JP3770221B2

JP3770221B2 - 摺動部材

Info

Publication number: JP3770221B2
Application number: JP2002293753A
Authority: JP
Inventors: 剛斉藤; 誠二佐藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: JP2003120695A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、摺動面に固体潤滑剤の被膜を有する摺動部材に関するものであり、特に、航空機、原子力機器、および半導体製造装置などのように、大気中における高温下、真空中における高温下、または腐食雰囲気下などの特殊な環境下で使用される滑り軸受や転がり軸受などを構成する摺動部材として好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高温、真空、および腐食雰囲気などのように、潤滑油やグリースを使用できない環境下で摺動部材を潤滑する場合には、摺動面に固体潤滑剤の被膜を設けることが行われている。
このような固体潤滑剤としては、金、銀、鉛等の軟質金属、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）、二硫化タングステン（ＷＳ₂）、およびグラファイトなどが用いられている。
【０００３】
これらの固体潤滑剤は、使用雰囲気によって潤滑特性が異なり、銀、鉛、ＭｏＳ₂、およびＷＳ₂は、真空中において良好な潤滑特性を発揮することが知られている。そして、特にＷＳ₂は、ＭｏＳ₂と比べて酸化温度が５０℃以上も高いことから、真空かつ高温下において好適に使用されるものである。
これに対して、グラファイトは大気中での潤滑特性に優れており、炭化水素系のガスを原料としてＰＶＤやＣＶＤにより得られるＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜も、グラファイトと類似の潤滑特性を示す。特に、このＤＬＣ膜は、硬質膜でありながら大気中における摩擦係数が０．１以下と低く、さらに、耐熱性も高い（４００〜５００℃において使用可能）ため、有用な固体潤滑剤となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなダイヤモンドライクカーボンまたは二硫化タングステンの被膜を、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼、またはＭ５０等の鉄鋼で形成された摺動面に直接形成すると、摺動面と被膜とにおける熱膨張率の違いにより、被膜にクラックが発生して摺動面から剥離するという不具合があった。
【０００５】
また、ダイヤモンドライクカーボンおよび二硫化タングステンの鉄鋼面に対する親和性があまり高くないために、このような組み合わせでは、固体潤滑剤被膜の摺動面に対する付着強度を十分に大きくすることができないことから、被膜の耐久性が不十分であるという問題点があった。
本発明は、このような従来技術の問題点に着目してなされたものであり、鉄鋼で形成された摺動面と、ダイヤモンドライクカーボンまたは二硫化タングステンからなる被膜との間に、特定成分からなる中間層を設けることにより、被膜の摺動面に対する付着強度を十分に大きくして、ダイヤモンドライクカーボンまたは二硫化タングステンからなる被膜の耐久性を向上させ、摺動部材としての耐久寿命を長くし、信頼性を高くすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、鉄鋼で形成された摺動面に、ダイヤモンドライクカーボンまたは二硫化タングステンからなる固体潤滑剤被膜を有する摺動部材において、前記摺動面と固体潤滑剤被膜との間に、Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ からなる中間層を設けたことを特徴とする摺動部材を提供する。
