JP5064027B2 - 少なくとも一つの水素含有アモルファスカーボンを含んでなる、機械部品用コーティング、およびコーティングの堆積方法 - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも一つの、水素含有アモルファスカーボンの外側層を含んでなる、機械部品用コーティングに関する。
機械部品の摩耗や摩擦に対する耐性を改良するために、これらの部品を、ＤＬＣ（ダイアモンド状炭素）とも呼ばれる水素含有アモルファスカーボンの被膜で被覆することができる。水素含有アモルファスカーボンは、実際、非常に高い硬度、高いヤング率を有し、摩擦および摩耗係数は極めて低い。さらに、水素含有アモルファスカーボン被膜は、粗さが小さく、多孔度が低く、表面エネルギーが低い。
しかし、水素含有アモルファスカーボン被膜は、数ＧＰａの非常に高い固有応力を示す。これらの高い応力は、機械部品、とりわけ鋼製部品に対する被膜の密着性に悪影響を及ぼすことがあるため、５マイクロメートルを超える厚さに堆積させることはできない。その上、水素含有アモルファスカーボンは熱的安定性が比較的低いため、２５０℃を超える温度でＤＬＣ被覆を使用することができない。ＤＬＣの摩擦係数も大気中の含水量と共に増加する。例えば、鋼に堆積させた水素含有アモルファスカーボンコーティングの摩擦係数は、乾燥雰囲気中の０．０５から、湿度１００％雰囲気中の０．３に徐々に増加する。
ＤＬＣを金属性または非金属性元素でドーピングすることにより、ＤＬＣの特性を改良する試みがなされている。例えば、ケイ素１０〜２０原子％を水素含有アモルファスカーボンに添加することにより、摩擦係数を大きく増加させることなく、内部応力を１ＧＰａに近い値に下げることができる。さらに、ケイ素の添加により、ＤＬＣ被膜の熱的安定性が増加し、含水量に対する摩擦係数の依存性が下がる。
国際特許出願第ＷＯ−Ａ−００／４７２９０号には、ケイ素をＤＬＣ層に添加して炭素濃度を下げることにより、コーティングの色を変えることが提案されている。例えば、金属系基材用の総厚１〜２５μｍの複合材料装飾コーティングは、厚さ０．１〜１５μｍの、２〜４０原子％比率のケイ素でドーピングした水素含有アモルファスカーボンからなる第一層を少なくとも含んでなる。このコーティングは、ケイ素でドーピングした水素含有アモルファスカーボン層および水素含有アモルファスカーボン層を含んでなる、厚さが０．５μｍ以上の追加層も含んでいてもよい。しかし、ケイ素でドーピングした水素含有アモルファスカーボン層は、水素含有アモルファスカーボン層に近い構造を有し、ＤＬＣ中にケイ素原子が存在するために、ｓｐ３型Ｃ−Ｃ結合に対してｓｐ２型Ｃ−Ｃ結合の形成を制限することを目的とするＳｉ−Ｈ結合が形成される。
同様に、金属性ドーピング剤、例えばタンタル、タングステン、チタン、ニオブまたはジルコニウムを添加することにより、固有応力、および湿度に対する摩擦係数の依存性を下げることができる。ケイ素、ホウ素、フッ素、酸素または窒素を添加して、表面エネルギーに影響を及ぼすこともできる。
また、水素含有アモルファスカーボンおよび無定形酸化ケイ素により形成される複合材料を堆積させることによっても、ドーピングされていない水素含有アモルファスカーボンの欠点を軽減することができる。この複合材料は、水素含有アモルファスカーボン単独と比較して固有応力が減少し、これによって、保護すべき部品を構成する多くの材料に対して優れた密着性が得られる。さらに、熱的安定性が改良され、摩擦係数が低下する。しかし、この複合材料の硬度は、水素含有アモルファスカーボン単独の硬度よりも低い。
しかし、この種のコーティングは、特に複雑な形状を有する機械的部品に実施するのが容易ではない。水素含有アモルファスカーボンの固有応力が高いので、厚さが５マイクロメートルを超えるコーティングを達成することができず、コーティングの性能が制限されることがある。さらに、ドーピングした、またはドーピングしていない水素含有アモルファスカーボンの堆積物、または水素含有アモルファスカーボンを含む複合材料により構成される堆積物は、低温では製造することができない。そのような堆積物の製造は、耐摩耗性、耐摩擦性および熱的安定性を得るには時間と経費もかかり、特定の用途に十分に満足できるものではない場合がある。
