JP2007247038A

JP2007247038A - 硬質炭素被膜

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Publication number: JP2007247038A
Application number: JP2006075881A
Authority: JP
Inventors: Shinya Okamoto; 晋哉岡本; Shoichi Nakajima; 昌一中島; Noboru Baba; 昇馬場; Shizuka Yamaguchi; 静山口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: EP1837418A1; EP1837418B1; JP4730159B2

Abstract

【課題】低摩擦性能に優れた硬質炭素被膜を提供する。
【解決手段】円板基材に形成される硬質炭素被膜において、表面や内部にアルミニウム元素を含み、その含有量が０.５ａｔ％以上４.５ａｔ％以下であり、ヤング率が５０ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下であり、被膜内において、アルミニウム酸化物および／またはアルミニウム水酸化物として存在し、厚さが０.５μｍ以上１０μｍ以下である硬質炭素被膜。
【選択図】図１

Description

本発明は、無潤滑環境下および水，有機溶剤，燃料，油潤滑環境下で使用される摺動部材に適用できる低摩擦な硬質炭素被膜に関する。

硬質炭素被膜は、一般的に、高硬度で表面が平滑であり、耐摩擦性に優れ、その固体潤滑性から低摩擦係数で優れた低摩擦性能を有している。

そして、無潤滑環境下において、通常の平滑な鋼材表面の摩擦係数が０.５〜１.０、従来の表面処理材であるＮｉ−ＰめっきやＣｒめっき、ＴｉＮコーティングやＣｒＮコーティング等の表面の摩擦係数が約０.４であるのに対し、硬質炭素被膜の表面の摩擦係数は、約０.１２である。

現在、これらの優れた特性を活かして、ドリル刃をはじめとする切削工具，研削工具等の加工治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環境下で使用される摺動部材等への応用が図られている。

一方、エネルギー消費や環境の面から可能な限りの機械的損失の低減が望まれている内燃機関などの機械部品においては、現在、潤滑油での摺動が主流となっている。しかしながら、無潤滑環境下でこれらの固体潤滑性を有する硬質炭素被膜により低摩擦化が図れれば、摺動部材において潤滑油が枯渇した場合にも、機械部品への負荷が低減できるため好ましく、また、将来的には潤滑油の削減が可能となるため、地球環境への配慮に対しても好ましい。

こうした硬質炭素被膜に金属元素を５〜７０ａｔ％含有させ、潤滑油での固体潤滑性を低下させる技術が、特許文献１に記載されている。

特開２００１−３１６６８６号公報

しかし、特許文献１に記載される技術では、無潤滑環境下における摺動において、摺動部材への負荷によって硬質炭素被膜が剥離してしまうという技術課題に関しては言及されていない。したがって、従来技術においては、特に、無潤滑環境下における硬質炭素被膜が本来保有する耐摩擦性を活かすことができないという課題があった。

そこで、本発明は、硬質炭素被膜が本来保有する耐摩擦性を活かすことができる硬質炭素被膜を提供することにある。

本発明の硬質炭素被膜は、０.５ａｔ％以上４.５ａｔ％以下のアルミニウム元素を含むことを特徴とする。特に、アルミニウム元素が、表面層および内部に含有されていることが好ましい。また、硬質炭素被膜のヤング率は、５０ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下である。

そして、こうしたアルミニウム元素は、金属アルミニウム，アルミニウム硼化物，アルミニウム炭化物，アルミニウム窒化物，アルミニウム酸化物，アルミニウム水酸化物のうちから選ばれるような少なくとも１種の物質の形態で存在する。

また、硬質炭素被膜の厚さは、０.５μｍ以上１０.０μｍ以下であり、硬質炭素被膜の表面粗さは、０.１μｍ以下である。

本発明の硬質炭素被膜の製造方法は、０.５ａｔ％以上４.５ａｔ％以下のアルミニウム元素を含有するダイヤモンドライクカーボン膜からなる硬質炭素被膜を、スパッタリングあるいはイオンプレーティングにより形成することを特徴とする。

