JP2019002033A - ダイヤモンド状炭素膜構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜）と基材との間に中間層を設けることなく、基材の接合面にダイヤモンド粒による機械的処理で、ＤＬＣ膜と基板の密着性に優れたダイヤモンド状炭素膜構造体を提供する。【解決手段】表面が粗面化された基板上にダイヤモンド状炭素膜が形成されてなるダイヤモンド状炭素膜構造体。たとえば、基板表面をダイヤモンド粒により傷付けて粗面化し、ついで粗面化された基板上にダイヤモンド状炭素膜を堆積させることにより得られる。【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤモンド状炭素膜構造体およびその製造方法に関する。

炭素と水素からなるダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜）は，炭素を主成分とし、炭素原子がグラファイトのｓｐ^２結合、ダイヤモンドのｓｐ^３結合を有しながら、全体として非晶質の材料で、グラファイトとダイヤモンドとの中間の物性を示す材料である。そして、その膜特性と表面平滑性から、摩擦係数が低く、耐摩耗性が高いことが知られており、摺動性を高める表面被膜として、各種機械、工具および内燃機関等の摺動面に対し、広く利用され、機械部品，自動車部品への適用が急増している。しかしながら、耐摩耗性向上のためにＤＬＣ膜が堆積されている基材に外力が加えられると、基材自体が変形してＤＬＣ膜に大きなひずみが加わり、ＤＬＣ膜が基材から剥離することがある。

したがって、ＤＬＣ膜と基板の密着性は，実用化時のもっとも大きい問題であり、現在は、例えば鉄とＤＬＣ膜との間に中間層（Ｃｒ、Ｗ，Ｔｉ、Ｓｉやそれらの炭化物，窒化物）を成膜したり，炭素イオンを打ち込んだりして密着力を実用に耐える大きさに高めている（たとえば、非特許文献１）。しかし，これらの方法はプロセスが煩雑で，信頼性は高いとは必ずしもいえず，かつ、高価なガス等を用いるため，コストアップの要因となっている。したがって，高信頼性を有し，かつ簡便な密着強度向上の方法があると，ＤＬＣの応用は大きく広がることが期待される。

一方，結晶性のダイヤモンド膜の合成時には，ダイヤモンド粒子による処理（ダイヤモンドペーストによる傷つけ処理，超音波洗浄中にダイヤモンド粒を入れることによる傷つけ処理）により，ダイヤモンドの核生成密度が大きく増加することが早くから指摘されており，これは，基板表面の高密度な転位，残留ダイヤモンド粒子の効果であるといわれている（たとえば、非特許文献２）。

しかしながら、このダイヤモンドの傷付け処理を，ＤＬＣ膜の成長に用いることは，これまで行われてこなかった。これは、傷つけ処理が，前述のように，転位の導入もしくは臨界核半径以上の種を植え付けることで，結晶成長をしやすくする概念に基づいているからで，ＤＬＣ膜のようなアモルファスの場合には無関係だと見なされていたからである。

奈良県工業技術センター研究報告Ｎｏ．３２（２００６）１−７ Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.56, No.5,pp923-928,1990

