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Die
Erfindung betrifft eine harte Beschichtung bzw. Hartschicht mit
ausgezeichneter Gleiteigenschaft, die auf entsprechenden Oberflächen
von zum Beispiel einer Matrize bzw. Gesenk bzw. Ziehdüse
zum Metallformen, einer Spannvorrichtung zum Metallbearbeiten, gebildet wird,
und ein Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung.
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In
Verbindung mit der Matrize bzw. Gesenk bzw. Ziehdüse zum
Metallformen und der Spannvorrichtung zum Metallbearbeiten gab es
seither Fortschritte bei der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit
und Festfressbeständigkeit, was durch Nitrieren bzw. Nitridbildung
bewirkt wird. Die Verbesserung der Verschleißbeständigkeit
und Festfressbeständigkeit, die durch ein Dampfphasen-Beschichtungsverfahren,
wie PVD, anstelle des Nitrierens, bewirkt werden soll, wurde unlängst
untersucht.
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Zum
Beispiel wurde in Patent-Dokument 1 eine Technologie zur Verbesserung
der Gleiteigenschaft durch Bilden einer Beschichtung beschrieben,
die aus Verbundnitrid, das mindestens zwei Arten von Metallnitriden,
unter Nitriden von Cr, Ti, Al und V, enthält, zusammengesetzt
ist. Weiterhin wurde in Patent-Dokument 2 und Patent-Dokument 3
eine Technologie zur Verbesserung der Gleiteigenschaft durch Bilden
einer Primärbeschichtung beschrieben, die aus mindestens
einer Art von Nitrid, Carbid und Nitrierungs-Carbid zusammengesetzt
ist, die eine Art oder mehrere von metallischen Elementen enthält,
ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ti, V, Cr, Al
und Si, als Primärbestandteil, und Bilden einer äußersten
Beschichtung, die hauptsächlich aus Ti, V, Cr, Al, Si und
Cu zusammengesetzt ist, oder einer äußersten Beschichtung,
die ein Sulfid umfasst, das eine Art oder mehr von Elementen unter
Ti und Cr, und Mo als Rest, enthält, auf der Oberfläche
der Primärbeschich tung. Weiterhin wurde in Patent-Dokument
4 eine Technologie zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit
und Festfressbeständigkeit durch Bilden einer Oberflächenbeschichtung,
die aus einer Verbindung zusammengesetzt ist, die Molybdändisulfid,
oder Molybdändisulfid als einen Primärbestandteil, enthält,
auf der Oberfläche der Primärbeschichtung von
einer Beschichtung mit hoher Härte, die TiN, TiCN, CrN
usw. umfasst, beschrieben.
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Weiterhin
gibt Patent-Dokument 5 eine Erfindung wieder, für die der
Anmelder der vorliegenden Erfindung bereits die Anmeldung zum Patent
eingereicht hat. In Patent-Dokument 5 wurde eine Technologie zum Verbessern
der Verschleißbeständigkeit und Festfressbeständigkeit
durch Bilden einer Beschichtung der Zusammensetzung, ausgedrückt
durch (XcMi1-c)(BaCbN1-a-b)
(worin M mindestens eine Art von Element unter W und V bedeutet,
X mindestens eine Art von Element anzeigt, ausgewählt aus
Elementen der Gruppen 4A, 5A und 6A des Periodensystems, und der
Gruppe, die aus Elementen Al, Si, Fe, Co und Ni besteht, während
c, 1-c, a, b, 1-a-b Atomverhältnisse von X, M, B, C bzw.
N bedeuten), offenbart.
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Die
aus dem Verbundnitrid, das mindestens zwei Arten von Metallnitriden
enthält, ausgewählt unter den Nitriden von Cr,
Ti, Al und V, wie in Patent-Dokument 1 beschrieben, zusammengesetzte
Beschichtung ist eine Beschichtung, die in der Härte hoch
ist und in der Verschleißbeständigkeit ausgezeichnet,
jedoch ist die Beschichtung in der Festfressbeständigkeit
unbefriedigend, und ist deshalb nicht in der Lage, der Anwendung bei
scharfen Umgebungen, wie Kunststoffbearbeiten unter hohem Kontaktdruck,
zu widerstehen. Außerdem ist die Beschichtung, umfassend
die Primarbeschichtung, die aus mindestens einer Art von Nitrid,
Carbid und nitrierendem Carbid zusammengesetzt ist, die eine Art
oder mehrere von den metallischen Elementen, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Ti, V, Cr, Al und Si, als Primärbestandteil,
enthält, und die äußerste Beschichtung,
die hauptsächlich aus Ti, V, Cr, Al, Si und Cu zusammengesetzt
ist, die auf der Oberfläche der Primärbeschichtung
gebildet wird, wie in Patent-Dokument 2 beschrieben, auch in der
Härte hoch und in der Verschleißbeständigkeit
ausgezeichnet, wie es bei der Beschichtung der Fall ist, die in
Patent-Dokument 1 beschrieben wurde, jedoch ist die Beschichtung
in der Festfressbeständigkeit schlechter. Zudem wird die
Beschichtung, die in Patent-Dokumenten 3 bzw. 4 beschrieben wird,
mit der äußersten Schicht versehen, die aus dem
Sulfid zusammengesetzt ist, das für den Zweck der Verbesserung
der Festfressbeständigkeit gebildet wird. Da das Sulfid
relativ weich ist, ist diese Beschichtung in der Gleiteigenschaft
am Beginn der Anwendung sicherlich ausgezeichnet, jedoch unterliegt
die Beschichtung während der Anwendung mit der Zeit Verschleiß, was
deshalb ein Problem hinsichtlich der Langzeitdauerhaftigkeit aufwirft.
- [Patent Dokument 1] JP-A
Nr. 2000-144376
- [Patent Dokument 2] JP-A
Nr. 2002-307129
- [Patent Dokument 3] JP-A
Nr. 2002-307128
- [Patent Dokument 4] JP-A
Nr. 2000-1768
- [Patent Dokument 5] JP-A
Nr. 2006-124818
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Die
Erfindung wurde bei einem Versuch entwickelt, um Probleme, denen
man in der Vergangenheit begegnet ist, zu lösen, und es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine harte Beschichtung
bereitzustellen, die in der Gleiteigenschaft ausgezeichnet, festfressbeständig
und in der Lage ist, ausgezeichnete Gleiteigenschaft, selbst nach
Anwendung über eine lange Zeit, beizubehalten. Eine weitere
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das
die harte Beschichtung mit ausgezeichneter Gleiteigenschaft in einer
kurzen Zeit herstellen kann.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine harte Beschichtung mit ausgezeichneter
Gleiteigenschaft als eine harte Beschichtung, ausgedrückt
durch eine chemische Formel MxBaCbNc, bereitgestellt,
worin M mindestens eine Art von metallischem Element, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Elementen in den Gruppen 4A, 5A und
6A des Periodensystems, und Si, Al, darstellt, wobei die harte Beschichtung
eine chemische Zusammensetzung aufweist, die den jeweiligen Formeln
genügt, ausgedrückt durch 0 ≤ a ≤ 0,2;
0 ≤ c ≤ 0,2; 0 < x – a – c;
x – a – c < b ≤ 0,9;
0,05 ≤ x < 0,5
und x + a + b + c = 1, worin x, a, b und c Atomverhältnisse von
M, B, C bzw. N bedeuten.
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Sowohl
das Atomverhältnis a, als auch das Atomverhältnis
c, können 0 sein, wobei einer durch 0,1 ≤ x ≤ 0,4
ausgedrückten Formel genügt wird.
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M,
wie vorstehend, kann W sein, wobei den jeweiligen Formeln, ausgedrückt
durch 0 ≤ a ≤ 0,12, 0,5 < b ≤ 0,8, 0,01 ≤ c < 0,15 und 0,2 ≤ x < 0,5, genügt
wird.
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Die
harte Beschichtung hat vorzugsweise eine Kristallstruktur, die ein
Gemisch von δ-WN und WC 1-x einschließt.
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Die
Erfindung stellt in ihrem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Bilden
der harten Beschichtung auf der Oberfläche eines Substrats
bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst von Herstellen
eines Metalltargets, das aus einem metallischen Element M zusammengesetzt
ist, oder eines komplexen Targets, das aus dem metallischen Element
M und B zusammengesetzt ist; Verwenden des Metalltargets oder des
komplexen Targets in einer Atmosphäre von einem Gemisch
von Ar und einem Kohlenwasserstoffgas, oder einem Gemisch von Ar,
dem Kohlenwasserstoffgas und Stickstoffgas, innerhalb eines Kathodenbogen-Ionenplattierungssystems;
und Bilden von magnetischen Feldlinien, die im Wesentlichen rechtwinklig
zu einer Verdampfungsfläche des Targets sind, und vorwärts
divergieren, oder parallel zueinander verlaufen, wodurch die harte Beschichtung
auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.
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Das
metallische Element M kann Ti oder V sein, und das Kohlenwasserstoffgas
stellt Methangas (CH4) dar, und eine Beziehung
zwischen einem Methanpartialdruck (Pa) und einer Bogenstromdichte
(A/cm2) genügt vorzugsweise einer
Formel, die durch einen Methanpartialdruck (Pa) > 0,163 + 1,44 × Bogenstromdichte (A/cm2) ausgedrückt wird.
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Weiterhin
kann das Verfahren die Schritte des Herstellens eines Target, das
aus WC zusammengesetzt ist, umfassen, nämlich Verwenden
des Targets, das aus WC zusammengesetzt ist, in einer Atmosphäre von
einem Gemisch, das ein Kohlenstoff enthaltendes Gas und Stickstoff
enthält, in einem Kathodenbogen-Ionenplattierungssystem;
und Bilden von magnetischen Feldlinien, die im Wesentlichen rechtwinklig
zu einer Verdampfungsfläche des Targets sind und vorwärts
divergieren oder parallel zueinander verlaufen, wodurch die harte
Beschichtung auf der Oberfläche des Substrats gebildet
wird.
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Bei
der harten Beschichtung zeigt sich gemäß dem einen
Aspekt der Erfindung, die in der Gleiteigenschaft ausgezeichnet
ist, Verschleißbeständigkeit im Ergebnis der Bildung
von einem Carbid des metallischen Elements M, und weiterhin kann
ausgezeichnete gleitfähige Eigenschaft, wie geringes μ durch
die Erzeugung von freiem Kohlenstoffbestandteil, der nicht mit dem
metallischen Element M reagiert, erhalten werden. Das heißt,
es ist möglich, die harte Beschichtung zu erhalten, die
ausgezeichnet in der Verschleißbeständigkeit ist, festfressbeständig
ist und ausgezeichnete Gleiteigenschaft, selbst nach Anwendung über
einen langen Zeitraum, aufweist.
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Bei
der harten Beschichtung kann gemäß einer Variante
nach dem einen Aspekt der Erfindung der C-Gehalt in der Beschichtung
relativ erhöht werden, wodurch der Reibungskoeffizient
in einem niedrigeren Temperaturbereich, insbesondere unter 400°C,
effektiver gesenkt wird, und eine Verminderung der Verschleißmenge
erzielt wird.
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Bei
der harten Beschichtung ist es gemäß einer weiteren
Variante nach dem einen Aspekt der Erfindung möglich, die
harte Beschichtung zu erhalten, die in der Schmierfähigkeit
ausgezeichnet ist, sehr hart ist, in der Verschleißbeständigkeit
ausgezeichnet ist, festfressbeständig ist, und selbst nach
der Anwendung über einen langen Zeitraum ausgezeichnete
gleitende Eigenschaft aufweist.
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Bei
der harten Beschichtung kann gemäß noch einer
weiteren Variante nach dem einen Aspekt der Erfindung WC 1-x, das
in der Gleiteigenschaft ausgezeichnet ist, und δ-WN, das
in der Verschleißbeständigkeit ausgezeichnet ist,
in der harten Beschichtung erzeugt werden, sodass es möglich
ist, die harte Beschichtung zu erhalten, die im Ausgleich zwischen
der Gleiteigenschaft und der Verschleißbeständig keit
ausgezeichnet ist.
