CN105008576A - 滑动构件 - Google Patents

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Abstract

提供在干燥条件下(不存在润滑剂下)能够达到低摩擦性和低磨损性的滑动构件。一种滑动构件，是由滑动元件(1)和成为其对象方的滑动元件(2)构成的滑动构件，滑动元件(1)由氧化物陶瓷所构成，滑动元件(2)由氢以及sp3/sp2-杂化碳的薄膜所构成。能够提供在低摩擦性和低磨损性的同时摩擦系数与滑行速度无关的滑动构件。

Description

滑动构件
技术领域
本发明涉及干燥摩擦条件下的低摩擦滑动构件。更为详细来说，涉及在即使是润滑剂的非存在下也能够获得充分低的摩擦系数的同时实质上没有被磨损的滑动构件、或在要求耐磨损性的机械部件类中即使不使用润滑油也能够进行实用的工作的滑动构件。
背景技术
近年来，为了对应于由在构件的进行滑动的部分上派生的摩擦力引起的能量的损失、由磨损引起的部件的消耗、由磨损的构件引起的环境污染、动力机械类的节能化等的社会应用，要求低摩擦系数的滑动构件，对于其解决来说，摩擦学(tribology)受到注目。
在日本的骨干产业中摩擦学肩负重要的角色。例如，在汽车产业中，目前，为了地球环境保护，在以来自汽车的被排出的二氧化碳的削减为目的来进行各种各样的对策之中，为了以进一步的低耗油量为目标，不仅动力源的开发而且发动机内部以及驱动系统中的由摩擦引起的能量的传递损失的降低变得重要。认识到谋求动力系统机器中的滑动构件的摩擦系数的降低化、耐磨损性的提高是必要的，构成由结构用钢或者高合金钢构成的滑动构件的滑动面的作为新材料的非晶硬质碳材料(DLC)等受到关注。从谋求耗油率提高等的观点出发，即使在发动机或变速机、减速机等的汽车用驱动系统单元等中也要求降低摩擦损失。
作为减少摩擦并且减少摩擦损失为重要的技术领域，例如可以列举微电子、集成电路(IC)、微控制器、数字存储芯片、存储芯片、小型的电子电路以及微型芯片的生产。它们是在无尘中进行生产，空气中的粉尘浓度或环境污染物质浓度被保持为非常低。这是因为微电子或芯片容易受到由粒子或尘埃或悬浮微粒的污染引起的影响。在无尘室中设备或机械的装置由于摩擦而产生微粒子并且润滑剂或流体使化学物质的蒸汽或悬浮微粒产生，但是，如果没有由摩擦引起的损耗的话则能够提高无尘室内的环境质量并且能够将空气污染抑制到最小限度。另外，如果在含有氧的系统中混入细微粒子的话则容易发生火灾，其原因在于，细微粒子的表面积大，即使是低能量也会起火。绝热压缩、共振、固体摩擦、流体摩擦、促进起火等在含有氧的系统中会成为起火源。即，没有摩擦并且没有由摩擦产生的微粒子的滑动系统，能够使氧浓度高的系统(即，医疗或工业设备中的、填充阀、切断阀、残压阀、调整阀、安全阀)中的安全性变得可靠。
一直以来，作为具有摩擦系数低的特性的材料，众所周知有具有剪切阻力小的层状结晶结构的石墨、二流化钼、氮化硼等的粉末或其烧结体等的固体润滑材料，但是，各种硬质薄膜根据润滑油的使用困难的过于严酷的环境下的低摩擦、耐磨损性的要求而被广泛研究。
例如，在由结构用钢或者高合金钢构成的滑动构件中，为了实现耐磨损性提高或低摩擦系数化，有很多方案提出了由各种表面处理来涂布非晶硬质碳(以下，也称为DLC或者类金刚石碳)膜的技术。因此，非晶硬质碳膜被利用为将耐磨损性赋予工具、模具、磁头、磁盘等的保护膜。这是由来于非晶硬质碳膜是高硬度的。然而，关于滑行材料的表面处理、即作为润滑膜的利用，是仅看到在润滑油中或者介有润滑油的条件下的利用的尝试的程度。
作为使用了硬质碳膜类的滑动构件，有方案提出了例如与现有的各向同性石墨等的低摩擦材料相比即使是在无润滑条件或油膜少的摩擦环境条件下也能够进一步减少滑动面上的摩擦损失，与将高取向性石墨使用于滑动面全体的情况相比在提供具有良好的耐磨损性的滑动构件的时候由X射线衍射测定所得到的石墨-2H002衍射位置上的摇摆曲线(rocking curve)上的半值宽度为7°以下的高取向性的特定石墨构成的面、以及由耐磨损性优于高取向性的特定石墨的合金构成的面朝着滑动方向与滑动方向相平行地设置于滑动面即裙部的一部分的滑动构件(专利文献1)；相对于特殊的浆料或纯粹发挥耐磨损性并且没有低摩擦下的发出摩擦声的现象，作为没有扭矩变动的滑动构件，将类金刚石碳膜形成于硬质材料的滑动面并且特定了类金刚石碳膜的厚度的滑动部件(专利文献2)；另外，一种即使是在真空中被使用的情况下润滑性也遍及长期而为良好的滚动支撑装置，将由氢(H)和碳(C)构成并且含氢率为40原子％以上且53原子％以下的类金刚石碳层形成于内轮以及外轮的轨道面并且将聚乙烯制的隔离件配置于滚珠之间的滚动支撑装置(专利文献3)。
