JP2002348668A - Amorphous hard carbon film and manufacturing method therefor - Google Patents

Amorphous hard carbon film and manufacturing method therefor

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JP2002348668A
JP2002348668A JP2001157465A JP2001157465A JP2002348668A JP 2002348668 A JP2002348668 A JP 2002348668A JP 2001157465 A JP2001157465 A JP 2001157465A JP 2001157465 A JP2001157465 A JP 2001157465A JP 2002348668 A JP2002348668 A JP 2002348668A
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carbon film
film
hard carbon
amorphous hard
silicon oxide
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Masaki Moronuki
正樹 諸貫
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Riken Corp
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Riken Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve an initial conformability of an amorphous hard carbon film formed on the surface of a sliding member. SOLUTION: The amorphous hard carbon film includes silicon carbide and silicon oxide, and the silicon oxide content increases toward the film surface continuously or stepwise.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は耐摩耗性及び低摩擦
性を目的として摺動部品に適用する非晶質硬質炭素膜及
びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an amorphous hard carbon film applied to sliding parts for the purpose of abrasion resistance and low friction and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、工具、金型などの表面処理方
法として、金属材料表面に、めっき、窒化の他に、Ti
C、TiN等の金属炭化物、金属窒化物等の硬質膜を形
成するPVD法、CVD法などのコーティングを施して
耐摩耗性、耐焼付性を向上させている。ピストンリング
についても同様な表面処理が行われている(「トライボ
ロジスト」Vol44/No.3/1999,第160頁)。しかしなが
ら、これらの硬質膜のコーティング層はHv2000〜3
000と高硬度ではあるが、摩擦係数が0.2〜0.8
程度と大きいため、相手材との摩擦において摺動抵抗が
増加し、コーティング膜の摩耗、相手材の損傷といった
問題が生じる。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method for surface treatment of tools, dies, and the like, in addition to plating and nitriding,
Abrasion resistance and seizure resistance are improved by applying a coating such as a PVD method or a CVD method for forming a hard film of a metal carbide such as C or TiN or a metal nitride. A similar surface treatment is performed on the piston ring ("Tribologist", Vol. 44 / No. 3/1999, p. 160). However, the coating layer of these hard films is Hv2000-3.
000, but the coefficient of friction is 0.2-0.8
Due to the large degree, the sliding resistance increases due to friction with the mating material, and problems such as wear of the coating film and damage to the mating material occur.

【0003】プラズマやイオンビームを用いたCVD法
などにより形成される非晶質硬質炭素膜はHV約2000
〜6000と高い硬度を示すことから、耐摩耗性の良い
硬質コーティング材として注目されている。非晶質硬質
炭素膜はアモルファスカーボン膜、ダイヤモンドライク
カーボン膜、i−カーボン膜、水素化アモルファスカー
ボン膜(a−C:H)等とも呼ばれ、非晶質(アモルフ
ァス)状の炭素と水素が主体の膜である。本発明におい
て、硬質とは相手材より硬度が高いことであり、特にHv
1500以上の硬度を有する物質である。
An amorphous hard carbon film formed by a CVD method using a plasma or an ion beam has a HV of about 2,000.
Since it shows a high hardness of up to 6000, it is attracting attention as a hard coating material having good wear resistance. The amorphous hard carbon film is also called an amorphous carbon film, a diamond-like carbon film, an i-carbon film, a hydrogenated amorphous carbon film (aC: H), or the like. It is the main membrane. In the present invention, hard means that the hardness is higher than the counterpart material, especially Hv
It is a substance having a hardness of 1500 or more.

【0004】特開平3−240957では、炭素と水素
を主成分とする非晶質炭素薄膜に珪素質を含有させるこ
とにより、疑似ダイヤモンドを含み、高硬度でかつ0.
05以下の非常に低い摩擦係数を有する硬質非晶質炭素
―水素―珪素系薄膜が開示されている。しかしながら、
硬質の炭化珪素が膜中に含有されており、高硬度で耐摩
耗性に優れるが、反面摺動初期の馴染み性が悪いという
問題がある。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-240957, silicon is contained in an amorphous carbon thin film containing carbon and hydrogen as main components, so that it contains pseudo diamond and has a high hardness and a high hardness of 0.1 mm.
A hard amorphous carbon-hydrogen-silicon based thin film having a very low coefficient of friction of not more than 05 is disclosed. However,
Although hard silicon carbide is contained in the film, it has high hardness and excellent abrasion resistance, but has a problem of poor adaptability at the initial stage of sliding.