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Bei
dem Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung ist es gemäß dem
weiteren Aspekt der Erfindung möglich, durch Zuführen
eines Kohlenwasserstoffgases und anderer Gase in einem Zustand,
wie mit einem Magnetfeld zum Bilden von magnetischen Feldlinien
angewendet, die im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Verdampfungsseite
von einem Target und vorwärts divergieren, oder parallel
zueinander verlaufen, jene Gase, die in der Beschichtung eingefangen
werden sollen, zu ionisieren, um dadurch den C-Gehalt zu erhöhen,
sodass die harte Beschichtung, die in der Gleiteigenschaft ausgezeichnet
ist, in einem kurzen Zeitraum gebildet werden kann.
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Bei
dem Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung ist es gemäß einer
Variante von dem weiteren Aspekt der Erfindung möglich,
den C-Gehalt der Beschichtung auf nicht weniger als ein geeignetes
Atomverhältnis einzurichten, sodass freier C-Bestandteil
nicht in Reaktion mit Ti fehlerfrei erzeugt werden kann.
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Bei
dem Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung wird gemäß einer
weiteren Variante nach dem weiteren Aspekt der Erfindung Filmbildung
durch Verwendung eines Targets, das aus WC besteht, in einer Atmosphäre
von einem Gemisch, das ein Kohlenstoff enthaltendes Gas und Stickstoff
enthält, innerhalb eines Bogen-Ionen-Plattierungssystems
ausgeführt, wodurch die harte Beschichtung mit ausgezeichneter
Gleiteigenschaft sehr stabil in einem kurzen Zeitraum gebildet werden
kann.
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Ausführungsform(en)
der vorliegenden Erfindung wird/werden im Einzelnen, bezogen auf
die nachstehenden Figuren, beschrieben, worin:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht darstellt, die ein Beispiel eines
Kathoden-Bogen-Ionenplattierungssystems zur Verwendung bei der Bildung
einer erfindungsgemäßen harten Beschichtung zeigt;
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel von einer
Applikations-Verdampfungsquelle von dem Bogen-Ionenplattierungssystem
zeigt;
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel
der Applikations-Verdampfungsquelle von dem Bogen-Ionenplattierungssystem
zeigt;
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4 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die eine Applikations-Verdampfungsquelle
von einem herkömmlichen Bogen-Ionenplattierungssystem zeigt;
und
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5 ist
eine erläuternde Ansicht, wobei eine Beziehung zwischen
Methanpartialdruck und Bogenstromdichte in dem Fall, wenn ein metallisches
Element M Ti darstellt, und ein Kohlenwasserstoffgas Methan-(CH4)-Gas darstellt, aufgetragen ist.
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Die
Erfindung wird hierin nachstehend mit Bezug auf die Ausführungsformen
davon genauer beschrieben.
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Eine
harte Beschichtung gemäß der Erfindung bezieht
sich auf eine harte Beschichtung, die durch die chemische Formel
MxBaCbNc ausgedrückt werden kann, worin
M mindestens eine Art von metallischem Element, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Elementen in den Gruppen 4A, 5A und
6A des Periodensystems, und Si, Al, darstellt, wobei die harte Beschichtung
eine chemische Zusammensetzung aufweist, die den jeweiligen Formeln
genügt, ausgedrückt durch 0 ≤ a ≤ 0,2;
0 ≤ c ≤ 0,2; 0 < x – a – c;
x – a – c < b ≤ 0,9; 0,05 ≤ x < 0,5 und x + a +
b + c = 1. Der Grund, warum die Zusammensetzung der harten Beschichtung,
wie M, B, C und N, wie vorstehend beschränkt sind, ist
wie nachstehend beschrieben.
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Zahlenwerte
x, a, b und c bedeuten entsprechende Atomverhältnisse von
M, B, C und N, und ein Zahlenwert, der die Summe von allen Atomverhältnissen
wiedergibt, ist 1 (das heißt, macht 100% aus) (x + a +
b + c = 1).
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Zuerst
sind die Erfordernisse für die harte Beschichtung gemäß der
Erfindung jene, dass die harte Beschichtung eine Zusammensetzung
aufweist, die es derselben er möglicht, in der Verschleißbeständigkeit
ausgezeichnet zu sein, durch Bilden eines Carbids von einem metallischen
Element M, wie in dem Absatz beschrieben, der die Wirkung der Erfindung
betrifft, und, um ausgezeichnete Gleitfähigkeitseigenschaft
anzunehmen, wie niedriges μ, durch Erzeugen eines freien
Kohlenstoffbestandteils C, der nicht mit dem metallischen Element
M reagiert.
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Wenn
Reaktivitäten von B, C bzw. N mit einem metallischen Element
M berücksichtigt werden, ist die Reaktivität von
dem metallischen Element M mit B bzw. N intensiver als die Reaktivität
davon mit C, sodass, wenn B, C und N gleichzeitig zugegeben werden,
zuerst vorwiegend Nitrid und Borid erzeugt werden, und anschließend
durch das restliche metallische Element M, das mit C reagiert, Carbid
erzeugt wird. Folglich ist die Bildung von Carbid, das aus dem metallischen
Element M und C zusammengesetzt ist, abhängig von dem Atomverhältnis
des restlichen metallischen Elements M, das nicht mit C reagiert,
das durch Deduzieren der Atomverhältnisse a, c von B, N
aus dem Atomverhältnis x des metallischen Elements M erhalten
wird; das heißt, x – a – c ist größer
als 0. (0 < x – a – c)
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Weiterhin
sind die Erfordernisse zur Erzeugung des freien Kohlenstoffbestandteils
C jene, dass ein Atomverhältnis von einem Teil des metallischen
Elements M, das nicht mit B und N reagiert, nämlich x – a – c, erhalten
durch Deduzieren der Atomverhältnisse a, c von B, N entsprechend
aus dem Atomverhältnis x des metallischen Elements M, kleiner
als das Atomverhältnis b von C ist. (x – a – c < b)
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Wenn
der Fall, bei dem B und N nicht zugegeben werden, in Betracht gezogen
wird, darf das Atomverhältnis von C nicht weniger als 0,5
sein, um die Erfordernisse für x – a – c < b, fehlerfrei zu
erfüllen. Das Atomverhältnis von C ist bevorzugter
nicht, weniger als 0,7. Wenn das Atomverhältnis b von C
jedoch 0,9 übersteigt, wird dies das Atomverhältnis
x von dem metallischen Element M relativ niedriger gestalten, sodass
die jeweiligen Anteile von Metallcarbid, Metallnitrid und Metallborid,
die eine Rolle beim Erhöhen der Verschleißbeständigkeit
spielen, relativ niedrig werden. Das Atomverhältnis von
C darf deshalb nicht mehr als 0,9 (b ≤ 0,9) sein. Das Atomverhältnis
von C ist bevorzugter nicht mehr als 0,8.
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Das
Nitrid von dem metallischen Element M und das Borid von dem metallischen
Element M sind thermisch stabil, verglichen mit dem Carbid von dem
metallischen Element M und, da eine Zugabe von B und N die Wärmebeständigkeit
der Beschichtung verbessern kann, ist die Zugabe von B und N effektiv.
Wenn B und N jeweils oberhalb von 0,2 im Atomverhältnis
zugegeben werden, wird dies jedoch veranlassen, dass das Atomverhältnis
b von C relativ niedrig wird, sodass die entsprechenden Atomverhältnisse
a, c von B und N auf nicht mehr als 0,2 eingestellt werden. Außerdem
ist die Zugabe von B und N zum Erhöhen des Atomverhältnisses
b von C nicht unbedingt erforderlich, und die jeweiligen Atomverhältnisse
a, c von B und N können beide 0 sein. (0 ≤ a ≤ 0,2,
0 ≤ c ≤ 0,2)
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Nun
hat die Zugabe von B und N Wirkungen auf die Verschleißbeständigkeit,
obwohl ein Ausmaß solcher Wirkungen gemäß einem
Temperaturbereich variieren wird, in dem die Matrize bzw. Gesenk
bzw. Ziehdüse bzw. Spannvorrichtung mit der darauf abgeschiedenen
harten Beschichtung verwendet werden. Die Wirkungen in einem Temperaturbereich
niedriger als 400°C ist nicht so signifikant, jedoch hat
die Zugabe von B und N sicherlich Wirkungen auf die Verbesserung
in der Verschleißbeständigkeit in einem Temperaturbereich bei
400°C oder höher. Folglich ist die Zugabe von
B und N für die Beschichtung, die auf einer Matrize bzw. Gesenk
bzw. Ziehdüse und einer Spannvorrichtung abgeschieden werden
soll, für die Anwendung in dem Temperaturbereich bei 400°C
oder höher empfehlenswert. Durch Zugabe von mindestens
einem von B und N bei nicht weniger als 0,05 im Atomverhältnis
ist es möglich, die Verschleißbeständigkeit
bei einer hohen Temperatur von 400°C oder höher
deutlich zu verbessern.
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Das
metallische Element M, zu dem B und N gegeben werden, ist mindestens
eine Art von dem metallischen Element, ausgewählt aus der
Gruppe, bestehend aus Elementen in den Gruppen 4A, 5A und 6A des Periodensystems,
und Si und Al, und das Gleiche ist vorzugsweise das metallische
Element M, aus dem Carbid, Nitrid und Borid, die sehr hart sind,
gebildet werden können. Es ist empfehlenswert, einfach
Ti, V, Zr, Nb, Cr und Si, oder ein komplexes Element, das beliebige
von jenen Elemen ten als den Hauptbestandteil enthält, zuzugeben.
Weil Ti, V unter jenen metallischen Elementen M sehr hart sind,
und ein Carbid davon mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten gebildet
wird, sind Ti, V als Elemente für die Zugabe besonders
empfehlenswert.
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Damit
das metallische Element M, das sich mit C, N bzw. B verbinden soll,
damit sich ein Metallcarbid, Metallnitrid und Metallborid bildet,
das in der Verschleißbeständigkeit ausgezeichnet
ist, seiner Rolle gerecht wird, muss das Atomverhältnis
x von dem metallischen Element M minimal 0,05 und vorzugsweise nicht
weniger als 0,1 sein. Wenn das Atomverhältnis x von dem
metallischen Element M nicht weniger als 0,5 ist, wird es jedoch
unmöglich, der vorstehend beschriebenen Formel von x – a – c < b zu genügen.
Deshalb muss das Atomverhältnis x von dem metallischen
Element M weniger als 0,5 und vorzugsweise nicht mehr als 0,3 (0,05 < x < 0,5) sein.
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Nun
wird anschließend der Fall beschrieben, bei dem sowohl
das Atomverhältnis a von B, als auch das Atomverhältnis
c von N, 0 sind; das heißt, der Fall, wo B und N nicht
zugegeben werden.
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Wenn
a = c = 0, wird dies den C-Gehalt in der Beschichtung relativ erhöhen,
wodurch die auf einer Matrize bzw. Gesenk bzw. Ziehdüse
und einer Spannvorrichtung abgeschiedene Beschichtung beeinflusst wird,
zur Anwendung in einem niederen Temperaturbereich unter 400°C,
insbesondere unter Hervorbringen einer Abnahme des Reibungskoeffizienten
und Verminderung in der Verschleißmenge. Im Fall, wenn
B und N nicht zugegeben werden, ist das Atomverhältnis
x von dem metallischen Element M vorzugsweise in einem Bereich von
0,1 bis 0,4 und bevorzugter in einem Bereich von 0,2 bis 0,3.
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Nun
wird anschließend ein Verfahren zum Bilden der in dem Vorangehenden
beschriebenen harten Beschichtung beschrieben.
