JPH05202477A - 硬質炭素膜とその製造方法 - Google Patents
硬質炭素膜とその製造方法Info
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- JPH05202477A JPH05202477A JP3724192A JP3724192A JPH05202477A JP H05202477 A JPH05202477 A JP H05202477A JP 3724192 A JP3724192 A JP 3724192A JP 3724192 A JP3724192 A JP 3724192A JP H05202477 A JPH05202477 A JP H05202477A
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/0072—Heat treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
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- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
- C04B41/5001—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials with carbon or carbonisable materials
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 硬質炭素膜は剥離し易いので従来１μｍを越
える膜厚のものは製造することができなかった。しかし
耐摩耗部品や摺動部品を製作するには厚い膜厚の硬質炭
素膜が要求される。厚くて剥離しない硬質炭素膜を提供
することが目的である。 【構成】 硬質炭素膜の形成温度を変化させる。初期は
低温で形成し終期は高温で形成する。低温で形成した部
分の硬度は低くビッカ−ス硬度が２０００〜４０００で
高温で形成した部分の硬度は高くビッカ−ス硬度が４０
００〜１００００とする。
える膜厚のものは製造することができなかった。しかし
耐摩耗部品や摺動部品を製作するには厚い膜厚の硬質炭
素膜が要求される。厚くて剥離しない硬質炭素膜を提供
することが目的である。 【構成】 硬質炭素膜の形成温度を変化させる。初期は
低温で形成し終期は高温で形成する。低温で形成した部
分の硬度は低くビッカ−ス硬度が２０００〜４０００で
高温で形成した部分の硬度は高くビッカ−ス硬度が４０
００〜１００００とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性部品や、摺動
部品、赤外線光学部品等に用いられる硬質炭素膜および
その製造方法に関する。
部品、赤外線光学部品等に用いられる硬質炭素膜および
その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】硬質炭素膜は、アモルファス状の炭素膜
あるいは水素化炭素膜である。ａ−Ｃ：Ｈ、ｉ−Ｃ、Ｄ
ＬＣ（ダイヤモンドライクカ−ボン）等と呼ばれてい
る。単結晶ダイヤモンドや多結晶ダイヤモンドとは異な
り結晶構造をなしておらずアモルファスである。ａ−
Ｃ：Ｈと書くのは水素が含まれているからである。同じ
炭素の膜といっても、グラファイトと異なり強度、耐摩
耗性等に優れている。電気抵抗も大きくてダイヤモンド
に近似しているからＤＬＣとも呼ばれている。硬質炭素
膜の形成は、炭化水素ガスをプラズマで分解して成膜す
るプラズマＣＶＤ法、炭素または炭化水素イオンを用い
るイオンビ−ム蒸着法等の気相合成法が用いられる。基
体の上に形成された膜として存在しバルクとしては存在
しない。この点ダイヤモンドとは異なる。基体は金属、
誘電体など目的によって様々なものが用いられる。
あるいは水素化炭素膜である。ａ−Ｃ：Ｈ、ｉ−Ｃ、Ｄ
ＬＣ（ダイヤモンドライクカ−ボン）等と呼ばれてい
る。単結晶ダイヤモンドや多結晶ダイヤモンドとは異な
り結晶構造をなしておらずアモルファスである。ａ−
