摺動用構造部材及びその製造方法
【課題】本発明は、その表面が摩耗した場合でも凹凸面を維持することのできる摺動用構造部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】基材の表面に形成された不規則な凹凸上に、異種材料の膜が交互に積層された多層膜を設けてなることを特徴とする摺動用構造部材及びその製造方法。
【解決手段】基材の表面に形成された不規則な凹凸上に、異種材料の膜が交互に積層された多層膜を設けてなることを特徴とする摺動用構造部材及びその製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用あるいは家庭用の各種機器に用いられるのに適した表面構造を持つ構造部材に関し、例えば、各種機器の摺動部分に用いられる摺動用構造部材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、低摩擦性及び耐摩耗性を有する被膜としてダイアモンドライクカーボン多層膜の技術が知られている（以下「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照）。このダイアモンドライクカーボン多層膜は、基体上に柔らかい膜と硬い膜を交互に積層してなるものである。
また、耐摩耗性に優れた摩擦摺動材として、第１の材料の表面にサンドブラストなどにより凹凸を設け、この凹凸部上に、第１の材料とは異なる硬度を持つ第２の材料で被膜層を形成したものが知られている（以下「従来技術２」という。例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
さらに、エンジン摺動部品として、摺動面となる基材の面を、うねりとマイクロディンプル形状を持たせた基材面に形成し、この基材面の上に硬質薄膜を設けて、低摩擦で保油性がよく耐焼付き性と耐摩耗性に優れた摺動面を形成されたものが知られている（以下「従来技術３」という。例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２６９９９１号公報
【特許文献２】特開平２−１７０８８５号公報
【特許文献３】特開２００１−２８０４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術１のダイアモンドライクカーボン多層膜は、優れた低摩擦性及び耐摩耗性を有する被膜であるが、鋼との密着性が低いこと、広い面積の基材に容易に膜を形成することが困難であること等、実用的な面で問題がある。
また、従来技術２のものは、耐摩耗性には優れているがどちらかといえば高摩擦を目的としたものであるため低摩擦の必要とされる摺動面には適さないものである。
さらに、従来技術３のものは、低摩擦で保油性がよく耐焼付性及び耐摩耗性に優れた摺動部品を得ることを目的とするものであるが、基材や硬質薄膜が硬いために相手材料が柔らかいと摩耗させてしまうこと、またその逆に相手材料が十分に硬いと硬質薄膜が摩耗し、一旦摩耗してしまうとマイクロディンプルが消失し、初期の性能を維持出来ない等の問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、その表面が摩耗した場合でも凹凸面を維持することのできる摺動用構造部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は次のような手段により解決される。
（１）基材の表面に形成された不規則な凹凸上に、異種材料の膜が交互に積層された多層膜を設けてなることを特徴とする摺動用構造部材。
（２）上記不規則な凹凸及び多層膜の一部が表面より研磨されて、平坦な表面となっていることを特徴とする（１）に記載の摺動用構造部材。
（３）上記基材は、樹脂、セラミックス又は金属材料からなることを特徴とする（１）又は（２）に記載の摺動用構造部材。
（４）上記多層膜は、金属材料又は無機材料からなることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の摺動用構造部材。
（５）上記多層膜のうち少なくとも１つの膜は、低摩擦材料からなることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の摺動用構造部材。
（６）表面に不規則な凹凸を有する基材を用意する工程と、該基材上に材質の異なる一定厚さの膜を交互に積層して多層膜を形成する工程とを含む摺動用構造部材の製造方法。
（７）上記不規則な凹凸及び多層膜の一部を表面より研磨する工程をさらに含むことを特徴とする（６）に記載の摺動用構造部材の製造方法。
（８）上記表面に不規則な凹凸を有する基材は、機械加工、化学的又は物理的なエッチング加工により形成されることを特徴とする（６）又は（７）に記載の摺動用構造部材の製造方法。
（９）上記多層膜は、真空蒸着法、メッキ法、ディップ法、スピンコーティング法又はスプレーコーティング法により形成することを特徴とする（６）ないし（８）のいずれかに記載の摺動用構造部材の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の摺動用構造部材によれば、基材の表面に形成された不規則な凹凸上に異種材料の膜が交互に積層されてなる多層膜を設けておくだけで、摺動用構造部材の使用によって自然発生的に新たなナノパターン溝が次々と形成されるので、たとえ、多層膜一層の厚さがナノメートル程度と小さい場合であっても長時間にわたってナノパターン溝を包含する凹凸面を維持することができる。
【０００９】
