JP2007284760A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＬＣを含む耐摩耗性と摩擦係数の両方に優れ、各種基材との密着性にも優れたベーンタイプポンプのロータ基材に好適な摺動部材を提供する。
【解決手段】構造材を構成する基材３と、前記基材表層にＳｉＣを導入させて形成された厚みが１００μｍ以上のＳｉＣ導入層２と、前記ＳｉＣ導入層の表面に形成されたＤＬＣ膜１と、を有することを特徴とする摺動部材。前記基材はカーボン焼結材であり、前記ＤＬＣ膜の膜厚は１．５μｍ以上２．５μｍであり、硬度がＨｖ１０００以上Ｈｖ１５００以下であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＬＣを含む耐摩耗性と摩擦係数に優れた表層を有する摺動部材に関する。

従来より基材の耐摩耗性、摺動性を向上させるために基材の表面にＤＬＣ層を形成する手法が用いられていた。

例えば特許文献１には、浸炭用鋼や全体焼き入用鋼等の基材の表面にクロム層、クロム−炭化タングステン傾斜層、ダイヤモンドライクカーボン層の順からなる保護膜が形成されてなることを特徴とする保護膜被覆部材が開示されている。
特開２００１−２２５４１２号公報

しかしながら各種材料の基材とＤＬＣ層との密着性の低さは未だ問題となっている。またＤＬＣは硬度が高いため各種基材の表面にＤＬＣ層を形成させた摺動部材は、耐摩耗性は向上するが摩擦係数は特に低減されない。そのため耐摩耗性と摩擦係数の両方に優れ、各種基材との密着性にも優れた摺動部材が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、ＤＬＣを含む耐摩耗性と摩擦係数の両方に優れ、各種基材との密着性にも優れた摺動部材を提供することを目的とする。

そこで本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、構造材を構成する基材表層にＳｉＣを導入させたＳｉＣ導入層を膜厚１００μｍ以上形成し、該ＳｉＣ導入層にＤＬＣ膜を形成することによってＤＬＣ膜の基材への密着性を向上させ、耐摩耗性及び摩擦係数の両方に優れた摺動部材となることを発見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の摺動部材は、構造材を構成する基材と、前記基材表層にＳｉＣを導入させて形成された厚みが１００μｍ以上のＳｉＣ導入層と、前記ＳｉＣ導入層の表面に形成されたＤＬＣ膜と、を有することを特徴とする。

また前記基材はカーボン焼結材であると好ましい。

また前記ＤＬＣ膜の膜厚が１．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、硬度がＨｖ１０００以上Ｈｖ１５００以下であることが好ましい。

また前記基材は、ベーンタイプポンプのロータ基材であることが好ましい。

上記構成の本発明の摺動部材は、構造材を構成する基材表層にＳｉＣを導入させて形成された厚みが１００μｍ以上のＳｉＣ導入層を有することによって、基材表面の剛性が向上し、基材とＤＬＣ膜との密着性を向上出来る。ＳｉＣ導入層は基材表層にＳｉＣを導入させることによって形成されているためＳｉＣは基材内部に分散しており、基材とＳｉＣ導入層との明確な層間の界面は存在しない。

また本発明の摺動部材は、上記の厚みが１００μｍ以上のＳｉＣ導入層を有することによって、ＤＬＣ膜の下地に硬質層（基材よりも変形し難い層）ができることになる。その硬質層によってＤＬＣ膜も変形し難くなり、変形による損傷が抑えられ、耐摩耗性が向上する。また耐摩耗性が向上することによって、表面のＤＬＣ膜の摩耗による損傷が抑えられ、ＤＬＣ膜の残存量が多くなることによって摩耗前の摩擦係数を維持できる。

また前記基材はカーボン焼結材であると摺動部材が軽量化でき、さらに摺動特性が向上出来る。

また前記ＤＬＣ膜の膜厚が１．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、硬度がＨｖ１０００以上Ｈｖ１５００以下であるとＤＬＣ膜の摩耗量を抑制でき、また基材との剥離を抑える事が出来る。

また前記基材は、ベーンタイプポンプのロータ基材であると摺動面の摩耗が低減し摺動特性が向上する。それにより摺動部品の寿命を延ばすことが出来、また作業効率を高めることが出来る。

本発明の摺動部材は、構造材を構成する基材と、基材表層に形成されたＳｉＣ導入層と、ＳｉＣ導入層の表面に形成されたＤＬＣ膜と、を有する。

基材は各摺動部材の構造材を構成し、その材料は特に限定されない。摺動部品の使用に適した基材材料を用いればよい。例えば基材材料としてステンレス綱、合金鋼、炭素鋼、鉄系焼結材、カーボン焼結材、高分子材料等が挙げられる。特に各種焼結材は、摺動部材を軽量化できるため好ましい。また基材材料をカーボン焼結材とした場合、鉄系焼結材等の金属材料を用いたものに比べ、さらに摺動部材の慣性重量が低減出来るため、より好ましい。

