JP2004339564A

JP2004339564A - 摺動部材および皮膜形成方法

Info

Publication number: JP2004339564A
Application number: JP2003137298A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shimoda; 健二下田; Takaaki Kanazawa; 孝明金澤; Takeshi Handa; 剛半田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】ＤＬＣ皮膜を破損させることなくこれに微小な凹部を設けることを可能にし、低い摩擦係数と優れた耐摩耗性とを確保する。
【解決手段】アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により、基材１の表面に、金属層４を下層とし、金属と炭素との混合層５を上層とする中間層２を積層し、中間層２の上にダイヤモンドライクカーボンの皮膜（ＤＬＣ皮膜）３を形成する。ＤＬＣ皮膜３を成膜する際、基材１に印加する負のバイアス電圧を１５０〜６００Ｖに設定し、ＤＬＣ皮膜３の表面を、直径０．５〜１．０μｍ、深さ１０〜３０ｎｍの微小な凹部６を集合させた形状とし、該凹部６をオイル溜りとして機能させる。また、所望により固体潤滑材の皮膜をＤＬＣ皮膜上に積層し、前記凹部６のアンカー効果により固体潤滑材の皮膜とＤＬＣ皮膜との密着性を高める。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面処理を施した摺動部材、特に基材表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の皮膜を形成してなる摺動部材と前記ＤＬＣ皮膜の形成方法ととに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドライクカーボンの皮膜（以下、ＤＬＣ皮膜という）は、高硬度と低摩擦係数とを有することから、各種摺動部材、工具、磁気記録媒体、磁気ヘッドなどの保護膜として多く用いられるようになってきている。
ところで、このＤＬＣ皮膜を設けた部材を摺動部材として用いる場合は、より一層の低摩擦係数化（低μ化）が求められており、例えば、特許文献１には、基材表面にＣＶＤコーティング法によりＤＬＣ皮膜を形成した後、レーザ照射を行って、開口面積が１０〜１００μｍ^２で、最大深さが０．１〜１μｍの微小凹部を面積率５〜３０％の範囲で表面に分散させて、前記微小凹部をオイル溜りとして用いることが記載されている。
また、特許文献２には、基材表面にスパッタリング法により、平均径２ｎｍ以上のグラファイトクラスターを含む低硬度ＤＬＣ層と平均径１ｎｍ以下のグラファイトクラスターを含む高硬度ＤＬＣ層とを交互に積層し、前記グラファイトクラスターを潤滑材として機能させることが記載されている。
【０００３】
なお、特許文献３には、基材表面に、カソードアークイオンプレーティング法により、４〜７μｍの微小凹凸を有するＣｒＮ層を形成した後、このＣｒＮ層の表面に固体潤滑膜を積層形成して、基材に対する固体潤滑膜の密着性をアンカー効果により高めることが記載されている。この特許文献３に記載の被覆構造によれば、固体潤滑膜により十分に低い摩擦係数を確保することができるので、前記ＣｒＮ層に代えてＤＬＣ皮膜を設ければ、耐摩耗性に著しく優れしかも摩擦係数も十分に低い摺動部材が得られるものと期待される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５４８０８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６１３１８号公報
【特許文献３】
