(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関を構成する機構部品の基材表面に堆積形成した中間層と、この中間層上に堆積形成したＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層とからなるＤＬＣ被覆膜において、
表面硬装可能な金属炭化物或いは金属のスパッタリング処理によって上記中間層を形成し、かつ、炭化水素ガス混入の不活性ガス導入下におけるカーボンのスパッタリング処理に加えて、上記中間層のスパッタリング処理の継続制御により、同中間層と共通する金属元素のＷ（タングステン）を成膜厚さと対応して徐々に低減しつつ被覆表面まで添加することによって上記ＤＬＣ層を形成してなることを特徴とするＤＬＣ被覆膜。
【請求項２】
前記ＤＬＣ層は、被覆表面の金属元素の添加量を０．５〜２０at％(アトミックパーセント)の範囲で成膜することを特徴とする請求項１に記載のＤＬＣ被覆膜。
【請求項３】
前記ＤＬＣ層は、Ｈ（水素）含有量を８〜３０at％の範囲で成膜することを特徴とする請求項２に記載のＤＬＣ被覆膜。
【請求項４】
前記機構部品は動弁機構部品に特定してなることを特徴とする請求項１、２、または３のいずれか１項に記載のＤＬＣ被覆膜。
【請求項５】
前記動弁機構部品はバルブリフタに特定してなることを特徴とする請求項４に記載のＤＬＣ被覆膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン部品等の摺動面に被覆するＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）被覆膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン構成部品等の摺動面に被覆するＤＬＣによる被覆膜は、成膜処理時間を要するＰＶＤ（物理気相成長）によるスパッタリング成膜工法と比較して成膜速度や表面の平滑性からＣＶＤ（化学気相成長）成膜工法が多用され、量産低コスト化が図られている。
【０００３】
また、特許文献１に記載の摺動部材のＤＬＣ被覆膜のように、Ｃr（クロム）、Ｍo（モリブデン）等の金属をＤＬＣに添加して低摩擦化が可能なＭe-ＤＬＣ（金属添加ＤＬＣ）層を形成することによって低摩擦化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３２０６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＣＶＤ成膜工法によるＤＬＣ層は、成膜速度と対応してＨ（水素）が多く含有されて比較的軟らかいことから、Ｍe-ＤＬＣ層によっても、スパッタリング成膜工法と対比して、耐久性上の不利を避けることができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、ＣＶＤ成膜工法による成膜速度とスパッタリング成膜工法の耐久性とを合わせて確保することができるＤＬＣ被覆膜及び被覆バルブリフタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、内燃機関を構成する機構部品の基材表面に堆積形成した中間層と、この中間層上に堆積形成したＤＬＣ層とからなるＤＬＣ被覆膜において、表面硬装可能な金属炭化物或いは金属のスパッタリング処理によって上記中間層を形成し、かつ、炭化水素ガス混入の不活性ガス導入下におけるカーボンのスパッタリング処理に加えて、上記中間層のスパッタリング処理の継続制御により、同中間層と共通する金属元素のＷ（タングステン）を成膜厚さと対応して徐々に低減しつつ被覆表面まで添加することによって上記ＤＬＣ層を形成したことを特徴とする。
【０００８】
（削除）
【０００９】
（削除）
【００１０】
（削除）
【００１１】
（削除）
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記ＤＬＣ層は、被覆表面の金属元素の添加量を０．５〜２０at％(アトミックパーセント)の範囲で成膜することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において、前記ＤＬＣ層は、Ｈ含有量を８〜３０at％の範囲で成膜することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１、請求項２、請求項３のいずれかに係る発明において、前記機構部品は動弁機構部品に特定してなることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、前記動弁機構部品はバルブリフタに特定してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明により、内燃機関を構成する機構部品について、金属炭化物或いは金属によって中間層を形成することにより、基材に対する被覆表面側のＤＬＣ層の密着力が確保され、また、ＤＬＣ層の添加金属を中間層の構成金属と共通のＷ（タングステン）とすることにより、スパッタリング処理の継続制御によって中間層から連続性を保ちつつ次のＤＬＣ層の成膜工程への移行が可能となる。
