摺動部材
【課題】耐摩耗性・低摩擦性能、耐摩耗性、耐食性に優れた硬質炭素被膜を有する摺動部材を提供する。
【解決手段】酸化アルミニウム層で覆われているアルミニウム合金を基材とし、前記基材の外側に前記基材側から順に、導電層、前記基材との密着性を向上させ、前記基材の硬度を補うためのバッファー層、及びダイヤモンドライクカーボン層を形成する。
【解決手段】酸化アルミニウム層で覆われているアルミニウム合金を基材とし、前記基材の外側に前記基材側から順に、導電層、前記基材との密着性を向上させ、前記基材の硬度を補うためのバッファー層、及びダイヤモンドライクカーボン層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）は、一般的に、高硬度で表面が平滑であり、耐摩擦性に優れ、その固体潤滑性から低摩擦係数で優れた低摩擦性能を有している。そして、無潤滑環境下において、通常の平滑な鋼材表面の摩擦係数は０．５以上であり、従来の表面処理材であるニッケル−リンめっき（Ｎｉ−Ｐめっき）、クロムめっき（Ｃｒめっき）、窒化チタン被膜（ＴｉＮコーティング）、窒化クロム被膜（ＣｒＮコーティング）等の表面の摩擦係数は約０．４である。これに対して、ＤＬＣ膜の摩擦係数は約０．１である。
【０００３】
現在、これらの優れた特性を活かして、ドリル刃をはじめとする切削工具、研削工具等の加工治具、塑性加工用金型、バルブコックやキャプスタンローラのような無潤滑環境下で使用される摺動部材等への応用が図られている。一方、エネルギー消費や環境の面から可能な限りの機械的損失の低減が望まれている内燃機関などの機械部品においては、現在、潤滑油での摺動が主流となっている。
【０００４】
これに対して、無潤滑環境下で、これらの固体潤滑性を有するＤＬＣ膜により低摩擦化を図ることができれば、摺動部材において潤滑油が枯渇した場合にも、機械部品への負荷が低減できるため好ましい。また、将来的には潤滑油の削減が可能となるため、地球環境への配慮に対しても好ましい。
【０００５】
また、自動車では環境への配慮から高効率化が求められ、そのため構成部品の軽量化が必要となる。例えば、自動車用摺動部品にもアルミニウム合金（Ａｌ合金）等の軽金属合金が有効であり、軽金属合金製摺動部品の性能向上が必須である。軽金属合金上に低摩擦性、耐摩耗性、及び耐食性に優れたＤＬＣ膜を形成することができれば、高効率の自動車を実現できるため、地球環境への配慮に対し好ましい。
【０００６】
特許文献１には、保護膜としてＤＬＣ膜を用いた磁気ヘッドが開示されている。
【０００７】
特許文献２には、アルミニウム合金を基材として、この基材の上に下地層を介してダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成され、この下地層が、炭素と窒素と遷移金属から構成される組成の異なる複数の化合物層からなり、前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜からなる最上層から基材へかけて硬度が順次低下するように積層した摺動部材が開示されている。
【０００８】
特許文献３には、最表面層にＤＬＣ被膜が形成された転がり軸受用保持器が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１０８３５５号公報
【特許文献２】特開２００１−１０７８６０号公報
【特許文献３】特開２００６−３００２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来、例えば自動車用摺動部材として鉄鋼材を用いた場合、重量が大きくなるため、摺動部材に硬質炭素被膜を形成して摺動部の負荷低減を図っても、自動車全体として高効率化が困難であるという課題があった。また、表面がアルミナ層で覆われたアルミニウム合金基材に鉄鋼基材用硬質炭素被膜を形成（アルミナ層の上に直接、ボンド層及びダイヤモンドライクカーボン層を形成）する場合、アルミナ層が電気絶縁層であるため、硬質炭素被膜の形成にあたりバイアス電圧を印加することができない。そのため、硬質炭素被膜の基材との密着性が得られず、その結果、摺動部の負荷低減が図れないという課題があった。
【００１１】
本発明の目的は、環境への配慮のため、自動車等のように軽量化が求められる産業機器において、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性に富んだ硬質炭素被膜を有するＡｌ合金基材を用いた摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の摺動部材は、酸化アルミニウム層で覆われているアルミニウム合金を基材とし、前記基材の外側に前記基材側から順に、導電層、前記基材との密着性を向上させ、前記基材の硬度を補うためのバッファー層、及びダイヤモンドライクカーボン層を形成したことを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明の摺動部材の製造方法は、酸化アルミニウム層で覆われているアルミニウム合金を基材とし、この基材の表面にスパッタリング或いはイオンプレーティングにより導電層を形成する工程と、前記基材にバイアス電圧を印加した状態で、前記導電層の上に前記基材との密着性を向上させ、前記基材の硬度を補うためのバッファー層を形成し、このバッファー層の上に傾斜層を形成し、この傾斜層の上に、アルミニウムを含むダイヤモンドライクカーボン層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アルミニウム合金を基材とし、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性に優れた硬質炭素被膜を有する摺動部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、低摩擦、耐摩耗性、耐食性に優れた硬質炭素被膜を有する摺動部材に関する。
【００１６】
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。本実施形態で示す硬質炭素被膜は、無潤滑環境下で使用される機械部品等の摺動部材（Ａｌ合金基材）に適用可能である。硬質炭素被膜（以下、「被膜」と呼称する）は、基材の上に、アンバランスト・マグネトロン・スパッタリング（ＵＢＭ）法を用いることにより形成できる。
【００１７】
ＵＢＭ法とは、ターゲットの背面側に配置される磁極のバランスをターゲットの中心部と周縁部とで意図的に崩し、非平衡とすることでターゲットの周縁部の磁極からの磁力線の一部を基材まで伸ばし、ターゲットの近傍に収束していたプラズマが磁力線に沿って基材の近傍まで拡散し易くすることにより、被膜の形成中に基材に照射されるイオン量を増やすことができ、結果として、基材に緻密な被膜を形成することができることを特徴とした成膜方法である。
【００１８】
なお、詳細は実施例を用いて説明するが、ダイヤモンドライクカーボン層は、アルミニウムを含み、その含有量は０．５〜４．５ａｔ％であることが好ましい。ここで、ａｔ％は、原子パーセント（原子百分率）であり、材料中における（この場合、ダイヤモンドライクカーボン層における）組成元素の原子数基準での百分率である。
【００１９】
また、ダイヤモンドライクカーボン層に含まれるアルミニウムの状態が、金属、硼化物、炭化物、窒化物、酸化物又は水酸化物のいずれか１つの状態であることが好ましい。なお、ダイヤモンドライクカーボン層に、ｓｐ２結合炭素とｓｐ３結合炭素とが混在することが好ましい。
【００２０】
導電層は、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）及びチタン（Ｔｉ）から選ばれる１種類の元素を含むことが好ましい。
【００２１】
バッファー層は、クロム窒化物及びチタン窒化物から選ばれる１種類の窒化物を含むことが好ましい。バッファー層とダイヤモンドライクカーボン層との間には、傾斜層を設けてもよい。
【００２２】
傾斜層を設ける場合には、傾斜層が、炭素及び金属の混合物又は金属の炭化物であり、前記傾斜層に含まれる金属の含有量が、前記基材側から前記最表面層側に向かって減少し、前記傾斜層に含まれる炭素の含有量が、前記基材側から前記最表面層側に向かって増加することが好ましい。前記金属は、アルミニウム、クロム及びチタンから選ばれる１種類の元素であることが好ましい。
【００２３】
また、別の傾斜層を設ける場合には、傾斜層が、炭素及び金属の混合物又は金属の炭化物であり、前記傾斜層に含まれる第一の金属の含有量が、前記基材側から外側に向かって減少し、前記傾斜層に含まれる第二の金属及び炭素の含有量が、前記基材側から前記外側に向かって増加することが好ましい。前記第一の金属は、アルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属であり、前記第二の金属は、アルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属であり、かつ前記第一の金属とは異なる金属であることが好ましい。
【００２４】
また、上記の摺動部材は、一例として、自動車用ブレーキピストンに用いられることが好ましい。
【００２５】
以下、実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明による実施例を示す摺動部材の断面図である。
