JP2001316819A - 非晶質硬質炭素膜及びその製造方法 - Google Patents

非晶質硬質炭素膜及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高強度、高密着性かつ低摩擦係数の非晶質硬
質炭素膜及びその製造方法を提供することにある。 【解決手段】 炭素と水素を主成分とする非晶質炭素膜
であって、膜中に金属酸化物を含有したことを特徴とす
る。この金属酸化物はSi,Ti,B及びWからなる群
から選ばれた少なくとも1種以上の元素の酸化物を含む
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は耐摩耗性の向上や低摩擦
目的とした保護膜として摺動部品などに適用する硬質炭
素膜及びその製造方法に関する。さらに本発明は、摺動
部品を非晶質硬質炭素膜でコーティングした機械部品に
関する。
【0002】
【従来の技術およびその問題点】従来より金属材料の表
面処理方法としてめっき、窒化やPVD法、CVD法な
どによるTiC、TiN等の金属炭化物、金属窒化物等
の硬質薄膜を工具、金型などの金属材料表面にコーティ
ングして耐摩耗性、耐焼き付き性を向上させる方法があ
る。しかしながら、これらのコーティング層はHv20
00〜3000と高硬度ではあるが、摩擦係数が0.2
〜0.8程度と比較的大きいため、相手材との摩擦にお
いて摺動抵抗が増加し、コーティング層の摩耗、相手材
の損傷といった問題を生じる。プラズマやイオンビーム
を用いたCVD法などにより形成される非晶質硬質炭素
膜は、高硬度(Hv約2000〜6000)であること
から、耐摩耗性の良い硬質コーティング材として注目さ
れている。非晶質硬質炭素膜は、アモルファスカーボン
膜、ダイヤモンドライクカーボン膜、i−カーボン膜、
水素化アモルファスカーボン膜(a−C:H)等とも呼
ばれ、非晶質(アモルファス)状の炭素が主体の膜であ
る。このような非晶質硬質炭素膜は、摺動部材への適用
も検討されているが、膜自体の圧縮応力が大きいために
母材との密着性が悪く、厚くコーティングできないとい
う問題がある。密着性を改善する方法として基材との間
に中間層として金属、金属窒化物、金属炭化物の層を用
いることが提案されている。例えば特許公報平5−82
472では周期律表4a、5a、6a族金属の炭化物、
炭窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物、炭硼化又はSiの炭
化物、炭窒化物などの用いる方法が開示されている。ま
た、特開平10−130865ではAl,Cr,Sn,
Co及びB,並びにこれらの酸化物、窒化物、及び炭化
物を主成分とした中間層が開示されている。しかしなが
ら、これらは密着性を向上させるために用いる中間層に
関するものであり、直接摺動に関与する表面層に関する
ものではない。Surface and Coatings Technology, 47,
710-721(1991)や特開平3−240957(特許297
1928号)では非晶質硬質炭素−水素−珪素薄膜で摺
動中に表面に形成された珪素酸化物(SiO2)による
気体の吸着などにより、低摩擦係数が実現できることが
開示されている。しかしながら、ここでいう珪素酸化物
は予めSiを含んだ水素化アモルファスカーボン皮膜が
相手材との摺動することにより、表面に形成されるもの
であり、最初から膜中に存在しているものではない。そ
のため摺動初期の段階で摩擦係数が高くなり、本来の低
摩擦係数となるまでに時間を要すると言う問題があっ
た。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は係る問題点を
解決すべくなされたもので、本発明の目的は高硬度、高
密着性かつ低摩擦係数の非晶質硬質炭素膜及びその製造
方法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は炭素と水素を主
成分とする非晶質炭素膜であって、膜中に金属酸化物を
