JPH02310370A

JPH02310370A - 摺動部材

Info

Publication number: JPH02310370A
Application number: JP12971989A
Authority: JP
Inventors: Shinobu Sato; 忍佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-23
Filing date: 1989-05-23
Publication date: 1990-12-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は摺動部材に係り、特に、基材への密着性に優れ
たセラミックコーティング層を有する摺動部材に関する
。

（従来の技術）機械部品の信頼性（たとえば耐摩耗性など）を向上させ
るために機械部品を構成する金属基材の表面にセラミッ
クコーティングを施し、これにより装置の長寿命化を図
ることが試みられている。

このようなセラミックスコーティング技術について、冷
媒圧縮機を例にしで説明する。

第７図は冷媒圧縮機を一部破断して示した図である。

同図において、ケーシング１内には図示しないモータが
収容され、このモータにより回転するシャフト２がフレ
ーム３の軸受に支持されシリンダ４内を貫通し、さらに
その下端部はサブベアリング５の軸受に支持されている
。

上記シャフト２のシリンダ４内の部分はクランク部（偏
心部）となっており、このクランク部とシリンダ４との
間にローラ６が嵌合され、シャフト２の回転によりロー
ラ６が遊星運動する。

また、シリンダ４を貫通してブレード７が設けられ、ス
プリング８の付勢力によりブレード７の一端側はローラ
６の外周に接触し、シリンダ４内を吸込室と吐出室に分
割している。上記ローラ６の遊星運動に応じてブレード
７は往復運動する。

冷媒ガスはシャフト２の回転に伴うローラ６の遊星運動
に応じて、吸込口から吸込まれ、圧縮され、吐出口から
吐出されるが、この摺動部の動作を円滑にするためにケ
ーシング１内には冷凍機油９が収容されている。この冷
凍機油９はシャフト２の回転により、シャフト２下端に
設けられているポンプ１０に沿って吸い上げられ、摺動
部を潤滑するようになっている。

このような冷媒圧縮機の摩耗はブレード７を中心とした
ものと、シャフト２を中心としたものとに分けられる。

ブレード７はシャフト２の回転に伴い往復運動するが、
この際分割されたシリンダ４内の二基、すなわち吸込室
と吐出室との圧力差により、ブレード７はシリンダ４の
貫通孔内面にこすりつけられる。このため、ブレード７
とシリンダ４とは共に摩耗する。また、ブレード７はス
プリング８によりその端部がローラ６に押付けられてい
るため、ローラ６の外周も摩耗する。

一方、シャフト２は、ローラ６を介してスプリング８や
シリンダ４内の圧力を受け、フレーム３とサブベアリン
グ５に押付けられて若干湾曲した形状となって高速回転
するため、シャフト２の外面、フレーム３およびサブベ
アリング５の内面が摩耗する。

こうした摩耗を防止するために、上記の各部材を構成す
る金属基材表面にセラミックコーティングを施し、耐摩
耗性を向上させることが試みられている。たとえば、特
開昭５７−３２０９６、特開昭５８−７７１９２１、特
開昭５９−１２８９９２　、実開昭５７−７１７８５．
実開昭５８−７１７８６、実開昭５９−１８８５９１な
どである。

これらの公報に記載されているセラミックコーティング
層は金属基材の表面に溶射法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ
法）、スパッタリング法などにより形成されたものであ
る。

（発明が解決しようとする課８）しかし、上述したセラミックコーティング層は、その成
膜条件によって形成される膜の特性にばらつきが生じ、
常に一定の品質を有する部品を得ることは困難であった
。

また、上述した公報においては、耐摩耗性を支配する因
子となる、セラミックコーティング層の耐クラツクにつ
いては検討されていないため、たとえば、クロムモリブ
デン鋼の表面にセラミックコーティングを施したシャフ
トを用いて圧縮機を組立て、シャフトを高速回転させた
場合、セラミックコーティング層にクラックが発生し、
セラミックコーティング層の膜内での割れや、基材との
剥がれが生じ易いという問題があった。

したがって種々の部品の製造において、信頼性を高め、
コストダウンを図るためには、基材とセラミックコーテ
ィング層との密着性の向上、ならびに耐摩耗性の向上が
課題の一つとして残されている。

本発明は、このような課題を解決するためになされたも
ので、高荷重条件下においても基材とセラミックコーテ
ィング層との剥離が無く、密着性および耐クラツク性に
優れた摺動部材を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の摺動部材は、金属基材と、金属基材上に形成さ
れた窒化シリコンコーティング層からなり、前記窒化シ
リコンコーティング層の可視光領域における屈折率が１
．７〜２．３であることを特徴としている。

