JP2012127001A - 摺動部材及びその表面改質方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シール摺動部材を常用しているエアーシリンダーにおいて、Ｏリングが使用されている。ＤＬＣ膜付ゴムにおける摺動部の摩擦係数μ０．３５を０．０８〜０．１５程度に下げ、ドライ摺動でも使用可能な低摩擦化、長寿命化を具現化する摺動部材を提供する。
【解決手段】１例として挙げたエアーシリンダー１は、ハウジング２の内部にピストン４およびピストンロッド３が一対となりエアー室７にエアー出入口８，９から空気圧が交互に送り込まれる機構になっている。シリンダー１の機能を発揮するため、Ｏリング５およびＯリング６がエアー漏れを防ぐように圧接挿入されている。Ｏリング５，６の摩擦係数を下げるためＤＬＣ膜付ゴムの膜面に電子ビーム照射をすることにより、摩擦係数の低減を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材に関する。また、本発明は、前記摺動部材に対する表面改質方法に関する。

従来から、ゴムと金属の摺動部には、その多くは潤滑油を用いてきた。また、ゴム中に添加剤を含有する潤滑油組成物を混合させて使用するものも知られている（特許文献１参照）。

また、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティング処理で全く剥離がなく、低摩擦係数、高耐摩耗性のゴム製品もある（特許文献２）。

表面改質に関しては、蒸気タービン翼のエロージョンまたはコロージョンが発生する部位に電子ビーム（ＥＢ）を照射して高硬度層を形成と面の平滑化を可能にしている（特許文献３）。

しかしながら、潤滑油を用いる場合、油ゆえの汚れ付着や、高頻度の注油メンテナンスなどの不都合があることから、潤滑油を用いずともスムーズな摺動性（ドライ摺動）が求められていた。例えば、前記に示した如く、オイルレスで摺動させるＤＬＣ膜付ゴムも考えられているが、摩擦係数はμ０．２〜０．３５といまだ大きく、ドライ摺動させるには無理である。実用的には、摩擦係数としてμ０．０８〜０．１５程度が求められている。

前記の表面改質は、金属面に高硬質の形成と面の平滑化のために用いているが、電子ビーム照射は行なわれていない。その結果、金属の研摩ラップ面に比べてゴム表面およびＤＬＣゴム付表面形状は、十分な平滑面ではなく、粗い面、すなわち凹凸面となっている。

そして、この凹凸面上に蒸着させたＤＬＣ膜がその面に加圧圧縮によるゴム特有の伸縮に従い微細なひびが生じ、細かいミクロン単位のＤＬＣ膜のシャープエッジが摩擦相手に擦過条痕を付ける事になり、摩擦係数は摺動距離に従い増大するという問題があった。この摩擦係数の増大を抑制する必要がある。

特開２００７−０１６８３０号公報 特開２０１０−７７２２７号公報 特開２００１−２８８２８９号公報

上述のとおり、現行の潤滑油を常用するシール摺動部材に加えて、ドライ摺動、すなわちオイルレスでの摺動においても摩擦係数μ０．０８〜０．１５で摺動可能な表面改質が求められている。

本発明は、シール部材の表面改質による表面硬化および表面粗さの平滑化における摩擦係数低減に着目し、摺動部材の摩擦面に電子ビームを照射する表面改質法および表面改質部材を提供することを課題とする。

本発明は、ゴム、プラスチックスおよびカーボンからなる群およびＤＬＣ膜付同群から少なくともいずれか１つを含む摺動部材に、電子ビームが２５〜６０ＫＶおよび５０〜６００μＡの範囲内の条件で照射され、摩擦係数μ０．３以下である摺動部材を提供する。

本発明における電子ビーム照射条件は、摺動部材の材質、形状、大きさ等により異なるが、電子ビーム管１個の照射仕様は、加速電圧２５〜６０ＫＶ，管電流５０〜６００μＡ，照射距離と照射時間は反比例の関係にあり組合せと調整において摺動部材に適切に照射させる。電子ビーム照射ボックス内には、ＤＬＣコーテッドゴムを設置した後、ボックス内を真空にして、窒素ガスを導入する，次に加速電圧、管電流を設定し、電子ビーム照射を行い、ＤＬＣ膜付面の低摩擦化を図る。