【０００７】
前記Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ からなる中間層は従来より公知の成膜手段により形成されるものであり、Ｓｉ ₃ Ｎ ₄をターゲットとしてスパッタリング法により形成される。
【０００９】
【作用】
本発明によれば、摺動面と固体潤滑剤被膜との間に中間層を設けたことにより、前記被膜の内部ひずみを緩和できるため、被膜にクラックが発生して摺動面から剥離することを防止できる。また、この中間層をＳｉ ₃ Ｎ ₄で構成したことにより、この中間層が、ダイヤモンドライクカーボンまたは二硫化タングステンからなる固体潤滑剤被膜と、鉄鋼で形成された摺動面との接着剤として作用して、摺動面に対する固体潤滑剤の付着強度を高くできることが本発明者等の研究により確認された。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
＜実施例１＞
図１に示すような試験片により、摩擦・摩耗試験を行った。試験片は、次のようにして作製した。すなわち、マルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４４０Ｃ（焼入れ，焼戻しを施して硬さＨ_RＣ５８としたもの）からなる直径５２ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板１の片面に、中間層２として、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、Ｓｉのいずれかを、図２に示す高周波マグネトロンスパッタリング装置により０．０５μｍの膜厚に形成し、その上に固体潤滑剤被膜３として、プラズマＣＶＤ装置でＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を表１に示す各膜厚で形成した。また、中間層２を形成しないでＤＬＣ膜を同様に形成した試験片も作製した。
【００１１】
なお、図２から分かるように、この高周波マグネトロンスパッタリング装置内部には、アノード１１を備えた基台１２の上に被コーテイング物Ｗを置き、これにターゲットＴを備えたカソード１３が対置してある。また、外部には高周波電源１４（１３．５６ＭＨｚ）、排気システム１５、Ａｒボンベ１６、真空計１７等を備えている。したがって、低圧アルゴン（Ａｒ）雰囲気中で両電極１１，１３間に低圧グロー放電を行わせると、発生したアルゴンイオン（Ａｒ⁺）の衝撃を受けてターゲットＴから飛び出したスパッタ原子Ａが被コーテイング物Ｗの表面に堆積する。
【００１２】
試験装置としては、図３に示すような、真空中ボールオンディスク試験機４０を使用した。この装置は、真空度が制御可能な真空チャンバー４１内に、回転軸４２が軸受４３によって回転自在に支持された回転ワークテーブル４４が回転自在に配設され、この回転ワークテーブル４４に試験片Ｗを載置し、この試験片Ｗの上面側に試験片と同一材質の５／１６インチのボール４５を重り４６およびバランス重り４７で調節された垂直荷重０．５ｋｇｆで押下するように構成されている。そして、回転軸４２が磁性流体シールユニット４８を介してモータ４９に連結されて、ボール４５に対する滑り速度が１．５ｍ／ｓとなるように回転駆動され、そのときのボール４５と試験片Ｗとの摩擦係数すなわち接触抵抗に応じたトルクがロードセルＬで検出されるようになっている。
【００１３】
この真空中ボールオンディスク試験機に前述の試験片をそれぞれセットして、大気圧下で試験を行い、摩擦係数を測定するとともに、摩擦係数が０．３を超えるまでの総回転数を固体潤滑剤被膜３の寿命として測定した。結果を下記の表１に示す。
【００１４】
【表１】

