含氢非晶质硬质碳被覆构件及其制造方法技术

在获得表面比较平滑的含氢非晶质碳被膜构件中，在含氢非晶质碳被膜中同样地分散非晶质的碳微粒，从而在维持平滑的表面与被膜整体硬度的同时提高耐缺失性。具体而言，通过将由电弧放电从电弧式蒸发源的碳阴极放出的微粒取入被膜中，从而在含氢非晶质碳被膜中同样地分散非晶质的碳微粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及含氢非晶质硬质碳被覆构件，尤其涉及在发动机部件等高负荷条件下能够使用的具有良好耐磨损性的。
技术介绍
近年来，对于以机动车发动机为中心的内燃机而言，要求高输出化、长寿命化和燃费改善。从而，提出了要求降低滑动部的摩擦而适用低摩擦系数的非晶质硬质碳被膜的方案。其中，尤其是向真空容器内导入甲烷和こ炔等反应性烃系气体并利用高频放电和直流放电等激励的等离子体的等离子体CVD法和反应性溅射法能够形成表面比较平滑的含氢非晶质硬质碳被膜。 然而，为了将这种含氢非晶质硬质碳被膜提供给发动机部件那样的滑动构件，必不可少的是确保耐磨损性。因此，提出了很多提案，例如，在日本特开2006-283134号中公开有向含氢非晶质硬质碳被膜添加Si，进而日本特开2001-316800号中公开了含有金属的非晶质硬质碳被膜的形成方法，日本特开2001-261318号公开了在非晶质硬质碳被膜内含有石墨簇的方法。含氢硬质碳被膜与成膜方法无关，构成其的碳的配位体的一部分由氢作为终端。因此，与不含氢的非晶质硬质碳被膜相比，该被膜的碳之间无法使碳彼此无法牢固结合，当适用于在高负荷状态下使用的滑动构件时，被膜磨损过程加快。可以想到的是，导致磨损过程加快的机制在于，在滑动导致的负载的作用下，在构成非晶质硬质碳被膜的炭之间的结合弱的部分产生龟裂，该龟裂进ー步而成为磨损粉而脱落。在含有石墨簇的非晶质硬质碳被膜中，由这些内含物的石墨构造实现的范德瓦耳斯结合比构成基质的碳原子的sp2结合和sp3结合弱，被膜自身的耐磨损性降低。另外，即使添加了金属元素的情况下，其硬度也比不包含上述内含物的非晶质硬质碳被膜低，且提高耐磨损性的功能不高。另ー方面，Si与其他的金属元素不同，其通过共价键与碳牢固結合。其结果是，被膜硬度得以提高，但由于仅由sp3结合连接，因此，一部分的结合键未结合，形成的被膜脆且容易形成缺陷。
技术实现思路
本专利技术的课题在于，提供一种发动机部件等在高负荷条件下能够使用的具有良好耐磨损性的含氢非晶质硬质碳被覆构件。另外，其课题在于，提供一种即使在高负荷条件下使用其耐磨损性也优良的含氢非晶质硬质碳被覆构件的制造方法。本专利技术基本上利用获得了比较平滑的表面的含氢非晶质碳被膜。具体而言，通过该含氢非晶质碳被膜同样分散有非晶质的碳微粒的组织，在維持平滑的表面和被膜整体的硬度的情况下提高耐缺失性，从而提高构件的耐磨损性。本专利技术人进行了鋭意研究，结果想到通过将由电弧放电从电弧式蒸发源的碳阴极放出的微粒取入被膜中，能够在含氢非晶质碳被膜中同样地分散非晶质的碳微粒。图6中示意性地示出了通常具备碳阴极的电弧式蒸发源中电弧点附近的状況。电弧放电过程中，从碳阴极100的电弧点110放出热电子，通过向阳极101流动的电子流141维持电弧放电。另外，在电弧点110的前方形成等离子体柱140，从而实现维持碳离子流120的作用。从阴极放出而离子化的碳大部分作为碳离子流120向碳阴极100的前方放出，但一部分碳离子通过形成于等离子体柱140的电场而作为反向的碳离子流121向碳阴极100流动，从而在碳阴极100上形成实质上包含碳及氢的非晶质碳130。此外，已知在碳阴极的电弧放电中，存在于阴极蒸发面的电弧点的运动速度与使用金属制阴极的情况相比极慢。因此，在使用碳阴极时，利用反向的碳离子流121的作用，从而与使用金属制阴极的情况相比，会较厚地堆积非晶质碳130。该非晶质碳130在电弧放电的冲击下放出非晶质碳微粒131。本专利技术利用由上述机构形成的非晶质碳微粒。即，本专利技术的含氢非晶质硬质碳 被覆构件的特征在干，覆盖分散有平均粒径为O. 05 O. 5 μ m的实质上由碳及氢构成的非晶质碳微粒的含氢非晶质硬质碳被膜。