JP7162799B2 - Composite coating and method of forming composite coating - Google Patents

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Description

本発明は、複合被膜および複合被膜の形成方法に関し、より詳しくは耐久性に優れ、優れた密着性を発揮する硬質炭素被膜を備える複合被膜とその形成方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite coating and a method for forming a composite coating, and more particularly to a composite coating comprising a hard carbon coating that exhibits excellent durability and adhesion and a method for forming the same.

硬質炭素(DLC:ダイヤモンドライクカーボン)膜は、低摩擦性・高耐摩耗性・低凝集性(耐焼き付き性)など、優れた摺動特性を有しているため、例えば、機械・装置、金型、切削工具および自動車部品などの摺動部材として広く用いられている。 Hard carbon (DLC: diamond-like carbon) film has excellent sliding properties such as low friction, high wear resistance, and low cohesion (seizure resistance). It is widely used as a sliding member for molds, cutting tools and automobile parts.

そして、硬質炭素膜のこれらの摺動特性をさらに向上させるための技術が種々開発されている。例えば、基材(母材)との密着性を良くし、かつ摩擦係数を低減させるため、図7に示すように、硬質炭素製の被膜2を、無水素硬質炭素(a-C)膜の下層22と、含水素硬質炭素(a-C:H)膜の上層23の2層構造とする技術が開発されている(例えば特許文献1)。また、厚み0.5~200nmの無水素硬質炭素膜の上に、膜厚が無水素硬質炭素膜の2~10倍で、水素含有率が5~25at%の含水素硬質炭素膜を形成した被膜が開発されている(例えば特許文献2)。そして、特許文献2には基材の表面にW、Ti、Nbなどの中間層21を形成することによって基材と硬質炭素膜との密着性を向上させることが記載されている。 Various techniques have been developed to further improve these sliding properties of the hard carbon film. For example, in order to improve the adhesion to the substrate (base material) and reduce the coefficient of friction, as shown in FIG. A technique has been developed to form a two-layer structure of a lower layer 22 and an upper layer 23 of a hydrogen-containing hard carbon (aC:H) film (for example, Patent Document 1). A hydrogen-containing hard carbon film having a thickness of 2 to 10 times that of the hydrogen-free hard carbon film and a hydrogen content of 5 to 25 at% was formed on the hydrogen-free hard carbon film having a thickness of 0.5 to 200 nm. Coatings have been developed (eg, US Pat. Patent Document 2 describes that an intermediate layer 21 of W, Ti, Nb, or the like is formed on the surface of the substrate to improve the adhesion between the substrate and the hard carbon film.

また、硬質炭素膜自身および相手材の摩耗を低減するため、ヤング率が200GPaより高く、sp比率が50~90%、水素含有量が20at%以下、膜厚が1μmよりも厚い水素化四面体炭素(ta-C:H)層の上に、ヤング率が200GPaより低く、sp比率が40%以下、水素含有量が20~30at%でSiおよびOを含有するa-C:H層を形成する技術が開発されている(例えば特許文献3)。 In addition, in order to reduce the wear of the hard carbon film itself and the counterpart material, the Young's modulus is higher than 200 GPa, the sp 3 ratio is 50 to 90%, the hydrogen content is 20 at% or less, and the film thickness is thicker than 1 μm. aC:H layer containing Si and O with a Young's modulus lower than 200 GPa, an sp 3 ratio of 40% or less, a hydrogen content of 20-30 at%, on the body carbon (ta-C:H) layer is developed (for example, Patent Document 3).

そして、硬質炭素膜のこれらの優れた摺動特性を生かして、より厳しい摺動条件下で使用される部材、例えば軸受、ギア、またはローラ等の被膜へ適用することが期待されている。 Taking advantage of these excellent sliding properties of the hard carbon film, it is expected to be applied to coatings of members used under severer sliding conditions, such as bearings, gears, rollers, and the like.

特開2000-128516号公報JP-A-2000-128516 特開2003-026414号公報JP 2003-026414 A 特許第5503145号公報Japanese Patent No. 5503145

しかしながら、上記した軸受、ギア、ローラ等では、摺動に際して大きな接触応力が繰り返し発生するため、従来技術を用いて形成された硬質炭素膜では、耐破壊性、耐剥離性が十分とは言えず、密着性が不十分で十分な耐久性が得られないことが知られている。 However, in the bearings, gears, rollers, etc. described above, large contact stress is repeatedly generated during sliding, so the hard carbon film formed using conventional technology cannot be said to have sufficient fracture resistance and peeling resistance. , it is known that adhesion is insufficient and sufficient durability cannot be obtained.

そこで本発明は、耐破壊性、耐剥離性に優れ、摺動時、大きな接触応力が繰り返し発生する用途に用いた場合でも、優れた密着性を発揮することができ、十分な耐久性を有する被膜とその形成方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention is excellent in fracture resistance and peeling resistance, and can exhibit excellent adhesion even when used in applications where large contact stress is repeatedly generated during sliding, and has sufficient durability. An object of the present invention is to provide a coating and a method for forming the same.

本発明者は、上記の課題を解決するため鋭意検討を行った結果、以下に記載する発明により上記の課題が解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 Means for Solving the Problems As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors have found that the above problems can be solved by the invention described below, and have completed the present invention.

請求項1に記載の発明は、
基材上に被覆される複合被膜であって、
下層に、水素含有量が5at%未満、膜厚が200~1000nmの硬質炭素膜Aが形成され、
上層に、水素含有量が5~30at%、膜厚が210~5000nm、ヤング率が200GPaより大きい硬質炭素膜Bが形成されており、
前記硬質炭素膜Aと前記硬質炭素膜Bとが、直接、積層されており、
前記硬質炭素膜Aは、π/σ強度比が異なる複数の硬質炭素層を積層して構成されており、
最上層に位置する前記硬質炭素層のπ/σ強度比が、前記最上層に位置する硬質炭素層よりも下層に位置する硬質炭素層全体におけるπ/σ強度比よりも小さいことを特徴とする複合被膜である。
The invention according to claim 1,
A composite coating coated on a substrate, comprising:
A hard carbon film A having a hydrogen content of less than 5 at% and a film thickness of 200 to 1000 nm is formed as the lower layer,
A hard carbon film B having a hydrogen content of 5 to 30 at%, a film thickness of 210 to 5000 nm, and a Young's modulus of more than 200 GPa is formed on the upper layer,
The hard carbon film A and the hard carbon film B are directly laminated ,
The hard carbon film A is configured by laminating a plurality of hard carbon layers having different π/σ intensity ratios,
The π/σ intensity ratio of the hard carbon layer positioned as the uppermost layer is smaller than the π/σ intensity ratio of the entire hard carbon layer positioned below the hard carbon layer positioned as the uppermost layer . It is a composite coating.

軸受、ギア、ローラ等に従来の技術で硬質炭素膜を形成した場合、破壊や剥離が生じる要因については、以下のように考えられる。 When a hard carbon film is formed on bearings, gears, rollers, etc. by conventional techniques, the factors causing breakage and peeling are considered as follows.

即ち、軸受、ギアまたはローラ等では、摺動時、被覆された硬質炭素膜に大きな面圧(負荷)が繰り返し掛かり、その度に被膜に大きな接触応力が発生する。そして、これに合わせて基材が変形と復元を繰り返すため、被膜に大きな疲労が生じて、基材と被膜の間や被膜同士で破壊や剥離が発生して、密着性が低下する。 That is, in bearings, gears, rollers, etc., a large surface pressure (load) is repeatedly applied to the coated hard carbon film during sliding, and a large contact stress is generated in the film each time. In addition, since the base material repeatedly deforms and restores in accordance with this, great fatigue occurs in the coating, and breakage or peeling occurs between the base material and the coating or between the coatings, resulting in a decrease in adhesion.

