JP2007217766A - Low friction compound film deposition method, and low friction sliding member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種摺動部材に形成される摺動層として有効な低摩擦係数を示す複合膜の成膜方法および摺動層として複合膜を有する低摩擦摺動部材に関する。 The present invention relates to a method for forming a composite film having a low friction coefficient effective as a sliding layer formed on various sliding members, and a low friction sliding member having a composite film as a sliding layer.
摺動部に使用される摺動部材は、一般に、金属製の基材と、その摺動面側に形成された摺動層と、からなり、摺動層により摺動部材の摺動性を向上させている。多くの場合、摺動層として、真空蒸着等により形成された固体潤滑材からなる被膜や、固体潤滑材を保持する樹脂層が形成される。ところが、樹脂層は固体潤滑材の含有量に限界があるため、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）膜などの固体潤滑材からなる被膜の他、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜と呼ばれる非晶質炭素膜も、摺動面の摺動性を高める被膜として利用されている。これらの被膜の摺動特性をさらに向上させるため、膜組成や成膜方法について種々の研究がなされている。 The sliding member used for the sliding part is generally composed of a metal base material and a sliding layer formed on the sliding surface side, and the sliding layer provides the sliding property of the sliding member. It is improving. In many cases, as the sliding layer, a film made of a solid lubricant formed by vacuum vapor deposition or a resin layer that holds the solid lubricant is formed. However, since the resin layer has a limited solid lubricant content, in addition to a film made of a solid lubricant such as a molybdenum disulfide (MoS 2 ) film, an amorphous carbon film called a diamond-like carbon (DLC) film is used. Is also used as a coating for improving the sliding performance of the sliding surface. In order to further improve the sliding characteristics of these films, various studies have been made on film compositions and film forming methods.
たとえば、特許文献１には、ＤＬＣからなる第１層と鉄を主成分とする第２層とを基材の表面に交互に積層した低摩擦炭素薄膜が開示されている。また、特許文献２には、タングステンを含むＤＬＣ膜を最表面にもつ多層膜からなる耐摩耗性機械部品が開示されている。また、特許文献３では、二硫化モリブデン粉末とチタンを含む粉末とからなる混合粉末を原料として用いた蒸着により、基材の表面にＭｏＳ２／Ｔｉ複合膜を製造している。さらに、非特許文献１では、ＭｏＳ２とＷＳ２と炭素を交互に積層させたＭｏＳ２／ＷＳ２／Ｃ潤滑積層膜が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a low-friction carbon thin film in which first layers made of DLC and second layers mainly composed of iron are alternately laminated on the surface of a base material. Patent Document 2 discloses a wear-resistant mechanical component made of a multilayer film having a DLC film containing tungsten on the outermost surface. In Patent Document 3, by vapor deposition using a mixed powder comprising a powder containing molybdenum disulfide powder and titanium as raw material, and produce MoS 2 / Ti composite film on the surface of the substrate. Further, Non-Patent Document 1 discloses a MoS 2 / WS 2 / C lubricating laminated film in which MoS 2 , WS 2 and carbon are alternately laminated.
ところが、固体潤滑材からなる被膜であるＭｏＳ２／Ｔｉ複合膜は低摩擦係数を示す一方、摺動条件によっては相手材への移着が発生し、低面圧・低摺動速度であっても長時間の摺動後に焼付きに至ることがある。また、ＤＬＣ膜は優れた耐焼付き性を示すが、組成や製法によっては、ＭｏＳ２膜に比べて摩擦係数が大きくなるため、摺動面で発熱して摺動性が低下することがある。
本発明者は、上記問題点に鑑み、ＤＬＣとＭｏＳ２とＴｉとを微視的に交互に堆積させることにより、ＤＬＣ膜およびＭｏＳ２／Ｔｉ複合膜のそれぞれの優れた特性が発現する複合膜が得られることに想到した。 In view of the above problems, the inventor of the present invention has developed a composite film that exhibits excellent characteristics of the DLC film and the MoS 2 / Ti composite film by microscopically depositing DLC, MoS 2 and Ti alternately. I came up with that.
すなわち、本発明は、低い摩擦係数を示すとともに耐焼付き性に優れた低摩擦複合膜の成膜方法を提供することを目的とする。また、本発明の低摩擦複合膜の成膜方法により製造することができる低摩擦摺動部材を提供することを目的とする。 That is, an object of the present invention is to provide a method for forming a low friction composite film that exhibits a low coefficient of friction and is excellent in seizure resistance. It is another object of the present invention to provide a low-friction sliding member that can be manufactured by the method for forming a low-friction composite film of the present invention.
本発明の低摩擦複合膜の成膜方法は、成膜炉と、少なくとも炭素からなる炭素ターゲットと、硫化物からなる硫化物ターゲットと、金属原子を含む金属ターゲットと、を前記成膜炉内でリング状に配列するターゲット固定手段と、基材を保持するとともに該基材を移動させて該基材と対向する前記ターゲットの種類を連続的に変更する基材保持手段と、少なくとも前記ターゲット固定手段に結線され前記各ターゲットを放電させる電源装置と、を具備するスパッタリング装置を用い、
前記電源装置を操作して前記各ターゲットを放電させるとともに前記基材保持手段により前記基材を移動させて、非晶質炭素と前記硫化物を構成する原子と前記金属原子とを該基材の表面に微視的かつ周期的に順次堆積させることを特徴とする。
In the film forming method of the low friction composite film of the present invention, a film forming furnace, a carbon target made of at least carbon, a sulfide target made of sulfide, and a metal target containing metal atoms are placed in the film forming furnace. Target fixing means arranged in a ring shape, base material holding means for holding the base material and moving the base material to continuously change the type of the target facing the base material, at least the target fixing means A sputtering apparatus comprising: a power supply device that is connected to each other and discharges each of the targets;
The power supply device is operated to discharge each target, and the base material is moved by the base material holding means so that the atoms constituting the amorphous carbon, the sulfide, and the metal atoms are separated from the base material. It is characterized by being deposited microscopically and periodically on the surface.
前記基材保持手段は、非晶質炭素が堆積しはじめた位置から次に非晶質炭素が堆積しはじめるまでの厚さが０．５〜２０ｎｍとなるように前記基材を移動させるのが望ましい。 The substrate holding means moves the substrate so that the thickness from the position at which amorphous carbon begins to be deposited until the next time amorphous carbon begins to be deposited is 0.5 to 20 nm. desirable.
前記低摩擦複合膜は、全体を１００ａｔ％としたときに炭素を５〜８０ａｔ％含み、残部が主として前記金属原子と前記硫化物とからなり、該金属原子を該硫化物に対して５〜２０ａｔ％含有するのが好ましい。また、前記硫化物は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）および／または二硫化タングステン（ＷＳ２）であるのが好ましく、金属原子は、周期律表の第IVａ族〜第VIａ族に属する元素のうち少なくとも１種からなる、なかでも、チタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）であるのが好ましい。 The low-friction composite film contains 5 to 80 at% of carbon when the whole is 100 at%, the remainder mainly consists of the metal atom and the sulfide, and the metal atom is 5 to 20 at to the sulfide. % Content is preferable. The sulfide is preferably molybdenum disulfide (MoS 2 ) and / or tungsten disulfide (WS 2 ), and the metal atom is selected from elements belonging to groups IVa to VIa of the periodic table. Among these, at least one kind is preferable, and titanium (Ti) and / or chromium (Cr) is preferable.
