(57)【要約】【課題】耐荷重性，密着性に優れた摺動部材を提供することにある。【解決手段】基材上に被膜を有する摺動部材であって、基板側からボンド層と、中間層と、硬質ボンド層と、最表面の硬質炭素被膜層と、を有し、中間層のビッカース硬さがＨｖ１５００〜３０００であり、硬質ボンド層のビッカース硬さがＨｖ１０００〜３０００であり、硬質炭素被膜層のビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００であることを特徴とする。以上によれば、深さ方向の硬さ分布を傾斜化させることで、耐荷重性，密着性に優れ高負荷摺動下で適用可能な硬質炭素被膜層を提供することが可能である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に被膜を有する摺動部材であって、
基板側からボンド層と、中間層と、硬質ボンド層と、最表面の硬質炭素被膜層と、を有し、
前記中間層のビッカース硬さがＨｖ１５００〜３０００であり、
前記硬質ボンド層のビッカース硬さがＨｖ１０００〜３０００であり、
前記硬質炭素被膜層のビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
拡散硬化処理を施した基材上に被膜を有する摺動部材であって、
基板側から中間層と、硬質ボンド層と、最表面の硬質炭素被膜層と、を有し、
前記基材のビッカース硬さがＨｖ５００〜１５００であり、
前記中間層のビッカース硬さがＨｖ１５００〜３０００であり、
前記硬質炭素被膜層のビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００であることを特徴とする摺動部材。
【請求項３】
基材上に被膜を有する摺動部材であって、
基板側から中間層と、硬質ボンド層と、最表面の硬質炭素被膜層と、を有し、
前記中間層のビッカース硬さがＨｖ１５００〜３０００であり、
前記硬質ボンド層のビッカース硬さがＨｖ１０００〜３０００であり、
前記硬質炭素被膜層のビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００であることを特徴とする摺動部材。
【請求項４】
前記ボンド層の厚さが０．０１μｍ〜０．５μｍ、
前記中間層の厚さが０．５μｍ〜３０μｍ、
前記硬質ボンド層の厚さが０．１μｍ〜５．０μｍ、
前記硬質炭素被膜層の厚さが０．１  μｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項５】
前記ボンド層がＣｒ，Ｔｉ，Ｗ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｓｉの一種からなる金属層、これら元素を含む炭化物層もしくは金属層からなる傾斜層であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項６】
前記中間層がＣｒＮ，ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣならなる層であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の摺動部材。
【請求項７】
前記硬質ボンド層がＣｒ，Ｔｉ，Ｗ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｓｉの一種からなる金属層であり、１Ｐａ以下の真空度中にて成膜されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに摺動部材。
【請求項８】
前記硬質ボンド層がＣｒ，Ｔｉ，Ｗ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｓｉ，ＴｉＡｌの炭化物層、この炭化物層若しくは金属層からなる傾斜層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項９】
前記硬質炭素被膜層がダイヤモンドライクカーボン，メタル入りダイヤモンドライクカーボン，窒化炭素からなる層であることを特徴とする請求項１〜３に記載の硬質炭素被膜層の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は硬質炭素被膜層を有する摺動部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境への負荷低減を目的として製品の小型化，高性能化，高効率化が産業界で要求されている。なかでも摺動機構を備える製品においては、エネルギーロスを低減し、高性能化を図るための低フリクションか技術が求められている。これらの要求に応える新しい表面改質技術として硬質炭素被膜層が注目されている。硬質炭素被膜層は、一般的には、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ），アモルファスカーボン，ｉ−カーボンと表現されている。
