(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動面に非晶質窒化ホウ素薄膜を被覆した摺動部材であって、
前記非晶質窒化ホウ素薄膜は、基材面の下方に配置された蒸発源からホウ素蒸着を行うと同時に、前記基材面の斜め方向から窒素イオンビームを照射するダイナミックミキシング法で形成され、
前記非晶質窒化ホウ素薄膜の窒素（Ｎ）とホウ素（Ｂ）の組成比（Ｎ／Ｂ）が０.７〜１.０であり、
前記非晶質窒化ホウ素薄膜が、赤外吸収スペクトルにおいて、非晶質窒化ホウ素の六員環中のＢ−Ｎ伸縮振動による吸収ピークが約１５００ｃｍ−１、六員環間のＢ−Ｎ屈曲振動による吸収ピークが約７６０ｃｍ−１に出現することを特徴とする非晶質窒化ホウ素薄膜被覆摺動部材。
【請求項２】
基材面の下方に配置された蒸発源からホウ素蒸着を行うと同時に、前記基材面の斜め方向から窒素イオンビームを照射し、
窒素（Ｎ）とホウ素（Ｂ）の供給比（Ｎ／Ｂ）が０．１〜２．６であり、
窒素（Ｎ）とホウ素（Ｂ）の組成比（Ｎ／Ｂ）が０.７〜１.０であり、赤外吸収スペクトルにおいて、非晶質窒化ホウ素の六員環中のＢ−Ｎ伸縮振動による吸収ピークが約１５００ｃｍ−１、六員環間のＢ−Ｎ屈曲振動による吸収ピークが約７６０ｃｍ−１に出現するような非晶質窒化ホウ素薄膜を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項３】
前記窒素イオンビームの加速電圧が０．５〜１０ｋｅＶであることを特徴とする請求項２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、軸受、シール部材等の摺動部材および摺動部材の製造方法に関し、特に、非晶質窒化ホウ素薄膜を被覆した摺動性に優れた非晶質窒化ホウ素薄膜被覆摺動部材および摺動部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸受やシール部材等の摺動部材には、焼き付き等を起こさないための潤滑性と、所定の耐用期間の間その性能を維持するための耐摩耗性が要求される。基材の表面を被覆してそのような機能を発揮させる摺動性素材として、窒化ホウ素（以下「ＢＮ」という。）が有望視されている。
【０００３】
ＢＮは、いくつかの結晶構造をもつことが知られており、その代表的なものに、立方晶窒化ホウ素（以下「ｃ−ＢＮ」という）、六方晶窒化ホウ素（以下「ｈ−ＢＮ」という）がある。ｃ−ＢＮはダイヤモンドに次ぐ硬度を有しており、化学的安定性にも優れていることから、工具等、耐摩耗性が要求される分野で多くの関心を集めている。また、ｈ−ＢＮはグラファイトと同様にｃ軸方向に積層した面が滑りやすいことから、固体潤滑剤として用いられている。
【０００４】
しかしながら、ｃ−ＢＮは通常、約５万気圧、約１５００℃という高温、高圧下で合成されるため、超高圧発生装置を中心とした大規模な設備が必要であり、製造コストは非常に高い。また、合成されるｃ−ＢＮは粉状あるいは粒状であり、切削工具等には焼結して用いる必要があった。そこで近年では、プラズマやイオンを利用することにより、低温、低圧下で薄膜状のｃ−ＢＮを得る研究が進められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ｃ−ＢＮ薄膜の合成は容易ではなく、さらにｃ−ＢＮ薄膜形成時に発生する過大な内部応力のため、基材から剥離してしまう等の問題がある。また、ｃ−ＢＮ膜は非常に硬い反面で、脆いという性質をもつため、必ずしも摺動部材として適しているとは言いがたい。例えば、高速で運転される回転摺動部材等では、安全性に欠けるため、使用できない。一方、ｈ−ＢＮ膜は潤滑性に優れているものの、耐摩耗性が低いという欠点がある。
【０００６】
