JP2013253291A - Sliding member and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a sliding member in which friction in lubricating oil is sufficiently reduced; and a method of manufacturing the sliding member.SOLUTION: A member that slides under the presence of lubricating oil includes: a base material; and a carbon film disposed at a part that slides with a mating member in the base material, wherein in the carbon film, a ratio of a carbon-hydrogen bond to a carbon-carbon bond is less than 0.59 in a surface thereof. In addition, in the carbon film, a ratio of an sp3 carbon-hydrogen bond to an sp3 carbon-carbon bond is less than 0.57 in a surface thereof.

Description

本発明は摺動部材及びその製造方法に関し、特に潤滑油が存在する環境において用いられる摺動部材及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a sliding member and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a sliding member used in an environment where lubricating oil exists and a manufacturing method thereof.

摺動部材における摩擦を低減することは、摺動部材の寿命を延ばすだけでなく、エネルギー効率を向上させるためにも重要である。摺動部材における摩擦には、摺動部材の表面の特性が大きく影響する。さらに、内燃機関等の潤滑油中において摺動する機械部品は、潤滑油と摺動部材の表面との相互作用についても考慮する必要がある。   Reducing friction in the sliding member is important not only for extending the life of the sliding member but also for improving energy efficiency. The surface characteristics of the sliding member greatly affect the friction of the sliding member. Furthermore, mechanical parts that slide in lubricating oil such as an internal combustion engine need to consider the interaction between the lubricating oil and the surface of the sliding member.

摺動部材の摩擦を低減するために、摺動部材の表面にダイヤモンド様カーボン(DLC)膜等の硬質炭素皮膜を形成することが検討されている。さらに、潤滑油中における摺動部材の摩擦を低減するために、水素の含有量が少ないDLC膜を用いることも検討されている(例えば、特許文献1を参照。)。   In order to reduce the friction of the sliding member, it has been studied to form a hard carbon film such as a diamond-like carbon (DLC) film on the surface of the sliding member. Furthermore, in order to reduce the friction of the sliding member in the lubricating oil, the use of a DLC film having a low hydrogen content has been studied (for example, see Patent Document 1).

特開2000−297373号公報JP 2000-297373 A

しかしながら、潤滑油とDLC膜との相互作用は、DLC膜の表面状態によって大きく変化する。このため、DLC膜全体としての水素の含有量を制御したとしても、必要とする特性が得られるとは限らない。本願発明者らは、DLC膜の表面における炭素−水素結合(C−H)の状態が、潤滑油中における摩擦に大きな影響をおよぼすことを見出した。   However, the interaction between the lubricating oil and the DLC film varies greatly depending on the surface state of the DLC film. For this reason, even if the hydrogen content of the entire DLC film is controlled, the required characteristics are not always obtained. The inventors of the present application have found that the state of carbon-hydrogen bonds (C—H) on the surface of the DLC film greatly affects the friction in the lubricating oil.

本開示は、得られた知見に基づき、潤滑油中における摩擦を十分に低減した摺動部材を実現できるようにする。   The present disclosure makes it possible to realize a sliding member with sufficiently reduced friction in the lubricating oil based on the obtained knowledge.

本開示の摺動部材は、潤滑油の存在下において相手部材と摺動する摺動面と、摺動面に設けられた炭素質膜とを備え、炭素質膜は、その表面において、炭素−水素結合の炭素−炭素結合に対する比が0.59未満である。   The sliding member of the present disclosure includes a sliding surface that slides with a mating member in the presence of lubricating oil, and a carbonaceous film provided on the sliding surface. The ratio of hydrogen bonds to carbon-carbon bonds is less than 0.59.

本開示の摺動部材において、炭素質膜は、その表面において、sp3炭素−水素結合のsp3炭素−炭素結合に対する比が0.57未満であってもよい。 In the sliding member of the present disclosure, carbonaceous film, in its surface, sp 3 carbon - sp 3 carbon hydrogen bonds - the ratio carbon bonds may be less than 0.57.

本開示の摺動部材において、炭素質膜は、その表面において、sp2炭素−水素結合のsp2炭素−炭素結合に対する比が0.58未満であってもよい。 In the sliding member of the present disclosure, carbonaceous film, in its surface, sp 2 carbon - sp 2 carbon hydrogen bonds - the ratio carbon bonds may be less than 0.58.

本開示の摺動部材において、炭素質膜は、水素の含有量が2原子%以下であってもよい。   In the sliding member of the present disclosure, the carbonaceous film may have a hydrogen content of 2 atomic% or less.

本開示の摺動部材において、炭素質膜は、算術平均表面粗度Raが0.1μm以下であってもよい。   In the sliding member of the present disclosure, the carbonaceous film may have an arithmetic average surface roughness Ra of 0.1 μm or less.

本開示の摺動部材において、炭素質膜は、中間層を介して部材の表面の上に設けられていてもよい。   In the sliding member of the present disclosure, the carbonaceous film may be provided on the surface of the member via an intermediate layer.

本開示における第1の摺動部材の製造方法は、摺動部材の基材の表面に炭素質膜を形成する工程を備え、炭素質膜を形成する工程は、グラファイトをターゲットとし、スパッタリング電源を直流パルス電源とするスパッタリング法により行い、パルス電源の平均出力の絶対値を2.7Wcm-2以上とし、パルス電源のパルス周波数を250kHz以上、1MHz以下とし、パルス電源のデューティー比を15%よりも大きく、90%以下とし、表面における炭素−水素結合の炭素−炭素結合に対する比が0.59未満の炭素質膜を形成する。 The manufacturing method of the 1st sliding member in this indication is provided with the process of forming a carbonaceous film on the surface of the substrate of a sliding member, and the process of forming a carbonaceous film makes graphite a target, and uses a sputtering power supply. It is performed by a sputtering method using a DC pulse power supply, the absolute value of the average output of the pulse power supply is 2.7 Wcm -2 or more, the pulse frequency of the pulse power supply is 250 kHz or more and 1 MHz or less, and the duty ratio of the pulse power supply is more than 15% A carbonaceous film having a large ratio of 90% or less and a ratio of carbon-hydrogen bonds to carbon-carbon bonds on the surface of less than 0.59 is formed.

本開示における第2の摺動部材の製造方法は、摺動部材の基材の表面に炭素質膜を形成する工程を備え、炭素質膜を形成する工程は、グラファイトをターゲットとし、スパッタリング電源を直流パルス電源とするスパッタリング法により行い、パルス電源の最大電流密度の絶対値を55.8mAcm-2よりも大きくし、パルス電源のパルス周波数を250kHz以上、1MHz以下とし、表面における炭素−水素結合の炭素−炭素結合に対する比が0.59未満の炭素質膜を形成する。 The second manufacturing method of the sliding member in the present disclosure includes a step of forming a carbonaceous film on the surface of the base material of the sliding member, and the step of forming the carbonaceous film uses graphite as a target and a sputtering power source. Performed by sputtering using a direct current pulse power supply, the absolute value of the maximum current density of the pulse power supply is set to be larger than 55.8 mAcm −2 , the pulse frequency of the pulse power supply is set to 250 kHz or more and 1 MHz or less, and carbon-hydrogen bonds on the surface A carbonaceous film having a ratio of carbon-carbon bonds of less than 0.59 is formed.

第1及び第2の摺動部材の製造方法は、炭素質膜を形成する工程において、基材側の平均電力密度の絶対値を19.7mWcm-2よりも大きくしてもよい。 In the first and second sliding member manufacturing methods, the absolute value of the average power density on the substrate side may be larger than 19.7 mWcm −2 in the step of forming the carbonaceous film.

本発明に係る摺動部材及びその製造方法によれば、潤滑油中における摩擦を十分に低減した摺動部材を実現できる。   According to the sliding member and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to realize a sliding member in which friction in the lubricating oil is sufficiently reduced.

成膜装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the film-forming apparatus.

まず、本願発明者らが見出した炭素質膜の特性について説明する。炭素質膜は、ダイヤモンド様カーボン(DLC)膜に代表されるsp2炭素−炭素結合(グラファイト結合)及びsp3炭素−炭素結合(ダイヤモンド結合)を含む膜である。DLC膜のようなアモルファス状態の膜であっても、ダイヤモンド膜のような結晶状態の膜であってもよい。以下においては、炭素質膜がDLC膜であるとして説明を行う。 First, the characteristics of the carbonaceous film found by the present inventors will be described. The carbonaceous film is a film containing sp 2 carbon-carbon bonds (graphite bonds) and sp 3 carbon-carbon bonds (diamond bonds) represented by diamond-like carbon (DLC) films. It may be an amorphous film such as a DLC film or a crystalline film such as a diamond film. In the following description, it is assumed that the carbonaceous film is a DLC film.

