JP6290525B2

JP6290525B2 - 摺動部材及びその製造方法

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Publication number: JP6290525B2
Application number: JP2012129449A
Authority: JP
Inventors: 岡本　圭司; 圭司岡本; 達行中谷
Original assignee: Toyo Advanced Technologies Co Ltd
Current assignee: Toyo Advanced Technologies Co Ltd
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: JP2013253291A

Description

本発明は摺動部材及びその製造方法に関し、特に潤滑油が存在する環境において用いられる摺動部材及びその製造方法に関する。

摺動部材における摩擦を低減することは、摺動部材の寿命を延ばすだけでなく、エネルギー効率を向上させるためにも重要である。摺動部材における摩擦には、摺動部材の表面の特性が大きく影響する。さらに、内燃機関等の潤滑油中において摺動する機械部品は、潤滑油と摺動部材の表面との相互作用についても考慮する必要がある。

摺動部材の摩擦を低減するために、摺動部材の表面にダイヤモンド様カーボン（ＤＬＣ）膜等の硬質炭素皮膜を形成することが検討されている。さらに、潤滑油中における摺動部材の摩擦を低減するために、水素の含有量が少ないＤＬＣ膜を用いることも検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０００−２９７３７３号公報

しかしながら、潤滑油とＤＬＣ膜との相互作用は、ＤＬＣ膜の表面状態によって大きく変化する。このため、ＤＬＣ膜全体としての水素の含有量を制御したとしても、必要とする特性が得られるとは限らない。本願発明者らは、ＤＬＣ膜の表面における炭素−水素結合（Ｃ−Ｈ）の状態が、潤滑油中における摩擦に大きな影響をおよぼすことを見出した。

本開示は、得られた知見に基づき、潤滑油中における摩擦を十分に低減した摺動部材を実現できるようにする。

本開示の摺動部材は、潤滑油の存在下において相手部材と摺動する摺動面となる基材と、基材の表面に設けられた、厚さが０．００１μｍ以上、１０μｍ以下の、水素を含む炭素質膜とを備え、炭素質膜は、試料に対する検出角度を９０度としたＸ線光電子分光測定において得られるＣ１ｓピークをカーブフィッティングによりｓｐ ³ Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第１ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第２ピーク、ｓｐ ³ Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第３ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第４ピークに分解することにより求めた、前記第３ピークの面積と前記第４ピークの面積との和の前記第１ピークの面積と前記第２ピークの面積との和に対する比が０．５９未満であり、前記第３ピークの面積の前記第１ピークの面積に対する比が０．５７未満であり、前記第４ピークの面積の前記第２ピークの面積に対する比が０．５８未満である。

本開示の摺動部材において、炭素質膜は、水素の含有量が２原子％以下であってもよい。

本開示の摺動部材において、炭素質膜は、算術平均表面粗度Ｒａが０．１μｍ以下であってもよい。

本開示の摺動部材において、炭素質膜は、中間層を介して基材の表面に設けられていてもよい。

本開示における第１の摺動部材の製造方法は、摺動部材の基材の表面に炭素質膜を形成する工程を備え、炭素質膜を形成する工程は、グラファイトをターゲットとし、スパッタリング電源を直流パルス電源とするスパッタリング法により行い、パルス電源の平均出力の絶対値を２．７Ｗｃｍ^-2以上とし、パルス電源のパルス周波数を２５０ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下とし、パルス電源のデューティー比を１５％よりも大きく、９０％以下とし、試料に対する検出角度を９０度としたＸ線光電子分光測定において得られるＣ１ｓピークをカーブフィッティングによりｓｐ ³ Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第１ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第２ピーク、ｓｐ ³ Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第３ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第4ピークに分解することにより求めた、前記第３ピークの面積と前記第４ピークの面積との和の前記第１ピークの面積と前記第２ピークの面積との和に対する比が０．５９未満で、厚さが０．００１μｍ以上、１０μｍ以下の炭素質膜を形成する。

本開示における第２の摺動部材の製造方法は、摺動部材の基材の表面に炭素質膜を形成する工程を備え、炭素質膜を形成する工程は、グラファイトをターゲットとし、スパッタリング電源を直流パルス電源とするスパッタリング法により行い、パルス電源の最大電流密度の絶対値を５５．８ｍＡｃｍ^-2よりも大きくし、パルス電源のパルス周波数を２５０ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下とし、試料に対する検出角度を９０度としたＸ線光電子分光測定において得られるＣ１ｓピークをカーブフィッティングによりｓｐ ³ Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第１ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第２ピーク、ｓｐ ³ Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第３ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第4ピークに分解することにより求めた、前記第３ピークの面積と前記第４ピークの面積との和の前記第１ピークの面積と前記第２ピークの面積との和に対する比が０．５９未満で、厚さが０．００１μｍ以上、１０μｍ以下の炭素質膜を形成する。

第１及び第２の摺動部材の製造方法は、炭素質膜を形成する工程において、基材側の平均電力密度の絶対値を１９．７ｍＷｃｍ^-2よりも大きくしてもよい。

本発明に係る摺動部材及びその製造方法によれば、潤滑油中における摩擦を十分に低減した摺動部材を実現できる。

成膜装置の一例を示す概略図である。

まず、本願発明者らが見出した炭素質膜の特性について説明する。炭素質膜は、ダイヤモンド様カーボン（ＤＬＣ）膜に代表されるｓｐ²炭素−炭素結合（グラファイト結合）及びｓｐ³炭素−炭素結合（ダイヤモンド結合）を含む膜である。ＤＬＣ膜のようなアモルファス状態の膜であっても、ダイヤモンド膜のような結晶状態の膜であってもよい。以下においては、炭素質膜がＤＬＣ膜であるとして説明を行う。

