JP7122316B2 - 硬質炭素系被膜の製造方法、及び被膜付き部材 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年9月25日付の日本国出願の特願2017-184240、2018年3月12日付の日本国出願の特願2018-044133に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
電源装置と炭素材料を含む放電電極とを有する成膜装置、及び被膜が形成される表面を有する基材を準備する工程Aと、
前記成膜装置によって、前記放電電極と前記基材との間に繰り返し放電を発生させることで、前記表面に硬質炭素系被膜を形成する工程Bと、を備える。
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるピーク位置であるXと、そのピーク位置における半値幅であるWと、が以下の条件を満たす。
38cm-1<W<500cm-1
16×(X-1347.5)+39<W<16×(X-1335)+39
X<1370cm-1
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるDバンドのピーク強度とGバンドのピーク強度との比であるD/Gと、前記Dバンドにおける半値幅であるWとが、
W<50cm-1、かつD/G>10.5、又は
W≦115cm-1、かつD/G<9.0、かつ80/(D/G)0.5<W<180/(D/G)0.5、又は
115cm-1<W<500cm-1、かつD/G<2.8を満たす。
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、ラマン分光法におけるDバンドのピークとGバンドのピークを有する部位を含み、
更に
ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の部位、及び
ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の部位、の少なくとも一つを含む。
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、
ラマン分光法におけるピーク位置が1335cm-1以上1349cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が30cm-1以上95cm-1以下の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が1349cm-1以上1370cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が95cm-1以上350cm-1以下の部位、及び
ラマン分光法におけるピーク位置が1300cm-1以上1335cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が1cm-1以上29cm-1以下の部位の少なくとも一つを含む。
従来の硬質炭素系被膜の成膜にはCVD、又はPVDなどを行う特別な設備が必要で、成膜にコストと時間がかかるため、より簡便な方法が望まれている。特許文献1の方法は、工具、又は部品の基材と同じ金属材料を放電によって成膜するものであり、炭素系材料(炭素が主流の材料)の被膜としては試みられていなかった。
上記硬質炭素系被膜の製造方法によれば、硬質な被膜を簡便に形成することができる。
本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
電源装置と炭素材料を含む放電電極とを有する成膜装置、及び被膜が形成される表面を有する基材を準備する工程Aと、
前記成膜装置によって、前記放電電極と前記基材との間に繰り返し放電を発生させることで、前記表面に硬質炭素系被膜を形成する工程Bと、を備える。
前記電源装置は交流電源であり、
前記放電電極に印加する交流電圧は3.6kV以上である形態を挙げることができる。
前記電源装置は直流電源であり、
前記放電電極に印加する直流電圧は3.6kV以上であり、
前記放電電極を周期的に振動させ、100ミリ秒未満のパルス幅を有する放電を生じさせる。
前記成膜装置は、前記電源装置からの電力を蓄える充電回路と、
前記充電回路の電力をパルス状に放電させる放電回路と、
前記放電電極と前記基材との間の電圧が125V超でパルス幅が1ミリ秒未満の放電、又は前記放電電極と前記基材との間の電圧が50V超でパルス幅が10マイクロ秒未満の放電が発生するように前記放電回路を制御する放電制御部と、を備える形態を挙げることができる。
前記基材は、超硬合金、鉄系材料、ホウ窒化炭素系材料、立方晶窒化ホウ素系材料、サーメット、Ni系材料、又は導電性セラミックスで構成される形態を挙げることができる。
前記放電電極は、炭素を90質量%以上含む炭素材料である形態を挙げることができる。
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるピーク位置であるXと、そのピーク位置における半値幅であるWと、が以下の条件を満たす。
