JP6842165B2 - Laminated coating film and its manufacturing method and piston ring - Google Patents

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Description

本発明は、積層被覆膜とその製造方法およびピストンリングに関し、より詳しくは、基材上に成膜されたCrN層と硬質炭素層とによる積層被覆膜とその製造方法、および前記積層被覆膜が設けられたピストンリングに関する。 The present invention relates to a laminated coating film, a method for producing the same, and a piston ring. More specifically, the present invention relates to a laminated coating film formed by a CrN layer and a hard carbon layer formed on a substrate, a method for producing the same, and the laminated coating. It relates to a piston ring provided with a covering film.

近年、自動車エンジンの高出力化や排気ガス規制の対応に伴って、ピストンリングの使用環境は益々過酷になっており、ピストンリングの摺動特性(低摩擦性、耐摩耗性、耐剥離性など)を向上させる技術が種々提案されている。 In recent years, the usage environment of piston rings has become more and more harsh due to the increase in output of automobile engines and compliance with exhaust gas regulations, and the sliding characteristics of piston rings (low friction, wear resistance, peeling resistance, etc.) ) Has been proposed in various ways.

例えば、特許文献1には、ピストンリングの表面にCrN被膜を形成させ、このCrN被膜の結晶に(200)面又は(111)面の優先方位を持たせることにより、耐摩耗性及び耐剥離性に優れたピストンリングを提供できることが提案されている。 For example, in Patent Document 1, a CrN coating is formed on the surface of a piston ring, and the crystals of the CrN coating are given a priority orientation of a (200) plane or a (111) plane, whereby wear resistance and peeling resistance are obtained. It has been proposed that excellent piston rings can be provided.

また、特許文献2には、ピストンリングの表面にCrN被膜を形成させ、このCrN被膜の結晶構造を、表面に対して平行な(200)面に対する(111)面のX線回折の強度比:0.40〜0.70の柱状結晶構造となるように構成させることにより、耐摩耗性及び耐剥離性に優れたピストンリングを提供できることが提案されている。 Further, in Patent Document 2, a CrN coating is formed on the surface of the piston ring, and the crystal structure of the CrN coating is described as an X-ray diffraction intensity ratio of the (111) plane to the (200) plane parallel to the surface: It has been proposed that a piston ring having excellent wear resistance and peeling resistance can be provided by configuring the piston ring so as to have a columnar crystal structure of 0.40 to 0.70.

しかしながら、これらの技術では、ピストンリングにおける耐摩耗性及び耐剥離性は確保できるものの、低摩擦性が十分ではないため、特許文献3に、図4に示すような積層被覆膜、即ち、基材3上に形成されたCrN層2の上に硬質炭素層3を積層して被覆させた積層被覆膜により、CrN層の有する耐摩耗性及び耐剥離性に加えて、硬質炭素層の有する低摩擦性を発揮させて、優れた摺動特性を備えたピストンリングを提供できることが提案されている。 However, although these techniques can secure wear resistance and peeling resistance in the piston ring, low friction resistance is not sufficient. Therefore, in Patent Document 3, a laminated coating film as shown in FIG. 4, that is, a base. By the laminated coating film in which the hard carbon layer 3 is laminated and coated on the CrN layer 2 formed on the material 3, in addition to the wear resistance and the peeling resistance of the CrN layer, the hard carbon layer has. It has been proposed that a piston ring having excellent sliding characteristics can be provided by exhibiting low frictional properties.

この硬質炭素膜は、一般的にダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜、無定形炭素膜、i−カーボン膜、ダイヤモンド状炭素膜等、様々な名称で呼ばれており、構造的には結晶ではなく非晶質に分類される。 This hard carbon film is generally called by various names such as diamond-like carbon (DLC) film, amorphous carbon film, i-carbon film, diamond-like carbon film, etc., and is structurally not crystalline but non-crystalline. Classified as crystalline.

そして、この硬質炭素膜は、ダイヤモンド結晶に見られるような単結合(C−C)とグラファイト結晶に見られるような二重結合(C=C)とが混在していると考えられており、ダイヤモンド結晶のような、高硬度、高耐摩耗性、優れた化学的安定性等といった特徴に加えて、グラファイト結晶のような低硬度、高潤滑性、優れた相手なじみ性等といった特徴を併せ備えている。また、非晶質であるために、平坦性に優れ、相手材料との直接接触における低摩擦性、即ち、小さな摩擦係数や優れた相手なじみ性も備えている。 The hard carbon film is considered to have a mixture of a single bond (CC) as seen in a diamond crystal and a double bond (C = C) as seen in a graphite crystal. In addition to features such as high hardness, high abrasion resistance, and excellent chemical stability like diamond crystals, it also has features such as low hardness, high lubricity, and excellent compatibility with partners like graphite crystals. ing. Further, since it is amorphous, it has excellent flatness and low friction in direct contact with the mating material, that is, it has a small friction coefficient and excellent mating compatibility.

特許第4382209号公報Japanese Patent No. 4382209 特許第5065293号公報Japanese Patent No. 5065293 特開2015−86967号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-86967

しかしながら、特許文献3に示された技術の場合、CrN層の上に硬質炭素層を被覆させる際、予め、CrN層に研磨加工を施してCrN層の表面にあるパーティクルを除去してCrN層に対する硬質炭素層の密着性を確保する必要があるため、CrN層の成膜と硬質炭素層の成膜とを同じ成膜装置内で一連の連続した工程で行うことができず、効率的とは言えなかった。また、CrN層に対する硬質炭素層の密着性も未だ十分に確保できているとは言えず、CrN層から硬質炭素層が剥がれて、硬質炭素層の有する低摩擦性を安定的に発揮させることができず、優れた摺動特性を十分に確保できない場合があった。 However, in the case of the technique shown in Patent Document 3, when the hard carbon layer is coated on the CrN layer, the CrN layer is polished in advance to remove particles on the surface of the CrN layer to form a CrN layer. Since it is necessary to ensure the adhesion of the hard carbon layer, it is not possible to perform the film formation of the CrN layer and the film formation of the hard carbon layer in a series of continuous steps in the same film forming apparatus, which is efficient. I could not say it. Further, it cannot be said that the adhesion of the hard carbon layer to the CrN layer is sufficiently secured, and the hard carbon layer is peeled off from the CrN layer so that the low friction property of the hard carbon layer can be stably exhibited. In some cases, it was not possible to secure sufficient excellent sliding characteristics.

そこで、本発明は、CrN層の上に硬質炭素層を被覆させる際、同じ成膜装置内で一連の連続した工程で行うことができ、しかも、従来よりもCrN層に対する硬質炭素層の密着性を確保して、CrN層の有する耐摩耗性及び耐剥離性に加えて、硬質炭素層の有する低摩擦性を安定的に発揮させて、優れた摺動特性を確保することができる成膜技術を提供することを課題とする。 Therefore, according to the present invention, when the hard carbon layer is coated on the CrN layer, it can be carried out in a series of continuous steps in the same film forming apparatus, and moreover, the adhesion of the hard carbon layer to the CrN layer is higher than before. In addition to the abrasion resistance and peeling resistance of the CrN layer, the low friction property of the hard carbon layer can be stably exhibited to ensure excellent sliding characteristics. The challenge is to provide.

本発明者は、上記課題の解決について種々の実験と検討を重ねた結果、検討するにあたって、硬質炭素層の成膜に先立って行われるCrN層の成膜時、CrN層の成膜を適切に制御すれば、従来のようなCrN層に対する研磨加工を施さなくても、優れた密着性で硬質炭素層が成膜でき、同じ成膜装置内で一連の連続した成膜が可能となり、CrN層の有する耐摩耗性及び耐剥離性に加えて、硬質炭素層の有する低摩擦性を安定的に発揮させることができ、長寿命で優れた摺動特性の積層被覆膜が提供できることを見出した。 As a result of repeated experiments and studies on the solution of the above problems, the present inventor appropriately forms the CrN layer when the CrN layer is formed prior to the formation of the hard carbon layer. If controlled, a hard carbon layer can be formed with excellent adhesion without performing the conventional polishing process on the CrN layer, and a series of continuous film formations can be performed in the same film forming apparatus, and the CrN layer can be formed. It has been found that in addition to the abrasion resistance and peeling resistance of the hard carbon layer, the low friction property of the hard carbon layer can be stably exhibited, and a laminated coating film having a long life and excellent sliding characteristics can be provided. ..

具体的には、下地被覆膜であるCrN層の成膜にあたって、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比[(111)/(200)回折強度比]が0.50〜3.0であり、かつ、柱状結晶構造となるように成膜を制御し、さらに、CrN層の表面粗さがANSI B46.1(対応国際規格ISO4287)に規定される最大高さRz(以下、単に「表面粗さRz」ともいう)で0.5〜2.5μmとなるように成膜を制御した場合、形成されたCrN層は適度のアンカー効果を有し、その直上に連続して硬質炭素層を成膜した場合、CrN層と硬質炭素層との間の密着性が非常に良好なものとなることが分かった。1.0〜1.6μmであるとより好ましい。 Specifically, when the CrN layer, which is the base coating film, is formed, the intensity ratio of X-ray diffraction to the (200) plane of the (111) plane [(111) / (200) diffraction intensity ratio] is 0.50. The film formation is controlled so as to have a columnar crystal structure of about 3.0, and the surface roughness of the CrN layer is the maximum height Rz (corresponding international standard ISO4287) specified in ANSI B46.1 (corresponding international standard ISO4287). When the film formation is controlled so that the film formation is 0.5 to 2.5 μm with a simple “surface roughness Rz” (hereinafter, also referred to simply as “surface roughness Rz”), the formed CrN layer has an appropriate anchoring effect and is continuous directly above the CrN layer. It was found that when the hard carbon layer was formed into a film, the adhesion between the CrN layer and the hard carbon layer was very good. It is more preferably 1.0 to 1.6 μm.

この結果、従来のCrN層の成膜から硬質炭素層の被覆までに必要であった以下の各工程が不要となることが分かった。即ち、CrN層の成膜後に冷却を行い、炉を大気開放して、一旦、炉外に取り出す工程、研磨装置にセットし、研磨を行って、CrN層を平滑にしてから、洗浄を行う工程、再度、治具にリング材を装填し、真空引き、昇温、表面のボンバード処理を行った後に、硬質炭素層を被覆する工程の全てを不要とすることができる。 As a result, it was found that the following steps required from the conventional formation of the CrN layer to the coating of the hard carbon layer are unnecessary. That is, a step of cooling after forming the CrN layer, opening the furnace to the atmosphere, taking it out of the furnace once, setting it in a polishing device, polishing it, smoothing the CrN layer, and then performing cleaning. After the ring material is loaded into the jig again, vacuuming, raising the temperature, and bombarding the surface, all the steps of coating the hard carbon layer can be eliminated.

そして、このようなCrN層は基材に対して十分な密着性を有しているため、CrN層の上にそのまま同じ成膜装置内で一連の連続して硬質炭素層を成膜させて、積層被覆膜とすることができることが分かった。 Since such a CrN layer has sufficient adhesion to the substrate, a series of continuous hard carbon layers are formed on the CrN layer as they are in the same film forming apparatus. It was found that it can be used as a laminated coating film.

そして、CrN層と硬質炭素層との間に十分な密着性が確保された積層被覆膜は、CrN層の有する耐摩耗性及び耐剥離性に加えて、硬質炭素層の有する低摩擦性を安定的に発揮させることができるため、長寿命で優れた摺動特性を有する製品、例えば、ピストンリングを提供することができる。 The laminated coating film in which sufficient adhesion is ensured between the CrN layer and the hard carbon layer has the low friction resistance of the hard carbon layer in addition to the wear resistance and peeling resistance of the CrN layer. Since it can be stably exhibited, it is possible to provide a product having a long life and excellent sliding characteristics, for example, a piston ring.

CrN層が柱状結晶構造でない場合、硬質炭素層との間に十分な密着性を確保することができず、硬質炭素層が剥離しやすくなり、また、CrN層自身の耐摩耗性が著しく低下する。 When the CrN layer does not have a columnar crystal structure, sufficient adhesion cannot be ensured between the CrN layer and the hard carbon layer, the hard carbon layer is easily peeled off, and the abrasion resistance of the CrN layer itself is remarkably lowered. ..

