(57)【要約】      （修正有）【課題】摩擦係数の一層の低減を図るとともに、簡便なプロセスで製造することができる硬質炭素被膜を提供すること。【解決手段】最表面の第２層とその下層の第１層がなす積層構造を含んで成り、第２層は、非晶質炭素を主成分とし、ＣｏやＮｉを合計で１．４〜３９原子％含有し、第２層中に存在するＣｏまたはＮｉの凝集体５は、該第２層を透過型電子顕微鏡で観察した際の顕微鏡像上で、等価円直径が５ｎｍを超える該凝集体の占める領域が面積比で３０％以下であり、第１層がダイヤモンド多結晶から成る、硬質炭素被膜である。第２層の断面顕微鏡像上で、等価円直径が５ｎｍを超える凝集体の占める領域の面積比をＸ％とし、第２層中のＣｏやＮｉの合計含有量をＹ原子％としたときに、Ｘ＜４Ｙを満たす。【選択図】図２
2008031534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最表面の第２層とその下層の第１層がなす積層構造を含んで成る硬質炭素被膜であって、
上記第２層は、非晶質炭素を主成分とし、コバルト及び／又はニッケルを合計で１．４原子％〜３９原子％含有し、
上記第２層中に存在するコバルト凝集体及びニッケル凝集体は、該第２層を透過型電子顕微鏡で観察した際の顕微鏡像上で、等価円直径が５ｎｍを超える該凝集体の占める領域が面積比で３０％以下であり、
上記第１層は、ダイヤモンド多結晶から成ることを特徴とする硬質炭素被膜。
【請求項２】
上記顕微鏡像上で、等価円直径が５ｎｍを超えるコバルト及びニッケル凝集体の占める領域が面積比で１２％以下であることを特徴とする請求項１に記載の硬質炭素被膜。
【請求項３】
上記顕微鏡像上で、等価円直径が５ｎｍを超える凝集体の占める領域の面積比をＸ％とし、該第２層中のコバルト及びニッケルの合計含有量をＹ原子％としたときに、次式
Ｘ＜４Ｙ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の硬質炭素被膜。
【請求項４】
第１層を構成するダイヤモンド微結晶の粒径が０．２μｍ以上１．４μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の硬質炭素被膜。
【請求項５】
第１層を構成するダイヤモンド微結晶の粒径が０．６μｍ以上１．２μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の硬質炭素被膜。
【請求項６】
表面粗さＲｙが０．１μｍ以上０．６μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の硬質炭素被膜。
【請求項７】
潤滑剤中で使用されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の硬質炭素被膜。
【請求項８】
上記潤滑剤は添加剤を含有して成り、該添加剤は分子内に水酸基を有することを特徴とする請求項７に記載の硬質炭素被膜。
【請求項９】
上記潤滑剤が自動車用エンジン油であることを特徴とする請求項７又は８に記載の硬質炭素被膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低摩擦特性に優れた硬質炭素被膜に係わり、更に詳細には、特にエンジンオイル、トラスミッションオイル等の潤滑剤中で使用するのに適した低摩擦な硬質炭素被膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬質炭素被膜は、アモルファス状の炭素あるいは水素化炭素から成る膜であって、ａ−Ｃ：Ｈ（アモルファスカーボン又は水素化アモルファスカーボン）、ｉ−Ｃ（アイカーボン）、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン又はディーエルシー）などとも呼ばれている。
【０００３】
このような硬質炭素被膜を形成するには、炭化水素ガスをプラズマ分解して成膜するプラズマＣＶＤ法、あるいは炭素や炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法などの気相合成法が用いられる。この硬質炭素被膜は高硬度で表面が平滑であり耐摩耗性に優れ、更にはその固体潤滑性から摩擦係数が低く、優れた摺動特性を有している。
例えば、通常の平滑な鋼材表面の無潤滑下での摩擦係数が０．５〜１．０であるのに対して、硬質炭素被膜においては、無潤滑下での摩擦係数が０．１程度である。
【０００４】
硬質炭素被膜は、上記のような優れた特性を活かし、ドリルの刃を始めとする切削工具や研削工具等の加工工具や、塑性加工用金型、バルブコックやキャプスタンローラのような無潤滑下での摺動部品等に応用されている。
【０００５】