获得使润滑油没有必要的滑动构件当然会带来非常多的优点。例如，在需要抑制粉尘浓度或环境污染物质浓度的微电子、集成电路(IC)的制造工序中被使用。作为如上述的专利文献1所记载的那样不使用润滑剂的干燥滑动构件，有方案提出了将非晶硬质碳膜或氮化碳膜等作为润滑膜来使用，但是，氧的影响成为大问题。非晶硬质碳膜的碳原子容易与大气中的氧相结合，所以如果在大气中使用的话则会渐渐地被氧化。实际上如果在大气中使用的话则长时间的使用由于氧化的问题而变得勉强并且耐久性劣化是众所周知的。
因此，作为由大气引起的氧化的解决对策，例如，有方案提出了以将氮化碳膜形成于相对向地进行滑动的2个构件中至少一个构件的滑动面并且该滑动面实质上成为氮气气氛的方式构成的滑动装置(专利文献4)；或者通过具备将非晶硬质碳膜、氮化碳膜(CNx膜)或者金刚石膜硬质碳膜形成于互相滑动的滑动构件中至少一方的滑动面的一对滑动构件、以及将电压施加于该一对滑动构件的滑动面之间的电压施加单元从而即使在干燥摩擦条件下也能够在大气中提高耐磨损性并且减少摩擦系数的滑动单元(专利文献5)。然而，它们不会解决用于将非晶硬质碳作为干燥摩擦条件下降低滑动摩擦系数或磨损性的材料来进行使用的问题。
一直以来，作为对非晶硬质碳成膜的方法，一般来说，使用等离子CVD法。这是在将原料气体导入到真空腔室内之后由高频放电(电容耦合型等离子激发方式和电感耦合型等离子激发方式等)或微波放电使活性的自由基或离子产生并将非晶硬质碳成膜于基材的方法。关于非晶硬质碳膜的成膜，众所周知有例如专利文献6、7、8等多种文献。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开2010-223288号公报
专利文献2：日本专利申请公开2004-225725号公报
专利文献3：日本专利申请公开2007-56936号公报
专利文献4：日本专利申请公开2002-339056号公报
专利文献5：日本专利申请公开2007-70565号公报
专利文献6：日本专利申请公开2004-323973号公报
专利文献7：日本专利申请公开2010-126419号公报
专利文献8：日本专利申请公开2004-238696号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明是通过研究探讨上述的现有技术中的问题并持续进行研究开发的努力而实现的发明。本发明的目的在于，实现一种在干燥滑行接触的条件下在低摩擦的同时基本上无磨损的滑动构件，并且以在通常的地上的环境下在范围宽的滑行速度下实质上无磨损的达成为目的。
通常，由油进行润滑的摩擦系统如从边界润滑经过混合润滑直至流体润滑为止的“斯特里伯克曲线(Stribeck curve)”那样摩擦随着速度增加而发生变化。紧接着混合润滑状态，形成分离两个配合面的油膜，两个表面由膜而被分离，所以不会发生磨蚀。
在不需要油路或油的密封的干式滑动中，因为装置整体的设计变得简单，所以干式运行或者非润滑油的摩擦系统的实现是有用的。本发明的目的在于，实现一种呈现干燥滑行接触下的低摩擦系数的摩擦对的组合。
本发明的目的在于，提供一种在即使在干燥条件下、即润滑剂的非存在下也能够获得充分低的摩擦系数的同时实质上没有磨损的滑动构件、在要求耐磨损性的机械部件类中即使不使用润滑油也能够进行实用的工作的滑动构件。
解决问题的技术手段
本发明由以下的技术要素所构成。
(1)一种滑动构件，其特征在于，是由滑动元件1和成为其对象方的滑动元件2构成的滑动构件，滑动元件1具有由氧化物陶瓷构成的滑动面，滑动元件2具有由包含氢以及sp3/sp2-杂化碳的薄膜构成的滑动面。
(2)如上述(1)所述的滑动构件，滑动元件1和滑动元件2的摩擦学重叠率(tribological overlap ratio)为，滑动元件1为100％，滑动元件2小于100％。
(3)如上述(1)所述的滑动构件，滑动元件1的氧化物陶瓷为一体成形物或者薄膜。
(4)如上述(1)所述的滑动构件，滑动元件1的氧化物陶瓷由选自稳定化氧化锆、包含马格涅利相(Magneli phase)的氧化钛的二氧化钛、氧化铝以及氧化锆增强的氧化铝中的1种或者1种以上所构成。
(5)如上述(1)所述的滑动构件，滑动元件1的滑动面的表面粗糙度Ra为2.0μm以下。
(6)如上述(1)所述的滑动构件，滑动元件2的薄膜由氢以及sp3/sp2-杂化碳所构成，sp3/(sp2+sp3)大于40原子％。
(7)如上述(1)所述的滑动构件，滑动元件2的薄膜为非晶硬质碳，包含被氢化的无定形碳。
(8)如上述(1)所述的滑动构件，滑动元件2的滑动面的表面粗糙度Ra为2.0μm以下。
(9)如上述(1)所述的滑动构件，滑动元件2由金属制的基材和形成于其表面的薄膜构成，该金属制的基材由铁、钢、铁合金、铝或者铝合金构成。