電子ビーム照射の範囲を広げて照射することが必要な時は、複数個並べて前記仕様の各組合せ、各調整において摺動部材に適切に照射させることもできる。

本発明のように、ゴムなどの基材表面に電子ビームを照射すると、基材（特にゴム基材）の表面が収縮して硬化するため、滑りの良い面に表面改質される。摩擦試験によると初期はμ０．２〜０．３の摩擦係数を保つが、その後には急激に摩耗が進み摩擦係数は上昇する。しかし、ＤＬＣ膜付ゴムは、電子ビーム未照射のゴム基材の摩擦に比べて１／３〜１／１０に低下するので、オイルレスでシリンダーとしても十分使用できる。また滑りの良いＯリングを使用する事で、自動組み付け挿入ロボットにおいても１００％ミス無く、小さい穴に組込作業が可能となり従来生じていた生産ラインの停止による損失の改善につながる。

ＤＬＣコーテッドゴムのＤＬＣ膜形状はゴムの成形方法により異なるが，摺動面にＤＬＣを成膜する金属金型基材の面粗さ０．５μｍ前後に比べて、ゴム表面の凹凸はかなり大きく，且つ滑らかでない。従って電子ビームを照射しないＤＬＣ膜付ゴムの現状での摩擦係数はμ０．２〜０．３５である。ゴム基材面上にＤＬＣ成膜による膜の成長は、成膜時間と共にナノ単位で成長し、高炭素膜微粒子の集合体に形成せれている。従って加圧部の変形摺動時、高炭素膜がゴム基材の変形によるＤＬＣ膜の微粒子集合体間に隙間ができ、高硬度で複雑な微粒子のシャープエッジにより、摺動する相手基材に擦過条痕を作り出している、そして摺動距離が増すに従い摩擦係数も次第に大きくなっているのが現況である。

本発明はＤＬＣ膜付ゴムを電子ビーム照射するとによってＤＬＣ膜面の凹凸を平滑にすると同時にＤＬＣ膜の微粒子集合体のシャープエッジを滑らかにすることでμ０．１近辺の摩擦係数が得られる。前記のＤＬＣ膜付ゴムに比べると摩擦は１／２〜１／３．５程度に下がりドライ摺動部材としても使用可能になる。ＤＬＣ膜付ゴムは、摺動する相手基材に擦過条痕を作るのを抑制するために高炭素微粒子のシャープエッジ面に電子ビームを照射する事で表面改質され、摩擦係数を下げることができる。

本発明はＤＬＣコーテッドゴムに電子ビーム照射を施すことにより摩擦係数が０．１以下になり、１例としてエアーシリンダーのシール摺動用Ｏリングにドライ摺動（オイルレス）に使用する事が可能になった、従って医療、食品、クリーンルーム用駆動機器として使用できる。

前記用途以外においても、滑らかなＤＬＣ膜を用いる事によって且つ潤滑油を使用すれば、ゴム表面のＤＬＣ膜の硬さＨＶ７００〜１０００程度による耐摩耗性向上のため摺動面の長寿命化と省資源化にも貢献できる。

Ｏリングを用いたエアシリンダーの縦断面模式図である。 ＮＢＲ基材における摩擦係数の比較を示したものである。 ＥＰＤＭ基材における摩擦係数の比較と、鋼球の摩耗痕を示した図である。 電子ビーム照射原理の模式図である。 ＮＢＲ基材における表面形態の比較を示したものである。 ＤＬＣ膜付ＮＢＲの引張試験による表面形状を示したものである。

本発明は、ゴム、プラスチック、カーボンなどのうち、少なくとも１つを有する基材に対し、電子ビームを照射する事によって、オイルレスであっても摺動性に優れた摺動部材となる。また、本発明は、ＤＬＣ膜付ゴムであれば摩擦の低減も大きく耐摩耗性も向上する。
本発明における電子ビーム照射条件は、摺動部材の材質、形状、大きさ等により異なるが、電子ビーム管１個の照射仕様は、加速電圧２５〜６０ＫＶ，管電流０〜６００μＡ，照射距離と照射時間は反比例の関係にあり組合せと調整において摺動部材に適切に照射させる。電子ビーム照射ボックス内には、ＤＬＣコーテッドゴムを設置した後、ボックス内を真空にして、窒素ガスを導入する，次に加速電圧、管電流を設定し、電子ビーム照射を行い、ＤＬＣ膜付面の低摩擦化を図る。
具体的には、電子ビーム管１個の照射仕様は、加速電圧２５〜６０ＫＶ、管電流０〜６００μＡ、各種電子ビーム照射部材に適切に合わせて照射させる。その手順は、電子ビーム照射ボックス内にＤＬＣコーテッドゴム基材を挿入設置した後、ボックス内を真空にして、窒素ガスを導入する。次に加速電圧、管電流をＥＢ（電子ビーム）照射する基材の種類に合わせて、電子ビーム照射を行う。これにより、優れた摺動性と耐久性を有する摺動部材が得られる。
なお、加速電圧、管電流を、Ｍｉｎ−ＥＢ装置（ウシオ電機製）の仕様範囲内での最適仕様を見出し摺動部材にＥＢ照射する。

