硬質炭素被膜を有する部材
【課題】本発明は、低摩擦を解決すると共に、密着性，耐荷重性に優れた部材、特に摺動部材を提供することにある。
【解決手段】本発明の部材は、基材上にアルミニウムと炭素とを含有した中間層を有し、中間層上に硬質炭素被膜を有するものでって、中間層に含有するアルミニウムの含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、中間層に含有する炭素の含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加すると共に、アルミニウムと炭素とが、モル比で４：３に結合したＡｌ４Ｃ３が、中間層の中央より基材側に形成され、硬質炭素被膜には、アルミニウムが０.５〜４.５ａｔ％含有されていることを特徴とする。
【解決手段】本発明の部材は、基材上にアルミニウムと炭素とを含有した中間層を有し、中間層上に硬質炭素被膜を有するものでって、中間層に含有するアルミニウムの含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、中間層に含有する炭素の含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加すると共に、アルミニウムと炭素とが、モル比で４：３に結合したＡｌ４Ｃ３が、中間層の中央より基材側に形成され、硬質炭素被膜には、アルミニウムが０.５〜４.５ａｔ％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、硬質炭素被膜を有する部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、摺動部材による摩擦ロスを低減するために、ＴｉＮをはじめとする金属窒化物やＴｉＣをはじめとする金属炭化物などの所謂セラミックス系硬質被膜を、基材上に形成する方法が一般的になってきている。
【０００３】
セラミックス系硬質被膜は、耐摩耗性に優れているが、無潤滑大気雰囲気中での摩擦係数が０.５前後であり、更なる低摩擦化が求められるようになってきた。
【０００４】
一方、低摩擦化を目的として、自己潤滑性の二硫化モリブデンなどの硫化物層を表面に形成する方法が用いられているが、摩滅による基材の露出など寿命が課題であった。
【０００５】
近年、新しい表面改質技術として硬質炭素被膜が注目されている。
【０００６】
硬質炭素被膜は、ＤＬＣ(Diamond Like Carbon) ，アモルファスカーボンなどと呼ばれている。
【０００７】
硬質炭素被膜は、グラファイトの低摩擦特性とダイヤモンドの硬質特性とを兼ね備えており、無潤滑大気雰囲気中での摩擦係数は約０.１ と低く、耐摩耗性にも優れている。
【０００８】
一方、硬質炭素被膜は、硬く脆い性質から金属基材上に形成した場合には、割れや剥離が生じやすく、密着性や耐荷重性が課題である。
【０００９】
この課題に対して、硬質炭素被膜と金属基材との間に、シリコン層やクロム層などの中間層を形成することが一般的に行われている。シリコン（Ｓｉ）やクロム（Ｃｒ）は基材に使用される金属および硬質炭素被膜の双方との密着性に優れている。
【００１０】
さらに、高い密着性を得る試みがなされており、特許文献１や特許文献２に記載されているような中間層の多層化技術が開発されている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１６９１３７号公報
【特許文献２】特開平１０−２０３８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
アルミニウム合金（Ａｌ合金），マグネシウム合金（Ｍｇ合金），チタン合金（Ｔｉ合金）などの軽量合金は、鋼材に比べて軟らかく、硬質炭素被膜（以下、単に「被膜」と称する）を厚く形成すると、被膜の内部応力が蓄積した場合には、被膜と基材との境界部に応力集中を起こし、自ら剥離する場合がある。
【００１３】
また、被膜を形成することができたとしても、摩擦や引っ掻きなどにより、基材から被膜が剥離しやすかった。
【００１４】
従来からＳｉやＣｒの中間層を応力緩和層として形成する方法が流用されているが、特定の硬さやヤング率を有する被膜には、剥離防止の効果が認められるものの、陽極酸化処理の耐久性に匹敵する被膜は得られていなかった。
【００１５】
また、軽量合金では、強度向上のための熱処理温度が低く、被膜の形成中の基材温度上昇によって基材が軟化しやすかった。
【００１６】
そこで、本発明は、低摩擦を解決すると共に、密着性，耐荷重性に優れた部材、特に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】
【００１７】
本発明の一実施態様である部材は、アルミニウム，マグネシウム、又はチタンを主成分とする合金からなる基材上にアルミニウムと炭素とを含有した厚さが０.７〜１.５μｍの中間層を有し、中間層上に厚さが１.０〜２.５μｍの硬質炭素被膜（ダイヤモンドライクカーボン層）を有する。
【００１８】
中間層に含有するアルミニウムの含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、中間層に含有する炭素の含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加する、と共に、アルミニウムと炭素とが、モル比で４：３に結合したＡｌ4Ｃ3が、前記中間層の中央より前記基材側に形成され、硬質炭素被膜には、アルミニウムが
０.５〜４.５ａｔ％含有されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の一実施態様である部材は、基材上にアルミニウムと炭素とを含有した中間層を有し、中間層上に硬質炭素被膜を有するものであって、中間層に含有するアルミニウムの含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、その減少率が、硬質炭素被膜側の方が基材側の方より緩やかであることを特徴とする。
【００２０】
なお、硬質炭素被膜には、アルミニウムが０.５〜４.５ａｔ％含有されていることが好ましい。
【００２１】
また、中間層に含有する炭素の含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加し、その増加率が、硬質炭素被膜側の方が基材側の方より緩やかであることが好ましい。
【００２２】
また、基材が、アルミニウムと１.０〜２.０ａｔ％銅との合金であることが好ましく、アルミニウム，マグネシウム若しくはチタンを主成分とする合金、アルミニウム，マグネシウム、又はチタンであることが好ましい。
【００２３】
硬質炭素被膜がダイヤモンドライクカーボンであることが好ましい。
【００２４】
硬質炭素被膜の厚さが、１.０〜２.５μｍであることが好ましい。
【００２５】
中間層の厚さが、０.７〜１.５μｍであることが好ましい。
【００２６】
また、本発明の一実施態様である部材は、基材上にアルミニウムと炭素とを含有した中間層を有し、中間層上に硬質炭素被膜を有するものであって、中間層に形成される
Ａｌ4Ｃ3が、中間層の中央より基材側に形成されることを特徴とする。
