摺動材及びその表面加工方法
【課題】本発明は、摺動面に形成したＤＬＣ膜に当該ＤＬＣ膜よりも低硬度の改質層を形成してトライボロジー特性を改善した摺動材及びその表面加工方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】パルスレーザシステム１からフェムト秒レーザを発射して３軸ステージ７に設置された摺動材Ｍの摺動面に照射する。摺動材Ｍの摺動面には予めＤＬＣ膜が形成されており、レーザパルスの照射によりＤＬＣ膜よりも硬度の低い改質層が形成される。改質層の硬度及び層厚は、照射するレーザパルスのフルーエンスにより調整することができ、被摺動面の硬度や表面状態に合わせて摩耗量が少なくなるように改質層を形成することが可能となる。
【解決手段】パルスレーザシステム１からフェムト秒レーザを発射して３軸ステージ７に設置された摺動材Ｍの摺動面に照射する。摺動材Ｍの摺動面には予めＤＬＣ膜が形成されており、レーザパルスの照射によりＤＬＣ膜よりも硬度の低い改質層が形成される。改質層の硬度及び層厚は、照射するレーザパルスのフルーエンスにより調整することができ、被摺動面の硬度や表面状態に合わせて摩耗量が少なくなるように改質層を形成することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受、ピストンといった機械部品の摺動面に用いられる摺動材及びその表面加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述した摺動面を備えた機械部品では、摺動面におけるトライボロジー特性に着目して様々な改良が行われてきている。特に、低摩擦性、耐摩耗性、潤滑性、熱的安定性といった観点から摺動面の加工又は改質がなされている。例えば、特許文献１では、摺動材の基材の摺動面に成膜されたＤＬＣ膜に、低フルーエンスのパルスレーザ（フェムト秒（１０-12秒〜１０-15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とするとともに微細周期構造を形成し、こうして表面加工された領域を被覆するように潤滑層を形成することで、摩擦係数等のトライボロジー特性が大幅に改善された摺動材を得ることが提案されている。また、特許文献２では、基体表面にＤＬＣ膜を形成し、形成されたＤＬＣ膜にレーザ光を部分的に照射してレーザ光の照射領域をグラファイト化する点が記載されている。
【０００３】
なお、上述のＤＬＣ膜は、ダイヤモンド状炭素（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ；ＤＬＣと略称される）からなる膜であり、ダイヤモンド状炭素は、硬質カーボン、硬質非晶質炭素、無定型炭素、硬質無定型炭素、ｉカーボン等の別称があるが、明確に定義はされていない。いずれにしてもダイヤモンド及びグラファイトが混ざり合った中間的な構造を備えており、ダイヤモンドと同様に、高硬度で、耐摩耗性及び熱伝導性に優れ、摺動機械部品、切削工具、研磨用工具等の保護層として用いられている。本明細書において、「ＤＬＣ膜」は、上記のダイヤモンド状炭素を膜状に成膜したものを意味する。
【０００４】
また、上述のガラス状炭素は、グラッシーカーボン（Ｇｌａｓｓｙ Ｃａｒｂｏｎ）とも称されているが、グラファイトの基本構造である六角網面の結晶子が無配向に組織されているもので、約３０００℃の高温に加熱処理してもグラファイト構造に変化することがないといった特性を備えている。そのため、ガラス状炭素は、難黒鉛化性炭素とも称されており、耐食性、耐摩耗性、耐熱性、潤滑性、離型性、ガス不透過性に優れており、導電性も有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１６２０４５号公報
【特許文献２】特開２００９−９７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
摺動材及び被摺動材が同じように硬質材料からなる場合、摺動面において互いに摩耗するようになって摺動面がダメージを受けるため両者の間のトライボロジー特性からみると好ましいものではない。そのため、摺動材及び被摺動材を硬質材料で構成して摺動面に加わる圧力に対して十分な耐久性を持たせるとともに、摺動面を摩耗しやすい軟質材料で被覆することで潤滑しやすくし、トライボロジー特性を改善することが知られている。
【０００７】
上述したように、ＤＬＣ膜を摺動面に形成した場合、ＤＬＣ膜が高硬度で耐摩耗性に優れているため摺動面に加わる圧力に対しては十分な強度を得ることができる。しかしながら、ＤＬＣ膜が硬質材料に直接接触した状態で摺動する場合、互いに摺動面を傷付け合って摩耗が進んでしまい、ＤＬＣ膜がダメージを受けてかえってトライボロジー特性を低下させるおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明は、摺動面に形成したＤＬＣ膜に当該ＤＬＣ膜よりも低硬度の改質層を形成してトライボロジー特性を改善した摺動材及びその表面加工方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る摺動材の表面加工方法は、摺動面に形成されたＤＬＣ膜にパルスレーザを照射して、表面にいくに従い硬度が低減するとともに前記ＤＬＣ膜よりも硬度が低い改質層を形成することを特徴とする。さらに、前記改質層は、ラマン分光測定において、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が表面にいくに従い大きくなるように形成されることを特徴とする。さらに、前記パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2のフルーエンスで照射することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る摺動材は、摺動面にＤＬＣ膜が形成された摺動材であって、前記ＤＬＣ膜には、表面にいくに従い硬度が低減するとともに前記ＤＬＣ膜よりも硬度が低い改質層が形成されていることを特徴とする。さらに、前記改質層は、ラマン分光測定において、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が表面にいくに従い大きくなるように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、上記のような構成を備えることで、摺動面に形成されたＤＬＣ膜に、表面にいくに従い硬度が低減するとともにＤＬＣ膜よりも硬度の低い改質層が形成されるので、被摺動面の硬度や表面状態に応じて改質層が摩耗するようになり、少ない摩耗量で摺動面を被摺動面に対してなじんだ状態にすることができ、トライボロジー特性を改善することが可能となる。
【００１２】
