JP3205304B2

JP3205304B2 - 摺動部材

Info

Publication number: JP3205304B2
Application number: JP29512398A
Authority: JP
Inventors: 常盛吉田
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2001-09-04
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: JP2000119842A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メカニカルシー
ル、ガスシール等のシール部材や軸受けなどの摺動部材
に関する。

【０００２】

【従来の技術】メカニカルシール、ガスシール等のシー
ル部材や軸受けなどの摺動部材を形成する材料として、
従来よりカーボン、炭化珪素、超硬合金等が、カーボン
対炭化珪素、カーボン対超硬合金などの組み合わせで広
く使用されている。

【０００３】近年では、流体機械の高速、高圧化、大型
化のニーズに伴い、摺動部材の使用条件は益々厳しいも
のになっており、固体間の滑り接触に伴う摩擦熱が繰り
返し発生することに起因した熱衝撃破壊や熱疲労による
割れが問題視されている。また、高速、高圧等の回転機
器におけるシール部材として強度の高い炭化珪素や超硬
合金の成形品が用いられるが、これらは脆性を備え、遠
心力増大に伴う破損を防止するためにバンドなどの補強
部材を必要とする。

【０００４】そこで破損の防止方法として、摺動部材の
母材を、高強度ではないが金属材料等の非脆性材料によ
り形成し、摺動面を硬質薄膜で被覆するなどの表面改質
により高強度化する方法が検討されている。しかし、炭
化処理、窒化処理などの表面改質では、処理時の加熱に
よる変形が大きく、ひずみによって母材から硬質薄膜が
剥離するなど強度の低下を引き起こす。イオン注入では
注入深さが限定され、所望の強度が得にくい。物理的蒸
着法（ＰＶＤ）や化学的蒸着法（ＣＶＤ）により摺動面
に硬質薄膜を形成する方法は、改質部を十分に形成する
ことができるが、ＣＶＤは処理部を４００〜１０００℃
程度に加熱する必要があり、摺動部材（母材）の変形を
生じる。ＰＶＤにおいては、従来、高強度な被膜を得る
ためには、基板温度を３００〜５００℃程度に加熱して
おり、この場合も摺動部材の変形による強度の低下を生
じていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐摩耗性に
優れた摺動部材を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１の摺動部材は、Tiを４５〜６０at
％、Crを１４〜３２at％、Ｎを１４〜３６at％含有する
三元系の非晶質耐摩耗性材料薄膜を形成してなることを
特徴としている。

【０００７】請求項２の摺動部材は、Tiを４４〜６０at
％、Crを０.4〜５.0at％、Ｎを４０〜４５at％含有する
三元系の結晶質耐摩耗性材料薄膜を形成してなることを
特徴としている。

【０００８】上記のような薄膜を摺動面に形成すること
により、耐摩耗性に優れた摺動部材を得ることができ
る。なお、このような耐摩耗性材料薄膜は、真空下で、
金属チタン（Ti）および金属クロム（Cr）を蒸発させ、
蒸発物をアーク放電によりイオン化すると同時に、窒素
ガス（Ｎ₂)と反応せしめて基材の摺動面に堆積させる、
いわゆるアーク放電型イオンプレーティング法により形
成することができる。このような方法により、上記所望
の条件を満たし、膜内の歪みが小さい耐摩耗性材料薄膜
を得ることができる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。図１は、基材の摺動面に、TiCrＮ薄膜を形成するた
めのイオンプレーティング装置の構成の一例を示す概略
図である。基材２は、回転軸３の先端のホルダ４に、回
転軸３と同軸になるように配置固定される。ホルダ４
は、図示しない温度調節装置を備え、基材の温度を調整
する。上記基材２に対向して蒸発源５ａ（金属チタン）
・５ｂ（金属クロム）が配置され、蒸発源５ａからのチ
タン蒸気および蒸発源５ｂからのクロム蒸気を基材２に
向けて発する。チタン蒸気粒子およびクロム蒸気粒子６
は、イオン化電極８により発するアーク放電によりイオ
ン化される。一方、蒸発源５ａ・５ｂ〜基材２間に窒素
ガス９が導入され、イオン化されたチタン蒸気粒子およ
びクロム蒸気粒子１０と窒素ガスが反応した反応生成物
が基材２上に堆積し、摺動面にTiCrＮ薄膜が形成され
る。

