WO2009099226A1

WO2009099226A1 - Ｄｌｃ被覆摺動部材及びその製造方法

Info

Publication number: WO2009099226A1
Application number: PCT/JP2009/052124
Authority: WO
Inventors: Makoto Kano; Takahiro Horiuchi; Shinichi Takagi; Masao Kumagai; Eiji Shimodaira; Yoshio Miyasaka
Original assignee: Kanagawa Prefecture; Fujiwpc Co., Ltd.; Fuji Kihan Co., Ltd.
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2009-08-13
Also published as: US8518543B2; JPWO2009099226A1; JP4503097B2; US20110044572A1

Abstract

　ビッカース硬度でＨｖ３００以下の金属基材、例えばアルミニウム合金やマグネシウム合金から成る基材の表面に、重金属粒子、望ましくはタングステンやタンタル粒子が基材金属中に分散して成る第１の硬化層と、第２の硬化層の２層構造の硬化層を形成し、この上に最大高さ粗さＲｚで１～１０μｍの表面粗さを有するＤＬＣ被膜を形成する。

Description

明細書

D L C被覆摺動部材及びその製造方法技術分野

本発明は、相手部材との摺動面にダイヤモンドライクカーボン（D i a m o n d - 1 i k e C a r b o n : 以下、「D L C」と略記する）膜を備えた摺動部材に係わり、金属基材との密着性に優れ、特に潤滑下の摺動部位におけるフリクションの低減効果を長期に亘つて発揮する D L C被覆摺動部材と、このような摺動部材の製造方法に関するものである。背景技術

温暖化を始めとする地球規模での環境問題が注目を集めており、とりわけ地球全体の温暖化に大きな影響があるといわれている c o ₂放出量の削減については、その規制値の設定方法が各国で重要な関心事となってきている。

C O ₂削減については、例えば、自動車の燃費削減を図ることも大きな課題の 1つであり、摺動材料と潤滑油の性能向上に対する期待が大きレ、。摺動材料の役割は、苛酷な摩擦摩耗環境下にある摺動部位に対して、優れた耐磨耗性と共に、低い摩擦係数を発現することであり、最近では、 D L C材料を始めとする種々の硬質薄膜材料の適用が進んできている。

このような硬質薄膜を適用した摺動部材を製造するに際して、アルミ二ゥム合金等の軟質基材に硬質の D L Cをコーティングする場合、基材金属との密着性を向上させるために、種々の金属や炭化物からなる数ナノメータオーダの中間層を基材表面に形成することが知られている。

例えば、アルミニウム基材に関しては、最大表面粗さ 3 μ πι以下に仕上げたアルミニゥム合金基材上に、窒素含有クロム皮膜を形成した後、 D L Cなどの硬質皮膜を形成する方法が提案されている（特許文献 1参 )

また、鉄系基材に関しては、基材表面から最表層に向けて、 C r及び Z又は A 1 の金属層から成る第 1層、 C r及び又は A 1 の金属と、 W， T a , M o , N bの 1種以上の金属が混合されて成る第 2層、 W， T a , M o , N bの 1種以上の金属から成る第 3層、 W, T a , M o， N bの 1種以上の金属と炭素を含む非晶質層から成る第 4層を備えた 4層構造の中間層を介して、基材上に D L Cを主体とする最表面層を形成させることが提案されている（特許文献 2参照）。

一方、フリクション低減を狙った硬質薄膜のコーティング技術としては、例えばショットピーユングと、微粒子ピーユングとを併用することによって、うねりとマイクロディンプル形状を持たせた鋼基材に、 D L Cなどの硬質薄膜を形成させることにより、潤滑下でのフリクション低減や、焼付き性、耐摩耗性の改善を図ることが提案されている（特許文献 3参照）。

このように、優れた摩擦特性を有する D L Cを実部品に適用する上で、 D L Cと基材、特に硬度の低いアルミニウム合金やマグネシウム合金のような基材との密着性を向上する技術の確立が望まれている。

また、自動車用エンジンを始めとする各種機械装置におけ δほとんどの摺動部品は、工業用潤滑剤で潤滑されて用いられていることから、特に潤滑剤の存在の下で大幅な摩擦低減を狙える技術が、地球環境改善に貢献する技術として強く求められている。

特開 2 0 0 7— 1 0 0 1 3 3号公報

特開 2 0 0 3— 1 7 1 7 5 8号公報

特開 2 0 0 1 — 2 8 0 4 9 4号公報しかしながら、上記特許文献 1及び 2に記載の方法では、中間層の形成によって D L C膜の密着強度は改善できるものの、中間層の厚さが数 μ πιと薄いために、特にアルミニウム合金のような軟質基材を用いた場合には、その効果が十分ではない。すなわち、面圧の高い摩擦条件下においては、基材の変形に伴って D L C膜の剥離や摩滅が容易に生ずることから、軟質基材には適用できないという問題があった。