すなわち、摺動面に形成されるＤＬＣ膜の表面は、微視的にみると凹凸が形成され平滑な状態とはなっていないが、超短パルスレーザを照射して改質層を形成することで、表面の凹凸が摩耗により容易に削り取られるようになる。そのため、少ない摩耗量で摺動面が平滑化されてなじんだ状態を形成することができ、ＤＬＣ膜の厚さが薄い場合でも安定したトライボロジー特性を発揮することが可能となる。
【００１３】
また、改質層を、ラマン分光測定において、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が表面にいくに従い大きくなるように形成することで、軟質性状のグラファイト結合であるｓｐ2結合及び硬質性状のダイヤモンド結合であるｓｐ3結合の改質層内の比率を変化させて硬度を表面にいくに従い低減させることができる。
【００１４】
また、パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2のフルーエンスで照射すれば、ＤＬＣ膜に対して熱による収縮等の影響をほとんど与えることなく改質層を形成することができる。そのため、精密加工された摺動面に薄層のＤＬＣ膜を形成した場合でも、摺動面の加工精度を低下させることなく改質層を形成することができ、摺動面の製造誤差を小さくしてより安定したトライボロジー特性を得ることが可能となる。
【００１５】
ここで、「パルスレーザ」とは、出力光強度が時間的に変化して一定の持続時間だけ発振するレーザのことであるが、本明細書では、特にパルス幅が１０-9秒〜１０-15のレーザをパルスレーザと称する。そして、「フルーエンス」（ｆｌｕｅｎｃｅ）とは、レーザの１パルス当りの出力エネルギーを照射断面積で割って求めたエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ2）である。一般に、レーザを材料表面に照射することで材料表面が蒸散する現象が生じるエネルギー密度の最小値（アブレーション閾値）近傍の低いフルーエンスの範囲で、パルスレーザを照射すれば熱影響がほとんど生じないことが知られている。
【００１６】
アブレーション閾値及び熱影響が生じない低フルーエンスの範囲は、材料によって異なっており、こうした低フルーエンスの範囲は主にその材料の融点の違いによるものである。レーザ照射による熱影響がほとんど生じない低フルーエンスの範囲は、通常アブレーション閾値の５倍程度を上限とする範囲で、材料によっては１０倍程度の範囲まで熱影響がほとんど生じない場合もある。ＤＬＣ膜の場合には、上述したように、０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2のフルーエンスで照射することで、ＤＬＣ膜に熱影響をほとんど与えることなく改質層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】加工装置に関する概略構成図である。
【図２】平板状の摺動材表面に対するパルスレーザの照射動作を示す説明図である。
【図３】原子間力顕微鏡によりＤＬＣ膜表面の加工前の状態を観察した撮影写真である。
【図４】原子間力顕微鏡によりＤＬＣ膜表面の加工後の状態を観察した撮影写真である。
【図５】レーザパルスの照射面をラマン分光測定装置で測定した結果を示すグラフである。
【図６】レーザパルスのフルーエンスとその照射表面のラマン強度比をプロットしたグラフである。
【図７】照射面のラマン強度比及び硬度Ｈの測定結果をプロットしたグラフである。
【図８】レーザパルスを照射したＤＬＣ膜について深さ方向のラマン強度比を測定した結果を示すグラフである。
【図９】図８に示すラマン強度比から深さ方向の硬度Ｈを算出した結果を示すグラフである。
【図１０】摺動試験に関する概略説明図である。
【図１１】レーザ照射により表面加工していない場合の摺動材の摺動面の断面形状を測定したグラフである。
【図１２】レーザ照射により表面加工した場合の摺動材の当接面の断面形状を測定したグラフである。
【図１３】レーザパルスのフルーエンスと改質層の層厚との間の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
【００１９】
図１は、摺動面にＤＬＣ膜が形成された摺動材に改質層を形成する表面加工方法を実施するための加工装置の一例を示す概略構成図である。加工装置は、パルスレーザシステム１、シャッタ２、レーザ制御ユニット３、反射ミラー４及び５、凹面反射鏡６、３軸ステージ７を備えている。なお、凹面鏡６による集光以外に、石英等からなるレンズを用いて集光を行うようにしてもよい。
【００２０】
パルスレーザシステム１は、フェムト秒レーザを発振する公知のパルスレーザシステムを用いればよい。なお、フェムト秒レーザ以外のパルスレーザを使用することもできる。すなわち、ＤＬＣ膜が熱的、機械的な影響により変質しない範囲で局所的に高密度のエネルギーを加えることが可能であれば改質層を形成することができることから、ＤＬＣ膜の状態（層厚、基材の材料等の外部環境）によっては、例えばピコ秒（１０-9秒〜１０-12秒）レーザやナノ秒（１０-6秒〜１０-9秒）レーザといったパルスレーザを発振するパルスレーザシステムを使用してもよい。
【００２１】
フェムト秒レーザシステム１から発振されたレーザパルスは、シャッタ２を通過してレーザ制御ユニット３に入射される。レーザ制御ユニット３では、レーザパルスの波長を変換するとともに偏光制御を行う。偏光制御では、直線偏光（縦方向・横方向）及び円偏光を必要に応じて行う。直線偏光にすると、細長い溝部が周期的に形成された微細構造となり、円偏光にすると、粒状突起部が周期的に形成された微細構造となる。
【００２２】
レーザ制御ユニット３から出射されたレーザパルスは、反射ミラー４及び５により反射されて凹面反射鏡（放物鏡）６に入射して集光されるようになる。そして、集光されたレーザパルスは、３軸ステージ７の試料台に設置された摺動材Ｍの表面に照射される。
【００２３】
３軸ステージ７は、試料台を取り付けたＺ軸ステージ及びＺ軸ステージを取り付けたＸＹ軸ステージを備えており、制御装置８からの制御信号に基づいてＸＹ軸ステージ及びＺ軸ステージを移動させて摺動材Ｍ表面の照射位置を移動させるようにする。
【００２４】
この例では、摺動材Ｍを移動させてレーザパルスを照射するようにしているが、レーザパルスの発振及び光学系を含む装置側を移動させるようにしてもよく、また両方を移動させて摺動材Ｍ表面の照射位置を位置決めするようにしてもよい。
【００２５】
図２は、平板状の摺動材Ｍ表面に対するパルスレーザの照射動作を示す説明図である。この例では、主走査方向をＺ軸にとり、副走査方向をＸ軸にとっている。照射位置を１つの円で示しており、円内が照射領域となっている。主走査方向に照射する場合には、Ｚ軸方向に所定の速度でＺ軸ステージを移動させて行う。その際に主走査方向Ｚ１に照射スポットが重なり合いながら帯状に摺動材Ｍ表面が照射されるようにする。
