JP2002256414A - 硬質炭素膜被覆材およびその製造方法 - Google Patents
硬質炭素膜被覆材およびその製造方法Info
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- JP2002256414A JP2002256414A JP2001061989A JP2001061989A JP2002256414A JP 2002256414 A JP2002256414 A JP 2002256414A JP 2001061989 A JP2001061989 A JP 2001061989A JP 2001061989 A JP2001061989 A JP 2001061989A JP 2002256414 A JP2002256414 A JP 2002256414A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 基材に対する密着性に優れ、かつ高硬度（７
０ＧＰａ前後）の硬質炭素膜を有する硬質炭素膜被覆材
を提供する。 【解決手段】 基材上に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、
VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素、もしくはそ
の窒化物、炭化物からなる中間層を介して結晶粒径１０
０ｎｍ以下の微細ダイヤモンド結晶粒を含むアモルファ
ス構造の硬質炭素膜を形成したことを特徴とする。
０ＧＰａ前後）の硬質炭素膜を有する硬質炭素膜被覆材
を提供する。 【解決手段】 基材上に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、
VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素、もしくはそ
の窒化物、炭化物からなる中間層を介して結晶粒径１０
０ｎｍ以下の微細ダイヤモンド結晶粒を含むアモルファ
ス構造の硬質炭素膜を形成したことを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種回転機械の軸
受やスライドなどの摺動部材や情報機器記憶装置等の耐
摩耗性を要求される部材に適用される硬質炭素膜被覆材
およびその製造方法に関する。
受やスライドなどの摺動部材や情報機器記憶装置等の耐
摩耗性を要求される部材に適用される硬質炭素膜被覆材
およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】硬質炭素膜は、１９７０年代後半から研
究が開始され始めたｉ−カーボン膜と言われる硬質膜で
ある。この硬質炭素膜は、炭素原子の結合状態に短周期
の結晶性が見られる、アモルファス状の結合状態を有す
るものである。
究が開始され始めたｉ−カーボン膜と言われる硬質膜で
ある。この硬質炭素膜は、炭素原子の結合状態に短周期
の結晶性が見られる、アモルファス状の結合状態を有す
るものである。
【０００３】また、前記硬質炭素膜の物性はビッカース
硬度で３０ＧＰａ前後と高硬度で、耐摩耗性や、潤滑
性、絶縁性や、耐薬品性等に優れた性質を有するため
に、工具、各種機械摺動部品、電子部品へのコーティン
グに応用されている。
硬度で３０ＧＰａ前後と高硬度で、耐摩耗性や、潤滑
性、絶縁性や、耐薬品性等に優れた性質を有するため
に、工具、各種機械摺動部品、電子部品へのコーティン
グに応用されている。
【０００４】前記硬質炭素膜の形成方法としては、たと
えば特開昭６４−３１９７４号公報に開示されている、
プラズマ化学気相成長法が知られている。
えば特開昭６４−３１９７４号公報に開示されている、
プラズマ化学気相成長法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方法で得られた硬質炭素膜はビッカース硬度で３０ＧＰ
ａを示すが、アモルファス構造の炭素膜であるため、こ
れ以上の高硬度を示す膜は得られず、より厳しい環境で
使用される工具、各種機械摺動部品には適用できない。
また、硬質炭素膜が非平衡物質であるため、膜中に蓄積
される内部応力が大きく、十分な密着性が得られない。
従って、硬質炭素膜の高性能化には硬度の大幅な増加と
基材との密着性を向上させる必要がある。
方法で得られた硬質炭素膜はビッカース硬度で３０ＧＰ
ａを示すが、アモルファス構造の炭素膜であるため、こ
れ以上の高硬度を示す膜は得られず、より厳しい環境で
使用される工具、各種機械摺動部品には適用できない。
また、硬質炭素膜が非平衡物質であるため、膜中に蓄積
される内部応力が大きく、十分な密着性が得られない。
従って、硬質炭素膜の高性能化には硬度の大幅な増加と
基材との密着性を向上させる必要がある。
【０００６】本発明は、基材に対する密着性に優れ、か
つ高硬度（７０ＧＰａ前後）の硬質炭素膜を有する硬質
炭素膜被覆材およびその製造方法を提供しようとするも
のである。
つ高硬度（７０ＧＰａ前後）の硬質炭素膜を有する硬質
炭素膜被覆材およびその製造方法を提供しようとするも
のである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係る硬質炭素膜
被覆材は、基材上に結晶粒径１００ｎｍ以下の微細ダイ
ヤモンド結晶粒を含むアモルファス構造の硬質炭素膜を
形成してなるものである。
被覆材は、基材上に結晶粒径１００ｎｍ以下の微細ダイ
ヤモンド結晶粒を含むアモルファス構造の硬質炭素膜を
形成してなるものである。
【０００８】本発明に係る硬質炭素膜被覆材において、
前記基材表面に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、
VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素、もしくはその窒化
物、炭化物からなる中間層を介して前記硬質炭素膜を形
