JP5126867B2 - Carbon film manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、駆動機械の摺動部材等として有用な炭素膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a carbon film useful as a sliding member of a drive machine.

炭素膜は耐摩耗、低摩擦など優れた特性を持っており、保護膜、固体潤滑膜あるいは摺動材料として応用されてきている。殊に、近年の環境保護に関する問題意識の高まりとともに、油圧機械に変わり、環境への負荷がより少ない水を使用した水圧での駆動機械が強く求められに至っており、耐水性、耐剥離性に優れた炭素膜の開発が急務とされている。また、駆動機械の軽量化が進められ、基材としてアルミニウムやマグネシウム系合金を用いた炭素膜も検討されつつある。   Carbon films have excellent properties such as wear resistance and low friction, and have been applied as protective films, solid lubricating films, or sliding materials. In particular, with the growing awareness of environmental protection issues in recent years, there has been a strong demand for hydraulically driven machines that use water with less environmental impact. There is an urgent need to develop excellent carbon films. In addition, the weight of drive machines has been reduced, and carbon films using aluminum or magnesium-based alloys as base materials are being studied.

しかし、一般に、鉄系金属を基材とする炭素膜材料は水や過酷な条件下では炭素膜が基材から剥離する恐れがあり、また、アルミニウムやマグネシウム系合金などの軽量合金を基材とする炭素膜材料は、基材と炭素膜との密着性に劣るといった問題点があった。   However, in general, a carbon film material based on an iron-based metal may cause the carbon film to peel off from the substrate under water or severe conditions, and a lightweight alloy such as aluminum or a magnesium-based alloy may be used as the substrate. The carbon film material to be used has a problem that the adhesion between the base material and the carbon film is inferior.

このような問題を解消するために、「基材と同一の金属組成を含む炭素膜からなり、基材金属側ほど金属元素濃度が高くなるようにした中間層を基材金属と炭素膜の間に介在させた炭素膜材料」(特許文献1)や「基材側からボンド層と、中間層と、硬質ボンド層と、最表面の硬質炭素被膜層とを有する摺動部材」(特許文献2)などが提案されている。   In order to solve such a problem, an intermediate layer made of a carbon film containing the same metal composition as that of the base material and having a higher metal element concentration toward the base metal side is formed between the base metal and the carbon film. (Patent Document 1) and “Sliding member having a bond layer, an intermediate layer, a hard bond layer, and an outermost hard carbon coating layer” (Patent Document 2) ) Etc. have been proposed.

しかしながら、前者は、高価なフェロセンなどの昇華性有機金属化合物を用いる必要があり、またこれを導入するための加熱手段の設置を余儀なくされ、更には基材により異なる有機金属化合物を使用するため、数多くのガス導入ユニットが必要であり、コストが高くなったり、プロセスが複雑になるといった問題点があった。また、後者は層構成が多層となるため、原料ガスとして多種類のガスを用いなければならず、プロセスや操作管理が煩雑となるといった難点があった。   However, the former requires the use of an expensive sublimable organometallic compound such as ferrocene, necessitates the installation of a heating means for introducing this, and further uses a different organometallic compound depending on the substrate. A large number of gas introduction units are required, and there are problems such as high cost and complicated processes. Moreover, since the latter has a multi-layer structure, it is necessary to use various kinds of gases as the source gas, and there is a problem that the process and operation management become complicated.

特開平10−72287号公報JP-A-10-72287 特開2004−169137号公報JP 2004-169137 A

本発明は、上記従来技術の実状に鑑みなされたものであり、その目的は、簡便かつ廉価なプロセスで設けられた中間層により、基材との密着性に優れると共に耐剥離性、耐摩耗性および低摩擦性に優れた炭素膜を工業的に有利に製造できる方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described prior art, and the purpose thereof is an intermediate layer provided by a simple and inexpensive process, which has excellent adhesion to a substrate and is resistant to peeling and abrasion. Another object of the present invention is to provide a method capable of industrially advantageously producing a carbon film excellent in low friction.