【００２６】
主走査方向Ｚ１について照射した後、ＸＹ軸ステージにより摺動材ＭをＸ軸方向にずらす。その際に主走査方向Ｚ１の照射領域と重なり合うように副走査方向に位置決めする。この例では照射領域を示す円の半径分だけ副走査方向にずらすようにしており、そのため、次の主走査方向Ｚ２の照射領域と主走査方向Ｚ１の照射領域が重なり合うように位置決めされる。そして、主走査方向Ｚ２に主走査方向Ｚ１と同様に所定の速度で照射位置を移動させながら照射動作が行われる。以後、副走査方向にずらしながら主走査方向に照射動作を繰り返すことで、基板Ｔ表面には満遍なく複数回の照射動作が行われるようになる。
【００２７】
レーザパルスの照射スポットの中心部と周辺部では、照射エネルギーに差が生じることから、適宜照射スポットの重なり合う部分を調整して照射領域全体の照射エネルギーがほぼ均一になるように設定する。
【００２８】
摺動材Ｍの基材としては、金属、セラミック又は樹脂といった従来より摺動材として用いられているもので、ＤＬＣが成膜できるものであればよく、特に限定されない。また、形状についても特に限定されず、様々な摺動材が適用可能である。
【００２９】
ＤＬＣ膜は、スパッタリング法に代表されるＰＶＤ法やＣＶＤ法といった従来より用いられている気相合成法で成膜することができる。摺動材の摺動面にＤＬＣ膜を形成するための装置としては、例えば、公知の非平衡マグネトロンスパッタリング装置等が挙げられる。
【００３０】
摺動材の摺動面に形成されるＤＬＣ膜の膜厚は、３μｍ〜３０μｍが好ましい。３μｍより薄いと摩耗によりＤＬＣ膜が除去されるおそれがあり、３０μｍより厚いと摺動面の加工精度に影響を与えるようになって好ましくない。
【００３１】
ＤＬＣ膜の表面に照射するレーザパルスのエネルギー密度は、ＤＬＣ膜に熱収縮等の熱的影響を与えない範囲で照射することが好ましく、具体的には、０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2のフルーエンスで照射すればよい。０．１Ｊ／ｃｍ2よりもフルーエンスが小さいとＤＬＣ膜よりも硬度の低い改質層が形成されず、０．１６Ｊ／ｃｍ2よりもフルーエンスが大きいとＤＬＣ膜に熱的影響が生じるようになり、好ましくない。
【００３２】
平板状（縦７ｍｍ×横１７ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）の合金工具鋼（ＳＡＥ０１）からなる基材の表面に公知のスパッタリング装置により摺動材の摺動面にＤＬＣ膜を約４μｍの厚さで形成した。ＤＬＣ膜を形成した摺動材を用いて、図１に示す加工装置により直線偏光されたレーザパルスを照射して表面加工を行った。フェムト秒レーザシステムとして、サイバーレーザー社製ＩＦＲＩＴを用い、波長８００ｎｍ、パルス幅１８０ｆｓ、パルスエネルギー最大１０００μＪ、周波数１ｋＨｚのレーザパルスを直線偏光制御し、焦点距離ｆ＝２０００ｍｍの放物鏡で集光し、２５０ｍＷ〜４１０ｍＷのレーザ出力で大気中の摺動材表面に垂直に照射した。レーザパルスのスポット径は５００μｍであった。レーザパルスのフルーエンスをアブレーション閾値近傍の０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2に設定し、毎秒１０００パルスでレーザパルスを照射しながらステージ移動速度を調整することで照射動作を調整した。そして、副走査方向のずらし量を６０μｍに設定した。照射範囲は、７ｍｍ×３．５ｍｍとした。
【００３３】
図３及び図４は、原子間力顕微鏡によりＤＬＣ膜表面の加工前及び加工後の状態を観察した撮影写真である。加工前のＤＬＣ膜表面には、図３に示すように、多数の凹凸が形成されていることがわかる。また、加工後のＤＬＣ膜表面には、図４に示すように、偏光方向と直交する方向に直線状の溝が周期的に形成された微細構造となっていることがわかる。
【００３４】
図５は、レーザパルスの照射面をラマン分光測定装置（日製エレクトロニクス株式会社製ＬＡＢＲＡＭ、レーザースポット径２μｍ）で測定した結果を示すグラフであり、グラフでは、縦軸にラマンスペクトルの強度をとり、横軸にはその波数をとっている。このグラフをみると、１３５５ｃｍ-1付近及び１５９０ｃｍ-1付近に強いピークが観測されていることがわかる。
【００３５】
一般に、グラファイトをラマン分光測定装置で測定すると、ｓｐ3結合に基づく１５９０ｃｍ-1付近に強いピークが観測されることが知られている。また、ガラス状炭素については、１５９０ｃｍ-1付近のピークの他にｓｐ2結合に基づく１３５５ｃｍ-1付近のピークが観測され、１３５５ｃｍ-1の方がピーク強度が大きくなることが知られている。ラマンスペクトルのこうしたピーク特性を分析することで、レーザパルスの照射により形成された改質層の特性を分析することが可能となる。
【００３６】
そこで、改質層の特性を、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）（以下「ラマン強度比」という。）に着目して分析を行った。
【００３７】
図６は、照射するレーザパルスのフルーエンスとその照射表面のラマン強度比をプロットしたグラフであり、縦軸にラマン強度比をとり、横軸にフルーエンスをとっている。このグラフをみると、フルーエンスが大きくなるに従いラマン強度比が大きくなっており、改質層の表面では、ｓｐ3結合に対してｓｐ2結合の割合が増加していることがわかる。このグラフからフルーエンスＦとラマン強度比との間の関係を示す近似曲線をあらわす関係式は、以下の通りとなる。
（ＩＤ／ＩＧ）＝０．６７１×ｅｘｐ（３．３２０×Ｆ）・・・（式１）
【００３８】
図７は、照射面のラマン強度比及び硬度Ｈ（インデンテーション硬さ）の測定結果をプロットしたグラフであり、縦軸に硬度（単位；ＧＰａ）をとり、横軸にラマン強度比をとっている。照射面の硬度Ｈの測定には、微小硬度計（エリオニクス社製超微小押込み硬さ試験機ＥＮＴ−１１００）を用い、超微小荷重を連続的に変化させてダイヤモンド圧子を試料に押し込むときに得られる負荷除荷曲線を解析して硬度Ｈを測定した。このグラフをみると、照射表面のラマン強度比が大きくなるに従い照射面の硬度Ｈが低減することがわかる。このグラフからラマン強度比と硬度Ｈとの間の関係を示す近似曲線をあらわす関係式は、以下の通りとなる。
Ｈ＝３０３．８×ｅｘｐ｛−４．３×（ＩＤ／ＩＧ）｝・・・（式２）
以上の分析結果に基づけば、レーザパルスを照射することでＤＬＣ膜よりもラマン強度比が大きく硬度の低い改質層が形成され、照射するレーザパルスのフルーエンスを調整することで改質層の硬度を調整できることがわかる。そして、式１及び式２を用いれば、照射するレーザパルスのフルーエンスからＤＬＣ膜表面の硬度を定量的に算出することができる。
【００３９】
