JP4201557B2 - Hard carbon film sliding member - Google Patents

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JP4201557B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低摩擦な硬質炭素皮膜摺動部材に関し、特に、エンジンオイルやトランスミッションオイル等の潤滑油中で使用するのに適した低摩擦な硬質炭素皮膜摺動部材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
硬質炭素皮膜は、アモルファス状の炭素又は水素化炭素から成る膜で、a−C:H(アモルファスカーボン又は水素化アモルファスカーボン)、i−C(アイカーボン)、DLC(ダイヤモンドライクカーボン又はディーエルシー)とも呼ばれている。その形成には、炭化水素ガスをプラズマ分解して成膜するプラズマCVD法、又は炭素や炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法等の気相合成法などが用いられる。
【0003】
硬質炭素皮膜は、高硬度で表面が平滑で耐摩擦性に優れ、その固体潤滑性から摩擦係数が低く、優れた摺動性能を有している。例えば、通常の平滑な鋼材表面の摩擦係数が無潤滑下で0.5〜1.0であるのに対し、硬質炭素膜は無潤滑下での摩擦係数が0.1程度である。そして、現在では、これらの優れた特性を活かして、ドリル刃をはじめとする切削工具及び研削工具等の加工治具や、塑性加工用金型、バルブコックやキャプスタンローラのような無潤滑下での摺動部品等への応用が図られている。
【0004】
また、潤滑油中で摺動する内燃機関などの機械部品においても、エネルギー消費や環境問題の面からできるだけ機械損失を低減したいという要求が高まっており、特に、摩擦損失の大きい摺動条件の厳しい部位で、これらの固体潤滑性を有する硬質炭素皮膜による低摩擦化が望まれている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記硬質炭素膜を摺動部品にコーティングし、エンジン油やトランスミッション油等の潤滑油中で摺動させた場合、その平滑性からある程度の低摩擦とはなるが、他の固体潤滑性を有していない硬質の皮膜処理をした摺動部材、例えば、窒化チタン(TiN)や窒化クロム(CrN)のイオンプレーティング皮膜処理を施した摺動部材と同等の低摩擦性能しか示さないという問題点が明らかになった。
【0006】
また、エンジン油やトランスミッション油等の潤滑油中で、摩擦係数μ=0.04以下の低摩擦を実現するように固体潤滑性を有する二硫化モリブデン(MoS2)やポリ四フッ化エチレン(PTFE)を表面に処理した摺動部品もすでに適用が多く成されているが、さらに高面圧下で厳しい摺動条件で使用される場合は、耐摩耗性が不足し、初期においてその性能は達成できるが、長期間使用すると摩滅してしまい、その性能は維持できないという問題点があった。
【0007】
【発明の目的】
本発明は、これらの問題点に着目して成されたものであって、潤滑油中であってもその固体潤滑性が有効に働き、摩擦係数μ=0.04以下の低摩擦で耐摩耗性に優れた摺動部材を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため鋭意研究したところ、先に出願した特開2000−297373号公報に記載されているように、硬質炭素皮膜中にある種の金属元素を添加することによって摩擦係数の低減を実現したが、摩擦係数のさらなる低減が引き続き望まれていることから、硬質炭素皮膜に含まれる金属と酸素の量や、これらの量の相関が潤滑油中での摩擦特性に及ぼす影響について研究をさらに重ねた結果、硬質炭素皮膜中の金属元素及び酸素の夫々の存在比を規定することにより、潤滑油中でのさらなる低摩擦性能を実現可能とした。
【0009】
すなわち、本発明の硬質炭素皮膜摺動部材は、潤滑油中で使用される硬質炭素皮膜摺動部材であって、少なくとも硬質炭素皮膜の表面層に、Ti,W,Nb,Fe,Mo,Zn,Ga,Mn及びNiより成る群から選ばれた少なくとも1種の金属元素を4原子%以上20原子%以下含み、且つ酸素を6原子%以上30原子%以下含み、表面層中の金属の存在比をX原子%、酸素の存在比をY原子%としたときに、YがXの1.5倍以上2.6倍以下であり、前記皮膜の厚さが0.5μm以上10μm以下であり、表面粗さがRa0.1μm以下であることを特徴としている。
【0011】
【発明の作用】
本発明の硬質炭素皮膜摺動部材では、上記の構成としたことにより、極圧添加剤が表面に吸着しやすく且つ反応生成物を表面に形成しやすくなり、潤滑油中で低摩擦な硬質炭素皮膜摺動部材とすることが可能になる。例えば、省燃費を目的としてエンジンオイルなどに使用されるような鉱油及び合成油を基油とし、モリブデンジチオカーバメートをモリブデン量として50〜1000ppm、ジチオリン酸亜鉛をリン量として0.01〜0.2質量%を含む潤滑油中においては、従来の硬質炭素皮膜表面には、潤滑油中に極圧添加剤として添加されているモリブデンジチオカーバメート及びジチオリン酸亜鉛の添加剤皮膜が形成されず、従来の炭素皮膜を形成しない鋼製の摺動部材よりも摩擦係数が高くなっていたが、特定の金属、すなわち、Ti,W,Nb,Fe,Mo,Zn,Ga,Mn及びNiより成る群から選ばれた少なくとも1種の金属元素を4〜20原子%炭素皮膜に含有させ、さらに、炭素皮膜に酸素を6〜30原子%含有させ、さらに、表面層中の金属の存在比をX原子%、酸素の存在比をY原子%としたときに、YをXの1.5倍以上2.6倍以下とし、前記皮膜の厚さを0.5μm以上10μm以下とし、表面粗さをRa0.1μm以下とした場合、金属元素と酸素との協調作用により極圧添加剤が表面に膜を形成しやすくなると推測され、これにより低い摩擦係数が得られることとなる。
【0012】
なお、炭素皮膜中の金属元素の含有量を4原子%未満にすると、極圧添加剤が付着し難くくて摩擦係数が高くなり、金属原子の含有量を20原子%超過にすると、硬質炭素皮膜の炭素間の結合状態が変化して膜の性状が変わるため、摩擦係数が再び高くなる。また、炭素皮膜中の酸素の含有量を6原子%未満にすると、極圧添加剤が付着し難くくて摩擦係数が高くなり、酸素の含有量を30原子%超過にすると、硬質炭素皮膜の炭素間の結合状態が変化して膜の性状が変わるため、摩擦係数が再び高くなる。よって、本発明では、硬質炭素皮膜中の金属元素及び酸素の含有量を上述の範囲とすることで、低摩擦性能を実現している。
【0014】
【発明の効果】
本発明の硬質炭素皮膜摺動部材によれば、硬質炭素皮膜中に所定量の金属元素及び酸素を含有させたことにより、極圧添加剤が表面に吸着しやすく且つ反応生成物を表面に形成しやすくなり、潤滑油中であってもその固体潤滑性が有効に働き、低摩擦で耐摩耗性に優れた摺動部材を実現することができ、例えば摩擦係数μ=0.04以下の摺動部材を実現することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の硬質炭素皮膜摺動部材は、潤滑油中で使用される硬質炭素皮膜摺動部材であって、少なくとも硬質炭素皮膜の表面層に、元素周期律表の第IIb、III、IV、Va、VIa、VIIa及びVIII族より成る群から選ばれた少なくとも1種以上の金属元素を4原子%以上20原子%以下含み、且つ酸素を6原子%以上30原子%以下含むものとしており、表面層中の金属の存在比をX原子%、酸素の存在比をY原子%としたときに、YがXの1.5倍以上2.6倍以下であるものとしている。
【0017】
これにより、極圧添加剤が表面に吸着しやすくかつ反応生成物を表面に形成しやすくなり、潤滑油中で低摩擦な硬質炭素皮膜摺動部材とすることができ、とくに、金属元素に対して酸素を相対的に多く含ませることで、摩擦係数をより一層低減し得るものとなる
【0018】
また、硬質炭素皮膜摺動部材は、より望ましくは、硬質炭素皮膜に含ませる金属元素として、チタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)及び鉄(Fe)より成る群から選ばれた少なくとも1種を含むものとすることで、添加剤の反応皮膜形成を考慮した場合により有効なものとなり、さらに、皮膜の厚さが0.5μm以上10μm以下であり、表面粗さがRa0.1μm以下であるものとすることができる。
【0019】
ここで、皮膜の厚さは、0.5μmよりも小さいと密着強度が不足し、10μmよりも大きいと皮膜内の残留応力が大きくなって剥離が生じる可能性があるため、0.5μm以上10μm以下とするのが良い。また、表面は、表面粗さRaで0.1μm以下に平滑に仕上げるのが良い。平滑であればあるほど良好であるため粗さの下限は特に定められないが、実際には、製造加工のコスト等を適宜勘案して適当な値の表面粗さに仕上げることとなる。
【0020】
このようにして、当該硬質炭素皮膜摺動部材は、充分な密着強度を維持するとともに剥離の発生を防止して、潤滑剤中で低摩擦であって摺動特性により一層優れたものとなり、また、表面粗さが大きいことによる低摩擦特性の劣化と相手攻撃性の増大を防ぐことも可能となる。
【0021】
上記の硬質炭素皮膜摺動部材は、内燃機関の動弁機構のアジャスティングシムあるいはバルブリフターに用いることができ、これにより、内燃機関の動弁特性をより一層良好なものにすることが可能になる
【0022】
