JP4779090B2 - Manufacturing method of hard carbon film covering member - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種回転機器の軸受けやスライド等の摺動部材や情報機器記憶装置等、耐摩耗性の要求される部材に適用される硬質炭素膜被覆部材の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
イオンビームを利用した成膜技術は、イオンビームの持つエネルギーにより常温常圧では不安定な非平衡物質の合成に有効な手法である。例えば、ダイヤモンドの次に硬く、ダイヤモンドより熱的安定な立方晶窒化ホウ素(cBN;cubic Boron Nitride)やアモルファス構造であるものの硬質で摩擦特性に優れたダイヤモンド状炭素(DLC;Diamond like Carbon)等が挙げられる。
【0003】
しかしながら、イオンビームを用いた成膜技術を用い、立体形状、複雑形状の部材表面を処理する場合、イオンビームの指向性から処理部材へのイオンビームの照射角度により、成膜速度やエッチング速度が異なるため、曲率を有する箇所に均一に成膜することは非常に困難である。現状では、処理部材に対して均一成膜条件が維持できるようなマスク、ワークの回転、揺動運動が不可欠となり、処理時間、処理コストが高く生産性が低いという問題があった。
【0004】
イオンビームを用いた成膜技術に関し、前記課題を克服する成膜方法として、プラズマイオン注入法(PBII;Plasma Based Ion Implantation )が注目されている。これは、1986年にアメリカから提唱された成膜方法であり、プラズマ中に曝した処理部材に対し、負のパルス電圧を印加し、処理部材の周囲に存在するプラズマ中のイオンを均一に処理部材に照射する方法であり、窒化処理等の表面改質(表面硬化)への研究が盛んに行われている。
【0005】
【発明が解決しょうとする課題】
前述したプラズマイオン注入法は、希ガス等のイオン注入を行なう場合にはパルス電圧が印加されていない間は、処理部材表面はプラズマに曝された状態でも何も変化がないために問題は生じない。しかしながら、反応性プラズマ中の処理により処理部材上に膜を堆積する場合には、パルス電圧が印加されていない間に膜が堆積し、その膜の性質が全体の膜の特性に大きな影響を与える。一般的に、パルス電圧が印加されていない間に生成する膜は機械的に脆弱であり、より摩擦特性等、機械的特性の優れた硬質膜を得ようとする場合、大きな問題となる。
【0006】
本発明は、立体形状、複雑形状の処理部材に対する密着性、膜の特性(硬さ、摩擦特性)、成膜速度を向上した硬質炭素膜被覆部材の製造方法を提供しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る硬質炭素膜被覆部材の製造方法は、炭化水素系ガスプラズマ中に曝された処理部材に対し、負の直流電圧を印加すると同時に、パルス状の負の電圧を印加することを特徴とするものである。
【0008】
本発明によれば、プラズマイオン注入法で成膜する際、処理部材への負のパルス電圧印加と同時に、負の直流電圧を印加することにより、パルス電圧印加のみと比較し、密着性、膜の特性(硬さ、摩擦特性)、成膜速度等を向上した硬質炭素膜被覆部材を製造することができる。
【0009】
すなわち、パルス電圧が印加されていない間、処理部材表面に機械的に脆弱な膜が成膜されるため、パルス電圧を印加していない間、常に一定の負の直流電圧を印加し、前記処理部材表面に炭化水素系ガスプラズマ中のイオンを積極的に引き込むことによって、前記処理部材表面の硬質炭素膜の膜質およびその成膜速度を向上することが可能になる。
【0010】
本発明に係る硬質炭素膜被覆部材の製造方法において、前記処理部材に印加する直流電圧は−0.2kV〜−2kVであることが好ましい。
【0011】
本発明に係る硬質炭素膜被覆部材の製造方法において、前記処理部材に印加するパルス電圧は−1kV〜−10kVであることが好ましい。
【0012】
本発明に係る硬質炭素膜被覆部材の製造方法において、前記処理部材に印加するパルス電圧の効率比を1〜50%にすることが好ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を図1を参照して詳細に説明する。
【0014】
図1は、本発明に係る硬質炭素膜被覆部材を製造するための成膜装置の概略図である。
【0015】
