JP6298019B2

JP6298019B2 - 摺動部材の製造方法

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Publication number: JP6298019B2
Application number: JP2015148058A
Authority: JP
Inventors: 和幹眞鍋; 梅原　徳次; 徳次梅原; 上坂　裕之; 裕之上坂; 貴文服部
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Current assignee: Nagoya University NUC; Toyota Motor Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2035-07-27
Also published as: JP2017025396A; US20170029932A1; DE102016113664A1

Description

本発明は、摺動面に窒素を含有した非晶質炭素皮膜が形成された摺動部材及びその製造方法に係り、特に、非晶質炭素皮膜の表面を摺動面として、該摺動面に潤滑油の環境下で摺動するに好適な摺動部材及びその製造方法に関する。

従来から、自動車産業などの我が国の基幹産業において、トライボロジーは重要な役割を担っている。例えば、自動車産業においては、現在、地球環境保全のため、自動車から排出される二酸化炭素の削減を目指してさまざまな取り組みが行われており、その一例としてハイブリットシステムなどのエネルギー効率の良い動力源の開発が良く知られている。しかし更なる低燃費を目指すためには、動力源の開発だけでなくエンジン内部および駆動系における摩擦によるエネルギーの伝達ロスの低減が重要な課題となる。

前記課題を鑑みて、動力系機器における摺動部材の摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、構造用鋼あるいは高合金鋼からなる摺動部材の摺動面に被覆する新たなトライボロジー材料としての非晶質炭素材料（ＤＬＣ）が注目されている。

このような非晶質炭素材料を利用した摺動部材の製造方法の一例として、例えば特許文献１には、基材の表面に、窒素を含有した非晶質炭素皮膜を成膜する摺動部材の製造方法が提案されている。この製造方法では、基材の表面に向けて窒素イオンビームを照射すると共に、非晶質炭素皮膜の表面に複数の突起部が形成されるように、炭素ターゲットに電子ビームを照射することにより、炭素ターゲットが蒸発した炭素粒子を基材の表面に蒸着させながら非晶質炭素皮膜を成膜している。

これにより、得られた摺動部材の非晶質炭素皮膜の表面には、複数の突起部が形成され、突起部は、突起部以外の非晶質炭素皮膜の表面よりも軟質となる。非晶質炭素皮膜の表面のうち、各突起部の硬度は、１２ＧＰａ以下であり、それ以外の表面は１４〜３０ＧＰａの範囲にある。このように、非晶質炭素皮膜の表面に軟質の突起部を設けることにより、無潤滑状態において、摺動部材の摩擦特性を向上させることができる。

特開２０１３−５７０９３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された摺動部材を潤滑油が存在する高荷重環境下で用いた場合、摺動面に形成された突起部により、摺動面の油膜の形成が阻害されることがある。この結果、摺動時に、摺動部材の摩耗量が増大し、摺動部材の摩擦係数が増大するおそれがある。

さらに、この突起部は、成膜時に付着した炭素ターゲット由来の比較的大きな炭素粒子（ドロップレット）であるため、摺動後に突起部が摩滅した後も、非晶質炭素皮膜には軟質の部分が存在する。この結果、高荷重環境下で摺動部材を摺動させた場合、潤滑油が存在する環境下であっても摺動部材の摩耗量が増大してしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、潤滑油が存在する高荷重条件下で摺動部材を摺動させたとしても、摺動部材の摺動面に形成された非晶質炭素皮膜の摩耗量と摩擦係数を低減することができる摺動部材およびその製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑み、本発明に係る摺動部材の製造方法は、基材の表面に窒素を含有した非晶質炭素皮膜が形成され、該非晶質炭素皮膜の表面を摺動面として、該摺動面に潤滑油が存在する環境下で摺動する摺動部材の製造方法であって、前記非晶質炭素皮膜の窒素含有量が２〜１１原子％となるように、前記基材の表面に向けて窒素イオンビームを照射しながら、フィルタードアークデポジション法により基材の表面に炭素を蒸着させることにより、前記窒素を含有した非晶質炭素皮膜を成膜することを特徴とする。