【0005】次に、特開平7−54150には、珪素及
び窒素を適量含有した非晶質硬質炭素膜は基材との密着
性に優れ、耐摩耗性と摺動特性(摩擦係数)も優れてい
ることが開示されている。この非晶質硬質炭素膜中の珪
素及び窒素の含有量は、良好な密着性と耐摩耗性を得る
という観点から決められている。
[0005] Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-54150 discloses that an amorphous hard carbon film containing an appropriate amount of silicon and nitrogen has excellent adhesion to a substrate, excellent wear resistance and excellent sliding characteristics (friction coefficient). Is disclosed. The contents of silicon and nitrogen in the amorphous hard carbon film are determined from the viewpoint of obtaining good adhesion and wear resistance.

【0006】さらに、特開昭62−157602では珪
素などの金属元素を含有する非晶質炭素膜が開示されて
いる。この公報によると、珪素などの金属元素を適量添
加することにより内部応力を緩和し、密着性の良い高硬
度の膜とすることができるが、摩擦係数については言及
されていない。
Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-157602 discloses an amorphous carbon film containing a metal element such as silicon. According to this publication, the internal stress can be reduced by adding an appropriate amount of a metal element such as silicon to provide a film having high adhesion and high hardness, but no mention is made of the coefficient of friction.

【0007】上述のように非晶質硬質炭素膜は、摺動部
材への適用も検討されているが、初期馴染みについての
考察はされていない。即ち、非晶質硬質炭素膜形成後の
表面に、膜厚が厚いと多くの微小突起が発生する。特
に、スパッタ法などにより形成された非晶質硬質炭素膜
では多数の微小突起が発生する傾向が見られる。突起の
大きさは最大で高さ2μmを越えるような場合もある。
このように微小な突起がある表面をもった非晶質硬質炭
素膜を相手材に対して摺動させると、摺動の初期段階で
摩擦力が大きくなり、相手材を攻撃して摩耗させ、その
反面自身の馴染み面が形成され難いという問題が発生す
る。
As described above, application of the amorphous hard carbon film to a sliding member has been studied, but no consideration has been given to the initial familiarity. That is, when the film thickness is large, many fine protrusions are generated on the surface after the formation of the amorphous hard carbon film. In particular, a large number of microprojections tend to be generated in an amorphous hard carbon film formed by a sputtering method or the like. The size of the projection may exceed 2 μm in height at the maximum.
When the amorphous hard carbon film having the surface with such minute projections is slid with respect to the mating material, the frictional force increases in the initial stage of sliding, and the mating material is attacked and worn, On the other hand, there is a problem that it is difficult to form a familiar surface.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】一般に摺動部品におい
ては使用環境下において耐摩耗性、耐焼付性、摩擦係数
が重要である。非晶質硬質炭素膜をコーティングした摺
動部品は摩擦係数が小さく、耐摩耗性、耐焼付性に優れ
た特性を示すので、摺動部品として優れた性能が発揮さ
れる前提は整っている。ピストンリングにおいては、外
周摺動面に非晶質硬質炭素膜をコーティングするとシリ
ンダー内面との摩擦力を低減することができる。一方で
ピストンリングではすなわちシリンダー内面との間の気
密性を確保するため、摺動初期にピストンリングとシリ
ンダーがお互いに摩耗してなじむ初期馴染み性が重要で
ある。ところが前述のような微小な突起が非晶質硬質炭
素膜表面にあると、初期馴染み性が著しく損なわれてし
まうという問題があった。本発明は、かかる問題点に鑑
みなされたものであって、初期馴染み性に優れた非晶質
硬質炭素膜を及びその製造方法を提供することを目的と
する。
Generally, in a sliding part, abrasion resistance, seizure resistance and a coefficient of friction are important in a use environment. A sliding component coated with an amorphous hard carbon film has a small coefficient of friction and exhibits excellent properties such as abrasion resistance and seizure resistance. In the piston ring, the frictional force with the cylinder inner surface can be reduced by coating the outer peripheral sliding surface with an amorphous hard carbon film. On the other hand, in the piston ring, that is, in order to ensure airtightness between the inner surface of the cylinder and the piston ring, it is important that the piston ring and the cylinder wear each other at an initial stage of sliding and adapt to each other. However, when the minute projections as described above are present on the surface of the amorphous hard carbon film, there is a problem that the initial familiarity is significantly impaired. The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide an amorphous hard carbon film having excellent initial familiarity and a method for producing the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明はかかる問題点を
解決すべくなされたものであって、炭素と水素を主成分
とする非晶質硬質炭素膜において、該膜中に炭化珪素及
び酸化珪素を含有し、膜内部より該膜表面に向かって変
化する酸化珪素含有量の最大位置が膜表面にあり、かつ
最小(0%を含む)位置が膜の内部にあり、好ましくは
酸化珪素含有量が、連続的或いは段階的に増加している
ことを特徴とする非晶質硬質炭素膜である。本発明に係
る第一の方法は、炭化水素ガス、有機珪素化合物ガス及
び酸素を含むチャンバー内に配置された基板と電極の間
にプラズマを発生させ、前記基板上に炭化珪素及び酸化
珪素を含有する非晶質硬質炭素膜を形成するプラズマC
VD法において、成膜中に炭化水素ガス、有機珪素化合
物ガスに対する前記酸素の割合を変化させることによっ
て、非晶質硬質炭素膜を製造する。本発明の第二の方法
は、炭化水素ガス及び有機珪素酸素化合物ガスを含むチ
ャンバー内に配置された基板と電極の間にプラズマを発
生させ、前記基板上に炭化珪素及び酸化珪素を含有する
非晶質硬質炭素膜を形成するプラズマCVD法におい
て、成膜中に前記炭化水素ガスに対する前記有機珪素酸
素化合物ガスの割合を変化させることによって、上記非
晶質硬質炭素膜を製造する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an amorphous hard carbon film containing carbon and hydrogen as main components. The maximum position of the silicon oxide content which contains silicon and changes from the inside of the film toward the film surface is located on the film surface, and the minimum position (including 0%) is located inside the film. An amorphous hard carbon film characterized in that the amount increases continuously or stepwise. The first method according to the present invention includes the steps of: generating plasma between a substrate and an electrode disposed in a chamber containing a hydrocarbon gas, an organosilicon compound gas, and oxygen; and containing silicon carbide and silicon oxide on the substrate. C to form an amorphous hard carbon film
In the VD method, an amorphous hard carbon film is manufactured by changing the ratio of the oxygen to the hydrocarbon gas and the organic silicon compound gas during the film formation. According to a second method of the present invention, a plasma is generated between a substrate and an electrode disposed in a chamber containing a hydrocarbon gas and an organic silicon oxygen compound gas, and a plasma containing silicon carbide and silicon oxide is formed on the substrate. In the plasma CVD method for forming the amorphous hard carbon film, the amorphous hard carbon film is manufactured by changing the ratio of the organic silicon oxygen compound gas to the hydrocarbon gas during the film formation.

