JP5938321B2 - Hard film and film forming method thereof, hard film forming body and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、自動車部品や各種成形金型など、鉄系基材や超硬材からなる部材に形成される耐摩耗性や耐剥離性に優れる硬質膜に関するものである。   The present invention relates to a hard film excellent in wear resistance and peeling resistance formed on a member made of an iron-based base material or a super hard material such as an automobile part or various molding dies.

硬質カーボン膜は、一般にダイヤモンドライクカーボン(以下、DLCと記す。また、DLCを主体とする膜/層をDLC膜/層ともいう。)と呼ばれている硬質膜である。硬質カーボンはその他にも、硬質非晶質炭素、無定形炭素、硬質無定形型炭素、i−カーボン、ダイヤモンド状炭素など、様々な呼称があるが、これらの用語は明確に区別されていない。   The hard carbon film is a hard film generally called diamond-like carbon (hereinafter referred to as DLC. A film / layer mainly composed of DLC is also referred to as a DLC film / layer). In addition, hard carbon has various names such as hard amorphous carbon, amorphous carbon, hard amorphous carbon, i-carbon, diamond-like carbon, and these terms are not clearly distinguished.

このような用語が用いられるDLCの本質は、構造的にはダイヤモンドとグラファイトが混ざり合った両者の中間構造を有するものである。ダイヤモンドと同等に硬度が高く、耐摩耗性、固体潤滑性、熱伝導性、化学安定性、耐腐食性などに優れる。このため、例えば、金型・工具類(寸法測定治具など含む)、耐摩耗性機械部品、研磨材、摺動部材、磁気・光学部品などの保護膜として利用されつつある。こうしたDLC膜を形成する方法として、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理的蒸着(以下、PVDと記す)法、化学的蒸着(以下、CVDと記す)法、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング(以下、UBMSと記す)法などが採用されている。   The essence of DLC in which such terms are used is structurally an intermediate structure of both diamond and graphite mixed. It is as hard as diamond and has excellent wear resistance, solid lubricity, thermal conductivity, chemical stability, and corrosion resistance. For this reason, for example, it is being used as a protective film for molds / tools (including dimension measuring jigs), wear-resistant mechanical parts, abrasives, sliding members, magnetic / optical parts, and the like. As a method for forming such a DLC film, physical vapor deposition (hereinafter referred to as PVD) such as sputtering or ion plating, chemical vapor deposition (hereinafter referred to as CVD), unbalanced magnetron sputtering ( Hereinafter, a method such as UBMS) is employed.

このような優れた特性を有する一方で、DLC膜は膜形成時に極めて大きな内部応力が発生し、また高い硬度およびヤング率を持つ反面、変形能が極めて小さいことから、密着性が弱く、剥離しやすい等の欠点を持っている。この密着性の改良技術として、例えば、比較的厚く形成しても優れた密着性を発揮させる技術が知られている(特許文献1参照)。この技術はDLCを主体とする膜を最表面層とし、さらに中間層および基材を含んでおり、この基材は鉄系材料から成ると共に、上記中間層を下記(1)〜(4)の4層構造とするものである。
(1)Crおよび/またはAlの金属層からなる第1層
(2)Crおよび/またはAlの金属と、W、Ta、MoおよびNbよりなる群から選択される1種類以上の金属の混合層からなる第2層
(3)W、Ta、MoおよびNbからなる群から選択される1種類以上の金属層からなる第3層
(4)W、Ta、MoおよびNbよりなる群から選択される1種類以上の金属と炭素を含む非晶質層からなる第4層
While having such excellent characteristics, the DLC film generates extremely large internal stress during film formation, and has high hardness and Young's modulus, but its deformability is extremely small, so its adhesion is weak and it peels off. Has disadvantages such as easy. As a technique for improving the adhesion, for example, a technique that exhibits excellent adhesion even when formed relatively thick is known (see Patent Document 1). In this technique, a film mainly composed of DLC is used as the outermost surface layer, and further includes an intermediate layer and a base material. It has a four-layer structure.
(1) First layer composed of a Cr and / or Al metal layer (2) Mixed layer of Cr and / or Al metal and one or more metals selected from the group consisting of W, Ta, Mo and Nb The second layer (3) consisting of W, Ta, Mo and Nb. The third layer (4) consisting of one or more metal layers selected from the group consisting of W, Ta, Mo and Nb. A fourth layer comprising an amorphous layer containing one or more metals and carbon

また、密着性向上を図るため、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用して用い、所定の条件下のUBMS法でDLC膜を形成する技術が知られている(特許文献2参照)。   In order to improve adhesion, a technique is known in which a DLC film is formed by a UBMS method under a predetermined condition using a graphite target and a hydrocarbon-based gas in combination as a carbon supply source (Patent Document 2). reference).

特開2003−171758号公報JP 2003-171758 A 特開2011−68941号公報JP 2011-68941 A

しかしながら、特許文献1の技術を用いた場合でも、膜構造や成膜条件によっては、基材との密着性に劣り、また、成膜後の残留応力などにより剥離しやすくなるおそれがある。DLC膜が剥離すると、DLC膜本来の優れた特性を発揮することができない。特に、長期にわたり高い接触応力を受ける部位に該硬質膜を形成する場合において、耐剥離性などを向上させるには、静的な密着性や機械的特性のみでなく、疲労特性も重要になる。特許文献2の技術では、密着性の向上が図られているが、上記のような、より厳しい条件下で使用される部位に使用するためには、更なる膜構造などの改良が望まれている。   However, even when the technique of Patent Document 1 is used, depending on the film structure and film formation conditions, the adhesion to the substrate is poor, and there is a possibility that the film may be easily peeled off due to residual stress after film formation. When the DLC film is peeled off, the original excellent characteristics of the DLC film cannot be exhibited. In particular, in the case where the hard film is formed in a portion that receives a high contact stress over a long period of time, not only static adhesion and mechanical properties but also fatigue properties are important in order to improve the peel resistance. In the technique of Patent Document 2, the adhesion is improved. However, in order to use it in a site used under more severe conditions as described above, further improvement of the film structure and the like is desired. Yes.

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、高い耐摩耗性を有するとともに、耐剥離性に優れ、長期にわたり剥離を防止できる硬質膜、および、該硬質膜が形成された硬質膜形成体を提供することを目的とする。   The present invention has been made to cope with such problems, and has a hard film that has high wear resistance, is excellent in peel resistance, and can prevent peeling over a long period of time, and the hard film is formed. It aims at providing a hard film formation object.

本発明の硬質膜は、基材の表面に成膜される硬質膜であって、上記硬質膜は、上記基材の表面上に直接成膜されるクロム(以下、Crと記す)とタングステンカーバイト(以下、WCと記す)とを主体とする第1混合層と、該第1混合層の上に成膜されるWCとDLCとを主体とする第2混合層と、該第2混合層の上に成膜されるDLCを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、上記第1混合層は、上記基材側から上記第2混合層側へ向けて連続的または段階的に、該第1混合層中の上記Crの含有率が小さくなり、該第1混合層中の上記WCの含有率が高くなる層であり、上記第2混合層は、上記第1混合層側から上記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該第2混合層中の上記WCの含有率が小さくなり、該第2混合層中の上記DLCの含有率が高くなる層であり、上記第2混合層における水素含有量が10〜45原子%であることを特徴とする。   The hard film of the present invention is a hard film formed on the surface of a substrate, and the hard film is formed of chromium (hereinafter referred to as Cr) and tungsten car directly formed on the surface of the substrate. A first mixed layer mainly composed of a cutting tool (hereinafter referred to as WC), a second mixed layer mainly composed of WC and DLC formed on the first mixed layer, and the second mixed layer The first mixed layer is formed continuously or stepwise from the base material side to the second mixed layer side. The content ratio of Cr in the first mixed layer is reduced and the content ratio of WC in the first mixed layer is increased. The second mixed layer is from the first mixed layer side. The content ratio of the WC in the second mixed layer decreases continuously or stepwise toward the surface layer side, and the top in the second mixed layer is reduced. A layer DLC of content increases, the hydrogen content in the second mixed layer, characterized in that 10 to 45 atomic%.

上記硬質膜は、表面粗さRa:0.01μm以下、ビッカース硬度Hv:780であるSUJ2焼入れ鋼を相手材として、ヘルツの最大接触面圧0.5GPaの荷重を印加して接触させ、0.05m/sの回転速度で30分間、上記相手材を回転させたときの該硬質膜の比摩耗量が200×10−10mm/(N・m)未満であることを特徴とする。また、上記硬質膜は、押し込み硬さの平均値と標準偏差値との合計が25〜45GPaであることを特徴とする。また、上記硬質膜は、スクラッチテストにおける臨界剥離荷重が50N以上であることを特徴とする。 The hard film is brought into contact with SUJ2 hardened steel having a surface roughness Ra of 0.01 μm or less and a Vickers hardness Hv of 780 by applying a load with a maximum contact surface pressure of 0.5 GPa of Hertz. The specific wear amount of the hard film is less than 200 × 10 −10 mm 3 / (N · m) when the counterpart material is rotated for 30 minutes at a rotational speed of 05 m / s. The hard film is characterized in that the sum of the average value of the indentation hardness and the standard deviation value is 25 to 45 GPa. The hard film has a critical peel load in a scratch test of 50 N or more.