本発明によれば、フルタードアークディポジション法（ＦＡＤ法）による偏向磁場によって、粗大な炭素粒子を分離して基材の表面に炭素を蒸着させることができる。これにより、基材の表面には、ドロップレットを有しない平滑な表面（摺動面）が形成された非晶質炭素皮膜を得ることができる。また、プラズマ化された炭素からなる炭素イオンビームの蒸着により成膜された非晶質炭素皮膜は、たとえば特許文献１に示す方法により成膜されたものに比べて、硬質な皮膜であり、その皮膜には、窒素を２〜１１原子％含有している。

このような非晶質炭素皮膜が形成された摺動部材を摺動させた時、摺動面である非晶質炭素皮膜の表面の窒素が脱離し、その摺動面にはグラファイトの如き構造変化層が形成される。これにより、潤滑油が存在する高荷重の環境下で、摺動部材を摺動させたとしても、この構造変化層により、摺動部材の摩擦係数が低減される。

特に、非晶質炭素皮膜のうち、摺動時に形成された構造変化層の下地となる層は、従来のよりも硬い硬質層であるため、構造変化層と硬質層の硬度差が大きい。これにより、摺動時に構造変化層による馴染み効果がより顕著に発現され、摺動部材の低摩擦を発現するとともに、その耐摩耗性を高めることができる。

ここで、非晶質炭素皮膜の窒素含有量が２原子％未満である場合には、摺動時に脱離する窒素が少ないため、上述した構造変化層が形成され難い。このため、摺動部材の摩擦係数の低減を十分に図ることができない。

一方、非晶質炭素皮膜の窒素含有量が１１原子％を超える非晶質炭素皮膜は成膜し難い。また、このような非晶質炭素皮膜が仮に成膜できたとしても、非晶質炭素皮膜の硬度が低下するため、構造変化層と硬質層との硬度差により発現される構造変化層の馴染み効果が十分に発現できない。

より好ましい態様としては、前記窒素含有量が１０〜１１原子％となるように、前記非晶質炭素皮膜の成膜を行う。後述する発明者らの実施例からも明らかなように、非晶質炭素皮膜に含有する窒素含有量を１０〜１１原子％にすることで、上述した摩耗量の低減と摩擦係数の低減をより一層高めることができる。

本発明として、以下に示す摺動部材をさらに開示する。本発明による摺動部材は、基材の表面に窒素を含有した非晶質炭素皮膜が形成され、該非晶質炭素皮膜の表面を摺動面として、該摺動面に潤滑油が存在する環境下で摺動する摺動部材であって、前記非晶質炭素皮膜の窒素含有量が２〜１１原子％であり、前記非晶質炭素皮膜の表面の硬度は、２５〜８０ＧＰａの範囲にある。

本発明に係る摺動部材によれば、摺動部材を摺動させた時に、摺動面である非晶質炭素皮膜の表面の窒素が脱離して、その摺動面にはグラファイトの如き構造変化層が形成される。これにより、潤滑油が存在する高荷重の環境下で、摺動部材を摺動させたとしても、摺動面に形成された構造変化層により、摺動部材の摩擦係数が低減される。

特に、非晶質炭素皮膜のうち、摺動時に形成された構造変化層の下地となる層は、２５〜８０ＧＰａの硬度を有した硬質層であるため、構造変化層と硬質層の硬度差が大きい。これにより、摺動時に構造変化層による馴染み効果が顕著に発現され、摺動部材の低摩擦を発現するとともに、その耐摩耗性を高めることができる。ここで、硬度が２５ＧＰａ未満の非晶質炭素皮膜では、上述した硬度差による馴染み効果を期待することができず、硬度が８０ＧＰａを超えた非晶質炭素皮膜を成膜することは難しい。

なお、ここで、本発明でいう「非晶質炭素皮膜の表面の硬度が２５〜８０ＧＰａの範囲にある」とは、非晶質炭素皮膜の表面のすべての箇所において、その硬度が２５〜８０ＧＰａの範囲にあることをいう。

より好ましい態様としては、前記窒素含有量が１０〜１１原子％である。後述する発明者らの実施例からも明らかなように、非晶質炭素皮膜に含有する窒素含有量を１０〜１１原子％にすることで、上述した摩耗量の低減と摩擦係数の低減をより一層高めることができる。

