硬质碳膜及其生产方法以及滑动部件技术

本发明专利技术公开了一种硬质碳膜及其生产方法以及滑动部件。经由中间层（２）形成在基材（１）上的硬质碳膜（３）由类金刚石碳层（６）和在该类金刚石碳层（６）上形成的石墨粒子淀积层（７）组成。该石墨粒子淀积层（７）的Ｉ↓［Ｄ］／Ｉ↓［Ｇ］为１或更小，所述Ｉ↓［Ｄ］／Ｉ↓［Ｇ］为代表Ｄ频带的峰值的积分强度Ｉ↓［Ｄ］和代表Ｇ频带的峰值的积分强度Ｉ↓［Ｇ］的比率，所述积分强度是通过基于拉曼分光分析对拉曼光谱进行峰值分离获得的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硬质碳膜及其生产方法以及滑动部件。更具体地，本专利技术涉及一种包括类金刚石碳层的硬质碳膜及其生产方法以及通过在基材表面上形成硬质碳膜而构成的滑动部件。根据本专利技术的硬质碳膜和滑动部件可适当地用于例如车辆发动机部件，例如气门挺杆、活塞环、活塞裙等。
技术介绍
具有高硬度和低摩擦系数的类金刚石碳已经开始被用作各种滑动部件、机械部件、工具、磁盘等的表面改质膜。为了应对当前关于汽车的燃料节约规定，开发一种用于减小滑动阻力的技术是非常重要的。因此，主要任务是减小汽车部件尤其是发动机部件中的滑动阻力。日本专利申请公报No.JP-A-2004-339564公开了一种如下的滑动部件。在此滑动部件中，一中间层分层设置在基材的表面上，该中间层具有作为下层的由铬、钛等制成的金属层，以及作为上层的金属和碳的混合层。此外，在该滑动部件中，一类金刚石碳层形成在该中间层上，并且由二硫化钼等制成的固体润滑剂涂膜形成在该类金刚石碳层上。但是，上述滑动部件存在这样的问题，即，在最初使用阶段，在摩擦系数降低并稳定在较低摩擦系数下之前需要较长时间，即配合特性不够充分。这种情况的原因被认为是不易于通过滑动使形成最外部表面的固体润滑剂涂膜平滑化，并且固体润滑剂涂膜的晶体结构不易于改变为润滑性优良的结构。
技术实现思路
本专利技术的一个目标是提供一种具有高配合特性的硬质碳膜及其生产方法以及滑动部件，该硬质碳膜的摩擦系数可在最初使用阶段内通过滑动而快速降低，从而在较早的阶段稳定在低的摩擦系数值。本专利技术的第一方面涉及一种硬质碳膜，该硬质碳膜包括直接地或经由中间层在基材上形成的类金刚石碳层(下文被称为“DLC层”)。所述硬质碳膜包括在DLC层上形成的石墨粒子淀积层(下文被称为“Gr粒子淀积层”)。Gr粒子淀积层的ID/IG为1或更小，所述ID/IG为代表D频带的峰值的积分强度ID和代表G频带的峰值的积分强度IG的比率，所述积分强度是通过基于拉曼分光分析对拉曼光谱进行峰值分离获得的。根据本专利技术的第一方面，DLC层和Gr粒子淀积层两者都改进了抗磨特性，并且降低了摩擦系数。DLC层的形成方法没有特别的限制。此形成方法可以采用例如离子化(ionization)汽相淀积技术、等离子体CVD技术、电弧(ark)离子镀技术、溅射技术等。此外，Gr粒子淀积层的形成方法可以采用溅射技术。但是，从希望简化制造过程的角度考虑，可使用溅射技术依次形成中间层、DLC层和Gr粒子淀积层。所述中间层、DLC层和Gr粒子淀积层的厚度可根据应用本专利技术的部件的使用情况合适地设定。例如，中间层的厚度为大约0.1-1.0μm，DLC层的厚度为大约0.5-10μm，Gr粒子淀积层的厚度为大约0.5-5μm。此外，对于DLC层和Gr粒子淀积层，可以向其中添加一种或多种金属，例如Cr、Ti、Si、W、B等。在基于拉曼光谱对Gr粒子淀积层的评估中，可获得具有接近1500cm-1的宽的峰值和接近1400cm-1的小的肩部的光谱。通过使用Gaussian函数和Lorenz函数曲线拟合此拉曼光谱而进行的峰值分离提供了代表接近1550cm-1的G频带的峰值，和代表接近1350cm-1的D频带的峰值。在根据本专利技术的第一方面的硬质碳膜中，限定了Gr粒子淀积层。所述ID/IG为1或更小，它是代表D频带的峰值的积分强度ID和代表G频带的峰值的积分强度IG之间的比率。通过拉曼分光分析对拉曼光谱进行的测量使用例如显微镜激光拉曼分光装置(商品名称为“NRS-1000”，由Nippon Bunko生产)。在此情况下，在以下测量条件下执行测量激光波长为532.20nm，激光直径为1μm。代表G频带的峰值来自于其中碳原子sp2键合的Gr结构。