JP4873617B2 - 低摩擦特性と耐剥離性を有する硬質膜の被覆部材 - Google Patents

Description

本発明は、例えばドライ・セミドライプレス金型や切削工具、機械装置の摺動部、電気機器の摺動部、生体人工関節などの摺動部等に使用され、低摩擦で耐摩耗性・耐剥離性が要求される硬質膜の被覆部材に関する。

金型たとえば絞り、引抜きなどの塑性加工の分野においては、加工時の材料との摩擦が大きな問題となる。かかる摩擦を軽減するために潤滑油が使用されているが、加工品に付着した潤滑油の洗浄が必要になり、洗浄剤により環境汚染を発生させる問題がある。こうしたことから潤滑油を使用しない加工、いわゆるドライ・セミドライ加工が要望され、その対策の一つとして金型の表面に潤滑性を有する硬質被膜を施すことが提案されている。また、機械装置や電気機器の摺動部、また生体に使用されるもの（例えば人工関節の摺動部）にも、その表面に潤滑性を有する硬質被膜を施して、極力摩擦を低減することが試みられている。特に精密装置や精密機器に使用されたり、生体に使用される生体人工関節などの摺動部等は、低摩擦で良好な耐摩耗性、耐剥離性のある硬質被膜が要求される。

硬質被膜、例えばダイヤモンド膜は、耐剥離性、特に低摩擦特性、耐摩耗性に優れているが、ビッカース硬度で８０００〜１００００Ｈｖほどの高硬度であるため、加工が困難である。また、加工するにも、需要も少ないため適した装置がない。

一方、ダイヤモンド・ライク・カーボン膜（以下ＤＬＣ膜と言う）はダイヤモンドと似た物性を持つ、アモルファス（非晶質）なカーボン膜で、非常に硬く（ビッカース硬度で１０００〜５０００Ｈｖ程度）、表面が滑らかな炭素の被膜である。そして、潤滑特性が比較的良く、相手材（被加工材）への攻撃性も低いことから、ＤＬＣ膜を摩擦面として適用する試みがなされている。

そして、アルミ材を被加工材としてＤＬＣ膜によるドライ加工の実用化の試みが一定の成果を上げているが、ステンレス鋼材等の高硬度で凝着性の大きい材料を対象とした場合では、ＤＬＣ膜に高面圧がかかり、ＤＬＣ膜が剥離してしまうという点から、大量生産に耐えうる状況に達していない。

また、実際にＤＬＣ膜を対象基材にダイレクトコーティングした場合、特に高面圧下では基材との密着性が不十分で、剥離が生じやすいという致命的な問題があり、このため高荷重（高負荷）下での摩擦面への適用が難しく、繰り返し使用に耐えられないという問題があった。

このような耐摩耗性や耐剥離性を向上させるための構成として、以下の特許文献がある。
特開２００３−２５１１７号公報 特開２００４−８４０１４号公報 特開平８−１７４３０９号公報

特許文献１記載の発明では、切削工具の基体にダイヤモンドの被膜を形成させて、更にＤＬＣ膜をコーティングさせることで、被削物の溶着を防ぎ、切り屑の流れを向上させている。また、特許文献３記載の発明では、刃先のすくい面と逃げ面の境界部に被覆不連続部を設けてダイヤモンド膜をコーティングし、被覆不連続部にＤＬＣ膜をコーティングして、切削の際の応力を緩和して刃先の耐欠損性と耐摩耗性の低下を防止している。

一方、ＤＬＣ膜を摺動部で使用する際には、従来は鏡面加工が施された基材にコーティングして低負荷下で使用されていたため、ＤＬＣ膜特有の密着力のみで十分であり、ＤＬＣ膜が剥離する問題は発生しなかった。しかし、プレス加工などの高面圧の高負荷加工では、ＤＬＣ膜特有の密着力のみでは不十分で剥離の問題が生じる。

そこで、特許文献２記載の発明では、ＤＬＣ膜を対象基材にダイレクトコーティングする場合、コーティングする前に、予め基材の表面を粗面化処理して耐剥離性を向上させている。粗面化処理をすることで、加工の際には該粗面の凸部にのみ負荷がかかるため、凹部はアンカー効果を持ち、耐剥離性を向上させることができる。しかし鉄、アルミニウム、ステンレス鋼などの材料が被加工材（相手材）である場合は問題ないが、チタンなどの凝着性の大きい材料の被加工物（相手材）によっては、焼き付きやすいという問題がある。

