JP2018188712A - 硬質炭素膜とその製造方法および摺動部材 - Google Patents
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Abstract
Description
摺動部材の摺動面を形成する硬質炭素膜であって、
炭素原子と結合する終端用原子を含有し、
表面から一部が突出している複数の隆起状形態部を有しており、
前記複数の隆起状形態部の周囲が、それぞれ、前記終端用原子により終端されていることを特徴とする硬質炭素膜である。
炭素原子と結合する終端用原子を相対的に多く含有する硬質炭素層と、
炭素原子と結合する終端用原子を相対的に少なく含有する硬質炭素層とが
ナノレベルで交互に積層されて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の硬質炭素膜である。
前記隆起状形態部の分布密度が、表面に近づくにつれて大きくなっていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の硬質炭素膜である。
前記複数の隆起状形態部の内、表面から1.5μmの深さよりも上方の位置から成長している隆起状形態部が、前記複数の隆起状形態部全体の90%以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
前記終端用原子が、水素原子、酸素原子、フッ素原子のいずれかであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
前記硬質炭素膜成膜初期0.3μmの厚さまでの領域における前記終端用原子の含有量が、前記領域よりも浅い領域における前記終端用原子の含有量に比べて少ないことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
隆起状形態部の周囲に、他の部分と比べて終端用原子の含有量が多い炭素層が形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項6に記載の硬質炭素膜である。
前記終端用原子が水素原子であり、水素含有量が5〜15atom%であることを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
ナノインデンテーション硬度が、35GPa以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
ラマンスペクトルにおけるGピークのピーク位置が、表面よりも内部の方が高いことを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
さらに、相対的に低硬度の炭素膜が上層に被覆されていることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
前記低硬度の炭素膜が、水素含有量20atom%以上50atom%未満の炭素膜であることを特徴とする請求項11に記載の硬質炭素膜である。
前記低硬度の炭素膜は、ラマンスペクトルにおけるID/IGが0.7以上であることを特徴とする請求項11または請求項12に記載の硬質炭素膜である。
前記低硬度の炭素膜が、金属元素、珪素、窒素、ホウ素のいずれかを含有していることを特徴とする請求項11ないし請求項13のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
前記低硬度の炭素膜の厚みが、0.1〜1.0μmであることを特徴とする請求項11ないし請求項14のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
硫化ジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン含有オイル中での摺動に使用される摺動部材であって、
摺動面に、請求項1ないし請求項15のいずれか1項に記載の硬質炭素膜が形成されていることを特徴とする摺動部材である。
グラファイトを蒸発源とするアーク蒸着法を用いて、摺動部材の摺動面に硬質炭素膜を成膜する硬質炭素膜の製造方法であって、
炭素原子と結合する終端用原子を含有するガスを導入して、複数の隆起状形態部を、周囲を前記終端用原子により前記炭素原子と結合させて終端させながら、前記硬質炭素膜の表面に成長させることを特徴とする硬質炭素膜の製造方法である。
前記アーク蒸着法において、一定の時間間隔でグラファイト蒸発源から炭素イオンが照射されない状態にしながら、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項17に記載の硬質炭素膜の製造方法である。
