JP3554119B2 - Hard carbon film coated member - Google Patents

Hard carbon film coated member Download PDF

Info

Publication number
JP3554119B2
JP3554119B2 JP29042496A JP29042496A JP3554119B2 JP 3554119 B2 JP3554119 B2 JP 3554119B2 JP 29042496 A JP29042496 A JP 29042496A JP 29042496 A JP29042496 A JP 29042496A JP 3554119 B2 JP3554119 B2 JP 3554119B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
hard carbon
carbon film
diamond
present
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.)
Expired - Fee Related
Application number
JP29042496A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH10139592A (en
Inventor
暢生 吉田
成生 厚主
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.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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 Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP29042496A priority Critical patent/JP3554119B2/en
Publication of JPH10139592A publication Critical patent/JPH10139592A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3554119B2 publication Critical patent/JP3554119B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬質炭素膜を被覆した部材、特に、時計用外装部品、ネックレス、ピアス、眼鏡フレーム、釣り具などの装飾用として用いられる部材の改良に関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来、時計ケース、バンドなどの時計用外装部品やネックレス、ピアス、眼鏡フレームなどの装飾用として使用されている部材としては、天然の鉱物を加工したもののが一般的である。しかし、装飾部材が直接人に触れたり、海水や雨等に晒されることから、優れた耐スクラッチ性や汗等に対する耐食性が要求されている。
【0003】
このような要求に対して、最近では、着色アルミナセラミックス、着色ジルコニアセラミックス等の着色セラミックスや、例えばWCやTiC、TiN等の炭化物、窒化物をNi、Co等の鉄族金属とともに焼結した超硬合金やサーメット合金等の金色や銀色などを呈した焼結合金等が知られている。
【0004】
一方、種々の基体に対して、耐摩耗性等を高めるために、最も化学的に安定なダイヤモンドを被覆することも提案されている。このダイヤモンド膜は、例えば熱CVD法、マイクロ波プラズマCVD法等によって各種基体の表面に薄膜として形成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの焼結合金は、構成成分としてNiやCoなどの鉄族金属を含有するが、これらの金属元素は、汗などによって遊離金属として溶出し、これらの金属が肌への接触によって皮膚の炎症などのアレルギーが発生する可能性があることが懸念され、国内外でこれらアレルギー源の溶出に対する規制も強化されつつある。
【0006】
そこで、このようなアレルギー源の溶出を防止する上で、ダイヤモンド膜等の被覆によって溶出を防止することが期待できる。ところが、熱CVD法やマイクロ波CVD法によって形成されたダイヤモンド膜は、優れた耐摩耗性を有するものの、結晶粒子が大きく、その結晶間には粒界が存在するとともに、膜中にはボイド等が存在する。そのために、海水や汗等に長時間晒された場合、基体中のアレルギー源が溶出する可能性があった。
【0007】
しかも、従来のダイヤモンド膜は、表面が大きな結晶粒の自形による凹凸を有するために、装飾用として鏡面加工する必要がある。しかし、ダイヤモンド膜自体が非常に高硬度であるためにその加工が困難であるという問題があった。
【0008】
従って、本発明は、アレルギー源金属を含有する部材に対して、優れた耐食性を有するとともに、アレルギー源となる金属の溶出のない、特に装飾用として適した硬質炭素膜被覆部材を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するための方法について鋭意検討を重ねた結果、Ni、CoおよびCrの金属アレルギーを引き起こす金属を合計1重量%以上含有する基体の表面に、ラマン分光スペクトルにおいて、1160±40cm−1、1340±40cm−1および1500±60cm−1にピークが存在し、且つ1160±40cm−1に存在するピークのうち最も強度の強いピーク強度をH、1340±40cm−1に存在するピークのうち最も強度の強いピーク強度をH、1500±60cm−1に存在するピークのうち最も強度の強いピーク強度をHとした時、H/Hで表されるピーク強度比が0.05以上であり、H<H<Hの関係を満足する硬質炭素膜を被覆することにより、上記目的が達成されることを見いだし、本発明に至った
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明における硬質炭素膜被覆部材は、特に、時計用外装部品、ネックレス、ピアス、眼鏡フレーム、ボタン、ブローチなどの人の肌に直接触れる可能性のある装飾用の部材に好適に使用される。
【0011】
本発明において用いられる基体は、金属アレルギーを引き起こす金属(以下、アレルギー源金属という。)を1重量%以上含有する基体である。具体的には、アレルギー源金属としては、Ni、Co、Cr、Al、Mn、Fe、Rh、Pd等が報告されているが、本発明では、これらの金属の合計が1重量%以上である基体である。特に、これらの中でもNi、Co、Crの量が1重量%以上の基体に有効である。
【0012】
このような基体としては、TiC、TiCN、TiN、WCを主体とする硬質相と、Ni、Co等の鉄族金属からなる結合相を1〜20重量%程度含有する超硬合金、TiC基サーメット、TiCN基サーメット、TiN基サーメット等の焼結合金が挙げられる。尚、硬質相成分としては、上記主成分以外に、Ti,Zr,Ta、V,Nb、Cr等の周期律表第4a、5a,6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等が含まれる場合もある。
【0013】