近年、ドライ・セミドライプレス金型や切削工具には、ますます加工、切削の高精度が要求されるようになり、またエネルギーの高効率化の観点からも、より一層これら金型や工具の部材には低摩擦であること、耐摩耗性や耐剥離性の向上が求められる。二つの物体、例えば硬質被膜と相手材（被加工材）が負荷を受けて接触すると、摩耗という現象がおこり、摩耗粉などの異物が発生したり、硬質被膜の剥離により金型や工具の部材が直接相手材（被加工材）と摩擦して凝着を起こすことがある。そして高精度やクリーンな環境が要求される機械装置、電気機器、音響機器等の精密装置や精密機器に使用されたり、生体に使用される生体人工関節などの摺動部等は、特に敏感であり、異物の発生や凝着などの影響を受けやすく、故障や不具合の原因となる。したがって、精密加工や、これらの精密装置等に使用される部材、機械装置の摺動部、耐久性が求められる人工関節などの硬質被膜には、より一層低摩擦で良好な耐摩耗性や耐剥離性が要求される。
そして、このような摩耗による不具合を防ぐために、これらの部材表面の硬質膜の表面は鏡面であることが求められる。

ダイヤモンド膜は、低摩擦の摩擦特性を持ち、耐摩耗性に非常に優れるが、結晶構造を有するため粗面となり、高硬度であるため鏡面に研磨する加工は極めて困難である。特に自由曲面を研磨する汎用機はない。

一方、ＤＬＣ膜は平滑性という特性を有するため、鏡面加工がされた基材にコーティングすることで鏡面のＤＬＣ膜が得られる。しかし、鏡面のＤＬＣ膜は高面圧下において剥離しやすいという致命的な問題があり、ドライ・セミドライプレス加工等の実用化は困難である。

本発明の課題は、上記問題点を解決することであり、低摩擦特性を持ち、耐摩耗性や耐剥離性に優れ、高精度やクリーンな環境が要求される装置・機器にも使用できる硬質膜の被覆部材を提供することである。

本発明は、具体的には以下のような構成を採用することにより達成できる。

請求項１記載の発明は、基材の表面上にダイヤモンド膜を設け、更に該ダイヤモンド膜の表面上に、表面粗さが０．１μｍＲｚ以下であるＤＬＣ膜を全表面に設けた低摩擦特性と耐剥離性を有する硬質膜の被覆部材である。

なお、本明細書中、部材とは、摺動材や工具も含む意である。また硬質膜とは、浸炭、焼入れ鋼の硬さであるビッカース８００を越えてビッカース１０００程度以上の硬度を持つダイヤモンド膜やＤＬＣ膜等を意味する。そして低摩擦特性とは、表面粗さ０．０５μｍＲｚの超硬合金ＷＣ（炭化タングステン）−６％Ｃｏ（コバルト）に潤滑油（Ｇ−３１７３ 日本工作油（株）製）を塗布して鉄基材ボールと摩擦した場合の摩擦係数０．１を基準として、その値以下の摩擦係数を有する特性を意味する（図１３参照）。

（作用）
本発明は、粗面にコーティングしたＤＬＣ膜を研磨して、低摩擦の摩擦特性を持ち、耐剥離性と耐摩耗性に優れた硬質被膜を創生する技術として優れている。
図１４には基材の表面にコーティングしたＤＬＣ膜の状態を示す。ＤＬＣ膜２は、図１４に示すように、平滑性という特性を有し、基材１の表面形状に沿った形に被覆されることから、従来のＤＬＣ膜の被覆技術では、表面が鏡面である基材にコーティングして、鏡面のＤＬＣ膜を得ていた。しかし、鏡面のＤＬＣ膜は、負荷がかかるとＤＬＣ膜の全面に力が加わることで、高負荷条件下では剥離しやすいという特徴を有している。

そこで、高負荷条件下における耐剥離性を得るために、上記特許文献２に記載されているように、基材を粗面化した上にＤＬＣ膜をコーティングしてアンカー効果を持つ、耐剥離性に優れた、表面が粗面のＤＬＣ膜が開発されている。しかし、チタン等の凝着性の高い材料とＤＬＣ膜を摺動させると、チタンの摩耗粉が粗面の凹部に移着・成長し焼き付きが発生するため、耐剥離性に優れた鏡面のＤＬＣ膜が要望されていた。

そこで、本発明者らは鋭意研究の結果、このように鏡面のＤＬＣ膜を得るためには鏡面の基材にコーティングすればよく、研磨加工は不要と考えられていた従来の常識に反して、基材を粗面化して該粗面にＤＬＣ膜をコーティングした後、あえて研磨するという発想の転換によって、従来の常識・通説を覆す耐剥離性と低摩擦特性に優れた鏡面のＤＬＣ膜を得る結果を見出し、本発明を完成させたのである。

工具や摺動面の表面が粗い状態で使用すると、表面の谷部に摩耗粉がたまってその粉が成長する。摩耗粉が成長することで摩耗粉と相手材（被加工材）との摩擦、すなわち相手材同士の摩擦となってＤＬＣ膜やダイヤモンド膜の潤滑特性を発揮できなくなり焼き付きが発生する。しかし、本発明によれば、ＤＬＣ膜の表面を研磨することで、前記谷部を無くし、焼き付きの発生を防止できる。

請求項１記載の発明によれば、ＤＬＣ膜の表面粗さが小さいことで、低摩擦特性を持ち、更にダイヤモンドの特性を有する高強度な硬質膜の被覆部材が得られる。

本発明によれば、低摩擦の摩擦特性を持ち、耐摩耗性や耐剥離性に優れ、摩耗粉の発生が少ないので、従来は摩耗粉の発生などのために使用し得なかった高精度やクリーンな環境が要求される装置・機器にも使用できる硬質膜及び当該硬質膜を被覆した部材を得ることができる。また、これら硬質膜や硬質膜を被覆した部材は、精密加工や、プレス金型加工などの高負荷加工が要求される工具にも使用できる。更に自動車部品の摺動部など、耐摩耗性や耐久性が要求される部材の摺動材にも使用できる。

請求項１記載の発明によれば、耐剥離性と低摩擦特性を持ち、ダイヤモンドの特性を有する高強度な硬質膜の被覆部材が得られる。

図１には参考例によるプロセスを示した模式図を示し、図２には請求項１記載の発明の一実施例によるプロセスを示した模式図を示す。
図１に示すように、まず鏡面仕上げをした基材１の基体表面に粗面化処理を行う。粗面化時の粗さを制御、管理する上ではなるべく鏡面仕上げが良いが、最終的に要求される膜表面の粗面粗さ以下であれば、鏡面であることは特に問わない。

基材１は、これが変形するとそこにコーティングしていたＤＬＣ膜も変形することになり、一般に金属に比べて硬くもろいＤＬＣ膜はその変形に追従できず、結局剥離してしまう。したがって、基材１は硬質材が適当であり、それは超硬合金、ダイス鋼、粉末ハイス、高速度鋼などが代表的なものであるが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミックスであってもよく、また、それら基材１は焼入れ、浸炭等の硬化処理したものを含んでいる。
なお、本明細書中、鏡面とは、表面の粗さのピーク（山）とピーク（谷）の最大距離が約０．１μｍＲｚ以下の面粗さであることをいう。

基材１を、ＤＬＣ膜２のコーティングに先立って、図１（ｂ）のように、コーティングすべき基材表面（摩擦面）１ａに微細な凹凸が散在するように粗面化処理を施す。面粗さは、０．９μｍＲｚ〜２．４μｍＲｚ程度で良い。基材１の表面の粗さが大きいと、基材１の塑性変形量も大きくなり、コーティングしたＤＬＣ膜２（図１（ｃ））の塑性変形が基材１の塑性変形量に追従できなくなり、耐剥離性に劣る。また、基材１の表面の粗さが小さいと、ＤＬＣ膜２のアンカー効果が不十分で粗面化の効果が得られない。この粗面化処理は、ブラスト、研削加工、ピーニング、サンドペーパー等のやすり手段による擦り、粗面付きロールによる圧延、エッチングなど任意であるが、要求する形状の創生が容易という点から、ブラストが好ましいといえる。図１（ｂ）はブラストによる凹凸を模式的に示している。

次いで、図１（ｃ）に示すように、粗面化処理で形成した微細な凹凸上に、ＤＬＣ膜２を成膜する。ここで、ＤＬＣ膜２の成膜法（コーティング法）に特に限定はなく、ＣＶＤ（化学的気相成長）法（ＤＣプラズマＣＶＤ法、ＲＦプラズマＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、パルスプラズマＣＶＤ法、ＰＩＧプラズマＣＶＤ法）およびＰＶＤ法（イオン化蒸着法、イオンビーム法、スパッタリング法、アークイオンプレーティング法）など既知のいずれの方法を用いても良い。膜厚は基材１の粗面粗さの２倍以上の厚さが必要である。すなわちコーティング後、研磨して基材１の表面が露出しない程度の膜厚が必要である。

そして、図１（ｄ）に示すように、ＤＬＣ膜２の表面を鏡面に研磨する。例えば図１４に示すように研磨面が得られる。ＤＬＣ膜２の研磨は従来考えられていなかったので、専用の装置や研磨方法は存在しない。したがって一般的に試料の研磨に使用されている研磨機でダイヤモンドぺーストを用い、手動研磨によって研磨する。かかる方法により、密着性（耐剥離性）に優れ、低摩擦特性を持つ、鏡面の硬質膜（ＤＬＣ膜２）が得られる。

また、請求項１記載の発明の一実施例を図２に示す。まず、図２（ａ）に示すように、図１（ａ）と同様に、基材１の表面に鏡面仕上げをする。次いで図２（ｂ）に示すように、熱フィラメント法、直流電流法、マイクロ波法、熱プラズマ法、燃焼炎法などの成膜法によってダイヤモンド膜３を基材１の表面に成膜する。このときのダイヤモンド膜３の厚さは、３〜２０μｍ程度でよい。例えば、これよりも膜厚が厚いと、成膜に時間がかかり製造コストが高くなる。一方、膜厚が薄いと膜の耐久性が劣る。そして図２（ｃ）に示すように、ダイヤモンド膜３の表面を研磨する。ダイヤモンド膜３は非常に硬いため、ダイヤモンド結晶に特徴的な鋭いエッジ３ａの先端部分のみ研磨処理（粗研磨）を行えば良い。

成膜されたダイヤモンド膜３の表面粗さは１．５〜２μｍＲｚ程度で、鋭いエッジ部３ａが研削によって０．５〜１．０μｍＲｚ程に研磨される。更に表面粗さを０．５μｍＲｚよりも小さくするにはダイヤモンド結晶を研削しなければならず、困難を極め、長時間を要する。また、ダイヤモンド膜３は高硬度であるために、ダイヤモンド砥石をもちいて研磨を行っている。平面は汎用の研削機で実施できるが、曲面は専用形状のダイヤモンド砥石を製作し、工作機械等で研磨する必要があり高コストとなる。特に曲面の鏡面研磨は困難を極めコストも大きなものとなる。

一方、表面粗さが１．０μｍＲｚよりも大きいと、エッジ部３ａが残って相手材を攻撃してしまう。したがって、経済性、機能性の面から０．５〜１．０μｍＲｚ程が好ましい。 本発明では結晶の鋭いエッジ部３ａのみ研磨し、０．５〜１．０μｍＲｚの面粗さがあれば良いので鏡面創生のコストが大幅に低減でき、経済性に優れている。
ダイヤモンド膜３の研磨方法としては、ダイヤモンド砥石による研磨法、イオンスパッタ法、レーザ法、熱化学研磨法などがあり、どの方法を用いても良いが、エッジ３ａの先端部分のみの研磨であれば、ダイヤモンド砥石による研磨法が最も簡便である。

そして、このように先端部分（エッジ３ａ）のみの研磨では、ダイヤモンド膜３に隙間３ｂが生じるため、上記の方法により、図２（ｄ）に示すように、ダイヤモンド膜３のエッジ３ａ間の谷部（隙間３ｂ）を十分に埋める厚さにＤＬＣ膜２をコーティングする。膜厚は要求される耐摩耗性や荷重条件などに応じて、ダイヤモンド膜３の研磨面粗さの２倍程度で、凹部が十分埋まる約１．０〜２．０μｍから選定すればよい。それよりも膜厚が厚すぎるとＤＬＣ膜２の研磨が困難となり、薄すぎるとダイヤモンド膜３上にコーティングしたＤＬＣ膜２の鏡面化が困難となる。

そして、図２（ｅ）に示すように、ＤＬＣ膜２の表面を、上記の方法により研磨する。ＤＬＣ膜２を研磨することで、低摩擦特性を持ち、耐摩耗性と耐剥離性に優れた鏡面の硬質膜が得られる。更にダイヤモンドの特性である高強度な硬質膜及び当該硬質膜を被覆した部材が得られる。なお、図２（ｅ）では、ダイヤモンド膜３の表面が一部露出している図を示しているが、全表面がＤＬＣ膜２でコーティングされている場合を本実施形態とし、ダイヤモンド膜３の表面が一部露出している場合は本実施形態には含まれないものとする。

なお、ダイヤモンド膜３の表面が一部露出していると、創生した鏡面の硬質膜は、ダイヤモンド膜３とＤＬＣ膜２が混在した、高強度で耐剥離性に優れた固体潤滑膜となり、ダイヤモンドの非常に優れた低摩擦特性を持つ、鏡面の硬質膜が得られる。
［参考例］

