JPH05208806A - 自己修復性硬質固体潤滑膜及びその製造方法 - Google Patents
自己修復性硬質固体潤滑膜及びその製造方法Info
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- JPH05208806A JPH05208806A JP4037260A JP3726092A JPH05208806A JP H05208806 A JPH05208806 A JP H05208806A JP 4037260 A JP4037260 A JP 4037260A JP 3726092 A JP3726092 A JP 3726092A JP H05208806 A JPH05208806 A JP H05208806A
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- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
- C04B41/5006—Boron compounds
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- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
- C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 機械部品等の基材上に工業的に低コストプロ
セスで形成でき、高硬度でありながら摩擦係数が小さ
く、ホウ素を含有することによって自己修復性を供えた
硬質固体潤滑膜、及びその製造方法を提供する。 【構成】 基材上にプラズマＣＶＤ法又はイオンプレー
ティング法により形成され、少なくとも最外表面層がホ
ウ素を３〜５０原子％添加したダイヤモンド状炭素又は
非晶質炭素からなる、摩擦係数が小さく自己修復性を有
する硬質固体潤滑膜。
セスで形成でき、高硬度でありながら摩擦係数が小さ
く、ホウ素を含有することによって自己修復性を供えた
硬質固体潤滑膜、及びその製造方法を提供する。 【構成】 基材上にプラズマＣＶＤ法又はイオンプレー
ティング法により形成され、少なくとも最外表面層がホ
ウ素を３〜５０原子％添加したダイヤモンド状炭素又は
非晶質炭素からなる、摩擦係数が小さく自己修復性を有
する硬質固体潤滑膜。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、大気中で使用される摺
動ないし摩擦を伴う機械部品に、耐摩耗性及び摺動特性
を向上させる目的で施される、摩擦係数の低く且つ自己
修復性を有する硬質固体潤滑膜及びその製造方法に関す
る。
動ないし摩擦を伴う機械部品に、耐摩耗性及び摺動特性
を向上させる目的で施される、摩擦係数の低く且つ自己
修復性を有する硬質固体潤滑膜及びその製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】自動車や各種産業機械等を構成する鋼や
超硬合金等の金属質材料やセラミック質材料からなる機
械部品のなかには、常に相手材との摩擦ないし摺動にさ
らされる部材がある。これらは摩耗を減らし且つ摺動特
性を改善するために潤滑油等を常に供給しているが、潤
滑状態の悪化はそく機械全体の寿命低下や動力効率の低
下につながる。
超硬合金等の金属質材料やセラミック質材料からなる機
械部品のなかには、常に相手材との摩擦ないし摺動にさ
らされる部材がある。これらは摩耗を減らし且つ摺動特
性を改善するために潤滑油等を常に供給しているが、潤
滑状態の悪化はそく機械全体の寿命低下や動力効率の低
下につながる。
【０００３】そこで、これら機械部品の表面特性を改善
し、耐摩耗性及び摺動特性を向上させる試みが広く行わ
れている。その一つの方法は、基材表面を硬質被膜で被
覆して、摩耗を少なくするというものである。例えば、
湿式法による硬質金属被膜の形成、溶融塩や流動層、熱
処理炉、プラズマ等を用いた窒化、浸炭、ホウ化、クロ
マイジング等の拡散硬化処理、ＰＶＤ法やＣＶＤ法を用
いた金属又はセラミックスの被覆処理、等が挙げられ
る。しかし、これらの方法は摩擦係数を低下させるもの
ではないので、硬化処理を施された基材側の耐摩耗性改
善には有効であるが、摺動の相手材にとってはより苛酷
な摩擦を受けることになり、相手材との相性を十分配慮
しなければ使用できないという欠点がある。
し、耐摩耗性及び摺動特性を向上させる試みが広く行わ
れている。その一つの方法は、基材表面を硬質被膜で被
覆して、摩耗を少なくするというものである。例えば、
湿式法による硬質金属被膜の形成、溶融塩や流動層、熱
処理炉、プラズマ等を用いた窒化、浸炭、ホウ化、クロ
マイジング等の拡散硬化処理、ＰＶＤ法やＣＶＤ法を用
いた金属又はセラミックスの被覆処理、等が挙げられ
る。しかし、これらの方法は摩擦係数を低下させるもの
ではないので、硬化処理を施された基材側の耐摩耗性改
善には有効であるが、摺動の相手材にとってはより苛酷
な摩擦を受けることになり、相手材との相性を十分配慮
