M Me ec c hh a a nn ii c ca a ll EE nn g g ii nn e ee e rr ii nn g g 中村守正助教機械工学系 DLC膜の適用分野拡大を目指して機械要素用樹脂に適用するためのDLC膜被覆技術 ■キーワード機械工学トライボロジー歯車工学表面処理硬質皮膜 ■研究の概要 DLC膜は高硬度、低摩擦、耐摩耗性に優れた炭素系硬質皮膜の一つであり、様々な機械要素、機械部品などに適用が進んでいます。しかしながら、相手との密着性が低いことが問題となっており、大きな外力が作用するような機械要素の接触面には適用が進んでいません。本研究では，化学的安定性に優れており、樹脂歯車用材料として日本国内で最もよく用いられているポリアセタール（POM）表面にDLC膜を被覆する技術について検討しました。 ■研究プロセス／研究事例 DLC膜の被覆には様々な手法が提案されていますが、本研究では密着性の高いDLC膜を作製しやすい、アンバランスドマグネトロンスパッタ（UBMスパッタ）法を採用しました。スパッタ法は物理蒸着法の一つですが、膜質制御が容易であることと、複数の元素を膜中に添加しやすいことから採用しました。DLC膜の作製は、アセトン、ノルマルヘキサン、アセトンの順に有機溶剤を用いて超音波洗浄にて対象試料を脱脂した後、 UBMスパッタ装置の被覆チャンバに導入して行いました。表1に、標準的なDLC膜被覆条件を示します。作製したDLC膜の膜厚は、被覆時間を調整することによって約1.5μmに制御しました。 DLC膜の特性を評価するため、歯車運転試験を行い、DLC膜を被覆す図 1 POM 歯車歯面上の UBM スパッタ法で形成した DLC 膜る対象にはPOM歯車を選びました。対象を平板でなく歯車としたのは、歯車に被覆したDLC膜を歯車運転試験で評価した場合と平板に被覆したDLC膜を評価した場合とでは、試験結果がリンクしないことがよくあるためです。図1は、POM歯車歯面にUBMスパッタ法で作製したDLC膜の写真です。 DLC膜は歯車歯面から浮いていて、全く密着していないことがわかります。 POMは化学的に安定な特性を持っており、一方、DLC膜も安定であるため、そのままでは密着しないことが確かめられました。そこで、密着性を改善するためにDLC膜の下地としてよく用いられる中図 2 CrC 傾斜組成中間層上の DLC 膜間層を導入しました。中間層には定評のある金属クロムと炭素の傾斜組成中間層(Cr/C傾斜組成中間層)を適用しました。また、被覆前に、POM歯車表面の酸によるエッチング処理を行いました。図2に、POM歯車歯面に対しCr/C傾斜組成中間層を被覆した後被覆したDLC膜を示します。図1と比較すると、 DLC膜の密着性が大きく改善できていることがわかります。さらに、上記処理に加えて、中間層、DLC膜被覆前にニッケルめっきを施しました。図3はニッケルめっきを施したPOM歯車に被覆したDLC膜を示します。これまでよりもDLC膜の密着性が大きく改善できたことがわか図 3 めっき上の DLC 膜ります。図4は、このPOM歯車を歯車運転試験に供し10分間の運転試験を行った後の写真ですが、歯先部分で一部損傷している箇所も見受けられますが、歯面にDLC膜が多く残存していることがわかります。表１図 4 10 分運転後の DLC 膜 ■セールスポイント密着させるのが困難なPOMにも工夫すればDLC膜を被覆できます。さらに過酷環境で用いられる歯車の歯面に被覆でき、運転試験を行ってもすぐにはく離せず歯面に残存する密着性を有するDLC膜の作製も可能です。