JP7115849B2 - sliding member - Google Patents

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Description

本発明は、摺動部材、特に自動車部品などの高い信頼性を要求される摺動部材に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a sliding member, particularly to a sliding member such as an automobile part, which requires high reliability.

近年、自動車を中心とする内燃機関において、出力の向上や長寿命化、燃費性能の向上が求められている。そこで、例えば内燃機関などで使用される摺動部材の摺動面に、摩擦係数が低いことで知られている硬質炭素被膜、いわゆるダイヤモンドライクカーボン(DLC)を形成することが一般的に行われている。DLCを構成する炭素間の結合は、ダイヤモンドを形成するsp結合と、グラファイトの六角格子を形成するsp結合とが混在したものであり、DLCは特定の結晶構造を持たないものである。このため、DLCは、ダイヤモンドに類似した硬さや耐摩耗性、化学的安定性を有することに加え、グラファイトに類似した固体潤滑性を有する。このため、高温や高荷重など厳しい環境下で使用される自動車部品などの摺動部材の保護膜として好適である。 2. Description of the Related Art In recent years, in internal combustion engines mainly used in automobiles, there has been a demand for improved output, longer life, and improved fuel efficiency. Therefore, it is common practice to form a hard carbon film known to have a low coefficient of friction, so-called diamond-like carbon (DLC), on the sliding surface of a sliding member used in, for example, an internal combustion engine. ing. The bonds between carbon atoms that constitute DLC are a mixture of sp3 bonds that form diamond and sp2 bonds that form the hexagonal lattice of graphite, and DLC does not have a specific crystal structure. Therefore, DLC has hardness, wear resistance, and chemical stability similar to those of diamond, as well as solid lubricity similar to that of graphite. Therefore, it is suitable as a protective film for sliding members such as automobile parts that are used under harsh environments such as high temperatures and high loads.

硬質炭素被膜には、これを構成する炭素の供給方法や成膜方法などの違いにより、水素を含有するもの(以下、「水素含有硬質炭素」と称する)と、水素を含有しないもの(以下、「水素非含有硬質炭素」と称する)とがある。水素含有硬質炭素は、メタンやアセチレンなど構成元素として水素を含有する炭化水素系ガスを導入して、主にプラズマCVD法(化学的蒸着法)を利用して形成される。これに対して水素非含有硬質炭素は、グラファイトなど固体炭素を原料としてアーク放電などによりこれを蒸発、イオン化させることによって被膜を形成するアークイオンプレーティング法などPVD法(物理的蒸着法)を利用して形成される。したがって、後者の水素非含有硬質炭素は、水など成膜時に残留した物質から不可避的に被膜に混入する水素を除き、外部より何ら水素を構成元素に含むガスを導入することなく形成されたものであり、水素含有量は10原子%以下、好ましくは5原子%以下の炭素を主成分とする被膜である。 Depending on the difference in the method of supplying the carbon constituting the hard carbon film and the method of film formation, there are those containing hydrogen (hereinafter referred to as "hydrogen-containing hard carbon") and those not containing hydrogen (hereinafter referred to as called "hydrogen-free hard carbon"). Hydrogen-containing hard carbon is formed mainly by plasma CVD (chemical vapor deposition) by introducing a hydrocarbon-based gas containing hydrogen as a constituent element such as methane or acetylene. On the other hand, hydrogen-free hard carbon uses PVD (physical vapor deposition) such as arc ion plating, which forms a film by evaporating and ionizing solid carbon such as graphite by arc discharge. formed by Therefore, the latter hydrogen-free hard carbon is formed without introducing any gas containing hydrogen as a constituent element from the outside, except for hydrogen that is inevitably mixed in the film from substances such as water that remain during film formation. , and the hydrogen content is 10 atomic % or less, preferably 5 atomic % or less.

このように様々な方法で形成された硬質炭素被膜において、被膜内に取り込まれる炭素微小粒子が少ないフィルタードアークイオンプレーティング法によって形成された水素非含有硬質炭素被膜が注目されている。アークイオンプレーティング法では、グラファイトなどの固体炭素で構成されたカソードをアーク放電によって蒸発、イオン化した炭素が基材表面に到達し、被膜を形成する。この時、アーク放電にともなってカソードより炭素の微小粒子も放出されるため、これが被膜に取り込まれる。その結果、表面粗さが粗くなったり、使用中に微小粒子が摺動面から脱落し、これが被膜表面を攻撃、摩耗やカケなど欠陥を発生させる要因となったり、摩擦損失が大きくなる要因となったりする。さらに被膜内に取り込まれた炭素微小粒子を起点として被膜に境界が形成される。これが硬質炭素被膜の機械的強度を低下させる要因となる。 Among hard carbon coatings formed by various methods, a hydrogen-free hard carbon coating formed by a filtered arc ion plating method, in which fewer fine carbon particles are incorporated into the coating, has attracted attention. In the arc ion plating method, a cathode composed of solid carbon such as graphite is vaporized by arc discharge, and the ionized carbon reaches the substrate surface to form a coating. At this time, fine particles of carbon are also emitted from the cathode with the arc discharge, and are incorporated into the coating. As a result, the surface roughness becomes rough, and fine particles fall off the sliding surface during use, which attacks the coating surface and causes defects such as wear and cracks, and increases friction loss. become. Furthermore, a boundary is formed in the film starting from the carbon microparticles incorporated in the film. This becomes a factor that reduces the mechanical strength of the hard carbon coating.

これに対して、フィルタードアークイオンプレーティング法によって形成された硬質炭素被膜は、被膜内に取り込まれる炭素微小粒子の数が少ない。これによりフィルターを有しないアークイオンプレーティング法によって形成された被膜と比較して、より平滑な被膜となることに加え、使用中に炭素微小粒子が摺動面から脱落する頻度が低くなり、摩耗や欠陥の発生頻度や摩擦損失が低下する。そして、被膜内に欠陥が形成されにくくなるので、機械的強度が高い被膜を形成することが可能となる。 In contrast, the hard carbon coating formed by the filtered arc ion plating method has a small number of fine carbon particles incorporated into the coating. As a result, compared to the coating formed by the arc ion plating method without a filter, in addition to becoming a smoother coating, the frequency of carbon fine particles falling off the sliding surface during use is reduced, resulting in wear. and the frequency of occurrence of defects and friction loss are reduced. In addition, since defects are less likely to be formed in the coating, it is possible to form a coating with high mechanical strength.

このように優れた特性を有する被膜であるが、この機能を発揮するためには基材に対して十分な密着性を持って形成することが必要であり、密着性を改善するために様々な方法が提案されている。 Although the film has such excellent properties, it must be formed with sufficient adhesion to the substrate in order to exhibit this function. A method is proposed.

この技術分野においてよく知られている技術の一つが、CrやTiなどの金属中間層を形成する技術である。この技術は例えば特許文献1で開示されている。特許文献1によると、このような元素は炭素と反応して炭化物を形成するため、中間層と炭素被膜の界面で中間層を形成する元素と炭素の結合が生じ、高い密着力を得ることができると記載されている。 One of the well-known techniques in this technical field is the technique of forming a metal intermediate layer such as Cr or Ti. This technique is disclosed, for example, in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-200012. According to Patent Document 1, such an element reacts with carbon to form a carbide, so that the element forming the intermediate layer and carbon are bonded at the interface between the intermediate layer and the carbon film, and high adhesion can be obtained. It is stated that it is possible.

次に、炭素被膜の密着性向上のために炭素被膜の構造を規定した技術が特許文献2で開示されている。炭素被膜が剥離に至る主たる原因の一つが、炭素被膜が持つ高い内部応力にある。内部応力によって基材や中間層との界面に炭素被膜を引き剥がす力が働き、特に膜厚が厚くなるとこの力が強くなり、被膜が剥離しやすくなる。これに対して特許文献2で開示されている技術では、内部応力が高い層とこれが低い層を積層する構造にすることによって内部応力を緩和させる。 Next, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-200002 discloses a technique that defines the structure of a carbon coating for improving the adhesion of the carbon coating. One of the main causes of peeling of the carbon coating is the high internal stress of the carbon coating. Due to the internal stress, a force acts on the interface between the base material and the intermediate layer to peel off the carbon film, and as the film thickness increases, this force becomes stronger, making the film easier to peel off. On the other hand, in the technique disclosed in Patent Document 2, the internal stress is relieved by stacking a layer having a high internal stress and a layer having a low internal stress.

基材や中間層と、炭素被膜との界面付近の構造を規定する技術が知られている。特許文献3には、基材表面に新たにWやTiと炭素の混合層を形成する方法が開示されており、特許文献4には、基材表面に炭素を拡散させ、炭素との混合層を形成する方法が開示されている。 Techniques are known for defining the structure in the vicinity of the interface between the substrate or intermediate layer and the carbon coating. Patent Document 3 discloses a method of forming a new mixed layer of W or Ti and carbon on the substrate surface. Patent Document 4 discloses a method of diffusing carbon on the substrate surface to form a mixed layer with carbon. Disclosed is a method of forming a

特開2001-316800号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-316800 特開平10-237627号公報JP-A-10-237627 特開平7-62541号公報JP-A-7-62541 特開2000-87218号公報JP-A-2000-87218

近年の内燃機関は、環境保全に対応して燃費を向上させたダウンサイジングターボエンジンなど、燃焼温度がより高温かつ摺動部の面圧もより高面圧となっているとともに、エンジンオイルの低粘度化により境界潤滑状態が生じやすく、摺動部材における摺動面の負荷が増してきている。そのため、非常に厳しい摺動環境においても、摩擦損失を低減し、燃費特性を改善でき、且つ剥離することがない硬質炭素被膜を有する摺動部材が求められている。 In recent years, internal combustion engines, such as downsized turbo engines that have improved fuel efficiency in response to environmental conservation, have higher combustion temperatures and higher surface pressures on sliding parts, and low engine oil. Boundary lubrication is likely to occur due to increased viscosity, and the load on the sliding surfaces of sliding members is increasing. Therefore, there is a demand for a sliding member having a hard carbon coating that can reduce friction loss, improve fuel efficiency, and prevent peeling even in extremely severe sliding environments.

しかしながら、前述の従来技術では、基材や中間層との界面近傍の硬質炭素被膜の形態について十分検討されておらず、厳しい摺動条件下でも高い密着性という観点では改善の余地があった。 However, in the prior art described above, the morphology of the hard carbon coating in the vicinity of the interface with the base material and the intermediate layer has not been sufficiently studied, and there is room for improvement from the viewpoint of high adhesion even under severe sliding conditions.

本発明は上記課題に鑑み、厳しい摺動条件下でも高い密着性を有する硬質炭素被膜を有する摺動部材を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a sliding member having a hard carbon coating that exhibits high adhesion even under severe sliding conditions.

上記目的を達成するべく、本発明者が鋭意検討したところ、フィルタードアークイオンプレーティング法によって形成された水素非含有硬質炭素からなる硬質炭素被膜の中間層に接する界面近傍の欠陥が、高面圧での摺動において密着性を低下させる要因となっていることを見出した。これは、フィルターによって中性元素や粒子の大部分が取り除かれ、被膜の形成に寄与するイオンの割合が大きいことにより、基材や中間層表面の凹凸が被膜形成に与える影響が大きくなり、界面近傍の硬質炭素被膜に線状の低密度領域が生じるというフィルタードアークイオンプレーティング法固有の課題であると推測する。 In order to achieve the above object, the present inventors conducted extensive studies and found that the defect near the interface in contact with the intermediate layer of the hard carbon coating made of hydrogen-free hard carbon formed by filtered arc ion plating is a high surface. It was found that this is a factor that reduces the adhesion during sliding under pressure. This is because most of the neutral elements and particles are removed by the filter, and the proportion of ions that contribute to the formation of the film is large, so the unevenness of the base material and intermediate layer surfaces has a greater effect on the film formation. It is speculated that this is a problem specific to the filtered arc ion plating method that a linear low-density region is generated in the hard carbon coating in the vicinity.