しなければ使用できないという欠点がある。
【０００４】他の表面特性の改善方法として、基材表面
に固体潤滑材料の被膜を設けて、摩擦係数を下げる方法
がある。固体潤滑材料としては、一般に黒鉛や二硫化モ
リブデン等が知られているが、これらは硬度が極めて低
いため容易に摩耗消滅してしまうので、硬質で且つ摩擦
係数の小さい材料が望まれている。そこで、かかる硬質
固体潤滑材料の一つとして、ポリテトラフルオロエチレ
ン等のフッ素樹脂の微粉を分散させた、いわゆる分散メ
ッキが開発された。フッ素樹脂は摩擦係数が低いものの
低硬度であるため機械部品への適用範囲は限られていた
が、上記の方法は硬質金属中に分散させることで、高い
硬度と低い摩擦係数を同時に実現した点で優れている。
しかしながら、この硬質固体潤滑材料も金属マトリック
スの硬度がヌープ硬度で高々１０００kg／mm2程度であ
るため、厳しい摩擦に対しての耐摩耗性は十分とは言え
なかった。
に固体潤滑材料の被膜を設けて、摩擦係数を下げる方法
がある。固体潤滑材料としては、一般に黒鉛や二硫化モ
リブデン等が知られているが、これらは硬度が極めて低
いため容易に摩耗消滅してしまうので、硬質で且つ摩擦
係数の小さい材料が望まれている。そこで、かかる硬質
固体潤滑材料の一つとして、ポリテトラフルオロエチレ
ン等のフッ素樹脂の微粉を分散させた、いわゆる分散メ
ッキが開発された。フッ素樹脂は摩擦係数が低いものの
低硬度であるため機械部品への適用範囲は限られていた
が、上記の方法は硬質金属中に分散させることで、高い
硬度と低い摩擦係数を同時に実現した点で優れている。
しかしながら、この硬質固体潤滑材料も金属マトリック
スの硬度がヌープ硬度で高々１０００kg／mm2程度であ
るため、厳しい摩擦に対しての耐摩耗性は十分とは言え
なかった。
【０００５】最近になって、ホウ素又は酸化ホウ素被膜
からなる自己修復性固体潤滑膜の概念が、Ali Erdemir
によりLubrication Engineering，vol.47, 3, P168〜17
3及びP179〜184（1991）や、Advanced Materials and P
rocesses，vol.7, P40〜42（1991）等に紹介された。ホ
ウ素やその酸化物は、それ自身の硬度がヌープ硬度で２
０００kg／mm2以上と高く耐摩耗性に優れるだけでな
く、その表面が大気中の酸素や水分と反応して最外表面
から順にホウ酸（Ｈ3ＢＯ3）／酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）／
ホウ素（Ｂ）の層が形成され、最外表面のホウ酸は黒鉛
や二硫化モリブデンのように自己潤滑性を有する。同時
にホウ酸は硬度が低いという欠点を持つが、例えホウ酸
の層が摩耗して失われても、下地の酸化ホウ素が大気中
の水分と更に反応して次々とホウ酸に変化するため、自
己修復性を発現する。
からなる自己修復性固体潤滑膜の概念が、Ali Erdemir
によりLubrication Engineering，vol.47, 3, P168〜17
3及びP179〜184（1991）や、Advanced Materials and P
rocesses，vol.7, P40〜42（1991）等に紹介された。ホ
ウ素やその酸化物は、それ自身の硬度がヌープ硬度で２
０００kg／mm2以上と高く耐摩耗性に優れるだけでな
く、その表面が大気中の酸素や水分と反応して最外表面
から順にホウ酸（Ｈ3ＢＯ3）／酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）／
ホウ素（Ｂ）の層が形成され、最外表面のホウ酸は黒鉛
や二硫化モリブデンのように自己潤滑性を有する。同時
にホウ酸は硬度が低いという欠点を持つが、例えホウ酸
の層が摩耗して失われても、下地の酸化ホウ素が大気中
の水分と更に反応して次々とホウ酸に変化するため、自
己修復性を発現する。
【０００６】しかしながら、上記刊行物にはホウ素の持
つ自己修復性を利用した固体潤滑膜として、(1)硬質基
材へのホウ素のイオン注入、(2)他のセラミックスとの
イオンビームによるミキシング、及び(3)ホウ素の低級
酸化物被膜の３種類のみが提案されているに過ぎない。
これらの手法はいずれも有効な手段ではあるが、(1)及
び(2)はイオンビームを利用するプロセスであるからコ
スト高になり、工業的には問題があるばかりでなく、複
雑形状の部品への処理には適さない欠点がある。又、
(3)の低級酸化物の合成は実験室レベルでは可能であっ
ても、工業レベルでの生産ではより安定な酸化ホウ素の
生成を避けることが困難であり、実現は不可能であると
言っても過言ではない。
つ自己修復性を利用した固体潤滑膜として、(1)硬質基
材へのホウ素のイオン注入、(2)他のセラミックスとの
イオンビームによるミキシング、及び(3)ホウ素の低級
酸化物被膜の３種類のみが提案されているに過ぎない。
これらの手法はいずれも有効な手段ではあるが、(1)及
び(2)はイオンビームを利用するプロセスであるからコ
スト高になり、工業的には問題があるばかりでなく、複
