(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属元素から選択される１種以上の元素の窒化物、炭窒化物、および炭化物のうち少なくとも１種からなる化合物粒と、Ｚｎを含む金属粒からなり、前記金属粒を構成する元素は１０原子％以上２５原子％以下である複合被膜が基材の表面の少なくとも一部に被覆された潤滑油中の摺動部に使用される被覆摺動部品。
【請求項２】
前記金属粒の粒径が０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の被覆摺動部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品、摺動部品など耐摩耗性とともに、低摩擦係数が要求される被膜、及び部品に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種内燃機関、燃料ポンプ、各種機械などの摺動部に利用される部品に、その摺動性を高めるための表面処理が施されてきた。摺動性は、耐摩耗性、耐焼き付き性、摩擦係数によって決定される。これら性質を向上するために、部材表面を窒化処理、メッキ処理、溶射処理、物理的蒸着法によって改質または被覆することが試みられてきた。特に、ドライプロセスによる表面被覆は、優れた摺動性を示すということが、特開昭５７−５７８６８号公報、特開昭６２−１２０４７１号公報により知られている。しかし、現在、摺動部材の使用条件がさらに過酷になっており、ドライプロセスによる表面被覆をさらに強化することが必要となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ドライプロセスによる耐摩耗性被膜を摺動部品に用いた例として、ピストンリングの耐摩耗性向上を目的として被膜の配向性を決定した特開平６−２４８４２５号公報、特開平６−２９３９５４号公報がある。
【０００４】
また、工具分野においても、耐摩耗性向上に対して同様な試みがなされており、例えば、特開平９−２９１３５３号公報、特開平１０−３３０９１４号公報、特開平１０−３１７１２３号公報、特開平１０−７６４０７号公報、特開平９−３２３２０５号公報、特開平９−１２５２３０号公報、特開平５−２９５５１７号公報がある。しかし、摩擦係数については、更なる低減が望まれている。
【０００５】
また、耐摩耗性向上のために、被膜と基材との密着力を高めることを考えて特開平６−２６４２１４号公報、特開平７−１８４１４号公報、特開平９−２４１８２５号公報には、金属とセラミックの複合層をセラミック層と基材との中間層として用いた例がある。しかし、これらも耐摩耗性の向上には効果が期待されるが、摩擦係数を低減するものではない。
【０００６】
この他、被膜の靭性を向上させる目的として、特開平５−７８８２１号公報、特開平１１−８０９３３号公報、特開平１１−１００６５６号公報、特開平１０−１５８８１８号公報、特開平１０−１３０８２０号公報、特開平１０−１７６２６０号公報、特開平１０−１２１２２６号公報では、セラミックの中に第３元素を添加しているが、耐摩耗性の向上を目的としたものであり摩擦係数を低減する目的ではない。
【０００７】
また、金属の耐摩耗性を向上する目的として、特開平２−１７３２６５号公報、特開平２−１７３２６６号公報、特開平２−１７３２６７号公報、特開平５−７８８２１号公報では、金属を主成分とした被膜にセラミックを複合させたものがあるが、これらも摩擦係数を低減させるためのものではない。
【０００８】
従って、本発明の目的は、潤滑油下の摺動において、セラミック被膜の耐摩耗性を大きく損なうことなく摩擦係数の低減を図り、摺動性を向上させた被膜とその被覆部品を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これらの課題を解決するために以下の手段を用いる。
すなわち、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属元素から選択される１種以上の元素の窒化物、炭窒化物、および炭化物のうち少なくとも１種からなる化合物粒と、Ａｌ、Ｚｎ、Ｗ、Ｆｅ、Ｍｏから選択される１種以上を含む金属粒を複合した被膜を所定の部品上に形成する。
【００１０】
化合物粒に金属粒を複合させることによる摩擦係数の低減機構は次のように説明できる。