一方、特許文献 3に記載の方法においては、ショットピーニングゃ切削加ェなどによって、膜厚を越えるような大きなうねりを生じさせているため、アルミニゥム合金等の軟質基板に D L C コーティングした場合には、密着性 · 耐摩耗性の大幅な低下を生ずる。加えて、 D L C膜の鋭利な凸部に形成された部分が容易に剥離し、下地が露出する結果、潤滑下においてもフリクション低減効果がほとんど認められないという問題があった。発明の開示

本発明は、 D L C膜を備えた従来の摺動部材における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、基材と D L C膜の密着性に優れると共に、潤滑剤の存在下で大幅な摩擦低減効果を発揮する D L C被覆摺動'部材と、このような摺動部材の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題の解決に向けて、基材の表面処理や表面改質、中間層の種類や材質、 D L C膜の表面形状などについて鋭意検討を繰り返した結果、基材表面に重金属粒子が分散して成る硬化層を形成し、この上に D L Cを適度な表面粗さとなるように成膜することによって、上 . 記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の D L C被覆摺動部材は、 'ピッカース硬度で H V 3 0 0以下の金属基材表面に、重金属粒子が基材金属中に分散して成る第 1 の硬化層とその下側に位置する第 2の硬化層から成る硬化層を介して D L C被膜が形成されており、この D L C被膜表面における最大高さ粗さ R zが 1〜 1 0 // mであることを特徴としている。

また、本発明の D L C被覆摺動部材の製造方法は、ビッカース硬度 H Vが 3 0 0以下の金属基材表面に重金属粒子を投射することによって、当該粒子を基材金属表面下に分散させたのち、この表面を研磨して重金属粒子の衝突によって形成された凹凸をなだらかにした状態で D L C被膜を成膜することを特徴とする。図面の簡単な説明

図 1 は、実施例において作製した D L Cコーティング試験片における基材板厚方向の硬度分布測定結果の一例を示すダラフである。

図 2は、（ a ) 実施例において限界荷重の評価に用いたボールオンデイスク式摩擦摩耗試験の要領を説明する概略図である。

( b ) 実施例において潤滑下における摩擦特性評価に用いたボールオンディスク式摩擦摩耗試験の要領を説明する概略図である。

図 3は、比較例 1 により得られた D L C コーティング試験片に対するボールオンディスク摩擦摩耗試験による限界荷重の測定結果を示すダラフである。

図 4は、比較例 3により得られた D L Cコーティング試験片に対するボールオンディスク摩擦摩耗試験による限界荷重の測定結果を示すダラフである。

図 5は、実施例 1 により得られた D L Cコーティング試験片に対するボールオンディスク摩擦摩耗試験による限界荷重の測定結果を示すダラフである。

図 6は、実施例 7及び比較例 6により得られた D L C コーティング試験片の限界荷重試験後の摩耗部表面の状態を示す電子顕微鏡写真である。

図 7は、実施例 7及び比較例 6によりられた D L C コーティング試験片の限界荷重試験後の摩耗部断面の状態を示す電子顕微鏡写真である。

図 8は、実施例 7により得られた D L Cコーティング試験片の限界荷重試験後の摩耗部における粗さ断面曲線の測定結果を示すグラフである。

図 9は、比較例 6により得られた D L C コーティング試験片の限界荷重試験後の摩耗部における粗さ断面曲線の測定結果を示すグラフである。

図 1 0は、実施例 7により得られた D L Cコーティング試験片における硬化層近傍部の E P M A分析結果を示す画像である。

図 1 1 は、実施例 7により得られた D L Cコーティング試験片における硬化層近傍部の E P M A分析結果を示す画像である。

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の D L C被覆摺動部材について、その製造方法などと共に、さらに詳細に説明する。

本発明の D L C被覆摺動部材は、上記したように、ビッカース硬度 H Vが 3 0 0以下の金属基材の表面に、重金属粒子が基材金属中に分散した構造をなす第 1 の硬化層を表面側に備え、その下側に上記重金属成分を含まない第 2の硬化層を備えた 2層構造の硬化層を介して D L C被膜が形成されており、この D L C被膜の最大高さ粗さ R z で表される表面粗さを 1 〜 1 0 μ πιとしたものである。

すなわち、基材と D L C被膜の間に、重金属粒子の分散構造を備えた第 1 の硬化層と、その下側の第 2の硬化層から成る硬化層が介在していることによって、 D L C被膜の密着性、耐摩耗性が向上すると共に、 D L C被膜の表面の適度な凹凸により潤滑剤が保持されることから、潤滑剤下の摩擦低減が可能になる。

このような D L C被覆摺動部材は、各種機械装置の摺動部分、例えば ,自動車用内燃機関について言えば、ピストン、シリンダライナー、軸受けメタル、スプロケット、チェーンガイドなどの摺動部位などに適用することができる。

本発明の D L C被覆摺動部材において中間層として機能する硬化層は、上記したように基材金属中に重金属の粒子が分散して成る第 1の硬化層と、この下側に位置し、上記重金属を含まない第 2の硬化層との 2層構造を有する。

