JP2006096841A - Solid lubricant film and method for producing the same, and roll sliding member having solid lubricant film formed thereon - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体潤滑膜およびその製造方法、固体潤滑膜が成膜される転がり摺動部材に係り、例えば、工作機械用などに用いられる転がり軸受全般、真空中で使用される無潤滑軸受、リニアガイドやボールねじなどの直動案内装置に用いられる転がり摺動部材に成膜することが好適な固体潤滑膜およびその製造方法、固体潤滑膜が成膜される転がり摺動部材に関するものである。 The present invention relates to a solid lubricating film and a manufacturing method thereof, a rolling sliding member on which a solid lubricating film is formed, for example, a rolling bearing used in general for machine tools, a non-lubricated bearing used in a vacuum, BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid lubricant film suitable for forming a film on a rolling slide member used in a linear guide device such as a linear guide or a ball screw, a manufacturing method thereof, and a rolling slide member on which a solid lubricant film is formed. .
例えば、転がり軸受などの転がり摺動部材では、転動体の転がり摩擦や滑り摩擦を減少させ、軸受の耐久性を向上させるために、グリースや油などの液体潤滑剤を供給することが行われている。 For example, in a rolling sliding member such as a rolling bearing, a liquid lubricant such as grease or oil is supplied in order to reduce rolling friction or sliding friction of a rolling element and improve durability of the bearing. Yes.
一方、グリース等の使用が制限されたり、オイルフリーの環境下で用いられたりするような転がり摺動部材の場合には、固体潤滑が適用されてきた。しかし、固体潤滑は、自己犠牲という特性によって潤滑機能が発揮されるため、摩耗粉の発生が避けられないという性質を有している。そこで従来から、固体潤滑において不可避的に発生する摩耗粉を積極的にトラップし、安定した摺動・転動動作を実現しようとする努力がなされてきた(例えば、下記特許文献1,2参照)。 On the other hand, solid lubrication has been applied to rolling sliding members in which the use of grease or the like is restricted or used in an oil-free environment. However, since solid lubrication exhibits a lubricating function due to the self-sacrificing property, it has the property that generation of wear powder is inevitable. Therefore, conventionally, efforts have been made to positively trap wear powder that is inevitably generated in solid lubrication and to realize stable sliding / rolling operation (for example, see Patent Documents 1 and 2 below). .
摩耗粉のトラップは、大気中であればワイパーやエアシール、高分子粘着材などを用いることによって行うことが可能であるが、真空中でこれらの手法を用いることはできない。そこで、真空中では、固体潤滑を適用することが困難なため、やむなく低蒸気圧のオイルを使用し、その粘性を利用して摩耗粉をトラップすることが行われてきた。 The wear powder trap can be performed by using a wiper, an air seal, a polymer adhesive, or the like in the atmosphere, but these methods cannot be used in a vacuum. Therefore, since it is difficult to apply solid lubrication in a vacuum, it has been unavoidable to use low-vapor pressure oil and trap the wear powder using its viscosity.
しかしながら、低蒸気圧のオイル等に代表される液体潤滑剤を用いる手法では、潤滑剤の蒸気が環境の汚染源となってしまう。したがって、転がり摺動部材を半導体製造設備などの高い清浄度が要求される密封真空下で使用する場合には、問題があった。 However, in a method using a liquid lubricant typified by low vapor pressure oil or the like, the vapor of the lubricant becomes a source of environmental pollution. Therefore, there is a problem when the rolling sliding member is used under a sealed vacuum that requires high cleanliness such as semiconductor manufacturing equipment.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、摩耗粉の拡散を避ける必要がある環境、例えば、高真空下で製造される半導体やディスプレイなどの製造現場において転がり摺動部材を使用する場合に、固体潤滑膜としての優れた特性を有し、且つ、発生する摩耗粉のトラップを好適に行うことができる新たな固体潤滑膜を提供するものである。 The present invention has been made in view of such problems, and uses rolling sliding members in environments where it is necessary to avoid the diffusion of wear powder, for example, manufacturing sites such as semiconductors and displays manufactured under high vacuum. In this case, the present invention provides a new solid lubricating film having excellent characteristics as a solid lubricating film and capable of suitably trapping generated abrasion powder.
本発明に係る固体潤滑膜は、スパッタリング法によって被処理体に対して成膜される固体潤滑膜であって、スパッタリングされるための複数のターゲットの少なくとも1つを磁性体によって構成することにより、前記被処理体に成膜された状態のときには磁場の影響をほとんど受けず、外力を受けることによって粉体となったときには磁場の影響を受けることを特徴とする。 The solid lubricant film according to the present invention is a solid lubricant film formed on a workpiece by a sputtering method, and at least one of a plurality of targets to be sputtered is made of a magnetic material. It is characterized in that it is hardly affected by a magnetic field when it is formed into a film on the object to be processed and is affected by a magnetic field when powdered by receiving an external force.
