JPH08178090A

JPH08178090A - 摺動部材およびこれを用いたディスクバルブ

Info

Publication number: JPH08178090A
Application number: JP32730694A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nagasaki; 浩一長崎; Jun Mihara; 順三原; Michihiko Koshida; 充彦越田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-12

Abstract

(57)【要約】【構成】摺動部材をなす基体の表面に、略球状をした突
起を有する非晶質硬質炭素膜を被覆する。また、互いに
摺動する少なくとも一方の弁体をなす基体の表面に、略
球状をした突起を有する非晶質硬質炭素膜を被覆してデ
ィスクバルブを形成する。【効果】平滑な摺接面を持った摺動部材との摺動におい
ても疑着やスティックスリップ等を生じることがなく、
常に滑らかで安定した摺動特性を長期間にわたって維持
することができる。しかも、膜の剥離を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フォーセットや薬液用
バルブなどのディスクバルブを構成する弁体、ベーンを
備えたベーンポンプ、内燃機関などのシリンダ、ピスト
ン、およびカム、メカニカルシール、軸受、あるいはス
ライド装置などに使用される摺動部材およびこれを備え
たディスクバルブに関するものである。

【０００２】

【従来技術の説明】従来、摺動部材を構成する材料とし
ては、高硬度でかつ高強度を有し、しかも耐摩耗性、耐
薬品性、耐蝕性の点で優れるセラミックスが使用されて
いるが、セラミックスは一般的に摩擦係数が大きく、ま
た、摺動中に摩擦係数が不規則に変動して滑らかに摺動
しなくなるスティックスリップや摺動部材同士が互いに
引っついて動かなくなる疑着といった現象を生じ易く、
摺動特性はそれほど良いものではなかった。

【０００３】その為、摺動部材をなす基体を３次元網目
構造を有する多孔質セラミックスで形成し、その開気孔
中に潤滑性を有する樹脂等を充填した摺動部材が提案さ
れている（特公平２−２８５４８号公報、特公平３−１
２７４号公報参照）。

【０００４】しかし、このような摺動部材は、その摺動
特性を樹脂等による潤滑特性のみに頼ったものであり、
滑らかな摺動特性を長期間維持することは難しいもので
あった。しかも、基体が多孔質セラミックスからなるた
め、強度が低く破損の恐れがあるとともに、摩耗し易い
といった課題があった。

【０００５】そこで、今日では基体の表面に非晶質硬質
炭素膜を備えた摺動部材が提案されている（特開平１−
２６１５７０号公報参照）。

【０００６】非晶質硬質炭素膜とは、一般に合成疑似ダ
イヤモンド膜、ダイヤモンドライクカーボン膜、ダイヤ
モンド状カーボン膜、ＤＬＣ膜、Ｉ−カーボン膜と呼ば
れている炭素膜のことであり高硬度材料である一方、そ
れ自体に自己潤滑性を有しているため、摺動特性の改善
を図ることができるものであった。

【０００７】また、フォーセットバルブや薬液用バルブ
などのディスクバルブにおいても弁体材料としてセラミ
ックスが使用されているが、ディスクバルブには摺動特
性のほかに水漏れを生じないことが要求されていること
から、平滑な摺接面同士の摺動としなければならなかっ
た。

【０００８】その為、互いに摺動する少なくとも一方の
弁体を、セラミックスからなる基体の表面に非晶質硬質
炭素膜を被覆した摺動部材により形成したディスクバル
ブが提案されている（特開平３−１７２６８３号公報、
特開平３−２２３１９０号公報参照）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、非晶質硬質
炭素膜を被覆した摺動部材の摺接面は非常に平滑な面を
しているために、相手部材が平滑な摺接面を有する摺動
部材で、しかも、押圧力が大きい時には、平滑な摺接面
同士の摺動となるために非晶質硬質炭素膜の持つ自己潤
滑作用をもってしても摩擦係数を十分低減することがで
きず、それほど優れた摺動特性を得ることはできなかっ
た。しかも、相手部材が硬質の材料から構成されている
と、高硬質材同士の摺動となるために、摺動時には双方
の摺接面を引っ掻いてキーキーといった異音を生じると
いった課題もあった。

