JP2013203591A - 摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の摺動部材は、基材と、この表面の少なくとも一部を被覆する表面被膜とからなる。この表面被膜は、炭素(C)の安定同位体(12C)よりも質量数が大きい同位体である13Cまたは14Cの少なくとも一方が、天然の存在割合である天然比よりも多く含まれたダイヤモンドからなることを特徴とする。質量数の大きい同位体元素が増えることにより、エネルギー散逸機構を担う固体内部の特性が従来と変化し、本発明に係る表面被膜の摩擦係数が低下したと考えられる。本発明に係る表面被膜は、例えば、全体を100質量%として、13Cと14Cが合計で50%以上含まれたダイヤモンドからなると好ましい。
【選択図】図2
Description
(1)本発明の摺動部材は、基材と、該基材の表面の少なくとも一部を被覆する表面被膜と、からなる摺動部材であって、前記表面被膜は、炭素(C)の安定同位体(12C)よりも質量数が大きい同位体である13Cまたは14Cの少なくとも一方を、天然の存在割合である天然比よりも多く含むダイヤモンドからなることを特徴とする。
(1)本発明に係るダイヤモンドは、結晶質であれば、単結晶体でも多結晶体でもよい。このダイヤモンド中には、種々の改質元素(ドープ元素)、コスト的または技術的な理由等により除去することが困難な不可避不純物が含まれてもよい。
本発明に係る基材は、その材質を問わない。もっとも、後述する表面被膜の合成方法に適した特性(耐熱性、結晶構造等)を備えると好ましい。例えば、基材表面上に表面被膜となるダイヤモンドを成長させる場合、(001)、(110)、(111)または(113)結晶面をもつダイヤモンドが下地として基材表面に存在すると好ましい。この下地は、単結晶でも多結晶でも良い。例えば、下地が高圧高温合成されたまたはCVD法で形成された単結晶ダイヤモンドからなると、ホモエピタキシャル成長により、低欠陥で高品質なダイヤモンドからなる表面被膜が合成され得る。
(1)炭素の存在比(同位体組成)
本発明に係る表面被膜を構成するダイヤモンドは、13Cと14Cの少なくとも一方を自然界に存在する割合(天然比)より多く含む限り、その具体的な炭素の同位体組成を問わない。例えば、表面被膜は、実質的に13C単体または14C単体からなるダイヤモンドから構成されてもよいし、12C、13C、14Cが種々の割合で混在したダイヤモンドから構成されてもよい。
本発明に係るダイヤモンドは、上述したC以外の元素(ドープ元素)を含むドープダイヤモンドでもよい。ドープ元素として、例えば、ホウ素(B)、リン(P)、ニッケル(Ni)、窒素(N)、リチウム(Li)、硫黄(S)等がある。ドープ元素は、ダイヤモンド全体を100%としたときに、合計で10〜1000ppmさらには50〜500ppm含まれると好ましい。
本発明では、表面被膜を構成するダイヤモンドの内部特性、つまり摩擦界面(摺接界面)で生じた摩擦エネルギーが原子の振動を介して内部へ散逸される機構に着目している。従って、摺動面を構成する最外層に配列された原子中に、必ずしも13Cまたは14Cが含まれる必要はない。
本発明に係る表面被膜を構成するダイヤモンドの合成方法は問わない。例えば、マイクロ波プラズマCVD法、hot-filament法、電子衝撃(electron assisted)法、Plasma Torche法、電子サイクロトロン共鳴(ECR: Electron Cyclotron Resonance)法、直流放電プラズマ(DC discharge plasma)法、高周波プラズマ(RF plasma)法、高周波誘導熱プラズマ(RF induction thermal Plasma)法、直流プラズマジェット(DC plasma Jet)法、燃焼炎法等の化学気相堆積(CVD)法により行い得る。
本発明の摺動部材は、その具体的な形態や用途を問わない。例えば、エンジン動弁系のバルブリフター、ピストンリング、すべり軸受けのすべり面等の部材に好適である。
《試料の製造》
(1)成膜工程
質量数の異なる12Cと13Cからなるダイヤモンド薄膜をそれぞれ基板(基材)上に成膜した。この基板は高圧高温で合成されたダイヤモンド単結晶からなる。本実施例では、適宜、12Cに係る試料を試料1、13Cに係る試料を試料2という。
こうして得られたダイヤモンド薄膜の表面状態をそろえるために水素終端処理を次のようにして行った。すなわち、成膜後の基板を反応容器に入れたまま、先ず、その雰囲気をメタンガスが含まれない水素ガス雰囲気とした。次に、上記の条件の下で、反応容器内に水素プラズマを発生させ、その水素プラズマに成膜後の試料を曝露して終端処理を行った。
(1)被膜性状
成長速度から見積もると、各試料はいずれも、基板表面上に約1.5μmの膜厚からなるダイヤモンド薄膜が形成されていた。また、各試料のダイヤモンド薄膜の表面粗さをSPMで測定したところ、いずれもRzjis1nm以下であった。なお、各ダイヤモンド薄膜をTOF−SIMSで測定したところ炭素の同位体比率は、それぞれダイヤモンド薄膜全体に対して試料1で99.9質量%、試料2で98.8質量%であった。
各試料に係るダイヤモンド薄膜(表面被膜)の摩擦特性を、走査型プローブ顕微鏡(SPM)を用いて大気中で測定した。このとき、プローブとなるチップには、Nanoworld社製PNP−DBを用いた。このチップは耐熱ガラス(SiN)からなり、その先端の曲率半径は約10nmであった(図1参照)。
(1)先ず、図2から明らかなように、測定毎の付着力は、測定回数に依らずほぼ一定であった。従って、上述した摩擦試験中、試料表面とチップ先端の界面に大きな変化はなく、得られた結果は各試料の摩擦特性を適切に指標している。
上述した水素終端処理を行わない試料を、他は実施例1と同様にして製造した。本実施例では、適宜、12Cに係る試料を試料21、13Cに係る試料を試料22という。これら試料に係る摩擦特性も実施例1と同様に測定した。但し、チップに印可した荷重は18.9±1nNとした。得られた付着力と摩擦係数を図3に示した。なお、本実施例では、試料21(12C)→試料22(13C)→試料21(12C)の順序で測定した。
Claims (4)
- 基材と、
該基材の表面の少なくとも一部を被覆する表面被膜と、
からなる摺動部材であって、
前記表面被膜は、炭素(C)の安定同位体(12C)よりも質量数が大きい同位体である13Cまたは14Cの少なくとも一方を、天然の存在割合である天然比よりも多く含むダイヤモンドからなることを特徴とする摺動部材。 - 前記ダイヤモンドは、該ダイヤモンド全体を100質量%(単に「%」という。)としたときに13Cと14Cを合計で50%以上含む請求項1に記載の摺動部材。
- 前記ダイヤモンドは、C以外のドープ元素を含むドープダイヤモンドである請求項1または2に記載の摺動部材。
- 前記ドープ元素は、前記ダイヤモンド全体を100%としたときに合計で10〜1000ppm含まれる請求項3に記載の摺動部材。
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