CN1205037A - 在导衬内周面上形成硬质碳膜的方法 - Google Patents

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Abstract

将自动车床用的导衬(11)配置在真空槽(61)内,并将接地的或施加有直流正电压的辅助电极(71)插入到形成与该被加工物滑动接触的内周面(11b)的中心开口(11j)内,然后对真空槽内进行排气,使其达到规定的真空度以下的初始到达压力;此后,将直流电压加在上述导衬(11)上,同时将直流电压加在阳极(79)上,并将交流电压加在白热丝(81)上,然后将含碳的气体导入真空槽(61)内,发生等离子体;利用等离子体CVD工艺方法,在导衬(11)的内周面上形成硬质碳膜的同时控制该真空槽(61)内的压力,使其达到比上述初始到达压力要高的被膜形成压力。

Description

在导衬内周面上形成硬质碳膜的方法
技术领域
本发明涉及一种在导衬的与被加工物相滑动接触的内周面上形成硬质碳膜的方法，该导衬被安装在自动车床上，并能在切削工具(刀具)的附近对圆棒状的被加工物以可以使之产生旋转及沿轴向滑动的方式进行保持。
背景技术
设在自动车床的立柱上、并将圆棒状的被加工物以可以进行旋转的方式保持在切削工具附近的导衬，有旋转式和固定式的类型。旋转式的导衬在总是与被加工物一起旋转的同时，对该被加工物以可以进行轴向滑动的方式进行保持；而固定式的导衬自身不旋转，并对被加工物以可以使其产生旋转及沿轴向滑动的方式保持着。
无任哪一种导衬都具有：锥形外周面；用于使其具有弹力的螺旋开槽、和用于使其安装在立柱上的螺旋部；以及保持着被加工物的内周面，该内周面由于经常与被加工物相滑动接触，所以容易产生磨损，特别是在固定式的情况下，这种磨损会很严重。
因此，例如如在特开平4-141303号公报中可见的那样，人们提出了这样一种方案：在通过被加工物的旋转和滑动而与被加工物相滑动接触的导衬内周面上，用钎焊等方法固定设置有超硬合金或陶瓷。
这样，通过将耐磨性和耐热性好的超硬合金或陶瓷设在导衬的内周面上，可以确认在某种程度上具有抑制其磨损的效果。
可是，即使这样地将超硬合金或陶瓷设在内周面上，但对于在自动车床上进行切削量大、加工速度快的重切削来说，由于超硬合金和陶瓷的摩擦系数都较大、且导热系数小，所以存在使被加工物产生损伤、或因导衬和被加工物之间的沿直径方向的间隙尺寸减小而烧伤这样的问题，使得不能提高切削量和加工速度。
对固定式的导衬来说，由于能对被加工物使其轴心无错动地进行保持，所以具有能进行高精度圆度的加工、且噪音低、自动车床的结构也不复杂而是可以紧凑化等优点。
可是，由于导衬内周面的磨损比旋转式的场合要大得多，因此存在难以进一步提高切削量和加工速度这样的问题。
为了解决该问题，我们提出了这样的方案：通过在导衬的与被加工物相滑动接触的内周面上形成硬质碳膜，而能极大地提高内周面的耐磨性、且对被加工物不会产生损伤或烧伤，可以提高自动车床的切削量及加工速度。
所说的该硬质碳膜是氢化非晶形碳膜，由于它具有与金刚石很相似的性质，所以也被称为金刚石状碳(DLC)。
该硬质碳膜(DLC)的硬度大(维氏硬度在3000Hv以上)、耐磨性好、摩擦系数小(是超硬合金的1／8左右)、且耐腐蚀性也好。
作为在导衬的内周面上形成该硬质碳膜的方法，例如有以下的等离子体CVD工艺方法。
即，在真空槽内配置导衬，并排气抽真空，使其内部的真空度达到3×10-5torr以下(将该最初达到的压力称为“初始到达压力”)。
然后，将含碳的气体导入该真空槽内，使其内部的压力调节到作为被膜形成压力的5×10-3torr。
此后，将负3kV的直流电压施加在导衬上，并分别将直流电压施加在与该导衬相对配置着的阳极上、将交流电压施加在白灯丝上，使得在真空槽内发生等离子体，利用该碳元素等离子体，而在导衬的表面上形成硬质碳膜。
可是，在该等离子体CVD工序中，是主要在导衬的周围产生等离子体，将含碳的气体分解，而形成硬质碳膜的，所以在导衬的外周部能很均匀地形成硬质碳膜，但在导衬的内表面上所形成的硬质碳膜，其粘附性不好，而且还存在硬度等的膜的质量不良的问题。
其原因是，由于在导衬的中心会开口内存在着相同电位的电极之间的相对向着的空间，所以在其中心开口内的等离子体发生称为空心放电的异常放电。由该空心放电而形成的硬质碳膜是一种聚合物状的粘附性不好的被膜，容易从导衬的内周面上剥离，且其硬度也低。
另外，在上述硬质碳膜的形成方法中，是在作为被膜形成压力的5×10-3torr下，从直流电源将负3kV的直流电压加在导衬上的。
在这样的真空槽内的压力为5×10-3torr左右的状态下，真空槽内的空间为一种电子等电荷较多的状态，降低了其空间阻抗。因此，在等离子体放电开始的瞬间，在导衬上容易发生作为异常放电的电弧放电。
另外，所说的该等离子体放电开始时，由于也是硬质碳膜的形成初期，在该被附膜形成初期所形成了的膜的质量，决定着其与导衬之间的粘附性的大小。
因此，在等离子体放电的最初期间，如果发生了作为异常放电的电弧放电，就会存在使硬质碳膜的质量及粘附性下降，会从导衬的内周面上产生剥离这样的问题。
因此，本发明的目的在于，解决上述问题，在与被加工物相滑动接触的导衬的内周面上能形成膜的质量及粘附性好的硬质碳膜。
发明的公开
为了达到上述目的，本发明提出了包括以下各工序的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法。
将自动车床用的导衬配置在具有排气口及气体导入口、且内部设有阳极和白热丝的真空槽内，并将被接地的或被施加有直流正电压的辅助电极插入到该导衬的形成着与被加工物相滑动接触的内周面的中心开口内的第一工序；
