CN107868936B - 滑动构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供在润滑油中的环境下能够确保比以往更低的摩擦系数的滑动构件及其制造方法。滑动构件(10)的非晶质碳被膜(12)满足以下关系：在将通过单键配位了3个碳原子的氮原子的个数记为A、将通过单键和双键配位了2个碳原子的氮原子的个数记为B时，通过对非晶质碳被膜(12)进行X射线光电子能谱分析所得到的非晶质碳被膜(12)的A/B值为10以上且18以下。在滑动构件(10)的制造方法中，通过朝向基材(11)的表面照射氮离子束，并且对碳靶T照射电子束E，从而一边使碳靶T的一部分蒸镀于基材(11)的表面，一边形成非晶质碳被膜(12)。对碳靶T照射的电子束E的输出功率为30W以上且50W以下。

Description

滑动构件及其制造方法
技术领域
本发明涉及在基材的表面具有非晶质碳被膜的滑动构件及其制造方法。
背景技术
一直以来，在汽车产业等日本的基础产业中，摩擦学担负着重要的作用。例如，在汽车产业中，现在为了地球环保而以削减从汽车排出的二氧化碳为目标进行了各种努力，作为其一个例子，众所周知混合动力系统等的能效良好的动力源的开发。但是，为了以进一步的低燃耗为目标，不仅动力源的开发是重要的课题，而且降低发动机内部及驱动系统中的由摩擦所致的能量的传递损失也成为重要的课题。
鉴于上述课题，为了谋求动力系设备中的滑动构件的摩擦系数的降低、耐磨性的提高，作为被覆于由结构用钢或高合金钢构成的滑动构件的滑动面的新摩擦学材料的非晶质碳材料(DLC)受到注目。
作为使用了这样的非晶质碳材料的滑动构件的制造方法的一例，例如在专利文献1中提出在基材的表面形成含有氮原子的非晶质碳被膜的滑动构件的制造方法。在该制造方法中，通过朝向基材的表面照射氮离子束，并且对碳靶照射电子束，以使得非晶质碳被膜的表面形成有多个突起部的方式一边使碳靶蒸发出的碳粒子蒸镀于基材的表面一边形成非晶质碳被膜。
由此，在所得到的滑动构件的非晶质碳被膜的表面形成多个突起部，突起部比除突起部以外的非晶质碳被膜的表面软。这样，通过在非晶质碳被膜的表面设置软质的突起部，能够在无润滑状态下提高滑动构件的摩擦特性。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013－57093号公报
发明内容
然而，根据专利文献1所示的滑动构件，在大气中使其以无润滑状态滑动的情况下，虽然非晶质碳被膜不会剥离，能够降低摩擦系数，但是在润滑油中滑动的环境下，有时不能够充分地降低摩擦系数。
本发明是鉴于这样的课题而完成的，其目的在于提供在润滑油环境中能够确保比以往更低的摩擦系数的滑动构件及其制造方法。
鉴于上述课题，本发明人反复进行了深入研究，结果得到了以下的新见解。具体而言，在使非晶质碳被膜含有氮原子的情况下，非晶质碳被膜中包含碳原子的配位数为2(与碳原子单键结合和双键结合)的氮原子、和碳原子的配位数为3(与碳原子单键结合)的氮原子。在此，含有碳原子的配位数为3的氮原子的石墨烯彼此的层间距离与不含有氮原子的情况相比变大。由此认为在润滑油环境中非晶质碳被膜变为低剪切性。
在此，例如在专利文献1等所示的以往的技术中，为了提高非晶质碳被膜对基材的密合性和非晶质碳被膜的硬度、以及形成突起部，对碳靶照射了数百瓦左右的输出功率的电子束。在此，若对碳靶照射的电子束的能量大，则氮原子与碳原子的双键容易增加，碳原子的配位数为2的氮原子的比例增加。
碳原子的配位数为2的氮原子，从其结构上看，位于石墨烯的端部，因此本发明人认为：若该氮原子多，则会分割石墨烯，容易生成小尺寸的石墨烯。本发明人还认为这样的石墨烯会妨碍石墨烯彼此本来具有的低剪切性的特性。
因此，本发明人认为：确保非晶质碳被膜的与氮原子配位的碳原子的配位数为3的氮原子的比例、并且限制碳原子的配位数为2的氮原子很重要。