【００２７】
基材と中間層との境界部に、炭素を含まないアルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金が形成されることが好ましい。
【００２８】
中間層は、物理蒸着法によって形成されることが好ましい。
【００２９】
硬質炭素被膜（以下、単に「被膜」と称する）は、水素や金属元素を添加することにより、特性を変化させることができるため、被膜にアルミニウム（Ａｌ）を任意に添加し、添加したＡｌの濃度と硬さ，ヤング率，摩擦係数，摩耗量を詳細に検討した。その結果、Ａｌを添加した被膜の特性は、Ａｌの添加量に従い、変化することを見出した。
【００３０】
この被膜に関する知見に基づいて、適正な中間層について検討したところ、基材の表面から被膜の表面に向かって、Ａｌ組成を、応力集中を緩和するように、適宜、配合，変化させることで密着性を向上させることができることがわかった。
【００３１】
例えば、基材側に形成される中間層は、基材の強度と同等の配合とし、表面は低摩擦性、内部は耐摩耗性に優れた配合とする。
【００３２】
被膜と基材との間に形成される中間層は、熱応力緩和と変形能の整合性を得るために、金属質とし、基材の強度に近くすることが好ましい。
【００３３】
Ａｌ（不可避的成分を含む）を用いる以外にも、ジュラルミンなどの時効硬化性の軽量合金に対しては、中間層に基材と同等の硬さやヤング率などの強度特性を得るように、合金成分を配合することも有効である。
【００３４】
これにより中間層は、基材と硬さを比較した場合、その比を９０％以上１１０％未満にすることが可能である。同様にヤング率も調整することができる。
【００３５】
中間層となるＡｌとＣとの混合物Ａｌ4Ｃ3よりもＣ含有量を多くすると、Ｃ含有量に従い強度が高くなる。
【００３６】
一方、Ａｌ4Ｃ3の硬さはＡｌに近く、基材側に向けてＡｌ含有量を増加させた場合でも強度の変化は少ないため、このＡｌ含有量の多い部分を厚くしてしまうと密着性が低下する。Ａｌ4Ｃ3となる位置は基材側に近いことが必要である。
【００３７】
被膜の表面をより低摩擦化するためには、実用上、被膜が他の部材（相手材）と接触する被膜の表面部を低摩擦が得られる配合にする必要がある。低摩擦化するためには、Ａｌを０.５〜４.５ａｔ％添加することが望ましい。
【００３８】
摺動部材の使用目的に応じて、例えば、相手材が金属材料の場合には、摩擦係数０.１からさらに低摩擦化するため、Ａｌの配合を調節することができる。相手材が有機材料の場合にも、所望の摩擦係数が得られるようＡｌの配合を調整することができる。
【００３９】
摩擦による表面の微小摩耗により馴染みが生じた後に、摩擦係数が安定する部材の組み合わせの場合は、添加するＡｌの配合を減らし、耐摩耗性に優れた被膜を設けることができる。
【００４０】
以上より、Ａｌ合金，Ｍｇ合金，Ｔｉ合金などの各種の軽量合金の基材に合わせて、高い密着性の被膜を得ることができ、摺動部材の軽量化が可能となる。
【００４１】
これら軽量合金は、１２０℃以上２００℃以下の最終熱処理がされ、スパッタリング法，アークイオンプレーティング法などの物理蒸着法を用いた低温成膜が有効である。
【００４２】
ソースとして、ＣおよびＡｌまたはＡｌ合金の最低２つのターゲットを用い、被膜の部位に合わせて配合を制御する。適宜、第３，第４の添加元素ターゲットを用いることもできる。
【００４３】
特に、ＵＢＭＳ(Unballanced Magnetron Sputter)法を用いれば、基材の温度を２００℃以下にすることができ、成膜速度が速く、高密度な成膜が可能である。
【００４４】
Ａｌの配合のみで密着性を高めることができるため、密着性の向上を目的としたＣｒ層が不要になり、ターゲットの数を減らすことができる。さらに、ターゲットの切り替えが少なくなるためプロセスが簡略化でき、生産性が高まり経済的である。
【発明の効果】
【００４５】
本発明により、低摩擦を解決すると共に、密着性，耐荷重性に優れた部材、特に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】
【００４６】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。
【実施例１】
【００４７】
図１は、本実施の形態による摺動部材の表面部分の断面を、走査電子顕微鏡(ＳＥＭ)を用いて観察した二次電子像写真である。
【００４８】
基材１は、Ａｌ−１１％Ｓｉであり、直径０.１μｍ（ミクロン）程度のＳｉの結晶２が分散しており、基材１と中間層３との境界が判別できる。
【００４９】
中間層３の厚さは、１.２ミクロンである。中間層３と基材１との境界５は、１００％のＡｌとして、中間層３の表面４に向かうにつれて、配合を連続的に変化させた。
【００５０】
中間層３の内部の層構造は判別できなかった。
【００５１】
また、中間層３と考えている領域であって、表面４側に形成される部分は、Ａｌが添加されている０.６ミクロンのＤＬＣ膜である。
【００５２】
したがって、詳細には、基材１上に、厚さ０.６ミクロンの中間層と、厚さ０.６ミクロンのＤＬＣ膜とが、形成されている。
【００５３】
しかしながら、厚さ０.６ミクロンの中間層と、厚さ０.６ミクロンのＤＬＣ膜との境界は、必ずしも明確ではない場合があるため、厚さ０.６ミクロンの中間層と厚さ０.６ミクロンのＤＬＣ膜とをまとめて、ここでは中間層３と記載した。
【００５４】
以下、基材１上に、中間層およびＤＬＣ膜の具体的な形成方法と組成配合とについて記述する。
【００５５】
図２に示すように、中間層３は、円盤基材１上に、アンバランスト・マグネトロン・スパッタリング（ＵＢＭＳ）法を用いて形成した。
【００５６】
ＵＢＭＳ法は、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ようにし、ターゲットの近傍に集中していたプラズマを磁力線に沿って基材の近傍まで拡散しやすくする。これによって膜の形成過程において、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、基材に緻密な膜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。
【００５７】
本実施の形態では、ＣのターゲットとＡｌのターゲットとの２基を作動させられるように装置を構成した。
【００５８】
この装置に、カーボンターゲットおよびアルミニウムターゲットの２種を装着し、チャンバ内に設置した回転テーブルに鏡面仕上げした表１に示す組成の３種類のアルミニウム合金からなる基材を外周に向けて設置し、真空排気した。
【００５９】
【表１】
【００６０】
チャンバ内にアルゴンガスを導入し、別途、チャンバ内に設けた熱フィラメントに通電すると同時に、基材にはバイアス電圧を断続的に印加して、表面の汚染および薄い酸化層を除去した。
【００６１】
その後、メタンガスを追加導入しながら、ＡｌターゲットとＣターゲットの各々を作動させ成膜を行った。ＣとＡｌとのスパッタ速度は、ターゲットの入力電力で制御し、100％のＡｌから１００％のＣまでの間で任意にＡｌの配合を変えた中間層を形成した。
【００６２】
成膜中に基材に印加するバイアス電圧は−１００Ｖで一定とし、成膜中の基材温度は約２００℃であった。
