JP4823616B2 - 摺動ユニット及び摺動方法 - Google Patents
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Description
(実施例1)
本発明に係る摺動ユニットの一対の摺動部材のうち、硬質炭素被膜を形成した一方の摺動部材として以下に示すディスク試験片を製作し、この摺動部材と摺動する他方の摺動部材として、以下に示すボール試験片を製作した。
硬質炭素被膜を成膜する基材として、直径50mm、厚み0.3mm、円部表面(摺動面)が鏡面状態(100面方位)となる、ディスク形状のシリコンウェハSを準備した。そして、図6に示すようなイオンビームミキシング装置10(日立製作所製)を用いて、このシリコンウェハSの円部表面に非晶質窒化炭素被膜(硬質炭素被膜)を成膜した。具体的には、図6に示すように、シリコンウェハSの円部表面が支持台13上に配置された純度99.9999%のカーボンターゲットTと対向するように、真空チャンバ11内のホルダ12にシリコンウェハSを保持させた。その後、真空チャンバ11内の圧力を1×10−7Torr以下とし、その後窒素ガスを導入して1×10−5Torrに調整した。そして、アルゴンイオン源15から(1kV,100mA)アルゴンイオンgaをカーボンターゲットTに照射し、カーボンターゲットTをカーボンスパッター粒子scにすると同時に、窒素イオン源14から加速エネルギー0.5KeVで窒素イオンgnをシリコンウェハSに向けて照射して、成膜を行った。尚、この成膜時には、ホルダ12と共にシリコンウェハSを回転させ、成膜時間を90分間とし、シリコンウェハの円部表面に厚さ100nmの非晶質窒化炭素被膜(a−CNx被膜)を形成した。
直径8mm、表面が略鏡面状態のステンレス鋼(JIS規格:SUS440C)からなる球形状のボール試験片を製作した。
図1に示すボールオンディスク摩擦試験機50を用いた。尚、本発明に係る「一対の摺動部材」はディスク試験片とボール試験片を示しており、本発明に係る「電圧印加手段」は、後述する試験機50の直流電源Eを示している。
実施例1において製作した試験片と同じ試験片を製作し、摩耗試験を行った。実施例1と異なる点は、摩耗試験において実施例2〜4の順に印加した電圧をDC−100V,DC−200V,DC+50Vにした点である。実施例2〜4についても、実施例1と同様に、a−CNx被膜の比摩耗量を算出した。この結果を、表1及び図2に示す。
実施例1において製作した試験片と同じ試験片を製作し、摩耗試験を行った。実施例1と異なる点は、摩耗試験において、摺動面間に電圧を印加しなかった(印加電圧をDV±0Vにした)点である。この比較例1についても、実施例1と同様に、a−CNx被膜の比摩耗量を算出した。この結果を、表1及び図2に示す。
図2及び表1に示すように、実施例1〜4(順に◇,△,▽,□)のいずれの場合の比摩耗量も、比較例1(●)の場合の比摩耗量(2.89×10−8mm3/Nm)よりも、少なかった。また、実施例1,2,4(◇,△,□)の場合の比摩耗量は、ほとんど変わりなく、実施例3(▽)の場合の比摩耗量が最少量であり、1.10×10−8mm3/Nmであった。
結果1から、摺動面にa−CNx被膜が形成されたディスク試験片と、ボール試験片との摺動面間に電圧を印加しながら、乾式下において摺動部材を摺動させると、印加電圧が正負いずれの場合であっても、a−CNx被膜の比摩耗量が低減されると考えられる。さらに、印加電圧がDC−100Vを越えた値であるDC−200Vには、ディスク試験片の比摩耗量が最少量となっていることから、印加電圧がDC−100V以下の場合、または、印加電圧がDC+100以上の場合には、耐摩耗性がさらに向上すると考えられる。但し、印加電圧を大きくしすぎると摺動面間が放電するので、このような放電を防止するためには、印加電圧は、DC−300V以上、または、DC+300V以下にすることが好ましい。
実施例1と同じディスク試験片とボール試験片とを製作した。以下の試験を行った点が実施例1とは異なる。
実施例1と同条件で、ボールオンディスク摩擦試験機50を用いて試験を行ったものであり、図1に示すように平行板ばね32に接着したひずみゲージ33を用いて、15000サイクルの試験終了間際1000サイクルの摩擦係数を測定し、この摩擦係数の平均値を平均摩擦係数μmとした点である。この結果を図3に示す。
EDS(エネルギー分散型X線分析装置)を用いて、試験終了後のボール試験片の表面の移着膜の成分分析を測定した。具体的には、ボール試験片の表面にディスク試験片から移着した移着膜の厚みを先述したAFMを用いて測定した。次ぎに、EDSを用いて分析によって得られたエネルギースペクトル図から、OKαピークの積分強度Ioを求め、移着膜に含まれる酸素原子数の評価値とした。また、この分析精度を上げるために、移着膜の分析前後にAuを成分分析し、エネルギースペクトル図のAuMαピークの積分強度IAuを用いて、酸素原子の積分強度IoをIo/IAuに補正すると共に、EDS分析時の特性X線有効発生深さRSXは、次式により求め、さらに、この値を用いて補正をおこなった。
実施例5において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例5と同じく摩擦試験及び酸素原子含有量測定試験を行った。実施例5と異なる点は、摩擦試験において、実施例6,7の順に印加電圧をDC−100V,DC−200Vにした点である。これらの試験結果を図3及び4に示す。