(10)如上述(1)所述的滑动构件，滑动元件2的薄膜具有含有金属并且其含量朝着表面减少的倾斜层和由氢以及sp3/sp2-杂化碳构成的表面层。
(11)如上述(1)所述的滑动构件，滑动元件2的薄膜具有含有选自铬、钨以及钛中的1种以上的金属并且其含量朝着表面减少的倾斜层和由氢以及sp3/sp2-杂化碳构成的表面层。
(12)如上述(1)所述的滑动构件，具有摩擦率或者磨损率不依赖于滑行速度的性质。
(13)如上述(1)所述的滑动构件，在氧化气氛下显示低摩擦性以及低磨损性。
附图说明
图1表示滑动元件2的层结构的一个例子。
图2表示滑动元件2的截面上的、基材(铁)1、倾斜层2以及DLC层3的构成元素的分布。
图3表示DLC膜的截面的TEM图像。
图4表示DLC膜的截面上的由EDX得到的元素的分布强度。
图5放大表示图4所表示的元素的分布强度。
图6表示制作本发明的薄膜(DLC)的溅射装置的概念图。
图7表示干燥滑动下的滑行速度与摩擦系数的关系。
图8表示干燥滑动下的滑行速度与磨损率的关系。
具体实施方式
本发明的滑动构件，其特征在于，是一种由滑动元件1和成为其对象方的滑动元件2构成的滑动构件，滑动元件1由氧化物陶瓷所构成，滑动元件2由薄膜构成，该薄膜由氢以及sp3/sp2-杂化碳构成。本滑动构件由在干燥摩擦条件下成为低摩擦的滑动元件的组合构成，在滑行速度的范围为0.03～6m/s的干燥滑行接触中，因为负荷容量的范围为100～400MPa，所以能够将滑行&滚动轴承导轨置换成本发明的滑行摩擦对。由本发明的滑动构件，在干燥滑行接触的条件下，可以实现在低摩擦的同时基本上无磨损的滑动构件，能够达成在通常的地上的环境下在范围宽的滑行速度下实质上无磨损。在本发明的滑动构件中，通过将摩擦对的一方作为sp3/sp2-杂化轨道碳以特定比率进行混合的状态的碳薄膜并且将另一方作为氧化物陶瓷从而实现了呈现干燥滑行接触下的低摩擦系数的摩擦对的组合是惊人的创举。由本发明的滑动构件，获得了通过组合氧化物陶瓷和特定的碳薄膜从而减少无润滑(干燥)摩擦等的结果，但是，这些滑动构件的另一个有益的特性在于，具有摩擦系数其程度不同但与滑行速度不相关等的优点。
本发明的滑动构件例如能够作为内燃机的阀动机构、燃料压送泵的燃料喷射阀的驱动机构等的汽车中的各种滑动部件的保护膜、试制用模具、工具等来进行使用，另外，对于防止从在制造微电子、集成电路(IC)、微控制器、数码存储芯片、存储芯片、小型电子电路以及微型芯片的无尘室中被使用的设备、机器产生由摩擦产生的微粒子并且将空气中的粉尘浓度或环境污染物质浓度保持为非常低来说也是有用的。
本发明的滑动构件，例如在密闭的摩擦系统中，摩擦学重叠率(摩擦学接触率)小于100％的滑动元件2与成为其对象方的摩擦学重叠率为100％的滑动元件1进行摩擦学的相互作用，滑动元件1由氧化物陶瓷构成，滑动元件2由被由氢以及sp3/sp2-杂化碳形成的薄膜涂布后的基材构成，在滑动元件1与滑动元件2的接触面，一边处于润滑剂等不介在的干燥摩擦状态一边能够达到实质上的无磨损。滑动元件1(或者主要滑动元件)的配合面的重叠率为100％，常时与对象材料相接触。滑动元件2(对象材料)，不管哪个表面，重叠率均小于100％，仅间断地进行接触，通过接触部分而周期性地接收局部的接触压力。
以下，在说明本发明的时候，将“由氢以及sp3/sp2-杂化碳构成的薄膜”称为“非晶硬质碳膜”或者“DLC膜”。另外，本发明的“非晶硬质碳膜”包含“倾斜层”、“非晶硬质碳层”。
在滑动构件中，为了达到摩擦系数低的无磨损状态，能够设想必要的多个元件，例如优选具备以下的(a)到(c)的2个以上元件。
(a)原子级且光滑的表面
(b)小的表面相互作用
(c)发生弹性变形的微小凹凸
对于满足这样的条件来说，主要是滑动构件的材质成为大的主要原因，优选进一步规定表面平滑度等。
接着，对滑动构件的材质进行说明。
[滑动元件1的材质]
滑动元件1由氧化物陶瓷所构成并且其种类没有特别的限定，但是，优选从稳定化氧化锆、包含马格涅利相(Magneli phase)的氧化钛的二氧化钛、氧化铝以及氧化锆增强的氧化铝中作为1种以上的组合来进行选择。
滑动元件1的表面粗糙度优选Ra值为2.0μm以下，进一步优选为0.1μm以下，更加优选为0.1～0.001μm。另外，Ra最适合为0.018～0.026μm。Rz值优选为1.0～0.1μm的范围，更加优选为0.5～0.05μm的范围，最适合为0.163～0.321μm。
稳定化氧化锆也被称为部分稳定化氧化锆。未被稳定化的氧化锆因为在高温区域会引起相转移，所以为了谋求立方晶或者正方晶中的稳定化(不引起相转移)，将作为稳定化剂的氧化镁、氧化钇、氧化铈、其他的碱土类金属的氧化物、氧化镧、稀土元素的氧化物等加到晶格中，从而防止了发生由在高温下的相转移中体积发生大变化而引起的破裂。
