WO2006095907A1 - 基体上にセグメント構造硬質膜と固体潤滑層または流体状潤滑層を含む複合摺動構造物、及びそれらの製造方法 - Google Patents

基体上にセグメント構造硬質膜と固体潤滑層または流体状潤滑層を含む複合摺動構造物、及びそれらの製造方法 Download PDF

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hard film
composite sliding
sliding structure
film
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Naoto Ohtake
Makoto Matsuo
Yuichi Aoki
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The Circle For The Promotion Of Science And Engineering
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    • C10N2050/14—Composite materials or sliding materials in which lubricants are integrally molded

Definitions

  • a composite sliding structure including a segment structure hard film and a solid or fluid lubricating layer on a substrate, and a manufacturing method thereof.
  • a hard film for example, diamond, graphite, cubic boron nitride (c 1 BN), hexagonal boron nitride (h-BN), diamond-like carbon film ( DLC)
  • a hard film is a composite sliding structure formed by a combination of a segment structure hard film and a solid lubricant layer or a fluid lubricant layer formed between the segment structure hard films.
  • the composite sliding structure of the present invention has a low coefficient of friction, wear resistance, releasability, and repellent properties that are extremely superior to those of a base structure provided with a conventional diamond-like carbon coating. Water and oil repellency, lubricity, slidability and moisture resistance. Background art
  • a rotating or sliding structure having a hard protective film formed on the surface of a substrate is a structure having an excellent low friction coefficient and wear resistance.
  • a rotating or sliding structure having a hard protective film formed on the surface of the substrate is a sliding structure when the hard protective layer on the substrate is broken and peeled off due to deformation of the substrate and rotates or slides. Will wear out.
  • an intermediate layer is provided between the substrate and the hard protective film to improve the adhesion.
  • This method of providing the intermediate layer is effective when the amount of deformation of the structure provided with the hard coating is small, but when the amount of deformation increases, the hard protective film breaks and peels off. Therefore, when the amount of deformation of the structure provided with the hard coating is large, it is not possible to provide a structure having an excellent low friction coefficient and wear resistance that does not cause the hard protective film to break or peel off. .
  • Oil grooves provided on the rotating and sliding surfaces of conventional machine tools and the like are formed by manual scraping that requires a high degree of skill.
  • a large number of indented surfaces with a very thin depth compared to the width and length are provided on the rotating surface or sliding surface, and the contact surface other than these indented surfaces improves the flatness and reduces the indented surface. It is an oil groove.
  • bushings or metal liners with oil grooves formed in the bearing parts are incorporated into the bearing parts.
  • These bushes or metal liners A central hole for inserting the rotation shaft is opened, and an oil groove is formed on the inner surface of the central hole.
  • the lubricant or oil supplied from the oil reservoir or oil pot provided around the bearing part is not in the center hole of the bush or metal liner. It is injected into the oil groove provided on the inner surface to maintain lubrication and slidability.
  • the bush and the metal liner are formed of a powder sintered alloy, and the holes formed during the sintering are impregnated and filled with lubricating oil and grease, thereby maintaining lubricity and sliding properties.
  • the oil groove of the bearing part is a flat surface
  • the groove is cut by a milling machine using an end mill or the like.
  • the spiral groove is cut with a lathe.
  • the oil groove of the bearing part is formed by plastic working using a hydraulic device and a groove forming die.
  • the sliding structure must have lubricity and slidability, and the sliding structure has oil grooves formed by the above-mentioned manual operation or machining.
  • oil grooves formed by the above-mentioned manual operation or machining.
  • forming oil grooves by hand and machining is a very skillful and time consuming process.
  • Patent Document 1 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-145-7525 (claims)
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application No. 2 0 0 4- 0 9 5 2 0 7 (Claims)
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-103-7 4 25 (Claims) Disclosure of the invention
  • a diamond-like carbon film used as a hard film has mechanical properties intermediate between diamond and graphite, and a diamond-like carbon film covered on the surface of a structure has excellent friction resistance and resistance. Adds wear resistance.
  • the diamond-like carbon film can be synthetically coated at a low temperature of about room temperature, and the surface of the diamond-like carbon film that has been synthetically coated is flat. It is the most promising material at present as a highly wear-resistant coating.
  • the hard film for example, diamond-like carbon film
  • the hard film may easily break or peel off from the substrate due to deformation of the substrate structure. It has become a major technical challenge in terms of expanding the scope.
  • Structures comprising a substrate coated with a hard film have excellent friction and wear resistance, but these substrate structures can be used as high-speed rotating structures and sliding structures.
  • a structure made of a substrate coated with a hard film for example, a diamond-like carbon film
  • the present invention forms grooves that are impregnated and filled with sliding lubricant even on the surface of a material part having high hardness as described above, and the grooves are impregnated and filled with various sliding lubricants.
  • An object is to provide a sliding lubrication structure.
  • Structures made by coating a hard film (for example, diamond-like carbon) on a substrate made of the above-mentioned high-hardness material have excellent friction and wear resistance, but these substrate structures can be rotated at high speed.
  • a hard film for example, diamond-like carbon
  • a composite sliding structure 1 of the present invention includes a hard layer coated on the surface of a base 4, and a segment structure hard film 2 in which the hard films are spaced apart from each other on the surface of the base.
  • the segment groove portion 5 is formed between the segment structure hard films, and the segment groove portion includes a solid lubricating layer 3 covered and filled.
  • the solid lubricating layer 3 forming the composite sliding structure 1 of the present invention is a thermosetting or thermoplastic resin, and the resin is at least one selected from the group consisting of fluorine and silicon. It is characterized by containing 70 atomic%. In this case, if it is 10 atomic% or less, the lubricating effect cannot be satisfied, and if it is 70 atomic% or more, the lubricant layer itself becomes brittle.
  • phenol resin xylene resin
  • the solid lubricating layer 3 force thermosetting or thermoplastic resin forming the composite sliding structure 1 of the present invention, which further includes diamond, diamond-like carbon (DLC), graphite, cubic It is characterized by comprising at least one member of the group consisting of crystal poronite, hexagonal poronite, gold, silver and nickel, preferably less than 5 to 95 wt%. In this case, the lubrication effect cannot be satisfied at 5 wt% or less.
  • DLC diamond-like carbon
  • the solid lubricating layer 3 forming the composite sliding structure 1 of the present invention is a thermosetting or thermoplastic resin, and the resin is a carbide, nitride, carbonitride, oxide, hydroxide At least one member of the group consisting of any one of the group consisting of oxides, sulfides, borides and fluorides, preferably 5 to
  • the group consisting of these carbides, nitrides, carbonitrides, oxides, hydroxides, sulfides, borides and fluorides are diamond, diamond-like carbon (DLC), dallafite, cubic poronnai.
  • DLC diamond-like carbon
  • the lubrication effect cannot be satisfied at 5 wt% or less.
  • the solid lubricating layer 3 forming the composite sliding structure 1 of the present invention includes diamond, diamond-like carbon (DLC), graphite, cubic boron nitride (c—BN), hexagonal porous nylon. Including at least one of the group consisting of tride (h-BN), gold, silver and nickel It is characterized by becoming.
  • the solid lubricating layer 3 can obtain a sufficient lubricating effect even without containing a resin.
  • the solid lubricating layer 3 forming the composite sliding structure 1 of the present invention is any one of the group consisting of carbide, nitride, carbonitride, oxide, hydroxide, sulfide, boride and fluoride. It is characterized by not containing at least one of the group consisting of.
  • These carbide, nitride, carbonitride, oxide, hydroxide, sulfide, boride and fluoride groups are diamond, diamond-like carbon (DLC), graphite, cubic boron Tride, hexagonal boronite, gold, silver, nickel, strong single-nanotube, fullerene, titanium nitride, titanium carbide, chromium nitride, silicon nitride, silicon carbide, tungsten carbide, hydoxy oxide, molybdenum sulfide (M o S 2 ) and titanium oxide (T i ⁇ 2 ).
  • DLC diamond-like carbon
  • M o S 2 molybdenum sulfide
  • T i ⁇ 2 titanium oxide
  • segment structure hard film 2 made of the hard film forming the composite sliding structure 1 of the present invention includes diamond, diamond-like carbon (DLC), graphite, cubic boron nitride (c 1 BN), hexagonal boron nitride (h-BN), gold, silver, and nickel.
  • DLC diamond-like carbon
  • c 1 BN cubic boron nitride
  • h-BN hexagonal boron nitride
  • gold silver
  • silver and nickel.
  • the segment structure hard film 2 made of the hard film forming the composite sliding structure 1 of the present invention is further made of the group consisting of gold, silver, nickel, titanium, chromium, tungsten, silicon, calcium and fluorine. Small It is characterized by containing at least one species of 25 to 75 atomic percent. In this case, when the content is 25 atomic% or less, the lubricating effect of the additive cannot be sufficiently satisfied, and when the content is 75 atomic% or more, the effect of the solid lubricant layer itself is lowered.
  • the segment structure hard film 2 made of a hard film forming the composite sliding structure 1 of the present invention is changed to a group consisting of diamond, diamond-like carbon, graphite, cubic boron nitride and hexagonal boron nitride. It is characterized by containing at least one selected from the group consisting of gold, silver, nickel, titanium, chromium, tandastain, silicon, calcium and fluorine.
  • the segment-structured hard film 2 made of the hard film forming the composite sliding structure 1 of the present invention is composed of carbide, nitride, carbonitride, oxide, hydroxide, sulfide, boride and fluoride. It is characterized in that it contains 25 to 75 atomic% of at least one of the group consisting of any one of the groups consisting of the compounds.
  • carbides, nitrides, carbonitrides, oxides, hydroxides, sulphides, borides and fluorides include diamond, diamond-like carbon (DLC), graphite, cubic poronite.
  • the substrate forming the composite sliding structure 1 of the present invention is characterized in that it is composed of any one of a metal material, an inorganic material, and an organic material.
  • the substrate is a commonly used structural material
  • the metal material is a single metal or an alloy thereof
  • the inorganic material is glass, ceramics and oxides and compounds
  • the organic material is plastic and Including resin.
  • each of the segment ridge structure hard films 2 forming the segment groove portions 5 forming the composite sliding structure 1 of the present invention has a side or outer diameter of 0.1 lm to 3 mm, and The distance between the segment structure hard films is 0.01 im to l mm, and the thickness force of the segment structure hard film is l nm to 200 / m. In this case, if one side or the outer diameter of the segment structure hard film is 0. or less, the adhesion force of the segment structure hard film may be reduced and the segment structure hard film may be peeled off. There is a risk of breakage and peeling due to deformation of the substrate.
  • the distance between the segment structure hard films is not more than 0.01 jm, the solid lubricant cannot be sufficiently covered during this period, and sufficient lubricity cannot be obtained, and l mm If this is the case, the effect of providing the segment structure hard film will be reduced. Furthermore, if the thickness of the segment structure hard film is 1 nm or less, sufficient wear resistance cannot be obtained, and if it is 200 m or less, sufficient wear resistance is obtained.
  • segment groove portions 5 between the segment structure hard films 2 forming the composite sliding structure 1 of the present invention are formed apart from each other, and the segment structure hard film 2 is peeled off from the base body 4 by deformation. It is characterized by suppression.