本発明によれば、潤滑油が存在する高荷重条件下で摺動部材を摺動させたとしても、摺動部材の摺動面に形成された非晶質炭素皮膜の摩耗量と摩擦係数を低減することができる。

本発明の実施形態に係る摺動部材を製造するための製造装置の模式的概略図である。（ａ）は、摺動前の摺動部材の非晶質炭素皮膜の状態を示した図であり、（ｂ）は、摺動中の摺動部材の非晶質炭素皮膜の状態を示した図である。実施例２〜６、比較例１、および参考例１に係る摺動部材の非晶質炭素皮膜の窒素含有量と、非晶質炭素皮膜の硬さとの関係を示した図である。（ａ）は、ボールオンディスク摩擦摩耗試験機を説明するための模式的側面図、（ｂ）は、（ａ）の上面図である。（ａ）は、実施例１〜６および比較例１、２に係る摺動部材（ボール試験片）の摩擦サイクル３０００回時の摩擦係数を示した図であり、（ｂ）は、実施例１〜６および比較例１、２に係る摺動部材（ボール試験片）のボールオンディスク摩擦摩耗試験後の比摩耗量を示した図である。実施例４および比較例１〜３に係る摺動部材（ボール試験片）の摩擦係数の変化を示した図である。（ａ）は、実施例４および比較例１に係る摺動部材（ボール試験片）の摩擦サイクル３０００回時の摩擦係数を示した図であり、（ｂ）は、実施例４および比較例１に係る摺動部材（ボール試験片）のボールオンディスク摩擦摩耗試験後の比摩耗量を示した図である。（ａ）は、ボールオンディスク摩擦摩耗試験後の比較例１に係る摺動部材（ディスク試験片）の摺動面を示した図であり、（ｂ）は、ボールオンディスク摩擦摩耗試験後の実施例４に係る摺動部材（ディスク試験片）の摺動後の摺動面を示した図である。ブロックオンリング摩耗摩擦試験機を説明するための模式的側面図である。実施例４および比較例２に係る摺動部材（ブロック試験片）のブロックオンリング摩擦摩耗試験時の摩擦係数の変化を示した図である。（ａ）は、ブロックオンリング摩擦摩耗試験後の比較例２に係る摺動部材（ブロック試験片）の摺動面を示した図であり、図１１（ｂ）は、ブロックオンリング摩擦摩耗試験後の実施例４に係る摺動部材（ブロック試験片）の摺動面を示した図である。

以下の本発明の実施形態に係る摺動部材及びその製造方法を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る摺動部材を製造するための製造装置５０の模式的概略図である。

本実施形態で製造する摺動部材１０は、基材１１の表面に窒素を含有した非晶質炭素皮膜（非晶質窒化炭素皮膜、以下ＣＮｘ皮膜という）１２が形成された摺動部材である。摺動部材１０は、ＣＮｘ皮膜１２の表面を摺動面として潤滑油が存在する環境下で摺動する。

本実施形態に係る摺動部材１０の製造方法では、ＣＮｘ皮膜１２の窒素含有量が２〜１１原子％となるように、基材１１の表面に向けて窒素イオンビームＢ２を照射しながら、フィルタードアークデポジション法で生成された炭素イオンビームＢ１により、基材１１の表面に炭素を蒸着させる。これにより、基材１１の表面にＣＮｘ皮膜１２を成膜する。

本実施形態で用いられる製造装置５０は、図１に示すように、一般的に用いられるＴ字型のフィルタードアークデポジション（ＦＡＤ）成膜装置３０とマイクロ波イオン源４１を組み合わせたダイナミックミキシング成膜装置である。

以下に、摺動部材１０の製造方法を説明する。まず、摺動部材１０の基材１１を準備する。この基材１１の材質としては、例えば、鋼、鋳鉄、アルミニウム、高分子樹脂、シリコン等の基材などを挙げることができる。摺動時においてＣＮｘ皮膜との密着性を確保することができるような材質および表面硬さを有する材料であれば、特に限定されるものではない。

基材１１の表面には、ＣＮｘ皮膜を成膜前に、基材１１とＣＮｘ皮膜１２との密着力を高めるために、ケイ素（Ｓｉ）からなる中間層を設けてもよく、さらにケイ素の代わりに、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）またはタングステン（Ｗ）を用いてもよい。