また、本発明の硬質炭素皮膜摺動部材は、その製造方法として、金属元素を予め添加した硬質炭素皮膜を形成し、これにプラズマ処理又はイオン注入処理を行う方法により得ることができる。この製造方法によれば、硬質炭素皮膜中の酸素の量や深さの分布を広範囲に制御することができるという利点がある。
【0023】
さらに、本発明の硬質炭素皮膜摺動部材は、その製造方法として、イオンプレーティング法又はスパッタリング法により硬質炭素皮膜を形成し、この形成の際に、雰囲気中に酸素を加える方法により得ることができる。この製造方法によれば、プロセスが一段階で済むという特徴があり、酸素分圧を制御することで、ある程度の範囲で硬質炭素皮膜中の酸素量の制御が可能である。また、プロセスの進行とともに酸素分圧を変化させれば、皮膜中の酸素量を深さに応じて変化させたいわゆる傾斜組成材料にすることも可能である。
【0024】
そしてさらに、本発明の硬質炭素皮膜摺動部材は、その製造方法として、スパッタリング法により硬質炭素皮膜を形成し、この形成の際に、スパッタリングターゲットの一部に金属酸化物を配置することで皮膜中に金属及び酸素を含有させる方法により得ることができる。この製造方法の場合もプロセスが一段階で済むという特徴があり、また、金属元素の種類によっては金属単体よりもその酸化物の方が安価に供給されているものもあるので、製造コストを低減することができるという利点がある。さらに、本発明を達成する過程で実験的に得た知見であるが、ターゲットの一部に金属酸化物を用いれば、金属単体のターゲットを用いた場合に比べて、皮膜中の金属含有量を容易に高めることができるという効果がある。
【0025】
【実施例】
以下、本発明の硬質炭素皮膜摺動部材の実施例を比較例とともに説明する。なお、本発明の硬質炭素皮膜摺動部材は、請求項に記載した構成要件を満たすものであれば良く、各実施例のみに限定されるものではない。
【0026】
(実施例1)
浸炭鋼(JIS SCM415)より成る基材の表面をRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、二酸化チタン(TiO)のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Ti及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0027】
上記のプロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)の表面粗さを測定したところ、仕上げ加工無しで皮膜表面の粗さはRa0.09μmであった。また、皮膜の厚さは、予め試料の一部をマスクしておき、硬質炭素皮膜が付着した部分と付着していない部分との段差を表面粗さ計で測定した結果、1.8μmであった。
【0028】
皮膜中の各元素の存在比の定量は、オージエ電子分光法で測定した。まず、分析装置内において、試料表面をアルゴンガスで一定時間エッチングし、次に、分析装置から取り出してエッチングした部分の深さを求めた。これを総エッチング時間に対して直線的に割り付けてエッチングレートを求めた。これにより求められたエッチングレートは、1分あたり3.8nmであった。
【0029】
次に、上記エッチングレートをもとに一定の深さを掘り取るための時間を逆算し、試料をその時間だけ掘り取ってはオージエ電子分光により組成を分析する操作を所定回数だけ繰り返し、各元素の深さ方向の分布(デプスプロファイル)を求めた。この際、試料表面から5nmのところから5nm毎に20nmの深さまで合計4点の測定を行い、その平均を「表面層の各元素の存在比」とした。この分析の結果、皮膜中にTiが16原子%、酸素が24原子%存在していることが判った。
【0030】
次に、上記試料の摩擦特性の評価を行った。この際、試料は、図1に示すような直径30mm、厚み4mmの円板基材11の上に硬質炭素皮膜12をコーティングした試験片(硬質炭素皮膜摺動部材)10とした。また、摩擦試験装置としては、図2(a)に示すようなピンオンディスクタイプの摩耗試験装置20を用いた。
【0031】
摩擦試験装置20は、モータ26を駆動源とする回転軸21でワークテーブル22を回転自在に支持すると共に、このワークテーブル22を油浴槽28内に配置し、ワークテーブル22に試験片10を固定する。また、ワークテーブル22の上面には、ホルダ24Hが対向した状態で昇降可能に配置してあり、このホルダ24Hには、図2(b)に示すように、3本のピン24が放射状に配置してある。このとき、ピン24は回転できないように固定してある。
【0032】
そして、摩擦試験装置20は、スプリング25により各ピン24を試験片10に圧接すると共に、油浴槽28内に、試験片10及びピン24が浸るように潤滑油28Lを注入し、この状態でワークテーブル22を回転させて、ピン24と試験片10との間で発生する摩擦力に応じたトルクをロードセル27で計測し、これにより摩擦係数を算出するものとしている。
【0033】
なお、スプリング25による荷重は10N、ピン24の周速は0.02m/sとした。また、ピン24は、材質が浸炭鋼(SUJ2)であり、直径5mm、長さ5mmの円柱形状である。潤滑油28Lには、市販の自動車用エンジンオイル0W−20(モリブデンジチオカーバメート入り)を用いた。油温は、温度調節計により80℃に設定した。そして、試験片10を潤滑油28Lに浸した後、試験片10の温度が潤滑油28Lの温度と一致するまで充分な時間をおいてから測定を開始した。さらに、初期のなじみ効果を考慮して、試験開始から5分経過した時点での測定値を以って、同試験片10の摩擦係数とした。その結果、摩擦係数は0.026であった。
【0034】
(実施例2)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、三酸化タングステン(WO)のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、W及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0035】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)の表面粗さを測定したところ、仕上げ加工無しで皮膜表面の粗さはRa0.07μmであった。また、皮膜の厚さは2.1μmであった。さらに、実施例1と同様にオージエ電子分光法により皮膜中のW量及びO量の測定を行った結果、Wは5原子%、Oは12原子%含まれていることが判った。そしてさらに、実施例1と同様に摩擦係数の測定を行った結果、その摩擦係数は0.030であった。
【0036】
(実施例3)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、五酸化ニオブ(NbO)のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Nb及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0037】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.08μm、皮膜の厚さが3.4μm、皮膜中のNb量が8原子%、O量が14原子%であり、摩擦係数が0.029であった。
【0038】
(実施例4)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、酸化第二鉄(Fe)のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Fe及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0039】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.06μm、皮膜の厚さが2.0μm、皮膜中のFe量が10原子%、O量が18原子%であり、摩擦係数が0.029であった。
【0040】
(実施例5)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、三酸化モリブデン(MoO)のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Mo及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0041】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.07μm、皮膜の厚さが3.0μm、皮膜中のMo量が7原子%、O量が18原子%であり、摩擦係数が0.028であった。
【0042】
(実施例6)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、酸化亜鉛(ZnO)のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Zn及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0043】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.09μm、皮膜の厚さが3.8μm、皮膜中のZn量が10原子%、O量が21原子%であり、摩擦係数が0.036であった。
【0044】
