JP7302878B2 - Carbon film and sliding member - Google Patents
Carbon film and sliding member Download PDFInfo
- Publication number
- JP7302878B2 JP7302878B2 JP2020074316A JP2020074316A JP7302878B2 JP 7302878 B2 JP7302878 B2 JP 7302878B2 JP 2020074316 A JP2020074316 A JP 2020074316A JP 2020074316 A JP2020074316 A JP 2020074316A JP 7302878 B2 JP7302878 B2 JP 7302878B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- carbon film
- film
- carbon
- bonds
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Sliding-Contact Bearings (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Description
本発明は、炭素膜および摺動部材に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon film and a sliding member.
潤滑油中で摺動する摺動部材は、様々な機械において使用されており、例えば、自動車などの内燃機関で使用されている。このような摺動部材には、より厳しい環境での使用に耐え得ることが求められており、例えば、高い耐摩耗性および低摩擦性が求められている。このような摺動部材には、その表面にダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜(以下、単に「炭素膜」とも言う)を有する部材が知られている。当該摺動部材には、基材と、中間層を介して基材の表面に形成された硬質炭素被膜とを有する部材が知られている。当該硬質炭素被膜は、いわゆるDLC膜であり、炭素原子間結合におけるsp3結合の特定の比率および特定の水素含有量等によって規定されている(例えば、特許文献1参照)。 Sliding members that slide in lubricating oil are used in various machines, for example, in internal combustion engines such as automobiles. Such sliding members are required to be able to withstand use in harsher environments, and are required to have, for example, high wear resistance and low friction properties. As such a sliding member, a member having a diamond-like carbon (DLC) film (hereinafter also simply referred to as “carbon film”) on its surface is known. A member having a base material and a hard carbon film formed on the surface of the base material via an intermediate layer is known as the sliding member. The hard carbon film is a so-called DLC film, which is defined by a specific ratio of sp 3 bonds in carbon interatomic bonds, a specific hydrogen content, and the like (see, for example, Patent Document 1).
近年、摺動部材は、より厳しい環境での安定した作動が求められている。摺動部材の作動が想定される環境によっては、摺動部材にはさらに高い耐摩耗性および低摩擦性が求められことがある。このように、炭素膜を有する摺動部材には、耐摩耗性および低摩擦性のさらなる向上の観点から検討の余地が残されている。 In recent years, sliding members are required to operate stably in harsher environments. Depending on the environment in which the sliding member is expected to operate, the sliding member may be required to have even higher wear resistance and low friction. As described above, the sliding member having the carbon film has room for further study from the viewpoint of further improvement in wear resistance and low friction properties.
本発明は、オイル中のすべり速度1m/sを超える高速摺動において、耐摩耗性および低摩擦性に優れる炭素膜および摺動部材を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a carbon film and a sliding member that are excellent in wear resistance and low friction in high-speed sliding at a sliding speed exceeding 1 m/s in oil.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る炭素膜は、sp2結合およびsp3結合からなる群から選ばれる結合によって炭素原子が結合して構成される炭素膜であって、炭素原子間の全ての結合における前記sp2結合の比率は、1%以上、25%以下であり、波長632.8nmにおける消衰係数は、0.02以上、0.04以下であり、水素含有量は、5原子%以下である。 In order to solve the above problems, a carbon film according to one aspect of the present invention is a carbon film composed of carbon atoms bonded by a bond selected from the group consisting of sp 2 bonds and sp 3 bonds, The ratio of the sp2 bonds in all bonds between carbon atoms is 1% or more and 25% or less, the extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm is 0.02 or more and 0.04 or less, and the hydrogen-containing The amount is 5 atomic % or less.
また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る摺動部材は、オイルの存在下での摺動に供される摺動部材であって、その表面における摺動する部分に上記の炭素膜を有する。 Further, in order to solve the above problems, a sliding member according to an aspect of the present invention is a sliding member that slides in the presence of oil, and has a sliding portion on the surface thereof. It has the above carbon film.
本発明の一態様によれば、オイル中のすべり速度1m/sを超える高速摺動において、耐摩耗性および低摩擦性に優れる炭素膜および摺動部材を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a carbon film and a sliding member that are excellent in wear resistance and low friction in high-speed sliding at a sliding speed exceeding 1 m/s in oil.
本発明の実施の一形態について、以下に詳細に説明する。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「A~B」は、「A以上、B以下」を意味する。 One embodiment of the present invention will be described in detail below. In this specification, unless otherwise specified, "A to B" representing a numerical range means "A or more and B or less".
〔炭素膜〕
本発明の一態様に係る炭素膜は、実質的にはsp2結合およびsp3結合からなる群から選ばれる結合によって炭素原子が結合して構成される。炭素膜は、通常、sp2結合とsp3結合とが混在した非晶質の炭素膜である。炭素膜における炭素原子が有する結合は、実質的にはsp2結合およびsp3結合のみである。
[Carbon film]
A carbon film according to an aspect of the present invention is composed of carbon atoms bonded substantially by bonds selected from the group consisting of sp 2 bonds and sp 3 bonds. A carbon film is usually an amorphous carbon film in which sp 2 bonds and sp 3 bonds are mixed. Bonds possessed by carbon atoms in the carbon film are substantially only sp 2 bonds and sp 3 bonds.
[sp2結合の比率]
本実施形態において、炭素膜を構成する炭素原子が有する全結合におけるsp2結合の比率は、1%以上、25%以下である。当該sp2結合の比率が25%を超えると、耐摩耗性が不十分になることがあり、また、低摩擦性が不十分となることがある。耐摩耗性および低摩擦性の両方を十分に発現させる観点から、炭素膜におけるsp2結合の比率は、20%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましい。
[ratio of sp2 binding]
In this embodiment, the ratio of sp 2 bonds in all bonds of carbon atoms constituting the carbon film is 1% or more and 25% or less. If the proportion of sp 2 bonds exceeds 25%, wear resistance may become insufficient, and low friction properties may become insufficient. From the viewpoint of sufficiently exhibiting both wear resistance and low friction properties, the ratio of sp2 bonds in the carbon film is preferably 20% or less, more preferably 15% or less.
一方、炭素膜におけるsp2結合の比率は、耐摩耗性および低摩擦性の観点からは、低くても問題ない。他方、当該比率の下限値は、本実施形態の効果が得られる炭素膜を実現する観点、例えば成膜の条件の観点などの製造上の理由、から適宜に決めることが可能である。このような観点から、炭素膜におけるsp2結合の比率は、1%以上であってよい。炭素膜におけるsp2結合の比率は、製造条件の制御が比較的容易で、かつ十分な性能の炭素膜を製造する観点から、5%以上であることが好ましく、10%以上であることがより好ましい。 On the other hand, there is no problem even if the ratio of sp2 bonds in the carbon film is low from the viewpoint of wear resistance and low friction. On the other hand, the lower limit of the ratio can be appropriately determined from the viewpoint of realizing a carbon film that can obtain the effects of the present embodiment, for example, manufacturing reasons such as the viewpoint of film formation conditions. From this point of view, the ratio of sp 2 bonds in the carbon film may be 1% or more. The ratio of sp2 bonds in the carbon film is preferably 5% or more, more preferably 10% or more, from the viewpoint of relatively easy control of the production conditions and production of a carbon film with sufficient performance. preferable.