本発明に係る別の固体潤滑膜は、スパッタリングされるための複数のターゲットと、前記ターゲットの表面に非平衡磁場を発生させる非平衡磁場発生手段と、前記ターゲットからスパッタリングされる物質が付着するように被処理体を対向配置するための配置手段と、を有し、電磁的に閉鎖した状態で前記被処理体に成膜する閉鎖磁界不均衡マグネトロンスパッタ装置を用いることによって、前記被処理体に対して成膜される固体潤滑膜であって、前記ターゲットの少なくとも1つは磁性体によって構成され、前記被処理体に成膜された状態のときには磁場の影響をほとんど受けず、外力を受けることによって粉体となったときには磁場の影響を受けることを特徴とする。 Another solid lubricating film according to the present invention has a plurality of targets to be sputtered, non-equilibrium magnetic field generating means for generating a non-equilibrium magnetic field on the surface of the target, and a material sputtered from the target. And a disposing means for opposingly disposing the object to be processed, and using a closed magnetic field unbalanced magnetron sputtering apparatus that forms a film on the object to be processed in an electromagnetically closed state, A solid lubricant film formed on the substrate, wherein at least one of the targets is made of a magnetic material, and is hardly affected by a magnetic field and is subjected to an external force when formed on the object to be processed. It is characterized by being affected by a magnetic field when it becomes powder by.
本発明に係る固体潤滑膜において、前記磁性体は、Ni、Fe、Coの少なくとも1元素又はこれらの組み合わせで構成されることが好適である。 In the solid lubricant film according to the present invention, it is preferable that the magnetic body is composed of at least one element of Ni, Fe, Co, or a combination thereof.
また、本発明に係る固体潤滑膜は、前記被処理体に対してアモルファス状又は層状に成膜されることとすることができる。 Further, the solid lubricating film according to the present invention can be formed in an amorphous or layered form on the object to be processed.
本発明に係る固体潤滑膜の製造方法は、被処理体に成膜された状態のときには磁場の影響をほとんど受けず、外力を受けることによって粉体となったときには磁場の影響を受ける固体潤滑膜の製造方法であって、前記被処理体に対してスパッタリング法を用いて前記固体潤滑膜を成膜するときに、スパッタリングされるための複数のターゲットの少なくとも1つを磁性体によって構成することを特徴とする。 The method for producing a solid lubricant film according to the present invention is hardly affected by a magnetic field when it is formed on an object to be processed, and is affected by a magnetic field when powdered by receiving an external force. And forming at least one of a plurality of targets to be sputtered by a magnetic material when the solid lubricant film is formed on the object to be processed by sputtering. Features.
本発明に係る別の固体潤滑膜の製造方法は、被処理体に成膜された状態のときには磁場の影響をほとんど受けず、外力を受けることによって粉体となったときには磁場の影響を受ける固体潤滑膜の製造方法であって、スパッタリングされるための複数のターゲットと、前記ターゲットの表面に非平衡磁場を発生させる非平衡磁場発生手段と、前記ターゲットからスパッタリングされる物質が付着するように被処理体を対向配置するための配置手段と、を有し、前記ターゲットの少なくとも1つは磁性体によって構成され、電磁的に閉鎖した状態で前記被処理体に成膜する閉鎖磁界不均衡マグネトロンスパッタ装置を用いることによって、前記被処理体に対して前記固体潤滑膜を成膜することを特徴とする。 Another method for producing a solid lubricating film according to the present invention is hardly affected by a magnetic field when it is formed on an object to be processed, and a solid that is affected by a magnetic field when powdered by receiving an external force. A method for producing a lubricating film, comprising: a plurality of targets to be sputtered; a non-equilibrium magnetic field generating means for generating a non-equilibrium magnetic field on the surface of the target; and a material to be sputtered from the target. And at least one of the targets is made of a magnetic material, and a closed magnetic field imbalanced magnetron sputtering film is formed on the object to be processed in an electromagnetically closed state. The solid lubricant film is formed on the object to be processed by using an apparatus.
本発明に係る固体潤滑膜の製造方法において、前記磁性体は、Ni、Fe、Coの少なくとも1元素又はこれらの組み合わせで構成されることが好適である。 In the method for producing a solid lubricating film according to the present invention, it is preferable that the magnetic body is composed of at least one element of Ni, Fe, Co, or a combination thereof.
また、本発明に係る固体潤滑膜の製造方法において、前記固体潤滑膜は、前記被処理体に対してアモルファス状又は層状に成膜されることとすることができる。 In the method for producing a solid lubricant film according to the present invention, the solid lubricant film may be formed in an amorphous or layered form on the object to be processed.
また、本発明に係る固体潤滑膜は、転がり摺動部材の表面に対して成膜されることが好適である。 In addition, the solid lubricating film according to the present invention is preferably formed on the surface of the rolling sliding member.