本発明の目的は、どのような形状の機械部品にも完璧に密着することができ、好ましくは２５０℃を超える高温で熱的に安定しており、特に良好な耐摩耗および耐摩擦特性を有するコーティングを達成することである。
本発明の目的は、コーティングが、機械部品と接触するように意図された水素含有アモルファス炭化ケイ素の第一層、および、第一層と外側層との間に配置された、水素含有アモルファスカーボンと水素含有アモルファス炭化ケイ素との交互層により形成される積層構造から形成されることにより達成される。
本発明の一実施態様では、コーティングの総厚が１０〜２０マイクロメートルである。
好ましい実施態様では、第一層の厚さが１５０〜３００ナノメートルである。
本発明の別の実施態様では、外側層の厚さが０．５〜２マイクロメートルである。
本発明の別の目的は、機械部品用コーティングを堆積させるための、容易に、安価で、低温で実施できる方法を提供することである。
本発明の目的は、同じプラズマ強化化学蒸着ケース中で、順次、
水素含有アモルファス炭化ケイ素の第一層、
水素含有アモルファスカーボンと水素含有アモルファス炭化ケイ素との交互層、および
水素含有アモルファスカーボンの外側層
を堆積させる方法により達成される。
水素含有アモルファス炭化ケイ素の第一層、
水素含有アモルファスカーボンと水素含有アモルファス炭化ケイ素との交互層、および
水素含有アモルファスカーボンの外側層
を堆積させる方法により達成される。
他の利点および特徴は、非限定的な例としてのみ記載し、添付図面に例示する、本発明の特別な実施態様の説明により、明らかである。
図面に示すように、好ましくは総厚１０〜２０マイクロメートルのコーティング１を機械部品２上に堆積させ、部品２の表面を摩耗および摩擦から保護する。コーティング１は、水素含有アモルファス炭化ケイ素の第一層３、各層がされた構造４、および水素含有アモルファスカーボン（ＤＬＣ）の外側層５を含んでなる。第一層３は、機械部品２の表面上に配置されており、好ましくは厚さが１５０〜３００ナノメートルであるのに対し、水素含有アモルファスカーボンから製造された外側層５は厚さが０．５〜２マイクロメートルである。ＳｉＣ：Ｈまたはａ−Ｓｉ１−ｘＣｘ：Ｈとも記載され、ｘが好ましくは約０．５である水素含有アモルファス炭化ケイ素は、ケイ素および炭素の比率よりも小さな比率の水素が取り込まれている無定形炭化ケイ素化合物である。そのような化合物は、Ｃ−Ｃ型の結合ではなく、Ｓｉ−Ｃ、Ｓｉ−ＨおよびＣ−Ｈ型の結合のみを含む。
積層構造４は、水素含有アモルファスカーボン（ＤＬＣ）と、水素含有アモルファス炭化ケイ素との（ＳｉＣ：Ｈまたはａ−Ｓｉ１−ｘＣｘ：Ｈ）２つの層４ａおよび４ｂの交互配置により形成される。積層構造４中、水素含有アモルファスカーボンの各層４ａは、好ましくは厚さが１０〜１５０ナノメートルであり、水素含有アモルファス炭化ケイ素の各層４ｂは好ましくは厚さが５〜５０ナノメートルである。従って、積層構造は、非常に多くの、好ましくは４００〜１０００の層を含んでなる。
そのようなコーティングは、その厚さおよび構造のために、単一の水素含有アモルファスカーボンの１層のみを含んでなる被覆と比較して、非常に高い機械的性能、特に摩耗および摩擦に対する非常に高い耐性を与えることができる。さらに、水素含有アモルファス炭化ケイ素は、断熱材としても知られている。従って、水素含有アモルファス炭化ケイ素から製造された層４ｂおよび２は、隣接する、２５０℃を超える温度には熱的に安定ではない水素含有アモルファスカーボンから製造された層４ａおよび５を熱的に保護する。
そのようなコーティングは、２５０℃を超える温度にさらされるように設計された機械部品、例えばエンジンピストン、特にフォーミュラー１に使用される遠心ピストンの上に堆積させることができる。水素含有アモルファス炭化ケイ素は、機械部品に対するコーティングの密着性を改良することもでき、このコーティングを形成する層は特に緻密で、均質であり、互いに密着している。
そのようなコーティングには、簡単に、迅速に実施できる、という利点もある。そのようなコーティングを機械部品上に堆積させるには、同じケースの中で、好ましくは低周波数で、同じプラズマ強化化学蒸着またはＰＥＣＶＤ製法により、これらの層を順次堆積させるのが好ましい。これによって、特に、大きな寸法および／または複雑な幾何学的構造を有する機械部品上に堆積させることができる。