特開２０００−２３９８２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載される低μ化対策によれば、ＤＬＣ皮膜を形成した後、レーザ照射を行って微小な凹部を形成するため、せっかく形成したＤＬＣ皮膜が破壊、損傷してしまう危険があり、ＤＬＣ皮膜の安定維持に問題が残る。また、微小な凹部の面積率が５〜３０％と低いため、オイル溜りとしての機能は不十分で、油潤滑下で使用される部品、例えば、エンジンのピストンリングなどに用いた場合に、あまり低μ化効果は期待できない。
また、特許文献２に記載される低μ化対策によれば、グラファイトクラスターによる自己潤滑作用に期待するものであるため、低μ化効果を高めようとすると、グラファイトクラスターの含有量を増加させなければならず、その分、硬度低下を来して耐摩耗性が犠牲になる。
さらに、特許文献３に記載される被覆構造におけるＣｒＮ層に代えてＤＬＣ皮膜を設ける考え方によれば、ＤＬＣ皮膜に微小な凹凸を形成する有効な方法が従来確立されていないため、その実現は困難であった。
【０００６】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その第１の課題とするところは、ＤＬＣ皮膜を破損させることなくこれに微小な凹部を設けることを可能にし、もって油潤滑下で低い摩擦係数を確保できるとともに優れた耐摩耗性を確保できる摺動部材を提供することである。また、第２の課題とするところは、基材に対する固体潤滑皮膜の密着性を犠牲にすることなくＤＬＣ皮膜と固体潤滑皮膜との被覆構造を実現し、もって無潤滑下で低い摩擦係数を確保できるとともに優れた耐摩耗性を確保できる摺動部材を提供することである。さらに、第３の課題とするところは、ＤＬＣ皮膜に微小な凹部を容易にかつ安定して形成できる皮膜形成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、スパッタリング法により得られるＤＬＣ皮膜の表面形状について鋭意検討した結果、ＤＬＣ皮膜の表面形状と基材に印加する負のバイアス電圧との間に密接な相関があり、基材に印加する負のバイアス電圧が約１２０Ｖ以下では微小な凸部を集合させた表面形状となるのに対し、それより高いバイアス電圧を印加すると微小な凹部を集合させた表面形状になることを見出した。
本発明は、上記した知見に基いてなされたもので、上記第１の課題を解決するための、第１の発明としての摺動部材は、基材の表面に、スパッタリング法によりダイヤモンドライクカーボンの皮膜を形成してなる摺動部材において、前記ダイヤモンドライクカーボンの皮膜（ＤＬＣ皮膜）が、直径０．５〜１．０μｍ、深さ１０〜３０ｎｍの微小な凹部を集合させた表面形状を有していることを特徴とする。
また、上記第２の課題を解決するための、第２の発明としての摺動部材は、上記第１の発明におけるＤＬＣ皮膜の表面に、固体潤滑材の皮膜を積層形成したことを特徴とする。
さらに、上記第３の課題を解決するための、第３の発明としての皮膜形成方法は、カーボンをターゲットとして、スパッタリング法により基材表面にＤＬＣ皮膜を成膜する際、基材に印加する負のバイアス電圧を１５０〜６００Ｖに設定することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて説明する。
図１および図２は、本発明に係る摺動部材の１つの実施の形態を示したものである。同図において、１は基材、２は、後述のアンバランストマグネトロンスパッタリング法により基材１の表面に積層形成された中間層、３は、同じく後述のアンバランストマグネトロンスパッタリング法により中間層２の表面に積層形成されたダイヤモンドライクカーボン皮膜（ＤＬＣ皮膜）である。中間層２は、ここでは金属の層４を下層とし、前記金属と炭素との混合層５を上層とする２層構造となっており、一方、ＤＬＣ皮膜３は、微小なディンプル状凹部６を集合させた表面形状を有している。なお、図２は、原子間顕微鏡（ＡＦＭ）により表面状態を観察した結果を示したものである。