フィルタードアークイオンプレーティング法において、炭素カソードをアーク放電により蒸発、イオン化させるときには、フィルター部での輸送効率の低下を避けるため通常外部よりガスを導入しない高真空環境下で放電を行うことが一般的である。そしてフィルターを通ることによって、電子と大部分が炭素イオンのみで構成されるプラズマがフィルター部出口から送出される。そして、このプラズマ中に置かれた中間層表面近傍にはシース電場が形成される。イオンはバイアス電圧による加速に加え、シース電場による加速も働くため、被膜形成部に到達するときには中間層表面に対して概ね法線方向から入射することになる。硬質炭素被膜を形成する中間層表面には、一般的に機械加工によって形成された凹凸が存在し、凸部には電界集中が生じる。イオンは電場によって加速されて運動するので、電場が集中する凸部にはイオンも集中する傾向を有する。逆に凸部の周囲や凹部では電界が弱くなるのでイオンの到達が少なくなる。この結果、被膜形成初期において被膜形成にムラが生じ、これを起点として炭素密度が少ない線状の低密度領域が生じると考えられる。 In the filtered arc ion plating method, when the carbon cathode is vaporized and ionized by arc discharge, it is common to perform the discharge in a high vacuum environment where no gas is introduced from the outside in order to avoid a drop in transport efficiency in the filter section. target. Then, by passing through the filter, a plasma composed mostly of carbon ions and electrons is sent out from the outlet of the filter section. A sheath electric field is formed in the vicinity of the surface of the intermediate layer placed in this plasma. The ions are accelerated by the sheath electric field in addition to the acceleration by the bias voltage, so when they reach the film formation portion, they are incident on the surface of the intermediate layer from the normal direction. The surface of the intermediate layer forming the hard carbon film generally has irregularities formed by machining, and electric field concentration occurs on the convex portions. Since the ions are accelerated by the electric field and move, the ions also tend to concentrate on the convex portion where the electric field concentrates. Conversely, since the electric field is weak around the convex portion and the concave portion, less ions reach there. As a result, it is considered that unevenness occurs in the film formation at the initial stage of film formation, and linear low-density regions with low carbon density are generated from this as a starting point.

本発明は、上記知見に基づき硬質炭素被膜の中間層との界面近傍に形成される炭素密度が低い領域の形成を抑制し、密着性を高める方法を検討して完成されたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。
(1)基材と、
該基材上に形成された厚さ0.010μm以上0.6μm以下の中間層と、
該中間層上に形成された水素含有量が10原子%以下の硬質炭素被膜と、
を有し、
前記硬質炭素被膜の表面の凹部及び凸部の面積率が12%以下であり、
前記硬質炭素被膜の前記中間層との界面近傍の断面を透過型電子顕微鏡で観察したときに、前記界面から高さ300nm、幅5000nmの領域内に認められる線状の低密度炭素部の数が12箇所以下であることを特徴とする、オイル潤滑下で使用される摺動部材。
The present invention was completed based on the above knowledge by examining a method for suppressing the formation of a region with a low carbon density formed near the interface with the intermediate layer of the hard carbon coating and increasing the adhesion. The structure of the abstract is as follows.
(1) a substrate;
an intermediate layer having a thickness of 0.010 μm or more and 0.6 μm or less formed on the substrate;
a hard carbon film having a hydrogen content of 10 atomic % or less formed on the intermediate layer;
has
The hard carbon coating has an area ratio of 12% or less of concave portions and convex portions on the surface,
When the cross section of the hard carbon coating in the vicinity of the interface with the intermediate layer is observed with a transmission electron microscope, the number of linear low-density carbon parts observed in a region with a height of 300 nm and a width of 5000 nm from the interface is A sliding member used under oil lubrication, characterized by having 12 or less points.

(2)前記硬質炭素被膜が、sp結合とsp結合とが混在した炭素からなり、前記sp結合とsp結合のうちsp結合の比率が60%超100%未満である上記(1)に記載の摺動部材。 ( 2 ) The above ( 1) The sliding member as described in 1).

(3)前記硬質炭素被膜の水素含有量が5原子%以下である上記(1)又は(2)に記載の摺動部材。 (3) The sliding member according to (1) or (2) above, wherein the hard carbon coating has a hydrogen content of 5 atomic % or less.

(4)前記硬質炭素被膜の膜厚が5μm以上である上記(1)~(3)のいずれか一項に記載の摺動部材。 (4) The sliding member according to any one of (1) to (3) above, wherein the hard carbon coating has a thickness of 5 μm or more.

(5)前記中間層が、Cr、Ti、Co、V、Mo及びWからなる群から選択された一つ以上の元素、それらの炭化物、窒化物、及び炭窒化物、並びにSiCの少なくとも一種からなる上記(1)~(4)のいずれか一項に記載の摺動部材。 (5) the intermediate layer is composed of at least one element selected from the group consisting of Cr, Ti, Co, V, Mo and W, carbides, nitrides and carbonitrides thereof, and SiC; The sliding member according to any one of (1) to (4) above.

本発明の摺動部材は、厳しい摺動条件下でも高い密着性を有する硬質炭素被膜を有する。 The sliding member of the present invention has a hard carbon coating that exhibits high adhesion even under severe sliding conditions.

本発明の一実施形態による摺動部材100の模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a sliding member 100 according to one embodiment of the present invention; FIG. 実施例1-1において硬質炭素被膜の断面を透過型電子顕微鏡で観察して得た画像である。1 is an image obtained by observing a cross section of a hard carbon coating in Example 1-1 with a transmission electron microscope. 比較例1-1において硬質炭素被膜の断面を透過型電子顕微鏡で観察して得た画像である。1 is an image obtained by observing a cross section of a hard carbon coating in Comparative Example 1-1 with a transmission electron microscope. 中間層と硬質炭素被膜のそれぞれの厚さを評価する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of evaluating each thickness of an intermediate layer and a hard carbon coating. 実施例1における、硬質炭素被膜の密着性を評価する方法を示す図である。1 is a diagram showing a method for evaluating adhesion of a hard carbon coating in Example 1. FIG. 実施例2における、硬質炭素被膜の摩耗量を算出する方法を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a method of calculating the amount of wear of a hard carbon coating in Example 2; 実施例2における、往復摺動試験の方法を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a reciprocating sliding test method in Example 2;

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention are described below. It should be noted that the present invention is not limited to the examples shown below.

図1は、本発明の一実施形態による摺動部材の断面を模式的に表した図である。図1を参照して、本発明の一実施形態による摺動部材100は、基材10と、この基材上に形成された中間層12と、この中間層上に形成され、表面が少なくとも摺動面となる硬質炭素被膜14と、を有する。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a sliding member according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a sliding member 100 according to one embodiment of the present invention includes a base material 10, an intermediate layer 12 formed on this base material, and a surface formed on this intermediate layer and having at least a sliding surface. and a hard carbon coating 14 that serves as a moving surface.

(基材)
本実施形態において、基材10の材質は、摺動部材の基材として必要な強度を有するものであれば特に限定されないが、例えば鉄、鋳鉄、超硬合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金など導電性を有する材料があげられる。さらに、基材10の少なくとも摺動面の一部には、窒化クロムや窒化チタンなど金属窒化物、金属炭窒化物、金属炭化物などの硬質被膜やめっき処理、鉄系材料の場合は焼入焼戻しなどの硬化処理、窒化処理を施してもよい。基材の粗さは、少なくとも摺動面においてJIS-B0601(2001)に従う算術平均粗さRaが0.01μm以上0.1μm以下であることが好ましい。算術平均粗さRaが0.01μmを下回ると、加工時間や工程が長くなることもありコストが高くなる。これに対してRaが0.1μmを上回ると、硬質炭素被膜形成後の表面粗さが摺動部材として好ましくない。硬質炭素被膜に研磨処理を施すにしても、高い耐摩耗性を有するため加工が困難でありコストが高くなる。
(Base material)
In the present embodiment, the material of the base material 10 is not particularly limited as long as it has the strength required for the base material of the sliding member. A material having Furthermore, at least a part of the sliding surface of the base material 10 is coated with a hard coating such as a metal nitride such as chromium nitride or titanium nitride, a metal carbonitride, or a metal carbide. Hardening treatment such as nitriding treatment may be performed. As for the roughness of the substrate, at least the sliding surface preferably has an arithmetic mean roughness Ra of 0.01 μm or more and 0.1 μm or less according to JIS-B0601 (2001). When the arithmetic mean roughness Ra is less than 0.01 μm, the processing time and steps become long, resulting in an increase in cost. On the other hand, if Ra exceeds 0.1 μm, the surface roughness after forming the hard carbon film is not preferable as a sliding member. Even if the hard carbon coating is subjected to a polishing treatment, it is difficult to process due to its high wear resistance, resulting in high costs.

基材の表面粗さは、硬質炭素被膜を形成する前に触針式粗さ測定機によって評価することが可能である。成膜前の表面粗さが評価できない場合は、集束イオンビーム(Focused Ion Beam,FIB)やクロスセクションポリッシャー(Cross Section Polisher)などの方法によって、硬質炭素被膜と基材の境界を含む断面試料を作製し、走査型電子顕微鏡などを用いて観察した画像を基にして、硬質炭素被膜と基材の境界を求める。そして、この境界に対してJIS-B0601(2001)に記載されている算術平均粗さRaの算定式を適用して、基材の算術平均粗さRaを算出する。 The surface roughness of the substrate can be evaluated with a stylus roughness tester before forming the hard carbon coating. If the surface roughness before film formation cannot be evaluated, a cross-sectional sample including the boundary between the hard carbon coating and the substrate is prepared by a method such as Focused Ion Beam (FIB) or Cross Section Polisher. The boundary between the hard carbon coating and the base material is obtained based on the image observed using a scanning electron microscope or the like. Then, the calculation formula for the arithmetic mean roughness Ra described in JIS-B0601 (2001) is applied to this boundary to calculate the arithmetic mean roughness Ra of the substrate.

(中間層)
中間層12は、基材10と硬質炭素被膜14との間に形成されることにより基材10との界面の応力を緩和し、硬質炭素被膜14の密着性を高める機能を有する。この機能を発揮する観点から、中間層12は、Cr、Ti、Co、V、Mo及びWからなる群から選択された一つ以上の元素、それらの炭化物、窒化物、及び炭窒化物、並びにSiCの少なくとも一種からなるものとすることが好ましい。中間層12は、前記の群から選択された一つ以上の材料を、単層、複数層積層、又は異なる層を2層以上組み合わせた積層としてもよい。
(middle layer)
The intermediate layer 12 is formed between the base material 10 and the hard carbon coating 14 and has the function of relieving the stress at the interface with the base material 10 and increasing the adhesion of the hard carbon coating 14 . From the viewpoint of exhibiting this function, the intermediate layer 12 contains one or more elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Co, V, Mo and W, their carbides, nitrides and carbonitrides, and It is preferably made of at least one type of SiC. The intermediate layer 12 may be made of one or more materials selected from the above group and may be a single layer, a multi-layer laminate, or a laminate in which two or more different layers are combined.