また、本発明の低摩擦摺動部材は、上記スパッタリング装置を用い、非晶質炭素と前記硫化物を構成する原子と前記金属原子とを該基材の少なくとも摺動面側に微視的かつ周期的に順次堆積させてなることを特徴とする。 Further, the low friction sliding member of the present invention is microscopically and at least on the sliding surface side of the base material, the amorphous carbon, the atoms constituting the sulfide, and the metal atoms are microscopically formed using the sputtering apparatus. It is characterized by being deposited sequentially and periodically.
本発明の低摩擦複合膜の成膜方法では、スパッタリング装置を用いた成膜において、基材と対向するターゲットの種類（具体的には、炭素ターゲット、硫化物ターゲット、金属ターゲット、等）を連続的に変更することで、非晶質炭素と硫化物を構成する原子（分子状態の硫化物を含む）と金属原子とを基材の表面に微視的かつ周期的に順次堆積させる。このようにして得られる堆積膜は、巨視的に、炭素、硫化物を構成する原子および金属原子が均一に分散した複合膜である。 In the film formation method of the low friction composite film of the present invention, in the film formation using the sputtering apparatus, the types of targets (specifically, carbon target, sulfide target, metal target, etc.) facing the substrate are continuously used. Thus, amorphous carbon, sulfide-constituting atoms (including sulfide in a molecular state) and metal atoms are sequentially deposited microscopically and periodically on the surface of the substrate. The deposited film thus obtained is a composite film in which carbon and atoms constituting sulfides and metal atoms are uniformly dispersed macroscopically.
そして、本発明の低摩擦複合膜の成膜方法によって得られる複合膜は、硫化物がもつ低摩擦係数と、非晶質炭素がもつ耐焼付き性と、の双方に優れる。そのため、本発明の低摩擦複合膜の成膜方法で得られる複合膜を基材の摺動面側に有する低摩擦摺動部材は、摺動性に優れる。 The composite film obtained by the method for forming a low friction composite film of the present invention is excellent in both the low friction coefficient of sulfide and the seizure resistance of amorphous carbon. Therefore, the low friction sliding member which has the composite film obtained by the film formation method of the low friction composite film of the present invention on the sliding surface side of the substrate is excellent in slidability.
また、非晶質炭素と硫化物と金属原子とを「微視的かつ周期的に順次堆積させる」とは、たとえば、中間層や表層などというように、はっきりとした複数の層に分かれているのではなく、極薄い層が何層にもなって繰り返し積層する状態である。各層は、ナノメートルスケールの厚さで成膜される。具体的には、非晶質炭素が堆積しはじめた位置から次に非晶質炭素が堆積しはじめるまでの厚さ（すなわち一周期分の厚さ）が０．５〜２０ｎｍとなるような堆積速度で成膜を行えばよい。 In addition, “depositing amorphous carbon, sulfide, and metal atoms sequentially microscopically and periodically” is divided into a plurality of distinct layers such as an intermediate layer and a surface layer. Instead, it is a state in which ultrathin layers are repeatedly stacked. Each layer is deposited with a thickness of nanometer scale. Specifically, the deposition from which the amorphous carbon starts to be deposited until the next amorphous carbon begins to be deposited (that is, the thickness for one cycle) is 0.5 to 20 nm. Film formation may be performed at a speed.
本発明の低摩擦複合膜の成膜方法によって得られる複合膜が、全体を１００ａｔ％としたときに炭素を５〜８０ａｔ％含み、残部が主として金属原子と硫化物とからなり、金属原子を硫化物に対して５〜２０ａｔ％含有すれば、硫化物がもつ低摩擦係数と、非晶質炭素がもつ耐焼付き性と、の両者の性質が良好に発現するため好ましい。特に、硫化物が、潤滑性に優れたＭｏＳ２および／またはＷＳ２であれば、さらには、金属原子がＴｉおよび／またはＣｒであれば、厳しい摺動条件下であっても摩擦係数が小さく抑制される。 The composite film obtained by the method for forming a low-friction composite film of the present invention contains 5 to 80 at% of carbon when the whole is 100 at%, and the balance is mainly composed of metal atoms and sulfides. If contained in an amount of 5 to 20 at%, it is preferable because both the low friction coefficient of the sulfide and the seizure resistance of the amorphous carbon are expressed well. In particular, if the sulfide is MoS 2 and / or WS 2 having excellent lubricity, and if the metal atom is Ti and / or Cr, the friction coefficient is small even under severe sliding conditions. It is suppressed.
以下に、本発明の低摩擦複合膜の成膜方法および低摩擦摺動部材を実施するための最良の形態を図１を用いて説明する。 The best mode for carrying out the method for forming a low friction composite film and the low friction sliding member of the present invention will be described below with reference to FIG.
本発明の低摩擦複合膜の成膜方法は、成膜炉と、複数のターゲットを成膜炉内にリング状に配列するターゲット固定手段と、基材を保持するとともに基材を移動可能な基材保持手段と、各ターゲットを放電させる電源装置と、を具備するスパッタリング装置を用いて成膜が行われる。 The film forming method of the low friction composite film of the present invention includes a film forming furnace, a target fixing means for arranging a plurality of targets in a ring shape in the film forming furnace, a base that holds the base and can move the base. Film formation is performed using a sputtering apparatus including a material holding means and a power supply device that discharges each target.
スパッタリング装置は、成膜炉に配置され、主として高電圧を印可したターゲットからなる陰極および基材を保持する陽極で構成される一般的なスパッタリング装置と基本的な構成は同様である。ただし、本発明では、ターゲットとして、少なくとも、炭素からなる炭素ターゲットと、硫化物からなる硫化物ターゲットと、金属原子を含む金属ターゲットと、を用い、基材を移動可能とした。 The basic configuration of the sputtering apparatus is the same as that of a general sputtering apparatus that is arranged in a film forming furnace and is mainly composed of a cathode composed of a target to which a high voltage is applied and an anode that holds a substrate. However, in the present invention, at least a carbon target made of carbon, a sulfide target made of sulfide, and a metal target containing a metal atom are used as targets, and the substrate can be moved.
成膜炉は、一般に各種成膜装置に用いられる成膜炉であれば、形状や材質に特に限定はない。たとえば、円筒形状部を有する成膜炉のほか、断面方形状の成膜炉であってもよいが、本発明では複数のターゲットがリング状に配列されるため、成膜炉本体が円筒形上部を有するのが望ましい。成膜炉には、成膜炉内を排気できる真空系や処理ガスを供給するガス供給手段が配設されるとよい。真空系は、ロータリーポンプ等を有し、配管により成膜炉と連通する。また、ガス供給手段は、ノズル等により成膜炉内に処理ガスを導入する。 The film forming furnace is not particularly limited in shape and material as long as it is a film forming furnace generally used in various film forming apparatuses. For example, in addition to a film forming furnace having a cylindrical portion, a film forming furnace having a rectangular cross section may be used. However, in the present invention, since a plurality of targets are arranged in a ring shape, the film forming furnace main body has a cylindrical upper portion. It is desirable to have The film forming furnace may be provided with a vacuum system capable of evacuating the film forming furnace and a gas supply means for supplying a processing gas. The vacuum system has a rotary pump and the like, and communicates with the film forming furnace through piping. Further, the gas supply means introduces a processing gas into the film forming furnace through a nozzle or the like.