Ｃ：Ｈと書くのは水素が含まれているからである。同じ
炭素の膜といっても、グラファイトと異なり強度、耐摩
耗性等に優れている。電気抵抗も大きくてダイヤモンド
に近似しているからＤＬＣとも呼ばれている。硬質炭素
膜の形成は、炭化水素ガスをプラズマで分解して成膜す
るプラズマＣＶＤ法、炭素または炭化水素イオンを用い
るイオンビ−ム蒸着法等の気相合成法が用いられる。基
体の上に形成された膜として存在しバルクとしては存在
しない。この点ダイヤモンドとは異なる。基体は金属、
誘電体など目的によって様々なものが用いられる。
【０００３】硬質炭素膜はヌ−プ硬度が２０００〜１０
０００と非常に高い。硬質の膜で強度も強い。また表面
平滑性に優れているから耐摩耗性、摺動性に優れる。光
学的には赤外線に対する高い透過性を持つという利点が
ある。硬質炭素膜の長所を利用した種々の分野への応用
が強く期待されている。特に耐摩耗部品や摺動部品、赤
外線光学部品などへの硬質炭素膜のコ−テイングの応用
研究が進められている。ところが硬質炭素膜は金属や誘
電体等多くの基体に対して付着性が低い。このために硬
質炭素膜と基体の間にシリコン等の中間膜を設けて付着
性を向上させるという工夫が行われる。しかしそのよう
にしても厚い膜ができず１μｍ以上のものは形成できな
い。これは残留応力が大きいからであるとされている。
例えば中間層にシリコン等を用いていてもやはり残留応
力の大きさから，１μｍを越える膜ができない。できて
も剥離し易くて使いものにならない。シリコンの中間層
の上に形成された硬質炭素膜であっても通常０．５μｍ
以下の比較的薄い膜厚のものになってしまう。それでも
良い用途もあるがしかし薄い硬質炭素膜では不十分であ
るという場合もある。
０００と非常に高い。硬質の膜で強度も強い。また表面
平滑性に優れているから耐摩耗性、摺動性に優れる。光
学的には赤外線に対する高い透過性を持つという利点が
ある。硬質炭素膜の長所を利用した種々の分野への応用
が強く期待されている。特に耐摩耗部品や摺動部品、赤
外線光学部品などへの硬質炭素膜のコ−テイングの応用
研究が進められている。ところが硬質炭素膜は金属や誘
電体等多くの基体に対して付着性が低い。このために硬
質炭素膜と基体の間にシリコン等の中間膜を設けて付着
性を向上させるという工夫が行われる。しかしそのよう
にしても厚い膜ができず１μｍ以上のものは形成できな
い。これは残留応力が大きいからであるとされている。
例えば中間層にシリコン等を用いていてもやはり残留応
力の大きさから，１μｍを越える膜ができない。できて
も剥離し易くて使いものにならない。シリコンの中間層
の上に形成された硬質炭素膜であっても通常０．５μｍ
以下の比較的薄い膜厚のものになってしまう。それでも
良い用途もあるがしかし薄い硬質炭素膜では不十分であ
るという場合もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】硬質炭素膜を基体表面
の保護膜として使用する場合がこれに当たる。保護膜で
あるから物体などと衝突接触しても摩耗せず、また基体
を傷つけないということが要求される。従って保護膜と
する場合、耐用寿命などの観点からできるだけ膜厚の厚
いことが望ましい。ところが既に述べたように、硬質炭
素膜は残留応力の大きい膜である。基体との密着性が悪
く膜厚を大きくすると残留応力が益々大きくなり剥離し
易くなる。このため依然として薄い膜しか付けることが
できないのが現状である。優れた内在的特性にも拘らず
硬質炭素膜の耐摩耗部品や摺動部材などへの適用は極め
て限られた範囲のものに留まっている。本発明はこのよ
うな現状を打破することを目指している。すなわち、膜
厚が厚く、剥離し難い硬質炭素膜とその製造方法を提供
することが本発明の目的である。
の保護膜として使用する場合がこれに当たる。保護膜で
あるから物体などと衝突接触しても摩耗せず、また基体
を傷つけないということが要求される。従って保護膜と
する場合、耐用寿命などの観点からできるだけ膜厚の厚
いことが望ましい。ところが既に述べたように、硬質炭
素膜は残留応力の大きい膜である。基体との密着性が悪
く膜厚を大きくすると残留応力が益々大きくなり剥離し