雑形状の部品への処理には適さない欠点がある。又、
(3)の低級酸化物の合成は実験室レベルでは可能であっ
ても、工業レベルでの生産ではより安定な酸化ホウ素の
生成を避けることが困難であり、実現は不可能であると
言っても過言ではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来の
事情に鑑み、機械部品のような金属質やセラミック質の
基材上に工業的に低コストプロセスで形成でき、高硬度
でありながら摩擦係数が小さく、ホウ素を含有すること
によつて自己修復性を供えた硬質固体潤滑膜、及びその
製造方法を提供することを目的とする。
事情に鑑み、機械部品のような金属質やセラミック質の
基材上に工業的に低コストプロセスで形成でき、高硬度
でありながら摩擦係数が小さく、ホウ素を含有すること
によつて自己修復性を供えた硬質固体潤滑膜、及びその
製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明において基材上に設けられる自己修復性硬質
固体潤滑膜は、少なくともその最外表面層がホウ素を３
〜５０原子％添加したダイヤモンド状炭素又は非晶質炭
素からなることを特徴とする。
め、本発明において基材上に設けられる自己修復性硬質
固体潤滑膜は、少なくともその最外表面層がホウ素を３
〜５０原子％添加したダイヤモンド状炭素又は非晶質炭
素からなることを特徴とする。
【０００９】又、本発明における自己修復性硬質固体潤
滑膜の製造方法は、基材上にプラズマＣＶＤ法又はイオ
ンプレーティング法により、少なくとも最外表面層とし
てホウ素を３〜５０原子％添加したダイヤモンド状炭素
膜又は非晶質炭素膜を形成することを特徴とする。
滑膜の製造方法は、基材上にプラズマＣＶＤ法又はイオ
ンプレーティング法により、少なくとも最外表面層とし
てホウ素を３〜５０原子％添加したダイヤモンド状炭素
膜又は非晶質炭素膜を形成することを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明者らは、ホウ素の示す自己修復性と潤滑
性に注目し、機械部品等の基材上に設ける硬質固体潤滑
膜について鋭意研究を重ねる中から、ホウ素を添加する
硬質固体膜の材質としてダイヤモンド状炭素又は非晶質
炭素（アモルファスカーボン）を用いることによって、
金属質やセラミック質の基材上に安価で且つ優れた特性
の自己修復性硬質固体潤滑膜を形成できることを見いだ
した。
性に注目し、機械部品等の基材上に設ける硬質固体潤滑
膜について鋭意研究を重ねる中から、ホウ素を添加する
硬質固体膜の材質としてダイヤモンド状炭素又は非晶質
炭素（アモルファスカーボン）を用いることによって、
金属質やセラミック質の基材上に安価で且つ優れた特性
の自己修復性硬質固体潤滑膜を形成できることを見いだ
した。
【００１１】ダイヤモンド状炭素又は非晶質炭素は、い
ずれも硬度が高く耐摩耗性に優れているが、ホウ素を添
加することにより大気中でホウ酸が生成されるので摩擦
係数が小さく優れた固体潤滑膜となり、且つ含有される
ホウ素が大気中で酸化ホウ素を経てホウ酸に変化する反
応により自己修復性を示す。又、ダイヤモンド状炭素膜
又は非晶質炭素膜は、プラズマＣＶＤ法あるいはイオン
プレーティング法により、大きな面積の基材表面に安価
に被膜形成でき、容易に極めて平滑な膜表面が得られる
利点がある。
ずれも硬度が高く耐摩耗性に優れているが、ホウ素を添
加することにより大気中でホウ酸が生成されるので摩擦
係数が小さく優れた固体潤滑膜となり、且つ含有される
ホウ素が大気中で酸化ホウ素を経てホウ酸に変化する反
応により自己修復性を示す。又、ダイヤモンド状炭素膜
又は非晶質炭素膜は、プラズマＣＶＤ法あるいはイオン
プレーティング法により、大きな面積の基材表面に安価
に被膜形成でき、容易に極めて平滑な膜表面が得られる
利点がある。
【００１２】これに対して、結晶質のダイヤモンド被膜
にホウ素を添加することも考えられるが、気相合成ダイ
ヤモンド膜はダイヤモンド微結晶の成長面が表面に露出
するため極めて表面が粗くなり、低い摩擦係数が得られ
ない。又、ダイヤモンド膜の形成には、処理面積が小さ
いことやコストが高い等のマイナス要因も存在する。更
に、立方晶の窒化ホウ素膜も、表面に酸化ホウ素が生成
することが予想されるが、既に公知となっている形成方
法はいずれもコスト的に厳しく、合成が困難であること
もあって、現実的には使用が難しい。
にホウ素を添加することも考えられるが、気相合成ダイ
ヤモンド膜はダイヤモンド微結晶の成長面が表面に露出
するため極めて表面が粗くなり、低い摩擦係数が得られ
ない。又、ダイヤモンド膜の形成には、処理面積が小さ
いことやコストが高い等のマイナス要因も存在する。更
に、立方晶の窒化ホウ素膜も、表面に酸化ホウ素が生成
することが予想されるが、既に公知となっている形成方
法はいずれもコスト的に厳しく、合成が困難であること
もあって、現実的には使用が難しい。
【００１３】かかる本発明のホウ素を添加したダイヤモ
ンド状炭素膜又は非晶質炭素膜の摩擦係数は、ＴｉＢ2
