JPS61147878A - 摺動部の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、例えばレーザービームのスキャナとして用い
られるポリゴンミラーの回転軸等のような高速摺動部の
表面処理に最適な摺動部の表面処理方法に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 従来よりレシプロ型コンプレッサーのピストン及びリン
グ、ロータリーコンプレッサーのロータ及びブレードあ
るいはポリゴンミラーの回転軸及び軸受は等のように、
機械的に高速で摺動する部材は、摩耗し易かったり又は
極端な場合には前記高速摺動部分が焼き付いて摺動不能
となる不具合がある。

これらの問題点の改良策として、例えば前記コンプレッ
サーの場合にはピストン及びリング、ロータ及びブレー
ドを鋳物で形成し、また、ポリゴンミラー用の回転軸及
び回転軸受けを超鋼で形成しているのが現状である。

ところが、これらの材料は本質的に６価であり量産性に
見合わないだけでなく、その耐摩耗性を有するがゆえに
硬度が高く精密加工が困難であるという欠点がある。し
かし、例えば、ポリゴンミラーの回転軸や回転軸受けな
どは、このポリゴンミラーによってスキャニングされる
レーザ光が高解Ｉ＆度を要求されるため、この加工精度
は±４μｍと極めて高精度となっている。

そこで、本発明者らは近年これらの６価な材料を用いず
、例えば通常のＳｕＳやＳＫ材を用いて加工を行い、そ
の表面に原料ガスのグロー放電によって成膜されたアモ
ルフ？スシリ］ンカーバイド（以後ａ−３ｉＣと略記す
る）膜やアモルファスシリコンナイトライド（以後ａ−
８ｉＮと略記する）膜で処理を行うことを提案している
。この方法によると、母材であるＳＵＳやＳＫ材は安価
で加工し易いばかりでなく、表面のａ−８ｉＣやａ−３
ｉＮ膜は硬くて安価であるため、良好な耐摩耗性を有し
ているという利点がある。

これらの、ａ−８ｔＣ膜又はａ−８ｉ　Ｎ１１ｌは本発
明者によってすでに提案されてるように、例えば５ｉｌ
１４．５ｉ２Ｈｓ等のＳｌを含むガスと、ＣＨａ　、Ｃ
２Ｈ４等の炭素を含むガス又はＮ＋−１３やＮ２等の窒
素を含むガスの混合ガスのグロー放電によって達成され
るが、成膜の際に高速摺動部品を一度１５０〜３００℃
の温度に昇温しないとより強固な膜が成膜されない。

そのため、例えばａ−３ｉＣ膜は一度前述の温度で成膜
したあとに急冷を行うと、母材とａ−８ＩＣ膜の熱収縮
率の差によって膜にクラックを生じたり、または極端な
場合には膜はがれを引き起すという不具合があった。成
膜後徐冷を行えばこのような不具合を生じないが真空中
での徐冷は通常２５０℃から１００℃以下にするのに２
時間以上を要し、例えばコンプレッサーのｈ速摺動部品
のように日に５０００個処理しなければならないような
量産品には不向きである。

一方では、Ｎ２ガスと８１を含むガスのグロー放電によ
って成膜されたａ−８ｉＮ膜は、金属との密着性に優れ
、成膜後の急冷によってもクラックや膜はがれが生じな
いという利点を有するが、反面、グロー放電の電極に供
給する電力を相当大きくしないとＮ２ガスが容易に分解
しないという欠点がある。

そのため、現状ではＳｉを含むガスの流量を極端に少量
にしてＮ２ガスを大量に流し大電力を電極に供給しｒａ
−ｓｒＮ膜を成膜するが、３ｉを含むガスの流量を減少
させるとａ−３ｉ　Ｎ膜の成膜速度が急激に減少し、例
えば部品表面に２μｍの成膜を行うのに約１．５時間要
し前述のように量産性に不向きなものとなってしまう。

