JP6453826B2 - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基材の表面に非晶質炭素被膜を有した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、窒素原子を含有した非晶質炭素被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、非晶質炭素被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被膜を成膜している。

これにより、得られた摺動部材の非晶質炭素被膜の表面には、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被膜の表面よりも軟質となる。このように、非晶質炭素被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に示す摺動部材によれば、大気中において、無潤滑状態で摺動させた場合、非晶質炭素被膜の剥離もなく、摩擦係数を低減することができるが、潤滑油中において摺動する環境下では、充分に摩擦係数を低減することができないことがある。

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、潤滑油中の環境下において、これまでに比べてより低い摩擦係数を確保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、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、以下の新たな知見を得た。具体的には、非晶質炭素被膜に窒素原子を含有させた場合、非晶質炭素被膜には、炭素原子の配位数が２となる（炭素原子と単結合および二重結合する）窒素原子と、炭素原子の配位数が３となる（炭素原子と単結合する）窒素原子とが含まれる。ここで、配位数が３となる窒素原子を含有するグラフェン同士の層間距離は、窒素原子を含有しないものに比べて、大きくなる。これにより、潤滑油中の環境下で非晶質炭素被膜が低せん断になると考えた。

ここで、例えば特許文献１等に示す従来の技術では、基材への非晶質炭素被膜の密着性および非晶質炭素被膜の硬度の向上と突起部の形成のため、数百ワット程度の出力の電子ビームがカーボンターゲットに照射されている。ここで、カーボンターゲットに照射される電子ビームのエネルギーが大きいと、窒素原子と炭素原子の二重結合が増大しやすく、炭素原子の配位数が２となる窒素原子の割合が増加する。

炭素原子の配位数が２となる窒素原子は、その構造上、グラフェンの端部に位置することから、この窒素原子が多いと、グラフェンを分断してしまい、小さいサイズのグラフェンが生成され易いと、発明者らは考えた。このようなグラフェンは、グラフェン同士が本来有する低せん断性の特性を妨げると発明者らは考えた。

そこで、発明者らは、非晶質炭素被膜の窒素原子に配位する炭素原子の配位数が３となる窒素原子の割合を確保しつつ、炭素原子の配位数が２となる窒素原子を制限することが重要であると考えた。

本発明は、この新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動部材は、基材の表面に、窒素原子を含有した非晶質炭素被膜を有し、潤滑油中で摺動する摺動部材であって、単結合により３つの炭素原子が配位された窒素原子の個数をＡとし、単結合および二重結合により２つの炭素原子が配位された窒素原子の個数をＢとしたときに、前記非晶質炭素被膜に対してＸ線光電子分光分析により得られる前記非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値が、１０以上、１８以下であることを特徴とする。

本発明に係る摺動部材の製造方法は、基材の表面に、窒素原子を含有した非晶質炭素被膜を有し、潤滑油中で摺動する摺動部材の製造方法であって、前記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、カーボンターゲットに電子ビームを照射することにより、前記カーボンターゲットの一部を前記基材の表面に蒸着させながら前記非晶質炭素被膜を前記基材の表面に成膜するものであり、前記カーボンターゲットに照射する電子ビームの出力が、３０Ｗ以上、５０Ｗ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、潤滑油中において、これまでに比べてより低い摩擦係数を確保することができる。

