JP2011026660A

JP2011026660A - 摺動部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP2011026660A
Application number: JP2009173346A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Suzuki; 雅裕鈴木; Toshiyuki Saito; 利幸齊藤
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2011-02-10

Abstract

【課題】基材とＤＬＣ被膜との密着力および耐食性が高い摺動部材、および当該摺動部材の製造方法を提供すること。
【解決手段】摺動部材１は、プラズマ窒化処理により表層に窒化層２０が形成されたステンレス鋼製の基材３と、直流プラズマＣＶＤ法により基材３の表面に形成されたＤＬＣ被膜２１と、ＤＬＣ被膜２１により形成された摺動面２２とを含む。プラズマ窒化処理は、基材３の温度が４５０℃以下、処理室内の圧力が６００Ｐａ以上、処理室内に導入する窒素ガスおよび水素ガスを含む処理ガス中の窒素ガス濃度が８０vol％以上１００vol％未満の条件下で、処理室内にプラズマを発生させることにより行われる。また、ＤＬＣ被膜２１の成膜処理は、基材３の温度が４５０℃以下の条件下で行われる。
【選択図】図２

Description

この発明は、摺動部材およびその製造方法に関する。

耐摩耗性の向上や摩擦係数の低減などを目的として、摺動部材の基材の表面をＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜によって被覆することが知られている。たとえば特許文献１では、オーステナイト系ステンレス鋼製の基材をプラズマ窒化処理した後、直流プラズマＣＶＤ（Direct Current Plasma Chemical Vapor Deposition）法によって基材の表面にＤＬＣ−Ｓｉ被膜（Ｓｉを含むＤＬＣ被膜）を形成する方法が開示されている。プラズマ窒化処理は、基材とＤＬＣ−Ｓｉ被膜との密着性を向上させるための処理であり、特許文献１に係るプラズマ窒化処理は、基材の温度が４００℃の条件下で行われる。

特開２００８-３１５２２号公報

ステンレス鋼を高温で処理すると、処理前よりも耐食性が低下してしまう場合がある。より具体的には、ステンレス鋼中のクロムと炭素とが高温処理によって結合し、クロム炭化物が結晶粒界に形成される場合がある。この場合、結晶粒界周辺のクロム濃度が低下してしまうので、ステンレス鋼の表面に不動態皮膜が形成されなくなる。そのため、ステンレス鋼の耐食性が処理前よりも低下してしまう（これを「ステンレス鋼の鋭敏化」という）。

ステンレス鋼の鋭敏化は、たとえば、マルテンサイト系ステンレス鋼であれば５００℃付近で焼き戻しを行った場合、オーステナイト系ステンレス鋼であれば４５０℃〜８５０℃の範囲内（特に、６５０℃付近）で所定時間以上加熱した場合に生じる。前述の特許文献１では、オーステナイト系ステンレス鋼製の基材の温度が４００℃の条件下でプラズマ窒化処理が行われるので、ステンレス鋼の鋭敏化を回避することができる。しかしながら、プラズマ窒化処理における他の処理条件が適切でないと、所望の窒化層が得られず、基材とＤＬＣ−Ｓｉ被膜との密着性が低下するなどの問題が生じる場合がある。

そこで、本発明の目的は、基材とＤＬＣ被膜との密着力および耐食性が高い摺動部材、および当該摺動部材の製造方法を提供することである。

前記目的を達成するための請求項１記載の発明は、プラズマ窒化処理により表層に窒化層（２０）が形成されたステンレス鋼製の基材（３）と、直流プラズマＣＶＤ法により前記基材の表面に形成されたＤＬＣ被膜（２１）と、前記ＤＬＣ被膜により形成された摺動面（２２）とを含み、前記プラズマ窒化処理は、前記基材の温度が４５０℃以下、処理室内の圧力が６００Ｐａ以上、処理室内に導入する窒素ガスおよび水素ガスを含む処理ガス中の窒素ガス濃度が８０vol％以上１００vol％未満の条件下で、処理室内にプラズマを発生させることにより行われ、前記ＤＬＣ被膜の成膜処理は、前記基材の温度が４５０℃以下の条件下で行われる、摺動部材（１、２４）である。なお、括弧内の数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。