成することが好ましい。
前記基材表面に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、
VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素、もしくはその窒化
物、炭化物からなる中間層を介して前記硬質炭素膜を形
成することが好ましい。
【０００９】本発明に係る硬質炭素膜被覆材の製造方法
は、基材表面に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、
VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素、もしくはその窒化
物、炭化物からなる中間層をスパッタリング法もしくは
蒸着法により形成する工程と、炭化水素と水素の混合ガ
スのイオンを発生させるとともに、そのイオンを加速さ
せて前記中間層に照射する、イオンビーム蒸着法により
前記中間層上に硬質炭素膜を形成する工程とを具備する
ことを特徴とするものである。
は、基材表面に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、
VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素、もしくはその窒化
物、炭化物からなる中間層をスパッタリング法もしくは
蒸着法により形成する工程と、炭化水素と水素の混合ガ
スのイオンを発生させるとともに、そのイオンを加速さ
せて前記中間層に照射する、イオンビーム蒸着法により
前記中間層上に硬質炭素膜を形成する工程とを具備する
ことを特徴とするものである。
【００１０】本発明に係る硬質炭素膜被覆材の製造方法
において、前記硬質炭素膜の形成は前記混合ガス中に占
める炭化水素の比率を２〜３０体積％とし、イオン加速
電圧を２００〜２０００Ｖ、基材温度を４００〜８００
℃の条件で行なわれることが好ましい。
において、前記硬質炭素膜の形成は前記混合ガス中に占
める炭化水素の比率を２〜３０体積％とし、イオン加速
電圧を２００〜２０００Ｖ、基材温度を４００〜８００
℃の条件で行なわれることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる硬質炭素膜
被覆材を説明する。
被覆材を説明する。
【００１２】この硬質炭素膜被覆材は、基材上に結晶粒
径１００ｎｍ以下の微細ダイヤモンド結晶粒を含むアモ
ルファス構造の硬質炭素膜を形成してなるものである。
径１００ｎｍ以下の微細ダイヤモンド結晶粒を含むアモ
ルファス構造の硬質炭素膜を形成してなるものである。
【００１３】前記基材としては、例えばステンレス鋼、
工具鋼、軸受け鋼、超硬合金等からなる耐摩耗性が要求
される機械部材を挙げることができる。
工具鋼、軸受け鋼、超硬合金等からなる耐摩耗性が要求
される機械部材を挙げることができる。
【００１４】前記微細ダイヤモンド結晶粒の粒径が１０
０ｎｍを超えると、表面粗さが大きくなり、摩擦係数が
増加すると共に、相手材の摩耗が顕著になる虞がある。
０ｎｍを超えると、表面粗さが大きくなり、摩擦係数が
増加すると共に、相手材の摩耗が顕著になる虞がある。
【００１５】本発明に係る硬質炭素膜被覆材において、
図１に示すように基材１表面に元素周期表のIVａ族、Ｖ
ａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素、もし
くはその窒化物、炭化物からなる中間層２を介して硬質
炭素膜３を形成した構造にすることが好ましい。
図１に示すように基材１表面に元素周期表のIVａ族、Ｖ
ａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素、もし
くはその窒化物、炭化物からなる中間層２を介して硬質
炭素膜３を形成した構造にすることが好ましい。
【００１６】前記中間層の厚さは、０．０５〜５μｍに
することが好ましい。この理由は、前記中間層の厚さを
０．０５未満にすると、その中間層の機能である基材と
硬質炭素質膜間の密着性の向上化をはかることが困難に
なる。一方、前記中間層の厚さが５μｍを超えると中間
層は硬質炭素膜より硬度等の機械的性質が劣るため、こ
の中間層中で破断して剥離状態になる虞がある。
することが好ましい。この理由は、前記中間層の厚さを
０．０５未満にすると、その中間層の機能である基材と
硬質炭素質膜間の密着性の向上化をはかることが困難に
なる。一方、前記中間層の厚さが５μｍを超えると中間
層は硬質炭素膜より硬度等の機械的性質が劣るため、こ
の中間層中で破断して剥離状態になる虞がある。
【００１７】次に、本発明に係る硬質炭素膜被覆材の製
造方法を図２を参照して詳細に説明する。
造方法を図２を参照して詳細に説明する。
【００１８】図２は、本発明に係る硬質炭素膜被覆材を
製造するための装置を示す概略図である。
製造するための装置を示す概略図である。
【００１９】真空容器１１は、図示しない真空排気装置
によって真空排気される。処理すべき基材１を保持する
ためのホルダ１２は、前記真空容器１１内に設けられて
いる。図示しない電源および温調器に接続された加熱ヒ
ータ１３は、前記ホルダ１２に内蔵されている。なお、
前記ホルダ１２は必要に応じて回転機構を設けてもよ
い。
によって真空排気される。処理すべき基材１を保持する
ためのホルダ１２は、前記真空容器１１内に設けられて
いる。図示しない電源および温調器に接続された加熱ヒ
ータ１３は、前記ホルダ１２に内蔵されている。なお、
前記ホルダ１２は必要に応じて回転機構を設けてもよ
い。
【００２０】イオン源１４は、前記真空容器１１に前記
ホルダ１２との対向するように取り付けられている。こ
のイオン源１４は、ガス導入管１５より導入した炭化水
素と水素の混合ガスのイオンを発生させるとともに、加
速してそのイオンを前記ホルダ１２にイオンビーム１６
として照射する。前記イオン源１４には、膜質の均一