本実施形態の摺動部材を製造（基材に被膜を成膜）するための模式的な装置構成図である。 非晶質炭素被膜のグラフェンを示しており、グラフェンに、３配位の窒素原子が存在する状態を示した模式図である。 非晶質炭素被膜のグラフェンを示しており、グラフェンに、２配位の窒素原子が存在する状態を示した模式図である。 窒素原子を含まない非晶質炭素被膜における隣接するグラフェン同士の構造を示した模式図である。 ３配位の窒素原子を含む非晶質炭素被膜における隣接するグラフェン同士の構造を示した模式図である。 非晶質炭素被膜に２配位の窒素原子が増加した際のグラフェンの構造の変化を示した模式図である。 非晶質炭素被膜をＸ線光電子分光により分析した際に得られる結合エネルギーと強度の関係の波形の一例を示した図である。 図５Ａに示す波形を部分的に拡大した波形から、非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値の算出方法を説明するための模式図である。 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。 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である。 実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜を成膜する際の電子ビームパワー（出力）と、非晶質炭素被膜の膜硬度および摩耗深さとの関係を示したグラフである。 実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜を成膜する際の電子ビームパワー（出力）と、Ａ／Ｂの値との関係を示したグラフである。 実施例１および比較例３〜７に係る摺動部材の摩擦係数の波形を示したグラフである。 実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜を成膜する際の電子ビームパワー（出力）と、摺動部材の摩擦係数との関係を示したグラフである。 実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値と、摺動部材の摩擦係数との関係を示したグラフである。

以下の本発明の摺動部材及びその製造方法を実施形態について説明する。
１．摺動部材の製造方法について
図１は、本実施形態の摺動部材を製造（基材に被膜を成膜）するための模式的な装置構成図である。

本実施形態の摺動部材１０の製造方法は、基材１１の表面（摺動面）に、窒素原子を含有した非晶質炭素被膜（非晶質窒化炭素被膜：ＣＮｘ被膜）１２が形成された摺動部材１０を製造する方法である。具体的には、この方法では、基材１１の表面に向けて窒素イオンビームＢを照射すると共に、カーボンターゲットＴに電子ビームＥを照射することにより、カーボンターゲットＴの一部を基材１１の表面に蒸着させながら非晶質炭素被膜１２を成膜する。このように、炭素原子および窒素原子をミキシングしたダイナミキシング法により、非晶質炭素被膜１２を成膜することができる。以下に、摺動部材１０の製造方法を具体的に説明する。

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、摺動時において非晶質炭素被膜１２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く、例えば、鋼、鋳鉄、アルミニウム、高分子樹脂、シリコンなどの基材を挙げることができる。

また、この基材１１の表面には、非晶質炭素被膜１２を成膜前に、基材１１と非晶質炭素被膜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。

図１に示すような成膜装置３０（ＩＢＡＤ（イオンビームアシスト蒸着）装置）を利用して、イオンビームミキシング法と電子ビーム蒸着法を組み合わせることにより、基材１１の表面に窒素原子を含有した非晶質炭素被膜１２を成膜する。まず、図１に示すように、具体的には、基材１１を台座３１に載置し、カーボンターゲットＴを、電子ビーム照射用のるつぼ３２に配置する。

次に、ターボ分子ポンプ３３を用いて、チャンバ３４内の圧力を減圧する。具体的には、ターボ分子ポンプ３３は、チャンバ３４内の空気を排気し、チャンバ３４内を真空に近い状態にする（２．０×１０^−３Ｐａ以下）。ターボ分子ポンプ３３の代わりに、ロータリーポンプまたは拡散ポンプを用いてもよく、ターボ分子ポンプ３３にこれらを併用してもよい。本実施形態では、後述する摩擦実験を行なうため、吸着する油の影響を無くするため、油を使用しないターボ分子ポンプ３３を用いて、真空チャンバ内の空気を排気する。

次に、冷却水Ｌにより基材１１を間接的に冷却するとともに、窒素イオンビーム発生源３５から窒素イオンビームＢを基材１１に向けて照射する。ここで、窒素イオンビーム発生源３５は、一般的に知られた窒素イオンビームを発生させる装置である。具体的には、装置内において、窒素ガスを１０〜２０ｓｃｃｍで導入する。導入した窒素ガスに対して、スパッタリングイオンポンプ（図示せず）により、０．４〜０．８ｋＷのマイクロ波を導入することにより、窒素ガスプラズマを生成する。生成された窒素ガスプラズマは、１．０ｋＶの加速電圧で加速され、窒素イオンビームＢとして、基材１１の表面に照射される。