ターゲット固定手段は、少なくとも炭素からなる炭素ターゲットと、硫化物からなる硫化物ターゲットと、金属原子を含む金属ターゲットと、を成膜炉内に固定する。ターゲットは、少なくとも、炭素ターゲット、所望の硫化物からなる硫化物ターゲット、所望の金属原子を含む金属ターゲット、からなる３つのターゲットを用いればよいが、それぞれのターゲットを複数個用いてもよい。たとえば、炭素ターゲットを２つ以上用いてもよいし、異なる硫化物、異なる金属原子を含む複数のターゲットを準備してもよい。また、金属ターゲットは、所望の金属を含むターゲットであれば特に限定はなく、所望の金属からなる合金ターゲットであってもよい。 The target fixing means fixes at least a carbon target made of carbon, a sulfide target made of sulfide, and a metal target containing metal atoms in a film forming furnace. The target may be at least three targets including a carbon target, a sulfide target made of a desired sulfide, and a metal target containing a desired metal atom, but a plurality of each target may be used. For example, two or more carbon targets may be used, or a plurality of targets including different sulfides and different metal atoms may be prepared. In addition, the metal target is not particularly limited as long as it includes a desired metal, and may be an alloy target made of a desired metal.
複数のターゲットは、成膜炉内にリング状に配列される。ターゲットは、リング状に配列されていればよいが、隣接するターゲットが等間隔となるように配列されるとよい。配列されるリング形状は、円環状でもよいし、矩形環状でもよい。ターゲットの配列の一例を図１に示す。図１は、本発明の低摩擦複合膜の成膜方法に用いられるスパッタリング装置の一例であって、装置の主要部を示す説明図である。なお、図１は、リング状に配列されたターゲットを軸方向から見た図である。図１では、複数（４つ）のターゲット１１〜１４は、その全ての放電面が中心部（リングの内側）を向くように固定されているが、遠心方向（リングの外側）に向くようにしてもよい。また、ターゲットは、全てのターゲットの放電面が上向きまたは下向きとなるように固定されてもよい。
The plurality of targets are arranged in a ring shape in the film forming furnace. The targets need only be arranged in a ring shape, but are preferably arranged so that adjacent targets are equally spaced. The ring shape to be arranged may be an annular shape or a rectangular shape. An example of the target array is shown in FIG. FIG. 1 is an example of a sputtering apparatus used in the method for forming a low-friction composite film of the present invention, and is an explanatory view showing the main part of the apparatus. FIG. 1 is a diagram of targets arranged in a ring shape when viewed from the axial direction. In FIG. 1, the plurality of (four)
また、各ターゲットがそれぞれ載置される複数のマグネトロンを有するのが望ましい。ターゲットの裏面へのマグネトロンの設置により、ターゲットの表面（放電面）に平行な磁界が発生するため、ターゲットが放電する際のプラズマのイオン化が促進される（マグネトロンスパッタリング法）。この際、特に、マグネトロンが互いに異なる極性である内側極と外側極を有し、外側極が互いに異なる極性となるように複数のマグネトロン１６〜１９がリング状に配置されるのが望ましい（図１参照）。この構成により、マグネトロンの磁力線は連続的なバリヤーを形成する（図１の点線参照）ため、拡散するプラズマが捕捉される。その結果、緻密で密着性の高い被膜を形成することができる（クローズドフィールドアンバランストマグネトロンスパッタリング（ＣＦＵＢＭＳ）法）。また、基材に電場を印加する電場手段を有してもよい。
It is desirable to have a plurality of magnetrons on which each target is placed. By installing a magnetron on the back surface of the target, a magnetic field parallel to the surface (discharge surface) of the target is generated, so that ionization of plasma when the target is discharged is promoted (magnetron sputtering method). At this time, in particular, it is desirable that the magnetrons have inner and outer poles having different polarities, and the
基材保持手段は、基材を保持しつつ移動させる。基材保持手段は、基材を保持することができ、その基材を移動させることができれば、その形態に特に限定はない。ターゲットの配列や基材の形状に応じて、適宜選択すればよい。たとえば、図１に示すように、各ターゲット１１〜１４の放電面がターゲット固定手段１０により内側を向いて配列されている場合には、基材保持手段２０は、ターゲット固定手段１０の内側で基材を保持するのが望ましい。また、各ターゲットの放電面がターゲット固定手段により外側を向いて配列されている場合には、ターゲット固定手段の外側で基材を保持すればよく、全てのターゲットの放電面が上向きまたは下向きとなるように固定されていれば、その上側または下側に基材を保持すればよい。
The substrate holding means moves the substrate while holding the substrate. The base material holding means is not particularly limited as long as it can hold the base material and can move the base material. What is necessary is just to select suitably according to the arrangement | sequence of a target, or the shape of a base material. For example, as shown in FIG. 1, when the discharge surfaces of the
基材保持手段は、上記のように基材を保持するとともに基材を自転および／またはターゲット固定手段の中央部に対して公転させるのが望ましい。基材を自転させるか公転させるかは、基材の形状や成膜部位に応じて、基材と対向するターゲットの種類を連続的に変更できるように適宜決定すればよい。たとえば、各ターゲットの放電面がターゲット固定手段により内側を向いて配列されている場合には、基材をターゲット固定手段の中央部（すなわち成膜炉の中央部）に保持するとともに自転させることで、基材の側面上のある位置と対面するターゲットの種類が経時的に変更される。また、主として基材の一面にのみ成膜する場合には、被成膜面がターゲットのそれぞれの放電面と順次対面するように、基材を公転させればよい。さらに、他の面にも成膜するのであれば、基材を公転させつつ自転させればよい。また、各ターゲットの放電面がターゲット固定手段により外側を向いて配列されている場合であっても同様である。なお、基材を公転させる場合には、公転の軌跡上に複数の基材を配置する（図１の配置Ａおよび配置Ｂ参照）ことで、一度の成膜で複数の基材を処理することも可能である。 The base material holding means desirably holds the base material as described above and rotates the base material and / or revolves with respect to the center portion of the target fixing means. Whether the substrate is rotated or revolved may be appropriately determined according to the shape of the substrate and the film formation site so that the type of the target facing the substrate can be continuously changed. For example, when the discharge surface of each target is arranged facing inward by the target fixing means, the base material is held at the center portion of the target fixing means (that is, the central portion of the film forming furnace) and rotated. The type of target facing a certain position on the side surface of the substrate is changed over time. In the case where the film is mainly formed on only one surface of the substrate, the substrate may be revolved so that the film formation surface sequentially faces each discharge surface of the target. Furthermore, if it forms into a film also on another surface, what is necessary is just to rotate, revolving a base material. The same applies to the case where the discharge surfaces of the targets are arranged facing outward by the target fixing means. In addition, when revolving a base material, a plurality of base materials are arranged on a trajectory of revolution (see Arrangement A and Arrangement B in FIG. 1), thereby processing a plurality of base materials in a single film formation. Is also possible.
また、基材が平板状であって被成膜面が主として厚さ方向に垂直に延びる面のうちの一方の面であれば、被成膜面がターゲットの放電面と対面して保持されるとよい。基材がターゲット固定手段の中央部に対して公転されることで、被成膜面は各ターゲットの放電面と順次対面する（図１の配置Ａおよび矢印ａ参照）。また、基材が平板状であって被成膜面が主として厚さ方向に垂直に延びる表裏面であれば、被成膜面がターゲットの放電面に対して垂直となるように保持されるとよい。基材が自転、または、基材がターゲット固定手段の中央部に対して公転しつつ自転する（図１の配置Ｂおよび矢印ａ，ｂ参照）ことで、基材の大きさにもよるが、被成膜面全体に成膜が可能である。また、平板状の基材の表裏面を一度に処理することが可能となるため、複数の平板基材を厚さ方向に間隔を隔てて積層した状態で基材を配置すれば、さらに多量の基材を一度に処理することができる。 Further, if the substrate is flat and the film formation surface is one of the surfaces extending perpendicularly to the thickness direction, the film formation surface is held facing the target discharge surface. Good. The substrate is revolved with respect to the center of the target fixing means, so that the film formation surface sequentially faces the discharge surface of each target (see arrangement A and arrow a in FIG. 1). Further, if the substrate is a flat plate and the film formation surface is a front and back surface extending mainly perpendicular to the thickness direction, the film formation surface is held so as to be perpendicular to the discharge surface of the target. Good. Depending on the size of the substrate, the substrate rotates, or the substrate rotates while revolving with respect to the central portion of the target fixing means (see arrangement B and arrows a and b in FIG. 1). A film can be formed on the entire surface to be deposited. Moreover, since it becomes possible to process the front and back surfaces of the flat substrate at a time, if the substrate is arranged in a state where a plurality of flat substrates are laminated at intervals in the thickness direction, a larger amount The substrate can be processed at once.
