DE102008056189B4

DE102008056189B4 - Harte Beschichtung mit ausgezeichneter Gleiteigenschaft und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102008056189B4
Application number: DE102008056189.4A
Authority: DE
Inventors: Kenji Yamamoto
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: US20090142509A1; US8080324B2; DE102008056189A1

Abstract

Harte Beschichtung mit ausgezeichneter Gleiteigenschaft, ausgedrückt durch eine chemische Formel MxBaCbNc, worin M W darstellt, wobei die harte Beschichtung eine chemische Zusammensetzung aufweist, die den jeweiligen Formeln genügt, ausgedrückt durch: 0 ≤ a ≤ 0,12; 0,5 < b ≤ 0,8; 0,01 ≤ c < 0,15; 0 < x – a – c; 0,2 ≤ x < 0,5 und x + a + b + c = 1, worin x, a, b und c Atomverhältnisse von M, B, C und N bedeuten.

Description

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.
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.
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 Primärbeschichtung.
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.
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 (X_cM_1-c) (B_aC_bN_1-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.
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 Primärbeschichtung, 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 2000 144376 A
[Patent Dokument 2] JP 2002 307129 A
[Patent Dokument 3] JP 2002 307128 A
[Patent Dokument 4] JP 2000 001768 A
[Patent Dokument 5] JP 2006 124818 A

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.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine harte Beschichtung mit ausgezeichneter Gleiteigenschaft, ausgedrückt durch eine chemische Formel M_xB_aC_bN_c, bereitgestellt, worin M W darstellt, wobei die harte Beschichtung eine chemische Zusammensetzung aufweist, die den jeweiligen Formeln genügt, ausgedrückt durch:
0 ≤ a ≤ 0,12;
0,5 < b ≤ 0,8;
0,01 ≤ c ≤ 0,15;
0 < x – a – c;
0,2 ≤ x < 0,5 und
x + a + b + c = 1, worin x, a, b und c Atomverhältnisse von M, B, C und N bedeuten.
Die harte Beschichtung hat vorzugsweise eine Kristallstruktur, die ein Gemisch von δ-WN und WC_1-x einschließt.
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:
das Herstellen eines Targets, das aus WC zusammengesetzt ist;
das Verwenden des Targets in einer Atmosphäre von einem Gemisch, das ein Kohlenstoff enthaltendes Gas und Stickstoff enthält, in einem Kathodenbogen-Ionenplattierungs-system; 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.
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.
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.
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.
Bei der harten Beschichtung kann gemäß noch einer weiteren Variante nach dem einen Aspekt der Erfindung WC1-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 Verschleißbeständigkeit ausgezeichnet ist.
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.
Ausführungsform(en) der vorliegenden Erfindung wird/werden im Einzelnen, bezogen auf die nachstehenden Figuren, beschrieben, worin:
1 eine schematische Querschnittsansicht darstellt, die ein Beispiel eines Kathoden-Bogen-Ionenplattierungssystems zur Verwendung bei der Bildung einer erfindungsgemäßen harten Beschichtung zeigt;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel von einer Applikations-Verdampfungsquelle von dem Bogen-Ionenplattierungssystem zeigt;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel der Applikations-Verdampfungsquelle von dem Bogen-Ionenplattierungssystem zeigt;
4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Applikations-Verdampfungsquelle von einem herkömmlichen Bogen-Ionenplattierungssystem zeigt; und
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.
Die Erfindung wird hierin nachstehend mit Bezug auf die Ausführungsformen davon genauer beschrieben.
Eine harte Beschichtung gemäß der Erfindung bezieht sich auf eine harte Beschichtung, die durch die chemische Formel M_xB_aC_bN_c ausgedrückt werden kann, worin M W darstellt, wobei die harte Beschichtung eine chemische Zusammensetzung aufweist, die den jeweiligen Formeln genügt, ausgedrückt durch 0 ≤ a ≤ 0,12; 0,5 < b ≤ 0,8; 0,01 ≤ c < 0,15; 0 < x – a – c; 0,2 ≤ 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.
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).
Zuerst sind die Erfordernisse für die harte Beschichtung gemäß der Erfindung jene, dass die harte Beschichtung eine Zusammensetzung aufweist, die es derselben ermöglicht, 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.
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)
Weiterhin sind die Erfordernisse zur Erzeugung des freien Kohlenstoffbestandteils C jene, dass das Atomverhältnis von C nicht weniger als 0,5 ist. 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 0,8 (b ≤ 0,8) sein.
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.
Nun wird anschließend ein Verfahren zum Bilden der in dem Vorangehenden beschriebenen harten Beschichtung beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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, die im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Verdampfungsseite 2a von dem Target 2 sind, und vorwärts divergieren oder parallel zueinander verlaufen.
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.
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 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.
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 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.
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 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, wie zum Beispiel in 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.
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.
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.
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 Härte, 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.
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.
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.
B ist ein wahlweises Element, kann jedoch zugegeben werden, weil, wenn B zugesetzt wird, wird dies eine W-B-Bindung, die eine hohe Härte 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.
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.
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.
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.
Nun wird hierin anschließend ein Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung beschrieben, worin das metallische Element M für den Zusatz W darstellt.
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.
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.
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 in einem Zustand vorliegen, im Wesentlichen rechtwinklig zu der Verdampfungsseite 2a von dem Target 2 und vorwärts divergieren oder parallel zueinander verlaufen.
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.
Neben den C-enthaltenden Gasen, kann Stickstoff, Edelgas, wie Argon, Neon und Xenon, außerdem für den Zweck der Stabilität der elektrischen Entladung zugesetzt werden.
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.
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.
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
(nicht erfindungsgemäße 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, dessen 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.
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.