次に、製造装置５０を用いて、基材１１の表面にＣＮｘ皮膜１２を成膜する。まず、成膜装置３０のアノード３３に対向する位置にカソードとなる炭素ターゲットＧを配置する。一方、ＣＮｘ皮膜１２が成膜される基材１１をステージ５１に配置する。

次に、第１ガス供給口３２からアルゴンガスを供給しながら、炭素ターゲットＧに向かって、電源部３８によりトリガー抵抗３９を介してアーク放電を発生させる。この時、アーク放電によりプラズマが発生し、炭素ターゲットＧの炭素はイオン化する。

得られた炭素イオンビームＢ１に、Ｔ字型のダクト３７の外側に配置された電磁コイル３５Ａ〜３５Ｃおよび電源３４による磁場と電場を作用させ、炭素イオンをダクト３７を介して基材１１に搬送する。このとき、ステージ５１に配置された基材１１に電源７０により負のバイアス電圧を印加する。これにより、フィルタードアークデポジション法により、基材１１に炭素イオンビーム蒸着を行う。

一方、基材１１に炭素イオンビーム蒸着を行う際に、製造装置５０に第２ガス供給口４２から窒素ガスを供給し、マイクロ波イオン源４１を用いて窒素イオンビームＢ２を、成膜される基材１１の表面に向かって照射する。これにより、基材１１の表面に、非晶質炭素に窒素がドープされたＣＮｘ皮膜１２を簡単に成膜することができる。ここで、製造装置５０に導入する窒素分圧を制御することにより、ＣＮｘ皮膜１２の窒素含有量を２〜１１原子％にすることができる。

なお、図示しないが、本実施形態では、より均質ＣＮｘ皮膜１２を成膜するために、ステージに回転機構を設け、回転機構に連結されたモータの回転は、ばねを介して炭素軸受に支持された基材１１に伝達される。

本実施形態では、電磁コイル３５Ａ〜３５Ｃによるダクト３７内に偏向磁場により、アーク放電時に発生した炭素ターゲットＧに由来した粗大な炭素粒子は、Ｔ字型のダクト３７のドロップレット収集部３６で分離される（μ−ＴＦＡＤ法）。これにより、粗大粒子（ドロップレット）を含まない平滑なＣＮｘ皮膜１２が、基材１１の表面に成膜される。

また、成膜されたＣＮｘ皮膜１２は、ｓｐ^３結合の比率の高い、水素フリーの硬質な皮膜となる。具体的には、ＣＮｘ皮膜１２の窒素含有量が２〜１１原子％であるにも拘わらず、ＣＮｘ皮膜の表面の硬度が２５〜８０ＧＰａの範囲で、ＣＮｘ皮膜の膜密度は、２．３〜３．５ｇ／ｃｍ^３の範囲となる。

このようにして、本実施形態では、フィルタードアークデポジション法による炭素イオンビーム（フィルタードアークプラズマビーム）Ｂ１による炭素の蒸着と、マイクロ波イオン源４１を用いた窒素イオンビームＢ２の照射を、ステージ５１に配置された基材１１に対して同時行う。これにより、図２（ａ）に示すように、ドロップレットを有しない平滑な表面を有し、窒素を含有した高硬度のＣＮｘ皮膜１２が成膜される。

ここで、図２（ｂ）に示すように、ＣＮｘ皮膜１２が形成された摺動部材１０を摺動させた時には、摺動面であるＣＮｘ皮膜１２の表面の窒素が脱離し、その摺動面にグラファイトの如き構造変化層１２ａ（層厚さ１０〜２０ｎｍ）が形成される。

具体的には、構造変化層１２ａの形成の過程で、ＣＮｘ皮膜１２に含まれる各元素同士結合を切断するエネルギーが、相手材１３との摩擦により与えられる。このような結合の切断により、未結合となった各原子間では再結合が繰り返される。これにより、窒素原子は窒素ガスとなってＣＮｘ皮膜１２から外へ放出され、炭素はＣ＝Ｃ結合（炭素の二重結合）となって、ＣＮｘ皮膜１２中に残留する。

このような結果、潤滑油が存在する高荷重の環境下で、摺動部材１０を摺動させたとしても、摺動面にはグラファイトの如き構造変化層１２ａが形成されているので、この構造変化層１２ａが馴染み層となって、摺動部材１０の摩擦係数が低減される。

