JP5420941B2

JP5420941B2 - 摺動部材の製造方法

Info

Publication number: JP5420941B2
Application number: JP2009062384A
Authority: JP
Inventors: 良雄不破; 徳次梅原; 貴行野老山; 真人神谷; 拓也羽田野; 裕之上坂
Original assignee: Nagoya University NUC; Toyota Motor Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Nagoya University NUC; Toyota Motor Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: JP2010215950A

Description

本発明は、摺動面に硬質炭素被膜が形成された摺動部材及びその製造方法に係り、特に、特に、初期馴染み性に優れた摺動部材及びその製造方法に関する。

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。

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）が注目されている。

このような非晶質炭素材料を利用した摺動部材の一例として、基材の表面に非晶質炭素被膜が形成された摺動部材であって、その非晶質炭素被膜に、０．５原子％以下の水素原子を含有させた摺動部材や、２０〜４０原子％の水素原子を含有させた摺動部材や、２０〜５０原子％の水素原子を含有させた摺動部材が開示されている（例えば特許文献１〜３参照）。これらの摺動部材は、非晶質炭素被膜に所定の割合の水素を含有させることにより、所望の表面硬さを確保すると共に、被膜の密着強度の向上を図ることができる。

特開２００５−３０９４号公報特開２００５−３１４４５４号公報特開２００５−３３６４５６号公報

しかし、このような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（非晶質炭素被膜の表面）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。

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、非晶質炭素被膜が形成された摺動部材において、該非晶質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およびその製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑み、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、非晶質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、非晶質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。

より詳細には、水素元素を含む非晶質炭素被膜を構成する非晶質炭素材料は、一般的に、ｓｐ^３結合に対応するダイヤモンド構造、ｓｐ^２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水素結合が混在したアモルファス構造からなるが、発明者らの実験によれば、非晶質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非晶質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。

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、第一の本発明に係る摺動部材の製造方法は、基材の表面に、水素を含有した非晶質炭素被膜を成膜する工程と、前記非晶質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。

本発明によれば、基材の表面に形成（成膜）された非晶質炭素被膜の表面に、紫外線を照射することにより、その非晶質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非晶質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、非晶質炭素被膜そのものの強度は確保される。

また、第二の発明に係る摺動部材の製造方法は、前記基材に紫外線を照射しながら、前記基材の表面に、水素を含有した非晶質炭素被膜を成膜することを特徴とする。

本発明によれば、基材の表面に向けて紫外線を照射しながら成膜するので、成膜した非晶質炭素被膜は、紫外線を照射せずに成膜した非晶質炭素被膜に比べて、含有するグラファイトを増加させることができる。また、第一の発明に比べて、紫外線が照射された層（紫外線の照射によりグラファイトを多く含む層）を厚くすることができるので、摺動時に摩滅し難く、摺動部材の摩擦係数の低い状態を持続させることができる。この別の態様における基材は、表面に紫外線を照射していない非晶質炭素被膜が予め形成された基材であってもよい。

このように、上述したいずれの方法であっても、水素を含有した非晶質炭素被膜が形成された摺動部材は、非晶質炭素被膜に、少なくとも表面層に紫外線の照射された層、すなわち、紫外線の照射によりグラファイト化した表面層（紫外線照射しながら成膜した場合には、その被膜全体がグラファイトをより多く含有した被膜）を含むことができる。

また、ここでいう「グラファイト化」とは、非晶質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、非晶質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、又は、紫外線を照射しながら成膜した場合には、照射しない場合に、比べてグラファイトの含有量が増加した層をいう。

また、紫外線を照射しながら成膜する場合には、紫外線の照射を断続的に行いながら成膜することがより好ましい。本発明によれば、紫外線の照射を断続的に行うことにより、成膜された非晶質炭素被膜は、紫外線が照射された層（紫外線の照射によりグラファイト化した層）が、膜厚方向に、断続的に積層されることになる。すなわち、成膜された非晶質炭素被膜は、紫外線が照射された非晶質炭素材料からなる層と、紫外線が照射されていない非晶質炭素材料からなる層とが交互に積層されることなる。

このようにして成膜した場合には、紫外線を照射によりグラファイト化した非晶質炭素材料からなる層が、摺動性に優れた層であり、紫外線を照射してない非晶質炭素材料からなる層が、硬質層であるので、これらの層を含む摺動部材は、耐摩耗性及び摺動性を向上させることができる。さらに、紫外線が照射された層は、グラファイトをより多く含むので、非晶質炭素被膜の内部に発生する圧縮応力を緩和することができる。これにより、これまでの方法に比べて、より膜厚の厚い非晶質炭素被膜を成膜することができる。

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非晶質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、成膜時に照射される紫外線の照射エネルギーが高いほど、非晶質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。