本発明に係る固体潤滑膜は、膜の状態では固体潤滑としての優れた特性を有し、摩耗粉となったときには磁場の影響を受け、永久磁石などでトラップし易い状態になる。したがって、摩耗粉の拡散を避ける必要がある環境、例えば、高真空下で製造される半導体やディスプレイなどの製造現場において転がり摺動部材を使用する場合に、本発明に係る固体潤滑膜を採用すれば、固体潤滑としての優れた特性を維持した上で、さらに、摩耗粉の発生源近傍に永久磁石や電磁石などを配置するだけで、簡易に摩耗粉をトラップすることができる。つまり、本発明に係る固体潤滑膜によれば、高真空下における固体潤滑の適用が可能となる。 The solid lubricating film according to the present invention has excellent characteristics as solid lubrication in the state of the film, and when it becomes a wear powder, it is affected by a magnetic field and is easily trapped by a permanent magnet or the like. Therefore, when using a rolling sliding member in an environment where it is necessary to avoid the diffusion of wear powder, for example, a manufacturing site such as a semiconductor or a display manufactured under high vacuum, the solid lubricating film according to the present invention should be employed. For example, while maintaining the excellent characteristics as solid lubricant, the wear powder can be easily trapped only by disposing a permanent magnet, an electromagnet or the like in the vicinity of the generation source of the wear powder. That is, according to the solid lubricating film of the present invention, it is possible to apply solid lubrication under high vacuum.
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments do not limit the invention according to each claim, and all combinations of features described in the embodiments are not necessarily essential to the solution means of the invention. .
さらに、本実施形態では、閉鎖磁界不均衡マグネトロンスパッタ装置(以下、CUMS装置と記す)を用いて転がり摺動部材に対して固体潤滑膜を成膜する場合を例示して説明するが、この転がり摺動部材は、例えば、工作機械用などに用いられる転がり軸受全般や真空中で使用される無潤滑軸受、リニアガイドやボールねじなどの直動案内装置に用いられるような、あらゆる転動・摺動動作を伴う部材を含むものである。 Furthermore, in the present embodiment, a case where a solid lubricant film is formed on a rolling sliding member using a closed magnetic field imbalance magnetron sputtering apparatus (hereinafter referred to as a CUMS apparatus) will be described as an example. The sliding member can be any type of rolling / sliding used in general rolling bearings used for machine tools, non-lubricated bearings used in vacuum, linear guide devices such as linear guides and ball screws. It includes a member with a moving action.
[CUMS装置の構成]
まず、本実施形態に係る固体潤滑膜の成膜に用いられるCUMS装置について、図面を用いて説明する。図1は、本実施形態で用いられる一般的なCUMS装置の上面を示す概略図である。また、図2は、本実施形態で用いられる一般的なCUMS装置の側面を示す概略図である。
[Configuration of CUMS device]
First, a CUMS apparatus used for forming a solid lubricant film according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing the upper surface of a general CUMS apparatus used in this embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram showing a side view of a general CUMS device used in this embodiment.
図1および図2に例示されるCUMS装置は、4個のマグネトロン10a,10b,10c,10dを有しており、これら4個のマグネトロン10a,10b,10c,10dは、それぞれ外側リング磁石11と、中央に位置する内側コア磁石12とを備えている。4個のマグネトロン10a,10b,10c,10dは、成膜対象となる被処理体13を適切な位置に配置するための配置手段であるキャリア14を中心にして設置されている。キャリア14は、矢印Aの方向に一つの軸を中心として回転するように構成されており、この回転は、例えばモータ15などの駆動機構によって実現することができる。
The CUMS apparatus illustrated in FIGS. 1 and 2 has four
図1および図2に示すCUMS装置では、マグネトロン10bおよび10dの外側リング磁石11はS極であり、それらの内側コア磁石12はN極となっている。一方、マグネトロン10aおよび10cの外側リング磁石11はN極であり、それらの内側コア磁石12はS極で構成されている。このような構成とすることによって、4個のマグネトロン10a,10b,10c,10dの磁界線Bは連続的なバリアを形成し、マグネトロンプラズマから拡散する電子を捕獲することができる。つまり、磁界線Bは、キャリア14を取り囲むように作業空間Cを限定することができるので、電磁的に閉鎖した状態で被処理体13に対して成膜を施すことができる。このような構成とすることによって、CUMS装置は低電圧で高密度のプラズマを発生させることが可能となり、良質の薄膜形成が実現するのである。なお、磁界線Bによって形成される作業空間Cは、その範囲を任意に設定することが可能であり、キャリア14の軸方向の上下端に限定されるものではない。
In the CUMS apparatus shown in FIGS. 1 and 2, the
また、4個のマグネトロン10a,10b,10c,10dには、スパッタリングの供給材料となるターゲット16a,16b,16c,16dが設置されている。これらのターゲット16a,16b,16c,16dは、キャリア14に面した磁石11,12の極面を覆うように配置されている。なお、各マグネトロン10a,10b,10c,10dは、図示しない軟鉄製裏板を有しているので、各マグネトロン10a,10b,10c,10dで内側磁性回路が完結している。