本実施形態では、まず、成膜前の基材１１に対して、窒素イオンビームＢを１０分間程度照射することにより、基材１１の表面をクリーニングする。なお、基材１１の表面が予めクリーニングされている場合には、このクリーニングを省略してもよい。

次に、窒素イオンビームＢを基材１１の表面に照射すると共に、電子ビームＥの照射によりカーボンターゲットＴを溶融・蒸発させる（すなわち昇華させる）。具体的には、るつぼ３２内のカーボンターゲットＴに、電子ビーム発生源３６から、３０Ｗ以上、５０Ｗ以下の出力条件で電子ビームＥを照射することにより、カーボンターゲットＴを３０００℃以上に加熱する。これにより、カーボンターゲットＴの炭素を昇華させ、炭素原子を基材１１の表面に蒸着させる。

非晶質炭素被膜１２は、窒素イオンビームＢを基材１１の表面に向けて照射すると共に、カーボンターゲットＴの炭素を基材１１の表面に蒸着させながら成膜されるので、非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）１２には、窒素原子が含有される。なお、窒素イオンビームのスパッタリング効果により、非晶質炭素被膜１２の成膜速度は減少するが、０．５〜２．５ｎｍ／ｓ程度の成膜速度で、非晶質炭素被膜１２を成膜することができる。

ここで、非晶質炭素被膜１２の膜厚は、０．１〜１．０μｍの範囲であることが好ましく、このような範囲で非晶質炭素被膜１２が成膜されることが好ましい。また、非晶質炭素被膜１２における窒素原子の含有量（原子％）は、特に限定されるものではないが、１〜１５原子％の範囲であることが好ましく、このような範囲で非晶質炭素被膜１２が成膜されることが好ましい。なお、非晶質炭素被膜１２の窒素原子の含有量は、窒素イオンビーム発生源３５のマイクロ波の周波数および加速電圧等を制御することで、調整することができる。

図１に示すサーモカップル３７は、熱電対で成膜時の基材１１の表面温度を予測するための計測器であり、これを用いて、基材１１の表面または裏面の温度を測定する。また、膜厚計３８は、成膜された非晶質炭素被膜１２の膜厚を測定するための水晶振動子型膜厚計であり、これを用いて、成膜時間と伴に増加する非晶質炭素被膜１２の膜厚を計測する。本実施形態では、膜厚計３８で測定された非晶質炭素被膜１２の膜厚に基づいて、電子ビーム発生源３６からの電子ビームＥの強度を後述する強度の範囲内で制御し、非晶質炭素被膜１２の成膜速度を制御することができる。

図２Ａおよび図２Ｂは、非晶質炭素被膜１２のグラフェンを示しており、図２Ａは、グラフェンに、炭素原子の配位数が３となる窒素原子が存在する状態を示している。一方、図２Ｂは、非晶質炭素被膜１２グラフェンに、炭素原子の配位数が２となる窒素原子が存在する状態を示している。

本実施形態では、非晶質炭素被膜１２には、図２ＡのＡ部に示すように、炭素原子（Ｃ）の配位数が３となる窒素原子（Ｎ）と、図２ＢのＢ部に示すように、炭素原子（Ｃ）の配位数が２となる窒素原子（Ｎ）と、が含まれる。以下、炭素原子（Ｃ）により配位数が３となる窒素原子（Ｎ）を３配位の窒素原子と称し、炭素原子（Ｃ）配位数が２となる窒素原子（Ｎ）を２配位の窒素原子と称する。図２Ａに示す３配位の窒素原子（Ｎ）は、３つの炭素原子（Ｃ）とそれぞれ単結合により結合している。一方、図２Ｂに示す２配位の窒素原子（Ｎ）は、１つの炭素原子（Ｃ）と単結合により結合し、もう１つの炭素原子（Ｃ）と二重結合により結合している。

