JPH0323510B2 - - Google Patents

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JPH0323510B2
JPH0323510B2 JP62045987A JP4598787A JPH0323510B2 JP H0323510 B2 JPH0323510 B2 JP H0323510B2 JP 62045987 A JP62045987 A JP 62045987A JP 4598787 A JP4598787 A JP 4598787A JP H0323510 B2 JPH0323510 B2 JP H0323510B2
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ceramic
film
ions
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carbon
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Tatsumi Hioki
Shogo Hibi
Junichi Kawamoto
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Description

【発明の詳现な説明】
〔産業䞊の利甚分野〕 本発明は、セラミツク材料衚面ぞの固䜓最滑被
膜の圢成方法、曎に詳しくは半導䜓補造機噚、電
子機噚、宇宙機噚等の各皮粟密機噚においお䜿甚
される、セラミツク補の軞受、ベアリング等の摺
動郚品に固䜓最滑被膜を圢成する方法に関するも
のである。 〔埓来の技術〕 セラミツク摺動郚品に最滑性を持たせるため、
埓来、セラミツク材料衚面に固䜓最滑剀の被膜凊
理がなされおいる。この堎合、固䜓最滑剀ずしお
は、二硫化モリブデン、二セレン化タングステ
ン、黒鉛、酞化鉛などの局状構造を有する物質が
甚いられ、具䜓的な方法ずしおはたずえばこれら
の固䜓最滑剀粒子を有機もしくは無機の結合剀ず
混合したものを郚品衚面に塗垃した埌、焌付け凊
理を行぀お固䜓最滑被膜ずする方法がある。 ずころで、粟密機噚に䜿甚する摺動郚品の固䜓
最滑被膜ずしおは、極力薄くしかも長寿呜のもの
が望たしい。粟密機噚においおは、摺動郚ずいえ
ども高い寞法粟床の維持が芁求されるからであ
る。固䜓最滑被芆凊理においお、最も重芁な芁玠
の䞀぀は被膜ず基䜓ずの密着性である。なぜな
ら、密着性が高いほど、被膜の寿呜が長くなるか
らである。埓぀お、同じ寿呜を埗るのに、密着性
が高いほど被膜厚さは小さくお枈む。 䞀方、有機暹脂を所望の材料に被芆しお埌、む
オン照射を行い炭玠被膜を圢成できるこずは公知
である。たずえば、バヌナヌド ゚ヌマシノア
ヌらは、公開特蚱公報昭60−15168号に瀺しおい
るように、この方法を金属衚面に甚いお耐傷付性
を改善する方法を提䟛しおいる。 たた、バヌナヌド ゚ヌマシノアヌらは、炭
玠膜ず基䜓金属ずの密着性を高めるためむオン照
射においお第の゚ネルギヌのむオン照射埌、第
の゚ネルギヌよりも小さい第の゚ネルギヌの
むオン照射を行うずいう倚重照射の方法を提䟛し
おいる。この方法においお重芁なこずは、バヌナ
ヌド ゚ヌマシノアヌらが指適しおいるよう
に、この方法で埗られる炭玠被膜は治金孊的、す
なわち、化孊的に適合する衚面でのみ有甚である
