磁気ディスクの摩擦特性と耐久性に関する研究
著者 田中 久一郎
著者別表示 Tanaka Kyuichiro
雑誌名 昭和63(1988)年度科学研究費補助金 一般研究(C) 研究成果報告書
巻 1987‑1988
ページ 52p.
発行年 1989‑03‑01
URL http://doi.org/10.24517/00034919
Creative Commons : 表示 ‑ 非営利 ‑ 改変禁止 http://creativecommons.org/licenses/by‑nc‑nd/3.0/deed.ja
磁 気 ラ ー ‐ イ ニ ス ク α 〕 鱈 蓋 3 察 』 # 寺 d I 生 と 所 付 久 ̲ . I 生 蓬 こ 関 す ‐ る 面 升 多 琶
(研究課題番号62550109)
昭 和 6 3 年 度 科 学 研 究 費 補 助 金 〈 一 般 研 究 ( C ) ) 研 究 成 果 報 告 書
平 成 元 年 S 月
研 究 代 表 者 田 中 久 一 郎
( 金 沢 大 学 工 学 部 教 授 ）
磁 気 ラ ー ィ ス ク の 屡 歪 』 察 斗 寺 . I 生 と 而 付 久 1 生 じ こ 膠 罰 す ー ろ 石 丹 究
(研究課題番号62550109)
昭 和 6 3 年 度 科 学 研 究 費 補 助 金 （ 一 般 研 究 ( C ) ) 研 究 成 果 報 告 書
平 成 元 年 3 月
研 究 代 表 者 ， 田 中 久 一 郎
( 金 沢 大 学 工 学 部 教 授 ）
は じ め に
磁 気 デ ィ ス ク の 磁 性 膜 は 0 ． 1 〃 m 以 下 に ま で 薄 膜 化 さ れ 、 ヘ ッ ド 浮 上 量 も 0 ． 3 〃 m 以 下 に ま で 小 さ く な っ て き て 、 そ の 表 面 あ ら さ は き わ め て 小 さ い ． デ ィ ス ク 表 面 に は 潤 滑 液 体 膜 が 付 与 さ れ て い る の が 普 通 で あ っ て 、 め っ き や ス パ ッ タ I ノ ン グ に よ っ て 形 成 さ れ た 磁 性 膜 に は カ ー ボ ン な ど の 保 護 膜 が つ け ら れ て い る 。 こ の よ う に 磁 気 デ ィ ス ク の 構 造 は 特 異 な も の で あ る が 、 そ の 摩 擦 特 性 は き わ め て 重 要 で あ る 。
本 研 究 は 、 こ の よ う な 磁 気 デ ィ ス ク の 基 礎 的 な 摩 擦 特 性 と 、 耐 久 性 に 重 要 な 摩 擦 損 傷 を 調 べ 、 磁 気 デ ィ ス ク の 性 能 向 上 を は か る こ と を 目 的 と し て 行 っ た も の で あ る 。 以 下 に 、 本 研 究 で 得 ら れ た 成 果 を 4 部 に 分 け て 報 告 す る 。
研 究 組 織
研 究 代 表 者 研 究 分 担 者
研 究 経 費
田 中 久 一 郎 （ 金 沢 大 学 ・ 工 学 部 ・ 教 授 ） 山 田 良 穂 （ 金 沢 大 学 ・ 工 学 部 ・ 講 師 ）
昭 和 6 2 年 度 昭 和 6 3 年 度
計
･1500千円 4 0 0 千 円 1 g O O 千 円
研 究 発 表 ア ． 口 頭 発 表
1 ． 田 中 久 一 郎 、 上 田 誠 一 、 西 井 唯 夫 ： 低 速 域 に お け る 磁 気 デ ィ ス ク の 摩 擦 特 性 、 日 本 潤 滑 学 会 第 3 1 期 春 期 研 究 発 表 会 昭 和 6 2 年 5 月 1 5 B 2 ． 田 中 久 一 郎 、 上 田 誠 一 ： 磁 気 デ ィ ス ク の 摩 擦 と 損 傷 ( 1 ) 、
日 本 潤 滑 学 会 第 3 2 期 春 期 研 究 発 表 会 、 昭 和 6 3 年 5 月 1 5 B
目 次
I ． 磁 気 デ ィ ス ク の 摩 擦 の 基 礎 的 特 性 1 ． 緒 言
2 ． 試 料 及 び 実 験 方 法
3 ． 実 験 結 果 及 び 考 察
3 ． 1 鋼 球 の す べ り
3 ． 2 磁 気 へ ツ ド の す べ り
3 ． 3 繰 り 返 し す べ り に お け る 摩 擦 の 変 化 4 ． 結 論
１２３５５７８皿
Ⅱ ． 硬 い 球 面 の す べ り に お け る 接 触 変 形 、 摩 擦 及 び 耐 久 性 1 ． − 緒 言
2 ． 試 料 及 び 実 験 方 法 3 ． 実 験 結 果 及 び 考 察 3 ． 1 ビ ツ カ ー ス 硬 さ 、 H v 3 ． 2 球 面 ス ラ イ ダ と の 接 触 変 形 3 ． 3 摩 擦 特 性
3 ． 4 摩 擦 損 傷
13
14 14 l4 14
15 18 21
4 ． 結 論 23
Ⅲ ． フ ェ ラ イ ト ヘ ッ ド の 低 速 繰 り 返 し す べ り 及 び C S S 繰 り 返 し に お け る 摩 擦 と 損 傷
1 ． 緒 言
2 ． 試 料 及 び 実 験 方 法 3 ． 実 験 結 果 及 び 考 察
3 ． 1 低 速 繰 り 返 し す べ り に お け る 摩 擦 係 数 〃 の 変 化
3 ． 2 C S S 繰 り 返 し に お け る 低 速 域 の 摩 擦 係 数 〃 c E の 変 化 3 ． 3 摩 擦 ト ラ ッ ク 中 に 局 所 的 高 摩 擦 が 発 生 す る ま で の 摩 擦 回 数 3 ． 4 デ ィ ス ク の 摩 擦 損 傷
24 25 25 25 25
28 29 29
4 ． 結 論
Ⅳ ． A l 2 0 3 / T i C 薄 膜 へ ツ ド の 定 速 繰 り 返 し す べ り に お け る 摩 擦 と 損 傷