  • the non-segment structure diamond film, the non-segment structure nitride film, the non-segment structure diamond film, and the non-segment structure forming the composite sliding structure 1 of the present invention At least one non-segmented hard film composed of 30 to 70 atomic% of at least one of silicon, titanium, chromium and tungsten elements is a segment groove between the segmented structural hard films.
  • the non-segmented structure hard film is characterized by being formed on the segment structure hard film and the segment groove portion with a thickness of 0.1 m to 10 m. By making it thinner than the hard structure hard film, the substrate can also be deformed, and the wear resistance is improved together with the segment structure hard film.
  • the manufacturing method of the composite sliding structure 1 described above is that the segment structure hard film 2 coated with the hard films spaced apart from each other on the surface of the body 4 is formed by physical vapor deposition or chemical vapor deposition.
  • a solid lubricating layer 3 is coated on the segment groove portion 5 which is formed to be coated and spaced apart from the segment structure hard film 2.
  • the manufacturing method of the composite sliding structure 1 includes a non-segment structure hard film coated on the surface of the substrate 4 and a hard film spaced apart from the surface of the non-segment structure hard film.
  • the segment structure hard film 2 is coated and formed by a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method, and the segment groove portion 5 is disposed so as to be spaced apart from the segment structure hard film 2.
  • the solid lubricating layer 3 is coated on the surface.
  • a hard film is formed on the surface of the structure in order to provide an excellent low friction coefficient and wear resistance. Furthermore, the composite sliding structure of the present invention has a sliding direction and a lubrication property.
  • a hard film for example, a diamond-like carbon film
  • it is unidirectional and bi-directional (cross-cut Or by randomly forming a segment structure hard film divided into a plurality of segments to form grooves having a predetermined interval between the segment structure hard films and impregnating and filling the grooves with a fluid lubricant. .
  • a composite sliding structure 1 ′ including a fluid lubrication layer according to the present invention includes a hard film coated on the surface of a base 4 ′, and the hard films are arranged on the surface of the base so as to be separated from each other.
  • the fluid lubricating layer 3 ′ forming the composite sliding structure 1 ′ of the present invention is characterized by using a mineral oil or an animal or vegetable oil as a base oil.
  • the fluid lubrication layer 3 ′ forming the composite sliding structure 1 ′ of the present invention has a small number of groups consisting of diamond, diamond-like carbon, graphite, cubic polarite, and hexagonal polarite. At least one of the group consisting of gold, silver and nickel It comprises 5 to less than 5 to 95 wt% of seeds. In this case, the lubrication effect cannot be satisfied at 5 wt% or less, and the synergistic effect between the fluid lubricant layer and the additive is reduced at 95 wt% or more.
  • the fluid lubricating layer 3 ′ forming the composite sliding structure 1 ′ of the present invention is composed of carbide, nitride, carbonitride, oxide, hydroxide, sulfide, boride and fluoride. It is characterized by comprising at least one of the group consisting of any one of the group consisting of less than 5 to 95 wt%.
  • carbide, nitride, carbonitride, oxide, hydroxide, sulfide, boride and fluoride groups include titanium, chromium, tungsten and silicon carbides, nitrides, carbonitrides, oxides.
  • Hydroxides, sulfides, borides, and fluorides are composed of carbon nanotubes, fullerenes, hydroxyapatites, and molybdenum sulfides (MoS 2 ).
  • MoS 2 molybdenum sulfides
  • the segmented structure hard film 2 ′ composed of a hard film forming the composite sliding structure 1 ′ of the present invention is composed of diamond, diamond-like carbon, graphite, cubic boron nitride, and hexagonal boron nitride. It is characterized by selecting and containing at least one kind of group
  • the segment structure hard film 2 ′ composed of the hard film forming the composite sliding structure 1 ′ of the present invention is further composed of gold, silver, nickel, titanium, chromium, tungsten, silicon, calcium and fluorine.
  • Group of It is characterized by containing at least one species of 25 to 75 atomic%. In this case, if it is 25 atomic% or less, the lubricating effect of the additive cannot be sufficiently satisfied, and if it is 75 atomic% or more, the effect of the fluid lubricant layer itself is reduced.
  • the segment structure hard film 2 ′ composed of a hard film forming the composite sliding structure 1 ′ of the present invention is composed of diamond, diamond-like carbon, graphite, cubic boron nitride, and hexagonal boron nitride. Instead, it is characterized by containing at least one selected from the group consisting of gold, silver, nickel, titanium, chromium, tandasten, silicon, calcium and fluorine.
  • the segment structure hard film 2 comprising the hard film forming the composite sliding structure 1 ′ of the present invention is composed of carbide, nitride, carbonitride, oxide, hydroxide, sulfide, boride and fluoride. It is characterized by comprising 25 to 75 atomic% of any one of the group consisting of.
  • the group consisting of these carbides, nitrides, carbonitrides, oxides, hydroxides, sulfides, borides and fluorides are carbides, nitrides, carbonitrides, oxides of titanium, chromium, tungsten and silicon.
  • hydroxides, sulfides, borides, and fluorides are composed of carbon nanotubes, fullerenes, hydroxyapatites, and molybdenum sulfides (MoS 2 ).
  • MoS 2 molybdenum sulfides
  • the substrate 4 ′ that forms the composite sliding structure 1 ′ of the present invention is characterized by comprising any one of a metal material, an inorganic material, and an organic material.
  • the substrate is a commonly used structural material
  • the metal material is a single metal or an alloy thereof
  • the inorganic material is glass, ceramic and oxide.
  • Organic materials include plastics and resins.
  • each segment structure hard film 2 ′ forming the segment groove 5 ′ forming the composite sliding structure 1 ′ of the present invention has a side or outer diameter of 0.1 m to 3 mm.
  • the segment structure hard film has an interval of 0.1 to 5 mm, and the segment structure hard film has a thickness of 0.1 to 10 m;
  • the adhesive strength of the segment structure hard film may decrease, and the segment ⁇ structure hard film may peel off. In some cases, there is a risk of breakage and peeling due to deformation of the substrate. Further, if the interval between the segment structure hard films is not more than 0.01 m, the fluid lubricant cannot be sufficiently impregnated during this period, and sufficient lubricity cannot be obtained. If the thickness is 5 mm or more, the effect of providing the segment structure hard film is reduced.
  • the thickness of the segment structure hard film is 0.1 l ⁇ m or less, the effect of the fluid lubricant in which various additives equivalent to this thickness are mixed cannot be obtained, and If it is set to 1 x 0 xm or more, it takes a long time to coat and increases costs.
  • the composite sliding structure 1 ′ of the present invention is formed by separating the segment groove portion 5 ′ between the segment structure hard film 2 ′ and deforming the segment structure hard film 2 ′ from the base body 4 ′. It is characterized by suppressing exfoliation.
  • the composite sliding structure 1 ′ of the present invention includes a non-segment structure diamond film, a non-segment structure diamond-like carbon film, a non-segment structure cubic boron nitride, and a non-segment structure hexagon.
  • Crystal Ronnai® and any one of the above non-segmented structures containing 30 to 70 atomic% of at least one element of silicon, titanium, chromium and tungsten in non-segmented structure And at least one member of the group consisting of: .O lm on the segment groove between the segment structure hard films or on the segment structure hard film and the segment grooves. It is characterized by being formed with a thickness of ⁇ 50 m.
  • the non-segmented hard film can be deformed by making it thinner than the segmented structure hard film, and can improve the wear resistance together with the segmented structure hard film.
  • the manufacturing method of the above composite sliding structure 1 ′ is obtained by applying a segment structure hard film 2 ′ on which the hard film is coated on the surface of the substrate 4 ′ with a physical vapor deposition method or a chemical method.
  • the fluid lubrication layer 3 ′ formed by coating by vapor deposition and impregnated and filled in the segment groove portion 5 ′ formed between the segment structure hard films is at least at reduced pressure, normal pressure and high pressure. It is characterized by impregnating and filling in one atmosphere.
  • the manufacturing method of the composite sliding structure 1 ′ described above includes the non-segment ⁇ ⁇ structure hard film coated on the surface of the substrate 4 ′ and the non-segment ⁇ structure hard film.
  • the segment structure hard film 2 ′ formed separately is covered by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, and is disposed separately between the segment structure hard films 2. It is characterized in that the fluid lubricating layer 3 ′ impregnated in the segment groove 5 ′ is impregnated and filled in at least one atmosphere of reduced pressure, normal pressure and high pressure.
  • the composite sliding structure of the present invention comprising the conventional sliding structure having no segment groove portion and the sliding structure having a protective film of the conventional technology in which the segment groove portion is not coated or impregnated with a lubricant, Excellent stability with a friction coefficient of 0.1 or less was obtained.
  • the composite sliding structure of the present invention has extremely superior wear resistance and separation compared to a sliding structure having a protective film of a prior art in which a solid lubricant layer or a fluid lubricant is not combined.
  • the moldability, water and oil repellency, and moisture resistance were obtained.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a part of a composite sliding structure having a solid lubricant or a fluid lubricant according to the present invention.
  • Fig. 2 shows the relationship between the friction coefficient and the number of sliding operations of the composite sliding structure having the solid lubricant of the present invention evaluated by the pole-on-disk method at a load of 0.5 N and the comparative example. Show.
  • FIG. 3 shows the relationship between the friction coefficient and the number of sliding of the composite sliding structure having the solid lubricant of the present invention evaluated by the pole-on-disk method when the load is 1 N and the comparative example.
  • Fig. 4 shows the state of the fluid lubricant in the segment groove due to the difference in surface tension.
  • the fluid lubricant of the present invention shows a concave state in (a) and a convex state in (b).
  • Figure 5 shows a segmented structure hard film composed of a diamond-like carbon film coated and synthesized by the plasma chemical vapor deposition method using the mesh electrode of the present invention, and a segment groove, and slides up to 300 times. It is a microscope picture after performing.
  • Figure 6 shows a segmented structure hard film composed of a diamond-like carbon film coated and synthesized by the plasma chemical vapor deposition method using the mesh electrode of the present invention and a segment groove, and slides up to 800 times. It is a microscope picture after performing.
  • FIG. 7 shows a segmented structure hard film and a segment groove made of a diamond-like carbon film coated and synthesized by the plasma chemical vapor deposition method using the mesh electrode of the present invention. It is a photomicrograph after sliding. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the composite sliding film composed of a hard layer and a solid lubricant layer is formed by chemical vapor deposition (plasma, light and laser CVD), sputtering (direct current, high frequency, The coating is formed by magnetron and ion sputtering) and physical vapor deposition (vacuum and low-pressure atmospheric vapor deposition), and a particularly preferred method is plasma chemical vapor deposition.
  • chemical vapor deposition plasma, light and laser CVD
  • sputtering direct current, high frequency
  • the coating is formed by magnetron and ion sputtering
  • physical vapor deposition vacuum and low-pressure atmospheric vapor deposition
  • a particularly preferred method is plasma chemical vapor deposition.
  • the segment structure hard film (DLC) forming one of the composite sliding structures of the present invention has a side or outer diameter in the range of 0.1 m to 3 mm.
  • the segment structure hard film and the segment structure The distance between the hard films is 0.01 m to lmm, and the thickness of the segment structure hard film is 1. nm to 200 m.