真空容器11は、図示しない真空排気装置により真空排気される。処理部材である基材12を設置するホルダ13は、高絶縁フィードスルー14を介して、負の直流電圧及びパルス電圧を印加できるバイアス電源15に接続されている。プラズマ16は、前記真空容器11内に発生されている。このプラズマ16は、炭化水素系ガスをガス導入管17から前記真空容器11内に導入し、かつマイクロ波をマイクロ波を電源19から導波管18を介して真空容器11に導入し、前記真空容器11の中心に対して左右に対向して設置した一対の電磁コイル20a,20bにより前記基材12付近に導入された前記マイクロ波を最も効率的に吸収する磁場を形成することによって発生させる。
【0016】
なお、このような構造によるプラズマの発生以外に、高周波プラズマやヘリコンプラズマ、誘導結合プラズマ等種々のプラズマ源を用いてもよい。
【0017】
次に、硬質炭素膜被覆部材の製造方法を前述した図1の成膜装置を用いて説明する。
【0018】
まず、ホルダ13に基材12を設置し、真空容器11を所定の真空度まで真空排気する。所望の炭化水素系の原料ガスをガス導入管17を通して前記真空容器11内に導入し、所望の圧力に設定する。一対の電磁コイル20a,20bに所望の電流を流すことにより、前記真空容器11内の所望の箇所においてマイクロ波を効率的に吸収可能な磁場を形成する。この状態で、所望の出力のマイクロ波をマイクロ波電源19から導波管18を介して前記真空容器11内に導入することによりプラズマ16を発生させる。
【0019】
前記プラズマ発生と同時に、高絶縁フィードスルー14を介してバイアス電源15から前記基材12に所望の電圧の直流電圧と所望の電圧および効率比のパルス電圧をそれぞれ印加する。
【0020】
以上の工程により前記基材12表面に硬質炭素膜を成膜して硬質炭素膜被覆部材を製造する。
【0021】
前記基材に印加する直流電圧は、−0.2kV〜−2kVにすることが好ましい。この基材に印加する直流電圧を−0.2kV未満にすると、イオンのエネルギーが低く直流電圧を印加しない場合と差がなく、直流電圧の印加効果を十分に達成することが困難になる虞がある。一方、前記基材に印加する直流電圧が−2kVを超えると、照射するイオンのエッチング効果により成膜速度が著しく減少する虞がある。
【0022】
前記基材に印加するパルス電圧は、−1kV〜−10kVとすることが好ましい。この基材に印加するパルス電圧を−1kV未満にすると、イオンが膜に注入されず表面に堆積することにより、パルス電圧が印加されていない間に堆積する炭素膜の改質を行うことが困難になる。一方、前記基材に印加するパルス電圧が−10kVを超えると、パルス電圧が印加されていない間に堆積する炭素膜を注入されるイオンが突き抜けてしまうため、効果的に炭素膜の改質を行うことが困難になる。
【0023】
前記基材に印加するパルス電圧の効率比を1〜50%にすることが好ましい。この基材に印加するパルス電圧の効率比を1%未満にすると、パルス電圧が印加されていない間に堆積する炭素膜を改質するために必要なイオンが不足して、十分に硬質な膜を前記基材表面に成膜することが困難になる。一方、前記基材に印加するパルス電圧の効率比が50%を超えると、パルス電圧が印加されていない間に堆積する炭素膜のエッチングにより成膜速度が著しく減少したり、イオン照射過多により得られる膜が多孔質化して硬質な膜が得られなくなったり、さらに基材と真空容器間で異常放電が起こり安定した動作が保証されなくなる虞がある。
【0024】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を前述した図1に示す成膜装置を用いて詳細に説明する。
【0025】
(実施例1)
まず、真空容器11内のホルダ13にステンレス鋼(JIS:SUS304)からなる基材12を設置し、真空容器11を1×10-3Pa以下の真空度まで真空排気した。原料ガスとしてメタンをガス導入管17を通して前記真空容器11内に導入し、その容器11内の圧力を5×10-2Paに制御した。その後、一対の電磁コイル20a,20bに300Aの電流を流すことにより、前記真空容器11内の中心部から100mm離れた箇所においてマイクロ波を効率的に吸収可能な磁場(875ガウス)を形成した。この状態で、1kWの出力のマイクロ波(周波数2.45GHz)をマイクロ波電源19から導波管18を介して真空容器11内に導入することによりプラズマ16を発生させた。プラズマ発生と同時に、電圧−0.2kVの直流電圧と電圧−2kV、効率比1%のパルス電圧をバイアス電源15から高絶縁フィードスルー14を通して前記基材12にそれぞれ印加し、前記基材12に硬質炭素膜を成膜することにより硬質炭素膜被覆部材を製造した。この時の成膜速度は、20μm/分であった。
【0026】
得られた硬質炭素膜の構造をラマンスペクトル分析により調べた。その結果、1520cm-1付近のメインピークと1380cm-1付近のショルダーバンドからなるブロードなピークが検出され、硬質炭素膜であるダイヤモンドライクカーボン膜の合成が確認された。
【0027】
