JP2002206177A - 優れた摺動特性を有する摺動部材 - Google Patents
優れた摺動特性を有する摺動部材Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 摩擦係数が小さく、耐磨耗性と摺動特性とに
優れ、摺動面の間に異物が混入しても磨耗や剥離が起き
にくい被膜を形成した金属製の摺動部材を提供する。 【解決手段】 摺動部材の母材表面に、膜厚が５μｍ以
上のＷ，Ｔａ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈ
ｆの１種又はそれらの金属から選ばれる２種以上の元素
からなる金属を含有する非晶質炭素膜を形成する。
優れ、摺動面の間に異物が混入しても磨耗や剥離が起き
にくい被膜を形成した金属製の摺動部材を提供する。 【解決手段】 摺動部材の母材表面に、膜厚が５μｍ以
上のＷ，Ｔａ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈ
ｆの１種又はそれらの金属から選ばれる２種以上の元素
からなる金属を含有する非晶質炭素膜を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦係数が小さく
耐磨耗性に優れるばかりでなく、特に耐剥離性にも優れ
た各種の金属製摺動部材に関する。
耐磨耗性に優れるばかりでなく、特に耐剥離性にも優れ
た各種の金属製摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、特開平６−３４６０７４号公報
には、特に耐磨耗性の低いアルミニウム系材料からなる
摺動部品の摺動面に、膜厚が２〜２０μｍである窒素及
びケイ素を含有する非晶質硬質炭素膜で被覆することを
提案している。かかる被膜を鉄系合金製の摺動部品に適
用してもよく、ケイ素を含有する非晶質硬質炭素膜の厚
みを４〜１５μｍの範囲にすると、耐磨耗性と耐剥離性
に優れた摺動部品が得られるとしている。更にケイ素の
みならず、同時に窒素を含有する非晶質硬質炭素膜は、
膜厚を２〜２０μｍの範囲にすれば、十分な耐磨耗性と
耐剥離性が確保できるというものである。
には、特に耐磨耗性の低いアルミニウム系材料からなる
摺動部品の摺動面に、膜厚が２〜２０μｍである窒素及
びケイ素を含有する非晶質硬質炭素膜で被覆することを
提案している。かかる被膜を鉄系合金製の摺動部品に適
用してもよく、ケイ素を含有する非晶質硬質炭素膜の厚
みを４〜１５μｍの範囲にすると、耐磨耗性と耐剥離性
に優れた摺動部品が得られるとしている。更にケイ素の
みならず、同時に窒素を含有する非晶質硬質炭素膜は、
膜厚を２〜２０μｍの範囲にすれば、十分な耐磨耗性と
耐剥離性が確保できるというものである。
【０００３】特に、窒素及びケイ素を含有する非晶質硬
質炭素膜の成膜は、平行平板型高周波プラズマＣＶＤ法
によって、原料ガスとしてメタン、及び０℃に保ったＴ
ＭＳを窒素ガスでバブリングすることにより得られるＴ
ＭＳと窒素の混合ガスを、プラズマ中に導入し、高速度
工具鋼（ＳＫＨ５１）を基材表面に、膜厚が５μｍ、ビ
ッカース硬度が２７００の窒素及びケイ素を含有する非
晶質硬質炭素膜を形成している。また、前記窒素及びケ
イ素を含有する非晶質硬質炭素膜の膜厚を４〜１５μｍ
の範囲とすると剥離も亀裂も発生しないとしている。
質炭素膜の成膜は、平行平板型高周波プラズマＣＶＤ法
によって、原料ガスとしてメタン、及び０℃に保ったＴ
ＭＳを窒素ガスでバブリングすることにより得られるＴ
ＭＳと窒素の混合ガスを、プラズマ中に導入し、高速度
工具鋼（ＳＫＨ５１）を基材表面に、膜厚が５μｍ、ビ
ッカース硬度が２７００の窒素及びケイ素を含有する非
晶質硬質炭素膜を形成している。また、前記窒素及びケ
イ素を含有する非晶質硬質炭素膜の膜厚を４〜１５μｍ
の範囲とすると剥離も亀裂も発生しないとしている。
【０００４】一方、例えば専門雑誌である「機械設計、
