(57)【要約】      （修正有）【課題】低摩擦で、硬く、膜厚が厚く、耐久性の高いＤＬＣ皮膜を、高い生産性で被覆した摺動部材の提供。【解決手段】摺動部材は、ＤＬＣ皮膜を硬さの異なる少なくとも三つの皮膜、すなわち、基材２側の下部皮膜３、表面側の表面皮膜５、それらの間の少なくとも一つの中間皮膜４、からなる積層皮膜１とし、下部皮膜がＨ（Ｌ）ＧＰａの硬さとｔ（Ｌ）μｍの厚さを有し、中間皮膜がＨ（Ｍ）ＧＰａの硬さとｔ（Ｍ）μｍの厚さを有し、表面皮膜がＨ（Ｓ）ＧＰａの硬さとｔ（Ｓ）μｍの厚さを有したとき、次の関係式（1）〜（3）：Ｈ（Ｌ）＜Ｈ（Ｍ）………（1）、Ｈ（Ｓ）＜Ｈ（Ｍ）………（2）、及び、｛Ｈ（Ｌ）×ｔ（Ｌ）＋Ｈ（Ｍ）×ｔ（Ｍ）＋Ｈ（Ｓ）×ｔ（Ｓ）｝／｛ｔ（Ｌ）＋ｔ（Ｍ）＋ｔ（Ｓ）｝＞40ＧＰａ………（3）を満たし、かつ下部皮膜及び中間皮膜の水素含有量をそれぞれ5.0原子％未満とする。【選択図】図１
2020033622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と前記基材上に形成されたDLC皮膜を有する摺動部材であって、前記DLC皮膜が硬さの異なる少なくとも三つの皮膜からなる積層皮膜であり、基材側に下部皮膜、表面側に表面皮膜、前記下部皮膜と前記表面皮膜の間に少なくとも一つの中間皮膜を有し、
前記下部皮膜が、H(L) GPaの硬さとt(L) μmの厚さを有し、
前記中間皮膜が、H(M) GPaの硬さとt(M) μmの厚さを有し、
前記表面皮膜が、H(S) GPaの硬さとt(S) μmの厚さを有したとき、
次の関係式（1）〜（3）：
H(L) < H(M) …………（1）、
H(S) < H(M) …………（2）、及び
{H(L)×t(L)＋H(M)×t(M)＋H(S)×t(S)}/{t(L)＋t(S)＋t(M)} > 40 GPa ………（3）
を満たし、
前記下部皮膜及び前記中間皮膜の水素含有量がそれぞれ5.0原子％未満であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
請求項1に記載の摺動部材において、次の関係式（4）及び（5）:
{H(M)/H(L)×t(M)/t(L)} < 2.5 …………（4）、及び
H(L) < 50 GPa …………（5）
を満たすことを特徴とする摺動部材。
【請求項３】
請求項1又は2のいずれかに記載の摺動部材において、次の関係式（6）及び（7）：
0.05 < t(S)/{t(L)＋t(M)＋t(S)} < 0.3 …………（6）、及び
H(S) < 50 GPa …………（7）
を満たすことを特徴とする摺動部材。
【請求項４】
請求項1〜3のいずれかに記載の摺動部材において、次の関係式（8）:
t(L)＋t(M)＋t(S) > 3 μm …………（8）
を満たすことを特徴とする摺動部材。
【請求項５】
請求項1〜4のいずれかに記載の摺動部材において、前記表面皮膜の水素含有量が5.0原子％未満であることを特徴とする摺動部材。
【請求項６】
請求項1〜5のいずれかに記載の摺動部材において、前記下部皮膜及び前記中間皮膜がそれぞれ縞状の組織形態を含むことを特徴とする摺動部材。
【請求項７】
請求項6に記載の摺動部材において、前記縞状の組織形態が、密度の異なる層の積層したものであることを特徴とする摺動部材。
【請求項８】
請求項1〜7のいずれかに記載の摺動部材を含むピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材に関し、特に、硬く、厚膜で、耐久性の高いDLC（Diamond Like Carbon）皮膜を被覆した摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車エンジンの高性能化や燃費性能の向上（低燃費化）に伴い、ピストンリングに代表されるピストン系摺動部品や動弁系摺動部品の摺動環境も年々厳しくなってきている。よって、低摩擦（低フリクション）で、硬く、膜厚の厚い、耐久性の高い表面処理皮膜を有する摺動部材が求められている。