また、ボールオンディスク型摩擦試験機により前記硬質膜の摩擦特性を調べた。摩擦試験の条件としては、相手材をSiCボール、荷重を1N、速度を0.1m/sec、雰囲気を乾燥空気中、温度を室温とした。その結果、この硬質炭素膜の摩擦係数は0.02であった。なお、直流電圧およびバイアス電圧を印加しない以外、前述したのと同様な条件で成膜した炭素膜の摩擦係数は0.4であった。電圧−2kV、効率比1%のパルス電圧のみを印加した以外、前述したのと同様な条件で成膜した炭素膜の摩擦係数は0.08であった。
【0028】
したがって、実施例1で成膜された硬質炭素膜はより小さな摩擦係数を有し、摩擦特性が大幅に改善されることがわかる。
【0029】
さらに、実施例1で成膜された硬質炭素膜はボールオンディスク型摩擦試験機による荷重20Nでの摩擦試験にも剥離することなく摩擦係数0.02を示し、密着性、耐久性も大幅に向上されていることが確認された。
【0030】
(実施例2)
まず、ホルダ13に高速度工具鋼(JIS:SKH51)からなる基材12を設置し、真空容器を1×10-3Pa以下の真空度まで真空排気した。原料ガスとしてアセチレンをガス導入管17を通して前記真空容器11内に導入し、その容器11内の圧力を5×10-2Paに制御した。その後、一対の電磁コイル20a,20bに250Aの電流を流すことにより、前記真空容器11内の中心部から150mm離れた箇所においてマイクロ波を効率的に吸収可能な磁場(875ガウス)を形成した。この状態で、700Wの出力のマイクロ波(周波数2.45GHz)をマイクロ波電源19から導波管18を介して真空容器11内に導入することによりプラズマ16を発生させた。プラズマ発生と同時に、電圧−0.5kVの直流電圧と電圧−5kV、効率比10%のパルス電圧をバイアス電源15から高絶縁フィードスルー14を通して前記基材12にそれぞれ印加し、前記基材12に硬質炭素膜を成膜することにより硬質炭素膜被覆部材を製造した。この時の成膜速度は、30μm/分であった。
【0031】
得られた硬質炭素膜の構造をラマンスペクトル分析により調べた。その結果、1520cm-1付近のメインピークと1380cm-1付近のショルダーバンドからなるブロードなピークが検出され、硬質炭素膜であるダイヤモンドライクカーボン膜の合成が確認された。
【0032】
また、ボールオンディスク型摩擦試験機により前記硬質膜の摩擦特性を調べた。摩擦試験の条件としては、相手材をSiCボール、荷重を1N、速度を0.1m/sec、雰囲気を乾燥空気中、温度を室温とした。その結果、この硬質炭素膜の摩擦係数は0.03であった。なお、直流電圧およびバイアス電圧を印加しない以外、前述したのと同様な条件で成膜した炭素膜の摩擦係数は0.5であった。電圧−5kV、効率比10%のパルス電圧のみを印加した以外、前述したのと同様な条件で成膜した炭素膜の摩擦係数は0.09であった。
【0033】
したがって、実施例2で成膜された硬質炭素膜はより小さな摩擦係数を有し、摩擦特性が大幅に改善されることがわかる。
【0034】
さらに、実施例2で成膜された硬質炭素膜はボールオンディスク型摩擦試験機による荷重20Nでの摩擦試験にも剥離することなく摩擦係数0.03を示し、密着性、耐久性も大幅に向上されていることが確認された。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば硬質で摩擦特性の優れた硬質炭素膜を基材に対して良好に密着させることができる。また、イオンビームを用いた成膜方法の中で複雑形状の部材へ処理可能な方法で、かつ成膜速度を向上できるため、従来の製造方法と比較し短時間に低コストで製造することができる。
【0036】
したがって、本発明によれば工具、軸受け等の産業機械、エンジン、宇宙機器等への性能、寿命向上に寄与する硬質炭素膜被覆部材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る硬質炭素膜被覆部材を製造するための成膜装置の概略図
【符号の説明】
11…真空容器、
12…基材、
13…ホルダ、
15…バイアス電源、
16…プラズマ、
19…マイクロ波電源、
20a,20b…電磁コイル、[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing method of a hard carbon film covering member applied to a member requiring wear resistance, such as a sliding member such as a bearing or a slide of various rotating devices, an information device storage device, and the like.
