JP2003073808A - 表面処理膜 - Google Patents
表面処理膜Info
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- JP2003073808A JP2003073808A JP2001257533A JP2001257533A JP2003073808A JP 2003073808 A JP2003073808 A JP 2003073808A JP 2001257533 A JP2001257533 A JP 2001257533A JP 2001257533 A JP2001257533 A JP 2001257533A JP 2003073808 A JP2003073808 A JP 2003073808A
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- carbon film
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- layer
- intermediate layer
- film
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 表面硬度等の向上を目的として部品の表面に
設ける炭素膜の密着性を向上させる。 【解決手段】 各種鋼、超硬合金、アルミナ、サファイ
ア、ガラス、窒化珪素などの母材表面に、母材とＢ、Ａ
ｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、
Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれた１種以上の物質とから
成る、厚さ０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の混合層を形
成し、その混合層又は混合層上に形成される金属中間層
上に炭素膜を設けるようにした。
設ける炭素膜の密着性を向上させる。 【解決手段】 各種鋼、超硬合金、アルミナ、サファイ
ア、ガラス、窒化珪素などの母材表面に、母材とＢ、Ａ
ｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、
Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれた１種以上の物質とから
成る、厚さ０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の混合層を形
成し、その混合層又は混合層上に形成される金属中間層
上に炭素膜を設けるようにした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、工具、金型、機械
部品、電気部品、電子部品、光学部品、装飾品などに適
用される表面処理膜に関するものである。
部品、電気部品、電子部品、光学部品、装飾品などに適
用される表面処理膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、工具、金型、機械部品などには、
各種の表面処理が適用されている。皮膜の密着性を得る
ため、種々の方法が適用されており、基材と皮膜とのそ
れぞれに対し親和性が高い中間層を導入することで密着
性を向上させる方法等が典型的な手法である。皮膜が炭
素膜の場合は特に密着性が得難く、以下のような手法が
提案されている。
各種の表面処理が適用されている。皮膜の密着性を得る
ため、種々の方法が適用されており、基材と皮膜とのそ
れぞれに対し親和性が高い中間層を導入することで密着
性を向上させる方法等が典型的な手法である。皮膜が炭
素膜の場合は特に密着性が得難く、以下のような手法が
提案されている。
【０００３】例えば、特許第１４４４８９６号には、蒸
着炭素と基材との間に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族
金属などの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物などを中間
層として用いる例が挙げられている。
着炭素と基材との間に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族
金属などの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物などを中間
層として用いる例が挙げられている。
【０００４】また、特許第１９４０８８３号は、カーボ
ン硬質膜と金属母材との間に、Ｃｒ、Ｔｉを主体とする
下層と、ＳｉまたはＧｅを主体とする上層の２層からな
る中間層を適用している。中間層をさらに積層化して、
下層の第１中間層は基材との親和性を、上層の第２中間
層は炭素膜との親和性を重視した構造となっている。
ン硬質膜と金属母材との間に、Ｃｒ、Ｔｉを主体とする
下層と、ＳｉまたはＧｅを主体とする上層の２層からな
る中間層を適用している。中間層をさらに積層化して、
下層の第１中間層は基材との親和性を、上層の第２中間
層は炭素膜との親和性を重視した構造となっている。
【０００５】特許第２６２８５９５号には、Ｃｏ、Ｃ
ｒ、Ｎｉ等の金属または合金を中間層としてダイヤモン
ド状カーボンを被覆する例が示されており、中間層の膜
厚は１０ｎｍ〜１００μｍという広い範囲が推奨されて
いる。
ｒ、Ｎｉ等の金属または合金を中間層としてダイヤモン
ド状カーボンを被覆する例が示されており、中間層の膜
