硬質炭素被膜
【課題】大気中かつ無潤滑環境下でも耐摩耗性・低摩擦性能に優れた硬質炭素被膜を提供する。
【解決手段】Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の高融点金属を含む基材１２上に、各層間の密着性を高めるためＣｒ中間層４１、および組成傾斜層４２を形成し、その上に２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下のＯ元素を含む硬質炭素被膜４３を０．２μｍ以上０．３μｍ以下の厚さに形成する。
【解決手段】Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の高融点金属を含む基材１２上に、各層間の密着性を高めるためＣｒ中間層４１、および組成傾斜層４２を形成し、その上に２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下のＯ元素を含む硬質炭素被膜４３を０．２μｍ以上０．３μｍ以下の厚さに形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低摩擦であり、耐摩耗性に優れる硬質炭素被膜と、それ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る。大気中では、耐摩耗性に優れ、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】
大気中かつ無潤滑環境下においては、通常の平滑な鋼材表面の摩擦係数が０.５以上、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。
【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大気中かつ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】
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、潤滑環境での摺動が主流となっている。
【０００６】
しかしながら、大気中かつ無潤滑環境下で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で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】
半導体用表面分析装置など、真空環境下に搬送用摺動機構を有する分析装置でも機械的損失の低減が望まれている。このような摺動部材の場合、真空環境の汚染防止のため、その摺動部位にガスや蒸気の発生の可能性がある潤滑油を用いることができず、これまで主に二硫化モリブデンが使用されてきた。二硫化モリブデンは真空中でもガス発生がなく低摩擦が実現できる固体潤滑材である。一般的に二硫化モリブデンの摩擦係数は、真空中で０.０５、大気中で０.１〜０.２と言われている。
【０００８】
一方、硬質炭素被膜の摩擦係数は、真空中で０.４、大気中で０.１〜０.２といわれている。大気中では、二硫化モリブデンと硬質炭素被膜の摩擦係数は有意差がないが、真空中では、二硫化モリブデンの方が圧倒的に摩擦係数が低い。
【０００９】
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に記載されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１１５８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、従来、真空環境下の摺動部材における固体潤滑材として二硫化モリブデンを用いた場合、基材との密着力が低く、潤滑材が摩耗粉塵として発生し、真空環境を汚染するという課題があった。
【００１２】
一方、硬質炭素被膜は、二硫化モリブデンと比較して基材との密着力が高い。しかし、真空環境下では硬質炭素被膜は摩耗が激しく、その摩耗粉が粉塵として発生することで真空環境を汚染するという課題があった。
【００１３】
また、従来の硬質炭素被膜中には、Ｓ元素を含まないため、真空環境下で低摩擦性及び耐摩耗性に富んだ固体潤滑材にならないという課題があった。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、真空環境下において低摩擦性及び耐摩耗性に富んだ固体潤滑材（特に硬質炭素被膜）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施態様である硬質炭素被膜は、２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下のＯ元素を含むものである。好ましくは、２.７ａｔ％以上６.０ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上２.８ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上８.８ａｔ％以下のＯ元素を含むものである。
【００１６】
ここで、硬質炭素被膜は、通常、ダイヤモンドライクカーボン膜と呼ばれる場合があり、こうした被膜は基材上に形成される。ここでは、基材上に硬質炭素被膜が形成されたものを部材と呼称する。特に、摺動性を考慮した部材を摺動部材と呼称する。
【００１７】
Ｍｏ元素，Ｓ元素及びＯ元素は硬質炭素被膜の表面層及び内部に含有されていることが好ましい。
【００１８】
また、硬質炭素被膜の硬さは２０ＧＰａ以上であることが好ましい。更には、硬質炭素被膜が２３ＧＰａ以上の硬さであることが好ましい。
【００１９】
硬質炭素被膜の厚さは、０.２μｍ以上０.３μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
なお、硬質炭素被膜の表面層に、ｓｐ2結合炭素とｓｐ3結合炭素とが混在することが好ましい。
【００２１】
基材には、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちから選ばれる少なくとも一種の元素を含有することが好ましい。
【００２２】
基材上には、Ｃｒ元素とＣ元素とを含有する傾斜層を有し、傾斜層上には硬質炭素被膜（ダイヤモンドライクカーボン層）を有する。そして、傾斜層に含有されるＣｒ元素の含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、傾斜層に含有されるＣ元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。
【００２３】
基材と傾斜層との間にはＣｒ中間層を設けてもよい。また、傾斜層はＣ元素を含有する金属Ｃｒ又はＣｒ炭化物であることが好ましい。
【００２４】
更に、本発明の一実施態様である摺動部材の製造方法は、２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下のＯ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基材上に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工程を有するものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、真空環境下において低摩擦であり耐摩耗性に優れる硬質炭素被膜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】
【００２６】
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。
【００２７】
本実施形態で示す硬質炭素被膜は、真空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３２mm，厚さ５.２mmの円板基材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，硬さ，摩擦特性の評価を行った。
【００２８】