その他、基体としては、上記の焼結合金以外に、前記のアレルギー源金属を1重量%以上含有するような、アルミナセラミックス、ジルコニアセラミック等のセラミック材料や、金、銀、銅等を含む合金、さらには、貴金属メッキが施されて基体で、その下地層として、Niメッキ等が施された基体等も挙げられる。
【0014】
本発明によれば、上記のような基体の表面に、ダイヤモンドを含有する硬質炭素膜を被覆する。
【0015】
従来から一般に知られるダイヤモンド膜は、熱CVD法、マイクロ波CVD法などの薄膜形成法によって形成されることが知られているが、このようなダイヤモンド膜は、通常、高純度のダイヤモンドからなり、炭素原子間がSP混成で結合された構造からなる。特に、ラマン分光スペクトルにおいて、1340±40cm−1にのみピークを有するものが多用されている。また、一部において、SP混成で結合されたグラファイト構造の炭素等を含む、上記のピークに加え、1500〜1600cm−1付近にブロードなピークを有するダイヤモンド膜も知られている。また、このダイヤモンド膜は、ダイヤモンド結晶粒が大きいことにより、結晶の自形による成膜後の表面の凹凸が大きく、そのために結晶間の粒界が存在し、また薄膜内部にはボイドが多量に存在する。
【0016】
これに対して、本発明における硬質炭素膜は、ダイヤモンドを主とするものであるが、ラマン分光スペクトルにおいて、少なくとも1340±40cm−1、1160±40cm−1および1500±60cm−1にピークを有するものである。上記ピークのうち、1340±40cm−1のピークはダイヤモンド結晶のピークを示し、1500±60cm−1のピークはアモルファスカーボン相の存在を示し、1160±40cm−1のピークは、ダイヤモンド前駆体またはポリエン構造の存在を示すものと考えられ、極めて微細な結晶によって形成されることを意味するものと考えられる。従って、本発明における硬質炭素膜は、ダイヤモンド結晶が極めて微細で平均粒径が1μm以下の結晶により構成され、膜中にはほとんどボイドが存在しない高緻密質な膜からなる。
【0017】
このように、硬質炭素膜自体が非常に緻密質で結晶粒界成分がほとんどなく、しかも膜中にボイドが存在しないために、部材が汗や海水等と接触した場合において、膜中のボイドや結晶粒界の局所的な浸食が生じず、優れた耐食性を有するために、基体中のアレルギー源金属が部材表面に溶出するのを防止することができる。
【0018】
しかも、この硬質炭素膜は、従来のようなダイヤモンド結晶の自形による凹凸がなく平坦性に優れたものであるために、表面を加工する必要がなく、平滑な鏡面加工する場合においても短時間で容易に加工することができるというメリットも有する。また、上記硬質炭素膜を上記所定の基体表面に形成する場合において、あらゆる形状の基体表面に対して、基体表面形状に整合した平滑で緻密な膜面を形成でき、優れた耐食性が要求される部材表面に高い平滑性をもって形成することができる。
【0019】
本発明における硬質炭素膜のラマン分光スペクトルにおけるピーク強度について具体的に説明する。本発明の硬質炭素膜は、図1に示すように、少なくとも1340±40cm−1と1160±40cm−1にピークが存在する。1160±40cm−1のピーク強度は、1100cm−1と1700cm−1の位置間で斜線を引き、これをベースラインとして、1160±40cm−1に存在するピークのうち最も強度の高いピーク強度をH、1340±40cm−1に存在するピークのうち最も強度の高いピーク強度をHとした時、H/Hで表されるピーク強度比が0.05以上、望ましくは、0.2〜1.0であることが重要である。
【0020】
このピーク強度比が0.05よりも小さすぎると、ダイヤモンド結晶粒子が大きく成長し過ぎ、膜中にボイドが発生したり膜の表面粗さが大きくなり局所的な腐食が進行しやすくなる。また、ピーク強度比が大きすぎるとダイヤモンド結晶の比率が少なくなる結果、膜強度が低下してしまう。上記H/Hで表されるピーク強度比が1.0以下であることが望ましい。
【0021】
また、ラマン分光スペクトルにおいては、図1に示すように、1500±60cm−1にピークを有し、該領域内のピークのうち最も強度の強いピーク強度をHとした時、H<H<Hの関係を満足するものであることが望ましい。このピークは、ダイヤモンド結晶間に存在する非晶質相を示すものであるが、Hの強度が低く、H>H、またはH>Hとなると、膜の緻密性が低下し、アレルギー源金属が溶出するという問題が発生する。
【0022】
本発明における硬質炭素膜被覆部材によれば、硬質炭素膜が、緻密質であるために、その膜厚が薄い場合でも、基体中のアレルギー源金属の溶出を防止することができるが、膜厚が薄すぎると、膜自体の強度が低下するために、衝撃が加わった時に膜にクラックが生じる場合があるため、0.5μm以上であることが望ましい。また、製造上のコストの点からは20μm以下が望ましい。
【0023】
また、本発明における硬質炭素膜被覆部材によれば、基体との密着性を高める上で、基体と硬質炭素膜との間に、少なくともダイヤモンドと金属炭化物との複合体からなる中間層を介在させることにより、極めて密着性の良い硬質炭素膜を形成することができる。
【0024】
このような中間層の介在によって硬質炭素膜と母材との密着強度が向上する理由は次のように考えられる。原子同士は電子を介在することにより結合されているが、一般に、原子間の電子が一方に存在して電気的な結び付きにより結合しているイオン結合よりも、電子を双方の原子で共有している共有結合の方が強い結合力を持つ。ダイヤモンドは炭素の共有結合により構成されているので強い結合力を有している。したがって、ダイヤモンドと異種化合物との密着強度を向上させるためには類似の結合様式である共有結合性の化合物であることが望ましいと考えられる。またダイヤモンドの成分である炭素を含む化合物の方がより整合性がよいと思われる。金属炭化物は数多く存在するがその多くはイオン性結合を主体としたものである。共有結合性炭化物としては炭化ケイ素や炭化ホウ素があるが、本発明の装飾用被覆部材においては炭化ケイ素が最も望ましい。
【0025】
このような金属炭化物とダイヤモンドが混在する中間層を硬質炭素膜と基体との間に形成することにより、硬質炭素膜と基体との密着強度が向上する。またこのダイヤモンドと、金属炭化物は層分離して存在しているのではなく、ダイヤモンドの周りを金属炭化物が取り囲むような構造を呈し、ダイヤモンドが島状に分布した構造となるために、いわゆるアンカー効果により密着性が向上する。
【0026】
本発明における硬質炭素膜を作製する方法としては、従来よりダイヤモンド膜を生成する手段として、マイクロ波や高周波によりプラズマを発生させて所定の基体表面に炭素膜を形成する、いわゆるプラズマCVD法あるいは熱フィラメント法が主流である。しかしながら、プラズマCVD法では、プラズマ発生領域が小さいために、成膜できる面積が小さく、成膜できる面積が一般に直径20mm程度であり、加工用部材としての応用が限られる。また圧力が高すぎるか、もしくはプラズマ密度が低すぎるために基体が複雑な構造を有する場合や曲面構造を有する場合、その構造に沿った均一なプラズマが得られず、膜厚分布が不均一になりやすい。
【0027】
一方、熱フィラメントCVD法では、フィラメントが切れやすく、また膜厚のバラツキを抑制するために基体の形状に合わせてフィラメントを設置する必要があり、装置が汎用性に欠けるなどの欠点を有している。