The four
以上の説明から分かるように、本実施形態に係るCUMS装置によれば、ターゲット16a,16b,16c,16dからスパッタリングされた物質が付着するように対向配置された被処理体13を、非平衡磁場発生手段として配置される磁石11,12によって作り出された非平衡磁場内に閉じ込めることができる。したがって、CUMS装置は、電磁的に閉鎖された作業空間Cにおいて被処理体13に成膜を実施することが可能である。この様な構成とするのは、電磁的に閉鎖された空間内にあるターゲット16a,16b,16c,16dの表面に意図的に非平衡磁場を発生させることで、低電圧で高密度のプラズマを発生させることが可能となり、被処理体13に良質の薄膜を形成することができるからである。
As can be seen from the above description, according to the CUMS apparatus according to the present embodiment, the
なお、CUMS装置を使用するときには、例えばアルゴンなどの不活性ガスがこの装置の室内に供給される。不活性ガスの供給は、図2に示すような不活性ガス制御ループ20によって行うことができる。不活性ガス制御ループ20は、高速電磁弁21と発光モニタ22、光電子増倍管23を備えており、室内における不活性ガスの状態を常に監視することによって、好適な作業環境を維持できるようになっている。そのような室内でマグネトロン10a,10b,10c,10dに電位差を持った電圧が印加されることになるのであるが、この電位差によって電子が加速されてガスをイオン化し、より多くの電子およびアルゴンイオンを発生させることができる。その他、パルス電圧又は高周波(RF)などにより、イオンを発生させることもできる。そして、室内に存在するアルゴンイオンが供給材料のターゲット16a,16b,16c,16dを爆撃し、供給材料の固体潤滑膜を製造するのである。
When using the CUMS device, an inert gas such as argon is supplied into the chamber of the device. The supply of the inert gas can be performed by an inert
[固体潤滑膜の成膜方法]
ア.CUMS装置の設定条件
次に、上述したCUMS装置を用いて本実施形態に係る固体潤滑膜を製造するための具体的な方法について説明する。スパッタリングを行うためのCUMS装置としては、図3に示す、中央に回転するキャリア14を備えたティーア、コーティングズ、リミテッド社製の閉鎖磁界不均衡マグネトロンスパッタ装置(特許文献3:1996年にデニス ジェラルド ティーアに与えられた米国特許第5,556,519号明細書参照)を用いた。かかる装置によれば、低電圧にて高いイオン電流のスパッタリングが可能となるので、比較的短時間に均質で高密度の薄膜の生成が可能となる。
[Method of forming solid lubricant film]
A. Setting conditions of CUMS device Next, a specific method for producing the solid lubricant film according to the present embodiment will be described with reference to CUMS apparatus described above. As a CUMS apparatus for performing sputtering, as shown in FIG. 3, a closed magnetic field unbalanced magnetron sputtering apparatus manufactured by Tier, Coatings, Ltd. with a
図3に示すキャリア14には、被処理体13を固定するジグ30が設置されており、このジグ30は、単純な回転だけでなく、自公転できるようになっている。したがって、ジグ30に取り付けられる被処理体13は、転がり部材として重要な膜厚と膜質を均一にする固体潤滑膜を成膜されることが可能となっている。
A
ここで、本実施形態で用いられるCUMS装置に特徴的な点として、キャリア14を取り囲むように設置されるターゲット16a,16b,16c,16dの少なくとも1つは、磁性体によって構成されていることが挙げられる。このような構成とするのは、スパッタリングされるための複数のターゲット16a,16b,16c,16dの少なくとも1つを磁性体によって構成することにより、本実施形態に係る固体潤滑膜が、被処理体13に成膜された状態のときには磁場の影響をほとんど受けず、外力を受けることによって粉体となったときには磁場の影響を受けるようにするためである。
Here, as a characteristic point of the CUMS device used in the present embodiment, at least one of the
磁性体には、Ni、Fe、Coの少なくとも1元素又はこれらの組み合わせで構成される磁性材を採用することが好適である。ただし、磁性体は、これらの元素を用いるものに限られず、さまざまな材質のものを採用することが可能である。例えば、元素番号が64以上の元素を用いた磁性材を採用することができる。ただし、これらは非常に比重の高い元素であるため、通常は、Ni、Fe、Coを採用することが好ましいであろう。なお、以下に説明する実施形態では、ターゲット16bとして、比較的比重の小さい元素であるNiを採用している。
For the magnetic material, it is preferable to employ a magnetic material composed of at least one element of Ni, Fe, and Co or a combination thereof. However, the magnetic material is not limited to those using these elements, and various materials can be employed. For example, a magnetic material using an element having an element number of 64 or more can be used. However, since these are elements having a very high specific gravity, it is usually preferable to employ Ni, Fe, or Co. In the embodiment described below, Ni that is an element having a relatively small specific gravity is employed as the
また、本実施形態では、他のターゲット16a,16c,16dにMoS2を採用した。今回、ターゲット16a,16c,16dにMoS2を用いたのは、これがよく知られた固体潤滑だからである。ただし、ターゲット材はMoS2のみに制約されるものではなく、他のターゲット材を適用することも可能である。例えば、WS2やグラファイトなど、結晶が層状構造を持っている化合物を採用することが好ましい。ただし、繰り返しになるが、本実施形態に係るCUMS装置では、ターゲット16a,16b,16c,16dの少なくとも1つが、磁性体によって構成されていることが必要である。
In the present embodiment, MoS 2 is used for the