硬質炭素被膜層は、低フリクション特性を有するグラファイトと高高度のダイヤモンドからなるため、両方の特性を兼備している。摩擦係数は０．０５〜０．２と低く、また酸・アルカリに対しても化学的に安定である。これらの特性は、制膜方法やガスの種類，混合比率により、グラファイトとダイヤモンドの割合や水素含有量が異なることにより変化する。また最近では、膜に金属をドープさせるＤＬＣやイオンを注入するＤＬＣ，窒化炭素膜（ＣｘＮｙ）等も開発されている。
【０００３】
しかしながら、一般的に硬質炭素被膜層は非常に高い内部残留応力を有するため、割れ，剥離が生じやすく、密着性，耐過重性に劣る。また厚膜化も困難である。そのため、高負荷下で摺動する自動車やコンプレッサー等の部品への硬質炭素被膜層の適用が困難であった。
【０００４】
この問題を解決するため、下記特許文献１には、基材と硬質炭素被膜層の間に硬質セラミック層を１層設ける技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３１６８００号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記技術では基材上に直接硬質セラミック層を成膜するため、基材と硬質セラミック層間の密着性において課題を有している。更に深さ方向の硬さ分布が傾斜化されていないため、耐荷重性が十分でない。
【０００７】
以上本発明は上記課題を解決し、耐荷重性，密着性に優れた摺動部材を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段の一つとしては、基材上に被膜を有する摺動部材であって、基板側から中間層と、硬質ボンド層と、最表面の硬質炭素被膜層と、を有し、中間層のビッカース硬さがＨｖ１５００〜３０００であり、硬質ボンド層のビッカース硬さがＨｖ１０００〜３０００であり、硬質炭素被膜層のビッカース硬さがＨｖ１０００〜５０００であることを特徴とする。即ち、深さ方向の硬さ分布を傾斜化させることで、耐荷重性，密着性に優れ高負荷摺動下で適用可能な硬質炭素被膜層を提供することが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
図１は、本発明により作成した膜構造１を示す図である。図１の膜構造は基材上に被膜を有する摺動部材であって、基板側からボンド層３と、中間層４と、硬質ボンド層と、最表面の硬質炭素被膜層と、を有している。ここで基材２は合金工具工、ボンド層３はＣｒ、中間層４はＣｎ、硬質ボンド層５はＣｒＣ、硬質炭素被膜層６はＤＬＣである。
【００１０】
この成膜方法について説明する。まず基材２を成膜装置にセットし、真空廃棄後、Ａｒイオンボンバードで基材表面の酸化膜を除去した。その後、スパッタ法でボンド層３としてＣｒ層、中間層４としてＣｒＮ、硬質ボンド層５としてＣｒＣ層、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣを順番で形成した。膜構造形成時のスパッタガス及び反応性ガスは、Ｃｒ層にＡｒガス、ＣｒＮ層にＮ２  ガス、ＣｒＣ層，ＤＬＣ層にＣＨ４  ガスをそれぞれ用いた。ここで、基材２は、超硬合金，工具鋼，高速度鋼，軸受鋼，ステンレス鋼，炭素鋼，Ｃｒ−Ｍｏ等の鋼材でも同様の効果があるが、硬さが硬いほど、耐荷重性に優れる。また硬質炭素被膜層６は、メタルをドープしたＤＬＣ，ＣｘＮｙでも同様の効果が得られ、成膜方法もイオン化蒸着法，プラズマＣＶＤ法，イオンプレーティングでも同様の効果が得られ、ガスもＣ２Ｈ２，Ｃ６Ｈ６でも同様の効果が得られる。
【００１１】
今回作製した膜構造の厚さは、ボンド層３としてＣｒ層０．５μｍ  、中間層４としてＣｒＮ層３．０μｍ  、硬質ボンド層５としてＣｒＣ層０．４μｍ  、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣ１．５μｍ  である。ボンド層３の厚さが０．０１μｍ  以下、中間層４の厚さが０．５μｍ  以下、硬質ボンド層５の厚さが０．１μｍ  以下、硬質炭素被膜層６の厚さが０．１μｍ  以下の場合、膜厚が薄すぎるため、耐荷重性の向上に効果を発揮しないこと、また膜厚制御が困難であることから用いることが困難である。また逆にボンド層３の厚さが０．５μｍ  以上、中間層４の厚さが３０μｍ以上、硬質ボンド層の厚さが５．０μｍ  以上、硬質炭素被膜層の厚さが５μｍ以上の場合、各層の残留応力が高くなり、割れや剥離が生じやすくなるため、耐荷重性，密着性が低下する。