具体的には、上記した特許文献2の場合には、無水素硬質炭素(a-C)層の膜厚が200nm以下と薄いため、無水素硬質炭素(a-C)層自体の強度が足らず、大きな接触応力の繰り返しによって変形しやすく、破壊されやすい。そして、この破壊によって、基材や上層である含水素硬質炭素(a-C:H)層との間で剥離が生じて、密着性が低下する。 Specifically, in the case of Patent Document 2 described above, since the film thickness of the hydrogen-free hard carbon (aC) layer is as thin as 200 nm or less, the strength of the hydrogen-free hard carbon (aC) layer itself is insufficient. , easily deformed and destroyed by repeated contact stress. This breakage causes separation from the base material and the hydrogen-containing hard carbon (aC:H) layer, which is the upper layer, resulting in a decrease in adhesion.

また、特許文献3の場合には、下層のta-C:H層は水素化されているため上層との密着力が弱い。そして、このta-C:H層はsp比率が大きく高硬度であるが、膜厚が1μmよりも厚い。通常、硬質炭素膜の残留応力は、硬度が高いほど、膜厚が厚いほど大きくなるため、1μmよりも厚い膜厚の硬質炭素膜は残留応力が非常に大きく破壊しやすい。このため、衝撃的な応力が負荷されたときに下層が破壊されやすく、被膜が基材から剥離して、密着性が低下する。 In addition, in the case of Patent Document 3, the lower ta-C:H layer is hydrogenated, so that the adhesion to the upper layer is weak. This ta-C:H layer has a large sp3 ratio and high hardness, but the film thickness is thicker than 1 μm. Generally, the higher the hardness and the thicker the film thickness, the greater the residual stress of a hard carbon film. Therefore, a hard carbon film having a film thickness of more than 1 μm has a very large residual stress and is easily broken. Therefore, when an impact stress is applied, the lower layer is likely to be destroyed, the coating peels off from the substrate, and the adhesion decreases.

本請求項における水素含有量が5at%未満の硬質炭素膜は水素含有量が少ないため、基材や他の硬質炭素膜に対する密着性は十分である一方で、高い硬度を有している。このため、膜厚が薄すぎると接触応力の繰り返しに耐えられず変形して破壊されやすく、厚すぎると衝撃的な応力の負荷に耐えられず破壊されて、密着性が低下しやすい。本発明者は、種々の実験と検討の結果、下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)における膜厚を200~1000nmと好ましく設定することにより、これらの問題が解決されて、優れた密着性が発揮できることを見出した。 Since the hard carbon film having a hydrogen content of less than 5 at % in the present claim has a low hydrogen content, it has sufficient adhesion to the substrate and other hard carbon films, while having high hardness. For this reason, if the film is too thin, it cannot withstand repeated contact stresses and is likely to be deformed and broken. As a result of various experiments and studies, the present inventors have found that these problems can be solved by preferably setting the film thickness of the lower hard carbon film (hard carbon film A) to 200 to 1000 nm, and excellent adhesion can be obtained. found that it can be demonstrated.

そして、本発明者は、さらに、硬質炭素膜Aの上に、直接、水素含有量が5~30at%、膜厚が210~5000nm、ヤング率が200GPaより大きい硬質炭素膜(硬質炭素膜B)を積層することにより、摺動時に繰り返し掛かる大きな負荷(応力)を十分に緩和させることができ、これらの複合被膜とすることにより、十分な耐破壊性、耐剥離性を発揮することができ、優れた密着性が発揮できることを見出した。なお、硬質炭素膜Bのヤング率としては、耐チッピング性の低下を防ぐ観点から、500GPa以下であることが好ましい。 Further, the present inventors directly applied a hard carbon film (hard carbon film B) having a hydrogen content of 5 to 30 at%, a film thickness of 210 to 5000 nm, and a Young's modulus of more than 200 GPa on the hard carbon film A. By laminating, the large load (stress) repeatedly applied during sliding can be sufficiently relieved, and by making a composite coating of these, sufficient fracture resistance and peeling resistance can be exhibited. It was found that excellent adhesion can be exhibited. The Young's modulus of the hard carbon film B is preferably 500 GPa or less from the viewpoint of preventing deterioration of chipping resistance.

硬質炭素膜Aを単層の膜で厚膜に形成した場合、膜の残留応力が高くなる傾向があり、破壊や剥離を生じやすい。一方、硬質炭素膜Aを、π/σ強度比が異なる複数の薄膜の積層体とし、最上層に位置する硬質炭素層のπ/σ強度比が、それより下層に位置する硬質炭素層全体におけるπ/σ強度比よりも小さくなるように配置した場合、残留応力を低く抑えて、破壊や剥離の発生を抑制して、優れた密着性を発揮させることができる。なお、硬質炭素層全体におけるπ/σ強度比とは、下層が複数の層で構成されている場合には、各層の膜厚を考慮した上での平均値を意味している。 When the hard carbon film A is formed as a single-layer thick film, the residual stress of the film tends to be high, and breakage and peeling are likely to occur. On the other hand, the hard carbon film A is a laminate of a plurality of thin films with different π/σ intensity ratios, and the π/σ intensity ratio of the hard carbon layer located at the top layer is When arranged so as to be smaller than the π/σ intensity ratio, the residual stress can be kept low, the occurrence of breakage and peeling can be suppressed, and excellent adhesion can be exhibited. The π/σ intensity ratio in the entire hard carbon layer means an average value after considering the film thickness of each layer when the lower layer is composed of a plurality of layers.

π/σ強度比は、硬質炭素膜中におけるsp結合とsp結合の比率(sp/sp比)と関係する指標であり、sp結合が少なくsp結合が多い場合にはπ/σ強度比が小さくなり、sp結合が多くsp結合が少ない場合にはπ/σ強度比が大きくなる。 The π/σ intensity ratio is an index related to the ratio of sp 2 bonds to sp 3 bonds ( sp 2 /sp 3 ratio) in the hard carbon film. /σ intensity ratio becomes smaller, and when there are many sp 2 bonds and few sp 3 bonds, the π/σ intensity ratio becomes large.

本請求項においては、硬質炭素膜Aを、π/σ強度比が異なる複数の硬質炭素層を積層して構成しているため、全体に亘ってπ/σ強度比が同じ単層の硬質炭素膜と異なり、各層の硬質炭素層間でも接触応力を緩和させて残留応力を低減させることができる。そして、最上層に位置する硬質炭素層のπ/σ強度比を、それより下層に位置する硬質炭素層全体におけるπ/σ強度比よりも小さくした場合、最上層の硬質炭素層は、sp結合が多く水素含有量が低いため、結合手がフリーな四面体炭素が十分に形成されて、上層に形成される硬質炭素膜Bとの間に優れた密着性を確保することができる。 In the present claim, since the hard carbon film A is configured by laminating a plurality of hard carbon layers having different π/σ intensity ratios, a single-layer hard carbon film having the same π/σ intensity ratio throughout Unlike films, contact stress can be relaxed even between hard carbon layers of each layer to reduce residual stress. Then, when the π/σ intensity ratio of the uppermost hard carbon layer is set to be smaller than the π/σ intensity ratio of the entire lower hard carbon layer, the uppermost hard carbon layer is sp 3 Since there are many bonds and the hydrogen content is low, tetrahedral carbon with free bonds is sufficiently formed, and excellent adhesion to the hard carbon film B formed on the upper layer can be secured.