一方、潤滑油中で摺動する内燃機関などの機械部品においても、エネルギー消費や環境問題の面から、できるだけ機械的損失を低減したいという要望があり、摩擦損失の大きい摺動条件の厳しい部位への硬質炭素被膜の適用が検討されており、摺動部材に硬質炭素被膜を設けると共に、その組成や表面状態を制御し、無潤滑状態だけでなく潤滑油が十分に存在する条件下でも摩擦係数を下げる試みがいくつかなされている。
【０００６】
例えば、このような硬質炭素被膜にＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素及びＳｉのうちの１種以上を添加する方法が示されており、この方法によりこれら元素を加えない場合に比べ摩擦係数が低減している（特許文献１参照）。
また、このような硬質炭素被膜にＡｇのクラスターを設ける方法も示されている（特許文献２参照）。
この他、このような硬質炭素被膜に適宜の金属元素を加えた上、更に膜中の酸素の含有量を制御することで低い摩擦係数を得ている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００３−２４７０６０号公報
【特許文献２】特開２００４−０９９９６３号公報
【特許文献３】特開２００４−１１５８２６号公報
【０００７】
更に、別の面の技術課題として、このような摺動部材を用いる場合に、相手材の摩耗を抑制したいという要求も当然ながら存在し、この要求も対する解決策としては、摺動部材の表面層を相対的に軟らかい含水素炭素膜で構成し、摩擦低減のために当該含水素炭素膜にＶ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｓｉのいずれかの元素を加える方法がある（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献４】特開２００３−０２７２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、測定方法の違いの影響はあるもののモータリング試験での摩擦係数である０．０６から、もう一段の摩擦係数低減が望まれている。また、特許文献２に記載の方法においても、摩擦係数を往復動試験によって測定しているので、直接の比較はできないが、摩擦係数は最小で０．０４であり、同様にもう一段の摩擦係数低減が望まれる。また、当該硬質炭素被膜の上に、大きさや数を制御してＡｇクラスターを設ける必要があることから、プロセス制御の点で煩雑な面がある。
更に、上記特許文献３では、金属元素の含有量と、酸素の含有量の双方を制御する必要があることから、より簡便なプロセスが望まれている。また、この場合、潤滑油中にモリブデンジチオカーバメイト（ＭｏＤＴＣ）のような極圧添加剤が必要なため、効果を発揮できる潤滑油の種類が限られるという問題があった。
【０００９】
また、相手材の摩耗抑制対策として、上記特許文献４に記載の方法においては、含水素炭素膜の潤滑油中での摩擦係数は、水素を実質的に含まない炭素膜の摩擦係数に比べて全般に高く（例えば、特開２０００−２９７３７３号公報参照）、含水素炭素膜であることに起因して生じる不利を特定の金属元素を添加することによって抑えたとしても、摩擦係数の低減効果が限定的となる懸念が残る。
【００１０】
更に、本発明者らは、硬質炭素被膜の摩擦係数低減効果をより大きく引き出すには、膜内の金属凝集体の生成を抑えることが有用であることを見出した。即ち、本発明者らが種々の実験を繰り返したところ、摩擦係数に影響を及ぼし始める凝集体のサイズは、直径５ｎｍ超と推測された。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の有する課題及び新たな知見に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摩擦係数の一層の低減を図るとともに、簡便なプロセスで製造することができる硬質炭素被膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、硬質炭素被膜の種類や成膜方法、更には硬質炭素被膜に、添加成分として金属元素などのドーピングを施す方法などについて鋭意検討を重ねた結果、コバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）のドーピングが低摩擦特性に有効であることを見出した。併せて、これら特性を最大限に引き出すための被膜の微細構造について特に綿密な検討を行うことにより、本発明を完成するに至った。
【００１３】
即ち、本発明の硬質炭素被膜は、最表面の第２層とその下層の第１層がなす積層構造を含んで成る硬質炭素被膜であって、
上記第２層は、非晶質炭素を主成分とし、コバルト及び／又はニッケルを合計で１．４原子％〜３９原子％含有し、
