專利名稱：硬質(zhì)碳膜及其生產(chǎn)方法以及滑動(dòng)部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)碳膜及其生產(chǎn)方法以及滑動(dòng)部件。更具體地，本發(fā)明涉及一種包括類金剛石碳層的硬質(zhì)碳膜及其生產(chǎn)方法以及通過(guò)在基材表面上形成硬質(zhì)碳膜而構(gòu)成的滑動(dòng)部件。根據(jù)本發(fā)明的硬質(zhì)碳膜和滑動(dòng)部件可適當(dāng)?shù)赜糜诶畿囕v發(fā)動(dòng)機(jī)部件，例如氣門挺桿、活塞環(huán)、活塞裙等。
背景技術(shù)：
具有高硬度和低摩擦系數(shù)的類金剛石碳已經(jīng)開(kāi)始被用作各種滑動(dòng)部件、機(jī)械部件、工具、磁盤等的表面改質(zhì)膜。
為了應(yīng)對(duì)當(dāng)前關(guān)于汽車的燃料節(jié)約規(guī)定，開(kāi)發(fā)一種用于減小滑動(dòng)阻力的技術(shù)是非常重要的。因此，主要任務(wù)是減小汽車部件尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)部件中的滑動(dòng)阻力。
日本專利申請(qǐng)公報(bào)No.JP-A-2004-339564公開(kāi)了一種如下的滑動(dòng)部件。在此滑動(dòng)部件中，一中間層分層設(shè)置在基材的表面上，該中間層具有作為下層的由鉻、鈦等制成的金屬層，以及作為上層的金屬和碳的混合層。此外，在該滑動(dòng)部件中，一類金剛石碳層形成在該中間層上，并且由二硫化鉬等制成的固體潤(rùn)滑劑涂膜形成在該類金剛石碳層上。
但是，上述滑動(dòng)部件存在這樣的問(wèn)題，即，在最初使用階段，在摩擦系數(shù)降低并穩(wěn)定在較低摩擦系數(shù)下之前需要較長(zhǎng)時(shí)間，即配合特性不夠充分。這種情況的原因被認(rèn)為是不易于通過(guò)滑動(dòng)使形成最外部表面的固體潤(rùn)滑劑涂膜平滑化，并且固體潤(rùn)滑劑涂膜的晶體結(jié)構(gòu)不易于改變?yōu)闈?rùn)滑性優(yōu)良的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種具有高配合特性的硬質(zhì)碳膜及其生產(chǎn)方法以及滑動(dòng)部件，該硬質(zhì)碳膜的摩擦系數(shù)可在最初使用階段內(nèi)通過(guò)滑動(dòng)而快速降低，從而在較早的階段穩(wěn)定在低的摩擦系數(shù)值。
本發(fā)明的第一方面涉及一種硬質(zhì)碳膜，該硬質(zhì)碳膜包括直接地或經(jīng)由中間層在基材上形成的類金剛石碳層(下文被稱為“DLC層”)。所述硬質(zhì)碳膜包括在DLC層上形成的石墨粒子淀積層(下文被稱為“Gr粒子淀積層”)。Gr粒子淀積層的ID/IG為1或更小，所述ID/IG為代表D頻帶的峰值的積分強(qiáng)度ID和代表G頻帶的峰值的積分強(qiáng)度IG的比率，所述積分強(qiáng)度是通過(guò)基于拉曼分光分析對(duì)拉曼光譜進(jìn)行峰值分離獲得的。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，DLC層和Gr粒子淀積層兩者都改進(jìn)了抗磨特性，并且降低了摩擦系數(shù)。DLC層的形成方法沒(méi)有特別的限制。此形成方法可以采用例如離子化(ionization)汽相淀積技術(shù)、等離子體CVD技術(shù)、電弧(ark)離子鍍技術(shù)、濺射技術(shù)等。此外，Gr粒子淀積層的形成方法可以采用濺射技術(shù)。但是，從希望簡(jiǎn)化制造過(guò)程的角度考慮，可使用濺射技術(shù)依次形成中間層、DLC層和Gr粒子淀積層。