次に、本発明の参考例について具体的に説明する。図１に示した基材１として、直径３６ｍｍ、厚さ６ｍｍの工具鋼（ＳＫＤ１１）を用いて、図１（ａ）に示すように、基材１の表面を最大表面粗さが約０．０５μｍＲｚになるように、試料研磨機（ビューラー（社）製、ＥＣＯＭＥＴ３）による手動研磨で鏡面に研磨する加工を行った。

次いで図１（ｂ）に示すように、表面処理機（新東工業（株）製ＭＹ３０ 重力式）を用いてエアー圧０．２Ｍｐａ ガバレージ６００％以上で基材表面に微細な凹凸を形成させた。この時の最大表面粗さは約０．９７μｍＲｚであった。

次いで図１（ｃ）に示すように、その上にＰＩＧプラズマＣＶＤ法（神港精機（株）製ＰＩＧプラズマＣＶＤ装置 ＡＡＰＩＧ−１６１１０ＤＳ型を使用）により膜厚２μｍのＤＬＣ膜２を成膜（コーティング）した。このときの最大表面粗さは約１．３８μｍＲｚであった。また、コーティング条件はアセチレンガス（Ｃ₂Ｈ₂）流量：２５０ｍｌ／ｍｉｎ、ＰＩＧプラズマガン出力：２ｋＷ、基板バイアス：−５５０Ｖ、圧力：０．２Ｐａ、コーティング時間：１時間とした。そして、図１（ｄ）に示すように、ＤＬＣ膜２をダイヤモンドパッドを用いた手動研磨機により（上記ビューラー（社）製、ＥＣＯＭＥＴ３の試料研磨機）、研磨加工して最大表面粗さ約０．０９μｍＲｚの鏡面を得た。

得られたＤＬＣ膜２の密着性（耐剥離性）や摩擦特性を検討するため、ボールオンディスク型の基礎摩擦試験機（神鋼造機（株）製 超音波振動負荷型摩擦試験機）により摩擦試験を行った。また、比較例として、ＤＬＣ膜２を研磨加工していないもの（図１（ｃ）の状態）についても摩擦試験を行った。

図３には、試験機の要部を模式的に示しており、試料としての回転ディスク７、固定側のテストピン８を治具９上に配置しており、治具全体が回転ディスク７に対して押圧されることで垂直荷重を負荷するようになっている。

１）摩擦試験試料の仕様は、次のとおりである。
固定側：直径４ｍｍ、材質 チタン、個数１本
回転側：ディスク直径３６ｍｍ
２）摩擦条件は次のとおりである。

摩擦痕径：２８ｍｍ
摩擦速度：２９ｍｍ／ｓ
摺動距離： １０ｍ
垂直荷重：１００Ｎ
雰囲気：大気中
潤滑条件：無潤滑
なお、実験に先立って、試料のピン８とディスク７の表面をアセトンにより脱脂し、乾燥させてから実験に供した。

図４（ａ）には図１（ａ）〜（ｄ）の方法により得られたＤＬＣ膜２の摩擦試験の結果を示し、図４（ｂ）には比較例として図１（ａ）〜（ｃ）の方法により得られたＤＬＣ膜２の摩擦試験の結果を示す。
図４に示すように、図１（ｄ）の工程を施したもの、すなわちＤＬＣ膜２の表面を鏡面に研磨したものでは、摩擦距離が長くなっても摩擦係数は０．０５〜０．０８程度で安定している。一方、比較例では、摩擦係数も０．２〜０．３と高く、変動も激しい。この結果から、比較例に対して本参考例によるＤＬＣ膜２の方が摩擦係数は低いことが確認される。

また、図５には、図１（ａ）〜（ｄ）の方法により得られたＤＬＣ膜２の摩擦試験前と試験後の摩擦面の顕微鏡写真を示し、図６には比較例（図１（ａ）〜（ｃ）の方法により得られたＤＬＣ膜２）の摩擦試験前と試験後の摩擦面の顕微鏡写真を示す。各図とも、（ａ）は摩擦試験前の写真を示し、（ｂ）は摩擦試験後の写真を示す。
図５からも明らかなように、摺動距離が１０ｍの摩擦試験後においても、チタンの凝着は見られず、ＤＬＣ膜２の剥離は生じなかった。一方、比較例を示した図６によれば、白く輝いている部分がチタンの凝着した部分であり、ＤＬＣ膜２の凹部にチタンの摩耗粉が溜まり、成長したものと思われる。そして、この摩耗粉が原因となって、摩擦係数が高まるものと考えられる。

