JP7141633B2

JP7141633B2 - 摺動装置

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Publication number: JP7141633B2
Application number: JP2018092297A
Authority: JP
Inventors: 岳志前田; 丈一杉村; 宏昌田中; 康平白濱
Original assignee: Kyocera Corp; Kyushu University NUC
Current assignee: Kyocera Corp; Kyushu University NUC
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2022-09-26
Anticipated expiration: 2038-05-11
Also published as: JP2018194171A

Description

本開示は、ＤＬＣ膜を有する摺動装置に関する。

ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ－ｌｉｋｅｃａｒｂｏｎ）は、硬質薄膜の中でも低摩擦と低摩耗特性を兼ね備えた摺動材料として多くの機械要素へ適用されている。

そして、非特許文献１では、軸受鋼ＳＵＪ２からなるボールと、軸受鋼ＳＵＪ２からなる基材に種々の形態のＤＬＣ膜を形成したディスクを用いた摺動試験の結果から、ＤＬＣのトライボロジー特性に及ぼす雰囲気ガスの影響はその構造や組成に依存することが示されている。

水素ガス雰囲気におけるＤＬＣ膜の摩擦摩耗、トライボロジスト、２００９年（Ｖｏｌ．５４）１０号、ｐ１－９

本開示は、水素雰囲気下で摩擦係数が低い摺動装置を提供することを目的とする。

本開示の摺動装置は、摺動部と、該摺動部を収容する収容部とを備え、前記摺動部は、銅合金からなる基部上にＤＬＣ膜からなる第１面を有するシートリテーナと、ＺｒおよびＡｌの少なくともいずれかを含む酸化物を主成分とするセラミックスからなり、第２面を有するボールとを備えたトラニオン構造であり、前記第１面と前記第２面とが摺動面であり、該摺動面における雰囲気が水素であり、前記ＤＬＣ膜が水素を含有している。

また、本開示の摺動装置は、摺動部と、該摺動部を収容する収容部とを備え、前記摺動部は、銅合金からなる基部上にＤＬＣ膜からなる第１面を有するシートリテーナと、ジルコニア質セラミックスからなり、第２面を有するボールとを備えたトラニオン構造であり、前記第１面と前記第２面とが摺動面であり、該摺動面における雰囲気が水素であり、前記ＤＬＣ膜が水素を含有していない。

また、本開示の摺動装置は、摺動部と、該摺動部を収容する収容部とを備え、前記摺動部は、ＤＬＣ膜からなる第１面を有する第１部材と、炭化珪素質セラミックスからなり、第２面を有する第２部材とを備え、前記第１面と前記第２面とが摺動面であり、前記ＤＬＣ膜が水素を含有し、該摺動面における雰囲気が水素であるとともに水分を含有している。

また、本開示の摺動装置は、摺動部と、該摺動部を収容する収容部とを備え、前記摺動部は、ＤＬＣ膜からなる第１面を有する第１部材と、窒化珪素質セラミックスからなり、第２面を有する第２部材とを備え、前記第１面と前記第２面とが摺動面であり、前記ＤＬＣ膜が水素を含まず、該摺動面における雰囲気が水素であるとともに水分を含有している。

本開示の摺動装置は、水素雰囲気下で摩擦係数が低いため、摺動に要する力が小さくな
り、また、長期間にわたって使用することができるため、部品交換の頻度を下げることができる。

図１は本実施形態の摺動装置の一例を示す、（ａ）は模式図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡＡ’線で切断した断面図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＢ部の拡大図である。陰極ＰＩＧ（ＰｅｎｎｉｎｇＩｏｎｉｚａｔｉｏｎＧａｕｇｅ）プラズマＣＶＤ装置の概略構成の一例を示す模式図である。真空アーク蒸発源を用いたイオンプレーティング装置の概略構成の一例を示す模式図である。