中間層12の厚さは、0.010μm以上0.6μm以下であり、0.020μm以上0.5μm以下であることが好ましい。厚さが0.010μm未満の場合、一様な中間層を形成することが困難であり、硬質炭素被膜14の密着性を高める機能を十分に得ることができない可能性がある。これに対して厚さが0.6μmを超えると、摺動時に中間層12が塑性流動を起こしやすく、硬質炭素被膜14に亀裂が発生しやすくなるからである。 The thickness of the intermediate layer 12 is 0.010 μm or more and 0.6 μm or less, preferably 0.020 μm or more and 0.5 μm or less. If the thickness is less than 0.010 μm, it is difficult to form a uniform intermediate layer, and the function of enhancing the adhesion of the hard carbon coating 14 may not be obtained sufficiently. On the other hand, if the thickness exceeds 0.6 μm, the intermediate layer 12 tends to undergo plastic flow during sliding, and cracks tend to occur in the hard carbon coating 14 .

中間層12の形成方法としては、例えばアークイオンプレーティング法やスパッタリング法、プラズマCVD法などを挙げることができる。例えばスパッタリング法であれば、洗浄後の基材10をPVD成膜装置の真空チャンバー内に配置し、Arガスを導入した状態でターゲット近傍にグロー放電プラズマを励起し、生成されたArイオンによってターゲット材料をスパッタして中間層12を成膜する。ターゲットは、Cr、Ti、Co、V、Mo、W及びWCから選択すればよい。中間層12の厚さは、金属ターゲットの放電時間や印加電力などにより調整できる。中間層としてSiCを形成する場合は、テトラメチルシラン(TMS)等、構成元素としてSiを含む炭化水素系ガスと、必要に応じてArなど不活性ガスやメタンなど炭化水素系ガスを導入し、高周波プラズマや電子ビーム励起プラズマなどを利用したプラズマCVD法によって中間層12を成膜することができる。なお、中間層12の厚さは放電時間により調整できる。 Examples of methods for forming the intermediate layer 12 include an arc ion plating method, a sputtering method, a plasma CVD method, and the like. For example, in the sputtering method, the substrate 10 after cleaning is placed in a vacuum chamber of a PVD film forming apparatus, a glow discharge plasma is excited in the vicinity of the target while Ar gas is introduced, and the generated Ar ions generate the target. The material is sputtered to deposit the intermediate layer 12 . Targets may be selected from Cr, Ti, Co, V, Mo, W and WC. The thickness of the intermediate layer 12 can be adjusted by adjusting the discharge time of the metal target, applied power, and the like. When SiC is formed as the intermediate layer, a hydrocarbon-based gas containing Si as a constituent element such as tetramethylsilane (TMS) and, if necessary, an inert gas such as Ar or a hydrocarbon-based gas such as methane are introduced. The intermediate layer 12 can be deposited by plasma CVD using high frequency plasma, electron beam excited plasma, or the like. Note that the thickness of the intermediate layer 12 can be adjusted by the discharge time.

中間層12の表面粗さは、少なくとも摺動面においてJIS-B0601(2001)に従う算術平均粗さRaが0.01μm以上0.1μm以下であることが好ましい。算術平均粗さRaが0.01μmを下回ると、処理時間や工程が長くなることもありコストが高くなる。これに対してRaが0.1μmを上回ると、硬質炭素被膜形成後の表面粗さが摺動部材として好ましくない。硬質炭素被膜に研磨処理を施すにしても、高い耐摩耗性を有するため加工が困難でありコストが高くなる。 As for the surface roughness of the intermediate layer 12, at least the sliding surface preferably has an arithmetic mean roughness Ra of 0.01 μm or more and 0.1 μm or less according to JIS-B0601 (2001). When the arithmetic mean roughness Ra is less than 0.01 μm, the processing time and steps become long, resulting in an increase in cost. On the other hand, if Ra exceeds 0.1 μm, the surface roughness after forming the hard carbon film is not preferable as a sliding member. Even if the hard carbon coating is subjected to a polishing treatment, it is difficult to process due to its high wear resistance, resulting in high costs.

摺動面における中間層の表面粗さは、硬質炭素被膜を形成する前に触針式粗さ測定機によって評価することが可能である。成膜前の表面粗さが評価できない場合は、集束イオンビーム(Focused Ion Beam,FIB)やクロスセクションポリッシャー(Cross Section Polisher)などの方法によって、硬質炭素被膜と中間層の境界を含む断面試料を作製し、走査型電子顕微鏡などを用いて観察した画像を基にして、硬質炭素被膜と中間層の境界を求める。そして、この境界に対してJIS-B0601(2001)に記載されている算術平均粗さRaの算定式を適用して、中間層の算術平均粗さRaを算出する。 The surface roughness of the intermediate layer on the sliding surface can be evaluated with a stylus roughness tester before forming the hard carbon film. If the surface roughness before film formation cannot be evaluated, a cross-sectional sample including the boundary between the hard carbon coating and the intermediate layer is prepared by a method such as Focused Ion Beam (FIB) or Cross Section Polisher. The boundary between the hard carbon coating and the intermediate layer is determined based on the image observed using a scanning electron microscope or the like. Then, the calculation formula for the arithmetic mean roughness Ra described in JIS-B0601 (2001) is applied to this boundary to calculate the arithmetic mean roughness Ra of the intermediate layer.

(硬質炭素被膜)
硬質炭素被膜14は、実質的に水素を含まない非晶質硬質炭素膜であり、sp結合とsp結合のうちsp結合の比率が60%を超え100%未満であることが好ましい。硬質炭素被膜14は、前記sp結合の比率の範囲内であれば、当該比率が任意の分布をしていてもよい。例えば、sp結合の比率が異なる複数の層を積層してもよい。また、硬質炭素被膜の深さ方向のsp結合の比率が基材側から表面に向かって直線的に変化してもよく、被膜内に1以上の極小値や極大値を有していたり、連続的ではなく段階的に変化してもよい。
(hard carbon coating)
The hard carbon film 14 is an amorphous hard carbon film that does not substantially contain hydrogen, and preferably has a sp 3 bond ratio of more than 60% and less than 100% among sp 2 bonds and sp 3 bonds. The hard carbon coating 14 may have an arbitrary distribution of the ratio of sp 3 bonds as long as the ratio is within the above range. For example, multiple layers with different ratios of sp 3 bonds may be stacked. In addition, the ratio of sp 3 bonds in the depth direction of the hard carbon coating may vary linearly from the substrate side toward the surface, and may have a minimum value or a maximum value of 1 or more in the coating, It may change stepwise instead of continuously.

硬質炭素被膜14の全体の厚さは5μm以上30μm以下とすることが好ましい。5μm未満の場合、相手材との摺動において必要な耐久性を確保できず、30μm超えの場合、摺動時の負荷とともに膜の内部応力が硬質炭素被膜内に形成された線状の低密度炭素部16に集中して、欠け、剥離などの問題が生じる場合があるからである。 The thickness of the hard carbon coating 14 as a whole is preferably 5 μm or more and 30 μm or less. If the thickness is less than 5 μm, the required durability cannot be secured in sliding with the mating material. This is because problems such as chipping and peeling may occur, concentrating on the carbon portion 16 .

硬質炭素被膜14は、実質的に水素を含まない非晶質硬質炭素(DLC)のみからなるものとすることが好ましい。非晶質炭素であることは、ラマン分光光度計(Arイオンレーザ)を用いたラマンスペクトル測定により確認できる。 Preferably, the hard carbon coating 14 consists only of amorphous hard carbon (DLC) that does not substantially contain hydrogen. Amorphous carbon can be confirmed by Raman spectrum measurement using a Raman spectrophotometer (Ar ion laser).

硬質炭素被膜14は、例えば、真空中で炭化水素系ガスなど構成元素として水素を含むガスを導入せずに、高真空又はArガスなど不活性ガスを導入する雰囲気下でアーク放電を利用し、屈曲する磁力線を備える磁気フィルターなど炭素微小粒子を除去するフィルターを備えるフィルタードアークイオンプレーティング法等のPVD法を用いて形成することができる。これにより、平滑で且つ水素をほとんど含まない高い硬さを有し、耐摩耗性に優れた非晶質炭素被膜を形成することができる。不活性ガスを導入すると、アーク放電を安定して維持することが容易になるものの、荷電交換散乱により炭素イオンが中性化される確率が高くなり、中性化された炭素はフィルターを通過することができずに成膜に寄与する炭素イオンが少なくなる。このため、後述する硬質炭素被膜形成初期を除いて、外部よりガスを導入しない高真空雰囲気下で形成することが好ましい。そして、実際の成膜状況において、機器の動作に伴う大気のリークや、成膜室内壁に吸着する水などが成膜中に放出されることなどによって不可避的に水素が被膜に混入することは避けられない。このため、硬質炭素被膜14の水素含有量は10原子%以下であることが好ましく、5原子%以下であることがより好ましい。 For example, the hard carbon coating 14 is formed by using arc discharge in a high vacuum or an atmosphere in which an inert gas such as Ar gas is introduced without introducing a gas containing hydrogen as a constituent element such as a hydrocarbon gas in a vacuum. It can be formed using a PVD method such as a filtered arc ion plating method equipped with a filter that removes carbon microparticles, such as a magnetic filter with curved magnetic lines of force. As a result, it is possible to form an amorphous carbon film that is smooth, contains little hydrogen, has high hardness, and is excellent in wear resistance. Introducing an inert gas makes it easier to maintain a stable arc discharge, but increases the probability of neutralizing carbon ions due to charge-exchange scattering, and the neutralized carbon passes through the filter. The amount of carbon ions that contribute to the film formation due to the inability to do so is reduced. For this reason, it is preferable to form the hard carbon film in a high-vacuum atmosphere in which no gas is introduced from the outside, except for the initial stage of forming the hard carbon film, which will be described later. In addition, in the actual film formation, it is unlikely that hydrogen will inevitably be mixed into the film due to atmospheric leaks due to the operation of the equipment or the release of water adsorbed on the walls of the film formation chamber during film formation. Unavoidable. Therefore, the hydrogen content of the hard carbon coating 14 is preferably 10 atomic % or less, more preferably 5 atomic % or less.

ここで、硬質炭素被膜14中のsp結合の比率は、炭素カソードを用いた真空アーク放電によるイオンプレーティング法を用いる際に、基材10に印加するバイアス電圧や雰囲気ガスとして導入するArガス圧によって調整することができる。印加するバイアスには直流、パルス、浮遊電位などの印加方法を用いることができる。複数の方法を組み合わせてもよい。特に、パルスバイアスや浮遊電位は被膜に流れるバイアス電流を小さくすることができるので、sp比率が高く絶縁性の硬質炭素被膜の形成には好ましいバイアス印加方法である。具体的には、バイアス電圧を高くすると、基材に衝突するカーボンイオンの運動エネルギーが大きくなることや、被膜内において導電性が確保されることにより、硬質炭素被膜中のsp結合の比率が高くなる。このため、sp結合の比率が60%を超える硬質炭素被膜を形成するためには、バイアス電圧を所定の範囲として成膜することが好ましい。硬質炭素被膜中の炭素の結合状態(sp結合とsp結合の比率)は、電子エネルギー損失分光法(Electron Energy Loss Spectroscopy,EELS)により測定することができる。 Here, the ratio of sp 3 bonds in the hard carbon coating 14 is determined by the bias voltage applied to the substrate 10 and the Ar gas introduced as the atmosphere gas when using the ion plating method by vacuum arc discharge using a carbon cathode. It can be adjusted by pressure. As the bias to be applied, an application method such as direct current, pulse, or floating potential can be used. A plurality of methods may be combined. In particular, since pulse bias and floating potential can reduce the bias current flowing through the film, they are preferred bias application methods for forming insulating hard carbon films with a high sp3 ratio. Specifically, when the bias voltage is increased, the kinetic energy of the carbon ions colliding with the substrate increases, and the conductivity is ensured in the coating, so that the ratio of sp2 bonds in the hard carbon coating increases. get higher For this reason, in order to form a hard carbon film having a ratio of sp 3 bonds exceeding 60%, it is preferable to form the film with the bias voltage set within a predetermined range. The bonding state of carbon (ratio of sp 2 bonding and sp 3 bonding) in the hard carbon coating can be measured by Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS).

