JP2016056435A - 硬質摺動部材の製造方法、および硬質摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】ｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜が基材から剥離することを抑制することが可能な硬質摺動部材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基材２１の表面を表面処理する表面処理工程と、炭素を含むターゲットを用いてアークイオンプレーティングを行うことによってカーボン膜２３を基材２１の表面に形成するカーボン膜形成工程とを含む。カーボン膜形成工程では、炭化水素ガスを導入しながらアークイオンプレーティングを行うことにより前記カーボン膜の形成を開始し、その後当該炭化水素ガスの導入量を減らして当該アークイオンプレーティングを続行して中間層２４を形成し、表面にはｔａ‐Ｃからなる表層２５を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、硬質摺動部材の製造方法、および硬質摺動部材に関する。

従来より、ピストンやシリンダなどのエンジン部品などの硬質摺動部材の硬度を向上させるために、その基材の表面に、硬質のカーボン膜を形成する技術が知られている。

例えば、特許文献１には、硬質摺動部材の基材の表面に硬質のカーボン膜として基材よりも硬度が高いダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなる膜が化学気相成長法（ＣＶＤ）などによって形成される技術が開示されている。このＤＬＣ膜は、基材の硬度よりも著しく高い硬度を有し、内部応力も高いため、当該ＤＬＣ膜を基材表面に直接形成した場合にその硬度差、すなわち内部応力差が大きくなり、両者の密着性を低下させるという問題がある。そこで、特許文献１では、ＤＬＣ膜と基材との間にこれらの中間の硬度を有するタングステンカーバイド（ＷＣ）からなる中間層を介在させることにより、ＤＬＣ膜の密着性を向上させることが開示されている。

特開２０１４‐１２２４１５号公報

近年、硬質のカーボン膜として、ＤＬＣ膜よりもさらに高い硬度を有するｔａ‐Ｃ膜を用いることが求められている。ｔａ‐Ｃ膜は、炭素原子のｓｐ３結合を主体とする構造を有しており、ｓｐ２結合を主体とするＤＬＣ膜と比較して非常に硬度が高い。

そして、このｔａ‐Ｃ膜は、イオンめっき、すなわち、アークイオンプレーティング（Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ、以下、ＡＩＰという）によって成膜すれば、他の成膜方法（例えば、スパッタリング）などによる成膜と比較して、硬度が非常に高くなることが知られている。ＡＩＰは、アーク放電によって、ターゲット材料の一部が溶融、気化して、ワーク表面に付着させる成膜方法である。

しかし、ＡＩＰによって形成されたｔａ‐Ｃ膜は、硬度が非常に高いので、特許文献１のようなＷＣからなる中間層をｔａ‐Ｃ膜と基材との間に介在させても密着性の向上が難しい。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜が基材から剥離することを抑制することが可能な硬質摺動部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、ｔａ‐Ｃを含む硬質のカーボン膜をチャンバ内においてＡＩＰで形成する場合に、当該チャンバ内に炭化水素ガスを導入すれば、炭化水素ガスに含まれる水素原子（Ｈ）が炭素原子間（Ｃ‐Ｃ間）の結合の間に入り、Ｃ‐Ｈ‐Ｃ結合となることで、ｔａ‐Ｃ本来のｓｐ３結合ではなくなり、その結果、生成される膜の硬度が低下し、カーボン膜と基材表面との硬度差（すなわち、応力差）を小さくして密着性が良くなることができることを見出した。

そこで、本発明者は、炭化水素ガスの供給量を減らしながらＡＩＰによってカーボン膜を形成することによって、形成されるカーボン膜の硬度を基材表面では低く、基材から離れるにしたがって当該硬度を高くなるように、カーボン膜の内部応力および硬度をコントロールし、これにより、ｔａ‐Ｃを含むカーボン膜の硬度を確保しながらも基材表面に密着性良く形成する方法に想到した。

本発明は、このようにしてなされたものであり、基材と、その表面に形成されて当該基材の硬度よりも高い硬度を有するカーボン膜と、を備えた硬質摺動部材の製造方法を提供する。この方法は、前記基材の表面を表面処理する表面処理工程と、炭素を含むターゲットを用いてチャンバ内でＡＩＰを行うことによって前記カーボン膜を前記基材の表面に形成するカーボン膜形成工程と、を含み、前記カーボン膜形成工程では、前記チャンバ内に炭化水素ガスを導入しながらＡＩＰを行うことにより前記カーボン膜の形成を開始し、その後、当該炭化水素ガスの導入量を減らしてＡＩＰを続行し、少なくとも表面においてｔａ‐Ｃを形成することを特徴とする。

