JP6063042B2 - 炭素被覆部材及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、炭素被覆部材及びその製造方法に関する。
例えば内燃機関のシリンダブロックのように、他の部材が相対的に摺動する部分を有する部材では、エネルギー消費量の低下等のために摺動部分の機械的損失を低減する必要があり、低摩擦化が検討されている。その低摩擦化のために、表面にダイアモンドライクカーボン被膜（以下、ＤＬＣ被膜と略記することがある）等の炭素被覆を設けた炭素被覆部材が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
特許第３５５５８４４号公報 特許第４９７３９７１号公報
しかしながら、前記従来の炭素被覆部材では、単にその表面をＤＬＣ被膜等の炭素被膜により被覆するだけでは十分に低摩擦化することができず、該ＤＬＣ被膜に含まれる水素、窒素又は酸素の含有量を規定したり、使用する潤滑油を規定したりしなければならないという不都合がある。
本発明は、かかる不都合を解消して、その表面をＤＬＣ被膜により被覆するだけで十分に低摩擦化することができる炭素被覆部材を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明の炭素被覆部材は、筒状の本体と、該本体の内部表面において少なくとも他の部材が摺動する部分を被覆したダイアモンドライクカーボン被膜とからなり、該ダイアモンドライクカーボン被膜は、薄膜硬度測定装置を用いて、最大荷重５ｍＮの測定条件下、押し込み硬さとして測定される硬度が３．０〜１０．０ＧＰａの範囲にあり、該被膜の表面の所定の面積当たりの表面粗さの分布を示すクルトシスＲｋｕが２７．０以下であることを特徴とする。
本発明の炭素被覆部材によれば、前記ＤＬＣ被膜の硬度が３．０〜１０．０ＧＰａの範囲であると共に、前記クルトシスＲｋｕが２７．０以下であることにより、摩擦係数を十分に低減して低摩擦化することができる。
前記ＤＬＣ被膜の硬度が３．０ＧＰａ未満では前記炭素被覆部材表面に必要な耐摩耗性を満足することができず、１０．０ＧＰａを超えると前記炭素被覆部材を低摩擦化することができない。また、前記クルトシスＲｋｕが２７．０を超えると前記炭素被覆部材を低摩擦化することができない。
また、本発明の炭素被覆部材は、摩擦係数をさらに低減して低摩擦化するために、前記ＤＬＣ被膜の硬度が８．０〜１０．０ＧＰａの範囲であることが好ましい。また、本発明の炭素被覆部材は、摩擦係数をさらに低減して低摩擦化するために、前記ＤＬＣ被膜のクルトシスＲｋｕが２０．０以下であることが好ましく、８．０以下であることがさらに好ましい。
また、本発明の炭素被覆部材は、前記ＤＬＣ被膜の表面粗さＲｚが２．７μｍ以下であることが好ましい。本発明の炭素被覆部材は、前記ＤＬＣ被膜が前記範囲の表面粗さを備えることにより、該ＤＬＣ被膜表面に形成される凹凸の凹部に潤滑油を保持することができる。
また、本発明の炭素被覆部材では、高温になると前記潤滑油が燃焼する。そこで、本発明の炭素被覆部材は、前記ＤＬＣ被膜の表面粗さＲｚが２．０μｍ以下であることがさらに好ましい。本発明の炭素被覆部材は、前記ＤＬＣ被膜が前記範囲の表面粗さを備えることにより、前記潤滑油の消費量を低減することができる。
本発明の炭素被覆部材は、例えば、内燃機関のシリンダブロックに用いることができる。
前記本発明の炭素被覆部材の製造方法は、筒状の本体と、該本体の内部表面において少なくとも他の部材が摺動する部分を被覆したダイアモンドライクカーボン被膜とからなり、該ダイアモンドライクカーボン被膜の、薄膜硬度測定装置を用いて、最大荷重５ｍＮの測定条件下、押し込み硬さとして測定される硬度が８．０〜１０．０ＧＰａの範囲にあり、該ダイアモンドライクカーボン被膜表面の所定の面積当たりの表面粗さの分布を示すクルトシスＲｋｕが２７．０以下である炭素被覆部材の製造方法であって、該本体の両端部を封止し、その内部を１〜１００Ｐａの範囲の真空度に減圧する工程と、該本体の内部表面に存在する異物を除去する工程と、該本体の内部を１〜３０Ｐａの範囲の真空度に維持しながら該内部にアセチレンガスを５００〜４０００ｓｃｃｍの範囲の流量で供給してプラズマ化させ、該本体の内部表面に該ダイアモンドライクカーボン被膜を堆積させる工程とを備えることを特徴とする。
