JP4420173B2 - 非鏡面ダイヤモンドによる低摩擦摺動面 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は低摩擦・低磨耗が要求される直動軸受け、回転軸受け、あるいは人工関節などの摺動面として、鏡面近くに研磨した気相合成ダイヤモンドを使用するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の摺動部の相手材としては、鋼、鋳鉄、ステンレス鋼などがあり、固体潤滑材として黒鉛、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、テフロンなどが用いられている。ボールベアリングではボールを使用した転がり摺動方式を用いたものが一般的に使用されている。
【０００３】
しかしこれらの場合には低摩擦、低磨耗といった要求を満たすために潤滑油や潤滑粉末などの潤滑剤を必要とするものが一般的であった。このために高温域や低温域での使用が困難になるといった問題が生じている。
水素ガスや反応性に富む気体中、放射線被爆下での使用では潤滑剤が変成したりするので、特別な潤滑剤を用意する必要があった。また、摺動面が腐食したり脆化したりする。シールとして用いる場合は水素が漏れやすいという問題もある。真空中での使用では、潤滑剤としてのオイルが蒸発するので潤滑剤が使えなかったり、真空を保てなかったりする。
また、この潤滑剤に油を用いる為に給油機構が必要になり、製品コストが高くなることで構造も複雑になる。また、メンテナンスなどの維持管理もコスト、時間がかかることも問題となっている。
【０００４】
ボールを利用したベアリング機構では高荷重によるがたつきが生じることで精密な位置決めが困難であり、繰り返し動作の精度が上がらないという問題がある。
また、これまでは摺動面がこすり合うことで音が発生し、これによる騒音が大きなことも問題となっている。
また、クリーンルームでの使用に関しても、摺動部が磨耗することで埃が発生し、微細な作業を要求するところではより磨耗量が少なく、塵の粒が小さいことが求められている。
【０００５】
従来、ダイヤモンドの成膜できる基板はＭｏ、ＷＣ−Ｃｏなどの超硬合金か、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４などのセラミクスが知られているが、これらはいずれも加工性が悪く、切削加工などでは容易に形状を加工できない。超硬合金は放電加工ができるが、重く、コストがかかり、切削加工が困難である。また、上記のセラミクスは放電・切削のどちらの加工もできず、焼結する際に焼結剤として不純物を混入させることがダイヤモンド成膜に悪影響を与えたり、密着強度を低下させる原因となっている。
基板の形状加工性が悪いことがダイヤモンド膜の産業への応用を制限する大きな要因となっていた。
【０００６】
ダイヤモンドの摩擦係数が小さいことは良く知られており、鏡面に研磨したダイヤモンド膜は摺動面として利用できる（特願２０００−３３２２３５など）。しかし、ダイヤモンド膜を鏡面に研磨するには時間とコストがかる上に、鏡面と鏡面の材料間には分子間力が働くので摩擦係数は増加するという問題がある。
【０００７】
ダイヤモンドに似た物質にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）がある。ＤＬＣは非晶質膜であるので結晶粒子の凹凸がなく、基板を鏡面にすることによってＤＬＣコーティング面も鏡面にできる利点がある。しかしながら、ＤＬＣは原理的に１μｍ以上の厚さにはできないこと、基板が鏡面であるために剥離しやすい問題がある。また硬度がダイヤモンドと比べると１／２ほど低く、磨耗の度合いが著しく高い。平滑面であるので摺動面が吸い付き、却って摩擦係数が増加してしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような状況を考え、ダイヤモンドどうしのこすりあいによる無潤滑で低摩擦、低磨耗な摺動面を提供しようとするものである。
ダイヤモンド膜を利用したものであるため極めて損耗が少なく、また間隙に空気の入る流体潤滑になるために摩擦の少ない摺動面である。
従来は難しかった形状の複雑な摺動面へも成膜する方法とともに、簡便に成膜でき、かつ鏡面ダイヤモンド膜よりも摩擦係数の低い摺動面を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の問題点を克服した。