本发明基于该新见解完成，本发明涉及的滑动构件，其特征在于，是在基材的表面具有含有氮原子的非晶质碳被膜、并且在润滑油中滑动的滑动构件，在将通过单键配位了3个碳原子的氮原子的个数记为A、将通过单键和双键配位了2个碳原子的氮原子的个数记为B时，通过对上述非晶质碳被膜进行X射线光电子能谱分析所得到的上述非晶质碳被膜的A/B值为10以上且18以下。
本发明涉及的滑动构件的制造方法，其特征在于，是制造在基材的表面具有含有氮原子的非晶质碳被膜、并且在润滑油中滑动的滑动构件的方法，通过朝向上述基材的表面照射氮离子束，并且对碳靶照射电子束，从而一边使上述碳靶的一部分蒸镀于上述基材的表面，一边在上述基材的表面形成上述非晶质碳被膜，对上述碳靶照射的电子束的输出功率为30W以上且50W以下。
根据本发明，能够确保在润滑油中比以往更低的摩擦系数。
附图说明
图1是用于制造本实施方式的滑动构件(在基材上形成被膜)的示意性的装置构成图。
图2A是表示非晶质碳被膜的石墨烯、并且表示在石墨烯中存在三配位的氮原子的状态的示意图。
图2B是表示非晶质碳被膜的石墨烯、并且表示在石墨烯中存在二配位的氮原子的状态的示意图。
图3A是表示不含氮原子的非晶质碳被膜中的相邻的石墨烯彼此的结构的示意图。
图3B是表示包含三配位的氮原子的非晶质碳被膜中的相邻的石墨烯彼此的结构的示意图。
图4是表示在非晶质碳被膜中二配位的氮原子增加时的石墨烯的结构变化的示意图。
图5A是表示在通过X射线光电子能谱对非晶质碳被膜进行分析时所得到的结合能与强度的关系的波形的一例的图。
图5B是用于采用局部放大图5A所示的波形后的波形说明非晶质碳被膜的A/B值的计算方法的示意图。
图6A是用于说明环块(block-on-ring)摩擦磨损试验机的示意性侧视图。
图6B是用于说明球盘(ball-on-disk)摩擦磨损试验机的示意性侧视图。
图7是表示形成实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜时的电子束功率(输出功率)与非晶质碳被膜的膜硬度及磨损深度的关系的图。
图8是表示形成实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜时的电子束功率(输出功率)与A/B值的关系的图。
图9是表示实施例1和比较例3～7涉及的滑动构件的摩擦系数的波形的图。
图10是表示形成实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜时的电子束功率(输出功率)与滑动构件的摩擦系数的关系的图。
图11是表示实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜的A/B值与滑动构件的摩擦系数的关系的图。
附图标记说明
10：滑动构件、11：基材、12：非晶质碳被膜
具体实施方式
就实施方式来说明以下的本发明的滑动构件及其制造方法。
1.关于滑动构件的制造方法
图1是用于制造本实施方式的滑动构件(在基材上形成被膜)的示意性的装置构成图。
本实施方式的滑动构件10的制造方法，是制造在基材11的表面(滑动面)形成有含有氮原子的非晶质碳被膜(非晶质氮化碳被膜：CNx被膜)12的滑动构件10的方法。具体而言，在该方法中，通过朝向基材11的表面照射氮离子束B，并且对碳靶T照射电子束E，从而一边使碳靶T的一部分蒸镀于基材11的表面，一边形成非晶质碳被膜12。可这样地采用混合了碳原子和氮原子的动态混合法形成非晶质碳被膜12。以下，对滑动构件10的制造方法进行具体说明。
首先，准备滑动构件10的基材11。作为该基材11的材质，只要是具有能够确保在滑动时与非晶质碳被膜12的密合性的材质和表面硬度的材料，则并无特别限定，可列举出例如钢、铸铁、铝、高分子树脂、硅等的基材。
另外，为了提高基材11与非晶质碳被膜12的密合力，也可以在形成非晶质碳被膜12之前在该基材11的表面设置硅(Si)中间层，进而，也可以代替硅而使用铬(Cr)、钛(Ti)或钨(W)。