对上述真空槽排气，使其达到规定的真空度以下的初始到达压力的第二工序；
此后，将直流电压加在上述导衬上，同时将直流电压加在上述阳极上，并将交流电压加在白热丝上的第三工序；
此后，从气体导入口将含碳的气体导入上述真空槽内，使该真空槽内产生等离子体，并利用等离子体CVD工艺方法，在在上述导衬的内周面上形成硬质碳膜，同时控制该真空槽内的压力，使其达到比上述初始到达压力要高的被膜形成压力的第四工序，
或者，也可以使用其内部不设阳极和白热丝的真空槽，并将上述第三工序代之以将高频电力或直流电压加在上述导衬上的工序。
在上述第四工序中，作为导入真空槽内的含碳气体，可以使用甲烷或苯。
依据本发明的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，由于是将辅助电极插入到配置在真空槽内的导衬的中心开口内，并将该辅助电极接地或对其施加有直流正电压，所以在导衬的中心开口内也能均匀地发生充分的等离子体。
而且，由于在将含碳的气体导入真空槽内之前，在导衬上施加有直流负电压或高频电力，并在导入含碳的气体后，使其压力从初始到达压力开始慢慢地增加而达到被膜形成压力的，所以在比被膜形成压力要低的压力下开始等离子体放电。即由于在等离子体放电开始时，为一种与被膜形成压力时相比其空间阻抗要高的状态，所以在硬质碳膜的形成初期不会发生作为异常放电的电弧放电。
因此，在决定膜质量的等离子体放电的最初期，在导衬上不会发生作为异常放电的电弧放电，在导衬的内周面上能形成粘附性好的硬质碳膜。因此，不会发生硬质碳膜从导衬上剥离的现象。
另外，当使用甲烷或苯和氩气的混合气体作为含碳的气体时，则由于氩气与甲烷或苯相比，具有其放电起始电压(电离电压)要低、且等离子体放电开始压力要低的特性，所以可以使加在导衬上的直流负电压或高频电力比现有的方法中的要低，等离子体放电开始时的压力也能比现有的方法中的要低。因此，能进一步抑制在等离子体放电开始间的电弧放电的发生。
另外，在上述第四工序中，通过在开始时将甲烷或苯和氩气的混合气体作为含碳的气体导入真空槽内，使其发生等离子体，然后待该等离子体稳定后，再将导入该真空槽内的气体仅限为甲烷或苯，就可以由氩气的作用而有效地抑制在等离子体放电开始时的电弧放电的发生，而在等离子体稳定后，可以通过将该抑制解除，而加快硬质碳膜的形成速度。
附图的简单说明
图1至图4、图6及图7分别是使本发明的往导衬内周面上形成硬质碳膜的方法的第一至第六实施方案中所使用的装置的示意剖面图。
图5是在图4、图6及图7所示的实施方案中所使用的假构件的斜视图。
图8是表示了在本发明的第一实施方案等的真空槽内的压力和时间之间的关系的曲线图。
图9是表示了在本发明的第二实施方案等中的真空槽内的压力和时间之间的关系的曲线图。
图10是表示了在本发明的第四至第六实施方案中的辅助电极的电压和每一小时硬质碳膜形成厚度之间的关系的曲线图。
图11及图12是由本发明而在内周面上形成有硬质碳膜的导衬的纵剖面图及斜视图。
图13是只显示了自动车床主轴附近的剖面图，其中该自动车床设有使用导衬的固定式导衬装置。
图14是只显示了自动车床主轴附近的剖面图，其中该自动车床设有使用导衬的旋转式导衬装置。
实施发明的最佳方案
以下，利用附图说明用于实施本发明的最佳实施方案。
[对使用导衬的自动车床的说明]
首先，对使用了作为本发明对象的导衬的自动车床的结构进行简单的说明。
图13是只表示了数控自动车床的主轴附近的剖面图。该自动车床是设有固定式的导衬装置37的车床，其中该固定式的导衬装置37将导衬11固定，并在用导衬11的内周面11b将被加工物51(用假想线表示)旋转自如地保持着的状态下进行工作。
主轴箱17，能在该数控自动车床的图中未示出的机架上沿图的左右方向滑动。
在该主轴箱17上，设有由轴承21而可以旋转地被支撑着的主轴19。而且，在主轴19的前端部分安装着弹簧夹头13。
该弹簧夹头13被配置在夹头套筒41的中心孔内。而且弹簧夹头13的前端外周锥面13a和夹头套筒41的内周锥面41a互相为面接触。
另外，在中间套筒29内的弹簧夹头13的后端部分，上设有用带状弹簧材料制成盘管状的弹簧25。而且，由该弹簧25的作用，能将弹簧夹头13从中间套筒29中推出。
弹簧夹头13的前端位置，通过与盖形螺母27相接触而使其位置得到限定，其中该盖形螺母27由螺纹而被固定在主轴19的前端上。因此，可以防止由弹簧25的弹力而使弹簧夹头13从中间套筒29中飞出的情况。
在中间套筒29的后端部分上，通过该中间套筒29设有夹头开闭机构31。而且通过开闭夹头开闭爪33，对弹簧夹头13进行开闭，从而对被加工物51进行夹持或释放。
即，当夹头开闭机构31的夹头开闭爪33的前端部分以互相张开的方式进行移动时，则夹头开闭爪33的与中间套筒29相接触的部分便在图11中向左移动，将中间套筒29推向左方。由该中间套筒29向左的移动，使与中间套筒29的左端相接触着的夹头套筒41便向左移动。
而且，利用在主轴19的前端上用螺纹固定着的盖形螺母27，能防止弹簧夹头13从主轴19中飞出。
因此，通过该夹头套筒41的向左移动，使弹簧夹头13的形成有螺旋开槽的部分的外周锥面13a和夹头套筒41的内周锥面41a，使受到强烈的推压互相沿锥面进行移动。
其结果是使弹簧夹头13的内周面的直径变小，从而能夹持住被加工物51。
当要使弹簧夹头13的内周面的直径变大而释放被加工物51时，通过使夹头开闭爪33的前端部分以互相闭合的方式进行移动，而解除向左推压夹头套筒41的力。
于是，利用弹簧25的恢复力，中间套筒29和夹头套筒41便在图中向右移动。
因此，弹簧夹头13的外周锥面13a和夹头套筒41的内周锥面41a之间的推压力被解除。由此，弹簧夹头13可以利用自己所具有的弹力使内周面的直径变大，从而释放被加工物51。