チタンは、生体適合性が高く、生体内に使用する人工関節などの摺動部の摺動材として期待されているが、凝着性が大きいという問題があった。しかし、本参考例によれば、上記の結果から、相手材（被加工材）として凝着しやすいといわれるチタン材にも良好な低摩擦特性を有することが確認された。
以上のことから、粗面基材にＤＬＣ膜を成膜し、鏡面に研磨することによって、簡便、経済的に耐剥離性や耐摩耗性に優れた硬質膜及び当該硬質膜を被覆した部材が得られる。

また、上記方法により得られた硬質膜は、低摩擦特性を持ち耐剥離性に優れ、摩耗粉の発生が少ないので、耐摩耗性、耐久性に優れる。したがって従来は使用できなかった、精密加工や、プレス金型加工などの高負荷加工が要求される工具にも使用できる。更に高精度やクリーンな環境が要求される、例えばクリーンルーム内で使用される半導体製造装置などの機械装置、電気機器、音響機器等の精密装置や精密機器や生体に使用される装置・機器の摺動材にも使用できる。特に生体適合性が高いが凝着しやすいチタンに対しても耐剥離性が高く、耐久性に優れることから、交換が困難な生体内に使用される人工関節などの摺動部の摺動材として長期間使用できる。
また、自動車部品の摺動部など、低摩擦特性や耐久性が要求される部材の摺動材としても使用できる。
［実施例］

次に、本発明の実施例について具体的に説明する。図２に示した基材１として、超硬合金ＷＣ（炭化タングステン）−６％Ｃｏ（コバルト）を用いて、参考例と同様に、図２（ａ）に示すように、基材１の表面を最大表面粗さが約０．０５μｍＲｚになるように、鏡面に研磨する加工を行った。次いで図２（ｂ）に示すように、ダイヤモンドコーティング装置（熱フィラメント法装置（株）不二越製）を使用して、熱フィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンド膜３を、約１５μｍの厚さに成膜した。そのときの最大表面粗さは１．５２μｍＲｚであった。

加工条件は、原料：メタン１％、水素９９％ 圧力：２６００Ｐａ 基板温度：約８００℃ コーティング時間：２０時間 とした。

次いで図２（ｃ）に示すように、試料研磨機（上記ビューラー（社）製、ＥＣＯＭＥＴ３の試料研磨機）を用いて手動研磨により、ダイヤモンド膜３の表面を研磨して（粗研磨）、ダイヤモンド結晶に特徴的な鋭いエッジ３ａを削った。研磨後の最大表面粗さは約０．５μｍＲｚであった。

図７（ａ）にはダイヤモンド膜３が未研磨の状態（図２（ｂ）の状態）の表面粗さを示し、図７（ｂ）にはダイヤモンド膜３を研磨したときの研磨面（図２（ｃ）の状態）の表面粗さを示す。また、図８（ａ）にはダイヤモンド膜３が未研磨の状態（図２（ｂ）の状態）の顕微鏡写真を示し、図８（ｂ）にはダイヤモンド膜３を研磨したときの研磨面（図２（ｃ）の状態）の顕微鏡写真を示す。更に図８（ｃ）には、図８（ｂ）の実線で囲んだ部分の拡大写真を示す。
図７及び図８に示すように、ダイヤモンド膜３を研磨することで、ダイヤモンド結晶に特徴的な鋭いエッジ部の先端が研磨されているのが分かる。

次いで図２（ｄ）に示すように、研磨されたダイヤモンド膜３の上にプラズマＣＶＤ法により、膜厚２μｍのＤＬＣ膜２を成膜した。このときの最大表面粗さは約０．８１μｍＲｚであった。成膜に使用した装置や成膜条件は、参考例と同様とした。そして、図２（ｅ）に示すように、参考例と同様の方法でＤＬＣ膜２を研磨加工して最大表面粗さ約０．０９μｍＲｚの鏡面を得た。

図９（ａ）には、図２（ａ）〜（ｅ）の方法により得られたＤＬＣ膜２の研磨面の顕微鏡写真を示す。図９（ｂ）には図９（ａ）の状態から更に研磨したときのダイヤモンド膜３の一部が露出した研磨面の顕微鏡写真を示すが、ダイヤモンド膜３の一部が露出した場合は本実施例には含まれないものとする。
ダイヤモンド膜３を粗研磨しただけでは、図８（ｂ）に示すようにダイヤモンド膜３の表面上には粗いダイヤモンドの結晶が確認されるが、ダイヤモンド膜３上にＤＬＣ膜２を成膜して、該ＤＬＣ膜２を研磨すると、図９（ａ）に示すように、表面が鏡面となる。また、図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）の状態から更に研磨すると、ＤＬＣ膜２の下にあるダイヤモンド膜３が表面に露出して、ＤＬＣ膜２とダイヤモンド膜３の特性を併せ持つ複合膜となる。

