JP2016084491A - 摺動システムおよび摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部材に含まれるＤＬＣ膜の高負荷性能を向上させることができ、これにより、長寿命化を図ることができる摺動システムおよび摺動部材を提供すること。【解決手段】摺動システム５０は、被摺動面２０１を有する被摺動部材２００と、被摺動面２０１に摺動する摺動面１０３を有し、当該摺動面１０３の少なくとも一部がＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１を含む摺動部材１００とを含む。ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１には、２０ａｔ．％以上４０ａｔ．％以下の水素と、５ｗｔ．％以上３０ｗｔ．％以下の珪素とが添加されている。被摺動面２０１はＡｌ２Ｏ３またはＺｒＯ２を用いて形成されている。【選択図】図１

Description

この発明は、摺動部材および被摺動部材を含む摺動システム、ならびに摺動部材に関する。

ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜は、摩擦摩耗特性および潤滑性に優れている。そのため、ＤＬＣ膜は、摺動部材の摺動面に用いられている（たとえば下記特許文献１，２）。特許文献１，２に記載されているＤＬＣ膜は、膜組成に炭素だけでなく、水素および珪素も含む。

特開２０１１−００１５９８号公報 特開２００６−２８３９７０号公報

摺動部材の長寿命化を図るために、摺動面に採用されるＤＬＣ膜には、高負荷条件下での繰り返し摺動に対する耐久性、すなわち高負荷性能が求められる。ＤＬＣ膜の高負荷性能は、基材に対するＤＬＣ膜の密着性だけでなく、被摺動部材（摺動の相手材）の摺動面の材質にも依存している。本願発明者らは、ＤＬＣ膜の高負荷性能を高めるために、ＤＬＣ膜の膜種と被摺動面の材質との組合せの最適化を検討している。

そこで、本発明の目的は、摺動部材に含まれるＤＬＣ膜の高負荷性能を向上させることができ、これにより、長寿命化が図られた摺動システムおよび摺動部材を提供することである。

前記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、被摺動面を有する被摺動部材と、前記被摺動面に摺動する摺動面を有し、当該摺動面の少なくとも一部がＤＬＣ膜を含む摺動部材とを含み、前記ＤＬＣ膜は、２０ａｔ．％以上４０ａｔ．％以下の水素と、５ｗｔ．％以上３０ｗｔ．％以下の珪素とを含有しており、前記被摺動面は、酸化セラミックスを用いて形成されている、摺動システムを提供する。

請求項２に記載の発明は、前記酸化セラミックスは、Ａｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２を含む、請求項１に記載の摺動システムである。
請求項３に記載の発明は、前記ＤＬＣ膜の硬さは、前記被摺動面の硬さと同等以下であり、ナノインデンテーション法による硬さが８〜１４ＧＰａである、請求項１または２に記載の摺動システムである。

請求項４に記載の発明は、前記ＤＬＣ膜の水に対する接触角は、７３．０°以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動システムである。
請求項５に記載の発明は、ラマン分光法を用いて測定された前記ＤＬＣ膜のラマンスペクトルのＧバンドの強度は、当該ラマンスペクトルのＤバンドの強度の３〜４倍である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の摺動システムである。

請求項６に記載の発明は、前記ＤＬＣ膜は、直流パルスプラズマＣＶＤ法を用いて、２００℃以下の低温成膜環境下において、処理電圧７００Ｖ以上１５００Ｖ以下で、かつデューティ比５％以上２０％以下の条件で成膜されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の摺動システムである。
前記目的を達成するための請求項７に記載の発明は、酸化セラミックスを用いて形成された被摺動面に摺動する摺動面を有し、前記摺動面の少なくとも一部がＤＬＣ膜を含む摺動部材とを含み、前記ＤＬＣ膜は、２０ａｔ．％以上４０ａｔ．％以下の水素と、５ｗｔ．％以上３０ｗｔ．％以下の珪素とを含有しており、前記被摺動面は、酸化セラミックスを用いて形成されている、摺動部材を提供する。

摺動面の少なくとも一部を、珪素および水素を含むＤＬＣ膜で形成し、かつ被摺動面を酸化セラミックスを用いて形成することで、当該ＤＬＣ膜の臨界剥離荷重を高めることができる。そのため、摺動部材に含まれるＤＬＣ膜の高負荷性能を向上させることができる。これにより、長寿命化が図られた摺動システムおよび摺動部材を提供できる。