図８は、レーザパルスを照射したＤＬＣ膜について深さ方向のラマン強度比を測定した結果を示すグラフであり、縦軸にラマン強度比をとり、横軸に深さ（単位；μｍ）をとっている。照射するレーザパルスのフルーエンスは、０．１０Ｊ／ｃｍ2、０．１２Ｊ／ｃｍ2、０．１４Ｊ／ｃｍ2に設定してそれぞれの場合について測定した。ラマン分光測定については、ＤＬＣ膜を深さ方向とは傾斜した方向に切除し、傾斜面に沿って所定の深さに対応する位置で測定を行った。
【００４０】
このグラフをみると、改質層では深くなるに従いラマン強度比が減少し、照射するレーザパルスのフルーエンスが大きくなるに従いラマン強度比の深さ方向の推移を示す近似曲線の傾きが小さくなることがわかる。
【００４１】
図９は、図８に示すラマン強度比から式２を用いて深さ方向の硬度Ｈを算出した結果を示すグラフであり、縦軸に硬度Ｈをとり、横軸に深さをとっている。このグラフをみると、レーザパルスの照射により形成された改質層は、照射表面にいくに従い硬度が低減していることがわかる。そして、フルーエンスが大きくなるに従いＤＬＣ膜の深い位置まで硬度がＤＬＣよりも低下した領域が形成されるようになり、フルーエンスにより改質層の層厚を調整できることがわかる。
【００４２】
次に、ブロック・オン・リング試験装置（神鋼造機株式会社製ＳＺ−ＦＴ−９５Ｂ）を用いてＤＬＣ膜の摺動試験を行った。図１０は、摺動試験に関する概略説明図である。ブロック・オン・リング試験では、摺動材ＭのＤＬＣ膜が形成された摺動面をリングＲの外周面に当接させ、リングＲの回転中心軸Ｏに向かって当接面に対して直交方向に荷重Ｆを摺動材Ｍに加えて摺動面をリングＲの外周面に圧接させた状態に設定する。リングＲは、ニッケルモリブデン鋼（ＡＩＳＩ４６２０）等の高硬度の金属材料からなり、直径３５ｍｍで外周の幅が８．７ｍｍに設定されている。
【００４３】
摺動材Ｍとして摺動面に厚さ約４μｍのＤＬＣ膜を形成したものを複数個準備し、一部の摺動材Ｍには図１に示す加工装置によりフルーエンス０．１４Ｊ／ｃｍ2でレーザパルスを照射して表面加工を行い、ＤＬＣ膜の表面に改質層を形成した。
【００４４】
そして、荷重Ｆとして１０Ｎを摺動材Ｍに加えながらすべり速度（リングＲの外周面の周速度）１．１ｍ／秒でリングＲを回転動作させて、試験距離５ｋｍで摺動試験を行った。図１１及び図１２は、レーザ照射により表面加工していない場合及び表面加工した場合の摺動材Ｍの摺動面の断面形状を測定したグラフである。表面加工していない場合には、図１１に示すように、リングＲの外周面に沿って湾曲形状に最大約３μｍの深さまで摩耗しており、部分的にＤＬＣ膜が除去された状態となっている。表面加工した場合には、図１２に示すように、リングＲの外周面に沿って摩耗しているが、最大約０．２μｍの深さまで摩耗しており、表面加工していない場合に比べて摩耗量が１／１０以下になっていることがわかる。
【００４５】
このように摺動面に形成したＤＬＣ膜の表面にＤＬＣ膜よりも低硬度の改質層を形成することで、少ない摩耗量で低摩擦のなじんだ状態に設定することができる。そのため、ＤＬＣ膜の膜厚が薄い場合でも摺動面にＤＬＣ膜が摩耗せずに残留して安定した摺動動作を行うことができる。そして、ＤＬＣ膜の膜厚を薄くすることができるので、精密加工された摺動面の精度を低下させることなく摺動材を形成することが可能となる。
【００４６】
レーザパルスの照射により形成される改質層は、例えば、上述のブロック・オン・リング試験で試験距離３０ｋｍでの摩耗痕におけるラマン強度比に相当する硬度となる深さまでをその層厚と定義することができる。試験距離３０ｋｍでの摩耗痕では改質層が確実に除去されてＤＬＣ膜が露出するので、摩耗痕での硬度はＤＬＣ膜の硬度とみなすことができ、その硬度より低い領域が改質層となる。こうした改質層の定義に従えば、図９に示す硬度の近似曲線から改質層の層厚を定量的に算出することが可能となる。図１３は、照射するレーザパルスのフルーエンスと改質層の層厚との間の関係を示すグラフである。このグラフをみると、フルーエンスが大きくなるに従い改質層の層厚が大きくなっているのがわかる。このグラフからフルーエンスＦと層厚Ｔとの間の関係を示す近似曲線をあらわす関係式は、以下の通りとなる。
Ｔ＝０．００２１×ｅｘｐ（４２．３４×Ｆ）・・・（式３）
式３を用いることで、照射するレーザパルスのフルーエンスに基づいて改質層の層厚を定量的に調整することができる。
【００４７】
以上説明したように、摺動材の摺動面に形成したＤＬＣ膜にレーザパルスを照射してＤＬＣ膜よりも低硬度の改質層を形成する場合、照射するレーザパルスのフルーエンスを調整することで改質層の硬度及び層厚を調整することができるので、被摺動面の硬度や表面状態等の特性に応じて改質層を設定して最小限の摩耗量で摺動材を低摩擦のなじんだ状態で摺動動作を行うようにすることが可能となる。
【００４８】
また、改質層では表面にいくに従い低硬度となるように硬度が変化するので、被摺動面の硬度に応じて改質層が摩耗するようになり、被摺動面の表面状態にほとんどダメージを与えることがないため、摺動面及び被摺動面が傷つけ合うことなく摺接して良好なトライボロジー特性を実現することができる。
【符号の説明】
【００４９】
Ｍ 摺動材
１ パルスレーザシステム
２ シャッタ
３ レーザ制御ユニット
４ 反射ミラー
５ 反射ミラー
６ 凹面反射鏡
７ ３軸ステージ
８ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受、ピストンといった機械部品の摺動面に用いられる摺動材及びその表面加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述した摺動面を備えた機械部品では、摺動面におけるトライボロジー特性に着目して様々な改良が行われてきている。特に、低摩擦性、耐摩耗性、潤滑性、熱的安定性といった観点から摺動面の加工又は改質がなされている。例えば、特許文献１では、摺動材の基材の摺動面に成膜されたＤＬＣ膜に、低フルーエンスのパルスレーザ（フェムト秒（１０-12秒〜１０-15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とするとともに微細周期構造を形成し、こうして表面加工された領域を被覆するように潤滑層を形成することで、摩擦係数等のトライボロジー特性が大幅に改善された摺動材を得ることが提案されている。また、特許文献２では、基体表面にＤＬＣ膜を形成し、形成されたＤＬＣ膜にレーザ光を部分的に照射してレーザ光の照射領域をグラファイト化する点が記載されている。
【０００３】
なお、上述のＤＬＣ膜は、ダイヤモンド状炭素（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ；ＤＬＣと略称される）からなる膜であり、ダイヤモンド状炭素は、硬質カーボン、硬質非晶質炭素、無定型炭素、硬質無定型炭素、ｉカーボン等の別称があるが、明確に定義はされていない。いずれにしてもダイヤモンド及びグラファイトが混ざり合った中間的な構造を備えており、ダイヤモンドと同様に、高硬度で、耐摩耗性及び熱伝導性に優れ、摺動機械部品、切削工具、研磨用工具等の保護層として用いられている。本明細書において、「ＤＬＣ膜」は、上記のダイヤモンド状炭素を膜状に成膜したものを意味する。