この方法によれば、ＡＩＰによって、ｔａ‐Ｃを含む硬質のカーボン膜が形成されるとともに、当該ＡＩＰの初期の段階では炭化水素ガスの導入によってカーボン膜中の炭素に水素を結合させることによってカーボン膜の硬度を下げて当該カーボン膜と基材との硬度差を小さくすることが可能である。このように硬度差が小さくなると、ｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜が基材から剥離することを抑制することが可能になる。そして、カーボン膜の形成中に炭化水素ガスを減らすことにより、最終的には少なくとも表面に硬質のｔａ‐Ｃを含むカーボン膜を得ることが可能である。その結果、表面にｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜を形成しながらも、このカーボン膜が基材から剥離することを抑制することが可能である。

前記カーボン膜形成工程は、前記チャンバ内への前記炭化水素ガスの導入量が時間の経過とともに徐々に減るように当該炭化水素ガスを前記チャンバ内に導入しながら前記炭素を含む前記ターゲットを用いてＡＩＰを行う工程を含むのが好ましい。

このように前記炭化水素ガスの導入量を徐々に減少させることは、カーボン膜の形成が進むに従ってその硬度を徐々に上げることを可能にし、これにより、カーボン膜の剥離をさらに抑制することが可能になる。

前記カーボン膜形成工程は、前記炭化水素ガスの導入を停止した後も、前記炭素を含む前記ターゲットを用いてＡＩＰを続行することにより、ｔａ‐Ｃを含む表層を形成する工程を含むのが好ましい。

この方法によれば、所望の厚さのｔａ‐Ｃを含む硬質の表層を形成することが可能である。

前記炭化水素ガスは、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）であるのが好ましい。炭化水素ガスとしてアセチレンを用いれば、入手しやすく、取扱いが容易である。しかも、水素成分は皮膜を脆化させ脆くなることから極力少ない方がよく、また成膜レートの観点ではカーボンが多い方が良いので、これらの条件に最も合ったアセチレン選ぶのが好ましい。

または、前記炭化水素ガスは、メタン（ＣＨ_４）であってもよい。この場合も、入手しやすく、取扱いが容易である。

前記表面処理工程は、前記基材の上に、ＡＩＰによって下地層を形成する工程を含むのが好ましい。

この方法によれば、下地層およびカーボン膜をＡＩＰプロセスによって連続的に形成することが可能になり、より密着性が向上する。

前記下地層を形成する工程が終わる直前から前記炭化水素ガスを導入しながら前記カーボン形成工程を開始するのが好ましい。

このように、前記下地層を生成する工程が終わる直前から炭化水素ガスを導入しながらカーボン形成工程を開始することによって、下地層とカーボン膜との境界部分における内部応力差がより小さく（いいかえれば、より均一化）されることにより、下地層とカーボン膜との密着性がより向上する。

前記表面処理工程は、前記下地層の上に、当該下地層よりも硬度が高く、前記カーボン膜よりも硬度が低い介在層をＡＩＰによって形成する介在層形成工程をさらに含むのが好ましい。

前記下地層の介在は、カーボン膜と下地層との間の応力をさらに緩和することを可能にする。しかも、下地層、介在層およびカーボン膜をＡＩＰプロセスによって連続的に形成することが可能になり、密着性が向上する。

前記表面処理工程は、前記基材の表面をメタルボンバードによって処理する工程である、のが好ましい。

かかる特徴によれば、メタルボンバードによって基材自体の表面を改質することにより、カーボン膜との密着性を向上させることが可能である。しかも、メタルボンバードによって処理された基材表面は、下地層のように基材から剥離するおそれが低い。

また、本発明は、基材と、その表面に形成されて当該基材の硬度よりも高い硬度を有するカーボン膜と、を備えた硬質摺動部材であって、上記の製造方法によって製造された硬質摺動部材を提供する。

この硬質摺動部材では、ＡＩＰの初期の段階で炭化水素ガスを導入して形成されるカーボン膜中の炭素に水素が結合することにより、当該カーボン膜のうち基材に近い部分の硬度が下げられているので、当該部分と基材との硬度差を小さくすることが可能である。そして、カーボン膜の水素含有量は、基材から離れるにしたがって少なく、基材から最も離れた部分は硬質のｔａ‐Ｃを含むようになる。その結果、ｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜を形成しながら、このカーボン膜が基材から剥離することを抑制することが可能である。

以上説明したように、本発明の硬質摺動部材の製造方法および硬質摺動部材によれば、ｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜が基材から剥離することを抑制することができる。

本発明の硬質摺動部材の製造方法によって製造された硬質摺動部材の実施形態を示す拡大断面図である。 本発明の硬質摺動部材の製造方法で用いられる成膜装置の基本構成を示す平面図である。 本発明の硬質摺動部材の製造方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る硬質摺動部材の硬度試験の結果を示す図である。 本発明の比較例に係る硬質摺動部材の硬度試験の結果を示す図である。 本発明の他の比較例に係る硬質摺動部材の硬度試験の結果を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る硬質摺動部材の製造方法によって製造された下地層とカーボン膜との間に介在層を有する硬質摺動部材の拡大断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。

