JP5503145B2 - 四面体炭素層および軟質外層を備える層状構造によって被覆された基板 - Google Patents

四面体炭素層および軟質外層を備える層状構造によって被覆された基板 Download PDF

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Description

本発明は、基板に堆積された中間層と中間層に堆積された非晶質炭素層とを備える層状構造によって被覆された金属基板に関する。中間層は、四面体炭素層を含む
ダイヤモンド状炭素(DLC)という用語は、ダイヤモンドの構造および特性と類似する構造および特性を有する炭素を含む材料の群を指す。ダイヤモンド状炭素皮膜のいくつかの例として、a−C皮膜、a−C:H皮膜、i−C皮膜、ta−C皮膜、およびta−C:H皮膜が挙げられる。
DLCは、高硬度、化学的不活性、高熱伝導性、良好な電気的および光学的特性、生体適合性、および卓越した摩擦挙動を含む多くの魅力的な特性を有するので、皮膜材料として著しい関心が寄せられている。
DLC皮膜は、sp3結合の比率によって大きく分類される。四面体炭素皮膜は、高比率のsp3結合炭素を有するが、a−C皮膜またはa−C:H皮膜のような非晶質炭素皮膜は、低比率のsp3結合および高比率のsp2結合を有する。
DLC皮膜は、水素含量によっても分類される。DLC皮膜は、非水素化皮膜(ta−C皮膜およびa−C皮膜)と水素化皮膜(ta−C:H皮膜およびa−C:H皮膜)に分類される。
四面体炭素皮膜の群は、(ダイヤモンドの硬度と類似する)高硬度および高ヤング率のような多くの興味深い特性を呈する。これらの特性によって、四面体炭素皮膜は、多くの難易度の高い耐磨耗性用途に理想的とされる。
四面体炭素皮膜の欠点は、その粗度が高いことにある。四面体炭素皮膜が摩擦皮膜として用いられる場合、被接触体の磨耗が容認できないほど高くなることがある。
本発明の目的は、先行技術の欠点を回避する四面体炭素を含む層状構造によって被覆された金属基板を提供することにある。
本発明の他の目的は、硬質の四面体炭素層および軟質の外層を備える層状構造によって被覆された金属基板を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、四面体炭素皮膜によって被覆された金属基板による被接触体の磨耗を回避する方法を提供することにある。
本発明の第1態様によれば、層状構造によって少なくとも部分的に被覆された金属基板が提供される。この層状構造は、金属基板に堆積された中間層と中間層に堆積された非晶質炭素層とを備える。非晶質炭素層は、好ましくは200GPaよりも低いヤング率を有する。中間層は、200GPaよりも高いヤング率を有する四面体炭素層を含む
層状構造は、多数の繰返し単位を含んでもよい。各繰り返し単位は、200GPaよりも高いヤング率を有する少なくとも1つの四面体炭素層を含む中間層と200GPaよりも低いヤング率を有する非晶質炭素層とを備えるとよい。繰返し単位の数は、2から100の範囲内、例えば、2から30の範囲内、例えば、10または15であるとよい。
四面体炭素層
四面体炭素層は、200GPaよりも高いヤング率を有する。好ましくは、ヤング率は、200GPaから800GPaの範囲内にある。さらに好ましくは、四面体炭素層は、少なくとも300GPa、例えば、400GPa、500GPa、または600GPaのヤング率を有する。
四面体炭素層の硬度は、好ましくは、20GPaよりも高い。四面体炭素層の硬度の好ましい範囲は、20GPaから80GPaである。さらに好ましくは、四面体炭素層の硬度は、少なくとも30GPa、例えば、40GPa、50GPa、または60GPaである。
四面体炭素のSP3結合炭素の比率は、好ましくは、50%よりも高く、例えば、50%から90%の範囲内、例えば、80%である。
四面体炭素層は、非水素化四面体炭素(ta−C)または水素化四面体炭素(ta−C:H)を含むとよい。水素化四面体炭素の場合、水素濃度は、好ましくは、20原子%よりも小さく、例えば、10原子%である。
好ましい四面体炭素層は、高比率のsp3結合炭素、例えば、80%のsp3結合炭素を有する非水素化四面体炭素(ta−C)を含む。
多くの異なる技術によって、四面体炭素層を堆積することができる。