含有したことを特徴とする。この金属酸化物はSi,T
i,B及びWからなる群から選ばれた少なくとも1種以
上の元素の酸化物を含むものである。また炭素膜中の酸
素の含有量は約0.1〜10原子%が好適である。この
ような炭素と水素を主成分とし、金属酸化物を含有した
非晶質炭素膜は炭素原料、金属含有原料及び酸素原料
を、基材を設置した真空室内に導入することにより形成
することができる。また、本発明の非晶質硬質炭素膜は
高硬度で耐摩耗性に優れ、低摩擦係数であることから、
潤滑の困難な摺動部分を有する機械部品への適用が可能
である。
【0005】
【作用】非晶質硬質炭素膜中にSi,Ti,Wなどの安
定なカーバイドを形成しやすい金属元素を添加すること
により、鉄系の基材との密着性を良好なものとすること
ができる。また成膜中のプラズマに酸素を添加したり、
予め金属元素と酸素を含んだ材料を用いることにより非
晶質硬質炭素膜中に金属酸化物が形成される。例えばS
iを添加した非晶質硬質炭素膜では酸化物としてSiO
2膜中に生成する。SiO2はそれ自体では摩擦係数は
1.0程度と大きいが雰囲気ガスの吸着によるコンタミ
ネーション潤滑現象により摩擦係数は0.25程度まで
減少することが知られている。このようにして最表面ば
かりでなく膜中にも微量の金属酸化物を含有させること
により摺動初期から安定した低摩擦係数の非晶質硬質炭
素膜とすることができる。
【0006】
【実施例】本発明による非晶質硬質炭素膜を形成するに
は、まず真空チャンバー内に基材を配設し、真空チャン
バー内を排気する。例えば5.25E−8Pa(7E−
6torr)以下まで排気する。次に、真空チャンバー
内を連続的に排気しながらArガスを導入して直流電力
または高周波電力を基材に印加してプラズマ放電を励起
させ基材表面をクリーニングする。Arガスを止めた
後、真空チャンバー内に炭素ガス、金属含有原料ガス及
び酸素ガスを、基材を設置した真空室内に導入して、プ
ラズマ放電を励起し、基材表面上に金属酸化物を含有す
る非晶質硬質炭素膜を形成する。炭素原料ガスとしては
メタン,アセチレンなどの炭化水素ガスを用いることが
できる。また金属含有原料ガスとしてはテトラメチルシ
ラン(Si(CH34)、テトラエチルシラン(Si
(C254)、テトラメトキシシラン(Si(OC
34)、テトラエトキシシラン(Si(OC
254)やトリエトキシボロン(B(OC253)、
テトラ−i−プロポキチタン(Ti(OCH(C
324)、六フッ化タングステン(WF6)などを
用いることができる。真空チャンバー内の圧力は7.5
E−6〜7.5E−5Pa(1〜10mmtorr)が好適で
ある。
【0007】以下本発明の実施例について説明する。 実施例1(酸素添加) 基材に鏡面仕上げしたSKH51材を使用し、RFプラ
ズマCVD法により基材表面に非晶質硬質炭素膜を成膜
し、評価試験を行った。本発明の成膜処理を行ったRF
プラズマCVD装置の概略を図1に示した。真空チャン
バー1を排気口6に接続された真空ポンプ(図示せず)
により5.2E−8Pa以下まで排気する。次にガス導
入口5よりArガスを導入し、真空チャンバー内の圧力
を7.5E−5Paに調整する。そして下部電極2と上
部電極3間にRF電源4より300Wの高周波電力加え
下部電極2と上部電極3との間にプラズマを発生させ
る。被処理材10は下部電極2上に置いておく。Arプ
ラズマで所定時間クリーニング処理を行った後、高周波
電源をオフしてプラズマ放電を停止させ、Arガスの供
給を停止する。次にガス導入口5よりアセチレン、テト
ラメチルシラン、酸素を真空チャンバー内に導入し、各
々のガスの分圧比がC22:TMS:O2=8.5:
1:0.5で全圧が5.25E−5Paとなる用に調整
する。ガス圧が安定するのを待ってRF電源4から下部
電極2に100Wの高周波電力を印加し、プラズマを発
生させ60分程度成膜を行う。こうすることにより比処
理材10に約1μていどの黒色の被膜が形成される。形
成された黒色皮膜についてレーザーラマン分光測定を行