【００１２】
この膜構造１の優位性を検討するため、比較構造として、膜構造７，膜構造８，膜構造９，膜構造１０，膜構造１１，膜構造１２，膜構造１３を作製し、比較検討を行った。図２〜図８にそれぞれの膜構造を示す。
【００１３】
図９〜図１６に、本実施例の膜構造１と比較構造７〜１３の硬さ分布を示す。これらの膜構造の中で、硬さ分布が最も傾斜化されているのが膜構造１及び７であり、最も高負荷摺動下で耐えうる構造になっていることがわかる。
【００１４】
図１７に、本実施例の膜構造１と比較構造７〜１３の圧子押込試験による耐荷重性評価結果を示す。これらの膜構造の中で、最も押込荷重が大きいのが、膜構造１及び７であり、耐荷重性に優れていることがわかる。これは、ＤＬＣの直下層の硬さが高いほど、また深さ方向の硬さ分布が傾斜化されているほど、耐荷重性が優れるためである。
【００１５】
図１８に、本実施例の膜構造１と比較構造７〜１３のスクラッチ試験による密着性評価結果を示す。これらの膜構造の中で、最も臨界荷重（膜が剥離した荷重）が大きいのが、膜構造１及び７であり、最も密着性に優れていることがわかる。これは、基材とＣｒＮの間に活性金属であるＣｒを設けることや、ＣｒＮとＤＬＣの間にＣｒＣを設けることで、層間の界面で強い結合が生じ密着性が優れるためである。またガスのみを変更する連続処理を行うことで、各層間に酸化膜ができないことも要因である。
【００１６】
図１９は、膜構造１，７〜１３の分極試験による耐食性評価結果を示す。これらの膜構造の中で、最も孔食電位が高いのが、膜構造１及び７であり、最も耐食性に優れていることがわかる。これは、最も耐食性の低い基材の上に高耐食性のＣｒＮ，ＣｒＣを設けることで、腐食液のバリア効果が増加するためである。
【００１７】
以上のことから、膜構造１が、耐荷重性，密着性および耐食性に優れた膜構造であることがわかる。
【００１８】
〔実施例２〕
膜構造１を用いて、ボンド層３にＴｉを用いて実施例１と同様に検討を行った。
【００１９】
成膜方法として、基材２を成膜装置にセットし、真空排気後、Ａｒイオンボンバードで基材表面の酸化膜を除去した。その後、スパッタ法でボンド層３としてＴｉ層、中間層４としてＣｒＮ層、硬質ボンド層５としてＣｒＣ層、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣの順番で膜構造を形成した。膜構造形成時のスパッタガス及び反応性ガスは、Ｔｉ層にＡｒガス、ＣｒＮ層にＮ２  ガス、ＣｒＣ層，ＤＬＣ層にＣＨ４  ガスをそれぞれ用いた。
【００２０】
今回作製した膜構造の厚さは、ボンド層３としてＴｉ層０．５μｍ  、中間層４としてＣｒＮ層３．０μｍ  、硬質ボンド層５としてＣｒＣ層０．４μｍ  、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣ１．５μｍ  である。
【００２１】
このボンド層３にＴｉを用いた場合でも、実施例１とほぼ同様に硬さ分布が傾斜化され、ほぼ同様の押込荷重，臨界荷重，孔食電位を示した。
【００２２】
以上のことから、ボンド層３にＴｉを用いた場合でも、実施例１と同様に耐荷重性，密着性および耐食性に優れた膜構造であることがわかる。
【００２３】
またボンド層３にＷ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｓｉを用いて、同様の比較検討を行った。その結果、Ｃｒ，Ｔｉを用いた場合とほぼ同様の結果になった。
【００２４】
〔実施例３〕
膜構造１を用いて、中間層４にＴｉＮを用いて実施例１と同様に検討を行った。
【００２５】
成膜方法として、基材２を成膜装置にセットし、真空排気後、Ａｒイオンボンバードで基材表面の酸化膜を除去した。その後、スパッタ法でボンド層３としてＣｒ層、中間層４としてＴｉＮ層、硬質ボンド層５としてＣｒＣ層、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣの順番で膜構造を形成した。膜構造形成時のスパッタガス及び反応性ガスは、Ｔｉ層にＡｒガス、ＣｒＮ層にＮ２  ガス、ＣｒＣ層，ＤＬＣ層にＣＨ４  ガスをそれぞれ用いた。
【００２６】
今回作製した膜構造の厚さは、ボンド層３としてＣｒ層０．５μｍ  、中間層４としてＴｉＮ層３．０μｍ  、硬質ボンド層５としてＣｒＣ層０．４μｍ  、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣ１．５μｍ  である。