上記第２層中に存在するコバルト凝集体及びニッケル凝集体は、該第２層を透過型電子顕微鏡で観察した際の顕微鏡像上で、等価円直径が５ｎｍを超える該凝集体の占める領域が面積比で３０％以下であり、
上記第１層は、ダイヤモンド多結晶から成ることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の硬質炭素被膜の好適形態は、上記顕微鏡像上で、等価円直径が５ｎｍを超える凝集体の占める領域の面積比をＸ％とし、該第２層中のコバルト及び／又はニッケルの合計含有量をＹ原子％としたときに、次式
Ｘ＜４Ｙ
の関係を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、膜中にコバルトやニッケルを添加し、その添加量の範囲（両方を添加した場合にはその合計量）をまず最適化した。加えて被膜の構造、より詳しくは添加した金属に起因する凝集体の存在形態を規定したから、摩擦係数を大幅に低減し得る。更には、下地層を、凹凸のあるダイヤモンド多結晶層としたから、結晶粒のうち表面に露出したものが相手研磨効果を補い、表面側の第２層がスパッタリング法による非晶質炭素層であっても、相手材を平滑化して摩擦低減効果を発揮し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の硬質炭素被膜について詳細に説明する。
【００１７】
上述の如く、本発明の硬質炭素被膜は、表面側より第２層、第１層がなす積層構造を含んで成る。
ここで、上記第２層は、非晶質炭素を主成分とし、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれか一方又は双方を合計で１．４原子％〜３９原子％含有する。
また、第２層中に存在するＣｏ凝集体、Ｎｉ凝集体は、該第２層を透過型電子顕微鏡で観察した際の顕微鏡像上で、等価円直径が５ｎｍを超える該凝集体の占める領域を、面積比で３０％以下とする。
【００１８】
一方、上記第１層は、ダイヤモンド多結晶で構成され、第２層と基材の間に配設される下地層の少なくとも１層を構成する。ダイヤモンド多結晶層の個々の結晶粒は、ダイヤモンドの晶癖に起因して角錐形状を呈する。
【００１９】
このような構成により、本発明では、ＣｏとＮｉの添加量の範囲（両方を添加した場合にはその合計量）を最適化し、添加した金属に起因する凝集体の存在形態を規定し、さらに第１層を、角錐形状でかつ硬い結晶粒からなる層としたから、摺動中に第２層がなじむと第１層の結晶粒の先端が表面に露出し、相手材を研磨して平滑にする効果を発揮するため、さらに低い摩擦係数が得られる。
【００２０】
ここで、本発明の硬質炭素被膜が、低い摩擦係数を示す理由については、現時点では、以下のように推察できる。
即ち、第２層中にコバルトやニッケルを添加したことによって、硬質炭素被膜の表面は潤滑剤中の基剤（基油）成分やこれに含まれる添加剤成分を吸着する能力が向上し、表面にこれら基油や添加剤から成る薄い膜が形成される。
これによって、面圧が高い条件又は摺動速度が遅い条件、いわゆる境界潤滑条件においても、形成された膜が相手材との直接接触を防ぐという機構によって低い摩擦係数が発現するものと考えられる。
【００２１】
なお、本発明の硬質炭素被膜は、潤滑剤を用いない条件、即ち、いわゆるドライ条件でも用いることができるが、上記説明のように、潤滑剤の基剤（基油）や添加剤との吸着が摩擦係数低下の本質であることから、潤滑剤中で用いることでその効果がより一層発揮される。従って、潤滑剤中で用いることが望ましい。
【００２２】
また、この場合の低摩擦化機構であるが、詳細に言えば、添加したコバルト又はニッケルが直接低摩擦化に寄与しているのでなく、周囲の炭素原子にコバルトやニッケルが量子力学的な作用を及ぼし、これにより炭素原子の添加剤吸着能が向上していると推測される。よって、添加したコバルトやニッケル原子と、被膜の主要相である炭素原子とが隣接する機会をなるべく多くすることが望ましい。
【００２３】
換言すれば、コバルトやニッケルは極力小さいクラスター、究極的には単一の原子の状態で、母相中に均一に分散していることが望ましい。逆に言えば、添加したコバルトやニッケルが凝集体の状態で存在すると、周囲の炭素原子と接触する機会が減るので、添加効果が小さくなる。
また、コバルトやニッケルが凝集体の状態で存在する場合、その周囲の炭素が本来のアモルファスでなくグラファイトとなっている箇所が多く見られるため、この観点からも凝集体の生成は抑制することが望ましい。なお、低摩擦を目的とした硬質炭素被膜においては、グラファイト成分が多くなることは一般に好ましくないとされている。
【００２４】
