JP2015148263A - Sliding surface structure, and sliding surface structure manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、摺動面構造および摺動面構造の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a sliding surface structure and a method for manufacturing the sliding surface structure.
ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜は優れたトライボロジー特性を示す。このため、従来から様々な分野で注目されている。ＤＬＣ膜と鋼材の摺動では摩耗粉に起因する移着膜が低摩擦化に寄与することが示唆されている。また、低摩擦を示す移着膜では、最表面にＤＬＣ由来のグラファイト化されたカーボンが生成されており、低硬度カーボン移着物が低摩擦の要因と考えられている。 Diamond-like carbon (DLC) films exhibit excellent tribological properties. For this reason, it has been attracting attention in various fields. It has been suggested that the transfer film caused by the wear powder contributes to lower friction in sliding between the DLC film and the steel material. In the transfer film showing low friction, DLC-derived graphitized carbon is generated on the outermost surface, and the low hardness carbon transfer product is considered to be a factor of low friction.
シリコンを添加したＳｉ−ＤＬＣ膜に酸素プラズマ処理を施すと、シリコン酸化物がカーボン移着物を固着させるバインダーの役割を果たし、低摩擦化することが報告されている。このように、低摩擦化を実現するためには低硬度カーボンの生成とともに移着膜の固着性が重要となる。 It has been reported that when an oxygen plasma treatment is performed on a Si-DLC film to which silicon is added, silicon oxide serves as a binder for fixing the carbon transfer material and lowers the friction. As described above, in order to realize low friction, the adhesion of the transfer film is important along with the generation of low hardness carbon.
一方、サブミクロンの周期ピッチと溝深さをもつグレーティング状の周期構造をＤＬＣ膜に付与すると、ＤＬＣ膜と鋼材の微細な摩耗粉が生成される。その結果、マイルド摩耗面に似た滑らかで強固に固着したカーボン移着膜が鋼材側に形成され、摩擦低減効果が得られる。 On the other hand, when a grating-like periodic structure having a submicron periodic pitch and groove depth is applied to the DLC film, fine wear powder of the DLC film and the steel material is generated. As a result, a smooth and firm carbon transfer film similar to a mild wear surface is formed on the steel material side, and a friction reducing effect is obtained.
ＤＬＣ膜の摩擦特性を向上させるために、基材の摺動面に成膜されたＤＬＣ膜に、フェムト秒レーザ等を照射することで、照射領域をガラス状炭素に改質された改質領域を形成するようにした摺動材（摺動部材）が従来においては提案されている（特許文献１）。 In order to improve the friction characteristics of the DLC film, the irradiated area is modified to glassy carbon by irradiating the DLC film formed on the sliding surface of the substrate with a femtosecond laser or the like. In the past, a sliding material (sliding member) that has been formed has been proposed (Patent Document 1).
また、従来には、基材の表面に、水素を含有した非晶質炭素被膜を成膜する工程と、非晶質炭素被膜の表面に紫外線を照射する工程とで、摺動部材を製造するものもある（特許文献２）。 Conventionally, a sliding member is manufactured by a process of forming an amorphous carbon film containing hydrogen on the surface of a substrate and a process of irradiating the surface of the amorphous carbon film with ultraviolet rays. There is also a thing (patent document 2).
前記特許文献１に示すものでは、ＤＬＣ層を形成した後、そのＤＬＣ層の表面にレーザ照射するものであり、特許文献２では、ＤＬＣ層を形成した後、そのＤＬＣ層の表面に紫外線を照射するものである。このため、レーザ照射等によって、ＤＬＣをグラファイト化していることになり、ＤＬＣ本来の物性が損なわれることになる。また、長期に渡る使用によって、改質層が消滅すれば、摺動部材としての機能を損なうことになっていた。 In the above-mentioned Patent Document 1, after the DLC layer is formed, the surface of the DLC layer is irradiated with laser. In Patent Document 2, after the DLC layer is formed, the surface of the DLC layer is irradiated with ultraviolet rays. To do. For this reason, DLC is graphitized by laser irradiation or the like, and the original physical properties of DLC are impaired. Further, if the modified layer disappears after long-term use, the function as the sliding member is impaired.
また、従来においては、移着性の低いセラミックス等を摺動材とした場合、ＤＬＣ膜の摩擦特性に及ぼす周期構造付与の影響は明らかとなっていない。 Conventionally, when a ceramic having a low transferability is used as a sliding material, the effect of applying a periodic structure on the friction characteristics of the DLC film has not been clarified.
本発明は、上記課題に鑑みて、低摩擦化の実現に重要なＤＬＣ由来の低硬度カーボンの移着性が低い非金属無機材料に対して、周期構造が消滅した後も長期に渡って安定した低摩擦状態が維持される摺動面構造およびこのような摺動面構造を製造することができる摺動面構造の製造方法を提供する。 In view of the above problems, the present invention is stable over a long period of time even after the periodic structure has disappeared against non-metallic inorganic materials with low transferability of DLC-derived low-hardness carbon, which is important for realizing low friction. Provided are a sliding surface structure in which a low friction state is maintained, and a manufacturing method of the sliding surface structure capable of manufacturing such a sliding surface structure.
本発明の摺動面構造の製造方法は、非晶質炭素膜を備えた第１部材と非金属無機材料からなる第２部材とが相対的に摺動する摺動面構造の製造方法であって、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有する非晶質炭素膜を形成する膜形成工程と、非晶質炭素膜と非金属無機材料とを相対的に摺動させて、当接する摺動面間に摺動方向に対して摺動初期において形成されるくさび状の隙間を、摩耗粉にて生成されるカーボン付着物にて埋める摩耗工程とを備えたものである。 The manufacturing method of the sliding surface structure of the present invention is a manufacturing method of the sliding surface structure in which the first member provided with the amorphous carbon film and the second member made of a nonmetallic inorganic material slide relatively. A film forming step of forming an amorphous carbon film having a periodic structure of grating-like irregularities in which the convex vertex is a non-flat surface and the height continuously changes, and the amorphous carbon film and the nonmetallic inorganic The material is slid relative to each other, and the wedge-shaped gap formed at the beginning of sliding with respect to the sliding direction between the abutting sliding surfaces is filled with carbon deposits generated by wear powder. And a wear process.