本発明者等は、炭素膜の製造方法を鋭意検討した結果、基材と炭素膜との間に介在させる中間層を物理的気相成長法と化学的気相成長法との組み合わせにより調製すると、意外にも上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、この出願により、以下の発明が提供される。
(1)金属基材側ほど金属成分濃度が高く、ダイヤモンドライクカーボン膜側ほどカーボンとシリコンの濃度が高くなるような濃度勾配を有する中間層を介して、金属基材上に設けられたダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法において、該中間層を物理的気相成長法と化学的気相成長法との組み合わせにより金属基材にDCバイアスを印加して作成することを特徴とするダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。
(2)前記DCバイアスは−30〜−200Vであることを特徴とする上記(1)に記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。
(3)物理的気相成長法と化学的気相成長法が並行して行われることを特徴とする上記(1)又は(2)記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。
As a result of earnestly examining the manufacturing method of the carbon film, the present inventors have prepared an intermediate layer interposed between the base material and the carbon film by a combination of physical vapor deposition and chemical vapor deposition. Surprisingly, it has been found that the above problems can be solved, and the present invention has been completed.
That is, this application provides the following invention.
(1) As the metal substrate side high metal component concentration, via an intermediate layer having a concentration gradient such that the concentration of carbon and silicon as diamond-like carbon film side becomes high, diamond-like, which is provided on a metal substrate the method of manufacturing a carbon film, a diamond-like carbon film, which created by applying a DC bias to the metal substrate by a combination of physical vapor deposition and chemical vapor deposition the intermediate layer Production method.
(2) The method for producing a diamond-like carbon film according to (1), wherein the DC bias is −30 to −200V .
(3) Physical the vapor deposition and the chemical vapor deposition is characterized by being performed in parallel (1) or (2) the production method of diamond-like carbon film according to.

本発明方法によれば、簡便かつ廉価なプロセスにより、基材との密着性に優れる中間層を介して耐剥離性、耐摩耗性および低摩擦性に優れた炭素膜を工業的に有利に製造できる。
また、本発明方法で得られた炭素膜は、空気や水環境下における炭素膜の耐剥離性が向上されたものであり、機械の摺動機構が存在する箇所、特に、水環境下で摺動部の潤滑や保護材料として広く応用することができる。現在、炭素膜の固体潤滑膜としての応用は用途が限られており、基材との密着性など多くの課題を抱えているが、本発明の炭素膜は基材との密着性や耐剥離性に優れており、またより多くの基材が使用可能であり、更には省資源、省エネルギーに寄与し、また環境への悪影響を抑制するものであり、環境保全にも役立つものである。
According to the method of the present invention, a carbon film excellent in peeling resistance, wear resistance and low friction is industrially advantageously produced through an intermediate layer excellent in adhesion to a substrate by a simple and inexpensive process. it can.
In addition, the carbon film obtained by the method of the present invention has improved peeling resistance of the carbon film in an air or water environment, and is slid in a place where a mechanical sliding mechanism exists, particularly in a water environment. It can be widely applied as lubrication and protective material for moving parts. Currently, the application of carbon film as a solid lubricant film has limited applications and has many problems such as adhesion to the substrate, but the carbon film of the present invention has adhesion and peeling resistance to the substrate. It is excellent in property, more base materials can be used, further contributes to resource saving and energy saving, suppresses adverse effects on the environment, and is useful for environmental conservation.

本発明の炭素膜の製造方法は、金属基材側ほど金属成分濃度が高く炭素膜側ほど非金属成分濃度が高くなるような濃度勾配を有する中間層を介して金属基材上に設けた炭素膜の製造方法において、該中間層を物理的気相成長法と化学的気相成長法との組み合わせにより作成することを特徴としている。   The method for producing a carbon film of the present invention comprises a carbon provided on a metal substrate via an intermediate layer having a concentration gradient such that the metal component concentration is higher on the metal substrate side and the nonmetal component concentration is higher on the carbon film side. In the film manufacturing method, the intermediate layer is formed by a combination of physical vapor deposition and chemical vapor deposition.

金属基材として、従来公知のものが何れも使用でき、鉄、コバルト、ニッケル、ステンレス鋼、合金鋼などの鉄系基材の他に、アルミニウムやマグネシウムなどの軽量合金系基材も使用できる。   Any conventionally known metal substrate can be used as the metal substrate, and in addition to iron-based substrates such as iron, cobalt, nickel, stainless steel, and alloy steel, lightweight alloy-based substrates such as aluminum and magnesium can also be used.

