JP6736018B2 - Low friction coating manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、低摩擦被膜を製造するための低摩擦被膜製造方法、および非晶質炭素系膜に対し摺動面を摺動させる摺動方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a low-friction coating for producing a low-friction coating, and a sliding method for sliding a sliding surface on an amorphous carbon film.

摺動システムの摩擦低減を図るために、摺動部材の摺動面に固体潤滑膜を配置することが提案されている。このような固体潤滑膜として、たとえばDLC(Diamond Like Carbon)膜が知られており、下記特許文献1には、DLC膜を含む摺動面に、含酸素有機化合物や脂肪族アミン系化合物を含む低摩擦剤組成物を供給する低摩擦摺動機構が記載されている。 In order to reduce the friction of the sliding system, it has been proposed to arrange a solid lubricating film on the sliding surface of the sliding member. As such a solid lubricating film, for example, a DLC (Diamond Like Carbon) film is known. In Patent Document 1 below, a sliding surface including the DLC film contains an oxygen-containing organic compound or an aliphatic amine compound. A low friction sliding mechanism for supplying a low friction agent composition is described.

また、下記特許文献2には、第1の摺動表面を有する第1の部材と、第2の摺動表面を有する第2の部材とを含む低摩擦潤滑アセンブリが記載されている。第1の摺動表面は、O−H基との化学親和力を有している。第2の摺動表面は、O−H末端摺動表面を有している。第1および第2の摺動表面の間に含酸素化合物(液体潤滑剤)が供給されることにより、第1および第2の摺動表面の間に水素を末端とするトライボフィルムが形成される。 Further, Patent Document 2 below describes a low-friction lubrication assembly including a first member having a first sliding surface and a second member having a second sliding surface. The first sliding surface has a chemical affinity with OH groups. The second sliding surface has an OH end sliding surface. By supplying an oxygen-containing compound (liquid lubricant) between the first and second sliding surfaces, a hydrogen-terminated tribofilm is formed between the first and second sliding surfaces. ..

特開2005−98495号公報JP, 2005-98495, A 特開2012−92351号公報JP2012-92351A

特許文献1に記載の低摩擦摺動機構および特許文献2に記載の低摩擦潤滑アセンブリでは、それぞれ、摺動部の摩擦係数の低減が図られている。
しかしながら、特許文献1および特許文献2では、摺動表面上に液体潤滑剤が供給された状態(流体潤滑)で摺動が行われている。すなわち、特許文献1および特許文献2は、液体潤滑剤等の潤滑剤を別途使用しない(ドライ潤滑)条件での低摩擦化を提供できていない。
The low-friction sliding mechanism described in Patent Document 1 and the low-friction lubrication assembly described in Patent Document 2 each attempt to reduce the friction coefficient of the sliding portion.
However, in Patent Document 1 and Patent Document 2, sliding is performed in a state where the liquid lubricant is supplied onto the sliding surface (fluid lubrication). That is, Patent Documents 1 and 2 cannot provide low friction under the condition that a lubricant such as a liquid lubricant is not separately used (dry lubrication).

摺動面(摺動部)の摩擦係数を、潤滑剤を別途用いることなく低減させることが求められている。さらに、摩擦係数が低い状態が、摺動面で安定的に生じることも望まれている。
そこで、本発明の目的は、低い摩擦係数を安定的に発揮する低摩擦被膜を製造するための低摩擦被膜製造方法を提供することである。
It is required to reduce the friction coefficient of the sliding surface (sliding part) without using a lubricant. Further, it is also desired that a state where the friction coefficient is low is stably generated on the sliding surface.
An object of the present invention is to provide a low friction coating preparation how to produce low friction coating to stably exhibit a low coefficient of friction.

前記の目的を達成するための請求項1の発明は、低摩擦被膜(5)を製造する方法であって、水素雰囲気環境下で水素分子を解離吸着し、活性水素(H )を発生する触媒性を有する金属またはセラミックスを用いて形成された摺動面(6)と、炭化水素分子を主成分として含む非晶質炭素系膜(9)を含む被摺動面(7)とが配置される空間(10)を、水酸基含有化合物と水素とを含むガス雰囲気に置換する置換工程と、前記空間が、水酸基含有化合物と水素とを含む前記ガス雰囲気とされている状態で、前記摺動面を前記被摺動面に対し、1.0GPa以上のヘルツ接触応力で相対摺動させる摺動工程とを含み、前記摺動工程によって、前記摺動面に前記低摩擦被膜を形成する、低摩擦被膜製造方法製造方法を提供する。 The invention according to claim 1 for achieving the above object is a method for producing a low friction coating (5), which dissociates and adsorbs hydrogen molecules in a hydrogen atmosphere environment to generate active hydrogen (H + ). A sliding surface (6) formed by using a metal or ceramic having a catalytic property and a sliding surface (7) including an amorphous carbon-based film (9) containing hydrocarbon molecules as a main component are arranged. the space (10) that is, in a state where the replacement process of replacing the gas atmosphere containing a hydroxyl group-containing compound and hydrogen, the space has been with the gas atmosphere containing a hydrogen hydroxyl group-containing compound, wherein A sliding step of sliding the sliding surface relative to the sliding surface with a Hertzian contact stress of 1.0 GPa or more, and the low friction coating is formed on the sliding surface by the sliding step. A method for manufacturing a low friction coating is provided.

なお、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素等を表すが、このことは、むろん、本発明がそれらの実施形態に限定されるべきことを意味するものではない。以下、この項において同じ。
請求項2に記載の発明は、前記ガス雰囲気は、さらに炭化水素系物質を含む、請求項1に記載の低摩擦被膜製造方法である。
The numbers in parentheses represent corresponding components in the embodiments described later, but this does not mean that the present invention should be limited to those embodiments. The same applies in this section below.
The invention according to claim 2 is the method for producing a low-friction coating according to claim 1, wherein the gas atmosphere further contains a hydrocarbon-based substance.

請求項3に記載の発明は、前記水酸基含有化合物および前記炭化水素系物質は、アルコールを含む、請求項2に記載の低摩擦被膜製造方法である。
請求項4に記載の発明は、前記アルコールは、メタノール(CHOH)を含む、請求項3に記載の低摩擦被膜製造方法である。
請求項5に記載の発明は、前記水酸基含有化合物は、水をさらに含み、前記液体のメタノールおよび前記液体の水に対する当該液体のメタノールの体積%濃度が、6%〜15%である水溶液から発生する気体のメタノールと気体の水蒸気とを含む、請求項4に記載の低摩擦被膜製造方法である。なお、「前記液体のメタノールおよび前記液体の水に対する当該液体のメタノールの体積%濃度」とは、混合する前の液体のメタノール単体の体積と、混合する前の液体の水単体の体積と、を合計した値に対する混合する前の液体のメタノール単体の体積を示す。同様に、「前記液体のエタノールおよび前記液体の水に対する当該液体のエタノールの体積%濃度」とは、混合する前の液体のエタノール単体の体積と、混合する前の液体の水単体の体積と、を合計した値に対する混合する前の液体のエタノール単体の体積を示す。同様に、「前記液体のアルコールおよび前記液体の水に対する当該液体のアルコールの体積%濃度」とは、混合する前の液体のアルコール単体の体積と、混合する前の液体の水単体の体積と、を合計した値に対する混合する前の液体のアルコール単体の体積を示す。同様に、「前記液体の1−プロパノールおよび前記液体の水に対する当該液体の1−プロパノールの体積%濃度」とは、混合する前の液体の1−プロパノール単体の体積と、混合する前の液体の水単体の体積と、を合計した値に対する混合する前の液体の1−プロパノール単体の体積を示す。同様に、「前記液体の2−プロパノールおよび前記液体の水に対する当該液体の2−プロパノールの体積%濃度」とは、混合する前の液体の2−プロパノール単体の体積と、混合する前の液体の水単体の体積と、を合計した値に対する混合する前の液体の2−プロパノール単体の体積を示す。
The invention according to claim 3 is the method for producing a low-friction coating according to claim 2, wherein the hydroxyl group-containing compound and the hydrocarbon-based substance contain alcohol.
The invention according to claim 4 is the method for producing a low-friction coating according to claim 3 , wherein the alcohol contains methanol (CH 3 OH).
The invention according to claim 5 is that the hydroxyl group-containing compound further contains water, and is generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of the liquid methanol and the liquid methanol relative to the liquid water is 6% to 15%. The method for producing a low-friction coating according to claim 4, further comprising: gaseous methanol and gaseous water vapor. The "volume% concentration of the liquid methanol relative to the liquid methanol and the liquid water" means the volume of the liquid methanol simple substance before mixing and the volume of the liquid water simple substance before mixing. The volume of liquid methanol alone before mixing is shown with respect to the summed value. Similarly, “volume% concentration of the liquid ethanol relative to the liquid ethanol and the liquid water” means the volume of the liquid ethanol simple substance before mixing, and the volume of the liquid water simple substance before mixing, The volume of liquid ethanol alone before mixing is shown with respect to the sum of the values. Similarly, "volume% concentration of the liquid alcohol with respect to the liquid alcohol and the liquid water", the volume of the liquid alcohol simple substance before mixing, and the volume of the liquid water simple substance before mixing, Shows the volume of the liquid alcohol alone before mixing with respect to the sum of the values. Similarly, "the volume% concentration of the liquid 1-propanol and the liquid 1-propanol with respect to the liquid water" means the volume of the liquid 1-propanol alone before mixing and the volume of the liquid 1-propanol before mixing. The volume of the simple substance of water and the volume of the simple substance of 1-propanol of the liquid before mixing are shown with respect to the total value of. Similarly, "the volume% concentration of the liquid 2-propanol to the liquid 2-propanol and the liquid to the water" means the volume of the liquid 2-propanol simple substance before mixing and the volume of the liquid before mixing. 2 shows the volume of a simple substance of water and the volume of a simple substance of liquid 2-propanol before mixing with respect to a total value of the volume of the simple substance of water.

請求項6に記載の発明は、前記アルコールは、エタノール(COH)を含む、請求項3に記載の低摩擦被膜製造方法である。
請求項7に記載の発明は、前記水酸基含有化合物は、水をさらに含み、前記液体のエタノールおよび前記液体の水に対する当該液体のエタノールの体積%濃度が、6%〜30%である水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とを含む、請求項6に記載の低摩擦被膜製造方法である。
The invention according to claim 6 is the method for producing a low-friction coating according to claim 3, wherein the alcohol contains ethanol (C 2 H 5 OH).
In the invention according to claim 7, the hydroxyl group-containing compound further contains water, and the liquid ethanol and the aqueous ethanol having a volume% concentration of ethanol of the liquid with respect to water of 6% to 30% are generated. The method for producing a low-friction coating according to claim 6, further comprising: gaseous ethanol and gaseous water vapor.

請求項8に記載の発明は、前記液体のエタノールおよび前記液体の水に対するエタノールの体積%濃度が、15%〜25%である水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とを含む、請求項7に記載の低摩擦被膜製造方法である。
請求項9に記載の発明は、前記アルコールは、1−プロパノール(CHCHCHOH)を含む、請求項3に記載の低摩擦被膜製造方法である。
The invention according to claim 8 includes gaseous ethanol and gaseous steam generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of ethanol in the liquid ethanol and the liquid water is 15% to 25%. The method for producing a low friction coating according to item 7.
The invention according to claim 9 is the method for producing a low-friction coating according to claim 3, wherein the alcohol contains 1-propanol (CH 3 CH 2 CH 2 OH).

請求項10に記載の発明は、前記アルコールは、2−プロパノール(CHCH(OH)CH)を含む、請求項3に記載の低摩擦被膜製造方法である。
請求項11は、前記水酸基含有化合物は、前記アルコールを100%の割合で含む溶液から発生する気体のアルコールである、請求項3,4,6,9,10のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法である。
The invention according to claim 10 is the method for producing a low-friction coating according to claim 3 , wherein the alcohol contains 2-propanol (CH 3 CH(OH)CH 3 ).
Claim 11 is the low alcohol according to any one of claims 3, 4, 6, 9 and 10, wherein the hydroxyl group-containing compound is a gaseous alcohol generated from a solution containing the alcohol in a proportion of 100%. It is a method for manufacturing a friction coating.

請求項12は、前記水酸基含有化合物は、水を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法である。
請求項13に記載の発明は、前記ヘルツ接触応力は、1.3GPa〜2.4GPaである、請求項1〜12のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法である。
請求項14に記載の発明は、前記非晶質炭素系膜が、短鎖ポリアセチレン系分子を主成分として含む、請求項1〜13のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法である。
A twelfth aspect of the present invention is the method for producing a low friction coating according to any one of the first to tenth aspects, wherein the hydroxyl group-containing compound contains water.
The invention according to claim 13 is the method for producing a low-friction coating according to any one of claims 1 to 12, wherein the Hertzian contact stress is 1.3 GPa to 2.4 GPa.
The invention according to claim 14 is the method for producing a low-friction coating according to any one of claims 1 to 13, wherein the amorphous carbon-based film contains a short-chain polyacetylene-based molecule as a main component.

請求項15に記載の発明は、前記非晶質炭素系膜は、炭化水素系ガスの雰囲気環境下で、バイアス電圧を印加しながらイオン化蒸着法により形成された被膜を含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法である。
請求項16に記載の発明は、前記非晶質炭素系膜は、炭化水素系ガスの雰囲気環境下で、高バイアス電圧を印加しながらイオン化蒸着法により形成された被膜を含み、前記非晶質炭素系膜には、水素および酸素の少なくとも一方が添加されている、請求項15に記載の低摩擦被膜製造方法である。
The invention according to claim 15 is characterized in that the amorphous carbon-based film includes a coating film formed by an ionization deposition method while applying a bias voltage in an atmosphere environment of a hydrocarbon-based gas. The low friction coating manufacturing method according to any one of 1.
According to a sixteenth aspect of the present invention, the amorphous carbon-based film includes a film formed by an ionization deposition method while applying a high bias voltage in an atmosphere environment of a hydrocarbon-based gas, The low friction coating manufacturing method according to claim 15, wherein at least one of hydrogen and oxygen is added to the carbon-based film.

請求項17に記載の発明は、前記摺動部材は、ZrOを用いて形成されている、請求項1〜16のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法である。
請求項18に記載の発明は、前記空間に前記水酸基含有化合物を供給する供給工程と、前記摺動工程の開始後、前記水酸基含有化合物の前記空間への供給を停止する供給停止工程とを含む、請求項1〜17のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法である。
The invention according to claim 17 is the method for producing a low friction coating according to any one of claims 1 to 16, wherein the sliding member is formed using ZrO 2 .
The invention according to claim 18 includes a supply step of supplying the hydroxyl group-containing compound to the space, and a supply stop step of stopping the supply of the hydroxyl group-containing compound to the space after the sliding step is started. The method for producing a low-friction coating according to any one of claims 1 to 17.

請求項19に記載の発明は、前記摺動工程に並行して、前記空間に前記水酸基含有化合物を供給する供給状態と、当該空間に前記水酸基含有化合物の供給を停止する供給停止状態とを交互に繰り返す工程をさらに含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法である In the invention according to claim 19, in parallel with the sliding step, a supply state of supplying the hydroxyl group-containing compound to the space and a supply stop state of stopping the supply of the hydroxyl group-containing compound to the space alternate. The method for producing a low-friction coating according to any one of claims 1 to 18, further comprising the step of repeating the above step .

請求項20に記載の発明は、前記水酸基含有化合物は、水をさらに含み、前記メタノールは気体状態で第1のキャリアガスによって流動し、前記水は気体状態で第2のキャリアガスによって流動し、前記気体のメタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量と、前記気体の水を含んだ第2のキャリアガスの流量と、の合計に対する前記気体のメタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量の比が、6%〜15%である、請求項4に記載の低摩擦被膜製造方法である。 The invention according to claim 20 , wherein the hydroxyl group-containing compound further contains water, the methanol flows in a gas state by a first carrier gas, and the water flows in a gas state by a second carrier gas, Of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous methanol and the flow rate of the second carrier gas containing the gaseous water, of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous methanol. The low friction coating manufacturing method according to claim 4, wherein the ratio is 6% to 15%.

請求項21に記載の発明は、前記水酸基含有化合物は、水をさらに含み、前記エタノールは気体状態で第1のキャリアガスによって流動し、前記水は気体状態で第2のキャリアガスによって流動し、前記気体のエタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量と、前記気体の水を含んだ第2のキャリアガスの流量と、の合計に対する前記気体のエタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量の比が、6%〜30%である、請求項6に記載の低摩擦被膜製造方法である。 The invention according to claim 21 , wherein the hydroxyl group-containing compound further contains water, the ethanol flows in a gas state by a first carrier gas, and the water flows in a gas state by a second carrier gas, Of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous ethanol and the flow rate of the second carrier gas containing the gaseous water, of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous ethanol. The low friction coating manufacturing method according to claim 6, wherein the ratio is 6% to 30%.

請求項22に記載の発明は、前記気体のエタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量と、前記気体の水を含んだ第2のキャリアガスの流量と、の合計に対する前記気体のエタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量の比が、15%〜25%である、請求項21に記載の低摩擦被膜製造方法である。
請求項23に記載の発明は、前記炭化水素系物質が、エチレンを含む、請求項2に記載の低摩擦被膜製造方法である。
The invention according to claim 22 includes the gaseous ethanol with respect to the sum of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous ethanol and the flow rate of the second carrier gas containing the gaseous water. 22. The low friction coating manufacturing method according to claim 21 , wherein the flow rate ratio of the first carrier gas is 15% to 25%.
The invention according to claim 23 is the method for producing a low-friction coating according to claim 2, wherein the hydrocarbon-based substance contains ethylene.

本発明によれば、水酸基含有化合物と水素および窒素の少なくとも一方とを含む雰囲気環境下で、金属またはセラミックスを用いて形成された摺動面を被摺動面に対し、1.0GPa以上のヘルツ接触応力で摺動させる。これにより、低い摩擦係数を安定的に発揮する低摩擦被膜を摺動面に形成することができる。換言すると、摩擦係数の低い状態での摺動を安定的に実現できる。 According to the present invention, in an atmosphere environment containing a hydroxyl group-containing compound and at least one of hydrogen and nitrogen, a sliding surface formed of a metal or ceramics can be applied to a sliding surface with a hertz of 1.0 GPa or more. Slide with contact stress. As a result, a low-friction coating that stably exhibits a low friction coefficient can be formed on the sliding surface. In other words, it is possible to stably realize sliding with a low friction coefficient.