本開示に係る摺動装置について図を参照しながら説明する。

本開示の摺動装置は、第１～第４実施形態に分けられ、摺動部と、摺動部を収容する収容部とを備える。摺動部は、ＤＬＣ膜からなる第１面を有する第１部材と、第２面を有する第２部材とを備える。なお、第２部材は、セラミックスからなる。そして、第１面と前記第２面とが摺動面であり、摺動面における雰囲気が水素である点で共通しており、セラミックスの種類、ＤＬＣ膜の種類、雰囲気における水分の有無等の組み合わせが相違している。

まず、共通部分について、説明する。図１は、本実施形態の摺動装置の一例を示す、（ａ）は模式図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡＡ’線で切断した断面図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＢ部の拡大図である。

図１に示す摺動装置は、トラニオン構造からなるボール弁１である。ボール弁１は、本体２、本体２の内部空間に収容されるボール４およびシートリテーナ５を備えている。

本体２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）からなり、この本体２は、その内部に水素ガスが流れる流路を備え、球状の空間部２ａを備えている。そして、この空間部２ａには、ボール４が配置され、本体２の上部には上ステム６を挿入するための貫通孔が形成されている。

流路の上流側には流入部８、流路の下流側には流出部９が接続され、外部の配管（図示しない）が接続可能な装着孔８ａ、９ａをそれぞれ備えている。

図１（ｂ）に示すように、ボール４は、その内部に、水素ガスが流れる流路の一部を構成する、貫通した流路４ａを備えている。ボール４の上側には上ステム６、ボール４の下側には下ステム（図示しない）がそれぞれ配置されている。そして、ボール４を回転させるためのハンドル１１が、上ステム６の上端部に着脱可能に設けられ、ハンドル１１を回転させて、ボール４を回転させることでボール弁１の流路が開閉し、弁として機能する。図１（ｂ）の例では、ボール弁１の弁が開いた状態、すなわち流体が流れる状態を示している。

シートリテーナ５は、ボール４側に対向し、ボール４に当接することにより、水素ガスの漏洩を防ぐようにされている。シートリテーナ５の基部５ａは、例えば、ベリリウム銅合金などの銅合金からなる。シートリテーナ５の基部５ａが銅合金からなる場合、水素脆性に優れる。そして、図１（ｃ）に示すように、シートリテーナ５は、基部５ａの表面のうち少なくともボール４に対向する面を覆うようにＤＬＣ膜５ｂを有しており、このＤＬ
Ｃ膜５ｂがボール４と接している。

ＤＬＣ膜５ｂは、主に炭化水素または炭素の同素体からなる非晶質の硬質膜であり、高い硬度を有し、潤滑性、熱伝導性、耐摩耗性、表面平滑性および化学的安定性に優れている。

シートリテーナ５は、本開示の第１部材５であり、ボール４は、後述する種類のセラミックスからなる本開示の第２部材４である。そして、シートリテーナ５のＤＬＣ膜５ｂの表面である第１部材５の第１面と、第２部材４であるボール４の表面である第２面とが摺動面となる。このようなボール弁１においては、ボール４を回転させることにより、水素雰囲気下でボール４とシートリテーナ５が摺動し、ボール４とシートリテーナ５が摺動部となる。この摺動部が、本体２に収容されており、本体２が収容部２である。

以下に、本開示の第１～第４実施形態について説明する。

第１実施形態の摺動装置１（ボール弁１）は、摺動部（ボール４およびシートリテーナ５）と、摺動部を収容する収容部２（本体２）とを備える。摺動部は、ＤＬＣ膜５ｂからなる第１面を有する第１部材５（シートリテーナ５）と、第２面を有する第２部材４（ボール４）とを備える。ここで第２部材４は、ＺｒおよびＡｌの少なくともいずれかを含む酸化物を主成分とするセラミックスからなる。そして、第１面と第２面とが摺動面であり、摺動面における雰囲気が水素であり、ＤＬＣ膜５ｂが水素を含有している。なお、本実施形態における摺動面における雰囲気とは、摺動面が曝される雰囲気をいう。

第１実施形態の摺動装置１は、上記構成を満たしていることにより、第１部材５および第２部材４の摺動における摩擦係数が低い。

第１実施形態における第２部材４は、アルミナを主成分とするアルミナ質セラミックスであっても、ジルコニアを主成分とするジルコニア質セラミックスであってもよく、アルミナとジルコニアとを含有し、両者の合計が主成分となるセラミックスであってもよい。

ここで、主成分とは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、６０質量％を超える成分のことである。また、アルミナ質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３に換算した値が６０質量％以上のセラミックスのことである。ジルコニア質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、ＺｒをＺｒＯ_２に換算した値が６０質量％以上のセラミックスのことである。さらに、アルミナとジルコニアとを含有し、両者の合計が主成分となるセラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３に換算した値と、ＺｒをＺｒＯ_２に換算した値との合計が６０質量％以上のセラミックスのことである。

そして、雰囲気における水分量が６０体積ｐｐｍ以下であるときには、摩擦係数がより低くなる。さらに、雰囲気が、水分を含まないときには、さらに摩擦係数が低くなる。

第２実施形態の摺動装置１は、摺動部と、摺動部を収容する収容部２とを備える。摺動部は、ＤＬＣ膜５ｂからなる第１面を有する第１部材５と、第２面を有する第２部材４とを備える。ここで、第２部材４は、ジルコニア質セラミックスからなる。そして、第１面と第２面とが摺動面であり、摺動面における雰囲気が水素であり、ＤＬＣ膜５ｂが水素を含有していない。

第２部材４として、ジルコニア質セラミックスを用いると、ＤＬＣ膜５ｂが水素を含有
していない場合であっても、第１部材５および第２部材４の摺動における摩擦係数が低くなる。

また、第２実施形態の摺動装置１において、雰囲気における水分量が６０体積ｐｐｍ未満であるときには、摩擦係数がより低くなる。さらに、雰囲気が、水分を含まないときには、さらに摩擦係数が低くなる。

第３実施形態の摺動装置１における摺動部は、ＤＬＣ膜５ｂからなる第１面を有する第１部材５と、第２面を有する第２部材４とを備える。ここで、第２部材４は、炭化珪素質セラミックスからなる。そして、第１面と第２面とが摺動面であり、ＤＬＣ膜５ｂが水素を含有し、摺動面における雰囲気が水素であるとともに水分を含有する。詳細理由は不明であるが、第３実施形態の摺動装置１は、上記構成を満たしていることにより、第１部材５および第２部材４の摺動における摩擦係数が低い。

また、第３実施形態の摺動装置１において、雰囲気における水分量が６０体積ｐｐｍ以上であるときには、摩擦係数がより低くなる。

なお、炭化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、ＳｉをＳｉＣに換算した値が６０質量％以上のセラミックスのことである。

第４実施形態の摺動装置１における摺動部は、ＤＬＣ膜５ｂからなる第１面を有する第１部材と、第２面を有する第２部材とを備える。ここで、第２部材４は、窒化珪素質セラミックスからなる。そして、第１面と第２面とが摺動面であり、ＤＬＣ膜５ｂが水素を含まず、摺動面における雰囲気が水素であるとともに水分を含有する。第４実施形態の摺動装置１は、上記構成を満たしていることにより、第１部材５および第２部材４の摺動における摩擦係数が低い。

また、第４実施形態の摺動装置１において、雰囲気における水分量が６０体積ｐｐｍ以上であるときには、摩擦係数がより低くなる。

なお、雰囲気の水分量は、例えば、高純度ガス用微量水分分析器を用いて測定することができる。例えば、キャビティリングダウン分光器、レーザー式水分センサを用いたＴｉｇｅｒＯｐｔｉｃｓ社製のＨＡＬＯ－Ｈ_２Ｏなどを用いるとよい。

