摺動部材、その製造方法、及び摺動方法
【課題】窒化炭素被膜の初期摩擦係数の低減を含む初期馴染み性を向上させることができる摺動部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】基材Ｗの表面に、窒化炭素被膜ＣＮを成膜する工程と、前記窒化炭素被膜ＣＮの表面に紫外線を照射する工程と、を含み、紫外線を照射することにより、表面層は、紫外線照射を行っていない窒化炭素のその他部分に比べて、グラファイト構造をより多く含んでいるので、摺動部材の初期馴染み性を向上させることができる。また、表面層のみをグラファイト化するので、窒化炭素被膜ＣＮそのものの強度は確保される。
【解決手段】基材Ｗの表面に、窒化炭素被膜ＣＮを成膜する工程と、前記窒化炭素被膜ＣＮの表面に紫外線を照射する工程と、を含み、紫外線を照射することにより、表面層は、紫外線照射を行っていない窒化炭素のその他部分に比べて、グラファイト構造をより多く含んでいるので、摺動部材の初期馴染み性を向上させることができる。また、表面層のみをグラファイト化するので、窒化炭素被膜ＣＮそのものの強度は確保される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面に硬質炭素被膜が形成された摺動部材、その製造方法、及び摺動方法に係り、特に、特に、初期馴染み性に優れた摺動部材、その製造方法、及び摺動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車産業などの我が国の基幹産業において、トライボロジーは重要な役割を担っている。例えば、自動車産業においては、現在、地球環境保全のため、自動車からの排出される二酸化炭素の削減を目指してさまざまな取り組みが行われており、その一例としてハイブリットシステムなどのエネルギー効率の良い動力源の開発が良く知られている。しかし更なる低燃費を目指すためには、動力源の開発だけでなくエンジン内部および駆動系における摩擦によるエネルギーの伝達ロスの低減が重要な課題となる。
【０００３】
このような課題を鑑みて、動力系機器における摺動部材の摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、構造用鋼あるいは高合金鋼からなる摺動部材の摺動面に被覆する新たなトライボロジー材料としての非晶質炭素材料（ＤＬＣ）や、窒化炭素被膜(ＣＮｘ）が注目されている。
【０００４】
例えば、摺動面に窒化炭素被膜（ＣＮｘ）を形成した第一の摺動部材と、第一の摺動部材の表面に、非晶質炭素被膜を形成した第二の摺動部材と、を備えた組合せ摺動部材（例えば、特許文献１参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１００１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の摺動部材を用いた場合であっても、大気中及び潤滑油中において、これらの摺動部材の初期馴染み性が必ずしも良いものとは言えなかった。すなわち、これらの摺動部材を相手材と摺動させた場合には、摺動させる初期の段階において、表面のうねりや摺動面の粗さの影響により、摩擦係数が高くなる傾向にあった。この結果として、摺動部材の摺動面（窒化炭素被膜の表面）の損傷も大きくなるため、さらなる摩擦係数の上昇、これに伴う摩耗量の増加が懸念される場合がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、窒化炭素被膜が形成された摺動部材において、該窒化炭素被膜の初期馴染み性を向上させることができる摺動部材、その製造方法、及び摺動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を鑑み、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、窒化炭素被膜の表面のグラファイト構造を増やすことにより、初期馴染み性が向上すると考え、この考えに基づいて、窒化炭素材料に紫外線を照射することにより、この材料のグラファイト化が発現するとの新たな知見を得た。
【０００９】
より詳細には、水素元素を含む窒化炭素被膜を構成する窒化炭素材料は、一般的に、ｓｐ3結合に対応するダイヤモンド構造、ｓｐ2結合に対応するグラファイト構造、及びこれらの結合及びアモルファス構造からなるが、発明者らの実験によれば、窒化炭素被膜に水素元素を含む場合には、特に、紫外線の照射エネルギーにより、窒素と炭素の結合が分断され、窒化炭素被膜の表面層がグラファイト構造に変質し易いとの新たな知見を得た。
【００１０】
本発明は、発明者らの前記新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動部材の製造方法は、基材の表面に、窒化炭素被膜を成膜する工程と、前記窒化炭素被膜の表面に紫外線を照射する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、基材の表面に形成（成膜）された窒化炭素被膜の表面に、紫外線を照射することにより、その窒化炭素被膜の表面層がグラファイト化する。これにより、この表面層は、紫外線照射を行っていない窒化炭素のその他部分に比べて、グラファイト構造をより多く含んでいるので、摺動部材の初期馴染み性を向上させることができる。また、表面層のみをグラファイト化するので、窒化炭素被膜そのものの強度は確保される。
【００１２】
このような窒化炭素被膜が形成された摺動部材の、窒化炭素被膜のうち紫外線の照射された表面層が、この紫外線によりグラファイト化した層となる。ここでいう「グラファイト化」とは、窒化炭素材料のアモルファス構造等の少なくとも一部が、グラファイト構造に変化する現象をいう。また、「紫外線によりグラファイト化した層」とは、窒化炭素被膜に紫外線を照射して、グラファイトに一部が変質した層である。
【００１３】
なお、紫外線を照射することにより、紫外線のエネルギーにより窒化炭素材料がグラファイト化することができるのであれば、その紫外線の波長、強度、照射時間等は特に限定されるものでないが、発明者らの実験によれば、照射される紫外線の強度、照射時間等により、照射される紫外線の照射エネルギーが高いほど、窒化炭素被膜に含有するグラファイトが増加することがわかっており、これらの条件を適宜選定することにより、摺動特性、被膜の厚さ、被膜の密着性等を変化させることができる。
【００１４】
本発明に係る摺動部材の製造方法において、前記照射する紫外線の波長を３６５ｎｍ以下の波長とした紫外線を照射することがより好ましい。
【００１５】
本発明に係る摺動部材の製造方法において、窒化炭素被膜の表面に照射する紫外線の波長は３６５ｎｍ以下の波長の紫外線を窒化炭素被膜の表面に照射することにより、グラファイト化をより好適に発現することができ、照射された紫外線の波長が３６５ｎｍ以下で成膜された被膜により、好適に摺動部材の初期摩擦係数を低下させ、これにより初期摩耗を低減することができる。すなわち、３６５ｎｍを超えた場合には、可視光に近づくので、窒化炭素被膜のグラファイト化し難くなる。また、より好ましくは、紫外線の波長は、２５４ｎｍ以上であり、これよりも短い場合には、ＣＮ結合だけでなく、ＣＣ結合も切れてしまい、窒化炭素被膜の強度が低下することになる。
【００１６】
また、発明者らの後述する実験によれば、窒化炭素材料の窒素を含むことで、窒化炭素被膜がグラファイト化することがわかっており、本発明に係る摺動部材の製造方法において、前記窒化炭素被膜に含有する窒素含有量が、９原子％（ａｔ％）以上１９原子％未満となるように、前記窒化炭素被膜を成膜することがより好ましい。
【００１７】
本発明によれば、このような範囲の水素含有量を含む窒化炭素被膜を基材表面に成膜することにより、被膜強度を確保すると共に、窒化炭素被膜のグラファイト化をより好適に発現することができる。
【００１８】
また、本発明に係る摺動方法は、基材の摺動面に、窒化炭素被膜が形成された摺動部材の摺動方法であって、前記窒化炭素被膜の表面に紫外線を照射しながら、前記摺動部材を摺動させることを特徴とする。本発明によれば、このような摺動方法を行うことにより、摺動時に、窒化炭素被膜の表面層のグラファイト化を随時発現させることができる。また、より好ましくは、前記照射された紫外線の波長は、３６５ｎｍ以下の波長であり、前記窒化炭素被膜に含有される窒素含有量が、９原子％以上１９原子％未満である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、基材表面に形成された窒化炭素被膜の初期馴染み性を含む摺動特性を、容易に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態の摺動部材を製造（被膜を成膜）するための模式的な装置構成図であり、（ａ）は、成膜工程を説明するための図であり、（ｂ）は、紫外線照射工程を説明するための図。
【図２】ボールオンディスク摩擦試験機を説明するための図。