ＤＬＣ膜は、化学気相堆積（ＣＶＤ）法、レーザーアブレーション法及びスパッタ法等の種々の方法により形成することができる。一般にＣＶＤ法においては、炭化水素が原料として用いられる。炭化水素を原料としてＤＬＣ膜を成膜すると、原料中の水素が膜中に取り込まれるため、ＤＬＣ膜はｓｐ²炭素−水素結合及びｓｐ³炭素−水素結合を多く含む。一方、スパッタ法等においては、グラファイト等の原料を用いてＤＬＣ膜を成膜することができる。原料を水素を含まないグラファイトとすれば、理論的には炭素−水素結合を含まないＤＬＣ膜が形成できるはずである。しかし、雰囲気中の水分等の影響を受けるため、グラファイト等の水素を含まない原料を用いて形成したＤＬＣ膜においても、膜中に数％〜５％程度水素が含まれている。

ＤＬＣ膜に含まれる水素の濃度はＤＬＣ膜の摩擦特性に影響を与えることが知られている。しかし、水素濃度が等しいＤＬＣ膜であっても、摩擦特性が大きく異なる場合が生じている。ＤＬＣ膜に含まれる水素の分析は容易ではなく、一般には膜全体としての濃度が求められているにすぎない。本願発明者らはＸ線光電子分光（ＸＰＳ）法とカーブフィッティングとを用いることにより、ＤＬＣ膜の表面における水素の結合状態を明らかにした。その結果、ＤＬＣ膜全体としての水素濃度を低減したとしても、ＤＬＣ膜の表面における水素の結合状態を適切な状態としなければ、潤滑油の存在下において良好な摩擦特性を有するＤＬＣ膜は得られないことが明らかとなった。

本願発明者らの知見によれば、ＤＬＣ膜の表面における炭素−水素結合（Ｃ−Ｈ）の炭素−炭素結合（Ｃ−Ｃ）に対する割合［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］をできるだけ小さくすることが、潤滑油の存在下における摩擦特性を向上させるために重要である。具体的には、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］を０．５９未満とすることが好ましい。また、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］を０．５０以下とすることがより好ましく、０．４１以下とすることがさらに好ましい。

さらに、ｓｐ²炭素−水素結合（ｓｐ²Ｃ−Ｈ）のｓｐ²炭素−炭素結合（ｓｐ²Ｃ−Ｃ）に対する割合［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は０．５８未満であることが好ましく、０．５５以下であることがより好ましく、０．５１以下であることがさらに好ましい。ｓｐ³炭素−水素結合（ｓｐ³Ｃ−Ｈ）のｓｐ³炭素−炭素結合（ｓｐ³Ｃ−Ｃ）に対する割合［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は０．５７未満であることが好ましく、０．５０以下であることがより好ましく、０．２９以下であることがさらに好ましい。

なお、［Ｃ−Ｈ］、［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］、［Ｃ−Ｃ］、［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］及び［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は、実施例において詳細に述べるＸＰＳ法とカーブフィッティングとを用いた方法により測定することができる。

表面におけるＣ−Ｈ結合を低減するためには、ＤＬＣ膜全体としての水素濃度も低減することが好ましい。従って、ＤＬＣ膜全体としての水素濃度は２原子％（ａｔ％）以下とすることが好ましく、１．２原子％以下とすることがさらに好ましい。なお、ＤＬＣ膜全体としての水素濃度は、実施例において詳細に述べる高分解弾性反跳粒子検出法(High Resolution-Elastic Recoil Detection Analysis、ＨＲ−ＥＲＤＡ)により測定することができる。なお、原子％とは物質全体の原子数を１００とした場合におけるある元素の原子数を表す。

表面における［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］が小さいＤＬＣ膜は、スパッタリング法、アークイオンプレーティング法、レーザーアブレーション法又は電子ビーム蒸着等を用いて形成することができる。中でも、スパッタリング法は、成膜面に硬質の粒子が付着するドロップレットと呼ばれる現象が発生しにくいため好ましい。

スパッタリング法はスパッタガスをイオン化し、原料となる固体ターゲットに衝突させてターゲット粒子をはじき出させ、はじき出されたターゲット粒子がワーク（基材）側に到達することにより、基材表面にターゲット粒子が堆積して皮膜を形成する。スパッタリング法で得られる膜構造は一般的に“Thornton”のゾーンモデル（J. A. Thornton: Ann. Rev. Mater. Sci., 7 (1977) 239.）により示されるが、基材温度及び圧力によって、膜の構造に変化が生じることが知られている。この理由は、堆積過程にある原子が基板からの熱エネルギーを受け取り、移動しやすくなるためである。しかし、基材が鋼の場合、焼き戻し温度を超えた温度を加えると硬度が低下し、耐摩耗性を維持することが困難となる。例えば基材が機械構造用炭素鋼又は機械構造用合金鋼であれば一般的な加熱の上限は２００℃である。従って、膜構造を制御する手段として基材を加熱せずに膜構造を変化させることが好ましい。