［発明の目的］ 本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、摺動部
品の表面との密着性に優れかつ硬くて耐摩耗性を有し、
安価で量産性の優れた摺動部の表面処理方法を提供する
ことを目的とするものである。

［発明の概要］ 上記目的を達成するための本発明の概要は、摺動部にア
モルファスシリコン窒化膜を成膜する第１の工程と、こ
のアモルファスシリコン窒化膜に積層してアモルファス
シリコン炭化膜を成膜する第２の工程とを有することを
特徴とするものである。

［発明の実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

本発明は上記ａ−３ｉＣ膜及びａ−８ｉＮ膜の利点を利
用し、硬くて安価で部品表面との密着性にすぐれた表面
処理法を達成したものである。そして、本発明の表面処
理方法の一例としては、第１図に示すように高速摺動部
品１の表面にａ−３ｉＮの薄１１１１２及びａ−８ｉＣ
の厚膜３を積層形成するものであである。

前記ａ−８ｉＮ膜２は、前記高速摺動部品１との密着性
を良好とし大電力を要せずに成膜するために、例えばＳ
ｉＨ４ガスの流量を１とした時Ｎ２ガスの流量を３以上
、好ましくは１０以上で達成される。また、この膜厚は
短時間で成膜するために５００へ以上１μｍ以下、好ま
しくは１０００＾以上５０００Ａ以下で達成される。

−・方、ａ−３ｉ　Ｃ膜は短時間で耐摩耗性を有する硬
い膜を得るためには、５ｉＨａガス流量１に対してＣＨ
４ガスの流量が１以上、好ましくは３以上で達成される
。また、その膜厚は５０００＾以上１００μｍ以下、好
ましくは１μｍ〜４μｍで達成される。

ここで、この表面処理方法が適用されるグロー放電装置
の一例を第２図を参照して説明する。同図において、１
０は反応容器でありガス導入管１１、ガス導出管１２を
連通している。また、前記ガス導入管１１．ガス導出管
１２にはそれぞれバルブ１３．１４が設けられている。

この反応容器１０内にはヒータ１５が設けられると共に
、このヒータ１５の上方には対向電極１７Ａ、１７Ｂが
配置されている。そして、表面処理が施される高速摺動
部品１は前記対向電極１７Ａ、１７８間に挟まれた位置
に支持されるようになっている。この高速摺動部品１は
例えばポリゴンミラー用の回転輪である。また、−・方
の対向電極１７Ｂは接地され、他方の対向電極１７Ａに
はマツチングボックス１９を介して電源１８が接続され
ている。

上記のグロー放電装置を用いて本発明に係る表面処理方
法の一実施例を説明する。

本発明の表面処理方法における第１の工程は、高速摺動
部品１の表面にａ−３ｉＮ膜を成膜する工程である。こ
のために、先ずバルブ１４を開にし、図示しないメカニ
スルブースターポンプ及び回転ポンプを作動して反応容
器１ｏ内を１０５ｔ。

「ｒの真空状態とする。また、この時ヒータ１５がＯＮ
され高速摺動部品１を２２０’Ｃに加熱する。

次に、バルブ１３を開にし、図示しないガス供給源、流
量制御装置を作動してＮ２ガス５００ＳｃＣＯ１（スタ
ンダードｃｃ／分）、ＳｉＨ４ガス５０Ｓｃｃｍを真空
の反応容器１０内に導入する。尚、反応容器１０内のガ
ス圧がＱ、８ｔｏｒｒになるようにバルブ１４を開閉し
て調整する。この後に一方の対向電極１７Ａに対して、
電ＷＡ１８よりマツチングボックス１９を介して１３．
５６Ｍｌ−１ｚのラジオフリークエンシーパワー（以下
Ｒ，Ｆパワーと略記する）を３００Ｗ供給する。そうす
ると、ＳｉＨ４ガスとＮ２ガスとによるプラズマが発生
し、対向電極１７Ａ、１７Ｂ間に配置された高速摺動部
品１にａ−３ｉＮ膜の成膜が開始される。そして、上記
成膜動作を約１０分間続け、２ｏ００＾のａ−８ｉ　Ｎ
膜に形成した後にＲ，ＦパワーをＯＦＦする。

