DE102007010595A1 - Auf amorphem Kohlenstoff basierender, harter Mehrschichtfilm und Teil mit harter Oberfläche, das den Film auf der Oberfläche aufweist - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) mit ausgezeichneter Haftung bei einer hohen Temperatur bereitgestellt. Ein auf amorphem Kohlenstoff basierender, harter Mehrschichtfilm, der auf einer Oberfläche eines Substrats gebildet ist, umfaßt eine Grundschicht, gebildet auf einer Substratseite, eine Oberflächenschicht, gebildet auf einer Oberflächenseite, und eine Zusammensetzungsgradientenschicht, gebildet zwischen der Grundschicht und der Oberflächenschicht, wobei die Grundschicht ein Nitrid oder ein Carbonitrid eines Elements M, ausgedrückt durch die folgende Formel (1), umfaßt, die Oberflächenschicht einen Film aus amorphem Kohlenstoff, enthaltend C mit 50 Atomprozent oder mehr, umfaßt und die Zusammensetzungsgradientenschicht eine Schicht ist, bei der von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff das Element M und Stickstoff abnehmen und Kohlenstoff zunimmt: M<SUB>1-x-y</SUB>C<SUB>x</SUB>N<SUB>y</SUB>... (1), worin M mindestens eines ist, ausgewählt aus einem Element der Gruppe 4A des Periodensystems, einem Element der Gruppe 5A, einem Element der Gruppe 6A, Al und Si; und worin x und y die Atomverhältnisse in der Formel angeben und x 0,5 oder weniger ist, y 0,03 oder mehr ist und 1-x-y mehr als 0 ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Teil (Teil mit harter Oberfläche) mit einer harten Beschichtung, wie eine Gleitkomponente einer Maschine und ein Schneidwerkzeug.
  • Ein Film aus amorphem Kohlenstoff ist als eine harte Beschichtung bekannt. Amorpher Kohlenstoff weist eine intermediäre Struktur zwischen Diamant und Graphitkohlenstoff auf, die miteinander gemischt sind, und kann harter amorpher Kohlenstoff, formloser Kohlenstoff, harter formloser Kohlenstoff, i-Kohlenstoff oder diamantartiger Kohlenstoff (DLC) genannt werden. Da der amorphe Kohlenstoff (hierin nachstehend manchmal DLC genannt) hohe Härte wie Diamant aufweist und ausgezeichnete Abriebbeständigkeit, Festschmierstoffähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und chemische Stabilität aufweist, wird er für Schutzfilme für verschiedene Komponenten verwendet, wie Gleitkörper, Stanzen, Schneidwerkzeuge, abriebbeständige Maschinenteile, Scheuermittel und magnetische/optische Komponenten. Insbesondere wird der amorphe Kohlenstoff (DLC) praktischerweise für eine Beschichtung eines Schneidwerkzeugs für ein Aluminium- oder Kupfermaterial durch die Nutzung der Eigenschaften des amorphen Kohlenstoffes (DLC), wie chemische Trägheit und geringer Reaktionsfähigkeit mit eisenfreien Metallen, verwendet. Jedoch bedeutet andererseits die ausgezeichnete chemische Stabilität eines Films aus amorphem Kohlenstoff (DLC) geringe Haftung des Films an verschiedene Arten von Substraten.
  • Um die Haftung zwischen dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) und einem Substrat zu verbessern, ist vorgeschlagen worden, daß eine Zwischenschicht zwischen dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) und einem Substrat gebildet wird (japanisches offengelegtes Patent Nr. H8-74032 (Ansprüche und Absatz 0007), japanisches offengelegtes Patent Nr. 2003-171758 (Ansprüche) und dergleichen). In dem japanischen offengelegten Patent Nr. H8-74032 (Ansprüche und Absatz 0007) wird, wenn Kohlenstoff auf ein Substrat aufgedampft wird, das Substrat mit einem Inertgas bestrahlt, wodurch eine Mischschicht (Metallcarbidschicht oder Keramikcarbidschicht), einschließlich eines Substratmaterials (Metall oder Keramiken) und Kohlenstoffs, gebildet wird, dann der Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) gebildet wird. Das japanische offengelegte Patent Nr. 2003-171758 (Ansprüche) schlägt eine intermediäre Schicht mit einer 4-Schichtstruktur vor, bei der eine Metallschicht aus Cr/Al als eine erste Schicht gebildet wird, dann eine Mischmetallschicht aus Cr/Al und W/Ta/Mo/Nb als eine zweite Schicht gebildet wird, und dann eine Metallschicht aus W/Ta/Mo/Nb als eine dritte Schicht gebildet wird, und dann eine Carbidschicht aus W/Ta/No/Nb als eine vierte Schicht gebildet wird. Beide der Carbidschichten in JP-A-8-74032 (Ansprüche und Absatz 0007) und JP-A-2003-171758 (Ansprüche) zeigen eine intermediäre Zusammensetzung zwischen dem Substrat und dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC), wobei die Haftung durch kontinuierliches Verändern einer Zusammensetzung von dem Substrat zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) verbessert wird.
