JP2002167660A

JP2002167660A - 摺動部材及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002167660A
Application number: JP2000362747A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fuchigami; 健児渕上; Kazuo Uematsu; 和夫上松
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2002-06-11

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン注入法を用いた硬質炭素被膜の形成に
おいて、基材表面に対する硬質炭素被膜の付着性を確実
に高める。【解決手段】基材１の表面に、硬質炭素の薄膜を形成
し、続いて薄膜上からイオンを注入することにより、１
×１０¹⁶／ｃｍ²以上のイオンが基材内部に注入される
ようにして被膜中の原子と注入した原子と基材を構成す
る原子の混合層３を形成し、その後混合層３の上面に硬
質炭素被膜２を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摺動部材及びその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ダイヤモンドライクカーボン
（ＤＬＣ）に代表される硬質炭素は、自己潤滑性を有す
るために摩擦係数が小さく、且つ硬度が非常に高い（Ｈ
ｖ１０００〜５０００）ゆえに摩耗しにくい。そのた
め、これらの硬質炭素被膜を軸受等の摺動部材に適用す
ることが期待されている。

【０００３】硬質炭素被膜は、ＰＶＤ法（物理気相蒸着
法）やＣＶＤ法（化学気相蒸着法）を用いることによっ
て、真空容器内に設置された基材上に形成することが可
能である。

【０００４】上記硬質炭素被膜は、例えばＳｉやＳｉ系
セラミック、ＷＣ系超硬合金等には付着性が良く、摺動
部品への適用が始まっている。しかし、鉄鋼やその他の
合金材料等一般機械の軸受等を構成する基材の上に硬質
炭素被膜を形成しようとした場合には、被膜の付着性が
悪く、荷重を掛けて摺動させた際に容易に基材から剥離
してしまい、このために硬質炭素被膜のもつ潤滑性を利
用できないという問題を有していた。

【０００５】この付着性の問題を解決するために、様々
な研究が行われている。なかでも、イオン注入技術を利
用した方法では、被膜／基材界面において、被膜中の原
子、注入した原子、基材を構成する原子の混合層を形成
することができ、付着性改善に有力な方法の一つと考え
られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、硬質炭素被膜
の付着性をイオン注入法を用いて改善しようとした場
合、イオン注入の仕方等の条件によって付着性の度合が
大きく異なってしまうが、このようなイオン注入条件等
の技術を明確に規定したものは存在していない。

【０００７】例えば、特開平７−９０５５３号公報に
は、イオン注入法により、基材と硬質カーボン膜との界
面部分に炭素原子と注入原子との混合層を形成すること
が記載されている。そして、イオン注入の際における加
速電圧は、基材内部までの充分なイオン注入を考慮する
と、特に５０ｋｅＶ以上であることが好ましいとされて
いる。

【０００８】しかし、単にイオン注入時の加速電圧を５
０ｋｅＶ以上に設定することを規定したのみでは、硬質
炭素被膜の付着性を良好に向上させられない場合があ
り、又、加速電圧を高め過ぎた場合には、Ｘ線による被
曝の防護構造や加速電源・絶縁構造の大型化等、装置コ
ストが大幅に高くなってしまう等の問題を有していた。

【０００９】更に、本発明者等が、ニッケル・クロム・
鉄合金基材上に、イオン注入法とＣＶＤ法により硬質炭
素被膜を形成して高荷重摩擦試験を実施した結果では、
イオンの注入量が少ない場合には硬質炭素被膜の付着性
が向上できないことが得られた。

【００１０】本発明は、上記課題に鑑みてなしたもので
あり、イオン注入法を用いた硬質炭素被膜の形成におい
て、基材表面に対する硬質炭素被膜の付着性を確実に高
めることができるようにした摺動部材及びその製造方法
に関するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、基材の表面
に、１×１０¹⁶／ｃｍ²以上のイオンが注入されるよう
にして被膜中の原子と注入した原子と基材を構成する原
子の混合層を介して硬質炭素被膜が形成されていること
を特徴とする摺動部材、に係るものである。

【００１２】本発明は、基材の表面に、硬質炭素の薄膜
を形成し、続いて該薄膜上からイオンを注入することに
より、１×１０¹⁶／ｃｍ²以上のイオンが基材内部に注
入されるようにして被膜中の原子と注入した原子と基材
を構成する原子の混合層を形成し、その後混合層の上面
に硬質炭素被膜を形成することを特徴とする摺動部材の
製造方法、に係るものである。