所述中間層、DLC層和Gr粒子淀積層的厚度可根據(jù)應(yīng)用本發(fā)明的部件的使用情況合適地設(shè)定。例如，中間層的厚度為大約0.1-1.0μm，DLC層的厚度為大約0.5-10μm，Gr粒子淀積層的厚度為大約0.5-5μm。
此外，對(duì)于DLC層和Gr粒子淀積層，可以向其中添加一種或多種金屬，例如Cr、Ti、Si、W、B等。
在基于拉曼光譜對(duì)Gr粒子淀積層的評(píng)估中，可獲得具有接近1500cm-1的寬的峰值和接近1400cm-1的小的肩部的光譜。通過(guò)使用Gaussian函數(shù)和Lorenz函數(shù)曲線擬合此拉曼光譜而進(jìn)行的峰值分離提供了代表接近1550cm-1的G頻帶的峰值，和代表接近1350cm-1的D頻帶的峰值。在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的硬質(zhì)碳膜中，限定了Gr粒子淀積層。所述ID/IG為1或更小，它是代表D頻帶的峰值的積分強(qiáng)度ID和代表G頻帶的峰值的積分強(qiáng)度IG之間的比率。
通過(guò)拉曼分光分析對(duì)拉曼光譜進(jìn)行的測(cè)量使用例如顯微鏡激光拉曼分光裝置(商品名稱為“NRS-1000”，由Nippon Bunko生產(chǎn))。在此情況下，在以下測(cè)量條件下執(zhí)行測(cè)量激光波長(zhǎng)為532.20nm，激光直徑為1μm。
代表G頻帶的峰值來(lái)自于其中碳原子sp2鍵合的Gr結(jié)構(gòu)。代表D頻帶的峰值來(lái)自于sp3鍵和非晶體結(jié)構(gòu)。
因此，在Gr粒子淀積層中，較低的ID/IG值意味著非晶體結(jié)構(gòu)與Gr結(jié)構(gòu)的比例相應(yīng)地較低。換句話說(shuō)，Gr粒子淀積層的ID/IG越低，則該淀積層越接近石墨。因此，在硬質(zhì)碳涂膜中，ID/IG為1或更小的Gr粒子淀積層具有非常接近石墨結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，從而大大有助于改進(jìn)配合特性。
因此，上述硬質(zhì)碳膜是具有高配合特性的膜，其摩擦系數(shù)由于在最初使用階段的滑動(dòng)而快速降低，并且在較早階段穩(wěn)定在低摩擦系數(shù)水平上。
從進(jìn)一步提高根據(jù)本發(fā)明的第一方面的硬質(zhì)碳涂膜的配合特性的方面考慮，ID/IG可以為0.5或更小，如果為0.1或更小則尤其好。
Gr粒子淀積層是通過(guò)淀積Gr粒子形成的層。
在該硬質(zhì)碳膜中，DLC層的硬度可以為10GPa(維氏硬度為Hv1000)或更高。
如果DLC層的硬度小于10GPa，則難以有效地提高整個(gè)硬質(zhì)碳膜的抗磨特性。此外，難以確保整個(gè)硬質(zhì)碳膜的強(qiáng)度。DLC層的硬度可以是12GPa或更高，并且如果為15GPa則更好。從提高抗磨特性的角度考慮，硬質(zhì)碳膜中的DLC層的硬度越高就越好。但是，考慮到DLC固有的材料特性的上限，DLC層的硬度的上限為大約80GPa。
順便說(shuō)一下，例如，如果DLC層通過(guò)濺射技術(shù)形成，則DLC層的硬度可通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓(電壓)、烴的引入量等來(lái)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定。
本發(fā)明的第二方面涉及一種硬質(zhì)碳膜生產(chǎn)方法，其中硬質(zhì)碳膜直接地或經(jīng)由中間層形成在基材上。此生產(chǎn)方法包括以下步驟通過(guò)在引入烴氣的同時(shí)將固體碳靶暴露在稀有氣體等離子體中進(jìn)行濺射，使DLC層形成在基材或中間層上的步驟(下文稱為“DLC層形成過(guò)程”)，以及通過(guò)在引入一定量的烴氣的同時(shí)將所述固體碳靶暴露在稀有氣體等離子體中進(jìn)行濺射，使Gr粒子淀積層形成在DLC層上的步驟(下文稱為“Gr粒子淀積層形成過(guò)程”)，該烴氣占稀有氣體和烴氣的總量的體積比等于或小于0.5％。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，所述生產(chǎn)方法包括DLC層形成過(guò)程和Gr粒子淀積層形成過(guò)程，并通過(guò)將固體碳靶暴露在稀有氣體等離子體中的濺射技術(shù)依次形成DLC層和Gr粒子淀積層。另外，如果形成中間層，則該中間層也可通過(guò)濺射技術(shù)形成。