本発明の一実施形態に係る低摩擦被膜製造方法により得られる摺動システムの要部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the principal part of the sliding system obtained by the low friction film manufacturing method which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る低摩擦被膜製造方法が実施される膜製造装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the film manufacturing apparatus with which the low friction film manufacturing method which concerns on one Embodiment of this invention is implemented. 摺動部材と被摺動部材との摺動動作を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the sliding action of a sliding member and a to-be-slipped member. 第1の摩擦試験機の構成を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing the composition of the 1st friction testing machine. 第1〜第13の摩擦試験の計測対象のプレート試験片について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the plate test piece of the measurement object of the 1st-13th friction test. 第1の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied load and the measured value of a friction coefficient in a 1st friction test. 第2の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied load and the measured value of a friction coefficient in a 2nd friction test. 第3の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied load and the measured value of a friction coefficient in a 3rd friction test. 第4の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied load and the measured value of a friction coefficient in a 4th friction test. 第5の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load and the measured value of a friction coefficient in a 5th friction test. 第6の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied load and the measured value of a friction coefficient in a 6th friction test. 第7の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied load and the measured value of a friction coefficient in a 7th friction test. 第8の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied load and the measured value of a friction coefficient in an 8th friction test. 第9の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load and the measured value of a friction coefficient in a 9th friction test. 第10の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load and the measured value of a friction coefficient in the 10th friction test. 第11の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load applied and the measured value of a friction coefficient in the 11th friction test. 第12の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load applied and the measured value of a friction coefficient in the 12th friction test. 第13の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load applied and the measured value of a friction coefficient in the 13th friction test. 第10の摩擦試験の終了後における、ピン試験片の外表面およびプレート試験片のPLC膜表面の光学顕微鏡写真の画像図である。It is an image figure of the optical microscope photograph of the outer surface of a pin test piece and the PLC film surface of a plate test piece after completion|finish of a 10th friction test. 第11の摩擦試験の終了後における、ピン試験片の外表面およびプレート試験片のPLC膜表面の光学顕微鏡写真の画像図である。It is an image figure of the optical microscope photograph of the outer surface of a pin test piece and the PLC film surface of a plate test piece after completion of the 11th friction test. 第12の摩擦試験の終了後における、ピン試験片の外表面およびプレート試験片のPLC膜表面の光学顕微鏡写真の画像図である。It is an image figure of the optical microscope photograph of the outer surface of a pin test piece and the PLC film surface of a plate test piece after completion of the 12th friction test. 第13の摩擦試験の終了後における、ピン試験片の外表面およびプレート試験片のPLC膜表面の光学顕微鏡写真の画像図である。It is an image figure of the optical microscope photograph of the outer surface of a pin test piece and the PLC film surface of a plate test piece after completion|finish of the 13th friction test. 第2の摩擦試験機の構成を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing composition of the 2nd friction testing machine. 第14〜第20の摩擦試験の計測対象のプレート試験片の上層について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the upper layer of the plate test piece of the measurement object of a 14th-20th friction test. 第14の摩擦試験の試験条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the test conditions of a 14th friction test. 第14の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load and the measured value of a friction coefficient in the 14th friction test. 第15および第16の摩擦試験の試験条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the test conditions of the 15th and 16th friction test. 第15の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load applied and the measured value of a friction coefficient in the 15th friction test. 第16の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load and the measured value of a friction coefficient in the 16th friction test. 第17の摩擦試験の試験条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the test conditions of a 17th friction test. 第17の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied load and the measured value of a friction coefficient in a 17th friction test. 第18、第19および第20の摩擦試験の試験条件を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the test conditions of the 18th, 19th, and 20th friction tests. 第18の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load and the measured value of a friction coefficient in the 18th friction test. 第19の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph in the 19th friction test which shows the relationship between the load and the measured value of a friction coefficient. 第20の摩擦試験における、負荷荷重と、摩擦係数の計測値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load applied and the measured value of a friction coefficient in the 20th friction test.

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る低摩擦被膜製造方法により得られる摺動システム1の要部を拡大して示す断面図である。摺動システム1は、摺動部材2と、摺動部材2にとって相手材である被摺動部材3を含む。摺動部材2は、被摺動部材3に対し、相対摺動可能に設けられている。摺動部材2および被摺動部材3は、被摺動部材3が静止している状態で摺動部材2だけを摺動(移動)させるものであってもよいし、摺動部材2が静止している状態で被摺動部材3だけを摺動(移動)させるものであってもよいし、摺動部材2および被摺動部材3の双方を移動させることにより、被摺動部材3に対し摺動部材2を相対摺動させるものであってもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of a sliding system 1 obtained by a low friction coating manufacturing method according to an embodiment of the present invention. The sliding system 1 includes a sliding member 2 and a sliding member 3 that is a counterpart material for the sliding member 2. The sliding member 2 is provided so as to be slidable relative to the sliding member 3. The sliding member 2 and the slid member 3 may slide (move) only the sliding member 2 in a state where the slid member 3 is stationary, or the sliding member 2 is stationary. The sliding member 3 alone may be slid (moved) in the moving state, or the sliding member 3 can be moved by moving both the sliding member 2 and the sliding member 3. Alternatively, the sliding member 2 may be slid relative to each other.

摺動部材2は、表面(図1の下面)を有する第1の基材4と、第1の基材4の表面の少なくとも一部を被覆する低摩擦被膜5とを含む。第1の基材4は、酸化物セラミックス(セラミックス)または金属を用いて形成されている。酸化物セラミックスは、たとえばZrO(より具体的には、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ))を含む。ZrOは、加熱処理されていてもよいし、加熱処理されていなくてもよい。金属は、たとえば、パラジウム(Pd)またはSUJ2(高炭素クロム軸受鋼鋼材)の少なくとも一つを含む。これら酸化物セラミックスおよび金属は、水素雰囲気環境下で水素分子を解離吸着し、活性水素(H)を発生する触媒性を有している。 The sliding member 2 includes a first base material 4 having a surface (lower surface in FIG. 1) and a low friction coating 5 that covers at least a part of the surface of the first base material 4. The first base material 4 is formed using oxide ceramics (ceramics) or metal. The oxide ceramics include, for example, ZrO 2 (more specifically, yttrium-stabilized zirconia (YSZ)). ZrO 2 may be heat-treated or may not be heat-treated. The metal includes, for example, at least one of palladium (Pd) or SUJ2 (high carbon chrome bearing steel material). These oxide ceramics and metals have a catalytic property of dissociating and adsorbing hydrogen molecules in a hydrogen atmosphere environment to generate active hydrogen (H + ).

低摩擦被膜5は、非晶質炭化水素系膜である。低摩擦被膜5は、脂肪族炭化水素基(たとえばアルキル基)と、カルボニル基(−C(=O)−)と、芳香族系成分(C )と、縮合環系成分(C )とを含む。この脂肪族炭化水素基は、赤外吸収スペクトル(顕微透過法)において2900cm−1〜3000cm−1の領域にピークを示す。カルボニル基は、赤外吸収スペクトル(顕微透過法)において1650cm−1〜1800cm−1の領域にピークを示す。芳香族系成分(C )は、TOF−SIMS(飛行時間二次イオン質量分析法)により得られる正イオンスペクトルにおいて質量91.1にピークを示す。縮合環系成分(C )は、TOF−SIMSにより得られる正イオンスペクトルにおいて質量115.2にピークを示す。低摩擦被膜5は、被摺動部材3の被摺動面7に摺接する摺動面6として機能する。 The low friction film 5 is an amorphous hydrocarbon film. Low friction coating 5 is an aliphatic hydrocarbon group (e.g. alkyl group), a carbonyl group (-C (= O) -) and, the aromatic component (C 7 H 7 +), fused ring system component (C 9 H 7 + ). This aliphatic hydrocarbon group shows a peak in the region of 2900 cm -1 to 3000 cm -1 in the infrared absorption spectrum (microscopic transmission method). Carbonyl group, a peak in the region of 1650cm -1 ~1800cm -1 in an infrared absorption spectrum (microscopic transmission method). The aromatic component (C 7 H 7 + ) shows a peak at mass 91.1 in the positive ion spectrum obtained by TOF-SIMS (time of flight secondary ion mass spectrometry). The condensed ring system component (C 9 H 7 + ) shows a peak at mass 115.2 in the positive ion spectrum obtained by TOF-SIMS. The low-friction coating 5 functions as a sliding surface 6 that is in sliding contact with the sliding surface 7 of the sliding member 3.

低摩擦被膜5の膜厚(平均厚さ)は、2nm〜1000nmである。より好ましくは、2nm〜500nmである。
被摺動部材3は、表面(図1の上面)を有する第2の基材8と、第2の基材8の表面の少なくとも一部を被覆するPLC(Polymer−Like Carbon)膜(非晶質炭素系膜)9とを含む。第2の基材8は、たとえば、工具鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼、高炭素クロム軸受鋼などの鋼材を用いて形成されている。
The film thickness (average thickness) of the low-friction coating 5 is 2 nm to 1000 nm. More preferably, it is 2 nm to 500 nm.
The sliding member 3 includes a second base material 8 having a surface (the upper surface in FIG. 1) and a PLC (Polymer-Like Carbon) film (amorphous) that covers at least a part of the surface of the second base material 8. Carbon-based film) 9. The second base material 8 is formed using a steel material such as tool steel, carbon steel, stainless steel, chrome molybdenum steel, or high carbon chrome bearing steel.

PLC膜9は、非晶質炭素系膜であり、短鎖ポリアセチレン系分子を主成分として含む。PLC膜9は、炭化水素系ガス(たとえばトルエン(toluene、C))の雰囲気環境下で、低バイアス電圧または高バイアス電圧を印加しながら、イオン化蒸着法により形成された被膜である。PLC膜9のヤング率は、200GPa〜250GPaである。PLC膜9の最表面は、赤外吸収スペクトル(顕微透過法)において3000cm−1〜4000cm−1の領域にピークを示している。高バイアス電圧を印加しながら非晶質炭素系膜を作製する場合、当該非晶質炭素系膜には、水素および酸素の少なくとも一方が添加されていてもよい。PLC膜9は、摺動部材2の摺動面6に摺接する被摺動面7として機能する。摺動面6および被摺動面7は、図1に示すような平坦平面であってもよいし、球面やその他の曲面であってもよい。 The PLC film 9 is an amorphous carbon-based film and contains short-chain polyacetylene-based molecules as a main component. PLC film 9, hydrocarbon gas (e.g. toluene (toluene, C 7 H 8) ) under an atmosphere environment, while applying a low bias voltage or a high bias voltage, a coating formed by ionization vapor deposition method. The Young's modulus of the PLC film 9 is 200 GPa to 250 GPa. The outermost surface of the PLC film 9 shows a peak in the region of 3000cm -1 ~4000cm -1 in an infrared absorption spectrum (microscopic transmission method). When an amorphous carbon-based film is produced while applying a high bias voltage, at least one of hydrogen and oxygen may be added to the amorphous carbon-based film. The PLC film 9 functions as a sliding surface 7 that is in sliding contact with the sliding surface 6 of the sliding member 2. The sliding surface 6 and the sliding surface 7 may be flat flat surfaces as shown in FIG. 1, or spherical surfaces or other curved surfaces.

摺動面6および被摺動面7の摺動界面(すなわち、低摩擦被膜5とPLC膜9との間)には、液体潤滑剤等の潤滑剤は供給されていない。すなわち、摺動システム1は、無潤滑条件下で摺動動作が行われる。
摺動システム1として、軸受、シール、フライホイール、はさみ、プランジャポンプ、人工関節等を例示できる。また、軸受として、玉軸受、円錐ころ軸受をはじめとするころ軸受、セパレータ付軸受、すべり軸受等を例示できる。
A lubricant such as a liquid lubricant is not supplied to the sliding interface between the sliding surface 6 and the sliding surface 7 (that is, between the low friction coating 5 and the PLC film 9). That is, the sliding system 1 performs the sliding operation under the non-lubricated condition.
Examples of the sliding system 1 include bearings, seals, flywheels, scissors, plunger pumps and artificial joints. Examples of the bearing include a ball bearing, a roller bearing including a tapered roller bearing, a bearing with a separator, and a slide bearing.

摺動システム1として玉軸受を採用する場合には、PLC膜9が配置される被摺動面7が保持器の内面を含み、摺動面6は、酸化物セラミックス(ZrO等)や金属(SUJ2、パラジウム等)製のボールの外表面を含んでいてもよい。また、保持器の外径を外輪の内周で案内する外輪案内方式の玉軸受や、保持器の内径を内輪の外周で案内する内輪案内方式の玉軸受を採用する場合には、PLC膜9が配置される被摺動面7が保持器の被案内面を含み、摺動面6は、保持器を案内する、酸化物セラミックス(ZrO等)や金属(SUJ2、パラジウム等)製の内外輪の案内面を含んでいてもよい。 When a ball bearing is adopted as the sliding system 1, the sliding surface 7 on which the PLC film 9 is arranged includes the inner surface of the cage, and the sliding surface 6 is made of oxide ceramics (ZrO 2 etc.) or metal. The outer surface of a ball made of (SUJ2, palladium, etc.) may be included. Further, when an outer ring guide type ball bearing that guides the outer diameter of the cage on the inner circumference of the outer ring or an inner ring guide type ball bearing that guides the inner diameter of the cage on the outer circumference of the inner ring, the PLC film 9 is used. The sliding surface 7 on which the slider is arranged includes the guided surface of the cage, and the sliding surface 6 is made of oxide ceramics (ZrO 2 or the like) or metal (SUJ2, palladium or the like) that guides the cage. It may include a wheel guide surface.

摺動システム1として円錐ころ軸受を採用する場合には、PLC膜9が配置される被摺動面7がつばの端面を含み、摺動面6がころの外周面を含んでいてもよい。また、PLC膜9が配置される被摺動面7がころの外周面を含み、摺動面6が、酸化物セラミックス(ZrO等)や金属(SUJ2、パラジウム等)製のつばの端面を含んでいてもよい。
摺動システム1としてセパレータ付軸受を採用する場合には、PLC膜9が配置される被摺動面7がセパレータを含み、摺動面6が、酸化物セラミックス(ZrO等)や金属(SUJ2、パラジウム等)製のボールの外表面を含んでいてもよい。
When a tapered roller bearing is adopted as the sliding system 1, the sliding surface 7 on which the PLC film 9 is arranged may include the end surface of the collar, and the sliding surface 6 may include the outer peripheral surface of the roller. The sliding surface 7 on which the PLC film 9 is arranged includes the outer peripheral surface of the roller, and the sliding surface 6 is an end surface of a brim made of oxide ceramics (ZrO 2 or the like) or metal (SUJ2, palladium or the like). May be included.
When a bearing with a separator is adopted as the sliding system 1, the sliding surface 7 on which the PLC film 9 is arranged includes the separator, and the sliding surface 6 is made of oxide ceramics (ZrO 2 etc.) or metal (SUJ2). , Palladium, etc.) may be included.

摺動システム1としてすべり軸受を採用する場合には、PLC膜9が配置される被摺動面7がすべり軸受の内周面を含み、摺動面6が、酸化物セラミックス(ZrO等)や金属(SUJ2、パラジウム等)製の軸の外周面を含んでいてもよい。
摺動システム1としてシールを採用する場合には、PLC膜9が配置される被摺動面7が軸の外周面を含み、摺動面6が、酸化物セラミックス(ZrO等)や金属(SUJ2、パラジウム等)製のシールのシール面を含んでいてもよい。
When a sliding bearing is adopted as the sliding system 1, the sliding surface 7 on which the PLC film 9 is arranged includes the inner peripheral surface of the sliding bearing, and the sliding surface 6 is an oxide ceramic (ZrO 2 etc.). The outer peripheral surface of a shaft made of metal (SUJ2, palladium, etc.) may be included.
When a seal is adopted as the sliding system 1, the sliding surface 7 on which the PLC film 9 is arranged includes the outer peripheral surface of the shaft, and the sliding surface 6 includes oxide ceramics (ZrO 2 or the like) or metal ( The seal surface of a seal made of SUJ2, palladium, etc.) may be included.

摺動システム1としてはさみを採用する場合には、PLC膜9が配置される被摺動面7は一方の刃の刃面を含み、摺動面6が、酸化物セラミックス(ZrO等)や金属(SUJ2、パラジウム等)製の他方の刃の刃面を含んでいてもよい。
摺動システム1としてプランジャポンプを採用する場合には、PLC膜9が配置される被摺動面7がピストン(プランジャ)の外表面を含み、摺動面6が、酸化物セラミックス(ZrO等)や金属(SUJ2、パラジウム等)製の固定斜板を含んでいてもよい。
When scissors are adopted as the sliding system 1, the sliding surface 7 on which the PLC film 9 is arranged includes the blade surface of one blade, and the sliding surface 6 is made of oxide ceramics (ZrO 2 or the like) or The blade surface of the other blade made of metal (SUJ2, palladium, etc.) may be included.
When a plunger pump is adopted as the sliding system 1, the sliding surface 7 on which the PLC film 9 is arranged includes the outer surface of the piston (plunger), and the sliding surface 6 is made of oxide ceramics (ZrO 2 etc.). ) Or a fixed swash plate made of metal (SUJ2, palladium, etc.) may be included.

摺動システム1として人工関節を採用する場合には、PLC膜9が配置される被摺動面7が受け側の接触面を含み、摺動面6が、酸化物セラミックス(ZrO等)や金属(SUJ2、パラジウム等)製の骨側の接触面を含んでいてもよい。
以上の摺動システム1については、摺動面6を一方の部材にかつ被摺動面7を他方の部材に設けたが、摺動面6を他方の部材にかつ被摺動面7を一方の部材に設けてもよい。
When an artificial joint is adopted as the sliding system 1, the sliding surface 7 on which the PLC film 9 is arranged includes the contact surface on the receiving side, and the sliding surface 6 is made of oxide ceramics (ZrO 2 or the like) or It may include a bone-side contact surface made of metal (SUJ2, palladium, etc.).
In the above sliding system 1, the sliding surface 6 is provided on one member and the sliding surface 7 is provided on the other member. However, the sliding surface 6 is provided on the other member and the sliding surface 7 is provided on one member. It may be provided in the member.

図2は、本発明の一実施形態に係る低摩擦被膜製造方法が実施される膜製造装置11の構成を模式的に示す図である。膜製造装置11は、内部空間を有する箱形のチャンバ12を備えている。チャンバ12の内部空間(空間)10に、摺動部材2と被摺動部材3とが収容される。膜製造装置11は、チャンバ12の内部空間10に設けられた保持台13をさらに含む。図2では、保持台13は被摺動部材3を保持するための保持台であり、チャンバ12の内部空間10に固定的に配置されている。チャンバ12の内部空間10に搬入された被摺動部材3は、保持台13上に載置され、保持台13に保持される。被摺動部材3の上に摺動部材2が載置される。 FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the film manufacturing apparatus 11 in which the low friction coating manufacturing method according to the embodiment of the present invention is carried out. The film manufacturing apparatus 11 includes a box-shaped chamber 12 having an internal space. The sliding member 2 and the slid member 3 are housed in the internal space (space) 10 of the chamber 12. The film manufacturing apparatus 11 further includes a holding table 13 provided in the internal space 10 of the chamber 12. In FIG. 2, the holding table 13 is a holding table for holding the sliding member 3, and is fixedly arranged in the internal space 10 of the chamber 12. The slidable member 3 carried into the internal space 10 of the chamber 12 is placed on the holding table 13 and held by the holding table 13. The sliding member 2 is placed on the sliding member 3.

膜製造装置11は、摺動部材2の摺動面6を被摺動部材3の被摺動面7に対し相対的に摺動させるために、摺動部材2を駆動(移動)させる駆動機構14と、摺動部材2に対し、摺動部材2の被摺動部材3への押付け荷重を付与する荷重付与機構15とを含む。駆動機構14は、たとえば、モータを含む機構である。また、膜製造装置11は、膜製造装置11に備えられた装置の動作やバルブの開閉を制御する制御装置16を含む。駆動機構14は、例えばモータとボールねじの組み合わせによる直動装置等がある。荷重付与機構15は、例えば錘等がある。 The film manufacturing apparatus 11 drives the sliding member 2 so as to slide the sliding surface 6 of the sliding member 2 relative to the sliding surface 7 of the sliding member 3. 14 and a load applying mechanism 15 for applying a pressing load of the sliding member 2 to the sliding member 3 to the sliding member 2. The drive mechanism 14 is, for example, a mechanism including a motor. Further, the film manufacturing apparatus 11 includes a control device 16 that controls the operation of the apparatus provided in the film manufacturing apparatus 11 and the opening/closing of valves. The drive mechanism 14 is, for example, a linear motion device that is a combination of a motor and a ball screw. The load applying mechanism 15 is, for example, a weight.

チャンバ12の底部には、チャンバ12の内部空間10の気体を導出するための排気ダクト17が設けられている。図2では、排気ダクト17がチャンバ12の底部に設けられた構成を示すが、チャンバ12において底部以外の位置に設けられたものであってもよい。
図2では、駆動機構14や荷重付与機構15を設けるとして説明したが、摺動部材2と被摺動部材3との間で荷重が付与されている状態で、摺動部材2と被摺動部材3とが摺動するように構成されていれば、駆動機構14や荷重付与機構15を設ける必要はない。
At the bottom of the chamber 12, an exhaust duct 17 for leading out gas in the internal space 10 of the chamber 12 is provided. Although the exhaust duct 17 is provided at the bottom of the chamber 12 in FIG. 2, it may be provided at a position other than the bottom of the chamber 12.
In FIG. 2, the driving mechanism 14 and the load applying mechanism 15 are provided, but in the state where the load is applied between the sliding member 2 and the slid member 3, the sliding member 2 and the slid member If it is configured to slide with the member 3, it is not necessary to provide the drive mechanism 14 and the load applying mechanism 15.

