は、摺動部品以外の分野、例えば、工具や金型等にも適用しても、耐摩耗性等の点で十分に効果を発揮する。
【００２４】
ダイヤモンド被膜の下層被膜は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、フィラメントＣＶＤ法、燃焼炎法などの気相合成法で得られるものが好ましい。また、ダイヤモンド微結晶を３０体積％以上含有する下層被膜も、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、フィラメントＣＶＤ法、燃焼炎法などの気相合成法で得られるものが好ましく、この場合、ダイヤモンド以外の部分は、非晶質の炭素やグラファイトなどの相で形成される。
【００２５】
また、後者のダイヤモンド微結晶を３０体積％以上含有する被膜は、高圧合成法などによるダイヤモンド微粒を３０体積％以上含有させた複合材料でもよく、複合化に用いるマトリクス材料としては、樹脂や金属、セラミックス等が適用できる。
基材上に直接にダイヤモンドの合成が困難な場合は、別に合成したダイヤを目的の基材上にろう付けなどの手法で張り付けてもよい。
【００２６】
上層被膜が金属膜または化合物膜の場合は、スパッタリング法、各種プラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、カソードアークイオンプレーティング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンビームスパッタ法等の公知の方法で成膜することができる。
【００２７】
また上層被膜が炭素膜の場合、結晶質ダイヤモンド薄膜の合成に適用されているマイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、フィラメントＣＶＤ法、燃焼炎法等のほかに、高周波や直流電圧、パルス直流電圧、ホロカソード、ホットカソードを適用したアークなどの各種プラズマ源を用いたプラズマＣＶＤ法、炭素または炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法、固体炭素源からスパッタリングやアーク放電、レーザー照射にて炭素を気化し基体上に成膜する手法等が適用できる。
なお、密着性の観点からは、下層被膜と上層被膜の炭素膜、金属膜または化合物膜とを連続的に処理することが望ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実施の形態については実施例で示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２９】
【実施例】
（実施例１）
フィラメントＣＶＤ法により、超硬合金基材上にに膜厚２μｍの気相合成ダイヤモンドを析出させた。この気相合成ダイヤモンドのヌープ硬度は８０００より大きかった。この表面に表１に示す各種成膜方法で各種被膜を形成した。また比較のため、上層被膜を積層しない単層のダイヤモンド膜も作製した。
【００３０】
得られた積層被膜につき、ピン・オン・ディスク法による摩擦摩耗試験を行なった。雰囲気は、軽油中および機械油の滴下による潤滑とし、積層膜をディスク、相手材は先端曲率半径Ｒ３ｍｍのＳＵＪ２製ピン、加重１０Ｎ、回転速度５００ｒｐｍ（摺動速度１００ｍｍ／ｓｅｃ）、回転回数１万回とした。
１万回の摺動試験終了時に摩擦係数を、摺動試験後に、相手材ピンの磨耗痕の直径を測定した。結果を表２にまとめる。
【００３１】
表面が粗い単層のダイヤモンドは、摩擦係数が低く、相手攻撃性が非常に高い。しかし、上層に各種の被覆することで、摩擦係数は低下し、相手攻撃性が低減する。しかし、硬度が３２００の窒化チタンアルミニウムを被覆したものは、大きな摩擦係数と相手攻撃性を示した。
【００３２】
【表１】
0004359979.tif 000002
【００３３】
【表２】
0004359979.tif 000003
【００３４】
（実施例２）
マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、窒化硅素基材上に膜厚２μｍのダイヤモンド微結晶含有膜を析出させた。このダイヤモンド微結晶含有膜のヌープ硬度は８０００より大きかった。透過型電子顕微鏡によりこの膜におけるダイヤモンド微結晶の割合を測定した結果、４０体積％がダイヤモンド微結晶であった。この下層被膜の表面に表３に示す各種硬度の硬質炭素膜を形成した。
【００３５】
得られた積層被膜につき、ピン・オン・ディスク法による摩擦摩耗試験を行なった。雰囲気は、乾式大気中およびエンジンオイル１０Ｗ−４０ＳＨの滴下による潤滑とし、実施例１と同じ方法で摺動試験を行なった。比較のため、未コートの窒化硅素基材とダイヤモンド被膜のみ処理した試験片についても試験を行なった。結果を表４に示す。
上層被膜に硬質炭素膜を積層することで、摩擦係数と相手摩耗量が小さくなることがわかる。特に、上層の硬質炭素膜のヌープ硬度が、１０００以上２０００以下でその傾向は顕著である。
【００３６】
【表３】
0004359979.tif 000004
【００３７】
【表４】
0004359979.tif 000005
【００３８】
（実施例３）
ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により、超硬合金基材上に膜厚２μｍの気相合成ダイヤモンドを析出させた。この気相合成ダイヤモンドのヌープ硬度は８０００より大きかった。この表面に表５に示す各種膜厚の硬質炭素膜を形成した。
【００３９】
得られた積層被膜につき、ピン・オン・ディスク法による摩擦摩耗試験を行なった。雰囲気は、乾式大気中およびエンジンオイル１０Ｗ−４０ＳＨの滴下による潤滑とし、実施例１と同じ方法で摺動試験を行なった。結果を表６に示す。
上層の硬質炭素膜の膜厚が０．１μ以上２μｍ以下で摩擦係数や相手攻撃性が小さいことがわかる。また特に、硬質炭素膜の膜厚が表面粗さＲａ以上Ｒｍａｘ以下でその傾向は顕著になる。
【００４０】
【表５】
0004359979.tif 000006
【００４１】
【表６】
0004359979.tif 000007
【００４２】
（実施例４）
マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、窒化硅素基材上に膜厚１．５μｍの気相合成ダイヤモンドを析出させた。この気相合成ダイヤモンドのヌープ硬度は８０００より大きかった。この表面に表７に示す各種膜厚の二硫化モリブデン被膜を形成した。
【００４３】
得られた積層被膜につき、ピン・オン・ディスク法による摩擦摩耗試験を行なった。雰囲気は、軽油中およびエンジンオイル１０Ｗ−４０ＳＨの滴下による潤滑とし、実施例１と同じ方法で摺動試験を行なった。結果を表８に示す。
上層の二硫化モリブデン被膜の膜厚が０．１μ以上２μｍ以下で摩擦係数や相手攻撃性が小さいことがわかる。また特に、二硫化モリブデン被膜の膜厚が表面粗さＲａ以上Ｒｍａｘ以下でその傾向は顕著になる。
【００４４】
【表７】
0004359979.tif 000008
【００４５】
【表８】
0004359979.tif 000009
【００４６】
（実施例５）
フィラメントＣＶＤ法により、炭化硅素基材上に表９に示す各種膜厚の気相合成ダイヤモンドを析出させた。この気相合成ダイヤモンドのヌープ硬度は８０００より大きかった。この表面にヌープ硬度１５００の硬質炭素膜を膜厚０．８μｍの厚さで積層した。また、膜厚４μｍのダイヤモンド被膜を下層に、上層硬質炭素膜を積層にしたものの一つは、硬質炭素膜表面から研磨を行ない、表面粗さを小さくして試験に供試した。
【００４７】
得られた積層被膜につき、ピン・オン・ディスク法による摩擦摩耗試験を行なった。雰囲気は、乾式大気中および機械油の滴下による潤滑とし、実施例１と同じ方法で摺動試験を行なった。結果を表１０に示す。
下層のダイヤモンド被膜の膜厚が０．５μ以上３μｍ以下で摩擦係数や相手攻撃性が小さいことがわかる。
また、下層のダイヤモンド膜の膜厚が厚くても、硬質炭素膜を積層後に研磨することで、摩擦係数と相手攻撃性の低減が見られた。この研磨はダイヤモンド被膜そのものを研磨するより容易であった。
【００４８】
【表９】
0004359979.tif 000010
【００４９】
【表１０】
0004359979.tif 000011
【００５０】
（実施例６）
窒化硅素製のプランジャーの外周に実施例２−１１の処理を施した。実施例２−１１の処理を施したプランジャーは、コーティング処理の無いものに対して８０倍の時間、安定して作動した。
【００５１】
（実施例７）
窒化ケイ素製の軸の外周に、実施例４−２０の被覆を施した。これを窒化ケイ素製の軸受と組み合わせて使用したところ、実施例４−２０の軸と摺動した軸受は、未コートの軸と摺動した軸受の１／２０の摩耗量であった。
【００５２】
（実施例８）
ステンレス製の加工品が搬送される超硬合金製の搬送用レールに、実施例１−７と比較例１−２の被覆処理を施した。これらを実際に使用したところ、未コートのレールでは滑りが悪く製品の流れが滞るという問題が発生した。比較例１−２の処理のレールでは、製品の流れはスムーズであったが、製品のすべり面の傷による不良率が２０％を超えた。一方実施例１−７のレールでは、製品の流れはスムーズで、傷の発生も極めて少なく傷による不良率は１％以下であった。
【００５３】
（実施例９）
続いて、エンジンの動弁系の窒化硅素製のシムのカムとの摺動面に、実施例２−１２と比較例２−６の処理を施した。実施例２−１２の処理のリフターは、未コートのリフターに対し５割、比較例２−６の処理のリフターに対し４割の摩擦抵抗の低減が確認された。また、カムの磨耗に関しても、未コートの約半分、比較例２−６の５分の１であった。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、摺動部材においてダイヤモンド被膜あるいはダイヤモンド微結晶を３０体積％以上含有する被膜を被覆した表面が粗い場合に、摩擦係数や相手攻撃性が小さい摺動特性を実現することができ有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイヤモンド被膜のみを被覆した摺動部材の摺動前及び摺動後の断面概略図である。
【図２】本発明による摺動部材の摺動前及び摺動後の断面概略図である。
【符号の説明】
１  基材
２  ダイヤモンド被膜
３  相手材
４  下層被膜
５  上層被膜
【図１】
0004359979.tif 000012
【図２】
0004359979.tif 000013