【００１０】形成されるTiCrＮ薄膜の物性は、基材の薄
膜形成面の温度、基材に印加するバイアス電圧、蒸発源
からの蒸発速度、窒素ガスの流速（導入速度）、蒸発源
の蒸発方法、作業圧力、蒸発物のイオン化条件等に関係
するが、これらは特に限定されず、所望のTiCrＮ薄膜の
物性に応じて適宜設定すればよい。好ましくは、薄膜形
成面（摺動面）における基材温度が１００℃以下、バイ
アス電圧が５０Ｖ以下、成膜速度を４Å／ｓ以下とする
のがよい。また、後述する図５・図６・図１１に示され
ているように、窒素ガスの流速により、薄膜水平面方向
の面歪量あるいは摩擦係数を制御することもできる。

【００１１】次に、上記TiCrＮ薄膜を摺動面に形成した
本発明の摺動部材について説明する。図２は、本発明の
摺動部材の一例であるガスシールの回転環の構成を示す
断面図である。基材２としてマルテンサイト系ステンレ
ス鋼（SUS420J2）を用い、所定の形状に加工後、焼入れ
(980℃、１時間）、焼戻し(980℃、４時間）し、薄膜形
成面を表面粗さがRa＝０.0５μｍ以下となるようにラッ
ピング仕上げした。

【００１２】上記基材２をイオンボンバード（クリーニ
ング条件：ＲＦ０.6kW、Ar流速１００ml/min、バイアス
電圧１kV、１５分の高周波グロー放電）により摺動面を
クリーニングした後、図１の装置にセットし、基材２を
回転させながら、ラッピング仕上げした面に、種々の条
件（基材の薄膜形成面の温度、基材に印加するバイアス
電圧、窒素ガスの流速（導入速度）、成膜速度など）
で、膜厚３μｍのTiCrＮ薄膜２０の成膜を行った。

【００１３】図３は、基材の薄膜形成面の温度（基板設
定温度）と、上記回転環の摺動面（TiCrＮ薄膜面）にお
ける薄膜水平面方向の面歪量との関係を、基材に印加す
るバイアス電圧値毎に示すもの、図４は、基材に印加す
るバイアス電圧値と上記薄膜水平面方向の面歪量との関
係を基材の薄膜形成面の温度毎に示すものである。

【００１４】面歪量の測定は、万能表面形状測定器
((株）小坂研究所製SE-3FA）により、回転環の摺動面の
一方の端部から他方の端部（外周側端部と内周側端部）
まで変形量をトレース（倍率5000×10）し、両端部間の
変化量（傾き高さ）を面歪量（単位：μｍ）とした。

【００１５】図３・図４より、摺動部材において重要な
薄膜水平面方向の面歪量には、基材の薄膜形成面の温
度、基材へ印加するバイアス電圧値が大きく影響し、低
面歪量化のためには、基材の薄膜形成面の温度および基
材へ印加するバイアス電圧値を極力抑えることが不可欠
であることがわかる。好ましくは、摺動面における基材
温度が１００℃以下、バイアス電圧５０Ｖ以下、成膜速
度４Å／ｓ以下であるのがよい。

【００１６】一方、図５・図６は、成膜条件の変化に伴
って変化するTi、Cr、Ｎの組成比（各元素の含有率（at
％）から求められる比）と、上記回転環の摺動面（TiCr
Ｎ薄膜面）における薄膜水平面方向の面歪量との関係
を、窒素ガスの流速（導入速度）毎に示すものである。
組成比は、各TiCrＮ薄膜について、EPMA（日本電子
（株）製Ｘ線マイクロアナライザー）によるＸ線元素分
析を行って算出した。図５・図６より、組成比と薄膜水
平面方向の面歪量に相関性はなく、所望の組成の膜を得
る場合でも、例えば窒素ガスの流速等の成膜条件変化に
より、面歪量を制御できることがわかる。

【００１７】次に、図７は、成膜条件の変化に伴って変
化するTi、Cr、Ｎの組成比と、上記回転環の摺動面（Ti
CrＮ薄膜面）における結晶性との相関性を示す図で、横
軸は［Ｎの含有率（at％)]／｛［Tiの含有率（at％)]+
[Crの含有率（at％)]｝、縦軸は［Crの含有率（at％)]
／［Tiの含有率（at％)]である。Ti、Cr、Ｎの組成比
は、上記と同様に、EPMAによるＸ線元素分析の測定値よ
り算出した。各実施例の組成比の値を表１に、また比較
例としてTiＮ薄膜の組成比の値を表２に示す。なお、図
８に、図７のプロットと表１の実施例との対応関係、お
よび後述の図９に対応する結晶性のエリアを示す（図中
丸数字は、表１における実施例、三角数字は表１におけ
る参考例に対応する）。