そして、上記方法により得られたＤＬＣ膜２の密着性（耐剥離性）や摩擦特性を検討するため、参考例と同様に、ボールオンディスク型の基礎摩擦試験機（神鋼造機（株）製 超音波振動負荷型摩擦試験機）により摩擦試験を行った。条件は、負荷荷重を１００Ｎ、摩擦距離を1０ｍとし、ダイヤモンド膜３が露出した面では固定側テストボール：直径６ｍｍ、材質：ＳＵＪ２（高クロム炭素鋼）、個数３個を用いた以外は参考例と同様とした。

図１０には本実施例による摩擦特性の試験結果を示す。図１０（ａ）には図２（ａ）〜（ｅ）の方法により得られたＤＬＣ膜２（図９（ａ）に示す研磨したＤＬＣ膜２）の摩擦係数を示し、図１０（ｂ）には図９（ｂ）に示すダイヤモンド膜３の一部が露出したＤＬＣ膜２との複合膜の摩擦係数を示す。いずれも０．１以下であり摩擦特性に優れている。

なお、本実施例に関連してＤＬＣ膜２の耐久性を評価するために、図９（ｂ）に示す、ダイヤモンド膜の一部が露出した研磨面の摩擦試験を行った。試験には参考例と同様に、ボールオンディスク型の基礎摩擦試験機（神鋼造機（株）製 超音波振動負荷型摩擦試験機）を用いた。試験条件は、固定側テストボール：直径６ｍｍ、材質：ＳＵＪ２（高クロム炭素鋼）、個数３個 垂直荷重：１０００Ｎ 摩擦速度：３１ｍｍ／ｓ 摩擦距離を1０ｍとした以外は参考例と同様とした。図１１には、図９（ｂ）に示す研磨面、すなわちダイヤモンド膜３が露出しているＤＬＣ膜２との複合膜の耐久性試験の結果を示す。

図１１に示すように、高荷重(高面圧)で摩擦距離が長くなってもＤＬＣ膜２の摩擦係数は０．１以下で安定し、剥離せず、耐久性、摩擦特性に優れていることが確認される。また、比較例として、鏡面の基材１の表面にＤＬＣ膜２を成膜した試料を用いて、同様に耐久性試験を行った。試験条件は、垂直荷重を１００〜４００Ｎまで１００Ｎごとに変化させた以外は上記耐久性試験と同一条件とした。図１２には、比較例の耐久性試験の結果を示す。
図１２に示すように、比較例では負荷荷重を４００Ｎまで上げると、摩擦係数が急激に増大して剥離に至り、鏡面に成膜したＤＬＣ膜２が高面圧に耐えられないことが明らかになった。

また、潤滑油を使用した場合との比較のため、表面粗さ０．０５μｍＲｚの超硬合金ＷＣ（炭化タングステン）−６％Ｃｏ（コバルト）に潤滑油（Ｇ−３１７３ 日本工作油（株）製）を塗布して鉄基材の摩擦試験を行った。図１３には、本実施例によるダイヤモンド膜３と潤滑油を使用した場合との摩擦特性の試験結果を示す。
図１３に示すように、潤滑油を使用した場合の摩擦係数は０．１で推移している。一方、参考例として示している最大表面粗さが約１．２μｍＲｚである未研磨のダイヤモンド膜（鏡面基材上にダイヤモンド膜を形成させたもの）の摩擦係数は高いが、図２（ａ）〜（ｃ）の方法により得られたダイヤモンド膜３（図８（ｂ）に示す０．５μｍＲｚに研磨したダイヤモンド膜３）は、摩擦係数が０．１以下で低摩擦特性を示す。

すなわち、ダイヤモンド膜３は潤滑油を使用した場合の摩擦係数よりも低い摩擦係数であることから、図９（ｂ）に示すように、ＤＬＣ膜２の表面にダイヤモンド膜３が露出していると、ダイヤモンドの特性である低摩擦係数の複合膜が得られる。

