JP2005002402A

JP2005002402A - Ｐｖｄ処理装置及びこれを用いた硬質被膜の形成方法

Info

Publication number: JP2005002402A
Application number: JP2003166433A
Authority: JP
Inventors: Takuo Yamaguchi; 拓郎山口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】従来のＰＶＤ処理装置では、イオンスパッタクリーニングによる被処理物の軟化を防ぐためにそのエネルギーを抑えなければならず、処理に時間がかかったり、充分な膜の密着力が得られないという問題があった。
【解決手段】減圧雰囲気のチャンバー１内で被処理物にイオンスパッタクリーニングを行った後、硬質被膜を形成するＰＶＤ処理装置において、被処理物Ｗを保持する中空の回転軸２と、回転軸２に冷却媒体を流通させる媒体流通手段と、冷却媒体の温度を測定する温度測定手段と、温度測定手段の測定温度に基づいて冷却媒体の温度を制御する温度制御手段を備え、被処理物Ｗの温度を適切に維持しながら充分なエネルギーによるイオンスパッタクリーニングを行い得るものとし、その後に形成する硬質被膜の高品質化を実現した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理物に対してイオンスパッタクリーニングと硬質被膜の形成を行うのに用いるＰＶＤ処理装置に関し、また、同ＰＶＤ処理装置を用いた硬質被膜の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車における減速機用の歯車やＣＶＴの回転部品等には、一般に浸炭鋼や浸炭窒化鋼が用いられているが、近年では、駆動装置のさらなる小型高出力化が要求され、また、環境保護等にも有効なモーター駆動車が増大する見込みであることから、高負荷で且つ高速摺動に耐え得るものが必要となり、これに伴って摩耗、スカッフィング及びフレーキング等に対する強度向上が求められている。
【０００３】
その対策として、従来では、部品の摺動部の表面に、アークイオンプレーティングをはじめとするＰＶＤ（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理によって硬質被膜を形成することが考えられており、例えば歯車の耐ピッチング性を向上させることを目的として、歯車の表面にＴｉＮ被膜を形成するものが提案されていた（特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、上記部品すなわち被処理物の表面に硬質被膜を形成するに際し、硬質被膜に充分な密着力を与えるには、被膜形成以前に、被処理物の表面の油脂や空気中で金属表面に生成した不活性な酸化層をクリーニングする必要がある。このとき、油脂は充分な洗浄により除去することができ、また、酸化層についても、円筒や平板などの単純な形状では、減圧雰囲気中でＡｒイオンなどによるスパッタクリーニングを行うことで充分に除去することが可能である。
【０００５】
しかし、歯車の歯元などのように比較的複雑な形状の部分では、イオンスパッタクリーニングで酸化層を完全に除去することが難しいことから、その後形成する硬質被膜の充分な密着力が得られないことがあり、また、このような不具合を防止するためにより多くのエネルギーでイオンスパッタクリーニングを行うと、被処理物の温度が過大となって母材が軟化し、例えば歯車では歯元の曲げ疲労強度の低下が生じることがある。
【０００６】
これに対して、従来では、例えば被処理物に高硬度被膜を生成するイオンプレーティング装置として、真空槽内に配置した基板（被処理物）に対して断続的にパルス電圧を与えると共に、基板の温度が過大になったときに処理を中断することにより、基板到達温度を低く抑えながら高硬度被膜を生成するものがある（特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１６７３４８号公報
【特許文献２】
特開平８−２０８６１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように減圧雰囲気中でイオンスパッタクリーニングを行う場合にあっては、被処理物への熱伝達が行われ難いことから、被処理物の温度が所定温度まで低下するのに時間がかかり、また、被処理物の温度そのものを把握することができないので、どのような時間間隔で処理を行うかといった条件を部品毎に設定しておく必要があった。
