アプリケーションノート | 湿度環境のトライボロジー
DLCコーティングのトライボロジーに対する湿度の影響
相対湿度がダイヤモンドライクカーボンの摩擦、移着膜、摩耗をどう変えるか
研究・試験
NANOVEA Laboratory
デザイン・編集
Andrew Shore
はじめに
ダイヤモンドライクカーボン（DLC）コーティングは、優れた耐摩耗性と非常に低い摩擦係数（COF）という高いトライボロジー特性をもっています。DLCコーティングは、さまざまな材料に成膜することでダイヤモンドの特性を付与します。優れたトライボメカニカル特性から、DLCコーティングは航空宇宙部品、カミソリの刃、金属切削工具、軸受、オートバイのエンジン、医療用インプラントなど、さまざまな産業用途で好まれています。
湿度環境でのDLCの摩耗評価が重要な理由
DLCコーティングは、高真空や乾燥条件下では鋼球に対して非常に低いCOF（0.1未満）を示します1, 2。しかし、DLCコーティングは環境条件の変化、特に相対湿度（RH）に敏感です3。湿度や酸素濃度の高い環境では、COFが大きく増加することがあります4。湿度を制御した信頼性の高い摩耗評価により、トライボロジー用途のDLCコーティングが受ける実際の環境条件を再現できます。異なる湿度にさらしたDLCの摩耗挙動を適切に比較することで、目的の用途に最適なDLCコーティングを選定できます。
ℹ️ 湿度制御下での摩擦・摩耗受託試験について詳しくはこちら。
測定の目的
本研究では、湿度コントローラーを備えたNANOVEA トライボメーターが、さまざまな相対湿度におけるDLCコーティングの摩耗挙動を調べるのに理想的なツールであることを示します。
NANOVEA T200 Compact
ニューマチック式トライボメーター
試験手順
DLCコーティングの摩擦と耐摩耗性をNANOVEAトライボメーターで評価しました。試験条件を表1にまとめます。トライボチャンバーに取り付けた湿度コントローラーにより、相対湿度（RH）を±1%の精度で制御しました。試験後、DLCコーティングの摩耗痕とSiNボールの摩耗痕を光学顕微鏡で観察しました。
注：潤滑剤中や高温などの環境条件で異なる材料の組み合わせの性能を再現するため、任意の固体ボール材料を使用できます。| パラメータ | 値 |
|---|---|
| クーポン試料の材質 | ステンレス鋼SS304 |
| ボール材質 | SiN |
| ボール径 | 6 mm |
| 垂直荷重 | 2 N |
| 回転速度 | 200 rpm |
| 試験時間 | 15 min |
| 摩耗トラック半径 | 3 mm |
| 潤滑剤 | なし |
| 雰囲気 | 空気 |
| 温度 | 24°C（室温） |
| 湿度 | 10%、30%、50%、70%、90% |
表1：摩耗測定の試験条件
結果と考察
DLCコーティングは低摩擦と優れた耐摩耗性から、トライボロジー用途に最適です。図2に示すように、DLCコーティングの摩擦は湿度に依存する挙動を示します。比較的乾燥した条件（10% RH）では、DLCコーティングは摩耗試験を通じて約0.05という非常に低いCOFを示します。RHが30%に上がると、DLCコーティングは試験中約0.1の一定のCOFを示します。RHが50%を超えると、最初の2000回転でCOFのなじみ段階が見られます。DLCコーティングの最大COFは、RH 50、70、90%でそれぞれ約0.20、約0.26、約0.33です。なじみ期間の後、DLCコーティングのCOFはRH 50、70、90%でそれぞれ約0.11、0.13、0.20で一定となります。
| 相対湿度 | 最大COF（なじみ） | 定常COF |
|---|---|---|
| 10% | – | ~0.05 |
| 30% | – | ~0.1 |
| 50% | ~0.20 | ~0.11 |
| 70% | ~0.26 | ~0.13 |
| 90% | ~0.33 | ~0.20 |
表2：相対湿度ごとのDLCコーティングのCOF
