JP2021172828A - Carbon film and slide member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素膜および摺動部材に関する。 The present invention relates to carbon membranes and sliding members.
潤滑油中で摺動する摺動部材は、様々な機械において使用されており、例えば、自動車などの内燃機関で使用されている。このような摺動部材には、より厳しい環境での使用に耐え得ることが求められており、例えば、高い耐摩耗性および低摩擦性が求められている。このような摺動部材には、その表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜（以下、単に「炭素膜」とも言う）を有する部材が知られている。当該摺動部材には、基材と、中間層を介して基材の表面に形成された硬質炭素被膜とを有する部材が知られている。当該硬質炭素被膜は、いわゆるＤＬＣ膜であり、炭素原子間結合におけるｓｐ３結合の特定の比率および特定の水素含有量等によって規定されている（例えば、特許文献１参照）。 Sliding members that slide in lubricating oil are used in various machines, for example, in internal combustion engines such as automobiles. Such a sliding member is required to be able to withstand use in a harsher environment, for example, high wear resistance and low friction resistance. As such a sliding member, a member having a diamond-like carbon (DLC) film (hereinafter, also simply referred to as “carbon film”) on the surface thereof is known. As the sliding member, a member having a base material and a hard carbon film formed on the surface of the base material via an intermediate layer is known. The hard carbon film is a so-called DLC film, is defined by the particular ratio and certain hydrogen content, etc. of sp 3 bond between carbon atoms binding (e.g., see Patent Document 1).
近年、摺動部材は、より厳しい環境での安定した作動が求められている。摺動部材の作動が想定される環境によっては、摺動部材にはさらに高い耐摩耗性および低摩擦性が求められことがある。このように、炭素膜を有する摺動部材には、耐摩耗性および低摩擦性のさらなる向上の観点から検討の余地が残されている。 In recent years, sliding members are required to operate stably in a harsher environment. Depending on the environment in which the sliding member is expected to operate, the sliding member may be required to have higher wear resistance and lower friction. As described above, the sliding member having a carbon film has room for study from the viewpoint of further improving wear resistance and low frictional property.
本発明は、オイル中のすべり速度１ｍ／ｓを超える高速摺動において、耐摩耗性および低摩擦性に優れる炭素膜および摺動部材を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a carbon film and a sliding member having excellent wear resistance and low friction resistance in high-speed sliding in oil having a sliding speed of more than 1 m / s.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る炭素膜は、ｓｐ２結合およびｓｐ３結合からなる群から選ばれる結合によって炭素原子が結合して構成される炭素膜であって、炭素原子間の全ての結合における前記ｓｐ２結合の比率は、１％以上、２５％以下であり、波長６３２．８ｎｍにおける消衰係数は、０．０２以上、０．０４以下であり、水素含有量は、５原子％以下である。 In order to solve the above problems, the carbon film according to one aspect of the present invention is a carbon film formed by bonding carbon atoms by a bond selected from the group consisting of sp 2 bond and sp 3 bond. The ratio of the sp 2 bond in all the bonds between carbon atoms is 1% or more and 25% or less, and the extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm is 0.02 or more and 0.04 or less, and contains hydrogen. The amount is 5 atomic% or less.
また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る摺動部材は、オイルの存在下での摺動に供される摺動部材であって、その表面における摺動する部分に上記の炭素膜を有する。 Further, in order to solve the above-mentioned problems, the sliding member according to one aspect of the present invention is a sliding member provided for sliding in the presence of oil, and is a sliding portion on the surface thereof. It has the above carbon film.
本発明の一態様によれば、オイル中のすべり速度１ｍ／ｓを超える高速摺動において、耐摩耗性および低摩擦性に優れる炭素膜および摺動部材を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a carbon film and a sliding member having excellent wear resistance and low frictional properties in high-speed sliding in oil having a sliding speed of more than 1 m / s.
本発明の実施の一形態について、以下に詳細に説明する。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ〜Ｂ」は、「Ａ以上、Ｂ以下」を意味する。 An embodiment of the present invention will be described in detail below. Unless otherwise specified in the present specification, "A to B" representing a numerical range means "A or more and B or less".
〔炭素膜〕
本発明の一態様に係る炭素膜は、実質的にはｓｐ２結合およびｓｐ３結合からなる群から選ばれる結合によって炭素原子が結合して構成される。炭素膜は、通常、ｓｐ２結合とｓｐ３結合とが混在した非晶質の炭素膜である。炭素膜における炭素原子が有する結合は、実質的にはｓｐ２結合およびｓｐ３結合のみである。
[Carbon film]
The carbon film according to one aspect of the present invention is substantially composed of carbon atoms bonded by bonds selected from the group consisting of sp 2 bonds and sp 3 bonds. The carbon film is usually an amorphous carbon film in which sp 2 bonds and sp 3 bonds are mixed. The carbon atom has substantially only sp 2 bond and sp 3 bond in the carbon film.
［ｓｐ２結合の比率］
本実施形態において、炭素膜を構成する炭素原子が有する全結合におけるｓｐ２結合の比率は、１％以上、２５％以下である。当該ｓｐ２結合の比率が２５％を超えると、耐摩耗性が不十分になることがあり、また、低摩擦性が不十分となることがある。耐摩耗性および低摩擦性の両方を十分に発現させる観点から、炭素膜におけるｓｐ２結合の比率は、２０％以下であることが好ましく、１５％以下であることがより好ましい。
[Ratio of sp 2 bonds]
In the present embodiment, the ratio of sp 2 bonds in the total bonds of the carbon atoms constituting the carbon film is 1% or more and 25% or less. If the ratio of the sp 2 bond exceeds 25%, the wear resistance may be insufficient and the low friction property may be insufficient. From the viewpoint of sufficiently exhibiting both wear resistance and low friction resistance, the ratio of sp 2 bonds in the carbon film is preferably 20% or less, and more preferably 15% or less.
一方、炭素膜におけるｓｐ２結合の比率は、耐摩耗性および低摩擦性の観点からは、低くても問題ない。他方、当該比率の下限値は、本実施形態の効果が得られる炭素膜を実現する観点、例えば成膜の条件の観点などの製造上の理由、から適宜に決めることが可能である。このような観点から、炭素膜におけるｓｐ２結合の比率は、１％以上であってよい。炭素膜におけるｓｐ２結合の比率は、製造条件の制御が比較的容易で、かつ十分な性能の炭素膜を製造する観点から、５％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましい。 On the other hand, the ratio of sp 2 bonds in the carbon film may be low from the viewpoint of wear resistance and low friction. On the other hand, the lower limit of the ratio can be appropriately determined from the viewpoint of realizing a carbon film to which the effect of the present embodiment can be obtained, for example, from the viewpoint of manufacturing conditions such as the viewpoint of film formation conditions. From this point of view, the ratio of sp 2 bonds in the carbon film may be 1% or more. The ratio of sp 2 bonds in the carbon film is preferably 5% or more, and more preferably 10% or more, from the viewpoint of producing a carbon film having relatively easy control of production conditions and sufficient performance. preferable.
