JP4711265B2 - 基体上にセグメント構造硬質膜と固体潤滑層または流体状潤滑層を含む複合摺動構造物、及びそれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基体上に硬質膜（例えば、ダイヤモンドと、グラファイトと、立方晶ボロンナイトライド（ｃ−ＢＮ）と、六方晶ボロンナイトライド(ｈ-ＢＮ)と、ダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ））を互いに離間して配置したセグメント構造硬質膜と、各々のセグメント構造硬質膜の間に形成される固体潤滑層、または流体潤滑層と、の組み合わせによって形成される複合摺動構造物及びその製造方法であって、本発明の複合摺動構造物は、従来のダイヤモンド状炭素被膜を備えた基体構造物に比較して極めて優れた低摩擦係数、耐摩耗性、離型性、撥水性と撥油性、潤滑性、摺動性及び防湿性を備える。

基体の表面に形成した硬質摺動膜を有する回転または摺動構造物は、優れた低摩擦係数及び耐摩耗性を備えた構造物である。しかしながら、基体の表面に形成した硬質摺動膜を有する回転または摺動構造物は、基体の変形により基体上の硬質摺動層が破断及び剥離して、回転または摺動するときに摺動構造物を摩耗することになる。

基体の表面に形成した硬質摺動膜の破断及び剥離を防止するために、基体と硬質摺動膜の間に中間層を設けて付着力を向上させる方法が用いられている。この中間層を設ける方法は、硬質被膜を設けた構造物の変形量が少ない場合には効果があるが、変形量が大きくなると硬質摺動膜の破断及び剥離が生じる。したがって、硬質被膜を設けた構造物の変形量が大きなときに、硬質摺動膜の破断及び剥離が生じることのない優れた低摩擦係数及び耐摩耗性を備えた構造物を提供することができない。

従来の工作機械などの回転面及び摺動面に設けられている油溝は、高度の熟練を必要とする手作業によるキサゲ加工により形成している。回転面または摺動面上に幅及び長さに比較して非常に薄い深さの刻み面を多数全面的に設けて、これら刻み面以外の当たり面が平面度を向上させると共にこの刻み面を油溝としている。

これらの工作機械は、この刻み面を有する回転面及び摺動面に流体状またはグリース状の潤滑剤油脂を定期的に塗布することにより、この刻み面に潤滑剤油脂を残留させて、一定期間潤滑剤を供給することなく潤滑及び摺動性を維持している。

しかしながら、キサゲ加工は、手作業であるために深い油溝を形成することができなく、高硬度の回転面及び摺動面にキサゲにより刻む面すなわち溝を形成することができなく、さらにこのキサゲ加工は非常に高価な作業であり且つ高度の熟練を要する。

また、潤滑及び摺動を必要とする工作機械の軸受部品は、この軸受部品に油溝が形成されたブッシュまたはメタルライナーが軸受部品に組み込まれる。これらのブッシュまたはメタルライナーには、回転軸を挿入する中心穴が開口され、且つ中心穴の内面に油溝が形成される。この軸受部品は、中心穴に挿入された回転軸が回転する場合、軸受部品の周囲に設けられた潤滑油貯めまたはオイルポットから供給される潤滑剤または油が、ブッシュまたはメタルライナーの中心穴の内面に設けられた油溝に注入されて、潤滑及び摺動性が維持される。

さらに、上記ブッシュ及びメタルライナーを粉末焼結合金で形成し、焼結時に形成された空孔に潤滑油脂を含浸充填させて、潤滑及び摺動性が維持される。

上記軸受部品の油溝は、油溝を形成する面が平面である場合は、フライス盤でエンドミル等を用いて溝を切削加工する。一方、油溝を形成する面が円筒内部である場合は、旋盤で螺旋状の溝を切削加工する。さらに、液圧機器と溝成形型を使用する塑性加工によって、軸受部品の油溝が形成される。

摺動構造物には潤滑性及び摺動性が必要であり、摺動構造物は上述の手作業または機械加工で油溝を形成している。しかしながら、油溝を手作業及び機械加工で形成することは、非常に熟練を必要とし且つ時間と費用のかかる工程である。
特許文献１：特開２００３−１４７５２５号公報
特許文献２：特願２００４-０９５２０７号公報
特許文献３：特開２００３−１４７５２５号公報

硬質膜として使用される例えばダイヤモンド状炭素膜はダイヤモンドと黒鉛との中間の機械的性質を備えていて、構造物の表面に被覆されたダイヤモンド状炭素膜は、優れた耐摩擦性及び耐摩耗性を付与する。また、ダイヤモンド状炭素膜は室温程度の低温度で合成被覆することが可能であり且つ、合成被覆されたダイヤモンド状炭素膜表面は平坦であるために、ダイヤモンド状炭素膜は、低い摩擦性及び高い耐摩耗性の被膜として現在最も期待される材料である。