【００１０】また、異材質からなる基体への非晶質硬質
炭素膜の膜付けは、基体の表面状態や基体との熱膨張差
などを考慮しなければならず、非常に難しいものであっ
た。例えば、基体の表面粗さを粗くしすぎると、摺接面
を滑らかにするために非晶質硬質炭素膜の膜厚を厚くし
なければならず、膜付けに多大な時間を費やすことにな
るとともに、膜厚を厚くしすぎたことにより剥離を生じ
る恐れがあった。逆に、基体の表面粗さを滑らかにしす
ぎると、非晶質硬質炭素膜が基体の表面に存在する凹部
に入り込んで食い付くというアンカー効果が十分に得ら
れず、やはり膜の剥離を生じていた。さらに、基体と非
晶質硬質炭素膜の熱膨張差が大きすぎると、膜付けを終
えたあとに、基体の表面と非晶質硬質炭素膜との間に引
張力が働き、やはり十分な接合強度が得られなかった。
その結果、摺動時に膜の剥離を生じていた。しかも、膜
付けされた非晶質硬質炭素膜内には圧縮応力が残留する
ため、この圧縮応力も剥離の原因に寄与していた。

【００１１】このように、非晶質硬質炭素膜からなる摺
接面を備えた摺動部材であっても未だ摺動特性および膜
の剥離の点について満足できるものは得られていなかっ
た。その為、上記摺動部材からなる弁体を備えるディス
クバルブにおいても、摺動特性に大きなバラツキを生じ
たり、膜の剥離等により水漏れや摺動抵抗の増大、さら
には異音の発生などを生じていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本件発明者ら
は、摺接面を構成するのに最適で、かつ剥離の生じ難い
非晶質硬質炭素膜について種々研究を重ねた結果、ある
条件下で膜付けすれば、表面に球状をした複数の突起を
有する非晶質硬質炭素膜が得られることを見出し、この
非晶質硬質炭素膜を基体の表面に被覆して摺動部材を構
成したものである。

【００１３】また、本発明は、上記摺動部材でもって、
互いに摺動する少なくとも一方の弁体を形成してディス
クバルブを構成したものである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明実施例を説明する。

【００１５】図１は本発明実施例に係る摺動部材を示す
斜視図であり、図２は固定弁体を図１の摺動部材により
形成したディスクバルブの一例であるフィーセットバル
ブを示す斜視図である。

【００１６】図１に示す摺動部材１０は、金属やセラミ
ックスからなる基体１２の表面に、球状をした複数の突
起を有する非晶質硬質炭素膜１３を被覆して摺接面１１
を構成してある。

【００１７】次に、図２に示すフォーセットバルブ４０
は、可動弁体２０と固定弁体３０を互いの摺接面２１，
３１で接した状態として、操作レバー４５により可動弁
体２０を動かすことによって、互いの弁体２０，３０に
備えた流体通路２４，３４の開閉を行い、供給流体の開
閉、調整などの制御をするようになっており、そのう
ち、固定弁体３０は図１に示す摺動部材１０と同様に、
金属やセラミックスからなる基体３２の表面に、球状を
した複数の突起を有する非晶質硬質炭素膜１３を被覆し
て摺接面３１を構成してあり、可動弁体２０は耐摩耗性
および耐蝕性に優れるステンレスや真鍮などの金属、あ
るいはアルミナ質、ジルコニア質、炭化珪素質、窒化珪
素質などのビッカース硬度（Ｈｖ）が１０００ｋｇ／ｍ
ｍ²以上を有するセラミックスにより形成してある。