本発明の摺動部材は、基材に、アルミニウム元素を含む硬質炭素被膜が形成されたことを特徴とする。こうした摺動部材の硬質炭素被膜に含有されたアルミニウム元素の含有量は、０.５ａｔ％以上４.５ａｔ％以下であることが好ましい。

さらに、硬質炭素被膜の表面に形成されるアルミニウム元素は、特に、アルミニウム酸化物または／およびアルミニウム水酸化物として存在することが好ましい。

一方、基材は、Ｆｅ，Ｃｒ及びＭｏを含有する合金からなることが好ましい。さらには、Ｆｅ，Ｃｒ及びＭｏを含有する合金に、Ｃｒ層が形成されることが好ましい。さらには、Ｃｒ層に、ＣｒとＣとが混合するＣｒ／Ｃ層が形成されることが好ましい。

また、ここで用いられる硬質炭素被膜は、ｓｐ²結合炭素とｓｐ³結合炭素とが混在する硬質炭素被膜であることが好ましい。

本発明は、硬質炭素被膜が本来保有する耐摩擦性を活かすことができる硬質炭素被膜を提供することができる。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は以下に示す実施例に限定されない。

本発明で示す硬質炭素被膜は、無潤滑環境下で使用される機械部品等の摺動部材に適用可能である。

図１に示すような直径２１.５mm、厚さ５.２mmの円板基材２に、硬質炭素被膜３をコーティングした試験片１により摩擦試験を行った。

このときの試験片１は、表１に示すような仕様(被膜処理，成膜法，Ａｌ含有量，膜厚)で円板基材２に、硬質炭素被膜３を形成した。

硬質炭素被膜３は、円板基材２上にアンバランスト・マグネトロン・スパッタリング
（ＵＢＭＳ）法を用いてダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の被膜を形成した。

ＵＢＭＳ法とは、ターゲットの背面側に配置される磁極のバランスをターゲットの中心部と周縁部とで意図的に崩し、非平衡とすることでターゲットの周縁部の磁極からの磁力線の一部を基材まで伸ばす。そして、ターゲットの近傍に収束していたプラズマが磁力線に沿って基材の近傍まで拡散しやすくする。これによって被膜形成中に基材に照射されるイオン量を増やすことができ、結果として、基材に緻密な被膜を形成することができること特徴とした成膜方法である。

硬質炭素被膜３を形成した後、被膜表面のナノインデンテーション法(ISO14577)による評価および摩擦試験評価を行った。

ナノインデンテーション法（ＩＳＯ１４５７７）による評価は、対稜角１１５度のベルコビッチ三角錐圧子を硬質炭素被膜３の表面に１０秒間かけて最大荷重３ｍＮまで押し込み、最大荷重で１秒間保持し、その後、１０秒間かけて除荷する条件で行った。

この評価により押し込みヤング率を算出した。

摩擦試験の評価装置としては、図２に示すようなボールオンディスクタイプの摩耗試験機１１を用いて摩擦係数並びに硬質炭素被膜の剥離荷重（比較例１の場合には基材の焼付荷重）を計測した。

この装置は、回転軸１２に固定されたワークテーブル１３が配置され、このワークテーブル１３に試験片１を設置し、この試験片１の上面側に直径６mmの金属ボール（高炭素クロム軸受鋼鋼材，ＪＩＳＳＵＪ２ボール）１４を試験片１の相手材として用いる。なお、ここで金属ボールに用いる金属は、軸受に用いるような鋼からなる。

この装置において、スプリング１５によって、荷重Ｐを９８Ｎ〜２４５２Ｎにおいて、１分毎に９８Ｎずつ段階的に負荷を増やして押し付けるように構成する。

このとき、金属ボール１４は、ホルダ１６で回転しないように固定されている。そして、回転軸１２が、モータ１７に連結されて金属ボール１４に対して、相対滑り速度３０mm／sec で回転駆動され、金属ボール１４と試験片１との間で発生する摩擦力に応じたトルクをロードセル１８で計測し、摩擦係数を算出した。