38cm-1<W<500cm-1
16×(X-1347.5)+39<W<16×(X-1335)+39
X<1370cm-1
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるDバンドのピーク強度とGバンドのピーク強度との比であるD/Gと、前記Dバンドにおける半値幅であるWとが、
W<50cm-1、かつD/G>10.5、又は
W≦115cm-1、かつD/G<9.0、かつ80/(D/G)0.5<W<180/(D/G)0.5、又は
115cm-1<W<500cm-1、かつD/G<2.8を満たす。
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、ラマン分光法におけるDバンドのピークとGバンドのピークを有する部位を含み、
更に
(a)ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の部位
(b)ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の部位
(c)ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の部位
(d)ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の部位
(e)ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の部位
(f)ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の部位
(g)ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の部位
(h)ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の部位
(i)ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の部位、の少なくとも一つを含む。
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、
[A]ラマン分光法におけるピーク位置が1335cm-1以上1349cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が30cm-1以上95cm-1以下の部位、
[B]ラマン分光法におけるピーク位置が1349cm-1以上1370cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が95cm-1以上350cm-1以下の部位、及び
[C]ラマン分光法におけるピーク位置が1300cm-1以上1335cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が1cm-1以上29cm-1以下の部位、の少なくとも一つを含む。
前記硬質炭素系被膜は更に、
(a)ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の部位、
(b)ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の部位、
(c)ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の部位、
(d)ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の部位、
(e)ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の部位、
(f)ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の部位、
(g)ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の部位、
(h)ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の部位、及び
(i)ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の部位の少なくとも一つを含む形態を挙げることができる。
前記硬質炭素系被膜は、5原子%以上60原子%以下の窒素を含む形態を挙げることができる。
前記硬質炭素系被膜は、5原子%以上50原子%以下のホウ素を含む形態を挙げることができる。
前記硬質炭素系被膜は、アルミニウム、シリコン及びリンを合計で5原子%以上50原子%以下含む形態を挙げることができる。
前記硬質炭素系被膜の表面粗さRaが0.1μm以上である形態を挙げることができる。
前記基材の表面粗さRaが0.1μm以上である形態を挙げることができる。
前記硬質炭素系被膜の平均粒径が10μm以下である形態を挙げることができる。
前記基材は超硬合金であり、
