JP2003336542A - 高耐摩耗性および高耐焼付き性摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 潤滑油中の高面圧あるいは高速度な摺動環境
下で、優れた耐摩耗性と高耐焼付き性を示す摺動部材、
およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 潤滑油の存在下で摺動される摺動面を持
つ基材と、該摺動面の少なくとも一部に固定した被膜
と、からなり、前記被膜は、炭素を主成分とし、珪素を
１〜５ａｔ％、水素を２０〜４０ａｔ％含むダイヤモン
ドライクカーボンからなる。また、被膜は、プラズマＣ
ＶＤ法により、珪素化合物ガスと炭素化合物ガスとを主
体とした雰囲気中で、珪素化合物ガスと炭素化合物ガス
の流量比を１：５〜５００の範囲内として、放電出力密
度０．０５〜２．０Ｗ／ｃｍ²で放電させることによ
り、基材の摺動面の少なくとも一部に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、優れた耐摩耗性と
高耐焼付き性を示す摺動部材、およびその製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】硬質炭素膜、特にダイヤモンドライクカ
ーボン（ＤＬＣ）は、部品表面に形成することで、部品
の摺動性を高める材料として知られている。ＤＬＣは、
炭素を主成分とし、炭素原子がグラファイトのｓｐ２結
合、ダイヤモンドのｓｐ３結合を有しながら、全体とし
て非晶質の材料で、グラファイトとダイヤモンドとの中
間の物性を示す材料である。そして、その膜特性と表面
平滑性から、摩擦係数が低く、耐摩耗性が高いことが知
られており、摺動性を高める表面被膜として、各種機
械、工具および内燃機関等の摺動面に対し、広く利用さ
れている。中でも自動車のエンジン、燃料ポンプ等の摺
動部は、各種潤滑油中で摺動され、かなりの高面圧とな
る場合もあり、その際生ずる焼付きや摩耗を防止するこ
とが可能なＤＬＣ膜が求められている。

【０００３】ＤＬＣ膜の性質を向上させるために、特開
昭５８−２９５８８号公報では、少なくとも一種の金属
元素を０．１〜４９．９ａｔ％含む炭素膜が、無潤滑下
において低い摩擦係数と高い耐摩耗性を示すことが開示
されている。また、特開昭６３−１６２８７１号公報で
は、磁気ディスク、磁気ヘッド用として、珪素を１００
ｐｐｍ〜１ａｔ％含んだ硬質な炭素膜が、優れた摩擦特
性を持つことが開示されている。さらに、特開２００１
−２１４２６９号公報では、それぞれ珪素を１〜３０ａ
ｔ％含む高密度炭素膜層と低密度炭素膜層とを積層した
膜が、耐摩耗性に優れていることが開示されている。

【０００４】しかしながら、これらの炭素膜は、潤滑油
中での使用を想定しておらず、また、軽荷重下での特性
評価しか成されていない。そのため、各種機械の摺動特
性を高めるために施す被膜として十分な耐摩耗性と高耐
焼付き性を示すものであるのか、一切不明である。

【０００５】特開２００１−１９２８６４号公報では、
炭素を主成分とした炭素膜が、潤滑油中で摩擦係数を低
減させることができることが開示されている。ところ
が、この炭素膜の特性は、荷重１０Ｎ（実面圧約８０Ｍ
Ｐａに相当）と低い荷重で摺動させた場合の評価であ
り、３００ＭＰａ以上の高面圧と成り得る自動車の摺動
環境では、十分な耐摩耗性と高耐焼付き性を示すとは考
え難い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、潤滑
油中の高面圧あるいは高速度な摺動環境下で、優れた耐
摩耗性と高耐焼付き性を示す摺動部材、およびその製造
方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、エンジン
油、駆動系油等の潤滑油を用いた場合に、珪素を含有し
たＤＬＣ膜表面に吸着物が形成され、耐焼付き性および
耐摩耗性に優れる膜となることを発見した。本発明は、
この発見に基づいて成されたものである。

【０００８】本発明の第１発明である高耐摩耗性および
高耐焼付き性摺動部材は、潤滑油の存在下で摺動される
摺動面を持つ基材と、該摺動面の少なくとも一部に固定
した被膜と、からなり、前記被膜は、炭素を主成分と
し、珪素を１〜５ａｔ％、水素を２０〜４０ａｔ％含む
ダイヤモンドライクカーボンからなることを特徴とす
る。さらに、前記珪素は、１．６〜４．５ａｔ％である
のが好ましい。被膜中の珪素含有量を最適値とすること
で、高い耐摩耗性と耐焼付き性を有する被膜が得られ
る。

【０００９】前記被膜は、ラマン分光分析によるラマン
ピークのうち、Ｇバンドの位置が１５５０ｃｍ^-1以上
で、該Ｇバンドの半値幅が１５０ｃｍ^-1以下で、かつ、
該Ｇバンドに対するＤバンドの強度比が１．０以下であ
るのが好ましい。また、前記被膜は、１ａｔ％未満の窒
素および５ａｔ％未満の酸素の少なくとも１種を含むの
が好ましい。さらに、前記被膜は、０．５μｍ以上の膜
厚を持つのが好ましい。

