JP4670751B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

本発明は、各種装置の摺動部に使用される摺動特性に優れた摺動部材に関する。

各種装置の摺動部に使用される摺動部材は、一般に、金属製の基材と、その摺動面側に形成された摺動層と、を備える。高速、高面圧の摺動条件で使用されるとともに使用条件によっては潤滑油がないドライ状態となる摺動部材では、高い摺動性と耐摩耗性が必要となる。耐摩耗性に優れる摺動層として、チタンの窒化物膜や炭化物膜、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）と呼ばれる非晶質炭素からなるＤＬＣ膜、などの硬質膜が用いられる。ところが、これらの硬質膜を単独で摺動層として用いると、耐摩耗性に優れる反面、低摩擦性などの摺動性が十分ではない。

そこで、特許文献１では、窒化チタンからなる硬質セラミック膜の上にチタンと二硫化モリブデンとを含む固体潤滑皮膜を形成した、固体潤滑性を有する耐摩耗性硬質皮膜が開示されている。しかし、特許文献１では、硬質セラミック膜と固体潤滑皮膜とが、それぞれ異なる元素を含む膜であり、さらに、それぞれを異なる成膜方法で形成しているため、複数の工程が必要となる。

また、特許文献２、特許文献３には、基材の表面に形成され、表面側の硬度が基材側よりも低い非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）が開示されている。硬度の異なるＤＬＣ膜は、基板に印加するバイアス電圧を調整するなどして成膜条件を変更することにより容易に成膜できる。しかし、ＤＬＣ膜は必ずしも十分な摺動性を示さず、摺動層としてＤＬＣ膜を形成した摺動部材は、その用途によっては摺動性が不十分な場合がある。
特開２０００−１７６８号公報 特開平１１−９２９３５号公報 特開２００４−２５６９１２号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、摺動性と耐摩耗性とを両立する新規の構成をもつ摺動層を備える摺動部材を提供することを目的とする。

本発明の摺動部は、基材と、該基材の表面の少なくとも一部に形成され相手材と摺接する摺動層と、を備える摺動部材であって、前記摺動層は、
炭素（Ｃ）と、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）および／または二硫化タングステン（ＷＳ_２）と、チタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）と、からなり、前記基材の表面に形成され全体を１００ａｔ％としたときに５〜２０ａｔ％のチタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）を含む第一摺動層と、
該第一摺動層に積層され、炭素（Ｃ）と、二硫化モリブデン（ＭｏＳ _２ ）および／または二硫化タングステン（ＷＳ _２ ）と、チタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）と、からなり、前記Ｔｉおよび／またはＣｒは、該第一摺動層が最も高濃度となるように厚さ方向に濃度が傾斜した第二摺動層と、
からなることを特徴とする。

ここで、第二摺動層において「第一摺動層が最も高濃度となるように厚さ方向に濃度が傾斜した」とは、濃度が、第一摺動層側から第二摺動層の表面側（摺動面側）へ行くに従って、最も高濃度から最も低濃度へと変化していることを示す。

なお、Ｍｏおよび／またはＷは、Ｓとともに硫化物として摺動層に存在するが、本明細書において、Ｔｉおよび／またはＣｒの含有量、また、炭素の含有量［ａｔ％］は、硫化物としてではなく、Ｍｏ原子、Ｗ原子、Ｓ原子の各原子として算出された値である。

前記第一摺動層の硬さをＨ１、前記第二摺動層の硬さをＨ２、前記相手材の硬さをＨｍとしたときに、Ｈ１＞Ｈｍ＞Ｈ２であるのが好ましい。

また、前記摺動層は、スパッタリング法、さらには、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により成膜された蒸着膜であるのが望ましい。この際、前記摺動層は、前記基材に対して−７０〜−１２０Ｖのバイアス電圧を印加して成膜された蒸着膜であるとよい。

本発明の摺動部材は、炭素（Ｃ）と、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）および／または二硫化タングステン（ＷＳ_２）と、チタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）と、からなる摺動層を備える。そして、摺動層は、Ｔｉおよび／またはＣｒの分布状態の異なる２つの部位からなる。