上記表面層は、スパッタリングガスとしてアルゴン(以下、Arと記す)ガスを用いたUBMS装置を使用して成膜した層であり、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、上記Arガスの上記装置内への導入量100に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合が1〜5であり、上記装置内の真空度が0.2〜0.8Paであり、上記基材に印加するバイアス電圧が70〜150Vである条件下で、上記炭素供給源から生じる炭素原子を、上記第2混合層上に堆積させて成膜されたものであることを特徴とする。また、上記炭化水素系ガスが、メタンガスであることを特徴とする。   The surface layer is a layer formed using a UBMS apparatus using argon (hereinafter referred to as Ar) gas as a sputtering gas, and a graphite target and a hydrocarbon-based gas are used in combination as a carbon supply source. The ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas to the introduction amount 100 of Ar gas into the device is 1 to 5, the degree of vacuum in the device is 0.2 to 0.8 Pa, The film is formed by depositing carbon atoms generated from the carbon supply source on the second mixed layer under a condition in which a bias voltage to be applied is 70 to 150 V. Further, the hydrocarbon gas is methane gas.

なお、基材に対するバイアスの電位は、アース電位に対してマイナスとなるように印加しており、例えば、バイアス電圧150Vとは、アース電位に対して基材のバイアス電位が−150Vであることを示す。   Note that the bias potential with respect to the base material is applied so as to be negative with respect to the ground potential. For example, the bias voltage of 150 V means that the bias potential of the base material is −150 V with respect to the ground potential. Show.

上記表面層は、上記第2混合層との隣接側に緩和層部分を有し、該緩和層部分は、上記炭化水素系ガスの導入量の割合、上記装置内の真空度、および上記基材に印加するバイアス電圧の少なくとも1つを、連続的または段階的に変化させて形成された部分であることを特徴とする。   The surface layer has a relaxation layer portion adjacent to the second mixed layer, and the relaxation layer portion includes a ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas, a degree of vacuum in the apparatus, and the base material. It is a part formed by changing at least one of the bias voltages applied to the battery continuously or stepwise.

上記硬質膜の膜厚が0.5〜3μmであり、かつ該硬質膜の膜厚に占める上記表面層の厚さの割合が0.7以下であることを特徴とする。   The hard film has a thickness of 0.5 to 3 μm, and the ratio of the thickness of the surface layer to the thickness of the hard film is 0.7 or less.

本発明の硬質膜形成体は、基材と、該基材の表面に成膜される硬質膜とからなる硬質膜形成体であって、上記硬質膜が、上記本発明の硬質膜であることを特徴とする。また、上記基材が、超硬合金材料または鉄系材料からなることを特徴とする。特に、上記基材が鉄系材料からなり、該鉄系材料が、高炭素クロム鋼、炭素鋼、工具鋼、またはマルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする。   The hard film forming body of the present invention is a hard film forming body comprising a base material and a hard film formed on the surface of the base material, and the hard film is the hard film of the present invention. It is characterized by. The base material is made of a cemented carbide material or an iron-based material. In particular, the base material is made of an iron-based material, and the iron-based material is high carbon chromium steel, carbon steel, tool steel, or martensitic stainless steel.

上記基材の表面粗さが、0.05μmRa以下であることを特徴とする。また、上記基材の表面の硬さが、ビッカース硬さでHv650以上であることを特徴とする。   The surface roughness of the substrate is 0.05 μmRa or less. Further, the hardness of the surface of the substrate is Hv650 or more in terms of Vickers hardness.

上記基材の表面に、上記硬質膜の形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることを特徴とする。上記窒化処理が、プラズマ窒化処理であり、上記窒化処理後の表面の硬さが、ビッカース硬さでHv1000以上であることを特徴とする。   A nitride layer is formed on the surface of the base material by nitriding before the hard film is formed. The nitriding treatment is a plasma nitriding treatment, and the surface hardness after the nitriding treatment is a Vickers hardness of Hv1000 or more.

本発明の硬質膜は、上記のとおり、基材側から(1)Cr/WCの第1混合層(組成傾斜)、(2)WC/DLCの第2混合層(組成傾斜)、(3)DLCの表面層、からなる構造の硬質膜である。基材上に直接成膜される第1混合層は、Crを含むので鉄系材料等と相性がよく、AlやWなどと比較して密着性に優れる。また、上記構造において、WCは、CrとDLCとの中間的な硬さや弾性率を有するので、第1混合層、第2混合層、ともにWCを含む傾斜組成とすることにより、成膜後の残留応力の集中が発生し難い。また、第1混合層および第2混合層が、傾斜組成であるので、異なる材質を物理的に結合する構造となっている。さらに、第2混合層における水素含有量が10〜45原子%であるので、高い接触応力を受ける部位等に形成した場合でも、長期間にわたり剥離を防止できる。   As described above, the hard film of the present invention comprises (1) the first mixed layer of Cr / WC (composition gradient), (2) the second mixed layer of WC / DLC (composition gradient), (3) It is a hard film having a structure composed of a DLC surface layer. The first mixed layer directly formed on the base material contains Cr and thus has good compatibility with iron-based materials and the like, and has excellent adhesion compared to Al and W. In the above structure, since WC has intermediate hardness and elastic modulus between Cr and DLC, both the first mixed layer and the second mixed layer have a gradient composition containing WC, so Residual stress concentration is unlikely to occur. Further, since the first mixed layer and the second mixed layer have a gradient composition, they have a structure in which different materials are physically combined. Furthermore, since the hydrogen content in the second mixed layer is 10 to 45 atomic%, even when the second mixed layer is formed in a portion that receives high contact stress, it can be prevented from peeling for a long period of time.

上記構造により、該硬質膜は、高い接触応力を受ける部位に形成された場合でも耐剥離性に優れ、DLC膜本来の特性を発揮できる。この結果、本発明の硬質膜形成体は、耐摩耗性、耐腐食性、耐フレッティング性などに優れる部材として、多種の用途に利用できる。   With the above structure, even when the hard film is formed in a part that receives high contact stress, it has excellent peeling resistance and can exhibit the original characteristics of the DLC film. As a result, the hard film formed body of the present invention can be used for various applications as a member having excellent wear resistance, corrosion resistance, fretting resistance and the like.

本発明の硬質膜の構造を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of the hard film of this invention. UBMS法の成膜原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the film-forming principle of UBMS method. AIP機能を備えたUBMS装置の模式図である。It is a schematic diagram of the UBMS apparatus provided with the AIP function. 摩擦試験機を示す図である。It is a figure which shows a friction tester. スラスト型転動疲労試験機を示す図である。It is a figure which shows a thrust type | mold rolling fatigue testing machine. GDS分析結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a GDS analysis result. 図6における第2混合層(WC/DLC層)部分の拡大図である。It is an enlarged view of the 2nd mixed layer (WC / DLC layer) part in FIG. GDS分析における水素量出力値とERDA分析で測定した水素量の関係(検量線)を示す図である。It is a figure which shows the relationship (calibration curve) of the hydrogen amount output value in GDS analysis, and the hydrogen amount measured by ERDA analysis. 微動摩耗試験機を示す図である。It is a figure which shows a fine abrasion tester.

本発明の硬質膜の構造を図1に基づいて説明する。図1は、基材表面に成膜される硬質膜1の構造を示す模式断面図である。図1に示すように、該硬質膜1は、(1)基材2の表面2a上に直接成膜されるCrとWCとを主体とする第1混合層1aと、(2)第1混合層1aの上に成膜されるWCとDLCとを主体とする第2混合層1bと、(3)第2混合層1bの上に成膜されるDLCを主体とする表面層1cとからなる3層構造を有する。硬質膜は、膜内に残留応力があり、残留応力は膜構造や成膜条件の影響を受け大きく異なる。本発明では、硬質膜の膜構造を、上記のような3層構造とすることで、急激な物性(硬度・弾性率等)変化を避けるようにしている。   The structure of the hard film of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a hard film 1 formed on the substrate surface. As shown in FIG. 1, the hard film 1 includes (1) a first mixed layer 1a mainly composed of Cr and WC directly formed on the surface 2a of the substrate 2, and (2) a first mixture. A second mixed layer 1b mainly composed of WC and DLC formed on the layer 1a, and (3) a surface layer 1c mainly composed of DLC formed on the second mixed layer 1b. It has a three-layer structure. A hard film has a residual stress in the film, and the residual stress varies greatly depending on the film structure and film formation conditions. In the present invention, the film structure of the hard film is a three-layer structure as described above, so that sudden changes in physical properties (hardness, elastic modulus, etc.) are avoided.

第1混合層1aが、基材表面に直接成膜される下地層である。第1混合層1aは、Crを含むので超硬合金材料や鉄系材料からなる基材との相性がよく、W、Ti、Si、Alなどを用いる場合と比較して基材との密着性に優れる。また、第1混合層1aに用いるWCは、CrとDLCとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。   The first mixed layer 1a is an underlayer formed directly on the substrate surface. Since the first mixed layer 1a contains Cr, the first mixed layer 1a has good compatibility with a base material made of a cemented carbide material or an iron-based material, and has better adhesion to the base material than when W, Ti, Si, Al, or the like is used. Excellent. Moreover, WC used for the first mixed layer 1a has intermediate hardness and elastic modulus between Cr and DLC, and concentration of residual stress after film formation hardly occurs.

また、第1混合層1aが、基材2側から第2混合層1b側に向けてCrの含有率が小さく、かつ、WCの含有率が高くなる傾斜組成であるので、基材2と第2混合層1bとの両面での密着性に優れる。また、該混合層内において、CrとWCとが物理的に結合する構造となっており、該混合層内での破損などを防止できる。さらに、第2混合層1b側ではWC含有率が高められているので、第1混合層1aと第2混合層1bとの密着性に優れる。   In addition, since the first mixed layer 1a has a gradient composition in which the Cr content is small and the WC content is high from the base material 2 side toward the second mixed layer 1b side, 2 Adhesiveness on both sides with the mixed layer 1b is excellent. In addition, Cr and WC are physically bonded in the mixed layer, and damage in the mixed layer can be prevented. Furthermore, since the WC content is increased on the second mixed layer 1b side, the adhesion between the first mixed layer 1a and the second mixed layer 1b is excellent.