本発明の一実施形態に係る摺動システムの要部を拡大して示す断面図である。 図１に示すＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜の作成に用いられるＣＶＤ装置の構成を模式的に示す図である。 摩擦摩耗試験を説明するための模式的な図である。 試験球の材質と臨界剥離荷重との関係を示すグラフである。 試験１の終了後の試験球（Ａｌ_２Ｏ_３製）の表面状態を示す図である。 試験１の終了後の被膜（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜）の表面状態を示す図である。 試験３の終了後の試験球（ＳＵＪ２製）の表面状態を示す図である。 試験３の終了後の被膜（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜）の表面状態を示す図である。 被膜の膜種と臨界剥離荷重との関係を示すグラフである。 試験５の終了後の試験球（Ａｌ_２Ｏ_３製）の表面の光学顕微鏡写真の画像図である。 試験５の終了後の被膜（ＤＬＣ（ａ−Ｃ）膜）の表面状態を示す図である。 試験６の終了後の試験球（Ａｌ_２Ｏ_３製）の表面の光学顕微鏡写真の画像図である。 試験６の終了後の被膜（ＤＬＣ：Ｈ膜）の表面状態を示す図である。 試験７の終了後の試験球（Ａｌ_２Ｏ_３製）の表面の光学顕微鏡写真の画像図である。 試験７の終了後の被膜（ＤＬＣ（ｔａ−Ｃ）膜）の表面状態を示す図である。 実施例３、比較例３、比較例４および比較例５における、各被膜の硬さと臨界剥離荷重との関係を示すグラフである。 実施例３、比較例３、比較例４および比較例５における、各被膜の水に対する接触角と臨界剥離荷重との関係を示すグラフである。 実施例３のラマンスぺクトルの強度と臨界剥離荷重との関係を示すグラフである。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る摺動システム５０の要部を拡大して示す断面図である。摺動システム５０は、摺動部材１００と、摺動部材１００にとって相手材である被摺動部材２００とを含む。
摺動部材１００は、表面を有する基材１０２と、基材１０２の表面の少なくとも一部を被覆するＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１とを含む。基材１０２は、たとえば、工具鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼などの鋼材を用いて形成されている。ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１は、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）および珪素（Ｓｉ）を含む膜組成を有している。ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の水素濃度（膜組成全体を１としたとき）は２０ａｔ．％以上４０ａｔ．％以下である。水素濃度が２０ａｔ．％未満は、炭化水素系ガスを用いるため成膜できない。また、水素濃度が４０ａｔ．％を超えると、軟質化および表面が粗れて摺動部材としては使用できない。ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１のＳｉ添加濃度（膜組成全体を１としたとき）は５ｗｔ．％以上３０ｗｔ．％以下である。珪素量が５ｗｔ.％未満は正確な濃度制御が行えない。また、珪素量が３０ｗｔ．％を超えると、正常な成膜ができない。ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の硬さは、後述する被摺動面２０１の硬さと同等以下であり、ナノインデンテーション法による硬さがたとえば８〜１４ＧＰａである。後述する図１６に示すように、厳密には、１２．５ＧＰａを、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の、ナノインデンテーション法による硬さとして例示できる。

ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の水に対する接触角は、７３．０°以下（厳密には、７０．０°±３°（測定誤差）以下）である。後述する図１７に示すように７１．１°を接触角として例示できる。後述するＡｌ_２Ｏ_３およびＺｒＯ_２の水に対する接触角は、それぞれ約９０°および約９５°であるので、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１は、被摺動面２０１よりも水に対する濡れ性が高いといえる。ラマン分光法を用いて測定されたＤＬＣのラマンスペクトルは、１３００ｃｍ^−１付近にピークを有するＤバンドと、１５１０ｃｍ^−１付近にピークを有するＧバンドとに波形分離できるのであるが、ラマン分光法を用いて測定されたＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１のラマンスペクトルのＧバンドの強度は、当該ラマンスペクトルのＤバンドの強度の３〜４倍である。

ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１は、たとえば、直流パルスプラズマＣＶＤ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｌａｓｍａ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて作成されている。直流パルスプラズマＣＶＤでは、基材１０２に対して電圧が間欠的に印加される。したがって、基材１０２に対して電圧が印加され続ける直流プラズマＣＶＤ法に比べて、基材１０２の温度上昇に繋がる異常放電の発生が抑制される。これにより、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１は、低温成膜環境（たとえば、２００℃以下）に維持された状態で形成されている。ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１は、摺動部材１００の摺動面１０３の少なくとも一部を形成し、被摺動部材２００の被摺動面２０１と摺動する。摺動面１０３（すなわち基材１０２の表面）は、図１に示すように平坦平面であってもよいし、球面やその他の曲面であってもよい。