一般に「重金属」とは、比重が 4あるいは 5以上のものを意味するとされているが、本発明においては、モリブデン（M o ) のように、比重が 1 0以上の金属から成る粒子を用いることが望ましく、中でもタンダステン（W) やタンタル（T a ) から成る金属粒子を好適に用いることができる。

一方、 D L Cについては、炭素元素を主として構成される非晶質組織を有し、炭素同士の結合形態がダイヤモンド構造（ S P ³結合）とグラフアイト結合（ S P ²結合）の両方から成る。

具体的には、炭素元素だけから成る a — C (アモルファスカーボン）、水素を含有する a — C ： H (水素アモルファスカーボン）と共に、チタン（T i ) やモリブデン（M o ) 等の金属元素を一部に含む M e Cが挙げられるが、本発明に用いる D L C としては、特に限定されない。

本発明の D L C被覆摺動部材における D L C被膜の表面粗さについては、最大高さ粗さ R z で 1〜 1 Ο μ πιであることをとすること要する。すなわち、最大高さ粗さ R zが Ι Ο μ πιを超えると摩擦係数が増加する一方、 1 mに満たないと潤滑剤の保持能力が失われ、潤滑下における摩擦係数を十分に低くすることができなくなる。また、上記 D L C被膜の凸部断面形状としては、その先端の曲率半径が 5 0〜 5 0 0 / mの範囲であることが望ましい。すなわち、凸部先端の曲率半径が 5 0 μ mに満たない場合は、局部的な面圧が高くなり容易に D L Cの局部的な剥離を生じて摩擦係数が大きくなり、 5 0 0 μ mを超えると、微細かつ均一に分布した凹部が形成され難くなるため潤滑剤の保持能力が低下する傾向があることによる。なお、このような凸部先端の曲率半径については、例えば走查型電子顕微鏡で撮影した 4 0 0倍もしくは 5 0 0倍程度の断面写真から求めることができる。

そして、上記のような走査型電子顕微鏡によれば、 D L C被膜表面における凹部についても観察することができ、同様に潤滑剤の保持能力を確保する観点から、 D L C被膜表面における凹部の面積率が 2 5〜 7 0 %、さらには 5 1 〜 6 0 %であることが望ましい。ここで凹部は、表面粗さ形状曲線の最大高さ R z において、 R zの 2 Z 3以下を凹部と便宜的に定義した。

さらに、本発明の D L C被覆摺動部材における D L C被膜の硬さについては、市販のナノインデンター装置（超微小硬度計）を用いたナノィンデンテーシヨン測定法によって測定することができ、この値が 1 0 G P a以上であることが望ましい。ナノインデンテーション硬さがこの値に満たない場合には、膜としての強度が不足して十分な耐摩耗性が得られないことがある。

なお、このナノインデンテーション硬さについては、 2 0 G P a以上であることがより好ましい。

本発明の D L C被覆摺動部材において、上記硬化層の厚さとしては、 1〜 1 0 Ο μ πι、さらには 5〜 5 O z mであることが望ましく、硬化層の厚さが 1 / mに満たない場合は、低い面圧で基材の変形が生ずることにより D L C被膜が容易に剥離、摩滅し易くなり、 1 0 0 ;z mを超える厚さの硬化層を得ようとすると、金属投射条件を強く（大きい粒子を用いて高速条件で長時間投射）する必要があり生産性が著しく低下する問題がある。

ここで、硬化層とは、上記したように重金属成分を含む第 1 の硬化層と、第 2の硬化層の 2層から成っており、その厚さとしては、後述する図 1 に例示するように、断面硬さ分布において母材の硬さに対して 1 0 %以上高い硬さが得られる領域の厚さを意味する。

本発明の D L C被覆摺動部材に用いる金属基材としては、特に限定されないが、比較的軟質であると共に、 D L Cの直接的な成膜が困難なァルミニゥム合金材ゃマグネシウム合金材が基材である場合に、より効果的に機能し、部材の軽量化が達成され、自動車部品の場合には、燃費向上に寄与する。また、硬化層の形成によって耐荷重性が向上し、変形による膜剥離が防止でき、部品の小型、軽量化にも繋がる。

なお、金属基材としてアルミニウム合金材を用いる場合、材料品質の観点から、ケィ素の含有量が 1質量％未満のものを用いることが望ましレ、。このとき、ケィ素含有量が 1質量％以上になると、微粒子を投射したときにケィ素系硬質析出相に割れが発生してしまう傾向がある。

このような D L C被覆摺動部材の製造に際して、上記硬化層は、ビッカース硬度 H Vが 3 0 0以下の金属基材の表面に、重金属粒子、望ましくは上記したようなタングステンゃタンタルから成る金属粒子を投射して衝突させることによって形成することができる。すなわち、重金属粒子の投射によって、当該金属粒子が基材金属中に分散した第 1の硬化層が基材表面に形成されると共に、その下側には、金属粒子の衝突によつて基材金属が機械的に硬化（加工硬化）した第 2の硬化層が形成されることになる。