易くなる。このため依然として薄い膜しか付けることが
できないのが現状である。優れた内在的特性にも拘らず
硬質炭素膜の耐摩耗部品や摺動部材などへの適用は極め
て限られた範囲のものに留まっている。本発明はこのよ
うな現状を打破することを目指している。すなわち、膜
厚が厚く、剥離し難い硬質炭素膜とその製造方法を提供
することが本発明の目的である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の硬質炭素膜の製
造方法は、任意の基体上に初めは低温で硬質炭素膜を形
成し、膜厚の増加に伴い、階段状にまたは連続的に形成
温度を上昇させる。最初と最後での温度の差が２００℃
〜７００℃になるようにしたものである。つまり基体側
は低温、自由表面側は高温にして形成する。図１に概略
を示す。基体は金属、誘電体、半導体など任意の材料で
ある。ここでは単に基体としているが実際にはシリコン
などの中間層を形成してから硬質炭素膜を形成すること
が多い。基体というのは従ってここでは金属、誘電体、
半導体等の基体だけの場合も、基体の上に中間層がある
場合も含むものである。形成温度の上昇の態様は任意で
ある。階段状というのは段階的に温度を有限幅ずつ上昇
させることである。連続的というのは温度を無限小量ず
つ無限小時間に上昇させることである。
造方法は、任意の基体上に初めは低温で硬質炭素膜を形
成し、膜厚の増加に伴い、階段状にまたは連続的に形成
温度を上昇させる。最初と最後での温度の差が２００℃
〜７００℃になるようにしたものである。つまり基体側
は低温、自由表面側は高温にして形成する。図１に概略
を示す。基体は金属、誘電体、半導体など任意の材料で
ある。ここでは単に基体としているが実際にはシリコン
などの中間層を形成してから硬質炭素膜を形成すること
が多い。基体というのは従ってここでは金属、誘電体、
半導体等の基体だけの場合も、基体の上に中間層がある
場合も含むものである。形成温度の上昇の態様は任意で
ある。階段状というのは段階的に温度を有限幅ずつ上昇
させることである。連続的というのは温度を無限小量ず
つ無限小時間に上昇させることである。
【０００６】図１の右方に温度の変化を例示する。アは
段階状に温度を上昇させるものである。イは連続的に一
定割合で上昇させるものである。ウは３段階で温度を上
昇させる。エは２段階にしている。これが最も単純な例
である。オは連続的であるが初めの変化率が小さく高温
になるに従って変化率を大きくしている。このような形
成温度の上昇により、硬質炭素膜の膜の硬度が厚み方向
に変化する。初期に形成された基体側の膜は硬度が低
く、終期に形成された自由表面側の膜は硬度が高い。本
発明では基体側の硬質炭素膜のビッカ−ス硬度は２００
０〜４０００とし、表面側の硬質炭素膜のビッカ−ス硬
度は４０００〜１００００であるようにしている。この
ようにして膜厚が１μｍ以上のものが初めて得られる。
本発明の硬質炭素膜の好適な膜厚の範囲は１μｍ〜１０
０μｍである。
段階状に温度を上昇させるものである。イは連続的に一
定割合で上昇させるものである。ウは３段階で温度を上
昇させる。エは２段階にしている。これが最も単純な例
である。オは連続的であるが初めの変化率が小さく高温
になるに従って変化率を大きくしている。このような形
成温度の上昇により、硬質炭素膜の膜の硬度が厚み方向
に変化する。初期に形成された基体側の膜は硬度が低
く、終期に形成された自由表面側の膜は硬度が高い。本
発明では基体側の硬質炭素膜のビッカ−ス硬度は２００
０〜４０００とし、表面側の硬質炭素膜のビッカ−ス硬
度は４０００〜１００００であるようにしている。この
ようにして膜厚が１μｍ以上のものが初めて得られる。
本発明の硬質炭素膜の好適な膜厚の範囲は１μｍ〜１０
０μｍである。
【０００７】
【作用】金属、絶縁体、半導体など任意の基体の上に硬
質炭素膜を形成する場合、薄いものしか形成できない。
多くの場合０．５μｍ以下の膜厚である。しかも付着性
が悪く剥離しやすい。しかしＳｉ、Ｇｅなどを基体とす
る場合や、その他の基体の上にＳｉ、Ｇｅなどの中間層
を被覆した基体などは硬質炭素膜の付着性が良い。しか