【００１８】ところで、上記非晶質硬質炭素膜１３と
は、非常に緻密で結晶粒界が見られず、ガラスを割った
ような形態をした非晶質構造をしたもので、グラファイ
トやダイヤモンドの同定によく使用されるラマン分光分
析装置を使って調べると、ダイヤモンドのピーク位置で
ある１３３３ｃｍ^-1とグラファイトのピーク位置である
１５５０ｃｍ^-1の近傍にそれぞれピークを持ったもので
ある。なお、本発明に係る非晶質硬質炭素膜１３は、ピ
ークがダイヤモンドあるいはグラファイトのいずれか一
方に偏っていても良く、好ましくはダイヤモンドのピー
ク位置に偏っているものの方が良い。さらに、高硬度を
有する相手部材との摺動においても短期間で摩耗するこ
とがないようビッカース硬度（Ｈｖ）３０００ｋｇ／ｍ
ｍ²以上の非晶質硬質炭素膜１３であることが好まし
い。

【００１９】また、本発明で言う球状をした複数の突起
を有する非晶質硬質炭素膜１３とは、図３（ａ）に示す
ように、膜の表面に球状をした突起１３ａが単独または
連設した状態で存在した構造をしたものであり、図３
（ｂ）に示すように平滑な面からなる従来の非晶質硬質
炭素膜とは明らかに異なった構造をしたものである。な
お、図３（ａ）の下側に存在する大きな窪みは基体１２
の表面に存在する窪みである。

【００２０】その為、上記摺動部材１０の摺接面１１上
には、ミクロ的に見た場合微細な凹凸が多数存在するた
め、相手部材との接触面積を大幅に低減することができ
るとともに、非晶質硬質炭素膜１３の持つ自己潤滑作用
と相まって常に滑らかでかつ安定した摺動特性を得るこ
とができる。しかも、非晶質硬質炭素膜１３の表面に存
在させた突起１３ａは球状をしたものであることから、
高い押圧力のもとでの摺動においても優れた摺動特性が
得られるとともに、相手部材を摩耗させることがなく、
その上、引っ掻き等による異音を生じることもない。

【００２１】そして、図２に示すフォーセットバルブ４
０では、高硬質の金属やセラミックスからなる可動弁体
２０との摺動においても異音を生じることなく、常に安
定した弁体操作が可能である。

【００２２】また、上記非晶質硬質炭素膜１３は、ＰＶ
Ｄ法やＣＶＤ法などの薄膜形成手段を用いて真空度、フ
ィラメント、アノードおよびカソードに印加する電圧、
炭化水素ガスの流量、および基体の表面温度等を調整す
ることにより、炭素イオンからなる球状体を生成し、該
球状体を基体１２，３２の表面に堆積させることで形成
することができる。

【００２３】その為、１つ１つの球状体に発生する応力
を非常に小さくすることができることから、圧縮応力の
残留が殆どない非晶質硬質炭素膜１３とすることがで
き、基体１２，３２との歪みを吸収して膜１３の剥離を
防ぐことができる。その上、１つ１つの球状体は、基体
１２，３２の表面に存在する微小な窪みやボイド、ある
いは表面欠落部などに入り込むため、基体１２，３２の
表面を平滑に仕上げたとしても十分なアンカー効果が得
られ、非晶質硬質炭素膜１３を強固に接合させることが
できる。その結果、大きな押圧力の下での摺動において
も膜１３の剥離を生じることがない。

【００２４】さらに、上記非晶質硬質炭素膜１３の表面
に設けてある突起１３ａは、好ましくは１０〜１０００
ｎｍの平均曲率半径を有する球状をした突起１３ａとし
たものが良い。

【００２５】これは、平均曲率半径が１０ｎｍより小さ
くなると、隣合う突起１３ａとの間隙が小さくなり過ぎ
て摺接面１１，３１が平滑な面となってしまうために摺
動特性の改善効果が殆ど得られないためであり、逆に、
平均曲率半径が１０００ｎｍより大きくなると、膜付け
の際に炭素イオンからなる球状体が、基体１２，３２の
表面に存在する微細な窪みやボイド、あるいは表面欠落
部に入り込み難くなり、十分なアンカー効果が得られ
ず、摺動時に膜１３の剥離を生じる恐れがあるからであ
り、さらには、この摺動部材１０をディスクバルブの固
定弁体３０として使用した時には、隣合う突起１３ａと
の隙間が大きくなり過ぎるために、上記隙間より水漏れ
を生じる恐れがあるためである。