摺動層は、Ｔｉおよび／またはＣｒを５〜２０ａｔ％含有する第一摺動層と、Ｔｉおよび／またはＣｒの濃度が第一摺動層で最も高濃度となるように厚さ方向に傾斜する第二摺動層と、からなる。すなわち、摺動層に含まれるＴｉおよび／またはＣｒの濃度が、相手材と摺接する摺動面側で低くなっている。Ｔｉおよび／またはＣｒの含有量が少ない摺動層の表層部は摩耗しやすく、後に詳説するように、相手材と摺接する際に摺動面が摩耗することにより摺動面が平滑になる（初期なじみ性）。その結果、本発明の摺動部材は、優れた摺動性を示す。また、基材の表面に形成される第一摺動層は、Ｔｉおよび／またはＣｒを５〜２０ａｔ％含有する硬質な層であるため、摺動の際の耐摩耗性が確保される。

すなわち、本発明の摺動部材は、Ｔｉおよび／またはＣｒの濃度が傾斜する第二摺動層の存在により、優れた初期なじみ性を示し摺動性に優れる。また、第一摺動層は、Ｔｉおよび／またはＣｒを５〜２０ａｔ％含有する硬質な層であるため、摺動の際の耐摩耗性が確保される。

この際、第一摺動層の硬さ（Ｈ１）、第二摺動層の硬さ（Ｈ２）および相手材の硬さ（Ｈｍ）が、Ｈ１＞Ｈｍ＞Ｈ２の関係であれば、本発明の摺動部材は、第二摺動層が相手材に対して優れた初期なじみ性を示すとともに相手攻撃性が低減され、また、第一摺動層が相手材よりも硬質であるため耐摩耗性にも優れる。

基材に対してバイアス電圧を印加して第一摺動層および第二摺動層を成膜することで、得られる摺動層がイオンアシスト効果により緻密化され、摺動層がさらに硬質となる。すなわち、摺動層に含まれるＴｉおよび／またはＣｒの濃度とともに摺動層の成膜の際のバイアス電圧を調節することで、所望の硬さをもつ摺動層が得られる。

以下に、本発明の摺動部材を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の摺動部材は、基材と、基材の表面の少なくとも一部に形成され相手材と摺接する摺動層と、を備える。基材は、その材質や形状に特に限定はないが、金属製であるのが好ましい。また、相手材の材質や形状にも特に限定はないが、金属製であるのが好ましい。基材および相手材は、たとえば、鉄や鋼などの鉄系材料、アルミニウムやＭｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｍｎ等を含むアルミニウム合金、銅やＺｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｍｎ等を含む銅合金などが好ましい。基材が鉄系材料からなれば、浸炭や窒化、高周波焼入れなどを施すことにより、少なくとも基材の表層部を硬質化させてもよい。基材を後述の第一摺動層と同程度の硬さとすることにより、基材と第一摺動層との密着性が向上する。

基材は、特に、圧縮機の摺動部品であるのが好ましい。すなわち、本発明の摺動部材は、圧縮機の摺動部材として用いることができる。たとえば、摺動部材は、斜板式圧縮機の斜板に用いることができる。この場合、摺接する相手材は、圧縮機の摺動部品であるシューである。斜板式圧縮機の斜板とシューとは、運転初期に潤滑油がないドライ状態で相互に摺動する場合がある。このような非常に厳しいドライ状態で摺動する場合であっても、焼き付きや摩耗などを起こさないことが望まれる。そこで、初期なじみ性に優れ摺動性と耐摩耗性とに優れる本発明の摺動部材を斜板式圧縮機の斜板やシュー等として用いることで、斜板式圧縮機に要求される条件を十分に満たすことができる。

すなわち、本発明の摺動部材は、主として吸入室、吐出室およびシリンダボアをもつハウジングと、ハウジングに回転可能に支承された駆動軸と、駆動軸と同期回転可能な斜板と、斜板にシューを介して係留され斜板の傾斜角に応じてシリンダボア内を往復動して圧縮室を形成するピストンと、を備える圧縮機において、斜板の他、駆動軸を支持するすべり軸受、ピストン等として用いることができる。また、圧縮機の駆動軸に一体的に軸支されると共に駆動軸を圧縮機のハウジングに回転可能に枢支され駆動軸と同期回転することで圧縮室と吸入室との間のガス通路を開閉可能とするロータリバルブとして用いることもできる。

