-
QUERVERWEISE AUF VERWANDTE
ANMELDUNG
-
Diese
Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-201339,
die in Japan am 10. Juli 2002 eingereicht wurde.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf mit einem Kohlenstofffilm
beschichtete Gegenstände,
die als Teile von Motoren (z. B. Verbrennungsmotoren einschließlich Benzinmotoren,
Dieselmotoren oder dergleichen), Schneidgegenständen, wie beispielsweise Schneidwerkzeugen,
Teile von Schneidwerkzeugen etc., verwendet werden können, und
auf ein Verfahren zur Herstellung derselben.
-
Beschreibung des Stands
der Technik
-
Ein
Kohlenstofffilm, wie beispielsweise ein DLC-Film (diamantenähnlicher
Kohlenstofffilm), weist eine hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit und
einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf. Es wurde vorgeschlagen,
die Verschleissfestigkeit von Motorenteilen, Schneidgegenständen und ähnlichen verschiebbaren
Gegenstände
zu erhöhen
und den Reibungskoeffizienten derselben abzusenken, indem derartige
Eigenschaften des Kohlenstofffilms verwendet werden. Die Verschleißfestigkeit
und der Reibungskoeffizient der verschiebbaren Gegenstände kann
durch Beschichten der verschiebbaren Gegenstände mit dem DLC-Film oder ähnlichem
Kohlenstofffilmen verbessert werden.
-
Im
Allgemeinen ist jedoch die Adhäsion
des DLC-Films und ähnlicher
Kohlenstofffilme an dem Substrat der aus Stahl oder dergleichen
hergestellten verschiebbaren Gegenstände niedrig, und diese Filme
sind daher ohne weiteres von dem Substrat trennbar. Um die Adhäsion des
DLC-Films und ähnlicher
Kohlenstofffilme an dem Substrat zu verbessern, wurde vorgeschlagen,
eine Zwischenschicht zwischen dem Kohlenstofffilm und dem Substrat
zu bilden. Durch diesen Vorschlag wurde jedoch keine ausreichende
Adhäsion
erzeugt.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mit einem
Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstand, d. h. einen Gegenstand
mit einem auf einem Substrat des Gegenstands gebildeten Kohlenstofffilm,
wobei der Kohlenstofffilm eine hohe Adhäsion an dem Substrat des Gegenstands aufweist,
und ein Verfahren zur Herstellung desselben bereitzustellen.
-
Um
die oben erwähnte
Aufgabe zu erreichen, liefert die Erfindung den folgenden, mit einem Kohlenstofffilm
beschichteten Gegenstand und das folgende Herstellungsverfahren.
-
(1) Mit einem Kohlenstofffilm
beschichteter Gegenstand
-
Ein
mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand umfasst ein Substrat;
eine Mischschicht, die auf mindestens einem Teil des Substrats gebildet ist
und aus einem Element oder Elementen, die das Substrat bilden, und
Wolfram zusammengesetzt ist; einen Wolframfilm, der auf der Mischschicht
gebildet ist; und einen Kohlenstofffilm, der auf dem Wolframfilm
gebildet ist.
-
(2) Verfahren zur Herstellung
eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands
-
Ein
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten
Gegenstands, der umfasst: ein Substrat, eine Mischschicht, die auf
mindestens einem Teil des Substrats gebildet ist und aus einem Element
oder Elementen, die das Substrat bilden, und Wolfram zusammengesetzt
ist, einen Wolframfilm, der auf der Mischschicht gebildet, und einen Kohlenstofffilm,
der auf dem Wolframfilm gebildet ist, umfasst die folgenden Schritte:
Bilden
der Mischschicht auf mindestens einem Teil des Substrats, wobei
die Mischschicht aus dem oder den Elementen, die das Substrat bilden,
und Wolfram zusammengesetzt ist,
Bilden des Wolframfilms auf
der Mischschicht und
Bilden des Kohlenstofffilms auf dem Wolframfilm,
wobei mindestens eine bzw. einer der Mischschicht, des Wolframfilms
und des Kohlenstofffilms unter Verwendung eines Kathodenmaterials,
das durch Bogenentladung in einer Vakuumbodenabscheidungsvorrichtung
mit einer Vakuumbogen-Verdampfungsquelle einschließlich der
Kathode verdampft wird, gebildet wird.
-
Die
vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen offensichtlicher.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel des mit einem Kohlenstofffilm
beschichteten Gegenstands zeigt.
-
2 ist
ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Beispiels der
Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung zeigt.
-
3 ist
eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Material
und einer Dicke einer darunterliegenden Schicht von (unter) dem
DLC-Film einerseits
und einer abgelösten
Fläche,
die die Adhäsion
des DLC-Films an dem Substrat darstellt, andererseits zeigt.
-
4 ist
eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Dicke
und der zwischen dem DLC-Film und dem Substrat gebildeten Mischschicht
und eines Lastwiderstands zeigt, der die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat
darstellt.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
(1) Mit einem Kohlenstofffilm
beschichteter Gegenstand
-
Ein
mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand umfasst als eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung eine Mischschicht, eine Wolframschicht und einen auf
dem Substrat gebildeten Kohlenstofffilm in dieser Reihenfolge. Genauer gesagt
werden eine Mischschicht, ein Wolframfilm und ein Kohlenstofffilm über mindestens
einem Teil des Substrats des Gegenstands gebildet.
-
Das
Substrat, das hohe mechanische Festigkeit erfordert, kann aus einem
Material, einschließlich Eisen,
als der Hauptbestandteil, wie beispielsweise Kohlenstoffstahl, Spezialstahl
oder ähnliche
Stähle; hergestellt
werden. Optional kann das Substrat aus Keramik oder Keramiken, zementiertem
Karbid (Hartmetall) oder dergleichen hergestellt werden.
-
Die
Mischschicht wird auf dem Substrat gebildet und enthält ein das
Substrat (Material bzw. Materialien, die das Substrat bilden) bildende
Element bzw. Elemente und Wolfram (W), und kann ein weiteres Element
bzw. Elemente enthalten.
-
Der
Wolframfilm wird zwischen der Mischschicht und dem Kohlenstofffilm
gebildet. Der Wolframfilm enthält
Wolfram (W) als der Hauptbestandteil und kann Verunreinigungen (unbedeutende
Bestandteile) enthalten.
-
Der
Kohlenstofffilm wird auf dem Wolfram gebildet. Der Kohlenstofffilm
enthält
Kohlenstoff (C) als der Hauptbestandteil, und kann Verunreinigungen,
einschließlich
Kohlenstoffnitrid, Silizium oder dergleichen enthalten. Der Kohlenstofffilm
kann beispielsweise ein DLC-Film (diamantenähnlicher Kohlenstofffilm) sein.
-
Wie
bei den Ergebnissen von später
zu beschreibenden Experimenten gezeigt wird, ist die Adhäsion des
Kohlenstofffilms an dem Wolframfilm höher als die Adhäsion des
Kohlenstofffilms an einem Molybdänfilm
oder einem Chromfilm.
-
Da
die Mischschicht, die das Substrat bildende Element bzw. Elemente
und den Wolfram enthält, zwischen
dem Substrat und dem Wolframfilm gebildet ist, ist die Adhäsion des
Wolframfilms an dem Substrat hoch. Dadurch ist die Adhäsion des
Kohlenstofffilms an dem Substrat in dem mit einem Kohlenstofffilm
beschichteten Gegenstand hoch.