(炭素微小粒子などやこれを起点として形成された凹部及び凸部の面積率)
アーク放電にともなって炭素カソードより炭素微小粒子が放出される。このような炭素微小粒子が被膜表面に付着したり、被膜内に混入したりする。また、被膜内に混入した異物を起点として被膜が局所的に成長し凸部を形成する場合もある。さらに、この凸部が脱落して凹部を形成する場合もある。その結果、被膜の表面粗さが粗くなり摺動部材に適さなかったり、平滑化加工を施そうとしても困難になったりする。このような被膜表面に形成される凹凸を低減する方法として、屈曲した磁力線を備える磁気フィルターなどアーク放電にともなってカソードより放出される炭素微小粒子を除去する機構を備えるフィルタードアークイオンプレーティング法を用いることができる。これにより、被膜表面やその内部に取り込まれる炭素微小粒子やこれを起点として形成された被膜表面の凸部や凹部を低減することが可能となる。
(Area ratio of carbon microparticles and recesses and protrusions formed from these particles)
Carbon microparticles are emitted from the carbon cathode along with the arc discharge. Such carbon microparticles adhere to the surface of the film or are mixed in the film. In addition, the coating may grow locally starting from foreign matter mixed in the coating to form protrusions. Furthermore, there is a case where the convex portion falls off to form a concave portion. As a result, the surface roughness of the film becomes rough and unsuitable for a sliding member, and it becomes difficult to apply a smoothing process. As a method for reducing the unevenness formed on the coating surface, a filtered arc ion plating method equipped with a mechanism for removing carbon fine particles emitted from the cathode due to arc discharge, such as a magnetic filter equipped with curved magnetic lines of force. can be used. As a result, it is possible to reduce the carbon microparticles incorporated into the coating surface and its interior, and the protrusions and recesses formed on the coating surface starting from these particles.

このような被膜表面の凹部及び凸部の面積率は、以下のようにして特定することができる。まず、被膜表面に対して垂直な方向から光学顕微鏡を用いて観察して画像を取得する。解像度が高い画像が得られる共焦点レーザー顕微鏡を用いることが好ましい。得られた画像は、必要に応じてグレースケール化した後に、微分ヒストグラム法を用いて自動二値化処理を施し、二値画穴埋め処理を実施する。そして、画像全体に対する暗部の面積比を算出することによって、面積率を特定することができる。被膜表面の凹部及び凸部の面積率が12%以下であれば、摺動中に脱落する炭素微小粒子などが少なく、耐摩耗性が向上し、摩擦損失も低減できる。面積率が10%以下であることがより好ましい。上記のとおり、硬質炭素被膜に取り込まれる微小炭素粒子は少ないほど摺動部材用途の硬質炭素被膜により好ましい被膜となる。しかしながら、アーク放電にともなって放出される炭素微小粒子の除去率を高くすると、被膜形成に必要となる炭素イオンもこれにともなって少なくなる。その結果、炭素カソードの使用効率が低下するとともに成膜速度も低下するので成膜時間が長くなり、硬質炭素被膜の形成に費やされるコストが増加する。又は、アーク放電にともなって放出される炭素微小粒子の発生頻度を低くすると、アーク放電電流を小さくすることになるため、成膜速度が低下し成膜時間が長くなるため硬質炭素被膜の形成に費やされるコストが増加する。そのため、被膜表面の凹部及び凸部の面積率が1%以上であることが好ましい。 The area ratio of such recesses and protrusions on the coating surface can be specified as follows. First, an image is acquired by observing with an optical microscope from a direction perpendicular to the coating surface. It is preferable to use a confocal laser microscope that can obtain images with high resolution. The obtained image is grayscaled as necessary, and then subjected to automatic binarization processing using the differential histogram method, and binary image fill-in processing. Then, the area ratio can be specified by calculating the area ratio of the dark portion to the entire image. If the area ratio of the recesses and protrusions on the surface of the film is 12% or less, the number of fine carbon particles and the like falling off during sliding can be reduced, the wear resistance can be improved, and the friction loss can be reduced. More preferably, the area ratio is 10% or less. As described above, the smaller the number of fine carbon particles incorporated into the hard carbon coating, the more preferable the hard carbon coating is for sliding member applications. However, if the removal rate of carbon microparticles emitted by arc discharge is increased, the amount of carbon ions required for film formation is also reduced. As a result, the use efficiency of the carbon cathode is lowered and the film formation speed is also lowered, resulting in a longer film formation time and an increase in the cost spent to form the hard carbon coating. Alternatively, if the frequency of occurrence of carbon microparticles emitted with arc discharge is reduced, the arc discharge current will be reduced, so the film formation rate will be reduced and the film formation time will be increased. Increases the cost spent. Therefore, it is preferable that the area ratio of the recesses and protrusions on the coating surface is 1% or more.

(線状の低密度炭素部)
線状の低密度炭素部とは、硬質炭素被膜と中間層との境界部近傍に形成される被膜内部の欠陥であり、FIBを用いて作製された、硬質炭素被膜と中間層との境界近傍を含む薄片試料の断面を透過型電子顕微鏡で観察した時に、硬質炭素被膜全体の明度に対して明るい線状の部分のことを指す。低密度炭素部は硬質炭素被膜内では面上に分布しているが、断面試料を作製することによってその一部が切りだされ線状に見えている。比較例1-1において観察された線状の低密度炭素部を図3に示す。この事例は、基材表面にTi中間層を形成し硬質炭素被膜を成膜したものである。
(Linear low-density carbon part)
The linear low-density carbon part is a defect inside the coating formed near the boundary between the hard carbon coating and the intermediate layer, and near the boundary between the hard carbon coating and the intermediate layer produced using FIB. When observing the cross section of a thin piece sample containing with a transmission electron microscope, it refers to a bright linear part with respect to the brightness of the entire hard carbon coating. The low-density carbon part is distributed on the surface in the hard carbon coating, but by preparing a cross-sectional sample, a part of it is cut out and appears as a line. FIG. 3 shows the linear low-density carbon portions observed in Comparative Example 1-1. In this example, a Ti intermediate layer is formed on the substrate surface and a hard carbon coating is formed.

本実施形態では、図1も参照して、硬質炭素被膜14の中間層との界面近傍の断面を透過型電子顕微鏡で観察したときに、界面から高さ300nm、幅5000nmの領域内に認められる線状の低密度炭素部16の数が12箇所以下であることが肝要である。これにより、硬質炭素皮膜は十分に高い機械的強度を有することになり、厳しい摺動条件下でも高い密着性を発揮することができる。 In this embodiment, also referring to FIG. 1, when a cross section near the interface of the hard carbon coating 14 with the intermediate layer is observed with a transmission electron microscope, the It is essential that the number of linear low-density carbon portions 16 is 12 or less. As a result, the hard carbon coating has sufficiently high mechanical strength, and can exhibit high adhesion even under severe sliding conditions.

本発明者は、硬質炭素被膜内に線状の低密度炭素部が生じる条件を鋭意研究した結果、硬質炭素被膜を形成する界面の凹凸と、フィルタードアークイオンプレーティング法のようなイオン化率が高い成膜方法を適用すること、特に後者が線状の低密度炭素部の形成に強く関係する要因であることを見出すに至った。これらのことから、線状の低密度炭素部の形成機構の一つとして次のメカニズムが考えられる。 As a result of intensive research on the conditions under which linear low-density carbon portions are formed in the hard carbon coating, the present inventors found that the unevenness of the interface forming the hard carbon coating and the ionization rate as in the filtered arc ion plating method are different. It has been found that the application of a high film formation method, particularly the latter, is a factor strongly related to the formation of linear low-density carbon portions. From these facts, the following mechanism can be considered as one of the formation mechanisms of the linear low-density carbon part.

フィルタードアークイオンプレーティング法は、アーク放電にともなって炭素カソードより放出される炭素微小粒子の被膜への混入を抑制するために、屈曲した磁力線を備える磁気フィルターなどを用いて、電荷を持たなかったり帯電などによって電荷を持っていたとしても比電荷が小さい炭素微小粒子を除去する機構を備える。このフィルターは炭素原子も除去するため、硬質炭素被膜は主に炭素イオンによって形成される。被膜形成の際には通常バイアス電圧を印加する。バイアスが印加されない場合であっても、中間層表面近傍にはシース電場が形成されるため、炭素イオンはこれらの電場によって加速され被膜形成部に到達する。凹凸が全くない鏡面の中間層表面ではイオンの流れは中間層に対してほぼ垂直で一様になる。しかしながら、一般的に摺動部材には機械加工によって形成された凹凸があるので、凸部に電界が集中するような電場が中間層表面近傍に形成される。この電場によってイオンの流れが影響を受け、凸部に向かう傾向が強くなる。この結果、凸部の近傍では到達するイオンの数が少なくなり、被膜形成速度の違いによって炭素密度が低い境界が形成され、被膜の成長とともに、低密度の境界が成長すると推測する。そして、この境界が、薄片化された被膜断面試料を観察することによって線状に見えると考えられる。 In the filtered arc ion plating method, a magnetic filter with curved magnetic lines of force is used to suppress the inclusion of fine carbon particles emitted from the carbon cathode during arc discharge into the film. Equipped with a mechanism to remove carbon microparticles with a small specific charge even if they have an electric charge due to charging or the like. Since this filter also removes carbon atoms, the hard carbon coating is formed mainly by carbon ions. A bias voltage is normally applied during film formation. Even when no bias is applied, a sheath electric field is formed near the surface of the intermediate layer, so the carbon ions are accelerated by this electric field and reach the film formation portion. On the surface of the intermediate layer, which is a mirror surface with no unevenness, the flow of ions is almost perpendicular to the intermediate layer and uniform. However, since the sliding member generally has unevenness formed by machining, an electric field is formed in the vicinity of the surface of the intermediate layer such that the electric field concentrates on the convex portion. This electric field affects the flow of ions, making them more likely to move toward the protrusions. As a result, the number of ions that reach near the convex portion decreases, and a boundary with low carbon density is formed due to the difference in film formation rate. It is believed that this boundary appears linear by observing a thinned cross-sectional sample of the coating.

このことから低密度炭素部が形成されにくくするためには、電場の影響を受けることなく硬質炭素被膜を形成できる状況、つまり電荷を有しない炭素原子の被膜形成への寄与を高くすることが重要であるとの考えに至った。そして、これを実現する一つの方法として、HeやArなどの硬質炭素被膜を形成する元素に影響しない不活性ガスを適切な圧力で導入して、フィルタードアークイオンプレーティング法で磁気フィルターによって輸送される炭素イオンの一部を荷電交換散乱を利用して中性化し、被膜形成への炭素原子の寄与を高める方法を発案した。不活性ガスの導入量は、これを導入しない場合の硬質炭素層の成膜速度を基準として、成膜速度が70%以上98%以下になるよう流量を調整する。 Therefore, in order to prevent the formation of low-density carbon parts, it is important to have a situation in which a hard carbon film can be formed without being affected by the electric field, that is, to increase the contribution of uncharged carbon atoms to the film formation. I came to the idea that it is. And as one method to realize this, an inert gas that does not affect the elements that form the hard carbon film such as He and Ar is introduced at an appropriate pressure and transported by a magnetic filter by the filtered arc ion plating method. We devised a method to neutralize a part of the carbon ions formed by using charge-exchange scattering to enhance the contribution of carbon atoms to film formation. The flow rate of the inert gas is adjusted so that the film formation rate is 70% or more and 98% or less based on the film formation rate of the hard carbon layer when the inert gas is not introduced.