例如，作为被氧化镁稳定化的氧化锆(PSZ)，使用被烧结并且含有3.3wt％的MgO的稳定化氧化锆(ZN40，微硬度11,080MPa，HV0.2，密度r＝5.74gr./cm3)。ZN40为透镜状，且正方晶中纳米尺寸的ZrO2粒子被均匀地分散于立方晶的ZrO2基质。由XRD(X射线衍射)测定的相的结构为：52％正方晶；8％单斜晶(主要是晶粒边界区域)；余下是立方晶。典型的平均粒子尺寸为70μm。作为固定试样，通过研磨一体成形物MgO-ZrO2来制作。
作为氧化钛，是被确认为在马格涅利相的TinO2n-1和Tin-2Cr2O2n-1被使用的干燥滑行中特别在400～800℃下更加减少磨损的材质，作为本发明的滑动元件而被使用。
作为氧化铝，例如优选使用纯度99.7％的烧结氧化铝(A1999.7，14,740MPa，HV0.2，密度ρ＝3.9gr./cm3)。固定试样是通过研磨一体成形物的α-Al2O3来制作，并且平均粒子尺寸为2～8μm的烧结体。
所谓氧化锆增强的氧化铝，是一种例如将氧化锆添加到氧化铝并进行致密烧结的增强的氧化铝，与现有的氧化铝相比，是机械强度、破坏韧性高、特别是在耐冲击构件、耐磨损构件的用途的切削工具等中被使用的材料。
[滑动元件2的材质]
本发明的滑动元件2由包含氢并且含有sp3/sp2-杂化碳的薄膜构成，例如是一种由也被称为类金刚石碳(DLC)的非晶硬质碳层构成的薄膜并且其构造含有被氢化的无定形碳(a-C∶H)。例如，对于层的形成来说，固体碳(石墨)被作为溅射的靶源并且同时使甲烷气体(CH4)或氢(H2)介在来进行成膜。
滑动元件2的表面粗糙度优选Ra为2.0μm以下，进一步优选为0.5～0.0001μm，更加优选为0.05～0.0005μm的范围。另外，Rz优选为0.1～0.01μm的范围，更加优选为0.05～0.01μm的范围。
非晶硬质碳膜被形成之前的基材的表面粗糙度为0.5μm以下，优选为0.05μm，更加优选为0.01μm。
另外，优选设置具有与以下的(a)到(c)相关联的特性的非晶硬质碳薄膜涂层。
(a)压痕模量(Indentation modulus)(与弹性系数相同等)低于钢铁的压痕模量。
(b)在蒸镀阶段，粗糙度极小。
(c)含有大量的(例如实测值为sp3/(sp2+sp3)＝51％)sp3-杂化轨道的碳。
对于向基材表面上的非晶硬质碳膜的形成来说，直接形成于基材表面，但是，优选具有含有铬、钨、钛等的金属的倾斜层(结合层(bondlayer))，更加优选倾斜层以增大基材侧的金属含有率且朝着表面非晶硬质碳层金属含量减少的方式阶段性地接近于非晶硬质碳的组成并且表面变化成纯粹的非晶硬质碳层。
在蒸镀后不对设置于滑动元件2的表面的非晶硬质碳薄膜进行机械加工或表面处理而使用触针式表面形状测定装置(stylusplofilometer)(HOMMEL T8000，具有60°和2μm的stylus tip TKL100)来测定表面粗糙度之后：Ra＝0.005μm；Rpk＝0.006μm；Rvk＝0.012μm。表面粗糙度也能够根据由Asylum Corp制的原子力显微镜(AFM)测定的2D地貌图像进行计算，均方根粗糙度(RMS)为RMS＝2.53nm(0.00253μm)；Ra＝1.98nm(0.00198μm)。该非常低的平面粗糙度表示在一次粒子的沉积时是非常大的核生成速度。这样，成为图3所表示那样的不定形的凝聚状态。
表1表示由本发明的滑动元件2而形成于基材的表面的非晶硬质碳薄膜的特性的一个例子。氢成分在由ERDA(Elastic Recoil DetectionAnalysis)测定之后为16原子％。
[表1]
*吸收端附近X射线吸收细微构造(NEXAFS)；+Naindenda：ELIONIX ENT-100a加重9.8mN；PVD＝物理气相沉积法
[非晶硬质碳膜的构造]
形成滑动元件2的表面的非晶硬质碳膜优选包含无定形碳(a-C)、sp3/(sp2+sp3)以被氢化的无定形碳(a-C∶H)的准稳定形而为40～55原子％的杂化轨道比率和10～20原子％的氢成分。在一般的a-C∶H膜中，sp3/(sp2+sp3)碳成分小于40原子％，被广泛使用的无定形碳薄膜的两相模型为sp3基材中的石墨状集群(graphitic cluster)或者纳米结晶二相结构的模型。
在图1中表示滑动元件2的具体例子的层结构。在滑动元件2为基材的金属1的表面经由倾斜层2而设置有非晶硬质碳层3。在表面的非晶硬质碳层3中不包含金属。倾斜层2也被称为中间层或者结合层(bond layer)，并且是完成将非晶硬质碳层牢固地接合于作为基材的金属的表面的作用的层，倾斜层含有金属以及非晶硬质碳并随着从金属表面离开而成为近似于非晶硬质碳的组成。中间层的基材表面上的组成即使由100％的金属成分所构成也可以是含有金属成分的非晶硬质碳。倾斜层2的金属成分选自铬、钨、钛。