【0010】[0010]

【作用】上述の従来技術の問題点について以下のように
着眼し本発明に至った。すなわち、炭素系材料の膜の硬
質性、耐摩耗性及び低摩擦係数性質は次のとおりであ
る。ダイヤモンドは低摩擦係数を有し、高硬度でありか
つ非常に耐摩耗性に優れているが、仕上げが困難であ
り、相手材の攻撃性が強い。一方グラファイトは潤滑性
を有するが、耐摩耗性に問題がある。最近開発された非
晶質炭素膜は比較的高硬度で低摩擦係数であることが知
られているが、基材上に非晶質炭素膜を形成する場合に
炭素系材料だけでは密着性が十分でなく、内部応力が大
きいために厚膜化が困難である。ピストンリングなど過
酷な条件下で使用される自動車用摺動部品においては十
分な耐久性を確保するために、最低でも数ミクロン程度
の膜厚が必要であるので、炭素、水素を主成分とし、厚
膜化が困難な非晶質炭素膜は実用化ができない。このよ
うな背景の下に非晶質硬質炭素膜の成膜中に珪素を添加
することにより膜応力が緩和され、厚膜化が可能となる
ことに着目した。
The present invention has been accomplished by focusing on the above-mentioned problems of the prior art as follows. That is, the hardness, wear resistance, and low friction coefficient properties of the carbon-based material film are as follows. Diamond has a low coefficient of friction, is high in hardness, and has excellent wear resistance, but is difficult to finish and has a high aggressiveness of a mating material. On the other hand, graphite has lubricity, but has a problem in abrasion resistance. It is known that the recently developed amorphous carbon film has relatively high hardness and low friction coefficient. It is not sufficient, and it is difficult to increase the film thickness because the internal stress is large. In automotive sliding parts used under severe conditions such as piston rings, a film thickness of at least several microns is required to ensure sufficient durability, so carbon and hydrogen are the main components. An amorphous carbon film, which is difficult to make thick, cannot be put to practical use. Under such a background, attention has been paid to the fact that by adding silicon during the formation of the amorphous hard carbon film, the film stress is relieved and the film can be made thicker.