前記基材と前記硬質炭素系被膜との間に、Ni,Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,Mo,Wの少なくとも1種を含む中間層を備える形態を挙げることができる。
前記基材は超硬合金であり、
前記基材と前記硬質炭素系被膜との間に、TiN,ZrN,HfN,NbN,TaN,NbC、TaC,MoC,WCの少なくとも1種を含む中間層を備える形態を挙げることができる。
<実施形態1>
以下、本開示の硬質炭素系被膜の製造方法、及び被膜付き部材の実施形態を図面を参照して説明する。図面は特に記載がない限り、説明を明確にするための概略図である。よって、部材の大きさ、及び位置関係等は、誇張したり見やすい比率で記載されたりしている。複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。なお、図面の参照、及び説明の都合において必要に応じて上下左右の方向、及び位置関係を示す用語を用いるが、それらの用語の使用は発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本開示の技術的範囲が制限されるものではない。
実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法は、炭素電極と基材との間に繰り返し放電を発生させ、基材の表面に硬質炭素系被膜を形成する。その具体的な製造方法として、(1)交流を利用するもの、(2)直流を利用するもの、(3)パルス電圧を利用するもの、の三つがある。
図1は、交流を利用した硬質炭素系被膜の製造方法を説明する図である。図1に示す成膜装置10は、放電電極1と、基材20を支持する支持電極3と、電源装置4と、バイアス電源5と、を備える。本例では、支持電極3上に基材20を設置し、放電電極1を基材20に近づけて、電源装置4で交流電圧を放電電極1と支持電極3との間に印加する。本例では更に、バイアス電源5によって支持電極3が負電位となるバイアス電位を印加し、放電電極1の電極材料を基材20側に引き付ける様にしている。バイアス電源5は無くても良い。この成膜装置10で放電電極1に交流電圧を印加することで、放電電極1の電極材料で構成された硬質炭素系被膜22を基材20の表面21に形成できる。放電電極1に交流電圧を印加しつつ放電電極1を基材20の表面21に並行に走査させることで、広範囲に硬質炭素系被膜22を形成することができる。走査は、表面21をスキャンできる装置を用いて自動で行っても良いし、手動で行っても良い。
図2は、直流を利用した硬質炭素系被膜の製造方法を説明する図である。図2に示す成膜装置10は、図1の放電電極1と支持電極3に加え、直流を発生させる電源装置4と放電電極1を振動させる振動装置6とを備える。本例では、支持電極3上に基材20を設置し、放電電極1を基材20に近づけて、電源装置4で直流電圧を放電電極1に印加すると共に、振動装置6で放電電極1を振動させる。本例においても、放電電極1を基材20の表面21に並行に走査させることで、広範囲に硬質炭素系被膜22を形成することができる。
既に説明したように、硬質炭素系被膜22におけるSP3結合、及びSP3様結合の割合を増やすには、瞬間的に大きなエネルギーを放電電極1に与えることが好ましい。その観点から、パルス電圧が放電電極1に印加されるようにしても良い。図3は、パルス電圧を利用した硬質炭素系被膜の製造方法を説明する図である。図3に示す成膜装置10は、図2の放電電極1、支持電極3及び電源装置4に加え、充電回路11と放電回路12と放電制御部13とを備える。充電回路11は、電源装置4の正極に繋がる可変抵抗11rと、可変抵抗11rの下流で正極線と負極線との間を繋ぐ連絡線に設けられる可変コンデンサ11cと、を備える。放電回路12は、充電回路11の可変コンデンサ11cと、上記連絡線よりも下流で可変抵抗11rに直列に繋がる抵抗12r及びインダクタ12iと、を備える。放電制御部13は、可変抵抗11rと可変コンデンサ11cの値を変化させる。本例の成膜装置10によれば、充電回路11の可変コンデンサ11cに貯めた電力を、放電回路12によってパルス状に放電電極1に印加することができる。パルス状の電圧が放電電極1に印加されることで、放電電極1と基材20との間にパルス状の放電が発生し、基材20の表面21に硬質炭素系被膜22が形成される。本例においても、放電電極1を基材20の表面21に並行に走査させることで、広範囲に硬質炭素系被膜22を形成することができる。
・放電電極1と基材20との間の電圧が125V超でパルス幅が1ミリ秒未満
・放電電極1と基材20との間の電圧が50V超でパルス幅が10マイクロ秒未満
上述した硬質炭素系被膜の製造方法によれば、図4に示すような被膜付き部材2を作製することができる。被膜付き部材2は、基材20と、基材20の少なくとも一部(ここでは表面21)に形成される硬質炭素系被膜22と、を備える。
硬質炭素系被膜22のラマン分光法におけるピーク位置であるXと、そのピーク位置における半値幅であるWとが下記の[条件I]を満たす。
[条件I]
