摺動部材
【課題】耐摩耗性・低摩擦性能に優れた硬質炭素被膜を提供する。
【解決手段】本発明の摺動部材は、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，
Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有する基材上に、クロムと炭素とを含有した傾斜層を有し、前記傾斜層上に硬質炭素被膜を有するものであって、前記傾斜層に含有するクロムの含有量が、前記基材から前記硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、前記傾斜層に含有する炭素の含有量が、前記基材から前記硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加し、前記硬質炭素被膜には、アルミニウムが含有されていることを特徴とする。
【解決手段】本発明の摺動部材は、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，
Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有する基材上に、クロムと炭素とを含有した傾斜層を有し、前記傾斜層上に硬質炭素被膜を有するものであって、前記傾斜層に含有するクロムの含有量が、前記基材から前記硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、前記傾斜層に含有する炭素の含有量が、前記基材から前記硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加し、前記硬質炭素被膜には、アルミニウムが含有されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低摩擦な硬質炭素被膜を有する摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
そして、無潤滑環境下において、通常の平滑な鋼材の表面の摩擦係数が０.５〜１.０であり、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 であるのに対して、硬質炭素被膜の表面の摩擦係数は約０.１２である。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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を図ることができれば、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。
【０００７】
ダイヤモンドライクカーボン層を備える摺動部材について、特許文献１，特許文献２に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−０１０９２３号公報
【特許文献２】特開２０００−２５６８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来、無潤滑環境下における摺動において、摩擦係数が高く、また、油潤滑環境下における耐久性試験においても部分的な被膜の剥離や荒れが生じ、長期的な耐久性に劣るという課題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、耐摩耗性，低摩擦性に富んだ硬質炭素被膜を有する摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施態様である摺動部材は、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，
Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有する基材上に、クロムと炭素とを含有した傾斜層を有し、傾斜層上に硬質炭素被膜（ダイヤモンドライクカーボン層）を有するものである。
【００１２】
そして、傾斜層に含有されるクロムの含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、傾斜層に含有される炭素の含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加し、硬質炭素被膜には、アルミニウムが含有されている。
【００１３】
傾斜層は、Ｃを含有した金属Ｃｒ又はＣｒ炭化物であることが好ましく、傾斜層の厚さは、０.１５〜６.０μｍであることが好ましい。
【００１４】
また、硬質炭素被膜の厚さは、０.１５〜６.０μｍであることが好ましく、硬質炭素被膜の表面硬度は２０〜１４０ＧＰａ、硬質炭素被膜の表面ヤング率は５０〜１８０ＧＰａであることが好ましい。そして、硬質炭素被膜の表面粗さは０.１μｍ 以下であることが好ましい。
【００１５】
また、硬質炭素被膜に含有されているアルミニウムの含有量は０.５〜４.５at％であることが好ましく、硬質炭素被膜に含有されているアルミニウムは、金属Ａｌ，Ａｌ硼化物，Ａｌ炭化物，Ａｌ窒化物，Ａｌ酸化物，Ａｌ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が好ましい。
【００１６】
なお、硬質炭素被膜の最表面層に、ｓｐ2結合炭素とｓｐ3結合炭素とが混在することが好ましい。
【００１７】
硬質炭素被膜には、Ｓｉが含有されていてもよい。
【００１８】
また、基材と前記傾斜層との間にＣｒ中間層を設けてもよい。中間層の厚さは、0.03〜１.００μｍであることが好ましい。
【００１９】
更に、本発明の一実施態様である摺動部材の製造方法は、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有する基材上に、Ｃｒ中間層を形成する工程と、Ｃｒ中間層上に、クロムと炭素とを含有し、クロムの含有量が徐々に減少し、炭素の含有量が徐々に増加し、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傾斜層を形成する工程と、傾斜層上にアルミニウムが含有されている硬質炭素被膜（ダイヤモンドライクカーボン層）を形成する工程とを有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、耐摩耗性，低摩擦性に富んだ硬質炭素被膜を有する摺動部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００２２】
本実施形態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。
【００２３】
図１に示すような直径２１.５mm，厚さ５.２mmの円板の基材１２に、硬質炭素被膜１３を形成した試験片１１を用いて、硬質炭素被膜１３の密着性の評価、および、硬さ・ヤング率の評価を行った。
【００２４】
このときの試験片１１は、表１に示すような仕様（Ａｌ含有量，印加バイアス電圧，傾斜層の形態）で基材１２に、硬質炭素被膜１３を形成した。
【００２５】
【表１】
【００２６】
硬質炭素被膜１３は、基材１２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）層を形成した。
【００２７】
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１３の形成中に基材１２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１２に緻密な被膜１３を形成することができることを特徴とした成膜方法である。
【００２８】
硬質炭素被膜（以下、「被膜」と呼称する）１３を形成した後、被膜１３へのロックウェルダイヤモンド圧子による押し込み試験後における被膜１３の剥離の有無による密着性評価を行った。
【００２９】
また、被膜１３の表面のナノインデンテーション法（ＩＳＯ１４５７７）による評価，無潤滑環境下における摩擦試験による剥離荷重を測定した。
【００３０】
さらに、油潤滑環境下において、自動車用カムリフタの冠面に形成した被膜のフリクショントルク測定を実施することによりトルク低減率を計算すると共に、耐久性試験後における被膜１３の剥離の有無を観察した。
【００３１】
ロックウェルダイヤモンド圧子の押し込み試験による密着性評価では、先端径２００
μｍの円錐形のロックウェルダイヤモンド圧子を、１４７１Ｎ(１５０kgf) の試験力で押し込み、この押し込みによりできた圧痕周辺の被膜１３の割れや剥離の状態を光学顕微鏡で観察した。
【００３２】
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、被膜１３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。
【００３３】