第2混合層1bが、下地層と表面層との間に介在する中間層となる。第2混合層1bに用いるWCは、上述のように、CrとDLCとの中間的な硬さや弾性率を有し、成膜後の残留応力の集中も発生し難い。第2混合層1bが、第1混合層1a側から表面層1c側に向けてWCの含有率が小さく、かつ、DLCの含有率が高くなる傾斜組成であるので、第1混合層1aと表面層1cとの両面での密着性に優れる。また、該混合層内において、WCとDLCとが物理的に結合する構造となっており、該混合層内での破損などを防止できる。さらに、表面層1c側ではDLC含有率が高められているので、表面層1cと第2混合層1bとの密着性に優れる。   The second mixed layer 1b becomes an intermediate layer interposed between the base layer and the surface layer. As described above, the WC used for the second mixed layer 1b has intermediate hardness and elastic modulus between Cr and DLC, and residual stress concentration after film formation hardly occurs. Since the second mixed layer 1b has a gradient composition in which the WC content decreases from the first mixed layer 1a side to the surface layer 1c side and the DLC content increases, the first mixed layer 1a and the surface Excellent adhesion on both sides with the layer 1c. In addition, WC and DLC are physically coupled in the mixed layer, and damage in the mixed layer can be prevented. Furthermore, since the DLC content is increased on the surface layer 1c side, the adhesion between the surface layer 1c and the second mixed layer 1b is excellent.

第2混合層1bは、非粘着性の高いDLCをWCによって第1混合層1a側にアンカー効果で結合させる層であり、高面圧で疲労を伴う苛酷条件でも高い密着性を発現させるためには、この層中のDLCおよびWC両方の機械的特性や疲労特性が重要と考えられる。そこで、本発明者らは、実験を重ねて第2混合層(WC/DLC)の成膜条件の最適化を行った結果、第2混合層中の水素含有量を、一般的なスパッタリング条件に比べて極端に多くすることによって、転がり接触下などの高い接触応力を受け疲労を伴う環境下において、剥離寿命を著しく向上できることを見出した。   The second mixed layer 1b is a layer that bonds non-adhesive DLC to the first mixed layer 1a side by WC with an anchor effect, and exhibits high adhesion even under severe conditions with fatigue due to high surface pressure. It is considered that the mechanical properties and fatigue properties of both DLC and WC in this layer are important. Therefore, the present inventors conducted experiments to optimize the film formation conditions of the second mixed layer (WC / DLC), and as a result, the hydrogen content in the second mixed layer was changed to the general sputtering conditions. It has been found that by increasing the number extremely, the peeling life can be remarkably improved in an environment with fatigue due to high contact stress such as rolling contact.

第2混合層における水素含有量は、10〜45原子%とする。15〜45原子%とすることがより好ましい。第2混合層における水素含有量が10原子%より少ない場合、機械的特性は十分であるので静的な密着性は高いが、疲労特性が劣るため転がり接触下などでは剥離し易い。一方、水素含有量が45原子%をこえると、その機械的特性が不十分となり、硬質膜が転がり接触などの高面圧に耐えられずに大きく変形し、隣接する層に応力が集中するため長寿命は発現しにくい。   The hydrogen content in the second mixed layer is 10 to 45 atomic%. It is more preferable to set it as 15-45 atomic%. When the hydrogen content in the second mixed layer is less than 10 atomic%, the mechanical properties are sufficient and the static adhesion is high, but the fatigue properties are inferior, so that they are easily peeled off under rolling contact. On the other hand, if the hydrogen content exceeds 45 atomic%, the mechanical properties become insufficient, the hard film deforms greatly without being able to withstand high surface pressure such as rolling contact, and stress concentrates on adjacent layers. Long life is difficult to develop.

ここで、本発明における「第2混合層における水素含有量」は、GDS分析(グロー放電発光分光分析)で求めた水素含有量(原子%)である。GDS分析は深さ方向と元素量の関係を調べることができる分析であり、各元素の検量線を用意すれば定量が可能である。水素量検量線は、水素の絶対量測定が可能なERDA分析(弾性反跳粒子検出法)を用いて作成した。また、水素以外の構成元素の検量線についてはEDX分析を用いて作成した。詳細を以下に示す。   Here, the “hydrogen content in the second mixed layer” in the present invention is the hydrogen content (atomic%) obtained by GDS analysis (glow discharge emission spectroscopic analysis). The GDS analysis is an analysis capable of examining the relationship between the depth direction and the element amount, and can be quantified by preparing a calibration curve for each element. The hydrogen calibration curve was created using ERDA analysis (elastic recoil particle detection method) capable of measuring the absolute amount of hydrogen. Further, calibration curves for constituent elements other than hydrogen were prepared using EDX analysis. Details are shown below.

図6にGDS分析結果の一例を、図7に図6における第2混合層(WC/DLC層)部分の拡大図をそれぞれ示す。横軸のスパッタ時間は、表面からの深さを表している。WC/DLC層は、CピークとWピークが共存する範囲であり、この共存範囲内の水素ピークの最大値(原子%)を本発明における「第2混合層における水素含有量」として定義している。なお、縦軸の「原子%」は、GDS分析における水素量出力値(V)から下記の方法で算出している。   FIG. 6 shows an example of the GDS analysis result, and FIG. 7 shows an enlarged view of the second mixed layer (WC / DLC layer) portion in FIG. The sputter time on the horizontal axis represents the depth from the surface. The WC / DLC layer is a range in which the C peak and the W peak coexist, and the maximum value (atomic%) of the hydrogen peak within this coexistence range is defined as “hydrogen content in the second mixed layer” in the present invention. Yes. “Atom%” on the vertical axis is calculated from the hydrogen output value (V) in the GDS analysis by the following method.

GDS分析における水素量出力値(V)は、試験片材質の違いによって異なるため、第2混合層(WC/DLC層)を構成しているDLCとWCそれぞれについて水素量検量線を作成する必要がある。そこで、DLC単層膜試験片およびWC単層膜試験片のそれぞれについて、WC/DLC層の成膜条件に合わせた条件でメタンガス導入量を調整することで水素含有量の異なる試験片を作製し、ERDA分析とGDS分析を行なった。GDS分析における水素量出力値(V)とERDA分析で測定した水素量(原子%)の関係(検量線)の一例を図8に示す。GDS分析における水素量出力値は水素量と直線関係があることが分かる。上記DLC水素量検量線で求めた水素含有量と、上記WC水素量検量線で求めた水素含有量とは異なるため、これら両方の検量線で求めた水素含有量の平均をとることで、任意の水素量出力値(V)に対応する水素含有量(原子%)が算出できる。   Since the hydrogen output value (V) in GDS analysis differs depending on the test piece material, it is necessary to create a hydrogen calibration curve for each of DLC and WC constituting the second mixed layer (WC / DLC layer). is there. Therefore, for each of the DLC single-layer film test piece and the WC single-layer film test piece, test pieces having different hydrogen contents were prepared by adjusting the amount of methane gas introduced under conditions matching the film formation conditions of the WC / DLC layer. ERDA analysis and GDS analysis were performed. An example of the relationship (calibration curve) between the hydrogen output value (V) in the GDS analysis and the hydrogen amount (atomic%) measured in the ERDA analysis is shown in FIG. It can be seen that the hydrogen output value in the GDS analysis has a linear relationship with the hydrogen content. Since the hydrogen content obtained with the DLC hydrogen calibration curve is different from the hydrogen content obtained with the WC hydrogen calibration curve, it can be arbitrarily determined by taking the average of the hydrogen content obtained with both calibration curves. The hydrogen content (atomic%) corresponding to the hydrogen output value (V) can be calculated.

表面層1cは、DLCを主体とする膜である。表面層1cにおいて、第2混合層1bとの隣接側に、緩和層部分1dを有することが好ましい。これは、第2混合層1bと表面層1cとで成膜条件パラメータ(炭化水素系ガス導入量、真空度、バイアス電圧)が異なる場合、これらパラメータの急激な変化を避けるために、該パラメータの少なくとも1つを連続的または段階的に変化させることで得られる緩和層部分である。より詳細には、第2混合層1bの最表層形成時の成膜条件パラメータを始点とし、表面層1cの最終的な成膜条件パラメータを終点として、各パラメータをこの範囲内で連続的または段階的に変化させる。これにより、第2混合層1bと表面層1cとの急激な物性(硬度・弾性率等)の差がなくなり、第2混合層1bと表面層1cとの密着性がさらに優れる。なお、バイアス電圧を連続的または段階的に上昇させることで、DLC構造におけるグラファイト構造(sp)とダイヤモンド構造(sp)との構成比率が後者に偏っていき、硬度が傾斜(上昇)する。 The surface layer 1c is a film mainly composed of DLC. The surface layer 1c preferably has a relaxing layer portion 1d on the side adjacent to the second mixed layer 1b. This is because when the film formation condition parameters (hydrocarbon gas introduction amount, vacuum degree, bias voltage) are different between the second mixed layer 1b and the surface layer 1c, in order to avoid abrupt changes in these parameters, It is a relaxation layer portion obtained by changing at least one continuously or stepwise. More specifically, the film formation condition parameters at the time of forming the outermost layer of the second mixed layer 1b are set as the start point, and the final film formation condition parameters of the surface layer 1c are set as the end points. Change. Thereby, the difference in the abrupt physical properties (hardness, elastic modulus, etc.) between the second mixed layer 1b and the surface layer 1c is eliminated, and the adhesion between the second mixed layer 1b and the surface layer 1c is further improved. By increasing the bias voltage continuously or stepwise, the composition ratio of the graphite structure (sp 2 ) and the diamond structure (sp 3 ) in the DLC structure is biased toward the latter, and the hardness is inclined (increased). .

