(57)【要約】  【課題】ダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜に代わって、工具、金型、機械部品などの耐磨耗性および耐久性を向上させるための炭素膜を提供する。  【解決手段】カソードアークイオンプレーティング法で、固体炭素である等方性グラファイトを原料とし、真空度０．０５Ｐａ以下の雰囲気下で、合成温度１００〜３００℃で成膜され、密度が２．８〜３．３ｇ／ｃｍ3、スピン密度が１×１０18〜１×１０21spins／ｃｍ3、ヌープ硬度が１５００〜６０００である炭素膜。炭素濃度が９９．５原子％以上、水素濃度が０．５原子％以下、希ガス元素濃度が０．５原子％以下、ヌープ硬度が２０００〜６０００であることが好ましい。この炭素膜が被覆された炭素膜被覆部材は、耐磨耗性および耐久性に優れている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードアークイオンプレーティング法で、等方性グラファイトを原料とし、真空度０．０５Ｐａ以下の雰囲気下で、合成温度１００〜３００℃で成膜された、密度が２．８ｇ／ｃｍ3以上３．３ｇ／ｃｍ3以下、スピン密度が１×１０18spins／ｃｍ3以上１×１０21spins／ｃｍ3以下、ヌープ硬度が１５００以上６０００以下である炭素膜。
【請求項２】
水素および希ガス元素を含むガスを雰囲気に導入せずに成膜された請求項１に記載の炭素膜。
【請求項３】
炭素濃度が９９．５原子％以上、水素濃度が０．５原子％以下、希ガス元素濃度が０．５原子％以下の炭素膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素膜。
【請求項４】
炭素濃度が９９．９原子％以上で水素および希ガス濃度がＨＦＳ／ＲＢＳの検出限界以下の炭素膜であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の炭素膜。
【請求項５】
ヌープ硬度が２０００以上６０００以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の炭素膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高硬度の炭素膜に関し、工具、金型、機械部品、電気・電子部品あるいは光学部品などの被覆に適用される。
【背景技術】
【０００２】
炭素系被膜は、その機械的特性および化学的安定性を利用して各種部材の耐磨耗性や耐久性を向上するための被覆材料として用いられてきている。従来、炭素からなる膜としては、ダイヤモンド膜、グラファイト膜あるいはダイヤモンド状炭素膜などが挙げられ、これらの製法や特徴は次のとおりである。ダイヤモンド膜は、一般にフィラメントＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法などで合成され、その合成温度は７００℃以上の高温である。この合成は、１％前後のメタンなどの炭化水素ガスに、９９％程度の多量の水素ガスを導入することにより行われる。このように水素ガスを導入するのは、多量の原子状水素を発生させ、合成される膜中の非晶成分をこの原子状水素と反応させて除去するためである。
【０００３】
ダイヤモンド膜の構造は立方晶系で、電子線回折やＸ線回折では、ダイヤモンド構造を反映した回折像が得られる。ラマン分光分析では、１３３３ｃｍ-1付近にダイヤモンド構造に対応する狭いピークが見られる。結晶質であるため、得られる膜は、結晶を反映した凹凸の激しい表面となる。物性は、ヌープ硬度が９０００以上、密度は３．５１ｇ／ｃｍ3以上である。一方、グラファイト膜は、真空蒸着法や炭化水素ガスの熱分解で得られる。前者は５００℃以下の低温で、後者は１０００℃以上の高温で合成される。グラファイトの結晶構造は、六方晶系での結晶質である。ヌープ硬度は２００以下ときわめて軟質で、密度は約２．２５ｇ／ｃｍ3である。
【０００４】