1 ． 緒 言
2 ． 試 料 及 び 実 験 方 法 3 ． 実 験 結 果 及 び 考 察
3 ． 1 定 速 繰 り 返 し す べ り に お け る 摩 捺 係 数 〃 の 変 化 3 ． 2 デ ィ ス ク の 摩 擦 ト ラ ッ ク の 顕 微 鏡 観 察
3 ． 3 磁 気 へ ツ ド の 摩 擦 面 4 ． 結 論
35
36
37 37 38 38 42 44
亘 磁 気 ラ 室 イ ニ ス ク の 塵 蓋 抵 雲 α 〕 基 礎 白 勺 牛 寺 ｣ i 生
1 ． 緒 言
磁気ディスク装置では篭ContactStartStop(CSS)方式がとられているので、
ヘ ッ ド が 浮 上 し な い と き に お け る 、 デ ィ ス ク と の 摩 擦 や 摩 擦 損 傷 は 重 要 で あ る 。 最 近 で は 、 従 来 か ら 使 用 さ れ て い る 塗 布 デ ィ ス ク の ほ か 、 め っ き や ス パ ッ タ に よ っ て 作 成 さ れ た デ ィ ス ク が 使 用 さ れ る よ う に な っ た が 、 こ れ ら の デ ィ ス ク で は 、 摩 擦 や 損 傷 の 問 題 の 解 決 は 困 難 な 点 が 多 い 。 そ れ は 、 こ れ ら が 、 き わ め て 薄 い 金 属 や 非 金 属 の 積 層 が A I 基 板 上 に 構 成 さ れ て い る こ と に よ る 。 一 方 、 磁 気 デ ィ ス ク は 、 そ の 構 成 、 材 料 、 極 微 小 表 面 あ ら さ な ど の 点 か ら 、 従 来 の 機 械 要 素 と き わ め て 異 な っ て お り 、 ト ラ イ ボ ロ ジ の 対 象 と し て 興 味 あ る も の で あ る 。 そ こ で 、 デ ィ ス ク の 摩 擦 に 関 し て 基 礎 的 な 実 験 を 行 っ た 。
2 ． 試 料 及 び 実 験 方 法
デ ィ ス ク に 摩 擦 す る ス ラ イ ダ と し て 、 図 1 ． 1 に 示 す フ ェ ラ イ ト 製 の 3 3 5 0 ヘ ッ ド と 曲 率 半 径 2 . 3 8 m m の 鋼 球 を 使 用 し た 。 デ ィ ス ク 試 料 と し て 、 市 販 さ れ て い る 、 塗 布 デ ィ ス ク ( C ‑ l ) 、 め っ き デ ィ ス ク ( P ‑ 1 ) 、 お よ び ス バ ッ タ デ ィ ス ク と し て 試 作 さ れ た も の で 、 表 面 に 液 体 潤 滑 剤 が 付 与 さ れ て い な い S ‑ l 、 S ‑ 2 の デ ィ ス ク を 用 い た 。 め っ き や ス パ ッ タ の デ ィ ス ク は 、 T e x t u r e と 呼 ば れ る 凸 凹 パ タ ー ン が表面にあるが、S‑1はTextureをつけていない。P‐lやS‑1、S‑2ディスクの下地 層はNi‑Pである。表1．1に、組成、厚みなどをまとめてある．
レ ー ル テーパ部（0°32'）
図1．1試料へツド（3350、ﾌｪﾗｲﾄﾓﾉｼﾘﾂｸ）
− 2 −
岬柵醒
潤 滑 膜 ／ 磁性層
(YFe203+ A1203+結合材）
査
F−ﾆﾆﾆﾆｮｸ ー ー ■ ■ ■ ■ − − − 二 日 ‑ 一
LJ
基 板(合金） 下地層基 板 (合金）
▼
(b)めっきディスク、
スパッタディスク (a)塗布ディスク
図 1 ． 2 試 料 デ ィ ス ク の 構 成
表 1 . 1 磁 気 デ ィ ス ク 試 料
− 3 −
ど
試 料 潤滑剤
塗布
ﾃｷｽﾁｭｬ N i ‑ P 下地層
カ ー ボ ン 保護膜
磁性層 備 考
C − 1 有
7‑FeO Ca､0．6〃、
塗 布 ディスク
P − 1 有 有 Ca､20"m
0.025一 0.05"m
C o ‑ P 0.05‑0.075"m
め っ き デ ィ ス ク
S − 1
S − 2
鉦へ
物｡ ､ 、 ､
柵
9，、、
有
Ca､20"m Ca､0．05"m
C o ‑ N i Ca.0.06"m
スバッタ ディスク
図1．3に、C‑lとP‑1の表面の電顕写真蓮示したが、C‑1には磁性粉のほかアルミ ナ粒が存在しており、P‑lにおいてはtextureが明瞭である。S‑lではかかるパタ ー ン は な く 、 さ ら に 平 滑 な 表 面 と な っ て い る 。 図 1 ． 4 に 、 荷 重 を か え て 測 定 し た 、
ビ ッ カ ー ス か た さ H v と 荷 重 W の 関 係 を 、 S ‑ 1 デ ィ ス ク に つ い て 示 し た 。 P ‑ 1 の H v は、低荷重域では、S‑1より少し小さかった。Hv(lOgf)はNi‑P下地層のHvに近 い 値 で あ る 。 実 験 装 置 は ビ ン ー 円 板 形 式 で あ り 、 ヘ ッ ド と 鋼 球 と の す べ り に 対 す る 2 種 類 を 使 用 し た が 、 ヘ ッ ド の 接 触 荷 重 W は 0 . 0 8 7 N と し た 。
図1.3ディスク表面の電顕写真(a)C‑l､SEM(b)P‑l､TEM
600
Ｏ０
ＮＥＥ辛口罰ヂン
エ
200
】【】I 可I】I W【】【
1【】【
Load,9f
図1．4S‑lディスク面のビッカースかたざHv
− 4 −
3 ． 実 験 結 果 及 び 考 察
3 . 1 鋼 球 の す べ り