炭素膜における炭素原子が有するsp2結合の比率は、公知の方法を利用して測定することが可能である。本実施形態では、実施例で後述するように、透過型電子顕微鏡を用いる電子エネルギー損失分光法(TEM-EELS)により測定することができる。本実施形態では、グラファイトに特有のエネルギーにおける積分強度とダイヤモンドに特有のエネルギーの積分強度から求められる。 The ratio of sp2 bonds possessed by carbon atoms in the carbon film can be measured using a known method. In this embodiment, as described later in Examples, the measurement can be performed by electron energy loss spectroscopy (TEM-EELS) using a transmission electron microscope. In this embodiment, the integrated intensity is obtained from the integrated intensity at the energy specific to graphite and the integrated intensity at the energy specific to diamond.
炭素膜におけるsp2結合の比率は、炭素膜の製造条件によって調整することが可能である。たとえば、炭素膜におけるsp2結合の比率は、後述する製造方法におけるアーク電流の電流値がより大きいと、より高くなる傾向がある。 The ratio of sp2 bonds in the carbon film can be adjusted by the manufacturing conditions of the carbon film. For example, the ratio of sp2 bonds in the carbon film tends to be higher when the arc current value in the manufacturing method described later is higher.
前述したように、本実施形態の炭素膜は、実質的にsp2結合およびsp3結合からなる。したがって、炭素膜におけるsp2結合の比率は、sp3結合で換言することが可能である。たとえば、本実施形態の炭素膜を構成する炭素原子が有する全結合におけるsp3結合の比率は、上記の理由から75%超99%未満の範囲における任意の数値であってよい。 As described above, the carbon film of this embodiment consists essentially of sp 2 bonds and sp 3 bonds. Therefore, the proportion of sp 2 bonds in the carbon film can be rephrased in terms of sp 3 bonds. For example, the ratio of sp 3 bonds in all bonds possessed by the carbon atoms constituting the carbon film of the present embodiment may be any numerical value within the range of more than 75% and less than 99% for the reasons described above.
[消衰係数]
本実施形態の炭素膜の波長632.8nmにおける消衰係数は、0.02以上0.04以下である。消衰係数は、複素屈折率の虚部kであり、炭素膜中での光の減衰を示す値である。炭素膜は、消衰係数が小さいほど、光を吸収しにくく透明性が高い傾向を有する。消衰係数は、炭素膜におけるsp2結合の比率、アルゴンおよび水素等の炭素以外の元素の含有量、並びに、欠陥(例えば、原子空孔等)の密度と相関があり、これらが小さいほど、消衰係数が小さくなる傾向がある。光学定数である消衰係数kは波長の関数であり、波長によって異なる値をとる。本発明においては、波長632.8nmにおける消衰係数の値を、本実施形態の炭素膜の消衰係数の代表的な値として用いる。以下に記載の消衰係数は、波長を記載していない場合は、当該炭素膜の波長632.8nmにおける消衰係数を示す。当該消衰係数が0.04よりも大きいと、耐摩耗性が不十分になることがあり、また、低摩擦性が不十分となることがある。耐摩耗性および低摩擦性の両方を十分に発現させる観点から、消衰係数は、0.035以下であることが好ましく、0.03以下であることがより好ましい。
[Extinction coefficient]
The carbon film of this embodiment has an extinction coefficient of 0.02 or more and 0.04 or less at a wavelength of 632.8 nm. The extinction coefficient is the imaginary part k of the complex index of refraction, and is a value that indicates the attenuation of light in the carbon film. The smaller the extinction coefficient of the carbon film, the less likely it is to absorb light and the more transparent it tends to be. The extinction coefficient is correlated with the ratio of sp2 bonds in the carbon film, the content of elements other than carbon such as argon and hydrogen, and the density of defects (such as atomic vacancies). Extinction coefficient tends to be small. The extinction coefficient k, which is an optical constant, is a function of wavelength and takes different values depending on the wavelength. In the present invention, the value of the extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm is used as a representative value of the extinction coefficient of the carbon film of this embodiment. The extinction coefficients described below indicate the extinction coefficient of the carbon film at a wavelength of 632.8 nm, unless the wavelength is indicated. If the extinction coefficient is larger than 0.04, the wear resistance may become insufficient, and the low friction properties may become insufficient. From the viewpoint of sufficiently exhibiting both wear resistance and low friction properties, the extinction coefficient is preferably 0.035 or less, more preferably 0.03 or less.
一方、上記消衰係数は、耐摩耗性および低摩擦性の観点からは、低ければ低いほど望ましいが、当該比率の下限値は、本実施形態の効果が得られる炭素膜を実現する観点、例えば成膜の条件の観点などの製造上の理由、から適宜に決めることが可能である。このような観点から、炭素膜における消衰係数は、0.02以上であってよい。上記消衰係数は、製造条件の制御が比較的容易で、かつ十分な性能の炭素膜を製造する観点から、0.025以上であることが好ましい。 On the other hand, from the viewpoint of wear resistance and low friction, the lower the extinction coefficient, the better. It can be determined as appropriate from manufacturing reasons such as film formation conditions. From this point of view, the carbon film may have an extinction coefficient of 0.02 or more. The extinction coefficient is preferably 0.025 or more from the viewpoint of relatively easy control of the production conditions and production of a carbon film with sufficient performance.
炭素膜の消衰係数は、公知の技術によって測定することが可能である。炭素膜の消衰係数は、例えば、光干渉式膜厚計または分光エリプロメータを用いて測定することが可能である。 The extinction coefficient of the carbon film can be measured by known techniques. The extinction coefficient of a carbon film can be measured using, for example, an optical interference film thickness gauge or a spectroscopic ellipsometer.
炭素膜における消衰係数は、炭素膜の製造条件によって調整することが可能である。たとえば、消衰係数は、後述する製造方法におけるアーク放電の電流値、基材の温度、または不活性ガスの供給量がより大きいと、より高くなる傾向がある。 The extinction coefficient of the carbon film can be adjusted by the manufacturing conditions of the carbon film. For example, the extinction coefficient tends to be higher when the current value of the arc discharge, the temperature of the substrate, or the supply amount of the inert gas in the manufacturing method described later is higher.
[水素含有量]
本実施形態の炭素膜の水素含有量は、5原子%以下である。炭素膜の水素含有量が5原子%を超えると、炭素膜における炭素原子間の結合に供さない結合が多くなり、硬さなどのDLC膜としての十分な機械的特性を発現しないことがある。当該機械的特性を十分に発現させる観点から、炭素膜の水素含有量は、3原子%以下であることが好ましく、2原子%以下であることがより好ましい。
[Hydrogen content]
The hydrogen content of the carbon film of this embodiment is 5 atomic % or less. If the hydrogen content of the carbon film exceeds 5 atomic %, the number of bonds that are not used for bonding between carbon atoms in the carbon film increases, and sufficient mechanical properties such as hardness as a DLC film may not be exhibited. . From the viewpoint of sufficiently expressing the mechanical properties, the hydrogen content of the carbon film is preferably 3 atomic % or less, more preferably 2 atomic % or less.