なお、重金属粒子としては、単独の金属から成る粒子であっても、異種金属の混合粒子であっても、合金粒子であっても特に差し支えはなレ、。上記金属粒子を基材表面に投射するには、例えば空気噴射式、インべラ式などの噴射装置を用いることができる。この時の重金属粒子の投射速度としては、基材金属や粒子金属の種類に応じて調整されるが、例えばアルミ二ゥム合金材ゃマグネシゥム合金材から成る基材の場合には、概ね 5 0 m / s程度以上とすることが望ましい。投射速度の下限値である 5 O m Z s の条件ではおよそ 5 0 m _/ ^/ s〜 3 0 O m Z s の投射速度範囲となる。

なお、金属基材のビッカース硬度を 3 0 0以下に限定したのは、この値を超えると、重金属粒子の基材表面下への微細な分散状態が得られなくなり、基材表面における硬化層の形成や明確な硬度増加が得られなくなることによる。

また、この時に用いる重金属粒子としては、比重が 1 0以上の金属、とりわけタングステンゃタンタル粒子が好適に用いられることは、上記したとおりであるが、その粒径が大きいと、基材への微細かつ均一な分散や合金層の形成が得られないという不都合が生じることがあるので、 5 3 /z mメッシュの篩を通過する粒子形状のものを用いることが望ましレヽ

重金属粒子を基材表面に投射することによって、基材表面には、基材金属中に重金属の粒子が分散した第 1 の硬化層が形成されるが、同時に金属粒子の衝突による凹凸が形成されることから、この上に成膜される D L Cの表面粗さを整えるべく、成膜に先立ってその表面の鋭利な凸部を研磨する必要となる。

成膜後の D L C被膜の表面粗さは、基材の表面粗さに依存することから、当該被膜の表面粗さを最大高さ粗さ R zで 1〜 1 0 // mとするだめには、重金属粒子の投射によって荒れた基材表面（硬化層表面）を研磨して凹凸をなだらかにし、同程度の表面粗さとすることが求められる。なお、このための研磨方法としては、例えば研磨テープを用いたラッピングゃ研磨粒子を保持した軟質メディァを投射する等の方法を採用することができる。

このような研磨によって、基材の硬化層表面を所望の表面粗さとしたのち、当該表面に D L C被膜が成膜される。このとき、 D L C被膜の厚さとしては、 0 . 5〜 2 . 0 m程度とすることが望ましい。

このとき、 D L C被膜の成膜方法としては、特に限定されず、例えば、イオン化蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、プラズマ C V D法、プラズマイオン注入成膜法、ホロ一力ソードアーク蒸着法、真空アーク蒸着法などを適用することができる。

本発明においては、金属基材の表面に、例えば重金属粒子を投射して、衝突させることによって、当該重金属粒子が基材金属中に分散した組織構造を備えた硬化層を形成し、このような硬化層を介して D L C被膜が形成されているので、被膜の密着性 · 耐摩耗性が大幅に改善される。今のところ、この詳細なメカニズムについては、必ずしも明らかではない、上記硬化層の第 1 の硬化層中には、微視的な合金化が生じ'ていると共に、その下側の第 2の硬化層には、重金属粒子投射時の運動エネルギ一によつて基材金属組織のナノ結晶化が生じていると思われる。重金属粒子、例えばタングステン粒子の周辺には基材金属中に Wが固溶した領域が形成されており、これが密着性改善の要因のひとつと考えられる (後述する図 1 0 , 1 1参照）。

なお、本発明は、すべり軸受、エアコンプレッサ、エンジン用ピストン、エンジン用コンロッド、エンジン用シリンダブロックを始めとする種々の部品の摺動部分に適用することができる。

実施例以下、本発明を実施例に基づいて、より具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されないことは言うまでもない。

( 1 ) D L Cコーティング試験片の作製

金属基材として、 J I S H 4 0 0 0に規定されるアルミニウム合金 A 2 0 1 7 (A l — C u — M g系）、 A 4 0 3 2 (A l — S i 系）、 A 5 0 5 2 (A l _M g系）と、 A S TM (米国材料試験協会） B 9 0 Mに規定されるマグネシウム合金 A Z 3 1 (M g — A l _ Z n系）を選び、厚さ 3 mm、径 3 3 mmの円板形状のディスク試験片を作製した。

このようなディスク試験片の表面を研磨した後、ィンペラ式の噴射装置を用いて、 5 0 μ πιメッシュアンダー及び Ι Ο μ πιメッシュアンダーの純タングステン粉末又はタンタル粉末を 5 0 m/ s以上の投射速度で研磨表面に衝突させる処理をそれぞれ施した。