また、チャンバ12の壁(たとえば側壁18)を貫通して、処理ガス導入配管19が設けられている。処理ガス導入配管19には、水素ガス供給源から水素ガス(H)が供給される水素ガス配管20と、アルコール容器37から、炭化水素系物質の一例としてのアルコール(alcohol)が供給されるアルコール配管22と、水容器38から水が供給される水配管23と、窒素ガス供給源から窒素ガス(N)が供給される窒素ガス配管33とが接続されている。水素ガス配管20には、水素ガス配管20を開閉するための水素ガスバルブ24と、水素ガス配管20の開度を変更するための水素ガス流量調整バルブ25とが介装されている。アルコール配管22には、アルコール配管22を開閉するためのアルコールバルブ28と、アルコール配管22の開度を変更するためのアルコール流量調整バルブ29とが介装されている。水配管23には、水配管23を開閉するための水バルブ30と、水配管23の開度を変更するための水流量調整バルブ31とが介装されている。窒素ガス配管33には、窒素ガス配管33を開閉するための窒素ガスバルブ34と、窒素ガス配管33の開度を変更するための窒素ガス流量調整バルブ35とが介装されている。アルコール容器37において、アルコールは液体のアルコールと液体のアルコールから気化した気体のアルコールとキャリアガスとが存在する。アルコール容器37の温度は20℃±5℃に設定されている。アルコール配管22には、アルコール容器37から供給される気体のアルコールと外部から供給されるキャリアガスとが流れる。水容器38において、水は液体の水と液体の水から気化した気体の水蒸気とキャリアガスとが存在する。水容器38の温度は20℃±5℃に設定されている。水配管23には、水容器38から供給される気体の水蒸気と外部から供給されるキャリアガスとが流れる。 Further, a processing gas introduction pipe 19 is provided so as to penetrate the wall (for example, the side wall 18) of the chamber 12. A hydrogen gas pipe 20 to which hydrogen gas (H 2 ) is supplied from a hydrogen gas supply source and an alcohol container 37 to supply alcohol (alcohol) as an example of a hydrocarbon-based substance to the processing gas introduction pipe 19. An alcohol pipe 22, a water pipe 23 to which water is supplied from a water container 38, and a nitrogen gas pipe 33 to which nitrogen gas (N 2 ) is supplied from a nitrogen gas supply source are connected. The hydrogen gas pipe 20 is provided with a hydrogen gas valve 24 for opening and closing the hydrogen gas pipe 20 and a hydrogen gas flow rate adjusting valve 25 for changing the opening of the hydrogen gas pipe 20. An alcohol valve 28 for opening/closing the alcohol pipe 22 and an alcohol flow rate adjusting valve 29 for changing the opening degree of the alcohol pipe 22 are interposed in the alcohol pipe 22. The water pipe 23 is provided with a water valve 30 for opening and closing the water pipe 23 and a water flow rate adjusting valve 31 for changing the opening degree of the water pipe 23. The nitrogen gas pipe 33 is provided with a nitrogen gas valve 34 for opening and closing the nitrogen gas pipe 33 and a nitrogen gas flow rate adjusting valve 35 for changing the opening of the nitrogen gas pipe 33. In the alcohol container 37, liquid alcohol, gaseous alcohol vaporized from liquid alcohol, and carrier gas exist. The temperature of the alcohol container 37 is set to 20°C ± 5°C. Gas alcohol supplied from the alcohol container 37 and carrier gas supplied from the outside flow through the alcohol pipe 22. In the water container 38, water is liquid water, and water vapor vaporized from the liquid water and a carrier gas are present. The temperature of the water container 38 is set to 20°C ± 5°C. The water vapor supplied from the water container 38 and the carrier gas supplied from the outside flow through the water pipe 23.

処理ガス導入配管19に供給されるアルコールは、メタノール(methanol。CHOH)、エタノール(ethanol。COH)、1−プロパノール(propan-1-ol。CHCHCHOH)および2−プロパノール(propan-2-ol。CHCH(OH)CH)の少なくとも一つを含む。
水素ガス配管20の開度が大きく設定された状態で水素ガスバルブ24が開かれると、水素ガス配管20からの大流量の水素が処理ガス導入配管19に供給される。このとき、アルコールバルブ28および/または水バルブ30が開かれることにより、小流量のアルコールガスと外部から供給されるキャリアガスである水素ガス(H)および/または小流量の水蒸気と外部から供給されるキャリアガスである水素ガス(H)が、処理ガス導入配管19内へと供給され、処理ガス導入配管19を流れる過程で大流量の水素ガス(H)と十分に混合(攪拌)される。この混合によって、特殊水素ガス(水素ならびにアルコール(水酸基含有化合物)および/または水(水酸基含有化合物)を含むガス)が生成される。生成された特殊水素ガス中でアルコールおよび/または水は気化されている。生成された特殊水素ガスは、処理ガス導入配管19の先端に形成された導入口32からチャンバ12の内部空間10に導入される。これにより、内部空間10の雰囲気が特殊水素ガス雰囲気となる。なお、特殊水素ガス雰囲気は酸素を含んでいない。
The alcohol supplied to the processing gas introduction pipe 19 is methanol (methanol.CH 3 OH), ethanol (ethanol.C 2 H 5 OH), 1-propanol (propan-1-ol.CH 3 CH 2 CH 2 OH). and at least one of 2-propanol (propan-2-ol.CH 3 CH (OH) CH 3).
When the hydrogen gas valve 24 is opened in a state where the opening degree of the hydrogen gas pipe 20 is set to be large, a large flow rate of hydrogen from the hydrogen gas pipe 20 is supplied to the processing gas introduction pipe 19. At this time, the alcohol valve 28 and/or the water valve 30 are opened so that a small flow rate of the alcohol gas and hydrogen gas (H 2 ) which is a carrier gas supplied from the outside and/or a small flow rate of the steam are supplied from the outside. Hydrogen gas (H 2 ) which is a carrier gas to be generated is supplied into the processing gas introduction pipe 19 and sufficiently mixed (stirred) with a large flow rate of hydrogen gas (H 2 ) in the process of flowing through the processing gas introduction pipe 19. To be done. By this mixing, a special hydrogen gas (gas containing hydrogen and alcohol (hydroxyl group-containing compound) and/or water (hydroxyl group-containing compound)) is generated. Alcohol and/or water are vaporized in the produced special hydrogen gas. The produced special hydrogen gas is introduced into the internal space 10 of the chamber 12 through the introduction port 32 formed at the tip of the processing gas introduction pipe 19. As a result, the atmosphere of the internal space 10 becomes a special hydrogen gas atmosphere. The special hydrogen gas atmosphere does not contain oxygen.

また、窒素ガス配管33の開度が大きく設定された状態で窒素ガスバルブ34が開かれると、窒素ガス配管33からの大流量の窒素が処理ガス導入配管19に供給される。このとき、アルコールバルブ28および/または水バルブ30が開かれることにより、小流量のアルコールガスと外部から供給されるキャリアガスである窒素ガス(N)および/または小流量の水蒸気と外部から供給されるキャリアガスである窒素ガス(N)が、処理ガス導入配管19内へと供給され、処理ガス導入配管19を流れる過程で大流量の窒素ガス(N)と十分に混合(攪拌)される。この混合によって、特殊窒素ガス(窒素ならびにアルコール(水酸基含有化合物)および/または水(水酸基含有化合物)を含むガス)が生成される。生成された特殊窒素ガス中でアルコールおよび/または水は気化されている。生成された特殊窒素ガスは、チャンバ12の内部空間10に導入される。これにより、内部空間10の雰囲気が特殊窒素ガス雰囲気となる。なお、特殊窒素ガス雰囲気は酸素を含んでいない。 Further, when the nitrogen gas valve 34 is opened in a state where the opening degree of the nitrogen gas pipe 33 is set large, a large flow rate of nitrogen from the nitrogen gas pipe 33 is supplied to the processing gas introduction pipe 19. At this time, by opening the alcohol valve 28 and/or the water valve 30, a small flow rate of the alcohol gas and nitrogen gas (N 2 ) which is a carrier gas supplied from the outside and/or a small flow rate of the steam is supplied from the outside. Nitrogen gas (N 2 ) which is a carrier gas to be supplied is supplied into the processing gas introduction pipe 19 and sufficiently mixed (stirred) with a large flow rate of nitrogen gas (N 2 ) in the process of flowing through the processing gas introduction pipe 19. To be done. By this mixing, special nitrogen gas (gas containing nitrogen and alcohol (compound containing hydroxyl group) and/or water (compound containing hydroxyl group) is generated. Alcohol and/or water are vaporized in the produced special nitrogen gas. The generated special nitrogen gas is introduced into the internal space 10 of the chamber 12. As a result, the atmosphere of the internal space 10 becomes a special nitrogen gas atmosphere. The special nitrogen gas atmosphere does not contain oxygen.

また、水素ガスバルブ24および窒素ガスバルブ34が開かれた状態で、アルコールバルブ28および/または水バルブ30が開かれることにより、特殊窒素・水素ガス(窒素および水素、ならびにアルコール(水酸基含有化合物)および/または水(水酸基含有化合物)を含むガス)が生成される。生成された特殊窒素・水素ガスは、チャンバ12の内部空間10に導入される。これにより、内部空間10の雰囲気が特殊窒素・水素ガス雰囲気となる。なお、特殊窒素・水素ガス雰囲気は酸素を含んでいない。 Further, by opening the alcohol valve 28 and/or the water valve 30 with the hydrogen gas valve 24 and the nitrogen gas valve 34 opened, special nitrogen/hydrogen gas (nitrogen and hydrogen, and alcohol (hydroxyl group-containing compound) and/or Alternatively, a gas containing water (a compound containing a hydroxyl group) is generated. The produced special nitrogen/hydrogen gas is introduced into the internal space 10 of the chamber 12. As a result, the atmosphere of the internal space 10 becomes a special nitrogen/hydrogen gas atmosphere. The special nitrogen/hydrogen gas atmosphere does not contain oxygen.

図3Aおよび図3Bは、摺動部材2と被摺動部材3との摺動動作を示す断面図である。以下、膜製造装置11を用いて摺動部材2の摺動面6に低摩擦被膜5を形成する製造例について、図2を参照しつつ説明する。図3Aおよび図3Bについては適宜参照する。
膜製造装置11を用いて低摩擦被膜5を製造(形成)するときには、チャンバ12の内部空間10に、摺動部材2および被摺動部材3が搬入される。搬入された被摺動部材3は、被摺動面7が上に向けられた状態で保持台13上に載置され、保持台13に保持される。また、搬入された摺動部材2は、摺動面6が下に向けられた状態で、被摺動部材3上に載置される。なお、搬入された時点で、摺動部材2の摺動面6に低摩擦被膜5は形成されていない。すなわち、摺動面6は、酸化物セラミックスまたは金属によって形成されている。
3A and 3B are cross-sectional views showing the sliding operation between the sliding member 2 and the slid member 3. Hereinafter, a manufacturing example in which the low friction coating 5 is formed on the sliding surface 6 of the sliding member 2 using the film manufacturing apparatus 11 will be described with reference to FIG. Please refer to FIG. 3A and FIG. 3B as appropriate.
When the low friction coating 5 is manufactured (formed) using the film manufacturing apparatus 11, the sliding member 2 and the slid member 3 are carried into the internal space 10 of the chamber 12. The slid member 3 that has been carried in is placed on the holding table 13 with the sliding surface 7 facing upward, and is held by the holding table 13. Further, the sliding member 2 that has been carried in is placed on the sliding member 3 with the sliding surface 6 facing downward. Note that the low friction coating 5 is not formed on the sliding surface 6 of the sliding member 2 at the time of being loaded. That is, the sliding surface 6 is made of oxide ceramics or metal.

摺動部材2および被摺動部材3がチャンバ12の内部空間10に搬入された後、制御装置16は、水素ガスバルブ24および/または窒素ガスバルブ34、ならびにアルコールバルブ28および/または水バルブ30を開いて、処理ガス導入配管19の導入口32からチャンバ12の内部空間10に、処理ガスを供給する(供給工程)。たとえば処理ガスは特殊水素ガスを含み、この特殊水素ガスでは、水素ガスに、微量の気体のアルコールおよび微量の気体の水蒸気がそれぞれ添加されているとする。この特殊水素ガスは、水素ガスに加えて、アルコール容器37で気体のアルコールを含んだキャリアガスの流量と、水容器38で気体の水を含んだキャリアガスの流量とを合計した値に対するアルコール容器37で気体のアルコールを含んだキャリアガスの流量の体積比[アルコール/(アルコール+水)]でたとえば4〜44%である気体のアルコールと気体の水蒸気とを含む。 After the sliding member 2 and the slid member 3 are loaded into the internal space 10 of the chamber 12, the control device 16 opens the hydrogen gas valve 24 and/or the nitrogen gas valve 34, and the alcohol valve 28 and/or the water valve 30. Then, the processing gas is supplied from the inlet 32 of the processing gas introduction pipe 19 to the internal space 10 of the chamber 12 (supply step). For example, it is assumed that the processing gas contains a special hydrogen gas, and in this special hydrogen gas, a trace amount of gaseous alcohol and a trace amount of gaseous steam are added to the hydrogen gas. This special hydrogen gas is an alcohol container with respect to the sum of the flow rate of the carrier gas containing gaseous alcohol in the alcohol container 37 and the flow rate of the carrier gas containing gaseous water in the water container 38, in addition to hydrogen gas. In 37, the gas flow rate of the carrier gas containing the gaseous alcohol [alcohol/(alcohol+water)] is, for example, 4 to 44% of the gaseous alcohol and the gaseous water vapor.

チャンバ12内に供給された処理ガスは、チャンバ12の内部空間10の全域に行き渡る。これにより、チャンバ12の内部空間10の雰囲気(Air)が、処理ガスを含む雰囲気に置換される(置換工程)。なお、処理ガスには、酸素は含まれていない。
チャンバ12の内部空間10が処理ガスの雰囲気によって満たされた後(内部空間10が処理ガスの雰囲気とされている状態で)、当該処理ガスの供給を継続しながら、制御装置16は、駆動機構14を制御して、図3Aに示すように、被摺動面7(被摺動部材3)に対し摺動面6(摺動部材2)からの押付け荷重を付与しながら、被摺動面7に対する摺動面6の摺動(摺動工程)を開始する。押付け荷重の付与に伴い、摺動時において摺動面6と被摺動面7との間に生じるヘルツ接触応力は、1.0GPa以上である。より好ましくは、当該ヘルツ接触応力は、1.3GPa〜2.4GPaである。
The processing gas supplied into the chamber 12 spreads throughout the internal space 10 of the chamber 12. As a result, the atmosphere (Air) in the internal space 10 of the chamber 12 is replaced with the atmosphere containing the processing gas (replacement step). The process gas does not contain oxygen.
After the internal space 10 of the chamber 12 is filled with the atmosphere of the processing gas (in the state where the internal space 10 is in the atmosphere of the processing gas), the control device 16 controls the drive mechanism while continuing the supply of the processing gas. 3A, the sliding surface 7 (sliding member 3) is applied with a pressing load from the sliding surface 6 (sliding member 2) while the sliding surface 7 (sliding member 3) is pressed as shown in FIG. 3A. The sliding of the sliding surface 6 with respect to 7 (sliding step) is started. The Hertzian contact stress generated between the sliding surface 6 and the sliding surface 7 during sliding due to the application of the pressing load is 1.0 GPa or more. More preferably, the Hertzian contact stress is 1.3 GPa to 2.4 GPa.

摺動面6の摺動の開始から、予め定める期間(たとえば30分)が経過すると、制御装置16は、アルコールバルブ28および水バルブ30を閉じて、内部空間10に対するアルコールおよび水の供給を停止する(供給停止工程)。
被摺動面7に対する摺動面6の摺動に伴い、摺動面6(ZrO等)の触媒作用によって、被摺動面7に対する摺動面6の摺動の結果、摺動面6に低摩擦被膜5が形成される。低摩擦被膜5は、10−4オーダ(0.001未満)の著しく低い摩擦係数を示す。摺動部材2の摺動面6に低摩擦被膜5を設けることにより、摩擦係数が10−4オーダを示すFriction−Fade−Out状態(以下、「FFO」という。)を発現させることができる。換言すると、被摺動面7に対する摺動面6の摺動の結果、摩擦係数が摩擦とともに漸減し、FFOを発現させることができる。
When a predetermined period (for example, 30 minutes) has elapsed from the start of sliding of the sliding surface 6, the control device 16 closes the alcohol valve 28 and the water valve 30 to stop the supply of alcohol and water to the internal space 10. Yes (supply stop step).
As the sliding surface 6 slides on the sliding surface 7, the sliding surface 6 slides on the sliding surface 7 due to the catalytic action of the sliding surface 6 (ZrO 2 etc.). A low-friction coating 5 is formed on. The low friction coating 5 exhibits a remarkably low coefficient of friction of the order of 10 −4 (less than 0.001). By providing the low-friction coating 5 on the sliding surface 6 of the sliding member 2, a Friction-Fade-Out state (hereinafter referred to as “FFO”) having a friction coefficient of the order of 10 −4 can be exhibited. In other words, as a result of sliding of the sliding surface 6 with respect to the sliding surface 7, the friction coefficient gradually decreases with friction, and FFO can be exhibited.

低摩擦被膜5は、後述するFPF−2に相当する。低摩擦被膜5は、PLC膜9と同等の硬さを有し、干渉縞を示す透明膜である。低摩擦被膜5の表面および内部には、ブリスタ(気泡)が発生している。
このような低摩擦被膜5の形成(FFOの発現)のメカニズムについて、本願発明者らは次のように考えている。
The low friction coating 5 corresponds to FPF-2 described later. The low-friction coating 5 is a transparent film that has the same hardness as the PLC film 9 and exhibits interference fringes. Blister (air bubbles) is generated on the surface and inside of the low-friction coating 5.
The inventors of the present application consider the mechanism of formation of such a low friction coating 5 (expression of FFO) as follows.

すなわち、摺動面6の摺動(摩擦)に伴い、PLC膜9の最表面が摩擦により摩耗粉となって、摺動面6に移着する。すなわち、PLC膜9から移着した移着膜が摺動面6に形成される。摺動の進行に伴って、PLC膜9と移着膜とが摩擦するようになる。摺動面6を構成する金属(SUJ2、パラジウム等)または酸化物セラミックス(ZrO)は、水素分子を解離吸着して活性水素を発生できる触媒性を有している。そのため、摺動面6でPLC膜9を摺動する結果、摺動面6の触媒作用により、摺動界面に活性水素が存在するようになる。 That is, as the sliding surface 6 slides (friction), the outermost surface of the PLC film 9 becomes frictional wear powder and is transferred to the sliding surface 6. That is, the transfer film transferred from the PLC film 9 is formed on the sliding surface 6. As the sliding progresses, the PLC film 9 and the transfer film rub. The metal (SUJ2, palladium, etc.) or oxide ceramics (ZrO 2 ) forming the sliding surface 6 has a catalytic property capable of dissociating and adsorbing hydrogen molecules to generate active hydrogen. Therefore, as a result of sliding the PLC film 9 on the sliding surface 6, active hydrogen is present at the sliding interface due to the catalytic action of the sliding surface 6.

内部空間10の雰囲気に含まれるアルコールが、摺動面6の活性水素の酸触媒作用により水素化分解され、前記の移着膜に揮発性ガスが形成される。そして、移着膜の摩擦面(摺動界面)に揮発性ガスのガス分子層が形成されると考えられる。このガス分子層厚さは数分子レベルであり、この揮発性ガス層の単分子レベルのガス潤滑により、FFOが発現するものと考えられる。すなわち、揮発性ガス層を含む移着膜を基に、低摩擦被膜5が形成される。 The alcohol contained in the atmosphere of the internal space 10 is hydrolyzed by the acid catalyst action of the active hydrogen on the sliding surface 6, and a volatile gas is formed in the transfer film. It is considered that a gas molecule layer of volatile gas is formed on the friction surface (sliding interface) of the transfer film. The thickness of this gas molecule layer is on the level of several molecules, and it is considered that FFO is expressed by the gas lubrication of this volatile gas layer at the level of a single molecule. That is, the low friction coating 5 is formed on the basis of the transfer film including the volatile gas layer.

また、この実施形態では、摺動面6の摺動開始から所定時間経過すると、アルコールおよび水の供給が停止される。これにより、内部空間10の雰囲気から、水分(水)を除くことができる。酸化物セラミックス(ZrO)または金属(SUJ、パラジウム)の触媒作用を弱める触媒毒となり得る水分(水)を除くことにより、これらの触媒作用の安定化を達成できる。 Further, in this embodiment, the supply of alcohol and water is stopped when a predetermined time has elapsed from the start of sliding of the sliding surface 6. Thereby, water (water) can be removed from the atmosphere of the internal space 10. Stabilization of these oxides (ZrO 2 ) or metals (SUJ, palladium) can be achieved by removing water (water) that can be a catalyst poison that weakens the catalytic action.