该实质上由碳及氢构成的非晶质碳微粒如上所述是通过电弧放电从碳阴极放出的微粒，其被取入到在基材上成膜的含氢非晶质碳被膜中。在此，实质上含有碳及氢的非晶质碳微粒是指，在由能源分散型荧光X射线分析(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy :EDX)等分析的组成元素的定量分析结果中，除氢以外98原子％以上由碳构成。关于含氢的情况，根据成膜时导入氢气或烃系气体的情况而自然知道该硬质碳被膜中含氢，可以通过二次离子质量分析(Secondary Ion MassSpectrometry SIMS)来确认。另外，在非晶质碳微粒的含氢量比被膜的基质多的情况下，非晶质碳微粒的密度比基质的密度小，例如，在透过电子显微镜的明视野像中，如后述那样在观察时显得明亮。反之，若非晶质碳微粒的含氢量比被膜的基质少，非晶质碳微粒的密度比基质的密度大，在透过电子显微镜的明视野像中观察为暗淡。鉴于上述情况，在本专利技术中的“粒子”是指，在透过电子显微镜的明视野像中由亮度(明度)不同的区域的边界包围的显现出粒子状的区域。在本专利技术中，即使非晶质碳微粒与基质为同等的硬度，在高強度的非晶质碳微粒及/或非晶质碳微粒与基质之间的弱的界面致使裂纹的弯曲和偏向，从而使被膜高韧化而提高耐磨损性。本专利技术的含氢非晶质硬质碳被覆构件为发动机的活塞系统或气门传动系统的滑动构件，其特征在于，在其滑动面具有上述含氢非晶质碳被膜。具体而言，适用于活塞、活塞环、凸轮轴、气门提升器、垫片、阀导管等要求具备耐久性的滑动构件，在该情况下，优选被膜的膜厚为3 12 μ m。另外，本专利技术的含氢非晶质硬质碳被覆构件的制造方法中，利用具有具备碳阴极的蒸发源的电弧放电特有的性质。即，该方法的特征在于，使用具有碳阴极的附属有电弧式蒸发源的电弧离子电镀装置，在导入氢及/或烃气体的同时，在电流值为45 100A的范围内进行电弧放电。通过将电弧放电的电流值管理在该范围内，能够有效地放出平均粒径为O. 05 O. 5 μ m的非晶质碳微粒。优选的是，管理成电流值为50 90A的范围。专利技术效果在本专利技术的含氢非晶质硬质碳被覆构件中，由于含氢非晶质被膜中分散有平均粒径为O. 05 O. 5 μ m的非晶质碳微粒，因此，在高強度的非晶质碳微粒及/或非晶质碳微粒与基质之间的弱的界面赋予裂纹的弯曲和偏向，从而提高被膜的耐缺失性，发挥优良的耐磨损性。特别是，在成为高负荷的滑动的发动机部件中，显示出极为优良的耐磨损性。另外，作为被膜整体，由于具有含氢非晶质硬质碳被膜的比较平滑的表面，因此显示出摩擦系数小的优良的滑动特性。进而，该被膜的成膜由于利用所谓的反应性电弧离子镀敷法，因此，成膜速度快，作为非晶质碳被膜的成膜处理而显著提高生产性。附图说明图I (a)是根据本专利技术将含氢非晶质硬质碳被膜覆盖在基材上的图。 图1(b)是根据本专利技术向含氢非晶质硬质碳被膜与基材之间导入中间层后的图。图2是利用电子显微镜观察到的本专利技术的含氢非晶质硬质碳被膜的平面方向截面试料的明视野像。图3是在所述图2的试料中，表示实施了电子线衍射像的观察的位置的明视野像，*1为非晶质碳微粒、*2为被膜主体(基质)的电子线衍射像观察位置。图4是观察所述图3的*1时得到的电子线衍射像。图5是观察所述图3的*2时得到的电子线衍射像。图6是示意性地表示在具有碳阴极的电弧式蒸发源中碳阴极表面的电弧点附近的状况的图。图7是示意性地表示非晶质碳微粒/基质界面附近(边界部)的亮度分布的图。具体实施例方式图I本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.01.19 JP 2010-0089231.一种含氢非晶质硬质碳被覆构件，其中， 在实质上由碳及氢构成的含氢非晶质碳被膜中分散有平均粒径为0. 05iim以上0.5 iim以下的实质上由碳及氢构成的非晶质碳微粒。2.根据权利要求I所述的含氢非晶质硬质碳被覆构件，其特征在于， 所述非晶质碳微粒的量以与被膜表面平行的截面的面积％计为2%以上70%以下。3.根据权利要求I或2所述的含氢非晶质硬质碳被...

【专利技术属性】
技术研发人员：辻胜启，
申请(专利权)人：株式会社理研，
类型：发明
国别省市：