【0011】さらに、微量の珪素を含有した非晶質硬質
炭素膜の成膜中に酸素を加えることにより膜中にSiO
2が形成され、摩擦係数、硬度を変化させることができ
ることに着目した。即ち、膜中のSiO2量が多いと摩
擦係数が低下するために、膜表面のSiO2量を最も多
くすると、硬度が低下し、軟質の膜となるため膜表面に
微小凹凸が形成されたとしても、この微小凹凸はすぐに
摩耗してしまうために相手材とすぐに馴染む。一方、馴
染み面が形成された後は耐摩耗性及び耐焼付性が重要と
なるので、膜の内部では、これらの性質が良好になりか
つ高硬度が得られるように、SiO2量を少なくする
か、あるいはSiO2が含まれないようにする。
Further, by adding oxygen during the formation of the amorphous hard carbon film containing a trace amount of silicon, SiO 2
It was noted that No. 2 was formed, and the friction coefficient and hardness could be changed. That is, since the friction coefficient is large amount of SiO 2 in the film decreases, when most of the SiO 2 content of the membrane surface, hardness is decreased, fine irregularities are formed on the film surface for a soft film Even so, the minute irregularities are quickly worn away, so that they easily become compatible with the mating material. On the other hand, after the familiar surface is formed, abrasion resistance and seizure resistance are important. Therefore, inside the film, the amount of SiO 2 is reduced so that these properties become good and high hardness is obtained. Or not containing SiO 2 .

【0012】このような酸化珪素を含有する非晶質硬質
炭素膜を形成する第1の方法としては、炭化水素、有機
珪素化合物と酸素を用いる方法があり、炭化水素材料と
してメタン、アセチレン、ベンゼン、トルエンからなる
群から選ばれた1種以上を使用する。また、有機珪素化
合物としてテトラメチルシラン、テトラエチルシランか
らなる群から選ばれた1以上のものを使用する。酸化珪
素を含有する非晶質硬質炭素膜を形成する第2の方法と
しては、炭化水素、有機珪素酸素化合物を用いる方法が
ある。この場合には炭化水素材料としてメタン、アセチ
レン、ベンゼン、トルエンからなる群から選ばれた1以
上のものを使用し、有機珪素酸素化合物としてペンタフ
ェニル−トリメチル−シロキサン、テトラフェニル−テ
トラメチル−トリシロキサンからなる群から選ばれた1
種以上のものを使用する。
As a first method of forming such an amorphous hard carbon film containing silicon oxide, there is a method using a hydrocarbon, an organic silicon compound and oxygen, and methane, acetylene, benzene is used as a hydrocarbon material. And at least one selected from the group consisting of toluene. In addition, one or more compounds selected from the group consisting of tetramethylsilane and tetraethylsilane are used as the organic silicon compound. As a second method for forming an amorphous hard carbon film containing silicon oxide, there is a method using a hydrocarbon and an organic silicon oxygen compound. In this case, at least one selected from the group consisting of methane, acetylene, benzene, and toluene is used as the hydrocarbon material, and pentaphenyl-trimethyl-siloxane, tetraphenyl-tetramethyl-trisiloxane is used as the organic silicon oxygen compound. 1 selected from the group consisting of
Use more than species.

【0013】本発明の非晶質硬質炭素膜は優れた密着
性、耐摩耗性に加えて優れた初期馴染み性を有する。適
量の珪素を含有した非晶質硬質炭素膜において酸素添加
量を変化させると膜硬度、摩擦係数は下表に示すように
変化する。
The amorphous hard carbon film of the present invention has excellent initial conformability in addition to excellent adhesion and abrasion resistance. When the amount of added oxygen is changed in the amorphous hard carbon film containing an appropriate amount of silicon, the film hardness and the coefficient of friction change as shown in the following table.