在由透射电子显微镜(TEM)观察本发明的一个实施方式的非晶硬质碳膜的中间层的截面之后，非晶硬质碳层与中间层之和为0.6～3μm，非晶硬质碳层优选为540nm。在基材与非晶硬质碳膜之间没有孔或空隙。由铬金属构成的层大约为50nm，在中间层中金属的浓度发生倾斜的部分大约为100nm。在中间层，纳米结晶分散于无定形的矩阵区域。这样，中间层的金属成分直至成为无定形的非晶硬质碳层为止开始逐渐减少。
图2表示在对表面进行了氮化的钢材1(Cronidur30)的表面上经由由铬元素和非晶硬质碳构成的倾斜层2而设置非晶硬质碳层3的本发明的一个例子的非晶硬质碳膜的截面的元素分布。在倾斜层2中，金属元素朝着非晶硬质碳层减少的情况能够根据浓淡的色调而明确把握。从倾斜层向非晶硬质碳层移动的部分以及非晶硬质碳层根据X射线(XRD)或者电子束(TEM)的测定而可知是无定形。其被表示于图3。非晶硬质碳层不含有碳化物等的杂质。
图4表示在对表面进行了氮化的钢材1(Cronidur30)的表面上经由由铬元素和非晶硬质碳构成的倾斜层2而设置非晶硬质碳层3的本发明的非晶硬质碳膜的截面的元素分布。黑色部分为非晶硬质碳层。截面的元素分布的详细情况表示于图5中。根据JEM2200用200kV进行测定，Fe表示铁；OK表示氧；SiK表示硅；ArK表示氩；CrK表示铬。铬元素从基材表面开始逐渐减少并与非晶硬质碳层连续的情况被明确表示于图5中。
[非晶硬质碳膜的形成]
形成非晶硬质碳膜的溅射的原理如图6所示由在导入了氩(Ar)等的溅射气体的真空中将靶作为阴极并在与阳极之间进行辉光放电(glow discharge)而形成等离子，使该等离子中的离子碰撞于靶并弹飞靶的原子，使该原子沉积于与靶相对地配置的金属制工件上从而形成膜的磁控溅射(magnetron sputtering)法来进行。还有，在非晶硬质碳成膜时，为了控制向非晶硬质碳中的氢量，与溅射气体一起使用甲烷(CH4)等的碳化氢气体或者氢气(H2)。
基材在被加热之后由氩蚀刻进行清洗。在上述的磁控溅射法中，作为蒸镀条件，例如在以下的条件下进行。
(a)碳/石墨阴极输出：12kW×4阴极
(b)相对于甲烷(CH4)的氩的比率：10∶3；气体分压为0.4Pa
(c)蒸镀中的基材温度：270℃
作为滑动元件2被形成于基材上的本发明的非晶硬质碳膜是一种含有氢的无定形碳，并且由sp3/sp2杂化碳所构成，sp3/(sp2+sp3)的值优选为40～55的范围。sp3/(sp2+sp3)的值例如可以由在新钻石论坛(NewDiamond Forum)平成20年度第1次研讨会(平成20年10月17日)上的“DLC的内部构造的基础”神田一浩兵库县立大学高度产业科学技术研究所第35～45页所记载的方法来进行测定。
对于形成倾斜层来说，同时溅射蒸发源的金属靶和溅射蒸发源的石墨靶，随即改变靶输出并相对于时间成比例地减少作为金属和碳的倾斜组成膜而被形成的溅射蒸发源的金属靶输出，另一方面，相对于时间成比例地增加溅射蒸发源的石墨靶输出，仅以规定时间进行溅射。再有，将石墨靶的输出作为100％来形成表面的非晶硬质碳膜。
[基材的材质]
滑动元件2具有基材和被形成于其表面的非晶硬质碳膜，但是优选设置由金属和碳构成的倾斜层。基材如果是满足作为机械部件的物性的物质的话即可，但通常由金属所构成。作为金属，可以使用不锈钢等的各种钢铁类、铁合金类、铝或者其合金类。为了将平滑的非晶硬质碳薄膜形成于基材表面，基材的表面优选Ra值为0.01μm以下。
基材表面可以使用在200℃以上进行退火处理的钢铁类、或经渗碳处理、氮化处理、氮化渗碳·氮化等的热化学处理的钢材类。另外，在将金属铝合金作为基材的情况下优选其表面被化学合成包覆。
[滑动元件1以及滑动元件2的表面的平滑性]
本发明的滑动构件通过从特定的材质中挑选滑动元件1以及滑动元件2从而能够在干燥摩擦状态下达到低摩擦以及低磨损性(无磨损)，但是优选各个元件的表面为平滑的表面。滑动元件1(陶瓷)优选Ra为0.1μm以下，滑动元件2(非晶硬质碳)优选Ra为0.1μm以下。陶瓷类的表面粗糙度的调整能够通过应用市售商品的购入以及现有的成形技术、研磨技术来完成。另外，非晶硬质碳膜的表面粗糙度通过调整溅射条件来进行。
[本发明的滑动构件的特征]
本发明的滑动构件与现有的滑动构件相对比，具有以下的特征。
(a)在空气中的低摩擦下达到了相对于DLC的陶瓷、特别是MgO-ZrO2/α-Al2O3的干燥滑行对具有高负荷容量。
(b)在地上的环境下，在达到两位数的宽范围(0.03～6m/s)的滑行速度下，不依赖于滑行速度而为低摩擦以及低磨损。
(c)负荷容量的范围为100～400MPa，虽然程度有差异但是直至最大6m/s为止不依赖于滑行速度。
(d)PV值非常高且为10MPa·m/s～1,200MPa·m/s的范围。PV表示低磨损状态与高磨损状态之间的边界并且在其以上表示荷重负荷材料不能够正常地发挥功能的上限值。