  • Jedoch wächst in der intermediären Carbidschicht ein amorphes Carbid (beispielsweise WC, TaC oder MoC) manchmal kristallin bei einer hohen Temperatur von 300 bis 400°C heran und fällt in der Zwischenschicht aus, und die Trennung kann an einem solchen ausgefällten Teil als Ausgangspunkt stattfinden.
  • Es ist wünschenswert, einen Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) mit ausgezeichneter Haftung bei hoher Temperatur bereitzustellen.
  • Ferner ist es wünschenswert, einen Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) mit ausgezeichneter Haftung in einem Bereich mit hoher Belastung bereitzustellen.
  • Als ein Ergebnis ernsthafter Studien fanden die Erfinder heraus, daß, wenn ein Nitrid oder Carbonitrid für die Zwischenschicht verwendet wird, die Haftung des Films aus amorphem Kohlenstoff (DLC) beispielsweise sogar bei hoher Temperatur oder in einem Bereich mit hoher Belastung verbessert werden kann, und vervollständigten folglich eine Ausführungsform der Erfindung.
  • Das heißt, ein auf amorphem Kohlenstoff basierender, harter Mehrschichtfilm gemäß der Ausführungsform der Erfindung, der eine Grundschicht, gebildet auf einer Substratseite, eine Oberflächenschicht, gebildet auf einer Oberflächenseite, und eine Zusammensetzungsgradientenschicht, gebildet zwischen der Grundschicht und der Oberflächenschicht, umfaßt, wird so zusammengefaßt, daß
    die Grundschicht ein Nitrid oder ein Carbonitrid eines Elements M, ausgedrückt durch die folgende Formel (1), umfaßt,
    die Oberflächenschicht einen Film aus amorphem Kohlenstoff, enthaltend C mit 50 Atomprozent oder mehr, umfaßt und
    die Zusammensetzungsgradientenschicht eine Schicht ist, bei der von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff das Element M und Stickstoff abnehmen und Kohlenstoff zunimmt: M1-x-yCxNy (1)(worin M mindestens eines ist, ausgewählt aus einem Element der Gruppe 4A des Periodensystems, einem Element der Gruppe 5A, einem Element der Gruppe 6A, Al und Si; und worin x und y die Atomverhältnisse in der Formel angeben, und x 0,5 oder weniger ist, y 0,03 oder mehr ist, und 1-x-y mehr als 0 ist).
  • Das Element M umfaßt Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, No, W, Al und Si, und umfaßt bevorzugt W, Mo und Ta. Wenn das Element M W, Mo oder Ta ist, wird empfohlen, daß die Grundschicht eine α-W-Struktur, α-Mo-Struktur oder TaN-Struktur aufweist.
  • Eine Schicht eines Elements, einschließlich eines, ausgewählt aus einem Element der Gruppe 4A in dem Periodensystem, einem Element der Gruppe 5A, einem Element der Gruppe 6A, Al und Si, kann zwischen dem Substrat und der Grundschicht gebildet sein.
  • Die Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Substrat und ein Teil mit harter Oberfläche, einschließlich des auf amorphem Kohlenstoff basierenden, harten Mehrschichtfilms, der auf einer Oberfläche des Substrats gebildet ist.
  • Gemäß der Ausführungsform der Erfindung kann, da die Zwischenschicht durch die Grundschicht, einschließlich eines Nitrids oder eines Carbonitrids, und eine Schicht, bei der die Zusammensetzung von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) verändert wird, gebildet ist, die Haftung zwischen dem Substrat und dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) sogar bei hoher Temperatur und in einem Bereich mit hoher Belastung verbessert werden.
  • 1 zeigt einen Graphen, der ein Zusammensetzungsänderungsmuster einer Zusammensetzungsgradientenschicht einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
  • 2 zeigt einen Graphen, der eine Komponente eines auf amorphem Kohlenstoff basierenden, harten Mehrschichtfilms von Nr. 10 in Beispiel 2 zeigt.
  • Es ist wünschenswert, die Haftung eines Films aus amorphem Kohlenstoff (DLC), der auf einer Oberfläche eines Substrats gebildet ist, zu verbessern. In der Beschreibung umfaßt der Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) einen amorphen Film, der nur C (Kohlenstoff) enthält, außerdem einen amorphen Film, der ein anderes Element (beispielsweise eine Element N einer Grundschicht, wie später beschrieben) als C in einem Bereich von C mit 50 Atomprozent oder mehr enthält (bevorzugt 70 Atomprozent oder mehr und stärker bevorzugt 90 Atomprozent oder mehr). Während eine Zusammensetzung des Films aus amorphem Kohlenstoff (DLC) oftmals durch ein Verhältnis unter C, N und dem Element M ohne Rücksicht auf die Wasserstoffatome spezifiziert wird, kann der Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) einer Ausführungsform der Erfindung Wasserstoffatome enthalten, oder kann wasserstofffrei sein.
