JP6249533B2 - ナノ複合固体潤滑被膜 - Google Patents

Description

本発明は、機械工学、特に、自動車産業、航空機産業、および宇宙産業において、摺動摩擦または回転摩擦を受ける、例えば、ベアリング、チェーン、ピストン、およびジョイントのごとき可動部材の寿命を延長するために使用が可能な固体潤滑マグネトロンスパッタリング物理蒸着（ＭＳ ＰＶＤ）ナノ複合被膜に関する。

ＷＯ２０１２／０７８１５１、ＵＳ２０１３／００８６８８１、あるいはＵＳ２０１３／００８５０８８で開示されているように、通常は、硬質物理蒸着（ＰＶＤ）被膜、例えば、硬度が２０００ＨＶ以上の窒化物被膜、炭化物被膜またはダイアモンド様被膜が、可動部材の寿命を延長するために使用される。硬質被膜は対象表面を保護し、その寿命を引き延ばすが、それらは相対物（摩擦相手）の疲労強度を低下させ、摩耗率（摩耗速度）を増加させる。また、劣化する際に、硬質被膜の破損部分が研磨剤となって劣化を速める［“Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇａｉｎｓｔ Ｗｅａｒ（摩滅から保護する表面被膜）”Ｂ．Ｇ．Ｍｅｌｌｏｒ，Ｗｏｏｄｈｅａｄ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｌｉｍｉｔｅｄ，２００６］。

固体潤滑膜が硬質被膜の代用として利用できる。この数年間、主な注目がアモルファスカーボンと種々な金属（Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、等々）とで成るナノコンポジット群に注がれた［“Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ ａ−Ｃ／Ｃｕ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ（スパッタリングされたａ−Ｃ／Ｃｕ複合薄膜の物理特性と摩擦係数との関係）”Ｊ．Ｍｕｓｉｌ ｅｔ ａｌ．，Ｄｉａｍ．＆Ｒｅｌ．Ｍａｔ．１７（２００８）１９０５−１９１１］。銅−炭素ナノ複合被膜は、高可塑性、低摩擦力、高接着力および高凝集力を示し、その経済性によって特に注目されている［“Ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ／ｃａｒｂｏ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｉｌｍｓ（銅／炭素複合膜の位相組成およびトライボロジー的特性）”Ｗ．Ｇｕｌｂｉｎｗｋｉ ｅｔ ａｌ．，Ｓｕｒｆ．＆Ｃｏａｔ．Ｔｅｃｈ．２００（２００５）２１４６−２１５１］。銅／炭素ナノ複合物は炭素マトリックス内にカプセル封入された銅析出物で成るスポンジ様の展開構造を有する［“Ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｃ−Ｃｕ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ：ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｃａｒｂｏｎ ｍａｔｒｉｘ（同時スパッタリングＣ／Ｃｕ薄膜合成：炭素マトリックス内にカプセル封入された銅析出物の微小構造研究）”Ｔ．Ｃａｂｉｏｃｈ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｉｌ．Ｍａｇ．Ｂ７９（１９９９）５０１−５１６］。結果として、そのような被膜は良好なトライボロジー（摩擦学）的特性を示し、摺動摩擦または回転摩擦を受ける表面の寿命を大きく引き延ばす。純粋銅−炭素ナノ複合被膜の主な弱点はその低硬度であり、それによって高摩耗率であり、重荷重下では利用性が十分ではない。

ＷＯ２０１２／０７８１５１ ＵＳ２０１３／００８６８８１ ＵＳ２０１３／００８５０８８

Ｂ．Ｇ．Ｍｅｌｌｏｒ著，「Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇａｉｎｓｔ Ｗｅａｒ（摩滅から保護する表面被膜）」，Ｗｏｏｄｈｅａｄ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｌｉｍｉｔｅｄ出版，２００６年 Ｊ．Ｍｕｓｉｌ ｅｔ ａｌ．著，「Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ ａ−Ｃ／Ｃｕ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ（スパッタリングされたａ−Ｃ／Ｃｕ複合薄膜の物理特性と摩擦係数との関係）」，Ｄｉａｍ．＆Ｒｅｌ．Ｍａｔ．１７（２００８），１９０５−１９１１ Ｗ．Ｇｕｌｂｉｎｗｋｉ ｅｔ ａｌ．著，「Ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ／ｃａｒｂｏ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｉｌｍｓ（銅／炭素複合膜の位相組成およびトライボロジー的特性）」，Ｓｕｒｆ．＆Ｃｏａｔ．Ｔｅｃｈ．２００（２００５），２１４６−２１５１ Ｔ．Ｃａｂｉｏｃｈ ｅｔ ａｌ．著，「Ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｃ−Ｃｕ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ：ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｃａｒｂｏｎ ｍａｔｒｉｘ（同時スパッタリングＣ／Ｃｕ薄膜合成：炭素マトリックス内にカプセル封入された銅析出物の微小構造研究）」，Ｐｈｉｌ．Ｍａｇ．Ｂ７９（１９９９），５０１−５１６