(e)由蒸镀过程，不进行涂布的最后加工而能够使表面粗糙度(RMS或Ra)小于5nm。
(f)即使在氧化气氛中也能够实现低摩擦、低磨损。
实施例1
[摩擦试验]
[试样]
在摩擦试验中所使用的试样为以下的物质。
(a)Al2O3，纯度为99.7％；Ra＝0.033μm并且Rpk＝0.019μm。
(b)MgO-ZrO2包含3.3wt％的MgO，Ra＝0.028μm。
(c)SiC使用烧结体。
(d)DLC薄膜将非晶硬质碳膜形成于以Cronidur30的表面在非晶硬质碳的蒸镀之前成为Ra＜0.01μm(Ra＝C.L.A.＝中心线平均粗糙度)的方式被研磨后的表面。在蒸镀之后不进行机械加工或表面处理，在使用触针式表面形状测定装置(stylus plofilometer)(HOMMEL T8000，具有60°and 2μm的stylus tip TKL100)来测定表面粗糙度之后：Ra＝0.005μm；Rpk＝0.006μm；Rvk＝0.012μm。
表面粗糙度也能够根据由Asylum Corp制的原子力显微镜(AFM)测定的2D地貌图像进行计算。非晶硬质碳涂布(蒸镀时)的均方根粗糙度(RMS)为RMS＝2.53nm(0.00253μm)；Ra＝1.98nm(0.00198μm)。
另外，sp3/(sp2+sp3)为50原子％，氢含量为16原子％。
DLC薄膜的由溅射进行的形成按照以下的操作进行。将清洗后的工件(X40 CrMoN15-1，DIN：1.4108；SAE AMS：5898)配置于UBM溅射装置内，由氩(Ar)等离子所进行的非平衡磁控溅射(UBM)来进行溅射。对于溅射的气氛来说作为甲烷和氩的混合系，相对于甲烷的氩的比为10.3，气体分压为0.4Pa。靶的施加电压(溅射电源电压)和被施加于工件的偏压(bias voltage)为直流(负(minus))。工件表面与靶的最近距离为15cm并由溅射进行成膜。在工件上，按顺序对使铬(Cr)的组成比率变化的倾斜层(膜厚0.2μm)、非晶硬质碳(100％)的顶层(膜厚0.6μm)进行成膜(总膜厚0.8μm)。偏压从成膜开始时被维持在200V，但是在顶层的成膜中被降低到180V。
[摩擦测定]
作为摩擦计，因为按照先前的DIN50324(或者ASTM G99)进行无润滑状态的滑行磨损测试，所以使用BAM所设计的高温摩擦计。BAM所计划的试验概念，作为固定试验试样，不使用球而是使用环形(toroid)(圆锥曲线旋转面)。其由DIN 51834/ASTM G99来进行推荐。球面的(R1＝6mm并且R2＝21mm)固定试样，表面被研磨，在试验中将其相对于由Cronidur 30(X40 CrMoN15-1，DIN：1.4108；SAE AMS：5898)制作的旋转试样的被涂布的平面进行推压。施加10N的垂直力，其结果，初始的赫兹压力PH在自己组合陶瓷中成为700～1,000MPa。
MgO-ZrO2/DLC与a-Al2O3/DLC的对中的滑行距离为5,000m。试验在空气中在23℃下进行。滑行速度为0.03m/s、0.1m/s、0.3m/s、1.0m/s、3.0m/s以及6.0m/s，相对湿度为20～28％。
被计算的初始赫兹接触压力在DLC与以下的陶瓷的组合中FN＝10N，并且在以下的实验形状的情况下，如以下所述：
(a)MgO-ZrO2/DLC；Pomax＝540MPa；
(b)a-Al2O3/DLC；Pomax＝620MPa；
这样，以DLC小的系数为主导。
进行摩擦力、总计线性磨损以及试样温度的连续测定。磨损体积根据磨损伤的尺寸和磨损痕迹的形状测定结果被计算。作为试验试样，将MgO-ZrO2与其自身(MgO-ZrO2)、α-Al2O3以及SSiC(烧结SiC)组合后的比较例试验的滑行距离为1000m。
实施例2
进行摩擦力、总计线性磨损以及试样温度的连续测定。磨损体积根据磨损伤的尺寸和磨损痕迹的形状测定结果被计算。组合规定的陶瓷来进行干燥滑行对的试验。将MgO-ZrO2与其自身(MgO-ZrO2)、α-Al2O3以及SSiC(烧结SiC)组合后的试验的滑行距离为1000m。α-Al2O3以及SSiC的Ra以与MgO-ZrO2α-Al2O3基本上相同的值进行试验。干燥滑行的试验结果表示于图7中。
该摩擦对的固定试样(重叠率(overlap ratio)为100％)是一体成形物的烧结陶瓷制，并且由(a)MgO-ZrO2或者(b)a-Al2O3所构成，旋转试样是薄膜涂层被蒸镀到其配合面的试样。
相对于MgO-ZrO2(Pomax＝602MPa)，a-Al2O3(Pomax＝713MPa)、或者SSiC(Pomax＝926MPa)分别组合MgO-ZrO2后的对中，摩擦系数高于0.45，所以不能够说那么容易进行润滑。再有，可知摩擦系数的变化与滑行速度存在相关。