ところで、図３Ａに示すように、窒素原子（Ｎ）を含まない非晶質炭素被膜は、隣接するグラフェン同士は、所定の層間距離ｄ１を保って積層されている。一方、３配位の窒素原子（Ｎ）は、グラフェンにおいて、図３Ｂに示すように、窒素原子（Ｎ）が存在する位置が、盛り上がるように高くなっていることが知られている。したがって、本実施形態の如く、３配位の窒素原子（Ｎ）を含む非晶質炭素被膜では、グラフェン同士の層間距離ｄ２が、窒素原子（Ｎ）を含まないものの層間距離ｄ１に比べて広い（図３Ａおよび図３Ｂ参照）。このような結果、３配位の窒素原子（Ｎ）を含む非晶質炭素被膜は、グラフェン同士の層間距離ｄ２が広いため、グラフェン同士の層間結合力が弱まり、低せん断力で層間すべりが生じる。これにより、摺動部材は、層状に形成された低せん断力のグラフェンを介して相手材と摺動するので、非晶質炭素被膜は、潤滑油中の環境下において極めて低い摩擦力を発現すると考えられる。

一方、図４の上図に示すように、２配位の窒素原子（Ｎ）は、グラフェンのシート端部に配置される。ここで、２配位の窒素原子（Ｎ）が増加すると、図４の下図に示すように、２配位の窒素原子（Ｎ）がグラフェンを分断し、グラフェンのサイズが小さくなる。これにより、グラフェン同士の本来有する低せん断性の特性を妨げてしまうと推定される。

このような観点から、本実施形態では、図２Ｂに示す、２配位の窒素原子（Ｎ）の割合を制限しつつ、図２Ａに示す、３配位の窒素原子（Ｎ）の量を確保するように非晶質炭素被膜１２を成膜する。

これまでは、特許文献１の如く、カーボンターゲットＴに照射する電子ビームＥの出力は、数百Ｗであるが、本実施形態では、電子ビームＥの出力は、従来よりもかなり低く、３０Ｗ以上、５０Ｗ以下の範囲である。これにより、カーボンターゲットＴに照射されるエネルギーを低減し、これまでに比べて、３配位の窒素原子の割合を確保しつつ、２配位の窒素原子の割合を制限することができる。

ここで、カーボンターゲットＴに照射する電子ビームＥの出力が、３０Ｗ未満である場合、カーボンターゲットＴに導入されるエネルギーが小さすぎるため、非晶質炭素被膜１２の膜硬度が著しく低下し、非晶質炭素被膜１２の耐摩耗性が低下してしまう。

一方、電子ビームＥの出力が５０Ｗを超える場合、２配位の窒素原子の割合が多くなり、炭素原子と窒素原子との二重結合が増加する。このため、成膜時に２配位の窒素原子がグラフェンを分断してしまい、小さいサイズのグラフェンが生成され、グラフェン同士の本来有する低せん断性の特性を妨げてしまうと考えられる（図４参照）。このような観点から、より好ましくは、カーボンターゲットＴに照射する電子ビームＥの出力は４０Ｗ以下である。

２．非晶質炭素被膜１２について
上述した条件で成膜された非晶質炭素被膜１２は、単結合により３つの炭素原子が配位された窒素原子（３配位の窒素原子）の個数をＡとし、単結合および二重結合により２つの炭素原子が配位された窒素原子（２配位の窒素原子）の個数をＢとしたときに、非晶質炭素被膜１２に対してＸ線光電子分光分析により得られる非晶質炭素被膜１２のＡ／Ｂの値が、１０以上、１８以下となる。

この範囲を満たすことにより、非晶質炭素被膜１２には、２配位の窒素原子の割合が制限されているため、より大きなグラフェンが存在すると推定される。また、３配位の窒素原子を割合を確保しているため、グラフェンの層間距離を広い状態に維持することができる。このような結果、摺動部材を潤滑油中で摺動させた際に、これまでに比べてより低い摩擦係数を確保することができる。

ここで、非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値が１０未満の場合、３配位の窒素原子の割合が少なく、２配位の窒素原子の割合が多いため、摺動部材が低い摩擦係数を確保することが難しい。このような点から、非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値は、１５以上であることがより好ましい。一方、非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値が１８を超えた場合、３配位の窒素原子の割合が多すぎるため、非晶質炭素被膜１２の膜硬度が著しく低下し、耐摩耗性が低下してしまう。