図１は、この実施形態により製造される硬質摺動部材２０（例えばピストンやシリンダなどのエンジン部品または切削工具など）を示す。この硬質摺動部材２０の製造方法は、具体的には、基材２１を表面処理（例えば、下地層２２の形成など）した後に、基材２１よりも硬度の高いカーボン膜２３をＡＩＰによって形成する。

この製造方法は、チャンバ内、例えば図２に示す成膜装置１のチャンバ２内に炭化水素ガスを導入しながら当該チャンバ２内においてＡＩＰによってカーボン膜２３を形成するとともに、当該ＡＩＰ中に前記炭化水素ガスの導入量を減らすことによって、形成されるカーボン膜２３の硬度を基材２１表面では低く、基材２１から離れるにしたがって当該硬度を高くするように、カーボン膜２３の硬度（すなわち内部応力）をコントロールすることを含む。この方法によって、ｔａ‐Ｃを含むカーボン膜２３の硬度を確保しながらも当該カーボン膜２３の基材２１の表面に対する密着性を向上させることが可能になる。

具体的に、この実施形態に係る硬質摺動部材２０の製造方法は、基材２１の表面に当該基材２１よりも硬度の高いカーボン膜２３を形成する方法であって、
基材２１の表面を表面処理する表面処理工程と、
炭素（Ｃ）を含むターゲット１２を用いてＡＩＰを行うことによってカーボン膜２３を基材２１の表面に形成するカーボン膜形成工程と、
を含む。

そして、カーボン膜形成工程では、基材２１が収納された成膜装置１のチャンバ２の内部に炭化水素ガスを導入しながらＡＩＰを行うことによりカーボン膜２３の形成を開始し、その後、当該炭化水素ガスの導入量を減らしてＡＩＰを続行し、少なくともカーボン膜２３の表面においてｔａ‐Ｃを形成する。具体的には、ｔａ‐Ｃを形成するときには、ｔａ-Ｃを構成する炭素原子のｓｐ３結合に水素を極力含有しない（理想的には水素を含有しない）ようにするために、チャンバ２内部の炭化水素ガスの導入量を極力減らして（理想的には導入量を０にして）、ｔａ-Ｃの形成を行うようにする。

この製造方法では、チャンバ２内でのＡＩＰによって、ｔａ‐Ｃを含む硬質のカーボン膜２３が形成されるとともに、ＡＩＰの初期の段階では前記チャンバ２内に炭化水素ガスを導入して形成されるカーボン膜２３中の炭素に水素を結合させることによって硬度を下げて（すなわち、内部応力を下げて）当該カーボン膜２３と基材２１との硬度差を小さくすることが可能である。このように硬度差が小さくなることは、ｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜２３が基材２１から剥離することを抑制することを可能にする。そして、カーボン膜２３の形成の進行に伴って前記炭化水素ガスの導入量を減らすことにより、最終的には少なくとも表面に硬質のｔａ‐Ｃを含むカーボン膜２３を得ることが可能である。その結果、ｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜２３を形成しながらも、このカーボン膜２３が基材２１から剥離することを抑制することが可能である。

一方、比較例として、ｔａ‐Ｃ膜と基材との間に介在する中間層として、従来の中間層に用いられる炭化タングステンよりも硬度が高いＤＬＣ膜をＣＶＤによって形成することが考えられる。しかし、ｔａ‐Ｃ膜と基材のとの間に介在する中間層としてＣＶＤによって形成されたＤＬＣ膜（以下、ＣＶＤ−ＤＬＣ膜という）を用いた場合でも、ｔａ‐Ｃ膜の密着性を改善することが難しいと考えられる。なぜならば、一般的にＣＶＤ−ＤＬＣ膜とＡＩＰによって形成されたｔａ‐Ｃ膜とは、皮膜構造が大きく異なり、その皮膜の緻密さ（いいかえれば、密度）の観点で大きく異なっているからである。そのため、たとえ基材とｔａ‐Ｃ膜との間に応力を緩和するための中間層としてＣＶＤ−ＤＬＣ膜を用いたとしても、ＣＶＤ−ＤＬＣ膜とｔａ‐Ｃとの間で硬度差（いいかえれば内部応力の差）が依然残っている状態である。このため、ＣＶＤ−ＤＬＣ膜を中間層として用いても、ｔａ‐Ｃ膜が基材から剥離する問題を解消できない。