另外，在主轴箱17的前方上设有立柱35，将导衬装置37以使其中心轴线与主轴中心线相一致的方式配置在立柱35上。
该导衬装置37，是将导衬11固定并用该导衬11的内周面11b将被加工物51以可以旋转的状态保持着的固定式的导衬装置37。
在固定在立柱35上的夹具39的中心孔中，嵌入着衬套套筒23；在该衬套套筒23的前端部上设有内周锥面23a。
而且，将在其前端部上形成有外周锥面11a及螺旋开槽11c的导衬11嵌入配置在该衬套套筒23的中心孔中。
在导衬装置37的后端部上，通过旋转拧在导衬11的螺纹部上的调整螺母43，能对导衬11的内径和被加工物51的外形之间的间隙尺寸进行调整。
即，这是因为，如果向右旋转调整螺母43，导衬11就在图中相对于衬套套筒23向右进行移动，与弹簧夹头13的情况一样，能使衬套套筒23的内周锥面23a和导衬11的外周锥面11a互相受到推压，从而使导衬11的前端部的内径变小。
在导衬装置37的进一步靠前处，设有切削工具(刀具)45。
这样，在用主轴19上的弹簧夹头13夹持着被加工物51的同时，通过切削工具45的前进或后退和主轴箱17的移动的合成运动，对被导衬装置37所夹持着的、且穿过该导衬装置37而突出到加工区的被加工物51进行预定的切削加工。
以下，利用图14对在旋转状态下使用夹持被加工物的导衬的旋转式的导衬装置进行说明。在该图14中，对与图13相对应的部分标以相同的符号。
作为该旋转式的导衬装置，有弹簧夹头13和导衬11同步地进行旋转的导衬装置以及非同步地进行旋转的导衬装置。该图所示的导衬装置37，是弹簧夹头13和导衬11同步地进行旋转的导衬装置。
该旋转式的导衬装置37利用从主轴19的盖形螺母27中突出的旋转驱动棒47，而对导衬装置37进行驱动。也有用齿轮或皮带轮代替该旋转驱动棒47，而对导衬装置37进行驱动的。
该旋转式的导衬装置37，在被固定在立柱35上的夹具39的中心孔中，通过轴承21，以可以旋转的状态嵌入配置着衬套套筒23。另外，将导衬11嵌入配置在该衬套套筒23的中心孔中。
衬套套筒23和导衬11具有与图13中所说明了的相同的结构。另外在导衬装置37的后端部上，通过旋转拧在导衬11的螺纹部上的调整螺母43，可以使导衬11的内径缩小，从而对导衬11的内径和被加工物51的外形之间的间隙尺寸进行调整。
对导衬装置37的除旋转式这一点以外的结构，由于与用图13所说明过的自动车床的结构相同，所以有关它们的说明从略。
[对在内周面上形成了硬质碳膜的导衬的说明]
下面，对利用本发明在其内周面上形成了硬质碳膜的导衬进行说明。
图11是表示了该导衬之一例的纵剖面图，图12是表示其外观的斜视图。
在这些图中所示的导衬11，表示了其前端部分为打开了的自由状态。该导衬11，在其纵向的一端部上形成有外周锥面11a，而在另一端部上具有螺纹部11f。
另外，在该导衬11的中心上，设有具有不同于开口直径的贯穿的中心开口11j。而且，在具有外周锥面11a一侧的内周上，形成有保持被加工物51的内周面11b。又在除该内周面11b以外的区域上，形成有具有比内周面11b的内径要大的内径的台阶部11g。
另外，该导衬11，从其外周锥面11a到弹簧部11d，以沿圆周方向将外周锥面11a三等分的方式在相隔120°的3处设有螺旋开槽11c。
而且，通过将该导衬11的外周锥面11a推压在上述的衬套套筒的内周锥面上，使弹簧部11d产生挠曲，从而可以调整内周面11b和图11中的假想线所表示了的被加工物51之间的间隙尺寸。
另外，在该导衬11上，将嵌合部11e设在弹簧部11d和螺纹部11f之间。而且，通过将该嵌合部11e嵌合在图11及图12中所示的衬套套筒23的中心孔中，能将导衬11在主轴的中心线上、且与主轴中心线相平行地得到配置。
使用合金工具钢(SKS)作为该导衬11的材料；在形成外形形状和内形形状后，进行淬火处理和回火处理。
另外，如图11所示，优选利用钎焊方法将其厚度尺寸为2mm至5mm尺寸的超硬构件12固定在该导衬11上，而形成与被加工物51相滑动接触的内周面11b。
作为该超硬构件，例如使用由85％～90％的钨(W)、5％～7％的碳(C)和作为粘结剂的3％～10％的钴(Co)的组成者。
但该导衬11，在其外周锥面11a为闭合的状态下，在内周面11b和被加工物51之间沿半径方向设有5μm～10μm的间隙。由此，由于被加工物51的出入会与内周面11b相滑动接触，故其摩擦损耗成为问题。
另外，当在固定式的导衬装置上使用时，由于被加工物51是被保持在固定着的导衬11上进行高速旋转而受到加工的，所以在内周面11b和被加工物51之间存在高速滑动，而且由于切削负载会对内周面11b产生过大的被加工物51的推压力，所以还存在发生烧伤的问题。
因此，在该导衬11的内周面11b上，形成着上述的硬质碳膜(DLC)15。该硬质碳膜15的厚度为1μm～5μm。
如上所述，该硬质碳膜具有很类似于金刚石的性质，其机械强度高，摩擦系数小，有润滑性，且耐腐蚀性也好。
因此，在内周面11b上设有硬质碳膜15的导衬11，能极大地提高耐磨耗性，即使在长期使用或进行重切削加工时，也能抑制与被加工物51相接触的内周面11b的磨损。另外，还能抑制使被加工物51上产生损伤，并能抑制导衬11和被加工物51出现烧伤的问题。
虽然也可以在导衬11的基体材料(SKS)的内周面或超硬构件12的内周面上直接形成该硬质碳膜，但为了提高与内周面11b之间的粘附性，通过薄的中间层(图中未示出)而形成硬质碳膜更好。
作为该中间层，可以是元素周期表第IVb族中的硅(Si)或锗(Ge)，或者是硅或锗的化合物。或者，还可以是碳化硅(SiC)或碳化钛(TiC)之类的含碳的化合物。
又，作为该中间层也能采用钛(Ti)、钨(W)、钼(Mo)、或钽(Ta)和硅(Si)的化合物。