  • Während die Dicke des Films aus amorphem Kohlenstoff (DLC) nicht besonders einschränkt ist, beträgt sie beispielsweise etwa 0,1 bis 10 μm, bevorzugt etwa 0,3 bis 7 μm und stärker bevorzugt etwa 0,5 bis 5 μm.
  • Während ein Substrat typischerweise ein Teil mit hoher Härte, wie Sinterhartmetall oder Schnellarbeitsstahl umfaßt, umfaßt es ebenso verschiedene Arten von Eisen-basierenden Materialien (Stahlmaterialien), wie Trägerstahl, Edelstahl und Kohlenstoffstahl.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) gebildet. Die Zwischenschicht weist eine Grundschicht, gebildet auf einer Substratseite, und eine Zusammensetzungsgradientenschicht (gestufte Schicht), gebildet zwischen der Grundschicht und dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC), auf, und die Zwischenschicht verbessert die Haftung zwischen der Grundschicht und dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC).
  • Spezieller umfaßt die Grundschicht ein Nitrid oder ein Carbonitrid eines Elements M, wie durch die folgende Formel (1) ausgedrückt: M1-x-yCxNy (1)(worin x und y Atomverhältnisse angeben.)
  • In der Formel umfaßt das Element M ein Element der Gruppe 4A (wie Ti, Zr oder Hf) in dem Periodensystem, ein Element der Gruppe 5A (wie V, Nb oder Ta), ein Element der Gruppe 6A (wie Cr, Mo der W), Al und Si. Außerdem gibt das Bezugszeichen M in der Formel (1) eines der Elemente oder eine Kombination von mindestens zwei der Elemente an. Die Elemente sind zum Verbessern der Haftung des Films aus amorphem Kohlenstoff (DLC) nützlich. Die Ausführungsform der Erfindung nutzt typischerweise ein Nitrid oder ein Carbonitrid des Elements M. Das Nitrid oder ein Carbonitrid des Elements M weist außerdem hohe Härte auf und ist bei hoher Temperatur sehr stabil, so daß die Veränderung der Kristallstruktur unterdrückt wird.
  • Bevorzugt ist das Element M Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al oder Si, und stärker bevorzugt W, Mo oder Ta. In der Beschreibung wird das Element M manchmal als Metall bezeichnet, ungeachtet dessen, ob es Si enthält oder nicht.
  • Wenn das Element M W oder Mo ist, wird empfohlen, daß die Grundschicht eine kubisch-raumzentrierte (bcc) Struktur (α-W-Struktur, α-Mo-Struktur oder dergleichen) aufweist. Wenn das Element M Ta ist, wird empfohlen, daß die Grundschicht eine TaN-Struktur aufweist. Ob das Element die α-W-Struktur, α-Mo-Struktur oder TaN-Struktur aufweist, wird durch Untersuchen der Kristallstruktur der Grundschicht durch Röntgenbeugung bestimmt, um zu bestimmen, ob die Intensität des Maximalpeaks der α-W-Struktur, α-Mo-Struktur oder TaN-Struktur mindestens fünfmal so groß wie die Intensität der Peaks anderer Kristallstrukturen ist.
  • In der Formel (1) ist das Atomverhältnis des Elements M (wenn das Element M mehrere Arten von Elementen umfaßt, ist es die Gesamtheit deren Atomverhältnisse, wobei das Atomverhältnis (oder die Gesamtheit der Atomverhältnisse) durch 1-x-y in der Formel (1) ausgedrückt wird) nicht besonders eingeschränkt, so lange wie es mehr als 0 beträgt, und gemäß dem Wert des Atomverhältnisses (y) von N und des Atomverhältnisses (x) von C bestimmt wird, wie später beschrieben. Jedoch kann es beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,4 bis 0,97, bevorzugt 0,5 bis 0,95 und stärker bevorzugt 0,6 bis 0,9 liegen.
  • In der Formel (1) ist N wesentlich, und das Atomverhältnis (y) von N beträgt mehr als 0. Die Stabilität der Grundschicht bei hoher Temperatur kann dadurch verbessert werden, daß N enthalten ist. Während ein bevorzugter Bereich des Atomverhältnisses (y) von N in Abhängigkeit der Art des Elements M eingestellt werden kann, beträgt es beispielsweise 0,03 oder mehr, bevorzugt 0,1 oder mehr und stärker bevorzugt 0,2 oder mehr. Während die obere Grenze von N nicht besonders eingeschränkt ist, und entsprechend in einem Bereich eingestellt werden kann, daß das Atomverhältnis von M (1-x-y) mehr als 0 beträgt, beträgt sie beispielsweise etwa 0,6 oder weniger, bevorzugt 0,5 oder weniger und stärker bevorzugt 0,4 oder weniger.