性、生産性という点から、例えばカウフマン型イオン
源、バケット型イオン源等が適用される。
ホルダ１２との対向するように取り付けられている。こ
のイオン源１４は、ガス導入管１５より導入した炭化水
素と水素の混合ガスのイオンを発生させるとともに、加
速してそのイオンを前記ホルダ１２にイオンビーム１６
として照射する。前記イオン源１４には、膜質の均一
性、生産性という点から、例えばカウフマン型イオン
源、バケット型イオン源等が適用される。
【００２１】スパッタ源１７は、前記真空容器１１に取
り付けられている。このスパッタ源１７は、導電材料か
らなるバッキングプレート１８と、このバッキングプレ
ート１８に保持された膜形成材料である元素周期表のIV
ａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元
素からなるターゲット１９と、一端をこのバッキングプ
レート１８に接続され、他端を前記真空容器１１に接続
された高周波電源２０とを備えている。ガス供給管２１
は、前記真空容器１１内にその先端が前記ターゲット１
９近傍の位置するように挿入されている。このようなス
パッタ源１７において、前記ガス供給管２１からアルゴ
ンガスもしくはアルゴンガスと炭化水素ガスの混合ガ
ス、またはアルゴンガスと窒素ガスの混合ガスからなる
放電ガスを前記真空容器１１内に供給し、前記高周波電
源２０により高周波電力を前記ターゲット１９に印加し
て高周波放電を起こさせることにより、前記ターゲット
１９表面より膜形成材料からなるスパッタ粒子２２が叩
き出され、前記ホルダ１２に向けて照射される。
り付けられている。このスパッタ源１７は、導電材料か
らなるバッキングプレート１８と、このバッキングプレ
ート１８に保持された膜形成材料である元素周期表のIV
ａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元
素からなるターゲット１９と、一端をこのバッキングプ
レート１８に接続され、他端を前記真空容器１１に接続
された高周波電源２０とを備えている。ガス供給管２１
は、前記真空容器１１内にその先端が前記ターゲット１
９近傍の位置するように挿入されている。このようなス
パッタ源１７において、前記ガス供給管２１からアルゴ
ンガスもしくはアルゴンガスと炭化水素ガスの混合ガ
ス、またはアルゴンガスと窒素ガスの混合ガスからなる
放電ガスを前記真空容器１１内に供給し、前記高周波電
源２０により高周波電力を前記ターゲット１９に印加し
て高周波放電を起こさせることにより、前記ターゲット
１９表面より膜形成材料からなるスパッタ粒子２２が叩
き出され、前記ホルダ１２に向けて照射される。
【００２２】次に、硬質炭素膜被覆材の製造方法を前述
した図２に示す装置を参照して説明する。
した図２に示す装置を参照して説明する。
【００２３】まず、ホルダ１２基材１を取付け、スパッ
タ源１７のバッキングプレート１８に元素周期表のIVａ
族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素
からなるターゲット１９を取り付け、真空容器１１を所
定の真空度に真空排気する。つづいて、前記ホルダ１２
に内蔵した加熱ヒータ１３により前記基材１を所望温度
に加熱する。
タ源１７のバッキングプレート１８に元素周期表のIVａ
族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素
からなるターゲット１９を取り付け、真空容器１１を所
定の真空度に真空排気する。つづいて、前記ホルダ１２
に内蔵した加熱ヒータ１３により前記基材１を所望温度
に加熱する。
【００２４】次いで、ガス供給管２１から所望の放電ガ
スを導入して前記真空容器１１内を所望の圧力に設定し
た後、高周波電源２０から高周波電力を前記ターゲット
１９に印加し、高周波放電を起こさせることにより前記
ターゲット１９表面よりその構成元素からなるスパッタ
粒子２２を叩き出して前記基材１に照射し、基材１表面
に所望厚さの中間層２を形成する。
スを導入して前記真空容器１１内を所望の圧力に設定し
た後、高周波電源２０から高周波電力を前記ターゲット
１９に印加し、高周波放電を起こさせることにより前記
ターゲット１９表面よりその構成元素からなるスパッタ
粒子２２を叩き出して前記基材１に照射し、基材１表面
に所望厚さの中間層２を形成する。
【００２５】次いで、前記スパッタ源１７の作動を停止
し、再び真空容器１１を所望の真空度に真空排気する。
つづいて、イオン源１４（例えばカウフマンイオン源）
のガス導入管１５から炭化水素と水素との混合ガスを導
入し、前記真空容器１１を所定の真空度に制御する。こ
の状態でイオン源１４を作動させ、イオンビーム１６を
前記中間層２に照射し、粒径１００ｎｍ以下の微細ダイ
ヤモンド結晶粒を含むアモルファス構造の硬質炭素膜３
を成膜することにより前述した図１に示す構造の硬質炭
素膜被覆材を製造する。
し、再び真空容器１１を所望の真空度に真空排気する。
つづいて、イオン源１４（例えばカウフマンイオン源）
のガス導入管１５から炭化水素と水素との混合ガスを導
入し、前記真空容器１１を所定の真空度に制御する。こ
の状態でイオン源１４を作動させ、イオンビーム１６を
前記中間層２に照射し、粒径１００ｎｍ以下の微細ダイ
ヤモンド結晶粒を含むアモルファス構造の硬質炭素膜３
を成膜することにより前述した図１に示す構造の硬質炭
素膜被覆材を製造する。
【００２６】前記基材の加熱温度は、４００〜８００℃
にすることが好ましい。この理由は、前記基材の加熱温
度を４００℃未満にすると、前記中間層表面に成膜され
た硬質炭素膜中に微細ダイヤモンド結晶粒を生成するこ
とが困難になる。一方、前記基材の加熱温度が８００℃
を超えると、硬質炭素膜中に生成した微細ダイヤモンド
結晶粒が黒鉛状物質に変化する虞がある。
にすることが好ましい。この理由は、前記基材の加熱温
度を４００℃未満にすると、前記中間層表面に成膜され
た硬質炭素膜中に微細ダイヤモンド結晶粒を生成するこ