そして、CrN層が柱状結晶構造であっても、(111)/(200)回折強度比が0.50未満の場合、硬質炭素層との間に十分な密着性を確保することができず、硬質炭素層が剥離しやすくなる。また、3.0を超えた場合には、CrN層の靭性が損なわれ、耐摩耗性が低下する。0.65〜2.60であるとより好ましい。 Even if the CrN layer has a columnar crystal structure, if the (111) / (200) diffraction intensity ratio is less than 0.50, sufficient adhesion with the hard carbon layer cannot be ensured. The hard carbon layer is easily peeled off. If it exceeds 3.0, the toughness of the CrN layer is impaired and the wear resistance is lowered. It is more preferably 0.65 to 2.60.

また、CrN層における表面粗さRzが0.5μm未満の場合、硬質炭素層との間に十分な密着性を確保することができず、硬質炭素層が剥離しやすくなる。一方、2.5μmを超えた場合には、CrN層の上に形成する硬質炭素層の表面が粗くなるため、硬質炭素層の表面に研磨加工を施す必要がある。 Further, when the surface roughness Rz of the CrN layer is less than 0.5 μm, sufficient adhesion cannot be ensured between the CrN layer and the hard carbon layer, and the hard carbon layer is easily peeled off. On the other hand, if it exceeds 2.5 μm, the surface of the hard carbon layer formed on the CrN layer becomes rough, so it is necessary to polish the surface of the hard carbon layer.

そして、さらに検討を行ったところ、粗さ曲線において、深くなればなるほど実体部分が増えることを表す負荷曲線[アボット(Abbott)の負荷曲線ともいう。]の線形表現を用いてパラメータを決定する方法について規定する「JIS B 0671−2:製品の幾何特性仕様(GPS)−表面性状:輪郭曲線方式;プラトー構造表面の特性評価−第2部:線形表現の負荷曲線による高さの特性評価」における負荷長さ率Mr1が、上記した表面粗さRzと相関関係があり、表面粗さRzに替えて負荷長さ率Mr1の数値範囲を規定することによっても、適切な積層被覆膜を提供できることが分かった。なお、JIS B 0671−2の対応国際規格はISO13565−2である。 Then, as a result of further examination, in the roughness curve, it is also referred to as a load curve [Abbott], which indicates that the deeper the material portion, the more the substance portion increases. ], Which defines the method of determining the parameters using the linear representation of "JIS B 0671-2: Product Geometric Characteristics Specifications (GPS) -Surface Texture: Contour Curve Method; Plateau Structure Surface Characteristic Evaluation-Part 2: Linear" The load length ratio Mr1 in "evaluation of height characteristics by the load curve of expression" has a correlation with the above-mentioned surface roughness Rz, and the numerical range of the load length ratio Mr1 should be specified instead of the surface roughness Rz. It was also found that an appropriate laminated coating film can be provided. The corresponding international standard of JIS B 0671-2 is ISO 13565-2.

これにより、単に粗さだけでなく、プラトー構造表面としての評価パラメータが可能となり、好ましい負荷長さ率Mr1は16〜35%であり、17〜20%であるとより好ましいことが分かった。 As a result, not only the roughness but also the evaluation parameter as the plateau structure surface becomes possible, and it was found that the preferable load length ratio Mr1 is 16 to 35%, and more preferably 17 to 20%.

請求項1、2に記載の発明は上記の知見に基づくものであり、請求項1に記載の発明は、
基材の上にCrN層が下地層として形成され、前記CrN層の上に硬質炭素層が積層された積層被覆膜であって、
前記CrN層が、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比(111)/(200)が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、
ANSI B46.1に規定される最大高さRzで0.5〜2.5μmの表面粗さを有していることを特徴とする積層被覆膜である。
The inventions according to claims 1 and 2 are based on the above findings, and the invention according to claim 1 is based on the above findings.
A laminated coating film in which a CrN layer is formed as a base layer on a base material and a hard carbon layer is laminated on the CrN layer.
The CrN layer has a columnar crystal structure with an X-ray diffraction intensity ratio (111) / (200) of the (111) plane to the (200) plane of 0.50 to 3.0.
It is a laminated coating film having a surface roughness of 0.5 to 2.5 μm at a maximum height Rz defined in ANSI B46.1.

そして、請求項2に記載の発明は、
基材の上にCrN層が下地層として形成され、前記CrN層の上に硬質炭素層が積層された積層被覆膜であって、
前記CrN層が、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比(111)/(200)が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、
JIS B 0671−2に規定される負荷長さ率Mr1で16〜35%の表面を有していることを特徴とする積層被覆膜である。
The invention according to claim 2 is
A laminated coating film in which a CrN layer is formed as a base layer on a base material and a hard carbon layer is laminated on the CrN layer.
The CrN layer has an X-ray diffraction intensity ratio (111) / (200) of the (111) plane to the (200) plane of 0.50 to 3.0, has a columnar crystal structure, and has a columnar crystal structure.
It is a laminated coating film characterized by having a surface of 16 to 35% at a load length ratio Mr1 specified in JIS B 0671-2.

本発明者は、次に、基材上に形成される上記積層被覆膜の好ましい厚みについて、実験と検討を行った。その結果、CrN層としては3〜50μmの厚みが好ましく、硬質炭素層としては0.5〜30μmの厚みが実用上好ましいことが分かった。 Next, the present inventor conducted experiments and studies on the preferable thickness of the laminated coating film formed on the substrate. As a result, it was found that the CrN layer preferably has a thickness of 3 to 50 μm, and the hard carbon layer preferably has a thickness of 0.5 to 30 μm.

CrN層の厚みが3μm未満の場合、十分な耐摩耗性が確保できず、また、硬質炭素層に対する十分な密着性を確保できない。一方、50μmを超えた場合にも、硬質炭素層に対する十分な密着性を確保できない。5〜40μmであるとより好ましい。 When the thickness of the CrN layer is less than 3 μm, sufficient wear resistance cannot be ensured, and sufficient adhesion to the hard carbon layer cannot be ensured. On the other hand, even if it exceeds 50 μm, sufficient adhesion to the hard carbon layer cannot be ensured. It is more preferably 5 to 40 μm.

このように、CrN層の表面粗さと厚みを最適化することにより、硬質炭素層に対する十分な密着性を確保して、従来のような研磨処理工程を設けることなく、同じ成膜装置内で一連の連続した成膜が可能となる。 By optimizing the surface roughness and thickness of the CrN layer in this way, sufficient adhesion to the hard carbon layer can be ensured, and a series of processes can be performed in the same film forming apparatus without providing a conventional polishing process. Continuous film formation is possible.

また、硬質炭素層の厚みが0.5μm未満の場合、硬質炭素層がCrN層から剥がれやすく、十分な低摩擦性を確保できない。一方、30μmを超えた場合には、十分な摺動特性を確保できない。1〜25μmであるとより好ましい。 Further, when the thickness of the hard carbon layer is less than 0.5 μm, the hard carbon layer is easily peeled off from the CrN layer, and sufficient low friction cannot be ensured. On the other hand, if it exceeds 30 μm, sufficient sliding characteristics cannot be ensured. It is more preferably 1 to 25 μm.

請求項3、4に記載の発明は、上記の知見に基づくものであり、請求項3に記載の発明は、
前記CrN層の厚みが3〜50μmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の積層被覆膜である。
The inventions according to claims 3 and 4 are based on the above findings, and the invention according to claim 3 is based on the above findings.
The laminated coating film according to claim 1 or 2, wherein the CrN layer has a thickness of 3 to 50 μm.

そして、請求項4に記載の発明は、
前記硬質炭素層の厚みが0.5〜30μmであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の積層被覆膜である。
The invention according to claim 4 is
The laminated coating film according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the hard carbon layer is 0.5 to 30 μm.

本発明者は、さらに、CrN層と硬質炭素層との間の密着性を簡便に確認する手法について検討した、その結果、ロックウェルCスケール圧痕試験において剥離しない積層被覆膜は、実用上必要な密着性が十分に確保されていることが分かった。 The present inventor further investigated a method for easily confirming the adhesion between the CrN layer and the hard carbon layer, and as a result, a laminated coating film that does not peel off in the Rockwell C scale indentation test is practically necessary. It was found that sufficient adhesion was ensured.

具体的には、ロックウェル硬度計を用いて積層被覆膜の表面から基材に向けてダイヤモンド圧子(Cスケール)を押し込んだ際に圧痕周辺部に発生する積層被覆膜の損傷状態を観察したとき、積層被覆膜に剥離が生じていなければ、実用上必要な密着性が十分に確保されていると判断することができる。このように、ダイヤモンド圧子を押し込んで積層被覆膜における密着の程度を判断するだけで、優れた摺動特性を有する積層被覆膜であることを簡便に確認することができる。 Specifically, using a Rockwell hardness tester, observe the damage state of the laminated coating film generated around the indentation when the diamond indenter (C scale) is pushed from the surface of the laminated coating film toward the base material. At that time, if the laminated coating film is not peeled off, it can be determined that the adhesiveness necessary for practical use is sufficiently secured. In this way, it is possible to easily confirm that the laminated coating film has excellent sliding characteristics only by pushing the diamond indenter and determining the degree of adhesion in the laminated coating film.

即ち、請求項5に記載の発明は、
ロックウェルCスケール圧痕試験において、剥離が生じない積層被覆膜であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の積層被覆膜である。
That is, the invention according to claim 5 is
The laminated coating film according to any one of claims 1 to 4, wherein the laminated coating film does not peel off in the Rockwell C scale indentation test.

そして、さらに検討を進めたところ、硬質炭素層の表面粗さRzは、1.0μm以下であることが好ましいことが分かった。表面粗さRzが1.0μmを超えていると、摺動相手材との間に高摩擦が生じて硬質炭素層自身の破壊や剪断による剥離を招く恐れがある。1.0μm以下とすることにより、相手材への低い攻撃性、摩擦係数の低減、硬質炭素層自身の破壊や剪断による剥離の防止を図ることができる。 Further studies revealed that the surface roughness Rz of the hard carbon layer is preferably 1.0 μm or less. If the surface roughness Rz exceeds 1.0 μm, high friction may occur between the surface roughness Rz and the sliding partner material, resulting in destruction of the hard carbon layer itself or peeling due to shearing. By setting the thickness to 1.0 μm or less, it is possible to reduce the aggression to the mating material, reduce the coefficient of friction, and prevent the hard carbon layer itself from being destroyed or peeled off by shearing.

なお、このような表面粗さRzは、例えば、硬質炭素層の表面を研磨加工することにより得ることができる。そして、この研磨加工は、積層被覆膜を形成させた後の工程であるため、効率的な積層被覆膜の形成を阻害することがない。 Such surface roughness Rz can be obtained, for example, by polishing the surface of the hard carbon layer. Since this polishing process is a step after forming the laminated coating film, it does not hinder the efficient formation of the laminated coating film.

即ち、請求項6に記載の発明は、
前記硬質炭素層の表面粗さが、ANSI B46.1に規定される最大高さRzで1.0μm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の積層被覆膜である。
That is, the invention according to claim 6 is
The laminate according to any one of claims 1 to 5, wherein the surface roughness of the hard carbon layer is 1.0 μm or less at the maximum height Rz defined in ANSI B46.1. It is a coating film.

本発明においては、さらに、CrN層と硬質炭素層との間、即ち、硬質炭素層の最下層にsp/sp比が大きな第2の硬質炭素層が設けられていることが好ましい。具体的には、sp/sp比が0.5〜0.85の第2の硬質炭素層が硬質炭素層の最下層に設けられていると、この第2の硬質炭素層を介して、下地層であるCrN層と上層の硬質炭素層とをより強く密着させることができる。 In the present invention, it is further preferable that a second hard carbon layer having a large sp 2 / sp 3 ratio is provided between the CrN layer and the hard carbon layer, that is, at the bottom layer of the hard carbon layer. Specifically, when a second hard carbon layer having a sp 2 / sp 3 ratio of 0.5 to 0.85 is provided at the bottom layer of the hard carbon layer, the second hard carbon layer is used through the second hard carbon layer. The CrN layer, which is the base layer, and the hard carbon layer, which is the upper layer, can be brought into close contact with each other more strongly.