本発明の中間層は、この金属基材上に物理的気相成長法(PVD法)と化学的気相成長法(CVD法)との併用により作成される。
前者のPVD法により単体金属成分が、後者のCVD法により金属成分と非金属成分との化合物や複合物が当該基材上に堆積されるが、この場合、金属基材側ほど金属成分濃度が高く炭素膜側ほど非金属成分濃度が高くなるような濃度勾配となるように調製される。本発明においては、物理的気相成長法(PVD法)と化学的気相成長法(CVD法)とが併用されるが、前者の方法を先行させ、ついで後者の方法を行ってよく、あるいは、両者の方法を並行して行ってもよいが、並行して実施する方法が好ましい。
物理的気相成長法(PVD法)と化学的気相成長法(CVD法)を併用せず、化学的気相成長法(CVD法)のみによる中間層の調製では、基材との密着性が低く、炭素膜が剥離しやすいといった問題が発生し、本発明の所期の目的を達成することが困難となる。
The intermediate layer of the present invention is formed on this metal substrate by a combination of physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD).
A single metal component is deposited on the base material by the former PVD method, and a compound or composite of a metal component and a non-metallic component is deposited on the base material by the latter CVD method. The concentration gradient is such that the concentration of the nonmetallic component increases as the carbon film side increases. In the present invention, the physical vapor deposition method (PVD method) and the chemical vapor deposition method (CVD method) are used in combination. The former method may be preceded, and then the latter method may be performed. Both methods may be carried out in parallel, but a method carried out in parallel is preferred.
In the preparation of the intermediate layer only by chemical vapor deposition (CVD) without using physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD), adhesion to the substrate However, it is difficult to achieve the intended purpose of the present invention.

中間層を形成する単体金属成分としては、クロム、チタン、タングステン、コバルト、鉄およびステンレス鋼のような鉄系合金等が挙げられる。この中でもクロム、チタン、タングステン、ステンレス鋼等が好ましい。
これらの単体金属成分は、クロム、チタン、タングステン、コバルト、鉄あるいはステンレス鋼のような鉄系合金をターゲットとして、PVD法により、金属基材上に作成される
Examples of the single metal component forming the intermediate layer include iron-based alloys such as chromium, titanium, tungsten, cobalt, iron, and stainless steel. Among these, chromium, titanium, tungsten, stainless steel, etc. are preferable.
These simple metal components are made on a metal substrate by PVD method targeting iron alloys such as chromium, titanium, tungsten, cobalt, iron or stainless steel.

また、中間層を形成する金属成分と非金属成分との化合物や複合物としては、CrC、TiC、CoC、SiC等が挙げられる。
これらの成分は、原料ガスとして、テトラメチルシランやヘキサメチルジシロキサンのようなシリコン有機化合物、メタン、エチレン、ベンゼン、トルエンのような炭化水素化合物を用い、CVD法により、金属基材上に作成される。シリコン有機化合物としてヘキサメチルジシロキサン、炭化水素化合物としてメタンとトルエンが好ましい。
In addition, examples of the compound or composite of the metal component and the nonmetal component that form the intermediate layer include CrC, TiC, CoC, and SiC.
These components are made on a metal substrate by CVD using silicon organic compounds such as tetramethylsilane and hexamethyldisiloxane, and hydrocarbon compounds such as methane, ethylene, benzene, and toluene as source gases. Is done. Hexamethyldisiloxane is preferred as the silicon organic compound, and methane and toluene are preferred as the hydrocarbon compound.

本発明で用いるPVD法としては、たとえばスパッタ法、レーザーアブレーション法、イオンビーム蒸着法などを挙げることができるが、CVD法との併用における簡便さや密着性の良さ等の観点からみて、スパッタPVD法を用いるのが好ましい。
また、本発明で用いるCVD法としては、熱CVD法、レーザーCVD法、プラズマCVD法などを挙げることができるが、密着性の良さ、低温成膜の可能性、複雑形状基材への付きまわり性などの観点からみて、プラズマCVD法を用いることが好ましい。
Examples of the PVD method used in the present invention include a sputtering method, a laser ablation method, and an ion beam evaporation method. From the viewpoint of convenience and good adhesion in combination with the CVD method, the sputter PVD method can be used. Is preferably used.
In addition, examples of the CVD method used in the present invention include a thermal CVD method, a laser CVD method, a plasma CVD method, and the like. From the viewpoint of properties, it is preferable to use a plasma CVD method.