硬質膜1の膜厚(3層の合計)は0.5〜3.0μmとすることが好ましい。膜厚が0.5μm未満であれば、耐摩耗性および機械的強度に劣る場合があり、3.0μmをこえると剥離し易くなる。さらに、該硬質膜1の膜厚に占める表面層1cの厚さの割合が0.7以下であることが好ましい。この割合が0.7をこえると、第2混合層1bにおけるWCとDLCの物理結合するための傾斜組織が不連続な組織となりやすく、密着性が劣化する可能性が高い。   The thickness of the hard film 1 (total of three layers) is preferably 0.5 to 3.0 μm. If the film thickness is less than 0.5 μm, the abrasion resistance and mechanical strength may be inferior, and if it exceeds 3.0 μm, the film is easily peeled off. Furthermore, the ratio of the thickness of the surface layer 1c to the thickness of the hard film 1 is preferably 0.7 or less. When this ratio exceeds 0.7, the inclined structure for physically bonding WC and DLC in the second mixed layer 1b tends to be a discontinuous structure, and the adhesiveness is likely to deteriorate.

硬質膜1を以上のような組成の第1混合層1a、第2混合層1b、表面層1cからなる3層構造とすることで、耐剥離性に優れる。   By making the hard film 1 into a three-layer structure including the first mixed layer 1a, the second mixed layer 1b, and the surface layer 1c having the above composition, the peel resistance is excellent.

硬質膜1の物性としては、表面粗さRa:0.01μm以下、ビッカース硬度Hv:780であるSUJ2焼入れ鋼を相手材として、ヘルツの最大接触面圧0.5GPaの荷重を印加して接触させ、0.05m/sの回転速度で30分間、上記相手材を回転させたときの該硬質膜の比摩耗量が200×10−10mm/(N・m)未満であることが好ましい。該試験で比摩耗量が200×10−10mm/(N・m)未満であれば、耐摩耗性に優れ、摩耗粉の発生を防止し得る。 The physical properties of the hard film 1 are SUJ2 hardened steel having a surface roughness Ra of 0.01 μm or less and a Vickers hardness Hv of 780, and a contact with a load of 0.5 GPa maximum contact surface pressure of Hertz. The specific wear amount of the hard film is preferably less than 200 × 10 −10 mm 3 / (N · m) when the counterpart material is rotated for 30 minutes at a rotational speed of 0.05 m / s. If the specific wear amount is less than 200 × 10 −10 mm 3 / (N · m) in the test, the wear resistance is excellent and the generation of wear powder can be prevented.

また、押し込み硬さの平均値と標準偏差値との合計が25〜45GPaであることが好ましい。この範囲であると、硬質膜を摺動面に形成する場合、該摺動面に硬質な異物が介入した際に発生するアブレッシブ摩耗にも高い効果を発揮する。   Moreover, it is preferable that the sum total of the average value of indentation hardness and a standard deviation value is 25-45 GPa. Within this range, when a hard film is formed on the sliding surface, a high effect is exhibited even in abrasive wear that occurs when a hard foreign object intervenes on the sliding surface.

また、スクラッチテストにおける臨界剥離荷重が50N以上であることが好ましい。スクラッチテストにおける臨界剥離荷重の測定方法は、後述の実施例に示すとおりである。臨界剥離荷重が50N未満である場合には、高荷重条件で使用した場合に硬質膜が剥離する可能性が高い。また、臨界剥離荷重が50N以上であっても、本発明のような膜構造でなければ場合によっては容易に剥離することもある。   Moreover, it is preferable that the critical peeling load in a scratch test is 50 N or more. The method for measuring the critical peel load in the scratch test is as shown in the examples described later. When the critical peel load is less than 50N, the hard film is likely to peel when used under high load conditions. Even if the critical peeling load is 50 N or more, the film may be easily peeled off depending on the case unless it is a film structure as in the present invention.

以下、硬質膜の形成方法について説明する。硬質膜は、基材表面に対して、下地層1a、混合層1b、表面層1cをこの順に成膜して得られる。   Hereinafter, a method for forming the hard film will be described. The hard film is obtained by forming the base layer 1a, the mixed layer 1b, and the surface layer 1c in this order on the substrate surface.

表面層1cの形成は、スパッタリングガスとしてArガスを用いたUBMS装置を使用してなされることが好ましい。UBMS装置を用いたUBMS法の成膜原理を図2に示す模式図を用いて説明する。図中において、基材12は、成膜対象の基材である。図2に示すように、丸形ターゲット15の中心部と周辺部で異なる磁気特性を有する内側磁石14a、外側磁石14bが配置され、ターゲット15付近で高密度プラズマ19を形成しつつ、上記磁石14a、14bにより発生する磁力線16の一部16aがバイアス電源11に接続された基材12近傍まで達するようにしたものである。この磁力線16aに沿ってスパッタリング時に発生したArプラズマが基材12付近まで拡散する効果が得られる。このようなUBMS法では、基材12付近まで達する磁力線16aに沿って、Arイオン17および電子が、通常のスパッタリングに比べてイオン化されたターゲット18をより多く基材12に到達させるイオンアシスト効果によって、緻密な膜(層)13を成膜できる。   The surface layer 1c is preferably formed using a UBMS apparatus using Ar gas as a sputtering gas. The film forming principle of the UBMS method using the UBMS apparatus will be described with reference to the schematic diagram shown in FIG. In the figure, the base material 12 is a base material to be formed. As shown in FIG. 2, an inner magnet 14 a and an outer magnet 14 b having different magnetic characteristics are arranged in the central portion and the peripheral portion of the round target 15, and the magnet 14 a is formed while forming a high-density plasma 19 near the target 15. , 14 b, a part 16 a of the magnetic force lines 16 reaches the vicinity of the base material 12 connected to the bias power source 11. The Ar plasma generated during the sputtering along the magnetic force lines 16a can be diffused to the vicinity of the base material 12. In such a UBMS method, an ion assist effect that causes Ar ions 17 and electrons to reach the base material 12 in a larger amount than the ordinary sputtering along the magnetic field lines 16a reaching the vicinity of the base material 12 due to the ion assist effect. A dense film (layer) 13 can be formed.

表面層1cは、この装置を利用して、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、上記Arガスの上記装置内への導入量100に対する上記炭化水素系ガスの導入量の割合を1〜5とし、上記装置内の真空度を0.2〜0.8Paとし、基材に印加するバイアス電圧を70〜150Vとした条件下で、上記炭素供給源から生じる炭素原子を、第2混合層1b上に堆積させて成膜されたものとすることが好ましい。この好適条件について以下に説明する。   Using this apparatus, the surface layer 1c uses a graphite target and a hydrocarbon gas in combination as a carbon supply source, and the amount of introduction of the hydrocarbon gas relative to the amount of introduction 100 of the Ar gas into the apparatus is as follows. The carbon atoms generated from the carbon supply source under the conditions that the ratio is 1 to 5, the degree of vacuum in the apparatus is 0.2 to 0.8 Pa, and the bias voltage applied to the substrate is 70 to 150 V, The film is preferably deposited on the second mixed layer 1b. This preferable condition will be described below.

炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用することで、第2混合層1bとの密着性を向上させることができる。炭化水素系ガスとしては、メタンガス、アセチレンガス、ベンゼンなどが使用でき、特に限定されないが、コストおよび取り扱い性の点からメタンガスが好ましい。   By using a graphite target and a hydrocarbon-based gas in combination as a carbon supply source, the adhesion with the second mixed layer 1b can be improved. As the hydrocarbon-based gas, methane gas, acetylene gas, benzene and the like can be used, and are not particularly limited. However, methane gas is preferable from the viewpoint of cost and handleability.

上記炭化水素系ガスの導入量の割合を、ArガスのUBMS装置内(成膜チャンバー内)への導入量100(体積部)に対して1〜5(体積部)とすることで、表面層1cの耐摩耗性などを悪化させずに、第2混合層1bとの密着性の向上が図れる。   By setting the ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas to 1 to 5 (volume part) with respect to 100 introduction (volume part) of Ar gas into the UBMS apparatus (in the film formation chamber), the surface layer The adhesion with the second mixed layer 1b can be improved without deteriorating the wear resistance of 1c.

UBMS装置内(成膜チャンバー内)の真空度は上記のとおり0.2〜0.8Paであることが好ましい。より好ましくは、0.25〜0.8Paである。真空度が0.2Pa未満であると、チャンバー内のArガス量が少ないため、Arプラズマが発生せず、成膜できない場合がある。また、真空度が0.8Paより高いと、逆スパッタ現象が起こり易くなり、耐摩耗性が悪化するおそれがある。   The degree of vacuum in the UBMS apparatus (inside the film forming chamber) is preferably 0.2 to 0.8 Pa as described above. More preferably, it is 0.25 to 0.8 Pa. If the degree of vacuum is less than 0.2 Pa, the amount of Ar gas in the chamber is small, so that Ar plasma is not generated and film formation may not be possible. On the other hand, if the degree of vacuum is higher than 0.8 Pa, the reverse sputtering phenomenon tends to occur and the wear resistance may be deteriorated.