しかし、実用の摺動構造物に例えばダイヤモンド状炭素膜を被覆して使用する場合、被覆される構造物との残留応力の最適化、密着力の向上、膜厚の最適化、耐衝撃性の向上、実際の使用環境下での摩擦係数の低減及び耐摩耗性の向上などさまざまな条件を考慮する必要がある。特に、ゴム、プラスチック、アルミニウムなどのように容易に弾性変形及び塑性変形する基体上にダイヤモンド状炭素膜を被覆した摺動構造物の場合、同一の変形応力に対して上記基体の変形能より硬質膜（例えば、ダイヤモンド状炭素膜）の変形能が小さいので、基体構造物の変形により基体から硬質膜（例えば、ダイヤモンド状炭素膜）が容易に破断或いは剥離に至ってしまうことがあり、実用範囲の拡大の上で大きな技術的課題となっている。

硬質膜（例えば、ダイヤモンド状炭素膜）を被覆した基体を含んでなる構造物は優れた耐摩擦性及び耐摩耗性を有するが、これらの基体構造物を高速度の回転構造物及び摺動構造物に適用するために、さらに硬質膜（例えば、ダイヤモンド状炭素膜）を被覆した基体でできた構造物に潤滑性及び摺動性を備えさせることが課題となっている。

非常に硬くて、これらの材料表面に摺動潤滑剤を含浸充填する溝を、手作業で加工することは不可能であり、且つ機械加工で加工することも困難であった。本発明は、上述するような高硬度の材料部品の表面であっても摺動潤滑剤が含浸充填される溝を形成すること、及びそれらの溝に種々の摺動潤滑剤を含浸充填した摺動潤滑構造物を提供することを課題とする。

上記の高硬度材料からなる基体に硬質膜（例えば、ダイヤモンド状炭素）を被覆してできた構造物は優れた耐摩擦性及び耐摩耗性を有するが、これらの基体構造物を高速度の回転構造物及び摺動構造物に適用するために、さらに硬質膜（例えば、ダイヤモンド状炭素）を被覆した基体でできた構造物に潤滑性及び摺動性を備えさせることが課題となっている。

上記課題の基体の変形による硬質膜の破断及び剥離を解決するために、基体上に硬質膜（例えば、ダイヤモンド状炭素膜）を被覆するときに、一方向、２方向（碁盤目状）または無秩序に複数に区分化した硬質膜を被覆形成することにより、すなわち硬質膜をセグメント構造硬質膜とすることにより、それぞれの被膜の間に形成される間隙で基体自体が変形できる。この基体自体の変形によって、セグメント構造硬質膜（例えば、ダイヤモンド状炭素膜）を備えた基体構造物が大きな弾性変形及び塑性変形をしても、基体上からこの被膜が剥離することなく変形を可能にすることができる。

上記課題を解決するために、本発明においては、固体潤滑剤を用いる場合と、流体状潤滑剤を用いる場合とがある。
先ず、構造物の潤滑性及び摺動性を解決するために、固体潤滑剤を各々のセグメント構造硬質膜の間のセグメント溝部に被覆形成する場合を、以下に具体的に示す。

固体潤滑剤を用いる場合
本発明の複合摺動構造物１は、基体４の表面に被覆された硬質層を含んでなり、前記基体の表面に前記硬質膜を互いに離間して配置されたセグメント構造硬質膜２と、各々のセグメント構造硬質膜の間に形成されたセグメント溝部５とを備え、且つ前記セグメント溝部に被覆充填された固体潤滑層３を含んでなることを特徴とする。

また、本発明の複合摺動構造物１を形成する固体潤滑層３が、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素(ＤＬＣ)、グラファイト、立方晶ボロンナイトライド（ｃ−ＢＮ）、六方晶ボロンナイトライド(ｈ-ＢＮ）から成る群の少なくとも１種を含んでなることを特徴とする。回転速度または摺動速度、及ぶ負荷荷重を考慮することによって、固体潤滑層３は、樹脂を含まなくても十分な潤滑効果を得ることができる。

また、本発明の複合摺動構造物１を形成する硬質膜からなるセグメント構造硬質膜２が、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素(ＤＬＣ)、グラファイト、立方晶ボロンナイトライド（ｃ−ＢＮ）、六方晶ボロンナイトライド(ｈ-ＢＮ)から成る群の少なくとも１種からなることを特徴とする。

本発明の複合摺動構造物１を形成する基体が、金属材料、グラファイトを除く無機材料及び有機材料のいずれか１種からなることを特徴とする。基体は一般的に使用する構造材料であって、金属材料は単一金属又はそれらの合金であり、無機材料はガラス、セラミック及び酸化物及び化合物であり、有機材料はプラスチック及び樹脂らを含む。