本発明の摺動面構造の製造方法によれば、連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）に設けているため、摺動時に小さな曲率半径をもつ周期構造先端が摩耗し、なじみが進行する。この際に発生する微細なＤＬＣ膜の摩耗粉はグラファイト化され、低摩擦化の実現に重要な低硬度カーボンの生成が促進される。このとき、移着性の低い非金属無機材料ではヘルツ接触領域に移着膜はほとんど形成されないが、非金属無機材料の形状を摺動面間に摺動方向に対してくさび状の隙間が形成される形状とすることで、くさび状の隙間を埋めるようにカーボン付着物が形成され、面接触に近い摺動となる。周期構造を設けたＤＬＣ膜は、突出したカーボン付着物を微細な加工ツールとしての作用で削り落とし、付着物の平滑化に寄与する。摺動回数の増加に伴いＤＬＣ膜の周期構造が摩滅すると、平滑化したＤＬＣ膜とカーボン付着物の摺動となり、周期構造が消滅した後も長期に渡って安定した低摩擦状態が維持される。 According to the manufacturing method of the sliding surface structure of the present invention, since the periodic structure of the grating-like irregularities whose height continuously changes is provided on the amorphous carbon film (DLC film), a small radius of curvature during sliding is provided. The tip of the periodic structure with wear wears out and familiarity progresses. The wear powder of the fine DLC film generated at this time is graphitized, and the generation of low-hardness carbon important for realizing low friction is promoted. At this time, a non-metallic inorganic material with low transferability hardly forms a transfer film in the Hertz contact region, but a wedge-shaped gap is formed between the sliding surfaces of the non-metallic inorganic material in the sliding direction. By adopting such a shape, carbon deposits are formed so as to fill the wedge-shaped gaps, and sliding close to surface contact is achieved. The DLC film provided with the periodic structure scrapes off the protruding carbon deposits by the action as a fine processing tool, and contributes to smoothing the deposits. When the periodic structure of the DLC film wears off as the number of sliding operations increases, the smooth DLC film and carbon deposits slide, and a stable low friction state is maintained for a long time after the periodic structure disappears. .
グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に配向しているのが好ましい。また、非晶質炭素膜は、基材表面に予め凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造形成を行った後、成膜して形成するのが好ましい。 It is preferable that the periodic structure of the grating-like irregularities is oriented in the sliding direction. In addition, the amorphous carbon film is formed by forming a periodic structure of grating-like irregularities in which the height of the convex portion is a non-planar surface and the height continuously changes on the surface of the base material in advance, and then formed. Is preferred.
前記非晶質炭素膜の基材表面にあらかじめ形成する周期構造は、加工闘値近傍の照射強度で 直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成されているのが好ましい。 The periodic structure previously formed on the substrate surface of the amorphous carbon film is irradiated with a linearly polarized laser beam with an irradiation intensity in the vicinity of the processing threshold value, and the irradiated portion is scanned while being overlapped. Preferably it is formed.
本発明の摺動面構造は、非晶質炭素膜を備えた第１部材と非金属無機材料からなる第２部材とが相対的に摺動する摺動面構造であって、前記非晶質炭素膜は、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有し、かつ、非晶質炭素膜と非金属無機材料との間には、摺動初期において、当接する摺動面間に摺動方向に対してくさび状となる隙間が形成されるものである。 The sliding surface structure of the present invention is a sliding surface structure in which a first member provided with an amorphous carbon film and a second member made of a nonmetallic inorganic material slide relative to each other. The carbon film has a periodic structure of grating-like irregularities in which the convex vertex is a non-flat surface and continuously changes in height, and between the amorphous carbon film and the nonmetallic inorganic material, In the initial stage of sliding, a gap having a wedge shape with respect to the sliding direction is formed between the sliding surfaces in contact.
本発明の摺動構造によれば、連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造をＤＬＣ膜（非晶質炭素膜）に設けているため、摺動時に小さな曲率半径をもつ周期構造先端が摩耗し、なじみが進行する。この際に発生する微細なＤＬＣ膜の摩耗粉はグラファイト化され、低摩擦化の実現に重要な低硬度カーボンの生成が促進される。このとき、移着性の低い非金属無機材料ではヘルツ接触領域に移着膜はほとんど形成されないが、非金属無機材料の形状を摺動面間に摺動方向に対してくさび状の隙間が形成される形状とすることで、くさび状の隙間を埋めるようにカーボン付着物が形成され、面接触に近い摺動となる。周期構造を設けたＤＬＣ膜は、突出したカーボン付着物を微細な加工ツールとしての作用で削り落とし、付着物の平滑化に寄与する。摺動回数の増加に伴いＤＬＣ膜の周期構造が摩滅すると、平滑化したＤＬＣ膜とカーボン付着物の摺動となり、周期構造が消滅した後も長期に渡って安定した低摩擦状態が維持される。 According to the sliding structure of the present invention, since the periodic structure of grating-like irregularities whose height continuously changes is provided in the DLC film (amorphous carbon film), the periodic structure having a small radius of curvature when sliding. The tip wears out and familiarity progresses. The wear powder of the fine DLC film generated at this time is graphitized, and the generation of low-hardness carbon important for realizing low friction is promoted. At this time, a non-metallic inorganic material with low transferability hardly forms a transfer film in the Hertz contact region, but a wedge-shaped gap is formed between the sliding surfaces of the non-metallic inorganic material in the sliding direction. By adopting such a shape, carbon deposits are formed so as to fill the wedge-shaped gaps, and sliding close to surface contact is achieved. The DLC film provided with the periodic structure scrapes off the protruding carbon deposits by the action as a fine processing tool, and contributes to smoothing the deposits. When the periodic structure of the DLC film wears off as the number of sliding operations increases, the smooth DLC film and carbon deposits slide, and a stable low friction state is maintained for a long time after the periodic structure disappears. .