この発明によれば、ステンレス鋼製の基材に対するプラズマ窒化処理およびＤＬＣ被膜の成膜処理が基材の温度が４５０℃以下の条件下で行われるので、ステンレス鋼の鋭敏化を回避することができる。これにより、摺動部材の耐食性の低下を防止することができる。また、後述するように、前述の条件下でプラズマ窒化処理を基材に行うことにより、深さおよび硬さが良好な所望の窒化層を得ることができる。したがって、基材とＤＬＣ被膜との密着力を十分に確保することができる。

請求項２記載の発明は、前記ＤＬＣ被膜は、Ｓｉを含む請求項１記載の摺動部材である。この発明によれば、たとえば液中で摺動部材が使用される場合に、摺動面の摩擦係数をさらに低下させることができる。したがって、摺動部材の摺動抵抗をさらに低下させることができる。
請求項３記載の発明は、ＤＬＣ被膜により形成された摺動面を有する摺動部材の製造方法であって、基材の温度が４５０℃以下、処理室内の圧力が６００Ｐａ以上、処理室内に導入する窒素ガスおよび水素ガスを含む処理ガス中の窒素ガス濃度が８０vol％以上１００vol％未満の条件下で、処理室内にプラズマを発生させることにより、ステンレス鋼製の基材の表層に窒化層を形成するプラズマ窒化処理工程と、基材の温度が４５０℃以下の条件下で、窒化層が形成された前記基材の表面に直流プラズマＣＶＤ法によりＤＬＣ被膜を形成するＤＬＣ被膜形成工程とを含む、摺動部材の製造方法である。この発明によれば、請求項１の発明に関して述べた効果と同様な効果を奏することができる。

請求項４記載の発明は、前記ＤＬＣ被膜形成工程は、Ｓｉを含むＤＬＣ被膜を形成する工程を含む、請求項３記載の摺動部材の製造方法である。この発明によれば、請求項２の発明に関して述べた効果と同様な効果を奏することができる。

本発明の一実施形態に係る摺動部材を製造するための製造装置の概略構成を示す模式図である。摺動部材の表層の断面図である。摺動部材の製造工程の一例を説明するための工程図である。処理圧と窒化深さとの関係を示すグラフである。処理圧と窒化層の硬さとの関係を示すグラフである。処理ガス中の窒素ガス濃度と窒化深さとの関係を示すグラフである。処理ガス中の窒素ガス濃度と窒化層の硬さとの関係を示すグラフである。摺動部材を備えるウォーターポンプの図解的な断面図である。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る摺動部材１を製造するための製造装置２の概略構成を示す模式図である。
この製造装置２は、プラズマ窒化処理を基材３に施して、窒化された基材３の表面に直流プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ被膜を形成するためのものである。製造装置２は、隔壁４で取り囲まれた処理室５と、処理室５内で基材３を保持する基台６と、処理室５内にガスを導入するためのガス導入管７と、処理室５内の気圧を減圧する減圧機構８と、処理室５内に導入されたガスをプラズマ化させるための直流電源９とを備えている。

基台６は、処理室５内で水平に配置された支持プレート１０と、上下方向に延び、支持プレート１０を支持する支持軸１１とを備えている。この実施形態では、基台６として、３つの支持プレート１０が上下方向に間隔を隔てて配置された３段式のものが採用されている。基台６は、導電材料を用いて形成されており、直流電源９の負極に電気的に接続されている。また、隔壁４は、導電材料を用いて形成されており、アース接続されている。隔壁４および支持軸１１は、絶縁部１２によって絶縁されている。したがって、直流電源９によって直流電圧が隔壁４に印加されると、隔壁４および基台６間に電位差が生じる。