この後、投射面を鏡面ラップによって研磨し、金属粒子の衝突により形成された鋭利な凸部を滑らかなものとしたのち、プラズマ C V D法によって、 2 0 0 °C以下の温度管理下において、その表面に D L C被膜を 1 μ mの厚さに成膜することにより、 D L Cコーティング試験片を得た。なお、上記以外に、重金属粒子の投射処理を行わないもの（比較例 1 , 5 , 6 ) 、スパッタリングによるタングステン膜を中間層としたもの (比較例 2 ) 、投射処理後の研磨を省略したもの（比較例 3 ) 、さらには重金属粒子に替えてアルミナ粒子を投射したもの（比較例 4 ) をそれぞれ作製し、上記各実施例との比較対象とした。

以上によって作製ざれた D L C コーティング試験片について、それぞれの特性値や性能を以下の要領によつてそれぞれ調査した。その結果を表 1 にまとめて示す。

( 2 ) D L C被膜の表面粗さ

各試験片の表面に形成された D L C被膜の表面粗さについて、 J I S B 0 6 0 1 に基づき、触針式表面粗さ計を用いて測定した。

( 3 ) D L C被膜の凸部先端の曲率半径

走査型電子顕微鏡により撮影した D L C被膜のコ一ティング表面附近の 4 0 0倍もしくは 5 0 0倍の断面写真を画像処理することによって、表面凸部の先端部の曲率半径を測定した。

( 4 ) D L C被膜コーティング表面の凹部面積率

同じく走査型電子顕微鏡により撮影した D L C被膜の 4 0 0倍の表面写真を画像処理することによって、各 D L C被膜表面の凹部（表面粗さ形状曲線の最大高さ R zの 2 3以下の凹部）の面積率を算出した。

( 5 ) D L C被膜のナノインデンテーション硬さ

市販のナノインデンター装置（超微小硬度計）を用いて、各試験片における D L C被膜のナノィンデンテーション硬さをそれぞれ測定した。

( 6 ) 硬化層の厚さ

マイクロビッカース硬度計を用い、 2 5 g f 荷重で 1 0秒間保持することによって、 D L Cコーティング試験片における基材の板厚方向の硬度分布を測定し、母材（基材原質部）部分の硬さに対して 1 0 %以上硬化している領域の厚さを求め、硬化層の厚さとした。硬度分布の測定結果の一例（実施例 2， 7、比較例 1， 3 ) を図 1 に示す。

( 7 ) 限界荷重

それぞれの D L Cコーティング試験片について、図 2 ( a ) に示すような要領によるボールオンディスク摩擦摩耗試験を実施し、ボールにかかる荷重を徐々に増加して行くとき、摩擦係数が急激に上昇する荷重をもって各試験片の限界荷重とした。

すなわち、上記により作製したディスク状の D L Cコーティング試験片 P dを矢印方向に回転させ、これにアルミナ材料から成り、表面を中心線平均粗さ R aで 0. 0 2 πιに研磨した直径 4 mmのボール B a を荷重 Wで鉛直方向に押し付け、 0. 0 5 mZ s のすベり速度で摺接させた。そして、室温の大気中において、荷重 Wを毎分 1 0 Nの割合で、最大 1 0 0 Nまで増加させながら、最大 1 0分間の摩擦試験を実施した。この時、摩擦係数の測定と同時に、 A E (A c o u s t i c E m i s s i o n ) の測定を行った。

図 3〜 5は、アルミ二ゥム合金 A 2 0 1 7を基材として用いた場合の実測例を示すものであって、これら図において、左側の軸は摩擦係数を示し、右側の軸は A E発生量に対応する。

図 3は、 A 2 0 1 7基材に硬化層を形成することなく直接 D L Cコーティングした比較例 1 による結果を示すものであって、約 5. 5 k g

( 5 5 N) の荷重で、摩擦係数の急増と、破壊時に発生する弾性波である A Eの急増が同時に生じていることが分かる。この時に D L C被膜が剥離、摩滅しアルミニウム基材との接触が生じたものと判断される。一方、タングステン粒子の投射により硬化層を形成したものの、研磨を施すことなく D L Cコーティングを行った比較例 3では、図 4に示すように、試験開始当初から 0. 3を越える高い摩擦係数を示すと共に、 A E発生も初期から増加し続けており 2. 1 k g ( 2 I N) を越えた附近で D L C被膜が剥離、摩滅しアルミニウム基材との接触が生じたものと判断される。

これらに対して、タングステン粒子投射による硬化層の形成ののち、研磨を施した実施例 3においては、図 5に示すように、限界荷重は 8 k g ( 8 0 N) 程度まで大幅に向上できることが分かる。