进一步，还可以用由钛(Ti)或铬(Cr)构成的下层和由硅(Si)或锗(Ge)所构成的上层这样的双层膜而形成该中间层。
这样一来，作为中间层的下层的钛或铬就起着保持与导衬11的基材或超硬构件12之间的粘附性的作用；而作为上层的硅或锗则与硬质碳膜15相共价键合，起着与该硬质碳膜15之间强烈相结合的作用。
这些中间层的成膜厚度为0．5μm。即在双层的情况下，上层和下层总共为0．5μm左右。
[硬质碳膜的形成方法]
以下对本发明的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法的各实施方案进行说明。
(第一实施方案)
首先，参照图1及图8，说明本发明的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法的第一实施方案。
图1是在第一实施方案中所使用的装置的示意剖面图。另外，图8是表示该第一实施方案的在导入含碳气体后真空槽内的压力和时间之间的关系的曲线图。
在图1中，61是具有气体导入口63和排气口65的真空槽，在其中的中央上部，设有阳极79和白热丝81。在该真空槽61内的中央下部，将上述导衬11下部固定着垂直配置在绝缘托架80上。
而且，将通过真空槽61而接地的细杆状的辅助电极71插入设置在该导衬11的中心开口11j内。这时辅助电极71位于导衬11的中心开口11j的中央部位(大致为轴线上)。
另外，该辅助电极71是用不锈钢等金属材料所制成的。而且，期望将该辅助电极71配置为不使其前端从导衬11的开口端面(图1中的上端面)中突出，而在有1mm左右的距离的内侧。
然后，从排气口65进行真空抽气，使真空槽61内的真空度达到3×10-5torr以下的初始到达压力。
此后，从直流电源73将负的直流电压加在该导衬11上，从阳极电源75将正的直流电压加在阳极79上，再从白热丝电源77将交流电压加在白热丝81上。
这时，从直流电源73加在导衬11上的直流电压为负3kV，从阳极电源75加在阳极79上的直流电压为正50V左右。另外，从白热丝电源77加在白热丝81上的交流电压为10V左右的交流电压，以便能流过30A的电流。
此后，从气体导入口63将作为含碳的气体的苯(C6H6)导入真空槽61内，控制真空槽61内的压力，以使其达到5×10-3torr的被膜形成压力。
由此，真空槽61内的压力随着时间而如图8所示地产生变化，在比5×10-3torr的被膜形成压力要低的1×10-3torr的压力下，在真空槽61内的导衬11的周围区域开始等离子体放电。而且，由在导衬11的内周面11b和辅助电极71之间所形成的等离子体的作用，开始在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜。
然后，利用等离子体CVD工艺方法，在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜的同时，达到被膜形成压力，然后维持该被膜形成压力。
这样，通过在将含碳的气体导入真空槽61内之前将直流负电压加在导衬11上，就在比被膜形成压力要低的压力下开始等离子体放电。
即，由于在与被膜形成压力相比空间阻抗要高的状态下开始等离子体放电，所以不会发生作为异常放电的电弧放电。因此，由于在硬质碳膜的被膜形成初期不会发生作为异常放电的电弧放电，所以硬质碳膜的粘附性不会降低。因此，依据本发明的硬质碳膜的形成方法，则在导衬11的内周面11b上形成的硬质碳膜不会从导衬上产生剥离。
另外，在该第一实施方案中，是将辅助电极71配置在导衬11的中心开口11j内的中央部位上而形成硬质碳膜15的。而且，将负的直流电压加在导衬11上。
其结果是，就将呈接地电位的辅助电极71设在了同电位的各电极之间为相对着的导衬11的中心开口11j内，使各相同电位之间不相对。这样的电位状态，对等离子体CVD工艺方法来说是最希望的状态，此时不会发生异常放电的电弧放电。因此，能在导衬11的内周面11b上形成粘附性好的硬质碳膜。
另外，由于在导衬11的内周面的纵向上电位特性均匀，所以在内周面11b形成的硬质碳膜的厚度分布变得均匀。而且，由于成膜速度变快，所以经过短时间的处理，就能从开口端面一侧到开口底侧形成厚度均匀的硬质碳膜。
该辅助电极71的直径，只要比导衬11的开口直径要小即可，但最好相对于形成硬质碳膜的内周面11b具有5mm左右的间隙，即最好设有等离子体形成区。最好使该辅助电极71的直径和导衬11的开口直径之比在1／10以下，在将辅助电极71作得较细的情况下，也可以呈线状。
而且，在以上的说明中是用不锈钢形成该辅助电极71的，但也可以用钨(W)或钽(Ta)这样的高熔点金属材料制成。
(第二实施方案)
其次，参照图2及图9说明本发明的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法的第二实施方案。
图2是在第二实施方案中所使用的装置的示意剖面图，对与图1相对应的部分标以相同的符号，并省略它们的说明从略。另外，图9是表示该第二实施方案中的在导入含碳的气体后真空槽内的压力和时间之间的关系的曲线图。
对在该实施方案中所使用的真空槽61，在其内部不设置阳极及白热丝。
如图2所示，在该第二实施方案中，也与上述第一实施方案的情况同样地将导衬11和辅助电极71配置在真空槽61内。
而且，利用图中未示出的排气装置，从排气口65进行真空抽气，使真空槽61内的真空度达到3×10-5torr以下的初始到达压力。
此后，从振荡频率为13．56MHz的高频电源69，通过匹配电路67，将400W的高频电力加在真空槽61内的导衬11上。
此后，从气体导入口63将作为含碳的气体的甲烷气(CH4)导入真空槽61内，调整真空槽61内的压力，以使其达到0．5torr的被膜形成压力。
由此，真空槽61内的压力随着时间而如图9所示地产生变化，在比0．5torr的被膜形成压力要低的0．2torr的压力下，在真空槽61内的导衬11的周围区域开始等离子体放电。然后，由于在导衬11的内周面11b和辅助电极71之间所形成的等离子体的作用，就开始在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜。
然后，利用等离子体CVD工艺方法，在在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜的同时，达到0．5torr的被膜形成压力，然后维持该被膜形成压力。
这样，在该第二实施方案中，在将含碳的气体导入真空槽61内之前，就在导衬11上施加有高频电力。
由该第二实施方案，也能获得与上述第一实施方案同样的作用和效果，能迅速地在导衬11的内周面11b上形成粘附性好、且厚度均匀的优质的硬质碳膜。
(第三实施方案)
其次，参照图3及图9说明本发明的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法的第三实施方案。
图3是在第三实施方案中所使用的装置的示意剖面图；对与图1相对应的部分标以相同的符号，且它们的说明从略。
对该实施方案中使用的真空槽61，在其内部也不设置阳极及白热丝。
如图3所示，在该第三实施方案中，也与上述第一实施方案的情况同样地将导衬11和辅助电极71配置在真空槽61内。
而且，利用图中未示出的排气装置，从排气口65进行真空抽气，以使真空槽61内的真空度达到3×10-5torr以下的初始到达压力。
此后，从直流电源73’′将负600V的直流电压加在该导衬11上。
然后，从气体导入口63将作为含碳的气体的甲烷气体(CH4)导入真空槽61内，将真空度调整为0．5torr的被膜形成压力。
因此，真空槽61内的压力随着时间而如图9所示地产生变化，在比0．5torr的被膜形成压力要低的0．2torr的压力下，在真空槽61内的导衬11的周围区域开始等离子体放电。
然后，由于在导衬11的内周面11b和辅助电极71之间所形成的等离子体的作用，开始在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜15。
然后，利用等离子体CVD工艺方法，在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜的同时，达到0．5torr的被膜形成压力，然后维持该被膜形成压力。
这样，在该第三实施方案中，在将含碳的气体导入真空槽61内之前，将直加在导衬11上施中有直流负电压。
采用该第三实施方案，也能获得与上述第一实施方案同样的作用和效果，能迅速地在导衬11的内周面11b上形成粘附性好、且厚度均匀的优质的硬质碳膜。
这样在第三实施方案中，在将含碳的气体(甲烷气体)导入真空槽61内之前，就将直流负电压加在了导衬11上。这样，也能获得与上述第一实施方案同样的作用和效果，能迅速地在导衬11的内周面11b上形成粘附性好、且厚度均匀的优质的硬质碳膜。
(第四实施方案)
其次，参照图4、图5及图10说明本发明的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法的第四实施方案。
图4是在第四实施方案中所使用的装置的示意剖面图，与图1不同的地方在于：利用被嵌入在导衬11的中心开口11j内的绝缘子85，而相对于导衬11及真空槽61绝缘地支撑着辅助电极71，并从辅助电极电源83将直流正电压(例如正20V)加在该辅助电极71上。
另外，在第四实施方案中，使用具有与导衬11的内周面11b的直径为大致相同的内径的如图5所示的环状的假构件53。该假构件53与辅助电极71一样，也是用不锈钢所形成的。该假构件53的外径尺寸与导衬11的开口端面的大小大致为相同。
然后，如图4所示，将要形成硬质碳膜的导衬11配置在具有气体导入口63和排气口65的真空槽61内，并在其中心开口11j内利用绝缘子85绝缘地支撑着辅助电极71。另外，将假构件53安装在该导衬11的外周锥面一侧的开口端面(图中为上端面)上。
这时，使导衬11的内周面和假构件53的内周面相一致。
此后的各工序与用图1说明过的第一实施方案中的情况相同，对其说明从略。
在该实施方案中，对加在辅助电极71上的直流正电压和在导衬11的内周面11b上每单位时间所形成的硬质碳膜的厚度之间的关系，如图10中的曲线图所示。
在该图10中，示出了使加在辅助电极71上的直流正电压从0V变化到30V，且导衬的内周面11b和辅助电极71之间的间隙尺寸为3mm和5mm时所形成的硬质碳膜的厚度。另外，曲线88表示导衬11的开口内表面和辅助电极71之间的间隙为3mm时的特性，曲线91表示导衬11的开口内表面和辅助电极71之间的间隙为5mm时的特性。
如该曲线88、91所示，如果增大加在辅助电极71上的直流正电压，就会提高硬质碳膜的形成速度。另外，导衬11的开口内表面和辅助电极71之间的间隙尺寸越大，硬质碳膜的形成速度就越快。
而且，当导衬11的开口内表面和辅助电极71之间的间隙为3mm时(曲线88)，若加在辅助电极71上的电位为0V的接地电位，则在导衬11的中心开口11j内不会发生等离子体，从而不能形成硬质碳膜。
可是，即使在该情况下，如果提高加在辅助电极71上的直流正电压，那么在导衬11的中心开口11j内的辅助电极71周围也会发生等离子体，能形成硬质碳膜。
因此，通过将直流正电压加在辅助电极71上进行被膜形成处理，在其中心开口11j的直径较小的导衬的内周面上也能形成硬质碳膜。
另外，在该第四实施方案中所使用的假构件53有以下作用。
