JPH03166370A - 硬質炭素膜のコーティング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、鉄合金を基材として、その表面に硬質炭素膜
をコーティングする方法に関するものであり、これによ
り被対象物に耐摩耗性，潤滑性，耐腐食性を付与するも
のである。

〔従来の技術〕

硬質炭素膜は、ダイヤモンドに準ずる硬度を有し、かつ
耐摩耗性，潤滑性，耐腐食性に優れているので、種々の
用途が期待されている。しかしながら、これまで鉄等の
金属基材へ直接、硬質炭素膜を被覆させた場合には、そ
の付着力に問題があるために必ずしも膜本来の優れた特
性が活かされなかった。

すなわち、硬質炭素膜は、シリコン，タングステン等の
、炭素と共有結合性の高い結合をする基材には、直接、
硬質炭素膜を被覆しても付着力の強いコーティングを形
成することが可能であったが、炭素と共有結合性の高い
結合をしない鉄等の金属材料を基材とした場合には、直
接、硬質炭素膜のコーティングを行う従来の方法では、
硬度が高くかつ付着力の大きい硬質炭素膜をコーティン
グすることは不可能であった。そのため、これらの鉄等
の金属基材上に予め、炭素と強い共有結合をつくるシリ
コン等の膜を被覆した後、硬質炭素膜やダイヤモンド膜
を作戒する方法が提案されていた（例えば、特開昭６４
−６２４５７号公報）。ところがこれらの方法ではシリ
コン等の膜を被覆する前処理工程に時間がかかり、作業
上から能率がよくなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は鉄合金からなる基材上に、付着力の良好
な硬質炭素膜をコーティングする方法を提供するもので
ある。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明は、シ
リコンを少なくとも０．　３重量％以上、好ましくは０
．３〜５．　０重量％含有する鉄合金を基材として用い
、蒸着法により前記基材の表面に硬質炭素膜を形或する
コーティング方法である。

本発明でいう硬質炭素膜とは次のようなものである。元
素の構或の主体は炭素であり、天然ダイヤモンドに準ず
る硬度を持ち、非品質で電子線回折像はハローパターン
を示す。ラマンスペクトルでは１５８０ｃｌ’付近と１
３６０ｃｍ−’付近に非晶質特有の広いピークを示す。

硬質炭素の薄膜を走査型電子顕微鏡で１０，０００倍程
度に拡大して観察すると、結晶粒界が認められない一様
で平滑な膜である。硬質炭素は一般に炭化水素化合物を
原料とした気相合或法によって生或され、約４０ａｔｏ
ｍ％以下の水素を含有している。水素は炭素原子のダン
グリングボンドの部分に入り、非品質状態が安定化され
かつ高硬度の構造になると考えられている。適量の水素
が存在することで、硬質炭素は天然ダイヤモンドに準ず
る高い硬度を示すものと推測される。

硬質炭素膜中の水素が多過ぎると軟らかい有機質の膜に
なる。そのため本発明の硬質炭素膜としては、水素の割
合は膜中に３５ａｔｏｍ％以下、好ましくは５〜３０ａ
ｔｏｍ％のものが適している。

本発明に用いる硬質炭素膜の形成方法としては、ＣＶＤ
法（化学的蒸着法）、ＰＶＤ法（物理的蒸着法）、スパ
ッタリング法等の種々の蒸着法を用いることができるが
、被膜の基体への付着性，膜質の均一性，膜表面の平滑
性，生産性という点から、特開昭５９−１７４５０７号
公報、特開昭５９−１７４５０８号公報等に開示されて
いるようなイオン化蒸着法が好ましい。第１図にイオン
化蒸着装置の原理図を示す。減圧下に硬質炭素膜の原料
となる炭化水素ガスを導入し、これをグロー放電と赤熱
フィラメント３によりイオン化させ、電磁石４の広がり
磁場でこのイオンを引き出す。電磁石で覆われたこの部
分をイオン源という。引き出されたイオンは負のバイア
ス電圧がかけられた基材１に向かって加速され、基材に
衝突，蒸着し、基材の表面に硬質炭素膜を形成する。