とが困難になる。一方、前記基材の加熱温度が８００℃
を超えると、硬質炭素膜中に生成した微細ダイヤモンド
結晶粒が黒鉛状物質に変化する虞がある。
【００２７】前記イオン源１４に導入される混合ガス中
の炭化水素としては、例えばメタン、エタン、アセチレ
ン等の容易に気体として導入できる炭化水素を用いれば
よいが、中でもメタンが好ましい。
の炭化水素としては、例えばメタン、エタン、アセチレ
ン等の容易に気体として導入できる炭化水素を用いれば
よいが、中でもメタンが好ましい。
【００２８】前記イオン源１４に導入される混合ガス
（炭化水素と水素との混合ガス）中に占める炭化水素の
比率は、２〜３０体積％にすることが好ましい。この理
由は、前記炭化水素の比率を２体積％未満にすると、硬
質炭素膜の成膜速度が極端に低くなる虞がある。一方、
前記炭化水素の比率が３０体積％を超えると黒鉛化が進
み、微細ダイヤモンド結晶粒が生成せず、成膜された炭
素膜の硬さが２０ＧＰａ以下になる虞がある。これは、
炭化水素と混合している水素が黒鉛状物質を除去する機
能を十分に果たしているためであると考えられる。
（炭化水素と水素との混合ガス）中に占める炭化水素の
比率は、２〜３０体積％にすることが好ましい。この理
由は、前記炭化水素の比率を２体積％未満にすると、硬
質炭素膜の成膜速度が極端に低くなる虞がある。一方、
前記炭化水素の比率が３０体積％を超えると黒鉛化が進
み、微細ダイヤモンド結晶粒が生成せず、成膜された炭
素膜の硬さが２０ＧＰａ以下になる虞がある。これは、
炭化水素と混合している水素が黒鉛状物質を除去する機
能を十分に果たしているためであると考えられる。
【００２９】前記イオン源１４でのイオン加速電圧は、
２００〜２０００Ｖにすることが好ましい。この理由
は、イオン加速電圧を２００Ｖ未満にすると、炭素膜中
に水素が多く混入しポリマー状となり、軟質な炭素膜に
なる虞がある。一方、イオン加速電圧が２０００Ｖを超
えると炭素膜の自己スパッタ効果が強くなり極端に成膜
速度が低くなる虞がある。
２００〜２０００Ｖにすることが好ましい。この理由
は、イオン加速電圧を２００Ｖ未満にすると、炭素膜中
に水素が多く混入しポリマー状となり、軟質な炭素膜に
なる虞がある。一方、イオン加速電圧が２０００Ｖを超
えると炭素膜の自己スパッタ効果が強くなり極端に成膜
速度が低くなる虞がある。
【００３０】次に、本発明に係る硬質炭素膜被覆材の別
の製造方法を図３を参照して説明する。
の製造方法を図３を参照して説明する。
【００３１】図３は、本発明に係る硬質炭素膜被覆材を
製造するための別の装置を示す概略図である。
製造するための別の装置を示す概略図である。
【００３２】真空容器１１は、図示しない真空排気装置
によって真空排気される。処理すべき基材１を保持する
ためのホルダ１２は、前記真空容器１１内に設けられて
いる。図示しない電源および温調器に接続された加熱ヒ
ータ１３は、前記ホルダ１２に内蔵されている。なお、
前記ホルダ１２は必要に応じて回転機構を設けてもよ
い。
によって真空排気される。処理すべき基材１を保持する
ためのホルダ１２は、前記真空容器１１内に設けられて
いる。図示しない電源および温調器に接続された加熱ヒ
ータ１３は、前記ホルダ１２に内蔵されている。なお、
前記ホルダ１２は必要に応じて回転機構を設けてもよ
い。
【００３３】イオン源１４は、前記真空容器１１に前記
ホルダ１２との対向するように取り付けられている。こ
のイオン源１４は、ガス導入管１５より導入した炭化水
素と水素の混合ガスのイオンを発生させるとともに、加
速してそのイオンを前記ホルダ１２にイオンビーム１６
として照射する。前記イオン源１４には、膜質の均一
性、生産性という点から、例えばカウフマン型イオン
源、バケット型イオン源等が適用される。
ホルダ１２との対向するように取り付けられている。こ
のイオン源１４は、ガス導入管１５より導入した炭化水
素と水素の混合ガスのイオンを発生させるとともに、加
速してそのイオンを前記ホルダ１２にイオンビーム１６
として照射する。前記イオン源１４には、膜質の均一
性、生産性という点から、例えばカウフマン型イオン
源、バケット型イオン源等が適用される。
【００３４】蒸発源２３は、前記真空容器１１に取り付
けられている。この蒸発源２３は、蒸発材料である元素
周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、I
Vｂ族の元素からなるカソード２４と、このカソード２
４近傍に配置されたアノード２５と、前記カソード２
４、アノード２５間に介装された直流アーク電源２６と
を備える。このような蒸発源２３において、前記直流ア
ーク電源２６よりアーク放電電圧を供給し前記カソード
２４、アノード２５間にアーク放電を起こさせ、前記カ
ソード２４を局部的に溶解させてカソード物質を蒸発さ
せて蒸気２７を飛び出させることにより、その蒸気２７
を前記ホルダ１２に向けて照射する。
けられている。この蒸発源２３は、蒸発材料である元素
周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、I
Vｂ族の元素からなるカソード２４と、このカソード２
４近傍に配置されたアノード２５と、前記カソード２
４、アノード２５間に介装された直流アーク電源２６と
を備える。このような蒸発源２３において、前記直流ア
ーク電源２６よりアーク放電電圧を供給し前記カソード
２４、アノード２５間にアーク放電を起こさせ、前記カ
ソード２４を局部的に溶解させてカソード物質を蒸発さ
せて蒸気２７を飛び出させることにより、その蒸気２７
を前記ホルダ１２に向けて照射する。
【００３５】なお、前記蒸発源としてはアーク放電型以
外にも、電子ビーム加熱型を用いてもよい。また、前記
蒸発源２３の近傍にガス供給管を取付け、炭化水素ガス
もしくは窒素ガスを導入してもよい。
外にも、電子ビーム加熱型を用いてもよい。また、前記
蒸発源２３の近傍にガス供給管を取付け、炭化水素ガス