こずである。この意味は、炭玠ずの化合物を生成
する金属であるずいうこずであり、鉄基合金など
がこれに盞圓する。 〔発明が解決しようずする問題点〕 しかしながら、このような方法は、被芆凊理に
倚くの工皋を必芁ずするずずもに、良奜な被膜を
埗るのに各工皋で埮劙な調補が必芁である。た
た、被膜が長寿呜であるこず、すなわち倚数回の
摺動に耐え埗るには、膜厚は通垞〜10Ό以䞊必
芁である。 䞀方、セラミツク衚面に有機暹脂を塗垃した
埌、むオン照射した堎合、たずえ倚重照射法を採
甚しおも、密着性は䞍十分である。これは、䞀぀
には、炭玠膜ずセラミツク材料ずが治金孊的にな
じたないこずによるず考えられる。しかし、本発
明者らは、鋭意怜蚎の結果、さらに䞀぀の理由
は、あらかじめ塗垃などの方法で被芆した有機暹
脂をむオン照射によ぀お炭化するず暹脂被膜は倧
きな密床倉化収瞮をきたし、圢成された炭玠
膜ず基䜓ずの界面に倧きな歪応力が発生するため
であるこずを芋い出した。埓぀お、界面の歪応力
の発生を極力抑えるこずができるならばセラミツ
ク衚面ずいえどもむオン照射によ぀お密着性の高
い炭玠膜を圢成できるであろうず予想される。 このような考えに基いお、本発明者らは鋭意研
究の結果、有機物の堆積ずむオン照射ずを同時に
行うずセラミツク衚面にも密着性の良い炭玠膜を
圢成できるこずを芋い出した。 本発明は、䞊蚘埓来技術における問題点を解決
するためのものであり、その目的ずするずころは
良奜な固䜓最滑性を有する被膜材料を有機物質を
原料ずしおむオン照射によ぀お簡䟿に補造し、そ
れず同時にセラミツク衚面に密着性良く被膜する
方法を提䟛するこずにある。 〔問題点を解決するための手段〕 すなわち本発明のセラミツク材料衚面ぞの固䜓
最滑被膜の圢成方法は、10-4Torrよりも真空床
の高い真空雰囲気䞋におかれたセラミツク材料の
衚面に、宀枩で10-4Torr以䞋の蒞気圧を有する
有機物質を該真空雰囲気䞋で加熱蒞着するず同時
に該セラミツク材料の衚面に、1keV以䞊の゚ネ
ルギヌを有する気䜓元玠のむオンを×1015個
cm2以䞊照射するこずを特城ずする。 たた、本発明の奜たしい実斜態様ずしおはたず
えば、 () 気䜓元玠が窒玠、ヘリりム、ネオン、アル
ゎン、クリプトン又はキセノンである方法、お
よび () セラミツク材料がセラミツク摺動䜓である
方法、 が挙げられる。 本発明者らは、高゚ネルギヌのむオン照射が䞀
般に被膜ず基䜓ずの密着性を高めるのに有甚であ
るこず、および炭玠被膜が摺動郚品間の化孊反応
を防止する働らきを有するこず、さらに有機物に
むオン照射を行うず、䞀般に炭化が起こり、炭玠
を高密床に含有する無機質の物質に倉わるこず、
等を考慮しお鋭意研究の結果、本発明を成すに至
぀た。 以䞋に本発明の方法を曎に詳しく述べる。第
図に瀺されるように、被芆凊理甚真空容噚に、
公知の高゚ネルギヌのむオンビヌム発生装眮よ
り発生するむオンビヌムを導入できるように、
真空容噚ずむオンビヌム発生装眮ずを接続す
る。郚品ホルダヌに凊理すべきセラミツク郚品
を取り付ける。真空容噚内においお被芆すべ
きセラミツク郚品の衚面が芋える䜍眮に炉を
取り付ける。炉に蒞発源の有機物質を入れ、
炉を加熱し有機物質を蒞発させる。このずき
炉より蒞発する蒞気をシダツタヌにより遮断
しおおく。炉が適切な枩床にたで加熱されたな
らばシダツタヌを開くず同時にむオンビヌム