[0002]
[Prior art]
Film formation technology using an ion beam is an effective technique for synthesizing non-equilibrium materials that are unstable at room temperature and normal pressure due to the energy of the ion beam. For example, cubic boron nitride (cBN) that is harder than diamond and thermally stable than diamond, or diamond-like carbon (DLC) that has an amorphous structure but is hard and has excellent frictional properties. Can be mentioned.
[0003]
However, when processing the surface of a three-dimensional or complex shaped member using a film forming technique using an ion beam, the film forming speed or the etching speed depends on the ion beam irradiation angle from the directivity of the ion beam. Because of the difference, it is very difficult to form a film uniformly in a portion having a curvature. Under the present circumstances, it is indispensable to rotate and swing the mask and workpiece so that uniform film forming conditions can be maintained on the processing member, and there is a problem that processing time and processing cost are high and productivity is low.
[0004]
With respect to a film forming technique using an ion beam, a plasma ion implantation (PBII; Plasma Based Ion Implantation) has attracted attention as a film forming method for overcoming the above-mentioned problems. This is a film formation method proposed by the United States in 1986. A negative pulse voltage is applied to a processing member exposed to plasma to uniformly process ions in the plasma around the processing member. This is a method of irradiating a member, and research on surface modification (surface hardening) such as nitriding has been actively conducted.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described plasma ion implantation method has a problem in that when a pulse voltage is not applied when ion implantation of a rare gas or the like is performed, the surface of the processing member does not change even when exposed to plasma. Absent. However, when a film is deposited on a processing member by a treatment in reactive plasma, the film is deposited while no pulse voltage is applied, and the properties of the film greatly affect the characteristics of the entire film. . In general, a film formed while no pulse voltage is applied is mechanically fragile, which is a serious problem when a hard film having excellent mechanical characteristics such as friction characteristics is obtained.
[0006]
The present invention is intended to provide a method for producing a hard carbon film-coated member having improved solidity, adhesion to a processing member having a complicated shape, film characteristics (hardness, friction characteristics), and film formation speed.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The method for producing a hard carbon film-coated member according to the present invention is characterized in that a negative DC voltage is applied simultaneously to a processing member exposed to a hydrocarbon gas plasma, and a pulsed negative voltage is applied. It is what.
[0008]
According to the present invention, when a film is formed by the plasma ion implantation method, a negative DC voltage is applied to the processing member at the same time as applying a negative DC voltage. It is possible to produce a hard carbon film-coated member with improved characteristics (hardness, friction characteristics), film formation speed, and the like.
[0009]
That is, since a mechanically fragile film is formed on the surface of the processing member while the pulse voltage is not applied, a constant negative DC voltage is always applied while the pulse voltage is not applied. By actively attracting ions in the hydrocarbon-based gas plasma to the surface of the member, it is possible to improve the film quality of the hard carbon film on the surface of the processing member and the film formation speed.
[0010]
In the method for manufacturing a hard carbon film-coated member according to the present invention, the DC voltage applied to the processing member is preferably −0.2 kV to −2 kV.
[0011]
In the method for manufacturing a hard carbon film-coated member according to the present invention, the pulse voltage applied to the processing member is preferably −1 kV to −10 kV.
[0012]
In the manufacturing method of the hard carbon film coating | coated member which concerns on this invention, it is preferable to make the efficiency ratio of the pulse voltage applied to the said processing member into 1 to 50%.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0014]
FIG. 1 is a schematic view of a film forming apparatus for producing a hard carbon film covering member according to the present invention.
[0015]
The vacuum vessel 11 is evacuated by an unillustrated evacuation device. The
[0016]
In addition to the generation of plasma with such a structure, various plasma sources such as high-frequency plasma, helicon plasma, and inductively coupled plasma may be used.
[0017]
Next, a manufacturing method of the hard carbon film covering member will be described using the film forming apparatus shown in FIG.
[0018]
First, the
[0019]
Simultaneously with the generation of the plasma, a DC voltage having a desired voltage and a pulse voltage having a desired voltage and an efficiency ratio are applied from the
[0020]
Through the above steps, a hard carbon film is formed on the surface of the
[0021]
The DC voltage applied to the substrate is preferably -0.2 kV to -2 kV. If the DC voltage applied to the substrate is less than -0.2 kV, there is no difference from the case where the ion energy is low and no DC voltage is applied, and it may be difficult to sufficiently achieve the DC voltage application effect. is there. On the other hand, when the DC voltage applied to the substrate exceeds −2 kV, the film formation rate may be significantly reduced due to the etching effect of the irradiated ions.
