JP2001288559A - 被覆の製造方法と物品 - Google Patents
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Abstract
ながら相対的に硬さが高く、さらに相対的に弾性が高
い、被覆を、実際に物品の上に製造することができる方
法、および、そのような被覆を有する物品を提供する。 【解決手段】 本発明は、機械部品や工具などの物品の
上に摩擦係数の低い被覆を製造する方法に関し、金属、
ケイ素、ホウ素の中の少なくとも1つの元素の炭化物1
8と炭素20の連続した層22が、PVD処理によって
物品12の上に積層される。そのような連続した層22
を有する物品も同様に提供される。この被覆は、摩擦係
数が低く、かつ耐摩耗性であり、相対的に硬さが高く、
さらに相対的に弾性が高い。
Description
どの物品の上に摩擦係数の低い被覆を製造する方法と、
対応する被覆を備えた物品とに関する。
の相対的に低い表面を得るために、さまざまな提案がす
でになされてきた。
の国際特許出願には、金属基部材料、セラミック基部材
料、有機基部材料などの上への超硬表面の製造が開示さ
れている。
の中間層が、最初に物品の基部材料の上に析出(dep
osit)される。次に、実質的に、純粋なsp2とs
p3の混成した炭素からなる、相対的に厚い層が、中間
層の上に析出され、この相対的に厚い層は、sp3混成
炭素の割合が自由表面の方向に増加する傾斜層である。
この傾斜層は、0.5〜5μmの厚みを有していると言
われる。sp3結合の増加割合は、バイアス電圧を約3
00Vまで増加していくことにより製造される。
ータは、この国際特許出願には含まれていない。中間層
(または、中間層が省略される場合には基体)への付着
が得られるように、中間層に対する界面において支配的
な割合でsp3混成結合が存在すること、さらに、sp3
結合は、自由表面で支配的であること、が示されている
だけである。従って、そこに示されている説明によれ
ば、傾斜層の自由表面は、ダイヤモンド類似の、従っ
て、相当する硬さの炭素からなる。
7893号の国際特許出願には、実質的に炭素と金属を
含む連続した層からなる、炭素を含む被覆を有する物品
が、記載されており、ここで、炭素−炭素結合は、黒鉛
状のsp2結合が支配的なそれぞれの炭素の層の中に存
在する。この国際特許出願の説明によれば、炭素と金属
を含む中間層は、少なくとも3nmの周期を有する。具
体例では、チタンやクロムからなり、厚みが50〜20
0nmの範囲にある、金属を含む下側の層も、使用され
ている。従ってこの提案では、炭素の層は、sp2結合
を有する黒鉛状の炭素から支配的に構成される。
係数が低く、かつ摩耗が少なく、しかしながら相対的に
硬さが高く、さらに相対的に弾性が高い、被覆を、実際
に物品の上に製造することができる方法を提供するこ
と、および、そのような被覆を有する物品を提供するこ
とである。
めに、PVD処理によって物品の上に積層される炭素と
炭化物の層が交互に連続した層であって、炭化物の層
は、金属、ケイ素、ホウ素の中の少なくとも1つの元素
の、炭化物から形成され、炭素の層は、黒鉛のターゲッ
トのスパッタリングにより形成され、このスパッタリン
グは、連続した層のそれぞれの炭素の層の厚みが、約1
〜約20nmの範囲になるように、好ましくは2〜4n
mの範囲になるように行われ、連続した層の最上層が、
好ましくは炭素からなり、連続した層の最上層は、その
他の層よりは幾分厚く、例えば500nmになるのが有
利であり、炭化物の層の厚みは、1〜3nmの範囲にあ
り、好ましくは約2nmであり、炭素の層の炭素は、s
p3結合を支配的に有している、交互に連続した層が提
供される。
マ密度などのプラズマ条件によって、左右される。プラ
ズマ密度は、部分的には磁場強度によって制御され、被
覆される部分の近傍では相対的に高くなるように選択す