なお、金属ボール１４は、図３に示すように中心より半径８mmの位置に１個配置する。

硬質炭素被膜３の剥離荷重（比較例１の場合には基材の焼付荷重）は、試験片１と金属ボール１４との摩擦係数が急激に上昇した時の試験荷重とした。また、この摩擦試験は無潤滑状態で常温常湿環境下（室温：約２５℃，湿度：約６０％ＲＨ）で実施した。

Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏを含有している合金（クロムモリブデン鋼鋼材，ＪＩＳＳＣＭ４１５）よりなる円板基材２の表面の硬さが、ロックウェルＣスケール（ＨＲＣ）で５８以上となるように、浸炭処理を施し、表面粗さ（Ｒａ）を０.１μｍ以下に、仕上げ加工した。

その後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法で硬質炭素被膜（以下「被膜」と省略して記載する）３のアルミニウム元素の含有量が０.６５ａｔ％となるように成膜を実施した。

成膜後の被膜３のＲａは、０.０２１μｍであった。被膜３のヤング率は、６５.９４
ＧＰａであった。また、被膜３と金属ボール１４との摩擦試験において、摩擦係数は
０.０５２、被膜３の剥離荷重は、２４５２Ｎ以上であった。

本実施例における被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、摩擦係数は０.１以下であり、被膜のない鋼材同士や従来の表面処理材に比べて摩擦係数を約８７％から９５％、従来の被膜に比べて摩擦係数を約５７％低減でき、その上、被膜の剥離荷重も４９０Ｎ以上と大きいため、被膜の低摩擦性能を活かすことができることがわかった。

本実施例における被膜を機械装置の無潤滑摺動部材に適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷が低減でき、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。

また、本実施例の被膜は無潤滑環境下での摺動に対応しているため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部材において、潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献でき、一方では、潤滑油の削減を図ることができ、結果として環境にやさしい機械装置を提供できる。

本実施例の被膜は、基材からの剥離が発生しないため、基材が剥き出しとなることもなく、被膜の低摩擦性を活かすことができる。

本実施例の被膜は、グラファイトに代表される炭素結合であるｓｐ²結合炭素とダイヤモンドに代表される炭素結合であるｓｐ³結合炭素とが混在する硬質炭素被膜である。

この被膜の表面層や内部にアルミニウム元素を含むものである。その含有量は０.５
ａｔ％以上４.５ａｔ％以下、好ましくは０.６ａｔ％以上１.９ａｔ％以下である。

なお、アルミニウム元素は、金属アルミニウム，アルミニウム硼化物，アルミニウム炭化物，アルミニウム窒化物，アルミニウム酸化物，アルミニウム水酸化物のうちから選ばれる少なくとも１種の物質であるが、好ましくはアルミニウム酸化物および／またはアルミニウム水酸化物として存在する。

これにより、無潤滑環境下でも耐剥離性と低摩擦係数とを兼ね備えた被膜を提供することができる。

硬質炭素被膜は、アモルファス状の炭素又は水素化炭素からなる膜であり、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（ａ−Ｃ：Ｈ），ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などと呼ばれる。

その形成には、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，炭素，炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法等の気相合成法，グラファイト等をアーク放電により蒸発させ成膜するイオンプレーティング法，不活性ガス雰囲気下でターゲットをスパッタすることによって成膜するスパッタリング法、などが用いられる。

こうした本実施例により形成した被膜は、低摩擦性であり、摺動部材に付与することができる。この結果として、無潤滑環境下でも負荷を低減できる摺動部材を提供し、また、通常潤滑油中で摺動させる機械部品において潤滑油が枯渇した時であっても、信頼性を維持することができ、潤滑油の削減を図ることもができる。

こうした被膜の表面に露出したアルミニウム元素は、大気中の酸素や水と反応をして、アルミニウム酸化物やアルミニウム水酸化物となるため、被膜に金属元素を含有しているにも関わらず電気的特性として安定した誘電体被膜を提供することも可能である。

