JPH10330913A

JPH10330913A - 摩擦摺動部材及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10330913A
Application number: JP15450397A
Authority: JP
Inventors: Tsunemori Yoshida; 常盛吉田; Kokichi Ohata; 耕吉大畠; Nobuo Kuwana; 信雄桑名
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1998-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】摩擦係数が小さく、耐摩耗性に優れる摩擦摺動
部材、及び熱変形が少なく、基材と薄膜との密着性に優
れ、優れた耐摩耗性を発揮することができる摩擦摺動部
材の製造方法を提供する。【解決手段】基材１の摺動面に、結晶方位を（２０
０）面に配向させた面心立方構造の窒化チタンからなる
結晶薄膜を形成した。上記結晶薄膜を、チタンを真空蒸
着する工程と窒素イオンビームを照射する工程とを同時
又は交互に行うことにより形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばメカニカ
ルシールの密封環に適用される摩擦摺動部材及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】メカニカルシールは、高度な技術と信頼
性が要求される原子力発電所をはじめ、石油、化学、製
鉄、製紙、上下水道、食品、船舶等の回転機器用のシー
ルとして、また自動車用のクーラ及びエンジン冷却用ポ
ンプ、土木用水中ポンプ、農業用ポンプ、及び家庭用機
器等の量産用シールとして、高温、高圧、高速等の過酷
な条件で広く使用されている。

【０００３】上記メカニカルシールの摩擦摺動部材であ
る静止密封環と回転密封環とは、一般に、カーボン
（Ｃ）と炭化珪素（ＳｉＣ）、超硬合金と炭化珪素等、
互いに異なる材料の組合わせで使用されているが、特に
高圧、高速の条件下で使用される場合には、上記超硬合
金や炭化珪素製のものは、耐摩耗性に優れるものの脆弱
であるため、遠心力による破損を防止すべく、外周に金
属製の補強環を装着することが行われている。また、耐
摩耗性に劣るが靱性を有する基材の摺動面に、硬質薄膜
を被覆することにより、耐摩耗性を向上させて、高圧、
高速の条件下でも使用可能にすることが検討されてい
る。

【０００４】従来、材料の耐摩耗性を向上させる一般的
な表面改質技術として、当該材料（基材）の表面に、イ
オンを注入したり、硬質の結晶薄膜を形成したりするこ
とが知られている。前者のイオン注入に使用されるイオ
ン種は窒素（Ｎ）やカーボンであり、アンモニアガスを
利用した窒化処理や、メタンガスを利用した炭化処理等
の熱力学的な方法が広く工業化されている。また、後者
の結晶薄膜の被覆に使用されるコーティング材として
は、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒
化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（ＡＬ₂Ｏ₃）、
窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₃）等であり、そのコーティング技
術としては、物理的蒸着法（ＰＶＤ）や化学的蒸着法
（ＣＶＤ）が広く工業化されている。さらに、最近で
は、金属を蒸着させながら、イオン化した窒素を基材の
表面に照射して、当該表面に窒化物層を形成する方法が
提案されている（例えば特開平８−１０５４４７号公報
参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記アンモニアガスを
利用した窒化処理やメタンガスを利用した炭化処理、物
理的蒸着法、及び化学的蒸着法の何れについても、基材
を４００〜１０００°Ｃ程度に加熱する必要があるの
で、基材の熱変形が大きくなるという欠点があり、上記
密封環のような寸法精度が要求される摩擦摺動部材に
は、適用し難いという問題があった。特に、物理的蒸着
法については、基材と薄膜との密着強度が充分でないの
で、摩擦により薄膜が剥離したり、その剥離片によって
異常摩耗を生じたりするという問題があった。また、基
材の表面に金属を蒸着させながらイオン化した窒素を照
射する方法については、イオン化した窒素を、１０ｋｅ
Ｖ以上の多大なエネルギーで照射するため、薄膜の表面
粗さが粗く、摩擦係数が大きくなって耐摩耗性に劣り、
しかも熱変形が大きい。このため、上記密封環のような
高速度で摺動する摩擦摺動部材には適用し難いという問
題があった。この発明は、上記問題点に鑑みてなされた
ものであり、摩擦係数が小さく、耐摩耗性に優れる摩擦
摺動部材を提供することを目的とする。またこの発明
は、熱変形が少なく、基材と薄膜との密着性が良好で、
優れた耐摩耗性を発揮することができる摩擦摺動部材の
製造方法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】上記目的を達成するため
のこの発明の摩擦摺動部材は、基材の摺動面に、耐摩耗
性を有する結晶薄膜を形成している摩擦摺動部材におい
て、上記結晶薄膜が、結晶方位を（２００）面に配
向させた面心立方構造の窒化チタンであることを特徴と
する。この摩擦摺動部材は、上記結晶薄膜を面心立方構
造の窒化チタンで構成し、その結晶方位を（２０
０）面に配向させたので、摩擦係数が少なく耐摩耗性に
優れるものとなる。