利用图1所示的成膜装置30(IBAD(离子束辅助蒸镀)装置)，通过组合离子束混合法和电子束蒸镀法，来在基材11的表面形成含有氮原子的非晶质碳被膜12。首先，如图1所示，具体而言，将基材11载置于台座31，并将碳靶T配置在电子束照射用的坩埚32中。
接着，使用涡轮分子泵33，将腔室34内的压力减压。具体而言，涡轮分子泵33将腔室34内的空气进行排气，使腔室34内成为接近于真空的状态(2.0×10－3Pa以下)。也可以代替涡轮分子泵33而使用旋转泵或扩散泵，也可以将它们与涡轮分子泵33并用。在本实施方式中，为了进行后述的摩擦实验，为了消除所吸附的油的影响，采用不使用油的涡轮分子泵33对真空腔室内的空气进行排气。
接着，利用冷却水L间接地冷却基材11，并且从氮离子束发生源35向基材11照射氮离子束B。在此，氮离子束发生源35是通常所知的产生氮离子束的装置。具体而言，向装置内以10～20sccm导入氮气。针对所导入的氮气，利用溅射离子泵(未图示)导入0.4～0.8kW的微波，由此生成氮气等离子体。所生成的氮气等离子体在1.0kV的加速电压下被加速，作为氮离子束B照射到基材11的表面。
在本实施方式中，首先，对成膜前的基材11照射10分钟左右的氮离子束B，从而对基材11的表面进行清洁。再者，在预先对基材11的表面进行了清洁的情况下，也可以省略该清洁。
接着，对基材11的表面照射氮离子束B，并且通过电子束E的照射而使碳靶T熔融和蒸发(即，使其升华)。具体而言，从电子束发生源36以30W以上且50W以下的输出功率条件对坩埚32内的碳靶T照射电子束E，由此将碳靶T加热至3000℃以上。由此，使碳靶T的碳升华，使碳原子蒸镀于基材11的表面。
就非晶质碳被膜12而言，由于是一边在朝向基材11的表面照射氮离子束B的同时，使碳靶T的碳蒸镀于基材11的表面，一边进行成膜，因此在非晶质碳被膜(CNx被膜)12中含有氮原子。再者，由于氮离子束的溅射效应，导致非晶质碳被膜12的成膜速度减小，但能够以0.5～2.5nm/s程度的成膜速度形成非晶质碳被膜12。
在此，非晶质碳被膜12的膜厚优选为0.1～1.0μm的范围，优选以这样的范围形成非晶质碳被膜12。另外，非晶质碳被膜12中的氮原子的含量(原子％)并无特别限定，但优选为1～15原子％的范围，优选以这样的范围形成非晶质碳被膜12。再者，非晶质碳被膜12的氮原子的含量可以通过控制氮离子束发生源35的微波的频率和加速电压等来进行调整。
图1所示的热电偶37，是用于采用热电偶预测成膜时的基材11的表面温度的测量器，使用该热电偶来测定基材11的表面或背面的温度。另外，膜厚计38是用于测定所形成的非晶质碳被膜12的膜厚的水晶振子型膜厚计，使用该膜厚计测量随着成膜时间而增加的非晶质碳被膜12的膜厚。在本实施方式中，可基于利用膜厚计38测定出的非晶质碳被膜12的膜厚，在后述的强度范围内控制来自电子束发生源36的电子束E的强度，从而控制非晶质碳被膜12的成膜速度。
图2A和图2B示出非晶质碳被膜12的石墨烯，图2A示出在石墨烯中存在碳原子的配位数为3的氮原子的状态。另一方面，图2B示出在非晶质碳被膜12的石墨烯中存在碳原子的配位数为2的氮原子的状态。
在本实施方式中，在非晶质碳被膜12中包含如图2A的A部所示那样碳原子(C)的配位数为3的氮原子(N)和如图2B的B部所示那样碳原子(C)的配位数为2的氮原子(N)。以下，将碳原子(C)的配位数为3的氮原子(N)称为三配位的氮原子，将碳原子(C)的配位数为2的氮原子(N)称为二配位的氮原子。图2A所示的三配位的氮原子(N)，与3个碳原子(C)分别通过单键来结合。另一方面，图2B所示的二配位的氮原子(N)，与1个碳原子(C)通过单键结合，且与另一个碳原子(C)通过双键结合。