【００２７】
本図において、摺動部材は、アルミニウム合金１０１の表面を陽極酸化被膜３で覆った基材２の上に、基板２側より外側に向かって、導電層４、バッファー層５、傾斜層６及びダイヤモンドライクカーボン層７で構成された被膜１を具備している。
【００２８】
ここで、アルミニウム合金１０１は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金Ａ６０６１−Ｔ６材である。また、被膜１は、ＵＢＭ法を用いて形成されている。
【００２９】
具体的には、図４に示す条件（プロセス時間ｖｓターゲット投入電力）で被膜１を形成する。
【００３０】
まず、不活性ガスを導入しながら、バイアス電圧を印加せずにクロム（Ｃｒ）を主成分とする導電層４を形成する。
【００３１】
その後、不活性ガス及び窒素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら窒化クロム（ＣｒＮ）を主成分とするバッファー層５を形成する。
【００３２】
更に、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入し、バイアス電圧を印加しながら傾斜層６を形成する。
【００３３】
傾斜層６の形成においては、まず、クロム炭化物層（炭化クロム層）を形成し、その後クロムターゲット電力が徐々に減少し、かつカーボンターゲット電力が徐々に増加するように制御する。ここで、クロム炭化物層を構成する炭化クロムには、Ｃｒ３Ｃ２、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ２３Ｃ６などの種類があるが、これらに限定されるものではない。
【００３４】
最後に、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら、アルミニウム（Ａｌ）の含有量が１．８８ａｔ％となるようにダイヤモンドライクカーボン層７を形成する。
【００３５】
これにより、まず、電気絶縁的な基材２の表面を導電性に変化させることができるため、バッファー層５、傾斜層６及びダイヤモンドライクカーボン層７の形成が可能となる。
【００３６】
硬質炭素被膜は、一般に、基材２等の下地が高硬度であるほど密着性が良好となる。ここで、被膜１とは、導電層４、バッファー層５、傾斜層６、ダイヤモンドライクカーボン層７を含む積層被膜を指す。
【００３７】
また、バッファー層５とは、本実施例のような軟質のＡｌ合金で形成された基材２上に被膜１を形成する際、ダイヤモンドライクカーボン層７と基材２との密着性を向上させ、基材２の硬度を補うための層を指す。バッファー層５は、基材２よりも高硬度で、ダイヤモンドライクカーボン層７よりも低硬度若しくは同程度の硬度であることが好ましい。本実施例では、ＣｒＮを含むバッファー層５により軟質のＡｌ合金からなる基材２の硬さを補うことができるため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性が良好となる。
【００３８】
また、バッファー層５とダイヤモンドライクカーボン層７との間に傾斜層６が存在するため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性をさらに向上させることができる。
【００３９】
さらに、ダイヤモンドライクカーボン層７は、適切な量のＡｌ元素を含有しているため、無潤滑環境下で摩擦係数を低減できる。さらにまた、基材２の表面の陽極酸化被膜３におけるピンホールを被膜１で塞ぐことができるため、基材２が剥き出しの場合に比べて耐食性が向上する。
【００４０】
上記のように、本発明によれば、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性に優れた摺動部材を提供することができる。また、本発明の摺動部材を自動車に適用した場合、基材２にＡｌ合金基材を用いているため、自動車全体として軽量化が実現でき、その結果、更に高効率の自動車を提供することができる。
【００４１】
なお、本実施例では、導電層４をＣｒ、バッファー層５をＣｒＮ、傾斜層６をＣｒ炭化物としたが、これらに限定されず、導電層４をＴｉ又はＡｌ、バッファー層５をＴｉＮ、傾斜層６をチタン炭化物としても同様の効果が得られる。さらに、バッファー層５をチタン炭化物又はクロム炭化物（Ｃｒ３Ｃ２、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ２３Ｃ６等）で形成してもよい。
【００４２】
本実施例におけるダイヤモンドライクカーボン層７には、グラファイトに代表される炭素結合であるｓｐ２結合炭素とダイヤモンドに代表される炭素結合であるｓｐ３結合炭素とが混在する。これにより、低摩擦性、耐摩耗性、耐食性を兼ね備えた被膜１を提供することができる。一般に、ＤＬＣ膜とは、アモルファス状の炭素又は水素化炭素で形成された膜であり、アモルファスカーボン又は水素化アモルファスカーボン（ａ−Ｃ：Ｈ）などとも呼ばれる。ＤＬＣ膜の形成には、炭化水素ガスをプラズマ分解して成膜するプラズマＣＶＤ法、炭素・炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法等の気相合成法、グラファイト等をアーク放電により蒸発させて成膜するイオンプレーティング法、不活性ガス雰囲気下でターゲットをスパッタリングすることによって成膜するスパッタリング法などが用いられる。
【００４３】
本実施例において形成した被膜１は、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性を有し、摺動部材に付与することができる。結果として、無潤滑環境下、並びに水、有機溶剤、燃料又は油による潤滑環境下において負荷を低減できる摺動部材を提供できる。また、通常、潤滑油中で摺動する機械部品においても、潤滑油が枯渇した時であっても信頼性を維持することができ、潤滑油の削減を図ることもできる。
【００４４】
本実施例では、基材２としてＡ６０６１−Ｔ６材を用いているが、時効硬化温度は約１６０〜１８０℃であるため、被膜１の形成中の温度が時効硬化温度以下とし、基材２の軟化を抑制するように温度条件を設定する必要がある。
【００４５】
本発明の被膜１の形成においては、ＣｒＮを含むバッファー層５及び基材２の表面の陽極酸化被膜３が形成されている。基材２とバッファー層５との密着性を高めるために、基材２（陽極酸化被膜３）とバッファー層５との間に導電層４を形成することが好ましい。
【００４６】
また、バッファー層５とダイヤモンドライクカーボン層７との間に形成される傾斜層６においては、まず、Ｃｒ炭化物層を形成し、その後、バッファー層５側からダイヤモンドライクカーボン層７側へ向かって、Ｃｒ濃度が連続的に減少し、かつ、Ｃ濃度が連続的に増加することが好ましい。また、傾斜層６を構成する物質であるＣｒ炭化物をＣｒｘＣｙで表した場合、ｘとｙとの比率を少しずつ変化させることで、組成がバッファー層５側からダイヤモンドライクカーボン層７側へ向かって少しずつ変化させることが好ましい。
【００４７】
以上のように、基材２からダイヤモンドライクカーボン層７までの構造を上記のように設計することにより、密着性が良好な被膜１を提供できる。
【００４８】
被膜１は、スパッタリング又はイオンプレーティングにより形成されるのがよい。また、この被膜１は、ダイヤモンドライクカーボン層７にＡｌ元素を含むものである。その含有量は０．５〜４．５ａｔ％、好ましくは０．６〜１．９ａｔ％である。なお、ダイヤモンドライクカーボン層に含まれるアルミニウムの状態は、金属、硼化物、炭化物、窒化物、酸化物及び水酸化物の群から選ばれる１つの状態であるが、酸化物及び／又は水酸化物の状態で含まれていることが好ましい。これにより、耐摩耗性及び低摩擦性を兼ね備えた被膜１を提供することができる。本実施例により形成した被膜１は、高密着性、耐摩耗性及び低摩擦性を有し、摺動部材に付与することができる。この結果として、無潤滑環境下並びに水、有機溶剤、燃料又は油による潤滑環境下において負荷を低減できる摺動部材を提供し、また、通常、潤滑油中で摺動する機械部品において潤滑油が枯渇した時であっても、信頼性を維持することができ、潤滑油の削減を図ることもできる。
【００４９】
被膜１の表面に露出したＡｌ元素は、大気中の酸素や水と反応をして、Ａｌ酸化物やＡｌ水酸化物となるため、被膜１に金属の状態で含ませた場合であっても、電気的特性として安定した誘電体被膜を提供することも可能である。また、被膜１は、Ａｌ元素を含有しているため、特に、被膜１の表面のＡｌ元素は、Ａｌ酸化物及び／又はＡｌ水酸化物として存在する。つまり、被膜１の表面（特に、ダイヤモンドライクカーボン層７の表面）は、親水性であり、水存在下における摺動で、低摩擦化が実現可能である。さらに、水と同じＯＨ基を有する液体や蒸気（例えば、アルコール類や油中の添加剤）存在下における摺動でも低摩擦化が実現可能である。
【００５０】
なお、本実施例は、被膜１にＡｌ元素が存在することにより、被膜１の内部応力が低下するため、ダイヤモンドライクカーボン層７の傾斜層６との密着性が向上し、結果として、被膜１が基材２から剥離しにくくなるという点で非常に望ましいものである。
【００５１】
ただし、ダイヤモンドライクカーボン層７のＡｌ元素の含有量が、０．５ａｔ％未満の場合は、ダイヤモンドライクカーボン層７において親水性の由来となるＡｌ酸化物及び／又はＡｌ水酸化物が微量となるため、摩擦低減効果が期待できない。