好ましい蒸着技術の例として、イオンビーム蒸着、パルスレーザ蒸着、フィルタードアーク蒸着または非フィルタードアーク蒸着のようなアーク蒸着、プラズマ化学気相蒸着のような化学気相蒸着、およびレーザアーク蒸着が挙げられる。
本発明による層状構造の特性、例えば、導電性を促進するために、四面体炭素層は、金属がドープされてもよい。原理的に、どのような金属がドーパントとして用いられてもよい。
好ましくは、ドーパントの例として、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Co、Ir、Ni、Pd、およびPtのような1つまたは複数の遷移金属が挙げられる。
他のドーパントの例として、B、Li、Na、Si、Ge、Te、O、Mg、Cu、Al、Ag、およびAuが挙げられる。
好ましいドーパントは、W、Zr、およびTiである。
四面体炭素層は、好ましくは、0.5μmよりも大きい厚み、例えば、1μmよりも大きい厚みを有する。
非晶質炭素層
非晶質炭素層は、200GPaよりも低いヤング率を有する。
非晶質炭素層は、非晶質水素化炭素(a−C:H)層またはダイヤモンド状ナノコンポジット(DLN)層を含むとよい。
非晶質水素化炭素(a−C:H)層は、好ましくは、40%よりも低い比率のsp3結合炭素を有する。さらに好ましくは、sp3結合炭素の比率は、30%よりも低い。
水素含量は、好ましくは、20%から30%の範囲内にある。
非晶質水素化炭素(a−C:H)層の硬度は、好ましくは、15GPaから25GPaの範囲内にある。さらに好ましくは、非晶質水素化炭素(a−C:H)層の硬度は、18GPaから25GPaの範囲内にある。
ダイヤモンド状ナノコンポジット(DLN)層は、C、H、Si、およびOの非晶質組織を含む。一般的に、ダイヤモンド状ナノコンポジット皮膜は、2つの相互貫入ネットワーク、具体的には、a−C:Hの相互貫入ネットワークおよびa−Si:Oの相互貫入ネットワークを含む。ダイヤモンド状ナノコンポジット皮膜は、DYLYN(登録商標)皮膜として商業的に知られている。
ダイヤモンド層ナノコンポジット層の硬度は、好ましくは、10GPaから20GPaの範囲内にある。
好ましくは、ナノコンポジット組成物は、C、Si、Oの全量に基づいて、40原子%から90原子%のC、5原子%から40原子%のSi、および5原子%から25原子%のOを含む。
好ましくは、ダイヤモンド状ナノコンポジット組成物は、2つの相互貫入ネットワーク、具体的には、a−C:Hの相互貫入ネットワークおよびa−Si:Oの相互貫入ネットワークを含む。
非晶質炭素層(a−C:H層またはDLN層)は、さらに、金属、例えば、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Co、Ir、Ni、Pd、およびPtのような遷移金属がドープされてもよい。
他のドーパントとして、B、Li、Na、Si、Ge、Te、O、Mg、Cu、Al、Ag、およびAuが挙げられる。
好ましいドーパントは、W、Zr、およびTiである。
非晶質炭素層は、好ましくは、0.5μmよりも大きい、例えば、1μmよりも大きい厚みを有する。
層状構造の厚みは、好ましくは、0.5μmよりも大きく、または1μmよりも大きく、例えば、2μmまたは3μmである。
基板
基板は、柔軟性または剛性のいずれかを有するどのような金属基板を含んでもよい。基板の例として、鋼基板、硬質金属基板、アルミニウム基板またはアルミニウム合金基板、チタン基板またはチタン合金基板、および銅基板または銅合金基板が挙げられる。
本発明による層状皮膜は、特に、動弁系部品、例えば、タペット、リストピン、フィンガー、フィンガー従動子、カムシャフト、ロッカーアーム、ピストン、ピストンリング、ギア、弁、弁バネ、およびリフタに施されるのに適している。
付着促進層
本発明の実施形態によれば、層状構造は、付着促進層を備えてもよい。この付着促進層は、中間層の堆積の前に、金属基板に堆積される。
付着促進層は、どのような金属を含んでもよい。好ましくは、付着促進層は、珪素、および周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群の少なくとも1つの元素を含む。
好ましい中間層は、Tiおよび/またはCrを含む。
可能であれば、付着促進層は、1つよりも多い層、例えば、2つ以上の金属層を含み、各層は、珪素、および周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群から選択される金属を含み、例えば、Ti層またはCr層であるとよい。