なお、基材は、その材質や形状に特に限定はない。基材が金属製であれば、鉄、アルミニウム、銅およびマグネシウムのうちの少なくとも１種を含むのが好ましい。たとえば、合金であれば、鋼や、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｍｎ等を含むアルミニウム合金、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｍｎ等を含む銅合金などが好ましい。また、基材の表面に、中間層としてメッキ処理、溶射処理、陽極酸化処理または化成処理や、ショットブラスト、エッチング等の粗面形成処理などの表面処理がされていてもよい。これらの表面処理がされている場合には、基材と摺動層との密着性を向上させることができる。 The base material is not particularly limited in its material and shape. If the substrate is made of metal, it preferably contains at least one of iron, aluminum, copper and magnesium. For example, as an alloy, steel, an aluminum alloy containing Mg, Cu, Zn, Si, Mn, or the like, a copper alloy containing Zn, Al, Sn, Mn, or the like are preferable. Further, the surface of the base material may be subjected to surface treatment such as plating treatment, thermal spraying treatment, anodizing treatment or chemical conversion treatment, or rough surface forming treatment such as shot blasting or etching as an intermediate layer. When these surface treatments are performed, the adhesion between the base material and the sliding layer can be improved.
本発明の低摩擦複合膜の成膜方法は、以上詳説したスパッタリング装置を用いる。成膜の際には、はじめに、成膜炉を５×１０−３〜５×１０−４Ｐａ程度まで排気し、その後、アルゴンガス等の希ガスを導入する。電源装置により、たとえばマイナスの電圧をターゲット固定手段（ターゲット）に印可することにより、ターゲットをプラズマ放電させる。プラズマ放電で発生した希ガスイオンは、電界で加速され、希ガスイオンの衝突でターゲット表面の原子や分子がはじき出される（スパッタリング）。この原子や分子が基材（たとえば、アース）に堆積することにより、成膜される。そして、上記スパッタリング装置を用いれば、基材保持手段により基材が移動して対向するターゲットの種類が連続的に変更されるため、基材の表面に、炭素、硫化物を構成する原子、金属原子が基材の表面に周期的に順次堆積される。 The method for forming a low friction composite film of the present invention uses the sputtering apparatus detailed above. In film formation, first, the film formation furnace is evacuated to about 5 × 10 −3 to 5 × 10 −4 Pa, and then a rare gas such as argon gas is introduced. For example, a negative voltage is applied to the target fixing means (target) by the power supply device to cause plasma discharge of the target. The rare gas ions generated by the plasma discharge are accelerated by the electric field, and atoms and molecules on the target surface are ejected by the collision of the rare gas ions (sputtering). A film is formed by depositing these atoms and molecules on a substrate (for example, earth). And if the said sputtering apparatus is used, since the kind of the target which a base material moves and opposes will be changed continuously by a base material holding means, on the surface of a base material, the atom which comprises carbon and sulfide, metal Atoms are sequentially and sequentially deposited on the surface of the substrate.
したがって、たとえば、ターゲット固定手段が、炭素ターゲット、第１硫化物ターゲット、金属ターゲット、第２硫化物ターゲット、を順にリング状に配列する場合には、基材が自転および／または公転することで、…炭素→硫化物を構成する原子→金属原子→硫化物を構成する原子→炭素→硫化物を構成する原子→金属原子→硫化物を構成する原子…の順に周期的に基材表面に順に堆積される。この際、極薄い層がナノメートルスケールの厚さで何層にもなって繰り返し積層するように基材保持手段により基材を移動させることにより、非晶質炭素と硫化物を構成する原子（分子状態の硫化物を含む）と金属原子とが基材の表面に微視的かつ周期的に順次堆積されることとなる。なお、「第１硫化物ターゲット」と「第２硫化物ターゲット」とは、ターゲットの組成が同一であっても異なってもよい。 Therefore, for example, when the target fixing means arranges the carbon target, the first sulfide target, the metal target, and the second sulfide target in a ring shape in order, the base material rotates and / or revolves, ... deposition on the substrate surface in the order of carbon → sulfide atoms → metal atoms → sulfide atoms → carbon → sulfide atoms → metal atoms → sulfide atoms Is done. At this time, the base material is moved by the base material holding means so that the ultrathin layer can be repeatedly layered with a thickness of nanometer scale, whereby atoms constituting amorphous carbon and sulfide ( (Including sulfides in a molecular state) and metal atoms are sequentially deposited microscopically and periodically on the surface of the substrate. The “first sulfide target” and the “second sulfide target” may have the same or different target composition.
さらに、硫化物ターゲットと金属ターゲットとが隣接して固定される場合、すなわち、硫化物を構成する原子と金属原子とが隣接して堆積する場合には、成膜中のエネルギー（たとえば基材温度の上昇）により金属原子が硫化物へと容易に拡散する。その結果、硫化物と金属原子とが複合化する。このようにして、硫化物と金属原子とが拡散により複合化すること、また、堆積して形成される各層が極薄い層であることから、巨視的に、炭素、硫化物を構成する原子および金属原子が均一に分散した低摩擦複合膜が得られる。 Further, when the sulfide target and the metal target are fixed adjacent to each other, that is, when the atoms constituting the sulfide and the metal atoms are deposited adjacent to each other, energy during film formation (for example, the substrate temperature) Metal atoms easily diffuse into sulfide. As a result, the sulfide and the metal atom are combined. In this way, sulfide and metal atoms are combined by diffusion, and each layer formed by deposition is an extremely thin layer. Therefore, macroscopically, atoms constituting carbon, sulfide, and A low friction composite film in which metal atoms are uniformly dispersed is obtained.
以上のようにして得られた低摩擦複合膜では、硫化物と金属原子とが複合化した膜がもつ低摩擦係数と、非晶質炭素層がもつ耐焼付き性と、が良好に発現される。これは、非晶質炭素、硫化物を構成する原子、金属原子、から構成される各層が、ナノメートルスケールの厚さで成膜された極薄い層として何層にもなって繰り返し積層され、複合化されているからである。 In the low-friction composite film obtained as described above, the low friction coefficient of the composite film of sulfide and metal atoms and the seizure resistance of the amorphous carbon layer are well expressed. . This is because each layer composed of amorphous carbon, atoms constituting sulfide, and metal atoms is repeatedly stacked as an ultrathin layer formed with a thickness of nanometer scale, It is because it is compounded.