このときの試験片１１は、表１に示すような仕様（Ｍｏ元素，Ｓ元素，Ｏ元素の含有量，膜厚）で基材１２に、硬質炭素被膜１３を形成した。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
被膜１３を形成した後、被膜１３の表面に存在するＭｏ元素，Ｓ元素，Ｏ元素の濃度をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて定量した。
【００３２】
また、被膜１３にロックウェルダイヤモンド圧子を押し込むことにより、被膜１３の剥離の有無による密着性評価を行った。また、被膜１３の表面のナノインデンテーション法（ＩＳＯ１４５７７）により被膜１３の硬さ評価、及び真空環境下における摩擦試験により被膜１３の摩擦係数および耐摩耗性の評価を行った。
【００３３】
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２００μｍ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。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。
【００３４】
この評価により、押し込み硬さを算出した。真空環境下での被膜１３の摩擦試験は、図２に示すような評価装置２１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を用いて摩擦係数を計測し、更に摩擦試験後の被膜１３の表面にできた摺動痕の深さを測定することで耐摩耗性の指標とした。
【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。金属ボール２４は、ホルダ２５に回転しないように固定されている。
【００３７】
また、金属ボール２４を試験片１１に押し付ける荷重はおもり２６で調整することができる。荷重は全ての試験において２Ｎで行った。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３１mm／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計測し、摩擦係数を算出した。
【００３８】
なお、金属ボール２４は、図３に示すように中心より半径６mmの位置に１個配置する。摺動試験距離は全ての試験片で１００ｍとし、摺動試験距離９０ｍから１００ｍにおける摩擦係数を各試験片における平均摩擦係数とした。この摩擦試験は雰囲気制御が可能なチャンバ２８の内部で行った。チャンバ２８内の圧力を０.１Ｐａまで真空引きした後、真空引きを止め、真空状態を保持した状態で実施した。また、摩擦試験が終了した後、試験片１１の摺動痕の深さを測定することにより被膜１３の摩耗状態を確認した。
【実施例１】
【００３９】
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の表面硬度が、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。
【００４０】
その後、不活性ガスと炭化水素ガスを導入しながら、ＵＢＭＳ法で被膜１３を形成した。被膜１３は、図４に示すようにＣｒ中間層４１，表面層４３，Ｃｒ中間層４１と表面層４３との間に配置される傾斜層４２とを有する。表面層４３を形成する際には、Ｃターゲットに３.０ｋＷ、ＭｏＳ2ターゲットに０.０５ｋＷの電力を投入した。
【００４１】
被膜１３の形成後、ＸＰＳ分析によりＭｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素の濃度を定量した。なお、Ｍｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素濃度の合計を１００ａｔ％とした。その結果、Ｍｏ：２.７ａｔ％，Ｓ：１.３ａｔ％，Ｏ：７.０ａｔ％，Ｃ：８８.９ａｔ％であることを確認した。
【００４２】
更に、図５に示すようなＸＰＳ分析より得られたスペクトルをピーク分離して波形解析を行うことにより、被膜１３はＭｏＳ2及びＭｏＳ3からなる硫化物とＭｏＯ2，Ｍｏ2Ｏ5及びＭｏＯ3からなる酸化物を含有することを確認した。
【００４３】
被膜１３の表面層４３の膜厚は、０.２４μｍであった。
【００４４】
また、成膜後の被膜１８へのロックウェルダイヤモンド圧子押し込みによる密着性評価の結果、圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材１２と被膜１３の密着性は良好であった。
【００４５】
また、被膜１３の表面層４３の硬さは２６.７ＧＰａであった。
【００４６】
真空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、平均摩擦係数は０.０６であった。また、摩擦試験後の摺動痕の深さは０.１μｍ以下であった。
【００４７】
本実施例における被膜１３を真空環境下で摺動させた場合摩擦係数は０.２以下であり、真空環境下における通常の硬質炭素被膜に比べて、摩擦係数を約８５％低減できるため、被膜１３の真空環境下における低摩擦性能を活かすことができることがわかった。また、摩擦試験後の摺動痕の深さは被膜１３の表面層４３の膜厚０.２４μｍよりも浅いため、耐摩耗性が良好であると言える。また、本実施例の被膜１３の硬さは無処理の円板基材１２の硬さ（１３.７ＧＰａ）の約２倍であることからも耐摩耗性が良好であると言える。
【００４８】
実施例１の被膜１３を真空環境下で駆動する摺動部材の固体潤滑材として適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できるため、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。
【００４９】
また、耐摩耗性が良好であり摩耗粉による真空環境内における発塵を抑制できるため、特に真空環境を伴う分析装置内の汚染を回避でき、その結果信頼性の高い装置を提供することができる。
【００５０】
実施例１の被膜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。これにより、耐摩耗性と低摩擦性を兼ね備えた被膜１３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。
【００５１】
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。
【００５２】
実施例１により形成した被膜１３は、真空環境下において低摩擦性および耐摩耗性であり、摺動部材に付与することができる。この結果として、真空環境下において摩耗粉による発塵が少ない摺動部材を提供できる。
【００５３】
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。
【００５４】
更には、硬質炭素被膜の形成時にＣｒ中間層４１を形成する。真空環境下で耐摩耗性に優れ、低摩擦な硬質炭素被膜を得るためには、被膜１３を形成する各層の層間の密着性を高めたり、層内部の内部応力を低減したりする必要がある。
【００５５】
基材１２とＣｒ中間層４１との密着性を高めるためには、基材１２にＣｒを含有させることが好ましい。また、Ｃｒ中間層４１と表面層４３との間に形成される傾斜層４２においては、層内部の内部応力を低減するために、Ｃｒ中間層４１側から表面層４３側へ向かって、Ｃｒ元素濃度が連続的に減少し、かつ、Ｃ元素濃度が連続的に増加することが好ましい。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
また、表面層４３の厚さが０.２μｍ未満の場合は、摺動によって表面層４３の摩滅が起き易いため好ましくない。
【００５９】
一方、表面層４３の厚さが０.３μｍを超える場合は、特にＭｏＳ2を含む硬質炭素被膜の場合、表面層４３の硬さが低下し、表面層４３の膜厚よりも摺動による摩耗深さが大きくなり、結果的に摩耗粉が粉塵として真空環境を汚染するため好ましくない。
【００６０】
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。