請求項に記載の発明は、
前記硬質炭素膜Aの水素含有量が、1at%未満であることを特徴とする請求項1に記載の複合被膜である。
The invention according to claim 2 ,
2. The composite coating according to claim 1, wherein the hydrogen content of the hard carbon coating A is less than 1 at %.

基材や他の硬質炭素膜に対する密着性は、硬質炭素膜Aの水素含有量が低いほど、向上する。本請求項においては、1at%未満と非常に低い水素含有量としているため、他の硬質炭素膜に対する密着性をより十分に確保することができる。 The lower the hydrogen content of the hard carbon film A, the better the adhesion to the substrate and other hard carbon films. In the present invention, the hydrogen content is as low as less than 1 at %, so that the adhesion to other hard carbon films can be more sufficiently secured.

請求項に記載の発明は、
前記基材と前記硬質炭素膜Aとの間にCr、WもしくはTiの金属中間層を備え、
前記金属中間層の膜厚が、30~500nmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の複合被膜である。
The invention according to claim 3 ,
A metal intermediate layer of Cr, W or Ti is provided between the base material and the hard carbon film A,
3. The composite coating according to claim 1 , wherein the metal intermediate layer has a thickness of 30 to 500 nm.

Cr、WおよびTiは、一般的に基材に使用される鉄系の金属や合金などと比較して特に硬質炭素層との密着力が高い。このため、基材上にこれらの金属中間層を設けた場合、硬質炭素膜Aの基材からの剥離が効果的に抑制される。そして、この金属中間層の膜厚としては、薄すぎると十分な密着性を確保できず、厚すぎると十分な耐破壊性を確保できないことを考慮して、30~500nmであることが好ましい。 Cr, W and Ti have particularly high adhesion to the hard carbon layer compared to iron-based metals and alloys that are generally used for substrates. Therefore, when these metal intermediate layers are provided on the base material, peeling of the hard carbon film A from the base material is effectively suppressed. The thickness of the metal intermediate layer is preferably 30 to 500 nm, considering that if it is too thin, sufficient adhesion cannot be ensured, and if it is too thick, sufficient fracture resistance cannot be ensured.

請求項に記載の発明は、
前記硬質炭素膜Bは、
断面を明視野TEM像により観察したとき、相対的に白い白色硬質炭素層と相対的に黒い黒色硬質炭素層とを有しており、
前記白色硬質炭素層と前記黒色硬質炭素層とが、ナノレベルで交互に積層していることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の複合被膜である。
The invention according to claim 4 ,
The hard carbon film B is
When the cross section is observed with a bright field TEM image, it has a relatively white white hard carbon layer and a relatively black black hard carbon layer,
4. The composite coating according to any one of claims 1 to 3 , wherein the white hard carbon layer and the black hard carbon layer are alternately laminated at the nano level.

明視野TEM像による観察において、相対的に白い白色硬質炭素層は低密度であり、sp/sp比が大きく、低硬度である。一方、相対的に黒い黒色硬質炭素層は、高密度であり、sp/sp比が小さく、高硬度である。本請求項においては、このように硬度が異なる白色硬質炭素層と黒色硬質炭素層とをナノレベルで交互に積層して硬質炭素膜Bを構成させているため、より大きな応力緩和を得ることができ、より高い耐破壊性、耐剥離性を発揮して、優れた密着性を確保することができる。 Observation by bright-field TEM image shows that the relatively white white hard carbon layer has a low density, a large sp 2 /sp 3 ratio, and a low hardness. On the other hand, a relatively black black hard carbon layer has a high density, a small sp 2 /sp 3 ratio, and a high hardness. In the present claim, the white hard carbon layer and the black hard carbon layer having different hardnesses are alternately laminated at the nano level to constitute the hard carbon film B, so that greater stress relaxation can be obtained. It is possible to exhibit higher fracture resistance and peeling resistance, and to ensure excellent adhesion.

また、sp/sp比が大きい白色硬質炭素層は、上記のように低硬度のため耐摩耗性が不十分であるものの耐チッピング性に優れており、sp/sp比が小さい黒色硬質炭素層は高硬度のため耐摩耗性に優れている。このため、白色硬質炭素層と黒色硬質炭素層が交互に積層した硬質炭素膜は、耐チッピング性と耐摩耗性の両立が図られて、優れた摺動特性を発揮することができる。 In addition , the white hard carbon layer with a large sp 2 /sp 3 ratio has insufficient wear resistance due to its low hardness as described above, but has excellent chipping resistance. Since the hard carbon layer has high hardness, it has excellent wear resistance. Therefore, the hard carbon film in which the white hard carbon layer and the black hard carbon layer are alternately laminated has both chipping resistance and wear resistance, and can exhibit excellent sliding properties.

請求項に記載の発明は、
前記白色硬質炭素層および前記黒色硬質炭素層の1層あたりの厚みが、0.1~10nmであることを特徴とする請求項に記載の複合被膜である。
The invention according to claim 5 ,
5. The composite coating according to claim 4 , wherein each of the white hard carbon layer and the black hard carbon layer has a thickness of 0.1 to 10 nm.

上記したナノレベルとしては、0.1~10nmであることが好ましく、このような厚みで白色硬質炭素層と黒色硬質炭素層とを積層することにより、上記した各効果を得ることができる。 The above nano level is preferably 0.1 to 10 nm, and by laminating the white hard carbon layer and the black hard carbon layer with such a thickness, the above effects can be obtained.

アーク蒸着法は、グラファイトを成膜源とする成膜法であるため、容易に、水素含有量が5at%未満の硬質炭素膜Aを形成することができる。 Since the arc vapor deposition method is a film forming method using graphite as a film forming source, it is possible to easily form a hard carbon film A having a hydrogen content of less than 5 at %.

そして、このアーク蒸着法を炭化水素系ガスや水素ガスを導入しながら行うと、炭素と水素が結合して、容易に、水素含有量が5~30at%の硬質炭素膜Bを形成することができる。 When this arc vapor deposition method is performed while introducing a hydrocarbon-based gas or hydrogen gas, carbon and hydrogen combine to easily form a hard carbon film B having a hydrogen content of 5 to 30 at %. can.

硬質炭素膜Bの形成に際して、硬質炭素膜Aが形成された基材を回転させることにより、グラファイトから蒸発したカーボンイオンが基材に照射されない時間を周期的に設けることができるため、カーボンイオンが基材に照射されているときには、高密度で高硬度の黒色硬質炭素層(ta-C:Hやa-C:H)を形成させ、一方、照射されていないときには、低密度で低硬度の白色硬質炭素層(a-C:H)を形成させることができ、白色硬質炭素層と黒色硬質炭素層とを交互に積層させた硬質炭素膜Bを、効率的に形成して、優れた密着性を確保することができる。 When the hard carbon film B is formed, by rotating the substrate on which the hard carbon film A is formed, it is possible to periodically provide a period of time during which the substrate is not irradiated with the carbon ions evaporated from the graphite. When the substrate is irradiated, it forms a black hard carbon layer (ta-C:H or aC:H) with high density and high hardness, while it is low density and low hardness when it is not irradiated. A white hard carbon layer (aC:H) can be formed, and a hard carbon film B in which a white hard carbon layer and a black hard carbon layer are alternately laminated is efficiently formed to achieve excellent adhesion. can ensure the integrity of the

本発明によれば、耐破壊性、耐剥離性に優れ、摺動時、大きな接触応力が繰り返し発生する用途に用いた場合でも、優れた密着性を発揮することができ、十分な耐久性を有する被膜とその形成方法を提供することができる。 According to the present invention, it is excellent in fracture resistance and peeling resistance, and can exhibit excellent adhesion and sufficient durability even when used in applications where large contact stress is repeatedly generated during sliding. It is possible to provide a coating having and a method of forming the same.