もしくは窒素ガスを導入してもよい。
【００３６】次に、硬質炭素膜被覆材の製造方法を前述
した図３に示す装置を参照して説明する。
した図３に示す装置を参照して説明する。
【００３７】まず、ホルダ１２に基材１を取付け、蒸発
源２３に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIII
族、IIIｂ族、IVｂ族の元素からなるカソード２４を取
り付け、真空容器１１を所定の真空度に真空排気する。
つづいて、前記ホルダ１２に内蔵した加熱ヒータ１３に
より前記基材１を所望温度に加熱する。
源２３に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIII
族、IIIｂ族、IVｂ族の元素からなるカソード２４を取
り付け、真空容器１１を所定の真空度に真空排気する。
つづいて、前記ホルダ１２に内蔵した加熱ヒータ１３に
より前記基材１を所望温度に加熱する。
【００３８】次いで、蒸発源２３のカソード２４とアノ
ード２５との間に直流アーク電源２６よりアーク放電電
圧を供給しアーク放電を起こさせて、カソード２４を局
部的に溶解させて前記元素からなるカソード物質を蒸発
させ、蒸気２７を基材１に照射し、基材１表面に所望厚
さの中間層２を形成する。
ード２５との間に直流アーク電源２６よりアーク放電電
圧を供給しアーク放電を起こさせて、カソード２４を局
部的に溶解させて前記元素からなるカソード物質を蒸発
させ、蒸気２７を基材１に照射し、基材１表面に所望厚
さの中間層２を形成する。
【００３９】次いで、前記蒸発源２３の作動を停止し、
イオン源１４（例えばカウフマンイオン源）のガス導入
管１５から炭化水素と水素との混合ガスを導入し、前記
真空容器１１を所定の真空度に制御する。この状態でイ
オン源１４を作動させ、イオンビーム１６を前記中間層
２に照射し、粒径１００ｎｍ以下の微細ダイヤモンド結
晶粒を含むアモルファス構造の硬質炭素膜３を成膜する
ことにより前述した図１に示す構造の硬質炭素膜被覆材
を製造する。
イオン源１４（例えばカウフマンイオン源）のガス導入
管１５から炭化水素と水素との混合ガスを導入し、前記
真空容器１１を所定の真空度に制御する。この状態でイ
オン源１４を作動させ、イオンビーム１６を前記中間層
２に照射し、粒径１００ｎｍ以下の微細ダイヤモンド結
晶粒を含むアモルファス構造の硬質炭素膜３を成膜する
ことにより前述した図１に示す構造の硬質炭素膜被覆材
を製造する。
【００４０】前記基材の加熱温度は、前述したのと同様
な理由から４００〜８００℃にすることが好ましい。
な理由から４００〜８００℃にすることが好ましい。
【００４１】前記イオン源１４に導入される混合ガス中
の炭化水素としては、例えばメタン、エタン、アセチレ
ン等の容易に気体として導入できる炭化水素を用いれば
よいが、中でもメタンが好ましい。
の炭化水素としては、例えばメタン、エタン、アセチレ
ン等の容易に気体として導入できる炭化水素を用いれば
よいが、中でもメタンが好ましい。
【００４２】前記イオン源１４に導入される混合ガス
（炭化水素と水素との混合ガス）中に占める炭化水素の
比率は、前述したのと同様な理由から２〜３０体積％に
することが好ましい。
（炭化水素と水素との混合ガス）中に占める炭化水素の
比率は、前述したのと同様な理由から２〜３０体積％に
することが好ましい。
【００４３】前記イオン源１４でのイオン加速電圧は、
前述したのと同様な理由から２００〜２０００Ｖにする
ことが好ましい。
前述したのと同様な理由から２００〜２０００Ｖにする
ことが好ましい。
【００４４】以上説明したように、本発明によれば基材
上に粒径１００ｎｍ以下の微細ダイヤモンド結晶粒を含
むアモルファス構造の硬質炭素膜を形成することによっ
て、基材に対する密着性に優れ、かつ高硬度（７０ＧＰ
ａ前後）の硬質炭素膜を有する硬質炭素膜被覆材を得る
ことができる。
上に粒径１００ｎｍ以下の微細ダイヤモンド結晶粒を含
むアモルファス構造の硬質炭素膜を形成することによっ
て、基材に対する密着性に優れ、かつ高硬度（７０ＧＰ
ａ前後）の硬質炭素膜を有する硬質炭素膜被覆材を得る
ことができる。
【００４５】特に、前述した図１に示すように基材１表
面に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、II
Iｂ族、IVｂ族の元素、もしくはその窒化物、炭化物か
らなる中間層２を介して硬質炭素膜３を形成することに
よって、基材に対する硬質炭素膜の密着性がより一層向
上された硬質炭素膜被覆材を得ることができる。
面に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、II
Iｂ族、IVｂ族の元素、もしくはその窒化物、炭化物か
らなる中間層２を介して硬質炭素膜３を形成することに
よって、基材に対する硬質炭素膜の密着性がより一層向
上された硬質炭素膜被覆材を得ることができる。
【００４６】また、本発明に係る方法によれば基材表面
に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、III
ｂ族、IVｂ族の元素、もしくはその窒化物、炭化物から
なる中間層をスパッタリング法もしくは蒸着法により形
成する工程と、炭化水素と水素の混合ガスのイオンを発
生させるとともに、そのイオンを加速させて前記中間層
に照射する、イオンビーム蒸着法により前記中間層上に
硬質炭素膜を形成する工程とを具備することによって、
基材に対する密着性に優れ、かつ高硬度（７０ＧＰａ前
後）の硬質炭素膜を有する前述した図１に示す構造の硬
質炭素膜被覆材を製造することができる。
に元素周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、III
ｂ族、IVｂ族の元素、もしくはその窒化物、炭化物から
なる中間層をスパッタリング法もしくは蒸着法により形
成する工程と、炭化水素と水素の混合ガスのイオンを発