本発明において、金属基材は従来から摺動部品に用いら
れている金属材料であれば特に限定はなく、例えば、各
種の鋳鉄、ステンレス鋼、鋳造品、焼結合金あるいはＳ
ＣＭのような鉄系合金、アルミニウム系合金、ニッケル
系合金、クロム系合金等をあげることができる。また、
金属基材表面または近傍にあらかじめ浸炭、窒化、ホウ
化、焼き入れ等の表面硬化処理層が形成されていても良
い。

この金属基材上に形成される窒化シリコン膜の屈折率は
、４００ｎａ＋〜７０Ｑｎａ＋の可視光領域の光源と分
光分析装置を用いた正反射干渉スペクトルの測定から下
記式より求めることができる。

（屈折率）−λ１　・λ２２・（膜厚）・（λ１−λ２）（λ１　・λ２：干渉ピーク波長）本発明の摺動部材においては、窒化シリコン膜の屈折率
が１．７〜２．３とされる。

このような窒化シリコン膜を形成する方法は、金属基材
に熱変形を起こさせない低温処理が可能なプラズマＣＶ
Ｄ法、光ＣＶＤ法、レーザーＣＶＤ法等が利用できる。

さらにプラズマＣＶＤ法は被処理部品に対して均一な処
理が可能であるため本発明における成膜には有用である
。

窒化シリコンコーティング層の膜厚は摺動部品の要求性
能との関係で変化させればよく、通常、０．５μｍ〜２
０μ四程度であり、好ましくは１μ■〜１０μＩである
。

成膜方法としてプラズマＣＶＤ法を用いて窒化シリコン
膜を形成する場合、反応条件は目的、金属基材に応じて
適宜変更する。

例えば、金属基材の加熱温度については鉄系基材への成
膜であれば３５０℃以下、好ましくは２５０℃〜３００
℃というような温度条件とする。

なお、プラズマＣＶＤ装置は容量結合型でも良いし誘導
結合型でも良いが、量産を目的として大容積で均一なプ
ラズマを得るためには容量結合型の方が好ましい。

（作　用）本発明の摺動部材は、窒化シリコンコーティング層の可
視光領域における屈折率が１．７〜２．３である。この
ような摺動部材を用いることによって、耐クラツク性や
密着性に優れた製品を得ることができる。

ところで、窒化シリコンコーティング層の耐クラツク性
は、その窒化シリコンコーテイング膜の成膜時に生じる
内部応力に関係していると考えられ、この内部応力は屈
折率に反映される。

そして、内部応力は、窒化シリコン膜の成膜条件によっ
て変化し、同じ膜厚であっても、その膜の特性すなわち
耐クラツク性や密着性などは不均一であり、膜内の応力
が大きいほどクラックが発生しやすく、基材との密着性
も低下する。

このような窒化シリコンコーテイング膜内の応力を特定
の指標を用いて規定するため、本発明では窒化シリコン
コーテイング膜の屈折率を用いたのである。

摺動部材として用いる窒化シリコンは、アモルファスの
ものが使用される場合が多いため、窒化シリコン膜の応
力を測定する方法としてＸ線を用いることはできず、本
発明の屈折率による規定により、膜厚が等しい場合、窒
化シリコン膜の有する内部応力すなわち耐クラツク性を
推測することが可能となる。

この窒化シリコン膜の屈折率は、１．７〜２．３であれ
ば窒化シリコン膜のクラックが発生しにくく、基材から
の膜の剥離を防止して、摺動部材の耐摩耗性を長期にわ
たって維持することができる。

窒化シリコン膜の屈折率が１．７以下であると、膜内部
での割れが生じ、２．３以上では窒化シリコン膜が基材
から剥離しやす（なる。

このように、形成した窒化シリコン膜の屈折率に基づい
て、得られた製品の品質管理を行うことができる。

（実施例）次に、本発明の実施例について、図面を用いて説明する
。

これから述べる実施例は、本発明の摺動部材を冷媒圧縮
機のシャフトに適用したものであり、シャフト表面への
窒化シリコン膜の成膜条件を様々に変化させ、シャフト
に形成された窒化シリコン膜の屈折率ならびに耐摩耗性
を測定している。