摺動層は、炭素（Ｃ）と、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）および／または二硫化タングステン（ＷＳ_２）と、チタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）と、からなる。炭素は、摺動層において非晶質炭素として存在し、非晶質炭素は優れた耐焼付き性を示す。ＭｏＳ_２および／またはＷＳ_２（以下「硫化物」と略記）は、固体潤滑材として知られており、低摩擦係数を示す。また、Ｔｉおよび／またはＣｒは、摺動層において硫化物と共存することで、摩擦係数を低減するため、優れた摺動性を示す。したがって、炭素と、硫化物と、Ｔｉおよび／またはＣｒと、からなる摺動層を備える摺動部材は、優れた摺動性を有する。本発明の摺動部材では、Ｃと硫化物とＴｉおよび／またはＣｒとからなる摺動層を以下に詳説する構成とすることで、摺動層が本来もつ上記の特性を低下させることなく、さらなる摺動性（初期なじみ性）と耐摩耗性とが付与される。

摺動層は、基材の表面に形成される第一摺動層と、第一摺動層に積層される第二摺動層と、からなる。

第一摺動層は、第一摺動層全体（すなわち、第一摺動層を構成する各原子の合計）を１００ａｔ％としたときに５〜２０ａｔ％のチタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）を含む。摺動層においては、Ｔｉおよび／またはＣｒの存在により硫化物クラスターの動きが抑制されるため、摺動層の硬度が向上する。Ｔｉおよび／またはＣｒの含有量が５ａｔ％未満では、摺動層の耐摩耗性が十分に確保される程の硬度の向上効果が発揮されない。また、Ｔｉおよび／またはＣｒの含有量が２０ａｔ％を超えると、ＴｉやＣｒは相手材との凝着の要因となり、摺動性に悪影響を及ぼす。さらに好ましいＴｉおよび／またはＣｒの含有量は、第一摺動層全体を１００ａｔ％としたとき５〜１０ａｔ％である。

また、第一摺動層の厚さに特に限定はないが、１〜３μｍであるのが好ましい。第一摺動層の膜厚が上記範囲であれば、十分な耐摩耗性を有する。

第二摺動層は、第一摺動層に積層され第一摺動層が最も高濃度となるように厚さ方向に濃度が傾斜したＴｉおよび／またはＣｒを含む。本発明の摺動部材では、第二摺動層を備えることにより、「初期なじみ性」をもたせた。「初期なじみ性」は、摺動開始後に相手材と摺接する際に摺動面が摩耗して平滑になることにより、摺動性が向上する性質である。第二摺動層では、第一摺動層が最も高濃度となるように厚さ方向にＴｉおよび／またはＣｒの濃度が傾斜しており、第一摺動層よりも摩耗しやすい。硬質な第一摺動層の上に摩耗しやすい第二摺動層が存在することにより、初期なじみ性が発現する。このとき、第二摺動層は、摺動後の摺動面は、相手材の材質や表面粗さにもよるが、算術平均粗さで０．３μｍＲａ以下にまで平滑化されるとよい。

上述のように、第二摺動層は、初期なじみ性の発現により摩耗するが、その下には硬質で耐摩耗性に優れる第一摺動層が形成されている。そのため、摺動層全体としての摩耗量は低減される。また、初期なじみ性の発現により、摺動面は平滑になるため、第一摺動層が硬質であっても相手攻撃性が低減される。すなわち、本発明の摺動部材は、初期なじみ性に起因する摺動性と耐摩耗性とを両立する。

また、第二摺動層の厚さに特に限定はないが、第一摺動層の表面全体が覆われるのが好ましい。ただし、第一摺動層の表面粗さは基材の表面粗さに影響される。そのため、第一摺動層の表面全体を覆うためには、第二摺動層の厚さは、基材の表面の算術平均粗さをＲ［μｍ］としたときに、Ｒ［μｍ］以上２Ｒ［μｍ］以下にするとよい。すなわち、基材の表面粗さ（算術平均粗さ）が０．５μｍＲａであれば、第一摺動層の表面粗さも０．５μｍＲａ程度となり、第二摺動層の膜厚は０．５μｍ以上１μｍ以下であるのが好ましい。第二摺動層の膜厚が上記範囲にあれば、第一摺動層の表面が摺動面に露出することなく第二摺動層に覆われ、相手攻撃性が低減される。なお、第二摺動層は、その形成時間や製造コスト等を考慮すれば、１μｍ以下の膜厚であるのが好ましい。そのため、基材の表面粗さは算術平均粗さで０．５μｍＲａ以下さらには０．２〜０．４μｍＲａが好ましい。算術平均粗さＲａの算出方法は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４に規定された方法に従う。