【００６３】
まず、Ａｌの配合を基材１側から表面４まで均一にした厚さ０.６ミクロンの炭素膜
（均一膜）を形成し、硬さとヤング率とを測定した。
【００６４】
また、Ａｌの配合割合の異なる均一膜を作成し、それぞれ均一膜のＡｌ配合割合と硬さとヤング率との関係を図３に示す。
【００６５】
尚、硬さとヤング率とは、ナノインデンテーション法（ＩＳＯ１４５７７）により測定し、さらに硬さはビッカース相当値に換算した。
【００６６】
ナノインデンテーション法は、対稜角１１５度のベルコビッチ三角錐圧子を膜の表面に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。
【００６７】
硬さは、Ａｌの配合を多くするにしたがい減少し、約３５ａｔ％以上では、ほぼ一定となる。ヤング率も、Ａｌの配合が多くなるにしたがい低下する。
【００６８】
なお、Ａｌの含有量が約３５％付近の膜では、ＸＰＳ（光電子分光法）で測定したところ、Ａｌ4Ｃ3の形成を確認することができた。
【００６９】
これをもとに、Ｔ６熱処理を施したＡｌ合金の基材上に、順次、０.６ ミクロンの厚さになるまで１００％Ａｌ（０％Ｃ）から０％Ａｌ（１００％Ｃ）まで連続的に配合を変化させ、中間層３の一部分を形成した。引き続きＤＬＣ膜を０.６ ミクロンの厚さになるまで形成し、図１に示す断面構造を有する摺動部材の表面部分の膜を作成した。
【００７０】
ＡｌとＣとの配合は、膜の成長方向に対して、硬さが直線的に増大するように制御した。図４に示す通り、このとき、Ａｌの配合の変化は、１００％から０％まで直線的に減少させたものに対して、下に凸な関数となり、少なくとも３層以上の多層膜もしくは連続的に変化させることが望ましいことがわかる。
【００７１】
比較材１として、Ａｌ合金の基材上に、中間層としてＣｒ膜を０.６ ミクロンの厚さで形成した後に、ＤＬＣ膜を０.６ミクロンの厚さで形成した膜を作成した。
【００７２】
また、連続的に配合を変化させる部分の厚さを０.３ ミクロンとし、下に凸な関数で変化させた比較材２について図５に示す。
【００７３】
また、中間層を設けずに、直接ＤＬＣ膜を形成した比較材３を作成した。
【００７４】
また、直線的に配合を変化させる部分の厚さを０.６ ミクロンとした比較材４について図６に示す。
【００７５】
また、厚さに比例するように直線的に組成を変化させた比較材５について図７に示す。
【００７６】
次に、耐荷重性をロックウェルＣスケールの圧痕により比較検討した。
【００７７】
それぞれの被膜にロックウェルＣスケールの丸い圧痕を形成し、圧痕周辺の被膜の割れを観察した。表２に結果を示す。
【００７８】
【表２】
【００７９】
比較材１は、圧痕の周辺に放射状のクラックが多数形成され、比較材２は、丸い圧痕を囲むような円周状の割れが形成されていた。比較材３は、圧痕周囲に基材が露出した微細な剥離が観察された。また、比較材４も、圧痕の周辺に放射状のクラックが多数形成され、比較材５も、丸い圧痕を囲むような円周状の割れが形成されていた。
【００８０】
本実施例の被膜では割れや剥離は認められなかった。
【００８１】
さらに、摺動時の膜の耐久性を評価するためにスクラッチ試験を行った。
【００８２】
スクラッチ試験は、半径２００ミクロンの球状に加工したダイヤモンド圧子を被膜に垂直に接触させ、荷重を徐々に増大させるとともに被膜表面と平行方向に移動させ、その際に形成される引っ掻き痕を観察することで、被膜の破壊と剥離の耐久性を判定するものである。ダイヤモンド圧子の平行移動速度は毎分１０mmとした。
【００８３】
引っ掻き痕の底に基材の露出が観察される荷重を臨海荷重とし、比較材１を基準に比較評価した。
【００８４】
比較材１の臨界加重に比較して、比較材２では１１８％、比較材３では５２８％、比較材４では１０５％、比較材５では８６％であった。比較材２は比較的に良好な結果を得た。
【００８５】
さらに本発明の被膜では、その臨界加重が１７１％を示し、ロックウェルＣスケールの結果と合わせて、耐荷重性，対剥離性に優れていることがわかった。
【００８６】
これにより、硬さを基材から直線的に増大させる場合は、０.５ ミクロン以上を要することが望ましいこともわかった。
【００８７】
中間層の組成を時間に対して直線的に変化させると、むしろ厚さに対するＡｌの組成変化は上に凸になりやすく、ＡｌからＡｌ4Ｃ3に至る脆弱層が厚くなることから、密着性や耐荷重性が劣ることがわかる。
【００８８】
以上より、表面を硬くし、耐摩耗性の良い硬質炭素被膜とした、耐荷重性と密着性の高い被膜を提供することができる。
【００８９】
また、本形態によれば、クラックの発生を抑制することができるため環境遮断による耐食性の向上が図れる。硬質炭素被膜の強度特性に合わせてＡｌの配合と配合の変化を最適化し、さらに耐荷重性と密着性を向上させることが可能である。
【００９０】
成膜過程でメタンなどを導入せず、アルゴンガスのみを導入して成膜した場合も同様の傾向が得られた。
【００９１】
さらに、検討した各種の均一Ａｌ配合被膜の摩擦係数を計測した結果、Ａｌを０.５ 〜４.５ａｔ％添加した硬質炭素被膜の摩擦係数は、０.１以下と小さくなることがわかった。
【００９２】
したがって、軽量の摺動部品の低ロス化を図るために、表面部のＡｌ配合を摩擦係数が小さくなるように制御することが有効である。
【００９３】
一方、Ａｌを０.５〜４.５ａｔ％添加した硬質炭素は硬さが、低下するため、基材との密着性と内部の硬さ、すなわち耐摩耗性、および低摩擦性の全てを実現するために、Ａｌ配合を検討した。
【００９４】
ＵＢＭＳ装置に、ＣターゲットおよびＡｌターゲットの２種を装着し、上述の手順に一部加えて、表面部にもＡｌ配合した。図８に配合例を示す。
【００９５】
上述と同様に、Ａ２０２４にＴ６熱処理を施したＡｌ合金の基材上に、順次、０.６ ミクロンの厚さになるまで、Ａｌ配合１００％かつＣ配合０％、からＡｌ配合０％かつＣ配合１００％まで、連続的に徐々に配合を変化させた。
【００９６】
引き続き硬質炭素被膜（ＤＬＣ膜）を０.４ ミクロン形成した段階で、再び、Ａｌターゲットを作動させ、表面近傍部に、厚さが０.２ ミクロンであり、含有量２ａｔ％のＡｌを配合した硬質炭素となるようにＤＬＣ膜を形成した。
【００９７】
無潤滑大気中で摩擦係数を測定したところ、摩擦係数０.０５ を得ることができた。低摩擦係数を、さらに長期にわたって確保する必要がある場合には、基材からＡｌの配合を連続的に変化させる場合のＡｌ配合量の下限値を０.５〜４.５ａｔ％にすることが有効である。
【００９８】
上述の本形態の被膜について、基材と被膜との境界部近傍の硬さを詳細に解析したところ、基材の硬さよりも軟らかいことがわかった。被膜の基材側の強度を高めることで、さらに密着性を向上させることができる。
【００９９】
被膜の基材側を形成する際に、基材合金の主成分あるいは基材合金の添加元素の中からＡｌの強度を向上させる元素を選び、Ａｌをスパッタリングで合金化するように添加することが有効である。
【０１００】
本形態では、Ａ２０２４の第２成分であるＣｕを用いることにした。
【０１０１】
ＵＢＭＳ装置に、ＣターゲットおよびＡｌターゲット，Ｃｕターゲットの３種を装着し、上述の手順を一部変更して、Ａｌのスパッタリング開始後、すみやかにＣｕターゲットを作動させ、Ａｌ配合量に対して４ｗｔ％のＣｕを添加した。