ＳｉＣ導入層はＳｉＣを基材に導入し、基材にＳｉＣが分散している層である。ＳｉＣ導入層は、基材内部にいくほどＳｉＣの含有量が減っていく傾斜層となっており基材とＳｉＣ導入層との界面は存在しない。

ＳｉＣ導入層は基材内部より剛性が向上する。そのためＳｉＣ導入層がない基材にＤＬＣ膜を形成したものに比べ、ＳｉＣ導入層が形成されることにより基材表面が変形しにくくなり剛性の高いＤＬＣ膜に追随できるため、ＤＬＣ膜の密着性が向上する。

特に剛性の低い基材の場合その効果は大きい。

ＳｉＣの導入方法は特に限定されないが、例えば基材材料が焼結材の場合、化学気相浸透法（ＣＶＩ）が挙げられる。また、基材材料が金属材料の場合、プラズマイオン導入法（ＰＢＩＩ）が挙げられる。

ＣＶＩ法は多孔体を基材とし、その細孔空隙中でＣＶＤ反応を行うことにより、マトリックス成分を成長させて細孔の空隙を埋めて導入する方法である。ＰＢＩＩ法はプラズマ中に試料を設置しこれに負の高電圧パルスを印可してイオンを注入する方法である。

ＳｉＣ導入層の厚みは１００μｍ以上あると、耐摩耗性が向上する。厚みが１００μｍ以上のＳｉＣ導入層が形成されることによって、ＤＬＣ膜の下地に硬質層ができ、ＤＬＣ膜も変形し難くなり、耐摩耗性が向上する。また耐摩耗性が向上することによって、表面のＤＬＣ膜の摩耗による損傷が抑えられ、ＤＬＣ膜の残存量が多くなることによって摩耗前の摩擦係数を維持できる。

特に基材がカーボン焼結材のような摩耗しやすい材料の場合、耐摩耗性の向上効果が大きい。

ＤＬＣ膜とは、黒鉛を含む高純度の焼成カーボンとダイヤモンドとの中間の性質を持つ総称であるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の膜であり、通常のＰＶＤ（イオンプレーティング）或いはプラズマＣＶＤ（化学蒸着法）により製膜される。

ＤＬＣ膜が基材表面に形成されることによって耐摩耗性が向上する。ＤＬＣ膜の膜厚は１．５μｍ以上２．５μｍ以下にすると更に耐摩耗性が向上する。ＤＬＣ膜の膜厚が上記範囲内にあると剥がれにくくＤＬＣ膜内部の内部応力によって破損しにくい。

ＤＬＣ膜の硬度は、Ｈｖ１０００以上Ｈｖ１５００以下であるとより好ましい。ＤＬＣ膜の硬度が上記範囲内であると、基材と剥離しにくい。

上記基材はあらゆる摺動部材を構成することが出来る。例としてベーン型ポンプにおける摺動部材（ベーン、ロータ、ロータのベーン溝、シリンダブロックのベーン溝等）、スクロール型ポンプにおける摺動部材（公転スクロール、静止スクロール等）、ボールベアリング、トランスミッションギア、燃料噴射ポンプ部品、ピストンリング、シム、シャフト、高精度樹脂金型、切削工具、鍛造工具等が挙げられる。

特に上記基材が回転する摺動部材の基材であるとより効果が高い。回転体の場合摩擦係数が高いと回転エネルギーが高くなる。また耐摩耗性が悪いと基材の寿命が短くなる。

従って例えばベーンタイプポンプのロータ基材に用いれば摩擦係数が低減でき、耐摩耗性が向上するため低燃費、高寿命のポンプとなる。

以下に図１〜図５を参照しながら本発明の試験例を説明する。

図１に本発明の摺動部材の部分模式断面図を示す。図１に示したように基材３の表層にＳｉＣ導入層２が形成されている。ＳｉＣ導入層の表面にＤＬＣ膜１が形成されている。
ＳｉＣ導入層２は、基材３の表層にＳｉＣが分散している層である。ＳｉＣ導入層２の厚みは１００μｍ以上であり、ＳｉＣ導入層は、基材内部にいくほどＳｉＣの含有量が減っていく傾斜層となっており基材とＳｉＣ導入層との界面は存在しない。