図1．5に、摩擦係数〃と荷重Wの関係を、．P‑lとS‑lディスクの場合について示 し た 。 一 般 に 、 1 N 荷 重 ま で に お い て 、 〃 は W に 依 存 し な い と み て よ か っ た が 、 S ‑ 1 で は 、 小 荷 重 で 、 〃 は 少 し く 増 加 し た 。 鋼 球 の 接 触 は 塑 性 接 触 と み な し て よ い で あ ろ う 。 P ‑ 1 は 潤 滑 剤 が 付 与 さ れ て い る が 、 S ‑ 1 と 余 り 違 わ な い 〃 を 示 し て い る 。 S ‑ 1 に お け る 鋼 球 す べ り の ト ラ ッ ク 幅 に 基 づ い て 、 す べ り に お け る せ ん 断 強 さ て を 求 め た と こ ろ 、 1 8 K g f / m m 2 程 度 で あ っ た 。 こ れ は カ ー ボ ン 保 護 膜 の 丁 と み て よ い か も し れ な い 。 図 1 ． 6 に 、 荷 重 を I N と し て 求 め た 〃 の 速 度 v に よ る 変 化 を 示 し た 。 S ‑ 2 の 〃 一 V 曲 線 は S ‑ l の そ れ と 似 た も の で あ っ た 。 こ こ で 、 〃 が 、 一 般 に 、 速 度 に よ っ て 増 加 す る こ と が 注 目 さ れ る 。 な お 、 図 1 . 6 に は 、 各 速 度 の 実験で求めた静摩擦係数〃sもプロットしてあるが、一般に、〃・は〃kと、余り 差 違 は な か っ た 。 C ‑ l 、 P ‑ 1 に は 液 体 潤 滑 剤 が 付 与 さ れ て い る が 、 S ‑ 1 、 S ‑ 2 に は 付 与 さ れ て い な い こ と か ら 、 こ こ に 見 ら れ る 似 の 正 の 速 度 特 性 は 、 デ ィ ス ク の 構 造 に 起 因 す る の か も 知 れ な い 。
0．2
ユ
0．1
0
0．2
ユ
0．1
■ ■ ■ ■ ■
ー 氏。
P−l
0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 W , N S‑1
0 ． 8 1 ． 0
0
0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 . 0 H ･ , N
図l.5鋼球すべりにおける凪とWとの関係(v=12mm/S)
− 5 −
C‑l 0．2
a
ﾆユ
0．1 十一 ｕｕ︑ ０ｋＳ
●
0
0．01 0．1 1
0．2
二
0．1
0
0．1 1 0．01
0．2
ユ
0．1
0
0.01 0．1 1
v,cm/s
図1．6鋼球すべりにおける〃とvとの関係(V=0．1N)
‑ S ‑
3 . 2 磁 気 へ ツ ド の す べ り
図1．7に、各ディスク試料に3350ヘッドがすべるときの、〃とvの関係を示し た。C‑l、P‑lおよび潤滑剤のないS‑2ディスクが似た正の速度特性、似た大きさ の〃を示すことがわかる。なお、図から、Textureは似を減少することがわかる が 、 こ れ は 、 ま た 、 ヘ ッ ド と デ ィ ス ク の 接 触 が 完 全 に 塑 性 的 で な く 、 か な り 弾 性的なことを示しているかもしれない。なお、P‑1ディスクの潤滑剤を除去する 目 的 で エ チ ル ア ル コ ー ル 洗 浄 し た デ ィ ス ク に つ い て の 結 果 も 示 し て あ る が 、 未 洗浄の場合より0．04程度、〃が高い。S‑lに鋼球を0.lcm/sですくらせて推定ざ
α 3 C‑1
0．2
ユ
0．1
／一. 一一ｰ一、、
ユ
ユ
<α〕
0
0−4
0.3
0.2
0．1
0 10‑4
0．4
0．3
0．2
0．1
(c)
0
lO4
lO‑3 10−2 10
10‑3 16‑2 10‑l
v ， m / 5
10‑3 V9 m/SlO‑2
。
10‑1
図1．7摩擦係数〃と速度vとの関係（3350ﾍｯﾄ､､）
− 7 −
1
1
10
10
れたカーボン膜のせん断強さrは約18Kgf/mm2であったが、S‑lにへツドが0.1 c m / s で す べ る と き の 〃 は 0 ． 2 2 で あ る 。 こ れ ら の 値 に 基 づ き 、 ま た 、 〃 = r / P m
として求まるP凧は82Kgf/mm2である。しかし、この値は低荷重で求めたディスク の H v よ り き わ め て 小 さ い の で 、 ヘ ッ ド と デ ィ ス ク と の 真 実 接 触 部 が 塑 性 的 に 変 形 し て い な い 、 と 考 え て よ い で あ ろ う 。
3 . 3 く り 返 し す べ り に お け る 摩 擦 の 変 化
へ ツ ド の 摩 擦 に よ る デ ィ ス ク の 損 傷 に つ い て 調 べ る た め 、 デ ィ ス ク の 同 一 ト ラック上を、0.087N荷重で、ヘッドをくり返し、約4cm/sの速度ですべらせると きの〃の、すべり回数Nによる変化を測定し、ヘッドレール面やトラック面の 観 察 も 行 な っ た 。 図 1 ． 8 に 、 C ‑ l デ ィ ス ク に お け る 一 N 曲 線 を 示 し た 。 N が 4 0 0 0 回 程 度 ま で は 、 似 が 次 第 に 増 加 し て 後 に 、 ほ ぼ 一 定 に な る 。 く り 返 し 摩 擦 に
よるγ‑Fe203テープの〃の変化は、C‑lのそれと似ているが、我々は、この〃増 加 は 、 磁 性 層 の 結 合 剤 が 塑 性 流 動 し て 磁 性 粉 を 覆 う た め に 、 真 実 接 触 面 積 が 増 加 す る た め と 考 え て い る 。 C ‑ l デ ィ ス ク で は 、 く り 返 し す べ り に よ っ て 潤 滑 剤 が