フィルタードアークイオンプレーティング法は、電荷を有しない中性元素や、電荷を有しない又は比電荷が小さい帯電した炭素微小粒子などを除去し、被膜形成においてイオンの寄与の比率が高いことを特徴とする。これに対して、上記のように不活性ガスを所定圧で導入して、成膜初期において一時的にイオン化率が低い状況を作り出し、被膜形成への中性化された炭素の寄与率を高めることによって、低密度炭素部の形成を抑制するのである。不活性ガスの導入は硬質炭素層形成初期の1分以上20分以下であることが好ましい。このような手法では、フィルターを輸送中にも荷電交換散乱によってイオンの一部が中性化されるため、一時的に成膜速度は低下する。しかし、硬質炭素被膜の形成初期に一時的に用いる方法であるので、成膜時間への影響は小さく、特に膜厚が5μm以上の硬質炭素被膜を形成する場合は成膜時間が長いため成膜時間への影響はより小さくなり、コストアップへの要因にはならない。 The filtered arc ion plating method removes neutral elements that do not have an electric charge, and charged carbon microparticles that do not have an electric charge or have a small specific charge, and is characterized by a high ratio of ions contributing to film formation. and On the other hand, as described above, the inert gas is introduced at a predetermined pressure to create a situation in which the ionization rate is temporarily low in the initial stage of film formation, thereby increasing the contribution of neutralized carbon to film formation. This suppresses the formation of low-density carbon portions. It is preferable that the inert gas is introduced for 1 minute or more and 20 minutes or less in the initial stage of hard carbon layer formation. In such a method, part of the ions are neutralized by charge exchange scattering even while the filter is being transported, resulting in a temporary drop in the film formation rate. However, since this method is used temporarily at the beginning of the formation of the hard carbon coating, the effect on the film formation time is small. The impact on time will be smaller and will not be a factor in increasing costs.

導入する不活性ガスは、He、Ne、Arから選ばれる1以上の元素を用いることができる。Krなど中間層を構成する元素より原子番号が大きいと、硬質炭素被膜や中間層に損傷が生じる場合がある。硬質炭素被膜や中間層を形成する元素と比較して原子番号が小さいHeやNeを用いることがより好ましい。 One or more elements selected from He, Ne, and Ar can be used as the inert gas to be introduced. If the atomic number is higher than that of an element such as Kr that constitutes the intermediate layer, the hard carbon coating and the intermediate layer may be damaged. It is more preferable to use He or Ne, which have a smaller atomic number than the elements forming the hard carbon coating and the intermediate layer.

以上説明した本実施形態の摺動部材では、硬質炭素被膜の基材への密着性が良好で且つこれを長期にわかり維持することが可能となる。さらに摺動中に被膜より脱落する炭素微小粒子などの異物が摺動部に侵入することが抑制される。これらの効果により、硬質炭素被膜が有する低摩擦損失特性を長期に渡り安定して維持することが可能となる。そのため、例えば自動車などの内燃機関の動弁部品であるバルブリフター及びシム、内燃機関の部品であるピストンピン及びピストンリング、コンプレッサー並びに油圧ポンプ用のベーン等、高面圧下で使用され耐久性を要求される摺動部材に本発明を好適に適用することができる。 In the sliding member of this embodiment described above, the adhesion of the hard carbon coating to the base material is good, and this can be recognized and maintained for a long period of time. Furthermore, foreign matter such as fine carbon particles that fall off the coating during sliding is suppressed from entering the sliding portion. These effects make it possible to stably maintain the low friction loss characteristics of the hard carbon coating over a long period of time. Therefore, for example, valve lifters and shims, which are valve train parts of internal combustion engines such as automobiles, piston pins and piston rings, which are parts of internal combustion engines, vanes for compressors and hydraulic pumps, etc., are used under high surface pressure and require durability. The present invention can be suitably applied to a sliding member that is to be used.

(実施例1-1)
試験片として、呼称径φ80、h1=1.2、a1=2.5のバネ鋼で作られたピストンリング(Topリング)を用いて、その外周面に表2に示す中間層及び硬質炭素被膜を形成した。成膜前のピストンリングの外周面は、研磨加工を実施して表面の算術平均粗さRaが0.05μm~0.1μmの範囲に入るよう調整した。成膜に先立ち、洗浄を行い防錆油などの汚れを除去した。そして、成膜装置の成膜室に設置した自公転ターンテーブルの1軸に、ピストンリングを取り付けた成膜冶具を設置し、成膜室の圧力が5×10-3Pa以下に到達するまで真空排気を行った。
(Example 1-1)
As a test piece, a piston ring (top ring) made of spring steel with a nominal diameter of φ80, h1 = 1.2, and a1 = 2.5 was used, and the intermediate layer and hard carbon coating shown in Table 2 were applied to the outer peripheral surface. formed. Before film formation, the outer peripheral surface of the piston ring was polished to adjust the surface arithmetic mean roughness Ra to be in the range of 0.05 μm to 0.1 μm. Prior to film formation, cleaning was performed to remove stains such as antirust oil. Then, a film formation jig attached with a piston ring was installed on one axis of a rotation/revolution turntable installed in the film formation chamber of the film formation apparatus, and the pressure in the film formation chamber reached 5×10 −3 Pa or less. Evacuation was performed.

真空排気後、ピストンリング外周にイオンボンバードを施し、スパッタリング法によってCrからなる中間層をピストンリングの外周に形成した。次に、磁気フィルターを備えるアーク式蒸発源を用いて、放電電流120Aでアーク放電によって炭素カソード(炭素98原子%以上)を蒸発させながら硬質炭素被膜の形成を開始した。その際、Heを表2に示す圧力となる流量で導入した。これに引き続き、3分後にアーク放電を停止しないでHeの流量を一定量ずつ減らし始め、硬質炭素被膜の形成開始から6分で0にした。そしてこの状態のまま、硬質炭素被膜を形成し、膜厚が5.0~5.3μmの範囲に入るよう成膜条件を調整した。この時の成膜室の圧力は0.008Pa以下である。そして、成膜後の硬質炭素被膜は、研磨加工を実施して表面の算術平均粗さRaが0.05μm~0.1μmの範囲に入るよう調整した。 After evacuation, the outer circumference of the piston ring was subjected to ion bombardment, and an intermediate layer made of Cr was formed on the outer circumference of the piston ring by a sputtering method. Next, using an arc evaporation source equipped with a magnetic filter, the formation of a hard carbon coating was started while evaporating the carbon cathode (98 atomic % or more) by arc discharge at a discharge current of 120A. At that time, He was introduced at a flow rate that gives the pressure shown in Table 2. Subsequently, after 3 minutes, without stopping the arc discharge, the flow rate of He was started to be decreased by a fixed amount, and 0 in 6 minutes from the start of formation of the hard carbon coating. In this state, a hard carbon film was formed, and the film forming conditions were adjusted so that the film thickness fell within the range of 5.0 to 5.3 μm. The pressure in the film formation chamber at this time is 0.008 Pa or less. The hard carbon film after film formation was polished to adjust the surface arithmetic mean roughness Ra to be in the range of 0.05 μm to 0.1 μm.

(実施例1-2~1-6、及び比較例1-1~1-3)
実施例1-1と同様にして、表2に示す実施例1-2~実施例1-6、及び比較例1-1~比較例1-3の各条件の中間層及び硬質炭素被膜の成膜を行った。なお、比較例1-2における中間層はテトラメチルシラン(TMS)を導入してプラズマCVD法によって形成した。
(Examples 1-2 to 1-6 and Comparative Examples 1-1 to 1-3)
In the same manner as in Example 1-1, the intermediate layer and the hard carbon coating were formed under the conditions of Examples 1-2 to 1-6 and Comparative Examples 1-1 to 1-3 shown in Table 2. membrane was performed. The intermediate layer in Comparative Example 1-2 was formed by plasma CVD by introducing tetramethylsilane (TMS).

[中間層及び硬質炭素被膜の厚さの評価]
基材となるピストンリングの表面、並びにこの表面に形成した中間層及び硬質炭素被膜の各表面は、研磨加工などによって平坦ではなく凹凸がある。そこで、中間層及び硬質炭素層の厚さは以下の方法で測定した。
[Evaluation of thickness of intermediate layer and hard carbon coating]
The surface of the piston ring, which is the base material, and the surfaces of the intermediate layer and the hard carbon coating formed on this surface are not flat but uneven due to polishing or the like. Therefore, the thicknesses of the intermediate layer and the hard carbon layer were measured by the following method.

硬質炭素被膜を形成したピストンリングの一部を切り出し、集束イオンビーム(FIB)によって、ピストンリングの厚さ方向(h1方向)に、図4に示すような、硬質炭素被膜の表面に対して垂直な断面の薄片を作製した。この断面を透過型電子顕微鏡で観察し、基材10と中間層12の境界線につき異なる10点の位置P1、P2、・・・の座標を求め、これらの座標から最小二乗法によって境界線を表す二次曲線BLを求めた。なお、中間層を形成していない場合は基材10と硬質炭素被膜14との境界を求める。 A part of the piston ring on which the hard carbon coating is formed is cut out, and a focused ion beam (FIB) is applied to the thickness direction (h1 direction) of the piston ring perpendicular to the surface of the hard carbon coating as shown in FIG. A thin section with a uniform cross section was prepared. This cross section is observed with a transmission electron microscope to determine the coordinates of 10 different points P1, P2, . A quadratic curve BL representing In addition, when the intermediate layer is not formed, the boundary between the substrate 10 and the hard carbon film 14 is obtained.

この曲線BL上に無作為に選択した10箇所の位置から、曲線BLに垂直な方向に中間層12と硬質炭素被膜14との境界までの距離をD1、この境界から硬質炭素被膜14の表面までの距離をD2として、それぞれ測定した。そして、距離D1とD2のそれぞれの平均値を求め、中間層12の厚さと硬質炭素被膜14の厚さとした。なお、中間層を形成していない場合には、基材10と硬質炭素被膜14の表面までの距離をD2とし、その平均値を求めて硬質炭素被膜14の厚さとした。このようにして評価した中間層及び硬質炭素被膜の厚さを、表2に示す。 D1 is the distance from 10 randomly selected positions on the curve BL to the boundary between the intermediate layer 12 and the hard carbon coating 14 in the direction perpendicular to the curve BL, and from this boundary to the surface of the hard carbon coating 14. The distance of D2 was measured respectively. Then, the average values of the distances D1 and D2 were obtained and used as the thickness of the intermediate layer 12 and the thickness of the hard carbon coating 14 . When the intermediate layer was not formed, the distance between the base material 10 and the surface of the hard carbon coating 14 was defined as D2, and the average value was obtained to obtain the thickness of the hard carbon coating 14 . Table 2 shows the thicknesses of the intermediate layer and the hard carbon coating evaluated in this manner.