実施例5において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例5と同じく摩擦試験及び酸素原子含有量測定試験を行った。実施例5と異なる点は、摩擦試験において、比較例2は印加電圧をDV+50Vにし、比較例3は摺動面間に電圧を印加しなかった(印加電圧をDC±0Vにした)点である。これらの試験結果を図3及び4に示す。
図3に示すように、実施例5〜7(◇,△,▽)の負の電圧を印加した場合の平均摩擦係数μmは、比較例2(■)の如く正の電圧を印加した場合、比較例3(●)の如く無印加の場合の平均摩擦係数μmに比べて、小さかった。また、実施例5〜7の順の(◇,△,▽の順の)負の電圧の値がさらに小さくなる(電位差が大きくなる)に従って、平均摩擦係数μmは小さくなり、電圧が最も小さい実施例7の場合(▽)は、平均摩擦係数μmが最小値0.056となった。
図4に示すように、実施例5〜7(◇,△,▽)の負の電圧を印加した場合の移着膜に含まれる酸素原子の割合は、比較例2(■)の如く正の電圧を印加した場合、比較例3(●)の如く無印加の場合の酸素原子の割合に比べて少なかった。また、実施例5〜7の順の(◇,△,▽の順の)負の電圧の値がさらに小さくなる(電位差が大きくなる)に従って、移着膜に含まれる酸素原子の割合は少なくなり、比較例2(■)の如く正の電圧を印加した場合は、移着膜に含まれる酸素元素の割合は増加した。
結果2から、摺動時において、硬質炭素被膜が形成されたディスク試験片をボール試験片に比べて電位を低くなるように負の電圧をこれらの部材に印加すると、平均摩擦係数μmが減少し、さらに、結果3から、負の電圧をこれらの部材に印加すると、移着膜に含まれる酸素原子の割合が、減少するものと考えられ、摺動時における平均摩擦係数μmと移着膜の酸素元素の割合には相関関係がある。
実施例5と同じディスク試験片とボール試験片とを製作した。実施例5と同じ雰囲気及び摺動条件で摩擦試験を行った。実施例5と異なる点は、摩擦繰り返し数15000サイクルのなるまで1000サイクル毎に摩擦係数を測定した点である。これらの試験結果を図5に示す。
実施例8において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例8と同じく摩擦摩耗試験を行った。実施例8と異なる点は、摩擦試験において、実施例9,10の順に印加電圧をDC−100V,DC−200Vにした点である。これらの試験結果を図5に示す。
実施例8において製作した試験片と同じ試験片を製作し、実施例8と同じく摩擦試験を行った。実施例8と異なる点は、摩擦試験において、比較例4は印加電圧をDV+50Vにし、比較例5は摺動面間に電圧を印加しなかった(印加電圧をDC±0Vにした)点である。これらの試験結果を図5に示す。
図5に示すように、実施例8(◇)の如く電圧DC−50Vを印加したときは、摺動部材は低摩擦の状態を摩擦繰り返し数約7000サイクルまで維持し、その後摩擦繰り返し数の増加に伴い摩擦係数は増加した。さらに、実施例9(△),実施例10(▽)の如く電圧DC−100V,DC−200Vと負の印加電圧を大きくするに従って、低摩擦の状態が長くなり、実施例10(▽)の如く電圧DC−200Vを印加したときは、試験終了時まで低摩擦の状態は維持されていた。一方、比較例4(■)の如く正の電圧を印加した場合の摩擦係数は、摩擦繰り返し数が2000サイクルまでは減少したが、その後摩擦繰り返し数の増加に伴いすぐに増加した。比較例5(●)の如く無印加の場合の摩擦係数も、摩擦繰り返し数が2000サイクルまでは減少したが、その後摩擦繰り返し数の増加に伴い摩擦係数は少しずつ増加した。そして、比較例4(■)及び比較例5(●)は、実施例9(△),実施例10(▽)の如く、低摩擦状態を維持することができなった。
結果4から、負の電圧を印加すると摺動部材は低摩擦の状態となり、その印加電圧を大きくするに従って低摩擦の状態を長い間持続されると考えられる。これは、先の評価2に示すように、負の電圧を印加するに従って、ディスク試験片の硬質炭素被膜が形成された摺動面の酸化を抑制され、摺動面のグラファイト化を阻害され難くなる結果、摺動部材の摩擦係数を低減することができたものであると考えられる。そして、10000サイクル程度まで低摩擦状態を維持するためには、印加電圧をDC−100V〜−300Vにすることが好ましく、最小の印加電圧で、低摩擦を持続させる場合には、DC−200V前後がより好ましい。
Claims (4)
- 互いの摺動面同士において摺動する一対の摺動部材のうち、一方の摺動面に硬質炭素被膜が形成された一対の摺動部材と、
該一対の摺動部材の摺動面間に電圧を印加するように、前記一対の摺動部材に接続され、前記電圧が100V〜200Vの範囲のうち任意の電圧となるように設定可能であり、かつ、前記硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材が他方の摺動部材に比べて電位が低くなるように、前記一対の摺動部材に接続された電圧印加手段と、
を備えることを特徴とする摺動ユニット。 - 前記硬質炭素被膜は、非晶質炭素被膜(DLC被膜)、窒化炭素被膜(CNx被膜)、またはダイヤモンド被膜であることを特徴とする請求項1に記載の摺動ユニット。
- 一方の摺動部材の摺動面に硬質炭素被膜が形成された一対の摺動部材の摺動面間に、硬質炭素被膜が形成された一方の摺動部材が他方の摺動部材に比べて電位が低くなるように、電圧を100V〜200Vの範囲内で印加しながら、乾式下において少なくとも一方の摺動部材を摺動させることを特徴とする摺動方法。
- 前記硬質炭素被膜に、非晶質炭素被膜(DLC被膜)、窒化炭素被膜(CNx被膜)、またはダイヤモンド被膜を用いることを特徴とする請求項3に記載の摺動方法。
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