前記本発明の炭素被覆部材の製造方法によれば、まず、両端部が封止された前記本体の内部を１〜１００Ｐａの範囲の真空度に減圧する。そして、前記真空度の条件下に前記本体の内部表面に存在する異物を除去する。
前記本体の内部を１Ｐａ未満の真空度に減圧するには高価な装置が必要であり、前記真空度が１００Ｐａを超えると前記異物を除去することができない。
次に、前記異物が除去された前記本体の内部を１〜３０Ｐａの範囲の真空度に維持しながら該内部にアセチレンガスを５００〜４０００ｓｃｃｍの範囲の流量で供給してプラズマ化させ、該本体の内部表面に該ダイアモンドライクカーボン被膜を堆積させる。このようにすることにより、硬度が８．０〜１０．０ＧＰａの範囲にあり、クルトシスＲｋｕが２７．０以下の範囲にある前記ＤＬＣ被膜を形成することができる。
前記本体の内部を１Ｐａ未満の真空度に減圧するには高価な装置が必要であり、前記真空度が３０Ｐａを超えると、前記アセチレンガスをプラズマ化させることができない。
また、前記アセチレンガスの流量が前記範囲外では、前記範囲の硬度及びクルトシスＲｋｕを備える前記ＤＬＣ被膜を形成することができない。
また、本発明の炭素被覆部材の製造方法においては、前記本体に２〜１００Ａの範囲のパルス電流を、５〜２００秒間の範囲の時間で供給することにより、該本体にバイアス電圧を印加し、アセチレンガスをプラズマ化させる工程を備えることが好ましい。
前記パルス電流が２Ａ未満で供給する時間が５秒間未満であるときには、前記アセチレンガスをプラズマ化させることができないことがある。また、前記パルス電流が１００Ａを超え、供給する時間が２００秒間を超えるときには、前記範囲の硬度及びクルトシスＲｋｕを備える前記ＤＬＣ被膜を形成することができないことがある。
本発明の炭素被覆部材の製造方法に用いるプラズマＣＶＤ装置の一構成例を示すシステム構成図。 本発明の炭素被覆部材の製造方法を示すフローチャート。 掘り起こし摩擦理論による摩擦係数（ＣＯＦ）の算出方法を示す説明図。 ＤＬＣ被膜の硬度及びクルトシスＲｋｕと、摩擦係数（ＣＯＦ）との関係を示すグラフ。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
本実施形態では、炭素被覆部材が図１に長手方向断面で示すシリンダブロック１である場合を例として説明する。
図１に示すように、シリンダブロック１は筒状であり、内部にはピストン（図示せず）が摺動する空洞部２を備えている。シリンダブロック１は、潤滑油中で用いられると共に、空洞部２の表面はＤＬＣ被膜（図示せず）により被覆されている。
前記ＤＬＣ被膜は、硬度が３．０〜１０．０ＧＰａの範囲であると共に、表面の所定の微小面積当たりの表面粗さの分布を示す統計的数値としてのクルトシスＲｋｕが２７．０以下である。また、前記ＤＬＣ被膜は、硬度が８．０〜１０．０ＧＰａの範囲であることが好ましく、前記クルトシスＲｋｕが２０．０以下であることが好ましく、８．０以下であることがさらに好ましい。
前記硬度は、薄膜硬度測定装置（ナノインデンター）を用いて、最大荷重５ｍＮの測定条件下、押し込み硬さとして測定される。
前記クルトシスＲｋｕは、前記ＤＬＣ被膜表面における所定の微小な面積（例えば０．４ｍｍ×０．１ｍｍの範囲）について、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定された基準長さ当たりの粗さ曲線を表す方程式Ｚ（ｘ）の四乗平均を二乗平均平方根（Ｒｑ）の四乗で除した値であり、次式（１）で表される。前記クルトシスＲｋｕは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定されている。
また、前記ＤＬＣ被膜は、表面粗さＲｚが２．７μｍ以下であることが好ましく、２．０μｍ以下であることがさらに好ましい。