より具体的なFFOの発現メカニズムには、次の通りである。
摺動面6の活性水素が、PLC膜9のC=C結合を有するCHx〜CHxフラグメントと接触すると、C=C結合部のπ結合を接触還元して、摺動界面に向く2個のC−H結合(シス付加反応)を生じる。平面性が強いC=C結合がC−C結合(σ結合)になるために、フラグメントの変形自由度が増し、その結果、摩擦界面に揮発性ガス層が形成される。
A more specific FFO expression mechanism is as follows.
When the active hydrogen on the sliding surface 6 comes into contact with the C 2 Hx to C 4 Hx fragment having the C=C bond of the PLC film 9, the π bond of the C=C bond portion is catalytically reduced and is directed to the sliding interface. Two C—H bonds (cis addition reaction) occur. Since the C=C bond having a strong flatness becomes a C-C bond (σ bond), the degree of freedom of deformation of the fragment increases, and as a result, a volatile gas layer is formed at the friction interface.

また、C−H結合の水素原子同士の反発力(ファンデルワールス力による反発力)も、FFOの発現の一因だと考えられている。摩擦により容易に揮発するC−C結合フラグメントの形成も、FFOの発現の一因だと考えられている。
摺動面6の摺動開始から予め定める期間が経過すると、制御装置16は、開いているバルブ(水素ガスバルブ24、アルコールバルブ28、水バルブ30、窒素ガスバルブ34等)を閉じて、処理ガス導入配管19からの処理ガスの導入を停止させる。その後、制御装置16は、摺動部材2および被摺動部材3を、チャンバ12の内部空間10から搬出させる。
Further, the repulsive force between the hydrogen atoms of the C—H bond (repulsive force due to Van der Waals force) is also considered to be a factor in the expression of FFO. The formation of C—C bond fragments that volatilize readily by rubbing is also believed to contribute to the expression of FFO.
When a predetermined period has elapsed from the start of sliding of the sliding surface 6, the control device 16 closes the open valves (hydrogen gas valve 24, alcohol valve 28, water valve 30, nitrogen gas valve 34, etc.) to introduce the processing gas. The introduction of the processing gas from the pipe 19 is stopped. After that, the control device 16 causes the sliding member 2 and the slid member 3 to be carried out of the internal space 10 of the chamber 12.

アルコールとしてメタノールを採用する場合、処理ガスに含まれる気体のメタノールおよび気体の水に関し、アルコール容器37で気体のメタノールを含んだキャリアガスの流量と、水容器38で気体の水蒸気を含んだキャリアガスの流量と、の合計に対するアルコール容器37で気体のメタノールを含んだキャリアガスの流量の比が、6%〜15%であることが好ましい。また、アルコール容器37で気体のメタノールを含んだキャリアガスの流量と、水容器38で気体の水蒸気を含んだキャリアガスの流量と、の合計に対するアルコール容器37で気体のメタノールを含んだキャリアガスの流量の比がそれ以外の値(この値は100%を含む場合もある)であっても、FFOは発現可能である。 When methanol is used as alcohol, regarding the gaseous methanol and gaseous water contained in the processing gas, the flow rate of the carrier gas containing gaseous methanol in the alcohol container 37 and the carrier gas containing gaseous steam in the water container 38. It is preferable that the ratio of the flow rate of the carrier gas containing the gaseous methanol in the alcohol container 37 to the total of the flow rate of 6 to 15%. Further, the sum of the flow rate of the carrier gas containing gaseous methanol in the alcohol container 37 and the flow rate of the carrier gas containing gaseous steam in the water container 38 is calculated by adding the carrier gas containing gaseous methanol to the alcohol container 37. FFO can be expressed even if the ratio of the flow rates is any other value (this value may include 100%).

アルコールとしてエタノールを採用する場合、処理ガスに含まれる気体のエタノールおよび気体の水に関し、アルコール容器37で気体のエタノールを含んだキャリアガスの流量と、水容器38で気体の水蒸気を含んだキャリアガスの流量と、の合計に対するアルコール容器37で気体のエタノールを含んだキャリアガスの流量の比が、6%〜30%であることが好ましい。また、アルコール容器37で気体のエタノールを含んだキャリアガスの流量と、水容器38で気体の水蒸気を含んだキャリアガスの流量と、の合計に対するアルコール容器37で気体のエタノールを含んだキャリアガスの流量の比がそれ以外の値(この値は100%を含む場合もある)であっても、FFOは発現可能である。しかしながら、とくに、アルコール容器37で気体のエタノールを含んだキャリアガスの流量と、水容器38で気体の水蒸気を含んだキャリアガスの流量と、の合計に対するアルコール容器37で気体のエタノールを含んだキャリアガスの流量の比が15%〜25%である場合、FFOを、安定した状態で長期間に亘って発現させることができる。 When ethanol is used as the alcohol, regarding the gaseous ethanol and the gaseous water contained in the processing gas, the flow rate of the carrier gas containing the gaseous ethanol in the alcohol container 37 and the carrier gas containing the gaseous steam in the water container 38. It is preferable that the ratio of the flow rate of the carrier gas containing ethanol in the alcohol container 37 to the total of the flow rate of 6 to 30%. Further, the total flow rate of the carrier gas containing the gaseous ethanol in the alcohol container 37 and the flow rate of the carrier gas containing the gaseous water vapor in the water container 38 is calculated by adding the carrier gas containing the gaseous ethanol in the alcohol container 37. FFO can be expressed even if the ratio of the flow rates is any other value (this value may include 100%). However, in particular, the carrier containing gaseous ethanol in the alcohol container 37 with respect to the sum of the flow rate of the carrier gas containing gaseous ethanol in the alcohol container 37 and the flow rate of the carrier gas containing gaseous steam in the water container 38. When the gas flow ratio is 15% to 25%, FFO can be expressed in a stable state for a long period of time.

次に、第1の摩擦試験機41を用いて行われる第1〜第13の摩擦試験について説明する。
図4は、第1の摩擦試験機41の構成を示す模式的な断面図である。図5Aは、第1〜第13の摩擦試験の計測対象のプレート試験片42の表面を拡大して示す断面図である。図5Bは、プレート試験片42の表面に形成された二層膜43の物性および膜作製手法を示す図である。
Next, the 1st-13th friction test performed using the 1st friction tester 41 is demonstrated.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the first friction tester 41. FIG. 5A is an enlarged cross-sectional view showing the surface of the plate test piece 42 to be measured in the first to thirteenth friction tests. FIG. 5B is a diagram showing the physical properties of the two-layer film 43 formed on the surface of the plate test piece 42 and the film manufacturing method.

第1の摩擦試験機41として、図4に示すピンオンプレート(Pin-On- Plate)型往復すべり摩擦試験機を用いた。試験対象のピン試験片44には、200℃24時間大気中加熱処理した、もしくは水素還元雰囲気で400℃3時間処理した、直径4.8mmのZrO(YSZ)球が用いられている。試験対象のピン試験片44の上方に錘71を載せ、かつ当該錘71の重さを変えることにより、ピン試験片44に付与される荷重を変えることができるようになっている。 As the first friction tester 41, a pin-on-plate type reciprocal sliding friction tester shown in FIG. 4 was used. As the pin test piece 44 to be tested, a ZrO 2 (YSZ) sphere having a diameter of 4.8 mm, which was heat-treated in the air at 200° C. for 24 hours or at 400° C. for 3 hours in a hydrogen reducing atmosphere, is used. By placing the weight 71 above the pin test piece 44 to be tested and changing the weight of the weight 71, the load applied to the pin test piece 44 can be changed.

第1の摩擦試験機41はたとえば円筒状のチャンバ45を備えており、チャンバ45内にピン試験片44が収容されている。チャンバ45は、有底円筒状のアクリル製のチャンバ本体46と、チャンバ本体46の上面を閉じるアクリル製の蓋47とを含む。蓋47には、ピン試験片44のスライド方向に長い長尺の開口48が形成されており、開口48にピン試験片44が配置されている。チャンバ45の底部には、プレート試験片42を保持するための保持台49が配置されている。チャンバ本体46の周壁50を貫通して、ガス導入配管51が設けられている。ガス導入配管51には、水素ガスが供給される第1のライン52と、気体のアルコールおよび気体の水蒸気を含有する水素ガスが供給される第2のライン53とが接続されている。第1のライン52には、第1のライン52を開閉するための第1のバルブ54と、第1のライン52における水素ガスの流量を調整するための第1の流量調整バルブ55と、第1のライン52における水素ガスの流量を検出するための第1の流量計56とが介装されている。第2のライン53には、第2のライン53を開閉するための第2のバルブ57と、第2のライン53における水素ガスの流量を調整するための第2の流量調整バルブ58と、第2のライン53における水素ガスの流量を検出するための第2の流量計59と、アルコールおよび水が溜められたアルコール/水容器60とが介装されている。アルコール/水容器60の温度は20℃±5℃に設定されている。アルコール/水容器60において、アルコールと水とは液体のアルコールと水の水溶液とこの水溶液から気化した気体のアルコールと気体の水蒸気とが存在する。第2のバルブ57を開くことにより、第2のライン53を水素ガスが流れ、アルコール/水容器60に水素ガスが供給される。アルコールおよび水が溜められたアルコール/水容器60内を、水素ガスが流通することにより、気体のアルコールおよび気体の水蒸気が水素ガスに運ばれてガス導入配管51に至る。そして、第2のバルブ57の開成と共に第1のバルブ54を開くことにより、気体のアルコールおよび気体の水蒸気を含む水素ガスが、ガス導入配管51を通して、チャンバ45内に供給される。チャンバ45では、チャンバ45内の雰囲気が制御可能に設けられている。 The first friction tester 41 includes, for example, a cylindrical chamber 45, and the pin test piece 44 is housed in the chamber 45. The chamber 45 includes a bottomed cylindrical acrylic chamber body 46 and an acrylic lid 47 that closes the upper surface of the chamber body 46. The lid 47 is formed with an elongated opening 48 that is long in the sliding direction of the pin test piece 44, and the pin test piece 44 is arranged in the opening 48. A holding base 49 for holding the plate test piece 42 is arranged at the bottom of the chamber 45. A gas introduction pipe 51 is provided so as to penetrate the peripheral wall 50 of the chamber body 46. A first line 52 to which hydrogen gas is supplied and a second line 53 to which hydrogen gas containing gaseous alcohol and gaseous water vapor is supplied are connected to the gas introduction pipe 51. In the first line 52, a first valve 54 for opening and closing the first line 52, a first flow rate adjusting valve 55 for adjusting the flow rate of hydrogen gas in the first line 52, A first flow meter 56 for detecting the flow rate of hydrogen gas in the first line 52 is interposed. In the second line 53, a second valve 57 for opening and closing the second line 53, a second flow rate adjusting valve 58 for adjusting the flow rate of hydrogen gas in the second line 53, A second flow meter 59 for detecting the flow rate of hydrogen gas in the second line 53 and an alcohol/water container 60 in which alcohol and water are stored are interposed. The temperature of the alcohol/water container 60 is set to 20°C ± 5°C. In the alcohol/water container 60, the alcohol and water are an aqueous solution of liquid alcohol and water, and gaseous alcohol and gaseous steam vaporized from the aqueous solution. By opening the second valve 57, hydrogen gas flows through the second line 53, and hydrogen gas is supplied to the alcohol/water container 60. By flowing hydrogen gas through the alcohol/water container 60 in which alcohol and water are stored, gaseous alcohol and gaseous water vapor are carried to the hydrogen gas and reach the gas introduction pipe 51. Then, by opening the second valve 57 and opening the first valve 54, hydrogen gas containing gaseous alcohol and gaseous water vapor is supplied into the chamber 45 through the gas introduction pipe 51. The chamber 45 is provided so that the atmosphere in the chamber 45 can be controlled.

プレート試験片42には、図5Aに示すように、表面に二層膜43が形成されたシリコン基板61を用いた。二層膜43は、二層構造の硬質炭素系膜である。二層膜43の下層側はSi−DLC膜62である。二層膜43の上層側はPLC(Polymer−Like−Carbon)膜63である。Si−DLC膜62は、トルエンおよびトリメチルシラン(Si(CH)をガス流量比2:3の割合で混合したものを原料ガスに用いながら、イオン化蒸着法(PVD法)を行うことにより形成されている。PLC膜63は、原料ガスとしてトルエンのみを用いながら、イオン化蒸着法を行うことにより形成されている。PLC成膜時におけるバイアス電圧を、−0.4kV(低バイアス電圧)とした。 As the plate test piece 42, as shown in FIG. 5A, a silicon substrate 61 having a two-layer film 43 formed on its surface was used. The two-layer film 43 is a hard carbon-based film having a two-layer structure. The lower layer side of the two-layer film 43 is the Si-DLC film 62. An upper layer side of the two-layer film 43 is a PLC (Polymer-Like-Carbon) film 63. The Si-DLC film 62 is formed by performing an ionization vapor deposition method (PVD method) using a mixture of toluene and trimethylsilane (Si(CH 3 ) 4 ) at a gas flow rate ratio of 2:3 as a source gas. Has been formed. The PLC film 63 is formed by performing an ionization vapor deposition method using only toluene as a source gas. The bias voltage during the PLC film formation was set to -0.4 kV (low bias voltage).

Si−DLC膜62およびPLC膜63の、成膜時の処理圧(Deposition pressure,Pa)、成膜時のバイアス電圧(Bias voltage,kV)、成膜時の処理温度(Heater temperature,K)、膜厚(Film thickness,nm)、微小押込み硬さ(Indentation hardness,GPa)、ヤング率(Young's modulus,GPa)、ラマンスペクトルのGバンドのピーク位置(G-peak position,cm−1)、ラマンスペクトルのGバンドのピーク半値幅(FWHM(G) ,cm−1)、ラマンスペクトルのDバンドとGバンドとのピーク強度比(I(D)/ I(G))、推定含有水素量(at.%)を、それぞれ図5Bに示す。 Processing pressure (Deposition pressure, Pa) during film formation of the Si-DLC film 62 and PLC film 63, bias voltage (Bias voltage, kV) during film formation, processing temperature (Heater temperature, K) during film formation, Film thickness (nm), Indentation hardness (GPa), Young's modulus (GPa), Raman spectrum G band peak position (G-peak position, cm -1 ), Raman spectrum FWHM(G), cm −1 of G band, peak intensity ratio (I(D)/I(G)) of D band and G band of Raman spectrum, estimated hydrogen content (at. %) are shown in FIG. 5B, respectively.

プレート試験片42を、二層膜43の形成面を試験面として第1の摩擦試験機41にセットした後、摩擦速度8.0mm/s、摩擦ストローク4.0mm、チャンバ45への供給ガス流量約2.0〜6.2(リットル/分)、無潤滑という試験条件の下、ピン試験片44を介してプレート試験片42の表面に与える荷重の大きさを19.6N 〜58.8Nの範囲で、1.96N単位で段階的に上昇させながら、以下の第1〜第13の摩擦試験(最大28200回の高荷重試験)を行い、FFOの発現状況を調べた。 After the plate test piece 42 was set on the first friction tester 41 with the surface on which the two-layer film 43 was formed as the test surface, the friction speed was 8.0 mm/s, the friction stroke was 4.0 mm, and the flow rate of gas supplied to the chamber 45 was set. Under the test condition of approximately 2.0 to 6.2 (liter/min) and no lubrication, the magnitude of the load applied to the surface of the plate test piece 42 via the pin test piece 44 is 19.6N to 58.8N. In the range, the following first to thirteenth friction tests (high-load tests up to 28200 times) were performed while gradually increasing by 1.96 N units, and the expression state of FFO was investigated.

まず、第1〜第4の摩擦試験について説明する。チャンバ45内の温度を20℃±5℃に設定した。第1〜第4の摩擦試験では、アルコールとしてメタノールを用い、処理ガス(この場合、アルコールおよび水を含む特殊水素ガス。以下、同じ)に含まれるメタノールの濃度を変化させた。
第1〜第4の摩擦試験では、第1のライン52のガス流量を8(リットル/分)とし、第2のライン53のガス流量を200sccmとした。第1のライン52には水素ガスを流した。第2のライン53にはキャリアガスとして水素ガスを流した。
First, the first to fourth friction tests will be described. The temperature in the chamber 45 was set to 20°C ± 5°C. In the first to fourth friction tests, methanol was used as the alcohol, and the concentration of methanol contained in the processing gas (in this case, a special hydrogen gas containing alcohol and water; the same applies hereinafter) was changed.
In the first to fourth friction tests, the gas flow rate of the first line 52 was 8 (liter/minute), and the gas flow rate of the second line 53 was 200 sccm. Hydrogen gas was flown through the first line 52. Hydrogen gas was passed through the second line 53 as a carrier gas.

また、第1〜第4の摩擦試験において、第2のライン53のガス流量を検出するための第2の流量計59として、フロート方式の流量計を用いた。当該第2の流量計59の検出下限は200sccmであった。そのため、第2の流量計59に基づいてフィードバック制御される第2のライン53のガス流量は一定流量に制御できない。したがって、第1〜第4の摩擦試験では、試験開始後、第2のライン53のガス流量が徐々に低下しているものと推察される。
<第1の摩擦試験>
アルコール/水容器60に20ccの水および1ccのメタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスには、液体のメタノールおよび液体の水に対する液体のメタノールの体積%濃度は4.8%である水溶液から発生する気体のメタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
<第2の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および1ccのメタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスには、液体のメタノールおよび液体の水に対する液体のメタノールの体積%濃度は9.1%である水溶液から発生する気体のメタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
<第3の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および2ccのメタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスには、液体のメタノールおよび液体の水に対する液体のメタノールの体積%濃度は16.7%である水溶液から発生する気体のメタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
<第4の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および10ccのメタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスには、液体のメタノールおよび液体の水に対する液体のメタノールの体積%濃度は50%である水溶液から発生する気体のメタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
In addition, in the first to fourth friction tests, a float type flow meter was used as the second flow meter 59 for detecting the gas flow rate of the second line 53. The lower limit of detection of the second flow meter 59 was 200 sccm. Therefore, the gas flow rate of the second line 53 that is feedback-controlled based on the second flow meter 59 cannot be controlled to a constant flow rate. Therefore, in the first to fourth friction tests, it is presumed that the gas flow rate of the second line 53 gradually decreases after the start of the test.
<First friction test>
An alcohol/water container 60 was charged with 20 cc of water and 1 cc of methanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas includes liquid methanol and gaseous methanol generated from an aqueous solution whose volume% concentration of liquid methanol to liquid water is 4.8%. Gaseous water vapor is included.
<Second friction test>
An alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 1 cc of methanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas includes liquid methanol and gaseous methanol generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid methanol to liquid water is 9.1%. Gaseous water vapor is included.
<Third friction test>
An alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 2 cc of methanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas includes liquid methanol and gaseous methanol generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid methanol to liquid water is 16.7%. Gaseous water vapor is included.
<Fourth friction test>
Alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 10 cc of methanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas includes liquid methanol and gaseous methanol and gaseous gas generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid methanol to liquid water is 50%. Water vapor is included.

図6〜図9は、第1〜第4の摩擦試験における、負荷荷重(Load)と、摩擦係数(Friction coefficient)の計測値との関係を示すグラフである。第1の摩擦試験では、図6に示すように、いずれの負荷荷重の条件においても、摩擦係数は0.01以上であり、FFO(超低摩擦状態)は発現しなかった。
第2の摩擦試験では、図7に示すように、荷重が約50Nに達した時点で、摩擦係数が急減し、FFOが発現した。FFO発現時の摩擦係数は、5×10−4〜7×10−4であった。その後、荷重を上昇させても、FFOは発現し続けた。荷重が58.8Nに達した後、高荷重のまま一定に保ったが、FFOが安定的に発現し続けた。FFOの発現が70分間継続した後、第2の摩擦試験を終了した。
6 to 9 are graphs showing the relationship between the applied load (Load) and the measurement value of the friction coefficient (Friction coefficient) in the first to fourth friction tests. In the first friction test, as shown in FIG. 6, the friction coefficient was 0.01 or more and FFO (super low friction state) did not appear under any of the applied load conditions.
In the second friction test, as shown in FIG. 7, when the load reached about 50 N, the friction coefficient sharply decreased and FFO developed. The coefficient of friction when FFO developed was 5×10 −4 to 7×10 −4 . After that, even if the load was increased, FFO continued to develop. After the load reached 58.8 N, the load was kept constant at a high load, but FFO continued to be stably expressed. After the development of FFO continued for 70 minutes, the second friction test was finished.

第3の摩擦試験では、図8に示すように、いずれの負荷荷重の条件においても、摩擦係数は0.01以上であり、FFOは発現しなかった。
第4の摩擦試験では、図9に示すように、いずれの負荷荷重の条件においても、摩擦係数は0.01以上であり、FFOは発現しなかった。
第1〜第4の摩擦試験から、アルコールとしてメタノールを用いる場合、アルコールおよび水を含む特殊水素ガスに含まれる、液体のメタノールおよび液体の水に対する液体のメタノールの体積%濃度が6〜15%の水溶液から発生する気体のメタノールと気体の水蒸気とを含むとき、FFOが発現し易い、とくに、液体のメタノールおよび液体の水に対する液体のメタノールの体積%濃度が約9%のときFFOが発現し易いことが判る。
In the third friction test, as shown in FIG. 8, the friction coefficient was 0.01 or more and FFO did not appear under any of the applied load conditions.
In the fourth friction test, as shown in FIG. 9, the friction coefficient was 0.01 or more and FFO did not occur under any of the applied load conditions.
From the 1st to 4th friction tests, when methanol is used as alcohol, the volume% concentration of liquid methanol to liquid methanol and liquid water contained in the special hydrogen gas containing alcohol and water is 6 to 15%. FFO is easy to develop when it contains gaseous methanol and gaseous steam generated from an aqueous solution, and especially when the volume% concentration of liquid methanol and liquid methanol to liquid water is about 9%. I understand.

次に、第5〜第9の摩擦試験について説明する。チャンバ45内の温度を20℃±5℃に設定した。第5〜第9の摩擦試験では、アルコールとしてエタノールを用い、特殊水素ガスに含まれるエタノールの濃度を変化させた。
第5〜第9の摩擦試験では、第1のライン52のガス流量を8(リットル/分)とし、第2のライン53のガス流量を200sccmとした。
Next, the fifth to ninth friction tests will be described. The temperature in the chamber 45 was set to 20°C ± 5°C. In the fifth to ninth friction tests, ethanol was used as alcohol and the concentration of ethanol contained in the special hydrogen gas was changed.
In the fifth to ninth friction tests, the gas flow rate of the first line 52 was set to 8 (liter/minute), and the gas flow rate of the second line 53 was set to 200 sccm.

また、第5〜第9の摩擦試験において、第2のライン53のガス流量を検出するための第2の流量計59として、フロート方式の流量計を用いた。当該第2の流量計59の検出下限は200sccmであった。そのため、第2の流量計59に基づいてフィードバック制御される第2のライン53のガス流量は一定流量に制御できない。したがって、第5〜第9の摩擦試験では、試験開始後、第2のライン53のガス流量が徐々に低下しているものと推察される。
<第5の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および1ccのエタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスには、液体のエタノールおよび液体の水に対する液体のエタノールの体積%濃度は9.1%である水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
<第6の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および2ccのエタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスには、液体のエタノールおよび液体の水に対する液体のエタノールの体積%濃度は16.7%である水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
<第7の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および3ccのエタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスには、液体のエタノールおよび液体の水に対する液体のエタノールの体積%濃度は23.1%である水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
<第8の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および5ccのエタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスには、液体のエタノールおよび液体の水に対する液体のエタノールの体積%濃度は33.3%である水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
<第9の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および10ccのエタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスには、液体のエタノールおよび液体の水に対する液体のエタノールの体積%濃度は50%である水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
In addition, in the fifth to ninth friction tests, a float type flow meter was used as the second flow meter 59 for detecting the gas flow rate of the second line 53. The lower limit of detection of the second flow meter 59 was 200 sccm. Therefore, the gas flow rate of the second line 53 that is feedback-controlled based on the second flow meter 59 cannot be controlled to a constant flow rate. Therefore, in the fifth to ninth friction tests, it is presumed that the gas flow rate of the second line 53 gradually decreases after the start of the test.
<Fifth friction test>
Alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 1 cc of ethanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas includes liquid ethanol and gaseous ethanol generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid ethanol to liquid water is 9.1%. Gaseous water vapor is included.
<Sixth friction test>
An alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 2 cc of ethanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas includes liquid ethanol and gaseous ethanol generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid ethanol to liquid water is 16.7%. Gaseous water vapor is included.
<Seventh friction test>
Alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 3 cc of ethanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas includes liquid ethanol and gaseous ethanol generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid ethanol to liquid water is 23.1%. Gaseous water vapor is included.
<Eighth friction test>
Alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 5 cc of ethanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas includes liquid ethanol and gaseous ethanol generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid ethanol to liquid water is 33.3%. Gaseous water vapor is included.
<Ninth friction test>
Alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 10 cc of ethanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas includes liquid ethanol and gaseous ethanol generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid ethanol to liquid water is 50%. Water vapor is included.

図10〜図14は、第5〜第9の摩擦試験における、負荷荷重(Load)と、摩擦係数(Friction coefficient)の計測値との関係を示すグラフである。
第5の摩擦試験では、図10に示すように、荷重が約27Nに達した時点で、摩擦係数が急減しFFOが発現した。FFO発現時の摩擦係数は、約5×10−4である。その後、荷重の増加に伴って摩擦係数は緩やかに下降したが、摩擦係数が10−5オーダに入った途端に、摩擦係数が10−4オーダと10−5オーダとの間で急激な増減を繰り返した。荷重が約42Nに達した時点で、摩擦係数が約8×10−2まで上昇したので、第5の摩擦試験を終了した。
10 to 14 are graphs showing the relationship between the applied load (Load) and the measured value of the friction coefficient (Friction coefficient) in the fifth to ninth friction tests.
In the fifth friction test, as shown in FIG. 10, when the load reached about 27 N, the friction coefficient sharply decreased and FFO developed. The coefficient of friction when FFO occurs is about 5×10 −4 . After that, the friction coefficient gradually decreased as the load increased, but as soon as the friction coefficient entered the order of 10 -5 , the coefficient of friction drastically increased and decreased between the order of 10 -4 and 10 -5. Was repeated. When the load reached about 42 N, the friction coefficient increased to about 8×10 −2 , so the fifth friction test was terminated.

第6の摩擦試験では、図11に示すように、荷重が約50Nに達した時点で、摩擦係数が急減しFFOが発現した。その後、荷重を増加させても、FFOの発現が維持された。荷重が58.8Nに達した後、その高荷重で一定に保つと、摩擦係数は10−5オーダまで下降する。その後、摩擦係数が緩やかに上昇するという不安定な状態がみられたので、荷重を段階的に下降させたが、摩擦係数の不安定さは解消されなかった。その後、摩擦係数が0.02まで上昇したので、第6の摩擦試験を終了した。 In the sixth friction test, as shown in FIG. 11, when the load reached about 50 N, the friction coefficient sharply decreased and FFO developed. After that, the expression of FFO was maintained even if the load was increased. After the load reaches 58.8 N, if kept constant at the high load, the coefficient of friction drops to the order of 10 −5 . After that, an unstable state was observed in which the friction coefficient gradually increased, so the load was gradually decreased, but the instability of the friction coefficient was not eliminated. After that, since the friction coefficient increased to 0.02, the sixth friction test was finished.

第7の摩擦試験では、図12に示すように、荷重が約40Nに達した時点で、摩擦係数が急減しFFOが発現した。その後、摩擦係数は、10−3オーダと10−5オーダとの間で大きく増減を繰り返したが、荷重が約50Nに達した時点でその急激な増減がみられなくなり、摩擦係数が10−5オーダで安定するようになった。荷重が58.8Nに達した後高荷重のまま一定に保っても、摩擦係数は10−5オーダで安定していた。すなわち、第7の摩擦試験では、FFO発現時の摩擦係数の値が、極めて小さくなった。 In the seventh friction test, as shown in FIG. 12, when the load reached about 40 N, the friction coefficient sharply decreased and FFO developed. After that, the friction coefficient repeatedly increased and decreased between 10 −3 order and 10 −5 order, but when the load reached about 50 N, the rapid increase and decrease disappeared and the friction coefficient became 10 −5. It became stable on the order. After the load reached 58.8 N, the friction coefficient was stable on the order of 10 −5 even if the load was kept constant at a high load. That is, in the seventh friction test, the value of the friction coefficient when FFO occurred was extremely small.

荷重が58.8Nに達してから25分間が経過すると摩擦係数が10−4オーダまで上昇した。そのため、エタノールおよび水を含む水素ガスの量を増加させた。すると、摩擦係数は、10−5オーダまで再度下降した。
この摩擦係数の上昇は、摺動面6(図1等参照)に形成されていた低摩擦被膜(図1の低摩擦被膜5と同等)は摺動に伴って剥離するものと考えられるが、エタノールおよび水が摺動面6(摺動界面)で枯渇したことにより、摺動面6で低摩擦被膜5の再生成が行われなかったものと推察できる。エタノールおよび水の供給量を増加させることにより、摺動面6における低摩擦被膜5の再生成が促進され、それゆえに、摩擦係数が10−5オーダまで再度下降したものと推察される。
When 25 minutes passed after the load reached 58.8 N, the friction coefficient increased to the order of 10 −4 . Therefore, the amount of hydrogen gas containing ethanol and water was increased. Then, the friction coefficient again decreased to the order of 10 −5 .
It is considered that the increase in the friction coefficient is such that the low-friction coating (equivalent to the low-friction coating 5 in FIG. 1) formed on the sliding surface 6 (see FIG. 1 and the like) peels off with sliding. It can be inferred that the low friction coating 5 was not regenerated on the sliding surface 6 because ethanol and water were depleted on the sliding surface 6 (sliding interface). It is speculated that increasing the supply of ethanol and water promoted the regeneration of the low-friction coating 5 on the sliding surface 6, and therefore the coefficient of friction dropped again to the order of 10 −5 .

荷重が58.8Nに達してから90分間が経過した後に摩擦係数が急上昇したので、第7の摩擦試験を終了した。
第8の摩擦試験では、図13に示すように、いずれの負荷荷重の条件においても、摩擦係数は0.01以上であり、FFOは発現しなかった。
第9の摩擦試験では、図14に示すように、荷重が約45Nに達した時点で、摩擦係数が急減し、FFOが発現した。FFO発現時には、摩擦係数は約1×10−4と低かったが、荷重の増加に伴って摩擦係数は上昇し、10−3オーダまで上昇した。荷重が58.8Nに達した後、その高荷重で一定に保つと、摩擦係数が下降し、FFOが再び発現する。その後、摩擦係数が急激に上昇したので、第9の摩擦試験を終了した。
The friction coefficient sharply increased 90 minutes after the load reached 58.8 N, so the seventh friction test was terminated.
In the eighth friction test, as shown in FIG. 13, the friction coefficient was 0.01 or more and FFO did not appear under any of the applied load conditions.
In the ninth friction test, as shown in FIG. 14, when the load reached about 45 N, the friction coefficient sharply decreased and FFO developed. At the time of FFO expression, the friction coefficient was as low as about 1×10 −4 , but as the load increased, the friction coefficient increased to the order of 10 −3 . After the load reaches 58.8 N, if the load is kept constant at the high load, the friction coefficient decreases and FFO reappears. After that, since the friction coefficient sharply increased, the ninth friction test was finished.

また、第5〜第9の摩擦試験から、アルコールとしてエタノールを用いる場合、特殊水素ガスに含まれる、液体のエタノールおよび液体の水に対する液体のエタノールの体積%濃度が約6〜約30%の水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とを含むとき、FFOが発現し易い、とくに、液体のエタノールおよび液体の水に対する液体のエタノールの体積%濃度が約15〜約25%の水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とを含むとき、FFOが発現し易いことが判った。この濃度範囲であれば、耐荷重性を有していることも判った。 Further, from the fifth to ninth friction tests, when ethanol is used as the alcohol, an aqueous solution containing about 6 to about 30% by volume of liquid ethanol and liquid ethanol contained in the special hydrogen gas. FFO is liable to develop when it contains gaseous ethanol and gaseous water vapor generated from water. Particularly, it is generated from an aqueous solution having a volume% concentration of liquid ethanol to liquid ethanol and liquid water of about 15 to about 25%. It was found that FFO is likely to develop when it contains gaseous ethanol and gaseous steam. It was also found that it has load resistance within this concentration range.

また、第7の摩擦試験から、FFOの発現のためには、摺動面6および被摺動面7への「エタノール+水」の供給が必要であることが判る。これにより、発現したFFOを維持しておくためには、摺動面6および被摺動面7に、アルコールおよび水を常時供給し続ける必要があることが判る。
次に、第10〜第13の摩擦試験について説明する。チャンバ45内の温度を20℃±5℃に設定した。第10〜第13の摩擦試験では、特殊水素ガスに含まれるアルコールの種類を、メタノール、エタノール、1−プロパノールおよび2−プロパノールのそれぞれとした。
Further, from the seventh friction test, it is found that the supply of “ethanol+water” to the sliding surface 6 and the sliding surface 7 is necessary for the expression of FFO. From this, it is understood that it is necessary to constantly supply alcohol and water to the sliding surface 6 and the sliding surface 7 in order to maintain the developed FFO.
Next, the tenth to thirteenth friction tests will be described. The temperature in the chamber 45 was set to 20°C ± 5°C. In the tenth to thirteenth friction tests, the types of alcohol contained in the special hydrogen gas were methanol, ethanol, 1-propanol and 2-propanol, respectively.

また、第10〜第13の摩擦試験において、第2のライン53のガス流量を検出するための第2の流量計59として、マスフロメーター((株)フジキンTM39)を用いた。
第10〜第13の摩擦試験では、試験開始から摩擦回数500回までの期間(なじみ工程)は、第1のライン52のガス流量を6(リットル/分)とし、第2のライン53のガス流量を200sccmとし、摩擦回数500回経過後から試験終了までの期間は、第1のライン52のガス流量を6(リットル/分)のまま、第2のライン53のガス流量を100sccmとした。このとき、摩擦回数500回までとそれ以降との間で、特殊水素ガスに含まれる、水溶液から発生する気体のアルコールと気体の水蒸気の基となる、水溶液の液体のアルコールおよび液体の水に対する液体のアルコールの体積%濃度は変化しない。
<第10の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および3ccのメタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスは、液体のメタノールおよび液体の水に対する液体のメタノールの体積%濃度は23.1%である水溶液から発生する気体のメタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
<第11の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および3ccのエタノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスは、液体のエタノールおよび液体の水に対する液体のエタノールの体積%濃度は23.1%である水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とが含まれる。
<第12の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および3ccの1−プロパノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスは、液体の1−プロパノールおよび液体の水に対する液体の1−プロパノールの体積%濃度は23.1%である水溶液から発生する気体の1−プロパノールと気体の水蒸気とが含まれる。
<第13の摩擦試験>
アルコール/水容器60に10ccの水および3ccの2−プロパノールを入れた。すなわち、チャンバ45に供給される特殊水素ガスにおいて、当該特殊水素ガスは、液体の2−プロパノールおよび液体の水に対する液体の2−プロパノールの体積%濃度は23.1%である水溶液から発生する気体の2−プロパノールと気体の水蒸気とが含まれる。
Further, in the tenth to thirteenth friction tests, a mass flow meter (Fujikin TM39 Co., Ltd.) was used as the second flow meter 59 for detecting the gas flow rate of the second line 53.
In the tenth to thirteenth friction tests, the gas flow rate of the first line 52 was set to 6 (liter/min) and the gas of the second line 53 was used during the period from the start of the test until the number of frictions was 500 (familiar process) The flow rate was set to 200 sccm, and the gas flow rate of the second line 53 was set to 100 sccm while the gas flow rate of the first line 52 was 6 (liter/min) during the period from the rub count 500 times to the end of the test. At this time, between the friction number up to 500 times and after that, the liquid alcohol of the aqueous solution and the liquid against the liquid water, which are the bases of the gaseous alcohol and the gaseous steam generated from the aqueous solution, which are contained in the special hydrogen gas. The volume% concentration of the alcohol is unchanged.
<Tenth friction test>
An alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 3 cc of methanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas is gas methanol and gas generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid methanol is 23.1% with respect to liquid methanol and liquid water. And water vapor.
<Eleventh friction test>
Alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 3 cc of ethanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas is a gaseous ethanol and a gaseous ethanol generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid ethanol is 23.1% with respect to liquid ethanol and liquid water. And water vapor.
<Twelfth friction test>
Alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 3 cc of 1-propanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas is a gas generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid 1-propanol and liquid 1-propanol with respect to liquid water is 23.1%. 1-propanol and gaseous water vapor are included.
<Thirteenth friction test>
Alcohol/water container 60 was charged with 10 cc of water and 3 cc of 2-propanol. That is, in the special hydrogen gas supplied to the chamber 45, the special hydrogen gas is a gas generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of liquid 2-propanol to liquid 2-propanol and liquid water is 23.1%. 2-propanol and gaseous water vapor are included.

図15〜図18は、第10〜第13の摩擦試験における、負荷荷重(Load)と、摩擦係数(Friction coefficient)の計測値との関係を示すグラフである。
第10の摩擦試験では、図15に示すように、荷重が19.6Nの条件で、FFOが一旦発現したが、このFFOは直ちに消失した。その後、荷重を増加させたところ、荷重が33.3Nに達した時点で、摩擦係数が急減しFFOが発現した。その後、荷重を増加させても、FFOの発現が維持された。荷重が56.8Nに達した時点で、摩擦係数の急激な上昇がみられたので、第10の摩擦試験を終了した。
15 to 18 are graphs showing the relationship between the applied load (Load) and the measured value of the friction coefficient (Friction coefficient) in the tenth to thirteenth friction tests.
In the tenth friction test, as shown in FIG. 15, FFO once developed under the condition of a load of 19.6 N, but this FFO immediately disappeared. Then, when the load was increased, when the load reached 33.3 N, the friction coefficient suddenly decreased and FFO was developed. After that, the expression of FFO was maintained even if the load was increased. At the time when the load reached 56.8 N, a sharp increase in the friction coefficient was observed, so the 10th friction test was terminated.

第11の摩擦試験では、図16に示すように、荷重が35.3Nに達した時点で、摩擦係数が急減しFFOが発現した。その後、荷重を増加させても、FFOの発現が維持された。荷重が63.7Nに達した時点で、摩擦係数の急激な上昇がみられたので、第11の摩擦試験を終了した。FFOの発現時間は15分間であった。
第12の摩擦試験では、図17に示すように、荷重が35.3Nに達した時点で、摩擦係数が急減しFFOが発現した。その後、荷重を増加させても、FFOの発現が維持された。荷重が63.7Nに達した時点で、摩擦係数の急激な上昇がみられたので、第12の摩擦試験を終了した。FFOの発現時間は15分間であった。
In the eleventh friction test, as shown in FIG. 16, when the load reached 35.3 N, the friction coefficient sharply decreased and FFO developed. After that, the expression of FFO was maintained even if the load was increased. At the time when the load reached 63.7 N, a sharp increase in the friction coefficient was observed, so the 11th friction test was terminated. The expression time of FFO was 15 minutes.
In the twelfth friction test, as shown in FIG. 17, when the load reached 35.3 N, the friction coefficient sharply decreased and FFO developed. After that, the expression of FFO was maintained even if the load was increased. At the time when the load reached 63.7 N, a sharp increase in the friction coefficient was observed, so the 12th friction test was terminated. The expression time of FFO was 15 minutes.

第13の摩擦試験では、図18に示すように、荷重が19.6Nの条件で、FFOが一旦発現したが、このFFOは直ちに消失した。その後、荷重を増加させたところ、荷重が23.5Nに達した時点でFFOが発現した。このFFOは荷重が23.5Nに達した時点で消失したが、その後の荷重の増加に伴い、荷重が31.4Nに達した時点でFFOが再度発現した。その後、荷重を増加させても、FFOの発現が維持された。荷重が63.7Nに達した時点で、摩擦係数の急激な上昇がみられたので、第13の摩擦試験を終了した。31.4N〜63.7Nの荷重範囲における、FFOの発現時間は20分間であった。 In the thirteenth friction test, as shown in FIG. 18, FFO once developed under the condition of a load of 19.6 N, but this FFO immediately disappeared. After that, when the load was increased, FFO was developed when the load reached 23.5N. This FFO disappeared when the load reached 23.5 N, but with the increase of the load thereafter, FFO reappeared at the time when the load reached 31.4 N. After that, the expression of FFO was maintained even if the load was increased. At the time when the load reached 63.7 N, a sharp increase in the friction coefficient was observed, so the 13th Friction Test was terminated. In the load range of 31.4 N to 63.7 N, the FFO expression time was 20 minutes.

第10〜第13の摩擦試験から、アルコールとして、メタノール、エタノール、1−プロパノールおよび2−プロパノールのいずれを用いる場合であっても、FFOが発現することが判る。
また、アルコールは、炭化水素の分子量(すなわち、炭素数)の増加に従って(メタノール<エタノール<1−プロパノール=2−プロパノール)、FFOが安定して発現することが判る。
From the tenth to thirteenth friction tests, it is understood that FFO is exhibited regardless of which of alcohol, methanol, ethanol, 1-propanol and 2-propanol is used.
Further, it is understood that FFO is stably expressed in alcohol as the molecular weight (that is, the number of carbon atoms) of hydrocarbon increases (methanol<ethanol<1-propanol=2-propanol).

また、1−プロパノールよりも、その異性体である2−プロパノ―ルの方が、FFOが安定して発現した。FFOの発現の安定性には、分子構造のOH基の存在の影響もあると考えられる。
前述の第1〜第13の摩擦試験では、第2、第5〜第7および第9〜第13の摩擦試験において、FFOの発現が認められた。このFFOの発現状況を、図3Bを参照しながら説明する。
Further, FFO was more stably expressed in its isomer, 2-propanol, than in 1-propanol. It is considered that the stability of FFO expression is also influenced by the presence of OH groups in the molecular structure.
In the above-mentioned first to thirteenth friction tests, expression of FFO was observed in the second, fifth to seventh and ninth to thirteenth friction tests. The expression status of this FFO will be described with reference to FIG. 3B.

被摺動面7に対する摺動面6の摺動に伴い、ZrO等からなる摺動面6の触媒作用によって、比較的厚い摩擦ポリマーフイルム(Frictional polymer Film。 以下、「FPF」という)が摺動面6に形成される。摺動初期(なじみ初期と同じ。)のFPFを、「FPF−1」と定義する。FPF−1の摩擦係数は、10−1オーダーである。FPF−1は、黒色膜であり、PLC膜9よりも軟らかい膜である。FPF−1は、アルコールおよび水を含む水素ガス雰囲気下で形成される。 As the sliding surface 6 slides on the sliding surface 7, a relatively thick friction polymer film (hereinafter referred to as “FPF”) slides due to the catalytic action of the sliding surface 6 made of ZrO 2 or the like. It is formed on the moving surface 6. The FPF at the initial stage of sliding (same as the initial stage of familiarization) is defined as "FPF-1". The friction coefficient of FPF-1 is on the order of 10 -1 . FPF-1 is a black film, which is softer than the PLC film 9. FPF-1 is formed under a hydrogen gas atmosphere containing alcohol and water.

押付け荷重の増加に伴って、被摺動面7の最大ヘルツ接触応力も増加する。押付け荷重が所定の値を超えると、FPFが変質する。このFPFを、「FPF−2」と定義する。FPF−2(「低摩擦被膜5」に相当)は、干渉縞を示す透明膜であり、PLC膜9と同等の硬さを有している。FPF−2の表面およびFPF−2内部には、ブリスタ(気泡)が形成されている。第1〜第13の実施形態から、FPF−1がFPF−2に変質する荷重は、約12N前後であると推察される。荷重が12Nであるときの最大ヘルツ接触応力は、1.3GPaである。最大ヘルツ接触応力が1.0GPa程度から、FPF−1からFPF−2への変質が開始可能であると考えられる。最大ヘルツ接触応力が1GPa未満の摺動では、安定したFFOを発現できない。なお、荷重が60Nであるときの最大ヘルツ接触応力は、2.4GPaである。 As the pressing load increases, the maximum Hertzian contact stress on the sliding surface 7 also increases. When the pressing load exceeds a predetermined value, the FPF deteriorates. This FPF is defined as "FPF-2". FPF-2 (corresponding to the "low friction coating 5") is a transparent film that exhibits interference fringes, and has the same hardness as the PLC film 9. Blister (air bubble) is formed on the surface of FPF-2 and inside FPF-2. From the first to thirteenth embodiments, it is estimated that the load at which FPF-1 is transformed into FPF-2 is about 12N. The maximum Hertzian contact stress when the load is 12 N is 1.3 GPa. It is considered that the transformation from FPF-1 to FPF-2 can be started when the maximum Hertzian contact stress is about 1.0 GPa. When the maximum Hertz contact stress is less than 1 GPa, stable FFO cannot be expressed. The maximum Hertzian contact stress when the load is 60 N is 2.4 GPa.

図19〜図22は、第10〜第13の摩擦試験の終了後における、ピン試験片44の外表面およびプレート試験片42表面のPLC膜9表面の光学顕微鏡写真の画像図である。図19A、図20A、図21Aおよび図22Aに、PLC膜9表面の光学顕微鏡写真の画像図を示し、図19B、図20B、図21Bおよび図22Bに、プレート試験片42表面の光学顕微鏡写真の画像図を示す。 19 to 22 are image diagrams of optical microscope photographs of the PLC film 9 surface on the outer surface of the pin test piece 44 and the surface of the plate test piece 42 after completion of the tenth to thirteenth friction tests. FIG. 19A, FIG. 20A, FIG. 21A and FIG. 22A show image micrographs of the PLC film 9 surface, and FIGS. 19B, 20B, 21B and 22B show optical micrographs of the plate test piece 42 surface. The image figure is shown.

図19〜図22から、アルコールの種類が異なると、ピン試験片44の外表面に異なる種類のフィルムが形成されることが判った。
また、アルコールとして1−プロパノールを用いた場合には、図21Aに示すように、ピン試験片44の外表面にブリスタ(気泡)の発生が認められた。このことから、ピン試験片44の外表面の摺動界面付近に揮発性物質(揮発性ガス)が存在していることが推察できる。
From FIGS. 19 to 22, it was found that different kinds of alcohols formed different kinds of films on the outer surface of the pin test piece 44.
Further, when 1-propanol was used as the alcohol, as shown in FIG. 21A, generation of blisters (air bubbles) was observed on the outer surface of the pin test piece 44. From this, it can be inferred that a volatile substance (volatile gas) is present near the sliding interface on the outer surface of the pin test piece 44.

次に、第2の摩擦試験機141を用いて行われる第14〜第20の摩擦試験について説明する。チャンバ45内の温度を20℃±5℃に設定した。
図23は、第2の摩擦試験機141の構成を示す模式的な断面図である。第2の摩擦試験機141が第1の摩擦試験機41と共通する部分には、図4の場合と同一の参照符号を付し説明を省略する。すなわち、第2の摩擦試験機141のチャンバ45の構成、およびピン試験片44等の構成は、特段説明がない限り第1の摩擦試験機41と同等である。第2の摩擦試験機141が第1の摩擦試験機41と相違する点は、主としてその給気系にある。
Next, 14th to 20th friction tests performed using the second friction tester 141 will be described. The temperature in the chamber 45 was set to 20°C ± 5°C.
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the second friction tester 141. Portions of the second friction tester 141 that are common to the first friction tester 41 are designated by the same reference numerals as in FIG. 4, and description thereof will be omitted. That is, the configuration of the chamber 45 of the second friction tester 141 and the configuration of the pin test piece 44 and the like are the same as those of the first friction tester 41 unless otherwise specified. The difference between the second friction tester 141 and the first friction tester 41 is mainly in its air supply system.

給気系のガス導入配管51には、水素ガスが供給される第1のライン52と、窒素ガスが供給される第3のライン101と、気体のアルコールおよび気体の水蒸気を含有するキャリアガスとしての水素ガスが供給される第4のライン102と、気体のアルコールを含有するが気体の水蒸気を含有しないキャリアガスとしての水素ガスが供給される第5のライン103と、気体の水蒸気(蒸留水を基とする)を含有するが気体のアルコールを含有しないキャリアガスとしての水素ガスが供給される第6のライン104とを含む。 The gas introduction pipe 51 of the air supply system is provided with a first line 52 to which hydrogen gas is supplied, a third line 101 to which nitrogen gas is supplied, and a carrier gas containing gaseous alcohol and gaseous water vapor. No. 4 is supplied with hydrogen gas, a fifth line 103 is supplied with hydrogen gas as a carrier gas containing gaseous alcohol but not gaseous steam, and gaseous steam (distilled water A second line 104 to which hydrogen gas is supplied as a carrier gas containing (based on) but no gaseous alcohol.

第3のライン101には、第3のライン101を開閉するための第3のバルブ105と、第3のライン101における窒素ガスの流量を調整するための第3の流量調整バルブ106と、第3のライン101における窒素ガスの流量を検出するための第3の流量計107とが介装されている。
第4のライン102には、第4のライン102を開閉するための第4のバルブ108と、第4のライン102における水素ガスの流量を調整するための第4の流量調整バルブ109と、第4のライン102における水素ガスの流量を検出するための第4の流量計110と、液体のアルコール(エタノール)および液体の水(蒸留水)が溜められた、気体のアルコールと気体の水蒸気の存在するアルコール/水容器111とが介装されている。アルコール/水容器111の温度は20℃±5℃に設定されている。アルコール/水容器111において、アルコールと水とは液体のアルコールと液体の水の水溶液とこの水溶液から気化した気体のアルコールと気体の水蒸気とが存在する。アルコール/水容器111には、液体のエタノールと液体の水が3:10の体積比で混合されている。第4のライン102を流れる処理ガスに含まれる「エタノール+水」は混合する前の液体のエタノール単体の体積=3と、混合する前の液体の水単体の体積=10と、の体積比で混合されている水溶液から気化した気体のエタノールと気体の水蒸気とを含む。このような処理ガスを、以降、「エタノール体積濃度23%水溶液から発生するエタノールを含有する水素ガス(23%@)」と呼ぶ場合がある。
In the third line 101, a third valve 105 for opening and closing the third line 101, a third flow rate adjusting valve 106 for adjusting the flow rate of nitrogen gas in the third line 101, A third flow meter 107 for detecting the flow rate of nitrogen gas in the line 101 of No. 3 is interposed.
In the fourth line 102, a fourth valve 108 for opening and closing the fourth line 102, a fourth flow rate adjusting valve 109 for adjusting the flow rate of hydrogen gas in the fourth line 102, and a fourth valve 108 A fourth flow meter 110 for detecting the flow rate of hydrogen gas in the line 102 of No. 4, and the presence of gaseous alcohol and gaseous water vapor in which liquid alcohol (ethanol) and liquid water (distilled water) are stored. Alcohol/water container 111 is installed. The temperature of the alcohol/water container 111 is set to 20°C ± 5°C. In the alcohol/water container 111, the alcohol and water are an aqueous solution of liquid alcohol and liquid water, and gaseous alcohol and gaseous steam vaporized from the aqueous solution. In the alcohol/water container 111, liquid ethanol and liquid water are mixed at a volume ratio of 3:10. The volume ratio of “ethanol+water” contained in the processing gas flowing through the fourth line 102 is such that the volume of liquid ethanol alone before mixing=3 and the volume of liquid water alone before mixing=10. It contains gaseous ethanol and gaseous steam vaporized from the mixed aqueous solution. Such a processing gas may be hereinafter referred to as "hydrogen gas containing ethanol (23%@) generated from an aqueous solution having a volume concentration of 23% ethanol".

第5のライン103には、第5のライン103を開閉するための第5のバルブ112と、第5のライン103における水素ガスの流量を調整するための第5の流量調整バルブ113と、第5のライン103における水素ガスの流量を検出するための第5の流量計114と、液体のアルコール(エタノール)のみが溜められた、気体のアルコールの存在するアルコール容器115とが介装されている。アルコール容器115には、エタノールから除去できない水分を除き、水が含まれないため、第5のライン103を流れる処理ガスには気体のエタノールが含まれる一方水はほぼ含まれない。このような処理ガスを、以降、「エタノール体積濃度100%液から発生するエタノールを含有する水素ガス(100%@)」と呼ぶ場合がある。 In the fifth line 103, a fifth valve 112 for opening and closing the fifth line 103, a fifth flow rate adjusting valve 113 for adjusting the flow rate of hydrogen gas in the fifth line 103, A fifth flow meter 114 for detecting the flow rate of hydrogen gas in the line 103 of No. 5 and an alcohol container 115 in which only liquid alcohol (ethanol) is stored and in which gaseous alcohol exists are interposed. .. Since the alcohol container 115 does not contain water except water which cannot be removed from ethanol, the process gas flowing through the fifth line 103 contains gaseous ethanol but almost no water. Hereinafter, such a processing gas may be referred to as “hydrogen gas containing ethanol (100%@) generated from a 100% ethanol volume concentration liquid”.

第6のライン104には、第6のライン104を開閉するための第6のバルブ116と、第6のライン104における水素ガスの流量を調整するための第6の流量調整バルブ117と、第6のライン104における水素ガスの流量を検出するための第6の流量計118と、液体の水(蒸留水)のみが溜められた、気体の水蒸気の存在する水容器119とが介装されている。水容器119には、アルコールが含まれないため、第6のライン104を流れる処理ガスには気体の水蒸気が含まれる一方エタノールは含まれない。このような処理ガスを、以降、「水を含有する水素ガス」と呼ぶ場合がある。 In the sixth line 104, a sixth valve 116 for opening and closing the sixth line 104, a sixth flow rate adjusting valve 117 for adjusting the flow rate of hydrogen gas in the sixth line 104, A sixth flow meter 118 for detecting the flow rate of hydrogen gas in the line 104 of No. 6 and a water container 119 in which only liquid water (distilled water) is stored and in which gaseous steam exists are interposed. There is. Since the water container 119 does not contain alcohol, the processing gas flowing through the sixth line 104 contains gaseous water vapor but does not contain ethanol. Such a processing gas may be hereinafter referred to as "hydrogen gas containing water".

第1のバルブ54と第3のバルブ105とを選択的に切り換えることによりチャンバ45内の雰囲気の主成分を水素と窒素との間で切り換えることができる。また、第4〜第6のバルブ108,112,116のうち1つ以上のバルブを開くことにより、チャンバ45内の雰囲気に含まれるアルコールと水との成分比を制御できる。これらのバルブ108,112,116の開成に加え、流量調整バルブ109,113,117の開度を調整することにより、チャンバ45内の雰囲気に含まれるアルコールと水との成分比をさらに細かく制御できる。 By selectively switching the first valve 54 and the third valve 105, the main component of the atmosphere in the chamber 45 can be switched between hydrogen and nitrogen. Further, by opening one or more of the fourth to sixth valves 108, 112, 116, the component ratio of alcohol and water contained in the atmosphere in the chamber 45 can be controlled. In addition to opening these valves 108, 112 and 116, by adjusting the opening of the flow rate adjusting valves 109, 113 and 117, the component ratio of alcohol and water contained in the atmosphere in the chamber 45 can be controlled more finely. ..

図24は、第14〜第20の摩擦試験の計測対象のプレート試験片の上層について説明するための図である。
計測対象のプレート試験片42は、図5Aを用いて説明したように二層構造の硬質炭素系膜からなる二層膜43を表層側に含む。第15〜第20の摩擦試験では、二層膜43のうち下層を構成するSi−DLC膜は、Si−DLC膜62(図5A参照)と同等の構成であるが、二層膜43のうち上層(Surface layer)を構成するPLC(Polymer−Like−Carbon)膜163は、その作製手法がPLC膜63(図5A参照)と一部異なっている。
FIG. 24: is a figure for demonstrating the upper layer of the plate test piece of the measurement object of the 14th-20th friction tests.
The plate test piece 42 to be measured includes the two-layer film 43 made of a hard carbon-based film having a two-layer structure on the surface side as described with reference to FIG. 5A. In the fifteenth to twentieth friction tests, the Si-DLC film forming the lower layer of the two-layer film 43 has the same structure as the Si-DLC film 62 (see FIG. 5A), The PLC (Polymer-Like-Carbon) film 163 forming the upper layer (Surface layer) is partly different from the PLC film 63 (see FIG. 5A) in the manufacturing method.

PLC膜163の作成手法がPLC膜63の作成手法と主として相違する点は、イオン化蒸着法(PVD法)におけるバイアス電圧(Bias voltage)として、高バイアス電圧(−4.0kV)を採用した点にある。
第14〜第20の摩擦試験では、PLC膜として、第1のPLC膜163A、第2のPLC膜163Bおよび第3のPLC膜163Cという3種の膜を用意した。第1のPLC膜163Aには添加物はないが(単に「PLC」)、第2のPLC膜163Bは水素が添加されており(H−PLC)、また、第3のPLC膜163Cは酸素が添加されている(O−PLC)。これらの膜の作成手法について、図26に示す通りである。
The main difference between the method of forming the PLC film 163 and the method of forming the PLC film 63 is that a high bias voltage (-4.0 kV) is adopted as the bias voltage (Bias voltage) in the ionization deposition method (PVD method). is there.
In the fourteenth to twentieth friction tests, three types of films were prepared as the PLC film: the first PLC film 163A, the second PLC film 163B, and the third PLC film 163C. The first PLC film 163A has no additive (simply “PLC”), the second PLC film 163B has hydrogen added (H-PLC), and the third PLC film 163C has oxygen. Is added (O-PLC). The method of forming these films is as shown in FIG.

プレート試験片42を、二層膜43の形成面を試験面として第2の摩擦試験機141にセットした後、摩擦速度8.0 mm/s、摩擦ストローク4.0mm、無潤滑という試験条件の下、ピン試験片44を介してプレート試験片42の表面に与える荷重の大きさを19.6N〜63.7Nまで、1.96N単位で段階的に上昇させながら、第14〜第20の摩擦試験(最大28200回の高荷重試験)を行い、FFOの発現状況を調べた。 The plate test piece 42 was set on the second friction tester 141 with the surface on which the two-layered film 43 was formed as the test surface, and then the friction speed was 8.0 mm/s, the friction stroke was 4.0 mm, and there was no lubrication under the test conditions. Below, while increasing the magnitude of the load applied to the surface of the plate test piece 42 through the pin test piece 44 from 19.6N to 63.7N in steps of 1.96N, the 14th to 20th frictions are performed. A test (a high load test up to 28200 times) was conducted to examine the FFO expression status.

第14〜第20の摩擦試験のうち第14〜第17の摩擦試験では、試験開始からFFOが発現するまでのなじみ環境(Run−in environment)とFFOの発現後のFFO環境(FFO environment)との間で、チャンバ45内に供給される処理ガスの種類および/またはその流量を変化させている。
<第14の摩擦試験>
図25は、第14の摩擦試験の試験条件を説明するための図である。
In the 14th to 17th friction tests of the 14th to 20th friction tests, a familiar environment (Run-in environment) from the start of the test to the expression of FFO and an FFO environment (FFO environment) after the expression of FFO. In between, the kind and/or the flow rate of the processing gas supplied into the chamber 45 are changed.
<Fourteenth friction test>
FIG. 25 is a diagram for explaining the test conditions of the fourteenth friction test.