-
Der
Kohlenstofffilm (insbesondere der DLC-Film) weist eine hohe Härte und
einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf, sodass die mit einem Kohlenstofffilm
beschichtete Gegenstände
vorzugsweise als Elemente benutzt werden können, von denen verlangt wird,
mindestens Verschleißfestigkeit und/oder
eine niedrige Reibungskennlinie aufzuweisen. Beispielsweise können die
mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstände (Kohlenstofffilm beschichtete
Elemente) als verschiebbare Elemente (Schiebeteile) verwendet werden.
-
Genauer
gesagt können
die mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstände als
Motorenteilen, wie beispielsweise Nocken, Unterlegscheiben, Ventilstößel, Kolben,
Kolbenringe und dergleichen und andere Maschinenteile, Schneidgegenstände, wie
beispielsweise Bohrer, Stirnfräser,
Fräser, Schneidwerkzeuge
und dergleichen, Formen etc. verwendet werden. Der Kohlenstofffilm
bei einem derartigen mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstand
weist eine derartige hohe Adhäsion
an dem Substrat auf, wie oben beschrieben, dass der Gegenstand die
niedrige Reibungskennlinie und andere Eigenschaften stabil langfristig
beibehalten kann.
-
Hinsichtlich
der Lebensdauer des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands
kann der Kohlenstofffilm eine Dicke von beispielsweise 500 nm oder
mehr aufweisen. Wenn der Kohlenstofffilm zu dick ist, ist es wahrscheinlich,
dass Abblättern oder
Risse auftreten. Somit kann die Dicke des Kohlenstofffilms beispielsweise
10 μm oder
weniger sein. Die Spannung kann durch Hinzufügen von Metallen oder dergleichen
gelockert werden.
-
Ein
zu dicker oder zu dünner
Wolframfilm macht die Verringerung seiner Adhäsion an den Kohlenstofffilm
möglich,
wie bei den Ergebnissen von später
zu beschreibenden Experimenten gezeigt wird. Die obere Grenze der
Dicke des Wolframfilms ist vorzugsweise 170 nm oder weniger, bevorzugt 150
nm oder weniger und am bevorzugtesten 100 nm oder weniger. Die untere
Grenze der Dicke des Wolframfilms ist vorzugsweise 5 nm oder mehr,
bevorzugt 10 nm oder mehr.
-
Eine
zu dicke oder zu dünne
Mischschicht führt
zu niedriger Adhäsion
des Kohlenstofffilms an dem Substrat, wie bei den Ergebnissen von
später
zu beschreibenden Experimenten gezeigt wird. Die obere Grenze der
Dicke der Mischschicht ist vorzugsweise 200 nm oder weniger, bevorzugt
100 nm oder weniger, bevorzugt insbesondere 500 nm oder weniger und
am bevorzugtesten 10 nm oder weniger. Die untere Grenze der Dicke
der Mischschicht ist vorzugsweise 1 nm oder mehr, bevorzugt 2 nm
oder mehr.
-
(2) Verfahren zur Herstellung
eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands
-
Ein
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten
Gegenstands als eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfasst folgende Schritte:
Bilden auf einem Substrat eines
Gegenstands einer Mischschicht, die ein Element oder Elemente enthält, die
das Substrat bilden, und Wolfram,
Bilden eines Wolframfilms
auf der Mischschicht, und
Bilden eines Kohlenstofffilms auf
dem Wolframfilm.
-
Mindestens
eine bzw. einer der Mischschicht, der Wolframschicht und des Kohlenstofffilms wird
durch eine Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung (Ionenplattierungsvorrichtung
vom Bogentyp) gebildet. Die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung weist
mindesten eine Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Kathode
auf. Bei der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung kann eine Schicht
oder ein Film mit einem Kathodenmaterial (die die Kathode bildende
Substanz, die gemäß der zu
bildenden Schicht oder Film ausgewählt wird) gebildet werden, das
durch Bogenentladung, genauer gesagt durch Ionisieren eines verdampften
Kathodenmaterials durch in der Nachbarschaft der Kathode hergestellten
Plasmas verdampft wird. Jede bzw. jeder Mischschicht, Wolframfilm
und Kohlenstofffilm kann durch die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung
gebildet werden.
-
Wenn
die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung benutzt wird, kann das ionisierte
Kathodenmaterial durch eine an das Substrat angelegte Vorspannung
zu dem Substrat angezogen und dazu gebracht werden, mit dem Substrat
zu kollidieren. Eine derartige Vorspannungsanwendung kann beim Bilden
der Mischschicht, des Wolframfilms und des Kohlenstofffilms ausgeführt werden.
-
Die
Mischschicht kann gebildet werden, indem das Substrat einem Beschussverfahren
(Vakuumbogenabscheidungsvorgang mit einem Beschussverfahren) unter
Verwendung von Wolfram als ein Kathodenmaterial (mit anderen Worten,
unter Verwendung einer hauptsächlich
Wolfram enthaltenden Kathode) in der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung
gebildet werden. Genauer gesagt wird Wolfram als das Kathodenmaterial
durch ein Plasma ionisiert, während
eine relativ hohe Vorspannung an das Substrat angelegt wird, sodass
der ionisierte Wolfram in das Substrat getrieben wird (d. h. das
Substrat wird einem Beschussverfahren unterworfen), wodurch die Mischschicht,
die ein das Substrat bildende Element bzw. Elemente enthält, und
Wolfram gebildet wird.
-
In
diesem Fall kann vermutlich die Eigenschaft bzw. Eigenschaften der
Oberfläche
des Substrats durch das Beschussverfahren verbessert werden, was
zu der Bildung der Mischschicht führt. Wenn die Mischschicht
durch das Beschussverfahren gebildet wird, wird die Oberfläche des
Substrats einer Sputter- Reinigung
unterworfen, und das Substrat wird erwärmt, wodurch der später zu bildende Wolframfilm
in seiner Haftung an der Mischschicht verstärkt wird.
-
Der
Wolframfilm kann durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren mit
Wolfram als ein Kathodenmaterial (mit anderen Worten, unter Verwendung
einer hauptsächlich
Wolfram enthaltenden Kathode) in der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet
werden. Wenn beispielsweise Wolfram als das Kathodenmaterial in
Plasma gemacht und ionisiert wird, während eine relativ niedrige
Vorspannung an das Substrat angelegt wird, wird der ionisierte Wolfram
auf dem Substrat (der Mischschicht auf dem Substrat) abgeschieden,
um den Wolframfilm zu bilden. Es ist optional beispielsweise eine
Vorspannung an das Substrat anzulegen, die in ihrem Absolutwert (einschließlich 0
V) niedriger ist, als wenn die Mischschicht durch das Beschussverfahren
gebildet wird.
-
Der
Kohlenstofffilm kann durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren
unter Verwendung von Kohlenstoff als ein Kathodenmaterial (mit anderen Worten,
unter Verwendung einer hauptsächlich
Kohlenstoff enthaltenden Kathode) in der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung
gebildet werden. Wenn beispielsweise Kohlenstoff als das Kathodenmaterial in
Plasma gemacht und während
des Anlegens einer Vorspannung an das Substrat ionisiert wird, wird
der ionisierte Kohlenstoff auf dem Substrat (dem Wolframfilm auf
dem Substrat) abgeschieden, um den Kohlenstofffilm zu bilden.
-
Jede
bzw. jeder Mischschicht, Wolframfilm und Kohlenstofffilm kann durch
andere Verfahren als die gebildet werden, die die vorhergehende
Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung verwenden. Der Kohlenstofffilm
kann beispielsweise durch ein Plasma-CVD-Verfahren, ein Sputter-Verfahren,
ein Laserabscheidungsverfahren oder dergleichen gebildet werden.