厚は１０ｎｍ〜１００μｍという広い範囲が推奨されて
いる。
【０００６】特開平８−２３２０６７は、硬質炭素より
靱性が大きい中間層を１層以上設ける方法を提案してい
る。
靱性が大きい中間層を１層以上設ける方法を提案してい
る。
【０００７】また、特開平１１−４９５０６は、基体を
なす金属の炭化物を含む中間層を介して硬質炭素膜を被
覆する方法を提示している。基体をなす成分を中間層に
含ませることにより基体との親和性を上げ、同時にその
中間層を炭化物とすることで炭素膜との親和性を持たせ
るものである。
なす金属の炭化物を含む中間層を介して硬質炭素膜を被
覆する方法を提示している。基体をなす成分を中間層に
含ませることにより基体との親和性を上げ、同時にその
中間層を炭化物とすることで炭素膜との親和性を持たせ
るものである。
【０００８】このほか、特開２０００−８７２１８は、
非晶質炭素膜と基材の界面に基材構成元素と非晶質炭素
膜構成元素とからなる厚さ１０〜５００Åの混合層、あ
るいは、基材表面に厚さ１０〜１０００Åの中間層を形
成し、その中間層と非晶質炭素膜との間に中間層構成元
素と非晶質炭素膜構成元素とからなる厚さ１０〜５００
Åの混合層を形成する構造を提案している。
非晶質炭素膜と基材の界面に基材構成元素と非晶質炭素
膜構成元素とからなる厚さ１０〜５００Åの混合層、あ
るいは、基材表面に厚さ１０〜１０００Åの中間層を形
成し、その中間層と非晶質炭素膜との間に中間層構成元
素と非晶質炭素膜構成元素とからなる厚さ１０〜５００
Åの混合層を形成する構造を提案している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】以上のようにさまざま
な方法が適用されているが、それでも炭素膜の十分な密
着性は得られていない。その原因としては下記の様なも
のが考えられる。
な方法が適用されているが、それでも炭素膜の十分な密
着性は得られていない。その原因としては下記の様なも
のが考えられる。
【００１０】まず、炭化物中間層を用いる場合、炭素濃
度が安定しにくい問題がある。わずかに合成条件がずれ
ると、基板や下層に対する密着性が悪くなる。上層の炭
素膜との界面の状態も不安定になりやすい。非常に厳密
な制御を行ないながら成膜を行なう必要がある。
度が安定しにくい問題がある。わずかに合成条件がずれ
ると、基板や下層に対する密着性が悪くなる。上層の炭
素膜との界面の状態も不安定になりやすい。非常に厳密
な制御を行ないながら成膜を行なう必要がある。
【００１１】窒化物や酸化物、硼化物は、元来炭素膜と
の親和性がそれほど良くない。したがって上層に他の中
間層をさらに設ける必要があり、積層数、界面が増えて
不安定性が増す。
の親和性がそれほど良くない。したがって上層に他の中
間層をさらに設ける必要があり、積層数、界面が増えて
不安定性が増す。
【００１２】ＳｉやＧｅは炭素膜に対して比較的安定し
た密着性を生じさせる中間層材料であるが、その脆さゆ
え、高負荷用途の部品などには適用が困難である。ま
た、多くの金属基板との親和性が得難い問題も有る。
た密着性を生じさせる中間層材料であるが、その脆さゆ
え、高負荷用途の部品などには適用が困難である。ま
た、多くの金属基板との親和性が得難い問題も有る。
【００１３】また、炭素膜は極めて応力が高い材料であ
る。そこで、中間層に応力を緩和させる機能を合せ持た
せるべく金属などの靱性が高い材料を中間層として導入
し、応力緩和層とする方法があるが、その中間層の部分
で疲労を蓄積し、経時剥離につながりやすい。Ｃｏ、Ｃ
ｒ、Ｎｉ等の金属中間層を適用する場合が当てはまる。
る。そこで、中間層に応力を緩和させる機能を合せ持た
せるべく金属などの靱性が高い材料を中間層として導入
し、応力緩和層とする方法があるが、その中間層の部分
で疲労を蓄積し、経時剥離につながりやすい。Ｃｏ、Ｃ
ｒ、Ｎｉ等の金属中間層を適用する場合が当てはまる。
【００１４】基材と炭素膜、あるいは中間層と炭素膜と
の間に混合層を設ける方法は、炭素膜構成元素を高エネ
ルギーで照射するために、混合層が形成されると同時に
照射表面の温度が上昇し、混合層における炭素がグラフ
ァイト化する問題がある。グラファイト化した炭素成分
は密着性を著しく損なう。
の間に混合層を設ける方法は、炭素膜構成元素を高エネ
ルギーで照射するために、混合層が形成されると同時に
照射表面の温度が上昇し、混合層における炭素がグラフ
ァイト化する問題がある。グラファイト化した炭素成分
は密着性を著しく損なう。
【００１５】さらに、炭素膜は３００℃以下という比較
的低温で被覆処理されるため、一般的に親和性が高いと
いわれる組み合わせを適用するだけでは界面での十分な
結合が得られない。基体材料を含む中間層を適用する場
合も、処理温度が低いと密着性を確保するのが難しい。
的低温で被覆処理されるため、一般的に親和性が高いと
いわれる組み合わせを適用するだけでは界面での十分な
結合が得られない。基体材料を含む中間層を適用する場
合も、処理温度が低いと密着性を確保するのが難しい。
【００１６】本発明は、このような炭素膜の密着性を大
幅に改善することを目的としている。
幅に改善することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明では上記の目的を
達成するために以下の構造を提唱する。
達成するために以下の構造を提唱する。
【００１８】まず第１に、厚さ０．５ｎｍ以上、１０ｎ
ｍ以下の母材と金属材料との混合層を設け、その上に炭
素膜を設けるものである。混合層を形成する、金属材料