【００１３】本発明は、基材の表面に、硬質炭素被膜を
形成しつつイオンを注入することにより、１×１０¹⁶／
ｃｍ²以上のイオンが基材内部に注入されるようにして
被膜中の原子と注入した原子と基材を構成する原子の混
合層を形成した後、混合層の上面に硬質炭素被膜を形成
することを特徴とする摺動部材の製造方法、に係るもの
である。

【００１４】上記手段において、混合層の形成時に炭素
の飽和侵入域が形成されるようにしている。

【００１５】本発明によれば、基材表面に、１×１０¹⁶
／ｃｍ²以上のイオンが注入されるように形成した混合
層を介して、基材の表面に硬質炭素被膜を形成するよう
にしているので、飽和侵入域が形成される状態で基材表
面に炭素原子が侵入・拡散し、これによって基材と硬質
炭素被膜の付着性を格段に高めることができる。又、イ
オン注入時の加速電圧を必要以上に高めることなく有効
な混合層を形成できるので、装置の大型化を防ぐことが
できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。

【００１７】図１は本発明にて製造した摺動部材の構成
を示す断面図であり、例えばニッケル・クロム・鉄合金
（インコネル７１８相当材）からなる基材１の表面に、
硬質炭素被膜２が形成されており、基材１と硬質炭素被
膜２との界面部分には、硬質炭素被膜２を構成する炭素
原子の一部と注入原子とが基材１内に入り込んだ混合層
３（以下、イオンミキシング層と言う）が形成されてい
る。一方、図２は、従来一般に行われている蒸着の技術
を示したものであり、基材１の表面には硬質炭素被膜２
が形成されているが、この場合には基材１と硬質炭素被
膜２との界面部分にイオンミキシング層３はほとんど形
成されていない。

【００１８】図３は、図１の摺動部材を製造する際に用
いられる製造装置の一例を示したものであり、真空チャ
ンバ４の内部に、基材１を支持する支持装置５が設けら
れており、支持装置５は基材１を支持した状態で回転で
きるようになっていてもよい。

【００１９】真空チャンバ４には、磁場とマイクロ波を
利用したＥＣＲ法（電子サイクロトロン共鳴法）により
プラズマを発生させるプラズマ源７と、イオン源から静
電的に引き出したイオンビームを基材１に照射するイオ
ン照射装置６とを備えている。図３は、イオンビームを
用いたイオン注入法を示しているが、イオン注入法には
この他、プラズマ中に置かれた基材に負のパルス電圧を
印加することで基材へイオンを注入するようにしたプラ
ズマイオン注入法等がある。

【００２０】本発明者等は、イオン注入法により硬質炭
素被膜を形成する試験を種々実施した結果、イオン注入
時、注入するイオンの数を調節することにより、比較的
低いエネルギーでのイオン注入でも付着性に優れた硬質
炭素被膜を得ることができることを見出した。

【００２１】即ち、以下に示すように、基材の表面に、
１×１０¹⁶／ｃｍ²以上のイオンを注入することによっ
て形成されるイオンミキシング層を介して形成した硬質
炭素被膜は、付着性を著しく高めることができた。

【００２２】図４〜図６は、基材表面に硬質炭素の薄膜
を予め形成してその上から炭素イオン（Ｃ⁺）を注入し
た場合の、基材表面付近における基材深さ方向の組成割
合をオージェ電子分光法（ＡＥＳ）によって調べた組成
図であり、図４は、イオン注入量を３×１０¹⁵／ｃｍ²
に調整した場合、図５は、イオン注入量を１×１０¹⁶／
ｃｍ²に調整した場合、図６はイオン注入量を７×１０
¹⁶／ｃｍ²に調製した場合である。

【００２３】又、図７は、前記と同様に薄膜の上からネ
オンイオン（Ｎｅ⁺）を注入量が５×１０¹⁶／ｃｍ²にな
るように注入した場合の基材表面付近における基材深さ
方向の組成割合を示した組成図である。

【００２４】尚、図４〜図７は、何れもイオン注入の加
速電圧を３０ｋｅＶとした場合を示している。又、図４
〜図７におけるイオン注入法は、基材表面にＣＶＤ法に
よって０．０１ミクロン以下の硬質炭素の薄膜を形成し
た後、その上からイオン注入するという操作を３回繰返
して行った場合を示している。尚、この条件では、注入
されたイオンのほとんどは、硬質炭素の薄膜を貫通し
て、基材内へ注入されていると考えてよい。

【００２５】又、図８は、イオン注入無しで基材表面に
ＣＶＤ法により硬質炭素の薄膜を形成した場合の基材表
面付近における基材深さ方向の組成割合を示した組成図
である。

【００２６】図４〜図８の試験は、図３の製造装置にお
けるプラズマ源７を用いたＣＶＤ法により基材１上に硬
質炭素の薄膜を形成した後、イオン照射装置６によりイ
オン注入を実施し、その後、再びプラズマ源７を用いた
ＣＶＤ法によって薄膜上に硬質炭素被膜を一体に形成す
る方法により行った。

【００２７】又、前記イオン注入量を調節する方法とし
ては、図３のイオンビームを用いた注入法の場合には、
イオン照射装置６から基材１へ照射されるイオン電流値
を元に注入時間を加減することで、イオン注入量を調節
した。一方、イオン注入法にプラズマイオン注入法を用
いた場合には、プラズマから基材へ流れるイオン電流を
元にイオンの注入量を調節できる。

【００２８】図４に示すように、イオン注入量を３×１
０¹⁵／ｃｍ²とした場合の基材表面付近のオージュ電子
分光法（ＡＥＳ）で得た組成図では、基材に対する炭素
原子の侵入量は少なく、侵入曲線もなだらかになってい
る。

【００２９】これに対し、図５に示すよう、イオン注入
量を１×１０¹⁶／ｃｍ²とした場合の基材表面付近の組
成図では、炭素原子成分が約４０％近傍において、その
割合が殆ど変化せずに基材に深く侵入しており、この部
分はイオン注入による、ニッケル・クロム・鉄合金（イ
ンコネル７１８相当材）への炭素拡散の上限である飽和
侵入域Ａを形成していると考えられる。

【００３０】更に、図６に示すように、イオン注入量を
７×１０¹⁶／ｃｍ²とした場合の基材表面付近の組成図
では、図５の場合より更に深い位置まで炭素原子が基材
に侵入しており、深い範囲まで飽和侵入域Ａが形成され
ている。

【００３１】更に、図７に示すように、ネオンイオン
（Ｎｅ⁺）を用いてイオン注入量を５×１０¹⁶／ｃｍ²と
した場合の基材表面付近の組成図でも、飽和侵入域Ａが
形成されている。

【００３２】一方、イオン注入を行わなかった図８の場
合の基材表面付近の組成図では、基材に対する炭素原子
の侵入量は非常に少なく、侵入曲線もなだらかになって
いる。

【００３３】上記したように、イオン注入の条件を種々
変化させて試験を行ったところ、図５〜図７に示すよう
に、イオン注入量を調節することにより、基材表面付近
に飽和侵入域Ａを形成できることが判明した。そして、
このような飽和侵入域Ａが形成されるようにイオンの注
入を行うと、硬質炭素被膜と基材との付着性が著しく高
まり、よって高荷重による摩擦力を繰返し受けても剥離
の問題を防止できことがわかった。

【００３４】従って、１×１０¹⁶／ｃｍ²以上のイオン
が基材表面内部に注入されるようにすれば、付着性に優
れた硬質炭素被膜が形成できることが判明した。

【００３５】図９は、図５に示したようにイオン注入に
よって飽和侵入域Ａが形成された硬質炭素被膜と、図８
に示したイオン注入を行わず、基材に対する炭素原子の
侵入が僅かである硬質炭素被膜とを、摩擦試験により付
着性を比較評価した結果を示す線図である。摩擦試験は
２５Ｎを負荷したＳｉＣボールを用いて摩擦速度を１０
０ｍｍ／ｓｅｃとし、大気中で試験を行った。又、オー
ジェ電子分光法（ＡＥＳ）により作成した試料の界面付
近の組成変化を調べた。

【００３６】その結果、摩擦試験において、イオン注入
していない図８による硬質炭素被膜は、約１００００回
の摩擦で、被膜が完全に基材から剥離したのに対し、図
５に示した飽和侵入域Ａが形成される条件でイオをン注
入した硬質炭素被膜では、約０．１以下の摩擦係数を保
ったまま４００００回の摩擦に耐えた。同様の結果が飽
和侵入域Ａが形成された図６、７の条件でイオン注入し
た場合でも得られている。

【００３７】従って、図１の基材１表面に、前記したよ
うに約１×１０¹⁶／ｃｍ²以上のイオン注入量を保持し
て形成したイオンミキシング層３を介して硬質炭素被膜
２を形成した摺動部材によれば、飽和侵入域Ａが形成さ
れるように基材１表面に炭素原子が侵入・拡散し、硬質
炭素被膜２の炭素原子と基材１を構成する原子との結合
する接触面積が実質的に上限値付近まで増大することに
なり、これによって付着性が格段に増加すると考えられ
る。即ち、硬質炭素被膜の剥離は、硬質炭素被膜の炭素
原子と基材を構成する原子との結合力が弱い部分から生
じ易いと考えられることから、前記したような飽和侵入
域Ａにて接触面積が増加することは付着性を向上させる
上で非常に有効と考えられる。

【００３８】又、上記形態例では、基材表面に硬質炭素
による薄膜を形成してその薄膜の上からイオン注入を行
った後に、硬質炭素被膜を形成する場合について説明し
たが、図３に示したプラズマ源７を用いたＣＶＤ法によ
る蒸着と、イオン照射装置６によるイオン注入とを同時
に行う方法を用いても、イオン注入時に、１×１０¹⁶／
ｃｍ²以上のイオンが基材内部に注入される条件で行え
ば、前記形態例と同様のイオンミキシング層を形成して
同様の作用を奏することができる。

【００３９】尚、上記形態では、基材がニッケル・クロ
ム・鉄合金である場合について説明したが、これに限る
ことなく種々の基材を用いることができる。又、注入す
るイオンについても、炭素イオン（Ｃ⁺）、ネオン（Ｎｅ
⁺）について例示したが、炭化水素イオン、炭素を含む
化合物イオン、更には、窒素Ｎ、アルゴンＡｒ、クリプ
トンＫｒ、キセノンＸｅ等の不活性ガスのイオンも適用
することができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、１×１０¹⁶／ｃｍ²以
上のイオン注入量を保持して形成するようにしたイオン
ミキシング層を介して、基材の表面に硬質炭素被膜を形
成するようにしているので、飽和侵入域が形成される状
態で基材表面に炭素原子が侵入・拡散し、これによって
基材と硬質炭素被膜の付着性を格段に高められる効果が
ある。又、イオン注入時の加速電圧を必要以上に高める
ことなく有効なイオンミキシング層を形成できるので、
装置の大型化を防ぐことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における摺動部材の断面図である。

【図２】従来一般に行われている蒸着にて硬質炭素被膜
を形成した摺動部材の断面図である。

【図３】本発明の方法を実施する摺動部材の製造装置の
概略側断面図である。

【図４】基材表面に形成した薄膜の上から炭素イオンを
注入した場合の、基材表面付近における基材深さ方向の
組成割合を示した組成図である。

【図５】図４に対して、イオン注入量を変化させた場合
の本発明の有効な例を示す組成図である。

【図６】更に、イオン注入量を変化させた場合の本発明
の有効な例を示す組成図である。

【図７】ネオンイオンを注入した場合の本発明の有効な
例を示す組成図である。

【図８】イオン注入無しの場合の組成図である。

【図９】イオン注入によって飽和侵入域が形成された硬
質炭素被膜と、イオン注入を行わない硬質炭素被膜と
を、摩擦試験により付着性を比較評価した結果を示す線
図である。

【符号の説明】

１基材２硬質炭素被膜３混合層（イオンミキシング層）Ａ飽和侵入域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3J011 AA20 MA12 QA01 SE02 4K029 AA02 BA34 BB02 BD04 CA10 EA00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基材の表面に、１×１０¹⁶／ｃｍ²以上
のイオンが注入されるようにして被膜中の原子と注入し
た原子と基材を構成する原子の混合層を介して硬質炭素
被膜が形成されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】基材の表面に、硬質炭素の薄膜を形成
し、続いて該薄膜上からイオンを注入することにより、
１×１０¹⁶／ｃｍ²以上のイオンが基材内部に注入され
るようにして被膜中の原子と注入した原子と基材を構成
する原子の混合層を形成し、その後混合層の上面に硬質
炭素被膜を形成することを特徴とする摺動部材の製造方
法。
【請求項３】基材の表面に、硬質炭素被膜を形成しつ
つイオンを注入することにより、１×１０¹⁶／ｃｍ²以
上のイオンが基材内部に注入されるようにして被膜中の
原子と注入した原子と基材を構成する原子の混合層を形
成した後、混合層の上面に硬質炭素被膜を形成すること
を特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項４】混合層の形成時に炭素の飽和侵入域が形
成されていることを特徴とする請求項２、又は３記載の
摺動部材の製造方法。