被摺動部材２００は、酸化セラミックスを用いて形成されている。被摺動部材２００の表面は、摺動面１０３の摺動相手である被摺動面２０１である。被摺動面２０１には被覆膜が形成されていない。すなわち、被摺動面２０１は、酸化セラミックスを用いて形成されている。この酸化セラミックスは、Ａｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２を含む。被摺動面２０１は、図１に示すように平坦平面であってもよいし、球面やその他の曲面であってもよい。ナノインデンテーション法によるＡｌ_２Ｏ_３の硬さは、約１５．７である。Ａｌ_２Ｏ_３の水に対する接触角は約９５°である。ナノインデンテーション法によるＺｒＯ_２の硬さは、約１２．３である。ＺｒＯ_２の水に対する接触角は約９０°である。

摺動部材１００の一例として、特殊軸受の軌道輪等、特殊環境下における摺動部材を挙げることができる。とくに、無潤滑条件下で被摺動部材に対して摺動する摺動部材、および真空状態で被摺動部材を例示できる。また、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１は、耐食性および耐薬性に優れるため、水環境下で被摺動部材に対して摺動する摺動部材も、摺動部材１００の一例として例示できる。

図２は、図１に示すＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の作成に用いられるＣＶＤ装置１の構成を模式的に示す図である。
ＣＶＤ装置１は、隔壁２で取り囲まれた処理室３と、処理室３内で基材１０２を保持する基台５と、処理室３内に成分ガス（原料ガスを含む。）を導入するためのガス導入管６と、処理室３内を真空排気するための排気系７と、処理室３内に導入されたガスをプラズマ化させるための直流パルス電圧を発生させる電源８とを備えている。

基台５は、水平姿勢をなす支持プレート９と、鉛直方向に延び、支持プレート９を支持する支持軸１０とを備えている。この実施形態では、基台５として、支持プレート９が上下方向に３つ並んで配置された３段式のものが採用されている。しかしながら、２段式でも４段式以上であってもよいし、単段式であってもよい。基台５は、全体が鉄鋼材などの導電材料を用いて形成されている。基台５には電源８の負極が接続されている。基材１０２は、支持プレート９上に載置される。

また、処理室３の隔壁２は、ステンレス鋼等の導電材料を用いて形成されている。隔壁２には、電源８の正極が接続されている。隔壁２はアース接続されている。隔壁２と基台５とは絶縁部材１１によって絶縁されている。そのため、隔壁２はアース電位に保たれている。電源８がオンされて直流パルス電圧が発生されると、隔壁２と基台５との間に電位差が生じる。

また、ガス導入管６は、処理室３内における基台５の上方を水平方向に延びている。ガス導入管６の基台５に対向する部分には、ガス導入管６の長手方向に沿って配列された多数のガス吐出孔１２が形成されている。ガス吐出孔１２から原料ガスが吐出されることにより、処理室３内に原料ガスが導入される。
ガス導入管６には、原料ガスおよびキャリアガスを含む成分ガスが供給される。原料ガスとしては、メタン（ＣＨ_４）やアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、ベンゼン（Ｃ_６Ｈ_６）、トルエン（Ｃ_７Ｈ_８）などの炭化水素系ガス、テトラメチルシランガス（Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）やシロキサンなどの有機珪素化合物ガス、および水素ガス（Ｈ_２）などが供給されるようになっている。キャリアガスとしては、アルゴン（Ａｒ）などが供給されるようになっている。ガス導入管６には、各成分ガスの供給源（ガスボンベや液体を収容する容器等）からそれぞれの成分ガスを処理室３に導くための複数の分岐導入管（図示しない）が接続されている。各分岐導入管には、各供給源からの成分ガスの流量を調節するための流量調節バルブ（図示しない）等が設けられている。また供給源のうち液体を収容する容器には、必要に応じて、液体を加熱するための加熱手段（図示しない）が設けられている。

排気系７は、処理室３に接続された第１の排気管１３および第２の排気管１４と、第１の開閉バルブ１５、第２の開閉バルブ１６および第３の開閉バルブ１９と、第１のポンプ１７および第２のポンプ１８とを備えている。
第１の排気管１３の途中部には、第１の開閉バルブ１５および第１のポンプ１７が、処理室３側からこの順で介装されている。第１のポンプ１７としては、たとえば油回転真空ポンプ（ロータリポンプ）やダイヤフラム真空ポンプなどの低真空ポンプが採用される。油回転真空ポンプは、油によってロータ、ステータおよび摺動翼板などの部品の間の気密空間および無効空間の減少を図る容積移送式真空ポンプである。第１のポンプ１７として採用される油回転真空ポンプとしては、回転翼型油回転真空ポンプや揺動ピストン型真空ポンプが挙げられる。