潤滑油下の摩擦力は、（１）のように固体−固体の接触で発生する摩擦力と潤滑油同士を引き離すのに必要なせん断力の和で決定される。
Ｆ＝Ａ｛αＳm＋（１−α）Ｓl｝                                  （１）
ここでＦは摩擦力、Ａは荷重、αは摺動面のうち固体−固体接触の割合、Ｓmは固体−固体接触の摩擦係数、Ｓlは潤滑油同士の摩擦係数である。
従って、潤滑油下の摩擦係数を低減させるためには、第１の方法は固体−固体の摩擦係数を減らすことであり、第２の方法は固体−固体接触の割合を減らす、すなわち潤滑油での潤滑割合を増やすこと、である。
【００１１】
金属粒と化合物粒の複合構造の被膜を形成すると、摺動面に現れた金属自体が自己潤滑作用によって第１の方法、すなわち固体−固体の摩擦係数を減らすという効果を発揮することや、または潤滑油中に含まれる摩擦調整剤や極圧剤などの添加剤と金属が反応することで硫化物などの潤滑物質が生成され第１の方法の効果を発揮し、潤滑油下の摩擦係数が低減する。あるいは金属と極圧剤が反応しない場合でも、摺動表面に対する摩擦調整剤の吸着量が多くなり、強固な油膜が形成されることで第２の方法、すなわち固体−固体接触の割合を減らすという効果が発揮され、潤滑油下の摩擦係数が低減する。
【００１２】
以上のような機構により、金属粒と化合物粒を複合することで被膜の摩擦係数が低減されるが、金属粒の粒径が０．２ｎｍ以上、１００ｎｍ以下の方が摩擦係数低減にはより望ましい。金属粒の粒径が１００ｎｍより大きい場合、金属の摺動特性となってしまい、摩耗量が多くなることがある。また、金属粒の粒径が、０．２ｎｍより小さいと、化合物粒と金属粒の複合構造を維持できなくなることが多い。これら金属粒の粒径は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、それぞれの金属に帰属されるピークの半値幅から算出される粒径の平均値である。
【００１３】
また、より摺動特性を高めるためには、化合物粒の配向性が、Ｘ線回折による（１１１）面に起因するピークの積分強度と、（２００）面に起因するピークの積分強度比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が、３以上１０以下であることがより有効である。Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が３より小さいと摩耗量が大きくなることがある。また、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が１０より大きい被膜を形成することは困難である。この様な化合物粒は耐摩耗性が高く、金属粒と複合することで、より摩擦係数を低減することができる。
【００１４】
また、金属粒が被膜全体に占める割合は、０．１原子％以上５０原子％以下である方が耐摩耗性はより優れている。複合被膜中の金属粒の原子の割合が５０原子％以上になると、被膜全体に対する金属の割合が多すぎて、複合被膜の硬度の低下を引き起こし、摺動時の摩耗が大きくなる傾向がある。また、複合被膜中の金属粒の原子の割合が０．１原子％以下では複合被膜として摩擦係数を低減する効果が得られにくい。
【００１５】
これらの被膜は、潤滑油下での摺動に効果を発揮する。以下の実施例では、基材は、平板の片面を鏡面仕上げした鉄系合金、超硬合金、Ａｌ合金を用いたが、特にこれらに限定されるものでもなく、セラミック焼結体などでも効果が発揮されると期待される。
【００１６】
潤滑油は、エンジン油、軽油、ガソリン油、ギヤ油、タービン油、航空潤滑油、等いかなる潤滑油でもよく、あるいは各種グリースなどでも本発明による複合被膜において摩擦係数の低減効果が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例により説明する。
【００１８】
（実施例１）
まず、基材をアルコールおよびアセトンで超音波洗浄をした。被膜の形成には、図１に示す真空アーク放電蒸着装置（装置１）、図２に示すスパッタリング装置（装置２）、および真空アーク放電蒸着法とスパッタリング法を複合した図３に示す装置（装置３）、図４に示すイオンプレーティング装置（装置４）を使用した。基材を洗浄後、装置１〜４のそれぞれの真空槽の中に基材を入れ、槽内の真空排気を行った。基板に−５００Ｖから−１５００Ｖ程度の電圧を印加し、アルゴンガスを導入することでＡｒイオンによる基材表面のクリーニングを行った。