この評価により、押し込み硬さと押し込みヤング率とを算出した。
【００３４】
無潤滑環境下での摩擦試験は、図２に示すような評価装置を用いて実施した。そして、この評価装置（ボールオンディスクタイプの摩耗試験機）２１を用いて、摩擦係数および被膜１３の剥離荷重を計測した。
【００３５】
この試験機２１は、回転軸２２に固定されたワークテーブル２３が配置される。このワークテーブル２３に試験片１１を設置し、この試験片１１の上面側に、直径６mmの金属ボール（高炭素クロム軸受鋼材ボール）２４を、試験片１１の相手材となるように設置する。
【００３６】
なお、ここで金属ボール２４に用いる金属は、高炭素クロム軸受鋼材に限られるものではなく、軸受に用いるような鋼であればよい。
【００３７】
この試験機２１において、スプリング２５によって、荷重を９８Ｎ〜２４５２Ｎの間で段階的に増加させ、１分毎に９８Ｎずつ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２４は、ホルダ２６に回転しないように固定されている。
【００３８】
そして、回転軸２２が、モータ２７に連結されて、金属ボール２４に対して、相対滑り速度約３４mm／sec で回転駆動され、金属ボール２４と試験片１１との間で発生する摩擦力に応じたトルクをロードセル２８で計測し、摩擦係数を算出した。
【００３９】
なお、金属ボール２４は、図３に示すように中心より半径８mmの位置に１個配置し、荷重Ｐで押し付ける。
【００４０】
被膜１３の剥離荷重は、試験片１１と金属ボール２４との摩擦係数が急激に上昇した時の試験荷重とした。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。
【００４１】
また、油潤滑環境下におけるフリクショントルク測定および耐久性試験では、図１３に示すような模擬試験装置５１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（８０℃）５５を、カム５４上に滴下しながら、カム５４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、自動車用カムリフタ５２の冠面５３に形成した被膜の剥離の有無を確認した。
【実施例１】
【００４２】
Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏを含有している合金（クロムモリブデン鋼材）よりなる円板基材１２の表面が、ロックウェルＣスケール（ＨＲＣ）５８以上となるように浸炭処理を施し、表面粗さ（Ｒａ）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Ａｌ元素の含有量が１.８８at％ となるように被膜１３を成膜した。
【００４３】
基材１２上に被膜１３を形成した試験片１１の一部分の断面図を図４に示す。
【００４４】
被膜１３は、Ｃｒ中間層４１，最表面層４３，Ｃｒ中間層４１と最表面層４３との間に配置される傾斜層４２とを有する。傾斜層４２を形成する際には、Ｃｒターゲット投入電力，Ｃターゲット投入電力，基材印加バイアス電圧を、図５に示すように制御した。
【００４５】
成膜後の被膜１３へロックウェルダイヤモンド圧子を１４７１Ｎの荷重で押し込んだ後、密着性評価を行った結果、図８に示すように圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材
１２と被膜１３との密着性は良好であった。
【００４６】
また、被膜１３の硬さは２７.８２ＧＰａ、ヤング率は１５８.７ＧＰａであった。
【００４７】
また、無潤滑環境下における被膜１３と金属ボール２４との摩擦試験の結果、摩擦係数は０.０４６ 、被膜１３の剥離荷重は５８８Ｎであった。
【００４８】
実施例１における被膜１３は、基材１２からの剥離が発生しないため、基材１２が剥き出しとなることがなく、被膜１３の低摩擦性能を活かすことができる。
【００４９】
また、実施例１における被膜１３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１３のない鋼材や従来の表面処理材に比べて、摩擦係数を約８８〜９６％、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１３の剥離荷重も
４９０Ｎ以上と大きいため、被膜１３の低摩擦性能を活かすことができる。
【００５０】
また、被膜１３を、図１３に示すような自動車用カムリフタ５２の冠面５３（ＨＲＣ
５８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もの）に、基材１２の場合と同様に不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法を適用した。
【００５１】
油潤滑環境下におけるフリクショントルク測定および耐久性試験の結果、実施例１の場合のトルク値は、被膜１３のない自動車用カムリフタにおける一般的なトルク値より約
４７％低減できた。
【００５２】
また、図１０に示されるように、冠面５３に形成される被膜１３の剥離は確認されなかった。
【００５３】
実施例１における被膜１３を自動車用カムリフタ５２に適用した場合、トルク値が低減するため、カム５４との間の摺動負荷を減少させることができる。
【００５４】
また、被膜１３の剥離が発生しないため、被膜１３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。
【００５５】
実施例１における被膜１３は、基材（自動車用カムリフタ５２の冠面５３）１２からの剥離が発生しないため、基材１２が剥き出しとなることもなく、被膜１３の低摩擦性能を活かすことができる。
【００５６】
実施例１における被膜１３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。
【００５７】
これにより、耐摩耗性と低摩擦性とを兼ね備えた被膜１３を提供することができる。
【００５８】
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。
【００５９】
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て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リング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。
【００６０】
実施例１において形成した被膜１３は、高密着性，耐摩耗性および低摩擦性を有し、摺動部材に付与することができる。
【００６１】
結果として、無潤滑環境下、並びに水，有機溶剤，燃料，油潤滑環境下において、負荷を低減できる摺動部材を提供できる。
【００６２】
また、通常、潤滑油中で摺動させる機械部品においても、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できる。
【００６３】
実施例１では、被膜１３を形成する基材１２として、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，
Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有することとしているが、被膜１３の形成においては温度が上昇するため、変質を防止するために高融点金属（特に、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）が好ましい。
【００６４】
更には、硬質炭素被膜の形成時にＣｒ中間層４１を形成する。基材１２とＣｒ中間層
４１の密着性を高めるためには、基材にＣｒを含有させることが好ましい。
【００６５】
また、Ｃｒ中間層４１と最表面層４３との間に形成される傾斜層４２においては、Ｃｒ中間層４１側から最表面層４３側へ向かって、Ｃｒ濃度が連続的に減少し、かつ、Ｃ濃度が連続的に増加することが好ましい。
【００６６】
傾斜層４２を組成の異なる（ＣｒとＣとの含有量が異なる）層の積層体と考えた場合、１層あたりの膜厚は、１５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００６７】
また、傾斜層４２を構成する物質の１つであるＣｒ炭化物をＣｒxＣyで表した場合、ｘとｙとの比率を少しずつ変化させることで、組成がＣｒ中間層４１側から最表面層４３側へ向かって少しずつ変化し、傾斜層４２の膜質は急変しない。
【００６８】
また、被膜１３の厚さが、０.１５μｍ 未満の場合は、摺動によって被膜１３の摩滅が起き易く、６.０μｍ を超える場合は、被膜１３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。
【００６９】