【図３】実施例１〜３、比較例１の窒素ガス中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図４】実施例１〜３、比較例１の窒素ガス中の紫外線照射時間と摺動サイクル数（摩擦繰り返し数）との関係を示した図。
【図５】実施例４〜６、比較例２の窒素ガス中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図６】実施例７〜９、比較例３の窒素ガス中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図７】実施例１０〜１２、比較例６のＰＡＯ油中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図８】実施例１３〜１５、比較例７のＰＡＯ油中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図９】比較例８−１〜８−４のＰＡＯ油中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図１０】比較例９−１〜９−４のＰＡＯ油中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図１１】確認試験における、窒素含有量と摩擦係数の平均値からの時間経過後の摩擦係数減少率の結果を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の本発明の摺動部材、その製造方法、及び摺動方法を実施形態について説明する。図１は、本実施形態の摺動部材を製造（基材に被膜を成膜）するための模式的な装置構成図であり、（ａ）は、成膜工程を説明するための図であり、（ｂ）は、紫外線照射工程を説明するための図である。
【００２２】
本実施形態に係る摺動部材の製造方法は、基材の表面に窒化炭素被膜を成膜する工程と、この成膜された窒化炭素被膜の表面に、紫外線を照射する工程の２つの工程を少なくとも含むものである。
【００２３】
まず、摺動部材の基材Ｗを準備する。この基材Ｗの材質としては、摺動時において窒化炭素被膜との密着性を確保することができるような材質および表面硬さを有する材料であれば、特に限定されるものではなく、例えば、鋼、鋳鉄、アルミニウム、高分子樹脂等の基材などを挙げることができる。
【００２４】
そして、基材Ｗを、成膜装置（イオンビームミキシング装置）１００内に配置する。図１に示すような成膜装置１００を用いて、イオンビームミキシング法により、カーボンにイオンビーム蒸着、あるいは電子ビーム蒸着と、アシスト窒素イオンを同時に照射することにより、基材Ｗの表面に窒化炭素被膜を成膜する（成膜工程）。具体的には、図１（ａ）に示すように、真空チャンバ５０内の圧力を減圧とし、その後窒素ガスを導入する。そして、アルゴンイオン源５１からアルゴンイオンｇａをカーボンターゲットＴに照射し、カーボンターゲットＴをカーボンスパッター粒子Cにすると同時に、窒素イオン源５２から所定の加速エネルギーで窒素イオンｇｎを基材Wに向けて照射して、成膜を行う。尚、この成膜時には、基材Wを回転させ、成膜時間を所定の時間設定し、非晶質の窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）ＣＮを成膜する。
【００２５】
ここで、窒化炭素被膜を摺動部材の基材表面に成膜するにあたっては、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどを利用した物理気相成長法（ＰＶＤ）により成膜してもよく、プラズマ処理などを利用した化学気相成長法（ＣＶＤ）により成膜してもよく、これらの方法を組み合わせた方法により成膜してもよく、窒化炭素被膜に、窒素原子を含むことができるものであれば、特に成膜方法は限定されるものではない。
【００２６】
また、このような成膜時において窒化炭素被膜中に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂなどの添加元素を含有させてもよく、このような元素を添加することにより、被膜の表面硬さを調整してもよい。
【００２７】
また、成膜時に、前記窒化炭素被膜に含有される窒素含有量が、９原子％以上１９原子％未満となるように、前記窒化炭素被膜を成膜することがより好ましい。窒素含有量は、チャンバに導入する窒素ガスの量や、窒素イオン源の加速エネルギーを変更することにより調整することができる。
【００２８】
次に、図１（ｂ）に示すように、成膜された窒化炭素被膜ＣＮの表面に、紫外線照射装置６０からの紫外線ＵＶを照射することにより、窒化炭素被膜ＣＮの表面層をグラファイト化する。これにより、摺動部材の摺動面となる窒化炭素被膜の表面の初期馴染み性を向上させることができる。すなわち、摺動部材の初期摩擦係数を低くすることができ、これにより初期摩耗も低減することができる。また、表面層のみをグラファイト化するので、窒化炭素被膜そのものの強度は確保される。
【００２９】
ここで、紫外線照射装置６０は、一般的に紫外線の波長は、１０〜４００ｎｍの範囲にあり、このような波長の紫外線は、低圧水銀ランプ（波長：１８５，２５４ｎｍ）、高圧水銀ランプ（波長：３０２，３６５，４３６，５４６，５７７ｎｍ）、あるいは、エキシマレーザー（波長ＡｒＦ：１９３ｎｍ，ＫｒＦ：２４９ｎｍ，ＸｅＣｌ：３０８ｎｍ）などにより発生させることができる。本実施形態では、この範囲の波長のうち、３６５ｎｍ以下の波長の紫外線を照射することがより好ましい。また、波長の紫外線を発生させることができるのであれば、紫外線発生装置は、特に限定されるものではない。
【００３０】
このような波長の紫外線を窒化炭素被膜の表面に照射することにより、その被膜の表面層のグラファイト化をより好適に発現することができ、摺動部材の初期摩擦係数の低減を図ることができる。特に、前述した範囲の水素含有量の窒化炭素被膜を基材の表面に形成することにより、被膜強度を確保すると共に、窒化炭素被膜の表面層のグラファイト化をより好適に発現することができる。
【００３１】
このようにして得られた摺動部材は、基材の表面に、窒化炭素被膜が形成された摺動部材であって、この窒化炭素被膜は、紫外線の照射によりグラファイト化した表面層を含むことになる。
【００３２】
なお、この基材Ｗの表面には、窒化炭素被膜Ｗを成膜前に、基材と窒化炭素被膜との密着力を高めるために、ケイ素（Ｓｉ）からなる中間層を設けてもよく、さらにケイ素の代わりに、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）またはタングステン（Ｗ）を用いてもよい。
【００３３】
また、摺動時においては、基材の摺動面に、窒化炭素被膜が形成された摺動部材の摺動方法であって、窒化炭素被膜の表面に紫外線を照射しながら、この摺動部材を摺動させてもよい。
【実施例】
【００３４】
以下に、本発明を実施例により説明する。
（実施例１）
＜ディスク試験片（摺動部材）の製作＞
本発明に係る摺動部材として、以下に示すディスク試験片を製作した。具体的には、窒化炭素被膜を成膜する基材として、直径５０ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、円部表面（摺動面）が鏡面状態（１００面方位）となる、ディスク形状のシリコンウェハを準備した。そして、イオンビームミキシング法により、この基材の表面に窒素含有量が９原子％の０．１μｍの窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）を成膜した。
【００３５】
成膜にあたっては、シリコンウェハの円部表面が支持台上に配置された純度９９．９９９９％のカーボンターゲットと対向するように、真空チャンバ内のホルダにシリコンウェハを取り付けた。その後、真空チャンバ内の圧力を、ポンプで、２．０×１０−４Ｐａ以下に減圧調整し、窒素イオンを５分間シリコンウェハに向けて照射して、スパッタクリーニングした。その後、チャンバ内の圧力を、１．４×１０−２Ｐａに調整し、アルゴンイオン源（１ｋＶ，１００ｍＡ）から４．０ＳＣＣＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）の流量でアルゴンイオンをターゲットに照射して、カーボンターゲットをカーボンスパッター粒子にすると同時に、窒素イオン源から加速電圧０．５ＫＶ、電流密度３０μＡ／ｃｍ２、２．０ＳＣＣＭの流量で窒素イオンをシリコンウェハに向けて照射して、シリコンウェハを４ｒｐｍに回転させ、シリコンウェハの円部表面に厚さ０．１μｍの非晶質の窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）を成膜した。なお、本実施例及び以下の例では、窒素含有量を、ＸＰＳ（Ｘ線電子分光分析装置）で測定し、確認をしている。
【００３６】