しそれでも１μｍ以上の膜厚のものを得ることが難し
い。また容易に剥離することが多い。これは既に述べた
ように、硬質炭素膜の中には他のセラミック薄膜よりも
大きい残留応力が発生することによると言われている。
残留応力が何故発生するかというと、膜形成は基体を加
熱した状態で行われるが通常に使用するときは常温であ
るからである。加熱形成温度では基体と硬質炭素膜の間
では応力が働いていない筈であるが、冷却によって硬質
炭素膜の内部に残留応力が生ずる。このような成因に基
づく残留応力はどのような基体と薄膜の間に於いても大
なり小なり発生しているのである。硬質炭素膜の場合は
特にこれが大きいから剥離し易いのである。そうであれ
ば厚い膜をつくるためには残留応力を減らせば良いので
ある。しかし現在までその方策が知られていなかった。
質炭素膜を形成する場合、薄いものしか形成できない。
多くの場合０．５μｍ以下の膜厚である。しかも付着性
が悪く剥離しやすい。しかしＳｉ、Ｇｅなどを基体とす
る場合や、その他の基体の上にＳｉ、Ｇｅなどの中間層
を被覆した基体などは硬質炭素膜の付着性が良い。しか
しそれでも１μｍ以上の膜厚のものを得ることが難し
い。また容易に剥離することが多い。これは既に述べた
ように、硬質炭素膜の中には他のセラミック薄膜よりも
大きい残留応力が発生することによると言われている。
残留応力が何故発生するかというと、膜形成は基体を加
熱した状態で行われるが通常に使用するときは常温であ
るからである。加熱形成温度では基体と硬質炭素膜の間
では応力が働いていない筈であるが、冷却によって硬質
炭素膜の内部に残留応力が生ずる。このような成因に基
づく残留応力はどのような基体と薄膜の間に於いても大
なり小なり発生しているのである。硬質炭素膜の場合は
特にこれが大きいから剥離し易いのである。そうであれ
ば厚い膜をつくるためには残留応力を減らせば良いので
ある。しかし現在までその方策が知られていなかった。
【０００８】形成時温度と常温との温度差によって残留
応力が生ずるのであれば、形成温度を低くすれば良い筈
である。それはそうなのであるが、低温形成した硬質炭
素膜は硬度が低くて、他のセラミックに比較して特に優
れているわけではない。硬質炭素膜の特性が生かされな
い。一般にどのような膜においても膜を加熱焼鈍するこ
とにより減少するということがいわれている。これは加
熱によってアモルファス状態の原子が運動しやすくなり
フリ−エネルギ−が下がる方向に移動したり回転したり
して再配置するからである。しかしこの方法も薄い膜で
なければ有効でない。厚い場合はこのような再配置の運
動が自由に起こらないのである。フリ−エネルギ−の上
昇は基体と膜の境界の極狭い領域に於いて特異的に起こ
る。この上昇分を減少することが焼鈍の目的である。厚
い膜の場合は膜の内部では基体と遠く離れるのでフリ−
エネルギ−は低くてこれを減少させる力が発生しない。
境界近くからそのような再配置の運動が起こり徐々に内
部に浸透するかもしれないがそれには長い時間がかか
る。こういうわけで加熱焼鈍は薄い膜にしか有効でなか
った。
応力が生ずるのであれば、形成温度を低くすれば良い筈
である。それはそうなのであるが、低温形成した硬質炭
素膜は硬度が低くて、他のセラミックに比較して特に優
れているわけではない。硬質炭素膜の特性が生かされな
い。一般にどのような膜においても膜を加熱焼鈍するこ
とにより減少するということがいわれている。これは加
熱によってアモルファス状態の原子が運動しやすくなり
フリ−エネルギ−が下がる方向に移動したり回転したり
して再配置するからである。しかしこの方法も薄い膜で
なければ有効でない。厚い場合はこのような再配置の運
動が自由に起こらないのである。フリ−エネルギ−の上
昇は基体と膜の境界の極狭い領域に於いて特異的に起こ
る。この上昇分を減少することが焼鈍の目的である。厚
い膜の場合は膜の内部では基体と遠く離れるのでフリ−
エネルギ−は低くてこれを減少させる力が発生しない。
境界近くからそのような再配置の運動が起こり徐々に内
部に浸透するかもしれないがそれには長い時間がかか
る。こういうわけで加熱焼鈍は薄い膜にしか有効でなか
った。