【００１９】
続いて装置１〜４により成膜を行ったが、化合物粒と金属粒との複合にあたっては、雰囲気ガスをＡｒとＮ2、ＣＨ4、またはＣ2Ｈ2として、ＡｒとＮ2、ＣＨ4，またはＣ2Ｈ2の分圧を制御しながら、２つの蒸発源の間で基材を回転させること、または電子ビーム照射位置を移動させてるつぼからの蒸発物質を変化させることにより、複合被膜を形成した。基板の回転速度を小さすぎないように、あるいは電子ビームのそれぞれの蒸発源への１回あたりの照射時間が長すぎないようにすることにより、被膜が化合物と金属の積層構造とならないようにして、化合物粒、金属粒の複合構造の被膜を得るようにした。金属粒と化合物粒の複合構造とするためには、金属の成膜において金属が層状構造となる前に、化合物の成膜をすることにより、また化合物の成膜において化合物が層状構造となる前に、金属の成膜をすることにより、金属と化合物それぞれが粒状となり複合されることになる。
【００２０】
Ｘ線の回折ピークは、ＣｕＫα線を入射Ｘ線とした回折であり、Ｘ線回折による化合物のピークからＩ（１１１）／Ｉ（２００）比、金属のピークの半値幅から金属粒の粒径を求めた。
被膜の組成は、ＥＰＭＡ分析（電子プローブ微小部分分析）、ＸＰＳ分析（Ｘ線光電子分光分析）により求めた。ＥＰＭＡ分析により複合被膜中の元素の割合を求めることができる。同一元素が化合物粒と金属粒層の両方に存在する場合は、ＸＰＳ分析によりその元素の結合状態、すなわちその元素の金属または化合物ととしての存在状態によって、ピーク位置が異なるために、各ピークの積分強度の比率によって金属粒中と化合物粒中に存在する比率を求めることができる。図５に示すように津谷式トライボメーターによって被膜の耐摩耗性、摩擦係数を評価した。相手材は、直径２０ｍｍのＳＵＳ３０４円柱片として、回転速度１ｍ／ｓ、荷重４９０Ｎ、総滑り距離３６００ｍとして、室温、エンジンオイル中で試験した。
【００２１】
試験結果を表１に示す。摩耗量は、試験機で評価した後の摩耗痕の断面を表面粗さ計で測定して幾何学的に求めた断面積を、比較例１の摩耗痕の断面積を１としたときの値である。
【００２２】
【表１】
0004910226.tif 000002
【００２３】
（実施例２）
内燃機関のヘッド部モータリング試験において、実施例２、４、１２の被膜をシム面に形成して試験したところ、比較例１に比較して、２〜３割のトルク低減が確認された。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、耐摩耗性を大きく損なうことなく低い摩擦係数を示す被膜を提供することができ、内燃機関、各種機械の摩擦損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】真空アーク蒸着放電蒸着装置の概略図である。
【図２】スパッタリング装置の概略図である。
【図３】真空アーク放電蒸着法とスパッタリング法を複合した装置の概略図である。
【図４】イオンプレーティング装置の概略図である。
【図５】津谷式トライボメーターによる耐摩耗性、摩擦係数を評価する装置の概略図である。
【符号の説明】
１  基材
２  基材ホルダー
３  回転テーブル
４  ガス導入口
５  ガス排出口
６  第１のアーク蒸発源
７  第２のアーク蒸発源
８  直流電源
９  直流電源
１０  直流電源
１１  基材
１２  基材ホルダー
１３  回転テーブル
１４  ガス導入口
１５  ガス排出口
１６  第１のスパッタ蒸発源
１７  第２のスパッタ蒸発源
１８  高周波電源
１９  高周波電源
２０  基材
２１  基材ホルダー
２２  回転テーブル
２３  ガス導入口
２４  ガス排出口
２５  第１のアーク蒸発源
２６  第２のスパッタ蒸発源
２７  直流電源
２８  高周波電源
２９  直流電源
３０  基材
３１  基材ホルダー
３２  ＲＦコイル
３３  シャッター
３４  電子銃
３５  るつぼ
３６  電子
３７  ガス導入口
３８  ガス排出口
３９  第１の蒸発源
４０  第２の蒸発源
４１  相手材
４２  試験片
４３  相手材の回転方向
４４  負荷重の方向
４５  負荷重の方向
４６  摩擦力の方向
【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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