炭素膜における炭素原子が有するｓｐ２結合の比率は、公知の方法を利用して測定することが可能である。本実施形態では、実施例で後述するように、透過型電子顕微鏡を用いる電子エネルギー損失分光法（ＴＥＭ−ＥＥＬＳ）により測定することができる。本実施形態では、グラファイトに特有のエネルギーにおける積分強度とダイヤモンドに特有のエネルギーの積分強度から求められる。 The ratio of sp 2 bonds possessed by carbon atoms in the carbon film can be measured by using a known method. In this embodiment, as will be described later in the examples, measurement can be performed by electron energy loss spectroscopy (TEM-EELS) using a transmission electron microscope. In this embodiment, it is obtained from the integrated intensity of the energy peculiar to graphite and the integrated intensity of the energy peculiar to diamond.
炭素膜におけるｓｐ２結合の比率は、炭素膜の製造条件によって調整することが可能である。たとえば、炭素膜におけるｓｐ２結合の比率は、後述する製造方法におけるアーク電流の電流値がより大きいと、より高くなる傾向がある。 The ratio of sp 2 bonds in the carbon film can be adjusted depending on the production conditions of the carbon film. For example, the ratio of sp 2 bonds in the carbon film tends to be higher when the current value of the arc current in the manufacturing method described later is larger.
前述したように、本実施形態の炭素膜は、実質的にｓｐ２結合およびｓｐ３結合からなる。したがって、炭素膜におけるｓｐ２結合の比率は、ｓｐ３結合で換言することが可能である。たとえば、本実施形態の炭素膜を構成する炭素原子が有する全結合におけるｓｐ３結合の比率は、上記の理由から７５％超９９％未満の範囲における任意の数値であってよい。 As described above, the carbon film of the present embodiment is substantially composed of sp 2 bonds and sp 3 bonds. Therefore, the ratio of sp 2 bonds in the carbon film can be paraphrased by sp 3 bonds. For example, the proportion of sp 3 bonds in the total bond with the carbon atoms constituting the carbon film of the present embodiment may be any numerical value in the range of less than 75 percent 99 percent for the reasons mentioned above.
［消衰係数］
本実施形態の炭素膜の波長６３２．８ｎｍにおける消衰係数は、０．０２以上０．０４以下である。消衰係数は、複素屈折率の虚部ｋであり、炭素膜中での光の減衰を示す値である。炭素膜は、消衰係数が小さいほど、光を吸収しにくく透明性が高い傾向を有する。消衰係数は、炭素膜におけるｓｐ２結合の比率、アルゴンおよび水素等の炭素以外の元素の含有量、並びに、欠陥（例えば、原子空孔等）の密度と相関があり、これらが小さいほど、消衰係数が小さくなる傾向がある。光学定数である消衰係数ｋは波長の関数であり、波長によって異なる値をとる。本発明においては、波長６３２．８ｎｍにおける消衰係数の値を、本実施形態の炭素膜の消衰係数の代表的な値として用いる。以下に記載の消衰係数は、波長を記載していない場合は、当該炭素膜の波長６３２．８ｎｍにおける消衰係数を示す。当該消衰係数が０．０４よりも大きいと、耐摩耗性が不十分になることがあり、また、低摩擦性が不十分となることがある。耐摩耗性および低摩擦性の両方を十分に発現させる観点から、消衰係数は、０．０３５以下であることが好ましく、０．０３以下であることがより好ましい。
[Disappearance coefficient]
The extinction coefficient of the carbon film of the present embodiment at a wavelength of 632.8 nm is 0.02 or more and 0.04 or less. The extinction coefficient is the imaginary part k of the complex refractive index, and is a value indicating the attenuation of light in the carbon film. The smaller the extinction coefficient of the carbon film, the more difficult it is to absorb light and the higher the transparency tends to be. The extinction coefficient correlates with the ratio of sp 2 bonds in the carbon film, the content of non-carbon elements such as argon and hydrogen, and the density of defects (eg, atomic vacancies), the smaller these are, the more The extinction coefficient tends to be small. The extinction coefficient k, which is an optical constant, is a function of wavelength and takes a different value depending on the wavelength. In the present invention, the value of the extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm is used as a typical value of the extinction coefficient of the carbon film of the present embodiment. The extinction coefficient described below indicates the extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm of the carbon film when the wavelength is not described. If the extinction coefficient is larger than 0.04, the wear resistance may be insufficient and the low friction property may be insufficient. From the viewpoint of sufficiently exhibiting both wear resistance and low friction resistance, the extinction coefficient is preferably 0.035 or less, and more preferably 0.03 or less.
一方、上記消衰係数は、耐摩耗性および低摩擦性の観点からは、低ければ低いほど望ましいが、当該比率の下限値は、本実施形態の効果が得られる炭素膜を実現する観点、例えば成膜の条件の観点などの製造上の理由、から適宜に決めることが可能である。このような観点から、炭素膜における消衰係数は、０．０２以上であってよい。上記消衰係数は、製造条件の制御が比較的容易で、かつ十分な性能の炭素膜を製造する観点から、０．０２５以上であることが好ましい。 On the other hand, the lower the extinction coefficient is desirable from the viewpoint of wear resistance and low friction, but the lower limit of the ratio is from the viewpoint of realizing a carbon film to which the effect of the present embodiment can be obtained, for example. It can be appropriately determined from the viewpoint of manufacturing conditions such as film formation conditions. From this point of view, the extinction coefficient of the carbon film may be 0.02 or more. The extinction coefficient is preferably 0.025 or more from the viewpoint of producing a carbon film having relatively easy control of production conditions and sufficient performance.
炭素膜の消衰係数は、公知の技術によって測定することが可能である。炭素膜の消衰係数は、例えば、光干渉式膜厚計または分光エリプロメータを用いて測定することが可能である。 The extinction coefficient of the carbon film can be measured by a known technique. The extinction coefficient of the carbon film can be measured using, for example, an optical interferometry film thickness meter or a spectroscopic eliplometer.
炭素膜における消衰係数は、炭素膜の製造条件によって調整することが可能である。たとえば、消衰係数は、後述する製造方法におけるアーク放電の電流値、基材の温度、または不活性ガスの供給量がより大きいと、より高くなる傾向がある。 The extinction coefficient of the carbon film can be adjusted according to the production conditions of the carbon film. For example, the extinction coefficient tends to be higher when the current value of the arc discharge, the temperature of the base material, or the supply amount of the inert gas in the manufacturing method described later is larger.
［水素含有量］
本実施形態の炭素膜の水素含有量は、５原子％以下である。炭素膜の水素含有量が５原子％を超えると、炭素膜における炭素原子間の結合に供さない結合が多くなり、硬さなどのＤＬＣ膜としての十分な機械的特性を発現しないことがある。当該機械的特性を十分に発現させる観点から、炭素膜の水素含有量は、３原子％以下であることが好ましく、２原子％以下であることがより好ましい。
[Hydrogen content]
The hydrogen content of the carbon film of the present embodiment is 5 atomic% or less. When the hydrogen content of the carbon film exceeds 5 atomic%, the number of bonds that are not used for the bonds between carbon atoms in the carbon film increases, and the hardness and other sufficient mechanical properties of the DLC film may not be exhibited. .. From the viewpoint of fully exhibiting the mechanical properties, the hydrogen content of the carbon film is preferably 3 atomic% or less, and more preferably 2 atomic% or less.