  • Andererseits ist C in der Formel (1) nicht wesentlich und das Atomverhältnis (x) von C kann 0 sein, jedoch kann es 0,05 oder mehr sein, und kann beispielsweise 0,1 oder mehr sein. Die Härte der Grundschicht kann mit der Erhöhung des Atomverhältnisses (x) von C erhöht werden. Jedoch wird, wenn C erhöht wird, die Wärmebe ständigkeit der Grundschicht verringert. Deshalb wird die obere Grenze des Atomverhältnisses (x) von C bestimmt und beträgt 0,5, bevorzugt 0,3 und stärker bevorzugt 0,2.
  • Die Dicke der Grundschicht beträgt beispielsweise 5 nm oder mehr, bevorzugt 10 nm oder mehr und stärker bevorzugt 50 nm oder mehr. Wenn die Dicke der Grundschicht erhöht wird, kann die Haftung bei hoher Temperatur oder in einem Bereich mit hoher Belastung positiver verbessert werden. Während die obere Grenze der Grundschicht nicht besonders eingeschränkt ist und entsprechend in Abhängigkeit der Anwendung, der Temperatur in der Verwendungsumgebung oder der äußeren Spannung eingestellt werden kann, beträgt sie beispielsweise etwa 100.000 nm oder weniger, bevorzugt 1.000 nm oder weniger und stärker bevorzugt 300 nm oder weniger.
  • In der Zusammensetzungsgradientenschicht, gebildet zwischen der Grundschicht und dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC), werden die Mengen des Elements M und Stickstoff (N) von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) verringert, und die Menge an Kohlenstoff (C) wird erhöht. Die Zusammensetzungsgradientenschicht kann abrupte Veränderung in der Zusammensetzung zwischen der Grundschicht und dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) verhindern, folglich die Haftung zwischen diesen sicher verbessern.
  • Die Zusammensetzungsänderung kann kontinuierlich oder schrittweise durchgeführt werden. Außerdem kann sie geradlinig oder kurvenartig durchgeführt werden. Außerdem kann eine Zusammensetzung monoton verändert werden oder kann im allgemeinen in einer fixierten Richtung verändert werden, während sie wiederholt erhöht und verringert wird. 1 zeigt einen Graphen, der ein Beispiel eines Veränderungsmusters des Verhältnisses von C in der Zusammensetzungsgradientenschicht zeigt. In einem ersten Beispiel (Nr. 1 in 1) wird das Verhältnis von C geradlinig, kontinuierlich und monoton von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) erhöht. In einem zweiten Beispiel (Nr. 2 in 1), einem dritten Beispiel (Nr. 3 in 1) und einem vierten Beispiel (Nr. 4 in 1) wird das Verhältnis von C kurvenartig, kontinuierlich und monoton von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) erhöht. Stärker bevorzugt wird in dem zweiten Beispiel (Nr. 2) C vorsichtig in einer frühen Phase und abrupt in einer Endphase von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) erhöht. In dem dritten Beispiel (Nr. 3) wird C abrupt in der frühen Phase und vorsichtig in der Endphase von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) erhöht. In dem vierten Beispiel (Nr. 4) wird C von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) vorsichtig in der frühen Phase und der Endphase erhöht, und abrupt in einer mittleren Phase. In einem fünften Beispiel (Nr. 5 in 1) wird das Verhältnis von C im allgemeinen kontinuierlich von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) erhöht, während es wiederholt erhöht und verringert wird.
  • In der Zusammensetzungsgradientenschicht erhöhen oder verringern sich das Element M und Stickstoff (N), was sich entgegengesetzt zu Kohlenstoff (C) verhält. Beispielsweise werden, wenn Kohlenstoff (C) abrupt erhöht wird, das Element M und Stickstoff (N) abrupt verringert, und wenn Kohlenstoff (C) vorsichtig erhöht wird, werden das Element M und Stickstoff (N) vorsichtig verringert.
  • Die Dicke der Zusammensetzungsgradientenschicht kann in einem Bereich eingestellt werden, wo Diskontinuität zwischen der Grundschicht und dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) verringert werden kann, und beispielsweise beträgt sie 5 nm oder mehr, bevorzugt 20 nm oder mehr und stärker bevorzugt 100 nm oder mehr. Während die obere Grenze der Dicke der Zusammensetzungsgradientenschicht nicht besonders eingeschränkt ist, beträgt sie typischerweise etwa 20.000 nm oder weniger und beispielsweise etwa 5.000 nm oder weniger, insbesondere etwa 1.000 nm oder weniger.