ダイヤモンド状炭素膜は、ダイヤモンドとグラファイトまたはダイヤモンドと炭素系樹脂との中間をなすものとされるが、その範囲は明確ではない。その製法には、プラズマＣＶＤ法、イオン化蒸着法、スパッタ法など種々の手法が存在するが、いずれも合成温度が４００℃以下と低いことが共通する。プラズマＣＶＤ法やイオン化蒸着法などでは、炭化水素ガスを原料とし、膜質を制御するため水素ガスを添加することが多い。また、スパッタ法などでは、スパッタ用にアルゴンなどの希ガスを用い、膜質の制御のため水素や炭化水素ガスを添加することが一般的である。その構造、組成および物性は次のとおりである。
【０００５】
その構造は非晶質で、ダイヤモンド構造を反映したｓｐ３構造と、グラファイト構造を反映したｓｐ２構造、水素との結合などが混ざったものであると考えられている。電子線回折やＸ線回折では、非晶質構造を反映したハローパターンが得られ、ラマン分光分析では１３００〜１６００ｃｍ-1付近に広いピークと肩を持った構造を示す。このように非晶質であるため、得られる膜は平滑である。その組成は、一般には水素を１０〜４０原子％程度含有しており、例えば特公平５−５８０６８号公報には水素含有量が２０〜３０原子％のものが開示されている。さらに、硬度を向上させるなどの目的で水素含有量数〜１０原子％程度まで低下させたものが提案されており、特開平３−１５８４５５号公報や特開平９−１２８７０８号公報には水素含有量数原子％のものが開示されている。水素以外にも各種元素の添加が試みられており、金属や窒素、ハロゲン原子などを添加した例が報告されている。また、スパッタ法など固体炭素を原料とする場合は、アルゴンなどの希ガス元素雰囲気下で成膜が行われるため、膜中に希ガス元素が取り込まれる。さらに、特開２０００−８０４７３号公報では希ガス元素を積極的に取り込ませて応力や硬度、耐磨耗性などを制御する例を提示している。
【０００６】
その物性に関しては、ヌープ硬度が一般に１０００〜２０００、密度が１．５〜２．５ｇ／ｃｍ3であって広い範囲を有する。例えば、特開平９−１２８７０８号公報には密度１．５〜２．２ｇ／ｃｍ3のものが開示されている。前記した炭素系の膜のうち、ダイヤモンドやダイヤモンド状炭素膜は、耐磨耗性が高く、摩擦係数が小さく、焼き付けが小さいという特徴を有しており、このために工具や金型、機械部品などへの適用が試みられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ダイヤモンドやダイヤモンド状炭素膜を工具、金型、機械部品などに適用しようとするとき、以下の点が問題になる。ダイヤモンド膜に関する問題点としては、成膜温度が７００℃以上の高温であること、また成膜したままの状態では表面粗さがきわめて大きいことなどが挙げられる。処理温度が高いことは、適用できる部材の材料が限定されることであり、具体的にはセラミックスや超硬合金などに限定され、鉄系材料などの汎用的で安価な材料に適用できないという問題がある。また、表面粗さが大きいため、工具、金型、機械部品など多くの用途においてはそのままで使用することができず研磨工程が必要不可欠になる。
【０００８】
ダイヤモンド状炭素膜に関しては、成膜温度が低く、表面粗さが小さい点においてはダイヤモンド膜よりも利用しやすいといえる。しかし、その一方で硬度が十分に高くないこと、耐熱性が低いことなどが問題点である。ダイヤモンド状炭素膜の一般的なヌープ硬度は、前述のように約１０００〜２０００であって、ダイヤモンドのヌープ硬度約１００００に比べて、１／１０〜１／５である。耐磨耗性などを要求する場合、更なる高硬度の材料が望まれている。また、ダイヤモンド状炭素膜の大気中での耐熱性は、一般に３５０〜４５０℃の範囲である。これより高い温度に曝されると、膜中の水素が脱離したり、酸化が進んだりして、硬度が大幅に低下する。従って、使用温度が高い工具や金型、機械部品などに適用できないという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、上記のように、ダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜にはその利用にあたって一長一短を有することから、これらに代わる新しい炭素膜を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決するために種々検討を重ねた結果、以下の１）〜５）項に記載の発明を完成したものである。