(実施例7)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、酸化ガリウム(Ga)のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Ga及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0045】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.07μm、皮膜の厚さが2.2μm、皮膜中のGa量が17原子%、O量が27原子%であり、摩擦係数が0.033であった。
【0046】
(実施例8)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、三二酸化マンガン(Mn)のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Mn及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0047】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.07μm、皮膜の厚さが3.0μm、皮膜中のMn量が8原子%、O量が13原子%であり、摩擦係数が0.031であった。
【0048】
(実施例9)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、酸化ニッケル(NiO)のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Ni及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0049】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.08μm、皮膜の厚さが3.0μm、皮膜中のNi量が8原子%、O量が13原子%であり、摩擦係数が0.031であった。
【0050】
(実施例10)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、二酸化チタン(TiO)及び三酸化モリブデン(MoO)のプレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Ti、Mo及びOが皮膜中に入る
ようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0051】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.08μm、皮膜の厚さが2.6μm、皮膜中のTi量が5原子%、Mo量が3原子%、O量が18原子%であり、摩擦係数が0.028であった。
【0052】
(実施例11)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、金属チタンプレート(Ti)を置いた。金属チタンプレートの形状及び寸法は実施例1と同等にした。同時にスパッタリングを行うことにより、Tiが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンと酸素を9:1(体積比)の割合で混合して用いた。
【0053】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.08μm、皮膜の厚さが4.2μm、皮膜中のTi量が8原子%、O量が14原子%であり、摩擦係数が0.032であった。
【0054】
(実施例12)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、二酸化チタン(TiO)プレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Ti及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0055】
さらに、表面酸素量を増すために基材表面にプラズマ処理を行った。基材表面に設けた硬質炭素皮膜を真空槽に収め、真空槽内を5×10−3 Pa程度まで排気し、次いで、真空槽内に酸素を供給しつつ外部から高周波電力(13.56MHz)を送り込んで酸素プラズマを発生させた。酸素分圧は1Paとした。また、真空槽(基準電位)に対し、試料には0.5kV程度のバイアス電圧をかけ、酸素が効率良く硬質炭素皮膜に到達するようにした。
【0056】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.09μm、皮膜の厚さが1.4μm、皮膜中のTi量が10原子%、O量が26原子%であり、摩擦係数が0.027であった。
【0057】
(実施例13)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、二酸化チタン(TiO)プレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Ti及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0058】
さらに、表面酸素量を増すために基材表面にイオン注入処理を行った。基材表面に設けた硬質炭素皮膜を真空槽に収め、真空槽内を5×10−3 Pa程度まで排気し、次いで、真空槽内にイオンガンから酸素を供給しつつ、試料とイオンガンとの間に6kVのバイアス電圧をかけ、酸素を表面から硬質炭素皮膜に打ち込んだ。
【0059】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.06μm、皮膜の厚さが1.5μm、皮膜中のTi量が10原子%、O量が24原子%であり、摩擦係数が0.025であった。
【0060】
(実施例14)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、イオンプレーティング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、イオン源として、炭素及びチタンをアーク放電により供給した。反応槽中に供給するガスは、アルゴンと酸素を9:1(体積比)の割合で混合して用いた。
【0061】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.09μm、皮膜の厚さが5.6μm、皮膜中のTi量が8原子%、O量が16原子%であり、摩擦係数が0.027であった。
【0062】
(比較例1)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、金属チタンプレート(Ti)を置いた。金属チタンプレートの形状及び寸法は実施例1の半分とした。同時にスパッタリングを行うことにより、Tiが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0063】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.08μm、皮膜の厚さが3.2μm、皮膜中のTi量が4原子%、O量が5原子%であり、酸素の割合が実施例1〜14よりも少なくなった。また、摩擦係数が0.045であり、実施例1〜14よりも大きくなった。
【0064】
(比較例2)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、二酸化チタン(TiO)を置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Ti及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0065】
さらに、表面酸素量を増すために、実施例12と同様に、基材表面にプラズマ処理を行った。基材表面に設けた硬質炭素皮膜を真空槽に収め、真空槽内を5×10−3 Pa程度まで排気し、次いで、真空槽内に酸素を供給しつつ外部から高周波電力(13.56MHz)を送り込んで酸素プラズマを発生させた。酸素分圧は10Paとした。また、真空槽(基準電位)に対し、試料には0.5kV程度のバイアス電圧をかけ、酸素が効率良く硬質炭素皮膜に到達するようにした。
【0066】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.09μm、皮膜の厚さが1.2μm、皮膜中のTi量が10原子%、O量が35原子%であり、摩擦係数が0.053であった。つまり、実施例1〜14に比べて酸素量が多く、摩擦係数も大きくなった。
【0067】
(比較例3)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、金属チタンプレート(Ti)を置いた。金属チタンプレートの形状及び寸法は実施例1の2倍とした。同時にスパッタリングを行うことにより、Tiが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0068】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.09μm、皮膜の厚さが3.0μm、皮膜中のTi量が8原子%、O量が11原子%であり、摩擦係数が0.048であって実施例1〜14よりも大きくなった。
【0069】
