JP2016145406A - ナノ複合固体潤滑被膜 - Google Patents
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Abstract
Description
炭素・・・・・・・・・・・5〜35
銅・・・・・・・・・・・・50〜90
追加金属・・・・・・・・・5〜15
銅粒子を含む炭素マトリックスは追加金属の中間層で補強される。銅粒子を含む炭素マトリックスの各層の厚みは30から150ナノメートルの範囲であり、追加金属の各中間層の厚みは5から20ナノメートルの範囲である。
この被膜の硬度は200から1000HVの範囲である。
構成成分の上記バルク率を有したナノ複合固体潤滑被膜が、摩擦係数、摩耗率、凝集力、接着力、および内部応力等の最適なパラメータの組み合わせを提供することが実験的に確認された。被膜の凝集力は、被膜内の炭素バルク濃度が35at.%を超えると十分に低下する。90at.%を超える銅濃度は硬度の低下と摩擦係数の増加に導く。また被膜内の追加の金属バルク濃度が15at.%を超えると、または、炭素バルク濃度が5at.%を下回ると摩擦係数も十分に増加する。被膜内の追加の金属濃度が5at.%を超えると摩耗率の顕著な低下が観察される。
純粋銅−炭素ナノ複合物は低硬度であり、重荷重下では崩壊する。追加金属の中間層の導入は、ナノ複合固体潤滑被膜の硬度を顕著に増加させ、その摩耗率を低下させる。厚みが増加した追加金属の中間層の導入は摩擦係数の増加を導く。厚みが150nmを超える銅−炭素層は硬度と耐摩耗性の低下を導き、30nmより薄い銅−炭素層は摩擦係数の増加を導く。
得られる被膜の硬度は構成要素のバルク率と追加金属の中間層の厚みとによってほぼ決定される。200HVを下回る硬度を有した被膜は、重荷重下での適用には不向きである。1000HVを超える硬度は高内部応力を有しており、被膜の接着力と可塑性を低下させ、被覆表面の疲労強度を低下させる。
ギヤホイールが、4つの銅−炭素モザイク状ターゲット(14%炭素表面積)および2つのジルコニウムターゲットと共に2回回転真空チャンバ内に入れられた。このギヤホイールは、11マイクロメートル厚のナノ複合固体潤滑被膜で、アルゴン(99.999%)による2.8mTorr(ミリトール)の圧力下において40分間、基板とターゲットとの間の距離を40−60mmにしてMS PVD法により被覆された。蒸着加工時には−100Vのバイアス電圧が使用された。銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度は115W/cm2であり、ジルコニウムターゲットの電力密度は60W/cm2であった。被膜内の成分要素はバルク率at.%にて以下のごとくであった(蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く)。
炭素 14
銅 80
追加金属(ジルコニウム) 6
ナノ複合固体潤滑被膜の層は図面(図1)に概略的に図示されている。そこでは、銅粒子2を含んだ炭素マトリックス1が追加金属の中間層3によって補強されている。
100Cr6製のシムが、2つの銅−炭素モザイク状ターゲット(26%炭素表面積)と1つのチタンターゲットとを使用して、アルゴン(99.999%)による3.0mTorrの圧力下で70分間、基板とターゲットとの間の距離を30−40mmとして、MS PVD法により被覆された。得られたナノ複合固体潤滑被膜は10マイクロメートル厚であり、銅粒子の粒径は40から80nmであった。蒸着加工時には−100Vのバイアス電圧が使用された。銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度は100W/cm2であり、チタンターゲットの電力密度は60W/cm2であった。蒸着されたナノ複合固体潤滑被膜は以下のバルク率at.%にて以下の構成要素を含んだ(蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く)。
炭素 23
銅 67
追加金属(チタン) 10
100Cr6製のシムが、アルゴン(99.999%)による2.8mTorrの圧力下において40分間、基板とターゲットとの間の距離を40−60mmにして6.5マイクロメートル厚のナノ複合固体潤滑被膜でMS PVD法により被覆された。蒸着加工時には−100Vのバイアス電圧が使用された。2つの銅−炭素モザイク状ターゲット(18%炭素表面積)と1つのモリブデンターゲットとが使用された。銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度は115W/cm2であり、モリブデンターゲットの電力密度は50W/cm2であった。構成要素のバルク率はat.%にて以下のごとくであった(蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く)。
炭素 17
銅 78
追加金属(モリブデン) 5