さらに、ＣＮｘ皮膜１２のうち、摺動時に形成された構造変化層１２ａの下地となる層は、これまでの成膜方法で成膜したＣＮｘ皮膜よりも硬い（具体的には２５〜８０ＧＰａの硬度を有した）硬質層（下地層）１２ｂである。そのため、構造変化層１２ａと硬質層１２ｂとの硬度差が大きい。このような結果、摺動時に構造変化層１２ａによる馴染み効果がより顕著に発現され、摺動部材１０の低摩擦を発現するとともに、その耐摩耗性を高めることができる。

ここで、ＣＮｘ皮膜１２の窒素含有量が２原子％未満である場合には、摺動時に脱離する窒素が少ないため、上述した構造変化層１２ａが形成され難い。このため、摺動部材１０の摩擦係数の低減を十分に図ることができない。一方、窒素含有量が１１原子％を超えたＣＮｘ皮膜は、成膜し難く、仮に成膜できたとしても、構造変化層１２ａと硬質層１３ｂとの硬度差により発現される構造変化層１２ａの馴染み効果が十分に発現できない。

さらに、硬度が２５ＧＰａ未満の非晶質炭素皮膜では、上述した硬度差による馴染み効果を期待することができず、硬度が８０ＧＰａを超えた非晶質炭素皮膜を成膜することは難しい。

特に、本実施形態の如くＣＮｘ皮膜１２の窒素含有量が１０〜１１原子％である場合には、摩耗量の低減と摩擦係数の低減をより一層高めることができる。

以下に、本発明を実施例により説明する。

（実施例１）
＜摺動部材の製作＞
フィルタードアークプラズマビーム法（ＦＡＤ法）とマイクロ波イオン源による窒素イオンビーム照射を組み合わせたダイナミックミキシング法により、基材の窒素を含有した非晶質炭素皮膜（ＣＮｘ皮膜）を成膜した。成膜には、上述した図１に示す成膜装置と同等の成膜装置を用いた。

まず、基材として、後述する試験片の形状に応じた基材（ＪＩＳ規格：ＳＵＪ２）を準備した。この基材と炭素ターゲットを真空チャンバ内に配置し、チャンバ内を、２．０〜４．０×１０^−３Ｐａとなるように、ターボモレキュラーポンプで、真空チャンバ内の空気を排気した。そして、基材が設置されたステージに、２０℃の冷却水を循環させて、基材の温度を一定に保持した。

次に、窒素イオン発生源への窒素ガスの流量０．４４ｓｃｃｍ、その分圧を３．０７×１０^−２Ｐａとし、アシスト窒素イオンの加速電圧が加速電圧：−１００Ｖ（４８ｍＡ）となり、窒素アシストイオンのマイクロ波出力１４２Ｗ（反射出力：５５Ｗ）となるように、窒素イオンビーム発生源を調整した。この調整した状態の窒素イオンビームを基材の表面に向けて照射すると共に、アルゴンガスを８ｓｃｃｍ流し、炭素ターゲットに、印加電圧−１００Ｖ、印加電流３０Ａの条件で、アーク放電を発生させ、炭素ターゲットの炭素がプラズマによりイオン化した炭素イオンビームを、バイアス電圧−１００Ｖに印加した基材の表面に１０分間照射した。これにより、厚さ０．５μｍの窒素含有量２原子％のＣＮｘ皮膜を基材の表面に成膜した。

（実施例２）
実施例１と同じように、摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、窒素ガスの分圧を変更することにより、表１に示すようにＣＮｘ皮膜に含まれる窒素含有量を４原子％にした点である。

（実施例３）
実施例１と同じように、摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、窒素ガスの分圧を変更することにより、表１に示すようにＣＮｘ皮膜に含まれる窒素含有量を５原子％にした点である。

（実施例４）
実施例１と同じように、摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、窒素ガスの分圧を変更することにより、表１に示すようにＣＮｘ皮膜に含まれる窒素含有量を８原子％にした点である。

（実施例５）
実施例１と同じように、摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、窒素ガスの分圧を変更することにより、表１に示すようにＣＮｘ皮膜に含まれる窒素含有量を１０原子％にした点である。