被膜１３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。
【００７０】
また、傾斜層４２の膜厚をｄG 、最表面層の膜厚をｄｃとした場合、ｄｃ／ｄG ≦１となることが好ましく、０.１５μｍ以上６.０μｍ以下としている。
【００７１】
被膜１３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１３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。
【００７２】
また、この被膜１３は、最表面層４３にＡｌ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、Ａｌ元素は、金属Ａｌ，Ａｌ硼化物，Ａｌ炭化物，Ａｌ窒化物，Ａｌ酸化物，Ａｌ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Ａｌ酸化物および／または
Ａｌ水酸化物として存在する。
【００７３】
これにより、耐摩耗性および低摩擦性を兼ね備えた硬質炭素被膜を提供することができる。実施例１により形成した試験片１１は、高密着性，耐摩耗性および低摩擦性を有し、摺動部材に付与することができる。
【００７４】
この結果として、無潤滑環境下並びに水，有機溶剤，燃料，油潤滑環境下において、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できる。
【００７５】
こうした被膜１３の表面に露出したＡｌ元素は、大気中の酸素や水と反応をして、Ａｌ酸化物やＡｌ水酸化物となるため、被膜１３に金属元素を含有させ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。
【００７６】
また、こうした被膜１３は、Ａｌ元素を含有しているため、特に、被膜１３の表面の
Ａｌ元素は、Ａｌ酸化物および／またはＡｌ水酸化物として存在する。つまり、被膜１３の表面（特に、最表面層４３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る。
【００７７】
更には、水と同じＯＨ基をもつ液体や蒸気（例えば、アルコール類や油中の添加剤）の存在下における摺動でも低摩擦化が実現可能である。
【００７８】
なお、実施例１は、被膜１３にＡｌ元素が存在することにより、被膜１３の内部応力が低下するため、基材１２から剥離しにくくなるという現象を見出したことに基づくものである。
【００７９】
被膜１３のＡｌ元素の含有量が、０.５at％ 未満の場合は、被膜１３の表面において親水性の由来となるＡｌ酸化物および／またはＡｌ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。
【００８０】
一方、被膜１３の表面（特に、最表面層４３の表面や内部）のＡｌ元素の含有量が５at％を超える場合は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）分析の結果、Ａｌの炭化物生成の進行の可能性があることがわかった。つまり、被膜１３の表面のＡｌ元素の含有量が５at％を超える場合、生成されるＡｌ炭化物量が多くなるため、Ａｌ炭化物の脆化により被膜１３が割れやすくなり、好ましくない。
【００８１】
被膜１３の表面硬度は、２０ＧＰａ以上である。２０ＧＰａ未満の場合には耐摩耗性が低下し、被膜１３の摩滅が発生し易くなる。Ａｌ元素を添加しない場合に比較して添加した場合は、被膜１３の硬度が低下するため、硬度を高くする方法として、Ｓｉ元素を添加するのが有効である。
【００８２】
また、被膜１３の表面ヤング率は５０ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下である。Ａｌ炭化物の生成により、ヤング率が高くなるが、１８０ＧＰａを超える場合には、被膜１３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。
【００８３】
被膜１３に使用されるＡｌ元素において、特に、Ａｌ酸化物やＡｌ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。
【００８４】
スパッタリングまたはイオンプレーティングの場合は、Ａｌターゲットを用いることにより、Ａｌを被膜１３に形成することができる。
【００８５】
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Ａｌ化合物をチャンバ内にガスとして導入することにより、Ａｌを被膜１３に形成することができる。
【００８６】
また、実施例１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。
【００８７】
硬質炭素被膜の傾斜層４２において、Ｃｒ中間層４１側から最表面層４３側へ向かって、Ｃｒ濃度を減少させ、Ｃ濃度を増加させ、更に、最表面層４３にＡｌ元素を含有する被膜１３を用いることにより、基材１２との高密着性をも実現することができる。
【００８８】
そして、無潤滑環境下のみならず、水，有機溶剤，燃料，油潤滑環境下においても使用可能である。
【００８９】
なお、傾斜層４２において、Ｃｒ中間層４１側から最表面層４３側へ向かって、Ｃｒ濃度が連続的に減少し、かつ、Ｃ濃度が連続的に増加することが好ましい。
【００９０】
また、傾斜層４２の厚さは、０.２５μｍ以上５.０μｍ以下であることが好ましい。
【００９１】
そして、被膜１３の最表面（最表面層４３）に少なくともＡｌ元素、又はＡｌ元素およびＳｉ元素を含む。
【００９２】
また、被膜１３の全体の厚さは、０.５μｍ以上４.０μｍ以下であることが好ましい。
【００９３】
（比較例１）
ＪＩＳ ＳＣＭ４１５よりなる円板の基材１２の表面の硬さが、ＨＲＣで５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａを０.１μｍ 以下に仕上げ加工した。
【００９４】
その後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法で被膜１３の形成を実施した。
【００９５】
比較例１の被膜１３には、Ａｌ元素を添加しなかった。
【００９６】
被膜１３におけるＣｒ中間層４１と最表面層４３との間に位置する傾斜層４２を形成する際、Ｃｒターゲット投入電力，Ｃターゲット投入電力，基材印加バイアス電圧について、図６に示されるような制御を行った。
【００９７】
成膜後の被膜１３へロックウェルダイヤモンド圧子を１４７１Ｎの荷重で押し込むことにより、密着性を評価した結果、図９に示すように圧痕周辺の被膜１３に剥離が見られ、基材１２への被膜１３の密着性は不良であった。
【００９８】
比較例１の被膜１３は、基材１２からの剥離が発生するため、基材１２が剥き出しとなり、被膜１３の低摩擦性を活かすことができない。
【００９９】
また、比較例１における被膜１３を機械装置の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軽減できず、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できない。
【０１００】
（比較例２）
ＪＩＳ ＳＣＭ４１５よりなる円板の基材１２の表面の硬さが、ＨＲＣで５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａを０.１μｍ 以下に仕上げ加工した。
【０１０１】
その後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法で被膜１３の形成を実施した。
【０１０２】
比較例２の被膜１３には、Ａｌ元素を添加しなかった。
【０１０３】
被膜１３におけるＣｒ中間層４１と最表面層４３との間に位置する傾斜層４２を形成する際、Ｃｒターゲット投入電力，Ｃターゲット投入電力，基材印加バイアス電圧について、図５に示されるような制御を行った。
【０１０４】
成膜後の被膜１３へロックウェルダイヤモンド圧子を１４７１Ｎの荷重で押し込むことにより、密着性を評価した結果、図８に示すように圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材１２への被膜１３の密着性は良好であった。
【０１０５】
また、被膜１３の硬さは３０.２３ＧＰａ、ヤング率は１７８.７ＧＰａであった。
【０１０６】
また、無潤滑環境下での被膜１３と金属ボール２４との摩擦試験を実施したところ、摩擦係数は０.０９０，被膜１３の剥離荷重は９８１Ｎであった。
【０１０７】
また、被膜１３を、ＪＩＳ ＳＣＭ４１５よりなる自動車用カムリフタ５２の冠面５３（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もの）に、基材１２の場合と同様に不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法を適用した。