また本発明の摺動用構造部材によれば、多層膜の表面を研磨することにより得られたナノパターン溝を有することにより、表面が摩耗して表面近傍のナノパターン溝が消滅しても、新たなナノパターン溝が次々と形成されるので、たとえ、多層膜一層の厚さがナノメートル程度と小さい場合であっても長時間にわたってナノパターン溝を包含する凹凸面を維持することができる。したがって、摺動用構造部材表面に流体潤滑剤を供給することにより良好な潤滑状態を保つことができる。
【００１０】
さらに本発明の摺動用構造部材によれば、多層膜のうち少なくとも１つの膜を低摩擦材料から形成することにより、流体潤滑に加えて固体潤滑の機能を備えた摩擦摺動材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る摺動用構造部材を説明する概念図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る摺動用構造部材を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の摺動用構造部材及びその製造方法について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
【００１３】
図１は、本発明の摺動用構造部材を説明する概念図である。
基材１の表面には、不規則な凹凸２が形成されている。
前記「基材」には、塊状部材、平板状部材、曲板状部材、円筒部材等、種々の形状の部材が含まれる。
基材１の材質は、鉄、銅、アルミニウム、樹脂等、目的に応じて選択される。
また、不規則な凹凸２の高さは特に限定されるものではないが、例えば、０．１〜１００μｍの範囲が望ましい。
【００１４】
不規則な凹凸２が形成された基材１の表面には、図１に示すように、１層の厚さが５ｎｍ〜１０μｍ程度の２種類以上の材質からなる膜を交互に積層して多層膜３を形成する。
膜の材質としては、金、白金、銀、銅、アルミ、ニッケル、鉛、鉄、シリコン、セラミックス、ダイアモンドライクカーボン、樹脂等の材料から、目的に応じて選択される。
【００１５】
摺動用構造部材が軸受等の低摩擦摺動部材として用いられる場合は、多層膜３を構成する膜の少なくとも１つを低摩擦材料で形成するのがよい。
膜の形成は、例えば、公知のＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の他、メッキ法、ディップ法、スピンコーティング法、又はスプレーコーティング法を用いて行うことができる。形成された多層膜３は、基材１上に形成された不規則な凹凸２に倣って積層された状態となる。
【００１６】
このように、多層膜３の形成された構造部材を自動車エンジン等の摺動部に用いると、部材同士の摺動により、硬い膜に比べて軟らかい膜がより多く除去され、自然発生的に摺動部にナノメートルからマイクロメートルスケールのナノパターン溝を有する表面が得られる。
【００１７】
一方、多層膜３の形成された表面を公知の研磨手段を用いて、図２（ａ）に示すように高い部分を削りとるように平面状に研磨する。すると、多層膜３を構成する膜材料の硬さの相違によって、硬い膜に比べて軟らかい膜がより多く除去され、図２（ｂ）に示すように広い範囲に亘って、ナノメートルからマイクロメートルスケールのナノパターン溝を有する表面が得られる。
図２（ｂ）において、ハッチング部が硬い材料の膜で、白抜き部が軟らかい材料の膜を示している。
【００１８】
このようにして得られた本発明の摺動用構造部材は、表面が摩耗して表面近傍の凹凸が消滅しても、部材同士の摺動により新たな凹凸が次々と形成されるので、たとえ、多層膜一層の厚さがナノメートル程度と小さい場合であっても長時間にわたってナノパターン溝を包含する凹凸面を維持することができる。したがって、摺動用構造部材表面に流体潤滑剤を供給することにより良好な潤滑状態を保つことができる。
また、多層膜のうち少なくとも１つを低摩擦材料から形成することにより、流体潤滑に加えて固体潤滑の機能を備えた摺動用構造部材を得ることができる。
【符号の説明】
【００１９】
１ 基材
２ 不規則な凹凸
３ 多層膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用あるいは家庭用の各種機器に用いられるのに適した表面構造を持つ構造部材に関し、例えば、各種機器の摺動部分に用いられる摺動用構造部材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、低摩擦性及び耐摩耗性を有する被膜としてダイアモンドライクカーボン多層膜の技術が知られている（以下「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照）。このダイアモンドライクカーボン多層膜は、基体上に柔らかい膜と硬い膜を交互に積層してなるものである。
また、耐摩耗性に優れた摩擦摺動材として、第１の材料の表面にサンドブラストなどにより凹凸を設け、この凹凸部上に、第１の材料とは異なる硬度を持つ第２の材料で被膜層を形成したものが知られている（以下「従来技術２」という。例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
さらに、エンジン摺動部品として、摺動面となる基材の面を、うねりとマイクロディンプル形状を持たせた基材面に形成し、この基材面の上に硬質薄膜を設けて、低摩擦で保油性がよく耐焼付き性と耐摩耗性に優れた摺動面を形成されたものが知られている（以下「従来技術３」という。例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２６９９９１号公報
【特許文献２】特開平２−１７０８８５号公報
【特許文献３】特開２００１−２８０４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術１のダイアモンドライクカーボン多層膜は、優れた低摩擦性及び耐摩耗性を有する被膜であるが、鋼との密着性が低いこと、広い面積の基材に容易に膜を形成することが困難であること等、実用的な面で問題がある。