用于生成稀有氣體等離子體的稀有氣體的類型沒(méi)有特別的限制。對(duì)于稀有氣體的類型，可以采用通常使用的氣體，例如Ar(氬)等。此外，DLC層形成過(guò)程和Gr粒子淀積層形成過(guò)程中使用的烴氣的類型也沒(méi)有特別的限制。對(duì)于烴氣的類型，可以從甲烷、乙炔、乙烯、苯等中選擇合適的氣體。
在DLC層形成過(guò)程中，通過(guò)在引入烴氣的同時(shí)將固體碳靶暴露在稀有氣體等離子體中的濺射技術(shù)而在基材或中間層上形成DLC層。
在前述硬質(zhì)碳膜生產(chǎn)方法中，可在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中形成這樣的Gr粒子淀積層，即，該Gr粒子淀積層的ID/IG為1或更小，所述ID/IG為代表D頻帶的峰值的積分強(qiáng)度ID和代表G頻帶的峰值的積分強(qiáng)度IG之間的比率，所述積分強(qiáng)度是通過(guò)基于拉曼分光分析對(duì)拉曼光譜進(jìn)行峰值分離獲得的。
在前述硬質(zhì)碳膜生產(chǎn)方法中，在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中可在沒(méi)有引入烴氣的情況下形成Gr粒子淀積層。
根據(jù)所述硬質(zhì)碳膜生產(chǎn)方法，可通過(guò)濺射技術(shù)形成Gr粒子淀積層。但是，如果在供應(yīng)烴氣的同時(shí)執(zhí)行濺射，則Gr粒子淀積層將包含作為烴氣的分解成分的氣體分解碳和氣體分解氫。如果Gr粒子淀積層包含作為碳元素的氣體分解碳或氣體分解氫，則會(huì)阻止Gr粒子淀積，從而不能形成良好的Gr粒子淀積層。因此，會(huì)抑制石墨固有的自潤(rùn)滑性等。因此，Gr粒子淀積層中的氣體分解碳和氣體分解氫的含量越少則越好。如果含量為0％，即Gr粒子淀積層不包含氣體分解碳和氣體分解氫，則更好。
在所述硬質(zhì)碳膜生產(chǎn)方法中，可在DLC層形成過(guò)程中形成硬度為10Gpa或更高的DLC層。
在DLC層形成過(guò)程中，最好適當(dāng)?shù)卦O(shè)定施加在基材上的偏壓、烴氣的引入量等，以便所形成的DLC層的硬度為10GPa或更高。從這方面考慮，施加在基材上的偏壓最好為大約30-450V，如果設(shè)定為大約50-200V則更好。此外，烴氣占稀有氣體和烴氣的總量的體積比最好為大約0.5-20％，如果為大約2-10％則更好。
在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中，引入一定量的烴氣，該烴氣占稀有氣體和烴氣的總量的體積比等于或小于0.5％。通過(guò)執(zhí)行在引入烴氣的同時(shí)將固體碳靶暴露在稀有氣體等離子體中的濺射技術(shù)，在DLC層上形成Gr粒子淀積層。
如果在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中烴氣的體積比超過(guò)0.5％，則形成的Gr粒子淀積層中的氣體分解碳和氣體分解氫的含量過(guò)大。因此，不能有利地改善配合特性或抗磨特性。因此在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中烴氣的體積比越小則越好。這意味著所述體積比為0％是最有利的，即，在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中沒(méi)有引入烴氣。如果以這種方式形成Gr粒子淀積層則更好。