  • In der Ausführungsform der Erfindung kann eine Schicht, umfassend mindestens eines der Elemente M (hierin nachstehend als Metallschicht bezeichnet), zwischen dem Substrat und der Grundschicht gebildet sein. In Abhängigkeit einer Kombination der Grundschicht und der Elemente M ist die Affinität zwischen dem Substrat und der Grundschicht manchmal niedrig, was zu einer geringen Wirkung der Verbesserung der Haftung des Films aus amorphem Kohlenstoff (DLC) führt. Durch Bilden der Metallschicht kann die Haftung des Films aus amorphem Kohlenstoff (DLC) ausreichend verbessert werden.
  • Ein bevorzugtes Element M in der Metallschicht unterscheidet sich in Abhängigkeit der Art des Substrats. In dem Fall eines Eisen-basierenden Substrats, ist das bevorzugte Element M in der Metallschicht (wenn eine Vielzahl von Metallschichten vorliegt, wie später beschrieben, ein Element M einer Metallschicht an einer Seite, wo die Metallschichten mit dem Substrat kontaktiert werden) Cr. In dem Fall eines Substrats aus Sinterhartmetall ist das bevorzugte Element M der Metallschicht (wenn eine Vielzahl von Metallschichten vorliegt, ein Element M einer Metallschicht auf einer Seite, wo die Metallschichten mit dem Substrat kontaktiert werden) W.
  • Eine Vielzahl von Metallschichten kann gebildet werden. Außerdem kann eine Zusammensetzungsänderungsreduktionsschicht zwischen der Vielzahl von Metallschichten gebildet werden. Die Zusammensetzungsänderungsreduktionsschicht umfaßt eine Zusammensetzungsgradientenschicht (gestufte Schicht) zur kontinuierlichen oder schrittweisen Änderung einer Zusammensetzung, oder eine Mischschicht mit einer Mittelzusammensetzung zwischen den Metallschichten auf beiden Seiten. Beispielsweise ist es akzeptabel, daß eine Cr-Schicht auf dem Substrat gebildet wird, dann eine Schicht (Zusammensetzungsgradientenschicht), bei der eine Zusammensetzung allmählich von Cr zu W verändert wird, gebildet wird, und dann eine W-Schicht darauf gebildet wird.
  • Die Dicke der Metallschicht (im Falle einer Vielzahl von Metallschichten zeigt sie ihre Gesamtdicke, und im Falle, daß ferner die Zusammensetzungsänderungsreduktionsschicht enthalten ist, zeigt sie die Gesamtdicke der Metallschichten und der Zusammensetzungsänderungsreduktionsschicht, wie ebenso nachstehend gezeigt) beträgt beispielsweise mehr als 0 nm, bevorzugt 5 nm oder mehr und stärker bevorzugt 10 nm oder mehr. Wenn jedoch die Metallschicht übermäßig dick ist, werden die Filme, einschließlich der Grundschicht, Zusammensetzungsgradientenschicht und des Films aus amorphem Kohlenstoff (DLC), insgesamt gewöhnlich durch äußere Kraft signifikant verändert, infolgedessen gewöhnlich Risse oder eine Trennung in der Beschichtung auftreten. Deshalb beträgt die obere Grenze der Dicke der Metallschicht beispielsweise 1.000 nm oder weniger, bevorzugt 500 nm oder weniger und stärker bevorzugt 100 nm oder weniger (insbesondere 50 nm oder weniger).
  • Sowohl die Metallschicht, Grundschicht, Zusammensetzungsgradientenschicht als auch der Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) können durch entsprechendes Einstellen eines Targets und eines Abscheidungsgases in einem unkompensierten Magnetronsputtervorgang gebildet werden.
  • Da ein Stapelfilm (auf amorphem Kohlenstoff basierender, harter Mehrschichtfilm), einschließlich der Grundschicht, Zusammensetzungsgradientenschicht und dem Film aus amorphem Kohlenstoff (DLC) (und Metallschicht, wenn notwendig), ein Nitrid oder ein Carbonitrid in der Grundschicht und der Zusammensetzungsgradientenschicht nutzt, weist er ausgezeichnete Haftung an das Substrat sogar bei hoher Temperatur oder in einem Bereich mit hoher Belastung auf. Deshalb kann ein Substrat mit dem darauf gebildeten auf amorphem Kohlenstoff basierenden, harten Mehrschichtfilm vorteilhafter für Gleitkörper, Stanzen, Schneidwerkzeuge (insbesondere Schneidwerkzeuge für eisenfreie Metalle), abriebbeständige Maschinenteile, Scheuermittel, magnetische/optische Komponenten und dergleichen verwendet werden.