次に、紫外線発生用光源として、バイリンク（コスモ・バイオ社製、ＢＬＸ−３１２）を用いて、紫外線の波長２５４ｎｍにスペクトルのピークを持つ放電管（ＣＳＴ−８Ｃ）を使用して、基材の表面に成膜された窒化炭素被膜に波長２５４ｎｍの紫外線を３０，６０，１２０分間照射し、ディスク試験片を製作した。なお、最大ＵＶ照射エネルギーは０〜９９．９９ジュールであり、照射範囲は２６０ｍｍ×３００ｍｍである。また、ランプハウス内の雰囲気は大気で、ランプから被膜表面までの距離は１６０ｍｍである。
【００３７】
＜摩擦試験＞
以下の手順で摩擦試験を行った。まず、直径８ｍｍ、以下の表１に示す窒化珪素球を準備した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
図２に示すボールオンディスク摩擦試験機を用いた。摩耗試験を行う事前準備として、ボール試験片Ｂをアセトンとエタノールで各１０分間超音波洗浄した。その後、ボール試験片Ｂを試験機の本体から取り外したボールホルダー３５に固定し、光学顕微鏡（図示せず）を用いてこの表面に傷が無いことを確認後、これらをデシケータ（図示せず）内に投入し、ボール試験片Ｂを乾燥させた。一方、ディスク試験片Ｄの表面に形成した窒化炭素被膜の表面（摺動面）の埃などの異物をハンドブロー（図示せず）で取り除いた。
【００４０】
次に、ディスク試験片Ｄをディスクホルダー４４に保持させると共に、ボール試験片Ｂが固定されたボールホルダー３５をステージ３１と一体となるように試験機の本体に取り付けた。平行板ばね３２に接着したひずみゲージ３３（協和電業製，ＫＦ−１−１２０−Ｃ１−１６）を用いて、ボール試験片Ｂがディスク試験片Ｄの窒化炭素被膜の表面に対して付加される荷重の値が０．１Ｎの荷重が付加されるようにステージ３１を調整して、これらを当接させた。なお、ボール試験片Ｂとディスク試験片Ｄの接触位置は、この３軸ステージ３１によって決定され、垂直荷重は、ｚ軸を上下させることにより調整した。
【００４１】
そして、乾式下（乾燥摩擦条件下）で窒素ガス中（図に示す条件）において、モータ４１を駆動してプーリ４２を回転させ、ベルト４３を介してディスクホルダー４４のディスク試験片Ｄを、ボール試験片Ｂに対して相対速度（摺動速度）が８．４×１０−２ｍ／ｓ（回転数４００ｒｐｍ）となる定速回転条件で、回転させた。
【００４２】
このときの摩擦力を、ひずみゲージ３４で測定し、センサインターフェイス（協和電業製，ＰＣＤ−３００Ａ）を介して、コンピュータ内にデータを取り込み、記録した。そして、平均摩擦係数μを換算した。この結果を図３に示す。
【００４３】
また、紫外線照射時間毎に、摩擦試験を行い、摩擦係数が０．０１以下の条件が発現する摺動回数（１回転を１サイクルとしたサイクル数）を測定した。この結果を図４に示す。
【００４４】
（実施例２及び３）
実施例１と同じようにして、ディスク試験片を製作した。実施例１と相違する点は、実施例２が、波長３２１ｎｍにスペクトルピークを持つ放電管（ＣＳＴ−８Ｂ）を用いて、波長３２１ｎｍの紫外線を、窒化炭素被膜に照射した点であり、実施例３が、波長３６５ｎｍにスペクトルピークを持つ放電管（ＣＳＴ−８Ａ）を用いて、波長３６５ｎｍの紫外線を、窒化炭素被膜に照射した点である。そして、これらに対して、実施例１と同様に一連の評価試験を行った。この結果を、図３及び４に示す。
【００４５】
（比較例１）
実施例１と同じようにして、ディスク試験片を製作した。実施例１と相違する点は、紫外線を窒化炭素被膜に照射していない点である。そして、実施例１と同様に一連の評価試験を行った。この結果を、図３及び４に示す。
【００４６】
［結果１］
図１に示すように、実施例１の２５４ｎｍ、実施例２の３１２ｎｍ、及び実施例３の３６５ｎｍの波長の紫外線を１２０分照射したものは、比較例１の照射していないものに比べて、平均摩擦係数が低かった。なお、実施例１〜３は、いずれの照射時間であっても、初期の摩擦係数は０．０２３程度であったが、サイクル数（摩擦繰返し数）とともに、摩擦係数が０．００１以下となった。
【００４７】
このような結果となったのは、実施例１、２及び３の窒化炭素被膜は、紫外線の照射により表面層に、軟質な低せん断層が形成され、この軟質な低せん断層は、比較例１よりもグラファイト構造を多く含む層である考えられる。このことから、実施例１〜３は、紫外線の照射により、窒化炭素被膜の表面層が、グラファイト構造をより多く含む層に変質した（グラファイト化した）と考えられる。
【００４８】
さらに、実施例１〜３は、図２に示すように、比較例１に比べて、０．００１まで摩擦係数が低下するサイクル数が少なく、紫外線の照射時間とともにサイクル数が少なくなる傾向にあった。
【００４９】
このことから、実施例１〜３は、窒化炭素被膜の表面層が、紫外線照射エネルギーの付与の増加に伴い、グラファイト構造をより多く含む層に変質した（グラファイト化した）ことにより、比較例１に比べて、初期馴染み性が向上したと考えられる。このように、初期馴染み性を向上させ、低摩擦係数を得るための紫外線の波長は、紫外線照射エネルギーを鑑みると３６５ｎｍ以下が好ましく、２５４〜３６５ｎｍの範囲にあることがより好ましいと考えられる。
【００５０】
（実施例４〜６）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、成膜時に紫外線を照射せず、実施例４は、紫外線の波長２５４ｎｍ、実施例５は、紫外線の波長３１２ｎｍ、実施例６は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を照射しながら摩擦試験を行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数を図５及び表２に示す。なお、摩擦試験時の紫外線は、摺動中の窒化炭素被膜の表面に向って、上方に紫外線照射装置を配置し照射した。
【００５１】
（比較例２）
実施例４と同じように摩擦試験を行った。実施例４と相違する点は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点である。この摩擦試験の平均摩擦係数を図５及び表２に示す。
【００５２】
（実施例７〜９）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素イオン源から加速電圧、電流密度、窒素イオンの流量を変化させて、窒素含有量を１２原子％となるように窒化炭素被膜を成膜した点、及び、成膜時に紫外線を照射せず、実施例７は、紫外線の波長２５４ｎｍ、実施例８は、紫外線の波長３１２ｎｍ、実施例９は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を照射しながら摩擦試験を行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数の結果を図６及び表２に示す。
【００５３】
（比較例３）
実施例７と同じように摩擦試験を行った。実施例７と相違する点は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点である。この摩擦試験の平均摩擦係数を図６及び表２に示す。
【００５４】
（比較例４−１〜４−４）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素含有量を０原子％となるように炭素被膜を成膜した点、及び、成膜時に紫外線を照射せず、比較例４−１は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点であり、比較例４−２は、紫外線の波長２５４ｎｍ、比較例４−３は、紫外線の波長３１２ｎｍ、比較例４−４は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を照射しながら摩擦試験を行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数の結果を表２に示す。
【００５５】
（比較例５−１〜５−４）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素含有量を０原子％として炭素被膜を成膜した点、及び、成膜時に紫外線を照射せず、比較例５−４は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点であり、比較例５−２は、紫外線の波長２５４ｎｍ、比較例５−３は、紫外線の波長３１２ｎｍ、比較例５−４は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を照射しながら摩擦試験を行ったである。この摩擦試験における平均摩擦係数を表２に示す。
【００５６】
【表２】
【００５７】
［結果２］