は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎ
ｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれた１種以上の
金属が好ましい。
ｍ以下の母材と金属材料との混合層を設け、その上に炭
素膜を設けるものである。混合層を形成する、金属材料
は、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎ
ｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれた１種以上の
金属が好ましい。
【００１９】母材材料を含む中間層は、例えば特開平１
１−４９５０６などにもあるが、本発明の特徴は、その
厚さが０．５ｎｍから１０ｎｍと非常に薄いことと、母
材材料と組み合わされる材料が炭化物や窒化物、酸化物
などの化合物ではなく、金属材料であることの２点であ
る。
１−４９５０６などにもあるが、本発明の特徴は、その
厚さが０．５ｎｍから１０ｎｍと非常に薄いことと、母
材材料と組み合わされる材料が炭化物や窒化物、酸化物
などの化合物ではなく、金属材料であることの２点であ
る。
【００２０】この混合層は厚さが薄いため、いわゆる応
力緩和層としての機能はないが、逆に外力による変形も
なく疲労破壊も発生しにくいと考えられる。この効果を
得るための上限が１０ｎｍである。また、０．５ｎｍ未
満では混合層が薄すぎて層として存在しえない。混合層
はイオン注入法を適用して合成できる。また、各種ＰＶ
Ｄ法、ＣＶＤ法で基板に高い負のバイアスを印加しなが
ら金属材料を成膜することでも得られる。
力緩和層としての機能はないが、逆に外力による変形も
なく疲労破壊も発生しにくいと考えられる。この効果を
得るための上限が１０ｎｍである。また、０．５ｎｍ未
満では混合層が薄すぎて層として存在しえない。混合層
はイオン注入法を適用して合成できる。また、各種ＰＶ
Ｄ法、ＣＶＤ法で基板に高い負のバイアスを印加しなが
ら金属材料を成膜することでも得られる。
【００２１】母材材料と組み合わされる材料が化合物で
なく金属であることは、合成上の不安定要因を排除する
のに有利である。また、安定な化合物中間層上よりもあ
る程度活性な金属を含む層の上に炭素膜を被覆する方が
炭素膜の密着性が得やすい。炭素との密着性が得られる
金属材料としては、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、
Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗが適当であ
る。これらの中でも、特にＴｉ、Ｖ、Ｃｒが好ましい。
なく金属であることは、合成上の不安定要因を排除する
のに有利である。また、安定な化合物中間層上よりもあ
る程度活性な金属を含む層の上に炭素膜を被覆する方が
炭素膜の密着性が得やすい。炭素との密着性が得られる
金属材料としては、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、
Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗが適当であ
る。これらの中でも、特にＴｉ、Ｖ、Ｃｒが好ましい。
【００２２】なお、薄い混合層を形成する方法は、例え
ば特開２０００−８７２１８に炭素膜と基材、または炭
素膜と中間層との混合層の形で提案されているが、炭素
を混合層に含ませると、前述のようにグラファイト成分
が形成され密着性は得られない。本発明では金属と基材
との混合層を形成する点に特徴がある。
ば特開２０００−８７２１８に炭素膜と基材、または炭
素膜と中間層との混合層の形で提案されているが、炭素
を混合層に含ませると、前述のようにグラファイト成分
が形成され密着性は得られない。本発明では金属と基材
との混合層を形成する点に特徴がある。
【００２３】本発明では第２の構造として、母材と炭素
膜との間にＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚ
ｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれた１種
以上の物質からなる中間層を有し、その中間層の少なく
とも母材側が、母材と中間層材料とからなる厚さ０．５
ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の混合層であり、中間層の厚さ
が０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下となるものを提供す
る。
膜との間にＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚ
ｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中から選ばれた１種
以上の物質からなる中間層を有し、その中間層の少なく
とも母材側が、母材と中間層材料とからなる厚さ０．５
ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の混合層であり、中間層の厚さ
が０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下となるものを提供す
る。
【００２４】混合層の上層に混合していない薄い金属層
が形成されているものが含まれ、この点が第１の構造と
の相違点となる。中間層の厚さが０．５ｎｍ未満では薄
