JP2004238695A

JP2004238695A - Ｄｌｃコーティング膜

Info

Publication number: JP2004238695A
Application number: JP2003030255A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kato; 慎治加藤; Tetsuya Tamura; 徹弥田村; Hiroaki Motomura; 博昭本村
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】高硬度と高い潤滑性能を併せ持ったＤＬＣコーティング膜を提供する。
【解決手段】不活性ガスを導入した真空チャンバにワーク１と金属ターゲット及びグラファイトターゲットを配置し、真空チャンバでグロー放電を発生させてプラズマを形成し、プラズマ中のイオンによってターゲット原子を弾き飛ばし、このターゲット原子をワーク上に堆積させるスパッタによりワーク１上に炭素を主成分とするＤＬＣコーティング膜９を形成する製造方法において、金属ターゲットとグラファイトターゲットを同時にスパッタして基板層４を形成した後、金属の比率が基板層４より高い表面層を形成した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性が要求される機械部品等に表面層として施されるＤＬＣコーティング膜の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ（以下、「ＤＬＣ」と称する）は、ダイヤモンドに似た特性を持つアモルファス状の硬質炭化物であり、硬度が高く、耐摩耗性等に優れていることから、近年、耐摩耗性が要求される機械部品の表面層として利用されつつある。
【０００３】
こうしたＤＬＣコーティング膜を形成する方法としては、スパッタ法やアークイオンプレーティング法等の物理的蒸着法（ＰＶＤ法）、および化学的蒸着法（ＣＶＤ法）等が用いられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１９８４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のＤＬＣコーティング膜にあっては、境界潤滑領域にて潤滑油膜が途切れやすく、潤滑性能を十分に高められないという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高硬度と高い潤滑性能を併せ持ったＤＬＣコーティング膜を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、不活性ガスを導入した真空チャンバにワークと金属ターゲット及びグラファイトターゲットを配置し、真空チャンバでグロー放電を発生させてプラズマを形成し、プラズマ中のイオンによってターゲット原子を弾き飛ばし、このターゲット原子をワーク上に堆積させるスパッタによりワーク上に炭素を主成分とするＤＬＣコーティング膜に適用する。
【０００８】
そして、金属ターゲットとグラファイトターゲットを同時にスパッタして基板層を形成した後、金属の比率が基板層より高い表面層を形成したことを特徴とするものとした。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、表面層を構成する金属としてクロム、タングステン、チタン、シリコンのうち少なくとも一つを用いたことを特徴とするものとした。
【００１０】
第３の発明は、第１または第２の発明において、金属製ワーク上に金属ターゲットのみをスパッタしてボンド層を形成し、このボンド層上に金属ターゲットとグラファイトターゲットを同時にスパッタしかつターゲット出力を次第に変化させることにより中間層を形成し、この中間層上に金属ターゲットとグラファイトターゲットを同時にスパッタしかつターゲット出力を略一定にすることにより金属の比率を３〜１８％の範囲にした前記基板層を形成し、前記表面層をこの基板層上に形成したことを特徴とするものとした。
【００１１】
【発明の作用および効果】
第１の発明によると、表面層は、潤滑油中の油性剤が吸着しやすい金属の含有量が多いため、境界潤滑領域にて潤滑油膜が途切れにくく、潤滑性能を十分に高められる。
【００１２】