表 1 重金属粒子の投射処理 D L C被膜の形状 · 持性硬化層摩擦摩耗試験金属研

区分粒子の粒子径微雄表面粗さ凸部曲率凹部繊率ナヨン厚さ限麟重潤滑下基材磨

種類ンュ） (m/s) R z (/m) 半径 (μηύ (%) 硬さ（Gpa) (Ν) 摩擦纖

1 A2017 純タンク'ステン 50 m以下 50iiLh あり 7. 9 65 57 18 80 81 0. 16

2 A2017 純タンゲス于ン 10j[/m以下 501U± あり 8. 9 50 32 17 30 75 0. 1 1

3 A2017 純タンク'ス亍ン 50 ηι以下 50以上あり 7. 2 70 58 18 70 80 0. 15 実

4 A4032 純タンク'ステン 50j m以下 50以上あり 8. 1 60 60 18 60 82 0. 16

5 A4032 純タンタル 50 /m以下 50以上あり 6. 5 90 48 17 40 72 0. 12

6 A5052 純タンゲステン 50 以下 50レ h あり 8. 7 55 55 18 70 85 0. 15 施 7 A5052 純タンク'ステン 50 以下 50JiLh あり 8. 1 60 57 18 50 81 0. 15

8 A5052 純タンゲステン 50 以下 50以上あり 8. 7 55 56 18 60 82 0. 16

9 A5052 繊ンタル 50jum以下 501¾± あり 6. 3 95 45 18 40 74 0. 12

10 AZ31 純タンゲステン 50jum以下 50JiU: あり 5. 4 120 52 18 90 88 0. 17 例

11 AZ31 純タンク♦ス ϊン 10 以下 50以上あり 5. 1 105 28 18 50 79 0. 09

12 AZ31 純タンタル 50jum以下 50以上あり 4. 6 125 45 18 70 80 0. 12

13 AZ31 純タンタル lOj m以下 50以上あり 4. 4 135 25 17 40 75 0. 09

1 A2017 処理なし ― ― なし 0. 15 15 ― 55 0. 31 比 2 A2017 中間 w ― ― なし 0. 14 15 ― 58 0. 22

3 A2017 純タンク 'ステン 50jum以下 50以上なし 18. 1 5 75 17 40 21 0. 37 較

4 A5052 アルミナ 50iin以下 50liLh あり 3. 5 135 45 15 20 57 0. 25

5 AZ31 15

例処理なし ― ― なし 0. 13 ― 48 0. 32

6 A5052 処理なし ― ― なし 0. 15 15 ― 45 0. 31

表 1 の結果から判るように、 A 2 0 1 7 アルミ二ゥム合金基材の研磨面に、重金属粒子の投射処理による硬化層を形成することなく直接、 D L C被膜をコーティングした比較例 1 においては、非常に低い荷重で摩擦係数の上昇が起こり、 D L C被膜の著しい剥離を生ずる結果となった。

また、同じく A 2 0 1 7合金基材の研磨面に重金属粒子を投射することなく、 D L Cコーティングに先立って、アルゴンスパッタリングによつてアルミ二ゥム合金基板上にタングステンから成る厚さ 0 . 0 0 5 μ mの中間層を形成させた比較例 2においては、中間層のない上記比較例 1 に比べれば、かなり高い荷重まで剥離寿命が延びてはいるものの、 2 0 Nを超える附近から D L C被膜の下地が変形するに伴って、 D L C被膜に多くのクラックが発生した後、すぐに摩擦係数の急上昇が生じた。重金属粒子としてタングステン粒子を用いた投射処理を行い、アルミニゥム合金基板表面に硬化層を形成させたままで、研磨を施すことなく D L C コーティングを行った比較例 3では、投射により基材に形成された凹凸形状の上に厚さ 1 μ m程度の D L C被膜が形成されたため、被膜表面には鋭利な凸部が多く存在していた。その結果、低荷重の負荷においても、 D L C被膜が凸部において容易に剥離することから、摩擦係数が非常に低い荷重で急上昇する現象が認められた。

さらに、セラミックス材料であるアルミナを投射粒子として用いた比較例 4においては、アルミニウム基材にある程度の厚さを持った硬化層が形成されるために、 D L C被膜の剥離荷重は多少向上するものの、 D L C被膜の密着性については大幅な改善には到っていない。

この要因としては、アルミナ粒子が基材表面に部分的に埋め込まれるものの、合金化しないために基地との整合性に劣ること、アルミナ材料の絶縁性が高いために、 D L Cコーティング時の導通が十分に得られず、プラズマが不安定となる結果として界面の密着性が低くなることが考えられる。

そして、 A Z 3 1 マグネシゥム合金基材の表面に硬化層を形成することなく、直接 D L C被膜をコーティングした比較例 5においても、アルミ二ゥム合金基材を用いた比較例 1 と同様に、低い荷重で摩擦係数の上昇が起こり、 D L C被膜の剥離を生じることが判明した。

これらに対して、アルミ.ニゥム合金又はマグネシウム合金基材の研磨表面に、タングステン又はタンタルから成る金属粒子を投射して硬化層を形成したのち、投射面の研磨を行い、所定の表面粗さを備えた D L C 被膜をコーティングした実施例 1 〜 1 3においては、いずれも D L C被膜の密着性に優れ、高い耐久性を示すことが確認された。