MgO-ZrO2/非晶硬质碳和a-Al2O3/非晶硬质碳的情况下，摩擦系数在滑行速度从0.03m/s增加到6m/s的时候显示减少趋势，但是可知对于滑行速度来说没有关系并且维持0.20以下的摩擦系数。
本发明中的重要优点是非晶硬质碳薄膜的磨损率与滑行速度无关。干式运行摩擦系统仅在磨损和摩擦基本上与滑行速度没有关系的情况下，成为与油(流体)润滑系统相同的系统。证实了本发明提供该解决对策。
实施例3
在图8中表示将进行旋转的对象材料(滑动元件2、摩擦学重叠率小于100％)的磨损率的变化作为滑行速度的函数来表示。非晶硬质碳薄膜的磨损率，在MgO-ZrO2/非晶硬质碳的组合的对中具有随着滑行速度的增加而减少的趋势。a-Al2O3/非晶硬质碳的组合的对的情况下，薄膜的磨损率完全与滑行速度无关。该试验在相对湿度为20～28％的条件下进行。另外，为了研究探讨湿度的影响，在滑行速度为0.3m/s；温度为23℃；相对湿度为90％的条件下进行干燥滑行试验。其结果，摩擦系数变小而为0.075，但是对于DLC薄膜的磨损率来说没有影响，kv＝1.07×10-8mm3/Nm，与图8所表示的结果相同。
实施例4
5000m的试验结束时的接触压力也是一个有趣的东西。由ASTMD7755进行说明的面积测定的磨损Wq对于MgO-ZrO2/非晶硬质碳的组合的对来说为5～20μm2，DLC薄膜的磨损深度为～0.1μm。作为磨损非常低的结果，接触压力与初始的接触压力相比没有大的变化。究其原因是在于，由两个滑动元件之间的适应调整，滑动元件的弹性变形向几何性的接触压力变化。这些几何性的接触形状Pomean在试验结束时被计算为100～200MPa。Pomax为Pomean的1.5倍。
试验结束时的几何性的接触压力是重要的。究其原因是在于，在接点上的初始的接触压力的分布因为在DLC薄膜上被测定的低摩擦所以被除去，作为结果，成为适合接触状态。其结果，与几何性的接触压力相同，接触压力均匀地(或者流体静力学地)进行分布。
与试验结束时的接触压力Pomean100～200MPa相关联的滑行速度0.03～6m/s的积成为非常高的PV值，成为1200MPa×m/s。该PV值在干燥滑行中远远超过目前的最先进技术的范围。其超过作为目前的干燥滑行的最先进技术的、烧结青铜的40～70MPa×m/s、烧结铁的15～30MPa×m/s的数值。
[所使用的术语的说明]
[PV值、PV系数]
PV系数或者P×V值为轴承压力与表面速度(纯碎的滑行)的积并且传统性地以(lb/in2)×(ft/min)进行表示，但是在ISO中相当于Pa×m/s。其将滑行轴承中的机械输入定位成设计的严密度或者滑动构件能够支撑的最大的机械输入。PV界限似乎反映由2个表面的摩擦而产生热的情况。所谓μPV的术语，相当于所产生的热(或者力学上的工作)(W/mm2)。耗散能取决于通过接触面并向干燥摩擦(无润滑的)或者混合润滑/边界润滑的下部的体积扩散的情况。
另外，P×V表示低磨损状态与高磨损状态之间的边界并且表示在其以上荷重负荷材料不能够正常地发挥功能的PV积的上限值。最大允许P×V，特别是在无润滑接触的情况下，在设计中使用摩擦对的时候是一个有用的概算。
[磨损率]
如果由先前的DIN50321的话则磨损能够以尺寸或重量、体积的变化来进行定量化，并且能够以运转条件进行标准化。这样，磨损率作为“物质被去掉的速度、……或每单位的、例如每单位滑行距离的、由磨损引起的尺寸变化”来定义。国际上被使用的体积磨损率、或者磨损系数[mm3/Nm](参照DIN50324、ASTM G99)表示在某个运转条件下的摩擦对的磨损的预测，但不是材料的特性。其被定义为将磨损体积除以实际的垂直力和有效滑行距离后的比率。世界上通常所使用的单位为[mm3/Nm]。
最前端的磨损率如果由OOECD的工作组的话则在1901年由BAM确立并且众所周知的斯特里贝克曲线(Stribeck curve)的3个摩擦状态与金属的磨损率存在相关性。在与混合润滑/边界润滑相连续的滑行中，标准的磨损率为10-7～10-9[mm3/Nm]的范围是一般的，弹性流体润滑(EHL)小于10-9[mm3/Nm]。在干燥摩擦中磨损率对于陶瓷而言为10-8[mm3/Nm]，对于金属和高分子而言磨损率成为10-6[mm3/Nm]以下的情况是罕见的。10-8[mm3/Nm]的磨损率根据每次的动作而表示物质由仅1个原子层的细微接触而减少，但是这样的情况难以考虑。在该观点中，容易理解干燥摩擦与液体混合/边界润滑之间的边界线，但是本发明对于惊人之处来说超过了它。
[无摩擦]
能够设想“零摩擦”状态所必要的多个元件，但是以下的(a)～(c)中的2个以上成为必要。
(a)原子级且平滑的表面
(b)小的表面相互作用
(c)弹性变形的微小凹凸