【００１０】前記潤滑油は、カルシウム、亜鉛、硫黄、
リン、および窒素の少なくとも１種の元素を持つ化合物
を含むのが好ましい。

【００１１】前記摺動面は、３００ＭＰａ以上の摺動面
圧で摺動されるのが好ましい。

【００１２】本発明の第２発明である高耐摩耗性および
高耐焼付き性摺動部材の製造方法は、基材を真空容器に
配設し、プラズマＣＶＤ法により、珪素化合物ガスと炭
素化合物ガスとを主体とした雰囲気中で、珪素化合物ガ
スと炭素化合物ガスの流量比を１：５〜５００の範囲内
として、放電出力密度０．０５〜２．０Ｗ／ｃｍ²で放
電させることにより、前記基材の摺動面の少なくとも一
部に炭素を主成分とし、珪素を１〜５ａｔ％、水素を２
０〜４０ａｔ％含むダイヤモンドライクカーボンからな
る被膜を形成することを特徴とする。最適な成膜条件に
より得られた被膜は、高い耐摩耗性と耐焼付き性を有す
る。

【００１３】本第１発明の高耐摩耗性および高耐焼付き
性摺動部材、および本第２発明の製法により得られる高
耐摩耗性および高耐焼付き性摺動部材は、潤滑油中の高
面圧あるいは高速度な摺動環境下で、優れた耐摩耗性と
高耐焼付き性を示す。この摺動部材は、各種機械部品、
エンジン摺動部品、駆動部品等の摺動部に適用可能であ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】本願発明の高耐摩耗性および高耐
焼付き性摺動部材および、その製造方法の実施形態を説
明する。

【００１５】本第１発明の高耐摩耗性および高耐焼付き
性摺動部材は、摺動面を持つ基材と、該摺動面の少なく
とも一部に固定した被膜と、からなる。

【００１６】基材としては、金属系、セラミックス系、
樹脂系基材のいずれも用いることが可能である。具体的
には、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム合金、マ
グネシウム合金、チタン合金等の金属系基材、超鋼、ア
ルミナ、窒化珪素等のセラミックス系基材、ポリイミ
ド、ポリアミド等の樹脂系基材が挙げられる。また、基
材の表面粗さＲｚは３．０μｍ以下、より好ましくは
０．５μｍ以下である。

【００１７】被膜は、基材表面の摺動面の少なくとも一
部に固定される。被膜は、炭素を主成分とし、珪素、水
素を含有するダイヤモンドライクカーボンからなる。含
有する珪素は、１〜５ａｔ％、より好ましくは１．６〜
４．５ａｔ％である。また、含有する水素は２０〜４０
ａｔ％、より好ましくは２５〜３６ａｔ％である。さら
に、被膜中の不純物元素として、微量の窒素あるいは酸
素等を含有しても良い。その含有量としては、窒素であ
れば１ａｔ％未満、酸素であれば５ａｔ％未満が好まし
い。被膜の含有する珪素、水素、窒素、酸素が上記範囲
内にないと、十分な耐摩耗性および耐焼付き性をもつ摺
動部材を得ることができない。また、被膜の膜厚として
は、基材の表面粗さにも依存するが、０．５μｍ以上、
より好ましくは１．０μｍ以上である。

【００１８】本第１発明の摺動部材の被膜について、ラ
マン分光分析を行うと、得られるラマンピークのうち、
Ｇバンドについては、その位置が１５５０ｃｍ^-1以上、
より好ましくは１５６０ｃｍ^-1以上で、半値幅が１５０
ｃｍ^-1以下、より好ましくは１３０ｃｍ^-1以下である。
また、Ｇバンドに対するＤバンドの強度比が１．０以
下、より好ましくは０．９６以下である。さらに、Ｇバ
ンドスペクトルの傾きが小さいことが好ましい。上記の
ようなラマンピークが得られるときに、被膜の耐摩耗性
が向上する。ここで、一般的に１５４０ｃｍ^-1付近で検
出されるＧバンドが高波数側にシフトしている要因とし
ては、珪素の添加により構成原子同士の原子間距離が小
さくなったことが推定され、また、半値幅が小さいの
は、被膜に欠陥が少ないことを示している。さらに、Ｇ
バンドスペクトルの傾きが小さいことは、被膜に２重結
合等を含む有機成分が少ないことを示す。

【００１９】本第１発明の摺動部材は、その摺動面を潤
滑油の存在下で摺動される。潤滑油は、カルシウム、亜
鉛、硫黄、リン、および窒素の少なくとも１種の元素を
持つ化合物を含むのが好ましい。潤滑油に含まれる上記
元素は１０ｐｐｍ以上、より好ましくは２００ｐｐｍ以
上である。具体的には、エンジン油、駆動系油等が好ま
しい。潤滑油に含まれる化合物の成分であるカルシウ
ム、亜鉛、硫黄、リン、窒素等の元素が被膜表面に吸着
することで、相手材の凝着を防止し、耐焼付き性に優
れ、かつ耐摩耗性に優れる摺動部材となる。