１）カソードアークイオンプレーティング法で、等方性グラファイトを原料とし、真空度０．０５Ｐａ以下の雰囲気下で、合成温度１００〜３００℃で成膜された、密度が２．８ｇ／ｃｍ3以上３．３ｇ／ｃｍ3以下、スピン密度が１×１０18spins／ｃｍ3以上１×１０21spins／ｃｍ3以下、ヌープ硬度が１５００以上６０００以下である炭素膜。
２）水素および希ガス元素を含むガスを雰囲気に導入せずに成膜された上記１）に記載の炭素膜。
３）炭素濃度が９９．５原子％以上、水素濃度が０．５原子％以下、希ガス元素濃度が０．５原子％以下の炭素膜であることを特徴とする上記１）または２）項に記載の炭素膜。
【００１１】
４）炭素濃度が９９．９原子％以上で水素および希ガス濃度がＨＦＳ／ＲＢＳの検出限界以下の炭素膜であることを特徴とする上記１）から３）項のいずれかに記載の炭素膜。
【００１２】
５）ヌープ硬度が２０００以上６０００以下であることを特徴とする上記１）から４）項のいずれかに記載の炭素膜。
【発明の効果】
【００１３】
上記の本発明の炭素膜は、硬度が高く耐熱性があり、この炭素膜で被覆した工具、金型、機械部品、電気・電子部品あるいは光学部品などの本発明の炭素膜被覆部材は優れた耐磨耗性と耐久性を有する。本発明の炭素膜は、上記１）項記載のとおり、カソードアークイオンプレーティング法で、等方性グラファイトを原料とし、真空度０．０５Ｐａ以下の雰囲気下で、合成温度１００〜３００℃で成膜さ成膜方法によって成膜することができる。この方法によると比較的、低温下において成膜することが可能であり、広範な被覆対象部材に工業的有利に実施できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の炭素膜は、前記１）項のとおり、密度が２．８ｇ／ｃｍ3以上３．３ｇ／ｃｍ3以下であることを特徴とする。ダイヤモンドの密度は３．５２９ｇ／ｃｍ3であり、その一方で一般のダイヤモンド炭素膜の密度は１．５〜２．５ｇ／ｃｍ3程度である。本発明の炭素膜は、これらの中間領域の密度を有するものである。密度が本発明でいう範囲に達しないときすなわち２．８ｇ／ｃｍ3未満では十分な耐熱性や硬度が得られず、一方密度が３．３ｇ／ｃｍ3を超えると数百℃の前半という低温での合成が困難であり現実てきではない。耐熱性、硬度および生産の安定性等の観点からみて、本発明の炭素膜は密度が２．９ｇ／ｃｍ3以上３．２ｇ／ｃｍ3以下であることがより好ましい。
【００１５】
本発明の炭素膜は、前記１）項のとおり、スピン密度が１×１０18spins／ｃｍ3以上１×１０21spins／ｃｍ3以下である。スピン密度とは不対電子の密度に対応するパラメーターである。スピン密度が大きいほど未結合手、すなわち欠陥が多いことを示す。ダイヤモンドのスピン密度は一般に１×１０17spins／ｃｍ3以下であり、このことは炭素原子１個につき約５．７×１０-7個以下の不対電子があることに対応する。本発明の炭素膜は、スピン密度が１×１０18spins／ｃｍ3以上１×１０21spins／ｃｍ3以下であることが好ましく、このことは密度が３．０ｇ／ｃｍ3の場合、炭素原子１個につき約６．７×１０-6以上６．７×１０-2個以下の不対電子を有することに対応する。スピン密度は小さいほど高硬度で耐熱性も高くなるが、現実的にはスピン密度が１×１０18spins／ｃｍ3に達しない炭素膜は数百℃の前半という低温での合成が困難であり好ましくない。また、スピン密度が１×１０21spins／ｃｍ3を超えた炭素膜は、不対電子が多く、すなわち欠陥が多くなってくることになり、硬度が小さくなり耐熱性にも劣ってくるので好ましくない。耐熱性、硬度および生産の安定性等の観点からみて、本発明の炭素膜はスピン密度が１×１０19spins／ｃｍ3以上８×１０20spins／ｃｍ3以下であることがより好ましい。
【００１６】
本発明の炭素膜は、前記３）項のとおり、炭素濃度が９９．５原子％以上、水素濃度が０．５原子％以下、希ガス元素濃度が０．５原子％以下であることが好ましい。一般のダイヤモンド状炭素膜は、水素が数〜数十原子％含まれている。水素は1個の結合手しか持たないため、炭素原子と結合するとそこで炭素原子同士の結合の連続性が途切れてしまうことになる。こうした水素と炭素との結合は、炭素膜の硬度低下と耐熱性の低下につながる。