【０１０２】
ＡｌとＣｕとの比を１.５ａｔ％と一定になるようにし、ＡｌとＣｕとの合計が１００％かつＣの配合０％、からＡｌとＣｕとの合計が０％かつＣの配合１００％まで、連続的に配合を変化させ、引き続き硬質炭素被膜（ＤＬＣ膜）を、０.６ ミクロンの厚さで形成し、図１に示す断面構造をもつ被膜を作成した。
【０１０３】
ＡｌとＣとの配合は、膜の成長方向に対して硬さが直線的に増大するように制御した。
【０１０４】
この膜についてロックウェルＣスケールの圧痕を作成したところ、クラックは認めらなかった。また、スクラッチ試験の結果は、Ｃｒ中間層を設けた比較材１に対して約１９０％の臨界荷重が得られ、明らかに密着性が向上していた。
【０１０５】
さらに、Ａ２０２４合金のターゲットを製作し、ＵＢＭＳ装置で同様の成膜を行ったが、ＡｌターゲットとＣｕターゲットとを連動させて制御した場合と同様の密着性向上を確認することができた。
【０１０６】
基材と強度特性が類似しているＡｌ合金ターゲット、例えばＡ６０６１基材にはＡ6061と同様の成分のターゲットをＡｌターゲットの代わりに用いることで容易に密着性を向上させることができた。
【０１０７】
なお、図２に示したものは、直径２１.５mm，厚さ５.２mmの円板基材１に、硬質炭素被膜を形成した試験片により被膜の密着性評価、および硬さ・ヤング率の評価を行った。このときの試験片は、印加バイアス電圧１００Ｖで実施した。
【０１０８】
これにより、耐荷重性，耐摩耗性，密着性に優れた被膜および部材を提供することができる。
【実施例２】
【０１０９】
本発明による被膜を液体送出用作動ピストンに適用した例を図９に示す。従来、液体送出用シリンダは鋳鉄などのシリンダ内に挿入され、繰り返しシリンダとピストンが摩擦するため鉄系のピストンが用いられてきた。作動応答性を改善するためにピストンの軽量化が望ましいが、軽量合金では耐摩耗性に劣るため使用できる条件が限られていた。ピストン６をアルミ合金で作成し、外周を本発明の硬質炭素被覆としたところ、実用条件における摩耗が従来の鉄系ピストンの１／２に軽減され、しかも軽量化により応答性が向上した。
【０１１０】
本発明の摺動部材を図１０に示す位置決め用摺動ガイド機構８に用いた。往復直線運動するピン１０部と接するガイドレール９をマグネシウム合金で形成し、ピン１０との接触面を本発明の硬質炭素にすることで、ガイドレールの耐久性を約１０倍向上させることができた。
【０１１１】
これらのピストンやガイドレール、あるいはその相手材に相当する部品を、本発明の軽量摺動部材とすることにより、軽量化と耐摩耗信頼性の向上が図れる。さらに、低摩擦化も実現できる。本発明の部材は同様の摩擦形態をとる部品にも適用可能で、例えばカム機構部品，転がり軸受，歯車などで、軽量化と耐摩耗性の向上および低摩擦ロスが図れる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、摺動する部分に用いられる部材として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本形態による被膜断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）二次電子像写真。
【図２】本形態における試験片の模式図。
【図３】均一膜におけるＡｌの配合割合と硬さおよびヤング率との関係を示した図。
【図４】本発明における膜中のＡｌの配合割合等を示した図。
【図５】比較材２における膜中のＡｌの配合割合等を示した図。
【図６】比較材４における膜中のＡｌの配合割合等を示した図。
【図７】比較材５における膜中のＡｌの配合割合等を示した図。
【図８】本発明の表面のＡｌの配合割合を示した図。
【図９】本発明によるピストン部品。
【図１０】本発明による往復摺動部品。
【符号の説明】
【０１１４】
１…基材、２…Ｓｉの結晶、３…中間層、４…表面、５…境界、６…ピストン、７…処理表面、８…ガイド機構、９…ガイドレール、１０…ピン、１１…処理表面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質炭素被膜を有する部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、摺動部材による摩擦ロスを低減するために、ＴｉＮをはじめとする金属窒化物やＴｉＣをはじめとする金属炭化物などの所謂セラミックス系硬質被膜を、基材上に形成する方法が一般的になってきている。
【０００３】
セラミックス系硬質被膜は、耐摩耗性に優れているが、無潤滑大気雰囲気中での摩擦係数が０.５前後であり、更なる低摩擦化が求められるようになってきた。
【０００４】
一方、低摩擦化を目的として、自己潤滑性の二硫化モリブデンなどの硫化物層を表面に形成する方法が用いられているが、摩滅による基材の露出など寿命が課題であった。
【０００５】
近年、新しい表面改質技術として硬質炭素被膜が注目されている。
【０００６】
硬質炭素被膜は、ＤＬＣ(Diamond Like Carbon) ，アモルファスカーボンなどと呼ばれている。
【０００７】
硬質炭素被膜は、グラファイトの低摩擦特性とダイヤモンドの硬質特性とを兼ね備えており、無潤滑大気雰囲気中での摩擦係数は約０.１ と低く、耐摩耗性にも優れている。
【０００８】
一方、硬質炭素被膜は、硬く脆い性質から金属基材上に形成した場合には、割れや剥離が生じやすく、密着性や耐荷重性が課題である。
【０００９】
この課題に対して、硬質炭素被膜と金属基材との間に、シリコン層やクロム層などの中間層を形成することが一般的に行われている。シリコン（Ｓｉ）やクロム（Ｃｒ）は基材に使用される金属および硬質炭素被膜の双方との密着性に優れている。
【００１０】
さらに、高い密着性を得る試みがなされており、特許文献１や特許文献２に記載されているような中間層の多層化技術が開発されている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１６９１３７号公報
【特許文献２】特開平１０−２０３８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
アルミニウム合金（Ａｌ合金），マグネシウム合金（Ｍｇ合金），チタン合金（Ｔｉ合金）などの軽量合金は、鋼材に比べて軟らかく、硬質炭素被膜（以下、単に「被膜」と称する）を厚く形成すると、被膜の内部応力が蓄積した場合には、被膜と基材との境界部に応力集中を起こし、自ら剥離する場合がある。
【００１３】
また、被膜を形成することができたとしても、摩擦や引っ掻きなどにより、基材から被膜が剥離しやすかった。
【００１４】
従来からＳｉやＣｒの中間層を応力緩和層として形成する方法が流用されているが、特定の硬さやヤング率を有する被膜には、剥離防止の効果が認められるものの、陽極酸化処理の耐久性に匹敵する被膜は得られていなかった。
【００１５】
また、軽量合金では、強度向上のための熱処理温度が低く、被膜の形成中の基材温度上昇によって基材が軟化しやすかった。
【００１６】