すぎて層として存在しえない。１０ｎｍを超えると疲労
破壊が発生し易くなる。
が形成されているものが含まれ、この点が第１の構造と
の相違点となる。中間層の厚さが０．５ｎｍ未満では薄
すぎて層として存在しえない。１０ｎｍを超えると疲労
破壊が発生し易くなる。
【００２５】上記第１、第２の構造は、いずれも混合層
の厚さが０．５ｎｍ以上、５ｎｍ以下であるものがなお
好ましい。混合層が薄くなればより疲労破壊が発生しに
くくなる。
の厚さが０．５ｎｍ以上、５ｎｍ以下であるものがなお
好ましい。混合層が薄くなればより疲労破壊が発生しに
くくなる。
【００２６】また、どちらの構造も、混合層または混合
層と中間層の平均酸素濃度が１ａｔ％以下であることが
望ましい。
層と中間層の平均酸素濃度が１ａｔ％以下であることが
望ましい。
【００２７】ここでいう混合層または混合層と中間層に
は、母材と混合層、混合層と中間層、混合層と炭素膜、
中間層と炭素膜の境界付近も含まれる。この領域に平均
濃度１ａｔ％を超えて酸素が含まれると炭素膜の密着性
が不安定になりやすい。なお、より好ましくは平均酸素
濃度０．５ａｔ％以下がよい。
は、母材と混合層、混合層と中間層、混合層と炭素膜、
中間層と炭素膜の境界付近も含まれる。この領域に平均
濃度１ａｔ％を超えて酸素が含まれると炭素膜の密着性
が不安定になりやすい。なお、より好ましくは平均酸素
濃度０．５ａｔ％以下がよい。
【００２８】上述した混合層、中間層の厚さや組成は、
ＴＥＭ／ＴＥＤ、ＥＤＸ、ＳＩＭＳ、ＡＥＳ、ＸＰＳな
どで分析できる。
ＴＥＭ／ＴＥＤ、ＥＤＸ、ＳＩＭＳ、ＡＥＳ、ＸＰＳな
どで分析できる。
【００２９】例えば、混合層または混合層と中間層に含
まれる酸素濃度に関しては、以下の方法などで分析でき
る。
まれる酸素濃度に関しては、以下の方法などで分析でき
る。
【００３０】まず、炭素膜を機械研磨などで研磨し、膜
厚０．１μｍ以下にする。この厚さは薄いほど精度の良
い分析が出来る。この部分をＡＥＳ法でエッチングしな
がら深さ方向の分析を行なう。モニターする元素は、炭
素、中間層構成元素、混合層構成元素、母材構成元素で
ある。中間層、混合層では、中間層材料が山状の分布を
示す。この山状分布の領域に検出される中間層・混合層
構成元素の量と、この領域に検出される酸素の量とか
ら、酸素の平均的な原子濃度を求められる。この分析方
法は、ＸＰＳでも同様である。ＳＩＭＳでは、あらかじ
めＡＥＳやＸＰＳで組成が判っているリファレンスを参
考にして求める。
厚０．１μｍ以下にする。この厚さは薄いほど精度の良
い分析が出来る。この部分をＡＥＳ法でエッチングしな
がら深さ方向の分析を行なう。モニターする元素は、炭
素、中間層構成元素、混合層構成元素、母材構成元素で
ある。中間層、混合層では、中間層材料が山状の分布を
示す。この山状分布の領域に検出される中間層・混合層
構成元素の量と、この領域に検出される酸素の量とか
ら、酸素の平均的な原子濃度を求められる。この分析方
法は、ＸＰＳでも同様である。ＳＩＭＳでは、あらかじ
めＡＥＳやＸＰＳで組成が判っているリファレンスを参
考にして求める。
【００３１】部材表面にヌープ硬度が３０００以上、７
０００以下の炭素膜を設けるときに本構造を適用すると
特に効果的である。炭素膜は一般に応力が高いが、硬度
が高いものほど応力もよりいっそう高くなる。したがっ
て、硬度が高い炭素膜ほど応力に起因して剥離しやすく
なる。そこで、従来技術では特に剥離しやすかったヌー
プ硬度３０００以上の炭素膜に本構造を適用すると、従
来適用が困難であった工具や金型、機械部品等への用途
が広がる。ヌープ硬度７０００以上では結晶成分が含ま
れ、表面の凹凸が激しくなるため適用用途が限られる。
なお、ダイナミック硬度では、３０００ｋｇｆ／ｍｍ 2
以上、７０００ｋｇｆ／ｍｍ2 以下とする。
０００以下の炭素膜を設けるときに本構造を適用すると
特に効果的である。炭素膜は一般に応力が高いが、硬度
が高いものほど応力もよりいっそう高くなる。したがっ
て、硬度が高い炭素膜ほど応力に起因して剥離しやすく
なる。そこで、従来技術では特に剥離しやすかったヌー
プ硬度３０００以上の炭素膜に本構造を適用すると、従
来適用が困難であった工具や金型、機械部品等への用途
が広がる。ヌープ硬度７０００以上では結晶成分が含ま
れ、表面の凹凸が激しくなるため適用用途が限られる。
なお、ダイナミック硬度では、３０００ｋｇｆ／ｍｍ 2
以上、７０００ｋｇｆ／ｍｍ2 以下とする。
【００３２】以上、炭素膜と母材との界面構造を中心に
説明した。以下では本発明で用いる炭素膜を定義する。
説明した。以下では本発明で用いる炭素膜を定義する。
【００３３】本発明における炭素膜は、ｓｐ３構造を一
部に有するアモルファス状の炭素膜あるいは水素化炭素
膜で、非晶質炭素、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ、ａ
−Ｃ：Ｈ）、ｉ−Ｃ（アイ・カーボン）、ダイヤモンド
状炭素（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ；Ｄ
ＬＣ）、硬質炭素（ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ）などとも
呼ばれている。こうした炭素膜は、一般にヌープ硬度が
８００〜８０００と高硬度で、耐摩耗性が高い。多くの
相手材料に対する摩擦係数が低く、焼き付き難く、離型
性に優れる。科学的にも安定で、酸、アルカリに対して
高い耐食性を有する。
部に有するアモルファス状の炭素膜あるいは水素化炭素