[硬質炭素被膜の水素量の評価]
硬質炭素被膜の水素含有量の評価は、摺動部が平坦な面や曲率が十分大きな面に形成された硬質炭素被膜に対してはRBS(Rutherford Backscattering Spectrometry)/HFS(Hydrogen Forward Scattering Spectrometry)によって評価することができる。これに対して、ピストンリングの外周面など平坦でない摺動面に形成された硬質炭素被膜に対しては、RBS/HFS及びSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)を組み合わせることによって評価する。RBS/HFSは公知の被膜組成の分析方法であるが、平坦でない面の分析には適用できないので、以下のようにしてRBS/HFS及びSIMSを組み合わせる。
[Evaluation of hydrogen content of hard carbon coating]
The hydrogen content of the hard carbon coating is evaluated by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry)/HFS (Hydrogen Forward Scattering Spectrometry) for the hard carbon coating formed on a flat surface or a surface with a sufficiently large curvature of the sliding part. can be evaluated. On the other hand, a hard carbon coating formed on an uneven sliding surface such as the outer peripheral surface of a piston ring is evaluated by combining RBS/HFS and SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry). Although RBS/HFS is a known method of coating composition analysis, it is not applicable to the analysis of uneven surfaces, so RBS/HFS and SIMS are combined as follows.

まず、平坦な面を有する基準試料として、鏡面研磨した平坦な試験片(焼入処理を施したSKH51ディスク、φ25×厚さ5mm、硬さHRC60~63)に、基準値の測定対象となる硬質炭素被膜を形成する。 First, as a reference sample having a flat surface, a mirror-polished flat test piece (hardened SKH51 disk, φ25 × thickness 5 mm, hardness HRC 60 to 63) was applied to a hard surface to be measured as a reference value. Forms a carbon coating.

基準試料への成膜は、反応性スパッタリング法を用いて、雰囲気ガスとしてC、Ar、Hを導入して行う。そして、導入するH流量及び/又はC流量を変えることによって、硬質炭素層に含まれる水素量を調整する。このようにして水素と炭素によって構成され、水素含有量が異なる硬質炭素被膜を形成し、これらをRBS/HFSで水素含有量と炭素含有量を評価する。 Film formation on the reference sample is performed by introducing C 2 H 2 , Ar, and H 2 as atmosphere gases using a reactive sputtering method. Then, by changing the H 2 flow rate and/or the C 2 H 2 flow rate to be introduced, the amount of hydrogen contained in the hard carbon layer is adjusted. In this way, hard carbon coatings composed of hydrogen and carbon with different hydrogen contents are formed, and these are evaluated for hydrogen content and carbon content by RBS/HFS.

次に、上記の試料をSIMSで分析し、水素と炭素の二次イオン強度を測定する。ここで、SIMS分析は、平坦でない面、例えばピストンリングの外周面に形成された被膜でも測定できる。したがって、硬質炭素被膜が施された基準試料の同一の被膜について、RBS/HFSによって得られた水素含有量と炭素含有量(単位:原子%)と、SIMSによって得られた水素と炭素の二次イオン強度の比率との関係を示す実験式(計量線)を求める。このようにすることで、実際のピストンリングの外周面について測定したSIMSの水素と炭素の二次イオン強度から、水素含有量と炭素含有量を算出することができる。なお、SIMSによる二次イオン強度の値は、少なくとも被膜表面から20nm以上の深さ、且つ50nm四方の範囲において観測されたそれぞれの元素の二次イオン強度の平均値を採用する。このようにして算出した硬質炭素被膜の水素含有量を表2に示す。 Next, the above sample is analyzed by SIMS to measure the secondary ion intensities of hydrogen and carbon. Here, SIMS analysis can also be used to measure non-flat surfaces, such as coatings formed on the outer peripheral surface of piston rings. Therefore, the hydrogen content and carbon content (unit: atomic %) obtained by RBS/HFS and the secondary An empirical formula (metric line) showing the relationship with the ratio of ionic strength is obtained. By doing so, the hydrogen content and the carbon content can be calculated from the SIMS hydrogen and carbon secondary ion intensities measured on the outer peripheral surface of the actual piston ring. For the value of the secondary ion intensity by SIMS, the average value of the secondary ion intensity of each element observed in a range of 50 nm square and at a depth of at least 20 nm from the film surface is adopted. Table 2 shows the hydrogen content of the hard carbon coating calculated in this way.

[硬質炭素被膜の境界近傍の観察]
摺動面に形成された硬質炭素被膜の中間層との境界近傍は、透過型電子顕微鏡(TEM)を使用して観察する。FIBを使用して硬質炭素被膜の表層に対して垂直な断面の薄片を作製する。そして、中間層と硬質炭素被膜との境界近傍において、硬質炭素被膜の厚さ350nm以上が視野に収まり、且つ境界が途切れないようにして約1000nm四方を観察する。例えば、透過型電子顕微鏡として日立ハイテクノロジーズ製H-9000NARを用いる場合は、加速電圧200kV、倍率205,000倍で観察することができる。このようにして、硬質炭素被膜に取り込まれた炭素微小粒子が視野内に認められない領域について、中間層と硬質炭素被膜との境界領域を観察して、幅5μmの領域に渡って連続する画像を取得する。この時、隣り合う領域の画像はそれぞれ視野の10%以上が重なっていることが望ましい。そしてこれらの隣り合う連続して取得した画像より、界面から高さ300nm、幅5000nmの領域内に認められる線状の低密度炭素部の数を評価する。但し、FIBによって作製した薄片試料は厚さがあるので、同一の低密度炭素部を斜めから観察することによって複数の線状の低密度炭素部として観察される場合がある。これを避けるために、距離が60nm以内に認められる複数の線状の低密度炭素部は同一のものと判定し、1箇所として計数する。また、TEM観察において密度が低い部分は画像の輝度が明るくなるので、線状の低密度炭素部が判別しやすいように画像の輝度を調整してもよい。このようにして評価した線状の低密度炭素部の数を表2に示す。また、代表して実施例1-1及び比較例1-1で得られたTEM画像を、それぞれ図2及び図3に示す。
[Observation near boundary of hard carbon film]
The vicinity of the boundary between the hard carbon coating formed on the sliding surface and the intermediate layer is observed using a transmission electron microscope (TEM). A FIB is used to make a section perpendicular to the surface of the hard carbon coating. Then, in the vicinity of the boundary between the intermediate layer and the hard carbon coating, the hard carbon coating having a thickness of 350 nm or more is within the field of view, and an approximately 1000 nm square is observed so that the boundary is not interrupted. For example, when H-9000NAR manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation is used as a transmission electron microscope, observation can be performed at an acceleration voltage of 200 kV and a magnification of 205,000. In this way, the boundary region between the intermediate layer and the hard carbon coating is observed for the region where the carbon microparticles incorporated into the hard carbon coating are not observed in the field of view, and the image is continuous over the region with a width of 5 μm. to get At this time, it is desirable that the images of adjacent regions overlap each other by 10% or more of the field of view. Then, the number of linear low-density carbon portions observed in a region with a height of 300 nm and a width of 5000 nm from the interface is evaluated from these adjacent and consecutively acquired images. However, since a thin sample prepared by FIB has a thickness, the same low-density carbon portion may be observed as a plurality of linear low-density carbon portions when obliquely observed. In order to avoid this, a plurality of linear low-density carbon portions recognized within a distance of 60 nm are determined to be the same and counted as one location. In addition, since the brightness of the image becomes bright in the TEM observation at the low-density portion, the brightness of the image may be adjusted so that the linear low-density carbon portion can be easily distinguished. Table 2 shows the number of linear low-density carbon portions evaluated in this way. Further, representative TEM images obtained in Example 1-1 and Comparative Example 1-1 are shown in FIGS. 2 and 3, respectively.

[被膜表面の凹部及び凸部の面積率の評価]
摺動面における被膜表面の凹凸の面積率は、被膜表面の被膜などの研磨粉や研磨剤や、付着しているホコリや汚れなどを洗浄し除去した摺動面を観察した画像から算出する。まず、摺動面の被膜表面を垂直方向から共焦点型レーザー顕微鏡を用いて観察し、画像を取得する。共焦点型レーザー顕微鏡には、対物レンズ100倍を適用した、オリンパス製LEXT OLS4000を用いることができる。なお、摺動面が曲率半径の小さい曲面の場合、観察方向に対して垂直な平面に射影された画像を取得する。そして、凸部や凹部ではレーザー光が乱反射されたり吸収されることによって、得られる画像の輝度が低く被膜表面と比較して暗部となるので、画像の輝度分布を基に、これを二値化することによって画像全体に対する暗部の面積率を算出する。そして、摺動面の任意の5箇所において、上記の手順で面積率を算出し、平均値を求める。このようにして求めた凹部及び凸部の面積率を表3に示す。
[Evaluation of area ratio of recesses and protrusions on coating surface]
The area ratio of unevenness on the surface of the coating on the sliding surface is calculated from an image of the sliding surface after cleaning and removing polishing dust and abrasives from the coating on the surface of the coating, as well as adhering dust and dirt. First, the coating surface of the sliding surface is observed from the vertical direction using a confocal laser microscope to obtain an image. As a confocal laser microscope, LEXT OLS4000 manufactured by Olympus Co., Ltd. with a 100-fold objective lens can be used. When the sliding surface is a curved surface with a small radius of curvature, an image projected onto a plane perpendicular to the observation direction is obtained. Laser light is irregularly reflected or absorbed in convex or concave portions, resulting in low luminance of the obtained image, which is darker than the film surface. By doing so, the area ratio of the dark portion to the entire image is calculated. Then, the area ratio is calculated by the above-described procedure at any five points on the sliding surface, and the average value is obtained. Table 3 shows the area ratios of the concave portions and the convex portions thus obtained.

[硬質炭素被膜のsp比率の評価]
前述のTEM観察で使用した硬質炭素被膜の薄片試料を用いて、硬質炭素被膜を構成する炭素のsp比率を評価した。これには走査透過型電子顕微鏡を用いた電子エネルギー損失分光法(TEM-EELS)によって評価を行う。例えば、走査透過型電子顕微鏡には日本電子製JEM-ARM200Fを、検出器にはGatan製QuantumERを用いることができる。
[Evaluation of sp 3 ratio of hard carbon coating]
The sp3 ratio of carbon constituting the hard carbon coating was evaluated using the hard carbon coating thin section sample used in the TEM observation described above. This is evaluated by electron energy loss spectroscopy (TEM-EELS) using a scanning transmission electron microscope. For example, JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd. can be used for the scanning transmission electron microscope, and QuantumER manufactured by Gatan can be used for the detector.

炭素間の結合状態に関する情報は、EELSによって得られた電子エネルギー損失スペクトルのCK損失端近傍の観測値を解析することによって得られる。通常、このスペクトルは観測された値がそのまま提供されるのではなく、多重散乱や背景信号などの影響を補正したスペクトルが提供される。この補正されたスペクトルを基に以下の手順で解析し、炭素間のsp比率を算出する。 Information on the bonding state between carbons can be obtained by analyzing the observed values near the CK loss edge of the electron energy loss spectrum obtained by EELS. Usually, this spectrum does not provide observed values as they are, but provides a spectrum corrected for effects such as multiple scattering and background signals. Based on this corrected spectrum, analysis is performed according to the following procedure to calculate the sp 3 ratio between carbons.