炭素膜の水素含有量は、上記の機械的特性の観点からは低いほど好ましいが、本実施形態における当該水素含有量の下限値は、例えば成膜の条件の観点などの製造上の理由、から適宜に決めることが可能である。たとえば、炭素膜の水素含有量は、比較的容易に製造条件を制御可能な観点から、1原子%以上であってよい。 From the viewpoint of the above mechanical properties, the hydrogen content of the carbon film is preferably as low as possible. It can be determined as appropriate. For example, the hydrogen content of the carbon film may be 1 atomic % or more from the viewpoint of relatively easily controlling the manufacturing conditions.
炭素膜の水素含有量は、公知の技術によって求めることが可能である。たとえば、本実施形態の炭素膜の水素含有量は、実施例で後述するように、特許文献1に記載されているラザフォード後方散乱分析(RBS)と水素前方散乱分析(HFS)とを含むRBS/HFS分析法により測定することができる。 The hydrogen content of the carbon film can be determined by a known technique. For example, the hydrogen content of the carbon film of the present embodiment can be determined by RBS/ It can be measured by HFS analytical method.
本実施形態において、炭素膜の水素含有量は、炭素膜の製造条件によって調整することが可能である。本実施形態の炭素膜の水素含有量は、例えば、後述する製造方法における、成膜雰囲気における初期の真空度の値がより大きいと、より多くなる傾向がある。 In this embodiment, the hydrogen content of the carbon film can be adjusted by adjusting the manufacturing conditions of the carbon film. The hydrogen content of the carbon film of the present embodiment tends to increase, for example, when the initial degree of vacuum in the film-forming atmosphere in the manufacturing method described later is higher.
[硬度]
炭素膜の硬度は、本実施形態の効果が得られる範囲において、適宜に決定することが可能である。炭素膜の硬度は、低すぎると所期の用途で用いることができなくなることがある。前述したオイルの存在下で摺動する摺動部材に用いられる観点から、炭素膜の硬度は、40GPa以上であることが好ましく、45GPa以上であることがより好ましく、50GPa以上であることがさらに好ましい。
[hardness]
The hardness of the carbon film can be appropriately determined within the range in which the effects of the present embodiment can be obtained. If the hardness of the carbon film is too low, it may become impossible to use it for the intended purpose. From the viewpoint of being used for the sliding member that slides in the presence of oil, the hardness of the carbon film is preferably 40 GPa or more, more preferably 45 GPa or more, and even more preferably 50 GPa or more. .
また、炭素膜の硬度は、所期の機械的特性を発現させる観点からは、高くてよいが、膜の形態で実現可能な範囲に決定することができる。たとえば、炭素膜の硬度は、製造条件の制御が比較的容易な観点から、80GPa以下であってよく、70GPa以下であってよく、60GPa以下であってもよい。 Further, the hardness of the carbon film may be high from the viewpoint of expressing the desired mechanical properties, but it can be determined within a range that can be realized in the form of the film. For example, the hardness of the carbon film may be 80 GPa or less, 70 GPa or less, or 60 GPa or less from the viewpoint of relatively easy control of manufacturing conditions.
炭素膜の硬度は、膜の硬度を測定する公知の方法によって測定することが可能である。たとえば、炭素膜の硬度は、実施例でも後述するように、ナノインデンテーションによって測定することが可能である。 The hardness of the carbon film can be measured by a known method for measuring film hardness. For example, the hardness of a carbon film can be measured by nanoindentation, as described later in Examples.
炭素膜の硬度は、炭素膜の製造条件によって調整することが可能である。たとえば、炭素膜の硬度は、炭素膜の製造において基材の温度を高くすると、低くなる傾向にある。 The hardness of the carbon film can be adjusted by the manufacturing conditions of the carbon film. For example, the hardness of the carbon film tends to decrease as the temperature of the base material increases in the production of the carbon film.
[膜厚]
炭素膜の膜厚は、本実施形態の効果が得られる範囲において、適宜に決定することが可能である。炭素膜の膜厚は、薄すぎると機械的特性を始め、本実施形態の効果が所期の程度まで十分に発現されないことがある。炭素膜の膜厚は、厚すぎると、摺動部材の摺動部に形成したときに過度の内部応力がかかり、炭素膜の破損または摺動部材の作動不良が生じることがある。
[Thickness]
The film thickness of the carbon film can be appropriately determined within the range in which the effects of the present embodiment can be obtained. If the film thickness of the carbon film is too thin, the effects of the present embodiment, including the mechanical properties, may not be fully exhibited to the desired extent. If the film thickness of the carbon film is too thick, excessive internal stress is applied when it is formed on the sliding portion of the sliding member, which may cause breakage of the carbon film or malfunction of the sliding member.
所期の用途において所期の特性を十分に発現させる観点から、炭素膜の膜厚は、0.03μm以上であることが好ましく、0.5μm以上であることがより好ましく、1μm以上であることがさらに好ましい。また、同様の観点から、炭素膜の膜厚は、50μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることがさらに好ましい。 From the viewpoint of sufficiently expressing the desired characteristics in the intended use, the film thickness of the carbon film is preferably 0.03 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and 1 μm or more. is more preferred. From the same viewpoint, the film thickness of the carbon film is preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and even more preferably 20 μm or less.
炭素膜の膜厚は、公知の方法によって測定することが可能である。また、炭素膜の膜厚は、炭素膜の製造条件によって調整することが可能である。たとえば、炭素膜の膜厚は、後述する製造における成膜時間を長くすると、厚くすることができる。 The film thickness of the carbon film can be measured by a known method. Also, the film thickness of the carbon film can be adjusted by the manufacturing conditions of the carbon film. For example, the film thickness of the carbon film can be increased by lengthening the film formation time in manufacturing, which will be described later.
[膜構造]
本実施形態の炭素膜は、本実施形態の効果が得られる範囲において様々な形態であってよい。たとえば、本実施形態の炭素膜は、単層構造であっても多層構造であってもよい。炭素膜が多層構造を有する場合では、炭素膜が全体で前述の物性を有していればよく、前述の数値範囲から外れる層を含んでいてもよい。また、炭素膜が全体で前述の物性を有していれば、炭素膜の膜厚方向において物性の偏りがあってもよい。たとえば、炭素膜の一方の面と他方の面との間で水素含有量が異なっていてもよい。
[Membrane structure]
The carbon film of this embodiment may have various forms as long as the effects of this embodiment can be obtained. For example, the carbon film of this embodiment may have a single-layer structure or a multi-layer structure. When the carbon film has a multi-layered structure, the carbon film as a whole should have the physical properties described above, and may include layers outside the numerical ranges described above. Moreover, as long as the carbon film as a whole has the physical properties described above, the physical properties may be uneven in the film thickness direction of the carbon film. For example, the hydrogen content may differ between one side and the other side of the carbon film.
[炭素膜の製造方法]
本実施形態の炭素膜は、特許文献1に記載されているような公知の方法によって製造することが可能である。たとえば、炭素膜は、真空環境下で陰極アーク放電によって炭素源から炭素原子を基材に蒸着させることによって製造することができる。このような製造方法は、真空アーク蒸着装置(アーク式イオンプレーティング装置)を用いて実施することが可能である。炭素源には炭素電極が好適に用いられる。
[Method for producing carbon film]
The carbon membrane of this embodiment can be produced by a known method as described in Patent Document 1. For example, carbon films can be produced by depositing carbon atoms from a carbon source onto a substrate by cathodic arc discharge in a vacuum environment. Such a manufacturing method can be carried out using a vacuum arc vapor deposition apparatus (arc ion plating apparatus). A carbon electrode is preferably used as the carbon source.