代替的に、付着促進層は、珪素、および周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群から選択される金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化炭化物、酸化窒化物、酸化炭窒化物の1つまたは複数の層を含んでもよい。
いくつかの例として、TiN、CrN、TiC、Cr23、TiCN、およびCrCNが挙げられる。
さらに、付着促進層は、珪素、および周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群から選択される金属の1つまたは複数の金属層と、珪素、および周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群から選択される金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化炭化物、酸化窒化物、酸化炭窒化物の1つまたは複数の層と、のどのような組合せを含んでもよい。
中間層のいくつかの例として、金属層および金属炭化物の組合せ、金属層および金属窒化物の組合せ、金属層および金属炭窒化物の組合せ、第1の金属層、金属炭化物層、および第2の金属層の組合せ、および第1の金属層、金属窒化物層、および第2の金属層の組合せが挙げられる。
付着促進層の厚みは、好ましくは、1nmから1000nmの範囲内、例えば、10nmから500nmの範囲内にある。
付着促進層は、当技術分野において周知のどのような技術、例えば、スパッタリングのような物理気相蒸着、または蒸発によって、堆積されてもよい。
上層
本発明の他の実施形態によれば、層状構造は、上層をさらに備えてもよい。この上層は、非晶質炭素層に堆積される。
上層は、必要とされる層状構造の所望の特性の機能、例えば、高硬度、高摩耗抵抗、および/または耐付着特性が得られるように、選択されるとよい。
本発明による金属基板に堆積される層状構造の好ましい実施形態は、金属基板に堆積された四面体炭素層と、この四面体炭素層の上に堆積されたダイヤモンド状ナノコンポジット(DLN)と、このダイヤモンド状ナノコンポジット(DLN)の上に堆積された(a−C:H層のような)非晶質炭素層と、を備える。
層状構造は、多数の繰返し単位を含んでもよく、各繰返し単位は、四面体炭素層と、ダイヤモンド状ナノコンポジット(DLN)層と、(a−C:H層のような)非晶質炭素層と、を備えることができる。繰返し単位の数は、2から100の範囲内、例えば、2から30の範囲内、例えば、10または15であるとよい。
四面体炭素層およびこの四面体炭素層に堆積された200GPaよりも低いヤング率を有する非晶質炭素を備える本発明による層状構造は、特に、乾燥状態(すなわち、潤滑剤を用いない状態)、例えば、真空空気内、または種々の腐食性ガスまたは種々の非腐食性ガスにおいて用いられる構成部品の摩擦を低減するのに適している。
本発明の第2態様によれば、四面体炭素皮膜によって被覆された金属基板による被接触体の磨耗を低減させる方法が提供される。
この方法は、
−四面体炭素皮膜によって被覆された金属基板を設けるステップと、
−前記四面体炭素皮膜の上に非晶質炭素層を施すステップであって、前記非晶質炭素層は、四面体炭素層の硬度よりも低い硬度を有するステップと、
を含むことを特徴とする。
四面体炭素層は、高硬度および高粗度によって特徴付けられる。
このような高硬度および高粗度を有する層によって被覆された金属基板が、被接触体に摩擦が生じる用途に用いられると、被覆金属基板による被接触体の磨耗が高くなる。
被接触体の磨耗を低減させるために、本発明によれば、四面体炭素層よりも軟質の層が、上層として四面体炭素層に施される。この上層は、四面体炭素層の慣らし磨耗挙動に良好な影響をもたらす。
好ましい上層は、200GPaよりも小さいヤング率を有する非晶質炭素層を含む
非晶質炭素層は、非晶質水素化炭素(a−C:H)層またはダイヤモンド状ナノコンポジット(DLN)層を含むとよい。
好ましい実施形態では、上層の硬度は、四面体炭素層の硬度と等しいかまたは近い硬度から四面体炭素層よりも低い硬度まで徐々に変化する。
以下、添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