また、本発明の複合摺動構造物１を形成するセグメント溝部５を形成する各々の前記セグメント構造硬質膜２は、一辺または外径が０．１μｍ〜３ｍｍの大きさであり、前記セグメント構造硬質膜の間隔が、０．０１μｍ〜１ｍｍであり、且つ前記セグメント構造硬質膜の厚さが、１ｎｍ〜２００μｍであることを特徴とする。この場合、セグメント構造硬質膜の一辺または外径が０．１μｍ以下であると、セグメント構造硬質膜の付着力が低下してセグメント構造硬質膜が剥離する恐れがあり、３ｍｍ以上であると基体の変形により破断及び剥離する恐れがある。また、セグメント構造硬質膜の間隔が、０．０１μｍ以下であるとこの間に固体潤滑剤を十分に被覆することができず、十分な潤滑性を得ることができず、且つ１ｍｍ以上であるとセグメント構造硬質膜を設けた効果が小さくなってしまう。さらに、セグメント構造硬質膜の厚さが、１ｎｍ以下であると十分な耐摩耗性を得ることができず、且つ２００μｍ以下で十分な耐摩耗性が得られる。

また、本発明の複合摺動構造物１を形成するセグメント構造硬質膜２の間の前記セグメント溝部５を離間形成して、変形により前記基体４から前記セグメント構造硬質膜２の剥離を抑制することを特徴とする。

また、本発明の複合摺動構造物１を形成する非セグメント構造ダイヤモンド膜と、非セグメント構造窒化ボロン膜と、非セグメント構造ダイヤモンド状膜と、非セグメント構造のシリコンの少なくとも１種を３０〜７０原子％とから成る非セグメント構造硬質膜の少なくとも１種が、前記セグメント構造硬質膜の間のセグメント溝部上に、または前記セグメント構造硬質膜と前記セグメント溝部との上に、０．０１μｍ〜１０μｍの厚さで形成されることを特徴とする。上記非セグメント構造硬質膜は、セグメント構造硬質膜より薄くすることにより基体も変形することができ、且つセグメント構造硬質膜とともに耐摩耗性を向上させるものである。

上記の複合摺動構造物１の製造方法は、基体４の表面上に硬質膜を互いに離間して被覆されるセグメント構造硬質膜２を、物理的気相成長法または化学的気相成長法により被覆形成し、且つ前記セグメント構造硬質膜２の間に離間して配置するセグメント溝部５に固体潤滑層３を被覆する、ことを特徴とする。

また、上記の複合摺動構造物１の製造方法は、基体４の表面上に被覆される非セグメント構造硬質膜と、前記非セグメント構造硬質膜の表面上に硬質膜を互いに離間して被覆されるセグメント構造硬質膜２とを、物理的気相成長法または化学的気相成長法により被覆形成し、且つ前記セグメント構造硬質膜２の間に離間して配置するセグメント溝部５に固体潤滑層３を被覆する、ことを特徴とする。

流体状潤滑剤を用いる場合
本発明の流体状潤滑剤を含む複合摺動構造物に関して、以下に具体的に説明する。
本発明の高硬度を有する流体状潤滑剤を含む複合摺動構造物は、優れた低摩擦係数及び耐摩耗性を付与するために構造物表面に硬質膜が被覆形成される。さらに本発明の複合摺動構造物は、摺動及び潤滑性を備えるために、構造物表面に硬質膜（例えば、ダイヤモンド状炭素膜）を被覆するときに、１方向、２方向（碁盤目状）または無秩序に複数に区分化したセグメント構造硬質膜を被覆形成することにより、各セグメント構造硬質膜の間に所定間隔を有する溝を設けて、この溝に流体状潤滑剤を含浸充填する。
本発明の上記のそれぞれの課題は、具体的には次に示す手段により解決する。

本発明の流体状潤滑層を含む複合摺動構造物１’は、基体４’の表面に被覆された硬質膜を含んで成り、前記基体の表面に前記硬質膜を互いに離間して配置されたセグメント構造硬質膜２’と、各々のセグメント構造硬質膜２’、２’の間に形成されたセグメント溝部５’とを備え、且つ前記セグメント溝部に含浸充填された液体油、グリースまたはワックスのいずれか一つからなる流体状潤滑層３’を含んで成ることを特徴とする。