図3は摩耗試験後のSiNボールの摩耗痕を、図4はDLCコーティングの摩耗痕を比較したものです。DLCコーティングを低湿度の環境にさらした場合、摩耗痕の直径は小さくなりました。接触面での繰り返しすべりの過程で、SiNボール表面にDLCの移着層が蓄積します。この段階で、DLCコーティングは自身の移着層とすべり合います。移着層は効果的な潤滑剤として働き、相対運動を容易にし、せん断変形によるさらなる質量損失を抑えます。低RH環境（例：10%と30%）ではSiNボールの摩耗痕に移着膜が見られ、ボールの摩耗が緩やかになります。この摩耗プロセスは、図4に示すDLCコーティングの摩耗痕の形態にも表れています。乾燥環境では、接触界面に安定したDLC移着膜が形成されて摩擦と摩耗率が大きく低下するため、DLCコーティングの摩耗痕は小さくなります。
結論
湿度はDLCコーティングのトライボロジー性能に重要な役割を果たします。乾燥条件では、すべりの相手材（本研究ではSiNボール）に安定したグラファイト層が移着するため、DLCコーティングは大幅に向上した耐摩耗性と優れた低摩擦を示します。DLCコーティングは自身の移着層とすべり合い、この層が効果的な潤滑剤として働いて相対運動を容易にし、せん断変形によるさらなる質量損失を抑えます。相対湿度が上がるとSiNボール上に膜は見られなくなり、SiNボールとDLCコーティングの摩耗率が増加します。
NANOVEAトライボメーターは、ISOおよびASTMに準拠した回転・往復モードで再現性のある摩耗・摩擦試験を行い、オプションの湿度モジュールを1台の統合システムで利用できます。さまざまな湿度での使用環境を再現でき、異なる使用条件下での材料のトライボロジー挙動を定量的に評価するための理想的なツールです。
参考文献
1. C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100–101 (1998) 180.
2. K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225–229 (1999) 65.
3. R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133–134 (2000) 437.
4. R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31.
湿度環境でのDLCコーティングのトライボロジーに関するよくある質問
DLCコーティングにとって湿度が重要なのはなぜですか？
DLCコーティングは高真空や乾燥条件下では鋼に対して非常に低い摩擦（0.1未満）を示しますが、環境の変化、特に相対湿度に敏感です。高い湿度や酸素濃度は摩擦を大きく増加させることがあります。
湿度を制御した状態でDLCの摩耗はどのように試験しますか？
トライボチャンバーに湿度コントローラーを取り付けたトライボメーターで、相対湿度を±1%以内に保ちます。本研究では、6 mmのSiNボールをDLCコーティング上で2 N、200 rpm、半径3 mmの条件で15分間、10%、30%、50%、70%、90% RHで走行させました。
湿度によって摩擦はどう変わりましたか？
COFは10% RHで約0.05、30% RHで約0.1でした。50% RHを超えると最初の2000回転でなじみ段階が現れ、50%、70%、90% RHでそれぞれ約0.20、約0.26、約0.33のピークに達した後、約0.11、0.13、0.20で安定しました。
乾燥条件でDLCの摩擦が低いのはなぜですか？
すべり中に相手ボールにDLCの移着層が蓄積し、コーティングは自身の移着膜とすべり合うことになります。この膜が効果的な潤滑剤として働き、質量損失を抑えます。膜は低湿度（10%と30% RH）で形成されますが、湿度が上がると観察されません。
湿度は摩耗にどう影響しましたか？
SiNボールの摩耗痕は低湿度で小さく、DLCコーティングも安定した移着膜のおかげで乾燥環境では摩耗痕が小さくなりました。ボールとコーティングの摩耗はいずれも相対湿度とともに増加しました。
DLCコーティングはどこで使われていますか？
優れた耐摩耗性と非常に低い摩擦係数を生かし、航空宇宙部品、カミソリの刃、金属切削工具、軸受、オートバイのエンジン、医療用インプラントなどに使われています。