【０１０８】
油潤滑環境下におけるフリクショントルク測定および耐久性試験の結果、比較例２の場合のトルク値は、被膜１３のない自動車用カムリフタにおける一般的なトルク値より約
４３％低減できた。
【０１０９】
しかし、図１１に示されるように、冠面５３に形成される被膜１３の一部に剥離や荒れが確認された。
【０１１０】
比較例２における被膜１３を自動車用カムリフタ５２に適用した場合、経時的に被膜
１３の剥離や摩擦係数の増大が予想されるため、被膜１３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、長期的にエネルギー効率の高い自動車を提供できない。
【０１１１】
（比較例３）
ＪＩＳ ＳＣＭ４１５よりなる円板の基材１２の表面の硬さが、ＨＲＣで５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａを０.１μｍ 以下に仕上げ加工した。
【０１１２】
その後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法で被膜１３の形成を実施した。
【０１１３】
比較例３の被膜１３には、Ａｌ元素が０.６５at％ 含有するように成膜した。
【０１１４】
被膜１３におけるＣｒ中間層４１と最表面層４３との間に位置する傾斜層４２を形成する際、Ｃｒターゲット投入電力，Ｃターゲット投入電力，基材印加バイアス電圧について、図７に示されるような制御を行った。
【０１１５】
成膜後の被膜１３へロックウェルダイヤモンド圧子を１４７１Ｎの荷重で押し込むことにより、密着性を評価した結果、図８に示すように圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材１２への被膜１３の密着性は良好であった。
【０１１６】
また、被膜１３の硬さは９.３７８ＧＰａ、ヤング率は６５.９４ＧＰａであった。
【０１１７】
また、無潤滑環境下での被膜１３と金属ボール２４との摩擦試験を実施したところ、摩擦係数は０.０５２、被膜１３の剥離荷重は２４５２Ｎであった。
【０１１８】
また、被膜１３を、ＪＩＳ ＳＣＭ４１５よりなる自動車用カムリフタ５２の冠面５３（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もの）に、基材１２の場合と同様に不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法を適用した。
【０１１９】
油潤滑環境下におけるフリクショントルク測定および耐久性試験の結果、比較例３の場合のトルク値は、被膜１３のない自動車用カムリフタにおける一般的なトルク値より約３％増加し、低減できなかった。
【０１２０】
また、図１２に示されるように、冠面５３に形成される被膜１３に剥離が確認された。
【０１２１】
比較例３における被膜１３を自動車用カムリフタ５２に適用した場合、トルク値が増加するためカム５４との摺動負荷を減少させることができない。また、被膜１３の剥離が発生するため被膜１３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、エネルギー効率の高い自動車を提供できない。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明は、耐摩耗性，低摩擦性に富んだ硬質炭素被膜を有する摺動部材であって、特に、油潤滑環境下で使用される内燃機関などの機械部品に利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】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。
【図２】本形態の評価に使用した摩擦試験機の断面説明図である。
【図３】本形態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。
【図４】基材および硬質炭素被膜の断面構造を示す図である。
【図５】実施例１，比較例２の傾斜層の成膜における、傾斜層の成膜時間に対する Ｃｒ／Ｃターゲット投入電力および基材印加バイアスの制御方法を示す図である。
【図６】比較例１の傾斜層の成膜における、傾斜層の成膜時間に対するＣｒ／Ｃターゲット投入電力および基材印加バイアスの制御方法を示す図である。
【図７】比較例３の傾斜層の成膜における、傾斜層の成膜時間に対するＣｒ／Ｃターゲット投入電力および基材印加バイアスの制御方法を示す図である。
【図８】ロックウェルダイヤモンド圧子の押込による密着性評価において、剥離のない被膜を示した写真である。
【図９】ロックウェルダイヤモンド圧子の押込による密着性評価において、剥離のある被膜を示した写真である。
【図１０】自動車用カムリフタの油潤滑環境下でのフリクショントルク測定および耐久性試験後における、剥離や摩耗が発生しなかった場合の被膜の断面図である。
【図１１】自動車用カムリフタの油潤滑環境下でのフリクショントルク測定および耐久性試験後における、剥離や摩耗が一部発生した場合の被膜の断面図である。
【図１２】自動車用カムリフタの油潤滑環境下でのフリクショントルク測定および耐久性試験後における、剥離や摩耗が発生した場合の被膜の断面図である。
【図１３】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】
【０１２４】
１１…試験片、１２…基材、１３…硬質炭素被膜、２１…摩耗試験機、２２…回転軸、２３…ワークテーブル、２４…金属ボール、２５…スプリング、２６…ホルダ、２７…モータ、２８…ロードセル、４１…Ｃｒ中間層、４２…傾斜層、４３…最表面層、５１…模擬試験装置、５２…自動車用カムリフタ、５３…冠面、５４…カム、５５…エンジンオイル。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低摩擦な硬質炭素被膜を有する摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
そして、無潤滑環境下において、通常の平滑な鋼材の表面の摩擦係数が０.５〜１.０であり、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 であるのに対して、硬質炭素被膜の表面の摩擦係数は約０.１２である。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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を図ることができれば、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。
【０００７】
ダイヤモンドライクカーボン層を備える摺動部材について、特許文献１，特許文献２に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−０１０９２３号公報
【特許文献２】特開２０００−２５６８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来、無潤滑環境下における摺動において、摩擦係数が高く、また、油潤滑環境下における耐久性試験においても部分的な被膜の剥離や荒れが生じ、長期的な耐久性に劣るという課題があった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、耐摩耗性，低摩擦性に富んだ硬質炭素被膜を有する摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施態様である摺動部材は、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，
Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有する基材上に、クロムと炭素とを含有した傾斜層を有し、傾斜層上に硬質炭素被膜（ダイヤモンドライクカーボン層）を有するものである。
【００１２】
そして、傾斜層に含有されるクロムの含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、傾斜層に含有される炭素の含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加し、硬質炭素被膜には、アルミニウムが含有されている。
【００１３】
傾斜層は、Ｃを含有した金属Ｃｒ又はＣｒ炭化物であることが好ましく、傾斜層の厚さは、０.１５〜６.０μｍであることが好ましい。
【００１４】
また、硬質炭素被膜の厚さは、０.１５〜６.０μｍであることが好ましく、硬質炭素被膜の表面硬度は２０〜１４０ＧＰａ、硬質炭素被膜の表面ヤング率は５０〜１８０ＧＰａであることが好ましい。そして、硬質炭素被膜の表面粗さは０.１μｍ 以下であることが好ましい。