実施例４〜６は、図５及び表２に示すように、比較例２に比べて、平均摩擦係数が低くかった。また、実施例７〜９は、図６及び表２に示すように、比較例３に比べて、平均摩擦係数が低くかった。さらに、表２に示すように、比較例４−１〜４−４は、紫外線の照射の有無、及び紫外線の照射の波長にかかわらず、平均摩擦係数は、同程度であった。また、表２に示すように、比較例５−１〜５−４も、比較例４−１〜４−４と同様に、紫外線の照射の有無、及び紫外線の照射の波長にかかわらず、摩擦係数は、同程度であった。このように、実施例４〜９の平均摩擦係数は、０．０７〜０．１９の範囲であり、比較例２，３，４−１〜４−４，５−１〜５−４の平均摩擦係数は、０．１０〜０．４９の範囲にあった。
【００５８】
このことから、窒素を含有することで、紫外線を照射したときに、Ｃ−Ｎの結合が分断され、より好ましくは、紫外線の波長が、少なくとも、２５４〜３６５ｎｍ（３６５ｎｍ以下）の範囲にあれば、窒化炭素被膜の表面のグラファイト化が発現され、低摩擦係数を得ることができると考えられる。また、より好ましい窒素の含有量は、９原子％以上、１９原子％未満であると考えられる。
【００５９】
（実施例１０〜１２）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素イオン源から加速電圧、電流密度、窒素イオンの流量を変化させて、窒素含有量を９原子％となるように窒化炭素被膜を成膜した点、及び、実施例１０は、紫外線の波長２５４ｎｍ、実施例１１は、紫外線の波長３１２ｎｍ、実施例１２は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を、成膜後の窒化炭素被膜に２４０分間照射した点と、摩擦試験をポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）油中で行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数を図７に示す。
【００６０】
（比較例６）
実施例１０と同じようにして、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、紫外線を窒化炭素被膜に照射していない点である。そして、実施例１０と同様に摩擦試験を行った。この摩擦試験における平均摩擦係数の結果を、図７に示す。
【００６１】
（実施例１３〜１５）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素イオン源から加速電圧、電流密度、窒素イオンの流量を変化させて、窒素含有量を１２原子％となるように窒化炭素被膜を成膜した点、及び、実施例１３は、紫外線の波長２５４ｎｍ、実施例１４は、紫外線の波長３１２ｎｍ、実施例１５は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を、成膜後の窒化炭素被膜に２４０分間照射した点と、摩擦試験をポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）油中で行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数の結果を、を図８に示す。
【００６２】
（比較例７）
実施例１３と同じようにして、ディスク試験片を製作した。実施例１３と相違する点は、紫外線を窒化炭素被膜に照射していない点である。そして、実施例１３と同様に摩擦試験を行った。この摩擦試験における平均摩擦係数の結果を、図８に示す。
【００６３】
（比較例８−１〜８−４）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素含有量を０原子％となるように炭素被膜を成膜した点、及び、比較例８−１は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点、実施例８−２は、紫外線の波長２５４ｎｍ、実施例８−３は、紫外線の波長３１２ｎｍ、実施例８−４は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を、成膜後の窒化炭素被膜に２４０分間照射した点、摩擦試験をポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）油中で行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数を図９に示す。
【００６４】
（比較例９−１〜９−４）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素イオン源から加速電圧、電流密度、窒素イオンの流量を変化させて、窒素含有量を１９原子％となるように窒化炭素被膜を成膜した点、及び、比較例８−１は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点、比較例８−２は、紫外線の波長２５４ｎｍ、比較例８−３は、紫外線の波長３１２ｎｍ、比較例８−４は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を、成膜後の窒化炭素被膜に２４０分間照射した点と、摩擦試験をポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）油中で行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数を図１０に示す。
【００６５】
［結果３］
実施例１０〜１２は、図７に示すように、比較例６に比べて、平均摩擦係数が低くかった。また、実施例１３〜１５は、図８に示すように、比較例７に比べて、平均摩擦係数が低くかった。さらに、比較例８−１〜８−４は、紫外線の照射の有無、及び紫外線の照射の波長にかかわらず、平均摩擦係数は、同程度であった。比較例９−１〜９−４も、比較例８−１〜８−４と同様に、紫外線の照射の有無、及び紫外線の照射の波長にかかわらず、摩擦係数は、同程度であった。また、実施例１０〜１５のいずれも、初期の摩擦係数が０．０３程度であったが、その後、最終的には、０．０１７程度になり、摩擦係数が約１／２に減少した。
【００６６】
このことから、窒素を含有することで、紫外線を照射したときに、窒化炭素被膜の表面のグラファイト化が発現されるので、油浴中であっても、低摩擦係数を得ることができると考えられる。また、より好ましい窒素の含有量は、９原子％以上、１９原子％未満であると考えられる。
【００６７】
（確認試験）
実施例１と同じように、窒素イオン源から加速電圧、電流密度、窒素イオンの流量を変化させて、シリコンウェハの表面に、窒素含有量が、０原子％、９原子％、１２原子％、及び１９原子％の炭素被膜を形成した。次に、紫外線の波長を２５４〜３１２ｎｍ範囲で選定した紫外線を、照射時間を１２０〜２４０分の範囲で選定した時間で照射して、ディスク試験片を作製した。これらのものに対して、摩擦試験をポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）油中で行い、窒素含有量毎における最小となる摩擦係数と、窒素含有量毎の摩擦係数の平均値とを、摩擦係数の平均値からの摩擦係数減少率を測定した。この結果を図１１に示す。
【００６８】
［結果４］
窒素含有量が０原子％の場合は、紫外線波長２５４ｎｍ、照射時間１２０分で、最小摩擦係数０．０２４となり、窒素含有量が９原子％の場合は、紫外線波長３１２ｎｍ、照射時間１２０分で、最小摩擦係数０．０２６となり、窒素含有量が１２原子％の場合は、紫外線波長２５４ｎｍ、照射時間２４０分で、最小摩擦係数０．０１６となり、窒素含有量が１９原子％の場合は、紫外線波長３１２ｎｍ、照射時間２４０分で、最小摩擦係数０．０３４となった。
【００６９】
そして、図１１からも明らかなように、窒素の含有量は、９原子％以上、１９原子％未満の範囲では、大気中であっても、油浴中であっても、摩擦係数の低減をすることができる。
【００７０】
以上、本発明の実施の形態を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７１】
３１…ステージ，３２…平行板ばね，３３…ひずみゲージ，３５…ボールホルダー，４１…モータ，４２…プーリ，４３…ベルト，４４…ディスクホルダー，ＣＮ：窒化炭素被膜、Ｂ…ボール試験片，Ｄ…ディスク試験片、Ｗ：基材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面に硬質炭素被膜が形成された摺動部材、その製造方法、及び摺動方法に係り、特に、特に、初期馴染み性に優れた摺動部材、その製造方法、及び摺動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車産業などの我が国の基幹産業において、トライボロジーは重要な役割を担っている。例えば、自動車産業においては、現在、地球環境保全のため、自動車からの排出される二酸化炭素の削減を目指してさまざまな取り組みが行われており、その一例としてハイブリットシステムなどのエネルギー効率の良い動力源の開発が良く知られている。しかし更なる低燃費を目指すためには、動力源の開発だけでなくエンジン内部および駆動系における摩擦によるエネルギーの伝達ロスの低減が重要な課題となる。