【００１７】
また、炭素膜の合成中にアルゴン、ネオン、ヘリウム、キセノンなどの希ガスを使用すると、希ガス原子が膜中に多く取り込まれやすい。取り込まれた希ガス原子は特に結合手は形成しないものの欠陥の原因となりやすい。欠陥の存在は、硬度低下と耐熱性を下げる方向に作用する。以上のことから、水素や希ガス元素含有量が少ないほど、炭素原子同士の結合が多く耐熱性に強い膜となり得る。炭素濃度が９９．５原子％未満では不純物に起因する欠陥が増え、硬度、耐熱性が低下するので好ましくない。水素濃度が０．５原子％を超えると炭素同士の結合の連続性が途切れる箇所が多くなり、硬度、耐熱性が低下し好ましくない。希ガス元素濃度が０．５原子％を超えると欠陥が形成され、硬度、耐熱性が低下し好ましくない。本発明の炭素膜は、実質的に炭素元素のみから形成されていることが好ましい。すなわち、前記３）項でいう炭素膜をさらに特定した前記４）項記載の炭素膜であることが好ましく、実質的に炭素のみからなり、水素、希ガス元素が不純物レベルでしか検出されない炭素膜は極めて安定性が高くなる。ここでいう不純物レベルとは不可避混入レベルを意味する。具体的には、ｐｐｍオーダーの濃度をさす。実際には、成膜中に水素や希ガス元素、あるいは水素を含む材料を積極的に導入しないことによって得られるものである。
【００１８】
本発明の炭素膜は、前記５）のとおり、ヌープ硬度が２０００以上６０００以下であることが好ましい。炭素膜は、一般にグラファイト成分が増加すると耐熱性は低下する。グラファイト成分が少ないための条件としては、ヌープ硬度が２００以上であることが好ましい。一方、ヌープ硬度が６０００を超えるものは数百℃の前半という低温では実質的得ることが困難であり好ましくない。ここでいうヌープ硬度は、Ｓｉウエハ上に膜厚１．０μｍ以上２．０μｍ以下の膜厚で被覆した炭素膜を荷重５０ｇ以上１００ｇ以下で測定したときの値とする。
【００１９】
本発明の炭素膜は、カソードアークイオンプレーティング法により、原料炭素として等方性グラファイトを用いて、真空度０．０５Ｐａ以下の雰囲気下で、成膜することにより得られる。ここで、水素または希ガスを含むガスを導入せず成膜することが好ましい。現在工業的に多く適用されている炭素膜の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法やイオンビーム蒸着法、スパッタリング法などにより行われている。これらの手法では、原料や補助原料に、炭化水素や水素、希ガス元素などが使用される。従って、膜中に水素や希ガス元素が取り込まれやすい。一方、カソードアークイオンプレーティング法は、固体炭素を原料とする。従って、合成時に水素、希ガス元素、あるいは水素を含む材料などを原料または補助原料として使用せずに、真空度０．０５Ｐａ以下の雰囲気下で炭素膜の合成を行うことにより、水素や希ガス元素を含まない炭素膜を得ることができる。雰囲気が０．０５Ｐａより大きいと、残留ガスに含まれる水などの成分が膜中に多く取り込まれるので、所期目的の炭素膜が得られない。本成膜方法で原料となる固体炭素は、例えば高純度化処理を施した等方性グラファイト、ＣＶＤ法で合成された熱分解炭素、熱硬化性樹脂などを炭素化したグラッシ―カーボン、ダイヤモンド焼結体、樹脂等が用いられる。本発明におけるカソードアークイオンプレーティング法による成膜は、例えば、通常のカソードや、磁場収束型のカソード、磁場偏向型カソードなどを用いて合成できる。合成温度１００〜３００℃、合成時間５〜１２０分条件で実施できる。
【００２０】
本発明の炭素膜は、所望の部材に被覆することにより、硬度および耐熱性を付与することができる。このような適用部材の具体例としては、工具、各種金型、機械部品、電気・電子部品などが挙げられる。
【００２１】
本発明の炭素膜被覆部材における炭素膜の厚みは、その対象部材などにより適宜決められるが、通常は１０ｎｍ〜３μｍ、好ましくは０．０５μｍ〜２μｍである。この膜厚が薄すぎると耐磨耗性の向上が不十分になり耐久性を付与するための満足な効果が得られない。一方、あまりに厚すぎると膜の剥離が生じやすくなり寿命の低下が起こることがある。