【００１５】
また、硬質炭素被膜に含有されているアルミニウムの含有量は０.５〜４.５at％であることが好ましく、硬質炭素被膜に含有されているアルミニウムは、金属Ａｌ，Ａｌ硼化物，Ａｌ炭化物，Ａｌ窒化物，Ａｌ酸化物，Ａｌ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が好ましい。
【００１６】
なお、硬質炭素被膜の最表面層に、ｓｐ2結合炭素とｓｐ3結合炭素とが混在することが好ましい。
【００１７】
硬質炭素被膜には、Ｓｉが含有されていてもよい。
【００１８】
また、基材と前記傾斜層との間にＣｒ中間層を設けてもよい。中間層の厚さは、0.03〜１.００μｍであることが好ましい。
【００１９】
更に、本発明の一実施態様である摺動部材の製造方法は、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有する基材上に、Ｃｒ中間層を形成する工程と、Ｃｒ中間層上に、クロムと炭素とを含有し、クロムの含有量が徐々に減少し、炭素の含有量が徐々に増加し、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傾斜層を形成する工程と、傾斜層上にアルミニウムが含有されている硬質炭素被膜（ダイヤモンドライクカーボン層）を形成する工程とを有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、耐摩耗性，低摩擦性に富んだ硬質炭素被膜を有する摺動部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００２２】
本実施形態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。
【００２３】
図１に示すような直径２１.５mm，厚さ５.２mmの円板の基材１２に、硬質炭素被膜１３を形成した試験片１１を用いて、硬質炭素被膜１３の密着性の評価、および、硬さ・ヤング率の評価を行った。
【００２４】
このときの試験片１１は、表１に示すような仕様（Ａｌ含有量，印加バイアス電圧，傾斜層の形態）で基材１２に、硬質炭素被膜１３を形成した。
【００２５】
【表１】
【００２６】
硬質炭素被膜１３は、基材１２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）層を形成した。
【００２７】
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１３の形成中に基材１２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１２に緻密な被膜１３を形成することができることを特徴とした成膜方法である。
【００２８】
硬質炭素被膜（以下、「被膜」と呼称する）１３を形成した後、被膜１３へのロックウェルダイヤモンド圧子による押し込み試験後における被膜１３の剥離の有無による密着性評価を行った。
【００２９】
また、被膜１３の表面のナノインデンテーション法（ＩＳＯ１４５７７）による評価，無潤滑環境下における摩擦試験による剥離荷重を測定した。
【００３０】
さらに、油潤滑環境下において、自動車用カムリフタの冠面に形成した被膜のフリクショントルク測定を実施することによりトルク低減率を計算すると共に、耐久性試験後における被膜１３の剥離の有無を観察した。
【００３１】
ロックウェルダイヤモンド圧子の押し込み試験による密着性評価では、先端径２００
μｍの円錐形のロックウェルダイヤモンド圧子を、１４７１Ｎ(１５０kgf) の試験力で押し込み、この押し込みによりできた圧痕周辺の被膜１３の割れや剥離の状態を光学顕微鏡で観察した。
【００３２】
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、被膜１３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。
【００３３】
この評価により、押し込み硬さと押し込みヤング率とを算出した。
【００３４】
無潤滑環境下での摩擦試験は、図２に示すような評価装置を用いて実施した。そして、この評価装置（ボールオンディスクタイプの摩耗試験機）２１を用いて、摩擦係数および被膜１３の剥離荷重を計測した。
【００３５】
この試験機２１は、回転軸２２に固定されたワークテーブル２３が配置される。このワークテーブル２３に試験片１１を設置し、この試験片１１の上面側に、直径６mmの金属ボール（高炭素クロム軸受鋼材ボール）２４を、試験片１１の相手材となるように設置する。
【００３６】
なお、ここで金属ボール２４に用いる金属は、高炭素クロム軸受鋼材に限られるものではなく、軸受に用いるような鋼であればよい。
【００３７】
この試験機２１において、スプリング２５によって、荷重を９８Ｎ〜２４５２Ｎの間で段階的に増加させ、１分毎に９８Ｎずつ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２４は、ホルダ２６に回転しないように固定されている。
【００３８】
そして、回転軸２２が、モータ２７に連結されて、金属ボール２４に対して、相対滑り速度約３４mm／sec で回転駆動され、金属ボール２４と試験片１１との間で発生する摩擦力に応じたトルクをロードセル２８で計測し、摩擦係数を算出した。
【００３９】
なお、金属ボール２４は、図３に示すように中心より半径８mmの位置に１個配置し、荷重Ｐで押し付ける。
【００４０】
被膜１３の剥離荷重は、試験片１１と金属ボール２４との摩擦係数が急激に上昇した時の試験荷重とした。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。
【００４１】
また、油潤滑環境下におけるフリクショントルク測定および耐久性試験では、図１３に示すような模擬試験装置５１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（８０℃）５５を、カム５４上に滴下しながら、カム５４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、自動車用カムリフタ５２の冠面５３に形成した被膜の剥離の有無を確認した。
【実施例１】
【００４２】
Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏを含有している合金（クロムモリブデン鋼材）よりなる円板基材１２の表面が、ロックウェルＣスケール（ＨＲＣ）５８以上となるように浸炭処理を施し、表面粗さ（Ｒａ）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Ａｌ元素の含有量が１.８８at％ となるように被膜１３を成膜した。
【００４３】
基材１２上に被膜１３を形成した試験片１１の一部分の断面図を図４に示す。
【００４４】
被膜１３は、Ｃｒ中間層４１，最表面層４３，Ｃｒ中間層４１と最表面層４３との間に配置される傾斜層４２とを有する。傾斜層４２を形成する際には、Ｃｒターゲット投入電力，Ｃターゲット投入電力，基材印加バイアス電圧を、図５に示すように制御した。
【００４５】
成膜後の被膜１３へロックウェルダイヤモンド圧子を１４７１Ｎの荷重で押し込んだ後、密着性評価を行った結果、図８に示すように圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材
１２と被膜１３との密着性は良好であった。
【００４６】
また、被膜１３の硬さは２７.８２ＧＰａ、ヤング率は１５８.７ＧＰａであった。
【００４７】
また、無潤滑環境下における被膜１３と金属ボール２４との摩擦試験の結果、摩擦係数は０.０４６ 、被膜１３の剥離荷重は５８８Ｎであった。
【００４８】
実施例１における被膜１３は、基材１２からの剥離が発生しないため、基材１２が剥き出しとなることがなく、被膜１３の低摩擦性能を活かすことができる。
【００４９】
また、実施例１における被膜１３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１３のない鋼材や従来の表面処理材に比べて、摩擦係数を約８８〜９６％、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１３の剥離荷重も
４９０Ｎ以上と大きいため、被膜１３の低摩擦性能を活かすことができる。
【００５０】
また、被膜１３を、図１３に示すような自動車用カムリフタ５２の冠面５３（ＨＲＣ
５８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もの）に、基材１２の場合と同様に不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法を適用した。