【００１８】結晶性は、Ｘ線回折装置（理学電機工業
（株）製X-Ray Diffractmeter RINT−2000、測定条件：
Cu-Kα線 50kV×250mA)を用いて得られた回折図形より
判定した。図９に、Ti、Cr、Ｎの組成比と結晶性との相
関性に対応する代表的なＸ線回折図形を示す。同図
（ａ）は非晶質膜（図８中のエリアＡに相当）、同図
（ｂ）は非晶質化膜（図８中のエリアＢに相当）、同図
（ｃ）は結晶質膜（図８中のエリアＣに相当）のＸ線回
折図形で、非晶質膜は、○で示される２つのピーク（●
は基材のピークを示す）間がブロードになり、明瞭なピ
ークが見られない。結晶質膜では、２つのピークが明瞭
に現れる。上記Ｘ線元素分析の結果およびＸ線回折図形
より判定した、Ti、Cr、Ｎの含有率（at％）の範囲と結
晶性との相関性について、表３に示す。

【００１９】さらに、図７〜図９より、TiCrＮ薄膜にお
ける非晶質膜、結晶質膜が現れる条件は、下記式（１）
あるいは（２）の関係を満たす場合であることがわか
る。非晶質膜が現れる範囲：ｙ≧１.1ｘ−０.1８ ……（１）結晶質膜が現れる範囲：ｙ≦０.3ｘ−０.0４ ……（２）但し、ｘ＝［Ｎの含有率（at％)]／｛［Tiの含有率（at
％)]+[Crの含有率（at％)]｝、ｙ＝［Crの含有率（at
％)]／［Tiの含有率（at％)]である。なお、ｙ＝１.1ｘ−０.1８ ……（1'）は図７・図８中に実線で示され、ｙ＝０.3ｘ−０.0４ ……（2'）は図７・図８中に点線で示されている。

【００２０】一方、実施例、参考例、比較例の各回転環
に対し、スラスト式摩擦摩耗試験機（東洋ボールドウイ
ン（株）製EFM-III-E)を用い、相手材を、摺動面が規定
面粗さのリング状カーボン成形体（ピュアカーボン社製
高負荷メカニカルシール用カーボンP9867）からなる固
定環とし、室温、空気中で、固定環摺動面に加わる面圧
が５kgｆ/cm²となるようにスラスト荷重を調整して、周
速度（すべり速度）２ｍ/s、走行距離7200ｍとして、固
定環のカーボン摩耗量、回転環のTiCrＮ薄膜の摩耗量、
摩擦係数を測定した。なお、摩耗量は回転環、固定環の
高さ寸法（1/1000マイクロメーター）と表面トレース状
態より計測する。摩擦係数はロードセルによって検出さ
れる摩擦トルクより算出する。結果を表１、表２に示
す。

【００２１】また、図１０に、横軸を前記ｘで表される
組成比、縦軸を前記ｙで表される組成比としたグラフ中
にプロットされる各TiCrＮ薄膜についてのドライ摺動性
の評価結果を示し、図１１に、横軸を前記ｘで表される
組成比としたグラフで、各TiCrＮ薄膜の組成比と摩擦係
数との関係を窒素ガスの流速毎に示している。

【００２２】図７〜図１１および表１の結果より、上記
TiCrＮ薄膜は、非晶質膜あるいは結晶質膜のいずれかに
おいて、摩擦係数が小さく、良好な耐摩耗性を示すこと
がわかる。

【００２３】従って、TiCrＮ薄膜においては、表３よ
り、Tiを４５〜６０at％、Crを１４〜３２at％、Ｎを１
４〜３６at％含有し、あるいは、Tiを４４〜６０at％、
Crを０.4〜５.0at％、Ｎを４０〜４５at％含有し、さら
に、Ti、Cr、Ｎの組成比が、非晶質あるいは結晶質とな
る前記式（１）あるいは式（２）の関係を満たす場合に
良好な耐摩耗性を示すことがわかる。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】上記実施例においては、基材としてステン
レス鋼の切削加工品を用いたが、本発明はそれに限定さ
れず、所望の形態に応じて、本発明の作用を阻害しない
範囲で、例えば金属材料、セラミック等の素材から適宜
選択でき、また加工法も基材の素材や形状に応じて選択
できる。

【００２８】また、上記実施例では、摺動部材としてガ
スシールの回転環を挙げたが、本発明はそれに限定され
ず、摺動面を有し、摺動面を本発明の耐摩耗性材料によ
り形成可能な部材であればよい。例えば、ガスシールの
固定環の摺動面を本発明の耐摩耗性材料により形成して
もよいし、メカニカルシールや軸受けの可動部材あるい
は静止部材の摺動面を本発明の耐摩耗性材料により形成
してもよい。また、図１２に示されるような支承装置の
すべり軸受けと対向してスライドするスライドプレート
の摺動面を本発明の耐摩耗性材料により構成しても良い
（図１２中、２２はソールプレート、２３はスライドプ
レート、２４はピストン、２５はシム、２６はベアリン
グ、２７はシールリング、２８はエラストマ、２９はベ
ースポットを示す）。

