JPH0340984A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はベアリングやメカニカルシール等に使用する、
低摩擦係数で耐摩耗性に優れ、かつ相手材を摩擦しない
ダイヤモンド膜を有する摺動部材に関するものである。

（従来技術およびその問題点） ダイヤモンドはＨｖ８０００以上という極めて高い硬度
を有しており、この点に着目して、従来から耐摩耗性向
上のために摺動部材表面にダイヤモンドコーティングを
施すことが試みられている。

しかし、化学的蒸着法（ＣＶＤ）等の通常のコーティン
グ方法によってダイヤモンドコーティングを施すとダイ
ヤモンド膜の表面粗さが１μｍ以上となってしまい、こ
れを研摩して表面を平滑にしようとしても硬いため、０
．５μｍ以下にすることは極めて難しい。また、摺動面
が平面でない摺動部材では研摩自体が困難である。この
ようにダイヤモンド膜の表面に硬い凸部が存在すると摺
動時の摩擦係数が著しく高くなるとともに、相手材を削
り取るいわゆるアブレッシブ摩耗が激しくなって摺動部
材として使用に耐えなくなる場合があるという問題があ
った。

（発明の目的） 本発明は上記従来技術の問題点を解決するためになされ
たものであり、ダイヤモンド膜が介在する摺動面の摩擦
係数を低下し、かつ相手材の摩耗を低減することにより
長寿命の摺動部材を提供することにある。

（第１発明の説明） 登旦思拷底 本発明の摺動部材はセラミックス又は金属からなる基材
と、該基材表面に形成した、表面に凹凸を有するダイヤ
モンド膜と、波膜の表面の凹部に埋め込んだ軟質金属と
からなり、該ダイヤモンド膜表面の摩擦係数ならびに高
硬度材の摩耗を低減し得ることを特徴とする。

発註の　　および効 本発明に係る摺動部材は、相手材である高硬度材と摺動
した際に摩擦係数を低下させ、かつ、高硬度材のアブレ
ッシブ摩耗を著しく低減させることができる。該摺動部
材が、かかる効果を発揮するメカニズムは次のように考
えられる。

すなわち、該摺動部材と相手材である高硬度材とが摺動
する際にダイヤモンド膜凹部に滞留している軟質金属が
摺動部に供給され、摺動部を薄い膜で覆い、硬いダイヤ
モンド膜と高硬度材との直接接触を防ぎ、かつこの軟質
金属膜は柔らかく剪断力が小さいために摩擦係数を低下
させることができる。また、摺動部に供給された軟質金
属は再び凹部に滞留し、これを繰り返すことにより軟質
金属による低摩擦化の効果が長寿命化するとともにダイ
ヤモンドの硬い凸部による硬質部材のアブレッシブ摩耗
も抑制される。

このように本発明に係る摺動部材は高硬度材と摺動する
際の摩擦係数を低下させ、摩耗を抑制できるのでベアリ
ング、メカニカルシール等に広く利用することができる
。

（第２発明の説明） 本第１発明を具体化した発明（第２発明とする）を説明
する。

本第２発明において、基材とは、その表面にダイヤモン
ド膜がコーティングされるものであるので、通常構造部
材として使われている材料、すなわち、使用条件におい
て、外部応力によって著しく変形しないだけの強度を有
する材料であればよい。

セラミックス製基材として酸化物系、窒化物系、炭化物
系セラミックスを使用でき、アルミナ、ムライト、ジル
コニア、窒化珪素、炭化珪素が代表的なものである。こ
れらは単結晶、焼結体あるいは他の構造部材に被覆して
使用することができる。

金属製基材としてＭｏやＷなどの純金属や一般鋼材、ス
テンレスを使用することができ、例えば、５ＵＪ２等の
軸受鋼や５ＵＳ４４０Ｃ等の高強度ステンレス鋼が代表
的なものである。

ダイヤモンドの強度は８００℃を超えると低下し始める
ので、該摺動部材は８００℃以下で使用することが望ま
しい。８００℃近辺で使用する場合、ＭｏやＷなどの高
融点金属や５ＵＳ３１０３などの耐熱鋼を基材として使
用することができるが、酸化劣化の可能性がある場合は
セラミックスを基材として用いるのが望ましい。なお、
軟質金属の融点を超える温度で使用することはできない
。