（実施例６）
実施例１と同じように、摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、窒素ガスの分圧を変更することにより、表１に示すようにＣＮｘ皮膜に含まれる窒素含有量を１１原子％にした点である。

（比較例１）
実施例１と同じように、摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、表１に示すように、特許文献１に示すイオンビームアシスト蒸着法（ＩＢＡＤ法）により、ＣＮｘ皮膜に含まれる窒素含有量を７．４原子％にして、ＣＮｘ皮膜を成膜した点である。

具体的には、基材の表面に向けて窒素イオンビームを照射すると共に、炭素ターゲットに、電子ビーム蒸着の電子ビームの出力を、電圧１０ｋＶに調節した電子ビームを照射し、炭素ターゲットの一部を溶融及び蒸発させて、この蒸発した炭素ターゲットの一部を、窒素イオンビームが照射された基材の表面に蒸着させた。なお、比較例１では、窒素含有量を制御すること容易ではなく、窒素含有量は一水準である。

（比較例２）
基材の表面に、ＰＶＤ法により、窒素を含有せず、水素が含有した非晶質炭素皮膜（ＤＬＣ皮膜）が形成された摺動部材（日本アイ・ティ・エフ株式会社製）を準備した。

（比較例３）
実施例１と同じように、摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、表１に示すように、窒素を含有していない非晶質炭素皮膜（ＤＬＣ皮膜）をアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）により、成膜した点である。

（参考例１）
実施例１と同じように、摺動部材を作製した。実施例１と相違する点は、窒素イオンビームを照射せず、基材の表面に窒素含有量を０原子％にした、すなわち窒素を含有していない非晶質炭素皮膜（ＤＬＣ皮膜）を成膜した点である。

＜硬度試験＞
実施例２〜６、比較例１に係る摺動部材のＣＮｘ皮膜、および、参考例１に係るＤＬＣ皮膜の硬度を測定した。具体的にはこれらの表面をＨｙｓｉｔｒｏｎ社製ＡＦＭナノインデンターにより押し込み硬度を測定をした場合の荷重変位曲線を求め、本荷重変位曲線より、塑性変形による押し込み痕の投影面積を算出し、最大押し込み荷重を押し込み痕の投影面積で除することでこれらの硬度を算出した。

［結果１］
この結果から、参考例１および実施例２〜６に示すように、窒素含有量の増加にともない、皮膜の硬度は減少した。しかしながら、比較例１の如く、ＩＢＡＤ法により得られたＣＮｘ皮膜と比較すると、窒素含有量同等で、硬度が約５倍に増加していることがわかる。

また、参考例１および実施例２〜６の結果から、窒素含有量が２〜１１原子％のＣＮｘ皮膜を成膜した際には、その硬度として２５〜８０ＧＰａ程度の硬度を有したＣＮｘ皮膜を成膜することができることが解った（図３参照）。

＜ボールオンディスク摩擦摩耗試験１＞
図４（ａ）、（ｂ）に示す、試験機を用いてボールオンディスク摩擦摩耗試験を行った。実施例１〜６および比較例１、２に係る摺動部材となるボール試験片を準備した。具体的には、直径８ｍｍ、ＳＵＪ２（ＪＩＳ規格）からなる球体に、実施例１〜６および比較例１、２に対応した、ＣＮｘ皮膜またはＤＬＣ皮膜を成膜した。相手材としてＳＵＪ２からなるディスク試験片を準備した。

次に、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ボールホルダーに固定したボール試験片をひずみゲージの貼り付けてある梁に固定した。この梁を鉛直方向へ移動させ、ボール試験片の先端を回転ステージ上に固定されたディスク試験片の表面に接触させて、垂直荷重を与えた。垂直荷重を０．３Ｎ（Ｈｅｒｔｚの平均接触面圧は約１５０〜２５０ＭＰａ）とし、すべり速度を３．１４×１０^−２ｍ／ｓとし、摺動面に潤滑油（ＰＡＯ）が存在する環境下で、この試験を実施した。