ト ラ ッ ク か ら 除 去 さ れ て い く た め に 〃 が 増 加 す る こ と も 考 え ら れ る が 、 γ テ ー プ の 場 合 と 同 様 の 原 因 も 似 増 加 に 関 係 し て い る と 思 わ れ る 。
0.3
ユ0．2
0．1
X103
図1．8塗布ディスクの〃一N曲線
‑ 8 ‑
I
I
図1．9と図1．10にP‑1とS‑l,S‑2ディスクの〃−N曲線を示した。これらのディ スクでは、トヲックー周中の〃の変動が著しいので、図には、一周中の〃の平 均値鰹の概略値をプロットし、一周中の変動を棒線で示してある。〃はS‑lのよ
うに、単調に増加する場合や、P‑1においてNの大きいとき、S‑2の場合のよう に、増減をくり返しながら次第に全体的に増加することがある。図1．llに、ト ラツクー周に対する摩擦記録のNによる変化の例を示したが、S‑2ディスクの場 合に見られるように、トラック上の、ある位置についての〃の変化は複雑であ
る。ここで、くり返しすべりによって、1．0以上の高い〃が現れることが注目さ れるが、磁性膜の金属とへツドとの強い凝着を示している。また、カーボン保 護膜の摩耗粉や、ヘッドに移着したフイルムに含まれるカーボンが、強い凝着 による高摩擦竃制御することも考えられる。なお、ヘッドへの移着はかなり少
ない（図l.12)
､0
一
0.8
ユ 0．6
0．4
0．2
P−l
什汁そ
1 2 3
L
4 5
N, cycle
図1．9めっきディスクの〃−N曲線
今・
・
− 9 −
6 7 8 X103
1．4
1．3
1．2
1．1
1．0
0．9 0．8
1 0 ． 7
0．6
0．5 0．4
0．3
0．2
0．1
0
0．6
0．5
0．4
ユ、0．3
0.2
0．1
S−1
0
(a)
1
5 0 1 0 0 1 5 0 N,cycle
1 2 3 4 5
N， cycle
6 7 8 X103
図l.10スパッタ・ディスク試料（無潤滑）の〃‐N曲線、(a)S‑1ディスク、
(b)S‑2ディスク．
−10−
へ
N:0.087N S−1
1．0
0．8
ー
0．6
エー
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0．5 S‑2
3350Head M:0．087N V:42mm/s
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図l.11S‑1、S‑2ディスクのトラツクー周摩擦記録の く り 返 し す べ り 回 数 N に よ る 変 化
‑11‑
●
ケ
団
図1．12ヘッドのレール面への移着(S‑l,N=140)
4 ． 結 論
一般に、0．lcm/s以下の速度域では〃の正の速度特性が明瞭に現われる。
TeXtureは、ヘッドとの摩擦を減少する。
ヘ ッ ド と デ ィ ス ク と の 真 実 接 触 部 の 変 形 は 塑 性 的 で は な い 。
金属磁性膜とへツドとの直接の接触が生ずるときの〃はl.0以上に達する。
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一
‑12‑
ノ
Ⅱ 石 更 賭 、 週 を 面 α 〕 す ー 、 ﾊ こ り と こ さ ざ 、 ナ る
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1 ． 緒 言
第 1 編 で は 、 鋼 球 面 と へ ツ ド が 磁 気 デ ィ ス ク に 低 速 で す べ る と き の 摩 擦 に つ い て 報 告 し た が 、 デ ィ ス ク が 軟 質 の A I 合 金 板 上 に 硬 い 下 地 層 や 磁 性 層 、 保 護 層 が 積 層 さ れ て い る 構 造 で あ る こ と か ら 、 球 面 ス ラ イ ダ に よ る 摩 擦 と 接 触 変 形 に つ い て 、 さ ら に 調 べ る こ と は 有 益 と 考 え て 実 験 を 行 っ た 。 ま た 、 球 面 ス ラ イ ダ に よ る デ ィ ス ク の 耐 久 性 も 調 べ た 。
2 ． 試 料 及 び 実 験 方 法
表 2 ． 1 に デ ィ ス ク 試 料 を ま と め て あ る 。 こ れ ら の 磁 性 層 は 、 め っ き ま た は ス バ ヅ タ に よ っ て 作 成 さ れ て い る が 、 い ず れ も 、 A I 合 金 板 に め っ き さ れ た 1 0 ‑ 2 0
〃m程度のNi‑P下地層の上に10‑2"mオーダの厚みの磁性層、カーボン保護層 が 作 成 さ れ て い る 。 ま た 、 一 部 の 試 料 で は 、 磁 性 層 の 上 ま た は 下 に 薄 い 中 間 層 も存在している。試料SB‑ICはNi‑P層/AI合金の一層のみのものでS‑2C、3Cディ ス ク 用 の 基 板 で あ る 。 ス ラ イ ダ 試 料 と し て は 、 曲 率 半 径 R が そ れ ぞ れ 約 0 ． 1 2 m m 及び0.14mmと小さいサファイヤ及びフェライトの球面並びに半径0．79及び2.3 8 m m の 鋼 球 面 を 使 用 し た 。 こ れ ら 球 面 ス ラ イ ダ に よ る 実 験 は 一 般 に 種 々 の 荷 重 下 で、すべり速度を0.05mm/sとして行った。実験の一部では、0.79mm鋼球面を低 速 回 転 す る デ ィ ス ク に 荷 重 を 増 加 し な が ら 摩 擦 し た と き の 荷 重 、 摩 擦 力 、 接 触 電 気 抵 抗 を 記 録 し て 、 損 傷 発 生 に つ い て 調 べ た 。
3 ． 実 験 結 果 及 び 考 察