如果在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中烴氣的體積比為0.5％或更小，則可形成ID/IG為1或更小的Gr粒子淀積層，所述ID/IG為代表D頻帶的峰值的積分強(qiáng)度ID和代表G頻帶的峰值的積分強(qiáng)度IG的比率，所述積分強(qiáng)度是通過(guò)基于拉曼分光分析對(duì)拉曼光譜進(jìn)行峰值分離獲得的。
本發(fā)明的第三方面是包含基材和上述硬質(zhì)碳膜的滑動(dòng)部件。
因此，根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的第三方面的滑動(dòng)部件，可有利地改善配合特性和抗磨特性。因此，這種滑動(dòng)部件可適當(dāng)?shù)赜糜诶缱鳛檐囕v發(fā)動(dòng)機(jī)部件的氣門挺桿、活塞環(huán)和活塞裙。
基材的材料沒(méi)有特別的限制，并且可以是鐵質(zhì)材料、非鐵材料或陶瓷。例如，可適當(dāng)?shù)厥褂娩摬牧希T如用于鐵板或機(jī)械結(jié)構(gòu)的碳鋼或各種合金鋼、硬化鋼等；鑄鐵材料，諸如片狀石墨鑄鐵、球狀石墨鑄鐵等；或鋁合金、鎂合金等。
所述中間層是用于改善基材和硬質(zhì)碳膜之間的附著性的層，并且可根據(jù)需要在基材上形成。中間層的類型沒(méi)有特別的限制，而是可根據(jù)基材的材料適當(dāng)?shù)剡x擇，只要中間層能夠改善基材和硬質(zhì)碳膜之間的附著性就可以。例如，中間層的類型可以是一種或多種金屬元素諸如Cr、Ti、Si、W、B等的組合。
此外，從進(jìn)一步改善基材和硬質(zhì)碳膜之間的附著性的角度考慮，中間層可以由一金屬層和一傾斜混合層構(gòu)成，所述金屬層由上述金屬元素制成，所述傾斜混合層由上述金屬元素和碳制成，其中金屬元素和碳之間的比率以傾斜的方式改變(從而金屬的比率隨著接近金屬層而增加)。
中間層的形成方法沒(méi)有特別的限制，可以使用離子化汽相淀積技術(shù)、等離子體CVD技術(shù)、電弧離子鍍技術(shù)、濺射技術(shù)等。


從下文參照附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明中，可清楚地看到本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中相同標(biāo)號(hào)用于代表相同元件，并且在附圖中圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例的滑動(dòng)部件的剖視圖；圖2是示出通過(guò)磨耗試驗(yàn)獲得的根據(jù)示例1、4和比較示例2-4的滑動(dòng)部件的摩擦系數(shù)和配合特性的調(diào)查結(jié)果的圖；圖3是示出通過(guò)磨耗試驗(yàn)獲得的根據(jù)示例1-3和比較示例1的滑動(dòng)部件的抗磨特性的調(diào)查結(jié)果的圖；以及圖4是示出通過(guò)磨耗試驗(yàn)獲得的根據(jù)示例1和比較示例2的滑動(dòng)部件的抗磨特性的調(diào)查結(jié)果的圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照實(shí)施例和示例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例或示例。
(示例1)根據(jù)圖1所示的示例的滑動(dòng)部件由基材1、在基材1上形成的中間層2、以及在該中間層2上形成的硬質(zhì)碳膜3構(gòu)成。
基材1由表面粗糙度為0.02μmRa的SUS440C制成。
中間層2由在基材1上形成的厚度為0.5μm的Cr(鉻)金屬層4、在Cr金屬層4上形成的厚度為0.3μm的Cr/C傾斜混合層5構(gòu)成。對(duì)于Cr/C傾斜混合層5，Cr和D之間的比率以傾斜的方式改變，從而C(碳)的比率隨著從Cr金屬層4接近硬質(zhì)碳膜3的DLC層(下文說(shuō)明)而逐漸增加。隨便提及，盡管在本發(fā)明的示例中，在基材1上形成中間層2，但是并不總是需要形成中間層2。