基材に印加するバイアス電圧は上記のとおり70〜150Vであることが好ましい。より好ましくは、100〜150Vである。バイアス電圧が70V未満であると、緻密化が進行せず、耐摩耗性が極端に悪化するので好ましくない。また、バイアス電圧が150Vをこえると、逆スパッタ現象が起こり易くなり、耐摩耗性が悪化するおそれがある。また、バイアス電圧が高すぎると、表面層が硬くなりすぎ、使用時に剥離しやすくなるおそれがある。   The bias voltage applied to the substrate is preferably 70 to 150 V as described above. More preferably, it is 100-150V. When the bias voltage is less than 70V, densification does not proceed and the wear resistance is extremely deteriorated, which is not preferable. On the other hand, when the bias voltage exceeds 150 V, reverse sputtering tends to occur, and the wear resistance may be deteriorated. On the other hand, if the bias voltage is too high, the surface layer becomes too hard and may be easily peeled off during use.

また、スパッタリングガスであるArガスの導入量は40〜150ml/minであることが好ましい。より好ましくは50〜150ml/minである。Arガス流量が40ml/min未満であると、Arプラズマが発生せず、成膜できない場合がある。また、Arガス流量が150ml/minよりも多いと、逆スパッタ現象が起こり易くなるため、耐摩耗性が悪化するおそれがある。Arガス導入量が多いと、成膜チャンバー内でAr原子と炭素原子の衝突確率が増す。その結果、膜表面に到達するAr原子数が減少し、Ar原子による膜の押し固め効果が低下し、膜の耐摩耗性が悪化する。   Moreover, it is preferable that the introduction amount of Ar gas which is sputtering gas is 40-150 ml / min. More preferably, it is 50-150 ml / min. When the Ar gas flow rate is less than 40 ml / min, Ar plasma is not generated and film formation may not be possible. On the other hand, if the Ar gas flow rate is higher than 150 ml / min, the reverse sputtering phenomenon tends to occur, so that the wear resistance may be deteriorated. When the amount of Ar gas introduced is large, the collision probability between Ar atoms and carbon atoms increases in the film forming chamber. As a result, the number of Ar atoms reaching the film surface is reduced, the effect of compacting the film by Ar atoms is reduced, and the wear resistance of the film is deteriorated.

第1混合層1aおよび第2混合層1bの形成も、上記のスパッタリングガスとしてArガスを用いたUBMS装置を使用してなされることが好ましい。第1混合層1aを形成する際には、ターゲット15として、CrターゲットおよびWCターゲットを併用する。また、第2混合層1bを形成する際には、(1)WCターゲット、および、(2)黒鉛ターゲットおよび炭化水素系ガスを用いる。各層の形成毎に、それぞれに用いるターゲットを逐次取り替える。   It is preferable that the first mixed layer 1a and the second mixed layer 1b are also formed using a UBMS apparatus using Ar gas as the sputtering gas. When forming the first mixed layer 1 a, a Cr target and a WC target are used in combination as the target 15. In forming the second mixed layer 1b, (1) a WC target, and (2) a graphite target and a hydrocarbon-based gas are used. The target used for each layer is sequentially replaced every time the layers are formed.

第1混合層1aは、連続的または段階的に、WCターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、Crターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより第2混合層1b側に向けてCrの含有率が小さく、かつ、WCの含有率が高くなる傾斜組成の層とできる。   The first mixed layer 1a is formed continuously or stepwise while increasing the sputtering power applied to the WC target and decreasing the power applied to the Cr target. Thereby, it can be set as the layer of the gradient composition which the content rate of Cr is small toward the 2nd mixed layer 1b side, and the content rate of WC becomes high.

第2混合層1bは、連続的または段階的に、炭素供給源となる黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を上げながら、かつ、WCターゲットに印加する電力を下げながら成膜する。これにより表面層1c側に向けてWCの含有率が小さく、かつ、DLCの含有率が高くなる傾斜組成の層とできる。   The second mixed layer 1b is formed continuously or stepwise while increasing the sputtering power applied to the graphite target serving as the carbon supply source and decreasing the power applied to the WC target. Thereby, it can be set as the layer of the gradient composition which the content rate of WC becomes small toward the surface layer 1c side, and the content rate of DLC becomes high.

第2混合層1b中の水素含有量を上記範囲(10〜45原子%)とするため、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、該炭化水素系ガスの導入量の割合を、通常のスパッタリング条件と比較して多くする。例えば、炭化水素系ガスの導入量の割合を、ArガスのUBMS装置内(成膜チャンバー内)への導入量100(体積部)に対して5〜40、より好ましくは10〜40(体積部)とする。第2混合層成膜時における装置内の真空度、バイアス電圧などの他の条件は、上述の表面層の好適な成膜条件と同様である。   In order to set the hydrogen content in the second mixed layer 1b within the above range (10 to 45 atomic%), a graphite target and a hydrocarbon gas are used in combination as a carbon supply source, and the ratio of the introduction amount of the hydrocarbon gas. Is increased in comparison with normal sputtering conditions. For example, the ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas is 5 to 40, more preferably 10 to 40 (volume part) with respect to the introduction amount 100 (volume part) of Ar gas into the UBMS apparatus (deposition chamber). ). Other conditions such as the degree of vacuum in the apparatus and the bias voltage during the formation of the second mixed layer are the same as the preferred film formation conditions for the surface layer described above.

本発明の硬質膜形成体は、基材と、基材の表面に成膜される硬質膜とからなる。この硬質膜が、上述の本発明の硬質膜である。   The hard film forming body of the present invention comprises a base material and a hard film formed on the surface of the base material. This hard film is the hard film of the present invention described above.

基材の材質としては、特に限定されないが、超硬合金材料または鉄系材料を用いることができる。超硬合金材料としては、機械的特性が最も優れるWC−Co系合金の他に、耐酸化性を向上させた、WC−TiC−Co系合金、WC−TaC−Co系合金、WC−TiC−TaC−Co系合金などが挙げられる。鉄系材料としては、高炭素クロム鋼、炭素鋼、工具鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などが挙げられる。   Although it does not specifically limit as a material of a base material, A cemented carbide material or an iron-type material can be used. As the cemented carbide material, in addition to the WC-Co alloy having the most excellent mechanical properties, the WC-TiC-Co alloy, WC-TaC-Co alloy, WC-TiC- with improved oxidation resistance Examples include TaC-Co alloys. Examples of the iron-based material include high carbon chromium steel, carbon steel, tool steel, martensitic stainless steel, and the like.

これらの基材において、硬質膜が形成される基材表面の硬さが、ビッカース硬さでHv650以上であることが好ましい。Hv650以上とすることで、硬質膜(第1混合層)との硬度差を少なくし、密着性を向上させることができる。   In these substrates, the hardness of the substrate surface on which the hard film is formed is preferably Hv650 or higher in terms of Vickers hardness. By setting it as Hv650 or more, a hardness difference with a hard film (1st mixed layer) can be decreased, and adhesiveness can be improved.

硬質膜が形成される基材表面において、硬質膜形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることが好ましい。窒化処理としては、基材表面に密着性を妨げる酸化層が生じ難いプラズマ窒化処理を施すことが好ましい。また、窒化処理後の表面の硬さがビッカース硬さでHv1000以上であることが、硬質膜(第1混合層)との密着性をさらに向上させるために好ましい。   On the surface of the base material on which the hard film is formed, it is preferable that a nitride layer is formed by nitriding before forming the hard film. As the nitriding treatment, it is preferable to perform a plasma nitriding treatment in which an oxide layer that hinders adhesion is hardly generated on the surface of the substrate. Moreover, it is preferable that the hardness of the surface after nitriding is Hv1000 or more in terms of Vickers hardness in order to further improve the adhesion to the hard film (first mixed layer).

硬質膜が形成される基材表面の表面粗さRaは、0.05μm以下であることが好ましい。表面粗さRaが0.05μmをこえると、粗さの突起先端に硬質膜が形成され難くなり、局所的に膜厚が小さくなる。   The surface roughness Ra of the substrate surface on which the hard film is formed is preferably 0.05 μm or less. When the surface roughness Ra exceeds 0.05 μm, it is difficult to form a hard film at the tip of the projection having the roughness, and the film thickness is locally reduced.

本発明の硬質膜形成体は、摺動部材、金型・工具類、研磨材、磁気・光学部品、その他、高い耐摩耗性や耐剥離性を要求される部位において使用できる。   The hard film forming body of the present invention can be used in sliding members, molds / tools, abrasives, magnetic / optical parts, and other parts that require high wear resistance and peel resistance.

本発明の硬質膜を所定の基材に形成し、該硬質膜の物性に関する評価した。これらを実施例、比較例、参考例として以下に説明する。   The hard film of the present invention was formed on a predetermined substrate, and the physical properties of the hard film were evaluated. These will be described below as examples, comparative examples, and reference examples.