【００２６】なお、上記球状をした突起１３ａの平均曲
率半径は、摺接面１１，３１を構成する非晶質硬質炭素
１３の表面を金属顕微鏡またはＳＥＭ（走査型電子顕微
鏡）により、適当な倍率で写真を撮影し、該写真上へ任
意に引いた直線と交差する突起１３ａの個数を求め、こ
れから求めた平均コード長さを平均曲率半径として求め
ることができる。具体的には、写真より４個以上の球状
をした突起１３ａが連設した箇所を任意に４箇所見つけ
て線を引く。そして、各線の長さの和Ｌを求めるととも
に、各線と交差する突起１３ａの数Ｎを数え、下式にそ
れぞれの数値を代入することにより平均曲率半径Ｈを求
めることができる。

【００２７】Ｈ＝Ｌ／Ｎまた、本発明に係る摺動部材１０では、上記非晶質硬質
炭素膜１３の膜厚ｔも非常に重要な要件となる。

【００２８】即ち、非晶質硬質炭素膜１３の膜厚ｔが
０. ５μｍより薄くなると、相手部材が硬質材からなる
場合、短期間のうちに膜１３が摩耗してしまい、逆に、
膜厚ｔが２. ０μｍより厚くなると、膜厚ｔにバラツキ
を生じ始めるために平坦度の確保が困難になるととも
に、ディスクバルブの固定弁体３０として使用した時に
は水漏れを生じる恐れがある。その為、非晶質硬質炭素
膜１３の膜厚ｔは０. ５〜２. ０μｍとすることが好ま
しい。

【００２９】次に、球状をした複数の突起１３ａを有す
る非晶質硬質炭素膜１３の膜付け方法について説明す
る。

【００３０】例えば、ＰＶＤ法により膜付けする場合、
摺動部材をなす基体１２，３２を真空チャンバー内のカ
ソード（陰極）盤の上にセットし、真空チャンバー内を
１０^-2〜１０^-1Ｐａ程度の真空度とするとともに、雰囲
気ガスとなるＣ₆ Ｈ₆ ガスを供給する。そして、上記カ
ソード（陰極）盤とほぼ対向する位置に配置するホーロ
ーカソード銃内に配置したフィラメントに７０Ｖ程度の
電圧を印加して発熱させることにより、Ｃ₆ Ｈ₆ ガスを
熱分解してラジカルな炭素イオンからなる球状体を生成
させると同時にカソード（陰極）盤にも１００Ｖ程度の
電圧を印加することにより、ホーローカソード銃からカ
ソード（陰極）盤上へ向かって上記球状体が照射される
ため、基体１２，３２に球状体をした炭素イオンが次々
に堆積し、基体１２，３２の表面に球状をした突起１３
ａを有する非晶質硬質炭素膜１３を形成することができ
る。なお、成膜時の基体１２，３２の温度は１００℃程
度が良い。

【００３１】また、上記雰囲気ガスとしてはＣ₆Ｈ₆ だ
けに限定するものではなく、Ｃ₂Ｈ₄、Ｃ₄Ｈ₁₀などの
炭化水素ガスであれば、膜の表面に球状をした突起１３
ａを有する非晶質硬質炭素膜１３を形成することができ
る。

【００３２】なお、図２に示すフォーセットバルブ４０
では、固定弁体３０を図１に示す摺動部材１０で形成し
たが、逆に可動弁体２０を図１に示す摺動部材１０で形
成しても良く、さらには両弁体２０，３０を図１に示す
摺動部材１０で形成しても良い。