る必要がある。これは、電磁コイルを介して行うことが
でき、この電磁コイルによって、不均衡(unbala
nced)マグネトロンとして、対応するカソードの動
作を行うことができる磁場が、供給される。sp2結合
に対するsp3結合の割合は、部分的には層の系の中の
水の含有量によって影響され得る。
許出願とは異なり、本発明では、sp3結合から支配的
に構成される炭素の層が製造される。これらの層は、そ
れぞれが、相対的に薄く形成され、通常3nmを下まわ
り、従って、WO99/27893号の国際特許出願で
得られる最小の厚みよりも、さらに薄く形成される。炭
化物の中間層も、相対的に薄く形成される。公開番号W
O97/49840号の国際特許出願によって判断する
と、sp3結合から支配的に構成される炭素の層は、そ
れらの層の下にある金属炭化物の層への付着が弱いはず
であるが、本発明によれば、意外なことに、sp3結合
が支配的であってさえ良好な付着が得られることが見出
され、しかしながらさらに、硬さがより高いsp3結合
からなる炭素の層の利点が享受され、実際に、しかも驚
くべきことに、相対的に弾性が高くても良好な付着が得
られ、それによって、被覆の剥離やクラックの形成が、
大幅に低減され、さらに、被覆は、機械的な損傷を被る
ことなく、摩擦の相手側表面の凹凸を許容することがで
きる。被覆は、また、衝撃の負荷に対して耐性がある。
の上の被覆される物品が、個々のターゲットから流出す
る蒸気を交互に通過して移動する、通常のPVD設備で
の製造のおかげとによって、1つの層から次の層へと逐
次移行することができ、これは、層の機械的な維持に対
しても利点がある。
かつ弾性が高いとともに、相対的に摩擦係数が低くかつ
摩耗速度が小さい、効果の高い被覆を形成することがで
きるので、元素は、W、Ti、V、Cr、Zr、Nb、
Mo、Hf、Ta、B、Siからなる群から特に選択す
る必要がある。炭化物の層を製造するには、特に、Wが
適している。
領域に、炭素と炭化物の層が交互に連続した層を有する
物品であって、前記連続した層のそれぞれの炭素の層の
厚みが、約1〜約20nmの範囲にあり、好ましくは2
〜4nmの範囲にあり、前記連続した層の最上層が、好
ましくは炭素からなり、前記連続した層の最上層は、そ
の他の層よりは幾分厚く、例えば500nmであるのが
有利であり、前記炭化物の層の厚みは、1〜3nmの範
囲にあり、好ましくは約2nmであり、前記炭素の層の
炭素は、sp3結合を支配的に有している、物品であ
る、請求項16の特徴を備えた物品から構成される。
道具が挙げられる。
ムシャフト、ロッカアームなどのさまざまなエンジン部
品、ピストン、ニードル、噴射ノズル、ディスクなどの
ガソリンやディーゼルの噴射装置、点食、腐食、疲労ク
ラック、粘着性の摩耗などを低減するためのギアホイー
ル、弁滑動部などの液圧装置の部品、インジェクション
成形の型やプラスチックの型などの型。
固体の潤滑特性を有する耐摩耗性の表面を有するに違い
ない機械部品や物品の全ての表面に、通常、適用するこ
とができ、例えば、より低摩擦でかつ潤滑剤を節約する
ことに相当する、摩耗を低減しかつ非粘着性を増加させ
るために、型(プラスチックの型)に、CrN+炭素/
金属炭化物の被覆を適用することができる。さらに、本
発明による被覆は、潤滑被覆としてTiAlN、Ti
N、TiCNなどが被覆された部品や工具に、また、最
上層の被覆として深い穴を穿穴する処理のためのドリル
に、適用することができる。
ドリルの先端まで冷却剤を十分に供給できずかつ切りく
ずを運び出すのに長い距離が掛かり、それによって、よ
り高い摩擦によりドリルの溝の温度が上昇することであ
り、これは、次には、早期の切削の失敗に繋がる。この
場合、炭素/金属炭化物からなる本発明による被覆は、
切削温度を低減し、かつ溝の中の低減した摩擦によって
切りくずの除去を改善するために、固体潤滑剤として使
用される。