真空アーク蒸着装置は、陰極材料の数μm~数十μm程度のマクロパーティクル(粗大粒子)が基材に付着することを抑制する観点から、磁気フィルタを有することが好ましい。 The vacuum arc vapor deposition apparatus preferably has a magnetic filter from the viewpoint of suppressing adhesion of macroparticles (coarse particles) of the cathode material of about several μm to several tens of μm to the substrate.
当該製造方法では、アーク放電を安定化させる観点から、アルゴンガスおよびヘリウムガスなどの不活性ガスを導入してもよい。不活性ガスの供給量は、アーク放電の安定化の観点、および、成膜雰囲気における所期の真空度を達成する観点、から、0~5sccmの範囲から適宜に決めることができる。 In the manufacturing method, an inert gas such as argon gas and helium gas may be introduced from the viewpoint of stabilizing the arc discharge. The supply amount of the inert gas can be appropriately determined in the range of 0 to 5 sccm from the viewpoint of stabilizing the arc discharge and achieving the desired degree of vacuum in the film forming atmosphere.
不活性ガスの導入は、膜中への不活性ガス元素の取り込みを防止し、前述の消衰係数を有する炭素膜を得る観点から、少ない方が好ましい。また、sp2成分の比率を小さくし、硬度の高い膜を得る観点からも、不活性ガスの導入が少ない方が好ましい。 From the viewpoint of preventing incorporation of inert gas elements into the film and obtaining a carbon film having the aforementioned extinction coefficient, the amount of inert gas introduced is preferably as small as possible. In addition, from the viewpoint of reducing the ratio of the sp2 component and obtaining a film with high hardness, it is preferable to introduce less inert gas.
成膜時における基材の温度は、通常、アーク放電の電流に応じて決まり、当該電流が大きいほど高くなる傾向になる。また、成膜時の基材の温度が高すぎると、所望の物性を有する炭素膜が製造されないことがある。炭素膜の所望の物性を実現する観点から、成膜中の基材の温度が、100℃を超えないように適宜に決めてよい。なお、基材の温度が100℃を超えないように、成膜を途中で中断して基材の温度を下げる冷却工程を実施してもよい。 The temperature of the substrate during film formation is usually determined according to the arc discharge current, and tends to increase as the current increases. Also, if the temperature of the substrate during film formation is too high, a carbon film having desired physical properties may not be produced. From the viewpoint of realizing the desired physical properties of the carbon film, the temperature of the substrate during film formation may be appropriately determined so as not to exceed 100°C. In addition, a cooling step may be performed to interrupt the film formation and lower the temperature of the substrate so that the temperature of the substrate does not exceed 100°C.
同様に、アーク放電の電流は、炭素膜の所望の物性を実現する観点から、30~80Aの範囲から適宜に決めてよい。電流が大きいと、基材の温度を上記の温度範囲に保つために、冷却工程を長くするか、あるいは成膜と冷却とを短時間で繰り返す必要がある。また、成膜雰囲気の圧力は、アーク放電による炭素の真空蒸着を実現可能な範囲において適宜に決めることができ、例えば0.001~0.01Paの範囲から適宜に決めてよい。 Similarly, the arc discharge current may be appropriately determined from the range of 30 to 80 A from the viewpoint of realizing the desired physical properties of the carbon film. If the current is large, it is necessary to lengthen the cooling process or repeat film formation and cooling in a short period of time in order to maintain the substrate temperature within the above temperature range. Also, the pressure of the film-forming atmosphere can be appropriately determined within a range in which vacuum vapor deposition of carbon by arc discharge can be realized, and may be appropriately determined within the range of 0.001 to 0.01 Pa, for example.
〔摺動部材〕
本発明の一実施形態における摺動部材は、オイルの存在下での摺動に供される摺動部材であって、その表面における摺動する部分に、本実施形態の炭素膜を有する。摺動部材は、本実施形態の炭素膜と、当該炭素膜をその表面に担持する基材とによって構成され得る。
[Sliding member]
A sliding member according to one embodiment of the present invention is a sliding member that slides in the presence of oil, and has the carbon film of this embodiment on the sliding portion of the surface thereof. The sliding member can be composed of the carbon film of the present embodiment and a substrate carrying the carbon film on its surface.
基材は、摺動部材として用いられる部材であればよい。基材の材料および形状は、摺動部材として用いられる範囲において適宜に決めることができる。また、基材の少なくとも炭素膜を担持する部分は、炭素膜を直接形成する観点から、導電性を有することが好ましい。基材の材料の例には、鉄、鋳鉄、超硬合金、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼およびアルミニウム合金が含まれる。 The base material may be any member as long as it is used as a sliding member. The material and shape of the base material can be appropriately determined within the range of use as the sliding member. In addition, at least the portion of the substrate supporting the carbon film preferably has conductivity from the viewpoint of directly forming the carbon film. Examples of substrate materials include iron, cast iron, cemented carbide, chrome molybdenum steel, stainless steel and aluminum alloys.
また、基材は、少なくとも炭素膜を担持する部分に、硬度を高める処理が施されてもよい。たとえば、基材は、少なくとも炭素膜を担持する部分に、硬質皮膜またはめっき層を有していてもよい。硬質皮膜の例には、金属窒化物の被膜、金属炭窒化物の被膜、および、金属炭化物の被膜が含まれ、金属窒化物の例には、窒化クロムおよび窒化チタンが含まれる。あるいは、基材が鉄系材料の場合では、基材の当該部分には、焼入焼戻しなどの硬化処理、浸炭処理、または窒化処理が施されてもよい。 In addition, the base material may be subjected to a treatment for increasing hardness, at least at the portion supporting the carbon film. For example, the base material may have a hard coating or a plated layer at least on the portion supporting the carbon film. Examples of hard coatings include metal nitride coatings, metal carbonitride coatings, and metal carbide coatings; examples of metal nitrides include chromium nitride and titanium nitride. Alternatively, when the base material is a ferrous material, the portion of the base material may be subjected to hardening treatment such as quenching and tempering, carburizing treatment, or nitriding treatment.
さらに、基材は、炭素膜をより強固に担持する観点から、基材と炭素膜との間に、層間接着強度を高めるための中間層を設けてもよい。中間層の材料の例には、Cr、Ti、Co、V、MoおよびWからなる群から選ばれる一つ以上の元素、それらの炭化物、窒化物および、炭窒化物、ならびに、SiC、からなる群から選ばれる一以上の成分が含まれる。 Further, the substrate may have an intermediate layer between the substrate and the carbon film for increasing interlayer adhesion strength from the viewpoint of supporting the carbon film more firmly. Examples of intermediate layer materials include one or more elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Co, V, Mo and W, their carbides, nitrides and carbonitrides, and SiC. One or more ingredients selected from the group are included.
中間層は、アークイオンプレーティング法、スパッタリング法およびプラズマCVD法などの公知の方法によって、基材の表面に形成することが可能である。中間層の厚さは、基材の表面および炭素膜との両方に対して十分な密着性を発現する範囲において適宜に決めることができ、例えば、0.010~0.6μmの範囲において適宜に決めてよい。 The intermediate layer can be formed on the surface of the substrate by known methods such as arc ion plating, sputtering and plasma CVD. The thickness of the intermediate layer can be appropriately determined within a range that exhibits sufficient adhesion to both the surface of the base material and the carbon film. You can decide.