図25に示すように、第14の摩擦試験においてなじみ環境(Run−in environment)では、チャンバ45内にメインフローとして窒素ガスを大流量(5slm)で供給すると共に、エタノール体積濃度23%水溶液から発生するエタノールを含有する水素ガス(23%@)を、サブフローとして中流量(180sccm)で供給する。また、FFO環境(FFO environment)では、チャンバ45内にメインフローとして窒素ガスを大流量(5slm)で供給し、エタノール体積濃度23%水溶液から発生するエタノールを含有する水素ガス(23%@)をサブフローとして小流量で供給すると共に、エタノール体積濃度100%液から発生するエタノールを含有する水素ガス(100%@)をサブフローとして微量で供給した。具体的には、水分を多く含むエタノール体積濃度23%水溶液から発生するエタノールを含有する水素ガス(23%@)の供給流量は、供給開始時には80sccmとしその後17sccmまで徐々に低減させた。また、エタノール体積濃度100%液から発生するエタノールを含有する水素ガス(100%@)の供給流量は、供給開始時には0.1sccmとしその後0.3sccmまで徐々に増加させた。すなわち、FFOを発現するFFO環境(FFO environment)は、なじみ環境(Run−in environment)よりも、チャンバ45内の雰囲気中のアルコール濃度および水分濃度が低い状態に制御する。このようにFFOを容易に発現させるには、アルコール濃度と水分濃度を低く制御する方法が効果的である。なお、第14の摩擦試験では、プレート試験片42(図5A参照)として、第2のPLC膜163B(H−PLC)を用いた。ただし、第1〜第13の摩擦試験に用いたプレート試験片と同等のプレート試験片を用いてもよい。 As shown in FIG. 25, in a familiar environment (Run-in environment) in the fourteenth friction test, nitrogen gas was supplied at a large flow rate (5 slm) as a main flow into the chamber 45, and a 23% ethanol volume concentration aqueous solution was used. Hydrogen gas (23%@) containing generated ethanol is supplied at a medium flow rate (180 sccm) as a subflow. Further, in the FFO environment (FFO environment), nitrogen gas is supplied as a main flow into the chamber 45 at a large flow rate (5 slm), and hydrogen gas containing ethanol (23%@) generated from a 23% ethanol volume concentration aqueous solution is supplied. A small amount of hydrogen gas (100%@) containing ethanol generated from a 100% ethanol volume concentration liquid was supplied as a subflow in a small amount as a subflow. Specifically, the supply flow rate of hydrogen gas (23%@) containing ethanol generated from an aqueous solution containing a large amount of water and containing 23% of ethanol in volume was set to 80 sccm at the start of supply, and then gradually decreased to 17 sccm. Further, the supply flow rate of hydrogen gas (100%@) containing ethanol generated from a 100% ethanol volume concentration liquid was set to 0.1 sccm at the start of supply and then gradually increased to 0.3 sccm. That is, the FFO environment expressing FFO (FFO environment) controls the alcohol concentration and the water concentration in the atmosphere in the chamber 45 to be lower than the familiar environment (Run-in environment). Thus, in order to easily express FFO, it is effective to control the alcohol concentration and the water concentration to be low. In the fourteenth friction test, the second PLC film 163B (H-PLC) was used as the plate test piece 42 (see FIG. 5A). However, a plate test piece equivalent to the plate test piece used in the first to thirteenth friction tests may be used.

図26は、第14の摩擦試験における、負荷荷重(Load)と、摩擦係数(Friction coefficient)の計測値との関係を示すグラフである。
第14の摩擦試験では、図26に示すように、荷重を9.8Nから9.8N刻みに段階的に上昇させ、荷重が63.7Nに達した後は63.7Nのまま保った。荷重が63.7Nに達してから暫く経過した時点でアルコール濃度および水分濃度を低く制御すると、摩擦係数が急減しFFOが発現した。その後、荷重を63.7Nを保っても、FFOの発現が維持された。FFO発現中の摩擦係数は、1×10−4以下であった。FFOの発現時間は4時間以上であった。FFO環境(FFO environment)の前半(前半のおよそ2時間)では、摩擦係数の瞬間的な上昇が繰り返し見られたものの、さらに水分濃度を低く制御するとFFO環境(FFO environment)の後半(後半のおよそ2時間)ではFFOの発現が安定して維持された。
FIG. 26 is a graph showing the relationship between the applied load (Load) and the measurement value of the friction coefficient (Friction coefficient) in the fourteenth friction test.
In the fourteenth friction test, as shown in FIG. 26, the load was increased stepwise from 9.8N in steps of 9.8N, and was kept at 63.7N after the load reached 63.7N. When the alcohol concentration and the water concentration were controlled to be low when the load reached 63.7 N for a while, the friction coefficient was sharply decreased and FFO was developed. After that, the expression of FFO was maintained even when the load was kept at 63.7N. The friction coefficient during FFO expression was 1×10 −4 or less. The expression time of FFO was 4 hours or more. In the first half of the FFO environment (about 2 hours in the first half), a momentary increase in the friction coefficient was repeatedly seen, but if the water content was controlled to a lower level, the second half of the FFO environment (the latter half of the FFO environment). After 2 hours, the expression of FFO was stably maintained.

第14の摩擦試験から、メインフローとして窒素を用いる場合、つまり、チャンバ45内の雰囲気の主成分が窒素である場合にも、FFOが発現し、しかも、その摩擦係数は非常に低く、かつFFOの発現状態も良いことが判った。
<第15および第16の摩擦試験>
図27Aおよび図27Bは、第15および第16の摩擦試験の試験条件を説明するための図である。
From the fourteenth friction test, when nitrogen is used as the main flow, that is, when the main component of the atmosphere in the chamber 45 is nitrogen, FFO appears, and the friction coefficient is very low, and FFO is low. It was found that the expression state of was also good.
<Fifteenth and sixteenth friction tests>
27A and 27B are diagrams for explaining the test conditions of the fifteenth and sixteenth friction tests.

図27Aおよび図27Bに示すように、第15および第16の摩擦試験においてなじみ環境(Run−in environment)では、チャンバ45内にメインフローとして水素ガスを大流量(4.3slm)で供給すると共に、水を含有する水素ガスを、サブフローとして小流量で供給する。また、FFO環境(FFO environment)では、チャンバ45内にメインフローとして水素ガスを大流量(4.3slm)で供給した。 As shown in FIGS. 27A and 27B, in a familiar environment (Run-in environment) in the fifteenth and sixteenth friction tests, hydrogen gas is supplied at a large flow rate (4.3 slm) into the chamber 45 as a main flow. , A hydrogen gas containing water is supplied at a small flow rate as a subflow. Further, in the FFO environment (FFO environment), hydrogen gas was supplied into the chamber 45 as a main flow at a large flow rate (4.3 slm).

第15の摩擦試験と第16の摩擦試験とは、次に述べる点で相違する。すなわち、なじみ環境(Run−in environment)において、第15の摩擦試験では、水を含有する水素ガス供給流量を、試験開始時には40(sccm)としその後0(sccm)まで徐々に減少させたのに対し、第16の摩擦試験では、水を含有する水素ガス供給流量を40(sccm)のまま保ち続けた。また、FFO環境(FFO environment)において、第15の摩擦試験では、メインフローとして水素ガスのみを供給したのに対し、第16の摩擦試験では、水を含有する水素ガス供給流量を40(sccm)から10(sccm)まで徐じょに減少させて併せて供給した。 The 15th friction test and the 16th friction test differ in the following points. That is, in the familiar environment (Run-in environment), in the fifteenth friction test, the hydrogen gas supply flow rate containing water was set to 40 (sccm) at the start of the test and then gradually decreased to 0 (sccm). On the other hand, in the 16th friction test, the hydrogen gas supply flow rate containing water was kept at 40 (sccm). Further, in the FFO environment (FFO environment), in the fifteenth friction test, only hydrogen gas was supplied as the main flow, whereas in the sixteenth friction test, the hydrogen gas supply flow rate containing water was 40 (sccm). To 10 (sccm) and gradually supplied.

第15および第16の摩擦試験では、プレート試験片42の上層(Surface layer)として、第1のPLC膜163A(PLC)を用いた。また、ピン試験片44の材質として加熱処理されていないジルコニアではなく、加熱処理されたジルコニアを用いた。加熱処理がされたジルコニアを用いて形成されたピン試験片44は、結晶構造が熱により正方晶から単斜晶に相転移し,結晶格子が長くなるため,水素分子や水分子の解離がより効果的に発現し、ジルコニアからなるピン試験片44による触媒作用を、より一層高めることができる。 In the fifteenth and sixteenth friction tests, the first PLC film 163A (PLC) was used as the upper layer (Surface layer) of the plate test piece 42. Further, as the material for the pin test piece 44, heat-treated zirconia was used instead of heat-treated zirconia. In the pin test piece 44 formed by using the heat-treated zirconia, the crystal structure undergoes a phase transition from tetragonal to monoclinic due to heat, and the crystal lattice becomes longer, so that dissociation of hydrogen molecules and water molecules is more likely. The pin action piece 44 which is effectively expressed and is made of zirconia can further enhance the catalytic action.

図28および図29は、それぞれ、第15の摩擦試験および第16の摩擦試験における、負荷荷重(Load)と、摩擦係数(Friction coefficient)の計測値との関係を示すグラフである。
第15の摩擦試験では、図28に示すように、試験開始から荷重を19.6Nとし、荷重大きさを19.6Nのまま保った。水を含有する水素ガス供給を停止すると、試験の開始から45分経過した時点で、摩擦係数が急減しFFOが発現した。FFOの発現開始から、しばらくの間は摩擦係数が増減を繰り返していたが、その後、FFOの発現状態が安定するようになった。FFO発現中の摩擦係数は、6×10−4であった。FFOの発現時間は約1時間であった。
28 and 29 are graphs showing the relationship between the applied load (Load) and the measurement value of the friction coefficient (Friction coefficient) in the fifteenth friction test and the sixteenth friction test, respectively.
In the fifteenth friction test, as shown in FIG. 28, the load was set to 19.6 N from the start of the test and the load magnitude was kept at 19.6 N. When the supply of hydrogen gas containing water was stopped, at the time when 45 minutes had elapsed from the start of the test, the friction coefficient sharply decreased and FFO developed. The friction coefficient repeatedly increased and decreased for a while after the start of FFO expression, but thereafter, the FFO expression state became stable. The friction coefficient during FFO development was 6×10 −4 . The expression time of FFO was about 1 hour.

第16の摩擦試験では、図29に示すように、試験開始は荷重を19.6Nとし、試験の開始から29分経過した時点で荷重を29.4Nに上昇させ、さらに32分経過した時点で荷重を39.2Nに上昇させ、その後39.2Nのまま保った。水を含有する水素ガス供給流量が10(sccm)でも、荷重を39.2Nまで上昇させた後FFOが安定的に発現するようになった。FFOの発現時間は約1時間であった。FFO発現中の摩擦係数は、5×10−4であった。FFOの発現時間は約1時間であった。 In the sixteenth friction test, as shown in FIG. 29, the load was set to 19.6 N at the start of the test, the load was increased to 29.4 N at the time when 29 minutes had elapsed from the start of the test, and at the time when another 32 minutes had elapsed. The load was increased to 39.2N and then kept at 39.2N. Even when the supply flow rate of hydrogen gas containing water was 10 (sccm), FFO became stable after the load was increased to 39.2N. The expression time of FFO was about 1 hour. The friction coefficient during FFO development was 5×10 −4 . The expression time of FFO was about 1 hour.

第15および第16の摩擦試験から、チャンバ45内の雰囲気にエタノール(アルコール)が含まれていなくてもFFOが発現することが判る。また、なじみ環境(Run−in environment)における雰囲気にエタノール(アルコール)が含まれていなくても、FFO環境(FFO environment)における雰囲気に水分が少量含まれていれば、膜(第1のPLC膜163A)の耐荷重性が高まることが判る。
<第17の摩擦試験>
図30Aおよび図30Bは、第17の摩擦試験の試験条件を説明するための図である。
From the fifteenth and sixteenth friction tests, it can be seen that FFO develops even when the atmosphere in the chamber 45 does not contain ethanol. Even if the atmosphere in the familiar environment (Run-in environment) does not include ethanol (alcohol), if the atmosphere in the FFO environment (FFO environment) contains a small amount of water, the film (first PLC film) It can be seen that the load resistance of 163A) is increased.
<17th friction test>
30A and 30B are diagrams for explaining the test conditions of the seventeenth friction test.

図30Aおよび図30Bに示すように、第17の摩擦試験においてなじみ環境(Run−in environment)では、チャンバ45内にメインフローとして水素ガスを大流量(4.3slm)で供給すると共に、エタノール体積濃度100%液から発生するエタノールを含有する水素ガス(100%@)を、サブフローとして微小流量(2sccm)で供給する。また、FFO環境(FFO environment)では、チャンバ45内にメインフローとして窒素ガスを大流量(4.3slm)で供給し、エタノール体積濃度100%液から発生するエタノールを含有する水素ガス(100%@)を、サブフローとして微小流量(1sccm)で供給する。第17の摩擦試験では、プレート試験片42の上層(Surface layer)として、第1のPLC膜163A(PLC)を用いた。 As shown in FIGS. 30A and 30B, in a familiar environment (Run-in environment) in the seventeenth friction test, hydrogen gas was supplied at a large flow rate (4.3 slm) into the chamber 45 as a main flow, and the ethanol volume was increased. Hydrogen gas containing ethanol (100%@) generated from a 100% concentration liquid is supplied at a minute flow rate (2 sccm) as a subflow. Further, in the FFO environment (FFO environment), nitrogen gas is supplied as a main flow into the chamber 45 at a large flow rate (4.3 slm), and hydrogen gas containing ethanol (100%@100%@ generated from a 100% ethanol volume concentration liquid) is supplied. ) Is supplied at a minute flow rate (1 sccm) as a sub-flow. In the seventeenth friction test, the first PLC film 163A (PLC) was used as the upper layer (Surface layer) of the plate test piece 42.

図31は、第17の摩擦試験における、負荷荷重(Load)と、摩擦係数(Friction coefficient)の計測値との関係を示すグラフである。
第17の摩擦試験では、図31に示すように、試験開始から40分までは荷重を19.6Nに維持していたが、その後荷重を19.6Nから9.8N刻みに段階的に上昇させ、荷重が63.7Nに達した後は63.7Nのまま保った。荷重が約50Nに達した前後で摩擦係数が急減しFFOが発現した。その後、摩擦係数の値の大きな上下動が見られたが、荷重が63.7Nに達した後は、FFOの発現が安定して維持された。FFO発現中の摩擦係数は、概ね1×10−4以下であった。FFOの発現時間は約1時間であった。
FIG. 31 is a graph showing the relationship between the applied load (Load) and the measurement value of the friction coefficient (Friction coefficient) in the seventeenth friction test.
In the seventeenth friction test, as shown in FIG. 31, the load was maintained at 19.6 N from the start of the test for 40 minutes, but thereafter, the load was gradually increased from 19.6 N in steps of 9.8 N. After the load reached 63.7N, it was kept at 63.7N. Before and after the load reached about 50 N, the friction coefficient decreased sharply and FFO was developed. After that, a large up-and-down movement with a large coefficient of friction was observed, but after the load reached 63.7 N, the expression of FFO was stably maintained. The friction coefficient during expression of FFO was approximately 1×10 −4 or less. The expression time of FFO was about 1 hour.

第17の摩擦試験から、チャンバ45内の雰囲気が水(HO)を含まない場合、すなわち水酸基含有化合物としてエタノールが用いられている場合であっても、FFOは良好に発現することが判る。なお、第17の摩擦試験では、アルコールとしてエタノールを用いたが、メタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の他のアルコールを用いても同様の結果が得られるものと推察される。 From the seventeenth friction test, it is found that FFO is well expressed even when the atmosphere in the chamber 45 does not contain water (H 2 O), that is, when ethanol is used as the hydroxyl group-containing compound. .. Although ethanol was used as the alcohol in the seventeenth friction test, it is presumed that similar results can be obtained by using other alcohols such as methanol, 1-propanol, and 2-propanol.

次に、第18〜第20の摩擦試験について説明する。第18〜第20の摩擦試験では、プレート試験片42の上層(Surface layer)を異ならせた。
<第18の摩擦試験>
プレート試験片42の上層(Surface layer)として、第3のPLC膜163C(O−PLC)が採用されている。なじみ環境(Run−in environment)およびFFO環境(FFO environment)の別を問わず、チャンバ45内にメインフローとして水素ガスを大流量(4.3slm)で供給し、エタノール体積濃度100%液から発生するエタノールを含有する水素ガス(100%@)および水を含有する水素ガスを小流量(それぞれ40sccmおよび10sccm)で供給した。
<第19の摩擦試験>
プレート試験片42の上層(Surface layer)として、第1のPLC膜163A(PLC)が採用されている。なじみ環境(Run−in environment)およびFFO環境(FFO environment)の別を問わず、チャンバ45内にメインフローとして水素ガスを大流量(4.3slm)で供給し、エタノール体積濃度23%水溶液から発生するエタノールを含有する水素ガス(23%@)を中流量(180sccm)で供給し、エタノール体積濃度100%液から発生するエタノールを含有する水素ガス(100%@)を微小流量(2sccm)で供給した。
<第20の摩擦試験>
プレート試験片42の上層(Surface layer)として、第2のPLC膜163B(H−PLC)が採用されている。なじみ環境(Run−in environment)およびFFO環境(FFO environment)の別を問わず、チャンバ45内にメインフローとして水素ガスを大流量(4.3slm)で供給し、エタノール体積濃度23%水溶液から発生するエタノールを含有する水素ガス(23%@)を中流量(180sccm)で供給した。
Next, the eighteenth to twentieth friction tests will be described. In the 18th to 20th friction tests, the upper layer (Surface layer) of the plate test piece 42 was changed.
<Eighteenth friction test>
As the upper layer (Surface layer) of the plate test piece 42, the third PLC film 163C (O-PLC) is adopted. Regardless of whether it is a familiar environment (Run-in environment) or FFO environment (FFO environment), hydrogen gas is supplied at a large flow rate (4.3 slm) as a main flow into the chamber 45 and generated from a 100% ethanol volume concentration liquid. Hydrogen gas containing ethanol (100%@) and hydrogen gas containing water were supplied at a small flow rate (40 sccm and 10 sccm, respectively).
<19th friction test>
As the upper layer (Surface layer) of the plate test piece 42, the first PLC film 163A (PLC) is adopted. Regardless of whether it is a familiar environment (Run-in environment) or FFO environment (FFO environment), hydrogen gas is supplied at a large flow rate (4.3 slm) as a main flow into the chamber 45, and is generated from an aqueous solution of 23% ethanol volume concentration. Hydrogen gas containing ethanol (23%@) is supplied at a medium flow rate (180 sccm), and hydrogen gas containing ethanol (100%@) generated from a 100% ethanol volume concentration liquid is supplied at a minute flow rate (2 sccm). did.
<Twentieth friction test>
As the upper layer (Surface layer) of the plate test piece 42, the second PLC film 163B (H-PLC) is adopted. Regardless of whether it is a familiar environment (Run-in environment) or FFO environment (FFO environment), hydrogen gas is supplied at a large flow rate (4.3 slm) as a main flow into the chamber 45, and is generated from an aqueous solution of 23% ethanol volume concentration. Hydrogen gas (23%@) containing ethanol was supplied at a medium flow rate (180 sccm).

図33〜図35は、第18〜第20の摩擦試験における、負荷荷重(Load)と、摩擦係数(Friction coefficient)の計測値との関係を示すグラフである。
第18の摩擦試験では、図33に示すように、荷重を19.6Nから9.8N刻みに段階的に上昇させ、荷重が63.7Nに達した後は63.7Nのまま保った。アルコール濃度および水分濃度を低く制御すると、荷重を19.6Nから29.4Nに上げるとFFOが発現、荷重を63.7Nに上げてもFFOを維持した。荷重が63.7NでのFFOの初期の摩擦係数は、約5×10−4であったが、時間の経過に従って摩擦係数は低下し、1×10−4 以下程度まで下がった。その後、摩擦係数は緩やかに増大した。FFOの発現時間は2時間以上であった。
33 to 35 are graphs showing the relationship between the applied load (Load) and the measurement value of the friction coefficient (Friction coefficient) in the eighteenth to twentieth friction tests.
In the eighteenth friction test, as shown in FIG. 33, the load was increased stepwise from 19.6N in steps of 9.8N, and was kept at 63.7N after the load reached 63.7N. When the alcohol concentration and the water concentration were controlled to be low, FFO was exhibited when the load was increased from 19.6N to 29.4N, and FFO was maintained even when the load was increased to 63.7N. The initial friction coefficient of FFO at a load of 63.7 N was about 5×10 −4 , but the friction coefficient decreased with the passage of time, and decreased to about 1×10 −4 or less . After that, the coefficient of friction gradually increased. The expression time of FFO was 2 hours or more.