【０００９】本発明はそこで、基体側では低温で膜形成
をし、表面側に近づくに従い高温にしてゆくので、先に
形成された部分膜は形成温度よりも高温の状態に加熱さ
れることになる。これによって先に形成された膜は焼鈍
されるのである。先に形成された膜は薄くて加熱による
再配置の運動が起こり易い。つまり焼鈍の効果が大き
い。表面近くでは膜形成が起こり、膜の内部では焼鈍が
平行して起こっていることになる。本発明はつまり成膜
と同時に膜の焼鈍を行う。焼鈍によって残留応力が減少
して行く。本発明はこのように硬質炭素膜の形成温度
を、初期は低温で、終期は高温で行うことにより、初期
に形成した膜の上に新たに膜を形成しながら同時に初期
に形成された膜を焼鈍することを可能にし、焼鈍により
残留応力を除去するものである。残留応力が効果的に除
去できるので、厚い膜を形成できる。その膜は剥離しに
くいものである。
をし、表面側に近づくに従い高温にしてゆくので、先に
形成された部分膜は形成温度よりも高温の状態に加熱さ
れることになる。これによって先に形成された膜は焼鈍
されるのである。先に形成された膜は薄くて加熱による
再配置の運動が起こり易い。つまり焼鈍の効果が大き
い。表面近くでは膜形成が起こり、膜の内部では焼鈍が
平行して起こっていることになる。本発明はつまり成膜
と同時に膜の焼鈍を行う。焼鈍によって残留応力が減少
して行く。本発明はこのように硬質炭素膜の形成温度
を、初期は低温で、終期は高温で行うことにより、初期
に形成した膜の上に新たに膜を形成しながら同時に初期
に形成された膜を焼鈍することを可能にし、焼鈍により
残留応力を除去するものである。残留応力が効果的に除
去できるので、厚い膜を形成できる。その膜は剥離しに
くいものである。
【００１０】以上は本発明を膜形成の温度によって定義
したものである。これを硬度の変化によって定義するこ
ともできる。成膜温度と膜硬度の間には一定の関係があ
り、ある温度範囲までは温度が高いほど硬度も大きくな
る。図２は硬質炭素膜の成膜温度と硬度の関係を示す。
横軸は硬質炭素膜の形成温度（℃）、縦軸は硬質炭素膜
の硬度である。室温で形成するとビッカ−ス硬度は２０
００であり、Ａｌ2 Ｏ3 と同等である。温度を上げると
硬度も増加し，２００℃で４０００、４００℃で９５０
０程度である。４００℃〜５００℃に最大値があり最大
値は１００００に近い。５００℃を越えると硬度は減少
し始める。５００℃を越えると膜中にグラファイト成分
が増えるため硬度が低下するのである。しかしそれでも
なお十分な硬度を保持している。７００℃で６８００程
度である。もちろんこのような関係は基体や形成方法に
よっても多少の違いがある。形成の初期は低温に終期は
高温にするのであるから、基体側の膜の硬度は低く、表
面側の膜の硬度が高いというふうに表現することも可能
である。初期と終期の温度の差によって焼鈍するのであ
るから、終期に置ける焼鈍効果を上げるためには、成膜
の初期の温度が低いほうが良い。そこで、基体側の膜の
形成温度は２００℃以下とするのが良い。これは硬度で
いうとビッカ−ス硬度４０００以下ということになる。
常温形成で２０００なのであるから、基体側の膜硬度は
２０００〜４０００ということができる。
したものである。これを硬度の変化によって定義するこ
ともできる。成膜温度と膜硬度の間には一定の関係があ
り、ある温度範囲までは温度が高いほど硬度も大きくな
る。図２は硬質炭素膜の成膜温度と硬度の関係を示す。
横軸は硬質炭素膜の形成温度（℃）、縦軸は硬質炭素膜
の硬度である。室温で形成するとビッカ−ス硬度は２０
００であり、Ａｌ2 Ｏ3 と同等である。温度を上げると
硬度も増加し，２００℃で４０００、４００℃で９５０
０程度である。４００℃〜５００℃に最大値があり最大
値は１００００に近い。５００℃を越えると硬度は減少
し始める。５００℃を越えると膜中にグラファイト成分
が増えるため硬度が低下するのである。しかしそれでも
なお十分な硬度を保持している。７００℃で６８００程
度である。もちろんこのような関係は基体や形成方法に
よっても多少の違いがある。形成の初期は低温に終期は
高温にするのであるから、基体側の膜の硬度は低く、表