Jede bzw. jeder Mischschicht, Wolframfilms und Kohlenstofffilm kann
jedoch mit einer relativ hohen Abscheidungsrate durch das Verfahren
gebildet werden, das die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung verwendet.
Dies ist so, weil die Ionendichte des Kathodenmaterials in dem Plasma
aufgrund der Verdampfung des Kathodenmaterials durch Bogenentladung
relativ erhöht
werden kann. Wenn die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung verwendet
wird, können
die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm sogar
auf dem Substrat des Gegenstands in einer relativ komplizierten
Form (z. B. Substrat in einer kubischen Form) gebildet werden, und
die Abscheidung ist ohne weiteres sogar über eine große Fläche durchführbar.
-
Ferner
ist der durch das Vakuumbogenabscheidungsverfahren gebildete Kohlenstofffilm
wahrscheinlich härter
und niedriger im Wasserstoffgehalt, als wenn er durch ein Plasma-CVD-Verfahren,
Sputter-Verfahren oder Laserabscheidungsverfahren gebildet wird.
Wenn der Kohlenstofffilm durch das Vakuumbogenabscheidungsverfahren
gebildet wird, kann dies durch Anlegen einer gepulsten Vorspannung
an das Substrat durchgeführt
werden. Dadurch kann die interne Spannung in dem somit gebildeten
Kohlenstofffilm verringert und der Kohlenstofffilm mit einer sehr
glatten Oberfläche
gebildet werden.
-
Bei
dem vorhergehenden Verfahren zur Herstellung eines mit einem Kohlenstofffilm
beschichteten Gegenstands wird mindestens eine bzw. einer der Mischschicht,
des Wolframfilms und des Kohlenstofffilms in der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung
gebildet. Beispielsweise können
die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm in der
gleichen Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden. Wenn
die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm in der
gleichen Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden, kann
der Transport des Substrats, die Entfernung von Gas bzw. Gasen aus
der Prozesskammer und die Erwärmung
des Substrats in einer kürzen
Zeit durchgeführt
werden, als wenn eine oder zwei von ihnen in anderen Vorrichtungen
gebildet werden.
-
Dies
bedeutet, dass die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm
so effizient gebildet werden können,
und dass ein mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand
so effizient hergestellt werden kann. In diesem Fall ist es unwahrscheinlich,
dass eine Grenzfläche
zwischen der Mischschicht und dem Wolframfilm und eine Grenzfläche zwischen
dem Wolframfilm und dem Kohlenstofffilm in Kontakt mit Verunreinigungen
kommen, und ordnungsgemäße Grenzflächen können hergestellt
werden.
-
Eine
Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung, die allgemein beim Bilden der
Mischschicht, des Wolframfilms und des Kohlenstofffilms zu verwenden
ist, umfasst mindestens zwei Vakuumbogen-Verdampfungsquellen, z.
B. eine erste Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Wolframkathode
(Kathode mit Wolfram als der Hauptbestandteil) und eine zweite Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit
einer Kohlenstoffkathode (Kathode mit Kohlenstoff als der Hauptbestandteil).
-
Wenn
die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm durch
eine Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden, die nur
eine Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Kathode aufweist,
muss eine Wolframkathode für
eine Kohlenstoffkathode nach Bilden der Mischschicht und des Wolframfilms
ausgetauscht werden. Wenn die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung
mit den ersten und zweiten Vakuumbogen-Verdampfungsquellen benutzt
wird, kann die Zeitspanne zum Austauschen der Kathoden eingespart
werden, und dadurch kann ein mit einem Kohlenstofffilm beschichteter
Gegenstand wirtschaftlicher hergestellt werden.
-
Eine
Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung mit zwei oder mehr Vakuumbogen-Verdampfungsquellen,
die jeweils eine Wolframkathode umfassen, können verwendet werden, um die
Abscheidungsrate beim Bilden der Mischschicht und/oder des Wolframfilms
zu erhöhen.
Auf ähnliche
Weise kann eine Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung mit zwei oder
mehr Vakuumbogen-Verdampfungsquellen,
die jeweils eine Kohlenstoffkathode umfassen, verwendet werden,
um die Abscheidungsrate beim Bilden des Kohlenstofffilms zu erhöhen.
-
Eine
Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung, die beim Bilden von mindestens
eine bzw. einer der Mischschicht, des Wolframfilms und des Kohlenstofffilms
zu verwenden ist, kann vom Magnetfiltertyp sein, der ein Magnetfilter
für mindestens
eine Vakuumbogen-Verdampfungsvorrichtung aufweist, um zu verhindern,
dass Makroteilchen des Kathodenmaterials mit einem Durchmesser von
mehreren Mikrometer bis mehreren zehn Mikrometern an dem Substrat haften.
-
Insbesondere
wird bevorzugt, wenn der Kohlenstofffilm gebildet wird, eine derartige
Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung vom Magnetfiltertyp zu verwenden.
Der Grund ist wie folgt. Wenn die Kathode gegenüber dem Substrat beim Bilden
des Kohlenstofffilms mit einer Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung,
die eine Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Kohlenstoff kathode
aufweist, angeordnet wird, haften die Kohlenstoff-Makroteilchen
ohne weiteres an der Oberfläche
des Substrats (Wolframfilm auf dem Substrat).
-
(3) Beschreibung eines
Beispiels eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands
und des Verfahrens zur Herstellung desselben
-
Ein
Beispiel des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands
und eines Verfahrens zur Herstellung desselben wird mit Bezug auf
die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine
Teilschnittansicht, die schematisch ein Beispiel des mit einem Kohlenstofffilm
beschichteten Gegenstands zeigt.
-
Ein
in 1 gezeigter, mit einem Kohlenstofffilm beschichteter
Gegenstand 1 umfasst ein Substrat 11 des Gegenstands.
Auf mindestens einem Teil des Substrats 11 sind eine Mischschicht 12,
ein Wolframfilm 13 und ein Kohlenstofffilm 14 überlagert, wie
sie in dieser Reihenfolge von der Substratseite gebildet werden.
-
Das
Substrat 11 ist bei diesem Beispiel aus Chrom-Molybdän-Stahl
hergestellt. Die Mischschicht 12 enthält ein das Substrat bildendes
Element bzw. Elemente und Wolfram (W). Bei diesem Beispiel enthält die Mischschicht
Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän
(Mo) und Wolfram. Die Mischschicht 12 weist bei diesem
Beispiel eine Dicke von 5 nm auf. Der Wolframfilm 13 ist
hauptsächlich
aus Wolfram zusammengesetzt und weist bei diesem Beispiel eine Dicke von
50 nm auf. Der Kohlenstofffilm 14 ist ein DLC-Film, der
bei diesem Beispiel eine Dicke von 500 nm aufweist.
-
Der
mit einem Kohlenstoff beschichtete Gegenstand 1 ist hervorragend
in der niedrigen Reibungskennlinie und der Verschleißfestigkeit,
da er mit einem sehr harten DLC-Film (Kohlenstofffilm) 14 beschichtet
ist. Die Adhäsion
zwischen dem DLC-Film 14 und dem Wolframfilm 13,
die Adhäsion zwischen
dem Wolframfilm 13 und der Mischschicht 12 sowie
die Adhäsion
zwischen der Mischschicht 12 und dem Substrat 11 sind
alle gut, sodass die Adhäsion
des DLC-Films 14 an dem Substrat 11 gut ist. Mit diesem
Merkmal kann der mit einem Kohlenstofffilm beschichtete Gegenstand 1 die
niedrige Reibungskennlinie und die Verschleißfestigkeit langfristig stabil aufrechterhalten.