これに対し、本実施形態のように、図２に示されるように基材２１が収納された成膜装置１のチャンバ２内部に炭化水素ガスを導入しながらＡＩＰを行うことによりカーボン膜２３の形成を開始し、その後当該炭化水素ガスの導入量を減らし、少なくとも表面には水素を含有しないｔａ‐Ｃを形成すれば、ｔａ‐Ｃを含む硬質のカーボン膜２３を形成しながらも、このカーボン膜２３のうち基材２１の表面付近の部分の硬度と当該基材２１の硬度との差を小さくして当該カーボン膜２３が当該基材２１から剥離することを抑制することが可能である。

上記のカーボン膜形成工程においてチャンバ２内部に導入される炭化水素ガスは、炭素と水素を含む組成を有するガスであれば種々のガスを用いることが可能であるが、例えば、入手容易性や取扱い容易性の観点からアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）やメタン（ＣＨ_４）などが用いられる。炭化水素ガスを選ぶ場合、水素成分は皮膜を脆化させ脆くなることから極力少ない方がよく、また成膜レートの観点ではカーボンが多い方が良いので、これらの条件に最も合ったアセチレン選ぶのが好ましい。なお、炭化水素ガスは、ケイ素（Ｓｉ）など炭素や水素以外の原子を含んだガスでもよく、例えば、トリメチルシラン（Ｃ_３Ｈ_１０Ｓｉ）などでもよい。

炭化水素ガスの導入量は、ＡＩＰの開始時では導入量が最も多く、ＡＩＰ終了時には導入量を０にしてｔａ‐Ｃの形成ができるように、変化すればよく、開始時から終了時までの導入量の減少の具体的態様は種々設定することが可能である。例えば、炭化水素ガスの導入量は、ＡＩＰ開始時から炭化水素ガスを徐々に減らしていき終了時で０になるように減らしてもよいし、終了時よりも前に０になるように設定されてもよい。

具体的には、炭化水素ガスの導入量は、ＡＩＰ開始時からある時間まで炭化水素ガスを徐々に減らして０にしていき、その時間を経過した後は終了時まで炭化水素ガスの導入量を０になるように設定されることが可能である。

そのような場合のカーボン膜形成工程は、
（ａ）炭化水素ガスをチャンバ２内部への導入量が時間の経過とともに徐々に減るようにチャンバ２内部に導入しながら炭素を含むターゲット１２を用いてＡＩＰを行うことにより、中間層２４を表面処理された基材２１の表面（具体的には下地層２２の上）に形成する工程と、
（ｂ）炭化水素ガスの導入を停止した後に、炭素を含むターゲット１２を用いてＡＩＰを続行することにより、ｔａ‐Ｃを含む表層２５を形成する工程とを含む。

上記の（ａ）のように、炭化水素ガスの導入量を徐々に減少させることは、カーボン膜２３の形成が進むに従ってその硬度を徐々に上げることを可能にし、これにより、カーボン膜２３の剥離をさらに抑制することを可能にする。

また、上記の（ｂ）のように、カーボン膜形成工程が、チャンバ２内部への炭化水素ガスの導入を停止した後も、炭素を含むターゲット１２を用いてＡＩＰを続行してｔａ‐Ｃを含む表層２５を形成する工程を含むことにより、所望の厚さのｔａ‐Ｃを含む硬質の表層２５を形成することが可能である。

しかも、中間層２４および表層２５は、いずれも炭素を含むターゲット１２を用いてＡＩＰを行うことによって形成されるので、ＣＶＤなど他の成膜方法で中間層を成膜する場合と比較して、中間層２４と表層２５との皮膜構造が近くなり、皮膜の緻密さや密度が近くなる。そのため、中間層２４と表層２５との間の硬度差および内部応力の差は小さくなる。その結果、表層２５が中間層２４から剥離するおそれが低い。

上記の表面処理工程は、基材２１の上に、ＡＩＰによって下地層２２を形成する工程を含む。これにより、下地層２２およびカーボン膜２３をＡＩＰプロセスによって連続的に形成することが可能になり、より密着性が向上する。下地層形成工程では、具体的には、クロムなどを含む金属材料をターゲットとしてＡＩＰによって金属皮膜からなる下地層２２を形成する。ターゲットして用いられる金属材料は、クロム、チタン、ニッケル、シリコン、タングステンなどの金属を含んでいる。ＡＩＰを行ったときに、アーク放電によって、ターゲットとなる金属材料の一部が溶融、気化して、基材２１の表面に付着してクロムなどの金属の皮膜からなる下地層２２が形成される。また、ＡＩＰを行う際に成膜装置のチャンバ内部に窒素ガスを導入すれば、クロムなどの金属の窒化物の皮膜からなる下地層２２が形成される。また、タングステンおよび炭素のターゲットを用いてＡＩＰを行うことにより、炭化タングステン（ＷＣ）の下地層２２を形成してもよい。