なお、コバルトやニッケルは、硬質炭素被膜の第２層の表面から深部までの全てに均等に含有させる必要は必ずしもなく、少なくとも摺動する表面及び摩耗による減りしろに相当する部分まで含有させることで十分である。また、初期なじみなどを目的として、コバルトやニッケルを特に含まない犠牲層を設けるような変形も可能である。
【００２５】
ここで、該第２層中のコバルトやニッケルの添加量については、上述のように、合計で１．４原子％以上３９原子％以下とする。
合計で１．４原子％未満では上記の吸着効果が十分に発揮されない。吸着の効果を十分に得るためには、できれば３原子％以上、より好ましくは６原子％のコバルトやニッケルを添加するとよい。
一方、コバルトやニッケルの添加量が合計で３９原子％を超えた場合には、推測ではあるが、炭素原子のネットワーク構造がコバルトやニッケル原子が存在することによって乱されるために、硬質炭素被膜が本来有する低摩擦性能や硬さが損なわれると、推測できる。このため、添加量は３９原子％以下、好ましくは２０原子％以下、より好ましくは１６原子％以下に留めるのがよい。
【００２６】
また、本発明の硬質炭素被膜において、該第２層中には、Ｃｏ凝集体、Ｎｉ凝集体のいずれか一方又は双方が存在する。かかる凝集体は、大きなものから小さなものまで寸法に分布を有するが、その中でも摩擦係数に影響を及ぼす凝集体、即ち生成を抑制すべき凝集体は、等価円直径で５ｎｍを超える凝集体である。
このため、等価円直径で５ｎｍを超える凝集体の生成が抑制されていればよい。即ち、該第２層の断面を透過型電子顕微鏡で観察した際の該顕微鏡像上で、等価円直径が５ｎｍを超える該凝集体の占める領域が面積比で３０％以下になるようにする。好ましくは１５面積％以下であることがよい。なお、等価円直径で５ｎｍを超える凝集体は、もちろん少なければ少ないほどよい。
【００２７】
更に、該被膜中へのコバルトやニッケルの添加量がもともと少ない場合は、上記凝集体の存在量が面積比率で３０％以下であったとしても、肝心の母相中に分散すべきコバルト原子やニッケル原子が不足することが考えられる。この場合所期の摩擦係数低減が得られないおそれがある。
即ち、上記顕微鏡像上で、等価円直径が５ｎｍを超える凝集体の占める領域の面積比をＸ％とし、該第２層中のコバルト、ニッケル双方の合計含有量をＹ原子％としたときに、次式
Ｘ＜４Ｙ
で表される関係を満たすように凝集体の存在比を調整することが好ましい。
【００２８】
一方、本発明の硬質炭素被膜において、第１層には、ダイヤモンド多結晶から成る下地層を含める。
これにより、後述するように、摺動する際の相手材を研磨して平滑にする効果を発揮する。
【００２９】
本発明の硬質炭素被膜の第２の層では、被膜中の水素原子の量を減らすことが望ましく、その具体的範囲としては、６原子％以下、より望ましくは１原子％以下とすることができる。
このような水素含有量の低い硬質炭素被膜は、例えば、スパッタリング法やイオンプレーティング法など、水素や水素含有化合物を実質的に使用しないＰＶＤ法（物理気相堆積法）によって成膜することができる。かかるスパッタリング法においては、雰囲気ガスに炭化水素ガスを加えることもできるが、本発明では炭化水素ガスを加えないことが望ましい。
具体的には、成膜をＰＶＤ法により行い、炭素源にもグラファイトなど炭化水素を含まないものを用い、雰囲気に炭化水素系ガスを加えなかった場合は通常、膜内の水素含有量は１原子％以下に抑えられる。
第１の層は膜中に水素を含んでもよく、ＣＶＤ法（化学気相堆積法）で形成することも可能である。
【００３０】
更に、本発明の硬質炭素被膜は、被膜中にＣｏやＮｉなどの金属を添加して成るが、その場合に生じる金属凝集体は極力減らすことが望ましい。
ここで、成膜原理としてスパッタリング法とアークイオンプレーティング法を比較した場合、金属凝集体のできにくさ（抑制のしやすさ）という点では、スパッタリング法が一般に優位である。
但し、スパッタリング法でも条件によっては凝集体が発生するので、プロセス条件の適切な設定が重要であることは言うまでもない。具体的には成膜速度を遅くする、基板の温度を下げるなどの方法があるがこれらに限定されない。
【００３１】
一方、アークイオンプレーティング法には別の点で優位性がある。即ち、アークイオンプレーティング法においては、成膜中に、原料となる蒸発源から該原料物質がクラスター状態又は溶融状態で基板に飛来し、そのまま膜中に残ることがある。これらは一般に硬質の粒子や突起となり、「ドロップレット」、「マクロパーティクル」などと呼ばれる。このドロップレットが過度に存在すると表面が粗くなって摩擦係数が上がるが、適度の密度で存在する場合には、相手部材を研磨して平滑にしつつ、ドロップレット自身は順次脱落するために、最終的な摩擦係数はドロップレットがない場合に比べて低くなる。
【００３２】