【0014】[0014]

【表1】 [Table 1]

【0015】表1の非晶質硬質炭素膜は、水素含有量が
30〜50at%、水素を除いた残りの組成で炭素が90
at%以上、珪素を5at%未満、酸素が表に示した値の組
成を有する。この非晶質硬質炭素膜は炭化珪素及び酸化
珪素を含む。酸素添加量を2〜5at%とすることで膜硬
度をHv1500〜1000程度とすることができ、さら
に摩擦係数も小さいため、優れた初期馴染み性を付与す
ることができる。
The amorphous hard carbon film shown in Table 1 has a hydrogen content of 30 to 50 at% and a carbon content of 90% in the remaining composition excluding hydrogen.
At% or more, less than 5 at% of silicon, and oxygen have the compositions shown in the table. This amorphous hard carbon film contains silicon carbide and silicon oxide. By setting the oxygen addition amount to 2 to 5 at%, the film hardness can be set at about Hv 1500 to 1000 and the coefficient of friction is small, so that excellent initial adaptability can be imparted.

【0016】[0016]

【実施例】以下、図面に示す実施例についてさらに詳細
に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The embodiments shown in the drawings will be described below in more detail.

【0017】実施例1(酸素添加、ステップ状) 図1は本実施例による非晶質硬質炭素膜の層構造を模式
的に示したものである。この層構造では、基材1として
SKH51材を使用し、RFマグネトロンスパッタリング法に
よりクロム中間層2を形成し、その後プラズマCVD法に
より高硬度で耐摩耗性の非晶質炭素膜上層3を形成し、
連続して酸素ガスを添加することにより低硬度で摩擦係
数の極めて低い非晶質炭素膜上層4を形成する。
Example 1 (addition of oxygen, step shape) FIG. 1 schematically shows the layer structure of an amorphous hard carbon film according to this example. In this layer structure, the substrate 1
Using SKH51 material, a chromium intermediate layer 2 is formed by RF magnetron sputtering, and then a high hardness, wear-resistant amorphous carbon film upper layer 3 is formed by plasma CVD,
By continuously adding oxygen gas, the amorphous carbon film upper layer 4 having low hardness and extremely low friction coefficient is formed.

【0018】図2は本発明による非晶質硬質炭素膜を作
製するための装置を模式的に示したものである。真空チ
ャンバー11の中央に配設した回転機構(図示せず)付
きの基板ホルダー12上に試料13(SKH51基材)を置
き、真空チャンバー11内を排気口14に接続された真
空ポンプ(図示せず)により、到達真空度9.3E-5Pa(7.
0E−7torr)まで排気する。
FIG. 2 schematically shows an apparatus for producing an amorphous hard carbon film according to the present invention. A sample 13 (SKH51 base material) is placed on a substrate holder 12 having a rotation mechanism (not shown) provided in the center of the vacuum chamber 11, and a vacuum pump (not shown) connected to the exhaust port 14 in the vacuum chamber 11. ), The ultimate vacuum degree is 9.3E-5Pa (7.
Exhaust to 0E-7 torr).

【0019】次にガス導入口15によりアルゴンガスを
所定流量導入して真空チャンバー(11)内の圧力を0.
665Pa(5mtorr)に調整する。そして基板ホルダー12
に接続したバイアス電源19から試料13に13.56MHzの
高周波電力(RF電力)を印加して、プラズマ放電を励
起する。このようにして励起されたアルゴンイオンのイ
オン衝撃による試料13のクリーニングを行う。
Next, a predetermined flow rate of argon gas is introduced through the gas inlet 15 to reduce the pressure in the vacuum chamber (11) to 0.1.
Adjust to 665Pa (5mtorr). And the substrate holder 12
A high frequency power (RF power) of 13.56 MHz is applied to the sample 13 from the bias power supply 19 connected to the sample to excite the plasma discharge. The sample 13 is cleaned by the ion bombardment of the argon ions excited in this manner.

【0020】次に、アルゴンガスの流量を増やして真空
チャンバー(11)内圧力を1.33Paに調整した後、シャ
ッター18を閉じた状態でクロムターゲット17にター
ゲットバイアス電源16からRF電力を印加してプリス
パッタを所定時間行い、続いてシャッター18を開けて
試料13の表面に厚さ1μm程度のクロム中間層2を形
成する。クロム中間層2形成後はシャッター18を再び
閉じて、アルゴンガスを止める。
Next, after increasing the flow rate of the argon gas to adjust the pressure in the vacuum chamber (11) to 1.33 Pa, RF power is applied to the chromium target 17 from the target bias power supply 16 with the shutter 18 closed. Presputtering is performed for a predetermined time, and then the shutter 18 is opened to form a chromium intermediate layer 2 having a thickness of about 1 μm on the surface of the sample 13. After the formation of the chromium intermediate layer 2, the shutter 18 is closed again to stop the argon gas.