【００５２】
一方、ダイヤモンドライクカーボン層７の表面や内部のＡｌ元素の含有量が５ａｔ％を超える場合は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）分析の結果、Ａｌ炭化物生成の進行の可能性があることがわかった。つまり、ダイヤモンドライクカーボン層７のＡｌ元素の含有量が５ａｔ％を超える場合、生成されるＡｌ炭化物の量が多くなるため、Ａｌ炭化物の脆化によりダイヤモンドライクカーボン層７が割れやすくなり、好ましくない。
【００５３】
ダイヤモンドライクカーボン層７に使用されるＡｌ元素が、特に、Ａｌ酸化物やＡｌ水酸化物として存在する場合は、ＯＨ基を有する液体や蒸気との親和性が高いため、低摩擦化が実現可能である。
【００５４】
本実施例では、スパッタリング又はイオンプレーティングを用いて被膜１を形成するため、Ａｌターゲットを用いることにより、ダイヤモンドライクカーボン層７にＡｌを添加することができる。また、本実施例がターゲットとしている用途は、軽量化が要求されている自動車用部品で、低摩擦性、耐摩耗性、耐食性が要求される、例えば、ブレーキピストンのような部品等である。表面が陽極酸化被膜３で覆われているＡｌ合金で形成されている基材２の上に導電層４を形成することにより、バッファー層５、傾斜層６及びダイヤモンドライクカーボン層７の形成時にバイアス電圧を印加することができるようになるため、被膜１全体として基材２との密着性が良好となる。また、バッファー層５は、ＣｒＮを含み、Ａｌ合金で形成されている軟質の基材２の上にダイヤモンドライクカーボン層７を形成する場合に、基材２の硬度を補う層として機能するため、ダイヤモンドライクカーボン層７の基材２との密着性が向上できる。
【００５５】
さらに、傾斜層６において、バッファー層５側からダイヤモンドライクカーボン層７側へ向かって、クロム濃度（Ｃｒ濃度）を減少させ、炭素濃度（Ｃ濃度）を増加させ、また、ダイヤモンドライクカーボン層７にＡｌ元素を含有させることにより、被膜１全体として基材２との高密着性を実現することができる。そして、無潤滑環境下のみならず、水、有機溶剤、燃料、又は油による潤滑環境下においても使用可能である。
【実施例２】
【００５６】
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金のＡ６０６１−Ｔ６材の表面が陽極酸化被膜３で覆われた基材２上に、ＵＢＭ法を用いて図１に示す被膜１を形成する。
【００５７】
具体的には、図５に示す条件（プロセス時間ｖｓターゲット投入電力）で被膜１を形成する。まず、不活性ガスを導入しながら、バイアス電圧を印加せずにＡｌを含む導電層４を形成する。その後、不活性ガス及び窒素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら、ＴｉＮを含むバッファー層５を形成する。さらに、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら傾斜層６を形成する。傾斜層６の形成においては、まず、Ａｌ炭化物層を形成し、その後、Ａｌターゲット電力がダイヤモンドライクカーボン層７におけるＡｌターゲット電力まで徐々に減少し、かつカーボンターゲット電力が徐々に増加するように制御する。最後に、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しバイアス電圧を印加しながら、Ａｌ元素の含有量が１．８８ａｔ％となるようにダイヤモンドライクカーボン層７を形成する。
【００５８】
これにより、まず、電気絶縁的な基材２の表面を導電性に変化させることができるため、バッファー層５、傾斜層６及びダイヤモンドライクカーボン層７の形成が可能となる。バッファー層５は、基材２よりも高硬度で、ダイヤモンドライクカーボン層７よりも低硬度若しくは同程度の硬度であることが好ましい。本実施例では、ＴｉＮを含むバッファー層５により軟質なＡｌ合金で形成された基材２の硬さを補うことができるため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性が良好となる。また、バッファー層５とダイヤモンドライクカーボン層７との間に傾斜層６が存在するため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性を更に向上させることができる。さらに、ダイヤモンドライクカーボン層７には、適切な量のＡｌ元素が含まれているため、無潤滑環境下で摩擦係数を低減できる。さらに、基材２の表面の陽極酸化被膜３におけるピンホールを被膜１で塞ぐことができるため、基材２が剥き出しの場合に比べて耐食性が向上する。
【００５９】
以上より、本発明によれば、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性に優れた摺動部材を提供することができる。また、本発明の摺動部材を自動車に適用した場合、基材２にＡｌ合金を用いているため、自動車全体として軽量化が実現でき、その結果、更に高効率の自動車を提供することができる。
【００６０】
なお、本実施例では、導電層４をＡｌ、バッファー層５をＴｉＮとしたが、これらに限定されず、導電層４をＣｒ又はＴｉ、バッファー層５をＣｒＮとしても同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００６１】
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金のＡ６０６１−Ｔ６材の表面が陽極酸化被膜３で覆われた基材２上に、ＵＢＭ法を用いて図１に示す被膜１を形成する。具体的には、図６に示す条件（プロセス時間ｖｓターゲット投入電力）で被膜１を形成する。まず、不活性ガスを導入しながら、バイアス電圧を印加せずにＡｌを含む導電層４を形成する。その後、不活性ガス及び窒素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながらＴｉＮを含むバッファー層５を形成する。さらに、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら傾斜層６を形成する。
【００６２】
傾斜層６の形成においては、まず、Ｔｉ炭化物層を形成し、その後、Ｔｉターゲット電力が徐々に減少し、かつカーボンターゲット電力及びＡｌターゲット電力が徐々に増加するように制御する。最後に、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入し、バイアス電圧を印加しながら、Ａｌ元素の含有量が１．８８ａｔ％となるようにダイヤモンドライクカーボン層７を形成する。
【００６３】
これにより、まず、電気絶縁的な基材２の表面を導電性に変化させることができるため、バッファー層５、傾斜層６、ダイヤモンドライクカーボン層７の形成が可能となる。
【００６４】
バッファー層５は、基材２よりも高硬度で、ダイヤモンドライクカーボン層７よりも低硬度若しくは同程度の硬度であることが好ましい。本実施例では、ＴｉＮを含むバッファー層５により軟質なＡｌ合金を含む基材２の硬さを補うことができるため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性が良好となる。また、バッファー層５とダイヤモンドライクカーボン層７との間に傾斜層６が存在するため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性を更に向上させることができる。さらに、ダイヤモンドライクカーボン層７には、適切な量のＡｌ元素が含まれるため、無潤滑環境下で摩擦係数を低減できる。さらに、基材２の表面の陽極酸化被膜３におけるピンホールを被膜１で塞ぐことができるため、基材２が剥き出しの場合に比べて耐食性が向上する。
【００６５】
図８は、本発明による実施例を示す自動車用ブレーキピストンの断面図である。
【００６６】
本図におけるブレーキピストンは、二輪車用のものであり、車輪と同軸で回転するディスクロータ２２を、２段のブレーキパッド２４、２６のうち内側のブレーキパッド２６で左右から挟むことによりブレーキが作動し、車輪の回転が止まるものである。本図は、車輪及びディスクロータ２２の回転方向に平行な方向から見た縦断面図であり、ディスクロータ２２の回転方向は紙面に対して垂直な方向である。
【００６７】
本図において、シリンダボア２１の内部に、ピストン２３、ブレーキパッド２４、２６及びシール２５が収納されている。シール２５は、シリンダボア２１とピストン２３との間に設置され、シリンダボア２１内部に封入された油２０２が漏れ出さないようにしている。左右のピストン２３に油２０２の油圧が加わることにより、左右のピストン２３が内側に移動し、ブレーキパッド２６とディスクロータ２２とを接触させるようになっている。
【００６８】
本発明の摺動部材はピストン２３であり、ピストン２３とシール２５とが接触する面に本発明の被膜２０１を設けてある。この被膜２０１により、ピストン２３とシール２５との間の摩擦を低減し、摩耗を抑制し、耐食性を向上させることができる。
【００６９】
ここで、被膜２０１としては、上記の実施例１〜３の摺動部材におけるいずれの被膜も適用することができる。さらに、自動車用ブレーキピストンに適用する被膜は、実施例１〜３に限定されることはなく、本発明の摺動部材の構成要件を満たすものであれば、いかなる被膜でも適用することができる。