【００２０】また、本第１発明の摺動部材は、３００Ｍ
Ｐａ以上の摺動面圧で摺動する部材である。本第１発明
の摺動部材は、高面圧での摺動に優れた部材である。

【００２１】本第２発明の高耐摩耗性および高耐焼付き
性摺動部材の製造方法は、基材を真空容器に配設し、化
学的作製法であるプラズマＣＶＤ法により、基材の摺動
面の少なくとも一部に被膜を形成する。なお、基材は本
第１発明の摺動部材と同様のものを用いることができ
る。

【００２２】プラズマＣＶＤ法により、真空容器中で基
材表面に被膜を形成する際、反応ガスを主体とした雰囲
気中で放電させる。真空容器中には、珪素化合物ガスと
炭素化合物ガスとからなる反応ガスと、雰囲気ガスが導
入される。反応ガスは、膜原料ガスとなるものであり、
具体的には、珪素化合物ガスとしてはモノシラン等の水
素化珪素、ＴＭＳ（テトラメチルシラン）、四塩化珪
素、また、炭素化合物ガスとしてはメタン、アセチレ
ン、ベンゼン等が望ましい。さらに、珪素化合物（ＴＭ
Ｓ）ガスと炭素化合物（ＣＨ₄）ガスの流量比は、１：
５〜５００の範囲内であるのが望ましく、具体的には、
ＴＭＳガス１〜２００ｓｃｃｍ、ＣＨ₄ガス５〜２００
０ｓｃｃｍが望ましい。珪素化合物ガスと炭素化合物ガ
スの流量比は、１：５〜５００の範囲内にないと、得ら
れる被膜の珪素含有量が１〜５ａｔ％とならず、耐焼付
き性および耐摩耗性に優れる摺動部材が得られない。雰
囲気ガスは、水素、アルゴン等の一般的に用いるガスが
望ましい。その流量は、それぞれ１０〜１０００ｓｃｃ
ｍである。成膜圧力は、１．３３〜１３３０Ｐａであ
る。放電の際の出力は、放電出力密度０．０５〜２．０
Ｗ／ｃｍ²、より望ましくは、０．１５〜１．０Ｗ／ｃ
ｍ²である。放電出力密度が０．０５Ｗ／ｃｍ²に満たな
い場合や、２．０Ｗ／ｃｍ²を越えると、被膜の硬度が
低下する。この時、基材の温度は、１００〜７００℃が
望ましく、１００℃より低いと放電が不安定となり、７
００℃以上で、かつ放電出力が１５００Ｗ程度になる
と、膜質が低下するため、好ましくない。

【００２３】上記のようにして得られた摺動部材および
その製造方法は、ピストン、ピストンシリング、動弁系
部品（カム・シム、ローラロッカー等）等のエンジン摺
動部品、無断変速機等の動弁系部品、ＡＴ部品等の駆動
部品、および各種機械部品に適用される。

【００２４】

【実施例】本願発明の実施例を比較例と共に、図および
表を用いて説明する。

【００２５】実施例１〜８および比較例１〜１３の摺動
部材を作成した。得られた摺動部材を、それぞれ、摺動
部材１〜８、および摺動部材９〜２１とする。これらの
摺動部材に対して、マイクロビッカース硬度計による表
面硬度Ｈｖの測定試験、ボールオンディスク試験法、リ
ングオンディスク試験法による摩擦摩耗試験、飛行時間
型二次イオン質量分析（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）、およびラ
マン分光分析を行った。なお、摺動部材は、ボールオン
ディスク試験法にはディスク試験片として直径３０ｍ
ｍ、厚さ３ｍｍ、また、リングオンディスク試験法には
ブロック試験片として６．３ｍｍ×１５．７ｍｍ×１
０．１ｍｍの寸法の基材を用いた。以下に、摺動部材の
作成方法を述べる。 （実施例１）実施例１の摺動部材１は、図１に示す成膜
装置４０内で作成した。

【００２６】まず、ステンレス製の真空容器４１の中央
に設けた基台４２の中央に、基材４３（ＳＵＳ４４０
Ｃ、Ｈｖ６５０〜７００）を配置した。なお、基台４２
の支持柱４４の内部には冷却水を送る冷却水管（図示せ
ず）が取り付けられている。

【００２７】次に、真空容器４１を密閉し、ガス導出管
４５に接続されたロータリ−ポンプＲＰ１により真空容
器４１内を粗引き後、拡散ポンプＤＰにより残留ガスが
０．０１３Ｐａまで排気した。なお、ポンプＲＰ、ＤＰ
は、ガス導出管４５により真空容器４１と連通し、各通
路にはバルブＶ１、Ｖ２が設けられている。ロータリー
ポンプＲＰには、リークバルブであるバルブＬＶが設け
られている。また、ガス導入管４６は、コントロールバ
ルブを介して各種ガスボンベに連結している（図示せ
ず）。