成膜・研磨の難しい鏡面ダイヤモンドの作成を回避し、ある程度の粗さをもつ表面による摺動面で低摩擦、低磨耗を達成した。
ダイヤモンド膜の応用範囲を広げるために形状加工性の良い基板材料をダイヤモンドの成膜対象に選ぶことで、回転軸受や金型、人工関節、シールといった複雑な形状の表面にも成膜を可能にした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上記の目的を達成するために、本発明は物質中で最高の硬度を持つダイヤモンド膜を成膜し、これを適度な表面粗さになるまで研磨して得られた面が空気などの気体が介することで流体潤滑になり、低摩擦を実現するものである。この機構により潤滑油が不要になり、装置を簡素化できる。また、この流体潤滑で接触面積が小さくなるのでこすりあいの結果である騒音も低減される。
素材がダイヤモンド膜であるので磨耗しにくく、また、万一破損しても人体に無害であることも特徴である。また、ダイヤモンドは熱膨張率が小さく、低摩擦であるので精密位置決め装置などにおいて効果が大きい。
【００１１】
【実施例】
実施の一例として回転軸受の作成例を挙げる。
これまでのダイヤモンド成膜は成膜対象となる基板の形状自由性が低く、平板につける程度のことが主流であり、回転軸受や人工関節といった複雑な形状へは基板そのものの加工性が悪いので応用が進んでいない。そこで本発明では基板に切削加工ができるチタンシリコンカーバイドＴｉ_３ＳｉＣ_２を軸と軸受形状に加工して、これらの表面に気相ダイヤモンドを成膜した例を示す。
【００１２】
円筒部材の外輪部（軸受部）の内側面と円柱部材の回転軸（軸部）外側の摺動面にダイヤモンドを成膜する。現在はダイヤモンド膜の製法は熱フィラメント法、マイクロ波プラズマ法、高周波プラズマ法、直流放電プラズマ法、アーク放電プラズマジェット法、燃焼炎法などが知られているが、いずれの方法で成膜してもよい。
今回の例では軸受部の内側に成膜するために成膜の形状適応性の高い熱フィラメント法が適しているのでこの方法を採用した。円筒の内側にフィラメントを張って成膜することで簡単に内側面へのダイヤモンドの成膜ができる。
回転軸部外側への成膜も熱フィラメント方を用いて基板の外側に複数本のフィラメントを張り、基板を回転させながら成膜するのが最も簡便であると思われる。
【００１３】
基板材料にＴｉ_３ＳｉＣ_２を使った場合、基板温度が７５０℃±５０℃の範囲で良好な成膜結果が得られる。
膜厚は１０μｍ程度とし、軸受の嵌め合いを考え、外輪の内径と回転軸の直径は２０μｍ程度の違いを持たせておくとよい。
【００１４】
前記のようにしてできたダイヤモンド膜をダイヤモンドの共擦りなどの方法によって中心線平均粗さＲａ＝０．０１〜０．２０μｍになるまで研磨する。これまでの研究により、少し凹凸を残した表面は流体潤滑を示し、低い摩擦係数を実現できることがわかった。
【００１５】
前記の例では回転軸受を例にあげたが、面接触の平板摺動面にも使用できる。ある程度の面積に成膜するためにマイクロ波プラズマＣＶＤ法によってダイヤモンド膜を窒化珪素基板に成膜する。このときの供給ガスはメタン３％、水素ガス９７％として、基板温度を８３０℃に保持するとダイヤモンドの結晶粒が細かいものが大量に生成した膜が得られるので、研磨時に平滑面が得られやすく今回の摺動面に適する。メタン濃度は１０％くらいまで上げてもダイヤモンドが生成することを確認している。
このような成膜条件で１０時間成膜して膜厚約１０μｍのダイヤモンド膜を得る。同様にダイヤモンドコーティングした基板をもう一枚作成する。これらのダイヤモンド膜は多結晶であって局部的に粒成長速度が異なるために３μｍ程度の凹凸があった。
これらの表面の約１μｍをダイヤモンドホイールで研削したあと、両方のコーティング面どうしをすり合わせることでごく微細な凹凸が除去されることにより、すりあわせ面の摩擦抵抗は著しく低減される。
【００１６】
人工関節を考えると、基板の人体への毒性が無く、またダイヤモンドも生体適合性が良いことが知られている。ＤＬＣ膜を利用した人工関節の摺動面はあるが、剥離しやすいという問題点がある。人工関節は特に形状が複雑なためにこれまではダイヤモンドコーティングを施すにはまず基板材料の加工が難しいという問題があったが、本発明の基板材料を用いることで容易に実現できる。
【００１７】