20μmの範囲にあり、好ましくは、1〜5μmの範囲
にある。いくつかの適用では、より厚みのある被覆を、
すなわち、例えば内燃機関のコネクティブロッドの被覆
のための、全体の厚みが10μmを上まわる被覆を行う
必要がある。これらの詳細から、本発明によれば、約3
0〜3,000の個別の層を備える連続した層が好まし
いことが、理解され得る。連続した層の製造のために必
要とされる炭素のターゲットと金属炭化物のターゲット
が収容される処理室を備える装置を作動させることによ
って、かつ、個々のターゲットから流出する蒸気を物品
が交互に通過して移動するように物品を供給することに
よって、この複数の層は、特に好ましくは製造すること
ができる。これは、それ自体はPVD処理と関連して知
られている。できるだけ均一に物品の全ての表面に被覆
が得られるように、また、所望の表面に直接被覆が得ら
れるように、一軸回りの単純な回転だけでなく、二軸、
三軸、または多軸回りの複雑な回転も行われる。
応性カソードスパッタリング処理として本方法を実施す
るのが、特に好ましい。このために提供される装置は、
例えば、欧州特許第0439561号に従って、また
は、欧州特許出願第99113848.8号に従って、
設計することができる。生成物室内の磁場強度が、通常
300ガウス(0.03T)の値になるように、磁場強
度は相対的に高くなるように選択される。磁場強度は、
被覆する間に、例えば、カソードの供給源を囲む電磁コ
イルを使用することによって、変更することができる。
sp2結合に対するsp3結合の割合は、被覆の中に水素
が混入することによって、積極的に影響され得る。
雰囲気で、非反応性カソードスパッタリング処理を行う
のが、特に好ましい。さらに、PVD処理の非反応性雰
囲気には、水素または炭化水素CxHy(xとyは整
数)、好ましくはC2H2の形の炭化水素が、供給され、
それによって、水素が摩擦係数のさらなる低減に寄与す
るように、水素が被覆の中に取り込まれ、混入される。
覆の付着を改善するために、処理の開始においてイオン
エッチングによって表面を洗浄することが推奨され、同
様に、本発明による炭素の層/炭化物の被覆と物品の間
の移行層としてCr層やTi層の析出が推奨される。例
えばCrからなるこの移行層は、例えば厚みが約1nm
〜約1μmの範囲にあり、特に0.1〜0.5μmの範
囲にあり、さらに、移行層の中のCrの割合が、物品の
自由表面の方向に、段階的にまたは連続的に減少するの
が好ましい。
を有する物品の特に好ましい実施態様が、特許請求の範
囲から、理解され得る。
を参照することによって、以下に、より詳細に説明され
る。
作成するために、交互に連続した層10からなる、本発
明による複数層の炭素と炭化物の層の一実施例を構成す
る概略が示される。所望するどのような基体12にも適
用することができる、連続した層10からなる被覆によ
って、約0.2の低い乾燥摩擦係数が得られ、現在まで
の最も好ましい場合は、ほんの僅かに0.1を超える摩
擦係数が得られ、被覆は、摩擦係数が低いだけでなく、
摩耗が少なく、相対的に硬さが高く(ビッカース微小硬
さ0.025が、1,000を上まわり、通常、1,5
00〜2,200である。)、しかも、弾性が高い(弾
性のヤング率が300Gpaを下まわる)。
μmの範囲にあり、通常0.1〜0.5μmの範囲にあ
り、この場合は約0.3μmの、Crからなる移行層1
6が、アルゴンイオンを使用したイオンエッチング処理
によりエッチングされた基体の表面14の上に、配置さ
れる。
しくはこの実施例のように約2nmである、WCからな
る層が、基体12から離れた方の移行層16の表面に、
配置される。
続き、次に、さらなる複数のWCとCの層22が交互に
続き、この実施例では約140の個別の層が備えられ、
最上層は、炭素の層である。交互のC/WC層の全部の
数は、臨界的ではない。この数は、確かに、30を下ま