なお、低摩擦複合膜は、非晶質炭素が堆積しはじめた位置から次に非晶質炭素が堆積しはじめるまでの厚さが０．５〜２０ｎｍとなる堆積速度となるよう、基材の移動速度や印可電圧などを調整することで、成膜を行うのが望ましい。なお、「非晶質炭素が堆積しはじめた位置から次に非晶質炭素が堆積しはじめるまでの厚さ」とは、周期的に堆積された複合膜の一周期分の厚さを意味する。そのため、１つの成膜炉内で炭素ターゲットを２つ用いることにより一周期のうちに非晶質炭素が２度堆積される場合には、炭素ターゲットの放電により非晶質炭素が堆積しはじめた位置から次に同じ炭素ターゲットにより非晶質炭素が堆積しはじめるまでの厚さに相当する。この際、一周期は、３〜６層から構成されるとよい。一周期の厚さが薄いほど良好に複合化された膜が得られ、耐摩耗性が向上する。そのため、一周期分の厚さは、０．５〜５ｎｍであればさらに望ましい。そして、最終的に得られる低摩擦複合膜の厚さは、１〜３μｍであるのが好ましい。 Note that the low friction composite film has a deposition rate of 0.5 to 20 nm from the position at which amorphous carbon begins to be deposited until the next time amorphous carbon begins to be deposited. It is desirable to perform film formation by adjusting the moving speed, applied voltage, and the like. The “thickness from the position where amorphous carbon begins to deposit until the next amorphous carbon begins to deposit” means the thickness of one cycle of the composite film deposited periodically. . For this reason, when amorphous carbon is deposited twice in one cycle by using two carbon targets in one film forming furnace, amorphous carbon begins to be deposited by discharge of the carbon target. This corresponds to the thickness from the position until the next deposition of amorphous carbon by the same carbon target. At this time, it is preferable that one period is composed of 3 to 6 layers. The thinner the period, the better the composite film is obtained, and the wear resistance is improved. Therefore, it is more desirable if the thickness for one cycle is 0.5 to 5 nm. And it is preferable that the thickness of the low friction composite film finally obtained is 1-3 micrometers.
また、低摩擦複合膜は、全体を１００ａｔ％としたときに炭素を５〜８０ａｔ％含み、残部が主として金属原子と硫化物とからなるのが好ましい。炭素量が５ａｔ％以上であれば、優れた耐摩耗性をもつ。炭素量が８０ａｔ％を超えると、硫化物のもつ低摩擦の効果が低減されるため好ましくない。さらに好ましい炭素量は、５〜６０ａｔ％である。 The low friction composite film preferably contains 5 to 80 at% of carbon when the whole is 100 at%, and the remainder is mainly composed of metal atoms and sulfides. If the amount of carbon is 5 at% or more, it has excellent wear resistance. If the amount of carbon exceeds 80 at%, the effect of low friction of sulfide is reduced, which is not preferable. A more preferable carbon amount is 5 to 60 at%.
また、金属原子は、硫化物に対して５〜２０ａｔ％の割合で含まれるのが好ましい。金属原子量が５〜２０ａｔ％であれば、金属原子と硫化物とが複合化した層は、摩擦係数が小さく、優れた摺動特性を示す。その結果、低摩擦複合膜の摺動特性は、向上する。さらに、低摩擦複合膜中では、金属原子の存在により、膜中での硫化物クラスターの動きが抑制されるため、膜の硬度が向上する。さらに好ましい金属原子の含有量は、硫化物に対して８〜１２ａｔ％である。 Moreover, it is preferable that a metal atom is contained in the ratio of 5-20 at% with respect to sulfide. When the metal atomic weight is 5 to 20 at%, a layer in which metal atoms and sulfide are combined has a small friction coefficient and exhibits excellent sliding characteristics. As a result, the sliding characteristics of the low friction composite film are improved. Further, in the low friction composite film, the presence of metal atoms suppresses the movement of sulfide clusters in the film, so that the hardness of the film is improved. A more preferable metal atom content is 8 to 12 at% with respect to the sulfide.
低摩擦複合膜において、非晶質炭素層は、炭素原子のみからなる層の他、シリコン（Ｓｉ）やタングステン（Ｗ）などの他の元素が添加された非晶質炭素層であってもよい。また、硫化物は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）および／または二硫化タングステン（ＭｏＷ２）であるのが好ましい。金属原子は、周期律表の第IVａ族〜第VIａ族に属する元素のうち少なくとも１種からなるのが好ましく、特に好ましくは、チタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）である。ＭｏＳ２やＭｏＷ２とＴｉやＣｒとが複合化した層は、摩擦係数が小さく、優れた摺動特性を示す。 In the low friction composite film, the amorphous carbon layer may be an amorphous carbon layer to which other elements such as silicon (Si) and tungsten (W) are added in addition to a layer made of only carbon atoms. . The sulfide is preferably molybdenum disulfide (MoS 2 ) and / or tungsten disulfide (MoW 2 ). The metal atom is preferably composed of at least one of elements belonging to groups IVa to VIa of the periodic table, and particularly preferably titanium (Ti) and / or chromium (Cr). A layer in which MoS 2 or MoW 2 is combined with Ti or Cr has a small friction coefficient and exhibits excellent sliding characteristics.
低摩擦複合膜の組成は、ターゲットの種類や印可電圧などによって決定される。たとえば、硫化物ターゲットとしてＭｏＳ２からなるターゲットを複数個用いて膜中のＭｏＳ２量を増加させてもよいし、そのうちの１つをＷＳ２ターゲットに変更してもよい。 The composition of the low friction composite film is determined by the type of target and applied voltage. For example, a plurality of MoS 2 targets may be used as sulfide targets to increase the amount of MoS 2 in the film, or one of them may be changed to a WS 2 target.
本発明の低摩擦複合膜の成膜方法により堆積物として得られる低摩擦複合膜は、以上詳説したように、優れた摺動特性を発現する。すなわち、本発明の低摩擦複合膜の成膜方法は、少なくとも基材の摺動面側に低摩擦複合膜をもつ低摩擦摺動部材としてとらえることができる。 As described in detail above, the low friction composite film obtained as a deposit by the method for forming a low friction composite film of the present invention exhibits excellent sliding characteristics. That is, the method for forming a low-friction composite film of the present invention can be regarded as a low-friction sliding member having a low-friction composite film on at least the sliding surface side of the substrate.
以上、本発明の低摩擦複合膜の成膜方法および低摩擦摺動部材の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。 As mentioned above, although the film-forming method of the low-friction composite film and the embodiment of the low-friction sliding member of the present invention have been described, the present invention is not limited to the above-described embodiment. The present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention, with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art.
以下に、本発明の摺動部材の実施例を比較例とともに、表１、表２および図１〜図９を用いて説明する。 Below, the Example of the sliding member of this invention is described using Table 1, Table 2, and FIGS. 1-9 with a comparative example.
［実施例１］
基材としてφ９７ｍｍ×６ｍｍの円形板（鋳鉄（ＦＣＤ６００、表面粗さ：０．１〜０．２μｍＲａ（ＪＩＳ）））および３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍの方形平板（炭素鋼（Ｓ４５Ｃ、表面粗さ：０．１〜０．２μｍＲａ（ＪＩＳ）））を準備した。以下の手順により、円形板と方形平板の摺動面側に、ＣＦＵＢＭＳ法により低摩擦複合膜を成膜した。
[Example 1]
A circular plate (cast iron (FCD600, surface roughness: 0.1 to 0.2 μmRa (JIS))) and a 30 mm × 30 mm × 5 mm square plate (carbon steel (S45C, surface roughness: 0) as a substrate 0.1-0.2 μm Ra (JIS))). A low friction composite film was formed by the CFUBMS method on the sliding surface side of the circular plate and the rectangular flat plate by the following procedure.
