(57)【要約】【課題】基材とその基材の表面に形成される非晶質炭素膜とを備え、前記非晶質炭素膜で相手部材と摺動する摺動部材において、低摩擦性を向上させることである。【解決手段】基材の表面に形成される非晶質炭素膜が、水素を含まない固体炭素を原料とし成膜時にドロップレットが除去されて形成される。これにより、非晶質炭素膜が極めて滑らかな膜となり、低摩擦性の向上を図ることができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材とその基材の表面に形成される非晶質炭素膜とを備え、前記非晶質炭素膜で相手部材と摺動する摺動部材において、
前記非晶質炭素膜は、ドロップレットが除去されたものであることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記非晶質炭素膜のドロップレットの除去が、成膜時に磁界誘導を利用して前記ドロップレットを捕捉、捕集する磁気フィルタにより行われ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】
前記非晶質炭素膜が、水素を含有しない固体炭素を原料として形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記非晶質炭素膜のビッカース硬さがＨｖ３０００以上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摺動部材。
【請求項５】
前記非晶質炭素膜の膜厚が０．５〜３μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項６】
前記基材の表面に窒化処理が施されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項７】
前記窒化処理が、プラズマを利用した窒化処理であることを特徴とする請求項６に記載の摺動部材。
【請求項８】
前記基材のビッカース硬さがＨｖ１０００以上であることを特徴とする請求項６または７に記載の摺動部材。
【請求項９】
前記基材と前記非晶質炭素膜の間に、タングステンを含有する非晶質炭素膜からなる中間層を形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項１０】
前記中間層は、タングステンと炭素の比率を傾斜的に変化したものであることを特徴とする請求項９に記載の摺動部材。
【請求項１１】
前記窒化処理から前記非晶質炭素膜の形成終了までの一連の処理工程が大気開放せずに行われることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基材と、その基材の表面に形成された非晶質炭素膜とを備え、その非晶質炭素膜と相手部材とで摺動する摺動部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車用エンジンの動弁系バルブリフタ、エンジンピストン、トランスミッション、斜板式圧縮機の斜板とシューなどの各種装置に摺動部材が用いられており、この摺動部材には、摩耗や焼付きを抑制し、摺動特性を向上させるために様々な表面処理が施されている。
【０００３】
その表面処理の中で、非晶質炭素膜を表面に被覆するものが広く利用されている。この非晶質炭素は、ダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ；ＤＬＣ）と称され、ダイヤモンドと同様に硬度が高く、耐摩耗性、固体潤滑性、熱伝導性、化学的安定性に優れており、その被膜を基材に被覆することにより摺動特性を高めることができる。
【０００４】
このＤＬＣ膜の膜組成や成膜方法については、種々の研究がなされており、例えば、自動車エンジン動弁系シム又はリフターに適した一例として、カムロブを相手部材として摺動する面に、アーク式イオンプレーティング法によりＤＬＣ膜を被覆する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
この特許文献１に記載のものは、その基材の表面粗さを小さくすることによってＤＬＣ膜の摺動面の表面粗さを小さくし、摺動時に相手部材の摺動面を硬質のＤＬＣ膜が形成された摺動面に馴染ませている。このような摺動面に対して潤滑油を供給すると摺動面に油膜が形成されて境界潤滑に近づくので、更なる摺動性の向上を図ることができる。
【特許文献１】特許第３５８７３７９号公報
【０００６】
また、ＤＬＣ膜の膜組成については、銀、マグネシウム、インジウム、錫、ケイ素、ジルコニウム、銅、モリブデン、タングステン及び硫黄などを含有するものが開示されている（特許文献２参照）。
【特許文献２】特開２００７−１７７３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記ＤＬＣ膜の成膜方法としては、アークプラズマ方式あるいはホローカソード方式のイオンプレーティングのように、炭素を真空中でプラズマのエネルギにより蒸発させる方法が一般的である。このとき、真空アーク放電では、陰極点から陰極材料イオン、電子、陰極材料中性粒子（原子及び分子）等が放出されると同時に、サブミクロン以下から数百ミクロン（０．０１〜１０００μｍ）の大きさの陰極材料の微粒子（ドロップレット）が発生する。