38cm-1<W<500cm-1
16×(X-1347.5)+39<W<16×(X-1335)+39
X<1370cm-1
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるDバンドのピーク強度とGバンドのピーク強度との比であるD/Gと、前記Dバンドにおける半値幅であるWと、が下記の[条件II-A]又は[条件II-B]又は[条件II-C]を満たす。
・[条件II-A]
W≦115cm-1
D/G<9.0
80/(D/G)0.5<W<180/(D/G)0.5
・[条件II-B]
115cm-1<W<500cm-1
D/G<2.8
・[条件II-C]
W<50cm-1(W<30cm-1がさらに好ましくは<20cm-1)
D/G>10.5(より好ましくはD/G>50、さらに好ましくはD/G>300)
実施形態の硬質炭素系被膜の製造方法で得られた硬質炭素系被膜22では、炭素原子の結合状態が異なる部位がマーブル状、あるいは粒状に形成されることがある。その場合、硬質炭素系被膜22は、下記[条件III-A]を満たす部位、[条件III-B]を満たす部位、及び[条件III-C]を満たす部位の少なくとも一つを含む。
・[条件III-A]
ラマン分光法におけるピーク位置が1335cm-1以上1349cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が30cm-1以上95cm-1以下。半値幅は更に30cm-1以上90cm-1以下が好ましく、40cm-1以上73cm-1以下が更に好ましく、62cm-1以上73cm-1以下が最も好ましい。
・[条件III-B]
ラマン分光法におけるピーク位置が1349cm-1以上1370cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が95cm-1以上350cm-1以下。ピーク位置は更に、1350cm-1以上1365cm-1以下が好ましい。また、半値幅は更に120cm-1以上350cm-1以下が好ましく、130cm-1以上300cm-1以下が最も好ましい。
・[条件III-C]
ラマン分光法におけるピーク位置が1300cm-1以上1335cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が1cm-1以上29cm-1以下。
実施形態の硬質炭素系被膜の製造方法で得られた硬質炭素系被膜22では、炭素原子の結合状態が異なる部位がマーブル状、あるいは粒状に形成されることがある。その場合、硬質炭素系被膜22は、1325cm-1以上1400cm-1以下に形成されるDバンドの部位と、1500cm-1以上1650cm-1以下に形成されるGバンドの部位を有し、更に下記[条件IV-A]から[条件IV-I]の少なくとも一つを満たす部位(Nバンドエリア)を含む。
・[条件IV-A]
ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は910±30cm-1であり、より好ましい範囲は910±10cm-1である。ピークの半値幅は200cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は100cm-1未満であり、より好ましい半値幅は70cm-1未満である。
・[条件IV-B]
ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は810±20cm-1であり、より好ましい範囲は815±10cm-1である。ピークの半値幅は200cm-1未満である、ピークの好ましい半値幅は100cm-1未満であり、より好ましい半値幅は70cm-1未満である。
・[条件IV-C]
ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は705±20cm-1であり、より好ましい範囲は705±10cm-1である。ピークの半値幅は200cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は100cm-1未満であり、より好ましい半値幅は70cm-1未満である。
・[条件IV-D]
ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は535±20cm-1であり、より好ましい範囲は535±15cm-1、さらに好ましい範囲は505±10cm-1である。ピーク位置の半値幅は800cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は300cm-1未満であり、より好ましい半値幅は100cm-1未満である。
・[条件IV-E]
ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は260±15cm-1、より好ましい範囲は260±10cm-1である。ピークの半値幅は100cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は80cm-1未満であり、より好ましい半値幅は50cm-1未満である。