  • Beispiele
  • Während die Ausführungsform der Erfindung mit den nachstehenden Beispielen ausführlicher beschrieben wird, ist es selbstverständlich, daß die Ausführungsform der Erfindung durch die folgenden Beispiele nicht eingeschränkt wird und offensichtlich durchgeführt werden kann, während sie entsprechend innerhalb des Umfangs, wo sie das Wesentliche, wie zuvor und nachstehend beschrieben, erfüllt, verändert oder modifiziert werden kann, und jede dieser Veränderungen oder Modifikationen ist in dem technischen Umfang der Ausführungsform der Erfindung enthalten.
  • Beispiel 1
  • Eine unkompensierte Magnetronsputtervorrichtung mit vier Verdampfungsquellen (6 Inch im Targetdurchmesser) wurde verwendet, und ein Target, einschließlich jedes der Elemente M, die in der folgenden Tabelle 1 gezeigt werden, wurde für zwei Verdampfungsquellen montiert, und ein Kohlenstofftarget wurde für die restlichen zwei Verdampfungsquellen montiert. Spiegel-polierte Substrate (Sinterhartmetall-Substrat (JIS-P20) und Schnellarbeitsstahl-Substrat (JIS-SKH51, HRC63)) wurden der Ultraschallreinigung in Ethanol unterzogen, und dann auf eine Drehscheibe in einer Kammer der Sputtervorrichtung montiert. Die Kammer wurde evakuiert (auf einen Druck von 1 × 10–3 Pa), und die Substrate wurden auf etwa 200°C erhitzt und dann durch Ar-Ionen geätzt.
  • Dann wurden eine Grundschicht, Zusammensetzungsgradientenschicht und DLC-Schicht, wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt, in dieser Reihenfolge wie folgt gebildet.
  • Grundschicht
  • Ein vorbestimmtes, atmosphärisches Gas wurde in die Kammer eingeführt, und jedes der Targets, einschließlich des Elements M, wurde mit einer elektrischer Leistung von 2 kW zum Sputtern versorgt, wodurch eine Grundschicht auf einer Oberfläche von jedem der Substrate gebildet wurde. Das atmosphärische Gas wurde wie folgt in Abhängigkeit der Art der Grundschicht genau verwendet.
    • 1-1) In dem Fall von nur einem Element M (wie Cr oder W): Ar-Gas Gesamtdruck: 0,6 Pa
    • 1-2) In dem Fall eines Carbids des Elements M (wie TiC): Ar-CH4-Mischgas Ar/CH4 = 6/4 (Volumenverhältnis) Gesamtdruck: 0,6 Pa
    • 1-3) In dem Fall eines Nitrids des Elements M (wie ZrN, TaN, CrN, WN, MoN, AlN oder WMoN): Ar-N2-Mischgas Ar/N2 = 7/3 (Volumenverhältnis) Gesamtdruck: 0,6 Pa
    • 1-4) In dem Fall eines Carbonitrids des Elements M (wie TiCN, VCN oder SiCN) Ar-N2-CH4-Mischgas Ar/N2/CH4 = 5/2/3 (Volumenverhältnis) Gesamtdruck: 0,6 Pa
  • 2) Zusammensetzungsgradientenschicht
  • Das Kohlenstofftarget wurde mit einer elektrischen Leistung von 0,05 kW versorgt. Danach wurde die elektrische Leistung für das Kohlenstofftarget allmählich monoton erhöht, und schließlich wurden 2,5 kW angelegt. Gleichzeitig mit der Erhöhung der elektrischen Leistung für das Kohlenstofftarget wurde die elektrische Leistung für das Target, einschließlich des Elements M, allmählich monoton verringert, und schließlich wurden 0 kW angelegt. Außerdem wurde das Verhältnis von N2 in dem atmosphärischen Gas allmählich monoton verringert, und gleichzeitig wurde das Verhältnis von CH4 allmählich monoton erhöht, und schließlich wurde das Ar-CH4-Mischgas (Ar/CH4 = 9/1 (Volumenverhältnis), Gesamtdruck: 0,6 Pa) erhalten.
  • 3) DLC-Schicht
  • Ein vorbestimmtes, atmosphärisches Gas wurde in die Kammer eingeführt, und das Target, einschließlich des Elements M, und das Kohlenstofftarget wurden mit einer vorbestimmten elektrischen Leistung zum Sputtern versorgt, wodurch eine DLC-Schicht gebildet wurde. Das atmosphärische Gas und die Zufuhrleistung wurden wie folgt in Abhängigkeit der Art der DLC-Schicht genau verwendet.