また、こうした被膜は、アルミニウム元素を含有しているため、特に、被膜の表面のアルミニウム元素は、アルミニウム酸化物およびアルミニウム水酸化物として存在する。つまり、被膜の表面は、親水性であり、水存在下における摺動で低摩擦化が実現可能であり、更には、水と同じＯＨ基をもつ液体や蒸気（例えばアルコール類）存在下における摺動でも低摩擦化が実現可能であるというメリットがある。

なお、本実施例は、被膜にアルミニウム元素が存在することにより、被膜の内部応力が低下するため、基材から剥離しにくくなるという現象を見出したことによる。

被膜のアルミニウム元素の含有量が０.５ａｔ％未満の場合は、被膜の表面において親水性の由来となるアルミニウム酸化物および／またはアルミニウム水酸化物が微量となるため摩擦低減効果が期待できない。

一方、被膜の表面や内部のアルミニウム元素の含有量が５ａｔ％程度以上の場合は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）分析の結果により、アルミニウムの炭化物生成の進行が顕著であることを推測した。つまり、被膜の表面や内部のアルミニウム元素の含有量が５ａｔ％程度以上になると、生成されるアルミニウム炭化物量が多くなり過ぎるため、アルミニウム炭化物の脆化により被膜が割れやすくなり、好ましくない。

また、被膜のヤング率は、アルミニウム炭化物の生成によりヤング率が高くなり、180ＧＰａを超えると被膜の割れや剥離が発生し易くなる。また、５０ＧＰａ未満の場合には、摺動時の耐荷重性が低下する。

被膜に使用されるアルミニウム元素において、特に、アルミニウム酸化物やアルミニウム水酸化物として存在する場合は、ＯＨ基をもつ液体や蒸気との親和性が高いため、低摩擦化が実現可能である。

また、被膜の厚さが、０.５μｍ未満の場合は、摺動によって摩滅が起き易く、１０
μｍを超える場合は、被膜の内部応力が大きくなり剥離が発生し易くなるため好ましくない。被膜の表面は、高硬度であるため、表面粗さが０.１μｍを超えて、粗くなるほど相手材を摩耗させることになる。

被膜は、スパッタリング，プラズマＣＶＤ，イオンプレーティング等により形成される。好ましくは、被膜は、スパッタリングまたはイオンプレーティングにより形成されるのがよい。

スパッタリングまたはイオンプレーティングの場合、アルミニウムターゲットのスパッタリングによりアルミニウムを被膜に形成することができる。

一方、プラズマＣＶＤにおいては、トリメチルアルミニウムに代表される有機アルミニウム化合物をチャンバ内にガスとして導入することにより、アルミニウムを被膜に形成することができる。

また、本実施例がターゲットとしている用途は、耐久性が要求されるような、例えば、自動車用摺動部品、特に、エンジンのシリンダーや、冷蔵庫やエアコン等に使用される冷媒圧縮機やロータリーコンプレッサーのベーン等である。

ＪＩＳＳＣＭ４１５よりなる円板基材２の表面が、ＨＲＣ５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａ０.１μｍ以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらＵＢＭＳ法で被膜３のアルミニウム元素の含有量が０.６７ａｔ％となるように成膜を実施した。

成膜後の被膜３のＲａは、０.０１９μｍであった。被膜３のヤング率は、１６４.６
ＧＰａであった。また、被膜３と金属ボール１４との摩擦試験において、摩擦係数は、
０.０９０、被膜３の剥離荷重は９８１Ｎであった。

本実施例における被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、摩擦係数は０.１以下であり、被膜のない鋼材同士や従来の表面処理材に比べて、摩擦係数を約７７％から９１％、従来の被膜に比べて摩擦係数を約２５％低減でき、その上、被膜の剥離荷重も４９０Ｎ以上と大きいため、被膜の低摩擦性能を活かすことができる。