特別な実施態様では、表面を保護するように設計された機械部品を予め清浄にし、プラズマ強化化学蒸着ケースの中に配置する。次いで、機械的部品の表面にイオンストリッピングを施すが、その際、不活性ガス、例えばアルゴンをイオン化し、機械部品の表面を爆撃してストリッピングする陽イオンを形成する。水素含有アモルファス炭化ケイ素から形成された第一層は、積層構造を形成する層および水素含有アモルファスカーボンの外側層と同様に、真空中でＰＥＣＶＤにより、堆積させる。第一層を堆積させる前に到達する限界真空は約１０−３ミリバールであり、各層を堆積させる際のケース中の圧力は、０．０５ミリバール〜０．５ミリバールである。異なった層の連続的ＰＥＣＶＤは、各層の厚さを制御できるように、公知の型のコンピュータ手段により制御および監視するのが好ましい。
水素含有アモルファス炭化ケイ素層は、好ましくは前駆物質として水素で希釈したテトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ３）４）またはシランおよびメタン（ＳｉＨ４およびＣＨ３）を含んでなるガス混合物を使用し、ＰＥＣＶＤにより達成する。そのような前駆物質を使用することにより、事実、化学量論的な水素含有アモルファス炭化ケイ素化合物（ａ−Ｓｉ１−ｘＣｘ：Ｈ、ｘ＝０．５）を得ることができる。J. Huranによる文献（「Properties of amorphous silicon carbide films prepared by PECVD」、Vacuum, Vol 47, No.10、1223〜1225頁/1996）に示唆されているように、そのような化合物は、前駆物質中にすでに存在している共有Ｓｉ−Ｃ、Ｃ−ＨおよびＳｉ−Ｈ結合だけを有し、従って、Ｃ−Ｃ結合を含まない。従って、水素含有アモルファス炭化ケイ素は、構造的に、特にｓｐ２およびｓｐ３型Ｃ−Ｃ結合を含んでなるケイ素−ドーピングされた水素含有アモルファス炭化ケイ素と間違えてはならない。
同じＰＥＣＶＤケース中でコーティングの様々な層を連続的に堆積させることにより、低温で単一の積層工程によってコーティングを行うことができる。これによって、二つの隣接する層間の界面の品質を制御し、厚さが非常に小さい層を堆積させることができる。その上、これによって、水素含有アモルファスカーボンと水素含有アモルファス炭化ケイ素の層の完全な交互配置を達成することができる。
例えば、上記した堆積方法により、第一および第二コーティングＡおよびＢが達成されている。
例えば、第一コーティングＡは、厚さ２２５ｎｍのＳｉＣ：Ｈの第一層３、交互配置されたＤＬＣの２４０層およびＳｉＣ：Ｈの２４０層を含んでなる積層構造４、および厚さ１マイクロメートルのＤＬＣの外側層５を含んでなる。積層構造４中、各ＤＬＣ層は厚さが１５０ｎｍであるのに対し、各ＳｉＣ：Ｈ層は厚さが５０ｎｍである。
第二コーティングＢは、厚さ１９５ｎｍのＳｉＣ：Ｈの第一層３を含んでなり、積層構造４は、交互配置されたＤＬＣの４９０層およびＳｉＣ：Ｈの４９０層を含んでなり、ＤＬＣの外側層５は厚さが１マイクロメートルである。積層構造４中の各ＤＬＣ層は厚さが１５ｎｍであるのに対し、各ＳｉＣ：Ｈ層は厚さが５ｎｍである。
第一および第二コーティングＡおよびＢ、ならびに厚さ２マイクロメートルの水素含有アモルファスカーボン層だけを含んでなる被覆Ｃｒｅｆに対して行った機械的試験の結果を下記の表に示す。
摩耗量Ｖｕは、粗面測定法(profilometry)により測定する。
コーティングＡおよびＢの微小硬度は、ＤＬＣの被覆Ｃｒｅｆのそれよりも僅かに低いが、コーティングＡおよびＢは、乾燥雰囲気および湿雰囲気で良好な微小硬度と低摩擦係数の良好な釣合を示すのに対し、被覆Ｃｒｅｆは摩擦係数が含水量によって大きく変動する。
今日まで、水素含有アモルファスカーボンのコーティングとしての工業的用途は、摩擦係数と微小硬度との間で行うべき妥協が大き過ぎるために、限られている。従って、本発明のコーティングは、低摩擦係数および良好な微小硬度を保証することにより、この欠点を克服することができる。さらに、コーティングＡおよびＢの湿雰囲気中の挙動は、被覆Ｃｒｅｆのそれよりも優れている。