このときの摩擦力をロードセルで測定し、摩擦力を垂直荷重で除した値から、実施例１〜６および比較例１、２に係る摺動部材（ボール試験片）の摩擦係数を算出した。さらに、実施例１〜６および比較例１、２に係る摺動部材（ボール試験片）の比摩耗量を測定した。この結果を、図５（ａ），（ｂ）および表１に示す。

図５（ａ）は、実施例１〜６および比較例１、２に係る摺動部材（ボール試験片）の摩擦サイクル３０００回時の摩擦係数を示した図である。図５（ｂ）は、実施例１〜６および比較例１、２に係る摺動部材（ボール試験片）のボールオンディスク摩擦摩耗試験後の比摩耗量を示した図である。

［結果２］
図５（ａ），（ｂ）に示すように、実施例１〜６の摺動部材の摩擦係数と比摩耗量は、比較例１、２のものよりも小さかった。また、実施例１〜３の摺動部材の摩擦係数および比摩耗量は、この順に増加した。すなわち、窒素含有量が２〜５原子％の場合には、窒素含有量の増加に伴い、摩擦係数および比摩耗量はともに増加した。

実施例４に係る摺動部材は、摩擦係数が最大であり、実施例４〜６の摺動部材の摩擦係数は、この順に減少し、これらの比摩耗量は、実施例１〜３のいずれのものよりも小さかった。すなわち、窒素含有量が８原子％〜１１原子％の場合には、窒素含有量の増加に伴い、摩擦係数は減少傾向にあり、比摩耗量はほぼ一定値であった。

この結果から、実施例４〜６に示すように、ＣＮｘ皮膜に含有する窒素含有量が２〜１１原子％の範囲では、摺動部材の摩擦係数および比摩耗量が低減されると言える。さらに、実施例５および６に示すように、ＣＮｘ皮膜に含有する窒素含有量が１０〜１１原子％であれば、低摩擦と耐摩耗性を両立することができると言える。

＜ボールオンディスク摩擦摩耗試験２＞
ボールオンディスク摩擦摩耗試験１と同様の方法で、実施例４、比較例１〜３に係る摺動部材に対してボールオンディスク摩擦摩耗試験２を行った。ボールオンディスク摩擦摩耗試験１と相違する点は、ボール試験片（摺動部材）のみならず、ディスク試験片（摺動部材）の表面にも、これらの例に対応するＣＮｘ皮膜またはＤＬＣ皮膜を成膜した点である。

実施例４、比較例１〜３に係る摺動部材の摩擦係数の変化を測定した。この結果を、図６に示す。図６は、実施例４および比較例１〜３に係る摺動部材の摩擦係数の変化を示した図である。

さらに、比較例１および実施例４の摺動部材に係る摩擦係数および比摩耗量を測定した。この結果を、図７（ａ），（ｂ）に示す。図７（ａ）は、実施例４および比較例１に係る摺動部材（ボール試験片）の摩擦サイクル３０００回時の摩擦係数を示した図である。図７（ｂ）は、実施例４および比較例１に係る摺動部材（ボール試験片）のボールオンディスク摩擦摩耗試験後の比摩耗量を示した図である。

＜表面観察＞
実施例４および比較例１に係る摺動部材のボールオンディスク摩擦摩耗試験後の摺動面を観察した。この結果を、図８（ａ），（ｂ）に示す。図８（ａ）は、ボールオンディスク摩擦摩耗試験後の比較例１に係る摺動部材（ディスク試験片）の摺動面を示した図であり、図８（ｂ）は、ボールオンディスク摩擦摩耗試験後の実施例４に係る摺動部材（ディスク試験片）の摺動後の摺動面を示した図である。

［結果３］
図６に示すように、窒素を含有しない非晶質炭素皮膜（ＤＬＣ皮膜）が形成された比較例２および３の摺動部材に対して、窒素を含有した非晶質炭素皮膜（ＣＮｘ皮膜）が形成された実施例４および比較例１に係る摺動部材の方が、摩擦係数が小さかった。

また、試験開始直後では、実施例４の摺動部材の摩擦係数は、比較例１のものに比べて高いが、時間の経過と共に、実施例４に係る摺動部材の摩擦係数は低下した。そして、図６および図７（ａ）に示すように、実施例４に係る摺動部材の摩擦係数は、摩擦サイクル３０００回時には、比較例１のものよりも低かった。