３．非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値の測定方法について
非晶質炭素被膜１２に対してＸ線光電子分光分析で得られた非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値は、以下のように測定される。具体的には、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により、非晶質炭素被膜に軟Ｘ線を照射し、励起され表面から放出された光電子を分光する。この光電子は、電子の結合エネルギーに応じたエネルギー値を持つため、Ｘ線のエネルギーが一定であれば、電子の結合エネルギーを求めることができる。これにより、Ｘ線光電子分光分析では一般に、表面から数ｎｍの範囲に存在する原子の電子状態や化学結合状態に関する情報を得ることができる。

具体的には、Ｘ線光電子分光法により、非晶質炭素被膜に軟Ｘ線を照射すると、図５Ａに示すように、結合エネルギーと強度の波形Ｗを得ることができる。次に、図５Ｂに示すように、得られた波形Ｗのうち、結合エネルギーが４００ｅＶ付近のＮ１ｓピークの波形ｗを抽出し、この波形ｗを平滑化した（フィッティングした）波形ｗｆを、３つの波形ｗａ〜ｗｃに分離する。すなわち、波形ｗａ〜ｗｃを合わせた波形が、波形ｗｆになる。

フィッティングの際の拘束条件としては、分離する波形のピークの数を３とし、ピーク位置が４０１．７ｅＶ、３９８．１ｅＶ、３９６．７ｅＶの前後１．０ｅＶ以内の値をとるように、ピーク位置を拘束する。半値幅はそれぞれ１．７０ｅＶ、３．４０ｅＶ、１．３４ｅＶに対し±０．５ｅＶ以内の値をとるように、半値幅を拘束する。これにより、得られた３つ波形ｗａ〜ｗｃうち、ピークが３９８．１ｅＶ付近を中心となる波形ｗａ、ピークが３９６．７ｅＶ付近を中心となる波形ｗｂ、およびピークが４０１．７ｅＶ付近を中心となる波形ｗｃを得ることができる。

ここで、区間３９２〜４０４ｅＶにおける波形ｗａのピークの面積を算出する。この面積は、図２Ａに示す３配位の窒素原子の個数Ａに起因した値である。次に、区間３９２〜４０４ｅＶにおける波形ｗｂのピークの面積を算出する。この面積は、図２Ｂに示す、２配位の窒素原子の数Ｂに起因した値である。したがって、これらの算出したピークの面積の比（波形ｗａにおけるピークの面積／波形ｗｂにおけるピークの面積）を算出することにより、３配位の窒素原子の個数をＡとし、２配位の窒素原子の数をＢとしたときの非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値を算出することができる。なお、波形ｗｃのピークの面積は、窒素原子同士の結合構造に起因した値である。

本実施形態に係る摺動部材は、潤滑油の使用環境下において使用される自動車部品に適用することが好ましい。このような自動車部品としては、例えば、ピストンスカート、ピストンピン、ピストンリング、シリンダボア、クランクシャフト、カムシャフト、ローラーロッカー、バルブ、ステムキャップ、ラッシュアジャスタ、またはバルブリフタなどを挙げることができる。

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＞
窒素を含有した非晶質炭素被膜（ＣＮｘ膜）の成膜に、図１の如き装置を用いた。まず、基材として、（１００）方位を表面に有するシリコンウエアを準備した。この基材とカーボン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の範囲内となるように、ターボ分子ポンプで、チャンバ内の空気を排気した。そして、基材が設置された設置台に、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アシスト窒素イオンへの窒素ガスの流量７ｓｃｃｍとし、アシスト窒素イオンの加速電圧が０．５ｋＶ（１０ｍＡ）となり、窒素アシストイオンのマイクロ波出力が０．５ｋＷ（反射出力：０．５ｋＷ）となるように、窒素イオンビーム発生源を調整した。この調整した常態の窒素イオンビームを基材の表面に向けて照射し、基材の表面のクリーニングを５分間行なった。