-
Der
DLC-Film 14 wird bei diesem Beispiel durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren
mit einer Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet, sodass er
ein geringeres Gehalt von Wasserstoff aufweist, als wenn er durch
ein Plasma-CVD-Verfahren, Sputter-Verfahren, Laserabscheidungsverfahren oder
andere Verfahren gebildet wird. Dadurch kann der DLC-Film 14 die
niedrige Reibungskennlinie und andere Eigenschaften sogar unter
Hochtemperaturumgebungen stabil aufweisen.
-
Bei
dem mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstand 1,
der eine niedrige Reibungskennlinie und eine hohe Verschleißfestigkeit
aufweist, kann das Substrat 11 eines der Substrate für Motorenteile,
wie beispielsweise Nocken, Unterlegscheiben, Ventilstößel, Kolben,
Kolbenringe und dergleichen und anderen Maschinen, Schneidgegenstände, wie
beispielsweise Bohrer, Stirnfräser,
Fräser,
Schneidwerkzeuge oder Teile davon etc. sein. Die Gegenstände 1 mit
derartigen Substraten 11 können vorzugsweise als Motorenteile
und ähnliche
Maschinenteile, Schneidgegenstände,
etc. verwendet werden, die eine niedrige Reibungskennlinie und eine
Verschleißfestigkeit
erfordern.
-
Das
Verfahren zur Herstellung des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten
Gegenstands 1 wird beschrieben. Bei diesem Beispiel werden
die Mischschicht 12, der Wolfram-Film 13 und der
DLC-Film 14 alle mit einer Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet,
die Vakuumbogen-Verdampfungsquellen aufweist. Genauer gesagt werden
alle von ihnen mit der gleichen Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet.
-
2 ist
ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Beispiels der
Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung zeigt, die beim Bilden der Mischschicht 12,
des Wolframfilms 13 und des DLC-Films 14 zu verwenden
ist.
-
Eine
Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung AP1 von 2 ist vom
Magnetfiltertyp und ist mit einer Vakuumkammer 20, einem
Magnetfilter 5 und zwei Vakuumbogen-Verdampfungsquellen 3, 4 ausgestattet.
-
In
der Kammer 20 ist ein Halter 21 zum Halten des
Substrats 11 zum Bilden des DLC-Films 14 oder
dergleichen angeordnet. Eine negative Spannung kann an das Substrat 11 von
einer Vorspannungs-Leistungsquelle 22 über den das Substrat 11 tragenden
haltenden Halter 21 angelegt werden. Die Kammer 20 ist
geerdet.
-
Ein
Evakuator 23 ist mit der Kammer 20 verbunden.
Das Gas bzw. die Gase werden von der Kammer 20 durch den
Evakuator 23 entfernt, wodurch der Gasdruck in der Kammer 20 in
einem spezifizierten Bereich eingestellt werden kann. Eine Gaszufuhreinheit 24 ist
mit der Kammer 20 verbunden. Ein spezifiziertes Gas bzw.
Gase kann/können in
die Kammer 20 durch die Gaszufuhreinheit 24 eingeleitet
werden.
-
Die
Vakuumbogen-Verdampfungsquelle 3 umfasst eine Kathode 31,
eine Bogenleistungsquelle 32, eine Abschirmungsplatte 33 und
eine Auslöseelektrode 34.
Die Kathode 31 wird in der Kammer 20 angeordnet,
liegt dem Halter 21 gegenüber und ist aus Wolfram zusammengesetzt.
Die Abschirmungsplatte 33 ist ringförmig und angeordnet, um die
Kathode 31 zu umgeben. Ein Zwischenraum ist zwischen der
Abschirmungsplatte 33 und der Kathode 31 gebildet,
die elektrisch voneinander isoliert sind. Die Abschirmungsplatte 33 ist
elektrisch mit der Kammer 20 über einen Widerstand 35 verbunden.
-
Die
Auslöseelektrode 34 kann
in rechten und linken Richtungen in der Figur durch eine Treibervorrichtung
(nicht gezeigt) von einer Position, bei der ihre Spitze in Kontakt
mit der Kathode 31 ist, zu einer Position, bei der ihre
Spitze damit außer
Kontakt ist, bewegt werden.
-
Wenn
die Auslöseelektrode 34 in
und außer Kontakt
mit der Kathode 31 gebracht wird, während eine negative Spannung
von der Bogenleistungsquelle 32 an die Kathode 31 angelegt
wird, werden elektrische Funken zwischen der Auslöseelektrode 34 und
der Kathode 31 emittiert. Eine Bogenentladung wird durch
die Funken ausgelöst.
-
Wolfram
als ein Kathodenmaterial wird durch die Bogenentladung erwärmt, geschmolzen
und verdampft. Plasma wird durch die Bogenentladung vor der Kathode 31 (rechts
von der Kathode 31 in der Figur) hergestellt, wodurch das
verdampfte Wolfram teilweise ionisiert wird. Mit anderen Worten
kann bei der Vakuumbogen-Verdampfungsquelle 3 Wolframionen
enthaltenes Plasma vor der Kathode 31 durch Bogenentladung
hergestellt werden.
-
Ein
Magnetfilter 5 wird bereitgestellt, um zu verhindern, dass
Makroteilchen des Kathodenmaterials für die Vakuumbogen-Verdampfungsquelle 4 an dem
von dem Halter 21 getragenen Substrat 1 haften.
Das Magnetfilter 5 umfasst ein gekrümmtes Transportrohr 51,
eine auf dem Transportrohr 51 gewickelte Magnetspule 52 und
eine Leistungsquelle 53, um die Magnetspule 52 anzuregen.
-
Das
Transportrohr 51 ist mit der Kammer 20 verbunden.
Bei diesem Beispiel ist das Transportrohr 51 mit einem
Winkel von 90 Grad gekrümmt.
Eine der Öffnungen
in dem Transportrohr 51 liegt dem in der Kammer 20 angeordneten
Halter 21 gegenüber, während die
andere Öffnung
mit einer Endplatte 54 verschlossen ist.
-
Eine
Gleichspannung wird an die Magnetspule 52 von der Leistungsquelle 53 angelegt,
wodurch ein Magnetfeld im Wesentlichen entlang der Innenwand des
Transportrohrs 51 innerhalb des Transportrohrs 51 hergestellt
werden kann. Bei 55 in 2 sind magnetische
Kraftlinien in dem auf diese Art und Weise gebildeten Magnetfeld
angegeben.
-
Die
Vakuumbogen-Verdampfungsquelle 4 umfasst eine Kathode 41,
einen Kathodenhalter 42 und eine Bogenleistungsquelle 43.
Die Kathode 41 ist aus Kohlenstoff zusammengesetzt und
an den Endplatten 54 an einem Ende des Transportrohrs 51 über den
aus einem Isoliermaterial gebildeten Halter 42 befestigt.
Der Halter 21 (durch den Halter 21 gehaltenes
Substrat 11) in der Kammer 20 kann nicht von der
Position der Kathode 41 betrachtet werden, die an dem Ende
des Transportrohrs 51 angeordnet ist, aufgrund der Unterbrechung
der Innenwand des mit einem Winkel von 90 Grad gekrümmten Transportrohres 51.
Mit anderen Worten existiert die Innenwand des Transportrohres 51 auf
einer geraden Linie, die die Kathode 41 mit dem Halter 21 verbindet.