水素含有アモルファス炭化ケイ素および水素含有アモルファスカーボンの非常に薄いシートの重ね合わせに匹敵する、水素含有アモルファス炭化ケイ素と水素含有アモルファスカーボンとの層を連続的に積み重ねることにより形成されるコーティングは、機械部品に対する密着性が非常に良く、耐摩擦特性を改良し、高温における熱的安定性が良い。
Claims (12)
- 水素含有アモルファスカーボンの外側層（５）、
機械部品（２）と接触するように意図された水素含有アモルファス炭化ケイ素の第一層（３）、および、
前記第一層（３）と前記外側層（５）との間に配置された、水素含有アモルファスカーボンと水素含有アモルファス炭化ケイ素との交互層（４ａ、４ｂ）からなる積層構造（４）、
からなる機械部品用コーティング。 - 前記コーティングの総厚が１０〜２０マイクロメートルである、請求項１に記載のコーティング。
- 前記第一層（３）の厚さが１５０〜３００ナノメートルである、請求項１または２に記載のコーティング。
- 前記外側層（５）の厚さが０．５〜２マイクロメートルである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコーティング。
- 前記積層構造（４）の水素含有アモルファス炭化ケイ素の各層（４ｂ）の厚さが５〜５０ナノメートルである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコーティング。
- 前記積層構造（４）の水素含有アモルファスカーボンの各層（４ａ）の厚さが１０〜１５０ナノメートルである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のコーティング。
- 前記積層構造（４）中の前記層（４ａ、４ｂ）の数が４００〜１０００である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のコーティング。
- 請求項１〜７のいずれか一項に記載の機械部品（２）用コーティングを堆積させる方法であって、
同じプラズマ強化化学蒸着ケース中で、順次、
水素含有アモルファス炭化ケイ素の第一層（３）、
水素含有アモルファスカーボンと水素含有アモルファス炭化ケイ素との交互層（４ａ、４ｂ）、および
水素含有アモルファスカーボンの外側層（５）
を堆積させる、方法。 - 各層を堆積させる際の前記ケース中の圧力が０．０５ミリバール〜０．５ミリバールである、請求項８に記載の方法。
- 前記機械部品（２）を予め清浄にし、イオンストリッピングを施す、請求項８または９に記載の方法。
- 水素含有アモルファスカーボンの外側層（５）、
機械部品（２）と接触するように意図された水素含有アモルファス炭化ケイ素の第一層（３）、および、
前記第一層（３）と前記外側層（５）との間に配置された、水素含有アモルファスカーボンと水素含有アモルファス炭化ケイ素との交互層（４ａ、４ｂ）からなる積層構造（４）、
からなり、
前記第一層（３）が、厚さ２２５ｎｍのＳｉＣ：Ｈからなり、
前記積層構造（４）が、厚さ１５０ｎｍの水素含有アモルファスカーボンからなる層と、厚さ５０ｎｍのＳｉＣ：Ｈからなる層とが交互に２４０層ずつ積層されたものであり、
前記外側層（５）が、厚さ１マイクロメートルの水素含有アモルファスカーボンからなる、機械部品用コーティング。 - 水素含有アモルファスカーボンの外側層（５）、
機械部品（２）と接触するように意図された水素含有アモルファス炭化ケイ素の第一層（３）、および、
前記第一層（３）と前記外側層（５）との間に配置された、水素含有アモルファスカーボンと水素含有アモルファス炭化ケイ素との交互層（４ａ、４ｂ）からなる積層構造（４）、
からなり、
前記第一層（３）が、厚さ１９５ｎｍのＳｉＣ：Ｈからなり、
前記積層構造（４）が、厚さ１５ｎｍの水素含有アモルファスカーボンからなる層と、厚さ５ｎｍのＳｉＣ：Ｈからなる層とが交互に４９０層ずつ積層されたものであり、
前記外側層（５）が、厚さ１マイクロメートルの水素含有アモルファスカーボンからなる、機械部品用コーティング。
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