【００６１】
また、この被膜１３は、表面層４３にＭｏ元素，Ｓ元素，Ｏ元素を含むものである。その含有量は、Ｍｏ元素が２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下、Ｓ元素が１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下、Ｏ元素が７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下である。好ましくは、Ｍｏ元素が２.７ａｔ％以上６.０ａｔ％以下、Ｓ元素が１.３ａｔ％以上２.８ａｔ％以下、Ｏ元素が７.０ａｔ％以上８.８ａｔ％以下である。なお、Ｍｏ元素は、ＭｏＳ2，ＭｏＳ3，ＭｏＯ2，ＭｏＯ3，Ｍｏ2Ｏ5の混合物として存在する。
【００６２】
この元素組成により、真空環境下において低摩擦性と耐摩耗性と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により形成した被膜１３は、真空環境下で耐摩耗性及び低摩擦性を有し、摺動部材に付与することができる。
【００６３】
この結果として、真空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、耐摩耗性を有するため低発塵性のため、真空環境を汚染しないという信頼性を維持することができる。
【００６４】
なお、実施例１は、被膜１３にＭｏ元素，Ｓ元素及びＯ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。
【００６５】
表面層４３のＭｏ元素，Ｓ元素，Ｏ元素の各含有量が、２.７ａｔ％未満，１.３ａｔ％未満，７.０ａｔ％未満の場合は、真空環境において被膜１３の表面層４３と相手材との摺動の媒体として作用する物質が微量又は存在不能となるため、低摩擦性および耐摩耗性が期待できない。
【００６６】
一方、表面層４３及びその内部のＭｏ元素，Ｓ元素，Ｏ元素の各含有量が７.７ａｔ％，４.６ａｔ％，９.５ａｔ％を超える場合は、表面層４３の表面硬度が２０ＧＰａ未満となり、耐摩耗性が低下し摩耗粉が発生し易くなる。
【００６７】
スパッタリングまたはイオンプレーティングの場合は、ＭｏＳ2ターゲットを用いることにより、ＭｏＳ2及びＭｏ酸化物を被膜１３に添加することができる。
【００６８】
一方、プラズマＣＶＤにおいては、モリブデンジチオフォスフェートなどに代表される有機Ｍｏ化合物をチャンバ内に蒸気として導入することにより、Ｍｏ元素を被膜１３に形成することができる。
【００６９】
また、実施例１がターゲットとしている用途は、真空環境下における摺動部の低摩擦性，耐摩耗性及び低発塵性が要求されるような、例えば、半導体用表面分析装置内部の搬送用摺動機構等である。
【００７０】
被膜１３の表面層４３及びその内部において、Ｍｏ元素を２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下、Ｓ元素を１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下、及びＯ元素を７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下の濃度で含有することにより、真空環境下での低摩擦性，耐摩耗性および低発塵性を実現することができる。
【００７１】
また、表面層４３の硬度が２０ＧＰａ以上であり、その層厚が０.２μｍ以上０.３μｍ以下であることが好ましい。
【実施例２】
【００７２】
クロムモリブデン鋼よりなる円板基材１２の表面硬度が、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。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。被膜１３は、図４に示すようにＣｒ中間層４１，表面層４３，Ｃｒ中間層４１と表面層４３との間に配置される傾斜層４２とを有する。表面層４３を形成する際には、Ｃターゲットに３.０ｋＷ、ＭｏＳ2ターゲットに０.１ｋＷの電力を投入した。
【００７３】
被膜１３の形成後、ＸＰＳ分析によりＭｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素の濃度を定量した。
【００７４】
なお、Ｍｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素濃度の合計を１００ａｔ％とした。
【００７５】
その結果、Ｍｏ：６.０ａｔ％，Ｓ：２.８ａｔ％，Ｏ：８.８ａｔ％，Ｃ：８２.４ａｔ％であることを確認した。
【００７６】
更に、図６に示すようなＸＰＳ分析より得られたスペクトルをピーク分離して波形解析を行うことにより、被膜１３はＭｏＳ2及びＭｏＳ3からなる硫化物とＭｏＯ2，Ｍｏ2Ｏ5及びＭｏＯ3からなる酸化物を含有することを確認した。
【００７７】
被膜１３の表面層４３の膜厚は０.２９μｍであった。
【００７８】
また、被膜１３へのロックウェルダイヤモンド圧子押し込みによる密着性評価の結果、圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材１２と被膜１３の密着性は良好であった。
【００７９】
また、被膜１３の硬さは２３.１ＧＰａであった。
【００８０】
真空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、平均摩擦係数は０.１２であった。また、摩擦試験後の摺動痕の深さは０.１８μｍであった。
【００８１】
本実施例における被膜１３を真空環境下で摺動させた場合、摩擦係数は０.２以下であり、真空環境下における通常の硬質炭素被膜に比べて摩擦係数を約７０％低減できるため、被膜１３の真空環境下における低摩擦性能を活かすことができることがわかった。
【００８２】
また、摩擦試験後の摺動痕の深さは、被膜１３の表面層４３の膜厚０.２９μｍよりも浅いため、耐摩耗性が良好であると言える。
【００８３】
また、本実施例の被膜１３の硬さは無処理の円板基材１２の硬さ（１３.７ＧＰａ）の約１.７倍であることからも耐摩耗性が良好であると言える。
【００８４】
実施例２の被膜１３を真空環境下で駆動する摺動部材の固体潤滑材として適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できるため、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。
【００８５】
また、耐摩耗性が良好であり摩耗粉による真空環境内における発塵を抑制できるため、特に真空環境を伴う分析装置内の汚染を回避でき、その結果信頼性の高い装置を提供することができる。
【００８６】
〔比較例１〕
クロムモリブデン鋼よりなる円板基材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。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。
【００８７】
被膜１３は、図４に示すようにＣｒ中間層４１，表面層４３，Ｃｒ中間層４１と表面層４３との間に配置される傾斜層４２とを有する。表面層４３を形成する際には、Ｃターゲットに３.０ｋＷ、ＭｏＳ2ターゲットに０.２ｋＷの電力を投入した。
【００８８】
被膜１３の形成後、ＸＰＳ分析によりＭｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素の濃度を定量した。なお、Ｍｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素濃度の合計を１００ａｔ％とした。その結果、Ｍｏ：９.４ａｔ％，Ｓ：６.４ａｔ％，Ｏ：１０.０ａｔ％，Ｃ：７４.２ａｔ％であることを確認した。
【００８９】
更に、図７に示すようなＸＰＳ分析より得られたスペクトルをピーク分離して波形解析を行うことにより、被膜１３はＭｏＳ2及びＭｏＳ3からなる硫化物とＭｏＯ2，Ｍｏ2Ｏ5及びＭｏＯ3からなる酸化物を含有することを確認した。
【００９０】
被膜１３の表面層４３の膜厚は０.３３μｍであった。
【００９１】