本発明の複合摺動構造物１’を形成する流体状潤滑層３’は、鉱物油または動植物油を基油とすることを特徴とする。

さらに、本発明の複合摺動構造物１’を形成する流体状潤滑層３’は、炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、水酸化物、硫化物、硼化物及び弗化物からなる群のいずれか１種から成る群の少なくとも１種を５〜９５ｗｔ％未満含んでなることを特徴とする。これらの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、水酸化物、硫化物、硼化物及び弗化物からなる群は、チタン、クロム、タングステン及び珪素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物であり、且つ水酸化物、硫化物、硼化物及び弗化物はカーボンナノチューブ、フラーレン、ハイドロキシアパタイト、硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）から成る。この場合、５ｗｔ％以下では潤滑効果を満足することができず、９５ｗｔ％以上では流体状潤滑剤層と添加物との相乗効果を低下させることになる。

本発明の複合摺動構造物１’を形成する硬質膜からなるセグメント構造硬質膜２’は、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラファイト、立方晶ボロンナイトライド及び六方晶ボロンナイトライドから成る群の少なくとも１種を選択して含有することを特徴とする。

本発明の複合摺動構造物１’を形成する基体４’は、金属材料、グラファイトを除く無機材料及び有機材料のいずれか１種からなることを特徴とする。基体は一般的に使用する構造材料であって、金属材料は単一金属又はそれらの合金であり、無機材料はガラス、セラミック及び酸化物及び化合物であり、有機材料はプラスチック及び樹脂等を含む。

また、本発明の複合摺動構造物１’を形成するセグメント溝部５’を形成する各々のセグメント構造硬質膜２’は、一辺または外径が０．１μｍ〜３ｍｍの大きさであり、前記セグメント構造硬質膜の間隔が、０．１μｍ〜５ｍｍであり、且つ前記セグメント構造硬質膜の厚さが、０．１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする。
この場合、セグメント構造硬質膜の一辺または外径が０．１μｍ以下であると、セグメント構造硬質膜の付着力が低下してセグメント構造硬質膜が剥離する恐れがあり、３ｍｍ以上であると基体の変形により破断及び剥離する恐れがある。また、セグメント構造硬質膜の間隔が、０．０１μｍ以下であるとこの間に流体状潤滑剤を十分に含浸することができず、十分な潤滑性を得ることができず、且つ５ｍｍ以上ではセグメント構造硬質膜を設けた効果が小さくなってしまう。さらに、セグメント構造硬質膜の厚さが、０．１μｍ以下であるとこの厚みと同等の各種添加剤が混入されている流体潤滑剤の効果が得ることができず、且つ１００μｍ以上にすると被覆に時間がかかり費用の増加をもたらす。

また、本発明の複合摺動構造物１’は、前記セグメント構造硬質膜２’の間の前記セグメント溝部５’を離間形成して、変形により前記基体４’から前記セグメント構造硬質膜２’の剥離を抑制することを特徴とする。

また、本発明の複合摺動構造物１’は、非セグメント構造ダイヤモンド膜と、非セグメント構造ダイヤモンド状炭素膜と、非セグメント構造立方晶ボロンナイトライドと、非セグメント構造六方晶ボロンナイトライドと、非セグメント構造のシリコンを３０〜７０原子％含む前記非セグメント構造のいずれか１種の硬質膜と、から成る群の少なくとも１種が、前記セグメント構造硬質膜の間のセグメント溝部上に、または前記セグメント構造硬質膜と前記セグメント溝部との上に、０．０１μｍ〜５０μｍの厚さで形成されることを特徴とする。上記非セグメント構造硬質膜は、セグメント構造硬質膜より薄くすることにより基体も変形することができ、且つセグメント構造硬質膜とともに耐摩耗性を向上させるものである。

上記の複合摺動構造物１’の製造方法は、基体４’の表面上に硬質膜を互いに離間して被覆されるセグメント構造硬質膜２’を、物理的気相成長法または化学的気相成長法により被覆形成し、且つ前記セグメント構造硬質膜の間に形成されたセグメント溝部５’内に含浸充填させる流体状潤滑層３’を、減圧、常圧及び高圧の少なくとも一つの雰囲気中で含浸充填する、ことを特徴とする。

さらに、上記の複合摺動構造物１’の製造方法は、基体４’の表面上に被覆される前記非セグメント構造硬質膜と、前記非セグメント構造硬質膜の表面上に互いに離間して形成されるセグメント構造硬質膜２’とを、物理的気相成長法または化学的気相成長法により被覆形成し、且つ、前記セグメント構造硬質膜２の間に離間して配置するセグメント溝部５’に含浸させる流体状潤滑層３’を、減圧、常圧及び高圧の少なくとも一つの雰囲気中で含浸充填することを特徴とする。

基体上に被覆形成されたセグメント構造硬質膜と、各硬質膜で形成されるセグメント構造硬質膜の間の形成されたセグメント溝部に被覆充填された個体潤滑剤または流体状潤滑剤と、を含んで成る本発明の複合摺動構造物は、セグメント溝部が形成されない従来技術及びセグメント溝部に潤滑剤が被覆または含浸されていない従来技術の摺動膜を有する摺動構造物に比較して、摩擦係数が０．１以下という優れた安定性が得られた。