そこで、本発明は、低摩擦を解決すると共に、密着性，耐荷重性に優れた部材、特に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】
【００１７】
本発明の一実施態様である部材は、アルミニウム，マグネシウム、又はチタンを主成分とする合金からなる基材上にアルミニウムと炭素とを含有した厚さが０.７〜１.５μｍの中間層を有し、中間層上に厚さが１.０〜２.５μｍの硬質炭素被膜（ダイヤモンドライクカーボン層）を有する。
【００１８】
中間層に含有するアルミニウムの含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、中間層に含有する炭素の含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加する、と共に、アルミニウムと炭素とが、モル比で４：３に結合したＡｌ4Ｃ3が、前記中間層の中央より前記基材側に形成され、硬質炭素被膜には、アルミニウムが
０.５〜４.５ａｔ％含有されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の一実施態様である部材は、基材上にアルミニウムと炭素とを含有した中間層を有し、中間層上に硬質炭素被膜を有するものであって、中間層に含有するアルミニウムの含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、その減少率が、硬質炭素被膜側の方が基材側の方より緩やかであることを特徴とする。
【００２０】
なお、硬質炭素被膜には、アルミニウムが０.５〜４.５ａｔ％含有されていることが好ましい。
【００２１】
また、中間層に含有する炭素の含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に増加し、その増加率が、硬質炭素被膜側の方が基材側の方より緩やかであることが好ましい。
【００２２】
また、基材が、アルミニウムと１.０〜２.０ａｔ％銅との合金であることが好ましく、アルミニウム，マグネシウム若しくはチタンを主成分とする合金、アルミニウム，マグネシウム、又はチタンであることが好ましい。
【００２３】
硬質炭素被膜がダイヤモンドライクカーボンであることが好ましい。
【００２４】
硬質炭素被膜の厚さが、１.０〜２.５μｍであることが好ましい。
【００２５】
中間層の厚さが、０.７〜１.５μｍであることが好ましい。
【００２６】
また、本発明の一実施態様である部材は、基材上にアルミニウムと炭素とを含有した中間層を有し、中間層上に硬質炭素被膜を有するものであって、中間層に形成される
Ａｌ4Ｃ3が、中間層の中央より基材側に形成されることを特徴とする。
【００２７】
基材と中間層との境界部に、炭素を含まないアルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金が形成されることが好ましい。
【００２８】
中間層は、物理蒸着法によって形成されることが好ましい。
【００２９】
硬質炭素被膜（以下、単に「被膜」と称する）は、水素や金属元素を添加することにより、特性を変化させることができるため、被膜にアルミニウム（Ａｌ）を任意に添加し、添加したＡｌの濃度と硬さ，ヤング率，摩擦係数，摩耗量を詳細に検討した。その結果、Ａｌを添加した被膜の特性は、Ａｌの添加量に従い、変化することを見出した。
【００３０】
この被膜に関する知見に基づいて、適正な中間層について検討したところ、基材の表面から被膜の表面に向かって、Ａｌ組成を、応力集中を緩和するように、適宜、配合，変化させることで密着性を向上させることができることがわかった。
【００３１】
例えば、基材側に形成される中間層は、基材の強度と同等の配合とし、表面は低摩擦性、内部は耐摩耗性に優れた配合とする。
【００３２】
被膜と基材との間に形成される中間層は、熱応力緩和と変形能の整合性を得るために、金属質とし、基材の強度に近くすることが好ましい。
【００３３】
Ａｌ（不可避的成分を含む）を用いる以外にも、ジュラルミンなどの時効硬化性の軽量合金に対しては、中間層に基材と同等の硬さやヤング率などの強度特性を得るように、合金成分を配合することも有効である。
【００３４】
これにより中間層は、基材と硬さを比較した場合、その比を９０％以上１１０％未満にすることが可能である。同様にヤング率も調整することができる。
【００３５】
中間層となるＡｌとＣとの混合物Ａｌ4Ｃ3よりもＣ含有量を多くすると、Ｃ含有量に従い強度が高くなる。
【００３６】
一方、Ａｌ4Ｃ3の硬さはＡｌに近く、基材側に向けてＡｌ含有量を増加させた場合でも強度の変化は少ないため、このＡｌ含有量の多い部分を厚くしてしまうと密着性が低下する。Ａｌ4Ｃ3となる位置は基材側に近いことが必要である。
【００３７】
被膜の表面をより低摩擦化するためには、実用上、被膜が他の部材（相手材）と接触する被膜の表面部を低摩擦が得られる配合にする必要がある。低摩擦化するためには、Ａｌを０.５〜４.５ａｔ％添加することが望ましい。
【００３８】
摺動部材の使用目的に応じて、例えば、相手材が金属材料の場合には、摩擦係数０.１からさらに低摩擦化するため、Ａｌの配合を調節することができる。相手材が有機材料の場合にも、所望の摩擦係数が得られるようＡｌの配合を調整することができる。
【００３９】
摩擦による表面の微小摩耗により馴染みが生じた後に、摩擦係数が安定する部材の組み合わせの場合は、添加するＡｌの配合を減らし、耐摩耗性に優れた被膜を設けることができる。
【００４０】
以上より、Ａｌ合金，Ｍｇ合金，Ｔｉ合金などの各種の軽量合金の基材に合わせて、高い密着性の被膜を得ることができ、摺動部材の軽量化が可能となる。
【００４１】
これら軽量合金は、１２０℃以上２００℃以下の最終熱処理がされ、スパッタリング法，アークイオンプレーティング法などの物理蒸着法を用いた低温成膜が有効である。
【００４２】
ソースとして、ＣおよびＡｌまたはＡｌ合金の最低２つのターゲットを用い、被膜の部位に合わせて配合を制御する。適宜、第３，第４の添加元素ターゲットを用いることもできる。
【００４３】
特に、ＵＢＭＳ(Unballanced Magnetron Sputter)法を用いれば、基材の温度を２００℃以下にすることができ、成膜速度が速く、高密度な成膜が可能である。
【００４４】
Ａｌの配合のみで密着性を高めることができるため、密着性の向上を目的としたＣｒ層が不要になり、ターゲットの数を減らすことができる。さらに、ターゲットの切り替えが少なくなるためプロセスが簡略化でき、生産性が高まり経済的である。
【発明の効果】
【００４５】
本発明により、低摩擦を解決すると共に、密着性，耐荷重性に優れた部材、特に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】
【００４６】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。
【実施例１】
【００４７】
図１は、本実施の形態による摺動部材の表面部分の断面を、走査電子顕微鏡(ＳＥＭ)を用いて観察した二次電子像写真である。
【００４８】
基材１は、Ａｌ−１１％Ｓｉであり、直径０.１μｍ（ミクロン）程度のＳｉの結晶２が分散しており、基材１と中間層３との境界が判別できる。
【００４９】