１９９６年３月号」の第８７〜９２頁によれば、精密機
械部品の表面の耐磨耗特性を向上すべくダイヤモンドラ
イクカーボンをコーティングしても、高荷重がかかる部
所では膜が割れを起こすなどの問題があるとして、新た
にダイヤモンドライクカーボンをコーティングするとき
の副産物であるタングステンカーバイト・カーボン（Ｗ
Ｃ／Ｃ）の低摩擦係数と硬度に着目し、これをコーティ
ングすることにより、無潤滑運転が可能となり、耐磨耗
性、耐こじり性、耐荷重性なども著しく向上することを
紹介している。
１９９６年３月号」の第８７〜９２頁によれば、精密機
械部品の表面の耐磨耗特性を向上すべくダイヤモンドラ
イクカーボンをコーティングしても、高荷重がかかる部
所では膜が割れを起こすなどの問題があるとして、新た
にダイヤモンドライクカーボンをコーティングするとき
の副産物であるタングステンカーバイト・カーボン（Ｗ
Ｃ／Ｃ）の低摩擦係数と硬度に着目し、これをコーティ
ングすることにより、無潤滑運転が可能となり、耐磨耗
性、耐こじり性、耐荷重性なども著しく向上することを
紹介している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかして、上記特開平
６−３４６０７４号公報にも記載されているごとく、ケ
イ素及び窒素を含有する非晶質硬質炭素膜を摺動部材に
コーティングすると、膜内部に蓄積される内部応力が大
きく、膜厚を厚くするに従って非晶質硬質炭素膜の剥離
強度が低下するといった課題が発生する。したがって、
異物が混入する部位にあっては、高荷重がかかる部位に
おける非晶質硬質炭素膜の耐磨耗性と異物のかみ込みに
対する耐剥離性を両立させることは困難である。
６−３４６０７４号公報にも記載されているごとく、ケ
イ素及び窒素を含有する非晶質硬質炭素膜を摺動部材に
コーティングすると、膜内部に蓄積される内部応力が大
きく、膜厚を厚くするに従って非晶質硬質炭素膜の剥離
強度が低下するといった課題が発生する。したがって、
異物が混入する部位にあっては、高荷重がかかる部位に
おける非晶質硬質炭素膜の耐磨耗性と異物のかみ込みに
対する耐剥離性を両立させることは困難である。
【０００６】このように、従来のこの種のコーティング
技術にあっては、そのコーティング膜厚と剥離性とは反
比例の関係にあり、摺動特性が損なわれないかぎり小さ
い膜厚に設定することが一般的とされている。因みに、
前記公報によってもケイ素及び窒素を含有する非晶質硬
質炭素膜の膜厚の好ましい値を４〜８μｍとして、膜厚
の上限を規定している。因みに、上記「機械設計」に記
載された（ＷＣ／Ｃ）のコーティング厚も１〜４μｍと
している。これは、ＷＣ／Ｃのコーティングにあって
も、上記ケイ素及び窒素を含有する非晶質硬質炭素膜と
同様に、膜厚と剥離性とは反比例の関係にあると考えら
れていたことによる。
技術にあっては、そのコーティング膜厚と剥離性とは反
比例の関係にあり、摺動特性が損なわれないかぎり小さ
い膜厚に設定することが一般的とされている。因みに、
前記公報によってもケイ素及び窒素を含有する非晶質硬
質炭素膜の膜厚の好ましい値を４〜８μｍとして、膜厚
の上限を規定している。因みに、上記「機械設計」に記
載された（ＷＣ／Ｃ）のコーティング厚も１〜４μｍと
している。これは、ＷＣ／Ｃのコーティングにあって
も、上記ケイ素及び窒素を含有する非晶質硬質炭素膜と
同様に、膜厚と剥離性とは反比例の関係にあると考えら
れていたことによる。
【０００７】本発明の目的は、非晶質硬質炭素膜による
耐磨耗性と低摩擦係数に優れた特性を生かしつつ、更に
基材に対するコーティング膜の剥離強度を大幅に向上さ
せることが可能な摺動部材を提供することにある。
耐磨耗性と低摩擦係数に優れた特性を生かしつつ、更に
基材に対するコーティング膜の剥離強度を大幅に向上さ
せることが可能な摺動部材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用効果】本発明者等
は、優れた摺動特性を有する非晶質硬質炭素膜にあっ