また、本発明の複合摺動構造物は、固体潤滑層または流体状潤滑剤が複合されていない従来技術の摺動膜を有する摺動構造物に比較して、非常に優れた耐摩耗性、離型性、撥水性と撥油性、及び防湿性が得られた。

固体潤滑層の実施例
本発明の複合摺動構造物においては、硬質層と固体潤滑剤層からなる複合摺動膜は、化学気相成長法（プラズマ、光及びレーザＣＶＤ法）、スパッタリング法（直流、高周波、マグネトロン及びイオンスパッタリング）及び物理気相成長法（真空及び低圧雰囲気蒸着法）により被覆形成されるが、特に好ましい方法は、プラズマ化学気相成長法である。

本発明の複合摺動構造物の一方を形成するセグメント構造硬質膜（ＤＬＣ）は、一辺または外径が０．１μｍ〜３ｍｍの範囲内であり、セグメント構造硬質膜とセグメント構造硬質膜の間の間隔が０．０１μｍ〜１ｍｍであり、且つセグメント構造硬質膜の厚みが１ｎｍ〜２００μｍである。好ましくはセグメント構造硬質膜が、一辺が２０μｍ×２０μｍで、間隔が２０μｍで、厚みが２００ｎｍのマイクロセグメント構造硬質膜を基体上に被覆し、溝部にフッ素を含む樹脂をスプレー塗布した後に６０〜３００℃（好ましくは１３０〜２００℃）で焼成する。このようにして、硬質膜とフッ素樹脂とから成る複合保護膜が基体上に形成されて複合摺動構造物となる。

この硬質膜とフッ素樹脂とから成る複合保護膜及び基体とから形成された複合摺動構造物は、セグメント構造硬質膜が鉄鋼材料をはじめとする多くの金属などの材料に被覆した場合に、空気中できわめて低い摩擦係数（μ＝０．１未満）を有する。しかもこのセグメント構造硬質膜は、セグメント構造硬質膜の特徴である変形能の高い特徴を維持しつつ、ガスバリア性、離型性、撥水性および化学安定性を有する。

さらに、本発明においては、各セグメント構造硬質膜に、シリコンまたはフッ素を含ませるのが好ましい。このセグメント構造硬質膜にシリコンを含ませる場合、テトラメチルシラン、（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄）を、（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄）／（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄）＋（Ｃ₂Ｈ₂）＝０．０９程度すなわちＳｉをＣの約１０原子％程度流入させるのが好ましい。また、このセグメント構造硬質膜にフッ素を含ませる場合、（ＣＦ₄）／（ＣＦ₄）＋（Ｃ₂Ｈ₂）＝０．５程度すなわちＦをＣの約５０原子％程度で流入させるのが好ましい。この固体潤滑層はフッ素を含む潤滑樹脂であってもよい。

各セグメント構造硬質膜の間に形成されるセグメント溝部に被覆する固体潤滑層または潤滑剤樹脂は、セグメント溝部に被覆するだけでなくて、セグメント構造硬質膜の表面上に１０μｍ以下被覆することができる。このように被覆することによって、セグメント構造硬質膜の表面上の固体潤滑層または潤滑剤樹脂が摩滅した後に、セグメント構造硬質膜が出現するので、潤滑性能が向上するが耐摩耗性に影響を及ぼすことはない。

また、本発明においては、各セグメント構造硬質膜の間に形成されるセグメント溝部に被覆する固体潤滑層に、フッ素樹脂以外を含ませることができる。すなわち、テトラメチルシラン、（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄）＋（Ｃ₂Ｈ₂）で合成したシリコン系の樹脂をセグメント溝部に被覆充填する。（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄）／（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄）＋（Ｃ₂Ｈ₂）の流量比は、１〜１００％で実験を行ったが、Ｓｉ／Ｃが０．５〜５原子％好ましくは１〜２．５原子％の範囲が適切である。

上述のフッ素樹脂の場合と同様に、各セグメント構造硬質膜の間に形成されるセグメント溝部に被覆する固体潤滑層または潤滑剤樹脂は、セグメント溝部に被覆するだけでなくて、セグメント構造硬質膜の表面上に１０μｍ以下被覆することができる。このように被覆することによって、セグメント構造硬質膜の表面上の固体潤滑層または潤滑剤樹脂が摩滅した後に、セグメント構造硬質膜が出現するので、潤滑性能が向上するが耐摩耗性に影響を及ぼすことはない。