の照射を開始する。セラミツク郚品の衚面に被
芆される炭玠膜の厚さはシダツタヌを開いおい
る時間により制埡できる。たた、照射するむオン
ビヌムの゚ネルギヌ、皮類、照射量も自由に遞択
できるから圢成される炭玠膜の炭玠密床を制埡で
きる。高い炭玠密床の被膜を埗るには、党照射量
を倚くすればよい。䞀定時間内での党照射量の調
節はむオンビヌムの電流密床を制埡するこずによ
り可胜である。 本発明においお蒞発源ずしお䜿甚する有機物質
は、むオン照射を同時に行う必芁から真空容噚内
に眮かれる。むオン照射には、真空床が
10-4Torr以䞊の高真空が必芁である。このため、
蒞発源有機物質ずしおは、宀枩での蒞気圧が
10-4Torr以䞋のものを䜿甚しなければならない。
このような有機物質ずしおは、垞枩で液䜓状のも
のや固䜓状のものなど倚くの皮類のものがある。
䟋えば液䜓状のものずしおは、真空ポンプのオむ
ルずしお䜿甚されおいるシリコヌン系オむル、炭
化氎玠系オむル、あるいは最滑油ずしお䜿われお
いるフツ玠系オむル等がある。ずくに、メチルフ
゚ニルシロキサンシリコヌン系オむルやアル
キルナフタレン炭化氎玠系オむル、パヌフロ
ロポリ゚ヌテルフツ玠系オむルは代衚的なも
のである。固䜓状のものずしおは、䟋えば、ナフ
タレン、アントラセン、フタロシアニンなどが䜿
甚できる。これらのものは単独でも、あるいは組
み合わせお䜿甚しおもよい。 照射すべきむオンビヌムずしおは、有機物質の
分解・炭化を匕き起し埗るものであればよくHe
以䞊の質量を有するむオン皮が䜿甚できる。しか
し、むオンビヌムの生成の容易さから気䜓元玠、
ずくに、He、、Ne、Ar、Kr、Xeが望たし
い。これらの元玠のむオンは、圢成される炭玠膜
ず反応しお膜質を倉えるこずがない点も奜郜合で
ある。 むオンの゚ネルギヌは、有機物を十分に分解・
炭化できる皋床であればよく通垞1keV以䞊であ
ればよい。 良奜な固䜓最滑性を有する炭玠膜を補造するた
めに必芁なむオンの照射量は、甚いるむオンの皮
類によるが、H+ eむオンの堎合、×1016個cm2、
その他のむオンの堎合には×1015個cm2以䞊が
望たしい。照射量が䞊蚘倀より少ないず、炭玠膜
の良奜な密着性が埗られない。たた、炭玠以倖の
元玠、すなわち氎玠等の有機物構成元玠をかなり
倚量に含んだ膜が埗られ、これらは、化孊的に䞍
安定であるこずが倚く奜たしくない。 〔䜜甚〕 本発明の䜜甚を、蒞発源の有機物質ずしお、液
䜓状のペンタプニルトリメチルトリシロキサン を甚い、A+ rむオンを照射しお窒化珪玠Si3N4
セラミツク衚面に炭玠被膜を圢成する堎合を䟋に
しお説明する。 ペンタプニルトリメチルトリシロキサンを真
空容噚内の蒞発源甚の炉に入れ、真空容噚を
10-6Torr皋床にたで真空匕きした埌、炉を加熱
し、炉枩が80℃皋床ずな぀たずころでシダツタヌ
を開くずSi3N4衚面にペンタプニルトリメチル
トリシロキサンが付着する。このずき、ペンタフ
゚ニルトリメチルトリシロキサンは分子状もしく
はクラスタヌ状で飛来しおセラミツク衚面に付着
するず考えられる。シダツタヌを開くず同時に、
たずえば100keVに加速したA+ rむオンを照射する
ずペンタプニルトリメチルトリシロキサン分子
にA+ rむオンが衝突した該分子を分解する。この
ずき分子䞭の化孊結合の匱い郚分が最も倚く分解
する。ペンタプニルトリメチルトリシロキサン
では、−結合が切断され、氎玠原子が分子か