【０００４】
また、上述のガラス状炭素は、グラッシーカーボン（Ｇｌａｓｓｙ Ｃａｒｂｏｎ）とも称されているが、グラファイトの基本構造である六角網面の結晶子が無配向に組織されているもので、約３０００℃の高温に加熱処理してもグラファイト構造に変化することがないといった特性を備えている。そのため、ガラス状炭素は、難黒鉛化性炭素とも称されており、耐食性、耐摩耗性、耐熱性、潤滑性、離型性、ガス不透過性に優れており、導電性も有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１６２０４５号公報
【特許文献２】特開２００９−９７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
摺動材及び被摺動材が同じように硬質材料からなる場合、摺動面において互いに摩耗するようになって摺動面がダメージを受けるため両者の間のトライボロジー特性からみると好ましいものではない。そのため、摺動材及び被摺動材を硬質材料で構成して摺動面に加わる圧力に対して十分な耐久性を持たせるとともに、摺動面を摩耗しやすい軟質材料で被覆することで潤滑しやすくし、トライボロジー特性を改善することが知られている。
【０００７】
上述したように、ＤＬＣ膜を摺動面に形成した場合、ＤＬＣ膜が高硬度で耐摩耗性に優れているため摺動面に加わる圧力に対しては十分な強度を得ることができる。しかしながら、ＤＬＣ膜が硬質材料に直接接触した状態で摺動する場合、互いに摺動面を傷付け合って摩耗が進んでしまい、ＤＬＣ膜がダメージを受けてかえってトライボロジー特性を低下させるおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明は、摺動面に形成したＤＬＣ膜に当該ＤＬＣ膜よりも低硬度の改質層を形成してトライボロジー特性を改善した摺動材及びその表面加工方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る摺動材の表面加工方法は、摺動面に形成されたＤＬＣ膜にパルスレーザを照射して、表面にいくに従い硬度が低減するとともに前記ＤＬＣ膜よりも硬度が低い改質層を形成することを特徴とする。さらに、前記改質層は、ラマン分光測定において、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が表面にいくに従い大きくなるように形成されることを特徴とする。さらに、前記パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2のフルーエンスで照射することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る摺動材は、摺動面にＤＬＣ膜が形成された摺動材であって、前記ＤＬＣ膜には、表面にいくに従い硬度が低減するとともに前記ＤＬＣ膜よりも硬度が低い改質層が形成されていることを特徴とする。さらに、前記改質層は、ラマン分光測定において、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が表面にいくに従い大きくなるように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、上記のような構成を備えることで、摺動面に形成されたＤＬＣ膜に、表面にいくに従い硬度が低減するとともにＤＬＣ膜よりも硬度の低い改質層が形成されるので、被摺動面の硬度や表面状態に応じて改質層が摩耗するようになり、少ない摩耗量で摺動面を被摺動面に対してなじんだ状態にすることができ、トライボロジー特性を改善することが可能となる。
【００１２】
すなわち、摺動面に形成されるＤＬＣ膜の表面は、微視的にみると凹凸が形成され平滑な状態とはなっていないが、超短パルスレーザを照射して改質層を形成することで、表面の凹凸が摩耗により容易に削り取られるようになる。そのため、少ない摩耗量で摺動面が平滑化されてなじんだ状態を形成することができ、ＤＬＣ膜の厚さが薄い場合でも安定したトライボロジー特性を発揮することが可能となる。
【００１３】
また、改質層を、ラマン分光測定において、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が表面にいくに従い大きくなるように形成することで、軟質性状のグラファイト結合であるｓｐ2結合及び硬質性状のダイヤモンド結合であるｓｐ3結合の改質層内の比率を変化させて硬度を表面にいくに従い低減させることができる。
【００１４】
また、パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2のフルーエンスで照射すれば、ＤＬＣ膜に対して熱による収縮等の影響をほとんど与えることなく改質層を形成することができる。そのため、精密加工された摺動面に薄層のＤＬＣ膜を形成した場合でも、摺動面の加工精度を低下させることなく改質層を形成することができ、摺動面の製造誤差を小さくしてより安定したトライボロジー特性を得ることが可能となる。
【００１５】
ここで、「パルスレーザ」とは、出力光強度が時間的に変化して一定の持続時間だけ発振するレーザのことであるが、本明細書では、特にパルス幅が１０-9秒〜１０-15のレーザをパルスレーザと称する。そして、「フルーエンス」（ｆｌｕｅｎｃｅ）とは、レーザの１パルス当りの出力エネルギーを照射断面積で割って求めたエネルギー密度（Ｊ／ｃｍ2）である。一般に、レーザを材料表面に照射することで材料表面が蒸散する現象が生じるエネルギー密度の最小値（アブレーション閾値）近傍の低いフルーエンスの範囲で、パルスレーザを照射すれば熱影響がほとんど生じないことが知られている。
【００１６】
アブレーション閾値及び熱影響が生じない低フルーエンスの範囲は、材料によって異なっており、こうした低フルーエンスの範囲は主にその材料の融点の違いによるものである。レーザ照射による熱影響がほとんど生じない低フルーエンスの範囲は、通常アブレーション閾値の５倍程度を上限とする範囲で、材料によっては１０倍程度の範囲まで熱影響がほとんど生じない場合もある。ＤＬＣ膜の場合には、上述したように、０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2のフルーエンスで照射することで、ＤＬＣ膜に熱影響をほとんど与えることなく改質層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】加工装置に関する概略構成図である。
【図２】平板状の摺動材表面に対するパルスレーザの照射動作を示す説明図である。