【００５１】
油潤滑環境下におけるフリクショントルク測定および耐久性試験の結果、実施例１の場合のトルク値は、被膜１３のない自動車用カムリフタにおける一般的なトルク値より約
４７％低減できた。
【００５２】
また、図１０に示されるように、冠面５３に形成される被膜１３の剥離は確認されなかった。
【００５３】
実施例１における被膜１３を自動車用カムリフタ５２に適用した場合、トルク値が低減するため、カム５４との間の摺動負荷を減少させることができる。
【００５４】
また、被膜１３の剥離が発生しないため、被膜１３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。
【００５５】
実施例１における被膜１３は、基材（自動車用カムリフタ５２の冠面５３）１２からの剥離が発生しないため、基材１２が剥き出しとなることもなく、被膜１３の低摩擦性能を活かすことができる。
【００５６】
実施例１における被膜１３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。
【００５７】
これにより、耐摩耗性と低摩擦性とを兼ね備えた被膜１３を提供することができる。
【００５８】
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。
【００５９】
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て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リング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。
【００６０】
実施例１において形成した被膜１３は、高密着性，耐摩耗性および低摩擦性を有し、摺動部材に付与することができる。
【００６１】
結果として、無潤滑環境下、並びに水，有機溶剤，燃料，油潤滑環境下において、負荷を低減できる摺動部材を提供できる。
【００６２】
また、通常、潤滑油中で摺動させる機械部品においても、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できる。
【００６３】
実施例１では、被膜１３を形成する基材１２として、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，
Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有することとしているが、被膜１３の形成においては温度が上昇するため、変質を防止するために高融点金属（特に、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）が好ましい。
【００６４】
更には、硬質炭素被膜の形成時にＣｒ中間層４１を形成する。基材１２とＣｒ中間層
４１の密着性を高めるためには、基材にＣｒを含有させることが好ましい。
【００６５】
また、Ｃｒ中間層４１と最表面層４３との間に形成される傾斜層４２においては、Ｃｒ中間層４１側から最表面層４３側へ向かって、Ｃｒ濃度が連続的に減少し、かつ、Ｃ濃度が連続的に増加することが好ましい。
【００６６】
傾斜層４２を組成の異なる（ＣｒとＣとの含有量が異なる）層の積層体と考えた場合、１層あたりの膜厚は、１５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００６７】
また、傾斜層４２を構成する物質の１つであるＣｒ炭化物をＣｒxＣyで表した場合、ｘとｙとの比率を少しずつ変化させることで、組成がＣｒ中間層４１側から最表面層４３側へ向かって少しずつ変化し、傾斜層４２の膜質は急変しない。
【００６８】
また、被膜１３の厚さが、０.１５μｍ 未満の場合は、摺動によって被膜１３の摩滅が起き易く、６.０μｍ を超える場合は、被膜１３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。
【００６９】
被膜１３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。
【００７０】
また、傾斜層４２の膜厚をｄG 、最表面層の膜厚をｄｃとした場合、ｄｃ／ｄG ≦１となることが好ましく、０.１５μｍ以上６.０μｍ以下としている。
【００７１】
被膜１３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１３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。
【００７２】
また、この被膜１３は、最表面層４３にＡｌ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、Ａｌ元素は、金属Ａｌ，Ａｌ硼化物，Ａｌ炭化物，Ａｌ窒化物，Ａｌ酸化物，Ａｌ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Ａｌ酸化物および／または
Ａｌ水酸化物として存在する。
【００７３】
これにより、耐摩耗性および低摩擦性を兼ね備えた硬質炭素被膜を提供することができる。実施例１により形成した試験片１１は、高密着性，耐摩耗性および低摩擦性を有し、摺動部材に付与することができる。
【００７４】
この結果として、無潤滑環境下並びに水，有機溶剤，燃料，油潤滑環境下において、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できる。
【００７５】
こうした被膜１３の表面に露出したＡｌ元素は、大気中の酸素や水と反応をして、Ａｌ酸化物やＡｌ水酸化物となるため、被膜１３に金属元素を含有させ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。
【００７６】
また、こうした被膜１３は、Ａｌ元素を含有しているため、特に、被膜１３の表面の
Ａｌ元素は、Ａｌ酸化物および／またはＡｌ水酸化物として存在する。つまり、被膜１３の表面（特に、最表面層４３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る。
【００７７】
更には、水と同じＯＨ基をもつ液体や蒸気（例えば、アルコール類や油中の添加剤）の存在下における摺動でも低摩擦化が実現可能である。
【００７８】
なお、実施例１は、被膜１３にＡｌ元素が存在することにより、被膜１３の内部応力が低下するため、基材１２から剥離しにくくなるという現象を見出したことに基づくものである。
【００７９】
被膜１３のＡｌ元素の含有量が、０.５at％ 未満の場合は、被膜１３の表面において親水性の由来となるＡｌ酸化物および／またはＡｌ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。
【００８０】
一方、被膜１３の表面（特に、最表面層４３の表面や内部）のＡｌ元素の含有量が５at％を超える場合は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）分析の結果、Ａｌの炭化物生成の進行の可能性があることがわかった。つまり、被膜１３の表面のＡｌ元素の含有量が５at％を超える場合、生成されるＡｌ炭化物量が多くなるため、Ａｌ炭化物の脆化により被膜１３が割れやすくなり、好ましくない。
【００８１】
被膜１３の表面硬度は、２０ＧＰａ以上である。２０ＧＰａ未満の場合には耐摩耗性が低下し、被膜１３の摩滅が発生し易くなる。Ａｌ元素を添加しない場合に比較して添加した場合は、被膜１３の硬度が低下するため、硬度を高くする方法として、Ｓｉ元素を添加するのが有効である。
【００８２】
また、被膜１３の表面ヤング率は５０ＧＰａ以上１８０ＧＰａ以下である。Ａｌ炭化物の生成により、ヤング率が高くなるが、１８０ＧＰａを超える場合には、被膜１３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。
【００８３】
被膜１３に使用されるＡｌ元素において、特に、Ａｌ酸化物やＡｌ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。
【００８４】
スパッタリングまたはイオンプレーティングの場合は、Ａｌターゲットを用いることにより、Ａｌを被膜１３に形成することができる。
【００８５】
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Ａｌ化合物をチャンバ内にガスとして導入することにより、Ａｌを被膜１３に形成することができる。
【００８６】
また、実施例１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。
【００８７】
硬質炭素被膜の傾斜層４２において、Ｃｒ中間層４１側から最表面層４３側へ向かって、Ｃｒ濃度を減少させ、Ｃ濃度を増加させ、更に、最表面層４３にＡｌ元素を含有する被膜１３を用いることにより、基材１２との高密着性をも実現することができる。
【００８８】
そして、無潤滑環境下のみならず、水，有機溶剤，燃料，油潤滑環境下においても使用可能である。
【００８９】
なお、傾斜層４２において、Ｃｒ中間層４１側から最表面層４３側へ向かって、Ｃｒ濃度が連続的に減少し、かつ、Ｃ濃度が連続的に増加することが好ましい。
【００９０】
また、傾斜層４２の厚さは、０.２５μｍ以上５.０μｍ以下であることが好ましい。
【００９１】
そして、被膜１３の最表面（最表面層４３）に少なくともＡｌ元素、又はＡｌ元素およびＳｉ元素を含む。
【００９２】
また、被膜１３の全体の厚さは、０.５μｍ以上４.０μｍ以下であることが好ましい。
【００９３】
（比較例１）
ＪＩＳ ＳＣＭ４１５よりなる円板の基材１２の表面の硬さが、ＨＲＣで５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａを０.１μｍ 以下に仕上げ加工した。
【００９４】
その後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法で被膜１３の形成を実施した。
【００９５】
比較例１の被膜１３には、Ａｌ元素を添加しなかった。
【００９６】
被膜１３におけるＣｒ中間層４１と最表面層４３との間に位置する傾斜層４２を形成する際、Ｃｒターゲット投入電力，Ｃターゲット投入電力，基材印加バイアス電圧について、図６に示されるような制御を行った。
【００９７】
成膜後の被膜１３へロックウェルダイヤモンド圧子を１４７１Ｎの荷重で押し込むことにより、密着性を評価した結果、図９に示すように圧痕周辺の被膜１３に剥離が見られ、基材１２への被膜１３の密着性は不良であった。
【００９８】
比較例１の被膜１３は、基材１２からの剥離が発生するため、基材１２が剥き出しとなり、被膜１３の低摩擦性を活かすことができない。
【００９９】
また、比較例１における被膜１３を機械装置の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軽減できず、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できない。
【０１００】
（比較例２）
ＪＩＳ ＳＣＭ４１５よりなる円板の基材１２の表面の硬さが、ＨＲＣで５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａを０.１μｍ 以下に仕上げ加工した。
【０１０１】
その後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法で被膜１３の形成を実施した。
【０１０２】
比較例２の被膜１３には、Ａｌ元素を添加しなかった。
【０１０３】
被膜１３におけるＣｒ中間層４１と最表面層４３との間に位置する傾斜層４２を形成する際、Ｃｒターゲット投入電力，Ｃターゲット投入電力，基材印加バイアス電圧について、図５に示されるような制御を行った。
【０１０４】
成膜後の被膜１３へロックウェルダイヤモンド圧子を１４７１Ｎの荷重で押し込むことにより、密着性を評価した結果、図８に示すように圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材１２への被膜１３の密着性は良好であった。
【０１０５】
また、被膜１３の硬さは３０.２３ＧＰａ、ヤング率は１７８.７ＧＰａであった。
【０１０６】
また、無潤滑環境下での被膜１３と金属ボール２４との摩擦試験を実施したところ、摩擦係数は０.０９０，被膜１３の剥離荷重は９８１Ｎであった。
【０１０７】
また、被膜１３を、ＪＩＳ ＳＣＭ４１５よりなる自動車用カムリフタ５２の冠面５３（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もの）に、基材１２の場合と同様に不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法を適用した。
【０１０８】
油潤滑環境下におけるフリクショントルク測定および耐久性試験の結果、比較例２の場合のトルク値は、被膜１３のない自動車用カムリフタにおける一般的なトルク値より約
４３％低減できた。
【０１０９】
しかし、図１１に示されるように、冠面５３に形成される被膜１３の一部に剥離や荒れが確認された。
【０１１０】
比較例２における被膜１３を自動車用カムリフタ５２に適用した場合、経時的に被膜
１３の剥離や摩擦係数の増大が予想されるため、被膜１３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、長期的にエネルギー効率の高い自動車を提供できない。
【０１１１】
（比較例３）
ＪＩＳ ＳＣＭ４１５よりなる円板の基材１２の表面の硬さが、ＨＲＣで５８以上となるように浸炭処理を施し、Ｒａを０.１μｍ 以下に仕上げ加工した。
【０１１２】
その後、不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法で被膜１３の形成を実施した。
【０１１３】
比較例３の被膜１３には、Ａｌ元素が０.６５at％ 含有するように成膜した。
【０１１４】
被膜１３におけるＣｒ中間層４１と最表面層４３との間に位置する傾斜層４２を形成する際、Ｃｒターゲット投入電力，Ｃターゲット投入電力，基材印加バイアス電圧について、図７に示されるような制御を行った。
【０１１５】
成膜後の被膜１３へロックウェルダイヤモンド圧子を１４７１Ｎの荷重で押し込むことにより、密着性を評価した結果、図８に示すように圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材１２への被膜１３の密着性は良好であった。
【０１１６】
また、被膜１３の硬さは９.３７８ＧＰａ、ヤング率は６５.９４ＧＰａであった。
【０１１７】
また、無潤滑環境下での被膜１３と金属ボール２４との摩擦試験を実施したところ、摩擦係数は０.０５２、被膜１３の剥離荷重は２４５２Ｎであった。
【０１１８】
また、被膜１３を、ＪＩＳ ＳＣＭ４１５よりなる自動車用カムリフタ５２の冠面５３（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もの）に、基材１２の場合と同様に不活性ガスと炭化水素ガスとを導入しながら、ＵＢＭＳ法を適用した。
【０１１９】
油潤滑環境下におけるフリクショントルク測定および耐久性試験の結果、比較例３の場合のトルク値は、被膜１３のない自動車用カムリフタにおける一般的なトルク値より約３％増加し、低減できなかった。
【０１２０】
また、図１２に示されるように、冠面５３に形成される被膜１３に剥離が確認された。
【０１２１】
比較例３における被膜１３を自動車用カムリフタ５２に適用した場合、トルク値が増加するためカム５４との摺動負荷を減少させることができない。また、被膜１３の剥離が発生するため被膜１３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、エネルギー効率の高い自動車を提供できない。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明は、耐摩耗性，低摩擦性に富んだ硬質炭素被膜を有する摺動部材であって、特に、油潤滑環境下で使用される内燃機関などの機械部品に利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】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。
【図２】本形態の評価に使用した摩擦試験機の断面説明図である。
【図３】本形態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。
【図４】基材および硬質炭素被膜の断面構造を示す図である。
【図５】実施例１，比較例２の傾斜層の成膜における、傾斜層の成膜時間に対する Ｃｒ／Ｃターゲット投入電力および基材印加バイアスの制御方法を示す図である。
【図６】比較例１の傾斜層の成膜における、傾斜層の成膜時間に対するＣｒ／Ｃターゲット投入電力および基材印加バイアスの制御方法を示す図である。
【図７】比較例３の傾斜層の成膜における、傾斜層の成膜時間に対するＣｒ／Ｃターゲット投入電力および基材印加バイアスの制御方法を示す図である。
【図８】ロックウェルダイヤモンド圧子の押込による密着性評価において、剥離のない被膜を示した写真である。
【図９】ロックウェルダイヤモンド圧子の押込による密着性評価において、剥離のある被膜を示した写真である。
【図１０】自動車用カムリフタの油潤滑環境下でのフリクショントルク測定および耐久性試験後における、剥離や摩耗が発生しなかった場合の被膜の断面図である。
【図１１】自動車用カムリフタの油潤滑環境下でのフリクショントルク測定および耐久性試験後における、剥離や摩耗が一部発生した場合の被膜の断面図である。
【図１２】自動車用カムリフタの油潤滑環境下でのフリクショントルク測定および耐久性試験後における、剥離や摩耗が発生した場合の被膜の断面図である。
【図１３】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】
【０１２４】
１１…試験片、１２…基材、１３…硬質炭素被膜、２１…摩耗試験機、２２…回転軸、２３…ワークテーブル、２４…金属ボール、２５…スプリング、２６…ホルダ、２７…モータ、２８…ロードセル、４１…Ｃｒ中間層、４２…傾斜層、４３…最表面層、５１…模擬試験装置、５２…自動車用カムリフタ、５３…冠面、５４…カム、５５…エンジンオイル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有する基材上に、クロムと炭素とを含有した傾斜層を有し、前記傾斜層上に硬質炭素被膜を有する摺動部材であって、
前記傾斜層に含有するクロムの含有量が、前記基材から前記硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、前記傾斜層に含有する炭素の含有量が、前記基材から前記硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加し、
前記硬質炭素被膜には、アルミニウムが含有されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記基材と前記傾斜層との間に、Ｃｒ中間層を設けることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記傾斜層が、Ｃを含有した金属Ｃｒ又はＣｒ炭化物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４】
前記傾斜層の厚さが０.１５〜６.０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項５】
前記硬質炭素被膜の厚さが０.１５〜６.０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項６】
前記中間層の厚さが０.０３〜１.００μｍであることを特徴とする請求項２に記載の摺動部材。
【請求項７】
前記硬質炭素被膜の表面硬度が２０〜１４０ＧＰａであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項８】
前記硬質炭素被膜の表面ヤング率が５０〜１８０ＧＰａであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項９】
前記硬質炭素被膜に含有されているアルミニウムの含有量が、０.５〜４.５at％であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項１０】
前記硬質炭素被膜には、Ｓｉが含有されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項１１】
前記硬質炭素被膜に含有されているアルミニウムが、金属Ａｌ，Ａｌ硼化物，Ａｌ炭化物，Ａｌ窒化物，Ａｌ酸化物，Ａｌ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に記載の摺動部材。
【請求項１２】
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に記載の摺動部材。
【請求項１３】
前記硬質炭素被膜の最表面層に、ｓｐ2結合炭素とｓｐ3結合炭素とが混在することを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項１４】
Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有する基材上に、Ｃｒ中間層を形成する工程と、
前記Ｃｒ中間層上に、クロムと炭素とを含有し、クロムの含有量が徐々に減少し、炭素の含有量が徐々に増加し、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傾斜層を形成する工程と、
前記傾斜層上にアルミニウムが含有されている硬質炭素被膜を形成する工程とを有することを特徴とする摺動部材の製造方法。
【請求項１】
Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有する基材上に、クロムと炭素とを含有した傾斜層を有し、前記傾斜層上に硬質炭素被膜を有する摺動部材であって、
前記傾斜層に含有するクロムの含有量が、前記基材から前記硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、前記傾斜層に含有する炭素の含有量が、前記基材から前記硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加し、
前記硬質炭素被膜には、アルミニウムが含有されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記基材と前記傾斜層との間に、Ｃｒ中間層を設けることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】
前記傾斜層が、Ｃを含有した金属Ｃｒ又はＣｒ炭化物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４】
前記傾斜層の厚さが０.１５〜６.０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項５】
前記硬質炭素被膜の厚さが０.１５〜６.０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項６】
前記中間層の厚さが０.０３〜１.００μｍであることを特徴とする請求項２に記載の摺動部材。
【請求項７】
前記硬質炭素被膜の表面硬度が２０〜１４０ＧＰａであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項８】
前記硬質炭素被膜の表面ヤング率が５０〜１８０ＧＰａであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項９】
前記硬質炭素被膜に含有されているアルミニウムの含有量が、０.５〜４.５at％であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項１０】
前記硬質炭素被膜には、Ｓｉが含有されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項１１】
前記硬質炭素被膜に含有されているアルミニウムが、金属Ａｌ，Ａｌ硼化物，Ａｌ炭化物，Ａｌ窒化物，Ａｌ酸化物，Ａｌ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に記載の摺動部材。
【請求項１２】
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に記載の摺動部材。
【請求項１３】
前記硬質炭素被膜の最表面層に、ｓｐ2結合炭素とｓｐ3結合炭素とが混在することを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項１４】
Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちの少なくとも１種の元素を含有する基材上に、Ｃｒ中間層を形成する工程と、
前記Ｃｒ中間層上に、クロムと炭素とを含有し、クロムの含有量が徐々に減少し、炭素の含有量が徐々に増加し、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傾斜層を形成する工程と、
前記傾斜層上にアルミニウムが含有されている硬質炭素被膜を形成する工程とを有することを特徴とする摺動部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−８１５２２（Ｐ２００８−８１５２２Ａ）
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５９８６６（Ｐ２００６−２５９８６６）
【出願日】平成１８年９月２６日（２００６．９．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２６日（２００６．９．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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