また、被膜１３へのロックウェルダイヤモンド圧子押し込みによる密着性評価の結果、圧痕周辺の被膜の剥離は微小領域であり、基材１２と被膜１３の密着性はほぼ良好であった。また、被膜１３の硬さは１６.８ＧＰａであった。
【００９２】
真空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、平均摩擦係数は０.０９であった。また、摩擦試験後の摺動痕の深さは０.４７μｍであった。
【００９３】
本比較例における被膜１３を真空環境下で摺動させた場合、摩擦係数は０.２以下であり、真空環境下における通常の硬質炭素被膜に比べて摩擦係数を約７７％低減できるため、被膜の真空環境下における低摩擦性能を活かすことができることがわかった。
【００９４】
しかし、摩擦試験後の摺動痕の深さは被膜１３の表面層４３の膜厚０.３３μｍよりも深く、耐摩耗性が悪化した。
【００９５】
また、本比較例の被膜１３の硬さは無処理の円板基材１２の硬さ（１３.７ＧＰａ）のわずか約１.２倍しかなく、このことからも耐摩耗性が悪化したと言える。
【００９６】
比較例１の被膜１３を真空環境下で駆動する摺動部材の固体潤滑材として適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できるため、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。
【００９７】
しかし、耐摩耗性が悪く、摩耗粉による真空環境内における発塵を抑制できないため、特に真空環境を伴う分析装置内の汚染を回避できず、その結果信頼性の高い装置を提供することができない。
【００９８】
〔比較例２〕
クロムモリブデン鋼よりなる円板基材１２の表面硬度が、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。
【００９９】
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。被膜１３は、図４に示すようにＣｒ中間層４１，表面層４３，Ｃｒ中間層４１と表面層４３との間に配置される傾斜層４２とを有する。表面層４３を形成する際には、Ｃターゲットに３.０ｋＷの電力を投入し、ＭｏＳ2ターゲットには電力を投入しなかった。
【０１００】
被膜１３の形成後、ＸＰＳ分析によりＭｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素の濃度を定量した。
【０１０１】
なお、Ｍｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素濃度の合計を１００ａｔ％とした。その結果、Ｍｏ：０.０ａｔ％，Ｓ：０.０ａｔ％，Ｏ：４.４ａｔ％，Ｃ：９５.７ａｔ％であることを確認した。
【０１０２】
被膜１３の表面層４３の膜厚は０.１６μｍであった。
【０１０３】
また、被膜１３へのロックウェルダイヤモンド圧子押し込みによる密着性評価の結果、圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材１２と被膜１３の密着性は良好であった。
【０１０４】
また、被膜１３の硬さは３０.１ＧＰａであった。
【０１０５】
真空環境下における被膜１３の摩擦試験の結果、摩擦試験後の摺動痕の深さは１.６μｍであった。
【０１０６】
本比較例における被膜１３を真空環境下で摺動させた場合、摺動痕の深さが被膜１３の膜厚０.１６μｍよりも深くなった。被膜１３と相手材との間に真空環境下における摺動の媒体となる物質がないため、耐摩耗性が悪化したものである。
【０１０７】
比較例２の被膜１３を真空環境下で駆動する摺動部材の固体潤滑材として適用した場合、耐摩耗性が悪く、摩耗粉による真空環境内における発塵を抑制できないため、特に真空環境を伴う分析装置内の汚染を回避できず、その結果信頼性の高い装置を提供することができない。
【０１０８】
【表１】
【０１０９】
尚、上記結果を表１にまとめる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明は、真空環境下において低摩擦性及び耐摩耗性に富んだ硬質炭素被膜であって、特に、真空環境下で使用される半導体検査装置などの分析装置における摺動部材に利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【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】基材及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における硬質炭素被膜の表面層のＸＰＳスペクトル（Ｍｏ３ｄ）である。
【図６】実施例２における硬質炭素被膜の表面層のＸＰＳスペクトル（Ｍｏ３ｄ）である。
【図７】比較例１における硬質炭素被膜の表面層のＸＰＳスペクトル（Ｍｏ３ｄ）である。
【符号の説明】
【０１１２】
１１ 試験片
１２ 円板基材
１３ 硬質炭素被膜
２１ 摩擦試験機
２２ 回転軸
２３ ワークテーブル
２４ 金属ボール
２５ ホルダ
２６ おもり
２７ モータ
２８ チャンバ
４１ Ｃｒ中間層
４２ 傾斜層
４３ 表面層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低摩擦であり、耐摩耗性に優れる硬質炭素被膜と、それ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る。大気中では、耐摩耗性に優れ、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】
大気中かつ無潤滑環境下においては、通常の平滑な鋼材表面の摩擦係数が０.５以上、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。
【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大気中かつ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】
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、潤滑環境での摺動が主流となっている。
【０００６】
しかしながら、大気中かつ無潤滑環境下で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で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】
半導体用表面分析装置など、真空環境下に搬送用摺動機構を有する分析装置でも機械的損失の低減が望まれている。このような摺動部材の場合、真空環境の汚染防止のため、その摺動部位にガスや蒸気の発生の可能性がある潤滑油を用いることができず、これまで主に二硫化モリブデンが使用されてきた。二硫化モリブデンは真空中でもガス発生がなく低摩擦が実現できる固体潤滑材である。一般的に二硫化モリブデンの摩擦係数は、真空中で０.０５、大気中で０.１〜０.２と言われている。
【０００８】
一方、硬質炭素被膜の摩擦係数は、真空中で０.４、大気中で０.１〜０.２といわれている。大気中では、二硫化モリブデンと硬質炭素被膜の摩擦係数は有意差がないが、真空中では、二硫化モリブデンの方が圧倒的に摩擦係数が低い。
【０００９】
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に記載されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１１５８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、従来、真空環境下の摺動部材における固体潤滑材として二硫化モリブデンを用いた場合、基材との密着力が低く、潤滑材が摩耗粉塵として発生し、真空環境を汚染するという課題があった。
【００１２】
一方、硬質炭素被膜は、二硫化モリブデンと比較して基材との密着力が高い。しかし、真空環境下では硬質炭素被膜は摩耗が激しく、その摩耗粉が粉塵として発生することで真空環境を汚染するという課題があった。