(比較例4)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、二酸化チタン(TiO)プレートを置いた。二酸化チタンプレートの形状及び寸法は実施例1と同等にした。同時にスパッタリングを行うことにより、Ti及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。成膜時間は実施例1の4分の1とした。
【0070】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.08μm、皮膜の厚さが0.4μm、皮膜中のTi量が10原子%、O量が17原子%であり、摩擦係数の測定を行った結果、摺動痕部分で硬質炭素皮膜の剥離が一部で認められた。
【0071】
(比較例5)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、二酸化チタン(TiO)プレートを置いた。二酸化チタンプレートの形状及び寸法は実施例1と同等にした。同時にスパッタリングを行うことにより、Ti及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。成膜時間は実施例1の4倍とした。
【0072】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.06μm、皮膜の厚さが11μm、皮膜中のTi量が11原子%、O量が18原子%であり、摩擦係数の測定を行った結果、摺動痕部分で硬質炭素皮膜の剥離が一部で認められた。この剥離の原因としては、皮膜の厚さが過大であることが考えられる。
【0073】
(比較例6)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.04μmに超仕上げ加工した後、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、二酸化チタン(TiO)プレートを置いた。二酸化チタンプレートの形状及び寸法は実施例1のほぼ3倍とした。同時にスパッタリングを行うことにより、Ti及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。成膜時間は実施例1と同等にした。
【0074】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.06μm、皮膜の厚さが4.2μm、皮膜中のTi量が22原子%、O量が35原子%であり、摩擦係数が0.058であって実施例1〜14よりも大きくなった。
【0075】
(比較例7)
実施例1と同様に、浸炭鋼より成る基材の表面を粗さRa0.2μmまでの処理に留め、炭素をターゲット材料としたマグネトロンスパッタリング法により、基材表面に硬質炭素皮膜をコーティングした。このとき、ターゲット上には、二酸化チタン(TiO)プレートを置き、同時にスパッタリングを行うことにより、Ti及びOが皮膜中に入るようにした。スパッタリングの際のガスにはアルゴンを用いた。
【0076】
上記プロセスにより得た試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、皮膜表面の粗さがRa0.23μm、皮膜の厚さが1.9μm、皮膜中のTi量が8原子%、O量が13原子%であり、摩擦係数が0.068であって実施例1〜14よりも大きくなった。この場合、表面が粗いために摩擦係数が大きくなったものと考えられる。
【0077】
上記実施例1〜14及び比較例1〜7の結果を以下の表1〜表3にまとめた。
【表1】

Figure 0004201557
【0078】
【表2】
Figure 0004201557
【0079】
【表3】
Figure 0004201557
【0080】
表1及び表2から明らかなように、本発明の各実施例1〜14の試料(硬質炭素皮膜摺動部材)は、表3に示す比較例1〜7に比べて、いずれも摩擦係数がμ=0.04以下であり、潤滑油中であってもその固体潤滑性が有効に働き、低摩擦で耐摩耗性に優れた摺動部材であることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【図1】円板基材の上に硬質炭素皮膜をコーティングした試験片を示す斜視図である。
【図2】本発明の評価に使用した摩擦試験装置の断面説明図(a)及びピンの配置を説明する斜視図(b)である。
【符号の説明】
10 試験片(硬質炭素皮膜摺動部材)
11 円板基材
12 硬質炭素皮膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a low-friction hard carbon film sliding member, and in particular, a low-friction hard carbon film sliding part suitable for use in lubricating oil such as engine oil and transmission oil.MaterialIt is related.
[0002]
[Prior art]
The hard carbon film is a film made of amorphous carbon or hydrogenated carbon, and is aC: H (amorphous carbon or hydrogenated amorphous carbon), iC (eye carbon), DLC (diamond-like carbon or DLC). It is also called. For the formation, a plasma CVD method in which a hydrocarbon gas is plasma-decomposed and a film is formed, or a gas phase synthesis method such as an ion beam evaporation method using carbon or hydrocarbon ions is used.
[0003]
The hard carbon film has a high hardness, a smooth surface, excellent friction resistance, a low coefficient of friction due to its solid lubricity, and excellent sliding performance. For example, the friction coefficient of a normal smooth steel surface is 0.5 to 1.0 under no lubrication, whereas the hard carbon film has a friction coefficient of about 0.1 under no lubrication. Now, taking advantage of these excellent properties, machining tools such as drill blades and cutting tools, grinding tools, etc., plastic molds, valve cocks and capstan rollers are used under non-lubricated conditions. Application to sliding parts and the like is planned.
[0004]
In addition, in mechanical parts such as internal combustion engines that slide in lubricating oil, there is an increasing demand for reducing mechanical loss as much as possible from the viewpoint of energy consumption and environmental problems. It is desired that the friction be reduced by the hard carbon film having these solid lubricating properties.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the above-mentioned hard carbon film is coated on a sliding part and slid in lubricating oil such as engine oil or transmission oil, the smoothness is somewhat low friction. It exhibits a low frictional performance equivalent to that of a sliding member with a hard coating that has no properties, for example, a sliding member that has been subjected to an ion plating coating of titanium nitride (TiN) or chromium nitride (CrN). The problem became clear.