また、ダイヤモンド膜は公知の成膜方法である熱フイラ
メント法、アークプラズマ法、ＤＣプラズマ法、高周波
プラズマ法、マイクロ波プラズマ法、燃焼炎法、スパッ
ター法、イオンブレーティング法等によって形成したも
ので、ビッカース硬さがＨｖ８０００以上のものをいう
。

ダイヤモンド膜の厚さは、０，５〜１００μｍ程度が好
ましい。膜の厚さが０．５μｍ未満だとダイヤモンド膜
中の凹部やダイヤモンド粒子間の空隙が少なく、軟質金
属の保持が困難となり、軟質金属による低摩擦化の効果
が得られにくい。

また、１００μｍ以上の厚さにしても顕著な低摩擦・低
摩耗の効果が現れるわけではなく、成膜時間が長いとと
もにダイヤモンド膜や基材に歪みが入りやすく有効的で
ない。

ダイヤモンド膜の表面粗さは０．５〜ＩＯμｍが好まし
い。表面粗さが０．５μｍ未満であると軟質金属の滞留
が困難となり、低摩擦の寿命が短くなる。また、表面粗
さが１０μｍを超えても軟質金属の摺動面への供給効果
及び、滞留効果がより改善されるわけではなく、相手材
のアブレッシブ摩耗の可能性が高まり好ましくない。ま
た、ダイヤモンド膜の表面粗さは成膜速度の速い方法や
原料、条件によっては大きくなる傾向があるが、通常の
合成条件では表面粗さは０．５〜１０μｍにある。

また、表面粗さは膜厚によっても変化し、一般に膜厚が
薄くなると表面粗さは小さくなり、膜厚が０、５μｍ程
度の場合、その表面粗さは０．３〜０．５μｍである。

一般に膜厚が薄くなると表面粗さは小さくなり、膜厚が
０．５μｍ程度の場合、その表面粗さは０．３〜０．５
μｍである。

一般にＣＶＤによってコーティングしたダイヤモンド膜
の表面粗さは１〜２μｍ程度であるが、水素や酸素など
のガスないしは王水等の酸化性の溶液によるエツチング
を行い剣山状の針状ダイヤモンド集合体としてもかまわ
ない。また、ダイヤモンド膜は連続膜でなくてもよく、
さらには粒子間の間隔が狭ければダイヤモンド独立粒子
が基材上に分散していてもよい。

ダイヤモンドを剣山状にした場合の冬山の間隔及び、ダ
イヤモンドの独立粒子を基材上に分散させた場合の粒子
間の間隔は、ダイヤモンド析出前の基材の前処理方法及
び条件、ダイヤモンド析出時の圧力、ガス組成、時間等
の反応条件及び、析出したダイヤモンドのエツチング条
件をコントロールすることによりＯから任意に変化させ
られるが、１μｍからｌＯμｍ程度が好ましい。１μｍ
未満だと摺動部と軟質金属の接触面積が小さくなり軟質
金属の摺動面への供給が乏しくなる。また、ｌ０μｍ以
上だと軟質金属の滞留効果が低下するとともに、ダイヤ
モンド凸部の接触応力が大きくなりダイヤモンドが剥離
する可能性が出てくる。

成膜は各方法に適した条件で行なわれる。原料ガスの種
類、流量は各方法により異なるが、基板温度は５００〜
１２００°Ｃが望ましい。原料ガスの組成によって膜の
結晶性や組織の制御が可能であり、一般に原料ガス中の
炭素濃度が高いと結晶性は低下する。通常のＣＶＤ法で
はメタン−水素系原料ガスを用いるとメタン濃度が１０
％以下が好ましく、剣山状ダイヤモンドの作製には２〜
５％が適している。

また、イオンブレーティング等のように比較的平坦なダ
イヤモンド膜が形成される場合は、後処理によって膜に
凹凸を形成し、軟質金属を埋め込んで摺動部材として使
用すると摩擦係数の低下等、そのままで使用するよりも
良好な摺動特性を得ることができる。

以上は、ダイヤモンドの析出条件を制御し、所望の凹凸
を有するダイヤモンド表面を形成する技術を述べた。他
方、所望の凹凸を有するダイヤモンド表面は以下の方法
によっても形成できる。すなわち、基材表面上の一部に
イオン照射した後、ダイヤモンドを析出させるとイオン
照射部にはダイヤモンドが析出しなくなることを利用し
て、ダイヤモンド膜中に任意の空隙を形成ないしは任意
の間隔でダイヤモンドを析出させることができる。