膜で、非晶質炭素、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ、ａ
−Ｃ：Ｈ）、ｉ−Ｃ（アイ・カーボン）、ダイヤモンド
状炭素（Ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ；Ｄ
ＬＣ）、硬質炭素（ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ）などとも
呼ばれている。こうした炭素膜は、一般にヌープ硬度が
８００〜８０００と高硬度で、耐摩耗性が高い。多くの
相手材料に対する摩擦係数が低く、焼き付き難く、離型
性に優れる。科学的にも安定で、酸、アルカリに対して
高い耐食性を有する。
【００３４】本炭素膜は、いわゆるダイヤモンドとは異
なる材料である。ダイヤモンドは結晶質であり、硬さは
ビッカース硬度で約９０００以上である。電子線回折や
Ｘ線回折では、ダイヤモンドからはダイヤモンド構造を
反映した回折像が得られるが、本炭素膜からは非晶質を
反映したハローパターンとなる。ラマン分光分析では、
ダイヤモンドでは１３３３ｃｍ-1付近にダイヤモンド構
造に対応する狭いピークが見られるが、本炭素膜では、
１３５０ｃｍ-1付近と１５５０ｃｍ-1付近に数十〜２百
ｃｍ-1の広いピーク構造を示す。屈折率は、ダイヤモン
ドは２．４程度であるが、本炭素膜は１．７〜２．３の
間の値をとる。薄膜の合成温度も、ダイヤモンドは７０
０℃以上、一般には８００℃から１０００℃以上である
が、本炭素膜は４５０℃以下、一般には３００℃以下で
ある。ダイヤモンドの合成には１％前後のメタンなどの
炭化水素ガスに、９９％程度の多量の水素ガスを導入し
て合成を行う。多量の原子状水素を発生させ、合成され
る膜中の非晶質成分をこの原子状水素と反応させて除去
するためである。本炭素膜の合成には、雰囲気中に水素
ガスは導入しないのが一般的である。
なる材料である。ダイヤモンドは結晶質であり、硬さは
ビッカース硬度で約９０００以上である。電子線回折や
Ｘ線回折では、ダイヤモンドからはダイヤモンド構造を
反映した回折像が得られるが、本炭素膜からは非晶質を
反映したハローパターンとなる。ラマン分光分析では、
ダイヤモンドでは１３３３ｃｍ-1付近にダイヤモンド構
造に対応する狭いピークが見られるが、本炭素膜では、
１３５０ｃｍ-1付近と１５５０ｃｍ-1付近に数十〜２百
ｃｍ-1の広いピーク構造を示す。屈折率は、ダイヤモン
ドは２．４程度であるが、本炭素膜は１．７〜２．３の
間の値をとる。薄膜の合成温度も、ダイヤモンドは７０
０℃以上、一般には８００℃から１０００℃以上である
が、本炭素膜は４５０℃以下、一般には３００℃以下で
ある。ダイヤモンドの合成には１％前後のメタンなどの
炭化水素ガスに、９９％程度の多量の水素ガスを導入し
て合成を行う。多量の原子状水素を発生させ、合成され
る膜中の非晶質成分をこの原子状水素と反応させて除去
するためである。本炭素膜の合成には、雰囲気中に水素
ガスは導入しないのが一般的である。
【００３５】
【００３６】
【実施例１】工具鋼、ステンレス鋼、超硬合金、アルミ
ナ、サファイア、ガラス、窒化珪素からなる基材上に、
各種金属と基材材料との混合層を介して炭素膜を被覆し
た。炭素膜の膜厚は約１μｍとした。
ナ、サファイア、ガラス、窒化珪素からなる基材上に、
各種金属と基材材料との混合層を介して炭素膜を被覆し
た。炭素膜の膜厚は約１μｍとした。
【００３７】Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅは非平衡型マグネト
ロンスパッタリング法で、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒは陰極アーク
イオンプレーティング法で、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏはイオン
注入法で、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗはレーザーアブレーション法
で合成した。
ロンスパッタリング法で、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒは陰極アーク
イオンプレーティング法で、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏはイオン
注入法で、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗはレーザーアブレーション法
で合成した。
【００３８】非平衡型マグネトロンスパッタリング法で
は、原料に上記の金属ターゲットを適用した。雰囲気中
にはアルゴンガスを導入し、ターゲットに負の直流電圧
を印加して放電を発生させた。ターゲット表面よりスパ
ッタされプラズマ中で活性化した金属イオンが、負に印
加した基材上に照射され混合層を形成した。
は、原料に上記の金属ターゲットを適用した。雰囲気中
にはアルゴンガスを導入し、ターゲットに負の直流電圧
を印加して放電を発生させた。ターゲット表面よりスパ
ッタされプラズマ中で活性化した金属イオンが、負に印
加した基材上に照射され混合層を形成した。
【００３９】カソードアークイオンプレーティング法で
は、原料に上記の金属ターゲットを適用した。ターゲッ
トに負の電位を印加してアーク放電を発生させ、そのエ
ネルギーで金属を蒸発・プラズマ化し、負に印加した基
材上に照射され混合層を形成した。
は、原料に上記の金属ターゲットを適用した。ターゲッ