本発明によって解決される技術問題は、その硬度を増加し、その摩耗率を低下させることで、機械工学分野において利用できるようにＭＳ ＰＶＤ用の銅−炭素ナノ複合被膜を固体潤滑被膜として適応させることである。

本発明によれば、銅粒子を含む炭素マトリックスを含んだナノ複合固体潤滑被膜（ナノコンポジット固体潤滑コーティング）は、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＶから成る群から選択される追加の金属を以下のバルク率（ａｔ．％）で含有する。
炭素・・・・・・・・・・・５〜３５
銅・・・・・・・・・・・・５０〜９０
追加金属・・・・・・・・・５〜１５
銅粒子を含む炭素マトリックスは追加金属の中間層で補強される。銅粒子を含む炭素マトリックスの各層の厚みは３０から１５０ナノメートルの範囲であり、追加金属の各中間層の厚みは５から２０ナノメートルの範囲である。
この被膜の硬度は２００から１０００ＨＶの範囲である。
構成成分の上記バルク率を有したナノ複合固体潤滑被膜が、摩擦係数、摩耗率、凝集力、接着力、および内部応力等の最適なパラメータの組み合わせを提供することが実験的に確認された。被膜の凝集力は、被膜内の炭素バルク濃度が３５ａｔ．％を超えると十分に低下する。９０ａｔ．％を超える銅濃度は硬度の低下と摩擦係数の増加に導く。また被膜内の追加の金属バルク濃度が１５ａｔ．％を超えると、または、炭素バルク濃度が５ａｔ．％を下回ると摩擦係数も十分に増加する。被膜内の追加の金属濃度が５ａｔ．％を超えると摩耗率の顕著な低下が観察される。
純粋銅−炭素ナノ複合物は低硬度であり、重荷重下では崩壊する。追加金属の中間層の導入は、ナノ複合固体潤滑被膜の硬度を顕著に増加させ、その摩耗率を低下させる。厚みが増加した追加金属の中間層の導入は摩擦係数の増加を導く。厚みが１５０ｎｍを超える銅−炭素層は硬度と耐摩耗性の低下を導き、３０ｎｍより薄い銅−炭素層は摩擦係数の増加を導く。

銅粒子の粒径は２０から１００ｎｍの範囲であり、１から１０ｎｍの範囲の厚みを有した炭素マトリックスのナノ層に包まれている。この銅粒子の粒径は、銅−炭素ターゲットの電力密度を介して制御できる。もし銅粒子の粒径が１００ｎｍを超えていれば、それは摩擦係数の増加を導く。もし炭素ナノ層が１０ｎｍより厚ければ、それは被膜内の凝集力の低下を導く。
得られる被膜の硬度は構成要素のバルク率と追加金属の中間層の厚みとによってほぼ決定される。２００ＨＶを下回る硬度を有した被膜は、重荷重下での適用には不向きである。１０００ＨＶを超える硬度は高内部応力を有しており、被膜の接着力と可塑性を低下させ、被覆表面の疲労強度を低下させる。

ナノ複合固体潤滑被膜の厚みは、好適には２．５から１５０マイクロメートルの範囲である。２．５マイクロメートル未満の被膜は被覆表面のトライボロジー的特性に顕著な変化を与えない。被膜の厚みを１５０ｎｍ以上に増加させると凝集力は低下する。

さらに好適には、固体潤滑被膜の厚みは５から１５マイクロメートルの範囲である。この範囲の厚みのナノ複合固体潤滑被膜は、摩擦係数、摩耗率、凝集力、接着力、および内部応力のごときパラメータの最良の組み合わせを提供することが実験的に検証された。