但是，如图3A所示，在不含氮原子(N)的非晶质碳被膜中，相邻的石墨烯彼此保持规定的层间距离d1而层叠。另一方面，已知：三配位的氮原子(N)，在石墨烯中，如图3B所示，氮原子(N)所存在的位置以凸起来的方式变高。因此，如本实施方式那样，在包含三配位的氮原子(N)的非晶质碳被膜中，石墨烯彼此的层间距离d2比不包含氮原子(N)的非晶质碳被膜中的石墨烯彼此的层间距离d1大(参照图3A和图3B)。这样的结果，包含三配位的氮原子(N)的非晶质碳被膜由于石墨烯彼此的层间距离d2大，因此石墨烯彼此的层间结合力减弱，在低剪切力下发生层间滑移。由此认为：由于滑动构件介由形成为层状的低剪切力的石墨烯与对象材料滑动，因此非晶质碳被膜在润滑油环境中体现出极低的摩擦力。
另一方面，如图4的上图所示，二配位的氮原子(N)配置于石墨烯的片端部。在此，若二配位的氮原子(N)增加，则如图4的下图所示那样，二配位的氮原子(N)分割石墨烯，石墨烯的尺寸变小。由此推定妨碍石墨烯彼此本来具有的低剪切性的特性。
从这样的观点出发，在本实施方式中，以限制图2B所示的二配位的氮原子(N)的比例、并且确保图2A所示的三配位的氮原子(N)的量的方式形成非晶质碳被膜12。
以往，如专利文献1那样，对碳靶T照射的电子束E的输出功率为数百W，但在本实施方式中，电子束E的输出功率比以往低得多，为30W以上且50W以下的范围。由此，降低对碳靶T照射的能量，与以往相比，能够确保三配位的氮原子的比例，并且限制二配位的氮原子的比例。
在此，在对碳靶T照射的电子束E的输出功率低于30W的情况下，向碳靶T导入的能量过小，因此非晶质碳被膜12的膜硬度显著降低，非晶质碳被膜12的耐磨性降低。
另一方面，在电子束E的输出功率超过50W的情况下，二配位的氮原子的比例变多，碳原子与氮原子的双键增加。因此认为，在成膜时二配位的氮原子会分割石墨烯，生成小尺寸的石墨烯，妨碍石墨烯彼此本来具有的低剪切性的特性(参照图4)。从这样的观点出发，对碳靶T照射的电子束E的输出功率更优选为40W以下。
2.关于非晶质碳被膜12
就在上述的条件下形成的非晶质碳被膜12而言，在将通过单键配位了3个碳原子的氮原子(三配位的氮原子)的个数记为A、将通过单键和双键配位了2个碳原子的氮原子(二配位的氮原子)的个数记为B时，通过对非晶质碳被膜12进行X射线光电子能谱分析所得到的非晶质碳被膜12的A/B值为10以上且18以下。
通过满足该范围，在非晶质碳被膜12中，二配位的氮原子的比例被限制，因此推定存在更大的石墨烯。另外，由于确保了三配位的氮原子的比例，因此能够将石墨烯的层间距离维持在较大的状态。这样的结果，在使滑动构件在润滑油中滑动时，能够确保比以往低得多的摩擦系数。
在此，在非晶质碳被膜的A/B值低于10的情况下，三配位的氮原子的比例少，二配位的氮原子的比例多，因此滑动构件难以确保低的摩擦系数。从这样的方面出发，非晶质碳被膜的A/B值更优选为15以上。另一方面，在非晶质碳被膜的A/B值超过18的情况下，三配位的氮原子的比例过多，因此非晶质碳被膜12的膜硬度显著降低，耐磨性降低。
3.关于非晶质碳被膜的A/B值的测定方法
对非晶质碳被膜12进行X射线光电子能谱分析所得到的非晶质碳被膜的A/B值如以下那样测定。具体而言，采用X射线光电子能谱法(XPS)对非晶质碳被膜照射软X射线，对被激发并从表面放出的光电子进行分光。该光电子具有与电子的结合能相应的能量值，因此若X射线的能量恒定，则能够求得电子的结合能。由此，在X射线光电子能谱分析中，通常能够得到与在从表面起算的数nm的范围存在的原子的电子状态、化学结合状态相关的信息。
具体而言，若采用X射线光电子能谱法对非晶质碳被膜照射软X射线，则如图5A所示那样能够得到结合能和强度的波形W。接着，如图5B所示，在所得到的波形W之中，提取结合能为400eV附近的N1s峰的波形w，将对该波形w进行平滑化(拟合)所得到的波形wf分离成3个波形wa～wc。即，将波形wa～wc叠加起来所得到的波形成为波形wf。