中間層３の厚さは、１.２ミクロンである。中間層３と基材１との境界５は、１００％のＡｌとして、中間層３の表面４に向かうにつれて、配合を連続的に変化させた。
【００５０】
中間層３の内部の層構造は判別できなかった。
【００５１】
また、中間層３と考えている領域であって、表面４側に形成される部分は、Ａｌが添加されている０.６ミクロンのＤＬＣ膜である。
【００５２】
したがって、詳細には、基材１上に、厚さ０.６ミクロンの中間層と、厚さ０.６ミクロンのＤＬＣ膜とが、形成されている。
【００５３】
しかしながら、厚さ０.６ミクロンの中間層と、厚さ０.６ミクロンのＤＬＣ膜との境界は、必ずしも明確ではない場合があるため、厚さ０.６ミクロンの中間層と厚さ０.６ミクロンのＤＬＣ膜とをまとめて、ここでは中間層３と記載した。
【００５４】
以下、基材１上に、中間層およびＤＬＣ膜の具体的な形成方法と組成配合とについて記述する。
【００５５】
図２に示すように、中間層３は、円盤基材１上に、アンバランスト・マグネトロン・スパッタリング（ＵＢＭＳ）法を用いて形成した。
【００５６】
ＵＢＭＳ法は、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ようにし、ターゲットの近傍に集中していたプラズマを磁力線に沿って基材の近傍まで拡散しやすくする。これによって膜の形成過程において、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、基材に緻密な膜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。
【００５７】
本実施の形態では、ＣのターゲットとＡｌのターゲットとの２基を作動させられるように装置を構成した。
【００５８】
この装置に、カーボンターゲットおよびアルミニウムターゲットの２種を装着し、チャンバ内に設置した回転テーブルに鏡面仕上げした表１に示す組成の３種類のアルミニウム合金からなる基材を外周に向けて設置し、真空排気した。
【００５９】
【表１】
【００６０】
チャンバ内にアルゴンガスを導入し、別途、チャンバ内に設けた熱フィラメントに通電すると同時に、基材にはバイアス電圧を断続的に印加して、表面の汚染および薄い酸化層を除去した。
【００６１】
その後、メタンガスを追加導入しながら、ＡｌターゲットとＣターゲットの各々を作動させ成膜を行った。ＣとＡｌとのスパッタ速度は、ターゲットの入力電力で制御し、100％のＡｌから１００％のＣまでの間で任意にＡｌの配合を変えた中間層を形成した。
【００６２】
成膜中に基材に印加するバイアス電圧は−１００Ｖで一定とし、成膜中の基材温度は約２００℃であった。
【００６３】
まず、Ａｌの配合を基材１側から表面４まで均一にした厚さ０.６ミクロンの炭素膜
（均一膜）を形成し、硬さとヤング率とを測定した。
【００６４】
また、Ａｌの配合割合の異なる均一膜を作成し、それぞれ均一膜のＡｌ配合割合と硬さとヤング率との関係を図３に示す。
【００６５】
尚、硬さとヤング率とは、ナノインデンテーション法（ＩＳＯ１４５７７）により測定し、さらに硬さはビッカース相当値に換算した。
【００６６】
ナノインデンテーション法は、対稜角１１５度のベルコビッチ三角錐圧子を膜の表面に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。
【００６７】
硬さは、Ａｌの配合を多くするにしたがい減少し、約３５ａｔ％以上では、ほぼ一定となる。ヤング率も、Ａｌの配合が多くなるにしたがい低下する。
【００６８】
なお、Ａｌの含有量が約３５％付近の膜では、ＸＰＳ（光電子分光法）で測定したところ、Ａｌ4Ｃ3の形成を確認することができた。
【００６９】
これをもとに、Ｔ６熱処理を施したＡｌ合金の基材上に、順次、０.６ ミクロンの厚さになるまで１００％Ａｌ（０％Ｃ）から０％Ａｌ（１００％Ｃ）まで連続的に配合を変化させ、中間層３の一部分を形成した。引き続きＤＬＣ膜を０.６ ミクロンの厚さになるまで形成し、図１に示す断面構造を有する摺動部材の表面部分の膜を作成した。
【００７０】
ＡｌとＣとの配合は、膜の成長方向に対して、硬さが直線的に増大するように制御した。図４に示す通り、このとき、Ａｌの配合の変化は、１００％から０％まで直線的に減少させたものに対して、下に凸な関数となり、少なくとも３層以上の多層膜もしくは連続的に変化させることが望ましいことがわかる。
【００７１】
比較材１として、Ａｌ合金の基材上に、中間層としてＣｒ膜を０.６ ミクロンの厚さで形成した後に、ＤＬＣ膜を０.６ミクロンの厚さで形成した膜を作成した。
【００７２】
また、連続的に配合を変化させる部分の厚さを０.３ ミクロンとし、下に凸な関数で変化させた比較材２について図５に示す。
【００７３】
また、中間層を設けずに、直接ＤＬＣ膜を形成した比較材３を作成した。
【００７４】
また、直線的に配合を変化させる部分の厚さを０.６ ミクロンとした比較材４について図６に示す。
【００７５】
また、厚さに比例するように直線的に組成を変化させた比較材５について図７に示す。
【００７６】
次に、耐荷重性をロックウェルＣスケールの圧痕により比較検討した。
【００７７】
それぞれの被膜にロックウェルＣスケールの丸い圧痕を形成し、圧痕周辺の被膜の割れを観察した。表２に結果を示す。
【００７８】
【表２】
【００７９】
比較材１は、圧痕の周辺に放射状のクラックが多数形成され、比較材２は、丸い圧痕を囲むような円周状の割れが形成されていた。比較材３は、圧痕周囲に基材が露出した微細な剥離が観察された。また、比較材４も、圧痕の周辺に放射状のクラックが多数形成され、比較材５も、丸い圧痕を囲むような円周状の割れが形成されていた。
【００８０】
本実施例の被膜では割れや剥離は認められなかった。
【００８１】
さらに、摺動時の膜の耐久性を評価するためにスクラッチ試験を行った。
【００８２】
スクラッチ試験は、半径２００ミクロンの球状に加工したダイヤモンド圧子を被膜に垂直に接触させ、荷重を徐々に増大させるとともに被膜表面と平行方向に移動させ、その際に形成される引っ掻き痕を観察することで、被膜の破壊と剥離の耐久性を判定するものである。ダイヤモンド圧子の平行移動速度は毎分１０mmとした。
【００８３】
引っ掻き痕の底に基材の露出が観察される荷重を臨海荷重とし、比較材１を基準に比較評価した。
【００８４】
比較材１の臨界加重に比較して、比較材２では１１８％、比較材３では５２８％、比較材４では１０５％、比較材５では８６％であった。比較材２は比較的に良好な結果を得た。
【００８５】
さらに本発明の被膜では、その臨界加重が１７１％を示し、ロックウェルＣスケールの結果と合わせて、耐荷重性，対剥離性に優れていることがわかった。
【００８６】
これにより、硬さを基材から直線的に増大させる場合は、０.５ ミクロン以上を要することが望ましいこともわかった。
【００８７】
中間層の組成を時間に対して直線的に変化させると、むしろ厚さに対するＡｌの組成変化は上に凸になりやすく、ＡｌからＡｌ4Ｃ3に至る脆弱層が厚くなることから、密着性や耐荷重性が劣ることがわかる。
【００８８】
以上より、表面を硬くし、耐摩耗性の良い硬質炭素被膜とした、耐荷重性と密着性の高い被膜を提供することができる。