-
Bei
diesem Beispiel dient die Endplatte 54 ebenfalls als eine
Anode. Eine Bogenentladung wird zwischen der Endplatte (Anode) 54 und
der Kathode 41 verursacht, wenn eine Bogenentladungsspannung
zwischen ihnen von der Bogenleistungsquelle 43 angelegt
wird. Die Verdampfungsquelle 4 umfasst eine Auslöseelektrode 44 zum
Zünden
einer Bogenentladung wie bei der oben erwähnten Verdampfungsquelle 3.
-
Die
Auslöseelektrode 44 ist
mit der Endplatte 54 über
einen Widerstand 45 verbunden. Die Auslöseelektrode 44 kann
in rechten und linken Richtungen in der Figur durch eine Treibervorrichtung
(nicht gezeigt) von einer Position, bei der ihre Spitze in Kontakt
mit der Kathode 41 ist, zu einer Position, bei der ihre
Spitze außer
Kontakt damit ist, bewegt werden.
-
Wenn
die Auslöseelektrode 44 in
und außer Kontakt
mit der Kathode 41 gebracht wird, während eine negative Spannung
von der Bogenleistungsquelle 43 an die Kathode 41 angelegt
wird, werden elektrische Funken zwischen der Auslöseelektrode 44 und
der Kathode 41 emittiert. Eine Bogenentladung wird durch
die Funken ausgelöst.
Kohlenstoff als ein Kathodenmaterial wird durch die Bogenentladung
erwärmt,
geschmolzen und verdampft.
-
Plasma
wird vor der Kathode 41 (rechts von der Kathode 41 in
der Figur) durch die Bogenentladung hergestellt, wodurch der verdampfte
Kohlenstoff teilweise ionisiert wird. Mit anderen Worten kann bei
der Vakuumbogen-Verdampfungsquelle 4 Plasma,
das Kohlenstoffionen enthält,
vor der Kathode 41 (rechts von der Kathode 41 in
der Figur) durch die Bogenentladung hergestellt werden.
-
Bei
der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung AP1 können, wie oben beschrieben,
die Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der
DLC-Film (Kohlenstofffilm) 14 in der folgenden Art und
Weise auf dem Substrat 11 gebildet werden, wenn es von dem
Halter 21 gehalten wird. Bei der Bildung der Mischschicht
und der Filme kann der das Substrat 11 haltende Halter 21 durch
eine Treibervorrichtung (nicht gezeigt) gedreht werden, um eine
gleichmäßige Mischschicht
und gleichmäßige Filme
zu bilden.
-
Bei
der Abscheidung eines Films wird Gas bzw. werden Gase, z. B. Luft
einschließlich
reaktiver Gase, wie beispielsweise Stickstoffgas und Sauerstoffgas,
von der Kammer 20 durch den Evakuator 23 entfernt,
um das Innere in einen Zustand verringerten Drucks von beispielsweise
10–4 Torr
(ungefähr
10–2 Pa)
oder weniger zu bringen.
-
Danach
wird ein inaktives Gas, wie beispielsweise Argongas, in die Kammer 20 durch
die Gaszufuhreinheit 24 eingeleitet, um das Innere in einen
Zustand von beispielsweise 1 × 10–3 Torr
(ungefähr
1 × 10–1 Pa)
bis 8 × 10–3 Torr
(ungefähr
8 × 10–1 Pa)
zu bringen, sodass die Beibehaltung der Bogenentladung bei den Verdampfungsquellen 3 und 4 ermöglicht wird.
-
Wenn
die Mischschicht 12 gebildet wird, benutzt der Vorgang
die Verdampfungsquelle 3 mit der Kathode 31, die
aus Wolfram zusammengesetzt ist, und nicht die Verdampfungsquelle 4.
Durch die Verdampfungsquelle 3 kann Wolframionen enthaltenes Plasma
vor der Kathode 31 hergestellt werden, wie oben beschrieben
ist, d. h. zwischen der Kathode und dem das Substrat 11 haltenden
Halter 21. Bei diesem Vorgang wird eine relativ hohe negative
Gleichspannung (z. B. ungefähr –400 V Gleichstrom
bis –2000
V Gleichstrom) von der Vorspannungs-Leistungsquelle 22 an
das Substrat 11 über
den Halter 21 angelegt.
-
Die
Wolframionen werden zu dem Substrat 11 durch die an das
Substrat 11 angelegte Vorspannung angezogen und dazu gebracht,
mit dem Substrat 11 zusammenzustoßen, wodurch die Ionen in das Substrat
eingearbeitet werden. D. h., das Substrat wird einem Beschussverfahren
durch die Wolframionen ausgesetzt, wodurch eine das eingearbeitete Wolfram
enthaltende Schicht als eine Oberflächenschicht auf dem Substrat 11 gebildet
wird, d. h. die Substrat-bildende
Elemente enthaltene Mischschicht 12 und Wolfram wird gebildet.
-
Anschließend wird
der Wolframfilm 13 auf der Mischschicht 12 gebildet,
während
der Druck in der Kammer 20 beibehalten wird. Wenn der Wolframfilm 13 gebildet
wird, benutzt der Vorgang die Verdampfungsquelle 3 mit
der aus Wolfram zusammengesetzten Kathode 31 und nicht
die Verdampfungsquelle 4. Wenn der Wolframfilm 13 gebildet
wird, wird Wolframionen enthaltendes Plasma durch die Verdampfungsquelle 3 hergestellt,
und eine negative Spannung wird von der Vorspannungs-Leistungsquelle 22 an
das Substrat 11 angelegt.
-
Wenn
der Wolframfilm 13 gebildet wird, wird eine negative Gleichspannung
(z. B. ungefähr –200 V Gleichstrom),
deren Absolutwert niedriger ist, als wenn die Mischschicht 12 gebildet
wird (wenn das Beschussverfahren ausgeführt wird), an das Substrat 11 angelegt.
Dadurch werden die Wolframionen zu dem Substrat 11 angezogen
und dazu gebracht, mit dem Substrat 11 zusammenzustoßen, sodass
der Wolframfilm 13 auf der Mischschicht 12 gebildet
wird.
-
Da
die an das Substrat 11 anzulegende Vorspannung so niedrig
ist, dass eine Aktion des Einarbeitens (Schießens) der Wolframionen in das
Substrat 11 klein ist, wird Wolfram auf der Mischschicht 12 akkumuliert,
wobei der Wolframfilm 13 auf der Mischschicht 12 gebildet
wird.
-
Anschließend wird
der DLC-Film (Kohlenstofffilm) 14 auf dem Wolframfilm 13 gebildet,
während
der Druck in der Kammer 20 beibehalten wird. Wenn der DLC-Film 14 gebildet
wird, benutzt der Vorgang die Verdampfungsquelle 4 mit
der aus Kohlenstoff zusammengesetzten Kathode 41 und nicht
die Verdampfungsquelle 3. Durch die Verdampfungsquelle 4 wird
Kohlenstoffionen enthaltendes Plasma vor der Kathode 41 hergestellt,
wie oben beschrieben ist. Das Plasma wird entlang dem Transportrohr 51 durch
das durch die Magnetspule 52 hergestellte Magnetfeld transportiert
und zu dem Substrat 11 geführt, das von dem Halter 21 in
der Kammer 20 getragen wird.
-
Bei
diesem Vorgang wurde eine negative Vorspannung von der Vorspannungs-Leistungsquelle 22 an
das Substrat 11 angelegt. Bei diesem Beispiel wird eine
gepulste negative Vorspannung an das Substrat 11 angelegt.