【０００９】
本実施の形態において、上記基材１の種類は任意であり、鉄系材料であっても、非鉄系材料であっても、あるいはセラミックスであってもよい。
また、上記中間層２の金属層４を構成する金属としては、Ｃとの親和力の強い金属、例えばＣｒ、Ｔｉ、Ｎｖ、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ等を選択するのが望ましい。上層の混合層５は、前記した金属とＣとの混合層であり、金属層４に近接するほど金属の割合が多く、ＤＬＣ皮膜３に近接するほどＣの割合が多くなるように、金属とＣとの混合比が設定されている。
中間層２を構成する金属層４並びに混合層５の厚さ、およびＤＬＣ皮膜３の厚さは、用途（使用条件）に応じて適宜大きさとするが、一例として金属層４、混合層５、ＤＬＣ皮膜３の厚さは、それぞれ０．１〜０．５μｍ、１〜２μｍ、０．５〜１．５μｍに設定される。
【００１０】
上記ＤＬＣ皮膜３の表面の凹部６は、直径０．５〜１．０μｍ、深さ１０〜３０ｎｍの極めて小さな大きさとなっている。凹部６の大きさ（直径および深さ）が前記した範囲の下限より小さい場合は、オイル溜りとしての機能が不十分であり、逆に前記した範囲の上限よりも大きい場合は、境界潤滑が多くなって摩擦係数が高くなり、その上、耐摩耗性も低下する。
【００１１】
このように構成した摺動部材においては、ＤＬＣ皮膜３の表面が微小な凹部６を集合させた形状となっているので、オイル溜りとしての機能は十分となる。また、この凹部６は、その大きさが極めて小さく、しかも集合する状態で存在するので、境界潤滑の発生が抑制され、したがって、油潤滑下での摩擦係数は十分に低くなる。さらに、この微小な凹部６は、スパッタリング法による成膜により形成されるので、後加工により凹部を形成する場合のようにＤＬＣ皮膜３が破損することはなく、したがって、耐摩耗性に優れたＤＬＣ皮膜３が安定維持される。また、本実施の形態においては特に、基材１とＤＬＣ皮膜３との間に金属を含む中間層２を介在させているので、基材１に対するＤＬＣ皮膜３の密着性は十分となり、摺動部材としての耐久性は著しく向上する。
【００１２】
図３および図４は、上記した中間層２およびＤＬＣ皮膜３を基材１の表面に形成するためのアンバランストマグネトロンスパッタリング装置の１つの実施の形態を示したものである。両図において、１０は真空槽であり、この真空槽１０内の周辺側の４箇所には蒸発源１１が配置され、また、真空槽１０内の中央には、上記した基材１の多数を支持する基材ホルダ１２が配設されている。
各蒸発源１１は、ターゲット１３とこのターゲット１３の背面側に配置された磁石１４とからなっており、そのターゲット１３には、真空槽１０外に配置した電源１５から負のバイアス電圧が印加されるようになっている。本実施の形態において、前記４箇所のターゲット１３のうちの２つは固体炭素から、残りの２つはＣｒ，Ｔｉ等の純金属からそれぞれなっており、以下では、説明の便宜のため、炭素ターゲットを１３Ａ、金属ターゲットを１３Ｂと表記する。
【００１３】
一方、基材ホルダ１２は、駆動手段により回転駆動される回転テーブル１６を備えている。この回転テーブル１６上の外周側には、駆動手段により回転駆動される複数の回転軸１６が配列されており、各基材１は、この回転軸１７にセットされるようになっている。すなわち、各基材１は、自転しながら回転テーブル１６の軸線回りに公転運動をするようになっている。また、基材ホルダ１２には、各基材１に負のバイアス電圧を印加する電源１８が接続されている。
真空槽１０には、該真空槽１０内を排気するための排気口１９と該真空槽１０内にＡｒガスを導入するためのガス導入口２０とが設けられており、排気口１９は真空ポンプに、ガス導入口２０はＡｒガス源にそれぞれ配管接続されている。なお、２１は、真空槽１０内を予熱するためのヒータである。