また、第２の排気管１４の先端は、第１の排気管１３における第１の開閉バルブ１５と第１のポンプ１７との間に接続されている。第２の排気管１４の途中部には、第２の開閉バルブ１６、第２のポンプ１８および第３の開閉バルブ１９が、処理室３側からこの順で介装されている。第２のポンプ１８としては、たとえばターボ分子ポンプ、油拡散ポンプなどの高真空ポンプが採用される。処理室３内の気体は、第１のポンプ１７および第２のポンプ１８によって処理室３から排出される。

次に、図１および図２を参照しながら、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の成膜工程について説明する。
まず、処理室３内に基材１０２を搬入し、基材１０２を、その表面を上方に向けた状態で基台５のプレート９上に載置する。
次いで、処理室３内が減圧される。具体的には、第１のポンプ１７が駆動開始させられると共に、開閉バルブ１５，１６，１９のうち第１の開閉バルブ１５が開かれることにより、処理室３内が第１のポンプ１７のみによって真空排気される。処理室３内が所定の真空度まで真空排気された時点で第１の開閉バルブ１５が閉じられる。次いで、第２のポンプ１８が駆動開始させられると共に第３の開閉バルブ１９が開かれた後、第２の開閉バルブ１６が開かれることにより、第１および第２のポンプ１７，１８によって処理室３内がさらに真空排気される。

処理室３内が所定の真空度に達した時点で第２の開閉バルブ１６が閉じられ、第２のポンプ１８が停止させられ、第３の開閉バルブ１９が閉じられ、そして、第１の開閉バルブ１５が閉じられる。また、供給源（図示しない）からガス導入管６に成分ガスが供給される。成分ガスは、ガス吐出孔１２を介して処理室３内に導入され、その後、第１の開閉バルブ１５が開かれる。この状態で、第１のポンプ１７だけで排気を続け、目的の真空度に調整する。

この成膜工程では、ＤＬＣ膜の成膜に先立って、イオンボンバード処理が実行される。そのため、処理室３内に先ず導入される成分ガスは、たとえば、水素ガスおよびアルゴンガスである。水素ガスおよびアルゴンガスは、それぞれ、プラズマを安定化させる作用を有する。成分ガスは、水素ガスを含まずにアルゴンガスだけであってもよい。
電源８がオンされて、高圧の直流パルス電圧が基台５に印加される。これにより、隔壁２と基台５との間に電位差が生じ、処理室３内にプラズマが発生する。基台５に印加されるパルス電圧の電圧値は、当初約７００Ｖ（負極性）であり、その後、時間の経過に伴って、約１０００Ｖ（負極性）、約１５００Ｖ（負極性）と段階的に上昇させられる。また、直流パルス電圧のデューティ比（パルス幅τを周波数ｆの逆数（１／ｆ）で表されるパルス周期で除算した値）は、たとえば約５％に設定されている。印加電圧値やデューティ比をこのような低値に設定したのは、電源８オン時に万が一異常放電が発生するようなことがあっても、その状態が長く続かないようにしたものである。また、周波数ｆは２００Ｈｚ以上２０００Ｈｚ以下、たとえば約１０００Ｈｚ程度に設定するのが好ましい。電源８から基台５に印加される直流パルス電圧の波形がパルス状であるので、かかる高電圧が印加されても処理室３内に異常放電は生じない。処理温度をたとえば２００℃以下の低温に抑制できる。

プラズマの発生により、処理室３内において成分ガスからイオンやラジカルが生成するとともに、このイオンやラジカルが電位差に基づいて基材１０２の表面に打ち付けられることにより、基材１０２の表面に吸着された異分子等をスパッタリング除去したり、基材１０２の表面を活性化したり、基材１０２の表面の原子配列等を改質したりできる（イオンボンバード処理）。

処理室３内の真空度は、イオンボンバード処理の開始時に約２０Ｐａ程度の中真空に設定される。イオンボンバード処理の開始後、処理室３内の圧力は、約１０Ｐａ単位で段階的に上昇させられ、２００Ｐａの低真空に達した後、その圧力のまま維持される。
電源８がオンにされてから予め定める処理時間が経過すると、処理室３への水素ガスおよびアルゴンガスの供給が停止させられる。これにより、イオンボンバード処理が終了する。次いで、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の成膜（形成）が行われる。