この第１の工程の終了後に、第２の工程であるａ−３ｉ
　０１１！の成膜を行う。そこで、５ｉＨａガスの流量
を２　Ｑ　Ｑ　５ｃｃｎ＋に増やし、Ｎ２ガスの供給を
停止する代りにＣＨ４ガス２００８ｃｃｍをガス導入管
１１を介して反応容器１０内に導入する。尚、反応容器
１０内のガス圧が０．８−５ｔｏｒｒを維持するように
、バルブ１４を開閉して調整を行う。この後に一方の対
向電極１７Ａに対して、電源１８よりマツチングボック
ス１９を介して前記Ｒ，Ｆパワーを１００Ｗ供給する。

そうすると、Ｓ　＋　Ｉ（４ガスとＣＨ４ガスとのプラ
ズマが発生し、前記第１の工程によるａ−８ｉ　Ｎ１１
ｌに積層してａ−８ｉｃＩＩｌの成膜が開始される。そ
して、このａ−３ｉＣ膜の成膜動作を約２０分間続け、
２μｍのａ−ｓｒＮ膜の成膜後にＲ，Ｆパワーを０１７
Ｆ−する。

上記第１．第２の工程終了後にヒータ１５を０ＦＦＬ、
、、反応容器１０内へのＳｉＨ４ガス、Ｃ＋−＋４ガス
の供給を停止して代りにＮ２ガス２Ｓｊ！ｍ（スタンダ
ードｊ！／分）を反応容器１０内へ導入し、高速摺動部
品１の急冷を行う。そして、約３０分間の急冷の後の高
速摺動部品１が約１３０℃の時に、Ｎ２ガスの導入を停
止し、反応容器１０内を−ａ　１０’　ｔｏｒｒの真空
状態にした後に大気でリークして高速摺動部品１を取り
出し、高速摺動部品１に対する表面処理が完了する。

上記実施例によれば、第１の［程時のＳ　ｉ　Ｈａガス
の流量とＮ２ガスの流量との比は１：１０であり、Ｓ　
ｉ　Ｈａガスの流量が少なくてよいため大電力を要せず
表面処理コストが大幅に低減される。

また、この第１の工程によるａ−ｓ　＋　Ｎ１１ｌの厚
さは２０００＾と薄いため成膜時間は約１０分間に短縮
できる。そして、この第１の工程では高速（晋動部量１
との密着性に優れたａ−８ｉＮ膜を高速摺動部品１の表
面に成膜しているためクラックや膜はがれは生じ得ない
。

また、第２の工程では前記第１の工程によって成膜され
たａ−８ｉＮ膜の上にａ−８ｉＣＩＩＲを積層して形成
している。従って、ａ−８ｉＣ膜は直接に前記高速摺動
部品１の表面に形成されず、母材とａ−８ｉＣＩＩとの
熱収縮率の際によるクラック、膜はがれは生じ得ない。

また、耐摩耗性を得るために２μｍの厚みでａ−８ｉＣ
躾を成膜しているが、成膜時間は２０分と短く、さらに
第２の工程後の急冷時間も３０分と短く量産性を妨げる
こともない。

また、上記実施例装置によポリゴンミラー用の回転軸に
表面処理を実際に行ってみた結果、ａ−８ｉＮ膜とａ−
８ｉＣ膜とをこの順で積層形成した回転軸表面にはこれ
らの膜のクラックや膜はがれが生じないことが確認でき
た。さらに、この回転軸及び同一処理を施した回転軸受
けとを用い、ポリゴンミラーに実際に装着してランニン
グ試験を行ったところ、連続２万時間のＯＮ、ＯＦ　Ｆ
試験に対しても何らの摩耗を生ずることなく回転動作に
変化が見られなかった。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明°の要旨の範囲内で種々の変・形実施を包含するこ
とは言うまでもない。前記実施例における流入ガスの流
量比、設定温度及び成膜時間等は一例であり、これらに
限定されるものではない。

種々の条件下においても少なくとも母材に対してａ−８
ＩＮＩを第１１Ｉとして形成することで母材との密着性
を保持でき、かつ、このａ−８ｉＮＩｌｉに積層して第
２層としてａ−３ｉＣ膜を成膜することで、共にビッカ
ース硬度の高い膜の２重構造により耐摩耗性のある摺動
部品を得ることができる。また、第１の工程の際に５ｉ
Ｈａガスの流量を押え、かつ、ａ−８ｉＮＩＩＩの膜厚
を５００＾〜１μｍとすれば、成膜速度の遅いａ−３ｉ
Ｎ！Ｉ！Ｉであっても大電力を要せずに安価に処理する
ことができ、かつ、短時間で成膜することができる。一
方、ａ−ｇｉＣ膜は比較的成膜速度が高いため、５００
０Ａ〜１０μｍの膜厚としても短時間で成膜することが
でき、かつ、このような膜厚とすることで耐摩耗性の向
上が図れる。

尚、本発明では母材の第１層にａ−８ｉＮ膜を用いたが
、母材との密着性のみ考慮すると水素化アモルファスシ
リコン（ａ−８ｉＨ）膜でも良好な結果が期待できる。

しかしながら、ａ−Ｓ＋Ｎ膜やａ−８ｉＣ膜のビッカー
ス硬度が１５００以上であるのに対し、ａ−８ｉＨ膜の
ビッカース硬度は１０００と硬度が劣るため、耐摩耗性
については本発明の方が優れている。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば共にビッカース硬
度の高いアモルファスシリコン窒化膜とアモルファスシ
リコン炭化膜との２重成膜とし、かつ、母材と密着性に
優れたアモルファスシリコン窒化膜を母材の第１！ｉｌ
として成膜する表面処理により、長時間の＾速閣動に対
して摩耗や膜はがれのない摺動部材として処理すること
ができる。

さらに、成膜速度の遅いアモルファスシリコン窒化膜の
膜厚を５００＾〜１μｍとし、成膜速度の速いアモルフ
ァスシリコン炭化膜の膜厚５０００＾〜１０μｍとする
ことで、充分な耐摩耗性を維持しながらも短時間で、か
つ、安価に表面処理することができ、量産部品の表面処
理にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法により処理された摺動部の断面図
、第２図は本発明の方法が実施されるグロー放電装置で
ある。 １・・・摺動部、 ２・・・アモルファスシリコン窒化膜、３・・・アモル
ファスシリコン炭化膜。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）摺動部にアモルファスシリコン窒化膜を成膜する
   第１の工程と、このアモルファスシリコン窒化膜に積層
   してアモルファスシリコン炭化膜を成膜する第２の工程
   とを有することを特徴とする摺動部の表面処理方法。
2. （２）第１の工程は、シリコンを含むガスと窒素を含む
   ガスとの混合ガスによるグロー放電によつて成膜するも
   のである特許請求の範囲第１項に記載の摺動部の表面処
   理方法。
3. （３）第２の工程は、シリコンを含むガスと炭素を含む
   ガスとの混合ガスによるグロー放電によつて成膜するも
   のである特許請求の範囲第２項に記載の摺動部の表面処
   理方法。
4. （４）アモルファスシリコン窒化膜の膜厚が５００Å以
   上１μｍ以下である特許請求の範囲第１項又は第２項に
   記載の摺動部の表面処理方法。
5. （５）アモルファスシリコン炭化膜の膜厚が５０００Å
   以上１００μｍ以下である特許請求の範囲第１項又は第
   ３項に記載の摺動部の表面処理方法。