JPS63215578A - セラミツク材料表面への固体潤滑被膜の形成方法 - 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、セラミック材料表面への固体＠滑被換の形成
方法、更に詳しくは半導体表造機器、電子機器、宇宙機
器等の各楕精密機器において使用される、上２ミック製
の軸受、ベアリング等の摺動部品に固体７＋４１滑被膜
を形成する方法に関する本のである。

〔従来の技術〕

セラミック摺動部品に潤滑性を持たせる丸め、従来、セ
ラミック材料表面に固体潤滑剤の被覆処理がなされてい
る。この場合、固体鯛渭剤としては、二硫化モリブデン
、ニセレン化タングステン、黒鉛、酸化鉛などの層状構
造を有する物質が用いられ、具体的な方法としてはたと
えばこれらの固体潤滑剤粒子を有機もしくは無機の結合
剤と混合したものを部品表面に塗布した後、焼付は処理
を行って固体調滑被腺とする方法がある。

ところで、精密＠器に使用する摺動部品の固体潤滑被膜
としては、極力薄くしかも長寿命のものが望ましい。精
密機器においては、摺動部といえども高い寸法精度の維
持が要求されるからである。固体潤滑被覆処理において
、最も重要な要素の一つは被膜と基体との密着性である
。

なぜなら、密着性が高いほど、被膜の寿命が長くなるか
らである。従って、同じ寿命ｔ−得るのに、密着性が高
いはど被膜厚さは小さくて済む。

一方、Ｖ機樹脂を所望の材料に被覆して後、イオン照射
を行い炭素被膜を形成できることは公知である。たとえ
ば、パーナート　ニー、マシグアーらは、公開特許公報
昭６０−１５９１６８号に示しているように１この方法
を金属表面に用いて耐傷付性を改善する方法を提供して
いる。

マタ、パーナート　ニー、マシグアーらは、炭素膜と基
体金属との密着性を高める丸めイオン照射において第１
のエネルギーのイオン照射後、第１のエネルギーよプも
小さい第２のエネルギーのイオン照射を行うという多重
照射の方法を提供している。この方法において重要なこ
とは、パーナート　ニー、マシヴアーらが指通している
ように、この方法で得られる炭素被膜は冶金学的、すな
わち化学的に適合する表面でのみ有用であることである
。この意味は、炭素との化合物を生成する金属であると
いうことであシ、鉄基合金などが辷れに相当する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような方法は、被後処理に多くの工
程を必要とするとともに１良好な被膜を得るのに各工程
で微妙な調整が必要である。

また、被膜が長寿命であ暮こと、すなわち多数回の摺動
に耐え得る罠は、膜厚は通常〜１０μｍ以上必要である
。

一方、セラミック表面に有機樹脂を塗布した後、イオン
照射した場合、たとえ多重照射法を採用しても、密着性
は不十分である。これは、一つには、炭素膜とセラミッ
ク材料とが冶金学的になじまないととＫよると考えられ
る。しかし、本発明者らは、鋭意検討の結果、さらに一
つの理由は、あらかじめ塗布などの方法で被覆した有機
樹脂をイオン照射によって炭化すると樹脂被覆は大きな
装置変化（収縮）’にきたし、形成された炭素膜と基体
との界面に大きな歪応力が発生する九めであることを見
い出した。従って、界面の歪応力の発生を極力抑えるこ
とができるならばセラミック表面といえどもイオン照射
によって密着性の高い炭素膜を形成できるであろうと予
想される。

このような考えに基いて、本発明者らは鋭意研究の結果
、有機物の堆積とイオン照射とを同時に行うとセツミッ
ク表面にもｖＭ着性の良い炭素膜を形成できることを見
い出し・た。

本発明は、上記従来技術における問題点を解決するため
のものであり、その目的とするところは良好な固体潤滑
性を有する被膜材料を有機物質ｔ−原料としてイオン照
射によって簡便に製造し、それと同時にセラミック表面
に密着性良く被覆する方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち本発明のセラミック材料表面への固体潤滑被膜
の形成方法は、１０　　Ｔｏｒｒよｐ本真空度の高い真
空雰囲気下におかれた七２ミック材料の表面に、室温で
１０　　Ｔｏｒｒ以下の蒸気圧を有する有機物質を該真
空雰囲気下で加熱蒸着すると同時に該セラミック材料の
表面に、　１　ｋｅＶ以上のエネルギーを有する気体元
素のイオンを１×１０　個／ｄ以上照射することを特徴
とする。