【０００９】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、被処理物の形状に左右されることなく、被処理物の温度を適切に維持しながら充分なエネルギーによるイオンスパッタクリーニングを迅速に行うことができ、その後に形成する硬質被膜を高品質に得ることができるＰＶＤ処理装置及びこれを用いた硬質被膜の形成方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のＰＶＤ処理装置は、減圧雰囲気にしたチャンバー内で被処理物にイオンスパッタクリーニングを行った後、被処理物に硬質被膜を形成するＰＶＤ処理装置において、チャンバー内で被処理物を回転可能に保持する中空の回転軸と、回転軸の内部に冷却媒体を流通させる媒体流通手段と、流通する冷却媒体の温度を測定する温度測定手段と、温度測定手段の測定温度に基づいて冷却媒体の温度を制御する温度制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明のＰＶＤ処理装置を用いた硬質被膜の形成方法は、減圧雰囲気にしたチャンバー内で被処理物にイオンスパッタクリーニングを行った後、被処理物に硬質被膜を形成するに際し、チャンバー内に設けられ且つ外周に凹凸部を備えた中空の回転軸を用いると共に、被処理物が、内周に凹凸部を備えた貫通孔を有しており、回転軸の凹凸部と被処理物の凹凸部を互いに嵌合して回転軸で被処理物を回転可能に保持した後、回転軸の内部に所定温度に制御した冷却媒体を流通させると共に、回転軸と被処理物を一体に回転させながら被処理物にイオンスパッタクリーニングを行い、その後、被処理物に硬質被膜を形成することを特徴としており、これによりイオンスパッタクリーニングを行っているときに被処理物の温度を適切に維持する。
【００１２】
【発明の効果】
本発明のＰＶＤ処理装置によれば、被処理物の形状に左右されることなく、被処理物の温度を適切に維持しながら、充分なエネルギーによるイオンスパッタクリーニングを迅速に行うことができ、これにより、過大な加熱による強度低下等を未然に防止しつつ酸化層等の除去を充分に行うことができ、その後に形成する硬質被膜を高品質に且つ安定して得ることができる。
【００１３】
本発明のＰＶＤ処理装置を用いた硬質被膜の形成方法によれば、被処理物の形状に左右されることなく、被処理物の温度を適切に維持しながら、充分なエネルギーによるイオンスパッタクリーニングを迅速に行って、過大な加熱による強度低下等を未然に防止しつつ酸化層等の除去を充分に行うことができ、その後において、硬質被膜を高品質に且つ安定して形成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態実施例】
以下、図面に基づいて、本発明のＰＶＤ処理装置及びこれを用いた硬質被膜の形成方法の具体例を説明する。なお、本発明の詳細な構成は以下の例のみに限定されるものではない。
【００１５】
図１に示すＰＶＤ処理装置は、内部を減圧し得るように密閉構造としたチャンバー１を備えると共に、チャンバー１を貫通する状態にして、両端が開放された中空の回転軸２を備えている。チャンバー１には、イオン源３が設けてあり、イオンスパッタクリーニング時には被処理物Ｗに対してイオンを放出し、成膜時には膜材料のターゲットに対してイオンを放出するようにしてある。回転軸２は、チャンバー１に対して回転自在に支持してあると共に、図示しない駆動源により回転駆動される。
【００１６】
また、ＰＶＤ処理装置は、回転軸２の内部に冷却媒体を流通させる媒体流通手段として、冷却媒体を圧送するポンプ４と、ポンプ４から回転軸２の一端部に至る供給管５と、回転軸２の他端部からポンプ４に至る排出管６を備えており、冷却媒体を循環させるようになっている。冷却媒体としては、窒素ガス等の気体や液体クーラントなどを用いることができる。
【００１７】
さらに、ＰＶＤ処理装置は、流通する冷却媒体の温度を測定する温度測定手段として、回転軸２の一端側に設けた入口側温度センサ７と、回転軸２の他端側に設けた出口側温度センサ８を備えると共に、温度測定手段（両センサ７，８）の測定温度に基づいて冷却媒体の温度を制御する温度制御手段として、ポンプ４の近傍で冷却媒体を冷却するクーラー９と、同じくポンプ４の近傍で冷却媒体を加熱するヒーター１０と、両センサ７，８の測定信号に基づいてクーラー９及びヒーター１０並びにポンプ４を制御する制御盤１１を備えている。
【００１８】
ここで、回転軸２は、外周に複数の凹凸部１２を備えており、これに対して、被処理物Ｗは、回転軸２を貫通状態にする貫通孔Ｈの内周に、回転軸の凹凸部１２に嵌合する複数の凹凸部Ａを備えている。より具体的には、被処理物Ｗは歯車であって、貫通孔Ｈの内周に形成した凹凸部Ａはスプラインである。