[0006]
In addition, molybdenum disulfide (MoS2) and polytetrafluoroethylene (PTFE) that have solid lubricity so as to realize low friction with a friction coefficient μ = 0.04 or less in lubricating oil such as engine oil and transmission oil. There are already many applications for sliding parts that have been treated on the surface, but if they are used under severe sliding conditions under higher surface pressure, the wear resistance is insufficient and the performance can be achieved in the initial stage. However, when used for a long period of time, there is a problem that it is worn out and its performance cannot be maintained.
[0007]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention has been made paying attention to these problems, and its solid lubricity works effectively even in lubricating oil, and wear resistance is low friction coefficient μ = 0.04 or less. It aims at providing the sliding member excellent in property.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of earnest research to achieve the above object, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-297373 filed earlier, the friction coefficient can be reduced by adding a certain metallic element in the hard carbon film. However, since further reduction of the coefficient of friction is still desired, the amount of metal and oxygen contained in the hard carbon film and the effect of the correlation between these amounts on the friction properties in lubricating oil are studied. As a result of further overlapping, by defining the abundance ratios of the metal element and oxygen in the hard carbon film, it was possible to realize further low friction performance in the lubricating oil.
[0009]
  That is, the hard carbon film sliding member of the present invention is a hard carbon film sliding member used in lubricating oil, at least on the surface layer of the hard carbon film,Ti, W, Nb, Fe, Mo, Zn, Ga, Mn and NiAt least one selected from the group consisting ofSeedContains 4 atomic% to 20 atomic% of metal element, and 6 atomic% to 30 atomic% of oxygen,When the metal abundance ratio in the surface layer is X atomic% and the oxygen abundance ratio is Y atomic%, Y is 1.5 times or more and 2.6 times or less of X, and the thickness of the coating is 0 .5 μm or more and 10 μm or less, and surface roughness is Ra 0.1 μm or less.It is characterized by that.
[0011]
[Effects of the Invention]
  In the hard carbon film sliding member of the present invention, the above configuration makes it possible for the extreme pressure additive to be easily adsorbed on the surface and to form a reaction product on the surface, and hard carbon having low friction in lubricating oil. A film sliding member can be obtained. For example, mineral oil and synthetic oil used for engine oil and the like for the purpose of saving fuel are used as base oil, molybdenum dithiocarbamate is 50 to 1000 ppm in terms of molybdenum, and zinc dithiophosphate is 0.01 to 0.2 in terms of phosphorus. In the lubricating oil containing mass%, the additive film of molybdenum dithiocarbamate and zinc dithiophosphate added as extreme pressure additives in the lubricating oil is not formed on the surface of the conventional hard carbon film. The coefficient of friction was higher than that of a steel sliding member that does not form a carbon film.Ti, W, Nb, Fe, Mo, Zn, Ga, Mn and NiContaining at least one metal element selected from the group consisting of 4 to 20 atomic% in the carbon film, further containing 6 to 30 atomic% of oxygen in the carbon film,Furthermore, when the abundance ratio of the metal in the surface layer is X atomic% and the abundance ratio of oxygen is Y atomic%, Y is set to 1.5 times or more and 2.6 times or less of X, and the thickness of the coating is set to 0.5 μm to 10 μm and surface roughness Ra 0.1 μm or lessIn this case, it is presumed that the extreme pressure additive easily forms a film on the surface due to the cooperative action of the metal element and oxygen, and thereby a low friction coefficient is obtained.
[0012]
If the content of the metal element in the carbon film is less than 4 atomic%, the extreme pressure additive is difficult to adhere and the coefficient of friction increases, and if the content of the metal atom exceeds 20 atomic%, the hard carbon Since the bonding state between the carbons of the coating changes and the properties of the coating change, the coefficient of friction increases again. Also, if the oxygen content in the carbon film is less than 6 atomic%, the extreme pressure additive is difficult to adhere and the friction coefficient increases, and if the oxygen content exceeds 30 atomic%, the hard carbon film Since the bonding state between carbons changes and the properties of the film change, the friction coefficient increases again. Therefore, in this invention, low friction performance is implement | achieved by making content of the metal element and oxygen in a hard carbon film into the above-mentioned range.
[0014]
【The invention's effect】
According to the hard carbon film sliding member of the present invention, by including a predetermined amount of metal element and oxygen in the hard carbon film, the extreme pressure additive is easily adsorbed on the surface and a reaction product is formed on the surface. Therefore, even in the lubricating oil, the solid lubricity effectively works, and a sliding member having low friction and excellent wear resistance can be realized. For example, a sliding member having a friction coefficient μ = 0.04 or less. A moving member can be realized.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  The hard carbon film sliding member of the present invention is a hard carbon film sliding member used in a lubricating oil, and at least the surface layer of the hard carbon film has elements IIb, III, IV, Va of the periodic table of elements. , VIa, VIIa and VIII at least one metal element selected from the group consisting of 4 atom% to 20 atom%, and oxygen 6 atom% to 30 atom%, tableWhen the abundance ratio of the metal in the surface layer is X atomic% and the abundance ratio of oxygen is Y atomic%, Y is 1.5 times or more of X.2.6 times or lessIt is supposed to be.
[0017]
  This makes it possible for the extreme pressure additive to be easily adsorbed on the surface and to form a reaction product on the surface, and to make a hard carbon film sliding member having low friction in a lubricating oil. By containing a relatively large amount of oxygen, the friction coefficient can be further reduced..
[0018]
More preferably, the hard carbon film sliding member is made of titanium (Ti), tungsten (W), molybdenum (Mo), niobium (Nb), and iron (Fe) as metal elements to be included in the hard carbon film. By including at least one selected from the group, it becomes more effective when the reactive film formation of the additive is taken into consideration, and the thickness of the film is 0.5 μm or more and 10 μm or less, and the surface roughness is Ra may be 0.1 μm or less.
[0019]
Here, if the thickness of the film is smaller than 0.5 μm, the adhesion strength is insufficient, and if it is larger than 10 μm, the residual stress in the film may increase and peeling may occur. The following is good. The surface is preferably finished to a smooth surface roughness Ra of 0.1 μm or less. Since the smoother the better, the lower limit of the roughness is not particularly defined. In practice, however, the surface roughness of an appropriate value is finished in consideration of the cost of the manufacturing process.