Beispielsweise wird eine Impulsspannung von etwa –1 kV bis
etwa –10
kV an das Substrat 11 mit einer Frequenz von 5 kHz und
einem Tastverhältnis
von etwa 2% bis etwa 10% angelegt. Die Kohlenstoffionen in dem Plasma
werden zu dem Substrat 11 durch die an das Substrat 11 angelegte Vorspannung
angezogen, wodurch der DLC-Film (Kohlenstofffilm) 14 auf
dem Wolframfilm 13 gebildet wird.
-
Die
Makroteilchen (Tröpfchen)
der Kathoden-bildenden Substanz, die bei der Erzeugung der Plasma
enthaltenden Kohlenstoffionen in der Verdampfungsquelle 4 hergestellt
wurde, werden wie folgt entfernt, um die Makroteilchen daran zu
hindern, die Kammer 20 durch das Magnetfilter 5 zu
erreichen. Die Makroteilchen, die keine elektrische Ladung aufweisen,
rücken
im Wesentlichen gerade in einer anfangs genommenen Richtung beginnend
von der Kathode 41 vor, da sich die Makroteilchen aufgrund
des mit der Magnetspule 52 hergestellten Magnetfelds nicht
krümmen.
-
Die
meisten der Makroteilchen werden dazu gebracht, mit der Innenwand
des gekrümmten
Transportrohres 51 zusammenzustoßen, wobei sie folglich versagen,
das Innere der Kammer 20 zu erreichen. Sogar wenn die Makroteilchen
beginnen, sich in einer Richtung zu bewegen, bei der das Innere
der Kammer 20 erreicht wird, würde das Substrat 11 nicht
auf einer geraden Linie in der Anfangsrichtung existieren, was es
für die
Makroteilchen unmöglich
macht, an dem Substrat 11 zu haften.
-
Wenn
eine Mischschicht 12, ein Wolframfilm 13 und ein
DLC-Film 14 durch das oben erwähnte Verfahren gebildet werden,
werden die folgenden Vorteile erzielt.
-
Die
Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der DLC-Film 14 können mit
einer relativ höheren
Abscheidungsrate durch Verwenden des durch die Bogenentladung verdampften
Kathodenmaterials gebildet werden, als wenn sie durch ein Plasma-CVD-Verfahren,
ein Sputter-Verfahren oder ein Laserabscheidungsverfahren gebildet
werden, was zu höherer Produktivität führt. Die
Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der DLC-Film 14 können auf
dem Substrat 11, sogar wenn das Substrat in einer relativ
komplizierten Form (z. B. einem Substrat in einer kubischen Form)
ist, gemäß der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung
AP1 gebildet werden. Außerdem ist
die Abscheidung mit relativer Einfachheit sogar über eine große Fläche durchführbar.
-
Die
Mischschicht 12 wird gebildet, indem das Substrat einem
Beschussverfahren ausgesetzt wird, sodass die Adhäsion der
Mischschicht 12 an dem Substrat 11 erhöht wird.
Da das Substrat 11 einem Beschussverfahren ausgesetzt wird,
kann das Substrat 11 durch Sputtern gereinigt und erwärmt werden, wodurch
die Adhäsion
der Wolframschicht 13 (die später zu bilden ist) an der Mischschicht 12 erhöht wird.
-
Wenn
der DLC-Film (Kohlenstofffilm) 14 durch das Vakuumbogenabscheidungsverfahren
gebildet wird, wie oben beschrieben ist, weist der DLC-Film 14 eine
höhere
Härte und
einen geringeren Wasserstoffgehalt auf, als wenn er durch ein Plasma-CVD-Verfahren,
Sputter-Verfahren und Laserabscheidungsverfahren gebildet wird.
Aufgrund des geringeren Gehalts von Wasserstoff kann der DLC-Film 14 eine
niedrigere Reibungskennlinie sogar unter einer Hochtemperaturumgebung
stabil aufweisen.
-
Da
der DLC-Film 14 gebildet wird, während die gepulste Vorspannung
an das Substrat 11 angelegt wird, kann der interne Stress
in dem DLC-Film 14 verringert werden, und der DLC-Film 14 kann
eine sehr glatte Oberfläche
aufweisen.
-
Die
Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der DLC-Film 14 werden
alle mit der gleichen Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung AP1 gebildet.
Daher kann der Transport des Substrats 11, die Evakuierung,
etc. in einer kürzeren
Zeit durchgeführt
werden, als wenn eine oder zwei von ihnen durch andere Vorrichtungen
gebildet werden. Dies bedeutet, dass die Mischschicht, der Wolframfilm
und der Kohlenstofffilm so effizient gebildet werden können, was
zu einer erhöhten
Produktivität
führt.
-
Die
Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung AP1 umfasst die gleiche Verdampfungsquelle 3 zur Verwendung
beim Bilden der Mischschicht 12 und des Wolframfilms 13 und
die Verdampfungsquelle 4 zur Verwendung beim Bilden des
DLC-Films 14, d. h. zwei Verdampfungsquellen, sodass die
Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der DLC-Film 14 kontinuierlich
ohne Austausch der Kathode in jeder der Verdampfungsquellen gebildet
werden können.
Dadurch können
die Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der
DLC-Film 14 so effizient mit hoher Produktivität gebildet
werden.
-
Da
das Magnetfilter 5 für
die Verdampfungsquelle 4 zur Verwendung beim Bilden des
DLC-Films 14 bereitgestellt wird, können die Makroteilchen der die
Kathode 41 bildenden Substanz am Anhaften an dem Substrat 11 (Wolframfilm 13)
gehindert werden, wodurch der DLC-Film 14 am Absenken der
Oberflächenglätte des
DLC-Films 14 gehindert werden kann. Der DLC-Film 14 kann
ferner am Ablösen
und Rissbilden beginnen von einem Teil des DLC-Films 14 gehindert
werden, an dem Makroteilchen gehaftet haben. Bei diesem Beispiel
wird das Magnetfilter 5 nur für die Verdampfungsquelle 4 bereitgestellt,
die die Kohlenstoffkathode aufweist, bei der es wahrscheinlich ist,
dass sich Makroteilchen entwickeln, wobei es jedoch ebenfalls für die Verdampfungsquelle 3 bereitgestellt
werden kann.
-
(4) Experimente an dem
Material und der Dicke der darunterliegenden Kohlenstofffilmschicht
-
Prüflinge des
mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden hergestellt,
um die Adhäsion
des Kohlenstofffilms an dem Substrat unter Verwendung von Wolframfilmen
verschiedener Dicken zu untersuchen, die als eine darunterliegende Schicht
des Kohlenstofffilms dienen.
-
Die
Prüflinge
des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden wie
folgt hergestellt. Eine Mischschicht, ein Wolframfilm und ein Kohlenstofffilm
(DLC-Film) wurden durch das oben erwähnte Verfahren unter Verwendung
der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung des in 2 gezeigten
Typs gebildet. Das Substrat war eines, das aus Chrom-Molybdän-Stahl
SCM415 hergestellt wurde. Jede der Schichten und Filme wurde in
der Kammer unter einem Gasdruck-Zustand gebildet, der durch Einleiten
von 100 sccm Argongas in die Kammer vorbereitet wurde, um einen
Druck von 5 × 10–3 Torr
(ungefähr
5 × 10–1 Pa)
zu erreichen, und nachdem die Luft aus der Kammer 20 evakuiert
wurde, einen Druck von 1 × 10–5 Torr
(ungefähr
1 × 10–3 Pa)
zu erreichen.