【００１３】
また、従来の硬質炭素被膜中には、Ｓ元素を含まないため、真空環境下で低摩擦性及び耐摩耗性に富んだ固体潤滑材にならないという課題があった。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、真空環境下において低摩擦性及び耐摩耗性に富んだ固体潤滑材（特に硬質炭素被膜）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施態様である硬質炭素被膜は、２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下のＯ元素を含むものである。好ましくは、２.７ａｔ％以上６.０ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上２.８ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上８.８ａｔ％以下のＯ元素を含むものである。
【００１６】
ここで、硬質炭素被膜は、通常、ダイヤモンドライクカーボン膜と呼ばれる場合があり、こうした被膜は基材上に形成される。ここでは、基材上に硬質炭素被膜が形成されたものを部材と呼称する。特に、摺動性を考慮した部材を摺動部材と呼称する。
【００１７】
Ｍｏ元素，Ｓ元素及びＯ元素は硬質炭素被膜の表面層及び内部に含有されていることが好ましい。
【００１８】
また、硬質炭素被膜の硬さは２０ＧＰａ以上であることが好ましい。更には、硬質炭素被膜が２３ＧＰａ以上の硬さであることが好ましい。
【００１９】
硬質炭素被膜の厚さは、０.２μｍ以上０.３μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
なお、硬質炭素被膜の表面層に、ｓｐ2結合炭素とｓｐ3結合炭素とが混在することが好ましい。
【００２１】
基材には、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちから選ばれる少なくとも一種の元素を含有することが好ましい。
【００２２】
基材上には、Ｃｒ元素とＣ元素とを含有する傾斜層を有し、傾斜層上には硬質炭素被膜（ダイヤモンドライクカーボン層）を有する。そして、傾斜層に含有されるＣｒ元素の含有量が、基材から硬質炭素被膜に向かうにつれて徐々に減少し、傾斜層に含有されるＣ元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。
【００２３】
基材と傾斜層との間にはＣｒ中間層を設けてもよい。また、傾斜層はＣ元素を含有する金属Ｃｒ又はＣｒ炭化物であることが好ましい。
【００２４】
更に、本発明の一実施態様である摺動部材の製造方法は、２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下のＯ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基材上に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工程を有するものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、真空環境下において低摩擦であり耐摩耗性に優れる硬質炭素被膜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】
【００２６】
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。
【００２７】
本実施形態で示す硬質炭素被膜は、真空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３２mm，厚さ５.２mmの円板基材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，硬さ，摩擦特性の評価を行った。
【００２８】
このときの試験片１１は、表１に示すような仕様（Ｍｏ元素，Ｓ元素，Ｏ元素の含有量，膜厚）で基材１２に、硬質炭素被膜１３を形成した。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
被膜１３を形成した後、被膜１３の表面に存在するＭｏ元素，Ｓ元素，Ｏ元素の濃度をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いて定量した。
【００３２】
また、被膜１３にロックウェルダイヤモンド圧子を押し込むことにより、被膜１３の剥離の有無による密着性評価を行った。また、被膜１３の表面のナノインデンテーション法（ＩＳＯ１４５７７）により被膜１３の硬さ評価、及び真空環境下における摩擦試験により被膜１３の摩擦係数および耐摩耗性の評価を行った。
【００３３】
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２００μｍ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。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。
【００３４】
この評価により、押し込み硬さを算出した。真空環境下での被膜１３の摩擦試験は、図２に示すような評価装置２１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を用いて摩擦係数を計測し、更に摩擦試験後の被膜１３の表面にできた摺動痕の深さを測定することで耐摩耗性の指標とした。
【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。金属ボール２４は、ホルダ２５に回転しないように固定されている。
【００３７】
また、金属ボール２４を試験片１１に押し付ける荷重はおもり２６で調整することができる。荷重は全ての試験において２Ｎで行った。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３１mm／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計測し、摩擦係数を算出した。
【００３８】
なお、金属ボール２４は、図３に示すように中心より半径６mmの位置に１個配置する。摺動試験距離は全ての試験片で１００ｍとし、摺動試験距離９０ｍから１００ｍにおける摩擦係数を各試験片における平均摩擦係数とした。この摩擦試験は雰囲気制御が可能なチャンバ２８の内部で行った。チャンバ２８内の圧力を０.１Ｐａまで真空引きした後、真空引きを止め、真空状態を保持した状態で実施した。また、摩擦試験が終了した後、試験片１１の摺動痕の深さを測定することにより被膜１３の摩耗状態を確認した。
【実施例１】
【００３９】
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の表面硬度が、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。
【００４０】
その後、不活性ガスと炭化水素ガスを導入しながら、ＵＢＭＳ法で被膜１３を形成した。被膜１３は、図４に示すようにＣｒ中間層４１，表面層４３，Ｃｒ中間層４１と表面層４３との間に配置される傾斜層４２とを有する。表面層４３を形成する際には、Ｃターゲットに３.０ｋＷ、ＭｏＳ2ターゲットに０.０５ｋＷの電力を投入した。
【００４１】
被膜１３の形成後、ＸＰＳ分析によりＭｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素の濃度を定量した。なお、Ｍｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素濃度の合計を１００ａｔ％とした。その結果、Ｍｏ：２.７ａｔ％，Ｓ：１.３ａｔ％，Ｏ：７.０ａｔ％，Ｃ：８８.９ａｔ％であることを確認した。
【００４２】
更に、図５に示すようなＸＰＳ分析より得られたスペクトルをピーク分離して波形解析を行うことにより、被膜１３はＭｏＳ2及びＭｏＳ3からなる硫化物とＭｏＯ2，Ｍｏ2Ｏ5及びＭｏＯ3からなる酸化物を含有することを確認した。