本実施形態の摺動部材は、オイルの存在下で高速で摺動する部材として優れた摺動性と耐久性とを発現する。本実施形態の摺動部材は、オイルの存在下で高速で摺動する用途で用いられる部材であることが好ましく、当該摺動部材の例には、自動車部品および機械部品が含まれる。自動車部品の例には、カム、シム、バルブリフタ、プランジャおよびピストンリングが含まれる。機械部品の例には、シャフト、ベアリングおよび歯車が含まれる。 The sliding member of this embodiment exhibits excellent slidability and durability as a member that slides at high speed in the presence of oil. The sliding member of the present embodiment is preferably a member used for applications that slide at high speed in the presence of oil, and examples of the sliding member include automobile parts and machine parts. Examples of automotive parts include cams, shims, valve lifters, plungers and piston rings. Examples of mechanical parts include shafts, bearings and gears.
なお、摺動部材の使用時に介在するオイルは、限定されないが、通常、潤滑油である。当該オイルは、液体であっても固体であってもよく、その成分も限定されない。当該オイルは、摺動部材の用途に応じて適宜に決めることができる。たとえば、摺動部材が内燃機関のエンジン内の部品である場合では、当該オイルは、エンジンオイルである。 The oil that intervenes when the sliding member is used is not limited, but is usually lubricating oil. The oil may be liquid or solid, and its composition is not limited. The oil can be appropriately determined according to the use of the sliding member. For example, if the sliding member is a component within an internal combustion engine, the oil is engine oil.
〔作用効果〕
本実施形態の炭素膜において、sp2結合の比率は1%以上25%以下であり、波長632.8nmにおける消衰係数は0.02以上0.04以下であり、水素含有量は5原子%以下である。実施例で後述するように、本実施形態の炭素膜は、上記の物性を有することから、特にオイル存在下の高速摺動において、優れた低摩擦性および耐摩耗性を呈する。
[Effect]
In the carbon film of the present embodiment, the ratio of sp2 bonds is 1% or more and 25% or less, the extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm is 0.02 or more and 0.04 or less, and the hydrogen content is 5 atomic %. It is below. As will be described later in Examples, the carbon film of the present embodiment exhibits excellent low friction and wear resistance, especially in high-speed sliding in the presence of oil, because of the physical properties described above.
また、本実施形態の炭素膜は、十分に高い硬度と十分な膜厚とを有することにより、使用時に摺動する種々の機械部品に適用することができる。 In addition, the carbon film of the present embodiment has sufficiently high hardness and sufficient film thickness, so that it can be applied to various mechanical parts that slide during use.
このような炭素膜を少なくとも摺動する部分に有することにより、上記の機械部品に好適な摺動部材を構成することが可能である。 By having such a carbon film on at least the sliding portion, it is possible to construct a sliding member suitable for the above-described mechanical component.
〔まとめ〕
本発明の実施形態における炭素膜は、sp2結合およびsp3結合からなる群から選ばれる結合によって炭素原子が結合して構成される。そして、炭素膜を構成する炭素原子が有する全結合におけるsp2結合の比率は、1%以上、25%以下であり、波長632.8nmにおける消衰係数は、0.02以上、0.04以下であり、水素含有量は、5原子%以下である。よって、本発明の実施形態は、オイル中のすべり速度1m/sを超える高速摺動において耐摩耗性および低摩擦性に優れる炭素膜を提供することができる。
〔summary〕
The carbon film in the embodiment of the present invention is composed of carbon atoms bonded by bonds selected from the group consisting of sp 2 bonds and sp 3 bonds. The ratio of sp2 bonds in all bonds of the carbon atoms constituting the carbon film is 1% or more and 25% or less, and the extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm is 0.02 or more and 0.04 or less. and the hydrogen content is 5 atomic % or less. Therefore, the embodiment of the present invention can provide a carbon film that is excellent in wear resistance and low friction in high-speed sliding at a sliding speed exceeding 1 m/s in oil.
本発明の実施形態の炭素膜において、水素含有量が3原子%以下であることは、炭素膜の機械的特性を十分に発現させる観点からより一層効果的である。 In the carbon film of the embodiment of the present invention, the hydrogen content of 3 atomic % or less is more effective from the viewpoint of sufficiently expressing the mechanical properties of the carbon film.
本発明の実施形態の炭素膜において、硬度が40GPa以上80GPa以下であることは、炭素膜の所期の用途に応じた機械的特性を十分に発現させる観点からより一層効果的である。 In the carbon film of the embodiment of the present invention, a hardness of 40 GPa or more and 80 GPa or less is more effective from the viewpoint of sufficiently expressing the mechanical properties according to the intended use of the carbon film.
本発明の実施形態の炭素膜において、膜厚が0.03μm以上50μm以下であることは、炭素膜を所期の用途で適用する観点からより一層効果的である。 In the carbon film of the embodiment of the present invention, the film thickness of 0.03 μm or more and 50 μm or less is more effective from the viewpoint of applying the carbon film to the intended use.
本発明の実施形態における摺動部材は、オイルの存在下での摺動に供される摺動部材であり、その表面における摺動する部分に上記の炭素膜を有する。よって、本発明の実施形態は、耐摩耗性および低摩擦性に優れる炭素膜および摺動部材を提供することができる。 The sliding member in the embodiment of the present invention is a sliding member that slides in the presence of oil, and has the carbon film on the sliding portion of its surface. Therefore, the embodiments of the present invention can provide carbon films and sliding members that are excellent in wear resistance and low friction.
本発明は上述した各実施形態に限定されず、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples.
〔基材の準備〕
前述の基材として、基板(円板状、材質SCM415、径:32mm、厚さ:3mm)を用意した。
[Preparation of base material]
A substrate (disc-shaped, material SCM415, diameter: 32 mm, thickness: 3 mm) was prepared as the base material described above.
〔実施例1〕
上記の基板を洗浄し、当該基板に付着していた防錆油などの汚れを除去した。洗浄した基板を成膜治具に取り付け、当該成膜治具を、真空アーク蒸着装置の成膜室(チャンバ)に設置した自公転ターンテーブルの一軸に設置した。そして、チャンバの圧力が0.05Paになるまでチャンバ内を真空排気した後、チャンバ内のヒータにより、基板を180℃で30分間加熱した。その後、ヒータによる加熱をやめ、チャンバの圧力が0.002Paになるまでチャンバ内を排気した。
[Example 1]
The substrate was washed to remove stains such as rust preventive oil adhering to the substrate. The cleaned substrate was attached to a film forming jig, and the film forming jig was placed on one axis of a rotating/revolving turntable installed in a film forming chamber of a vacuum arc vapor deposition apparatus. After the chamber was evacuated to a pressure of 0.05 Pa, the substrate was heated at 180° C. for 30 minutes with a heater in the chamber. After that, heating by the heater was stopped, and the inside of the chamber was evacuated until the chamber pressure reached 0.002 Pa.