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Es
ist möglich, die harte Beschichtung der gewünschten
Zusammensetzung durch Verwendung eines Metalltargets, das aus dem
metallischen Element M zusammengesetzt ist, und eines C-Targets,
zu erhalten, und gleichzeitig Unterziehen jener Targets elektrischer
Ladung; jedoch birgt dieses Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung
dahingehend ein Problem, dass die Abscheidungsgeschwindigkeit sehr
niedrig ist, und es ist deshalb zeitaufwändig, um die harte
Beschichtung durch dieses Verfahren zu bilden. Folglich haben der Erfinder
et al. umfangreiche Untersuchungen fortgesetzt, und im Ergebnis
haben sie ein Verfahren zum Bilden einer harten Beschichtung gemäß der
Erfindung geschaffen.
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Das
Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung ist ein Verfahren zum
Bilden der harten Beschichtung durch Anwendung von zum Beispiel
einem Bogen-Ionenplattierungssystem 1 von einem Kathoden-Entladungstyp,
der in 1 gezeigt wird, wobei ein Kohlenwasserstoffgas
und Stickstoffgas, zusammen mit Argon, zugeführt werden,
während das metallische Element M Verdampfung von einem
Target 2 unterzogen wird, wie einem Metalltarget, das aus
dem metallischen Element M zusammengesetzt ist, und einem komplexen
Target, das aus dem metallischen Element M und B zusammengesetzt
ist, mit der Anwendung einer Bogenverdampfungsquelle 5,
und jene Gase werden ionisiert, um in einer Beschichtung eingefangen
zu werden, die auf der Oberfläche eines Substrats 3 gebildet
wird, wodurch die harte Beschichtung mit ausgezeichneter Gleiteigenschaft
in einem kurzen Zeitraum gebildet wird.
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Zunächst
wird die Konfiguration des Bogen-Ionenplattierungssystems 1 von
dem Kathoden-Entladungstyp, mit Bezug auf 1 anschließend
hierin kurz gefasst beispielhaft beschrieben. Wie in 1 gezeigt,
umfasst das Bogen-Ionenplattierungssystem 1 eine Vakuumkammer 8 mit
einer Abgasöffnung 6, die mit einer Vakuumpumpe
(nicht gezeigt) kommuniziert, wodurch Vakuumpumpen erfolgt, und
einen Gaszuführungseinlass 7 zum Zuführen
von Film bildenden Gasen, wie Argon, ein Kohlenwasserstoffgas-Stickstoffgas, wobei
das Bogen-Ionenplattierungssystem 1 weiterhin die Bogenverdampfungsquellen 5 zur
Verdampfung des als Kathode dienenden Targets 2 (in 2 gezeigt)
aufgrund der Bogenentladung vor einer Ionisierung umfasst, eine
Substratbühne 9 zum Stützen des Substrats 3,
auf dem die harte Beschichtung gebildet wird, und eine Vorspannungs-Stromzuführung 10 zum Anlegen
einer Minusspannung an das Substrat 3 über die Substratbühne 9 zwischen
der Substratbühne 9 und der Vakuumkammer 8.
Weiterhin ist die Vorspannungs-Stromzuführung 10 mit
der Erdung 16 ausgestattet.
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Bezugsziffer 12,
gezeigt in 1, bedeutet eine Wechselstromzuführung
zur Fadenheizung, zum Anlegen einer Spannung an eine Ionenquelle
vom Fadentyp 13, Bezugsziffer 14 bedeutet eine
Gleichstromzuführung zur Entladung, und Bezugsziffer 15 bedeutet
entsprechende Heizvorrichtungen, die an vier Orten bereitgestellt
werden, sodass sie die Substratbühne 9 umgeben.
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Wie
in 2 gezeigt, ist die Bogenverdampfungsquelle 5 versehen
mit dem als Kathode dienenden Target 2, einer Bogenstromzuführung 11,
angeschlossen zwischen dem Target 2 und der als Anode dienenden Vakuumkammer 8 und
Magneten (Permanentmagnete) 17 zum Bilden der magnetischen
Feldlinien 4, die im Wesentlichen rechtwinklig zu einer
Verdampfungsseite 2a von dem Target 2 sind, und
vorwärts divergieren oder parallel zueinander verlaufen.
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Die
Magnete 17 werden so angeordnet, dass sie die Verdampfungsfläche 2a von
dem Target 2 umgeben. Hierin bedeutet "im Wesentlichen
rechtwinklig zu einer Verdampfungsseite 2a von dem Target 2",
dass ein Bereich bis zu einer Neigung um etwa 30 Grad oder weniger
zu der senkrechten Richtung zu der Verdampfungsseite 2a eingeschlossen
ist. Weiterhin wird die Bogenverdampfungsquelle 5, die
in 2 gezeigt wird, als eine Applikations-Verdampfungsquelle
A in dem Fall einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
beschrieben, die später beschrieben werden soll.
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In 3 wird
ein Beispiel einer Bogenverdampfungsquelle 5 gezeigt, die
sich von jener in 2 gezeigten unterscheidet. Bei
dieser Bogenverdampfungsquelle 5 werden Elektromagneten
anstelle der Permanentmagneten als Magnete 17 verwendet.
Im Gegensatz zu dem Fall von 2 sind jeweilige
Orte, an denen die Magnete 17 angeordnet sind, Positionen
vor der Verdampfungsfläche 2a von dem Target 2 sein,
insbesondere sind Positionen, an denen das Vordere der Verdampfungsfläche 2a auf
einer Seite von dem Target 2, benachbart zu dem Substrat 3,
auf dem die harte Beschichtung gebildet werden soll, durch Magnete 17 umgeben.
Auch wenn die Magnete 17 an diesen jeweiligen Orten angeordnet
sind, ist es möglich, Magnetfeldlinien 4 zu bilden,
die im Wesentlichen rechtwinklig zu der Verdampfungsfläche 2a von
dem Target 2 sind und die vorwärts divergieren
oder parallel zueinander verlaufen. Weiterhin wird die in 3 gezeigte
Verdampfungsquelle 5 als eine Applikations-Verdampfungsquelle
B in dem Fall einer erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben,
die später beschrieben werden soll.
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Eine
in 4 gezeigte Bogenverdampfungsquelle 5 ist
nicht die in dem Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung gemäß der
Erfindung anzuwendende Bogenverdampfungsquelle 5, sondern
ist eine Bogenverdampfungsquelle 5 zur Anwendung in einem
herkömmlichen Bogen-Ionenplattierungssystem 1,
das deshalb hierin nachstehend zur Bezugnahme beschrieben wird.
Mit dieser Bogenverdampfungsquelle 5 werden Magnete (Elektromagnete) 17 auf
der Rückseite eines Targets 2 (auf einer Seite
davon, entgegengesetzt bzw. gegenüber von einem Substrat 3)
abgeschieden, und gebildete magnetische Feldlinien 4 werden
im Wesentlichen parallel mit einer Verdampfungsseite 2a auf
dem Target 2, in Nachbarschaft von der Verdampfungsseite 2a davon,
verlaufen, wobei sie die Nachbarschaft des Substrats 3 so
weit nicht erreichen. Weiterhin wird die in 4 gezeigte
Bogenverdampfungsquelle 5 als eine Applikations-Verdampfungsquelle
C, in dem Fall von einem Beispiel beschrieben, das später
beschrieben werden soll.
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Bei
der erfindungsgemäßen harten Beschichtung ist
es notwendig, da das Atomverhältnis von C verglichen mit
dem Atomverhältnis von dem metallischen Element M hoch
ist, das Kohlenwasserstoffgas unter den Film bildenden Gasen, das
von dem Gaszuführungseinlass 7 in die Vakuumkammer 8 eingeführt
wird, wirksam zu zersetzen, wenn die harte Beschichtung gebildet
wird, um dadurch Bestandteil C zu erhalten, und für den
Zweck werden die magnetischen Feldlinien vorzugsweise in einem Zustand,
der im Wesentlichen rechtwinklig zu der Verdampfungsseite 2a von
dem Target 2 ist, und vorwärts divergiert oder
sie parallel zueinander verlaufen lässt, ausgebildet. in
dem Fall der Anwendung des Bogen-Ionenplattierungssystems 1 von dem
Kathodenentladungstyp werden Elektronen e aus der Kathode ausgegeben,
und die Elektronen e, die Bogenentladung unterzogen werden, werden
veranlasst, zur Anode zu fliegen; wonach, wenn dort die magnetischen
Feldlinien 4 im Wesentlichen rechtwinklig zu der Verdampfungsseite 2a von
dem Target 2 vorliegen, vorwärts divergieren oder
parallel zueinander verlaufen, die Elektronen e, die der Bogenentladung
unterzogen werden, während sie in helikaler Bewegung sind,
in einer derartigen Weise wandern, dass jede der magnetischen Feldlinien 4,
wie in zum Beispiel 3 gezeigt, umwunden wird. Wenn
somit ein Magnetfeld angelegt wird, wird eine Flugbahn von jedem
der Elektronen e größer, und die Elektronen e
werden jeweils zahlreiche Kollisionen mit den zugeführten
Gasen wiederholen, wodurch die Ionisierung und Zersetzung des Kohlenwasserstoffgases
gefördert wird.
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Der
Grund, warum Ar zusammen mit dem Kohlenwasserstoffgas und dem Stickstoffgas,
aus dem Gaszuführungseinlass 7 in die Vakuumkammer 8 gespeist
wird, besteht zudem darin, weil ionisiertes Argon veranlasst wird,
mit einer Beschichtung in dem Herstellungsverfahren zu kollidieren,
wodurch veranlasst wird, dass die Beschichtung kräftiger
bzw. fester bzw. dichter und in der Härte besser wird.
Ein Anteil von Ar liegt vorzugsweise in dem Bereich von 30 bis 70
Volumenprozent, gegenüber allen zugeführten Gasen,
und bevorzugter in einem Bereich von 40 bis 60 Volumenprozent. Weiterhin
liegt der Druck innerhalb der Vakuumkammer 8 zu der Zeit
der Filmbildung vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,5 bis 5
Pa. Wenn der Druck unterhalb 0,5 Pa liegt, wird elektrische Entladung
instabil, und wenn der Druck höher als 5 Pa ist, wird die
Zersetzungsrate niedriger, aufgrund des Streuens der Gase. Weiterhin
liegt der Druck zudem innerhalb der Vakuumkammer 8 zur
Zeit der Filmbildung bevorzugter in einem Bereich von 1 bis 3 Pa.
Das zuzuführende Kohlenwasserstoffgas kann zum Beispiel
Methangas, Ethylengas, Acetylengas, Toluolgas und Benzolgas einschließen.
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Weiterhin
muss nach der Bildung der harten Beschichtung gemäß der
Erfindung das Atomverhältnis von dem metallischen Element
M derart eingestellt werden, dass das Atomverhältnis von
C nicht überschritten wird, was man durch Niedrig-Steuern
eines Bogenentladungsstroms bewältigen kann. Das heißt,
das Atomverhältnis von C in der harten Beschichtung variiert
gemäß einer Bogenstromdichte.
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Unter
der Annahme, dass das metallische Element M bei Anwendung für
das Target 2 zum Beispiel Ti darstellt und das zu beschickende Kohlenwasserstoffgas
Methan(CH4)-Gas darstellt, kann eine Beziehung zwischen
einem Methanpartialdruck (Pa) und einer Bogenstromdichte (A/cm2) durch die nachstehende Formel ausgedrückt
werden:
Methanpartialdruck (Pa) > 0,163 + 1,44x
Bogenstromdichte (A/cm2)
-
Das
Vorstehende wird im Einzelnen mit Bezug auf die später
zu beschreibende Ausführungsform beschrieben.
-
Durch
Genügen der vorstehenden Formel kann das Atomverhältnis
von C in der harten Beschichtung auf nicht weniger als 0,7 eingerichtet
werden, was das bevorzugtere Atomverhältnis von C ist,
wenn B und N nicht zugegeben werden. Weiterhin kann die wie vorstehend
beschriebene Formel auf ein Target 2 angewendet werden,
das aus V usw. zusammengesetzt ist, das eine Verdampfungsmenge aufweist,
die äquivalent zu jener von Ti bei einem identischen Bogenstrom
ist.