やＴａＢ2等のホウ化物セラミックスや、ホウ素をイオ
ン注入したＴｉＮやＴｉＣ等の他のセラミックス等の摩
擦係数よりも小さくなることが分かった。その原因は明
らかではないが、大気中での摩擦摩耗現象においては、
酸化物の形成を伴う酸化摩耗が主として起こっているこ
とが第一の原因であると考えられる。
ンド状炭素膜又は非晶質炭素膜の摩擦係数は、ＴｉＢ2
やＴａＢ2等のホウ化物セラミックスや、ホウ素をイオ
ン注入したＴｉＮやＴｉＣ等の他のセラミックス等の摩
擦係数よりも小さくなることが分かった。その原因は明
らかではないが、大気中での摩擦摩耗現象においては、
酸化物の形成を伴う酸化摩耗が主として起こっているこ
とが第一の原因であると考えられる。
【００１４】即ち、ＴｉＢ2等のホウ化物セラミックス
やホウ素をイオン注入したＴｉＮ等のセラミックスで
は、摺動面においてホウ素以外の金属の酸化物も酸化ホ
ウ素と同時に生成する。例えば、ＴｉＢ2の摺動面に生
じる酸化物には、Ｂ2Ｏ3だけでなく、ＴｉＯ2等の硬質
粒子も含まれる。そのため、Ｂ2Ｏ3の表面に形成される
ホウ酸により得られる低い摩擦係数を、これら硬質粒子
が悪化させているものと思われる。これに対して、本発
明のホウ素を含むダイヤモンド状炭素又は非晶質炭素の
被膜は、炭素とホウ素と水素からなるので、炭素の酸化
物及び水素の酸化物は容易に大気中に放出されて、摺動
面に形成される酸化物は酸化ホウ素のみとなり、摺動を
妨げる働きを持った硬質粒子が存在しないため、極めて
小さな摩擦係数がえられるものと考えられる。
やホウ素をイオン注入したＴｉＮ等のセラミックスで
は、摺動面においてホウ素以外の金属の酸化物も酸化ホ
ウ素と同時に生成する。例えば、ＴｉＢ2の摺動面に生
じる酸化物には、Ｂ2Ｏ3だけでなく、ＴｉＯ2等の硬質
粒子も含まれる。そのため、Ｂ2Ｏ3の表面に形成される
ホウ酸により得られる低い摩擦係数を、これら硬質粒子
が悪化させているものと思われる。これに対して、本発
明のホウ素を含むダイヤモンド状炭素又は非晶質炭素の
被膜は、炭素とホウ素と水素からなるので、炭素の酸化
物及び水素の酸化物は容易に大気中に放出されて、摺動
面に形成される酸化物は酸化ホウ素のみとなり、摺動を
妨げる働きを持った硬質粒子が存在しないため、極めて
小さな摩擦係数がえられるものと考えられる。
【００１５】ダイヤモンド状炭素又は非晶質炭素中への
ホウ素の添加量については、３〜５０原子％の範囲と
し、特に１０〜４０原子％の範囲が好ましい。その理由
は、ホウ素の添加量が３原子％未満では図１に示す潤滑
性や自己修復性等のホウ素添加の効果が全く発現され
ず、逆に５０原子％を越えるとダイヤモンド状炭素膜又
は非晶質炭素膜としての特性が少なくなり、図２に示す
ように被膜の硬度が低下するからである。
ホウ素の添加量については、３〜５０原子％の範囲と
し、特に１０〜４０原子％の範囲が好ましい。その理由
は、ホウ素の添加量が３原子％未満では図１に示す潤滑
性や自己修復性等のホウ素添加の効果が全く発現され
ず、逆に５０原子％を越えるとダイヤモンド状炭素膜又
は非晶質炭素膜としての特性が少なくなり、図２に示す
ように被膜の硬度が低下するからである。
【００１６】ダイヤモンド状炭素又は非晶質炭素にホウ
素を添加した本発明の自己修復性硬質固体潤滑膜を安価
に且つ大きな面積に被覆する方法としては、プラズマＣ
ＶＤ法又はイオンプレーティング法を利用することが好
ましい。これらの方法はダイヤモンド状炭素膜又は非晶
質炭素膜の形成方法として公知であるが、その中にホウ
素を添加するため、炭素源とは別にホウ素源を同時に供
給する必要がある。
素を添加した本発明の自己修復性硬質固体潤滑膜を安価
に且つ大きな面積に被覆する方法としては、プラズマＣ
ＶＤ法又はイオンプレーティング法を利用することが好
ましい。これらの方法はダイヤモンド状炭素膜又は非晶
質炭素膜の形成方法として公知であるが、その中にホウ
素を添加するため、炭素源とは別にホウ素源を同時に供
給する必要がある。
【００１７】例えばプラズマＣＶＤ法では、炭化水素等
の炭素含有ガスと共に、ジボランや三塩化ホウ素等のホ
ウ素含有ガスを供給し、マイクロ波や直流放電等により
励起させたプラズマ中で分解等の化学反応を起こさせ、
基材表面にホウ素を含むダイヤモンド状炭素又は非晶質
炭素の被膜を生成させる。又、イオンプレーティング法
では、固体黒鉛等を電子ビームあるいはアーク放電等に
より蒸発、昇華させると同時に、金属ホウ素を蒸発、昇
華あるいはスパッタさせ、炭素原子とホウ素原子をイオ
ン化して電界で加速し、基材表面に付着させ被膜を形成
する。
の炭素含有ガスと共に、ジボランや三塩化ホウ素等のホ
ウ素含有ガスを供給し、マイクロ波や直流放電等により
励起させたプラズマ中で分解等の化学反応を起こさせ、
基材表面にホウ素を含むダイヤモンド状炭素又は非晶質
炭素の被膜を生成させる。又、イオンプレーティング法
では、固体黒鉛等を電子ビームあるいはアーク放電等に
より蒸発、昇華させると同時に、金属ホウ素を蒸発、昇
華あるいはスパッタさせ、炭素原子とホウ素原子をイオ
ン化して電界で加速し、基材表面に付着させ被膜を形成
する。
【００１８】
【実施例１】基材として高速度鋼（ＳＫＨ９）を用い、
その表面を最大粗さ０.１μｍ以下に研磨ラッピングし
た後、有機溶剤で脱脂した。この基材１を図３に示すプ
ラズマＣＶＤ装置の真空槽２に入れ、電極３に取り付け
た。次に、真空槽２の内部を真空排気装置４により１×
１０-5Ｔｏｒｒ以下まで排気した後、ガス供給装置５か
らアルゴンガスを導入して、真空槽２内の圧力を０.１
Ｔｏｒｒとした。直流電源６から電極３に−５００Ｖの
負の電圧を与え、真空槽２内にプラズマを発生させて基
材１の表面を１０分間クリーニングした。
その表面を最大粗さ０.１μｍ以下に研磨ラッピングし
た後、有機溶剤で脱脂した。この基材１を図３に示すプ
ラズマＣＶＤ装置の真空槽２に入れ、電極３に取り付け
た。次に、真空槽２の内部を真空排気装置４により１×
１０-5Ｔｏｒｒ以下まで排気した後、ガス供給装置５か
らアルゴンガスを導入して、真空槽２内の圧力を０.１
Ｔｏｒｒとした。直流電源６から電極３に−５００Ｖの
負の電圧を与え、真空槽２内にプラズマを発生させて基
材１の表面を１０分間クリーニングした。
【００１９】その後、電極３に−５００Ｖの電圧を供給
したまま、アルゴンガスの供給を減らし、代わりにメタ
ンガスをガス供給装置５から徐々に供給して、真空槽２
内の圧力を０.１Ｔｏｒｒに維持した。アルゴンガスの
供給が完全にゼロとなった時から１５分間はメタンガス
のみを供給し、次の１５分間はメタンガスと共に水素で
希釈したジボランガスをメタンガスに対して２体積％添
加して供給し、その後すべてのガスの供給を停止して直
流電源６を切った。
したまま、アルゴンガスの供給を減らし、代わりにメタ
ンガスをガス供給装置５から徐々に供給して、真空槽２
内の圧力を０.１Ｔｏｒｒに維持した。アルゴンガスの
供給が完全にゼロとなった時から１５分間はメタンガス
のみを供給し、次の１５分間はメタンガスと共に水素で
希釈したジボランガスをメタンガスに対して２体積％添
加して供給し、その後すべてのガスの供給を停止して直
流電源６を切った。
【００２０】上記操作によるダイヤモンド状炭素（ＤＬ
Ｃ）膜の成膜中は、プラズマ中の荷電粒子の衝突により
基材１の温度は約２００℃まで上昇しているので、約３
０分間冷却して基材１の温度が１００℃以下になってか
ら真空槽２の排気を停止し、ガス供給装置５から大気又
は不活性ガスを導入した後、真空槽２を開いて基材１を
取り出した。基材１の表面には合計膜厚１.２μｍのＤ
ＬＣ膜が形成されており、その表面側に深さ０.３μｍ
まで１５原子％のホウ素が添加されていた。
Ｃ）膜の成膜中は、プラズマ中の荷電粒子の衝突により
基材１の温度は約２００℃まで上昇しているので、約３
０分間冷却して基材１の温度が１００℃以下になってか
ら真空槽２の排気を停止し、ガス供給装置５から大気又
は不活性ガスを導入した後、真空槽２を開いて基材１を
取り出した。基材１の表面には合計膜厚１.２μｍのＤ
ＬＣ膜が形成されており、その表面側に深さ０.３μｍ
まで１５原子％のホウ素が添加されていた。
【００２１】比較のため、同じ基材の上に下記の被膜を
それぞれ形成した試料も準備した： (１)ホウ素をイオン注入したＴｉＮ膜 (２)ホウ素をイオン注入したＴｉＣ膜 (３)イオンプレーティング法により成膜したＴｉＢ2膜 (４)プラズマＣＶＤ法により成膜したＴｉＢ2膜 尚、膜厚はいずれも１.２μｍに調節した。
それぞれ形成した試料も準備した： (１)ホウ素をイオン注入したＴｉＮ膜 (２)ホウ素をイオン注入したＴｉＣ膜 (３)イオンプレーティング法により成膜したＴｉＢ2膜 (４)プラズマＣＶＤ法により成膜したＴｉＢ2膜 尚、膜厚はいずれも１.２μｍに調節した。
【００２２】上記本発明試料と各比較試料について、ピ
ンオンディスク式摩擦摩耗試験機により大気中で摩擦係
数を測定した。試験条件としては、相手材をＳＵＪ２か
らなる直径１０ｍｍのボールとし、摺動状態は無潤滑
で、摺動速度を０.１ｍ／秒及び押し付け荷重を１Ｎと
した。試験結果を下記表１に示した。
ンオンディスク式摩擦摩耗試験機により大気中で摩擦係
数を測定した。試験条件としては、相手材をＳＵＪ２か
らなる直径１０ｍｍのボールとし、摺動状態は無潤滑
で、摺動速度を０.１ｍ／秒及び押し付け荷重を１Ｎと
した。試験結果を下記表１に示した。
【００２３】
【表１】試 料 の 被 膜 摩 擦 係 数 本発明のホウ素添加ＤＬＣ膜 ０.０４〜０.０６ ホウ素イオン注入ＴｉＮ膜 ２.１〜２.３ ホウ素イオン注入ＴｉＣ膜 ２.３〜２.５ イオンプレーティングＴｉＢ2膜 １.５〜１.８ プラズマＣＶＤＴａＢ2膜 １.４〜１.７ 表１の結果から分かるように、他のセラミックスにホウ
素を注入した被膜あるいはホウ化物セラミックスの被膜
よりも、本発明によるホウ素を添加したＤＬＣ膜の方が
低い摩擦係数を示す。
素を注入した被膜あるいはホウ化物セラミックスの被膜
よりも、本発明によるホウ素を添加したＤＬＣ膜の方が
低い摩擦係数を示す。
【００２４】
【実施例２】基材としてＷＣ−Ｃｏ系超硬合金を用い、
その表面を最大粗さ０.１μｍ以下に研磨ラッピングし
た後、有機溶剤で脱脂した。この基材１を図４に示すイ
オンプレーティング装置の真空槽２に入れ、電極３に取
り付けた。次に、真空槽２の内部を真空排気装置４によ
り１×１０-5Ｔｏｒｒ以下まで排気した後、加熱用ヒー
ター７により基材１を５００℃まで加熱した。更に、ガ
ス供給装置５からアルゴンガスと水素ガスの混合ガス
（混合体積比１：１）を導入して、真空槽２内の圧力を
０.１Ｔｏｒｒとした。直流電源６から電極３に−１０
００Ｖの負の電圧を与え、真空槽２内にプラズマを発生
させて基材１の表面を１０分間クリーニングした。
その表面を最大粗さ０.１μｍ以下に研磨ラッピングし
た後、有機溶剤で脱脂した。この基材１を図４に示すイ
オンプレーティング装置の真空槽２に入れ、電極３に取
り付けた。次に、真空槽２の内部を真空排気装置４によ
り１×１０-5Ｔｏｒｒ以下まで排気した後、加熱用ヒー
ター７により基材１を５００℃まで加熱した。更に、ガ
ス供給装置５からアルゴンガスと水素ガスの混合ガス
（混合体積比１：１）を導入して、真空槽２内の圧力を
０.１Ｔｏｒｒとした。直流電源６から電極３に−１０
００Ｖの負の電圧を与え、真空槽２内にプラズマを発生
させて基材１の表面を１０分間クリーニングした。
【００２５】その後、電極３に−１０００Ｖの電圧を供
給したまま、真空槽２内の圧力が１×１０-3Ｔｏｒｒに
なるようにガスの供給を減らした。この状態で、炭素蒸
発源８の固体黒鉛から炭素を、及びホウ素蒸発源９の金
属ホウ素からホウ素をそれぞれ蒸発させ、炭素とホウ素
の原子比率が８：２となるように炭素とホウ素の蒸発速
度を調整しながら、基材１の表面にホウ素を含む非晶質
炭素（ＡＣ）膜の形成を３０分間行った。その後、炭素
とホウ素の蒸発を停止させ、ガスの供給と直流電圧の供
給を止め、加熱用ヒーター７を切って基材１を冷却した
後、真空槽２を開いて基材１を取り出した。基材１の表
面には合計膜厚２.５μｍのホウ素添加ＡＣ膜が形成さ
れており、ホウ素添加量は２０原子％であった。
給したまま、真空槽２内の圧力が１×１０-3Ｔｏｒｒに
なるようにガスの供給を減らした。この状態で、炭素蒸
発源８の固体黒鉛から炭素を、及びホウ素蒸発源９の金
属ホウ素からホウ素をそれぞれ蒸発させ、炭素とホウ素
の原子比率が８：２となるように炭素とホウ素の蒸発速
度を調整しながら、基材１の表面にホウ素を含む非晶質
炭素（ＡＣ）膜の形成を３０分間行った。その後、炭素
とホウ素の蒸発を停止させ、ガスの供給と直流電圧の供
給を止め、加熱用ヒーター７を切って基材１を冷却した
後、真空槽２を開いて基材１を取り出した。基材１の表
面には合計膜厚２.５μｍのホウ素添加ＡＣ膜が形成さ
れており、ホウ素添加量は２０原子％であった。
【００２６】比較のため、同じ基材の上にホウ素を含ま
ない下記の被膜をそれぞれ形成した試料も準備した： (１)イオンプレーティング法により成膜したＡＣ膜 (２)イオンプレーティング法により成膜したＴｉＮ膜 (３)イオンプレーティング法により成膜したＣｒＮ膜 尚、(１)の成膜条件はホウ素の供給を除いて上記と同じ
であり、(２)及び(３)はＴｉ又はＣｒの蒸発源のみを用
い且つ成膜中の雰囲気ガスとして窒素ガスを使用した。
又、膜厚はいずれも２.５μｍに調節した。
ない下記の被膜をそれぞれ形成した試料も準備した： (１)イオンプレーティング法により成膜したＡＣ膜 (２)イオンプレーティング法により成膜したＴｉＮ膜 (３)イオンプレーティング法により成膜したＣｒＮ膜 尚、(１)の成膜条件はホウ素の供給を除いて上記と同じ
であり、(２)及び(３)はＴｉ又はＣｒの蒸発源のみを用
い且つ成膜中の雰囲気ガスとして窒素ガスを使用した。
又、膜厚はいずれも２.５μｍに調節した。
【００２７】上記本発明試料と各比較試料について、実
施例１と同じ方法及び条件で摩擦係数を測定し、その結
果を下記表２に示した。
施例１と同じ方法及び条件で摩擦係数を測定し、その結
果を下記表２に示した。
【表２】試 料 の 被 膜 摩 擦 係 数 本発明のホウ素添加ＡＣ膜 ０.０５〜０.０６ ホウ素無添加ＡＣ膜 ０.０８〜０.１ イオンプレーティングＴｉＮ膜 ２.４〜２.９ イオンプレーティングＣｒＮ膜 １.８〜２.３ 表２の結果から分かるように、他のセラミックスよりも
本発明によるホウ素を添加したＡＣ膜の方が低い摩擦係
数を示す。
本発明によるホウ素を添加したＡＣ膜の方が低い摩擦係
数を示す。
【００２８】
【実施例３】実施例１と同様のプラズマＣＶＤ法によ
り、ホウ素添加ＤＬＣ膜に添加するホウ素の量を変化さ
せた複数の試料を作製した。又、実施例２と同様のイオ
ンプレーティング法により、ホウ素添加ＡＣ膜に添加す
るホウ素の量を変化させた複数の試料を作製した。得ら
れた各試料について、実施例１と同じ条件で摩擦係数を
測定した結果を図１に示す。更に、添加量の異なるホウ
素添加ＤＬＣ膜の各試料について、ヌープ硬度を測定し
た結果を図２に示す。
り、ホウ素添加ＤＬＣ膜に添加するホウ素の量を変化さ
せた複数の試料を作製した。又、実施例２と同様のイオ
ンプレーティング法により、ホウ素添加ＡＣ膜に添加す
るホウ素の量を変化させた複数の試料を作製した。得ら
れた各試料について、実施例１と同じ条件で摩擦係数を
測定した結果を図１に示す。更に、添加量の異なるホウ
素添加ＤＬＣ膜の各試料について、ヌープ硬度を測定し
た結果を図２に示す。
【００２９】図１及び図２の結果から、ＤＬＣ膜又は非
晶質炭素膜中のホウ素添加量が３原子％以上になれば摩
擦係数が急激に小さくなるが、ホウ素添加量が５０原子
％を越えると被膜の硬度が急減するので、ホウ素添加量
は３〜５０原子％の範囲とすべきことが分かる。
晶質炭素膜中のホウ素添加量が３原子％以上になれば摩
擦係数が急激に小さくなるが、ホウ素添加量が５０原子
％を越えると被膜の硬度が急減するので、ホウ素添加量
は３〜５０原子％の範囲とすべきことが分かる。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、膜中に含まれるホウ素
が大気中において摺動表面で自然にホウ酸に変化するの
で、摩擦係数が小さく且つ自己修復性を供えた硬質固体
潤滑膜を、工業的に低コストで提供することができる。
が大気中において摺動表面で自然にホウ酸に変化するの
で、摩擦係数が小さく且つ自己修復性を供えた硬質固体
潤滑膜を、工業的に低コストで提供することができる。
【００３１】又、この自己修復性硬質固体潤滑膜は、高
硬度でありながら従来材料にない低い摩擦係数を、長期
間にわたって発揮することができるので、無潤滑下で摺
動を伴う機械部品に適用すると、耐摩耗性及び摺動特性
を向上させるうえで極めて有効である。
硬度でありながら従来材料にない低い摩擦係数を、長期
間にわたって発揮することができるので、無潤滑下で摺
動を伴う機械部品に適用すると、耐摩耗性及び摺動特性
を向上させるうえで極めて有効である。
【図１】ホウ素添加したダイヤモンド状炭素膜と非晶質
炭素膜における、ホウ素添加量と摩擦係数の関係を示す
グラフである。
炭素膜における、ホウ素添加量と摩擦係数の関係を示す
グラフである。
【図２】ホウ素添加したダイヤモンド状炭素膜におけ
る、ホウ素添加量とヌープ硬度の関係を示すグラフであ
る。
る、ホウ素添加量とヌープ硬度の関係を示すグラフであ
る。
【図３】実施例１で用いたプラズマＣＶＤ装置の模式図
である。
である。
【図４】実施例２で用いたイオンプレーティング装置の
模式図である。
模式図である。
１ 基材 ２ 真空槽 ３ 電極 ４ 真空排気装置 ５ ガス供給装置 ６ 直流電源 ７ 加熱用ヒーター ８ 炭素蒸発源 ９ ホウ素蒸発源
Claims (2)
- 【請求項１】 基材上に設けられる硬質固体潤滑膜にお
いて、少なくともその最外表面層がホウ素を３〜５０原
子％添加したダイヤモンド状炭素又は非晶質炭素からな
ることを特徴とする、自己修復性硬質固体潤滑膜。 - 【請求項２】 基材上にプラズマＣＶＤ法又はイオンプ
レーティング法により、少なくとも最外表面層としてホ
ウ素を３〜５０原子％添加したダイヤモンド状炭素膜又
は非晶質炭素膜を形成することを特徴とする、自己修復
性硬質固体潤滑膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03726092A JP3225576B2 (ja) | 1992-01-28 | 1992-01-28 | 自己修復性硬質固体潤滑膜で被覆した摺動機械部品 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03726092A JP3225576B2 (ja) | 1992-01-28 | 1992-01-28 | 自己修復性硬質固体潤滑膜で被覆した摺動機械部品 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05208806A true JPH05208806A (ja) | 1993-08-20 |
| JP3225576B2 JP3225576B2 (ja) | 2001-11-05 |
Family
ID=12492691
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03726092A Expired - Lifetime JP3225576B2 (ja) | 1992-01-28 | 1992-01-28 | 自己修復性硬質固体潤滑膜で被覆した摺動機械部品 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3225576B2 (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6534131B1 (en) * | 1999-06-18 | 2003-03-18 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Method for treating carbon film, carbon film and component with carbon film |
| WO2003027350A1 (en) * | 2001-09-26 | 2003-04-03 | Fundação De Amparo À Pesquisa Do Estado de São Paulo | Amorphous hydrogenated carbon film |
| US6572935B1 (en) * | 1999-03-13 | 2003-06-03 | The Regents Of The University Of California | Optically transparent, scratch-resistant, diamond-like carbon coatings |
| JP2011026591A (ja) * | 2009-07-03 | 2011-02-10 | Toyota Central R&D Labs Inc | 低摩擦摺動部材 |
| JP2013540359A (ja) * | 2010-10-05 | 2013-10-31 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | 超高選択性ドープアモルファスカーボン剥離性ハードマスクの開発および集積 |
| JP2015193913A (ja) * | 2014-03-27 | 2015-11-05 | 日立金属株式会社 | 被覆工具の製造方法 |
| JP2015219242A (ja) * | 2014-05-16 | 2015-12-07 | ニヴァロックス−ファー ソシエテ アノニム | 無注油の接触子対を有する時計機構 |
| JP2016037637A (ja) * | 2014-08-07 | 2016-03-22 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | Ｄｌｃ膜形成方法及びｄｌｃ膜形成装置 |
| US9624975B2 (en) | 2014-03-21 | 2017-04-18 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Sliding member and sliding machine |
| JP2017096932A (ja) * | 2015-11-19 | 2017-06-01 | ニヴァロックス−ファー ソシエテ アノニム | トライボロジーが改善された計時器コンポーネント |
| JPWO2017022659A1 (ja) * | 2015-07-31 | 2018-05-31 | 日本ピストンリング株式会社 | ピストンリング |
| CN108165343A (zh) * | 2018-02-22 | 2018-06-15 | 大连圣多教育咨询有限公司 | 一种自修复润滑油添加剂及制备方法 |
| CN108165342A (zh) * | 2018-02-22 | 2018-06-15 | 大连圣多教育咨询有限公司 | 一种自修复润滑油及制备方法 |
-
1992
- 1992-01-28 JP JP03726092A patent/JP3225576B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US7381452B2 (en) | 2001-09-26 | 2008-06-03 | Luiz Goncalves Neto | Amorphous hydrogenated carbon film |
| JP2011026591A (ja) * | 2009-07-03 | 2011-02-10 | Toyota Central R&D Labs Inc | 低摩擦摺動部材 |
| US9062274B2 (en) | 2009-07-03 | 2015-06-23 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Low friction sliding member |
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| US10619739B2 (en) | 2015-07-31 | 2020-04-14 | Nippon Piston Ring Co., Ltd | Piston ring |
| JP2017096932A (ja) * | 2015-11-19 | 2017-06-01 | ニヴァロックス−ファー ソシエテ アノニム | トライボロジーが改善された計時器コンポーネント |
| CN108165343A (zh) * | 2018-02-22 | 2018-06-15 | 大连圣多教育咨询有限公司 | 一种自修复润滑油添加剂及制备方法 |
| CN108165342A (zh) * | 2018-02-22 | 2018-06-15 | 大连圣多教育咨询有限公司 | 一种自修复润滑油及制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3225576B2 (ja) | 2001-11-05 |
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