[0020]
In this way, the hard carbon film sliding member maintains sufficient adhesion strength and prevents the occurrence of peeling, has low friction in the lubricant, and is more excellent in sliding characteristics. Further, it is possible to prevent the deterioration of the low friction characteristic and the increase of the opponent attack due to the large surface roughness.
[0021]
The above-mentioned hard carbon film sliding member can be used for an adjusting shim or valve lifter of a valve mechanism of an internal combustion engine, thereby making it possible to further improve the valve performance of the internal combustion engine. Become
[0022]
Moreover, the hard carbon film sliding member of this invention can be obtained by forming the hard carbon film which added the metal element previously as a manufacturing method, and performing this plasma treatment or ion implantation process. According to this manufacturing method, there is an advantage that the amount and depth distribution of oxygen in the hard carbon film can be controlled over a wide range.
[0023]
Furthermore, the hard carbon film sliding member of the present invention can be obtained by forming a hard carbon film by an ion plating method or a sputtering method as a manufacturing method thereof, and adding oxygen to the atmosphere during the formation. it can. This manufacturing method is characterized in that the process is completed in one step, and the amount of oxygen in the hard carbon film can be controlled within a certain range by controlling the oxygen partial pressure. Further, if the oxygen partial pressure is changed as the process proceeds, a so-called gradient composition material in which the amount of oxygen in the film is changed according to the depth can be obtained.
[0024]
Further, the hard carbon film sliding member of the present invention is formed by forming a hard carbon film by a sputtering method as a manufacturing method thereof and disposing a metal oxide on a part of the sputtering target during the formation. It can be obtained by a method in which a metal and oxygen are contained. This manufacturing method also has the feature that the process can be completed in one step, and depending on the type of metal element, some oxides are supplied at a lower cost than single metal, thus reducing the manufacturing cost. There is an advantage that you can. Furthermore, although it is knowledge obtained experimentally in the process of achieving the present invention, if a metal oxide is used for a part of the target, the metal content in the film is reduced as compared with the case of using a single metal target. There is an effect that it can be easily increased.
[0025]
【Example】
Examples of the hard carbon film sliding member of the present invention will be described below together with comparative examples. In addition, the hard carbon film sliding member of this invention should just satisfy | fill the structural requirements described in the claim, and is not limited only to each Example.
[0026]
Example 1
After superfinishing the surface of the substrate made of carburized steel (JIS SCM415) to Ra 0.04 μm, the substrate surface was coated with a hard carbon film by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, titanium dioxide (TiO 2) is formed on the target.2), And simultaneously performing sputtering so that Ti and O enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0027]
When the surface roughness of the sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process was measured, the film surface roughness was Ra 0.09 μm without finishing. Further, the thickness of the film was 1.8 μm as a result of measuring a step between a portion where the hard carbon film was adhered and a portion where the hard carbon film was adhered with a surface roughness meter by masking a part of the sample in advance. It was.
[0028]
The abundance ratio of each element in the film was measured by Auger electron spectroscopy. First, in the analyzer, the sample surface was etched with argon gas for a certain period of time, and then the depth of the etched part was obtained from the analyzer. This was assigned linearly with respect to the total etching time to obtain the etching rate. The etching rate thus determined was 3.8 nm per minute.
[0029]
Next, the time for digging a certain depth based on the above etching rate is calculated back, and the operation of analyzing the composition by Auger electron spectroscopy is repeated a predetermined number of times after digging the sample for that time. The distribution in the depth direction (depth profile) was obtained. At this time, a total of four points were measured from 5 nm from the sample surface to a depth of 20 nm every 5 nm, and the average was defined as the “abundance ratio of each element in the surface layer”. As a result of this analysis, it was found that Ti was present at 16 atomic% and oxygen was present at 24 atomic% in the film.
[0030]
Next, the friction characteristics of the sample were evaluated. At this time, the sample was a test piece (hard carbon film sliding member) 10 in which a hard carbon film 12 was coated on a disk substrate 11 having a diameter of 30 mm and a thickness of 4 mm as shown in FIG. As a friction test apparatus, a pin-on-disk type wear test apparatus 20 as shown in FIG.
[0031]
The friction test apparatus 20 rotatably supports a work table 22 by a rotary shaft 21 having a motor 26 as a drive source, and the work table 22 is disposed in an oil bath 28 and the test piece 10 is fixed to the work table 22. To do. Further, on the upper surface of the work table 22, a holder 24H is arranged so as to be movable up and down, and three pins 24 are arranged radially on the holder 24H as shown in FIG. 2 (b). It is. At this time, the pin 24 is fixed so that it cannot rotate.
[0032]
The friction test apparatus 20 presses each pin 24 against the test piece 10 with a spring 25, and injects lubricating oil 28L into the oil bath 28 so that the test piece 10 and the pin 24 are immersed. The table 22 is rotated, the torque corresponding to the friction force generated between the pin 24 and the test piece 10 is measured by the load cell 27, and thereby the friction coefficient is calculated.
[0033]
The load by the spring 25 was 10 N, and the peripheral speed of the pin 24 was 0.02 m / s. The pin 24 is made of carburized steel (SUJ2) and has a cylindrical shape with a diameter of 5 mm and a length of 5 mm. As the lubricating oil 28L, commercially available automotive engine oil 0W-20 (with molybdenum dithiocarbamate) was used. The oil temperature was set to 80 ° C. with a temperature controller. Then, after the test piece 10 was immersed in the lubricating oil 28L, the measurement was started after a sufficient time had elapsed until the temperature of the test piece 10 coincided with the temperature of the lubricating oil 28L. Furthermore, in consideration of the initial familiarity effect, the friction coefficient of the test piece 10 was determined by using the measured value when 5 minutes had elapsed from the start of the test. As a result, the friction coefficient was 0.026.
[0034]
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, tungsten trioxide (WO3), And simultaneously performing sputtering so that W and O enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0035]
When the surface roughness of the sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process was measured, the film surface roughness was Ra 0.07 μm without finishing. The thickness of the film was 2.1 μm. Furthermore, as a result of measuring the amount of W and O in the film by Auger electron spectroscopy in the same manner as in Example 1, it was found that W was contained at 5 atomic% and O was contained at 12 atomic%. Furthermore, as a result of measuring the friction coefficient in the same manner as in Example 1, the friction coefficient was 0.030.
[0036]
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, niobium pentoxide (NbO) is formed on the target.5), And simultaneously performing sputtering so that Nb and O enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0037]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.08 μm, a film thickness of 3.4 μm, an Nb content in the film of 8 atomic%, and an O content of 14 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.029.