第二摺動層のＴｉおよび／またはＣｒの含有量は、第一摺動層が最も高濃度となるように厚さ方向に濃度が傾斜すればよい。特に、Ｔｉおよび／またはＣｒの濃度を連続的に傾斜させることで、第二摺動層にもある程度の硬さが付与され、相手材との摺動中に優れた耐摩耗性を示す。このとき、濃度勾配に特に限定はない。ただし、摺動層においては、Ｔｉおよび／またはＣｒの含有量が多くなるにつれて摺動層の硬さが硬くなる傾向にある。そのため、第二摺動層のＴｉおよび／またはＣｒの濃度勾配、さらには、第一摺動層のＴｉおよび／またはＣｒの含有量は、第一摺動層の硬さをＨ１、第二摺動層の硬さをＨ２、相手材の硬さをＨｍとしたときに、Ｈ１＞Ｈｍ＞Ｈ２となるように調整するとよい。具体的には、本発明の摺動部材が斜板式圧縮機の斜板である場合には、相手材であるシューの硬さＨｍが５ＧＰａ以上であるため、Ｈｍの値に合わせてＴｉおよび／またはＣｒの濃度を調整するとよい。ここで、硬さの値は、ナノインデンターを用いた試験（ナノインデンテーション法）による測定値を採用する。ナノインデンテーション法によれば、下地の影響を受けずに摺動層の表面の硬さを測定することができる。なお、摺動層の硬さは、後に詳説する摺動層の形成条件を調整することにより、さらに硬さを増すことができる。たとえば、Ｈ１が１０ＧＰａ以上である摺動層は、基材にバイアス電圧を印加しながらのスパッタリング法により摺動層を成膜することで得られる（後述）。

第一摺動層および第二摺動層は、炭素（Ｃ）、ならびに、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）および／または二硫化タングステン（ＷＳ_２）の合計（すなわち、摺動層に含まれるＣ原子、Ｓ原子、Ｍｏ原子および／またはＷ原子、の合計）を１００ａｔ％としたときに、炭素（Ｃ）を２０〜８０ａｔ％含むのが好ましい。炭素量が２０ａｔ％以上であれば、優れた耐焼付き性を示すが、炭素量が８０ａｔ％を超えると、硫化物のもつ低摩擦の効果が低減されるため好ましくない。さらに好ましい炭素量は、５０〜８０ａｔ％である。

さらに、本発明の摺動部材は、第一摺動層の下にチタン（Ｔｉ）またはクロム（Ｃｒ）からなる中間層が形成されてもよい。基材の表面にＴｉからなる中間層またはＣｒからなる中間層を形成することにより、基材と摺動層との密着性が向上する。また、中間層を構成するＴｉまたはＣｒは、摺動層にも含まれる元素であるため、中間層と摺動層とを同一の装置を用いて形成することも可能である。なお、中間層の膜厚に特に限定はないが、０．０５〜１．０μｍであるとよい。

本発明の摺動部材は、基材の表面に摺動層を成膜することで製造することができる。成膜方法としては、炭素（Ｃ）と、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）および／または二硫化タングステン（ＷＳ_２）と、チタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）と、からなる摺動層を形成できるのであれば各種蒸着法を用いることができる。たとえば、摺動層はスパッタリング法により成膜された蒸着膜であるとよい。以下に、本発明の摺動部材の製造方法の一例を図１を用いて説明する。なお、図１は、本発明の摺動部材の製造に使用されるスパッタリング装置の一例であって、装置の主要部を示す説明図である。

本発明の摺動部材は、成膜炉（図示せず）と、複数のターゲット１１〜１４を成膜炉内に固定するターゲット固定手段１０と、基材を保持する基材保持手段２０と、各ターゲット１１〜１４を放電させる電源装置と、を具備するスパッタリング装置を用いて、基材の表面に摺動層を成膜することで製造される。すなわち、本装置は、成膜炉に配置され、主として高電圧を印加したターゲットからなる陰極および基材を保持する陽極で構成される一般的なスパッタリング装置と基本的な構成は同様である。

成膜炉は、一般に各種成膜装置に用いられる成膜炉であれば、形状や材質に特に限定はない。たとえば、成膜炉が円筒形であれば複数のターゲットをリング状に配列できる。成膜炉には、成膜炉内を排気できる真空系や処理ガスを供給するガス供給手段が配設される。真空系は、ロータリーポンプ等を有し、配管により成膜炉と連通する。また、ガス供給手段は、ノズル等により成膜炉内に処理ガスを導入する。