【０００３】
低摩擦で硬い皮膜としては、DLC皮膜が有力であり、中でもta-C（tetrahedral amorphous - Carbon）として分類される皮膜は、sp3混成軌道に由来するダイヤモンド結合の比率が高いため非常に硬く、また潤滑油の存在下でフリクション低減も見込めることから摺動部材の表面処理皮膜として採用が検討されている。
【０００４】
しかし、高硬度のta-C皮膜は、厚膜化することにより基材と皮膜間の密着性確保が難しくなって（ta-C皮膜が剥離してしまい）、現実にはエンジンの運転初期段階で摩耗してしまう程度の膜厚の薄い皮膜しか実現できておらず、エンジン寿命を全うできるまでのレベルには至っていない。また、ta-C皮膜はアークイオンプレーティング法を使用する製法上、パーティクル（ドロップレット）の混入により表面に凹凸が形成され、この凹凸の除去加工が非常に困難であることが問題点として挙げられている。
【０００５】
特許文献1は、低摩擦、耐摩耗性、耐スカッフ性、幾何学的強靱性による最適なシール及びオイル掻き性能を有するピストンリングを提供することを目的に、金属含有接着層、水素フリーDLC層、金属及び／又は金属酸化物含有DLC被覆層の3層からなる積層皮膜を教示している。ここで、水素フリーDLC層は、炭素含有量が約98.5原子％以上、酸素、水素、窒素がそれぞれ約0.5原子％未満で、sp2/sp3比が約1〜3であることを規定している。また、水素フリーDLC層の厚さは5〜40μmまで厚膜化できることも教示している。
【０００６】
しかし、特許文献1は、水素フリーDLC層の厚膜化に成功し、また、特定の高応力ディーゼルエンジンで優れた耐摩耗性を示したことを教示しているが、詳細な製造方法についての開示がなく、特に、水素フリーDLC層のsp2/sp3比の制御や、金属及び／又は金属酸化物を含有するDLC被覆層がどのようにして製造できるかについて何の開示もない。
【０００７】
水素フリーDLC層の厚膜化は、上記のように試行錯誤が行われている段階であり、低摩擦で、硬く、膜厚が厚く、耐久性が高いという観点で、構造上及び製法上のさらなる検討が求められている。また、高硬度のDLC皮膜は、一般には、低速成膜しなければならないこと、及び、後加工で粗さを低減することが困難なことにより、生産性（成膜速度、被加工性）の向上も重要な検討課題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１６−５０２５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑み、低摩擦で、硬く、膜厚が厚く、耐久性の高いDLC皮膜を、高い生産性で被覆した摺動部材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者達は、アークイオンプレーティングにより製造したDLC皮膜被覆摺動部材について上記の課題を解決すべく鋭意研究した結果、摺動部材の摺動面に硬さの異なるDLC皮膜を少なくとも三つの皮膜からなる積層皮膜構造に形成し、各皮膜の硬さと厚さのバランスを考慮することにより、低摩擦で、硬く、膜厚が厚く、耐久性の高いDLC皮膜を被覆した摺動部材を得ることに成功し、本発明を完成した。
【００１１】
すなわち、本発明の摺動部材は、基材と前記基材上に形成されたDLC皮膜を有する摺動部材であって、前記DLC皮膜が硬さの異なる少なくとも三つの皮膜からなる積層皮膜であり、基材側に下部皮膜、表面側に表面皮膜、前記下部皮膜と前記表面皮膜の間に少なくとも一つの中間皮膜を有し、前記下部皮膜がH(L) GPaの硬さとt(L)μmの厚さを有し、前記中間皮膜がH(M) GPaの硬さとt(M)μmの厚さを有し、前記表面皮膜がH(S) GPaの硬さとt(S)μmの厚さを有したとき、次の関係式（1）〜（3）：
H(L) < H(M) …………（1）、
H(S) < H(M) …………（2）、及び
{H(L)×t(L)＋H(M)×t(M)＋H(S)×t(S)}/{t(L)＋t(M)＋t(S)} > 40 GPa ………（3）