【００７０】
以上のように、本発明によれば、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性に優れた摺動部材を提供することができる。また、これを自動車用摺動部材（自動車用ブレーキピストン）に適用した場合、基材２にＡｌ合金基材を用いているため、自動車全体として軽量化が実現でき、その結果、更に高効率の自動車を提供することができる。
【００７１】
なお、本実施例では、導電層４をＡｌ、バッファー層５をＴｉＮとしたが、これらに限定されるものではなく、導電層４をＣｒ又はＴｉ、バッファー層５をＣｒＮとしても同様の効果が得られる。
（比較例１）
Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏを含む合金（クロムモリブデン鋼材）の基材１２の上に、ＵＢＭ法を用いて、図２に示す被膜１１を形成する。
【００７２】
具体的には、図７に示す条件（プロセス時間ｖｓターゲット投入電力）で被膜１１を形成する。
【００７３】
まず、不活性ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながらＣｒを含むボンド層１８を形成する。その後、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら傾斜層６を形成する。
【００７４】
傾斜層６の形成においては、まずＣｒ炭化物層を形成し、その後Ｃｒターゲット電力が徐々に減少し、かつカーボンターゲット電力が徐々に増加するように制御する。最後に、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら、Ａｌ元素の含有量が１．８８ａｔ％となるようにダイヤモンドライクカーボン層７を形成する。
【００７５】
ここで、ボンド層１８とは、主に基材１２と傾斜層６との密着性を向上させるために導入する層である。ボンド層１８及び傾斜層６により、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性を向上させることができる。さらに、ダイヤモンドライクカーボン層７には、適切な量のＡｌ元素が含まれているため、無潤滑環境下で摩擦係数を低減できる。これを摺動部材に適用した場合、低摩擦性、耐摩耗性に優れた摺動部材を提供することができる。しかし、これを自動車用摺動部材に用いた場合、基材１２に鉄鋼材を用いているため、自動車全体として軽量化が実現できず、その結果、高効率の自動車を提供することができない。
（比較例２）
アルミニウム合金１０１（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）Ａ６０６１−Ｔ６材の表面が陽極酸化被膜３で覆われた基材２の上に、ＵＢＭ法を用いて、図３に示す被膜１１を形成する。
【００７６】
具体的には、図７に示す条件（プロセス時間ｖｓターゲット投入電力）で被膜１１を形成する。
【００７７】
まず、不活性ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながらＣｒを含むボンド層１８を形成する。その後、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら傾斜層６を形成する。
【００７８】
傾斜層６の形成においては、まず、Ｃｒ炭化物層を形成し、その後、Ｃｒターゲット電力が徐々に減少し、かつカーボンターゲット電力が徐々に増加するように制御する。最後に、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら、Ａｌ元素の含有量が１．８８ａｔ％となるようにダイヤモンドライクカーボン層７を形成する。しかし、ボンド層１８の成膜時においてバイアス電圧が適切に印加されないため、ボンド層１８が適切に形成されず、その結果、傾斜層６及びダイヤモンドライクカーボン層７の密着性が低下する。したがって、無潤滑環境下で摩擦係数を低減できず、これを摺動部材に適用しても、低摩擦性及び耐摩耗性に優れた摺動部材を提供することができない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、低摩擦、耐摩耗性及び耐食性に優れた硬質炭素被膜を有する摺動部材に関するものであって、特に、無潤滑環境下においてゴムとの摺動で使用されるブレーキ用ピストン、油潤滑環境下で使用されるエンジン部品などの自動車用部品に利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明による実施例を示す摺動部材の模式断面図である。
【図２】比較例１を示す基材及び硬質炭素被膜の模式断面図である。
【図３】比較例２を示す基材及び硬質炭素被膜の模式断面図である。
【図４】本発明による実施例１における成膜条件を示すグラフである。
【図５】本発明による実施例２における成膜条件を示すグラフである。
【図６】本発明による実施例３における成膜条件を示すグラフである。
【図７】比較例における成膜条件を示すグラフである。
【図８】本発明による実施例を示す自動車用ブレーキピストンの断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１：硬質炭素被膜、２：基材、３：陽極酸化被膜、４：導電層、５：バッファー層、６：傾斜層、７：ダイヤモンドライクカーボン層、１１：硬質炭素被膜、１２：基材、１８：ボンド層、２１：シリンダボア、２２：ディスクロータ、２３：ピストン、２４：ブレーキパッド、２５：シール、２６：ブレーキパッド、１０１：アルミニウム合金、２０１：被膜、２０２：油
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）は、一般的に、高硬度で表面が平滑であり、耐摩擦性に優れ、その固体潤滑性から低摩擦係数で優れた低摩擦性能を有している。そして、無潤滑環境下において、通常の平滑な鋼材表面の摩擦係数は０．５以上であり、従来の表面処理材であるニッケル−リンめっき（Ｎｉ−Ｐめっき）、クロムめっき（Ｃｒめっき）、窒化チタン被膜（ＴｉＮコーティング）、窒化クロム被膜（ＣｒＮコーティング）等の表面の摩擦係数は約０．４である。これに対して、ＤＬＣ膜の摩擦係数は約０．１である。
【０００３】
現在、これらの優れた特性を活かして、ドリル刃をはじめとする切削工具、研削工具等の加工治具、塑性加工用金型、バルブコックやキャプスタンローラのような無潤滑環境下で使用される摺動部材等への応用が図られている。一方、エネルギー消費や環境の面から可能な限りの機械的損失の低減が望まれている内燃機関などの機械部品においては、現在、潤滑油での摺動が主流となっている。
【０００４】
これに対して、無潤滑環境下で、これらの固体潤滑性を有するＤＬＣ膜により低摩擦化を図ることができれば、摺動部材において潤滑油が枯渇した場合にも、機械部品への負荷が低減できるため好ましい。また、将来的には潤滑油の削減が可能となるため、地球環境への配慮に対しても好ましい。
【０００５】
また、自動車では環境への配慮から高効率化が求められ、そのため構成部品の軽量化が必要となる。例えば、自動車用摺動部品にもアルミニウム合金（Ａｌ合金）等の軽金属合金が有効であり、軽金属合金製摺動部品の性能向上が必須である。軽金属合金上に低摩擦性、耐摩耗性、及び耐食性に優れたＤＬＣ膜を形成することができれば、高効率の自動車を実現できるため、地球環境への配慮に対し好ましい。
【０００６】
特許文献１には、保護膜としてＤＬＣ膜を用いた磁気ヘッドが開示されている。
【０００７】
特許文献２には、アルミニウム合金を基材として、この基材の上に下地層を介してダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成され、この下地層が、炭素と窒素と遷移金属から構成される組成の異なる複数の化合物層からなり、前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜からなる最上層から基材へかけて硬度が順次低下するように積層した摺動部材が開示されている。
【０００８】
特許文献３には、最表面層にＤＬＣ被膜が形成された転がり軸受用保持器が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１０８３５５号公報
【特許文献２】特開２００１−１０７８６０号公報
【特許文献３】特開２００６−３００２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来、例えば自動車用摺動部材として鉄鋼材を用いた場合、重量が大きくなるため、摺動部材に硬質炭素被膜を形成して摺動部の負荷低減を図っても、自動車全体として高効率化が困難であるという課題があった。また、表面がアルミナ層で覆われたアルミニウム合金基材に鉄鋼基材用硬質炭素被膜を形成（アルミナ層の上に直接、ボンド層及びダイヤモンドライクカーボン層を形成）する場合、アルミナ層が電気絶縁層であるため、硬質炭素被膜の形成にあたりバイアス電圧を印加することができない。そのため、硬質炭素被膜の基材との密着性が得られず、その結果、摺動部の負荷低減が図れないという課題があった。
【００１１】