トに負の電位を印加してアーク放電を発生させ、そのエ
ネルギーで金属を蒸発・プラズマ化し、負に印加した基
材上に照射され混合層を形成した。
【００４０】イオン注入法では、イオン源より上記の金
属イオンを基材に照射し、混合層を形成した。
属イオンを基材に照射し、混合層を形成した。
【００４１】レーザーアブレーション法では、原料に上
記の金属ターゲットを適用した。ターゲットにレーザー
を照射してそのエネルギーで表面の金属を蒸発・プラズ
マ化し、負に印加した基材上に成膜した。
記の金属ターゲットを適用した。ターゲットにレーザー
を照射してそのエネルギーで表面の金属を蒸発・プラズ
マ化し、負に印加した基材上に成膜した。
【００４２】イオン注入法で混合層を形成したものはそ
の混合層上にマグネトロンスパッタリング法で炭素層を
形成し、それ以外は混合層と同じ手法で炭素層を形成し
た。
の混合層上にマグネトロンスパッタリング法で炭素層を
形成し、それ以外は混合層と同じ手法で炭素層を形成し
た。
【００４３】マグネトロンスパッタリング法では、原料
にカーボンターゲットを適用した。雰囲気中にはアルゴ
ンガスまたはアルゴンとメタンの混合ガスを導入し、タ
ーゲットに負の直流電圧を印加して放電を発生させた。
ターゲット表面よりスパッタされプラズマ中で活性化し
た炭素イオンが、プラズマ雰囲気中の炭素イオン、炭化
水素イオンとともに基材上で反応し炭素膜を成膜した。
にカーボンターゲットを適用した。雰囲気中にはアルゴ
ンガスまたはアルゴンとメタンの混合ガスを導入し、タ
ーゲットに負の直流電圧を印加して放電を発生させた。
ターゲット表面よりスパッタされプラズマ中で活性化し
た炭素イオンが、プラズマ雰囲気中の炭素イオン、炭化
水素イオンとともに基材上で反応し炭素膜を成膜した。
【００４４】得られた炭素膜に関して、ピン・オン・デ
ィスクタイプの摩擦摩耗試験機で摺動試験を行ない、膜
が剥離するまでの時間を調べた。混合層を設けずに基材
上に直接炭素膜を被覆したものについても同様の試験を
行なった。基材の材質、混合層を形成する金属、混合層
の厚さ及び混合層を設けなかった炭素膜に対する混合層
を設けた炭素膜の剥離までの時間の比を、表１に整理し
た。
ィスクタイプの摩擦摩耗試験機で摺動試験を行ない、膜
が剥離するまでの時間を調べた。混合層を設けずに基材
上に直接炭素膜を被覆したものについても同様の試験を
行なった。基材の材質、混合層を形成する金属、混合層
の厚さ及び混合層を設けなかった炭素膜に対する混合層
を設けた炭素膜の剥離までの時間の比を、表１に整理し
た。
【００４５】
【表１】
【００４６】混合層があるものは数倍から１０倍の耐久
性を示し、密着性の大幅な向上が確認できた。
性を示し、密着性の大幅な向上が確認できた。
【００４７】
【実施例２】実施例１と同様の各種機材に対して、金属
と基材材料との混合層、金属中間層を介して炭素膜を被
覆した。炭素膜の膜厚は約０．８μｍとした。
と基材材料との混合層、金属中間層を介して炭素膜を被
覆した。炭素膜の膜厚は約０．８μｍとした。
【００４８】Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅはレーザーアブレー
ション法で、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆは非平衡型マグネトロン
スパッタリング法で、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａはイオン注入法
で、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗは陰極アークイオンプレーティング
法で合成した。
ション法で、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆは非平衡型マグネトロン
スパッタリング法で、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａはイオン注入法
で、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗは陰極アークイオンプレーティング
法で合成した。
【００４９】イオン注入法で混合層を形成したものはマ
グネトロンスパッタリング法で炭素層を形成し、それ以
外は混合層と同じ手法で炭素層を形成した。成膜方法は
実施例１に準ずる。
グネトロンスパッタリング法で炭素層を形成し、それ以
外は混合層と同じ手法で炭素層を形成した。成膜方法は
実施例１に準ずる。
【００５０】得られた炭素膜に関して、リング・オン・
プレートタイプの摩擦摩耗試験機で摺動試験を行ない、
膜が剥離するまでの時間を調べた。混合層を設けずに基
板上に直接炭素膜を被覆したものについても同様の試験
を行なった。基材の材質、混合層の厚さ、中間層を形成
する金属、中間層の厚さ、混合層を設けなかった炭素膜
に対する混合層を設けた炭素膜の剥離までの時間の比
を、表２に整理した。なお、混合層は中間層を形成する
金属と基材材質が混じり合ったものになっている。
プレートタイプの摩擦摩耗試験機で摺動試験を行ない、
膜が剥離するまでの時間を調べた。混合層を設けずに基
板上に直接炭素膜を被覆したものについても同様の試験
を行なった。基材の材質、混合層の厚さ、中間層を形成
する金属、中間層の厚さ、混合層を設けなかった炭素膜
に対する混合層を設けた炭素膜の剥離までの時間の比
を、表２に整理した。なお、混合層は中間層を形成する
金属と基材材質が混じり合ったものになっている。