3 ． 1 ビ ツ カ ー ス 硬 さ 、 H v
図2.1(a)、(b)に、ディスクのHvの荷重変化を示した。Ni‑PめっきのHvは約 5.5(103NPa)とされているが、Hv(10gf)は、いずれのディスクも、この程度の
値をとる。研磨してAI合金面を露出させて求めたHvも図2．1に示したが6.6‑
7．O(102NPa)であった。
‑14‑
表 2 ． 1 磁 気 デ ィ ス ク 試 料
X103
10
(α）
5
︵︑αエ︶シエ
1 f‑A1alloy SubStrate
一
0.5
5 ： 1 0 0 ． 5 l
H(N) 0 ． 0 5 0 ． 1
X103
10
5
︵幻ユエ︶シエ
1
0.5
0 ． 0 5 0 ． 1 0 ． 5 1 5 1 0 M(N)
図2．1試料ディスクのビツカース硬さHvと荷重Wの関係
‑15‑
試 料 ー の 潤滑剤 塗 布
ﾃｷｽﾁｭｬ N i ‑ P 下地層
カ ー ボ ン 保護膜
磁性層 備 考
Pー 1a 無
9 ， W 有 Ca､20"m Ca､0.03"m
C o ‑ P 0.05‑0.06"m
め っ き ディスク
S ‑ 1 b
鉦︾
有 Ca､20"m Ca.0．03"m
C o ‑ N i Ca.0.06"m
ス バ ッ タ デ ィ ス ク
S ‑ 2 c
S ‑ 3 c
鉦へ
無
揺
げ、、、
有
Ca.10"m Ca､0.035"m
C o ‑ N i ‑ C r Ca.0.04"m
ス パ ッ タ ディスク
S B − 1 c
鉦へ
極り ， 唖 Ca.10"m
S‑2c,3c用 基 板
グ
006
デ ィ ス ク の H v は 、 高 荷 重 域 で は 、 W ‑ n に 比 例 す る が 、 N i ‑ P 層 が 約 2 0 " m の と き は 低 荷 重 域 で H v は 荷 重 に あ ま り 依 存 し な い 。 な お 、 P ‑ l a l * S ‑ l b よ り 少 し < 厚 U N i ‑ P 層 を 有 し て い る こ と が わ か る 。 ま た 、 図 2 ． 1 ( b ) か ら 、 磁 性 層 と 保 護 層 は H v に 影 響 し な い こ と も わ か る 。 圧 こ ん 形 状 は 、 軟 か い A I 合 金 上 に 硬 い 層 が あ る た め に 、 図 2 ． 2 ( b ) の よ う に 糸 巻 型 に な る 。 こ れ は 圧 子 の 側 面 方 向 で は N i ‑ P 層 が 部 分 的 に 弾 性 回 復 す る た め か も し れ な い 。 P ‑ l a と S ‑ l b と に 、 低 荷 重 の と き に 磁 性 層 は く 離 が 観 ら れ た （ 図 2 ． 2 ( a ) ) 。 こ の 試 料 は 球 面 ス ラ イ ダ の 摩 擦 に お い て 損 傷 を 生 じ や す い も の で あ っ た の で 、 ビ ッ カ ー ス 圧 こ ん も デ ィ ス ク の 摩 擦 損 傷 性 の 評 価 に 利 用 で き る か も し れ な い 。
．・鵬.、'・蕊
j』
図2.2ビツカース圧こんのSEM写真(S‑lb)(a)259f、(b)300gf
3 . 2 球 面 ス ラ イ ダ と の 接 触 変 形
デ ィ ス ク の 摩 擦 ト ラ ッ ク の 幅 d と 荷 重 W と の 関 係 を 求 め た 。 サ フ ァ イ ヤ と 鋼 の球面についての結果を図2．3及び図2.4に示した。フェライトの硬さは6（l03 MPa)程度であるので、Ni‑P層の存在によって無視できない程度の変形が起こる か も し れ な い が 、 結 果 は サ フ ァ イ ヤ の 場 合 と 似 て い た 。 な お 、 半 径 が 小 さ い サ フ ァ イ ヤ な ど で は 、 低 荷 重 に お け る d の 正 確 な 測 定 は 、 デ ィ ス ク に 金 蒸 着 し て も困難な場合があった。docWmの関係があるが、図2.3から、半径0．lmm程度 では、高荷重域でmが0．5よりかなり大きく、また、低荷重域ではm=0.5と近
似してよいことがわかる。2．38mm半径鋼球面では、mは0．5であるが、0.79mm半
径球面では、0．5より少しく大きくなっている。
‑16‑
200
Sapphire Sphere 今 P − 1 a
100
０５︵Ｅユ︶石
10
5 1 0 0 . 5 1
N(N) 0．1
−
200
Sapphire sphere
ｃｃ︹廷︽Ｊ一一︽ごぐ︾寺寸
1001■■■■
d区
０５
︵Ｅユ︶で
夕 夕 夕
リン
d＜ ロ
10 1
0．1 0 . 5 1
W(N)
5 1 0
図2．3 トラック幅dと荷重Wの関係（サファイヤ球面、R＝0．12"m)
X103
10 今舎 ＰＳ −一 １１ ａ︲︐
Sapphire sphere
ｃｃ２可︾一一ＳＳ今冬
５−面Ｑ三︶Ｐ
0
1
5 1 0 0 ． 5 1
N(N) 0．1
図2．4平均接触圧力pと荷重Wの関係（ザフアイーヤ球）
‑17‑