チャンバ内にアルゴンガスを5sccmで流し、基板にバイアス電圧を-700V印加した状態で、クロムカソードにアーク電流45Aを3分間流し、クロムイオンにより基板の表面をエッチングした。 Argon gas was flowed into the chamber at 5 sccm, and a bias voltage of -700 V was applied to the substrate, and an arc current of 45 A was passed through the chromium cathode for 3 minutes to etch the surface of the substrate with chromium ions.
チャンバ内の圧力が0.001Pa以下になるまで真空排気した後、アーク放電の放電電流を40Aとして、アーク放電によって炭素カソード(炭素98原子%以上)を蒸発させながら基板の表面に炭素膜1を形成した。炭素膜1の製造時における基板のバイアスは-50Vであり、基板の温度が100℃を超えないように、途中で成膜を中断し、成膜と冷却を繰り返しながら、膜厚が約1μmになるように炭素膜を形成した。 After evacuating the chamber to a pressure of 0.001 Pa or less, the discharge current of the arc discharge is set to 40 A, and the carbon film 1 is formed on the surface of the substrate while evaporating the carbon cathode (98 atomic % or more of carbon) by arc discharge. formed. The bias of the substrate during the production of the carbon film 1 was −50 V, and the film formation was interrupted halfway so that the temperature of the substrate did not exceed 100° C., and the film thickness was reduced to about 1 μm while repeating film formation and cooling. A carbon film was formed so as to
〔実施例2〕
炭素膜成膜時の基板の温度が70℃を超えないように、成膜と冷却を繰り返した以外は、実施例1と同様にして基板の表面に炭素膜2を形成した。
[Example 2]
A carbon film 2 was formed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1, except that the film formation and cooling were repeated so that the temperature of the substrate during the carbon film formation did not exceed 70°C.
〔実施例3〕
炭素膜成膜時の基板の温度が55℃を超えないように、成膜と冷却を繰り返した以外は、実施例1と同様にして基板の表面に炭素膜3を形成した。
[Example 3]
A carbon film 3 was formed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1, except that the film formation and cooling were repeated so that the temperature of the substrate during the carbon film formation did not exceed 55°C.
〔実施例4〕
炭素膜成膜時のアーク放電時にアルゴンガスを2sccmの流量でチャンバに導入し、基板バイアス電圧を0Vとする以外は、実施例1と同様にして基板の表面に炭素膜4を形成した。
[Example 4]
A carbon film 4 was formed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1, except that argon gas was introduced into the chamber at a flow rate of 2 sccm during arc discharge during carbon film formation, and the substrate bias voltage was set to 0V.
〔比較例1〕
炭素膜成膜時のアーク放電時にアルゴンガスを8sccmの流量でチャンバに導入し、基板冷却のための中断を行わず連続で成膜する以外は、実施例1と同様にして基板の表面に炭素膜C1を形成した。炭素膜C1の製造時における基板の最高温度は178℃であった。
[Comparative Example 1]
Carbon was deposited on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1, except that argon gas was introduced into the chamber at a flow rate of 8 sccm during arc discharge during the formation of the carbon film, and the film was continuously formed without interruption for cooling the substrate. A film C1 was formed. The maximum temperature of the substrate during the production of the carbon film C1 was 178°C.
〔比較例2〕
炭素膜成膜時のアーク放電の放電電流を80Aとし、アーク放電時にアルゴンガスを8sccmの流量でチャンバに導入し、基板のバイアスを-150Vとし、基板冷却のための中断を行わず連続で成膜する以外は、実施例1と同様にして基板の表面に炭素膜C2を形成した。炭素膜C2の製造時における基板の最高温度は250℃であった。
[Comparative Example 2]
The discharge current of the arc discharge during the carbon film formation was set to 80 A, argon gas was introduced into the chamber at a flow rate of 8 sccm during the arc discharge, the bias of the substrate was set to -150 V, and the substrate was cooled continuously without interruption. A carbon film C2 was formed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1 except that the film was formed. The maximum temperature of the substrate during the production of the carbon film C2 was 250.degree.
〔比較例3〕
炭素膜成膜時の基板のバイアス電圧を0Vとし、基板冷却のための中断を行わず連続で成膜する以外は、実施例1と同様にして基板の表面に炭素膜C3を形成した。炭素膜C3の製造時における基板の最高温度は150℃であった。
[Comparative Example 3]
A carbon film C3 was formed on the surface of the substrate in the same manner as in Example 1 except that the bias voltage of the substrate during the carbon film formation was set to 0 V and the film was formed continuously without interruption for cooling the substrate. The maximum temperature of the substrate during the production of the carbon film C3 was 150.degree.
〔評価〕
実施例1~4および比較例1~3で得られた炭素膜1~4およびC1~C3について、以下の項目の評価を行った。
〔evaluation〕
The following items were evaluated for the carbon films 1 to 4 and C1 to C3 obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3.
(1)sp2結合比率
炭素膜のsp2結合とsp3結合との比率を、走査透過型電子顕微鏡を用いる電子エネルギー損失分光法(TEM-EELS)により測定した。
(1) sp 2 bond ratio The ratio of sp 2 bonds to sp 3 bonds in carbon films was measured by electron energy loss spectroscopy (TEM-EELS) using a scanning transmission electron microscope.
より具体的には、炭素膜について、0.3eV以下のエネルギー間隔にて電子エネルギー損失スペクトルデータを取得し、284.1~285.6eVの積分強度(Sπ)および292.8~294.3eVの積分強度(Sσ)を求めた。 More specifically, for the carbon film, electron energy loss spectrum data was obtained at an energy interval of 0.3 eV or less, and the integrated intensity (Sπ) of 284.1 to 285.6 eV and 292.8 to 294.3 eV The integrated intensity (Sσ) was determined.
また、グラファイトおよびダイヤモンドについて、別途、同様に電子エネルギー損失スペクトルデータを取得した。そして、グラファイトの284.1~285.6eVの積分強度(Sgπ)および292.8~294.3eVの積分強度(Sgσ)を求めた。また、ダイヤモンドの284.1~285.6eVの積分強度(Sdπ)および292.8~294.3eVの積分強度(Sdσ)を求めた。 Separately, electron energy loss spectrum data was similarly obtained for graphite and diamond. Then, the integrated intensity of graphite from 284.1 to 285.6 eV (Sgπ) and the integrated intensity from 292.8 to 294.3 eV (Sgσ) were obtained. Also, the integrated intensity (Sdπ) of 284.1 to 285.6 eV and the integrated intensity (Sdσ) of 292.8 to 294.3 eV of diamond were obtained.
上記で得られた積分強度から、下記式(1)より、炭素膜のsp3結合の比率を算出した。
sp3結合の比率〔%〕=[(Sgπ/Sgσ)-(Sπ/Sσ)]/[(Sgπ/Sgσ)-(Sdπ/Sdσ)]×100 (1)
また、下記式(2)より、炭素膜のsp2結合の比率を算出した。
sp2結合の比率〔%〕=100-sp3結合の比率〔%〕 (2)
(2)炭素膜の消衰係数
炭素膜の消衰係数の測定には、FILMETRICS株式会社の光干渉式膜厚計を用いた。炭素膜の光学定数のモデルには、Cauchyを用い、測定タイプは反射率測定、入射角は0度、偏光はTEとし、Fitting Errorが0.001以下になるまで、フィッティングを行い、炭素膜の波長632.8nmにおける消衰係数を求めた。
From the integrated intensity obtained above, the ratio of sp 3 bonds in the carbon film was calculated from the following formula (1).
Ratio of sp 3 bonds [%]=[(Sgπ/Sgσ)−(Sπ/Sσ)]/[(Sgπ/Sgσ)−(Sdπ/Sdσ)]×100 (1)
Also, the ratio of sp 2 bonds in the carbon film was calculated from the following formula (2).
Proportion of sp 2 bonds [%] = 100-ratio of sp 3 bonds [%] (2)
(2) Extinction Coefficient of Carbon Film For measuring the extinction coefficient of the carbon film, an optical interferometric thickness gauge manufactured by FILMETRICS Co., Ltd. was used. Cauchy is used as the model of the optical constants of the carbon film, the measurement type is reflectance measurement, the incident angle is 0 degrees, and the polarization is TE. An extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm was obtained.
(3)炭素膜の水素含有量
基板の平滑な面に形成された炭素膜に対してRBS/HFS分析法を適用し、炭素膜の水素含有量を測定した。基板における同一の平滑な面に形成された炭素膜から測定された3点の測定値の平均値を算出し、当該炭素膜の水素含有量とした。
(3) Hydrogen content of carbon film The RBS/HFS analysis method was applied to the carbon film formed on the smooth surface of the substrate to measure the hydrogen content of the carbon film. The hydrogen content of the carbon film was calculated by calculating the average value of the measured values at three points from the carbon film formed on the same smooth surface of the substrate.
(4)炭素膜の硬度
炭素膜の硬度は、株式会社エリオニクス製ナノインデンターENT1100aを用い、荷重300mgf(2.94mN)、荷重分割数500ステップ、荷重負荷時間1秒間の条件で測定した。
(4) Hardness of Carbon Film The hardness of the carbon film was measured using a nanoindenter ENT1100a manufactured by Elionix Co., Ltd. under the conditions of a load of 300 mgf (2.94 mN), a load division number of 500 steps, and a load application time of 1 second.
(5)摩擦係数および摩耗深さ
炭素膜を有する基板を用いて、以下の試験条件下で摩擦摩耗試験を行い、基板上の炭素膜で摺動するように、低速摺動下(10rpm)および高速摺動下(600rpm)における炭素膜の摩擦係数および摩耗深さを測定した。表2には、600rpmの摩擦係数および摩耗深さを示す。摩擦係数は60分間の試験中の平均値である。なお、上記の低速摺動における基板の移動速度は21mm/秒であり、上記の高速摺動における基板の移動速度は1257mm/秒である。600rpmの摩擦係数が0.030以下であれば、エンジン油存在下での高速摺動において優れた低摩擦性を有すると判断することができる。
(5) Friction coefficient and wear depth Using a substrate having a carbon film, a friction wear test was performed under the following test conditions, and the carbon film on the substrate was slid under low speed (10 rpm) and The friction coefficient and wear depth of the carbon film under high-speed sliding (600 rpm) were measured. Table 2 shows the friction coefficient and wear depth at 600 rpm. The coefficient of friction is the average value during the 60 minute test. The moving speed of the substrate in the low-speed sliding is 21 mm/sec, and the moving speed of the substrate in the high-speed sliding is 1257 mm/sec. If the coefficient of friction at 600 rpm is 0.030 or less, it can be judged to have excellent low friction properties in high-speed sliding in the presence of engine oil.
(試験条件)
試験装置:ブロックオンリング式回転摺動試験装置(リングが一方向に回転)
リング:材質FCD600(JIS G 5502準拠 球状黒鉛鋳鉄品)、外径40mm、内径30mm、幅20mm
回転数:10rpmおよび600rpm
試験時間:60分間
試験温度:40~50℃
面圧:0.23MPa
潤滑油:基板上の炭素膜の表面に、5秒間に1滴の速度で、潤滑油(0W-20、MoDTC含有)を滴下
600rpmで60分間の試験を行ったのちに、基板上の炭素膜の表面に形成されたリング幅20mmの摺動痕を垂直に横切るように、未摺動部から摺動部、再び未摺動部にかけて触針式表面粗さ計の針を走査し、未摺動部と摺動部との段差を測定した。測定は、1つの摺動痕に対し3箇所行い、段差の平均値を当該炭素膜の摩耗深さとした。摩耗深さが0.04μm以下であれば、エンジン油存在下での高速摺動において優れた耐摩耗性を有すると判断することができる。
(Test condition)
Test equipment: Block-on-ring type rotary sliding test equipment (ring rotates in one direction)
Ring: Material FCD600 (JIS G 5502 compliant spheroidal graphite cast iron), outer diameter 40 mm, inner diameter 30 mm, width 20 mm
Rotation speed: 10rpm and 600rpm
Test time: 60 minutes Test temperature: 40-50°C
Surface pressure: 0.23 MPa
Lubricating oil: Lubricating oil (0W-20, containing MoDTC) is dropped on the surface of the carbon film on the substrate at a rate of 1 drop per 5 seconds. The needle of the stylus type surface roughness meter is scanned from the non-sliding part to the sliding part and again to the non-sliding part so as to vertically cross the sliding mark with a ring width of 20 mm formed on the surface of the non-sliding surface. The step between the moving part and the sliding part was measured. The measurement was performed at three points for one sliding mark, and the average value of the steps was taken as the wear depth of the carbon film. If the wear depth is 0.04 μm or less, it can be judged to have excellent wear resistance in high-speed sliding in the presence of engine oil.
炭素膜1~4およびC1~C3の製造条件を表1に示す。また、炭素膜1~4およびC1~C3の物性、および高速での摩擦摩耗試験結果を表2に示す。さらに、炭素膜1および炭素膜C1の、低速摺動下および高速摺動下における摩擦係数を表3に示す。 Table 1 shows the manufacturing conditions of carbon films 1 to 4 and C1 to C3. Table 2 shows the physical properties of carbon films 1 to 4 and C1 to C3, and the results of high-speed friction and wear tests. Furthermore, Table 3 shows the friction coefficients of carbon film 1 and carbon film C1 under low-speed sliding and high-speed sliding.
〔考察〕
表1から明らかなように、炭素膜1~4は、いずれも、エンジン油存在下での高速摺動において優れた低摩擦性と耐摩耗性とを有している。
[Discussion]
As is clear from Table 1, all of carbon films 1 to 4 have excellent low friction properties and wear resistance in high-speed sliding in the presence of engine oil.
中でも、炭素膜3は、低摩耗性および耐摩耗性のいずれにもより優れている。これは、sp2結合比率が小さく、また消衰係数が低いため、と考えらえる。 Among them, the carbon film 3 is superior in both low wear and wear resistance. It is considered that this is because the sp2 binding ratio is small and the extinction coefficient is low.
さらに表3から明らかなように、炭素膜1および炭素膜C1は、低速での摺動では、実質的に同じ摩擦係数を示すが、炭素膜1の高速摺動での摩擦係数は、炭素膜C1のそれに比べて明らかに低い。したがって、炭素膜1は、従来の炭素膜に比べて、特に高速の摺動での低摩擦性に優れていることが分かる。 Furthermore, as is clear from Table 3, carbon film 1 and carbon film C1 exhibit substantially the same coefficient of friction in low-speed sliding, but the friction coefficient of carbon film 1 in high-speed sliding is Clearly lower than that of C1. Therefore, it can be seen that the carbon film 1 is superior to the conventional carbon film in low-friction properties particularly in high-speed sliding.