本発明は、このような課題を解決し、ダイヤモンド遊離粒子により粗面化した基板表面にＤＬＣ膜を堆積して、ＤＬＣ膜と基板の密着性を信頼性良く確保するものである。

本発明は上記の問題を解決するために、以下の発明を提供するものである。
（１）表面が粗面化された基板上にダイヤモンド状炭素膜が形成されてなるダイヤモンド状炭素膜構造体。
（２）基板の粗面化面にダイヤモンド粒子が存在する上記（１）に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体。
（３）基板が、金属、プラスチックスまたはセラミックスである上記（１）または（２）に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体。
（４）粗面化された基板表面の算術平均粗さＲａが５〜１００ｎｍである上記（１）〜（３）のいずれかに記載のダイヤモンド状炭素膜構造体。
（５）ダイヤモンド状炭素膜の膜厚が０．０１〜５μｍである上記（１）〜（４）のいずれかに記載のダイヤモンド状炭素膜構造体。
（６）ダイヤモンド粒子の粒径が２ｎｍ〜２００ｎｍである上記（２）に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体。
（７）基板表面をダイヤモンド粒子により傷付けて粗面化し、ついで粗面化された基板上にダイヤモンド状炭素膜を堆積させることを特徴とするダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
（８）基板表面をダイヤモンド粒子により傷付けて粗面化し、表面の酸化膜を除去した後に、粗面化された基板上にダイヤモンド状炭素膜を堆積させることを特徴とするダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
（９）基板が、金属、プラスチックスまたはセラミックスである上記（７）または（８）に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
（１０）粗面化された基板表面の算術平均粗さＲａが５〜１００ｎｍである上記（７）〜（９）のいずれかに記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
（１１）ダイヤモンド状炭素膜の膜厚が０．０１〜５μｍである上記（７）〜（１０）のいずれかに記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
（１２）ダイヤモンド粒子の粒径が５０ｎｍ〜５μｍである上記（７）〜（１１）のいずれかに記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
（１３）粗面化された基板上に、炭素と水素以外の元素を有する中間層を設けた後に、ダイヤモンド状炭素膜を堆積させる上記（７）に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
（１４）表面の酸化膜を除去した後に、粗面化された基板上に、炭素と水素以外の元素を有する中間層を設け、ついでダイヤモンド状炭素膜を堆積させる上記（８）に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
（１５）基板の粗面化面にダイヤモンド粒子が存在する上記（７）〜（１４）のいずれかに記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
（１６）ダイヤモンド粒子の粒径が２ｎｍ〜２００ｎｍである上記（１５）に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。

本発明によれば、基板上に炭素と水素以外の元素を含む中間層を設けることなく、基材の接合面にダイヤモンド粒子による傷付け粗面化で、ＤＬＣ膜と基板の密着性を信頼性良く確保し得るが、任意にはさらに粗面化基板上に炭素と水素以外の元素を含む中間層を設けてもよい。

ボールオンディスク（ＢｏＤ）試験結果（１）を示す。 ボールオンディスク（ＢｏＤ）試験結果（２）を示す。

本発明のダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）膜構造体は、表面が粗面化された基板上にＤＬＣ膜が形成されてなる。

基板としては、鉄系材料、アルミニウム系材料等の金属；ポリカーボネート等のプラス
チックス；窒化ケイ素等のセラミックス等が挙げられるが、好適にはステンレス鋼等の
鉄系材料が用いられる。

粗面化は、本発明の好適な実施態様において、後述のように基板表面をダイヤモンド粒子により傷付けることにより、表面に微細な凹凸構造が形成されることをいう。ダイヤモンド粒子の粒径は５０ｎｍ〜５μｍであるのが好適であり、さらに好適には０．５〜１μｍである。粗面化された基板表面の算術平均粗さＲａは、膜厚と比して大きすぎない点から好適には５〜１００ｎｍである。算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に記載される算術平均粗さを意味する。本発明のＤＬＣ膜構造体は、この粗面化基板上に、ＤＬＣ膜が形成されてなる。ＤＬＣ膜の膜厚は、用途に依存するが、通常０．０１〜５μｍである。基板の粗面化面の少なくとも一部に、ダイヤモンド粒子の破片が粒径２ｎｍ〜２００ｎｍで残留するのが密着性の点でさらに好適である。

本発明の好適な他の実施態様において、粗面化は、ダイヤモンド遊離粒子をグリースに分散させたペーストを用い、研磨することにより行われる。また超音波等によっても行われ得る。たとえば、ダイヤモンド遊離粒子をアルコール中に分散させた溶液中に基盤を浸漬させ、当該溶液に超音波を印加することによって得られる。

本発明のダイヤモンド状炭素膜構造体は、好適には、基板表面をダイヤモンド遊離粒子により傷付けて粗面化し、ついで粗面化された基板上にダイヤモンド状炭素膜を堆積させることにより製造される。

基板としては、鉄系材料、アルミニウム系材料等の金属；ポリカーボネート等のプラスチックス；窒化ケイ素等のセラミックス等が挙げられるが、好適にはステンレス鋼等の鉄系材料が用いられる。