PVD法による金属のコーティング条件について、スパッタガスとしてアルゴンを用いるのが好ましく、アルゴンガスの圧力は0.1〜100 Paであり、0.2〜20 Paが好ましい。PVD法とCVD法を併用し、中間層を作成するときのシリコン有機化合物や炭化水素化合物の量はアルゴンの1/100〜1/2であり、1/50〜1/5が好ましい。また、PVD法およびCVD法との併用により中間層を作成するとき、バイアスをかけなくても中間層を作成することができるが、バイアスを印加すると基材との密着性がさらに向上するので、-30〜-200 Vのバイアスを印加しておくのが好ましい。この場合、バイアスを印加することにより基材に流れる電流値は3 mA以上とすることが好ましい。   Regarding the metal coating conditions by the PVD method, it is preferable to use argon as a sputtering gas, and the pressure of the argon gas is 0.1 to 100 Pa, and preferably 0.2 to 20 Pa. When the PVD method and the CVD method are used in combination to form the intermediate layer, the amount of silicon organic compound or hydrocarbon compound is 1/100 to 1/2 of argon, and preferably 1/50 to 1/5. In addition, when creating an intermediate layer by using the PVD method and CVD method together, the intermediate layer can be created without applying a bias, but since the adhesion with the substrate is further improved by applying a bias, It is preferable to apply a bias of −30 to −200 V. In this case, the value of the current flowing through the substrate by applying a bias is preferably 3 mA or more.

次に、本発明においては、このような方法で調整された中間層の上に、熱電子励起CVD法、PVD法などにより炭素膜を作成する。
なお、本発明でいう炭素膜とは、物理的気相成長法(PVD法)あるいは化学的気相成長法(CVD法)により作成される比較的硬度の大きい炭素を主成分とする被膜を意味し、このような炭素膜としてはダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜の炭素膜のほか,窒化炭素膜等のように炭素と共に窒素や金属などの異種原子を含む炭素膜等が包含される。
Next, in the present invention, a carbon film is formed on the intermediate layer prepared by such a method by a thermionic excitation CVD method, a PVD method, or the like.
In addition, the carbon film as used in the field of this invention means the film which has carbon with a comparatively large hardness produced by the physical vapor deposition method (PVD method) or the chemical vapor deposition method (CVD method) as a main component. and such other carbon film da ear Mondo-like carbon (DLC) film as a carbon film, a carbon film or the like containing heteroatoms such as nitrogen and metals together with carbon as such as carbon nitride film Ru are included.

炭素膜を作成するときのチャンバーの圧力は0.05〜100 Paであり、20 Pa以下が好ましい。また、炭素膜作成時の基材の温度は、アルゴンプラズマを用い基材をクリーニングする時とCVD法のみによる炭素膜をコーティングするときに自然に上昇したものであり、200
℃以下である。
The pressure of the chamber when forming the carbon film is 0.05 to 100 Pa, preferably 20 Pa or less. In addition, the temperature of the base material at the time of carbon film creation naturally increased when cleaning the base material using argon plasma and when coating the carbon film only by the CVD method.
It is below ℃.

CVD法のみによる最上層炭素膜を作成するときのシリコン有機化合物や炭化水素化合物の圧力は0.05〜20 Paである。このとき、基材に印加するバイアスは-200〜-7000 Vであり、-500〜-5000 Vが好ましい。   The pressure of the silicon organic compound or hydrocarbon compound when the uppermost carbon film is formed only by the CVD method is 0.05 to 20 Pa. At this time, the bias applied to the substrate is -200 to -7000 V, preferably -500 to -5000 V.