【００４３】
被膜１３の表面層４３の膜厚は、０.２４μｍであった。
【００４４】
また、成膜後の被膜１８へのロックウェルダイヤモンド圧子押し込みによる密着性評価の結果、圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材１２と被膜１３の密着性は良好であった。
【００４５】
また、被膜１３の表面層４３の硬さは２６.７ＧＰａであった。
【００４６】
真空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、平均摩擦係数は０.０６であった。また、摩擦試験後の摺動痕の深さは０.１μｍ以下であった。
【００４７】
本実施例における被膜１３を真空環境下で摺動させた場合摩擦係数は０.２以下であり、真空環境下における通常の硬質炭素被膜に比べて、摩擦係数を約８５％低減できるため、被膜１３の真空環境下における低摩擦性能を活かすことができることがわかった。また、摩擦試験後の摺動痕の深さは被膜１３の表面層４３の膜厚０.２４μｍよりも浅いため、耐摩耗性が良好であると言える。また、本実施例の被膜１３の硬さは無処理の円板基材１２の硬さ（１３.７ＧＰａ）の約２倍であることからも耐摩耗性が良好であると言える。
【００４８】
実施例１の被膜１３を真空環境下で駆動する摺動部材の固体潤滑材として適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できるため、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。
【００４９】
また、耐摩耗性が良好であり摩耗粉による真空環境内における発塵を抑制できるため、特に真空環境を伴う分析装置内の汚染を回避でき、その結果信頼性の高い装置を提供することができる。
【００５０】
実施例１の被膜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。これにより、耐摩耗性と低摩擦性を兼ね備えた被膜１３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。
【００５１】
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。
【００５２】
実施例１により形成した被膜１３は、真空環境下において低摩擦性および耐摩耗性であり、摺動部材に付与することができる。この結果として、真空環境下において摩耗粉による発塵が少ない摺動部材を提供できる。
【００５３】
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。
【００５４】
更には、硬質炭素被膜の形成時にＣｒ中間層４１を形成する。真空環境下で耐摩耗性に優れ、低摩擦な硬質炭素被膜を得るためには、被膜１３を形成する各層の層間の密着性を高めたり、層内部の内部応力を低減したりする必要がある。
【００５５】
基材１２とＣｒ中間層４１との密着性を高めるためには、基材１２にＣｒを含有させることが好ましい。また、Ｃｒ中間層４１と表面層４３との間に形成される傾斜層４２においては、層内部の内部応力を低減するために、Ｃｒ中間層４１側から表面層４３側へ向かって、Ｃｒ元素濃度が連続的に減少し、かつ、Ｃ元素濃度が連続的に増加することが好ましい。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
また、表面層４３の厚さが０.２μｍ未満の場合は、摺動によって表面層４３の摩滅が起き易いため好ましくない。
【００５９】
一方、表面層４３の厚さが０.３μｍを超える場合は、特にＭｏＳ2を含む硬質炭素被膜の場合、表面層４３の硬さが低下し、表面層４３の膜厚よりも摺動による摩耗深さが大きくなり、結果的に摩耗粉が粉塵として真空環境を汚染するため好ましくない。
【００６０】
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。
【００６１】
また、この被膜１３は、表面層４３にＭｏ元素，Ｓ元素，Ｏ元素を含むものである。その含有量は、Ｍｏ元素が２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下、Ｓ元素が１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下、Ｏ元素が７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下である。好ましくは、Ｍｏ元素が２.７ａｔ％以上６.０ａｔ％以下、Ｓ元素が１.３ａｔ％以上２.８ａｔ％以下、Ｏ元素が７.０ａｔ％以上８.８ａｔ％以下である。なお、Ｍｏ元素は、ＭｏＳ2，ＭｏＳ3，ＭｏＯ2，ＭｏＯ3，Ｍｏ2Ｏ5の混合物として存在する。
【００６２】
この元素組成により、真空環境下において低摩擦性と耐摩耗性と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により形成した被膜１３は、真空環境下で耐摩耗性及び低摩擦性を有し、摺動部材に付与することができる。
【００６３】
この結果として、真空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、耐摩耗性を有するため低発塵性のため、真空環境を汚染しないという信頼性を維持することができる。
【００６４】
なお、実施例１は、被膜１３にＭｏ元素，Ｓ元素及びＯ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。
【００６５】
表面層４３のＭｏ元素，Ｓ元素，Ｏ元素の各含有量が、２.７ａｔ％未満，１.３ａｔ％未満，７.０ａｔ％未満の場合は、真空環境において被膜１３の表面層４３と相手材との摺動の媒体として作用する物質が微量又は存在不能となるため、低摩擦性および耐摩耗性が期待できない。
【００６６】
一方、表面層４３及びその内部のＭｏ元素，Ｓ元素，Ｏ元素の各含有量が７.７ａｔ％，４.６ａｔ％，９.５ａｔ％を超える場合は、表面層４３の表面硬度が２０ＧＰａ未満となり、耐摩耗性が低下し摩耗粉が発生し易くなる。
【００６７】
スパッタリングまたはイオンプレーティングの場合は、ＭｏＳ2ターゲットを用いることにより、ＭｏＳ2及びＭｏ酸化物を被膜１３に添加することができる。
【００６８】
一方、プラズマＣＶＤにおいては、モリブデンジチオフォスフェートなどに代表される有機Ｍｏ化合物をチャンバ内に蒸気として導入することにより、Ｍｏ元素を被膜１３に形成することができる。
【００６９】
また、実施例１がターゲットとしている用途は、真空環境下における摺動部の低摩擦性，耐摩耗性及び低発塵性が要求されるような、例えば、半導体用表面分析装置内部の搬送用摺動機構等である。
【００７０】
被膜１３の表面層４３及びその内部において、Ｍｏ元素を２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下、Ｓ元素を１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下、及びＯ元素を７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下の濃度で含有することにより、真空環境下での低摩擦性，耐摩耗性および低発塵性を実現することができる。
【００７１】
また、表面層４３の硬度が２０ＧＰａ以上であり、その層厚が０.２μｍ以上０.３μｍ以下であることが好ましい。
【実施例２】
【００７２】
クロムモリブデン鋼よりなる円板基材１２の表面硬度が、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。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。被膜１３は、図４に示すようにＣｒ中間層４１，表面層４３，Ｃｒ中間層４１と表面層４３との間に配置される傾斜層４２とを有する。表面層４３を形成する際には、Ｃターゲットに３.０ｋＷ、ＭｏＳ2ターゲットに０.１ｋＷの電力を投入した。