まず本発明の摺動部材を作成する予備試験として、ＤＬＣ膜の厚みと耐摩耗性との関係をしらべるために以下の試験を行った。

ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、焼入れ品、Ｈｖ５００）の棒材より１６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍのサイコロ試験片を切り出した。切り出したサイコロ試験片の１６ｍｍ×６ｍｍの面に中間層と、続いて表面粗さ０．０３μｍＲａのＤＬＣを成膜した。ＤＬＣの作製はＰＶＤ法の一つであるＵＢＭＳ法（アンバランスドマグネトロンスパッタ法）（グラファイトターゲット、フローガス；ＡｒとＣＨ_４ ５％、バイアス電圧；１００Ｖ、温度１００℃）を用いて行った。中間層は同設備を用いＣｒ層（０．５μｍ）を形成した。

ＤＬＣの膜厚を０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、２．５μｍ、
３．０μｍとなるように、各種試作し各摩耗量を評価した。

摩耗量の評価は以下のように評価した。相手材としてステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ、焼入れ品、Ｈｖ５００）を用いて外径３５ｍｍ、内径３０ｍｍ、巾１０ｍｍの円筒試験片を作製した。上記サイコロ試験片のＤＬＣ成膜面を円筒試験片と接触させ、オイル（ＳＡＥ５ｗ３０）を供給しながら、荷重３０ｋｇ、回転数１６０ｒｐｍにて３０分間回転させる摩耗試験を行った。各サイコロ試験片の摩耗した厚み（μｍ）を試料厚みを測定することによって計算し、それを摩耗量とした。

図２にＤＬＣ膜厚の違いによる摩耗量の変化を表す棒グラフを示す。図２に見られるように膜厚が１．５〜２．５μｍのものが摩耗量が少なく良好な結果が得られた。膜厚が１．５μｍ未満のものは薄すぎて剥がれてしまい、膜厚が３．０μｍのものはＤＬＣ内部の内部応力が上がり破損しやすくなったと考えられる。

次にＤＬＣ膜の硬度と耐剥離性をしらべるために以下の試験を行った。

上記と同様の試験片を用い、ＤＬＣ成膜条件において製膜時間及びガス種類を変えてＤＬＣ硬度を変化させた試験片を作成した。ＤＬＣの硬度はＨｖ１０００、Ｈｖ１５００、Ｈｖ２０００、Ｈｖ２５００の４種類とした。

上記各硬度の試験片を用い、スクラッチ試験機（ＣＳＥＭ製、商品名ＲＥＶＥＴＥＳＴ）を用いて剥離試験を行った。剥離試験はダイヤモンド圧子を用い、０〜８０Ｎまでスイープ荷重させながら圧子をスライドさせＤＬＣ膜が剥離する荷重を求めた。

剥離荷重の高い方が良好な密着性を表す。図３にＤＬＣ硬度の違いによる剥離荷重の変化を表す棒グラフを示す。図３に示したようにＤＬＣ硬度がＨｖ１０００〜１５００のものが耐剥離性に関しては良好な結果が得られた。

次に以下のような試験片を作成し、耐摩耗性及び摩擦係数を測定した。

上記予備試験と同様なサイコロ形状の試験片を作成した。基材は、鉄系焼結体（鉄系粉体をプレス成形し焼結したもの）、カーボン焼結体（グラファイト粉体をプレス成形し焼結したもの）の２種類を用いた。

カーボン焼結体を基材としたものは、カーボン焼結体のままのもの、カーボン焼結体表面にそのままＤＬＣ膜を形成したもの、カーボン焼結体の表層にＳｉＣ導入層を厚さ５０μｍ形成しその表面にＤＬＣ膜を形成したもの、カーボン焼結体の表層にＳｉＣ導入層を厚さ１００μｍ形成しその表面にＤＬＣ膜を形成したもの及びカーボン焼結体の表層にＳｉＣ導入層を厚さ１５０μｍ形成しその表面にＤＬＣ膜を形成したものの５種類を用意した。

ＤＬＣ膜は上記予備試験と同様にＵＢＭＳ法（グラファイトターゲット、フローガス；ＡｒとＣＨ４ ５％、バイアス電圧；１００Ｖ、温度１００℃）で成膜した。各試料のＤＬＣ膜の膜厚は１．５〜２．５μｍ、硬度はＨｖ１０００〜１５００とした。

ＳｉＣの導入層は、ＣＶＩ法（化学気相浸透法）を用いて作製した。ＳｉＣ導入層の厚みは断面を切り出し顕微鏡等で観察して計測した。得られた上記６種の試料を用いて耐摩耗性と摩擦係数を測定した。耐摩耗性の測定は上記予備試験と同様に相手材としてステンレス鋼の円筒試験片を用い、試料面を円筒試験片と接触させ、オイルを供給しながら、荷重３０ｋｇ、回転数１６０ｒｐｍにて３０分間回転させる摩耗試験を行った。各試料の試験片の摩耗した厚み（μｍ）を摩耗量とした。