【００２７】
この中間層４にＴｉＮを用いた場合でも、実施例１とほぼ同様に硬さ分布が傾斜化され、ほぼ同様の押込荷重，臨界荷重，孔食電位を示した。
【００２８】
以上のことから、中間層４にＴｉＮを用いた場合でも、実施例１と同様に耐荷重性，密着性および耐食性に優れた膜構造であることがわかる。
【００２９】
また中間層４にＴｉＡｌＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣを用いて、同様の比較検討を行った。その結果、ＣｒＮ，ＴｉＮを用いた場合とほぼ同様の結果になった。
【００３０】
以上のことから、中間層４には、ＣｒＮ，ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣを用いることができる。また中間層４にＴｉＣＮ，ＴｉＣを用いる場合は、ボンド層３にＴｉを、中間層４にＣｒＮを用いる場合は、ボンド層３にＣｒを用いることで、ガスの変更のみで成膜できるため、低コスト化が可能である。
【００３１】
〔実施例４〕
膜構造１を用いて、硬質ボンド層５にＴｉＣを用いて実施例１と同様に検討を行った。
【００３２】
成膜方法として、基材２を成膜装置にセットし、真空排気後、Ａｒイオンボンバードで基材表面の酸化膜を除去した。その後、スパッタ法でボンド層３としてＣｒ層、中間層４としてＣｒＮ層、硬質ボンド層５としてＴｉＣ層、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣの順番で膜構造を形成した。膜構造形成時のスパッタガス及び反応性ガスは、Ｃｒ層にＡｒガス、ＣｒＮ層にＮ２  ガス、ＴｉＣ層，ＤＬＣ層にＣＨ４  ガスをそれぞれ用いた。
【００３３】
今回作製した膜構造の厚さは、ボンド層３としてＣｒ層０．５μｍ  、中間層４としてＣｒＮ層３．０μｍ  、硬質ボンド層５としてＴｉＣ層０．３μｍ  、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣ１．５μｍ  である。
【００３４】
この硬質ボンド層５にＣｒＣ層を用いた場合でも、実施例１とほぼ同様に硬さ分布が傾斜化され、ほぼ同様の押込荷重，臨界荷重，孔食電位を示した。
【００３５】
以上のことから、硬質ボンド層５にＴｉＣ層を用いた場合でも、実施例１と同様に耐荷重性，密着性および耐食性に優れた膜構造であることがわかる。
【００３６】
また硬質ボンド層５にＷＣ，ＡｌＣ，ＦｅＣ，ＳｉＣを用いて、同様の比較検討を行った。その結果、ＣｒＣ，ＴｉＣを用いた場合とほぼ同様の結果になった。
【００３７】
さらにガス量を調節することで作製できる、炭化物層および金属層からなる傾斜層を用いて同様の比較検討を行った。その結果、ＣｒＣ，ＴｉＣを用いた場合とほぼ同様の結果になった。
【００３８】
以上のことから、硬質ボンド層５には、ＣｒＣ，ＴｉＣ，ＷＣ，ＡｌＣ，ＦｅＣ，ＳｉＣ及び炭化物層および金属層からなる傾斜層を用いることができる。また中間層４の主金属と合わせることで、ガスの変更のみで成膜できるため、低コスト化が可能である。
【００３９】
〔実施例５〕
膜構造１を用いて、硬質ボンド層５に硬質Ｃｒを用いて実施例１と同様に検討を行った。
【００４０】
成膜方法として、基材２を成膜装置にセットし、真空排気後、Ａｒイオンボンバードで基材表面の酸化膜を除去した。その後、スパッタ法でボンド層３としてＣｒ層、中間層４としてＣｒＮ層、硬質ボンド層５として硬質Ｃｒ層、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣの順番で膜構造を形成した。膜構造形成時のスパッタガス及び反応性ガスは、Ｃｒ層，硬質Ｃｒ層にＡｒガス、ＣｒＮ層にＮ２  ガス、ＤＬＣ層にＣＨ４  ガスをそれぞれ用いた。また硬質Ｃｒ層成膜時の真空度は、１Ｐａであった。
【００４１】
今回作製した膜構造の厚さは、ボンド層３としてＣｒ層０．５μｍ  、中間層４としてＣｒＮ層３．０μｍ  、硬質ボンド層５として硬質Ｃｒ層０．３μｍ  、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣ１．５μｍ  である。
【００４２】
この硬質ボンド層５の効果を調べるため、実施例１で用いたＣｒＣ層と比較検討を行った。その結果、実施例１とほぼ同様に硬さ分布が傾斜化され、ほぼ同様の押込荷重，臨界荷重，孔食電位を示した。
【００４３】
以上のことから、硬質ボンド層５に硬質Ｃｒ層を用いた場合でも、実施例１と同様に耐荷重性，密着性および耐食性に優れた膜構造であることがわかる。
【００４４】