炭素原子と結合する終端用原子を含有するガスとして、水素原子、酸素原子、フッ素原子のいずれかを含有するガスを用いると共に、
前記ガスの導入量を経時的に変化させながら、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項17または請求項18に記載の硬質炭素膜の製造方法である。
硬質炭素膜の成膜初期の0.3μmの厚さまでの領域においては、成膜初期の前記ガスの導入量を他の領域よりも少なくして、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項17ないし請求項19のいずれか1項に記載の硬質炭素膜の製造方法である。
炭素原子と結合する終端用原子を含有するガスと一緒に、Arガスを導入しながら、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項17ないし請求項20のいずれか1項に記載の硬質炭素膜の製造方法である。
図1は本実施の形態に係る硬質炭素膜の断面の模式図であり、図2は本実施の形態に係る硬質炭素膜の表面の模式図である。なお、図1、図2において、2は硬質炭素膜、3は隆起状形態部、5は基材であり、2aは硬質炭素膜2の最表面部、3aは隆起状形態部3の硬質炭素膜2の表面から突出している部分、3bは隆起状形態部3の硬質炭素膜2の表面下の部分、3cは3bの側面外周部、2bは3cと対向する硬質炭素膜2の表面部、3dは隆起状形態部3の最表面部である。また、4は隆起状形態部3の硬質炭素膜2の表面下3bにおける周囲の一部としての底部、2cは4と対向する硬質炭素膜2の表面部、7は膜表面における隆起状形態部3と硬質炭素膜2との境界部である。なお、Dは隆起状形態部3の硬質炭素膜2の表面からの深さを示している。
上記した本実施の形態に係る硬質炭素膜は以下に示す各工程を経ることによって製造することができる。
まず、硬質炭素膜を形成させる対象となる基材を準備し、成膜槽内へセットする。このとき、成膜槽内へArガスなどの希ガス、または水素ガスを導入してプラズマを生成させ、基材にバイアス電圧を印加することで、基材の硬質炭素膜形成面の汚れや酸化層を除去することが好ましい。
グラファイトカソードをアーク蒸発源とする真空アーク蒸着法により、基材上に硬質炭素膜を形成させる。このとき、成膜槽内へメタンガスやアセチレンガスなどの炭化水素ガスや水素ガスなど、終端用原子としての水素原子を含有するガスを導入する。これにより、グラファイト蒸発源から飛散するグラファイト微粒子を核として成長する隆起状形態物の周囲の炭素を水素により終端させると共に、成膜中の硬質炭素膜の表面の炭素を水素により終端させることができる。この結果、隆起状形態物と硬質炭素膜との結合が抑制されて、硬質炭素膜から隆起状形態物を容易に脱落させることができる。
本実施の形態においては、上記した硬質炭素膜の上層に、さらに、この硬質炭素膜に比べて相対的に低硬度の炭素膜を被覆してもよい。図6は、硬質炭素膜の上層に低硬度の炭素膜が被覆された硬質炭素膜の断面の模式図である。
上記した本実施の形態に係る硬質炭素膜が摺動面に設けられた摺動部材は、オイル中で摺動させても、脱落した隆起状形態部によるアブレーション摩耗が抑制されて十分な耐摩耗性を発揮すると共に、隆起状形態部が脱落した後の凹部がオイル溜まりとして機能して大幅な摩擦係数の低下をもたらすことができる。また、オイルがMoDTC含有オイルであった場合には、硬質炭素膜では異常摩耗が発生せず、さらに低硬度の炭素膜が上層に被覆されることで、異常摩耗により低硬度の炭素膜が早期に無くなり、短時間で摺動に適した表面を形成することにより、さらなる摩擦係数の低下を期待できる。
まず、硬質炭素膜の特性を評価する実験を行った。
(1)実施例1−1
SCM415浸炭材ディスク(φ31mm×t3mm、HRC60、表面粗度Ra<0.01μm)を基材として、基材上に、アーク蒸着法を用いて水素原子を含有するガスを導入しながら厚み1.0μmの硬質炭素膜を成膜した。
同じように中間層が形成された基材上に、まず、実施例1−1と同様にして、厚み1.0μmの硬質炭素膜を成膜した。次いで、同じ成膜装置内に、Arガスとアセチレンガスとを導入し、ガス圧3.0Paにおいて、600Vのバイアス電圧を印加することにより自己放電型CVD放電を発生させて、硬質炭素膜上に厚み0.3μmの低硬度の炭素膜を成膜して被覆させた。
同じ基材上に、ガスを導入しない従来の真空アーク蒸着法を用いて、厚み1.0μmの硬質炭素膜を成膜した。具体的には、実施例1−1および実施例1−2と同じように中間層が形成された基材上に、アーク放電によってグラファイトカソードを蒸発させながら、外部よりArガスのみを導入して、基材上に硬質炭素膜を成膜した。
実施例1−1および実施例1−2、比較例1−1において得られた各硬質炭素膜について以下の項目で評価を行った。
各硬質炭素膜における水素含有量を、RBS法(Rutherford Backscattering Spectrometry:ラザフォード後方散乱分析法)により測定した。
硬質炭素膜は、sp2構造とsp3構造とが混在しており、その比率(sp3/(sp3+sp2)比率)によって硬質炭素膜の硬度が変化し、具体的には、sp3の割合が高くなるにつれて高い硬度となる。
sp3/(sp3+sp2)比率=55.5X2−163.9X+142.0(式1)
※ X:ID/IG面積比
各硬質炭素膜における膜硬度として、ナノインデンテーション硬度を測定した。具体的には、エリオニクス社製インデンテーション硬度計 ENT−1100aを用い、荷重300mgfでナノインデンテーション硬度を測定した。
図9に実施例1−1および比較例1−1における断面のSEM画像を示す。図9より、比較例1−1では、点線で示した隆起状形態物の下側以外にはコントラストが大きく異なる箇所がない。このことは、硬質炭素膜と隆起状形態物が結合されて連続していることを示しており、隆起状形態物を脱落させることは容易ではない。一方、実施例1−1では、点線で示すように、隆起状形態物の全周でコントラストが大きく異なっており、硬質炭素膜と隆起状形態物の結合が少ないことを示しており、隆起状形態物を容易に脱落可能であることが分かる。
各硬質炭素膜における表面粗さについて、島津製作所社製SPM−9700を用いて以下の測定条件で測定した。
観察モード :ダイナミック
XY走査範囲 :30μm
走査速度 :0.6Hz
画素数
・X :256pixels
・Y :256pixels
走査モード :高さ一定
隆起状形態部の除去しやすさを調べるために、実施例1−1および比較例1−1で作製された硬質炭素膜に対して、ヤマシタワークス社製 AERO LAP YT−300を用いて、以下の条件でラップ処理を行い、その後、表面粗さを測定した。
ラップ時間 :3min
次いで、硬質炭素膜が形成された摺動部材の摺動性を評価する実験を行った。
基材としてSCM415浸炭材シリンダ(φ15mm×L22mm、HRC60)を用い、実施例1−1と同様に硬質炭素膜を成膜して実施例2−1の試験体を作製した。そして、実施例1−2と同様に低硬度の炭素膜が被覆された硬質炭素膜を成膜して実施例2−2の試験体を、比較例1−1と同様に硬質炭素膜を成膜して比較例2−1の試験体を作製した。また、CVD法を用いて基材上に硬質炭素膜を成膜して、比較例2−2の試験体とした。
作製された各試験体を用いて、鋼材ディスク(100CR6(DIN規格))を摺動相手として摺動試験を行った。
・荷重:100N(事前慣らし時のみ50N)
・振動数:33Hz
・振幅:1.5mm
・時間:120min(事前慣らし:5min)
・温度:80℃
・オイル:MoDTC添加の0W−16
(a)表面状態および断面状態
SRV試験2時間後における各試験体の摺動面のSEM画像を図13に示す。
各試験体の摺動試験中における摩擦係数の時間経過に伴う変化を図14に示す。
2a 硬質炭素膜の最表面部
2b 隆起状形態部の側面外周部と対向する硬質炭素膜の表面部
2c 隆起状形態部の底部と対向する硬質炭素膜の表面部
3 隆起状形態部
3a 隆起状形態部の硬質炭素膜の表面から突出している部分
3b 隆起状形態部の硬質炭素膜の表面下の部分
3c 隆起状形態部の硬質炭素膜の表面下部分の側面外周部
3d 隆起状形態部の最表面部
4 隆起状形態部の硬質炭素膜の表面下における底部
5 基材
6 低硬度の炭素膜
7 膜表面における隆起状形態部と硬質炭素膜との境界部
41 シリンダ
42 鋼材ディスク
D 隆起状形態部の硬質炭素膜の表面からの深さ
摺動部材の摺動面を形成する硬質炭素膜であって、
炭素原子と結合する終端用原子を含有し、
表面から一部が突出している複数の隆起状形態部を有しており、
前記複数の隆起状形態部の少なくとも前記硬質炭素膜と接する周囲が、それぞれ、前記終端用原子により終端されていることを特徴とする硬質炭素膜である。
グラファイトを蒸発源とするアーク蒸着法を用いて、摺動部材の摺動面に硬質炭素膜を成膜する硬質炭素膜の製造方法であって、
炭素原子と結合する終端用原子を含有するガスを導入して、複数の隆起状形態部を、周囲を前記終端用原子により前記炭素原子と結合させて終端させながら、一部が前記硬質炭素膜の表面から突出するように成長させることを特徴とする硬質炭素膜の製造方法である。
摺動部材の摺動面を形成する硬質炭素膜であって、
炭素原子と結合する終端用原子を含有し、
表面から一部が突出している複数の隆起状形態部を有しており、
前記複数の隆起状形態部の少なくとも前記硬質炭素膜と接する周囲が、それぞれ、前記終端用原子により終端されており、
前記隆起状形態部の分布密度が、表面に近づくにつれて大きくなっており、
前記複数の隆起状形態部の内、表面から1.5μmの深さよりも上方の位置から成長している隆起状形態部が、前記複数の隆起状形態部全体の90%以上であることを特徴とする硬質炭素膜である。
炭素原子と結合する終端用原子を相対的に多く含有する硬質炭素層と、
炭素原子と結合する終端用原子を相対的に少なく含有する硬質炭素層とが
ナノレベルで交互に積層されて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の硬質炭素膜である。
前記終端用原子が、水素原子、酸素原子、フッ素原子のいずれかであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の硬質炭素膜である。
前記硬質炭素膜成膜初期0.3μmの厚さまでの領域における前記終端用原子の含有量が、前記領域よりも浅い領域における前記終端用原子の含有量に比べて少ないことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
隆起状形態部の周囲に、他の部分と比べて終端用原子の含有量が多い炭素層が形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
前記終端用原子が水素原子であり、水素含有量が5〜15atom%であることを特徴とする請求項3ないし請求項5のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
ナノインデンテーション硬度が、35GPa以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
ラマンスペクトルにおけるGピークのピーク位置が、表面よりも内部の方が高いことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
さらに、相対的に低硬度の炭素膜が上層に被覆されていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
前記低硬度の炭素膜が、水素含有量20atom%以上50atom%未満の炭素膜であることを特徴とする請求項9に記載の硬質炭素膜である。
前記低硬度の炭素膜は、ラマンスペクトルにおけるID/IGが0.7以上であることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の硬質炭素膜である。
前記低硬度の炭素膜が、金属元素、珪素、窒素、ホウ素のいずれかを含有していることを特徴とする請求項9ないし請求項11のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
前記低硬度の炭素膜の厚みが、0.1〜1.0μmであることを特徴とする請求項9ないし請求項12のいずれか1項に記載の硬質炭素膜である。
硫化ジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン含有オイル中での摺動に使用される摺動部材であって、
摺動面に、請求項1ないし請求項13のいずれか1項に記載の硬質炭素膜が形成されていることを特徴とする摺動部材である。
グラファイトを蒸発源とするアーク蒸着法を用いて、摺動部材の摺動面に硬質炭素膜を成膜する硬質炭素膜の製造方法であって、
炭素原子と結合する終端用原子を含有するガスを導入して、複数の隆起状形態部を、周囲を前記終端用原子により前記炭素原子と結合させて終端させながら、一部が前記硬質炭素膜の表面から突出するように成長させ、
前記隆起状形態部の分布密度を、表面に近づくにつれて大きくし、
前記複数の隆起状形態部の内、表面から1.5μmの深さよりも上方の位置から成長している隆起状形態部を、前記複数の隆起状形態部全体の90%以上とすることを特徴とする硬質炭素膜の製造方法である。
前記アーク蒸着法において、一定の時間間隔でグラファイト蒸発源から炭素イオンが照射されない状態にしながら、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項15に記載の硬質炭素膜の製造方法である。