第2の硬質炭素層におけるsp/sp比が0.5未満の場合、高負荷時において密着性が低下し、CrN層との間で剥離する場合がある。一方、0.85を超えた場合、硬質炭素層自身の耐摩耗性が著しく低下し、CrN層との間で剥離しやすくなる。0.55〜0.78であるとより好ましい。 When the sp 2 / sp 3 ratio in the second hard carbon layer is less than 0.5, the adhesion is lowered under a high load and may be peeled off from the CrN layer. On the other hand, if it exceeds 0.85, the wear resistance of the hard carbon layer itself is remarkably lowered, and it becomes easy to peel off from the CrN layer. It is more preferably 0.55 to 0.78.

即ち、請求項7に記載の発明は、
前記CrN層と前記硬質炭素層との間に第2の硬質炭素層が設けられており、
前記第2の硬質炭素層が、sp/sp比0.5〜0.85の硬質炭素層であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の積層被覆膜である。
That is, the invention according to claim 7 is
A second hard carbon layer is provided between the CrN layer and the hard carbon layer.
The laminated coating according to any one of claims 1 to 6, wherein the second hard carbon layer is a hard carbon layer having a sp 2 / sp 3 ratio of 0.5 to 0.85. It is a cover film.

そして、上記した第2の硬質炭素層と下地層であるCrN層との間に、Cr層、Ti層、W層などの金属中間層が設けられていると、さらに、密着性を向上させることができ好ましい。 If a metal intermediate layer such as a Cr layer, a Ti layer, or a W layer is provided between the second hard carbon layer and the CrN layer which is the base layer, the adhesion can be further improved. Is preferable.

即ち、請求項8に記載の発明は、
前記第2の硬質炭素層と前記CrN層との間に、金属中間層が設けられていることを特徴とする請求項7に記載の積層被覆膜である。
That is, the invention according to claim 8 is
The laminated coating film according to claim 7, wherein a metal intermediate layer is provided between the second hard carbon layer and the CrN layer.

また、請求項9に記載の発明は、
前記金属中間層が、Cr層、Ti層、W層から選ばれた少なくとも一層であることを特徴とする請求項8に記載の積層被覆膜である。
Further, the invention according to claim 9 is
The laminated coating film according to claim 8, wherein the metal intermediate layer is at least one layer selected from a Cr layer, a Ti layer, and a W layer.

本発明における積層被覆膜は、以下の方法により製造することができる。 The laminated coating film in the present invention can be produced by the following method.

即ち、請求項10に記載の発明は、
基材の上に、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比(111)/(200)が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、ANSI B46.1に規定される最大高さRzで0.5〜2.5μmの表面粗さを有するCrN層を下地層として形成するCrN層形成工程と、
前記CrN層の上に、硬質炭素層を形成する硬質炭素層形成工程とを備えており、
前記CrN層形成工程および前記硬質炭素層形成工程を、同じ成膜装置内で一連の連続した工程として行うことにより、前記CrN層と前記硬質炭素層とを積層させることを特徴とする積層被覆膜の製造方法である。
That is, the invention according to claim 10 is
On the base material, the intensity ratio (111) / (200) of X-ray diffraction to the (200) plane of the (111) plane is 0.50 to 3.0, and it has a columnar crystal structure and ANSI B46.1. A CrN layer forming step of forming a CrN layer having a surface roughness of 0.5 to 2.5 μm at the maximum height Rz specified in the above as a base layer, and
A hard carbon layer forming step for forming a hard carbon layer is provided on the CrN layer.
Laminated coating characterized in that the CrN layer and the hard carbon layer are laminated by performing the CrN layer forming step and the hard carbon layer forming step as a series of continuous steps in the same film forming apparatus. This is a method for manufacturing a membrane.

また、請求項11に記載の発明は、
基材の上に、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比(111)/(200)が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、JIS B 0671−2に規定される負荷長さ率Mr1で16〜35%の表面を有するCrN層を下地層として形成するCrN層形成工程と、
前記CrN層の上に、硬質炭素層を形成する硬質炭素層形成工程とを備えており、
前記CrN層形成工程および前記硬質炭素層形成工程を、同じ成膜装置内で一連の連続した工程として行うことにより、前記CrN層と前記硬質炭素層とを積層させることを特徴とする積層被覆膜の製造方法である。
Further, the invention according to claim 11
On the base material, the intensity ratio (111) / (200) of X-ray diffraction to the (200) plane of the (111) plane is 0.50 to 3.0, it has a columnar crystal structure, and JIS B 0671- A CrN layer forming step of forming a CrN layer having a surface of 16 to 35% at the load length ratio Mr1 specified in 2 as a base layer, and
A hard carbon layer forming step for forming a hard carbon layer is provided on the CrN layer.
Laminated coating characterized in that the CrN layer and the hard carbon layer are laminated by performing the CrN layer forming step and the hard carbon layer forming step as a series of continuous steps in the same film forming apparatus. This is a method for manufacturing a membrane.

上記した製造方法は、CrN層形成工程と硬質炭素層形成工程との間に研磨工程を設けて積層被覆膜を製造するため2バッチを必要としていた従来の積層被覆膜の製造方法と異なり、同一処理装置間で大気に晒されることなく一連の連続した工程で積層被覆膜を製造することができるため、これまではCrN成膜後に行っていた真空引き・昇温・冷却・大気開放・CrN層の研磨・CrN層研磨済み基材のコーティング治具へのセット、炉への装填、真空引き・昇温の各工程を省いて1バッチで処理することができる。この結果、低コストで高速な成膜が可能となる。また、得られた積層被覆膜は密着性が向上しているため、優れた摺動特性を長期間安定して維持することができる。 The above-mentioned manufacturing method is different from the conventional manufacturing method of the laminated coating film, which requires two batches for producing the laminated coating film by providing a polishing step between the CrN layer forming step and the hard carbon layer forming step. Since the laminated coating film can be manufactured in a series of continuous processes without being exposed to the atmosphere between the same processing devices, vacuuming, temperature raising, cooling, and opening to the atmosphere, which have been performed after CrN film formation, have been performed so far. -It is possible to process in one batch by omitting the steps of polishing the CrN layer, setting the CrN layer polished base material on the coating jig, loading it into the furnace, vacuuming, and raising the temperature. As a result, low-cost and high-speed film formation becomes possible. Further, since the obtained laminated coating film has improved adhesion, excellent sliding characteristics can be stably maintained for a long period of time.

そして、請求項12に記載の発明は、
前記CrN層の厚みが3〜50μmであることを特徴とする請求項10または請求項11に記載の積層被覆膜の製造方法である。
And the invention according to claim 12
The method for producing a laminated coating film according to claim 10 or 11, wherein the CrN layer has a thickness of 3 to 50 μm.

前記した通り、CrN層の表面粗さと厚みを最適化することにより、硬質炭素層に対する十分な密着性を確保して、同じ成膜装置内で一連の連続した成膜が可能となる。 As described above, by optimizing the surface roughness and thickness of the CrN layer, sufficient adhesion to the hard carbon layer can be ensured, and a series of continuous film formation can be performed in the same film forming apparatus.

また、請求項13に記載の発明は、
前記硬質炭素層の厚みが0.5〜30μmであることを特徴とする請求項10ないし請求項12のいずれか1項に記載の積層被覆膜の製造方法である。
Further, the invention according to claim 13 is
The method for producing a laminated coating film according to any one of claims 10 to 12, wherein the thickness of the hard carbon layer is 0.5 to 30 μm.

前記した通り、硬質炭素層の厚みを0.5〜30μmとすることにより、実用上、問題のない摺動特性を有する積層被覆膜とすることができる。 As described above, by setting the thickness of the hard carbon layer to 0.5 to 30 μm, it is possible to obtain a laminated coating film having sliding characteristics that do not cause any problem in practical use.

また、請求項14に記載の発明は、
前記CrN層形成工程と前記硬質炭素層形成工程との間に、sp/sp比0.5〜0.85の第2の硬質炭素層を形成させる第2の硬質炭素層形成工程を設け、
前記第2の硬質炭素層形成工程を、同じ成膜装置内で一連の連続した工程として行うことを特徴とする請求項10ないし請求項13のいずれか1項に記載の積層被覆膜の製造方法である。
Further, the invention according to claim 14
A second hard carbon layer forming step for forming a second hard carbon layer having a sp 2 / sp 3 ratio of 0.5 to 0.85 is provided between the CrN layer forming step and the hard carbon layer forming step. ,
The production of the laminated coating film according to any one of claims 10 to 13, wherein the second hard carbon layer forming step is performed as a series of continuous steps in the same film forming apparatus. The method.

前記した通り、このような第2の硬質炭素層をCrN層と硬質炭素層との間に設けることにより、下地層であるCrN層と上層の硬質炭素層とをより強く密着させることができる。 As described above, by providing such a second hard carbon layer between the CrN layer and the hard carbon layer, the CrN layer as the base layer and the upper hard carbon layer can be more strongly adhered to each other.

そして、上記した積層被覆膜がピストンリング基材の上に設けられていると、十分な低摩擦性、耐摩耗性、耐剥離性などの摺動特性を顕著に向上させることができるため、摺動特性に優れたピストンリングを提供することができる。 When the above-mentioned laminated coating film is provided on the piston ring base material, sliding characteristics such as sufficient low friction resistance, wear resistance, and peel resistance can be remarkably improved. It is possible to provide a piston ring having excellent sliding characteristics.

即ち、請求項15に記載の発明は、
基材上に、請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の積層被覆膜が設けられていることを特徴とするピストンリングである。
That is, the invention according to claim 15
The piston ring is characterized in that the laminated coating film according to any one of claims 1 to 9 is provided on the base material.

本発明によれば、CrN層の上に硬質炭素層を被覆させる際、同じ成膜装置内で一連の連続した工程で行うことができ、しかも、従来よりもCrN層に対する硬質炭素層の密着性を確保して、CrN層の有する耐摩耗性及び耐剥離性に加えて、硬質炭素層の有する低摩擦性を安定的に発揮させて、優れた摺動特性を確保することができる成膜技術を提供することができる成膜技術を提供することができる。 According to the present invention, when the hard carbon layer is coated on the CrN layer, it can be performed in a series of continuous steps in the same film forming apparatus, and moreover, the adhesion of the hard carbon layer to the CrN layer is higher than before. In addition to the wear resistance and peeling resistance of the CrN layer, the low friction property of the hard carbon layer can be stably exhibited to ensure excellent sliding characteristics. It is possible to provide a film forming technique capable of providing the above.

本発明の一実施の形態に係る積層被覆膜を説明する模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view explaining the laminated coating film which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る積層被覆膜の変形例を説明する模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view explaining the modification of the laminated coating film which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係る積層被覆膜の製造に用いられるアーク式PVD装置の成膜用の炉の要部を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the main part of the furnace for film formation of the arc type PVD apparatus used for manufacturing the laminated coating film which concerns on one Embodiment of this invention. 従来の積層被覆膜を説明する模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view explaining the conventional laminated coating film. ロックウェルCスケール圧痕試験における密着力の判定基準を説明する図である。It is a figure explaining the judgment criteria of the adhesion force in the Rockwell C scale indentation test. 摩擦摩耗試験を説明する図である。It is a figure explaining the friction wear test. 実施例において得られた負荷曲線および粗さ曲線の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the load curve and roughness curve obtained in an Example.

以下、本発明を実施の形態に基づき、図面を用いて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings based on the embodiments.

[1]積層被覆膜
本実施の形態に係る積層被覆膜は、
基材の上にCrN層が下地層として形成され、前記CrN層の上に硬質炭素層が積層された積層被覆膜であって、
前記CrN層が、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比(111)/(200)が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、
ANSI B46.1に規定される最大高さRzで0.5〜2.5μmの表面粗さを有していることを特徴とする。
[1] Laminated coating film The laminated coating film according to the present embodiment is
A laminated coating film in which a CrN layer is formed as a base layer on a base material and a hard carbon layer is laminated on the CrN layer.
The CrN layer has an X-ray diffraction intensity ratio (111) / (200) of the (111) plane to the (200) plane of 0.50 to 3.0, has a columnar crystal structure, and has a columnar crystal structure.
It is characterized by having a surface roughness of 0.5 to 2.5 μm at a maximum height Rz defined in ANSI B46.1.