【0021】次に真空チャンバー11内にアセチレン
(C2H2)ガス、テトラメチルシラン(TMS)ガスを所定
流量導入し、圧力を1.33Pa(10mtorr)に調整す
る。この状態で基板ホルダー12を介してバイアス電源
19から試料13にRF電力を印加してプラズマを発生
させ、発生したイオンにより非晶質炭素膜を形成する。
このときアセチレンとテトラメチルシランの流量比を調
整して、Si/(Si+C)比を5以下とすることにより、高硬
度で耐摩耗性に優れた厚さが8μmの非晶質炭素膜上層
3を形成することができる。尚、Si/(Si+C)比を4とす
れば、膜の硬度をHv2500程度とすることができ、ピ
ストンリングの表面処理としてFC250などの鋳鉄材料に
対して耐摩耗性に優れた好適な硬さとすることができ
る。
Next, acetylene (C 2 H 2 ) gas and tetramethylsilane (TMS) gas are introduced into the vacuum chamber 11 at predetermined flow rates, and the pressure is adjusted to 1.33 Pa (10 mtorr). In this state, RF power is applied from the bias power supply 19 to the sample 13 via the substrate holder 12 to generate plasma, and the generated ions form an amorphous carbon film.
At this time, by adjusting the flow rate ratio of acetylene and tetramethylsilane so that the Si / (Si + C) ratio is 5 or less, the amorphous carbon film having a high hardness and excellent wear resistance and a thickness of 8 μm is formed. The upper layer 3 can be formed. If the Si / (Si + C) ratio is set to 4, the hardness of the film can be set to about Hv 2500, and the piston ring surface treatment is excellent in wear resistance to cast iron materials such as FC250. Hardness can be used.

【0022】次にバイアス電源19から試料13に連続
的にRF電力を印加した状態、すなわち真空チャンバー1
1内に連続的にプラズマを形成した状態において、アセ
チレン、テトラメチルシランに加えて酸素ガスを少量添
加することにより非晶質炭素膜上層3とは性質の異なる
非晶質炭素膜表層4を2μm形成する。このときアセチ
レンとテトラメチルシランの流量比でSi/(Si+C)比=5
とし、酸素添加量を2〜5%とすることにより、硬度Hv
1000〜1500で摩擦係数が0.05程度の非晶質
炭素膜表層4を形成することができる。このような手順
により形成された非晶質硬質炭素膜中の酸化珪素含有量
は図3に示すようにステップ状に変化していた。なお、
膜表面には約1μmの微小突起が発生していた。
Next, a state where RF power is continuously applied to the sample 13 from the bias power source 19, that is, the vacuum chamber 1
In a state where plasma is continuously formed in the amorphous carbon film 1, a small amount of oxygen gas is added in addition to acetylene and tetramethylsilane to form an amorphous carbon film surface layer 4 having a property different from that of the amorphous carbon film upper layer 3 by 2 μm. Form. At this time, the Si / (Si + C) ratio = 5 by the flow ratio of acetylene and tetramethylsilane.
By setting the oxygen addition amount to 2 to 5%, the hardness Hv
The amorphous carbon film surface layer 4 having a coefficient of friction of about 0.05 at 1000 to 1500 can be formed. The silicon oxide content in the amorphous hard carbon film formed by such a procedure changed stepwise as shown in FIG. In addition,
Micro-projections of about 1 μm were formed on the film surface.

【0023】実施例2(酸素添加、勾配状) 実施例1では酸素添加せずに上層3を形成した後に酸素
添加した表層4を形成したが、上層3の形成開始直後か
ら酸素分圧を徐々に上げていくことにより図4に示した
ように、膜中の酸化珪素含有量を傾斜させても良い。な
お、膜表面には約1μmの微小突起が発生していた。
Example 2 (addition of oxygen, gradient) In Example 1, the upper layer 3 was formed without adding oxygen, and then the oxygen-added surface layer 4 was formed. As shown in FIG. 4, the silicon oxide content in the film may be inclined by increasing the film thickness. In addition, micro projections of about 1 μm were generated on the film surface.