作为拟合时的约束条件，将分离的波形的峰的数量设为3，并约束峰位置以使得峰位置取401.7eV、398.1eV、396.7eV的±1.0eV以内的值。约束半值宽度以使得半值宽度分别取1.70eV、3.40eV、1.34eV的±0.5eV以内的值。由此，能够得到在所得到的3个波形wa～wc中，峰以398.1eV附近为中心的波形wa、峰以396.7eV附近为中心的波形wb、和峰以401.7eV附近为中心的波形wc。
在此，计算区间392～404eV中的波形wa的峰的面积。该面积是起因于图2A所示的三配位的氮原子的个数A而得到的值。接着，计算区间392～404eV中的波形wb的峰的面积。该面积是起因于图2B所示的二配位的氮原子的个数B而得到的值。因此，通过计算这些算出的峰的面积的比(波形wa中的峰的面积/波形wb中的峰的面积)，能够算出将三配位的氮原子的个数记为A、并将二配位的氮原子的个数记为B时的非晶质碳被膜的A/B值。再者，波形wc的峰的面积是起因于氮原子彼此的结合结构而得到的值。
本实施方式涉及的滑动构件，优选应用于在润滑油的使用环境下使用的汽车部件。作为这样的汽车部件，可列举出例如活塞裙、活塞销、活塞环、气缸孔、曲轴、凸轮轴、辊式摇臂、气门、阀杆压盖(stem cap)、间隙调节器或气门挺杆等。
实施例
以下，通过实施例对本发明进行说明。
(实施例1)
＜滑动构件的制作＞
在含有氮的非晶质碳被膜(CNx膜)的成膜中使用了如图1那样的装置。首先，作为基材，准备了表面为(100)取向的硅晶片。将该基材和碳靶配置在真空腔室内，利用涡轮分子泵将腔室内的空气进行排气以使腔室内成为2.0～4.0×10－3Pa的范围内。然后，使设置有基材的设置台中循环20℃的冷却水，将基材的温度保持为恒定。
接着，调整氮离子束发生源，以使得用于在氮离子束发生源中产生辅助氮离子的氮气的流量为7sccm、辅助氮离子的加速电压成为0.5kV(10mA)、辅助氮离子的微波输出功率成为0.5kW(反射输出：0.5kW)。朝向基材的表面照射该进行了调整的常态的氮离子束，进行5分钟的基材表面的清洁。
接着，在与清洁条件相同的条件下朝向基材的表面照射氮离子束，并且对碳靶照射将输出功率调节为30W的电子束，使碳靶的一部分熔融并蒸发，使该蒸发了的碳靶的一部分蒸镀于被照射氮离子束的基材的表面。成膜时间为2分钟0秒，利用膜厚计测定的结果，膜厚为1.0μm，成膜速度为8.3nm/s。这样得到了在基材的表面(滑动面)形成有含有氮的非晶质碳被膜(CNx被膜)的滑动构件。
(实施例2和3)
与实施例1同样地制作了在基材上形成有非晶质碳被膜的滑动构件。实施例2以及3与实施例1不同的点是使对靶照射的电子束的输出功率依次为40W以及50W这一点。
(比较例1～4)
与实施例1同样地制作了在基材上形成有非晶质碳被膜的滑动构件。比较例1～4与实施例1不同的点是使对靶照射的电子束的输出功率依次为10W、20W、60W以及63W这一点。
(比较例5)
准备了通过电子束蒸镀法形成有不具有氢的非晶质碳被膜(DLC被膜)的滑动构件。
(比较例6)
准备了通过PVD法在基材的表面形成有不含有氮、且含有氢的非晶质碳被膜(DLC被膜)的滑动构件。
(比较例7)
准备了通过电弧离子镀法(AIP法)形成有由不含氮的非晶质碳构成的被膜(DLC被膜)的滑动构件。
＜硬度试验＞
测定了实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜的膜硬度。具体而言，求出对它们的表面利用Hysitron公司制的AFM纳米压痕仪测定压痕硬度的情况下的载荷位移曲线，从载荷位移曲线算出由塑性变形引起的压痕的投影面积，最大压入载荷除以压痕的投影面积，由此算出它们的膜硬度。其结果示于表1。
表1
＜环块摩擦磨损试验＞
使用图6A所示的试验机进行了环块摩擦磨损试验。具体而言，准备了成为实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的块试样61A。如图6A所示，准备环试样(JIS规格：SUJ2)62A，在其上配置了块试样61A。利用隔着校平器(leveler)63A的砝码(weitht)64A，沿着铅垂方向对环试样62A的周面和块试样61A的表面赋予了垂直载荷。