図1は本実施の形態に係る積層被覆膜を説明する模式断面図であり、1は硬質炭素層、2は下地層、3は基材である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the laminated coating film according to the present embodiment, in which 1 is a hard carbon layer, 2 is a base layer, and 3 is a base material.

図1に示すように、本実施の形態に係る積層被覆膜においては、基材3上に下地層2としてCrN層が形成され、さらに、下地層2上に硬質炭素層1が積層されている。 As shown in FIG. 1, in the laminated coating film according to the present embodiment, a CrN layer is formed as a base layer 2 on the base material 3, and a hard carbon layer 1 is further laminated on the base layer 2. There is.

1.基材
本実施の形態において、被覆膜を形成させる基材としては特に限定されず、鉄系の他、非鉄系の金属あるいはセラミックス、硬質複合材料等、従来より使用されているものを使用することができる。
1. 1. Base material In the present embodiment, the base material on which the coating film is formed is not particularly limited, and in addition to iron-based materials, non-ferrous metals or ceramics, hard composite materials, and other conventionally used materials are used. be able to.

具体的には、炭素鋼、合金鋼、軸受け鋼、焼入れ鋼、高速度工具鋼、鋳鉄、アルミ合金、Mg合金や超硬合金等を挙げることができるが、硬質炭素層1や下地層2の成膜温度を考慮すると、250℃以上の温度で特性が大きく劣化しない基材を使用することが好ましい。 Specific examples thereof include carbon steel, alloy steel, bearing steel, hardened steel, high-speed tool steel, cast iron, aluminum alloy, Mg alloy and cemented carbide. Considering the film formation temperature, it is preferable to use a base material whose characteristics do not significantly deteriorate at a temperature of 250 ° C. or higher.

2.下地層
基材3上には下地層2としてCrN層が設けられている。この下地層2は、上記したように、(111)/(200)回折強度比が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、0.5〜2.5μmの表面粗さRzを有している。
2. Underlayer A CrN layer is provided as an underlayer 2 on the substrate 3. As described above, the base layer 2 has a (111) / (200) diffraction intensity ratio of 0.50 to 3.0, has a columnar crystal structure, and has a surface roughness Rz of 0.5 to 2.5 μm. have.

この0.5〜2.5μmの表面粗さRzは、適度のアンカー効果を有しながらも、従来のような後工程での研磨加工を必要としないレベルの平滑性であるため、同じ成膜装置内で一連の連続した成膜で下地層2の上に硬質炭素層1を成膜しても、基材3と硬質炭素層1との間に従来よりも強い密着性を確保して硬質炭素層1を積層することができる。 This surface roughness Rz of 0.5 to 2.5 μm has an appropriate anchoring effect, but has a level of smoothness that does not require polishing in a post-process as in the conventional case, and therefore has the same film formation. Even if the hard carbon layer 1 is formed on the base layer 2 by a series of continuous film formations in the apparatus, it is hard to secure a stronger adhesion between the base material 3 and the hard carbon layer 1 than before. The carbon layer 1 can be laminated.

そして、上記したように、CrN層と硬質炭素層との間に十分な密着性が確保された積層被覆膜は、CrN層の有する耐摩耗性及び耐剥離性に加えて、硬質炭素層の有する低摩擦性を安定的に発揮させることができるため、長寿命で優れた摺動特性を有する製品、例えば、ピストンリングを提供することができる。 As described above, the laminated coating film in which sufficient adhesion is ensured between the CrN layer and the hard carbon layer is formed of the hard carbon layer in addition to the abrasion resistance and peeling resistance of the CrN layer. Since the low friction property can be stably exhibited, it is possible to provide a product having a long life and excellent sliding characteristics, for example, a piston ring.

なお、上記したように、下地層2の成膜に際して、成膜されたCrN層が柱状結晶構造でない場合、CrN層と硬質炭素層との間の密着性が著しく損なわれ、さらにCrN層自身の耐摩耗性が低下する。この結果、積層被覆膜としての耐摩耗性および耐剥離性、さらには摺動特性を得ることができなくなる。 As described above, when the film formation of the base layer 2 is performed, if the formed CrN layer does not have a columnar crystal structure, the adhesion between the CrN layer and the hard carbon layer is significantly impaired, and the CrN layer itself is further formed. Abrasion resistance is reduced. As a result, it becomes impossible to obtain abrasion resistance and peeling resistance as a laminated coating film, as well as sliding characteristics.

CrN層が柱状結晶構造であっても、(111)/(200)回折強度比が0.50未満の場合、硬質炭素層との間に十分な密着性を確保することができず、硬質炭素層が剥離しやすくなる。また、3.0を超えた場合には、CrN層の靭性が損なわれ、耐摩耗性が低下する。0.65〜2.60であるとより好ましい。 Even if the CrN layer has a columnar crystal structure, if the (111) / (200) diffraction intensity ratio is less than 0.50, sufficient adhesion with the hard carbon layer cannot be ensured, and hard carbon. The layer is easily peeled off. If it exceeds 3.0, the toughness of the CrN layer is impaired and the wear resistance is lowered. It is more preferably 0.65 to 2.60.

また、CrN層における表面粗さRzが0.5μm未満の場合には、硬質炭素層との間に十分な密着性を確保することができず、硬質炭素層が剥離しやすくなる。一方、2.5μmを超えた場合には、CrN層の上に形成する硬質炭素層の表面が粗くなるため、積層被覆膜の製造後、硬質炭素層の表面に研磨加工を施す必要があり、効率的に積層被覆膜を製造することができない。1.0〜1.6μmであるとより好ましい。 Further, when the surface roughness Rz of the CrN layer is less than 0.5 μm, sufficient adhesion cannot be ensured between the CrN layer and the hard carbon layer, and the hard carbon layer is easily peeled off. On the other hand, if it exceeds 2.5 μm, the surface of the hard carbon layer formed on the CrN layer becomes rough, so it is necessary to polish the surface of the hard carbon layer after manufacturing the laminated coating film. , It is not possible to efficiently produce a laminated coating film. It is more preferably 1.0 to 1.6 μm.

本実施の形態において、下地層2の厚みとしては、3〜50μmの厚みが好ましい。3μm未満の場合、十分な耐摩耗性が確保できず、また、硬質炭素層1に対する十分な密着性を確保できない。一方、50μmの厚みは、実用上、工業的に必要十分な厚さであるため、50μmを超える厚膜化は、徒に、製造コストの負担増を招くことになる。20〜50μmであるとより好ましい。 In the present embodiment, the thickness of the base layer 2 is preferably 3 to 50 μm. If it is less than 3 μm, sufficient wear resistance cannot be ensured, and sufficient adhesion to the hard carbon layer 1 cannot be ensured. On the other hand, since the thickness of 50 μm is practically and industrially necessary and sufficient, a thickening film exceeding 50 μm unnecessarily increases the burden of manufacturing cost. It is more preferably 20 to 50 μm.

なお、上記おいては、CrN層の表面について、表面粗さRzを用いて説明したが、前記したように、負荷長さ率Mr1によって規定することもでき、16〜35%であると好ましく、17〜20%であるとより好ましい。 In the above, the surface of the CrN layer has been described using the surface roughness Rz, but as described above, it can also be defined by the load length ratio Mr1, and is preferably 16 to 35%. It is more preferably 17 to 20%.

3.硬質炭素層
本実施の形態において、硬質炭素層1は、図1に示すように、下地層2の上に形成される。このとき、上記したように、下地層2のCrN層が適切な表面粗さRz等を有しているため、同じ成膜装置内で一連の連続した成膜で下地層2の上に硬質炭素層1を成膜しても、十分な密着性を確保して積層することができ、CrN層の有する耐摩耗性及び耐剥離性に加えて、硬質炭素層の有する低摩擦性を安定的に発揮させて、優れた摺動特性を有する積層被覆膜を提供することができる。
3. 3. Hard carbon layer In the present embodiment, the hard carbon layer 1 is formed on the base layer 2 as shown in FIG. At this time, as described above, since the CrN layer of the base layer 2 has an appropriate surface roughness Rz or the like, hard carbon is formed on the base layer 2 by a series of continuous film formations in the same film forming apparatus. Even if the layer 1 is formed, it can be laminated while ensuring sufficient adhesion, and in addition to the wear resistance and peeling resistance of the CrN layer, the low frictional property of the hard carbon layer is stably maintained. It is possible to provide a laminated coating film having excellent sliding characteristics by exerting it.

本実施の形態において、硬質炭素層1の厚みは、実用上、0.5〜30μmであることが好ましい。即ち、上記したように、厚みが0.5μm未満の場合、硬質炭素層1が下地層2(CrN層)から剥がれやすく、十分な低摩擦性を確保できない。一方、30μmを超える場合には、十分な摺動特性を確保できない。 In the present embodiment, the thickness of the hard carbon layer 1 is preferably 0.5 to 30 μm in practical use. That is, as described above, when the thickness is less than 0.5 μm, the hard carbon layer 1 is easily peeled off from the base layer 2 (CrN layer), and sufficient low frictional property cannot be ensured. On the other hand, if it exceeds 30 μm, sufficient sliding characteristics cannot be ensured.

そして、本実施の形態において、硬質炭素層1の表面粗さRzは、1.0μm以下であることが好ましい。1.0μmを超えていると、摺動相手材との間に高摩擦が生じて硬質炭素層自身の破壊や剪断による剥離を招く恐れがある。 In the present embodiment, the surface roughness Rz of the hard carbon layer 1 is preferably 1.0 μm or less. If it exceeds 1.0 μm, high friction may occur with the sliding mating material, resulting in destruction of the hard carbon layer itself or peeling due to shearing.

なお、本実施の形態においては、図2に示すように、CrN層と硬質炭素層との間にsp/sp比が0.5〜0.83の第2の硬質炭素層4が設けられていることが好ましい。さらに、第2の硬質炭素層4と下地層2との間にCr層、Ti層、W層などの金属中間層5が設けられていていることがより好ましい。なお、図2は、このような積層被覆膜の変形例を説明する模式断面図である。 In the present embodiment, as shown in FIG. 2, a second hard carbon layer 4 having a sp 2 / sp 3 ratio of 0.5 to 0.83 is provided between the CrN layer and the hard carbon layer. It is preferable that Further, it is more preferable that a metal intermediate layer 5 such as a Cr layer, a Ti layer, and a W layer is provided between the second hard carbon layer 4 and the base layer 2. Note that FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a modified example of such a laminated coating film.

第2の硬質炭素層4は、軟質の硬質炭素層であるため、下地層2であるCrN層と上層の硬質炭素層1とをより密着させることができる。また、金属中間層5を設けることにより、下地層2であるCrN層と上層の硬質炭素層1との間の密着性をさらに向上させることができる。なお、第2の硬質炭素層4の厚みとしては10〜200nmであることが好ましく、金属中間層5の厚みとしては20〜500nmであることが好ましい。 Since the second hard carbon layer 4 is a soft hard carbon layer, the CrN layer which is the base layer 2 and the upper hard carbon layer 1 can be brought into close contact with each other. Further, by providing the metal intermediate layer 5, the adhesion between the CrN layer which is the base layer 2 and the hard carbon layer 1 which is the upper layer can be further improved. The thickness of the second hard carbon layer 4 is preferably 10 to 200 nm, and the thickness of the metal intermediate layer 5 is preferably 20 to 500 nm.

なお、上記において、sp/sp比は、EELS分析(Electron Energy−Loss Spectroscopy:電子エネルギー損失分光法)により、1s→π*強度と1s→σ*強度を測定し、1s→π*強度をsp強度、1s→σ*強度をsp強度と見立てて、その比である1s→π*強度と1s→σ*強度の比をsp/sp比として算出した。従って、本願発明でいうsp/sp比とは、正確には、π/σ強度比のことを指している。 In the above, the sp 2 / sp 3 ratio is measured by measuring 1s → π * intensity and 1s → σ * intensity by EELS analysis (Electron Energy-Loss Spectroscopy: electron energy loss spectroscopy), and 1s → π * intensity. Was regarded as sp 2 strength, 1s → σ * strength as sp 3 strength, and the ratio of 1s → π * strength and 1s → σ * strength was calculated as sp 2 / sp 3 ratio. Therefore, the sp 2 / sp 3 ratio in the present invention accurately refers to the π / σ intensity ratio.