    • 3-1) In dem Fall von nur Kohlenstoff: Zufuhrleistung für Kohlenstofftarget: 2,5 kW Zufuhrleistung für Target des Elements M: 0 kW Ar-CH4-Mischgas Ar/CH4 = 9/1 (Volumenverhältnis) Gesamtdruck: 0,6 Pa
    • 3-2) In dem Fall von DLC, enthaltend Element M (wie W-enthaltendes DLC): Zufuhrleistung für Kohlenstofftarget: 2,5 kW Zufuhrleistung für Target des Elements M: 0,5 kW (in dem Fall, daß das Element M W ist) Ar-CH4-Mischgas Ar/CH4 = 9/1 (Volumenverhältnis) Gesamtdruck: 0,6 Pa
  • Eine Ritzprüfung wurde durchgeführt, um die Haftung der erhaltenen DLC-Schichten zu bewerten. In der Ritzprüfung wurde, während eine Probe bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 10 mm/min bewegt wurde, eine Oberfläche der Probe durch einen Diamanteindringkörper gedrückt, dessen Spitze einen Krümmungshalbmesser von 200 μm aufweist. Während die Drucklast bei einer Laststeigerungsgeschwindigkeit von 100 N/min (maximale Last 100 N) erhöht wurde, wurde die Last, bei der Aufspaltung in einer Beschichtung zu beobachten war (kritische Last), untersucht.
  • Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. Die Dicke jeder Schicht wurde durch TEM-Beobachtung eines Querschnitts einer Probe bestimmt.
  • Figure 00140001
  • Wie aus dem Vergleich zwischen Nr. 2, 3 und 4 und Nr. 5, 9 und 10 in Tabelle 1 hervorgeht, wird beim Vergleich des Falls, daß die Grundschicht und die Zusammensetzungsgradientenschicht keine N-Atome (Nr. 2, 3 und 4) enthalten, zu dem Fall, daß sie N-Atome enthalten (Nr. 5, 9 und 10), die Haftung der DLC-Schicht verbessert. Die Wirkung der Verbesserung der Haftung der DLC-Schicht dadurch, daß N-Atome in der Grundschicht und der Zusammensetzungsgradientenschicht enthalten sind, wird in verschiedenen Arten von Elementen M erreicht (Nr. 6 bis 8 und 11 bis 15).
  • Beispiel 2
  • Eine Grundschicht, Zusammensetzungsgradientenschicht und DLC-Schicht, wie in der folgenden Tabelle 2 gezeigt, wurden gebildet und in derselben Weise wie in Beispiel 1 bewertet. Die Kristallstruktur der Grundschicht wurde durch Röntgenbeugung (CuKα-Linie, 40 kV-40 mA) unter Verwendung des θ-2θ-Verfahrens untersucht, und die Kristallstruktur, die dem Peak mit der höchstens Intensität entspricht, wurde als die Kristallstruktur der Grundschicht bestimmt.
  • Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt. In der Tabelle zeigt jede Probe, in der die Kristallstruktur der Grundschicht die α-W-Struktur, α-Mo-Struktur oder TaN-Struktur sein soll, die Intensität des Maximalpeaks der α-W-Struktur, α-Mo-Struktur oder TaN-Struktur, die mindestens fünfmal so groß wie die Intensität der Peaks anderer Kristallstrukturen ist, zeigt.
  • Figure 00160001
  • Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, wird, wenn die Grundschicht die α-W-Struktur, α-Mo-Struktur oder TaN-Struktur aufweist, die Haftung weiter verbessert im Vergleich zu dem Fall, daß die Grundschicht eine andere Kristallstruktur aufweist.
  • In Nr. 10 in Tabelle 2 wurde eine Beschichtung, die auf dem Substrat des Sinterhartmetalls (WC-Co) gebildet wurde, dem Sputtern unterzogen, und eine Zusammensetzung, entsprechend der Sputtertiefe, wurde durch Auger-Spektroskopie gemessen. Die Ergebnisse werden in 2 gezeigt. Wie aus 2 hervorgeht, wurde die Zusammensetzungsgradientenschicht in der Zusammensetzung ebenso wie in dem Typ 1 von 1 verändert.
  • Beispiel 3
  • Eine Grundschicht, Zusammensetzungsgradientenschicht und DLC-Schicht, wie in der folgenden Tabelle 3 gezeigt, wurden gebildet und in derselben Weise wie in Beispiel 1 bewertet. In den Proben von Nr. 19 bis 23 wurde ein Zusammensetzungsänderungsmuster der Zusammensetzungsgradientenschicht verschieden verändert, wie in 1 gezeigt.
  • Figure 00180001
  • Wie aus Nr. 1 bis 5 in Tabelle 3 hervorgeht, ist die Haftung in dem Fall ausgezeichnet, daß eine Zusammensetzung der Grundschicht ein Carbonitrid oder ein Nitrid von dem Element M umfaßt, im Vergleich zu dem Fall, daß es ein Carbid von dem Element M umfaßt. Außerdem wird, wie aus Nr. 6 bis 18 in Tabelle 3 hervorgeht, die Haftung mit der Erhöhung der Dicke der Grundschicht oder der Zusammensetzungsgradientenschicht verbessert. Außerdem kann, wie aus Nr. 19 bis 23 in Tabelle 3 hervorgeht, sogar wenn das Zusammensetzungsänderungsmuster der Zusammensetzungsgradientenschicht verschieden verändert wird, die Haftung der DLC-Schicht verbessert werden.
