JP2005048252A - Carbon film-coated article having lubricity and releasing property, and surface treatment method therefor - Google Patents

Carbon film-coated article having lubricity and releasing property, and surface treatment method therefor Download PDF

Info

Publication number
JP2005048252A
JP2005048252A JP2003282745A JP2003282745A JP2005048252A JP 2005048252 A JP2005048252 A JP 2005048252A JP 2003282745 A JP2003282745 A JP 2003282745A JP 2003282745 A JP2003282745 A JP 2003282745A JP 2005048252 A JP2005048252 A JP 2005048252A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
carbon film
fluorine
film
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003282745A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yutaka Hibino
豊 日比野
Kuniharu Jo
國春 徐
Yasuo Suzuki
泰雄 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ion Engineering Research Institute Corp
Plasma Ion Assist Co Ltd
Original Assignee
Ion Engineering Research Institute Corp
Plasma Ion Assist Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ion Engineering Research Institute Corp, Plasma Ion Assist Co Ltd filed Critical Ion Engineering Research Institute Corp
Priority to JP2003282745A priority Critical patent/JP2005048252A/en
Publication of JP2005048252A publication Critical patent/JP2005048252A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems that, though an improvement in various film deposition conditions has been tried as the means for improving nonuniformity in film thickness and adhesion, the obtained article is the limited one owing to the complication of a pretreatment stage, thermal influence on the working, the limitation of the base material to be used, the limitation of carbon film thickness or the like, also, the article could not endure use over a long period since there has been limitation on the content of fluorine in a carbon film. <P>SOLUTION: In the carbon film-coated article having both lubricity and releasing properties and the surface treatment method therefor, using a plasma base ion implantation-film deposition method, in a vacuum, gaseous fluorine or hydrocarbonaceous gas containing at least one or more atoms is introduced, and high frequency electric power is fed to generate plasma, high frequency pulse voltage is applied to the object to be treated therein, ions containing carbon or fluorine are implanted into the surface of the object to be treated, and simultaneously, a fluorine-containing carbon film is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、金属、セラミックス、プラスチック成形品等に潤滑性と離型性を付与する目的で、プラズマ中でイオン注入・成膜する表面処理技術及びフッ素を含有する炭素膜被覆物品の製造技術に関するものである。   The present invention relates to a surface treatment technique for ion implantation / film formation in plasma and a technique for manufacturing a carbon film-coated article containing fluorine for the purpose of imparting lubricity and releasability to metal, ceramics, plastic molded articles and the like. Is.

従来から金属材料表面やセラミックス材料表面に滑り性を付与するため、ダイヤモンドライクカーボン層(以下炭素膜と言う)を成膜する方法が提案されている。機械部品や接触部材と摺動する部材表面に、メタンガス、アセチレンガス等の原料を用いてプラズマCVD法で炭素膜を形成する方法は既に実用化されており、ビデオテープキャプスタンローラー、小型軸受け、湯水切替え弁など優れた性能を発揮している。 Conventionally, a method of forming a diamond-like carbon layer (hereinafter referred to as a carbon film) has been proposed in order to impart slipperiness to the surface of a metal material or the surface of a ceramic material. A method of forming a carbon film by a plasma CVD method using raw materials such as methane gas and acetylene gas on the surface of a member that slides with a machine part or a contact member has already been put into practical use, such as a video tape capstan roller, a small bearing, Excellent performance such as hot / cold switching valve.

特願平10-189695、特願平11-172130等に記載されているようにプラズマCVD法において、プラズマ生成方法や印加電圧、ガス組成などを工夫して、出来るだけ低温加工が可能なプラズマCVD装置を開発して、セラミックスやプラスチック成形品表面にも炭素膜を成膜する方法が提案され、さらにカメラ用オーリングや自動車用ワイパーゴムなどに利用することが提案されている。しかしながらこれらのプラズマCVD法は、導入したガスを高周波でプラズマ化させて、活性化したカーボン元素炭素を部品表面で化学的に反応し堆積させる手法であるため、部材表面と炭素膜層との化学的結合力が弱く密着性に乏しいことがある。 As described in Japanese Patent Application No. 10-189695, Japanese Patent Application No. 11-172130, etc., in the plasma CVD method, the plasma generation method, the applied voltage, the gas composition, etc. are devised to enable the low temperature processing as much as possible. By developing an apparatus, a method of forming a carbon film on the surface of a ceramic or plastic molded product has been proposed, and further, it has been proposed to use it for an O-ring for a camera, a wiper rubber for an automobile, or the like. However, these plasma CVD methods are methods in which the introduced gas is turned into plasma at high frequency, and activated carbon elemental carbon is chemically reacted and deposited on the surface of the component. The bond strength may be weak and adhesion may be poor.

特にプラスチック材料やゴム等の熱に弱い材料へ加工するためには、プラズマ密度を低く(弱く)するため、高周波を変調してソフトなプラズマを生成して成膜する必要がある。またプラズマ中のカーボンイオンを引きつけるためには、数十V〜数百Vのバイアス電圧を印加するのが一般的であるが、この程度の電圧では炭素は基材表層部分に付着する程度でありるため、基材内部(数十nm以上)までイオン注入することは出来ない。このことからプラズマCVD法では必ず基材との密着性を上げるために下地処理層としてシリコン単体、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン炭化物、四塩化チタン、ペンタエトキシチタニウム、テトライソプロキシチタニウム等を導入して、ケイ素あるいはチタンとカーボンとの化合物の中間層を形成して基材との密着性を向上させることが必要である。 In particular, in order to process a heat-sensitive material such as a plastic material or rubber, it is necessary to generate a soft plasma by modulating a high frequency in order to reduce (weaken) the plasma density. In order to attract carbon ions in the plasma, it is common to apply a bias voltage of several tens of volts to several hundreds of volts, but at such a voltage, the carbon is only attached to the surface layer portion of the substrate. For this reason, it is impossible to perform ion implantation to the inside of the substrate (several tens of nm or more). Therefore, in the plasma CVD method, in order to improve the adhesion to the base material, silicon as a base treatment layer, silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, titanium tetrachloride, pentaethoxytitanium, tetraisoproxytitanium, etc. are used. It is necessary to improve the adhesion to the substrate by introducing an intermediate layer of a compound of silicon or titanium and carbon.

またカーボン固体ターゲットをスパッタリングして成膜するPVD法(物理的蒸着法)などにおいても、密着性を向上させるため金属やセラミックスの基材温度を300〜500℃加熱して炭素膜を形成したり、下地処理としてカーボンとなじみがよいケイ素やクロム材料を蒸着して成膜したりする必要があった。またプラズマ中のカーボンイオンを引きつけるために数十V〜数百Vの直流あるいは交流のバイアス電圧を印加するのが一般的であるが、この電圧は成膜エネルギーとしての利用であり、基材との密着性を大幅に向上させることは出来ない。 Also, in PVD method (physical vapor deposition method) that forms a film by sputtering a carbon solid target, a carbon film is formed by heating the substrate temperature of metal or ceramic at 300 to 500 ° C. in order to improve adhesion. In addition, it was necessary to form a film by depositing silicon or chromium material, which is compatible with carbon, as a base treatment. Further, in order to attract carbon ions in plasma, it is common to apply a DC or AC bias voltage of several tens of volts to several hundreds of volts. This voltage is used as film forming energy, It is not possible to greatly improve the adhesion.

さらに下地を均一に付けるためには特別な反応機構の装置を設ける必要があり、膜厚の均一性を確保するためには回転機構は不可欠であり、大きな複雑な物品では対応できず、小型、一定形状の製品にしか対応できなかった。 Furthermore, it is necessary to provide a device with a special reaction mechanism in order to uniformly apply the base, and a rotation mechanism is indispensable in order to ensure the uniformity of the film thickness. It could only deal with products with a certain shape.

一方、材料表面に離型性や滑り性を付与する方法として四フッ化エチレン樹脂やそのコポリマー材料をコーテングする方法やフッ素系ガスを混合したガスを用いて炭素膜を成膜する方法も提案されている。しかしながら四フッ化エチレン樹脂やそのコポリマー材料をコーテングした潤滑性フッ化物は、硬度が低く長期間にわたって安定した性能を保持しにくく、摩耗し易く、膜が剥離する問題があった。   On the other hand, as a method for imparting releasability and slipperiness to the material surface, a method of coating a tetrafluoroethylene resin and its copolymer material and a method of forming a carbon film using a gas mixed with a fluorine-based gas have been proposed. ing. However, lubricating fluorides coated with tetrafluoroethylene resin and copolymer materials thereof have problems of low hardness, difficulty in maintaining stable performance over a long period of time, easy wear, and peeling of the film.

また従来のプラズマCVD法でメタンガスやエチレンガスと同時に四フッ化炭素ガス、六フッ化二炭素ガス等のフッ素系ガスを混合して炭素膜を成膜する方法は、前述のごとく基材との密着性が低いばかりでなく、低エネルギーで成膜するため秩序良く炭素膜が形成されやすくカーボン膜が硬くて脆い性質がある。またカーボン膜中のフッ素含有量を上げようとしても強制的にフッ素が入りにくい問題がある。 In addition, a method of forming a carbon film by mixing a fluorinated gas such as carbon tetrafluoride gas or dicarbon difluoride gas simultaneously with methane gas or ethylene gas by a conventional plasma CVD method is as described above. In addition to low adhesion, the film is formed with low energy, so that a carbon film is easily formed in an orderly manner, and the carbon film is hard and brittle. In addition, there is a problem that it is difficult to forcibly enter fluorine even if the fluorine content in the carbon film is increased.

上述した技術では、直流のバイアス電圧を印加するため、半導体及び絶縁性成形品は帯電されやすく、チャージアップ電荷による絶縁破壊する現象が現れることがあった。このため製品形状や基材の材質にとらわれることなく、複雑な回転機構など付けることなく均一な炭素膜形成が可能なプロセスが望まれていた。
特開2000−96233
In the above-described technique, since a DC bias voltage is applied, the semiconductor and the insulating molded product are easily charged, and a phenomenon of dielectric breakdown due to charge-up charge sometimes appears. For this reason, there has been a demand for a process capable of forming a uniform carbon film without being bound by the product shape and the material of the base material and without adding a complicated rotation mechanism.
JP 2000-96233 A

従って本発明の主目的は、密着性に優れて潤滑性と離型性を兼備した炭素膜を凹凸のある複雑形状を有する各種金属材料、セラミックス材料、プラスチック成形品に被覆方法と被覆物品を提供することにある。
本発明は金属、セラミックス、プラスチック成形材料等の表面に潤滑性と離型性を兼備した表面改質技術として、従来のパルスバイアス印加によるイオン注入技術やプラズマ成膜技術の組み合わせを用いただけでなく、基材とのイオン注入による界面現象と成膜した膜組成の構造に着目した新規な炭素膜被覆物品を、密着性良く安価で実用に耐える製品を提供するものである。
Accordingly, the main object of the present invention is to provide a coating method and a coated article for various metal materials, ceramic materials, and plastic molded articles having a complex shape with irregularities on a carbon film having excellent adhesion and having both lubricity and releasability. There is to do.
The present invention is not limited to the conventional combination of ion implantation technology and plasma film formation technology by applying a pulse bias as a surface modification technology that has both lubricity and releasability on the surface of metal, ceramics, plastic molding materials, etc. An object of the present invention is to provide a novel carbon film-coated article focusing on the interfacial phenomenon caused by ion implantation with a base material and the structure of the film composition formed into a film with good adhesion and low cost.

従来のダイヤモンドライクカーボン(Diamond like carbon膜)(ダイヤモンド状炭素膜)は、高硬度で耐摩耗性、電気絶縁性、親水性等に優れ、成膜方法や使用する原料により、内蔵する水素含有量が異なり様々な硬さの炭素膜が得られた。
成膜方法としてもプラズマCVD法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、プラズマベースイオン注入・成膜法などあるが、本発明はプラズマベースイオン注入・成膜法を各種金属材料、セラミックス材料、プラスチック成形材料等の表面に、潤滑性と離型性を兼備した表面改質技術として提供するものである。
Conventional diamond-like carbon (diamond-like carbon film) has high hardness, excellent wear resistance, electrical insulation, hydrophilicity, etc., and the built-in hydrogen content depends on the film formation method and raw materials used However, carbon films with various hardnesses were obtained.
There are plasma CVD methods, sputtering methods, ion plating methods, plasma-based ion implantation / film-forming methods, etc. as film-forming methods, but the present invention applies plasma-based ion implantation / film-forming methods to various metal materials, ceramic materials, and plastic molding. It is provided as a surface modification technique that combines lubricity and releasability on the surface of materials and the like.

また、本発明の他の目的は、凹凸のある複雑形状を有する各種金属材料、セラミックス材料、プラスチック成形品に対してもフッ素と言う活性な元素をカーボンと最適な割合で反応させて、遊離したフッ素を含有することなく潤滑性と離型性を兼備した製品を提供することにある。   Another object of the present invention is to release an active element called fluorine by reacting with carbon in an optimum ratio even for various metal materials, ceramic materials, and plastic molded products having uneven complex shapes. The object is to provide a product having both lubricity and releasability without containing fluorine.

本発明は、プラズマベースイオン注入・成膜法を用いて、金属、セラミックス、プラスチック成形品(基材)の周辺に外部アンテナによるRFプラズマあるいは自己バイアス電圧によるプラズマ生成を行い、これに対して数百V〜数十kVの負パルス電圧を印加して、カーボンを含有するイオンを成形品表面に注入することにより炭素の傾斜層を形成させ、フッ素を含有するガスの導入によりフッ素を含有する炭素膜を形成させることによって上記の課題の解決を実現する目的を達成する。具体的には真空チャンバー、真空排気系、ガス供給・処理系、高周波プラズマ源、負の高電圧パルス電源・高圧導入系と冷却系に構成された装置を用いて各種成形品の表面改質をする。セラミックス、ゴム、プラスチック等の絶縁性成形品には電圧を印加するための電極を背面あるいは中心部に配置して、特定(ガス種、真空度)の雰囲気中、高周波プラズマ源に電力を供給することによりガスプラズマを発生させ、被注入物(セラミックス、ゴム、プラスチック成形品)周辺に負の高圧パルス電圧を加えると、プラズマ中の電子は排斥され、被注入物の輪郭に沿って周りにイオンシースが形成される。このイオンシースは被注入物の輪郭に沿って覆われ、その後負の電圧をこのイオンシースに印加されるため、イオンのみがあらゆる方向から被注入物に引き付けられ加速され、被注入物に狙いとする元素をイオン注入されるものである。   The present invention uses plasma-based ion implantation / film formation to generate RF plasma by an external antenna or plasma by self-bias voltage around metal, ceramics, and plastic molded articles (base materials). Applying a negative pulse voltage of 100 V to several tens of kV to inject carbon-containing ions into the surface of the molded product to form a carbon gradient layer, and introducing fluorine-containing gas into the fluorine-containing carbon The purpose of realizing the solution of the above-mentioned problems is achieved by forming a film. Specifically, surface modification of various types of molded products is performed using equipment configured in a vacuum chamber, vacuum exhaust system, gas supply / treatment system, high-frequency plasma source, negative high-voltage pulse power supply / high-pressure introduction system and cooling system. To do. Insulating molded products such as ceramics, rubber, and plastic are provided with electrodes for applying voltage on the back or center, and power is supplied to the high-frequency plasma source in a specific atmosphere (gas type, degree of vacuum). When a negative high voltage pulse voltage is applied around the injection target (ceramics, rubber, plastic molding), the electrons in the plasma are rejected and ions are generated around the injection target. A sheath is formed. This ion sheath is covered along the contour of the implant, and then a negative voltage is applied to the ion sheath, so that only ions are attracted to the implant from all directions and accelerated, aiming at the implant. The element to be ion-implanted.