本発明は上述の事情に鑑みなされたもので、潤滑性と耐摩耗性の２つの機能の複合的な作用として顕れる摺動性に優れた摺動部材および摺動部材の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の非晶質窒化ホウ素薄膜被覆摺動部材は、摺動面に非晶質窒化ホウ素薄膜を被覆した摺動部材であって、前記非晶質窒化ホウ素薄膜は、基材面の下方に配置された蒸発源からホウ素蒸着を行うと同時に、前記基材面の斜め方向から窒素イオンビームを照射するダイナミックミキシング法で形成され、前記非晶質窒化ホウ素薄膜の窒素（Ｎ）とホウ素（Ｂ）の組成比（Ｎ／Ｂ）が０.７〜１.０であり、前記非晶質窒化ホウ素薄膜が、赤外吸収スペクトルにおいて、非晶質窒化ホウ素の六員環中のＢ−Ｎ伸縮振動による吸収ピークが約１５００ｃｍ−１、六員環間のＢ−Ｎ屈曲振動による吸収ピークが約７６０ｃｍ−１に出現することを特徴とするものである。このような非晶質窒化ホウ素薄膜は、ｃ−ＢＮ膜に比べて硬さは劣るが、潤滑性と耐摩耗性の複合的な作用である摺動性は高いことが分かった。
【０００８】
硬さをはじめとする非晶質ＢＮ薄膜の特性は、組成比（Ｎ／Ｂ比）によって変化する非晶質の構造によって決まるものと考えられるが、詳細は明らかではない。組成の変化に伴い、非晶質の構造を反映した赤外吸収スペクトルも異なったものとなる。組成比（Ｎ／Ｂ比）が０.７〜１.０の、ある特有の非晶質構造をもつ非晶質ＢＮ薄膜が、優れた摺動性を有しているものと考えられる。
【０００９】
非晶質ＢＮ薄膜を被覆する基材としては、金属、セラミックス等、種々の材料を使用することができるが、特に高速で運転される回転摺動部材の場合には、非脆性材料を選択することが望ましい。
【００１１】
ダイナミックミキシング法を用いて成膜した場合、窒素イオンの加速エネルギおよび照射する窒素イオン数と蒸着するホウ素原子数の比（Ｎ／Ｂ供給比）を変化させることによって、様々な組成比（Ｎ／Ｂ比）の非晶質ＢＮ薄膜を得ることができる。この方法により、摺動性部材としての機能を発揮するのに充分な厚さと均一性を有する成膜を行なうことができる。
【００１２】
ダイナミックミキシング法により非晶質ＢＮ薄膜を被覆する場合、低温プロセスであるので、基材の熱的変形や変質を避けることができ、耐熱性の小さい基材に適用が可能である。また、窒素イオンビーム照射により、基材と薄膜との混合層が形成されるため、密着性も良好であり、優れた非晶質ＢＮ薄膜被覆摺動部材を得ることができる。
【００１３】
本発明の摺動部材の製造方法は、基材面の下方に配置された蒸発源からホウ素蒸着を行うと同時に、前記基材面の斜め方向から窒素イオンビームを照射し、窒素（Ｎ）とホウ素（Ｂ）の供給比（Ｎ／Ｂ）が０．１〜２．６であり、窒素（Ｎ）とホウ素（Ｂ）の組成比（Ｎ／Ｂ）が０.７〜１.０であり、赤外吸収スペクトルにおいて、非晶質窒化ホウ素の六員環中のＢ−Ｎ伸縮振動による吸収ピークが約１５００ｃｍ−１、六員環間のＢ−Ｎ屈曲振動による吸収ピークが約７６０ｃｍ−１に出現するような非晶質窒化ホウ素薄膜を形成することを特徴とするものである。
【００１４】
本発明は、窒素（Ｎ）とホウ素（Ｂ）の供給比（Ｎ／Ｂ）が０．１〜２．６であることを特徴とするものである。供給比（Ｎ／Ｂ）が０．１未満では、ホウ素の量が過剰となり、目的とする摺動性に優れた非晶質ＢＮ薄膜被覆摺動部材を得ることができない。一方、供給比（Ｎ／Ｂ）が２．６を超えた場合には、イオンビームによるスパッタリング効果が大きくなりすぎて、ＢＮ薄膜が形成されない。
【００１５】
また、本発明は、窒素イオンビームの加速電圧が０．５〜１０ｋｅＶであることを特徴とするものである。窒素イオンビームの加速電圧が０．５ｋｅＶ未満では、非晶質ＢＮ薄膜と基材との密着性が不十分となり、また、加速電圧が１０ｋｅＶを超える場合には、イオンビーム照射により非晶質ＢＮ薄膜あるいは基材に熱的な損傷が生じるため、加速電圧は０．５〜１０ｋｅＶであることが望ましい。