通 常 の 固 体 平 面 と 硬 い 球 面 と の 塑 性 接 触 で は 、 m = 0 . 5 、 ま た 、 弾 性 接 触 で は 、 m=0．33であるから、m>0．5となるのは、Ni‑P/AI合金の積層を有する磁気デ ィ ス ク の 特 徴 的 接 触 特 性 と い え る 。 す べ り に お け る 接 触 面 積 を 冗 d 2 / 8 で 近 似 し て よ い で あ ろ う 。 こ の 場 合 の 接 触 圧 力 p は 、 サ フ ァ イ ヤ の 場 合 、 図 2 ． 4 の よ う で あ り 、 低 荷 重 域 で は 、 N i ‑ P 層 の 厚 み で 定 ま る 一 定 値 を と る と み な し て よ い 。 も ち ろ ん 、 き わ め て 低 い 荷 重 で の 塑 性 接 触 で は p は N i ‑ P 層 の H v を と ろ で あ ろ う 。 S‑3Cディスクにおいて、2.38mmと0.79mm半径の鋼球面でのpは、それぞれ、AI 合金板のHvと同程度の6．6(102NPa)及び約8.5(102Npa)であるが、0．12mm半径 サファイヤ球面では、220(102Npa)である。このように、磁気ディスクと球面 の 接 触 で は 、 接 触 面 積 が 荷 重 に 比 例 し て 、 単 一 固 体 の 塑 性 接 触 と 同 様 で あ っ て も 、 接 触 圧 力 が 球 面 半 径 が 小 さ い ほ ど 大 と な る こ と 、 ま た 、 高 荷 重 で 接 触 圧 力 が減少するようになることが注目される。2．38mm鋼球面のときのpがAI合金板 の H v 値 と ほ ぼ 同 じ で あ る こ と は 、 N i ‑ P 層 が 単 に 弾 性 的 に 変 形 し て い る こ と を 示
し て い る よ う に 思 わ れ る 。
3 ． 3 摩 擦 特 性
実 験 の 荷 重 域 で は 、 サ フ ァ イ ヤ 及 び 鋼 の 球 面 の す べ り に お け る 摩 擦 は 、 一 般 に 変 動 が 小 さ い も の で あ っ た が 、 P ‑ l a と S ‑ l b デ ィ ス ク に フ ェ ラ イ ト 球 面 を 2 N 以 上 で す く ら し た と き に は 、 図 2 ． 5 の よ う な 著 し い 変 動 が し ば し ば 現 わ れ た 。 こ れ は 摩 擦 損 傷 に 対 応 す る も の で あ っ た の で 、 損 傷 発 生 を モ ー タ ー す る こ と に よ っ て 知 る こ と が 可 能 で あ る こ と を 示 し て い る 。 図 2 ． 6 及 び 図 2 ． 7 に 、 サ フ ァ イ ヤ 及 び 鋼 の 球 面 の 場 合 に お け る 〃 と W と の 関 係 を 示 し た 。 半 径 が 小 さ い サ フ ァ イ ヤ 球面での〃は、IN以上の荷重ではW"に比例し、αは0．45程度であるが、低荷重 域 で は 荷 重 に あ ま り 依 存 し な い 。 ま た 、 半 径 が 大 き い 鋼 球 面 で は 、 〃 は W に 依 存 し な い が 、 こ れ は 、 〃 が 凝 着 成 分 〃 a で 定 ま り 、 そ れ が d 2 / W に 比 例 す る こ とによるものである。この場合の結果（図2．7(b))から、接触面槙を兀d2/8 と仮定して求めた凝着部のせん断強さては140MPaであった。これはカーボン保 護膜のせん断強さと考えてよいかもしれない。dZWmのとき、〃aのcW(2m‑1)
と考えてよく、例えばS‑2Cにサファイヤ球面がすべりときには、高荷重域では
〃a｡ごW9･32と考えられるが、測定結果では〃cCWB.48となっている。この違い
‑18‑
侶匡培匡二三二匡二二二二二二二一二︲Ｌｌ
１
●●● ６４２０ ０００
︵三︶﹂
‐‐I‐
一 一 ー 今 ■ 一 の ｡
L−
二 二 二 二 二
瓦
二 三
二 二 二
4 ト I I I 1
m
■■■■■・●
一二L‑今 I
I − ● − ← ■ ■
Ti
二９
今一一
e N Ⅱ■■■■■ ■ ■ ■2 N
図2.5摩擦損傷が生ずるときの摩擦変動(フェライト球面）
1.0
Sal)I)111re sphere
ａ０Ｄ１１−一ＰＳ
圭士
0．5
/』｡くII()･44
孔
0 0．1
0．05
0 1 P 0．5 1 5 10
M(N)
1．0
SaPPhire Sphere
/j｡cwO.48
ｃｃ２可︶一一ＳＳ一一も咽
0．5
式
0．1
0．05
10 0 ． 5 1 5
N(N) 0．1
摩擦係数〃と荷重Wの関係（サファイヤ球面）
図2．6
‑19‑
、111
− −−−
I 一一 ノ
一一 i､ 一一一一一酌凸 L−−−一 一 一 面＝−−− 一一一一一一 一一一一０↑●﹄︒ ｡−一一一一
一一
［
心 。
−
ﾆニニ誰一一一Ｉ 一一一一 M J−−■身W̲一一‐ b ロ一一ー 凸 一一一存一一一一−一一 一一 一一一一‐一 一一 − − 一 年 一● 一 一 ● ●C − − − −−ぬ
一一 −＝
、
一 一 章左 一︽一一 寺 一 一 ＝ −一一 一一 一 二一 兎J式一一 一一 一一八一 1入八甲■ー＝
一一一 一 一 一 争 ■ ● ‐ 一
一 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ F 一 一
一一
一一
甲一 心一一一
一一一
一一一一
一一
■−−＝
−−−
一一一＝
＝一一
−−e
一中一一
一一一＝÷
一一a一 一一子一一
二二言
争Ｃ一
一一一
今一一ﾜー
一一一■
一一一
一
一
r二 − ご−−
一ー一 一一
二二二
け−一一一
→ − − e − ョ
一 一 宇 一 一 一
−−
一一
一今
三二二
巳 一 ・ 一 ｡
一一一
→ 一 一 ・●
↑‐‐0−
一一
二二
← 一 一 一 凸
一一
一一一一
一一一一
一一I■
一 一 二 − 由
一一一．一一一 一一↑●
一一一一
一 一一
凸 ■ h ● 一 一
凸 ｡ ● 一 一
ゴ ー ●
− − −
ｰ一己‑
一 一
｡ ■ ● 子 ｡ 一
一 色 ▼ ｡ や ｡ ｡ − 勺
−−G■
トー
●申
＝ r 中 年 ←
500
(a)
S‑3c
Steelsphere (0.79mmR.)