非晶質炭素膜と非金属無機材料との当接点において形成されるくさび状の隙間の勾配が１／１０であるのが好ましい。 The gradient of the wedge-shaped gap formed at the contact point between the amorphous carbon film and the nonmetallic inorganic material is preferably 1/10.
本発明では、周期構造が消滅した後も長期に渡って優れた摺動特性を継続する。しかも、ＤＬＣ膜（非晶質炭素膜）に硬度低下などの物性変化を生じない。 In the present invention, even after the periodic structure disappears, excellent sliding characteristics are continued for a long time. In addition, physical properties such as a decrease in hardness do not occur in the DLC film (amorphous carbon film).
グレーティング状凹凸の周期構造が摺動方向に配向したものでは、グラファイト化された摩耗粉を摺動面内に拘束する作用が大きく、摺動痕周囲に散逸する摩耗粉が大幅に減少する。その結果、効率的にくさび状の隙間が強固に付着したカーボンで埋められる。 In the case where the periodic structure of the grating-like irregularities is oriented in the sliding direction, the action of restraining the graphitized wear powder in the sliding surface is large, and the wear powder scattered around the slide mark is greatly reduced. As a result, the wedge-shaped gap is efficiently filled with the firmly attached carbon.
グレーティング状の凹凸の周期構造形成を行った後、成膜して形成するものでは、形態が異なるだけで通常のＤＬＣ膜と組成的には同一な周期構造を有するＤＬＣ膜を形成できる。したがって、硬度低下などの物性変化を生じることなく、ＤＬＣ膜本来の特性を維持したものとなる。ＤＬＣ膜の硬度が低下すると、ＤＬＣ膜の微細な加工ツールとしての作用が低下し、付着物の平滑化に支障が生じるため、周期構造が消滅した後も長期に渡って摺動特性が向上する摺動部材が得られない。 In the case of forming a film after forming a periodic structure of grating-like irregularities, a DLC film having a periodic structure that is compositionally identical to a normal DLC film can be formed only in the form. Therefore, the original characteristics of the DLC film are maintained without causing changes in physical properties such as a decrease in hardness. When the hardness of the DLC film is lowered, the function as a fine processing tool of the DLC film is lowered, and the smoothing of the deposits is hindered, so that the sliding characteristics are improved over a long period after the periodic structure disappears. A sliding member cannot be obtained.
加工闘値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成するものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。 When a linearly polarized laser beam is irradiated with an irradiation intensity in the vicinity of the processing threshold and the irradiated part is overlapped and scanned to form a self-organized structure, it is difficult to machine with a submicron periodic pitch and uneven depth. A periodic structure having a thickness can be obtained easily.
非晶質炭素膜と非金属無機材料との当接点において形成されるくさび状の隙間の勾配が１／１０以下であれば、カーボン付着物が非金属無機材料に強固に付着するとともに、カーボン付着物が広い面積に形成される。その結果、カーボン付着物による荷重分担率が増加するため、摩擦が低減される。 If the gradient of the wedge-shaped gap formed at the contact point between the amorphous carbon film and the nonmetallic inorganic material is 1/10 or less, the carbon deposits firmly adhere to the nonmetallic inorganic material and A kimono is formed in a wide area. As a result, the load sharing rate due to the carbon deposits increases, so that friction is reduced.
以下本発明の実施の形態を図１〜図１９に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１は本発明に係る摺動面構造の製造方法を示すブロック図を示し、この製造方法は、膜形成工程Ｐ１と摩耗工程Ｐ２とを備える。膜形成工程Ｐ１は、図３に示すように、第１部材１の摺動面１ａにグレーティング状凹凸の周期構造３を有する非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）４を形成するものであり、摩耗工程Ｐ２は、第１部材１の摺動面１ａと第２部材２の摺動面２ａとを相対的に摺動させて、周期構造３を犠牲層として摩滅させるものである。 FIG. 1 is a block diagram showing a manufacturing method of a sliding surface structure according to the present invention, and this manufacturing method includes a film forming process P1 and a wear process P2. In the film forming step P1, as shown in FIG. 3, an amorphous carbon film (DLC film) 4 having a periodic structure 3 with grating-like irregularities is formed on the sliding surface 1a of the first member 1, and wear In the process P2, the sliding surface 1a of the first member 1 and the sliding surface 2a of the second member 2 are relatively slid to wear the periodic structure 3 as a sacrificial layer.
図例における第１部材１は平板体で構成し、第２部材２としては球体で構成した。また、第１部材１は、炭素鋼、銅、アルミニウム、白金、超硬合金等であっても、炭化ケイ素や窒化ケイ素等のシリコン系セラミックスであっても、エンジニアプラスチック等であってもよい。第２部材２は非金属無機材料からなる。なお、非金属無機材料には、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）,ジルコニア(ＺｒＯ2),ステアタイト(ＭｇＳｉＯ3),チタン酸バリウム(ＢａＴｉＯ3),フエライト、ベリリア(ＢｅＯ),ウラニア（ＵＯ2）,トリア(ＴｈＯ2),炭化ウラニウム(ＵＣ,ＵＣ2),窒化珪素(Ｓｉ3Ｎ4)等の種々の材料がある。このため、本発明においては、これらから種々選択できる。 The 1st member 1 in the example was comprised with the flat body, and the 2nd member 2 was comprised with the spherical body. The first member 1 may be carbon steel, copper, aluminum, platinum, cemented carbide, silicon ceramics such as silicon carbide or silicon nitride, or engineer plastic. The second member 2 is made of a nonmetallic inorganic material. Non-metallic inorganic materials include alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), steatite (MgSiO 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), ferrite, beryllia (BeO), urania (UO 2 ). There are various materials such as tria (ThO 2 ), uranium carbide (UC, UC 2 ), and silicon nitride (Si 3 N 4 ). For this reason, in this invention, it can select variously from these.