なお、窒化珪素質セラミックスとは、セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、ＳｉをＳｉ_３Ｎ_４に換算した値が６０質量％以上のセラミックスのことである。

そして、セラミックスを構成する成分は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて同定することができる。アルミナ質セラミックスであれば、アルミナの存在が確認され、ジルコニア質セラミックスであれば、ジルコニアの存在が確認される。炭化珪素質セラミックスおよび窒化珪素質セラミックスについても同様である。

また、各成分の含有量は、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）またはＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）発光分析装置（ＩＣＰ）によって得られた元素の含有量を同定された成分に応じて、酸化物、炭化物または窒化物等に換算すればよい。

また、ＤＬＣ膜における水素の含有量は、その有無も含めて、水素前方散乱分析法（ＨｙｄｒｏｇｅｎＦｏｒｗａｒｄＳｃａｔｔｅｒｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ:
ＨＦＳ）を用いて測定すればよい。

本実施形態の摺動装置１の第１部材５に被覆されたＤＬＣ膜５ｂが水素を含有する場合の水素の含有量の一例としては、ＤＬＣ膜を構成する元素１００原子％のうち、２０原子％以上４０原子％以下である。

次に、本実施形態の摺動装置における、第１部材５へのＤＬＣ膜５ｂの製造方法の一例を、図を用いて説明する。

図２は、陰極ＰＩＧプラズマＣＶＤ装置の概略構成の一例を示す模式図である。

図２に示すように、陰極ＰＩＧプラズマＣＶＤ装置は、チャンバー２０を備えており、チャンバー２０内には、シートリテーナ５の基部５ａを保持するためのホルダー２２と、電極２３、カソード２４が配置されている。また、チャンバー２０外に、電極２３と繋がるバイアス電源（Ａ）２５と、カソード２４と繋がるバイアス電源（Ｂ）２６を有している。また、チャンバー２０外に、陰極ＰＩＧプラズマ源２７、コイル２８を有している。そして、チャンバー２０には、チャンバー２０内にガスを導入するためのガス導入口２９と、チャンバー２０からガスを排出するためのガス排出口３０が接続されている。

そして、チャンバー２０内にプラズマ３１が形成される。なお、カソード２６の背後には図示しない磁石が配置されて、スパッタ源となっている。

まず、第１部材であるシートリテーナ５の基部５ａをホルダー２２に装着してチャンバー２０内の所定位置に配置する。次いで、ガス導入口２９からアルゴンガスを導入するとともに、陰極ＰＩＧプラズマ源２７、電極２３およびコイル２８を用いて、プラズマ３１を発生させる。ここで、アルゴンガスの流量は、例えば、３０ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下である。

そして、プラズマ３１中のアルゴンイオンをバイアス電源（Ａ）２５にて印加した負のバイアス電圧によりシートリテーナ５の基部５ａへ引きつけ、後にシートリテーナ５の基部５ａのＤＬＣ膜５ｂが被覆される被覆面をエッチングすることにより被覆面に付着している不純物を除去する。ここで、バイアス電圧は、－６００Ｖ以上－５００Ｖ以下である。

その後、シートリテーナ５の基部５ａをカソード２４に向け、シートリテーナ５の基部５ａへの負のバイアス電圧の印加を停止する。その後、ガス導入口２９からアセチレン等の炭化水素系ガスを導入し、陰極ＰＩＧプラズマ源２７により、炭化水素系ガスを分解、反応させることにより、水素を含有するＤＬＣ膜５ｂをシートリテーナ５の基部５ａの表面に形成することができ、シートリテーナ５を得ることができる。

次に、水素を含まないＤＬＣ膜５ｂを得る方法の一例を、図を用いて説明する。

図３は、真空アーク蒸発源を用いたイオンプレーティング装置の概略構成の一例を示す模式図である。

イオンプレーティング装置は、チャンバー４１を備え、チャンバー４１内にはアーク蒸発源４２、４３およびホルダー４４が配置されている。

まず、洗浄液（アセトンまたはイソプロパノール）中でシートリテーナ５の基部５ａを超音波洗浄した後、ホルダー４４にシートリテーナ５の基部５ａを装着する。次に、チャンバー４１に設けられた排気口４５に接続された真空ポンプ（図示しない）によってチャ
ンバー４１内を所定の真空度とした後、不活性ガス（ＡｒまたはＨｅ）を用いたイオンボンバード処理によりシートリテーナ５の基部５ａの曲面状の端面から不純物を除去する。

そして、カーボンカソードを装着したアーク蒸発源４３に、アーク電源４６から一定電流を印加することによって、第１部材５であるシートリテーナ５の基部５ａにＤＬＣ膜５ｂを被覆することができる。なお、一定電流を印加している間、チャンバー４１の外部に設置されたモーター４７を回転駆動させることにより、回転導入部４８に挿入された回転軸４９を介してホルダー４４を回転させる。また、回転導入部４８に接続されたバイアス電源５０を介してシートリテーナ５の基部５ａにバイアス電圧を印加する。

バイアス電圧は、印加開始から所定時間経過するまで５００Ｖ～１０００Ｖに設定した後、５０Ｖ～１００Ｖに変更することによって水素を含まないＤＬＣ膜５ｂを得ることができる。

このように、イオンプレーティング法、スパッタリング法等のＰＶＤ法では、カソードに固体のカーボンを用いるため、水素を含まないＤＬＣ膜５ｂが形成され、シートリテーナ５を得ることができる。

そして、ＤＬＣ膜５ｂを有するシートリテーナ５と、セラミックスからなるボール４とを本体２の内部の所定位置に取り付けることにより、本実施形態の摺動装置１であるボール弁１を得ることができる。

ピン・オン・ディスク摩擦試験機を用いて摩擦試験を行うために、先端部に鏡面加工を施した先端部の半径が４ｍｍのピン形試験片を準備した。ピン形試験片の材質は、ジルコニア質、アルミナ質、炭化珪素質および窒化珪素質セラミックスとした。

円板状試験片は、鏡面加工した円板状の軸受鋼（ＳＵＪ２）に、それぞれ水素を含有するＤＬＣ膜(表１では、ａ－Ｃ:ＨＤＬＣと記載する。)および水素を含まないＤＬＣ膜(表１では、ｔａ－ＣＤＬＣと記載する。)のいずれかで被覆した試験片を準備した。

いずれの試験片もアセトンとヘキサンとの体積比が１:１の混合液で１０分間超音波洗
浄した後、摩擦試験を行い、摩擦係数を測定し、その値を表１に示した。本実施例の場合、円板状試験片が第１部材に、ピン形試験片が第２部材にそれぞれ該当する。

摩擦試験は、摺動速度０．１０５ｍ／s、摺動距離は１００ｍ、荷重は１０Ｎとして実
施した。摺動面における雰囲気は水素として、雰囲気における水分量が０体積ｐｐｍと６０体積ｐｐｍの２条件になるように制御した。

表１に示すように、アルミナ質セラミックスを用い、水素を含まないＤＬＣ膜を用いた試料Ｎｏ．７、８では、水分量にかかわらず０．２３以上の高い摩擦係数となった。

一方、第１実施形態の実施例である、試料Ｎｏ．１、２、５、６では、０．０４以下の低い摩擦係数が得られた。また、同じセラミックスを用いたとき、雰囲気中の水分量が少ない方がより低い摩擦係数が得られた。

また、第２実施形態の実施例である、試料Ｎｏ．３、４でも０．０５以下の低い摩擦係数が得られた。また、雰囲気中の水分量が少ない方がより低い摩擦係数が得られた。

セラミックスとして炭化珪素を用いた試料Ｎｏ．９～１２のうち、第３実施形態の実施例である試料Ｎｏ．１０は、摩擦係数が０．０３と低い値を示した。セラミックスとして炭化珪素を用いた場合、第１、第２実施形態の場合と異なり、雰囲気に水分を含有する場合の方が、摩擦係数が低くなった。

セラミックスとして窒化珪素を用いた試料Ｎｏ．１３～１６のうち、第４実施形態の実施例である試料Ｎｏ．１６は、摩擦係数が０．０５と低い値を示した。セラミックスとして窒化珪素を用いた場合も、第１、第２実施形態の場合と異なり、雰囲気に水分を含有する場合の方が、摩擦係数が低くなった。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。

シートリテーナを第１部材とし、ボールを第２部材とした例について記載しているが、例えば、ボールを第１部材とし、シートリテーナを第２部材として用いてもよい。また、
ボール弁以外の形態の摺動装置に本開示を適用してもよい。

１：摺動装置、ボール弁
２：本体、収容部
４：第２部材、ボール
５：第１部材、シートリテーナ
５ａ：基部
５ｂ：ＤＬＣ膜
６：上ステム
８：流入部
９：流出部
１１：ハンドル
２０：チャンバー
２２：ホルダー
２３：電極
２４：カソード
２５：バイアス電源（Ａ）
２６：バイアス電源（Ｂ）
２７：陰極ＰＩＧプラズマ源
２８：コイル
２９：ガス導入口
３０：ガス排出口
３１：プラズマ
４１：チャンバー
４２、４３：アーク蒸発源
４４：ホルダー
４５：排気口
４６：アーク電源
４７：モーター
４８：回転導入部
４９：回転軸
５０：バイアス電源

Claims

摺動部と、該摺動部を収容する収容部とを備え、
前記摺動部は、
銅合金からなる基部上にＤＬＣ膜からなる第１面を有するシートリテーナと、
ＺｒおよびＡｌの少なくともいずれかを含む酸化物を主成分とするセラミックスからなり、第２面を有するボールとを備えたトラニオン構造であり、
前記第１面と前記第２面とが摺動面であり、
該摺動面における雰囲気が水素であり、
前記ＤＬＣ膜が水素を含有している、摺動装置。
前記雰囲気が、水分を含まない請求項１に記載の摺動装置。
摺動部と、該摺動部を収容する収容部とを備え、
前記摺動部は、
銅合金からなる基部上にＤＬＣ膜からなる第１面を有するシートリテーナと、
ジルコニア質セラミックスからなり、第２面を有するボールとを備えたトラニオン構造であり、
前記第１面と前記第２面とが摺動面であり、
該摺動面における雰囲気が水素であり、
前記ＤＬＣ膜が水素を含有していない、摺動装置。
前記雰囲気の水分量が６０体積ｐｐｍ未満である請求項３に記載の摺動装置。
摺動部と、該摺動部を収容する収容部とを備え、
前記摺動部は、
ＤＬＣ膜からなる第１面を有する第１部材と、
炭化珪素質セラミックスからなり、第２面を有する第２部材とを備え、
前記第１面と前記第２面とが摺動面であり、
前記ＤＬＣ膜が水素を含有し、
前記摺動面における雰囲気が水素であるとともに水分を含有している、摺動装置。
前記雰囲気の水分量が６０体積ｐｐｍ以上である、請求項５に記載の摺動装置。
摺動部と、該摺動部を収容する収容部とを備え、
前記摺動部は、
ＤＬＣ膜からなる第１面を有する第１部材と、
窒化珪素質セラミックスからなり、第２面を有する第２部材とを備え、
前記第１面と前記第２面とが摺動面であり、
前記ＤＬＣ膜が水素を含まず、
該摺動面における雰囲気が水素であるとともに水分を含有している、摺動装置。
前記雰囲気の水分量が６０体積ｐｐｍ以上である、請求項７に記載の摺動装置。