得られたDLC膜は、空気と水中において優れた耐剥離特性を持つことから、機械の摺動機構が存在する箇所、特に、水環境下での摺動部の潤滑や保護のための材料として広く応用することができる。   Since the obtained DLC film has excellent peeling resistance in air and water, it is used as a material for lubrication and protection of sliding parts in a mechanical environment, particularly in sliding parts under water environment. Can be widely applied.

中間層の厚さは0.1〜3μmであり、0.3μm以上が好ましい。最上層炭素膜の厚さは0.5〜10μmである。   The thickness of the intermediate layer is 0.1 to 3 μm, preferably 0.3 μm or more. The thickness of the uppermost carbon film is 0.5 to 10 μm.

本発明の炭素膜の製造方法を実施するための代表的な装置を図1に示す。
図1において、1は基材、2は回転機構が付いている基材ホルダーである。これにより、基材の向きを変更することができる。すなわち、中間層を作成する時は基材をターゲットに、DLC膜を作成するときは基材をイオンガンに向くように向きを変更する。3はターゲット、4はマグネトロンスパッタ電源であり、発生する高周波により導入したアルゴン等のガスをプラズマ化し、さらにターゲット金属をプラズマ化にする電源である。5はアルゴンや原料ガスの導入口、6はイオンガンであり、熱電子を発生するフィラメントユニット7と熱電子を引き出すとともに電子にエネルギーを与えるアノードユニット8で構成されている。9は基材にパルスまたはDCバイアスを印加する電源であり、プラズマを基材へ引き込む。
A typical apparatus for carrying out the method for producing a carbon film of the present invention is shown in FIG.
In FIG. 1, 1 is a base material, 2 is a base material holder with a rotation mechanism. Thereby, the direction of a base material can be changed. That is, when the intermediate layer is formed, the base material is changed to the target, and when the DLC film is formed, the base material is changed to face the ion gun. Reference numeral 3 denotes a target, and reference numeral 4 denotes a magnetron sputtering power source, which is a power source that converts a gas such as argon introduced by the generated high frequency into plasma and further converts the target metal into plasma. Reference numeral 5 denotes an inlet for argon or source gas, and reference numeral 6 denotes an ion gun, which comprises a filament unit 7 for generating thermoelectrons and an anode unit 8 for extracting thermoelectrons and giving energy to the electrons. A power source 9 applies a pulse or a DC bias to the substrate and draws plasma into the substrate.

つぎに、図1の装置の作動原理について説明する。まず基材を設置したチャンバーを0.04 Pa以下に排気する。つぎに、不活性のアルゴンガスを導入し、熱電子励起法により発生したアルゴンプラズマを用い、基材をクリーニングする。クリーニング後の基材をターゲットに向くようにし、PVD法により基材にクロムやチタンのような金属層をコーティングする。続いて、ヘキサメチルジシロキサンのようなシリコン有機化合物やトルエンのような炭化水素化合物を導入する。ガスの導入は一定の量で導入することもできるが、導入量を段階的に増加し導入するのが好ましい。また、コーティング中の基材に必要により、バイアスを印加する。その後、PVD法による金属成分のコーティングを停止し、基材をイオンガンに向くようにし、CVD法などにより炭素膜を作成する。   Next, the operation principle of the apparatus shown in FIG. 1 will be described. First, the chamber in which the substrate is installed is evacuated to 0.04 Pa or less. Next, an inert argon gas is introduced, and the substrate is cleaned using argon plasma generated by a thermionic excitation method. The substrate after cleaning faces the target, and a metal layer such as chromium or titanium is coated on the substrate by the PVD method. Subsequently, a silicon organic compound such as hexamethyldisiloxane or a hydrocarbon compound such as toluene is introduced. The gas can be introduced in a constant amount, but it is preferable to introduce the gas by increasing the introduction amount stepwise. In addition, a bias is applied to the substrate being coated as necessary. After that, the coating of the metal component by PVD method is stopped, the base material is directed to the ion gun, and a carbon film is formed by CVD method or the like.