膜形成工程Ｐ１は図２に示すように、周期構造形成工程Ｐ１ａと成膜工程Ｐ１ｂとを備える。周期構造形成工程Ｐ１ａは、図６（ａ）（ｂ）に示すように、微小の凹部５と微小の凸部６とが交互に所定ピッチで配設されてなる周期構造を形成する工程であり、図８に示すように、レーザ発生器１１と光学系１０とを備えたレーザ表面加工装置を使用して形成する。 As shown in FIG. 2, the film forming process P1 includes a periodic structure forming process P1a and a film forming process P1b. The periodic structure forming step P1a is a step of forming a periodic structure in which minute concave portions 5 and minute convex portions 6 are alternately arranged at a predetermined pitch, as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). As shown in FIG. 8, a laser surface processing apparatus including a laser generator 11 and an optical system 10 is used.
このレーザ表面加工装置では、レーザ発生器１１は、ミラー１２により加工材料Ｗに向けて折り返され、メカニカルシャッタ１３に導かれる。レーザ照射時はメカニカルシャッタ１３を開放し、レーザ照射強度は１／２波長板１４と偏光ビームスプリッタ１６によって調整可能とし、１／２波長板１５によって偏光方向を調整し、集光レンズ１７によって、ＸＹθステージ１９上の加工材料Ｗ表面に集光照射することになる。 In this laser surface processing apparatus, the laser generator 11 is folded back toward the processing material W by the mirror 12 and guided to the mechanical shutter 13. At the time of laser irradiation, the mechanical shutter 13 is opened, the laser irradiation intensity can be adjusted by the half-wave plate 14 and the polarization beam splitter 16, the polarization direction is adjusted by the half-wave plate 15, and the condenser lens 17 The surface of the work material W on the XYθ stage 19 is focused and irradiated.
膜形成工程Ｐ１では、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成している。すなわち、アブレーション閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザをワーク（加工材料）Ｗに照射した場合、入射光と加工材料Ｗの表面に沿った散乱光またはプラズマ波の干渉により、レーザ波長と同程度の周期間隔で、エネルギー分布にわずかな粗密が生じる。一般的な加工方法ではレーザ照射面全体が加工されるが、加工閾値近傍のエネルギー密度でレーザ照射することで、高エネルギー部分を選択的に加工することができる。その結果、１光軸のレーザ照射でありながら、グレーティング状の周期構造が形成される。このとき、加工に用いるレーザのパルス幅が長くなるほど熱影響や加工蒸散物との相互作用によるレーザの散乱によって周期構造に乱れが生じることになる。 In the film formation step P1, linearly polarized laser is irradiated with an irradiation intensity in the vicinity of the processing threshold, and the irradiated portions are scanned while overlapping to form self-organized. That is, when a workpiece (working material) W is irradiated with a linearly polarized laser beam at a fluence near the ablation threshold, interference between the incident light and the scattered light or plasma wave along the surface of the processing material W is approximately the same as the laser wavelength. At periodic intervals, a slight roughness occurs in the energy distribution. In a general processing method, the entire laser irradiation surface is processed, but a high energy portion can be selectively processed by laser irradiation at an energy density near the processing threshold. As a result, a grating-like periodic structure is formed while performing laser irradiation with one optical axis. At this time, the longer the pulse width of the laser used for processing, the more disturbed the periodic structure is due to the influence of heat and the scattering of the laser due to the interaction with the processed evaporation.
成膜工程Ｐ１ｂは、ＤＬＣコーティングであり、例えば、プラズマイオン注入法を採用することができる。プラズマイオン注入法は、高真空中でのプラズマプロセスであるイオン化蒸着により成膜する方法である。すなわち、真空チャンバ中にトルエンガスや他の炭化水素ガスが導入され直流アーク放電プラズマ中で炭化水素イオンが励起されたラジカルが生成される。このため、炭化水素イオンは直流の負電圧にバイアスされた基板（コーティングされる部材）にバイアス電圧に応じたエネルギーで衝突し固体化し成膜する。 The film forming process P1b is DLC coating, and for example, a plasma ion implantation method can be employed. The plasma ion implantation method is a method of forming a film by ionization vapor deposition which is a plasma process in a high vacuum. In other words, toluene gas or other hydrocarbon gas is introduced into the vacuum chamber, and radicals in which hydrocarbon ions are excited in DC arc discharge plasma are generated. For this reason, hydrocarbon ions collide with a substrate (a member to be coated) biased to a negative DC voltage with energy corresponding to the bias voltage to solidify into a film.
非晶質炭素膜４のグレーティング状凹凸の周期構造３は、図７に示すように、連続的に高さが変化するものである。非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）４の凹凸の高低差（凹部５の底部から凸部６の頂点までの高さ）が２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下かつ非晶質炭素膜の膜厚以下とするのが好ましい。また、非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）の周期ピッチを１０μｍ以下とするのが好ましい。 As shown in FIG. 7, the grating-like irregular structure 3 of the amorphous carbon film 4 has a continuously changing height. The height difference between the projections and depressions of the amorphous carbon film (DLC film) 4 (height from the bottom of the recess 5 to the top of the projection 6) should be 20 nm or more and 100 nm or less and less than the film thickness of the amorphous carbon film. preferable. In addition, the periodic pitch of the amorphous carbon film (DLC film) is preferably 10 μm or less.
そして、第１部材１の摺動面１ａにグレーティング状凹凸の周期構造３を有する非晶質炭素膜４を形成した後は、図３に示すように、このＤＬＣ膜（非晶質炭素膜）４に対して、第２部材２を摺動させる。 Then, after the amorphous carbon film 4 having the grating-like irregular structure 3 is formed on the sliding surface 1a of the first member 1, the DLC film (amorphous carbon film) is formed as shown in FIG. 4, the second member 2 is slid.