【００８９】
また、本形態によれば、クラックの発生を抑制することができるため環境遮断による耐食性の向上が図れる。硬質炭素被膜の強度特性に合わせてＡｌの配合と配合の変化を最適化し、さらに耐荷重性と密着性を向上させることが可能である。
【００９０】
成膜過程でメタンなどを導入せず、アルゴンガスのみを導入して成膜した場合も同様の傾向が得られた。
【００９１】
さらに、検討した各種の均一Ａｌ配合被膜の摩擦係数を計測した結果、Ａｌを０.５ 〜４.５ａｔ％添加した硬質炭素被膜の摩擦係数は、０.１以下と小さくなることがわかった。
【００９２】
したがって、軽量の摺動部品の低ロス化を図るために、表面部のＡｌ配合を摩擦係数が小さくなるように制御することが有効である。
【００９３】
一方、Ａｌを０.５〜４.５ａｔ％添加した硬質炭素は硬さが、低下するため、基材との密着性と内部の硬さ、すなわち耐摩耗性、および低摩擦性の全てを実現するために、Ａｌ配合を検討した。
【００９４】
ＵＢＭＳ装置に、ＣターゲットおよびＡｌターゲットの２種を装着し、上述の手順に一部加えて、表面部にもＡｌ配合した。図８に配合例を示す。
【００９５】
上述と同様に、Ａ２０２４にＴ６熱処理を施したＡｌ合金の基材上に、順次、０.６ ミクロンの厚さになるまで、Ａｌ配合１００％かつＣ配合０％、からＡｌ配合０％かつＣ配合１００％まで、連続的に徐々に配合を変化させた。
【００９６】
引き続き硬質炭素被膜（ＤＬＣ膜）を０.４ ミクロン形成した段階で、再び、Ａｌターゲットを作動させ、表面近傍部に、厚さが０.２ ミクロンであり、含有量２ａｔ％のＡｌを配合した硬質炭素となるようにＤＬＣ膜を形成した。
【００９７】
無潤滑大気中で摩擦係数を測定したところ、摩擦係数０.０５ を得ることができた。低摩擦係数を、さらに長期にわたって確保する必要がある場合には、基材からＡｌの配合を連続的に変化させる場合のＡｌ配合量の下限値を０.５〜４.５ａｔ％にすることが有効である。
【００９８】
上述の本形態の被膜について、基材と被膜との境界部近傍の硬さを詳細に解析したところ、基材の硬さよりも軟らかいことがわかった。被膜の基材側の強度を高めることで、さらに密着性を向上させることができる。
【００９９】
被膜の基材側を形成する際に、基材合金の主成分あるいは基材合金の添加元素の中からＡｌの強度を向上させる元素を選び、Ａｌをスパッタリングで合金化するように添加することが有効である。
【０１００】
本形態では、Ａ２０２４の第２成分であるＣｕを用いることにした。
【０１０１】
ＵＢＭＳ装置に、ＣターゲットおよびＡｌターゲット，Ｃｕターゲットの３種を装着し、上述の手順を一部変更して、Ａｌのスパッタリング開始後、すみやかにＣｕターゲットを作動させ、Ａｌ配合量に対して４ｗｔ％のＣｕを添加した。
【０１０２】
ＡｌとＣｕとの比を１.５ａｔ％と一定になるようにし、ＡｌとＣｕとの合計が１００％かつＣの配合０％、からＡｌとＣｕとの合計が０％かつＣの配合１００％まで、連続的に配合を変化させ、引き続き硬質炭素被膜（ＤＬＣ膜）を、０.６ ミクロンの厚さで形成し、図１に示す断面構造をもつ被膜を作成した。
【０１０３】
ＡｌとＣとの配合は、膜の成長方向に対して硬さが直線的に増大するように制御した。
【０１０４】
この膜についてロックウェルＣスケールの圧痕を作成したところ、クラックは認めらなかった。また、スクラッチ試験の結果は、Ｃｒ中間層を設けた比較材１に対して約１９０％の臨界荷重が得られ、明らかに密着性が向上していた。
【０１０５】
さらに、Ａ２０２４合金のターゲットを製作し、ＵＢＭＳ装置で同様の成膜を行ったが、ＡｌターゲットとＣｕターゲットとを連動させて制御した場合と同様の密着性向上を確認することができた。
【０１０６】
基材と強度特性が類似しているＡｌ合金ターゲット、例えばＡ６０６１基材にはＡ6061と同様の成分のターゲットをＡｌターゲットの代わりに用いることで容易に密着性を向上させることができた。
【０１０７】
なお、図２に示したものは、直径２１.５mm，厚さ５.２mmの円板基材１に、硬質炭素被膜を形成した試験片により被膜の密着性評価、および硬さ・ヤング率の評価を行った。このときの試験片は、印加バイアス電圧１００Ｖで実施した。
【０１０８】
これにより、耐荷重性，耐摩耗性，密着性に優れた被膜および部材を提供することができる。
【実施例２】
【０１０９】
本発明による被膜を液体送出用作動ピストンに適用した例を図９に示す。従来、液体送出用シリンダは鋳鉄などのシリンダ内に挿入され、繰り返しシリンダとピストンが摩擦するため鉄系のピストンが用いられてきた。作動応答性を改善するためにピストンの軽量化が望ましいが、軽量合金では耐摩耗性に劣るため使用できる条件が限られていた。ピストン６をアルミ合金で作成し、外周を本発明の硬質炭素被覆としたところ、実用条件における摩耗が従来の鉄系ピストンの１／２に軽減され、しかも軽量化により応答性が向上した。
【０１１０】
本発明の摺動部材を図１０に示す位置決め用摺動ガイド機構８に用いた。往復直線運動するピン１０部と接するガイドレール９をマグネシウム合金で形成し、ピン１０との接触面を本発明の硬質炭素にすることで、ガイドレールの耐久性を約１０倍向上させることができた。
【０１１１】
これらのピストンやガイドレール、あるいはその相手材に相当する部品を、本発明の軽量摺動部材とすることにより、軽量化と耐摩耗信頼性の向上が図れる。さらに、低摩擦化も実現できる。本発明の部材は同様の摩擦形態をとる部品にも適用可能で、例えばカム機構部品，転がり軸受，歯車などで、軽量化と耐摩耗性の向上および低摩擦ロスが図れる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、摺動する部分に用いられる部材として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本形態による被膜断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）二次電子像写真。
【図２】本形態における試験片の模式図。
【図３】均一膜におけるＡｌの配合割合と硬さおよびヤング率との関係を示した図。
【図４】本発明における膜中のＡｌの配合割合等を示した図。
【図５】比較材２における膜中のＡｌの配合割合等を示した図。
【図６】比較材４における膜中のＡｌの配合割合等を示した図。
【図７】比較材５における膜中のＡｌの配合割合等を示した図。
【図８】本発明の表面のＡｌの配合割合を示した図。
【図９】本発明によるピストン部品。
【図１０】本発明による往復摺動部品。
【符号の説明】
【０１１４】
１…基材、２…Ｓｉの結晶、３…中間層、４…表面、５…境界、６…ピストン、７…処理表面、８…ガイド機構、９…ガイドレール、１０…ピン、１１…処理表面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム，マグネシウム、又はチタンを主成分とする合金からなる基材上にアルミニウムと炭素とを含有した厚さが０.７〜１.５μｍの中間層を有し、前記中間層上に厚さが１.０〜２.５μｍの硬質炭素被膜を有する部材であって、