【0028】
これに対して、プラズマCVD法におけるプラズマ発生領域に磁界をかけた、いわゆる電子サイクロトロン共鳴プラズマCVD法によれば、低圧下(1torr以下)で高密度のプラズマを得ることができるために、プラズマを広い領域に均一に発生させることができ、通常のプラズマCVD法に比較して約10倍程度の面積に均一に膜の形成を行うことができる。
【0029】
よって、ここでは、電子サイクロトロン共鳴プラズマCVD法(ECRプラズマCVD法)を例にとって説明する。この方法では、内部に所定の基体が設置された反応炉内に反応ガスを導入すると同時に2.45GHzのマイクロ波を導入する。それと同時にこの領域に対して875ガウス以上のレベルの磁界を印加する。これにより電子はサイクロトロン周波数f=eB/2πm(但し,m:電子の質量、e:電子の電荷,B:磁束密度)にもとづきサイクロトロン運動を起こす。この周波数がマイクロ波の周波数(2.45GHz)と一致すると共鳴し、電子はマイクロ波のエネルギーを著しく吸収して加速され、中性分子に衝突、電離を生じせしめて高密度のプラズマを生成するようになる。この時の基体の温度は150〜1000℃、炉内圧力1×10−2〜1torrに設定される。
【0030】
かかる方法によれば、成膜時の基体温度、炉内圧力および反応ガス濃度を変化させることにより成膜される硬質炭素膜の成分等が変化する。具体的には、炉内圧力が高くなるとプラズマの領域が小さくなり、膜の成長速度が下がるが結晶性は向上する傾向にある。また、反応ガス濃度が高くなると、膜を構成する粒子の大きさが小さくなり、結晶性が悪くなる傾向にある。これらの条件を具体的には後述する実施例に記載されるように適宜制御することにより、前述したH/H比を制御することができる。
【0031】
上記の成膜方法において、本発明の装飾用被覆部材を作製する場合、硬質炭素膜の形成にあたっては原料ガスとして水素と炭素含有ガスを用いる。用いる炭素含有ガスとしては、例えば、メタン、エタン、プロパンなどのアルカン類、エチレン、プロピレンなどのアルケン類、アセチレンなどのアルキン類、ベンゼンなどの芳香族炭化水素類、シクロプロパンなどのシクロパラフィン類、シクロペンテンなどのシクロオレフィン類などが挙げられる。また一酸化炭素、二酸化炭素、メチルアルコール、エチルアルコール、アセトンなどの含酸素炭素化合物、モノ(ジ、トリ)メチルアミン、モノ(ジ、トリ)エチルアミンなどの含窒素炭素化合物なども炭素源ガスとして使用することができる。これらは一種単独で用いることもできるし、二種以上で併用することもできる。また、前述したようなダイヤモンドと炭化ケイ素の混合物からなる中間層を形成するには、所望によりダイヤモンド核発生処理を行った後、反応ガスとして、水素と、炭素含有ガスおよびケイ素含有ガスを導入する。前記ケイ素含有ガスとしては、四フッ化ケイ素、四塩化ケイ素、四臭化ケイ素などのハロゲン化物、二酸化ケイ素などの酸化物の他に、モノ(ジ、トリ、テトラ、ペンタ)シラン、モノ(ジ、トリ、テトラ)メチルシランなどのシラン化合物、トリメチルシラノールなどのシラノール化合物などが挙げられる。これらは一種単独で用いることもできるし、二種以上で併用することもできる。
【0032】
このように、本発明における硬質炭素膜は、微粒組織のダイヤモンドを主体とするものであり、しかも緻密質で膜表面および内部にボイド等の欠陥がなく、また膜表面も平滑性に優れたものである。したがって人の肌に触れる部材表面にこの硬質炭素膜を形成すると、高い耐食性を付与することができ、特に汗や酸性雨によるボイド等への局所的な腐食の発生を防止するとともに、汗や酸性雨の膜のボイドや凹部への残留も防止することができる。
【0033】
また、部材表面と硬質炭素膜との間に、少なくともダイヤモンドと金属炭化物とを含む中間層を介在させることにより、硬質炭素膜の基体への密着性を高めることができるために、硬質炭素膜の基体からの剥離等を防止できる。
【0034】
【実施例】
(実施例)
電子サイクロトロン共鳴プラズマCVD装置の炉内に、基体として超硬合金(80重量%WC−10重量%Co−10重量%Ni)、TiC基サーメット(80重量%TiC−15重量%Cr−5重量%Ni)、TiN基サーメット(85重量%TiN−15重量%Ni)のいずれかからなる100ml容器を設置した。
【0035】
そこに、H297sccm、CH3sccmのガスを用いて、ガス濃度1%、基体温度650℃、炉内圧力0.1torrで1.5時間処理して、ダイヤモンド核を発生させた後、原料ガスとしてHガス、CHガスおよびSi(CHガスを用いて、
297sccm
CH 3sccm
Si(CH 0.3sccm
の割合でガス濃度1%、基体温度650℃、炉内圧力0.05torrの条件で電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマCVD法により最大2kガウスの強度の磁場を印加させ、マイクロ波出力3.0KWの条件で5時間成膜して容器内面にダイヤモンドと炭化ケイ素が混在した平均膜厚0.8μmの中間層を形成した。
【0036】
また、表1中、試料No.4については、中間層形成を
300sccm
Si(CH 0.3sccm
のガス比とする以外は前記と全く同様にして、炭化ケイ素からなる中間層を1μmの厚みで形成し、同様に評価を行った。
【0037】
次に、中間層の上に、純度99.9%以上のHガス、CHガス、COガスを用いて、表1に示すガス比、ガス濃度、基体温度、炉内圧力で成膜を行い、容器内面にさらに2μmの硬質炭素膜を形成した。
【0038】
成膜した硬質炭素膜に対して、膜表面のラマン分光スペクトル分析を行い、ラマン分光スペクトルチャートから1100cm−1と1700cm−1の位置間で線を引き、これをベースラインとし、1160±40cm−1に存在する最大ピークのピーク強度をH、1340±40cm−1に存在する最大ピークのピーク強度をHとして、H/Hで表される強度比を算出した。また、1500±60cm−1の領域内のピークのうち最も強度の強いピーク強度をHとし、H、HおよびHの大小関係を示した。表1中、試料No.3と試料No.9についてチャートを図1、図2に示した。なお、ラマン分光分析における発振源として、レーザーはArレーザー(発振線488.0nm)を用いた。また、膜単体を取り出し、ぎ酸タリウム水溶液の比重液を用いた浮沈法で膜の密度を測定した。
【0039】
次に、内面に硬質炭素膜が被覆された容器内に45%フッ化水素酸溶液80mlを注ぎ込み、温度40℃で48週間放置した。放置後の膜面を双眼顕微鏡で観察し腐食の状態を表1に示した。また、ICP法により溶液に溶出した金属量を測定し結果を表1に示した。
【0040】
(比較例1)
硬質炭素膜を被覆しないTiC基サーメットを用いて、実施例1と同様の腐食試験を行い、その結果を表1試料No.17に示した。
【0041】
(比較例2)
基体として実施例において用いたTiC基サーメットを用いて、マイクロ波CVD法によって、中間層形成を実施例と同じガス比でガス濃度1%、基体温度950℃、炉内圧力30torrの条件で3時間成膜した後、さらに表1の試料No.9に示す条件で成膜し1μmの硬質炭素膜を形成した。これに対して、実施例1と同様の腐食試験を行い、その結果を表1試料No.9に示した。
【0042】
【表1】