炭素原子と結合する終端用原子を含有するガスとして、水素原子、酸素原子、フッ素原子のいずれかを含有するガスを用いると共に、
前記ガスの導入量を経時的に変化させながら、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項15または請求項16に記載の硬質炭素膜の製造方法である。
硬質炭素膜の成膜初期の0.3μmの厚さまでの領域においては、成膜初期の前記ガスの導入量を他の領域よりも少なくして、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項15ないし請求項17のいずれか1項に記載の硬質炭素膜の製造方法である。
炭素原子と結合する終端用原子を含有するガスと一緒に、Arガスを導入しながら、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項15ないし請求項18のいずれか1項に記載の硬質炭素膜の製造方法である。
図1は本実施の形態に係る硬質炭素膜の断面の模式図であり、図2は本実施の形態に係る硬質炭素膜の表面の模式図である。なお、図1、図2において、2は硬質炭素膜、3は隆起状形態部、5は基材であり、2aは硬質炭素膜2の最表面部、3aは隆起状形態部3の硬質炭素膜2の表面から突出している部分、3bは隆起状形態部3の硬質炭素膜2の表面下の部分、3cは3bの側面外周部、2bは3cと対向する硬質炭素膜2の表面部、3dは隆起状形態部3の最表面部である。また、4は隆起状形態部3の硬質炭素膜2の表面下3bにおける周囲の一部としての底部、2cは4と対向する硬質炭素膜2の表面部、7は膜表面における隆起状形態部3と硬質炭素膜2との境界部である。なお、Dは隆起状形態部3の硬質炭素膜2の表面からの深さを示している。
上記した本実施の形態に係る硬質炭素膜は以下に示す各工程を経ることによって製造することができる。
まず、硬質炭素膜を形成させる対象となる基材を準備し、成膜槽内へセットする。このとき、成膜槽内へArガスなどの希ガス、または水素ガスを導入してプラズマを生成させ、基材にバイアス電圧を印加することで、基材の硬質炭素膜形成面の汚れや酸化層を除去することが好ましい。
グラファイトカソードをアーク蒸発源とする真空アーク蒸着法により、基材上に硬質炭素膜を形成させる。このとき、成膜槽内へメタンガスやアセチレンガスなどの炭化水素ガスや水素ガスなど、終端用原子としての水素原子を含有するガスを導入する。これにより、グラファイト蒸発源から飛散するグラファイト微粒子を核として成長する隆起状形態物の周囲の炭素を水素により終端させると共に、成膜中の硬質炭素膜の表面の炭素を水素により終端させることができる。この結果、隆起状形態物と硬質炭素膜との結合が抑制されて、硬質炭素膜から隆起状形態物を容易に脱落させることができる。
本実施の形態においては、上記した硬質炭素膜の上層に、さらに、この硬質炭素膜に比べて相対的に低硬度の炭素膜を被覆してもよい。図6は、硬質炭素膜の上層に低硬度の炭素膜が被覆された硬質炭素膜の断面の模式図である。
上記した本実施の形態に係る硬質炭素膜が摺動面に設けられた摺動部材は、オイル中で摺動させても、脱落した隆起状形態部によるアブレーション摩耗が抑制されて十分な耐摩耗性を発揮すると共に、隆起状形態部が脱落した後の凹部がオイル溜まりとして機能して大幅な摩擦係数の低下をもたらすことができる。また、オイルがMoDTC含有オイルであった場合には、硬質炭素膜では異常摩耗が発生せず、さらに低硬度の炭素膜が上層に被覆されることで、異常摩耗により低硬度の炭素膜が早期に無くなり、短時間で摺動に適した表面を形成することにより、さらなる摩擦係数の低下を期待できる。
まず、硬質炭素膜の特性を評価する実験を行った。
(1)実施例1−1
SCM415浸炭材ディスク(φ31mm×t3mm、HRC60、表面粗度Ra<0.01μm)を基材として、基材上に、アーク蒸着法を用いて水素原子を含有するガスを導入しながら厚み1.0μmの硬質炭素膜を成膜した。
同じように中間層が形成された基材上に、まず、実施例1−1と同様にして、厚み1.0μmの硬質炭素膜を成膜した。次いで、同じ成膜装置内に、Arガスとアセチレンガスとを導入し、ガス圧3.0Paにおいて、600Vのバイアス電圧を印加することにより自己放電型CVD放電を発生させて、硬質炭素膜上に厚み0.3μmの低硬度の炭素膜を成膜して被覆させた。
同じ基材上に、ガスを導入しない従来の真空アーク蒸着法を用いて、厚み1.0μmの硬質炭素膜を成膜した。具体的には、実施例1−1および実施例1−2と同じように中間層が形成された基材上に、アーク放電によってグラファイトカソードを蒸発させながら、外部よりArガスのみを導入して、基材上に硬質炭素膜を成膜した。