本発明ではセラミックス、プラスチック成形品等の絶縁物に対してイオン注入が可能である。従来直流のバイアス電圧を印加して、プラスのイオンが注入されるため、成形品では帯電してチャージアップ電荷による絶縁破壊する現象が現れることがあった。本発明の高周波・高電圧の負パルス電圧を印加する方法では、パルスなのでパルス電圧がない時にはプラズマは基材に接近し、基材に帯電した電荷はプラズマ中に放出され、チャージアップは解消される。またパルスの周波数および印加時間等を形状毎に最適化して行うことで絶縁破壊を防止すると共に、チャージアップによる膜の不均一性、成膜速度の低下を防ぐことが可能である。   In the present invention, ions can be implanted into insulators such as ceramics and plastic molded products. Conventionally, since positive ions are implanted by applying a DC bias voltage, there is a case where a molded product is charged and causes a breakdown due to a charge-up charge. In the method of applying a high-frequency, high-voltage negative pulse voltage according to the present invention, since the pulse is a pulse, the plasma approaches the substrate when the pulse voltage is absent, and the charge charged on the substrate is released into the plasma, eliminating the charge-up. The In addition, by optimizing the pulse frequency and application time for each shape, it is possible to prevent dielectric breakdown and to prevent film non-uniformity and film formation speed from decreasing due to charge-up.

プラズマベースイオン注入・成膜法における特性に及ぼすパラメーターとしては、高周波プラズマ源の周波数、プラズマ増幅電圧、繰返し周波数、パルス数などがあり、さらに高圧誘引パルス電源側のパラメーターとしては印加電圧、カレント電流、繰返しパルス数、パルス幅、ディレータイムなどがあり、またプラズマ生成原料のガス流量、ガス圧力等は影響を及ぼす。これらをコントロールして被注入物の輪郭に沿ってイオンシースを形成し、イオンのみを被注入物である各種金属、セラミックス、プラスチック成形品に対してイオンを注入することにより、潤滑性と離型性を兼備した炭素膜を各種材料の表面に被覆方法とその被覆物品を提供するものである。 Parameters affecting the characteristics of plasma-based ion implantation and deposition include the frequency of the high-frequency plasma source, plasma amplification voltage, repetition frequency, number of pulses, etc., and parameters on the high-voltage induced pulse power supply side include applied voltage and current current. The number of repetitive pulses, the pulse width, the delay time, etc., and the gas flow rate, gas pressure, etc. of the plasma generation raw material have an effect. By controlling these, an ion sheath is formed along the contour of the injection target, and only ions are injected into various metals, ceramics, and plastic moldings that are the injection target, thereby improving lubricity and mold release. The present invention provides a method and a coated article for coating a carbon film having properties on the surface of various materials.

ここで言う炭化水素系ガスは、メタン、アセチレン、ベンゼン、トルエン及びシクロヘキサノン、クロロベンゼン等からなる炭化水素化合物から選択される少なくとも1種類を主成分としたのガスを使用し、真空チャンバー内にガス導入し行い、高周波電圧を印加してガスをプラズマ化することによって、カーボン原子もしくは分子イオンを生成させ、これを加速してイオン注入するのが好ましい。   The hydrocarbon gas used here is a gas mainly composed of at least one selected from hydrocarbon compounds consisting of methane, acetylene, benzene, toluene, cyclohexanone, chlorobenzene, etc., and introduced into the vacuum chamber. Then, it is preferable to generate a carbon atom or a molecular ion by applying a high frequency voltage to turn the gas into a plasma, and accelerating the ion to perform ion implantation.

またフッ素系ガス、二フッ化炭素、四フッ化炭素、六フッ化炭素、六フッ化硫黄および十フッ化四カーボン等からなるフッ素を含有する化合物から選択される少なくとも1種類を主成分としたガスを使用し、真空チャンバー内にガス導入を行い、高周波電圧を印加してガスをプラズマ化することによって、フッ素原子もしくは分子イオンを生成させ、これを加速してイオン注入するのが好ましい。 The main component is at least one selected from fluorine-containing compounds such as fluorine-containing gas, carbon difluoride, carbon tetrafluoride, carbon hexafluoride, sulfur hexafluoride and tetrafluorocarbon. It is preferable that gas is introduced into the vacuum chamber and a high frequency voltage is applied to make the gas into plasma to generate fluorine atoms or molecular ions, which are accelerated and ion-implanted.

炭化水素系ガスおよびフッ素系ガスの選定方法としては、カーボン原子とフッ素原子をそれぞれどのくらいの比率で基材中にイオン注入するか。さらに炭素膜中にフッ素原子を何パーセント含有させるかによって、ガス種とその混合割合を決定するのが好ましい。また添加ガスから生成される原子としては、プラズマ生成条件によりカーボン分子、あるいは水素、フッ素、塩素等との結合した分子イオンとしても有効である。メタン、アセチレン、ベンゼン、トルエンガスにおいて、脂肪族系と芳香族系によってカーボンのイオン注入度合いや炭素膜の成膜状態が大きく変化することが知られており、さらに二フッ化炭素、四フッ化炭素、六フッ化炭素、六フッ化硫黄および十フッ化四カーボン等を添加することにより、これらガス材料から選択される少なくとも1種類を主成分として金属材料、セラミックス材料、プラスチック材料の種類やプラズマ生成条件によって、最適なガス系を選定するのが望ましい。   As a method for selecting hydrocarbon-based gas and fluorine-based gas, what is the ratio of carbon atoms and fluorine atoms to be implanted into the substrate? Further, it is preferable to determine the gas species and the mixing ratio depending on the percentage of fluorine atoms contained in the carbon film. The atoms generated from the additive gas are also effective as carbon ions or molecular ions combined with hydrogen, fluorine, chlorine, etc. depending on the plasma generation conditions. In methane, acetylene, benzene, and toluene gases, it is known that the degree of carbon ion implantation and the state of carbon film formation vary greatly depending on aliphatic and aromatic systems, and carbon difluoride and tetrafluoride. By adding carbon, carbon hexafluoride, sulfur hexafluoride, tetradecafluorocarbon, etc., the types of metal materials, ceramic materials, plastic materials and plasmas mainly composed of at least one selected from these gas materials It is desirable to select the optimum gas system according to the production conditions.

ガスプラズマを発生させる高周波電力として、周波数が0.2MHzから2.45GHzまでの範囲で、出力が10Wから20kWまでの範囲で、パルス幅1.0μsec以上であることが望ましい。その理由は周波数が0.2MHzより低い周波数では前記ガスのプラズマ分解が充分でなく成膜速度が上がらないからであり、また2.45GHzより大きいとプラズマ生成の安定性や装置コストの上昇を招くためである。高周波出力が10W以下ではプラズマ密度が低くイオン注入は出来ても成膜が出来ないからであり、また20kW以上では電源容量が大きく装置コストの増加を招くためである。さらにパルス幅1.0μsec以下であると実質的なイオン注入時間が短くなり、また絶縁物の場合チャージアップしやすくなるためである。   As the high frequency power for generating gas plasma, it is desirable that the frequency is 0.2 MHz to 2.45 GHz, the output is 10 W to 20 kW, and the pulse width is 1.0 μsec or more. The reason is that if the frequency is lower than 0.2 MHz, plasma decomposition of the gas is not sufficient and the deposition rate does not increase, and if it is higher than 2.45 GHz, the stability of plasma generation and the cost of the apparatus increase. is there. This is because if the high-frequency output is 10 W or less, the plasma density is low, and even if ion implantation can be performed, film formation cannot be performed. Further, when the pulse width is 1.0 μsec or less, the substantial ion implantation time is shortened, and in the case of an insulator, it is easy to charge up.

さらに上記のプラズマ生成のみならず高周波パルス印加電源は非常に重要である。従来の質量分離型のイオン注入では、メタン、アセチレン等の市販ガスを使用して、電界により励起させた後カーボンイオンのみを注入することが可能であった。しかしプラズマ方式では、各種基材に負の高電圧をパルス状に印加して、カーボンと結合した分子イオンも不純物として同時に注入される。本願発明者等は、これらの余分なイオンの存在下でもカーボンイオンを十分に注入できる良好なプラズマ条件を種々検討した結果、次の高周波パルス印加条件が好適であることを見出した。 Furthermore, not only the above plasma generation but also a high frequency pulse application power source is very important. In the conventional mass separation type ion implantation, it is possible to inject only carbon ions after being excited by an electric field using a commercially available gas such as methane or acetylene. However, in the plasma method, a negative high voltage is applied to various substrates in a pulsed manner, and molecular ions bonded to carbon are also simultaneously implanted as impurities. The inventors of the present application have found that the following high-frequency pulse application conditions are suitable as a result of various investigations of favorable plasma conditions that can sufficiently inject carbon ions even in the presence of these extra ions.

高周波パルス印加電圧としては、その周波数、パルス幅、印加電圧の最適化が必要である。その理由は周波数が500Hz以下であると一定時間内のイオン注入回数が減少することになりイオン注入効率が低下する。一方10kHz以上であると高周波パルス電源の高性能化が必要となり装置コストの上昇を招く。パルス幅はイオン注入時のシース幅と大きく関係し、幅が狭いと複雑な形状に沿ってシースが形成され、均一にイオン注入されるが、幅が広いと狭い隙間にはシースが出来なくなりイオン注入量が減少する。このことからパルス幅が1.0μsec以下であると1回のパルスのイオン注入時間が短いことによりイオン注入効率が低下すると共にナノsecオーダーのパルス幅を形成するには高価な高周波電源が必要となり、装置コストがアップする。一方パルス幅が広く1000μsec以上であると成形品周辺に供給されるプラズマ密度が低下して、イオン注入効率が低下するばかりでなくパルス電源の高性能化が必要となり装置コストの上昇を招くことになる。 As the high-frequency pulse applied voltage, it is necessary to optimize the frequency, pulse width, and applied voltage. The reason for this is that if the frequency is 500 Hz or less, the number of ion implantations within a certain period of time decreases, and the ion implantation efficiency decreases. On the other hand, if the frequency is 10 kHz or higher, it is necessary to improve the performance of the high-frequency pulse power supply, resulting in an increase in device cost. The pulse width is greatly related to the sheath width at the time of ion implantation. If the width is narrow, the sheath is formed along a complicated shape and is uniformly implanted, but if the width is wide, the sheath cannot be formed in the narrow gap. The injection volume is reduced. From this, if the pulse width is 1.0 μsec or less, the ion implantation time of one pulse is short, so that the ion implantation efficiency is lowered and an expensive high-frequency power source is required to form a nano-second order pulse width. Equipment cost increases. On the other hand, if the pulse width is wide and 1000 μsec or more, the plasma density supplied to the periphery of the molded product will be reduced, and not only the ion implantation efficiency will be reduced, but also high performance of the pulse power supply will be required, leading to an increase in equipment cost Become.

特に好ましい負パルス電圧は、基材の潤滑性、離型性付与の観点からは−0.5〜50kVが好ましい。−0.5kV以下であると基材へのイオン注入深さが浅く、基材と炭素膜間の傾斜構造化が得られず密着力の向上に寄与せず、また−50kV以上の高電圧になると基材と炭素膜間の傾斜構造化は進むが、高周波パルス電源が大型化して装置コストの大幅な上昇を招きさらに絶縁体の場合には基材表面におけるチャージアップによる放電、発熱によるプラスチック成形品のひずみ発生が顕著になり50kV以上は好ましくない。 A particularly preferable negative pulse voltage is preferably −0.5 to 50 kV from the viewpoint of imparting lubricity and releasability to the substrate. When it is −0.5 kV or less, the ion implantation depth into the substrate is shallow, the inclined structure between the substrate and the carbon film cannot be obtained, and it does not contribute to the improvement of the adhesion, and the high voltage is −50 kV or more. Increasing the inclination structure between the base material and the carbon film, but the high frequency pulse power supply has increased in size, resulting in a significant increase in equipment cost. In the case of insulators, plastic molded products due to discharge and heat generation on the base material surface The generation of strain becomes remarkable, and 50 kV or more is not preferable.

各種基材表面へのイオン注入時間は制約されるものではないが5〜30分であることが好ましい。より好ましくは生産性の観点から短時間処理であるが、プラスチック成形品の場合にはカーボン元素の注入により表面層が脆くなり、密着性を低下させることもあり、材料成分によってイオン注入条件を選定する必要がある。   The time for ion implantation onto the surfaces of various substrates is not limited, but is preferably 5 to 30 minutes. More preferably, it is a short-time treatment from the viewpoint of productivity. However, in the case of plastic molded products, the surface layer becomes brittle by injecting the carbon element, and the adhesion may be lowered. There is a need to.

従来の質量分離によるイオン注入では、注入電流がmA以下で、高エネルギーの場合では数Aのオーダーである。そのため、1017ions/cm2のイオン注入をするには数時間もかかってしまう。これに対してプラズマベースのイオン注入では、成形品に対して周囲から一度に電流が流入するため、数A〜数十Aの電流が流れ、それにより短時間でのカーボンイオン注入処理が行える。且つ直流によるイオン注入でなくパルスによるイオン注入であるため、絶縁物に対してもチャージアップによる損傷は非常に少ない。 In conventional ion implantation by mass separation, the injection current is less than mA, and in the case of high energy, it is on the order of several A. Therefore, it takes several hours to implant ions of 10 17 ions / cm 2 . On the other hand, in plasma-based ion implantation, a current flows into the molded product from the periphery at a time, so that a current of several A to several tens of A flows, thereby enabling a carbon ion implantation process in a short time. In addition, since the ion implantation is performed not by direct current but by pulse, damage to the insulator due to charge-up is very small.