・[条件IV-F]
ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は210±15cm-1、より好ましい範囲は210±10cm-1である。ピークの半値幅は100cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は80cm-1未満であり、より好ましい半値幅は50cm-1未満である。
・[条件IV-G]
ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は135±15cm-1、より好ましい範囲は135±10cm-1である。ピークの半値幅は80cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は40cm-1未満であり、より好ましい半値幅は20cm-1未満である。
・[条件IV-H]
ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は95±8cm-1、より好ましい範囲は95±5cm-1である。ピークの半値幅は20cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は10cm-1未満であり、より好ましい半値幅は5cm-1未満である。
・[条件IV-I]
ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は2327±7cm-1、より好ましい範囲は2327±5cm-1である。ピークの半値幅は16cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は8cm-1未満であり、より好ましい半値幅は5cm-1未満である。
硬質炭素系被膜22の表面粗さRaは0.1μm以上であることが好ましい。硬質炭素系被膜22の表面粗さRaが0.1μm以上であれば、密着性が強固になる。ここで、本明細書におけるRaは、JIS B0601(2001年)に規定される算術平均粗さである。
図1~3のいずれかの成膜装置10を用いて、図4に示す硬質炭素系被膜22を備える被膜付き部材2を作製した。
≪試験1≫
試験1では、図1に示す交流を用いた成膜装置10(バイアス電源5は無し)によって硬質炭素系被膜22を形成した。まず、100mm×100mm×5mmtサイズのCu製の支持電極3の上に30mm×30mm×1mmtのMo又は炭化タングステン(WC)の基材20を載せた。次いで、支持電極3と炭素棒からなる放電電極1との間に8kV、60Hzの交流電圧を印加しながら、放電電極1を基材20に接触しないように近づけた。交流電流は、放電時に放電電極1と基材20との間で約1A流れた。放電電極1には60Hzの振動を加えていたので、振動時に放電電極1と基材20との離隔距離が近くなったときに放電が起こった。支持電極3と放電電極1との間に発生したセルフバイアス電圧は-200Vである。
試験2では、試験1と同じ成膜装置10を使用し、30mm×20mm×1mmtのSUS310の基材20に硬質炭素系被膜22を形成した。その際、支持電極3と放電電極1との間に7kVの60Hzの交流電圧を印加しながら、放電電極1を基材20の表面21にこすりつけるようにして、放電電極1で表面21を走査した。交流電流は、放電時に放電電極1と基材20との間で約0.8A流れた。放電電極1には60Hzの振動を加えていたので、振動により放電電極1が基材20の表面21から一定以上離隔した際に放電が生じた。その際、支持電極3と放電電極1との間で-200Vのセルフバイアス電圧が発生した。基材20上に硬質炭素系被膜22が形成されたので、それをラマン分光法で評価した。その結果を表2に示す。
試験3では、試験1と同じ成膜装置10を使用し、10mm×10mm×5mmtの超硬合金の基材20に硬質炭素系被膜22を形成した。基材20は、10質量%Coを含み、残部がWC及び不可避的不純物で構成されるインサートチップである。硬質炭素系被膜22の形成にあたって、支持電極3と放電電極1との間に8kVの60Hzの交流電圧を印加しながら、放電電極1を基材20の表面21にこすりつけるようにして、放電電極1で表面21を走査した。交流電流は、放電時に放電電極1と基材20との間で約0.8A流れた。放電電極1には60Hzの振動を加えていたので、振動により放電電極1が基材20の表面21から一定以上離隔した際に放電が生じた。その際、支持電極3と放電電極1との間で-200Vのセルフバイアス電圧が発生した。基材20上に硬質炭素系被膜22が形成されたので、それをラマン分光法で評価した。その結果を表3に示す。ここで、分析にあたり、超硬合金の表面を酸で処理し、バインダーのCoを酸で除去した。