  • the segment structure hard film is coated on a substrate with a micro segment structure hard film having a side of 20 X m X 20 m, a spacing force of 20 m, and a thickness of 20 nm. After spraying a resin containing fluorine, baking is performed at 60 to 300 ° C. (preferably 13 to 200 ° C.). In this way, a composite protective film composed of the hard film and the fluorine resin is formed on the substrate to form a composite sliding structure.
  • each segment structure hard film preferably contains silicon or fluorine.
  • This solid lubricating layer may be a lubricating resin containing fluorine.
  • Segments formed between the hard films of each segment structure The solid lubricant layer or the lubricant resin to be applied can be applied not only to the segment groove portion but also to a thickness of 10 Aim or less on the surface of the segment structure hard film. By coating in this way, the segment structure hard film appears after the solid lubricant layer or lubricant resin on the surface of the segment structure hard film is worn out, so that the lubrication performance is improved but the wear resistance is affected. Will not affect.
  • the solid lubricant layer covering the segment groove formed between the segment structure hard films may contain a material other than the fluororesin. That is, a silicone resin synthesized from tetramethylsilane (Si (CH 3 ) 4 ) + (C 2 H 2 ) is covered and filled in the segment grooves.
  • the flow ratio of (S i (CH 3 ) 4 ) / (S i (CH 3 ) 4 ) + (C 2 H 2 ) was 1 to: L 0 0%.
  • a range of 0.5 to 5 atom%, preferably 1 to 2.5 atom% is appropriate.
  • the solid lubricant layer or the lubricant resin that covers the segment grooves formed between the segment structure hard films not only covers the segment grooves but also the segment grooves. It is possible to coat 10 m or less on the surface of the structural hard film. By covering in this way, the segment structure hard film appears after the solid lubricant layer or lubricant resin on the surface of the segment structure hard film is worn out, so that the lubrication performance is improved but the wear resistance is improved. Has no effect
  • FIG. 1 A part of the composite sliding structure of the present invention is schematically shown in FIG.
  • the composite sliding structure 1 of this example is obtained by applying a diamond-like carbon film, which is a hard film, onto a silicon substrate 4 by a plasma chemical vapor deposition method using a mesh electrode.
  • the segment groove part 5 were formed by covering and synthesizing.
  • Figures 5 to 7 show a segmented structure hard film 2 consisting of a diamond-like carbon film coated and synthesized by plasma chemical vapor deposition using a mesh electrode, and a segment groove 5 formed between them. Shown in photomicrograph. As shown in these drawings, segment groove portions 5 can be formed between the segment structure hard films 2 so as to be spaced apart at a predetermined interval.
  • the segment-structured hard film 2 made of the diamond-like carbon film of this example was approximately square with one side of 20 m X 2 0; m, and the width of the segment groove part 5 was 20 m. .
  • a fluorine resin is applied to the surface on which the segment structure hard film 2 is formed and the segment groove portion 5 by a spray method, and then the fluorine resin is heated and cured to form the solid lubricating layer 3 to form a composite.
  • a sliding structure 1 was created.
  • the fluorine resin as the solid lubricating layer 5 covered both the segment structure hard film 2 and the segment groove portion 5 made of a diamond-like carbon film.
  • the segment structure hard film appears, which improves the lubrication performance but affects the wear resistance. There is nothing.
  • Composite sliding comprising segment structure hard film 2 and solid lubricating layer 5 of the present invention Structure 1 was evaluated by the pole-on-disk method.
  • the pole used for the evaluation was SUJ 2 material with a diameter of 6 mm.
  • Figure 2 shows the relationship between the friction coefficient and the sliding rotation speed of the present invention and the comparative example evaluated by the pole-on-disk method when loaded with a load of 0.5 N.
  • the result of the protective film structure including only the segment structure hard film of the same size and not including the solid lubricating layer is also shown.
  • the composite sliding structure of the present invention has a low friction coefficient and a sliding rotation of 100 O rpm compared to the protective film structure that does not include the solid lubricating layer of the comparative example.
  • the range was almost 0.1 or less.
  • the coefficient of friction of the comparative example shown in FIG. 2 is larger than 0.1 from the initial sliding rotational speed, and shows a tendency to gradually increase as the sliding rotational speed increases.
  • FIG. 3 shows the relationship between the friction coefficient and the sliding rotational speed of the present invention and the comparative example evaluated by the pole-on-disk method when loaded with a load of 1.0 N.
  • FIG. 5 shows a segment structure hard film composed of a diamond-like carbon film coated and synthesized by a plasma chemical vapor deposition method using a mesh electrode of the present invention and a segment groove, and slides up to 300 times.
  • FIG. 5 shows a segment structure hard film on the sliding friction surface until the number of sliding times is 300 times or less. Segment groove Since the sliding trace is seen when sliding on both sides, the solid lubricant remains entirely or partially on both the segment structure hard film and the segment groove.
  • FIG. 6 shows a segment structure hard film composed of a diamond-like carbon film coated and synthesized by a plasma chemical vapor deposition method using the mesh electrode of the present invention and a segment groove portion, and the microscopic view after sliding up to 800 times It is a mirror photo.
  • the composite sliding structure of the present invention is slid onto the segment structure hard film on the sliding friction surface when the number of sliding times is about 800 times or less. Since there is no trace of sliding when moved, no solid lubricant remains on the segment structure hard film, and solid lubricant remains in the segment groove.
  • the solid lubricant remains in the segment groove when the number of sliding times exceeds about 300 and not more than 800, so the segment of the comparative example It shows low friction compared to a protective film structure that does not contain solid lubricant in the groove.
  • FIG. 7 shows a segment structure hard film composed of a diamond-like carbon film coated and synthesized by a plasma chemical vapor deposition method using the mesh electrode of the present invention and a segment groove, and after sliding up to about 100 times It is a micrograph of.
  • the composite sliding structure of the present invention has a segment groove portion of the segment groove portion when the number of sliding times exceeds 800 times and reaches 1000 times. Since the solid lubricant layer does not remain, the friction coefficient tends to increase as shown in Fig. 3.
  • the bright composite sliding structure has an increased coefficient of friction when the number of sliding operations exceeds approximately 800 times. This is because the solid lubrication layer coated on the segment groove is almost worn out.
  • the solid lubricating layer in the segment groove is not worn even when the number of sliding times exceeds about 100.degree.
  • the composite sliding structure of the present invention may be worn and peeled off due to the load applied to the segment structure hard film and the solid lubricating layer. Therefore, depending on the load condition of the actual structure, The size of the structural hard film and the segment groove are determined, and the hardness of the lubricant is also determined accordingly. Examples of fluid lubrication layers
  • the fluid lubricating layer 3 ′ impregnated and filled in the segment groove portion 5 ′ of the composite sliding structure 1 ′ is either liquid oil, grease or wax. These are based on mineral oil or animal and vegetable oils. For these base oils, the ISO viscosity grade (JISK 2 0 0 1) is used and IS ⁇ VG 2 2 to VG 2 2 0 are used. These lubricating oils contain various additives, and it is desirable that these additives are uniformly dispersed in the lubricating oil. For this reason, it is necessary that the oil film of the lubricating oil be 1 to 15 m, preferably about 1 to 5 m.
  • the segment structure hard film has a thickness of 1 to 100 mm so that the depth of the segment groove 5 ′ of the composite sliding structure 1 ′ is in the range of 1 to 100 m.
  • the range is m. [0 0 6 9]
  • the composite sliding structure 1 ′ of the present invention has a segment structure hard film made of a diamond-like carbon film coated and synthesized by a plasma chemical vapor deposition method using a mesh electrode, and a segment groove portion. As shown in the micrographs of the surface of the composite sliding structure in FIGS. 5 to 7, a segment structure hard film made of a substantially square diamond-like carbon film having a side of about 20 m is formed. And each segment structure hard film is spaced apart at an interval of about 20 m.
  • the interval 0.1 m to 5 mm of the segment structure hard film provided on the sliding structure is the width of the segment groove.
  • the segment structure hard film has oil repellency depending on the synthesis conditions, and on the lower limit side where the width of the segment groove portion becomes narrow, depending on the viscosity and surface tension of the fluid lubricant, the segment groove groove portion can reach the segment groove groove portion at normal atmospheric pressure. Impregnation and filling with fluid lubricant is relatively difficult.
  • Figures 4 (a) and 4 (b) show the state of the fluid lubricant due to the difference in surface tension.
  • the fluid lubricant is preferably convex in the segment grooves as shown in Fig. 4 (b).
  • the fluid lubricant is a segment groove portion in a reduced pressure atmosphere (0.9 to 0.1 atm (about 8900 to 98 80 Pascal)). Impregnated and filled.
  • segment groove portion of the composite sliding structure containing the fluid lubricant according to the present invention is impregnated once in this manner under reduced pressure, and when it is necessary to impregnate the fluid lubricant thereafter, the reduced pressure atmosphere is set. Without atmospheric pressure The reason why it can be filled with the same type of fluid lubricant as the initial is because of the nature of the fluid lubricant with viscosity, from within the segment groove
  • the impregnation device provided with a decompression chamber of about 0.9 to 0.1 atm is a low vacuum pump, exhaust device or atmospheric adsorbent (Molecular Tube).
  • the impregnation and filling step of the composite sliding structure according to the present invention can be continuously continued by inserting the sliding structure into the apparatus successively.
  • the composite sliding structure including the fluid lubrication layer in the present invention is 0 • 1 m to 1
  • a segment structure hard film 2 having a thickness of 0 m is formed on the surface of the substrate 4.
  • segment grooves 5 spaced apart at intervals of 1 to 5 mm.
  • the segment grooves may be parallel to each other, may be grooves that intersect with each other, and may be grooves that intersect more randomly.
  • the composite sliding structure of the present invention is particularly applicable to a device that rotates at a high speed and slides at a high speed because the substrate surface is provided with a very hard segmented hard film. Further, in the composite sliding structure including the solid lubricating layer of the present invention, since the solid groove is coated on the segment groove portion, a liquid lubricant cannot be used in order to cause adhesion of surrounding dust in a dry state. Especially applicable to space equipment and ultra-precision equipment.
  • the composite sliding structure including the fluid lubrication layer according to the present invention is impregnated and filled with the fluid lubrication layer in the segment groove portion, so that it can be used in a place where it is difficult to replenish the lubricant, and maintenance. Applicable to many devices, such as the ability to plan for extended periods.