このように、摺動させれば、連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）４に設けているため、摺動時に小さな曲率半径をもつ周期構造先端が摩耗し、なじみが進行する。この際に発生する微細なＤＬＣ膜４の摩耗粉はグラファイト化され、低摩擦化の実現に重要な低硬度カーボンの生成が促進される。 As described above, since the periodic structure of the grating-like irregularities whose height continuously changes when slid is provided in the amorphous carbon film (DLC film) 4, the period having a small radius of curvature when sliding is provided. The tip of the structure is worn and the familiarity progresses. The wear powder of the fine DLC film 4 generated at this time is graphitized, and the generation of low-hardness carbon important for realizing low friction is promoted.
このとき、移着性の低い非金属無機材料ではヘルツ接触領域に移着膜はほとんど形成されないが、非晶質炭素膜４を備えた平板体の第１部材１と、非金属無機材料からなる球体の第２部材２とを、相対的に摺動させれば、図５に示すように、摺動初期においては、当接する摺動面間に摺動方向に対してくさび状の隙間８が形成される。この場合の隙間８は、第１部材１と第２部材２との当接点２０を頂点とする断面直角三角形状をなる。このくさび状の隙間８として、勾配（Ｈ／Ｗ）が１／１０以下に設定されるのが好ましい。図５の矢印Ａ、Ｂは、第１部材１に対する第２部材２の摺動方向を示している。このように、往復動することによって、矢印Ａ方向側及び矢印Ｂ方向側に隙間８ができる。 At this time, although the transfer film is hardly formed in the Hertz contact region in the non-metal inorganic material having a low transfer property, the first member 1 having a flat body including the amorphous carbon film 4 and the non-metal inorganic material are used. If the second member 2 of the sphere is slid relative to each other, as shown in FIG. 5, a wedge-shaped gap 8 is formed between the sliding surfaces in contact with each other in the sliding direction at the initial stage of sliding. It is formed. In this case, the gap 8 has a right-angled triangular cross section with the contact point 20 between the first member 1 and the second member 2 as a vertex. As the wedge-shaped gap 8, the gradient (H / W) is preferably set to 1/10 or less. Arrows A and B in FIG. 5 indicate the sliding direction of the second member 2 relative to the first member 1. Thus, by reciprocating, a gap 8 is formed on the arrow A direction side and the arrow B direction side.
このため、摺動回数が増加していけば、くさび状の隙間８を埋めるようにカーボン付着物が形成され、面接触に近い摺動となる。周期構造３を設けたＤＬＣ膜４は、突出したカーボン付着物を微細な加工ツールとしての作用で削り落とし、付着物の平滑化に寄与する。摺動回数の増加に伴いＤＬＣ膜４の周期構造３が摩滅すると、平滑化したＤＬＣ膜４とカーボン付着物の摺動となり、周期構造３が消滅した後も長期に渡って安定した低摩擦状態が維持される。 For this reason, if the number of times of sliding increases, carbon deposits are formed so as to fill the wedge-shaped gap 8, and sliding close to surface contact is achieved. The DLC film 4 provided with the periodic structure 3 scrapes off the protruding carbon deposits by the action as a fine processing tool, and contributes to smoothing the deposits. When the periodic structure 3 of the DLC film 4 is worn with an increase in the number of sliding times, the smoothed DLC film 4 and carbon deposits slide, and a stable low friction state for a long time after the periodic structure 3 disappears. Is maintained.
また、この実施形態では、グレーティング状凹凸の周期構造３が摺動方向に配向しているので、グラファイト化された摩耗粉を摺動面内に拘束する作用が大きく、摺動痕周囲に散逸する摩耗粉が大幅に減少する。その結果、効率的にくさび状の隙間が強固に付着したカーボンで埋められる。 In this embodiment, since the periodic structure 3 of the grating-like irregularities is oriented in the sliding direction, the action of restraining the graphitized wear powder within the sliding surface is large and dissipates around the sliding trace. Abrasion powder is greatly reduced. As a result, the wedge-shaped gap is efficiently filled with the firmly attached carbon.
グレーティング状の凹凸の周期構造形成を行った後、成膜して形成するものでは、形態が異なるだけで通常のＤＬＣ膜４と組成的には同一な周期構造を有するＤＬＣ膜４を形成できる。したがって、硬度低下などの物性変化を生じることなく、ＤＬＣ膜４本来の特性を維持したものとなる。ＤＬＣ膜４の硬度が低下すると、ＤＬＣ膜４の微細な加工ツールとしての作用が低下し、付着物の平滑化に支障が生じるため、周期構造３が消滅した後も長期に渡って摺動特性が向上する摺動面構造が得られない。 In the case of forming the film after forming the periodic structure of the grating-like irregularities, the DLC film 4 having the same periodic structure in composition as the normal DLC film 4 can be formed only in the form. Therefore, the original characteristics of the DLC film 4 are maintained without causing changes in physical properties such as a decrease in hardness. When the hardness of the DLC film 4 is reduced, the function of the DLC film 4 as a fine processing tool is reduced, and the smoothing of the deposits is hindered. It is not possible to obtain a sliding surface structure that improves the resistance.
また、加工闘値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に形成するので、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造３を容易に得ることができる。 In addition, a linearly polarized laser beam is irradiated with an irradiation intensity in the vicinity of the processing threshold value, and the irradiated part is scanned while overlapping to form a self-organized structure. The periodic structure 3 having a depth can be easily obtained.
非晶質炭素膜４と非金属無機材料との当接点２０のくさび状の隙間８の勾配が１／１０以下であれば、カーボン付着物が非金属無機材料に強固に付着するとともに、カーボン付着物が広い面積に形成される。その結果、カーボン付着物による荷重分担率が増加するため、摩擦が低減される。 If the gradient of the wedge-shaped gap 8 at the contact point 20 between the amorphous carbon film 4 and the nonmetallic inorganic material is 1/10 or less, the carbon deposit adheres firmly to the nonmetallic inorganic material and the carbon attached A kimono is formed in a wide area. As a result, the load sharing rate due to the carbon deposits increases, so that friction is reduced.