【０００３】
このような課題を鑑みて、動力系機器における摺動部材の摩擦係数の低減化、耐摩耗性の向上を図るべく、構造用鋼あるいは高合金鋼からなる摺動部材の摺動面に被覆する新たなトライボロジー材料としての非晶質炭素材料（ＤＬＣ）や、窒化炭素被膜(ＣＮｘ）が注目されている。
【０００４】
例えば、摺動面に窒化炭素被膜（ＣＮｘ）を形成した第一の摺動部材と、第一の摺動部材の表面に、非晶質炭素被膜を形成した第二の摺動部材と、を備えた組合せ摺動部材（例えば、特許文献１参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１００１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の摺動部材を用いた場合であっても、大気中及び潤滑油中において、これらの摺動部材の初期馴染み性が必ずしも良いものとは言えなかった。すなわち、これらの摺動部材を相手材と摺動させた場合には、摺動させる初期の段階において、表面のうねりや摺動面の粗さの影響により、摩擦係数が高くなる傾向にあった。この結果として、摺動部材の摺動面（窒化炭素被膜の表面）の損傷も大きくなるため、さらなる摩擦係数の上昇、これに伴う摩耗量の増加が懸念される場合がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、窒化炭素被膜が形成された摺動部材において、該窒化炭素被膜の初期馴染み性を向上させることができる摺動部材、その製造方法、及び摺動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を鑑み、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、窒化炭素被膜の表面のグラファイト構造を増やすことにより、初期馴染み性が向上すると考え、この考えに基づいて、窒化炭素材料に紫外線を照射することにより、この材料のグラファイト化が発現するとの新たな知見を得た。
【０００９】
より詳細には、水素元素を含む窒化炭素被膜を構成する窒化炭素材料は、一般的に、ｓｐ3結合に対応するダイヤモンド構造、ｓｐ2結合に対応するグラファイト構造、及びこれらの結合及びアモルファス構造からなるが、発明者らの実験によれば、窒化炭素被膜に水素元素を含む場合には、特に、紫外線の照射エネルギーにより、窒素と炭素の結合が分断され、窒化炭素被膜の表面層がグラファイト構造に変質し易いとの新たな知見を得た。
【００１０】
本発明は、発明者らの前記新たな知見に基づくものであり、本発明に係る摺動部材の製造方法は、基材の表面に、窒化炭素被膜を成膜する工程と、前記窒化炭素被膜の表面に紫外線を照射する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、基材の表面に形成（成膜）された窒化炭素被膜の表面に、紫外線を照射することにより、その窒化炭素被膜の表面層がグラファイト化する。これにより、この表面層は、紫外線照射を行っていない窒化炭素のその他部分に比べて、グラファイト構造をより多く含んでいるので、摺動部材の初期馴染み性を向上させることができる。また、表面層のみをグラファイト化するので、窒化炭素被膜そのものの強度は確保される。
【００１２】
このような窒化炭素被膜が形成された摺動部材の、窒化炭素被膜のうち紫外線の照射された表面層が、この紫外線によりグラファイト化した層となる。ここでいう「グラファイト化」とは、窒化炭素材料のアモルファス構造等の少なくとも一部が、グラファイト構造に変化する現象をいう。また、「紫外線によりグラファイト化した層」とは、窒化炭素被膜に紫外線を照射して、グラファイトに一部が変質した層である。
【００１３】
なお、紫外線を照射することにより、紫外線のエネルギーにより窒化炭素材料がグラファイト化することができるのであれば、その紫外線の波長、強度、照射時間等は特に限定されるものでないが、発明者らの実験によれば、照射される紫外線の強度、照射時間等により、照射される紫外線の照射エネルギーが高いほど、窒化炭素被膜に含有するグラファイトが増加することがわかっており、これらの条件を適宜選定することにより、摺動特性、被膜の厚さ、被膜の密着性等を変化させることができる。
【００１４】
本発明に係る摺動部材の製造方法において、前記照射する紫外線の波長を３６５ｎｍ以下の波長とした紫外線を照射することがより好ましい。
【００１５】
本発明に係る摺動部材の製造方法において、窒化炭素被膜の表面に照射する紫外線の波長は３６５ｎｍ以下の波長の紫外線を窒化炭素被膜の表面に照射することにより、グラファイト化をより好適に発現することができ、照射された紫外線の波長が３６５ｎｍ以下で成膜された被膜により、好適に摺動部材の初期摩擦係数を低下させ、これにより初期摩耗を低減することができる。すなわち、３６５ｎｍを超えた場合には、可視光に近づくので、窒化炭素被膜のグラファイト化し難くなる。また、より好ましくは、紫外線の波長は、２５４ｎｍ以上であり、これよりも短い場合には、ＣＮ結合だけでなく、ＣＣ結合も切れてしまい、窒化炭素被膜の強度が低下することになる。
【００１６】
また、発明者らの後述する実験によれば、窒化炭素材料の窒素を含むことで、窒化炭素被膜がグラファイト化することがわかっており、本発明に係る摺動部材の製造方法において、前記窒化炭素被膜に含有する窒素含有量が、９原子％（ａｔ％）以上１９原子％未満となるように、前記窒化炭素被膜を成膜することがより好ましい。
【００１７】
本発明によれば、このような範囲の水素含有量を含む窒化炭素被膜を基材表面に成膜することにより、被膜強度を確保すると共に、窒化炭素被膜のグラファイト化をより好適に発現することができる。
【００１８】
また、本発明に係る摺動方法は、基材の摺動面に、窒化炭素被膜が形成された摺動部材の摺動方法であって、前記窒化炭素被膜の表面に紫外線を照射しながら、前記摺動部材を摺動させることを特徴とする。本発明によれば、このような摺動方法を行うことにより、摺動時に、窒化炭素被膜の表面層のグラファイト化を随時発現させることができる。また、より好ましくは、前記照射された紫外線の波長は、３６５ｎｍ以下の波長であり、前記窒化炭素被膜に含有される窒素含有量が、９原子％以上１９原子％未満である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、基材表面に形成された窒化炭素被膜の初期馴染み性を含む摺動特性を、容易に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態の摺動部材を製造（被膜を成膜）するための模式的な装置構成図であり、（ａ）は、成膜工程を説明するための図であり、（ｂ）は、紫外線照射工程を説明するための図。
【図２】ボールオンディスク摩擦試験機を説明するための図。
【図３】実施例１〜３、比較例１の窒素ガス中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図４】実施例１〜３、比較例１の窒素ガス中の紫外線照射時間と摺動サイクル数（摩擦繰り返し数）との関係を示した図。
【図５】実施例４〜６、比較例２の窒素ガス中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図６】実施例７〜９、比較例３の窒素ガス中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図７】実施例１０〜１２、比較例６のＰＡＯ油中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図８】実施例１３〜１５、比較例７のＰＡＯ油中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図９】比較例８−１〜８−４のＰＡＯ油中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図１０】比較例９−１〜９−４のＰＡＯ油中の摩擦試験における平均摩擦係数を示した図。
【図１１】確認試験における、窒素含有量と摩擦係数の平均値からの時間経過後の摩擦係数減少率の結果を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の本発明の摺動部材、その製造方法、及び摺動方法を実施形態について説明する。図１は、本実施形態の摺動部材を製造（基材に被膜を成膜）するための模式的な装置構成図であり、（ａ）は、成膜工程を説明するための図であり、（ｂ）は、紫外線照射工程を説明するための図である。
【００２２】
本実施形態に係る摺動部材の製造方法は、基材の表面に窒化炭素被膜を成膜する工程と、この成膜された窒化炭素被膜の表面に、紫外線を照射する工程の２つの工程を少なくとも含むものである。
【００２３】
まず、摺動部材の基材Ｗを準備する。この基材Ｗの材質としては、摺動時において窒化炭素被膜との密着性を確保することができるような材質および表面硬さを有する材料であれば、特に限定されるものではなく、例えば、鋼、鋳鉄、アルミニウム、高分子樹脂等の基材などを挙げることができる。