具体的には、処理室３内の真空排気を継続しながら、供給源（図示しない）からガス導入管６に原料ガスを含む成分ガスが供給される。この成分ガスがガス吐出孔１２を介して処理室３内に導入される。このとき処理室３内に導入される成分ガスは、原料ガスとして、たとえば炭化水素系ガス、有機珪素化合物ガスおよび水素ガスである。また、アルゴンもキャリアガスとして供給される。

ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の成膜は、基台５に印加されるパルス電圧の電圧値が約１０００Ｖ（負極性）、直流パルス電圧のデューティ比が約１０％、処理室３内の圧力が２００Ｐａの条件で行われる。この場合も、イオンボンバード処理と同様、処理温度をたとえば２００℃以下の低温に抑制でき、これにより、低温成膜環境下でＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１を成膜できる。

ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の成膜開始から、所定の時間が経過すると、電源８がオフされるとともに、成分ガスの導入が停止される。その後、第１のポンプ１７による排気を続けながら常温まで冷却させられる。次いで第１の開閉バルブ１５を閉じ、代わってリークバルブ（図示しない）を開いて処理室３内に外気を導入して処理室３内を常圧に戻した後、処理室３から基材１０２が取り出される。これにより、基材１０２の表面がＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１によって被覆された摺動部材１００が製造される。

次に、摩擦摩耗試験について説明する。
図３は、摩擦摩耗試験を説明するための模式的な図である。摩擦摩耗試験の試験機として、ボールオンプレート摩擦試験機を用いた。摩擦摩耗試験では、ＤＬＣを含む被膜３０２によって表面が被覆された基板３０１を、試験片として用いた。被膜３０２の膜厚は２．５μｍである。基板３０１は、高速度工具鋼（ＳＫＨ４）製である。基板３０１の摺動の相手材として、直径４．８ｍｍの試験球３０３を用いた。

摩擦摩耗試験では、試験球３０３として、実施例１、実施例２、比較例１および比較例２の４種類の試験球を用いた。
＜実施例１＞
試験球３０３として、Ａｌ_２Ｏ_３製の球を用いた。
＜実施例２＞
試験球３０３として、ＺｒＯ_２製の球を用いた。
＜比較例１＞
試験球３０３として、ＳＵＪ２製の球を用いた。
＜比較例２＞
試験球３０３として、Ｓｉ_３Ｎ_４製の球を用いた。

また、摩擦摩耗試験では、被膜３０２として、実施例３、比較例３、比較例４および比較例５の４種類の被膜を用いた。
＜実施例３＞
被膜３０２として、前述のＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１（図１参照）を用いた。ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１は、むろん前述した直流パルスプラズマＣＶＤ法を用いて生成されている。
＜比較例３＞
被膜３０２として、ａ−Ｃ（アモルファスカーボン）型のＤＬＣ膜（以下、「ＤＬＣ（ａ−Ｃ）膜」という。）を用いた。ＤＬＣ（ａ−Ｃ）膜は、水素を含まない、いわゆる水素フリーＤＬＣである。ＤＬＣ（ａ−Ｃ）膜のナノインデンテーション法による硬さはたとえば約１８ＧＰａである。ＤＬＣ（ａ−Ｃ）膜の水に対する接触角は、７３．７°である。
＜比較例４＞
被膜３０２として、ａ−Ｃ：Ｈ（水素化アモルファスカーボン）型のＤＬＣ膜（以下、「ＤＬＣ：Ｈ膜」という場合がある。）を用いた。ＤＬＣ：Ｈ膜は、水素を含む、いわゆる水素含有ＤＬＣである。ＤＬＣ：Ｈ膜のナノインデンテーション法による硬さはたとえば約２０ＧＰａである。ＤＬＣ：Ｈ膜の水に対する接触角は、７５．３°である。
＜比較例５＞
被膜３０２として、ｔａ−Ｃ（テトラへドラルアモルファスカーボン）型のＤＬＣ膜（以下、「ＤＬＣ（ｔａ−Ｃ）膜」という。）を用いた。ＤＬＣ（ｔａ−Ｃ）膜は、水素を含まない、いわゆる水素フリーＤＬＣである。ＤＬＣ（ｔａ−Ｃ）膜のナノインデンテーション法による硬さはたとえば約６０ＧＰａである。ＤＬＣ（ｔａ−Ｃ）膜の水に対する接触角は、７６．３°である。