[润滑性]
润滑性与低摩擦相关且成为世界上的研究的中心。润滑性因为表现低摩擦而且高耐磨损性，所以一般在某种程度上被使用。在美国材料试验协会(American Society for Testing and Materials：ASTM)的工程科学技术辞典中记载为“表现用于使承受负荷且进行相对运动的表面的摩擦和损伤为最小限度的润滑剂的能力的定性术语”。在干燥滑行中，低于0.01的摩擦系数从1995年发现，被评价为“超润滑性”。可惜，对此来说真空或者氮气氛成为必要。其原因在于，滑动元件(主要是包覆)容易发生氧化。相对于此，本发明在地上的通常的环境下提供一种低摩擦而且非常低磨损的摩擦对。
产业上的利用可能性
本发明的滑动系统因为磨损低，所以由磨损引起的粒子发生基本上没有。再有，因为是干燥滑行接触(不使用润滑剂)，因此，来自润滑剂的污染也能够防止。利用这样的优点从而能够将其应用到不可避免发生摩擦的机械部件等的低摩擦。另外，在含有氧的气氛下的使用中，能够使医疗或工业设备中的填充阀、切断阀、残压法、调整阀、安全阀等的可靠的工作和安全性的确保变得可靠。
例如，微电子或芯片容易受到由粒子或尘埃或悬浮微粒的污染产生的影响，在无尘室中，设备或机械的装置由摩擦而产生粒子并且润滑剂/流体使化学物质的蒸汽或悬浮微粒发生。本发明作为无润滑剂的滑动系统，能够提高无尘室内的环境并能够将空气污染抑制到最小限度并且能够防止由氧存在下的微粒子的混合存在引起的火灾。可以作为绝热压缩、共振、固体摩擦、流体摩擦等不可避免的机械设备中的机器来进行应用。
符号的说明
1：基材
2：倾斜层
3：非晶硬质碳膜

Claims (13)

1.一种滑动构件，其特征在于：
是由滑动元件(1)和成为其对象方的滑动元件(2)构成的滑动构件，滑动元件(1)具有由氧化物陶瓷构成的滑动面，滑动元件(2)具有由包含氢以及sp3/sp2-杂化碳的薄膜构成的滑动面。
2.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
滑动元件(1)和滑动元件(2)的摩擦学重叠率为，滑动元件(1)为100％，滑动元件(2)小于100％。
3.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
滑动元件(1)的氧化物陶瓷为一体成形物或者薄膜。
4.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
滑动元件(1)的氧化物陶瓷由选自稳定化氧化锆、包含马格涅利相的氧化钛的二氧化钛、氧化铝、以及氧化锆增强的氧化铝中的1种或者1种以上所构成。
5.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
滑动元件(1)的滑动面的表面粗糙度Ra为2.0μm以下。
6.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
滑动元件(2)的薄膜由氢以及sp3/sp2-杂化碳所构成，sp3/(sp2+sp3)大于40原子％。
7.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
滑动元件(2)的薄膜为非晶硬质碳，并且包含被氢化的无定形碳。
8.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
滑动元件(2)的滑动面的表面粗糙度Ra为2.0μm以下。
9.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
滑动元件(2)由金属制的基材和形成于其表面的薄膜构成，该金属制的基材由铁、钢、铁合金、铝或者铝合金构成。
10.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
滑动元件(2)的薄膜具有倾斜层和表面层，其中，倾斜层中，含有金属并且其含量朝着表面减少，表面层由氢以及sp3/sp2-杂化碳构成。
11.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
滑动元件(2)的薄膜具有倾斜层和表面层，其中，倾斜层中，含有选自铬、钨以及钛中的1种以上的金属并且其含量朝着表面减少，表面层由氢以及sp3/sp2-杂化碳构成。
12.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
具有摩擦率或者磨损率不依赖于滑行速度的性质。
13.如权利要求1所述的滑动构件，其特征在于：
在氧化气氛下显示低摩擦性以及低磨损性。
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