-
Eine
Mischschicht wurde durch Versorgen der Wolframkathode in der Verdampfungsquelle
mit einem Bogenstrom von 100 A (100 Ampere) und Anlegen einer Vorspannung
aus Gleichstrom (–1000
V) an das Substrat gebildet, um das Substrat einem Beschussverfahren
auszusetzen. Ein Wolframfilm wurde durch Versorgen der Wolframkathode
in der Verdampfungsquelle mit einem Bogenstrom von 80 A (80 Ampere)
und Anlegen einer Vorspannung aus Gleichstrom (–200 V) an das Substrat gemäß dem Vakuumbogenabscheidungsverfahren
gebildet. Ein DLC-Film wurde durch Versorgen der Kohlenstoffkathode
in der Verdampfungsquelle mit einem Bogenstrom von 80 A und Anlegen
einer gepulsten Vorspannung von –5 kV an das Substrat gemäß dem Vakuumbogenabscheidungsverfahren
gebildet. Die Impulsspannung wurde an das Substrat mit einer Frequenz
von 10 kHz und einem Tastverhältnis
von 5% angelegt.
-
Fünf Prüflinge des
mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden hergestellt.
Die Prüflinge
waren voneinander dadurch unterschiedlich, dass die Wolframfilme
von einer Dicke von 5 nm, 10 nm, 50 nm, 100 nm bzw. 200 nm waren.
Bei jedem dieser Prüflinge
hatte die Mischschicht eine Dicke von 10 nm und der DLC-Film eine
Dicke von 500 nm. Die Dicke der Mischschicht betrug 10 nm, bei der gute
Ergebnisse bei den später
zu beschreibenden Experimenten erzielt wurden.
-
Die
folgenden drei Typen von Vergleichs-Prüflingen des mit einem Kohlenstofffilm
beschichteten Gegenstands wurden hergestellt, um die Adhäsion des
Kohlenstofffilms (DLC-Films) an dem Substrat zu untersuchen. Alle
diese Vergleichs-Prüflinge
hatten Substrate aus dem gleichen Material (SCM415 Stahl) wie das
Substrat für
die Prüflinge
mit dem Wolframfilm.
-
Bei
den Vergleichs-Prüflingen
des ersten Typs wurde ein Molybdän-Film
(Mo-Film) anstatt des Wolframfilms als die darunterliegende Schicht
des DLC-Films verwendet,
und eine Mischschicht war eine, die der darunterliegenden Schicht
(Molybdän-Film)
entsprach. D. h., dass die Vergleichs-Prüflinge des ersten Typs einen
Molybdän-Film
(Mo-Film) und eine Molybdän
enthaltende Mischschicht und ein Substrat-bildendes Element bzw.
Elemente zwischen dem DLC-Film und dem Substrat hatten.
-
Die
Vergleichs-Prüflinge
des ersten Typs wurden auf die gleiche Art und Weise, wie es beim Erzeugen
der Prüflinge
mit dem Wolframfilm durchgeführt
wurde, mit der Ausnahme hergestellt, dass Molybdän als ein Kathodenmaterial
bei der Verdampfungsquelle verwendet wurde, die beim Bilden des Molybdänfilms und
der Mischschicht verwendet wurde.
-
Genauer
gesagt wurde die Mischschicht in jedem der Vergleichs-Prüflinge des
ersten Typs gebildet, indem das Substrat einem Beschussverfahren unter
den gleichen Abscheidungsbedingungen wie beim Bilden der Mischschicht
bei den Prüflingen
mit dem Wolframfilm ausgesetzt wurde. Der Molybdänfilm bei jedem der Vergleichs-Prüflinge des
ersten Typs wurde durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter
den gleichen Abscheidungsbedingungen gebildet, wie beim Bilden des
Wolframfilms in den Prüflingen
mit dem Wolframfilm. Der DLC-Film bei jedem der Vergleichs-Prüflinge des
ersten Typs wurde durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter
den gleichen Abscheidungsbedingungen wie beim Bilden des DLC-Films
in den Prüflingen
mit dem Wolframfilm gebildet.
-
Vier
Vergleichs-Prüflinge
des ersten Typs wurden auf eine solche Art und Weise gebildet, dass die
Dicke von Molybdänfilmen
5 nm, 10 nm, 50 nm bzw. 100 nm betrug. In jedem der Vergleichs-Prüflinge des
ersten Typs hatte die Mischschicht eine Dicke von 10 nm und der
DLC-Film eine Dicke von 500 nm.
-
Bei
den Vergleichs-Prüflingen
des zweiten Typs wurde ein Chromfilm (Cr-Film) anstatt des Wolframfilms als die
darunterliegende Schicht des DLC-Films verwendet, und eine Mischschicht
war eine, die der darunterliegenden Schicht (Chromfilm) entspricht.
D. h., die Vergleichs-Prüflinge
vom zweiten Typ hatten einen Chromfilm und eine Chrom enthaltende
Mischschicht und ein Substrat-bildendes Element
bzw. Elemente zwischen dem DLC-Film und dem Substrat.
-
Die
Vergleichs-Prüflinge
vom zweiten Typ wurden auf die gleiche Art und Weise, wie es beim Erzeugen
der Prüflinge
mit dem Wolframfilm durchgeführt
wurde, mit der Ausnahme hergestellt, dass Chrom als ein Kathodenmaterial
bei der Verdampfungsquelle verwendet wurde, die beim Bilden des Chromfilms
und der Mischschicht verwendet wurde. Genauer gesagt wurde die Mischschicht
bei jedem der Vergleichs-Prüflinge
vom zweiten Typ gebildet, indem das Substrat einem Beschussverfahren
unter den gleichen Abscheidungsbedingungen wie beim Bilden der Mischschicht
in den Prüflingen
mit dem Wolframfilm ausgesetzt wurde.
-
Der
Chromfilm bei jedem der Vergleichs-Prüflinge vom zweiten Typ wurde
durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter den gleichen Abscheidungsbedingungen
wie beim Bilden des Wolframfilms bei den Prüflingen mit dem Wolframfilm
gebildet.
-
Der
DLC-Film bei jedem der Vergleichs-Prüflinge vom zweiten Typ wurde
durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter den gleichen Abscheidungsbedingungen
wie beim Bilden des DLC-Films bei den Prüflingen mit dem Wolframfilm gebildet.
-
Fünf Vergleichs-Prüflinge vom
zweiten Typ wurden auf eine solche Art und Weise hergestellt, dass
die Dicke der Chromfilme 5 nm, 10 nm, 50 nm, 100 nm bzw. 200 nm
betrug. Bei jedem der Vergleichs-Prüflinge vom zweiten Typ hatte
die Mischschicht eine Dicke von 10 nm und der DLC-Film eine Dicke
von 500 nm.
-
Bei
dem Vergleichs-Prüfling
vom dritten Typ wurde ein DLC-Film direkt auf dem Substrat gebildet. Der
DLC-Film des Vergleichs-Prüflings
vom dritten Typ wurde durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren
unter den gleichen Abscheidungsbedingungen wie beim Bilden des DLC-Films
bei den Prüflingen
mit dem Wolframfilm gebildet. Der DLC-Film bei dem Vergleichs-Prüfling vom
dritten Typ hatte eine Dicke von 500 nm.
-
Die
Adhäsion
des DLC-Films an dem Substrat bei jedem der Prüflinge wurde durch eine Rockwell-Härteprüfmaschine
wie folgt ausgewertet. Der DLC-Film über dem
Substrat wurde unter einer Last von 150 kg durch einen Eindringkörper (Eindringkörper mit
konischem Diamanten) gedrückt,
der bei einer C-Skala-Rockwell-Härteprüfung zu
verwenden ist, wodurch die Adhäsion
des DLC-Films an dem Substrat hinsichtlich einer abgelösten DLC-Filmfläche um die
durch die Depression gebildeten Eindruck ausgewertet wurde. Die
Ergebnisse zeigen, dass je kleiner die abgelöste Filmfläche ist, desto höher die Adhäsion des
DLC-Films an dem Substrat ist.