炭素膜の水素含有量は、上記の機械的特性の観点からは低いほど好ましいが、本実施形態における当該水素含有量の下限値は、例えば成膜の条件の観点などの製造上の理由、から適宜に決めることが可能である。たとえば、炭素膜の水素含有量は、比較的容易に製造条件を制御可能な観点から、１原子％以上であってよい。 The lower the hydrogen content of the carbon film is, the more preferable it is from the viewpoint of the above mechanical properties, but the lower limit of the hydrogen content in the present embodiment is set for manufacturing reasons such as, for example, from the viewpoint of film formation conditions. It can be decided as appropriate. For example, the hydrogen content of the carbon film may be 1 atomic% or more from the viewpoint that the production conditions can be controlled relatively easily.
炭素膜の水素含有量は、公知の技術によって求めることが可能である。たとえば、本実施形態の炭素膜の水素含有量は、実施例で後述するように、特許文献１に記載されているラザフォード後方散乱分析（ＲＢＳ）と水素前方散乱分析（ＨＦＳ）とを含むＲＢＳ／ＨＦＳ分析法により測定することができる。 The hydrogen content of the carbon film can be determined by a known technique. For example, the hydrogen content of the carbon film of the present embodiment is RBS / including Rutherford backscatter analysis (RBS) and hydrogen forward scattering analysis (HFS) described in Patent Document 1, as will be described later in Examples. It can be measured by the HFS analysis method.
本実施形態において、炭素膜の水素含有量は、炭素膜の製造条件によって調整することが可能である。本実施形態の炭素膜の水素含有量は、例えば、後述する製造方法における、成膜雰囲気における初期の真空度の値がより大きいと、より多くなる傾向がある。 In the present embodiment, the hydrogen content of the carbon film can be adjusted according to the production conditions of the carbon film. The hydrogen content of the carbon film of the present embodiment tends to be higher when the value of the initial degree of vacuum in the film forming atmosphere in the production method described later is larger, for example.
［硬度］
炭素膜の硬度は、本実施形態の効果が得られる範囲において、適宜に決定することが可能である。炭素膜の硬度は、低すぎると所期の用途で用いることができなくなることがある。前述したオイルの存在下で摺動する摺動部材に用いられる観点から、炭素膜の硬度は、４０ＧＰａ以上であることが好ましく、４５ＧＰａ以上であることがより好ましく、５０ＧＰａ以上であることがさらに好ましい。
[hardness]
The hardness of the carbon film can be appropriately determined within the range in which the effect of the present embodiment can be obtained. If the hardness of the carbon film is too low, it may not be usable for the intended purpose. From the viewpoint of being used for the sliding member that slides in the presence of the oil described above, the hardness of the carbon film is preferably 40 GPa or more, more preferably 45 GPa or more, and further preferably 50 GPa or more. ..
また、炭素膜の硬度は、所期の機械的特性を発現させる観点からは、高くてよいが、膜の形態で実現可能な範囲に決定することができる。たとえば、炭素膜の硬度は、製造条件の制御が比較的容易な観点から、８０ＧＰａ以下であってよく、７０ＧＰａ以下であってよく、６０ＧＰａ以下であってもよい。 Further, the hardness of the carbon film may be high from the viewpoint of expressing the desired mechanical properties, but can be determined within a range feasible in the form of the film. For example, the hardness of the carbon film may be 80 GPa or less, 70 GPa or less, or 60 GPa or less from the viewpoint that the production conditions can be controlled relatively easily.
炭素膜の硬度は、膜の硬度を測定する公知の方法によって測定することが可能である。たとえば、炭素膜の硬度は、実施例でも後述するように、ナノインデンテーションによって測定することが可能である。 The hardness of the carbon film can be measured by a known method for measuring the hardness of the film. For example, the hardness of the carbon film can be measured by nanoindentation, as will be described later in the examples.
炭素膜の硬度は、炭素膜の製造条件によって調整することが可能である。たとえば、炭素膜の硬度は、炭素膜の製造において基材の温度を高くすると、低くなる傾向にある。 The hardness of the carbon film can be adjusted according to the manufacturing conditions of the carbon film. For example, the hardness of the carbon film tends to decrease as the temperature of the base material increases in the production of the carbon film.
［膜厚］
炭素膜の膜厚は、本実施形態の効果が得られる範囲において、適宜に決定することが可能である。炭素膜の膜厚は、薄すぎると機械的特性を始め、本実施形態の効果が所期の程度まで十分に発現されないことがある。炭素膜の膜厚は、厚すぎると、摺動部材の摺動部に形成したときに過度の内部応力がかかり、炭素膜の破損または摺動部材の作動不良が生じることがある。
[Film thickness]
The film thickness of the carbon film can be appropriately determined within the range in which the effect of the present embodiment can be obtained. If the film thickness of the carbon film is too thin, the effects of the present embodiment may not be sufficiently exhibited to the desired degree, including mechanical properties. If the thickness of the carbon film is too thick, excessive internal stress is applied when it is formed on the sliding portion of the sliding member, which may cause damage to the carbon film or malfunction of the sliding member.
所期の用途において所期の特性を十分に発現させる観点から、炭素膜の膜厚は、０．０３μｍ以上であることが好ましく、０．５μｍ以上であることがより好ましく、１μｍ以上であることがさらに好ましい。また、同様の観点から、炭素膜の膜厚は、５０μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以下であることがより好ましく、２０μｍ以下であることがさらに好ましい。 From the viewpoint of sufficiently expressing the desired characteristics in the desired application, the film thickness of the carbon film is preferably 0.03 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and 1 μm or more. Is even more preferable. From the same viewpoint, the film thickness of the carbon film is preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and further preferably 20 μm or less.
炭素膜の膜厚は、公知の方法によって測定することが可能である。また、炭素膜の膜厚は、炭素膜の製造条件によって調整することが可能である。たとえば、炭素膜の膜厚は、後述する製造における成膜時間を長くすると、厚くすることができる。 The film thickness of the carbon film can be measured by a known method. Further, the film thickness of the carbon film can be adjusted according to the production conditions of the carbon film. For example, the film thickness of the carbon film can be increased by increasing the film forming time in the production described later.