【００７３】
被膜１３の形成後、ＸＰＳ分析によりＭｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素の濃度を定量した。
【００７４】
なお、Ｍｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素濃度の合計を１００ａｔ％とした。
【００７５】
その結果、Ｍｏ：６.０ａｔ％，Ｓ：２.８ａｔ％，Ｏ：８.８ａｔ％，Ｃ：８２.４ａｔ％であることを確認した。
【００７６】
更に、図６に示すようなＸＰＳ分析より得られたスペクトルをピーク分離して波形解析を行うことにより、被膜１３はＭｏＳ2及びＭｏＳ3からなる硫化物とＭｏＯ2，Ｍｏ2Ｏ5及びＭｏＯ3からなる酸化物を含有することを確認した。
【００７７】
被膜１３の表面層４３の膜厚は０.２９μｍであった。
【００７８】
また、被膜１３へのロックウェルダイヤモンド圧子押し込みによる密着性評価の結果、圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材１２と被膜１３の密着性は良好であった。
【００７９】
また、被膜１３の硬さは２３.１ＧＰａであった。
【００８０】
真空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、平均摩擦係数は０.１２であった。また、摩擦試験後の摺動痕の深さは０.１８μｍであった。
【００８１】
本実施例における被膜１３を真空環境下で摺動させた場合、摩擦係数は０.２以下であり、真空環境下における通常の硬質炭素被膜に比べて摩擦係数を約７０％低減できるため、被膜１３の真空環境下における低摩擦性能を活かすことができることがわかった。
【００８２】
また、摩擦試験後の摺動痕の深さは、被膜１３の表面層４３の膜厚０.２９μｍよりも浅いため、耐摩耗性が良好であると言える。
【００８３】
また、本実施例の被膜１３の硬さは無処理の円板基材１２の硬さ（１３.７ＧＰａ）の約１.７倍であることからも耐摩耗性が良好であると言える。
【００８４】
実施例２の被膜１３を真空環境下で駆動する摺動部材の固体潤滑材として適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できるため、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。
【００８５】
また、耐摩耗性が良好であり摩耗粉による真空環境内における発塵を抑制できるため、特に真空環境を伴う分析装置内の汚染を回避でき、その結果信頼性の高い装置を提供することができる。
【００８６】
〔比較例１〕
クロムモリブデン鋼よりなる円板基材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。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。
【００８７】
被膜１３は、図４に示すようにＣｒ中間層４１，表面層４３，Ｃｒ中間層４１と表面層４３との間に配置される傾斜層４２とを有する。表面層４３を形成する際には、Ｃターゲットに３.０ｋＷ、ＭｏＳ2ターゲットに０.２ｋＷの電力を投入した。
【００８８】
被膜１３の形成後、ＸＰＳ分析によりＭｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素の濃度を定量した。なお、Ｍｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素濃度の合計を１００ａｔ％とした。その結果、Ｍｏ：９.４ａｔ％，Ｓ：６.４ａｔ％，Ｏ：１０.０ａｔ％，Ｃ：７４.２ａｔ％であることを確認した。
【００８９】
更に、図７に示すようなＸＰＳ分析より得られたスペクトルをピーク分離して波形解析を行うことにより、被膜１３はＭｏＳ2及びＭｏＳ3からなる硫化物とＭｏＯ2，Ｍｏ2Ｏ5及びＭｏＯ3からなる酸化物を含有することを確認した。
【００９０】
被膜１３の表面層４３の膜厚は０.３３μｍであった。
【００９１】
また、被膜１３へのロックウェルダイヤモンド圧子押し込みによる密着性評価の結果、圧痕周辺の被膜の剥離は微小領域であり、基材１２と被膜１３の密着性はほぼ良好であった。また、被膜１３の硬さは１６.８ＧＰａであった。
【００９２】
真空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、平均摩擦係数は０.０９であった。また、摩擦試験後の摺動痕の深さは０.４７μｍであった。
【００９３】
本比較例における被膜１３を真空環境下で摺動させた場合、摩擦係数は０.２以下であり、真空環境下における通常の硬質炭素被膜に比べて摩擦係数を約７７％低減できるため、被膜の真空環境下における低摩擦性能を活かすことができることがわかった。
【００９４】
しかし、摩擦試験後の摺動痕の深さは被膜１３の表面層４３の膜厚０.３３μｍよりも深く、耐摩耗性が悪化した。
【００９５】
また、本比較例の被膜１３の硬さは無処理の円板基材１２の硬さ（１３.７ＧＰａ）のわずか約１.２倍しかなく、このことからも耐摩耗性が悪化したと言える。
【００９６】
比較例１の被膜１３を真空環境下で駆動する摺動部材の固体潤滑材として適用した場合、摺動部材が関わる機械装置への負荷を低減できるため、エネルギー効率の高い機械装置を提供できる。
【００９７】
しかし、耐摩耗性が悪く、摩耗粉による真空環境内における発塵を抑制できないため、特に真空環境を伴う分析装置内の汚染を回避できず、その結果信頼性の高い装置を提供することができない。
【００９８】
〔比較例２〕
クロムモリブデン鋼よりなる円板基材１２の表面硬度が、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。
【００９９】
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。被膜１３は、図４に示すようにＣｒ中間層４１，表面層４３，Ｃｒ中間層４１と表面層４３との間に配置される傾斜層４２とを有する。表面層４３を形成する際には、Ｃターゲットに３.０ｋＷの電力を投入し、ＭｏＳ2ターゲットには電力を投入しなかった。
【０１００】
被膜１３の形成後、ＸＰＳ分析によりＭｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素の濃度を定量した。
【０１０１】
なお、Ｍｏ，Ｓ，Ｏ，Ｃ各元素濃度の合計を１００ａｔ％とした。その結果、Ｍｏ：０.０ａｔ％，Ｓ：０.０ａｔ％，Ｏ：４.４ａｔ％，Ｃ：９５.７ａｔ％であることを確認した。
【０１０２】
被膜１３の表面層４３の膜厚は０.１６μｍであった。
【０１０３】
また、被膜１３へのロックウェルダイヤモンド圧子押し込みによる密着性評価の結果、圧痕周辺の被膜の剥離は見られず、基材１２と被膜１３の密着性は良好であった。
【０１０４】
また、被膜１３の硬さは３０.１ＧＰａであった。
【０１０５】
真空環境下における被膜１３の摩擦試験の結果、摩擦試験後の摺動痕の深さは１.６μｍであった。
【０１０６】
本比較例における被膜１３を真空環境下で摺動させた場合、摺動痕の深さが被膜１３の膜厚０.１６μｍよりも深くなった。被膜１３と相手材との間に真空環境下における摺動の媒体となる物質がないため、耐摩耗性が悪化したものである。
【０１０７】
比較例２の被膜１３を真空環境下で駆動する摺動部材の固体潤滑材として適用した場合、耐摩耗性が悪く、摩耗粉による真空環境内における発塵を抑制できないため、特に真空環境を伴う分析装置内の汚染を回避できず、その結果信頼性の高い装置を提供することができない。
【０１０８】
【表１】
【０１０９】
尚、上記結果を表１にまとめる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明は、真空環境下において低摩擦性及び耐摩耗性に富んだ硬質炭素被膜であって、特に、真空環境下で使用される半導体検査装置などの分析装置における摺動部材に利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【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】基材及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における硬質炭素被膜の表面層のＸＰＳスペクトル（Ｍｏ３ｄ）である。