[0038]
Example 4
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, ferric oxide (Fe2O3), And simultaneously performing sputtering so that Fe and O enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0039]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.06 μm, a film thickness of 2.0 μm, an Fe content of 10 atomic%, and an O content of 18 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.029.
[0040]
(Example 5)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, molybdenum trioxide (MoO) is formed on the target.3), And simultaneously performing sputtering so that Mo and O enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0041]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.07 μm, a film thickness of 3.0 μm, a Mo content in the film of 7 atomic%, and an O content of 18 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.028.
[0042]
(Example 6)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, a zinc oxide (ZnO) plate was placed on the target, and sputtering was performed at the same time so that Zn and O entered the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0043]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.09 μm, a film thickness of 3.8 μm, a Zn content in the film of 10 atomic%, and an O content of 21 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.036.
[0044]
(Example 7)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, gallium oxide (Ga2O3), And simultaneously performing sputtering so that Ga and O enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0045]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.07 μm, a film thickness of 2.2 μm, a Ga content of 17 atomic%, and an O content of 27 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.033.
[0046]
(Example 8)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, manganese trioxide (Mn2O3), And simultaneously performing sputtering so that Mn and O enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0047]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.07 μm, a film thickness of 3.0 μm, an Mn content of 8 atomic% and an O content of 13 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.031.
[0048]
Example 9
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, a nickel oxide (NiO) plate was placed on the target, and simultaneous sputtering was performed so that Ni and O entered the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0049]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.08 μm, a film thickness of 3.0 μm, a Ni content in the film of 8 atomic%, and an O content of 13 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.031.
[0050]
(Example 10)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, titanium dioxide (TiO 2) is formed on the target.2) And molybdenum trioxide (MoO)3), And at the same time sputtering, Ti, Mo and O enter the film
I did it. Argon was used as the gas during sputtering.
[0051]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.08 μm, a film thickness of 2.6 μm, a Ti amount in the film of 5 atomic%, and an Mo amount of 3 atoms. %, The O content was 18 atomic%, and the friction coefficient was 0.028.
[0052]
(Example 11)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, a metal titanium plate (Ti) was placed on the target. The shape and dimensions of the metal titanium plate were the same as in Example 1. By simultaneously performing sputtering, Ti was allowed to enter the film. Argon and oxygen were mixed at a ratio of 9: 1 (volume ratio) as a gas for sputtering.
[0053]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.08 μm, a film thickness of 4.2 μm, a Ti amount in the film of 8 atomic%, and an O amount of 14 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.032.
[0054]
(Example 12)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, titanium dioxide (TiO 2) is formed on the target.2) A plate was placed and simultaneously sputtered to allow Ti and O to enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0055]
Further, plasma treatment was performed on the surface of the base material in order to increase the surface oxygen amount. The hard carbon film provided on the substrate surface is stored in a vacuum chamber, and the inside of the vacuum chamber is 5 × 10-3 After evacuating to about Pa, high-frequency power (13.56 MHz) was sent from outside while oxygen was supplied into the vacuum chamber to generate oxygen plasma. The oxygen partial pressure was 1 Pa. In addition, a bias voltage of about 0.5 kV was applied to the sample with respect to the vacuum chamber (reference potential) so that oxygen efficiently reached the hard carbon film.
[0056]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.09 μm, a film thickness of 1.4 μm, a Ti content in the film of 10 atomic%, and an O content of 26 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.027.
[0057]
(Example 13)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, titanium dioxide (TiO 2) is formed on the target.2) A plate was placed and simultaneously sputtered to allow Ti and O to enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0058]
Furthermore, in order to increase the amount of surface oxygen, ion implantation treatment was performed on the substrate surface. The hard carbon film provided on the substrate surface is stored in a vacuum chamber, and the inside of the vacuum chamber is 5 × 10-3 Then, while supplying oxygen from the ion gun into the vacuum chamber, a bias voltage of 6 kV was applied between the sample and the ion gun to drive oxygen into the hard carbon film from the surface.
[0059]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.06 μm, a film thickness of 1.5 μm, a Ti content in the film of 10 atomic%, and an O content of 24 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.025.
[0060]
(Example 14)
As in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, the surface of the base material was coated with a hard carbon film by an ion plating method. At this time, carbon and titanium were supplied by arc discharge as an ion source. The gas supplied into the reaction vessel was a mixture of argon and oxygen at a ratio of 9: 1 (volume ratio).
[0061]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.09 μm, a film thickness of 5.6 μm, a Ti content in the film of 8 atomic%, and an O content of 16 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.027.
[0062]
(Comparative Example 1)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, a metal titanium plate (Ti) was placed on the target. The shape and dimensions of the metal titanium plate were half that of Example 1. By simultaneously performing sputtering, Ti was allowed to enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0063]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.08 μm, a film thickness of 3.2 μm, a Ti amount in the film of 4 atomic%, and an O amount of 5 atoms. %, And the proportion of oxygen was less than in Examples 1-14. Moreover, the friction coefficient was 0.045 and became larger than Examples 1-14.
[0064]
(Comparative Example 2)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, titanium dioxide (TiO 2) is formed on the target.2) And simultaneously performing sputtering so that Ti and O enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0065]
Further, in order to increase the amount of surface oxygen, plasma treatment was performed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 12. The hard carbon film provided on the substrate surface is stored in a vacuum chamber, and the inside of the vacuum chamber is 5 × 10-3 After evacuating to about Pa, high-frequency power (13.56 MHz) was sent from outside while oxygen was supplied into the vacuum chamber to generate oxygen plasma. The oxygen partial pressure was 10 Pa. In addition, a bias voltage of about 0.5 kV was applied to the sample with respect to the vacuum chamber (reference potential) so that oxygen efficiently reached the hard carbon film.
[0066]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.09 μm, a film thickness of 1.2 μm, a Ti content in the film of 10 atomic%, and an O content of 35 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.053. That is, compared with Examples 1-14, there was much oxygen amount and the friction coefficient became large.
[0067]
(Comparative Example 3)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, a metal titanium plate (Ti) was placed on the target. The shape and dimensions of the metal titanium plate were twice those of Example 1. By simultaneously performing sputtering, Ti was allowed to enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0068]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.09 μm, a film thickness of 3.0 μm, a Ti content in the film of 8 atomic%, and an O content of 11 atoms. %, And the friction coefficient was 0.048, which was larger than those of Examples 1-14.