わることもあり得るし、3,000を上まわることもあ
り得る。
は、炭素の層である。炭素の層の厚みは、好ましくは、
1〜20nmの範囲から選択される必要があり、最上層
の炭素の層は、厚みが500nmである。
行層16の中に、いくつかの点が見られ、この点の密度
は、図1の層16のより下側の領域よりは、最上の領域
で、より高くなっている。これらの点は、Crの移行層
の析出の間に同時に析出されたWC分子を示しており、
Crの中のWCの濃度は、基体12から層18の方向に
連続して増加し、その結果として、移行層の中のCrの
濃度は、同じ方向に連続的に低下する。段階的に、WC
の濃度が増加し、Crの濃度が低下することも可能であ
る。Crの変化は、炭素/炭化物の連続した層を基体1
2に固定するように作用する。
描かれていないが、それぞれの層の境界の凹凸が、かな
り小さいので、個々の層の厚みも、測定がなされる部分
によってほとんど違わないことが理解され得る。顕微鏡
観察によれば、これらの凹凸は、非常に小さく、以下に
詳細に説明する製造処理から製造され、基体の表面14
の僅かな凹凸は、基体の製造や使用されるエッチング処
理(Ar+イオン衝突)に起因する。
めに使用することができる好ましい被覆設備が示され
る。
開いた状態すなわちいっぱいに開いた処理室の扉が実線
で示される。ここに示される設備は、基本的に欧州特許
第0439561号に従って組み立てられて作動され、
5つのターゲット24、26、28、30、32を備え
ており、ターゲット24、26は、回転して開けられる
処理室の壁34に保持され、ターゲット28、30は、
回転して開けられる処理室の他の壁36に保持される。
ターゲットであり、図面に対して垂直に延びており、好
ましくは、カソードスパッタリング処理を実施するため
に不均衡マグネトロンとして作動される。
され、このターゲット32は、処理装置の処理室の中央
の固定位置部分の周囲領域に取り付けられており、この
処理装置は、閉じた状態で、全体がほぼ平行六面体の形
状である。
気するように機能するターボ分子ポンプ6を示す。
スの供給ラインを概略示しており、一方、供給ライン3
8は、本発明による被覆の中に混入されると有利であ
る、炭化水素のため、または水素などの追加のガスのた
め、に設けられる。
されており、この基体搬送装置40は、一方では、中心
軸42回りに回転し、他方では、基体保持装置44を備
えており、これらの基体保持装置44も、それらの軸4
6回りに回転し、それによって、基体や物品が異なるタ
ーゲットの前を通過することにより、それぞれ所望の層
を形成することができる。
は、黒鉛からなり、従って、炭素の表面を形成する。タ
ーゲット30、26は、WCからなり、上述のWCの被
覆である層18を形成するように機能する。
16を形成するように機能する。
は、WCからなるが、これらは、Ti、V、Cr、Z
r、Nb、Mo、Hf、Taなどのその他の元素の炭化
物、SiC、B4Cなどからも構成され得る。ターゲッ
ト26、30を互いに異なる炭化物から形成することも
可能である。
取り付けて、処理室を閉じた後で、まず排気が実施され
る。
品である基体14が所望の処理温度に到達するまで、加
熱が行われる。被覆される基体のそれぞれの材質を考慮
して、材質の特性がなんら低下を受けない、可能な最大
温度を使用するように試みられる。被覆温度がより高い
ほど、被覆時間がより短くなるとともに、より緻密な被
覆が得られる。本出願人の研究結果によれば、最適な被
覆は、200℃で、時には幾分低い温度で、得られると
いう推定が可能である。
線イオン供給源、Arグロー放電などの産業上利用可能
な処理の1つを使用して、通常200eVのイオンエネ
ルギーを用いて、Arイオンエッチング処理が実施され
る。この処理段階で、基体搬送装置40は、軸42回り
に回転する。基体保持装置44は、それらの軸回りに回
転し、必要であれば、個々の物品である基体14は、そ