本発明の一実施の形態に係る複合被膜の構成を示す模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a composite coating according to one embodiment of the present invention; FIG. 本発明の一実施の形態に係る複合被膜において複数の硬質炭素層を積層して硬質炭素膜Aが構成されている様子を説明する模式的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating how a hard carbon film A is configured by laminating a plurality of hard carbon layers in a composite coating according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態に係る複合被膜において複数の硬質炭素層を積層して硬質炭素膜Bが形成されている様子を説明する模式的断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating how a hard carbon film B is formed by laminating a plurality of hard carbon layers in the composite coating according to one embodiment of the present invention. 硬質炭素膜Bの一例の断面の写真である。4 is a photograph of a cross section of an example of hard carbon film B. FIG. 硬質炭素膜Bの一例の断面の写真である。4 is a photograph of a cross section of an example of hard carbon film B. FIG. 本発明の一実施の形態において複合被膜の形成に用いられるアーク式PVD装置の要部を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a main part of an arc-type PVD apparatus used for forming a composite coating in one embodiment of the present invention; FIG. 従来の被膜の断面の模式図である。It is a schematic diagram of the cross section of the conventional film. スラスト試験機の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a thrust test machine.

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。なお、以下においては、アーク蒸着法として真空アーク蒸着法を例に挙げているが、本発明はこれに限定されるものではない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings. In addition, although the vacuum arc vapor deposition method is mentioned as an example as an arc vapor deposition method below, this invention is not limited to this.

[1]複合被膜の構成
1.複合被膜の概要
はじめに、複合被膜の構成を説明する。図1は本実施の形態に係る複合被膜の構成を示す模式的断面図である。図1に示すように、本実施の形態に係る複合被膜1は、基材B上に、金属中間層11、下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)12、上層の硬質炭素膜(硬質炭素膜B)13の順に積層されて構成されている。
[1] Structure of composite coating 1. Overview of Composite Coating First, the configuration of the composite coating will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the composite coating according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the composite coating 1 according to the present embodiment comprises a substrate B, a metal intermediate layer 11, a lower hard carbon film (hard carbon film A) 12, an upper hard carbon film (hard carbon The film B) 13 is laminated in order.

2.硬質炭素膜A
下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)は、水素含有量が5at%未満の硬質炭素膜である。
2. Hard carbon film A
The lower hard carbon film (hard carbon film A) is a hard carbon film having a hydrogen content of less than 5 atomic %.

水素含有量を5at%未満とすることにより、基材や他の硬質炭素膜に対する密着性を十分に確保することができる。なお、水素含有量は低いほど基材や他の硬質炭素膜に対する密着性を向上させることができるため、1at%未満であるとより好ましい。 By setting the hydrogen content to less than 5 at %, it is possible to sufficiently ensure adhesion to the substrate and other hard carbon films. It should be noted that the lower the hydrogen content, the more the adhesiveness to the base material and other hard carbon films can be improved, so it is more preferable that the hydrogen content is less than 1 at %.

一方、水素含有量を5at%未満の硬質炭素膜は硬度が高いため、膜厚が薄すぎると接触応力の繰り返しに耐えられず変形して破壊されやすく、厚すぎると衝撃的な応力の負荷に耐えられず破壊されやすい。このため、本実施の形態においては、200~1000nmに設定する。 On the other hand, a hard carbon film with a hydrogen content of less than 5 at% has high hardness. Unbearable and easily destroyed. Therefore, in this embodiment, the thickness is set to 200 to 1000 nm.

なお、このような硬質炭素膜としては、具体的には、無水素四面体炭素(ta-C)膜を挙げることができる。 A specific example of such a hard carbon film is a hydrogen-free tetrahedral carbon (ta-C) film.

そして、本実施の形態において、この下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)は、π/σ強度比が異なる複数の硬質炭素層を積層して構成されていることが好ましい。 In the present embodiment, the lower hard carbon film (hard carbon film A) is preferably formed by laminating a plurality of hard carbon layers having different π/σ intensity ratios.

図2は、複合被膜1において、複数の硬質炭素層を積層して硬質炭素膜Aが構成されている様子を説明する模式的断面図である。図2に示すように、下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)は、最上層12Tの下に複数の層が配置されて構成されている。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating how a hard carbon film A is formed by laminating a plurality of hard carbon layers in the composite coating 1 . As shown in FIG. 2, the lower hard carbon film (hard carbon film A) is composed of a plurality of layers arranged under the top layer 12T.

このとき、最上層12Tにおけるπ/σ強度比を、それより下方にある下層に位置する硬質炭素層全体におけるπ/σ強度比よりも小さくすることが好ましい。最上層12Tのπ/σ強度比を小さくすることにより、最上層12Tで残留応力を低減させることができる。この結果、基板との優れた密着性を確保することができる。なお、ここで「下層に位置する硬質炭素層全体におけるπ/σ強度比」とは、下層に位置する硬質炭素層が複数の層で構成されている場合には、各層の厚みを考慮して算出された平均値を意味している。 At this time, it is preferable to make the π/σ intensity ratio of the top layer 12T smaller than the π/σ intensity ratio of the whole hard carbon layer located in the lower layer therebelow. Residual stress can be reduced in the top layer 12T by reducing the π/σ intensity ratio of the top layer 12T. As a result, excellent adhesion to the substrate can be secured. Here, the ``π/σ intensity ratio in the entire hard carbon layer located in the lower layer'' means that when the hard carbon layer located in the lower layer is composed of a plurality of layers, the thickness of each layer is taken into consideration. Means the calculated average value.

そして、π/σ強度比が小さいことは、sp結合が多く水素含有量が低いことを示しており、この結果、硬質炭素層の表面に結合手がフリーな四面体炭素が十分に形成されて、上層の硬質炭素膜(硬質炭素膜B)13との間に優れた密着性を確保することができる。 A small π/σ intensity ratio indicates that there are many sp 3 bonds and the hydrogen content is low, and as a result, tetrahedral carbon with free bonds is sufficiently formed on the surface of the hard carbon layer. Therefore, it is possible to ensure excellent adhesion with the upper hard carbon film (hard carbon film B) 13 .

3.硬質炭素膜B
上層の硬質炭素膜(硬質炭素膜B)13は、水素含有量が5~30at%、膜厚が210~5000nm、ヤング率が200GPaより大きい硬質炭素膜である。これにより、摺動時に繰り返し掛かる大きな負荷(応力)を十分に緩和させることができるため、このような硬質炭素膜を上層の硬質炭素膜(硬質炭素膜B)13として、下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)12上に直接積層することにより、十分な耐破壊性、耐剥離性を発揮して、優れた密着性を確保することができる。
3. Hard carbon film B
The upper hard carbon film (hard carbon film B) 13 is a hard carbon film having a hydrogen content of 5 to 30 at %, a film thickness of 210 to 5000 nm, and a Young's modulus of more than 200 GPa. As a result, a large load (stress) repeatedly applied during sliding can be sufficiently relieved. By directly laminating the carbon film A) 12 on the hard carbon film A) 12, sufficient fracture resistance and peeling resistance can be exhibited, and excellent adhesion can be ensured.

そして、本実施の形態において、この上層の硬質炭素膜(硬質炭素膜B)13は、複数の層が積層して形成されていることが好ましい。具体的には、上層の硬質炭素膜(硬質炭素膜B)13の断面を明視野TEM像により観察したとき、相対的に白い白色硬質炭素層と相対的に黒い黒色硬質炭素層とが交互に積層されていることが好ましい。 In the present embodiment, the upper hard carbon film (hard carbon film B) 13 is preferably formed by laminating a plurality of layers. Specifically, when a cross section of the upper hard carbon film (hard carbon film B) 13 is observed with a bright-field TEM image, a relatively white hard carbon layer and a relatively black black hard carbon layer are alternately formed. It is preferably laminated.