【０００７】上記摩擦摺動部材は、上記窒化チタンの
（２００）面に対する配向強度（Ｓ₂₀₀）と、（１
１１）面に対する配向強度（Ｓ₁₁₁）との比（Ｓ
₂₀₀／Ｓ₁₁₁）が１．１０以上であるのが好ましい。こ
れにより、上記結晶薄膜は、さらに摩擦係数が小さく、
より耐摩耗性に優れるものとなる。すなわち、本願発明
者は、鋭意研究の結果、上記窒化チタンの結晶薄膜は、
その結晶方位を（２００）面に配向させると、摩擦
係数が少なく耐摩耗性に優れるとの知見を得、しかも、
窒化チタンの（２００）面に対する配向強度（Ｓ
₂₀₀）と、（１１１）面に対する配向強度
（Ｓ₁₁₁）との比（Ｓ₂₀₀／Ｓ₁₁₁）が、１．１０以上
であると、結晶薄膜の摩擦係数をさらに小さくすること
ができ、より優れた耐摩耗性を発揮することができると
の知見を得、かかる知見に基づいて本願発明を完成した
ものである。上記結晶薄膜は、チタンの真空蒸着と窒素
イオンビームの照射とを併用して形成したものであるの
が好ましく、この場合には、結晶方位を（２００）
面に容易且つ安定的に配向させることができる。

【０００８】また、この発明の摩擦摺動部材の製造方法
は、基材の摺動面に、耐摩耗性を有する結晶薄膜を形成
する工程を含む摩擦摺動部材の製造方法において、上記
基材の摺動面に、チタンを真空蒸着する工程と窒素イオ
ンビームを照射する工程とを同時又は交互に行って、結
晶方位を（２００）面に配向させた面心立方構造の
窒化チタンの結晶薄膜を形成することを特徴とする。こ
の摩擦摺動部材の製造方法においては、チタンの蒸着金
属粒子は、基材の被処理面に付着する前に窒素イオンと
反応して窒化物となって基材に注入されるか、或いは基
材に付着した後、窒素イオンと反応して窒化物となって
基材に注入され、最終的に基材の被処理面が、窒化チタ
ンの結晶薄膜で被覆される。このように、上記窒化チタ
ンの結晶薄膜は、その一部が基材に注入されるために、
基材と金属間結合した状態になる。したがって、上記窒
化チタンは、被処理面との明瞭な境界を生じることな
く、被処理面の内部に向かって濃度が漸次減少した状態
で、基材に密着する。この結果、上記結晶薄膜は、基材
に対して非常に強固に密着することになる。また、上記
結晶薄膜は、（２００）に配向した面心立方構造と
なり、摩擦係数が小さく、耐摩耗性に優れるものとな
る。

【０００９】上記摩擦摺動部材の製造方法においては、
窒素イオンビームの照射エネルギーを、１〜７ｋｅＶに
設定するのが好ましく、また窒素イオンビームの照射電
力の最大値を、０．１Ｗ／ｃｍ²にするのが好ましい。
この製造方法によれば、チタンの蒸発速度、窒素イオン
の密度、加速電圧、基材の加熱温度等を最適に制御する
ことができる。このため、結晶薄膜の表面粗さが粗くな
るのを抑制することができるとともに、当該結晶薄膜の
摩擦係数をより小さくして、より優れた耐摩耗性を発揮
させることができる。しかも、基材が高温に加熱される
のを抑制して、その熱変形を小さくすることができる。

【００１０】上記摩擦摺動部材の製造方法においては、
基材をその軸線回りに回転させるとともに、当該基材に
対するチタン蒸気の入射角度と、窒素イオンビームの入
射角度とを、略等しくするのが好ましく、この場合に
は、基材の摺動面に緻密且つ均一な結晶薄膜を形成する
ことができる。

【００１１】

【実施例】以下この発明の実施例について、添付図面を
参照しながら詳述する。図１は、この発明の摩擦摺動部
材及びその製造方法において、当該摩擦摺動部材の基材
の摺動面に、窒化チタンの結晶薄膜を形成するための装
置を示す概略図である。上記装置は、摩擦摺動部材の基
材１を保持するホルダ２と、このホルダ２に保持された
基材１に向かってチタン蒸気３を発する蒸発源４と、上
記基材１に対して窒素イオンビーム５を照射するイオン
源６とを備えており、これらホルダ２、蒸発源４、及び
イオン源６は、真空空間に配置されている。