試験4では、試験3のインサートチップ(基材20)の表面21に中間層23を形成し、その基材20上に試験1と同じ成膜装置10を使用して硬質炭素系被膜22を形成した。中間層23は、厚さ10μm以下のNiメッキ層、又は厚さ10μm以下のTiNメッキ層であった。硬質炭素系被膜22の形成にあたって、支持電極3と放電電極1との間に7.5kVの60Hzの交流電圧を印加しながら、放電電極1を基材20の表面21にこすりつけるようにして、放電電極1で表面21を走査した。放電電極1には60Hzの振動を加えていたので、振動により放電電極1が基材20の表面21から一定以上離隔した際に放電が生じた。その際、支持電極3と放電電極1との間で-180Vのセルフバイアス電圧が発生した。基材20上に硬質炭素系被膜22が形成されたので、それをラマン分光法で評価した。その結果を表4に示す。
試験5では、図3のパルス放電を用いた成膜装置10を用いて基材20上に硬質炭素系被膜22を形成したサンプル5-1~5-11を作製した。基材20は、超硬合金、中間層23を有する超硬合金、Ta、Mo、Nb、高速度鋼、又はAlのいずれかであった。成膜装置10は、パルス放電の条件が下記[A]、[B]のいずれかを満たすように調整した。放電電極1は、30Hz、60Hz、又は90Hzで振動させながら基材20の表面21にこすりつけるようにして、放電電極1で表面21を走査した。
[A]放電電極1と基材20との間の電圧が50V超でパルス幅が10マイクロ秒未満
[B]放電電極と前記基材との間の電圧が125V超でパルス幅が1ミリ秒未満
試験6では、成膜雰囲気が窒素100%であること以外、試験5と同様の手法を用いて、硬質炭素系被膜22を有するサンプル6-1~6-5を作製した。基材20は、Ta、Mo、Nb、高速度鋼、又はAlのいずれかであった。放電電極と前記基材との間の電圧が125V超でパルス幅が1ミリ秒未満であった。放電電極1の振動周波数は、30Hz又は60Hzであった。各サンプルの成膜条件と硬質炭素系被膜22の窒素含有量を表7に示す。硬質炭素系被膜22における窒素の含有量は、エネルギー分散型X線分析を用いた一般的な手順で求めた。窒素の含有量は、サンプル中央(被膜領域の2次元的重心)を含む100μm角中の平均の値である。ラマン分光法によって、全ての硬質炭素系被膜22が[条件I]、[条件II-A]を満たすことを確認した。
試験7では、試験5と同様の手法で硬質炭素系被膜22を有するサンプル7-1~7-6を作製した。図3のパルス放電を用いた成膜装置10を用いて基材20上に硬質炭素系被膜22を形成した。基材20は超硬合金、又はTaであった。放電電圧は500V又は800V、パルス電圧幅は0.7、0.8、又は0.9、放電電極1の振動周波数は180Hz又は360Hzであった。各サンプルの成膜条件とラマン分光法の測定結果を表8に示す。
試験8では、試験5と同様の手法で硬質炭素系被膜22を有するサンプル8-1~8-12を作製した。基材20はTa、Cu、又はAlであった。放電電圧は100V、102V、105V、又は108V、パルス電圧幅は0.005msec、0.007msec、0008msec、又は0.009msec、放電電極1の振動周波数は90Hz、又は120Hzであった。各サンプルの成膜条件とラマン分光法の測定結果を表9に示す。各サンプルの硬質炭素系被膜22において第四エリア([条件IV-A]から[条件IV-I]のいずれかを満たす部分)が最も大きな面積を占めていた。従って、表9では第四エリアの測定結果のみを示す。また、表9では、Nバンドのピーク強度と、Dバンドのピーク強度との比(N/D)を合わせて示す。
11 充電回路 11r 可変抵抗 11c 可変コンデンサ
12 放電回路 12r 抵抗 12i インダクタ
13 放電制御部
1 放電電極
2 被膜付き部材
20 基材 21 表面 22 硬質炭素系被膜 23 中間層
3 支持電極
4 電源装置
5 バイアス電源
6 振動装置
Claims (18)
- 電源装置と炭素材料を含む放電電極とを有する成膜装置、及び被膜が形成される表面を有する基材を準備する工程Aと、
前記成膜装置によって、前記放電電極と前記基材との間に繰り返し放電を発生させることで、前記表面に、前記放電電極を原料とする硬質炭素系被膜を形成する工程Bと、を備え、
前記電源装置は交流電源であり、
前記放電電極に印加する交流電圧は3.6kV以上である、
硬質炭素系被膜の製造方法。 - 電源装置と炭素材料を含む放電電極とを有する成膜装置、及び被膜が形成される表面を有する基材を準備する工程Aと、
前記成膜装置によって、前記放電電極と前記基材との間に繰り返し放電を発生させることで、前記表面に、前記放電電極を原料とする硬質炭素系被膜を形成する工程Bと、を備え、
前記電源装置は直流電源であり、
前記放電電極に印加する直流電圧は3.6kV以上であり、
前記放電電極を周期的に振動させ、100ミリ秒未満のパルス幅を有する放電を生じさせる、
硬質炭素系被膜の製造方法。 - 電源装置と炭素材料を含む放電電極とを有する成膜装置、及び被膜が形成される表面を有する基材を準備する工程Aと、
前記成膜装置によって、前記放電電極と前記基材との間に繰り返し放電を発生させることで、前記表面に、前記放電電極を原料とする硬質炭素系被膜を形成する工程Bと、を備え、
前記成膜装置は、
前記電源装置からの電力を蓄える充電回路と、