しかしながら、本発明に係る摺動部材の製造方法において、前記紫外線の照射エネルギーを増加させながら、前記成膜を行うことがより好ましい。このようにして成膜された非晶質炭素被膜は、前記基材の表面から非晶質炭素被膜の表面に向かって、前記非晶質炭素被膜に含まれるグラファイトが増加することになる。

前記紫外線の照射エネルギーを増加させる方法としては、例えば、成膜しながら、照射強度を増加させる（具体的には照射する紫外線の波長を短くする）方法や、同じ条件で紫外線を照射しつつ、成膜速度を遅らせて（又は一端成膜を中断して）、成膜される層への照射量を増加させる方法などを挙げることができる。この結果、摺動面近傍には、グラファイトの含有量が多いため、摺動特性を向上させ、さらには、基材の表面の近傍は、グラファイトが摺動面近傍に比べて少なく、より硬質であるので、被膜強度を確保することができる。

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３５０ｎｍ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。
本発明に係る摺動部材の製造方法において、非晶質炭素被膜の表面に照射する紫外線の波長は３５０ｎｍ以下、より好ましくは３１２ｎｍ以下の波長の紫外線を非晶質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３５０ｎｍ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。

また、発明者らの後述する実験によれば、非晶質炭素被膜に水素を含むことで、非晶質炭素被膜がグラファイト化に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、前記非晶質炭素被膜に含有する水素含有量が、３〜３５原子％となるように、前記非晶質炭素被膜を成膜することがより好ましい。

本発明によれば、このような範囲の水素含有量を含む非晶質炭素被膜を基材表面に成膜する、被膜強度を確保すると共に、非晶質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。

本発明によれば、基材表面に形成された非晶質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。

第一及び第二の実施形態の摺動部材を製造（被膜を成膜する）するための模式的な装置構成図。第二の実施形態の摺動部材を製造（被膜を成膜する）するための模式的な装置。（ａ）及び（ｂ）は、第一実施系形態に係る摺動部材の製造方法を説明するための図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、第二実施系形態に係る摺動部材の製造方法を説明するための図。実施例１及び２、比較例１及び２に係るオージェ電子分光法による非晶質炭素被膜の表面の元素分析を説明するための図であり、（ａ）は、運動エネルギー１５０〜５００ｅＶの範囲の正規化強度であり、（ｂ）は、運動エネルギー２２０〜３００ｅＶの範囲の正規化強度を示した図。実施例１及び２、比較例１及び２に係る非晶質炭素被膜の接触角を測定した結果を示した図。実施例１及び２、比較例１及び２に係る非晶質炭素被膜の表面自由エネルギーを測定した結果を示した図。ボールオンオンディスク摩擦試験機を説明するための図。実施例１及び２、比較例１及び２に係る摺動サイクル数（摩擦繰り返し数）と摩擦係数との関係を示した図。比較例３〜６に係る摺動サイクル数（摩擦繰り返し数）と摩擦係数との関係を示した図。実施例３及び４、比較例７及び８に係る摺動サイクル数（摩擦繰り返し数）と摩擦係数との関係を示した図。実施例５及び６、比較例９及び１０に係るレーザーラマン分光法により、Ｇポジション（Ｇバンドのピーク位置）及びＩ_Ｄ／Ｉ_Ｇの測定結果を示した図。（ａ）は、比較例１２の成膜方法により成膜された非晶質炭素被膜の模式図であり、（ｂ）は、実施例８の成膜方法により成膜された非晶質炭素被膜の模式図であり、（ｃ）は、実施例９の成膜方法により成膜された非晶質炭素被膜の模式図であり、（ｄ）は、実施例１０の成膜方法により成膜された非晶質炭素被膜の模式図。

以下の本発明の摺動部材及びその製造方法を２つの実施形態について説明する。図１は、第一及び第二の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る。また、図３の（ａ）、（ｂ）は、第一実施形態に係る摺動部材の製造方法を説明するための図である。第一施形態に係る摺動部材の製造方法は、基材の表面に非晶質炭素被膜を成膜する工程と、この成膜された非晶質炭素被膜の表面に、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。

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、摺動時において非晶質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。

そして、基材Ｗを成膜装置（イオンビームミキシング装置）１００Ａ内に配置する。まず、アルゴンイオンビームガン５２により、基材Ｗの表面を清浄化する。そして、図１に示すような成膜装置１００Ａを用いて、この基材Ｗの表面に非晶質窒化炭素被膜を成膜する（成膜工程）。具体的には、図１に示すように、基材ＷがカーボンターゲットＴと対向するように、チャンバ５０内の基材を保持し、アルゴンイオンビームガン５１からアルゴンイオン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にして、図３（ａ）に示すように、基材Ｗの表面に非晶質炭素被膜Ｄの成膜を行う。この際、水素ガスをチャンバ５０内に導入することにより、非晶質炭素被膜Ｄに水素を含有させることができる。このとき、アルゴンイオンビームガン５２からアルゴンビームを照射しながら、成膜を行ってもよい。