生させるとともに、そのイオンを加速させて前記中間層
に照射する、イオンビーム蒸着法により前記中間層上に
硬質炭素膜を形成する工程とを具備することによって、
基材に対する密着性に優れ、かつ高硬度（７０ＧＰａ前
後）の硬質炭素膜を有する前述した図１に示す構造の硬
質炭素膜被覆材を製造することができる。
【００４７】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を前述した図
２および図３の製造装置を参照して詳細に説明する。
２および図３の製造装置を参照して詳細に説明する。
【００４８】（実施例１）まず、前述した図２に示す製
造装置のホルダ１２にステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ３
０４）からなる基材１を取付け、スパッタ源１７のバッ
キングプレート１８に金属クロムからなるターゲット１
９を取り付けた後、真空容器１１を１×１０-5ｔｏｒｒ
以下に真空排気した。つづいて、前記ホルダ１２に内蔵
した加熱ヒータ１３により前記基材１を５５０℃に加熱
した。
造装置のホルダ１２にステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ３
０４）からなる基材１を取付け、スパッタ源１７のバッ
キングプレート１８に金属クロムからなるターゲット１
９を取り付けた後、真空容器１１を１×１０-5ｔｏｒｒ
以下に真空排気した。つづいて、前記ホルダ１２に内蔵
した加熱ヒータ１３により前記基材１を５５０℃に加熱
した。
【００４９】次いで、ガス供給管２１からアルゴンの放
電ガスを導入して前記真空容器１１内を５×１０-3ｔｏ
ｒｒの圧力に設定した後、高周波電源２０から高周波電
力を前記ターゲット１９に印加し、高周波放電を起こさ
せることにより前記ターゲット１９表面よりクロムから
なるスパッタ粒子２２を叩き出して前記基材１に照射
し、基材１表面に厚さ０．５μｍの中間層２を成膜し
た。この時の成膜速度は、０．１μｍ／分であった。
電ガスを導入して前記真空容器１１内を５×１０-3ｔｏ
ｒｒの圧力に設定した後、高周波電源２０から高周波電
力を前記ターゲット１９に印加し、高周波放電を起こさ
せることにより前記ターゲット１９表面よりクロムから
なるスパッタ粒子２２を叩き出して前記基材１に照射
し、基材１表面に厚さ０．５μｍの中間層２を成膜し
た。この時の成膜速度は、０．１μｍ／分であった。
【００５０】次いで、前記スパッタ源１７の作動を停止
し、再び真空容器１１を１×１０-5ｔｏｒｒ以下に真空
排気した。つづいて、イオン源１４（カウフマンイオン
源）のガス導入管１５からメタンと水素との混合ガス
（メタンの比率；２０体積％）を導入し、前記真空容器
１１を１×１０-3ｔｏｒｒに制御した。この状態でイオ
ン源１４を作動させ、加速電圧５００Ｖ、イオン電流密
度１ｍＡ／ｃｍ2でイオンビーム１６を前記クロムから
なる中間層２に照射し、厚さ１μｍの硬質炭素膜３を成
膜することにより前述した図１に示す構造の硬質炭素膜
被覆材を製造した。
し、再び真空容器１１を１×１０-5ｔｏｒｒ以下に真空
排気した。つづいて、イオン源１４（カウフマンイオン
源）のガス導入管１５からメタンと水素との混合ガス
（メタンの比率；２０体積％）を導入し、前記真空容器
１１を１×１０-3ｔｏｒｒに制御した。この状態でイオ
ン源１４を作動させ、加速電圧５００Ｖ、イオン電流密
度１ｍＡ／ｃｍ2でイオンビーム１６を前記クロムから
なる中間層２に照射し、厚さ１μｍの硬質炭素膜３を成
膜することにより前述した図１に示す構造の硬質炭素膜
被覆材を製造した。
【００５１】得られた硬質炭素膜被覆材の炭素膜につい
て、ラマンスペクトル分析により調べた。その結果、１
５５０ｃｍ-1付近と１３６０ｃｍ-1付近に広いピークを
示し、なおかつ１３３３ｃｍ-1に小さなダイヤモンドの
ピークが現れた。これより、アモルファス構造の炭素に
５０ｎｍ程度の粒径の微細ダイヤモンド結晶粒を含んだ
構造の硬質炭素膜であることが確認できた。
て、ラマンスペクトル分析により調べた。その結果、１
５５０ｃｍ-1付近と１３６０ｃｍ-1付近に広いピークを
示し、なおかつ１３３３ｃｍ-1に小さなダイヤモンドの
ピークが現れた。これより、アモルファス構造の炭素に
５０ｎｍ程度の粒径の微細ダイヤモンド結晶粒を含んだ
構造の硬質炭素膜であることが確認できた。
【００５２】また、前記硬質炭素膜のビッカース硬度を
測定した。その結果、７２ＧＰａという、アモルファス
構造からなる硬質炭素膜の硬さを遥かに凌ぐ値であっ
た。
測定した。その結果、７２ＧＰａという、アモルファス
構造からなる硬質炭素膜の硬さを遥かに凌ぐ値であっ
た。
【００５３】さらに、ボールディスク型摩擦特性試験機
にて、相手材のボールをステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ
３０４）とし、荷重を２Ｎ、速度を０．１ｍ／ｓｅｃと
し測定した。その結果、摩擦係数はステンレス鋼基材で
は０．３、クロム膜形成後で０．２、硬質炭素膜作製後
で０．０８と摩擦係数が低減した。
にて、相手材のボールをステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ
３０４）とし、荷重を２Ｎ、速度を０．１ｍ／ｓｅｃと
し測定した。その結果、摩擦係数はステンレス鋼基材で
は０．３、クロム膜形成後で０．２、硬質炭素膜作製後
で０．０８と摩擦係数が低減した。
【００５４】以上、実施例１によれば耐摩耗、高硬度、
潤滑が従来に比べて優れ、産業機械、自動車、航空宇宙
機器の部品の性能と寿命の向上に寄与する硬質炭素膜被
覆材を提供できる。
潤滑が従来に比べて優れ、産業機械、自動車、航空宇宙
機器の部品の性能と寿命の向上に寄与する硬質炭素膜被
覆材を提供できる。
【００５５】なお、前記実施例１では中間層２をクロム
により形成したが、クロム以外の元素周期表のIVａ族、
Ｖａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素もし
くはその窒化物、炭化物を用いても同様な効果を発揮す
ることができた。
により形成したが、クロム以外の元素周期表のIVａ族、
Ｖａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素もし
くはその窒化物、炭化物を用いても同様な効果を発揮す
ることができた。
【００５６】（実施例２）まず、前述した図３に示す製
造装置のホルダ１２に軸受け鋼（ＪＩＳ：ＳＵＪ２）か
らなる基材１を取付け、蒸発源２３にシリコンからなる
カソード２４を取り付け後、真空容器１１を１×１０-5
ｔｏｒｒ以下に真空排気した。つづいて、前記ホルダ１
２に内蔵した加熱ヒータ１３により前記基材１を５５０
℃に加熱した。
造装置のホルダ１２に軸受け鋼（ＪＩＳ：ＳＵＪ２）か
らなる基材１を取付け、蒸発源２３にシリコンからなる
カソード２４を取り付け後、真空容器１１を１×１０-5
ｔｏｒｒ以下に真空排気した。つづいて、前記ホルダ１
２に内蔵した加熱ヒータ１３により前記基材１を５５０
℃に加熱した。
【００５７】次に、蒸発源２３のカソード２４とアノー
ド２５との間に直流アーク電源２６よりアーク放電電圧
を供給しアーク放電を起こさせ、カソード２４を局部的
に溶解させてシリコンからなるカソード物質を蒸発さ
せ、蒸気２７を基材１に照射し、厚さ０．５μｍのシリ
コンからなる中間層２を成膜した。この時の成膜速度
は、０．１μｍ／分であった。
ド２５との間に直流アーク電源２６よりアーク放電電圧
を供給しアーク放電を起こさせ、カソード２４を局部的
に溶解させてシリコンからなるカソード物質を蒸発さ
せ、蒸気２７を基材１に照射し、厚さ０．５μｍのシリ
コンからなる中間層２を成膜した。この時の成膜速度
は、０．１μｍ／分であった。
【００５８】次いで、前記蒸発源２３の作動を停止し、
イオン源１４（カウフマンイオン源）のガス導入管１５
からメタンと水素との混合ガス（メタンの比率；１５体
積％）を導入し、前記真空容器１１を１×１０-3ｔｏｒ
ｒに制御した。この状態でイオン源１４を作動させ、加
速電圧５００Ｖ、イオン電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2で
イオンビーム１６を前記シリコンからなる中間層２に照
射し、厚さ０．８μｍの硬質炭素膜３を成膜することに
より前述した図１に示す構造の硬質炭素膜被覆材を製造
した。
イオン源１４（カウフマンイオン源）のガス導入管１５
からメタンと水素との混合ガス（メタンの比率；１５体
積％）を導入し、前記真空容器１１を１×１０-3ｔｏｒ
ｒに制御した。この状態でイオン源１４を作動させ、加
速電圧５００Ｖ、イオン電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ2で
イオンビーム１６を前記シリコンからなる中間層２に照
射し、厚さ０．８μｍの硬質炭素膜３を成膜することに
より前述した図１に示す構造の硬質炭素膜被覆材を製造
した。
【００５９】得られた硬質炭素膜被覆材の炭素膜につい
て、ラマンスペクトル分析により調べた。その結果、１
５５０ｃｍ-1付近と１３６０ｃｍ-1付近に広いピークを
示し、なおかつ１３３３ｃｍ-1に小さなダイヤモンドの
ピークが現れた。これより、アモルファス構造の炭素に
５０ｎｍ程度の粒径の微細ダイヤモンド結晶粒を含んだ
構造の硬質炭素膜であることが確認できた。
て、ラマンスペクトル分析により調べた。その結果、１
５５０ｃｍ-1付近と１３６０ｃｍ-1付近に広いピークを
示し、なおかつ１３３３ｃｍ-1に小さなダイヤモンドの
ピークが現れた。これより、アモルファス構造の炭素に
５０ｎｍ程度の粒径の微細ダイヤモンド結晶粒を含んだ
構造の硬質炭素膜であることが確認できた。
【００６０】また、前記硬質炭素膜のビッカース硬度を
測定した。その結果、７２ＧＰａという、アモルファス
構造からなる硬質炭素膜の硬さを遥かに凌ぐ値であっ
た。
測定した。その結果、７２ＧＰａという、アモルファス
構造からなる硬質炭素膜の硬さを遥かに凌ぐ値であっ
た。
【００６１】さらに、ボールディスク型摩擦特性試験機
にて、相手材のボールを軸受け鋼（ＪＩＳ：ＳＵＪ２）
とし、荷重を２Ｎ、速度を０．１ｍ／ｓｅｃとし測定し
た。その結果、摩擦係数はス軸受け鋼基材では０．２、
シリコン膜成膜後で０．３、硬質炭素膜作製後で０．０
８と摩擦係数が低減した。
にて、相手材のボールを軸受け鋼（ＪＩＳ：ＳＵＪ２）
とし、荷重を２Ｎ、速度を０．１ｍ／ｓｅｃとし測定し
た。その結果、摩擦係数はス軸受け鋼基材では０．２、
シリコン膜成膜後で０．３、硬質炭素膜作製後で０．０
８と摩擦係数が低減した。
【００６２】以上、実施例２によれば耐摩耗、高硬度、
潤滑が従来に比べて優れ、産業機械、自動車、航空宇宙
機器の部品の性能と寿命の向上に寄与する硬質炭素膜被
覆材を提供できる。
潤滑が従来に比べて優れ、産業機械、自動車、航空宇宙
機器の部品の性能と寿命の向上に寄与する硬質炭素膜被
覆材を提供できる。
【００６３】なお、前記実施例２では中間層２をシリコ
ンにより形成したが、シリコン以外の元素周期表のIVａ
族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素
もしくはその窒化物、炭化物を用いても同様な効果を発
揮することができた。
ンにより形成したが、シリコン以外の元素周期表のIVａ
族、Ｖａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素
もしくはその窒化物、炭化物を用いても同様な効果を発
揮することができた。
【００６４】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、基
材に対する密着性に優れ、かつ高硬度（７０ＧＰａ前
後）の硬質炭素膜を有し、産業機械、自動車、航空宇宙