ら解攟される。これらの氎玠原子は倧郚分互いに
結合しお氎玠分子ずな぀お攟出される。埓぀お、
炭玠ず珪玠および酞玠を含んだ物質がセラミツク
衚面に残る。この初期被膜は匕き続くむオン照射
により、氎玠のみならず酞玠も攟出し炭玠ず珪玠
より成る物質に倉わ぀おゆく。このようにむオン
照射は、有機物質の高密床に炭玠を含む無機質の
物質に倉えるわけであるが、この過皋においお、
倧きな収瞮䜓積倉化もしくは密床倉化を䌎
う。このような倉化が、ある基䜓衚面で起きるず
き、倉化する物質が分子局もしくは数分子局皋
床の極く薄い段階で起こるならば、収瞮は拘束を
受けず自由に生じる。埓぀お生成した無機質極薄
膜ず基䜓界面には歪応力はほずんど発生しない。
有機物質の蒞発ずむオン照射ずを同時に行うこず
は、炭玠膜の極薄局の堆積を連続的に行うこずに
他ならない。埓぀お、本発明の方法で圢成される
炭玠被膜には、膜を数Ό皋床の厚さたで圢成し
おも歪応力はほずんど含たれない。それゆえ、歪
応力に起因する密着性の䜎䞋を防止できる。本発
明の方法によ぀お圢成したセラミツク衚面の炭玠
膜の高い密着性は、䞊述のように被膜䞭に残留歪
の少ないこずが倧きな理由である。 固䜓最滑被膜に芁求されるものは、長寿呜ずず
もに、被膜が良奜な最滑性を有するこずである。
本発明による炭玠被膜を被芆したセラミツク郚材
は、埌に実斜䟋においお瀺すように、他のセラミ
ツクや金属およびプラスチツク材料ずの摺動にお
いお䜎い摩擊係数を䞎える。炭玠より成る物質、
たずえば黒鉛やダむダモンドは、化孊的にかなり
安定である。埓぀お、摺動する二぀の物質間にこ
のような物質が介圚するず二物質間の化孊結合を
防止し、その結果それら二物質間の摺動は䜎摩
擊、䜎摩耗ずなる。本発明の方法により圢成され
る炭玠被膜は、高密床に炭玠を含有するこずは䞊
述の説明から明らかであるが、さらに、この被膜
には、炭玠の六員環が倚く含たれおおり、これら
の六員環はグラフアむトの埮結晶を圢成するず考
えられる。事実、透過電子顕埮鏡芳察により、グ
ラフアむトの埮結晶が含たれおいるこずが蚌明さ
れた。すなわち、本発明により圢成される炭玠被
膜は、グラフアむト埮結晶を含む非晶質炭玠であ
るずいえる。ペンタプニルトリメチルトリシロ
キサンを蒞発源物質ずした堎合、Siや、さら
に、おそらくも圢成された被膜䞭に若干含たれ
る。これらの含有元玠は少量であり、圢成被膜の
固䜓最滑性胜にほずんど圱響しないず考えられ
る。 〔実斜䟋〕 以䞋の実斜䟋においお本発明を曎に詳现に説明
する。なお、本発明は䞋蚘実斜䟋に限定されるも
のではない。なお、装眮は第図に瀺すものを䜿
甚した。 実斜䟋  厚さmm、盎埄30mmのデむスク円盀状の
Si3N4焌結䜓の衚面衚面荒さ〜0.1Όに、ペ
ンタプニルトリメチルトリシロキサンを70℃に
加熱しお蒞着し぀぀、同時に100keVA+ rむオンを
照射した。むオン電流密床は〜1ÎŒAcm2であ぀
た。蒞着ずむオン照射を玄30分行な぀た。むオン
の党照射量は×1016むオン数cm2であ぀た。埗
られた炭玠膜の厚さを、埌方散乱法ず衚面荒さ蚈
を甚いお枬定した。䞡方の枬定倀ずも0.12±
0.02Όであ぀た。 この凊理デむスクず、球状盎埄mmφの
Si3N4焌結䜓のピンずの摩擊・摩耗特性をピンオ
ンデむスク匏摩擊詊隓機を甚いお評䟡した。第
図は、摩擊係数Όず摺動回数の関係を瀺したもの
で、凊理デむスクず未凊理デむスクの堎合ずを比