を満たし、かつ前記下部皮膜及び前記中間皮膜の水素含有量がそれぞれ5.0原子％未満であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記下部皮膜及び前記中間皮膜は、次の関係式（4）及び（5）:
{H(M)/H(L)×t(M)/t(L)} < 2.5 …………（4）、及び
H(L) < 50 GPa …………（5）
を満たすことが好ましく、
さらに、前記下部皮膜、前記中間皮膜及び前記表面皮膜は、次の関係式（6）、（7）及び（8）：
0.05 < t(S)/{t(L)＋t(M)＋t(S)} < 0.3 …………（6）、及び
H(S) < 50 GPa …………（7）
t(L)＋t(M)＋t(S) > 3μm …………（8）
を満たすことが好ましい。  
【００１３】
また、前記下部皮膜及び前記中間皮膜に加えて、前記表面皮膜の水素含有量も5.0原子％未満であることが好ましい。
【００１４】
また、前記下部皮膜及び前記中間皮膜は、それぞれ縞状の組織形態を含むことが好ましく、前記縞状の組織形態は、密度の異なる層の積層したものであることが好ましい。
【００１５】
また、前記摺動部材を含むピストンリングは摺動部品として好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の摺動部材は、硬さの異なる少なくとも三つのDLC皮膜、すなわち下部皮膜、中間皮膜及び表面皮膜からなる積層皮膜が摺動面に形成され、各皮膜の硬さと厚さを所定の関係に規定して密着性を確保し、かつ耐久性を担う硬さと厚さを有する下部皮膜及び中間皮膜と、被覆層としての表面皮膜とがバランス良く配置されていて、優れた耐久性を示すことができる。また高い生産性を示すこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の摺動部材に被覆したDLC皮膜の断面構造を模式的に示した図である。
【図２】実施例1のDLC皮膜の断面のFE-SEM写真を示す図である。
【図３】簡易アブレッシブ摩耗試験機の概略図である。
【図４】転動すべり試験機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、本発明の摺動部材は、その摺動面に、摺動部材の基材(2)側から下部皮膜(3)、中間皮膜(4)及び表面皮膜(5)の少なくとも三つの皮膜から構成されるDLC積層皮膜(1)が被覆されている。このDLC積層皮膜(1)においては、中間皮膜(4)が最も大きな硬さを有し、下部皮膜(3)は基材(2)との密着性を考慮し、また表面皮膜(5)は初期なじみやパーティクルの除去加工を考慮して、いずれも中間皮膜(4)より硬さを低く設定している。本発明の耐久性は、主として下部皮膜(3)と中間皮膜(4)により確保されるが、そのためには、表面皮膜(5)をも考慮したDLC積層皮膜(1)の加重平均硬さ、すなわち、“{H(L)×t(L)＋H(M)×t(M)＋H(S)×t(S)}/{t(L)＋t(M)＋t(S)}”が40 GPaを超え、かつ下部皮膜(3)及び中間皮膜(4)が水素フリーDLC皮膜であることが重要である。ここで、水素フリーDLC皮膜は、アークイオンプレーティング法により意図的に水素を導入しない方法で製造されたDLC皮膜を意味し、水素含有量が5.0原子％未満のDLC皮膜を意味する。また、上記加重平均硬さの上限としては、55 GPa未満であることが好ましく、52 GPa未満であることがより好ましく、48 GPa未満であることがさらに好ましい。上記中間皮膜(4)は、下部皮膜(3)と表面皮膜(5)との硬さの関係式（1）〜（3）を満足すれば、異なる硬さの皮膜を複数有してもよく、厚さ方向に対し一定の硬さである必要はない。
【００１９】
なお、DLC積層皮膜の各皮膜の硬さ（インデンテーション硬さH）は、サンプルの表面をカロテスト機で1μmのダイヤモンドペーストを塗布したボールを用いた球面研磨法により母材が露出するまで研磨し、バーコビッチ圧子を用いた試験荷重6 mNのナノインデンテーション試験により、