【００１５】
表１から分かるように、中間層がない No.１−１の試験片ではＤＬＣ膜が試験前に剥離してしまったが、 No.１−２〜１−４，１−６の各試験片では１．０×１０⁵ｒｅｖ．以上の寿命となり、摺動部材として十分な寿命を備えたものとなっている。また、 No.１−５の試験片ではＤＬＣの膜厚が０．０５μｍと薄いために寿命が１．０×１０⁵ｒｅｖ．に達していない。
＜実施例２＞
実施例１と同様に、図１に示すような試験片により同様にして摩擦・磨耗試験を行った。ただし、中間層２として、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄のいずれかを０．１０μｍの膜厚で形成し、固体潤滑剤被膜３として高周波マグネトロンスパッタリングにより二硫化タングステン（ＷＳ₂）を１．０μｍの膜厚に形成した。また、真空中ボールオンディスク試験機の真空チャンバー４１内の真空度を２．０×１０^-4Ｐａ以下に設定し、荷重を１．０ｋｇｆに変えて試験を行った。結果を下記の表２に示す。
【００１６】
【表２】

【００１７】
表２から分かるように、中間層がない No.２−１の試験片と比較して No.２−２〜２−４の各試験片では一桁上の１．０×１０⁵ｒｅｖ．以上の寿命となり、摩擦係数も小さいため、摺動部材として十分な寿命を備えたものとなっている。
＜実施例３＞
ＳＵＳ４４０Ｃ（焼入れ，焼戻しにより硬さをＨ_RＣ５８〜６１としたもの）からなる内輪および外輪と、同材質の玉に、表３に示す各膜厚のＳｉＯ₂からなる中間層を形成し、その上に二硫化タングステン（ＷＳ₂）を表３に示す各膜厚で形成してなる転動体と、材料の組成がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）８０重量％，ガラス繊維１５重量％，二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）５重量％である保持器とで構成された、内径８ｍｍ、外径２２ｍｍ、幅７ｍｍ、接触角３０°のアンギュラ玉軸受を用いて、図４に示す真空中軸受試験装置により真空中における軸受の性能評価試験を行った。
【００１８】
図４の真空中軸受試験装置５０においては、真空度２×１０^-5Ｐａ以下、温度を常温とした真空チャンバー５１内に、水平方向に延びる回転軸５２が軸受装置５３で支持されて回転自在に配設され、この回転軸５２に二組の試験軸受５４ａ，５４ｂが装着してあり、その外輪に円筒状のハウジング５６が外嵌してある。ハウジング５６には回動アーム５７が固着してあり、この回動アーム５７の先端は微小荷重変換器５８に当接してある。また、前記回転軸５２の端部は、磁性流体シールユニット５９でシールして真空チャンバー５１外に出してある。
【００１９】
そして、試験軸受５４ａ，５４ｂに対してスプリング５５により１００Ｎのアキシャル荷重を作用させ、前記回転軸５２の端部に取り付けたプーリ６０を、ベルト６１を介して駆動モータ６２の回転軸に固定したプーリ６３に連結することにより、１０００ｒｐｍで回転駆動した時のハウジング５６に生じるトルクが、微小荷重変換器５８により検出されるようになっている。
【００２０】
この真空中軸受試験装置に前述の試験用軸受をそれぞれセットして、トルクの測定を行い、トルクが５×１０^-3Ｎｍになるまでの総回転数を調べてこれを寿命とした。結果を下記の表３に示す。なお、 No.３−１と３−３とについて、回転数に対するトルクの推移を調べたグラフを図５に示す。
【００２１】
【表３】

【００２２】
図５のグラフから分かるように、 No.３−１は１×１０⁵ｒｅｖ．を少し超えた辺りでトルクが急激に高くなるのに対し、 No.３−３は１×１０⁷ｒｅｖ．を超えてもトルクの変化が見られなかった。
また、表３から分かるように、 No.３−３、 No.３−５〜３−７では、総回転数が１．０×１０⁷ｒｅｖ．を超えてもトルクが５×１０^-3Ｎｍ未満であり軸受寿命が高い。これに比べて、ＳｉＯ₂のない No.３−１は寿命が二桁以上短く、 No.３−２，３−８はＳｉＯ₂の膜厚が薄すぎるためやや寿命が短くなっている。また、 No.３−４は No.３−３とＳｉＯ₂の膜厚は同じであるがＷＳ₂の膜厚が薄すぎるため、寿命が短くなっている。
＜実施例４＞
実施例１と同様に、図１に示すような試験片により同様にして摩擦・磨耗試験を行った。ただし、中間層２としてはＷとＳとＯとからなる化合物（Ｗ−Ｓ−Ｏ）を、固体潤滑剤被膜３としては二硫化タングステン（ＷＳ₂）をそれぞれ表４の各膜厚で形成した。
【００２３】
中間層２と固体潤滑剤被膜３の成膜は、円板１を図２に示す高周波マグネトロンスパッタリング装置にかけ、ＷＳ₂をターゲットとし、酸素を用いた反応性スパッタリングを行うことによりＷ−Ｓ−Ｏ（中間層）を成膜した後に、酸素の導入を止めて通常のスパッタリングを行うことによりＷＳ₂（固体潤滑剤被膜）を成膜することにより行った。
【００２４】
反応性スパッタリングは図６のフローチャートに基づき以下のようにして行った。すなわち、装置内に試験片をセットし（Ｓ１）、装置内を真空にするための排気を行って（Ｓ２）から、アルゴンガスを導入して１０^-4Ｐａ以下の圧力に保持する（Ｓ３）。その後、圧力０．９３Ｐａ、高周波電力８００Ｗの条件でイオンボンバードを行い（Ｓ４）、まず酸素を所定流量で導入し、酸素が所定量だけ導入された後にアルゴンガスを２０〜２５ｍｌ／ｍｉｎで導入し、酸素とアルゴンとの流量比（Ｏ₂／Ａｒ）を０．５〜６０％とした（Ｓ５）状態で、圧力０．８Ｐａ、高周波電力６００Ｗの条件でプリスパッタを行った（Ｓ６）後、同じ条件で本スパッタを所定時間行う（Ｓ７）。
また、真空中ボールオンディスク試験機の真空チャンバー４１内の真空度と荷重は実施例２と同様にした。結果を下記の表４に示す。
【００２５】
【表４】

【００２６】
表４から分かるように、 No.４−１〜４−３，４−８の各試験片では１．０×１０⁵ｒｅｖ．以上の寿命となり、摺動部材として十分な寿命を備えたものとなっている。これに対して、中間層がない No.４−４の試験片、中間層の膜厚が薄い試験片 No.４−６、ＷＳ₂の膜厚が薄い No.４−７の試験片は寿命が１．０×１０⁵ｒｅｖ．に達していない。
【００２７】
なお、試験片 No.４−２，４−５はＷＳ₂を設けていないが、 No.４−２はＷ−Ｓ−Ｏの膜厚が１．０μｍで１．０×１０⁵ｒｅｖ．以上の寿命となったが、 No.４−５はＷ−Ｓ−Ｏの膜厚が０．１０μｍであり寿命は１．１×１０⁴ｒｅｖ．となって１．０×１０⁵ｒｅｖ．に達していない。
これにより、ＷとＳとＯとからなる化合物自身が潤滑作用を有しており、これが所定の膜厚以上で摺動面に形成されていれば、その上にＷＳ₂を設けなくても摺動部材として十分な寿命を備えたものになることが分かる。このことは、Ｗ−Ｓ−Ｏからなる膜と基板である円板（ＳＵＳ４４０Ｃ）との界面にＷ，Ｓ，Ｏ，Ｆｅからなる化合物層が生じることにより、Ｗ−Ｓ−Ｏからなる膜と基板（ＳＵＳ４４０Ｃ）との付着強度が高くなるためであると考えられる。
【００２８】
一方、Ｗ−Ｓ−Ｏを１．０μｍの膜厚で円板１上に形成しただけでＷＳ₂を設けていない試験片 No.４−２と、Ｗ−Ｓ−Ｏを設けずに円板１上に直接ＷＳ₂を１．０μｍの膜厚で形成した試験片 No.４−４とについて、ＸＰＳ（X-ray photo-electronic spectroscopy ；Ｘ線光電子分光法）により、アルゴンイオンでエッチングしながら深さ方向分析を行った結果のグラフを、図７および８にそれぞれ示す。
【００２９】
これらのグラフにおいて、縦軸は原子濃度、横軸はアルゴンイオンによるエッチング時間を示すが、横軸は深さに対応し、Ｆｅが立ち上がる点（図７のＡ、図８のＢ）が膜と基板である円板（ＳＵＳ４４０Ｃ）との境界点に相当する。ＷＳ₂をＳＵＳ４４０Ｃからなる基板上に成膜した試験片 No.４−４でも、図８のグラフから分かるように、膜と基板との界面には酸素が存在している。すなわち積極的に成膜しなくてもＷ−Ｓ−Ｏの中間層が存在している。また、各グラフから分かるように、膜と基板との界面付近における酸素の原子濃度は、膜がＷ−Ｓ−Ｏである場合は約４０％であり、膜がＷＳ₂である場合は約３０％である。
【００３０】
この分析結果と、試験片 No.４−２（基板＋Ｗ−Ｓ−Ｏ）の寿命は１．０×１０⁵ｒｅｖ．に達しているが、試験片 No.４−４（基板＋ＷＳ₂）の寿命は１．０×１０⁵ｒｅｖ．に達していないという前記試験の結果（表４参照）とから、膜と基板との界面付近における酸素の原子濃度が約３０％では、膜の基板に対する密着性が不十分であり、約４０％であれば十分であることが分かる。このことから、Ｗ−Ｓ−Ｏからなる膜と基板（ＳＵＳ４４０Ｃからなる摺動面）との界面付近における酸素の原子濃度が３５％以上であれば、摺動部材として十分な寿命を達成できることが予想される。
＜実施例５＞
実施例１と同様に、図１に示すような試験片により同様にして摩擦・磨耗試験を行った。ただし、中間層２としてはＷとＳとＯとからなる化合物（Ｗ−Ｓ−Ｏ）を、固体潤滑剤被膜３としてはＤＬＣをそれぞれ表５の各膜厚で形成した。
Ｗ−Ｓ−Ｏの成膜は実施例４と同様に行い、ＤＬＣの成膜は実施例１と同様に行った。結果を下記の表５に示す。
【００３１】
【表５】

【００３２】
表５から分かるように、 No.５−１，５−２，５−５の各試験片では１．０×１０⁵ｒｅｖ．以上の寿命となり、摺動部材として十分な寿命を備えたものとなっている。これに対して、Ｗ−Ｓ−Ｏの薄い No.５−３の試験片、ＤＬＣの膜厚が薄い試験片 No.５−４は寿命が１．０×１０⁵ｒｅｖ．に達していない。
＜実施例６＞
実施例３と同様のアンギュラ玉軸受を構成できる内輪、外輪、転動体（ボール）、および保持器をＳＵＳ４４０Ｃで成形し、焼入れ，焼戻しにより硬さをＨ_RＣ５８〜６１としたものを母材とし、この母材そのままの状態のもの（表６に「×」で表示）と、この母材に実施例４と同様にしてＷ−Ｓ−Ｏからなる中間層を０．１μｍ形成し、さらにこの中間層の上にＷＳ₂からなる固形潤滑剤被膜を０．５μｍ形成したもの（表６に「◎」で表示）、母材に直接固体潤滑剤被膜を０．５μｍ形成したもの（表６に「○」で表示）を、内輪、外輪、転動体、および保持器についてそれぞれ用意し、これらを表６に示す組み合わせで組み立てた軸受試験体により、実施例３と同様にして、図４に示す真空中軸受試験装置により真空中における軸受の性能評価試験を行った。その結果を表６に併せて示す。
【００３３】
【表６】

【００３４】
表６から分かるように、母材に中間層と固体潤滑剤被膜とが形成してある転動体を組み込んだ No.６−１〜６−３では、寿命が１．０×１０⁷ｒｅｖ．またはそれ以上となった。これに対して、内外輪と保持器は母材に中間層と固体潤滑剤被膜とを形成したものであるが、転動体は母材のみである No.６−４は寿命が一桁短く、内外輪、転動体、および保持器がすべて母材に直接中間層なしで固体潤滑剤被膜を形成したものである No.６−５は寿命が二桁以上短くなった。
【００３５】
以上の各実施例の結果より、寿命の点からは、ＤＬＣまたはＷＳ₂からなる固体潤滑剤被膜の膜厚は０．５μｍ以上であることが、珪素、珪素化合物、またはＷとＳとＯとからなる化合物で構成される中間層の膜厚は０．０５μｍ以上であることが好ましいが、膜厚が１．０μｍを超えると成膜時間が長くなりコストアップにつながるため、寿命とコストとを加味すると、前記固体潤滑剤被膜の膜厚の好適範囲は０．５〜１．０μｍ、前記中間層の膜厚の好適範囲は０．０５〜１．０μｍとなる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、鉄鋼で形成された摺動面に、ダイヤモンドライクカーボンまたは二硫化タングステンからなる固体潤滑剤被膜を有する摺動部材において、前記摺動面と固体潤滑剤被膜との間に、特定成分からなる中間層を設けたことにより、被膜の摺動面に対する付着強度を十分に大きくして、ダイヤモンドライクカーボンまたは二硫化タングステンからなる被膜の耐久性を向上させ、摺動部材としての耐久寿命を長くし、信頼性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を真空中ボールオンディスク試験機により評価するために作製した試験片を示す断面図である。
【図２】実施例において使用した高周波マグネトロンスパッタリング装置を示す概要図である。
【図３】真空中ボールオンディスク試験機を示す概略構成図である。
【図４】真空中軸受試験装置を示す概略構成図である。
【図５】図４の試験装置を使用した試験結果を示す、総回転数に対する動トルクの関係を示すグラフである。
【図６】実施例において行った反応性スパッタリングの手順を示すフローチャートである。
【図７】試験片 No.４−２について、ＸＰＳにより深さ方向分析を行った結果のグラフを示す。
【図８】試験片 No.４−４について、ＸＰＳにより深さ方向分析を行った結果のグラフを示す。
【符号の説明】
２中間層
３固体潤滑剤被膜

Claims

鉄鋼で形成された摺動面に、ダイヤモンドライクカーボンまたは二硫化タングステンからなる固体潤滑剤被膜を有する摺動部材において、
前記摺動面と固体潤滑剤被膜との間に、Ｓｉ ₃ Ｎ ₄からなる中間層を設けたことを特徴とする摺動部材。
固体潤滑剤被膜の膜厚は０．５０〜１．０μｍであり、中間層の膜厚は０．０５〜１．０μｍである請求項１記載の摺動部材。
中間層はスパッタリング法で形成された請求項１または２記載の摺動部材。