前記中間層に含有するアルミニウムの含有量が、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、前記中間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する、と共に、アルミニウムと炭素とが、モル比で４：３に結合したＡｌ4Ｃ3が、前記中間層の中央より前記基材側に形成され、
前記硬質炭素被膜には、アルミニウムが０.５〜４.５ａｔ％含有されていることを特徴とする部材。
【請求項２】
基材上にアルミニウムと炭素とを含有した中間層を有し、前記中間層上に硬質炭素被膜を有する部材であって、
前記中間層に含有するアルミニウムの含有量が、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、その減少率が、前記硬質炭素被膜側の方が前記基材側の方より緩やかであることを特徴とする部材。
【請求項３】
前記硬質炭素被膜には、アルミニウムが０.５〜４.５ａｔ％含有されていることを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項４】
前記中間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、その増加率が、前記硬質炭素被膜側の方が前記基材側の方より緩やかであることを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項５】
前記基材が、アルミニウムと１.０〜２.０ａｔ％銅との合金であることを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項６】
前記基材が、アルミニウム，マグネシウム若しくはチタンを主成分とする合金、アルミニウム，マグネシウム、又はチタンであることを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項７】
前記硬質炭素被膜がダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項２記載の部材。
【請求項８】
前記硬質炭素被膜の厚さが、１.０〜２.５μｍであることを特徴とする請求項２記載の部材。
【請求項９】
前記中間層の厚さが、０.７〜１.５μｍであることを特徴とする請求項２記載の部材。
【請求項１０】
基材上にアルミニウムと炭素とを含有した中間層を有し、前記中間層上に硬質炭素被膜を有する部材であって、
前記中間層に形成されるＡｌ4Ｃ3が、前記中間層の中央より前記基材側に形成されることを特徴とする部材。
【請求項１１】
前記基材と前記中間層との境界部に、炭素を含まないアルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金を形成したことを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項１２】
前記中間層は、物理蒸着法によって形成されることを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項１】
アルミニウム，マグネシウム、又はチタンを主成分とする合金からなる基材上にアルミニウムと炭素とを含有した厚さが０.７〜１.５μｍの中間層を有し、前記中間層上に厚さが１.０〜２.５μｍの硬質炭素被膜を有する部材であって、
前記中間層に含有するアルミニウムの含有量が、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、前記中間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する、と共に、アルミニウムと炭素とが、モル比で４：３に結合したＡｌ4Ｃ3が、前記中間層の中央より前記基材側に形成され、
前記硬質炭素被膜には、アルミニウムが０.５〜４.５ａｔ％含有されていることを特徴とする部材。
【請求項２】
基材上にアルミニウムと炭素とを含有した中間層を有し、前記中間層上に硬質炭素被膜を有する部材であって、
前記中間層に含有するアルミニウムの含有量が、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、その減少率が、前記硬質炭素被膜側の方が前記基材側の方より緩やかであることを特徴とする部材。
【請求項３】
前記硬質炭素被膜には、アルミニウムが０.５〜４.５ａｔ％含有されていることを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項４】
前記中間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、その増加率が、前記硬質炭素被膜側の方が前記基材側の方より緩やかであることを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項５】
前記基材が、アルミニウムと１.０〜２.０ａｔ％銅との合金であることを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項６】
前記基材が、アルミニウム，マグネシウム若しくはチタンを主成分とする合金、アルミニウム，マグネシウム、又はチタンであることを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項７】
前記硬質炭素被膜がダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項２記載の部材。
【請求項８】
前記硬質炭素被膜の厚さが、１.０〜２.５μｍであることを特徴とする請求項２記載の部材。
【請求項９】
前記中間層の厚さが、０.７〜１.５μｍであることを特徴とする請求項２記載の部材。
【請求項１０】
基材上にアルミニウムと炭素とを含有した中間層を有し、前記中間層上に硬質炭素被膜を有する部材であって、
前記中間層に形成されるＡｌ4Ｃ3が、前記中間層の中央より前記基材側に形成されることを特徴とする部材。
【請求項１１】
前記基材と前記中間層との境界部に、炭素を含まないアルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金を形成したことを特徴とする請求項２に記載の部材。
【請求項１２】
前記中間層は、物理蒸着法によって形成されることを特徴とする請求項２に記載の部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−６９３７２（Ｐ２００８−６９３７２Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４６２４１（Ｐ２００６−２４６２４１）
【出願日】平成１８年９月１２日（２００６．９．１２）
【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３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１２日（２００６．９．１２）
【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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