硬質膜の評価用に用いた基材、UBMS装置、スパッタリングガスは以下のとおりである。
(1)基材材質:各表に示す基材
(2)基材寸法等:各表に示す表面粗さの円板(φ48mm×φ8mm×7mm、平面に成膜)
(3)UBMS装置:神戸製鋼所製;UBMS202/AIP複合装置
(4)スパッタリングガス:Arガス
The base material, UBMS apparatus, and sputtering gas used for evaluation of the hard film are as follows.
(1) Base material: Base material shown in each table (2) Base material dimensions, etc .: Surface roughness disks shown in each table (φ48 mm × φ8 mm × 7 mm, film formation on a plane)
(3) UBMS equipment: manufactured by Kobe Steel; UBMS202 / AIP composite equipment (4) Sputtering gas: Ar gas

第1混合層(下地層)の形成条件を以下に説明する。成膜チャンバー内を5×10−3Pa程度まで真空引きし、ヒータで基材をベーキングして、Arプラズマにて基材表面をエッチング後、CrターゲットとWCターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、CrとWCの組成比を傾斜させた層を形成した。基材に印加するバイアス電圧は、150Vである。この層は、基材側から第2混合層側に向けてCrの含有率が小さく、かつ、WCの含有率が高くなる層である。なお、Cr/WC以外の混合層とする場合は、対応するターゲットを用いる以外は、同条件で形成した。 The conditions for forming the first mixed layer (underlayer) will be described below. The inside of the deposition chamber is evacuated to about 5 × 10 −3 Pa, the substrate is baked with a heater, the surface of the substrate is etched with Ar plasma, and the sputtering power applied to the Cr target and the WC target is adjusted. , A layer in which the composition ratio of Cr and WC was inclined was formed. The bias voltage applied to the substrate is 150V. This layer is a layer having a small Cr content and a high WC content from the base material side toward the second mixed layer side. In addition, when using it as mixed layers other than Cr / WC, it formed on the same conditions except using a corresponding target.

第2混合層(中間層)の形成条件を以下に説明する。成膜チャンバー内を5×10−3Pa程度まで真空引きし、Arプラズマにて基材表面(または上記下地層表面)をエッチング後、炭化水素系ガスであるメタンガスを供給しながら、WCターゲットと黒鉛ターゲットに印加するスパッタ電力を調整し、WCとDLCの組成比を傾斜させた層を形成した。基材に印加するバイアス電圧は、150Vである。この層は、第1混合層側から表面層側に向けてWCの含有率が小さく、かつ、DLCの含有率が高くなる層である。第2混合層における水素含有量(原子%)は、GDS分析(グロー放電発光分光分析)により上述の方法で求めた。なお、メタンガス導入比は、各表に示すとおりである。 The conditions for forming the second mixed layer (intermediate layer) will be described below. The inside of the film forming chamber is evacuated to about 5 × 10 −3 Pa, and after etching the substrate surface (or the surface of the underlayer) with Ar plasma, while supplying methane gas, which is a hydrocarbon-based gas, The sputtering power applied to the graphite target was adjusted to form a layer in which the composition ratio of WC and DLC was inclined. The bias voltage applied to the substrate is 150V. This layer is a layer in which the content ratio of WC decreases and the content ratio of DLC increases from the first mixed layer side toward the surface layer side. The hydrogen content (atomic%) in the second mixed layer was determined by the above-described method by GDS analysis (glow discharge emission spectroscopic analysis). The methane gas introduction ratio is as shown in each table.

表面層の形成条件は、各表に示すとおりである。   The conditions for forming the surface layer are as shown in each table.

UBMS202/AIP複合装置の概要を図3に示す。図3はアークイオンプレーティング(以下、AIPと記す)機能を備えたUBMS装置の模式図である。図3に示すように、UBMS202/AIP複合装置は、円盤22上に配置された基材23に対し、真空アーク放電を利用して、AIP蒸発源材料21を瞬間的に蒸気化・イオン化し、これを基材23上に堆積させて被膜を成膜するAIP機能と、スパッタ蒸発源材料(ターゲット)24を非平衡な磁場により、基材23近傍のプラズマ密度を上げてイオンアシスト効果を増大すること(図2参照)によって、基材上に堆積する被膜の特性を制御できるUBMS機能を備える装置である。この装置により、基材上に、AIP被膜および複数のUBMS被膜(組成傾斜を含む)を任意に組合せた複合被膜を成膜することができる。この実施例では、基材に、第1混合層、第2混合層、表面層をUBMS被膜として成膜している。   An outline of the UBMS 202 / AIP combined apparatus is shown in FIG. FIG. 3 is a schematic diagram of a UBMS apparatus having an arc ion plating (hereinafter referred to as AIP) function. As shown in FIG. 3, the UBMS 202 / AIP combined device instantaneously vaporizes and ionizes the AIP evaporation source material 21 by using vacuum arc discharge to the base material 23 arranged on the disk 22. This is deposited on the base material 23 to increase the plasma density in the vicinity of the base material 23 and increase the ion assist effect by the non-equilibrium magnetic field of the sputtering evaporation source material (target) 24. (See FIG. 2), this is an apparatus having a UBMS function capable of controlling the characteristics of the film deposited on the substrate. By this apparatus, a composite film in which an AIP film and a plurality of UBMS films (including a composition gradient) are arbitrarily combined can be formed on a substrate. In this embodiment, the first mixed layer, the second mixed layer, and the surface layer are formed on the base material as a UBMS film.

実施例1〜10、12、比較例1〜7、参考例1〜9
表1〜表3に示す基材をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、基材をUBMS/AIP複合装置に取り付け、上述の形成条件にて各表に示す材質の第1混合層および第2混合層を形成した。その上に、各表に示す成膜条件にて表面層であるDLC膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。なお、各表における「真空度」は上記装置における成膜チャンバー内の真空度である。得られた試験片を以下に示す摩擦摩耗試験、膜厚試験、硬度試験、スクラッチテスト、およびスラスト型転動疲労試験(参考例以外)に供した。結果を各表に併記する。なお、表1下記の1)〜7)は、表2〜表4においても同じである。
Examples 1-10, 12, Comparative Examples 1-7, Reference Examples 1-9
The substrates shown in Tables 1 to 3 were ultrasonically cleaned with acetone and then dried. After drying, the substrate was attached to a UBMS / AIP composite apparatus, and the first mixed layer and the second mixed layer having the materials shown in each table were formed under the above-described formation conditions. On top of that, a DLC film as a surface layer was formed under the film forming conditions shown in each table to obtain a test piece having a hard film. Note that “degree of vacuum” in each table is the degree of vacuum in the film forming chamber in the above apparatus. The obtained specimens were subjected to the following frictional wear test, film thickness test, hardness test, scratch test, and thrust type rolling fatigue test (other than the reference example). The results are shown in each table. The following 1) to 7) in Table 1 are the same in Table 2 to Table 4.

実施例11
日本電子工業社製:ラジカル窒化装置を用いてプラズマ窒素処理が施された基材(ビッカース硬さHv1000)をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、基材をUBMS/AIP複合装置に取り付け、上述の形成条件にて表1に示す材質の第1混合層(Cr/WC)および第2混合層(WC/DLC)を形成した。その上に、表1に示す成膜条件にて表面層であるDLC膜を成膜し、硬質膜を有する試験片を得た。得られた試験片について、実施例1と同様の試験に供し、その結果を表1に併記する。
Example 11
Manufactured by JEOL Ltd .: A substrate (Vickers hardness Hv1000) subjected to plasma nitrogen treatment using a radical nitriding apparatus was ultrasonically cleaned with acetone and then dried. After drying, the substrate was attached to a UBMS / AIP composite apparatus, and the first mixed layer (Cr / WC) and the second mixed layer (WC / DLC) having the materials shown in Table 1 were formed under the above-described formation conditions. A DLC film, which is a surface layer, was formed on the film formation conditions shown in Table 1 to obtain a test piece having a hard film. About the obtained test piece, it uses for the test similar to Example 1, and the result is written together in Table 1. FIG.

<摩擦摩耗試験>
得られた試験片を、図4に示す摩擦試験機用いて摩擦試験を行なった。図4(a)は正面図を、図4(b)は側面図を、それぞれ表す。表面粗さRaが0.01μm以下であり、ビッカース硬度Hvが780であるSUJ2焼入れ鋼を相手材32として回転軸に取り付け、試験片31をアーム部33に固定して所定の荷重34を図面上方から印加して、ヘルツの最大接触面圧0.5GPa、室温(25℃)下、0.05m/sの回転速度で30分間、試験片31と相手材32との間に潤滑剤を介在させることなく、相手材32を回転させたときに、相手材32と試験片31との間に発生する摩擦力をロードセル35により検出した。これより、比摩耗量を算出した。
<Friction and wear test>
The obtained specimen was subjected to a friction test using a friction tester shown in FIG. 4A shows a front view, and FIG. 4B shows a side view. SUJ2 hardened steel having a surface roughness Ra of 0.01 μm or less and a Vickers hardness Hv of 780 is attached to the rotating shaft as a mating member 32, the test piece 31 is fixed to the arm portion 33, and a predetermined load 34 is applied to the upper part of the drawing. And a lubricant is interposed between the test piece 31 and the mating member 32 for 30 minutes at a rotation speed of 0.05 m / s under a maximum contact surface pressure of 0.5 GPa at room temperature (25 ° C.). Instead, the load cell 35 detected the frictional force generated between the counterpart material 32 and the test piece 31 when the counterpart material 32 was rotated. From this, the specific wear amount was calculated.

<膜厚試験>
得られた試験片の硬質膜の膜厚を表面形状・表面粗さ測定器(テーラーホブソン社製:フォーム・タリサーフPGI830)を用いて測定した。膜厚は成膜部の一部にマスキングを施し、非成膜部と成膜部の段差から膜厚を求めた。
<Film thickness test>
The film thickness of the hard film of the obtained test piece was measured using a surface shape / surface roughness measuring instrument (Taylor Hobson Co., Ltd .: Foam Talisurf PGI830). The film thickness was obtained by masking a part of the film forming portion and determining the level difference between the non-film forming portion and the film forming portion.

<硬度試験>
得られた試験片の押し込み硬さをアジレントテクノロジー社製:ナノインデンタ(G200)を用いて測定した。なお、測定値は表面粗さの影響を受けない深さ(硬さが安定している箇所)の平均値を示しており、各試験片10箇所ずつ測定している。
<Hardness test>
The indentation hardness of the obtained test piece was measured using a nanoindenter (G200) manufactured by Agilent Technologies. In addition, the measured value has shown the average value of the depth (location where hardness is stabilized) which is not influenced by surface roughness, and is measuring 10 each test piece.