【００５１】
【表２】
【００５２】混合層があるものは数倍から１０倍の耐久
性を示し、密着性の大幅な向上が確認できた。
性を示し、密着性の大幅な向上が確認できた。
【００５３】
【実施例３】工具鋼基材上にＴｉ混合層を介して炭素膜
を、ステンレス鋼基材上にＣｒ混合層・中間層を介して
膜厚約１．５μｍの炭素膜を各々被覆した。いずれも混
合層、中間層、炭素層の全てを陰極アークイオンプレー
ティング法で合成した。
を、ステンレス鋼基材上にＣｒ混合層・中間層を介して
膜厚約１．５μｍの炭素膜を各々被覆した。いずれも混
合層、中間層、炭素層の全てを陰極アークイオンプレー
ティング法で合成した。
【００５４】混合層および中間層の平均酸素濃度は、真
空引き時間を変えたり、成膜中に微量の酸素ガスを流す
などして調節した。
空引き時間を変えたり、成膜中に微量の酸素ガスを流す
などして調節した。
【００５５】得られた皮膜について、スクラッチ試験に
よる剥離荷重を測定した。結果を表３に示す。
よる剥離荷重を測定した。結果を表３に示す。
【００５６】
【表３】
【００５７】酸素濃度が低いものほど剥離荷重が高いこ
とが判る。
とが判る。
【００５８】
【実施例４】工具鋼基材上に種々の硬さの炭素膜を膜厚
１．５μｍで被覆した。Ｃｒ混合層２ｎｍ、Ｃｒ中間層
２ｎｍがあるものと無いものを作製した。
１．５μｍで被覆した。Ｃｒ混合層２ｎｍ、Ｃｒ中間層
２ｎｍがあるものと無いものを作製した。
【００５９】炭素膜のヌープ硬度と成膜後の外観の観察
結果を表４に示す。
結果を表４に示す。
【００６０】
【表４】
【００６１】混合層、中間層が無いものは、硬度２８０
０以上で剥離が見られたが、混合層、中間層があるもの
は、全ての硬度において良好であった。
０以上で剥離が見られたが、混合層、中間層があるもの
は、全ての硬度において良好であった。
【００６２】
【発明の効果】以上述べたように、この発明の表面処理
膜は、母材表面に、母材と活性な金属とが混じり合った
厚さ０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の極く薄い混合層を
形成し、その混合層上、又は母材との混合がなされてい
ない混合層の上層の金属中間層上に炭素膜を設けて構成
されるので、従来品と比べて炭素膜の密着性が著しく向
上し、耐摩耗性の向上などを目的とした炭素膜を設ける
部品の耐久性を飛躍的に高めることが可能になる。
膜は、母材表面に、母材と活性な金属とが混じり合った
厚さ０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の極く薄い混合層を
形成し、その混合層上、又は母材との混合がなされてい
ない混合層の上層の金属中間層上に炭素膜を設けて構成
されるので、従来品と比べて炭素膜の密着性が著しく向
上し、耐摩耗性の向上などを目的とした炭素膜を設ける
部品の耐久性を飛躍的に高めることが可能になる。
【００６３】混合層の厚さを０．５ｎｍ以上、５ｎｍ以
下にしたものはその層の疲労破壊がより起こり難く、ま
た、混合層や混合層と中間層の平均酸素濃度を１ａｔ％
以下にしたものは炭素膜の密着性がより安定し、炭素膜
の剥離防止効果がより高まる。
下にしたものはその層の疲労破壊がより起こり難く、ま
た、混合層や混合層と中間層の平均酸素濃度を１ａｔ％
以下にしたものは炭素膜の密着性がより安定し、炭素膜
の剥離防止効果がより高まる。
【００６４】さらに、ヌープ硬度が３０００以上、７０
００以下の炭素膜を設けるものは、この発明の適用範囲
が拡大し、従来安定した高硬度炭素膜を形成できなかっ
た部品についてもその耐久性を向上させることが可能に
なる。
００以下の炭素膜を設けるものは、この発明の適用範囲
が拡大し、従来安定した高硬度炭素膜を形成できなかっ
た部品についてもその耐久性を向上させることが可能に
なる。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 大原 久典
伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友電気工
業株式会社伊丹製作所内
Ｆターム(参考） 4G046 CB03 CB08 CC06
4K029 AA02 AA04 AA07 AA09 BA34
BA64 BB02 BD05 EA01
Claims (5)
- 【請求項１】 母材表面に、母材と、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、
Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔ
ａ、Ｗの中から選ばれた１種以上の物質とからなる、厚
さ０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の混合層が形成され、
その混合層上に炭素膜が形成されていることを特徴とす
る表面処理膜。 - 【請求項２】 母材と炭素膜との間にＢ、Ａｌ、Ｓｉ、
Ｇｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔ
ａ、Ｗの中から選ばれた１種以上の物質からなる中間層
を有し、その中間層の少なくとも母材側が、母材と中間
層材料とからなる厚さ０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の
混合層であり、中間層の厚さが０．５ｎｍ以上１０ｎｍ
以下であることを特徴とする表面処理膜。 - 【請求項３】 混合層の厚さが０．５ｎｍ以上、５ｎｍ