硬質(zhì)碳膜3由在中間層2的Cr/C傾斜混合層5上形成的厚度為1.0μm的DLC層6、以及在DLC層6上形成的厚度為0.2μm的Cr粒子淀積層7構(gòu)成。
硬質(zhì)碳膜3中的DLC層6的硬度被測(cè)量為18Gpa(Hv 1800)。
此外，對(duì)于硬質(zhì)碳膜3中的Cr粒子淀積層7，通過(guò)使用拉曼分光裝置在上述測(cè)量條件下測(cè)量拉曼光譜。通過(guò)使用Gaussian函數(shù)和Lorenz函數(shù)曲線擬合所獲得的拉曼光譜而進(jìn)行的峰值分離提供了代表接近1550cm-1的G頻帶的峰值和代表接近1350cm-1的D頻帶的峰值。則如表1(將在下文示出)所示，代表D頻帶的峰值的積分強(qiáng)度ID和代表G頻帶的峰值的積分強(qiáng)度IG之間的比率ID/IG為0.51。
通過(guò)使用濺射裝置(Kobe Seikosho的“UBMS202”)(未示出)的不平衡磁控管濺射技術(shù)(下文稱為“UBMS技術(shù)”)按如下所述生產(chǎn)具有上述構(gòu)造的根據(jù)該示例的滑動(dòng)部件。
<氧化層清除過(guò)程>
首先，將基材1和作為固體碳靶的一片石墨靶以及一片Cr靶放置在濺射裝置中的它們各自的預(yù)定位置。然后，將濺射裝置抽空到3.0×10-3pa。在將基材1的溫度升高到200℃以后，將基材1的表面暴露在Ar等離子體(Ar轟擊)中以除去基材1表面的氧化層。
<中間層形成過(guò)程>
此后，在使用于等離子體生成的Ar氣體和甲烷氣體分別以190ml/min的引入量和10ml/min的引入量流入該裝置的同時(shí)，對(duì)Cr靶進(jìn)行濺射，從而在基材1上形成Cr金屬層4。然后，對(duì)Cr靶和石墨靶同時(shí)濺射，以便它們的濺射量以傾斜方式改變，從而在Cr金屬層4上形成Cr/C傾斜混合層5。
這樣，在基材1上形成由Cr金屬層4和Cr/C傾斜混合層5組成的中間層2。
順便提及，在此中間層形成過(guò)程中，施加在基材1上的偏壓設(shè)定為100V。
此外，在此中間層形成過(guò)程以及在下文所述的DLC層形成過(guò)程中，甲烷氣體占Ar氣體和甲烷氣體的總量的體積比為5％。
<DLC層形成過(guò)程>
而且，與中間層形成過(guò)程相連續(xù)，對(duì)石墨靶進(jìn)行濺射，從而在中間層2上形成DLC層6。
<Gr粒子淀積層形成過(guò)程>
在形成DLC層6以后，停止將甲烷氣體引入該裝置。在僅有Ar氣體以200ml/min的引入量流動(dòng)的同時(shí)，對(duì)石墨靶進(jìn)行濺射，從而在DLC層6上形成Gr粒子淀積層7。
這樣，在中間層2上形成由DLC層6和Gr粒子淀積層7組成的硬質(zhì)碳膜3。
順便提及，在DLC層形成過(guò)程和Gr粒子淀積層形成過(guò)程中，施加在基材1上的偏壓設(shè)定為100V。
另外，在此示例中，如表1(將在下文示出)所示，在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中Ar氣體占Ar氣體和甲烷氣體的總量的體積比為0％。
(示例2)對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的示例2的滑動(dòng)部件，在DLC層形成過(guò)程中施加在基材1上的偏壓改變?yōu)?0V。除此之外，該滑動(dòng)部件通過(guò)與示例1中基本相同的方法獲得。
此滑動(dòng)部件中的DLC層6的硬度為15Gpa(Hv 1500)。
(示例3)對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的示例3的滑動(dòng)部件，在DLC層形成過(guò)程中施加在基材1上的偏壓改變?yōu)?5V。除此之外，該滑動(dòng)部件通過(guò)與示例1中基本相同的方法獲得。