機器の部品の性能と寿命の向上に貢献する硬質炭素膜被
覆材およびその製造方法を提供することができる。
材に対する密着性に優れ、かつ高硬度（７０ＧＰａ前
後）の硬質炭素膜を有し、産業機械、自動車、航空宇宙
機器の部品の性能と寿命の向上に貢献する硬質炭素膜被
覆材およびその製造方法を提供することができる。
【図１】本発明に係る硬質炭素膜被覆材を示す概略断面
図。
図。
【図２】本発明に係る硬質炭素膜被覆材を製造するため
の装置を示す概略図。
の装置を示す概略図。
【図３】本発明に係る硬質炭素膜被覆材を製造するため
の別の装置を示す概略図。
の別の装置を示す概略図。
１…基材、 ２…中間層、 ３…硬質炭素膜、 １１…真空容器、 １２…ホルダ、 １３…ヒータ、 １４…イオン源、 １７…スパッタ源、 １９…ターゲット、 ２３…蒸着源、 ２４…カソード、 ２５…アノード。
フロントページの続き (72)発明者 渡辺 俊哉 茨城県つくば市東１丁目１番 財団法人フ ァインセラミックセンター内 Ｆターム(参考） 4K029 AA02 BA02 BA03 BA06 BA07 BA09 BA10 BA11 BA12 BA13 BA15 BA16 BA17 BA34 BA35 BA55 BA56 BA57 BA58 BA59 BA60 BB02 BB08 BB10 BC02 BD04 CA01 CA03 CA05 EA05 EA08
Claims (4)
- 【請求項１】 基材上に粒径１００ｎｍ以下の微細ダイ
ヤモンド結晶粒を含むアモルファス構造の硬質炭素膜を
形成してなる硬質炭素膜被覆材。 - 【請求項２】 前記基材表面に元素周期表のIVａ族、Ｖ
ａ族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素、もし
くはその窒化物、炭化物からなる中間層を介して前記硬
質炭素膜を形成したことを特徴とする請求項１記載の硬
質炭素膜被覆材。 - 【請求項３】 基材表面に元素周期表のIVａ族、Ｖａ
族、VIａ族、VIII族、IIIｂ族、IVｂ族の元素、もしく
はその窒化物、炭化物からなる中間層をスパッタリング
法もしくは蒸着法により形成する工程と、 炭化水素と水素の混合ガスのイオンを発生させるととも
に、そのイオンを加速させて前記中間層に照射する、イ
オンビーム蒸着法により前記中間層上に硬質炭素膜を形
成する工程とを具備することを特徴とする硬質炭素膜被
覆材の製造方法。 - 【請求項４】 前記硬質炭素膜の形成において、前記混
合ガス中に占める炭化水素の比率を２〜３０体積％と
し、イオン加速電圧を２００〜２０００Ｖ、基材温度を
４００〜８００℃にすることを特徴とする請求項３記載
の硬質炭素膜被覆材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001061989A JP2002256414A (ja) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | 硬質炭素膜被覆材およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001061989A JP2002256414A (ja) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | 硬質炭素膜被覆材およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002256414A true JP2002256414A (ja) | 2002-09-11 |
Family
ID=18921202
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001061989A Withdrawn JP2002256414A (ja) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | 硬質炭素膜被覆材およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002256414A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008533408A (ja) * | 2005-03-18 | 2008-08-21 | ザ ティムケン カンパニー | 油潤滑のない条件下でローラーベアリングを保護する方法、及びその方法を用いてなるベアリング |
| WO2016017438A1 (ja) * | 2014-07-28 | 2016-02-04 | 日本アイ・ティ・エフ株式会社 | カーボン薄膜、それを製造するプラズマ装置および製造方法 |
-
2001
- 2001-03-06 JP JP2001061989A patent/JP2002256414A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008533408A (ja) * | 2005-03-18 | 2008-08-21 | ザ ティムケン カンパニー | 油潤滑のない条件下でローラーベアリングを保護する方法、及びその方法を用いてなるベアリング |
| WO2016017438A1 (ja) * | 2014-07-28 | 2016-02-04 | 日本アイ・ティ・エフ株式会社 | カーボン薄膜、それを製造するプラズマ装置および製造方法 |
| CN106661715A (zh) * | 2014-07-28 | 2017-05-10 | 日本Itf株式会社 | 碳薄膜、制造其的等离子体装置及制造方法 |
| JPWO2016017438A1 (ja) * | 2014-07-28 | 2017-06-08 | 日本アイ・ティ・エフ株式会社 | カーボン薄膜、それを製造するプラズマ装置および製造方法 |
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