【００２９】また、上記実施例では、本発明の摺動部材
と組み合わせる相手側部材の摺動面形成素材としてカー
ボンを用いたが、相手側素材として本発明はそれに限定
されず、通常一般に摺動面形成素材として使用される素
材を用いることができる。また、本発明の摺動部材は、
タービン、ブロワ、コンプレッサ、攪拌機などに好適に
使用できる。

【００３０】

【発明の効果】本発明の摺動部材は、Tiを４５〜６０at
％、Crを１４〜３２at％、Ｎを１４〜３６at％含有する
三元系の非晶質耐摩耗性材料薄膜、あるいはTiを４４〜
６０at％、Crを０.4〜５.0at％、Ｎを４０〜４５at％含
有する三元系結晶質耐摩耗性材料薄膜を形成してなるも
ので、各薄膜は摩擦係数が小さく、また、材料内の歪み
が少なく、耐摩耗性が著しく向上するので摺動時の耐久
性に優れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るTiCrＮ薄膜を形成するためのイオ
ンプレーティング装置の構成の一例を示す概略図であ
る。

【図２】本発明の摺動部材の一例であるガスシールの回
転環を示す断面図である。

【図３】図２の回転環における基材の薄膜形成面の温度
（設定温度）と薄膜水平面方向の面歪量との関係を、基
材へ印加するバイアス電圧値毎に示すグラフである。

【図４】図２の回転環における基材へ印加するバイアス
電圧値と薄膜水平面方向の面歪量との関係を、基材の薄
膜形成面の温度毎に示すグラフである。

【図５】図２の回転環に形成された薄膜におけるTi、Cr
の組成比([Crの含有率（at％)]／［Tiの含有率（at
％)]）と、薄膜水平面方向の面歪量との関係を、窒素ガ
スの流速（導入速度）毎に示すグラフである。

【図６】図２の回転環に形成された薄膜におけるTi、C
r、Ｎの組成比([Ｎの含有率（at％)]／｛［Tiの含有率
（at％)]+[Crの含有率（at％)]｝）と、薄膜水平面方向
の面歪量との関係を、窒素ガスの流速（導入速度）毎に
示すグラフである。

【図７】図２の回転環に形成された薄膜の成膜条件の変
化に伴って変化するTi、Cr、Ｎの組成比と、結晶性との
相関性を示す図である。

【図８】図７におけるTi、Cr、Ｎの組成比と結晶性との
相関性と実施例及び参考例との対応関係を示す図であ
る。

【図９】同図（ａ）はTiCrＮ非晶質膜の代表的なＸ線回
折図形、同図（ｂ）はTiCrＮ非晶質化膜の代表的なＸ線
回折図形、同図（ｃ）はTiCrＮ結晶質膜の代表的なＸ線
回折図形を示す図である。

【図１０】図２の回転環に形成された薄膜におけるTi、
Cr、Ｎの組成比とドライ摺動性との相関性を示すグラフ
である。

【図１１】図２の回転環に形成された薄膜におけるTi、
Cr、Ｎの組成比と摩擦係数との関係を示すグラフであ
る。

【図１２】本発明の摺動部材の一例であるスライドプレ
ートを適用した支承装置の要部構成図である。

【符号の説明】

１アーク放電型イオンプレーティング装置２基材３回転軸４ホルダ５ａ蒸発源（金属チタン）５ｂ蒸発源（金属クロム）６蒸気粒子（Ti、Cr）７フィラメント８イオン化電極９反応ガス（Ｎ2) １０イオン化された蒸気粒子（Ti、Cr）１１直流電源１２電源１３ＥＢガン１４粗引バルブ１５メインバルブ１６クライオポンプ１７油回転ポンプ２０ TiCrＮ薄膜２１摺動面

フロントページの続き (56)参考文献特開平４−297568（ＪＰ，Ａ) 特開平７−243047（ＪＰ，Ａ) 特開平７−173608（ＪＰ，Ａ) 特開平６−330348（ＪＰ，Ａ) 特開平６−330347（ＪＰ，Ａ) 特表昭58−500172（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 C23C 16/34 F16C 33/12 C01G 37/00 ＣＡ（ＳＴＮ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｔｉを４５〜６０at％、Ｃｒを１４〜３
２at％、Ｎを１４〜３６at％含有する三元系の非晶質耐
摩耗性材料薄膜を形成してなることを特徴とする摺動部
材。
【請求項２】Ｔｉを４４〜６０at％、Ｃｒを０.4〜
５.0at％、Ｎを４０〜４５at％含有する三元系の結晶質
耐摩耗性材料薄膜を形成してなることを特徴とする摺動
部材。