Figure 0003554119
【0043】
表1の結果によれば、H/Hが0.05以上、H<H<Hを満足する硬質炭素膜を形成した本発明の試料は、いずれも強酸溶液に対しても全く腐食が認められず、優れた耐食性を示し、また、アレルギー源金属の溶出は検出限界以下であった。しかも、密度も3.1g/cm以上の高密度を有していた。
【0044】
また、比較例として従来のTiC基サーメットでは、強酸に対して0.5時間で表面が白く変色し、アレルギー源金属の溶出が確認された。また、マイクロ波CVD法等で作製された試料No.9の部材や、成膜条件によってH/Hの比率が0.05よりも小さい試料No.1、2、9、10の部材では、いずれも試験後の膜表面に腐食によると思われる10〜1000μmのスポットが多数観察され、腐食が局所的に進行したことがわかり、その結果、微量のアレルギー源金属の溶出が確認された。
【0045】
また、上記と同様にして、作製した部材を入れた容器内に40%NaOH溶液のアルカリ溶液を80ml注ぎ込み、40℃で48時間放置後の腐食の状態を観察した結果、試料No.17のTiC基サーメットからなる容器では、全面に腐食が見られたが、それ以外の試料No.1〜16についてはほとんど変化は見られなかった。
【0046】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の硬質炭素膜被覆部材は、強酸や強アルカリとの接触においても局所的な腐食等の進行を抑制し長期にわたり優れた耐食性を発揮することができる。その結果、海水や汗等との接触においても、基体中のアレルギー源金属の溶出を防止することができる。これにより、人の肌と接触する、特に装飾用部材の長期にわたる安全性および信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における硬質炭素膜(試料No.3)のラマン分光スペクトルチャート図である。
【図2】比較例における硬質炭素膜(試料No.9)のラマン分光スペクトルチャート図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a member coated with a hard carbon film, in particular, a member used for decoration, such as a watch exterior part, a necklace, a piercing, an eyeglass frame, and a fishing tackle.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, members used for decoration, such as watch exterior parts such as watch cases and bands, and necklaces, earrings, and eyeglass frames are generally processed from natural minerals. However, since the decorative member is directly in contact with a person or exposed to seawater, rain, or the like, excellent scratch resistance and corrosion resistance to sweat and the like are required.
[0003]
In response to such demands, recently, ceramics such as colored alumina ceramics and colored zirconia ceramics, and carbides and nitrides such as WC, TiC and TiN have been sintered together with iron group metals such as Ni and Co. 2. Description of the Related Art Sintered alloys such as hard alloys and cermet alloys exhibiting gold or silver are known.
[0004]
On the other hand, it has been proposed to coat various substrates with the most chemically stable diamond in order to enhance the wear resistance and the like. This diamond film is formed as a thin film on the surface of various substrates by, for example, thermal CVD, microwave plasma CVD, or the like.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, these sintered alloys contain iron group metals such as Ni and Co as constituents, but these metal elements are eluted as free metals due to sweat or the like, and these metals contact the skin by contact with the skin. There is a concern that allergies such as inflammation may occur, and regulations on elution of these allergic sources are being strengthened in Japan and overseas.
[0006]
Then, in preventing such elution of allergic sources, it can be expected to prevent elution by coating with a diamond film or the like. However, although the diamond film formed by the thermal CVD method or the microwave CVD method has excellent abrasion resistance, crystal grains are large, grain boundaries exist between the crystals, and voids and the like are present in the film. Exists. Therefore, when exposed to seawater, sweat, or the like for a long time, the allergic source in the base may be eluted.
[0007]
In addition, the conventional diamond film needs to be mirror-finished for decoration since the surface has irregularities due to the self-shape of large crystal grains. However, there is a problem that the diamond film itself has a very high hardness and is difficult to process.
[0008]
Accordingly, the present invention provides a hard carbon film-coated member that has excellent corrosion resistance to a member containing an allergen-source metal and has no elution of the allergen-source metal, and is particularly suitable for decoration. It is the purpose.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies on a method for solving the above-mentioned problem, and found that the surface of a substrate containing a total of 1% by weight or more of a metal that causes metal allergy of Ni, Co, and Cr was placed on a surface of a Raman spectrum. , 1160 ± 40 cm −1 , 1340 ± 40 cm −1 and 1500 ± 60 cm −1 , and the strongest peak intensity among the peaks existing at 1160 ± 40 cm −1 is H 1 , 1340 ± 40 cm − The peak intensity having the highest intensity among the peaks existing in No. 1 is H 2 , and the peak intensity having the highest intensity among the peaks existing at 1500 ± 60 cm −1 is H 3, and is expressed as H 1 / H 2. and the peak intensity ratio is 0.05 or more, by coating the hard carbon film which satisfies a relation of H 1 <H 2 <H 3 , the objective reaches Found is that by, leading to the present invention.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The hard carbon film-coated member according to the present invention is suitably used particularly as a decorative member that can directly touch human skin, such as a watch exterior part, a necklace, a piercing, an eyeglass frame, a button, and a broach.
[0011]
The substrate used in the present invention is a substrate containing 1% by weight or more of a metal causing a metal allergy (hereinafter, referred to as an allergen metal). Specifically, Ni, Co, Cr, Al, Mn, Fe, Rh, Pd, and the like are reported as allergen metals, but in the present invention, the total of these metals is 1% by weight or more. The substrate. In particular, it is effective for substrates in which the content of Ni, Co, and Cr is 1% by weight or more.
[0012]
Examples of such a substrate include a cemented carbide containing a hard phase mainly composed of TiC, TiCN, TiN, and WC and a binder phase composed of an iron group metal such as Ni or Co at about 1 to 20% by weight, a TiC-based cermet. And sintered alloys such as TiCN-based cermet and TiN-based cermet. The hard phase component includes, in addition to the above main components, carbides, nitrides, carbonitrides, and the like of metals of Groups 4a, 5a, and 6a of the periodic table such as Ti, Zr, Ta, V, Nb, and Cr. In some cases.
[0013]
In addition, as the substrate, other than the above sintered alloy, ceramic materials such as alumina ceramics, zirconia ceramics, and alloys containing gold, silver, copper, and the like containing the above-mentioned allergen metal in an amount of 1% by weight or more, Further, there may also be mentioned a base body plated with noble metal, and a base body plated with Ni or the like as an underlayer.
[0014]
According to the present invention, the surface of the above substrate is coated with a hard carbon film containing diamond.
[0015]
Conventionally, a generally known diamond film is known to be formed by a thin film forming method such as a thermal CVD method or a microwave CVD method. Such a diamond film is usually made of high-purity diamond, It has a structure in which carbon atoms are bonded by SP 3 hybridization. Particularly, those having a peak only at 1340 ± 40 cm −1 in the Raman spectroscopy spectrum are often used. In addition, a diamond film having a broad peak near 1500 to 1600 cm -1 in addition to the above-mentioned peak containing carbon having a graphite structure bonded by SP 2 hybridization is known in part. Also, this diamond film has large irregularities on the surface after film formation due to the crystal shape of the diamond due to large diamond crystal grains, and therefore, there are grain boundaries between crystals, and a large amount of voids are present inside the thin film. Exists.
[0016]
On the other hand, the hard carbon film according to the present invention is mainly composed of diamond, but has peaks at least at 1340 ± 40 cm −1 , 1160 ± 40 cm −1 and 1500 ± 60 cm −1 in the Raman spectrum. Things. Of the above peaks, the peak at 1340 ± 40 cm −1 indicates a diamond crystal peak, the peak at 1500 ± 60 cm −1 indicates the presence of an amorphous carbon phase, and the peak at 1160 ± 40 cm −1 indicates a diamond precursor or polyene. It is considered to indicate the existence of a structure, and is meant to be formed by extremely fine crystals. Therefore, the hard carbon film of the present invention is formed of a crystal having a very fine diamond crystal and an average particle diameter of 1 μm or less, and a dense film having almost no voids in the film.
[0017]