【００１９】
上記構成を備えたＰＶＤ処理装置では、チャンバー１において、その内部を減圧雰囲気とし、回転軸２の凹凸部１２と被処理物Ｗの凹凸部Ａを互いに嵌合して回転軸２で被処理物Ｗを回転可能に保持した後、ポンプ４を駆動して回転軸２の内部に冷却媒体を流通させると共に、回転軸２と被処理物Ｗを一体に回転させながら、被処理物Ｗにイオンスパッタクリーニングを行う。
【００２０】
このとき、当該ＰＶＤ処理装置では、被処理物Ｗの表面における酸化層等を完全に除去し得るように、充分なエネルギーでイオンスパッタクリーニングを行っている。このため、被処理物Ｗの温度が上昇し、回転軸２を介して冷却媒体の温度も上昇することとなる。
【００２１】
そこで、当該ＰＶＤ処理装置では、入口側温度センサ７と出口側温度センサ８で流通する冷却媒体の温度を測定すると共に、制御盤１１により、入口と出口の温度差に基づいてクーラー９を作動させて、回転軸２に供給する冷却媒体を冷却し、これにより回転軸２を介して被処理物Ｗの温度を間接的に低下させるようにし、結果として被処理物Ｗの温度を適切に維持する。そして、上記イオンスパッタクリーニングの終了後には、同チャンバー１内において、ＰＶＤ法により被処理物Ｗに硬質被膜を形成する。
【００２２】
このようにして、当該ＰＶＤ処理装置及びこれを用いた硬質被膜の形成方法によれば、被処理物Ｗの温度を適切に維持しながら、充分なエネルギーによるイオンスパッタクリーニングを迅速に行うことができ、また、処理条件による制御ではなく、被処理物Ｗの温度を制御することができるので、被処理物Ｗの形状等に左右されずにイオンスパッタクリーニングを行うことができる。
【００２３】
したがって、被処理物Ｗである歯車において、その歯元のように比較的複雑な形状であっても、酸化層等の除去を充分に行うことができると共に、過大な加熱によって歯元の曲げ強度が低下するような事態を未然に防止することができ、さらに、上記の如く充分なイオンスパッタクリーニングを実現することにより、その後に形成する硬質被膜を高品質に且つ安定して得ることができる。
【００２４】
また、上記のＰＶＤ処理装置及びこれを用いた硬質被膜の形成方法では、回転軸２の凹凸部１２と被処理物（歯車）Ｗの凹凸部（スプライン）Ａを嵌合して、回転軸２に被処理物Ｗを保持するようにしているので、互いの凹凸部１２，Ａにおいて回転軸２と被処理物Ｗとを確実に接触させると共に、互いの接触面積が大きく確保されるので、熱を効率良く且つ均一に伝達させることができ、被処理物Ｗの温度制御がより正確なものとなる。
【００２５】
【実施例】
被処理物は、ＪＩＳＳＣＭ４２０Ｈを材料とする歯車であって、以下に示す形状に加工し、図２に示す条件で浸炭処理をした後、仕上げ及びマイクロブラスト処理を行った。回転軸の外周及び歯車の貫通孔の内周には、凹凸部として以下に示すスプラインを設けた。歯車は、脱脂処理の後、図１に示すＰＶＤ処理装置の回転軸にセットした。
【００２６】
＜歯車諸元＞
モジュール：３．９ｍｍ
歯数：２１（相手２９）
歯幅：１０ｍｍ
外径：９０ｍｍ
厚さ：３０ｍｍ
＜スプライン諸元＞
歯形：インボリュート
歯数：１８
基準ピッチ円径：４６ｍｍ
【００２７】
回転軸の内部に流通させる冷却媒体としては、窒素ガスを用いた。被処理物の温度制御方法としては、成膜開始前にヒーターを作動させて被処理物の温度を１２５℃に保持し、イオンスパッタクリーニング及び成膜中は、両センサの測定温度に基づいてクーラー及びポンプを制御して、被処理物の温度が２００℃となるようにした。さらに、硬質被膜の形成工程では、ＰＶＤ法のうちアークイオンプレーティングを用い、ターゲットをクロムとし、雰囲気ガスを窒素として、以下に示す条件でＣｒＮの被膜を形成した。
【００２８】
＜アークイオンプレーティング成膜条件＞
窒素ガス導入前真空度：５× １０^−５Ｔｏｒｒ
スパッタクリーニング：Ａｒ −６５０Ｖ
窒素ガス導入後圧力：２５ｍＴｏｒｒ
成膜時カソード電流：８０Ａ
成膜時バイアス電圧： −３０Ｖ
成膜前温度：１２５ ℃
【００２９】
なお、本発明で用いることが可能なアークイオンプレーティング成膜条件の範囲は以下の通りである。
窒素ガス導入前真空度：１×１０^−３〜５ × １０^−５Ｔｏｒｒ
スパッタクリーニング：Ａｒ −６００〜 −７００Ｖ
窒素ガス導入後圧力：１０〜４０ｍＴｏｒｒ
成膜時カソード電流：６０〜１００Ａ
成膜時バイアス電圧： −１０〜 −５０Ｖ
成膜前温度：１００〜１５０ ℃
【００３０】