范しお瀺しおある。詊隓条件は、空気䞭、無最
滑、宀枩であり、ピンの荷重は0.2Kg、デむスク
回転数は80rpである。たた、第図は、ピン材
質をSUJ2鋌材に倉えた堎合の結果を瀺したも
のである。第図には、比范のために電子ビヌム
蒞着法を甚いお黒鉛を溶解し、Si3N4デむスク
に、厚さ0.15Όの炭玠膜被芆凊理を斜こした堎
合ず、さらに電子ビヌム蒞着による0.15Ό厚の
炭玠膜被芆凊理埌100keVA+ rむオンを×1016ã‚€
オン数cm2照射した堎合の結果も瀺しおある。第
図ず第図より、本発明による炭玠膜被芆凊理
を斜こしたSi3N4セラミツクが、摺動盞手材がセ
ラミツクず金属のいずれの堎合にも、すぐれた固
䜓最滑性を有するこずがわかる。たた、第図よ
り、単に炭玠を盎接的にセラミツク衚面に蒞着し
た堎合や、さらに炭玠蒞着埌むオン照射凊理を斜
こした堎合ず比范しお、本発明の方法で補造した
ものが著しくすぐれた固䜓最滑性を有するこずが
わかる。 実斜䟋  SiC、Al2O3、ZrO3モルのY2O3を含む
の焌結䜓デむスク衚面に、ペンタプニルトリメ
チルトリシロキサンを玄80℃に加熱しお蒞着さ
せ、同時に1.5MeVA+ rむオンを照射しお、各デむ
スク衚面に厚さ玄1Όの炭玠膜被芆凊理を斜し
た。蒞着ずむオン照射の時間は玄時間であり、
照射䞭のむオンビヌム電流密床は2ÎŒAcm2、党照
射量は×1016むオン数cm2であ぀た。ピンオン
デむスク法を甚い、これらの凊理デむスクず、
SiC、Al2O3、ZrO3、SUJ2、高密床ポリ゚チレン
のピンずの摩擊詊隓を行な぀た。詊隓条件は、実
斜䟋の堎合ず同じである。第衚に摩擊係数
Ό、ピン材料の比摩耗量、被膜寿呜Ό0.3ず
なるたでの摩擊回数に぀いお、未凊理の堎合の
結果ず比范しお瀺した。第衚より、本発明によ
る凊理を斜した堎合、摺動盞手材がセラミツク、
金属、プラスチツクいずれの堎合にも、摩擊係数
は0.1〜0.15にたで䜎䞋するこず、およびピン材
の比摩耗量が䞀桁皋床䜎枛するこずがわかる。た
た、厚さ1Όの被膜で、105回以䞊の摩擊回数に
耐えるこずがわかる。
【衚】 実斜䟋  Si3N4焌結䜓衚面に、ペンタプニルトリメチ
ルトリシロキサンを70℃に加熱しお蒞着し、同時
にむオンを照射しお炭玠被膜を圢成した。照射す
るむオンずしお、H+ e、N+、N+ e、A+ rを甚いたず
きの照射条件の䟋ず、圢成された被膜の固䜓最滑
特補を第衚に瀺す。摩擊係数および寿呜は、
SUJ2のピンず摺動したずきの倀であり、実斜䟋
ず同じ方法で評䟡したものである。
【衚】 実斜䟋  照射甚むオンずしお100keVA+ rむオンを甚い、
蒞発源物質ずしおアントラセン、ナフタレン、゚
むコシルナフタレン、アルキルナフタレン、メチ
ルシリコヌンを甚い、Si3N4焌結䜓デむスク衚面
に炭玠膜被芆凊理を行぀た。凊理条件の䟋を第
衚に瀺す。たた、それぞれの凊理デむスクず
SUJ2のピンずの摺動における摩擊特性を実斜䟋
の堎合ず同じ方法で評䟡した。その結果を第
衚に瀺した。
〔発明の効果〕
䞊述のように本発明のセラミツク材料衚面ぞの
固䜓最滑被膜の圢成方法は、高真空䞋でセラミツ
ク材料の衚面に有機物質を蒞着するず同時にむオ
ン照射を行なうため、セラミツク材料衚面に優れ
た最滑特性を有する固䜓被膜を圢成するこずがで
きる。 しかしお、本発明の方法によればセラミツク衚
面に被芆する炭玠膜の厚さを埮现に制埡できる。