なお、本実施形態に係るCUMS装置では、上記以外のターゲットを追加して配置することも可能である。つまり、ターゲットの数に制限は無く、ターゲットの1つに、第3の材料を配置して、図4に例示するような境界密着層42や多層膜40、あるいは図5に例示するような混合膜50に添加して、固体潤滑としての密着性や潤滑性、さらには膜強度等を向上させることもできる。例えば、Tiのような非磁性の金属をターゲットに採用し、被処理体13の表面と固体潤滑膜の境界に形成される境界密着層42にのみ、これを使うこともできる。なお、密着性を向上させるためには、Tiの他、WやCrなどをターゲット材として使用するのが好ましい。
In the CUMS apparatus according to the present embodiment, it is possible to add and arrange targets other than those described above. That is, the number of targets is not limited, and the third material is disposed on one of the targets, and the
キャリア14にはAISIM42を用い、表面を研磨したプレート状のものを採用した。また、摩耗粉の磁性を調べるために、被処理体13の材質にはSiを採用し、成膜される固体潤滑膜と摩耗粉の磁性を調査・比較した。摩耗粉の磁性の調査については、厳密な測定に困難が伴うこともあり、市販の永久磁石にてその吸着の可否により判断を行った。
As the
イ.CUMS装置の動作手順
続いて、CUMS装置の動作手順を説明する。まず、スパッタリングを行う装置室内を5〜6×10-6Torrの真空に引き、その後アルゴンガスを導入し、さらに装置室内を1×10-3Torrにした上で、キャリア14上に−350Vのパルス電圧を15分間かけて表面を清浄化する。このようにすることによって、固体潤滑としての機能を発揮する良好な密着性を有する膜を成膜することができる。
I. Operation Procedure of CUMS Device Next, the operation procedure of the CUMS device will be described. First, the apparatus chamber in which sputtering is performed is evacuated to 5 to 6 × 10 −6 Torr, and then argon gas is introduced. Further, the apparatus chamber is set to 1 × 10 −3 Torr and −350 V is applied to the
引続き、キャリア14へのパルス電圧を−30Vにしてスパッタによる成膜を行った。このときの電流値は、各ターゲットで0.2〜1.0A程度であり、真空度は約5mTorrに制御されている。これらの条件は、膜の特性や生産性などによって変更することができる。膜厚は、0.1μm〜10μmまで可能であるが、約1μm程度の均一な膜を作成するために、この条件で70分のスパッタを行った。なお、厚い膜を得るためには、このスパッタ時間を長くすればよい。
Subsequently, the film was formed by sputtering with the pulse voltage to the
キャリア14に取り付けられたジグ30の回転速度は、多層膜40の層間の距離、あるいは混合膜50を製作するために、自由に設定することが可能であるが、3〜10回転/分が好ましく、本実施形態では5回転/分とした。
The rotation speed of the
[成膜された固体潤滑膜の構造]
次に、以上のような方法によって成膜された固体潤滑膜の構造について説明する。本実施形態では、多数選択可能なターゲットの中で、図3に示すような4つのターゲット16a,16b,16c,16dを用いて成膜された多層膜40と混合膜(アモルファス膜)50について、その膜の固体潤滑の特性と摩耗粉の磁性について説明する。多層膜40は、Ni層単層と、NiとMoS2の混合層の2層構造として成膜されている。一方、混合膜50は、NiとMoS2を同時にスパッタし、もはや明確な結晶構造をもたないアモルファス状に成膜されたものである。両者とも磁性体金属であるNiを境界密着層42として有している。なお、図4は、多層膜40に形成された場合の本実施形態に係る固体潤滑膜の膜構造を示す図であり、図5は、混合膜(アモルファス膜)50に形成された場合の本実施形態に係る固体潤滑膜の膜構造を示す図である。
[Structure of the formed solid lubricant film]
Next, the structure of the solid lubricating film formed by the above method will be described. In the present embodiment, the
成膜される膜の構造としては、MoS2の割合がNiに比べて多い層αと反対にNiの方が多い層βがα/β/α/β/・・・/β/αのように多層になった多層膜40(図4参照)と、もはや層の構造が明確でなくなり、明確な結晶構造を持たないアモルファス状の混合膜(アモルファス膜)50(図5参照)などを得ることが可能である。これらの膜構造は、キャリア14の回転数、各ターゲットに与えられるエネルギー、キャリア14への電圧、ターゲットのシャッターなどを調整することによって得ることができる。
As the structure of the film to be formed, the layer β in which the proportion of MoS 2 is higher than that in Ni and the layer β in which Ni is larger is α / β / α / β /.../ β / α. And a multilayer film 40 (see FIG. 4) having a multilayer structure, an amorphous mixed film (amorphous film) 50 (see FIG. 5) having no clear crystal structure, and no clear crystal structure. Is possible. These film structures can be obtained by adjusting the rotation speed of the
なお、ここで説明したα層およびβ層については、さまざまな元素の割合やバリエーションの設定が可能である。材料の成分が自由に調整できるので、それぞれの元素の濃度を任意に変化させて、傾斜層や傾斜膜をつくることも可能である。 For the α layer and β layer described here, various element ratios and variations can be set. Since the composition of the material can be freely adjusted, it is possible to produce a graded layer or graded film by arbitrarily changing the concentration of each element.
[固体潤滑膜の特性]
固体潤滑膜の特性について、さまざまな観点から調査した結果を表1に示す。本実施形態では、固体潤滑としての重要な特性である密着性、硬さ、摩耗率および磁性の有無について確認した。
[Characteristics of solid lubricant film]
Table 1 shows the results of investigations on the characteristics of the solid lubricating film from various viewpoints. In this embodiment, the adhesiveness, hardness, wear rate, and presence / absence of magnetism, which are important characteristics as solid lubrication, were confirmed.