( 8 ) 潤滑下すベり摩擦試験

次に、潤滑油としてポリアルファオレフイン（ P A O ) を用いた潤滑下におけるすべり摩擦試験を実施した。この結果を表 1 中に併せて示す。すなわち、図 2 ( b ) に示すように、上記実施例及び比較例による D L Cコーティング試験片 P dの摺動面に、上記 P AOを 0. l m L予め滴下した状態で、鋼製ボール B b を鉛直方向に押し付け、室温の大気中において、接触面圧： 6 0 0 MP a 、すべり速度： 0. 0 5 mZ s の摩擦条件のもとで、 1 5分間の摩擦試験を実施した。なお、上記ボール B bは、軸受鋼 S U J 2から成り、表面硬さ HR C 6 2、直径 9. 6 mm のものであって、中心線平均粗さ R a で 0. 0 2 μ mの表面粗さに研磨されている。

その結果、合金基材の表面に硬化層を形成することなく、直接 D L C 被膜を形成した比較例 1 、 5及び 6においては、この条件下でも D L C 被膜が試験初期に剥離し、摩擦係数が急増した。また、タングステン中間層を介して D L C被膜を施した比較例 2及び投射粒子にアルミナを用いた比較例 4では、試験初期においては低い摩擦係数が得られるものの、潤滑油が摺動面から排除されるにつれて、 D L C膜の部分的な剥離を生じて摩擦係数が徐々に上昇し、試験終了時には摩擦係数が 0 . 2を超える結果となった。

また、タングステン粒子を投射した後、研磨することなくそのまま D L C被膜をコーティングした比較例 3 の試験片においては、試験初期から凸部の D L C被膜が剥離し始め、 0 . 2を超える摩擦係数を示し、試験の途中で、下地金属の露出度合いが著しくなると同時に摩擦係数が急増する現象を生じた。

これらの比較例に対して、実施例 1〜 1 3 の試験片では、 D L C被膜の密着性 · 摩耗性に優れ、高い荷重まで低い摩擦係数を維持できると共に、潤滑下のすべり摩擦試験において大幅なフリクション低減効果を有することが分かった。

そして、上記限界荷重試験を行った後、上記実施例の代表例として、実施例 7 と比較例 6 の試験片におけるアルミナボールが摺動した摩耗部の表面及び断面を観察すると共に、摩耗量（摩耗深さ）として、粗さ断面曲線を測定した。

図 6は、上記摩耗部の表面の電子顕微鏡写真であって、これから、比較例 6のディスク摺動部にはアルミナボールにより摩耗したディスク材 A 5 0 5 2の摩耗粉が释着した箇所が認められ、すべり方向に深い傷が形成されていることが分かる。

一方、実施例 7 の摺動痕においては、ディスク材 A 5 0 5 2 の摩耗粉の凝着は全く認められない上に、摺動表面は滑らかで深い傷も認められなかった。

図 7は、上記摺動部位の直角断面をアルゴンィオンエッチングにより作製し、電子顕微鏡で観察し、それぞれの反射電子組成像を示すものである。反射電子組成像では、質量が大きい部分が白く、質量が小さい部分が黒くなることから、実施例 7の試験片においては、アルミナボールにより 8 1 Nとレヽぅ高い荷重で D L Cコーティング層を剥離させたにもかかわらず、摺動表面付近にタングステンの表面改質層が残存している様子を観察することができる。

非常に興味深い点は、実施例 7の高倍率の写真から、負荷に伴う塑性変形によるタングステン分散粒子（写真中央塊状白色部）が摺動表面から深さ方向に座屈し、その表面に D L C層が追従して付着している様子と、この座屈表面に基材アルミニゥム合金と微細に分断された D L C粒子が混在した層が積層し、凹みが修復されている様子が分かることである。— .

その一方、表面改質を施していない比較例 6では、実施例よりもはるかに低い 4 5 Nの荷重で D L C膜が剥離したにもかかわらず、摩耗に伴う明確な凹みが見受けられる。

図 8及び 9は、これらの摺動表面部の粗さ断面曲線を測定した結果をに示すものであって、実施例 7では、初期の表面粗さと摩耗による凹みの差異が明確ではなく、摩耗による凹みだとしても、約 5 /1 mの摩耗傷の形成にとどまつていることが分かる。

これに対し、比較例 6においては、約 3 0 μ mもの明確な溝状の摩耗痕が認められる。

すなわち、本発明の実施例においては、摺動するアルミナボールに荷重を増加させて行きながら、基材が塑性変形するほどの高い面圧をかけて無理やり D L C膜を剥離させたにもかかわらず、大きな凹みや基材ァルミニゥム合金の摩耗粉の凝着が認められないことが確認された。これらの結果は、アルミニウム合金への D L C膜の密着性ゃフリクション低減のみならず、自動車エンジン用のアルミニウム合金軸受、ピストン、ブロック、エアコンプレッサー等の摺動部位への適用に非常に有効であることを証明している。当然のことながら、本発明の適用は、これらに限るものではない。