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Description

明 細 書 基体上にセグメント構造硬質膜と固体潤滑層または流体状潤滑層を 含む複合摺動構造物、 及びそれらの製造方法 技術分野
【 0 0 0 1】
本発明は、 基体上に硬質膜 （例えば、 ダイヤモンドと、 グラファ イ トと、 立方晶ポロンナイ トライ ド （ c 一 B N ) と、 六方晶ポロン ナイ トライ ド （h - B N )と、 ダイヤモンド状炭素膜 （D L C ) ) を 互いに離間して配置したセグメント構造硬質膜と、 各々のセグメン ト構造硬質膜の間に形成される固体潤滑層、 または流体潤滑層と、 の組み合わせによって形成される複合摺動構造物及びその製造方法 であって、 本発明の複合摺動構造物は、 従来のダイヤモンド状炭素 被膜を備えた基体構造物に比較して極めて優れた低摩擦係数、 耐摩 耗性、 離型性、 撥水性と撥油性、 潤滑性、 摺動性及び防湿性を備え る。 背景技術
【 0 0 0 2】
基体の表面に形成した硬質保護膜を有する回転または摺動構造物 は、 優れた低摩擦係数及び耐摩耗性を備えた構造物である。 しかし ながら、 基体の表面に形成した硬質保護膜を有する回転または摺動 構造物は、 基体の変形により基体上の硬質保護層が破断及び剥離し て、 回転または摺動するときに摺動構造物を摩耗することになる。
【 0 0 0 3】
基体の表面に形成した硬質保護膜の破断及び剥離を防止するため に、 基体と硬質保護膜の間に中間層を設けて付着力を向上させる方 法が用いられている。 この中間層を設ける方法は、 硬質被膜を設け た構造物の変形量が少ない場合には効果があるが、 変形量が大きく なると硬質保護膜の破断及び剥離が生じる。 したがって、 硬質被膜 を設けた構造物の変形量が大きなときに、 硬質保護膜の破断及び剥 離が生じることのない優れた低摩擦係数及び耐摩耗性を備えた構造 物を提供することができない。
【 0 0 0 4】
従来の工作機械などの回転面及び摺動面に設けられている油溝は 、 高度の熟練を必要とする手作業によるキサゲ加工により形成して いる。 回転面または摺動面上に幅及び長さに比較して非常に薄い深 さの刻み面を多数全面的に設けて、 これら刻み面以外の当たり面が 平面度を向上させると共にこの刻み面を油溝としている。
【 0 0 0 5】
これらの工作機械は、 この刻み面を有する回転面及び摺動面に流 体状またはグリース状の潤滑剤油脂を定期的に塗布することにより 、 この刻み面に潤滑剤油脂を残留させて、 一定期間潤滑剤を供給す ることなく潤滑及び摺動性を維持している。
【 0 0 0 6】
しかしながら、 キサゲ加工は、 手作業であるために深い油溝を形 成することができなく、 高硬度の回転面及び摺動面にキサゲにより 刻む面すなわち溝を形成することができなく、 さらにこのキサゲ加 ェは非常に高価な作業であり且つ高度の熟練を要する。
【 0 0 0 7】
また、 潤滑及び摺動を必要とする工作機械の軸受部品は、 この軸 受部品に油溝が形成されたブッシュまたはメタルライナーが軸受部 品に組み込まれる。 これらのブッシュまたはメタルライナーには、 回転軸を挿入する中心穴が開口され、 且つ中心穴の内面に油溝が形 成される。 この軸受部品は、 中心穴に挿入された回転軸が回転する 場合、 軸受部品の周囲に設けられた潤滑油貯めまたはオイルポッ ト から供給される潤滑剤または油が、 ブッシュまたはメタルライナー の中心穴の内面に設けられた油溝に注入されて、 潤滑及び摺動性が 維持される。
【 0 0 0 8】
さらに、 上記ブッシュ及びメタルライナーを粉末焼結合金で形成 し、 焼結時に形成された空孔に潤滑油脂を含浸充填させて、 潤滑及 び摺動性が維持される。
【 0 0 0 9】
上記軸受部品の油溝は、 油溝を形成する面が平面である場合は、 フライス盤でエンドミル等を用いて溝を切削加工する。 一方、 油溝 を形成する面が円筒内部である場合は、 旋盤で螺旋状の溝を切削加 ェする。 さらに、 液圧機器と溝成形型を使用する塑性加工によって 、 軸受部品の油溝が形成される。
【 0 0 1 0】
摺動構造物には潤滑性及び摺動性が必要であり、 摺動構造物は上 述の手作業または機械加工で油溝を形成している。 しかしながら、 油溝を手作業及び機械加工で形成することは、 非常に熟練を必要と し且つ時間と費用のかかる工程である。
特許文献 1 ： 特開 2 0 0 3— 1 4 7 5 2 5号公報 （特許請求の範 囲）
特許文献 2 ： 特願 2 0 0 4- 0 9 5 2 0 7号公報（特許請求の範囲
)
特許文献 3 ： 特開 2 0 0 3 - 1 4 7 5 2 5号公報 （特許請求の範 囲） 発明の開示
【 0 0 1 1】
硬質膜として使用される例えばダイヤモンド状炭素膜はダイヤモ ンドと黒鉛との中間の機械的性質を備えていて、 構造物の表面に被 覆されたダイヤモンド状炭素膜は、 優れた耐摩擦性及び耐摩耗性を 付与する。 また、 ダイヤモンド状炭素膜は室温程度の低温度で合成 被覆することが可能であり且つ、 合成被覆されたダイヤモンド状炭 素膜表面は平坦であるために、 ダイヤモンド状炭素膜は、 低い摩擦 性及び高い耐摩耗性の被膜として現在最も期待される材料である。
【 0 0 1 2】
しかし、 実用の摺動構造物に例えばダイヤモンド状炭素膜を被覆 して使用する場合、 被覆される構造物との残留応力の最適化、 密着 力の向上、 膜厚の最適化、 耐衝撃性の向上、 実際の使用環境下での 摩擦係数の低減及び耐摩耗性の向上などさまざまな条件を考慮する 必要がある。 特に、 ゴム、 プラスチック、 アルミニウムなどのよう に容易に弾性変形及び塑性変形する基体上にダイヤモンド状炭素膜 を被覆した摺動構造物の場合、 同一の変形応力に対して上記基体の 変形能より硬質膜 （例えば、 ダイヤモンド状炭素膜） の変形能が小 さいので、 基体構造物の変形により基体から硬質膜 （例えば、 ダイ ャモンド状炭素膜） が容易に破断或いは剥離に至ってしまうことが あり、 実用範囲の拡大の上で大きな技術的課題となっている。
【 0 0 1 3】
硬質膜 （例えば、 ダイヤモンド状炭素膜） を被覆した基体を含ん でなる構造物は優れた耐摩擦性及び耐摩耗性を有するが、 これらの 基体構造物を高速度の回転構造物及び摺動構造物に適用するために 、 さらに硬質膜 （例えば、 ダイヤモンド状炭素膜） を被覆した基体 でできた構造物に潤滑性及び摺動性を備えさせることが課題となつ ている。
【 0 0 1 4】
非常に硬くて、 これらの材料表面に摺動潤滑剤を含浸充填する溝 を、 手作業で加工することは不可能であり、 且つ機械加工で加工す ることも困難であった。 本発明は、 上述するような高硬度の材料部 品の表面であっても摺動潤滑剤が含浸充填される溝を形成すること 、 及びそれらの溝に種々の摺動潤滑剤を含浸充填した摺動潤滑構造 物を提供することを課題とする。
【 0 0 1 5】
上記の高硬度材料からなる基体に硬質膜 （例えば、 ダイヤモンド 状炭素） を被覆してできた構造物は優れた耐摩擦性及び耐摩耗性を 有するが、 これらの基体構造物を高速度の回転構造物及び摺動構造 物に適用するために、 さらに硬質膜 （例えば、 ダイヤモンド状炭素 ) を被覆した基体でできた構造物に潤滑性及び摺動性を備えさせる ことが課題となつている。 課題を解決するための手段
【 0 0 1 6】
上記課題の基体の変形による硬質膜の破断及び剥離を解決するた めに、 基体上に硬質膜 （例えば、 ダイヤモンド状炭素膜） を被覆す るときに、 一方向、 2方向 （碁盤目状） または無秩序に複数に区分 化した硬質膜を被覆形成することにより、 すなわち硬質膜をセグメ ント構造硬質膜とすることにより、 それぞれの被膜の間に形成され る間隙で基体自体が変形できる。 この基体自体の変形によって、 セ グメント構造硬質膜 （例えば、 ダイヤモンド状炭素膜） を備えた基 体構造物が大きな弾性変形及び塑性変形をしても、 基体上からこの 被膜が剥離することなく変形を可能にすることができる。 【 0 0 1 7】
上記課題を解決するために、 本発明においては、 固体潤滑剤を用 いる場合と、 流体状潤滑剤を用いる場合とがある。
先ず、 構造物の潤滑性及び摺動性を解決するために、 固体潤滑剤 を各々のセグメント構造硬質膜の間のセグメント溝部に被覆形成す る場合を、 以下に具体的に示す。
固体潤滑剤を用いる場合
【 0 0 1 8】
本発明の複合摺動構造物 1 は、 基体 4の表面に被覆された硬質層 を含んでなり、 前記基体の表面に前記硬質膜を互いに離間して配置 されたセグメント構造硬質膜 2 と、 各々のセグメント構造硬質膜の 間に形成されたセグメント溝部 5 とを備え、 且つ前記セグメント溝 部に被覆充填された固体潤滑層 3 を含んでなることを特徴とする。
【 0 0 1 9】
本発明の複合摺動構造物 1 を形成する固体潤滑層 3が、 熱硬化性 または熱可塑性の樹脂であって、 さらに前記樹脂がフッ素及びシリ コンからなる群の少なく とも 1種を 1 0〜 7 0原子％含むことを特 徴とする。 この場合、 1 0原子％以下では潤滑効果を満足すること ができず、 7 0原子％以上では潤滑剤層自体を脆化する。
また、 さらに樹脂は、 熱硬化性樹脂 （フエノル樹脂、 キシレン樹 脂、 フラン樹脂及びエポキシ樹脂） または熱可塑性の樹脂 （塩化ビ ニル樹脂、 ポリプロピレン樹脂、 スチロール樹脂、 AB S樹脂、 シ リコン樹脂 （例えば、 （C H3) 4— n S i C 1 n、 ここで n = 1、 2 、 3 ) 、 フッ素樹脂 （例えば、 （C F2— C F2) n、 C4 F9〇 C H3 ) ) ポリアミ ド樹脂、 ポリカーボネー卜及ぴァセタール樹脂、 ポリ フエ二レンサルファイ ド樹脂、 ポリエーテルエーテルケトン樹脂、 液晶樹脂） の少なく とも 1種とすることができる。 【 0 0 2 0】
また、 本発明の複合摺動構造物 1 を形成する固体潤滑層 3力 熱 硬化性または熱可塑性の樹脂であって、 さ らにダイヤモン ド、 ダイ ャモンド状炭素 （D L C) 、 グラフアイ ト、 立方晶ポロンナイ トラ イ ド、 六方晶ポロンナイ トライ ド、 金、 銀及びニッケルから成る群 の少なく とも 1種を好ましくは 5〜 9 5 w t %未満含んでなること を特徴とする。 この場合、 5 w t %以下では潤滑効果を満足するこ とができない。
【 0 0 2 1 】
本発明の複合摺動構造物 1 を形成する固体潤滑層 3が、 熱硬化性 または熱可塑性の樹脂であって、 さ らに前記樹脂が炭化物、 窒化物 、 炭窒化物、 酸化物、 水酸化物、 硫化物、 硼化物及び弗化物からな る群のいずれか 1種から成る群の少なく とも 1種を好ましく は 5〜
9 5 w t %未満含んでなることを特徴とする。 これらの炭化物、 窒 化物、 炭窒化物、 酸化物、 水酸化物、 硫化物、 硼化物及び弗化物か らなる群は、 ダイヤモン ド、 ダイヤモン ド状炭素 (D L C) 、 ダラ ファイ ト、 立方晶ポロンナイ トライ ド、 六方晶ポロンナイ トライ ド 、 金、 銀、 ニッケル、 力一ボンナノチューブ、 フラーレン、 窒化チ タン、 炭化チタン、 窒化クロム、 窒化珪素、 炭化珪素、 炭化タンダ ステン、 ハイ ドロキシアパタイ ト、 硫化モリブデン （ M o S 2 ) 及 び酸化チタン （T i 〇2) から成る。 この場合、 5 w t %以下では 潤滑効果を満足することができない。
【 0 0 2 2】