【実施例】
【００２２】
次に、本発明を実施例および比較例によってさらに具体的に説明する。
＜実施例１〜４および比較例１〜６、９〜１２＞
Ｓｉ基板上に、各種手法で膜厚０．８〜１．１μｍの炭素膜を被覆し、密度、スピン密度、炭素・水素・希ガス濃度と、ヌープ硬度および硬度低下開始温度を測定した。成膜は、プラズマＣＶＤ法（比較例１、５）、レーザーアブレーション法（比較例９、１０、１１、１２）、カソードアークイオンプレーティング法（実施例１、２、３、４）、フィラメントＣＶＤ法（比較例２）、マイクロ波ＣＶＤ法（比較例３）、イオンビーム蒸着法（比較例４）および非平衡型マグネトロンスパッタリング法（比較例６）について、それぞれ次のようにして行った。
【００２３】
・プラズマＣＶＤ法では、原料にアセチレンガスを適用した。すなわち、雰囲気中にアセチレンガスを導入し、１３．５６ＭＨｚの高周波を基板に印加して炭素膜の成膜を行った。成膜時間は８０分とした。
・レーザーアブレーション法では、原料にグラッシーカーボンを適用した。ターゲットにエキシマレーザーを照射して、そのエネルギーで表面の炭素を蒸発・プラズマ化し、負に印加した基板上に成膜した。成膜時間は５０分とした。
【００２４】
・カソードアークイオンプレーティング法では、原料に等方性グラファイトを適用した。ターゲットに負の電位を印加してアーク放電を発生させ、そのエネルギーで炭素を蒸発・プラズマ化し、負に印加した基板上に炭素膜を成膜した。成膜時間は３００分とした。
・フィラメントＣＶＤ法では、１％メタン、９９％水素を原料として適用した。Ｗフィラメントでメタンおよび水素を分解させ、基板上に炭素膜（ダイヤモンド膜）を析出させた。成膜時間は２００分とした。
【００２５】
・マイクロ波ＣＶＤ法では、１％メタン、９９％水素を原料として適用した。２．４５ＧＨｚのマイクロ波でメタンおよび水素を分解させ、基板上に炭素膜（ダイヤモンド膜）を析出させた。
・イオンビーム蒸着法では、ベンゼンガスを原料に適用した。イオン化したベンゼンイオンを加速し基板に照射して炭素膜を析出させた。成膜時間は６０分とした。
【００２６】
・非平衡型マグネトロンスパッタリング法では、原料に上記の炭素ターゲットを適用した。すなわち、雰囲気中にはアルゴンガスを導入し、ターゲットに負の直流電圧を印加して放電を派生させた。ターゲット表面よりスパッタされプラズマ中で活性化した炭素イオンが、負に印加した基板上に照射され炭素膜を形成した。成膜時間は６０分とした。炭素膜の物性等は、次の方法により測定した。
・密度：成膜前後の基材の重量変化と膜厚から導出した。
・スピン密度：ＥＳＲ法で導出した。
・炭素・水素・希ガス濃度：ＳＩＭＳ、ＨＦＳ、ＲＢＳ法を適用した。
・ヌープ硬度：荷重５０ｇまたは１００ｇで測定を行った。
・硬度低下開始温度：電気炉にて大気中で加熱し、所定の温度で1時間保持した後、室温まで冷却し、２０％以上の硬度低下が観測された温度を開始温度とした。
【００２７】
測定結果を表１、表２および表３に示す。
【００２８】
【表１】
2008106361.tif 000002
【００２９】
【表２】
2008106361.tif 000003
【００３０】
【表３】
2008106361.tif 000004
【００３１】
表１の結果から密度が高いほど、表２の結果からスピン密度が小さいほど、表３の結果から水素および希ガス濃度が小さいほど、硬度および耐熱性が大きくなることを示している。
＜実施例５，６および比較例７、８、１３＞
超硬合金製平板に、プラズマＣＶＤ法（比較例７）、レーザーアブレーション法（比較例１３）、カソードアークイオンプレーティング法（実施例５、６）および非平衡型マグネトロンスパッタリング法（比較例８）の各方法よって炭素膜を被覆した。
【００３２】