さらに、アルミニウム合金以外の軟質金属基材においても、耐摩耗性向上に必須であった硬い析出物を分散させる必要がなくなるために、本発明を適用することによって、加工性が良好な軟質金属の摺動部材への適用ができるようになる。したがって、本発明の工業的な応用範囲は非常に大きい。

図 1 0及び 1 1 は、実施例 7により得られた D L C コーティング試験片における硬化層近傍部の E P M A分析画像情報を示すものであって、図 1 0におけるタングステン（W ) 元素の分布状態を示す黄色〜緑色の部分から分かるように、白色部として認識される塊状のタングステン粒子の周辺には、基材金属中に Wが固溶した領域が形成されており、これが密着性改善の要因のひとつと考えられる。また、図 1 1 における炭素 ( C ) の分布状態から、基材の表面に 1 μ m弱の D L Cコーティング層が均一に形成されている（赤色帯状の部分）ことが分かる。

産業上の利用可能性

本発明によれば、ビッカース硬度 H Vが 3 0 0以下の金属基材の表面に、当該基材金属中に重金属粒子が分散して成る第 1 の硬化層を備えた硬化層を介して、 D L C被膜を形成し、その表面の最大高さ粗さ R z を 1 〜 1 0 μ mとしたため、基材金属に対する D L C膜の密着性が向上すると共に、潤滑剤の存在下での摩擦を低減することができる。

Claims

請求の範囲

1 . ビッカース硬度 H vが 3 0 0以下である金属基材の表面に、重金属粒子が基材金属中に分散して成る第 1 の硬化層とその下側に位置する第 2の硬化層から成る硬化層を介して D L C被膜が形成され、当該 D L C被膜の表面粗さが最大高さ粗さ R zで 1 〜 1 0 // mであることを特徴とする D L C被覆摺動部材。

2. 上記 D L C被膜の断面における凸部先端の曲率半径が 5 0〜 5 0 Ο μ ηιであることを特徴とする請求項 1 に記載の D L C被覆摺動部材。

3. 上記 D L C被膜の表面における凹部の面積率が 2 5〜 7 0 %であることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の D L C被覆摺動部材。

4. 上記 D L C被膜のナノインデンテーション硬さが 1 0 G P a以上であることを特徴とする請求項 1〜 3のいずれか 1つの項に記載の D L C被覆摺動部材。

5. 上記.硬化層の厚さが 1〜 1 Ο Ο μ πιであることを特徴とする請求項 1 〜 4のいずれか 1つの項に記載の D L C被覆摺動部材。

6. 上記金属基材がアルミニゥム合金又はマグネシウム合金であることを特徴とする請求項 1〜 5のいずれか 1つの項に記載の D L C被覆摺動部材。

7. 上記金属基材がケィ素含有量 1質量％未満のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項 6に記載の D L C被覆摺動部材。

8 . 第 1 の硬化層を構成する重金属粒子がタングステン及び Z又はタンタルから成ることを特徴とする請求項 1〜 7のいずれか 1つの項に記載の D L C被覆摺動部材。

9 . 第 1 の硬化層におけるタングステン粒子及びノ又はタンタル粒子の周辺には、基材金属中にタングステン及び Z又はタンタルが固溶した領域が形成されていることを特徴とする請求項 8に記載の D L C被覆動部材。 .

1 0 . すべり軸受、エアコンプレッサ、エンジン用ピストン、ェンジン用コンロッド及びエンジン用シリンダブロックから成る群から選ばれたいずれかのものであることを特徴とする請求項 1〜 9のいずれか 1つの項に記載の D L C被覆摺動部材。

1 1 . 請求項 1〜 1 0のいずれか 1つの項に記載の D L C被覆摺動部材を製造するにあたり、ビッカース硬度 H vが 3 0 0以下である金属基材の表面に重金属粒子を投射して重金属粒子を基材金属表面下に分散させたのち、当該表面を研磨して投射により形成された凹凸形状を緩和した状態で D L C被膜を形成することを特徴とする D L C被覆摺動部材の製造方法。

1 2 . 金属基材の表面に重金属粒子を投射するに際して、空気噴射式又はインペラ式などの噴射装置を用いることを特徴とする請求項 1 1 に記載の D L C被覆摺動部材の製造方法。

1 3 . 上記重金属粒子のサイズが 5 3 μ mメッシュアンダーであることを特徴とする請求項 1 1又は 1 2に記載の D L C被覆摺動部材の製造方法。

1 4 . 上記金属基材がアルミ二ゥム合金又はマグネシウム合金であることを特徴とする請求項 1 1〜 1 3のいずれか 1つの項に記載の D L C 被覆摺動部材の製造方法。

1 5 . 上記金属基材がケィ素含有量 1質量％未満のアルミ二ゥム合金であることを特徴とする請求項 1 4に記載の D L C被覆摺動部材の製造方法。

1 6 . 上記重金属粒子がタングステン及び/又タンタルから成ることを特徴とする請求項 1 1〜 1 5のいずれか 1つの項に記載の D L C被覆摺動部材の製造方法。