粗面化に用いるダイヤモンド粒子の粒径は、形成するＤＬＣ膜の膜厚より小さく、かつ出来るだけ表面粗さを抑制する条件から、５０ｎｍ〜５μｍであり、好適には０．５〜１μｍである。５０ｎｍより小さいと傷付け効果が十分ではなく、５μｍより大きいと表面粗さRaが３０ｎｍより大きくなるためである。傷付けは、好適には、グリース等を用いてペースト状としたダイヤモンド粒子をラッピング処理する方法、ダイヤモンド粒子のアルコール等懸濁液を超音波印加する方法、等により行われる。基板の粗面化面の少なくとも一部に、ダイヤモンド粒子の破片が粒径２ｎｍ〜２００ｎｍで残留するのが密着性の点でさらに好適である。

粗面化された基板表面の算術平均粗さＲａは、膜厚と比して大きすぎない点から好適には５〜３０ｎｍである。本発明のＤＬＣ膜構造体は、この粗面化基板上に、ＤＬＣ膜が形成されてなる。

粗面化された基板上にＤＬＣ膜を堆積するためには、気相堆積法が好適であり、たとえば直流、交流もしくは高周波等を電源とするプラズマＣＶＤまたはマグネトロンスパッタもしくはイオンプレーティング、フィルタードカソーディックバキュームアーク等の物理気相成長が挙げられる。

ＤＬＣ膜の膜厚は、用途に依存するが、通常０．０１〜５μｍである。基板の粗面化面の少なくとも一部に用いたダイヤモンド粒子が残留するのが密着性の点でさらに好適である。

本発明の１つの実施態様において、粗面化された基板上に、さらに炭素と水素以外の元素を有する中間層を設けた後に、ダイヤモンド状炭素膜を堆積させることができる。中間層の形成は、Ｃｒ、Ｗ，Ｔｉ、Ｓｉやそれらの炭化物，窒化物を成膜したり，炭素イオンを打ち込んだりする従来法によることができる。

さらに本発明のもう１つの実施態様において、本発明のダイヤモンド状炭素膜構造体は、基板表面をダイヤモンド粒子により傷付けて粗面化し、表面の酸化膜を除去した後に、粗面化された基板上にダイヤモンド状炭素膜を上記の方法により堆積させることにより製造される。表面の酸化膜は、基板とDLC膜との付着力を減少させる。その除去はアルゴン、ヘリウム、窒素、または水素を用いたスパッタエッチング法等によることができる。

本発明の１つの実施態様において、表面の酸化膜を除去した後に、粗面化された基板上に、炭素と水素以外の元素を有する中間層を設け、ついで上記の方法によりダイヤモンド状炭素膜を堆積させることができる。中間層の形成は、Ｃｒ、Ｗ，Ｔｉ、Ｓｉやそれらの炭化物，窒化物を成膜したり，炭素イオンを打ち込んだりする従来法によることができる。

本発明のダイヤモンド状炭素膜構造体は、１つの実施態様において、ボールオンディ スクによる摩擦摩耗試験によれば，たとえば４０%以上の寿命向上がみられる。

また，ビッカース圧子の押し込み試験においても，本発明のダイヤモンド状炭素膜構造体は、稜線の亀裂が顕著に小さく，密着力が向上していることがわかる。薄膜成長時のダイヤモンドとの直接接合と、さらには残留ダイヤモンド粒子による機械的な引っかかりとが，寿命向上の理由として考えられる。

実施例１
２０×２０ｍｍ^２のステンレス鋼ＳＵＳ３０４基板表面をアセトン、アルコールにより超音波洗浄した後に、ダイヤモンド粒子（０．５〜１μｍ）ペースト（グリース）を用いてＳＵＳ３０４基板表面をラッピング（３０分）して、傷付け処理した。得られたＳＵＳ３０４基板表面の算術平均粗さＲａは、２０〜３０ｎｍであった。ついで、このＳＵＳ３０４基板表面にパルスプラズマＣＶＤ法によりＤＬＣ膜を堆積させた。堆積条件は次に示す通りである。得られたＤＬＣ膜の膜厚は、０．８μｍであった。電子顕微鏡観察の結果、基板の粗面化面の一部に２００ｎｍ以下の粒径の破砕されたダイヤモンド粒子が残留していた。