代表D频带的峰值来自于sp3键和非晶体结构。因此，在Gr粒子淀积层中，较低的ID/IG值意味着非晶体结构与Gr结构的比例相应地较低。换句话说，Gr粒子淀积层的ID/IG越低，则该淀积层越接近石墨。因此，在硬质碳涂膜中，ID/IG为1或更小的Gr粒子淀积层具有非常接近石墨结构的结构，从而大大有助于改进配合特性。因此，上述硬质碳膜是具有高配合特性的膜，其摩擦系数由于在最初使用阶段的滑动而快速降低，并且在较早阶段稳定在低摩擦系数水平上。从进一步提高根据本专利技术的第一方面的硬质碳涂膜的配合特性的方面考虑，ID/IG可以为0.5或更小，如果为0.1或更小则尤其好。Gr粒子淀积层是通过淀积Gr粒子形成的层。在该硬质碳膜中，DLC层的硬度可以为10GPa(维氏硬度为Hv1000)或更高。如果DLC层的硬度小于10GPa，则难以有效地提高整个硬质碳膜的抗磨特性。此外，难以确保整个硬质碳膜的强度。DLC层的硬度可以是12GPa或更高，并且如果为15GPa则更好。从提高抗磨特性的角度考虑，硬质碳膜中的DLC层的硬度越高就越好。但是，考虑到DLC固有的材料特性的上限，DLC层的硬度的上限为大约80GPa。顺便说一下，例如，如果DLC层通过溅射技术形成，则DLC层的硬度可通过调节偏压(电压)、烃的引入量等来适当地设定。本专利技术的第二方面涉及一种硬质碳膜生产方法，其中硬质碳膜直接地或经由中间层形成在基材上。此生产方法包括以下步骤通过在引入烃气的同时将固体碳靶暴露在稀有气体等离子体中进行溅射，使DLC层形成在基材或中间层上的步骤(下文称为“DLC层形成过程”)，以及通过在引入一定量的烃气的同时将所述固体碳靶暴露在稀有气体等离子体中进行溅射，使Gr粒子淀积层形成在DLC层上的步骤(下文称为“Gr粒子淀积层形成过程”)，该烃气占稀有气体和烃气的总量的体积比等于或小于0.5％。根据本专利技术的第二方面，所述生产方法包括DLC层形成过程和Gr粒子淀积层形成过程，并通过将固体碳靶暴露在稀有气体等离子体中的溅射技术依次形成DLC层和Gr粒子淀积层。另外，如果形成中间层，则该中间层也可通过溅射技术形成。用于生成稀有气体等离子体的稀有气体的类型没有特别的限制。对于稀有气体的类型，可以采用通常使用的气体，例如Ar(氩)等。此外，DLC层形成过程和Gr粒子淀积层形成过程中使用的烃气的类型也没有特别的限制。对于烃气的类型，可以从甲烷、乙炔、乙烯、苯等中选择合适的气体。在DLC层形成过程中，通过在引入烃气的同时将固体碳靶暴露在稀有气体等离子体中的溅射技术而在基材或中间层上形成DLC层。在前述硬质碳膜生产方法中，可在Gr粒子淀积层形成过程中形成这样的Gr粒子淀积层，即，该Gr粒子淀积层的ID/IG为1或更小，所述ID/IG为代表D频带的峰值的积分强度ID和代表G频带的峰值的积分强度IG之间的比率，所述积分强度是通过基于拉曼分光分析对拉曼光谱进行峰值分离获得的。在前述硬质碳膜生产方法中，在Gr粒子淀积层形成过程中可在没有引入烃气的情况下形成Gr粒子淀积层。根据所述硬质碳膜生产方法，可通过溅射技术形成Gr粒子淀积层。但是，如果在供应烃气的同时执行溅射，则Gr粒子淀积层将包含作为烃气的分解成分的气体分解碳和气体分解氢。如果Gr粒子淀积层包含作为碳元素的气体分解碳或气体分解氢，则会阻止Gr粒子淀积，从而不能形成良好的Gr粒子淀积层。因此，会抑制石墨固有的自润滑性等。因此，Gr粒子淀积层中的气体分解碳和气体分解氢的含量越少则越好。如果含量为0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硬质碳膜，包括直接地或经由中间层（２）在基材（１）上形成的类金刚石碳层（６），所述硬质碳膜的特征在于包括：在该类金刚石碳层（６）上形成的石墨粒子淀积层（７），其中该石墨粒子淀积层（７）的Ｉ↓［Ｄ］／Ｉ↓［Ｇ］为１或更小， 所述Ｉ↓［Ｄ］／Ｉ↓［Ｇ］为代表Ｄ频带的峰值的积分强度Ｉ↓［Ｄ］和代表Ｇ频带的峰值的积分强度Ｉ↓［Ｇ］的比率，所述积分强度是通过基于拉曼分光分析对拉曼光谱进行峰值分离获得的。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：中川郁朗，不破良雄，小川正显，尾崎义则，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]