JP6883802B2 - 耐摩耗材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐摩耗材の製造方法に関するものである。

従来、基材上に形成されることで耐摩耗性を発揮する耐摩耗材として、種々の構成を有するものが提案されている。この構成の一例が、引用文献１に記載されたＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）多層膜である。引用文献１には、基体上に軟らかい層と硬い層とが交互に積層された多層膜が記載されている。

引用文献１には、軟らかい層と硬い層の各々の厚さが５０〜２５０nmであるとの記載がある。そして、柔らかい層の厚さが５０nm未満の場合、基体との密着性が低下すること、また、２５０nmを超える場合、多層膜の硬度が明らかに低下して耐久性と耐摩耗性が低下すると指摘されている。また、硬い層の厚さが５０nm未満の場合、高い摩擦係数と高い環境感受性を有する多層膜ができること、また、２５０nm以上の場合、耐摩耗性が低下すると指摘されている。更に、各層の最適厚さは１００nm程度とされている。

しかし、このような厚さの層では、軟らかい層と硬い層との界面が明瞭に生じてしまうことから、界面剥離（または層間剥離）が発生しやすくなる問題があることを本願の発明者は発見した。

特開２００４−２６９９９１号公報（００１９〜００２１段落）

本願は前記問題に係る知見に基づいて発明されたものであって、その課題は、耐摩耗性を向上した、耐摩耗材の製造方法を提供することにある。

本発明は、基材上に積層された複数のＤＬＣ層を有し、前記複数のＤＬＣ層の各々は、厚さ方向に重なり合う、相対的に高硬度である層の１層と相対的に低硬度である層の１層とで１組を構成し、前記１組の厚さが２．７nm以下とされた耐摩耗材である。

これによると、相対的に高硬度である層の１層と相対的に低硬度である層の１層とで構成されたＤＬＣ層の１組の厚さが２．７nm以下と、薄い層が集積して耐摩耗性を発揮する。このため、複数のＤＬＣ層において界面を不明瞭化できることから界面剥離が生じにくい。この結果、耐摩耗性を向上できる。

また、前記複数のＤＬＣ層は、前記高硬度である層と前記低硬度である層とが交互に積層された層とできる。

これによると、各層の交互積層の積層数を調整することにより、所望の耐摩耗性を容易に実現できる。

また、前記高硬度である層と前記低硬度である層の厚さが略等しいものとできる。

これによると、各層間での硬度変化を均質化できるので、界面をより不明瞭化できる。

また本発明は、基材を移動させるテーブルと、前記テーブル上の前記基材に対して磁場を発生させるコイルと、を有するアンバランスドマグネトロンスパッタ装置を用い、前記基材上に複数のＤＬＣ層を積層させる、耐摩耗材の製造方法であり、前記テーブルを移動させ、前記コイルが発する磁場における磁束密度が相対的に大きい領域に前記基材を通過させることで、相対的に高硬度である層を形成することと、前記コイルが発する磁場における磁束密度が相対的に小さい領域に前記基材を通過させることで、相対的に低硬度である層を形成することと、を前記基材の移動経路で交互に行い、前記コイルに対する前記テーブルの移動速度を増減させることにより、前記高硬度である層の１層と前記低硬度である層の１層とで構成された１組の厚さを２．７nm以下とする耐摩耗材の製造方法である。

これによると、汎用のアンバランスドマグネトロンスパッタ装置を用い、耐摩耗性を向上したＤＬＣ層が集積した耐摩耗材を得ることができる。

本発明は、薄い層であるＤＬＣ層が集積して耐摩耗性を発揮する。このため、複数のＤＬＣ層において界面剥離が生じにくい。よって、耐摩耗性を向上した、耐摩耗材の製造方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係る、基材上に形成された耐摩耗材の層構造の一例を示す概略図であって、（Ａ）は基材を含む全体を示し、（Ｂ）は複数のＤＬＣ層の構成を示す。 ＤＬＣ層の摩耗量を測定するのに用いた試験機の構成を示す概略図である。 図２の試験機により得られた、高硬度層の１層と低硬度層の１層とで構成されたＤＬＣ層の１組の厚さと摩耗量との関係を示すグラフである。 複数のＤＬＣ層を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ装置の一例を示す、平面視の概略図である。

次に、本発明につき、一実施形態を取り上げて説明を行う。

本実施形態に係る、基材Ｂ上に形成された耐摩耗材１の層構造の一例を図１（Ａ）（Ｂ）に示す。この耐摩耗材１は、基材Ｂ上に形成された中間層１１と、中間層１１上に形成された複数のＤＬＣ層１２…１２とからなる。このため、本実施形態に係る耐摩耗材１は、基材Ｂ上に積層された複数のＤＬＣ層１２…１２を有する。

本実施形態の中間層１１は、基材Ｂに近い方（内方）から順に、内中間層１１１、中中間層１１２、外中間層１１３の３層が形成されている。基材Ｂには鉄系材料が用いられる（ただし、他の材料であってもよい）。内中間層１１１はクロムからなる。中中間層１１２はクロム及びタングステンからなる。外中間層１１３はタングステン及びＤＬＣからなる。中間層１１の層数及び各層の組成は、種々に変更して実施できる。また、基材Ｂと複数のＤＬＣ層１２…１２との密着性を高めるためには中間層１１を形成することが望ましいが、場合によっては中間層１１を形成せず、基材Ｂに直接的に複数のＤＬＣ層１２…１２を形成することもできる。

図１（Ｂ）に示すように、複数のＤＬＣ層１２…１２の各々は、厚さ方向に重なり合う、相対的に高硬度である層（以下「高硬度層」）１２１の１層と相対的に低硬度である層（以下「低硬度層」）１２２の１層とで１組を構成している。基材Ｂ上に（本実施形態では中間層１１を介して）複数組のＤＬＣ層１２が外側に露出するように設けられ、これにより耐摩耗性が発揮される。本実施形態にて高硬度層１２１と低硬度層１２２の１組の厚さは２．７nm以下とされている。なお、本実施形態のＤＬＣ層１２には、耐摩耗性を低下させる要因となるグラファイトクラスターは含まれていない。

ここで、例えば引用文献１に記載の層構造では、硬い層と軟らかい層との各々の厚さが５０〜２５０nmとされている。つまり、硬い層の１層と軟らかい層の１層とからなる１組の厚さは１００〜５００nmである。これに比べ、本実施形態にて高硬度層１２１と低硬度層１２２の１組の厚さは２．７nm以下であり、圧倒的に薄い層である。このような（相対的に）薄い層が集積して耐摩耗性を発揮する。このような薄い層の集積した層構造では、厚い層の集積した層構造（特許文献１参照）に比べると、高硬度層１２１（硬い層）と低硬度層１２２（軟らかい層）との界面が不明瞭になり、あたかも均質な層に類似するようになる。このため、複数のＤＬＣ層１２…１２における界面剥離（または層間剥離）が生じにくくなるものと推察される。この結果、耐摩耗材１の耐摩耗性を向上できる。更に、もしも層内で部分的に亀裂が生じた場合であっても、例えば低硬度層１２２から高硬度層１２１に移行する部分（硬度が上昇する部分）にて、それ以上の亀裂伝播を食い止めることで、亀裂の拡大抑制が期待できる。この理由によっても、耐摩耗材１の耐摩耗性を向上できる。

前述のように、複数のＤＬＣ層１２…１２は、高硬度層１２１と低硬度層１２２とが交互に積層された層である。このため、高硬度層１２１と低硬度層１２２の交互積層の積層数を調整することにより、複数のＤＬＣ層１２…１２全体の厚み、すなわち「摩耗代」を調整できる。このため、所望の耐摩耗性を容易に実現できる。

また、本実施形態では高硬度層１２１と低硬度層１２２の厚さは略等しい。この構成により、高硬度層１２１と低硬度層１２２との間での硬度変化を均質化できるので、界面をより不明瞭化できる。

次に、図２に示す試験機（ブロックオンリング摩擦試験機）ＴＭを用いて、本実施形態に係る耐摩耗材１における摩耗量の試験を行った。複数のＤＬＣ層１２…１２を厚さ２μmに形成した、直方体形状の試験片ＴＰを、上方に配置したウエイトＷの垂直荷重によって、回転するリングＲに潤滑油を供給しつつ所定圧力で押し付け、複数のＤＬＣ層１２…１２を摩耗させ、一定時間の摩耗量を測定した。実験時の垂直荷重は２９４Ｎ、リングＲの回転数は１６０rpmとした。潤滑油としては自動車用エンジンオイルを用いた。

図３に、この試験機ＴＭにより得られた、高硬度層１２１の１層と低硬度層１２２の１層とで構成されたＤＬＣ層１２の１組の厚さと摩耗量との関係を示す。実験は、ＤＬＣ層１２の１組における厚さ０．３nm、１．５nm、２．１nm、２．７nmの４種の試験片ＴＰで行った。実験実施の上限値である２．７nmから下限値である０．３nmまで、ＤＬＣ層１２の１組の厚さが小さくなるほど摩耗量が小さくなっていくことが確認できた。

本実施形態に係る耐摩耗材１は、特に、対向面同士が面方向に摺動するように構成される摺動部品への適用が効果的である。本実施形態の耐摩耗材１を備えた部品としては、例えば、ピストンスカート、ピストンピン、ピストンリング、シリンダボア、クランクシャフト、カムシャフト、ローラーロッカー、バルブ、ステムキャップ、ラッシュアジャスタ、バルブリフタ、プロペラシャフト、クラッチサポートから選択される自動車用部品が挙げられる。なお、これはあくまでも一例であって、耐摩耗性が要求される種々の部品に、本実施形態の耐摩耗材１を備えさせることができる。

なお、摺動する両対向面のうち一方の面にのみ本実施形態の耐摩耗材１を形成することで耐摩耗性向上の効果は十分に得られるが、両対向面の両方とも本実施形態の耐摩耗材１を形成することもできる。

次に、本実施形態に係る耐摩耗材１の製造方法について説明する。耐摩耗材１の製造方法は、真空環境下で物理的に蒸着を行うＰＶＤ法、より具体的にはアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ法）と、炭化水素ガスをプラズマ化して製膜を行う方法と、を含む。具体的には、基材Ｂを移動（具体的には水平面内で回転）させるテーブル２１と、テーブル２１上の基材Ｂに対して磁場を発生させるコイル２２と、を有する装置、例えばアンバランスドマグネトロンスパッタ（ＵＢＭＳ）装置２を用い、基材Ｂ上にスパッタリングにより中間層１１を形成し、その後、炭化水素ガスをプラズマ化することで複数のＤＬＣ層１２…１２を積層させる。中間層１１としては、まずクロムからなる内中間層１１１を形成する。続いて、クロム及びタングステンからなる混合層である中中間層１１２を形成する。さらに、タングステン及びＤＬＣからなる混合層である外中間層１１３を形成する。

図４に、耐摩耗材１の製造に用いられるＵＢＭＳ装置の一例を示す。図示の例では、テーブル２１が図示矢印Ｍの方向に回転し、テーブル２１の径外位置に、周方向に等間隔で４台のコイル２２…２２が設けられている。４台のコイル２２…２２における径内位置には、クロムターゲット２３とタングステンカーボンターゲット２４が周方向に交互に配置されている。つまり、２個のクロムターゲット２３，２３と２個のタングステンカーボンターゲット２４，２４は径方向で対向する、１対のコイル２２，２２の径内位置に配置されている。隣り合うコイル２２，２２の磁極は異なっている（図４に「Ｎ」「Ｓ」を例示）。コイル２２…２２によってテーブル２１上の基材Ｂの移動経路に生じる磁場における磁束Ｆ（破線で図示）は、隣り合うコイル２２，２２間において一方のコイル２２からテーブル２１の位置する空間を通り、他方のコイル２２に向かうように生じる。このため、コイル２２近傍の空間では磁束密度が大きく、隣り合うコイル２２，２２間における空間では磁束密度が小さくなる。

テーブル２１を移動させ、コイル２２が発する磁場における磁束密度が相対的に大きい領域に基材Ｂを通過させることで、高硬度層１２１を形成できる。そして、コイル２２が発する磁場における磁束密度が相対的に小さい領域に前記基材Ｂを通過させることで、低硬度層１２２を形成できる。この高硬度層１２１の形成と低硬度層１２２の形成とを基材Ｂの移動経路で交互に行う。そして、コイル２２に対するテーブル２１の移動速度を増減させることにより、高硬度層１２１の１層と低硬度層１２２の１層とで構成された１組の厚さを２．７nm以下とできる。

ＵＢＭＳ装置２にはガスが供給される。この供給されたガスに電圧をかけることでプラズマ化し、生じたプラズマ中に位置する基材Ｂに対して製膜を行うことができる。本実施形態では、プラズマの原料となるガスとしてアセチレンガスを用いている。しかしこれに限定されず、種々の炭化水素ガスを用いてＤＬＣの成膜が可能である。

この製造方法により、汎用のＵＢＭＳ装置を用い、耐摩耗性を向上したＤＬＣ層１２が集積した耐摩耗材１を得ることができる。

なお、本発明の耐摩耗材１は、ＵＢＭＳ法に限定されず、ＤＬＣ層１２を形成することのできる種々の方法で実施できる。

１ 耐摩耗材
１１ 中間層
１２ ＤＬＣ層
１２１ 高硬度である層、高硬度層
１２２ 低硬度である層、低硬度層
２ アンバランスドマグネトロンスパッタ装置
２１ テーブル
２２ コイル
Ｂ 基材

Claims (4)

1. 基材を移動させるテーブルと、前記テーブル上の前記基材に対して磁場を発生させるコイルと、を有する装置を用い、前記基材上に複数のＤＬＣ層を積層させる、耐摩耗材の製造方法であり、
   前記テーブルを移動させ、前記コイルが発する磁場における磁束密度が相対的に大きい領域に前記基材を通過させることで、相対的に高硬度である層を形成することと、
   前記コイルが発する磁場における磁束密度が相対的に小さい領域に前記基材を通過させることで、相対的に低硬度である層を形成することと、を、炭化水素ガスの供給下で、前記基材の移動経路で交互に行い、
   前記コイルに対する前記テーブルの移動速度を増減させて、前記磁束密度が相対的に大きい領域または前記磁束密度が相対的に小さい領域を通過する前記基材の通過時間が前記増減させた移動速度に応じた時間となることで、前記各層の形成量が前記通過時間に応じた量となることにより、前記高硬度である層の１層と前記低硬度である層の１層とで構成された１組の厚さを２．７nm以下とする耐摩耗材の製造方法。
2. 形成された前記複数のＤＬＣ層の各々は、グラファイトクラスターが含まれていない層である、請求項１に記載の耐摩耗材の製造方法。
3. 形成された前記高硬度である層と前記低硬度である層の厚さが略等しい、請求項１または２に記載の耐摩耗材の製造方法。
4. 前記炭化水素ガスとしてアセチレンガスを用いる、請求項１〜３のいずれかに記載の耐摩耗材の製造方法。

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