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、前記実施形態では、第１部材１を平板体にて構成し、第２部材２を球体にて構成したが、第１部材１と第２部材２の形状としても、図例のものに限らず、他の種々の形状のものにて構成できる。しかしながら、この場合、摺動初期において、摺動方向に対してくさび状となる隙間８が形成される必要がある。このため、第１部材１を平板体にて構成した場合、第２部材２として、その摺動面が、第１部材１側に、２つの面が、その頂点部において突き合わされる扁平三角形状のもの、その頂点部が平坦面とされる台形状のもの等であってもよい。 As mentioned above, although it demonstrated per embodiment of this invention, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible, for example, in the said embodiment, the 1st member 1 is comprised with a flat body. Although the second member 2 is composed of a sphere, the shapes of the first member 1 and the second member 2 are not limited to those shown in the drawings, and can be composed of other various shapes. However, in this case, it is necessary to form a gap 8 that has a wedge shape in the sliding direction in the early stage of sliding. For this reason, when the 1st member 1 is comprised by the flat body, as the 2nd member 2, the sliding surface is the flat triangular shape by which two surfaces are faced | matched in the 1st member 1 side in the vertex part. Or a trapezoidal shape whose apex portion is a flat surface.
第１部材１側が球体であり、第２部材２側が平板体であってもよく、両者が球体であってもよい。このため、形成されるくさび状の隙間８の形状として、直角三角形に限らず、当接部から２つの辺が相互に離間していく二等辺三角形状であってもよい。また、くさび状の隙間８は、前記実施形態では、直角三角形状であっため、勾配として、１／１０以下が好ましいとしていたが、この勾配で１／１０を角度に換算すれば、arctan(1/10)＝５．７１°となります。このため、隙間８がその断面形状が直角三角形状であれば、５．７１°以下が好ましいことになります。なお、この勾配やくさび角度としては、５．７１°以下に限るものではない。 The first member 1 side may be a sphere, the second member 2 side may be a flat plate, or both may be spheres. For this reason, the shape of the wedge-shaped gap 8 to be formed is not limited to a right triangle, and may be an isosceles triangle in which two sides are separated from each other. In addition, since the wedge-shaped gap 8 has a right triangle shape in the above-described embodiment, the gradient is preferably 1/10 or less. However, if 1/10 is converted into an angle with this gradient, arctan (1 / 10) = 5.71 °. For this reason, if the gap 8 has a right-angled triangular cross-section, it is preferably 5.71 ° or less. The gradient and the wedge angle are not limited to 5.71 ° or less.
周期構造形成工程Ｐ１ａに使用するレーザとしては、フェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ、及びナノ秒レーザといったパルスレーザを使用することができる。また、摩耗工程Ｐ２において、第１部材１側を固定して第２部材２を第１部材１に対して摺動させても、逆に、第２部材２側を固定して第１部材１を第２部材２に対して摺動させても、第１部材１と第２部材２とを摺動させてもよい。 As a laser used for the periodic structure forming step P1a, a pulse laser such as a femtosecond laser, a picosecond laser, and a nanosecond laser can be used. Further, in the wear process P2, even if the first member 1 side is fixed and the second member 2 is slid with respect to the first member 1, conversely, the second member 2 side is fixed and the first member 1 is fixed. The first member 1 and the second member 2 may be slid with respect to the second member 2.
また、摺動方向として、周期構造３の配向方向に対して、平行方向であっても、直交方向であっても、さらには、所定角度（例えば、４５度程度）に傾斜したものであってもよい。また、摺動方向として直線状ではなく、円形や楕円形状であってもよい。摺動時の荷重、摺動ストローク、往復周波数等も任意に設定できる。 In addition, the sliding direction may be parallel or orthogonal to the orientation direction of the periodic structure 3, and may be inclined at a predetermined angle (for example, about 45 degrees). Also good. Further, the sliding direction is not linear but may be circular or elliptical. The load during sliding, sliding stroke, reciprocating frequency, etc. can be arbitrarily set.
ところで、ＤＬＣコーティングの処理には、化学蒸着（ＣＶＤ、Chemical Vapor Deposition）法および物理蒸着（ＰＶＤ、Physical Vapor Deposition）法によるプラズマ技術等がある。このため、本発明では、プラズマＣＶＤ法、イオン化蒸着法、スパッタ法、アークイオンプレーティング法の従来からある種々の方法で、非晶質炭素膜を形成することができる。 By the way, in the processing of DLC coating, there are a plasma technique using a chemical vapor deposition (CVD) method and a physical vapor deposition (PVD) method. Therefore, in the present invention, the amorphous carbon film can be formed by various conventional methods such as plasma CVD, ionized vapor deposition, sputtering, and arc ion plating.
周期構造３を有するＤＬＣ膜４の作成およびその摺動特性を評価し、移着膜制御による低摩擦化について検証した。 The production of the DLC film 4 having the periodic structure 3 and its sliding characteristics were evaluated, and the low friction by the transfer film control was verified.
まず、周期構造３を有するＤＬＣ膜４を作成した。この場合、研磨したＳＵＳ４４０Ｃ基板(算術平均粗さ：Ｒａ２ｎｍ)にフェムト秒レーザを加工しきい値近傍のエネルギー密度で照射し、グレーティング状の周期構造(ピッチ約７００ｎｍ、深さ約２００ｎｍ)を形成した後、プラズマイオン注入法でａ−Ｃ:ＨのＤＬＣ膜４を成膜した。原料ガスにはトルエン(Ｃ7Ｈ8)を用い、中間層としてＳｉ／Ｃ傾斜層を設けた。中間層の膜厚は２５０ｎｍ、中間層を含むＤＬＣ膜の膜厚は１μｍとした。すなわち、基材の上にこの中間層が形成され、この中間層の上にＤＬＣ膜４が成膜される。成膜後のＤＬＣ表面のＡＦＭ像および断面プロファイルを前記図７に示している。 First, the DLC film 4 having the periodic structure 3 was created. In this case, a polished SUS440C substrate (arithmetic mean roughness: Ra 2 nm) was irradiated with a femtosecond laser at an energy density near the processing threshold to form a grating-like periodic structure (pitch about 700 nm, depth about 200 nm). Thereafter, an aC: H DLC film 4 was formed by plasma ion implantation. Toluene (C 7 H 8 ) was used as the source gas, and a Si / C gradient layer was provided as an intermediate layer. The film thickness of the intermediate layer was 250 nm, and the film thickness of the DLC film including the intermediate layer was 1 μm. That is, the intermediate layer is formed on the base material, and the DLC film 4 is formed on the intermediate layer. FIG. 7 shows an AFM image and a cross-sectional profile of the DLC surface after film formation.