図3は、複合被膜1において、複数の硬質炭素層を積層して硬質炭素膜Bが形成されている様子を説明する模式的断面図である。図3の場合、上層の硬質炭素膜(硬質炭素膜B)は、白色硬質炭素層13Wと黒色硬質炭素層13Bとが交互に積層して形成されている。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating how a hard carbon film B is formed by laminating a plurality of hard carbon layers in the composite coating 1 . In the case of FIG. 3, the upper hard carbon film (hard carbon film B) is formed by alternately laminating white hard carbon layers 13W and black hard carbon layers 13B.

黒色硬質炭素層13Bは、高密度で、sp/sp比が小さいため、高硬度である。一方、白色硬質炭素層13Wは低密度で、sp/sp比が大きいため、低硬度である。このように硬度が異なる白色硬質炭素層13Wと黒色硬質炭素層13Bとを交互に積層することにより、より大きな応力緩和を得ることができ、より高い耐破壊性、耐剥離性を発揮して、優れた密着性を確保することができる。 The black hard carbon layer 13B has a high density and a small sp 2 /sp 3 ratio, so it has high hardness. On the other hand, the white hard carbon layer 13W has a low density and a large sp 2 /sp 3 ratio, so it has a low hardness. By alternately laminating the white hard carbon layers 13W and the black hard carbon layers 13B having different hardnesses in this way, it is possible to obtain greater stress relaxation, exhibiting higher fracture resistance and peeling resistance, Excellent adhesion can be secured.

具体的な白色硬質炭素層13Wとしては水素化非晶質炭素(a-C:H)層を挙げることができ、黒色硬質炭素層13Bとしては、水素化四面体炭素(ta-C:H)層や白色硬質炭素層13Wよりも高硬度の水素化非晶質炭素(a-C:H)層を挙げることができる。 Specific examples of the white hard carbon layer 13W include a hydrogenated amorphous carbon (aC:H) layer, and the black hard carbon layer 13B includes a hydrogenated tetrahedral carbon (taC:H) layer. and a hydrogenated amorphous carbon (aC:H) layer having a higher hardness than the white hard carbon layer 13W.

このとき、白色硬質炭素層13Wと黒色硬質炭素層13Bとは、それぞれが、0.1~10nmの厚みというナノレベルで積層されていることが好ましい。 At this time, it is preferable that each of the white hard carbon layer 13W and the black hard carbon layer 13B is laminated at a nano level with a thickness of 0.1 to 10 nm.

4.中間層
硬質炭素膜は、基材上に直接形成してもよいが、基材の種類によっては十分な密着力が確保できない場合がある。例えば、基材として一般的に用いられる鉄系の他、非鉄系の金属あるいはセラミックス、硬質複合材料等の基材、具体的には、炭素鋼、合金鋼、焼入れ鋼、高速度工具鋼、鋳鉄、アルミ合金、Mg合金や超硬合金等の基材は、硬質炭素膜との密着力が十分とは言えない。
4. Intermediate Layer The hard carbon film may be formed directly on the base material, but depending on the type of base material, sufficient adhesion may not be ensured. For example, in addition to ferrous base materials generally used as base materials, base materials such as non-ferrous metals or ceramics, hard composite materials, specifically carbon steel, alloy steel, hardened steel, high-speed tool steel, cast iron , aluminum alloys, Mg alloys, cemented carbides, etc., do not have sufficient adhesion to the hard carbon film.

このため、基材Bの種類に応じて、図1に示すように、適宜、基材B上に金属中間層11を設けることが好ましく、これにより、金属中間層11を介して、基材Bと複合被膜1とを十分に密着させることができる。そして、設けられた金属中間層11は、耐摩耗性の向上にも寄与するため好ましい。 Therefore, as shown in FIG. 1, it is preferable to appropriately provide the metal intermediate layer 11 on the base material B according to the type of the base material B. and the composite coating 1 can be sufficiently adhered. Further, the provided metal intermediate layer 11 is preferable because it also contributes to the improvement of wear resistance.

このような金属中間層として使用できる金属元素としては、Cr、Ti、Si、W、B等を挙げることができ、これらの内でも、Cr、Ti、Wが好ましい。 Examples of metal elements that can be used for such a metal intermediate layer include Cr, Ti, Si, W, and B. Among these, Cr, Ti, and W are preferred.

また、金属中間層11の厚みは、30~500nmが好ましく、40~400nmがより好ましく、50~300nmが特に好ましい。 The thickness of the metal intermediate layer 11 is preferably 30-500 nm, more preferably 40-400 nm, and particularly preferably 50-300 nm.

5.基材
本発明において、複合被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、硬質複合材料等の基材を使用することができる。例えば、クロムモリブテン鋼(SCM)、炭素鋼、合金鋼、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、複合被膜の成膜温度を考慮すると、200℃を超える温度で特性が大きく劣化しない基材が好ましい。
5. Substrate In the present invention, the substrate on which the composite coating is formed is not particularly limited, and substrates such as iron-based, non-ferrous metals, ceramics, and hard composite materials can be used. Examples include chromium molybdenum steel (SCM), carbon steel, alloy steel, hardened steel, high-speed tool steel, cast iron, aluminum alloys, Mg alloys, and cemented carbide. Then, substrates whose properties do not significantly deteriorate at temperatures exceeding 200° C. are preferred.

[2]複合被膜の形成方法
上記した本実施の形態に係る複合被膜は、以下に示す各工程に従って製造することができる。
[2] Method for Forming Composite Coating The composite coating according to the present embodiment described above can be manufactured according to the steps shown below.

1.基材の準備
まず、硬質炭素膜を形成する対象となる基材Bを準備し、成膜槽内へセットする。このとき、成膜槽内へArガスなどの希ガス、または水素ガスを導入してプラズマを生成させ、基材Bにバイアス電圧を印加することで、基材Bの硬質炭素膜が形成される面(硬質炭素膜形成面)の汚れや酸化層を除去することが好ましい。
1. Preparation of Substrate First, a substrate B on which a hard carbon film is to be formed is prepared and set in a film forming tank. At this time, a rare gas such as Ar gas or hydrogen gas is introduced into the film forming tank to generate plasma, and a bias voltage is applied to the substrate B, thereby forming a hard carbon film on the substrate B. It is preferable to remove stains and oxide layers on the surface (surface on which the hard carbon film is formed).

2.金属中間層の形成
そして、汚れや酸化層が除去された硬質炭素膜形成面に、必要に応じて、金属中間層11を形成する。この金属中間層11は、Cr、WもしくはTiなどの金属原料をアーク蒸発源とするアーク蒸着法(アークイオンプレーティング法)により形成することが好ましい。
2. Formation of Metal Intermediate Layer Then, a metal intermediate layer 11 is formed, if necessary, on the hard carbon film formation surface from which dirt and oxide layers have been removed. This metal intermediate layer 11 is preferably formed by an arc evaporation method (arc ion plating method) using a metal raw material such as Cr, W or Ti as an arc evaporation source.

3.硬質炭素膜Aの形成
次に、グラファイトカソードをアーク蒸発源とするアーク蒸着法を用いて、金属中間層11上に下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)12として、無水素四面体炭素(ta-C)膜を形成する。このとき、成膜槽内の温度、アーク電流などを、適切に調整することにより、膜厚を200~1000nmに制御すると共に、形成された硬質炭素膜の水素含有量を5at%未満に制御する。
3. Formation of hard carbon film A Next, using an arc vapor deposition method using a graphite cathode as an arc vapor source, a hydrogen-free tetrahedral carbon ( ta-C) forming a film; At this time, the film thickness is controlled to 200 to 1000 nm and the hydrogen content of the formed hard carbon film is controlled to less than 5 at% by appropriately adjusting the temperature in the film forming tank, the arc current, etc. .