H = Fmax/23.96(hc+Δhc)2
hc:接触押し込み深さ、
Δhc:補正長さで14.67〜18.63 nm
により求めたものとする。
【００２０】
DLC皮膜の基材との密着性を確保する上で、本発明では、下部皮膜の硬さに対する中間皮膜の硬さの比と下部皮膜の厚さに対する中間皮膜の厚さの比の積、すなわち、“H(M)/H(L)×t(M)/t(L)”が、中間皮膜の高い内部応力を緩和する上で重要であり、この値は2.5未満であることが好ましい。2.0以下であることがより好ましく、1.6以下であることがさらに好ましい。また、“H(M)/H(L)×t(M)/t(L)”の下限値としては、1.1以上であることが好ましく、1.2以上であることがより好ましく、1.3以上であることがさらに好ましい。本発明のDLC皮膜の下部皮膜は、中間皮膜と同種の水素フリーDLCではあるが、硬さを中間皮膜よりも低めに設定し、50 GPa未満であることが好ましい。48 GPa未満であることがより好ましく、46 GPa未満であることがさらに好ましい。下部皮膜の硬さの下限値としては、30 GPa以上であることが好ましく、32 GPa以上であることがより好ましく、35 GPa以上であることがさらに好ましい。
【００２１】
また、被覆層としての表面皮膜は、なじみ層として消耗してもかまわないので、水素フリーDLC層である必要はない。よって、水素含有量が5.0原子％を超えるレベルでも、酸素や窒素等のその他の元素が含有されてもかまわない。しかし、パーティクルの混入が低減されたプロセス条件で成膜されるのであれば、あるいはパーティクルが容易に除去されるのであれば、表面皮膜も水素含有量が5.0原子％未満であることが好ましい。
【００２２】
もちろん、表面皮膜も、硬さを中間皮膜よりも低めに設定し、50 GPa未満であることが好ましく、46 GPa未満であることがより好ましく、42 GPa未満であることがさらに好ましい。下限値としては、15 GPa以上であることが好ましく、20 GPa以上であることがより好ましく、25 GPa以上であることがさらに好ましい。中間皮膜の硬さH(M)に対する比、すなわち、H(S)/H(M)で表せば、50％を超え85％未満であることが好ましい。また、表面皮膜の厚さは、DLC積層皮膜全体の厚さに対する比率、すなわち、“t(S)/(t(L)+t(M)+t(S))” が5％を超え30％未満であることが好ましい。この比率は5％を超え25％未満であることがより好ましく、5％を超え20％未満であることがさらに好ましい。
【００２３】
本発明のDLC積層皮膜は、少なくとも3μmの厚さを有することが好ましい。特に下部皮膜と中間皮膜の合計が3〜15μmの厚さを有することが好ましい。DLC積層皮膜の厚さの上限は、例えば、30μmとすることが好ましい。
【００２４】
上記の通り、本発明のDLC積層皮膜は、下部皮膜から表面皮膜まで水素含有量が5.0原子％未満であることが好ましいが、さらに、製法が複雑化しないようにその他の金属又は金属化合物を含まないことが好ましい。しかし、金属又は金属化合物の含有を否定するものではない。
【００２５】
なお、本発明のDLC積層皮膜は、下部皮膜と中間皮膜の硬さと厚さの関係を制御することにより密着性を改善しているが、さらに改善するため、基材と下部皮膜の間にCr、Ti等の金属からなる接着層を介在させることができる。
【００２６】
本発明の摺動部材に被覆されるDLC皮膜は、アークイオンプレーティングにより形成される。すなわち、水素フリーDLC皮膜は、アーク放電によって炭素カソードを蒸発させながら真空又はAr等の不活性ガス雰囲気中で形成される。水素フリーDLC皮膜の特性は、真空度又は雰囲気圧（不活性ガスを使用する場合）、アーク電流（カソード温度）、基材である摺動部材に印加されるバイアス電圧、等のプロセス条件に強く影響される。その他、摺動部材の材質、結晶構造、温度、表面状態も関係するが、アークイオンプレーティング装置内の構造（被処理物とカソードの配置、カソード近傍の磁場形態、等）も比較的大きな影響を及ぼしている。
【００２７】