第２の発明によると、表面層を構成する金属としてクロム、タングステン、チタン、シリコンのうち潤滑油中の油性剤が吸着しやすい金属を用いることにより、境界潤滑領域にて潤滑油膜が途切れにくく、潤滑性能を有効に高められる。
【００１３】
第３の発明によると、金属製ワーク上に金属の比率を１００％にしたボンド層と、金属の比率を次第に減らす金属と炭素の傾斜組成膜からなる中間層を設け、中間層の上に炭素を主成分とする基板層を設けることにより、ワークに対する基板層の結合強度を高められる。
【００１４】
基板層に含まれる金属の比率を３〜１８％の範囲に設定することにより、基板層の密着性や靱性を高められ、高荷重によってワークが変形するような場合、割れや、剥離が生じることを防止できる。そして、基板層の硬度の低下を抑えられ、耐摩耗性を確保できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１に示すＤＬＣコーティング膜９は、アンバランスマグネトロンスパッタ法（以下、「ＵＢＭスパッタ法」と称する）によって形成される。
【００１７】
スパッタの原理は、図２に示すように、アルゴン等の不活性ガスを導入した真空中でターゲット１１を陰極として陽極の間でグロー放電させてプラズマを形成し、このプラズマ中のイオンをターゲット１１に衝突させてターゲット１１の原子を弾き飛ばし、この原子をターゲット１１と対向して配置されたワーク１上に堆積させて皮膜を形成するようになっている。
【００１８】
ＵＢＭスパッタ法は、スパッタ蒸発源１０にターゲット１１の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する磁石１２，１３が配置されて、プラズマを形成しつつ強力な磁石１２により発生する磁力線の一部がワーク１の近傍に達し、ワーク１にバイアス電圧を印加することによって、ターゲット材１４を構成する物質がワーク１上に堆積される。
【００１９】
図３は、ＵＢＭスパッタ装置２０の基本構成を示す。真空チャンバ２１に４つのスパッタ蒸発源１０ａ〜１０ｄが設けられ、その中央に配置された自公転式ワークテーブル２６上にワーク１置かれ、ワーク１に外周からコーティングが行われる。スパッタ蒸発源１０ａ〜１０ｄには皮膜材料となる平板状ターゲットが取り付けられる。真空チャンバ２１にはアルゴン等の不活性ガスとメタンガス等の炭化水素ガスが所定量充填される。
【００２０】
スパッタ蒸発源１０ａ，１０ｃにはターゲットとしてグラファイトを使用し、スパッタ蒸発源１０ｂ，１０ｄにはターゲットとして金属を使用する。
【００２１】
ＤＬＣコーティング膜９は、図１に示すように、ワーク（母材）１の表面にボンド層２、中間層３、基板層４、表面層５が順に積層して形成される。そして、表面層５が図示しない表面研磨機により研磨され、所定の平滑度を持つ構成とする。
【００２２】
図４は、上記ＤＬＣコーティング膜９を形成するのにあたって、ターゲット出力が変化する様子を示している。
【００２３】
ボンド層２は、金属ターゲット１０ｂ，１０ｄのみをスパッタして、金属膜として形成される。このボンド層２を形成するのにあたって、図４に示すように、スパッタ蒸発源１０ｂ，１０ｄの金属ターゲット出力を１００％とし、スパッタ蒸発源１０ａ，１０ｃのグラファイトターゲット出力を０％と一定にして、所定時間だけスパッタが行われる。
【００２４】
中間層３は、スパッタ蒸発源１０ｂ，１０ｄの金属ターゲットとスパッタ蒸発源１０ａ，１０ｃのグラファイトターゲットを同時にスパッタし、ターゲット出力を次第に変化させて金属と炭素の傾斜組成膜として形成される。この中間層３を形成するのにあたって、図４に示すように、スパッタ蒸発源１０ｂ，１０ｄの金属ターゲット出力を１００％から一次的に減少させる一方、スパッタ蒸発源１０ａ，１０ｃのグラファイトターゲット出力を０％から一次的に増加させて、所定時間だけスパッタが行われる。
【００２５】
基板層４は、スパッタ蒸発源１０ｂ，１０ｄの金属ターゲットとスパッタ蒸発源１０ａ，１０ｃのグラファイトターゲットを同時にスパッタし、ターゲット出力を略一定にしてスパッタ蒸発源１０ｂ，１０ｄの金属ターゲットとスパッタ蒸発源１０ａ，１０ｃのグラファイトターゲットのスパッタ率を所定範囲に保って、所定時間だけスパッタが行われる。
【００２６】
この基板層４を形成するのにあたって、図４に示すように、スパッタ蒸発源１０ｂ，１０ｄの金属ターゲット出力を１０％程度とし、スパッタ蒸発源１０ａ，１０ｃのグラファイトターゲット出力を９０％程度と一定にして、基板層４に含まれる金属の比率は３〜１８％の範囲に設定する。さらに望ましくは、基板層４に含まれる金属の比率を３〜１２％の範囲に設定する。