即，在这种往导衬11上形成硬质碳膜的方法中，会在导衬11的内面和外周部发生等离子体。而且，电荷容易集中在导衬11的端面上，使与内面相比开口端面区域呈高电位状态，即发生了所谓的边缘效应。这时，导衬11的端面附近的等离子体强度比其它区域的要大，而且也不稳定。
另外，导衬11的端部区域，还受到内面上的等离子体和外周部的等离子体双方等离子体的影响。
而且，如果在这样的状态下形成硬质碳膜，则在距导衬11的开口端面为数mm内侧的区域和其它区域上，硬质碳膜的粘附性会多少有所不同，进一步使膜的质量也会多少有些不同。
因此，如图4所示，如果将假构件53配置在导衬11的开口端面上，形成硬质碳膜时，则该膜的质量和粘附性为不同的区域就不会在导衬11的内表面上形成，而是形成于假构件53的开口内表面上。
该实施方案的其它作用和效果与上述第一实施方案中的情况相同。
(第五、第六实施方案)
以下，利用图6说明本发明的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法的第五实施方案，利用图7说明第六实施方案。
图6及图7是分别与图2及图3为相同的装置的示意剖面图，与它们的不同之处仅在于：与图4所示的第四实施方案中的情况一样，利用被嵌入到导衬11的中心开口11j内的绝缘子85，相对于导衬11及真空槽61绝缘地支撑着辅助电极71，从辅助电极电源83将直流正电压(例如正20V)加在该辅助电极71上；并使用假构件53。
因此在图6所示的第五实施方案中，从振荡频率为13．56MHz的高频电源69，通过匹配电路67将400W的高频电力加在导衬11上，使在真空槽61内发生等离子体。
另外，在图7所示的第六实施方案中，从直流电源73’将负600V的直流电压加在该导衬11上，使发生等离子体。
其它各工序与上述第二、第三实施方案中的各工序相同，其作用效果除了在上述第二、第三实施方案中的作用效果以外，还具有由在第四实施方案中将直流正电压加在辅助电极上及使用假构件所产生的效果。
另外，该假构件53，也能适用于使辅助电极71呈接地电位的上述第一至第三实施方案中，在此情况下假构件53的作用效果，与上述第四至第六实施方案中的情况相同。
(其它实施方案)
其次，对作为含碳的气体而使用甲烷或苯和氩的混合气体的本发明的其它实施方案，只就与上述各实施例不同的地方进行说明。
首先，对与第一实施方案同样地使用图1所示的装置的实施方案进行说明。
将导衬11和辅助电极71配置在图1所示的真空槽61内，对真空槽61内进行真空抽气，使其真空度达到3×10-5torr以下的初始到达压力。
此后，从直流电源73将负1．5kV的直流电压加在导衬11上，从阳极电源75将正50V的直流电压加在阳极79上，进一步从白热丝电源77以流过30A电流的方式将10V的交流电压加在白热丝81上。
此后，从气体导入口63将作为含碳的气体的苯(C6H6)和氩的混合气体导入真空槽61内，控制真空槽61内的压力，使其达到8×10-4torr的被膜形成压力。另外，苯和氩的流量比为50％。
于是，在真空槽61内的导衬11的周围区域上，就在比5×10-3torr的被膜形成压力要低的1×10-3torr的压力下开始产生等离子体放电。
而且，由在导衬11的内周面11b和辅助电极71之间所形成的等离子体的作用，开始在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜15。
这样，在该实施方案中，作为导入真空槽61内部的气体，是导入含碳的气体和氩气的混合气体。氩气具有与作为含碳气体的苯相比放电起始电压(电离电压)要低、且等离子体放电开始压力也要低的特性。
因此，能使加在导衬11上的直流负电压比现有的要低。另外，等离子体放电开始压力也比现在的要低。由此，就可以进一步抑制在等离子体放电瞬间的电弧放电的发生。因此，能进一步提高硬质碳膜的粘附性。
另外，对形成硬质碳膜无贡献的氩离子在硬质碳膜形成时会撞击膜表面，将键较弱的部分击出，由该撞击效果也具有提高硬质碳膜的质量的效果。
其次，对与第二实施方案相同地使用图2所示的装置的实施例进行说明。
与第一实施方案相同，将导衬11和辅助电极71配置在图2所示的真空槽61内，对该真空槽61内进行真空抽气，使其真空度达到3×10-5torr以下的初始到达压力。
此后，从振荡频率为13．56MHz的高频电源69，通过匹配电路67将250W的高频电力加在该导衬11上。
然后，从气体导入口63将作为含碳的气体的甲烷(CH4)和氩气的混合气体导入真空槽61内，将真空度调整为0．5torr的被膜形成压力。在此情况时，也使甲烷和氩气的流量比为50％。
于是，在真空槽61内部的导衬11的周围区域上，就在比0．5torr的被膜形成压力要低的0．1torr的压力下开始产生等离子体放电。然后，由在导衬11的内周面11b和辅助电极71之间所形成的等离子体的作用，开始在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜15。
采用该实施方案时，也与上述的实施方案中的情况相同地，可以进一步抑制在开始产生等离子体放电的瞬间的电弧放电的发生，由此就可以进一步提高硬质碳膜的粘附性。
其次，对与第三实施方案相同地使用图3所示的装置的实施例进行说明。
与第3实施方案相同地，将导衬11和辅助电极71配置在图3所示的真空槽61内，对该真空槽61内进行真空抽气，使其真空度达到3×10-5torr以下的初始到达压力。
此后，从直流电源73’将负450V的直流电压加在该导衬11上。
然后，从气体导入口63将作为含碳的气体的甲烷(CH4)和氩气的混合气体导入真空槽61内，将真空度调整为0．5torr的被膜形成压力。在此情况时，也使甲烷和氩气的流量比为50％。