また、 本発明の複合摺動構造物 1 を形成する固体潤滑層 3が、 ダ ィャモン ド、 ダイヤモン ド状炭素（D L C)、 グラフアイ ト、 立方晶 ボロンナイ トライ ド （ c — B N) 、 六方晶ポロンナイ トライ ド （h- B N) 、 金、 銀及びニッケルから成る群の少なく とも 1種を含んで なることを特徴とする。 回転速度または摺動速度、 及ぶ負荷荷重を 考慮することによって、 固体潤滑層 3は、 樹脂を含まなくても十分 な潤滑効果を得ることができる。
【 0 0 2 3】
本発明の複合摺動構造物 1 を形成する固体潤滑層 3が、 炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物、 水酸化物、 硫化物、 硼化物及び弗化物 からなる群のいずれか 1種から成る群の少なく とも 1種を含んでな ることを特徴とする。 これらの炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物 、 水酸化物、 硫化物、 硼化物及び弗化物からなる群は、 ダイヤモン ド、 ダイヤモン ド状炭素 （D L C ) 、 グラフアイ ト、 立方晶ボロン ナイ トライ ド、 六方晶ポロンナイ トライ ド、 金、 銀、 ニッケル、 力 一ボンナノチューブ、 フラーレン、 窒化チタン、 炭化チタン、 窒化 クロム、 窒化珪素、 炭化珪素、 炭化タングステン、 ハイ ド口キシァ パタイ ト、 硫化モリ ブデン （M o S 2 ) 及び酸化チタン （T i 〇2 ) から成る。 回転速度または摺動速度、 及ぶ負荷荷重を考慮すること によって、 固体潤滑層 3 は、 樹脂を含まなくても十分な潤滑効果を 得ることができる。
【 0 0 2 4】
また、 本発明の複合摺動構造物 1 を形成する硬質膜からなるセグ メン ト構造硬質膜 2が、 ダイヤモン ド、 ダイヤモン ド状炭素 （D L C )、 グラフアイ ト、 立方晶ボロンナイ トライ ド （ c 一 B N ) 、 六 方晶ボロンナイ トライ ド （h - B N )、 金、 銀及びニッケルから成る 群の少なく とも 1種を含んでなることを特徴とする。
【 0 0 2 5】
本発明の複合摺動構造物 1 を形成する硬質膜からなる上記セグメ ント構造硬質膜 2は、 さ らに金、 銀、 ニッケル、 チタン、 クロム、 タングステン、 シリ コン、 カルシウム及びフッ素から成る群の少な くとも 1種を 2 5〜 7 5原子％含むことを特徴とする。 この場合、 2 5原子％以下では添加物の潤滑効果を十分満足することができず 、 7 5原子％以上では固体潤滑剤層自体の効果が低下する。
【 0 0 2 6】
本発明の複合摺動構造物 1 を形成する硬質膜からなるセグメント 構造硬質膜 2は、 ダイヤモンド、 ダイヤモンド状炭素、 グラフアイ ト、 立方晶ポロンナイ トライ ド及び六方晶ボロンナイ トライ ドから 成る群に変えて、 金、 銀、 ニッケル、 チタン、 クロム、 タンダステ ン、 シリコン、 カルシウム及びフッ素から成る群の少なく とも 1種 を選択して含有することを特徴とする。
【 0 0 2 7】
また、 本発明の複合摺動構造物 1 を形成する硬質膜からなるセグ メン卜構造硬質膜 2が、 炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物、 水酸 化物、 硫化物、 硼化物及び弗化物からなる群のいずれか 1種から成 る群の少なく とも 1種を 2 5 〜 7 5原子％含んでなることを特徴と する。 これらの炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物、 水酸化物、 硫 化物、 硼化物及び弗化物からなる群は、 ダイヤモンド、 ダイヤモン ド状炭素 （D L C ) 、 グラフアイ ト、 立方晶ポロンナイ トライ ド、 六方晶ポロンナイ トライ ド、 金、 銀、 ニッケル、 カーボンナノチュ —プ、 フラーレン、 窒化チタン、 炭化チタン、 窒化クロム、 窒化珪 素、 炭化珪素、 炭化夕ングステン、 ハイ ドロキシアパタイ ト、 硫化 モリブデン （M o S 2 ) 及び酸化チタン （T i 〇2 ) から成る。 回転 速度または摺動速度、 及ぶ負荷荷重を考慮することによって、 この 場合、 2 5原子％以下では潤滑効果を満足することができず、 7 5 原子％以上ではセグメント構造硬質膜自体の硬さが低下して、 複合 摺動構造物の耐摩耗性を低下させる。
【 0 0 2 8】 本発明の複合摺動構造物 1を形成する基体が、 金属材料、 無機材 料及び有機材料のいずれか 1種からなることを特徴とする。 基体は 一般的に使用する構造材料であって、 金属材料は単一金属又はそれ らの合金であり、 無機材料はガラス、 セラミ ック及び酸化物及び化 合物であり、 有機材料はプラスチック及び樹脂らを含む。
【 0 0 2 9】
また、 本発明の複合摺動構造物 1を形成するセグメン ト溝部 5を 形成する各々の前記セグメン卜構造硬質膜 2は、 一辺または外径が 0. l m〜 3 mmの大きさであり、 前記セグメン ト構造硬質膜の 間隔が、 0. 0 1 im〜 l mmであり、 且つ前記セグメン ト構造硬 質膜の厚さ力 l nm〜 2 0 0 / mであることを特徴とする。 この 場合、 セグメン ト構造硬質膜の一辺または外径が 0. 以下で あると、 セグメン ト構造硬質膜の付着力が低下してセグメン ト構造 硬質膜が剥離する恐れがあり、 3 mm以上であると基体の変形によ り破断及び剥離する恐れがある。 また、 セグメン ト構造硬質膜の間 隔が、 0. 0 1 j m以下であるとこの間に固体潤滑剤を十分に被覆 することができず、 十分な潤滑性を得ることができず、 且つ l mm 以上であるとセグメン ト構造硬質膜を設けた効果が小さくなつてし まう。 さらに、 セグメン ト構造硬質膜の厚さが、 l nm以下である と十分な耐摩耗性を得ることができず、 且つ 2 0 0 m以下で十分 な耐摩耗性が得られる。
【 0 0 3 0】
また、 本発明の複合摺動構造物 1を形成するセグメン ト構造硬質 膜 2の間の前記セグメン ト溝部 5を離間形成して、 変形により前記 基体 4から前記セグメン ト構造硬質膜 2の剥離を抑制することを特 徴とする。
【 00 3 1】 また、 本発明の複合摺動構造物 1 を形成する非セグメン ト構造ダ ィャモン ド膜と、 非セグメント構造窒化ポ Dン膜と、 非セグメン ト 構造ダイヤモン ド状膜と、 非セグメン ト構二 のシリ コン、 チタン、 クロム及びタングステン元素の少なく とも 1種を 3 0 〜 7 0原子％ とから成る非セグメント構造硬質膜の少な < とも 1種が、 前記セグ メント構造硬質膜の間のセグメン ト溝部上に 、 または前記セグメン ト構造硬質膜と前記セグメン ト溝部との上に 、 0 . 0 1 m〜 1 0 mの厚さで形成されることを特徴とする 上記非セグメント構造 硬質膜は、 セグメン ト構造硬質膜より薄くすることにより基体も変 形することができ、 且つセグメン ト構造硬質膜とともに耐摩耗性を 向上させるものである。
【 0 0 3 2】
上記の複合摺動構造物 1 の製造方法は、 体 4の表面上に硬質膜 を互いに離間して被覆されるセグメント構造硬質膜 2 を、 物理的気 相成長法または化学的気相成長法により被覆形成し、 且つ前記セグ メン ト構造硬質膜 2の間に離間して配置するセグメン ト溝部 5 に固 体潤滑層 3 を被覆する、 ことを特徴とする
【 0 0 3 3】
また、 上記の複合摺動構造物 1 の製造方法は 、 基体 4の表面上に 被覆される非セグメン ト構造硬質膜と、 前記非セグメント構造硬質 膜の表面上に硬質膜を互いに離間して被覆されるセグメン ト構造硬 質膜 2 とを、 物理的気相成長法または化学的気相成長法により被覆 形成し、 且つ前記セグメン ト構造硬質膜 2の間に離間して配置する セグメン ト溝部 5 に固体潤滑層 3 を被覆する、 ことを特徴とする。 流体状潤滑剤を用いる場合
【 0 0 3 4】
本発明の流体状潤滑剤を含む複合摺動構造物に関して、 以下に具 体的に説明する。
本発明の高硬度を有する流体状潤滑剤を含む複合摺動構造物は、 優れた低摩擦係数及び耐摩耗性を付与するために構造物表面に硬質 膜が被覆形成される。 さらに本発明の複合摺動構造物は、 摺動及び 潤滑性を備えるために、 構造物表面に硬質膜 （例えば、 ダイヤモン ド状炭素膜） を被覆するときに、 1方向、 2方向 （碁盤目状） また は無秩序に複数に区分化したセグメント構造硬質膜を被覆形成する ことにより、 各セグメント構造硬質膜の間に所定間隔を有する溝を 設けて、 この溝に流体状潤滑剤を含浸充填する。
本発明の上記のそれぞれの課題は、 具体的には次に示す手段によ り解決する。
【 0 0 3 5】
本発明の流体状潤滑層を含む複合摺動構造物 1 ' は、 基体 4 ' の 表面に被覆された硬質膜を含んで成り、 前記基体の表面に前記硬質 膜を互いに離間して配置されたセグメント構造硬質膜 2 ' と、 各々 のセグメント構造硬質膜 2 ' 、 2 ' の間に形成されたセグメント溝 部 5 ' とを備え、 且つ前記セグメント溝部に含浸充填された液体油 、 グリースまたはワックスのいずれか一つからなる流体状潤滑層 3 ' を含んで成ることを特徴とする。
【 0 0 3 6】
本発明の複合摺動構造物 1 ' を形成する流体状潤滑層 3 ' は、 鉱 物油または動植物油を基油とすることを特徴とする。
【 0 0 3 7】
本発明の複合摺動構造物 1 ' を形成する流体状潤滑層 3 ' は、 ダ ィャモンド、 ダイヤモンド状炭素、 グラフアイ ト、 立方晶ポロンナ ィ トライ ド及ぴ六方晶ポロンナイ トライ ドから成る群の少なく とも 1種から成り、 且つ金、 銀及びニッケルから成る群の少なく とも 1 種を 5〜 9 5 w t %未満含んでなることを特徴とする。 この場合、 5 w t %以下では潤滑効果を満足することができず、 9 5 w t %以 上では流体状潤滑剤層と添加物との相乗効果を低下させることにな る。
【 0 0 3 8】
さ らに、 本発明の複合摺動構造物 1 ' を形成する流体状潤滑層 3 ' は、 炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物、 水酸化物、 硫化物、 硼 化物及び弗化物からなる群のいずれか 1種から成る群の少なく とも 1種を 5〜 9 5 w t %未満含んでなることを特徴とする。 これらの 炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物、 水酸化物、 硫化物、 硼化物及 び弗化物からなる群は、 チタン、 クロム、 タングステン及び珪素の 炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物であり、 且つ水酸化物、 硫化物 、 硼化物及び弗化物はカーボンナノチューブ、 フラーレン、 ハイ ド ロキシアパタイ ト、 硫化モリブデン （ M o S 2 ) から成る。 この場 合、 5 w t %以下では潤滑効果を満足することができず、 9 5 w t %以上では流体状潤滑剤層と添加物との相乗効果を低下させること になる。
【 0 0 3 9 】
本発明の複合摺動構造物 1 ' を形成する硬質膜からなるセグメン ト構造硬質膜 2 ' は、 ダイヤモンド、 ダイヤモン ド状炭素、 グラフ アイ ト、 立方晶ボロンナイ トライ ド及び六方晶ポロンナイ トライ ド から成る群の少なく とも 1 種を選択して含有することを特徴とする
【 0 0 4 0】
本発明の複合摺動構造物 1 ' を形成する硬質膜からなる上記セグ メン ト構造硬質膜 2 ' は、 さ らに金、 銀、 ニッケル、 チタン、 クロ ム、 タングステン、 シリコン、 カルシウム及びフッ素から成る群の 少なく とも 1種を 2 5〜 7 5原子％含むことを特徴とする。 この場 合、 2 5原子％以下では添加物の潤滑効果を十分満足することがで きず、 7 5原子％以上では流体状潤滑剤層自体の効果が低下する。