本発明のDLC皮膜の硬さは、アーク電流と、基材に印加するバイアス電圧（負の電圧値）を調整することによって制御することができる。アーク電流が高くなれば、硬さは低下する傾向にあり、バイアス電圧は0〜-150 Vの範囲で、-100 Vに近づくほど硬い皮膜が得られるが、逆に -100 Vを超えると硬さが低下する傾向にある。また、雰囲気圧によっても、皮膜の硬さを調整することができ、例えば、Arガス雰囲気圧を5×10-4〜0.3 Paの範囲内で高めに調整することにより、硬さを低下させることができる。なお、アーク電流（蒸発源1基当たり）は、40〜140 Aの電流値で安定なアーク放電が得られる。
【００２８】
さらに、被処理物の設置される自公転回転テーブルを含むアークイオンプレーティング装置の構造に関係して成膜条件が周期的に変化する条件が整うと、DLC皮膜が縞状の組織形態を呈することが生じる。FE-SEM（Field Emission - Scanning Electron Microscope）の反射電子像において、例えば、厚さがナノサイズ（10〜1000 nm）の濃い層と淡い層が交互に積層した縞状の組織が観察され、この濃淡は、密度の異なる層が交互に積層したものであると認識される。
【００２９】
本発明の摺動部材がピストンリングに適用される場合、ピストンリングの呼び径に等しい内周面をもつラッピングスリーブ内で、ピストンリングの外周面をラッピング加工する。ラッピング加工は、ピストンリングを、合口を閉じた状態でラッピングスリーブ内に挿入し、自己張力を利用して外周面をラッピングスリーブ内周面に圧接し、砥粒を含む研削液を供給しながら上下動させて行う。このとき、ラッピングスリーブ又はピストンリング自身を回転させている。ラッピング加工後のピストンリング外周面は、粗さ曲線の算術平均粗さRaで、0.06μm 以下にすることが好ましい。なお、ラッピングの加工代は4μm以下であることが好ましく、2μm以下であることがより好ましい。1μm以下であることがさらに好ましい。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の摺動部材を含むピストンリング、すなわち、外周面に本発明の摺動部材を有するピストンリングについての実施例を示す。
【００３１】
実施例1（E.1）
矩形断面で外周面をバレルフェイス形状とした、呼び径（d1）78 mm、軸方向幅（h1）1.2 mm、径方向厚さ（a1）2.7 mmのSUP 10相当材によるピストンリングを重ね、高さ200 mmの治具に取り付けた。脱脂洗浄後、炭素カソード（炭素99.9質量％）を供えたアークイオンプレーティング装置の真空容器内の自公転回転テーブルに設置した。なお、DLC皮膜の水素含有量測定用の試料として、外径25 mm、厚さ5 mmの焼入処理し、鏡面研磨したSKH51材を、ピストンリングの外周面と同じ高さ位置の同様の動きをする治具に取り付け設置した。真空容器内を5×10-4 Pa以下の圧力に到達するまで真空排気した後、アルゴンボンバードメント処理によりピストンリング外周基材面を清浄化した後、アークイオンプレーティングによりCr接着層を形成し、DLC皮膜は、さらに真空排気後、カーボンボンバードメント処理をした後、アーク電流80 A、バイアス電圧 -0 V、Aｒガス流量 8 sccm、成膜時間150分の条件で下部皮膜を、続いて、アーク電流50 A、バイアス電圧 -80 V、Arガス流量 8 sccm、成膜時間330分の条件で中間皮膜を、続いて、アーク電流90 A、バイアス電圧 -10 V、Arガス流量 40 sccm、成膜時間120分の条件で表面皮膜を形成した。ここで、本実施例では、Aｒガス流量 8 sccmは雰囲気圧0.03 Paに相当し、Aｒガス流量 40 sccmは雰囲気圧0.13 Paに相当する。DLC積層皮膜が被覆されたピストンリングは、上下動で500ストロークの、ダイヤモンド砥粒を用いたラッピング加工を施し、各種測定に供した。
【００３２】
[1] 膜厚測定
膜厚測定は、ピストンリングの外周面に形成されたDLC積層皮膜断面を精密試料研磨機ISポリッシャー（池上精機製）により研磨し、FE-SEMの反射電子像を観察して下部皮膜(3)、中間皮膜(4)及び表面皮膜(5)の膜厚を測定した。実施例1の皮膜断面の反射電子像を図2に示す。下部皮膜(3)の厚さt(L)は2.4μm、中間皮膜(4)の厚さt(M)は3.8μm、表面皮膜(5)の厚さt(S)は1.0μmであった。下部皮膜(3)と中間皮膜(4)に注目すると、濃い層と淡い層が交互に積層した縞状の組織が観察される。一般に、反射電子像は、密度の高い領域が明るく見えるので、濃い層（暗い層）の密度が低く、淡い層（明るい層）の密度が高いものと推定される。なお、表面皮膜(5)の厚さt(S)は、ラッピング加工後の測定によるもので、コーティングのままの厚さとは異なる。
【００３３】
[2] 硬さ試験
カロテスト機で、ピストンリングの外周面に形成されたDLC積層皮膜の表面を平均粒径1μmのダイヤモンドペーストを塗布したボールを用いた球面研磨法により母材が露出するまで研磨し、ナノインデンテーション試験機（エオリニクス社製、ENT-1100a）により、研磨痕の表面端から母材まで5μm間隔で第3層から第1層まで試験荷重6 mNの条件で試験した。結果は、異常波形が出た場合を除き、各層別に平均値を算出して各層の硬さとした。実施例1の下部皮膜の硬さH(L)は44.5 GPa、中間皮膜の硬さH(M)は55.5 GPa、表面皮膜の硬さH(S)は40.6 GPaであった。
【００３４】
[3] 表面粗さ測定
ラッピング加工後のピストンリングにつき、外周摺動面の軸方向幅の中心近傍を円周方向に、JIS B 0601:2001に従って算術平均粗さRaを測定した。実施例1のピストンリングの外周面の算術表面粗さRaは0.04μmであった。
【００３５】
実施例2〜8（E.1〜E.8）及び比較例1〜6（C.1〜C.6）
アーク電流、バイアス電圧、処理時間を表１に示すように変更した以外は実施例1と同じ条件で、DLC積層皮膜被覆ピストンリングを作製した。但し、比較例1は下部皮膜のみの形成とし、比較例2は表面皮膜の形成を省略し、比較例3は下部皮膜の形成を省略した。表１には、実施例1のプロセス条件も記載した。
【００３６】
【表１】
2020033622.tif 000003
*1  E.1は実施例1を示し、C.1は比較例1を示す。
*2  アーク電流は蒸発源1基あたりのアーク電流値を示す。
【００３７】
実施例2〜8及び比較例1〜6についても、DLC積層皮膜の下部皮膜、中間皮膜、及び表面皮膜の各皮膜の膜厚測定と硬さ試験の結果を実施例1の結果も含め表２に示す。さらに、測定結果に基づく関係式（3）、(4)、及び（6）の各パラメーターの値を表３に示す。
【００３８】
【表２】
2020033622.tif 000004
*4 ラッピング加工後の厚さを示す。
【００３９】
【表３】
2020033622.tif 000005
*5  関係式（3）= {H(L)×t(L)＋H(M)×t(M)＋H(S)×t(S)}/{t(L)＋t(M)＋t(S)}
*6  関係式（4）= {H(M)/H(L)×t(M)/t(L)}
*7  関係式（6）= t(S)/{t(L)＋t(M)＋t(S)}
【００４０】
[4] 水素含有量の測定
水素含有量測定用の平坦な面に形成されたDLC膜を用いて、ラザフォード後方散乱分析方（RBS）／水素前方散乱分析方（HFS）により水素含有量を求めた。実施例1〜8及び比較例1〜6は、基本的に、雰囲気圧を変更していないので、水素含有量の測定としては、第1層の基準材として比較例1の試料、第2層の基準材として比較例2の試料、第3層の基準材として実施例1の試料を用いて行った。比較例1の水素含有量は1.2原子％、比較例2の水素含有量は0.8原子％、実施例1の水素含有量は1.6原子％であった。
【００４１】
[5] 摩耗試験