つぎに、本発明に係る炭素膜の好ましい製造方法の一例を説明する。まず、スパッタPVD法により、中間層の金属成分たとえばクロムやチタンを、洗浄したステンレス基材にコーティングする。つぎに、クロムやチタンをコーティングしながら、ヘキサメチルジシロキサンのようなシリコン有機化合物やトルエンなどの炭化水素化合物をガス状態で導入し、プラズマCVD法によりクロムやチタンを含んだ炭素系、あるいは、シリコンも有する炭素系の複合材料層を調製する。また、シリコン有機化合物や炭化水素化合物ガスなどの非金属成分となる原料ガスは段階的に少ない量から多い順に導入することにより各元素の量を傾斜化することができる。このように、基材から表層にいくにつれ、クロム、あるいは、チタンの量が減少するとともにカーボンやシリコンの量が増加するような傾斜構造中間層を作成できる。そして、この上にCVD法などにより炭素膜を作成する。   Next, an example of a preferable method for producing a carbon film according to the present invention will be described. First, the cleaned stainless steel substrate is coated with a metal component such as chromium or titanium of the intermediate layer by sputtering PVD. Next, while coating chromium and titanium, a silicon organic compound such as hexamethyldisiloxane and a hydrocarbon compound such as toluene are introduced in a gas state, and a carbon system containing chromium or titanium by a plasma CVD method, or A carbon-based composite material layer having silicon is also prepared. Moreover, the amount of each element can be graded by introducing raw material gases that are non-metallic components such as silicon organic compound and hydrocarbon compound gas in a stepwise manner from a small amount to a large amount. In this way, an inclined structure intermediate layer can be created in which the amount of carbon or silicon increases as the amount of chromium or titanium decreases as the substrate goes to the surface layer. Then, a carbon film is formed thereon by a CVD method or the like.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

実施例1
装置として、図1に示す成膜装置を用いた。中間層の作成は、まず、ターゲットとしてクロムを用い、アルゴンガス雰囲気中でRF励起型PVD法により、洗浄した5 mm厚のステンレスSUS 630基材上にクロムを15 minコーティングした。そして、ヘキサメチルジシロキサン(HMDS)を導入した。HMDSの導入は少ない量から、少しずつ5段階で増やしていき、各段階で10 min保った。HMDSを導入するときから、基材に-120 Vの直流バイアスを印加した。中間層作成時の圧力は10 Pa以下であり、温度は100℃以下であった。このように、PVD法とCVD法を併用し、クロムおよびシリコンとカーボンの量を傾斜化した約0.7μ厚の中間層を作成した。
つぎに、この中間層の上に、電子励起型CVD法により、原料ガスとしてトルエンを用い、カーボン系薄膜のDLC膜を作成した。膜全体の厚さは5.0μmであった。
このDLC膜の耐剥離性を、室温で、ボールオンディスク型往復摩擦試験機を用い、精製水中での摩擦試験により評価した。相手として3/16インチのSUS 440Cボールを用いた。摩擦条件は、荷重が100 N、ストロークが10 mm、往復速度が60 cycles/min、摩擦時間が120 minでとした。その結果を図2(a)に示す。
なお、別途シリコンウェハー上に同条件で成膜した中間層上に、さらに0.2μmのシリコン含有炭素膜を作成し、XPSによる中間層の分析を行なった。この中間層は、図3のXPS分析結果から、中間層深さ方向の元素組成は、基材側でほぼ純クロムでできており、表層側にいくにつれ、クロムの量が減少するとともに、カーボンとシリコンの量が増加していることがわかった。本中間層は金属基材から、表層のSi-DLCとの間に明らかな界面が存在しておらず、化学的な組成変化を緩和する役目を果たしていると考えられる。また、図4のXPS分析結果、ある程度エッチングした後の中間層内部のXPS分析結果では、本発明のクロム・シリコン・カーボン系中間層は炭素系材料と金属炭化物との複合材料になっていることがわかった。
Example 1
The film forming apparatus shown in FIG. 1 was used as the apparatus. For the preparation of the intermediate layer, first, chromium was coated as a target on a 5 mm-thick stainless steel SUS 630 substrate by RF excitation type PVD method in an argon gas atmosphere for 15 min. Hexamethyldisiloxane (HMDS) was introduced. The introduction of HMDS was gradually increased from 5 to 5 in small steps, and kept at 10 minutes for each step. Since the introduction of HMDS, a DC bias of -120 V was applied to the substrate. The pressure at the time of forming the intermediate layer was 10 Pa or less, and the temperature was 100 ° C. or less. Thus, the PVD method and the CVD method were used in combination, and an intermediate layer having a thickness of about 0.7 μm was created with the amount of chromium, silicon, and carbon inclined.
Next, on this intermediate layer, a carbon-based thin film DLC film was prepared by toluene as a source gas by an electron excitation type CVD method. The total thickness of the film was 5.0 μm.
The peel resistance of the DLC film was evaluated by a friction test in purified water using a ball-on-disk reciprocating friction tester at room temperature. A 3/16 inch SUS 440C ball was used as an opponent. The friction conditions were a load of 100 N, a stroke of 10 mm, a reciprocating speed of 60 cycles / min, and a friction time of 120 min. The result is shown in FIG.
In addition, a 0.2 μm silicon-containing carbon film was formed on an intermediate layer separately formed on a silicon wafer under the same conditions, and the intermediate layer was analyzed by XPS. From the XPS analysis results shown in FIG. 3, the intermediate layer has an elemental composition in the depth direction of the intermediate layer that is substantially pure chromium on the substrate side, and the amount of chromium decreases as it goes to the surface layer side. And the amount of silicon increased. This intermediate layer has no obvious interface between the metal substrate and the surface Si-DLC, and is considered to play a role in mitigating chemical composition changes. In addition, the XPS analysis result of FIG. 4 shows that the chromium / silicon / carbon intermediate layer of the present invention is a composite material of a carbon-based material and a metal carbide according to the XPS analysis result inside the intermediate layer after etching to some extent. I understood.