As described above, the hard carbon film itself is very dense, has almost no grain boundary components, and has no voids in the film. Since there is no local erosion of the crystal grain boundaries and excellent corrosion resistance, it is possible to prevent the allergen source metal in the base from eluting to the member surface.
[0018]
In addition, since this hard carbon film has excellent flatness without irregularities due to the diamond crystal's own shape as in the prior art, there is no need to process the surface, and even when a smooth mirror surface is processed, a short time is required. It also has the advantage that it can be processed easily. Further, when the hard carbon film is formed on the predetermined substrate surface, a smooth and dense film surface conforming to the substrate surface shape can be formed on the substrate surface of any shape, and excellent corrosion resistance is required. It can be formed with high smoothness on the member surface.
[0019]
The peak intensity in the Raman spectrum of the hard carbon film in the present invention will be specifically described. As shown in FIG. 1, the hard carbon film of the present invention has peaks at least at 1340 ± 40 cm −1 and 1160 ± 40 cm −1 . 1160 peak intensity of ± 40 cm -1 is to draw oblique lines between positions 1100 cm -1 and 1700 cm -1, this as a baseline, the high peak intensity of most intense among the peaks present in 1160 ± 40 cm -1 H 1, 1340 when the high peak intensity of most intense among the peaks and with H 2 present in ± 40 cm -1, the peak intensity ratio represented by H 1 / H 2 is 0.05 or more, preferably, 0.2 It is important that it is ~ 1.0.
[0020]
If the peak intensity ratio is less than 0.05, diamond crystal grains grow too large, voids are generated in the film, or the surface roughness of the film increases, so that local corrosion easily proceeds. On the other hand, if the peak intensity ratio is too large, the ratio of diamond crystals decreases, resulting in a decrease in film strength. The peak intensity ratio represented by H 1 / H 2 is desirably 1.0 or less.
[0021]
Further, as shown in FIG. 1, the Raman spectroscopy spectrum has a peak at 1500 ± 60 cm −1 , and when the highest peak intensity among the peaks in the region is H 3 , H 1 <H It is desirable that the relationship of 2 <H 3 be satisfied. This peak indicates an amorphous phase existing between the diamond crystals. However, the intensity of H 3 is low, and when H 1 > H 3 or H 2 > H 3 , the denseness of the film is reduced. In this case, a problem occurs that the allergen metal is eluted.
[0022]
According to the hard carbon film-coated member of the present invention, the hard carbon film is dense, so that even when the film thickness is small, it is possible to prevent the elution of the allergen metal in the substrate, If the thickness is too thin, the strength of the film itself will be reduced, and the film may crack when subjected to an impact. Therefore, the thickness is preferably 0.5 μm or more. Further, from the viewpoint of manufacturing cost, the thickness is desirably 20 μm or less.
[0023]
According to the hard carbon film-coated member of the present invention, in order to enhance the adhesion to the substrate, an intermediate layer composed of at least a composite of diamond and metal carbide is interposed between the substrate and the hard carbon film. Thereby, a hard carbon film having extremely good adhesion can be formed.
[0024]
The reason why the adhesion strength between the hard carbon film and the base material is improved by the interposition of the intermediate layer is considered as follows. Atoms are bonded by intervening electrons, but in general, electrons are shared by both atoms rather than ionic bonds in which electrons between atoms are present on one side and are electrically connected. A covalent bond has a stronger binding force. Diamond has a strong bonding force because it is constituted by a covalent bond of carbon. Therefore, in order to improve the adhesion strength between diamond and a different compound, it is considered that a covalent compound having a similar bonding mode is desirable. Also, it is considered that a compound containing carbon which is a component of diamond has better consistency. There are many metal carbides, and most of them are mainly ionic bonds. The covalent carbide includes silicon carbide and boron carbide, but silicon carbide is most desirable in the decorative covering member of the present invention.
[0025]
By forming such an intermediate layer containing a mixture of metal carbide and diamond between the hard carbon film and the substrate, the adhesion strength between the hard carbon film and the substrate is improved. In addition, the diamond and the metal carbide do not exist in a layer-separated state, but have a structure in which the metal carbide surrounds the diamond. This improves the adhesion.
[0026]
As a method for producing a hard carbon film in the present invention, a so-called plasma CVD method or a thermal CVD method in which plasma is generated by microwave or high frequency to form a carbon film on a predetermined substrate surface has conventionally been used as a means for generating a diamond film. The filament method is the mainstream. However, in the plasma CVD method, an area where a film can be formed is small because a plasma generation region is small, and an area where a film can be formed is generally about 20 mm in diameter, and its application as a processing member is limited. Further, when the pressure is too high or the plasma density is too low, and the substrate has a complicated structure or a curved surface structure, uniform plasma along the structure cannot be obtained, and the film thickness distribution becomes uneven. Prone.
[0027]
On the other hand, in the hot filament CVD method, the filament is liable to be cut, and it is necessary to set the filament in accordance with the shape of the substrate in order to suppress the variation in the film thickness. I have.
[0028]
On the other hand, according to the so-called electron cyclotron resonance plasma CVD method in which a magnetic field is applied to the plasma generation region in the plasma CVD method, high-density plasma can be obtained under low pressure (1 torr or less). It can be uniformly generated in a wide area, and a film can be uniformly formed in an area about 10 times as large as that of a normal plasma CVD method.
[0029]
Therefore, here, the electron cyclotron resonance plasma CVD method (ECR plasma CVD method) will be described as an example. In this method, a reaction gas is introduced into a reaction furnace in which a predetermined base is installed, and simultaneously a microwave of 2.45 GHz is introduced. At the same time, a magnetic field of a level of 875 Gauss or more is applied to this region. As a result, the electrons generate cyclotron motion based on the cyclotron frequency f = eB / 2πm (where m: mass of electrons, e: charge of electrons, B: magnetic flux density). When this frequency coincides with the microwave frequency (2.45 GHz), it resonates and electrons are remarkably absorbed by the microwave energy, accelerated, collide with neutral molecules, cause ionization, and generate high-density plasma. Become like At this time, the temperature of the substrate is set at 150 to 1000 ° C., and the furnace pressure is set at 1 × 10 −2 to 1 torr.
[0030]
According to this method, the components and the like of the hard carbon film to be formed are changed by changing the substrate temperature, the furnace pressure, and the reaction gas concentration during the film formation. Specifically, as the pressure in the furnace increases, the region of the plasma decreases, and the growth rate of the film decreases, but the crystallinity tends to improve. Also, when the concentration of the reaction gas increases, the size of the particles constituting the film tends to decrease, and the crystallinity tends to deteriorate. Specifically these conditions by controlled appropriately as described in the examples below, it is possible to control the H 1 / H 2 ratio described above.
[0031]