具体的には、STEM(走査型TEM)モードでのスペクトルイメージング法を適用し、加速電圧200kV、試料吸収電流10−9A、ビームスポットサイズφ1nmの条件で、1nmのピッチで得たEELSを積算し、約10nm領域からの平均情報としてC−K吸収スペクトルを抽出し、sp/sp比を算出する。 Specifically, the spectrum imaging method in the STEM (scanning TEM) mode is applied, and the EELS obtained at a pitch of 1 nm is integrated under the conditions of an acceleration voltage of 200 kV, a sample absorption current of 10-9 A, and a beam spot size of φ1 nm. Then, the CK absorption spectrum is extracted as the average information from the region of about 10 nm, and the sp 2 / sp 3 ratio is calculated.

4.積層被覆膜
本実施の形態に係る積層被覆膜は、上記のような構成とすることにより、従来よりもCrN層に対する硬質炭素層の密着性を確保して、CrN層の有する耐摩耗性及び耐剥離性に加えて、硬質炭素層の有する低摩擦性を安定的に発揮させて、優れた摺動特性を確保することができる。
4. Laminated coating film The laminated coating film according to the present embodiment has a structure as described above, thereby ensuring the adhesion of the hard carbon layer to the CrN layer more than before, and the abrasion resistance of the CrN layer. In addition to the peeling resistance, the low frictional property of the hard carbon layer can be stably exhibited to ensure excellent sliding characteristics.

また、CrN層の上に硬質炭素層を被覆させる際、同じ成膜装置内で一連の連続した工程で積層被覆膜を作製することができる。 Further, when the hard carbon layer is coated on the CrN layer, a laminated coating film can be produced in a series of continuous steps in the same film forming apparatus.

本実施の形態に係る積層被覆膜の特に好適な用途としては、ピストンリングが挙げられるが、他には、ピストンピン、ギヤ、ベアリング、バルブリフターなどの自動車用部品、ベーン、ベアリングなどの一般機械部品を挙げることができる。 A particularly suitable application of the laminated coating film according to the present embodiment includes a piston ring, but other general applications such as piston pins, gears, bearings, automobile parts such as valve lifters, vanes, and bearings. Mechanical parts can be mentioned.

5.密着性評価について
なお、製造された積層被覆膜における基材、CrN層、硬質炭素層間の密着性を評価する際、ロックウェルCスケール圧痕試験が簡便な密着性確認試験として好ましく採用できる。
5. Adhesion Evaluation When evaluating the adhesion between the base material, CrN layer, and hard carbon layer in the manufactured laminated coating film, the Rockwell C scale indentation test can be preferably adopted as a simple adhesion confirmation test.

具体的には、ロックウェル硬度計を用いて積層被覆膜の表面から基材に向けてダイヤモンド圧子(Cスケール)を押し込んだ際に圧痕周辺部に発生する積層被覆膜の損傷状態を観察したとき、積層被覆膜に剥離が生じていなければ、実用上必要な密着性が十分に確保されていると判断することができる。このように、ダイヤモンド圧子を押し込んで積層被覆膜における密着の程度を判断するだけで、優れた摺動特性を有する積層被覆膜であることを簡便に確認することができる。 Specifically, using a Rockwell hardness tester, observe the damage state of the laminated coating film generated around the indentation when the diamond indenter (C scale) is pushed from the surface of the laminated coating film toward the base material. At that time, if the laminated coating film is not peeled off, it can be determined that the adhesiveness necessary for practical use is sufficiently secured. In this way, it is possible to easily confirm that the laminated coating film has excellent sliding characteristics only by pushing the diamond indenter and determining the degree of adhesion in the laminated coating film.

[2]積層被覆膜の製造方法
次に、本実施の形態に係る積層被覆膜の製造方法について説明する。
[2] Method for Producing Laminated Coating Film Next, a method for producing the laminated coating film according to the present embodiment will be described.

本実施の形態に係る積層被覆膜の製造方法は、
基材の上に、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比(111)/(200)が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、ANSI B46.1に規定される最大高さRzで0.5〜2.5μmの表面粗さを有するCrN層を下地層として形成するCrN層形成工程と、
前記CrN層の上に、硬質炭素層を形成する硬質炭素層形成工程とを備えており、
前記CrN層形成工程および前記硬質炭素層形成工程を、同じ成膜装置内で原料種および成膜条件を異ならせて、一連の連続した工程として行うことにより、前記CrN層と前記硬質炭素層とを積層させることを特徴とする。
The method for producing a laminated coating film according to the present embodiment is
On the base material, the intensity ratio (111) / (200) of X-ray diffraction to the (200) plane of the (111) plane is 0.50 to 3.0, and it has a columnar crystal structure and ANSI B46.1. A CrN layer forming step of forming a CrN layer having a surface roughness of 0.5 to 2.5 μm at the maximum height Rz specified in the above as a base layer, and
A hard carbon layer forming step for forming a hard carbon layer is provided on the CrN layer.
The CrN layer and the hard carbon layer are formed by performing the CrN layer forming step and the hard carbon layer forming step as a series of continuous steps in the same film forming apparatus with different raw material types and film forming conditions. It is characterized by laminating.

本実施の形態に係る積層被覆膜はPVD法を用いて製造されるが、特に好ましいのはアーク式PVD法である。 The laminated coating film according to the present embodiment is produced by using the PVD method, and the arc type PVD method is particularly preferable.

1.アーク式PVD装置
最初に、アーク式PVD装置について具体的に説明する。図3は本実施の形態のアーク式PVD装置の成膜用の炉の要部を模式的に示す図である。このようなアーク式PVD装置としては、例えば、日本アイ・ティ・エフ社製アーク式PVD装置M720を挙げることができる。
1. 1. Arc-type PVD device First, the arc-type PVD device will be specifically described. FIG. 3 is a diagram schematically showing a main part of a furnace for film formation of the arc type PVD apparatus of the present embodiment. As such an arc type PVD device, for example, an arc type PVD device M720 manufactured by Nippon ITF Co., Ltd. can be mentioned.

図3に示すように、アーク式PVD装置は、成膜用の炉11と制御装置(図示省略)とを備えている。炉11には、真空チャンバ6、プラズマ発生装置(図示省略)、ヒーター7、基材支持装置としての公転治具9及び自転治具10、温度計側装置としての熱電対(T.C.10mm角バー)8およびバイアス電源(図示省略)および炉内の圧力を調整する圧力調整装置(図示省略)が設けられている。 As shown in FIG. 3, the arc-type PVD apparatus includes a furnace 11 for film formation and a control device (not shown). The furnace 11 includes a vacuum chamber 6, a plasma generator (not shown), a heater 7, a revolving jig 9 and a rotating jig 10 as a base material support device, and a thermocouple (TC 10 mm) as a thermometer side device. A square bar) 8 and a bias power supply (not shown) and a pressure adjusting device (not shown) for adjusting the pressure in the furnace are provided.

また、基材支持装置もしくは炉内中央部に冷却水および/または温水や蒸気を供給する冷却加熱装置が設けられていることが好ましい。なお、T1はクロムターゲット、T2はカーボンターゲットである。 Further, it is preferable that the base material support device or the cooling / heating device for supplying cooling water and / or hot water or steam is provided in the central portion of the furnace. T1 is a chrome target and T2 is a carbon target.

プラズマ発生装置は、アーク電源、カソードおよびアノ−ドを備え、カソードとアノード間の真空アーク放電により、カソード材料であるクロムターゲットT1またはカーボンターゲットT2からクロムまたはカーボンを蒸発させると共に、イオン化したカソード材料(クロムイオンまたはカーボンイオン)を含むプラズマを発生させる。バイアス電源は、基材3に所定のバイアス電圧を印加してイオン化したカソード材料を適切な運動エネルギーで基材3へ飛翔させる。 The plasma generator includes an arc power supply, a cathode and an anod, and evaporates chromium or carbon from the cathode material chrome target T1 or carbon target T2 by vacuum arc discharge between the cathode and the anode, and ionizes the cathode material. Generates a plasma containing (chromium ion or carbon ion). The bias power supply applies a predetermined bias voltage to the base material 3 to cause the ionized cathode material to fly to the base material 3 with appropriate kinetic energy.

公転治具9及び自転治具10は、中空の12面体角柱状で、炉体の中心を回転の中心として矢印の方向に回転自在であり、前記炉体の中心を中心とする同心円上に、等間隔で、公転治具9及び自転治具10の上面に対して垂直な回転軸を複数備えている。複数の基材3は、それぞれ前記回転軸に保持され、矢印の方向に回転自在である。これにより基材3は、公転治具9及び自転治具10に自転および公転自在に保持される。また、公転治具9及び自転治具10には、基材3と公転治具9及び自転治具10との間で速やかに熱が伝導し、基材3と公転治具9及び自転治具10の温度が略等しくなるようにステンレスなど熱伝導性が高い金属材料が用いられている。 The revolution jig 9 and the rotation jig 10 are hollow dodecagonal prisms, are rotatable in the direction of the arrow with the center of the furnace body as the center of rotation, and are concentric circles centered on the center of the furnace body. A plurality of rotation axes perpendicular to the upper surfaces of the revolution jig 9 and the rotation jig 10 are provided at equal intervals. Each of the plurality of base materials 3 is held by the rotation axis and is rotatable in the direction of the arrow. As a result, the base material 3 is held by the revolving jig 9 and the revolving jig 10 so as to be revolving and revolving. Further, heat is rapidly conducted between the base material 3, the revolving jig 9, and the revolving jig 10 to the revolving jig 9 and the revolving jig 10, and the base material 3, the revolving jig 9, and the revolving jig 10 are quickly conducted with heat. A metal material having high thermal conductivity such as stainless steel is used so that the temperatures of 10 are substantially equal.

ヒーター7および冷却加熱装置(図示省略)は、公転治具9及び自転治具10をそれぞれ加熱、冷却し、これにより基材3が間接的に加熱、冷却される。ここで、ヒーター7は温度調節が可能となるように構成されている。一方、冷却加熱装置は、冷却加熱媒体の供給スピードが調整可能となるように構成されており、具体的には、冷却実施時には冷却水を治具9、10および/または回転軸もしくは炉内中央部に設置された冷却筒に供給し、冷却停止時には冷却水の供給を停止するように構成されており、加熱時には温水または蒸気を治具9、10および/または回転軸に供給し、加熱停止時には温水または蒸気の供給を停止するように構成されている。また、熱電対8が基材3の近傍に取り付けられており、基材温度を間接的に計測して、アーク電流値、バイアス電圧値、ヒーター温度の少なくとも一つを成膜中に変化させることで、狙いとする基材温度に制御するように構成されている。 The heater 7 and the cooling heating device (not shown) heat and cool the revolution jig 9 and the rotation jig 10, respectively, whereby the base material 3 is indirectly heated and cooled. Here, the heater 7 is configured so that the temperature can be adjusted. On the other hand, the cooling / heating device is configured so that the supply speed of the cooling / heating medium can be adjusted. Specifically, when cooling is performed, the cooling water is used as jigs 9, 10 and / or the rotating shaft or the center of the furnace. It is configured to supply to the cooling cylinder installed in the unit and stop the supply of cooling water when cooling is stopped, and when heating, hot water or steam is supplied to jigs 9, 10 and / or the rotating shaft to stop heating. Sometimes it is configured to stop the supply of hot water or steam. Further, the thermocouple 8 is attached in the vicinity of the base material 3, and the base material temperature is indirectly measured to change at least one of the arc current value, the bias voltage value, and the heater temperature during film formation. It is configured to control the target substrate temperature.