<スクラッチテスト>
得られた試験片について、ナノテック社製:レベテストRSTを用いてスクラッチテストを行ない臨界剥離荷重を測定した。具体的には、得られた試験片について、先端半径200μmのダイヤモンド圧子で、スクラッチ速度10mm/min、荷重負荷速度10N/mm(連続的に荷重を増加)で試験し、試験機画面で判定し、画面上の摩擦痕(摩擦方向長さ375μm、幅約100μm)に対し露出した基材の面積が50%に達する荷重を臨界剥離荷重として測定した。
<Scratch test>
The obtained test piece was subjected to a scratch test using Nanotech: Level Test RST, and the critical peel load was measured. Specifically, the obtained test piece was tested with a diamond indenter with a tip radius of 200 μm at a scratch speed of 10 mm / min and a load load speed of 10 N / mm (continuously increasing the load), and judged on the testing machine screen. Then, the load at which the area of the exposed base material reached 50% with respect to the frictional trace on the screen (length in the friction direction 375 μm, width about 100 μm) was measured as the critical peel load.

<スラスト型転動疲労試験>
得られた試験片(φ48mm×φ8mm×7mm)について、図5に示す試験機を用いて、スラスト型転動疲労試験として、軸受の潤滑状態が苛酷な場合を想定した「低ラムダ条件」と、潤滑状態が良好な場合を想定した「高ラムダ条件」との2条件の試験を行い、硬質膜の転動疲労特性を評価した。「低ラムダ条件」は境界潤滑となるため、純粋な繰り返し転動疲労に加え接触による損傷が影響する。よって、硬質膜の耐摩耗性と密着性が要求される。各条件を以下に示す。
<Thrust type rolling fatigue test>
About the obtained test piece (φ48 mm × φ8 mm × 7 mm), as a thrust type rolling fatigue test using the testing machine shown in FIG. 5, “low lambda condition” assuming that the lubrication state of the bearing is severe, Two conditions, “high lambda conditions”, assuming a good lubrication state, were tested to evaluate the rolling fatigue characteristics of the hard film. Since “low lambda condition” is boundary lubrication, damage due to contact is affected in addition to pure repeated rolling fatigue. Therefore, the wear resistance and adhesion of the hard film are required. Each condition is shown below.

[低ラムダ条件]
潤滑油:VG2
ラムダ:0.6
最大接触面圧:2GPa
回転数:1000r/min
軌道径:φ20mm
転動体:サイズ7/32”、個数3、材質SUJ2、硬さHv750、表面粗さ0.005μmRa
油温度:70℃
打ち切り時間:なし
(1111hで負荷回数8乗回)

[高ラムダ条件]
潤滑油:VG32
ラムダ:9.2
最大接触面圧:3.5GPa
回転数:4500r/min
軌道径:φ20mm
転動体:サイズ7/32”、個数3、材質SUJ2、硬さHv750、表面粗さ0.005μmRa
油温度:70℃
打ち切り時間:300h
(247hで負荷回数8乗回)
[Low lambda condition]
Lubricating oil: VG2
Lambda: 0.6
Maximum contact surface pressure: 2 GPa
Rotational speed: 1000r / min
Orbit diameter: φ20mm
Rolling element: size 7/32 ", number 3, material SUJ2, hardness Hv750, surface roughness 0.005μmRa
Oil temperature: 70 ° C
Censoring time: None (1111h at 8th load)

[High lambda condition]
Lubricating oil: VG32
Lambda: 9.2
Maximum contact surface pressure: 3.5 GPa
Rotation speed: 4500r / min
Orbit diameter: φ20mm
Rolling element: size 7/32 ", number 3, material SUJ2, hardness Hv750, surface roughness 0.005μmRa
Oil temperature: 70 ° C
Abort time: 300h
(The load count is 8th power at 247h)

図5に示すように、試験機は、転動体42が円板状の試験片41と軌道盤(51201)45との間で転動する構成であり、試験片41は調芯用ボール43を介して支持されている。また、図中44は、予圧のためのロータリーボールスプライン、46はヒータ、47は熱電対である。本試験機は、試験片41を取り付け直しても転走跡がずれない構造である。評価方法は、試験時間20h毎に試験片を取り外し、光学顕微鏡観察によって試験片からの硬質膜の剥離有無を確認する。例えば、20h確認時に剥離していれば寿命は20hとなる。20h確認時に剥離していなければ、再度試験片を取り付けて試験を継続する。寿命時間を表1および表2に併記する。また、寿命判定として、低ラムダ条件では、寿命が1500h以上のものを「○」、1500h未満のものを「×」として記録する。高ラムダ条件では、寿命が300h以上のものを「○」、300h未満のものを「×」として記録する。   As shown in FIG. 5, the testing machine has a configuration in which the rolling element 42 rolls between a disk-shaped test piece 41 and a raceway (51201) 45, and the test piece 41 has an alignment ball 43. Is supported through. In the figure, 44 is a rotary ball spline for preloading, 46 is a heater, and 47 is a thermocouple. This testing machine has a structure in which the rolling trace does not shift even when the test piece 41 is reattached. In the evaluation method, the test piece is removed every 20 h of test time, and the presence or absence of peeling of the hard film from the test piece is confirmed by observation with an optical microscope. For example, if it peels at the time of 20h confirmation, a lifetime will be 20h. If it is not peeled off at the time of confirmation for 20 hours, the test piece is attached again and the test is continued. The lifetime is shown in Table 1 and Table 2 together. In addition, as a life determination, under low lambda conditions, those having a life of 1500 h or more are recorded as “◯”, and those having a life less than 1500 h are recorded as “x”. Under the high lambda condition, “O” is recorded when the lifetime is 300 h or more, and “X” is recorded when the lifetime is less than 300 h.

表1に示すように、各実施例の硬質膜は、耐摩耗性や耐剥離性に優れることが分かる。一方、膜構造が異なる比較例1〜5では、耐剥離性などに劣る結果となっていた。また、膜構造(3層構造)は同等であるが、第2混合層における水素含有量が本発明の範囲にない比較例6、7では高ラムダ条件での耐剥離性に劣る結果となった。   As shown in Table 1, it can be seen that the hard film of each example is excellent in wear resistance and peel resistance. On the other hand, Comparative Examples 1 to 5 having different film structures resulted in inferior peel resistance and the like. Moreover, although the film structure (three-layer structure) is equivalent, in Comparative Examples 6 and 7 in which the hydrogen content in the second mixed layer is not within the scope of the present invention, the result was inferior in peeling resistance under high lambda conditions. .

実施例13〜18、比較例8〜10
本発明の硬質膜について以下の微動摩耗試験を行ない、フレッティング摩耗に対する耐性を評価した。試験片(φ48mm×φ8mm×7mm、平面に成膜)は、表4に示す条件で作製した。なお、各層の成膜は、表4に示す条件以外は実施例1と同様の条件で行なった。
Examples 13-18, Comparative Examples 8-10
The hard film of the present invention was subjected to the following fine wear test to evaluate its resistance to fretting wear. Test pieces (φ48 mm × φ8 mm × 7 mm, film-formed on a plane) were produced under the conditions shown in Table 4. Each layer was formed under the same conditions as in Example 1 except for the conditions shown in Table 4.

<微動摩耗試験>
図9は微動摩耗試験機を示す図である。図9に示すように微動摩耗試験機51を用い、グリース55を塗布した試験片52に、ラジアル荷重54を負荷された鋼球53を載せ、下記条件にて水平方向A−Bに往復動させたときの試験片52の摩耗深さと比摩耗量、および、鋼球53の摩耗量を測定した。

[測定条件]
グリース:カルシウム・リチウム石けん/鉱油グリース
ラジアル荷重:10kgf
最大接触面圧:2.5GPa
振動数:30Hz
往復動振幅:0.47mm
試験時間:4時間
<Fine wear test>
FIG. 9 is a diagram showing a fine wear tester. As shown in FIG. 9, a fine ball wear tester 51 is used to place a steel ball 53 loaded with a radial load 54 on a test piece 52 coated with grease 55 and reciprocate in the horizontal direction AB under the following conditions. The wear depth and specific wear amount of the test piece 52 and the wear amount of the steel ball 53 were measured.

[Measurement condition]
Grease: Calcium / lithium soap / mineral oil grease Radial load: 10kgf
Maximum contact surface pressure: 2.5 GPa
Frequency: 30Hz
Reciprocating amplitude: 0.47mm
Test time: 4 hours

表4に示すように、各実施例の硬質膜は、耐フレッティング性に優れることが分かる。また、相手材である鋼球の摩耗も抑制できた。一方、第2混合層における水素含有量が本発明の範囲にない比較例8、膜構造が異なる比較例9、10では、耐フレッティング性に劣り、相手材である鋼球の摩耗量も多い結果となった。   As shown in Table 4, it can be seen that the hard film of each example is excellent in fretting resistance. Moreover, the wear of the steel ball as the counterpart material could be suppressed. On the other hand, in Comparative Example 8 where the hydrogen content in the second mixed layer is not within the scope of the present invention and Comparative Examples 9 and 10 having different film structures, the fretting resistance is inferior and the wear amount of the steel ball as the counterpart material is large. As a result.

本発明の硬質膜は、摺動部材、金型・工具類、研磨材、磁気・光学部品、その他、高い耐摩耗性や耐剥離性を要求される部位に形成する膜として好適に利用できる。   The hard film of the present invention can be suitably used as a film formed on sliding members, molds / tools, abrasives, magnetic / optical components, and other parts that require high wear resistance and peeling resistance.