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Zusätzlich
ist es auch empfehlenswert, W als das metallische Element M für
die Zugabe anzuwenden. Wenn W als das metallische Element M für
die Zugabe übernommen wird, wird insbesondere dies eine W-C-Bindung
mit ausgezeichneter Schmierfähigkeit und eine W-N-Bindung
mit hoher Harte, die zu bilden sind, ermöglichen. Folglich
sind in dem Fall, wenn W als das metallische Element M für
die Zugabe übernommen wird, C und N wesentliche Elemente.
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Das
Atomverhältnis b von C, der in der harten Beschichtung
enthalten ist, muss oberhalb von mindestens 0,5 liegen, und die
Beschichtung mit dem Atomverhältnis b von C bei weniger
als 0,8 wird in der Schmierfähigkeit und bei niedrigem
Reibungskoeffizienten ausgezeichnet sein. (0,5 < b ≤ 0,8) Das Atomverhältnis
b von C ist bevorzugter nicht weniger als 0,55.
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Weil
auch unter Zugabe von N in einer Spurenmenge, die in der Verschleißbeständigkeit
ausgezeichnete W-N-Bindung gebildet werden kann, wird die untere
Grenze des Atomverhältnisses c von N, der in der harten
Beschichtung enthalten ist, auf 0,01 und bevorzugter auf 0,02 eingestellt.
Andererseits wird die übermäßige Zugabe
von N Verschlechterung in der Schmierfähigkeit verursachen,
wodurch eine Erhöhung im Reibungskoeffizienten entsteht,
und die Verschleißbeständigkeit ebenfalls Verschlechterung
unterliegt. Folglich wird die obere Grenze des Atomverhältnisses
c von N, der in der harten Beschichtung enthalten ist, auf weniger
als 0,15 eingestellt. (0,01 ≤ C < 0,15) Die obere Grenze des Atomverhältnisses
c von N ist bevorzugter 0,1.
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B
ist ein wahlweises Element, kann jedoch zugegeben werden, weil,
wenn B zugesetzt wird, wird dies eine W-B-Bindung, die eine hohe
Harte aufweist, und ebenfalls eine B-N-Bindung, die Schmierfähigkeit
aufweist, erzeugen. Da jedoch übermäßige
Zugabe von B wiederum die Beschichtung insgesamt in einen amorphen
Zustand umwandeln wird, um dadurch die Härte davon zu verschlechtern,
wird die obere Grenze des Atomverhältnisses a von B, das
in der harten Beschichtung enthalten ist, auf 0,12 eingestellt.
(0 ≤ a ≤ 0,12) Die obere Grenze des Atomverhältnisses
a von B ist bevorzugter 0,05. Wenn die Temperatur während
der Zeit der Gleitbewegung nicht so hoch und nahe Raumtemperatur
ist, ist a = 0 empfehlenswert.
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Das
Atomverhältnis x von W, das in der harten Beschichtung
enthalten ist, ist von den entsprechenden Atomverhältnissen
von C, B und N, die in dem Vorangehenden beschrieben werden, abhängig,
wenn das Atomverhältnis x von W jedoch weniger als 0,2
ist, werden die Bindungen von W-C, W-N, W-B, bzw. usw., geringer,
was zu einer Verschlechterung in der Verschleißbeständigkeit
führt. Wenn andererseits das Atomverhältnis x
von W nicht weniger als 0,5 ist, geht die Gleitfähigkeit
verloren, wodurch sich die Verschleißbeständigkeit
verschlechtert. Folglich liegt das Atomverhältnis x von
W, das in der harten Beschichtung enthalten ist, in einem Bereich
von 0,2 bis 0,5. (0,2 ≤ x < 0,5) Die obere Grenze des Atomverhältnisses
x von W ist bevorzugter 0,45.
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Die
Kristallstruktur der Beschichtung variiert gemäß der
Zusammensetzung (den entsprechenden Atomverhältnissen),
die jene beschriebenen Elemente betreffen. Die Kristallstruktur
der Beschichtung, ohne zugesetzten N, ist ein würfelförmiger
Kristall von WC 1-x, ausgezeichnet in der Gleiteigenschaft; jedoch
bei Zusatz von N in einer Spurenmenge, wird in der Beschichtung
ein hexagonaler Kristall von δ-WN als ein Nitrid gebildet,
das in der Verschleißbeständigkeit ausgezeichnet
ist.
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Wenn
die Beschichtung die Kristalle von sowohl WC 1-x, als auch δ-WN,
aufweist, werden sowohl die Verschleißbeständigkeit,
als auch der Reibungskoeffizient davon, ausgezeichnet, und ein Ausgleich
zwischen der Gleiteigenschaft und der Verschleißbeständigkeit
wird ausgezeichnet sein, sodass ein Gemischtfilm mit den Kristallen
von sowohl WC 1-x, als auch δ-WN, als eine überlegene
Beschichtung empfehlenswert ist. Weiterhin wird die Kristallstruktur
der Beschichtung durch Röntgenbeugung identifiziert.
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Nun
wird hierin anschließend ein Verfahren zum Bilden der harten
Beschichtung beschrieben, worin das metallische Element M für
den Zusatz W darstellt.
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Die
W enthaltende, harte Beschichtung kann durch ein Bogen-Ionenplattierungsverfahren
unter Verwendung des Bogen-Ionenplattierungssystems 1,
neben einem Sputteringverfahren, gebildet werden, jedoch birgt das
Sputteringverfahren, unter Verwendung eines W-Targets ein Problem
bezüglich der Ausführbarkeit, weil die Abscheidungsrate
sehr niedrig ist. Wenn das W-Target in dem Bogen-Ionenplattierungsverfahren
verwendet wird, ist die Bogenentladung von W jedoch instabil, und
deshalb birgt auch das Bogen-Ionenplattierungsverfahren ein Problem
bezüglich der Ausführbarkeit.
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Folglich
haben die Erfinder et al. umfangreiche Untersuchungen fortgesetzt,
und im Ergebnis haben sie das nachstehende Verfahren zum Bilden
der harten Beschichtung geschaffen. Bei der Erfindung wurde herausgefunden,
dass die harte Beschichtung, die W enthält, bei einer hohen
Geschwindigkeit und hoher Stabilität durch Anwendung des
Bogen-Ionenplattierungsverfahrens unter Verwendung eines Targets,
das aus WC zusammengesetzt ist, als Target während der
Bildungszeit der harten W enthaltenden Beschichtung gebildet werden
kann.
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Das
Bogen-Ionenplattierungsverfahren ist ein Verfahren zum Bilden der
harten Beschichtung mit der Anwendung des Bogen-Ionenplattierungssystems,
wie vorstehend beschrieben. Um dasselbe kurz zu beschreiben, es
ist ein Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung auf der Oberfläche
von dem Substrat 3 bei der Verwendung des Bogen-Ionenplattierungssystems 1 vom
Kathoden-Entladungstyp, der in 1 gezeigt wird,
wobei die magnetischen Feldlinien 4 in einem Zustand vorliegen,
im Wesentlichen rechtwinklig zu der Verdampfungsseite 2a von
dem Target 2 und vorwärts divergieren oder parallel
zueinander verlaufen.
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Weiterhin
wurde beschrieben, dass die W enthaltende, harte Beschichtung mit
einer hohen Geschwindigkeit und hohen Stabilität durch
Anwendung des Bogen-Ionenplattierungsverfahrens unter Verwendung
des Targets, das aus WC als dem Target zusammengesetzt ist, gebildet
werden kann; da C jedoch dazu neigt, aus der so gebildeten harten
Beschichtung verloren zu gehen, wenn das Target, das aus WC zusammengesetzt ist,
einfach angewendet wird, ist es notwendig, die Filmbildung in einer
Atmosphäre eines Gemisches, das C-enthaltende Gase, wie
Methan-(CH4)-Gas und Acetylen-(C2H2)-Gas, und Stickstoff
enthält, zur Auffüllung für C auszuführen.
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Neben
den C-enthaltenden Gasen, kann Stickstoff, Edelgas, wie Argon, Neon
und Xenon, außerdem für den Zweck der Stabilität
der elektrischen Entladung zugesetzt werden.
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Wenn
ein Partialdruck von dem C-enthaltenden Gas während der
Filmbildung zu hoch ist, wird dies Abscheidung von C auf der Oberfläche
des WC-Targets verursachen, was zu Schwierigkeiten bei der elektrischen
Entladung führt, sodass der Partialdruck vorzugsweise nicht
höher als 0,5 Pa und bevorzugter nicht höher als
0,2 Pa eingestellt wird.
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Weiterhin
unterliegt eine Kristallstruktur der Beschichtung einer Änderung
durch die Wirkung einer Vorspannung, die an das Substrat während
der Filmbildung angelegt wird, und wenn die Vorspannung zu niedrig ist,
wird ein δ-WN Phasenverhältnis niedriger sein,
sodass die Beschichtung keine Verschleißbeständigkeit zeigen
kann. Wenn andererseits die Vorspannung zu hoch ist, wird der Energieeinfall
auf das Substrat zu hoch sein, was dadurch einen Anstieg der Temperatur
des Substrats hervorruft, und ein sinkendes WC 1-x Verhältnis
verursacht. Folglich wird die Vorspannung vorzugsweise auf einen
Bereich von –50 V bis –100 V eingestellt.
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Weiterhin
gibt es in dem Fall der Ausführung einer Filmbildung mit
der Verwendung von nicht nur dem WC-Target, sondern auch einem Metalloxidtarget,
das aus MC zusammengesetzt ist, eine Tendenz, dass das Atomverhältnis
b von C, das in der zu bildenden Beschichtung enthalten ist, weniger
als ein Atomverhältnis von C ist, das in dem Target enthalten
ist, sodass es schwierig ist, eine Beschichtung zu bilden, die die
Bedingung von x – a – c < b erfüllt. Folglich muss
während der Filmbildung die Filmbildung mit der Verwendung
von den C enthaltenden Gasen fehlerfrei ausgeführt werden.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
(Ausführungsform 1)
-
Beschichtungen
der jeweiligen Zusammensetzungen mit jeweiligen Atomverhältnissen
der in Tabelle 1 gezeigten Bestandteile wurden auf der Oberfläche
eines Substrats in dem Bogen-Ionenplattierungssystem 1 vom
Kathoden-Entladungstyp, der in 1 gezeigt
wird, unter Verwendung des Metalltargets, das aus dem metallischen
Element M zusammengesetzt ist, oder des komplexen Targets, das aus
dem metallischen Element M und B zusammengesetzt ist, gebildet.
Bei Ausführungsform 1 wurde, um die Zusammensetzung von jeder
der Beschichtungen zu überprüfen und um die Härte
der Beschichtungen zuerst zu messen, ein zementiertes Carbid, des sen
Oberfläche Spiegelpolieren unterzogen wurde, als das Substrat
verwendet, und die Beschichtungen der in Tabelle 1 gezeigten, jeweiligen
Zusammensetzungen wurden auf der Oberfläche des zementierten
Carbids gebildet. Zusätzlich wurde SKD 11 Substrat
(Härte: HRC 60) als ein Substrat zur Verwendung in einem
Gleiteigenschaftstest übernommen, und eine CrN-Schicht,
die 3 μm dick ist, wurde auf der Oberfläche des
Substrats gebildet, um die Anhaftungsfähigkeit zu erhöhen,
wobei anschließend die Beschichtungen der in Tabelle 1
gezeigten, jeweiligen Zusammensetzungen auf der Oberfläche
der CrN-Schicht gebildet wurden.