In the above-described film forming method, when producing the decorative covering member of the present invention, hydrogen and a carbon-containing gas are used as source gases in forming the hard carbon film. Examples of the carbon-containing gas used include, for example, alkanes such as methane, ethane, and propane; alkenes such as ethylene and propylene; alkynes such as acetylene; aromatic hydrocarbons such as benzene; cycloparaffins such as cyclopropane; And cycloolefins such as cyclopentene. In addition, oxygen-containing carbon compounds such as carbon monoxide, carbon dioxide, methyl alcohol, ethyl alcohol and acetone, and nitrogen-containing carbon compounds such as mono (di, tri) methylamine and mono (di, tri) ethylamine are also used as carbon source gases. Can be used. These can be used alone or in combination of two or more. Further, in order to form an intermediate layer composed of a mixture of diamond and silicon carbide as described above, after performing a diamond nucleation treatment as desired, hydrogen, a carbon-containing gas and a silicon-containing gas are introduced as reaction gases. . Examples of the silicon-containing gas include halides such as silicon tetrafluoride, silicon tetrachloride, and silicon tetrabromide, oxides such as silicon dioxide, mono (di, tri, tetra, penta) silane, and mono (di). Silane compounds such as (tri, tetra) methylsilane and silanol compounds such as trimethylsilanol. These can be used alone or in combination of two or more.
[0032]
As described above, the hard carbon film of the present invention is mainly composed of diamond having a fine grain structure, and is dense and free from defects such as voids on the film surface and inside, and also has excellent smoothness on the film surface. It is. Therefore, when this hard carbon film is formed on the surface of a member that comes into contact with the human skin, high corrosion resistance can be imparted. In particular, while preventing the occurrence of local corrosion to voids or the like due to sweat or acid rain, sweat and acid It is also possible to prevent the rain film from remaining in voids and recesses.
[0033]
Further, by interposing an intermediate layer containing at least diamond and metal carbide between the member surface and the hard carbon film, the adhesion of the hard carbon film to the substrate can be increased. Peeling from the substrate can be prevented.
[0034]
【Example】
(Example)
In an oven at electron cyclotron resonance plasma CVD device, a cemented carbide as the substrate (80 wt% WC-10 wt% Co-10 wt% Ni), TiC-based cermet (80 wt% TiC-15 wt% Cr 2 C 2 - A 100 ml container made of any one of 5 wt% Ni) and a TiN-based cermet (85 wt% TiN-15 wt% Ni) was installed.
[0035]
The mixture was treated with a gas of H 2 297 sccm and CH 4 3 sccm at a gas concentration of 1%, a substrate temperature of 650 ° C., and a furnace pressure of 0.1 torr for 1.5 hours to generate diamond nuclei. Using H 2 gas, CH 4 gas and Si (CH 3 ) 4 gas as the gas,
H 2 297 sccm
CH 4 3 sccm
Si (CH 3 ) 4 0.3 sccm
At a gas concentration of 1%, a substrate temperature of 650 ° C., and a furnace pressure of 0.05 torr by applying a magnetic field having a maximum intensity of 2 kGauss by an electron cyclotron resonance (ECR) plasma CVD method to obtain a microwave output of 3.0 KW. The film was formed under the conditions for 5 hours to form an intermediate layer having an average film thickness of 0.8 μm in which diamond and silicon carbide were mixed on the inner surface of the container.
[0036]
In Table 1, the sample No. For 4, an intermediate layer formed H 2 300 sccm
Si (CH 3 ) 4 0.3 sccm
An intermediate layer made of silicon carbide was formed in a thickness of 1 μm in exactly the same manner as described above except that the gas ratio was set to the above, and the evaluation was performed in the same manner.
[0037]
Next, a film was formed on the intermediate layer using H 2 gas, CH 4 gas, and CO 2 gas having a purity of 99.9% or more at a gas ratio, a gas concentration, a substrate temperature, and a furnace pressure shown in Table 1. Was performed to form a 2 μm hard carbon film on the inner surface of the container.
[0038]
Against the formed hard carbon film, subjected to Raman spectrum analysis of the film surface, draw a line between positions 1100 cm -1 and 1700 cm -1 from the Raman spectrum chart, which was the baseline, 1160 ± 40 cm - the peak intensity of the maximum peak present the peak intensity of the maximum peak present in 1 to H 1, 1340 ± 40cm -1 as H 2, was calculated intensity ratio expressed by H 1 / H 2. Further, the peak intensity having the highest intensity among the peaks in the region of 1500 ± 60 cm −1 was defined as H 3, and the magnitude relation between H 1 , H 2 and H 3 was shown. In Table 1, Sample No. 3 and Sample No. The charts for No. 9 are shown in FIGS. Note that an Ar laser (oscillation line 488.0 nm) was used as a laser as an oscillation source in the Raman spectroscopic analysis. Further, the film alone was taken out, and the density of the film was measured by a flotation method using a specific gravity solution of thallium formate aqueous solution.
[0039]
Next, 80 ml of a 45% hydrofluoric acid solution was poured into a container having an inner surface coated with a hard carbon film, and left at a temperature of 40 ° C. for 48 weeks. The film surface after standing was observed with a binocular microscope, and the state of corrosion is shown in Table 1. Further, the amount of metal eluted into the solution was measured by the ICP method, and the results are shown in Table 1.
[0040]
(Comparative Example 1)
The same corrosion test as in Example 1 was performed using a TiC-based cermet that did not cover the hard carbon film. 17 is shown.
[0041]
(Comparative Example 2)
Using the TiC-based cermet used in the examples as a substrate, an intermediate layer was formed by microwave CVD at a gas concentration of 1%, a substrate temperature of 950 ° C., and a furnace pressure of 30 torr for 3 hours. After the film formation, the sample Nos. Under the conditions shown in FIG. 9, a 1 μm hard carbon film was formed. On the other hand, the same corrosion test as in Example 1 was performed. The results are shown in FIG.
[0042]
[Table 1]
Figure 0003554119
[0043]
According to the results shown in Table 1, the samples of the present invention in which a hard carbon film satisfying H 1 / H 2 of 0.05 or more and satisfying H 1 <H 2 <H 3 were all resistant to a strong acid solution. No corrosion was observed, excellent corrosion resistance was shown, and the elution of allergic metal was below the detection limit. In addition, the density was as high as 3.1 g / cm 3 or more.
[0044]
As a comparative example, in the case of a conventional TiC-based cermet, the surface turned white in 0.5 hours against a strong acid, and the elution of allergen metal was confirmed. In addition, the sample No. manufactured by the microwave CVD method or the like. Sample No. 9 and a sample No. 9 in which the ratio of H 1 / H 2 is smaller than 0.05 depending on the film formation conditions. In each of the members 1, 2, 9, and 10, a large number of spots of 10 to 1000 μm, which are considered to be caused by corrosion, were observed on the film surface after the test, and it was found that the corrosion had locally progressed. Elution of allergen metal was confirmed.
[0045]
In the same manner as described above, 80 ml of a 40% NaOH alkali solution was poured into the container containing the produced members, and the state of corrosion after being left at 40 ° C. for 48 hours was observed. In the container made of the TiC-based cermet of No. 17, corrosion was observed on the entire surface. For 1-16, little change was seen.
[0046]
【The invention's effect】
As described in detail above, the hard carbon film-coated member of the present invention can suppress the progress of local corrosion and the like even in contact with a strong acid or strong alkali, and can exhibit excellent corrosion resistance over a long period of time. As a result, even in the case of contact with seawater, sweat, or the like, elution of the allergen source metal in the base can be prevented. Thereby, the long-term safety and reliability of the decorative member that comes into contact with the human skin, in particular, can be enhanced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a Raman spectrum chart of a hard carbon film (sample No. 3) according to the present invention.
FIG. 2 is a Raman spectrum chart of a hard carbon film (sample No. 9) in a comparative example.