此滑動(dòng)部件中的DLC層6的硬度為12Gpa(Hv 1200)。
(示例4)對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的示例4的滑動(dòng)部件，在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中，在Ar和甲烷氣體分別以199ml/min的引入量和1ml/min的引入量流入該裝置的同時(shí)，對(duì)石墨靶進(jìn)行濺射，從而形成Gr粒子淀積層7。除此之外，該滑動(dòng)部件通過(guò)與示例1中基本相同的方法獲得。
順便提及，在此示例的Gr粒子淀積層形成過(guò)程中，Ar氣體占Ar氣體和甲烷氣體的總量的體積比為0.5％。
另外，對(duì)于根據(jù)示例4的硬質(zhì)碳膜3的Gr粒子淀積層7，ID/IG為0.99。
(比較示例1)對(duì)于根據(jù)比較示例1的滑動(dòng)部件，在DLC層形成過(guò)程中施加在基材1上的偏壓改變?yōu)?0V。除此之外，該滑動(dòng)部件通過(guò)與示例1中基本相同的方法獲得。
順別提及，此滑動(dòng)部件中的DLC層6的硬度為9Gpa(Hv 900)。
(比較示例2)對(duì)于根據(jù)比較示例2的滑動(dòng)部件，沒(méi)有執(zhí)行Gr粒子淀積層形成過(guò)程。除此之外，該滑動(dòng)部件通過(guò)與示例1中基本相同的方法獲得。
此滑動(dòng)部件由基材1、中間層2、以及硬質(zhì)碳膜構(gòu)成，該中間層2在基材1上形成并由Cr金屬層4和Cr/C傾斜混合層5組成，該硬質(zhì)碳膜在該中間層2上形成并僅由DLC層6組成。
(比較示例3)對(duì)于根據(jù)比較示例3的滑動(dòng)部件，在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中，在Ar和甲烷氣體分別以195ml/min的引入量和5ml/min的引入量流入該裝置的同時(shí)，對(duì)石墨靶進(jìn)行濺射，從而形成Gr粒子淀積層7。除此之外，該滑動(dòng)部件通過(guò)與示例1中基本相同的方法獲得。
順便提及，在這一比較示例的Gr粒子淀積層形成過(guò)程中，Ar氣體占Ar氣體和甲烷氣體的總量的體積比為2.5％。
另外，對(duì)于根據(jù)比較示例3的硬質(zhì)碳膜的Gr粒子淀積層7，ID/IG為2.11。
(比較示例4)對(duì)于根據(jù)比較示例4的滑動(dòng)部件，在Gr粒子淀積層形成過(guò)程中，在使Ar和甲烷氣體分別以197.5ml/min的引入量和2.5ml/min的引入量流入該裝置的同時(shí)，對(duì)石墨靶進(jìn)行濺射，從而形成Gr粒子淀積層7。除此之外，該滑動(dòng)部件通過(guò)與示例1中基本相同的方法獲得。
順便提及，在此示例的Gr粒子淀積層形成過(guò)程中，Ar占Ar氣體和甲烷氣體的總量的體積比為1.25％。
另外，對(duì)于根據(jù)比較示例4的硬質(zhì)碳膜的Gr粒子淀積層7，ID/IG為1.17。


(摩擦系數(shù)和配合特性評(píng)估-Gr粒子淀積層的影響)對(duì)于示例1、4和比較示例2到4的滑動(dòng)部件，執(zhí)行塊對(duì)環(huán)(block-on-ring)磨耗試驗(yàn)(LFW-1試驗(yàn))以評(píng)估這些滑動(dòng)部件的摩擦系數(shù)和配合特性。
此磨耗試驗(yàn)在以下條件下進(jìn)行使用用于LFW-1試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)(SAE4620)作為對(duì)抗環(huán)；在將此對(duì)抗環(huán)半浸入油池(潤(rùn)滑油發(fā)動(dòng)機(jī)油5W-30的基油，池溫80℃)的同時(shí)，使對(duì)抗環(huán)以160rpm(0.3m/s)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；并且，利用30kg(320Mpa)的負(fù)荷P將每個(gè)滑動(dòng)部件的硬質(zhì)碳膜壓在該旋轉(zhuǎn)環(huán)上30分鐘。
另外，為了比較，對(duì)由SUS440C制成的基材1執(zhí)行基本相同的試驗(yàn)。
如圖2中的試驗(yàn)結(jié)果所示，示例1和4的滑動(dòng)部件-每個(gè)該滑動(dòng)部件具有ID/IG為1或更小的Gr粒子淀積層7-的配合特性優(yōu)良，并且摩擦系數(shù)會(huì)較早地下降。這種結(jié)果的原因被認(rèn)為是ID/IG為1或更小的Gr粒子淀積層7易于通過(guò)滑動(dòng)而變光滑，并且易于改變?yōu)闈?rùn)滑性良好的晶體結(jié)構(gòu)。
另一方面，比較示例3和4的滑動(dòng)部件-每個(gè)該滑動(dòng)部件具有ID/IG大于1的Gr粒子淀積層7-的配合特性較差，并且結(jié)果與不具有Gr粒子淀積層7的比較示例2的滑動(dòng)部件的結(jié)果基本相同。這種結(jié)果的原因被認(rèn)為是氣體分解碳和氣體分解氫的混入抑制了石墨淀積，并且通過(guò)滑動(dòng)進(jìn)行的平滑化以及向潤(rùn)滑性良好的晶體結(jié)構(gòu)的改變不太可能發(fā)生。
因此，可以理解，通過(guò)將Gr粒子淀積層7的ID/IG減小到1或小于1，可有效地改善硬質(zhì)碳膜3的配合特性。
(抗磨特性評(píng)估-DLC層的硬度的影響)對(duì)于示例1到3和比較示例1的滑動(dòng)部件，執(zhí)行上述塊對(duì)環(huán)磨耗試驗(yàn)(LFW-1試驗(yàn))以評(píng)估其抗磨特性。
在試驗(yàn)結(jié)束之后的磨損深度的測(cè)量結(jié)果在圖3中示出。
從圖3可清楚地看到，對(duì)于示例1到3中的每個(gè)滑動(dòng)部件，DLC層6的硬度為10Gpa或更大。在每個(gè)滑動(dòng)部件中，磨損深度僅為大約0.1μm或更小，從而抗磨特性大大改善。
另一方面，對(duì)于比較示例1的滑動(dòng)部件，DLC層的硬度為9GPa。此滑動(dòng)部件的磨損深度為1.2μm。這種結(jié)果的原因被認(rèn)為是由于DLC層6的硬度低，DLC層6的不足的強(qiáng)度會(huì)使整個(gè)膜的抗磨特性降低。
因此，可以理解，通過(guò)使DLC層6的硬度等于或大于10GPa，可有效地改善硬質(zhì)碳膜3的抗磨特性。
(抗磨特性評(píng)估-Gr粒子淀積層的影響)對(duì)于示例1和比較示例2的滑動(dòng)部件，在負(fù)荷P如下進(jìn)行各種改變的同時(shí)執(zhí)行塊對(duì)環(huán)磨耗試驗(yàn)(LFW-1試驗(yàn))P＝30kg(320MPa)，60kg(420MPa)，120kg(600MPa)，從而評(píng)估其抗磨特性。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
從圖4可清楚地看到，通過(guò)形成ID/IG為1或更小的Gr粒子淀積層7，可改善抗磨特性，尤其是可以大大改善在高表面壓力下的抗磨特性。這也被認(rèn)為是由Gr粒子淀積層7的晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。具體地說(shuō)，ID/IG為1或更小的Gr粒子淀積層7易于通過(guò)滑動(dòng)變平滑，并且易于改變?yōu)闈?rùn)滑性良好的晶體結(jié)構(gòu)。此外，由于自我再生功能，Gr粒子淀積層7會(huì)再生并保持這種結(jié)構(gòu)。因此，可以認(rèn)為滑動(dòng)的影響能夠被吸收并且滑動(dòng)的影響向DLC層6的傳播能夠被限制，從而整個(gè)硬脂碳膜3中的抗磨特性將改善。