【００２８】０．０１３Ｐａまで排気した真空容器４１
に、昇温用ガスとして水素ガスをガス導入管４６より１
５ｓｃｃｍで導入し、真空容器４１内が１３０Ｐａに保
たれるようにバルブＶ２を調整した。その後、真空容器
４１の内側に設けたステンレス製の陽極板４７と基台４
２（陰極）との間に２００Ｖの直流電圧を印加して放電
を開始し、基材４３が５００℃になるまでイオン衝撃に
よる昇温を行った。ここで、直流電源回路は、陽極４７
と陰極４２により構成され、内部の基材４３の温度を測
定する二色または単色の放射温度計、あるいは熱電対
（図示せず）からの入力により電源制御され、基材４３
の温度を一定に保つことができる。

【００２９】次に、真空容器４１内にＴＭＳ（（Ｃ
Ｈ₃）₄Ｓｉ）ガス１ｓｃｃｍ、メタン（ＣＨ₄）ガス４
００ｓｃｃｍ、水素ガス３０ｓｃｃｍ、アルゴンガス３
０ｓｃｃｍをガス流量管４６より導入し、全圧力５００
Ｐａの特殊薄膜形成雰囲気とし、基材４３の温度を５０
０℃に保ちながら、１５分間の化学蒸着を行った。この
際、放電出力は５００Ｗ（放電出力密度０．６Ｗ／ｃｍ
²）であった。

【００３０】化学蒸着処理後、放電を止め、基材４３を
１Ｐａ以下の減圧下において冷却した。以上の様にし
て、摺動部材１を得た。得られた被膜の膜厚は３μｍで
あった。 （実施例２）実施例１と同様な手順で、２０分間成膜
し、３μｍの被膜を有する摺動部材２を得た。なお、真
空容器４１内に導入したメタンガスは、２００ｓｃｃｍ
であった。 （実施例３）実施例１と同様な手順で、３０分間成膜
し、３μｍの被膜を有する摺動部材３を得た。なお、真
空容器４１内に導入したメタンガスは、１００ｓｃｃｍ
であった。 （実施例４）実施例１と同様な手順で、４０分間成膜
し、３μｍの被膜を有する摺動部材４を得た。なお、真
空容器４１内に導入したメタンガスは、５０ｓｃｃｍで
あった。 （実施例５）実施例１と同様な手順で、３μｍの被膜を
有する摺動部材５を得た。なお、基材４３にはアルミ合
金（Ａ２０１７）を用い、真空容器４１内に導入したメ
タンガスは、１００ｓｃｃｍであった。また、基材の温
度を２００℃に保ちながら、放電出力２００Ｗ（放電出
力密度０．２４Ｗ／ｃｍ²）で放電した。 （実施例６）実施例１と同様な手順で、２μｍの被膜を
有する摺動部材６を得た。なお、基材４３には超鋼（Ｋ
１０（ＷＣ−Ｃｏ、Ｃｏ：４〜７％））を用い、真空容
器４１内に導入したメタンガスは、１００ｓｃｃｍであ
った。また、基材の温度を４００℃に保ちながら、放電
出力４００Ｗ（放電出力密度０．４８Ｗ／ｃｍ²）で２
０分間放電した。 （実施例７）実施例６と同様な手順で、２μｍの被膜を
有する摺動部材７を得た。なお、基材４３にはセラミッ
クスとしてアルミナを用いた。 （実施例８）実施例１と同様な手順で、２μｍの被膜を
有する摺動部材８を得た。なお、基材４３には樹脂基材
としてポリイミドを用い、真空容器４１内に導入したメ
タンガスは、２００ｓｃｃｍであった。また、基材の温
度を１５０℃に保ちながら、放電出力１５０Ｗ（放電出
力密度０．１８Ｗ／ｃｍ²）で放電した。 （比較例１）実施例１と同様な手順で、３μｍの被膜を
有する摺動部材９を得た。なお、真空容器４１内に導入
したＴＭＳガスは２ｓｃｃｍ、メタンガスは５０ｓｃｃ
ｍであった。 （比較例２）実施例１と同様な手順で、３μｍの被膜を
有する摺動部材１０を得た。なお、真空容器４１内に導
入したＴＭＳガスは４ｓｃｃｍ、メタンガスは５０ｓｃ
ｃｍであった。 （比較例３）実施例１と同様な手順で、３μｍの被膜を
有する摺動部材１１を得た。なお、真空容器４１内に導
入したＴＭＳガスは６ｓｃｃｍ、メタンガスは５０ｓｃ
ｃｍであった。 （比較例４）実施例１と同様な手順で、３μｍの被膜を
有する摺動部材１２を得た。なお、真空容器４１内に導
入したＴＭＳガスは１０ｓｃｃｍ、メタンガスは５０ｓ
ｃｃｍであった。 （比較例５）実施例１と同様な手順で、２μｍの被膜を
有する摺動部材１３を得た。なお、真空容器４１内に導
入したＴＭＳガスは１ｓｃｃｍ、メタンガスは１００ｓ
ｃｃｍであった。また、放電出力３０Ｗ（放電出力密度
０．０３６Ｗ／ｃｍ²）で放電した。 （比較例６）比較例５と同様な手順で、２μｍの被膜を
有する摺動部材１４を得た。なお、放電出力１８００Ｗ
（放電出力密度２．２Ｗ／ｃｍ²）で放電した。 （比較例７）高周波プラズマＣＶＤ法により、２μｍの
被膜を有する摺動部材１５を得た。メタンガスを原料と
して、プラズマ中に導入した。メタンガスは１００ｓｃ
ｃｍで、反応圧力は６．５Ｐａとした。また、基材の温
度を２００℃に保ちながら、放電出力１００Ｗで３６０
分間、放電した。 （比較例８）物理的作製法であるマグネトロンスパッタ
リング法により、２μｍの被膜を有する摺動部材１６を
得た。成膜条件は、グラファイトターゲットを用い、ア
ルゴンガスを２０ｓｃｃｍ、メタンガスを１ｓｃｃｍ導
入し、反応圧力は１Ｐａとした。また、基材の温度２０
０℃で４時間成膜した。 （比較例９）比較例７と同様な手順で、２μｍの被膜を
有する摺動部材１７を得た。なお、基材４３にはアルミ
合金（Ａ２０１７）を用いた。真空容器４１内に導入し
たメタンガスは２００ｓｃｃｍで、ＴＭＳガスは導入し
なかった。また、放電出力２００Ｗで放電した。 （比較例１０）物理的作製法であるアークイオンプレー
ティング法により、３μｍのＣｒＮ被膜を有する摺動部
材１８を得た。Ｃｒターゲットをカソード電極とするア
ーク式イオンプレーティング装置を用いた。基材４３に
はアルミ合金（Ａ２０１７）を用いた。成膜には、基材
に−４０Ｖのバイアス電圧を印加し、真空炉内に窒素ガ
ス２０ｓｃｃｍを導入し、０．５Ｐａでアーク放電を行
った。 （比較例１１）アークイオンプレーティング法により、
３μｍのＴｉＮ被膜を有する摺動部材１９を得た。Ｔｉ
ターゲットをカソード電極とするアーク式イオンプレー
ティング装置を用いた。基材４３にはアルミ合金（Ａ２
０１７）を用いた。成膜には、基材に−４０Ｖのバイア
ス電圧を印加し、真空炉内に窒素ガス２０ｓｃｃｍを導
入し、０．５Ｐａでアーク放電を行った。 （比較例１２）実施例１と同様な手順で、２μｍの被膜
を有する摺動部材２０を得た。なお、基材４３には超鋼
（Ｋ１０（ＷＣ−Ｃｏ、Ｃｏ：４〜７％））を用い、真
空容器４１内に導入したＴＭＳガスは４ｓｃｃｍ、メタ
ンガスは５０ｓｃｃｍであった。また、基材の温度を４
００℃に保ちながら、放電出力４００Ｗ（放電出力密度
０．４８Ｗ／ｃｍ²）で放電した。 （比較例１３）実施例１と同様な手順で、２μｍの被膜
を有する摺動部材２１を得た。なお、基材４３には樹脂
基材としてポリイミドを用い、真空容器４１内に導入し
たＴＭＳガスは４ｓｃｃｍ、メタンガスは５０ｓｃｃｍ
であった。また、基材の温度を１５０℃に保ちながら、
放電出力１５０Ｗ（放電出力密度０．１８Ｗ／ｃｍ²）
で放電した。 ［評価］表１は、実施例１〜８および比較例１〜１３の
摺動部材１〜８および９〜２１の作成条件および被膜の
組成をしめす。