-
Nach
Anordnen von jedem von diesen Substraten auf der Substratbühne
des Bogen-Ionenplattierungssystems wurde zuerst Luft aus der Abgasöffnung
durch die Vakuumpumpe entfernt, um dadurch den Druck in der Vakuumkammer
auf nicht höher als 1 × 10–3 Pa
herunterzubringen, und das Substrat wurde auf 400°C erhitzt,
unter anschließendem Anwenden von Sputtering durch Einsatz
von Ar-Ionen. Anschließend wurde ein Target von ⌀100
mm, das das metallische Element M enthält, verwendet (beim
Bilden einer Beschichtung, die B enthält, ein komplexes
Target, das zusammengesetzt ist aus dem metallischen Element M und
B, wird verwendet, anstelle eines Metalltargets, das nur aus dem
metallischen Element M zusammengesetzt ist, da B Verdampfung eines
in der Beschichtung einzufangenden Targets verursachen wird), und
Ar und Methan-(CH4)-Gas wurden in die Vakuumkammer
gespeist (zusätzlich, unter Einführen von Stickstoff
in den jeweiligen Fällen der Teststücke Nrn. 8,
9, 19 bis 23, in Tabelle 1), unter Bedingungen von einem Methan(CH4)-Gas-Partialdruck bei 1,5 Pa, und einem
Gesamtdruck bei 3 Pa in einer Atmosphäre eines Mischgases
von Ar-CH4(-N2),
bei einem Bogenstrom bei 60 A, wodurch eine Filmbildung einer Beschichtung
erfolgte. In diesem Fall wurde eine Bogenverdampfungsquelle verwendet,
das heißt, eine Applikations-Verdampfungsquelle war die
in 2 gezeigte Applikations-Verdampfungsquelle A oder
die in 4 gezeigte Applikations-Verdampfungsquelle C.
Eine an das Substrat während der Filmbildung angelegte
Spannung war 200 V.
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Entsprechende
Zusammensetzungen der Beschichtungen wurden durch Analyse mit der
Verwendung eines Elektronenstrahl-Mikro-Analysators (EPDA) überprüft,
und die Härte von jeder der Beschichtungen wurde unter
Verwendung eines Mikro-Vickers-Härtetesters (Test-Last:
0,25 N) gemessen. Eine Beschichtung mit einer Härte bei
30 GPa oder höher wird als die Beschichtung mit hoher Härte
und ausgezeichnet in der Verschleißbeständigkeit
bestimmt. Weiterhin wurden in dem Gleiteigenschaftstest jeweilige
Beschichtungen hinsichtlich des Reibungskoeffizienten und einer
Verschleißtiefe unter Bedingungen bei 25°C, wenn
kein Erhitzen angewendet wird (Raumtemperatur), bzw. bei 400°C
geprüft. Ein geringer Reibungswert zeigt keine Neigung zum
Festfressen an und eine geringe Verschleißtiefe zeigt ausgezeichnete
Verschleißbeständigkeit an. Hinsichtlich des Reibungskoeffizienten
wurde außerdem ein Mittelwert davon für eine Gleitstrecke
im Bereich von 100 bis 300 m, bei der die meisten stabilen Daten
innerhalb des hierin nachstehend beschriebenen Gleitabstands erhältlich
sind, als Daten übernommen. Ein Bestanden/Versagens-Kriterium
für den Reibungskoeffizienten war nicht mehr als 0,35,
und ein Bestanden/Versagens-Kriterium für die Verschleißtiefe
war nicht mehr als 2,0 μm.
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Eine
Gleiteigenschafts-Testapparatur, die in dem Gleiteigenschaftstest
verwendet wurde, und die Testbedingungen sind wie hierin nachstehend
gezeigt. Weiterhin sind die Testergebnisse wie in Tabelle 1 gezeigt.
Testapparatur:
Tester vom Flügel-auf-Scheiben-Typ [Vane-an-disk Type]
Flügel:
SKD 61 Stahl (Härte: HRC 50), 3,5 × 5 mm, Länge:
20 mm, Radius bis zu der
Spitze: 10 R
Scheibe: SKD 61
Stahl (Härte: HRC 60) mit Beschichtung
Gleitgeschwindigkeit:
0,2 m/s
Last: 500 N
Gleitabstand: 500 m
Testtemperatur:
25°C (kein Erhitzen) und 400°C Tabelle 1 (Teil 1)
Nr. | Applikations- Verdampfungsquelle | Bestandteile
einer Beschichtung (Atomverhältnis) | Härte | Reibungskoeffizient
(25°C) |
M(x) | B(a) | C(b) | N(c) | B
+ N | GPa | Mittelwert
für 100–300 m |
1 | C | Ti | 0,50 | 0,00 | 0,00 | 0,50 | 0,50 | 22 | 0,55 |
2 | A | Ti | 0,70 | 0,00 | 0,30 | 0,00 | 0,00 | 18 | 0,70 |
3 | A | Ti | 0,50 | 0,00 | 0,50 | 0,00 | 0,00 | 33 | 0,60 |
4 | A | Ti | 0,40 | 0,00 | 0,60 | 0,00 | 0,00 | 35 | 0,30 |
5 | A | Ti | 0,30 | 0,00 | 0,70 | 0,00 | 0,00 | 37 | 0,20 |
6 | A | Ti | 0,20 | 0,00 | 0,80 | 0,00 | 0,00 | 37 | 0,20 |
7 | A | Ti | 0,20 | 0,10 | 0,70 | 0,00 | 0,10 | 38 | 0,30 |
8 | A | Ti | 0,20 | 0,00 | 0,70 | 0,10 | 0,10 | 37 | 0,30 |
9 | A | Ti | 0,30 | 0,10 | 0,50 | 0,10 | 0,20 | 39 | 0,35 |
10 | A | Ti | 0,10 | 0,00 | 0,90 | 0,00 | 0,00 | 35 | 0,20 |
11 | A | Ti | 0,05 | 0,00 | 0,95 | 0,00 | 0,00 | 25 | 0,10 |
12 | A | V | 0,20 | 0,00 | 0,80 | 0,00 | 0,00 | 37 | 0,25 |
13 | A | V | 0,20 | 0,05 | 0,75 | 0,00 | 0,05 | 37 | 0,30 |
14 | A | V | 0,20 | 0,10 | 0,70 | 0,00 | 0,10 | 37 | 0,30 |
15 | A | V | 0,20 | 0,20 | 0,60 | 0,00 | 0,20 | 37 | 0,25 |
16 | A | V | 0,10 | 0,30 | 0,60 | 0,00 | 0,30 | 29 | 0,50 |
17 | A | V | 0,05 | 0,05 | 0,90 | 0,00 | 0,05 | 35 | 0,20 |
18 | A | V | 0,02 | 0,02 | 0,98 | 0,00 | 0,02 | 25 | 0,20 |
19 | A | V | 0,40 | 0,10 | 0,40 | 0,10 | 0,20 | 33 | 0,25 |
20 | A | Nb | 0,20 | 0,00 | 0,75 | 0,05 | 0,05 | 38 | 0,20 |
21 | A | Nb | 0,20 | 0,00 | 0,70 | 0,10 | 0,10 | 38 | 0,25 |
22 | A | Nb | 0,20 | 0,00 | 0,60 | 0,20 | 0,20 | 37 | 0,30 |
23 | A | Nb | 0,10 | 0,00 | 0,60 | 0,30 | 0,30 | 27 | 0,60 |
24 | A | Zr | 0,20 | 0,00 | 0,80 | 0,00 | 0,00 | 37 | 0,20 |
25 | A | Hf | 0,20 | 0,00 | 0,80 | 0,00 | 0,00 | 37 | 0,20 |
26 | A | Mo | 0,20 | 0,00 | 0,80 | 0,00 | 0,00 | 36 | 0,20 |
27 | A | Cr | 0,20 | 0,00 | 0,80 | 0,00 | 0,00 | 35 | 0,20 |
28 | A | Si | 0,20 | 0,00 | 0,80 | 0,00 | 0,00 | 38 | 0,20 |
29 | A | Al | 0,20 | 0,00 | 0,80 | 0,00 | 0,00 | 32 | 0,30 |
Tabelle 1 (Teil 2)
Nr. | Verschleißtiefe (400°C)
Mittelwert für 100–300 m | Verschleißtiefe (25°C)
Pm | Verschleißtiefe (400°C)
pm | Verschleißtiefe
Variation (H – L) μm |
1 | 0,55 | 3,0 | 5,0 | 2,0 |
2 | 0,60 | 3,5 | 5,0 | 1,5 |
3 | 0,50 | 3,0 | 5,0 | 2,0 |
4 | 8,30 | 1,5 | 2,5 | 1,0 |
5 | 0,20 | 0,5 | 1,0 | 0,5 |
6 | 0,20 | 0,5 | 1,5 | 1,0 |
7 | 0,15 | 0,8 | 1,0 | 0,2 |
8 | 0,10 | 0,7 | 0,8 | 0,1 |
9 | 0,15 | 0,9 | 0,9 | 0,0 |
10 | 0,30 | 1,0 | 1,8 | 0,8 |
11 | 0,50 | 3,0 | 5,0 | 2,0 |
12 | 0,20 | 0,7 | 1,5 | 0,8 |
13 | 0,15 | 0,8 | 0,9 | 0,1 |
14 | 0,15 | 0,8 | 0,7 | –0,1 |
15 | 0,15 | 1,0 | 0,8 | –0,2 |
16 | 0,40 | 3,0 | 5,0 | 2,0 |
17 | 0,20 | 0,6 | 0,7 | 0,1 |
18 | 0,30 | 3,0 | 5,0 | 2,0 |
19 | 0,30 | 1,0 | 1,5 | 0,5 |
20 | 0,25 | 1,4 | 0,7 | –0,7 |
21 | 0,20 | 1,2 | 0,5 | –0,7 |
22 | 0,20 | 1,5 | 0,6 | –0,9 |
23 | 0,50 | 3,0 | 5,0 | 2,0 |
24 | 0,20 | 0,8 | 2,0 | 1,2 |
25 | 0,20 | 1,0 | 1,3 | 0,3 |
26 | 0,20 | 0,6 | 2,0 | 1,4 |
27 | 0,20 | 1,1 | 1,7 | 0,6 |
28 | 0,20 | 1,3 | 2,0 | 0,7 |
29 | 0,30 | 0,8 | 2,0 | 1,2 |
-
Die
Zusammensetzung von jeder der gebildeten Beschichtungen (jeweilige
Atomverhältnisse der Bestandteile) ist wie in Tabelle 1
gezeigt. Teststücke Nummern 4 bis 10, 12 bis 15, 17, 19
bis 22, 24 bis 29, die in Tabelle 1 gezeigt werden, sind jeweils
eine Beschichtung von einer Zusammensetzung, die die Bedingungen gemäß Ansprüchen
1 und 2 erfüllt, wobei alle die Beschichtungen hohe Härten,
nicht niedriger als 30 GPa, aufweisen. Weiterhin sind alle von den
Beschichtungen so klein, wie nicht mehr als 0,35, hinsichtlich des
Reibungskoeffizienten, unter den Bedingungen bei 25°C (Raumtemperatur)
bzw. bei 400°C, und sind auch so klein, wie nicht mehr
als 2,0 μm, hinsichtlich der Verschleißtiefe,
unter den Bedingungen bei 25°C (Raumtemperatur) bzw. bei
400°C. Das heißt, es wird aus dem Vorstehenden
deutlich, dass die Beschichtung der Zusammensetzung, die den Bedingungen
gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 2 genügt,
in der Verschleißbeständigkeit und in der Festfressbeständigkeit
ausgezeichnet war und in der Gleiteigenschaft, nach Anwendung über einen
langen Zeitraum, ausgezeichnet war.
-
Teststücke
Nummern 4 bis 6, 10, 12, und 24 bis 29, die in Tabelle 1 gezeigt
werden, sind jeweils die Beschichtung von einer Zusammensetzung,
die weiterhin die Bedingungen gemäß Anspruch 2
erfüllt. Diese Beschichtungen erwiesen sich als auffällig
in der Abnahme des Reibungskoeffizienten und in der Verminderung
der Verschleißmenge unter den Bedingungen von 25°C
(Raumtemperatur) in einem Niedertemperaturbereich, verglichen mit
der Beschichtung, deren metallisches Element M den Bedingungen gemäß Anspruch 1
genügt, unter den gleichen Bedingungen, jedoch nicht den
Bedingungen gemäß Anspruch 2 genügt.