比較例1
比較のため、熱電子励起CVD法により作成したSi-DLC系中間層を用いた以外は実施例1と同様にして炭素膜(DLC薄膜)を作成し、実施例1と同様な耐剥離性試験に供した。ただし、荷重は40 Nとした。その結果を図2(b)に示す
Comparative Example 1
For comparison, a carbon film (DLC thin film) was prepared in the same manner as in Example 1 except that a Si-DLC-based intermediate layer prepared by thermionic excitation CVD method was used. It was used for. However, the load was 40 N. The result is shown in FIG.

図2(b)に示すように、比較例1のDLC膜は、精製水中において、40 Nの荷重下で著しい剥離が確認された。これに対し、図2(a)に示すように本実施例1のDLC膜は100 Nの荷重下でも膜の剥離が認められなかった。また、摩擦係数も0.1以下と安定した低い値が得られた。DLC膜とボールの比摩耗量はそれぞれ、10と3×10-8 mm3/Nmであり、ヘルツ接触理論による計算では最大接触圧力が2.7 GPaにも達しており、十分実用的なレベルに達している。 As shown in FIG. 2 (b), the DLC film of Comparative Example 1 was confirmed to be remarkably peeled under a load of 40 N in purified water. On the other hand, as shown in FIG. 2 (a), the DLC film of Example 1 showed no film peeling even under a load of 100N. In addition, the coefficient of friction was a stable low value of 0.1 or less. The specific wear amounts of DLC film and ball are 10 and 3 × 10 -8 mm 3 / Nm, respectively, and the maximum contact pressure reaches 2.7 GPa in the calculation based on Hertz contact theory. ing.

実施例2
実施例1において、SUS 630ステンレス鋼基材に作成した中間層上にさらに約0.2μm厚のSi-DLC膜を成膜した以外は同様にして、DLC膜を作成した。ただし、中間層作成時のバイアス電圧は-110 Vであり、電流は39 mAであった。このDLC膜は、空気中において、40 Nの荷重、水中では110 Nの荷重下でも膜の剥離が起こらず、優れた密着性を示している。
Example 2
A DLC film was prepared in the same manner as in Example 1 except that a Si-DLC film having a thickness of about 0.2 μm was further formed on the intermediate layer formed on the SUS 630 stainless steel substrate. However, the bias voltage at the time of forming the intermediate layer was −110 V, and the current was 39 mA. This DLC film does not peel off even under a load of 40 N in air and a load of 110 N in water, and exhibits excellent adhesion.

