(57)【要約】【課題】油潤滑環境下での使用の場合でも、優れた耐摩耗性や摩擦特性、並びに耐久性を有する硬質炭素皮膜とそれを用いた摺動部品を提供することである。【解決手段】カーボンターゲット７およびＡｇチップ８を用いて、直流マグネトロンスパッタリング法により、基材１の表面にＡｇを０．１ａｔ％〜２０ａｔ％の範囲で含有させた硬質炭素皮膜を成膜し、成膜中に基材１のバイアス電圧等を変化させて、Ａｇのクラスター密度およびクラスターサイズを、硬質炭素皮膜中に、等価粒径が１ｎｍ以上のクラスターの個数が１平方μｍあたり、１０〜１０００個の範囲にあり、かつ、各クラスターの平均等価粒径が１０〜５０ｎｍの範囲にあるように制御して微細クラスターをバランスよく分散させたのである。それにより潤滑油と硬質炭素皮膜との反応生成物が接触界面に介在し、摺動時に油膜保持に必要な有効面積が確保され、低い摩擦係数を実現することができる。【選択図】　図１
2004099963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｇを０．１〜２０ａｔ％を含有した硬質炭素皮膜であって、前記硬質炭素皮膜の膜厚方向の厚さ１００ｎｍの断面内で、等価粒径が少なくとも１ｎｍ以上のＡｇのクラスターの個数が、１平方μｍあたり、１０個から１０００個の範囲にあり、かつ、前記各クラスターの等価粒径の平均値が１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にあることを特徴とする硬質炭素皮膜。
【請求項２】
請求項１に記載した硬質炭素皮膜を有する機械摺動部品。
【請求項３】
請求項１に記載した硬質炭素皮膜を有する機械工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車部品などの機械摺動部品や切削工具、金型などの機械工具の表面に硬質保護膜として被覆される硬質炭素皮膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
硬質炭素皮膜は、ダイヤモンド構造とグラファイト構造との両者を有する非晶質の炭素膜で、ＤＬＣ皮膜（ダイヤモンドライクカーボン皮膜）とも呼ばれ、高硬度で、耐摩耗性に優れ、摩擦係数が小さく、表面平滑性や固体潤滑性に優れるなどの特徴を有する。このため、硬質保護膜として、機械摺動部品や工業用工具類、ＡＶ機器用部品、半導体用部品などに応用されている。
【０００３】
従来、耐摩耗性、基体との密着性および潤滑性の向上などを目的として、前記硬質炭素皮膜に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗや、Ｓｉ、Ｐなどの金属元素を含有させた技術が開示されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【０００４】
一方、部品の摺動面に、摩擦低減のための炭素皮膜をコーティングする場合に、この炭素皮膜に、周期律表のＩｂ、ＩＩｂ、ＩＩＩａ、ＩＶ、Ｖｂ、ＶＩｂ、ＶＩＩｂまたはＶＩＩＩの各族の金属を含有させることが開示され、これらの金属の中には、Ａｇ（Ｉｂ族）が含まれている（例えば、特許文献４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特公平４−９８７０号公報（第２頁）
【特許文献２】
特公平４−９８６８号公報（第２頁）
【特許文献３】
特公平４−９８６９号公報（第２頁）
【特許文献４】
米国特許第４５２５４１７号明細書（第４頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通常、硬質炭素皮膜は、無潤滑下で使用される場合には、他の保護皮膜、例えばＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮなどの金属窒化膜に比べて優れた耐摩耗性および摺動特性を呈する。しかし、潤滑油中等の油潤滑環境下で使用される場合、例えば、機械摺動部品が潤滑油中で摺動するような場合には、前記特許文献１から４に開示されたように、硬質炭素皮膜中に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗや、Ｓｉ、Ｐなどの金属元素を含有させても、その耐摩耗性や摺動特性は、前記金属窒化膜に劣るという問題がある。