得られた各炭素膜について、ピン・オン・ディスクタイプの摩擦磨耗試験機で磨耗量の比較試験を実施した。ここで、ピンには先端径Ｒ３ｍｍのＳＵＪ２を、ディスクには炭素膜を被覆した超硬合金を適用し、荷重は１０Ｎ、回転速度は１００ｍｍ／ｓｅｃ、温度は室温、雰囲気は大気とした。ディスクの磨耗量を相対値で比較した。また、リング・オン・ディスクタイプの摩擦磨耗試験機で耐久試験を実施した。ここで、相手材のリングに外径５０ｍｍのＳＵＪ２を、プレートに炭素膜を被覆した超硬合金を適用し、リングの外周の一点が常時プレートの同じ場所にあるように配置しリングを回転させて試験を行った。なお、荷重は５０Ｎ、回転速度は３０００ｍｍ／ｓｅｃ、温度は摩擦熱の温度、雰囲気は大気とした。摩擦抵抗をモニターし、抵抗値が大きく変化する時点を膜のなくなった時点と判断して寿命比較を相対値で比較した。
【００３３】
さらに、同一ロットのテストピースで、密度、スピン密度、各種元素濃度、ヌープ硬度を測定した。上記の測定結果等をまとめて表４に示す。
【００３４】
【表４】
2008106361.tif 000005
【００３５】
これらの結果から、実施例５および６の炭素膜は、比較例７および８のものに比べて、耐磨耗性が高くかつ耐久性に優れていることを示している。すなわち、密度が高いほど、スピン密度が小さいほど、炭素濃度が高く水素・希ガス元素濃度が小さいほど、また硬度が高いほど、耐磨耗性が高く耐久性に優れていることがわかる。
＜実施例７＞
超硬合金製ドリルに、カソードアークイオンプレーティング法により、炭素膜を被覆した（本発明）。この炭素膜は、密度を３．１１ｇ／ｃｍ3、スピン密度を２．０×１０20spins／ｃｍ3、炭素濃度を９９．９原子％以上で水素および希ガス元素濃度はＨＦＳ／ＲＢＳの検出限界以下、およびヌープ硬度１５００とした。
【００３６】
一方、同じ超硬合金製ドリルに、プラズマＣＶＤ法で炭素膜を被覆した（対照）。この炭素膜は、密度が２．０５ｇ／ｃｍ3、スピン密度が２．５×１０21spins／ｃｍ3、炭素濃度が７１原子％、水素濃度が２７原子％、希ガス元素濃度が０．５原子％以下、ヌープ硬度が１５００であった。上記の各ドリルを、Ｓｉ１５％含有アルミ合金の乾式穴あけ加工に供したところ、本発明のドリルは未コートドリル寿命の１０倍もの時間にわたって加工を行っても異常は見られなかった。これに対して、対照のドリルは未コートドリル寿命の１．５倍の時間、加工を行った時点で膜はほぼ完全に消失していた。
【００３７】
＜実施例８＞
ＳＤＫ１１製のマグネシウム合金による射出成型金型の成型面に、実施例７におけると同様にして２種類の炭素膜を被覆して射出成型を行った。未コートの金型では、毎回離型剤を塗布しなければマグネシウム合金が固着した。プラズマＣＶＤ法の炭素膜を被覆した金型では、数回の成型は離型剤を塗布しなくても固着なしに成型できたが、１０回成型した段階では被膜はなくなっており固着が発生した。一方、本発明によりカソードアークイオンプレーティング法の炭素膜を被覆した金型では、１０００回の成型を終えても被膜は残っており良好な成型特性を示した。
【００３８】
＜実施例９＞
自動車エンジンのピストンリングに、実施例７におけると同様にして２種類の炭素膜を被覆し、実車のエンジンに組み込んで走行試験を行って耐久性を調査した。その結果、プラズマＣＶＤ法の炭素膜を被覆したピストンリングは、1時間の走行試験で炭素膜は完全に消失していた。一方、本発明によりカソードアークイオンプレーティング法の炭素膜を被覆したピストンリングでは、５００時間の走行試験後も異常はみられなかった。
【００３９】
＜実施例１０＞
カソードアークイオンプレーティング法で成膜時の雰囲気を変えてＤＬＣの成膜を行い、被膜部材の寿命を調べた。カソードアークイオンプレーティング法において、真空度が０．００１Ｐａで特にガスを導入せずに成膜した炭素膜は、密度３．０５ｇ／ｃｍ3、スピン密度４×１０20spins／ｃｍ3、炭素濃度９９．５原子％以上、水素濃度と希ガス元素濃度５ｐｐｍ以下、およびヌープ硬度１８００であった（本発明）。一方、アルゴンを１０ｍＴｏｒｒ導入して被覆した炭素膜は、密度２．４４ｇ／ｃｍ3、スピン密度３×１０21spins／ｃｍ3、炭素濃度９９．５原子％以上、希ガス元素濃度０．５原子％以下、およびヌープ硬度１８００であった（対照）。これらの２種の炭素膜をそれぞれアルミ合金穴あけドリルに被覆して寿命を調べたところ、本発明の炭素膜を被覆したドリルは対照被膜を被覆したものに比べて５倍以上の寿命を示した。