次に、クリーニング条件と同じ条件で、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、カーボンターゲットに、出力を３０Ｗに調節した電子ビームを照射し、カーボンターゲットの一部を溶融及び蒸発させて、この蒸発したカーボン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。成膜時間は、２分０秒、膜厚計により、成膜速度は、８．３ｎｍ／ｓ、膜厚は、１．０μｍであった。このようにして、基材の表面（摺動面）に、窒素を含有した非晶質炭素被膜（ＣＮｘ被膜）が形成された摺動部材を得た。

（実施例２および３）
実施例１と同じように、基材に非晶質炭素被膜を形成した摺動部材を製作した。実施例２および３が、実施例１と相違する点は、ターゲットに照射する電子ビームの出力を、順次、４０Ｗおよび５０Ｗにした点である。

（比較例１〜４）
実施例１と同じように、基材に非晶質炭素被膜を形成した摺動部材を製作した。比較例１〜４が、実施例１と相違する点は、ターゲットに照射する電子ビームの出力を、順次、１０Ｗ、２０Ｗ、６０Ｗ、および６３Ｗにした点である。

（比較例５）
水素を有していない非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）が電子ビーム蒸着法により成膜された摺動部材を準備した。

（比較例６）
基材の表面に、ＰＶＤ法により、窒素を含有せず、水素を含有した非晶質炭素被膜（ＤＬＣ被膜）が成膜された摺動部材を準備した。

（比較例７）
窒素を含有していない非晶質炭素からなる被膜（ＤＬＣ被膜）がアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）により成膜された摺動部材を準備した。

＜硬度試験＞
実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜の膜硬度を測定した。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した場合の荷重変位曲線を求め、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膜硬度を算出した。この結果を表１に示す。

＜ブロックオンリング摩擦摩耗試験＞
図６Ａ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。具体的には、実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材となるブロック試験片６１Ａを準備した。図６Ａに示すように、リング試験片（ＪＩＳ規格：ＳＵＪ２）６２Ａを準備し、この上にブロック試験片６１Ａを配置した。レベラー６３Ａを介したウエイト６４Ａにより、鉛直方向に沿って、リング試験片６２Ａの周面とブロック試験片６１Ａの表面に垂直荷重を付与した。

この状態で、油浴槽６６Ａ内の潤滑油６７Ａ（エンジンオイルで用いられる基油（ＰＡＯ４：ポリアルファオレフィン））中にリング試験片６２Ａの一部を浸漬させ、リング試験片６２Ａを回転させながら、ブロック試験片６１Ａに対してリング試験片６２Ａを摺動させた。ブロック試験片６１Ａを支持する支持部材６９Ａに貼着された２つのひずみゲージ６８Ａにより垂直荷重２９４Ｎに設定し、室温環境下（２３℃）ですべり速度１６０ｒｐｍでリング試験片を回転させ、ブロック試験片６１Ａの摩耗深さを測定した。この結果を表１に示す。また、図７に、実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜を成膜する際の電子ビームパワー（出力）と、非晶質炭素被膜の膜硬度および摩耗深さとの関係を示す。

＜Ｘ線光電子分光により分析した非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値の測定＞
実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜に対して、図５Ａおよび図５Ｂにおいて説明した方法で、非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値を測定した。この結果を表１に示す。また、図８に、実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜を成膜する際の電子ビームパワー（出力）と、Ａ／Ｂの値との関係を示す。

＜ボールオンディスク摩擦摩耗試験＞
図６Ｂ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。具体的には、実施例１〜３および比較例１〜７に係る摺動部材となるボール試験片６１Ｂおよびディスク試験片６２Ｂを準備した。具体的には、直径８ｍｍの軸受鋼（ＳＵＪ２：ＪＩＳ規格）からなる球体の表面と、これに摺動する軸受鋼（ＳＵＪ２：ＪＩＳ規格）からなるディスクの表面とに、実施例１〜３および比較例１〜７に対応した非晶質炭素被膜を成膜した。