なお、ＣＦＵＢＭＳ装置には、Teer Coatings Limited 社製ＵＤＰ５５０／４を用いた。装置の概要を図１を用いて説明する。本装置は、図示しないチャンバー内に、１個の黒鉛ターゲット１１と、黒鉛ターゲット１１と対向する１個のチタン（Ｔｉ）ターゲット１３と、互いに対向する２個の二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）ターゲット１２、１４を有する。４個のターゲットは、ターゲット固定手段１０により、それらの放電面が全て内側を向くように、リング状に配列されている。４個のターゲットは、黒鉛ターゲット１１、ＭｏＳ２ターゲット１２、Ｔｉターゲット１３、ＭｏＳ２ターゲット１４、の順に、マグネトロン１６〜１９に載置された状態でターゲット固定手段１０に固定されている。マグネトロン１６〜１９は、隣接するマグネトロンが異なる極性を有するため、閉鎖磁界（図１の点線参照）を形成する。また、ターゲット１１〜１４は、図示しない電源装置により、それぞれ独立に作動させて放電させることができる。もちろん、同時に放電させることも可能である。基材は、基材保持手段２０により、装置の中央部に保持される。基材保持手段２０は、それ自体が矢印ａ方向に自転することにより、保持された基材Ａおよび基材Ｂを公転させる回転手段を有する。また、基材保持手段２０に保持されたそれぞれの基材Ｂを矢印ｂ方向（基材が円形平板であれば、その周方向）に自転させる回転手段を併せて有する。
Note that UDP550 / 4 manufactured by Teer Coatings Limited was used for the CFUBMS apparatus. The outline of the apparatus will be described with reference to FIG. This apparatus includes a
成膜装置のチャンバー内に基材を載置した。基材の被成膜面がターゲット１１〜１４の放電面に対して対面するように固定された基材を基材Ａ、被成膜面がターゲット１１〜１４の放電面に対して垂直に固定された基材を基材Ｂ、とした。成膜炉内を到達真空度が１×１０−３Ｐａまで排気した。つぎに、チャンバー内にアルゴンガスを供給し、成膜前の前処理としてイオンボンバード処理を行い、基材の表面をエッチングした。イオンボンバード処理の後、チャンバー内の真空度を０．５Ｐａに調整した。そして、Ｔｉターゲット１３のみをグロー放電させ、０．１μｍのＴｉ膜（中間層）を成膜した。
The substrate was placed in the chamber of the film forming apparatus. The base material fixed so that the film-forming surface of the base material faces the discharge surfaces of the
その後、ターゲット１１〜１４をグロー放電させ、基材保持手段２０を４ｒｐｍで矢印ａ方向に回転させて基材を移動させた。さらに、基材Ｂに関しては、１２ｒｐｍで矢印ｂ方向に回転させた。基材保持手段２０の回転速度を４ｒｐｍとすることで、ターゲット１１により非晶質炭素が基板Ａの表面に堆積しはじめた位置から次の非晶質炭素が堆積されるまでの厚さを２．５ｎｍとする（以下、「２．５ｎｍピッチ」と略記）ことができる。また、ターゲットに供給される電力を調整することで、膜組成が、Ｃ：５０ａｔ％、Ｔｉ：５ａｔ％、ＭｏＳ２：４５ａｔ％となるように調整した。
Thereafter, the
基材Ａの位置では、１２０分間の放電により１．７μｍの低摩擦複合膜Ｆ−１をもつ摺動部材１が得られた。なお、基材Ｂの位置においても、基材の表面に低摩擦複合膜が成膜された。 At the position of the substrate A, the sliding member 1 having a low friction composite film F-1 of 1.7 μm was obtained by discharging for 120 minutes. Even at the position of the base material B, a low friction composite film was formed on the surface of the base material.
［実施例２］
基材に対して−４０Ｖのバイアス電圧を印可した他は、実施例１と同様にして、基材の表面に低摩擦複合膜Ｆ−２をもつ摺動部材２を作製した。
[Example 2]
A sliding member 2 having a low-friction composite film F-2 on the surface of the substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that a bias voltage of −40 V was applied to the substrate.
［実施例３］
Ｔｉターゲット１３をクロム（Ｃｒ）ターゲットに変更した他は、実施例１と同様にして、基材の表面に低摩擦複合膜Ｆ−３をもつ摺動部材３を作製した。
[Example 3]
A sliding member 3 having a low-friction composite film F-3 on the surface of the substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that the
［実施例４］
基材保持手段２０の回転を８ｒｐｍ（１．２５ｎｍピッチ）に変更した他は、実施例３と同様にして、基材の表面に低摩擦複合膜Ｆ−４をもつ摺動部材４を作製した。
[Example 4]
A sliding member 4 having a low-friction composite film F-4 on the surface of the substrate was produced in the same manner as in Example 3 except that the rotation of the substrate holding means 20 was changed to 8 rpm (1.25 nm pitch). .
［実施例５］
基材保持手段２０の回転を８ｒｐｍに変更した他は、実施例１と同様にして、基材の表面に低摩擦複合膜Ｆ−５をもつ摺動部材５を作製した。
[Example 5]
A sliding member 5 having a low friction composite film F-5 on the surface of the base material was produced in the same manner as in Example 1 except that the rotation of the base material holding means 20 was changed to 8 rpm.
［評価］
［１］単体摺動評価装置を用いた評価
摺動部材１および４について、神鋼造機株式会社製単体摺動評価装置を用い、摺動試験を行った。試験では、摺動部材１および４として摺接面に低摩擦複合膜Ｆ−１、Ｆ−４をもつ円形板（それぞれ「円形板１」「円形板４」とする）と、アルミニウム合金製で摺接面にＮｉ−Ｐ−Ｂメッキを施した相手材（φ１５．４ｍｍ×６．５ｍｍ）と、を用いた。相手材が円形板の周縁側に位置するように互いの摺接面を当接させ、相手材を固定した状態で円形板を回転させた。なお、摺動試験は、円形板の回転速度を１９６０ｒｐｍ、荷重を２０ＭＰａとして、無潤滑で５０秒間行った。また、比較例として、非晶質炭素膜（黒鉛ターゲットとＣｒターゲットを使用して成膜）を成膜した円形板Ｃ、ＭｏＳ２／Ｔｉ複合膜（ＴｉターゲットとＭｏＳ２ターゲットを使用して成膜）を成膜した円形板Ｍ、を準備し同様の試験を行った。試験時間に対する摩擦トルクの変化を図２に示す。また、試験終了後の円形板および相手材の摺動面を撮影した図面代用写真を図３〜図６に示す。
[Evaluation]
[1] Evaluation using a single sliding evaluation apparatus A sliding test was performed on the sliding members 1 and 4 using a single sliding evaluation apparatus manufactured by Shinko Engineering Co., Ltd. In the test, the sliding members 1 and 4 are made of a circular plate having low friction composite films F-1 and F-4 on the sliding contact surface (referred to as “circular plate 1” and “circular plate 4”, respectively), and an aluminum alloy. A mating material (φ15.4 mm × 6.5 mm) with Ni—P—B plating applied to the sliding contact surface was used. The sliding surfaces were brought into contact with each other so that the mating material was positioned on the peripheral side of the circular plate, and the circular plate was rotated with the mating material fixed. The sliding test was performed for 50 seconds without lubrication, with the rotation speed of the circular plate being 1960 rpm and the load being 20 MPa. As a comparative example, a circular plate C on which an amorphous carbon film (deposited using a graphite target and a Cr target) was formed, and a MoS 2 / Ti composite film (formed using a Ti target and a MoS 2 target). A circular plate M on which a film was formed was prepared, and the same test was performed. The change of the friction torque with respect to the test time is shown in FIG. In addition, FIGS. 3 to 6 show drawing-substituting photographs obtained by photographing the circular plate and the sliding surface of the mating member after completion of the test.