て、そのコーティング膜の硬度を高くすると共にその膜
厚を大きくしても、耐剥離性の向上が図れるならば、種
々摺動部の寿命を大幅に向上できると考えた。しかる
に、上述のごとく、従来は膜厚を大きくすることは剥離
性や割れなどの点から採用することが難しいとされてき
た。
は、優れた摺動特性を有する非晶質硬質炭素膜にあっ
て、そのコーティング膜の硬度を高くすると共にその膜
厚を大きくしても、耐剥離性の向上が図れるならば、種
々摺動部の寿命を大幅に向上できると考えた。しかる
に、上述のごとく、従来は膜厚を大きくすることは剥離
性や割れなどの点から採用することが難しいとされてき
た。
【０００９】そこで、本発明者等はＷＣ／Ｃによるコー
ティング膜の膜厚を様々に変更して摺動試験を行ったと
ころ、意外なことにＷＣ／Ｃによるコーティング膜にあ
っては、その膜厚が所定の値を越えると剥離強度が急激
に高くなり、更に成膜が可能な範囲においてある値を越
えると、その剥離強度は高い値でほぼ一定となり低下が
見られなくなるということを知った。本件請求項１に係
る発明は、こうした従来では予測し得なかった現象に着
目して開発されたものである。
ティング膜の膜厚を様々に変更して摺動試験を行ったと
ころ、意外なことにＷＣ／Ｃによるコーティング膜にあ
っては、その膜厚が所定の値を越えると剥離強度が急激
に高くなり、更に成膜が可能な範囲においてある値を越
えると、その剥離強度は高い値でほぼ一定となり低下が
見られなくなるということを知った。本件請求項１に係
る発明は、こうした従来では予測し得なかった現象に着
目して開発されたものである。
【００１０】しかも、非晶質硬質炭素膜に含有させる材
質としては、前記タングステンカーバイトに限らず、多
様な金属からなる元素を採用することができることも知
った。本件請求項２に係る発明は、かかる知見に基づい
てなされたものである。
質としては、前記タングステンカーバイトに限らず、多
様な金属からなる元素を採用することができることも知
った。本件請求項２に係る発明は、かかる知見に基づい
てなされたものである。
【００１１】すなわち、請求項１に係る発明は、金属製
の摺動部材であって、表面に金属を含有する非晶質炭素
膜を有し、同非晶質炭素膜の膜厚が５μｍ以上であるこ
とを特徴としている。
の摺動部材であって、表面に金属を含有する非晶質炭素
膜を有し、同非晶質炭素膜の膜厚が５μｍ以上であるこ
とを特徴としている。
【００１２】非晶質炭素膜に金属を含有させると、膜内
の内部応力が蓄積されにくくなり、その脆性が改善され
るばかりでなく、コーティング対象となる母材表面との
接合力が向上し、硬度を高くしても割れがなくなり、し
かも母材に対する耐剥離性が向上する。しかも、非晶質
炭素膜の膜厚を５μｍ以上とすると前記耐剥離性が一段
と向上し、１０μｍを越えると５μｍのときの剥離強度
の略４倍程度の大きな剥離強度が得られる。
の内部応力が蓄積されにくくなり、その脆性が改善され
るばかりでなく、コーティング対象となる母材表面との
接合力が向上し、硬度を高くしても割れがなくなり、し
かも母材に対する耐剥離性が向上する。しかも、非晶質
炭素膜の膜厚を５μｍ以上とすると前記耐剥離性が一段
と向上し、１０μｍを越えると５μｍのときの剥離強度
の略４倍程度の大きな剥離強度が得られる。
【００１３】請求項２に係る発明は、非晶質炭素膜に含
有させる上記金属の種類を挙げており、その金属はＷに
限らず、Ｔａ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈ
ｆの１種又はそれらの金属から選ばれる２種以上の元素
からなることを特徴としており、それらの金属を含有さ
せることによっても、ＷＣ／Ｃと同様の特性が期待でき
る。
有させる上記金属の種類を挙げており、その金属はＷに
限らず、Ｔａ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈ
ｆの１種又はそれらの金属から選ばれる２種以上の元素