【００２４】
そして、基材Ｗを、成膜装置（イオンビームミキシング装置）１００内に配置する。図１に示すような成膜装置１００を用いて、イオンビームミキシング法により、カーボンにイオンビーム蒸着、あるいは電子ビーム蒸着と、アシスト窒素イオンを同時に照射することにより、基材Ｗの表面に窒化炭素被膜を成膜する（成膜工程）。具体的には、図１（ａ）に示すように、真空チャンバ５０内の圧力を減圧とし、その後窒素ガスを導入する。そして、アルゴンイオン源５１からアルゴンイオンｇａをカーボンターゲットＴに照射し、カーボンターゲットＴをカーボンスパッター粒子Cにすると同時に、窒素イオン源５２から所定の加速エネルギーで窒素イオンｇｎを基材Wに向けて照射して、成膜を行う。尚、この成膜時には、基材Wを回転させ、成膜時間を所定の時間設定し、非晶質の窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）ＣＮを成膜する。
【００２５】
ここで、窒化炭素被膜を摺動部材の基材表面に成膜するにあたっては、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどを利用した物理気相成長法（ＰＶＤ）により成膜してもよく、プラズマ処理などを利用した化学気相成長法（ＣＶＤ）により成膜してもよく、これらの方法を組み合わせた方法により成膜してもよく、窒化炭素被膜に、窒素原子を含むことができるものであれば、特に成膜方法は限定されるものではない。
【００２６】
また、このような成膜時において窒化炭素被膜中に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂなどの添加元素を含有させてもよく、このような元素を添加することにより、被膜の表面硬さを調整してもよい。
【００２７】
また、成膜時に、前記窒化炭素被膜に含有される窒素含有量が、９原子％以上１９原子％未満となるように、前記窒化炭素被膜を成膜することがより好ましい。窒素含有量は、チャンバに導入する窒素ガスの量や、窒素イオン源の加速エネルギーを変更することにより調整することができる。
【００２８】
次に、図１（ｂ）に示すように、成膜された窒化炭素被膜ＣＮの表面に、紫外線照射装置６０からの紫外線ＵＶを照射することにより、窒化炭素被膜ＣＮの表面層をグラファイト化する。これにより、摺動部材の摺動面となる窒化炭素被膜の表面の初期馴染み性を向上させることができる。すなわち、摺動部材の初期摩擦係数を低くすることができ、これにより初期摩耗も低減することができる。また、表面層のみをグラファイト化するので、窒化炭素被膜そのものの強度は確保される。
【００２９】
ここで、紫外線照射装置６０は、一般的に紫外線の波長は、１０〜４００ｎｍの範囲にあり、このような波長の紫外線は、低圧水銀ランプ（波長：１８５，２５４ｎｍ）、高圧水銀ランプ（波長：３０２，３６５，４３６，５４６，５７７ｎｍ）、あるいは、エキシマレーザー（波長ＡｒＦ：１９３ｎｍ，ＫｒＦ：２４９ｎｍ，ＸｅＣｌ：３０８ｎｍ）などにより発生させることができる。本実施形態では、この範囲の波長のうち、３６５ｎｍ以下の波長の紫外線を照射することがより好ましい。また、波長の紫外線を発生させることができるのであれば、紫外線発生装置は、特に限定されるものではない。
【００３０】
このような波長の紫外線を窒化炭素被膜の表面に照射することにより、その被膜の表面層のグラファイト化をより好適に発現することができ、摺動部材の初期摩擦係数の低減を図ることができる。特に、前述した範囲の水素含有量の窒化炭素被膜を基材の表面に形成することにより、被膜強度を確保すると共に、窒化炭素被膜の表面層のグラファイト化をより好適に発現することができる。
【００３１】
このようにして得られた摺動部材は、基材の表面に、窒化炭素被膜が形成された摺動部材であって、この窒化炭素被膜は、紫外線の照射によりグラファイト化した表面層を含むことになる。
【００３２】
なお、この基材Ｗの表面には、窒化炭素被膜Ｗを成膜前に、基材と窒化炭素被膜との密着力を高めるために、ケイ素（Ｓｉ）からなる中間層を設けてもよく、さらにケイ素の代わりに、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）またはタングステン（Ｗ）を用いてもよい。
【００３３】
また、摺動時においては、基材の摺動面に、窒化炭素被膜が形成された摺動部材の摺動方法であって、窒化炭素被膜の表面に紫外線を照射しながら、この摺動部材を摺動させてもよい。
【実施例】
【００３４】
以下に、本発明を実施例により説明する。
（実施例１）
＜ディスク試験片（摺動部材）の製作＞
本発明に係る摺動部材として、以下に示すディスク試験片を製作した。具体的には、窒化炭素被膜を成膜する基材として、直径５０ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、円部表面（摺動面）が鏡面状態（１００面方位）となる、ディスク形状のシリコンウェハを準備した。そして、イオンビームミキシング法により、この基材の表面に窒素含有量が９原子％の０．１μｍの窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）を成膜した。
【００３５】
成膜にあたっては、シリコンウェハの円部表面が支持台上に配置された純度９９．９９９９％のカーボンターゲットと対向するように、真空チャンバ内のホルダにシリコンウェハを取り付けた。その後、真空チャンバ内の圧力を、ポンプで、２．０×１０−４Ｐａ以下に減圧調整し、窒素イオンを５分間シリコンウェハに向けて照射して、スパッタクリーニングした。その後、チャンバ内の圧力を、１．４×１０−２Ｐａに調整し、アルゴンイオン源（１ｋＶ，１００ｍＡ）から４．０ＳＣＣＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）の流量でアルゴンイオンをターゲットに照射して、カーボンターゲットをカーボンスパッター粒子にすると同時に、窒素イオン源から加速電圧０．５ＫＶ、電流密度３０μＡ／ｃｍ２、２．０ＳＣＣＭの流量で窒素イオンをシリコンウェハに向けて照射して、シリコンウェハを４ｒｐｍに回転させ、シリコンウェハの円部表面に厚さ０．１μｍの非晶質の窒化炭素被膜（ＣＮｘ被膜）を成膜した。なお、本実施例及び以下の例では、窒素含有量を、ＸＰＳ（Ｘ線電子分光分析装置）で測定し、確認をしている。
【００３６】
次に、紫外線発生用光源として、バイリンク（コスモ・バイオ社製、ＢＬＸ−３１２）を用いて、紫外線の波長２５４ｎｍにスペクトルのピークを持つ放電管（ＣＳＴ−８Ｃ）を使用して、基材の表面に成膜された窒化炭素被膜に波長２５４ｎｍの紫外線を３０，６０，１２０分間照射し、ディスク試験片を製作した。なお、最大ＵＶ照射エネルギーは０〜９９．９９ジュールであり、照射範囲は２６０ｍｍ×３００ｍｍである。また、ランプハウス内の雰囲気は大気で、ランプから被膜表面までの距離は１６０ｍｍである。
【００３７】
＜摩擦試験＞
以下の手順で摩擦試験を行った。まず、直径８ｍｍ、以下の表１に示す窒化珪素球を準備した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
図２に示すボールオンディスク摩擦試験機を用いた。摩耗試験を行う事前準備として、ボール試験片Ｂをアセトンとエタノールで各１０分間超音波洗浄した。その後、ボール試験片Ｂを試験機の本体から取り外したボールホルダー３５に固定し、光学顕微鏡（図示せず）を用いてこの表面に傷が無いことを確認後、これらをデシケータ（図示せず）内に投入し、ボール試験片Ｂを乾燥させた。一方、ディスク試験片Ｄの表面に形成した窒化炭素被膜の表面（摺動面）の埃などの異物をハンドブロー（図示せず）で取り除いた。
【００４０】
次に、ディスク試験片Ｄをディスクホルダー４４に保持させると共に、ボール試験片Ｂが固定されたボールホルダー３５をステージ３１と一体となるように試験機の本体に取り付けた。平行板ばね３２に接着したひずみゲージ３３（協和電業製，ＫＦ−１−１２０−Ｃ１−１６）を用いて、ボール試験片Ｂがディスク試験片Ｄの窒化炭素被膜の表面に対して付加される荷重の値が０．１Ｎの荷重が付加されるようにステージ３１を調整して、これらを当接させた。なお、ボール試験片Ｂとディスク試験片Ｄの接触位置は、この３軸ステージ３１によって決定され、垂直荷重は、ｚ軸を上下させることにより調整した。
【００４１】
そして、乾式下（乾燥摩擦条件下）で窒素ガス中（図に示す条件）において、モータ４１を駆動してプーリ４２を回転させ、ベルト４３を介してディスクホルダー４４のディスク試験片Ｄを、ボール試験片Ｂに対して相対速度（摺動速度）が８．４×１０−２ｍ／ｓ（回転数４００ｒｐｍ）となる定速回転条件で、回転させた。
【００４２】