実施例3
実施例1において、基材をアルミニウム・マグネシウム合金(AZ91D)に代え、最上層炭素膜の厚さを2/3にした以外は同様にしてDLC膜を作成した。ただし、中間層作成時のバイアス電圧は-160 Vであり、電流は40 mAであった。このDLC膜も耐剥離性に優れたものであった。
Example 3
In Example 1, a DLC film was prepared in the same manner except that the base material was changed to an aluminum / magnesium alloy (AZ91D) and the thickness of the uppermost carbon film was changed to 2/3. However, the bias voltage at the time of creating the intermediate layer was −160 V, and the current was 40 mA. This DLC film was also excellent in peel resistance.

実施例4
実施例1において、ターゲットであるクロムをチタンに代えた以外は同様にしてDLC膜を作成した。ただし、中間層作成時のバイアス電圧は-150 Vであり、電流は35 mAであった。このDLC膜も耐剥離性に優れたものであった。
Example 4
A DLC film was prepared in the same manner as in Example 1 except that the target chromium was replaced with titanium. However, the bias voltage at the time of creating the intermediate layer was −150 V, and the current was 35 mA. This DLC film was also excellent in peel resistance.

実施例5
実施例1において、原料ガスをトルエンに代え、4段階に導入した以外は同様にしてDLC膜を作成した。ただし、中間層作成時のバイアス電圧は-110 Vであり、電流は37 mAであった。このDLC膜も水中において110 Nの荷重下でも膜の剥離が起こらず、優れた密着性を示している。
Example 5
In Example 1, a DLC film was prepared in the same manner except that the raw material gas was replaced with toluene and introduced in four stages. However, the bias voltage at the time of forming the intermediate layer was −110 V, and the current was 37 mA. This DLC film does not peel off even under a load of 110 N in water, and exhibits excellent adhesion.

本発明の製造方法において好ましく使用される成膜装置の説明図。Explanatory drawing of the film-forming apparatus preferably used in the manufacturing method of this invention. (a)は実施例1に係る炭素膜の摩耗痕光学顕微鏡写真。(b)は比較例1係る炭素膜の摩耗痕光学顕微鏡写真。(A) is a wear scar optical micrograph of the carbon film according to Example 1. (B) is an abrasion micrograph of a carbon film according to Comparative Example 1. 実施例1で得た中間層の深さ方向の元素濃度プロファイル。The element concentration profile of the depth direction of the intermediate | middle layer obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得た中間層内部のC1sのXPSスペクトル。The XPS spectrum of C1s inside the intermediate layer obtained in Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 基材
2 回転機構が付いている基材ホルダー
3 ターゲット
4 マグネトロンスパッタ電源
5 アルゴンや原料ガスの導入口
6 イオンガン
7 フィラメントユニット
8 アノードユニット
9 基材にパルスまたはDCバイアスを印加する電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 2 Base material holder with a rotation mechanism 3 Target 4 Magnetron sputtering power source 5 Argon or source gas inlet 6 Ion gun 7 Filament unit 8 Anode unit 9 Power source for applying pulse or DC bias to the base material

Claims (3)

金属基材側ほど金属成分濃度が高く、ダイヤモンドライクカーボン膜側ほどカーボンとシリコンの濃度が高くなるような濃度勾配を有する中間層を介して、金属基材上に設けられたダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法において、該中間層を物理的気相成長法と化学的気相成長法との組み合わせにより金属基材にDCバイアスを印加して作成することを特徴とするダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。 The diamond-like carbon film provided on the metal substrate has an intermediate layer having a concentration gradient such that the metal component concentration is higher on the metal substrate side and the carbon and silicon concentrations are higher on the diamond-like carbon film side. A method for producing a diamond-like carbon film , wherein the intermediate layer is formed by applying a DC bias to a metal substrate by a combination of physical vapor deposition and chemical vapor deposition. 前記DCバイアスは−30〜−200Vであることを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。 The method of manufacturing a diamond-like carbon film according to claim 1, wherein the DC bias is −30 to −200V . 物理的気相成長法と化学的気相成長法が並行して行われることを特徴とする請求項1又は2記載のダイヤモンドライクカーボン膜の製造方法。 The method for producing a diamond-like carbon film according to claim 1 or 2 , wherein physical vapor deposition and chemical vapor deposition are performed in parallel.
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