  • Beispiel 4
  • Nr. 1 bis 17
  • Jedes Target X, gezeigt in der folgenden Tabelle 4, ein Target, einschließlich eines Elements M, gezeigt in der folgenden Tabelle 4, und ein Kohlenstofftarget wurden für Verdampfungsquellen der unkompensierten Magnetronsputtervorrichtung montiert. Spiegel-polierte Substrate (Sinterhartmetall-Substrat (JIS-P20) und Schnellarbeitsstahl-Substrat (JIS-SKH51, HRC63)) wurden der Ultraschallreinigung in Ethanol unterzogen, dann auf eine Drehscheibe in einer Kammer der Sputtervorrichtung montiert. Die Kammer wurde evakuiert (auf einen Druck von 1 × 10–3 Pa) und die Substrate wurden auf etwa 200°C erhitzt und dann durch Ar-Ionen geätzt.
  • Ar-Gas (0,6 Pa) wurde in die Kammer eingeführt, und das Target X wurde mit einer elektrischen Leistung von 2 kW zum Sputtern versorgt, wodurch eine Metallschicht auf den Oberflächen der Substrate gebildet wurde. Dann wurden eine Grundschicht, Zusammensetzungsgradientenschicht und DLC-Schicht, wie in der folgenden Tabelle 4 gezeigt, in dieser Reihenfolge in derselben Weise wie in Beispiel 1 gebildet.
  • Nr. 18
  • Nr. 18 wurde in derselben Weise wie Nr. 7 gebildet, außer daß eine erste Metallschicht, einschließlich Cr, und eine zweite Metallschicht, einschließlich W, gebildet wurden, außerdem eine Zusammensetzungsgradientenschicht (gestufte Schicht), in der von der ersten Metallschicht zu der zweiten Metallschicht Cr abnimmt und W zunimmt, zwischen der ersten und der zweiten Metallschicht gebildet wurde.
  • Figure 00210001
  • Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, kann die Haftung der DLC-Schicht weiter durch Bilden der Metallschicht/-schichten verbessert werden.

Claims (5)

  1. Auf amorphem Kohlenstoff basierender, harter Mehrschichtfilm, gebildet auf einem Substrat, umfassend eine Grundschicht, gebildet auf einer Substratseite; eine Oberflächenschicht, gebildet auf einer Oberflächenseite; und eine Zusammensetzungsgradientenschicht, gebildet zwischen der Grundschicht und der Oberflächenschicht, wobei die Grundschicht ein Nitrid oder ein Carbonitrid eines Elements M, ausgedrückt durch die folgende Formel (1), umfaßt, die Oberflächenschicht einen Film aus amorphem Kohlenstoff, enthaltend C mit 50 Atomprozent oder mehr, umfaßt und die Zusammensetzungsgradientenschicht eine Schicht ist, bei der von der Grundschicht zu dem Film aus amorphem Kohlenstoff das Element M und Stickstoff abnehmen und Kohlenstoff zunimmt: M1-x-yCxNy (1)worin M mindestens eines ist, ausgewählt aus einem Element der Gruppe 4A des Periodensystems, einem Element der Gruppe 5A, einem Element der Gruppe 6A, Al und Si; und worin x und y die Atomverhältnisse angeben, und x 0,5 oder weniger ist, y 0,03 oder mehr ist, und 1-x-y mehr als 0 ist.
  2. Auf amorphem Kohlenstoff basierender, harter Mehrschichtfilm nach Anspruch 1, wobei das Element M mindestens eines umfaßt, ausgewählt aus Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al und Si.
  3. Auf amorphem Kohlenstoff basierender, harter Mehrschichtfilm nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Element M mindestens eines umfaßt, ausgewählt aus W, Mo und Ta, und die Intensität des Maximalpeaks der α-W-Struktur, α-Mo-Struktur oder TaN-Struktur mindestens fünfmal so groß wie die Intensität der Peaks anderer Kristallstrukturen ist, wenn die Kristallstruktur der Grundschicht durch Röntgenbeugung untersucht wird.
  4. Auf amorphem Kohlenstoff basierender, harter Mehrschichtfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schicht eines Elements, umfassend mindestens eines, ausgewählt aus einem Element der Gruppe 4A in dem Periodensystem, einem Element der Gruppe 5A, einem Element der Gruppe 6A, Al und Si, zwischen dem Substrat und der Grundschicht gebildet ist.
  5. Teil mit harter Oberfläche, umfassend ein Substrat und den auf amorphem Kohlenstoff basierenden, harten Mehrschichtfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der auf einer Oberfläche des Substrats gebildet ist.
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