ここで、非晶質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、イオンビームミキシ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、後述する図２に示す装置１００Ｂを用いて、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、非晶質炭素被膜に、水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。

また、このような成膜時において非晶質炭素被膜中に、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。

また、成膜時に、前記非晶質炭素被膜に含有される水素含有量が、３〜３５原子％となるように、前記非晶質炭素被膜を成膜することがより好ましい。水素含有量は、例えば、プラズマＣＶＤにより成膜する場合に、反応ガスとして、メタン（ＣＨ_４）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）等の炭化水素系の反応ガスを用いて、これらのガスの種類、量等を調整するような一般的に知られた方法により調整することができ、水素含有量が調整できるのであれば特にこの方法は限定されるものではない。

次に、このようにして、成膜された非晶質炭素被膜Ｄ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、図３（ｂ）に示すように、非晶質炭素被膜Ｄの表面層Ｇ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非晶質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、非晶質炭素被膜そのものの強度は確保される。

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、３５０ｎｍ以下の波長、より好ましくは、３１２ｎｍ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。

このような波長の紫外線を非晶質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非晶質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、非晶質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。

このようにして得られた摺動部材は、基材の表面に、水素を含有した非晶質炭素被膜が形成された摺動部材であって、この非晶質炭素被膜は、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。

なお、この基材Ｗの表面には、非晶質炭素被膜Ｗを成膜前に、基材と非晶質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。

次に、第二実施形態に係る摺動部材の製造方法を説明する。第一実施形態と相違する点は、第二実施形態は、紫外線を照射するタイミングを、成膜と同時に行う点であり、それ以外に関しては、以下の詳細な説明を省略する。

まず、必要に応じて、図１に示すように、スパッタリングにより、基材の表面に非晶質炭素被膜Ｄを形成する。なお、本発明のうち第二の発明に係る基材とは、この非晶質炭素被膜が形成された基材を含む概念である。

次に、図３（ｃ）に示すように、非晶質炭素被膜Ｄが形成された基材の表面に向けて、紫外線照射装置６０からの紫外線ＵＶを照射しながら、その表面に、さらに、カーボンスパッター粒子Ｃにより、水素を含有した非晶質炭素被膜（紫外線が照射された層）Ｇを形成する。このようにして、成膜された非晶質炭素被膜Ｇは、紫外線ＵＶを照射せずに成膜した非晶質炭素被膜Ｄに比べて、グラファイトの含有量が多い、グラファイト化した被膜であり、第一実施形態のグラファイト化した表面層よりも厚い。この結果、初期馴染み性ばかりでなく、従来の非晶質炭素被膜が形成された摺動部材に比べて、継続的に長時間、摺動部材の摺動特性を持続させることができる。

また、本実施形態の変形例として、例えば、図３（ｄ）に示すように、断続的に紫外線ＵＶを照射してもよい。具体的には、成膜工程において、紫外線をパルス状で周期的に照射する。これにより、紫外線の照射を断続的に行うことにより、成膜された非晶質炭素被膜は、紫外線の照射によりグラファイト化した層（紫外線が照射された層）Ｇが、膜厚方向に、断続的に積層されることになる。

非晶質炭素被膜の膜厚方向に沿って、紫外線の照射によりグラファイト化した層（紫外線が照射された層）Ｇと、これに比べてグラファイトが少ない層（紫外線が照射されていない層）Ｄと、が交互に積層されることなる。このようにして成膜した場合には、紫外線の照射によりグラファイト化した層Ｇが、被膜の内部に発生する圧縮応力を緩和することができるので、これまでの方法に比べて、膜厚の厚い非晶質炭素被膜を成膜することができる。

また、別の態様としては、紫外線の照射エネルギーを成膜に従って増加させながら、成膜してもよい。例えば、成膜時に照射する紫外線の波長を段階的に短くすることにより、達成することができる。このようにして成膜された非晶質炭素被膜は、基材の表面から非晶質炭素被膜の表面（摺動面）に向かって、非晶質炭素被膜に含まれるグラファイトを増加させることができる。

また、第二実施形態は、図１に示す成膜装置１００Ａにより、成膜を行ったが、例えば、図２に示す成膜装置１００Ｂにより成膜を行ってもよい。図２に示す成膜装置１００Ｂは、直流プラズマＣＶＤ装置であり、チャンバ５５内に、メタンガス等の炭化水素系ガスを導入し、直流電源５６に、電極５７と基材Ｗとを接続し、これらの間にプラズマを発生しながら、プラズマＣＶＤ法により、基材Ｗの表面に成膜を行う。