ターゲット固定手段１０は、チタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）からなる金属ターゲットと、モリブデン（Ｍｏ）および／またはタングステン（Ｗ）を含む硫化物ターゲットと、炭素ターゲットと、を成膜炉内に固定する。ターゲットは、それぞれのターゲットを複数個用いてもよい。たとえば、炭素ターゲットを２つ以上用いてもよいし、Ｔｉ、Ｃｒ、ＭｏＳ_２およびＷＳ_２に関しては、それぞれ異なるターゲットを準備してもよい。図１では、炭素ターゲット１１、硫化物ターゲット１２および１４、金属ターゲット１３、の４つとした。

ターゲット１１〜１４は、成膜炉内にリング状に配列されるとよい。この際、隣接するターゲットが等間隔となるように配列されるとよい。ターゲット１１〜１４は、その全ての放電面が中心部（リングの内側）を向くように固定されるとよい。ターゲット１１〜１４は、それぞれマグネトロン１６〜１９に載置される。ターゲット１１〜１４の裏面へのマグネトロン１６〜１９の設置により、各ターゲットの表面（放電面）に平行な磁界が発生するため、各ターゲットが放電する際のプラズマのイオン化が促進される（マグネトロンスパッタリング法）。この際、各マグネトロンが互いに異なる極性である内側極と外側極を有し、外側極が互いに異なる極性となるようにマグネトロン１６〜１９がリング状に配置されると、マグネトロンの磁力線は連続的なバリヤーを形成する（図１の点線参照）ため、拡散するプラズマが捕捉され、緻密で密着性の高い被膜を形成することができる（クローズドフィールドアンバランストマグネトロンスパッタリング（ＣＦＵＢＭＳ）法）。なお、図１は、リング状に配列されたターゲットを軸方向に見た図である。

また、基材に電場を印加する電場手段（図示せず）を有してもよい。基材に対してバイアス電圧を印加して摺動層を成膜することで、成膜中の膜表面に対するイオンの衝突速度が上昇し、その結果、摺動層がさらに緻密化されて硬くなる。本発明の摺動部材において、バイアス電圧は、−１２０Ｖ以下さらには−７０〜−１２０Ｖ、−７０〜−９０Ｖであるのが好ましく、−７０Ｖ以上のバイアス電圧であれば、電場を印加しないで成膜した場合の１．５倍以上の硬さの摺動層が得られる。−１２０Ｖを超える高電圧では、成膜速度が遅くなり、また、基材によっては基材と摺動層との密着性が低下することがあるため、好ましくない。バイアス電圧を印加して成膜された硬質な摺動層をもつ本発明の摺動部材は、厳しい条件の下で使用される圧縮機の摺動部に好適に用いることができる。

基材保持手段２０は、ターゲット固定手段１０の内側で基材を保持する。この際、基材を自転および／またはターゲット固定手段の中央部に対して公転させると、基材の表面にＣ、Ｔｉおよび／またはＣｒ、Ｍｏおよび／またはＷ、Ｓが均一に分布した状態で成膜されるため望ましい。

成膜の際には、はじめに、前処理等を施した基材を成膜炉内に配置する。次に、成膜炉を５×１０^−３〜５×１０^−４Ｐａ程度まで排気し、その後、アルゴンガス等の希ガスを導入する。電源装置により、たとえばマイナスの電圧をターゲット固定手段１０（ターゲット１１〜１４）に印加することにより、ターゲット１１〜１４をプラズマ放電させる。プラズマ放電で発生した希ガスイオンは、電界で加速され、希ガスイオンの衝突でターゲット表面の原子や分子がはじき出される（スパッタリング）。この原子や分子が基材（たとえば、アース）に堆積することにより、基材に摺動層が成膜される。

摺動層の組成は、ターゲットの種類やターゲットに印加する電力などによって決定される。たとえば、硫化物ターゲットとしてＭｏＳ_２からなるターゲットを複数個用いて膜中のＭｏＳ_２含有量を増加させてもよいし、そのうちの１つをＷＳ_２ターゲットに変更してもよい。また、第二摺動層は、スパッタ電力を変化させて成膜することで、Ｔｉおよび／またはＣｒの濃度を傾斜させることができる。具体的には、第一摺動層の成膜終了後、金属ターゲットに印加する電力を連続的に低下させることにより、第二摺動層のＴｉおよび／またはＣｒの濃度を連続的に傾斜させることができる。はじめに、各ターゲットに一定の電力を加えて第一摺動層を成膜し、第一摺動層の成膜終了後、金属ターゲットに印加する電力を連続的に低下させ、第二摺動層の成膜終了と同時に金属ターゲットに印加する電力を０Ｖとなるように調節することで、最表面でのＴｉおよび／またはＣｒの含有量が０％である摺動層が得られる。なお、第二摺動層の成膜終了時に金属ターゲットに印加される電力は、第二摺動層の硬さに応じて選択すればよい。