図1は、本発明による被覆金属基板10の第1実施形態の断面を示している。金属基板11は、層状構造12によって被覆されている。
層状構造は、
−金属基板10に堆積された中間層14であって、四面体炭素層を含む中間層14と、
−中間層14に堆積された非晶質炭素層16であって、水素化非晶質炭素(a−C:H)層を含む非晶質炭素層16と、
を備えている。
中間層14は、1μmの厚みおよび400GPaのヤング率を有している。
非晶質炭素層16は、1μmの厚みおよび170GPaのヤング率を有している。
本発明の代替的実施形態では、非晶質炭素層16は、2つの相互貫入ネットワーク、具体的には、a−C:Hの相互貫入ネットワークおよびa−Si:Oの相互貫入ネットワークを含むダイヤモンド状ナノコンポジット層を含む。この非晶質炭素層16は、1μmの厚みおよび150GPaのヤング率を有している。
図2は、本発明による被覆金属基板20の第2実施形態の断面を示している。金属基板21は、層状構造22によって被覆されている。
層状構造は、
−金属基板に堆積された付着促進層23であって、例えば、クロム層またはクロム基層またはチタン層またはチタン基層を含む付着促進層23と、
−付着促進層23に堆積された中間層24であって、四面体炭素層を含む中間層24と、
−中間層24に堆積された非晶質炭素層26であって、水素化非晶質炭素(a−C:H)層を含む非晶質炭素層26と、
を備えている。
付着促進層23は、0.2μmの厚みを有し、中間層24は、1μmの厚みおよび400GPaのヤング率を有し、非晶質炭素層26は、1μmの厚みおよび170GPaのヤング率を有している。
可能であれば、層状構造22は、非晶質炭素層26に堆積された上層27をさらに備えている。上層は、例えば、高硬度、高摩耗抵抗および/または耐付着特性によって特徴付けられる。
図3は、本発明による被覆金属基板30の第3実施形態の断面を示している。
金属基板31は、多数の繰返し単位33を備える層状構造32によって、被覆されている。各繰返し単位は、中間層34と非晶質炭素層36とを備えている。繰返し単位の数は、例えば、10である。
可能であれば、層状構造32は、上層37をさらに備えてもよい。
本発明による層状構造の種々の実施形態の断面図である。 本発明による層状構造の種々の実施形態の断面図である。 本発明による層状構造の種々の実施形態の断面図である。
符号の説明
10 被覆金属基板
11 金属基板
12 層状構造
14 中間層
16 非晶質炭素層
20 被覆金属基板
21 金属基板
22 層状構造
23 付着促進層
24 中間層
26 非晶質炭素層
27 上層
30 被覆金属基板
31 金属基板
32 層状構造
33 繰返し単位
34 中間層
36 非晶質炭素層
37 上層

Claims (15)

  1. 層状構造によって少なくとも部分的に被覆された金属基板であって、前記層状構造が、前記基板に堆積された中間層と、前記中間層に堆積された非晶質炭素層とを備え、前記非晶質炭素層が200GPaよりも低いヤング率を有し、前記中間層が200GPaよりも高いヤング率を有する四面体炭素層を含み、
    前記四面体炭素層が、1μmよりも大きい厚みを有し、水素化四面体炭素(ta−C:H)であり、
    前記水素化四面体炭素の水素濃度は、20原子%よりも小さく、
    前記非晶質炭素層が、SiおよびOをさらに含む非晶質水素化炭素(a−C:H)であり
    前記四面体炭素のsp結合炭素の比率が50%から90%の範囲内であり、
    前記非晶質水素化炭素(a−C:H)層が40%よりも低い比率のsp結合炭素を有し、
    前記非晶質水素化炭素層の水素含量が20%から30%の範囲内である
    ことを特徴とする金属基板。
  2. 前記層状構造が、多数の繰返し単位を備え、各繰返し単位が、200GPaよりも高いヤング率を有する少なくとも1つの四面体炭素層を含む中間層と、200GPaよりも低いヤング率を有する非晶質炭素層とを備え、前記繰返し単位の数が、2から100の範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載の基板。
  3. 前記四面体炭素層が、200GPaから800GPaの範囲内にあるヤング率を有することを特徴とする請求項1あるいは2に記載の基板。
  4. 前記四面体炭素層が、20GPaよりも高い硬度を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の基板。