この際に、チャンバ５５の窓５８を介して、紫外線照射装置６０からの紫外線ＵＶを、基材Ｗの表面に照射しながら成膜を行う。これにより、紫外線の照射によりグラファイト化した層を得ることができる。紫外線ＵＶの照射は、上述したように、その波長（紫外線強度）、照射時間（照射タイミング）等を適宜設定することにより、所望の被膜を成膜することができる。また、窓５８は、例えば、石英、セレン化亜鉛、臭化カリウムなどの紫外線ＵＶが透過することができる材料であればよい。

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、非晶質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Ｓを準備した。そして、プラズマＣＶＤ法により、この基材の表面に水素含有量が１３原子％、層厚さ１．８μｍの水素を含有した非晶質炭素被膜（Ｈ−ＤＬＣ被膜）を成膜した。これは、商品名ＨＴ−ＤＬＣ（水素含有ＤＬＣ，日本アイティエフ社製、水素含有量１３原子％）に相当する。なお、実施例１及び以下に示す例では、水素含有量は、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱分析法）により測定し、確認している。

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非晶質炭素被膜に波長２５４ｎｍの紫外線を３０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。

［評価試験］
＜オージェ電子分光法（ＡＥＳ）による原子組成分析＞
紫外線の照射による非晶質炭素被膜の原子組成の変化を明らかにするため、オージェ電子分光法により分析を行った。このオージェ電子分光法は、超高真空中に保持された固体試料に電子ビームを照射し、発生するオージェ電子を検出して、表面の特に極表面微小部の元素分析を行う手法である。固体表面近傍の数ｎｍまでの深さで発生したオージェ電子のみが脱出可能であることから、極表面の分析が可能である。本実施例では、Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ社製オージェ電子分光分析装置を使用して、一次電子の加速電圧５ｋＶ，電流１００ｎｍの条件で、非晶質炭素被膜の表面の元素分析を行った。この分析結果を図４に示す。

なお、図４（ａ）は、運動エネルギー１５０〜５００ｅＶの範囲の正規化強度であり、図４（ｂ）は、運動エネルギー２２０〜３００ｅＶの範囲の正規化強度を示したものである。また、参考例として、紫外線照射に伴う構造変化を明らかにするために、高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ：ｈｉｇｈｏｒｉｅｎｔｅｄｐｕｒｅｇｒａｐｈｉｔｅ）を準備し、同様の方法で分析した。この分析結果も合わせて、図４に示す。

＜硬さ試験及びヤング率の測定＞
エリオニクス社製超微小押込み硬さ試験機ＥＮＴ−１１００ａを使用して、ディスク試験片の非晶質炭素被膜の微小押し込み硬さ試験を行った。具体的には、圧子に、稜間度１１５°の三角錐ダイヤモンド圧子（Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ圧子）を用いて、ディスク試験片のシリコン表面を下にして、接着剤で固定して、接着剤が乾くまで放置し、試験を行った。非晶質炭素被膜の押込み試験において最大押込み深さは、試験片の基材に影響が出ないように、押込み荷重を１０ｍｇｆに設定し、膜厚の１０分の１以下となるようにした。これにより、硬さ及びヤング率を測定した。この結果を表１に示す。

＜表面粗さの測定＞
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、ディスク試験片の非晶質炭素被膜の表面粗さを測定した。原子間力顕微鏡は、試料と探針間に働く力を利用して試料表面の凹凸をナノメートルレベルでの分解能で観察できるものである。装置は、測定ヘッド（セイコーインスツルメンツ株式会社製ＮＰＸ１００）、コントローラ（セイコーインスツルメンツ株式会社製Ｎａｎｏｐｏｃｓ１０００）で構成されている。測定範囲０．５ｎｍ〜１０００μｍ、スキャン速度１２〜１７９２秒／フレームで測定を行うことができるものである。この測定により得られた被膜表面の中心線平均粗さＲａ、最大高さ粗さＲｙを表２に示す。

＜表面自由エネルギーの測定＞
ディスク試験片の非晶質炭素被膜の接触角及び表面自由エネルギーを測定した。表面自由エネルギーは、固体表面の活性度合いを表すものであり、固体試料に対して水（Ｈ_２Ｏ）及びヨウ化メチレン（ＣＨ_２Ｉ_２）（異なる２種類の液）の液滴を表面に滴下し、それぞれの液体と固体試料（ディスク試験片の被膜）との成す角度、接触角度を測定することによって算出した。また、この接触角度αは、液滴法により測定した。液滴の直径ｄと液滴の高さｈを測定し、これらの値から接触角度を算出した。この結果として接触角度を図５に、表面自由エネルギーを図６に示す。