摩擦摩耗試験として、以下の試験１〜試験７を行った。試験片である基板３０１を、被膜３０２を形成した面を試験面として、試験機にセットした後、速度２Ｈｚ、ストローク１０ｍｍ、無潤滑という試験条件の下、試験球３０３を介して基板３０１に与える荷重の大きさを１０Ｎ〜４００Ｎの範囲で変化させ、臨界剥離荷重（被膜３０２が基板３０１から剥離した時点の荷重）の測定を行った。

試験１〜試験４の結果を図４に示す。図４は、相手材である試験球３０３の材質と臨界剥離荷重との関係を示すグラフである。試験１では、荷重を４００Ｎまで上昇させても被膜３０２が剥離せず、摩擦摩耗試験を打ち切った。そのため、実際の臨界剥離荷重の値は４００Ｎを超えるが、図４には、実施例１に対応する臨界剥離荷重として４００Ｎを示し、さらに「打切り」と付している（後述する図９、図１６および図１７についても同様）。

図４に示すように、被膜３０２がＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１（図１参照）である場合、相手材として、試験球３０３が、Ａｌ_２Ｏ_３やＺｒＯ_２等の酸化セラミックス製であると、臨界剥離荷重が高かった。とくに、試験球３０３がＡｌ_２Ｏ_３製である場合に、臨界剥離荷重が著しく高かった。このことは、試験球３０３を酸化セラミックス製とすることにより、試験球３０３の表面（すなわち被摺動面）に移着物が生成され易くなったことに起因すると考えられる。図４から、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の相手材（被摺動面２０１（図１参照））が酸化セラミックス製である場合、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の高負荷性能を向上させることができることがわかる。とくに、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の相手材（被摺動面２０１）がＡｌ_２Ｏ_３製である場合、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の高負荷性能を著しく向上させることができることがわかる。

図５は、試験１の終了後の試験球３０３（Ａｌ_２Ｏ_３製）の表面状態を示す図である。図６は、試験１の終了後の被膜３０２（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１）の表面状態を示す図である。図７は、試験３の終了後の試験球３０３（ＳＵＪ２製）の表面状態を示す図である。図８は、試験３の終了後の被膜３０２（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１）の表面状態を示す図である。図５（Ａ）および図７（Ａ）は、試験球３０３の表面の光学顕微鏡写真の画像図であり、図５（Ｂ）および図７（Ｂ）は、試験球３０３の表面高さの分布（試験球３０３の摺接領域を、試験球３０３の中心を通る平面で切断したときの表面高さの分布。）を示す図である。図６（Ａ）および図８（Ａ）は、被膜３０２（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１）の表面の光学顕微鏡写真の画像図であり、図６（Ｂ）および図８（Ｂ）は、被膜３０２（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１）の表面高さの分布を示す図である。

図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ａｌ_２Ｏ_３製の試験球３０３を用いた試験１では、４００Ｎの高荷重を加えても、被膜３０２（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１）は剥離しなかった。これに対し、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、ＳＵＪ２製の試験球３０３を用いた試験３では、低荷重を加えるだけで、被膜３０２（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１）は剥離している。このことから、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１（図１参照）を被膜３０２として用いる場合には、相手材（被摺動面２０１（図１参照））の材質をＡｌ_２Ｏ_３とすると、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の高負荷性能を著しく向上させることができる、ということが確認できる。

また、Ａｌ_２Ｏ_３製の試験球３０３を用いた試験１では、図５（Ａ）に示すように、試験球３０３の表面に摺動痕はわずかにあった。しかしながら、図５（Ｂ）に示すように、摺動に伴う摩耗量は少なかった。これに対し、ＳＵＪ製の試験球３０３を用いた試験３では、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、試験後の試験球３０３の表面に大きな摺動痕が付され、表面の摩耗量も多かった。このことから、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１（図１参照）の相手材（被摺動面２０１）がＡｌ_２Ｏ_３製である場合に、相手材自身の摩耗を低減できることがわかる。

試験１および試験５〜試験７の結果を図９に示す。図９は、被膜３０２の膜種と臨界剥離荷重との関係を示すグラフである。
図９に示すように、試験球３０３がＡｌ_２Ｏ_３製である場合には、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１（図１参照）を被膜３０２として用いた場合に最も臨界剥離荷重が高かった。また、ＤＬＣ（ａ−Ｃ）膜およびＤＬＣ：Ｈ膜を被膜３０２として用いた場合にも、比較的高い臨界剥離荷重を示した。ＤＬＣ（ｔａ−Ｃ）膜を被膜３０２として用いた場合には、臨界剥離荷重が低かった。図９から、被膜３０２の相手材（被摺動面２０１（図１参照））が酸化セラミックス製である場合、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１を被膜３０２として採用すると、被膜３０２の高負荷性能を向上させることができることがわかる。