本発明のナノ複合固体潤滑被膜は、少なくとも１種の銅−炭素モザイク状ターゲットと少なくとも１種の追加金属ターゲットとを、４０Ｗ／ｃｍ^２を超える銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度で連続的に使用したマグネトロンスパッタリング物理蒸着（ＭＳ ＰＶＤ）法により製造できる。そのような高電力密度は、銅および炭素のごとき異なる材料のスパッタリング率を均等させる可能性を提供し、所望の構造および特性を備えた銅−炭素層を製造するのに必要である。被膜内の銅と炭素との得られるバルク率はモザイク状ターゲットのエロージョン領域の銅と炭素との表面積比と同じであることは実験的に確認されている。モザイク状ターゲットの使用は、グラファイト内へのＣｕ原子注入による炭素のスパッタリング率の増加を導き、結果的に製造効率を高め、コストの低減を導く。

本発明は図面により図示されている。

図１は、ナノ複合固体潤滑被膜の層の概略図である。 図２は、銅粒子を含有した炭素マトリックス層の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像である。

以下で本発明を実施例により説明する。

＜実施例１＞
ギヤホイールが、４つの銅−炭素モザイク状ターゲット（１４％炭素表面積）および２つのジルコニウムターゲットと共に２回回転真空チャンバ内に入れられた。このギヤホイールは、１１マイクロメートル厚のナノ複合固体潤滑被膜で、アルゴン（９９．９９９％）による２．８ｍＴｏｒｒ（ミリトール）の圧力下において４０分間、基板とターゲットとの間の距離を４０−６０ｍｍにしてＭＳ ＰＶＤ法により被覆された。蒸着加工時には−１００Ｖのバイアス電圧が使用された。銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度は１１５Ｗ／ｃｍ^２であり、ジルコニウムターゲットの電力密度は６０Ｗ／ｃｍ^２であった。被膜内の成分要素はバルク率ａｔ．％にて以下のごとくであった（蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く）。
炭素 １４
銅 ８０
追加金属（ジルコニウム） ６

ナノ複合固体潤滑被膜は、ジルコニウムと、銅粒子を含んだ炭素のマトリックスとの交互層であった。被膜断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の調査は、それぞれのジルコニウム層の厚みが５から１０ｎｍの範囲であり、それぞれの銅−炭素層の厚みが８０から９０ｎｍの範囲であることを示した。ギヤホイールはナノ複合固体潤滑被膜で被覆され、ＨＦ２の接着力、７００ＨＶの硬度、１０^−１６ｍ^３／Ｎ・ｍ未満の摩耗率、乾燥条件下で０．２１の摩擦係数、オイル環境下で０．０７の摩擦係数を示した。
ナノ複合固体潤滑被膜の層は図面（図１）に概略的に図示されている。そこでは、銅粒子２を含んだ炭素マトリックス１が追加金属の中間層３によって補強されている。

＜実施例２＞
１００Ｃｒ６製のシムが、２つの銅−炭素モザイク状ターゲット（２６％炭素表面積）と１つのチタンターゲットとを使用して、アルゴン（９９．９９９％）による３．０ｍＴｏｒｒの圧力下で７０分間、基板とターゲットとの間の距離を３０−４０ｍｍとして、ＭＳ ＰＶＤ法により被覆された。得られたナノ複合固体潤滑被膜は１０マイクロメートル厚であり、銅粒子の粒径は４０から８０ｎｍであった。蒸着加工時には−１００Ｖのバイアス電圧が使用された。銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度は１００Ｗ／ｃｍ^２であり、チタンターゲットの電力密度は６０Ｗ／ｃｍ^２であった。蒸着されたナノ複合固体潤滑被膜は以下のバルク率ａｔ．％にて以下の構成要素を含んだ（蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く）。
炭素 ２３
銅 ６７
追加金属（チタン） １０

この１００Ｃｒ６製シムはナノ複合固体潤滑被膜で被覆され、摩耗率１０^−１６ｍ^３／Ｎ・ｍ未満、乾燥摩擦係数０．２、およびオイル環境での摩擦係数０．０８を有した。図２は、銅粒子２を含んだ炭素マトリックス層のＴＥＭ画像を図示しており、銅粒子２は炭素マトリックス（本縮尺度では非可視）ナノ層で包まれている。