-
Das
Teststück Nr. 1 ist ein Vergleichsbeispiel einer Beschichtung,
die aus TiN zusammengesetzt ist, worin C nicht enthalten war. In
dem Fall von dem Vergleichsbeispiel, da C nicht darin enthalten
war, wurde kein Carbid gebildet, die Härte der Beschichtung
war niedrig, und sowohl der Reibungskoeffizient als auch die Verschleißtiefe
der Beschichtung wurden als hoch unter den Bedingungen bei 25°C
(Raumtemperatur) bzw. bei 400°C festgestellt. Im Ergebnis
hatte das Teststück Nr. 1 ein Problem mit der Verschleißbeständigkeit
und ebenfalls ein Problem mit der Gleiteigenschaft.
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Teststücke
Nummern 2, 3 jeweils sind eine Beschichtung, die nicht die Bedingung
von x – a – c < b, und
die Bedingung von 0,05 ≤ x < 0,5 erfüllte. In dem Fall
der Beschichtung von einer solchen, wie beschriebenen Zusammensetzung
ist es nicht möglich, freien C-Bestandteil zu erzeugen,
und wie in dem Fall des Teststücks Nr. 1, worin C nicht
enthalten war, war die Härte der Beschichtung gering, und
sowohl der Reibungskoeffizient, als auch eine Verschleißtiefe
der Beschichtung, waren groß, unter den Bedingungen bei
25°C (Raumtemperatur) bzw. bei 400°C. Das heißt,
ausgezeichnete Gleiteigenschaft, wie niedriges μ, kann
nicht angenommen bzw. erhalten werden, sodass die Beschichtung ein
Problem mit sowohl der Verschleißbeständigkeit
als auch Gleiteigenschaft hatte.
-
Teststücke
Nummern 11, 18 jeweils sind eine Beschichtung, die nicht die Bedingung
von b ≤ 0,9 erfüllte. Da das Atomverhältnis
von C zu hoch wurde, so war das Atomverhältnis von dem
metallischen Element M relativ gering, sodass Metallcarbid, Metallnitrid
und Metallborid, die eine Rolle beim Erhöhen der Verschleißbeständigkeit
spielen, relativ niedrig im Verhältnis wurden. Im Ergebnis
wurde die Harte der Beschichtung geringer, und sowohl Reibungskoeffizient
als auch eine Verschleißtiefe der Beschichtung waren erhöht.
Das heißt, die Beschichtung hatte ein Problem sowohl mit
der Verschleißbeständigkeit als auch der Gleiteigenschaft.
-
Teststück
Nr. 16 ist eine Beschichtung, die nicht die Bedingung von 0 ≤ a ≤ 0,2
erfüllte. Weil B bei einem Atomverhältnis von
oberhalb 0,2 zugegeben wurde, wurde das Atomverhältnis
von C relativ gering, sodass die Härte der Beschichtung
niedriger wurde, und sowohl der Reibungskoeffizient, als auch eine
Verschleißtiefe der Beschichtung, unter den Bedingungen
bei 25°C (Raumtemperatur) bzw. bei 400°C, erhöht
waren. Das heißt, die Beschichtung hatte ein Problem mit
sowohl der Verschleißbeständigkeit als auch der
Gleiteigenschaft.
-
Teststück
Nr. 23 ist eine Beschichtung, die nicht die Bedingung von 0 ≤ c ≤ 0,2
erfüllt. Weil N bei einem Atomverhältnis von oberhalb
0,2 zugegeben wurde, wurde das Atomverhältnis von C relativ
niedrig, sodass die Härte von der Beschichtung niedriger
wurde, und sowohl der Reibungskoeffizient, als auch die Verschleißtiefe
der Beschichtung, waren unter den Bedingungen bei 25°C
(Raumtemperatur) bzw. bei 400°C erhöht. Das heißt,
die Beschichtung hatte ein Problem mit sowohl der Verschleißbeständigkeit
als auch der Gleiteigenschaft.
-
In
Tabelle 1 wird ein Unterschied zwischen der Verschleißtiefe
unter der Bedingung bei 25°C (Raumtemperatur) und der Verschleißtiefe
unter der Bedingung bei 400°C unter der Bezeichnung von
Verschleißtiefenvariation (Hoch – Niedrig) gegeben.
Die Beschichtung, die B und N enthält, hatte eine Verschleißtiefenänderung,
die kleiner war als mit der Beschichtung verglichen, die kein B
und N enthielten, vorausgesetzt, dass das metallische Element M
für die Zugabe und das Atomverhältnis davon unter
der gleichen Bedingung sind; und es wird deutlich, dass die Verschleißbeständigkeit
unter einer Hochtemperaturbedingung durch Zugabe von B und N erhöht
wurde.
-
(Ausführungsform 2)
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Es
wurde ein Bogen-Ionenplattierungssystem 1 von dem Kathoden-Entladungstyp,
der in 1 gezeigt wird, wie in dem Fall mit Ausführungsform
1, übernommen, bei dem Ti für das metallische
Element M verwendet wurde, um als ein Metalltarget zu dienen, und
Argonstrom und ein Methan-(CH4)-Partialdruck
wurden verschiedentlich, wie in Tabelle 2 gezeigt, geändert,
und ein zementiertes Carbid mit einer spiegelpolierten Oberfläche
davon wurde als ein Substrat verwendet, und harte Beschichtungen
wurden auf der Oberfläche des Substrats gebildet. Weiterhin
schlossen Bogenverdampfungsquellen bei der Anwendung, das heißt,
die Applikations-Verdampfungsquellen drei Typen ein, wie die in 2 gezeigte
Applikations-Verdampfungsquelle A, die in 3 gezeigte
Applikations-Verdampfungsquelle B und die in 4 gezeigte
Applikations-Verdampfungsquelle C. Eine auf das Substrat während
der Filmbildung angelegte Spannung war 200 V.
-
Bei
Ausführungsform 2 waren Gase, die in die Vakuumkammer gespeist
wurden, nur Ar, und Methan-(CH
4)-Gas, und
die Testbedingungen, die davon verschieden waren, basierten auf
jenen Testbedingungen von Ausführungsform 1. Jeweilige
Zusammensetzungen der Beschichtungen wurden mittels Analyse durch
die Anwendung von dem Elektronenstrahl-Mikro-Analyzer (EPDA) untersucht,
und die Ergebnisse der Überprüpfung durch Analyse
werden in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
Nr. | Applikations-Verdampfungsquelle | Target | Bogenstrom (A) | Stromdichte (A/cm2) | CH4 Verhältnis | CH4 Partialdruck | Gesamtdruck | b |
1 | A | Ti | 20 | 0,25 | 50 | 1,5 | 3 | - |
2 | A | Ti | 50 | 0,64 | 50 | 1,5 | 3 | 0,80 |
3 | A | Ti | 50 | 0,54 | 50 | 20 | 4 | 0,90 |
4 | A | Ti | 60 | 0,76 | 50 | 1,5 | 3 | 0,70 |
5 | A | Ti | 60 | 0,76 | 20 | 0,6 | 3 | 0,30 |
6 | A | Ti | 60 | 0,76 | 30 | 0,9 | 3 | 0,55 |
7 | A | Ti | 60 | 0,76 | 40 | 1,2 | 3 | 0,60 |
8 | A | Ti | 60 | 0,76 | 60 | 1,8 | 3 | 0,80 |
9 | A | Ti | 60 | 0,76 | 70 | 2,1 | 3 | 0,85 |
10 | A | Ti | 60 | 0,76 | 80 | 2,4 | 3 | 0,95 |
11 | A | Ti | 60 | 0,76 | 50 | 0,05 | 0,1 | 0,30 |
12 | A | Ti | 60 | 0,76 | 50 | 0,25 | 0,5 | 0,55 |
13 | A | Ti | 60 | 0,76 | 50 | 1,5 | 3 | 0,70 |
14 | A | Ti | 60 | 0,76 | 50 | 3,5 | 7 | 0,95 |
15 | A | Ti | 80 | 1,02 | 50 | 1,5 | 3 | 0,60 |
16 | A | Ti | 80 | 1,02 | 50 | 2,5 | 5 | 0,80 |
17 | A | Ti | 80 | 1,02 | 50 | 2,0 | 4 | 0,75 |
18 | A | Ti | 100 | 1,27 | 50 | 1,5 | 3 | 0,55 |
19 | A | Ti | 100 | 1,27 | 50 | 1,5 | 3 | 0,55 |
20 | A | Ti | 100 | 1,27 | 50 | 2,0 | 4 | 0,675 |
21 | A | Ti | 100 | 1,27 | 100 | 3,0 | 3 | 0,80 |
22 | A | Ti | 100 | 1,27 | 50 | 2,5 | 5 | 0,75 |
23 | A | Ti | 100 | 1,27 | 50 | 1,0 | 2 | 0,40 |
24 | A | Ti | 150 | 1,91 | 50 | 1,5 | 3 | 0,45 |
25 | A | Ti | 150 | 1,91 | 50 | 1,0 | 2 | 0,35 |
26 | A | Ti | 200 | 2,55 | 50 | 1,5 | 3 | 0,30 |
27 | B | Ti | 60 | 0,76 | 50 | 1,5 | 3 | 0,80 |
28 | C | Ti | 60 | 0,76 | 50 | 1,5 | 3 | 0,45 |
-
Bei
Ausführungsform 2 wurden, da die für alle von
den Metalltargets verwendeten metallischen Elemente M Ti waren,
und das in die Vakuumkammer eingespeiste Gas nur Ar und Methan-(CH4)-Gas war, jeweilige Zusammensetzungen von
allen den harten Beschichtungen, die auf der Oberfläche
des Substrats gebildet wurden, durch TixCb wiedergegeben. In Tabelle 2 wird nur das
Atomverhältnis von C als b gezeigt, und der Bestandteil,
der von C verschieden ist, war nur Ti.
-
Teststücke
Nummern 13, 27, 28, wie in Tabelle 2 gezeigt, zeigen jeweils die
Ergebnisse des Überprüfens durch eine Analyse
von der Zusammensetzung einer harten Beschichtung, die auf der Oberfläche
eines Substrats gebildet wird, erhalten durch Halten eines Bogenstroms
bzw. eines Methan-(CH4)-Partialdrucks unter
der gleichen Bedingung, und verschiedenes Ändern der Applikations-Verdampfungsquelle.
Das Atomverhältnis von C in einer harten Beschichtung,
die durch Anwendung der Applikations-Verdampfungsquelle A gebildet
wurde, war 0,7, das Atomverhältnis von C in einer harten
Beschichtung, die durch Anwendung der Applikations-Verdampfungs-quelle
B gebildet wurde, war 0,8 und das Atomverhältnis von C
in einer harten Beschichtung, die durch Anwendung der Applikations-Verdampfungsquelle
C gebildet wurde, war 0,45. Beide von den Applikations-Verdampfungsquellen
A, B, die in der Lage waren, eine harte Beschichtung zu bilden,
die C bei einem entsprechend hohen Atomverhältnis enthält,
waren die Bogenverdampfungsquellen zum Bilden von magnetischen Feldlinien,
die im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Verdampfungsfläche
des Targets sind, und die vorwärts divergieren oder parallel
zueinander verlaufen.
-
In
anderen Worten, es wurde verifiziert, dass das Atomverhältnis
von C in der harten Beschichtung durch Bilden der Magnetfeldlinien,
die im Wesentlichen rechtwinklig zu der Verdampfungsfläche
des Targets sind, und vorwärts divergieren oder parallel
zueinander verlaufen, geeignet sein konnte.