【００１４】
成膜を行うには、蒸発源１１のターゲット１３に固体炭素および純金属を、基材ホルダ１２に基材１をそれぞれセットした後、真空槽１０内を所定の真空度となるまで真空排気し、さらにヒータ２１により真空槽１０内を所定の温度に予熱する。そして先ず、金属ターゲット１３Ｂに所定の電力を供給し、基材１にバイアス電圧を印加することなくガス導入口２０から真空槽１０内にＡｒガスを導入する。すると、イオン化したＡｒ（Ａｒ^＋）が金属ターゲット１３Ｂに衝突して金属ターゲット１３Ｂから金属原子がはじき飛ばされる。このとき、磁石１４により形成される非平衡磁場によりＡｒプラズマＰ（図３）が基材１側まで到達しており、これにより前記金属原子は、Ａｒ^＋のアシストもあって効率よくかつ高密度に基材１の表面に堆積し、基材１の表面には、上記した下層の金属層４（図１）が形成される。
【００１５】
そして、金属層４が所定厚さに形成されるタイミングで、金属ターゲット１３Ｂに供給する電力を次第に低下させる一方で、炭素ターゲット１３Ａに供給する電力を次第に増加させる。すると、金属ターゲットＢからはじき飛ばされた金属原子と炭素ターゲット１３Ａからはじき飛ばされた炭素原子とが、基材１側へ引き込まれ、混合する状態で基材１の上に堆積する。これにより、前記金属層４の表面には、上記した上層の混合層５（図１）が積層形成される。
【００１６】
その後は、金属ターゲット１３Ｂに供給する電力をゼロに落とす一方で、基材１に１５０〜６００Ｖ範囲の負のバイアス電圧を印加する。すると、炭素ターゲット１３Ａからはじき出された炭素原子は、図４に示すように、Ａｒ^＋のアシストもあって効率よくかつ高密度に基材１の表面に堆積し、これにより基材１の表面には、上記したＤＬＣ皮膜３（図１）が形成され、これにて成膜は完了する。
【００１７】
なお、上記したスパッタリング法の実施に際しては、事前にイオンエッチング処理を行って基材１の表面を洗浄するのが望ましい。このイオンエッチング処理は、上記したＡｒプラズマＰ（図３）を発生させ、このＡｒプラズマＰ内のＡｒ^＋を基材１に衝突させることにより実施可能である。
また、上記したＤＬＣ皮膜３の成膜に際しては、ＤＬＣ皮膜３の硬さを高めるため、真空槽１０内に、別途設けたガス導入口２２（図３）から反応性ガスを導入するようにしもよい。
【００１８】
図５は、本発明に係る摺動部材の他の実施の形態を示したものである。本実施の形態の特徴とするところは、上記アンバランストマグネトロンスパッタリング法により基材１の表面に形成したＤＬＣ皮膜３上にさらに、固体潤滑材（ＭｏＳ_２、ＮｂＳ_２等）の皮膜３０を積層形成した点にある。
この固体潤滑材の皮膜（固体潤滑膜）３０を形成する方法は任意であるが、上記したアンバランストマグネトロンスパッタリング装置（図３）をそのまま用いることができる。この場合は、蒸発源１１を構成するターゲット１３の１つを固体潤滑材に置換すればよく、これにより、真空槽１０の真空を破ることなく効率よく固体潤滑膜３０を形成することができる。
【００１９】
このようにＤＬＣ皮膜３上に固体潤滑膜３０を形成した場合は、固体潤滑膜３０により摩擦係数が著しく低くなるので、無潤滑下での摺動においても低摩擦係数を確保できる。しかも、この固体潤滑膜３０の下側には硬質のＤＬＣ皮膜３が存在するので、耐摩耗性も十分となる。また、このＤＬＣ皮膜３は、上記したようようにその表面形状が微小凹部６の集合となっているので、該微小凹部６のアンカー効果により基材１に対する固体潤滑膜３０の密着性が向上し、摺動部材としての耐久性も十分となる。
【００２０】
【実施例】