doCNO
０００５ ﾛ／
４匡工︶で
1．0 0．8
/〆 0．6
0．4 エ
0．2
10 0．1
10
0．5 1 5
N(N) 500
(b) Steel
sphere
（2．38mmR.)
d･ぐWO.50‑口／
S‑3c
口 ／
００
１△︵匡込︶
1．0 0．8
0．6
0．4
で
50
弐
一一一O−−−−−−−−−o一一一一一一0−−
雄 0.2
'00壼 1 5 10 0．1
M(N)
図2．7摩擦係数〃及びトラック幅dと荷重Wの関係 鋼球面、(a)R=0.79mm、(b)R=2.38mm;S‑3C
−20−
は 、 摩 擦 係 数 〃 の 掘 り 起 こ し 成 分 〃 p に よ る と 考 え て よ い 。 し か し 、 〃 p の 評 価 は 磁 気 デ ィ ズ ク の 場 合 に は 簡 単 で な い よ う に 思 わ れ る 。 フ ェ ラ イ ト 球 面 の 場 合 に お け る 〃 の 荷 重 変 化 は サ フ ァ イ ヤ 球 面 の 場 合 と 似 た も の で あ っ た 。 し か し 、 低 荷 重 域 の 〃 は 0 ． 0 3 程 度 大 き く 現 わ れ た 。 摩 擦 係 数 の 凝 着 成 分 が 荷 重 に よ っ て 増 加 す る こ と は 特 異 な 現 象 で あ る が 、 磁 気 デ ィ ス ク で は 、 接 触 面 積 が W 2 m ( m > 0
． 5 ) に 比 例 す る こ と が 起 こ り 、 こ の 現 象 が 現 わ れ る こ と は デ ィ ス ク の 摩 擦 特 性 と し て 注 目 さ れ る 。
3 . 4 摩 擦 損 傷
P ‑ l a と S ‑ 1 b の デ ィ ス ク に フ ェ ラ イ ト 球 面 が 2 N 以 上 の 荷 重 で す べ る と き に し ば し ば 損 傷 が 生 じ た 。 損 傷 は 、 図 2 ． 8 ( a ) に 示 す よ う に 光 学 顕 微 鏡 写 真 で は 白 く み え る が 、 摩 擦 ト ラ ッ ク の 一 部 で 生 じ る 。 な お 、 す べ り 開 始 時 に 発 生 し や す い 。 図 2 . 8 ( b ) は 、 損 傷 の S E N 写 真 の 例 で あ る が 、 磁 性 層 の は く 離 的 破 壊 が 起 こ っ て い
る こ と が わ か る 。 破 壊 は ぜ い 性 的 で あ る よ う に み え る 。 図 2 ． 9 は 、 高 荷 重 下 の サ フ ァ イ ヤ 球 面 す べ り で 生 じ た P ‑ l a デ ィ ス ク の 摩 擦 こ ん の S E N 写 真 で あ り 、 は く 離 は 生 じ て い な い が 、 ス ラ イ ダ 後 端 部 で の 引 張 応 力 で N i ‑ P 層 に ク ラ ッ ク が 生 じ た と 思 わ れ る 。 ま た 、 T e X t u r e の 条 こ ん が 球 面 す べ り 方 向 に 変 位 し て い る 。
図2．8
己、
ノ ． , ：，、恥､,
砿かi鞠
摩擦損傷の例(S‑lbデイスクーフエライト球面、W=2N)
(a)OM、(b)SEM
一
‑21‑
I
蕊
2 0 " m L Q
図2.9トラック内のクラック(P‑laサファイヤ球面、5N)
0 . 7 9 m m 半 径 の 鋼 球 面 を 低 速 回 転 す る デ ィ ス ク に 連 続 的 に 荷 重 を 増 加 し な が ら 押 し つ け て 摩 擦 し た と き の 荷 重 、 摩 擦 力 及 び 接 触 電 気 抵 抗 を 記 録 し て 損 傷 発 生 を 調 べ た 。 回 転 は 1 回 転 以 内 で あ る 。 こ の 場 合 に 、 摩 擦 が 突 然 に 急 増 し 、 同 時 に抵抗が零にまで低下した例を図2.10(a)に示した。(b)図は(a)の記録の場合に 損 傷 の 開 始 部 付 近 の 顕 微 鏡 写 真 で あ る が 、 損 傷 発 生 前 で は 単 な る 塑 性 く ぼ み で あ り 、 突 発 的 に 損 傷 が 発 生 し て 拡 が る こ と が 注 目 さ れ る 。 図 2 ． l l は 、 図 2 ． l O と 別 の 同 様 の 実 験 で 生 じ た 損 傷 の S E M 写 真 で あ る が 、 磁 性 層 の は く 離 や ぜ い 性 的 破 壊 を す る 性 質 が 明 瞭 に み ら れ る 。
(a)
1．4
1．2
1.0
８０
一三︶﹂
4
一室︶エ３２
0．6
0．4
２００●一■■ａ
ｎ︾︵・︹︶︶丘
1
0 W m e − − →
も､
図2．10連続荷重増加における記録(a)と損傷(b)、P‑la
−22−
4 ． 結 論
1 〃 m
●
図2．ll連続荷重増加における損傷例(S‑lb)
（ 1 ） 磁 気 デ ィ ス ク は 軟 質 の A I 合 金 基 板 の 上 に 硬 い 下 地 層 を 有 す る た め に 、 特 異 な 接 触 特 性 を 示 し 、 そ れ が 摩 擦 特 性 に 反 映 さ れ る 。
（ 2 ） 磁 性 層 の 損 傷 は 摩 擦 増 加 と し て 検 出 で き る 。