次に、図６Ｂに示すように、ボールホルダー６３Ｂに固定したボール試験片６１Ｂをひずみゲージ６４Ｂが貼り付けられた梁６５Ｂに固定した。ディスク試験片６２Ｂは、潤滑油６６Ｂ（ＰＡＯ４）に浸漬されており、梁６５Ｂを鉛直方向へ移動させ、ボール試験片６１Ｂの先端を回転ステージ６９Ｂ上に固定されたディスク試験片６２Ｂの表面に接触させて、垂直荷重を与えた。なお、垂直荷重を０．３Ｎ（Ｈｅｒｔｚの最大接触面圧は約３２０ＭＰａ）とし、すべり速度を１５．７ｍ／ｓとし、摺動面に潤滑油６６Ｂ（ＰＡＯ４）が存在する室温環境下（２３℃）で、この試験を実施した。このときの摩擦力をロードセル６７Ｂで測定し、摩擦力を垂直荷重で除した値から、実施例１〜３および比較例１〜７に係る摺動部材の摩擦係数を算出した。

これらの摩擦係数のうち、表１には窒素を含有した非晶質炭素被膜（ＣＮｘ膜）の成膜に電子ビームパワーを変化させた実施例１〜３および比較例１〜４の摩擦係数の値を示す。表１に示す摩擦係数は、ディスク試験片６２Ｂの回転回数を、摩擦繰り返し回数としたときに、摩擦繰り返し回数５００サイクル目における摩擦係数の値である。

また、図９に、実施例１および比較例３〜７に係る摺動部材の摩擦係数の波形を示し、図１０に、実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜を成膜する際の電子ビームパワー（出力）と、摺動部材の摩擦係数との関係を示す。図１１に、実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値と、摺動部材の摩擦係数との関係を示す。

＜窒素原子の含有量の測定＞
実施例１〜３および比較例１〜４に係る摺動部材の非晶質炭素被膜に含まれる窒素原子の含有量を、上述したＸ線光電子分光分析装置で測定した。この結果を表１に示す。

（結果１：膜硬度と電子ビームパワーとの関係）
表１および図７に示すように、非晶質炭素被膜を成膜する際の電子ビームパワーが１０Ｗ〜３０Ｗの範囲では、電子ビームパワーの増加に伴い、成膜される非晶質炭素被膜の膜硬度が増加している。また、電子ビームパワーが３０Ｗ以上では、膜硬度は、約１３ＧＰａ程度になっていることがわかる。

これは、電子ビームパワーが１０Ｗ、２０Ｗである比較例１および２では、成膜時の電子ビームパワーが充分でないため、非晶質炭素被膜として蒸着する炭素原子は、基材に充分なエネルギーで衝突しない。このため、比較例１および２では、非晶質炭素被膜の膜硬度が充分でなく、摩耗深さの値が、他のものに比べて大きくなったと考えられる。このような点から、摺動部材の非晶質炭素被膜を成膜する際の電子ビームパワー（出力）は、３０Ｗ以上である。

（結果２：電子ビームとＡ／Ｂとの関係）
表１および図８に示すように、電子ビームパワーの増加に伴い、非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値が減少している。これは、電子ビームパワーの増加に伴い、炭素のイオンエネルギーが高くなり、窒素原子と炭素原子との二重結合が増加したこと、すなわち、２配位の窒素原子が増加したことよると考えられる。

（結果３：摩擦係数について関係）
図９に示すように、実施例１、比較例３〜７に係る摺動部材の摩擦係数は、摺動時間の経過に伴い（摩擦繰り返し数の増加に伴い）、馴染み効果により、低減している。特に、実施例１に係る摺動部材の摩擦係数は、摩擦繰り返し数５００サイクル目には、摩擦係数が０．０１以下の超低摩擦を示している。しかしながら、電子ビームパワーが本発明の範囲から外れる比較例３、４および他の成膜方法で成膜した比較例５〜７は、実施例１に比べると摩擦係数が大きくなっていることがわかる。