しかしながら絶縁物にあまり長時間イオン注入すると、絶縁表面に電荷が貯まり、チャージアップ現象により放電が発生し膜厚が不均一になり好ましくない。このような場合には絶縁物周辺を金属金網等の導電性物質で均一に覆い、電荷を逃がす工夫をすることが好ましい。例えばプラスチック成形品表面より1cm程度離れた位置に、ステンレス製の数メッシュ粗さの金網を均一に配置して、この金網は負パルス印加電極と所定の抵抗を挟んで接続することによりチャージアップが防止できる。金網の大きさ、距離、抵抗器サイズ等は成形品形状やパルス印加電圧、周波数等により影響されるため、それぞれのイオン注入条件から選定する必要がある。 However, if ions are implanted into the insulator for a long time, electric charges are accumulated on the insulating surface, and discharge occurs due to a charge-up phenomenon, resulting in non-uniform film thickness. In such a case, it is preferable to uniformly cover the periphery of the insulator with a conductive material such as a metal wire mesh and to devise measures for releasing electric charges. For example, a metal mesh made of stainless steel with a few mesh roughness is uniformly arranged at a position about 1 cm away from the surface of the plastic molded product, and this wire mesh is connected to a negative pulse application electrode with a predetermined resistance interposed therebetween, so that the charge can be increased. Can be prevented. Since the size, distance, resistor size, etc. of the metal mesh are influenced by the shape of the molded product, the pulse application voltage, the frequency, etc., it is necessary to select from the respective ion implantation conditions.

本発明の被処理物に高周波パルス電圧を印加して、カーボンまたはフッ素を含有するイオンを処理物表面に注入すると同時にフッ素含有炭素膜を形成する手法は、各種基材に適用することは可能であるが、特に金属材料の中でもアルミニウム、チタン、マグネシウム及びそれら合金等からなる非鉄金属の表面改質により適していることが明らかになった。今まで非鉄金属に対する炭素膜形成はプラズマCVD及びPVD法で種々試みられてきたが、基材が柔らかく表層部分の酸化層が炭素膜の密着性を損ない、ケイ素系中間層を入れて炭素膜形成されることがあったが、数十〜100μmの膜厚を形成すると被膜が剥離して実用に耐えることが出来なかった。 The method of forming a fluorine-containing carbon film at the same time that a high-frequency pulse voltage is applied to the object to be processed of the present invention and carbon or fluorine-containing ions are implanted into the surface of the object to be processed can be applied to various substrates. However, it has become clear that it is particularly suitable for surface modification of non-ferrous metals such as aluminum, titanium, magnesium and alloys thereof among metal materials. Until now, various attempts have been made to form carbon films on non-ferrous metals by plasma CVD and PVD methods, but the base material is soft and the oxide layer on the surface layer impairs the adhesion of the carbon film. However, when a film thickness of several tens to 100 μm was formed, the film peeled off and could not be put into practical use.

本発明のカーボンイオン注入法では表層の酸化層を充分突き破るだけのエネルギーでイオン注入されるため、カーボンの傾斜構造を容易に形成することが可能であり、非鉄金属の表面硬度を上げながら炭素膜形成することが可能であり、炭素膜の弾性率を押さえながら成膜することが可能であるため、炭素膜中の残留応力が低く密着性が得られやすい。このため板厚が厚い硬質基材では3.0〜100μmの範囲の炭素膜を容易に得ることが可能であり、金属箔のようなの柔軟な基材では0.1〜3μmの薄めの炭素膜を形成する表面改質に適している。 In the carbon ion implantation method of the present invention, ions are implanted with energy sufficient to break through the surface oxide layer, so that it is possible to easily form a carbon gradient structure, while increasing the surface hardness of the non-ferrous metal while increasing the surface hardness of the carbon film. Since it is possible to form the film while suppressing the elastic modulus of the carbon film, the residual stress in the carbon film is low, and adhesion can be easily obtained. For this reason, it is possible to easily obtain a carbon film in the range of 3.0 to 100 μm with a hard substrate with a large plate thickness, and a surface that forms a thin carbon film of 0.1 to 3 μm with a flexible substrate such as a metal foil Suitable for reforming.

またガラス、アルミナ、ジルコニア、石英等のセラミックス基材への炭素膜被覆物品を得ることも非常に有用である。セラミックス材料に大量のカーボンあるいはフッ素を添加することは通常プロセスでは不可能であるが、イオン注入法では任意な量だけ注入することが可能である。非鉄金属と同様に注入によりカーボンの傾斜構造を容易に形成することが可能であり、本プロセスでは炭素膜の弾性率を押さえながら成膜することが可能であるため、炭素膜中の残留応力が低く密着性が得られやすい。このため3.0〜100μmの炭素膜を容易に得ることが可能であり、セラミックスの表面改質に適している。 It is also very useful to obtain a carbon film-coated article on a ceramic substrate such as glass, alumina, zirconia, or quartz. Adding a large amount of carbon or fluorine to a ceramic material is impossible in a normal process, but an arbitrary amount can be implanted by an ion implantation method. As with non-ferrous metals, it is possible to easily form a carbon gradient structure by implantation, and in this process it is possible to form a film while suppressing the elastic modulus of the carbon film, so that the residual stress in the carbon film is reduced. Low adhesion is easy to obtain. For this reason, it is possible to easily obtain a carbon film of 3.0 to 100 μm, which is suitable for surface modification of ceramics.

さらに炭素膜被覆物品がゴム、プラスチック等の柔軟な成形品に適している。本発明ではポリオレフィン材料、ポオレフィンエラストマー、ポリエステルエラストマー、ポリウレタンエラストマー、シリコーンエラストマー等のプラスチック成形品からなり、この表面を潤滑性と離型性を兼備した炭素膜で被覆することにより従来にない製品を提供する。本発明は従来の手法では接着性が得られにくい樹脂やゴムに対してカーボンやフッ素をイオン注入して傾斜構造化することにより、密着性を向上させることが可能となった。 Furthermore, the carbon film-coated article is suitable for flexible molded products such as rubber and plastic. In the present invention, it is composed of plastic molded products such as polyolefin materials, polyolefin elastomers, polyester elastomers, polyurethane elastomers, silicone elastomers, etc., and this surface is covered with a carbon film having both lubricity and releasability, so that an unprecedented product can be obtained. provide. In the present invention, the adhesion can be improved by ion implantation of carbon or fluorine into a resin or rubber for which adhesion is difficult to obtain by a conventional method to form an inclined structure.

ゴム、プラスチック材料には種々の材料があるが、本発明ではエポキシ樹脂、フェノール樹脂アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂等の硬質プラスチック成形品より、柔軟なエラストマー材料が適している。硬質プラスチック材料には従来手法で剥離しない程度の密着性を得ることが可能であったが、柔軟な材料では折り曲げた時の微細なクラックにより炭素膜が剥離したが、本発明のプロセスでは柔軟な基材に対して0.1〜1.0μmの薄めの炭素膜を形成することで、屈曲後でも剥離することなく外観に優れた製品を提供する。 There are various types of rubber and plastic materials. In the present invention, a flexible elastomer material is more suitable than a hard plastic molded product such as an epoxy resin, a phenol resin acrylic resin, or a polystyrene resin. Although it was possible to obtain adhesion to a hard plastic material to such an extent that it would not be peeled off by conventional methods, the flexible material peeled off the carbon film due to fine cracks when bent, but the process of the present invention was flexible. By forming a thin carbon film with a thickness of 0.1 to 1.0 μm on the base material, a product having an excellent appearance without peeling even after bending is provided.

本発明の炭素膜被覆物品は上記金属、セラミックス、プラスチック成形品等の物品で、その非処理物表面より炭素が50nm以上イオン注入され、その表層部に硬質な炭素膜層を少なくとも0.1〜3μm成膜されていることが大きな特徴としている。従来のプラズマCVD法やPVD法などは、プラズマ中のカーボンイオンを引きつけるために数十V〜数百Vの直流あるいは交流のバイアス電圧を印加するのが一般的であるが、この電圧では被処理物表面よりカーボン原子が10nm以上イオン注入されることは無く、基材との密着性向上に寄与することはなかった。 The carbon film-coated article of the present invention is an article such as the above-mentioned metal, ceramics, plastic molded article, etc., and carbon is ion-implanted by 50 nm or more from the surface of the non-treated product, and a hard carbon film layer is formed on the surface layer part by at least 0.1 to 3 μm. The main feature is that it is filmed. In the conventional plasma CVD method, PVD method, etc., in order to attract carbon ions in the plasma, it is common to apply a DC voltage or an AC bias voltage of several tens to several hundreds V. Carbon atoms were not ion-implanted by more than 10 nm from the surface of the object, and it did not contribute to improving the adhesion to the substrate.

高周波パルス電圧やパルス幅、周波数、印荷時間、処理温度等を種々変化させて評価した結果、被処理物表面から、より深くカーボン原子が注入されていることが密着性向上に寄与することを見出した。実験の結果少なくとも50nm以上イオン注入されていることが好ましく、これより浅いと密着性への寄与率が低下することが判った。この理由は、成膜される炭素膜の残留応力が表層より数十原子層では応力緩和することが出来ず、数百原子層は必要であるためと考えている。 As a result of evaluating various changes in high-frequency pulse voltage, pulse width, frequency, loading time, processing temperature, etc., the fact that deeper carbon atoms are implanted from the surface of the workpiece contributes to improved adhesion. I found it. As a result of the experiment, it is preferable that ions are implanted at least 50 nm or more, and it has been found that if it is shallower than this, the contribution ratio to the adhesiveness decreases. The reason for this is considered that the residual stress of the carbon film to be formed cannot be relaxed in the tens of atomic layers from the surface layer, and several hundreds of atomic layers are necessary.

カーボン原子が表層部より深く注入され、その表面に形成される硬質な炭素膜層が少なくとも0.1〜100μm成膜されていると、潤滑性と離型性を兼備した炭素膜でより大きな効果を発揮する。従来のプラズマCVD法やPVD法などは、基材界面に発生する残留応力のため0.1〜2.0μmの炭素膜を成膜するのが一般的であったが、本発明の50nm以上の傾斜構造化により基材界面に発生する残留応力が低減され、3.0μm以上の炭素膜の成膜が容易となった。実験によると例えば柔軟なアルミニウム基材に対して50〜100μmの炭素膜の成膜も可能であり、高機能・長寿命な摺動部材として応用可能であることが判った。 When carbon atoms are implanted deeper than the surface layer, and a hard carbon film layer formed on the surface is formed at least 0.1 to 100 μm, the carbon film that has both lubricity and releasability has a greater effect. To do. Conventional plasma CVD methods, PVD methods, etc. have generally formed a 0.1-2.0 μm carbon film due to residual stress generated at the substrate interface. As a result, the residual stress generated at the interface of the substrate was reduced, and a carbon film having a thickness of 3.0 μm or more was easily formed. According to experiments, it was found that, for example, a carbon film having a thickness of 50 to 100 μm can be formed on a flexible aluminum substrate, and can be applied as a sliding member having a high function and a long life.

さらにゴム・プラスチック成形品へのカーボンイオン注入効果は、水蒸気や各種ガス透過率の低減効果に有用であることも判った。被処理物の表層より50nm以上のカーボンイオン注入層が形成され、元のカーボン元素濃度より数十at%以上高めた表面層の上に炭素膜を成膜することにより、より優れたガスバリア性を有するゴム・プラスチック成形品が得られる。ゴム・プラスチック材料のガス透過率は基材へのガス溶解度と、構成される分子間距離などが影響されるが、イオン注入された成形品は分子間距離を縮め、緻密な炭素膜はガスを透過しないためと考えられる。   Furthermore, it was also found that the carbon ion implantation effect on rubber and plastic molded articles is useful for reducing water vapor and various gas permeability. A carbon ion implantation layer of 50 nm or more is formed from the surface layer of the object to be processed, and a carbon film is formed on the surface layer that is several tens at% or more higher than the original carbon element concentration. A rubber / plastic molded product can be obtained. The gas permeability of rubber and plastic materials is affected by the gas solubility in the base material and the intermolecular distance, etc., but the ion-implanted molded product reduces the intermolecular distance, and the dense carbon film absorbs the gas. This is probably because it does not penetrate.

一方、本発明の炭素膜被覆物品には、炭素膜中に5〜30at%のフッ素原子を含有することにより潤滑性と離型性を兼備した炭素膜を提供することが可能となった。本発明により形成した炭素膜中には、5〜30at%のフッ素元素を含有することが好ましい。炭素膜にフッ素を添加する試みは古くから行われているが、プラズマベースのイオン注入法と組み合わせて成膜するとより効果的であることを見出した。フッ素は非常に活性な元素であり、反応性に富み各種化合物を形成する。しかしその化合物は水や熱に対して分解しやすく長期間にわたって安定した状態で利用することは困難であった。 On the other hand, the carbon film-coated article of the present invention can be provided with a carbon film having both lubricity and releasability by containing 5 to 30 at% fluorine atoms in the carbon film. The carbon film formed according to the present invention preferably contains 5 to 30 at% of fluorine element. Attempts to add fluorine to the carbon film have been made for a long time, but it has been found that it is more effective to form a film in combination with a plasma-based ion implantation method. Fluorine is a very active element and forms various compounds with high reactivity. However, it is difficult to use the compound in a stable state over a long period of time because it is easily decomposed by water and heat.

従来行われていたプラズマCVD法による成膜は比較的低いエネルギーで成膜されるため、C−C結合が優先的に起こり、炭素膜中のフッ素含有量は数%で以下であることが多く、あるいは炭素膜を形成した後、フッ素系ガスを流してフッ化反応させるため、表層のみに数十at%のフッ素を含有させたカーボン膜が多かった。この理由は熱プラズマで成膜したカーボン膜は秩序良い膜生長により硬くて脆い性質がでやすいためである。カーボン膜はダイヤモンド構造に由来するsp3構造とグラファイト構造に由来するsp2構造が混在したものと言われており、プラズマCVD法による炭素膜による成膜ではsp3構造が多く生成されやすいことが知られている。この構造にフッ素を添加すると不安定なsp3/sp2構造の混合物となり、硬くて脆いため耐摩耗性も劣る。 Since the conventional film formation by the plasma CVD method is performed with relatively low energy, the C—C bond occurs preferentially, and the fluorine content in the carbon film is often several percent or less. Alternatively, after forming a carbon film, a fluorinated gas is allowed to flow to cause a fluorination reaction, so that there are many carbon films containing fluorine of several tens of at% only on the surface layer. This is because a carbon film formed by thermal plasma tends to be hard and brittle due to orderly film growth. It is said that the carbon film is a mixture of sp3 structure derived from the diamond structure and sp2 structure derived from the graphite structure, and it is known that many sp3 structures are likely to be formed by the carbon film formation by the plasma CVD method. Yes. When fluorine is added to this structure, it becomes an unstable mixture of sp3 / sp2 structure, and since it is hard and brittle, it has poor wear resistance.

一方、プラズマベースのイオン注入法では直流バイアス電圧を架けることなく、パルスバイアス電圧で制御しながら炭素膜を成膜するため、sp3/sp2構造の割合を制御し、且つフッ素添加の割合も容易に制御可能であることを見出した。炭素膜中には水素が混入することが知られているが、水素の混入を押さえながらフッ素を添加することが可能であり、その量も5〜30at%のフッ素含有量で摩擦係数を低下させること見出し最適な炭素膜がパルス法において成膜可能となった。この理由はパルス法による成膜ではパルス電圧が膜生長の秩序を乱す効果にあると考えている。 On the other hand, in the plasma-based ion implantation method, the carbon film is formed while controlling with the pulse bias voltage without applying the DC bias voltage, so the ratio of the sp3 / sp2 structure is controlled and the ratio of fluorine addition is easy. I found it controllable. Although it is known that hydrogen is mixed in the carbon film, it is possible to add fluorine while suppressing the mixing of hydrogen, and the amount thereof also decreases the friction coefficient with a fluorine content of 5 to 30 at%. As a result, the optimum carbon film can be formed by the pulse method. This is because the pulse voltage has an effect of disturbing the order of film growth in film formation by the pulse method.

本発明におけるカーボンイオン注入は不可欠であるが、フッ素イオン注入は必ずしも必要でなく、カーボン注入後、前述の炭化水素系およびフッ素系ガスを用いて炭素膜を成膜することは有効である。本発明では高電圧のプラズマベースのカーボンイオン注入をした後、低いパルスバイアス電圧を印加しながら成膜することにより炭素膜中の残留応力が緩和され、任意な割合でフッ化した炭素膜の形成が容易となり密着性の良い被膜を形成することが可能となる。   In the present invention, carbon ion implantation is indispensable, but fluorine ion implantation is not always necessary. After carbon implantation, it is effective to form a carbon film using the above-described hydrocarbon-based and fluorine-based gases. In the present invention, high-voltage plasma-based carbon ion implantation is performed, and then the residual stress in the carbon film is relaxed by applying a low pulse bias voltage to form a carbon film that is fluorinated at an arbitrary ratio. Becomes easy, and it becomes possible to form a film having good adhesion.

本発明の炭素膜は、金属、セラミックス、プラスチック成形品を負電圧印加試料台に取付け、これと高電圧のフィードスルーと一体化する。高周波(RF)電力はフィードスルーとチャンバーの間に加え、電子をその間の電界変化によって往復運動させ、気体分子と衝突を繰返すことにより炭化水素系及びフッ素系ガス分子を電離させ、高密度のプラズマを形成する。プラズマ中にはイオン、ラジカル、電子が共存するので、高圧パルス電圧を印加すると、プラズマ中のイオンをゴム、プラスチック成形品試料に注入することができ、高圧パルス電圧を印加されないと自己バイアス(通常数十ボルト)によるイオンを表面に堆積させ、この時ラジカル重合によりカーボン元素が結合し成膜することが出来る。この重畳方式のプラズマイオン注入・成膜装置を用いて、RF電力と高圧パルス電力の制御により、イオン注入・成膜或いはイオン注入と成膜の組み合わせが可能である。   In the carbon film of the present invention, a metal, ceramic, or plastic molded product is attached to a negative voltage application sample stage and integrated with a high voltage feedthrough. High-frequency (RF) power is applied between the feedthrough and the chamber, electrons are reciprocated by changes in the electric field between them, and collisions with gas molecules are repeated to ionize hydrocarbon and fluorine gas molecules, resulting in high-density plasma. Form. Ions, radicals, and electrons coexist in the plasma, so if a high voltage pulse voltage is applied, the ions in the plasma can be injected into a rubber or plastic molded product sample. Ions of several tens of volts) are deposited on the surface, and at this time, carbon elements are bonded by radical polymerization to form a film. Using this superposed plasma ion implantation / deposition apparatus, ion implantation / deposition or a combination of ion implantation and deposition can be performed by controlling RF power and high-voltage pulse power.

炭素膜の物性は、使用するガス種、ガス圧、印加電圧等によって異なるが、基材との密着性に優れ、高硬度で膜厚の厚い炭素膜が好ましい。プラズマベースイオン注入・成膜装置では少なくとも3ステップのプロセスで成膜するのが好ましく、基板表面のクリーニング後に、高電圧でイオン注入して、その後カーボンイオン注入電圧より低い電圧でメタン、アセチレン等のガスを導入して炭素膜の成膜を行い、引き続き更に低電圧(数kV)のエネルギーで炭素膜を成膜するのが好ましい。この理由は、高エネルギーで炭素膜の成膜を行うと炭素膜構造が乱れ、硬高度な被膜が得られにくいばかりでなく、成膜速度が得られにくいためである。特に表層部分になるほど低エネルギーで成膜する方が高品質な炭素膜での被膜が得られるので好ましい。このように高エネルギーイオン注入、中エネルギー炭素膜成膜、低エネルギー炭素膜成膜の3ステップが炭素膜中の残留応力の緩和に役立ち厚膜形成に有利であることが判った。   The physical properties of the carbon film vary depending on the type of gas used, the gas pressure, the applied voltage, etc., but a carbon film having excellent adhesion to the substrate, high hardness and a large film thickness is preferred. In the plasma-based ion implantation / deposition apparatus, it is preferable to form a film by a process of at least three steps. After cleaning the substrate surface, ion implantation is performed at a high voltage, and then methane, acetylene, etc. It is preferable to form a carbon film by introducing a gas, and subsequently form the carbon film with an energy of a lower voltage (several kV). This is because when the carbon film is formed with high energy, the structure of the carbon film is disturbed, and it is difficult not only to obtain a hard and high-grade film but also to obtain a film forming speed. In particular, it is preferable to form a film with a lower energy as the surface layer portion is obtained because a high quality carbon film can be obtained. As described above, it has been found that the three steps of high energy ion implantation, medium energy carbon film formation, and low energy carbon film formation are useful for relaxing residual stress in the carbon film and advantageous for forming a thick film.

以上、説明したように、本発明方法によれば、プラズマベースイオン注入・成膜法を用いて、まず炭化水素系ガスプラズマから金属、セラミックス、プラスチック成形品へのカーボンイオン注入を行い、さらにフッ素ガスもしくは少なくとも一原子以上のフッ素系を含有する炭化水素系ガスを導入しつつ炭素膜を形成することにより、潤滑性と撥水性、離型性に優れた炭素膜被覆物品及びその表面処理方法を提供できることが判った。   As described above, according to the method of the present invention, first, carbon ion implantation is performed from a hydrocarbon-based gas plasma to a metal, ceramic, or plastic molded article using a plasma-based ion implantation / film formation method. A carbon film-coated article excellent in lubricity, water repellency, and releasability by forming a carbon film while introducing a gas or a hydrocarbon-based gas containing at least one fluorine atom, and a surface treatment method thereof It turned out that it can provide.

また、本発明の炭素膜被覆物品は、カーボンイオンの注入により表面硬度が高く、潤滑性、撥水性・離型性が増大し、耐溶剤性を有するゴムパッキング材、高分子成形容器等以外に、一般に使用されるプラスチック軸受けや摺動部材など工業用ゴム・高分子成形品等に対しても同様に期待できる。さらに、本発明のカーボンイオンプラスフッ素含有炭素膜形成技術は、本発明の金属材料やセラミックス材料以外の表面硬度アップや潤滑性・離型性の機能性向上など工業用セラミックス材料や金属材料成形品等に対しても同様に応用可能である。   Further, the carbon film-coated article of the present invention has high surface hardness due to carbon ion implantation, increases lubricity, water repellency / release properties, and has a solvent resistance other than rubber packing materials, polymer molded containers, etc. The same applies to industrial rubber and polymer molded products such as commonly used plastic bearings and sliding members. Furthermore, the carbon ion plus fluorine-containing carbon film formation technology of the present invention is an industrial ceramic material or metal material molded product such as an improved surface hardness other than the metal material or ceramic material of the present invention, and improved functionality of lubricity and releasability. The same can be applied to the above.

以下、本発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明の各種基材への表面処理方法に用いるプラズマベースイオン注入・成膜装置の概略構成を図1に基づいて説明する。この装置は、金属、セラミックス、プラスチック成形品1の設置台2を内蔵する真空チャンバー3を具えている。設置台は負電圧印加のための電極を兼ねている。真空チャンバー3は、排気装置4により内部を所定の真空度に保持することができる。この装置は、所定の炭化水素系ガスおよびフッ素系ガスを、導入口5を通して導入され、炭化水素/フッ素ガス系ガスプラズマを形成させるための高周波方式プラズマ源6も設けられている。また炭素膜の密着性を向上させるために金属元素をイオン注入するための金属プラズマ源7も設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below.
First, a schematic configuration of a plasma-based ion implantation / deposition apparatus used in the surface treatment method for various substrates of the present invention will be described with reference to FIG. This apparatus comprises a vacuum chamber 3 in which an installation base 2 for metal, ceramics and plastic molded products 1 is built. The installation table also serves as an electrode for applying a negative voltage. The inside of the vacuum chamber 3 can be maintained at a predetermined degree of vacuum by the exhaust device 4. This apparatus is also provided with a high-frequency plasma source 6 for introducing a predetermined hydrocarbon-based gas and a fluorine-based gas through the introduction port 5 to form a hydrocarbon / fluorine gas-based gas plasma. A metal plasma source 7 for ion-implanting metal elements is also provided to improve the adhesion of the carbon film.

さらにこの装置は、各種成形品1に高電圧の負電荷を印加する高電圧負パルス電源8と高周波(RF)電源9も具えている。高電圧負パルス電源8では、所定のエネルギーの負電荷を発生させ、高電圧用フィードスルー10を通じて各種成形品1に負電荷のパルスを印加する。このフィードスルーは設置台とつながっており、設置台は絶縁碍子11で、電気的に浮いた状態になっている。さらに炭素膜の成膜時には、高電圧パルスと高周波を重ね合わせる重畳装置11通じて高電圧用フィードスルー10から電力を供給して、供給ガスをプラズマ化させ成膜することが出来る。高電圧用フィードスルー10にはシールドカバー13が取り付けられフィードスルー10を防護している。   The apparatus further includes a high voltage negative pulse power source 8 and a radio frequency (RF) power source 9 for applying a high voltage negative charge to various molded articles 1. The high voltage negative pulse power supply 8 generates a negative charge having a predetermined energy, and applies a negative charge pulse to the various molded articles 1 through the high voltage feedthrough 10. This feedthrough is connected to an installation table, and the installation table is an insulator 11 and is in an electrically floating state. Further, when the carbon film is formed, power can be supplied from the high-voltage feedthrough 10 through the superimposing device 11 that superimposes the high voltage pulse and the high frequency to form the supply gas into a plasma. A shield cover 13 is attached to the high voltage feedthrough 10 to protect the feedthrough 10.

本装置の試料設置台2には、図2に示すような直径70mm厚さ2mmの金属、セラミックス、プラスチック成形品(a)と、直径10mm厚さ1mmの各種成形品(b)をセットし、(a)試料では物理的、化学的特性を評価し、(b)試料では組成分析を行えるようにした。これらの金属、セラミックス、プラスチック成形品に負電荷のパルスを印加すると、プラズマ中のカーボンイオンあるいはCHx、CFx、C2Fx等のイオンが金型材料に引き付けられ、カーボンイオンあるいはフッ素イオンが注入される。金属、セラミックス、プラスチック成形品に負電荷のパルスを印加してイオンを注入するので、成形品が平板でなく凹凸のある立体形状物でも、電界が成形品の形状に沿って発生し、この表面に対してほぼ直角にカーボンイオンが衝突する。このため絶縁性のあるゴム・プラスチック成形品に凹凸があってもゴム・プラスチック成形品の表面全体にカーボンイオンを注入することができる。なお、カーボンあるいはフッ素イオン注入と共に水素イオンもイオン注入されるが、基材中の水素は、注入後に拡散して脱ガスすることが知られており、基材の物性をあまり左右されることはないと考えられている。   On the sample setting table 2 of this apparatus, a metal, ceramic, and plastic molded product (a) having a diameter of 70 mm and a thickness of 2 mm as shown in FIG. 2 and various molded products (b) having a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm are set. (A) Physical and chemical characteristics were evaluated for the sample, and composition analysis was made possible for the (b) sample. When a negative charge pulse is applied to these metal, ceramic, and plastic molded articles, carbon ions or ions such as CHx, CFx, and C2Fx in the plasma are attracted to the mold material, and carbon ions or fluorine ions are implanted. Since ions are implanted by applying a negative charge pulse to metal, ceramics, and plastic molded products, an electric field is generated along the shape of the molded product even if the molded product is not a flat plate but a three-dimensional product with irregularities. Carbon ions collide almost at right angles to. Therefore, even if the insulating rubber / plastic molded product has irregularities, carbon ions can be implanted into the entire surface of the rubber / plastic molded product. Although hydrogen ions are also implanted together with carbon or fluorine ions, it is known that hydrogen in the base material diffuses and degass after injection, and the physical properties of the base material are greatly affected. It is not considered.

カーボンイオン注入後、さらに同一装置内で炭素膜を成膜することが可能である。カーボンイオン注入は数kV以上好ましくは10kV以上の電圧でイオン注入されるが、炭素膜の成膜はメタン、アセチレン、ベンゼン、トルエン等の炭化水素系ガスと、アルゴン/フッ素混合ガス、四フッ化カーボン、六フッ化二カーボン、六フッ化硫黄及び十フッ化四カーボン等からなるフッ素系ガスを任意な割合で混合して10kV以下の電圧を印加しながら成膜する。この理由は、高エネルギーで炭素膜の成膜を行うとイオンの衝突エネルギーにより炭素膜の膜構造が乱れ、硬高度な被膜が得られにくいばかりでなく、成膜速度が得られにくいためである。特に表層部分になるほど低エネルギーで成膜する方が高品質な炭素膜被覆物品が得られるので好ましい。好ましくは成膜時に自動制御により高電圧側から低電圧側に徐々に低下させる成膜手法が好ましい。   After carbon ion implantation, a carbon film can be formed in the same apparatus. Carbon ion implantation is performed at a voltage of several kV or more, preferably 10 kV or more. However, the carbon film is formed by hydrocarbon gas such as methane, acetylene, benzene, toluene, argon / fluorine mixed gas, tetrafluoride. Film formation is performed while applying a voltage of 10 kV or less by mixing a fluorine-based gas composed of carbon, hexafluorodicarbon, sulfur hexafluoride, tetrafluorocarbon, etc. at an arbitrary ratio. The reason for this is that when a carbon film is formed at a high energy, the film structure of the carbon film is disturbed by the collision energy of ions, and it is difficult not only to obtain a hard and advanced film, but also to obtain a film formation speed. . In particular, it is preferable to form a film with lower energy as the surface layer portion is obtained because a high-quality carbon film-coated article can be obtained. It is preferable to use a film forming technique in which the voltage is gradually lowered from the high voltage side to the low voltage side by automatic control during film formation.

炭素膜の成膜はメタン、アセチレン、ベンゼン、トルエン等の炭化水素系ガスと、アルゴン/フッ素混合ガス、四フッ化カーボン、六フッ化二カーボン、六フッ化硫黄及び十フッ化四カーボン等からなるフッ素系ガスを任意な割合で混合して成膜するが、この混合割合は使用するガス種とガス流量、印加電圧などによって炭素膜中のフッ素含有量が変化する。混合するフッ素系ガスの割合が多いほど炭素膜中のフッ素含有量は増加するが、必ずしも比例関係にない。通常炭素膜中のフッ素含有量は混合比より少ない比率でしか含有させることが出来ない。この理由は、CF結合の安定性と関係しており、CF→CF→CFになるほど不安定で、結合したFは再分解するためと考えられている。理論的にはC:Fは1:1すなわち50at%入ることが可能であるが、研究の結果、30at%以上のフッ素を含有させても、安定した炭素膜の成膜が得られにくく実用的には5〜30at%が好ましい。 Carbon film is formed from hydrocarbon gases such as methane, acetylene, benzene, toluene, and argon / fluorine mixed gas, carbon tetrafluoride, carbon hexafluoride dicarbon, sulfur hexafluoride and tetrafluorocarbon 10 The fluorine-containing gas is mixed at an arbitrary ratio to form a film, and the fluorine content in the carbon film varies depending on the type of gas used, the gas flow rate, the applied voltage, and the like. As the proportion of the fluorine-based gas to be mixed increases, the fluorine content in the carbon film increases, but it is not necessarily proportional. Usually, the fluorine content in the carbon film can be contained only at a ratio lower than the mixing ratio. This reason is related to the stability of the CF bond, which is considered to be unstable as CF → CF 2 → CF 3 , and the bonded F is considered to be decomposed again. Theoretically, C: F can be 1: 1, that is, 50 at%. However, as a result of research, it is difficult to obtain a stable carbon film even if it contains 30 at% or more of fluorine. Is preferably 5 to 30 at%.

炭素膜の成膜中におけるアルゴン/フッ素混合ガス、四フッ化カーボン、六フッ化二カーボン、六フッ化硫黄及び十フッ化四カーボン等からなるフッ素系ガスの混合は、カーボンイオン注入時から実施しても良いが、炭素膜形成開始してから、しばらくして徐々に混合していくことが好ましい。炭素膜の潤滑性、離型性を得るには、フッ素系ガスを任意な割合で混合して10kV以下の電圧を印加しながら成膜する。この理由は、高エネルギーで炭素膜の成膜を行うと炭素膜構造が乱れ、硬高度な被膜が得られにくいばかりでなく、成膜速度が得られにくいためである。特に表層部分になるほど低エネルギーで成膜する方が高品質な炭素膜被覆物品が得られるので好ましい。

以下実施例に基づき説明する。
Mixing of fluorine-based gas consisting of argon / fluorine mixed gas, carbon tetrafluoride, dicarbon hexafluoride, sulfur hexafluoride, tetrafluorocarbon 10 and so on during carbon film deposition is performed from the time of carbon ion implantation. However, it is preferable to mix gradually after a while after the start of the carbon film formation. In order to obtain the lubricity and releasability of the carbon film, the film is formed while mixing a fluorine-based gas at an arbitrary ratio and applying a voltage of 10 kV or less. This is because when the carbon film is formed with high energy, the structure of the carbon film is disturbed, and it is difficult not only to obtain a hard and high-grade film but also to obtain a film forming speed. In particular, it is preferable to form a film with a lower energy as the surface layer portion is obtained because a high quality carbon film coated article can be obtained.

This will be described below based on examples.

図1のようなプラズマベースイオン注入・成膜装置を用いて、図2a、bに示すような外寸法φ70×2mm厚のゴム・高分子成形円盤および分析評価用のφ10×1mmテスト用プレートを用いて、次の条件でプラズマを発生させ、カーボンイオン注入+炭素膜の成膜を行い評価した。   Using a plasma-based ion implantation / deposition system as shown in FIG. 1, a rubber / polymer molding disk with an outer dimension of φ70 × 2 mm and a φ10 × 1 mm test plate for analytical evaluation as shown in FIGS. Then, plasma was generated under the following conditions, and carbon ion implantation + carbon film was formed and evaluated.

使用材料:アルミニウム合金(日本軽金属製AC4CH材)
使用ガス種:メタンガス/アセチレン/アルゴン・フッ素5%混合ガス
ガス混合比:メタンガス100/アセチレン90〜50/アルゴン・フッ素10〜50
注入・成膜時圧力:0.5Pa〜1.0Pa
注入エネルギー:10keV、20keV、30keV
成膜エネルギー:10keV→2keV
注入時間:10、20、30分
炭素膜成膜時間:180分
印加周波数:1000Hz及び2000Hz
Material used: Aluminum alloy (Nippon Light Metal AC4CH)
Gas type: Methane gas / acetylene / argon / fluorine 5% gas mixture ratio: Methane gas 100 / acetylene 90-50 / argon / fluorine 10-50
Pressure during injection and film formation: 0.5 Pa to 1.0 Pa
Injection energy: 10keV, 20keV, 30keV
Deposition energy: 10 keV → 2 keV
Injection time: 10, 20, 30 minutes Carbon film deposition time: 180 minutes Applied frequency: 1000 Hz and 2000 Hz

前記の各条件で最初はメタンガスのみでカーボンイオン注入をそれぞれの電圧でアルミニウム基材へイオン注入し、その後電圧を下げながら炭素膜をアセチレン/アルゴン・フッ素混合ガスを用いて成膜を行った。なお圧力はガス混合比を変化すると圧力変動するため、その時の圧力範囲を示し、成膜エネルギーの矢印は成膜時間内に電圧を低下させながら実験したことを示す。注入されたカーボン元素の深さ方向の分布をオージェ分析装置(AES)で評価を行い、カーボンの注入深さと注入量(Atomic Concentration(%))を求めた。またアルミニウム基材表面の硬度と密着性をダイナミック硬度計およびスクラッチ密着性評価試験機にて測定し、さらに摩擦係数をボール&ディスク法による摩擦試験で鋼球を用いて測定した。測定した炭素膜の膜厚は成膜条件により異なるが、2〜4μmの炭素膜が形成されていた。更にアルミニウム基材表面の離型性を評価するための一般的な手法として、水に対する接触角を蒸留水適下法による接触角測定器で評価した。AES分析については代表例として注入時間30分、1000Hzの条件において注入エネルギー10keV、20keV、30keVにおけるカーボン注入分布を図3に示した。また硬度、密着性、摩擦係数、接触角については図4に上記条件における変化を未処理アルミニウム基材と比較して示した。   Under each of the above conditions, carbon ion implantation was initially performed with only methane gas at each voltage, and then the carbon film was formed using an acetylene / argon / fluorine mixed gas while lowering the voltage. Since the pressure fluctuates when the gas mixture ratio changes, the pressure range at that time is shown, and the arrow of film formation energy indicates that the experiment was performed while reducing the voltage within the film formation time. The distribution of the implanted carbon element in the depth direction was evaluated with an Auger analyzer (AES), and the carbon implantation depth and amount (Atomic Concentration (%)) were determined. Further, the hardness and adhesion of the aluminum substrate surface were measured with a dynamic hardness meter and a scratch adhesion evaluation tester, and the friction coefficient was measured with a steel ball in a friction test by a ball and disk method. Although the measured film thickness of the carbon film differs depending on the film forming conditions, a carbon film of 2 to 4 μm was formed. Furthermore, as a general method for evaluating the releasability on the surface of the aluminum substrate, the contact angle with water was evaluated with a contact angle measuring device using a distilled water appropriate method. As a typical example of the AES analysis, carbon injection distributions at injection energies of 10 keV, 20 keV, and 30 keV under conditions of an injection time of 30 minutes and 1000 Hz are shown in FIG. Regarding the hardness, adhesion, coefficient of friction, and contact angle, changes in the above conditions are shown in FIG. 4 in comparison with an untreated aluminum substrate.

図3の横軸はアルミニウム材料の深さ方向を示して、原点は炭素膜材料を示し、縦軸は材料中のカーボン元素の割合を示している。なお分析に当たり炭素膜はあらかじめアルゴンスパッタにより薄くしてから分析した。図3から判るようにアルミニウム表面では炭素膜主成分であるカーボン層が300nm付近まで形成されており、310nm付近がアルミニウムの最表層部分と見られる。ここからカーボン注入層が360nm〜450nm付近まで高濃度のカーボン層であることが判る。この結果、注入エネルギーが高いほどカーボンの侵入深さは深く、内部までイオン注入されていることが判る。カーボンの注入深さは10keVで60nm付近まで、20keVで90nm、30keVで120nmほどイオン注入されていることが判る。このことは炭素膜形成前の印加電圧が高い程、カーボンはアルミニウム材料中の深くまで入り込み傾斜構造を示していることが判る。   The horizontal axis in FIG. 3 indicates the depth direction of the aluminum material, the origin indicates the carbon film material, and the vertical axis indicates the ratio of the carbon element in the material. In the analysis, the carbon film was analyzed after thinning by argon sputtering in advance. As can be seen from FIG. 3, the carbon layer, which is the main component of the carbon film, is formed on the aluminum surface up to about 300 nm, and the vicinity of 310 nm is seen as the outermost layer portion of aluminum. From this, it can be seen that the carbon injection layer is a carbon layer having a high concentration from 360 nm to around 450 nm. As a result, it can be seen that the higher the implantation energy, the deeper the carbon penetration depth, and the ion implantation into the interior. It can be seen that the carbon implantation depth is about 10 nm at 10 keV, 90 nm at 20 keV, and 120 nm at 30 keV. This shows that the higher the applied voltage before forming the carbon film, the deeper the carbon enters the aluminum material, indicating a tilted structure.

一方、アルミニウム表面のダイナミック硬度、スクラッチ密着力と摩擦係数は図4に示すように未処理のアルミニウムは非常に柔らかいが、炭素膜を成膜することによりいずれも900以上の硬度を示し、且つスクラッチ密着力も基材が柔らかいにもかかわらず15N以上の密着力を示すことが判る。またアルミ基材は非常に高い摩擦係数を示すが、炭素膜によりいずれも0.23以下の低摩擦係数を示した。イオン注入エネルギーと注入時間の関係を見ると、高エネルギーでやや時間の長い方が硬度は高く、摩擦係数が低いように思われるが、F混合割合の影響が大きく寄与することが判った。F混合割合は炭素膜中のF含有量とは一致せず、別途光電子分光分析により膜中のフッ素含有量を求めた。   On the other hand, as shown in FIG. 4, the dynamic hardness, scratch adhesion and friction coefficient of the aluminum surface are very soft for untreated aluminum, but all show a hardness of 900 or more by forming a carbon film. It can be seen that the adhesion strength is 15 N or more even though the substrate is soft. Moreover, although the aluminum base material showed a very high friction coefficient, all showed the low friction coefficient of 0.23 or less by the carbon film. Looking at the relationship between the ion implantation energy and the implantation time, it was found that the higher the energy and the longer the time, the higher the hardness and the lower the friction coefficient, but the influence of the F mixing ratio greatly contributed. The F mixing ratio did not coincide with the F content in the carbon film, and the fluorine content in the film was determined separately by photoelectron spectroscopy.

さらにアルミニウム表面への蒸留水の接触角を測定した結果、図4に示すように未処理のアルミニウムは親水性であるが、フッ素含有炭素膜は殆ど90度以上の接触角を示し撥水性表面が得られることが判る。接触角はF混合割合が多いほど高くなり、イオン注入エネルギーと注入時間の関係を検討すると注入時間には大きく影響せず、注入エネルギーが低い方が撥水性の傾向にあることが判った。このことから未処理のアルミニウム合金と比較すると適度なカーボンイオン注入を行い、その表面にF含有炭素膜を形成することにより、潤滑性と撥水性に優れた新規な材料表面を形成することが明らかである。   Furthermore, as a result of measuring the contact angle of distilled water to the aluminum surface, as shown in FIG. 4, untreated aluminum is hydrophilic, but the fluorine-containing carbon film shows a contact angle of almost 90 degrees or more and the water repellent surface is It turns out that it is obtained. The contact angle increases as the F mixing ratio increases. Examination of the relationship between the ion implantation energy and the implantation time did not significantly affect the implantation time, and it was found that the lower the implantation energy, the higher the water repellency. From this, it is clear that a new material surface excellent in lubricity and water repellency can be formed by performing moderate carbon ion implantation and forming an F-containing carbon film on the surface compared with an untreated aluminum alloy. It is.

図1のようなプラズマベースイオン注入・成膜装置を用いて、図2a、bに示すような外寸法φ70×2mm厚のゴム・高分子成形円盤および分析評価用のφ10×1mmテスト用プレートを用いて、次の条件でプラズマを発生させ、カーボンイオン注入+炭素膜の成膜を行い評価した。   Using a plasma-based ion implantation / deposition system as shown in FIG. 1, a rubber / polymer molding disk with an outer dimension of φ70 × 2 mm and a φ10 × 1 mm test plate for analytical evaluation as shown in FIGS. Then, plasma was generated under the following conditions, and carbon ion implantation + carbon film was formed and evaluated.

使用材料:アルミナ材料(京セラ株式会社製A−476材)
使用ガス種:メタンガス/アセチレン/四フッ化炭素ガス
ガス混合比:メタンガス100/アセチレン90〜50/四フッ化炭素10〜50
注入・成膜時圧力:0.5Pa〜1.0Pa
注入エネルギー:10keV、20keV、30keV
成膜エネルギー:10keV→2keV
注入時間:10、20、30分
炭素膜成膜時間:180分
印加周波数:1000Hz及び2000Hz
Material used: Alumina material (A-476, manufactured by Kyocera Corporation)
Gas type used: Methane gas / acetylene / carbon tetrafluoride gas mixture ratio: Methane gas 100 / acetylene 90-50 / carbon tetrafluoride 10-50
Pressure during injection and film formation: 0.5 Pa to 1.0 Pa
Injection energy: 10keV, 20keV, 30keV
Deposition energy: 10 keV → 2 keV
Injection time: 10, 20, 30 minutes Carbon film deposition time: 180 minutes Applied frequency: 1000 Hz and 2000 Hz

前記の各条件で最初はメタンガスのみでカーボンイオン注入をそれぞれの電圧でアルミナ基材へイオン注入し、その後電圧を下げながら炭素膜をアセチレン/四フッ化炭素ガス混合ガスを用いて成膜を行った。なお圧力はガス混合比を変化すると圧力変動するため、その時の圧力範囲を示し、成膜エネルギーの矢印は成膜時間内に電圧を低下させながら実験したことを示す。注入されたカーボン元素の深さ方向の分布をオージェ分析装置(AES)で評価を行い、カーボンの注入深さと注入量(Atomic Concentration(%))を求めた。またアルミナ基材表面の硬度と密着性をダイナミック硬度計およびスクラッチ密着性評価試験機にて測定し、さらに摩擦係数をボール&ディスク法による摩擦試験で鋼球を用いて測定した。測定した炭素膜の膜厚は成膜条件により異なるが、1.5〜3μmの炭素膜が形成されていた。更にアルミナ基材表面の離型性の指標として水に対する接触角を蒸留水適下法による接触角測定器で評価した。AES分析については代表例として注入時間30分、1000Hzの条件において注入エネルギー10keV、20keV、30keVにおけるカーボン注入分布を図5に示した。また硬度、密着性、摩擦係数、接触角については図6に上記条件における変化を未処理アルミナ基材と比較して示した。   Under each of the above conditions, carbon ion implantation is initially performed with only methane gas at each voltage, and then the carbon film is formed using an acetylene / carbon tetrafluoride gas mixed gas while lowering the voltage. It was. Since the pressure fluctuates when the gas mixture ratio changes, the pressure range at that time is shown, and the arrow of film formation energy indicates that the experiment was performed while reducing the voltage within the film formation time. The distribution of the implanted carbon element in the depth direction was evaluated with an Auger analyzer (AES), and the carbon implantation depth and amount (Atomic Concentration (%)) were determined. Further, the hardness and adhesion of the alumina substrate surface were measured with a dynamic hardness meter and a scratch adhesion evaluation tester, and the friction coefficient was measured with a steel ball in a friction test by a ball and disk method. Although the measured film thickness of the carbon film varies depending on the film formation conditions, a carbon film of 1.5 to 3 μm was formed. Further, the contact angle with water was evaluated by a contact angle measuring device using a distilled water appropriate method as an index of releasability on the surface of the alumina substrate. As a typical example of AES analysis, carbon injection distributions at injection energies of 10 keV, 20 keV, and 30 keV under conditions of an injection time of 30 minutes and 1000 Hz are shown in FIG. Regarding the hardness, adhesion, coefficient of friction, and contact angle, changes in the above conditions are shown in FIG. 6 in comparison with the untreated alumina substrate.

図5の横軸はアルミナ材料の深さ方向を示して、原点は炭素膜材料を示し、縦軸は材料中のカーボン元素の割合を示している。なお分析に当たり炭素膜はあらかじめアルゴンスパッタにより薄くしてから分析した。図5から判るようにアルミナ表面では炭素膜主成分であるカーボン層が300nm付近まで形成されており、280nm付近がアルミナの最表層部分と見られる。ここからカーボン注入層が380nm〜550nm付近まで高濃度のカーボン層であることが判る。この結果、注入エネルギーが高いほどカーボンの侵入深さは深く、内部までイオン注入されていることが判る。カーボンの注入深さは10keVで100nm付近まで、20keVで180nm、30keVで250nmほどイオン注入されていることが判る。このことは炭素膜形成前の印加電圧が高い程、カーボンはアルミナ材料中の深くまで入り込み傾斜構造を示していることが判る。   The horizontal axis of FIG. 5 indicates the depth direction of the alumina material, the origin indicates the carbon film material, and the vertical axis indicates the ratio of the carbon element in the material. In the analysis, the carbon film was analyzed after thinning by argon sputtering in advance. As can be seen from FIG. 5, the carbon layer, which is the main component of the carbon film, is formed up to about 300 nm on the alumina surface, and the vicinity of 280 nm is seen as the outermost layer portion of alumina. From this, it can be seen that the carbon injection layer is a carbon layer having a high concentration from 380 nm to 550 nm. As a result, it can be seen that the higher the implantation energy, the deeper the carbon penetration depth, and the ion implantation into the interior. It can be seen that the carbon implantation depth is about 10 nm at 10 keV, 180 nm at 20 keV, and 250 nm at 30 keV. This shows that the higher the applied voltage before the carbon film is formed, the deeper the carbon enters the alumina material, indicating a tilted structure.

一方、アルミナ表面のダイナミック硬度、スクラッチ密着力と摩擦係数は図6に示すように未処理のアルミナは基材そのものが硬いため、炭素膜を成膜することによりやや硬度が低下する傾向を示す。しかしスクラッチ密着力は基材が硬いため20N以上の密着力を示すことが判る。また摩擦係数はアルミナ基材は高い値であるが、炭素膜によりいずれも0.23以下の低摩擦係数を示した。イオン注入エネルギーと注入時間の関係を見ると、高エネルギーでやや時間の長い方が硬度は高く、摩擦係数が低い傾向にあるが、F混合割合の影響が大きく寄与することが判った。F混合割合は炭素膜中のF含有量とは一致せず、別途光電子分光分析により膜中のフッ素含有量を求めた。   On the other hand, as shown in FIG. 6, the dynamic hardness, scratch adhesion and friction coefficient of the alumina surface show a tendency that the hardness of the untreated alumina is slightly lowered by forming a carbon film because the substrate itself is hard. However, it can be seen that the scratch adhesion shows an adhesion of 20 N or more because the substrate is hard. The friction coefficient of the alumina base material was high, but the carbon film showed a low friction coefficient of 0.23 or less. Looking at the relationship between the ion implantation energy and the implantation time, it was found that the higher the energy and the longer the time, the higher the hardness and the lower the friction coefficient, but the greater the influence of the F mixing ratio. The F mixing ratio did not coincide with the F content in the carbon film, and the fluorine content in the film was determined separately by photoelectron spectroscopy.

さらにアルミナ表面への蒸留水の接触角を測定した結果、図6に示すように未処理のアルミナは親水性であるが、フッ素含有炭素膜は殆ど90度以上の接触角を示し撥水性表面が得られることが判る。接触角はF混合割合が多いほど高くなり、イオン注入エネルギーと注入時間の関係を検討すると注入時間には大きく影響せず、注入エネルギーが低い方が撥水性の傾向にあることが判った。このことから未処理のアルミナと比較すると適度なカーボンイオン注入を行い、その表面にF含有炭素膜を形成することにより、潤滑性と撥水性に優れた新規な材料表面を形成することが明らかである。   Further, as a result of measuring the contact angle of distilled water to the alumina surface, as shown in FIG. 6, untreated alumina is hydrophilic, but the fluorine-containing carbon film shows a contact angle of almost 90 degrees or more, and the water repellent surface is It turns out that it is obtained. The contact angle increases as the F mixing ratio increases. Examination of the relationship between the ion implantation energy and the implantation time did not significantly affect the implantation time, and it was found that the lower the implantation energy, the higher the water repellency. From this, it is clear that a new material surface excellent in lubricity and water repellency can be formed by performing moderate carbon ion implantation and forming an F-containing carbon film on the surface compared with untreated alumina. is there.

次に使用材料を変化させて図2a、bに示すような外寸法φ70×2mm厚のゴム・高分子成形円盤および分析評価用のφ10×1mmテスト用プレートを用いて、実験例1と同様にプラズマを発生させ、カーボンイオン注入+炭素膜の成膜を行い評価した。   Next, by changing the materials used, using a rubber / polymer molding disk with an outer dimension of φ70 × 2 mm as shown in FIGS. 2A and 2B and a φ10 × 1 mm test plate for analytical evaluation, the same as in Experimental Example 1 Plasma was generated and carbon ion implantation + carbon film was formed and evaluated.

使用材料:ニトリルゴム(日本ゼオン製ニッポールDN201)
使用ガス種:メタンガス/トルエン/四フッ化炭素ガス
ガス混合比:メタンガス100/トルエン90〜50/四フッ化炭素10〜50
注入・成膜時圧力:0.5Pa〜1.0Pa
注入エネルギー:10keV、20keV、30keV
成膜エネルギー:10keV→2keV
注入時間:10、20、30分
炭素膜成膜時間:60分
印加周波数:1000Hz及び3000Hz
Materials used: Nitrile rubber (Nippol DN201 manufactured by ZEON)
Gas type used: Methane gas / toluene / carbon tetrafluoride gas mixture ratio: Methane gas 100 / toluene 90-50 / carbon tetrafluoride 10-50
Pressure during injection and film formation: 0.5 Pa to 1.0 Pa
Injection energy: 10keV, 20keV, 30keV
Deposition energy: 10 keV → 2 keV
Injection time: 10, 20, 30 minutes Carbon film deposition time: 60 minutes Applied frequency: 1000 Hz and 3000 Hz

前記の各条件で最初はメタンガスのみでカーボンイオン注入をそれぞれの電圧でニトリルゴム成形品へイオン注入し、その後電圧を下げながら炭素膜の形成をトルエン/四フッ化炭素混合ガスを用いて成膜を行った。なお圧力はガス混合比を変化すると圧力変動するため、その時の圧力範囲を示し、成膜エネルギーの矢印は成膜時間内に電圧を低下させながら実験したことを示す。注入されたカーボン元素の深さ方向の分布をオージェ分析装置(AES)で評価を行い、カーボンの注入深さと注入量(Atomic Concentration(%))を求めた。またニトリルゴム表面の硬度と炭素膜の密着性をダイナミック硬度計およびスクラッチ密着性評価試験機を用いて測定し、さらに摩擦係数をボール&ディスク法による摩擦試験で鋼球を用いて測定した。更にニトリルゴム表面の離型性の指標として水に対する接触角を蒸留水適下法による接触角測定器で評価した。AES分析については代表例として注入時間30分、2000Hzの条件において注入エネルギー10keV、20keV、30keVにおけるカーボン注入分布を図7に示した。また硬度、密着性、摩擦係数、接触角については図8に上記条件における変化を未処理ニトリルゴムと比較して示した。   Under each of the above conditions, carbon ion implantation is first performed using only methane gas at each voltage, and then the nitrile rubber molded product is ion-implanted. Thereafter, the carbon film is formed using a toluene / carbon tetrafluoride mixed gas while lowering the voltage. Went. Since the pressure fluctuates when the gas mixture ratio changes, the pressure range at that time is shown, and the arrow of film formation energy indicates that the experiment was performed while reducing the voltage within the film formation time. The distribution of the implanted carbon element in the depth direction was evaluated with an Auger analyzer (AES), and the carbon implantation depth and amount (Atomic Concentration (%)) were determined. Further, the hardness of the nitrile rubber surface and the adhesion of the carbon film were measured using a dynamic hardness meter and a scratch adhesion evaluation tester, and the friction coefficient was measured using a steel ball in a friction test by a ball and disk method. Further, as an index of releasability on the nitrile rubber surface, the contact angle with water was evaluated by a contact angle measuring device using a distilled water appropriate method. As a typical example of the AES analysis, the carbon injection distribution at an injection energy of 10 keV, 20 keV, and 30 keV under the conditions of an injection time of 30 minutes and 2000 Hz is shown in FIG. Regarding the hardness, adhesion, coefficient of friction, and contact angle, changes in the above conditions are shown in FIG. 8 in comparison with untreated nitrile rubber.

図7の横軸はニトリルゴム材料の深さ方向を示して、原点は炭素膜材料を示し、縦軸は材料中のカーボン元素の割合を示している。図7から判るようにニトリルゴムの表面では炭素膜成分であるカーボン層が300nm付近まで形成されており、320nm付近がニトリルゴムの最表層部分と見られる。またニトリルゴム中にはかなりのカーボンが配合されているためベース濃度が高いことが判る。ここからカーボン注入層が550nm〜800nm付近まで高濃度のカーボン層であることが判る。この結果、注入エネルギーが高いほどカーボンの侵入深さは深く、内部までベースより高濃度であることが判る。カーボンの注入深さは10keVで130nm付近まで、20keVで380nm、30keVで550nmほどイオン注入されていることが判る。このことは炭素膜形成前の印加電圧が高い程、カーボンはニトリルゴム材料中の深くまで入り込み傾斜構造を示していることが判る。   The horizontal axis of FIG. 7 indicates the depth direction of the nitrile rubber material, the origin indicates the carbon film material, and the vertical axis indicates the ratio of the carbon element in the material. As can be seen from FIG. 7, on the surface of the nitrile rubber, a carbon layer, which is a carbon film component, is formed up to around 300 nm, and around 320 nm is seen as the outermost layer portion of the nitrile rubber. It can also be seen that the base concentration is high because nitrile rubber contains a considerable amount of carbon. From this, it can be seen that the carbon injection layer is a carbon layer having a high concentration from 550 nm to about 800 nm. As a result, it is found that the higher the implantation energy, the deeper the carbon penetration depth, and the higher the concentration of the carbon than the base. It can be seen that the carbon implantation depth is 10 keV to about 130 nm, 20 keV is 380 nm, and 30 keV is about 550 nm. This shows that the higher the applied voltage before the carbon film is formed, the deeper the carbon enters the nitrile rubber material, indicating an inclined structure.

一方、ニトリルゴム表面のダイナミック硬度と摩擦係数は図8に示すように未処理のニトリルゴムは非常に柔らかいが、炭素膜を成膜することによりいずれも600以上の硬度を示し、摩擦係数はいずれも0.27以下の摩擦係数を示した。イオン注入エネルギーと注入時間の関係を見ると、高エネルギーでやや時間の長い方が硬度は高く、摩擦係数が低いように思われるが、F混合割合の影響が大きく寄与することが判った。F混合割合は炭素膜中のF含有量とは一致せず、別途光電子分光分析により膜中のフッ素含有量を求めた。   On the other hand, as shown in FIG. 8, the nitrile rubber surface has a dynamic hardness and a friction coefficient of untreated nitrile rubber, which are very soft. However, by forming a carbon film, each shows a hardness of 600 or more. Also showed a friction coefficient of 0.27 or less. Looking at the relationship between the ion implantation energy and the implantation time, it was found that the higher the energy and the longer the time, the higher the hardness and the lower the friction coefficient, but the influence of the F mixing ratio greatly contributed. The F mixing ratio did not coincide with the F content in the carbon film, and the fluorine content in the film was determined separately by photoelectron spectroscopy.

さらにニトリルゴム表面の水の接触角を測定した結果、図8に示すように未処理のニトリルゴムは親水性であるが、炭素膜形成によりいずれも接触角は大きくなり撥水性表面が得られることが判る。接触角はF混合割合が多いほど高くなる傾向にあることが判った。イオン注入エネルギーと注入時間の関係を検討するとあまり大きく影響せず、F混合割合を最適化する必要があることが判る。このことから未処理のニトリルゴムと比較すると適度なカーボンイオン注入を行い、その表面にF含有炭素膜を形成することにより、潤滑性で撥水性にとんだ新規な材料表面を形成することが明らかである。   Furthermore, as a result of measuring the contact angle of water on the surface of the nitrile rubber, as shown in FIG. 8, the untreated nitrile rubber is hydrophilic, but the contact angle is increased by carbon film formation, and a water-repellent surface is obtained. I understand. It was found that the contact angle tends to increase as the F mixing ratio increases. Examining the relationship between the ion implantation energy and the implantation time does not significantly affect the relationship, and it is understood that the F mixing ratio needs to be optimized. From this, it is clear that a new material surface that is lubricious and water-repellent can be formed by performing moderate carbon ion implantation and forming an F-containing carbon film on the surface compared to untreated nitrile rubber. is there.

次に使用材料を変化させて図2a、bに示すような外寸法φ70×2mm厚のゴム・高分子成形円盤および分析評価用のφ10×1mmテスト用プレートを用いて、実験例1と同様にプラズマを発生させ、カーボンイオン注入+炭素膜の成膜を行い評価した。   Next, by changing the materials used, using a rubber / polymer molding disk with an outer dimension of φ70 × 2 mm as shown in FIGS. 2A and 2B and a φ10 × 1 mm test plate for analytical evaluation, the same as in Experimental Example 1 Plasma was generated and carbon ion implantation + carbon film was formed and evaluated.

使用材料:ポリプロピレン樹脂(住友化学工業製ノーブレンH501)
使用ガス種:メタンガス/アセチレンガス/四フッ化炭素ガス
ガス混合比:メタンガス100/アセチレン90〜50/四フッ化炭素10〜50
注入・成膜時圧力:0.5Pa〜1.0Pa
注入エネルギー:10keV、20keV、30keV
成膜エネルギー:10keV→2keV
注入時間:10、20、30分
炭素膜成膜時間:90分
印加周波数:1000Hz
Material used: Polypropylene resin (Nobrene H501 manufactured by Sumitomo Chemical)
Gas type used: Methane gas / acetylene gas / carbon tetrafluoride gas mixture ratio: methane gas 100 / acetylene 90-50 / carbon tetrafluoride 10-50
Pressure during injection and film formation: 0.5 Pa to 1.0 Pa
Injection energy: 10keV, 20keV, 30keV
Deposition energy: 10 keV → 2 keV
Injection time: 10, 20, 30 minutes Carbon film formation time: 90 minutes Applied frequency: 1000 Hz

前記の各条件で最初はメタンガスのみでカーボンイオン注入をそれぞれの電圧でポリプロピレン樹脂成形品へイオン注入し、その後電圧を下げながら炭素膜形成をアセチレン/四フッ化炭素混合ガスを用いて成膜を行った。なお圧力はガス混合比を変化すると圧力変動するため、その時の圧力範囲を示し、成膜エネルギーの矢印は成膜時間内に電圧を低下させながら実験したことを示す。注入されたカーボン元素の深さ方向の分布をオージェ分析装置(AES)で評価を行い、カーボンの注入深さと注入量(Atomic Concentration(%))を求めた。またポリプロピレン樹脂表面の硬度と密着性をダイナミック硬度計およびスクラッチ密着性評価試験機を用いて測定し、また摩擦係数をボール&ディスク法による摩擦試験で鋼球を用いて測定した。更にポリプロピレン樹脂表面の水に対する接触角を蒸留水適下法による接触角測定器で評価した。AES分析については代表例として注入時間30分、1000Hzの条件において注入エネルギー10keV、20keV、30keVにおけるカーボン注入分布を図9に示した。また硬度、密着性、摩擦係数、接触角については図10に上記条件における変化を未処理ポリプロピレン樹脂と比較して示した。   Under each of the above conditions, carbon ion implantation is first performed with only methane gas at each voltage to the polypropylene resin molded product, and then the carbon film is formed using an acetylene / carbon tetrafluoride mixed gas while lowering the voltage. went. Since the pressure fluctuates when the gas mixture ratio changes, the pressure range at that time is shown, and the arrow of film formation energy indicates that the experiment was performed while reducing the voltage within the film formation time. The distribution of the implanted carbon element in the depth direction was evaluated with an Auger analyzer (AES), and the carbon implantation depth and amount (Atomic Concentration (%)) were determined. Further, the hardness and adhesion of the polypropylene resin surface were measured using a dynamic hardness meter and a scratch adhesion evaluation tester, and the friction coefficient was measured using a steel ball in a ball and disk friction test. Furthermore, the contact angle with water on the surface of the polypropylene resin was evaluated with a contact angle measuring device using a distilled water appropriate method. As a typical example of AES analysis, carbon injection distributions at injection energies of 10 keV, 20 keV, and 30 keV under conditions of an injection time of 30 minutes and 1000 Hz are shown in FIG. Regarding the hardness, adhesion, coefficient of friction, and contact angle, changes in the above conditions are shown in FIG. 10 in comparison with untreated polypropylene resin.

図9の横軸はポリプロピレン樹脂材料の深さ方向を示している。本試料は炭素膜厚が2μmと厚いため、あらかじめアルゴンスパッタリングして測定しており、原点は炭素膜材料の中間部分を示し、縦軸は材料中のカーボン元素の割合を示している。図9から判るようにポリプロピレン樹脂表面には炭素膜成分のカーボン層が残留しており、220nm付近がニトリルゴムの最表層部分と見られる。ここからカーボン注入層が450nm〜800nm付近まで高濃度のカーボン層であることが判る。ポリプロピレン樹脂は元々カーボン成分が少なく、注入エネルギーが高いほどカーボンの侵入深さは深く、内部まで高濃度であることが判る。カーボンの注入深さは10keVで200nm付近まで、20keVで400nm、30keVで600nmほどイオン注入されていることが判る。このことは炭素膜形成前の印加電圧が高い程、カーボンはポリプロピレン樹脂材料中の深くまで入り込み傾斜構造を示していることが判る。   The horizontal axis in FIG. 9 indicates the depth direction of the polypropylene resin material. Since this sample has a carbon film thickness as thick as 2 μm, it was measured in advance by argon sputtering, the origin indicates the middle part of the carbon film material, and the vertical axis indicates the ratio of the carbon element in the material. As can be seen from FIG. 9, the carbon layer of the carbon film component remains on the surface of the polypropylene resin, and the vicinity of 220 nm can be seen as the outermost layer portion of the nitrile rubber. From this, it can be seen that the carbon injection layer is a carbon layer having a high concentration from 450 nm to 800 nm. It can be seen that polypropylene resin originally has few carbon components, and the higher the injection energy, the deeper the carbon penetration depth, and the higher the concentration inside. It can be seen that the carbon implantation depth is about 10 nm at 10 keV, about 400 nm at 20 keV, and 600 nm at 30 keV. This indicates that the higher the applied voltage before the carbon film is formed, the deeper the carbon enters the polypropylene resin material, indicating an inclined structure.

一方、ポリプロピレン樹脂表面のダイナミック硬度は図10に示すように未処理のポリプロピレン樹脂は柔らかいが、炭素膜を成膜することによりいずれも1000以上の硬度を示し、その被膜の密着性も15N以上の密着力を示し、屈曲しても炭素膜が剥離することなく良好な密着性をしました。また摩擦係数は未処理よりも減少しいずれも0.23以下の摩擦係数を示した。イオン注入エネルギーと注入時間の関係を見ると、長時間イオン注入した方がやや硬度は高く、摩擦係数が低いように思われるが、ゴム材料と同様にF混合割合の影響が大きく寄与することが判った。F混合割合は炭素膜中のF含有量とは一致せず、別途光電子分光分析により膜中のフッ素含有量を求めた。   On the other hand, as shown in FIG. 10, the dynamic hardness of the polypropylene resin surface is soft in the untreated polypropylene resin, but all of them show a hardness of 1000 or more by forming a carbon film, and the adhesion of the film is 15 N or more. Adhesion was shown, and the carbon film did not peel even when bent, giving good adhesion. The coefficient of friction decreased from that of the untreated sample, and both showed a coefficient of friction of 0.23 or less. Looking at the relationship between the ion implantation energy and the implantation time, it seems that the ion implantation for a long time has a slightly higher hardness and a lower friction coefficient, but the influence of the F mixing ratio contributes greatly as in the rubber material. understood. The F mixing ratio did not coincide with the F content in the carbon film, and the fluorine content in the film was determined separately by photoelectron spectroscopy.

さらにポリプロピレン樹脂表面の水の接触角を測定した結果、図10に示すように未処理のポリプロピレン樹脂はやや疎水性であるが、炭素膜形成することによりいずれも接触角は大きくなり撥水性表面が得られことが判る。また接触角はF混合割合が多いほど高くなることが判った。イオン注入エネルギーと注入時間の関係を見ると、接触角は大きくエネルギーに依存せず炭素膜の成膜条件の影響を受けることが判る。本発明の試料は未処理のポリプロピレン樹脂と比較すると適度なカーボンイオン注入を行い、その表面にF含有炭素膜を成膜することにより、潤滑性で、撥水性に優れた新規な材料表面を形成することが明らかである。   Furthermore, as a result of measuring the contact angle of water on the surface of the polypropylene resin, as shown in FIG. 10, the untreated polypropylene resin is slightly hydrophobic. It turns out that it is obtained. It was also found that the contact angle increases as the F mixing ratio increases. Looking at the relationship between the ion implantation energy and the implantation time, it can be seen that the contact angle is largely independent of energy and is affected by the deposition conditions of the carbon film. Compared with untreated polypropylene resin, the sample of the present invention performs moderate carbon ion implantation and forms a F-containing carbon film on its surface, thereby forming a new material surface that is lubricious and excellent in water repellency. It is clear to do.

次に炭素膜の成膜時のプラズマ生成用フッ素ガス混合割合と成膜された炭素膜中のフッ素含有量との関係を、光電子分光分析装置(XPS)を用いて分析し、F含有量を同定した。使用したガス種はアセチレンガス/アルゴン・フッ素混合ガスまたは四フッ化カーボンまたは六フッ化二カーボンガスを、それぞれ90:10、80:20、70:30、60:40、50:50、40:60の割合で混合したガスを真空チャンバー内に導入して炭素膜を1μm程度行ったものを用いた。その結果、図9に示すようにフッ素系ガスの混合割合が多くなると炭素膜中のF含有量が比例して多くなることが判る。しかしフッ素系ガスを50%以上混合してもF含有量は30%以下に押さえられる傾向にある。混合ガスが50%未満では炭素膜中に入り込むF含有量はほぼ1/2以下でフッ素系ガス種によって異なることが判った。   Next, the relationship between the plasma generation fluorine gas mixing ratio at the time of carbon film formation and the fluorine content in the formed carbon film is analyzed using a photoelectron spectrometer (XPS), and the F content is determined. Identified. The gas types used were acetylene gas / argon / fluorine mixed gas, carbon tetrafluoride or hexafluorodicarbon gas, 90:10, 80:20, 70:30, 60:40, 50:50, 40: respectively. A gas obtained by introducing a gas mixed at a ratio of 60 into a vacuum chamber and forming a carbon film of about 1 μm was used. As a result, as shown in FIG. 9, it can be seen that the F content in the carbon film increases proportionally as the mixing ratio of the fluorine-based gas increases. However, even when 50% or more of the fluorine-based gas is mixed, the F content tends to be suppressed to 30% or less. It was found that when the mixed gas was less than 50%, the F content entering the carbon film was approximately ½ or less and varied depending on the fluorine gas type.

図4、図6、図8、図10の表面物理的特性と図11のフッ素含有量の関係を検討すると、本発明の金属、セラミックス、プラスチック成形品へのカーボンイオン注入後に炭化水素系ガスとフッ素系ガスを混合して炭素膜を成膜することにより、炭素膜中には5〜30%のフッ素が含有することは明らかになり、これにより高い硬度と密着性を維持しながら潤滑性と優れた撥水性すなわち離型性のある新規な炭素膜被覆物品が得られることは明らかである。 Examining the relationship between the surface physical characteristics of FIGS. 4, 6, 8, and 10 and the fluorine content of FIG. 11, the hydrocarbon-based gas after carbon ion implantation into the metal, ceramic, and plastic molded articles of the present invention By forming a carbon film by mixing a fluorine-based gas, it becomes clear that the carbon film contains 5 to 30% of fluorine, thereby maintaining lubricity while maintaining high hardness and adhesion. It is clear that a novel carbon film-coated article having excellent water repellency, that is, releasability can be obtained.

また実験例には記載していないが、図8、図10で得られたゴム、プラスチック成形品のシートは柔軟で180度の折り曲げ試験を実施しても表面の炭素膜は剥離することなく、微細なクラックが入るのみであった。また実験例のように10〜30keV電圧を印加せずに炭素膜を1kVで行った試料は、折り曲げ試験後に炭素膜が部分的に剥離し、摩擦係数は大きくなり未処理のゴム・プラスチック成形品と同等であった。このことから炭素膜形成の前処理としてカーボンのパルスイオン注入が不可欠であることが明らかになった。 Although not described in the experimental examples, the rubber and plastic molded sheets obtained in FIGS. 8 and 10 are flexible and the carbon film on the surface does not peel off even when a 180-degree bending test is performed. Only fine cracks occurred. In addition, as in the experimental example, the carbon film was applied at 1 kV without applying a 10-30 keV voltage. After the bending test, the carbon film partially peeled off, and the coefficient of friction increased, resulting in an untreated rubber / plastic molded product. It was equivalent. From this, it became clear that pulse ion implantation of carbon is indispensable as a pretreatment for forming a carbon film.

本発明の金型処理方法に用いるプラズマベースイオン注入・成膜装置の構成図である。It is a block diagram of the plasma base ion implantation and film-forming apparatus used for the metal mold | die processing method of this invention. 実験に用いたプレス成形金型及びテスト試料の形状を示す。The shape of the press mold used for the experiment and the test sample is shown. アルミニウム合金へのカーボンイオン注入+炭素膜形成後のオージェ分析によるカーボン注入深さとカーボン濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the carbon ion implantation to an aluminum alloy + carbon implantation depth by the Auger analysis after carbon film formation, and carbon concentration. アルミニウム合金へのカーボンイオン注入+炭素膜形成後の硬度、密着力、摩擦係数、接触角など物理的変化を測定した結果である。This is a result of measuring physical changes such as hardness, adhesion, friction coefficient, contact angle after carbon ion implantation into an aluminum alloy + carbon film formation. アルミナ基材へのカーボンイオン注入+炭素膜形成後のオージェ分析によるカーボン注入深さとカーボン濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the carbon injection depth by the Auger analysis after carbon ion implantation + carbon film formation to an alumina base material, and carbon concentration. アルミナ基材へのカーボンイオン注入+炭素膜形成後の硬度、密着力、摩擦係数、接触角など物理的変化を測定した結果である。It is the result of measuring physical changes such as carbon ion implantation into an alumina base material + carbon film formation, hardness, adhesion, friction coefficient, contact angle, and the like. ニトリルゴムへのカーボンイオン注入+炭素膜形成後のオージェ分析によるカーボン注入深さとカーボン濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the carbon implantation depth by the Auger analysis after carbon ion implantation + carbon film formation to a nitrile rubber, and carbon concentration. ニトリルゴムへのカーボンイオン注入+炭素膜形成後の硬度、密着力、摩擦係数、接触角など物理的変化を測定した結果である。It is the result of measuring physical changes such as carbon ion implantation into nitrile rubber + carbon film formation, hardness, adhesion, friction coefficient, contact angle. ポリプロピレン樹脂へのカーボンイオン注入+炭素膜形成後のオージェ分析によるカーボン注入深さとカーボン濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the carbon implantation depth by the Auger analysis after carbon ion implantation + carbon film formation to a polypropylene resin, and carbon concentration. ポリプロピレン樹脂へのカーボンイオン注入+炭素膜形成後の硬度、密着力、摩擦係数、接触角など物理的変化を測定した結果である。It is the result of measuring physical changes such as hardness, adhesion, coefficient of friction, and contact angle after carbon ion implantation and carbon film formation into polypropylene resin. 炭素膜形成中におけるフッ素系ガス混合割合と炭素膜中フッ素含有量の関係XPS分析により評価した結果である。It is the result evaluated by the XPS analysis of the relationship between the fluorine-based gas mixing ratio during the carbon film formation and the fluorine content in the carbon film.

符号の説明Explanation of symbols

1 金型材料
2 設置台
3 真空チャンバー
4 排気装置
5 炭化水素ガス導入口
6 高周波方式プラズマ源
7 金属プラズマ源
8 高電圧負パルス電源
9 高周波(RF)電源
10 高電圧用フィードスルー
11 絶縁碍子
12 重畳装置
13 シールドカバー





























1 Mold material
2 Installation stand
3 Vacuum chamber
4 Exhaust device
5 Hydrocarbon gas inlet
6 RF plasma source
7 Metal plasma source
8 High voltage negative pulse power supply
9 RF power supply
10 Feedthrough for high voltage
11 Insulator
12 Superimposing device
13 Shield cover





























Claims (9)

真空中で、フッ素ガスもしくは少なくとも一原子以上のフッ素を含有する炭化水素系ガスを導入して高周波電力の供給によりプラズマを発生させ、この中の被処理物に高周波パルス電圧を印加して、炭素またはフッ素及びこれらの2元素を含有するイオンを被処理物表面に注入すると同時に、フッ素含有炭素膜を形成することを特徴とする潤滑性と離型性を兼備した炭素膜被覆物品及びその表面処理方法。 In a vacuum, fluorine gas or a hydrocarbon-based gas containing at least one atom or more of fluorine is introduced to generate plasma by supplying high-frequency power, and a high-frequency pulse voltage is applied to the object to be processed so that carbon Alternatively, fluorine and ions containing these two elements are injected into the surface of the object to be processed, and at the same time, a fluorine-containing carbon film is formed, and a carbon film-coated article having both lubricity and releasability and its surface treatment Method. フッ素ガスもしくは少なくとも一原子以上のフッ素を含有するガスとして、アルゴン/フッ素混合ガス、四フッ化カーボン、六フッ化二カーボン、六フッ化硫黄及び十フッ化四カーボン等から選択される少なくとも1種類のガスと、メタン、エタン、アセチレン、ベンゼン、シクロヘキサン等から選択される少なくとも1種類のガスを、任意な割合で混合したガスを供給することを特徴とする請求項1に記載の潤滑性と離型性を有する炭素膜被覆物品及びその表面処理方法。 As a fluorine gas or a gas containing at least one atom or more of fluorine, at least one kind selected from argon / fluorine mixed gas, carbon tetrafluoride, carbon hexafluoride dicarbon, sulfur hexafluoride, tetrafluorocarbon, etc. 2. The lubricity and separation property according to claim 1, wherein a gas obtained by mixing an arbitrary amount of the above gas and at least one gas selected from methane, ethane, acetylene, benzene, cyclohexane and the like in an arbitrary ratio is supplied. Carbon film-coated article having moldability and surface treatment method thereof. ガスプラズマを発生させる高周波電力として、周波数が0.2MHzから2.45GHzまでの範囲で、出力が10Wから20kWまでの範囲で、パルス幅1.0μsec以上であることを特徴とする請求項1に記載の潤滑性と離型性を有する炭素膜被覆物品及びその表面処理方法。 2. The lubrication according to claim 1, wherein the high frequency power for generating the gas plasma is a frequency ranging from 0.2 MHz to 2.45 GHz, an output ranging from 10 W to 20 kW, and a pulse width of 1.0 μsec or more. Film-coated article having surface property and releasability and surface treatment method thereof. 高周波パルス印加電圧として、周波数が500Hz〜10kHzの範囲内で、パルス幅が1.0から1000μsecまでの範囲内で、印加電圧が−0.5kVから−50kV間での範囲であることを特徴とする請求項1に記載の潤滑性と離型性を有する炭素膜被覆物品及びその表面処理方法。 The high-frequency pulse applied voltage is characterized in that the frequency is in the range of 500 Hz to 10 kHz, the pulse width is in the range of 1.0 to 1000 μsec, and the applied voltage is in the range of −0.5 kV to −50 kV. 2. The carbon film-coated article having lubricity and releasability according to 1, and a surface treatment method thereof. 炭素膜被覆物品がアルミニウム、チタン、マグネシウム及びそれらの合金等の非鉄金属からなることを特徴とする請求項1に記載の潤滑性と離型性を有する炭素膜被覆物品及びその表面処理方法。 2. The carbon film-coated article having lubricity and releasability and a surface treatment method thereof according to claim 1, wherein the carbon film-coated article is made of a non-ferrous metal such as aluminum, titanium, magnesium and alloys thereof. 炭素膜被覆物品がガラス、アルミナ、ジルコニア、石英等のセラミックスからなることを特徴とする請求項1に記載の潤滑性と離型性を有する炭素膜被覆物品及びその表面処理方法。 2. The carbon film-coated article having lubricity and releasability and a surface treatment method thereof according to claim 1, wherein the carbon film-coated article is made of ceramics such as glass, alumina, zirconia, and quartz. 炭素膜被覆物品がポリオレフィン材料、ポリオレフィンエラストマー、ポリエステルエラストマー、ポリウレタンエラストマー、シリコーンエラストマー等のプラスチック成形品からなることを特徴とする請求項1に記載の潤滑性と離型性を有する炭素膜被覆物品及びその表面処理方法。 2. The carbon film-coated article having lubricity and releasability according to claim 1, wherein the carbon film-coated article comprises a plastic molded article such as a polyolefin material, a polyolefin elastomer, a polyester elastomer, a polyurethane elastomer, and a silicone elastomer. Its surface treatment method. 炭素膜被覆物品が請求項5,6,7記載の物品で、カーボンイオン注入によりその表面より50nm以上のカーボンの傾斜層を持ち、その表層部に少なくとも0.1〜100μm炭素膜層を有することを特徴とする請求項1記載の潤滑性と離型性を有する炭素膜被覆物品及びその表面処理方法。 The carbon film-coated article is an article according to claim 5, 6 or 7, characterized in that it has a carbon gradient layer of 50 nm or more from its surface by carbon ion implantation, and has a carbon film layer of at least 0.1 to 100 μm on the surface layer portion. 2. The carbon film-coated article having lubricity and releasability according to claim 1 and a surface treatment method thereof. 炭素膜被覆物品が請求項8記載の物品で、その表面に形成した炭素膜中に5〜30at%のフッ素を含有したことを特徴とする請求項1記載の潤滑性と離型性を有する炭素膜被覆物品及びその表面処理方法。
The carbon film-coated article according to claim 8, wherein the carbon film formed on the surface thereof contains 5 to 30 at% fluorine, and the carbon having lubricity and releasability according to claim 1 Film-coated article and surface treatment method thereof.
JP2003282745A 2003-07-30 2003-07-30 Carbon film-coated article having lubricity and releasing property, and surface treatment method therefor Pending JP2005048252A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003282745A JP2005048252A (en) 2003-07-30 2003-07-30 Carbon film-coated article having lubricity and releasing property, and surface treatment method therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003282745A JP2005048252A (en) 2003-07-30 2003-07-30 Carbon film-coated article having lubricity and releasing property, and surface treatment method therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005048252A true JP2005048252A (en) 2005-02-24

Family

ID=34267860

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003282745A Pending JP2005048252A (en) 2003-07-30 2003-07-30 Carbon film-coated article having lubricity and releasing property, and surface treatment method therefor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005048252A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008019464A (en) * 2006-07-11 2008-01-31 Sumitomo Electric Ind Ltd Diamond coating film and production method therefor
JP2009096191A (en) * 2007-09-28 2009-05-07 Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute Mold for fine molding, base material for mold for fine molding, and manufacturing method of mold for fine molding
JP2010189694A (en) * 2009-02-17 2010-09-02 Miyako Roller Industry Co Aluminum roll and carbon roll having dlc film formed thereon at atmospheric temperature
WO2010110305A1 (en) * 2009-03-26 2010-09-30 リンテック株式会社 Molded body, method for producing same, electronic device member, and electronic device
CN107267941A (en) * 2017-06-13 2017-10-20 广东省新材料研究所 A kind of hydrogeneous preparation method for mixing aluminium DLC film
CN111006006A (en) * 2019-12-26 2020-04-14 兰州空间技术物理研究所 Gear transmission device for plating super-lubricating solid film
CN112376031A (en) * 2020-11-27 2021-02-19 中国科学院兰州化学物理研究所 Method for preparing low-friction high-wear-resistance silicone rubber surface by injecting low-temperature electron beam excited plasma into carbon nanoclusters

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008019464A (en) * 2006-07-11 2008-01-31 Sumitomo Electric Ind Ltd Diamond coating film and production method therefor
JP2009096191A (en) * 2007-09-28 2009-05-07 Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute Mold for fine molding, base material for mold for fine molding, and manufacturing method of mold for fine molding
JP2010189694A (en) * 2009-02-17 2010-09-02 Miyako Roller Industry Co Aluminum roll and carbon roll having dlc film formed thereon at atmospheric temperature
WO2010110305A1 (en) * 2009-03-26 2010-09-30 リンテック株式会社 Molded body, method for producing same, electronic device member, and electronic device
JPWO2010110305A1 (en) * 2009-03-26 2012-09-27 リンテック株式会社 Molded body, manufacturing method thereof, member for electronic device, and electronic device
JP5631864B2 (en) * 2009-03-26 2014-11-26 リンテック株式会社 Molded body, manufacturing method thereof, member for electronic device, and electronic device
US9611541B2 (en) 2009-03-26 2017-04-04 Lintec Corporation Formed article, method for producing same, electronic device member, and electronic device
CN107267941A (en) * 2017-06-13 2017-10-20 广东省新材料研究所 A kind of hydrogeneous preparation method for mixing aluminium DLC film
CN111006006A (en) * 2019-12-26 2020-04-14 兰州空间技术物理研究所 Gear transmission device for plating super-lubricating solid film
CN111006006B (en) * 2019-12-26 2023-11-03 兰州空间技术物理研究所 Gear transmission device coated with super-lubrication solid film
CN112376031A (en) * 2020-11-27 2021-02-19 中国科学院兰州化学物理研究所 Method for preparing low-friction high-wear-resistance silicone rubber surface by injecting low-temperature electron beam excited plasma into carbon nanoclusters

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nakao et al. DLC coating by HiPIMS: The influence of substrate bias voltage
CN1827845A (en) Method for manufacturing diamond-like film and part with coating manufactured thereby
KR101784638B1 (en) Method for removing hard carbon layers
EP3067438A1 (en) Method for forming intermediate layer formed between substrate and dlc film, method for forming dlc film, and intermediate layer formed between substrate and dlc film
JP2007002268A (en) Surface treatment method for polishing member, and article obtained thereby
Imai et al. Hydrogen-free fluorinated DLC films with high hardness prepared by using T-shape filtered arc deposition system
JP2008174791A (en) Adhesive surface modification method for fluorine base synthetic resin, and article obtained thereby
US5279866A (en) Process for depositing wear-resistant coatings
JP2005048252A (en) Carbon film-coated article having lubricity and releasing property, and surface treatment method therefor
JP4920202B2 (en) Surface processing method of semiconductor processing carrier member and article thereof
US20210355577A1 (en) Process for coating a conductive component and conductive component coating
JP2008174790A (en) Surface treatment method for metal fiber textile, and article obtained thereby
KR20180047182A (en) Hard PTFE coating layer and Hard PTFE coating method
TW201916164A (en) Member having exellent resistance against plasmacorrosion for plasma etching device and method for producing the same
KR20130128733A (en) Apparatus and method for ion-implantation and sputtering deposition
JP5772757B2 (en) Method and apparatus for forming amorphous hard carbon film
JP2004315876A (en) Die for molding magnesium having sliding resistance improved, and surface treatment method thereof
EP1040210B1 (en) Plasma polymerization on surface of material
KR100765630B1 (en) Wiper blade and manufacturing method of it for vehicle
JP3034241B1 (en) Method of forming high hardness and high adhesion DLC film
KR100324435B1 (en) Plasma of use nitriding aluminum formative and apparatus
JPH0995784A (en) Formation of carbon film
JP6788913B2 (en) Coating targets for durability and low friction properties of combustion engine parts, metal multi-component nitride coating methods and combustion engine parts thereby
US20080217562A1 (en) Method for reforming carbonaceous materials
EP0962550B1 (en) Plasma method for depositing surface layers