（ 3 ） 磁 性 層 は 、 摩 擦 に よ っ て は く 離 し 、 ぜ い 性 的 な 破 壊 を 示 す 。
−23−
1 ． 緒 言
薄 膜 デ ィ ス ク に 球 面 ス ラ イ ダ が す べ る 場 合 、 高 荷 重 で は 、 磁 性 層 が 下 地 層 か ら ず れ て 破 壊 す る よ う な シ ビ ヤ な 損 傷 が 生 じ 、 摩 擦 も 高 く な る 。 一 方 、 我 々 の 以 前 の 実 験 で は 、 ヘ ッ ド が デ ィ ス ク に 繰 り 返 し す べ る と き に 摩 擦 が 著 し く 増 加 し て も デ ィ ス ク の 損 傷 は 容 易 に 観 察 で き な か っ た 。 ま た 、 T e X t u r e や 、 数 n m の 厚 み の 薄 い 塗 布 潤 滑 膜 と 、 デ ィ ス ク の 摩 擦 や 損 傷 の 関 係 も 明 ら か で な い 。 そ こ で 、 ヘ ッ ド の 低 速 繰 り 返 し す べ り や C S S サ イ ク ル テ ス ト に お け る 摩 擦 と 損 傷 を 調
べた。
2 ． 試 料 及 び 実 験 方 法
表 3 ． 1 に デ ィ ス ク 試 料 の 概 略 を ま と め て 示 し た 。 保 護 膜 は す べ て カ ー ボ ン ス バ ツ タ 膜 で あ り 、 T e x t u r e や 潤 滑 剤 の 点 で 、 実 用 さ れ な い 表 面 状 態 の デ ィ ス ク も 試 料 と し て 用 い た 。 な お 、 ス バ ッ タ ・ デ ィ ス ク は 試 作 品 で あ る 。 実 験 装 置 と し て は 、 パ テ ィ ー テ ッ ク 社 の デ ィ ス ク 試 験 機 を 使 用 し 、 デ ィ ス ク 回 転 1 0 r p m ( 速 度 3 〜 6 c m / s ) で 低 速 繰 り 返 し す べ り を 、 ま た 、 1 回 約 2 0 S の C S S の 繰 り 返 し を 行 な い 、 摩 擦 係 数 〃 と 繰 り 返 し 回 数 N の 関 係 を 求 め た 。 使 用 へ ツ ド は フ ェ ラ イ ト ヘッドであり、荷重は9．59fとした。実験は主として25±5℃、40±10%R.H・で 行 な わ れ た 。 損 傷 観 察 に は ノ マ ル ス キ ー 型 顕 微 鏡 を 使 用 し た 。
▽
3 ． 実 験 結 果 及 び 考 察
3 . 1 低 速 繰 り 返 し す べ り に お け る 摩 擦 係 数 似 の 変 化
図3．1と図3．2に、めっき及びスバッタディスク試料の〃−N曲線を示した。
摩 擦 ト ラ ッ ク ー 周 中 の 摩 擦 変 動 は N が 増 加 す る と 大 き く な る 傾 向 が あ る が 、 こ れ ら の 図 で は 、 一 周 中 の 〃 の 概 略 平 均 値 〃 を フ ・ ロ ッ ト し 、 〃 の 範 囲 を 棒 線 で 示 し て あ る 。 図 3 ． 1 で は 、 潤 滑 剤 が あ る P ‑ 1 A で 、 1 ． 0 以 上 の 高 い 〃 が 現 わ れ て い る こ と が 注 目 さ れ る 。
−25−
表 3 . 1 磁 気 デ ィ ス ク 試 料
1.2
(a) P−1A
LUbrlcated Textured 1．0
0．8
0．6 エ
0．4
0．2
0
102 103 104
1 10
N
0．8
P−1B Non−1Ubrlmted lexture。
(b)
雑
0．6
0．4 ▼
ユ
0．2
01 10 10 10 10
N
図3.1フエライトモノシリックヘッドの繰り返しすべりらおける 摩擦係数鰹と繰り返し回数Nとの関係(めっきディスク）
−26−
試 料 潤滑剤
塗布
ﾃｷｽﾁｭｬ 下地層 カーボン
保護膜
磁性層 備 考
Pー 1 A
P ‑ 1 B 有 Ca､2.8nm
鉦︾
有
有
N i ‑ P
Ca.20"m Ca、40nm
C o ‑ P Ca、55nm
め っ き ディスク
S ‑ 2 A
S ‑ 2 B
S ‑ 2 C
S ‑ 2 D 有
鞭
α 、 、 、
有
無
有
有
鉦へ
将
〃、、、
N i ‑ P Ca.15"m
Alumite N i ‑ P Ca、15"m
Ca.30nm
C o ‑ N i Ca、60nm
スバヅタ ディスク (試作品）
0．6
0．4
ユ
0．2
0
0．6
0．4 ユ
0．2
0
0．8
0.6
式 0．4
0．2
0
0.6
0．4
ユ 0．2
0
一
I
1
1
1
S‑2A LubrlCated TextUred
10
S‑2B Non−1ubrlcated TextUred
ｰ
10
S‑2C Lubrlcated Non−textured
(Underlayer
10
S‑2D
Non古1Ubrlcated Non‑textured
10
A1umlte)
(a)
102 103 lO4
N
(b)
ト ー も 一 一 ． ‑ − 2
102N 103 104
(c)
●
102 103 10
N
(d)
102 103 104
N
図 3 ． 2 フ ェ ヲ イ ト ミ ニ モ ノ シ リ ッ ク ヘ ッ ド の 繰 り 返 し す べ り ら お け る 摩擦係数〃と繰り返し回数Nとの関係（スパッターディスク）
−27−