実施例１
複合摺動構造物のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法
本発明の複合摺動構造物の一部を、図１に模式的に示す。本実施例の複合摺動構造物１は、メッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法により、シリコン基体の基体４上に硬質膜であるダイヤモンド状炭素膜を、セグメント構造硬質膜２とセグメント溝部５を形成するように被覆合成して形成した。メッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜２と、それらの間に形成されるセグメント溝部５とを、図５〜図７に顕微鏡写真で示す。これらの図に示されるように、各々のセグメント構造硬質膜２の間に所定の間隔で離間配置するセグメント溝部５を形成することができる。本実施例のダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜２は、１辺が２０μｍ×２０μｍのほぼ正方形であり、且つセグメント溝部５の幅は２０μｍであった。

その後、セグメント構造硬質膜２を形成する表面及びセグメント溝部５に、スプレー方式でフッ素樹脂を塗布して、さらにその後、フッ素樹脂を加熱硬化させて固体潤滑層３を形成して、複合摺動構造物１を作成した。上記塗布の際に、固体潤滑層５であるフッ素樹脂が、ダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜２とセグメント溝部５との双方を全面的に覆った。しかし上述したように、セグメント構造硬質膜の表面上の固体潤滑層または潤滑剤樹脂が摩滅した後に、セグメント構造硬質膜が出現するので、潤滑性能を向上させるが耐摩耗性に影響を及ぼすことはない。

実施例２
複合摺動構造物の特性評価
本発明のセグメント構造硬質膜２と固体潤滑層５を含む複合摺動構造物１を、ボールオンディスク法により評価した。評価に使用したボールは直径６ｍｍのＳＵＪ２材を使用した。図２に、０．５Ｎの荷重で負荷した場合のボールオンディスク法により評価した本発明と比較例の摩擦係数と摺動回転数の関係を示す。比較例として同じ大きさのセグメント構造硬質膜のみを含み固体潤滑層を含まない摺動膜構造物の結果も併記した。

図２に示すように、本発明の複合摺動構造物は、比較例の固体潤滑層を含まない保護膜構造物に比較して、摩擦係数が低くて１０００ｒｐｍの摺動回転数までほぼ０．１以下の範囲であった。一方、図２に示す比較例の摩擦係数は、初期の摺動回転数から０．１より大きく、且つ摺動回転数の増加とともに次第に増加する傾向を示す。

大きな荷重を負荷した場合の本発明の複合摺動構造物の摩擦係数の変動傾向を調べた。図３に、１．０Ｎの荷重で負荷した場合のボールオンディスク法により評価した本発明と比較例の摩擦係数と摺動回転数の関係を示す。

本発明の複合摺動構造物は、図２及び図３に示すように摺動回数が３００回程度では摩擦係数は０．１以下でほとんど変化することはない。図５は、本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜とセグメント溝部とを示し、３００回までの摺動をした後の顕微鏡写真である。図５の複合摺動構造物の表面の顕微鏡写真に示すように、本発明の複合摺動構造物は、摺動回数が３００回以下までは、摺動摩擦面のセグメント構造硬質膜とセグメント溝部との双方に摺動したときの摺動跡が見られるので、セグメント構造硬質膜とセグメント溝部との双方の上に全面的または部分的に固体潤滑剤が残留している。

図６は、本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜とセグメント溝部とを示し、８００回まで摺動した後の顕微鏡写真である。図６の複合摺動構造物の表面の顕微鏡写真に示すように、本発明の複合摺動構造物は、摺動回数が約８００回以下では、摺動摩擦面のセグメント構造硬質膜に摺動したときの摺動跡が見られないので、セグメント構造硬質膜上に固体潤滑剤が残留せず、セグメント溝部に固体潤滑剤が残留している。すなわち、本発明の複合摺動構造物は、摺動回数が約３００回を越えて８００回以下では、セグメント溝部に固体潤滑剤が残留しているので、比較例のセグメント溝部に固体潤滑剤を含まない摺動膜構造物に比較して、低摩擦であることが示される。

図７は、本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜とセグメント溝部とを示し、約１０００回まで摺動した後の顕微鏡写真である。図７の複合摺動構造物の表面の顕微鏡写真に示すように、本発明の複合摺動構造物は、摺動回数が８００回を越え１０００回に達するとセグメント溝部の固体潤滑層も残留していないので図３にも示されるように摩擦係数が上昇する傾向を示す。