【 0 0 4 1】
本発明の複合摺動構造物 1 ' を形成する硬質膜からなるセグメン ト構造硬質膜 2 ' は、 ダイヤモンド、 ダイヤモンド状炭素、 グラフ アイ ト、 立方晶ポロンナイ トライ ド及び六方晶ボロンナイ トライ ド から成る群に変えて、 金、 銀、 ニッケル、 チタン、 クロム、 タンダ ステン、 シリコン、 カルシウム及びフッ素から成る群の少なく とも 1種を選択して含有することを特徴とする。
【 0 0 4 2】
本発明の複合摺動構造物 1 ' を形成する硬質膜からなるセグメン ト構造硬質膜 2は、 炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物、 水酸化物 、 硫化物、 硼化物及び弗化物から成る群のいずれか 1種を 2 5〜 7 5原子％含んで成ることを特徴とする。 これらの炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物、 水酸化物、 硫化物、 硼化物及び弗化物からなる 群は、 チタン、 クロム、 タングステン及び珪素の炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物であり、 且つ水酸化物、 硫化物、 硼化物及び弗化 物はカーボンナノチューブ、 フラーレン、 ハイ ドロキシアパタイ ト 、 硫化モリブデン （M o S 2 ) から成る。 この場合、 2 5原子％以 下では潤滑効果を満足することができず、 9 5原子％以上では流体 状潤滑剤層と添加物との相乗効果を低下させることになる。
【 0 0 4 3】
本発明の複合摺動構造物 1 ' を形成する基体 4 ' は、 金属材料、 無機材料及び有機材料のいずれか 1種からなることを特徴とする。 基体は一般的に使用する構造材料であって、 金属材料は単一金属又 はそれらの合金であり、 無機材料はガラス、 セラミック及び酸化物 及び化合物であり、 有機材料はプラスチック及び樹脂等を含む。
【 0 0 4 4】
また、 本発明の複合摺動構造物 1 ' を形成するセグメン ト溝部 5 ' を形成する各々のセグメン ト構造硬質膜 2 ' は、 一辺または外径 が 0. 1 m〜 3 mmの大きさであり、 前記セグメン ト構造硬質膜 の間隔が、 0. l x m〜 5 mmであり、 且つ前記セグメン ト構造硬 質膜の厚さが、 0. l /im〜 1 0 0 ; mであることを特徴とする。
この場合、 セグメン ト構造硬質膜の一辺または外径が 0. 1 z m 以下であると、 セグメント構造硬質膜の付着力が低下してセグメン 卜構造硬質膜が剥離する恐れがあり、 3 mm以上であると基体の変 形により破断及び剥離する恐れがある。 また、 セグメン ト構造硬質 膜の間隔が、 0. 0 1 m以下であるとこの間に流体状潤滑剤を十 分に含浸することができず、 十分な潤滑性を得ることができず、 且 つ 5 mm以上ではセグメント構造硬質膜を設けた効果が小さくなつ てしまう。 さ らに、 セグメン ト構造硬質膜の厚さが、 0. l ^m以 下であるとこの厚みと同等の各種添加剤が混入されている流体潤滑 剤の効果が得ることができず、 且つ 1 0 0 xm以上にすると被覆に 時間がかかり費用の増加をもたらす。
【 0 0 4 5】
また、 本発明の複合摺動構造物 1 ' は、 前記セグメン ト構造硬質 膜 2 ' の間の前記セグメント溝部 5 ' を離間形成して、 変形により 前記基体 4 ' から前記セグメント構造硬質膜 2 ' の剥離を抑制する ことを特徴とする。
【 0 0 4 6】
また、 本発明の複合摺動構造物 1 ' は、 非セグメン ト構造ダイヤ モンド膜と、 非セグメント構造ダイヤモン ド状炭素膜と、 非セグメ ン ト構造立方晶ポロンナイ トライ ドと、 非セグメン ト構造六方晶ポ ロンナイ 卜ライ ドと、 非セグメン ト構造のシリ コン、 チタン、 ク ロ ム及びタングステンの元素の少なく とも 1種を 3 0 〜 7 0原子％含 む前記非セグメン ト構造のいずれか 1種の硬質膜と、 から成る群の 少なく とも 1種が、 前記セグメン ト構造硬質膜の間のセグメン ト溝 部上に、 または前記セグメン ト構造硬質膜と前記セグメン ト溝部と の上に、 0 . O l m〜 5 0 mの厚さで形成されることを特徴と する。 上記非セグメント構造硬質膜は、 セグメン ト構造硬質膜より 薄くすることにより基体も変形することができ、 且つセグメン ト構 造硬質膜とともに耐摩耗性を向上させるものである。
【 0 0 4 7 】
上記の複合摺動構造物 1 ' の製造方法は、 基体 4 ' の表面上に硬 質膜を互いに離間して被覆されるセグメント構造硬質膜 2 ' を、 物 理的気相成長法または化学的気相成長法により被覆形成し、 且つ前 記セグメン ト構造硬質膜の間に形成されたセグメン ト溝部 5 ' 内に 含浸充填させる流体状潤滑層 3 ' を、 減圧、 常圧及び高圧の少なく とも一つの雰囲気中で含浸充填する、 ことを特徴とする。
【 0 0 4 8 】
さ らに、 上記の複合摺動構造物 1 ' の製造方法は、 基体 4 ' の表 面上に被覆される前記非セグメン 卜構造硬質膜と、 前記非セグメン 卜構造硬質膜の表面上に互いに離間して形成されるセグメント構造 硬質膜 2 ' とを、 物理的気相成長法または化学的気相成長法により 被覆形成し、 且つ、 前記セグメン ト構造硬質膜 2 の間に離間して配 置するセグメント溝部 5 ' に含浸させる流体状潤滑層 3 ' を、 減圧 、 常圧及び高圧の少なく とも一つの雰囲気中で含浸充填することを 特徴とする。 発明の効果 【 0 0 4 9】
基体上に被覆形成されたセグメ ト構造硬質膜と、 各硬質膜で形 成されるセグメント構造硬質膜の間の形成されたセグメント溝部に 被覆充填された個体潤滑剤または流体状潤滑剤と、 を含んで成る本 発明の複合摺動構造物は、 セグメント溝部が形成されない従来技術 及びセグメント溝部に潤滑剤が被覆または含浸されていない従来技 術の保護膜を有する摺動構造物に比較して、 摩擦係数が 0 . 1以下 という優れた安定性が得られた。
【 0 0 5 0】
また、 本発明の複合摺動構造物は、 固体潤滑層または流体状潤滑 剤が複合されていない従来技術の保護膜を有する摺動構造物に比較 して、 非常に優れた耐摩耗性、 離型性、 撥水性と撥油性、 及び防湿 性が得られた。 図面の簡単な説明
【 0 0 5 1 】
図 1 は、 本発明の固体潤滑剤または流体状潤滑剤を有する複合摺 動構造物の一部を模式的に示す図である。
図 2は、 0 . 5 Nの負荷荷重のときのポールオンディスク法によ り評価した本発明の固体潤滑剤を有する複合摺動構造物と比較例の 摩擦係数と摺動回数との関係を示す。
図 3は、 1 Nの負荷荷重のときのポールオンディスク法により評 価した本発明の固体潤滑剤を有する複合摺動構造物と比較例の摩擦 係数と摺動回数との関係を示す。
図 4は、 表面張力の相違による流体状潤滑剤のセグメント溝部で の状態を示し、 本発明の流体状潤滑剤が凹の状態を （ a ) に示し且 っ凸の状態を （b ) に示す。 図 5 は、 本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法 により被覆合成したダイヤモン ド状炭素膜からなるセグメン ト構造 硬質膜とセグメン ト溝部とを示し、 3 0 0 回までの摺動をした後の 顕微鏡写真である。
図 6 は、 本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法 により被覆合成したダイヤモン ド状炭素膜からなるセグメン ト構造 硬質膜とセグメン ト溝部とを示し、 8 0 0 回までの摺動をした後の 顕微鏡写真である。
図 7 は、 本発明のメ ッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法 により被覆合成したダイヤモン ド状炭素膜からなるセグメン ト構造 硬質膜とセグメン ト溝部とを示し、 1 0 0 0 回までの摺動をした後 の顕微鏡写真である。 発明を実施するための最良の形態
固体潤滑層の実施例
【 0 0 5 2】
本発明の複合摺動構造物においては、 硬質層と固体潤滑剤層から なる複合摺動膜は、 化学気相成長法 （プラズマ、 光及びレーザ C V D法） 、 スパッタ リ ング法 （直流、 高周波、 マグネ トロン及びィォ ンスパッタリング） 及び物理気相成長法 （真空及び低圧雰囲気蒸着 法） によ り被覆形成されるが、 特に好ましい方法は、 プラズマ化学 気相成長法である。
【 0 0 5 3】
本発明の複合摺動構造物の一方を形成するセグメン ト構造硬質膜 ( D L C ) は、 一辺または外径が 0 . 1 m〜 3 m mの範囲内であ り、 セグメント構造硬質膜とセグメン ト構造硬質膜の間の間隔が 0 . 0 1 m〜 l m mであり、 且つセグメン ト構造硬質膜の厚みが. 1 n m〜 2 0 0 mである。 好ましく はセグメント構造硬質膜が、 一 辺が 2 0 X m X 2 0 mで、 間隔力 2 0 mで、 厚みが 2 0 0 n m のマイクロセグメン ト構造硬質膜を基体上に被覆し、 溝部にフッ素 を含む樹脂をスプレー塗布した後に 6 0〜 3 0 0 °C (好ましくは 1 3 0〜 2 0 0 °C) で焼成する。 このようにして、 硬質膜とフッ素樹 脂とから成る複合保護膜が基体上に形成されて複合摺動構造物とな る。
【 0 0 5 4】
この硬質膜とフッ素樹脂とから成る複合保護膜及び基体とから形 成された複合摺動構造物は、 セグメン ト構造硬質膜が鉄鋼材料をは じめとする多く の金属などの材料に被覆した場合に、 空気中できわ めて低い摩擦係数 （ 2 = 0. 1未満） を有する。 しかもこのセグメ ン卜構造硬質膜は、 セグメント構造硬質膜の特徴である変形能の高 い特徴を維持しつつ、 ガスバリア性、 離型性、 撥水性および化学安 定性を有する。
【 0 0 5 5】
さ らに、 本発明においては、 各セグメン ト構造硬質膜に、 シリ コ ンまたはフッ素を含ませるのが好ましい。 このセグメン ト構造硬質 膜にシリコンを含ませる場合、 テトラメチルシラン、 （ S i (C H 3) 4) を、 （ S i (C H3) 4) / ( S i ( C H3) 4) + (C2 H2) = 0. 0 9程度すなわち S i を Cの約 1 0原子％程度流入させるの が好ましい。 また、 このセグメン ト構造硬質膜にフッ素を含ませる 場合、 （C F4) / (C F4) + ( C2H2) = 0. 5程度すなわち F を Cの約 5 0原子％程度で流入させるのが好ましい。 この固体潤滑 層はフッ素を含む潤滑樹脂であってもよい。
【 0 0 5 6】
各セグメン ト構造硬質膜の間に形成されるセグメン 卜溝部に被覆 する固体潤滑層または潤滑剤樹脂は、 セグメン ト溝部に被覆するだ けでなくて、 セグメン ト構造硬質膜の表面上に 1 0 Ai m以下被覆す ることができる。 このように被覆することによって、 セグメント構 造硬質膜の表面上の固体潤滑層または潤滑剤樹脂が摩滅した後に、 セグメン ト構造硬質膜が出現するので、 潤滑性能が向上するが耐摩 耗性に影響を及ぼすことはない。
【 0 0 5 7】