これに対して、炭素膜C1および炭素膜C3は、耐摩耗性は良好であったが、低摩擦性が不十分であった。これは、炭素膜C1については炭素膜のsp2結合の比率および消衰係数のいずれもが高すぎるため、と考えられる。炭素膜C3については、消衰係数は低いもののsp2結合の比率が高いため、と考えられる。これらの結果から、良好な低摩擦性を示すにはsp2結合の比率と消衰係数の両方が、本発明の範囲の低い値を満たす必要があると考えられる。 On the other hand, the carbon films C1 and C3 had good wear resistance, but insufficient low friction properties. This is probably because the ratio of sp 2 bonds and the extinction coefficient of the carbon film C1 are both too high. This is probably because the carbon film C3 has a low extinction coefficient but a high ratio of sp 2 bonds. From these results, it is believed that both the ratio of sp 2 bonds and the extinction coefficient need to satisfy the low values within the range of the present invention in order to exhibit good low-friction properties.
また、炭素膜C2は、低摩擦性、耐摩耗性のいずれもが不十分であった。これは、炭素膜C2における炭素膜のsp2結合の比率、消衰係数の両方が高すぎるとともに、膜硬度が低すぎたため、と考えられる。 Moreover, the carbon film C2 was insufficient in both low friction properties and wear resistance. This is probably because both the ratio of sp 2 bonds in the carbon film and the extinction coefficient in the carbon film C2 were too high, and the film hardness was too low.
本発明は、油の存在下での高速摺動において高い低摩擦性、高い耐久性を必要とする部品に好適であり、このような部品を用いる技術分野のさらなる拡大および発展に寄与することが期待される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for parts that require high low friction and high durability in high-speed sliding in the presence of oil, and can contribute to further expansion and development of technical fields using such parts. Be expected.
Claims (5)
前記炭素膜を構成する炭素原子が有する全結合における前記sp2結合の比率は、1%以上、25%以下であり、
波長632.8nmにおける消衰係数は、0.02以上、0.04以下であり、
水素含有量は、5原子%以下である、炭素膜。 A carbon film composed of carbon atoms bonded by a bond selected from the group consisting of sp 2 bonds and sp 3 bonds,
The ratio of the sp 2 bonds in all the bonds of the carbon atoms constituting the carbon film is 1% or more and 25% or less,
An extinction coefficient at a wavelength of 632.8 nm is 0.02 or more and 0.04 or less,
A carbon film having a hydrogen content of 5 atomic % or less.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020074316A JP7302878B2 (en) | 2020-04-17 | 2020-04-17 | Carbon film and sliding member |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020074316A JP7302878B2 (en) | 2020-04-17 | 2020-04-17 | Carbon film and sliding member |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021172828A JP2021172828A (en) | 2021-11-01 |
JP7302878B2 true JP7302878B2 (en) | 2023-07-04 |
Family
ID=78279320
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020074316A Active JP7302878B2 (en) | 2020-04-17 | 2020-04-17 | Carbon film and sliding member |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7302878B2 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002285328A (en) | 2001-03-23 | 2002-10-03 | Fuji Electric Co Ltd | Hard carbon coating film and member coated with the same film |
JP2008297477A (en) | 2007-06-01 | 2008-12-11 | Kanagawa Prefecture | Low friction slide member |
WO2008149707A1 (en) | 2007-06-01 | 2008-12-11 | Itoh Optical Industrial Co., Ltd. | Dlc film and dlc coated mold |
JP2014173129A (en) | 2013-03-08 | 2014-09-22 | Ngk Insulators Ltd | Deposition method of thin film using plasma |
JP2016037637A (en) | 2014-08-07 | 2016-03-22 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | Dlc film formation method and dlc film formation device |
JP2016524651A (en) | 2013-04-30 | 2016-08-18 | フラウンホッファー−ゲゼルシャフト・ツァー・フォデラング・デル・アンゲワンテン・フォーシュング・エー.ファウ. | Method for producing wear-resistant layer and wear-resistant layer produced by the method |
-
2020
- 2020-04-17 JP JP2020074316A patent/JP7302878B2/en active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002285328A (en) | 2001-03-23 | 2002-10-03 | Fuji Electric Co Ltd | Hard carbon coating film and member coated with the same film |
JP2008297477A (en) | 2007-06-01 | 2008-12-11 | Kanagawa Prefecture | Low friction slide member |
WO2008149707A1 (en) | 2007-06-01 | 2008-12-11 | Itoh Optical Industrial Co., Ltd. | Dlc film and dlc coated mold |
JP2014173129A (en) | 2013-03-08 | 2014-09-22 | Ngk Insulators Ltd | Deposition method of thin film using plasma |
JP2016524651A (en) | 2013-04-30 | 2016-08-18 | フラウンホッファー−ゲゼルシャフト・ツァー・フォデラング・デル・アンゲワンテン・フォーシュング・エー.ファウ. | Method for producing wear-resistant layer and wear-resistant layer produced by the method |
JP2016037637A (en) | 2014-08-07 | 2016-03-22 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | Dlc film formation method and dlc film formation device |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
B.K. Tay, et al.,Optical properties of tetrahedral amorphous carbon films determined by spectroscopic elipsometry,Thin Solid Films,volume 308-309, ,1997年,pages 268-272 |
フィルタードアーク蒸着で形成したダイヤモンドライクカーボン膜の光学特性,プラズマ応用科学,Vol.17, No.2,2009年12月,pp. 125-132 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021172828A (en) | 2021-11-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8202615B2 (en) | Nitrogen-containing amorphous carbon-type film, amorphous carbon-type lamination film, and sliding member | |
JP4251738B2 (en) | Hard coating and covering member | |
EP0435312B1 (en) | Hard and lubricant thin film of amorphous carbon-hydrogen-silicon, iron base metallic material coated therewith, and the process for producing the same | |
JP6472389B2 (en) | Piston ring and manufacturing method thereof | |
US11293548B2 (en) | Sliding member and coating film | |
JP6557342B2 (en) | Piston ring and manufacturing method thereof | |
JP2008286354A (en) | Sliding member | |
EP3330578B1 (en) | Piston ring | |
JP6422495B2 (en) | piston ring | |
JP4427706B2 (en) | High wear resistance and high seizure resistance sliding member and manufacturing method thereof | |
JP7298083B2 (en) | Piston ring and its manufacturing method | |
JP2971928B2 (en) | Hard amorphous carbon-hydrogen-silicon thin film having lubricity, iron-based metal material having the thin film on its surface, and method for producing the same | |
US20240093344A1 (en) | Hard carbon coatings with improved adhesion strength by means of hipims and method thereof | |
JP2018076958A (en) | piston ring | |
WO2017130587A1 (en) | Sliding member and production method therefor | |
JP7302878B2 (en) | Carbon film and sliding member | |
CN117062936A (en) | Sliding member, method for producing same, and coating film | |
US11692248B2 (en) | Sliding member | |
JP6307299B2 (en) | Sliding machine and sliding member | |
JP2020193656A (en) | Combination of sliding member and lubricant |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220916 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20220916 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20221216 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230110 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20230306 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230606 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230615 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7302878 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |