碳涂層部件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 碳涂層部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]
[0003] 本發(fā)明涉及碳涂層部件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 例如像內(nèi)燃機的氣缸體那樣，為了降低能量消耗等，具有其他部件相對其發(fā)生滑 動的部分的部件需要減少滑動部分的機械損失，因此該部件的低摩擦化為人們所研究。為 了實現(xiàn)其低摩擦化，已知有一種表面上設(shè)置了類金剛石碳涂層（以下有時會簡稱為DLC涂 層）等碳涂層的碳涂層部件（例如參照專利文獻1，2)。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0006] 專利文獻
[0007] 專利文獻1:日本專利第3555844號公報
[0008] 專利文獻2 :日本專利第4973971號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 發(fā)明要解決的課題
[0010] 然而，在現(xiàn)有的碳涂層部件中，僅僅在其表面包覆DLC涂層等碳涂層無法實現(xiàn)足 夠的低摩擦化，存在必須對該DLC涂層中含有的氫、氮或氧的含量進行規(guī)定、或者對所使用 的潤滑油進行規(guī)定的問題。
[0011] 本發(fā)明的目的在于解決上述問題，從而提供一種能夠僅通過在其表面上包覆DLC 涂層就能夠充分實現(xiàn)低摩擦化的碳涂層部件。
[0012] 用于解決課題的方式
[0013] 為了達到上述目的，本發(fā)明的碳涂層部件的特征在于由筒狀的主體和類金剛石碳 涂層構(gòu)成，該類金剛石碳涂層在所述主體的內(nèi)部表面至少包覆其他部件滑動的部分，該類 金剛石碳涂層的硬度范圍為3. 0~10.OGPa，該類金剛石碳涂層的峰度Rku為27. 0以下，所 述峰度Rku表示所述類金剛石碳涂層的表面上的每規(guī)定面積的表面粗糙度的分布。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的碳涂層部件，所述DLC涂層的硬度范圍為3. 0~10.OGPa，且所述峰 度Rku為27. 0以下，由此能夠充分降低摩擦系數(shù)從而實現(xiàn)低摩擦化。
[0015] 所述DLC涂層的硬度不足3.OGpa時，所述碳涂層部件的表面無法滿足所需的耐摩 耗性，超過10.OGpa時則無法實現(xiàn)所述碳涂層部件的低摩擦化。另外，所述峰度Rku超過 27. 0時，則無法實現(xiàn)所述碳涂層部件的低摩擦化。
[0016] 此外，為了進一步降低本發(fā)明的碳涂層部件的摩擦系數(shù)實現(xiàn)低摩擦化，所述DLC 涂層的硬度范圍優(yōu)選為8. 0~10.OGPa。同時，為了進一步降低本發(fā)明的碳涂層部件的摩擦 系數(shù)實現(xiàn)低摩擦化，所述DLC涂層的峰度Rku優(yōu)選是20. 0以下，更優(yōu)選是8. 0以下。
[0017] 另外，本發(fā)明的碳涂層部件的所述DLC涂層的表面粗糙度Rz優(yōu)選為2. 7μπι以下。 由于本發(fā)明的碳涂層部件的所述DLC涂層具備所述范圍內(nèi)的表面粗糙度，在該DLC涂層表 面上形成的凹凸的凹部內(nèi)能夠保持潤滑油。
[0018] 此外，在本發(fā)明的碳涂層部件中，所述潤滑油在高溫時會燃燒。因此，本發(fā)明的碳 涂層部件的所述DLC涂層的表面粗糙度Rz更優(yōu)選是2.Ομm以下。本發(fā)明的碳涂層部件的 所述DLC涂層具備所述范圍內(nèi)的表面粗糙度，因此能夠降低所述潤滑油的消耗量。
[0019] 本發(fā)明的碳涂層部件例如能夠適用于內(nèi)燃機的氣缸體。
[0020] 所述本發(fā)明的碳涂層部件的制造方法是由筒狀的主體和類金剛石碳涂層構(gòu)成的 碳涂層部件的制造方法，該制造方法的特征在于，該類金剛石碳涂層在所述主體的內(nèi)部表 面至少包覆其他部件滑動的部分，該類金剛石碳涂層的硬度范圍為8. 0~10.OGPa，該類金 剛石碳涂層的峰度Rku為27. 0以下，所述峰度Rku表示所述類金剛石碳涂層的表面上的每 規(guī)定面積的表面粗糙度的分布，所述制造方法具備以下步驟：
[0021] 密封所述主體的兩端部，并將其內(nèi)部減壓到1~lOOPa范圍的真空度的步驟；
[0022] 去除所述主體的內(nèi)部表面上存在的異物的步驟；以及，
[0023] 將所述主體的內(nèi)部維持在1~30Pa范圍的真空度，同時以500~4000sccm范圍 的流量向所述主體內(nèi)部供應(yīng)乙炔氣，使該乙炔氣等離子化，從而在所述主體的內(nèi)部表面上 堆積所述類金剛石碳涂層的步驟。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的碳涂層部件的制造方法，首先，兩端部被密封的所述主體的內(nèi)部被 減壓到1~lOOPa范圍的真空度。然后，在該真空度的條件下，去除所述主體的內(nèi)部表面上 存在的異物。
[0025] 將所述主體內(nèi)部減壓到不足IPa的真空度則需要昂貴的設(shè)備，而當所述真空度超 過lOOPa時，則無法去除所述異物。
[0026] 接著，將經(jīng)去除了所述異物的所述主體的內(nèi)部維持在1~30Pa范圍的真空度，同 時以500~4000sccm范圍的流量向所述主體內(nèi)部供應(yīng)乙炔氣，使該乙炔氣等離子化，從而 在所述主體的內(nèi)部表面上堆積所述類金剛石碳涂層。通過這種方式，能夠形成硬度范圍是 8. 0~10.OGPa、峰度Rku范圍是27. 0以下的所述DLC涂層。
[0027] 將所述主體內(nèi)部減壓到不足IPa的真空度則需要昂貴的設(shè)備，而當所述真空度超 過30Pa時，則無法讓所述乙炔氣等離子體化。
[0028] 另外，所述乙炔氣的流量是上述范圍之外時，無法形成具有所述硬度范圍以及所 述峰度Rku范圍的所述DLC涂層。
[0029] 此外，在本發(fā)明的碳涂層部件的制造方法中優(yōu)選具備下述步驟：在5~200秒的時 間范圍內(nèi)對所述主體施加2~100A范圍的脈沖電流，由此對該主體施加偏置電壓，將乙炔 氣等離子體化的步驟。
[0030] 當所述脈沖電流不足2A、供應(yīng)時間不足5秒時，有可能無法讓所述乙炔氣等離子 體化。另外，當所述脈沖電流超過100A、供應(yīng)時間超過200秒時，有可能無法形成具有上述 硬度范圍及峰度Rku范圍的所述DLC涂層。
[0031] 附圖的簡單說明
[0032] 圖1是表示本發(fā)明的碳涂層部件的制造方法中使用的等離子體CVD裝置的一構(gòu)成 例的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
[0033] 圖2是表示本發(fā)明的碳涂層部件的制造方法的流程圖。
[0034] 圖3是表示根據(jù)挖掘摩擦理論算出摩擦系數(shù)（C0F)的計算方法的示意圖。
[0035] 圖4是表示DLC涂層的硬度及峰度（Rku)與摩擦系數(shù)（C0F)之間關(guān)系的圖表 (graph)〇
【具體實施方式】
[0036] 接著，參照附圖進一步詳細說明本發(fā)明的實施方式。