なお、水素含有量は、HFS(Hydrogen Forward Scattering)分析によって測定することができる。 The hydrogen content can be measured by HFS (Hydrogen Forward Scattering) analysis.

前記したように、下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)12の形成にあたっては、π/σ強度比の異なる硬質炭素層を積層することが好ましく、アーク蒸発源に流す電流(アーク電流)と基板に与える電圧(バイアス電圧)を、適宜、調整することにより、π/σ強度比を制御して、π/σ強度比の異なる硬質炭素層を積層することができる。 As described above, in forming the lower hard carbon film (hard carbon film A) 12, it is preferable to laminate hard carbon layers having different π/σ intensity ratios. By appropriately adjusting the voltage (bias voltage) applied to the substrate, the π/σ intensity ratio can be controlled and hard carbon layers having different π/σ intensity ratios can be laminated.

本実施の形態においては、最上層12Tのπ/σ強度比が、全ての下層全体のπ/σ強度比より小さくなるように制御して、sp結合が多くなるようにする。これにより、最上層12Tに結合手がフリーな四面体炭素が十分に形成された硬質炭素膜が形成されて、上層に形成される硬質炭素膜(硬質炭素膜B)13に対する十分な密着性を確保することができる。 In this embodiment, the π/σ intensity ratio of the top layer 12T is controlled to be smaller than the π/σ intensity ratio of all the lower layers, thereby increasing sp 3 bonds. As a result, a hard carbon film in which tetrahedral carbon with free bonds is sufficiently formed is formed on the top layer 12T, and sufficient adhesion to the hard carbon film (hard carbon film B) 13 formed on the upper layer is achieved. can be secured.

なお、π/σ強度比は、EELS分析(Electron Energy-Loss Spectroscopy:電子エネルギー損失分光)により、1s→π強度と、1sσ強度を測定し、測定されたπ強度とσ強度の比として求められる値であり、硬質炭素膜中におけるspとsp結合の比率(sp/sp比)と相関関係にあることが分かっている。 The π/σ intensity ratio is obtained by measuring 1s→π * intensity and 1sσ * intensity by EELS analysis (Electron Energy-Loss Spectroscopy), and comparing the measured π * intensity and σ * intensity. It is a value obtained as a ratio, and is known to be correlated with the ratio of sp 2 and sp 3 bonds (sp 2 /sp 3 ratio) in the hard carbon film.

具体的には、硬質炭素膜中にsp結合が少なくsp結合が多いとπ/σ強度比が小さくなり、一方、硬質炭素膜中にsp結合が多くsp結合が少ないとπ/σ強度比が大きくなるため、π/σ強度比の値に基づいてsp/sp比を把握することができる。 Specifically, when the hard carbon film has few sp 2 bonds and many sp 3 bonds , the π/σ intensity ratio decreases. Since the σ intensity ratio increases, the sp 2 /sp 3 ratio can be grasped based on the value of the π/σ intensity ratio.

4.硬質炭素膜Bの形成
次に、グラファイトカソードをアーク蒸発源とするアーク蒸着法を用いながら、成膜糟内に、炭化水素系ガスや水素ガスをArガスと共に導入することによりプラズマを発生させて、下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)12上に水素化非晶質炭素(a-C:H)膜を、上層の硬質炭素膜(硬質炭素膜B)13として形成する。なお、アーク蒸着法を用いて下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)12を形成し、その後、炭化水素系ガスや水素ガスを導入して、下層の硬質炭素膜(硬質炭素膜A)12に比べて水素含有量が高い硬質炭素膜を形成させることにより、上層の硬質炭素膜(硬質炭素膜B)13を形成してもよい。この場合、形成される硬質炭素膜は上層、下層のいずれもが水素化四面体炭素(ta-C:H)膜となる。
4. Formation of hard carbon film B Next, plasma is generated by introducing a hydrocarbon-based gas or hydrogen gas together with Ar gas into the film-forming cavities while using an arc evaporation method using a graphite cathode as an arc evaporation source. A hydrogenated amorphous carbon (aC:H) film is formed as an upper hard carbon film (hard carbon film B) 13 on the lower hard carbon film (hard carbon film A) 12 . In addition, the lower hard carbon film (hard carbon film A) 12 is formed using an arc vapor deposition method, and then a hydrocarbon-based gas or hydrogen gas is introduced to form the lower hard carbon film (hard carbon film A) 12. The upper hard carbon film (hard carbon film B) 13 may be formed by forming a hard carbon film having a higher hydrogen content than the above. In this case, both the upper layer and the lower layer of the formed hard carbon film are hydrogenated tetrahedral carbon (ta-C:H) films.

硬質炭素膜Bの形成は、硬質炭素膜Aの形成に用いる成膜装置とは異なる成膜装置を用いて行ってもよいが、この場合には、先に成膜された硬質炭素膜の表面が大気や汚れに曝されて、硬質炭素膜Bの硬質炭素膜Aへの密着性が悪化する恐れがあるため、同一の装置で硬質炭素膜Aを成膜した後、連続して硬質炭素膜Bを成膜することが好ましい。 The hard carbon film B may be formed using a film forming apparatus different from the film forming apparatus used for forming the hard carbon film A. In this case, the surface of the previously formed hard carbon film is exposed to the atmosphere and dirt, and the adhesion of the hard carbon film B to the hard carbon film A may deteriorate. Film formation of B is preferred.

なお、この硬質炭素膜Bの形成に際しても、硬質炭素膜Aの場合と同様に、成膜槽内の温度、アーク電流などを、適切に調整することにより、膜厚を210~5000nmに制御すると共に、形成された硬質炭素膜の水素含有量を5~30at%に制御する。そして、併せて、硬質炭素膜のヤング率を200GPaよりも大きくなるように制御する。 As in the case of the hard carbon film A, the film thickness of the hard carbon film B is controlled to 210 to 5000 nm by appropriately adjusting the temperature in the film forming tank, the arc current, and the like. At the same time, the hydrogen content of the formed hard carbon film is controlled to 5 to 30 atomic %. At the same time, the Young's modulus of the hard carbon film is controlled to be greater than 200 GPa.

なお、ヤング率の測定は、ISO14577に準拠したナノインデンテーション法により、例えば、エリオニクス製ダイナミック硬度計ENT1100aを用いて行うことができる(荷重300g)。 The Young's modulus can be measured by a nanoindentation method conforming to ISO 14577, for example, using a dynamic hardness tester ENT1100a manufactured by Elionix (load: 300 g).

前記したように、上層の硬質炭素膜(硬質炭素膜B)の形成にあたっては、密度の異なる硬質炭素層を積層することが好ましい。 As described above, in forming the upper hard carbon film (hard carbon film B), it is preferable to laminate hard carbon layers having different densities.