さらに、図７（ｂ）に示すように、実施例４に係る摺動部材の比摩耗量は、比較例１のものに比べて小さかった。さらに、図８（ａ）に示すように、比較例１の摺動部材のＣＮｘ皮膜は試験終了時には摩滅していたが、図８（ｂ）に示すように、実施例４に係る摺動部材のＣＮｘ皮膜は、試験終了時まで摩滅せず、存在していた。

さらに、表１に示すように、ボールオンディスク摩擦摩耗試験１では、実施例４に係るボール試験片のみにＣＮｘ皮膜を形成したので、比較例２に係るＤＬＣ皮膜に比べて、比摩耗量は１／２０となっていた。しかしながら、ボールオンディスク摩擦摩耗試験２では、実施例４に係るボール試験片およびディスク試験片の双方に、ＣＮｘ皮膜を形成したので、表１の比較例２に係るＤＬＣ皮膜に比べて、比摩耗量は１／１００となった。

＜ブロックオンリング摩擦摩耗試験＞
図９に示す、試験機を用いてブロックオンリング摩擦摩耗試験を行った。実施例４、および比較例２に係る摺動部材となるブロック試験片を準備した。図９に示すように、リング試験片（ＪＩＳ規格：ＳＵＪ２）を準備し、この上にブロック試験片を配置し、レベラーを介してウエイトにより、鉛直方向に沿って、リング試験片の周面にブロック試験片に垂直荷重を付与した。

この状態で、潤滑油（エンジンオイルで用いられる基油（ＰＡＯ）中にリング試験片の一部を浸漬させ、リング試験片を回転させながら、ブロック試験片に対してリング試験片を摺動させた。ひずみゲージにより垂直荷重９８〜２９４Ｎに変化させながら（荷重を９８、１９６、２９４Ｎと段階的に増加させながら）、すべり速度１６０ｒｐｍでリング試験片を回転させ、摩擦係数を測定した。この結果を、図１０に示す。図１０は、垂直荷重変化にともなう実施例４および比較例２に係る摺動部材（ブロック試験片）の摩擦係数の変化を示した図である。

さらに、ブロックオンリング摩擦摩耗試験後の実施例４および比較例２に係る摺動部材の表面を顕微鏡で観察した。この結果を、図１１に示す。図１１（ａ）は、ブロックオンリング摩擦摩耗試験後の比較例２に係る摺動部材（ブロック試験片）の摺動面を示しており、図１１（ｂ）は、ブロックオンリング摩擦摩耗試験後の実施例４に係る摺動部材（ブロック試験片）の摺動面を示した図である。

［結果４］
実施例４に係る摺動部材は、結果２に示すように、他の実施例に比べて、最も摩擦係数が高い摺動部材であったが、それにも拘わらず、比較例２のものと比較して、如何なる荷重であっても、摩擦係数は低かった。また、図１１（ａ）、（ｂ）からも明らかなように、実施例４に係る摺動部材は、比較例２のものに比べて、摩耗量（摩耗深さ）が小さかった。これは、上述した図２に示した理由によるものと考えられる。

特に、実施例４に係る摺動部材のＣＮｘ皮膜は、比較例２に係る摺動部材のＤＬＣ皮膜とは異なり、水素を含有していないため、その硬度が高いばかりでなく、ダングリングボンド（未結合端子）密度が高く、潤滑油中の添加剤などとの反応性に優れていると言える。

以上、本発明の実施の形態を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１０：摺動部材、１１：基材、１２：窒素を含有した非晶質炭素皮膜（ＣＮｘ皮膜）

Claims

基材の表面に窒素を含有した非晶質炭素皮膜が形成され、該非晶質炭素皮膜の表面を摺動面として、該摺動面に潤滑油が存在する環境下で摺動する摺動部材の製造方法であって、
前記非晶質炭素皮膜の窒素含有量が２〜１１原子％となるように、前記基材の表面に向けて窒素イオンビームを照射しながら、フィルタードアークデポジション法により基材の表面に炭素を蒸着させることにより、前記窒素を含有した非晶質炭素皮膜を成膜することを特徴とする摺動部材の製造方法。
前記窒素含有量が１０〜１１原子％となるように、前記非晶質炭素皮膜の成膜を行うことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の製造方法。