【０００７】
また、前記特許文献４に開示されたように、軟質で変形しやすいＡｇを炭素皮膜中に添加することは、無潤滑下での摩擦係数の低下には寄与するものの、単にＡｇを添加するだけでは、潤滑油下での摺動特性を改善するまでには至らない。
【０００８】
そこで、この発明の課題は、油潤滑環境下で使用する場合でも、優れた耐摩耗性および摺動特性ならびに耐久性を有する硬質炭素皮膜およびそれを用いた機械摺動部品等を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
即ち、Ａｇを０．１〜２０ａｔ％を含有した硬質炭素皮膜を、この硬質炭素皮膜の膜厚方向の厚さ１００ｎｍの断面内で、等価粒径が少なくとも１ｎｍ以上のＡｇのクラスターの個数が、１平方μｍあたり、１０個から１０００個の範囲にあり、かつ、前記各クラスターの等価粒径の平均値が１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にあるように形成したのである。ここで、等価粒径とは、透過電子顕微鏡等により、上記硬質炭素皮膜の膜厚方向の厚さ１００ｎｍの断面内で観察したクラスターの面積と等しい面積の円の直径を意味し、クラスターの大きさ、即ちクラスターサイズを表す。
【００１０】
このように、Ａｇを主体とした微細クラスターを硬質皮膜中に分散させることにより、油潤滑環境下での使用においても、優れた耐摩耗性および摺動特性ならびに耐久性が得られる。
【００１１】
前記硬質皮膜中のＡｇの含有量は、０．１ａｔ％よりも少ないと、有効な大きさのクラスターが形成されず、また、このクラスターの適切な分散状態が得られなくなる。また、Ａｇ含有量が２０ａｔ％を超えると、大気中での酸化や硫化による腐食が顕著となり、硬質炭素皮膜自体が保持できなくなる。
【００１２】
硬質炭素皮膜中にＡｇを添加することにより、硬質炭素皮膜が油潤滑環境下で、上記のような優れた特性を発揮する理由は、以下のように考えられる。
【００１３】
（１）前記硬質炭素皮膜中でＡｇは比較的安定で、機械摺動部品で使用される鉄などの相手方の金属と反応しにくいため、凝着摩擦を起こしにくいこと。
（２）潤滑油と上記のように形成した硬質炭素皮膜が相互反応を起こして、この反応生成物が接触界面に介在することにより、この接触界面で油膜を保持しやすくなること。
（３）Ａｇは軟質で変形しやすく、それ自体の変形により摩擦抵抗が増大しないこと。
【００１４】
上記のような優れた特性を発揮させるためには、硬質炭素皮膜中にＡｇを単に添加するだけでは不十分で、上記のように、Ａｇを主体とする微細なクラスターを硬質炭素皮膜中にバランスよく分散させる必要がある。
【００１５】
前記クラスターの皮膜中への分散に関しては、クラスターの個数が１０個未満の場合には、油膜保持に必要な有効面積が小さく、潤滑油中での低い摩擦係数が実現されにくくなる。また、クラスターの個数が１０００個を超えると、Ａｇ自体の変形抵抗による摩擦抵抗の増大、および固体接触が生じた場合の凝着摩擦による摩擦抵抗の増大が、それぞれもたらされる。
【００１６】
前記各クラスターの等価直径の平均値、即ち平均クラスターサイズが１０ｎｍ未満と小さいクラスターが多くなると、接触界面における油膜の保持や、低い摩擦抵抗などのＡｇの添加による前記の効果が発揮できなくなる、また、前記平均クラスターサイズが５０ｎｍを超えると、クラスターが大きすぎて、かえって摩擦抵抗を増大させることになる。なお、この平均クラスターサイズは２０ｎｍから３０ｎｍの範囲にあることがより好ましく、この場合の各クラスターの等価粒径の上限はおよそ６０ｎｍ程度とするのが望ましい。