【0024】実施例3(珪素酸素含有化合物を使用) 珪素酸素含有化合物を使用する場合には、イオンビーム
アシストデポジション法により非晶質硬質炭素膜を基板
上に堆積させる。実施例1と同様にアルゴンイオンによ
るクリーニングを行い、クロムスパッタにより中間層を
形成した後、イオンビームデポジション法により炭化水
素及び珪素酸素含有化合物ベーパーにアルゴンイオンを
照射することにより炭化珪素、酸化珪素を含有した非晶
質硬質炭素膜を形成する。このとき炭化水素ガスの流量
を変えることにより,酸素含有量を変化させることが出
来る。尚、珪素酸素含有化合物としては拡散ポンプ用シ
リコンオイルとして使用されているペンタフェニル−ト
リメチル−シロキサン(Si3O2C33H32nやテトラフェニ
ル−テトラメチル−トリシロキサン(商品名:ダウコー
ニング704)などが使用できる。なお、膜表面には1
μmの微小突起が発生していた。
Example 3 (using a silicon-oxygen-containing compound) When a silicon-oxygen-containing compound is used, an amorphous hard carbon film is deposited on a substrate by an ion beam assisted deposition method. After cleaning with argon ions and forming an intermediate layer by chromium sputtering in the same manner as in Example 1, the hydrocarbon and silicon-oxygen-containing compound vapor is irradiated with argon ions by ion beam deposition to obtain silicon carbide and silicon oxide. To form an amorphous hard carbon film. At this time, the oxygen content can be changed by changing the flow rate of the hydrocarbon gas. As the silicon-oxygen-containing compound, pentaphenyl-trimethyl-siloxane (Si 3 O 2 C 33 H 32 ) n and tetraphenyl-tetramethyl-trisiloxane (trade name: Dow Corning) used as silicon oil for diffusion pumps 704) can be used. In addition, 1
μm microprojections were generated.

【0025】比較例1(酸化珪素無し) 図5は本発明による効果を確認するために作製した比較
例の膜構造について示したものである。基材1上に実施
例1と同様にしてスパッタリングによるクロム中間層2
を形成し、その上に非晶質硬質炭素膜上層3を形成す
る。なお、膜表面には1μmの微小突起が発生してい
た。
Comparative Example 1 (Without Silicon Oxide) FIG. 5 shows a film structure of a comparative example manufactured to confirm the effect of the present invention. Chromium intermediate layer 2 formed on substrate 1 by sputtering in the same manner as in Example 1.
Is formed, and an amorphous hard carbon film upper layer 3 is formed thereon. In addition, micro projections of 1 μm were generated on the film surface.

【0026】図6は本発明による実施例1及び実施例2
と比較例11とのピンオンディスク式のスカッフ試験の
結果について示したものである。試験条件は周速8m/
secで荷重を1-30MPa まで.2MPaステップで30se
c保持しながら段階的に増加させていった。オイルはモ
ーターオイルP#20を80℃に加熱して使用した。
FIG. 6 shows Embodiments 1 and 2 according to the present invention.
9 shows the results of a pin-on-disk scuff test of Comparative Example 11 and Comparative Example 11. The test condition was a peripheral speed of 8m /
Load from 1 to 30MPa in sec. 30 sec in 2MPa step
c and gradually increased. The oil used was motor oil P # 20 heated to 80 ° C.

【0027】[0027]

【発明の効果】図6から明らかなように上層の無い比較
例では摺動の初期段階での摩擦係数のピークが大きく、
初期馴染み性が悪いが、本発明による実施例1及び実施
例2ではこの摺動初期の摩擦係数のピークが小さくなっ
ており、初期馴染み性が向上していることがわかる。す
なわち上層において珪素含有量を5%未満として酸素添
加量を2〜5%とすることにより初期馴染み性にすぐれ
た非晶質硬質炭素膜とすることができる。このような膜
は同一プロセスで膜硬度を変化させることにより複合化
が容易にできるため、密着性にも優れ、別途表面処理す
る必要が無くピストンリングなどの摺動部品用の表面処
理として好適である。
As is apparent from FIG. 6, in the comparative example having no upper layer, the peak of the coefficient of friction in the initial stage of sliding is large,
Although the initial familiarity is poor, in Examples 1 and 2 according to the present invention, the peak of the friction coefficient at the initial stage of the sliding is small, and it can be seen that the initial familiarity is improved. That is, by setting the silicon content in the upper layer to less than 5% and the oxygen addition amount to 2 to 5%, an amorphous hard carbon film having excellent initial compatibility can be obtained. Since such a film can be easily formed into a composite by changing the film hardness in the same process, it has excellent adhesiveness, and does not require a separate surface treatment, and is suitable as a surface treatment for sliding parts such as a piston ring. is there.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例による非晶質硬質炭素膜の膜構
造について示した図である。
FIG. 1 is a view showing a film structure of an amorphous hard carbon film according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の非晶質硬質炭素膜を形成するための装
置について示した図である。
FIG. 2 is a view showing an apparatus for forming an amorphous hard carbon film of the present invention.

【図3】本発明による非晶質硬質炭素膜中の酸化珪素含
有量について示した図である。
FIG. 3 is a diagram showing a silicon oxide content in an amorphous hard carbon film according to the present invention.

【図4】本発明による非晶質硬質炭素膜中の酸化珪素含
有量について示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing a silicon oxide content in an amorphous hard carbon film according to the present invention.

【図5】従来例による非晶質硬質炭素膜の膜構造につい
て示した図である。
FIG. 5 is a view showing a film structure of an amorphous hard carbon film according to a conventional example.

【図6】実施例1,2及び比較例の摩擦係数の変化を示
すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing changes in friction coefficients of Examples 1, 2 and Comparative Example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・基材 2・・・中間層 3・・・上層 4・・・表層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base material 2 ... Middle layer 3 ... Upper layer 4 ... Surface layer

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭素と水素を主成分とする非晶質硬質炭
素膜において、該膜中に炭化珪素及び酸化珪素を含有
し、該酸化珪素含有量が膜内部より膜表面に向かって変
化しており、最大酸化珪素含有量位置が膜表面にあり、
かつ最小酸化珪素含有量(ゼロ%を含む)が膜内部にあ
ることを特徴とする非晶質硬質炭素膜。
1. An amorphous hard carbon film containing carbon and hydrogen as main components, wherein the film contains silicon carbide and silicon oxide, and the silicon oxide content changes from the inside of the film toward the film surface. The maximum silicon oxide content position is on the film surface,
An amorphous hard carbon film having a minimum silicon oxide content (including 0%) inside the film.
【請求項2】 前記酸化珪素含有量の変化が連続的或い
は段階的増加であることを特徴とする請求項1記載の非
晶質硬質炭素膜。
2. The amorphous hard carbon film according to claim 1, wherein the change in the silicon oxide content is a continuous or stepwise increase.
【請求項3】 炭化水素ガス、有機珪素化合物ガス及び
酸素を含むチャンバー内に配置された基板と電極の間に
プラズマを発生させ、前記基板上に炭化珪素及び酸化珪
素を含有する非晶質硬質炭素膜を形成するプラズマCV
D法において、成膜中に前記炭化水素ガス、前記有機珪
素化合物ガスに対する前記酸素の割合を変化させること
によって、請求項1又は2記載の非晶質硬質炭素膜を製
造する方法。
3. A plasma is generated between an electrode and a substrate disposed in a chamber containing a hydrocarbon gas, an organic silicon compound gas and oxygen, and an amorphous hard material containing silicon carbide and silicon oxide is formed on the substrate. Plasma CV forming carbon film
The method for producing an amorphous hard carbon film according to claim 1 or 2, wherein in the method D, the ratio of the oxygen to the hydrocarbon gas and the organic silicon compound gas is changed during film formation.
【請求項4】 炭化水素ガス及び有機珪素酸素化合物を
含むチャンバー内に配置された基板と電極の間にプラズ
マを発生させ、前記基板上に炭化珪素及び酸化珪素を含
有する非晶質硬質炭素膜を形成するプラズマCVD法に
おいて、成膜中に前記炭化水素ガスに対する前記有機珪
酸素化合物の割合を変化させることによって、請求項1
又は2記載の非晶質硬質炭素膜を製造する方法。
4. An amorphous hard carbon film containing silicon carbide and silicon oxide on a substrate by generating plasma between an electrode and a substrate disposed in a chamber containing a hydrocarbon gas and an organic silicon oxygen compound. 2. The method according to claim 1, wherein the ratio of the organic silicic acid compound to the hydrocarbon gas is changed during the film formation in the plasma CVD method for forming the gas.
Or a method for producing an amorphous hard carbon film according to 2.
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