硬質炭素膜Bの形成に際して、硬質炭素膜Aが形成された基材を回転させることにより、グラファイトから蒸発したカーボンイオンが基材に照射されない時間を周期的に設けることができるため、カーボンイオンが基材に照射されているときには、高密度で高硬度の黒色硬質炭素層(ta-C:Hやa-C:H)を形成させ、一方、照射されていないときには、炭化水素系ガスを原料とした低密度で低硬度の白色硬質炭素層(a-C:H)を形成させることができる。これにより、低密度のa-C:Hと高密度のta-C:Hとを交互に積層することができる。 When the hard carbon film B is formed, by rotating the substrate on which the hard carbon film A is formed, it is possible to periodically provide a period of time during which the substrate is not irradiated with the carbon ions evaporated from the graphite. When the substrate is irradiated, a high density and high hardness black hard carbon layer (ta-C:H or aC:H) is formed, while when it is not irradiated, the hydrocarbon-based gas is used as the raw material. It is possible to form a white hard carbon layer (aC:H) with a low density and low hardness. As a result, low-density aC:H and high-density taC:H can be alternately laminated.

即ち、グラファイトから蒸発したカーボンイオンが基材に照射されているときには衝突エネルギーが大きいため高密度・高硬度でsp/sp比の小さな黒色硬質炭素となりやすく、一方、炭化水素系ガスを原料としたカーボンイオンは、衝突エネルギーが小さいため低密度・低硬度でsp/sp比の大きな白色硬質炭素層(a-C:H)として成膜される。この結果、基材を自転や公転させながら形成された硬質炭素膜では、白色硬質炭素と黒色硬質炭素とが積層された構造を有することになる。 That is, when the base material is irradiated with carbon ions evaporated from graphite, the collision energy is large, so that black hard carbon with a high density and high hardness and a small sp 2 /sp 3 ratio tends to be formed. The carbon ions having a low collision energy are formed as a white hard carbon layer (aC:H) having a low density, a low hardness, and a large sp 2 /sp 3 ratio. As a result, the hard carbon film formed while rotating and revolving the substrate has a structure in which white hard carbon and black hard carbon are laminated.

図6は、上記のような複数層の形成に用いられる自公転治具を備えたアーク式PVD装置の要部の模式図である。図6に示すように、このアーク式PVD装置は、真空チャンバー42、プラズマ発生装置(図示省略)、ヒーター43、基材支持装置としての自公転治具44、温度計測装置としての熱電対45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。なお、Tはターゲット(カーボンターゲット)であり、41は中間層が形成された基材である。 FIG. 6 is a schematic diagram of a main part of an arc-type PVD apparatus equipped with a rotating/revolving jig used for forming multiple layers as described above. As shown in FIG. 6, this arc PVD apparatus includes a vacuum chamber 42, a plasma generator (not shown), a heater 43, a rotation jig 44 as a substrate supporting device, a thermocouple 45 as a temperature measuring device, and a A bias power supply (not shown) and a pressure regulator (not shown) for adjusting the pressure in the furnace are provided. Note that T is a target (carbon target), and 41 is a base material on which an intermediate layer is formed.

自公転治具44の回転軸に基材41を保持して、矢印の方向に回転させることにより、白色硬質炭素と黒色硬質炭素とが積層された硬質炭素膜とすることができる。 A hard carbon film in which white hard carbon and black hard carbon are laminated can be obtained by holding the base material 41 on the rotating shaft of the rotation jig 44 and rotating it in the direction of the arrow.

また、このような硬質炭素膜Bの積層構造は、FIB(Focused Ion Beam)を用いて薄膜化した硬質炭素膜BをTEM(透過型電子顕微鏡:Transmission Electron Microscope)により、例えば加速電圧200kVで明視野TEM像を観察することにより確認することができる。即ち、断面を明視野TEM像により観察したとき、硬質炭素層は密度が低くなるほど電子線の透過量が増加して白色を示すようになるため、硬質炭素膜における相対的な白黒模様の積層を観察することにより、図4および図5に一例を示すように、硬質炭素膜がナノレベルで交互に積層されて形成されていることが確認できる。なお、図4では倍率を200,000倍とし、図5では倍率を500,000倍としている。 In addition, such a laminated structure of the hard carbon film B is obtained by observing the hard carbon film B thinned by FIB (Focused Ion Beam) with a TEM (Transmission Electron Microscope) at an accelerating voltage of 200 kV, for example. It can be confirmed by observing a field-of-view TEM image. That is, when the cross section is observed with a bright-field TEM image, the lower the density of the hard carbon layer, the more the amount of electron beam transmission increases and the more white it appears. By observation, as shown in FIGS. 4 and 5, it can be confirmed that the hard carbon films are alternately laminated at the nano level. Note that the magnification is 200,000 times in FIG. 4, and the magnification is 500,000 times in FIG.

次に、実施例に基づき、本発明をより具体的に説明する。 EXAMPLES Next, the present invention will be described more specifically based on examples.

1.試験片の作成
基材(SCM415浸炭)上に硬質炭素膜Aと硬質炭素膜Bからなる複合被膜を形成し、試験片を作成した。複合被膜は、π/σ強度比の異なる複数層を有する無水素硬質炭素膜(硬質炭素膜A)と含水素硬質炭素膜(硬質炭素膜B)とが積層された2層構造とし、硬質炭素膜Aの膜厚を0nm、100nm、200nm、500nm、1000nm、1500nmの6水準とし、一方硬質炭素膜Bの膜厚を100nm、210nm、2500nm、5000nm、7500nmの5水準として、5×6の合計30種類の複合被膜が形成された試験片を用意した。具体的には以下の手順に従って、各試験片を作成した。
1. Preparation of test piece A composite coating consisting of a hard carbon film A and a hard carbon film B was formed on a substrate (SCM415 carburized) to prepare a test piece. The composite coating has a two-layer structure in which a hydrogen-free hard carbon film (hard carbon film A) and a hydrogen-containing hard carbon film (hard carbon film B) having multiple layers with different π / σ strength ratios are laminated. 6 levels of 0 nm, 100 nm, 200 nm, 500 nm, 1000 nm, and 1500 nm for the film A, and 5 levels of 100 nm, 210 nm, 2500 nm, 5000 nm, and 7500 nm for the hard carbon film B. Test pieces on which 30 kinds of composite coatings were formed were prepared. Specifically, each test piece was prepared according to the following procedure.

(1)硬質炭素膜Aの形成
SCM415浸炭材ディスク(φ30mm×t3mm、HRC60、表面粗度Ra<0.01μm)を基材として、上記した本実施の形態に係る硬質炭素膜の製造方法に従って、アーク式PVD装置を用いて前記した各厚みの無水素四面体炭素(ta-C)膜を、バイアス電圧175V、成膜温度180℃の成膜条件で基材上に形成し、硬質炭素膜Aとした。成膜温度は最高到達温度が180℃となるよう冷却工程により制御した。形成した硬質炭素膜Aの水素含有量をHFS分析で測定したところ、水素含有量は0.1at%であった。なお、硬質炭素膜Aの形成に先立って、基材表面の汚れを除去すると共に、アークイオンプレーティング法を用いてCrの金属中間層(厚み200nm)を設けた。
(1) Formation of Hard Carbon Film A Using an SCM415 carburized disk (φ30 mm×t3 mm, HRC60, surface roughness Ra<0.01 μm) as a substrate, according to the method for producing a hard carbon film according to the present embodiment, Using an arc PVD apparatus, a hydrogen-free tetrahedral carbon (ta-C) film of each thickness was formed on the substrate under the film forming conditions of a bias voltage of 175 V and a film forming temperature of 180 ° C., and a hard carbon film A was formed. and The film formation temperature was controlled by a cooling process so that the maximum temperature reached 180°C. When the hydrogen content of the formed hard carbon film A was measured by HFS analysis, the hydrogen content was 0.1 at %. Prior to the formation of the hard carbon film A, dirt on the surface of the base material was removed, and a Cr metal intermediate layer (thickness: 200 nm) was provided using an arc ion plating method.