また、従来技術２のものは、耐摩耗性には優れているがどちらかといえば高摩擦を目的としたものであるため低摩擦の必要とされる摺動面には適さないものである。
さらに、従来技術３のものは、低摩擦で保油性がよく耐焼付性及び耐摩耗性に優れた摺動部品を得ることを目的とするものであるが、基材や硬質薄膜が硬いために相手材料が柔らかいと摩耗させてしまうこと、またその逆に相手材料が十分に硬いと硬質薄膜が摩耗し、一旦摩耗してしまうとマイクロディンプルが消失し、初期の性能を維持出来ない等の問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、その表面が摩耗した場合でも凹凸面を維持することのできる摺動用構造部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は次のような手段により解決される。
（１）基材の表面に形成された不規則な凹凸上に、異種材料の膜が交互に積層された多層膜を設けてなることを特徴とする摺動用構造部材。
（２）上記不規則な凹凸及び多層膜の一部が表面より研磨されて、平坦な表面となっていることを特徴とする（１）に記載の摺動用構造部材。
（３）上記基材は、樹脂、セラミックス又は金属材料からなることを特徴とする（１）又は（２）に記載の摺動用構造部材。
（４）上記多層膜は、金属材料又は無機材料からなることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の摺動用構造部材。
（５）上記多層膜のうち少なくとも１つの膜は、低摩擦材料からなることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の摺動用構造部材。
（６）表面に不規則な凹凸を有する基材を用意する工程と、該基材上に材質の異なる一定厚さの膜を交互に積層して多層膜を形成する工程とを含む摺動用構造部材の製造方法。
（７）上記不規則な凹凸及び多層膜の一部を表面より研磨する工程をさらに含むことを特徴とする（６）に記載の摺動用構造部材の製造方法。
（８）上記表面に不規則な凹凸を有する基材は、機械加工、化学的又は物理的なエッチング加工により形成されることを特徴とする（６）又は（７）に記載の摺動用構造部材の製造方法。
（９）上記多層膜は、真空蒸着法、メッキ法、ディップ法、スピンコーティング法又はスプレーコーティング法により形成することを特徴とする（６）ないし（８）のいずれかに記載の摺動用構造部材の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の摺動用構造部材によれば、基材の表面に形成された不規則な凹凸上に異種材料の膜が交互に積層されてなる多層膜を設けておくだけで、摺動用構造部材の使用によって自然発生的に新たなナノパターン溝が次々と形成されるので、たとえ、多層膜一層の厚さがナノメートル程度と小さい場合であっても長時間にわたってナノパターン溝を包含する凹凸面を維持することができる。
【０００９】
また本発明の摺動用構造部材によれば、多層膜の表面を研磨することにより得られたナノパターン溝を有することにより、表面が摩耗して表面近傍のナノパターン溝が消滅しても、新たなナノパターン溝が次々と形成されるので、たとえ、多層膜一層の厚さがナノメートル程度と小さい場合であっても長時間にわたってナノパターン溝を包含する凹凸面を維持することができる。したがって、摺動用構造部材表面に流体潤滑剤を供給することにより良好な潤滑状態を保つことができる。
【００１０】
さらに本発明の摺動用構造部材によれば、多層膜のうち少なくとも１つの膜を低摩擦材料から形成することにより、流体潤滑に加えて固体潤滑の機能を備えた摩擦摺動材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る摺動用構造部材を説明する概念図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る摺動用構造部材を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の摺動用構造部材及びその製造方法について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
【００１３】
図１は、本発明の摺動用構造部材を説明する概念図である。
基材１の表面には、不規則な凹凸２が形成されている。
前記「基材」には、塊状部材、平板状部材、曲板状部材、円筒部材等、種々の形状の部材が含まれる。
基材１の材質は、鉄、銅、アルミニウム、樹脂等、目的に応じて選択される。
また、不規則な凹凸２の高さは特に限定されるものではないが、例えば、０．１〜１００μｍの範囲が望ましい。
【００１４】
不規則な凹凸２が形成された基材１の表面には、図１に示すように、１層の厚さが５ｎｍ〜１０μｍ程度の２種類以上の材質からなる膜を交互に積層して多層膜３を形成する。
膜の材質としては、金、白金、銀、銅、アルミ、ニッケル、鉛、鉄、シリコン、セラミックス、ダイアモンドライクカーボン、樹脂等の材料から、目的に応じて選択される。
【００１５】
摺動用構造部材が軸受等の低摩擦摺動部材として用いられる場合は、多層膜３を構成する膜の少なくとも１つを低摩擦材料で形成するのがよい。
膜の形成は、例えば、公知のＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の他、メッキ法、ディップ法、スピンコーティング法、又はスプレーコーティング法を用いて行うことができる。形成された多層膜３は、基材１上に形成された不規則な凹凸２に倣って積層された状態となる。
【００１６】