［膜構造］
本実施形態の炭素膜は、本実施形態の効果が得られる範囲において様々な形態であってよい。たとえば、本実施形態の炭素膜は、単層構造であっても多層構造であってもよい。炭素膜が多層構造を有する場合では、炭素膜が全体で前述の物性を有していればよく、前述の数値範囲から外れる層を含んでいてもよい。また、炭素膜が全体で前述の物性を有していれば、炭素膜の膜厚方向において物性の偏りがあってもよい。たとえば、炭素膜の一方の面と他方の面との間で水素含有量が異なっていてもよい。
[Membrane structure]
The carbon film of the present embodiment may have various forms as long as the effects of the present embodiment can be obtained. For example, the carbon film of the present embodiment may have a single-layer structure or a multi-layer structure. When the carbon film has a multi-layer structure, the carbon film may have the above-mentioned physical characteristics as a whole, and may include a layer outside the above-mentioned numerical range. Further, as long as the carbon film has the above-mentioned physical properties as a whole, there may be a bias in the physical properties in the film thickness direction of the carbon film. For example, the hydrogen content may be different between one surface and the other surface of the carbon film.
［炭素膜の製造方法］
本実施形態の炭素膜は、特許文献１に記載されているような公知の方法によって製造することが可能である。たとえば、炭素膜は、真空環境下で陰極アーク放電によって炭素源から炭素原子を基材に蒸着させることによって製造することができる。このような製造方法は、真空アーク蒸着装置（アーク式イオンプレーティング装置）を用いて実施することが可能である。炭素源には炭素電極が好適に用いられる。
[Manufacturing method of carbon film]
The carbon film of the present embodiment can be produced by a known method as described in Patent Document 1. For example, a carbon film can be produced by depositing carbon atoms from a carbon source onto a substrate by cathode arc discharge in a vacuum environment. Such a manufacturing method can be carried out by using a vacuum arc vapor deposition apparatus (arc type ion plating apparatus). A carbon electrode is preferably used as the carbon source.
真空アーク蒸着装置は、陰極材料の数μｍ〜数十μｍ程度のマクロパーティクル（粗大粒子）が基材に付着することを抑制する観点から、磁気フィルタを有することが好ましい。 The vacuum arc vapor deposition apparatus preferably has a magnetic filter from the viewpoint of suppressing the adhesion of macroparticles (coarse particles) of several μm to several tens of μm of the cathode material to the substrate.
当該製造方法では、アーク放電を安定化させる観点から、アルゴンガスおよびヘリウムガスなどの不活性ガスを導入してもよい。不活性ガスの供給量は、アーク放電の安定化の観点、および、成膜雰囲気における所期の真空度を達成する観点、から、０〜５ｓｃｃｍの範囲から適宜に決めることができる。 In the production method, an inert gas such as argon gas and helium gas may be introduced from the viewpoint of stabilizing the arc discharge. The amount of the inert gas supplied can be appropriately determined from the range of 0 to 5 sccm from the viewpoint of stabilizing the arc discharge and from the viewpoint of achieving the desired degree of vacuum in the film-forming atmosphere.
不活性ガスの導入は、膜中への不活性ガス元素の取り込みを防止し、前述の消衰係数を有する炭素膜を得る観点から、少ない方が好ましい。また、ｓｐ２成分の比率を小さくし、硬度の高い膜を得る観点からも、不活性ガスの導入が少ない方が好ましい。 The introduction of the inert gas is preferably less from the viewpoint of preventing the uptake of the inert gas element into the membrane and obtaining the carbon film having the above-mentioned extinction coefficient. Further, from the viewpoint of reducing the ratio of the sp 2 component and obtaining a film having high hardness, it is preferable that the introduction of the inert gas is small.
成膜時における基材の温度は、通常、アーク放電の電流に応じて決まり、当該電流が大きいほど高くなる傾向になる。また、成膜時の基材の温度が高すぎると、所望の物性を有する炭素膜が製造されないことがある。炭素膜の所望の物性を実現する観点から、成膜中の基材の温度が、１００℃を超えないように適宜に決めてよい。なお、基材の温度が１００℃を超えないように、成膜を途中で中断して基材の温度を下げる冷却工程を実施してもよい。 The temperature of the base material at the time of film formation is usually determined according to the current of the arc discharge, and the larger the current, the higher the temperature tends to be. Further, if the temperature of the base material at the time of film formation is too high, a carbon film having desired physical properties may not be produced. From the viewpoint of realizing the desired physical properties of the carbon film, the temperature of the base material during film formation may be appropriately determined so as not to exceed 100 ° C. In addition, a cooling step may be carried out in which the film formation is interrupted in the middle to lower the temperature of the base material so that the temperature of the base material does not exceed 100 ° C.
同様に、アーク放電の電流は、炭素膜の所望の物性を実現する観点から、３０〜８０Ａの範囲から適宜に決めてよい。電流が大きいと、基材の温度を上記の温度範囲に保つために、冷却工程を長くするか、あるいは成膜と冷却とを短時間で繰り返す必要がある。また、成膜雰囲気の圧力は、アーク放電による炭素の真空蒸着を実現可能な範囲において適宜に決めることができ、例えば０．００１〜０．０１Ｐａの範囲から適宜に決めてよい。 Similarly, the current of the arc discharge may be appropriately determined from the range of 30 to 80 A from the viewpoint of realizing the desired physical properties of the carbon film. When the current is large, it is necessary to lengthen the cooling step or repeat the film formation and cooling in a short time in order to keep the temperature of the base material in the above temperature range. Further, the pressure of the film forming atmosphere can be appropriately determined within a range in which vacuum deposition of carbon by arc discharge can be realized, and may be appropriately determined from the range of 0.001 to 0.01 Pa, for example.
〔摺動部材〕
本発明の一実施形態における摺動部材は、オイルの存在下での摺動に供される摺動部材であって、その表面における摺動する部分に、本実施形態の炭素膜を有する。摺動部材は、本実施形態の炭素膜と、当該炭素膜をその表面に担持する基材とによって構成され得る。
[Sliding member]
The sliding member according to the embodiment of the present invention is a sliding member that is subjected to sliding in the presence of oil, and has a carbon film of the present embodiment at a sliding portion on the surface thereof. The sliding member may be composed of the carbon film of the present embodiment and a base material that supports the carbon film on its surface.
基材は、摺動部材として用いられる部材であればよい。基材の材料および形状は、摺動部材として用いられる範囲において適宜に決めることができる。また、基材の少なくとも炭素膜を担持する部分は、炭素膜を直接形成する観点から、導電性を有することが好ましい。基材の材料の例には、鉄、鋳鉄、超硬合金、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼およびアルミニウム合金が含まれる。 The base material may be a member used as a sliding member. The material and shape of the base material can be appropriately determined within the range used as the sliding member. Further, at least the portion of the base material that supports the carbon film is preferably conductive from the viewpoint of directly forming the carbon film. Examples of substrate materials include iron, cast iron, carbide alloys, chrome molybdenum steel, stainless steel and aluminum alloys.
また、基材は、少なくとも炭素膜を担持する部分に、硬度を高める処理が施されてもよい。たとえば、基材は、少なくとも炭素膜を担持する部分に、硬質皮膜またはめっき層を有していてもよい。硬質皮膜の例には、金属窒化物の被膜、金属炭窒化物の被膜、および、金属炭化物の被膜が含まれ、金属窒化物の例には、窒化クロムおよび窒化チタンが含まれる。あるいは、基材が鉄系材料の場合では、基材の当該部分には、焼入焼戻しなどの硬化処理、浸炭処理、または窒化処理が施されてもよい。 Further, the base material may be subjected to a treatment for increasing the hardness, at least in the portion supporting the carbon film. For example, the base material may have a hard film or a plating layer at least on a portion supporting a carbon film. Examples of hard coatings include coatings of metal nitrides, coatings of metal carbonitrides, and coatings of metal carbides, and examples of metal nitrides include chromium nitride and titanium nitride. Alternatively, when the base material is an iron-based material, the portion of the base material may be subjected to a hardening treatment such as quenching and tempering, a carburizing treatment, or a nitriding treatment.