また、基材表面上の一部をイオンスパッターした後、ダ
イヤモンドを析出させると、スパッタ一部にはダイヤモ
ンドが析出しなくなることを利用して同様な操作が可能
である。ダイヤモンド膜をマイクロスパッタリングする
とμｍオーダーの深さでマイクロエツチングでき、パタ
ーンの刻印ができる。

また、平坦に研摩後、部分的にイオン照射し非晶質化し
、その後水素によるガスエツチング等で非晶質成分を取
り除くことができ、このイオン照射部位を制御すること
により、所望の凹凸を形成することができる。

また、ダイヤモンド膜の代わりにｉ−カーボン膜（硬質
カーボン膜）を使用することができる。

その場合Ｈｖが５０００以上であることが望ましい。Ｈ
ｖが５ｏｏｏ未満だと摺動の際に変形したり摩耗する場
合がある。

次にダイヤモンド膜表面部の凹部に埋め込む軟質金属は
摺動の際に摺動面に供給され、極めて薄い膜を形成し得
るものでなければならず、延性に富んでいなければなら
ない。

また、大気中での使用においては摺動中に酸化しにくい
ものが望ましい。酸化すると硬脆化し低摩擦低摩耗化の
効果が得られなくなる場合がある。

軟質金属としてはＡｕ、Ａｇ、Ｐ　ｔ、Ｃｕ、Ｉｎ。

Ｐｂ、等が使用される。

軟質金属は真空蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング
、イオンブレーティング、クラスターイオンビーム蒸着
、溶射、メツキ等によりダイヤモンド凹部に埋め込むこ
とができる。また、ダイヤモンド膜と軟質金属をこすり
つけることによっても埋め込み可能である。

軟質金属はダイヤモンド膜の凹部を埋め、凸部と同一平
面を成す程度から凸部上に１μｍ程度の厚さをもって存
在することが好ましい。軟質金属の量が少なく、同一平
面を成さない場合は軟質金属の摺動面への供給能力が低
下し、低摩擦、低摩耗の効果が得られにくい。また、凸
部上に１μｍ以上存在しても摺動初期に取り除かれてし
まい、効果的でない。逆に、摺動の際に堀り起こしが生
じ摩擦係数が大きくなる場合がある。

本第２発明において、相手材である硬質部材は、ＳｉＣ
，５ｉｓＮ４やＡｌｔｏｓ等のセラミックス、ＷＣ−Ｃ
ｏ等の超硬合金、５ＵＪ２等の軸受鋼等のＨｖ４００以
上の比較的硬い材料を用いることができる。これら焼結
体、焼入れ焼もどし材、あるいは他の部材に被覆等して
用いる。極めて硬さが大きなダイヤモンド膜を用いるた
め接触応力が大きくなり、Ｈｖが４００より小さいと変
形しやすく、掘り起こしによる摩耗や摩擦係数上昇につ
ながる。

（実施例） 以上本発明の詳細な説明する。

叉施旦土 基材として、寸法が５０Ｘ５０Ｘ３＋ｎｍの炭化珪素（
ＳｉＣ）焼結体を用意した。その表面粗さは０、１μｍ
ＲＺである。該ＳｉＣ焼結体にダイヤモンド膜を熱フイ
ラメント法（Ａ）ならびにマイクロ波プラズマ法（Ｂ）
によってコーティングした。

熱フイラメント法の場合は、真空チャンバー内にＳｉＣ
焼結体を導入し、基材温度を７５０℃、反応圧力を５０
０Ｔｏｒｒとし、メタン、水素からなる混合ガスを、メ
タン１ｍｌ／ｍｉｎ、水素２００ｍ１／ｍｉｎの流量で
チャンバー内に供給し、反応時間を変えて第工表に示す
如く、膜の厚さを１０〜３０８ｍ、表面粗さを１〜５μ
ｍと変えたダイヤモンド膜をコーティングした。また、
マイクロ波プラズマ法は、剣山状のダイヤモンド膜をコ
ーティングするために行ったもので、まず真空チャンバ
ー内にＳｉＣ焼結体基材を装入し、その温度を８５０°
Ｃ１水素で希釈したメタン濃度３％の反応ガスを１００
　ｙｎｌ／　ｍ　ｉ　ｎの流量でチャンバー内に導入し
、反応圧力４０Ｔｏ　ｒ　ｒにおいて、反応時間を変え
て、膜の厚さ３０μｍのダイヤモンド膜をコーティング
した。このダイヤモンド膜に対し、チャンバー内で引続
き、エツチングガスとして酸素を用い、圧力２０Ｔｏ　
ｒ　ｒでエツチングを行って、ダイヤモンド膜の表面部
を剣山状とした。