まず、特性評価では、固体潤滑としての重要な特性である密着性を確認するために、スクラッチ試験を行った。スクラッチの圧子には、ロックウェルの圧子をもちい、荷重10〜100Nをかけ、速度10mm/分で引っかき、光学顕微鏡で剥離が確認できた移動距離をLc点とした。表1に示すように、多層膜40および混合膜(アモルファス膜)50のいずれにおいても、一般に密着力として十分といわれている70Nを大幅に越える数値が得られ、密着性が良好であることを確認した。
First, in the characteristic evaluation, a scratch test was performed in order to confirm adhesion, which is an important characteristic as solid lubrication. A Rockwell indenter was used as the scratch indenter, a load of 10 to 100 N was applied, the scratch was scratched at a speed of 10 mm / min, and the moving distance at which separation was confirmed with an optical microscope was defined as an Lc point. As shown in Table 1, in both of the
次に、固体潤滑膜の硬さ測定を行った。固体潤滑としての硬さは、ビッカース硬さにて500HV以上が望ましい。本実施形態に係る固体潤滑膜では、薄膜の硬さを測定するために作られたフィッシャースコープを用い、0.4〜1000mNの荷重をかけて、この間で負荷と除荷を5回以上繰り返し行い、これによりビッカース硬さに相当する硬さを求めた。その結果、いずれの膜においても700HV以上の数値を達成した。 Next, the hardness of the solid lubricating film was measured. The hardness as solid lubrication is preferably 500 HV or more in terms of Vickers hardness. In the solid lubricating film according to this embodiment, a Fischer scope made for measuring the hardness of the thin film is used, and a load of 0.4 to 1000 mN is applied, and the load and unloading are repeated 5 times or more during this period. Thus, the hardness corresponding to the Vickers hardness was obtained. As a result, a numerical value of 700 HV or higher was achieved in any film.
摩耗率を測定するためのピンオンディスク試験は、湿度25〜40%の常圧、大気中で行った。その結果、1.6×10-16m3/Nm以下の非常に小さく優秀な摩耗率を得た。摩擦係数についても同じ条件で、いずれの膜の場合も0.07以下と固体潤滑膜として十分低い摩擦係数を有していることが明らかとなった。なお、MoS2は、空気中のように水分を含む環境よりも、真空中のほうが摩擦係数は低いと言われているので、真空中では固体潤滑としてのさらなる効果が期待できる。 The pin-on-disk test for measuring the wear rate was carried out at atmospheric pressure and humidity of 25-40%. As a result, a very small and excellent wear rate of 1.6 × 10 −16 m 3 / Nm or less was obtained. It was revealed that the friction coefficient was 0.07 or less in any film under the same conditions, and the friction coefficient was sufficiently low as a solid lubricating film. Since MoS 2 is said to have a lower coefficient of friction in vacuum than in an environment containing moisture as in air, further effects as solid lubrication can be expected in vacuum.
磁性については、市販の永久磁石にてその付着程度を確認し、多層膜40、混合膜(アモルファス膜)50いずれの場合も、磁石に摩耗粉が吸着することを確認できた。特に、アモルファス状の混合膜50においては、膜状態では磁性は確認されないものの、摩耗粉の状態となることによって、初めて磁性を帯びることが、ガラスに成膜させた固体潤滑膜により確認された。これは、本実施形態に係る固体潤滑膜が質量の大きいガラス基盤に成膜されたため、成膜状態では膜自身は外部磁場にほとんど影響されなかったが、固体潤滑膜がいったん摩耗粉の状態となると、質量が減少するので、磁場の影響を受け易くなったためであると考えられる。また、別の理由として、膜の段階では、アモルファス状に単原子状態であるものが、転がり摺動によりクラスター状になり、あるいは集合して、磁性を帯びるようになったものと考えることもできる。
About magnetism, the adhesion degree was confirmed with a commercially available permanent magnet, and it was confirmed that the wear powder was adsorbed to the magnet in both cases of the
なお、摩耗粉の比透磁率を測定したところ、1.02以上であることを確認した。この比透磁率は、永久磁石や電磁石などによって摩耗粉をトラップするには十分な値であり、例えば、高い清浄度が要求される密封真空等の環境下においても、転がり摺動部材を好適に使用することが可能となる。なお、より好適に摩耗粉をトラップするには、比透磁率を1.4以上とすることが望ましく、上述した固体潤滑膜の製造条件(例えば、キャリア14に取り付けられたジグ30の回転速度、ターゲットの材質、スパッタリングの時間など)を調節することによって、かかる数値を満足する固体潤滑膜を製造することが可能である。
In addition, when the relative permeability of the wear powder was measured, it was confirmed to be 1.02 or more. This relative permeability is a value sufficient to trap wear powder with a permanent magnet or an electromagnet. For example, a rolling sliding member is suitably used even in an environment such as a sealed vacuum that requires high cleanliness. Can be used. In order to trap the wear powder more suitably, it is desirable that the relative permeability is 1.4 or more, and the manufacturing conditions of the above-described solid lubricating film (for example, the rotational speed of the
また、固体潤滑膜は、膜の状態において磁性がゼロであることが好ましいが、微弱な磁性を有していても良い(つまり、成膜された状態のときの磁性は、略ゼロである)。このことは、多層膜40、混合膜(アモルファス膜)50いずれの場合であってもいえることであり、摩耗粉をトラップするために転がり摺動部材に設置される永久磁石や電磁石などに影響を与えない範囲での磁性の存在は許容される。この微弱な磁性の発生源としては、境界密着層42に存在するNi等の磁性元素の影響が最も大きい。
Further, the solid lubricating film preferably has zero magnetism in the film state, but may have weak magnetism (that is, the magnetism when formed into a film is substantially zero). . This can be said in any case of the
以上の結果から、スパッタにより作られた膜が固体潤滑として十分な特性を有し、その摩耗粉は永久磁石等によって容易に引きつけることが可能であることが確認された。また、スパッタ装置の中でも、特に、低電圧で高密度のプラズマを発生させることが可能なUBMS装置を使用することが、良質で安定した固体潤滑膜の成膜に望ましいことが明らかとなった。 From the above results, it was confirmed that the film formed by sputtering has sufficient characteristics as solid lubrication, and the wear powder can be easily attracted by a permanent magnet or the like. Further, it has become clear that, among sputtering apparatuses, it is particularly desirable to use a UBMS apparatus capable of generating high-density plasma at a low voltage for the formation of a good quality and stable solid lubricating film.