【図３】原子間力顕微鏡によりＤＬＣ膜表面の加工前の状態を観察した撮影写真である。
【図４】原子間力顕微鏡によりＤＬＣ膜表面の加工後の状態を観察した撮影写真である。
【図５】レーザパルスの照射面をラマン分光測定装置で測定した結果を示すグラフである。
【図６】レーザパルスのフルーエンスとその照射表面のラマン強度比をプロットしたグラフである。
【図７】照射面のラマン強度比及び硬度Ｈの測定結果をプロットしたグラフである。
【図８】レーザパルスを照射したＤＬＣ膜について深さ方向のラマン強度比を測定した結果を示すグラフである。
【図９】図８に示すラマン強度比から深さ方向の硬度Ｈを算出した結果を示すグラフである。
【図１０】摺動試験に関する概略説明図である。
【図１１】レーザ照射により表面加工していない場合の摺動材の摺動面の断面形状を測定したグラフである。
【図１２】レーザ照射により表面加工した場合の摺動材の当接面の断面形状を測定したグラフである。
【図１３】レーザパルスのフルーエンスと改質層の層厚との間の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
【００１９】
図１は、摺動面にＤＬＣ膜が形成された摺動材に改質層を形成する表面加工方法を実施するための加工装置の一例を示す概略構成図である。加工装置は、パルスレーザシステム１、シャッタ２、レーザ制御ユニット３、反射ミラー４及び５、凹面反射鏡６、３軸ステージ７を備えている。なお、凹面鏡６による集光以外に、石英等からなるレンズを用いて集光を行うようにしてもよい。
【００２０】
パルスレーザシステム１は、フェムト秒レーザを発振する公知のパルスレーザシステムを用いればよい。なお、フェムト秒レーザ以外のパルスレーザを使用することもできる。すなわち、ＤＬＣ膜が熱的、機械的な影響により変質しない範囲で局所的に高密度のエネルギーを加えることが可能であれば改質層を形成することができることから、ＤＬＣ膜の状態（層厚、基材の材料等の外部環境）によっては、例えばピコ秒（１０-9秒〜１０-12秒）レーザやナノ秒（１０-6秒〜１０-9秒）レーザといったパルスレーザを発振するパルスレーザシステムを使用してもよい。
【００２１】
フェムト秒レーザシステム１から発振されたレーザパルスは、シャッタ２を通過してレーザ制御ユニット３に入射される。レーザ制御ユニット３では、レーザパルスの波長を変換するとともに偏光制御を行う。偏光制御では、直線偏光（縦方向・横方向）及び円偏光を必要に応じて行う。直線偏光にすると、細長い溝部が周期的に形成された微細構造となり、円偏光にすると、粒状突起部が周期的に形成された微細構造となる。
【００２２】
レーザ制御ユニット３から出射されたレーザパルスは、反射ミラー４及び５により反射されて凹面反射鏡（放物鏡）６に入射して集光されるようになる。そして、集光されたレーザパルスは、３軸ステージ７の試料台に設置された摺動材Ｍの表面に照射される。
【００２３】
３軸ステージ７は、試料台を取り付けたＺ軸ステージ及びＺ軸ステージを取り付けたＸＹ軸ステージを備えており、制御装置８からの制御信号に基づいてＸＹ軸ステージ及びＺ軸ステージを移動させて摺動材Ｍ表面の照射位置を移動させるようにする。
【００２４】
この例では、摺動材Ｍを移動させてレーザパルスを照射するようにしているが、レーザパルスの発振及び光学系を含む装置側を移動させるようにしてもよく、また両方を移動させて摺動材Ｍ表面の照射位置を位置決めするようにしてもよい。
【００２５】
図２は、平板状の摺動材Ｍ表面に対するパルスレーザの照射動作を示す説明図である。この例では、主走査方向をＺ軸にとり、副走査方向をＸ軸にとっている。照射位置を１つの円で示しており、円内が照射領域となっている。主走査方向に照射する場合には、Ｚ軸方向に所定の速度でＺ軸ステージを移動させて行う。その際に主走査方向Ｚ１に照射スポットが重なり合いながら帯状に摺動材Ｍ表面が照射されるようにする。
【００２６】
主走査方向Ｚ１について照射した後、ＸＹ軸ステージにより摺動材ＭをＸ軸方向にずらす。その際に主走査方向Ｚ１の照射領域と重なり合うように副走査方向に位置決めする。この例では照射領域を示す円の半径分だけ副走査方向にずらすようにしており、そのため、次の主走査方向Ｚ２の照射領域と主走査方向Ｚ１の照射領域が重なり合うように位置決めされる。そして、主走査方向Ｚ２に主走査方向Ｚ１と同様に所定の速度で照射位置を移動させながら照射動作が行われる。以後、副走査方向にずらしながら主走査方向に照射動作を繰り返すことで、基板Ｔ表面には満遍なく複数回の照射動作が行われるようになる。
【００２７】
レーザパルスの照射スポットの中心部と周辺部では、照射エネルギーに差が生じることから、適宜照射スポットの重なり合う部分を調整して照射領域全体の照射エネルギーがほぼ均一になるように設定する。
【００２８】
摺動材Ｍの基材としては、金属、セラミック又は樹脂といった従来より摺動材として用いられているもので、ＤＬＣが成膜できるものであればよく、特に限定されない。また、形状についても特に限定されず、様々な摺動材が適用可能である。
【００２９】
ＤＬＣ膜は、スパッタリング法に代表されるＰＶＤ法やＣＶＤ法といった従来より用いられている気相合成法で成膜することができる。摺動材の摺動面にＤＬＣ膜を形成するための装置としては、例えば、公知の非平衡マグネトロンスパッタリング装置等が挙げられる。
【００３０】
摺動材の摺動面に形成されるＤＬＣ膜の膜厚は、３μｍ〜３０μｍが好ましい。３μｍより薄いと摩耗によりＤＬＣ膜が除去されるおそれがあり、３０μｍより厚いと摺動面の加工精度に影響を与えるようになって好ましくない。
【００３１】
ＤＬＣ膜の表面に照射するレーザパルスのエネルギー密度は、ＤＬＣ膜に熱収縮等の熱的影響を与えない範囲で照射することが好ましく、具体的には、０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2のフルーエンスで照射すればよい。０．１Ｊ／ｃｍ2よりもフルーエンスが小さいとＤＬＣ膜よりも硬度の低い改質層が形成されず、０．１６Ｊ／ｃｍ2よりもフルーエンスが大きいとＤＬＣ膜に熱的影響が生じるようになり、好ましくない。
【００３２】
平板状（縦７ｍｍ×横１７ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）の合金工具鋼（ＳＡＥ０１）からなる基材の表面に公知のスパッタリング装置により摺動材の摺動面にＤＬＣ膜を約４μｍの厚さで形成した。ＤＬＣ膜を形成した摺動材を用いて、図１に示す加工装置により直線偏光されたレーザパルスを照射して表面加工を行った。フェムト秒レーザシステムとして、サイバーレーザー社製ＩＦＲＩＴを用い、波長８００ｎｍ、パルス幅１８０ｆｓ、パルスエネルギー最大１０００μＪ、周波数１ｋＨｚのレーザパルスを直線偏光制御し、焦点距離ｆ＝２０００ｍｍの放物鏡で集光し、２５０ｍＷ〜４１０ｍＷのレーザ出力で大気中の摺動材表面に垂直に照射した。レーザパルスのスポット径は５００μｍであった。レーザパルスのフルーエンスをアブレーション閾値近傍の０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2に設定し、毎秒１０００パルスでレーザパルスを照射しながらステージ移動速度を調整することで照射動作を調整した。そして、副走査方向のずらし量を６０μｍに設定した。照射範囲は、７ｍｍ×３．５ｍｍとした。