1 硬質膜
1a 第1混合層
1b 第2混合層
1c 表面層
1d 緩和層部分
2 基材
11 バイアス電源
12 基材
13 膜(層)
15 ターゲット
16 磁力線
17 Arイオン
18 イオン化されたターゲット
19 高密度プラズマ
21 AIP蒸発源材料
22 円盤
23 基材
24 スパッタ蒸発源材料(ターゲット)
31 試験片
32 相手材
33 アーム部
34 荷重
35 ロードセル
41 試験片
42 転動体
43 調芯用ボール
44 ロータリーボールスプライン
45 軌道盤
46 ヒータ
47 熱電対
51 微動摩耗試験機
52 試験片
53 鋼球
54 ラジアル荷重
55 グリース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hard film | membrane 1a 1st mixed layer 1b 2nd mixed layer 1c Surface layer 1d Relaxation layer part 2 Base material 11 Bias power supply 12 Base material 13 Film | membrane (layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Target 16 Magnetic field line 17 Ar ion 18 Ionized target 19 High density plasma 21 AIP evaporation source material 22 Disc 23 Base material 24 Sputter evaporation source material (target)
31 Test piece 32 Counterpart 33 Arm part 34 Load 35 Load cell 41 Test piece 42 Rolling body 43 Alignment ball 44 Rotary ball spline 45 Bearing disc 46 Heater 47 Thermocouple 51 Fine movement test machine 52 Test piece 53 Steel ball 54 Radial load 55 Grease

Claims (15)

基材の表面に成膜される硬質膜であって、
前記硬質膜は、前記基材の表面上に直接成膜されるクロムとタングステンカーバイトとを主体とする第1混合層と、該第1混合層の上に成膜されるタングステンカーバイトとダイヤモンドライクカーボンとを主体とする第2混合層と、該第2混合層の上に成膜されるダイヤモンドライクカーボンを主体とする表面層とからなる構造の膜であり、
前記第1混合層は、前記基材側から前記第2混合層側へ向けて連続的または段階的に、該第1混合層中の前記クロムの含有率が小さくなり、該第1混合層中の前記タングステンカーバイトの含有率が高くなる層であり、
前記第2混合層は、前記第1混合層側から前記表面層側へ向けて連続的または段階的に、該第2混合層中の前記タングステンカーバイトの含有率が小さくなり、該第2混合層中の前記ダイヤモンドライクカーボンの含有率が高くなる層であり、
前記第2混合層における水素含有量が10〜45原子%であることを特徴とする硬質膜。
A hard film formed on the surface of the substrate,
The hard film includes a first mixed layer mainly composed of chromium and tungsten carbide formed directly on the surface of the substrate, and tungsten carbide and diamond formed on the first mixed layer. A film having a structure composed of a second mixed layer mainly composed of like carbon and a surface layer mainly composed of diamond-like carbon formed on the second mixed layer;
In the first mixed layer, the chromium content in the first mixed layer decreases continuously or stepwise from the base material side to the second mixed layer side, and the first mixed layer Is a layer in which the content of the tungsten carbide is high,
In the second mixed layer, the content of the tungsten carbide in the second mixed layer decreases continuously or stepwise from the first mixed layer side to the surface layer side, and the second mixed layer A layer in which the content of the diamond-like carbon in the layer is high,
A hard film, wherein a hydrogen content in the second mixed layer is 10 to 45 atomic%.
前記硬質膜は、表面粗さRa:0.01μm以下、ビッカース硬度Hv:780であるSUJ2焼入れ鋼を相手材として、ヘルツの最大接触面圧0.5GPaの荷重を印加して接触させ、0.05m/sの回転速度で30分間、前記相手材を回転させたときの該硬質膜の比摩耗量が200×10−10mm/(N・m)未満であることを特徴とする請求項1記載の硬質膜。 The hard film is brought into contact with SUJ2 hardened steel having a surface roughness Ra of 0.01 μm or less and a Vickers hardness Hv of 780 by applying a load with a maximum contact surface pressure of 0.5 GPa of Hertz. The specific wear amount of the hard film when the counterpart material is rotated for 30 minutes at a rotational speed of 05 m / s is less than 200 × 10 −10 mm 3 / (N · m). 1. The hard film according to 1. 前記硬質膜は、押し込み硬さの平均値と標準偏差値との合計が25〜45GPaであることを特徴とする請求項2記載の硬質膜。   The hard film according to claim 2, wherein the hard film has a sum of an average value of indentation hardness and a standard deviation value of 25 to 45 GPa. 前記硬質膜は、スクラッチテストにおける臨界剥離荷重が50N以上であることを特徴とする請求項2または請求項3記載の硬質膜。   The hard film according to claim 2 or 3, wherein the hard film has a critical peel load in a scratch test of 50 N or more. 前記硬質膜の膜厚が0.5〜3μmであり、かつ該硬質膜の膜厚に占める前記表面層の厚さの割合が0.7以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1項記載の硬質膜。 The film thickness of the hard film is 0.5 to 3 µm, and the ratio of the thickness of the surface layer to the film thickness of the hard film is 0.7 or less. 5. The hard film according to any one of 4 above. 請求項1ないし請求項5のいずれか1項記載の硬質膜の成膜方法であって、
前記表面層、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを用いたアンバランスド・マグネトロン・スパッタリング装置を使用し、炭素供給源として黒鉛ターゲットと炭化水素系ガスとを併用し、前記アルゴンガスの前記装置内への導入量100に対する前記炭化水素系ガスの導入量の割合が1〜5であり、前記装置内の真空度が0.2〜0.8Paであり、前記基材に印加するバイアス電圧が70〜150Vである条件下で、前記炭素供給源から生じる炭素原子を、前記第2混合層上に堆積させて成膜することを特徴とする硬質膜の成膜方法
A method for forming a hard film according to any one of claims 1 to 5,
Said surface layer, using the unbalanced magnetron sputtering apparatus using argon gas as a sputtering gas, a combination of a graphite target as a carbon source and hydrocarbon gas, into the apparatus of the argon gas The ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas to the introduction amount 100 is 1 to 5, the degree of vacuum in the apparatus is 0.2 to 0.8 Pa, and the bias voltage applied to the substrate is 70 to 150 V. under conditions at a carbon atom which results from the carbon source, the method of forming the hard film, which is deposited by depositing on the second mixed layer.
前記表面層は、前記第2混合層との隣接側に緩和層部分を有し、該緩和層部分は、前記炭化水素系ガスの導入量の割合、前記装置内の真空度、および前記基材に印加するバイアス電圧の少なくとも1つを、連続的または段階的に変化させて形成された部分であることを特徴とする請求項記載の硬質膜の成膜方法The surface layer has a relaxation layer portion adjacent to the second mixed layer, and the relaxation layer portion includes a ratio of the introduction amount of the hydrocarbon-based gas, a degree of vacuum in the apparatus, and the base material 7. The method of forming a hard film according to claim 6 , wherein at least one of the bias voltages applied to is a portion formed by changing continuously or stepwise. 前記炭化水素系ガスが、メタンガスであることを特徴とする請求項または請求項記載の硬質膜の成膜方法The hydrocarbon gas is, according to claim 6 or claim 7 method of forming the hard film according to, characterized in that methane gas. 基材と、該基材の表面に成膜される硬質膜とからなる硬質膜形成体であって、
前記硬質膜が、請求項1ないし請求項のいずれか1項記載の硬質膜であることを特徴とする硬質膜形成体。
A hard film forming body comprising a base material and a hard film formed on the surface of the base material,
The hard film forming body, wherein the hard film is the hard film according to any one of claims 1 to 5 .
前記基材が、超硬合金材料または鉄系材料からなることを特徴とする請求項9記載の硬質膜形成体。   The hard film forming body according to claim 9, wherein the substrate is made of a cemented carbide material or an iron-based material. 前記基材が前記鉄系材料からなり、該鉄系材料が、高炭素クロム鋼、炭素鋼、工具鋼、またはマルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項10記載の硬質膜形成体。   The hard film forming body according to claim 10, wherein the base material is made of the iron-based material, and the iron-based material is high carbon chromium steel, carbon steel, tool steel, or martensitic stainless steel. . 前記基材の表面粗さが、0.05μmRa以下であることを特徴とする請求項9、請求項10または請求項11記載の硬質膜形成体。   The hard film forming body according to claim 9, wherein the surface roughness of the substrate is 0.05 μmRa or less. 前記基材の表面の硬さが、ビッカース硬さでHv650以上であることを特徴とする請求項9ないし請求項12のいずれか1項記載の硬質膜形成体。   The hardness of the surface of the said base material is Hv650 or more by Vickers hardness, The hard film formation body of any one of Claim 9 thru | or 12 characterized by the above-mentioned. 請求項9ないし請求項13のいずれか1項記載の硬質膜形成体の製造方法であって、
前記基材の表面に、前記硬質膜の形成前に、窒化処理により窒化層が形成されていることを特徴とする硬質膜形成体の製造方法
It is a manufacturing method of the hard film formation object according to any one of claims 9 to 13,
A method for producing a hard film forming body, wherein a nitride layer is formed on the surface of the base material by nitriding before forming the hard film.
前記窒化処理が、プラズマ窒化処理であり、前記窒化処理後の表面の硬さが、ビッカース硬さでHv1000以上であることを特徴とする請求項14記載の硬質膜形成体の製造方法The method of manufacturing a hard film forming body according to claim 14, wherein the nitriding treatment is a plasma nitriding treatment, and the hardness of the surface after the nitriding treatment is Hv 1000 or more in terms of Vickers hardness.
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