【００１２】上記ホルダ２は、回転軸７の先端に取付け
られており、当該回転軸７の軸線Ｌ１を中心として回転
可能になっている。また、上記回転軸７の軸線Ｌ１は、
鉛直方向に対して所定角度θ傾斜しており、上記基材１
は、その軸線Ｌ２を上記回転軸７の軸線Ｌ１に一致させ
た状態で、ホルダ２の下面に保持される。なお、上記ホ
ルダ２は水冷されている。

【００１３】蒸発源４は、上記ホルダ２の下面側に対向
させた状態で設けられており、チタン蒸気３を略鉛直方
向へ向かって発生させる。すなわち、チタン蒸気３の発
生方向と基材１の軸線Ｌ２とは、上記回転軸７の傾斜角
θと略同じ角度だけ相対的に傾斜している。イオン源６
は、蒸発源４に対して基材１の軸線Ｌ２を挟んで反対側
に設けられており、その窒素イオンビーム５の照射方向
は、基材１の軸線Ｌ２に対して上記回転軸７の傾斜角θ
と略同じ角度だけ傾斜している。すなわち、基材１に対
するチタン蒸気３の入射角度αと、基材１に対する窒素
イオンビーム５の入射角度βとは、略等しくなるように
設定されている。

【００１４】以上の構成の成膜装置を使用して、以下の
方法で基材１の摺動面１ａを窒化チタンによる面心立方
構造の結晶薄膜で被覆することにより摩擦摺動部材（実
施例）を作製した。基材１の材質として、マルテンサイ
ト系ステンレス鋼、例えばＳＵＳ４２０Ｊ２を用い、こ
れを所定の寸法形状に加工した後、焼き入れ（９８０°
Ｃ、１時間保持後油冷）及び焼き戻し（６３０°Ｃ、４
時間保持後炉冷）を行い、さらに、摺動面１ａをラッピ
ング仕上げして、その表面粗さＲａを０．０５μｍ以下
とした。

【００１５】上記基材１をホルダ２に取り付けて軸線Ｌ
２回りに回転させながら、蒸発源４から発したチタン蒸
気３を、基材１の摺動面１ａに対して蒸着速度０．４〜
４．０ｎｍ／ｓｅｃで蒸着させながら、基材１の摺動面
１ａに対して、加速電圧１．５〜１５ｋｅＶ、電流密度
０．２ｍＡ／ｃｍ²の条件で、イオン源６から窒素イオ
ンビーム５を照射して、当該摺動面１ａに窒化チタンに
よる面心立方構造の結晶薄膜を形成した。

【００１６】比較例として、上記実施例と同じ基材を用
い、その摺動面にＰＶＤ処理により窒化チタンの結晶薄
膜を形成した。上記実施例及び比較例について、１８０
°折曲げ試験をして、その表面を走査型電子顕微鏡で観
察した。この結果、実施例については、結晶薄膜の表面
に割れは生じているが、剥離は生じていないことが確認
された。これに対して比較例は、結晶薄膜が剥離してい
ることが確認された。したがって、実施例は比較例より
も結晶薄膜と基材との密着性が良好で、耐剥離性に優れ
ることが分かる。

【００１７】上記実施例及び比較例について、オージェ
電子分光分析装置により、結晶薄膜表面から基材１の内
部にかけて構成物質を分析した。この結果を図２に示
す。なお図２において、Ｉx は鉄（Ｆｅ）又は窒化チタ
ンが吸収した光の量、いわゆる強度であり、ΣI は分析
結果に現れた構成物質全体の強度、すなわち吸光量であ
る。図２より、実施例については、基材１の表面に窒化
チタンの結晶薄膜が形成され、当該結晶薄膜の表面から
基材１の内部にかけての比較的長い範囲において、窒化
チタンが徐々に減少していることが分かる。これは、結
晶薄膜と基材１との間に、窒化チタンと鉄との混合層が
形成されていることを示している。これに対して比較例
は、結晶薄膜の表面から窒化チタンが急激に減少してい
ることが分かる。これは比較例においては、上記混合層
の形成がなく、結晶薄膜と基材１とが殆ど機械的結合状
態になっていることを示している。したがって、上記実
施例の結晶薄膜は、基材１との明瞭な境界がなく、原子
的な結合状態となって濃度勾配をもっており、基材１と
の密着性が比較例よりも極めて良好であることが分か
る。