【００１６】
また、本発明は、摺動面に非晶質窒化ホウ素薄膜を被覆した摺動部材であって、前記非晶質窒化ホウ素薄膜が、赤外吸収スペクトルにおいて、非晶質窒化ホウ素の六員環中のＢ−Ｎ伸縮振動による吸収ピークが約１５００ｃｍ−１、六員環間のＢ−Ｎ屈曲振動による吸収ピークが約７６０ｃｍ−１に出現することを特徴とするものである。このような非晶質ＢＮ薄膜を被覆することにより、優れた摺動部材が得られることが判明した。ｈ−ＢＮの場合、六員環中のＢ−Ｎ伸縮振動による吸収ピークが約１３７０ｃｍ−１、六員環間のＢ−Ｎ屈曲振動による吸収ピークが約８１０ｃｍ−１に出現することが知られている。ピーク出現位置の違いは、ＢＮの構造が異なること、あるいは内部応力に起因するものであると考えられる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
【００１８】
図１は、ダイナミックミキシング法により、本発明を実施する場合に用いられる薄膜形成装置の概念図である。これは、気密の成膜室内に、基材１を下面に保持する銅製のホルダ２と、これの下方に配置された蒸発源３と、基材１に対して斜め下方からイオンを入射可能なイオン源４を備えている。銅製ホルダ２は、イオンビーム照射による基材１の温度上昇を防ぐため水冷されており、また、基材１を面内均一に成膜するために回転軸５により回転するようにしている。
【００１９】
（実施例１）
基材１としてステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）を用い、これを銅製ホルダ２に取付け、成膜室の真空度が３×１０-6Ｔorr 以下となってから、金属ホウ素を電子ビームによる蒸発源３を用いて蒸気化し、基材１上に成膜した。それと同時に、イオン源４に窒素ガスを成膜室内の圧力が４〜５×１０-5Ｔorr になるまで導入してイオン化させ、３ｋｅＶの加速エネルギーで、基材に立てた法線に対して４５°の角度で照射した。Ｎ／Ｂの供給比が０．８となるように、ホウ素蒸気６の量と窒素イオンビーム７の照射量を調整し、約１μｍの膜厚を成膜した。
【００２０】
このようにして作製した非晶質ＢＮ薄膜の赤外吸収スペクトルを図２に示す。ｈ−ＢＮの場合には、六員環中のＢ−Ｎ伸縮振動による吸収ピークが約１３７０ｃｍ-1、六員環間のＢ−Ｎ屈曲振動による吸収ピークが約８１０ｃｍ-1に出現することが知られているが、作製した非晶質ＢＮ薄膜は、六員環中のＢ−Ｎ伸縮振動による吸収ピークが約１５００ｃｍ-1、六員環間のＢ−Ｎ屈曲振動による吸収ピークが約７６０ｃｍ-1に出現した。作製した非晶質ＢＮ薄膜の組成比（Ｎ／Ｂ比）は、表面をアルゴンイオンでスパッタエッチングした後、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により分析したところ、０.７であった。
【００２１】
（実施例２）
実施例１と同じ基材を用い、イオンの加速エネルギー１ｋＶ、Ｎ／Ｂ供給比＝０．６の条件で約１μｍに成膜した。なお、その他の成膜条件は実施例１と同じであった。作製した非晶質ＢＮ薄膜の組成比（Ｎ／Ｂ比）は０.７であった。
【００２２】
（実施例３）
実施例１と同じ基材を用い、イオンの加速エネルギー３ｋＶ、Ｎ／Ｂ供給比＝１．４の条件で約１μｍに成膜した。なお、その他の成膜条件は実施例１と同じであった。作製した非晶質ＢＮ薄膜の組成比（Ｎ／Ｂ比）は１.０であった。
【００２３】
（実施例４）
実施例１と同じ基材を用い、イオンの加速エネルギー３ｋＶ、Ｎ／Ｂ供給比＝０．７の条件で約１μｍに成膜した。なお、その他の成膜条件は実施例１と同じであった。作製した非晶質ＢＮ薄膜の組成比（Ｎ／Ｂ比）は０.８であった。