ここで、エネルギー損失スペクトルは少なくとも240eV以下から開始し、且つ550eV以上までのエネルギー領域において、0.25eV以下の間隔でデータを取得する。
(A)エネルギー損失が320eV以上のデータについて、式(1)に示す関数を用いて近似曲線を算出する。

Figure 0007115849000001
ここで、xは電子の損失エネルギー(単位:eV)であり、式(1)の右辺第一項は観測された電子数の減衰を、第二項は観測値全体の傾きを表す。
(B)得られた回帰曲線を基にして、式(2)に従って観測値を規格化する。
Figure 0007115849000002
(C)上記(B)の規格化されたデータを用いて、280eV以上295eV以下の範囲において、2つのピークが存在するとみなし、Gauss関数を用いてピーク分離を行い、低エネルギー側のピーク(285eV付近のピーク)に相当するGauss関数の面積を求める。これをSπとする。
(D)上記(B)の規格化されたデータにおいて、280eV以上310eV以下の面積を算出する。これをS(σ+π)とする。
(E)同様に、ダイヤモンド及びグラファイトの薄片化された試料について、上記(A)~(D)までの手順で観測し、285eV付近のピークに相当するGauss関数の面積、及び規格化された電子エネルギー損失スペクトルの280eV以上310eV以下の面積をそれぞれ算出する。ダイヤモンドについて得られたそれぞれの面積を、Sdπ及びSd(σ+π)、グラファイトについては、Sgπ及びSg(σ+π)とする。
(F)式(3)に上記のそれぞれの面積を代入してsp比率を算出する。
Figure 0007115849000003
このようにして評価したsp比率を表2に示す。 Here, the energy loss spectrum starts at least below 240 eV and acquires data at intervals of 0.25 eV or less in the energy region up to 550 eV or above.
(A) For data with an energy loss of 320 eV or more, an approximate curve is calculated using the function shown in Equation (1).
Figure 0007115849000001
Here, x is electron loss energy (unit: eV), the first term on the right side of Equation (1) represents the attenuation of the number of observed electrons, and the second term represents the slope of the entire observed value.
(B) Based on the obtained regression curve, the observed values are normalized according to Equation (2).
Figure 0007115849000002
(C) Using the normalized data of (B) above, it is assumed that there are two peaks in the range of 280 eV or more and 295 eV or less, peak separation is performed using the Gaussian function, and the low energy side peak (285 eV The area of the Gaussian function corresponding to the peak in the vicinity) is obtained. Let this be S π .
(D) Calculate the area of 280 eV or more and 310 eV or less in the normalized data of (B) above. Let this be S (σ+π) .
(E) Similarly, the diamond and graphite sliced specimens were observed by the above procedures (A) to (D), and the area of the Gaussian function corresponding to the peak near 285 eV and the normalized electron The area of the energy loss spectrum of 280 eV or more and 310 eV or less is calculated. Let the respective areas obtained for diamond be S and S d(σ+π) and for graphite S and S g(σ+π) .
(F) Calculate the sp 3 ratio by substituting each of the above areas into equation (3).
Figure 0007115849000003
Table 2 shows the sp 3 ratios evaluated in this way.

[密着性評価試験]
密着性の評価に使用した往復動試験の概略を図5に示す。試験には硬質炭素被膜を形成したピストンリングの合口に対して170度~190度の部分を切り出して試験片50とした。そして、図示しないホルダに固定され、上方から一定の荷重を印加した。この試験片50と摺動する相手材52にはSUJ-2プレート(摺動方向の長さ80mm、摺動方向に直角方向の長さ30mm、厚さ8mm、HRC58~63)を用いた。SUJ-2プレートはランダムな方向に研磨加工を実施し、表面粗さRa=0.04~0.07μmに調整したものを用いた。これらを図5に示すように配置して、摺動面52Aに潤滑油54を塗布し、表1に示す摺動条件で往復動剥離試験を実施した。
[Adhesion evaluation test]
FIG. 5 shows an outline of the reciprocating motion test used to evaluate adhesion. For the test, a test piece 50 was obtained by cutting a portion at 170 to 190 degrees with respect to the gap of the piston ring on which the hard carbon film was formed. Then, it was fixed to a holder (not shown) and a constant load was applied from above. A SUJ-2 plate (length 80 mm in the sliding direction, length 30 mm in the direction perpendicular to the sliding direction, thickness 8 mm, HRC 58 to 63) was used as the mating member 52 that slides against the test piece 50 . The SUJ-2 plate was polished in random directions and adjusted to have a surface roughness Ra of 0.04 to 0.07 μm. These were arranged as shown in FIG.

Figure 0007115849000004
Figure 0007115849000004

そして、試験後の摺動面を光学顕微鏡で観察し、硬質炭素被膜の残存状況を観察した。硬質炭素被膜の剥離が認められない場合を「○」、摺動によって形成された硬質炭素被膜の断面(摺動部)の範囲内で剥離が生じている場合を「△」、この範囲を逸脱して未摺動の領域に被膜剥離が至っている場合を「×」として表2に示す。 Then, the sliding surface after the test was observed with an optical microscope to observe the state of remaining hard carbon coating. "○" indicates that no peeling of the hard carbon coating is observed, and "△" indicates that peeling occurs within the range of the cross section (sliding part) of the hard carbon coating formed by sliding, outside this range. In Table 2, "x" indicates the case where the film peeled off in the non-sliding area.

Figure 0007115849000005
Figure 0007115849000005

表2から明らかなように、実施例1-1~実施例1-6では、線状の低密度炭素部が12箇所以下であり、良好な密着性を有することを確認した。特に、線状の低密度炭素部が10箇所以下であった実施例1-1~実施例1-3及び実施例1-5、実施例1-6では、摺動部における硬質炭素被膜の剥離は認められず、より良好な密着性を有する。 As is clear from Table 2, in Examples 1-1 to 1-6, the number of linear low-density carbon portions was 12 or less, and it was confirmed that they had good adhesion. In particular, in Examples 1-1 to 1-3 and Examples 1-5 and 1-6, in which the number of linear low-density carbon portions was 10 or less, the hard carbon coating peeled off at the sliding portion. is not observed and has better adhesion.

これに対して、線状の低密度炭素部が12箇所を上回った比較例1-1及び、中間層の厚さが0.010μmを下回る比較例1-2では、硬質炭素被膜の剥離が摺動部よりさらに大きく広がっており、十分な密着性を有していない。そして、中間層の厚さが0.6μmを上回る比較例1-3では、硬質炭素被膜が剥離した状況は認められなかったものの、硬質炭素被膜の表面において摺動方向に対して平行な方向に亀裂が生じていることを確認した。この亀裂部分をFIBで薄片試料に加工し、走査型電子顕微鏡で観察すると、硬質炭素被膜に亀裂が形成され、亀裂の近傍に位置する中間層の厚さが異なっている状況を確認した。このことより、摺動の負荷によって中間層が塑性流動し、被膜に対して摺動方向にせん断力が働き、これに耐えられなくなって被膜が破壊されたと考えられる。 On the other hand, in Comparative Example 1-1, in which the number of linear low-density carbon portions exceeds 12, and in Comparative Example 1-2, in which the thickness of the intermediate layer is less than 0.010 μm, the peeling of the hard carbon film is smooth. It spreads further than the moving part and does not have sufficient adhesion. In Comparative Example 1-3, in which the thickness of the intermediate layer was more than 0.6 μm, no peeling of the hard carbon coating was observed. I confirmed that there was a crack. When this cracked portion was processed into a thin sample by FIB and observed with a scanning electron microscope, it was confirmed that a crack was formed in the hard carbon coating and the thickness of the intermediate layer located near the crack was different. From this, it is considered that the sliding load causes the intermediate layer to undergo plastic flow, and a shearing force acts on the film in the sliding direction.

(実施例2-1)
試験片として、呼称径φ80、h1=1.2、a1=2.5のバネ鋼で作られたピストンリング(Topリング)を用いて、その外周面に中間層及び硬質炭素被膜を形成した。成膜前のピストンリングの外周面は、研磨加工を実施して表面の算術平均粗さRaが0.05μm~0.1μmの範囲に入るよう調整した。成膜に先立ち、洗浄を行い防錆油などの汚れを除去した。そして、成膜装置の成膜室に設置した自公転ターンテーブルの1軸に、ピストンリングを取り付けた成膜冶具を設置し、成膜室の圧力が5×10-3Pa以下に到達するまで真空排気を行った。
(Example 2-1)
A piston ring (top ring) made of spring steel with a nominal diameter of φ80, h1 = 1.2, and a1 = 2.5 was used as a test piece, and an intermediate layer and a hard carbon coating were formed on the outer peripheral surface of the ring. Before film formation, the outer peripheral surface of the piston ring was polished to adjust the surface arithmetic mean roughness Ra to be in the range of 0.05 μm to 0.1 μm. Prior to film formation, cleaning was performed to remove stains such as antirust oil. Then, a film formation jig attached with a piston ring was installed on one axis of a rotation/revolution turntable installed in the film formation chamber of the film formation apparatus, and the pressure in the film formation chamber reached 5×10 −3 Pa or less. Evacuation was performed.

真空排気後、ピストンリング外周にイオンボンバードを施し、アークイオンプレーティング法によってCrからなる厚さ0.33μmの中間層を形成した。次に、磁気フィルターを備えるアーク式蒸発源を用いて、実施例1-1と同様の条件で硬質炭素被膜を形成した。そして、成膜後の硬質炭素被膜は、研磨加工を実施して表面の算術平均粗さRaが0.05μm~0.08μmの範囲に入るよう調整した。 After evacuation, the outer periphery of the piston ring was subjected to ion bombardment, and an intermediate layer made of Cr and having a thickness of 0.33 μm was formed by an arc ion plating method. Next, using an arc evaporation source equipped with a magnetic filter, a hard carbon coating was formed under the same conditions as in Example 1-1. The hard carbon film after film formation was polished to adjust the surface arithmetic mean roughness Ra to fall within the range of 0.05 μm to 0.08 μm.

(実施例2-2~2-6)
実施例2-1と同様の条件で試験片への成膜を実施した。但し、表3に示す放電電流条件で硬質炭素層の形成を行った。
(Examples 2-2 to 2-6)
A film was formed on the test piece under the same conditions as in Example 2-1. However, the hard carbon layer was formed under the discharge current conditions shown in Table 3.

(実施例2-7)
実施例2-1と同様の条件で、成膜室のヒータに通電して200±2℃に制御し成膜を行った。
(Example 2-7)
Under the same conditions as in Example 2-1, the heater in the film formation chamber was energized to control the temperature to 200±2° C., and film formation was performed.

(比較例2-1)
実施例2-1と同様の条件で、CH及びHを所定の条件で導入して水素含有量が多い硬質炭素被膜を形成した。
(Comparative Example 2-1)
Under the same conditions as in Example 2-1, CH 4 and H 2 were introduced under predetermined conditions to form a hard carbon coating with a high hydrogen content.

(比較例2-2)
フィルターを備えないアーク式蒸発源を用い、Arを導入し圧力0.03Paの雰囲気下で放電電流40Aの条件で表3に示す膜厚まで硬質炭素被膜の成膜を行った。
(Comparative Example 2-2)
Using an arc-type evaporation source without a filter, Ar was introduced, and under the conditions of a discharge current of 40 A and a pressure of 0.03 Pa, a hard carbon coating was formed to the film thickness shown in Table 3.

[硬質炭素被膜の評価]
既述の方法で求めた硬質炭素被膜の厚さ、水素量、線状の低密度炭素部の数、凹部及び凸部の面積率、並びにsp比率も、合わせて表3に示す。
[Evaluation of hard carbon coating]
Table 3 also shows the thickness of the hard carbon coating, the amount of hydrogen, the number of linear low-density carbon portions, the area ratio of concave portions and convex portions, and the sp 3 ratio obtained by the method described above.