【００２７】
表面層５は、スパッタ蒸発源１０ｂ，１０ｄの金属ターゲットとスパッタ蒸発源１０ａ，１０ｃのグラファイトターゲットを同時にスパッタし、ターゲット出力を次第に変化させて金属と炭素の傾斜組成膜として形成される。この中間層３を形成するのにあたって、図４に示すように、スパッタ蒸発源１０ｂ，１０ｄの金属ターゲット出力を１０％から一次的に増加させる一方、スパッタ蒸発源１０ａ，１０ｃのグラファイトターゲット出力を９０％から一次的に減少させて、所定時間だけスパッタが行われる。これにより、表面層５は、金属の比率が基板層４より高くなる。
【００２８】
スパッタ蒸発源１０ｂ，１０ｄのターゲット金属は、潤滑油中の油性剤が吸着しやすいものとして、クロム、タングステン、チタン、シリコンのうち少なくとも一つを用いる。
【００２９】
以上のように構成されて、次に作用について説明する。
【００３０】
金属製ワーク１上に１００％金属のボンド層２と金属の比率を次第に減らす金属と炭素の傾斜組成膜からなる中間層３を設け、中間層３の上に炭素を主成分とする基板層４を設けることにより、ワーク１に対する基板層４の結合強度を高められる。
【００３１】
基板層４の金属の比率を３〜１８％の範囲に設定することにより、基板層４の密着性や靱性を高められ、高荷重によってワーク１が変形するような場合、割れや、剥離が生じることを防止できる。
【００３２】
図５に基板層４に含まれる金属の比率と靱性及び硬度の関係を示すように、金属の比率を３〜１８％の範囲に設定することにより、基板層４の靱性と硬度の両方を高められる。さらに基板層４に含まれる金属の比率を３〜１２％の範囲に設定することにより、基板層４の靱性と硬度の両方を著しく高められる。
【００３３】
表面層５は、潤滑油中の油性剤が吸着しやすい金属の含有量が多いため、境界潤滑領域にて潤滑油膜が途切れにくく、潤滑性能を十分に高められる。
【００３４】
表面層５を構成する金属としてクロム、タングステン、チタン、シリコンのうち潤滑油中の油性剤が吸着しやすい金属を用いることにより、境界潤滑領域にて潤滑油膜が途切れにくく、潤滑性能を有効に高められる。
【００３５】
また、潤滑油中に添加される油性剤としてＤＬＣコーティング膜９に吸着しやすいものを用いることによっても、潤滑性能を有効に高められる。
【００３６】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すＤＬＣコーティング膜の断面図。
【図２】同じくスパッタ法の原理を示す説明図。
【図３】同じくＵＢＭスパッタ装置の構成図。
【図４】同じくターゲット出力が変化する様子を示す特性図。
【図５】同じく基板層に含まれる金属の比率と靱性及び硬度の関係を示す特性図。
【符号の説明】
１ワーク
２ボンド層
３中間層
４基板層
５表面層
９ＤＬＣコーティング膜
１０ａ〜１０ｄスパッタ蒸発源
２０ＵＢＭスパッタ装置

Claims

不活性ガスを導入した真空チャンバにワークと金属ターゲット及びグラファイトターゲットを配置し、真空チャンバでグロー放電を発生させてプラズマを形成し、プラズマ中のイオンによってターゲット原子を弾き飛ばし、このターゲット原子をワーク上に堆積させるスパッタによりワーク上に炭素を主成分とするＤＬＣコーティング膜において、
金属ターゲットとグラファイトターゲットを同時にスパッタして基板層を形成した後、金属の比率がこの基板層より高い表面層を形成したことを特徴とするＤＬＣコーティング膜。
前記表面層を構成する金属としてクロム、タングステン、チタン、シリコンのうち少なくとも一つを用いたことを特徴とする請求項１に記載のＤＬＣコーティング膜。
金属製ワーク上に金属ターゲットのみをスパッタしてボンド層を形成し、このボンド層上に金属ターゲットとグラファイトターゲットを同時にスパッタしかつターゲット出力を次第に変化させることにより中間層を形成し、この中間層上に金属ターゲットとグラファイトターゲットを同時にスパッタしかつターゲット出力を略一定にすることにより金属の比率を３〜１８％の範囲にした前記基板層を形成し、前記表面層をこの基板層上に形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のＤＬＣコーティング膜。