【００１７】
元来、Ａｇは凝縮エネルギーが大きい元素であるため、スパッタリングなどの気相コーティングで形成した場合、クラスターを形成しやすい傾向にあるが、前記のような分散状態、即ち、前記平均粒径のクラスターが所要数分散した状態を得るためには、成膜時に基板バイアス電圧、即ち硬質炭素皮膜を形成する基材に所要の電圧を印加することが必要である。基板バイアス電圧を印加することにより、成膜中のＡｇの凝集を抑制し、この基板バイアス電圧を制御することにより、所望の分散状態が得られる。なお、印加する基板バイアス電圧の大きさは、Ａｇの添加量にもよるが、概ね１００Ｖ以上であることが好ましい。
【００１８】
上記の微細クラスターをバランスよく分散させた硬質炭素皮膜を機械摺動部品に付与することができる。
【００１９】
例えば、湯水栓やＶＴＲキャプスタンなどの無潤滑下で使用される摺動部品、エンジンオイルなどの潤滑油下で使用される鋼などからなる摺動部品、のいずれの機械摺動部品にも前記硬質炭素皮膜を付与することができ、優れた摺動特性が得られる。
【００２０】
上記の微細クラスターをバランスよく分散させた硬質炭素皮膜を機械工具に付与することができる。
【００２１】
例えば、ドリルやカッターなどの切削工具、プレス金型などの各種成形用金型等の機械工具に前記硬質炭素皮膜を付与することができ、優れた摺動特性が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施形態を実施例により説明する。
【００２３】
【実施例】
直径５０ｍｍ、厚さ８ｍｍの高速度鋼の基材１を、成膜前処理としてアセトンで脱脂し、２０分間超音波洗浄した後、圧縮空気を噴射して充分に乾燥させた。図１にこの基材１を、スパッタリング装置のチャンバー２内にセットし、排気口３から図示を省略した真空ポンプにより、３×１０−６ｔｏｒｒ以下に減圧した後、Ａｒガスを、導入ポート４ａから３ｍｔｏｒｒ圧まで導入した。そして、上部電極５および下部電極６、６間に高周波電圧を印加してＡｒプラズマを発生させ、高周波出力２００Ｗで、Ａｒイオンによる基材１の表面のスパッタエッチングを５分間行なった。
【００２４】
次に、カーボンターゲット７、７を下部電極６，６上にセットし、このカーボンターゲット７、７の表面にＡｇチップ８を載置した。そして、上部電極４と下部電極５、５との間に高周波電圧を印加し、高周波出力、即ち成膜出力５００Ｗで、Ａｒイオンでカーボンターゲット７、７をスパッタリングして、硬質炭素皮膜を基材１上に形成した。その過程で、カーボンターゲット７、７上に載置したＡｇチップ８も同時にスパッタリングされて、Ａｇが硬質炭素皮膜内に含有される。このようにして、表１に示した試料記号Ａ〜Ｒの硬質炭素皮膜層を、基材１の表面に成膜した。
【００２５】
前記成膜の過程で、主に基板電圧、即ち基材１に印加するバイアス電圧を変化させることにより、前記クラスターの等価粒径および密度をそれぞれ制御した。また、Ａｇの含有量は、カーボンターゲット７、７上に載置するＡｇチップ８の量を変化させることにより制御した。なお、カーボンターゲット７、７と基材１間の距離は５５ｍｍであり、基材は室温で前記チャンバー２内にセットした。また、上記の硬質炭素皮膜形成中に、導入ポート４ｂから補助的にメタンなどの炭化水素系の原料ガスをチャンバー２内に導入することもできる。
【００２６】
成膜処理終了後の基材から、ＦＩＢ加工により、厚み１００ｎｍの試料を作製し、膜厚方向の断面を透過電子顕微鏡により観察し、その組織写真を画像解析し、クラスターの平均等価粒径および分散状態を定量評価した。なお、前記成膜方向の断面内で観察されるＡｇクラスターは円形に近い形状をしているが、各クラスターの粒径評価には、前記等価粒径を用いた。
【００２７】
また、表１に記した油中の摩擦係数は、ＨＥＩＤＯＮ式往復摺動試験機で評価した。試験条件は、荷重を４．９Ｎ、摺動距離を２０ｍｍ、摺動速度を１２００ｍｍ／ｍｉｎ、摺動回数を５０００往復、摺動相手材をφ１０ｍｍのＳＵＪ２の丸棒とし、潤滑剤としてエンジンオイル（ネオＳＪ５Ｗ−３０（トヨタ純正））を用いた。