【００３３】
図３及び図４は、原子間力顕微鏡によりＤＬＣ膜表面の加工前及び加工後の状態を観察した撮影写真である。加工前のＤＬＣ膜表面には、図３に示すように、多数の凹凸が形成されていることがわかる。また、加工後のＤＬＣ膜表面には、図４に示すように、偏光方向と直交する方向に直線状の溝が周期的に形成された微細構造となっていることがわかる。
【００３４】
図５は、レーザパルスの照射面をラマン分光測定装置（日製エレクトロニクス株式会社製ＬＡＢＲＡＭ、レーザースポット径２μｍ）で測定した結果を示すグラフであり、グラフでは、縦軸にラマンスペクトルの強度をとり、横軸にはその波数をとっている。このグラフをみると、１３５５ｃｍ-1付近及び１５９０ｃｍ-1付近に強いピークが観測されていることがわかる。
【００３５】
一般に、グラファイトをラマン分光測定装置で測定すると、ｓｐ3結合に基づく１５９０ｃｍ-1付近に強いピークが観測されることが知られている。また、ガラス状炭素については、１５９０ｃｍ-1付近のピークの他にｓｐ2結合に基づく１３５５ｃｍ-1付近のピークが観測され、１３５５ｃｍ-1の方がピーク強度が大きくなることが知られている。ラマンスペクトルのこうしたピーク特性を分析することで、レーザパルスの照射により形成された改質層の特性を分析することが可能となる。
【００３６】
そこで、改質層の特性を、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）（以下「ラマン強度比」という。）に着目して分析を行った。
【００３７】
図６は、照射するレーザパルスのフルーエンスとその照射表面のラマン強度比をプロットしたグラフであり、縦軸にラマン強度比をとり、横軸にフルーエンスをとっている。このグラフをみると、フルーエンスが大きくなるに従いラマン強度比が大きくなっており、改質層の表面では、ｓｐ3結合に対してｓｐ2結合の割合が増加していることがわかる。このグラフからフルーエンスＦとラマン強度比との間の関係を示す近似曲線をあらわす関係式は、以下の通りとなる。
（ＩＤ／ＩＧ）＝０．６７１×ｅｘｐ（３．３２０×Ｆ）・・・（式１）
【００３８】
図７は、照射面のラマン強度比及び硬度Ｈ（インデンテーション硬さ）の測定結果をプロットしたグラフであり、縦軸に硬度（単位；ＧＰａ）をとり、横軸にラマン強度比をとっている。照射面の硬度Ｈの測定には、微小硬度計（エリオニクス社製超微小押込み硬さ試験機ＥＮＴ−１１００）を用い、超微小荷重を連続的に変化させてダイヤモンド圧子を試料に押し込むときに得られる負荷除荷曲線を解析して硬度Ｈを測定した。このグラフをみると、照射表面のラマン強度比が大きくなるに従い照射面の硬度Ｈが低減することがわかる。このグラフからラマン強度比と硬度Ｈとの間の関係を示す近似曲線をあらわす関係式は、以下の通りとなる。
Ｈ＝３０３．８×ｅｘｐ｛−４．３×（ＩＤ／ＩＧ）｝・・・（式２）
以上の分析結果に基づけば、レーザパルスを照射することでＤＬＣ膜よりもラマン強度比が大きく硬度の低い改質層が形成され、照射するレーザパルスのフルーエンスを調整することで改質層の硬度を調整できることがわかる。そして、式１及び式２を用いれば、照射するレーザパルスのフルーエンスからＤＬＣ膜表面の硬度を定量的に算出することができる。
【００３９】
図８は、レーザパルスを照射したＤＬＣ膜について深さ方向のラマン強度比を測定した結果を示すグラフであり、縦軸にラマン強度比をとり、横軸に深さ（単位；μｍ）をとっている。照射するレーザパルスのフルーエンスは、０．１０Ｊ／ｃｍ2、０．１２Ｊ／ｃｍ2、０．１４Ｊ／ｃｍ2に設定してそれぞれの場合について測定した。ラマン分光測定については、ＤＬＣ膜を深さ方向とは傾斜した方向に切除し、傾斜面に沿って所定の深さに対応する位置で測定を行った。
【００４０】
このグラフをみると、改質層では深くなるに従いラマン強度比が減少し、照射するレーザパルスのフルーエンスが大きくなるに従いラマン強度比の深さ方向の推移を示す近似曲線の傾きが小さくなることがわかる。
【００４１】
図９は、図８に示すラマン強度比から式２を用いて深さ方向の硬度Ｈを算出した結果を示すグラフであり、縦軸に硬度Ｈをとり、横軸に深さをとっている。このグラフをみると、レーザパルスの照射により形成された改質層は、照射表面にいくに従い硬度が低減していることがわかる。そして、フルーエンスが大きくなるに従いＤＬＣ膜の深い位置まで硬度がＤＬＣよりも低下した領域が形成されるようになり、フルーエンスにより改質層の層厚を調整できることがわかる。
【００４２】
次に、ブロック・オン・リング試験装置（神鋼造機株式会社製ＳＺ−ＦＴ−９５Ｂ）を用いてＤＬＣ膜の摺動試験を行った。図１０は、摺動試験に関する概略説明図である。ブロック・オン・リング試験では、摺動材ＭのＤＬＣ膜が形成された摺動面をリングＲの外周面に当接させ、リングＲの回転中心軸Ｏに向かって当接面に対して直交方向に荷重Ｆを摺動材Ｍに加えて摺動面をリングＲの外周面に圧接させた状態に設定する。リングＲは、ニッケルモリブデン鋼（ＡＩＳＩ４６２０）等の高硬度の金属材料からなり、直径３５ｍｍで外周の幅が８．７ｍｍに設定されている。
【００４３】
摺動材Ｍとして摺動面に厚さ約４μｍのＤＬＣ膜を形成したものを複数個準備し、一部の摺動材Ｍには図１に示す加工装置によりフルーエンス０．１４Ｊ／ｃｍ2でレーザパルスを照射して表面加工を行い、ＤＬＣ膜の表面に改質層を形成した。
【００４４】
そして、荷重Ｆとして１０Ｎを摺動材Ｍに加えながらすべり速度（リングＲの外周面の周速度）１．１ｍ／秒でリングＲを回転動作させて、試験距離５ｋｍで摺動試験を行った。図１１及び図１２は、レーザ照射により表面加工していない場合及び表面加工した場合の摺動材Ｍの摺動面の断面形状を測定したグラフである。表面加工していない場合には、図１１に示すように、リングＲの外周面に沿って湾曲形状に最大約３μｍの深さまで摩耗しており、部分的にＤＬＣ膜が除去された状態となっている。表面加工した場合には、図１２に示すように、リングＲの外周面に沿って摩耗しているが、最大約０．２μｍの深さまで摩耗しており、表面加工していない場合に比べて摩耗量が１／１０以下になっていることがわかる。
【００４５】