スパッタリング法においてはこのドロップレットが生じにくいため、相手研磨効果は薄い。この相手研磨を補うことで一層の摩擦係数低減が望めるため、本発明においては下地側の第１層をダイヤモンド多結晶膜とし、その角錐形状のモルフォロジーを利用して相手研磨効果を補い、摩擦係数を低減している。
【００３３】
ダイヤモンドの平均結晶粒径は０．２μｍ以上１．４μｍ以下、より好ましくは０．６μｍ以上１．２μｍ以下とすることがよい。粒径を制御する方法は特に限定されないが、例えば特開２００４−０９１２５０（レーザーアブレーション法）や特開平６−２７６０４９（プラズマＣＶＤ法）などの公知の方法を適宜用いることができる。
ダイヤモンドはその晶癖（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｈａｂｉｔ）から、個々の結晶粒は角錐形状となるので、この範囲に粒径を規定すれば角錐の山の高さもおよそ一定の範囲に収めうる。例えば、図１に示すように、基材１に角錐状の結晶粒からなるダイヤモンド多結晶層２を第１層として被覆し、その後に非晶質炭素層３を第２層として被覆できる。
一方、山の高さが低い場合、換言すれば粒径が小さい場合は、研磨効果が得られにくい。また、山が大きすぎると研磨を通り越して、相手材を過度に摩耗させる上、摩擦係数も高くなり易い。
なお、結晶粒径の定量法には、いわゆる「等価円直径」の考えを用いる。
【００３４】
上述のように、本発明の硬質炭素被膜では、表面にドロップレットを残し、相手材の研磨効果の向上を図る観点から、被膜表面は、表面粗さＲｙが０．１μｍ〜０．６μｍとなるようにすることが望ましい。Ｒｙが０．１μｍ未満では研磨効果が過小となることがあり、０．６μｍ超過では膜の剥離が生じることがある。
【００３５】
また、本発明の硬質炭素被膜においては、第２層が０．２〜１．０μｍ程度、第１層が０．２〜０．８μｍ程度であることが望ましい。
もちろん第２層と第１層の間に中間層を挿入したり、第２層の表面側に犠牲層を設けたりする変形も可能である。
【００３６】
以上説明した本発明の硬質炭素被膜は、潤滑剤中で使用した場合にその効果が特に大きく得られる。
上記潤滑剤としては、具体的には、自動車用のエンジン油などを用いることができる。特に、添加剤を含有するものを用いることができる。より詳しくは、該添加剤が、その分子内に水酸基を有していることが好ましい。上記添加剤としては、脂肪酸のモノグリセリドなどが挙げられるが、これに限定されないことは当然である。
このときは、上述のように、分子内の水酸基が、該硬質炭素被膜の表面に吸着し、相手材との直接接触を緩和する作用を発揮し得ると推察できる。
【００３７】
言い換えれば、添加剤分子の硬質炭素被膜表面への吸着の良否は、分子が有する官能基によって左右されるが、好ましい官能基として水酸基を挙げることができる。添加剤の一分子内に有する官能基の数が多いほど、硬質炭素被膜に強固に吸着することができるため、摩擦係数低減の上で有利になる。
但し、水酸基の数が多すぎる場合は親水性が勝って基油成分と分離することもあるので、部品の使用状況（主に温度）に応じて適宜添加剤を選択するのがよい。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３９】
・基材への第１層のコーティング
コーティングの基材は窒化ケイ素とした。厚さ４ｍｍで３０ｍｍ角の窒化ケイ素焼結体を用意し、研削とラッピングを施して表面を平滑にした。ラッピングの条件を変え、表面の粗さとして（ａ）〜（ｅ）５つの水準の窒化ケイ素板を作製した。
その粗さはＲａで（ａ）０．０１０、（ｂ）０．０２０、（ｃ）０．０３０、（ｄ）０．０４５、（ｅ）０．０７５であった。
【００４０】
次に、これらの基材の表面に、多結晶ダイヤモンドの成膜をマイクロ波プラズマを用いたＣＶＤ法で行った。成膜装置に基材を収めて真空に排気した後、成膜室内にアルゴンで希釈したメタンガスを流し、０．５Ｐａに圧力を保った。基材の温度を９００℃とし、３時間の間成膜した。
【００４１】
成膜の終わった基材を成膜装置から取り出し、粒径の定量を行った。ダイヤモンド多結晶層を走査型電子顕微鏡で観察し、２０μｍ×２０μｍの範囲の画像分析を行って平均粒径（数平均）を求めた。平均粒径は等価円直径として処理した。
【００４２】
等価円直径であるが、単一連結で周囲が閉じた、面積Ｓの２次元図形に対し、同じ面積Ｓを有する円の直径として定義される。即ちＳを円周率πで除し、その商の平方根をとり、更に２を掛ければ等価円直径となる。
定量の結果、（ａ）から出発した膜の平均粒径は０．１９μｍ、（ｂ）からでは０．３５μｍ、（ｃ）からでは０．６９μｍ、（ｄ）からでは１．１μｍ、（ｅ）からでは１．５μｍであった。以下、これらダイヤモンド多結晶層を表面に有する膜を順に、基材Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅと称する。