＜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。

図７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Ｐの表面に形成した非晶質炭素被膜の表面（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。

次に、ディスク試験片Ｐ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Ｐの非晶質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Ｐ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。

そして、乾式下（乾燥摩擦条件下）で大気中（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Ｐ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。

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、摩擦係数を換算した。この結果を図８に示す。

（実施例２）
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、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、非晶質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４〜６、８、表１及び２に示す。

（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、紫外線を非晶質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４〜６、８、表１及び２に示す。

（比較例２）
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、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、非晶質炭素被膜に照射した点である。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４〜６、８、表１及び２に示す。

（比較例３〜６）
実施例１と同じようにしてディスク試験を製作した。実施例１と相違する点は、スパッタリングより、層厚さ約０．５μｍの非晶質炭素被膜が形成されたディスク試験片（水素フリーＤＬＣ：水素含有量１原子％（日本アイティエフ社製））を用いた点であり、比較例３〜５は、照射する紫外線の波長を順次２５４ｎｍ、３１２ｎｍ、３６５ｎｍとして３０分間照射しており、比較例６は紫外線を照射していない点である。そして、実施例１と同じように摩擦試験を行った。この結果を、図９に示す。

［結果１：オージェ電子分光法による結果］
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、参考例の運動エネルギー２３５〜２４５ｅＶあたりに見えるグラファイトのショルダーピーク（具体的には２３７ｅＶ程度において少し盛り上がった部分）と、各実施例とを比較すると、実施例２の波長３１２ｎｍの紫外線を照射した非晶質炭素被膜については、特に参考例と似た波形形状が得られた。また、実施例１の２４５ｎｍについても、実施例１ほどではないが、参考例と似た波形形状が得られた。このことから、実施例１および２の非晶質炭素被膜の表面層は、紫外線照射により、グラファイト化したと考えられる。逆に、紫外線を照射してない比較例１および比較例２の非晶質炭素被膜については、なだらかな形状となっており、参考例にみられるショルダーピークの形状とは異なっていた。なお、発明者らは、水素を含有させない非晶質炭素被膜に紫外線（上に示す全ての波長に対して）を照射して、同様の分析を行ったが、この場合も比較例１と同様の結果となった。

［結果２：硬さ試験の結果］
表１に示すように、実施例１の表面硬さ（１３．０ＧＰａ）及び実施例２の表面硬さ（１２．２ＧＰａ）は、比較例１（１３．６ＧＰａ）の表面硬さに比べて、低下していた。

［結果３：表面粗さの測定結果］
表２に示すように、実施例１及び２、比較例１及び２いずれも、中心線平均粗さＲａ、最大高さ粗さＲｙいずれも大きな差はみられなかった。これにより、非晶質炭素被膜の表面に、紫外線を照射したとしても、表面粗さは変化していないといえる。

［結果４：表面自由エネルギーの測定結果］
図５及び６に示すように、実施例１の２５４ｎｍ及び実施例２の３１２ｎｍの波長の紫外線を照射した非晶質炭素被膜の水の接触角度は、比較例１の紫外線を照射していないものと比べて、接触角度は小さくなっており、それに伴い表面自由エネルギーは増加していた。

［結果５：摩擦試験の結果１］
図８に示すように、実施例１の２５４ｎｍ及び実施例２の３１２ｎｍの波長の紫外線を照射したものは、２００〜４５００サイクル（回数）で、摩擦係数μ＝０．０２〜０．０５程度の低摩擦を発現し、摩擦係数は安定していた。その後、摺動サイクル数（摩擦繰返し数）が５０００サイクル程度から摩擦係数は徐々に増加し、最終的には、摩擦係数は、０．１〜０．１５程度となり、比較例１と同程度となった。

一方、比較例１の紫外線を照射していないものは、摩擦初期から０．１〜０．２程度の摩擦係数を維持していた。また比較例２の３６５ｎｍの波長の紫外線を照射したものは、摩擦係数は、初期０．１程度であり、その後繰り返し摩擦と共に、摩擦係数は０．１５程度になり、最終的には摩擦係数は０．１以下とはならず、０．１５程度となった。

また、図９に示すように、比較例３〜６の水素をほとんど含有しない非晶質炭素被膜が成膜されたものは、紫外線照射に対する摩擦係数の低減（低摩擦化）を確認することができなかった。

結果３と結果５を踏まえると、実施例１及び２の非晶質炭素被膜の表面層として、軟質な低せん断層が形成され、結果１から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。これは、紫外線の照射により、非晶質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）ことによると考えられる。