本実施例における被膜を機械装置の無潤滑摺動部分に適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷が低減でき、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。また、本実施例の被膜は無潤滑環境下での摺動に対応している。そのため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部材において、潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献でき、一方、潤滑油の削減を図ることができ、結果として環境にやさしい機械装置を提供できる。

ＪＩＳＳＣＭ４１５よりなる円板基材２の表面が、ＨＲＣ５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａ０.１μｍ以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらＵＢＭＳ法で被膜３のアルミニウム元素の含有量が１.８８ａｔ％となるように成膜を実施した。

成膜後の被膜３のＲａは、０.０２１μｍであった。被膜３のヤング率は、１５８.７
ＧＰａであった。また、被膜３と金属ボール１４との摩擦試験において、摩擦係数は
０.０４６、被膜３の剥離荷重は５８８Ｎであった。

本実施例における被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、摩擦係数は０.１以下であり、被膜のない鋼材同士や従来の表面処理材に比べて、摩擦係数を約８８％から９６％、従来の被膜に比べて摩擦係数を約６２％低減でき、その上、被膜の剥離荷重も４９０Ｎ以上と大きいため、被膜の低摩擦性能を活かすことができる。

また、Ｆｅ,Ｃｒ,Ｍｏを含有している合金（クロムモリブデン鋼鋼材，ＪＩＳＳＣＭ４１５）よりなる自動車用カムリフタ２２の冠面２３が、ＨＲＣ５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａ０.１μｍ以下に仕上げ加工した後、本実施例の被膜を不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらＵＢＭＳ法でリフタ２２の冠面２３に適用した。油潤滑環境下でカム２４を回転させてカム２４とリフタ２２の冠面２３を摺動させながら、被膜の評価としてフリクショントルク測定および耐久性試験を行った。被膜の評価は、図４に示すような模擬試験装置２１を用いて行った。試験条件は、ＳＡＥ規格：５Ｗ−３０のエンジンオイル２５をカム２４上に滴下しながら、カム２４を３００ｒ／ｍで回転させ、試験開始２時間後のカムシャフトにかかるトルクを測定した。この試験の後、被膜の剥離の有無を確認した。

評価の結果、トルク値は被膜のないＪＩＳＳＣＭ４１５よりなるリフタにおける一般的なトルク値より約４７％低減できた。また冠面２３の被膜の剥離は確認されなかった。

本実施例における被膜を自動車用カムリフタ２２に適用した場合、トルク値が減少するためカム２４との摺動負荷を減少させることができる。また、被膜の剥離が発生しないため被膜の低摩擦性能を継続的に活かすことができる。その結果、長期にわたりエネルギー効率の高い自動車を提供できる。

ＪＩＳＳＣＭ４１５よりなる円板基材２の表面が、ＨＲＣ５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａ０.１μｍ以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらＵＢＭＳ法で被膜３のアルミニウム元素の含有量が４.１４ａｔ％となるように成膜を実施した。

成膜後の被膜３のＲａは、０.０２０μｍであった。被膜３のヤング率は、８０.６３
ＧＰａであった。また、被膜３と金属ボール１４との摩擦試験において、摩擦係数は
０.０９３、被膜３の剥離荷重は１０７９Ｎであった。

本実施例における被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、摩擦係数は０.１以下であり、被膜のない鋼材同士や従来の表面処理材に比べて、摩擦係数を約７７％から９１％、従来の被膜に比べて摩擦係数を約２２％低減でき、その上、被膜の剥離荷重も４９０Ｎ以上と大きいため、被膜の低摩擦性能を活かすことができる。

本実施例における被膜を機械装置の無潤滑摺動部分に適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷が低減でき、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。また、本実施例の被膜は無潤滑環境下での摺動に対応している。そのため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部材において、潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献でき、一方潤滑油の削減を図ることができ、結果として、環境にやさしい機械装置を提供できる。