-
Die
Ergebnisse werden in 3 gezeigt. Es ist aus 3 offensichtlich,
dass, wenn ein Wolframfilm und eine Wolfram enthaltende Mischschicht
zwischen dem DLC-Film und dem Substrat gebildet werden, die Adhäsion des
DLC-Films an dem Substrat höher
ist, als wenn der DLC-Film direkt auf dem Substrat gebildet wird.
Es ist ebenfalls offensichtlich, dass, wenn die darunterliegende
Schicht des DLC-Films die gleiche Dicke aufweist, ein als die darunterliegende
Schicht gebildeter Wolframfilm eine höhere Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat
erreicht, als wenn ein Molybdän
oder ein Chromfilm als die darunterliegende Schicht verwendet wird.
-
Es
ist ferner ersichtlich, dass ein Wolframfilm, wenn er zu dick oder
zu dünn
ist, die Adhäsion des
DLC-Films an dem Substrat verringert. Die Dicke des Wolframfilms
beträgt
vorzugsweise etwa 5 nm oder mehr, bevorzugt etwa 10 nm oder mehr.
Die Dicke des Wolframfilms beträgt
vorzugsweise etwa 170 nm oder weniger, bevorzugt etwa 150 nm oder
weniger und am bevorzugtesten etwa 100 nm oder weniger.
-
(5) Experimente an der
Dicke der Mischschicht
-
Prüflinge des
mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden hergestellt,
um die Adhäsion
des Kohlenstofffilms (DLC-Films) an dem Substrat unter Verwendung
von Mischschichten unterschiedlicher Dicke zu untersuchen.
-
Sechs
Prüflinge
des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden hergestellt. Diese
Prüflinge
sind voneinander dadurch unterschiedlich, dass die aus Wolfram und
einem Element bzw. Elementen gebildete Mischschichten, die das Substrat
bilden, Dicken von 2 nm, 5 nm, 10 nm, 50 nm, 100 nm bzw. 200 nm
aufwiesen. Die Mischschicht, der Wolframfilm und der DLC-Film bei diesen Prüflingen
wurden durch das gleiche Verfahren und unter den gleichen Bedingungen
wie oben beschrieben gebildet. Das Substrat bei jedem Prüfling wurde aus
Chrom-Molybdän-Stahl
SCM 415 hergestellt. Bei jedem der Prüflinge hatte der Wolframfilm
eine Dicke von 50 nm und der DLC-Film eine Dicke von 500 nm. Wenn
der Wolframfilm eine Dicke von 50 nm aufweist, zeigt der DLC-Film
eine ausgezeichnete Adhäsion
an dem Substrat, wie aus 3 offensichtlich ist.
-
Zum
Vergleich wurde ein Prüfling
ohne Mischschicht, d. h. mit einem Wolframfilm und einem DLC-Film
hergestellt, die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat gebildet
wurden, um die Adhäsion
des DLC-Films an dem Substrat zu untersuchen. Der Wolframfilm und
der DLC-Film bei diesem Vergleichsprüfling wurden durch das gleiche
Verfahren und unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben gebildet.
Der Wolframfilm hatte eine Dicke von 50 nm und der DLC-Film ein
Dicke von 500 nm bei den Vergleichs-Prüflingen.
-
Die
Adhäsion
des DLC-Films an dem Substrat bei jedem der Prüflinge wurde hinsichtlich einer abgelösten DLC-Filmfläche um den
mit einem Eindringkörper
(Eindringkörper
mit konischem Diamanten) gebildeten Eindruck auf die gleiche Art
und Weise wie oben beschrieben ausgewertet. Bei dem Vergleichs-Prüfling ohne
eine Mischschicht wurde der DLC-Film abgelöst, wohingegen sich keine der DLC-Schichten
bei den Prüflingen
mit der Mischschicht ungeachtet der Dicke der Mischschicht ablösten. Wie
oben beschrieben wurde kein Unterschied in der Adhäsion des
DLC-Films an dem Substrat wegen der Dicke der Mischschicht gefunden,
wenn sie durch das vorhergehende Auswertungsverfahren gemessen wurde.
Die Adhäsion
der DLC-Filme bei diesen Prüflingen
wurde weiter ausgewertet, wie nachstehend beschrieben, um einen
bevorzugten Bereich der Dicke der Mischschicht zu untersuchen.
-
Ein
Pressling wurde mit dem DLC-Film auf dem Substrat unter einer Presskraft
in einem Maschinenöl
in Kontakt gebracht und mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von
1042 UpM (Gleitgeschwindigkeit 1200 mm/s) durch einen Motor gedreht.
Bei diesem Vorgang wurde herausgefunden, dass, während eine Last des Presslings
gegen den DLC-Film (eine Last auf den Pressling beim Pressen des
Presslings gegen den DLC-Film) allmählich erhöht wurde, eine Last (kgf/mm2) beteiligt war, wenn ein Drehmoment des
Motors, das erforderlich war, um den Pressling mit der vorhergehenden Umdrehungsgeschwindigkeit
zu drehen, 20 [N] oder mehr erreichte. Wenn sich der DLC-Film durch
Erhöhen
der Last ablöste,
wurde ein größeres Drehmoment
des Motors beim Drehen des Presslings benötigt. D. h., dass, sogar wenn
eine schwere Last auferlegt wurde, das Drehmoment des Motors beim
Drehen des Presslings klein war, wenn ein hoch verschiebbarer DLC-Film
fest an dem Substrat haftete und sich nicht von dem Substrat trennte. Folglich
zeigt dies, dass je schwerer die gemessene Last ist, desto höher die
Adhäsion
des DLC-Films an dem Substrat ist. Der verwendete Pressling war
in der Form, wie es gemäß JIS-K7218A beschrieben
ist, d. h. zylindrisch, und wurde aus Kohlenstoffstahl zur Maschinenstruktur-Verwendung
hergestellt (S50C).
-
Die
Ergebnisse werden in 4 gezeigt. 4 zeigt,
dass, wenn die Wolfram enthaltende Mischschicht und ein Substrat-bildendes
Element bzw. Elemente zu dick oder zu dünn sind, die Adhäsion des
DLC-Films an dem Substrat verringert wird. Es ist ebenfalls aus 4 offensichtlich,
dass die Dicke der Mischschicht vorzugsweise 1 nm oder mehr, bevorzugt
etwa 2 nm oder mehr beträgt.
Es ist ferner offensichtlich, dass die Dicke der Mischschicht vorzugsweise
etwa 200 nm oder weniger, bevorzugt etwa 100 nm oder weniger, bevorzugt
insbesondere etwa 50 nm oder weniger und am bevorzugtesten etwa
10 nm oder weniger beträgt.
-
Wie
oben dargelegt ist, liefert die Erfindung ein mit einem Kohlenstofffilm
beschichteten Gegenstand, bei dem ein Kohlenstofffilm gebildet wird
und die Adhäsion
des Kohlenstofffilms an dem Substrat hoch ist, und ein Verfahren
zur Herstellung desselben. Gemäß dem Herstellungsverfahren
der Erfindung können
der Kohlenstofffilm und andere effizient gebildet werden.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung ausführlich
beschrieben und dargestellt wurde, ist es klar ersichtlich, dass
dies nur mittels Darstellung und Beispiel ist und nicht als Einschränkung zu
nehmen ist, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nur
durch die Bedingungen der beigefügten
Ansprüche
begrenzt ist.