【００３３】また、上記実施例では、平面状の摺接面同
士を摺動させた例を示したが、この他に球面状の摺動面
同士を摺動させたもの、あるいは平面状をした摺接面と
球面状をした摺動面とを摺動させたものであっても良
い。その為、本発明に係る摺動部材はディスクバルブだ
けに限らず、ベーンポンプのベーン、内燃機関などのシ
リンダ、ピストン、およびカム、メカニカルシールや軸
受、あるいはスライド装置などに最適に用いることがで
きる。。

【００３４】〔実験例〕非晶質硬質炭素膜の構造および
膜厚をそれぞれ変化させた固定弁体３０を備えるフォー
セットバルブ４０を試作し、摺動特性および異音の有無
について測定した。

【００３５】この実験において双方の弁体をなす基体は
アルミナセラミックスにより形成してあり、該アルミナ
セラミック製の基体は、９０％以上の純度を有し、かつ
平均粒子径３μｍのα型アルミナ粉末に、焼結助剤とし
てＳｉＯ₂ を０. ５重量％と、ＭｇＯとＣａＯをそれぞ
れ０. ２重量％添加し、さらに成形助剤を加えたのち、
２４時間ボールミルにて攪拌したあと、スプレードライ
ヤーにて顆粒を製作した。そして、この顆粒を金型プレ
スによって所定の円盤状に成形し、切削加工にて流体通
路をなす貫通孔を穿設したあと、酸化雰囲気中で約１６
００℃の焼成温度にて焼成することにより、外径２５ｍ
ｍ、厚み７ｍｍで、かつ直径５ｍｍの流体通路を備えた
可動弁体２０と、外径３６ｍｍ、厚み５ｍｍで、かつ直
径５ｍｍの流体通路を備えた固定弁体３０をなす基体を
得た。そして、可動弁体２０の表面は中心線平均粗さ
（Ｒａ）０. １μｍの鏡面に研磨して摺接面２１を構成
した。

【００３６】また、固定弁体３０をなす基体３２は真空
チャンバー内のカソード基盤上にセットしたあと、雰囲
気ガスとしてＣ₆ Ｈ₆ ガスを用いて、真空度、ガス流
量、フィラメント電圧、カソード電圧、成膜温度、成膜
時間をそれぞれ調整することにより膜の構造および膜厚
の異なる非晶質硬質炭素膜を被覆して固定弁体３０を形
成した。

【００３７】実験装置は図４に示すように、試料となる
固定弁体３０に可動弁体２０をケーシングによって３０
Ｋｇｆの軸力で押さえつけた状態でフォーセット４０
（給水栓）にセットしてあり、可動弁体２０を動かす操
作レバー４５には電動モータ５０とリンクさせたロード
セル４６が取り付けてある。そして、フォーセット４０
（給水栓）に８０℃の温水を１Ｋｇ／ｃｍ² の圧力で注
入した状態で、操作レバー４０を動かすのに必要な最大
荷重をロードセル４６によって検出し、その値を操作力
とした。また、フォーセット４０（給水栓）内にはセン
サを取り付け、温水の漏れを検知するようにした。

【００３８】さらに、フォーセット４０（給水栓）から
５０ｍｍ離した位置には騒音計４７を取り付け、操作レ
バー４０を動かした際に発する異音を測定した。

【００３９】なお、本実験では、１万回以上の摺動にお
いて双方の弁体２０，３０が殆ど摩耗することなしに
０. ６Ｋｇ以下の操作力を維持することができ、かつ騒
音計４７により測定した音が６０デジベル未満のものを
優れているとした。

【００４０】なお、膜の構造と膜厚、およびそれぞれの
結果は表１に示す通りである。

【００４１】

【表１】

【００４２】表１より判るように、試料Ｎｏ．２０〜２
５では、固定弁体３０に被覆した非晶質硬質炭素膜の表
面が平滑な面をしたものであるために可動弁体２０との
疑着等により膜の剥離を生じた。しかも、摺動時には騒
音計で６０デジベル以上のキーキーといった異音も発生
した。

【００４３】また、試料Ｎｏ．２６〜３０では、固定弁
体３０に針状をした突起を有する非晶質硬質炭素膜を被
覆してあるために可動弁体２０の摺接面を短期間で削っ
てしまい、水漏れを生じた。