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-on-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)

Tabelle 1 (Teil 2)

Nr.	Verschleißtiefe (400°C) Mittelwert für 100–300 m	Verschleißtiefe (25°C) μm	Verschleißtiefe (400°C) μm	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	0,30	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.
Die Beschichtungen der Referenz-Teststücke Nummern 4 bis 6, 10, 12, und 24 bis 29, die in Tabelle 1 gezeigt werden, 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.
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.
Teststücke Nummern 2, 3 jeweils sind eine Beschichtung, die nicht den Ausdruck x – a – c < b, und den Ausdruck 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 den Ausdruck 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 Härte 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 den Ausdruck 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 den Ausdruck 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.
(nicht erfindungsgemäße Ausführungsform 2)
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-(OH₄)-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 Überprüfung durch Analyse werden in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
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 Ti_xC_b 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-Verdampfungsquelle 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 x 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 x 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.
Bei der nicht erfindungsgemäßen 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.
(erfindungsgemäße 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 W_0,5C_0,5-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.
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 CuK_α 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.
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)
unterstrichene Werte stellen Vergleichsbeispiele dar Tabelle 3 (Teil 2)
Jeweilige Zusammensetzungen (Atomverhältnisse) von Beschichtungen, in wie – gebildetem Zustand, sind wie in Tabelle 3 gezeigt. Es konnte verifiziert werden, dass Teststücke Nummern 7, 8, 11, 12 und 14 bis 16, die in Tabelle 3 gezeigt werden, jeweils eine Beschichtung von einer Zusammensetzung waren, die eine Bedingung gemäß Anspruch 1 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 1 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 1 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 W_0,5C_0,5-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 enthält, 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, Me-thanfließverhältnis, Stickstofffließverhältnis	Strom, Methanfließverhältnis, Stickstofffließverhältnis	μm/h
1	AIP	WC	150 A, 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-Ionen-plattierungsverfahren 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 W_0,5C_0,5-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 W_0,38C_0,55N_0,07) 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
Tabelle 5 zeigt, dass aufgrund jeweiliger Zusammensetzungen (Atomverhältnisse) von Beschichtungen, die den Erfordernissen, wie für Anspruch 1 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 W_0,5C_0,5-Targets (ein heiß gepresstes Produkt vom ⌀ 100 mm), oder eines W-Targets durchgeführt.
In dem Fall der Verwendung des W_0,5C_0,5-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.

Claims

Harte Beschichtung mit ausgezeichneter Gleiteigenschaft, ausgedrückt durch eine chemische Formel M_xB_aC_bN_c, worin M W darstellt, wobei die harte Beschichtung eine chemische Zusammensetzung aufweist, die den jeweiligen Formeln genügt, ausgedrückt durch: 0 ≤ a ≤ 0,12; 0,5 < b ≤ 0,8; 0,01 ≤ c < 0,15; 0 < x – a – c; 0,2 ≤ x < 0,5 und x + a + b + c = 1, worin x, a, b und c Atomverhältnisse von M, B, C und N bedeuten.
Harte Beschichtung mit ausgezeichneter Gleiteigenschaft nach Anspruch 1, worin eine Kristallstruktur ein Gemisch von δ-WN und WC_1-x einschließt.
Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2 auf der Oberfläche eines Substrats, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: das Herstellen eines Targets, das aus WC zusammengesetzt ist; das Verwenden des Targets in einer Atmosphäre von einem Gemisch, das ein Kohlenstoff enthaltendes Gas und Stickstoff enthält, in einem Kathodenbogen-Ionenplattierungssystem; und das 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.