【０００８】
ドロップレットが発生し、基材表面に付着すると、基材表面に形成される薄膜の均一性が失われ、低摩擦性の面で、一般に低摩擦性に優れる二硫化モリブデン膜と比して劣るものとなることがある。
【０００９】
そこで、この発明の課題は、優れた低摩擦性を有する摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題を解決するために、この発明は、基材とその基材の表面に形成される非晶質炭素膜とを備え、前記非晶質炭素膜で相手部材と摺動する摺動部材において、前記非晶質炭素膜は、ドロップレットが除去されたものである構成を採用したのである。
【００１１】
この構成によると、ドロップレットが除去された非晶質炭素膜は、凹凸がなく平坦な膜、すなわち極めて滑らかな膜となり、低摩擦性の向上を図ることができる。
【００１２】
成膜時にドロップレットを除去する方法としては、荷電されていないドロップレットが陰極材料から放出された際に直進する性質を利用するものであればよく、例えば、磁気フィルタや、遮蔽板により除去する方法などを採用することができる。
磁気フィルタを用いた方法は、磁気を帯びた屈曲する管状通路を陰極材料から基材の間に設け、この管状通路内を、真空アーク放電により陰極から発生するイオン及びドロップレットを通過させ、陰極から直進するドロップレットを通路内壁に衝突させて捕捉、捕集し、一方で、イオンを磁界誘導し、基材に衝突させて堆積させるものである。
このようにして、前記管状通路が磁界誘導を利用してドロップレットを捕捉、捕集する磁気フィルタとして機能し、基材の表面にドロップレットが除去された非晶質炭素膜を効率良く成膜することが可能となる。
【００１３】
また、遮蔽板を用いた方法では、陰極材料と基材との間に遮蔽板を設け、真空アーク放電により陰極からイオンとともに発生し、直進するドロップレットをその遮蔽板に衝突させて捕捉し、遮蔽板を迂回させたイオンを、基材に衝突させて堆積させるものである。
この方法では、遮蔽板にドロップレットとともにイオンも捕捉するので、成膜速度が遅くなる。このため、イオンの捕捉率の小さい磁気フィルタによる方法が好ましい。
【００１４】
一般に、非晶質炭素膜は、膜中の水素の有無にかかわらず、炭素の結合状態はｓｐ３（ダイヤモンド）結合とｓｐ２（グラファイト）結合の２つが存在しているが、水素を含有している非晶質炭素はｓｐ２結合が多くなる。このため、前記非晶質炭素膜を、水素を含有しない固体炭素を原料として形成することにより、水素を含有しないものとすれば、炭素の結合状態においてｓｐ３結合が多くなり、硬度を向上させることができる。ここで、水素を含有しない固体炭素とは、実質１at%以下であるものをいう。
【００１５】
また、前記非晶質炭素膜のビッカース硬さは、耐摩耗性の観点から、Ｈｖ３０００以上であることが好ましい。また、非晶質炭素膜は、その膜厚が厚いほど成膜時に膜内に発生する応力が大きくなり、成膜中にクラックが発生したり、高い残留応力により基材から剥離したりしやすくなる。一方、膜厚が薄いと適切な摺動特性が発揮されず、部品の寿命が短くなることがある。このため、非晶質炭素膜の膜厚は０．５〜３μｍであることが好ましい。
【００１６】
また、相手部材との間で負荷される荷重が大きい場合や、衝突荷重を受ける場合に、基材の硬さが低いと非晶質炭素膜と基材との界面に応力が集中して非晶質炭素膜が剥離するおそれがある。この剥離を防止するために、基材に窒化処理を施して、基材の表面に硬い窒化層を形成することが好ましい。
【００１７】
前記基材に施す窒化処理の方法としては、ガス窒化法、塩浴窒化法など種々考えられるが、例えば、プラズマ窒化法を採用することができる。このプラズマ窒化法は、プラズマによりイオン化されたガス成分を高速に加速し、基材表面に衝突させて、これを加熱し、同時にスパッタリング作用等により窒化する方法である。このようなプラズマを利用した窒化処理を施すことで、基材表面に酸化層が形成され難くなり、特別な前処理の必要がなく窒化を行うことができるとともに、処理時間を著しく短縮することができる。
【００１８】
前記基材の表面に前記窒化処理を施した場合において、前記基材のビッカース硬さが１０００以上とすると、非晶質炭素膜と基材との界面の応力集中が発生し難くなり、非晶質炭素膜の剥離を確実に防止することが可能となる。
【００１９】
また、前記基材と前記非晶質炭素膜の間に、タングステンを含有する非晶質炭素膜からなる中間層が形成された構成とすることができる。この中間層は、基材および前記非晶質炭素膜のいずれに対しても密着性に優れるため、前記非晶質炭素膜の基材からの剥離を防止することができる。
【００２０】
基材と非晶質炭素膜との密着性をより向上させる観点より、前記中間層は、タングステンと炭素の比率を傾斜的に（基材に近接するほどタングステンの含有割合が多くなるように）変化させた傾斜構造とすることもできる。
【００２１】