從這些結(jié)果可得出這樣的結(jié)論，即，由硬度為10Gpa或更高的DLC層6和ID/IG為1或更小的Gr粒子淀積層7組成的硬質(zhì)碳膜3將實(shí)現(xiàn)改善的配合特性和改善的抗磨特性，以及減小的摩擦系數(shù)。
盡管已參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但是應(yīng)理解本發(fā)明并不局限于這些優(yōu)選實(shí)施例或構(gòu)造。相反，本發(fā)明旨在涵蓋各種變型以及等同布置。另外，盡管這些優(yōu)選實(shí)施例的各種元件以示例性的各種組合和配置示出，但是包括更多、更少或僅單獨(dú)一個(gè)元件的其它組合和配置也在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)碳膜，包括直接地或經(jīng)由中間層(2)在基材(1)上形成的類金剛石碳層(6)，所述硬質(zhì)碳膜的特征在于包括在該類金剛石碳層(6)上形成的石墨粒子淀積層(7)，其中該石墨粒子淀積層(7)的ID/IG為1或更小，所述ID/IG為代表D頻帶的峰值的積分強(qiáng)度ID和代表G頻帶的峰值的積分強(qiáng)度IG的比率，所述積分強(qiáng)度是通過(guò)基于拉曼分光分析對(duì)拉曼光譜進(jìn)行峰值分離獲得的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的硬質(zhì)碳膜，其中，該類金剛石碳層(6)的硬度為10GPa或更大。
3.一種硬質(zhì)碳膜生產(chǎn)方法，其中所述硬質(zhì)碳膜(3)直接地或經(jīng)由中間層(2)在基材(1)上形成，所述硬質(zhì)碳膜生產(chǎn)方法的特征在于包括以下步驟通過(guò)在引入烴氣的同時(shí)將固體碳靶暴露在稀有氣體等離子體中進(jìn)行濺射，使類金剛石碳層(6)形成在基材(1)或中間層(2)上；以及通過(guò)在引入一定量的烴氣的同時(shí)將所述固體碳靶暴露在稀有氣體等離子體中進(jìn)行濺射，使石墨粒子淀積層(7)形成在該類金剛石碳層(6)上，該烴氣占稀有氣體和烴氣的總量的體積比等于或小于0.5％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的硬質(zhì)碳膜生產(chǎn)方法，其中，該石墨粒子淀積層(7)的ID/IG為1或更小，所述ID/IG為代表D頻帶的峰值的積分強(qiáng)度ID和代表G頻帶的峰值的積分強(qiáng)度IG的比率，所述積分強(qiáng)度是通過(guò)基于拉曼分光分析對(duì)拉曼光譜進(jìn)行峰值分離獲得的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的硬質(zhì)碳膜生產(chǎn)方法，其中，在沒(méi)有引入烴氣的情況下形成該石墨粒子淀積層(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4的硬質(zhì)碳膜生產(chǎn)方法，其中，該類金剛石碳層(6)的硬度為10GPa或更大。
7.一種滑動(dòng)部件，其特征在于包括基材(1)；以及根據(jù)權(quán)利要求1或2的硬質(zhì)碳膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種硬質(zhì)碳膜及其生產(chǎn)方法以及滑動(dòng)部件。經(jīng)由中間層(2)形成在基材(1)上的硬質(zhì)碳膜(3)由類金剛石碳層(6)和在該類金剛石碳層(6)上形成的石墨粒子淀積層(7)組成。該石墨粒子淀積層(7)的I
文檔編號(hào)C23C14/06GK1982051SQ200610169470
公開(kāi)日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者中川郁朗, 不破良雄, 小川正顯, 尾崎義則 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社