さらに、基材は、炭素膜をより強固に担持する観点から、基材と炭素膜との間に、層間接着強度を高めるための中間層を設けてもよい。中間層の材料の例には、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｖ、ＭｏおよびＷからなる群から選ばれる一つ以上の元素、それらの炭化物、窒化物および、炭窒化物、ならびに、ＳｉＣ、からなる群から選ばれる一以上の成分が含まれる。 Further, the base material may be provided with an intermediate layer for increasing the interlayer adhesive strength between the base material and the carbon film from the viewpoint of supporting the carbon film more firmly. Examples of materials for the intermediate layer consist of one or more elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Co, V, Mo and W, their carbides, nitrides and carbonitrides, and SiC. Contains one or more components selected from the group.
中間層は、アークイオンプレーティング法、スパッタリング法およびプラズマＣＶＤ法などの公知の方法によって、基材の表面に形成することが可能である。中間層の厚さは、基材の表面および炭素膜との両方に対して十分な密着性を発現する範囲において適宜に決めることができ、例えば、０．０１０〜０．６μｍの範囲において適宜に決めてよい。 The intermediate layer can be formed on the surface of the base material by known methods such as an arc ion plating method, a sputtering method and a plasma CVD method. The thickness of the intermediate layer can be appropriately determined within a range in which sufficient adhesion is exhibited to both the surface of the base material and the carbon film, and is appropriately determined, for example, in the range of 0.010 to 0.6 μm. You may decide.
本実施形態の摺動部材は、オイルの存在下で高速で摺動する部材として優れた摺動性と耐久性とを発現する。本実施形態の摺動部材は、オイルの存在下で高速で摺動する用途で用いられる部材であることが好ましく、当該摺動部材の例には、自動車部品および機械部品が含まれる。自動車部品の例には、カム、シム、バルブリフタ、プランジャおよびピストンリングが含まれる。機械部品の例には、シャフト、ベアリングおよび歯車が含まれる。 The sliding member of the present embodiment exhibits excellent slidability and durability as a member that slides at high speed in the presence of oil. The sliding member of the present embodiment is preferably a member used for sliding at high speed in the presence of oil, and examples of the sliding member include automobile parts and mechanical parts. Examples of automotive parts include cams, shims, valve lifters, plungers and piston rings. Examples of mechanical parts include shafts, bearings and gears.
なお、摺動部材の使用時に介在するオイルは、限定されないが、通常、潤滑油である。当該オイルは、液体であっても固体であってもよく、その成分も限定されない。当該オイルは、摺動部材の用途に応じて適宜に決めることができる。たとえば、摺動部材が内燃機関のエンジン内の部品である場合では、当該オイルは、エンジンオイルである。 The oil intervening when the sliding member is used is not limited, but is usually a lubricating oil. The oil may be liquid or solid, and its components are not limited. The oil can be appropriately determined according to the use of the sliding member. For example, when the sliding member is a component in the engine of an internal combustion engine, the oil is engine oil.
〔作用効果〕
本実施形態の炭素膜において、ｓｐ２結合の比率は１％以上２５％以下であり、波長６３２．８ｎｍにおける消衰係数は０．０２以上０．０４以下であり、水素含有量は５原子％以下である。実施例で後述するように、本実施形態の炭素膜は、上記の物性を有することから、特にオイル存在下の高速摺動において、優れた低摩擦性および耐摩耗性を呈する。
[Action effect]
In the carbon film of the present embodiment, the sp 2 bond ratio is 1% or more and 25% or less, the extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm is 0.02 or more and 0.04 or less, and the hydrogen content is 5 atomic%. It is as follows. As will be described later in the examples, the carbon film of the present embodiment has the above-mentioned physical properties, and therefore exhibits excellent low friction resistance and wear resistance, especially in high-speed sliding in the presence of oil.
また、本実施形態の炭素膜は、十分に高い硬度と十分な膜厚とを有することにより、使用時に摺動する種々の機械部品に適用することができる。 Further, the carbon film of the present embodiment has a sufficiently high hardness and a sufficient film thickness, so that it can be applied to various mechanical parts that slide during use.
このような炭素膜を少なくとも摺動する部分に有することにより、上記の機械部品に好適な摺動部材を構成することが可能である。 By having such a carbon film at least in the sliding portion, it is possible to form a sliding member suitable for the above-mentioned mechanical parts.
〔まとめ〕
本発明の実施形態における炭素膜は、ｓｐ２結合およびｓｐ３結合からなる群から選ばれる結合によって炭素原子が結合して構成される。そして、炭素膜を構成する炭素原子が有する全結合におけるｓｐ２結合の比率は、１％以上、２５％以下であり、波長６３２．８ｎｍにおける消衰係数は、０．０２以上、０．０４以下であり、水素含有量は、５原子％以下である。よって、本発明の実施形態は、オイル中のすべり速度１ｍ／ｓを超える高速摺動において耐摩耗性および低摩擦性に優れる炭素膜を提供することができる。
〔summary〕
The carbon film in the embodiment of the present invention is composed of carbon atoms bonded by a bond selected from the group consisting of sp 2 bond and sp 3 bond. The ratio of sp 2 bonds in the total bonds of the carbon atoms constituting the carbon film is 1% or more and 25% or less, and the extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm is 0.02 or more and 0.04 or less. The hydrogen content is 5 atomic% or less. Therefore, an embodiment of the present invention can provide a carbon film having excellent wear resistance and low friction resistance in high-speed sliding in oil having a sliding speed of more than 1 m / s.
本発明の実施形態の炭素膜において、水素含有量が３原子％以下であることは、炭素膜の機械的特性を十分に発現させる観点からより一層効果的である。 In the carbon film of the embodiment of the present invention, the hydrogen content of 3 atomic% or less is even more effective from the viewpoint of sufficiently expressing the mechanical properties of the carbon film.
本発明の実施形態の炭素膜において、硬度が４０ＧＰａ以上８０ＧＰａ以下であることは、炭素膜の所期の用途に応じた機械的特性を十分に発現させる観点からより一層効果的である。 In the carbon film of the embodiment of the present invention, the hardness of 40 GPa or more and 80 GPa or less is more effective from the viewpoint of sufficiently exhibiting the mechanical properties according to the intended use of the carbon film.
本発明の実施形態の炭素膜において、膜厚が０．０３μｍ以上５０μｍ以下であることは、炭素膜を所期の用途で適用する観点からより一層効果的である。 In the carbon film of the embodiment of the present invention, the film thickness of 0.03 μm or more and 50 μm or less is more effective from the viewpoint of applying the carbon film to the intended use.
本発明の実施形態における摺動部材は、オイルの存在下での摺動に供される摺動部材であり、その表面における摺動する部分に上記の炭素膜を有する。よって、本発明の実施形態は、耐摩耗性および低摩擦性に優れる炭素膜および摺動部材を提供することができる。 The sliding member according to the embodiment of the present invention is a sliding member that is subjected to sliding in the presence of oil, and has the above-mentioned carbon film on the sliding portion on the surface thereof. Therefore, an embodiment of the present invention can provide a carbon film and a sliding member having excellent wear resistance and low friction.
本発明は上述した各実施形態に限定されず、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. The technical scope of the present invention also includes embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments.
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
〔基材の準備〕
前述の基材として、基板（円板状、材質ＳＣＭ４１５、径：３２ｍｍ、厚さ：３ｍｍ）を用意した。
[Preparation of base material]
As the above-mentioned base material, a substrate (disk-shaped, material SCM415, diameter: 32 mm, thickness: 3 mm) was prepared.
〔実施例１〕
上記の基板を洗浄し、当該基板に付着していた防錆油などの汚れを除去した。洗浄した基板を成膜治具に取り付け、当該成膜治具を、真空アーク蒸着装置の成膜室（チャンバ）に設置した自公転ターンテーブルの一軸に設置した。そして、チャンバの圧力が０．０５Ｐａになるまでチャンバ内を真空排気した後、チャンバ内のヒータにより、基板を１８０℃で３０分間加熱した。その後、ヒータによる加熱をやめ、チャンバの圧力が０．００２Ｐａになるまでチャンバ内を排気した。
[Example 1]
The above-mentioned substrate was washed to remove stains such as rust preventive oil adhering to the substrate. The cleaned substrate was attached to a film forming jig, and the film forming jig was installed on one axis of a self-revolving turntable installed in a film forming chamber (chamber) of a vacuum arc vapor deposition apparatus. Then, the inside of the chamber was evacuated until the pressure in the chamber became 0.05 Pa, and then the substrate was heated at 180 ° C. for 30 minutes by the heater in the chamber. After that, the heating by the heater was stopped, and the inside of the chamber was exhausted until the pressure in the chamber reached 0.002 Pa.
チャンバ内にアルゴンガスを５ｓｃｃｍで流し、基板にバイアス電圧を−７００Ｖ印加した状態で、クロムカソードにアーク電流４５Ａを３分間流し、クロムイオンにより基板の表面をエッチングした。 Argon gas was passed through the chamber at 5 sccm, an arc current of 45 A was passed through the chromium cathode for 3 minutes with a bias voltage of −700 V applied to the substrate, and the surface of the substrate was etched with chromium ions.
チャンバ内の圧力が０．００１Ｐａ以下になるまで真空排気した後、アーク放電の放電電流を４０Ａとして、アーク放電によって炭素カソード（炭素９８原子％以上）を蒸発させながら基板の表面に炭素膜１を形成した。炭素膜１の製造時における基板のバイアスは−５０Ｖであり、基板の温度が１００℃を超えないように、途中で成膜を中断し、成膜と冷却を繰り返しながら、膜厚が約１μｍになるように炭素膜を形成した。 After vacuum exhausting until the pressure in the chamber becomes 0.001 Pa or less, the discharge current of the arc discharge is set to 40 A, and the carbon film 1 is formed on the surface of the substrate while evaporating the carbon cathode (98 atomic% or more of carbon) by the arc discharge. Formed. The bias of the substrate during the production of the carbon film 1 is -50 V, and the film formation is interrupted in the middle so that the temperature of the substrate does not exceed 100 ° C., and the film formation and cooling are repeated to increase the film thickness to about 1 μm. A carbon film was formed so as to become.
〔実施例２〕
炭素膜成膜時の基板の温度が７０℃を超えないように、成膜と冷却を繰り返した以外は、実施例１と同様にして基板の表面に炭素膜２を形成した。
[Example 2]
The carbon film 2 was formed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1 except that the film formation and cooling were repeated so that the temperature of the substrate at the time of forming the carbon film did not exceed 70 ° C.
〔実施例３〕
炭素膜成膜時の基板の温度が５５℃を超えないように、成膜と冷却を繰り返した以外は、実施例１と同様にして基板の表面に炭素膜３を形成した。
[Example 3]
The carbon film 3 was formed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1 except that the film formation and cooling were repeated so that the temperature of the substrate at the time of forming the carbon film did not exceed 55 ° C.
〔実施例４〕
炭素膜成膜時のアーク放電時にアルゴンガスを２ｓｃｃｍの流量でチャンバに導入し、基板バイアス電圧を０Ｖとする以外は、実施例１と同様にして基板の表面に炭素膜４を形成した。
[Example 4]
The carbon film 4 was formed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1 except that argon gas was introduced into the chamber at a flow rate of 2 sccm at the time of arc discharge during the formation of the carbon film and the substrate bias voltage was set to 0 V.
〔比較例１〕
炭素膜成膜時のアーク放電時にアルゴンガスを８ｓｃｃｍの流量でチャンバに導入し、基板冷却のための中断を行わず連続で成膜する以外は、実施例１と同様にして基板の表面に炭素膜Ｃ１を形成した。炭素膜Ｃ１の製造時における基板の最高温度は１７８℃であった。
[Comparative Example 1]
Carbon is introduced on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1 except that argon gas is introduced into the chamber at a flow rate of 8 sccm at the time of arc discharge during the formation of the carbon film, and the film is continuously formed without interruption for cooling the substrate. A film C1 was formed. The maximum temperature of the substrate at the time of manufacturing the carbon film C1 was 178 ° C.
〔比較例２〕
炭素膜成膜時のアーク放電の放電電流を８０Ａとし、アーク放電時にアルゴンガスを８ｓｃｃｍの流量でチャンバに導入し、基板のバイアスを−１５０Ｖとし、基板冷却のための中断を行わず連続で成膜する以外は、実施例１と同様にして基板の表面に炭素膜Ｃ２を形成した。炭素膜Ｃ２の製造時における基板の最高温度は２５０℃であった。
[Comparative Example 2]
The discharge current of the arc discharge during the formation of the carbon film is set to 80 A, the argon gas is introduced into the chamber at a flow rate of 8 sccm during the arc discharge, the bias of the substrate is set to -150 V, and the substrate is continuously formed without interruption for cooling. A carbon film C2 was formed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1 except that the film was formed. The maximum temperature of the substrate at the time of manufacturing the carbon film C2 was 250 ° C.
〔比較例３〕
炭素膜成膜時の基板のバイアス電圧を０Ｖとし、基板冷却のための中断を行わず連続で成膜する以外は、実施例１と同様にして基板の表面に炭素膜Ｃ３を形成した。炭素膜Ｃ３の製造時における基板の最高温度は１５０℃であった。
[Comparative Example 3]
The carbon film C3 was formed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1 except that the bias voltage of the substrate at the time of forming the carbon film was set to 0 V and the film was continuously formed without interruption for cooling the substrate. The maximum temperature of the substrate at the time of manufacturing the carbon film C3 was 150 ° C.
〔評価〕
実施例１〜４および比較例１〜３で得られた炭素膜１〜４およびＣ１〜Ｃ３について、以下の項目の評価を行った。
〔evaluation〕
The following items were evaluated for the carbon films 1 to 4 and C1 to C3 obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3.
（１）ｓｐ２結合比率
炭素膜のｓｐ２結合とｓｐ３結合との比率を、走査透過型電子顕微鏡を用いる電子エネルギー損失分光法（ＴＥＭ−ＥＥＬＳ）により測定した。
(1) sp 2 bond ratio The ratio of sp 2 bond and sp 3 bond of the carbon film was measured by electron energy loss spectroscopy (TEM-EELS) using a scanning transmission electron microscope.
より具体的には、炭素膜について、０．３ｅＶ以下のエネルギー間隔にて電子エネルギー損失スペクトルデータを取得し、２８４．１〜２８５．６ｅＶの積分強度（Ｓπ）および２９２．８〜２９４．３ｅＶの積分強度（Ｓσ）を求めた。 More specifically, for the carbon film, electron energy loss spectrum data is acquired at an energy interval of 0.3 eV or less, and the integrated intensity (Sπ) of 284.1 to 285.6 eV and 292.8 to 294.3 eV. The integrated intensity (Sσ) was determined.
また、グラファイトおよびダイヤモンドについて、別途、同様に電子エネルギー損失スペクトルデータを取得した。そして、グラファイトの２８４．１〜２８５．６ｅＶの積分強度（Ｓｇπ）および２９２．８〜２９４．３ｅＶの積分強度（Ｓｇσ）を求めた。また、ダイヤモンドの２８４．１〜２８５．６ｅＶの積分強度（Ｓｄπ）および２９２．８〜２９４．３ｅＶの積分強度（Ｓｄσ）を求めた。 In addition, electron energy loss spectrum data was obtained separately for graphite and diamond. Then, the integrated strength (Sgπ) of 284.1 to 285.6 eV and the integrated strength (Sgσ) of 292.8 to 294.3 eV of graphite were determined. In addition, the integrated intensity (Sdπ) of 284.1 to 285.6 eV and the integrated intensity (Sdσ) of 292.8 to 294.3 eV of diamond were determined.
上記で得られた積分強度から、下記式（１）より、炭素膜のｓｐ３結合の比率を算出した。
ｓｐ３結合の比率〔％〕＝［（Ｓｇπ／Ｓｇσ）−（Ｓπ／Ｓσ）］／［（Ｓｇπ／Ｓｇσ）−（Ｓｄπ／Ｓｄσ）］×１００ （１）
また、下記式（２）より、炭素膜のｓｐ２結合の比率を算出した。
ｓｐ２結合の比率〔％〕＝１００−ｓｐ３結合の比率〔％〕 （２）
（２）炭素膜の消衰係数
炭素膜の消衰係数の測定には、ＦＩＬＭＥＴＲＩＣＳ株式会社の光干渉式膜厚計を用いた。炭素膜の光学定数のモデルには、Ｃａｕｃｈｙを用い、測定タイプは反射率測定、入射角は０度、偏光はＴＥとし、Ｆｉｔｔｉｎｇ Ｅｒｒｏｒが０．００１以下になるまで、フィッティングを行い、炭素膜の波長６３２．８ｎｍにおける消衰係数を求めた。
From the integrated intensity obtained in the above, the following equation (1) to calculate the ratio of sp 3 bonds of the carbon film.
ratio of sp 3 bonds [%] = [(Sgπ / Sgσ)-(Sπ / Sσ)] / [(Sgπ / Sgσ)-(Sdπ / Sdσ)] × 100 (1)
In addition, the ratio of sp 2 bonds in the carbon film was calculated from the following formula (2).
Ratio of sp 2 bonds [%] = 100-sp Ratio of 3 bonds [%] (2)
(2) Extinction coefficient of carbon film An optical interferometry film thickness meter manufactured by FILMETRIS Co., Ltd. was used to measure the extinction coefficient of the carbon film. Cauchy is used as a model of the optical constant of the carbon film, the measurement type is reflectance measurement, the incident angle is 0 degrees, the polarization is TE, and fitting is performed until the Fitting Error is 0.001 or less. The extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm was determined.
（３）炭素膜の水素含有量
基板の平滑な面に形成された炭素膜に対してＲＢＳ／ＨＦＳ分析法を適用し、炭素膜の水素含有量を測定した。基板における同一の平滑な面に形成された炭素膜から測定された３点の測定値の平均値を算出し、当該炭素膜の水素含有量とした。
(3) Hydrogen content of carbon film The hydrogen content of the carbon film was measured by applying the RBS / HFS analysis method to the carbon film formed on the smooth surface of the substrate. The average value of the measured values at three points measured from the carbon film formed on the same smooth surface of the substrate was calculated and used as the hydrogen content of the carbon film.
（４）炭素膜の硬度
炭素膜の硬度は、株式会社エリオニクス製ナノインデンターＥＮＴ１１００ａを用い、荷重３００ｍｇｆ（２．９４ｍＮ）、荷重分割数５００ステップ、荷重負荷時間１秒間の条件で測定した。
(4) Hardness of carbon film The hardness of the carbon film was measured using Nano Indenter ENT1100a manufactured by Elionix Inc. under the conditions of a load of 300 mgf (2.94 mN), a load division number of 500 steps, and a load load time of 1 second.
（５）摩擦係数および摩耗深さ
炭素膜を有する基板を用いて、以下の試験条件下で摩擦摩耗試験を行い、基板上の炭素膜で摺動するように、低速摺動下（１０ｒｐｍ）および高速摺動下（６００ｒｐｍ）における炭素膜の摩擦係数および摩耗深さを測定した。表２には、６００ｒｐｍの摩擦係数および摩耗深さを示す。摩擦係数は６０分間の試験中の平均値である。なお、上記の低速摺動における基板の移動速度は２１ｍｍ／秒であり、上記の高速摺動における基板の移動速度は１２５７ｍｍ／秒である。６００ｒｐｍの摩擦係数が０．０３０以下であれば、エンジン油存在下での高速摺動において優れた低摩擦性を有すると判断することができる。
(5) Friction coefficient and wear depth Using a substrate having a carbon film, a friction and wear test is performed under the following test conditions, and the friction and wear test is performed under low-speed sliding (10 rpm) and so as to slide on the carbon film on the substrate. The friction coefficient and wear depth of the carbon film under high-speed sliding (600 rpm) were measured. Table 2 shows the coefficient of friction and wear depth at 600 rpm. The coefficient of friction is the average value during the 60-minute test. The moving speed of the substrate in the above-mentioned low-speed sliding is 21 mm / sec, and the moving speed of the substrate in the above-mentioned high-speed sliding is 1257 mm / sec. If the friction coefficient at 600 rpm is 0.030 or less, it can be determined that the friction coefficient is excellent in high-speed sliding in the presence of engine oil.
（試験条件）
試験装置：ブロックオンリング式回転摺動試験装置（リングが一方向に回転）
リング：材質ＦＣＤ６００（ＪＩＳ Ｇ ５５０２準拠 球状黒鉛鋳鉄品）、外径４０ｍｍ、内径３０ｍｍ、幅２０ｍｍ
回転数：１０ｒｐｍおよび６００ｒｐｍ
試験時間：６０分間
試験温度：４０〜５０℃
面圧：０．２３ＭＰａ
潤滑油：基板上の炭素膜の表面に、５秒間に１滴の速度で、潤滑油（０Ｗ−２０、ＭｏＤＴＣ含有）を滴下
６００ｒｐｍで６０分間の試験を行ったのちに、基板上の炭素膜の表面に形成されたリング幅２０ｍｍの摺動痕を垂直に横切るように、未摺動部から摺動部、再び未摺動部にかけて触針式表面粗さ計の針を走査し、未摺動部と摺動部との段差を測定した。測定は、１つの摺動痕に対し３箇所行い、段差の平均値を当該炭素膜の摩耗深さとした。摩耗深さが０．０４μｍ以下であれば、エンジン油存在下での高速摺動において優れた耐摩耗性を有すると判断することができる。
(Test conditions)
Test equipment: Block-on-ring type rotary sliding test equipment (ring rotates in one direction)
Ring: Material FCD600 (JIS G 5502 compliant spheroidal graphite cast iron product), outer diameter 40 mm, inner diameter 30 mm, width 20 mm
Rotation speed: 10 rpm and 600 rpm
Test time: 60 minutes Test temperature: 40-50 ° C
Surface pressure: 0.23 MPa
Lubricating oil: Lubricating oil (0W-20, containing MoDTC) is dropped on the surface of the carbon film on the substrate at a rate of 1 drop every 5 seconds. After a test at 600 rpm for 60 minutes, the carbon film on the substrate The needle of the stylus type surface roughness meter is scanned from the non-sliding part to the sliding part and again to the non-sliding part so as to vertically cross the sliding mark having a ring width of 20 mm formed on the surface of the surface. The step between the moving part and the sliding part was measured. The measurement was performed at three points for one sliding mark, and the average value of the steps was taken as the wear depth of the carbon film. When the wear depth is 0.04 μm or less, it can be judged that the wear resistance is excellent in high-speed sliding in the presence of engine oil.
炭素膜１〜４およびＣ１〜Ｃ３の製造条件を表１に示す。また、炭素膜１〜４およびＣ１〜Ｃ３の物性、および高速での摩擦摩耗試験結果を表２に示す。さらに、炭素膜１および炭素膜Ｃ１の、低速摺動下および高速摺動下における摩擦係数を表３に示す。 Table 1 shows the production conditions of the carbon films 1 to 4 and C1 to C3. Table 2 shows the physical properties of the carbon films 1 to 4 and C1 to C3, and the results of the friction and wear test at high speed. Further, Table 3 shows the friction coefficients of the carbon film 1 and the carbon film C1 under low-speed sliding and high-speed sliding.
〔考察〕
表１から明らかなように、炭素膜１〜４は、いずれも、エンジン油存在下での高速摺動において優れた低摩擦性と耐摩耗性とを有している。
[Discussion]
As is clear from Table 1, all of the carbon films 1 to 4 have excellent low friction resistance and wear resistance in high-speed sliding in the presence of engine oil.
中でも、炭素膜３は、低摩耗性および耐摩耗性のいずれにもより優れている。これは、ｓｐ２結合比率が小さく、また消衰係数が低いため、と考えらえる。 Among them, the carbon film 3 is more excellent in both low wear resistance and wear resistance. It is considered that this is because the sp2 binding ratio is small and the extinction coefficient is low.
さらに表３から明らかなように、炭素膜１および炭素膜Ｃ１は、低速での摺動では、実質的に同じ摩擦係数を示すが、炭素膜１の高速摺動での摩擦係数は、炭素膜Ｃ１のそれに比べて明らかに低い。したがって、炭素膜１は、従来の炭素膜に比べて、特に高速の摺動での低摩擦性に優れていることが分かる。 Further, as is clear from Table 3, the carbon film 1 and the carbon film C1 show substantially the same friction coefficient when sliding at low speed, but the friction coefficient when sliding at high speed of the carbon film 1 is the carbon film. It is clearly lower than that of C1. Therefore, it can be seen that the carbon film 1 is excellent in low friction property especially at high speed sliding as compared with the conventional carbon film.
これに対して、炭素膜Ｃ１および炭素膜Ｃ３は、耐摩耗性は良好であったが、低摩擦性が不十分であった。これは、炭素膜Ｃ１については炭素膜のｓｐ２結合の比率および消衰係数のいずれもが高すぎるため、と考えられる。炭素膜Ｃ３については、消衰係数は低いもののｓｐ２結合の比率が高いため、と考えられる。これらの結果から、良好な低摩擦性を示すにはｓｐ２結合の比率と消衰係数の両方が、本発明の範囲の低い値を満たす必要があると考えられる。 On the other hand, the carbon film C1 and the carbon film C3 had good wear resistance, but insufficient low friction resistance. It is considered that this is because both the ratio of the sp 2 bond of the carbon film and the extinction coefficient of the carbon film C1 are too high. It is considered that the carbon film C3 has a low extinction coefficient but a high ratio of sp 2 bonds. From these results, it is considered that both the sp 2 bond ratio and the extinction coefficient must satisfy the low values in the range of the present invention in order to show good low friction.
また、炭素膜Ｃ２は、低摩擦性、耐摩耗性のいずれもが不十分であった。これは、炭素膜Ｃ２における炭素膜のｓｐ２結合の比率、消衰係数の両方が高すぎるとともに、膜硬度が低すぎたため、と考えられる。 Further, the carbon film C2 was insufficient in both low friction resistance and wear resistance. It is considered that this is because both the ratio of the sp 2 bond of the carbon film and the extinction coefficient of the carbon film C2 are too high and the film hardness is too low.
本発明は、油の存在下での高速摺動において高い低摩擦性、高い耐久性を必要とする部品に好適であり、このような部品を用いる技術分野のさらなる拡大および発展に寄与することが期待される。 The present invention is suitable for parts that require high friction and high durability in high-speed sliding in the presence of oil, and can contribute to further expansion and development of technical fields using such parts. Be expected.
Claims (5)
前記炭素膜を構成する炭素原子が有する全結合における前記ｓｐ２結合の比率は、１％以上、２５％以下であり、
波長６３２．８ｎｍにおける消衰係数は、０．０２以上、０．０４以下であり、
水素含有量は、５原子％以下である、炭素膜。 A carbon film composed of carbon atoms bonded by bonds selected from the group consisting of sp 2 bonds and sp 3 bonds.
The ratio of the sp 2 bond to all the bonds of the carbon atoms constituting the carbon film is 1% or more and 25% or less.
The extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm is 0.02 or more and 0.04 or less.
A carbon film having a hydrogen content of 5 atomic% or less.
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