（実施例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、紫外線（波長２５４ｎｍ）の照射時間を６０分にした点である。そして、実施例１と同じように摩擦試験を行った。この結果を、図１０に示す。

（実施例４）
実施例２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（波長３１２ｎｍ）の照射時間を６０分にした点である。そして、実施例１と同じように摩擦試験を行った。この結果を、図１０に示す。

（比較例７）
比較例１と同じディスク試験片を製作した。そして、実施例１と同じように摩擦試験を行った。この結果を、図１０に示す。

（比較例８）
比較例２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（波長３６５ｎｍ）の照射時間を６０分にした点である。そして、実施例１と同じように摩擦試験を行った。この結果を、図１０に示す。

［結果６：摩擦試験の結果２］
図１０に示すように、実施例３の２５４ｎｍ及び実施例４の３１２ｎｍの波長の紫外線を照射したものは、２００〜４５００サイクル（回数）で、摩擦係数μ＝０．０２〜０．０５程度の低摩擦を発現し、実施例１及び２の紫外線を３０分照射したものと同様の傾向がえられた。その後、摺動サイクル数（摩擦繰返し数）が４５００サイクル程度から摩擦係数は徐々に増加し、最終的には、摩擦係数は、０．１〜０．１５程度となり、比較例７と同程度となった。一方、比較例７の紫外線を照射していないもの及び比較例８の３６５ｎｍの波長の紫外線を照射したものは、摩擦係数は初期からほぼ一定で、０．１〜０．１８程度であった。

実施例１及び３（波長２５４ｎｍの紫外線の照射）及び実施例２及び４（波長３１２ｎｍの紫外線の照射）の摩擦試験の結果（結果５及び６）から、照射時間にかかわらず、４５００サイクル程度で摩擦係数が上昇していた。これは、紫外線照射により、グラファイトに改質された表面層が摩耗し、改質されていない本来の水素を含む非晶質炭素被膜が露出したものと考えられる。そこで、以下に示す紫外線侵入深さの測定試験を行った。

＜紫外線侵入深さの測定＞
実施例１（波長２５４ｎｍ）と同じようにディスク試験片を製作した。そして、実施例１と同じように摩擦試験を行い、摩擦係数の変化を監視しながら、摩擦係数が上昇した時点で、摩擦試験を中止し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、非晶質炭素被膜の摺動面に形成された摩耗痕の断面積及び深さを求めて、この被膜の比摩耗量を算出した。

［結果７：紫外線侵入深さの測定結果］
摩擦試験実施中の４５００サイクル程度で、実施例１と同じように摩擦係数が上昇したので、そこで、摩擦試験を中止し、そのときの摩耗痕のＡＦＭ観察像から、摩耗深さは１０ｎｍ程度であった。このことから紫外線侵入深さが１０ｎｍ程度であることが明らかになった。また、比摩耗量は、２．７×１０^−７ｍｍ^３／Ｎｍ程度であることが明らかになった。

（実施例５）
実施例１と同じ方法により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（波長２５４ｎｍ）の照射時間を２０、４０、及び６０分とした３種類のディスク試験片を製作した点である。そして、これらのディスク試験片に対して、以下に詳述するレーザーラマン分光法により、Ｇポジション（Ｇバンドのピーク位置）及びＩ_Ｄ／Ｉ_Ｇを測定した。この結果を図１１に示す。

＜レーザーラマン分光法＞
レーザーラマン分光法により、不規則なアモルファス構造を有する非晶質炭素被膜の結合状態を評価した。ここでレーザーラマン分光法の原理を簡単に説明する。分子中の原子は一定の構造をとっているが、その位置で静止しているのではなく平衡構造付近で微小運動をしている。この微小運動をブラウン運動という。その振動数は、原子の質量や原子間に働く力の大きさによって決まるため分子固有の値をとっている。従って、この分子の振動を測定することにより試料中の分子の種類や状態を知ることができる。

測定原理は、可視光又は赤外線を試料内の分子に照射し、その際に散乱された光を分光し測定する。散乱光の大部分は入射光と波数が等しいレイリー散乱であるが、散乱光のごく僅かに、入射光とは異なる周波数を持ったラマン散乱を含んでいる。このラマン散乱と入射光の波数の差（ラマンシフト）が、分子の振動や回転運動のエネルギーさに相当することを利用したのがラマン分光法である。

ここで、非晶質炭素被膜の構造解析をラマン分光スペクトルにより分析した場合、非晶質炭素被膜は、決まった結晶構造を持たず、ラマンシフトが１３５０ｃｍ^−１付近及び１５５０ｃｍ^−１付近に、ラマン分光スペクトルのピークが現れることが一般的である。そして、「Ｇバンド」は、このラマンシフトが１５５０ｃｍ^−１付近のピークであり、「Ｄバンド」は、１３５０ｃｍ^−１付近のピークである。そして、Ｄバンドの面積強度とＧバンドの面積強度とのＩ_Ｄ／Ｉ_Ｇ比は、非晶質炭素被膜中に含まれるアモルファス構造の比率を示すことになる。