空洞部２の表面に前記ＤＬＣ被膜を備えるシリンダブロック１は、図１に示すプラズマＣＶＤ装置３により製造することができる。プラズマＣＶＤ装置３は、シリンダブロック１の空洞部２の両端を封止するシール部材４ａ，４ｂと、シール部材４ａ，４ｂにそれぞれ装着された陽極５ａ，５ｂと、ガス供給サブシステム６と、プロセス制御サブシステム７とを備えている。
シール部材４ａ，４ｂは絶縁部材を兼ねており、シリンダブロック１から陽極５ａ，５ｂを分離している。陽極５ａ，５ｂは棒状電極であり、シール部材４ａ，４ｂに設けられた孔部（図示せず）からシール部材４ａ，４ｂ内部に挿入される。
ガス供給サブシステム６は、アセチレンガス供給コンテナ８と、アルゴンガス供給コンテナ９とを備えている。アセチレンガス供給コンテナ８は導管１０により、圧力計１１、流量制御装置一次側弁１２、流量制御装置１３、流量制御装置二次側弁１４、開閉弁１５、シール部材４ａを介してシリンダブロック１の空洞部２に接続されている。一方、アルゴンガス供給コンテナ９は導管１６により、圧力計１７、流量制御装置一次側弁１８、流量制御装置１９、流量制御装置二次側弁２０を介して、開閉弁１５の上流側で導管１０に接続されている。
プロセス制御サブシステム７は、パーソナルコンピュータ等からなる制御装置２１と、制御装置２１により制御される真空ポンプ２２、ＤＣパルス化電源２３、圧力コントローラ２４を備えている。真空ポンプ２２は導管２５により弁２６、シール部材４ｂを介してシリンダブロック１の空洞部２に接続されている。ＤＣパルス化電源２３はＤＣケーブル２７を備えており、ＤＣケーブル２７はシリンダブロック１の外表面に接続されている。また、圧力コントローラ２４は、導管２５に設けられた開閉弁２６に電気的に接続されている。
また、制御装置２１はインターフェイスケーブル２８を介してガス供給サブシステム６に接続されており、導管１０に設けられた流量制御装置一次側弁１２、流量制御装置１３、流量制御装置二次側弁１４、開閉弁１５及び、導管１６に設けられた流量制御装置一次側弁１８、流量制御装置１９、流量制御装置二次側弁２０を制御するようになっている。
プラズマＣＶＤ装置３によりシリンダブロック１の空洞部２の表面に前記ＤＬＣ被膜を形成するときには、図２に示すように、まずＳＴＥＰ１でシリンダブロック１の両端をシール部材４ａ，４ｂにより封止する。次に、ＳＴＥＰ２で、シリンダブロック１の空洞部２の内部を所定の真空度に減圧する。前記減圧は、制御装置２１により、圧力コントローラ２４を介して開閉弁２６を所定の開度に開弁すると共に、真空ポンプ２２を作動させることにより行う。この結果、空洞部２の内部を、例えば１〜１００Ｐａの真空度となるように減圧する。
空洞部２の内部が前記のように減圧されたならば、次に、ＳＴＥＰ３で空洞部２の表面の異物を除去して清浄化する。前記異物の除去は、まず、制御装置２１によりガス供給サブシステム６の導管１２に設けられた開閉弁１５と、導管１６に設けられた流量制御装置一次側弁１８及び流量制御装置二次側弁２０とを開弁し、アルゴンガス供給コンテナ９から空洞部２にアルゴンガスを供給する。前記アルゴンガスの流量は流量制御装置１９により、例えば０ｓｃｃｍを超え２０００ｓｃｃｍ以下の範囲に調整される。
次に、制御装置２１によりＤＣパルス化電源２３からＤＣケーブル２７を介してシリンダブロック１に高周波パルスによるバイアス電圧を印加することにより、空洞部２の内部にアルゴンのプラズマを発生させる。このとき、シリンダブロック１は陰極として作用するので、前記プラズマは空洞部２の表面を攻撃することになり、該プラズマにより空洞部２の表面の異物が除去されて、清浄化される。
尚、空洞部２の表面の異物の除去は、前記アルゴンガスに代えて酸素ガスを供給し、前記アルゴンのプラズマに代えて酸素のプラズマを発生させることにより行ってもよい。また、空洞部２の表面の異物の除去は、フッ素を用いて化学的にガス化する（Ｃ＋２Ｆ２→ＣＦ４）する方法を用いてもよい。