以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の
表面処理膜。 - 【請求項４】 混合層または混合層と中間層の平均酸素
濃度が１ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１〜
３のいずれかに記載の表面処理膜。 - 【請求項５】 炭素膜のヌープ硬度が３０００以上、７
０００以下であることを特徴とする請求項１〜４のいず
れかに記載の表面処理膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001257533A JP2003073808A (ja) | 2001-08-28 | 2001-08-28 | 表面処理膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001257533A JP2003073808A (ja) | 2001-08-28 | 2001-08-28 | 表面処理膜 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003073808A true JP2003073808A (ja) | 2003-03-12 |
| JP2003073808A5 JP2003073808A5 (ja) | 2007-02-15 |
Family
ID=19085174
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001257533A Pending JP2003073808A (ja) | 2001-08-28 | 2001-08-28 | 表面処理膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003073808A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004076710A1 (ja) * | 2003-02-26 | 2004-09-10 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | 非晶質炭素膜、その製造方法および非晶質炭素膜被覆部材 |
| CN110484696A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-11-22 | 济宁学院 | 一种减摩抗磨液压泵零件的制备方法 |
| CN112176283A (zh) * | 2020-08-28 | 2021-01-05 | 西安交通大学 | 利用ecr氩等离子体溅射法制备的亲油/疏水油水分离碳膜及其制备方法和应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000008155A (ja) * | 1998-06-25 | 2000-01-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 硬質炭素膜被覆部材 |
| JP2000087218A (ja) * | 1998-09-10 | 2000-03-28 | Kobe Steel Ltd | 高密着性炭素皮膜形成材及びその製法 |
-
2001
- 2001-08-28 JP JP2001257533A patent/JP2003073808A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000008155A (ja) * | 1998-06-25 | 2000-01-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 硬質炭素膜被覆部材 |
| JP2000087218A (ja) * | 1998-09-10 | 2000-03-28 | Kobe Steel Ltd | 高密着性炭素皮膜形成材及びその製法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004076710A1 (ja) * | 2003-02-26 | 2004-09-10 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | 非晶質炭素膜、その製造方法および非晶質炭素膜被覆部材 |
| US7416786B2 (en) | 2003-02-26 | 2008-08-26 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Amorphous carbon film, process for producing the same and amorphous carbon film-coated material |
| CN110484696A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-11-22 | 济宁学院 | 一种减摩抗磨液压泵零件的制备方法 |
| CN110484696B (zh) * | 2019-09-26 | 2021-03-30 | 济宁学院 | 一种减摩抗磨液压泵零件的制备方法 |
| CN112176283A (zh) * | 2020-08-28 | 2021-01-05 | 西安交通大学 | 利用ecr氩等离子体溅射法制备的亲油/疏水油水分离碳膜及其制备方法和应用 |
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