れら自体の縦方向の軸48回りに回転することもでき
る。
ム従動部、ロッカアームなどの被覆される物品である基
体14の全ての表面が、アルゴンイオンで少なくとも実
質的に均一にエッチングされ、それによって洗浄され
る。
するために、例えばCrからなるターゲット32が、さ
らに使用される。Crのターゲット32でのカソード出
力は、移行層16を形成する間に、徐々に低減される。
移行層16の中のCr原子の濃度が徐々に低減する間
に、移行層16の中のWCの割合が徐々に増加するよう
に、同時に、WCのターゲット30、26でのカソード
出力が増加される。
は、もはや処理の進行には貢献しない。しかしながら、
装置に保護フラップが設けられていない場合は、ターゲ
ットを清浄に保つために、低出力でターゲット32を作
動させ続けるのが有利になり得る。次に、図1に示され
るWCとCの連続した層が析出され、そのために、黒鉛
のターゲット28、24とWCのターゲット26、30
が、上述したようにそれぞれが実際に不均衡マグネトロ
ンとして、同時に作動される。
の基体14が、ターゲット24〜30から発生する蒸気
の流れを交互に通過するので、所望の連続した層22が
形成される。基体14が、それらの軸48回りに回転
し、基体保持装置44の軸46回りに回転し、基体搬送
装置40の軸回りに回転することによって、個々の層の
厚みは均一でないが、個々の炭化物の層の厚みが1〜3
nmの間にあり、好ましくは約2nmであり、一方、炭
素の層の厚みが1〜20nmの間にあり、好ましくは2
〜4nmの間にある、非周期的な多層構造が形成され
る。
1μmになるまで、または、所望の数の層が形成される
まで、行われる。
2H2の形の炭化水素を、供給ライン38を介して処理室
の雰囲気の中に供給することができ、水素は、被覆の中
に吸収され、さらに摩擦係数を低減するように機能す
る。
0%を下まわる、相対的に低い流入量で、C2H2は処理
室の雰囲気の中に供給され、このようにして、被覆の中
に20%までの水素が、混入される。低い質量流量また
は体積流量のC2H2による、この高い水素の析出は、炭
素は、黒鉛のターゲットから供給され、一方、アセチレ
ンは、被覆の中に水素を導入するように機能するだけで
炭素源としては機能しないことに、起因する。
実施例による処理条件を、次の表に示す。
低い炭素/炭化物被覆からなる層の一実施例を示す図。
覆設備の概略図。
Claims (23)
- 【請求項1】 機械部品や工具などの物品の上に摩擦係
数の低い被覆を製造する方法であって、 炭素と炭化物の層が交互に連続した層が、PVD処理に
よって物品の上に積層され、前記炭化物の層は、金属、
ケイ素、ホウ素の中の少なくとも1つの元素の、炭化物
から形成され、前記炭素の層は、黒鉛からなるターゲッ
トのスパッタリングにより形成され、 前記方法は、前記連続した層のそれぞれの炭素の層の厚
みが、約1〜約20nmの範囲になるように、好ましく
は2〜4nmの範囲になるように行われ、前記連続した
層の最上層が、好ましくは炭素からなり、前記連続した
層の最上層は、その他の層よりは幾分厚く、例えば50
0nmになるのが有利であり、 前記炭化物の層の厚みは、1〜3nmの範囲にあり、好
ましくは約2nmであり、 前記炭素の層の炭素は、sp3結合を支配的に有してい
ること、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 前記元素は、W、Ti、V、Cr、Z
r、Nb、Mo、Hf、Ta、B、Siからなる群から
選択されることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 ラマン分光法などの通常の測定方法によ
り測定された、sp2結合に対するsp3結合の数の割合
が、1より大きいことを特徴とする請求項1または2記
載の方法。 - 【請求項4】 前記連続した層の全体の厚みが、約0.