図４および図９から、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１とＡｌ_２Ｏ_３（酸化セラミックス）との組合せが、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１に非常に優れた高負荷性能を発揮させることができる、ＤＬＣ膜の膜種と被摺動面２０１（図１参照）の材質との組合せであることがわかる。
図１０は、試験５の終了後の試験球３０３（Ａｌ_２Ｏ_３製）の表面の光学顕微鏡写真の画像図である。図１１は、試験５の終了後の被膜３０２（ＤＬＣ（ａ−Ｃ）膜）の表面状態を示す図である。図１２は、試験６の終了後の試験球３０３（Ａｌ_２Ｏ_３製）の表面の光学顕微鏡写真の画像図である。図１３は、試験６の終了後の被膜３０２（ＤＬＣ：Ｈ膜）の表面状態を示す図である。図１４は、試験７の終了後の試験球３０３（Ａｌ_２Ｏ_３製）の表面の光学顕微鏡写真の画像図である。図１５は、試験７の終了後の被膜３０２（ＤＬＣ（ｔａ−Ｃ））の表面状態を示す図である。図１１（Ａ）、図１３（Ａ）および図１５（Ａ）は、被膜３０２の表面の光学顕微鏡写真の画像図である。図１１（Ｂ）、図１３（Ｂ）および図１５（Ｂ）は、被膜３０２の表面高さの分布を示す図である。

図６（Ａ），（Ｂ）を参照して前述したように、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１を被膜３０２として用いた試験１では、４００Ｎの高荷重を加えても、被膜３０２（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１）は剥離しなかった。これに対し、図１１（Ａ），（Ｂ）、図１３（Ａ），（Ｂ）および図１５（Ａ），（Ｂ）に示すように、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１を除く被膜３０２を用いた試験５，６，７では、高荷重または低荷重を加えることにより、被膜３０２は剥離している。このことから、相手材（被摺動面２０１）の材質をＡｌ_２Ｏ_３とする場合には、被膜３０２の膜質としてＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜を採用すると、当該被膜３０２の高負荷性能を著しく向上させることができる、ということが確認できる。

また、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１を除く被膜３０２を用いた試験５，６，７では、図１０、図１２および図１４に示すように、試験後の試験球３０３の表面に大きな摺動痕が付されていた。このことから、被膜３０２がＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１である場合に、被膜３０２の摩耗を低減できることがわかる。
図１６は、実施例３、比較例３、比較例４および比較例５における、各被膜３０２（図３参照）の硬さと臨界剥離荷重との関係を示すグラフである。図１６から、被膜３０２の硬さが低減するにつれて、臨界剥離荷重が向上することがわかる。とくに、ナノインデンテーション法による被膜３０２の硬さが１４ＧＰａ以下である場合に、臨界剥離荷重が極めて向上することがわかる。ナノインデンテーション法による硬さが８ＧＰａ未満の被膜３０２（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１）を成膜することはできない。したがって、ナノインデンテーション法による被膜３０２の硬さが８ＧＰａ以上１４ＧＰａ以下であると、高負荷特性を発揮することがわかる。

図１７は、実施例３、比較例３、比較例４および比較例５における、各被膜３０２（図３参照）の水に対する接触角と臨界剥離荷重との関係を示すグラフである。図１７から、被膜３０２の水に対する接触角が低減するにつれて、臨界剥離荷重が向上することがわかる。とくに、被膜３０２の水に対する接触角が７３．０°以下である場合に、臨界剥離荷重が極めて向上することがわかる。

ところで、ＤＬＣは、グラファイト結合（sp^２結合）とアモルファス構造との両方が混在した構造を有している。そのため、ＤＬＣの特性（物性）は、当該ＤＬＣ膜に含まれるグラファイト結合とアモルファス構造との比に大きく依存している。ラマン分光法を用いて測定されたＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１のラマンスペクトルは、ラマン分光法を用いて測定されたＤＬＣのラマンスペクトルは、１３００ｃｍ^−１付近にピークを有するＤバンドと、１５１０ｃｍ^−１付近にピークを有するＧバンドとに波形分離できる。

図１８は、実施例３のラマンスぺクトルの強度と臨界剥離荷重との関係を示すグラフである。図１８に示すように、ラマン分光法を用いて測定されたＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１のラマンスペクトルのＧバンドの強度は、当該ラマンスペクトルのＤバンドの強度の３．４倍である（Ｄバンドの強度は６８１ｃｐｓであり、Ｇバンドの強度は２３４８ｃｐｓである）。すなわち、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１のラマンスペクトルのＧバンドの強度は、当該ラマンスペクトルのＤバンドの強度の３〜４倍であれば、酸化セラミックス製の相手材に対して摺動する場合に、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１が優れた高負荷性能を発揮することがわかる。