制御装置は、公転治具9及び自転治具10の回転速度を、下地層および硬質炭素層が上記した各表面粗さRzで確実に形成されるように、所定の回転速度に制御する。また、熱電対8による基材3の温度の計測結果に応じて、バイアス電圧、アーク電流、ヒーター温度、炉内圧力を最適化する。これにより、成膜中の基材3の温度を、下地層の形成においては300〜400℃に、硬質炭素層の形成においては100〜350℃に制御することができる。また、必要に応じて冷却装置の作動およびバイアス電圧の印加パターンを制御する。 The control device controls the rotation speeds of the revolution jig 9 and the rotation jig 10 to a predetermined rotation speed so that the base layer and the hard carbon layer are surely formed with the above-mentioned surface roughness Rz. Further, the bias voltage, the arc current, the heater temperature, and the pressure inside the furnace are optimized according to the measurement result of the temperature of the base material 3 by the thermocouple 8. Thereby, the temperature of the base material 3 during the film formation can be controlled to 300 to 400 ° C. in the formation of the base layer and 100 to 350 ° C. in the formation of the hard carbon layer. In addition, the operation of the cooling device and the application pattern of the bias voltage are controlled as necessary.

2.積層被覆膜の製造方法
次に、上記したアーク式PVD装置を用いた積層被覆膜の具体的な製造方法について説明する。
2. Method for Manufacturing Laminated Coating Film Next, a specific manufacturing method for the laminated coating film using the arc-type PVD apparatus described above will be described.

下地層及び硬質炭素層をアーク式PVD法により形成する場合、バイアス電圧やアーク電流を調節したり、ヒーターにより基材を加熱したり各々の成膜中の基材温度を制御できるように製造条件を調整する。 When the base layer and the hard carbon layer are formed by the arc PVD method, the manufacturing conditions are such that the bias voltage and arc current can be adjusted, the base material can be heated by a heater, and the base material temperature during each film formation can be controlled. To adjust.

(1)下地層(CrN層)の形成工程
最初に、基材上に下地層となるCrN層を形成する。具体的には、まず、基材を基材支持装置でもある自転治具10に配置し、その後、アーク式PVD装置の炉11内にセットする。
(1) Step of Forming Underlayer (CrN Layer) First, a CrN layer to be an underlayer is formed on the base material. Specifically, first, the base material is placed on the rotation jig 10 which is also a base material support device, and then set in the furnace 11 of the arc type PVD device.

次に、窒素ガスを500〜1000ccm流した状態で、炉内圧力および/または基材温度を熱電対8によって300〜400℃に制御すると共に、クロムターゲットT1を用いてバイアス電圧−20V、アーク電流150Aの条件で、基材を10〜200rpmの回転数で自転および/または1〜20rpmの回転数で公転させながら、基材の表面に所定の厚みにCrN層を成膜する。なお、ここでいう基材温度とは熱電対で計測された温度のことであり、実際の基材温度は基材の形状(大きさ、長さなど)、熱伝導率、治具との接触状態、治具の熱容量、熱電対からの距離などの影響を受けるため、若干のずれは伴う。 Next, with nitrogen gas flowing 500 to 1000 ccm, the pressure in the furnace and / or the substrate temperature is controlled to 300 to 400 ° C. by a thermocouple 8, and the bias voltage -20 V and the arc current are controlled by using the chromium target T1. Under the condition of 150A, a CrN layer is formed on the surface of the base material to a predetermined thickness while rotating the base material at a rotation speed of 10 to 200 rpm and / or revolving at a rotation speed of 1 to 20 rpm. The base material temperature referred to here is the temperature measured by a thermocouple, and the actual base material temperature is the shape (size, length, etc.) of the base material, thermal conductivity, and contact with the jig. Since it is affected by the condition, the heat capacity of the jig, the distance from the thermocouple, etc., there is a slight deviation.

上記のように適切に成膜条件を調節することにより、基材の上に、(111)/(200)回折強度比が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、0.5〜2.5μmの表面粗さRzを有するCrN層を下地層として形成することができる。 By appropriately adjusting the film forming conditions as described above, the substrate has a (111) / (200) diffraction intensity ratio of 0.50 to 3.0, a columnar crystal structure, and 0. A CrN layer having a surface roughness Rz of 5 to 2.5 μm can be formed as a base layer.

形成されたCrN層は、前記したように、適度のアンカー効果を有しながらも、後工程での研磨加工を必要としないレベルの平滑性を有しているため、従来のように、CrN層が形成された基材を一旦アーク式PVD装置から取り出して、研磨加工を施す必要がなく、そのまま、同じアーク式PVD装置で連続して、十分な密着性で硬質炭素層の成膜を行うことができる。 As described above, the formed CrN layer has an appropriate anchoring effect, but has a level of smoothness that does not require polishing in a subsequent process. Therefore, as in the conventional case, the CrN layer has a CrN layer. It is not necessary to once take out the base material on which the carbon dioxide is formed from the arc-type PVD device and perform polishing, and to continuously form a hard carbon layer with sufficient adhesion using the same arc-type PVD device as it is. Can be done.

このとき、形成されたCrN層は硬質炭素層に対して十分な密着性を有しているため、CrN層を形成させた同じ成膜装置内で、十分な密着性でCrN層の上に硬質炭素層を積層することができる。 At this time, since the formed CrN layer has sufficient adhesion to the hard carbon layer, it is hard on the CrN layer with sufficient adhesion in the same film forming apparatus on which the CrN layer is formed. A carbon layer can be laminated.

(2)硬質炭素層の形成
所定の厚みのCrN層を基材上に形成した後は、そのまま、同じアーク式PVD装置内で、炉内圧力を制御および/または基材温度を熱電対8によって100〜350℃に制御すると共に、カーボンターゲットT2を用いて、バイアス電圧−165V、アーク電流40Aの条件でアーク放電を行い、CrN層が被覆された基材を10〜200rpmの回転数で自転および/または1〜20rpmの回転数で公転させながら、CrN層の表面に所定の厚みに硬質炭素層を成膜する。
(2) Formation of hard carbon layer After forming a CrN layer of a predetermined thickness on a substrate, the pressure inside the furnace is controlled and / or the substrate temperature is controlled by a thermocouple 8 as it is in the same arc-type PVD device. While controlling the temperature to 100 to 350 ° C., the carbon target T2 is used to perform arc discharge under the conditions of a bias voltage of -165 V and an arc current of 40 A, and the substrate coated with the CrN layer is rotated at a rotation speed of 10 to 200 rpm. / Or a hard carbon layer is formed on the surface of the CrN layer to a predetermined thickness while revolving at a rotation speed of 1 to 20 rpm.

所定の厚みの硬質炭素層をCrN層上に形成した後は、形成された硬質炭素層の表面を研磨加工することにより、表面粗さRzが所定の値となるようにする。 After forming a hard carbon layer having a predetermined thickness on the CrN layer, the surface of the formed hard carbon layer is polished so that the surface roughness Rz becomes a predetermined value.

[3]本実施の形態による効果
以上述べてきたように、従来の方法では、CrN被覆(下地層)に研磨処理を施さないと硬質炭素層との密着性が得られなかったのに対して、本実施の形態においては成膜装置で下地層の表面粗さ等を最適化したことにより、硬質炭素層の形成に際して、同じ成膜装置を用いて、十分な密着性で連続した成膜を行うことができる。
[3] Effect of the present embodiment As described above, in the conventional method, the adhesion to the hard carbon layer could not be obtained unless the CrN coating (underlayer) was polished. In the present embodiment, the surface roughness of the underlying layer is optimized by the film forming apparatus, so that the same film forming apparatus is used to form a continuous film with sufficient adhesion when forming the hard carbon layer. It can be carried out.

そして、1バッチでCrN層と硬質炭素層との積層被覆膜を連続形成することで、従来の2バッチ製法で必要であった真空引き・昇温・冷却・CrN層の研磨の工程を省くことが可能となり、積層被覆膜の製造における低コスト化と高速化を図ることができる。 Then, by continuously forming a laminated coating film of the CrN layer and the hard carbon layer in one batch, the steps of evacuation, temperature rise, cooling, and polishing of the CrN layer, which are required in the conventional two-batch manufacturing method, are omitted. This makes it possible to reduce the cost and speed in the production of the laminated coating film.

以下、実施例に基づき、本発明をより具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples.

1.実験1
以下の実験においては、CrN層の表面粗さRz及び(111)/(200)回折強度比を変えて、硬質炭素層の耐剥離性及び耐摩耗性との関係を調べた。
1. 1. Experiment 1
In the following experiments, the surface roughness Rz of the CrN layer and the (111) / (200) diffraction intensity ratio were changed to investigate the relationship between the peel resistance and the abrasion resistance of the hard carbon layer.

(1)実験条件
鋼基材を基材支持装置でもある自転治具10に配置した後、アーク式PVD装置(日本アイ・ティ・エフ社製アーク式PVD装置M720)の炉11内の公転治具9にセットし、窒素ガスを500〜1000ccm流した状態で炉内圧力および基材温度を熱電対8によって制御すると共に、クロムターゲットT1を用いてバイアス電圧−20V、アーク電流150Aの条件で、基材を自転(40rpm)および公転(4rpm)させながら、基材の表面に、表1に示す表面粗さRzおよび(111)/(200)回折強度比であるCrN層を5μm被覆した。なお、形成されたCrN層の結晶構造は、いずれも、柱状結晶構造であった。
(1) Experimental conditions After arranging the steel base material on the rotating jig 10 which is also the base material supporting device, the revolution of the arc type PVD device (arc type PVD device M720 manufactured by Nippon ITF Co., Ltd.) in the furnace 11 Set in the jig 9, the pressure in the furnace and the substrate temperature are controlled by the thermoelectric pair 8 with nitrogen gas flowing 500 to 1000 cm, and the chrome target T1 is used under the conditions of a bias voltage of -20 V and an arc current of 150 A. While rotating (40 rpm) and revolving (4 rpm) the base material, the surface of the base material was coated with 5 μm of a CrN layer having a surface roughness Rz and a (111) / (200) diffraction intensity ratio shown in Table 1. The crystal structures of the formed CrN layers were all columnar crystal structures.

なお、表面粗さRzは、CrN層を5μm被覆した後に、炉内より基材を取り出し、摺動面をANSI B46.1に準ずる方法により測定した。また、CrN層と硬質炭素層の積層被覆膜においては、炉内で酸素プラズマを発生させ、硬質炭素層のみを昇華させて脱膜させた後に、炉内より基材を取り出し、摺動面をANSI B46.1に準ずる方法により測定することも可能である。 The surface roughness Rz was measured by a method according to ANSI B46.1, in which the base material was taken out from the furnace after the CrN layer was coated with 5 μm. Further, in the laminated coating film of the CrN layer and the hard carbon layer, oxygen plasma is generated in the furnace to sublimate only the hard carbon layer to remove the film, and then the base material is taken out from the furnace to remove the sliding surface. Can also be measured by a method according to ANSI B46.1.

また、(111)/(200)回折強度比はX線回折によって分析し、CrN被膜の結晶構造を表面に対して並行な(200)面に対する(111)面のX線回折の強度により求めた。 The (111) / (200) diffraction intensity ratio was analyzed by X-ray diffraction, and the crystal structure of the CrN coating was determined by the intensity of X-ray diffraction of the (111) plane with respect to the (200) plane parallel to the surface. ..

CrN層被覆後は、大気暴露することなく連続して、カーボンターゲットT2を用いて、バイアス電圧−165V、アーク電流40Aの条件でアーク放電を行い、基材を自転(40rpm)および公転(4rpm)させながら、1.0μmの硬質炭素層を被覆し、硬質炭素層の表面を研磨加工でRz1.0μm以下とした。 After coating with the CrN layer, arc discharge is continuously performed using the carbon target T2 under the conditions of a bias voltage of 165 V and an arc current of 40 A without exposure to the atmosphere, and the substrate is rotated (40 rpm) and revolved (4 rpm). The hard carbon layer of 1.0 μm was coated, and the surface of the hard carbon layer was polished to Rz of 1.0 μm or less.