実施例1−1および実施例1−2、比較例1−1において得られた各硬質炭素膜について以下の項目で評価を行った。
各硬質炭素膜における水素含有量を、RBS法(Rutherford Backscattering Spectrometry:ラザフォード後方散乱分析法)により測定した。
硬質炭素膜は、sp2構造とsp3構造とが混在しており、その比率(sp3/(sp3+sp2)比率)によって硬質炭素膜の硬度が変化し、具体的には、sp3の割合が高くなるにつれて高い硬度となる。
sp3/(sp3+sp2)比率=55.5X2−163.9X+142.0(式1)
※ X:ID/IG面積比
各硬質炭素膜における膜硬度として、ナノインデンテーション硬度を測定した。具体的には、エリオニクス社製インデンテーション硬度計 ENT−1100aを用い、荷重300mgfでナノインデンテーション硬度を測定した。
図9に実施例1−1および比較例1−1における断面のSEM画像を示す。図9より、比較例1−1では、点線で示した隆起状形態物の下側以外にはコントラストが大きく異なる箇所がない。このことは、硬質炭素膜と隆起状形態物が結合されて連続していることを示しており、隆起状形態物を脱落させることは容易ではない。一方、実施例1−1では、点線で示すように、隆起状形態物の全周でコントラストが大きく異なっており、硬質炭素膜と隆起状形態物の結合が少ないことを示しており、隆起状形態物を容易に脱落可能であることが分かる。
各硬質炭素膜における表面粗さについて、島津製作所社製SPM−9700を用いて以下の測定条件で測定した。
観察モード :ダイナミック
XY走査範囲 :30μm
走査速度 :0.6Hz
画素数
・X :256pixels
・Y :256pixels
走査モード :高さ一定
隆起状形態部の除去しやすさを調べるために、実施例1−1および比較例1−1で作製された硬質炭素膜に対して、ヤマシタワークス社製 AERO LAP YT−300を用いて、以下の条件でラップ処理を行い、その後、表面粗さを測定した。
ラップ時間 :3min
次いで、硬質炭素膜が形成された摺動部材の摺動性を評価する実験を行った。
基材としてSCM415浸炭材シリンダ(φ15mm×L22mm、HRC60)を用い、実施例1−1と同様に硬質炭素膜を成膜して実施例2−1の試験体を作製した。そして、実施例1−2と同様に低硬度の炭素膜が被覆された硬質炭素膜を成膜して実施例2−2の試験体を、比較例1−1と同様に硬質炭素膜を成膜して比較例2−1の試験体を作製した。また、CVD法を用いて基材上に硬質炭素膜を成膜して、比較例2−2の試験体とした。
作製された各試験体を用いて、鋼材ディスク(100CR6(DIN規格))を摺動相手として摺動試験を行った。
・荷重:100N(事前慣らし時のみ50N)
・振動数:33Hz
・振幅:1.5mm
・時間:120min(事前慣らし:5min)
・温度:80℃
・オイル:MoDTC添加の0W−16
(a)表面状態および断面状態
SRV試験2時間後における各試験体の摺動面のSEM画像を図13に示す。
各試験体の摺動試験中における摩擦係数の時間経過に伴う変化を図14に示す。
2a 硬質炭素膜の最表面部
2b 隆起状形態部の側面外周部と対向する硬質炭素膜の表面部
2c 隆起状形態部の底部と対向する硬質炭素膜の表面部
3 隆起状形態部
3a 隆起状形態部の硬質炭素膜の表面から突出している部分
3b 隆起状形態部の硬質炭素膜の表面下の部分
3c 隆起状形態部の硬質炭素膜の表面下部分の側面外周部
3d 隆起状形態部の最表面部
4 隆起状形態部の硬質炭素膜の表面下における底部
5 基材
6 低硬度の炭素膜
7 膜表面における隆起状形態部と硬質炭素膜との境界部
41 シリンダ
42 鋼材ディスク
D 隆起状形態部の硬質炭素膜の表面からの深さ
Claims (21)
- 摺動部材の摺動面を形成する硬質炭素膜であって、
炭素原子と結合する終端用原子を含有し、
表面から一部が突出している複数の隆起状形態部を有しており、
前記複数の隆起状形態部の周囲が、それぞれ、前記終端用原子により終端されていることを特徴とする硬質炭素膜。 - 炭素原子と結合する終端用原子を相対的に多く含有する硬質炭素層と、
炭素原子と結合する終端用原子を相対的に少なく含有する硬質炭素層とが
ナノレベルで交互に積層されて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の硬質炭素膜。 - 前記隆起状形態部の分布密度が、表面に近づくにつれて大きくなっていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の硬質炭素膜。
- 前記複数の隆起状形態部の内、表面から1.5μmの深さよりも上方の位置から成長している隆起状形態部が、前記複数の隆起状形態部全体の90%以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の硬質炭素膜。
- 前記終端用原子が、水素原子、酸素原子、フッ素原子のいずれかであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の硬質炭素膜。
- 前記硬質炭素膜成膜初期0.3μmの厚さまでの領域における前記終端用原子の含有量が、前記領域よりも浅い領域における前記終端用原子の含有量に比べて少ないことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の硬質炭素膜。
- 隆起状形態部の周囲に、他の部分と比べて終端用原子の含有量が多い炭素層が形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項6に記載の硬質炭素膜。
- 前記終端用原子が水素原子であり、水素含有量が5〜15atom%であることを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか1項に記載の硬質炭素膜。
- ナノインデンテーション硬度が、35GPa以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の硬質炭素膜。
- ラマンスペクトルにおけるGピークのピーク位置が、表面よりも内部の方が高いことを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の硬質炭素膜。
- さらに、相対的に低硬度の炭素膜が上層に被覆されていることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の硬質炭素膜。
- 前記低硬度の炭素膜が、水素含有量20atom%以上50atom%未満の炭素膜であることを特徴とする請求項11に記載の硬質炭素膜。
- 前記低硬度の炭素膜は、ラマンスペクトルにおけるID/IGが0.7以上であることを特徴とする請求項11または請求項12に記載の硬質炭素膜。
- 前記低硬度の炭素膜が、金属元素、珪素、窒素、ホウ素のいずれかを含有していることを特徴とする請求項11ないし請求項13のいずれか1項に記載の硬質炭素膜。
- 前記低硬度の炭素膜の厚みが、0.1〜1.0μmであることを特徴とする請求項11ないし請求項14のいずれか1項に記載の硬質炭素膜。
- 硫化ジアルキルジチオカルバミン酸モリブデン含有オイル中での摺動に使用される摺動部材であって、
摺動面に、請求項1ないし請求項15のいずれか1項に記載の硬質炭素膜が形成されていることを特徴とする摺動部材。 - グラファイトを蒸発源とするアーク蒸着法を用いて、摺動部材の摺動面に硬質炭素膜を成膜する硬質炭素膜の製造方法であって、
炭素原子と結合する終端用原子を含有するガスを導入して、複数の隆起状形態部を、周囲を前記終端用原子により前記炭素原子と結合させて終端させながら、前記硬質炭素膜の表面に成長させることを特徴とする硬質炭素膜の製造方法。 - 前記アーク蒸着法において、一定の時間間隔でグラファイト蒸発源から炭素イオンが照射されない状態にしながら、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項17に記載の硬質炭素膜の製造方法。
- 炭素原子と結合する終端用原子を含有するガスとして、水素原子、酸素原子、フッ素原子のいずれかを含有するガスを用いると共に、
前記ガスの導入量を経時的に変化させながら、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項17または請求項18に記載の硬質炭素膜の製造方法。 - 硬質炭素膜の成膜初期の0.3μmの厚さまでの領域においては、成膜初期の前記ガスの導入量を他の領域よりも少なくして、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項17ないし請求項19のいずれか1項に記載の硬質炭素膜の製造方法。
- 炭素原子と結合する終端用原子を含有するガスと一緒に、Arガスを導入しながら、前記硬質炭素膜を成膜することを特徴とする請求項17ないし請求項20のいずれか1項に記載の硬質炭素膜の製造方法。
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