原料ガスとしては、メタン，エタン，アセチレン，ベン
ゼン等の容易に気体として導入できる炭化水素を用いれ
ば良いが、中でもメタンが好ましい。水素ガスを前述の
原料ガスの希釈ガスとして用いてもさしつかえない。容
器内の圧力は、イオン化蒸着法の場合、プラズマを発生
させて、しかもイオンを加速することが必要なため、Ｉ
ＸＩＯ−６ＴｏｒｒからＩ　Ｔｏｒｒでよいが、膜質，
膜生戒速度の点からはＩ　Ｘ　１　０−’Ｔａｒｔから
Ｉ　Ｘ　１　０　−’Ｔｏｒｒが望ましい。基材の温度
としては室温（２５゜Ｃ程度）から６００゜Ｃとすると
良好な薄膜が形威される。その範囲内でも特に室温（２
５゜Ｃ程度）から３００゜Ｃが好ましい範囲である。基
材温度が６００゜Ｃよりも高くなると作成される膜は黒
鉛状になり易く、またたとえ硬質炭素膜ができても放冷
して室温に戻すと、基材と膜との間の残留熱応力が大き
くなり、その後の使用中に膜が剥離し易くなる。

基材とイオン源との間のバイアス電圧は−５０Ｖから−
１５００Ｖとし、中でも−５００Ｖから−１０００　Ｖ
が好ましい範囲である。炭化水素イオンがバイアス電圧
により加速されて基材に衝突すると、衝突エネルギーに
より衝突したイオンのＣ−Ｈ結合が切れて、水素原子は
弾き出されてしまう。

この、水素原子が弾き出される量は、衝突するイオンの
運動エネルギー即ちバイアス電圧に従っており、バイア
ス電圧が小さ過ぎると水素が多い有機的な軟らかい膜に
なり易く、バイアス電圧が高過ぎると黒鉛状の膜になり
、さらには膜の自己スッパタリングが生じ成膜速度が低
下する。イオン源での磁束密度は１００ＧからＩＯＯＯ
Ｇの範囲が適当であり、３００Ｇから５００Ｇがより好
ましい範囲である。

詳細な製造条件は、装置内のガス導入口の配置，イオン
源の大きさ，基材の位置などによって変化するので適宜
、最適条件を設定することが望ましい。

本発明で対象とする金属基材は、シリコンを少なくとも
０．３％以上含有してなる鉄合金である。

特に、通常、珪素鋼板として製造販売されているものは
、シリコンを０．　５％から３．５％含有し、そのまま
基材として利用することができる。硬質炭素膜は、シリ
コン等の炭素と共有結合性の高い結合をする元素を含有
する基材を用いた場合には、直接に被覆しても付着力の
優れたコーティングとすることができる。

本発明者らは、珪素鋼板で代表されるような、シリコン
を含有する鉄合金を基材として用いた場合に、硬質炭素
膜が基材に対して極めて付着性よくコーティングできる
ことを見いだし、これをもとにして、本発明を完威した
ものである。

すなわち、珪素鋼板で代表されるような、シリコンを含
有する鉄合金を基材として硬質炭素膜を成膜すると、炭
素が鉄合金中にほとんど浸炭せず、基材の表面にあるシ
リコンと共有結合をするために、良好なコーティングが
できるものと考えられる。このとき鉄合金中に含有され
るシリコンの量はできるだけ多い方が良いが、実用的に
は、一ｉに製造販売されている珪素鋼板でも十分優れた
付着性を示す。通常、製造販売されている珪素鋼板では
、０．５〜３．５％のシリコンを含有する。

〔作　用〕

本発明の方法により、鉄合金の基材に付着力の強い硬質
炭素膜がコーティングできるメカニズムニツイては必ず
しも明らかではないが、次のように考えられる。即ち、
珪素鋼板はシリコンを含有するが、これらのシリコンは
鉄の結晶中で、鉄原子に置換して同し位置を占める置換
型の合金をつくることが知られている。炭素は鉄の結晶
中で、鉄原子と鉄原子の間に侵入する侵入型の合金をつ
くることが知られており、そのために通常の鉄鋼では、
そのまま硬質炭素膜を蒸着しようとしても基材表面から
内部へと浸炭が起こるために良好なコーティングが困難
であるものと考えられる。