DLC膜は、化学気相堆積(CVD)法、レーザーアブレーション法及びスパッタ法等の種々の方法により形成することができる。一般にCVD法においては、炭化水素が原料として用いられる。炭化水素を原料としてDLC膜を成膜すると、原料中の水素が膜中に取り込まれるため、DLC膜はsp2炭素−水素結合及びsp3炭素−水素結合を多く含む。一方、スパッタ法等においては、グラファイト等の原料を用いてDLC膜を成膜することができる。原料を水素を含まないグラファイトとすれば、理論的には炭素−水素結合を含まないDLC膜が形成できるはずである。しかし、雰囲気中の水分等の影響を受けるため、グラファイト等の水素を含まない原料を用いて形成したDLC膜においても、膜中に数%〜5%程度水素が含まれている。 The DLC film can be formed by various methods such as chemical vapor deposition (CVD), laser ablation, and sputtering. In general, hydrocarbon is used as a raw material in the CVD method. When a DLC film is formed using a hydrocarbon as a raw material, hydrogen in the raw material is taken into the film, and thus the DLC film contains many sp 2 carbon-hydrogen bonds and sp 3 carbon-hydrogen bonds. On the other hand, in the sputtering method or the like, a DLC film can be formed using a raw material such as graphite. If the raw material is graphite containing no hydrogen, theoretically, a DLC film containing no carbon-hydrogen bonds should be formed. However, because of the influence of moisture in the atmosphere, hydrogen is contained in the film by several% to 5% even in a DLC film formed using a raw material not containing hydrogen such as graphite.

DLC膜に含まれる水素の濃度はDLC膜の摩擦特性に影響を与えることが知られている。しかし、水素濃度が等しいDLC膜であっても、摩擦特性が大きく異なる場合が生じている。DLC膜に含まれる水素の分析は容易ではなく、一般には膜全体としての濃度が求められているにすぎない。本願発明者らはX線光電子分光(XPS)法とカーブフィッティングとを用いることにより、DLC膜の表面における水素の結合状態を明らかにした。その結果、DLC膜全体としての水素濃度を低減したとしても、DLC膜の表面における水素の結合状態を適切な状態としなければ、潤滑油の存在下において良好な摩擦特性を有するDLC膜は得られないことが明らかとなった。   It is known that the concentration of hydrogen contained in the DLC film affects the friction characteristics of the DLC film. However, even with DLC films having the same hydrogen concentration, the friction characteristics may be greatly different. Analysis of hydrogen contained in a DLC film is not easy, and generally only the concentration of the entire film is required. The inventors of the present application have revealed the bonding state of hydrogen on the surface of the DLC film by using an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) method and curve fitting. As a result, even if the hydrogen concentration of the entire DLC film is reduced, a DLC film having good friction characteristics in the presence of lubricating oil can be obtained if the hydrogen bonding state on the surface of the DLC film is not appropriate. It became clear that there was no.

本願発明者らの知見によれば、DLC膜の表面における炭素−水素結合(C−H)の炭素−炭素結合(C−C)に対する割合[C−H]/[C−C]をできるだけ小さくすることが、潤滑油の存在下における摩擦特性を向上させるために重要である。具体的には、[C−H]/[C−C]を0.59未満とすることが好ましい。また、[C−H]/[C−C]を0.50以下とすることがより好ましく、0.41以下とすることがさらに好ましい。   According to the knowledge of the present inventors, the ratio [C—H] / [C—C] of the carbon-hydrogen bond (C—H) to the carbon-carbon bond (C—C) on the surface of the DLC film is made as small as possible. It is important to improve the friction characteristics in the presence of lubricating oil. Specifically, [CH] / [CC] is preferably less than 0.59. [CH] / [CC] is more preferably 0.50 or less, and further preferably 0.41 or less.

さらに、sp2炭素−水素結合(sp2C−H)のsp2炭素−炭素結合(sp2C−C)に対する割合[sp2C−H]/[sp2C−C]は0.58未満であることが好ましく、0.55以下であることがより好ましく、0.51以下であることがさらに好ましい。sp3炭素−水素結合(sp3C−H)のsp3炭素−炭素結合(sp3C−C)に対する割合[sp3C−H]/[sp3C−C]は0.57未満であることが好ましく、0.50以下であることがより好ましく、0.29以下であることがさらに好ましい。 Furthermore, the ratio [sp 2 C—H] / [sp 2 C—C] of sp 2 carbon-hydrogen bond (sp 2 C—H) to sp 2 carbon-carbon bond (sp 2 C—C) is 0.58. Is preferably less than 0.55, more preferably 0.55 or less, and even more preferably 0.51 or less. The ratio [sp 3 C—H] / [sp 3 C—C] of sp 3 carbon-hydrogen bond (sp 3 C—H) to sp 3 carbon-carbon bond (sp 3 C—C) is less than 0.57 Preferably, it is 0.50 or less, more preferably 0.29 or less.

なお、[C−H]、[sp2C−H]、[sp3C−H]、[C−C]、[sp2C−C]及び[sp3C−C]は、実施例において詳細に述べるXPS法とカーブフィッティングとを用いた方法により測定することができる。 [C—H], [sp 2 C—H], [sp 3 C—H], [C—C], [sp 2 C—C] and [sp 3 C—C] It can be measured by a method using the XPS method and curve fitting described in detail.

表面におけるC−H結合を低減するためには、DLC膜全体としての水素濃度も低減することが好ましい。従って、DLC膜全体としての水素濃度は2原子%(at%)以下とすることが好ましく、1.2原子%以下とすることがさらに好ましい。なお、DLC膜全体としての水素濃度は、実施例において詳細に述べる高分解弾性反跳粒子検出法(High Resolution-Elastic Recoil Detection Analysis、HR−ERDA)により測定することができる。なお、原子%とは物質全体の原子数を100とした場合におけるある元素の原子数を表す。   In order to reduce the C—H bond on the surface, it is preferable to reduce the hydrogen concentration of the entire DLC film. Therefore, the hydrogen concentration of the entire DLC film is preferably 2 atomic% (at%) or less, and more preferably 1.2 atomic% or less. The hydrogen concentration of the entire DLC film can be measured by a high resolution-elastic recoil detection analysis (HR-ERDA) described in detail in the examples. In addition, atomic% represents the number of atoms of a certain element when the number of atoms of the whole substance is 100.

表面における[C−H]/[C−C]が小さいDLC膜は、スパッタリング法、アークイオンプレーティング法、レーザーアブレーション法又は電子ビーム蒸着等を用いて形成することができる。中でも、スパッタリング法は、成膜面に硬質の粒子が付着するドロップレットと呼ばれる現象が発生しにくいため好ましい。   A DLC film having a small [C—H] / [C—C] on the surface can be formed using a sputtering method, an arc ion plating method, a laser ablation method, electron beam evaporation, or the like. Among these, the sputtering method is preferable because a phenomenon called droplets in which hard particles adhere to the film formation surface hardly occurs.

スパッタリング法はスパッタガスをイオン化し、原料となる固体ターゲットに衝突させてターゲット粒子をはじき出させ、はじき出されたターゲット粒子がワーク(基材)側に到達することにより、基材表面にターゲット粒子が堆積して皮膜を形成する。スパッタリング法で得られる膜構造は一般的に“Thornton”のゾーンモデル(J. A. Thornton: Ann. Rev. Mater. Sci., 7 (1977) 239.)により示されるが、基材温度及び圧力によって、膜の構造に変化が生じることが知られている。この理由は、堆積過程にある原子が基板からの熱エネルギーを受け取り、移動しやすくなるためである。しかし、基材が鋼の場合、焼き戻し温度を超えた温度を加えると硬度が低下し、耐摩耗性を維持することが困難となる。例えば基材が機械構造用炭素鋼又は機械構造用合金鋼であれば一般的な加熱の上限は200℃である。従って、膜構造を制御する手段として基材を加熱せずに膜構造を変化させることが好ましい。   In the sputtering method, sputtering gas is ionized and collided with a solid target as a raw material to eject target particles. The ejected target particles reach the workpiece (base material) side, thereby depositing target particles on the surface of the base material. To form a film. The film structure obtained by sputtering is generally shown by the “Thornton” zone model (JA Thornton: Ann. Rev. Mater. Sci., 7 (1977) 239.). It is known that changes occur in the structure. This is because atoms in the deposition process receive heat energy from the substrate and are easily moved. However, when the base material is steel, when a temperature exceeding the tempering temperature is applied, the hardness is lowered and it is difficult to maintain the wear resistance. For example, if the base material is carbon steel for machine structure or alloy steel for machine structure, the upper limit of general heating is 200 ° C. Therefore, it is preferable to change the film structure without heating the substrate as a means for controlling the film structure.

基材からの熱の移動の他に、基材へ入射する粒子自身のエネルギーを変化させることによっても、被膜構造は変化すると期待される。しかし、原料となるターゲット粒子はスパッタガス粒子の衝突によってターゲットからはじき出されて得られる2次的なものである。従って、ターゲット原料を直接昇華させる電子ビームやアークイオンを用いた手法と比較して、ターゲット粒子のイオン化率は低く、ターゲット粒子イオンのエネルギーを直接制御して任意の膜構造を得るのは容易ではない。   In addition to the transfer of heat from the substrate, the coating structure is expected to change by changing the energy of the particles themselves entering the substrate. However, the target particles as the raw material are secondary particles obtained by being ejected from the target by the collision of the sputtering gas particles. Therefore, the ionization rate of the target particles is low compared with the method using electron beam or arc ion that directly sublimates the target material, and it is not easy to obtain any film structure by directly controlling the energy of the target particle ions. Absent.

一方、スパッタリング法ではターゲット粒子の他に、スパッタガス粒子もイオン化される。スパッタガス粒子は、ターゲットへ向かう他、一部は直接基板に向かう。また、ターゲットへ向かったスパッタガス粒子の一部はターゲット表面において反眺し、基板へと向かう。このように、スパッタリング法によるDLC膜の形成においては、ターゲット粒子のエネルギーの他に、堆積過程にある膜の表面に衝突するスパッタガス粒子のエネルギーによっても、皮膜構造が変化すると期待される。   On the other hand, in the sputtering method, the sputtering gas particles are ionized in addition to the target particles. Sputtering gas particles go to the target and partly go directly to the substrate. In addition, some of the sputtered gas particles directed toward the target are reflected on the surface of the target and travel toward the substrate. As described above, in the formation of the DLC film by the sputtering method, it is expected that the film structure is changed not only by the energy of the target particles but also by the energy of the sputter gas particles colliding with the surface of the film in the deposition process.

次に、スパッタ電源について考えると、スパッタ電源にパルス電源を用いると、パルスの過渡的な電力特性がスパッタガス粒子及びターゲット粒子のエネルギーに影響をおよぼすことが期待される。パルス電源により放電を発生させる場合には、電力を投入した瞬間にターゲットに流れる電流が大きく上昇する。つまり、パルス電力の立ち上がりにおいて、過渡的に電流が流れる。パルス電力の立ち上がりにおける過渡的電力は、パルス周波数を高くすることにより高くなることを明らかとなった。パルス電力の立ち上がりにおける過渡的電力が高くなることにより、スパッタガス粒子のエネルギーは高くなると期待される。スパッタガス粒子のエネルギーが高くなると、スパッタガス粒子がワークと衝突する際のエネルギーを大きくできる。このため、軽い水素原子がワークの表面からはじき飛ばされ、DLC膜の表面における炭素−水素結合を減少させることができると考えられる。但し、パルス周波数を高くしすぎるとターゲット電流が逆に低下することが知られている(例えば、M.Yamashita J. Vac. Sci. Technol. A, 7 (1989) 2752.)。   Next, regarding the sputtering power source, when a pulse power source is used as the sputtering power source, it is expected that the transient power characteristics of the pulse will affect the energy of the sputtering gas particles and the target particles. When discharge is generated by a pulse power supply, the current flowing through the target increases greatly at the moment when power is applied. That is, a transient current flows at the rise of the pulse power. It became clear that the transient power at the rise of the pulse power is increased by increasing the pulse frequency. It is expected that the energy of the sputter gas particles will increase as the transient power at the rise of the pulse power increases. When the energy of the sputtering gas particles is increased, the energy when the sputtering gas particles collide with the workpiece can be increased. For this reason, it is considered that light hydrogen atoms are repelled from the surface of the workpiece, and carbon-hydrogen bonds on the surface of the DLC film can be reduced. However, it is known that if the pulse frequency is increased too much, the target current decreases conversely (for example, M. Yamashita J. Vac. Sci. Technol. A, 7 (1989) 2752.).

また、パルスのデューティー比も、パルス電力立ち上がりの過渡的電力に影響を与える。デューティー比が小さくなると、パルス電力立ち上がりの過渡的電力は小さくなり、デューティー比が大きくなると、パルス電力立ち上がりの過渡的電力は大きくなる。このため、デューティー比は15%よりも大きいことが好ましく、20%以上がより好ましく、40%以上がさらに好ましい。但し、デューティー比が大きくなりすぎると、アーキングを抑制するパルス電力のメリットが損なわれるため、90%以下が好ましく、80%以下がより好ましい。   The pulse duty ratio also affects the transient power at the rise of the pulse power. When the duty ratio decreases, the transient power at the rise of the pulse power decreases, and when the duty ratio increases, the transient power at the rise of the pulse power increases. For this reason, the duty ratio is preferably larger than 15%, more preferably 20% or more, and further preferably 40% or more. However, if the duty ratio becomes too large, the merit of pulse power for suppressing arcing is impaired, so 90% or less is preferable, and 80% or less is more preferable.

一方、粒子をワークに効率良く入射させることも重要である。磁界が基板方向へ向くアンバランスドマグネトロンスパッタ法を用いることにより、粒子を基板に効率良く入射させることが可能となる。また、基板に向いた磁界の領域にプラズマを形成させる補助電極を用いることにより、基板へ向かうイオン密度の制御が可能となる。従って、基板へ向かう磁界を導入する目的で補助磁極を配置し、基板方向へ向かうイオン密度を制御する目的で補助電極を配置することにより、イオン化しにくい炭素をスパッタリングする場合にも、粒子の制御効率を向上させ、さらに基板へ向かうスパッタガス粒子のエネルギーの制御も容易となり、ワークへ投入する電力、すなわちイオンの量及びエネルギーを増加させることができる。   On the other hand, it is also important to make particles enter the work efficiently. By using an unbalanced magnetron sputtering method in which the magnetic field is directed toward the substrate, particles can be efficiently incident on the substrate. Further, by using an auxiliary electrode that forms plasma in a magnetic field region facing the substrate, it is possible to control the ion density toward the substrate. Therefore, by arranging an auxiliary magnetic pole for the purpose of introducing a magnetic field toward the substrate and by arranging an auxiliary electrode for the purpose of controlling the ion density toward the substrate, it is possible to control particles even when sputtering difficult to ionize carbon. The efficiency can be improved, and the energy of the sputtering gas particles directed toward the substrate can be easily controlled, and the power input to the workpiece, that is, the amount and energy of ions can be increased.

このため、DLC膜を成膜する場合には、スパッタリング電源として直流パルス電源を用い、周波数はできるだけ高くすることが好ましい。具体的にパルス周波数を250kHz以上とすることが好ましく、300kHz以上とすることがより好ましい。但し、パルス周波数を高くしすぎるとターゲット電流が逆に低下するため、1MHz以下とすることが好ましい。   For this reason, when forming a DLC film, it is preferable to use a direct current pulse power supply as a sputtering power supply and to make the frequency as high as possible. Specifically, the pulse frequency is preferably 250 kHz or more, and more preferably 300 kHz or more. However, if the pulse frequency is set too high, the target current will decrease, conversely, it is preferably 1 MHz or less.

また、ターゲット(カソード)側の平均電力密度の絶対値は2.7Wcm-2以上とすることが好ましく、3.6Wcm-2以上とすることがさらに好ましい。また、ターゲット(カソード)側の最大電流密度は55.8mAcm-2よりも大きくすることが好ましく、60.0mAcm-2以上とすることがより好ましく、67.3mAcm-2以上とすることがさらに好ましい。ワーク側の平均電力密度の絶対値は19.7mWcm-2よりも大きくすることが好ましく、25.0mWcm-2以上とすることがより好ましく、28.0mWcm-2以上とすることがさらに好ましい。基材の温度は200℃以下とするのが望ましい。 The absolute value of the average power density of the target (cathode) side is preferably set to 2.7Wcm -2 or more, and even more preferably from 3.6Wcm -2 or more. The maximum current density of the target (cathode) side is preferably larger than 55.8MAcm -2, more preferably to 60.0MAcm -2 or more, and even more preferably from 67.3MAcm -2 or . The absolute value of the average power density of the workpiece side is preferably larger than 19.7MWcm -2, more preferably to 25.0MWcm -2 or more, and even more preferably from 28.0MWcm -2 or more. The temperature of the substrate is desirably 200 ° C. or lower.

スパッタリングガスにはアルゴンを用いることが一般的であるが、クリプトン及びキセノン等の他の希ガス又は窒素等を用いてもよい。   Generally, argon is used as the sputtering gas, but other rare gases such as krypton and xenon, nitrogen, or the like may be used.

DLC膜の成膜にはどのような装置を用いてもよいが、例えば、図1に示すようなマグネトロンスパッタ装置を用いることができる。図1に示すように、チャンバ221の下部に磁石を内蔵したターゲット台211が設けられ、ターゲット台211の上にターゲット207が配置されている。チャンバ221の上方には、電気的に浮いた(フローティング)状態であり、バイアス電圧を印加できるワークホルダ210が設けられ、ワークホルダ210にはワーク208が保持されている。ターゲット台211の内部にはターゲット207の中心部と対応する位置に中心磁石201が配置され、ターゲット207の周囲と対応する位置には外周磁石202が等間隔で配設されている。中心磁石201はS極をターゲット207側にして配置されており、外周磁石202はN極をターゲット207側にして配置されている。   Any apparatus may be used for forming the DLC film. For example, a magnetron sputtering apparatus as shown in FIG. 1 can be used. As shown in FIG. 1, a target base 211 incorporating a magnet is provided in the lower portion of the chamber 221, and a target 207 is disposed on the target base 211. Above the chamber 221, a work holder 210 that is in an electrically floating state (floating) and to which a bias voltage can be applied is provided, and the work 208 is held by the work holder 210. Inside the target table 211, a central magnet 201 is disposed at a position corresponding to the center of the target 207, and outer peripheral magnets 202 are disposed at equal intervals at a position corresponding to the periphery of the target 207. The center magnet 201 is arranged with the S pole facing the target 207, and the outer peripheral magnet 202 is arranged with the N pole facing the target 207.

チャンバ221の外壁の外側には、4つの外周磁石のそれぞれに対応して4つの第1外部磁石203及び4つの第2外部磁石204が重なるように配設されている。第1外部磁石203及び第2外部磁石204は、それぞれN極を中心磁石201側にして配置されている。第1外部磁石203及び第2外部磁石204はそれぞれ補助磁極として機能する。   On the outer side of the outer wall of the chamber 221, four first external magnets 203 and four second external magnets 204 are arranged so as to overlap each other corresponding to each of the four outer peripheral magnets. The first external magnet 203 and the second external magnet 204 are respectively arranged with the north pole as the central magnet 201 side. The first external magnet 203 and the second external magnet 204 each function as an auxiliary magnetic pole.

チャンバ221の内部には、補助電極として機能するコイル205が設けられている。コイル205は、スパイラル状に巻かれ、一端がマッチング回路212を介して高周波電源213と接続されている。図1においては、コイル205の他端はフリーでどこにも接続されてないが、アース又は高周波電源と接続されていてもよい。   A coil 205 that functions as an auxiliary electrode is provided inside the chamber 221. The coil 205 is wound in a spiral shape, and one end is connected to the high-frequency power source 213 via the matching circuit 212. In FIG. 1, the other end of the coil 205 is free and not connected anywhere, but may be connected to ground or a high-frequency power source.

ターゲット台211には、ローパスフィルター214を介してスパッタ電源215が接続されている。ワークホルダ210には、ローパスフィルター216を介してバイアス電源218が接続されている。   A sputtering power source 215 is connected to the target table 211 via a low-pass filter 214. A bias power source 218 is connected to the work holder 210 via a low pass filter 216.

第2外部磁石204を設けることにより、ワーク208の方向に向かう強力な磁場を形成することができる。これにより、磁場に沿ってイオンを効率的にワーク208の表面に入射させることが可能となる。さらにコイル205を設けることにより、ワーク表面に入射するプラズマ密度を高めることができ、緻密で均一なDLC膜を高速で形成することができる。イオンの中にはターゲットの炭素粒子の他にスパッタガスのArイオンも含まれることから、炭素を堆積させつつ、軽い水素をはじき飛ばす効果が向上する。このため、DLC膜の表面における炭素−水素結合を低減する効果をより高くすることができる。但し、このような第2外部磁石及びコイルを有していない通常の多重磁極マグネトロンスパッタ装置又は、外部磁石が設けられていない通常の平板マグネトロンスパッタ装置等を用いてDLC膜を形成してもよい。   By providing the second external magnet 204, a strong magnetic field directed toward the workpiece 208 can be formed. Thereby, ions can be efficiently incident on the surface of the workpiece 208 along the magnetic field. Further, by providing the coil 205, the plasma density incident on the workpiece surface can be increased, and a dense and uniform DLC film can be formed at high speed. Since ions include Ar ions of the sputtering gas in addition to the target carbon particles, the effect of repelling light hydrogen while depositing carbon is improved. For this reason, the effect which reduces the carbon-hydrogen bond in the surface of a DLC film can be made higher. However, the DLC film may be formed using such a normal multi-pole magnetron sputtering apparatus that does not have the second external magnet and coil, or a normal flat-plate magnetron sputtering apparatus that does not have an external magnet. .

DLC膜の膜厚は、ある程度厚い方がよく、0.001μm以上が好ましく、0.005μm以上がより好ましい。但し、膜厚が厚くなると形成が困難となるため、10μm以下が好ましく、3μm以下がより好ましい。また、DLC膜の表面はできるだけ平滑である方が、摩擦が小さくなる。このため、表面における算術平均粗度Raが0.1μm以下であることが好ましい。   The thickness of the DLC film is preferably thick to some extent, preferably 0.001 μm or more, and more preferably 0.005 μm or more. However, since it becomes difficult to form as the film thickness increases, the thickness is preferably 10 μm or less, and more preferably 3 μm or less. Also, friction is reduced when the surface of the DLC film is as smooth as possible. For this reason, it is preferable that arithmetic mean roughness Ra on the surface is 0.1 μm or less.

また、DLC膜は被覆対象の表面に直接形成することができるが、被覆対象とDLC膜とをより強固に密着させるために、被覆対象とDLC膜との間に中間層を設けてもよい。
よい。
The DLC film can be directly formed on the surface of the coating target, but an intermediate layer may be provided between the coating target and the DLC film in order to make the coating target and the DLC film adhere more firmly.
Good.

中間層の材質としては、被覆対象の種類に応じて種々のものを用いることができるが、珪素(Si)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、タングステン(W)、又はアルミニウム(Al)からなるアモルファス膜等を用いることができる。また、これらの元素と炭素(C)及び窒素(N)の少なくとも一方とを混合したアモルファス膜等を用いることもできる。その厚さは特に限定されないが、0.001μm以上が好ましく、0.005μm以上がより好ましい。また、1μm以下が好ましく、0.3μm以下がより好ましい。中間層は、例えば、スパッタ法、CVD法、プラズマCVD法、溶射法、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、又は真空蒸着法等を用いて形成すればよい。また、湿式クロムメッキを用いてもよい。   As the material of the intermediate layer, various materials can be used depending on the type of the object to be coated, but from silicon (Si), titanium (Ti), chromium (Cr), tungsten (W), or aluminum (Al). An amorphous film or the like can be used. Alternatively, an amorphous film in which these elements and at least one of carbon (C) and nitrogen (N) are mixed can be used. The thickness is not particularly limited, but is preferably 0.001 μm or more, and more preferably 0.005 μm or more. Moreover, 1 micrometer or less is preferable and 0.3 micrometer or less is more preferable. The intermediate layer may be formed using, for example, a sputtering method, a CVD method, a plasma CVD method, a thermal spraying method, an ion plating method, an arc ion plating method, or a vacuum deposition method. Further, wet chrome plating may be used.

DLC膜は、炭素と水素以外の元素を含んでいてもよい。例えば、シリコン(Si)又はフッ素(F)等が添加されていてもよい。また、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)又はタングステン(W)等が含まれていてもよい。チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)又はタングステン(W)等を加えることにより、DLC膜の表面に添加剤皮膜を形成して低摩擦係数が得られるという効果が得られる。一方、DLC膜の表面における水素の結合状態をより容易に制御するために、炭素と水素以外の元素を含まない構成としてもよい。なお、ここでいう他の元素を含まない構成とは、痕跡量程度の不純物を含有する場合を含む。   The DLC film may contain elements other than carbon and hydrogen. For example, silicon (Si) or fluorine (F) may be added. In addition, titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), zinc (Zn), gallium (Ga), niobium (Nb), molybdenum (Mo) or tungsten (W ) Etc. may be included. Titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), zinc (Zn), gallium (Ga), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), etc. As a result, an additive film is formed on the surface of the DLC film, and the effect of obtaining a low coefficient of friction is obtained. On the other hand, in order to more easily control the bonding state of hydrogen on the surface of the DLC film, an element other than carbon and hydrogen may be included. In addition, the structure which does not contain another element said here includes the case where it contains a trace amount of impurities.

潤滑油中におけるDLC膜の摩擦特性は、DLC膜の表面粗さにも影響を受ける。DLC膜の表面粗さはできるだけ小さい方が、摩擦特性が向上する。また、相手材を磨耗させる相手攻撃性も表面粗さが小さい方が低減できる。具体的には、DLC膜の表面における算術平均表面粗度Raは0.1μm以下であることが好ましい。   The friction characteristics of the DLC film in the lubricating oil are also affected by the surface roughness of the DLC film. The friction characteristic improves as the surface roughness of the DLC film is as small as possible. Further, the opponent's aggression property for wearing the counterpart material can be reduced when the surface roughness is small. Specifically, the arithmetic average surface roughness Ra on the surface of the DLC film is preferably 0.1 μm or less.

DLC膜は、潤滑油が存在する環境において互いに摺動する一対の摺動部材の摺動面に形成されていればよい。一対の摺動面のそれぞれにDLC膜が形成されていてもよく、摺動面の一方のみにDLC膜が形成されていてもよい。摺動面のそれぞれにDLC膜が形成されている場合には、双方に同一組成のDLC膜が形成されていてもよく、互いに異なる組成のDLC膜が形成されていてもよい。また、摺動部材の摺動面以外の部分にもDLC膜が形成されていてもよい。   The DLC film should just be formed in the sliding surface of a pair of sliding member which mutually slides in the environment where lubricating oil exists. A DLC film may be formed on each of the pair of sliding surfaces, or a DLC film may be formed only on one of the sliding surfaces. When a DLC film is formed on each of the sliding surfaces, a DLC film having the same composition may be formed on both sides, or DLC films having different compositions may be formed on both sides. Moreover, the DLC film may be formed also in parts other than the sliding surface of a sliding member.

DLC膜を形成した摺動部材は、潤滑油が存在する環境において摺動が必要とされるあらゆる部材に適用することができる。具体的には、バルブリフター、ピストンリング、ピストンピン、ピストンスカート、カムロブ、カムジャーナル、クランクシャフト、コネクティングロッド、ミッションギヤ、ミッションプライマリシャフト、ミッションセカンダリーシャフト、スプラインシャフト、フリクションプレート、セパレータープレート、クラッチハウジング、デファレンシャルギヤ、回転ベーン及びタイミングチェーン等に適用することができ、これらの2種類以上を対象としてもよい。また、摺動部材の基材はどのような材質であってもよい。具体的には、金属、セラミクス若しくは樹脂又はこれらの複合材とすることができる。   The sliding member on which the DLC film is formed can be applied to any member that requires sliding in an environment where lubricating oil is present. Specifically, valve lifters, piston rings, piston pins, piston skirts, cam lobes, cam journals, crankshafts, connecting rods, mission gears, mission primary shafts, mission secondary shafts, spline shafts, friction plates, separator plates, clutch housings The present invention can be applied to a differential gear, a rotary vane, a timing chain, and the like, and these two or more types may be targeted. The base material of the sliding member may be any material. Specifically, metal, ceramics, resin, or a composite material thereof can be used.

なお、潤滑油が存在する環境とは、一対の摺動面の界面に単分子層以上の厚さの潤滑油の層が存在していればよい。界面の全体に潤滑油が存在している場合だけでなく、界面の一部に潤滑油が存在している場合も含む。また、少なくとも界面に潤滑油が存在していれば、摺動面を有する摺動部材の一部又は全部が潤滑油中に浸漬されている場合も含まれる。   The environment in which the lubricating oil is present only needs to be a layer of lubricating oil having a thickness of a monomolecular layer or more at the interface between the pair of sliding surfaces. This includes not only the case where the lubricating oil is present on the entire interface, but also the case where the lubricating oil is present on a part of the interface. Moreover, the case where a part or all of the sliding member having the sliding surface is immersed in the lubricating oil is also included as long as the lubricating oil exists at the interface.

摺動部材と組み合わすことができる潤滑油は特に限定されるものではなく、鉱油、合成油若しくは油脂又はこれらの混合物等の潤滑油として通常使用されるものであれば、種類を問わず使用することができる。より好ましくはエステルからなる油性材を含む潤滑油が望ましい。潤滑油は基油の他に、安定剤、酸化防止剤、分散剤、清浄剤及び粘度調整剤等の成分を含んでいてかまわない。また、潤滑油には半固体状のグリース等も含まれる。   The lubricating oil that can be combined with the sliding member is not particularly limited, and any type of lubricating oil can be used as long as it is normally used as a lubricating oil such as mineral oil, synthetic oil, fat or a mixture thereof. be able to. More preferably, a lubricating oil containing an oily material made of ester is desirable. In addition to the base oil, the lubricating oil may contain components such as a stabilizer, an antioxidant, a dispersant, a detergent, and a viscosity modifier. The lubricating oil also includes semi-solid grease.

次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更を行ってよい。   Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The present invention is not limited to the following examples, and various improvements and design changes may be made without departing from the spirit of the present invention.

(DLC膜組成の評価方法)
−水素濃度−
DLC膜に含まれる水素の濃度は、高分解弾性反跳粒子検出法(High Resolution-Elastic Recoil Detection Analysis、HR−ERDA)により測定した。測定には神戸製鋼所製の高分解能RBS分析装置HRBS500を用いた。試料面の法線に対して70度の角度でN2 +イオンを試料に照射し、偏光磁場型エネルギー分析器により反跳された水素イオンを検出した。入射イオンは1原子核あたりのエネルギーを240KeVとした。水素イオンの散乱角は30度とした。イオンの照射量はビーム経路にて振り子を振動させ、振り子に照射された電流量を測定することにより求めた。試料電流は約2nAであり、照射量は約0.3μCであった。
(DLC film composition evaluation method)
-Hydrogen concentration-
The concentration of hydrogen contained in the DLC film was measured by a high resolution elastic recoil detection analysis (HR-ERDA). For the measurement, a high resolution RBS analyzer HRBS500 manufactured by Kobe Steel was used. The sample was irradiated with N 2 + ions at an angle of 70 degrees with respect to the normal of the sample surface, and the recoiled hydrogen ions were detected by a polarized magnetic field energy analyzer. Incident ions have an energy per atomic nucleus of 240 KeV. The scattering angle of hydrogen ions was 30 degrees. The ion irradiation amount was determined by vibrating the pendulum in the beam path and measuring the amount of current irradiated to the pendulum. The sample current was about 2 nA, and the irradiation dose was about 0.3 μC.

得られたデータに対して水素ピークにおける高エネルギー側のエッジの中点を基準として横軸のチャネルを反跳イオンのエネルギーに変換する処理及びシステムのバックグラウンドを差し引く処理を行った。処理後のデータについてシミュレーションフィッテングを行い、表面から12nmまでの範囲について水素のデプスプロファイルを求めた。さらに、DLC膜に含まれる全原子に対する水素原子の割合(at%)に換算した。この際に試料の構成元素は炭素と水素のみであると仮定した。デプスプロファイルの横軸をnm単位に換算する際には、DLC膜の密度はグラファイトの密度(2.25g/cm3)であるとした。定量値は、スパッタリング法により形成した既知濃度のDLC膜を測定することにより校正した。また、最表面に炭化水素からなる汚染層の存在を仮定した。汚染層の密度はパラフィンの密度(0.89g/cm3)とした。 With respect to the obtained data, a process of converting the channel on the horizontal axis into the energy of recoil ions and a process of subtracting the background of the system were performed with reference to the midpoint of the edge on the high energy side in the hydrogen peak. Simulation fitting was performed on the processed data, and a hydrogen depth profile was obtained for a range from the surface to 12 nm. Furthermore, it converted into the ratio (at%) of the hydrogen atom with respect to all the atoms contained in a DLC film. At this time, it was assumed that the constituent elements of the sample were only carbon and hydrogen. When the horizontal axis of the depth profile was converted to nm units, the density of the DLC film was assumed to be that of graphite (2.25 g / cm 3 ). The quantitative value was calibrated by measuring a DLC film having a known concentration formed by a sputtering method. It was also assumed that there was a contaminated layer consisting of hydrocarbons on the outermost surface. The density of the contaminated layer was paraffin density (0.89 g / cm 3 ).

(DLC膜組成の解析方法)
DLC膜組成はX線光電子分光(XPS)測定により評価した。XPS測定には日本電子社製JPS−9010を用いた。XPS測定の条件は、試料に対する検出角度を90度とし、X線源にはAlを用い、X線照射エネルギーを100Wとした。1回の測定時間は0.2msとし、1つの試料について32回測定を行った。炭素中を進む光電子の非弾性平均自由工程を考慮すると、表面から9nmまでの範囲について測定されると考えられる。さらに、光電子は表面から深くなるにつれて脱出しにくくなり、光電子の検出は表面から深くなるほど減衰する。従って、今回測定された情報の50%は表面からおよそ1.5nmまでの最表層の情報で占められていると考えられる。
(DLC film composition analysis method)
The DLC film composition was evaluated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement. JPS-9010 manufactured by JEOL Ltd. was used for XPS measurement. The XPS measurement conditions were such that the detection angle with respect to the sample was 90 degrees, Al was used as the X-ray source, and the X-ray irradiation energy was 100 W. One measurement time was 0.2 ms, and one sample was measured 32 times. Considering the inelastic mean free process of photoelectrons traveling in carbon, it is considered that the measurement is performed in the range from the surface to 9 nm. Furthermore, the photoelectrons become difficult to escape as they get deeper from the surface, and the detection of photoelectrons attenuates as they get deeper from the surface. Therefore, it is considered that 50% of the information measured this time is occupied by information on the outermost layer from the surface to approximately 1.5 nm.

XPS測定により得られた炭素1s(C1s)ピークを、炭素同士がsp3結合したsp3C−C及び炭素同士がsp2結合したsp2C−C、炭素と水素とがsp3結合したsp3C−H及び炭素と水素とがsp2結合したsp2C−Hの4つの成分にカーブフィッティングにより分解した。sp3C−Cの結合エネルギーは283.8eV、sp2C−Cの結合エネルギーは284.3eV、sp3C−Hの結合エネルギーは284.8eV、sp2C−Hの結合エネルギーは285.3eVとした。カーブフィッティングにより得られた各ピークの面積をsp3C−Cのピークの面積とsp2C−Cのピークの面積とsp3C−Hのピークの面積とsp2C−Hのピークの面積との総和により割った値を、各成分の組成比とした。sp3C−Cの組成比とsp2C−Cの組成比との和をC−Cの組成比とし、sp3C−Hの組成比とsp2C−Hの組成比との和をC−Hの組成比とした。 The carbon 1s (C1s) peak obtained by XPS measurement is represented by sp 3 C—C in which the carbons are sp 3 bonded, sp 2 C—C in which the carbons are sp 2 bonded, and sp in which carbon and hydrogen are sp 3 bonded. It was decomposed by curve fitting into 4 components of 3 C—H and sp 2 C—H in which carbon and hydrogen were sp 2 bonded. The bond energy of sp 3 C—C is 283.8 eV, the bond energy of sp 2 C—C is 284.3 eV, the bond energy of sp 3 C—H is 284.8 eV, and the bond energy of sp 2 C—H is 285. 3 eV. The area of each peak obtained by curve fitting is the area of the peak of sp 3 C—C, the area of the peak of sp 2 C—C, the area of the peak of sp 3 C—H, and the area of the peak of sp 2 C—H. The value divided by the total sum of the values was taken as the composition ratio of each component. The sum of the composition ratio of sp 3 C—C and the composition ratio of sp 2 C—C is the composition ratio of C—C, and the sum of the composition ratio of sp 3 C—H and the composition ratio of sp 2 C—H is The composition ratio was C—H.

(DLC膜の表面粗さ)
DLC膜の表面粗さは算術平均表面粗度Raにより評価した。算術平均表面粗度Raは、JIS B−0601に準拠して求めた。表面粗さの測定には表面粗さ測定機(ミツトヨ社製:SurfTest501)を用いた。
(DLC film surface roughness)
The surface roughness of the DLC film was evaluated by the arithmetic average surface roughness Ra. The arithmetic average surface roughness Ra was determined according to JIS B-0601. For the measurement of the surface roughness, a surface roughness measuring machine (Mitutoyo Corp .: SurfTest501) was used.

(実施例1)
HRC硬さ60に調整した合金工具鋼(JIS:SKD11)からなるディスクの端面に、図1に示すマグネトロンスパッタ装置を用いてDLC膜を形成した。チャンバ内にテトラメチルシラン(Si(CH34)を導入し、基板に1kVのバイアス電圧を印加して、30分間放電を行った。ターゲット207にはグラファイトを用い、スパッタリングガスにはアルゴンを用いた。スパッタ電源215には直流パルス電源を用い、パルス周波数を300kHzとし、デューティー比を40%とし、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は3.6Wcm-2とした。また、最大電流密度の絶対値は68.2mAcm-2であった。スパッタリングガスにはアルゴンを用いた。
Example 1
A DLC film was formed on the end face of a disk made of alloy tool steel (JIS: SKD11) adjusted to HRC hardness 60 using the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. Tetramethylsilane (Si (CH 3 ) 4 ) was introduced into the chamber, a bias voltage of 1 kV was applied to the substrate, and discharge was performed for 30 minutes. Graphite was used for the target 207 and argon was used for the sputtering gas. A DC pulse power source was used as the sputtering power source 215, the pulse frequency was 300 kHz, the duty ratio was 40%, and the absolute value of the average power density on the target side was 3.6 Wcm −2 . The absolute value of the maximum current density was 68.2 mAcm −2 . Argon was used as the sputtering gas.

ワーク側に到達した粒子のエネルギーの指標となるワーク側の平均電力密度の絶対値は28.0mW/cm2となった。電力密度は、電流測定手段により得られた電流値と、ワークホルダ210に印加したバイアス電圧及びワークホルダ210の表面積により求めた。成膜は60分間行い、その間の電力密度の平均値を求め、基板表面積で除した値を平均電力密度とした。また、パルス波形を解析し、1パルス区間の最大電流を求め、ターゲット面積で除した値を最大電流密度とした。パルス波形は、ターゲット電力出力ケーブルに電流プローブを設置し、放電中のパルス出力波形をオシロスコープ(LECROY社製:WS64Xs)により測定した。 The absolute value of the average power density on the workpiece side, which is an index of the energy of particles that reached the workpiece side, was 28.0 mW / cm 2 . The power density was obtained from the current value obtained by the current measuring means, the bias voltage applied to the work holder 210, and the surface area of the work holder 210. Film formation was performed for 60 minutes, the average value of the power density during that time was determined, and the value divided by the substrate surface area was taken as the average power density. Further, the pulse waveform was analyzed to obtain the maximum current in one pulse section, and the value divided by the target area was taken as the maximum current density. For the pulse waveform, a current probe was installed on the target power output cable, and the pulse output waveform during discharge was measured with an oscilloscope (LECROY: WS64Xs).

DLC膜を形成したディスクについてJIS−K7218に準拠して摩擦係数を測定した。測定には摩擦磨耗試験機(オリエンテック社製:EKM-III1010)を用い、リングオンディスク方式により測定した。リングはHRC硬度を50に調整した機械構造用高炭素鋼(S45C)とした。リングの内径は20mm、外径は25.6mmとした。DLC膜を形成したディスクにリングを100kgfの荷重で押し付け、200rpmの回転数で回転させた。回転によりトルクアームが受ける摩擦力をロードセルにより測定し、平均摩擦力から以下の式(1)を用いて摩擦係数μを求めた。摩擦力を測定する位置はトルクアームを介して回転中心から150mmの距離とした。試験は常温の潤滑油中で行った。潤滑油には化学合成油0W−40(SN規格)を用いた。
μ=(F×R)/(W×r) ・・・ 式(1)
但し、Fは摩擦力、Wは押し付け荷重、Rは摩擦力測定子の回転中心からの距離、rはリング外周半径とリング内径半径の和を2で除した値、すなわちリング半径中心を表す。
The friction coefficient of the disk on which the DLC film was formed was measured according to JIS-K7218. For the measurement, a friction wear tester (Orientec Co., Ltd .: EKM-III1010) was used, and the measurement was performed by a ring-on-disk method. The ring was made of high carbon steel for machine structure (S45C) with HRC hardness adjusted to 50. The inner diameter of the ring was 20 mm, and the outer diameter was 25.6 mm. The ring was pressed against the disk on which the DLC film was formed with a load of 100 kgf and rotated at a rotation speed of 200 rpm. The frictional force received by the torque arm due to rotation was measured with a load cell, and the friction coefficient μ was determined from the average frictional force using the following equation (1). The position for measuring the frictional force was set at a distance of 150 mm from the center of rotation via the torque arm. The test was performed in a normal temperature lubricating oil. As the lubricating oil, chemically synthesized oil 0W-40 (SN standard) was used.
μ = (F × R) / (W × r) (1)
Where F is the frictional force, W is the pressing load, R is the distance from the rotational center of the frictional force gauge, and r is the value obtained by dividing the sum of the ring outer radius and the ring inner radius by 2, that is, the ring radius center.

得られたDLC膜の水素濃度は、0.9原子%であった。[sp3C−C]は0.34、[sp2C−C]は0.37、[sp3C−H]は0.10、[sp2C−H]は0.19であった。従って[C−C]は0.71であり、[C−H]は0.29であり、[C−H]/[C−C]は0.41となった。[sp2C−H]/[sp2C−C]は、0.51となり、[sp3C−H]/[sp3C−C]は、0.29となった。摩擦係数μは0.23であった。得られたDLC膜の表面における算術平均表面粗度Raは0.1μm以下であった。 The hydrogen concentration of the obtained DLC film was 0.9 atomic%. [Sp 3 C—C] was 0.34, [sp 2 C—C] was 0.37, [sp 3 C—H] was 0.10, and [sp 2 C—H] was 0.19. . Therefore, [C-C] was 0.71, [C-H] was 0.29, and [C-H] / [C-C] was 0.41. [Sp 2 C—H] / [sp 2 C—C] was 0.51, and [sp 3 C—H] / [sp 3 C—C] was 0.29. The friction coefficient μ was 0.23. The arithmetic average surface roughness Ra on the surface of the obtained DLC film was 0.1 μm or less.

(実施例2)
DLC膜を形成する際のパルス周波数を350kHzとして「実施例1」と同様にしてDLC膜を成膜し、摩擦係数を測定した。なお、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は4.1W/cm2となり、また最大電流密度の絶対値は67.3cm-2であった。ワーク側の平均電力密度の絶対値は28.7mW/cm2となった。
(Example 2)
A DLC film was formed in the same manner as in Example 1 with a pulse frequency of 350 kHz when forming the DLC film, and the friction coefficient was measured. The absolute value of the average power density on the target side was 4.1 W / cm 2 , and the absolute value of the maximum current density was 67.3 cm −2 . The absolute value of the average power density on the workpiece side was 28.7 mW / cm 2 .

得られたDLC膜の水素濃度は、1.1原子%であった。[sp3C−C]は0.38、[sp2C−C]は0.39、[sp3C−H]は0.06、[sp2C−H]は0.17であった。従って[C−C]は0.77であり、[C−H]は0.23であり、[C−H]/[C−C]は0.30となった。[sp2C−H]/[sp2C−C]は、0.44となり、[sp3C−H]/[sp3C−C]は、0.16となった。摩擦係数は0.023であった。得られたDLC膜の表面における算術平均表面粗度Raは0.1μm以下であった。 The hydrogen concentration of the obtained DLC film was 1.1 atomic%. [Sp 3 C—C] was 0.38, [sp 2 C—C] was 0.39, [sp 3 C—H] was 0.06, and [sp 2 C—H] was 0.17. . Therefore, [C-C] was 0.77, [C-H] was 0.23, and [C-H] / [C-C] was 0.30. [Sp 2 C—H] / [sp 2 C—C] was 0.44, and [sp 3 C—H] / [sp 3 C—C] was 0.16. The coefficient of friction was 0.023. The arithmetic average surface roughness Ra on the surface of the obtained DLC film was 0.1 μm or less.

(比較例1)
DLC膜を形成する際のパルス周波数を100kHzとして「実施例1」と同様にしてDLC膜を成膜し、摩擦係数を測定した。なお、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は2.0W/cm2となり、また最大電流密度の絶対値は20.6mAcm-2であった。ワーク側の平均電力密度の絶対値は17.2mW/cm2となった。
(Comparative Example 1)
The DLC film was formed in the same manner as in Example 1 with the pulse frequency when forming the DLC film being 100 kHz, and the friction coefficient was measured. The absolute value of the average power density on the target side was 2.0 W / cm 2 , and the absolute value of the maximum current density was 20.6 mAcm −2 . The absolute value of the average power density on the workpiece side was 17.2 mW / cm 2 .

得られたDLC膜の水素濃度は、1.2原子%であった。[sp3C−C]は0.23、[sp2C−C]は0.40、[sp3C−H]は0.13、[sp2C−H]は0.23であった。従って[C−C]は0.63であり、[C−H]は0.36であり、[C−H]/[C−C]は0.61となった。[sp2C−H]/[sp2C−C]は、0.62となり、[sp3C−H]/[sp3C−C]は、0.59となった。摩擦係数は0.045であった。得られたDLC膜の表面における算術平均表面粗度Raは0.1μm以下であった。 The resulting DLC film had a hydrogen concentration of 1.2 atomic%. [Sp 3 C—C] was 0.23, [sp 2 C—C] was 0.40, [sp 3 C—H] was 0.13, and [sp 2 C—H] was 0.23. . Therefore, [C—C] was 0.63, [C—H] was 0.36, and [C—H] / [C—C] was 0.61. [Sp 2 C—H] / [sp 2 C—C] was 0.62, and [sp 3 C—H] / [sp 3 C—C] was 0.59. The coefficient of friction was 0.045. The arithmetic average surface roughness Ra on the surface of the obtained DLC film was 0.1 μm or less.

(比較例2)
DLC膜を形成する際のパルス周波数を200kHzとして「実施例1」と同様にしてDLC膜を成膜し、摩擦係数を測定した。なお、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は2.6W/cm2となり、また最大電流密度の絶対値は55.8mAcm-2であった。ワーク側の平均電力密度の絶対値は19.7mW/cm2となった。
(Comparative Example 2)
The DLC film was formed in the same manner as in Example 1 with the pulse frequency when forming the DLC film being 200 kHz, and the friction coefficient was measured. The absolute value of the average power density on the target side was 2.6 W / cm 2 , and the absolute value of the maximum current density was 55.8 mAcm −2 . The absolute value of the average power density on the workpiece side was 19.7 mW / cm 2 .

得られたDLC膜の水素濃度は、0.9原子%であった。[sp3C−C]は0.23、[sp2C−C]は0.40、[sp3C−H]は0.14、[sp2C−H]は0.23であった。従って[C−C]は0.63であり、[C−H]は0.37であり、[C−H]/[C−C]は0.59となった。[sp2C−H]/[sp2C−C]は、0.58となり、[sp3C−H]/[sp3C−C]は、0.61となった。摩擦係数は0.047であった。得られたDLC膜の表面における算術平均表面粗度Raは0.1μm以下であった。 The hydrogen concentration of the obtained DLC film was 0.9 atomic%. [Sp 3 C—C] was 0.23, [sp 2 C—C] was 0.40, [sp 3 C—H] was 0.14, and [sp 2 C—H] was 0.23. . Therefore, [C-C] was 0.63, [C-H] was 0.37, and [C-H] / [C-C] was 0.59. [Sp 2 C—H] / [sp 2 C—C] was 0.58, and [sp 3 C—H] / [sp 3 C—C] was 0.61. The coefficient of friction was 0.047. The arithmetic average surface roughness Ra on the surface of the obtained DLC film was 0.1 μm or less.

(比較例3)
DLC膜を形成する際のスパッタ電源を直流パルス電源に代えて直流電源とした以外は「実施例1」と同様にしてDLC膜を成膜し、摩擦係数を測定した。なお、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は0.5W/cm2となり、ワーク側の平均電力密度の絶対値は0W/cm2となった。
(Comparative Example 3)
A DLC film was formed in the same manner as in Example 1 except that the DC power source was used instead of the DC pulse power source for forming the DLC film, and the friction coefficient was measured. The absolute value of the average power density on the target side was 0.5 W / cm 2 , and the absolute value of the average power density on the workpiece side was 0 W / cm 2 .

得られたDLC膜の水素濃度は、1.2原子%であった。[sp3C−C]は0.15、[sp2C−C]は0.39、[sp3C−H]は0.16、[sp2C−H]は0.29であった。従って[C−C]は0.54であり、[C−H]は0.46であり、[C−H]/[C−C]は0.85となった。[sp2C−H]/[sp2C−C]は、0.74となり、[sp3C−H]/[sp3C−C]は、1.07となった。摩擦係数は0.048であった。得られたDLC膜の表面における算術平均表面粗度Raは0.1μm以下であった。 The resulting DLC film had a hydrogen concentration of 1.2 atomic%. [Sp 3 C—C] was 0.15, [sp 2 C—C] was 0.39, [sp 3 C—H] was 0.16, and [sp 2 C—H] was 0.29. . Therefore, [C—C] was 0.54, [C—H] was 0.46, and [C—H] / [C—C] was 0.85. [Sp 2 C—H] / [sp 2 C—C] was 0.74, and [sp 3 C—H] / [sp 3 C—C] was 1.07. The coefficient of friction was 0.048. The arithmetic average surface roughness Ra on the surface of the obtained DLC film was 0.1 μm or less.

(比較例4)
DLC膜を形成する際のパルス周波数を300kHzとし、デューティー比を15%として「実施例1」と同様にしてDLC膜を成膜し、摩擦係数を測定した。なお、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は3.3W/cm2となり、また最大電流密度の絶対値は48.8mAcm-2であった。ワーク側の平均電力密度の絶対値は24.8mW/cm2となった。
(Comparative Example 4)
A DLC film was formed in the same manner as in “Example 1” with a pulse frequency at the time of forming the DLC film of 300 kHz and a duty ratio of 15%, and the friction coefficient was measured. The absolute value of the average power density on the target side was 3.3 W / cm 2 , and the absolute value of the maximum current density was 48.8 mAcm −2 . The absolute value of the average power density on the workpiece side was 24.8 mW / cm 2 .

得られたDLC膜の水素濃度は、0.9原子%であった。[sp3C−C]は0.22、[sp2C−C]は0.37、[sp3C−H]は0.16、[sp2C−H]は0.25であった。従って[C−C]は0.59であり、[C−H]は0.41であり、[C−H]/[C−C]は0.69となった。[sp2C−H]/[sp2C−C]は、0.68となり、[sp3C−H]/[sp3C−C]は、0.73となった。摩擦係数は0.045であった。得られたDLC膜の表面における算術平均表面粗度Raは0.1μm以下であった。 The hydrogen concentration of the obtained DLC film was 0.9 atomic%. [Sp 3 C—C] was 0.22, [sp 2 C—C] was 0.37, [sp 3 C—H] was 0.16, and [sp 2 C—H] was 0.25. . Therefore, [C-C] was 0.59, [C-H] was 0.41, and [C-H] / [C-C] was 0.69. [Sp 2 C—H] / [sp 2 C—C] was 0.68, and [sp 3 C—H] / [sp 3 C—C] was 0.73. The coefficient of friction was 0.045. The arithmetic average surface roughness Ra on the surface of the obtained DLC film was 0.1 μm or less.

<比較例5>
スパッタリング法に代えて、原料ガスにベンゼン(C66)を用いたイオン化蒸着法によりディスクの端面にDLC膜を形成し、摩擦係数を測定した。ガス圧を10-3Torrとし、C66を30ml/minの速度で連続的に導入しながら放電を行うことによりC66をイオン化し、イオン化蒸着を約10分間行い、厚さ0.1μmのDLC膜を基材の表面に形成した。
<Comparative Example 5>
Instead of the sputtering method, a DLC film was formed on the end face of the disk by ionization vapor deposition using benzene (C 6 H 6 ) as a source gas, and the friction coefficient was measured. C 6 H 6 is ionized by performing discharge while continuously introducing C 6 H 6 at a rate of 30 ml / min at a gas pressure of 10 −3 Torr, and ionized vapor deposition is performed for about 10 minutes. A 1 μm DLC film was formed on the surface of the substrate.

DLC膜を形成する際のワーク側電圧は1.5kV、ワーク側電流は50mA、フィラメント電圧は14V、フィラメント電流は30A、アノード電圧は50V、アノード電流は0.6A、リフレクタ電圧は50V、リフレクタ電流は6mAとした。   When forming the DLC film, the workpiece side voltage is 1.5 kV, the workpiece side current is 50 mA, the filament voltage is 14 V, the filament current is 30 A, the anode voltage is 50 V, the anode current is 0.6 A, the reflector voltage is 50 V, and the reflector current. Was 6 mA.

得られたDLC膜の水素濃度は、19.3原子%であった。[sp3C−C]は0.05、[sp2C−C]は0.27、[sp3C−H]は0.29、[sp2C−H]は0.39であった。従って[C−C]は0.32であり、[C−H]は0.68であり、[C−H]/[C−C]は2.13となった。[sp2C−H]/[sp2C−C]は、1.44となり、[sp3C−H]/[sp3C−C]は、5.80となった。摩擦係数は0.07であった。得られたDLC膜の表面における算術平均表面粗度Raは0.1μm以下であった。 The hydrogen concentration of the obtained DLC film was 19.3 atomic%. [Sp 3 C—C] was 0.05, [sp 2 C—C] was 0.27, [sp 3 C—H] was 0.29, and [sp 2 C—H] was 0.39. . Therefore, [C-C] was 0.32, [C-H] was 0.68, and [C-H] / [C-C] was 2.13. [Sp 2 C—H] / [sp 2 C—C] was 1.44, and [sp 3 C—H] / [sp 3 C—C] was 5.80. The coefficient of friction was 0.07. The arithmetic average surface roughness Ra on the surface of the obtained DLC film was 0.1 μm or less.

Figure 2013253291
Figure 2013253291

表1に実施例及び比較例の結果をまとめて示す。表1に示すように、スパッタ法によりDLC膜を形成することにより、ベンゼンガスを原料としたイオン化蒸着法を用いた場合よりも水素濃度をはるかに小さくできる。また、[C−H]/[C−C]も大きく低減でき摩擦係数μを小さくすることができる。   Table 1 summarizes the results of the examples and comparative examples. As shown in Table 1, by forming a DLC film by sputtering, the hydrogen concentration can be made much smaller than when ionized vapor deposition using benzene gas as a raw material is used. [C−H] / [C−C] can also be greatly reduced, and the friction coefficient μ can be reduced.

スパッタ法によりDLC膜を形成する際に直流パルス電源を用い、パルス周波数を高くすると、ターゲット側の電力密度が大きく上昇しており、ターゲットからのスパッタ粒子の脱離が効果的に生じていることが明らかである。また、ワーク側の平均電力密度の絶対値も大きく上昇しており、大きなエネルギーを有するスパッタ粒子がワークに到達していることが明らかである。また、パルス周波数が高くなるほど、ターゲットの最大電流密度の絶対値が高くなり、ターゲット側及びワーク側の電力密度の絶対値が上昇しており、より大きなエネルギーを有するスパッタ粒子をワークに到達させることができることを示している。パルス周波数を高くしてもERDAにより求めたDLC膜全体の水素濃度に大きな変化は認められないが、XPSにより求めたDLC膜の表面における炭素と結合した水素の量を示す[C−H]/[C−C]の値は小さくなった。パルス周波数を高くして、[C−H]/[C−C]を小さくすることにより、摩擦係数μを大幅に低減できた。   When a DC pulse power supply is used to form a DLC film by sputtering and the pulse frequency is increased, the power density on the target side is greatly increased, and the sputtered particles are effectively desorbed from the target. Is clear. Further, the absolute value of the average power density on the workpiece side is also greatly increased, and it is clear that sputtered particles having large energy have reached the workpiece. In addition, the higher the pulse frequency, the higher the absolute value of the maximum current density of the target, and the absolute values of the power density on the target side and workpiece side are increased, so that sputtered particles having larger energy can reach the workpiece. It shows that you can. Even if the pulse frequency is increased, the hydrogen concentration of the entire DLC film obtained by ERDA is not significantly changed, but indicates the amount of hydrogen bonded to carbon on the surface of the DLC film obtained by XPS [CH] / The value of [C-C] became small. By increasing the pulse frequency and decreasing [C−H] / [C−C], the friction coefficient μ can be greatly reduced.

また、パルス周波数を高くして[C−H]を低減した場合に、[sp2C−C]は大きく変化していないのに対し、[sp3C−C]は上昇しており、より硬度が高いDLC膜が形成されていると考えられる。 In addition, when [C-H] is decreased by increasing the pulse frequency, [sp 2 C-C] does not change greatly, whereas [sp 3 C-C] increases, It is considered that a DLC film having high hardness is formed.

パルス周波数が同じ場合には、デューティー比が高い方がターゲット側の最大電流密度の絶対値が大きくなり、[C−H]/[C−C]の値は小さくなった。   When the pulse frequency was the same, the higher the duty ratio, the larger the absolute value of the maximum current density on the target side, and the smaller the value of [C−H] / [C−C].

本発明に係る摺動部材及びその製造方法は、潤滑油中における摩擦を十分に低減でき、潤滑油が存在する環境において用いられる摺動部材及びその製造方法等として有用である。   The sliding member and the manufacturing method thereof according to the present invention can sufficiently reduce friction in the lubricating oil, and are useful as a sliding member used in an environment where the lubricating oil exists, a manufacturing method thereof, and the like.

201 中心磁石
202 外周磁石
203 第1外部磁石
204 第2外部磁石
205 コイル
207 ターゲット
208 ワーク
210 ワークホルダ
211 ターゲット台
212 マッチング回路
213 高周波電源
214 スパッタリング電源
214 ローパスフィルター
215 スパッタ電源
216 ローパスフィルター
218 バイアス電源
221 チャンバ
201 Central magnet 202 Outer magnet 203 First external magnet 204 Second external magnet 205 Coil 207 Target 208 Work 210 Work holder 211 Target base 212 Matching circuit 213 High-frequency power source 214 Sputtering power source 214 Low-pass filter 215 Sputtering power source 216 Low-pass filter 218 Bias power source 221 Chamber

Claims (9)

潤滑油の存在下において相手部材と摺動する摺動面と、
前記摺動面に設けられた炭素質膜とを備え、
前記炭素質膜は、その表面において、炭素−水素結合の炭素−炭素結合に対する比が0.59未満であることを特徴とする摺動部材。
A sliding surface that slides with the mating member in the presence of lubricating oil;
A carbonaceous film provided on the sliding surface,
The carbonaceous film has a surface on which a ratio of carbon-hydrogen bonds to carbon-carbon bonds is less than 0.59.
前記炭素質膜は、その表面において、sp3炭素−水素結合のsp3炭素−炭素結合に対する比が0.57未満であることを特徴とする請求項1に記載の摺動部材。 The carbonaceous film has at its surface, sp 3 carbon - hydrogen bond of sp 3 carbon - sliding member according to claim 1, ratio carbon bonds and less than 0.57. 前記炭素質膜は、その表面において、sp2炭素−水素結合のsp2炭素−炭素結合に対する比が0.58未満であることを特徴とする請求項1又は2に記載の摺動部材。 The carbonaceous film has at its surface, sp 2 carbon - hydrogen bond of sp 2 carbon - sliding member according to claim 1 or 2 carbon ratio bonds and less than 0.58. 前記炭素質膜は、水素の含有量が2原子%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の摺動部材。   The sliding member according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbonaceous film has a hydrogen content of 2 atom% or less. 前記炭素質膜は、算術平均表面粗度Raが0.1μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の摺動部材。   5. The sliding member according to claim 1, wherein the carbonaceous film has an arithmetic average surface roughness Ra of 0.1 μm or less. 前記炭素質膜は、中間層を介して前記部材の表面の上に設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の摺動部材。   The said carbonaceous film is provided on the surface of the said member through the intermediate | middle layer, The sliding member of any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned. 摺動部材の基材の表面に炭素質膜を形成する工程を備え、
前記炭素質膜を形成する工程は、
グラファイトをターゲットとし、スパッタリング電源を直流パルス電源とするスパッタリング法により行い、
前記パルス電源の平均出力の絶対値を2.7Wcm-2以上とし、前記パルス電源のパルス周波数を250kHz以上、1MHz以下とし、
前記パルス電源のデューティー比を15%よりも大きく、90%以下とし、
表面における炭素−水素結合の炭素−炭素結合に対する比が0.59未満の炭素質膜を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
Comprising a step of forming a carbonaceous film on the surface of the base material of the sliding member;
The step of forming the carbonaceous film includes
Performed by a sputtering method using graphite as a target and a sputtering power source as a direct current pulse power source,
The absolute value of the average output of the pulse power supply is 2.7 Wcm −2 or more, the pulse frequency of the pulse power supply is 250 kHz or more and 1 MHz or less,
The duty ratio of the pulse power source is greater than 15% and 90% or less,
A method for producing a sliding member, comprising forming a carbonaceous film having a ratio of carbon-hydrogen bonds to carbon-carbon bonds on the surface of less than 0.59.
摺動部材の基材の表面に炭素質膜を形成する工程を備え、
前記炭素質膜を形成する工程は、
グラファイトをターゲットとし、スパッタリング電源を直流パルス電源とするスパッタリング法により行い、
前記パルス電源の最大電流密度の絶対値を55.8mAcm-2よりも大きくし、前記パルス電源のパルス周波数を250kHz以上、1MHz以下とし、
表面における炭素−水素結合の炭素−炭素結合に対する比が0.59未満の炭素質膜を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
Comprising a step of forming a carbonaceous film on the surface of the base material of the sliding member;
The step of forming the carbonaceous film includes
Performed by a sputtering method using graphite as a target and a sputtering power source as a direct current pulse power source,
The absolute value of the maximum current density of the pulse power supply is set to be larger than 55.8 mAcm −2 , and the pulse frequency of the pulse power supply is set to 250 kHz or more and 1 MHz or less,
A method for producing a sliding member, comprising forming a carbonaceous film having a ratio of carbon-hydrogen bonds to carbon-carbon bonds on the surface of less than 0.59.
前記炭素質膜を形成する工程において、前記基材側の平均電力密度の絶対値を19.7mWcm-2よりも大きくすることを特徴とする請求項7又は8に記載の摺動部材の製造方法。 The method for manufacturing a sliding member according to claim 7 or 8, wherein, in the step of forming the carbonaceous film, an absolute value of an average power density on the base material side is made larger than 19.7 mWcm -2. .
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