次に、表面部に凹凸を形成したダイヤモンド膜の凹部に
軟質金属を真空蒸着によって埋め込んだ。

すなわち、１０−’Ｔｏｒｒの真空チャンバー内でダイ
ヤモンドコーティング基材を３００°Ｃに加熱しつつＡ
ｕ、Ａｇ　（試料Ｎα１〜８　）及びＣｕ（試料Ｎｏ、
９．１０）を蒸着した。その後、蒸着面を研摩し、ダイ
ヤモンド膜表面部の凸部の上部に０，１μｍ厚の層が残
るように仕上げ、摺動部材とした。

次にこれら摺動部材の性能を評価するために、担手材と
してＳｉＣおよび５ｉｓＮ＜焼結体（ｌＯＸＩＯＸ３ｍ
ｍ、表面粗さＲｚ　＝０．１　、ｃｚｍ）ならびに超硬
合金（１０Ｘ１０Ｘ３ｍｍ、表面粗さＲｚ＝０．２μｍ
）を用いて、摩擦摩耗試験を行った。

各摺動部材をそのダイヤモンド膜面を上向きに試験機に
取り付け、その上に相手材である５ｉｓＮ４等の上部か
ら荷重を加えつつ、５ｉｚＮ４等を一定速度でダイヤモ
ンド膜上を繰り返し摺動させた。試験条件を第２表に示
す。

なお、摩擦係数は、摺動時に発生する接線力をロードセ
ルを用いて測定し、次式によって計算し求めた。

摩擦係数＝接線力／荷重 また、比摩耗量は、試験後の５ｉｓＮ＜等の重量減少を
測定し、体積減少に換算し、次式によって求めた。

比摩耗量＝体積減少／荷重×摺動距離 また、比較のために、前記摺動部材と同様、熱フイラメ
ント法およびマイクロ波プラズマ法によってコーティン
グしたダイヤモンド膜表面部の凹部に軟質金属を埋め込
まないＳｉＣ焼結体を摺動部材（試料Ｎｏ、Ｃ１〜ＣＢ
）として前記摺動部材の場合と同一の条件で摩擦摩耗試
験を行った。得られた結果を第１表に併せて示す。

第１表より軟質金属を用いた本実施例の摺動部材は、軟
質金属を用いない比較部材に比べ、摩擦係数が約１／１
０に減少し、比摩耗量も約１７１００に減少した。また
、相手材である５ｉｓＮ４等の摺動面を観察すると、本
実施例の摺動部材を用いた場合は、その表面は平滑であ
ったが、比較摺動部材を用いた場合はアブレッシブ摩耗
痕が多数認められた。このように本実施例の摺動部材は
摩擦係数の低減、相手材の摩耗の低減に優れていること
が明らかである。

実施型ｌ 実施例１と同様、熱フイラメント法によって、厚さ３０
μｍ１表面粗さが１μｍと３μｍのダイヤモンド膜をコ
ーティングしたＳｉＣ焼結体基材に、真空蒸着により、
軟質金属であるＡｕをダイヤモンド膜凹部に埋め込み、
摺動部材（試料Ｎ０．１１１２）とし、また、比較材と
して、軟質金属を用いないもの（試料Ｎ（ＬＣ９、Ｃｌ
０）を得、相手材をＳｉＣ焼結体とし、実施−４４１１
で用いたと同様の摩擦摩耗試験機を用いて雰囲気を真空
中（ｌＸ　１０−’Ｔｏ　ｒ　ｒ）とした以外は、実施
例１と同一試験条件で摩擦摩耗試験を行った。その結果
を第３表に示す。本実施例の摺動部材は、真空下におい
ても、摩擦係数の低減、相手材の摩耗の低減に優れてい
ることがわかる。

なお、基材あるいは硬質部材として軸受鋼等の硬質金属
を用いた場合も、摩擦係数の低減等に優れた効果がある
ことが確かめられた。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミックス又は金属からなる基材と、該基材表面に形
   成した、表面に凹凸を有するダイヤモンド膜と、該膜の
   表面の凹部に埋め込んだ軟質金属とからなり、該ダイヤ
   モンド膜表面の摩擦係数ならびに高硬度材の摩耗を低減
   し得る摺動部材。