Claims (1)

Ni、CoおよびCrの金属アレルギーを引き起こす金属を合計で1重量%以上含有する基体の表面に、ラマン分光スペクトルにおいて、1160±40cm−1、1340±40cm−1および1500±60cm−1にピークが存在し、且つ1160±40cm−1に存在するピークのうち最も強度の強いピーク強度をH、1340±40cm−1に存在するピークのうち最も強度の強いピーク強度をH、1500±60cm−1に存在するピークのうち最も強度の強いピーク強度をHとした時、H/Hで表されるピーク強度比が0.05以上であり、H<H<Hの関係を満足する硬質炭素膜を被覆したことを特徴とする装飾用の硬質炭素膜被覆部材。Peaks at 1160 ± 40 cm −1 , 1340 ± 40 cm −1, and 1500 ± 60 cm −1 in Raman spectroscopy on the surface of a substrate containing a total of 1% by weight or more of metals that cause metal allergy of Ni, Co and Cr. Among the peaks present and present at 1160 ± 40 cm −1 , the highest peak intensity is H 1 , and the highest one of the peaks present at 1340 ± 40 cm −1 is H 2 , 1500 ± 60 cm −. when a strong peak intensity of most intense among the peaks present was H 3 in 1, a peak intensity ratio represented by H 1 / H 2 is 0.05 or more, the relationship of H 1 <H 2 <H 3 A hard carbon film-coated member for decoration characterized by being coated with a hard carbon film satisfying the following.
JP29042496A 1996-10-31 1996-10-31 Hard carbon film coated member Expired - Fee Related JP3554119B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP29042496A JP3554119B2 (en) 1996-10-31 1996-10-31 Hard carbon film coated member