本発明におけるＡＩＰは、アーク放電によって、ターゲット材料の一部が溶融、気化して、基材の表面に付着させる成膜方法である。なお、ＡＩＰによる成膜プロセスの具体的な説明については後述する。

図１に示されるように、上記の製造方法で製造された硬質摺動部材２０は、基材２１と、その表面にＡＩＰによって順次連続的に形成された下地層２２およびカーボン膜２３（具体的には、中間層２４および表層２５）と、を含む。

前記基材２１は、例えば、ピストンやシリンダなどのエンジン部品の製造に用いられるアルミニウム合金、または切削工具の製造に用いられる炭化タングステンなどの材料によって製造されている。

前記下地層２２は、前記基材２１の表面処理のために当該基材２１の表面を覆う層である。下地層２２は、基材２１とカーボン膜２３との間に介在することにより両者間の内部応力の差を小さくすることを可能にし、当該基材２１とカーボン膜２３との親和性を向上させる。下地層２２は、上記のようにクロムなどの金属材料をターゲットに用いたＡＩＰによって形成されている。下地層２２は、クロムなどの金属またはその金属の窒化物などを含む層であり、例えば、純粋のクロムからなる層であり、１０００Ｈｖ程度の硬度を有する。

カーボン膜２３は、中間層２４および表層２５を有している。中間層２４および表層２５は、炭素を含む材料をターゲットに用いたＡＩＰによって連続的に形成される。

表層２５は、硬質摺動部材２０の最外層を構成し、硬質摺動部材２０の表面の硬度を向上させる層である。表層２５は、炭素原子（Ｃ）のｓｐ３結合で構成されたｔａ‐Ｃからなる硬質の膜であり、８０００Ｈｖ程度の硬度を有する。

中間層２４は、表層２５と下地層２２との間における硬度差を小さくする層である。中間層２４は、ＡＩＰの開始とともにチャンバ２に導入される炭化水素ガスに含まれる水素原子（Ｈ）が炭素原子間（Ｃ−Ｃ間）の結合の間に入り、Ｃ−Ｈ−Ｃ結合となる構造を含む軟質のＤＬＣからなる膜である。中間層２４は、ｔａ‐Ｃからなる表層２５の硬度よりも低く、かつ、下地層２２の硬度よりも高い硬度（平均的には、５０００Ｈｖ程度の硬度）を有する。

中間層２４は、炭化水素ガスの導入量を徐々に減らしながらのＡＩＰによって生成されるので、下地層２２から離れるにしたがって水素含有量が徐々に減っている構造を有する。そのため、中間層２４のうち、下地層２２に近い部分では低い硬度を有し、表層２５に近い部分は高い硬度を有する。

上記のように構成された硬質摺動部材２０のうち、ＡＩＰの初期の段階で炭化水素ガスを導入して形成されるカーボン膜２３の中間層２４は、炭素に水素を結合させることによって下げられた硬度を有する（すなわち、当該中間層２４での内部応力が下げられている）。そのため、ｔａ‐Ｃからなる表層２５と基材２１との硬度差を小さくすることが可能である。その結果、ｔａ‐Ｃを含む硬質のカーボン膜２３が基材２１から剥離することを抑制することが可能になる。そして、カーボン膜２３の中間層２４では、基材２１から離れるにしたがってカーボン膜２３中の水素含有量が減少している。さらに、カーボン膜２３の基材２１から最も離れた部分（すなわち、表層２５）は硬質のｔａ‐Ｃを含む。その結果、ｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜２３を形成しながら、このカーボン膜２３が基材２１から剥離することを抑制することが可能である。

つぎに、図２を参照しながら、上記の硬質摺動部材２０を製造するためのＡＩＰによる具体的な成膜プロセスについて説明する。

上記の硬質摺動部材２０は、例えば、図２に示される前記成膜装置１を用いて製造される。

この成膜装置１は、硬質摺動部材２０の基材２１をワークＷとして、当該ワークＷの表面にＡＩＰによって下地層２２およびカーボン膜２３を連続的に形成する装置である。

すなわち、図２に示される成膜装置１は、真空チャンバ２と、ワークＷが載置される回転テーブル３と、複数（図２では２個）の第１アーク蒸発源４と、複数（図２では２個）の第２アーク蒸発源５とを備えている。

真空チャンバ２は、前記回転テーブル３および当該回転テーブル３に載置されたワークＷを収容する空間部２ａを有する。空間部２ａは、成膜プロセスの間は、図示されない真空ポンプによって真空またはそれに近い状態に維持される。また、真空チャンバ２には、成膜プロセスに必要なガスを空間部２ａ内部に導入するための導入部６と、成膜プロセス後のガスを空間部２ａから外部へ排出する排出部７とが設けられている。