このときの摩擦力を、ひずみゲージ３４で測定し、センサインターフェイス（協和電業製，ＰＣＤ−３００Ａ）を介して、コンピュータ内にデータを取り込み、記録した。そして、平均摩擦係数μを換算した。この結果を図３に示す。
【００４３】
また、紫外線照射時間毎に、摩擦試験を行い、摩擦係数が０．０１以下の条件が発現する摺動回数（１回転を１サイクルとしたサイクル数）を測定した。この結果を図４に示す。
【００４４】
（実施例２及び３）
実施例１と同じようにして、ディスク試験片を製作した。実施例１と相違する点は、実施例２が、波長３２１ｎｍにスペクトルピークを持つ放電管（ＣＳＴ−８Ｂ）を用いて、波長３２１ｎｍの紫外線を、窒化炭素被膜に照射した点であり、実施例３が、波長３６５ｎｍにスペクトルピークを持つ放電管（ＣＳＴ−８Ａ）を用いて、波長３６５ｎｍの紫外線を、窒化炭素被膜に照射した点である。そして、これらに対して、実施例１と同様に一連の評価試験を行った。この結果を、図３及び４に示す。
【００４５】
（比較例１）
実施例１と同じようにして、ディスク試験片を製作した。実施例１と相違する点は、紫外線を窒化炭素被膜に照射していない点である。そして、実施例１と同様に一連の評価試験を行った。この結果を、図３及び４に示す。
【００４６】
［結果１］
図１に示すように、実施例１の２５４ｎｍ、実施例２の３１２ｎｍ、及び実施例３の３６５ｎｍの波長の紫外線を１２０分照射したものは、比較例１の照射していないものに比べて、平均摩擦係数が低かった。なお、実施例１〜３は、いずれの照射時間であっても、初期の摩擦係数は０．０２３程度であったが、サイクル数（摩擦繰返し数）とともに、摩擦係数が０．００１以下となった。
【００４７】
このような結果となったのは、実施例１、２及び３の窒化炭素被膜は、紫外線の照射により表面層に、軟質な低せん断層が形成され、この軟質な低せん断層は、比較例１よりもグラファイト構造を多く含む層である考えられる。このことから、実施例１〜３は、紫外線の照射により、窒化炭素被膜の表面層が、グラファイト構造をより多く含む層に変質した（グラファイト化した）と考えられる。
【００４８】
さらに、実施例１〜３は、図２に示すように、比較例１に比べて、０．００１まで摩擦係数が低下するサイクル数が少なく、紫外線の照射時間とともにサイクル数が少なくなる傾向にあった。
【００４９】
このことから、実施例１〜３は、窒化炭素被膜の表面層が、紫外線照射エネルギーの付与の増加に伴い、グラファイト構造をより多く含む層に変質した（グラファイト化した）ことにより、比較例１に比べて、初期馴染み性が向上したと考えられる。このように、初期馴染み性を向上させ、低摩擦係数を得るための紫外線の波長は、紫外線照射エネルギーを鑑みると３６５ｎｍ以下が好ましく、２５４〜３６５ｎｍの範囲にあることがより好ましいと考えられる。
【００５０】
（実施例４〜６）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、成膜時に紫外線を照射せず、実施例４は、紫外線の波長２５４ｎｍ、実施例５は、紫外線の波長３１２ｎｍ、実施例６は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を照射しながら摩擦試験を行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数を図５及び表２に示す。なお、摩擦試験時の紫外線は、摺動中の窒化炭素被膜の表面に向って、上方に紫外線照射装置を配置し照射した。
【００５１】
（比較例２）
実施例４と同じように摩擦試験を行った。実施例４と相違する点は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点である。この摩擦試験の平均摩擦係数を図５及び表２に示す。
【００５２】
（実施例７〜９）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素イオン源から加速電圧、電流密度、窒素イオンの流量を変化させて、窒素含有量を１２原子％となるように窒化炭素被膜を成膜した点、及び、成膜時に紫外線を照射せず、実施例７は、紫外線の波長２５４ｎｍ、実施例８は、紫外線の波長３１２ｎｍ、実施例９は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を照射しながら摩擦試験を行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数の結果を図６及び表２に示す。
【００５３】
（比較例３）
実施例７と同じように摩擦試験を行った。実施例７と相違する点は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点である。この摩擦試験の平均摩擦係数を図６及び表２に示す。
【００５４】
（比較例４−１〜４−４）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素含有量を０原子％となるように炭素被膜を成膜した点、及び、成膜時に紫外線を照射せず、比較例４−１は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点であり、比較例４−２は、紫外線の波長２５４ｎｍ、比較例４−３は、紫外線の波長３１２ｎｍ、比較例４−４は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を照射しながら摩擦試験を行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数の結果を表２に示す。
【００５５】
（比較例５−１〜５−４）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素含有量を０原子％として炭素被膜を成膜した点、及び、成膜時に紫外線を照射せず、比較例５−４は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点であり、比較例５−２は、紫外線の波長２５４ｎｍ、比較例５−３は、紫外線の波長３１２ｎｍ、比較例５−４は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を照射しながら摩擦試験を行ったである。この摩擦試験における平均摩擦係数を表２に示す。
【００５６】
【表２】
【００５７】
［結果２］
実施例４〜６は、図５及び表２に示すように、比較例２に比べて、平均摩擦係数が低くかった。また、実施例７〜９は、図６及び表２に示すように、比較例３に比べて、平均摩擦係数が低くかった。さらに、表２に示すように、比較例４−１〜４−４は、紫外線の照射の有無、及び紫外線の照射の波長にかかわらず、平均摩擦係数は、同程度であった。また、表２に示すように、比較例５−１〜５−４も、比較例４−１〜４−４と同様に、紫外線の照射の有無、及び紫外線の照射の波長にかかわらず、摩擦係数は、同程度であった。このように、実施例４〜９の平均摩擦係数は、０．０７〜０．１９の範囲であり、比較例２，３，４−１〜４−４，５−１〜５−４の平均摩擦係数は、０．１０〜０．４９の範囲にあった。
【００５８】
このことから、窒素を含有することで、紫外線を照射したときに、Ｃ−Ｎの結合が分断され、より好ましくは、紫外線の波長が、少なくとも、２５４〜３６５ｎｍ（３６５ｎｍ以下）の範囲にあれば、窒化炭素被膜の表面のグラファイト化が発現され、低摩擦係数を得ることができると考えられる。また、より好ましい窒素の含有量は、９原子％以上、１９原子％未満であると考えられる。
【００５９】
（実施例１０〜１２）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素イオン源から加速電圧、電流密度、窒素イオンの流量を変化させて、窒素含有量を９原子％となるように窒化炭素被膜を成膜した点、及び、実施例１０は、紫外線の波長２５４ｎｍ、実施例１１は、紫外線の波長３１２ｎｍ、実施例１２は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を、成膜後の窒化炭素被膜に２４０分間照射した点と、摩擦試験をポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）油中で行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数を図７に示す。
【００６０】
（比較例６）
実施例１０と同じようにして、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、紫外線を窒化炭素被膜に照射していない点である。そして、実施例１０と同様に摩擦試験を行った。この摩擦試験における平均摩擦係数の結果を、図７に示す。
【００６１】