【００３１】

【表１】

【００３２】被膜中の珪素量は、電子プローブ微小部分
析法（ＥＰＭＡ）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）、オー
ジェ電子分光法（ＡＥＳ）、ラザフォード後方散乱法
（ＲＢＳ）を用いて定量した。また、水素量は、弾性反
跳粒子検出法（ＥＲＤ）を用いて定量した。ＥＲＤは、
２ＭｅＶのヘリウムイオンビームを試料に照射し、試料
表面からはじき出される水素を半導体検出器により検出
することで、被膜中の水素濃度を測定するものである。

【００３３】マイクロビッカース硬度計により、摺動部
材１〜４および９〜１５の被膜の硬さを測定した。測定
荷重２５ｇにて３０秒間保持し、５点の測定平均値をＳ
ｉ含有量に対して図２にまとめた。摺動部材１〜４，
９，１２，１５では、ビッカース硬さＨｖ２０００以上
を示した。中でも、Ｓｉ含有量の低い摺動部材１，２お
よびＳｉを含まない摺動部材１５は、Ｈｖ２５００を示
した。また、摺動部材１３，１４に示すように、放電出
力が極めて低い又は高いものでは、被膜の硬度が低くな
った。このことから、成膜条件を最適に制御すること
で、高硬度な被膜が得られることが明らかとなった。