于是，在真空槽61内部的导衬11的周围区域上，就在比0．5torr的被膜形成压力要低的0．1torr的压力下开始产生等离子体放电。然后，由在导衬11的内周面11b和辅助电极71之间所形成的等离子体的作用，开始在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜15。
采用该实施方案时，也与上述的实施方案中的情况相同，可以进一步抑制在开始产生等离子体放电的瞬间的电弧放电的发生，由此能进一步提高硬质碳膜的粘附性。
这样，与上述第四至第六实施方案一样，使用图4、图6及图7所示的装置，也能实施作为含碳的气体而使用苯和氩气的混合气体的硬质碳膜的形成方法。
以下，对作为含碳的气体在初期将甲烷或苯和氩气的混合气体导入真空槽内使产生等离子体、而待等离子体稳定后只将甲烷或苯导入真空槽内，以加快硬质碳膜的形成速度的实施方案，仅对与上述各实施例中不同的地方进行说明。
首先，对与第四实施方案相同地使用图4所示的装置的实施方案进行说明。
与第4实施方案相同地，将导衬11、辅助电极71和假构件53配置在图4所示的真空槽61内，对该真空槽61内进行真空抽气，使其真空度达到3×10-5torr以下的初始到达压力。
此后，从直流电源73将负1．5kV的直流电压加在导衬11上，从阳极电源75将正50V的直流电压加在阳极79上，进一步从白热丝电源77以流过30A的电流的方式将10V的交流电压加在白热丝81上。另外，从辅助电极电源83将正20V的直流电压加在辅助电极71上。
此后，从气体导入口63将作为含碳的气体的苯(C6H6)和氩气的混合气体导入真空槽61内，将真空槽61内的压力控制为5×10-3torr的被膜形成压力。另外，使苯和氩气的流量比为50％。
于是，在真空槽61内部的导衬11的周围区域上，就在比5×10-3torr的被膜形成压力要低的8×10-4torr的压力下开始产生等离子体放电。然后，当在等离子体稳定后再经过了2分钟的时刻上，作为含碳的气体只将苯导入真空槽61。
因此，由在导衬11的内周面11b和辅助电极71之间所形成的等离子体的作用，就在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜15。
采用该实施方案时，与上述的实施方案中的情况相同，可以进一步抑制在等离子体放电开始的瞬间的电弧放电的发生，且在等离子体稳定后，由于只将苯导入真空槽内，所以能加快硬质碳膜的形成速度。
另外，由将直流正电压加在辅助电极71上、以及使用假构件53所产生的作用和效果，与上述的第四实施方案中的情况相同。
其次，对与第五实施方案相同地使用图6所示的装置的实施方案进行说明。
与第五实施方案相同地，将导衬11、辅助电极71和假构件53配置在图6所示的真空槽61内，对该真空槽61内进行真空抽气，使其真空度达到3×10-5torr以下的初始到达压力。
此后，从振荡频率为13．56MHz的高频电源69，通过匹配电路67将250W的高频电力加在该导衬11上。另外，从辅助电极电源83将正20V的直流电压加在辅助电极71上。
然后，从气体导入口63将作为含碳的气体的甲烷(CH4)和氩气的混合气体导入真空槽61内，将真空度调整为0．5torr的被膜形成压力。另外，使甲烷和氩气的流量比为50％。
于是，在真空槽61内部的导衬11的周围区域上，就在比0．5torr的被膜形成压力要低的0．2torr的压力下开始产生等离子体放电。此后，在待等离子体稳定后再经过了2分钟的时刻上，作为含碳的气体只将苯导入真空槽61。
然后，由在导衬11的内周面11b和辅助电极71之间所形成的等离子体的作用，就在导衬11的内周面11b上形成硬质碳膜15。
采用该实施方案时，也能获得与上述的实施方案中的情况相同的作用和效果。
其次，对与第六实施方案相同地使用图7所示的装置的实施方案进行说明。
与第六实施方案相同地，将导衬11、辅助电极71和假构件53配置在图6所示的真空槽61内，对该真空槽61内进行真空抽气，使其真空度达到3×10-5torr以下的初始到达压力。
此后，从直流电源73’将负450V的直流电压加在该导衬11上。另外，从辅助电极电源83将正20V的直流电压加在辅助电极71上。
然后，从气体导入口63将作为含碳的气体的甲烷(CH4)和氩气的混合气体导入真空槽61内，将真空度调整为0．5torr的被膜形成压力。在此情况时，也使甲烷和氩气的流量比为50％。
于是，在真空槽61内部的导衬11的周围区域上就在比0．5torr的被膜形成压力要低的0．1torr的压力下开始产生等离子体放电。此后，在待等离子体稳定后再经过了2分钟的时刻开始，作为含碳的气体只将苯导入真空槽61。
然后，由于在导衬11的内周面11b和辅助电极71之间所形成的等离子体的作用，就开始在导衬11的内周面上形成硬质碳膜15。
采用该实施方案时，也能获得与上述的实施方案中的情况相同的作用和效果。
另外，与这些实施方案一样，使用在第一至第三实施例中所用的图1至图3所示的装置，也能实施这样的方法：作为含碳的气体而将苯或甲烷和氩气的混合气体导入真空槽内，使产生等离子体，待等离子体稳定后，只导入苯或甲烷而形成硬质碳膜。
在以上所说明的本发明的硬质碳膜的形成方法的各实施方案中，作为含碳的气体，是对使用了甲烷气体或苯气体的例子进行了说明的。但除了甲烷以外，还可以使用乙烯等含碳的气体或乙烷等含碳的液体的蒸发蒸汽。
另外，依据上述各实施方案，是在导衬11的外周面和内周面两侧表面上都能形成硬质碳膜的，但也能只是在内周面11b上形成硬质碳膜。
这时，只需将被覆材料配置在导衬11的外周部分即可，但也可以简单地将铝箔作为该被覆材料而缠在导衬11的外周部上。
工业实用性