基材からの熱の移動の他に、基材へ入射する粒子自身のエネルギーを変化させることによっても、被膜構造は変化すると期待される。しかし、原料となるターゲット粒子はスパッタガス粒子の衝突によってターゲットからはじき出されて得られる２次的なものである。従って、ターゲット原料を直接昇華させる電子ビームやアークイオンを用いた手法と比較して、ターゲット粒子のイオン化率は低く、ターゲット粒子イオンのエネルギーを直接制御して任意の膜構造を得るのは容易ではない。

一方、スパッタリング法ではターゲット粒子の他に、スパッタガス粒子もイオン化される。スパッタガス粒子は、ターゲットへ向かう他、一部は直接基板に向かう。また、ターゲットへ向かったスパッタガス粒子の一部はターゲット表面において反眺し、基板へと向かう。このように、スパッタリング法によるＤＬＣ膜の形成においては、ターゲット粒子のエネルギーの他に、堆積過程にある膜の表面に衝突するスパッタガス粒子のエネルギーによっても、皮膜構造が変化すると期待される。

次に、スパッタ電源について考えると、スパッタ電源にパルス電源を用いると、パルスの過渡的な電力特性がスパッタガス粒子及びターゲット粒子のエネルギーに影響をおよぼすことが期待される。パルス電源により放電を発生させる場合には、電力を投入した瞬間にターゲットに流れる電流が大きく上昇する。つまり、パルス電力の立ち上がりにおいて、過渡的に電流が流れる。パルス電力の立ち上がりにおける過渡的電力は、パルス周波数を高くすることにより高くなることを明らかとなった。パルス電力の立ち上がりにおける過渡的電力が高くなることにより、スパッタガス粒子のエネルギーは高くなると期待される。スパッタガス粒子のエネルギーが高くなると、スパッタガス粒子がワークと衝突する際のエネルギーを大きくできる。このため、軽い水素原子がワークの表面からはじき飛ばされ、ＤＬＣ膜の表面における炭素−水素結合を減少させることができると考えられる。但し、パルス周波数を高くしすぎるとターゲット電流が逆に低下することが知られている（例えば、M．Yamashita J. Vac. Sci. Technol. A, 7 (1989) 2752.）。

また、パルスのデューティー比も、パルス電力立ち上がりの過渡的電力に影響を与える。デューティー比が小さくなると、パルス電力立ち上がりの過渡的電力は小さくなり、デューティー比が大きくなると、パルス電力立ち上がりの過渡的電力は大きくなる。このため、デューティー比は１５％よりも大きいことが好ましく、２０％以上がより好ましく、４０％以上がさらに好ましい。但し、デューティー比が大きくなりすぎると、アーキングを抑制するパルス電力のメリットが損なわれるため、９０％以下が好ましく、８０％以下がより好ましい。

一方、粒子をワークに効率良く入射させることも重要である。磁界が基板方向へ向くアンバランスドマグネトロンスパッタ法を用いることにより、粒子を基板に効率良く入射させることが可能となる。また、基板に向いた磁界の領域にプラズマを形成させる補助電極を用いることにより、基板へ向かうイオン密度の制御が可能となる。従って、基板へ向かう磁界を導入する目的で補助磁極を配置し、基板方向へ向かうイオン密度を制御する目的で補助電極を配置することにより、イオン化しにくい炭素をスパッタリングする場合にも、粒子の制御効率を向上させ、さらに基板へ向かうスパッタガス粒子のエネルギーの制御も容易となり、ワークへ投入する電力、すなわちイオンの量及びエネルギーを増加させることができる。

このため、ＤＬＣ膜を成膜する場合には、スパッタリング電源として直流パルス電源を用い、周波数はできるだけ高くすることが好ましい。具体的にパルス周波数を２５０ｋＨｚ以上とすることが好ましく、３００ｋＨｚ以上とすることがより好ましい。但し、パルス周波数を高くしすぎるとターゲット電流が逆に低下するため、１ＭＨｚ以下とすることが好ましい。

また、ターゲット（カソード）側の平均電力密度の絶対値は２．７Ｗｃｍ^-2以上とすることが好ましく、３．６Ｗｃｍ^-2以上とすることがさらに好ましい。また、ターゲット（カソード）側の最大電流密度は５５．８ｍＡｃｍ^-2よりも大きくすることが好ましく、６０．０ｍＡｃｍ^-2以上とすることがより好ましく、６７．３ｍＡｃｍ^-2以上とすることがさらに好ましい。ワーク側の平均電力密度の絶対値は１９．７ｍＷｃｍ^-2よりも大きくすることが好ましく、２５．０ｍＷｃｍ^-2以上とすることがより好ましく、２８．０ｍＷｃｍ^-2以上とすることがさらに好ましい。基材の温度は２００℃以下とするのが望ましい。

スパッタリングガスにはアルゴンを用いることが一般的であるが、クリプトン及びキセノン等の他の希ガス又は窒素等を用いてもよい。

ＤＬＣ膜の成膜にはどのような装置を用いてもよいが、例えば、図１に示すようなマグネトロンスパッタ装置を用いることができる。図１に示すように、チャンバ２２１の下部に磁石を内蔵したターゲット台２１１が設けられ、ターゲット台２１１の上にターゲット２０７が配置されている。チャンバ２２１の上方には、電気的に浮いた（フローティング）状態であり、バイアス電圧を印加できるワークホルダ２１０が設けられ、ワークホルダ２１０にはワーク２０８が保持されている。ターゲット台２１１の内部にはターゲット２０７の中心部と対応する位置に中心磁石２０１が配置され、ターゲット２０７の周囲と対応する位置には外周磁石２０２が等間隔で配設されている。中心磁石２０１はＳ極をターゲット２０７側にして配置されており、外周磁石２０２はＮ極をターゲット２０７側にして配置されている。