以上、本発明の摺動部材の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。

以下に、本発明の摺動部材の実施例を比較例とともに、表１および図１〜図９を用いて説明する。

基材としてφ９８ｍｍ×６ｍｍの圧縮機用斜板（鋳鉄（ＦＣＤ６００、表面粗さ：０．３〜０．４μｍＲａ）を準備した。以下の手順により、ＣＦＵＢＭＳ法により斜板の表面に摺動層を成膜した。

なお、ＣＦＵＢＭＳ装置には、Teer Coatings Limited 社製ＵＤＰ５５０／４を用いた。装置の概要を図１を用いて説明する。本装置は、図示しないチャンバー内に、１個の黒鉛ターゲット１１と、黒鉛ターゲット１１と対向する１個のチタン（Ｔｉ）ターゲット１３と、互いに対向する２個の二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）ターゲット１２、１４を有する。４個のターゲットは、ターゲット固定手段１０により、それらの放電面が全て内側を向くように、リング状に配列されている。４個のターゲットは、黒鉛ターゲット１１、ＭｏＳ_２ターゲット１２、Ｔｉターゲット１３、ＭｏＳ_２ターゲット１４、の順に、マグネトロン１６〜１９に載置された状態でターゲット固定手段１０に固定されている。マグネトロン１６〜１９は、隣接するマグネトロンが異なる極性を有するため、閉鎖磁界（図１の点線参照）を形成する。また、ターゲット１１〜１４は、図示しない電源装置により、それぞれ独立に作動させて放電させることができる。もちろん、同時に放電させることも可能である。斜板は、基材保持手段２０により、装置の中央部に保持される。

［実施例１］
上記のＣＦＵＢＭＳ装置を用い、以下の手順で、斜板の表面に摺動層（第一摺動層および第二摺動層）を成膜し、斜板Ａを作製した。

成膜装置のチャンバー内に斜板３０を載置した。斜板３０は、その被成膜面がターゲット１１〜１４の放電面に対して垂直となるように基材保持手段２０に固定した。その後、成膜炉内を到達真空度１×１０^−３Ｐａまで排気した。つぎに、チャンバー内にアルゴンガスを供給し、成膜前の前処理としてイオンボンバード処理を行い、基材の表面をエッチングした。イオンボンバード処理の後、チャンバー内の真空度を０．５Ｐａに調整した。そして、Ｔｉターゲット１３のみをグロー放電させ、０．１μｍのＴｉ膜（中間層）を成膜した。

次に、斜板に対して−７０Ｖのバイアス電圧を印加した状態で、全てのターゲットをグロー放電させ、斜板３０の表面に摺動層を成膜した。この際、基材保持手段２０を駆動し、斜板３０を４ｒｐｍで矢印Ｘ方向に、１２．８ｒｐｍで矢印Ｙ方向に自・公転させた。ターゲットに供給される電力は、膜組成が、Ｃ：６５ａｔ％、Ｍｏ：１０ａｔ％、Ｓ：２０ａｔ％、Ｔｉ：５ａｔ％（Ｃ、Ｍｏ、Ｓの合計を１００ａｔ％としたときＣ：６８．４ａｔ％）となるような値に調節し、印加電力一定のもと、膜厚２．５μｍの摺動層（第一摺動層）を成膜した。第一摺動層が所望の膜厚に達した後、引き続き、Ｔｉターゲット１３に供給される電力を連続的に０Ｖまで低下させた。こうして、第一摺動層の上に０．５μｍの第二摺動層を成膜した。

なお、上記の成膜によれば、ＭｏＳ_２ターゲットとＴｉターゲットとが隣接して固定されており、成膜中に斜板が自・公転することで、ＭｏＳ_２を構成する各原子とＴｉ原子とが隣接して斜板の表面に堆積する。このとき、成膜中のエネルギー（たとえば基材温度の上昇）によりＴｉ原子がＭｏＳ_２へと容易に拡散する。その結果、ＭｏＳ_２とＴｉ原子とが複合化する。したがって、摺動層は、ＭｏＳ_２とＴｉ原子とが拡散により複合化し、また、基材が自・公転することで、各原子が微視的に均一分散した複合膜となる。