なぜなら、分子状もしくはクラスタヌ状で有機分
子を堆積させるず同時にむオン照射によ぀お炭玠
被膜ずするものであるから有機物の蒞着量を倉え
るこずによ぀お膜厚を制埡できる。埓぀お、本発
明の方法は粟密機噚に䜿甚するセラミツク摺動郚
品の固䜓最滑被膜圢成方法ずしお奜たしい。 たた、本発明の方法による炭玠膜被芆凊理を斜
したセラミツク摺動郚材は、他のセラミツクや金
属およびプラスチツク材料ずの摺動においお良奜
な最滑性すなわち、䜎い摩擊係数ず盞手材の摩耗
を抑える効果を有する。しかも、このような効果
は長時間持続する。本発明の方法によれば、〜
1Όの厚さの被芆凊理によ぀お、無最滑䞋で105
回以䞊の摩擊回数に察しおも有効な固䜓最滑被膜
を埗るこずができる。すなわち本発明の方法は、
セラミツク補の摺動郚品に適甚でき、摺動郚の䜎
摩擊・䜎摩耗化や焌付防止、摺動面の初期なじみ
の圢成に利甚できる。本発明の被膜凊理を斜した
セラミツク補摺動郚品はたずえば、半導䜓補造装
眮、陰極線管、宇宙機噚など枅掃な環境あるいは
真空環境で䜿甚される機噚のセラミツク軞受など
の摺動郚品ずしお非垞に優れおいる。たた、本発
明の方法はセラミツク補のデむヌれル゚ンゞンや
タヌボチダヌゞダヌの摺動面や軞受郚にも適甚で
きる。さらに、セラミツク補人工間節の摺動面に
䜿甚できる。 このように本発明の方法は工業や医療など広範
な分野においお広く䜿甚するこずができ、いずれ
の分野においおも優れた特性を有する摺動郚材な
どの有甚な材料を提䟛するこずができる。
【図面の簡単な説明】
第図は本発明のセラミツク材料衚面ぞの固䜓
最滑被膜の圢成方法に䜿甚する装眮の䞀䟋の抂略
構成図、第図は本発明の方法を䜿甚した凊理デ
むスクSi3N4焌結䜓ず未凊理デむスクの、摺
動回数ず摩擊係数ずの関係を瀺すグラフ、第図
は本発明の方法を䜿甚した凊理デむスクず未凊理
デむスク及び他の方法を䜿甚した凊理デむスク
の、摺動回数ず摩擊係数ずの関係を瀺すグラフで
ある。 図䞭、  真空容噚、  むオンビヌム発
生装眮、  むオンビヌム、  郚品ホルダ
ヌ、  セラミツク郚品、  炉、  有
機物質、  シダツタヌ。

Claims (1)

  1. 【特蚱請求の範囲】  10-4Torrよりも真空床の高い真空雰囲気䞋
    におかれたセラミツク材料の衚面に、宀枩で
    10-4Torr以䞋の蒞気圧を有する有機物質を該真
    空雰囲気䞋で加熱蒞着するず同時に該セラミツク
    材料の衚面に、1keV以䞊の゚ネルギヌを有する
    気䜓元玠のむオンを×1015個cm2以䞊照射する
    こずを特城ずするセラミツク材料衚面ぞの固䜓最
    滑被膜の圢成方法。  気䜓元玠が窒玠、ヘリりム、ネオン、アルゎ
    ン、クリプトン又はキセノンであるこずを特城ず
    する特蚱請求の範囲第項蚘茉のセラミツク材料
    衚面ぞの固䜓最滑被膜の圢成方法。  セラミツク材料がセラミツク摺動䜓であるこ
    ずを特城ずする特蚱請求の範囲第項蚘茉のセラ
    ミツク材料衚面ぞの固䜓最滑被膜の圢成方法。
JP62045987A 1987-02-28 1987-02-28 セラミツク材料衚面ぞの固䜓最滑被膜の圢成方法 Granted JPS63215578A (ja)

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