次に図に沿って、本発明の説明をする。
図１は、摺動部材の表面形状に蒸着したＤＬＣ膜はミクロン単位の高炭素膜微粒子の集合体であり高硬度で複雑な微粒子のシャープエッジに電子ビーム照射し、滑らかな膜に表面改質されたＯリング（摺動部材に相当）を挿入したエアーシリンダーの一例を示した縦断面図模式図である。
このエアーシリンダー１はハウジング２内にピストン４とピストンロッド３を一体に組み合わせて、Ｏリング５の外周にＤＬＣコーティングした後、同面に電子ビームを照射したＯリング５を装着し、Ｏリング５の外周に一定の負荷をかけてエアー漏れが無いように圧接摺動させるものである。
一方、ピストンロッド３に圧接しているＯリング６は、内径面のＤＬＣ膜面にＥＢを照射し、ハウジング２に挿入してピストンロッド３と圧接摺動させ、シール部材として使用するもので、ドライ使用での低摩擦化や、油潤滑使用での長寿命化を図る。
ピストンロッド３をハウジング２内部で摺動移動させるには、ハウジング２上部の両端８，９から空気圧力０．０５〜０．７ＭＰａ内で相互に加圧排出を繰り返してピストン４の駆動力をピストンロッド３の先端を通して外部に伝達するものである。
前記シリンダー２内でピストンロッド３の移動による摺動部は全てＯリング５，６の摺動面に蒸着したＤＬＣ膜に電子ビーム照射することが相手攻撃性を抑制することで、低摩擦、低摩耗も可能になる。

また、図２はＮＢＲ基材における摩擦係数の比較を示したものである。ドライ摺動のもとで、トライボテスターにより膜荷重０．５Ｎ，４ｍｍ鋼球、滑り速度０．１ｍ／ｓｅｃ、室温の条件下で摩擦を調べた。
ＮＢＲ基材、ＮＢＲ面上に＋ＤＬＣ、次にＤＬＣ膜上に＋ＥＢ照射したＮＢＲ＋ＤＬＣ＋ＥＢの各摩擦特性を示した図で、横軸は摺動距離ｍ、縦軸は摩擦係数μある。図中のＮＢＲはゴム基材を示し、ＮＢＲ＋ＤＬＣはＤＬＣ膜を有するゴム基材を示し、ＮＢＲ＋ＤＬＣ＋ＥＢはＤＬＣ膜を有するゴム基材に電子ビーム照射を施している。また、縦軸は摩擦係数（μ）を示し、横軸は摺動距離（ｍ）を示した。一番低い摩擦係数を示したのはＮＢＲ＋ＤＬＣ＋ＥＢである。
そして、このことは摩擦係数だけでなく耐久性についても優れており、長寿命化が実現されることを示している

図３は、ＥＰＤＭ基材における摩擦係数の比較と、鋼球の摩耗痕を示した図である。個体潤滑性に優れたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）と摩擦係数の比較をしたグラフを示したものである。ゴム基材にＥＰＤＭを用いたがＮＢＲと同様にＤＬＣ膜上にＥＢ照射を施した後、前期と同様トライボテスターにより荷重０．５Ｎ，４ｍｍ鋼球、滑り速度０．１ｍ／ｓｅｃ、室温において、図２．と同条件で摩擦係数を測定した結果を示したものである。ＤＬＣ膜上にＥＢ照射する事によって摩擦係数は同等以下の値が得られた。また４ｍｍ鋼球が摩擦によるアブレシブ摩耗痕はＤＬＣ＋ＥＢ照射の方が小さかった。