[0069]
(Comparative Example 4)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, titanium dioxide (TiO 2) is formed on the target.2) Placed the plate. The shape and dimensions of the titanium dioxide plate were the same as in Example 1. By simultaneously performing sputtering, Ti and O were allowed to enter the film. Argon was used as the gas during sputtering. The film formation time was set to a quarter of that in Example 1.
[0070]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.08 μm, a film thickness of 0.4 μm, a Ti content in the film of 10 atomic%, and an O content of 17 atoms. As a result of measuring the coefficient of friction, peeling of the hard carbon film was partially observed at the sliding trace portion.
[0071]
(Comparative Example 5)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, titanium dioxide (TiO 2) is formed on the target.2) Placed the plate. The shape and dimensions of the titanium dioxide plate were the same as in Example 1. By simultaneously performing sputtering, Ti and O were allowed to enter the film. Argon was used as the gas during sputtering. The film formation time was four times that of Example 1.
[0072]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.06 μm, a film thickness of 11 μm, a Ti content in the film of 11 atomic%, and an O content of 18 atomic%. Yes, as a result of measuring the friction coefficient, peeling of the hard carbon film was partially observed at the sliding trace portion. As a cause of this peeling, it is considered that the thickness of the film is excessive.
[0073]
(Comparative Example 6)
In the same manner as in Example 1, after superfinishing the surface of the base material made of carburized steel to a roughness Ra of 0.04 μm, a hard carbon film was coated on the surface of the base material by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, titanium dioxide (TiO 2) is formed on the target.2) Placed the plate. The shape and dimensions of the titanium dioxide plate were approximately three times that of Example 1. By simultaneously performing sputtering, Ti and O were allowed to enter the film. Argon was used as the gas during sputtering. The film formation time was the same as in Example 1.
[0074]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.06 μm, a film thickness of 4.2 μm, a Ti content in the film of 22 atomic%, and an O content of 35 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.058, which was larger than Examples 1-14.
[0075]
(Comparative Example 7)
In the same manner as in Example 1, the surface of the base material made of carburized steel was limited to a treatment with a roughness Ra of 0.2 μm, and a hard carbon film was coated on the base material surface by magnetron sputtering using carbon as a target material. At this time, titanium dioxide (TiO 2) is formed on the target.2) A plate was placed and simultaneously sputtered to allow Ti and O to enter the film. Argon was used as the gas during sputtering.
[0076]
The sample (hard carbon film sliding member) obtained by the above process has a film surface roughness of Ra 0.23 μm, a film thickness of 1.9 μm, a Ti content in the film of 8 atomic%, and an O content of 13 atoms. %, And the coefficient of friction was 0.068, which was larger than those of Examples 1-14. In this case, it is considered that the friction coefficient was increased due to the rough surface.
[0077]
  The results of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 7 are summarized in Tables 1 to 3 below.
[Table 1]
Figure 0004201557
[0078]
[Table 2]
Figure 0004201557
[0079]
[Table 3]
Figure 0004201557
[0080]
As is clear from Tables 1 and 2, the samples (hard carbon film sliding members) of Examples 1 to 14 of the present invention all have a coefficient of friction as compared with Comparative Examples 1 to 7 shown in Table 3. μ = 0.04 or less, and it was confirmed that the solid lubricity works effectively even in lubricating oil, and is a sliding member with low friction and excellent wear resistance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a test piece in which a hard carbon film is coated on a disk substrate.
FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view (a) of a friction test apparatus used for the evaluation of the present invention and a perspective view (b) illustrating the arrangement of pins.
[Explanation of symbols]
10 Test piece (Hard carbon film sliding member)
11 Disc base material
12 Hard carbon film

Claims (3)

潤滑油中で使用される硬質炭素皮膜摺動部材であって、
少なくとも硬質炭素皮膜の表面層に、
Ti,W,Nb,Fe,Mo,Zn,Ga,Mn及びNiより成る群から選ばれた少なくとも1種の金属元素を4原子%以上20原子%以下含み、
且つ酸素を6原子%以上30原子%以下含み、
表面層中の金属の存在比をX原子%、酸素の存在比をY原子%としたときに、YがXの1.5倍以上2.6倍以下であり、
前記皮膜の厚さが0.5μm以上10μm以下であり、
表面粗さがRa0.1μm以下である
ことを特徴とする硬質炭素皮膜摺動部材。
A hard carbon film sliding member used in lubricating oil,
At least on the surface layer of the hard carbon film,
Ti, wherein W, Nb, Fe, Mo, Zn, Ga, at least one metal element 4 atomic% to 20 atomic% or less selected from the group consisting of Mn and Ni,
And containing 6 atomic% to 30 atomic% of oxygen,
When the abundance ratio of the metal in the surface layer is X atom% and the abundance ratio of oxygen is Y atom%, Y is 1.5 times or more and 2.6 times or less of X,
The thickness of the film is 0.5 μm or more and 10 μm or less,
A hard carbon film sliding member having a surface roughness of Ra 0.1 µm or less .
潤滑油中で使用される硬質炭素皮膜摺動部材であって、
少なくとも硬質炭素皮膜の表面層に、
Ti,W,Nb,Fe,Mo,Zn,Ga,Mn及びNiより成る群から選ばれた少なくとも1種の金属元素を5原子%以上17原子%以下含み、
且つ酸素を12原子%以上27原子%以下含み、
表面層中の金属の存在比をX原子%、酸素の存在比をY原子%としたときに、YがXの1.5倍以上2.6倍以下であり、
前記皮膜の厚さが1.4μm以上5.6μm以下であり、
表面粗さがRa0.09μm以下である
ことを特徴とする硬質炭素皮膜摺動部材。
A hard carbon film sliding member used in lubricating oil,
At least on the surface layer of the hard carbon film,
Containing at least one metal element selected from the group consisting of Ti, W, Nb, Fe, Mo, Zn, Ga, Mn, and Ni, in an amount of 5 atomic% to 17 atomic%,
And oxygen is contained in an amount of 12 atomic% to 27 atomic%,
When the abundance ratio of the metal in the surface layer is X atom% and the abundance ratio of oxygen is Y atom%, Y is 1.5 times or more and 2.6 times or less of X,
The thickness of the film is 1.4 μm or more and 5.6 μm or less,
A hard carbon film sliding member having a surface roughness of Ra 0.09 [mu] m or less .
内燃機関の動弁機構のアジャスティングシム又はバルブリフタに用いられることを特徴とする請求項1又は2に記載の硬質炭素皮膜摺動部材。The hard carbon film sliding member according to claim 1 , wherein the hard carbon film sliding member is used for an adjusting shim or a valve lifter of a valve mechanism of an internal combustion engine .
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