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP29042496A JP3554119B2 (en) 1996-10-31 1996-10-31 Hard carbon film coated member

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH10139592A JPH10139592A (en) 1998-05-26
JP3554119B2 true JP3554119B2 (en) 2004-08-18

Family

ID=17755862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP29042496A Expired - Fee Related JP3554119B2 (en) 1996-10-31 1996-10-31 Hard carbon film coated member

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3554119B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005247628A (en) * 2004-03-03 2005-09-15 Heiwa Dengen Kk Diamond-like carbon baking handicraft and its production process

Also Published As

Publication number Publication date
JPH10139592A (en) 1998-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6284376B1 (en) Ornamental article and process for producing the same
WO2024045726A1 (en) Coated cutting tool and preparation method therefor
Buck et al. Enhanced nucleation of diamond films on pretreated substrates
JP3214891B2 (en) Diamond coated members
JP3554119B2 (en) Hard carbon film coated member
Niu et al. Nucleation and growth of diamond on Si, Cu, and Au substrates
JPH0621360B2 (en) Diamond-coated sintered bond excellent in peel resistance and method for producing the same
US5262202A (en) Heat treated chemically vapor deposited products and treatment method
JP3512597B2 (en) Decorative material
US4873152A (en) Heat treated chemically vapor deposited products
JPH04157157A (en) Production of artificial diamond coated material
JPH09124394A (en) Wear-resistant member
JP3515866B2 (en) Decorative coverings
JP3273106B2 (en) Hard carbon film coated member and method of manufacturing the same
JPH10324971A (en) Decorative member
JP2797612B2 (en) Artificial diamond coated hard sintering tool member with high adhesion strength
JPH0542508B2 (en)
JP3548337B2 (en) Metal plastic working parts
JP3592837B2 (en) Glass forming mold
JP3339994B2 (en) Wear-resistant material
JP3522049B2 (en) Liquid injection nozzle
JPH09314405A (en) Coated cutting tool
JPH06262525A (en) Grinding wheel and its manufacture
JPH04354873A (en) Hard carbon film
JPH02239191A (en) Multilayer diamond film and its production

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040203

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040329

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20040427

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20040506

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090514

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090514

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100514

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110514

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110514

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120514

Year of fee payment: 8

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees