JP3389414B2

JP3389414B2 - 摺動装置

Info

Publication number: JP3389414B2
Application number: JP13932596A
Authority: JP
Inventors: 裕作石峯; 一憲竹之内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 2003-03-24
Anticipated expiration: 2016-05-31
Also published as: JPH09328381A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ベアリング、ガイ
ドレール、エアスライド、スピンドル等の軸受や、シー
ル部材、あるいはバルブ等の各種摺動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスは高硬度で耐熱性、耐摩耗
性に優れるため、あらゆる産業機械の摺動部材として使
用することが検討されている。

【０００３】また、最近では、セラミックスを母材とし
て非晶質硬質炭素膜を形成した摺動部材も提案されてい
る（特開平３−２２３１９０号、５−２９６２４８号公
報等参照）。例えば、フォーセットバルブ等のバルブ装
置において、互いに摺動する弁体をセラミックスで形成
し、このセラミックス製弁体の摺動面に、ＣＶＤ法等に
よって厚み０．２〜２μｍ程度の非晶質硬質炭素膜を形
成することによって、潤滑油等を用いることのない摺動
装置を構成することができる。この非晶質硬質炭素膜は
耐摩耗性、摺動性に優れることから、互いの摩耗量を少
なくし、長期間にわたってリンキング等が生じることな
く、良好な摺動特性を維持することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、一方の摺動
面に非晶質硬質炭素膜を形成し、他方の摺動面がセラミ
ックスからなる組合せの摺動装置において、セラミック
ス側の摺動面の表面状態によっては、非晶質硬質炭素膜
が摩耗しやすく、厚み０．２〜２μｍ程度の非晶質硬質
炭素膜はすぐに摩耗や剥離してしまうという問題があっ
た。そして、非晶質硬質炭素膜がなくなると、セラミッ
クス同士の摺動となり、摩耗が急激に進行してしまうと
いう不都合があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、互いに
摺動するセラミック製摺動部材のうち、一方の摺動面に
非晶質硬質炭素膜を形成し、他方の摺動面をボイド占有
率６％以下で最大ボイド径１０μｍ以下として摺動装置
を特徴とする。

【０００６】また、本発明は、上記非晶質硬質炭素膜の
相手側の摺動部材を、金属の酸化物、炭化物、窒化物の
一種以上からなる硬質相と金属相との複合焼結体で形成
したことを特徴とする。

【０００７】即ち、一般にセラミックスの表面には微小
なボイドが存在することを避けられず、非晶質硬質炭素
膜の相手側のセラミックス製摺動部材の摺動面にもボイ
ドが存在する。そして、本発明者等が種々実験の結果、
上記セラミックス製摺動部材の摺動面に存在するボイド
のエッジで非晶質硬質炭素膜を摩耗させること、及びこ
のボイドが多く、大きいほど非晶質硬質炭素膜を摩耗さ
せる作用も大きくなることがわかった。

【０００８】そこで、非晶質硬質炭素膜の相手側の摺動
面に存在するボイドの占有率を６％以下、最大ボイド径
を１０μｍ以下とすれば、非晶質硬質炭素膜の摩耗を最
小限に抑えられることを見出したのである。

【０００９】しかも、摺動部材を成すセラミックスの種
類やボイドの状態によって、非晶質硬質炭素膜との摺動
性が異なるが、ボール・オン・ディスク試験による摩擦
係数を測定することによって両部材の摺動性を評価する
ことができ、後述する条件における摩擦係数が０．３０
以下となるような組合せにすることによって、特に優れ
た摺動装置を得ることができるのである。

【００１０】また、非晶質硬質炭素膜の相手側のセラミ
ックス製摺動部材として、特に金属の酸化物、炭化物、
窒化物の一種以上からなる硬質相とＮｉ，Ｃｏ等の金属
相との複合焼結体を用いると、特に摺動性に優れ、互い
の摩耗量を低減できることを見出した。なお、上記複合
焼結体としては、サーメットや超硬合金等があるが、本
発明におけるセラミックスとは、これらの複合焼結体を
も含むものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の摺動装置の実施形
態を説明する。

【００１２】図１に示すフォーセットバルブは、２つの
摺動部材としてセラミックス製の固定弁体１と可動弁体
２を有し、固定弁体１の摺動面１ａには非晶質硬質炭素
膜３が形成されている。一方、可動弁体２の摺動面２ａ
はセラミックスのままであるが、この摺動面２ａは、ボ
イド占有率が６％以下で、最大ボイド径が１０μｍ以下
とボイドの少ない面としてある。