また硬質ボンド層５に硬質Ｔｉ，Ｗ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｓｉを用いて、同様の比較検討を行った。その結果、ＣｒＣや硬質Ｃｒを用いた場合とほぼ同様の結果になった。
【００４５】
以上のことから、硬質ボンド層５には、硬質Ｃｒ，Ｔｉ，Ｗ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｓｉを用いることができる。また中間層４の主金属と合わせることで、ガスの変更のみで成膜できるため、低コスト化が可能である。
【００４６】
〔実施例６〕
図２０は、本実施例により作製した膜構造１４である。膜構造１４を用いて、拡散硬化層１５の効果を検討した。
【００４７】
成膜方法として、基材２を成膜装置にセットし、真空排気後、４１０℃×００ｈでイオン窒化を行い、拡散硬化層１５を形成した。その後、スパッタ法でボンド層３としてＣｒ層、中間層４としてＣｒＮ層、硬質ボンド層５としてＣｒＣ層、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣの順番で膜構造を形成した。膜構造形成時のスパッタガス及び反応性ガスは、Ｃｒ層にＡｒガス、ＣｒＮ層にＮ２  ガス、ＣｒＣ，ＤＬＣ層にＣＨ４  ガスをそれぞれ用いた。
【００４８】
今回作製した膜構造の厚さは、ボンド層３としてＣｒ層０．５μｍ  、中間層４としてＣｒＮ層３．０μｍ  、硬質ボンド層５としてＣｒＣ０．３μｍ  、硬質炭素被膜層６としてＤＬＣ１．５μｍ  である。
【００４９】
この拡散硬化層１５の効果を調べるため、実施例１で用いた膜構造１と比較検討を行った。
【００５０】
図２１に、硬さ分布を示す。膜構造１以上に、硬さ分布が傾斜化されていることがわかる。
【００５１】
図２２に、圧子押込試験による耐荷重性評価結果を示す。膜構造１とほぼ同様な限界押込荷重を示していることから、耐荷重性に優れていることがわかる。
【００５２】
図２３に、スクラッチ試験による密着性評価結果を示す。膜構造１とほぼ同様な臨界荷重を示していることから、密着性に優れていることがわかる。
【００５３】
図２４に、分極試験による耐食性評価結果を示す。膜構造１とほぼ同様な孔食電位を示していることから、耐食性に優れていることがわかる。
【００５４】
以上のことから、拡散硬化層１５を形成した膜構造１４は、膜構造１と同様に耐荷重性，密着性および耐食性に優れた膜構造であることがわかる。
【００５５】
以上によれば、基材上にボンド層，中間層，硬質ボンド層を形成し、さらにその上に硬質炭素被膜層を成膜し、深さ方向の硬さ分布を傾斜化させることで、耐荷重性，密着性に優れ高負荷摺動下で適用可能な硬質炭素被膜層を提供することが可能である。
【００５６】
【発明の効果】
以上、耐荷重性，密着性に優れた摺動部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】膜構造１を表す図。
【図２】膜構造７を表す図。
【図３】膜構造８を表す図。
【図４】膜構造９を表す図。
【図５】膜構造１０を表す図。
【図６】膜構造１１を表す図。
【図７】膜構造１２を表す図。
【図８】膜構造１３を表す図。
【図９】膜構造１の硬さ分布を表す図。
【図１０】膜構造７の硬さ分布を表す図。
【図１１】膜構造８の硬さ分布を表す図。
【図１２】膜構造９の硬さ分布を表す図。
【図１３】膜構造１０の硬さ分布を表す図。
【図１４】膜構造１１の硬さ分布を表す図。
【図１５】膜構造１２の硬さ分布を表す図。
【図１６】膜構造１３の硬さ分布を表す図。
【図１７】膜構造１，７〜１３の耐荷重性を表す図。
【図１８】膜構造１，７〜１３の密着性を表す図。
【図１９】膜構造１，７〜１３の耐食性を表す図。
【図２０】膜構造１４を表す図。
【図２１】膜構造１４の硬さ分布を表す図。
【図２２】膜構造１，１３，１４の耐荷重性を表す図。
【図２３】膜構造１，１３，１４の密着性を表す図。
【図２４】膜構造１，１３，１４の耐食性を表す図。
【符号の説明】
１，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４…膜構造、２…基材、３…ボンド層、４…中間層、５…硬質ボンド層、６…硬質炭素被膜、１５…拡散硬化層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2004169137.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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