このように摺動面に形成したＤＬＣ膜の表面にＤＬＣ膜よりも低硬度の改質層を形成することで、少ない摩耗量で低摩擦のなじんだ状態に設定することができる。そのため、ＤＬＣ膜の膜厚が薄い場合でも摺動面にＤＬＣ膜が摩耗せずに残留して安定した摺動動作を行うことができる。そして、ＤＬＣ膜の膜厚を薄くすることができるので、精密加工された摺動面の精度を低下させることなく摺動材を形成することが可能となる。
【００４６】
レーザパルスの照射により形成される改質層は、例えば、上述のブロック・オン・リング試験で試験距離３０ｋｍでの摩耗痕におけるラマン強度比に相当する硬度となる深さまでをその層厚と定義することができる。試験距離３０ｋｍでの摩耗痕では改質層が確実に除去されてＤＬＣ膜が露出するので、摩耗痕での硬度はＤＬＣ膜の硬度とみなすことができ、その硬度より低い領域が改質層となる。こうした改質層の定義に従えば、図９に示す硬度の近似曲線から改質層の層厚を定量的に算出することが可能となる。図１３は、照射するレーザパルスのフルーエンスと改質層の層厚との間の関係を示すグラフである。このグラフをみると、フルーエンスが大きくなるに従い改質層の層厚が大きくなっているのがわかる。このグラフからフルーエンスＦと層厚Ｔとの間の関係を示す近似曲線をあらわす関係式は、以下の通りとなる。
Ｔ＝０．００２１×ｅｘｐ（４２．３４×Ｆ）・・・（式３）
式３を用いることで、照射するレーザパルスのフルーエンスに基づいて改質層の層厚を定量的に調整することができる。
【００４７】
以上説明したように、摺動材の摺動面に形成したＤＬＣ膜にレーザパルスを照射してＤＬＣ膜よりも低硬度の改質層を形成する場合、照射するレーザパルスのフルーエンスを調整することで改質層の硬度及び層厚を調整することができるので、被摺動面の硬度や表面状態等の特性に応じて改質層を設定して最小限の摩耗量で摺動材を低摩擦のなじんだ状態で摺動動作を行うようにすることが可能となる。
【００４８】
また、改質層では表面にいくに従い低硬度となるように硬度が変化するので、被摺動面の硬度に応じて改質層が摩耗するようになり、被摺動面の表面状態にほとんどダメージを与えることがないため、摺動面及び被摺動面が傷つけ合うことなく摺接して良好なトライボロジー特性を実現することができる。
【符号の説明】
【００４９】
Ｍ 摺動材
１ パルスレーザシステム
２ シャッタ
３ レーザ制御ユニット
４ 反射ミラー
５ 反射ミラー
６ 凹面反射鏡
７ ３軸ステージ
８ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺動面に形成されたＤＬＣ膜にパルスレーザを照射して、表面にいくに従い硬度が低減するとともに前記ＤＬＣ膜よりも硬度が低い改質層を形成することを特徴とする摺動材の表面加工方法。
【請求項２】
前記改質層は、ラマン分光測定において、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が表面にいくに従い大きくなるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の摺動材の表面加工方法。
【請求項３】
前記パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2のフルーエンスで照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動材の表面加工方法。
【請求項４】
摺動面にＤＬＣ膜が形成された摺動材であって、前記ＤＬＣ膜には、表面にいくに従い硬度が低減するとともに前記ＤＬＣ膜よりも硬度が低い改質層が形成されていることを特徴とする摺動材。
【請求項５】
前記改質層は、ラマン分光測定において、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が表面にいくに従い大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の摺動材。
【請求項１】
摺動面に形成されたＤＬＣ膜にパルスレーザを照射して、表面にいくに従い硬度が低減するとともに前記ＤＬＣ膜よりも硬度が低い改質層を形成することを特徴とする摺動材の表面加工方法。
【請求項２】
前記改質層は、ラマン分光測定において、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が表面にいくに従い大きくなるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の摺動材の表面加工方法。
【請求項３】
前記パルスレーザとしてフェムト秒レーザを用い、０．１Ｊ／ｃｍ2〜０．１６Ｊ／ｃｍ2のフルーエンスで照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動材の表面加工方法。
【請求項４】
摺動面にＤＬＣ膜が形成された摺動材であって、前記ＤＬＣ膜には、表面にいくに従い硬度が低減するとともに前記ＤＬＣ膜よりも硬度が低い改質層が形成されていることを特徴とする摺動材。
【請求項５】
前記改質層は、ラマン分光測定において、ｓｐ2結合に基づいて１３５５ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＤ）及びｓｐ3結合に基づいて１５９０ｃｍ-1に現れるラマン散乱ピーク強度（ＩＧ）の強度比（ＩＤ／ＩＧ）が表面にいくに従い大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の摺動材。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図３】
【図４】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１６８８４５（Ｐ２０１１−１６８８４５Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３４３１６（Ｐ２０１０−３４３１６）
【出願日】平成２２年２月１９日（２０１０．２．１９）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【出願人】（３９１０１５６３８）アイテック株式会社 (16)
【出願人】（０００１４６０８７）株式会社松浦機械製作所 (40)
【出願人】（５９２０２９２５６）福井県 (122)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１９日（２０１０．２．１９）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（５０４１４５３２０）国立大学法人福井大学 (287)
【出願人】（３９１０１５６３８）アイテック株式会社 (16)
【出願人】（０００１４６０８７）株式会社松浦機械製作所 (40)
【出願人】（５９２０２９２５６）福井県 (122)
【Ｆターム（参考）】
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