ガス導入管７は、処理室５内における基台６の上方を、水平方向に延びている。ガス導入管７の基台６に対向する部分には、ガス導入管７の長手方向に沿って配列された多数の吐出孔１３が形成されている。多数の吐出孔１３からガスが吐出されることにより、処理室５内にガスが導入される。ガス導入管７には、図示しないバルブの切り替えにより、プラズマ窒化処理に用いられる処理ガスや、ＤＬＣ被膜の成膜に用いられる原料ガスなどの複数種のガスがそれぞれ所定流量で選択的に供給される。処理ガスは、窒素ガスおよび水素ガスを含むガスであり、原料ガスは、炭化水素ガスを含むガスである。

減圧機構８は、処理室５に連通する第１排気管１４および第２排気管１５と、第１圧力調節バルブ１６および第２圧力調節バルブ１７と、第１ポンプ１８および第２ポンプ１９とを備えている。第１排気管１４の途中部には、第１圧力調節バルブ１６および第１ポンプ１８が、処理室５側からこの順で介装されている。第１ポンプ１８が駆動されることにより、処理室５内の気体が排気され、処理室５内の圧力（気圧）が減圧される。第１ポンプ１８としては、たとえば、ロータリポンプなどが採用されている。

また、第２排気管１５の先端は、第１排気管１４における第１ポンプ１８と第１圧力調節バルブ１６との間に接続されている。第２排気管１５の途中部には、第２圧力調節バルブ１７および第２ポンプ１９が、処理室５側からこの順で介装されている。第２ポンプ１９が駆動されることにより、処理室５内の気体が排気され、処理室５内の圧力（気圧）が減圧される。第２ポンプ１９としては、たとえばターボ分子ポンプが採用されている。

図２は、摺動部材１の表層の断面図である。また、図３は、摺動部材１の製造工程の一例を説明するための工程図である。
図２に示すように、摺動部材１は、表層に窒化層２０が形成されたたとえばオーステナイト系ステンレス鋼製の基材３と、基材３の表面に形成されたＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１（Ｓｉを含むＤＬＣ被膜）と、ＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１により形成された摺動面２２とを含む。窒化層２０は、製造装置２を用いて基材３にプラズマ窒化処理を行うことにより形成されたものであり、ＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１は、製造装置２を用いて直流プラズマＣＶＤ法により成膜処理を行うことにより形成されたものである。以下では、図１〜図３を参照して、窒化層２０を形成するためのプラズマ窒化処理、およびＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１を形成するための成膜処理の処理工程の一例について説明する。

処理対象となる基材３は、処理室５内に搬入されて（ステップＳ１）、支持プレート１０上に載置される。そして、処理室５内が密閉された後、減圧機構８による減圧が開始される（ステップＳ２）。より具体的には、最初に、第１ポンプ１８が駆動されて、その後、第２ポンプ１９が駆動される。そして、処理室５内の圧力が所定圧に達した後に第２ポンプ１９の駆動が停止され、第１ポンプ１８による減圧が継続される。したがって、処理室５内の圧力が減圧された状態が維持される。

次に、プラズマ窒化処理が行われる。より具体的には、ガス導入管７から処理室５内に水素ガスが導入され、さらに直流電源９によって負の直流電圧が基台６に印加される。これにより、支持プレート１０上に支持された基材３に負の直流電圧が印加され、処理室５内の水素ガスがプラズマ化してＨイオンが負極の基材３に衝突する。これにより、基材３が昇温される（ステップＳ３）。そして、基材３の温度が所定温度になると、基材３に負の直流電圧が印加された状態で、窒素ガスおよび水素ガス（処理ガスに相当）がガス導入管７から処理室５内に導入される。これにより、処理ガスがプラズマ化して、処理室５内のＮイオンが基材３に衝突する。このようにして、基材３の表面が窒化される（ステップＳ４）。

プラズマ窒化処理の処理条件は、基材３の温度が４５０℃以下、処理室５内の圧力（処理圧）が６００Ｐａ以上、処理ガス中の窒素ガス濃度が８０vol％以上１００vol％未満である。すなわち、基材３が前述の温度になるように、図示しない変圧器によって基材３に印加される電圧値が調整され、基材３を流れる電流値がほぼ一定に制御される。また、処理室５内の圧力が前述の圧力になるように、第１および第２圧力調節バルブ１６、１７が調整される。さらに、窒素ガス濃度が前述の割合になるように、ガス導入管７に供給される窒素ガスおよび水素ガスの流量が調整される。

この処理例におけるプラズマ窒化処理の処理条件は、基材３の温度が４００℃、処理室５内の圧力（処理圧）が６７０Ｐａ、処理ガス中の窒素ガス濃度が８０vol％（処理ガス全体の流量は、２ｓｌｍ（standard liters per minute））、処理時間が６０ｍｉｎである。この処理条件において基材３に印加される電圧値は、基材３を流れる電流値が２〜４Ａになるように調整される。また、この処理条件によって得られた窒化層２０の深さＤ１（図２参照）は、５μｍであり、窒化後の基材３の表面硬度（ビッカース硬さ）は、７００Ｈｖであった。

次に、直流プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１の成膜処理が行われる。より具体的には、基材３に負の直流電圧が印加された状態で、たとえば、メタンガス、水素ガス、アルゴンガスおよびテトラメチルシランガス（（Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）。以下、「ＴＭＳガス」という。）からなるＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１の原料ガスがガス導入管７から処理室５内に導入される。これにより、原料ガスがプラズマ化して、イオン・ラジカルが生成され処理室５内に浮遊する。そして、処理室５内で生じる化学反応により、Ｓｉを含有するＤＬＣが基材３の表面上に堆積し、基材３の表面上にＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１が形成される（ステップＳ５）。成膜処理時の基材３の温度は、４５０℃以下であり、原料ガス中のＴＭＳガスの濃度は、ＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１中のＳｉの割合が７〜３０ｗｔ％（好ましくは、２０ｗｔ％）になるように調整される。したがって、ＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１には、７〜３０ｗｔ％（好ましくは、２０ｗｔ％）でＳｉが含まれている。

図４は、処理圧と窒化深さとの関係を示すグラフであり、図５は、処理圧と窒化層２０の硬さとの関係を示すグラフである。また、図６は、処理ガス中の窒素ガス濃度と窒化深さとの関係を示すグラフであり、図７は、処理ガス中の窒素ガス濃度と窒化層２０の硬さとの関係を示すグラフである。
各グラフにおける測定値は、製造装置２を用いてオーステナイト系ステンレス鋼製の基材にプラズマ窒化処理を行ったときのものである。また、図４および図５は、基材の温度を４００℃、処理ガス中の窒素ガス濃度を５０vol％（窒素ガスと水素ガスとの割合が１対１）、処理時間を６０ｍｉｎに固定して、処理室５内の圧力（処理圧）を変化させたときの測定値である。また、図６および図７は、基材の温度を４００℃、処理圧を６７０Ｐａ、処理時間を６０ｍｉｎに固定して、処理ガス中の窒素ガス濃度を変化させたときの測定値である。

図４に示す測定値から、処理圧が４００Ｐａ以上〜５３３Ｐａ未満の範囲内では窒化深さがほぼ一定であり、処理圧が５３３Ｐａ以上になると、処理圧の増加に伴って窒化深さが増加することが分かる。したがって、プラズマ窒化処理における処理圧を５３３Ｐａ以上に設定することにより、窒化深さを増加させることができる。
また、図５に示す測定値から、処理圧が４００Ｐａ以上〜５３３Ｐａ未満の範囲内では、処理圧の増加に伴って窒化層の硬さが僅かに減少し、処理圧が５３３Ｐａ以上になると、窒化層の硬さがほぼ一定になることが分かる。したがって、プラズマ窒化処理における処理圧が４００Ｐａ以上のときは、窒化層の硬さが殆ど変化せず、処理圧が５３３Ｐａ以上になると窒化層の硬さがほぼ一定になる。すなわち、図４および図５に示す測定値から、プラズマ窒化処理における処理圧を５３３Ｐａ以上に設定することにより、窒化層の硬さをほぼ一定に維持しながら窒化深さを増加させることができる。

また、図６に示す測定値から、窒素ガス濃度が５０vol％以上〜７０vol％未満の範囲内では、窒化深さがほぼ一定であり、窒素ガス濃度が７０vol％以上になると、窒素ガス濃度の増加に伴って窒化深さが増加することが分かる。したがって、プラズマ窒化処理における窒素ガス濃度を７０vol％以上１００vol％未満に設定することにより、処理ガスに含まれる水素ガスによって基材の窒化を促進させながら、窒化深さを増加させることができる。

また、図７に示す測定値から、窒化層の硬さは、窒素ガス濃度の増加に伴って増加することが分かる。したがって、図６および図７に示す測定値から、プラズマ窒化処理における窒素ガス濃度を７０vol％以上１００vol％未満に設定することにより、窒化層の深さ及び硬さを増加させることができる。
以上の考察をまとめると、プラズマ窒化処理における処理圧を５３３Ｐａ以上、窒素ガス濃度を７０vol％以上１００vol％未満に設定することにより、窒化層の深さ及び硬さを効率的に増加させることができる。また、得られる窒化層の条件として、たとえば、窒化深さを５μｍ、硬度を７００Ｈｖに設定すると、図６および図７の測定値より、プラズマ窒化処理における処理温度を４００℃、処理圧を６７０Ｐａ、処理時間を６０ｍｉｎ、窒素ガス濃度を８０vol％に設定することにより、所望の窒化層を形成することができる。したがって、これらの数値を満足する処理条件下でプラズマ窒化処理が行われた摺動部材１の基材３には、深さ及び硬さが良好な所望の窒化層２０が形成されている。そのため、ＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１と基材３の表面（下地）との密着力が十分に確保されており、低硬度の下地に起因するＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１の割れが防止されている。

また、オーステナイト系ステンレス鋼製の基材３に対して、４５０℃以下の条件下でプラズマ窒化処理および成膜処理が行われるので、ステンレス鋼の鋭敏化が回避されている。そのため、ステンレス鋼の鋭敏化による摺動部材１の耐食性の低下が防止されている。したがって、たとえば液中や酸性・アルカリ性雰囲気中などの腐食環境下（腐食が生じ易い環境下）で摺動部材１が使用される場合であっても、摺動部材１の腐食や錆びを確実に抑制または防止することができる。さらに、ＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１にＳｉが含まれているので、液中における摺動部材１の摩擦係数をさらに低減できる。

図８は、摺動部材１を備えるウォーターポンプ２３の図解的な断面図である。以下では、図２および図８を参照して、摺動部材１が備えられたウォーターポンプ２３について説明する。
ウォーターポンプ２３は、たとえば、車両用のエンジンに形成されたウォータージャケット（図示せず）に冷却水を供給するためのものである。ウォーターポンプ２３は、摺動部材１としてのシャフト２４と、このシャフト２４の一端に連結された羽根車２５と、シャフト２４の他端に連結されたプーリ２６と、冷却水の流路２７を形成するハウジング２８と、ハウジング２８内でシャフト２４を回転可能に支持する軸受２９と、ハウジング２８とシャフト２４との間を封止する環状のメカニカルシール３０とを備えている。プーリ２６に回転力が入力されることにより、シャフト２４および羽根車２５が一体回転して、流路２７内の冷却水がウォータージャケットに供給される。

シャフト２４は、基材３の表面がＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１によって被覆されたものであり、摺動面２２に相当するシャフト２４の外周面は、ＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１によって形成されている。シャフト２４が回転すると、軸受２９の転動体３１およびシール３２、ならびにメカニカルシール３０がシャフト２４の外周面に摺動する。シャフト２４の一部は、流路２７内に位置しており、メカニカルシール３０は、流路２７内の冷却水がメカニカルシール３０よりも軸受２９側に移動することを規制している。

この実施形態では、シャフト２４の外周面（摺動面２２）が、耐摩耗性および摺動性に優れるＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１によって形成されているので、摺動に伴うシャフト２４の摩耗が抑制されており、摺動抵抗が低減されている。また、ＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１にＳｉが含まれているので、冷却水中におけるシャフト２４の摩擦係数がさらに低減されている。さらに、シャフト２４は、基材３の温度を４５０℃以下にしたプラズマ窒化処理および成膜処理を経て形成されているので、ステンレス鋼の鋭敏化が回避されている。したがって、この実施形態のように、シャフト２４の一部が冷却水中で使用される場合でも、シャフト２４の腐食および錆びを確実に防止することができる。

この発明の実施の形態の説明は以上であるが、この発明は、前述の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。例えば前述の実施形態では、基材３に被覆される膜がＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１である場合について説明したが、基材３に被覆される膜は、Ｓｉが含まれないＤＬＣ被膜であってもよいし、Ｓｉ以外の元素を含むＤＬＣ被膜であってもよい。

また、前述の実施形態では、基材３が、オーステナイト系ステンレス鋼製である場合について説明したが、基材３は、オーステナイト系以外のステンレス鋼によって形成されていてもよい。
また、前述の実施形態では、ＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１の形成に用いる原料ガスのうち炭化水素系のガスとしてメタンガスを採用する構成を説明したが、メタンガスに代えて、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、ヘキサン（Ｃ_６Ｈ_１４）、ベンゼン（Ｃ_６Ｈ_６）などを採用することができる。さらに、ＤＬＣ−Ｓｉ被膜２１の形成に用いる原料ガスのうちＳｉ成分を含むガスとしてＴＭＳを採用する構成を説明したが、ＴＭＳに代えて、ジメチルシロキサンやシラン（ＳｉＨ_４）などを採用することができる。

また、前述の実施形態では、摺動部材１が、ウォーターポンプ２３のシャフト２４として用いられる場合について説明したが、摺動部材１は、ウォーターポンプ２３のシャフト２４以外の部材として用いられてもよい。たとえば、クラッチプレート、歯車、軸受の内輪、軸受の外輪、軸受の転動体、スプライン軸として摺動部材１を用いてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１・・・摺動部材、２・・・製造装置、３・・・基材、２０・・・窒化層、２１・・・ＤＬＣ−Ｓｉ被膜（ＤＬＣ被膜）、２２・・・摺動面、２４・・・シャフト（摺動部材）

Claims

プラズマ窒化処理により表層に窒化層が形成されたステンレス鋼製の基材と、
直流プラズマＣＶＤ法により前記基材の表面に形成されたＤＬＣ被膜と、
前記ＤＬＣ被膜により形成された摺動面とを含み、
前記プラズマ窒化処理は、前記基材の温度が４５０℃以下、処理室内の圧力が６００Ｐａ以上、処理室内に導入する窒素ガスおよび水素ガスを含む処理ガス中の窒素ガス濃度が８０vol％以上１００vol％未満の条件下で、処理室内にプラズマを発生させることにより行われ、
前記ＤＬＣ被膜の成膜処理は、前記基材の温度が４５０℃以下の条件下で行われる、摺動部材。
前記ＤＬＣ被膜は、Ｓｉを含む請求項１記載の摺動部材。
ＤＬＣ被膜により形成された摺動面を有する摺動部材の製造方法であって、
基材の温度が４５０℃以下、処理室内の圧力が６００Ｐａ以上、処理室内に導入する窒素ガスおよび水素ガスを含む処理ガス中の窒素ガス濃度が８０vol％以上１００vol％未満の条件下で、処理室内にプラズマを発生させることにより、ステンレス鋼製の基材の表層に窒化層を形成するプラズマ窒化処理工程と、
基材の温度が４５０℃以下の条件下で、窒化層が形成された前記基材の表面に直流プラズマＣＶＤ法によりＤＬＣ被膜を形成するＤＬＣ被膜形成工程とを含む、摺動部材の製造方法。
前記ＤＬＣ被膜形成工程は、Ｓｉを含むＤＬＣ被膜を形成する工程を含む、請求項３記載の摺動部材の製造方法。