図４は、電子ビーム照射原理の模式図である。
電子ビーム１０は、シリコン薄膜１１を透して下方１２のＤＬＣ膜付ゴム１４にシャワー状にソフトな電子ビームを照射する原理である。電子ビーム照射ボックス内では照射中は真空引き後窒素ガスを約１０Ｐａ流して電子ビーム照射工程を行う。この照射工程により３０μｍ以下のＤＬＣ微粒子のシャープエッジをソフト化し、同時にＤＬＣ膜の凹凸も図５で観察の通り平滑化している。なお粗さ計測でもそれを示している。
図５は．ＮＢＲ基材における表面形態の比較を示したものである。
ＮＢＲ基材、＋ＤＬＣ膜、＋ＤＬＣ膜＋ＥＢ照射、の膜の形態を観察、表面粗さ、膜の断面を示したものである。ＥＢ照射により膜の凹凸が前述の通り少し平滑になっているまたＤＬＣ膜表面粗さが小さくなっているのが判る。更にＤＬＣ膜の断面の膜凹凸も多少小さくなっている事が観察された。
図６．ＮＢＲ基材上にＤＬＣ膜を蒸着させて 引張試験を行い、ＤＬＣ膜の形状変化を示す。ＤＬＣ膜の剥離は見られなかった。ＮＢＲ＋ＤＬＣ＋ＥＢも同様に引張試験を行ったが前者（ＥＰＤＭ）との比較観察では変化が見られなかった。

電子ビーム照射は、密閉された容器内で真空引きを行い、その後窒素ガスを封入した環境において、加速電圧６０ＫＶ、管電流３００μＡ、の条件でＤＬＣ膜付摺動用Ｏリングに照射した後、内径３０ｍｍのエアーシリンダーに組込みオイルレスで実験したところ空気圧力２０ＫＰａで作動することが確認でき、常に使用されているシリンダーの最低圧力の約２／３以下の圧力をドライで作動確認ができた。またグリスを使用した時よりＤＬＣ膜付Ｏリングのドライ摺動の方がグリスを塗布した油の抵抗を受けたシリンダーの動作圧力より低圧力で動作することが確認できた。

本発明の摺動シール部材は，現在も摺動面には潤滑油を使用している。しかし地球環境負荷低減のためには現況ドライ摺動機構が求められている。空気圧駆動において油の飛沫を嫌う食品・半導体製造・医薬品工場等無限に市場性が広がっている。従って現在表面改質にＤＬＣ膜の実用化が始まっている。低摩擦、耐摩耗性のほか問題は成膜コストの低価額化に挑戦しなければ急激な実用化が進まないと考える。本発明の根底に低価額成膜法による成膜装置の低価額化、現市場の１〜２割程度の成膜装置が実現、成膜工程の時間短縮等成膜コスト市場の１／１０以下の可能性が検討されている。まだ市場化進出への技術的価額的検討課題も有り、どこで折り合いを付けるかが今の課題である。今後の技術課題は弾力性持つゴムにＳＰ２（グラファイト）、ＳＰ３（ダイヤモンド）最適な比率を持たせた弾力性と耐摩耗性のあるカラム構造を含めたＤＬＣ膜の出現を期待している。

１ エアーシリンダー
２ ハウジング
３ ピストンロッド
４ ピストン
５ Ｏリング
６ ロット用Ｏリング
７ エアー室
８ エアー出入口
９ エアー出入口
１０ 電子ビーム
１１ シリコン膜
１２ ＤＬＣ膜
１３ ゴム基材

Claims (5)

1. ゴム、プラスチックスおよびカーボンからなる群から少なくともいずれか１つを含む摺動部材に、電子ビームが２５〜６０ＫＶおよび５０〜６００μＡの範囲内の条件で照射され、摩擦係数０．３５以下であることを特徴とする摺動部材。
2. 前記摺動部材が、ダイヤモンドライクカーボン膜が形成されている請求項１に記載の摺動部材。
3. ゴム、プラスチックスおよびカーボンからなる群から少なくともいずれか１つを含む摺動部材に、電子ビームを加速電圧２５〜６０ＫＶおよび管電流５０〜６００μＡの範囲内の条件で照射することを特徴とする摺動部材の表面改質法。
4. 前記電子ビームの照射条件が、加速電圧３０〜５０ＫＶおよび管電流１００〜３００μＡの範囲内である請求項３に記載の摺動部材の表面改質法。
5. 前記摺動部材に、さらにダイヤモンドライクカーボン膜を形成する請求項３または４に記載の摺動部材の表面改質法。