チャンバ２２１の外壁の外側には、４つの外周磁石のそれぞれに対応して４つの第１外部磁石２０３及び４つの第２外部磁石２０４が重なるように配設されている。第１外部磁石２０３及び第２外部磁石２０４は、それぞれＮ極を中心磁石２０１側にして配置されている。第１外部磁石２０３及び第２外部磁石２０４はそれぞれ補助磁極として機能する。

チャンバ２２１の内部には、補助電極として機能するコイル２０５が設けられている。コイル２０５は、スパイラル状に巻かれ、一端がマッチング回路２１２を介して高周波電源２１３と接続されている。図１においては、コイル２０５の他端はフリーでどこにも接続されてないが、アース又は高周波電源と接続されていてもよい。

ターゲット台２１１には、ローパスフィルター２１４を介してスパッタ電源２１５が接続されている。ワークホルダ２１０には、ローパスフィルター２１６を介してバイアス電源２１８が接続されている。

第２外部磁石２０４を設けることにより、ワーク２０８の方向に向かう強力な磁場を形成することができる。これにより、磁場に沿ってイオンを効率的にワーク２０８の表面に入射させることが可能となる。さらにコイル２０５を設けることにより、ワーク表面に入射するプラズマ密度を高めることができ、緻密で均一なＤＬＣ膜を高速で形成することができる。イオンの中にはターゲットの炭素粒子の他にスパッタガスのＡｒイオンも含まれることから、炭素を堆積させつつ、軽い水素をはじき飛ばす効果が向上する。このため、ＤＬＣ膜の表面における炭素−水素結合を低減する効果をより高くすることができる。但し、このような第２外部磁石及びコイルを有していない通常の多重磁極マグネトロンスパッタ装置又は、外部磁石が設けられていない通常の平板マグネトロンスパッタ装置等を用いてＤＬＣ膜を形成してもよい。

ＤＬＣ膜の膜厚は、ある程度厚い方がよく、０．００１μｍ以上が好ましく、０．００５μｍ以上がより好ましい。但し、膜厚が厚くなると形成が困難となるため、１０μｍ以下が好ましく、３μｍ以下がより好ましい。また、ＤＬＣ膜の表面はできるだけ平滑である方が、摩擦が小さくなる。このため、表面における算術平均粗度Ｒａが０．１μｍ以下であることが好ましい。

また、ＤＬＣ膜は被覆対象の表面に直接形成することができるが、被覆対象とＤＬＣ膜とをより強固に密着させるために、被覆対象とＤＬＣ膜との間に中間層を設けてもよい。
よい。

中間層の材質としては、被覆対象の種類に応じて種々のものを用いることができるが、珪素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、又はアルミニウム（Ａｌ）からなるアモルファス膜等を用いることができる。また、これらの元素と炭素（Ｃ）及び窒素（Ｎ）の少なくとも一方とを混合したアモルファス膜等を用いることもできる。その厚さは特に限定されないが、０．００１μｍ以上が好ましく、０．００５μｍ以上がより好ましい。また、１μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以下がより好ましい。中間層は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、溶射法、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、又は真空蒸着法等を用いて形成すればよい。また、湿式クロムメッキを用いてもよい。

ＤＬＣ膜は、炭素と水素以外の元素を含んでいてもよい。例えば、シリコン（Ｓｉ）又はフッ素（Ｆ）等が添加されていてもよい。また、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）等が含まれていてもよい。チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）等を加えることにより、ＤＬＣ膜の表面に添加剤皮膜を形成して低摩擦係数が得られるという効果が得られる。一方、ＤＬＣ膜の表面における水素の結合状態をより容易に制御するために、炭素と水素以外の元素を含まない構成としてもよい。なお、ここでいう他の元素を含まない構成とは、痕跡量程度の不純物を含有する場合を含む。

潤滑油中におけるＤＬＣ膜の摩擦特性は、ＤＬＣ膜の表面粗さにも影響を受ける。ＤＬＣ膜の表面粗さはできるだけ小さい方が、摩擦特性が向上する。また、相手材を磨耗させる相手攻撃性も表面粗さが小さい方が低減できる。具体的には、ＤＬＣ膜の表面における算術平均表面粗度Ｒａは０．１μｍ以下であることが好ましい。

ＤＬＣ膜は、潤滑油が存在する環境において互いに摺動する一対の摺動部材の摺動面に形成されていればよい。一対の摺動面のそれぞれにＤＬＣ膜が形成されていてもよく、摺動面の一方のみにＤＬＣ膜が形成されていてもよい。摺動面のそれぞれにＤＬＣ膜が形成されている場合には、双方に同一組成のＤＬＣ膜が形成されていてもよく、互いに異なる組成のＤＬＣ膜が形成されていてもよい。また、摺動部材の摺動面以外の部分にもＤＬＣ膜が形成されていてもよい。

ＤＬＣ膜を形成した摺動部材は、潤滑油が存在する環境において摺動が必要とされるあらゆる部材に適用することができる。具体的には、バルブリフター、ピストンリング、ピストンピン、ピストンスカート、カムロブ、カムジャーナル、クランクシャフト、コネクティングロッド、ミッションギヤ、ミッションプライマリシャフト、ミッションセカンダリーシャフト、スプラインシャフト、フリクションプレート、セパレータープレート、クラッチハウジング、デファレンシャルギヤ、回転ベーン及びタイミングチェーン等に適用することができ、これらの２種類以上を対象としてもよい。また、摺動部材の基材はどのような材質であってもよい。具体的には、金属、セラミクス若しくは樹脂又はこれらの複合材とすることができる。

なお、潤滑油が存在する環境とは、一対の摺動面の界面に単分子層以上の厚さの潤滑油の層が存在していればよい。界面の全体に潤滑油が存在している場合だけでなく、界面の一部に潤滑油が存在している場合も含む。また、少なくとも界面に潤滑油が存在していれば、摺動面を有する摺動部材の一部又は全部が潤滑油中に浸漬されている場合も含まれる。

摺動部材と組み合わすことができる潤滑油は特に限定されるものではなく、鉱油、合成油若しくは油脂又はこれらの混合物等の潤滑油として通常使用されるものであれば、種類を問わず使用することができる。より好ましくはエステルからなる油性材を含む潤滑油が望ましい。潤滑油は基油の他に、安定剤、酸化防止剤、分散剤、清浄剤及び粘度調整剤等の成分を含んでいてかまわない。また、潤滑油には半固体状のグリース等も含まれる。

次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更を行ってよい。

（ＤＬＣ膜組成の評価方法）
−水素濃度−
ＤＬＣ膜に含まれる水素の濃度は、高分解弾性反跳粒子検出法(High Resolution-Elastic Recoil Detection Analysis、ＨＲ−ＥＲＤＡ)により測定した。測定には神戸製鋼所製の高分解能ＲＢＳ分析装置ＨＲＢＳ５００を用いた。試料面の法線に対して７０度の角度でＮ₂ ⁺イオンを試料に照射し、偏光磁場型エネルギー分析器により反跳された水素イオンを検出した。入射イオンは１原子核あたりのエネルギーを２４０ＫｅＶとした。水素イオンの散乱角は３０度とした。イオンの照射量はビーム経路にて振り子を振動させ、振り子に照射された電流量を測定することにより求めた。試料電流は約２ｎＡであり、照射量は約０．３μＣであった。

得られたデータに対して水素ピークにおける高エネルギー側のエッジの中点を基準として横軸のチャネルを反跳イオンのエネルギーに変換する処理及びシステムのバックグラウンドを差し引く処理を行った。処理後のデータについてシミュレーションフィッテングを行い、表面から１２ｎｍまでの範囲について水素のデプスプロファイルを求めた。さらに、ＤＬＣ膜に含まれる全原子に対する水素原子の割合（ａｔ％）に換算した。この際に試料の構成元素は炭素と水素のみであると仮定した。デプスプロファイルの横軸をｎｍ単位に換算する際には、ＤＬＣ膜の密度はグラファイトの密度（２．２５ｇ／ｃｍ³）であるとした。定量値は、スパッタリング法により形成した既知濃度のＤＬＣ膜を測定することにより校正した。また、最表面に炭化水素からなる汚染層の存在を仮定した。汚染層の密度はパラフィンの密度（０．８９ｇ／ｃｍ³）とした。

（ＤＬＣ膜組成の解析方法）
ＤＬＣ膜組成はＸ線光電子分光（ＸＰＳ）測定により評価した。ＸＰＳ測定には日本電子社製ＪＰＳ−９０１０を用いた。ＸＰＳ測定の条件は、試料に対する検出角度を９０度とし、Ｘ線源にはＡｌを用い、Ｘ線照射エネルギーを１００Ｗとした。１回の測定時間は０．２ｍｓとし、１つの試料について３２回測定を行った。炭素中を進む光電子の非弾性平均自由工程を考慮すると、表面から９ｎｍまでの範囲について測定されると考えられる。さらに、光電子は表面から深くなるにつれて脱出しにくくなり、光電子の検出は表面から深くなるほど減衰する。従って、今回測定された情報の５０％は表面からおよそ１．５ｎｍまでの最表層の情報で占められていると考えられる。

ＸＰＳ測定により得られた炭素１ｓ（Ｃ１ｓ）ピークを、炭素同士がｓｐ³結合したｓｐ³Ｃ−Ｃ及び炭素同士がｓｐ²結合したｓｐ²Ｃ−Ｃ、炭素と水素とがｓｐ³結合したｓｐ³Ｃ−Ｈ及び炭素と水素とがｓｐ²結合したｓｐ²Ｃ−Ｈの４つの成分にカーブフィッティングにより分解した。ｓｐ³Ｃ−Ｃの結合エネルギーは２８３．８ｅＶ、ｓｐ²Ｃ−Ｃの結合エネルギーは２８４．３ｅＶ、ｓｐ³Ｃ−Ｈの結合エネルギーは２８４．８ｅＶ、ｓｐ²Ｃ−Ｈの結合エネルギーは２８５．３ｅＶとした。カーブフィッティングにより得られた各ピークの面積をｓｐ³Ｃ−Ｃのピークの面積とｓｐ²Ｃ−Ｃのピークの面積とｓｐ³Ｃ−Ｈのピークの面積とｓｐ²Ｃ−Ｈのピークの面積との総和により割った値を、各成分の組成比とした。ｓｐ³Ｃ−Ｃの組成比とｓｐ²Ｃ−Ｃの組成比との和をＣ−Ｃの組成比とし、ｓｐ³Ｃ−Ｈの組成比とｓｐ²Ｃ−Ｈの組成比との和をＣ−Ｈの組成比とした。

（ＤＬＣ膜の表面粗さ）
ＤＬＣ膜の表面粗さは算術平均表面粗度Ｒａにより評価した。算術平均表面粗度Ｒａは、ＪＩＳＢ−０６０１に準拠して求めた。表面粗さの測定には表面粗さ測定機（ミツトヨ社製：SurfTest501）を用いた。

（実施例１）
ＨＲＣ硬さ６０に調整した合金工具鋼（ＪＩＳ：ＳＫＤ１１）からなるディスクの端面に、図１に示すマグネトロンスパッタ装置を用いてＤＬＣ膜を形成した。チャンバ内にテトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄）を導入し、基板に１ｋＶのバイアス電圧を印加して、３０分間放電を行った。ターゲット２０７にはグラファイトを用い、スパッタリングガスにはアルゴンを用いた。スパッタ電源２１５には直流パルス電源を用い、パルス周波数を３００ｋＨｚとし、デューティー比を４０％とし、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は３．６Ｗｃｍ^-2とした。また、最大電流密度の絶対値は６８．２ｍＡｃｍ^-2であった。スパッタリングガスにはアルゴンを用いた。

ワーク側に到達した粒子のエネルギーの指標となるワーク側の平均電力密度の絶対値は２８．０ｍＷ／ｃｍ²となった。電力密度は、電流測定手段により得られた電流値と、ワークホルダ２１０に印加したバイアス電圧及びワークホルダ２１０の表面積により求めた。成膜は６０分間行い、その間の電力密度の平均値を求め、基板表面積で除した値を平均電力密度とした。また、パルス波形を解析し、１パルス区間の最大電流を求め、ターゲット面積で除した値を最大電流密度とした。パルス波形は、ターゲット電力出力ケーブルに電流プローブを設置し、放電中のパルス出力波形をオシロスコープ（ＬＥＣＲＯＹ社製：ＷＳ６４Ｘｓ）により測定した。

ＤＬＣ膜を形成したディスクについてＪＩＳ−Ｋ７２１８に準拠して摩擦係数を測定した。測定には摩擦磨耗試験機（オリエンテック社製：EKM-III1010）を用い、リングオンディスク方式により測定した。リングはＨＲＣ硬度を５０に調整した機械構造用高炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）とした。リングの内径は２０ｍｍ、外径は２５．６ｍｍとした。ＤＬＣ膜を形成したディスクにリングを１００ｋｇｆの荷重で押し付け、２００ｒｐｍの回転数で回転させた。回転によりトルクアームが受ける摩擦力をロードセルにより測定し、平均摩擦力から以下の式（１）を用いて摩擦係数μを求めた。摩擦力を測定する位置はトルクアームを介して回転中心から１５０ｍｍの距離とした。試験は常温の潤滑油中で行った。潤滑油には化学合成油０Ｗ−４０（ＳＮ規格）を用いた。
μ＝（Ｆ×Ｒ）／（Ｗ×ｒ）・・・式（１）
但し、Ｆは摩擦力、Ｗは押し付け荷重、Ｒは摩擦力測定子の回転中心からの距離、ｒはリング外周半径とリング内径半径の和を２で除した値、すなわちリング半径中心を表す。

得られたＤＬＣ膜の水素濃度は、０．９原子％であった。［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は０．３４、［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は０．３７、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］は０．１０、［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］は０．１９であった。従って［Ｃ−Ｃ］は０．７１であり、［Ｃ−Ｈ］は０．２９であり、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］は０．４１となった。［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は、０．５1となり、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は、０．２９となった。摩擦係数μは０．２３であった。得られたＤＬＣ膜の表面における算術平均表面粗度Ｒａは０．１μｍ以下であった。

（実施例２）
ＤＬＣ膜を形成する際のパルス周波数を３５０ｋＨｚとして「実施例１」と同様にしてＤＬＣ膜を成膜し、摩擦係数を測定した。なお、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は４．１Ｗ／ｃｍ²となり、また最大電流密度の絶対値は６７．３ｃｍ^-2であった。ワーク側の平均電力密度の絶対値は２８．７ｍＷ／ｃｍ²となった。

得られたＤＬＣ膜の水素濃度は、１．１原子％であった。［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は０．３８、［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は０．３９、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］は０．０６、［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］は０．１７であった。従って［Ｃ−Ｃ］は０．７７であり、［Ｃ−Ｈ］は０．２３であり、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］は０．３０となった。［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は、０．４４となり、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は、０．１６となった。摩擦係数は０．０２３であった。得られたＤＬＣ膜の表面における算術平均表面粗度Ｒａは０．１μｍ以下であった。

（比較例１）
ＤＬＣ膜を形成する際のパルス周波数を１００ｋＨｚとして「実施例１」と同様にしてＤＬＣ膜を成膜し、摩擦係数を測定した。なお、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は２．０Ｗ／ｃｍ²となり、また最大電流密度の絶対値は２０．６ｍＡｃｍ^-2であった。ワーク側の平均電力密度の絶対値は１７．２ｍＷ／ｃｍ²となった。

得られたＤＬＣ膜の水素濃度は、１．２原子％であった。［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は０．２３、［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は０．４０、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］は０．１３、［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］は０．２３であった。従って［Ｃ−Ｃ］は０．６３であり、［Ｃ−Ｈ］は０．３６であり、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］は０．６１となった。［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は、０．６２となり、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は、０．５９となった。摩擦係数は０．０４５であった。得られたＤＬＣ膜の表面における算術平均表面粗度Ｒａは０．１μｍ以下であった。

（比較例２）
ＤＬＣ膜を形成する際のパルス周波数を２００ｋＨｚとして「実施例１」と同様にしてＤＬＣ膜を成膜し、摩擦係数を測定した。なお、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は２．６Ｗ／ｃｍ²となり、また最大電流密度の絶対値は５５．８ｍＡｃｍ^-2であった。ワーク側の平均電力密度の絶対値は１９．７ｍＷ／ｃｍ²となった。

得られたＤＬＣ膜の水素濃度は、０．９原子％であった。［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は０．２３、［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は０．４０、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］は０．１４、［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］は０．２３であった。従って［Ｃ−Ｃ］は０．６３であり、［Ｃ−Ｈ］は０．３７であり、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］は０．５９となった。［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は、０．５８となり、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は、０．６１となった。摩擦係数は０．０４７であった。得られたＤＬＣ膜の表面における算術平均表面粗度Ｒａは０．１μｍ以下であった。

（比較例３）
ＤＬＣ膜を形成する際のスパッタ電源を直流パルス電源に代えて直流電源とした以外は「実施例１」と同様にしてＤＬＣ膜を成膜し、摩擦係数を測定した。なお、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は０．５Ｗ／ｃｍ²となり、ワーク側の平均電力密度の絶対値は０Ｗ／ｃｍ²となった。

得られたＤＬＣ膜の水素濃度は、１．２原子％であった。［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は０．１５、［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は０．３９、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］は０．１６、［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］は０．２９であった。従って［Ｃ−Ｃ］は０．５４であり、［Ｃ−Ｈ］は０．４６であり、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］は０．８５となった。［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は、０．７４となり、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は、１．０７となった。摩擦係数は０．０４８であった。得られたＤＬＣ膜の表面における算術平均表面粗度Ｒａは０．１μｍ以下であった。

（比較例４）
ＤＬＣ膜を形成する際のパルス周波数を３００ｋＨｚとし、デューティー比を１５％として「実施例１」と同様にしてＤＬＣ膜を成膜し、摩擦係数を測定した。なお、ターゲット側の平均電力密度の絶対値は３．３Ｗ／ｃｍ²となり、また最大電流密度の絶対値は４８．８ｍＡｃｍ^-2であった。ワーク側の平均電力密度の絶対値は２４．８ｍＷ／ｃｍ²となった。

得られたＤＬＣ膜の水素濃度は、０．９原子％であった。［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は０．２２、［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は０．３７、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］は０．１６、［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］は０．２５であった。従って［Ｃ−Ｃ］は０．５９であり、［Ｃ−Ｈ］は０．４１であり、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］は０．６９となった。［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は、０．６８となり、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は、０．７３となった。摩擦係数は０．０４５であった。得られたＤＬＣ膜の表面における算術平均表面粗度Ｒａは０．１μｍ以下であった。

＜比較例５＞
スパッタリング法に代えて、原料ガスにベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）を用いたイオン化蒸着法によりディスクの端面にＤＬＣ膜を形成し、摩擦係数を測定した。ガス圧を１０^-3Ｔｏｒｒとし、Ｃ₆Ｈ₆を３０ｍｌ／ｍｉｎの速度で連続的に導入しながら放電を行うことによりＣ₆Ｈ₆をイオン化し、イオン化蒸着を約１０分間行い、厚さ０．１μｍのＤＬＣ膜を基材の表面に形成した。

ＤＬＣ膜を形成する際のワーク側電圧は１．５ｋＶ、ワーク側電流は５０ｍＡ、フィラメント電圧は１４Ｖ、フィラメント電流は３０Ａ、アノード電圧は５０Ｖ、アノード電流は０．６Ａ、リフレクタ電圧は５０Ｖ、リフレクタ電流は６ｍＡとした。

得られたＤＬＣ膜の水素濃度は、１９．３原子％であった。［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は０．０５、［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は０．２７、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］は０．２９、［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］は０．３９であった。従って［Ｃ−Ｃ］は０．３２であり、［Ｃ−Ｈ］は０．６８であり、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］は２．１３となった。［ｓｐ²Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は、１．４４となり、［ｓｐ³Ｃ−Ｈ］／［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は、５．８０となった。摩擦係数は０．０７であった。得られたＤＬＣ膜の表面における算術平均表面粗度Ｒａは０．１μｍ以下であった。

表１に実施例及び比較例の結果をまとめて示す。表１に示すように、スパッタ法によりＤＬＣ膜を形成することにより、ベンゼンガスを原料としたイオン化蒸着法を用いた場合よりも水素濃度をはるかに小さくできる。また、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］も大きく低減でき摩擦係数μを小さくすることができる。