以上によりこの実施形態によれば、摺動面１０３の少なくとも一部をＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１で形成し、かつ被摺動面２０１を酸化セラミックスを用いて形成している。ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の相手材（被摺動面２０１）が酸化セラミックスを用いて形成されている場合、被摺動面２０１に移着物が生成し易くなり、これにより、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の高負荷性能を向上させることができ、これにより、高負荷条件下であっても、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１が基材１０２から剥離するのを抑制または防止できる。ゆえに、摺動システム５０および摺動部材１００の長寿命化を図ることができる。

また、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の基材１０２からの剥離を抑制または防止できるから、摺動システム５０および摺動部材１００の信頼性および安全性の向上させることができる。
さらに、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の高負荷性能が向上するから、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１の摩擦摩耗特性の更なる向上を図ることもできる。

また、無潤滑条件下で摺動する摺動部材として摺動部材１００を採用すれば、無潤滑条件下であっても被覆膜（ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１）が基材１０２から剥離し難い。そのため、潤滑剤（潤滑油やグリース）や、当該潤滑剤を収容するタンクを設ける必要がなくなる。その結果、摺動システム５０の小型化および軽量化を図ることができる。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、本発明は他の形態で実施することもできる。

たとえば、直流パルスプラズマＣＶＤ法を用いて形成されたＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１について説明したが、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１は、直流パルスプラズマＣＶＤ法ではなく、他のプラズマＣＶＤ法（たとえば直流プラズマＣＶＤ法や高周波プラズマＣＶＤ法）を用いて形成された膜であってもよい。また、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１は、イオンビームスパッタ法や、ＤＣ（直流）スパッタ法、ＲＦ（高周波）スパッタ法、マグネトロンスパッタ法を用いて形成された膜であってもよい。

また、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１は、炭素、水素、珪素の他、さらに金属元素（鉄（Ｆｅ）等）を含む膜であってもよい。
また、ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜１０１と基材１０２との間に中間層が介在されていてもよい。この中間層として、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＮなどの金属窒化物、ＴｉＣなどの金属炭化物、およびＴｉＣＮなどの金属炭窒化物を例示することができる。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

５０…摺動システム、１００…摺動部材、１０１…ＤＬＣ−Ｓｉ：Ｈ膜（ＤＬＣ膜）、１０３…摺動面、２００…被摺動部材、２０１…被摺動面

Claims (7)

1. 被摺動面を有する被摺動部材と、
   前記被摺動面に摺動する摺動面を有し、前記摺動面の少なくとも一部がＤＬＣ膜を含む摺動部材とを含み、
   前記ＤＬＣ膜には、２０ａｔ．％以上４０ａｔ．％以下の水素と、５ｗｔ．％以上３０ｗｔ．％以下の珪素とを含有しており、
   前記被摺動面は、酸化セラミックスを用いて形成されている、摺動システム。
2. 前記酸化セラミックスは、Ａｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２を含む、請求項１に記載の摺動システム。
3. 前記ＤＬＣ膜の硬さは、前記被摺動面の硬さと同等以下であり、ナノインデンテーション法による硬さが８〜１４ＧＰａである、請求項１または２に記載の摺動システム。
4. 前記ＤＬＣ膜の水に対する接触角は、７３．０°以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動システム。
5. ラマン分光法を用いて測定された前記ＤＬＣ膜のラマンスペクトルのＧバンドの強度は、当該ラマンスペクトルのＤバンドの強度の３〜４倍である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の摺動システム。
6. 前記ＤＬＣ膜は、直流パルスプラズマＣＶＤ法を用いて、２００℃以下の低温成膜環境下において、処理電圧７００Ｖ以上１５００Ｖ以下で、かつデューティ比５％以上２０％以下の条件で成膜されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の摺動システム。
7. 酸化セラミックスを用いて形成された被摺動面に摺動する摺動面を有し、前記摺動面の少なくとも一部がＤＬＣ膜を含む摺動部材とを含み、
   前記ＤＬＣ膜は、２０ａｔ．％以上４０ａｔ．％以下の水素と、５ｗｔ．％以上３０ｗｔ．％以下の珪素とを含有しており、
   前記被摺動面は、酸化セラミックスを用いて形成されている、摺動部材。