方珪素鋼板のようにシリコンを含有する鉄材料において
は、硬質炭素膜を蒸着すると、基材表面のシリコンが炭
素と強固な共有結合をつくるために、基村内部へと浸炭
がほとんど起こらずに良好なコーティングが可能である
ものと考えられる。基材がシリコンを含有しないか、も
しくはその量が少ない鉄鋼の場合には、基材と硬質炭素
膜との界面では、炭素を固溶する材料と炭素とでは強固
な共有結合をつくらないために、付着力の優れた膜が得
られない。このように硬質炭素膜と鉄との付着性に関し
ては鉄鋼中のシリコンが重要な働きをするので、シリコ
ン含有量は多い方がよいが、５６０％を超えてシリコン
を含有する鉄合金は脆くなり、実用上からも加工が困難
である。また、０．３％未満のシリコン含有量では、基
材と硬質炭素膜との付着性が悪く、実用上から効果が少
ない。実用的な観点からは、通常、珪素鋼板として製造
、販売されているものが最も、安価で使用しやすい。

〔実施例〕

実施例ｌ 表面を鏡面仕上げ加工した厚み５ｍｍの珪素鋼板（シリ
コン含有量３．１重量％）に、硬質炭素膜をイオン化蒸
着法を用いて蒸着した。条件は、メタンガスを原料とし
て気圧Ｉ　Ｘ　１　０−２Ｔｏｒｒ，基材バイアス電圧
−８　０　０　Ｖ，基材温度３００’Ｃ，イオン電流２
ｍＡ／ｃ＋Ｉ１の条件で６０分間で行なった。その結果
、表面が基材表面と等しく滑らかで、かっ剥乱のない約
１μｍ厚の硬質炭素膜が一様にコーティングできた。こ
の膜の水素含有量は２５ａｔｏｍχであり、電子線回折
像はハローパターンを示した。

ラマンスペクトルでは１５８０ｃｍ−’付近と１３６０
ｃｍ−’付近に広いピークを示した。このコーティング
された試料表面をステンレス製のピンセントで引っ掻い
ても膜の剥離や傷が生じなかった。

実施例２ 厚み５肋の鋼板（シリコン含有ｉ０．８重量％）の鏡面
仕上げ面に、イオン化蒸着法により、メタンガスを原料
として気圧Ｉ　Ｘ　１　０−２Ｔｏｒｒ，基材バイアス
電圧−１０００　Ｖ　，基材温度２５０’Ｃ，　イオン
電流２ｍＡ／ｃｒｙ，の条件で３０分間蒸着した。その
結果、約０．　４μｍ厚の硬質炭素膜が基材の表面に葎
着された。この膜の水素含有量は２７ａｔｏｍ％であり
、電子線回折像はハローパターンを示した。ラマンスペ
クトルでは１５８０ｃｍ−’付近と１３６０ｃｍ−’付
近に広いピークを示した。この試料は、表面が基材表面
と等しく滑らかで、かつ一様にコーティングされていた
。この表面を同じくステンレス製のピンセットで引っ掻
いても膜の剥離や傷が生じなかった。

なお、比較のために実施例１．実施例２と同し条件でシ
リコンの含有量が０．　２重量％である鋼材に硬質炭素
膜を蒸着したが、付着力が弱く蒸着後直ちに膜は剥離し
た。

〔発明の効果〕

本発明により、潤滑性，耐摩耗性，耐腐食性に優れた硬
質炭素膜を、これまで直接コーティングすることが困難
であった様々な鉄材料に、強い付着力でコーティングす
ることができるようになり、潤滑性コーティングや耐摩
耗用コーティングとしての用途が拓けたことは、実用上
貢献することが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオン化蒸着装置の原理図である。１は基材， ２はグリ ド， ３はフィラメント， ４は 電磁石． ５はガス導入管である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコンを少なくとも０．３重量％以上含有する
   鉄合金を基材として、蒸着法により前記基材の表面に硬
   質炭素膜を形成することを特徴とする硬質炭素膜のコー
   ティング方法。
2. （２）鉄合金のシリコン含有量が、０．３〜５．０重量
   ％である請求項１記載の硬質炭素膜のコーティング方法
   。