本発明の目的は、環境への配慮のため、自動車等のように軽量化が求められる産業機器において、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性に富んだ硬質炭素被膜を有するＡｌ合金基材を用いた摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の摺動部材は、酸化アルミニウム層で覆われているアルミニウム合金を基材とし、前記基材の外側に前記基材側から順に、導電層、前記基材との密着性を向上させ、前記基材の硬度を補うためのバッファー層、及びダイヤモンドライクカーボン層を形成したことを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明の摺動部材の製造方法は、酸化アルミニウム層で覆われているアルミニウム合金を基材とし、この基材の表面にスパッタリング或いはイオンプレーティングにより導電層を形成する工程と、前記基材にバイアス電圧を印加した状態で、前記導電層の上に前記基材との密着性を向上させ、前記基材の硬度を補うためのバッファー層を形成し、このバッファー層の上に傾斜層を形成し、この傾斜層の上に、アルミニウムを含むダイヤモンドライクカーボン層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アルミニウム合金を基材とし、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性に優れた硬質炭素被膜を有する摺動部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、低摩擦、耐摩耗性、耐食性に優れた硬質炭素被膜を有する摺動部材に関する。
【００１６】
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。本実施形態で示す硬質炭素被膜は、無潤滑環境下で使用される機械部品等の摺動部材（Ａｌ合金基材）に適用可能である。硬質炭素被膜（以下、「被膜」と呼称する）は、基材の上に、アンバランスト・マグネトロン・スパッタリング（ＵＢＭ）法を用いることにより形成できる。
【００１７】
ＵＢＭ法とは、ターゲットの背面側に配置される磁極のバランスをターゲットの中心部と周縁部とで意図的に崩し、非平衡とすることでターゲットの周縁部の磁極からの磁力線の一部を基材まで伸ばし、ターゲットの近傍に収束していたプラズマが磁力線に沿って基材の近傍まで拡散し易くすることにより、被膜の形成中に基材に照射されるイオン量を増やすことができ、結果として、基材に緻密な被膜を形成することができることを特徴とした成膜方法である。
【００１８】
なお、詳細は実施例を用いて説明するが、ダイヤモンドライクカーボン層は、アルミニウムを含み、その含有量は０．５〜４．５ａｔ％であることが好ましい。ここで、ａｔ％は、原子パーセント（原子百分率）であり、材料中における（この場合、ダイヤモンドライクカーボン層における）組成元素の原子数基準での百分率である。
【００１９】
また、ダイヤモンドライクカーボン層に含まれるアルミニウムの状態が、金属、硼化物、炭化物、窒化物、酸化物又は水酸化物のいずれか１つの状態であることが好ましい。なお、ダイヤモンドライクカーボン層に、ｓｐ２結合炭素とｓｐ３結合炭素とが混在することが好ましい。
【００２０】
導電層は、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）及びチタン（Ｔｉ）から選ばれる１種類の元素を含むことが好ましい。
【００２１】
バッファー層は、クロム窒化物及びチタン窒化物から選ばれる１種類の窒化物を含むことが好ましい。バッファー層とダイヤモンドライクカーボン層との間には、傾斜層を設けてもよい。
【００２２】
傾斜層を設ける場合には、傾斜層が、炭素及び金属の混合物又は金属の炭化物であり、前記傾斜層に含まれる金属の含有量が、前記基材側から前記最表面層側に向かって減少し、前記傾斜層に含まれる炭素の含有量が、前記基材側から前記最表面層側に向かって増加することが好ましい。前記金属は、アルミニウム、クロム及びチタンから選ばれる１種類の元素であることが好ましい。
【００２３】
また、別の傾斜層を設ける場合には、傾斜層が、炭素及び金属の混合物又は金属の炭化物であり、前記傾斜層に含まれる第一の金属の含有量が、前記基材側から外側に向かって減少し、前記傾斜層に含まれる第二の金属及び炭素の含有量が、前記基材側から前記外側に向かって増加することが好ましい。前記第一の金属は、アルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属であり、前記第二の金属は、アルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属であり、かつ前記第一の金属とは異なる金属であることが好ましい。
【００２４】
また、上記の摺動部材は、一例として、自動車用ブレーキピストンに用いられることが好ましい。
【００２５】
以下、実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明による実施例を示す摺動部材の断面図である。
【００２７】
本図において、摺動部材は、アルミニウム合金１０１の表面を陽極酸化被膜３で覆った基材２の上に、基板２側より外側に向かって、導電層４、バッファー層５、傾斜層６及びダイヤモンドライクカーボン層７で構成された被膜１を具備している。
【００２８】
ここで、アルミニウム合金１０１は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金Ａ６０６１−Ｔ６材である。また、被膜１は、ＵＢＭ法を用いて形成されている。
【００２９】
具体的には、図４に示す条件（プロセス時間ｖｓターゲット投入電力）で被膜１を形成する。
【００３０】
まず、不活性ガスを導入しながら、バイアス電圧を印加せずにクロム（Ｃｒ）を主成分とする導電層４を形成する。
【００３１】
その後、不活性ガス及び窒素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら窒化クロム（ＣｒＮ）を主成分とするバッファー層５を形成する。
【００３２】
更に、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入し、バイアス電圧を印加しながら傾斜層６を形成する。
【００３３】
傾斜層６の形成においては、まず、クロム炭化物層（炭化クロム層）を形成し、その後クロムターゲット電力が徐々に減少し、かつカーボンターゲット電力が徐々に増加するように制御する。ここで、クロム炭化物層を構成する炭化クロムには、Ｃｒ３Ｃ２、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ２３Ｃ６などの種類があるが、これらに限定されるものではない。
【００３４】
最後に、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら、アルミニウム（Ａｌ）の含有量が１．８８ａｔ％となるようにダイヤモンドライクカーボン層７を形成する。
【００３５】
これにより、まず、電気絶縁的な基材２の表面を導電性に変化させることができるため、バッファー層５、傾斜層６及びダイヤモンドライクカーボン層７の形成が可能となる。
【００３６】
硬質炭素被膜は、一般に、基材２等の下地が高硬度であるほど密着性が良好となる。ここで、被膜１とは、導電層４、バッファー層５、傾斜層６、ダイヤモンドライクカーボン層７を含む積層被膜を指す。
【００３７】
また、バッファー層５とは、本実施例のような軟質のＡｌ合金で形成された基材２上に被膜１を形成する際、ダイヤモンドライクカーボン層７と基材２との密着性を向上させ、基材２の硬度を補うための層を指す。バッファー層５は、基材２よりも高硬度で、ダイヤモンドライクカーボン層７よりも低硬度若しくは同程度の硬度であることが好ましい。本実施例では、ＣｒＮを含むバッファー層５により軟質のＡｌ合金からなる基材２の硬さを補うことができるため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性が良好となる。
【００３８】
また、バッファー層５とダイヤモンドライクカーボン層７との間に傾斜層６が存在するため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性をさらに向上させることができる。
【００３９】
さらに、ダイヤモンドライクカーボン層７は、適切な量のＡｌ元素を含有しているため、無潤滑環境下で摩擦係数を低減できる。さらにまた、基材２の表面の陽極酸化被膜３におけるピンホールを被膜１で塞ぐことができるため、基材２が剥き出しの場合に比べて耐食性が向上する。
【００４０】
上記のように、本発明によれば、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性に優れた摺動部材を提供することができる。また、本発明の摺動部材を自動車に適用した場合、基材２にＡｌ合金基材を用いているため、自動車全体として軽量化が実現でき、その結果、更に高効率の自動車を提供することができる。
【００４１】