第19の摩擦試験では、図34に示すように、荷重を19.6Nから9.8N刻みに段階的に上昇させ、荷重が63.7Nに達した後は63.7Nのまま保った。アルコール濃度および水分濃度を低く制御すると、試験開始後23分が経過した時点で、摩擦係数が急減しFFOが発現した。その後、荷重を9.8N刻みに段階的に上昇させ、荷重が63.7Nに達した後は63.7Nのまま保った。荷重を39.2Nに上げるとFFOが安定して発現、荷重を63.7Nでも安定して発現した。FFOの発現中の摩擦係数は、約1×10−4以下と低値を呈した。FFOの発現時間は2時間以上であった。 In the nineteenth friction test, as shown in FIG. 34, the load was increased stepwise from 19.6N in steps of 9.8N and kept at 63.7N after the load reached 63.7N. When the alcohol concentration and the water concentration were controlled to be low, the friction coefficient suddenly decreased and FFO was developed at the time point 23 minutes after the start of the test. After that, the load was increased stepwise in increments of 9.8N, and after the load reached 63.7N, it was kept at 63.7N. When the load was increased to 39.2N, FFO was stably expressed and even when the load was 63.7N. The coefficient of friction during the development of FFO exhibited a low value of about 1×10 −4 or less. The expression time of FFO was 2 hours or more.

第20の摩擦試験では、図35に示すように、荷重を19.6Nから9.8N刻みに段階的に上昇させ、荷重が63.7Nに達した後は63.7Nのまま保った。アルコール濃度および水分濃度を低く制御すると、試験開始後30分が経過した時点で、摩擦係数が急減しFFOが発現した。FFOの初期の摩擦係数は、約1×10−4であったが、摩擦力測定センサーの温度ドリフトのため時間の経過に従って摩擦係数は緩やかに増大した。摩擦センサーの温度ドリフトがない場合は、FFOの摩擦係数は1×10−4〜4×10−4の範囲であったと推察した。FFOの発現時間は4時間以上であった。 In the twentieth friction test, as shown in FIG. 35, the load was increased stepwise from 19.6N in steps of 9.8N, and was kept at 63.7N after the load reached 63.7N. When the alcohol concentration and the water concentration were controlled to be low, the friction coefficient suddenly decreased and FFO was expressed at the time point 30 minutes after the start of the test. The initial friction coefficient of FFO was about 1×10 −4 , but the friction coefficient gradually increased with the passage of time due to the temperature drift of the friction force measurement sensor. When there was no temperature drift of the friction sensor, it was estimated that the friction coefficient of FFO was in the range of 1×10 −4 to 4×10 −4 . The expression time of FFO was 4 hours or more.

第18〜第20の摩擦試験から、プレート試験片42の上層(Surface layer)として、第1のPLC膜163A(PLC)、第2のPLC膜163B(H−PLC)および第3のPLC膜163C(O−PLC)のいずれを用いた場合であっても、FFOが良好に発現することが判る。
以上によりこの実施形態によれば、イオン化蒸着法によりバイアス電圧を印加しながら形成された被膜であるPLC膜9を含む被摺動面7に対し、アルコールおよび/または水を微量に含む水素ガスおよび/または窒素ガスの雰囲気環境(さらに言えば、酸素を含まない環境)下で、金属(SUJ2、パラジウム等)または酸化物セラミックス(ZrO)を用いて形成された摺動面6を、1.0GPa以上のヘルツ接触応力で摺動させる。摺動面6を構成する金属(SUJ2、パラジウム等)または酸化物セラミックス(ZrO)は、水素分子を解離吸着して活性水素を発生できる触媒性を有している。摺動面6でPLC膜9を摺動する結果、摺動面6の触媒作用により、摺動界面に活性水素が存在するようになる。内部空間10の雰囲気に含まれるアルコールが、摺動面6の活性水素の酸触媒作用により水素化分解される。これにより、FFOを発現させることができる。また、水が存在しているので、この水により、摺動面6の触媒作用を安定化を図ることができる。
From the 18th to the 20th friction tests, the first PLC film 163A (PLC), the second PLC film 163B (H-PLC), and the third PLC film 163C are used as the upper layer (Surface layer) of the plate test piece 42. It can be seen that FFO is well expressed regardless of which (O-PLC) is used.
As described above, according to this embodiment, hydrogen gas containing a trace amount of alcohol and/or water is added to the sliding surface 7 including the PLC film 9 which is a film formed by applying a bias voltage by the ionization deposition method. 1. In a nitrogen gas atmosphere environment (more specifically, an environment containing no oxygen), the sliding surface 6 formed using a metal (SUJ2, palladium, etc.) or oxide ceramics (ZrO 2 ) is set to 1. Sliding with a Hertzian contact stress of 0 GPa or more. The metal (SUJ2, palladium, etc.) or oxide ceramics (ZrO 2 ) forming the sliding surface 6 has a catalytic property capable of dissociating and adsorbing hydrogen molecules to generate active hydrogen. As a result of sliding the PLC film 9 on the sliding surface 6, active hydrogen is present at the sliding interface due to the catalytic action of the sliding surface 6. The alcohol contained in the atmosphere of the internal space 10 is hydrolyzed by the acid catalytic action of the active hydrogen on the sliding surface 6. Thereby, FFO can be expressed. Further, since water is present, the catalytic action of the sliding surface 6 can be stabilized by this water.

これにより、10−4オーダ(0.001未満)の著しく低い摩擦係数を有する低摩擦被膜5を、摺動面6に形成することができる。低摩擦被膜5は、著しく低い摩擦係数を、安定的に発揮する。
また、潤滑剤を別途用いることなく、摺動面6の摩擦係数の低減を図ることができる。
さらに、摺動面6の摩擦係数を著しく低減できる結果、潤滑剤を別途用いることなく、摺動面6と被摺動面7との間に発生する摩擦力の低減を図ることができる。これにより、摺動システム1の摺動に伴う摩擦損失を大幅に低減することができ(摩擦トルクを大幅に低減することができ)る。したがって、摺動システム1の小型化および軽量化を図ることができると共に、摺動システム1の信頼性の向上を図ることができる。
As a result, the low friction coating 5 having a remarkably low friction coefficient of the order of 10 −4 (less than 0.001) can be formed on the sliding surface 6. The low friction coating 5 stably exhibits a remarkably low friction coefficient.
Further, it is possible to reduce the friction coefficient of the sliding surface 6 without separately using a lubricant.
Further, as a result of being able to significantly reduce the friction coefficient of the sliding surface 6, it is possible to reduce the frictional force generated between the sliding surface 6 and the sliding surface 7 without using a separate lubricant. As a result, the friction loss due to the sliding of the sliding system 1 can be significantly reduced (the friction torque can be significantly reduced). Therefore, the sliding system 1 can be reduced in size and weight, and the reliability of the sliding system 1 can be improved.

また、この発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえばまた、PLC膜9が短鎖ポリアセチレン系分子を主成分として含むが、それ以外の炭化水素分子を主成分として含むものであってもよい。
また、PLC膜9は、炭化水素系ガスの雰囲気環境下で、低バイアス電圧または高バイアスを印加しながらイオン化蒸着法により形成されるとして説明したが、PLC膜9はそれ以外の手法により形成される被膜であってもよい。
The present invention can also be implemented in other forms.
For example, although the PLC film 9 contains short-chain polyacetylene-based molecules as a main component, it may also contain other hydrocarbon molecules as a main component.
Although the PLC film 9 is described as being formed by the ionization deposition method while applying a low bias voltage or a high bias in an atmosphere environment of a hydrocarbon-based gas, the PLC film 9 is formed by another method. It may be a coating film.

また、被摺動面7に対する摺動面6の摺動に並行して、内部空間10にアルコールおよび水を供給するアルコール/水供給状態と、内部空間10へのアルコールおよび水の供給を停止する供給停止状態とを交互に繰り返してもよい。
アルコールおよび水のチャンバ12内への供給を停止することにより、チャンバ12内の雰囲気から、前述のような触媒毒となり得る水分(水)を除くことが可能である。その半面、アルコールおよび水の供給停止により、エタノールおよび水が摺動面6(摺動界面)で枯渇するおそれがある。
Further, in parallel with the sliding of the sliding surface 6 with respect to the sliding surface 7, the alcohol/water supply state of supplying alcohol and water to the internal space 10 and the supply of alcohol and water to the internal space 10 are stopped. The supply stopped state may be alternately repeated.
By stopping the supply of alcohol and water into the chamber 12, it is possible to remove the water (water) that may be a catalyst poison as described above from the atmosphere in the chamber 12. On the other hand, when the supply of alcohol and water is stopped, ethanol and water may be depleted on the sliding surface 6 (sliding interface).

アルコール/水供給状態と、供給停止状態とを交互に繰り返すことにより、水が触媒毒となるのを抑制しながら、エタノールおよび水を摺動面6(摺動界面)に供給し続けることができる。
また、処理ガス導入配管19の導入口32からチャンバ12の内部空間10に供給される処理ガスは、窒素ガスおよび水素ガスの少なくとも一方をメインフローとして含んでいる。また、この処理ガスは、アルコールおよび水の少なくとも一方を微量に含んでいる。
By alternately repeating the alcohol/water supply state and the supply stop state, it is possible to continue supplying ethanol and water to the sliding surface 6 (sliding interface) while suppressing water from becoming a catalyst poison. ..
Further, the processing gas supplied from the inlet 32 of the processing gas introduction pipe 19 to the internal space 10 of the chamber 12 contains at least one of nitrogen gas and hydrogen gas as a main flow. Further, this processing gas contains a trace amount of at least one of alcohol and water.

すなわち、主体ガス(窒素ガスおよび水素ガスの少なくとも一方)がアルコールおよび水の双方を含むものであってもよいし、アルコールを含むが水を含まないものであってもよいし、水を含むがアルコールを含まないものであってもよい。 また、炭化水素系物質の一例としてアルコールを例示したが、アルコールに代えて他の炭化水素系物質(たとえば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレン、エチレン、カルボン酸(酢酸、ギ酸等))を採用してもよい。 That is, the main gas (at least one of nitrogen gas and hydrogen gas) may contain both alcohol and water, may contain alcohol but does not contain water, or contains water. It may not contain alcohol. Further, although alcohol has been exemplified as an example of the hydrocarbon-based substance, other hydrocarbon-based substances (for example, methane, ethane, propane, butane, acetylene, ethylene, carboxylic acid (acetic acid, formic acid, etc.)) may be used in place of the alcohol. May be adopted.

また、チャンバ12の内部空間10の雰囲気を、水素ガスを主体としてもよいし、窒素ガスを主体としてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
The atmosphere in the internal space 10 of the chamber 12 may be mainly composed of hydrogen gas or nitrogen gas.
In addition, various design changes can be made within the scope of the matters described in the claims.

1…摺動システム、5…低摩擦被膜、6…摺動面、7…被摺動面、9…PLC膜(非晶質炭素系膜)、10…内部空間(空間) 1... Sliding system, 5... Low friction coating, 6... Sliding surface, 7... Sliding surface, 9... PLC film (amorphous carbon-based film), 10... Internal space (space)

Claims (23)

低摩擦被膜を製造する方法であって、
水素雰囲気環境下で水素分子を解離吸着し、活性水素(H )を発生する触媒性を有する金属またはセラミックスを用いて形成された摺動面と、炭化水素分子を主成分として含む非晶質炭素系膜を含む被摺動面とが配置される空間を、水酸基含有化合物と水素とを含むガス雰囲気に置換する置換工程と、
前記空間が、水酸基含有化合物と水素とを含む前記ガス雰囲気とされている状態で、前記摺動面を前記被摺動面に対し、1.0GPa以上のヘルツ接触応力で相対摺動させる摺動工程とを含み、
前記摺動工程によって、前記摺動面に前記低摩擦被膜を形成する、低摩擦被膜製造方法。
A method for producing a low friction coating, comprising:
A sliding surface formed by using a metal or ceramic having a catalytic property that dissociates and adsorbs hydrogen molecules in a hydrogen atmosphere environment and generates active hydrogen (H + ), and an amorphous material containing hydrocarbon molecules as a main component. the space that is the arrangement and the sliding surface comprising a carbon-based film, and a replacement step of replacing the gas atmosphere containing a hydroxyl group-containing compound and hydrogen,
Sliding said space, in a state of being and the gas atmosphere containing a hydrogen hydroxyl group-containing compound, wherein the sliding surface relative to the sliding surface, for relatively sliding the above Hertzian contact stress 1.0GPa Including the dynamic process,
A method for producing a low friction coating, wherein the low friction coating is formed on the sliding surface by the sliding step.
前記ガス雰囲気は、さらに炭化水素系物質を含む、請求項1に記載の低摩擦被膜製造方法。 The method for producing a low friction coating according to claim 1, wherein the gas atmosphere further contains a hydrocarbon-based substance. 前記水酸基含有化合物および前記炭化水素系物質は、アルコールを含む、請求項2に記載の低摩擦被膜製造方法。 The method for producing a low friction coating according to claim 2, wherein the hydroxyl group-containing compound and the hydrocarbon-based substance contain alcohol. 前記アルコールは、メタノールを含む、請求項3に記載の低摩擦被膜製造方法。 The low friction coating manufacturing method according to claim 3, wherein the alcohol includes methanol. 前記水酸基含有化合物は、水をさらに含み、
前記液体のメタノールおよび前記液体の水に対する当該液体のメタノールの体積%濃度が、6%〜15%である水溶液から発生する気体のメタノールと気体の水蒸気とを含む、請求項4に記載の低摩擦被膜製造方法。
The hydroxyl group-containing compound further contains water,
5. The low friction according to claim 4, wherein the liquid methanol and the liquid methanol include gaseous methanol and gaseous steam generated from an aqueous solution in which the volume% concentration of the liquid methanol is 6% to 15%. Coating manufacturing method.
前記アルコールは、エタノールを含む、請求項3に記載の低摩擦被膜製造方法。 The method for manufacturing a low friction coating according to claim 3, wherein the alcohol includes ethanol. 前記水酸基含有化合物は、水をさらに含み、
前記液体のエタノールおよび前記液体の水に対する当該液体のエタノールの体積%濃度が、6%〜30%である水溶液から発生する気体のエタノールと気体の水蒸気とを含む、請求項6に記載の低摩擦被膜製造方法。
The hydroxyl group-containing compound further contains water,
7. The low friction according to claim 6, wherein the liquid ethanol and the liquid ethanol contain gaseous ethanol and gaseous steam generated from an aqueous solution having a volume% concentration of 6% to 30% with respect to the liquid water. Coating manufacturing method.
前記液体のエタノールおよび前記液体の水に対するエタノールの体積%濃度が、15%〜25%である水溶液から発生する気体のエタノールと水蒸気とを含む、請求項7に記載の低摩擦被膜製造方法。 The method for producing a low-friction coating according to claim 7, wherein the liquid ethanol and the liquid ethanol include gaseous ethanol and water vapor generated from an aqueous solution having a volume% concentration of 15% to 25% with respect to the water. 前記アルコールは、1−プロパノールを含む、請求項3に記載の低摩擦被膜製造方法。 The method for manufacturing a low friction coating according to claim 3, wherein the alcohol contains 1-propanol. 前記アルコールは、2−プロパノールを含む、請求項3に記載の低摩擦被膜製造方法。 The method for producing a low friction coating according to claim 3, wherein the alcohol contains 2-propanol. 前記水酸基含有化合物は、前記アルコールを100%の割合で含む液から発生する気体のアルコールである、請求項3,4,6,9,10のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法。 The method for producing a low friction coating according to claim 3, wherein the hydroxyl group-containing compound is a gaseous alcohol generated from a liquid containing 100% of the alcohol. 前記水酸基含有化合物は、水を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法。 The low friction film manufacturing method according to claim 1, wherein the hydroxyl group-containing compound contains water. 前記ヘルツ接触応力は、1.3GPa〜2.4GPaである、請求項1〜12のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法。 The method for producing a low friction coating according to claim 1, wherein the Hertz contact stress is 1.3 GPa to 2.4 GPa. 前記非晶質炭素系膜が、短鎖ポリアセチレン系分子を主成分として含む、請求項1〜13のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法。 The method for producing a low friction coating according to claim 1, wherein the amorphous carbon-based film contains a short-chain polyacetylene-based molecule as a main component. 前記非晶質炭素系膜は、炭化水素系ガスの雰囲気環境下で、バイアス電圧を印加しながらイオン化蒸着法により形成された被膜を含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法。 15. The amorphous carbon-based film according to claim 1, wherein the amorphous carbon-based film includes a coating film formed by an ionization deposition method while applying a bias voltage in an atmosphere environment of a hydrocarbon-based gas. Friction coating manufacturing method. 前記非晶質炭素系膜は、炭化水素系ガスの雰囲気環境下で、高バイアス電圧を印加しながらイオン化蒸着法により形成された被膜を含み、
前記非晶質炭素系膜には、水素および酸素の少なくとも一方が添加されている、請求項15に記載の低摩擦被膜製造方法。
The amorphous carbon-based film includes a film formed by an ionization deposition method while applying a high bias voltage in an atmosphere environment of a hydrocarbon-based gas,
The method for producing a low friction coating according to claim 15, wherein at least one of hydrogen and oxygen is added to the amorphous carbon-based film.
前記摺動部材は、ZrOを用いて形成されている、請求項1〜16のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法。 The low friction coating manufacturing method according to claim 1, wherein the sliding member is formed using ZrO 2 . 前記空間に前記水酸基含有化合物を供給する供給工程と、
前記摺動工程の開始後、前記水酸基含有化合物の前記空間への供給を停止する供給停止工程とを含む、請求項1〜17のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法。
A supply step of supplying the hydroxyl group-containing compound to the space,
The method for producing a low-friction coating according to any one of claims 1 to 17, further comprising: a supply stopping step of stopping the supply of the hydroxyl group-containing compound to the space after the start of the sliding step.
前記摺動工程に並行して、前記空間に前記水酸基含有化合物を供給する供給状態と、当該空間に前記水酸基含有化合物の供給を停止する供給停止状態とを交互に繰り返す工程をさらに含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載の低摩擦被膜製造方法。 In parallel with the sliding step, further comprising a step of alternately repeating a supply state of supplying the hydroxyl group-containing compound to the space and a supply stop state of stopping the supply of the hydroxyl group-containing compound to the space. 19. The low friction coating manufacturing method according to any one of 1 to 18. 前記水酸基含有化合物は、水をさらに含み、
前記メタノールは気体状態で第1のキャリアガスによって流動し、
前記水は気体状態で第2のキャリアガスによって流動し、
前記気体のメタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量と、前記気体の水を含んだ第2のキャリアガスの流量と、の合計に対する前記気体のメタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量の比が、6%〜15%である、請求項4に記載の低摩擦被膜製造方法。
The hydroxyl group-containing compound further contains water,
The methanol is flowed in a gaseous state by the first carrier gas,
The water is flowed in a gaseous state by the second carrier gas,
Of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous methanol and the flow rate of the second carrier gas containing the gaseous water, of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous methanol. The low friction coating manufacturing method according to claim 4, wherein the ratio is 6% to 15%.
前記水酸基含有化合物は、水をさらに含み、
前記エタノールは気体状態で第1のキャリアガスによって流動し、
前記水は気体状態で第2のキャリアガスによって流動し、
前記気体のエタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量と、前記気体の水を含んだ第2のキャリアガスの流量と、の合計に対する前記気体のエタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量の比が、6%〜30%である、請求項6に記載の低摩擦被膜製造方法。
The hydroxyl group-containing compound further contains water,
The ethanol is flowed in a gaseous state by the first carrier gas,
The water is flowed in a gaseous state by the second carrier gas,
Of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous ethanol and the flow rate of the second carrier gas containing the gaseous water, of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous ethanol. The method for producing a low friction coating according to claim 6, wherein the ratio is 6% to 30%.
前記気体のエタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量と、前記気体の水を含んだ第2のキャリアガスの流量と、の合計に対する前記気体のエタノールを含んだ第1のキャリアガスの流量の比が、15%〜25%である、請求項21に記載の低摩擦被膜製造方法。 Of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous ethanol and the flow rate of the second carrier gas containing the gaseous water, of the flow rate of the first carrier gas containing the gaseous ethanol. The low friction coating manufacturing method according to claim 21, wherein the ratio is 15% to 25%. 前記炭化水素系物質は、エチレンを含む、請求項2に記載の低摩擦被膜製造方法。 The method for producing a low friction coating according to claim 2, wherein the hydrocarbon-based material contains ethylene.
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