1〜約20μmの範囲になり、好ましくは、1〜5μm
の範囲になり、特に、2〜5μmの範囲になるように行
われることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載
の方法。 - 【請求項5】 前記PVD処理は、特に複数の不均衡マ
グネトロンを使用して、非反応性カソードスパッタリン
グ処理として、行われることを特徴とする請求項1〜4
のいずれかに記載の方法。 - 【請求項6】 水素を被覆の中に混入させるために、前
記PVD処理の非反応性雰囲気には、水素または炭化水
素CxHy(xとyは整数)、好ましくはC2H2の形の炭
化水素が、供給されることを特徴とする請求項1〜5の
いずれかに記載の方法。 - 【請求項7】 前記炭素と炭化物の層の析出の前に、イ
オンエッチングによって、好ましくはアルゴンイオンを
使用して、前記物品の表面が洗浄されることを特徴とす
る請求項1〜6のいずれかに記載の方法。 - 【請求項8】 随意に選択される前記イオンエッチング
の後で、前記炭素と炭化物の層の析出の前に、付着が得
られるように、前記物品の表面の上に、Cr層またはT
i層が析出されることを特徴とする請求項1〜7のいず
れかに記載の方法。 - 【請求項9】 前記Cr層は、厚みが、約1nm〜約2
μmの範囲にあり、好ましくは0.1〜0.5μmの範
囲にあることを特徴とする請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 低減するCrの濃度と増加する炭化物
の濃度とを有する移行層を形成するために、Crのター
ゲットのカソード出力が、前記Cr層の析出の間に、低
減され、同時に、選択された炭化物の層の析出の間に、
対応するターゲットのカソード出力が、増加されること
を特徴とする請求項8または9記載の方法。 - 【請求項11】 処理室は、炭素からなる、好ましくは
黒鉛からなる、少なくとも第1のターゲットを備え、好
ましくは、金属の炭化物、SiC、B4Cのいずれかか
らなる第2のターゲットを備え、 非周期的な多層構造からなる所望の連続した層が得られ
るように、被覆される前記物品は、前記処理室の中で回
転されることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに
記載の方法。 - 【請求項12】 前記物品の回転は、一軸、二軸、三
軸、または多軸回りによって、それ自体知られている方
法で行われることを特徴とする請求項11記載の方法。 - 【請求項13】 欧州特許出願第99909697号に
相当する被覆装置を使用して行われることを特徴とする
請求項1〜12のいずれかに記載の方法。 - 【請求項14】 前記炭素の層を形成するために、以下
の処理条件: 炭素のターゲットの出力:12kW; Ar供給量:225sccm; C2H2供給量:40sccm;が使用されることを特徴
とする請求項1〜13のいずれかに記載の方法。 - 【請求項15】 前記炭化物の層を形成するために、以
下の処理条件: WCのターゲットの出力:2kW; Ar供給量:225sccm; C2H2供給量:40sccm;が使用されることを特徴
とする請求項1〜14のいずれかに記載の方法。 - 【請求項16】 少なくとも1つの表面の領域に、炭素
と炭化物の層が交互に連続した層を有する物品であっ
て、 前記連続した層のそれぞれの炭素の層の厚みが、約1〜
約20nmの範囲にあり、好ましくは2〜4nmの範囲
にあり、 前記連続した層の最上層が、好ましくは炭素からなり、
前記連続した層の最上層は、その他の層よりは幾分厚
く、例えば500nmであるのが有利であり、 前記炭化物の層の厚みは、1〜3nmの範囲にあり、好
ましくは約2nmであり、 前記炭素の層の炭素は、sp3結合を支配的に有してい
る、 ことを特徴とする、特に請求項1〜15のいずれかに記
載の方法により製造された物品。 - 【請求項17】 前記炭化物は、W、Ti、V、Cr、
Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、B、Siのうちの1つ
または複数の元素の炭化物であることを特徴とする請求
項16記載の物品。 - 【請求項18】 前記方法は、前記連続した層の全体の
厚みが、約0.1〜20μmの範囲になり、好ましく
は、1〜5μmの範囲になり、特に、2〜3μmの範囲
になるように行われることを特徴とする請求項16また
は17記載の物品。 - 【請求項19】 水素が被覆の中に含まれることを特徴
とする請求項16〜18のいずれかに記載の物品。 - 【請求項20】 付着が得られるように、前記交互に連
続した層の下の前記物品の表面の上に、Cr層またはT
i層が配置されていることを特徴とする請求項16〜1
9のいずれかに記載の物品。 - 【請求項21】 前記Cr層は、厚みが、約1nm〜約
2μmの範囲にあり、好ましくは0.1〜0.5μmの
範囲にあることを特徴とする請求項20記載の物品。 - 【請求項22】 移行層が、自由表面の方向に、低減す
るCrの濃度と増加する炭化物の濃度とを有することを
特徴とする請求項20または21記載の物品。 - 【請求項23】 前記連続した層は、非周期的な多層構
造からなることを特徴とする請求項16〜22のいずれ
かに記載の物品。
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