以上の結果に基づいて、発明者らは、CUMS装置を用いた固体潤滑膜を転がり摺動部材に適用すれば、発生する摩耗粉を簡易にトラップ可能であることを創案した。すなわち、従来技術では、転がり摺動部材自体を磁性材料としたり、摩耗粉発生源近傍に粘着材を配置したりしなければならなかったので、製造コストの増加や蒸気の発生による環境悪化を招来し、さらには効率的な摩耗粉トラップが困難であった。しかし、本実施形態に係る固体潤滑膜によれば、転がり摺動部材自体は磁場に影響されることがほとんどなく、摩耗粉のみが磁場の影響を受けるので、電磁石や永久磁石などの設置という簡易な構造変更のみで、確実に摩耗粉のトラップを実現することができる。 Based on the above results, the inventors have devised that the generated wear powder can be easily trapped if a solid lubricating film using a CUMS device is applied to a rolling sliding member. In other words, in the prior art, the rolling sliding member itself must be made of a magnetic material, or an adhesive material must be disposed in the vicinity of the wear powder generation source. In addition, efficient wear powder trapping is difficult. However, according to the solid lubricating film according to the present embodiment, the rolling sliding member itself is hardly affected by the magnetic field, and only the wear powder is affected by the magnetic field, so that it is easy to install an electromagnet or a permanent magnet. By simply changing the structure, it is possible to reliably trap the wear powder.
また、特に、本実施形態に係る固体潤滑膜は、摩耗粉の拡散を避ける必要がある環境、例えば、高真空下で製造される半導体やディスプレイなどの製造現場において転がり摺動部材を使用する場合に好適である。本実施形態に係る固体潤滑膜を転がり摺動部材に採用すれば、真空状態や高い清浄度が要求されるような環境下であっても、確実かつ簡易に摩耗粉のトラップが可能となるからである。 In particular, the solid lubricant film according to the present embodiment uses a rolling sliding member in an environment where it is necessary to avoid the diffusion of wear powder, for example, in a manufacturing site such as a semiconductor or a display manufactured under high vacuum. It is suitable for. If the solid lubricant film according to the present embodiment is used for a rolling sliding member, it becomes possible to trap wear powder reliably and easily even in an environment where a vacuum state or high cleanliness is required. It is.
具体的な転がり摺動部材における摩耗粉のトラップ方法としては、摩耗粉発生源となるガイドなどの周辺に永久磁石や電磁石(コイル)を配置する手法や、摺動レールを磁化させて摩耗粉を付着させる手法、エンドプレートを磁化する手法などが有効である。 Specific methods for trapping wear powder in rolling sliding members include a method in which permanent magnets and electromagnets (coils) are arranged around a guide that is a source of wear powder, and wear powder by magnetizing the slide rail. A method of attaching, a method of magnetizing the end plate, and the like are effective.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various modifications or improvements can be added to the embodiment. It is apparent from the description of the scope of claims that embodiments with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
10a,10b,10c,10d マグネトロン、11 外側リング磁石、12 内側コア磁石、13 被処理体、14 キャリア、15 モータ、16a,16b,16c,16d ターゲット、20 不活性ガス制御ループ、21 高速電磁弁、22 発光モニタ、23 光電子増倍管、40 多層膜、42 境界密着層、50 混合膜(アモルファス膜)、B 磁界線、C 作業空間、α MoS2の割合がNiに比べて多い層、β αと反対にNiの方が多い層。 10a, 10b, 10c, 10d magnetron, 11 outer ring magnet, 12 inner core magnet, 13 workpiece, 14 carrier, 15 motor, 16a, 16b, 16c, 16d target, 20 inert gas control loop, 21 high-speed solenoid valve , 22 luminescence monitor, 23 photomultiplier tube, 40 multilayer film, 42 boundary adhesion layer, 50 mixed film (amorphous film), B magnetic field line, C work space, α MoS 2 ratio higher than Ni layer, β The layer with more Ni as opposed to α.