＜実施例３＞
１００Ｃｒ６製のシムが、アルゴン（９９．９９９％）による２．８ｍＴｏｒｒの圧力下において４０分間、基板とターゲットとの間の距離を４０−６０ｍｍにして６．５マイクロメートル厚のナノ複合固体潤滑被膜でＭＳ ＰＶＤ法により被覆された。蒸着加工時には−１００Ｖのバイアス電圧が使用された。２つの銅−炭素モザイク状ターゲット（１８％炭素表面積）と１つのモリブデンターゲットとが使用された。銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度は１１５Ｗ／ｃｍ^２であり、モリブデンターゲットの電力密度は５０Ｗ／ｃｍ^２であった。構成要素のバルク率はａｔ．％にて以下のごとくであった（蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く）。
炭素 １７
銅 ７８
追加金属（モリブデン） ５

１００Ｃｒ６製シムはナノ複合固体潤滑被膜で被覆され、非常に高い乾燥摩擦係数０．７と、１０^−１１ｍ^３／Ｎ・ｍを超える摩耗率を有した。従って、モリブデンは追加金属の役割には不適であることが分かった。

＜実施例４＞
１００Ｃｒ６製のシムが、２つの銅−炭素モザイク状ターゲット（１８％炭素表面積）と１つのチタンターゲットとを使用して、アルゴン（９９．９９９％）による３．０ｍＴｏｒｒの圧力下にて７０分間、基板とターゲットとの間の距離を３０−４０ｍｍとしてＭＳ ＰＶＤ法により被覆された。得られたナノ複合固体潤滑被膜は１４マイクロメートル厚であった。蒸着加工時には−１００Ｖのバイアス電圧が使用された。１４０Ｗ／ｃｍ^２までの銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度が使用された。そのような高電力密度は、蒸着されたナノ複合物のさらに繊細な構造を導いた。そこでは銅粒子の粒径は２０から４０ｎｍの範囲であり、炭素マトリックスのナノ層は１から３ｎｍの範囲の厚みを有した。蒸着されたナノ複合固体潤滑被膜は以下のバルク率ａｔ．％にて以下の構成要素を含んだ（蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く）。
炭素 １８
銅 ７６
追加金属（チタン） ６

被膜断面のＳＥＭ画像の調査は、それぞれのチタン層の厚みが５から８ｎｍの範囲であり、それぞれの銅−炭素層の厚みが１００から１３０ｎｍの範囲であることを示した。１００Ｃｒ６製シムはナノ複合固体潤滑被膜で被覆され、乾燥摩擦係数０．１６とオイル環境下での摩擦係数０．０５を有した。
本発明は、増加した硬度と低下した摩耗率とを有し、固体潤滑被膜として機械工学で利用できるように適応されたＭＳ ＰＶＤ法による銅−炭素ナノ複合被膜を提供する。

＜実施例５＞
エンジンンチェーンのピンが２つの銅−炭素モザイク状ターゲット（２６％炭素表面積）と２つのチタンターゲットと共に２回回転真空チャンバ内に入れられた。ピンは、ナノ複合固体潤滑被膜がアルゴン（９９．９９９％）による２．８ｍＴｏｒｒの圧力にて１５分間、基板とターゲットとの間の距離を６０−８０ｍｍとしてＭＳ ＰＶＤ法により被覆された。銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度は１００Ｗ／ｃｍ^２であり、チタンターゲットの電力密度は７０Ｗ／ｃｍ^２であった。蒸着されたナノ複合固体潤滑被膜は３マイクロメートルの厚みを有しており、以下のバルク率ａｔ．％にて以下の構成要素を含んだ（蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く）。
炭素 １７
銅 ５７
追加金属（チタン） ２６

エンジンチェーンのピンはナノ複合固体潤滑被膜で被覆され、硬度８００ＨＶと乾燥環境下での摩擦係数０．５を有した。その高摩擦係数のためにエンジンチェーンの寿命の延長は微々たるものであるため、１５ａｔ．％を超えるチタン濃度の被膜は摩擦学的適用には不適であると考えられた。