【００１３】そして、上記摺動面１ａ、２ａ同士を当接
させて摺動させることにより、互いの流体通路１ｂ、２
ｂの開閉を行い、流体の流量を調整することができる。
このとき、固定弁体１の摺動面１ａには摺動性、耐摩耗
性に優れた非晶質硬質炭素膜３が形成され、一方の摺動
面２ａはボイドの少ない面としてあることから非晶質硬
質炭素膜３を摩耗させることがない。そのため、互いの
摺動時に、潤滑油を用いなくても優れた摺動性を示し、
摩耗量を少なくして、長期間良好に使用することができ
る。また、非晶質硬質炭素膜３の母材となる固定弁体１
をセラミックスで形成することにより、変形しにくいこ
とから非晶質硬質炭素膜３の剥離を防止し、軽量とする
ことができる。

【００１４】また、本発明の他の実施形態を図２に示す
ように、２つの摺動部材として軸受部材１１と軸部材１
２を有する軸受装置において、軸受部材１１をセラミッ
クスで形成して、その摺動面１１ａに非晶質硬質炭素膜
１３を形成し、一方の軸部材１２をセラミックスで形成
して、その摺動面１２ａは、ボイド占有率が６％以下
で、最大ボイド径が１０μｍ以下とボイドの少ない面と
してある。

【００１５】そして、上記摺動面１１ａ、１２ａ同士を
摺動させることによって、軸部材１２の回転方向や直線
方向への移動を軸受部材１１で支持することができる。
このとき、非晶質硬質炭素膜１３を形成するとともに、
相手側の摺動面１２ａはボイドの少ない面としてあるこ
とにより、優れた摺動性を示し、摩耗量を少なくして、
長期間良好に使用することができる。また、非晶質硬質
炭素膜１３の母材となる軸受部材１１をセラミックスで
形成することにより、変形しにくいことから非晶質硬質
炭素膜１３の剥離を防止することができる。

【００１６】なお、本発明の摺動装置は、複数の部材同
士を摺動面で摺動させて作動させるような装置であれば
よく、上記以外にベアリング、ガイドレール、エアスラ
イド、スピンドル等の軸受装置や、シール装置、あるい
はバルブ等の各種摺動装置に使用することができる。

【００１７】上記固定弁体１、可動弁体２、軸受部材１
１、軸部材１２等の各部材を構成するセラミックスとし
ては、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒
化アルミニウム、炭化チタン等の一種以上を主成分と
し、これらの主成分に対して焼結助剤等の副成分を所定
量含有させた焼結体を用いる。例えば、アルミナに対し
ては、ＣａＯ，ＳｉＯ₂，ＭｇＯのうち少なくとも一種
を、炭化珪素に対しては、Ｃ，Ｂ，Ｂ₄Ｃ，Ａｌ
₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃等を、さらに窒化珪素に対しては周期
律表２ａ，３ａ族元素の酸化物や窒化物をそれぞれ焼結
助剤として添加し、ジルコニアに対してはＹ₂Ｏ₃，Ｃ
ａＯ，ＭｇＯ等の安定化材を添加すればよい。

【００１８】また、各部材を構成するセラミックスとし
て、金属の酸化物、炭化物、窒化物の一種以上からなる
硬質相と、Ｎｉ，Ｃｏ等の金属相との複合焼結体を用い
ることもできる。そして、本発明の摺動装置において、
上記非晶質硬質炭素膜３、１３の相手側となる摺動面２
ａ、１２ａをこのような複合焼結体で構成すれば、特に
摺動性を高めることができる。

【００１９】このような複合焼結体としては、例えばＴ
ｉＣ，ＴｉＮ等の硬質相と、Ｃｏ，Ｎｉ等の金属相との
複合焼結体であるサーメット、あるいはＷＣからなる硬
質相とＣｏからなる金属相との複合焼結体である超硬合
金を用いる。なお、本発明におけるセラミックスとは、
これらのサーメットや超硬合金も含むものとする。

【００２０】さらに、これらのセラミックスで非晶質硬
質炭素膜３、１３の相手側の摺動部材を形成する場合
は、原料粉末を微粉として、緻密な焼結体が得られるよ
うに焼成するとともに、摺動面２ａ、１２ａを研磨する
際の条件を工夫して、そのボイド占有率を６％以下と
し、最大ボイド径を１０μｍ以下とする必要がある。

【００２１】なお、摺動面２ａ、１２ａのボイド占有
率、最大ボイド径については、摺動面２ａ、１２ａを画
像解析装置で解析することによって測定することができ
る。

【００２２】一方、上記摺動装置の摺動面１ａ、１１ａ
に形成する非晶質硬質炭素膜３、１３は、別名アモルフ
ァスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬＣ等
とも呼ばれるものであり、イオンプレーティング法、Ｃ
ＶＤ法、ＰＶＤ法等によって形成し、膜厚は０．２〜２
μｍとすることが好ましい。

【００２３】また、このような摺動装置において、非晶
質硬質炭素膜３、１３と摺動する相手側のセラミックス
の種類が異なると摺動特性が異なることになる。そこ
で、本発明では、ボール・オン・ディスク試験による摩
擦係数によって、摺動特性を評価できることを見出し
た。

【００２４】ここで、ボール・オン・ディスク試験機は
図３に示すように、ボール２１をディスク２２上に点接
触させ一定荷重を加えた状態で、ディスクを回転させる
ようにした試験機である。

【００２５】そして、本発明におけるボール・オン・デ
ィスク試験による摩擦係数とは、以下のようにして測定
する。

【００２６】まず、摺動装置における非晶質硬質炭素膜
３、１３の相手側の摺動部材から削り出すことによっ
て、元の摺動部材と同じ材質、表面状態のボール２１を
作製し、一方非晶質硬質炭素膜を形成したディスク２２
を用意する。そして、ボール２１に１ｋｇの荷重を加
え、ディスク２２を周速５ｍ／ｓで回転させ、両者を摺
動させた時の摩擦係数を測定する。

【００２７】このようにして測定した摩擦係数が０．３
０以下となるような材質の組合せを用いれば、極めて摺
動特性に優れ、互いの摩耗が少なく、長期間良好に使用
することができるのである。

【００２８】

【実施例】実験例１まず、ボール・オン・ディスク試験機を用いて、非晶質
硬質炭素膜の効果を確認する実験を行った。

【００２９】図３に示す試験機を用いて、直径４０ｍｍ
のディスク２２を表１に示すような、各種セラミックス
単体、及びセラミックスに非晶質硬質炭素膜（ＤＬＣ）
を２μｍの厚みで形成したものを用いて形成した。な
お、非晶質硬質炭素膜の形成方法は、ベンゼン（Ｃ₆Ｈ
₆）ガスをフィラメントでイオン化した炭素イオンをイ
オン加速器によりディスク２２表面に蒸着させるイオン
プレーティング法を採用した。

【００３０】ボール２１は直径９．５ｍｍとし、金属材
（ＳＵＪ２）で形成して、このボール２１を１ｋｇの荷
重でディスク２２に押しつけ、ディスク２２の周速５ｍ
／ｓ、温度２０℃、湿度５０〜６０％で３０分間の試験
を行った。その後、ボール２１及びディスク２２の摩耗
量、両者の摩擦係数を測定した。

【００３１】結果を表１に示すように、セラミックスの
母材に非晶質硬質炭素膜を形成したもの（Ｎｏ．７〜１
３）は、ボール２１、ディスク２２の摩耗量が共に少な
く、摩擦係数が低いことが判った。

【００３２】なお、Ｎｏ．１４は金属材（ＳＫＨ）に非
晶質硬質炭素膜を形成したものであるが、試験中に非晶
質硬質炭素膜が剥離した。したがって、非晶質硬質炭素
膜の母材はセラミックスとすることが良い。

【００３３】

【表１】

【００３４】実験例２次に、ディスク２２をアルミナセラミックス上に非晶質
硬質炭素膜を形成したものとし、ボール２１の材質を種
々に変化させ、上記と同じ実験を行った。

【００３５】結果を表２に示すように、ボール２１をセ
ラミックスで形成したもの（Ｎｏ．１５〜２０）はボー
ル２１、ディスク２２の摩耗量が小さく、摩擦係数も
０．３０以下と低いことがわかる。

【００３６】即ち、非晶質硬質炭素膜とセラミックスと
の組合せからなる本発明の摺動装置は、互いの摩耗を少
なくし、かつ摩擦係数を低くできることがわかる。

【００３７】特に、ボール２１の材質として、硬質相と
金属相との複合焼結体であるサーメットまたは超硬合金
を用いたもの（Ｎｏ．１９，２０）は、特に摩擦係数が
０．１０以下と低く、摺動性に優れることがわかる。

【００３８】

【表２】

【００３９】実験例３次に、上記実験例２において、ボール２１の材質をアル
ミナとし、焼成条件や研磨条件を変化させて、その表面
のボイド占有率、最大ボイド径の異なるものを用意し、
上記と同じ実験を行った。

【００４０】ここで、ボイド占有率は、ボール２１を成
すセラミックスの表面を観察したときに確認されるボイ
ドの面積の比率であり、ボイド占有率（％）＝（ボイド全面積／観察面積）×１
００で定義される。具体的には、画像解析装置（ルーゼック
ス）を用いて、倍率４００倍、評価面積２．３２×１０
^-5μｍ²、コントラスト２５％で、１試料当たり１０点
を観測して算出した。

【００４１】また、最大ボイド径は、上記観察範囲にお
けるボイドの最大径のことであり、同様に画像解析装置
を用いて測定した。

【００４２】結果は表３に示す通りである。この結果よ
り、ボイド最大径及びボイド占有率が大きいほどボール
２１、ディスク２２の摩耗量が大きくなることがわか
る。そして、ボイド占有率が６％を超えるか、又はボイ
ド最大径が１０μｍを超えるもの（Ｎｏ．３０〜３４）
は、ディスク２２の非晶質硬質炭素膜が剥離してしまっ
た。

【００４３】これに対し、ボイド占有率６％以下、かつ
ボイド最大径が１０μｍ以下である本発明実施例（Ｎ
ｏ．２４〜２９）では、ディスク２２の非晶質硬質炭素
膜の剥離はなく、ボール２１及びディスク２２の摩耗量
が少なく、摩擦係数も低かった。したがって、非晶質硬
質炭素膜と摺動する相手の摺動面において、ボイド占有
率６％以下、かつボイド最大径１０μｍ以下とすれば、
非晶質硬質炭素膜を剥離させることなく、好適に使用で
きることがわかる。

【００４４】

【表３】

【００４５】ところで、表３において、ボール２１とデ
ィスク２２との摩擦係数が０．３０を超えたものは非晶
質硬質炭素膜が剥離し、摩擦係数が０．３０以下のもの
は非晶質硬質炭素膜の剥離を防止できることがわかる。

【００４６】また、上述した実験例２の表２において
も、摩耗の大きい比較例は摩擦係数が０．３０を超えて
おり、本発明実施例は摩擦係数が０．３０以下であるこ
とがわかる。

【００４７】したがって、摩擦係数と摩耗量との関には
相関関係があり、上記実験例の条件における摩擦係数が
０．３０以下となるようにすれば、非晶質硬質炭素膜の
剥離や摩耗を防止できることがわかる。

【００４８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、互いに摺
動するセラミック製摺動部材のうち、一方の摺動面に非
晶質硬質炭素膜を形成し、他方の摺動面をボイド占有率
６％以下で最大ボイド径１０μｍ以下として摺動装置を
構成したことによって、互いの摩耗量を少なくし、長期
間にわたって良好な摺動特性を維持することができる。

【００４９】また、本発明によれば、上記非晶質硬質炭
素膜の相手側の摺動部材を、金属の酸化物、炭化物、窒
化物の一種以上からなる硬質相と金属相との複合焼結体
で形成したことによって、特に摩耗量を少なくし、摺動
特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摺動装置の一例であるフォーセットバ
ルブの概略断面図である。

【図２】本発明の摺動装置の一例である軸受装置の概略
断面図である。

【図３】ボール・オン・ディスク試験機を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１：固定弁体１ａ：摺動面２：可動弁体２ａ：摺動面３：非晶質硬質炭素膜１１：軸受部材１１ａ：摺動面１２：軸部材１２ａ：摺動面１３：非晶質硬質炭素膜２１：ボール２２：ディスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 41/80 - 41/91

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに摺動するセラミック製摺動部材のう
ち、一方の摺動面に非晶質硬質炭素膜を形成し、他方の
摺動面をボイド占有率６％以下で最大ボイド径１０μｍ
以下としたことを特徴とする摺動装置。
【請求項２】上記非晶質硬質炭素膜の相手側の摺動部材
を、金属の酸化物、炭化物、窒化物の一種以上からなる
硬質相と金属相との複合焼結体で形成したことを特徴と
する請求項１記載の摺動装置。