前記回転テーブル３は、成膜プロセスの間は、前記空間部２ａ内において複数のワークＷが載置された状態で中心軸Ｏ周りに回転する。なお、回転テーブル３は、各ワークＷがそれぞれ自転できるように各ワークＷが個別に載置される回転台をさらに備えてもよい。

第１アーク蒸発源４は、クロムなどの金属からなる下地層２２を形成するために、ワークＷに対してＡＩＰを行うための蒸発源である。第１アーク蒸発源４は、例えば、カソード放電型のＡＩＰ蒸発源である。第１アーク蒸発源４には、アーク電源８の陰極が接続されている。なお、アーク電源８の陽極は、例えば、真空チャンバ２に接続されるが、他のものに接続されてもよい。この第１アーク蒸発源４には、下地層２２を形成するための材料となるクロム（Ｃｒ）のターゲット１２が取り付けられている。

第２アーク蒸発源５は、カーボン膜２３、すなわち、軟質のＤＬＣからなる中間層２４およびｔａ‐Ｃからなる表層２５を形成するために、ワークＷに対してＡＩＰを行うための蒸発源である。第２アーク蒸発源５は、例えば、第１アーク蒸発源４と同様に、カソード放電型のＡＩＰ蒸発源である。アーク電源９の陰極は、第２アーク蒸発源５に接続され、アーク電源９の陽極は、例えば、真空チャンバ２に接続されている。この第２アーク蒸発源５には、中間層２４および表層２５を形成するための材料となる炭素（Ｃ）を含む材料のターゲット１３が取り付けられている。

上記のように構成された成膜装置１を用いた硬質摺動部材２０の製造は、例えば、図３のフローチャートに示される順にしたがって行われる。具体的には、次のとおりである。

まず、硬質摺動部材２０の基材２１となるワークＷ（例えば、鏡面加工された炭化タングステン性の超硬試験片）が回転テーブル３に載置され、基材２１の表面処理工程が行われる。

表面処理工程としては、まず、基材２１のボンバード処理が行われる。真空チャンバ２の空間部２ａ内部の空気が図示されない真空ポンプによってチャンバ外部へ排出され、５×１０^−３Ｐａ程度の真空度にする。ヒータ１１は、４００℃で空間部２ａ内部の空気を加熱した状態で３０分保持される。

ついで、真空チャンバ２の空間部２ａ内部に導入部６からアルゴンなどの不活性ガスが１．３３Ｐａの圧力で供給され、電子源（図示せず）からの熱電子により、アルゴンのプラズマが生成される。この状態で、回転テーブル３は、その上にワークＷが載置された状態で回転する。ついで、ワークＷに回転テーブル３を介してバイアス電源１０によってバイアス電圧−３００Ｖを印加し、アルゴンプラズマ中のアルゴンイオンをワークＷに衝突させることによって、ワークＷ表面を薄く削り取るボンバード処理を行う。このボンバード処理によって、ワークＷの表面の異物が除去されるとともに、ワークＷの表面に微小な凹凸を生成して、当該ワークＷの表面の活性化により密着力を向上させることが可能である。

ボンバード処理を行った後、まず、第１アーク蒸発源４を用いたＡＩＰによって、ワークＷ（すなわち、基材２１）の表面にクロム（Ｃｒ）からなる下地層２２が形成される（図３のフローチャートのステップＳ１参照）。具体的には、真空チャンバ２の空間部２ａ内部に導入部６からアルゴンなどの不活性ガスがチャンバ２内部の圧力がおおよそ１．０Ｐａの圧力になるように供給される（流量１０００ｍｌ／ｍｉｎで注入）。それとともに、第１アーク蒸発源４には、アーク電源８から高電流が印加され、ワークＷに−４０Ｖのバイアス電圧が与えられる。このとき、第１アーク蒸発源４のクロムのターゲット１２と陽極との間でアーク放電が生じる。このアーク放電によって、ターゲット１２の一部が溶融、気化し、多くの割合で金属イオン化して、ワークＷに付着する。このとき、ワークＷの表面に純粋のクロムからなる下地層２２が形成される。下地膜２２の形成は、５分間行われ、膜厚が０．０５μｍの下地膜２２が得られる。ここで、下地層２２としては、純粋のクロムの他にも、アルゴンの代りに窒素を入れることで生成される窒化クロム（ＣｒＮ）を用いてのよい。また、クロムイオンを、例えば−１０００ＶのワークＷへのバイアス電圧で引き込むメタルボンバードとして用いてもよい。

