JP5608466B2

JP5608466B2 - 表面構造

Info

Publication number: JP5608466B2
Application number: JP2010182420A
Authority: JP
Inventors: 啓介木原
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2010-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-08-17
Also published as: JP2012041589A

Description

本発明は、耐摩擦性が向上する表面構造に関するものである。

調節弁やガスガバナなどは、接触摩擦部を有する摺動面をもつ装置である。このような装置の摺動部においては、耐摩擦性を高めるために接触摩擦部を硬質材料より構成し、また、熱処理などによる硬質処理をしている。接触摩擦部に硬質層を形成することで耐摩擦性を高める技術もある。また、接触摩擦部における摺動性を高めるために、潤滑剤が用いられている。

ただし、潤滑剤は、減圧排気されている環境では使用し難いなど、使用可能な範囲が限られ、また、経時変化を伴うため、常に整備保守が必要になるなどの問題がある。これに対し、潤滑剤を用いることなく優れた摺動性が得られる硬質層の材料として、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）がある（特許文献１，２，３，４参照）。

しかしながら、ＤＬＣの膜は、割れが発生すると、発生した割れの部分を起点として広い面積で一度に膜剥がれを起こすという問題がある。この問題に対し、特許文献１，２，３，４では、ＤＬＣ膜をセグメントに分割して形成している。セグメントに分割することで、まず、ＤＬＣ膜の剥離の進展が抑えられるようになり、一つのセグメントで膜が剥離しても隣のセグメントはその影響を受けないようになる。これにより剥離の進展を抑え、膜の寿命を長くすることができる。また、セグメントに分割することで、母体の変形に伴うＤＬＣ膜に与えられる大きなひずみが回避できるようになり、剥離の進展が抑制できるようになる。

ＷＯ２００６／０９５９０７号公報特開２０１０−００７１１７号公報特開２００３−１４７５２５号公報特開２００７−０８３７２６号公報

しかしながら、ＤＬＣ膜をセグメントに分割して形成することが、容易ではないという問題がある。例えば、特許文献３，４では、タングステン線の金網を用いて格子状にマスキングすることで、セグメントにＤＬＣ膜を形成している。また、特許文献２では、セグメント形態に対応したパターン形状の凸状パターンを形成し、この上からＤＬＣ膜を堆積し、この後、凸状パターンを除去するという、所謂リフトオフ法によりセグメントにＤＬＣ膜を形成している。このように、いずれにおいても、マスクを用いており、位置精度の問題や、製造工程の増加をまねくという問題などがある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、剥離の進展が抑制された状態のＤＬＣ膜より構成される硬質層がより簡便に形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る表面構造は、粗面とされた基材の表面と、表面に接して形成され、ダイアモンドライクカーボンからなり、複数の亀裂がある硬質層とを備え、表面の表面粗さＲａが０．１から０．４の範囲とされ、硬質層は、層厚１〜３μｍの範囲とされている。

以上説明したように、本発明によれば、粗面とされた基材の表面に接してダイアモンドライクカーボンからなる複数の亀裂を備えた硬質層を形成するようにしたので、剥離の進展が抑制された状態のＤＬＣ膜より構成される硬質層がより簡便に形成できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における表面構造の構成を示す断面図である。図２は、ＤＬＣ膜からなる硬質層に対して行った摩擦摩耗試験の結果を示す特性図である。図３は、摩擦摩耗試験を行った後のＤＬＣ膜からなる硬質層の表面の金属顕微鏡写真である。図４は、摩擦摩耗試験を行った後のＤＬＣ膜からなる硬質層の表面の金属顕微鏡写真である。図５は、摩擦摩耗試験を行った後のＤＬＣ膜からなる硬質層の表面の金属顕微鏡写真である。図６は、ＤＬＣ膜からなる硬質層の電子顕微鏡写真である。図７は、ＤＬＣ膜からなる硬質層の電子顕微鏡写真である。図８は、ＤＬＣ膜からなる硬質層の電子顕微鏡写真である。図９は、ＤＬＣ膜からなる硬質層の電子顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における表面構造の構成を示す断面図である。この表面構造は、基材１０１の粗面とされた表面１０２と、表面１０２に形成されたダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなる硬質層１０３とを備える。また、表面１０２の表面粗さＲａが０．１から０．４の範囲とされ、硬質層１０３は、層厚１〜３μｍの範囲とされているものである。このような粗面は、例えば、サンドブラストなどのブラスト処理による加工や、バフ研磨などの粗研磨により形成することができる。

硬質層１０３は、基材１０１の表面１０２の上に、よく知られたＰＶＤ法によりＤＬＣを堆積することで形成すればよい。例えば、ＤＬＣは、黒鉛をターゲットとしたイオンプレーティング法やスパッタリング法により堆積できる。また、硬質層１０３は、表面１０２を被覆するように形成されていればよい。硬質層１０３は、粗面とされている表面１０２に形成されるため、複数の亀裂１０４を備えた状態となる。言い換えると、硬質層１０３は、セグメントに分割された複数のＤＬＣ膜から構成されたものとなる。このように、本実施の形態によれば、単にＤＬＣ膜を形成すれば、セグメントに分割された状態となるので、剥離しにくい状態の硬質層がより簡便に形成できるようになる。