ま九、本発明の好ましい実施態様としてはたとえば、 （１）気体元素が窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、
クリプトン又はキセノンである方法、および （ＩＩ）　　セラミック材料がセラミック摺動体である
方法、 が挙げられる。

本発明者らは、高エネルギーのイオン照射が一般に被膜
と基体との密着性を高めるのに有用であること、および
炭素ａ膜が摺動部品間の化学反応を防止する働らきｔ−
Ｗすること、さらに有機物にイオン照射を行うと、一般
に炭化が起こシ、炭素を高密度に官有する無機質の物質
に変わること、等を考慮して鋭意研究の結果、本発明を
成すに至った。

以下に本発明の方法を史に詳しく述べる。第１図に示さ
れるように、被億処理用真空容器１に１公知の高エネル
ギーのイオンビーム発生装を接続する。部品ホルダー４
に処理すべきセラミック部品５を取シ付ける。真全容器
１内において被覆すべきセラミック部品５０表面が見え
る位置に炉６を取シ付ける。炉６に蒸発源の有機物質７
ｔ−入れ、炉６を加熱し有機物質７を蒸発させる。この
とき炉６より蒸発する蒸気をシャッター８によシ遮断し
ておく。炉６が適切な温ｆＫまで加熱されたならばシャ
ッター８を開くと同時にイオンビーム３の照射を開始す
る。

セラミックζＰ：、５の表面に被榎される炭素膜の厚さ
はシャッター８を開いている時間によ多制御できる。ま
た、照射するイオンビームのエネルギー、ａ類、照射量
も自由に選択できるから形成される炭素族の戻素￥１！
！度を制御できる。高い炭素密度の被膜を得るＫは、全
照射量を多くすればよい。一定時間内での全照射量の調
節はイオンビームの電流密度を制御することによシ可能
である。

本発＃ｉにおいて蒸発源として使用する有機物質は、イ
オン照射を同時に行う必要から真壁容器内に置かれる。

イオン照射には、真空度が１０　　Ｔｏｒｒ以上の高真
空が必要である。このため、蒸発源有機物質としては、
塞温での蒸気圧が１０　　’ｆｏ１１以下のものを使用
しなければならない。このような有機物質としては、常
温で液体状のものや固体状のものなど多くの種類のもの
がある。例えば液体状のものとしては、真空ポンプのオ
イルとして使用されているシリコーン系オイル、炭化水
素糸オイル、６るいはｌ４ｆｙ＃油として使われている
７ツ索糸オイル等かある。

トくに、メチルフェニルシロキサン（シリコーン系オイ
ル）やアルキルナフタレン（炭化水素系オイル）、パ　
７０ロホリエーテル（７ツ索糸オイル）は代表的なもの
である。固体状のものとしては、例えば、ナフタレン、
アントラセン、７タロシアニンなどが使用できる。これ
らのものは単独でも、あるいは組み合わせて使用しても
よい。

照射すべきイオンビームとしては、有機物質の分解・炭
化を引き起し得るものであればよくＨｅ以上の質量を有
するイオン種が使用できる。

しかし、イオンビームの生成の容易さから気体元素、と
＜　Ｋ、　Ｈｅ、　Ｎ、　Ｎｅ、　Ａｒ、　Ｋｒ、　Ｘ
ｅが望ましい。これらの元素のイオンは、形成される炭
素膜と反応して膜質を変えることがない点も好都合であ
る。

イオンのエネルギーは、有機物を十分に分路・炭化でき
る程度であればよく通常ｊ　ｋｅＶ以上であれはよい。

良好な固体潤滑性を有する炭素Ｍ全製造するために必要
なイオンの照射量は、用いるイオンの抛類によるが、Ｈ
ｅイオンの場合、ｌＸ１０”個／−１その他のイオンの
場合にｌｌ１ｌｘ１０”１固／ｃｍ２以上が望ましい。

照射量が上記値よシ少ないと、炭素族の良好な密着性が
得られない。また、炭素以外の元素、すなわち水素等の
有機物構成元素をかなシ多量に含んだ換が得られ、これ
らは、化学的に不安定であることが多く好ましくない。

〔作　用〕

本発明の作用を、蒸発源の有機物質として、液体状のベ
ンタフェニルトリメチルトリシロキい、Ａｒイオンを照
射して窒化珪素（Ｓｊ３ｉＮ４）　セラミック表面ＫＲ
素被換を形成する場合を例にして説明する。

ペンタフェニルトリメチルトリシロキサンを真空容器内
の蒸発源用の炉に入れ、真全容器を１Ｑ　　Ｔａｒｔ程
度にまで真空引きした後、炉を加熱し、炉温か８０℃程
度となったところでシャッターを開くと８４＠Ｎ４表面
にペンタフェニルトリメチルトリシロキサンが付着する
。このとき、ペンタフェニルトリメチルトリシロキサン
は分子状もしくはクラスター状で飛、来してセラミック
表面に付着すると考えられる。シャッターを開くと同時
に、たとえばＩＱＯｋｅＶに加速しｆｃＡｒイオンを照
射するとペンタフェニルトリメチル＋ トリシロキサン分子にＡｒイオンが衝突し該分子を分解
する。このとき分子中の化学結合の弱い部分が最も多く
分解する。ペンタフェニルトリメチルトリシロキサンで
は、Ｃ−ｆ（結合が切断され、水素原子が分子から解放
される。これらの水素原子は大部分互いに結合して水素
分子となって放出される。従って、炭素と珪素および酸
素を含んだ物質がセラミック表面に残る。仁の初期被膜
は引き続くイオン照射によシ、水素のみならず酸素も放
出し炭素と珪素よシ成る物質に変わってゆく。このよう
にイオン照射は、有機物質を高密度にＲ素を含む無機質
の物質に変えるわけであるが、この過程におかて、大き
な収縮（体積変化もしくは密度変化）を伴う。

このような変化が、ある基体表面で起きるとき、変化す
る物質が１分子層もしくは数分子層程度の極く薄い段階
で起こるならば、収縮は拘束を受けず自由に生じる。従
って生成した無機質極薄層と基体界面には歪応力はほと
んど発生しない。有機物質の蒸発とイオン照射とを同時
に行うことは、炭素膜の極薄層の堆積を連続的に行うこ
とに他ならない。従って、本発明の方法で形成される炭
素被膜には、農を数μｍ８ｉ度の厚さまで形成しても歪
応力はほとんどきまれない。

それゆえ、歪応力に起因する密着性の低下を防止できる
。本発明の方法によって形成したセラミック表面の炭素
族の＾い密層性は、上述のように被膜中に残留歪の少な
いことが大きな理由である。

固体＠滑被換に要求されるものは、長寿命とともに１被
換が良好な潤滑性をＭすることである。本発明による炭
素被膜を被膜したセ′ｙξツク部材は、後に実施例にお
いて示すように、他のセラミックや金属およびグラスチ
ック材料との摺動において低い＊＊係数を与える。炭素
よシ成る物質、たとえば黒鉛やダイヤモンドは、化学的
にかなシ安定である。従って、摺動する二つの物質量に
このような物質が介在すると二物質間の化学結合を防止
し、その結果それら二物質問の摺動は低摩擦、低摩耗と
なる。本発明の方法によシ形成される炭素被膜は、高密
度に炭素を含有することは上述の説明から明らかである
が、さらに、この被膜には、炭素の六員環が多く含まれ
ておル、これらの六員環はグラ２アイトの微結晶を形成
すると考えられる。事実、透過電子頭倣餉観祭によシ、
グラファイトの微結晶が含まれていることが証明された
。すなわち、本発明によシ形成される炭素被膜は、グラ
ファイト微結晶を甘む非晶質炭素であるといえる。ペン
タフェニルトリメチルトリシロキサンを蒸発源物質とじ
九場合、８ｉや０、さらに、おそら〈Ｈも形成された被
膜中に若干１１れる。

これらの含有元素は少量であシ、形成被膜の同体潤滑性
能にはとんど影響しないと考えられる。

〔実施例〕

以下の実施例において本発明ｆ：巣に詳細に説明する。

なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

なお、装置は第１図に示すものを使用した。

実施例１ 厚さ５Ｍ、直径３０１ｍのディスク（円！１）状の８ｉ
、Ｎ、焼結体の表面（表面荒さ〜０．１μｍ）に、ペン
タフェニルトリメチルトリシロキサンを７０℃に加熱し
て蒸着しつつ、同時に１００　ｋｅＶ　Ａｒイオンを照
射した。イオン電流密度は〜１μＡ／ｃｄであった。蒸
着とイオン照射を約５ａ分行なった。イオンの全照射量
は１ｘ１０　イオン数／−であった。得られた炭素族の
厚さを、俊方散跣法と表面荒さ針を用いて測定した。両
方の測定値とも（１２±ＣＬＯ２μｍであった。

この処理ディスクと、球状（直径５調φンの８６Ｎ４焼
結体のビンとの摩擦・摩耗特性をビンオンディスク式摩
擦試鋏機を用いて評価した。

第２図は、摩擦係数μと摺動回数の関係を示したもので
、処理ディスクと未処理ディスクの場合とを比較して示
しである。試験条件は、空気中、無潤滑、Ｍ温であシ、
ビンの荷重はα２〜、ディスク回転数は８０　ｒｐｍで
ある。また、第３図は、ピン材質を５ＵＪ２（′Ｊｓ材
）に変えた場合の結果を示したものである。第５図には
、比軟のために電子ビーム蒸着法を用いて黒鉛を溶解し
、Ｓｔ、Ｎ４デイスクに、厚さく１１５μｍの炭素膜被
蝋処理を施こした場合と、さらに１！子ビ一ム蒸層によ
る（１１５μｍ厚の炭素膜被覆処理後１００ｋ　ｅＶ　
Ａ（イオンを１×１０　イオン数／ｃｄ照射した場合の
結果も示しである。第２図と第３図より、本発明による
炭素膜被覆処理を施こした８ｉｓＮ４セ２ミツクが、摺
動相手材がセラミックと金塊のいずれの場合にも、すぐ
れた固体潤滑性を有することがわかる。また、第３図よ
シ、単に炭素ｔ−直接的にセラミック表向に蒸宥した場
合や、さらに炭素蒸着後イオン照射処理を施とし７’（
場合と比較して、本発明の方法で製造したものが著しく
すぐれた固体潤滑性を有することがわかる。

実施例２ Ｓ　ｇ　Ｃｏ　Ａ４０ｇ　ｒ　Ｚ　ｒＯｌ　　（３モル
％　ノＹ＠　Ｏｓ　を宮む）の焼結体ディスク表面に、
ペンタフェニルトリメチルトリシロキサンを約８０℃に
加熱して蒸着させ、同時Ｋ　１．５　ＭｅＶ　Ａ「イオ
ンを照射して、各ディスク表面に厚さ約Ｉ　Ａｍの炭素
Ｍ１機処理を施した。蒸着とイオン照射の時間は約１時
間で１りシ、照射中のイ゛オンビームｉｔ流密度は２μ
Ａ１５＋＃、全照射量は５×１０　イオン数／−であっ
た。ビンオンディスク法を用い、これらの処理デ４２り
と、ＳｉＣ，ＡＪ１０３．　ＺｒＯ２，５ＵＪ２゜高密
度ポリエチレンのビンとの摩擦試験を行なった。試験条
件は、実施例１の＠曾と同じである。第１表ＶＣＪ９１
Ｉ擦係数μ、ビン材料の比摩耗量、被膜寿命（μ≧［Ｌ
３となるまでの摩擦同数）Ｋ。

ついて、未処理の場合の結果と比較して示した。

第１表よシ、本発明による処理を施した場合、摺動相手
材がセラミック、金属、グラスチックいずれの場合にも
、Ｍ操係数は［Ｌ１〜α１５Ｋまで低下すること、およ
びピン材の比摩耗量が一桁程度低減することがわかる。

また、Ｊ＃さ１μｍの被膜で、１０回以上の摩擦同数に
耐えることがわかる。

実施例３ Ｓｉ、Ｎ４焼結体表面に、ペンタフェニル）　ＩＪメチ
ルトリシロキサン″ｆニア０℃に加熱して蒸着し、同時
にイオンを照射して炭素被膜を形成した。

照射するイオンとして、Ｈｅｔ　Ｎｅ　Ｎｅｓ　Ａｒを
用いたときの照射条件の例と、形成された被膜の向体潤
Ｉｖ特性を第２表に示す。摩擦係数および寿命は、８υ
Ｊ２のビンと摺動したときの値であシ、実施例１と同じ
方法で評価したものである。

実施例４ 照射用イオンとして１００　ｋｅＶ　Ａｒイオンを用い
、蒸発源物質としてアントラセン、ナフタレン、エイコ
シルナフタレン、アルキルナフタレン、メチルシリコー
ンを用い、５ｉＢＮ４焼結体ディスク表面に炭素膜被積
処理を行った。処理条件の例を第３衣に示す。また、そ
れぞれの処理ディスクと５ＵＪ２のピンとの摺動におけ
る摩擦特性を実施例１の場合と同じ方法で評価し九。そ
の結果も第５表に示した。

〔発明の効果〕

上述のように本発明のセラミック材料表面への固体潤滑
被膜の形成方法は、高真空下でセラミック材料の表面に
有機物質を蒸着すると同時にイオン照射を行なうため、
セラミック材料表面に優れた潤ａ特性を有する固体被膜
を形成することができる。

しかして、本発明の方法によればセラミック表面に被覆
する炭素膜の厚さを微細に制御できる。なぜなら、分子
状もしくはクラスター状で有機分子を堆積させると同時
にイオン照射によって炭素被膜とするものであるから有
機物の蒸着量を変えることによって膜淳を制御できる。

従って、本発明の方法は精密機器に使用するセラミック
摺動部品の固体潤滑被膜形成方法として好ましい。

また、本発明の方法による炭素膜被覆処理を施したセラ
ミック摺動部材は、他のセラミックや金属およびプラス
チック材料との摺動において良好な潤滑性すなわち、低
い摩擦係数と相手材の摩耗を抑える効果を有する。しか
も、このような効果は長時間持続する。本発明の方法に
よれば、〜１μｍの厚さの被覆処理によって、無潤滑下
で１０６回以上の摩擦回数に対しても有効な固体１１１
１滑被膜を得ることができる。すなわち本発明の方法は
、セラミック製の摺動部品に適用でき、摺動部の低摩擦
・低摩耗化や焼付防止、摺動面の初期なじみの形成に利
用できる。

本発明の被膜処理を施したセラミック製摺動部品はたと
えば、半導体製造装置、陰極線管、宇宙機器など清浄な
環境あるいは真空環境で使用される機器のセラミック軸
受などの摺動部品として非常に優れている。また、本発
明の方法はセラミック製のディーゼルエンジンやターボ
チャージャーの摺動面や軸受部処も適用できる。

さらに、セラミック製人工関節の摺動面に使用できる。

このように本発明の方法は工業や医療など広範な分野に
おいて広く使用することができ、いずれの分野において
も優れた特性を有する摺動部材などの有用な材料を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセラミック材料表面への固体潤滑被膜
の形成方法に使用する装置の一例の概略構成図、 第２図は本発明の方法を使用した処理ディスク（Ｓ：、
Ｎ、焼結体）と未処理ディスクの、摺動回数と摩擦係数
との関係を示すグラフ、第５図は本発明の方法を使用し
た処理ディスクと未処理ディスク及び他の方法を使用し
た処理ディスクの、摺動回数と摩擦係数との関係を示す
グラスである。 図中、 １・・・真空容器　２・・・イオンビーム発生装置　５
・・・イオンビーム　４・・・部品ホルダー　５・・・
セラミック部品　６・・・炉　７・・・有機物質　８・
・・シャッター 第１図 第２図 摺動回数（ロ） 第３図 ２肋回転（回）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）１０＾−＾４Ｔｏｒｒよりも真空度の高い真空雰
   囲気下におかれたセラミック材料の表面に、室温で１０
   ＾−＾４Ｔｏｒｒ以下の蒸気圧を有する有機物質を該真
   空雰囲気下で加熱蒸着すると同時に該セラミック材料の
   表面に、１ｋｅＶ以上のエネルギーを有する気体元素の
   イオンを１×１０＾１＾５個／ｃｍ＾２以上照射するこ
   とを特徴とするセラミック材料表面への固体潤滑被膜の
   形成方法。
2. （２）気体元素が窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、
   クリプトン又はキセノンであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のセラミック材料表面への固体潤滑
   被膜の形成方法。
3. （３）セラミック材料がセラミック摺動体であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のセラミック材料
   表面への固体潤滑被膜の形成方法。