[摩耗試験及び摩耗係数の評価]
各実施例及び比較例の各ピストンリングを作製し、往復動摩耗試験を用いて、硬質炭素被膜の耐摩耗性及び摩擦係数を評価した。摺動相手材はシリンダ相当材のFC250の試験片(平板)で、その表面の粗さをJIS-B0601(2001)に従う十点平均粗さRzjisが0.9μm~1.3μmに調整されたものを用いた。次に、各実施例及び比較例のピストンリングを長さ約30mmになるように切断してピストンリング片を作製し、往復摺動試験機の固定治具(図示せず)に取り付け、ピストンリング外周面に形成された硬質炭素被膜を、摺動相手材の試験片の表面に垂直荷重40Nで押し付けた。この状態で、ピストンリング片を厚さ方向に往復幅50mm、摺動速度平均1.0m/sで往復摺動させて試験を行った。なお、試験片の表面には潤滑油(エンジン油;10W-30)を0.1ml/minの割合で滴下し、試験時の試験片の温度を120℃とし、試験時間を10分とした。 試験後、硬質炭素被膜が摩耗した場合には楕円形の摺動痕が観察された。
[Evaluation of wear test and wear coefficient]
Each piston ring of each example and comparative example was produced, and a reciprocating wear test was used to evaluate the wear resistance and friction coefficient of the hard carbon coating. The sliding mating material is a test piece (flat plate) of FC250, which is equivalent to a cylinder, and its surface roughness is adjusted to a ten-point average roughness Rzjis according to JIS-B0601 (2001) of 0.9 μm to 1.3 μm. was used. Next, the piston ring of each example and comparative example was cut to a length of about 30 mm to prepare a piston ring piece, which was attached to a fixture (not shown) of a reciprocating sliding tester, and the piston ring was The hard carbon film formed on the outer peripheral surface was pressed against the surface of the test piece of the sliding mating material with a vertical load of 40N. In this state, the test was conducted by reciprocatingly sliding the piston ring piece in the thickness direction at a reciprocating width of 50 mm and an average sliding speed of 1.0 m/s. Lubricating oil (engine oil; 10W-30) was dripped onto the surface of the test piece at a rate of 0.1 ml/min, the temperature of the test piece during the test was set to 120°C, and the test time was set to 10 minutes. After the test, elliptical sliding marks were observed when the hard carbon coating was worn.

図6(a)に示すようにして、外周面の硬質炭素皮膜の摩耗量を算出した。まず、試験後のピストンリング片80の摺動部80aを含む外周の形状を、触針式粗さ測定器(東京精密製、SURFCOM1400D)を用いて周方向に測定した。そして、試験前のピストンリング片80の外周の曲率半径(既知)から、試験前のピストンリング片80の外縁80fを算出し、外縁80fと摺動部80aとの径方向の寸法差の最大値を摩耗量とした。なお、図6(b)に示すように、ピストンリング片80の軸方向に沿って摺動部80aの中央付近の位置Lで、形状測定を行った。なお、表3に示す被膜摩耗量は、実施例2-1の摩耗量を1としたときの相対値で表した。 As shown in FIG. 6(a), the wear amount of the hard carbon film on the outer peripheral surface was calculated. First, the shape of the outer periphery including the sliding portion 80a of the piston ring piece 80 after the test was measured in the circumferential direction using a stylus type roughness measuring instrument (SURFCOM1400D manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd.). Then, from the curvature radius (known) of the outer circumference of the piston ring piece 80 before the test, the outer edge 80f of the piston ring piece 80 before the test is calculated, and the maximum value of the radial dimensional difference between the outer edge 80f and the sliding portion 80a. was taken as the amount of wear. In addition, as shown in FIG. 6(b), shape measurement was performed at a position L near the center of the sliding portion 80a along the axial direction of the piston ring piece 80. As shown in FIG. The coating wear amount shown in Table 3 is expressed as a relative value when the wear amount of Example 2-1 is set to 1.

図7に示す往復動摩耗試験機により、上記摩耗試験を行い、試験片50に取り付けた図示しないロードセルによりピストンリング片80の押し付け荷重と摩擦力を計測した。ピストンリング片の1回の往復動における最大摩擦力を押し付け荷重で除した数値を摩擦係数aとし、試験終了前1分間(試験開始後9~10分)の摩擦係数aの平均値を最終的な摩擦係数として採用した。実施例2-1の摩耗係数を基準(1.00)とした相対値を表3に示す。 The above wear test was performed using the reciprocating motion wear tester shown in FIG. The value obtained by dividing the maximum friction force in one reciprocating motion of the piston ring piece by the pressing load is the friction coefficient a, and the final average value of the friction coefficient a for 1 minute before the end of the test (9 to 10 minutes after the start of the test) was adopted as a reasonable friction coefficient. Table 3 shows relative values with the wear coefficient of Example 2-1 as the standard (1.00).

Figure 0007115849000006
Figure 0007115849000006

表3から明らかなように、硬質炭素被膜に取り込まれた炭素微小粒子に起因する被膜表面の凹部及び凸部の面積率が12%以下である実施例2-1~実施例2-7では、摩擦係数が低く、良好な耐摩耗性を有する。特に、水素含有量が5原子%以下であり、被膜表面の凹凸の面積率が10%以下、炭素間のsp結合の比率が60%以上であった実施例2-1、実施例2-2、実施例2-4~2-6においては、特に摩擦係数が小さく、かつ被膜摩耗量の少ない良好な摺動特性であった。被膜表面の凹凸の面積率が12%以下であった実施例2-1~実施例2-5は成膜速度が実施例2-6と比較して3倍を上回ることを確認し、高い生産性を有しつつ且つ摩擦係数が低く、良好な耐摩耗性を有することより、工業製品用途の摺動部材に適用する硬質炭素被膜として好ましい特性を有する。 As is clear from Table 3, in Examples 2-1 to 2-7 in which the area ratio of concave portions and convex portions on the coating surface due to the carbon microparticles incorporated in the hard carbon coating was 12% or less, It has a low coefficient of friction and good wear resistance. In particular, Examples 2-1 and 2- in which the hydrogen content was 5 atomic % or less, the area ratio of unevenness on the film surface was 10% or less, and the ratio of sp 3 bonds between carbons was 60% or more. 2. In Examples 2-4 to 2-6, the coefficient of friction was particularly small, and the wear of the film was small, indicating good sliding properties. Examples 2-1 to 2-5, in which the area ratio of unevenness on the coating surface was 12% or less, confirmed that the film formation rate exceeded 3 times that of Example 2-6, and high production was achieved. It has properties that are preferable as a hard carbon coating that is applied to sliding members for use in industrial products, since it has good wear resistance while having a low coefficient of friction while having good properties.

これに対して、水素含有量が10原子%を越えた比較例2-1では、被膜摩耗量が多く、耐摩耗性が劣っていた。そして、凹部及び凸部の面積率が12%を上回った比較例2-2では、摩擦係数が高く、被膜摩耗量も多い。試験後に試験片の被膜摺動部を光学顕微鏡で観察すると、摺動方向に多数のキズが存在した。これは、摺動中に被膜に取り込まれた炭素微小粒子や、これに起因する被膜成長部が摺動の負荷によって脱落し、これが潤滑油に混入することによって摺動部に滞留し、被膜の摩耗を促進したためと考えられる。 On the other hand, in Comparative Example 2-1, in which the hydrogen content exceeded 10 atomic %, the wear amount of the film was large and the wear resistance was poor. In Comparative Example 2-2, in which the area ratio of the recesses and projections exceeded 12%, the coefficient of friction was high and the amount of coating wear was large. After the test, when the film sliding portion of the test piece was observed with an optical microscope, many scratches were present in the sliding direction. This is because the fine carbon particles taken into the coating during sliding and the coating growth portion resulting therefrom fall off due to the load of sliding, and when mixed with the lubricating oil, they stay in the sliding portion, resulting in the formation of the coating. This is thought to be due to accelerated wear.

本発明の摺動部材は、環境保全に対応して燃費改善を目指したダウンサイジングターボエンジンなど、燃焼温度がより高温かつ摺動部の面圧もより高面圧となっている厳しい摺動条件下で使用される場合でも、高い耐摩耗性と低い摩擦損失を有しているので、特に内燃機関に用いられる摺動部材用途に好適に使用できる。 The sliding member of the present invention is used under severe sliding conditions such as a downsized turbo engine aimed at improving fuel efficiency in response to environmental conservation, where the combustion temperature is higher and the surface pressure of the sliding part is higher. Since it has high wear resistance and low friction loss even when it is used under the environment, it can be suitably used especially for sliding members used in internal combustion engines.

100 摺動部材
10 基材
12 中間層
14 硬質炭素被膜
16 線状の低密度炭素部
REFERENCE SIGNS LIST 100 sliding member 10 substrate 12 intermediate layer 14 hard carbon coating 16 linear low-density carbon part

Claims (5)

基材と、
該基材上に形成された厚さ0.010μm以上0.6μm以下の中間層と、
該中間層上に形成された水素含有量が10原子%以下の硬質炭素被膜と、
を有し、
前記硬質炭素被膜の表面の凹部及び凸部の面積率が12%以下であり、
前記硬質炭素被膜の前記中間層との界面近傍の断面を透過型電子顕微鏡で、加速電圧200kVで観察したときに、前記界面から高さ300nm、幅5000nmの領域内に認められる線状の低密度炭素部の数が12箇所以下であることを特徴とする、オイル潤滑下で使用される摺動部材。
a base material;
an intermediate layer having a thickness of 0.010 μm or more and 0.6 μm or less formed on the substrate;
a hard carbon film having a hydrogen content of 10 atomic % or less formed on the intermediate layer;
has
The hard carbon coating has an area ratio of 12% or less of concave portions and convex portions on the surface,
When a cross section of the hard carbon coating near the interface with the intermediate layer is observed with a transmission electron microscope at an acceleration voltage of 200 kV, a linear low density is observed in a region of 300 nm in height and 5000 nm in width from the interface. A sliding member used under oil lubrication, characterized in that the number of carbon portions is 12 or less.
前記硬質炭素被膜が、sp結合とsp結合とが混在した炭素からなり、前記sp結合とsp結合のうちsp結合の比率が60%超100%未満である請求項1に記載の摺動部材。 2. The hard carbon coating according to claim 1, wherein the hard carbon film is made of carbon in which sp 2 bonds and sp 3 bonds are mixed, and the ratio of sp 3 bonds among the sp 2 bonds and sp 3 bonds is more than 60% and less than 100%. sliding member. 前記硬質炭素被膜の水素含有量が5原子%以下である請求項1又は2に記載の摺動部材。 3. The sliding member according to claim 1, wherein the hard carbon coating has a hydrogen content of 5 atomic % or less. 前記硬質炭素被膜の膜厚が5μm以上である請求項1~3のいずれか一項に記載の摺動部材。 The sliding member according to any one of claims 1 to 3, wherein the hard carbon coating has a thickness of 5 µm or more. 前記中間層が、Cr、Ti、Co、V、Mo及びWからなる群から選択された一つ以上の元素、それらの炭化物、窒化物、及び炭窒化物、並びにSiCの少なくとも一種からなる請求項1~4のいずれか一項に記載の摺動部材。
The intermediate layer comprises at least one element selected from the group consisting of Cr, Ti, Co, V, Mo and W, carbides, nitrides and carbonitrides thereof, and SiC. 5. The sliding member according to any one of 1 to 4.
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