ついで、第２アーク蒸発源５を用いたＡＩＰによって、ワークＷの下地層２２の上に中間層２４および表層２５からなるカーボン膜２３が形成される。

具体的には、クロムからなる下地層２２の成膜の終了前、具体的には、下地層２２の成膜工程の後半から、クロムのターゲット１２がアーク放電している間に、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）からなる炭化水素ガスを１３０ｍｌ／ｍｉｎの流量（導入量）でアルゴンに加えてチャンバ２内部に注入するとともに、炭素（Ｃ）のターゲット１３をアーク放電して、ＡＩＰによってカーボン膜２３の中間層２４の形成を開始する。

このように、下地層２２を生成する工程が終わる直前から炭化水素ガスを導入しながらカーボン形成工程を開始することによって、下地層２２とカーボン膜２３との境界部分における硬度差がより小さく（いいかえれば、より均一化）されることにより、下地層２２とカーボン膜２３との密着性がより向上する。

そして、炭化水素ガスの導入量を１３０ｍｌ／ｍｉｎから２０ｍｌ／ｍｉｎへ５分間かけて漸減させながら、炭素（Ｃ）のターゲット１３をアーク放電して、カーボン膜２３の中間層２４として、軟質のＤＬＣからなる中間層２４を形成していく（図３のステップＳ２）。このように、炭化水素ガスの導入量を減らしていくことにより、形成される中間層２４の硬度および内部応力を向上することが可能である。さらに炭化水素ガスの導入量を減らすのに応じてワークＷに与えられる負のバイアス電圧を徐々に低下させる（すなわち、マイナス側に漸増させる）ことにより、形成される中間層２４の硬度および内部応力の向上を手助けする（すなわち補助または援助する）ことが可能である。

ついで、炭化水素ガスの導入を停止した状態で、炭素（Ｃ）のターゲット１３をアーク放電して、ｔａ‐Ｃからなる表層２５をＡＩＰによって形成する（図３のステップＳ３）。なお、表層２５の形成初期には、炭化水素ガスの導入量を２０ｍｌ／ｍｉｎの状態から０ｍｌ／ｍｉｎへ漸減するように調整すれば、中間層２４と表層２５との境界部分における硬度差はより小さくされる。

上記のように、下地層２２およびカーボン膜２３（中間層２４および表層２５）をＡＩＰによって順次形成することによって、図１に示される下地層２２およびカーボン膜２３を有する硬質摺動部材２０を製造することが可能である。

上記のように本実施形態の製造方法で製造された硬質摺動部材２０は、下地層２２の上に形成されたカーボン膜２３は、軟質のＤＬＣからなる中間層２４と、ｔａ‐Ｃからなる表層２５とを有している。しかも、中間層２４は、炭化水素ガスの導入量を減らしながらＡＩＰによって形成されるので、下地層２２から離れるにしたがって水素含有量が徐々に減っている構造を有する。そのため、中間層２４は、下地層２２に近い部分では硬度が低く、表層２５に近い部分では硬度が高くなる。これにより、下地層２２と中間層２４との間の硬度差を小さくするととともに、中間層２４と表層２５との硬度差を小さくすることが可能になる。これにより、ｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜２３が基材２１から剥離することを抑制することが可能である。

そのため、本実施形態の製造方法で製造された硬質摺動部材２０は、図４に示されるように、その表面に円錐状の圧子を押し当てて圧痕を調べるロックウェル圧痕試験を行った場合には、表面Ｂ１には圧子による圧痕Ａ１は形成されたが、カーボン膜２３の剥離部分は発見されなかった。

なお、比較例として、上記のクロムからなる下地層の上にｔａ‐Ｃからなる表層をＡＩＰによって直接形成することにより硬質摺動部材を製造した場合について、その部材に対して上記の同様のロックウェル圧痕試験を行った。その試験結果では、図５に示されるように表面Ｂ２に形成された圧痕Ａ２の周囲には、表層の剥離部分Ｃ２が発見された。

また、他の比較例として、上記のクロムからなる下地層の上にｔａ‐Ｃからなる表層をＡＩＰによって直接形成する際に、表層を形成する初期にワークへのバイアス電圧を−２０Ｖから−５０Ｖへ変化させることにより硬質摺動部材を製造した場合について、上記と同様にロックウェル圧痕試験を行った。その試験結果でも、図６に示されるように表面Ｂ３に形成された圧痕Ａ３の周囲には、表層の剥離部分Ｃ３が発見された。

よって、これら図５〜６に示される比較例と異なって、本実施形態のように製造された硬質摺動部材は、同じロックウェル圧痕試験を行っても、図４に示されるように、ｔａ‐Ｃを含む硬質カーボン膜２３の剥離が生じないので、カーボン膜２３の密着性が向上していることがわかる。

上記のように本発明の硬質摺動部材の製造方法について実施形態をあげて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、以下の変形例を本発明に含まれる。