[0037] 在本實施方式中，以碳涂層部件是圖1中用長度方向的截面所示的氣缸體 1(cylinderblock)為例進行說明。
[0038] 如圖1所示，氣缸體1為筒狀，內(nèi)部具有讓活塞（未圖示）滑動的空洞部2。氣缸 體1在潤滑油下使用，并在空洞部2的表面上包覆DLC涂層（未圖示）。
[0039] 所述DLC涂層的硬度范圍為3. 0~10.OGPa，其作為統(tǒng)計性數(shù)值的峰度（Rku)為 27.0以下。所述峰度（Rku)表示所述表面的每規(guī)定微小面積的表面粗糙度的分布。另外， 所述DLC涂層優(yōu)選其硬度范圍為8. 0~10.GPa。所述峰度（Rku)優(yōu)選是20. 0以下，更優(yōu)選 是8. 0以下。
[0040] 利用涂層硬度測定裝置（納米硬度計（nanoindenter))，在最大荷重5mN的測定 條件下測定壓痕硬度（indentationhardness)作為所述硬度。
[0041] 所述峰度（Rku)是如下所述通過下式⑴表述的數(shù)值：針對所述DLC涂層表面上 的規(guī)定的微小面積（例如0. 4_X0. 1_的范圍），由方程式Z(x)的四次方的平均值除以均 方根（Rq)的四次方后的數(shù)值。在JIS(日本工業(yè)標準）B0601中對所述峰度（Rku)有所規(guī) 定。所述方程式Z(x)表示利用原子力顯微鏡（AFM)測定的基準長度的粗糙度曲線。
[0042]
[0043] 另外，所述DLC涂層優(yōu)選其表面粗糙度Rz是2. 7μm以下，更優(yōu)選是2. 0μm以下。
[0044] 在空洞部2的表面上具備所述DLC涂層的氣缸體1可以通過如圖1所示的等離體 子CVD裝置3來制造。等離子體CVD裝置3具備密封氣缸體1的空洞部2兩端的密封件 4a，4b、分別裝設(shè)在密封件4a，4b上的陽極5a，5b、氣體供應(yīng)分系統(tǒng)6及工藝控制分系統(tǒng)7。
[0045] 密封件4a，4b還兼用作絕緣部件，將氣缸體1與陽極5a，5b分離。陽極5a，5b是 棒狀電極，通過密封件4a，4b上設(shè)置的孔部（未圖示）插入于密封件4a，4b內(nèi)部。
[0046] 氣體供應(yīng)分系統(tǒng)6具備乙炔氣（acetylenegas)供應(yīng)罐8和氬氣（argongas)供 應(yīng)罐9。乙炔氣供應(yīng)罐8通過導管10經(jīng)由壓力計11、流量控制裝置一次側(cè)閥12、流量控制 裝置13、流量控制裝置二次側(cè)閥14、開關(guān)閥15以及密封件4a與氣缸體1的空洞部2連接。 另一方面，氬氣供應(yīng)罐9通過導管16經(jīng)由壓力計17、流量控制裝置一側(cè)側(cè)閥18、流量控制 裝置19、流量控制二次側(cè)閥20,在開關(guān)閥15的上游側(cè)與導管10連接。
[0047] 工藝控制分系統(tǒng)7具備：由個人電腦等構(gòu)成的控制裝置21、受控制裝置21控制的 真空栗22、脈沖直流電源23、壓力控制器24。真空栗22通過導管25經(jīng)由開關(guān)閥26、密封 件4b與氣缸體1的空洞部2連接。脈沖直流電源23具備直流電纜27,直流電纜27與氣缸 體1的外表面連接。另外，壓力控制器24與設(shè)置在導管25上的開關(guān)閥26電連接。
[0048] 另外，控制裝置21經(jīng)由接口電纜（interfacecable) 28與氣體供應(yīng)分系統(tǒng)6連接。 控制裝置21能夠控制導管10上設(shè)置的流量控制裝置一次側(cè)閥12、流量控制裝置13、流量 控制裝置二次側(cè)閥14及開關(guān)閥15、導管16上設(shè)置的流量控制裝置一次