＜実施例６＞
エンジンンチェーンのブッシュが２つの銅−炭素モザイク状ターゲット（２６％炭素表面積）と１つのチタンターゲットと共に２回回転真空チャンバ内に入れられた。ナノ複合固体潤滑被膜が、アルゴン（９９．９９９％）による２．８ｍＴｏｒｒの圧力下にて４０分間、基板とターゲットとの間の距離を６０−８０ｍｍにしてブッシュにＭＳ ＰＶＤ法により被覆された。銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度は１００Ｗ／ｃｍ^２であり、チタンターゲットの電力密度は６０Ｗ／ｃｍ^２であった。蒸着されたナノ複合固体潤滑被膜は５マイクロメートルの厚みを有しており、以下のバルク率ａｔ．％にて以下の構成要素を含んだ（蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く）。
炭素 ２３
銅 ６７
追加金属（チタン） １０

エンジンチェーンのブッシュはナノ複合固体潤滑被膜で被覆され、硬度４６０ＨＶ、摩耗率１０^−１７ｍ^３／Ｎ・ｍ未満、オイル環境下での摩擦係数０．０９を有し、チェーンの寿命を２．５倍に延長した（非被覆ブッシュとの比較）。

＜実施例７＞
ベアリングの内側リングと外側リングが、３つの銅−炭素モザイク状ターゲット（１８％炭素表面積）と１つのチタンターゲットにより真空チャンバ内で被覆された。ナノ複合固体潤滑被膜が、アルゴン（９９．９９９％）による３ｍＴｏｒｒの圧力下にて６５分間、銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度１２０Ｗ／ｃｍ^２と、チタンターゲットの電力密度６０Ｗ／ｃｍ^２でＭＳ ＰＶＤ法によりベアリングリングに被覆された。蒸着されたナノ複合固体潤滑被膜は１５マイクロメートルの厚みを有し、以下の構成要素を以下のバルク率ａｔ．％で含んだ（蒸着後に被膜表面周囲から採り込まれた酸素を除く）。
炭素 １７
銅 ７７
追加金属（チタン） ６

ベアリングの内側リングと外側リングはナノ複合固体潤滑被膜で被覆され、硬度３１０ＨＶ、摩耗率１０^−１６ｍ^３／Ｎ・ｍ未満、乾燥摩擦係数０．１７、およびオイル環境下での摩擦係数０．０６を有した。

本発明は増加した硬度と低下した摩耗率を有し、固体潤滑被膜として機械工学で利用できるように適応されたＭＳ ＰＶＤ法による銅−炭素ナノ複合被膜を提供する。

Claims (5)

1. 銅粒子を含む炭素マトリックスを含んだナノ複合固体潤滑被膜であって、ＴｉまたはＺｒから成る追加の金属を以下のバルク率ａｔ．％で含有しており、
   炭素 ５〜３５
   銅 ５０〜９０
   追加金属 ５〜１５
   銅粒子を含む前記炭素マトリックスは前記追加金属の中間層で補強されており、
   銅粒子を含む前記炭素マトリックスの各層の厚みは３０から１５０ナノメートルの範囲であり、前記追加金属の各中間層の厚みは５から２０ナノメートルの範囲であり、
   前記ナノ複合固体潤滑被膜の硬度は、２００から１０００ＨＶの範囲である、
   ことを特徴とするナノ複合固体潤滑被膜。
2. 前記銅粒子の粒径は２０から１００ナノメートルの範囲であり、前記銅粒子は１から１０ナノメートルの範囲の厚みを有した前記炭素マトリックスのナノ層に包まれている、
   請求項１記載のナノ複合固体潤滑被膜。
3. 前記ナノ複合固体潤滑被膜の厚みは、２．５から１５０マイクロメートルの範囲である、
   請求項１または２記載のナノ複合固体潤滑被膜。
4. 前記ナノ複合固体潤滑被膜の厚みは、５から１５マイクロメートルの範囲である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のナノ複合固体潤滑被膜。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のナノ複合固体潤滑被膜のマグネトロンスパッタリング物理蒸着法であって、
   少なくとも１つの銅−炭素モザイク状ターゲットと、少なくとも１つの追加の金属ターゲットとが、４０Ｗ／ｃｍ^２から２５０Ｗ／ｃｍ^２の範囲の前記銅−炭素モザイク状ターゲットの電力密度で連続的に使用されることを特徴とする方法。