【００２８】
【表１】
2004099963.tif 000003
【００２９】
表１に、測定したＡｇのクラスター密度、即ち１平方μｍあたりのクラスターの個数、クラスターの平均等価粒径、即ち平均クラスターサイズ、潤滑油中での摩擦係数を併せて記した。表１から、硬質炭素皮膜中にＡｇを添加しなかった場合（試料番号Ａ）には、Ａｇのクラスターが全く認められないことは勿論、Ａｇの含有量が０．１ａｔ％に満たない場合（試料番号Ｂ、Ｃ）にも、平均クラスターサイズは１ｎｍ未満で、殆んど認められない状態であった。これに対し、Ａｇの含有量が０．１ａｔ％以上で、Ａｇのクラスターが認められた。
【００３０】
一般に、ＣｒＣなどの金属炭化皮膜や、ＣｒＮ、ＴｉＮおよびＴｉＡｌＮなどの金属窒化皮膜などでは、潤滑油中で摺動する際の摩擦係数は、０．１〜０．１３程度である。一方、硬質炭素皮膜であっても、Ａｇを添加していない場合には（試料記号Ａ）、前記摩擦係数は０．１５と前記の金属皮膜の摩擦係数よりもやや大きくなる傾向を示している。
【００３１】
表１からわかるように、硬質炭素皮膜中に含有されるＡｇが一定量以上、即ちおよそ０．１ａｔ％以上になると、潤滑油中で使用される機械摺動部品の摩擦係数を、前記金属皮膜と同程度に低下させることができ、さらに、Ａｇの含有量を増加させることにより、潤滑油中での機械摺動部品の前記摩擦係数を、これまで達成されていなかった０．１以下に低減することが可能である。
【００３２】
なお、前述のように、前記硬質皮膜中のＡｇの含有量は、０．１ａｔ％よりも少ないと、有効な大きさのクラスターが形成されず、また、このクラスターの適切な分散状態が得られなくなる。また、Ａｇ含有量が２０ａｔ％を超えると、大気中での酸化や硫化による腐食が顕著となり、硬質炭素皮膜自体が保持できなくなる。
【００３３】
表１から、前記摩擦係数の低減には、Ａｇの含有量のほかに、平均クラスターサイズおよびクラスター密度が関連していることがわかる。即ち、前記摩擦係数を０．１以下にするためには、基板バイアス電圧を変化させることにより制御した平均クラスターサイズの下限は、試料記号ＧおよびＨの測定データから、およそ１０ｎｍ付近にあり、また上限は、試料記号Ｑから、５０ｎｍ付近にあると見なすことができる。
【００３４】
一方、クラスター密度については、Ａｇ含有量とクラスターサイズ、即ちクラスターの等価粒径とに関連するため、前記摩擦係数の低減に対するクラスター密度の効果のみを抽出することはできないが、基材へのバイアス電圧を印加した場合に、前記の厚み１００ｎｍの成膜後の試料の、膜厚方向の断面の観察視野１平方μｍあたり、１０個から１０００個、好ましくは１００個から１０００個の範囲にあるときに、潤滑油下での摩擦係数が、前記の金属皮膜と同等以下の優れた摺動特性が得られている。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、この発明では、硬質炭素皮膜に軟質で変形しやすいＡｇを所要量含有させ、成膜条件を変化させて、Ａｇクラスターのサイズおよびクラスター密度を制御するようにしたので、潤滑油中で前記皮膜を付与した摺動部品を使用する際に、相手方金属部品との接触界面に油膜が有効に保持されるなどして、摩擦係数が従来の金属窒化皮膜を付与する場合よりも顕著に低下する。それにより、潤滑環境下での使用においても、優れた摺動特性および耐摩耗性ならびに耐久性を発揮する硬質炭素皮膜を実現することができ、硬質炭素皮膜の適用部品の拡大に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態の硬質炭素皮膜の形成に用いた装置の概略図
【符号の説明】
１：基材　　　　　　　　　２：チャンバー　　　　　　３：排気口
４ａ、４ｂ：導入ポート　　　５：上部電極　　　　　　　６：下部電極
７：カーボンターゲット　　８：Ａｇチップ
【図１】
2004099963.tif 000004