（結果４：電子ビームパワーと摩擦係数と関係、Ａ／Ｂの値と摩擦係数との関係）
図１０に示すように、実施例１〜３の、成膜時の電子ビームパワーが、３０〜５０Ｗの範囲では、摺動部材の摩擦係数は、他のものに比べて小さい。これは、成膜時の電子ビームパワーが３０Ｗ未満の比較例１（１０Ｗ）および比較例２（２０Ｗ）では、膜強度が低いため、非晶質炭素被膜の摩耗に伴い摩擦係数が増加したと考えられる。したがって、上述したように、成膜時の電子ビームパワーは３０Ｗ以上であることが必要であり、この範囲で成膜された非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値は、１８以下である（図１１参照）。

一方、図１０に示すように、成膜時の電子ビームパワーが５０Ｗを超えた、比較例３（６０Ｗ）および比較例４（６３Ｗ）では、電子ビームパワーの増加にともない、炭素のイオンエネルギーが高くなる。これにより、非晶質炭素被膜中の炭素と水素との二重結合の数が増加し、２配位の窒素原子が増加する。このような結果、図４等で説明したように、小さいサイズのグラフェンが生成され、グラフェン同士の本来有する低せん断性の特性を妨げられ、比較例３および４に係る摺動部材の摩擦係数は、実施例１〜３のものよりも大きくなったと考えられる。したがって、成膜時の電子ビームパワーは５０Ｗ以下であることが必要であり、この範囲で成膜された非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値は、１０以上である（図１１参照）。

ここで、実施例３に比べて、実施例２に係る摺動部材の摩擦係数は低い。これは、実施例３に比べて、比較例２に係る摺動部材の非晶質炭素被膜中の２配位の窒素原子が制限されているからであると言える。したがって、成膜時の電子ビームパワーは４０Ｗ以下であることが好ましく、この範囲で成膜された非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値は、１５以上である（図１１参照）。

以上のことから、摺動部材が、安定した耐摩耗性および低摩擦特性を得るためには、成膜時の電子ビームのパワー（出力）を３０Ｗ〜５０Ｗに設定する、好ましくは、３０Ｗ〜４０Ｗに設定する。これに対応する非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値は、１０〜１８であり、好ましくは、１５〜１８である。このような非晶質炭素被膜が形成された摺動部材は、潤滑油中において、これまでに比べてより低い摩擦係数を確保することができる。この理由は、窒素原子がグラファイトの基底面に侵入し、グラファイトの基底面同士の間隔が拡がり、低せん断抵抗であるからと考えられる。

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：非晶質炭素被膜

Claims (2)

1. 基材の表面に、窒素原子を含有した非晶質炭素被膜を有し、潤滑油中で摺動する摺動部材であって、
   単結合により３つの炭素原子が配位された窒素原子の個数をＡとし、単結合および二重結合により２つの炭素原子が配位された窒素原子の個数をＢとしたときに、前記非晶質炭素被膜に対してＸ線光電子分光分析により得られる結合エネルギーと強度の波形から、前記個数Ａに起因した値である波形ｗａのピークの面積と、前記個数Ｂに起因した値である波形ｗｂのピークの面積と、を算出し、前記波形ｗｂのピークの面積に対する前記波形ｗａのピークの面積の比から算出した前記非晶質炭素被膜のＡ／Ｂの値が、１０以上、１８以下であることを特徴とする摺動部材。
2. 基材の表面に、窒素原子を含有した非晶質炭素被膜を有し、潤滑油中で摺動する摺動部材の製造方法であって、
   前記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、カーボンターゲットに電子ビームを照射することにより、前記カーボンターゲットの一部を前記基材の表面に蒸着させながら前記非晶質炭素被膜を前記基材の表面に成膜するものであり、
   前記カーボンターゲットに照射する電子ビームの出力が、３０Ｗ以上、５０Ｗ以下であることを特徴とする摺動部材の製造方法。

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