【００４４】これに対し、試料Ｎｏ．１〜２０の本発明
のものでは、固定弁体３０に球状をした突起を有する非
晶質硬質炭素膜を被覆してあるため、６０デジベル以上
の異音はなく、また、双方の弁体を摩耗させることな
く、１万回以上の摺動においても０．６ｋｇ以下の操作
力を維持することができた。

【００４５】また、特に試料Ｎｏ．７〜９および１２〜
１４は、球状をした突起の平均曲率半径が１０〜１００
０ｎｍで、かつ膜厚が０．５〜２．０μｍの範囲にある
ため、１０万回以上の摺動においても水漏れを生じるこ
となく、０．６ｋｇ以下の操作力を維持することができ
た。

【００４６】次に、上記実験のうち可動弁体２０の材質
を炭化珪素質セラミックス、ＴｉＣを主成分とするサー
メット、および真鍮に変えて同様に摺動特性および異音
の有無について測定した。

【００４７】炭化珪素質セラミック製可動弁体２０を組
み合わせた結果は表２に、ＴｉＣを主成分とするサーメ
ット製可動弁体２０を組み合わせた結果は表３に、およ
び真鍮製可動弁体２０を組み合わせた結果は表４にそれ
ぞれ示す通りである。

【００４８】

【表２】

【００４９】

【表３】

【００５０】

【表４】

【００５１】表２〜４より判るように、可動弁体２０の
材質を他のセラミッスや金属により形成したものと組み
合わせたとしても固定弁体３０に球状をした突起を有す
る非晶質硬質炭素膜を被覆することにより、摺動時の音
を６０デジベルより小さくすることができるとともに、
双方の弁体２０，３０を摩耗させることなく、１万回以
上の摺動においても０．６ｋｇ以下の操作力を維持する
ことができた。

【００５２】また、試料Ｎｏ．３７〜３９、４２〜４
４、６７〜６９、７２〜７４、９７〜９９、および１０
２〜１０４は、球状をした突起の平均曲率半径が１０〜
１０００ｎｍで、かつ膜厚が０．５〜２．０μｍの範囲
にあるため、１０万回以上の摺動においても水漏れを生
じることなく、０．６ｋｇ以下の操作力を維持すること
ができた。

【００５３】

【発明の効果】以上のように、本発明は、基体の表面に
球状をした突起を有する非晶質硬質炭素膜を被覆して摺
動部材を構成したことにより、平滑な摺接面を持った摺
動部材と摺動させても疑着やスティックスリップ等を生
じることがなく、また、異音の発生もないというよう
に、常に滑らかで安定した摺動特性を長期間にわたって
維持することができる。

【００５４】また、本発明は、互いに摺動する弁体のう
ち少なくとも一方の弁体をなす基体の表面に、球状をし
た突起を有する非晶質硬質炭素膜を被覆してディスクバ
ルブを構成したことにより、水漏れおよび膜の剥離がな
く、かつ疑着やスティックスリップ等を生じることがな
く、常に滑らかで安定した摺動特性を長期間にわたって
維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る摺動部材を示す斜視図である。

【図２】本発明に係る摺動部材を備えるディスクバルブ
を示す斜視図である。

【図３】非晶質硬質炭素膜の表面構造を示す図であり、
（ａ）は本発明に係る摺動部材に被覆した非晶質硬質炭
素膜であり、（ｂ）は従来の摺動部材に被覆した非晶質
硬質炭素膜である。

【図４】実験装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１０摺動部材１１摺接面１２基体１３球状をした複数の突起を有する非晶質硬質炭素膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体の表面に、球状をした複数の突起を有
する非晶質硬質炭素膜を被覆して摺接面を構成したこと
を特徴とする摺動部材。
【請求項２】互いに摺動する弁体のうち少なくとも一方
の弁体をなす基体の表面に、球状をした複数の突起を有
する非晶質硬質炭素膜を被覆したことを特徴とするディ
スクバルブ。