上記基材１としてＳＣＭ１５の浸炭材からなるブロックを用いて、その表面を鏡面に仕上げ、図３に示したアンバランストマグネトロンスパッタリング装置を用いて、表１に示す条件で真空排気、予熱、前処理、成膜を順に行い、基材表面にＤＬＣ皮膜を μｍ厚さに形成した。表１から明らかなように、本実施例においては、成膜工程において基材１に印加する負のバイアス電圧を５０Ｖ、１００Ｖ、１５０Ｖ、２００Ｖ、４００Ｖ、６００Ｖの６段階に変化させている。
【００２１】
【表１】

【００２２】
そして、得られた試料について、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により表面状態を観察するとともに、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により表面の凹凸の大きさを定量的に求めた。
また、得られた試料について、ブロックオンリング（ＬＦＷ）摩擦摩耗試験を行い、ＤＬＣ皮膜の表面凹凸の大きさと摩耗量並びに摩擦係数との相関を求めた。摩擦摩耗試験は、図６に示すように、ＳＮＣＭ４２０製のリング４０を油浴（オイル：５Ｗ−３０、浴温：室温）４１中に半浸漬して、これを回転数１６０ｒｐｍで回転させ、この回転するリング４０にブロック４２のＤＬＣ皮膜面（摺動面）４２ａを１２００Ｎの荷重で３０分押付ける条件で行った。
【００２３】
ＳＥＭによりＤＬＣ皮膜の表面状態を観察した結果、基材に印加する負のバイアス電圧が５０Ｖおよび１００Ｖでは微小な凸部を集合させた表面形状となっているのに対し、負のバイアス電圧が１５０Ｖ以上になると、逆に微小な凹部を集合させた表面形状となることが判った。また、負のバイアス電圧を２００Ｖから６００Ｖまで高めていくと、その凹形状が次第にならされ、負のバイアス電圧が８００Ｖになると、著しい肌荒れを起こすことが判った。
また、ＡＦＭによりＤＬＣ皮膜の表面の凹凸の大きさを定量的に求めた結果、凸部および凹部の直径（最大径）は、負のバイアス電圧の変化（５０〜８００Ｖ）によらず、ほぼ０．５〜１．０μｍ範囲に収まっていたが、凸部の高さおよび凹部の深さは、負のバイアス電圧の変化に大きく依存することが判った。
【００２４】
図７は、ＡＦＭによる凸部の高さおよび凹部の深さの測定結果を示したものである。これより、ＤＬＣ皮膜は、負のバイアス電圧１２０Ｖ付近を境に、それよりも負のバイアス電圧が低い場合には凸部を集合させた表面形状に、それよりも負のバイアス電圧が大きい場合には凹部を集合させた表面形状になっていること明らかである。このように凸部の集合から凹部の集合へと変化するのは、負のバイアス電圧の上昇に応じて基材表面に対するＡｒ^＋の衝撃エネルギーが強まる結果、一旦形成されたＤＬＣ皮膜表面から炭素原子が弾き飛ばされたためと推定される。
一方、凸部の高さは負のバイアス電圧が高くなるほど低くなるのに対し、凹部の深さは、負のバイアス電圧２００Ｖ付近までは、負のバイアス電圧が高くなるほど深くなるが、２００Ｖ付近から６００Ｖ付近までは、逆に負のバイアス電圧が高くなるほど浅くなっている。このように凹部の深さが逆に浅くなるのは、イオン衝撃が強くなり過ぎる結果、ＤＬＣ皮膜自体の結合の破壊が進むためと推定される。なお、負のバイアス電圧が８００Ｖでは凹部の深さが著しく深くなっているが、この段階では、ＤＬＣ皮膜の表面がランダムにえぐられ、全体として肌荒れを起こしている。
【００２５】
図８は、摩擦摩耗試験により得られた摩耗量に及ぼすＤＬＣ皮膜の表面形状の影響を示したものである。これより、摩耗量は、凸部の高さが低く、凹部の深さが深いほど少なくなる傾向にあることが明らかである。ただし、凹部の深さが１００ｎｍでは摩耗量が著しく増加しており、凹部の深さが３０ｎｍを超えると、摩耗量が逆に増加することが予想されるので、凹部の深さは３０ｎｍ以下にするのが望ましい。また、凹部の深さが１０ｎｍよりも浅いと、凸部を集合させた表面形状の摩耗量と大きな差がなくなるので、凹部の深さは１０ｎｍ以上とするのが望ましい。