〔比較例１〕
ＪＩＳＳＣＭ４１５よりなる円板基材２の表面が、ＨＲＣ５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａ０.１μｍ以下に仕上げ加工を施した。基材２上に硬質炭素被膜を形成しなかった。

基材２のＲａは０.０１５μｍであった。基材２のヤング率は３２３.８ＧＰａであった。また、基材２と金属ボール１４との摩擦試験において、摩擦係数は０.５１６、基材２の焼付荷重は９８Ｎであった。

本比較例における被膜のない基材を無潤滑環境下で摺動させた場合、被膜のない鋼材同士の摺動となるため摩擦係数を低減できない。そのため、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できず、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供することはできない。また、潤滑油を使用している機械装置の摺動部材において、潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献できず、また、潤滑油の削減を図ることもできないため、環境にやさしい機械装置を提供することはできない。

〔比較例２〕
ＪＩＳＳＣＭ４１５よりなる円板基材２の表面が、ＨＲＣ５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａ０.１μｍ以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらＵＢＭＳ法で被膜３のアルミニウム元素の含有率が０.１０ａｔ％となるように成膜を実施した。

成膜後の被膜３のＲａは、０.０１９μｍであった。被膜３のヤング率は、７４.１３
ＧＰａであった。また、被膜３と金属ボール１４との摩擦試験において、摩擦係数は
０.１３３、被膜３の剥離荷重は２４５２Ｎ以上であった。

本比較例における被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、被膜３の耐剥離性については優れているが、従来の被膜に比べて摩擦係数を低減することができない。そのため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部分において、環境にやさしい機械装置を提供することはできない。

また、Ｆｅ,Ｃｒ,Ｍｏを含有している合金（クロムモリブデン鋼鋼材，ＪＩＳＳＣＭ４１５）よりなる自動車用カムリフタ２２の冠面２３が、ＨＲＣ５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａ０.１μｍ以下に仕上げ加工した後、本比較例の被膜を不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらＵＢＭＳ法で動弁系リフタ２２の冠面２３に適用した。被膜の評価については実施例３と同様である。

評価の結果、トルク値は被膜のないＪＩＳＳＣＭ４１５よりなるリフタにおける一般的なトルク値より約４３％低減できた。しかし冠面２３の被膜において一部剥離が確認された。

本比較例における被膜を自動車用カムリフタ２２に適用した場合、トルク値が減少するためカム２４との摺動負荷を減少させることができる。しかし、被膜が一部剥離したため被膜の低摩擦性能を継続的に活かすことができない。その結果、長期にわたりエネルギー効率の高い自動車を提供できない。

〔比較例３〕
ＪＩＳＳＣＭ４１５よりなる円板基材２の表面が、ＨＲＣ５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａ０.１μｍ以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらＵＢＭＳ法で被膜３のアルミニウム元素の含有量が５.９４ａｔ％となるように成膜を実施した。

成膜後の被膜３のＲａは、０.０２１μｍであった。被膜３のヤング率は、１９３.０
ＧＰａであった。また、被膜３と金属ボール１４との摩擦試験において、摩擦係数は
０.６０２、被膜３の剥離荷重は９８Ｎであった。

本比較例における硬質炭素被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、被膜のない鋼材同士や従来の表面処理材に比べて摩擦係数を低減することはできない。そのため、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できず、その結果、エネルギー効率の高い機械装置を提供することはできない。また、本比較例の被膜は無潤滑環境下での摺動に対応していないため、潤滑油を使用している機械装置の摺動部分において潤滑油が枯渇した場合の機械装置としての信頼性向上に貢献できず、また、潤滑油の削減を図ることができないため、環境にやさしい機械装置を提供することはできない。

〔比較例４〕
ＪＩＳＳＣＭ４１５よりなる円板基材２の表面が、ＨＲＣ５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａ０.１μｍ以下に仕上げ加工した後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながらＵＢＭＳ法で被膜３のアルミニウム元素の含有量が１１.５２ａｔ％となるように成膜を実施した。