図３に示す１Ｎの負荷荷重のときのボールオンディスク法により評価した本発明と比較例の摩擦係数と摺動回数との関係から、本発明の複合摺動構造物は、摺動回数が約８００回を越えると摩擦係数が上昇している。このことは、セグメント溝部に被覆された固体潤滑層がほとんど摩滅したためである。しかしながら、図２に示す０．５Ｎの負荷荷重のときのボールオンディスク法により評価した本発明と比較例の摩擦係数と摺動回数との関係から、本発明の０．５Ｎの負荷荷重のときの複合摺動構造物は、摺動回数が約１０００回を越えても、セグメント溝部の固体潤滑層が摩滅していない。これは、荷重条件の相違により、接触面積及び固体潤滑層に負荷される応力が変化することに依存している。したがって、本発明の複合摺動構造物は、セグメント構造硬質膜と固体潤滑層に負荷される荷重によって、摩滅及び剥離が生じることが考えられるので、実際の構造物の負荷条件に応じて、セグメント構造硬質膜とセグメント溝部の大きさを決定し、且つ潤滑剤の硬さもそれによって決定する。

流体状潤滑層の実施例
本発明の流体状潤滑層を含む複合摺動構造物においては、複合摺動構造物１’のセグメント溝部５’に含浸充填させる流体状潤滑層３’は、液体油、グリースまたはワックスのいずれか一つであり、これらは鉱物油または動植物油を基油とする。これらの基油とする潤滑油はＩＳＯ粘度グレード（ＪＩＳ Ｋ２００１）の表示でＩＳＯ ＶＧ２２〜ＶＧ２２０までを使用する。また、これらの潤滑油には種々の添加剤が含まれるが、これらの添加剤が均一に潤滑油内に分散されていることが望ましい。このため潤滑油の油膜が１〜１５μｍ好ましくは１〜５μｍ程度にすることが必要である。この油膜の厚みに基づいて、複合摺動構造物１’のセグメント溝部５’の深さを１〜１００μｍの範囲とするために、セグメント構造硬質膜の厚みが１〜１００μｍの範囲となる。

実施例３
本発明の複合摺動構造物１’は、メッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜と、セグメント溝部とを有する。図５〜図７の複合摺動構造物の表面の顕微鏡写真に示すように、一辺が約２０μｍのほぼ正方形のダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜が形成されている。そして、各々のセグメント構造硬質膜は、約２０μｍの間隔で離間配置している。

実施例４
摺動構造物のセグメント溝部への給油方法
上述のように摺動構造物に設けられたセグメント構造硬質膜の間隔０．１μｍ〜５ｍｍは、セグメント溝部の幅である。セグメント構造硬質膜は合成条件によって撥油性があり、且つこのセグメント溝部の幅が狭くなる下限側では、流体潤滑剤の粘性及び表面張力に大きさによっては、通常の大気圧ではセグメント溝部への流体状潤滑剤の含浸充填が比較的困難となる。表面張力の相違による流体状潤滑剤の状態を図４（ａ）及び（ｂ）に示す。流体状潤滑剤は、図４の（ｂ）に示すようにセグメント溝部で凸の状態になるのが好ましい。この流体状潤滑剤の含浸充填を容易にするために、流体状潤滑剤特にグリースは減圧雰囲気中（０．９〜０．１気圧（約８９００〜９８０パスカル））でセグメント溝部に含浸充填する。

本発明の流体状潤滑剤を含む複合摺動構造物のセグメント溝部は、１回このように減圧して含浸することにより、その後流体状潤滑剤の含浸が必要なときは、減圧雰囲気にすることなく大気圧雰囲気中で初期と同種の流体状潤滑剤を充填することができる。この理由は、粘度のある流体状潤滑剤の性質により、セグメント溝部内から流体状潤滑剤が完全に流出することがないので、セグメント溝部が流体状潤滑剤でぬれているからである。

なお、０．９〜０．１気圧程度の減圧室を設けた含浸装置は、低真空用ポンプ、排気装置或いは大気吸着剤（モリキュラーチューブ）を利用して十分に排気することができる。この０．９〜０．１気圧程度の減圧室は、大気を完全に遮断することは必要なく、セグメント溝部で大気と流体状潤滑剤の置換ができればよい。したがって、本発明の複合摺動構造物の含浸充填工程は、順次連続的に装置に摺動構造物を挿入して含浸工程を続けることができる。

実施例５
セグメント構造硬質膜の寸法とセグメント溝部の交差形状
本発明に流体状潤滑層を含む複合摺動構造物は、０．１μｍ〜１００μｍの厚みのセグメント構造硬質膜２が基体４の表面上に０．１μｍ〜５ｍｍの間隔で離間配置したセグメント溝部５を形成することにより優れた耐摩耗性が備わる。セグメント溝部は、互いに並行の溝部であっても、また互いに交差する溝部であっても、さらに無秩序に交差する溝部であってもよい。

本発明の複合摺動構造物は、基体表面に非常に硬い硬質膜のセグメント構造硬質膜が備わるので、特に、高速回転及び高速摺動する装置に適用される。
また、本発明の固体潤滑層を含む複合摺動構造物は、セグメント溝部に固体潤滑層が被覆されるので乾燥状態で、周囲の塵芥付着をもたらすため液状潤滑剤を用いることができない、航空宇宙用装置及び超精密装置に特に適用される。
さらに、本発明の流体状潤滑層を含む複合摺動構造物は、セグメント溝部に流体状潤滑層が含浸充填されるので、潤滑剤を補給し難い場所での使用や、メンテナンス時期の延長を計画できるなど、多くの装置に適用される。

図１は、本発明の固体潤滑剤または流体状潤滑剤を有する複合摺動構造物の一部を模式的に示す図である。 図２は、０．５Ｎの負荷荷重のときのボールオンディスク法により評価した本発明の固体潤滑剤を有する複合摺動構造物と比較例の摩擦係数と摺動回数との関係を示す。 図３は、１Ｎの負荷荷重のときのボールオンディスク法により評価した本発明の固体潤滑剤を有する複合摺動構造物と比較例の摩擦係数と摺動回数との関係を示す。 図４は、表面張力の相違による流体状潤滑剤のセグメント溝部での状態を示し、本発明の流体状潤滑剤が凹の状態を（ａ）に示し且つ凸の状態を（ｂ）に示す。 図５は、本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜とセグメント溝部とを示し、３００回までの摺動をした後の顕微鏡写真である。 図６は、本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜とセグメント溝部とを示し、８００回までの摺動をした後の顕微鏡写真である。 図７は、本発明のメッシュ電極を用いたプラズマ化学気相成長法により被覆合成したダイヤモンド状炭素膜からなるセグメント構造硬質膜とセグメント溝部とを示し、１０００回までの摺動をした後の顕微鏡写真である。

Claims (8)

1. グラファイト以外の基体の表面に被覆された硬質層を含んでなる複合摺動構造物であって、
   前記基体の表面に前記硬質膜を互いに離間して配置されたセグメント構造硬質膜と、各々のセグメント構造硬質膜の間に形成されたセグメント溝部とを備え、且つ
   前記セグメント溝部に被覆充填された固体潤滑層、または前記セグメント溝部に含浸充填された液体状潤滑層を含み、
   前記セグメント構造硬質膜は、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラファイト、立方晶ボロンナイトライド及び六方晶ボロンナイトライドから成る群の少なくとも１種であり、
   前記固体潤滑層が、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラファイト、立方晶ボロンナイトライド、六方晶ボロンナイトライド、シリコン、及びフッ素から成る群の少なくとも１種を含み、
   前記液体潤滑層は、鉱物油または動植物油を基油とする液体油、グリースまたはワックスのいずれか少なくとも１種を含むことを特徴とする複合摺動構造物。
2. 前記グラファイト以外の基体が、金属材料、グラファイトを除く無機材料及び有機材料のいずれか１種からなることを特徴とする請求項１に記載の複合摺動構造物。
3. 前記セグメント溝部を形成する各々の前記セグメント構造硬質膜は、一辺または外径が０．１μｍ〜３ｍｍの大きさであり、
   前記セグメント構造硬質膜の間隔が、０．０１μｍ〜１ｍｍであり、且つ
   前記セグメント構造硬質膜の厚さが、１ｎｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の複合摺動構造物。
4. 前記セグメント構造硬質膜の間の前記セグメント溝部を離間形成して、変形により前記基体から前記セグメント構造硬質膜の剥離を抑制することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合摺動構造物。
5. 前記基体上において、前記基体と前記セグメント構造硬質膜の間に非セグメント構造硬質膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４に記載の複合摺動構造物。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載する複合摺動構造物の製造方法であって、
   基体の表面上に硬質膜を互いに離間して被覆されるセグメント構造硬質膜を、物理的気相成長法または化学的気相成長法により被覆形成し、且つ
   前記セグメント構造硬質膜の間に離間して配置するセグメント溝部に固体潤滑層を被覆することを特徴とする複合摺動構造物の製造方法。
7. 請求項５に記載する複合摺動構造物の製造方法であって、
   基体の表面上に被覆される非セグメント構造硬質膜と、前記非セグメント構造硬質膜の表面上に硬質膜を互いに離間して被覆されるセグメント構造硬質膜とを、物理的気相成長法または化学的気相成長法により被覆形成し、且つ
   前記セグメント構造硬質膜の間に離間して配置するセグメント溝部に固体潤滑層を被覆することを特徴とする複合摺動構造物の製造方法。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載する複合摺動構造物の製造方法であって、前記固体潤滑層がフッ素を含み、前記セグメント溝部にフッ素を含む樹脂をスプレー塗布した後に、６０〜３００℃で焼成することを特徴とする複合摺動構造物の製造方法。