円形板１、円形板４および円形板Ｍを用いた試験では、摩擦トルクに大きな変動は見られず、摩擦係数は小さかった。一方、非晶質炭素膜を有する円形板Ｃでは、摩擦係数が大きかったため、摩擦トルクが増大して試験中に摺動が停止した（図２）。また、円形板Ｍでは、試験終了後の相手材の摺接面に、ＭｏＳ２／Ｔｉ複合膜が移着しているのが目視で確認された（図６）。一方、円形板１および円形板４では、相手材の摺接面に大きな変化は見られなかった（図３および図４）が、円形板４と相手材の摺接面に僅かな摩耗が生じた（図４の拡大写真参照）。そこで、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により、相手材の摺接面を定性分析したところ、円形板４と摺動した相手材には微量のＭｏ、Ｓ、Ｃｒが確認され、円形板１と摺動した相手材では検出されなかった。すなわち、円形板１および円形板４は、移着が生じ難く、耐焼付き性に優れる摺動部材であった。 In the test using the circular plate 1, the circular plate 4 and the circular plate M, the friction torque did not vary greatly, and the friction coefficient was small. On the other hand, in the circular plate C having an amorphous carbon film, since the friction coefficient was large, the friction torque increased and the sliding stopped during the test (FIG. 2). Further, in the circular plate M, it was visually confirmed that the MoS 2 / Ti composite film was transferred to the sliding contact surface of the counterpart material after the test was completed (FIG. 6). On the other hand, in the circular plate 1 and the circular plate 4, there was no significant change in the sliding contact surface of the mating material (FIGS. 3 and 4), but slight wear occurred on the sliding contact surface of the circular plate 4 and the mating material. (See the enlarged picture in FIG. 4). Therefore, when the sliding contact surface of the mating material was qualitatively analyzed by an electronic probe microanalyzer (EPMA), a small amount of Mo, S, Cr was confirmed in the mating material sliding with the circular plate 4, and the circular plate 1 and the sliding material were slid. It was not detected in the opponent material that moved. That is, the circular plate 1 and the circular plate 4 are sliding members that are less likely to transfer and have excellent seizure resistance.
なお、円形板Ｃでは、非晶質炭素膜の摩耗粉が発生して相手材へ移着しているのが確認された（図５）。ただし、この摩耗粉は、超音波洗浄により大部分が除去可能であった。 In the circular plate C, it was confirmed that abrasion powder of the amorphous carbon film was generated and transferred to the counterpart material (FIG. 5). However, most of the wear powder could be removed by ultrasonic cleaning.
［２］ボール・オン・ディスク試験による評価Ｉ
ボール・オン・ディスク試験により、摩擦係数および低摩擦複合膜の摩耗率を測定した。ボール・オン・ディスク試験では、摺動部材１〜５として摺接面に低摩擦複合膜Ｆ−１〜Ｆ−５をもつ方形平板（それぞれ「平板１」〜「平板５」とする）と、直径５ｍｍの円柱状で一端に摺接面としてＷＣ−Ｃｏ６at％コートされた半球面をもつピン型試験片と、を互いに無潤滑で摺動させた。摺動は、平板試験片の摺接面にピン型試験片の半球面を荷重１kgｆまたは３．８kgｆで押圧した状態で、ピン型試験片を線スピード２００ｍｍ／秒で往復動させて行った。また、［１］と同様に、比較例として、非晶質炭素膜を成膜した平板Ｃ、ＭｏＳ２／Ｔｉ複合膜を成膜した平板Ｍ、を準備し同様の試験を行った。荷重１kgｆでの摩擦係数および各荷重での平板試験片の摩耗率を表１に示す。
[2] Evaluation by ball-on-disk test I
The friction coefficient and the wear rate of the low friction composite film were measured by a ball-on-disk test. In the ball-on-disk test, a rectangular flat plate having low friction composite films F-1 to F-5 on the sliding contact surface as the sliding members 1 to 5 (referred to as “flat plate 1” to “flat plate 5”, respectively); A pin-type test piece having a cylindrical shape with a diameter of 5 mm and having a hemispherical surface coated with WC-
平板Ｃは、耐摩耗性に優れる反面、摩擦係数が高かった。一方、平板１〜５および平板Ｍは、摩擦係数が０．０４以下で小さく、優れた摺動性を示した。なかでも、低摩擦複合膜における金属原子をＣｒとした平板３（複合膜Ｆ−３）平板４（複合膜Ｆ−４）では、摩擦係数が大幅に低減（０．０１６）された。また、基材の回転速度を速くして作製した平板４および５（複合膜Ｆ−４およびＦ−５、１．２５ｎｍピッチ）では、優れた耐摩耗性を示した。一方、基材にバイアス電圧を印可した平板２（複合膜Ｆ−２）では、平板１よりも摩擦係数は小さかったものの、耐摩耗性が低下した。電圧の印可により複合膜が脆化したと推測される。 The flat plate C was excellent in wear resistance but had a high coefficient of friction. On the other hand, the flat plates 1 to 5 and the flat plate M had a small friction coefficient of 0.04 or less and exhibited excellent slidability. In particular, in the flat plate 3 (composite film F-3) and flat plate 4 (composite film F-4) in which the metal atom in the low friction composite film is Cr, the friction coefficient is significantly reduced (0.016). In addition, the flat plates 4 and 5 (composite films F-4 and F-5, 1.25 nm pitch) produced by increasing the rotation speed of the substrate showed excellent wear resistance. On the other hand, in the flat plate 2 (composite film F-2) in which a bias voltage was applied to the base material, although the friction coefficient was smaller than that of the flat plate 1, the wear resistance was lowered. It is presumed that the composite film has become brittle due to the application of voltage.
［３］ボール・オン・ディスク試験による評価II
上記のボール・オン・ディスク試験により、下記実施例６の方法で方形平板に成膜された低摩擦複合膜の摩耗率を測定した。また、比較例として、ＭｏＳ２／Ｔｉ複合膜を成膜した上記平板Ｍ、および、ＭｏＳ２膜（ＭｏＳ２ターゲットのみを使用して成膜）を成膜した平板Ｍ’、を準備し、同様の試験を行った。結果を表２に示す。
[3] Evaluation by ball-on-disk test II
The wear rate of the low-friction composite film formed on the rectangular flat plate by the method of Example 6 below was measured by the above ball-on-disk test. Further, as a comparative example, the above-described flat plate M on which a MoS 2 / Ti composite film is formed and a flat plate M ′ on which a MoS 2 film (deposition using only a MoS 2 target) is prepared are prepared in the same manner. The test was conducted. The results are shown in Table 2.
［実施例６］
黒鉛ターゲットに印可する電力を変更して炭素量を調整した他は実施例１と同様にして、表２に示す組成の平板６−１〜６−７を作製した。
[Example 6]
Flat plates 6-1 to 6-7 having the compositions shown in Table 2 were produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of carbon was adjusted by changing the power applied to the graphite target.