このＤＬＣ層の成膜工程においては、所定量の炭化水素ガスを混入した不活性ガス導入下のカーボンスパッタリングにより、スパッタ率を確保しつつＤＬＣ層のＨ含有量の調節による硬度確保が可能となり、このとき、中間層の構成金属と共通する金属元素のＷ（タングステン）を漸減制御して表面まで添加することにより、中間層からＤＬＣ層の表面に及ぶ添加金属の連続組成による表面までの一体被覆が確保される。
したがって、中間層からＤＬＣ層に至るスパッタリングの継続制御によって、炉内汚染リスクを招くことなく速やかな工程移行とスパッタ率の確保とによって成膜処理速度が確保されることから成膜コストの増加を抑えることができる。また、中間層による基材とＤＬＣ層との密着性および添加金属の連続組成に基づくＤＬＣ層の表面までの一体化とＤＬＣ層の硬度制御とにより、衝撃的な面圧変動等の表面負荷時の表面剥離が抑えられて耐衝撃性が確保され、さらに被覆表面に及ぶＤＬＣ層の金属添加により、モリブデン等の特定のエンジンオイル添加物質によるＤＬＣ層の摩耗を抑えて摺動面を保護することができることから、機構部品のメカニカルロスを抑えつつ、内燃機関特有の作動環境に対応しうる耐久性の確保が可能となる。
更に、中間層と共通する金属元素をＷ（タングステン）とすることにより、安定して密着性に優れる金属炭化物として周知のＷＣ（タングステンカーバイド）を中間層として適用することができるので、ＤＬＣ層の信頼性を確保することができる。
【００１５】
（削除）
【００１６】
（削除）
【００１７】
（削除）
【００１８】
（削除）
請求項２に係る発明により、請求項１に係る発明の効果に加え、Ｗの添加量を表面で０．５〜２０at％の範囲とすることにより、ＤＬＣ層は、スパッタリング成膜工法のみによる成膜に対し、低摩擦化によるさらなる耐久性の向上が可能となる。
【００１９】
請求項３に係る発明により、請求項２に係る発明の効果に加え、ＤＬＣ層のＨ含有量を８〜３０at％の範囲とすることにより、必要な耐久性と充分な低摩擦摺動性を実現し、且つ処理速度の改善による量産化と低コスト化が可能となる。
【００２０】
請求項４に係る発明は、請求項１、請求項２、請求項３のいずれかに係る発明に加え、動弁機構部材が曝される高温と連続する高速強振動の環境に曝される厳しい環境にあって、ＤＬＣ被覆膜の成膜処理コストの増加を招くことなく、摺動抵抗の低減とともに耐久性の確保とを両立させて動弁系メカニカルロスの低減化を図ることができる。
請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明に加え、バルブリフタが受ける高温によるオイル劣化やカム接触部に連続して作用する高速振動衝撃圧力による大負荷入力に曝される厳しい環境下にあって、特に、オイルに添加されるモリブデン等の添加剤による排気側の摩耗を抑えて耐久性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＤＬＣ被覆膜の階層構成を表す断面図
【図２】ＤＬＣ被覆膜の成膜工程図
【図３】ＤＬＣ層のＷ添加量別の摩擦係数グラフ
【図４】ＤＬＣ層のＨ含有量とＷ添加量とによる摩耗量マップ
【発明を実施するための形態】
【００２２】
上記技術思想に基づいて具体的に構成された実施の形態について以下に図面を参照しつつ説明する。
（構成）
本発明のＤＬＣ被覆膜１は、被膜の階層構成を表す断面図を図１に示すように、基材２に下地層２ａを被覆処理した上で、その表面に堆積形成した中間層３と、この中間層３上に堆積形成したＤＬＣ層４とから構成される。中間層３は表面硬装可能な金属炭化物或いは金属によって形成し、この中間層３の形成と連続して、炭化水素ガス混入の不活性ガス導入による含有Ｈ量制御下で中間層３と共通の金属元素の添加によるＤＬＣ層４を形成する。
【００２３】
上記構成によるＤＬＣ被覆膜１は、連続するスパッタリング処理によって中間層３とＤＬＣ層４とを形成することができるとともに、ＤＬＣ層４の含有Ｈ量を所定範囲に制御することができることから、スパッタリング成膜工法による耐久性とＣＶＤ成膜工法に並ぶ処理速度および表面の平滑性とを合わせて確保することができる。特に、共通の金属としてＷを用いることにより、ＤＬＣ層４の安定した密着性を確保することができる。
【００２４】
したがって、上記ＤＬＣ被覆膜１は、バルブリフタのカム接触面に適用することにより、カム接触面の摺動抵抗の低減とともに耐久性の確保とを両立させて、エンジン構成部品の中でも特に厳しい摺動環境下において、動弁系メカニカルロスの低減化を図るとともに、処理速度の改善による量産化、低コスト化を可能とするものである。
【００２５】
具体例によって詳細に説明すると、基材２はエンジン構成部品を始めとする機構部材に使用される炭素鋼、合金鋼一般を幅広く適用対象とし、下地層２ａは、Ｃrの被覆によって基材表面を成膜処理用に調整し、中間層３は、下地層２ａに重ねてＷＣを両者合わせて０．５μｍ以上の厚さに積層することによりＤＬＣ層４の密着性を確保し、ＤＬＣ層４は、Ｗ添加によるＭe-ＤＬＣ層によって形成する。
【００２６】
（成膜工程）