(2)評価
(a)耐剥離性(密着性)
非晶質硬質炭素層について、得られた試験片を、ロックウェルCスケール圧痕試験(圧子:先端半径0.2±0.2mmかつ先端角120°±30′のダイヤモンド円錐、押付荷重:1470N(150kgf))を用いて3〜5箇所で行い、圧痕周辺部の被覆膜の状態について顕微鏡を用いて倍率100倍以上で観察を行い、図5に示すH1〜H5の判定基準で密着力を測定し、耐剥離性を評価した。H1〜H5の具体的な内容は以下の通りである。
H1:剥離無し
H2:境界部で微小剥離あり
H3:全周に達しない剥離あり
H4:全周に剥離あり 但し剥離範囲はエッジから0.2mm以内
H5:全周に剥離あり 剥離範囲が0.2mmを超えている
(2) Evaluation (a) Peeling resistance (adhesion)
For the amorphous hard carbon layer, the obtained test piece was subjected to a Rockwell C scale indentation test (indenter: diamond cone with tip radius 0.2 ± 0.2 mm and tip angle 120 ° ± 30', pressing load: 1470N ( Perform at 3 to 5 points using 150 kgf)), observe the state of the coating film around the indentation with a microscope at a magnification of 100 times or more, and determine the adhesion according to the criteria of H1 to H5 shown in FIG. It was measured and the peel resistance was evaluated. The specific contents of H1 to H5 are as follows.
H1: No peeling H2: Micro peeling at the boundary H3: Peeling that does not reach the entire circumference H4: Peeling on the entire circumference However, the peeling range is within 0.2 mm from the edge H5: Peeling on the entire circumference The peeling range is 0. Over 2 mm

なお、耐剥離性の評価にあたっては、密着力がH1であれば優、H2、H3であれば良、H4、H5であれば不可と判定した。優、良であれば実用上問題となる剥離は生じない。 In the evaluation of the peeling resistance, it was determined that the adhesion was excellent if it was H1, good if it was H2 or H3, and not possible if it was H4 or H5. If it is excellent or good, peeling that is a problem in practical use does not occur.

(b)耐摩耗性
非晶質硬質炭素層について、得られた試験片を、自動車用摺動部材の評価で、一般的に行われているSRV(Schwingungs Reihungund und Verschleiss)試験機を用いて摩擦試験を行ない、以下の基準で耐摩耗性を評価した。評価が優、良であれば実用上問題ないと判断できる。
(B) Abrasion resistance Amorphous hard carbon layer is rubbed with the obtained test piece using an SRV (Schwingungs Reihungund Verschles) tester, which is generally used in the evaluation of sliding members for automobiles. A test was conducted and the wear resistance was evaluated according to the following criteria. If the evaluation is excellent and good, it can be judged that there is no practical problem.

具体的には、図6に示すように、摩擦摩耗試験試料Wの摺動面を摺動対象であるSUJ2材24に当接させた状態で、潤滑油に5W−30(Mo−DTCなし)を用いて、100〜300Nの荷重をかけながら、10分間往復摺動させ、摩擦摩耗試験試料Wの摺動面を顕微鏡で観察した。そして、その観察結果から、摺動痕の剥離の有無と摩耗量を測定した。摩耗量については、触針式段差計を用いて、非摺動部と摺動部との段差量を全摩耗量として求めた。なお、図6において、21は基材、22は下地層、23は硬質炭素層である。 Specifically, as shown in FIG. 6, in a state where the sliding surface of the friction and wear test sample W is in contact with the SUJ2 material 24 to be slid, 5W-30 (without Mo-DTC) is applied to the lubricating oil. While applying a load of 100 to 300 N, the sample W was slid back and forth for 10 minutes, and the sliding surface of the friction and wear test sample W was observed with a microscope. Then, from the observation result, the presence or absence of peeling of the sliding marks and the amount of wear were measured. As for the amount of wear, a stylus type step meter was used to determine the amount of step between the non-sliding portion and the sliding portion as the total amount of wear. In FIG. 6, 21 is a base material, 22 is a base layer, and 23 is a hard carbon layer.

優:全摩耗量が総膜厚の1/4以内で、耐摩耗性に優れるもの。
良:全摩耗量が総膜厚の1/4を超え1/2以内で、耐摩耗性が良好なもの。
可:全摩耗量が総膜厚の1/2を超え総膜厚以内で、耐摩耗性が劣るとまではいえないもの。
不可:下地が露出し、全摩耗量が総膜厚を超え、耐摩耗性に劣るもの。
Excellent: The total amount of wear is within 1/4 of the total film thickness, and the wear resistance is excellent.
Good: The total amount of wear exceeds 1/4 of the total film thickness and is within 1/2, and the wear resistance is good.
Possible: The total amount of wear is more than 1/2 of the total film thickness and within the total film thickness, and it cannot be said that the wear resistance is inferior.
Impossible: The base is exposed, the total amount of wear exceeds the total film thickness, and the wear resistance is inferior.

(c)評価結果
評価結果をまとめて表1に示す。
(C) Evaluation results Table 1 summarizes the evaluation results.

表1より、(111)/(200)回折強度比が0.50以上3.0以下で、CrN層の表面粗さRzが0.5〜2.5である場合(実験例12〜20、実験例24〜32、実験例36〜44、実験例48〜54)、非晶質硬質炭素層の高い耐剥離性及び耐摩耗性が得られることが確認できた。また、(111)/(200)回折強度比が0.65以上3.0以下である場合(実験例26〜32、実験例38〜44)、さらに高い耐剥離性及び耐摩耗性が得られることが確認できた。 From Table 1, when the (111) / (200) diffraction intensity ratio is 0.50 or more and 3.0 or less and the surface roughness Rz of the CrN layer is 0.5 to 2.5 (Experimental Examples 12 to 20, It was confirmed that high peel resistance and abrasion resistance of the amorphous hard carbon layer could be obtained in Experimental Examples 24 to 32, Experimental Examples 36 to 44, and Experimental Examples 48 to 54). Further, when the (111) / (200) diffraction intensity ratio is 0.65 or more and 3.0 or less (Experimental Examples 26 to 32, Experimental Examples 38 to 44), even higher peeling resistance and abrasion resistance can be obtained. I was able to confirm that.

2.実験2
以下の実験においては、CrN層の厚みを変えて、硬質炭素層の耐剥離性及び耐摩耗性との関係を調べた。
2. Experiment 2
In the following experiments, the thickness of the CrN layer was changed, and the relationship between the peel resistance and the abrasion resistance of the hard carbon layer was investigated.

(1)実験条件
実験1と同様にして積層被覆膜を作製した。但し、CrN層の表面粗さRzは1.0μmに固定し、CrN層の(111)/(200)回折強度比は1に固定した。また、硬質炭素層の厚みは1.0μmとし、硬質炭素層の表面を研磨加工でRz1.0μm以下とした。
(1) Experimental conditions A laminated coating film was prepared in the same manner as in Experiment 1. However, the surface roughness Rz of the CrN layer was fixed at 1.0 μm, and the (111) / (200) diffraction intensity ratio of the CrN layer was fixed at 1. The thickness of the hard carbon layer was 1.0 μm, and the surface of the hard carbon layer was polished to Rz 1.0 μm or less.

(2)評価
(a)耐剥離性(密着性)
実験1と同じロックェルCスケール圧痕試験を行った。また、判定基準も実験1と同一の判定基準を採用した。
(2) Evaluation (a) Peeling resistance (adhesion)
The same Rockell C scale indentation test as in Experiment 1 was performed. In addition, the same judgment criteria as in Experiment 1 were adopted as the judgment criteria.

(b)耐摩耗性
実験1と同じ摩擦試験を行った。また、判定基準も実験1と同一の判定基準を採用した。
(B) Abrasion resistance The same friction test as in Experiment 1 was performed. In addition, the same judgment criteria as in Experiment 1 were adopted as the judgment criteria.

(c)評価結果
評価結果をまとめて表2に示す。
(C) Evaluation results Table 2 summarizes the evaluation results.

表2より、全ての実験例(実験例58〜64)で十分実用的な積層被覆膜が得られていることが分かった。また、特にCrN層の厚みが3〜50μmである場合(実験例59〜63)さらに、高い剥離性及び耐摩耗性が得られることが確認できた。 From Table 2, it was found that a sufficiently practical laminated coating film was obtained in all the experimental examples (experimental examples 58 to 64). Further, it was confirmed that further high peelability and wear resistance can be obtained especially when the thickness of the CrN layer is 3 to 50 μm (Experimental Examples 59 to 63).

3.実験3
以下の実験においては、CrN層の表面粗さRzを変えて、対応するMr1を測定すると共に、硬質炭素層の耐剥離性及び耐摩耗性との関係を調べた。
3. 3. Experiment 3
In the following experiments, the surface roughness Rz of the CrN layer was changed, the corresponding Mr1 was measured, and the relationship between the peel resistance and the wear resistance of the hard carbon layer was investigated.

(1)実験条件
実験1と同様にして積層被覆膜を作製した。但し、CrN層の(111)/(200)回折強度比は1.0に固定した。また、CrN層の厚みは5μmとし、硬質炭素層の厚みは1.5μmとした。なお、硬質炭素層の表面を研磨加工でRz1.0μm以下とした。
(1) Experimental conditions A laminated coating film was prepared in the same manner as in Experiment 1. However, the (111) / (200) diffraction intensity ratio of the CrN layer was fixed at 1.0. The thickness of the CrN layer was 5 μm, and the thickness of the hard carbon layer was 1.5 μm. The surface of the hard carbon layer was polished to Rz of 1.0 μm or less.

(2)評価
(a)耐剥離性(密着性)
実験1と同じロックェルCスケール圧痕試験を行った。また、判定基準も実験1と同一の判定基準を採用した。
(2) Evaluation (a) Peeling resistance (adhesion)
The same Rockell C scale indentation test as in Experiment 1 was performed. In addition, the same judgment criteria as in Experiment 1 were adopted as the judgment criteria.

(b)耐摩耗性
実験1と同じ摩擦試験を行った。また、判定基準も実験1と同一の判定基準を採用した。
(B) Abrasion resistance The same friction test as in Experiment 1 was performed. In addition, the same judgment criteria as in Experiment 1 were adopted as the judgment criteria.

(c)評価結果
評価結果をまとめて表3に示す。
(C) Evaluation results Table 3 summarizes the evaluation results.

表3より、負荷長さ率Mr1が16〜35%である場合(実験例70、実験例72〜85)、十分実用的な耐剥離性及び耐摩耗性が得られることが確認できた。そして、16〜35%の負荷長さ率Mr1が、0.5〜2.5μmの表面粗さRzと相関関係にあることが表3より分かる。 From Table 3, it was confirmed that when the load length ratio Mr1 was 16 to 35% (Experimental Example 70, Experimental Example 72 to 85), sufficiently practical peeling resistance and wear resistance could be obtained. Then, it can be seen from Table 3 that the load length ratio Mr1 of 16 to 35% correlates with the surface roughness Rz of 0.5 to 2.5 μm.

なお、実験例68、実験例80において得られた負荷曲線および粗さ曲線を、図7(a)、(b)にそれぞれ示す。 The load curve and roughness curve obtained in Experimental Example 68 and Experimental Example 80 are shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), respectively.

4.実験4
以下の実験においては、硬質炭素層の厚みを変えて、硬質炭素層の耐剥離性及び耐摩耗性との関係を調べた。
4. Experiment 4
In the following experiments, the relationship between the peel resistance and abrasion resistance of the hard carbon layer was investigated by changing the thickness of the hard carbon layer.

(1)実験条件
実験1と同様にして積層被覆膜を作製した。但し、CrN層の表面粗さRzは1.0μmに固定し、CrN層の(111)/(200)回折強度比は1に固定した。また、CrN層の厚みは20μmとし、硬質炭素層の表面を研磨加工でRz1.0μm以下とした。
(1) Experimental conditions A laminated coating film was prepared in the same manner as in Experiment 1. However, the surface roughness Rz of the CrN layer was fixed at 1.0 μm, and the (111) / (200) diffraction intensity ratio of the CrN layer was fixed at 1. The thickness of the CrN layer was set to 20 μm, and the surface of the hard carbon layer was polished to Rz of 1.0 μm or less.

(2)評価
(a)耐剥離性(密着性)
実験1と同じロックェルCスケール圧痕試験を行った。また、判定基準も実験1と同一の判定基準を採用した。
(2) Evaluation (a) Peeling resistance (adhesion)
The same Rockell C scale indentation test as in Experiment 1 was performed. In addition, the same judgment criteria as in Experiment 1 were adopted as the judgment criteria.