これらの結果から分かるように、本実施例によれば、ダイヤモンド膜３の先端部のみ研磨し、ＤＬＣ膜２をコーティングすることで、簡便、経済的に被覆処理ができる。また、ダイヤモンド膜３の表面が一部露出していると、創生した鏡面の硬質膜は、ダイヤモンド膜３とＤＬＣ膜２が混在した、高硬度で耐剥離性に優れた固体潤滑膜となり、ダイヤモンドの優れた低摩擦特性と耐摩耗性を持つ剥離がほぼない鏡面の硬質膜が得られる。

したがって、低摩擦特性で、耐摩耗性、耐久性に非常に優れる硬質膜であることから、従来は剥離が問題となり使用できなかった、精密加工や、プレス金型加工などの高負荷加工が要求される工具にも使用できる。更に高精度やクリーンな環境が要求される、例えばクリーンルーム内で使用される半導体製造装置などの機械装置、電気機器、音響機器等の精密装置や精密機器の摺動材として使用できる。
また、自動車部品の摺動部など、耐摩耗性や耐久性が要求される部材の摺動材としても使用できる。

以上のことから、本実施例により得られた硬質膜は、低摩擦特性を持ち耐摩耗性と耐剥離性に優れることが確認される。そして高硬度のダイヤモンド膜を研磨することなく、ダイヤモンドの特性である高強度な硬質膜及び当該硬質膜を被覆した部材が簡便に得られる。

本発明はプレス金型や切削工具、機械装置、電子機器、音響機器、自動車部品及び生体内の人工関節などの摺動部等様々な技術分野での利用可能性がある。

本発明の参考例によるプロセスを示した模式図である。 請求項１記載の発明の一実施例によるプロセスを示した模式図である。 図３（ａ）は、摩擦試験機の要部を模式的に示す側面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＶ−Ｖ線矢視平面図である。 図４（ａ）は、図１（ａ）〜（ｄ）の方法により得られたＤＬＣ膜の摩擦試験の結果であり、図４（ｂ）は、図１（ａ）〜（ｃ）の方法により得られたＤＬＣ膜の摩擦試験の結果（比較例）である。 図５（ａ）は、図１（ａ）〜（ｄ）の方法により得られたＤＬＣ膜の摩擦試験前の顕微鏡写真であり、図５（ｂ）は、摩擦試験後の摩擦面の顕微鏡写真である。 図６（ａ）は、図１（ａ）〜（ｃ）の方法により得られたＤＬＣ膜の摩擦試験前の顕微鏡写真であり、図６（ｂ）は、摩擦試験後の摩擦面の顕微鏡写真（比較例）である。 図７（ａ）は、ダイヤモンド膜が未研磨の状態の表面粗さを示した図であり、図７（ｂ）は、ダイヤモンド膜を研磨したときの研磨面の表面粗さを示した図である。 図８（ａ）は、ダイヤモンド膜が未研磨の状態の顕微鏡写真であり、図８（ｂ）は、ダイヤモンド膜を研磨したときの研磨面の顕微鏡写真であり、図８（ｃ）は、図８（ｂ）の実線部分の拡大写真である。 図９（ａ）は図２（ａ）〜（ｅ）の方法により得られたＤＬＣ膜の研磨面の顕微鏡写真であり、更に図９（ｂ）は図９（ａ）の状態から更に研磨したときのダイヤモンド膜の一部が露出した研磨面の顕微鏡写真である。 図１０（ａ）は図２（ａ）〜（ｅ）の方法により得られたＤＬＣ膜の研磨面の摩擦特性の試験結果を示す図であり、図１０（ｂ）は図９（ｂ）に示すダイヤモンド膜の一部が露出した研磨面の摩擦特性の試験結果を示す図である。 図１１は図９（ｂ）に示す研磨面の耐久性摩擦試験結果を示す図である。 図１２は鏡面の基材の表面にＤＬＣ膜を成膜した試料の耐久性試験の結果を示す図である（比較例）。 実施例によるダイヤモンド膜と潤滑油を使用した場合との摩擦特性の試験結果を示す図である。 基材の表面にコーティングしたＤＬＣ膜の状態を示す図である。

符号の説明

１ 基材 １ａ 粗面
２ ＤＬＣ膜 ３ ダイヤモンド膜
３ａ エッジ ３ｂ 隙間
７ 試料 ８ テストボール
９ 治具

Claims (1)

1. 基材の表面上にダイヤモンド膜を設け、更に該ダイヤモンド膜の表面上に、表面粗さが０．１μｍＲｚ以下であるＤＬＣ膜を全表面に設けたことを特徴とする低摩擦特性と耐剥離性を有する硬質膜の被覆部材。

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