前記充電回路の電力をパルス状に放電させる放電回路と、
前記放電電極と前記基材との間の電圧が125V超でパルス幅が1ミリ秒未満の放電、又は前記放電電極と前記基材との間の電圧が50V超でパルス幅が10マイクロ秒未満の放電が発生するように前記放電回路を制御する放電制御部と、を備える、
硬質炭素系被膜の製造方法。 - 前記基材は、超硬合金、鉄系材料、ホウ窒化炭素系材料、立方晶窒化ホウ素系材料、サーメット、Ni系材料、又は導電性セラミックスで構成される請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の硬質炭素系被膜の製造方法。
- 前記放電電極は、炭素を90質量%以上含む炭素材料である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の硬質炭素系被膜の製造方法。
- 基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるピーク位置であるXと、そのピーク位置における半値幅であるWとが以下の条件を満たす、
被膜付き部材。
38cm-1<W<500cm-1
16×(X-1347.5)+39<W<16×(X-1335)+39
X<1370cm-1 - 基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるDバンドのピーク強度とGバンドのピーク強度との比であるD/Gと、前記Dバンドにおける半値幅であるWとが、
W≦115cm-1、かつD/G<9.0、かつ80/(D/G)0.5<W<180/(D/G)0.5、又は
115cm-1<W<500cm-1、かつD/G<2.8、又は
W<50cm-1、かつ10.5<D/Gを満たす、
被膜付き部材。 - 基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、ラマン分光法におけるDバンドのピークとGバンドのピークを有する部位を含み、
更に
ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の部位、及び
ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の部位、の少なくとも一つを含む、
被膜付き部材。 - 基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、
ラマン分光法におけるピーク位置が1335cm-1以上1349cm-1以下で、
そのピーク位置における半値幅が30cm-1以上95cm-1以下の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が1349cm-1以上1370cm-1以下で、
そのピーク位置における半値幅が95cm-1以上350cm-1以下の部位、及び
ラマン分光法におけるピーク位置が1300cm-1以上1335cm-1以下で、
そのピーク位置における半値幅が1cm-1以上29cm-1以下の部位、の少なくとも一つを含む、
被膜付き部材。 - 前記硬質炭素系被膜は更に
ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の部位、及び
ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の部位、の少なくとも一つを含む請求項6、請求項7、又は請求項9に記載の被膜付き部材。 - 前記硬質炭素系被膜は、5原子%以上60原子%以下の窒素を含む請求項6から請求項10のいずれか1項に記載の被覆付き部材。
- 前記硬質炭素系被膜は、5原子%以上50原子%以下のホウ素を含む請求項6から請求項11のいずれか1項に記載の被覆付き部材。
- 前記硬質炭素系被膜は、アルミニウム、シリコン及びリンを合計で5原子%以上50原子%以下含む請求項6から請求項12のいずれか1項に記載の被覆付き部材。
- 前記硬質炭素系被膜の表面粗さRaが0.1μm以上である請求項6から請求項13のいずれか1項に記載の被覆付き部材。
- 前記基材の表面粗さRaが0.1μm以上である請求項6から請求項14のいずれか1項に記載の被覆付き部材。
- 前記硬質炭素系被膜の平均粒径が10μm以下である請求項6から請求項15のいずれか1項に記載の被覆付き部材。
- 前記基材は超硬合金であり、
前記基材と前記硬質炭素系被膜との間に、Ni,Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,Mo,Wの少なくとも1種を含む中間層を備える請求項6から請求項16のいずれか1項に記載の被膜付き部材。 - 前記基材は超硬合金であり、
前記基材と前記硬質炭素系被膜との間に、TiN,ZrN,HfN,NbN,TaN,NbC、TaC,MoC,WCの少なくとも1種を含む中間層を備える請求項6から請求項17のいずれか1項に記載の被膜付き部材。
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