このように、上述した実施の形態によれば、金網などのいわゆるステンシルマスクやレジストなどによるマスクパターンなどを用いる必要がないので、剥離の進展が抑制された状態のＤＬＣ膜より構成される硬質層が、より容易に形成できるようになる。

以下、実際に作製した試料の評価について説明する。

［試料］
試料としては、ＳＵＳ３１６を円板状に加工した基板を用いた。また、試料１は、表面粗さをＲａ０．２とし、試料２は、表面粗さをＲａ０．００２とし、試料３は、表面粗さをＲａ０．８とした。試料１が、上述した実施の形態の基板１０１に相当する。なお、試料１は、よく知られたバフ研磨により表面粗さをＲａ０．２とした。また、試料２は、よく知られた鏡面研磨により、Ｒａ０．００２とした。試料２の表面は、所謂鏡面加工した状態である。また、試料３は、ＳＵＳ３１６の円板の表面を、旋盤により加工してＲａ０．８とした。また、形成した硬質層は、層厚１μｍとした。

［評価方法１］
直径９．６ｍｍのアルミナ球を用いた荷重増加方式のボールオンディスク型の摩擦摩耗試験により評価を行う。負荷荷重は最大１５ｋｇとする。また、摺動速度は０．１５ｍ／秒とし、形成した硬質層が破壊するときの臨界荷重を摩擦係数の変化から判断する。

［評価方法２］
各試料において、摩擦摩耗試験の後における硬質層表面の状態を、金属顕微鏡により観察する。

［結果］
まず、試料１は、図２の（ａ）に示すように、上記摩擦摩耗試験の最大負荷荷重の範囲では、摩擦係数に大きな変化はなく、硬質層の破壊は確認されない。これに対し、試料２は、図２の（ｂ）に示すように、負荷荷重５ｋｇの前で摩擦係数が測定限界を超えて大きくなり、この時点で硬質層の破壊が確認される。また、試料３は、図２の（ｃ）に示すように、負荷荷重２ｋｇで摩擦係数が測定限界を超えて大きくなり、この時点で硬質層の破壊が確認される。また、試料３は、負荷荷重２ｋｇになるまでの間に、徐々に摩擦係数が増加している。

次に、金属顕微鏡による観察結果について示す。試料１は、図３の写真に示すように、摩擦摩耗試験箇所に筋状の切削痕が確認されるが、硬質層が残存している。これに対し、試料２は、図４の写真に示すように、摩擦摩耗試験箇所の硬質層が剥離していることがわかる。同様に、試料３は、図５の写真に示すように、摩擦摩耗試験箇所の硬質層が剥離していることがわかる。

次に、基材の表面を鏡面加工してＤＬＣ膜（硬質層）を形成した場合と、本実施の形態による粗面とした表面にＤＬＣ膜を形成した場合とについて、電子顕微鏡により観察した比較結果について説明する。

まず、鏡面加工した表面にＤＬＣ膜を形成すると、図６の写真（２０００倍）に示すように、平坦な膜が形成されていることがわかる。これに対し、本実施の形態による粗面とした表面にＤＬＣ膜を形成すると、図７の写真（２０００倍）に示すように、下地の凹凸に添ってＤＬＣ膜が形成され、また、複数の亀裂が形成されていることがわかる。

また、鏡面加工した表面に形成したＤＬＣ膜に対して前述した摩擦摩耗試験を行った箇所は、図８の写真（１０００倍）に示すように、広範囲にわたって膜剥がれが起きていることがわかる。これに対し、本実施の形態による粗面とした表面に形成したＤＬＣ膜に対して前述した摩擦摩耗試験を行った箇所は、図９の写真（１５００倍）に示すように、摩擦部が部分的に白く観察されて基材の表面が露出しているが、部分的であり、他の箇所は、ＤＬＣ膜が残存していることがわかる。また、基材が露出している箇所は、粗面とした凸部に相当していることがわかる。

以上の実験の結果から明らかなように、Ｒａ０．２とした表面構造によれば、耐摩耗性の高い状態が得られている。また、同様の結果（耐摩耗性の高い状態）が、Ｒａ０．１〜０．４において得られている。これは、本実施の形態によれば、硬質層がセグメントに分割したことに等しい状態になっているためと考えられる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、ＤＬＣ膜は、ＰＶＤ法に限らず、ＣＶＤ法により形成してもよい。アセチレンなどの炭化水素ガスを原料ガスとしたプラズマアシストＣＶＤ法によりＤＬＣ膜が形成できる。また、基材は、ＳＵＳなどのステンレス鋼に限らず、アルミニウム、マグネシウムなどの金属系の材料から構成されていても同様である。

１０１…基材、１０２…表面、１０３…硬質層、１０４…亀裂。

Claims

粗面とされた基材の表面と、
前記表面に接して形成され、ダイアモンドライクカーボンからなり、複数の亀裂がある硬質層とを備え、
前記表面の表面粗さＲａが０．１から０．４の範囲とされ、
前記硬質層は、層厚１〜３μｍの範囲とされていることを特徴とする表面構造。