からなることを特徴としており、それらの金属を含有さ
せることによっても、ＷＣ／Ｃと同様の特性が期待でき
る。
【００１４】請求項３に係る発明は、前記非晶質炭素膜
と摺動部材の母材との間に、同非晶質炭素膜に含有され
る金属と同等の金属膜からなる中間層を有してなること
を特徴としている。この発明によれば、母材の表面に予
め非晶質炭素膜に含有される金属と同種の金属からなる
薄膜を形成しておくことにより、以降に形成される金属
含有非晶質炭素膜との接合性が改善され、剥離強度を更
に高くすることができる。
と摺動部材の母材との間に、同非晶質炭素膜に含有され
る金属と同等の金属膜からなる中間層を有してなること
を特徴としている。この発明によれば、母材の表面に予
め非晶質炭素膜に含有される金属と同種の金属からなる
薄膜を形成しておくことにより、以降に形成される金属
含有非晶質炭素膜との接合性が改善され、剥離強度を更
に高くすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を代表的
な実施例について図面を参照して具体的に説明する。図
１は、本発明に係る摺動部材の金属含有非晶質炭素膜の
成膜に適用される成膜装置の概略構成を示している。
な実施例について図面を参照して具体的に説明する。図
１は、本発明に係る摺動部材の金属含有非晶質炭素膜の
成膜に適用される成膜装置の概略構成を示している。
【００１６】本実施例では、成膜処理前の摺動部材１の
摺動面に、直接タングステン（Ｗ）の薄膜をコーティン
グし、その後に前記金属含有非晶質炭素膜としてのＷＣ
／Ｃをコーティングしている。それらの膜の生成はマグ
ネトロンスパッタリングのプラズマ加速式ＰＶＤを採用
している。
摺動面に、直接タングステン（Ｗ）の薄膜をコーティン
グし、その後に前記金属含有非晶質炭素膜としてのＷＣ
／Ｃをコーティングしている。それらの膜の生成はマグ
ネトロンスパッタリングのプラズマ加速式ＰＶＤを採用
している。
【００１７】先ず、成膜処理前の摺動部材１に対して常
法にしたがって洗浄、脱脂を行い、これをマグネトロン
スパッタリング装置１０の密閉チャンバ１１に設置され
た回転ステージ１２上に載置固定して、真空ポンプによ
って排気してチャンバ内を１０-3Ｐａ以下まで減圧した
のち、チャンバ内にアルゴンガスを導入する。チャンバ
１１の内部には、前記回転ステージ１２の他に、エレク
トロンビームガン１３、金属を含有する非晶質炭素膜形
成用のＷＣやＴａＣ等からなる第１ターゲット１４、中
間層形成用の金属Ｗ，Ｔａ等からなる第２ターゲット１
５が配されている。また、アルゴンガス及び反応ガスで
あるアセチレンガスの導入口１６，１７と、室内を真空
にするためのガス排出口１８を有している。
法にしたがって洗浄、脱脂を行い、これをマグネトロン
スパッタリング装置１０の密閉チャンバ１１に設置され
た回転ステージ１２上に載置固定して、真空ポンプによ
って排気してチャンバ内を１０-3Ｐａ以下まで減圧した
のち、チャンバ内にアルゴンガスを導入する。チャンバ
１１の内部には、前記回転ステージ１２の他に、エレク
トロンビームガン１３、金属を含有する非晶質炭素膜形
成用のＷＣやＴａＣ等からなる第１ターゲット１４、中
間層形成用の金属Ｗ，Ｔａ等からなる第２ターゲット１
５が配されている。また、アルゴンガス及び反応ガスで
あるアセチレンガスの導入口１６，１７と、室内を真空
にするためのガス排出口１８を有している。
【００１８】アルゴンガスの導入後、室内を０．３Ｐａ
の圧力に保って、アルゴンガスをプラズマ化して、エッ
チングにより前記摺動部材１の表面の酸化層等を除去す
る。その後、０．５Ｐａのアルゴンガス中で前記第２タ
ーゲット１５から成膜物質であるタングステンを徐々に
除去してプラズマ雰囲気中に放出してスパッタリングを
行い、成膜処理前の摺動部材１に中間層であるＷ膜を成
膜する。この中間層は０．１〜２μｍの膜厚とすること
が好ましい。
の圧力に保って、アルゴンガスをプラズマ化して、エッ