すなわち、上記実施形態では、下地層２２の上にカーボン膜２３が直接形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、下地層２２とカーボン膜２３との間に介在層２６を形成してもよい。例えば、本発明の変形例として、図７に示されるように、表面処理工程は、下地層２２の上に、当該下地層２２よりも硬度が高く、カーボン膜２３（具体的には中間層２４）よりも硬度が低い介在層２６をＡＩＰによって形成する介在層形成工程をさらに含んでもよい。この場合、下地層２２とカーボン膜２３のそれぞれの硬度の間の硬度を有する介在層２６を下地層２２の上にＡＩＰによって形成するので、カーボン膜２３（具体的には中間層２４）と下地層２２との間の硬度差および応力差をさらに小さくすることが可能になる。しかも、下地層２２、介在層２６およびカーボン膜２３をＡＩＰプロセスによって連続的に形成することが可能になり、密着性が向上する。

また、上記実施形態では、表面処理工程として、基材２１の表面に下地層２２が形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、下地層２２の形成の代わりに他の表面処理を行ってもよい。例えば、表面処理工程として、基材２１の表面をメタルボンバードによって処理する工程を行ってもよい。メタルボンバードは、例えば、クロムからなるターゲット１２から放出されるクロムイオンを基材２１の表面に衝突させることによって行えばよい。この場合、メタルボンバードによって基材２１自体の表面を改質することにより、カーボン膜２３との密着性を向上させることが可能である。しかも、メタルボンバードによって処理された基材２１表面は、下地層２２のように基材２１から剥離する恐れが低い。

１ 成膜装置
２ チャンバ
４ 第１アーク蒸発源
５ 第２アーク蒸発源
１２、１３ ターゲット
２１ 基材
２２ 下地層
２３ カーボン膜
２４ 中間層
２５ 表層
２６ 介在層
Ｗ ワーク

Claims (10)

1. 基材と、その表面に形成されて当該基材の硬度よりも高い硬度を有するカーボン膜と、を備えた硬質摺動部材を製造するための方法であって、
   前記基材の表面を表面処理する表面処理工程と、
   炭素を含むターゲットを用いてチャンバ内でアークイオンプレーティングを行うことによって前記カーボン膜を前記基材の表面に形成するカーボン膜形成工程と、
   を含み、
   前記カーボン膜形成工程では、前記チャンバ内に炭化水素ガスを導入しながら前記アークイオンプレーティングを行うことにより前記カーボン膜の形成を開始し、その後、前記チャンバ内への当該炭化水素ガスの導入量を減らして当該アークイオンプレーティングを続行し、少なくとも表面にはｔａ‐Ｃを形成する、
   硬質摺動部材の製造方法。
2. 前記カーボン膜形成工程は、
   前記チャンバ内への前記炭化水素ガスの導入量が時間の経過とともに徐々に減るように当該炭化水素ガスを導入しながら前記炭素を含む前記ターゲットを用いてアークイオンプレーティングを行う工程を含む、
   請求項１に記載の硬質摺動部材の製造方法。
3. 前記カーボン膜形成工程は、前記炭化水素ガスの導入を停止した後も、前記炭素を含む前記ターゲットを用いてアークイオンプレーティングを続行することにより、ｔａ‐Ｃを含む表層を形成する工程を含む
   請求項１または２に記載の硬質摺動部材の製造方法。
4. 前記炭化水素ガスは、アセチレンである、
   請求項１から３のいずれかに記載の硬質摺動部材の製造方法。
5. 前記炭化水素ガスは、メタンである、
   請求項１から３のいずれかに記載の硬質摺動部材の製造方法。
6. 前記表面処理工程は、前記基材の上に、アークイオンプレーティングによって下地層を形成する工程を含む、
   請求項１から５のいずれかに記載の硬質摺動部材の製造方法。
7. 前記下地層を形成する工程が終わる直前から前記炭化水素ガスを導入しながら前記カーボン形成工程を開始する、
   請求項６に記載の硬質摺動部材の製造方法。
8. 前記表面処理工程は、前記下地層の上に、当該下地層よりも硬度が高く、前記カーボン膜よりも硬度が低い介在層をアークイオンプレーティングによって形成する介在層形成工程をさらに含む、
   請求項６に記載の硬質摺動部材の製造方法。
9. 前記表面処理工程は、前記基材の表面をメタルボンバードによって処理する工程である、
   請求項１から５のいずれかに記載の硬質摺動部材の製造方法。
10. 基材と、その表面に形成されて当該基材の硬度よりも高い硬度を有するカーボン膜と、を備えた硬質摺動部材であって、請求項１〜９のいずれかに記載の製造方法によって製造された硬質摺動部材。