また、 本発明においては、 各セグメン ト構造硬質膜の間に形成さ れるセグメン ト溝部に被覆する固体潤滑層に、 フッ素樹脂以外を含 ませることができる。 すなわち、 テ 卜ラメチルシラン、 ( S i ( C H3) 4 ) + ( C2 H2) で合成したシリ コン系の樹脂をセグメント溝 部に被覆充填する。 （ S i (C H3) 4) / ( S i (C H3) 4) + ( C 2 H 2 ) の流量比は、 1〜： L 0 0 %で実験を行ったが、 S i / Cが 0. 5〜 5原子％好ましくは 1〜 2. 5原子％の範囲が適切である
【 0 0 5 8】
上述のフッ素樹脂の場合と同様に、 各セグメン ト構造硬質膜の間 に形成されるセグメン ト溝部に被覆する固体潤滑層または潤滑剤樹 脂は、 セグメン ト溝部に被覆するだけでなくて、 セグメン ト構造硬 質膜の表面上に 1 0 m以下被覆することができる。 このように被 覆することによって、 セグメン ト構造硬質膜の表面上の固体潤滑層 または潤滑剤樹脂が摩滅した後に、 セグメント構造硬質膜が出現す るので、 潤滑性能が向上するが耐摩耗性に影響を及ぼすことはない
【 0 0 5 9】
実施例 1
複合摺動構造物のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法 本発明の複合摺動構造物の一部を、 図 1 に模式的に示す。 本実施 例の複合摺動構造物 1 は、 メッシュ電極を用いたプラズマ化学気相 成長法により、 シリ コン基体の基体 4上に硬質膜であるダイヤモン ド状炭素膜を、 セグメン ト構造硬質膜 2 とセグメン ト溝部 5 を形成 するように被覆合成して形成した。 メッシュ電極を用いたプラズマ 化学気相成長法により被覆合成したダイヤモン ド状炭素膜からなる セグメント構造硬質膜 2 と、 それらの間に形成されるセグメン ト溝 部 5 とを、 図 5〜図 7 に顕微鏡写真で示す。 これらの図に示される よう に、 各々のセグメン ト構造硬質膜 2 の間に所定の間隔で離間配 置するセグメン ト溝部 5 を形成することができる。 本実施例のダイ ャモンド状炭素膜からなるセグメン ト構造硬質膜 2 は、 1辺が 2 0 m X 2 0 ； mのほぼ正方形であり、 且つセグメン ト溝部 5 の幅は 2 0 mであった。
【 0 0 6 0 】
その後、 セグメン ト構造硬質膜 2 を形成する表面及びセグメント 溝部 5に、 スプレー方式でフッ素樹脂を塗布して、 さ らにその後、 フッ素樹脂を加熱硬化させて固体潤滑層 3 を形成して、 複合摺動構 造物 1 を作成した。 上記塗布の際に、 固体潤滑層 5であるフッ素樹 脂が、 ダイヤモン ド状炭素膜からなるセグメン ト構造硬質膜 2 とセ グメント溝部 5 との双方を全面的に覆った。 しかし上述したように 、 セグメン ト構造硬質膜の表面上の固体潤滑層または潤滑剤樹脂が 摩滅した後に、 セグメン ト構造硬質膜が出現するので、 潤滑性能を 向上させるが耐摩耗性に影響を及ぼすことはない。
【 0 0 6 1 】
実施例 2
複合摺動構造物の特性評価
本発明のセグメン ト構造硬質膜 2 と固体潤滑層 5 を含む複合摺動 構造物 1 を、 ポールオンディスク法により評価した。 評価に使用し たポールは直径 6 m mの S U J 2材を使用した。 図 2に、 0 . 5 N の荷重で負荷した場合のポールオンディスク法により評価した本発 明と比較例の摩擦係数と摺動回転数の関係を示す。 比較例として同 じ大きさのセグメント構造硬質膜のみを含み固体潤滑層を含まない 保護膜構造物の結果も併記した。
【 0 0 6 2】
図 2 に示すように、 本発明の複合摺動構造物は、 比較例の固体潤 滑層を含まない保護膜構造物に比較して、 摩擦係数が低くて 1 0 0 O r p mの摺動回転数までほぼ 0 . 1以下の範囲であった。 一方、 図 2に示す比較例の摩擦係数は、 初期の摺動回転数から 0 . 1 より 大きく、 且つ摺動回転数の増加とともに次第に増加する傾向を示す
【 0 0 6 3】
大きな荷重を負荷した場合の本発明の複合摺動構造物の摩擦係数 の変動傾向を調べた。 図 3 に、 1 . 0 Nの荷重で負荷した場合のポ —ルオンディスク法により評価した本発明と比較例の摩擦係数と摺 動回転数の関係を示す。
【 0 0 6 4】
本発明の複合摺動構造物は、 図 2及び図 3 に示すように摺動回数 が 3 0 0回程度では摩擦係数は 0 . 1以下でほとんど変化すること はない。 図 5は、 本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相 成長法により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメン ト構造硬質膜とセグメント溝部とを示し、 3 0 0回までの摺動をし た後の顕微鏡写真である。 図 5の複合摺動構造物の表面の顕微鏡写 真に示すように、 本発明の複合摺動構造物は、 摺動回数が 3 0 0回 以下までは、 摺動摩擦面のセグメント構造硬質膜とセグメント溝部 との双方に摺動したときの摺動跡が見られるので、 セグメント構造 硬質膜とセグメント溝部との双方の上に全面的または部分的に固体 潤滑剤が残留している。
【 0 0 6 5】
図 6は、 本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法 により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造 硬質膜とセグメント溝部とを示し、 8 0 0回まで摺動した後の顕微 鏡写真である。 図 6の複合摺動構造物の表面の顕微鏡写真に示すよ うに、 本発明の複合摺動構造物は、 摺動回数が約 8 0 0回以下では 、 摺動摩擦面のセグメント構造硬質膜に摺動したときの摺動跡が見 られないので、 セグメント構造硬質膜上に固体潤滑剤が残留せず、 セグメント溝部に固体潤滑剤が残留している。 すなわち、 本発明の 複合摺動構造物は、 摺動回数が約 3 0 0回を越えて 8 0 0回以下で は、 セグメント溝部に固体潤滑剤が残留しているので、 比較例のセ グメント溝部に固体潤滑剤を含まない保護膜構造物に比較して、 低 摩擦であることが示される。
【 0 0 6 6】
図 7は、 本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法 により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造 硬質膜とセグメント溝部とを示し、 約 1 0 0 0回まで摺動した後の 顕微鏡写真である。 図 7の複合摺動構造物の表面の顕微鏡写真に示 すように、 本発明の複合摺動構造物は、 摺動回数が 8 0 0回を越え 1 0 0 0回に達するとセグメント溝部の固体潤滑層も残留していな いので図 3 にも示されるように摩擦係数が上昇する傾向を示す。
【 0 0 6 7】
図 3に示す 1 Nの負荷荷重のときのポールオンディスク法により 評価した本発明と比較例の摩擦係数と摺動回数との関係から、 本発 明の複合摺動構造物は、 摺動回数が約 8 0 0回を越えると摩擦係数 が上昇している。 このことは、 セグメント溝部に被覆された固体潤 滑層がほとんど摩滅したためである。 しかしながら、 図 2に示す 0 . 5 Nの負荷荷重のときのポールオンディスク法により評価した本 発明と比較例の摩擦係数と摺動回数との関係から、 本発明の 0 . 5 Nの負荷荷重のときの複合摺動構造物は、 摺動回数が約 1 0 0 0回 を越えても、 セグメント溝部の固体潤滑層が摩滅していない。 これ は、 荷重条件の相違により、 接触面積及び固体潤滑層に負荷される 応力が変化することに依存している。 したがって、 本発明の複合摺 動構造物は、 セグメント構造硬質膜と固体潤滑層に負荷される荷重 によって、 摩滅及び剥離が生じることが考えられるので、 実際の構 造物の負荷条件に応じて、 セグメント構造硬質膜とセグメント溝部 の大きさを決定し、 且つ潤滑剤の硬さもそれによつて決定する。 流体状潤滑層の実施例
【 0 0 6 8】
本発明の流体状潤滑層を含む複合摺動構造物においては、 複合摺 動構造物 1 ' のセグメント溝部 5 ' に含浸充填させる流体状潤滑層 3 ' は、 液体油、 グリースまたはワックスのいずれか一つであり、 これらは鉱物油または動植物油を基油とする。 これらの基油とする 潤滑油は I S O粘度グレード （ J I S K 2 0 0 1 ) の表示で I S 〇 V G 2 2〜V G 2 2 0までを使用する。 また、 これらの潤滑油 には種々の添加剤が含まれるが、 これらの添加剤が均一に潤滑油内 に分散されていることが望ましい。 このため潤滑油の油膜が 1 〜 1 5 m好ましくは 1〜 5 m程度にすることが必要である。 この油 膜の厚みに基づいて、 複合摺動構造物 1 ' のセグメント溝部 5 ' の 深さを 1〜 1 0 0 mの範囲とするために、 セグメント構造硬質膜 の厚みが 1〜 1 0 0 mの範囲となる。 【 0 0 6 9】
実施例 3
本発明の複合摺動構造物 1 ' は、 メッシュ電極を用いたプラズマ 化学気相成長法により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなる セグメント構造硬質膜と、 セグメント溝部とを有する。 図 5〜図 7 の複合摺動構造物の表面の顕微鏡写真に示すように、 一辺が約 2 0 mのほぼ正方形のダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造 硬質膜が形成されている。 そして、 各々のセグメント構造硬質膜は 、 約 2 0 mの間隔で離間配置している。
【 0 0 7 0】
実施例 4
摺動構造物のセグメント溝部への給油方法
上述のように摺動構造物に設けられたセグメント構造硬質膜の間 隔 0 . 1 m〜 5 m mは、 セグメント溝部の幅である。 セグメント 構造硬質膜は合成条件によって撥油性があり、 且つこのセグメント 溝部の幅が狭くなる下限側では、 流体潤滑剤の粘性及び表面張力に 大きさによっては、 通常の大気圧ではセグメン卜溝部への流体状潤 滑剤の含浸充填が比較的困難となる。 表面張力の相違による流体状 潤滑剤の状態を図 4 ( a ) 及び （ b ) に示す。 流体状潤滑剤は、 図 4の （b ) に示すようにセグメント溝部で凸の状態になるのが好ま しい。 この流体状潤滑剤の含浸充填を容易にするために、 流体状潤 滑剤特にグリースは減圧雰囲気中 （ 0 . 9〜 0 . 1気圧 （約 8 9 0 0〜 9 8 0パスカル） ） でセグメント溝部に含浸充填する。
【 0 0 7 1】
本発明の流体状潤滑剤を含む複合摺動構造物のセグメント溝部は 、 1回このように減圧して含浸することにより、 その後流体状潤滑 剤の含浸が必要なときは、 減圧雰囲気にすることなく大気圧雰囲気 中で初期と同種の流体状潤滑剤を充填することができる しの理由 は、 粘度のある流体状潤滑剤の性質により 、 セグメン 溝部内から
、
流体状潤滑剤が完全に流出することがないので、 セグメノ 溝部が 流体状潤滑剤でぬれているからである。
【 0 0 7 2】
なお、 0 . 9 〜 0 . 1気圧程度の減圧室を設けた含浸装置は、 低 真空用ポンプ、 排気装置或いは大気吸着剤 (モリキュラ一チユーブ
) を利用して十分に排気することができる 。 この 0 . 9 〜 0 . 1 5¾ 圧程度の減圧室は、 大気を完全に遮断することは必要な < 、 セグメ ン卜溝部で大気と流体状潤滑剤の置換ができればよい したがつて
、 本発明の複合摺動構造物の含浸充填工程は、 順次連続的に装置に 摺動構造物を挿入して含浸工程を続けることができる
【 0 0 7 3】
実施例 5
セグメント構造硬質膜の寸法とセグメント溝部の交差形状 本発明に流体状潤滑層を含む複合摺動構造物は、 0 • 1 m〜 1
0 0 mの厚みのセグメント構造硬質膜 2が基体 4の表面上に 0 .