チングにより前記摺動部材１の表面の酸化層等を除去す
る。その後、０．５Ｐａのアルゴンガス中で前記第２タ
ーゲット１５から成膜物質であるタングステンを徐々に
除去してプラズマ雰囲気中に放出してスパッタリングを
行い、成膜処理前の摺動部材１に中間層であるＷ膜を成
膜する。この中間層は０．１〜２μｍの膜厚とすること
が好ましい。
【００１９】次いで、チャンバ内にアルゴンガスとアセ
チレンガスを導入して、内圧を２．０Ｐａに保ち、ＷＣ
からなる第１ターゲット１４からＷＣを放出してスパッ
タリングを行い、チャンバ内のアセチレンガスと反応さ
せながら、摺動部材１の中間層表面に、２μｍ、５μ
ｍ、１０μｍ、２０μｍ、２５μｍの５水準の膜厚のＷ
含有非晶質炭素膜を形成し、摺動部材Ａ〜Ｅを得た。
チレンガスを導入して、内圧を２．０Ｐａに保ち、ＷＣ
からなる第１ターゲット１４からＷＣを放出してスパッ
タリングを行い、チャンバ内のアセチレンガスと反応さ
せながら、摺動部材１の中間層表面に、２μｍ、５μ
ｍ、１０μｍ、２０μｍ、２５μｍの５水準の膜厚のＷ
含有非晶質炭素膜を形成し、摺動部材Ａ〜Ｅを得た。
【００２０】これらの摺動部材Ａ〜Ｅに対して、それぞ
れダイヤモンド製の先端半径５０μｍのロックウェルタ
イプの圧子を有するスクラッチテスタを使って、２０Ｎ
／ｍｉｎの負荷速度と１０．５ｍｍ／ｍｉｎの引っかき
速度でスクラッチテストを行った。図２はその結果をグ
ラフで示したものである。
れダイヤモンド製の先端半径５０μｍのロックウェルタ
イプの圧子を有するスクラッチテスタを使って、２０Ｎ
／ｍｉｎの負荷速度と１０．５ｍｍ／ｍｉｎの引っかき
速度でスクラッチテストを行った。図２はその結果をグ
ラフで示したものである。
【００２１】図２から理解できるように、膜厚が５μｍ
までは剥離強度が４Ｎ程度であるが、膜厚が５μ以上で
は剥離強度が急激に上昇し、特に１０μｍを越えると剥
離強度は１８〜２０Ｎの間を僅かに漸増するに過ぎなく
なって安定化する。すなわち、膜厚が１０μｍを越える
と剥離強度は、膜厚が５μｍまでの剥離強度の約４倍以
上となり、従来の認識が大きく覆されたことが分かる。
までは剥離強度が４Ｎ程度であるが、膜厚が５μ以上で
は剥離強度が急激に上昇し、特に１０μｍを越えると剥
離強度は１８〜２０Ｎの間を僅かに漸増するに過ぎなく
なって安定化する。すなわち、膜厚が１０μｍを越える
と剥離強度は、膜厚が５μｍまでの剥離強度の約４倍以
上となり、従来の認識が大きく覆されたことが分かる。
【図１】本発明に係る摺動部材の表面に形成する金属含
有非晶質炭素膜の成膜装置の概略構成図である。
有非晶質炭素膜の成膜装置の概略構成図である。
【図２】金属含有非晶質炭素膜の膜厚と剥離強度との関
係を示す相関図である。
係を示す相関図である。
１ （成膜前の）摺動体部材 １０ マグネトロンスパッタリング装置 １１ チャンバ １２ 回転ステージ １３ エレクトロンビームガン １４ 第１ターゲット １５ 第２ターゲット １６，１７ ガス導入口 １８ ガス排出口 Ａ〜Ｅ 摺動部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｎ Ｆ Ｌ // Ｃ１０Ｎ 10:08 Ｃ１０Ｎ 10:08 10:10 10:10 10:12 10:12 30:06 30:06 40:02 40:02 50:08 50:08 Ｆターム(参考） 4H104 AA04A AA08A AA08C FA04 FA05 FA06 LA03 PA01 QA12 4K029 AA02 BA02 BA07 BA11 BA16 BA17 BA34 BA55 BA57 BA64 BB02 BB10 BD04 CA06 DC39 EA01 4K044 AA01 AB10 BA02 BA18 BB01 BB03 BB17 BC01 CA13
Claims (3)
- 【請求項１】 金属製の摺動部材であって、 表面に金属を含有する非晶質炭素膜を有し、 同非晶質炭素膜の膜厚が５μｍ以上である、ことを特徴
とする摺動部材。 - 【請求項２】 前記非晶質炭素膜に含まれる金属が、
Ｗ，Ｔａ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆの
１種又はそれらの金属から選ばれる２種以上の元素から
なることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。 - 【請求項３】 前記非晶質炭素膜と摺動部材の母材との
間に、同非晶質炭素膜に含有される金属と同等の金属膜
からなる中間層を有してなることを特徴とする請求項１
又は２記載の摺動部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000401685A JP2002206177A (ja) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | 優れた摺動特性を有する摺動部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000401685A JP2002206177A (ja) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | 優れた摺動特性を有する摺動部材 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002206177A true JP2002206177A (ja) | 2002-07-26 |
Family
ID=18866080
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000401685A Pending JP2002206177A (ja) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | 優れた摺動特性を有する摺動部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002206177A (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| WO2005072895A1 (ja) * | 2004-01-30 | 2005-08-11 | Mitsubishi Materials Corporation | 表面被覆超硬合金製切削工具、及びその製造方法 |
| JP2005238436A (ja) * | 2004-01-30 | 2005-09-08 | Mitsubishi Materials Corp | 潤滑性非晶質炭素系被膜がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 |
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| JP2006026867A (ja) * | 2004-07-21 | 2006-02-02 | Mitsubishi Materials Corp | 高速重切削で表面被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 |
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| CN100431756C (zh) * | 2004-01-30 | 2008-11-12 | 三菱麻铁里亚尔株式会社 | 表面包覆超硬合金制切削工具及其制造方法 |
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-
2000
- 2000-12-28 JP JP2000401685A patent/JP2002206177A/ja active Pending
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