なお、本実施例では、導電層４をＣｒ、バッファー層５をＣｒＮ、傾斜層６をＣｒ炭化物としたが、これらに限定されず、導電層４をＴｉ又はＡｌ、バッファー層５をＴｉＮ、傾斜層６をチタン炭化物としても同様の効果が得られる。さらに、バッファー層５をチタン炭化物又はクロム炭化物（Ｃｒ３Ｃ２、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ２３Ｃ６等）で形成してもよい。
【００４２】
本実施例におけるダイヤモンドライクカーボン層７には、グラファイトに代表される炭素結合であるｓｐ２結合炭素とダイヤモンドに代表される炭素結合であるｓｐ３結合炭素とが混在する。これにより、低摩擦性、耐摩耗性、耐食性を兼ね備えた被膜１を提供することができる。一般に、ＤＬＣ膜とは、アモルファス状の炭素又は水素化炭素で形成された膜であり、アモルファスカーボン又は水素化アモルファスカーボン（ａ−Ｃ：Ｈ）などとも呼ばれる。ＤＬＣ膜の形成には、炭化水素ガスをプラズマ分解して成膜するプラズマＣＶＤ法、炭素・炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法等の気相合成法、グラファイト等をアーク放電により蒸発させて成膜するイオンプレーティング法、不活性ガス雰囲気下でターゲットをスパッタリングすることによって成膜するスパッタリング法などが用いられる。
【００４３】
本実施例において形成した被膜１は、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性を有し、摺動部材に付与することができる。結果として、無潤滑環境下、並びに水、有機溶剤、燃料又は油による潤滑環境下において負荷を低減できる摺動部材を提供できる。また、通常、潤滑油中で摺動する機械部品においても、潤滑油が枯渇した時であっても信頼性を維持することができ、潤滑油の削減を図ることもできる。
【００４４】
本実施例では、基材２としてＡ６０６１−Ｔ６材を用いているが、時効硬化温度は約１６０〜１８０℃であるため、被膜１の形成中の温度が時効硬化温度以下とし、基材２の軟化を抑制するように温度条件を設定する必要がある。
【００４５】
本発明の被膜１の形成においては、ＣｒＮを含むバッファー層５及び基材２の表面の陽極酸化被膜３が形成されている。基材２とバッファー層５との密着性を高めるために、基材２（陽極酸化被膜３）とバッファー層５との間に導電層４を形成することが好ましい。
【００４６】
また、バッファー層５とダイヤモンドライクカーボン層７との間に形成される傾斜層６においては、まず、Ｃｒ炭化物層を形成し、その後、バッファー層５側からダイヤモンドライクカーボン層７側へ向かって、Ｃｒ濃度が連続的に減少し、かつ、Ｃ濃度が連続的に増加することが好ましい。また、傾斜層６を構成する物質であるＣｒ炭化物をＣｒｘＣｙで表した場合、ｘとｙとの比率を少しずつ変化させることで、組成がバッファー層５側からダイヤモンドライクカーボン層７側へ向かって少しずつ変化させることが好ましい。
【００４７】
以上のように、基材２からダイヤモンドライクカーボン層７までの構造を上記のように設計することにより、密着性が良好な被膜１を提供できる。
【００４８】
被膜１は、スパッタリング又はイオンプレーティングにより形成されるのがよい。また、この被膜１は、ダイヤモンドライクカーボン層７にＡｌ元素を含むものである。その含有量は０．５〜４．５ａｔ％、好ましくは０．６〜１．９ａｔ％である。なお、ダイヤモンドライクカーボン層に含まれるアルミニウムの状態は、金属、硼化物、炭化物、窒化物、酸化物及び水酸化物の群から選ばれる１つの状態であるが、酸化物及び／又は水酸化物の状態で含まれていることが好ましい。これにより、耐摩耗性及び低摩擦性を兼ね備えた被膜１を提供することができる。本実施例により形成した被膜１は、高密着性、耐摩耗性及び低摩擦性を有し、摺動部材に付与することができる。この結果として、無潤滑環境下並びに水、有機溶剤、燃料又は油による潤滑環境下において負荷を低減できる摺動部材を提供し、また、通常、潤滑油中で摺動する機械部品において潤滑油が枯渇した時であっても、信頼性を維持することができ、潤滑油の削減を図ることもできる。
【００４９】
被膜１の表面に露出したＡｌ元素は、大気中の酸素や水と反応をして、Ａｌ酸化物やＡｌ水酸化物となるため、被膜１に金属の状態で含ませた場合であっても、電気的特性として安定した誘電体被膜を提供することも可能である。また、被膜１は、Ａｌ元素を含有しているため、特に、被膜１の表面のＡｌ元素は、Ａｌ酸化物及び／又はＡｌ水酸化物として存在する。つまり、被膜１の表面（特に、ダイヤモンドライクカーボン層７の表面）は、親水性であり、水存在下における摺動で、低摩擦化が実現可能である。さらに、水と同じＯＨ基を有する液体や蒸気（例えば、アルコール類や油中の添加剤）存在下における摺動でも低摩擦化が実現可能である。
【００５０】
なお、本実施例は、被膜１にＡｌ元素が存在することにより、被膜１の内部応力が低下するため、ダイヤモンドライクカーボン層７の傾斜層６との密着性が向上し、結果として、被膜１が基材２から剥離しにくくなるという点で非常に望ましいものである。
【００５１】
ただし、ダイヤモンドライクカーボン層７のＡｌ元素の含有量が、０．５ａｔ％未満の場合は、ダイヤモンドライクカーボン層７において親水性の由来となるＡｌ酸化物及び／又はＡｌ水酸化物が微量となるため、摩擦低減効果が期待できない。
【００５２】
一方、ダイヤモンドライクカーボン層７の表面や内部のＡｌ元素の含有量が５ａｔ％を超える場合は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）分析の結果、Ａｌ炭化物生成の進行の可能性があることがわかった。つまり、ダイヤモンドライクカーボン層７のＡｌ元素の含有量が５ａｔ％を超える場合、生成されるＡｌ炭化物の量が多くなるため、Ａｌ炭化物の脆化によりダイヤモンドライクカーボン層７が割れやすくなり、好ましくない。
【００５３】
ダイヤモンドライクカーボン層７に使用されるＡｌ元素が、特に、Ａｌ酸化物やＡｌ水酸化物として存在する場合は、ＯＨ基を有する液体や蒸気との親和性が高いため、低摩擦化が実現可能である。
【００５４】
本実施例では、スパッタリング又はイオンプレーティングを用いて被膜１を形成するため、Ａｌターゲットを用いることにより、ダイヤモンドライクカーボン層７にＡｌを添加することができる。また、本実施例がターゲットとしている用途は、軽量化が要求されている自動車用部品で、低摩擦性、耐摩耗性、耐食性が要求される、例えば、ブレーキピストンのような部品等である。表面が陽極酸化被膜３で覆われているＡｌ合金で形成されている基材２の上に導電層４を形成することにより、バッファー層５、傾斜層６及びダイヤモンドライクカーボン層７の形成時にバイアス電圧を印加することができるようになるため、被膜１全体として基材２との密着性が良好となる。また、バッファー層５は、ＣｒＮを含み、Ａｌ合金で形成されている軟質の基材２の上にダイヤモンドライクカーボン層７を形成する場合に、基材２の硬度を補う層として機能するため、ダイヤモンドライクカーボン層７の基材２との密着性が向上できる。
【００５５】
さらに、傾斜層６において、バッファー層５側からダイヤモンドライクカーボン層７側へ向かって、クロム濃度（Ｃｒ濃度）を減少させ、炭素濃度（Ｃ濃度）を増加させ、また、ダイヤモンドライクカーボン層７にＡｌ元素を含有させることにより、被膜１全体として基材２との高密着性を実現することができる。そして、無潤滑環境下のみならず、水、有機溶剤、燃料、又は油による潤滑環境下においても使用可能である。
【実施例２】
【００５６】
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金のＡ６０６１−Ｔ６材の表面が陽極酸化被膜３で覆われた基材２上に、ＵＢＭ法を用いて図１に示す被膜１を形成する。
【００５７】
具体的には、図５に示す条件（プロセス時間ｖｓターゲット投入電力）で被膜１を形成する。まず、不活性ガスを導入しながら、バイアス電圧を印加せずにＡｌを含む導電層４を形成する。その後、不活性ガス及び窒素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら、ＴｉＮを含むバッファー層５を形成する。さらに、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら傾斜層６を形成する。傾斜層６の形成においては、まず、Ａｌ炭化物層を形成し、その後、Ａｌターゲット電力がダイヤモンドライクカーボン層７におけるＡｌターゲット電力まで徐々に減少し、かつカーボンターゲット電力が徐々に増加するように制御する。最後に、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しバイアス電圧を印加しながら、Ａｌ元素の含有量が１．８８ａｔ％となるようにダイヤモンドライクカーボン層７を形成する。
【００５８】
これにより、まず、電気絶縁的な基材２の表面を導電性に変化させることができるため、バッファー層５、傾斜層６及びダイヤモンドライクカーボン層７の形成が可能となる。バッファー層５は、基材２よりも高硬度で、ダイヤモンドライクカーボン層７よりも低硬度若しくは同程度の硬度であることが好ましい。本実施例では、ＴｉＮを含むバッファー層５により軟質なＡｌ合金で形成された基材２の硬さを補うことができるため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性が良好となる。また、バッファー層５とダイヤモンドライクカーボン層７との間に傾斜層６が存在するため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性を更に向上させることができる。さらに、ダイヤモンドライクカーボン層７には、適切な量のＡｌ元素が含まれているため、無潤滑環境下で摩擦係数を低減できる。さらに、基材２の表面の陽極酸化被膜３におけるピンホールを被膜１で塞ぐことができるため、基材２が剥き出しの場合に比べて耐食性が向上する。