摩擦係数は、リングオンブロック試験機（ファレックス製、型番ＬＦＷ−１）を用いて測定した。

図４に各試験片の摩耗量と摩擦係数の測定値を表すグラフを示す。

図４にみられるように鉄系焼結体は摩耗量は低いが摩擦係数は高い。それに対してカーボン焼結体は摩耗量は高いが摩擦係数は鉄系焼結体より低くなった。

カーボン焼結体表面にＤＬＣ膜を形成したものは摩耗量がカーボン焼結体のみに比べ少し低減したが、摩擦係数はさほど変わらなかった。摩擦係数がさほど変わらなかったのはＤＬＣ膜が摩耗により損傷し表面への残存量が少なくなったためと考えられる。

基材の摩擦係数とカーボン焼結体の表層にＳｉＣ導入層を厚さ５０μｍ形成しその表面にＤＬＣ膜を形成したものはカーボン焼結体表面にＤＬＣ膜を形成したものに比べると同様に摩耗量が少し低減したが、摩擦係数はさほど変わらなかった。

それに比べ本発明にあたるカーボン焼結体にＳｉＣ導入層を厚さ１００μｍ以上形成し、その表面にＤＬＣ膜を形成したものは摩耗量が大幅に低減し、鉄系焼結体と同等の摩耗量が得られた。また、摩擦係数も他と比べ大幅に低減した。

これは厚みが１００μｍ以上のＳｉＣ導入層を形成された試料は表面の剛性が高くなって耐摩耗量が向上したと考えられる。また厚みが１００μｍ以上のＳｉＣ導入層を形成された試料はＤＬＣ膜の下地に基材よりも変形し難い硬質層が形成されることになり、ＤＬＣ膜の変形による損傷が抑えられ、ＤＬＣ膜の表面への残存量が増大することにより、摩耗前の摩擦係数を維持できたためと考えられる。

図５にベーンタイプ真空ポンプのロータの基材を本発明の摺動部材として使用した例を示す。図５Ａはベーンタイプ真空ポンプの平面図である。図５Ｂは図５Ａを側面から見た透過図である。

図５Ａ、図５Ｂに見られるように、ベーンタイプ真空ポンプは、円筒形状のハウジング４の内部に偏心して配置される軸５が設置され、軸５を軸にして円筒形状のロータ７が配置されている。ロータ７は放射方向にベーン溝８が設けられている。ベーン溝８にはベーン６が挿入されている。ベーン６はロータ７の回転に伴い、ハウジング４の内周面又はベーン溝８の底面に押しつけられながらスライドして動き、ベーン６で仕切られた室内の気体の容積を増加させ負圧を生じさせる。内部の気体は吸気口９を通じて吸気され、排気口１０を通じて排気される。

ロータ７は、ハウジング４と接触し回転摺動する。ロータ７を本発明の摺動部材で構成することにより耐摩耗性が向上し、摩擦係数も低減できる。本発明の摺動部材を摺動面のみに用いてもよいし、摺動部材全体に用いてもよい。

耐摩耗性が向上し、摩擦係数が低減できることにより低燃費、高寿命のポンプとなる。またロータ７の基材としてカーボン焼結材を用いたものにすると更に軽量化によって慣性重量が低減し、更なる低燃費効果が得られる。

本発明の摺動部材の部分模式断面図を示す。 ＤＬＣ膜厚の違いによる摩耗量の変化を表す棒グラフを示す。 ＤＬＣ硬度の違いによる剥離荷重の変化を表す棒グラフを示す。 各試験片の摩耗量と摩擦係数の測定値を表すグラフを示す。 ベーンタイプ真空ポンプの平面図である。 図５Ａを側面から見た透過図である。

符号の説明

１、ＤＬＣ膜、２、ＳｉＣ導入層、３、基材、４、ハウジング、５、軸、６、ベーン
７、ロータ、８、ベーン溝、９、吸気口、１０、排気口。

Claims (4)

1. 構造材を構成する基材と、
   前記基材表層にＳｉＣを導入させて形成された厚みが１００μｍ以上のＳｉＣ導入層と、
   前記ＳｉＣ導入層の表面に形成されたＤＬＣ膜と、
   を有することを特徴とする摺動部材。
2. 前記基材はカーボン焼結材である請求項１記載の摺動部材。
3. 前記ＤＬＣ膜の膜厚が１．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、硬度がＨｖ１０００以上Ｈｖ１５００以下である請求項１又は２記載の摺動部材。
4. 前記基材は、ベーンタイプポンプのロータ基材である請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。

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