これによって、窒化シリコン膜の屈折率を規定すること
により耐摩耗性に優れたシャフトが得られることを実証
したものである。

なお、冷媒圧縮機の構成は、第７図に示した従来のもの
と同一である。

実施例１まず、ＳＣＭ４１５材を所定寸法に切り出したシャフト
をアセトンで脱脂した後、ステンレス製の容器からなる
プラズマＣＶＤ装置内に装入し、基板上にセットした。

次にメカニカルブースターポンプとロータリーポンプに
より装置内を１Ｏ−ｆｆＴｏｒｒ程度まで排気した。

その後、装置内壁及びシャフトに吸着されたガスを脱ガ
スするために油拡散ポンプあるいはクライオポンプを用
いて１０’Ｔｏｒｒまで排気し、基板加熱温度を３５０
℃とした。

続いて、排気系をメカニカルブースターポンプとロータ
リーポンプに切り換え、Ａ「ガスの流量を５００ＳＣＣ
Ｍ〜１５００ＳＣＣＭまで変化させて導入しながら内部
圧力を約ＩＴｏｒｒに維持した。

次いで、１３．５８ＭＨｚの高周波電力をｌｋｖ印加し
てＡｒプラズマを発生させ、シャフトのエツチングを１
時間行った。

続いて、Ｓｌｌ＋４とＮ２ガスを導入し、高周波電力を
４００ｗ印加してプラズマを発生させ、９０分間で２μ
Ｉの窒化シリコン膜を成膜した。

これら各種のシャフトについて、表面の窒化シリコン膜
を化学分析したところ、その組成は、Ｓｉ３Ｎ！。〜４
．午であり特に大きな差はない。

また、各種のシャフトについてＸ線回折法により表面の
結晶構造の同定を行った結果を第１図に示す。第１図か
ら、いずれのガス流量で窒化シリコン膜を形成しても、
窒化シリコン結晶に起因するピークが認められず非晶質
であることが認められた。

このほか、これらのシャフトについてオージェ電子分光
分析法により各元素の深さ方向分布を調べた結果を第２
図に示す。第２図から明らかなように、窒化シリコン膜
の深さ方向の元素分布はガス流量を変化させても同一で
あることが確認された。

さらに、これらのシャフトについて発光分光分析装置に
より窒化シリコン膜の屈折率を調べた。

その結果、上述した成膜条件の変化によって、形成され
た窒化シリコン膜の屈折率が異なることがわかった。

そこで、この屈折率と耐摩耗性との関連を調べるために
、第３図に示す引っかき試験機を用いて密着性を評価し
た。この装置は、シャフト２をダイヤモンド圧子１５に
て一定速度で荷重を増加して負荷させながら試料台１６
を一定速度で移動させることにより引っかき、膜のクラ
ック発生から剥離した時のＡＥ倍信号ＡＥセンサー１７
で検出し、ＡＥ倍信号立ち上がる荷重の大小により密着
性を評価することができる。

この試験結果から得られた、窒化シリコン膜の基材に耐
する密着性と屈折率の関係を第４図に示した。

第４図から、窒化シリコン膜の屈折率が１．７〜２．３
の範囲では密着性が高いことが明らかとなった。

そこでさらに、屈折率が１．７〜２．３の範囲の中のも
のから屈折率２．０のシャフトを選び、これに対して屈
折率が１．７〜２．３の範囲以外のものから屈折率１．
５のシャフトを選び、第５図に示すような耐摩耗性評価
装置を用いて、摺動状態での窒化シリコン膜の密着性を
評価した。

この装置はシャフト２をベアリングＢ−Ｂではさみこみ
、シャフト２を回転させながらベアリングＢ−Ｂのしめ
つけによる荷重を変化させ、その際のトルク変化を評価
するものである。なお、シャフトの回転数は２９０　ｒ
ｐｍで、荷重は２２．５ｋｇｒ／３ａ＋Ｉｎの割合で１
３５ｋｇｆまで上昇させた。

この評価で得られたトルクと荷重の関係を第６図に示す
。第６図かられかるように、屈折率１．５のシャフトで
は６０ｋｇｒ付近でトルクが急激に立ち上がり凝着摩耗
に至るが、これはシャフトの窒化シリコン膜にクラック
が発生し剥離が起こっているものと考えられる。