【００３４】Ｓｉ含有量の異なる摺動部材１〜４，９〜
１１，１５，１６について、図３に示す装置を用いて、
ボールオンディスク試験を行った。ディスク試験片３０
は、直径３０ｍｍ、厚さ３ｍｍのディスク形状を持つ基
材３３に成膜した被膜３２をダイヤモンドペーストでラ
ップし、表面粗さを０．１μｍＲｚ以下とした。相手材
となるボール３６は、軸受け鋼ＳＵＪ２ボール（Ｈｖ７
５０〜８００）を用いた。ボール形状は、直径６．３５
ｍｍで、表面粗さは０．１μｍＲｚ以下であった。荷重
ｆは８０Ｎ、摺動速度は０．２ｍ／ｓにて摩耗量を測定
した。この際、実面圧は約６５０ＭＰａであった。潤滑
油は、ＦＭ材（Ｍｏ系）無しのエンジン油（５Ｗ−３
０）、駆動系油の２種類を用い、滴下量５ｃｃ／ｍｉ
ｎ、油温は室温とした。膜の耐摩耗性は、最大摩耗深さ
３４を測定した。

【００３５】図４にエンジン油中での摩擦摩耗試験結果
を、図５に駆動系油中での摩擦摩耗試験結果を示す。ど
ちらの油中の試験においても、摺動部材１〜４の摺動部
材は、もっとも高い耐摩耗性を示した。被膜のＳｉ量を
増加すると、摩耗深さは大きくなり、耐摩耗性は低下し
た。また、Ｓｉを含まない摺動部材１５，１６では、Ｓ
ｉ含有量が多い摺動部材９〜１１と比較して耐摩耗性に
は優れるが、摺動部材１〜４よりも摩耗が進むことがわ
かった。

【００３６】また、基材の異なる摺動部材についても、
同様なボールオンディスク試験を行った。合金を基材と
した摺動部材５，１７〜１９、焼結体を基材とした摺動
部材６，７，２０、樹脂基材とした摺動部材８，２１に
ついて、それぞれ測定を行った。

【００３７】アルミ合金を基材３３としたディスク試験
片３０は、被膜３２を＃１５００耐水ペーパーで研磨
し、表面粗さを０．４μｍＲｚ以下とした。相手材とな
るボール３６は、軸受け鋼ＳＵＪ２ボール（Ｈｖ７５０
〜８００）を用いた。ボール形状は、直径６．３５ｍｍ
で、表面粗さは０．１μｍＲｚ以下であった。潤滑油
は、ＦＭ剤（Ｍｏ系）無しのエンジン油（１０Ｗ−３
０）を用い、油温は室温とした。滑り速度０．２ｍ／ｓ
にて、加重を２０〜９０Ｎまで変化させ、摩擦係数が急
増する加重を焼付き加重とした。

【００３８】図６にエンジン油中での各種被膜の耐焼付
き性を示す。摺動部材５の耐焼付き加重が最も高いこと
が分かった。摺動部材１８のＣｒＮ被膜や、摺動部材１
９のＴｉＮ被膜よりも、摺動部材５の被膜が、さらに、
Ｓｉを含まない摺動部材１７の被膜よりもＳｉを４．１
ａｔ％含む摺動部材５の被膜が、耐焼付き性に優れてい
た。また、アルミ合金以外にも、チタン合金、マグネシ
ウム合金を基材とした場合にも、同様な結果が得られる
ことを確認した。

【００３９】焼結体を基材とした摺動部材６，７，２０
についても、合金基材と同様な処理を施し、荷重５０
Ｎ、摺動速度０．２ｍ／ｓの測定条件にてボールオンデ
ィスク試験を行った。エンジン油は、５Ｗ−３０を用
い、滴下量５ｃｃ／ｍｉｎ、油温は室温とした。

【００４０】図７にエンジン油中での摩耗深さを示す。
Ｓｉ量の多い摺動部材２０に比べ、Ｓｉ量が４．０ａｔ
％である摺動部材６，７では、摩耗深さが小さく、基材
が超鋼であってもアルミナであっても、耐摩耗性に優れ
ていることが分かった。

【００４１】また、樹脂基材についても合金基材と同様
な処理を施した後、荷重５０Ｎ、摺動速度０．２ｍ／ｓ
の測定条件にてボールオンディスク試験を行った。エン
ジン油は、５Ｗ−３０を用い、滴下量５ｃｃ／ｍｉｎ、
油温は室温とした。図８にエンジン油中での摩耗深さを
示す。Ｓｉ量の多い摺動部材２１に比べ、Ｓｉ量３．０
ａｔ％の摺動部材８では、摩耗深さが小さく、耐摩耗性
に優れていることが分かった。

【００４２】以上のボールオンディスク試験結果から、
各種基材表面に成膜した炭素を主成分とする被膜が耐摩
耗性および耐焼付き性示すのは、珪素を１〜５ａｔ％含
む被膜であることが分かった。

【００４３】Ｓｉ含有量の異なる摺動部材２〜４，１
０，１５，１６について、図９に示す装置を用いて、リ
ングオンブロック試験を行った。リングオンブロック試
験には、ＦＡＬＥＸ社製、ＬＦＷ−１型試験を用いた。
ブロック試験片９０は、６．３ｍｍ×１５．７ｍｍ×１
０．１ｍｍのブロック形状を持つ基材９３と、基材９３
に成膜した被膜９２とから成る。相手材となるリング試
験片９６は、ＬＦＷ−１型試験の標準試験片であるＦＡ
ＬＥＸ、Ｓ−１０リング試験片を用いた。このリング試
験片９６は、ＳＡＥ４６２０スチール（Ｈｖ６５０〜７
７０）から成る。リング試験片９６は、油槽９７内に回
転可能に設置されており、ＦＭ材（Ｍｏ系）無しのエン
ジン油（５Ｗ−３０）を油槽９７に満たした。この際、
リング試験片９６は、その少なくとも一部がエンジン油
中にある。なお、油温は８０℃とした。ブロック試験片
９０とリング試験片９６は、ブロック試験片９０の被膜
９２とリング試験片９６とが接触するように設置した。
荷重は、無負荷の状態でリング回転速度を０．３ｍ／ｓ
に設定し、荷重Ｆを５０Ｎずつ増しながら、各荷重で１
分ずつ摺動させ、摩擦係数が急増した荷重を焼付き荷重
とした。また、荷重を３００Ｎ（実面圧３１０ＭＰａ）
で固定し、３０分間保持し、被膜の摩耗深さの大小で耐
摩耗性を評価した。

【００４４】図１０に、エンジン油中での被膜の耐焼付
き性を示す。Ｓｉを２．１〜４．５ａｔ％含む摺動部材
２〜４は、Ｓｉ量の多い摺動部材１０や、Ｓｉを含まな
い摺動部材１５，１６と比べ、焼付き荷重が高く、耐焼
付き性に優れていることが分かる。また、図１１に、エ
ンジン油中での被膜の耐摩耗性を示す。Ｓｉを２．１〜
４．５ａｔ％含む摺動部材２〜４において、摩耗深さが
最も小さいことが分かった。

【００４５】以上のボールオンディスク試験結果および
リングオンブロック試験結果から、実施例１〜８の摺動
部材は、高耐摩耗性で、かつ高耐焼付き性に優れている
ことがわかった。

【００４６】次に、摺動部材２，３，１５，１６の摺動
部を二次イオン質量分析（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ分析）によ
り、表面吸着物を調べた。その結果を表２に示す。

【００４７】

【表２】

【００４８】Ｓｉをそれぞれ２．１ａｔ％、４．１ａｔ
％含有した摺動部材２，３では、Ｓｉを含有していない
摺動部材１５，１６よりもＣａ、Ｚｎ、Ｐの吸着量が多
い。Ｃａ、Ｚｎ、Ｐ等のエンジン油中に含まれる成分が
吸着しやすい膜表面となることで、耐焼付き性が向上し
た。また、吸着物が多く膜面に存在することで、焼付き
の防止だけでなく、耐摩耗性も同時に向上していると推
測できる。

【００４９】膜構造を調べるために、ラマン分光分析に
より、摺動部材１〜４，１０，１１，１５，１６のラマ
ン分光スペクトルを得た。ラマン分光分析には、アルゴ
ンイオンレーザー（波長５１４．５ｎｍ）を用いた。得
られたスペクトルから、（Ａ）Ｇバンドピーク位置、
（Ｂ）Ｇバンド半値幅、（Ｃ）Ｄ／Ｇ強度比、（Ｄ）Ｇ
バンドスペクトルの傾きを、Ｓｉ含有量についてまとめ
た結果を図１２に示す。なお、Ｄ／Ｇ強度比には、高さ
の比を用いた。また、スペクトルの傾きは、蛍光成分の
影響を受けることで現れる現象である。このことは、被
膜中に蛍光成分がみられ、有機的な構造を含んでいるこ
とが考えられる。

【００５０】被膜中のＳｉ量が１．６〜４．５ａｔ％で
ある摺動部材１〜４では、Ｇバンドピーク位置が高周波
側にシフトし、１５５０ｃｍ^-1より高い波数に位置し
（図１２（Ａ））、被膜の構成原子同士の距離が小さく
なったことが推定される。また、実１〜４では、Ｇバン
ド半値幅が小さく、１５０ｃｍ^-1以下で（図１２
（Ｂ））、被膜に欠陥が減少したものと推定される。さ
らに、摺動部材１〜４では、Ｇバンドに対するＤバンド
の強度比が１．０以下であった（図１２（Ｃ））。つま
り、最適な量のＳｉを含む実施例１〜４の被膜は、Ｇバ
ンドピークが１５５０ｃｍ^-1より高い波数でみられ、Ｇ
バンド半値幅が１５０ｃｍ^-1以下で、Ｇバンドに対する
Ｄバンドの強度比が１．０以下であることが分かった。
ここで、実１〜４は、硬度測定、摩擦摩耗試験等におい
て優れた特性を示しているため、以上の構造を示すラマ
ンスペクトルを持つ被膜が、高耐摩耗性および高耐焼付
き性をもつことが明らかとなった。

【００５１】さらに、摺動部材１〜４では、Ｇバンドス
ペクトルの傾きが１．０以下で小さく、２重結合等を含
む有機成分が少なくなったと推測される。

【００５２】

【発明の効果】本第１発明の高耐摩耗性および高耐焼付
き性摺動部材は、潤滑油の存在下で摺動される摺動面を
持つ基材と、摺動面の少なくとも一部に固定した被膜
と、からなり、被膜は、炭素を主成分とし、珪素を１〜
５ａｔ％、水素を２０〜４０ａｔ％含むダイヤモンドラ
イクカーボンからなる。上記の構成により、潤滑油中の
高面圧あるいは高速度な摺動条件で、優れた耐摩耗性と
高耐焼付き性を示す。潤滑油中の化合物がもつ、カルシ
ウム、亜鉛、硫黄、リン、窒素等の少なくとも１種の元
素が被膜に吸着するため、膜表面への相手材の凝着を防
止し耐焼付き性に優れ、さらに、耐摩耗性も向上させ
る。

【００５３】本第２発明の高耐摩耗性および高耐焼付き
性摺動部材の製造方法は、基材を真空容器に配設し、プ
ラズマＣＶＤ法により、珪素化合物ガスと炭素化合物ガ
スとを主体とした雰囲気中で、珪素化合物ガスと炭素化
合物ガスの流量比を１：５〜５００の範囲内として、放
電出力密度０．０５〜２．０Ｗ／ｃｍ²で放電させるこ
とにより、前記基材の摺動面の少なくとも一部に被膜を
形成する。最適な条件で形成された摺動部材は、高耐摩
耗性および高耐焼付き性を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明で用いられるプラズマＣＶＤ装置の概
略図。

【図２】 マイクロビッカース硬さと被膜の珪素含有量
の関係を示す図。

【図３】 ボールオンディスク試験装置の概略図。

【図４】 エンジン油中での摩擦摩耗試験結果を示す
図。

【図５】 駆動系油中での摩擦摩耗試験結果を示す図。

【図６】 アルミ合金を基材とした場合のエンジン油中
での各種被膜の耐焼付き性を示す図。

【図７】 焼結体を基材とした場合のエンジン油中での
摩耗深さを示す図。

【図８】 樹脂を基材とした場合のエンジン油中での摩
耗深さを示す図。

【図９】 リングオンブロック試験装置の概略図。

【図１０】エンジン油中での被膜の耐焼付き性を示す
図。

【図１１】エンジン油中での被膜の耐摩耗性を示す図。

【図１２】ラマン分光分析結果と被膜の珪素含有量の関
係を示す図。

【符号の説明】

１〜２１…摺動部材１〜２１ ４１…真空容器 ４２…基台 ４４…支持
柱 ４５…ガス導出管 ４６…ガス導入管 ４３，３３，９３…基材 ３２，９２…被膜 ３０…ディスク試験片 ９０…ブロック試験片 ３６…ボール ９６…リング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中西 和之 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 村瀬 篤 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 遠山 護 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 大森 俊英 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA09 BA28 BB01 FA01 JA06 JA16 LA23

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】潤滑油の存在下で摺動される摺動面を持つ
   基材と、該摺動面の少なくとも一部に固定した被膜と、
   からなり、 前記被膜は、炭素を主成分とし、珪素を１〜５ａｔ％、
   水素を２０〜４０ａｔ％含むダイヤモンドライクカーボ
   ンからなることを特徴とする高耐摩耗性および高耐焼付
   き性摺動部材。
2. 【請求項２】前記珪素が、１．６〜４．５ａｔ％である
   請求項１記載の高耐摩耗性および高耐焼付き性摺動部
   材。
3. 【請求項３】前記被膜は、ラマン分光分析によるラマン
   ピークのうち、Ｇバンドの位置が１５５０ｃｍ^-1以上
   で、該Ｇバンドの半値幅が１５０ｃｍ^-1以下で、かつ、
   該Ｇバンドに対するＤバンドの強度比が１．０以下であ
   る請求項１記載の高耐摩耗性および高耐焼付き性摺動部
   材。
4. 【請求項４】前記被膜は、１ａｔ％未満の窒素および５
   ａｔ％未満の酸素の少なくとも１種を含む請求項１記載
   の高耐摩耗性および高耐焼付き性摺動部材。
5. 【請求項５】前記被膜は、０．５μｍ以上の膜厚を持つ
   請求項１記載の高耐摩耗性および高耐焼付き性摺動部
   材。
6. 【請求項６】前記潤滑油は、カルシウム、亜鉛、硫黄、
   リン、および窒素の少なくとも１種の元素を持つ化合物
   を含む請求項１記載の高耐摩耗性および高耐焼付き性摺
   動部材。
7. 【請求項７】前記摺動面は、３００ＭＰａ以上の摺動面
   圧で摺動される請求項１記載の高耐摩耗性および高耐焼
   付き性摺動部材。
8. 【請求項８】基材を真空容器に配設し、プラズマＣＶＤ
   法により、珪素化合物ガスと炭素化合物ガスとを主体と
   した雰囲気中で、珪素化合物ガスと炭素化合物ガスの流
   量比を１：５〜５００の範囲内として、放電出力密度
   ０．０５〜２．０Ｗ／ｃｍ²で放電させることにより、
   前記基材の摺動面の少なくとも一部に炭素を主成分と
   し、珪素を１〜５ａｔ％、水素を２０〜４０ａｔ％含む
   ダイヤモンドライクカーボンからなる被膜を形成するこ
   とを特徴とする高耐摩耗性および高耐焼付き性摺動部材
   の製造方法。