このように、多層膜３の形成された構造部材を自動車エンジン等の摺動部に用いると、部材同士の摺動により、硬い膜に比べて軟らかい膜がより多く除去され、自然発生的に摺動部にナノメートルからマイクロメートルスケールのナノパターン溝を有する表面が得られる。
【００１７】
一方、多層膜３の形成された表面を公知の研磨手段を用いて、図２（ａ）に示すように高い部分を削りとるように平面状に研磨する。すると、多層膜３を構成する膜材料の硬さの相違によって、硬い膜に比べて軟らかい膜がより多く除去され、図２（ｂ）に示すように広い範囲に亘って、ナノメートルからマイクロメートルスケールのナノパターン溝を有する表面が得られる。
図２（ｂ）において、ハッチング部が硬い材料の膜で、白抜き部が軟らかい材料の膜を示している。
【００１８】
このようにして得られた本発明の摺動用構造部材は、表面が摩耗して表面近傍の凹凸が消滅しても、部材同士の摺動により新たな凹凸が次々と形成されるので、たとえ、多層膜一層の厚さがナノメートル程度と小さい場合であっても長時間にわたってナノパターン溝を包含する凹凸面を維持することができる。したがって、摺動用構造部材表面に流体潤滑剤を供給することにより良好な潤滑状態を保つことができる。
また、多層膜のうち少なくとも１つを低摩擦材料から形成することにより、流体潤滑に加えて固体潤滑の機能を備えた摺動用構造部材を得ることができる。
【符号の説明】
【００１９】
１ 基材
２ 不規則な凹凸
３ 多層膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に形成された不規則な凹凸上に、異種材料の膜が交互に積層された多層膜を設けてなることを特徴とする摺動用構造部材。
【請求項２】
上記不規則な凹凸及び多層膜の一部が表面より研磨されて、平坦な表面となっていることを特徴とする請求項１に記載の摺動用構造部材。
【請求項３】
上記基材は、樹脂、セラミックス又は金属材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動用構造部材。
【請求項４】
上記多層膜は、金属材料又は無機材料からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺動用構造部材。
【請求項５】
上記多層膜のうち少なくとも１つの膜は、低摩擦材料からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の摺動用構造部材。
【請求項６】
表面に不規則な凹凸を有する基材を用意する工程と、該基材上に材質の異なる一定厚さの膜を交互に積層して多層膜を形成する工程とを含む摺動用構造部材の製造方法。
【請求項７】
上記不規則な凹凸及び多層膜の一部を表面より研磨する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の摺動用構造部材の製造方法。
【請求項８】
上記表面に不規則な凹凸を有する基材は、機械加工、化学的又は物理的なエッチング加工により形成されることを特徴とする請求項６又は７に記載の摺動用構造部材の製造方法。
【請求項９】
上記多層膜は、真空蒸着法、メッキ法、ディップ法、スピンコーティング法又はスプレーコーティング法により形成することを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の摺動用構造部材の製造方法。
【請求項１】
基材の表面に形成された不規則な凹凸上に、異種材料の膜が交互に積層された多層膜を設けてなることを特徴とする摺動用構造部材。
【請求項２】
上記不規則な凹凸及び多層膜の一部が表面より研磨されて、平坦な表面となっていることを特徴とする請求項１に記載の摺動用構造部材。
【請求項３】
上記基材は、樹脂、セラミックス又は金属材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動用構造部材。
【請求項４】
上記多層膜は、金属材料又は無機材料からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の摺動用構造部材。
【請求項５】
上記多層膜のうち少なくとも１つの膜は、低摩擦材料からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の摺動用構造部材。
【請求項６】
表面に不規則な凹凸を有する基材を用意する工程と、該基材上に材質の異なる一定厚さの膜を交互に積層して多層膜を形成する工程とを含む摺動用構造部材の製造方法。
【請求項７】
上記不規則な凹凸及び多層膜の一部を表面より研磨する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の摺動用構造部材の製造方法。
【請求項８】
上記表面に不規則な凹凸を有する基材は、機械加工、化学的又は物理的なエッチング加工により形成されることを特徴とする請求項６又は７に記載の摺動用構造部材の製造方法。
【請求項９】
上記多層膜は、真空蒸着法、メッキ法、ディップ法、スピンコーティング法又はスプレーコーティング法により形成することを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の摺動用構造部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−２８６０３８（Ｐ２０１０−２８６０３８Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３９７６１（Ｐ２００９−１３９７６１）
【出願日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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