（実施例１３〜１５）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素イオン源から加速電圧、電流密度、窒素イオンの流量を変化させて、窒素含有量を１２原子％となるように窒化炭素被膜を成膜した点、及び、実施例１３は、紫外線の波長２５４ｎｍ、実施例１４は、紫外線の波長３１２ｎｍ、実施例１５は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を、成膜後の窒化炭素被膜に２４０分間照射した点と、摩擦試験をポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）油中で行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数の結果を、を図８に示す。
【００６２】
（比較例７）
実施例１３と同じようにして、ディスク試験片を製作した。実施例１３と相違する点は、紫外線を窒化炭素被膜に照射していない点である。そして、実施例１３と同様に摩擦試験を行った。この摩擦試験における平均摩擦係数の結果を、図８に示す。
【００６３】
（比較例８−１〜８−４）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素含有量を０原子％となるように炭素被膜を成膜した点、及び、比較例８−１は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点、実施例８−２は、紫外線の波長２５４ｎｍ、実施例８−３は、紫外線の波長３１２ｎｍ、実施例８−４は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を、成膜後の窒化炭素被膜に２４０分間照射した点、摩擦試験をポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）油中で行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数を図９に示す。
【００６４】
（比較例９−１〜９−４）
実施例１と同じように、シリコンウェハの表面に窒化炭素被膜を形成した。実施例１と相違する点は、窒素イオン源から加速電圧、電流密度、窒素イオンの流量を変化させて、窒素含有量を１９原子％となるように窒化炭素被膜を成膜した点、及び、比較例８−１は、紫外線を照射せずに摩擦試験を行った点、比較例８−２は、紫外線の波長２５４ｎｍ、比較例８−３は、紫外線の波長３１２ｎｍ、比較例８−４は、紫外線の波長３６５ｎｍの波長の紫外線を、成膜後の窒化炭素被膜に２４０分間照射した点と、摩擦試験をポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）油中で行った点である。この摩擦試験における平均摩擦係数を図１０に示す。
【００６５】
［結果３］
実施例１０〜１２は、図７に示すように、比較例６に比べて、平均摩擦係数が低くかった。また、実施例１３〜１５は、図８に示すように、比較例７に比べて、平均摩擦係数が低くかった。さらに、比較例８−１〜８−４は、紫外線の照射の有無、及び紫外線の照射の波長にかかわらず、平均摩擦係数は、同程度であった。比較例９−１〜９−４も、比較例８−１〜８−４と同様に、紫外線の照射の有無、及び紫外線の照射の波長にかかわらず、摩擦係数は、同程度であった。また、実施例１０〜１５のいずれも、初期の摩擦係数が０．０３程度であったが、その後、最終的には、０．０１７程度になり、摩擦係数が約１／２に減少した。
【００６６】
このことから、窒素を含有することで、紫外線を照射したときに、窒化炭素被膜の表面のグラファイト化が発現されるので、油浴中であっても、低摩擦係数を得ることができると考えられる。また、より好ましい窒素の含有量は、９原子％以上、１９原子％未満であると考えられる。
【００６７】
（確認試験）
実施例１と同じように、窒素イオン源から加速電圧、電流密度、窒素イオンの流量を変化させて、シリコンウェハの表面に、窒素含有量が、０原子％、９原子％、１２原子％、及び１９原子％の炭素被膜を形成した。次に、紫外線の波長を２５４〜３１２ｎｍ範囲で選定した紫外線を、照射時間を１２０〜２４０分の範囲で選定した時間で照射して、ディスク試験片を作製した。これらのものに対して、摩擦試験をポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）油中で行い、窒素含有量毎における最小となる摩擦係数と、窒素含有量毎の摩擦係数の平均値とを、摩擦係数の平均値からの摩擦係数減少率を測定した。この結果を図１１に示す。
【００６８】
［結果４］
窒素含有量が０原子％の場合は、紫外線波長２５４ｎｍ、照射時間１２０分で、最小摩擦係数０．０２４となり、窒素含有量が９原子％の場合は、紫外線波長３１２ｎｍ、照射時間１２０分で、最小摩擦係数０．０２６となり、窒素含有量が１２原子％の場合は、紫外線波長２５４ｎｍ、照射時間２４０分で、最小摩擦係数０．０１６となり、窒素含有量が１９原子％の場合は、紫外線波長３１２ｎｍ、照射時間２４０分で、最小摩擦係数０．０３４となった。
【００６９】
そして、図１１からも明らかなように、窒素の含有量は、９原子％以上、１９原子％未満の範囲では、大気中であっても、油浴中であっても、摩擦係数の低減をすることができる。
【００７０】
以上、本発明の実施の形態を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７１】
３１…ステージ，３２…平行板ばね，３３…ひずみゲージ，３５…ボールホルダー，４１…モータ，４２…プーリ，４３…ベルト，４４…ディスクホルダー，ＣＮ：窒化炭素被膜、Ｂ…ボール試験片，Ｄ…ディスク試験片、Ｗ：基材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に、窒化炭素被膜を成膜する工程と、
前記窒化炭素被膜の表面に紫外線を照射する工程と、を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項２】
前記照射する紫外線の波長は、３６５ｎｍ以下の波長であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項３】
前記窒化炭素被膜に含有する窒素含有量が、９原子％以上１９原子％未満となるように、前記窒化炭素被膜を成膜することを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項４】
基材の表面に、窒化炭素被膜が形成された摺動部材であって、
前記窒化炭素被膜は、少なくとも表面層に紫外線の照射された層を含むことを特徴とする摺動部材。
【請求項５】
前記照射された紫外線の波長は、３６５ｎｍ以下の波長であることを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
【請求項６】
前記窒化炭素被膜に含有される窒素含有量が、９原子％以上１９原子％未満であることを特徴とする請求項４又は５に記載の摺動部材。
【請求項７】
基材の摺動面に、窒化炭素被膜が形成された摺動部材の摺動方法であって、
前記窒化炭素被膜の表面に紫外線を照射しながら、前記摺動部材を摺動させることを特徴とする摺動部材の摺動方法。
【請求項１】
基材の表面に、窒化炭素被膜を成膜する工程と、
前記窒化炭素被膜の表面に紫外線を照射する工程と、を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項２】
前記照射する紫外線の波長は、３６５ｎｍ以下の波長であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項３】
前記窒化炭素被膜に含有する窒素含有量が、９原子％以上１９原子％未満となるように、前記窒化炭素被膜を成膜することを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材の製造方法。
【請求項４】
基材の表面に、窒化炭素被膜が形成された摺動部材であって、
前記窒化炭素被膜は、少なくとも表面層に紫外線の照射された層を含むことを特徴とする摺動部材。
【請求項５】
前記照射された紫外線の波長は、３６５ｎｍ以下の波長であることを特徴とする請求項４に記載の摺動部材。
【請求項６】
前記窒化炭素被膜に含有される窒素含有量が、９原子％以上１９原子％未満であることを特徴とする請求項４又は５に記載の摺動部材。
【請求項７】
基材の摺動面に、窒化炭素被膜が形成された摺動部材の摺動方法であって、
前記窒化炭素被膜の表面に紫外線を照射しながら、前記摺動部材を摺動させることを特徴とする摺動部材の摺動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２１５９５２（Ｐ２０１０−２１５９５２Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６２６０１（Ｐ２００９−６２６０１）
【出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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