今回は日本分光社製レーザーラマン分光光度計ＮＲＳ−１０００を使用した。Ａｒイオン励起レーザー波長５３２．０ｎｍ、出力１０ｍＷで、減光器により０．０１倍にし、測定時間を６０秒／サイクルで分析範囲８００〜２０００ｃｍ^−１を２回測定し、積算する方法で行った。２回の積算は、宇宙線の影響を除去するためである。

（実施例６）
実施例１と同じ方法によりディスク試験片を製作した。実施例１と相違する点は、紫外線の波長を３１２ｎｍにした点と、紫外線の照射時間を２０、４０、及び６０分とした３種類のディスク試験片を製作した点である。そして、実施例５と同様に、レーザーラマン分光法により、Ｇポジション（Ｇバンドのピーク位置）及びＩ_Ｄ／Ｉ_Ｇを測定した。この結果を図１１に示す。

（比較例９）
実施例１と同じ方法によりディスク試験片を製作した。実施例２と相違する点は、紫外線を照射していない点である。そして、実施例５と同様に、レーザーラマン分光法により、Ｇポジション（Ｇバンドのピーク位置）及びＩ_Ｄ／Ｉ_Ｇ比を測定した。この結果を図１１に示す。

（比較例１０）
実施例１と同じ方法によりディスク試験片を製作した。実施例２と相違する点は、紫外線の波長を３６５ｎｍにした点と、紫外線の照射時間を２０、４０、及び６０分とした３種類のディスク試験片を製作した点である。そして、実施例５と同様に、レーザーラマン分光法により、Ｇポジション（Ｇバンドのピーク位置）及びＩ_Ｄ／Ｉ_Ｇ比を測定した。この結果を図１１に示す。

［結果８：レーザーラマン分光法の結果］
図１１に示すように、実施例５、６及び比較例９、１０から、波長、照射時間によりＧポジションの変化は見られなかった。また、Ｉ_Ｄ／Ｉ_Ｇ比は僅かに変わっているが、波長、照射時間による傾向は見られなかった。

ところで、実施例１〜３及び比較例３〜６の結果から（結果５及び６）から、水素含有量と紫外線の照射による非晶質炭素材料のグラファイト化には、相関があると考えられ、水素含有量とグラファイト化の関係を明らかにすべく、以下に示すように、オージェ電子分光法による原子組成分析及び硬さ試験を行った。

（実施例７）
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、プラズマＣＶＤ法のガス条件等を変更して、非晶質炭素被膜に含有する水素の含有量を３、１６、３５原子％にした点である。そして、実施例１と同じようにして、オージェ電子分光法による原子組成分析及び硬さ試験を行った。また、硬さ試験の結果を以下の表４に示す。

（比較例１１）
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、プラズマＣＶＤ法のガス条件等を変更して、非晶質炭素被膜に含有する水素の含有量を３７原子％にした点である。そして、実施例１と同じようにして硬さ試験を行った。また、硬さ試験の結果を表４に示す。

［結果９］
実施例７の分析結果から、非晶質炭素被膜の水素含有量が３、１６、３５原子％はいずれも、結果１に示すような波形形状が得られたと考えられ、グラファイト化がされていたと考えられる。また、硬さ試験の結果から、比較例１１に示すように、水素含有量が３５原子％を超えた場合に、非晶質炭素被膜の硬度が低下した。

この結果から、水素含有量が３５％を超えた場合には、非晶質炭素被膜の耐摩耗性が低下すると考えられる。また、結果１と結果９とから、非晶質炭素被膜の水素含有量が３原子％以下の場合には、紫外線を照射してもグラファイト化が発現され難いと考えられる。以上より、非晶質炭素被膜に含有する水素含有量は、３〜３５原子％が好ましいと考えられる。

結果１〜９より、２５４ｎｍ、３１２ｎｍの紫外線を、水素を含有する非晶質炭素被膜に照射した場合には、該被膜中のＣ−Ｃの結合が切断され、これがＣ＝Ｃに再結合して表面がグラファイト化することによって、低せん断層ができ、２００〜４５００サイクルにおいて、非晶質炭素被膜が低摩擦になったものと考えられる。

（実施例８）
実施例１と同じ基材を準備した。そして、図２に示す装置を用いて、プラズマＣＶＤ法により、この基材の表面に水素含有量が１６原子％、層厚さ１．３μｍまで、水素を含有した非晶質炭素被膜（Ｈ−ＤＬＣ被膜）Ｄを成膜した。その後、紫外線の照射をしながら、０．５μｍの厚さまで、紫外線が照射された非晶質炭素被膜Ｇを成膜した（図１２（ｂ）参照）。照射時間は、１００分、紫外線の波長は、３１２ｎｍ、照射エネルギー１００ジュール、紫外線照射装置と基材（試験片）の距離を１５０ｍｍとした。なお、非晶質炭素被膜Ｇの厚さは、予め摩擦試験を行い摩擦係数と膜厚との関係から、特定することができる。

このようにして製作された摺動部材に対して、実施例１と同様に、表面粗さ、硬さ、及び、摩擦試験を行った。なお、摩擦試験は、摩擦試験時の摩擦係数の値が０．０５で持続している時間を測定した。この結果を表５に示す。

（実施例９）
実施例８と同じ基材を準備した。そして、図２に示す装置を用いて、プラズマＣＶＤ法により、この基材の表面に水素含有量が１６原子％、層厚さ１．３μｍまで、水素を含有した非晶質炭素被膜（Ｈ−ＤＬＣ被膜）Ｄを成膜した。次に、２５ｎｍ（成膜時間５分）の厚さに非晶質炭素被膜（非晶質炭素層）Ｄ１を成膜後、成膜後、実施例８と同じ条件で、紫外線の照射５分間をしながら、５ｎｍの厚さのグラファイト化した層（紫外線が照射された層）Ｇを形成する一連の工程を２０回繰返して、０．５μｍの膜を成膜した（図１２（ｃ）参照）。

この摺動部材に対して、実施例１と同様に、表面粗さ、硬さ、及び、摩擦試験を行った。なお、基材に紫外線を断続的に照射しながら、基材の表面に、水素を含有した非晶質炭素被膜を成膜することによっても、同様の層が形成されることも確認した。

（実施例１０）
実施例８と同様の方法で、非晶質炭素被膜を成膜した。相違する点は、紫外線照射装置と基材（試験片）との距離を１６０ｍｍとした点である。さらに、この非晶質炭素被膜の表面に、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３１２ｎｍにスペクトルのピークを持つ放電管（ＣＳＴ−８Ｂ）によって、非晶質炭素被膜の表面にさらに紫外線を照射した。照射時間は、３０分、紫外線の波長は、３１２ｎｍ、照射エネルギー１０ジュール、紫外線照射装置と基材（試験片）の距離を１５０ｍｍとした（図１２（ｄ）参照）。この摺動部材に対して、実施例１と同様に、表面粗さ、硬さ、及び、摩擦試験を行った。

（比較例１２）
実施例８と同様の方法で、非晶質炭素被膜を成膜した。水素含有量が１６原子％、層厚さ１．８μｍとなるように、紫外線を照射せずに非晶質炭素被膜Ｄを成膜後、その表面に、実施例８の条件で、１０ｎｍの厚さの紫外線を照射した非晶質炭素被膜Ｇを形成した（図１２（ａ）参照）。なお、比較例１２は、実施例８〜１０の比較例であるが、実施例４に相当する本願の発明の請求項１に含まれる例である。

［結果９］
表５からも明らかなように、実施例８〜１０は、比較例１２に比べて、紫外線の照射された非晶質炭素被膜の厚みが厚くなったことにより、より低い摩擦係数を持続することができたと考えられる。

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。

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，Ｂ…ボール試験片，Ｐ…ディスク試験片

Claims

基材の表面に、水素を含有した非晶質炭素被膜を成膜する工程と、
前記非晶質炭素被膜の表面に紫外線を照射する工程と、を含み、
前記照射する紫外線の波長は、３５０ｎｍ以下の波長であり、
前記非晶質炭素被膜に含有する水素含有量が、３〜３５原子％となるように、前記非晶
質炭素被膜を成膜するものであり、
前記紫外線を照射する工程において前記紫外線を照射しながら、前記非晶質炭素被膜を成膜する工程を行うものであり、
前記紫外線の照射を断続的に行いながら、前記成膜を行うことを特徴とする摺動部材の製造方法。
基材の表面に、水素を含有した非晶質炭素被膜を成膜する工程と、
前記非晶質炭素被膜の表面に紫外線を照射する工程と、を含み、
前記照射する紫外線の波長は、３５０ｎｍ以下の波長であり、
前記非晶質炭素被膜に含有する水素含有量が、３〜３５原子％となるように、前記非晶
質炭素被膜を成膜するものであり、
前記紫外線を照射する工程において前記紫外線を照射しながら、前記非晶質炭素被膜を成膜する工程を行うものであり、
前記紫外線の照射エネルギーを増加させながら、前記成膜を行うことを特徴とする摺動部材の製造方法。