【００２６】
図９は、摩擦摩耗試験により得られた摩擦係数に及ぼすＤＬＣ皮膜の表面形状の影響を示したものである。これより、摩擦係数は、凸部の高さが低く、凹部の深さが深いほど小さくなる傾向にあることが明らかである。ただし、凹部の深さが１００ｎｍでは摩擦係数が著しく高くなっており、凹部の深さが３０ｎｍを超えると、摩擦係数が逆に増加することが予想されるので、凹部の深さは、摩擦係数の面からも３０ｎｍ以下にするのが望ましい。また、凹部の深さが１０ｎｍよりも浅いと、凸部を集合させた表面形状の摩擦係数と大きな差がなくなるので、凹部の深さは１０ｎｍ以上とするのが望ましい。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように、第１の発明としての摺動部材によれば、ＤＬＣ皮膜を破損させることなくこれに微小な凹部を設けているので、油潤滑下で低い摩擦係数を確保できるとともに優れた耐摩耗性を確保できる。
また、第２の発明としての摺動部材によれば、基材に対する固体潤滑皮膜の密着性を犠牲にすることなくＤＬＣ皮膜と固体潤滑皮膜との被覆構造を実現できるので、無潤滑下で低い摩擦係数を確保できるとともに優れた耐摩耗性を確保できる。
さらに、第３の発明としての皮膜形成方法によれば、ＤＬＣ皮膜に微小な凹部を容易にかつ安定して形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態である摺動部材の表層部の組織を模式的に示す断面図である。
【図２】本摺動部材の表面形状を原子間力顕微鏡により観察した結果を示す顕微鏡写真である。
【図３】本摺動部材を得るためのアンバランストマグネトロンスパッタリング装置の構造を模式的に示す平面図である。
【図４】アンバランストマグネトロンスパッタリング法による成膜原理を示す模式図である。
【図５】本発明の他の実施形態である摺動部材の表層部の組織を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施例で行った摩擦摩耗試験の方法を示す模式図である。
【図７】原子間力顕微鏡によるＤＬＣ皮膜の表面凹凸の観察結果を示したもので、凸部の高さおよび凹部の深さに及ぼす負のバイアス電圧の影響を示すグラフである。
【図８】摩擦摩耗試験の結果を示したもので、摩耗量に及ぼすＤＬＣ皮膜の表面形状の影響を示すグラフである。
【図９】摩擦摩耗試験の結果を示したもので、摩擦係数に及ぼすＤＬＣ皮膜の表面形状の影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１基材
２中間槽
３ＤＬＣ皮膜
４金属層
５混合層
６凹部
１０アンバランストマグネトロンスパッタリング装置の真空槽
１８バイアス電圧印加用電源

Claims

基材の表面に、スパッタリング法によりダイヤモンドライクカーボンの皮膜を形成してなる摺動部材において、前記ダイヤモンドライクカーボンの皮膜が、直径０．５〜１．０μｍ、深さ１０〜３０ｎｍの微小な凹部を集合させた表面形状を有していることを特徴とする摺動部材。
基材とダイヤモンドライクカーボンの皮膜との間に、金属を含む中間層を介在させたことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
ダイヤモンドライクカーボンの皮膜の表面に、固体潤滑材の皮膜を積層形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
固体炭素をターゲットとして、スパッタリング法により基材表面にダイヤモンドライクカーボンの皮膜を成膜する際、基材に印加する負のバイアス電圧を１５０〜６００Ｖに設定することを特徴とする皮膜形成方法。
スパッタリング法として、アンバランストマグネトロンスパッタリング法を採用することを特徴とする請求項４に記載の皮膜形成方法。