1 m〜 5 m mの間隔で離間配置したセグメント溝部 5 を形成する ことにより優れた耐摩耗性が備わる。 セグメント溝部は 、 互いに並 行の溝部であっても、 また互いに交差する溝部であつて 、 さらに 無秩序に交差する溝部であってもよい。
産業上の利用可能性
【 0 0 7 4】
本発明の複合摺動構造物は、 基体表面に非常に硬い硬質膜のセグ メント構造硬質膜が備わるので、 特に、 高速回転及び高速摺動する 装置に適用される。 また、 本発明の固体潤滑層を含む複合摺動構造物は、 セグメン ト 溝部に固体潤滑層が被覆されるので乾燥状態で、 周囲の塵芥付着を もたらすため液状潤滑剤を用いることができない、 航空宇宙用装置 及び超精密装置に特に適用される。
さ らに、 本発明の流体状潤滑層を含む複合摺動構造物は、 セグメ ン ト溝部に流体状潤滑層が含浸充填されるので、 潤滑剤を補給し難 い場所での使用や、 メンテナンス時期の延長を計画できるなど、 多 くの装置に適用される。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 基体の表面に被覆された硬質層を含んでなる複合摺動構造物 であって、
前記基体の表面に前記硬質膜を互いに離間して配置されたセグメ ント構造硬質膜と、 各々のセグメン 卜構造硬質膜の間に形成された セグメント溝部とを備え、 且つ
前記セグメン ト溝部に被覆充填された固体潤滑層、 または前記セ グメント溝部に含浸充填された流体状潤滑層、 を含むことを特徴と する複合摺動構造物。
2 . 前記固体潤滑層が、 熱硬化性または熱可塑性の樹脂であって 、 さ らに前記樹脂がフッ素及びシリコンからなる群の少なく とも 1 種を 1 0〜 7 0原子％含むことを特徴とする請求項 1記載の複合摺 動構造物。
3 . 前記流体状潤滑層が、 鉱物油または動植物油を基油とする液 体油、 グリースまたはワックスのいずれか少なく とも 1種を含むこ とを特徴とする請求項 1記載の複合摺動構造物。
4 . 前記固体潤滑層、 または前記流体状潤滑層が、 さ らにダイヤ モン ド、 ダイヤモン ド状炭素、 グラフアイ ト、 立方晶ポロンナイ ト ライ ド、 六方晶ポロンナイ トライ ド、 金、 銀、 ニッケル、 タングス テン、 チタン、 クロム、 シリコン、 カルシウム及びフッ素から成る 群の少なく とも 1種を 5〜 9 5 w t %未満含んでなることを特徴と する請求項 1〜 3 のいずれか 1項に記載の複合摺動構造物。
5 . 前記固体潤滑層、 または前記流体状潤滑層が、 さ らに炭化物 、 窒化物、 炭窒化物、 酸化物、 水酸化物、 硫化物、 硼化物及び弗化 物からなる群のいずれか 1種から成る群の少なく とも 1種を 5〜 9 5 w t %未満含んでなることを特徴とする請求項 1〜 4のいずれか 1項に記載の複合摺動構造物。
6 . 前記固体潤滑層が、 ダイヤモン ド、 ダイヤモン ド状炭素、 グ ラフアイ ト、 立方晶ボロンナイ トライ ド、 六方晶ポロンナイ トライ ド、 金、 銀、 ニッケル、 タングステン、 チタン、 クロム、 シリ コン 、 カルシウム及びフッ素から成る群の少なく とも 1種を含んでなる ことを特徴とする請求項 1 に記載の複合摺動構造物。
7 . 前記固体潤滑層が、 さ らに炭化物、 窒化物、 炭窒化物、 酸化 物、 水酸化物、 硫化物、 硼化物及び弗化物からなる群のいずれか 1 種から成る群の少なく とも 1種を含んでなることを特徴とする請求 項 1 または 6 に記載の複合摺動構造物。
8 . 前記セグメン ト構造硬質膜が、 ダイヤモンド、 ダイヤモン ド 状炭素、 グラフアイ ト、 立方晶ポロンナイ トライ ド及び六方晶ポロ ンナイ トライ ドから成る群の少なく とも 1種であることを特徴とす る請求項 1〜 7 のいずれか 1項に記載の複合摺動構造物。
9 . 前記セグメン ト構造硬質膜が、 金、 銀、 ニッケル、 チタン、 クロム、 タングステン、 シリ コン、 カルシウム及びフッ素から成る 群の少なくとも 1種を 2 5〜 7 5原子％含むことを特徴とする請求 項 8 に記載の複合摺動構造物。
1 0 . 前記セグメン ト構造硬質膜が、 金、 銀、 ニッケル、 チタン 、 クロム、 タングステン、 シリコン、 カルシウム及びフッ素から成 る群の少なく とも 1種であることを特徴とする請求項 1 〜 7のいず れか 1項に記載の複合摺動構造物。
1 1 . 前記セグメン ト構造硬質膜が、 炭化物、 窒化物、 炭窒化物 、 酸化物、 水酸化物、 硫化物、 硼化物及び弗化物から成る群のいず れか 1種を 2 5〜 7 5原子％含んで成ることを特徴とする請求項 8 〜 1 0 のいずれか 1項に記載の複合摺動構造物。
1 2 . 前記基体が、 金属材料、 無機材料及び有機材料のいずれか 1種からなることを特徴とする請求項 1〜 1 1のいずれか 1項に記 載の複合摺動構造物。
1 3. 前記セグメント溝部を形成する各々の前記セグメント構造 硬質膜は、 一辺または外径が 0. 1 ^m〜 3 mmの大きさであり、 前記セグメント構造硬質膜の間隔が、 0. O l ^m l mmであ り、 且つ
前記セグメント構造硬質膜の厚さが、 l n m〜 2 0 0 /imである ことを特徴とする請求項 1〜 1 2のいずれか 1項に記載の複合摺動 構造物。
1 4. 前記セグメント構造硬質膜の間の前記セグメント溝部を離 間形成して、 変形により前記基体から前記セグメント構造硬質膜の 剥離を抑制することを特徴とする請求項 1〜 1 3のいずれか 1項に 記載の複合摺動構造物。
1 5. 非セグメント構造ダイヤモンド膜と、 非セグメント構造ダ ィャモンド状炭素膜と、 非セグメント構造立方晶ポロンナイ トライ ド幕と、 非セグメント構造六方晶ポロンナイ トライ ド膜と、 非セグ メント構造のシリコン、 チタン、 クロム及びタングステンの元素の 少なく とも 1種を 3 0〜 7 0原子％とから成る非セグメント構造の いずれか 1種の硬質膜と、 からなる群の少なく とも 1種が、 前記セ グメント構造硬質膜の間のセグメント溝部上に、 または前記セグメ ント構造硬質膜と前記セグメント溝部との上に、 0. 0 1〜 5 0 m好ましくは 0. 0 1〜 1 0 mの厚さで形成されることを特徴と する請求項 1〜 1 4のいずれか 1項に記載の複合摺動造物。
1 6. 請求項 1〜 1 4のいずれか 1項に記載する複合摺動構造物 の製造方法であって、
基体の表面上に硬質膜を互いに離間して被覆されるセグメント構 造硬質膜を、 物理的気相成長法または化学的気相成長法により被覆 形成し、 且つ
前記セグメン ト構造硬質膜の間に離間して配置するセグメン ト溝 部に固体潤滑層を被覆すること、 または流体状潤滑層を含浸するこ とを特徴とする複合摺動構造物の製造方法。
1 7 . 請求項 1 5 に記載する複合摺動構造物の製造方法であって 基体の表面上に被覆される非セグメン ト構造硬質膜と、 前記非セ グメント構造硬質膜の表面上に硬質膜を互いに離間して被覆される セグメン ト構造硬質膜とを、 物理的気相成長法または化学的気相成 長法により被覆形成し、 且つ
前記セグメン ト構造硬質膜の間に離間して配置するセグメン ト溝 部に固体潤滑層を被覆すること、 または流体状潤滑層を含浸するこ とを特徴とする複合摺動構造物の製造方法。
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