スパッタ法によりＤＬＣ膜を形成する際に直流パルス電源を用い、パルス周波数を高くすると、ターゲット側の電力密度が大きく上昇しており、ターゲットからのスパッタ粒子の脱離が効果的に生じていることが明らかである。また、ワーク側の平均電力密度の絶対値も大きく上昇しており、大きなエネルギーを有するスパッタ粒子がワークに到達していることが明らかである。また、パルス周波数が高くなるほど、ターゲットの最大電流密度の絶対値が高くなり、ターゲット側及びワーク側の電力密度の絶対値が上昇しており、より大きなエネルギーを有するスパッタ粒子をワークに到達させることができることを示している。パルス周波数を高くしてもＥＲＤＡにより求めたＤＬＣ膜全体の水素濃度に大きな変化は認められないが、ＸＰＳにより求めたＤＬＣ膜の表面における炭素と結合した水素の量を示す［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］の値は小さくなった。パルス周波数を高くして、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］を小さくすることにより、摩擦係数μを大幅に低減できた。

また、パルス周波数を高くして［Ｃ−Ｈ］を低減した場合に、［ｓｐ²Ｃ−Ｃ］は大きく変化していないのに対し、［ｓｐ³Ｃ−Ｃ］は上昇しており、より硬度が高いＤＬＣ膜が形成されていると考えられる。

パルス周波数が同じ場合には、デューティー比が高い方がターゲット側の最大電流密度の絶対値が大きくなり、［Ｃ−Ｈ］／［Ｃ−Ｃ］の値は小さくなった。

本発明に係る摺動部材及びその製造方法は、潤滑油中における摩擦を十分に低減でき、潤滑油が存在する環境において用いられる摺動部材及びその製造方法等として有用である。

２０１中心磁石
２０２外周磁石
２０３第１外部磁石
２０４第２外部磁石
２０５コイル
２０７ターゲット
２０８ワーク
２１０ワークホルダ
２１１ターゲット台
２１２マッチング回路
２１３高周波電源
２１４スパッタリング電源
２１４ローパスフィルター
２１５スパッタ電源
２１６ローパスフィルター
２１８バイアス電源
２２１チャンバ

Claims

潤滑油の存在下において相手部材と摺動する摺動面となる表面を有する基材と、
前記表面に設けられた、厚さが０．００１μｍ以上、１０μｍ以下の、水素を含む炭素質膜とを備え、
前記炭素質膜は、試料に対する検出角度を９０度としたＸ線光電子分光測定において得られるＣ１ｓピークをカーブフィッティングによりｓｐ ³ Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第１ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第２ピーク、ｓｐ ³ Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第３ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第４ピークに分解することにより求めた、前記第３ピークの面積と前記第４ピークの面積との和の前記第１ピークの面積と前記第２ピークの面積との和に対する比が０．５９未満であり、前記第３ピークの面積の前記第１ピークの面積に対する比が０．５７未満であり、前記第４ピークの面積の前記第２ピークの面積に対する比が０．５８未満であることを特徴とする摺動部材。
前記炭素質膜は、水素の含有量が２原子％以下であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
前記炭素質膜は、算術平均表面粗度Ｒａが０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
前記炭素質膜は、中間層を介して前記基材の表面に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動部材。
摺動部材の基材の表面に炭素質膜を形成する工程を備え、
前記炭素質膜を形成する工程は、
グラファイトをターゲットとし、希ガス又は窒素をスパッタリングガスとし、スパッタリング電源を直流パルス電源とするアンバランスドマグネトロンスパッタリング法により行い、
前記パルス電源の平均出力の絶対値を２．７Ｗｃｍ^-2以上とし、前記パルス電源のパルス周波数を２５０ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下とし、
前記パルス電源のデューティー比を１５％よりも大きく、９０％以下とし、
試料に対する検出角度を９０度としたＸ線光電子分光測定において得られるＣ１ｓピークをカーブフィッティングによりｓｐ ³ Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第１ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第２ピーク、ｓｐ ³ Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第３ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第4ピークに分解することにより求めた、前記第３ピークの面積と前記第４ピークの面積との和の前記第１ピークの面積と前記第２ピークの面積との和に対する比が０．５９未満で、厚さが０．００１μｍ以上、１０μｍ以下の炭素質膜を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
摺動部材の基材の表面に炭素質膜を形成する工程を備え、
前記炭素質膜を形成する工程は、
グラファイトをターゲットとし、希ガス又は窒素をスパッタリングガスとし、スパッタリング電源を直流パルス電源とするアンバランスドマグネトロンスパッタリング法により行い、
前記パルス電源の最大電流密度の絶対値を５５．８ｍＡｃｍ^-2よりも大きくし、前記パルス電源のパルス周波数を２５０ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下とし、
試料に対する検出角度を９０度としたＸ線光電子分光測定において得られるＣ１ｓピークをカーブフィッティングによりｓｐ ³ Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第１ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｃの結合エネルギーに基づく第２ピーク、ｓｐ ³ Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第３ピーク、ｓｐ ² Ｃ−Ｈの結合エネルギーに基づく第4ピークに分解することにより求めた、前記第３ピークの面積と前記第４ピークの面積との和の前記第１ピークの面積と前記第２ピークの面積との和に対する比が０．５９未満で、厚さが０．００１μｍ以上、１０μｍ以下の炭素質膜を形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
前記炭素質膜を形成する工程において、前記基材側の平均電力密度の絶対値を１９．７ｍＷｃｍ^-2よりも大きくすることを特徴とする請求項５又は６に記載の摺動部材の製造方法。