空洞部２の表面が清浄化されたならば、次に、ＳＴＥＰ４で制御装置２１によりガス供給サブシステム６の導管１０に設けられた流量制御装置一次側弁１２及び流量制御装置二次側弁１４を開弁し、アセチレンガス供給コンテナ８から空洞部２にアセチレンガスを、前記アルゴンガスと共に供給する。このとき、前記アセチレンガスの流量は流量制御装置１３により、例えば５００〜４０００ｓｃｃｍの範囲に調整され、前記アルゴンガスの流量は流量制御装置１９により、例えば１００〜１０００ｓｃｃｍの範囲に調整される。
そして、制御装置２１により、圧力コントローラ２４を介して開閉弁２６を所定の開度に開弁することにより、空洞部２の内部は、例えば５〜３０Ｐａの真空度に維持される。
次に、ＳＴＥＰ５で制御装置２１によりＤＣパルス化電源２３からＤＣケーブル２７を介してシリンダブロック１に、例えば２〜１００Ａのパルス電流を、例えば５〜２００秒間印加する。このようにすると、シリンダブロック１にバイアス電圧が印加されることとなり、シリンダブロック１は前述のように陰極として作用するので、シリンダブロック１と陽極５ａ，５ｂとの間でアセチレンガスがプラズマ化され、主として炭素のプラズマが発生する。
このようにすると、ＳＴＥＰ６で前記炭素のプラズマが陰極であるシリンダブロック１の空洞部２の表面に引き付けられて、該表面に堆積され、前記ＤＬＣ被膜が形成される。また、制御装置２１により前記パルス電流のデューティサイクルを調整することにより、該デューティサイクルがオフであるときに前記アセチレンガス及びアルゴンガスが補充されることとなる。この結果、空洞部２の表面に均一な厚さの前記ＤＬＣ被膜を形成することができる。
上述のようにすることにより、シリンダブロック１の空洞部２の表面に前記ＤＬＣ被膜を形成することができる。前記ＤＬＣ被膜は、硬度が３．０〜１０．０ＧＰａの範囲であると共に、前記クルトシスＲｋｕが２７．０以下であることにより、空洞部２の表面の摩擦係数（ＣＯＦ）を低減し、低摩擦化することができる。前記低摩擦化のために、前記ＤＬＣ被膜は、硬度が８．０〜１０．０ＧＰａの範囲であることが好ましく、前記クルトシスＲｋｕが２０．０以下であることが好ましく、８．０以下であることがさらに好ましい。
プラズマＣＶＤ装置３では、シリンダブロック１に印加するバイアス電圧に対し、前記アセチレンガスの流量が多くなるほど前記クルトシスＲｋｕが大きくなる。また、前記バイアス電圧に対し、前記アセチレンガスの流量が少なくなるほど前記ＤＬＣ被膜の膜厚が不均一になる。そこで、前記アセチレンガスの流量を前記範囲とすることにより、前記ＤＬＣ被膜の膜厚の均一性を維持しつつ、前記クルトシスＲｋｕが前記範囲になるように制御することができる。
前記摩擦係数（ＣＯＦ）は、図３に示す掘り起し摩擦理論により説明される。掘り起し摩擦理論では、ピストン３１の表面に沿ってシリンダブロック１の前記ＤＬＣ被膜の突起３２が摺動するときに、突起３２の直径をｄ、突起３２の側面３３と突起３２の軸とのなす角をθとする。このとき、ピストン側硬度をＰｆ、突起３２の垂直投影面積をＡ１、突起３２の数をｎとすると、垂直荷重Ｗは次式（２）で表される。
Ｗ＝Ａ１×Ｐｆ＝１／８×ｎ×πｄ２Ｐｆ …（２）
また、突起３２の移動方向投影面積をＡ２とすると、摩擦力Ｆは次式（３）で表される。
Ｆ＝Ａ２×Ｐｆ＝１／４×πｄ２Ｐｆ×ｃｏｔθ …（３）
ここで、摩擦係数ＣＯＦは次式（４）で表される。
ＣＯＦ＝Ｆ／Ｗ＝２ｃｏｔθ／ｎ …（４）
式（４）から、摩擦係数ＣＯＦはｃｏｔθに比例することが明らかであり、θは突起３２の鋭さを示すものと考えられる。シリンダブロック１は、低摩擦化のために、摩擦係数ＣＯＦが０．０７以下であることが必要とされ、０．０５以下であることが好ましく、０．０４以下であることが理想的であるとされる。
次に、前記ＤＬＣ被膜の硬度及びクルトシスＲｋｕと、摩擦係数ＣＯＦとの関係を図４に示す。
図４から、硬度が３．０〜１０．０ＧＰａの範囲、例えば９．０ＧＰａである前記ＤＬＣ被膜によれば、クルトシスＲｋｕが２７．０以下で摩擦係数ＣＯＦが０．０７以下となることが明らかであり、クルトシスＲｋｕが２０．０以下で摩擦係数ＣＯＦが０．０６以下となることが明らかであり、クルトシスＲｋｕが８．０以下で摩擦係数ＣＯＦが０．０４以下となることが明らかである。
また、硬度が９．５ＧＰａである前記ＤＬＣ被膜によれば、クルトシスＲｋｕが７．７以下で摩擦係数ＣＯＦが０．０４以下となることが明らかである。
また、本実施形態のシリンダブロック１は、前記ＤＬＣ被膜の表面粗さＲｚが２．７μｍ以下であることにより、該ＤＬＣ被膜表面に形成される凹凸の凹部に潤滑油を保持することができるので好ましい。前記潤滑油は高温になると燃焼するので、シリンダブロック１は、前記ＤＬＣ被膜の表面粗さＲｚが２．０μｍ以下であることにより、該潤滑油の消費量を低減することができ、さらに好ましい。
尚、本実施形態ではシリンダブロック１を例として説明しているが、本発明は筒状の部材の内部の摺動部にＤＬＣ被膜が被覆されてなる炭素被覆部材であれば、どのようなものにも適用することができる。
１…シリンダブロック、 ２…空洞部、 ３…プラズマＣＶＤ装置、 ６…ガス供給サブシステム、 ７…プロセス制御サブシステム。

Claims (9)

  1. 筒状の本体と、該本体の内部表面において少なくとも他の部材が摺動する部分を被覆したダイアモンドライクカーボン被膜とからなり、
    該ダイアモンドライクカーボン被膜は、薄膜硬度測定装置を用いて、最大荷重５ｍＮの測定条件下、押し込み硬さとして測定される硬度が３．０〜１０．０ＧＰａの範囲にあり、該被膜の表面の所定の面積当たりの表面粗さの分布を示すクルトシスＲｋｕが２７．０以下であることを特徴とする炭素被覆部材。
  2. 請求項１において、前記ダイアモンドライクカーボン被膜の、薄膜硬度測定装置を用いて、最大荷重５ｍＮの測定条件下、押し込み硬さとして測定される硬度が８．０〜１０．０ＧＰａの範囲であることを特徴とする炭素被覆部材。
  3. 請求項１又は請求項２において、前記ダイアモンドライクカーボン被膜のクルトシスＲｋｕが２０．０以下であることを特徴とする炭素被覆部材。
  4. 請求項１又は請求項２において、前記ダイアモンドライクカーボン被膜のクルトシスＲｋｕが８．０以下であることを特徴とする炭素被覆部材。
  5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項において、前記ダイアモンドライクカーボン被膜の表面粗さＲｚが２．７μｍ以下であることを特徴とする炭素被覆部材。
  6. 請求項１〜請求項４のいずれか１項において、前記ダイアモンドライクカーボン被膜の表面粗さＲｚが２．０μｍ以下であることを特徴とする炭素被覆部材。
  7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項において、前記本体は内燃機関のシリンダブロックであることを特徴とする炭素被覆部材。
  8. 筒状の本体と、該本体の内部表面において少なくとも他の部材が摺動する部分を被覆したダイアモンドライクカーボン被膜とからなり、該ダイアモンドライクカーボン被膜の、薄膜硬度測定装置を用いて、最大荷重５ｍＮの測定条件下、押し込み硬さとして測定される硬度が８．０〜１０．０ＧＰａの範囲にあり、該ダイアモンドライクカーボン被膜表面の所定の面積当たりの表面粗さの分布を示すクルトシスＲｋｕが２７．０以下である炭素被覆部材の製造方法であって、
    該本体の両端部を封止し、その内部を１〜１００Ｐａの範囲の真空度に減圧する工程と、
    該本体の内部表面に存在する異物を除去する工程と、
    該本体の内部を１〜３０Ｐａの範囲の真空度に維持しながら該内部にアセチレンガスを５００〜４０００ｓｃｃｍの範囲の流量で供給してプラズマ化させ、該本体の内部表面に該ダイアモンドライクカーボン被膜を堆積させる工程とを備えることを特徴とする炭素被覆部材の製造方法。
  9. 請求項８において、前記本体に２〜１００Ａの範囲のパルス電流を、５〜２００秒間の範囲の時間で供給することにより、該本体にバイアス電圧を印加し、アセチレンガスをプラズマ化させる工程を備えることを特徴とする炭素被覆部材の製造方法。
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