った結果、典型的な非晶質のダイヤモンドライクカーボ
ンであることが確認された。さらに膜内部のXPS分析
を行った。図2は全元素を対象としたXPS]による膜
内部の分析結果を示したものである。結合エネルギー2
84eV付近にCls、100eV付近にSi2p、1
50eV付近にSi2sのヒ゜ークが検出された。また図3は
530eV付近で酸素の結合状態を測定したものである
が、酸素のピーク位置が532eV付近であることか
ら、SiO2が形成されていることが確認された。また
表1はXPS分析による組成分析の結果を示したもので
ある。これによると水素を除く組成で炭素含有量が9
6.4at%でシリコンが2.55%、酸素が1.01
%という結果が得られた。これらのことから成膜中に添
加した酸素により膜中にSiO2が微量形成されている
ことが確認された。
【0008】
【表1】 被処理材の表面に形成した非晶質硬質炭素膜の摩擦特性
評価はボールオンディスク試験により行った。直系6m
mのSUJ2ボールを相手材として、荷重10N、摺動
速度10mm/secで約20mの距離を摺動させた。この
結果を表2に示した。 比較例 実施例との比較を容易にするため、テトラメチルシラン
および酸素を添加せずにアセチレンだけで成膜を行っ
た。成膜の手順、圧力などは実施例1と同様にして行っ
た。膜厚、摩擦特性の測定結果を表2に示した。
【0009】実施例2(酸素含有化合物を使用) 実施例1に示したのと同様の条件でテトラエトキシシラ
ン(TEOS、(Si(OC254))を使用して成
膜を行った。この場合には各々のガスの分圧比がC
22:TMS:TEOS=8:1:1で全圧が5.25
E−5Paとなるように調整した。XPS分析の結果は
実施例1と同様に膜中にSiO2が形成されていること
がわかった。実施例2による被膜の摩擦特性の評価結果
を表2に示した。
【0010】
【表2】 表2で摩擦係数を比較すると比較例で膜中にSiO2
ような金属酸化物が無い場合には高い摩擦係数を示す。
一方実施例1および2で示されたように、膜中にSiO
2のような金属酸化物が存在する場合には摩擦係数は
0.05と低い値を示す。
【0011】
【発明の効果】以上述べたように本発明による非晶質硬
質炭素膜では成膜中に微量の酸を添加したり、含酸素化
合物を少量添加することにより容易に膜中に金属酸化物
を形成することができ、これにより摩擦係数が約1/4
に低減される。また摺動初期の摩擦係数の増加もなく安
定な摩擦特性が得られるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明で使用されたRFプラズマCVD装置
の概略図
【図2】 本発明による非晶質硬質炭素膜の全元素対象
XPS分析結果
【図3】 本発明による非晶質硬質炭素膜のXPS分析
結果
【符号の説明】
1…真空チャンバー 2…下部電極 3…上部電極 4…RF電源 5…ガス導入口 6…排気口 10…被処理材

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭素と水素を主成分とする非晶質炭素膜
    であって、膜中に金属酸化物を含有したことを特徴とす
    る非晶質硬質炭素膜。
  2. 【請求項2】 前記金属酸化物がSi,Ti,B及びW
    からなる群より選ばれた少なくとも1種以上の元素の酸
    化物を含む請求項1記載の非晶質硬質炭素膜。
  3. 【請求項3】 炭素膜中の酸素の含有量が約0.1〜1
    0原子%である請求項1〜2記載の非晶質硬質炭素膜。
  4. 【請求項4】 炭素原料、金属含有原料及び酸素原料
    を、基材を設置した真空室内に導入して、前記基材上に
    金属酸化物を含有する非晶質硬質炭素膜を形成する方
    法。
  5. 【請求項5】 摺動部分を有する機械部品であって、少
    なくとも前記摺動部分が請求項1記載の非晶質硬質炭素
    膜でコーティングされた機械部品。
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