-
In 5 wird
eine Beziehung zwischen dem Methanpartialdruck (Pa) und der Bogenstromdichte (A/cm2) bezüglich zu jedem von den Teststücken,
auf der Grundlage der in Tabelle 2 gezeigten Testergebnisse aufgetragen.
Weiterhin wurde die Beziehung zwischen dem Methanpartialdruck und
der Bogenstromdichte durch das Atomverhältnis von C in
einer harten Beschichtung durch Verbinden der Testdatenpunkte miteinander
gefunden, und unter Erzeugen von Zwischenpunkten dazwischen durch
Interpolation, wodurch eine Kurvenschar der Atomverhältnisse
von C gezeichnet wurde, die in 5 gezeigt
ist. Da das Atomverhältnis b von C bevorzugter nicht weniger
als 0,7 ist, in dem Fall, wo B und N nicht zugegeben werden, wie
vorstehend beschrieben, wird es deutlich, dass eine Region oberhalb
einer, in 5 gezeigten schrägen
Linie, ausgedrückt durch die Formel von dem Methanpartialdruck
(Pa) = 0,163 + 1,44 × der Bogenstromdichte (A/cm2), als eine empfehlenswerte Beziehung zwischen
dem Methanpartialdruck und der Bogenstromdichte, ausreichen wird.
-
Wenn
folglich das metallische Element M Ti darstellt, ist ein Kohlenwasserstoffgas
Methan-(CH4)-Gas, und die Beziehung zwischen
dem Methanpartialdruck und der Bogenstromdichte kann der Formel
des Methanpartialdrucks (Pa) > 0,163
+ 1,44 × der Bogenstromdichte (A/cm2)
genügen, wobei es möglich ist, den C-Gehalt der
Beschichtung auf nicht weniger als ein geeignetes Atomverhältnis
von 0,7 einzurichten, sodass der freie Bestandteil C nicht in Reaktion
mit Ti fehlerfrei erzeugt werden kann.
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Bei
der Ausführungsform 2 wird der Fall beschrieben, bei dem
das metallische Element M, das für alle die Metalltargets
verwendet wurde, Ti war, jedoch die vorstehend gezeigte Formel auf
den Fall eines aus V zusammengesetzten Metalltargets angewendet
werden kann, usw., mit einer Verdampfungsmenge, die äquivalent
zu jener von Ti bei einem identischen Bogenstrom ist. Weiterhin
kann man mit dem Fall von einem Metalltarget mit einer anderen Verdampfungsmenge
durch Zugabe von einer geeigneten korrektiven Wirkung fertig werden.
-
(Ausführungsform 3)
-
Eine
harte Beschichtung, die W enthält, wurde auf der Oberfläche
eines Substrats in dem Bogen-Ionenplattierungssystem 1 von
dem Kathoden-Entladungstyp, der in 1 gezeigt
wird, gebildet, wobei W für das metallische Element M verwendet
wurde, und ein W0,5C0,5-Target
(ein heiß gepresstes Produkt vom ⌀100 mm), das
aus WC zusammengesetzt ist, als das Target verwendet wurde.
-
Während
der Zeit für die Filmbildung für die harte Beschichtung,
die W enthält, wurden Bedingungen übernommen,
dass ein Bogenstrom auf 150 A eingestellt wurde, ein Methan-(CH4)-Fließverhältnis bzw.
ein Stickstoff-(N2)-Fließverhältnis
in einem Bereich von 0 bis 30 Volumenprozent variiert wurden, und
weiterhin Ar in die Vakuumkammer eingespeist wurde, um dabei einen
Gesamtdruck einzustellen, der bei 1,33 Pa liegen soll. In den jeweiligen
Fällen von Teststücken 15 bis 17, die in Tabelle
3 gezeigt werden, wo B zugesetzt wurde, wurde weiterhin ein B2H6-Gas in die Vakuumkammer
gespeist. Eine Filmbildungstemperatur wurde auf 400°C eingestellt
und eine Vorspannung wurde auf 100 V eingestellt.
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Eine
Filmdicke einer harten Beschichtung, die W enthält, in
wie – gebildetem Zustand, war 10 μm, und eine
Kristallstruktur der harten Beschichtung wurde durch Röntgenbeugung
identifiziert. Die Röntgenbeugung wurde unter Bedingungen
ausgeführt, dass Cukα als
eine Röntgenstrahlungsquelle verwendet wurde, und Messung
an einer Region in einem Bereich von 10 bis 100° durch
das (ϑ-2ϑ)-Verfahren, unter Bedingungen von 40
kV–40 mA, ausgeführt wurde, wonach eine Kristallphase
von Peaks, wie beobachtet, identifiziert wurde.
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Das Überprüfen
von jeweiligen Zusammensetzungen der harten Beschichtungen, die
W enthalten, wurde durch Analyse, bei der Verwendung von dem Elektronenstrahl-Mikro-Analysator
(EPDA), ausgeführt. Weiterhin wurde ein Gleiteigenschaftstest,
unter den gleichen Bedingungen, wie für Ausführungsform
1, durchgeführt. In dem Gleiteigenschaftstest wurden entsprechende
Beschichtungen hinsichtlich des Reibungskoeffizienten, und einer
Verschleißtiefe unter Bedingungen bei 25°C geprüft,
wenn kein Erhitzen angewendet wird (Raumtemperatur) bzw. bei 400°C.
Der Reibungskoeffizient mit geringem Wert zeigt kein Festfressen
und die Verschleißtiefe mit geringem Wert zeigt ausgezeichnete
Verschleißbeständigkeit an. Weiterhin wurde wie
für den Reibungskoeffizient ein Mittelwert davon für
einen Gleitabstand in einem Bereich von 100 bis 300 m, bei dem die
stabilsten Daten innerhalb eines Gleitabstands, der nachstehend
beschrieben wurde, erhältlich sind, als Daten übernommen.
Ein Bestanden/Versagens-Kriterium für den Reibungskoeffizienten
war nicht mehr als 0,35 und ein Bestanden/Versagens-Kriterium für
die Verschleißtiefe war nicht mehr als 2,0 μm.
Die Ergebnisse des Tests werden in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 (Teil 1)
Nr. | Applikations-Verdampfungsquelle | Target | CH4 Fließverhältnis | N2 Fließverhältnis | W(x) | B(a) | C(b) | N(c) | x-a-c |
| | | Volumen-% | Volumen-% | Atomverhältnis | |
1 | AIP | WC | 0 | 0 | 0,7 | 0 | 0,3 | 0 | 0,7 |
2 | AIP | WC | 10 | 0 | 0,4 | 0 | 0,6 | 0 | 0,4 |
3 | ATP | WC | 20 | 0 | 0,3 | 0 | 0,7 | 0 | 0,3 |
4 | AIP | WC | 30 | 0 | 0,2 | 0 | 0,8 | 0 | 0,2 |
5 | AIP | WC | 0 | 10 | 0,65 | 0 | 0,3 | 0,05 | 0,6 |
6 | AIP | WC | 0 | 40 | 0,5 | 0 | 0,35 | 0,15 | 0,35 |
7 | AIP | WC | 15 | 5 | 0,39 | 0 | 0,6 | 0,01 | 0,38 |
8 | AIP | WC | 17,5 | 7,5 | 0,3 | 0 | 0,65 | 0,05 | 0,25 |
9 | AIP | WC | 15 | 30 | 0,25 | 0 | 0,6 | 0,15 | 0,1 |
10 | AIP | WC | 5 | 10 | 0,45 | 0 | 0,5 | 0,05 | 0,4 |
11 | AIP | WC | 15 | 10 | 0,4 | 0 | 0,55 | 0,05 | 0,35 |
12 | AIP | WC | 15 | 20 | 0,35 | 0 | 0,55 | 0,10 | 0,25 |
13 | AIP | WC | 15 | 40 | 0,3 | 0 | 0,47 | 0,23 | 0,07 |
14 | AIP | WC | 20 | 10 | 0,2 | 0 | 0,75 | 0,05 | 0,15 |
15 | AIP | WC | 15 | 10 | 0,25 | 0,05 | 0,65 | 0,05 | 0,15 |
16 | AIP | WC | 15 | 10 | 0,25 | 0,12 | 0,58 | 0,05 | 0,08 |
17 | AIP | WC | 15 | 10 | 0,25 | 0,22 | 0,48 | 0,05 | –0,02 |
18 | AIP | WC | 50 | 0 | 0,1 | 0 | 0,9 | 0 | 0,1 |
19 | AIP | WC | 10 | 35 | 0,2 | 0 | 0,6 | 0,2 | 0 |
20 | AIP | WC | 5 | 25 | 0,5 | 0 | 0,4 | 0,1 | 0,4 |
Tabelle 3 (Teil 2)
Nr. | Kristallstruktur | Reibungskoeffizient,
bei 25°C | Reibungskoeffizient,
bei 400°C | Verschleiß tiefe, bei
25°C | Verschleiß -tiefe,
bei 400°C |
| Messung
durch Röntgen-strahlen | Mittelwert
für 100–300 m | Mittelwert
für 100–300 m | μm | μm |
1 | W2C | 0,5 | 0,55 | 4,5 | 5,6 |
2 | WC1-x | 0,3 | 0,3 | 1,7 | 2,3 |
3 | WC1-x | 0,2 | 0,3 | 2,1 | 2,5 |
4 | WC1-x | 0,2 | 0,3 | 2,2 | 2,4 |
5 | W2C
+ δWN | 0,4 | 0,5 | 3,4 | 4,5 |
6 | W2C
+ δWN | 0,55 | 0,6 | 3,5 | 4,7 |
7 | WC1-x
+ δWN | 0,27 | 0,3 | 1,2 | 1,8 |
8 | WC1-x
+ δWN | 0,2 | 0,18 | 0,3 | 0,7 |
9 | WC1-x
+ δWN | 0,3 | 0,35 | 0,8 | 1,5 |
10 | WC1-x
+ δWN | 0,3 | 0,3 | 1,1 | 1,7 |
11 | WC1-x
+ δWN | 0,2 | 0,22 | 0,4 | 0,6 |
12 | WC1-x
+ δWN | 0,24 | 0,25 | 0,5 | 0,8 |
13 | δWN | 0,35 | 0,4 | 3 | 3,7 |
14 | WC1-x
+ δWN | 0,18 | 0,2 | 0,2 | 0,4 |
15 | WC1-x
+ δWN | 0,2 | 0,18 | 0,3 | 0,7 |
16 | WC1-x
+ δWN | 0,2 | 0,17 | 1 | 1,1 |
17 | Amorpher
Zustand | 0,3 | 0,4 | 3,7 | 5 |
18 | Amorpher
Zustand | 0,1 | 0,3 | 4,5 | 6 |
19 | SWN | 0,3 | 0,35 | 3,2 | 4,1 |
20 | W2C
+ δWN | 0,4 | 0,35 | 4,6 | 5 |
-
Jeweilige
Zusammensetzungen (Atomverhältnisse) von Beschichtungen,
in wie – gebildetem Zustand, sind wie in Tabelle 3 gezeigt.
Es konnte verifiziert werden, dass Teststücke Nummern 7
bis 12 und 14 bis 16, die in Tabelle 3 gezeigt werden, jeweils eine
Beschichtung von einer Zusammensetzung waren, die eine Bedingung
gemäß Anspruch 3 erfüllt, und ein Gemischtfilm
mit den Kristallen von sowohl WC 1-x, als auch δ-WN waren.
Weiterhin wurde der Reibungskoeffizient von allen Beschichtungen
als so klein, wie nicht mehr als 0,35, entweder unter der Bedingung
bei 25°C (Raumtemperatur) oder unter der Bedingung bei
400°C, gefunden, und die Verschleißtiefe davon
war so klein, wie nicht mehr als 2,0 μm, entweder unter
der Bedingung bei 25°C (Raumtemperatur) oder unter der
Bedingung bei 400°C. Folglich wurde es gefunden, dass jene
harten Beschichtungen, die W enthalten, mit der Zusammensetzung,
die die Bedingung gemäß Anspruch 3 erfüllt,
in der Verschleißbeständigkeit und in der Festfressbeständigkeit
ausgezeichnet waren, und in der Lage waren, nach Anwendung über
einen langen Zeitraum ausgezeichnete Gleiteigenschaften zu halten.