【図６】実施例２における硬質炭素被膜の表面層のＸＰＳスペクトル（Ｍｏ３ｄ）である。
【図７】比較例１における硬質炭素被膜の表面層のＸＰＳスペクトル（Ｍｏ３ｄ）である。
【符号の説明】
【０１１２】
１１ 試験片
１２ 円板基材
１３ 硬質炭素被膜
２１ 摩擦試験機
２２ 回転軸
２３ ワークテーブル
２４ 金属ボール
２５ ホルダ
２６ おもり
２７ モータ
２８ チャンバ
４１ Ｃｒ中間層
４２ 傾斜層
４３ 表面層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下のＯ元素を含むことを特徴とする硬質炭素被膜。
【請求項２】
前記Ｍｏ元素及びＳ元素及びＯ元素が、表面層及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。
【請求項３】
前記硬質炭素被膜の硬さが２０ＧＰａ以上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。
【請求項４】
前記硬質炭素被膜の厚さが０.２μｍ以上０.３μｍ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。
【請求項５】
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ことを特徴とする請求項１記載の硬質炭素被膜。
【請求項６】
請求項１〜５に記載の硬質炭素被膜が、基材上に形成してなることを特徴とする部材。
【請求項７】
２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下のＯ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、基材上に、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。
【請求項８】
基材に、Ｍｏ元素及びＳ元素及びＯ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。
【請求項９】
前記硬質炭素被膜に含有されたＭｏ元素の含有量が２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下、Ｓ元素の含有量が１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下、Ｏ元素の含有量が７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下であることを特徴とする請求項８記載の摺動部材。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
前記基材に、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちから選ばれる少なくとも一種の元素を含有することを特徴とする請求項９記載の摺動部材。
【請求項１２】
前記基材上に、Ｃｒ元素とＣ元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Ｃｒ元素の含有量が、前記基材から前記表面層に向かうにつれて徐々に減少し、前記傾斜層に含有するＣ元素の含有量が、前記基材から前記表面層に向かうにつれて徐々に増加することを特徴とする請求項９記載の摺動部材。
【請求項１３】
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９記載の摺動部材。
【請求項１４】
前記傾斜層が、Ｃ元素を含有した金属Ｃｒ又はＣｒ炭化物であることを特徴とする請求項９記載の摺動部材。
【請求項１】
２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下のＯ元素を含むことを特徴とする硬質炭素被膜。
【請求項２】
前記Ｍｏ元素及びＳ元素及びＯ元素が、表面層及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。
【請求項３】
前記硬質炭素被膜の硬さが２０ＧＰａ以上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。
【請求項４】
前記硬質炭素被膜の厚さが０.２μｍ以上０.３μｍ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。
【請求項５】
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ことを特徴とする請求項１記載の硬質炭素被膜。
【請求項６】
請求項１〜５に記載の硬質炭素被膜が、基材上に形成してなることを特徴とする部材。
【請求項７】
２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下のＭｏ元素、及び１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下のＳ元素、及び７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下のＯ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、基材上に、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。
【請求項８】
基材に、Ｍｏ元素及びＳ元素及びＯ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。
【請求項９】
前記硬質炭素被膜に含有されたＭｏ元素の含有量が２.７ａｔ％以上７.７ａｔ％以下、Ｓ元素の含有量が１.３ａｔ％以上４.６ａｔ％以下、Ｏ元素の含有量が７.０ａｔ％以上９.５ａｔ％以下であることを特徴とする請求項８記載の摺動部材。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
前記基材に、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ｐｔのうちから選ばれる少なくとも一種の元素を含有することを特徴とする請求項９記載の摺動部材。
【請求項１２】
前記基材上に、Ｃｒ元素とＣ元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Ｃｒ元素の含有量が、前記基材から前記表面層に向かうにつれて徐々に減少し、前記傾斜層に含有するＣ元素の含有量が、前記基材から前記表面層に向かうにつれて徐々に増加することを特徴とする請求項９記載の摺動部材。
【請求項１３】
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９記載の摺動部材。
【請求項１４】
前記傾斜層が、Ｃ元素を含有した金属Ｃｒ又はＣｒ炭化物であることを特徴とする請求項９記載の摺動部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−５２０８１（Ｐ２００９−５２０８１Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１９１９４（Ｐ２００７−２１９１９４）
【出願日】平成１９年８月２７日（２００７．８．２７）
【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２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２７日（２００７．８．２７）
【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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