ＤＬＣ表面には深さ５０ｎｍ前後の周期構造形状が認められる。周期構造形成後にＤＬＣ膜４を成膜しているため、図７に示すＤＬＣ膜はレーザ未照射基板に成膜したものと形態が異なるだけで組成的には同一である。 Periodic structure shapes with a depth of around 50 nm are observed on the DLC surface. Since the DLC film 4 is formed after the periodic structure is formed, the DLC film shown in FIG. 7 is the same in composition as the DLC film shown in FIG.
算術平均粗さＲａは、図９に示すように、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線ｍの方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をｙ=ｆ（ｘ）で表したときに、次の数１の式によって求められる値をマイクロメートル（μｍ）で表したものをいう。
実験方法としては、ボールオンプレート試験装置を用いて往復摺動実験を行った。ボール試験片（第２部材２）は直径６．３５ｍｍのサファイアボールとした。プレート試験片（第１部材１）は周期構造ＤＬＣおよび研磨面に成膜した鏡面ＤＬＣの２種類とした。ここで、周期構造ＤＬＣとは、摺動面にグレーティング状凹凸の周期構造３を有する非晶質炭素膜４を有するものであり、鏡面ＤＬＣは、鏡面に仕上げた摺動面にＤＬＣ膜を形成したものである。 As an experimental method, a reciprocating sliding experiment was performed using a ball-on-plate test apparatus. The ball test piece (second member 2) was a sapphire ball having a diameter of 6.35 mm. Two types of plate test pieces (first member 1) were used: a periodic structure DLC and a mirror DLC formed on the polished surface. Here, the periodic structure DLC has an amorphous carbon film 4 having a periodic structure 3 with grating-like irregularities on the sliding surface, and the mirror surface DLC forms a DLC film on the sliding surface finished as a mirror surface. It is a thing.
周期構造ＤＬＣに対する摺動方向は、周期構造の配向方向に対して、平行とした。摺動条件は荷重５Ｎ、ストローク２０ｍｍ、往復周波数０．５Ｈｚとし、摺動抵抗をロードセルにより測定した。 The sliding direction with respect to the periodic structure DLC was parallel to the orientation direction of the periodic structure. The sliding conditions were a load of 5 N, a stroke of 20 mm, a reciprocating frequency of 0.5 Hz, and the sliding resistance was measured with a load cell.
１００００往復までの周期構造ＤＬＣと鏡面ＤＬＣの摩擦係数を図１０に示す。また、図１１は、図１０のグラフにおいて、横軸を対数表示としたものである。鏡面ＤＬＣは摺動試験開始直後から１００往復程度まで高摩擦を示した後、急速に摩擦係数が低下した。２０００往復で最小値をとった後、増加に転じ、５０００往復でほぼ定常状態となった。周期構造ＤＬＣは比較的安定した摩擦係数を示し、３０００往復でほぼ定常状態となった。定常状態での摩擦係数は鏡面ＤＬＣより１５〜３０％程度低減された。 FIG. 10 shows the friction coefficient between the periodic structure DLC and the mirror surface DLC up to 10,000 reciprocations. In addition, FIG. 11 shows the logarithmic display on the horizontal axis in the graph of FIG. The mirror surface DLC showed high friction from the start of the sliding test to about 100 reciprocations, and then the friction coefficient rapidly decreased. After taking the minimum value at 2000 reciprocations, it turned to an increase and became almost steady at 5000 reciprocations. The periodic structure DLC showed a relatively stable coefficient of friction, and almost reached a steady state after 3000 reciprocations. The coefficient of friction in the steady state was reduced by about 15 to 30% from the specular DLC.
図１２は、鏡面ＤＬＣに対して１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示し、図１３は、周期構造ＤＬＣに１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示している。図１４の（ａ）は鏡面ＤＬＣに対して１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示し、図１４の（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面プロファイルを示している。 FIG. 12 shows a sliding surface photograph of the sapphire ball reciprocated 10,000 times with respect to the mirror surface DLC, and FIG. 13 shows a sliding surface photograph of the sapphire ball reciprocated 10,000 times to the periodic structure DLC. 14A shows a photograph of the sliding surface of the sapphire ball reciprocated 10,000 times with respect to the mirror surface DLC, and FIG. 14B shows a cross-sectional profile along the line XX in FIG.
図１５の（ａ）は周期構造ＤＬＣに対して１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示し、図１５の（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面プロファイルを示している。図１６の（ａ）は鏡面ＤＬＣに対して１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示し、図１６の（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線に沿う断面プロファイルを示し、（ｃ）は摺動面に対してサファイアボールを摺動させたときの堆積膜を示す斜視図である。 (A) of FIG. 15 shows a sliding surface photograph of a sapphire ball reciprocated 10,000 times with respect to the periodic structure DLC, and (b) of FIG. 15 shows a cross-sectional profile along the XX line of (a). . FIG. 16A shows a sliding surface photograph of a sapphire ball reciprocated 10,000 times with respect to the mirror surface DLC, FIG. 16B shows a cross-sectional profile along the YY line of FIG. ) Is a perspective view showing a deposited film when a sapphire ball is slid on the sliding surface.
図１７の（ａ）は周期構造ＤＬＣに対して１００００往復させたサファイアボールの摺動面写真を示し、図１７の（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線に沿う断面プロファイルを示し、（ｃ）は摺動面に対してサファイアボールを摺動させたときの堆積膜を示す斜視図である。 (A) of FIG. 17 shows a sliding surface photograph of a sapphire ball reciprocated 10,000 times with respect to the periodic structure DLC, and (b) of FIG. 17 shows a cross-sectional profile along the YY line of (a). (c) is a perspective view showing a deposited film when a sapphire ball is slid on a sliding surface.
鏡面ＤＬＣであっても周期構造ＤＬＣであっても、サファイアボールは球面を保っており、摩耗ほとんど認められない。ヘルツ接触部分に移着膜は認められないが、ボールとプレート間に生じるくさび状の隙間を埋めるように膜状の付着物が形成されている。サファイアボールに摩耗がないことから、この付着物はＤＬＣ由来のカーボンと考えられる。 Whether it is a mirror surface DLC or a periodic structure DLC, the sapphire ball maintains a spherical surface, and wear is hardly recognized. Although no transfer film is observed at the Hertz contact portion, a film-like deposit is formed so as to fill a wedge-shaped gap formed between the ball and the plate. Since the sapphire ball has no wear, this deposit is considered to be DLC-derived carbon.
鏡面ＤＬＣに摺動させたサファイアボールには多量の摩耗粉が認められた。周期構造ＤＬＣに摺動させたサファイアボールでは、付着物に同心円状の干渉縞が現れており、くさび状の隙間がきれいに埋められて面接触に近い摺動になっていることが示唆される。周期構造ＤＬＣは、摩耗粉を摺動面内に拘束する作用が大きいため、摺動痕周囲に散逸する摩耗粉が大幅に減少するとともに、突出した付着物を削り落とし、付着物の平滑化に寄与したと推察される。 A large amount of wear powder was observed on the sapphire balls slid on the mirror surface DLC. In the sapphire ball slid on the periodic structure DLC, concentric interference fringes appear in the deposit, suggesting that the wedge-shaped gaps are completely filled and the sliding is close to surface contact. The periodic structure DLC has a large effect of constraining the wear powder in the sliding surface, so that the wear powder dissipated around the sliding trace is greatly reduced and the protruding deposit is scraped off to smooth the deposit. It is assumed that it contributed.
図１８は摺動痕終端部を示し、（ａ）は鏡面ＤＬＣの摺動痕終端部写真を示し、（ｂ）は（ａ）の断面プロファイルを示す。図１９は摺動痕終端部を示し、（ａ）は周期構造ＤＬＣの摺動痕終端部写真を示し、（ｂ）は（ａ）の断面プロファイルを示す。 FIG. 18 shows the end of the sliding trace, (a) shows a photograph of the sliding end of the mirror surface DLC, and (b) shows the cross-sectional profile of (a). FIG. 19 shows a sliding trace end portion, (a) shows a photograph of the sliding trace end portion of the periodic structure DLC, and (b) shows a cross-sectional profile of (a).
摺動痕終端部の輪郭は図１２と図１３に示したサファイアボールの付着物形状と一致していることがわかる。また、周期構造ＤＬＣの摺動痕は比較的平滑であるが、鏡面ＤＬＣの断面プロファイルにはサファイアボール側の付着物に起因する構が認められることから、サファイアボール側のカーボン付着物も荷重支持を一部分担していると考えられる。カーボン付着物が平滑化する周期構造ＤＬＣでは、カーボン付着物の荷重分担率が鏡面ＤＬＣより大きくなることで、摩擦低減効果が得られたと考えられる。 It can be seen that the outline of the sliding trace end portion matches the deposit shape of the sapphire ball shown in FIGS. In addition, although the sliding trace of the periodic structure DLC is relatively smooth, the cross-sectional profile of the mirror surface DLC has a structure due to the deposit on the sapphire ball side, so the carbon deposit on the sapphire ball side also supports the load. It is thought that partly bears. In the periodic structure DLC in which the carbon deposits are smoothed, it is considered that the friction reduction effect is obtained because the load sharing ratio of the carbon deposits is larger than the mirror surface DLC.
１ 第１部材
１ａ 摺動面
２ａ 摺動面
２ 第２部材
３ 周期構造
４ 非晶質炭素膜
８ 隙間
Ｐ１ 膜形成工程
Ｐ２ 摩耗工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st member 1a Sliding surface 2a Sliding surface 2 2nd member 3 Periodic structure 4 Amorphous carbon film 8 Crevice P1 Film formation process P2 Wear process
Claims (6)
凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有する非晶質炭素膜を形成する膜形成工程と、
非晶質炭素膜と非金属無機材料とを相対的に摺動させて、当接する摺動面間に摺動方向に対して摺動初期において形成されるくさび状の隙間を、摩耗粉にて生成されるカーボンにて埋める摩耗工程とを備えたことを特徴とする摺動面構造の製造方法。 A manufacturing method of a sliding surface structure in which a first member provided with an amorphous carbon film and a second member made of a nonmetallic inorganic material slide relatively,
A film forming step of forming an amorphous carbon film having a periodic structure of grating-like irregularities in which the convex vertex is a non-flat surface and the height continuously changes;
Relative sliding of the amorphous carbon film and the non-metallic inorganic material, and the wedge-shaped gap formed at the initial stage of sliding with respect to the sliding direction between the abutting sliding surfaces with wear powder A method of manufacturing a sliding surface structure, comprising: a wear process of filling with generated carbon.
前記非晶質炭素膜は、凸部頂点が非平坦面となって連続的に高さが変化するグレーティング状凹凸の周期構造を有し、かつ、非晶質炭素膜と非金属無機材料との間には、摺動初期において、当接する摺動面間に摺動方向に対してくさび状となる隙間が形成されることを特徴とする摺動面構造。 A sliding surface structure in which a first member provided with an amorphous carbon film and a second member made of a nonmetallic inorganic material slide relatively,
The amorphous carbon film has a periodic structure of grating-like irregularities in which the convex vertex is a non-flat surface and the height continuously changes, and the amorphous carbon film and the non-metallic inorganic material In the middle of the sliding, a sliding surface structure is characterized in that a wedge-shaped gap is formed in the sliding direction between the contacting sliding surfaces.
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