【００４３】
更に、この基材の第１層上に、第２層として、条件を変えながら金属を含有する非晶質炭素の成膜を行い、各例の硬質炭素被膜を得た。
【００４４】
（実施例１〜５）
基材Ａ〜Ｅの５種類の基材を真空成膜装置に収め、マグネトロンスパッタリング法で非晶質炭素層の成膜を行った。スパッタリングのターゲットには、グラファイトからなる半径８０ｍｍの円板を用い、この炭素ターゲット上に、金属コバルトの板を置くことによって炭素のスパッタリングと同時に、硬質炭素被膜中に一定量のコバルトが含まれるようにした。このとき、コバルトの板を半径８０ｍｍ、頂角５°の扇形形状とし、コバルト板がターゲット全体の１／７２を占めるようにした。また、スパッタリングの雰囲気ガスにはアルゴンを用いた。成膜時、基板にかけるバイアス電圧は４０ボルト、プラズマ励起のための励振電力は２００Ｗに設定した。これらを表１に示す。
【００４５】
（１）第２層の成膜時間
第二層のプロセス時間については、予備実験で求めた成膜レートから計算した。予備実験ではコバルト板なしに、炭素ターゲットのみで上記と同条件で成膜した。予備実験の結果、成膜レートは毎時０．３１μｍと求められた。このレートから成膜時間を逆算した。（０．４÷０．３１＝１時間１７分）
【００４６】
（２）硬質炭素被膜の元素分析
得られた硬質炭素被膜について膜中の元素の分析を行った。
コバルトについては、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用い、アルゴンガスで表面からエッチングしながら深さプロファイルを測定した。試料表面から５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍの３点でコバルト濃度を測定し、それらの平均をもって膜中の平均含有量とした。
【００４７】
（３）凝集体の存在量
得られた硬質炭素被膜の第１層（非晶質炭素層）について、凝集体の評価を行った。
凝集体の観察は透過型電子顕微鏡によった。凝集体の寸法が十分に大きい場合は走査型電子顕微鏡での観察も可能であるが、５ｎｍ程度となると透過型電子顕微鏡を用いることとなる。本分析においては高分解能透過型電子顕微鏡を、加速電圧３００ｋＶで用いた。
図３に試料の切り出し法を模式的に示す。
【００４８】
透過型電子顕微鏡像において、添加した金属元素（ここではコバルト又はニッケル）は密度が大きいため黒く映る。これに対し母相である炭素アモルファスは密度が小さいため白く映る。このため、透過型電子顕微鏡像において、両者を識別することは一般に容易である。図２に透過型電子顕微鏡で観察される硬質炭素被膜の画像を模式的に示す。同図に示すように、母相４（主にアモルファス炭素からなるが、均質に分布した添加金属をも含む）と、凝集体５とは明確に識別できる。
【００４９】
透過型電子顕微鏡はその原理からして、試料内の金属凝集体が透過像として映る。従って、透過型電子顕微鏡像で金属凝集体が占めている面積比は一般に、被膜中の金属凝集体の体積比とは一致しない。本発明の本質は金属凝集体の体積比を一定以下に抑制することであるが、それを定量することは一般に困難である。そこで本分析では、透過型電子顕微鏡像上において、金属凝集体が映ることでなる黒色部分の面積比をもって、凝集体の存在量を定量することとした。
【００５０】
この場合当然ながら、試料が厚くなればなるほど透過して観察される金属凝集体の量は多くなるから、試料の厚みは一定にして定量しなくてはならない。本分析では、図３に示すように、収束イオンビーム法（ＦＩＢ法）により、硬質炭素被膜６の表面と垂直に（成長方向と平行に）試料７を厚さ１００ｎｍで切り出し、常にこの厚さ１００ｎｍの試料において金属凝集体の観察を行った。倍率は２００万倍に設定した。
また、観察の視野が小さいと統計的な変動の影響を受けるので、本分析では２５０ｎｍ×２５０ｎｍの範囲を撮影した上で分析した。
【００５１】
ここで、金属に限らず凝集体は、その表面エネルギーを最小にしようとする。表面エネルギーが等方的であれば凝集体は球となり、その投影像あるいは透過像は円となる。しかし、実際には凝集体は球から外れた形状をしており、透過像は完全な円とはならない。この場合に凝集体の大きさをどう評価するかという問題があるが、ここでは等価円直径の考え方を用いた。
【００５２】
等価円直径は、単一連結で周囲が閉じた、面積Ｓの２次元図形に対し、同じ面積Ｓを有する円の直径として定義される。即ち、Ｓを円周率πで除し、その商の平方根をとり、更に２を掛ければ等価円直径となる。そして、この等価円直径が５ｎｍを超える凝集体の抑制が重要であることは、既に述べたとおりである。