平板Ｍ’および平板Ｍの結果より、ＭｏＳ２からなる膜にＴｉを添加することにより耐摩耗性が大きく向上することが分かるが、炭素との複合化により、さらに耐摩耗性が向上することが分かった。特に、低摩擦複合膜が含有する炭素量が５〜６０ａｔ％であれば、低摩擦係数を示し耐焼付き性に優れる本発明の低摩擦複合膜がもつ性質に加え、高荷重である摺動条件下でも高い耐摩耗性を示した。 From the results of the flat plate M ′ and the flat plate M, it is understood that the wear resistance is greatly improved by adding Ti to the film made of MoS 2 , but the wear resistance can be further improved by combining with carbon. I understood. In particular, if the carbon content of the low-friction composite film is 5 to 60 at%, in addition to the properties of the low-friction composite film of the present invention that exhibits a low coefficient of friction and excellent seizure resistance, the sliding conditions are high loads. High wear resistance was exhibited even below.
［４］低摩擦複合膜の観察
低摩擦複合膜Ｆ−１の断面観察を行った。透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を図７および図８に示す。図７では、基材の表面上に複合膜Ｆ−１が形成されており、複合膜Ｆ−１が一層からなる均一な膜であることが確認された。また、図８は、図７の複合膜Ｆ−１の中央部における拡大写真であるが、層状の縞模様などは見られず、炭素が堆積した非晶質炭素層、硫化物が堆積したＭｏＳ２層、Ｔｉが堆積したＴｉ層の境界を確認することはできなかった。すなわち、複合膜Ｆ−１は、Ｃ、Ｔｉ、ＭｏＳ２が均一に分散したＭｏＳ２／Ｔｉ／ＤＬＣ複合膜であることがわかった。
[4] Observation of low-friction composite film The cross-section of the low-friction composite film F-1 was observed. Transmission electron microscope (TEM) photographs are shown in FIGS. In FIG. 7, the composite film F-1 was formed on the surface of the base material, and it was confirmed that the composite film F-1 is a uniform film composed of one layer. Further, FIG. 8 is an enlarged photograph of the central portion of the composite film F-1 in FIG. 7, but there is no layered stripe pattern and the like, an amorphous carbon layer on which carbon is deposited, and MoS on which sulfide is deposited. The boundary between the two layers, the Ti layer on which Ti was deposited, could not be confirmed. That is, it was found that the composite film F-1 was a MoS 2 / Ti / DLC composite film in which C, Ti, and MoS 2 were uniformly dispersed.
また、電子エネルギー損失分光（ＥＥＬＳ）法による膜の厚さ方向の線分析の結果を図９に示す。図９の右図は、左図のスペクトル強度より求めた各成分の組成比を示す。図９によれば、Ｃ、Ｍｏ、Ｓのいずれの成分についても、分析位置によって大きな変動は見られなかった。したがって、複合膜Ｆ−１は、Ｃ、Ｔｉ、ＭｏＳ２が均一に分散したＭｏＳ２／Ｔｉ／ＤＬＣ複合膜であることがわかった。 Further, FIG. 9 shows the results of line analysis in the thickness direction of the film by electron energy loss spectroscopy (EELS). The right figure of FIG. 9 shows the composition ratio of each component calculated | required from the spectral intensity of the left figure. According to FIG. 9, no significant variation was observed depending on the analysis position for any of C, Mo, and S components. Therefore, it was found that the composite film F-1 was a MoS 2 / Ti / DLC composite film in which C, Ti, and MoS 2 were uniformly dispersed.
１０：ターゲット固定手段
１１：炭素ターゲット
１２：硫化物ターゲット（ＭｏＳ２ターゲット）
１３：金属ターゲット（ＴｉターゲットまたはＣｒターゲット）
１４：硫化物ターゲット（ＭｏＳ２ターゲット）
１６〜１９：マグネトロン
２０：基材保持手段
10: Target fixing means 11: Carbon target 12: Sulfide target (MoS 2 target)
13: Metal target (Ti target or Cr target)
14: Sulfide target (MoS 2 target)
16-19: Magnetron 20: Base material holding means
Claims (16)
少なくとも炭素からなる炭素ターゲットと、硫化物からなる硫化物ターゲットと、金属原子を含む金属ターゲットと、を前記成膜炉内でリング状に配列するターゲット固定手段と、
基材を保持するとともに該基材を移動させて該基材と対向する前記ターゲットの種類を連続的に変更する基材保持手段と、
少なくとも前記ターゲット固定手段に結線され前記各ターゲットを放電させる電源装置と、
を具備するスパッタリング装置を用い、
前記電源装置を操作して前記各ターゲットを放電させるとともに前記基材保持手段により前記基材を移動させて、非晶質炭素と前記硫化物を構成する原子と前記金属原子とを該基材の表面に微視的かつ周期的に順次堆積させることを特徴とする低摩擦複合膜の成膜方法。 A deposition furnace;
A target fixing means for arranging a carbon target made of at least carbon, a sulfide target made of sulfide, and a metal target containing metal atoms in a ring shape in the film-forming furnace;
A substrate holding means for continuously changing the type of the target facing the substrate by holding the substrate and moving the substrate;
A power supply device connected to at least the target fixing means and discharging each target;
Using a sputtering apparatus comprising:
The power supply device is operated to discharge each target, and the base material is moved by the base material holding means so that the atoms constituting the amorphous carbon, the sulfide, and the metal atoms are separated from the base material. A method of forming a low-friction composite film, characterized by sequentially depositing microscopically and periodically on a surface.
前記基材保持手段により、該ターゲット固定手段の内側で前記基材を保持するとともに該基材を自転および／または該ターゲット固定手段の中央部に対して公転させる請求項１記載の低摩擦複合膜の成膜方法。 In the target fixing means, the targets are arranged so that the discharge surfaces of all the targets face inward,
2. The low-friction composite film according to claim 1, wherein the base material holding means holds the base material inside the target fixing means and rotates the base material and / or revolves with respect to a central portion of the target fixing means. The film forming method.
少なくとも炭素からなる炭素ターゲットと、硫化物からなる硫化物ターゲットと、金属原子を含む金属ターゲットと、を前記成膜炉内でリング状に配列するターゲット固定手段と、
基材を保持するとともに該基材を移動させて該基材と対向する前記ターゲットの種類を連続的に変更する基材保持手段と、
少なくとも前記ターゲット固定手段に結線され前記各ターゲットを放電させる電源装置と、
を具備するスパッタリング装置を用い、
前記電源装置を操作して前記各ターゲットを放電させるとともに前記基材保持手段により前記基材を移動させて、非晶質炭素と前記硫化物を構成する原子と前記金属原子とを該基材の少なくとも摺動面側に微視的かつ周期的に順次堆積させてなることを特徴とする低摩擦摺動部材。 A deposition furnace;
A target fixing means for arranging a carbon target made of at least carbon, a sulfide target made of sulfide, and a metal target containing metal atoms in a ring shape in the film-forming furnace;
A substrate holding means for continuously changing the type of the target facing the substrate by holding the substrate and moving the substrate;
A power supply device connected to at least the target fixing means and discharging each target;
Using a sputtering apparatus comprising:
The power supply device is operated to discharge each target, and the base material is moved by the base material holding means so that the atoms constituting the amorphous carbon, the sulfide, and the metal atoms are separated from the base material. A low-friction sliding member characterized in that it is sequentially deposited at least on the sliding surface side microscopically and periodically.
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|---|---|---|---|---|
| CN115287610A (en) * | 2022-05-30 | 2022-11-04 | 昆明理工大学 | Self-lubricating coating and preparation method and application thereof |
| CN115341177A (en) * | 2022-08-22 | 2022-11-15 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Multilayer composite film with sandwich structure layer and preparation method and application thereof |
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| JPH11509580A (en) * | 1995-07-19 | 1999-08-24 | テール コーティングズ リミティッド | How to attach molybdenum sulfide |
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2006
- 2006-02-17 JP JP2006041304A patent/JP2007217766A/en active Pending
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