在该状态下，使环试样62A的一部分浸渍于油浴槽66A内的润滑油67A(发动机油中所使用的基础油(PAO4：聚α烯烃))中，一边使环试样62A旋转，一边使环试样62A相对于块试样61A滑动。通过被贴附于支持块试样61A的支持构件69A的2个应变片(strain gauges)68A，设定成垂直载荷294N，在室温环境下(23℃)以滑动速度160rpm使环试样旋转，测定了块试样61A的磨损深度。其结果示于表1。另外，在图7中示出形成实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜时的电子束功率(输出功率)与非晶质碳被膜的膜硬度以及磨损深度的关系。
＜通过X射线光电子能谱分析来进行的非晶质碳被膜的A/B值的测定＞
对实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜，采用针对图5A和图5B说明过的方法测定了非晶质碳被膜的A/B值。其结果示于表1。另外，在图8中示出形成实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜时的电子束功率(输出功率)与A/B值的关系。
＜球盘摩擦磨损试验＞
使用图6B所示的试验机进行了球盘摩擦磨损试验。具体而言，准备了成为实施例1～3和比较例1～7涉及的滑动构件的球试样61B和盘试样62B。具体而言，在直径8mm的由轴承钢(SUJ2：JIS标准)构成的球体的表面、和与该表面滑动的由轴承钢(SUJ2：JIS标准)构成的盘的表面，形成了与实施例1～3和比较例1～7对应的非晶质碳被膜。
接着，如图6B所示，将固定于球座63B的球试样61B固定在贴附有应变片64B的梁65B。将盘试样62B浸渍于润滑油66B(PAO4)中，使梁65B向铅垂方向移动，使球试样61B的顶端与固定在旋转台69B上的盘试样62B的表面接触，从而赋予垂直载荷。再者，将垂直载荷设为0.3N(Hertz的最大接触面压力约为320MPa)，将滑动速度设为15.7m/s，在滑动面存在润滑油66B(PAO4)的室温环境下(23℃)下，实施了该试验。用测力传感器(load cell)67B测定此时的摩擦力，由摩擦力除以垂直载荷所得到的值来算出实施例1～3和比较例1～7涉及的滑动构件的摩擦系数。
在这些摩擦系数之中，表1示出在含有氮的非晶质碳被膜(CNx膜)的成膜中使电子束功率变化了的实施例1～3和比较例1～4的摩擦系数的值。表1所示的摩擦系数，是在将盘试样62B的旋转转数作为摩擦循环次数时在第500次循环的摩擦循环次数下的摩擦系数的值。
另外，图9示出实施例1和比较例3～7涉及的滑动构件的摩擦系数的波形，图10示出形成实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜时的电子束功率(输出功率)与滑动构件的摩擦系数的关系。图11示出实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜的A/B值与滑动构件的摩擦系数的关系。
＜氮原子的含量的测定＞
利用上述的X射线光电子能谱分析装置测定了实施例1～3和比较例1～4涉及的滑动构件的非晶质碳被膜中所含的氮原子的含量。其结果示于表1。
(结果1：膜硬度与电子束功率的关系)
如表1和图7所示，当形成非晶质碳被膜时的电子束功率为10W～30W的范围时，随着电子束功率的增加，所形成的非晶质碳被膜的膜硬度增加。另外，可知：当电子束功率为30W以上时，膜硬度变为约13GPa左右。
这是因为，在电子束功率为10W、20W的比较例1和2中，成膜时的电子束功率不充分，因此蒸镀成为非晶质碳被膜的碳原子不会以充分的能量与基材碰撞。因此认为：在比较例1和2中，非晶质碳被膜的膜硬度不充分，磨损深度的值与其他例子相比变大。从这样的方面出发，形成滑动构件的非晶质碳被膜时的电子束功率(输出功率)为30W以上。
(结果2：电子束与A/B的关系)
如表1以及图8所示，随着电子束功率的增加，非晶质碳被膜的A/B值减少。认为这是由于：随着电子束功率的增加，碳的离子能量变高，氮原子与碳原子的双键增加，即，二配位的氮原子增加了。
(结果3：对于摩擦系数的关系)
如图9所示，实施例1、比较例3～7涉及的滑动构件的摩擦系数，随着滑动时间的经过(随着摩擦循环数的增加)，因跑合效应(habituation effect)而降低。特别是实施例1涉及的滑动构件的摩擦系数，在第500次循环的摩擦循环数下显示出摩擦系数为0.01以下的超低摩擦。但是可知：电子束功率脱离了本发明的范围的比较例3、4、以及采用其他的成膜方法进行成膜的比较例5～7，与实施例1相比，摩擦系数变大。
(结果4：电子束功率与摩擦系数的关系、A/B值与摩擦系数的关系)
如图10所示，在实施例1～3的、成膜时的电子束功率为30～50W的范围中，滑动构件的摩擦系数与其他的例子相比较小。认为这是由于：在成膜时的电子束功率低于30W的比较例1(10W)和比较例2(20W)中，由于膜强度低，因此随着非晶质碳被膜的磨损，摩擦系数增加了。因此，如上述所示，成膜时的电子束功率需要为30W以上，在该范围内形成的非晶质碳被膜的A/B值为18以下(参照图11)。
另一方面，如图10所示，在成膜时的电子束功率超过50W的比较例3(60W)和比较例4(63W)中，随着电子束功率的增加，碳的离子能量变高。由此，非晶质碳被膜中的碳与氢的双键的数量增加，二配位的氮原子增加。认为这样的结果是由于：如图4等所说明的那样，生成小尺寸的石墨烯，妨碍石墨烯彼此本来所具有的低剪切性的特性，比较例3和4涉及的滑动构件的摩擦系数变得大于实施例1～3涉及的滑动构件的摩擦系数。因此，成膜时的电子束功率需要为50W以下，在该范围内形成的非晶质碳被膜的A/B值为10以上(参照图11)。
在此，与实施例3相比，实施例2涉及的滑动构件的摩擦系数低。可以说这是由于：与实施例3相比，比较例2涉及的滑动构件的非晶质碳被膜中的二配位的氮原子被限制的缘故。因此，成膜时的电子束功率优选为40W以下，在该范围内形成的非晶质碳被膜的A/B值为15以上(参照图11)。
从以上所述来看，为了使滑动构件得到稳定的耐磨性和低摩擦特性，将成膜时的电子束的功率(输出功率)设定为30W～50W，优选设定为30W～40W。与此对应的非晶质碳被膜的A/B值为10～18，优选为15～18。形成有这样的非晶质碳被膜的滑动构件在润滑油中能够确保比以往更低的摩擦系数。认为其原因是：氮原子侵入到石墨的基底面，石墨的基底面彼此的间隔扩大，变为低剪切阻力。
以上采用本发明的实施方式进行了详细叙述，但是具体的构成并不限定于该实施方式和实施例，即使有不脱离本发明的主旨的范围内的设计变更，这些设计变更也包含在本发明中。

Claims (2)

1.一种滑动构件，其特征在于，是在基材的表面具有含有氮原子的非晶质碳被膜、并且在润滑油中滑动的滑动构件，
在将通过单键配位了3个碳原子的氮原子的个数记为A、将通过单键和双键配位了2个碳原子的氮原子的个数记为B时，根据通过对所述非晶质碳被膜进行X射线光电子能谱分析所得到的结合能与强度的波形，算出起因于所述个数A的值即波形wa的峰的面积、和起因于所述个数B的值即波形wb的峰的面积，根据所述波形wa的峰的面积相对于所述波形wb的峰的面积的比算出的所述非晶质碳被膜的A/B值为10以上且18以下。
2.一种滑动构件的制造方法，其特征在于，是制造在基材的表面具有含有氮原子的非晶质碳被膜、并且在润滑油中滑动的滑动构件的方法，
通过向所述基材的表面照射氮离子束，并且对碳靶照射电子束，从而一边使所述碳靶的一部分蒸镀于所述基材的表面，一边在所述基材的表面形成所述非晶质碳被膜，
对所述碳靶照射的电子束的输出功率为30W以上且50W以下。
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