  5. 前記四面体炭素層に、少なくとも一種の金属がドープされることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の基板。
  6. SiおよびOをさらに含む前記非晶質炭素層が、2つの相互貫入ネットワーク、具体的には、水素によって安定化されたダイヤモンド状炭素ネットワーク内の主にsp結合炭素からなる第1のネットワークおよび酸素によって安定化された珪素からなる第2のネットワークを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の基板。
  7. 前記非晶質炭素層に、少なくとも一種の金属がドープされることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の基板。
  8. 前記層状構造が、前記中間層の堆積の前に前記基板に堆積された付着促進層を備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の基板。
  9. 前記付着促進層が、少なくとも1つの層を備え、前記少なくとも1つの層が、珪素、および周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群の少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする請求項8に記載の基板。
  10. 前記中間層が、少なくとも1つの金属層を含み、前記金属層が、珪素、および周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群の少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする請求項8あるいは9に記載の基板。
  11. 前記中間層が、珪素、および周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群の少なくとも1つの元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化炭化物、酸化窒化物、および酸化炭窒化物からなる群から選択される少なくとも1つの層を含むことを特徴とする請求項8あるいは9に記載の基板。
  12. 前記中間層が、珪素、および周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群から選択される金属の少なくとも1つの金属層と、珪素、および周期表の第4族元素、第5族元素および第6族元素からなる群から選択される金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化炭化物、酸化窒化物、および酸化炭窒化物の少なくとも1つの層と、の組合せを含むことを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載の基板。
  13. 前記層状構造が、上層をさらに備え、前記上層が、前記非晶質炭素層に堆積されることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の基板。
  14. 四面体炭素皮膜によって被覆された金属基板による被接触体の磨耗を低減させる方法であって、
    1μmより大きい厚みを有し、水素濃度が20原子%よりも小さい水素化四面体炭素(ta−C:H)である四面体炭素皮膜によって被覆された金属基板を設けるステップと、
    前記四面体炭素皮膜の上に、SiおよびOをさらに含む非晶質水素化炭素(a−C:H)を施すステップであって、前記非晶質水素化炭素層が前記四面体炭素層の硬度よりも低い硬度を有するステップと、
    を含み、
    前記四面体炭素のsp結合炭素の比率が50%から90%の範囲内であり、
    前記非晶質水素化炭素(a−C:H)層が40%よりも低い比率のsp結合炭素を有し、
    前記非晶質水素化炭素層の水素含量が20%から30%の範囲内であることを特徴とする方法。
  15. 前記非晶質水素化炭素層の硬度が、四面体炭素層の硬度と等しいかまたは近い硬度から前記四面体炭素層よりも低い硬度まで徐々に変化することを特徴とする請求項14に記載の方法。
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