(2)硬質炭素膜Bの形成
次に、同じアーク式PVD装置を用い、成膜時にCHガスを導入してプラズマを発生させることにより、硬質炭素膜A上に前記した各厚みの含水素硬質炭素膜(a-C:H)を、バイアス電圧50V、成膜温度130℃の成膜条件で形成し、硬質炭素膜Bとした。
(2) Formation of hard carbon film B Next, using the same arc PVD apparatus, CH 4 gas is introduced at the time of film formation to generate plasma, so that hydrogen-containing A hard carbon film (aC:H) was formed under film forming conditions of a bias voltage of 50 V and a film forming temperature of 130° C. to obtain a hard carbon film B.

2.密着性の評価
各試験片における複合被膜の膜部分における密着性を、ベアリングによる転動試験(スラスト試験)により評価した。
2. Evaluation of Adhesion Adhesion in the film portion of the composite coating in each test piece was evaluated by a rolling test (thrust test) using a bearing.

(1)試験方法
試験は図8に示すスラスト試験機を使用して行った。具体的には、複合被膜が形成された各試験片54に対して、オイル53中で一定荷重で軌道輪52に装着された鋼球51を押し付け、軌道輪52を同一軌道に沿って転動周回させ、鋼球51の周回軌道部にあらかじめ定めた回数、繰り返し荷重を与えることにより行った。試験条件の詳細を表1に示す。
(1) Test method A test was conducted using a thrust tester shown in FIG. Specifically, a steel ball 51 attached to a bearing ring 52 is pressed against each test piece 54 on which a composite coating is formed under a constant load in an oil 53, and the bearing ring 52 is rolled along the same raceway. It was carried out by revolving the steel ball 51 and repeatedly applying a load to the revolving orbit portion of the steel ball 51 a predetermined number of times. Details of the test conditions are shown in Table 1.

Figure 0007162799000001
Figure 0007162799000001

繰り返し荷重印加後の膜部分を観察して、その状態を表2に示す膜密着性評価指標を用いて、5段階で評価した。なお、膜密着性評価指標においては、耐剥離性の低いものを1とし、耐剥離性の高いものを5として表している。 The film portion after repeated load application was observed, and the state thereof was evaluated using the film adhesion evaluation index shown in Table 2 on a 5-point scale. In the film adhesion evaluation index, 1 indicates low peeling resistance, and 5 indicates high peeling resistance.

Figure 0007162799000002
Figure 0007162799000002

(2)結果
結果を、硬質炭素膜Aの膜厚と硬質炭素膜Bの膜厚とをマトリックスに配置した表3に示す。
(2) Results The results are shown in Table 3 in which the film thickness of the hard carbon film A and the film thickness of the hard carbon film B are arranged in a matrix.

Figure 0007162799000003
Figure 0007162799000003

表3から、硬質炭素膜Aの膜厚が200~1000nmで且つ硬質炭素膜Bの膜厚が210~5000nmの場合(太線で囲まれた箇所)、優れた耐剥離性が得られ、硬質炭素膜Aの膜厚が500nm、硬質炭素膜Bの膜厚が2500nmの場合に特に優れた耐剥離性が得られることが確認できた。なお、硬質炭素膜Aの膜厚が1500nmの膜では試験を行う前に既に剥離が発生していたため、表には単に「剥離」と示している。 From Table 3, when the thickness of the hard carbon film A is 200 to 1000 nm and the thickness of the hard carbon film B is 210 to 5000 nm (areas surrounded by thick lines), excellent peeling resistance is obtained. It was confirmed that especially excellent peeling resistance was obtained when the thickness of the film A was 500 nm and the thickness of the hard carbon film B was 2500 nm. In the case of the hard carbon film A having a film thickness of 1500 nm, peeling had already occurred before the test was conducted, so the table simply indicates "peeling".

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. Various modifications can be made to the above embodiment within the same and equivalent scope of the present invention.

1 複合被膜
2 被膜
11 金属中間層
12 硬質炭素膜A
12T 最上層
13 硬質炭素膜B
13B 黒色硬質炭素層
13W 白色硬質炭素層
21 中間層
22 下層
23 上層
41、B 基材
42 真空チャンバー
43 ヒーター
44 自公転治具(基材支持装置)
45 熱電対
51 鋼球
52 軌道輪
53 オイル
54 試験片
T ターゲット
REFERENCE SIGNS LIST 1 composite coating 2 coating 11 metal intermediate layer 12 hard carbon coating A
12T Top layer 13 Hard carbon film B
13B black hard carbon layer 13W white hard carbon layer 21 intermediate layer 22 lower layer 23 upper layer 41, B substrate 42 vacuum chamber 43 heater 44 rotation/revolution jig (substrate support device)
45 thermocouple 51 steel ball 52 bearing ring 53 oil 54 test piece T target

Claims (5)

基材上に被覆される複合被膜であって、
下層に、水素含有量が5at%未満、膜厚が200~1000nmの硬質炭素膜Aが形成され、
上層に、水素含有量が5~30at%、膜厚が210~5000nm、ヤング率が200GPaより大きい硬質炭素膜Bが形成されており、
前記硬質炭素膜Aと前記硬質炭素膜Bとが、直接、積層されており、
前記硬質炭素膜Aは、π/σ強度比が異なる複数の硬質炭素層を積層して構成されており、
最上層に位置する前記硬質炭素層のπ/σ強度比が、前記最上層に位置する硬質炭素層よりも下層に位置する硬質炭素層全体におけるπ/σ強度比よりも小さいことを特徴とする複合被膜。
A composite coating coated on a substrate, comprising:
A hard carbon film A having a hydrogen content of less than 5 at% and a film thickness of 200 to 1000 nm is formed as the lower layer,
A hard carbon film B having a hydrogen content of 5 to 30 at%, a film thickness of 210 to 5000 nm, and a Young's modulus of more than 200 GPa is formed on the upper layer,
The hard carbon film A and the hard carbon film B are directly laminated ,
The hard carbon film A is configured by laminating a plurality of hard carbon layers having different π/σ intensity ratios,
The π/σ intensity ratio of the hard carbon layer positioned as the uppermost layer is smaller than the π/σ intensity ratio of the entire hard carbon layer positioned below the hard carbon layer positioned as the uppermost layer . Composite coating.
前記硬質炭素膜Aの水素含有量が、1at%未満であることを特徴とする請求項1に記載の複合被膜。 2. The composite coating according to claim 1, wherein the hydrogen content of said hard carbon coating A is less than 1 at %. 前記基材と前記硬質炭素膜Aとの間にCr、WもしくはTiの金属中間層を備え、
前記金属中間層の膜厚が、30~500nmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の複合被膜。
A metal intermediate layer of Cr, W or Ti is provided between the base material and the hard carbon film A,
3. The composite coating according to claim 1 , wherein the metal intermediate layer has a thickness of 30 to 500 nm.
前記硬質炭素膜Bは、
断面を明視野TEM像により観察したとき、相対的に白い白色硬質炭素層と相対的に黒い黒色硬質炭素層とを有しており、
前記白色硬質炭素層と前記黒色硬質炭素層とが、ナノレベルで交互に積層していることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の複合被膜。
The hard carbon film B is
When the cross section is observed with a bright field TEM image, it has a relatively white white hard carbon layer and a relatively black black hard carbon layer,
4. The composite coating according to any one of claims 1 to 3 , wherein the white hard carbon layer and the black hard carbon layer are alternately laminated at the nano level.
前記白色硬質炭素層および前記黒色硬質炭素層の1層あたりの厚みが、0.1~10nmであることを特徴とする請求項に記載の複合被膜。 5. The composite coating according to claim 4 , wherein each of the white hard carbon layer and the black hard carbon layer has a thickness of 0.1 to 10 nm.
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