100Cr6製のシムが、2つの銅−炭素モザイク状ターゲット(18%炭素表面積)と1つのチタンターゲットとを使用して、アルゴン(99.999%)による3.0mTorrの圧力下にて70分間、基板とターゲットとの間の距離を30−40mmとしてMS PVD法により被覆された。得られたナノ複合固体潤滑被膜は14マイクロメートル厚であった。蒸着加工時には−100Vのバイアス電圧が使用された。140W/cm2までの銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度が使用された。そのような高電力密度は、蒸着されたナノ複合物のさらに繊細な構造を導いた。そこでは銅粒子の粒径は20から40nmの範囲であり、炭素マトリックスのナノ層は1から3nmの範囲の厚みを有した。蒸着されたナノ複合固体潤滑被膜は以下のバルク率at.%にて以下の構成要素を含んだ(蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く)。
炭素 18
銅 76
追加金属(チタン) 6
本発明は、増加した硬度と低下した摩耗率とを有し、固体潤滑被膜として機械工学で利用できるように適応されたMS PVD法による銅−炭素ナノ複合被膜を提供する。
エンジンンチェーンのピンが2つの銅−炭素モザイク状ターゲット(26%炭素表面積)と2つのチタンターゲットと共に2回回転真空チャンバ内に入れられた。ピンは、ナノ複合固体潤滑被膜がアルゴン(99.999%)による2.8mTorrの圧力にて15分間、基板とターゲットとの間の距離を60−80mmとしてMS PVD法により被覆された。銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度は100W/cm2であり、チタンターゲットの電力密度は70W/cm2であった。蒸着されたナノ複合固体潤滑被膜は3マイクロメートルの厚みを有しており、以下のバルク率at.%にて以下の構成要素を含んだ(蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く)。
炭素 17
銅 57
追加金属(チタン) 26
エンジンンチェーンのブッシュが2つの銅−炭素モザイク状ターゲット(26%炭素表面積)と1つのチタンターゲットと共に2回回転真空チャンバ内に入れられた。ナノ複合固体潤滑被膜が、アルゴン(99.999%)による2.8mTorrの圧力下にて40分間、基板とターゲットとの間の距離を60−80mmにしてブッシュにMS PVD法により被覆された。銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度は100W/cm2であり、チタンターゲットの電力密度は60W/cm2であった。蒸着されたナノ複合固体潤滑被膜は5マイクロメートルの厚みを有しており、以下のバルク率at.%にて以下の構成要素を含んだ(蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く)。
炭素 23
銅 67
追加金属(チタン) 10
ベアリングの内側リングと外側リングが、3つの銅−炭素モザイク状ターゲット(18%炭素表面積)と1つのチタンターゲットにより真空チャンバ内で被覆された。ナノ複合固体潤滑被膜が、アルゴン(99.999%)による3mTorrの圧力下にて65分間、銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度120W/cm2と、チタンターゲットの電力密度60W/cm2でMS PVD法によりベアリングリングに被覆された。蒸着されたナノ複合固体潤滑被膜は15マイクロメートルの厚みを有し、以下の構成要素を以下のバルク率at.%で含んだ(蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く)。
炭素 17
銅 77
追加金属(チタン) 6
Claims (5)
- 銅粒子を含む炭素マトリックスを含んだナノ複合固体潤滑被膜であって、Ti、Zr、HfおよびVから成る群から選択される追加の金属を以下のバルク率at.%で含有しており、
炭素 5〜35
銅 50〜90
追加金属 5〜15
銅粒子を含む前記炭素マトリックスは前記追加金属の中間層で補強されており、
銅粒子を含む前記炭素マトリックスの各層の厚みは30から150ナノメートルの範囲であり、前記追加金属の各中間層の厚みは5から20ナノメートルの範囲であり、
前記ナノ複合固体潤滑被膜の硬度は、200から1000HVの範囲である、
ことを特徴とするナノ複合固体潤滑被膜。 - 前記銅粒子の粒径は20から100ナノメートルの範囲であり、前記銅粒子は1から10ナノメートルの範囲の厚みを有した前記炭素マトリックスのナノ層に包まれている、
請求項1記載のナノ複合固体潤滑被膜。 - 前記ナノ複合固体潤滑被膜の厚みは、2.5から150マイクロメートルの範囲である、
請求項1または2記載のナノ複合固体潤滑被膜。 - 前記ナノ複合固体潤滑被膜の厚みは、5から15マイクロメートルの範囲である、
請求項1から3のいずれか1項に記載のナノ複合固体潤滑被膜。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載のナノ複合固体潤滑被膜のマグネトロンスパッタリング物理蒸着法であって、
少なくとも1つの銅−炭素モザイク状ターゲットと、少なくとも1つの追加の金属ターゲットとが、40W/cm2から250W/cm2の範囲の前記銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度で連続的に使用されることを特徴とする方法。
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