【００５３】
また、本分析では透過型電子顕微鏡で観察しているので、２以上の凝集体が重なって観察されることがある。ほぼ球形の粒子が２以上、ずれた位置で重なっている場合、透過像は、図４のような亜鈴形状８となる。この場合は２箇所のくびれの部分を直線９で２つの領域に分割し（図中のＳ１、Ｓ２）、それぞれの領域に対し等価円直径を定義する。重なりがある分、等価円直径は実際の凝集体の直径より小さく算出されるが、その影響も織り込んだ上で「等価円直径で５ｎｍ」を基準とする。
【００５４】
（４）摩擦特性の評価
当該試料について、ボールオンディスク法による摩擦特性の評価を行った。試験に際して、潤滑剤として自動車用エンジン油５Ｗ−３０ＳＬを用いた。
試料をこのエンジン油中で回転させ、軸受鋼（日本工業規格  ＳＵＪ２）から成る直径６ｍｍのボールを押し当て、このボールを保持しているアームにかかるトルクを測定することにより摩擦係数を計算した。摺動痕の直径は１０ｍｍ、油温は８０℃とした。また、上記ボールにかけた垂直荷重は８Ｎである。
なお、ボールは固定しており、摺動によって転がることのないようにした。摺動速度は毎秒３ｃｍとした。
【００５５】
摩擦係数の算出については、摺動開始直後のなじみ効果を考慮して、試験開始から５分経過した時点の測定値をもって、その材料の摩擦係数とみなした。
実施例１〜５の分析結果、摩擦係数評価結果についてはまとめて表１に示す。
【００５６】
【表１】
2008031534.tif 000003
【００５７】
（実施例６〜８）
上記実施例３の硬質炭素被膜を異なる種類の潤滑剤中で評価した例である。
実施例６では摩擦試験の潤滑剤に、ポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）に、グリセリンモノオレイト（ＧＭＯ）を１体積％、外掛けで添加し、十分に攪拌したものを用いた。
実施例７ではエンジン油５Ｗ３０ＳＬに、ＧＭＯを同じく１体積％外掛けで添加し、十分に攪拌したものを用いた。
実施例８ではポリアルファオレフィン（ＰＡＯ）に、グリセリンジオレイト（ＧＤＯ）を１体積％、外掛けで添加し、十分に攪拌したものを用いた。
これら以外のＣｏ含有量や凝集体量などについては、実施例３と同様の操作を繰返して、本例の硬質炭素被膜を得た。
実施例６〜８の分析結果、摩擦係数評価結果についてはまとめて表１に示す。
【００５８】
（実施例９）
上記実施例３の硬質炭素被膜に準じて成膜したが、コバルトの添加量を少なくした例である。
基材Ｃを用い、スパッタリングのターゲットには、半径８０ｍｍの円板状炭素ターゲットの上に、半径８０ｍｍ、頂角２．５°の扇形状の金属コバルトの板を置いた。膜厚は同じく１．０μｍになるようプロセス時間を調節した。基板バイアス電圧は４０Ｖ、プラズマ励振電力は２００Ｗとした。
【００５９】
実施例３と同様の方法で硬質炭素被膜の分析を行った結果、コバルト量は４原子％、凝集体量は６面積％であった。摩擦係数は０．０１４であった。これらをまとめて表１に示す。
【００６０】
（実施例１０）
上記実施例３の硬質炭素被膜に準じて成膜したが、コバルトの添加量を多くした例である。
基材Ｃを用い、スパッタリングのターゲットには、半径８０ｍｍの円板状炭素ターゲットの上に、半径８０ｍｍ、頂角７．５°の扇形状の金属コバルトの板を置いた。膜厚は同じく１．０μｍになるようプロセス時間を調節した。基板バイアス電圧は４０Ｖ、プラズマ励振電力は２００Ｗとした。
【００６１】
実施例３と同様の方法で硬質炭素被膜の分析を行った結果、コバルト量は１６原子％、凝集体量は１４面積％であった。摩擦係数は０．０２４であった。これらをまとめて表１に示す。
【００６２】
（実施例１１）
上記実施例９の硬質炭素被膜に準じて成膜したが、バイアス電圧を変化させた例である。
基材Ｃを用い、スパッタリングのターゲットには、半径８０ｍｍの円板状炭素ターゲットの上に、半径８０ｍｍ、頂角２．５°の扇形状の金属コバルトの板を置いた。膜厚は同じく１．０μｍになるようプロセス時間を調節した。基板バイアス電圧は９０Ｖ、プラズマ励振電力は４００Ｗとした。
【００６３】
実施例３と同様の方法で硬質炭素被膜の分析を行った結果、コバルト量は３原子％、凝集体量は１３面積％であった。摩擦係数は０．０２３であった。これらをまとめて表２に示す。
【００６４】
【表２】
2008031534.tif 000004
【００６５】
（実施例１２）
上記実施例１０の硬質炭素被膜に準じて成膜したが、バイアス電圧を変化させた例である。
基材Ｃを用い、スパッタリングのターゲットには、半径８０ｍｍの円板状炭素ターゲットの上に、半径８０ｍｍ、頂角７．５°の扇形状の金属コバルトの板を置いた。膜厚は同じく１．０μｍになるようプロセス時間を調節した。基板バイアス電圧は６０Ｖ、プラズマ励振電力は２００Ｗとした。
【００６６】
実施例３と同様の方法で硬質炭素被膜の分析を行った結果、コバルト量は１５原子％、凝集体量は２６面積％であった。摩擦係数は０．０２７であった。これらをまとめて表２に示す。
【００６７】
（実施例１３）
上記実施例３の硬質炭素被膜に準じて成膜したが、添加する金属の種類を変えた例である。
基材Ｃを用い、スパッタリングのターゲットには、半径８０ｍｍの円板状炭素ターゲットの上に、半径８０ｍｍ、頂角５°の扇形状の金属ニッケルの板を置いた。膜厚は同じく１．０μｍになるようプロセス時間を調節した。基板バイアス電圧は４０Ｖ、プラズマ励振電力は２００Ｗとした。
【００６８】
実施例３と同様の方法で硬質炭素被膜の分析を行った結果、ニッケル量は８原子％、凝集体量は１１面積％であった。摩擦係数は０．０１９であった。これらをまとめて表２に示す。
【００６９】
（比較例１）
下地である第１層として、ダイヤモンド多結晶層を設けなかった例である。
実施例１と同様の窒化ケイ素板を用意し、表面を研磨した。研磨後の表面粗さはＲａ  ０．０３０であった。この基材に、表面にダイヤモンド多結晶層を設けることなく、直接非晶質炭素層を形成した（この基材を「基材Ｆ」と呼称する）。
非晶質炭素層の形成は実施例３と同様の方法で行った。即ち、半径８０ｍｍの円板状炭素ターゲットの上に、半径８０ｍｍ、頂角５°の扇形状の金属コバルトの板を置き、基板バイアス電圧は４０Ｖとし、プラズマ励振電力は２００Ｗ、膜厚の狙い値は１．０μｍとした。
【００７０】
実施例３と同様の方法で硬質炭素被膜の分析を行った結果、コバルト量は９原子％、凝集体量は１１面積％であったが、下地のダイヤモンド多結晶層がないため、摩擦係数は０．０３９でやや高くなった。これらをまとめて表２に示す。
【００７１】
（比較例２）
上記実施例３の硬質炭素被膜に準じて成膜したが、非晶質炭素層中のコバルト量を多くした例である。
基材Ｃを用い、スパッタリングのターゲットには、半径８０ｍｍの円板状炭素ターゲットの上に、半径８０ｍｍ、頂角１５°の扇形状の金属コバルトの板を置き、基板バイアス電圧は４０Ｖとし、プラズマ励振電力は２００Ｗ、膜厚の狙い値は１．０μｍとして成膜した。
【００７２】
実施例３と同様の方法で硬質炭素被膜の分析を行った結果、コバルト量は２４原子％、凝集体量は３５面積％であった。凝集体量が多いため、摩擦係数は０．０４２でやや高くなった。これらをまとめて表２に示す。
【００７３】
表１及び表２から明らかなように、下地を多結晶ダイヤモンドとし、コバルトやニッケルを添加した上で、凝集体の量を一定水準以下に抑制し、更に表面のドロップレット量を適切な範囲にした実施例１〜１３はいずれも低い摩擦係数を示した。
また、その中でも凝集体の量を１５面積％以下に抑えたり、凝集体の量を、膜中の金属含有量に対し一定以下に抑えたりした場合には特に低い摩擦係数が得られた。
【００７４】
更に、潤滑剤としては自動車用エンジン油のほか、分子中に水酸基を有する化合物を添加剤として添加した実施例６〜８は、低い摩擦係数が得られ、また分子内に有する水酸基の数が多いほどその効果は大きくなった。
【００７５】
本発明において、特に好ましい実施例としては、エンジン油中において摩擦係数の低い実施例９が挙げられる。
【００７６】
これに対して、非晶質炭素層がコバルトを含みながらも、下地が多結晶ダイヤモンドでない比較例１や、下地が多結晶ダイヤモンドでも、コバルトの凝集体が多い比較例２では、摩擦係数が高くなった。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の硬質炭素被膜は、特に自動車用のエンジンオイルやトラスミッションオイル等の潤滑剤中における摺動部材に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】硬質炭素被膜の断面を、成膜の過程を追って示す模式図である。
【図２】透過型電子顕微鏡で観察される硬質炭素被膜の典型的構造を示す模式図である。
【図３】凝集体の観察を行うための試料を、ＦＩＢ法で切り出す状況を示す模式図である。
【図４】凝集体が亜鈴形状で観察された場合、凝集体の寸法を定量する方法を示した図である。
【符号の説明】
【００７９】
１  基材
２  多結晶ダイヤモンド層
３  非晶質炭素層
４  母相（主にアモルファス炭素からなるが、均質に分布した添加金属をも含む）
５  凝集体
６  硬質炭素被膜
７  観察用試料
８  分割前の亜鈴形状の輪郭線
９  分割線
【図１】
2008031534.tif 000005
【図２】
2008031534.tif 000006
【図３】
2008031534.tif 000007
【図４】
2008031534.tif 000008