JP3838796B2

JP3838796B2 - 摺動部材用硬質膜

Info

Publication number: JP3838796B2
Application number: JP30226098A
Authority: JP
Inventors: 浩志長坂; 桃子角谷; 松甫宮坂
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2018-10-23
Also published as: JP2000129421A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にポンプ、圧縮機等の回転機械の軸受またはシール部の摺動部材や、切削工具を代表とする各種耐摩耗部品のような耐摩耗性、低い摩擦係数が要求される部材に用いられて好適な摺動部材用硬質膜及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料から構成される軸受またはシール部材の耐摩耗性または耐食性を高めるために、その表面にセラミックスコーティングを施すことが広く行われている。そのセラミックスコーティングに使用されている材質としては、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化ボロン（ＢＮ）およびダイヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）などが挙げられる。これらの中でも、ＴｉＮ、ＣｒＮはすでに広く工業化され、硬質膜として金型、切削工具等に応用されている。
【０００３】
このような硬質膜を形成する方法としては、従来から、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法に代表されるイオンプレーティング法、スパッター蒸着法、プラズマＣＶＤ法およびイオン注入法などの表面改質技術が検討されている。特に、真空蒸着法にイオン注入技術を併用したダイナミックミキシング（ＤＭ）法は、基材との密着性に優れると同時に、低温での物質合成が可能な膜形成技術として注目されている。
【０００４】
セラミックスコーティングの材料のうちで、広く実用化されているものの一つであるＴｉＮは、侵入型化合物を形成する代表的物質であり、面心立方晶の結晶構造であることが知られている。ＴｉＮは、Ｔｉの格子に窒素が侵入固溶体として入り、ＮａＣｌ型結晶構造となる。ＴｉＮ膜は、耐摩耗性および耐食性に優れていることから、一部の軸受またはシール部材などにも使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ポンプなどの回転機械において、回転機械の高速化、高圧化に伴い、高荷重、高周速度などの苛酷な摺動条件に耐える摺動部材用硬質膜の開発が望まれている。窒化チタン膜をこのような用途に適用することが考えられているが、窒化チタン膜自体の硬さ、耐摩耗性が充分でなく、耐久性に問題があることがこれまでの実験から分かってきた。従って、現在の窒化チタン膜ではこのような苛酷な条件で使用する用途において充分な摺動特性を発揮することができない。
【０００６】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、窒化チタン膜の優れた耐摩耗性および低摩擦係数を更に向上させて、回転機械の高速化、高圧化に伴う高い摺動特性に対する要請に対応することができるような摺動部材用硬質膜を提供することを目的としたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、窒化チタンを主成分とし、Ｂを含有する窒化物であって、前記窒化物の結晶が面心立方構造であり、その結晶子の大きさが９ｎｍ以下であることを特徴とする摺動部材用硬質膜である。
【０００８】
発明者らは、窒化チタン膜の硬さおよび耐摩耗性を向上させることを目的に、Ｔｉ及びＮ以外の各種元素を含有した窒化物薄膜を得ること、およびそのような窒化物薄膜の形成技術の開発を進めてきた。すなわち、窒化チタン薄膜の硬さおよび耐摩耗性を向上させることを念頭に、窒化チタンを主成分に、ＴｉおよびＮ以外の各種元素を添加した窒化物薄膜の形成技術に関する研究を行った。その結果、窒化チタンを主成分とし、Ｂ及びＳｉから選ばれる少なくとも一つの元素を含有する窒化物の結晶構造が面心立方構造であることを解明し、さらに、これまでの研究から、前記窒化物が下記の化学組成であるとき、前記窒化物の結晶構造が面心立方構造であって、面心立方構造である前記窒化物の結晶子の大きさが９ｎｍ以下であるときに、ビッカース硬さが３０００以上であり、前記の目的が達成されることを明らかにした。
化学組成：Ｔｉ(１００−ｘ)Ｍｅｘ窒化物
但し、Ｍｅ：Ｂ及びＳｉの中から少なくとも一つ選ばれる元素
ｘ：２％≦ｘ≦３０％、原子濃度（％）
【０００９】
このような摺動部材用硬質膜は、ダイナミックミキシング（ＤＭ）法を用い、金属元素であるＴｉ及び添加元素を真空蒸着させながら窒素をイオン注入することにより形成するのが良い。この方法によれば、基材との密着性の高い成膜ができるとともに、低温での物質合成が可能である。基材としては、熱膨張係数が１１×１０^−６以下であるＳＵＳ４２０Ｊ２鋼またはＳＵＳ６３０鋼などのステンレス鋼またはＩｎｃｏｌｏｙ９０９鋼などのＮｉ基合金を用いることが密着性を維持する上で好ましいが、これに限定されるものではなく、上記以外の鉄鋼材料も好適に用いられる。また、耐摩耗部材あるいは切削工具などの用途では、鉄鋼材料以外の、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４及びＡｌ_２Ｏ_３などの各種セラミックス及びＷＣなどの超硬合金なども基材として好適である。
【００１０】
イオンビームの加速電圧は４０ｋＶ以下であることが好ましい。４０ｋＶ以上であると、イオンビームの加速装置の大掛かりになり、処理コストが高くなったり放射線の対策が必要になる。また、イオンビームの投与エネルギーが１ｋＶ以下では、基材との密着力が不足し、摺動部材に適した硬質膜が得られない。形成する硬質膜の膜厚は、処理コストおよび膜残留応力などの種々の要因を考慮して、数十μｍ以下が好適であるが、その用途によって種々の厚さとすることができる。
【００１１】
添加元素の比率は、ＤＭ法において、Ｔｉ及び添加元素の蒸発速度をそれぞれ制御することによって行なうことができる。ＴｉＮは、Ｔｉの格子に窒素が侵入固溶体として入り、面心立方晶の結晶構造となる。ＴｉＮにＢ及びＳｉから選ばれる少なくとも一つの元素を添加した場合、その原子濃度の増加と共に、ＴｉＮの面心立方の結晶構造が失われて他の結晶構造となる。したがって、優れた耐摩耗性、低摩擦係数を発揮させるため、添加元素の原子濃度が３０ａｔ％以下であることが望ましい。また、これまでの研究から、ＴｉＮに添加元素を添加するほど、硬さ及び耐摩耗性が向上するものと考えられるが、摺動条件の苛酷さで、添加元素の添加量の下限値を決めるのが望ましい。
【００１２】
ＤＭ法において、窒素イオンビームの照射条件、例えば、イオンの加速電圧、電流密度、投与エネルギー（Ｗ／ｃｍ^２）および照射角度などの条件を制御することによって結晶子の結晶方位を(１１１)面に配向させることが可能である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の摺動部材用硬質膜の製造方法において、ＢおよびＴｉとを同時に真空蒸着すると共に、窒素を主体とするイオンビームを照射することにより、前記窒化物を形成することを特徴とする摺動部材用硬質膜の製造方法である。
【００１４】
【実施例】
以下、実施例によって、本発明を具体的に説明する。
まず、図１により、ダイナミックミキシング（ＤＭ）装置を説明する。これは、気密な成膜室１１内に、基材Ｗを下面に保持する銅製のホルダ１２と、これの下方に配置されたヒータ１３ａ，１４ａを有する蒸発源１３，１４と、基材Ｗに対して斜め下方からイオンを入射可能なイオン源１５を備えている。基材Ｗを面内均一に成膜するために回転軸１６により回転させるようにしており、銅製ホルダ１２は、イオンビーム照射による基材Ｗの温度上昇を防ぐため回転軸１６を介して水冷されている。
【００１５】
このような装置により、基材として、ＳＵＳ４２０Ｊ２鋼およびＩｎｃｏｌｏｙ９０９鋼を用いて、以下のような工程で実施例と比較例の成膜を行った。基材Ｗの前処理として、この基材処理面を平均表面粗さが０．０５μｍ以下の鏡面となるまで研磨し、アルコールで超音波洗浄を行った後、図１のＤＭ装置のホルダ１２に取り付けた。
【００１６】
まず、成膜室１１の内部を到達圧力が１×１０^−５Torr以下になるまで真空排気し、加速電圧１０ｋＶ、イオン電流密度０.２ｍＡ／ｃｍ^２、照射角度４５°で、窒素イオンビームを照射して、基材の表面のスパッタークリーニングを行った。次に、窒素イオンビーム源１５において電流密度を制御しながら窒素ビームを照射しつつ、Ｔｉ及び添加元素の蒸気源１３，１４をヒータ１３ａ，１４ａで加熱し、それぞれの蒸発速度を制御しつつ膜厚が４μｍになるまで成膜を行った。成膜条件を表１に示す。
【００１７】
【表１】

【００１８】
得られた窒化物薄膜の組成は、表２に示すように、それぞれＴｉに対してＢ及びＳｉの中から少なくとも一つ選ばれる元素が２〜３０ａｔ％含まれていた。ここでは、Ｔｉ及び添加元素の供給比は、Ｍｅ元素の蒸着速度／チタンの蒸着速度の比として示されている。なお、膜厚は、水晶振動子式膜厚計でモニターした。一方、比較例として、添加元素を加えないもの、面心立方晶構造でないもの、結晶子の大きさが１０ｎｍ以上のもの、添加元素が２〜３０ａｔ％を超えて含まれているもの等を同様の方法で作製した。
【００１９】
【表２】

【００２０】
得られた各種窒化物薄膜のビッカース硬さと結晶子の大きさとの関係を図２に示す。図中の各種窒化物薄膜をＸ線回折パターンで測定した結果から、これらの薄膜が面心立方晶構造であって、（１１１）面に優先配向していることが分かった。また、図中の結晶子の大きさを次の式から求めた。
Ｄ＝０．９λ／(βcosθ)
但し、Ｄ：結晶子の大きさ、λ：測定に用いたＸ線の波長、β：半値幅の広がり、θ：（１１１）のブラッグ角である。
【００２１】
次に、本発明を遠心圧縮機用メイティングリングヘ適用した具体的事例を説明する。図３は遠心圧縮機の非接触端面シールの構成例を示す図である。同図において、シールハウジング２１に収容された回転軸２２には軸スリーブ２３が設けられている。そして、軸スリーブ２３はキー２４，２４を介して回転環２５，２５(メイティングリング)を保持している。各回転環２５に対向して固定環２６を設けている。回転環２５の基材にはステンレス鋼(ＳＵＳ４２ＯＪ２)を用い、その摺動面に本発明の摺動部材用硬質膜をダイナミックミキシング法で形成する。また、図示は省略するが、回転環２５の摺動面には高圧側Ｈから低圧側Ｌに向けて溝が形成されている。
【００２２】
各固定環２６はピン２７を介してシールリングリテーナ２８に接続されており、該シールリングリテーナ２８とシールハウジング２１との間にはスプリング２９を介装している。そしてスプリング２９及びシールリングリテーナ２８を介して各固定環２６は回転環２５に押し付けられている。なお、３０はロックプレート、３１はシエアリングキーである。
【００２３】
上記構成の非接触端面シールにおいて、回転軸２２が回転することにより、回転環２５と固定環２６とが相対運動し、これにより、回転環２５に形成した溝が高圧側Ｈの流体を巻き込んで、密封面に流体膜を形成する。この流体膜により密封面は非接触状態となり、回転環２５と固定環２６との間の密封面間にわずかな隙間が形成される。
【００２４】
図４は本発明をマグネットポンプのスラスト軸受に適用した構成を示す図である。図において、４０は隔壁板であり、該隔壁板４０にはスラスト軸受を構成する静止部材４１を固定し、該静止部材４１に対向して羽根車４４に固定されたスラスト軸受を構成する可動部材４２を設けている。また、隔壁板４０を介在させてマグネットカップリング４３に固定された永久磁石４６と羽根車４４に固定された永久磁石４５が対向している。マグネットカップリング４３を回転させることにより、該回転力は永久磁石４６と永久磁石４５の問に作用する磁気吸引力又は磁気反発力で羽根車４４に伝達され、羽根車４４はスラスト方向をスラスト軸受に支持されて回転する。
【００２５】
上記スラスト軸受を構成する可動部材４２の摺動面に本発明の摺動部材用硬質膜をダイナミックミキシング法で形成する。そして静止部材４１をカーボンを主体とする材料で構成する。スラスト軸受をこのように構成することにより、摩擦係数及びカーボンの比摩耗量が小さい優れた摩擦特性のスラスト軸受が構成できる。また、図示は省略するが、ラジアル軸受の可動部材の摺動面に本発明の硬質膜を形成し、静止部材をカーボンを主体とする材料で構成することにより、同様な特徴を有するラジアル軸受が構成できる。
【００２６】
なお、上記実施例では、基材に金属材料を用いたが、本発明はそれに限定されるものではなく、超硬合金、セラミックスを用いた場合でも全く同様な効果を奏することを確認している。
【００２７】
また、上記例では軸受の可動部材を金属材料又は超硬合金又はセラミックで構成し、その摺動面に本発明の硬質膜を形成する例を示したが、反対に静止部材を金属材料又は超硬合金又はセラミックで構成し、その摺動面に本発明の硬質膜を形成し、可動部材をカーボンを主体する材料で構成してもよい。
【００２８】
また、上記例では本発明の硬質膜を形成した摺動部材と組み合わせる相手側の部材の材料として、樹脂含浸硬質カーボンまたは硬質カーボンを用いたが、相手側の材料としてはこれに限定されるものではなく、カーボンを主体とする材料またはカーボンを含浸させた材料をも含んで、広くカーボンを含む材料を使用することができる。カーボンを含む材料としては、例えば、カーボン系複合材料(カーボン繊維強化型複合材料、カーボン複合材料等)、炭素鋼、鋳鉄、炭化物(ＳｉＣ、Ｃｒ_３Ｃ_４、ＴｉＣ等)、カーボン系コーティング材料(ＤＬＣ〔ダイヤモンドライクカーボン〕膜、ＴｉＣ膜)などを含む。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＴｉＮ膜の硬さおよび優れた耐摩耗性を更に向上させて、回転機械の高速化、高圧化に伴う高い摺動特性に対する要請に対応することができるような摺動部材用硬質膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用した硬質膜形成装置の概念図を示す。
【図２】結晶子の大きさとビッカース硬さの関係を示すグラフである。
【図３】圧縮機の非接触端面シールの構成例を示す図である。
【図４】本発明をマグネットポンプのスラスト軸受に適用した構成を示す図である。
【符号の説明】
１２基板ホルダ
１３，１４蒸発源
１５イオン源
１６回転軸
Ｗ基板

Claims

窒化チタンを主成分とし、Ｂを含有する窒化物であって、前記窒化物の結晶が面心立方構造であり、その結晶子の大きさが９ｎｍ以下であることを特徴とする摺動部材用硬質膜。
請求項１に記載の摺動部材用硬質膜の製造方法において、
ＢおよびＴｉとを同時に真空蒸着すると共に、窒素を主体とするイオンビームを照射することにより、前記窒化物を形成することを特徴とする摺動部材用硬質膜の製造方法。