由以上说明可知，依据本发明的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，则在等离子体放电开始时不会发生作为异常放电的电弧放电，能提高硬质碳膜的粘附性。
另外，由于是将辅助电极插入到导衬的中心开口内而实施等离子体CVD工艺方法的，所以不会发生作为异常放电的空心放电。因此，也能在导衬的内周面上形成粘附性好的硬质碳膜。
再者，能在导衬的内周面的全部区域上形成厚度均匀的硬质碳膜。
因此，当将用本发明的方法而在内周面上形成有硬质碳膜的导衬安装在自动车床上使用时，即使是进行切削量大、加工速度快的重切削加工，也能抑制在与被加工物相接触的内周面上的磨损，能大幅度地抑制在被加工物上产生损伤或在导衬和被加工物之间出现烧伤的情况。

Claims (12)

1．一种在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，其特征在于包括以下各工序：
将自动车床用的导衬配置在具有排气口及气体导入口、且内部设有阳极和白热丝的真空槽内，并将接地的或施加有直流正电压的辅助电极插入到该导衬的形成与被加工物滑动接触的内周面的中心开口内的第一工序；
对上述真空槽内进行排气，使其达到预定的真空度以下的初始到达压力的第二工序；
此后将直流电压加在上述导衬上，同时将直流电压加在上述阳极上，并将交流电压加在上述白热丝上的第三工序；
此后，从上述气体导入口将含碳的气体导入上述真空槽内，使该真空槽内产生等离子体，并利用等离子体CVD工艺方法，在在上述导衬的内周面上形成硬质碳膜，同时控制该真空槽内的压力，使其到达比上述初始到达压力要高的被膜形成压力的第四工序。
2．一种在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，其特征在于包括以下各工序：
将自动车床用的导衬配置在具有排气口及气体导入口的真空槽内，并将接地的或施加有直流正电压的辅助电极插入到该导衬的形成与被加工物滑动接触的内周面的中心开口内的第一工序；
对上述真空槽内进行排气，使其达到预定的真空度以下的初始到达压力的第二工序；
此后，将高频电力加在上述导衬上的第三工序；
此后，从上述气体导入口将含碳的气体导入上述真空槽内，使该真空槽内发生等离子体，并利用等离子体CVD工艺方法，在上述导衬的内周面上形成硬质碳膜，同时控制该真空槽内的压力，使其达到比上述初始到达压力要高的被膜形成压力的第四工序。
3．一种在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，其特征在于包括以下各工序：
将自动车床用的导衬配置在有排气口及气体导入口的真空槽内，将被接地的或被施加有直流正电压的辅助电极插入到该导衬的形成与被加工物滑动接触的内周面的中心开口内的第一工序；
对上述真空槽内进行排气，使其达到预定的真空度以下的初始到达压力的第二工序；
此后，将直流电压加在上述导衬上的第三工序；
此后，从上述气体导入口将含碳的气体导入上述真空槽内，使该真空槽内发生等离子体，至利用等离子体CVD工艺方法，在在上述导衬的内周面上形成硬质碳膜，同时控制该真空槽内的压力，使其到达比上述初始到达压力要高的被膜形成压力的第四工序。
4．根据权利要求1所述的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，在上述第四工序中，导入上述真空槽内的含碳气体是甲烷或苯。
5．根据权利要求1所述的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，在上述第四工序中，导入上述真空槽内的含碳气体是甲烷或苯和氩气的混合气体。
6．根据权利要求1所述的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，在上述第四工序中，开始时将甲烷或苯和氩气的混合气体作为含碳的气体导入上述真空槽内，使发生等离子体；而待该等离子体稳定后，使导入该真空槽内的气体仅为甲烷或苯。
7．根据权利要求2所述的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，在上述第四工序中，导入上述真空槽内的含碳气体是甲烷或苯。
8．根据权利要求2所述的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，在上述第四工序中，导入上述真空槽内的含碳气体是甲烷或苯和氩气的混合气体。
9．根据权利要求2所述的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，在上述第四工序中，开始时将甲烷或苯和氩气的混合气体作为含碳的气体导入上述真空槽内，使发生等离子体；而待该等离子体稳定后，使导入该真空槽内的气体仅为甲烷或苯。
10．根据权利要求3所述的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，在上述第四工序中，导入上述真空槽内的含碳气体是甲烷或苯。
11．根据权利要求3所述的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，在上述第四工序中，导入上述真空槽内的含碳气体是甲烷或苯和氩气的混合气体。
12．根据权利要求3所述的在导衬的内周面上形成硬质碳膜的方法，在上述第四工序中，开始时将甲烷或苯和氩气的混合气体作为含碳的气体导入上述真空槽内，使发生等离子体；而待该等离子体稳定后，使导入该真空槽内的气体仅为甲烷或苯。
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