【００１８】上記実施例は、チタン蒸気３と窒素イオン
ビーム５とを、基材１に対して等角度で入射して、窒化
チタンの結晶薄膜を形成するので、基材１の摺動面１ａ
を水平にして蒸発源４に正対させ、窒素イオンビーム５
を基材１に対して略４５°の角度で入射させる従来の成
膜方法に比較して、より緻密且つ均質な窒化チタンの結
晶薄膜を得ることができる。

【００１９】次に、この発明の摩擦摺動部材の製造方法
において、窒化チタン膜を形成する際の窒素イオンビー
ム５の照射エネルギー及び照射電力を変化させて、これ
ら照射エネルギー及び照射電力が、摩擦摺動部材の熱変
形に及ぼす影響について調べた。この結果を図３に示
す。図３において、「水平面歪」は、結晶薄膜の表面
を、一端から他端にかけてトレースして、両端間の変化
分を測定したものである。また、「円周面歪」は、結晶
薄膜の表面の円周上をトレースして、そのうねり状態を
調べ、最大値と最小値との差を測定したものである。図
３より、摩擦摺動部材の熱変形、つまり水平面歪及び円
周面歪を抑えるためには、窒素イオンビーム５の照射エ
ネルギーを１〜７ｋｅＶの範囲にする必要があること、
照射電力を０．１Ｗ／ｃｍ²以下にする必要があること
が分かる。これは、照射エネルギー及び照射電力を上記
範囲にすることにより、主として、成膜時の摩擦摺動部
材の昇温を、１００°Ｃ以下に抑えることができるから
である。

【００２０】窒化チタンの結晶薄膜について、その（２
００）面及び（１１１）面に対する配向強度
と、摩擦係数及び耐摩耗性との関係を調べた。上記配向
強度は、Ｘ線回折装置を用いて（２００）面からの
信号Ｉ₂₀₀と、（１１１）面からの信号Ｉ₁₁₁とを
測定し、各信号のレベル比Ｉ₂₀₀／Ｉ ₁₁₁を、（２０
０）面に対する配向強度Ｓ₂₀₀と（１１１）面に
対する配向強度Ｓ₁₁₁との比（Ｓ₂₀₀／Ｓ₁₁₁）とした
ものである。また、上記耐摩耗性は、スラスト式摩擦摩
耗試験機を用い、相手材としてのカーボンに、面圧５ｋ
ｇ／ｃｍ²（０．５Ｍｐａ）、周速２ｍ／ｓｅｃで摺接
させて、結晶薄膜の摩擦係数及び摩耗量を調べた。この
結果を図４に示す。図４より、窒化チタンの結晶薄膜に
ついて、その摩擦係数を小さくして摩耗量を少なくする
には、当該結晶薄膜の結晶方位が、（１１１）面よ
りも（２００）に対してより強く配向し、しかもＳ
₂₀₀／Ｓ₁₁₁≧１．０の関係にあることが必要条件であ
ることが分かる。

【００２１】さらに、上記窒化チタンの結晶薄膜につい
て、（２００）面、（１１１）面及び（２２
０）面に対する配向強度と、摩擦係数及び耐摩耗性との
関係を調べた。この結果を表１に示す。なお、試験条件
は前記と同様である。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１より、窒化チタンの結晶薄膜につい
て、その摩擦係数を小さくして摩耗量を少なくするに
は、当該結晶薄膜の結晶方位が（１１１）面及び
（２２０）よりも（２００）により強く配向し、
しかもＳ₂₀₀／Ｓ₁₁₁≧１．１０の関係にあることがよ
り好ましいことが分かる。

【００２４】上記実施例においては、チタン蒸気３の蒸
着と窒素イオンビーム５の照射とを同時に行っている
が、これを交互に行ってもよく、この場合においても上
記と同様な作用効果を得ることができる。この発明の摩
擦摺動部材及びその製造方法は、特に高圧、高速で使用
されるメカニカルシールの密封環に好適に適用される
が、この密封環以外に、熱変形が少なく耐摩耗性が要求
されるすべり軸受等の摩擦摺動部材にも好適に適用され
る。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係る摩擦摺動
部材によれば、基材の摺動面を覆う結晶薄膜を、結晶方
位が（２００）面に配向する面心立方構造の窒化チ
タンにより構成したので、摩擦係数が小さく優れた耐摩
耗性を発揮することができる。

【００２６】請求項２に係る摩擦摺動部材によれば、上
記窒化チタンの（２００）面に対する配向強度と、
（１１１）面に対する配向強度との比が１．１０以
上であるので、より摩擦係数が小さくより優れた耐摩耗
性を発揮することができる。