上記構成のＤＬＣ被覆膜１の成膜処理は、その工程図を図２に示すように、バルブリフタ等の処理対象物の超音波洗浄等による前処理と防錆等の後処理とを前後に伴い、処理対象部分である摺動面の基材表面について、成膜第１工程のイオンクリーニングと、成膜第２工程のＣr／ＷＣ成膜処理と、成膜第３工程のＣr／ＷＣ＋Ｃ成膜処理と、成膜第４工程のクーリングまでの一連の工程によって構成する。これら成膜処理は、カーボンによるＣターゲットとタングステンカーバイドによるＷＣターゲットとを備えるとともに、炭化水素ガス混入の不活性ガス導入が可能な成膜装置を使用する。
【００２７】
第１工程のイオンクリーニングは、真空減圧、２００℃加熱の処理条件のスパッタリング処理による基材表面のＡr（アルゴン）イオンクリーニングであり、これに続く第２工程のＣr／ＷＣ成膜処理によってＣrの下地層２ａとＷＣの中間層３を形成し、次いで、第３工程のＣr／ＷＣ＋Ｃ成膜処理によって、スパッタリング処理によるＷの漸減添加とＣＶＤ処理による炭化水素ガス混入の不活性ガス導入とを同時並行することによってＷ-ＤＬＣ（タングステン添加ＤＬＣ）によるＤＬＣ層４を形成する。
【００２８】
これら４工程に及ぶ一連の成膜処理においては、スパッタリング処理によるＣrの下地層２ａとＷＣの中間層３によりＤＬＣ層４と基材２との密着力を高めて剥離強度を確保することができる。また、スパッタリング処理＋ＣＶＤ処理により、ＷＣ中間層３の成膜後においてもＷＣターゲットのスパッタリング処理を継続しながら、Ｃターゲットに電流を流すことにより、成膜方法を変えずにスパッタリング処理を継続制御して連続的にＷＣ中間層３からＷ添加のＭe-ＤＬＣ層に徐変させるとともに、同時に炭化水素ガスの導入によりイオン化させてＤLＣの成膜を促進させることにより、Ｗ添加のＤＬＣ層４のＨ含有量を所定範囲に制御して膜摩耗量を改善することができる。
【００２９】
また、上記成膜工程において、ＤＬＣ層４は、Ｗの添加量を中間層３からの成膜厚さと対応して徐々に低減する漸減添加制御により形成することにより、ＤＬＣ層４内の添加金属量が連続的に変化して減少するため、膜内亀裂等に対する高耐性を確保しつつ、表面の摩擦特性の改善を図ることができる。
【００３０】
（摺動特性）
上記構成のＤＬＣ被覆膜１について、摩擦係数の試験結果により、以下のように摺動特性を評価することができる。この摩擦係数試験は、ピンオンディスク試験による単体評価であり、面圧と摺動面の速度を調整してモータリング試験との相関をとることができる。
【００３１】
ＤＬＣ層４の摺動特性については、Ｗ添加量区分の摩擦係数比較図を図３に示すように、Ｗ非添加のＣＶＤ法ＤＬＣ層の摩擦係数を基準として、Ｗの添加量at%増加に伴い、摩擦係数の減少がみられる。この結果については、Ｗとオイル添加物との錯体が合成されてＤＬＣ表面に付着し、これが摩擦係数を下げているとする見解等がある。また、Ｗ添加量が１５at%以上となると耐摩耗性が落ちることから、ＤＬＣ層４のＷ添加量を０．５〜２０at%の範囲に特定することにより、Ｗ非添加のＣＶＤ法ＤＬＣ層に対して同等以上となる特性範囲を全てカバーすることができる。
【００３２】
（耐摩耗特性）
上記構成のＤＬＣ被覆膜１について、摩耗量の試験結果により、以下のように耐久特性を評価することができる。この摩耗量試験は、動弁系の機能性耐久性を評価するためのモータリング試験として、カムシャフトをモータで駆動するシリンダーヘッドによるものであり、より実機に近い形で摩耗量の評価を行うことができる。
【００３３】
ＤＬＣ層４の耐摩耗特性については、Ｈ含有量とＷ添加量とによる摩耗量マップを図４に示すように、Ｗ添加量が比較的少量の場合、即ち、５at%狙いＷ−ＤＬＣの方に摩耗量が少ないことが判る。Ｗ添加量を必要以上増やすと膜が柔らかくなり、摩耗が促進するものと考えられる。
【００３４】
耐摩耗特性に関しては、Ｈ含有量が増えると摩耗量も増加する。通常のスパッタリング成膜工法でのＨ含有量は５〜１５at%の間であり、上記構成のＤＬＣ被覆膜１については、炭化水素ガスをより多く注入するＣＶＤ成膜工法を併用することでＨ含有量をＣＶＤ成膜工法の領域まで増加させてスパッタリング成膜工法で成膜速度を上げることができることから、ＤＬＣ層４のＨ含有量を８〜３０at%の範囲に特定することにより、Ｈ含有量が１５at%以上、通常は２０at%前後のＣＶＤ成膜工法のＨ含有量範囲を全てカバーすることができる。
【００３５】
上記ＤＬＣ被覆膜１は、バルブリフタのカム接触部に適用することにより、特にオイル劣化や大負荷入力に曝される厳しい環境にあって、成膜処理コストの増加を招くことなく、摺動抵抗の低減とともに耐久性の確保とを両立させて動弁系メカニカルロスの低減化を図ることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１    ＤＬＣ被覆膜
２    基材
２ａ  下地層
３    中間層
４    ＤＬＣ層
【図１】
0005780689.tif 000002
【図２】
0005780689.tif 000003
【図３】
0005780689.tif 000004
【図４】
0005780689.tif 000005