【００５９】
以上より、本発明によれば、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性に優れた摺動部材を提供することができる。また、本発明の摺動部材を自動車に適用した場合、基材２にＡｌ合金を用いているため、自動車全体として軽量化が実現でき、その結果、更に高効率の自動車を提供することができる。
【００６０】
なお、本実施例では、導電層４をＡｌ、バッファー層５をＴｉＮとしたが、これらに限定されず、導電層４をＣｒ又はＴｉ、バッファー層５をＣｒＮとしても同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００６１】
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金のＡ６０６１−Ｔ６材の表面が陽極酸化被膜３で覆われた基材２上に、ＵＢＭ法を用いて図１に示す被膜１を形成する。具体的には、図６に示す条件（プロセス時間ｖｓターゲット投入電力）で被膜１を形成する。まず、不活性ガスを導入しながら、バイアス電圧を印加せずにＡｌを含む導電層４を形成する。その後、不活性ガス及び窒素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながらＴｉＮを含むバッファー層５を形成する。さらに、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら傾斜層６を形成する。
【００６２】
傾斜層６の形成においては、まず、Ｔｉ炭化物層を形成し、その後、Ｔｉターゲット電力が徐々に減少し、かつカーボンターゲット電力及びＡｌターゲット電力が徐々に増加するように制御する。最後に、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入し、バイアス電圧を印加しながら、Ａｌ元素の含有量が１．８８ａｔ％となるようにダイヤモンドライクカーボン層７を形成する。
【００６３】
これにより、まず、電気絶縁的な基材２の表面を導電性に変化させることができるため、バッファー層５、傾斜層６、ダイヤモンドライクカーボン層７の形成が可能となる。
【００６４】
バッファー層５は、基材２よりも高硬度で、ダイヤモンドライクカーボン層７よりも低硬度若しくは同程度の硬度であることが好ましい。本実施例では、ＴｉＮを含むバッファー層５により軟質なＡｌ合金を含む基材２の硬さを補うことができるため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性が良好となる。また、バッファー層５とダイヤモンドライクカーボン層７との間に傾斜層６が存在するため、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性を更に向上させることができる。さらに、ダイヤモンドライクカーボン層７には、適切な量のＡｌ元素が含まれるため、無潤滑環境下で摩擦係数を低減できる。さらに、基材２の表面の陽極酸化被膜３におけるピンホールを被膜１で塞ぐことができるため、基材２が剥き出しの場合に比べて耐食性が向上する。
【００６５】
図８は、本発明による実施例を示す自動車用ブレーキピストンの断面図である。
【００６６】
本図におけるブレーキピストンは、二輪車用のものであり、車輪と同軸で回転するディスクロータ２２を、２段のブレーキパッド２４、２６のうち内側のブレーキパッド２６で左右から挟むことによりブレーキが作動し、車輪の回転が止まるものである。本図は、車輪及びディスクロータ２２の回転方向に平行な方向から見た縦断面図であり、ディスクロータ２２の回転方向は紙面に対して垂直な方向である。
【００６７】
本図において、シリンダボア２１の内部に、ピストン２３、ブレーキパッド２４、２６及びシール２５が収納されている。シール２５は、シリンダボア２１とピストン２３との間に設置され、シリンダボア２１内部に封入された油２０２が漏れ出さないようにしている。左右のピストン２３に油２０２の油圧が加わることにより、左右のピストン２３が内側に移動し、ブレーキパッド２６とディスクロータ２２とを接触させるようになっている。
【００６８】
本発明の摺動部材はピストン２３であり、ピストン２３とシール２５とが接触する面に本発明の被膜２０１を設けてある。この被膜２０１により、ピストン２３とシール２５との間の摩擦を低減し、摩耗を抑制し、耐食性を向上させることができる。
【００６９】
ここで、被膜２０１としては、上記の実施例１〜３の摺動部材におけるいずれの被膜も適用することができる。さらに、自動車用ブレーキピストンに適用する被膜は、実施例１〜３に限定されることはなく、本発明の摺動部材の構成要件を満たすものであれば、いかなる被膜でも適用することができる。
【００７０】
以上のように、本発明によれば、低摩擦性、耐摩耗性及び耐食性に優れた摺動部材を提供することができる。また、これを自動車用摺動部材（自動車用ブレーキピストン）に適用した場合、基材２にＡｌ合金基材を用いているため、自動車全体として軽量化が実現でき、その結果、更に高効率の自動車を提供することができる。
【００７１】
なお、本実施例では、導電層４をＡｌ、バッファー層５をＴｉＮとしたが、これらに限定されるものではなく、導電層４をＣｒ又はＴｉ、バッファー層５をＣｒＮとしても同様の効果が得られる。
（比較例１）
Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏを含む合金（クロムモリブデン鋼材）の基材１２の上に、ＵＢＭ法を用いて、図２に示す被膜１１を形成する。
【００７２】
具体的には、図７に示す条件（プロセス時間ｖｓターゲット投入電力）で被膜１１を形成する。
【００７３】
まず、不活性ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながらＣｒを含むボンド層１８を形成する。その後、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら傾斜層６を形成する。
【００７４】
傾斜層６の形成においては、まずＣｒ炭化物層を形成し、その後Ｃｒターゲット電力が徐々に減少し、かつカーボンターゲット電力が徐々に増加するように制御する。最後に、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら、Ａｌ元素の含有量が１．８８ａｔ％となるようにダイヤモンドライクカーボン層７を形成する。
【００７５】
ここで、ボンド層１８とは、主に基材１２と傾斜層６との密着性を向上させるために導入する層である。ボンド層１８及び傾斜層６により、ダイヤモンドライクカーボン層７の密着性を向上させることができる。さらに、ダイヤモンドライクカーボン層７には、適切な量のＡｌ元素が含まれているため、無潤滑環境下で摩擦係数を低減できる。これを摺動部材に適用した場合、低摩擦性、耐摩耗性に優れた摺動部材を提供することができる。しかし、これを自動車用摺動部材に用いた場合、基材１２に鉄鋼材を用いているため、自動車全体として軽量化が実現できず、その結果、高効率の自動車を提供することができない。
（比較例２）
アルミニウム合金１０１（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）Ａ６０６１−Ｔ６材の表面が陽極酸化被膜３で覆われた基材２の上に、ＵＢＭ法を用いて、図３に示す被膜１１を形成する。
【００７６】
具体的には、図７に示す条件（プロセス時間ｖｓターゲット投入電力）で被膜１１を形成する。
【００７７】
まず、不活性ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながらＣｒを含むボンド層１８を形成する。その後、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら傾斜層６を形成する。
【００７８】
傾斜層６の形成においては、まず、Ｃｒ炭化物層を形成し、その後、Ｃｒターゲット電力が徐々に減少し、かつカーボンターゲット電力が徐々に増加するように制御する。最後に、不活性ガス及び炭化水素ガスを導入し、バイアス電圧を印加しながら、Ａｌ元素の含有量が１．８８ａｔ％となるようにダイヤモンドライクカーボン層７を形成する。しかし、ボンド層１８の成膜時においてバイアス電圧が適切に印加されないため、ボンド層１８が適切に形成されず、その結果、傾斜層６及びダイヤモンドライクカーボン層７の密着性が低下する。したがって、無潤滑環境下で摩擦係数を低減できず、これを摺動部材に適用しても、低摩擦性及び耐摩耗性に優れた摺動部材を提供することができない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、低摩擦、耐摩耗性及び耐食性に優れた硬質炭素被膜を有する摺動部材に関するものであって、特に、無潤滑環境下においてゴムとの摺動で使用されるブレーキ用ピストン、油潤滑環境下で使用されるエンジン部品などの自動車用部品に利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明による実施例を示す摺動部材の模式断面図である。
【図２】比較例１を示す基材及び硬質炭素被膜の模式断面図である。
【図３】比較例２を示す基材及び硬質炭素被膜の模式断面図である。
【図４】本発明による実施例１における成膜条件を示すグラフである。
【図５】本発明による実施例２における成膜条件を示すグラフである。
【図６】本発明による実施例３における成膜条件を示すグラフである。
【図７】比較例における成膜条件を示すグラフである。
【図８】本発明による実施例を示す自動車用ブレーキピストンの断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１：硬質炭素被膜、２：基材、３：陽極酸化被膜、４：導電層、５：バッファー層、６：傾斜層、７：ダイヤモンドライクカーボン層、１１：硬質炭素被膜、１２：基材、１８：ボンド層、２１：シリンダボア、２２：ディスクロータ、２３：ピストン、２４：ブレーキパッド、２５：シール、２６：ブレーキパッド、１０１：アルミニウム合金、２０１：被膜、２０２：油
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化アルミニウム層で覆われているアルミニウム合金を基材とし、前記基材の外側に前記基材側から順に、導電層、前記基材との密着性を向上させ、前記基材の硬度を補うためのバッファー層、及びダイヤモンドライクカーボン層を形成したことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記ダイヤモンドライクカーボン層がアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記導電層がアルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記バッファー層がクロム窒化物及びチタン窒化物の群から選ばれる１種類の窒化物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項５】
前記バッファー層がクロム炭化物及びチタン炭化物の群から選ばれる１種類の炭化物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項６】
前記バッファー層と前記ダイヤモンドライクカーボン層との間に、傾斜層を設けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項７】
前記傾斜層が、炭素及び金属の混合物又は金属の炭化物であり、前記傾斜層に含まれる金属の含有量が、前記基材側から外側に向かって減少し、前記傾斜層に含まれる炭素の含有量が、前記基材側から前記外側に向かって増加し、前記金属がアルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属であることを特徴とする請求項６記載の摺動部材。
【請求項８】
前記傾斜層が、炭素及び金属の混合物又は金属の炭化物であり、前記傾斜層に含まれる第一の金属の含有量が、前記基材側から外側に向かって減少し、前記傾斜層に含まれる第二の金属及び炭素の含有量が、前記基材側から前記外側に向かって増加し、前記第一の金属は、アルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属であり、前記第二の金属は、アルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属であり、かつ前記第一の金属とは異なる金属であることを特徴とする請求項６記載の摺動部材。
【請求項９】
前記ダイヤモンドライクカーボン層に含まれるアルミニウムの含有量が、０．５〜４．５ａｔ％であることを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項１０】
前記ダイヤモンドライクカーボン層に含まれるアルミニウムの状態が、金属、硼化物、炭化物、窒化物、酸化物及び水酸化物の群から選ばれる１つの状態であることを特徴とする請求項２〜９のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項１１】
前記ダイヤモンドライクカーボン層に、ｓｐ２結合炭素とｓｐ３結合炭素とが混在することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の摺動部材で構成したことを特徴とする自動車用ブレーキピストン。
【請求項１３】
酸化アルミニウム層で覆われているアルミニウム合金を基材とし、この基材の表面にスパッタリング或いはイオンプレーティングにより導電層を形成する工程と、前記基材にバイアス電圧を印加した状態で、前記導電層の上に前記基材との密着性を向上させ、前記基材の硬度を補うためのバッファー層を形成し、このバッファー層の上に傾斜層を形成し、この傾斜層の上に、アルミニウムを含むダイヤモンドライクカーボン層を形成する工程と、を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項１】
酸化アルミニウム層で覆われているアルミニウム合金を基材とし、前記基材の外側に前記基材側から順に、導電層、前記基材との密着性を向上させ、前記基材の硬度を補うためのバッファー層、及びダイヤモンドライクカーボン層を形成したことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記ダイヤモンドライクカーボン層がアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記導電層がアルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記バッファー層がクロム窒化物及びチタン窒化物の群から選ばれる１種類の窒化物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項５】
前記バッファー層がクロム炭化物及びチタン炭化物の群から選ばれる１種類の炭化物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項６】
前記バッファー層と前記ダイヤモンドライクカーボン層との間に、傾斜層を設けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項７】
前記傾斜層が、炭素及び金属の混合物又は金属の炭化物であり、前記傾斜層に含まれる金属の含有量が、前記基材側から外側に向かって減少し、前記傾斜層に含まれる炭素の含有量が、前記基材側から前記外側に向かって増加し、前記金属がアルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属であることを特徴とする請求項６記載の摺動部材。
【請求項８】
前記傾斜層が、炭素及び金属の混合物又は金属の炭化物であり、前記傾斜層に含まれる第一の金属の含有量が、前記基材側から外側に向かって減少し、前記傾斜層に含まれる第二の金属及び炭素の含有量が、前記基材側から前記外側に向かって増加し、前記第一の金属は、アルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属であり、前記第二の金属は、アルミニウム、クロム及びチタンの群から選ばれる１種類の金属であり、かつ前記第一の金属とは異なる金属であることを特徴とする請求項６記載の摺動部材。
【請求項９】
前記ダイヤモンドライクカーボン層に含まれるアルミニウムの含有量が、０．５〜４．５ａｔ％であることを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項１０】
前記ダイヤモンドライクカーボン層に含まれるアルミニウムの状態が、金属、硼化物、炭化物、窒化物、酸化物及び水酸化物の群から選ばれる１つの状態であることを特徴とする請求項２〜９のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項１１】
前記ダイヤモンドライクカーボン層に、ｓｐ２結合炭素とｓｐ３結合炭素とが混在することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の摺動部材で構成したことを特徴とする自動車用ブレーキピストン。
【請求項１３】
酸化アルミニウム層で覆われているアルミニウム合金を基材とし、この基材の表面にスパッタリング或いはイオンプレーティングにより導電層を形成する工程と、前記基材にバイアス電圧を印加した状態で、前記導電層の上に前記基材との密着性を向上させ、前記基材の硬度を補うためのバッファー層を形成し、このバッファー層の上に傾斜層を形成し、この傾斜層の上に、アルミニウムを含むダイヤモンドライクカーボン層を形成する工程と、を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１５０６４１（Ｐ２０１０−１５０６４１Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３３０７８（Ｐ２００８−３３３０７８）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]