【００２４】
（比較例１）
実施例１と同じ基材を用い、イオンの加速エネルギー１ｋＶ、Ｎ／Ｂ供給比＝０．３の条件で約１μｍに成膜した。なお、その他の成膜条件は実施例１と同じであった。作製した非晶質ＢＮ薄膜の組成比（Ｎ／Ｂ比）は０.２であった。
【００２５】
（比較例２）
実施例１と同じ基材を用い、イオンの加速エネルギー３ｋＶ、Ｎ／Ｂ供給比＝０．５の条件で約１μｍに成膜した。なお、その他の成膜条件は実施例１と同じであった。作製した非晶質ＢＮ薄膜の組成比（Ｎ／Ｂ比）は０.３であった。
【００２６】
（比較例３）
実施例１と同じ基材を用い、イオンの加速エネルギー３ｋＶ、Ｎ／Ｂ供給比＝０．３の条件で約１μｍに成膜した。なお、その他の成膜条件は実施例１と同じであった。作製した非晶質ＢＮ薄膜の組成比（Ｎ／Ｂ比）は０.２であった。
【００２７】
（比較例４）
実施例１と同じ基材を用い、イオンの加速エネルギー３ｋＶ、Ｎ／Ｂ供給比＝２.７とし、実施例１と同様に成膜したところ、ＢＮ薄膜は形成されなかった。
【００２８】
前記実施例２〜４及び比較例１〜３で作製した非晶質ＢＮ薄膜の組成比を、実施例１と同様に、表面をアルゴンイオンでスパッタエッチングした後、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により分析した。また、実施例１〜４および比較例１〜３で作製した非晶質ＢＮ薄膜被覆摺動部材を用いて摩擦摩耗試験を実施した。これらの結果を表１にまとめて示す。
【００２９】
摩擦摩耗試験は、材料の摺動特性を最も有効に判断できる試験であると考えられるボール・オン・ディスク試験機を用いた試験を行った。すなわち、大気中でディスク状の非晶質ＢＮ薄膜被覆摺動部材を回転させ、固定したアルミナのボールを押し付けることによって行った。試験条件は、すべり速度０．２１ｍ／ｓ、荷重０．５ｋｇｆ、試験時間１２００ｓである。表１の耐摩耗性の評価は、◎は非常に優れている場合（最大摩耗深さ０．１μｍ）を示し、×は劣る場合（最大摩耗深さ１μｍ以上）を示している。また、表１中の硬度は、荷重５ｇでのビッカース硬度（ｋｇｆ／ｍｍ2）である。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１より実施例１〜４は、いずれもほとんど摩耗しておらず、非常に耐摩耗性に優れた非晶質ＢＮ薄膜被覆摺動部材であることが明らとなった。これに対し、比較例１〜３のものは、実施例のものとに比較して耐摩耗性が劣るという結果となった。また、硬度の高い非晶質ＢＮ薄膜を被覆した摺動部材が必ずしも良好な耐摩耗性を示さないことがわかる。さらに実施例１〜４は、摺動試験後も非晶質ＢＮ薄膜が剥離せず、基材との密着性に関しても、実用に充分耐え得るものであることが確認された。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、潤滑性及び耐摩耗性を兼ね備えた、優れた摺動性を有する非晶質ＢＮ薄膜被覆摺動部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施のために用いられる薄膜形成装置の概念図である。
【図２】実施例１で作製した非晶質ＢＮ薄膜の赤外吸収スペクトルである。
【符号の説明】
１    基材
２    銅製ホルダ
３    蒸発源
４    イオン源
５    回転軸
６    ホウ素蒸気
７    窒素イオンビーム
【図１】
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【図２】
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