また、被処理物に対するイオンスパッタクリーニング及び硬質被膜の形成は、図３に示すパターンで行った。実施例１〜３では、イオンスパッタクリーニングの処理時間（時間Ａ）及び成膜の処理時間（時間Ｃ）を異ならせた。これに対して、比較例１，２では、窒素ガス冷却を行わずにイオンスパッタクリーニング及び成膜を行うと共に、これらの処理時間を異ならせ、比較例３，４では、窒素ガス冷却を行わないと共に、被処理物の温度が上昇した時点で処理を中断し、その温度が成膜前の温度に低下した時点で処理を再開する間欠処理とし、温度が成膜前の温度に低下するまでの冷却時間（時間Ｂ，Ｄ）を実施例と比較した。
【００３１】
さらに、実施例１〜３及び比較例１〜４について、一連の処理後に歯面を切断し、切断面にて硬質被膜近傍の母材のビッカース硬度を調べた。また、成膜した歯車の強度を下記の条件の動力循環式歯車試験にて調べた。なお、負荷繰り返し数１×１０^８回で剥離のない場合は良好であるとして試験を終了した。
【００３２】
＜歯車試験条件＞
トルク：２００Ｎｍ
回転数：１０００ｒｐｍ
油温：１２０℃
オイル：日産純正ベルトフルードＮＳ−１
供給油量：１Ｌ／ｍｉｎ
以上の結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１から明らかなように、実施例１〜３にあっては、いずれも処理時間が比較的短いうえに、歯車試験で剥離が生じなかったのに対して、温度制御を行わなかった比較例１，２では，母材の硬度が低下し、歯車試験の早期に剥離が生じた。また、スパッタクリーニングを間欠的に行った比較例３，４では、母材硬度の低下は防げるが、処理時間が大幅に増加する結果となった。
【００３５】
以上のことから、本発明のＰＶＤ処理装置及びこれを用いた硬質被膜の形成方法では、イオンスパッタクリーニング中の被処理物を効率良く所定温度（例えば２００℃）に維持することができ、そのために、形状が複雑で高エネルギーのイオンスパッタクリーニングが必要な被処理物に対しても、母材を軟化させることなく充分なイオンスパッタクリーニングを迅速に行うことができ、その後には密着性に優れた成膜を実現し得ることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＰＶＤ処理装置の一実施形態を説明する概略図である。
【図２】被処理物である歯車に対する浸炭処理パターンを示す図である。
【図３】被処理物に対するイオンスパッタクリーニング及び硬質被膜の形成パターンを示す図である。
【符号の説明】
１チャンバー
２回転軸
４ポンプ（媒体流通手段）
５供給管（媒体流通手段）
６排出管（媒体流通手段）
７入口側温度センサ（温度測定手段）
８出口側温度センサ（温度測定手段）
９クーラー（温度制御手段）
１０ヒーター（温度制御手段）
１１制御盤（温度制御手段）
１２回転軸の凹凸部
Ａ被処理物の凹凸部（スプライン）
Ｈ貫通孔
Ｗ被処理物（歯車）

Claims

減圧雰囲気にしたチャンバー内で被処理物にイオンスパッタクリーニングを行った後、被処理物に硬質被膜を形成するＰＶＤ処理装置において、チャンバー内で被処理物を回転可能に保持する中空の回転軸と、回転軸の内部に冷却媒体を流通させる媒体流通手段と、流通する冷却媒体の温度を測定する温度測定手段と、温度測定手段の測定温度に基づいて冷却媒体の温度を制御する温度制御手段を備えたことを特徴とするＰＶＤ処理装置。
回転軸が、外周に凹凸部を備えていると共に、被処理物が、回転軸を貫通状態にする貫通孔の内周に、回転軸の凹凸部に嵌合する凹凸部を備えていることを特徴とする請求項１記載のＰＶＤ処理装置。
被処理物が歯車であることを特徴とする請求項１又は２記載のＰＶＤ処理装置。
被処理物の貫通孔の内周に形成した凹凸部が、歯車のスプラインであることを特徴とする請求項３記載のＰＶＤ処理装置。
減圧雰囲気にしたチャンバー内で被処理物にイオンスパッタクリーニングを行った後、被処理物に硬質被膜を形成するに際し、チャンバー内に設けられ且つ外周に凹凸部を備えた中空の回転軸を用いると共に、被処理物が、内周に凹凸部を備えた貫通孔を有しており、回転軸の凹凸部と被処理物の凹凸部を互いに嵌合して回転軸で被処理物を回転可能に保持した後、回転軸の内部に所定温度に制御した冷却媒体を流通させると共に、回転軸と被処理物を一体に回転させながら被処理物にイオンスパッタクリーニングを行い、その後、被処理物に硬質被膜を形成することを特徴とするＰＶＤ処理装置を用いた硬質被膜の形成方法。
被処理物が歯車であって、歯車の貫通孔の内周に形成した凹凸部としてのスプラインと回転軸の凹凸部とを嵌合することを特徴とする請求項５に記載のＰＶＤ処理装置を用いた硬質被膜の形成方法。