【００２７】請求項３に係る摩擦摺動部材によれば、上
記結晶薄膜を、チタンの真空蒸着と窒素イオンビームの
照射とを併用して形成しているので、結晶方位を（２
００）面に容易且つ安定的に配向させることができると
ともに、熱変形が少なく、基材と薄膜との密着性に優
れ、より優れた耐摩耗性を発揮することができる。

【００２８】請求項４に係る摩擦摺動部材の製造方法に
よれば、上記結晶薄膜を、基材との明瞭な境界を生じる
ことなく、基材の内部に向かって濃度を漸次減少させた
状態で形成するこができるので、結晶薄膜と基材との良
好な密着性を確保することができる。このため、結晶薄
膜の剥離を生じ難く、優れた耐久性を発揮することがで
きる。また、（２００）に配向した面心立方構造の
結晶薄膜を容易且つ安定的に形成することができる。

【００２９】請求項５に係る摩擦摺動部材の製造方法に
よれば、窒素イオンビームの照射エネルギーを、１〜７
ｋｅＶに設定しているので、結晶薄膜の表面粗さが粗く
なるのを抑制することができるとともに、当該結晶薄膜
の摩擦係数をより小さくして、より優れた耐摩耗性を発
揮させることができる。しかも、基材が高温に加熱され
るのを抑制して、その熱変形を小さくすることができ
る。

【００３０】請求項６に係る摩擦摺動部材の製造方法に
よれば、窒素イオンビームの照射電力の最大値を、０．
１Ｗ／ｃｍ²に設定しているので、結晶薄膜の表面粗さ
が粗くなるのを抑制することができるとともに、当該結
晶薄膜の摩擦係数をより小さくして、より優れた耐摩耗
性を発揮させることができる。しかも、基材が高温に加
熱されるのを抑制して、その熱変形を小さくすることが
できる。

【００３１】請求項７に係る摩擦摺動部材の製造方法に
よれば、基材をその軸線回りに回転させるとともに、当
該基材に対するチタン蒸気の入射角度と、窒素イオンビ
ームの入射角度とを、略等しくしているので、基材の摺
動面に緻密且つ均一な結晶薄膜を形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の摩擦摺動部材の製造装置を示す概略
図である。

【図２】オージェ電子分光分析装置による結晶薄膜表面
から基材の内部にかけての分析結果を示すグラフ図であ
る。

【図３】窒素イオンビームの照射エネルギーと摩擦摺動
部材の変形量との関係を示すグラフ図である。

【図４】窒化チタンの結晶薄膜の配向性と摩擦係数及び
耐摩耗性との関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１基材２ホルダ３チタン蒸気４蒸発源５窒素イオンビーム６イオン源７回転軸 α チタン蒸気の入射角 β 窒素イオンビームの入射角Ｌ２基材の軸線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基材の摺動面に、耐摩耗性を有する結晶薄
膜を形成している摩擦摺動部材において、上記結晶薄膜が、結晶方位を（２００）面に配向さ
せた面心立方構造の窒化チタンであることを特徴とする
摩擦摺動部材。
【請求項２】上記窒化チタンの（２００）面に対す
る配向強度（Ｓ₂₀₀）と、（１１１）面に対する配向
強度（Ｓ₁₁₁）との比（Ｓ₂₀₀／Ｓ₁₁₁）が１．１０以
上である請求項１記載の摩擦摺動部材。
【請求項３】上記結晶薄膜が、チタンの真空蒸着と窒素
イオンビームの照射とを併用して形成したものである請
求項１記載の摩擦摺動部材。
【請求項４】基材の摺動面に、耐摩耗性を有する結晶薄
膜を形成する工程を含む摩擦摺動部材の製造方法におい
て、上記基材の摺動面に、チタンを真空蒸着する工程と窒素
イオンビームを照射する工程とを同時又は交互に行っ
て、結晶方位を（２００）面に配向させた面心立方
構造の窒化チタンの結晶薄膜を形成することを特徴とす
る摩擦摺動部材の製造方法。
【請求項５】上記窒素イオンビームの照射エネルギー
が、１〜７ｋｅＶである請求項４記載の摩擦摺動部材の
製造方法。
【請求項６】上記窒素イオンビームの照射電力の最大値
が、０．１Ｗ／ｃｍ²である請求項４記載の摩擦摺動部
材の製造方法。
【請求項７】上記基材をその軸線回りに回転させるとと
もに、当該基材に対するチタン蒸気の入射角度と、窒素
イオンビームの入射角度とを、略等しくする請求項４記
載の摩擦摺動部材の製造方法。