この結果に対し、屈折率２．０のシャフトではトルク上
昇が非常にスムーズであり、窒化シリコン膜の耐クラツ
ク性すなわち密告性が良好であった。

実施例２実施例１と同一の材料を用い、所定寸法に切り出したＳ
ＣＭ４１５材からなるシャフトをＣＶＤ装置内にセット
した。

装置内にＡ「ガスを１１０００３ｃｃの流量で導入し、
内部圧力を０．２Ｔｏｒｒ　〜２．０Ｔｏｒｒまで変化
させ、それぞれの内部圧力下で窒化シリコン膜を形成し
た。

このほかの条件は、実施例１と同一条件とした。

こうして作成したシャフトについて、実施例１と同様に
、各種の試験を行ったところ、形成された窒化シリコン
膜の組成、結晶構造、および元素分布には差異がなく、
屈折率において、成膜条件による違いが認められた。

そこで、この屈折率と耐摩耗性との関連を、実施例１と
同一条件で調べた結果、窒化シリコン膜の屈折率が１．
７〜２．３の範囲では密着性が高いことが明らかとなっ
た。

その結果、屈折率２．０のシャフトは屈折率１．５のシ
ャフトに比べてトルク上昇が滑かであり、窒化シリコン
膜の耐クラツク性すなわち密着性が良好であることが示
された。

実施例３実施例１と同一の材料を用い、所定寸法に切り出したＳ
ＣＭ４１５材からなるシャフトをＣＶＤ装置内にセット
した。

装置内にＡｒガスを１１０００３ＣＣの流回で導入し、
内部圧力を１Ｔｏｒｒに維持した。

次いで、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１にν印加し
てＡｒプラズマを発生させ、シャフトのエツチングを１
時間行った。

続いて、ＳｉＨ４と　Ｎ２ガスを導入し、高周波電力を
２００ν〜５００Ｗまで変化させてプラズマを発生させ
、それぞれの高周波電力において９０分間で２μ謂の窒
化シリコン膜を成膜した。

そこでさらに、屈折率が１．７〜２．３の範囲の中のも
のから屈折率２．０のシャフトを選び、これに対して屈
折率が１．７〜２．３の範囲以外のものから屈折率１．
５のシャフトを選び、実施例１と同一条件で摺動状態で
の窒化シリコン膜の密着性を評価した。

さらに、上述した実施例のシャフト以外の部材としてフ
レームおよびシリンダを鋳鉄で、ローラを共晶黒鉛鋳鉄
で、ブレードを焼結合金でそれぞれ作製し、第７図に示
した冷媒圧縮機を組み立てて実機テストを行った。

その結果、本発明による窒化シリコン膜の屈折率が１．
７〜２．３の摺動部材を適用したシャフトを備えた冷媒
圧縮機は、窒化シリコン膜のクラックや剥離を起こすこ
と無＜　１１０００Ｏｒｐまで良好な回転を示した。

以上述べてきたように、窒化シリコン膜の屈折率を規定
することにより、耐摩耗性に優れた製品を高い再現性で
得ることができた。

このことはすなわち、常に一定の特性を有する製品を得
るための指標が得られたということであり、窒化シリコ
ン膜の屈折率に基づいて、特性の管理を行うことが可能
となった。

［発明の効果コ以上説明したように、本発明の摺動部材は、大荷重負荷
時の耐クラック性即ち基材との密着性が良好であり、耐
摩耗性を向上させることができる。

また、本発明による屈折率を用いた窒化シリコン膜の規
定は、常に一定の特性を有する製品を得るための指標と
なり、コストダウン、信頼性の向上に大きく貢献するも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図はＸ線回折法による結晶構造の同定結果を示す図
、第２図はオージェ電子分光分析法による元素の分布を
示す図、第３図は引っかき試験機の概略図、第４図は第
３図の装置による測定結果を示す図、第５図は耐摩耗性
評価装置の概略図、第６図は第５図の装置による測定結
果を示す図、第７図は従来の冷媒圧縮機を示す図である
。１・・・ケーシング２・・・シャフト３・・・フレーム４・・・シリンダ５・・・サブベアリング６・・・ローラ７・・・ブレード８・・・スプリング９・・・冷媒吸込口１０・・・吸込室１１・・・吐出室１２・・・冷却吐出口１３・・・冷凍機油１４・・・ポンプ１５・・・ダイヤモンド圧子１６・・・試料台１７・・・ＡＥセンサー出願人　　　　　　株式会社　東芝代理人　弁理士　　須　山　佐　− 第７図撒＠　（本病）官羞力　（Ｎ）ｆノｔメグ　（ｋｇｉ−ｃｍ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属基材と、この金属基材上に形成された窒化シ
リコンコーティング層とを備え、前記窒化シリコンコーティング層の可視光領域における
屈折率が１．７〜２．３であることを特徴とする摺動部
材。