[0022]
The pulse voltage applied to the substrate is preferably -1 kV to -10 kV. When the pulse voltage applied to the substrate is less than −1 kV, it is difficult to modify the carbon film deposited while the pulse voltage is not applied, because ions are deposited on the surface without being injected into the film. become. On the other hand, when the pulse voltage applied to the substrate exceeds −10 kV, ions implanted into the carbon film deposited while the pulse voltage is not applied penetrates, so that the carbon film is effectively modified. It becomes difficult to do.
[0023]
It is preferable that the efficiency ratio of the pulse voltage applied to the substrate is 1 to 50%. If the efficiency ratio of the pulse voltage applied to the substrate is less than 1%, the ions required for modifying the carbon film deposited while the pulse voltage is not applied are insufficient, and the film is sufficiently hard. It becomes difficult to form a film on the surface of the substrate. On the other hand, when the efficiency ratio of the pulse voltage applied to the substrate exceeds 50%, the deposition rate is remarkably reduced by etching of the carbon film deposited while the pulse voltage is not applied, or it is obtained by excessive ion irradiation. The resulting film may become porous and a hard film may not be obtained, or an abnormal discharge may occur between the substrate and the vacuum vessel, and stable operation may not be guaranteed.
[0024]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail using the film forming apparatus shown in FIG.
[0025]
Example 1
First, the
[0026]
The structure of the obtained hard carbon film was examined by Raman spectrum analysis. As a result, the detected broad peak consisting of the main peak and 1380 cm -1 vicinity of the shoulder band near 1520 cm -1, the synthesis of diamond-like carbon film is a hard carbon film was confirmed.
[0027]
Further, the friction characteristics of the hard film were examined by a ball-on-disk friction tester. The conditions for the friction test were a SiC ball as the counterpart material, a load of 1 N, a speed of 0.1 m / sec, an atmosphere in dry air, and a temperature of room temperature. As a result, the friction coefficient of this hard carbon film was 0.02. The friction coefficient of the carbon film formed under the same conditions as described above except that no DC voltage and bias voltage were applied was 0.4. The friction coefficient of the carbon film formed under the same conditions as described above was 0.08 except that only a pulse voltage having a voltage of −2 kV and an efficiency ratio of 1% was applied.
[0028]
Therefore, it can be seen that the hard carbon film formed in Example 1 has a smaller friction coefficient, and the friction characteristics are greatly improved.
[0029]
Furthermore, the hard carbon film formed in Example 1 shows a coefficient of friction of 0.02 without peeling even in a friction test at a load of 20 N by a ball-on-disk friction tester, and the adhesion and durability are greatly improved. It was confirmed that it was improved.
[0030]
(Example 2)
First, the
[0031]
The structure of the obtained hard carbon film was examined by Raman spectrum analysis. As a result, the detected broad peak consisting of the main peak and 1380 cm -1 vicinity of the shoulder band near 1520 cm -1, the synthesis of diamond-like carbon film is a hard carbon film was confirmed.
[0032]
Further, the friction characteristics of the hard film were examined by a ball-on-disk friction tester. The conditions for the friction test were a SiC ball as the counterpart material, a load of 1 N, a speed of 0.1 m / sec, an atmosphere in dry air, and a temperature of room temperature. As a result, the coefficient of friction of this hard carbon film was 0.03. The friction coefficient of the carbon film formed under the same conditions as described above except that no DC voltage and bias voltage were applied was 0.5. The friction coefficient of the carbon film formed under the same conditions as described above was 0.09 except that only a pulse voltage having a voltage of −5 kV and an efficiency ratio of 10% was applied.
[0033]
Therefore, it can be seen that the hard carbon film formed in Example 2 has a smaller friction coefficient, and the friction characteristics are greatly improved.
[0034]
Furthermore, the hard carbon film formed in Example 2 shows a coefficient of friction of 0.03 without peeling even in a friction test at a load of 20 N using a ball-on-disk friction tester, and the adhesion and durability are greatly improved. It was confirmed that it was improved.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a hard carbon film that is hard and has excellent frictional properties can be satisfactorily adhered to the substrate. In addition, it is a method that can be processed into a member having a complicated shape in the film formation method using an ion beam, and the film formation speed can be improved. it can.
[0036]
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a method of manufacturing a hard carbon film-coated member that contributes to the improvement of performance and life for industrial machines such as tools and bearings, engines, and space equipment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a film forming apparatus for producing a hard carbon film covering member according to the present invention.
11 ... Vacuum container,
12 ... base material,
13 ... Holder,
15 ... Bias power supply,
16 ... Plasma,
19 ... Microwave power supply,
20a, 20b ... electromagnetic coils,
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