圧力 ３．０Ｐａ
パルス電圧 −２．０ｋＶ
周波数 １４ｋＨｚ
パルス幅 ７１μｓ
バイアス電圧 −４〜―５ｋＶ
ＤＬＣ層形成ガス アセチレン
堆積時間 ６０分

（ボールオンディスク（ＢｏＤ）試験）
回転ディスク上に固定ボールを垂直荷重により押しつけ摩擦抵抗をＢｏＤ試験により測定した。試験条件は次のとおりである。
ボール材質 ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼鋼材）
ボール直径 ６ｍｍ
荷重 ２Ｎ
回転半径 ４ｍｍ
回転速度 ４００回転/秒

図１はＢｏＤ試験結果（１）を示し、縦軸は摩擦係数、横軸は回転数を示す。「処理無」（すなわち、粗面化なし）では約１２万回転から摩擦係数が上昇したのに対し、「処理有」（すなわち、本発明の粗面化あり）では約１７万回転から摩擦係数が大きく変動し、カタカタという異音が発生した（１回転につき１回）。

図２は、ＢｏＤ試験結果（２）を示し、「処理無」では１５万回転終了後、全体的に基板が露出した。「処理有」では１５万回転終了後に基板の露出はなく、２０万回転終了後に基板の一部が大きく露出した。

なお、「処理無」では約１２万回転でＤＬＣ膜の剥離が発生し、「処理有」では約１７万回転でＤＬＣ膜の剥離が発生した。

本発明によれば、ＤＬＣ膜と基材との間に中間層を設けることなく基材の接合面にダイヤモンド粒子により傷付け粗面化し、任意にはさらに粗面化基材上に炭素と水素以外の元素を含む中間層を設け、ＤＬＣ膜を堆積させて、ＤＬＣ膜と基板の密着性に優れたダイヤモンド状炭素膜構造体を提供し得る。

Claims (16)

1. 表面が粗面化された基板上にダイヤモンド状炭素膜が形成されてなるダイヤモンド状炭素膜構造体。
2. 基板の粗面化面にダイヤモンド粒子が存在する請求項１に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体。
3. 基板が、金属、プラスチックスまたはセラミックスである請求項１または２に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体。
4. 粗面化された基板表面の算術平均粗さＲａが５〜１００ｎｍである請求項１〜３のいずれか１項に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体。
5. ダイヤモンド状炭素膜の膜厚が０．０１〜５μｍである請求項１〜４のいずれか１項に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体。
6. ダイヤモンド粒子の粒径が２ｎｍ〜２００ｎｍである請求項２に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体。
7. 基板表面をダイヤモンド粒子により傷付けて粗面化し、ついで粗面化された基板上にダイヤモンド状炭素膜を堆積させることを特徴とするダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
8. 基板表面をダイヤモンド粒子により傷付けて粗面化し、表面の酸化膜を除去した後に、粗面化された基板上にダイヤモンド状炭素膜を堆積させることを特徴とするダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
9. 基板が、金属、プラスチックスまたはセラミックスである請求項７または８に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
10. 粗面化された基板表面の算術平均粗さＲａが５〜１００ｎｍである請求項７〜９のいずれか１項に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
11. ダイヤモンド状炭素膜の膜厚が０．０１〜５μｍである請求項７〜１０のいずれか１項に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
12. ダイヤモンド粒子の粒径が５０ｎｍ〜５μｍである請求項７〜１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
13. 粗面化された基板上に、炭素と水素以外の元素を有する中間層を設けた後に、ダイヤモンド状炭素膜を堆積させる請求項７に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
14. 表面の酸化膜を除去した後に、粗面化された基板上に、炭素と水素以外の元素を有する中間層を設け、ついでダイヤモンド状炭素膜を堆積させる請求項８に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
15. 基板の粗面化面にダイヤモンド粒子が存在する請求項７〜１４のいずれか１項に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。
16. ダイヤモンド粒子の粒径が２ｎｍ〜２００ｎｍである請求項１５に記載のダイヤモンド状炭素膜構造体の製造方法。