前記窒化処理及び中間層の形成においては、基材表面、中間層表面への酸化層の形成を防止するために、前記窒化処理から前記非晶質炭素膜の形成終了までの一連の処理工程が大気開放せずに行われるようにしてもよい。これにより、非晶質炭素膜と基材若しくは中間層、または基材と中間層とが剥離し難くなる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、この発明に係る摺動部材は、その非晶質炭素膜の成膜時にドロップレットを除去したものであるので、非晶質炭素膜が極めて滑らかな膜となって、優れた低摩擦性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、この発明の実施形態を説明する。この実施形態の摺動部材は、基材と、この基材の表面に被覆された非晶質炭素膜とからなる。
【００２４】
前記基材の素材としては、鉄系材料や非鉄系金属を用いることができる。例えば、機械構造用の炭素鋼や高速度工具鋼、焼入れ鋼等の鋼材、鋳鉄、あるいはＡｌ合金やＭｇ合金等を好適に用いることができる。
【００２５】
また、基材は非晶質炭素膜の剥離を防止するために、窒化処理を施すことができる。この窒化処理の方法は、基材の表面に硬い窒化層が形成されるものであれば特に限定されないが、処理時間の点からプラズマ窒化法とすることが好ましい。
【００２６】
前記非晶質炭素膜は基材の表面に成膜され、その成膜方法としては、アークプラズマ式のイオンプレーティング（以下、ＡＩＰ）を適用することができる。このＡＩＰにおいて、陰極材料から基材の間に磁気を帯びる屈曲した管状通路を設け、この管状通路内を、真空アーク放電により陰極から発生するイオン及びドロップレットを通過させ、通路内壁に陰極から直進するドロップレットを衝突させて捕捉、捕集し、一方で、イオンを磁界誘導し、基材に衝突させて堆積させ、基材表面に非晶質炭素膜を成膜する。
【００２７】
このようにして、前記管状通路が磁界誘導を利用してドロップレットを捕捉、捕集する磁気フィルタとして機能し、基材の表面にドロップレットが除去された非晶質炭素膜を効率良く成膜することが可能となる。
【００２８】
ここで、非晶質炭素膜が水素を含有しない原料から形成されると、低摩擦性に優れ、摺動発熱に対しても劣化しにくい膜が得られる。また、非晶質炭素膜のビッカース硬さがＨｖ３０００以上であることが好ましい。これにより、空気中、あるいは潤滑油中での相手部材との摺動において、優れた低摩擦性を確保することができ、摩耗による面荒れが生じにくくなる。また、非晶質炭素膜の膜厚が、０．５〜３μｍであると、成膜中のクラックの発生や、基材からの剥離が防止される。
【００２９】
必要に応じて、基材と非晶質炭素膜との密着性を向上させるために、基材と非晶質炭素膜との間に中間層を形成することができる。この中間層の種類としては、基材と非晶質炭素膜との密着性を向上させることのできるものであれば特に限定されず、基材の材質に応じて適宜選定することができるが、タングステンを含有すると非晶質炭素膜とすることができる。
【００３０】
また、基材と非晶質炭素膜との密着性をより向上させる観点より、前記中間層は、タングステンと炭素の比率を傾斜的に（基材に近接するほどタングステンの含有割合が多くなるように）変化させた傾斜構造とすることもできる。
【００３１】
また、前記窒化処理及び中間層の形成において、基材表面、中間層表面への酸化層の形成を防止するために、全ての処理工程を、すなわち、基材を真空チャンバーへ導入してから、窒化処理、中間層の形成を経て、非晶質炭素膜の形成終了までを、真空チャンバー内で行うようにしてもよい。これにより、非晶質炭素膜と基材若しくは中間層、または基材と中間層とが剥離し難くなる。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明する。
実施例及び比較例は、それぞれ下記の基材の表面に非晶質炭素膜を形成したものであり、表１に実施例１〜５、比較例１〜６における成膜条件及び試験結果をまとめて示す。
【００３３】
（基材）
材質：高速度工具鋼（日立金属(株)製  商品名ＹＸＲ７）、ビッカース硬さ：ＨＶ８００、表面粗さ：Ｒａ０．００５μｍ
【表１】
2009203541.tif 000002
【００３４】
各実施例及び各比較例の摩擦摩耗性を調べるために、下記の条件により摩擦摩耗試験を行った。試験機としては、試験片を回転する円筒状の相手材の外周面に所要の荷重で押し当てて、摩擦係数と比摩耗量を測定するものを用いた。
（試験条件）
最大ヘルツ接触面圧：０．５ＧＰａ、速度：０．０５ｍ／ｓ、温度：２５℃、試験時間：５ｍｉｎ、
相手材材質：ＳＵＪ２、相手材表面粗さ：Ｒａ０．０１μｍ  
【００３５】
この試験の結果、表１に示すように、ドロップレットが除去された実施例１〜５は、ドロップレットが除去されていない比較例１〜６と比して、低摩擦性に優れていることが確認された。
また、前記試験機にて測定した二硫化モリブデンのスパッタ膜の摩擦係数は、０．０６〜０．１０となることから、実施例１〜５は、二硫化モリブデン膜と同等の低摩擦性を有すると言える。
さらに、実施例１〜５は、比較例のうち最も耐摩耗性の良い比較例４、６と同等以上の耐摩耗性を示した。
【００３６】
以上のように、実施例１〜５は、摺動部材の基材表面への成膜時にドロップレットを除去し、水素を含まない非晶質炭素膜を形成することにより、低摩擦性を向上させることができる。