-
Weiterhin
wurde bei Teststücken Nummern 8, 11, 12, 14 und 15, alle
davon, entsprechend in einem Bereich, der sich als ein bevorzugterer
Zusammensetzungsbereich hinsichtlich B, C, N, wie vorstehend beschrieben,
erweist, herausgefunden, dass der Reibungskoeffizient einer Beschichtung
mit nicht mehr als 0,25, entweder unter der Bedingung bei 25°C
(Raumtemperatur) oder unter der Bedingung bei 400°C, gefunden wurde,
und die Verschleißtiefe davon nicht mehr als 1,0 μm,
entweder unter der Bedingung bei 25°C (Raumtemperatur)
oder unter der Bedingung bei 400°C, war, was somit nachweist,
dass die Beschichtung ausgezeichnet in Reibungseigenschaften und
insbesondere in der Verschleißbeständigkeit ist.
-
Weiterhin
konnte es aus den Ergebnissen eines Tests an Teststücken
Nummern 1, 5 bzw. 6 verifiziert werden, dass das Atomverhältnis
b von C, das in der Beschichtung enthalten war, nicht einen, wie
in Anspruch 3 angeführten, Bereich erreichte, auch mit
der Verwendung des Targets, das aus WC zusammengesetzt ist, sofern
es nicht in einer Atmosphäre vorlag, die ein C-enthaltendes
Gas(CH4-Gas) enthält.
-
(Ausführungsform 4)
-
Eine
harte Beschichtung, die W enthält, wurde auf der Oberfläche
eines Substrats durch ein Sputteringverfahren unter Verwendung von
W für das metallische Element M gebildet, und unter Verwendung
eines W0,5C0,5-Targets
(Durchmesser: 10 inches), zusammengesetzt aus WC als Target, wie
in dem Fall von Ausführungsform 3, bei einem Gesamtdruck
von 0,6 Pa in einer Atmosphäre von Methan-Stickstoff.
-
Eine
Abscheidungsrate in dem Fall des Bildens der harten Beschichtung,
die W en thält, auf der Oberfläche eines Substrats
durch das Sputteringverfahren, wurde mit jener in einem Fall des
Bildens der harten Beschichtung, die W auf der Oberfläche
eines Substrats enthält, durch das Bogen-Ionenplattierungsverfahren gemäß Ausführungsform
3 verglichen. Die Ergebnisse von einem solchen Vergleich werden
in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
Nr. | Applikations-Verdampfungsquelle | Target | Bogenbedingung | Sputtering-Bedingung | Abscheidungsrate |
| | | Bogenstrom, Methanfließverhältnis,
Stickstofffließverhältnis | Strom,
Methanfließverhältnis, Stickstofffließverhältnis | μm/h |
1 | AIP | WC | 150A,
Methan 10%, Stickstoff 10% | | 5 |
2 | SPUTTERING | WC | | 2
kV, Methan 10%, Stickstoff 10% | 1 |
-
Tabelle
4 zeigt, dass es möglich ist, die Filmbildung bei einer
Abscheidungsrate von nur 1 μm pro Stunde durch das Sputteringverfahren,
im Gegensatz zur Filmbildung, die bei einer Abscheidungsrate von
5 μm pro Stunde durch das Bogen-Ionenplattierungsverfahren
implementiert wurde, zu implementieren, wodurch verifiziert wurde,
dass das Bogen-Ionenplattierungsverfahren in der Lage ist, die harte
Beschichtung, die W enthält, bei einer höheren
Geschwindigkeit zu bilden.
-
(Ausführungsform 5)
-
Eine
harte Beschichtung, die W enthält, wurde auf der Oberfläche
eines Substrats in dem Bogen-Ionenplattierungssystem 1 von
dem Kathoden-Entladungstyp, der in 1 gezeigt
wird, unter Verwendung eines W0,5C0,5-Targets (ein heiß gepresstes
Produkt vom ⌀100 mm), wie es der Fall mit Ausführungsform
3 ist, gebildet.
-
Die
harte Beschichtung, die W enthält, wurde unter Bedingungen
gebildet, dass ein Bogenstrom auf 150 A eingestellt wurde, Methan-(CH4)-Fließverhältnis bzw.
Stickstoff-(N2)-Fließverhältnis
auf 10 Volumenprozent eingestellt wurden, und weiterhin Ar in die
Vakuumkammer eingespeist wurde, wodurch ein Gesamtdruck eingestellt
wurde, der bei 1,33 Pa ist. Die Filmbildungstemperatur wurde auf
400°C eingestellt und eine Vorspannung wurde in einem Bereich
von –30 bis –20 V geändert, wodurch eine
Beschichtung (alle Atomverhältnisse sind gemäß W0,38C0,55N0,07) von 10 μm Dicke gebildet wurde.
-
Um
die Gleiteigenschaft der Beschichtung zu überprüfen,
wurde ein Gleiteigenschaftstest unter den gleichen Bedingungen wie
jenen für Ausführungsform 1 und Ausführungsform
3 durchgeführt. In dem Gleiteigenschaftstest wurden entsprechende
Beschichtungen hinsichtlich des Reibungskoeffizienten geprüft,
und eine Verschleißtiefe unter Bedingungen bei 25°C,
wenn kein Erhitzen angewendet wurde (Raumtemperatur), bzw. bei 400°C
geprüft. Der Reibungskoeffizient, klein im Wert, zeigt
kein Festfressen, und die Verschleißtiefe, klein im Wert,
zeigt ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit an.
Weiterhin wurde wie mit dem Reibungskoeffizienten ein Mittelwert
davon für einen Gleitabstand in einem Bereich von 100 bis
300 m, bei dem die stabilsten Daten innerhalb des hierin nachstehend
beschriebenen Gleitabstands erhältlich sind, als Daten übernommen. Die
Bestanden/Versagens-Kriterien für den Reibungskoeffizienten
bzw. die Verschleißtiefe waren nicht mehr als 0,35 bzw.
nicht mehr als 2,0 μm, wie es bei anderen Ausführungsformen
der Fall ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde
es jedoch bestimmt, dass der Reibungskoeffizient nicht mehr als
0,25 und die Verschleißtiefe von nicht mehr als 1,0 μm
bevorzugter waren. Die Ergebnisse des Tests werden in Tabelle 5
gezeigt. Tabelle 5
Nr. | Applikations-Verdampfungsquelle | Target | Vorspannungsspannung | Kristallstruktur | Reibungskoeffizient, bei
25°C | Reibungskoeffizient, bei
400°C | Verschleißtiefe,
bei 25°C | Verschleißtiefe,
bei 400°C |
| | | (–V) | Messung mit Röntgenstrahlen | Mittelwert für
100–300 m | Mittelwert für
100–300 m | μm | μm |
1 | AIP | WC | 30 | WC1-x + δWN | 0,27 | 0,2 | 1,1 | 2 |
2 | AIP | WC | 50 | WC1-x + δWN | 0,2 | 0,15 | 0,45 | 1 |
3 | AIP | WC | 70 | WC1-x + δWN | 0,2 | 0,15 | 0,4 | 0,8 |
4 | AIP | WC | 100 | WC1-x + δWN | 0,22 | 0,17 | 0,5 | 0,8 |
5 | AIP | WC | 150 | WC1-x + δWN | 0,25 | 0,2 | 1 | 1,2 |
6 | AIP | WC | 200 | WC1-x + δWN | 0,3 | 0,25 | 1,2 | 1,5 |
-
Tabelle
5 zeigt, dass aufgrund jeweiliger Zusammensetzungen (Atomverhältnisse)
von Beschichtungen, die den Erfordernissen, wie für Anspruch
3 angeführt, genügen, alle Teststücke
Nummern 1 bis 6, die Bestanden/Versagenskriterien erfüllen.
Bei Teststücken Nummern 2 bis 4 wurde unter allen Teststücken
der Reibungskoeffizient mit nicht mehr als 0,25, entweder unter
der Bedingung bei 25°C (Raumtemperatur) oder unter der
Bedingung bei 400°C, gefunden, und die Verschleißtiefe
wurde mit nicht mehr als 1,0 μm, entweder unter der Bedingung
bei 25°C (Raumtemperatur) oder unter der Bedingung bei
400°C, gefunden. Es wird aus jenen Ergebnissen deutlich,
dass, wenn eine Vorspannung in einem Bereich von –50 bis –100
V gehalten wird, dies verursachen wird, dass die Reibungseigenschaften
und Verschleißbeständigkeit weiter erhöht
werden.
-
(Ausführungsform 6)
-
Es
wurde ein Test zum Bilden einer harten Beschichtung, die W enthält,
auf der Oberfläche eines Substrats in dem Bogen-Ionenplattierungssystem 1 von
dem Kathoden-Entladungstyp, der in 1 gezeigt
wird, unter Verwendung eines W0,5C0,5-Targets (ein heiß gepresstes
Produkt vom ⌀100 mm), oder eines W-Targets durchgeführt.
-
In
dem Fall der Verwendung des W0,5C0,5-Targets wurde die harte Beschichtung,
die W enthält, unter Bedingungen gebildet, dass ein Bogenstrom
auf 150 A eingestellt wurde, ein Methan-(CH4)-Fließverhältnis bzw.
ein Stickstoff-(N2)-Fließverhältnis
auf 10 Volumenprozent eingestellt wurde, und weiterhin wurde Ar
in die Vakuumkammer eingespeist, wodurch ein Gesamtdruck bei 1,33
Pa eingestellt wurde. Eine Filmbildungstemperatur wurde auf 400°C
eingestellt und eine Vorspannung wurde auf –70 V eingestellt,
wodurch damit eine Beschichtung, die 10 μm dick ist, gebildet
wurde (die gleiche Bedingung wie für Teststück
Nr. 3 von Ausführungsform 3).
-
Mittlerweile
wurde in dem Fall der Anwendung des W-Targets eine Beschichtung
von 10 μm in der Dicke unter Bedingungen gebildet, dass
ein Ar-Partialdruck auf 1,33 Pa eingestellt wurde, ein Methan-(CH4)-Partialdruck wurde auf 1 Pa eingestellt
und ein Stickstoff-(N2)-Partialdruck wurde
auf 0,33 Pa eingestellt, wodurch der Gesamtdruck auf 2,66 Pa eingestellt
wurde, während eine Filmbildungstemperatur auf 400°C
und die Vorspannung auf –70 V eingestellt wurden.
-
Im
Fall des Verwendens des WC-Targets war es möglich, Filmbildung
auf der Oberfläche des Substrats zu implementieren, jedoch
in dem Fall der Anwendung des W-Targets konnte Bogenentladung nicht
verzögert bzw. hingehalten werden, und deshalb war es nicht
möglich, die Filmbildung auf der Oberfläche des Substrats
zu implementieren. Das heißt, in dem Fall des Verwendens
von dem W-Target war die Bogenentladung instabil, sodass die harte
Beschichtung, die W enthält, nicht stabil gebildet werden
konnte, jedoch mit der Verwendung des WC-Targets konnte die harte
Beschichtung, die W enthält, stabil gebildet werden.
-
Es
sollte für den Fachmann verständlich sein, dass
verschiedene Modifizierungen, Kombinationen, Unter-Kombinationen
und Veränderungen, in Abhängigkeit von den Entwicklungs-Erfordernissen
und anderen Faktoren, auftreten können, insofern sie innerhalb
des Umfangs der beigefügten Ansprüche oder den Äquivalenten
davon liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2000-144376
A [0005]
- - JP 2002-307129 A [0005]
- - JP 2002-307128 A [0005]
- - JP 2000-1768 A [0005]
- - JP 2006-124818 A [0005]