(b)耐摩耗性
実験1と同じ摩擦試験を行った。また、判定基準も実験1と同一の判定基準を採用した。
(B) Abrasion resistance The same friction test as in Experiment 1 was performed. In addition, the same judgment criteria as in Experiment 1 were adopted as the judgment criteria.

(c)評価結果
評価結果をまとめて表4に示す。
(C) Evaluation results Table 4 summarizes the evaluation results.

表4より、全ての実験例(実験例86〜92)で十分実用的な積層被覆膜が得られていることが分かった。また、特に硬質炭素層の厚みが0.5〜30μmである場合(実験例87〜91)さらに、高い剥離性及び耐摩耗性が得られることが確認できた。 From Table 4, it was found that a sufficiently practical laminated coating film was obtained in all the experimental examples (Experimental Examples 86 to 92). Further, it was confirmed that further high peelability and wear resistance can be obtained especially when the thickness of the hard carbon layer is 0.5 to 30 μm (Experimental Examples 87 to 91).

5.実験5
以下の実験においては、CrN層と硬質炭素層との間に第2の硬質炭素層を設け、第2の硬質炭素層のsp/sp比を変えて、硬質炭素層の耐剥離性及び耐摩耗性との関係を調べた。
5. Experiment 5
In the following experiment, a second hard carbon layer is provided between the CrN layer and the hard carbon layer, and the sp 2 / sp 3 ratio of the second hard carbon layer is changed to obtain the peel resistance of the hard carbon layer and the peel resistance of the hard carbon layer. The relationship with wear resistance was investigated.

(1)実験条件
実験条件は基本的には実験1と同様にして積層被覆膜を作製した。但し、CrN層を成膜した後、第2の硬質炭素層を成膜し、その後、実験1の温度と同一温度まで冷却して第2の硬質炭素層上に硬質炭素層を成膜した。なお、CrN層の表面粗さRzは1.0μmに固定し、CrN層の(111)/(200)回折強度比は1に固定した。また、CrN層の厚みは20μmとし、硬質炭素層の厚みを1μmとし、硬質炭素層の表面を研磨加工でRz1.0μm以下とし、第2の硬質炭素層の厚みを40nmとした。
(1) Experimental conditions The experimental conditions were basically the same as in Experiment 1, and a laminated coating film was prepared. However, after the CrN layer was formed, the second hard carbon layer was formed, and then the temperature was cooled to the same temperature as that of Experiment 1 to form the hard carbon layer on the second hard carbon layer. The surface roughness Rz of the CrN layer was fixed at 1.0 μm, and the (111) / (200) diffraction intensity ratio of the CrN layer was fixed at 1. The thickness of the CrN layer was 20 μm, the thickness of the hard carbon layer was 1 μm, the surface of the hard carbon layer was polished to Rz 1.0 μm or less, and the thickness of the second hard carbon layer was 40 nm.

(2)評価
(a)耐剥離性(密着性)
実験1と同じロックウェルCスケール圧痕試験を行った。また、判定基準も実験1と同一の判定基準を採用した。
(2) Evaluation (a) Peeling resistance (adhesion)
The same Rockwell C scale indentation test as in Experiment 1 was performed. In addition, the same judgment criteria as in Experiment 1 were adopted as the judgment criteria.

(b)耐摩耗性
実験1と同じ摩擦試験を行った。また、判定基準も実験1と同一の判定基準を採用した。
(B) Abrasion resistance The same friction test as in Experiment 1 was performed. In addition, the same judgment criteria as in Experiment 1 were adopted as the judgment criteria.

(c)評価結果
評価結果をまとめて表5に示す。
(C) Evaluation results Table 5 summarizes the evaluation results.

表5より、全ての実験例(実験例93〜98)で十分実用的な積層被覆膜が得られていることが分かった。また、特に第2の硬質炭素層のsp/sp比が0.5〜0.83の場合(実験例94〜97)さらに、高い剥離性及び耐摩耗性が得られることが確認できた。 From Table 5, it was found that a sufficiently practical laminated coating film was obtained in all the experimental examples (Experimental Examples 93 to 98). Further, it was confirmed that further high peelability and wear resistance can be obtained especially when the sp 2 / sp 3 ratio of the second hard carbon layer is 0.5 to 0.83 (Experimental Examples 94 to 97). ..

以上、本発明を実施の形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。 Although the present invention has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Within the same and equal scope as the present invention, various modifications can be made to the above embodiments.

1、23 硬質炭素層
2、22 下地層
3、21 基材
4 第2の硬質炭素層
5 金属中間層
6 真空チャンバ
7 ヒーター
8 熱電対
9 公転治具
10 自転治具
11 炉
24 SUJ2材
T1 クロムターゲット
T2 カーボンターゲット
W 摩擦摩耗試験試料
1,23 Hard carbon layer 2,22 Base layer 3,21 Base material 4 Second hard carbon layer 5 Metal intermediate layer 6 Vacuum chamber 7 Heater 8 Thermocouple 9 Revolution jig 10 Rotation jig 11 Furnace 24 SUJ2 material T1 Chrome Target T2 Carbon target W Friction wear test sample

Claims (15)

基材の上にCrN層が下地層として形成され、前記CrN層の上に硬質炭素層が積層された積層被覆膜であって、
前記CrN層が、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比(111)/(200)が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、
ANSI B46.1に規定される最大高さRzで0.5〜2.5μmの表面粗さを有していることを特徴とする積層被覆膜。
A laminated coating film in which a CrN layer is formed as a base layer on a base material and a hard carbon layer is laminated on the CrN layer.
The CrN layer has an X-ray diffraction intensity ratio (111) / (200) of the (111) plane to the (200) plane of 0.50 to 3.0, has a columnar crystal structure, and has a columnar crystal structure.
A laminated coating film having a surface roughness of 0.5 to 2.5 μm at a maximum height Rz defined in ANSI B46.1.
基材の上にCrN層が下地層として形成され、前記CrN層の上に硬質炭素層が積層された積層被覆膜であって、
前記CrN層が、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比(111)/(200)が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、
JIS B 0671−2に規定される負荷長さ率Mr1で16〜35%の表面を有していることを特徴とする積層被覆膜。
A laminated coating film in which a CrN layer is formed as a base layer on a base material and a hard carbon layer is laminated on the CrN layer.
The CrN layer has a columnar crystal structure with an X-ray diffraction intensity ratio (111) / (200) of the (111) plane to the (200) plane of 0.50 to 3.0.
A laminated coating film having a surface of 16 to 35% at a load length ratio Mr1 specified in JIS B 0671-2.
前記CrN層の厚みが3〜50μmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の積層被覆膜。 The laminated coating film according to claim 1 or 2, wherein the CrN layer has a thickness of 3 to 50 μm. 前記硬質炭素層の厚みが0.5〜30μmであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の積層被覆膜。 The laminated coating film according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the hard carbon layer is 0.5 to 30 μm. ロックウェルCスケール圧痕試験において、剥離が生じない積層被覆膜であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の積層被覆膜。 The laminated coating film according to any one of claims 1 to 4, wherein the laminated coating film does not peel off in the Rockwell C scale indentation test. 前記硬質炭素層の表面粗さが、ANSI B46.1に規定される最大高さRzで1.0μm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の積層被覆膜。 The laminate according to any one of claims 1 to 5, wherein the surface roughness of the hard carbon layer is 1.0 μm or less at the maximum height Rz defined in ANSI B46.1. Coating film. 前記CrN層と前記硬質炭素層との間に第2の硬質炭素層が設けられており、
前記第2の硬質炭素層が、sp/sp比0.5〜0.85の硬質炭素層であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の積層被覆膜。
A second hard carbon layer is provided between the CrN layer and the hard carbon layer.
The laminated coating according to any one of claims 1 to 6, wherein the second hard carbon layer is a hard carbon layer having a sp 2 / sp 3 ratio of 0.5 to 0.85. Cover film.
前記第2の硬質炭素層と前記CrN層との間に、金属中間層が設けられていることを特徴とする請求項7に記載の積層被覆膜。 The laminated coating film according to claim 7, wherein a metal intermediate layer is provided between the second hard carbon layer and the CrN layer. 前記金属中間層が、Cr層、Ti層、W層から選ばれた少なくとも一層であることを特徴とする請求項8に記載の積層被覆膜。 The laminated coating film according to claim 8, wherein the metal intermediate layer is at least one layer selected from a Cr layer, a Ti layer, and a W layer. 基材の上に、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比(111)/(200)が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、ANSI B46.1に規定される最大高さRzで0.5〜2.5μmの表面粗さを有するCrN層を下地層として形成するCrN層形成工程と、
前記CrN層の上に、硬質炭素層を形成する硬質炭素層形成工程とを備えており、
前記CrN層形成工程および前記硬質炭素層形成工程を、同じ成膜装置内で一連の連続した工程として行うことにより、前記CrN層と前記硬質炭素層とを積層させることを特徴とする積層被覆膜の製造方法。
On the base material, the intensity ratio (111) / (200) of X-ray diffraction to the (200) plane of the (111) plane is 0.50 to 3.0, and it has a columnar crystal structure and ANSI B46.1. A CrN layer forming step of forming a CrN layer having a surface roughness of 0.5 to 2.5 μm at the maximum height Rz specified in the above as a base layer, and
A hard carbon layer forming step for forming a hard carbon layer is provided on the CrN layer.
Laminated coating characterized in that the CrN layer and the hard carbon layer are laminated by performing the CrN layer forming step and the hard carbon layer forming step as a series of continuous steps in the same film forming apparatus. Membrane manufacturing method.
基材の上に、(111)面の(200)面に対するX線回折の強度比(111)/(200)が0.50〜3.0で、柱状結晶構造を有すると共に、JIS B 0671−2に規定される負荷長さ率Mr1で16〜35%の表面を有するCrN層を下地層として形成するCrN層形成工程と、
前記CrN層の上に、硬質炭素層を形成する硬質炭素層形成工程とを備えており、
前記CrN層形成工程および前記硬質炭素層形成工程を、同じ成膜装置内で一連の連続した工程として行うことにより、前記CrN層と前記硬質炭素層とを積層させることを特徴とする積層被覆膜の製造方法。
On the base material, the intensity ratio (111) / (200) of X-ray diffraction to the (200) plane of the (111) plane is 0.50 to 3.0, it has a columnar crystal structure, and JIS B 0671- A CrN layer forming step of forming a CrN layer having a surface of 16 to 35% at the load length ratio Mr1 specified in 2 as a base layer, and
A hard carbon layer forming step for forming a hard carbon layer is provided on the CrN layer.
Laminated coating characterized in that the CrN layer and the hard carbon layer are laminated by performing the CrN layer forming step and the hard carbon layer forming step as a series of continuous steps in the same film forming apparatus. Membrane manufacturing method.
前記CrN層の厚みが3〜50μmであることを特徴とする請求項10または請求項11に記載の積層被覆膜の製造方法。 The method for producing a laminated coating film according to claim 10 or 11, wherein the CrN layer has a thickness of 3 to 50 μm. 前記硬質炭素層の厚みが0.5〜30μmであることを特徴とする請求項10ないし請求項12のいずれか1項に記載の積層被覆膜の製造方法。 The method for producing a laminated coating film according to any one of claims 10 to 12, wherein the thickness of the hard carbon layer is 0.5 to 30 μm. 前記CrN層形成工程と前記硬質炭素層形成工程との間に、sp/sp比0.5〜0.85の第2の硬質炭素層を形成させる第2の硬質炭素層形成工程を設け、
前記第2の硬質炭素層形成工程を、同じ成膜装置内で一連の連続した工程として行うことを特徴とする請求項10ないし請求項13のいずれか1項に記載の積層被覆膜の製造方法。
A second hard carbon layer forming step for forming a second hard carbon layer having a sp 2 / sp 3 ratio of 0.5 to 0.85 is provided between the CrN layer forming step and the hard carbon layer forming step. ,
The production of the laminated coating film according to any one of claims 10 to 13, wherein the second hard carbon layer forming step is performed as a series of continuous steps in the same film forming apparatus. Method.
基材上に、請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の積層被覆膜が設けられていることを特徴とするピストンリング。 A piston ring characterized in that the laminated coating film according to any one of claims 1 to 9 is provided on a base material.
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