皮膜の耐摩耗性の評価として、実施例1〜8及び比較例1〜6について、簡易アブレッシブ摩耗試験を行った。簡易アブレッシブ摩耗試験は、硬さ試験の試料準備に使用したカロテスト機を用いて、試験条件を管理することによって、基材の表面が露出するまでの時間を摩滅時間として評価した。図3に簡易アブレッシブ摩耗試験機の概要を示すが、ダイヤモンドペーストを研磨剤としてDLC積層皮膜(1)の表面に塗布し、回転する鋼球(6)により摩耗が進展するものである。試験条件は次のとおりである。
試験鋼球：SUJ2、31.75 mmφ
ダイヤモンドペースト：0.25μm
鋼球回転速度：500 rpm
試験結果は、上述のとおり摩滅時間で評価し、実施例のなかでDLC積層皮膜としての膜厚の最も薄い実施例6を基準に、
実施例6より長時間であった場合を（○）
実施例6を（△）
実施例6より短時間であった場合を（×）
として評価した。
【００４２】
[6] 転動すべり疲労試験
実機試験での皮膜剥離を迅速に再現することができ評価として、実施例1〜8及び比較例1〜6について、転動すべり疲労試験を行った。図４に試験機の概要を示すが、転動すべり疲労試験では、回転するドラム(12)と摺動する試験片(11)に繰り返し荷重を加えることで、比較的短時間でDLC皮膜の耐剥離性を確認することができる。ここで、試験片(11)は、各実施例及び比較例のピストンリングのラッピング加工後の外周面の一部が摺動面となるように、該ピストンリングを切断して製作したものである。また、図示しないロードセルにより摩擦力を検出することで摩擦係数も評価することができる。試験条件は次のとおりである。
荷重：20〜50 N、サインカーブ 50 Hz、
相手材（ドラム）：直径80 mmのSUJ2材、
摺動速度：正転逆転パターン運転（±10 m/秒）、速度±10 m/秒で20秒保持、
加速度0.23 m/秒2
潤滑剤：無添加モーターオイル、0.1 cc/分
温度：ドラム表面温度80℃
試験時間：正転逆転パターン運転を1サイクルとして10サイクル
試験結果は、摩擦係数については、
摩擦係数が0.16未満であった場合を（○）
摩擦係数が0.16〜0.20であった場合を（△）
摩擦係数が0.20を超えていた場合を（×）  
として評価した。また、耐剥離性については、試験後の試験片(11)の摺動面を光学顕微鏡で観察することにより、
剥離が観察されなかった場合を（○）
剥離は観察されなかったが、微小クラックが観察された場合を（△）
剥離が観察された場合を（×）
として評価した。
【００４３】
実施例1〜8及び比較例1〜6の各種試験結果を、表４に示す。
【００４４】
【表４】
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【００４５】
以上の試験結果から、DLC積層皮膜の中で表面皮膜の存在により、加工性が著しく改善され、ラッピング工程の所定のストローク数（500ストローク）でRa 0.06μm以下の表面粗さが得られていることが確認された。なお、比較例1のピストンリングは、500ストロークのラッピング処理でRa 0.18μmであり、1500ストロークまで継続して漸くRa 0.06μmとなるレベルであった。
【００４６】
耐摩耗性は、最も膜厚の薄い実施例6と対比しても、関係式（3）を満たさない40 GPa以下の比較例4及び6においては劣っていた。また、摩擦係数は、表面粗さRaが0.1μmを超える比較例1、2及び5で劣っていたが、DLC積層皮膜に対する表面皮膜の比率の比較的大きい実施例7（関係式（6）の値が0.3）も比較的高めの摩擦係数であった。また、耐剥離性は、比較例1、3及び4で剥離したが、比較例2、5及び6では剥離が無かった。実施例1〜8の中で、関係式（4）の値が2.0を超える実施例6〜8では、剥離はしなかったものの、微小クラックが観察された。
【符号の説明】
【００４７】
1   DLC積層皮膜
2   基材
3   下部皮膜
4   中間皮膜
5   表面皮膜
6   鋼球
11   試験片
12   ドラム
13   ヒーター
14   潤滑油供給孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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