得られた斜板Ａの断面図を図２に模式的に示す。なお、図２は、斜板Ａの断面図（左図）と、摺動層の厚さ方向の位置に対するＴｉの含有量を示すグラフ（右図）である。斜板Ａは、基材である斜板３０の表面に形成された中間層であるＴｉ膜３１０と、Ｔｉ膜３１０の上に形成された摺動層３１と、をもつ。摺動層３１は、Ｔｉ膜３１０の上に成膜された第一摺動層３１１と、第一摺動層３１１の上に成膜された第二摺動層３１２と、からなり、摺動層３１において、Ｔｉの含有量は、厚さ方向に対して右のグラフに示すような傾向で変化する。

［比較例１］
比較例として、斜板の表面に実施例１と同様の手順で第一摺動層のみを成膜し、斜板ａ_１を作製した。

［比較例２］
比較例として、斜板の表面にバイアス電圧を印加しない（０Ｖ）ほかは実施例１と同様の手順で第一摺動層のみを成膜し、斜板ａ_０を作製した。

［摺動性の評価］
以下の手順で摺動試験を行い、上記の斜板Ａおよび斜板ａ_１、ａ_０の摺動性を評価した。試験装置を図３に示す。図３に示すように、回転軸３２が同軸的に固定された斜板３０を、台座部３６に固定されたシュー３５の上面で軸回りに回転させて、摺動層３１の表面３１ｐとシュー３５の上面３５ｐとを摺接させた。シュー３５はアルミニウム合金からなり、その上面３５ｐにＮｉ−Ｐめっき（厚さ：６０μｍ）を施して用いた。

油槽Ｔに冷凍機油Ｏを満たし、オイル潤滑試験を行った。オイル潤滑試験では、滑り速度３３ｍ／ｓとし、試験開始から４２０秒までの間に荷重を３０００Ｎまで増加させ、２４００秒まで一定に保った。試験中のトルクの変化を図４〜図６に示す。

また、試験前後の斜板の表面形状を測定した。表面形状は、東京精密製サーフコム１４００Ａを用い、摺動面に対し各斜板の半径方向に沿って測定を行った。測定結果を図７〜図１０にそれぞれ示す。図７は摺動前の斜板Ａの表面形状、図８〜図１０は摺動後の各斜板の表面形状である。なお、図７〜図１０において、縦方向とは摺動層の厚さ方向（摺動面に垂直な方向）、横方向とは摺動面と平行な方向、をそれぞれ示す。また、試験前後の斜板およびシューの表面形状の測定結果より、摩耗量を算出した。結果を表１に示す。摩耗量は、試験前後の表面形状を同じ位置で比較することで得られ、表１の摩耗量は、最も大きく摩耗した位置での摩耗量（最大摩耗量）である。

なお、摺動試験前の斜板の表面形状として、図７に斜板Ａの表面形状を示すが、摺動試験前の斜板Ａ、斜板ａ_１および斜板ａ_０の表面形状に大きな差はなかった。

［硬さ測定］
上記の斜板Ａおよび斜板ａ_１、ａ_０の摺動層の表面の硬さを測定した。摺動層の硬さは、ナノインデンターを用いたナノインデンテーション法により測定した。ナノインデンターには、原子間力顕微鏡（ＳＨＩＭＡＤＺＵ社製 SPM9500J2）に取り付けたＨＹＳＩＴＯＲＯＮ社製Toribo Scopeを用いた。なお、摺動性の評価において用いたシューについても、硬さを測定した。シューの摺動面の硬さは、９．４ＧＰａであった。

斜板Ａおよび斜板ａ_１は、試験終了（２４００秒）まで焼付きが生じなかった（図４および図５）。斜板Ａは、摺動面側でＴｉの含有量が少ない第二摺動層をもつが、斜板Ａと斜板ａ_１とで耐焼付き性に大きな差は生じなかった。そして、斜板Ａは、摺動層（第二摺動層）の硬さが７．０ＧＰａでシュー（９．４ＧＰａ）よりも硬さが低いため、初期なじみ性に優れる。一方、バイアス電圧を印加せずに成膜した摺動層をもつ斜板ａ_０は、摺動層の硬さが６．１ＧＰａと低いため、上記の試験条件では摺動層が大きく摩耗し、試験中に焼付きに至った。

また、斜板ａ_１は、摺動層の硬さが９．９ＧＰａであったため、相手攻撃性が高く、シューを摩耗させるとともに、摺動層も摩耗された。一方、斜板Ａでは、硬さが低い第二摺動層が摩耗して摺動面が平滑化される（初期なじみ性）ため、シューの摩耗が低減された。また、第一摺動層が硬質なため、摺動層の摩耗は初期にじみ性に起因する第二摺動層の摩耗に留まり、斜板の摩耗も低減された。すなわち、斜板Ａは、初期なじみ性に優れるとともに摩耗が低減され、摺動性と耐摩耗性とを両立する摺動部材であった。

本発明の摺動部材の製造に使用されるスパッタリング装置の一例であって、装置の主要部を示す説明図である。 実施例１の斜板Ａを模式的に示す断面図（左図）と、摺動層の厚さ方向の位置に対するＴｉの含有量の変化の傾向を示すグラフ（右図）である。 摺動試験に用いる試験装置を模式的に示す断面図である。 摺動試験の結果を示すグラフであって、試験時間に対する斜板Ａに加えられた荷重（目標荷重）および斜板Ａのトルクの変動を示すグラフである。 摺動試験の結果を示すグラフであって、試験時間に対する斜板Ａに加えられた荷重（目標荷重）および斜板ａ_１のトルクの変動を示すグラフである。 摺動試験の結果を示すグラフであって、試験時間に対する斜板Ａに加えられた荷重（目標荷重）および斜板ａ_０のトルクの変動を示すグラフである。 摺動試験前の斜板Ａの表面形状を示すグラフである。 摺動試験後の斜板Ａの表面形状を示すグラフである。 摺動試験後の斜板ａ_１の表面形状を示すグラフである。 摺動試験後の斜板ａ_０の表面形状を示すグラフである。

符号の説明

３０：斜板（基材）
３１：摺動層
３１０：Ｔｉ膜（中間層） ３１１：第一摺動層 ３１２：第二摺動層

Claims (13)

1. 基材と、該基材の表面の少なくとも一部に形成され相手材と摺接する摺動層と、を備える摺動部材であって、前記摺動層は、
   炭素（Ｃ）と、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）および／または二硫化タングステン（ＷＳ_２）と、チタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）と、からなり、前記基材の表面に形成され全体を１００ａｔ％としたときに５〜２０ａｔ％のチタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）を含む第一摺動層と、
   該第一摺動層に積層され、炭素（Ｃ）と、二硫化モリブデン（ＭｏＳ _２ ）および／または二硫化タングステン（ＷＳ _２ ）と、チタン（Ｔｉ）および／またはクロム（Ｃｒ）と、からなり、前記Ｔｉおよび／またはＣｒは、該第一摺動層が最も高濃度となるように厚さ方向に濃度が傾斜した第二摺動層と、
   からなることを特徴とする摺動部材。
2. 前記第一摺動層および前記第二摺動層は、炭素（Ｃ）、ならびに、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）および／または二硫化タングステン（ＷＳ_２）の合計を１００ａｔ％としたときに、炭素（Ｃ）を２０〜８０ａｔ％含む請求項１記載の摺動部材。
3. 前記第一摺動層の硬さをＨ１、前記第二摺動層の硬さをＨ２、前記相手材の硬さをＨｍとしたときに、Ｈ１＞Ｈｍ＞Ｈ２である請求項１記載の摺動部材。
4. 前記第一摺動層の厚さは、１〜３μｍである請求項１記載の摺動部材。
5. 前記第二摺動層の厚さは、前記基材の表面の算術平均粗さをＲμｍとしたときに、Ｒμｍ以上２Ｒμｍ以下である請求項１記載の摺動部材。
6. 前記基材の表面の算術平均粗さは、０．５μｍ以下である請求項１記載の摺動部材。
7. 前記第一摺動層の下には、チタン（Ｔｉ）またはクロム（Ｃｒ）からなる中間層をもつ請求項１記載の摺動部材。
8. 前記摺動層は、スパッタリング法により成膜された蒸着膜である請求項１記載の摺動部材。
9. 前記摺動層は、クローズドフィールドアンバランスドマグネトロンスパッタリング法により成膜された蒸着膜である請求項８記載の摺動部材。
10. 前記摺動層は、前記基材に対して−７０〜−１２０Ｖのバイアス電圧を印加して成膜された蒸着膜である請求項８または９記載の摺動部材。
11. 前記基材は、圧縮機の摺動部品である請求項１０記載の摺動部材。
12. 前記基材は斜板式圧縮機の斜板、前記相手材はシューである請求項１１記載の摺動部材。
13. 前記第二摺動層は、スパッタ電力を漸次変化させて成膜されＴｉおよび／またはＣｒの濃度が連続的に傾斜する蒸着膜である請求項８または９記載の摺動部材。

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