Claims (9)
スパッタリングされるための複数のターゲットの少なくとも1つを磁性体によって構成することにより、
前記被処理体に成膜された状態のときには磁場の影響をほとんど受けず、
外力を受けることによって粉体となったときには磁場の影響を受けることを特徴とする固体潤滑膜。 A solid lubricant film formed on a workpiece by sputtering,
By configuring at least one of the plurality of targets to be sputtered with a magnetic material,
When the film is formed on the object, it is hardly affected by the magnetic field,
A solid lubricating film characterized by being affected by a magnetic field when powdered by receiving external force.
前記ターゲットの表面に非平衡磁場を発生させる非平衡磁場発生手段と、
前記ターゲットからスパッタリングされる物質が付着するように被処理体を対向配置するための配置手段と、
を有し、電磁的に閉鎖した状態で前記被処理体に成膜する閉鎖磁界不均衡マグネトロンスパッタ装置を用いることによって、前記被処理体に対して成膜される固体潤滑膜であって、
前記ターゲットの少なくとも1つは磁性体によって構成され、
前記被処理体に成膜された状態のときには磁場の影響をほとんど受けず、
外力を受けることによって粉体となったときには磁場の影響を受けることを特徴とする固体潤滑膜。 A plurality of targets to be sputtered;
Non-equilibrium magnetic field generating means for generating a non-equilibrium magnetic field on the surface of the target;
An arrangement means for arranging an object to be treated so that a substance to be sputtered from the target adheres;
A solid lubricant film formed on the object by using a closed magnetic field unbalanced magnetron sputtering device that forms an film on the object in an electromagnetically closed state,
At least one of the targets is made of a magnetic material,
When the film is formed on the object, it is hardly affected by the magnetic field,
A solid lubricating film characterized by being affected by a magnetic field when powdered by receiving external force.
前記磁性体は、Ni、Fe、Coの少なくとも1元素又はこれらの組み合わせで構成されることを特徴とする固体潤滑膜。 In the solid lubricating film according to claim 1 or 2,
The magnetic body is composed of at least one element of Ni, Fe, and Co, or a combination thereof.
前記被処理体に対してアモルファス状又は層状に成膜されることを特徴とする固体潤滑膜。 In the solid lubricating film according to any one of claims 1 to 3,
A solid lubricating film formed on the object to be processed in an amorphous or layered form.
外力を受けることによって粉体となったときには磁場の影響を受ける固体潤滑膜の製造方法であって、
前記被処理体に対してスパッタリング法を用いて前記固体潤滑膜を成膜するときに、スパッタリングされるための複数のターゲットの少なくとも1つを磁性体によって構成することを特徴とする固体潤滑膜の製造方法。 When the film is formed on the workpiece, it is hardly affected by the magnetic field.
A method for producing a solid lubricating film that is affected by a magnetic field when powdered by receiving external force,
When forming the solid lubricating film on the object to be processed by sputtering, at least one of a plurality of targets to be sputtered is made of a magnetic material. Production method.
外力を受けることによって粉体となったときには磁場の影響を受ける固体潤滑膜の製造方法であって、
スパッタリングされるための複数のターゲットと、
前記ターゲットの表面に非平衡磁場を発生させる非平衡磁場発生手段と、
前記ターゲットからスパッタリングされる物質が付着するように被処理体を対向配置するための配置手段と、
を有し、
前記ターゲットの少なくとも1つは磁性体によって構成され、電磁的に閉鎖した状態で前記被処理体に成膜する閉鎖磁界不均衡マグネトロンスパッタ装置を用いることによって、前記被処理体に対して前記固体潤滑膜を成膜することを特徴とする固体潤滑膜の製造方法。 When the film is formed on the workpiece, it is hardly affected by the magnetic field.
A method for producing a solid lubricating film that is affected by a magnetic field when powdered by receiving external force,
A plurality of targets to be sputtered;
Non-equilibrium magnetic field generating means for generating a non-equilibrium magnetic field on the surface of the target;
Disposing means for disposing a target object so that a substance to be sputtered from the target adheres;
Have
At least one of the targets is made of a magnetic material, and the solid lubrication is performed on the target object by using a closed magnetic field imbalance magnetron sputtering apparatus that forms a film on the target object in an electromagnetically closed state. A method for producing a solid lubricating film, comprising forming a film.
前記磁性体は、Ni、Fe、Coの少なくとも1元素又はこれらの組み合わせで構成されることを特徴とする固体潤滑膜の製造方法。 In the manufacturing method of the solid lubricating film of Claim 5 or 6,
The method for producing a solid lubricant film, wherein the magnetic body is composed of at least one element of Ni, Fe, and Co or a combination thereof.
前記固体潤滑膜は、前記被処理体に対してアモルファス状又は層状に成膜されることを特徴とする固体潤滑膜の製造方法。 In the manufacturing method of the solid lubricating film of any one of Claims 5-7,
The method for producing a solid lubricant film, wherein the solid lubricant film is formed in an amorphous or layered form on the object to be processed.
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