成膜後の被膜３のＲａは、０.０１９μｍであった。被膜３のヤング率は、８０.９０
ＧＰａであった。また被膜３と金属ボール１４との摩擦試験において、摩擦係数は0.080、被膜３の剥離荷重は３９２Ｎであった。

本比較例における硬質炭素被膜を無潤滑環境下で摺動させた場合、耐剥離性は劣っているが摩擦係数は低い。低荷重領域での摺動においては有効であるが、高荷重領域での摺動においては必ずしも有効であるとはいえない。

つまり、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できず、その結果エネルギー効率の高い機械装置を提供することが困難である。また、潤滑油の削減を図れる効果が小さいため、環境にやさしい機械装置を提供することはできない。

本発明は、無潤滑環境下および水，有機溶剤，燃料，油潤滑環境下で使用される摺動部材に適用できる硬質炭素被膜に関するものである。

円板基材上に硬質炭素被膜を形成した試験片の斜視説明図である。本発明の評価に使用した摩擦試験機の断面説明図である。本発明の評価に使用した摩擦試験機（試験片−ボール摺動部）の斜視説明図である。自動車用カムリフタの模擬試験装置を示す図である。

符号の説明

１…試験片、２…円板基材、３…硬質炭素被膜、１１…摩耗試験機、１２…回転軸、
１３…ワークテーブル、１４…金属ボール、１５…スプリング、１６…ホルダ、１７…モータ、１８…ロードセル、２１…模擬試験装置、２２…自動車用カムリフタ、２３…冠面、２４…カム、２５…エンジンオイル。

Claims

０.５ａｔ％以上４.５ａｔ％以下のアルミニウム元素を含むことを特徴とする硬質炭素被膜。
前記アルミニウム元素が、表面層および内部に含有されていることを特徴とする請求項１記載の硬質炭素被膜。
前記硬質炭素被膜のヤング率が、５０ＧＰａ以上１８０ＧＰａ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。
前記アルミニウム元素が、金属アルミニウム，アルミニウム硼化物，アルミニウム炭化物，アルミニウム窒化物，アルミニウム酸化物，アルミニウム水酸化物のうちから選ばれる少なくとも１種の物質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。
前記硬質炭素被膜の厚さが、０.５μｍ以上１０.０μｍ以下であり、かつ、前記硬質炭素被膜の表面粗さが、０.１μｍ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。
前記硬質炭素被膜が、ｓｐ²結合炭素とｓｐ³結合炭素とが混在する硬質炭素被膜であることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
０.５ａｔ％以上４.５ａｔ％以下のアルミニウム元素を含有するダイヤモンドライクカーボン膜からなる硬質炭素被膜が、スパッタリングあるいはイオンプレーティングにより形成されることを特徴とする硬質炭素被膜の製造方法。
基材に、アルミニウム元素を含む硬質炭素被膜が形成されたことを特徴とする摺動部材。
前記硬質炭素被膜に含有されたアルミニウム元素の含有量が、０.５ａｔ％以上４.５
ａｔ％以下であることを特徴とする請求項８記載の摺動部材。
前記硬質炭素被膜が、ｓｐ²結合炭素とｓｐ³結合炭素とが混在する硬質炭素被膜であることを特徴とする請求項９記載の摺動部材。
前記硬質炭素被膜の表面に形成されるアルミニウム元素が、アルミニウム酸化物または／およびアルミニウム水酸化物として存在することを特徴とする請求項９記載の摺動部材。
前記基材が、Ｆｅ，Ｃｒ及びＭｏを含有する合金からなることを特徴とする請求項９記載の摺動部材。
前記基材が、Ｆｅ，Ｃｒ及びＭｏを含有する前記合金に、さらに、Ｃｒ層が形成されることを特徴とする請求項１２記載の摺動部材。
前記基材が、前記Ｃｒ層に、さらに、ＣｒとＣとが混合するＣｒ／Ｃ層が形成されることを特徴とする請求項１３記載の摺動部材。