上記の例では、両方の摺動面として鏡面近くに研磨した気相ダイヤモンド膜を用いた。一方、鏡面近くまで研磨したダイヤモンド膜表面は、ダイヤモンド以外の面と摺動させても低い摩擦係数が得られ、磨耗量も少なくなることがわかった。この場合もダイヤモンドの相手材を適度に研磨しておくと空気潤滑となり、摩擦係数が低い摺動面が得られ、磨耗量も少なくなる。これも適度に研磨することで接触面積が低下し、結果としてダイヤモンドが相手材を傷付けなくなるので磨耗量が減少し、摩擦が低下する。
【００１８】
気相ダイヤモンドを成膜した面について、研磨する前の面、適度に研磨した後の面、鏡面に仕上げた面の表面粗さを測定した。各試験片表面の顕微鏡写真と粗さ曲線を図１〜図６に示す。
研磨する前の面（およそ中心線平均粗さＲａが０．５０μｍ）ではダイヤモンド粒子が互いにぶつかりあい、摩擦係数は高い。
鏡面に磨いた面（中心線平均粗さＲａが０．００５μｍ）での摺動面間の吸引力が大きく、冷間溶接への応用が検討されているほどである。本発明は気相合成された凹凸の大きなダイヤモンド膜表面を適度に研磨して山の頂部を鏡面に、谷の部分を残したことで介在する空気による流体潤滑を発現させ、摩擦係数を著しく低下させるものである。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は摺動面に物質中で最高の硬度を有するダイヤモンドを利用することで磨耗の低減を図った。
これまでに知られている鏡面ダイヤモンドと比べ、ある程度の凹凸を持つ表面で潤滑させるために、研磨する時間・コストの削減、容易な成膜条件により作成を可能にし、より低摩擦の実現させた。
気相ダイヤモンドの基板として切削加工ができるチタンシリコンカーバイドＴｉ_３ＳｉＣ_２を見出したことで応用の用途が広がり、軸受や金型、人工関節、シールといった複雑な形状への応用を可能にした。
油などの潤滑材のいらない摺動面であるので水素雰囲気中や真空中、放射線被爆下といった特殊な環境の元でも使用に制限がかからない。また、給油機構が必要ないので装置の簡略化、小型化が容易である。
面接触なのでこれまでのボールベアリングで生じていたがたつきの問題が無くはるかに低い低摩擦係数を実現したため、高速度、高精度といった産業界の要求に応えるものである。磨耗量が少なく、発塵特性に優れているのでクリーンルームでの使用も期待できる。
複雑な形状へも成膜が可能になったのでシールとしての性能も、ダイヤモンドは化学的に安定な物質であるため、反応性に富む物質や、水素といったもれやすい気体のシールに使用できると考えている。
摺動面は半ば浮いた状態になっているので接触面積が小さく、擦れ合いによる騒音を低減できる。労働環境の向上のために有意義な効果が得られた。
ダイヤモンドとチタン・シリコン・炭素の化合物の生体適合性が良く、基板材料の加工性が良いので形状が複雑な人工関節摺動部へも応用ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】研磨前のダイヤモンド表面写真 中心線平均粗さＲａ＝０．５００μｍ
【図２】図１のダイヤモンドの表面形状
【図３】適度に研磨したダイヤモンド表面写真 中心線平均粗さＲａ＝０．１５０μｍ
【図４】図３のダイヤモンドの表面形状
【図５】鏡面に仕上げたダイヤモンド表面写真 中心線平均粗さＲａ＝０．００５μｍ
【図６】図５のダイヤモンドの表面形状

Claims (5)

1. チタンシリコンカーバイドＴｉ_３ＳｉＣ_２に気相合成ダイヤモンドを成膜すると共に、この成膜面を研磨して、中心線平均粗さＲａが０．０１μｍ以上、０．２０μｍ以下の研磨面とした非鏡面ダイヤモンドによる低摩擦摺動面。
2. ダイヤモンド成膜表面を研磨した摺動面同士を、相互に摺動面とすることを特徴とするダイヤモンド研磨面を備えた請求項１記載の低摩擦摺動面。
3. ダイヤモンド成膜表面を共擦りして研磨し、摺動面とすることを特徴とするダイヤモンド研磨面を備えた請求項１又は２記載の低摩擦摺動面。
4. ダイヤモンド以外の材料を研磨し、該研磨したダイヤモンド以外の材料と研磨したダイヤモンド成膜表面とを、相互に摺動面とすることを特徴とする請求項１記載の低摩擦摺動面。
5. 軸受、金型、人工関節、シールに用いる請求項１〜４のいずれかに記載の低摩擦摺動面。

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