面側の膜の硬度が高いというふうに表現することも可能
である。初期と終期の温度の差によって焼鈍するのであ
るから、終期に置ける焼鈍効果を上げるためには、成膜
の初期の温度が低いほうが良い。そこで、基体側の膜の
形成温度は２００℃以下とするのが良い。これは硬度で
いうとビッカ−ス硬度４０００以下ということになる。
常温形成で２０００なのであるから、基体側の膜硬度は
２０００〜４０００ということができる。
【００１１】温度差によって焼鈍するから、形成終期の
温度は高い方が良いわけである。しかしあまりに高温で
あると膜中にグラファイト成分が発生するので却って硬
度が低下し望ましくない。そこで形成の終期の温度は２
００℃〜７００℃の程度が望ましい。これは形成終期の
部分膜の硬度でいうと、ビッカ−ス硬度４０００〜１０
０００ということになる。初期と終期の温度の範囲は２
００℃で重なっているように見えるがそうでない。温度
の差がなければならない。温度の差は２００℃以上とす
るのである。形成終期温度が２００℃であれば、初期温
度は常温〜０℃である。つまり本発明の方法では形成初
期の温度と終期の温度の差が２００〜７００℃というこ
とになる。膜の硬度でいえば、基体側がビッカ−ス硬度
２０００〜４０００である。表面側ではビッカ−ス硬度
が４０００〜１００００である。膜厚について述べる。
本発明の方法によって残留応力を大幅に減少することが
でき１μｍ以上の厚みの硬質炭素膜を形成することがで
きるようになった。１μｍ以下であれば従来の方法でも
できるのであるから、本発明の効果が顕著になるために
は膜厚は１μｍ以上であることが必要である。しかし本
発明方法によって形成しても１００μｍを越える膜厚の
場合は矢張り剥離し易い。このような訳で本発明の硬質
炭素膜の膜厚は１μｍ〜１００μｍということになる。
もちろん本発明の硬質炭素膜の製造方法によって１μｍ
以下の膜を作ることもできる。この場合においても従来
のように一定温度で作製したものよりも耐摩耗性、耐剥
離性において優れている。本発明の方法は、温度を、階
段状にまたは連続的に上昇させながら硬質炭素膜を気相
成長させるものである。初期と終期での温度差は２００
〜７００℃とするが、２００℃以下では、十分な焼鈍効
果が得られない。７００℃以上ではグラファイト成分の
析出が多くなり望ましくない。
温度は高い方が良いわけである。しかしあまりに高温で
あると膜中にグラファイト成分が発生するので却って硬
度が低下し望ましくない。そこで形成の終期の温度は２
００℃〜７００℃の程度が望ましい。これは形成終期の
部分膜の硬度でいうと、ビッカ−ス硬度４０００〜１０
０００ということになる。初期と終期の温度の範囲は２
００℃で重なっているように見えるがそうでない。温度
の差がなければならない。温度の差は２００℃以上とす
るのである。形成終期温度が２００℃であれば、初期温
度は常温〜０℃である。つまり本発明の方法では形成初
期の温度と終期の温度の差が２００〜７００℃というこ
とになる。膜の硬度でいえば、基体側がビッカ−ス硬度
２０００〜４０００である。表面側ではビッカ−ス硬度
が４０００〜１００００である。膜厚について述べる。
本発明の方法によって残留応力を大幅に減少することが
でき１μｍ以上の厚みの硬質炭素膜を形成することがで
きるようになった。１μｍ以下であれば従来の方法でも
できるのであるから、本発明の効果が顕著になるために
は膜厚は１μｍ以上であることが必要である。しかし本
発明方法によって形成しても１００μｍを越える膜厚の
場合は矢張り剥離し易い。このような訳で本発明の硬質
炭素膜の膜厚は１μｍ〜１００μｍということになる。
もちろん本発明の硬質炭素膜の製造方法によって１μｍ
以下の膜を作ることもできる。この場合においても従来
のように一定温度で作製したものよりも耐摩耗性、耐剥
離性において優れている。本発明の方法は、温度を、階
段状にまたは連続的に上昇させながら硬質炭素膜を気相
成長させるものである。初期と終期での温度差は２００
〜７００℃とするが、２００℃以下では、十分な焼鈍効
果が得られない。７００℃以上ではグラファイト成分の
析出が多くなり望ましくない。
【００１２】
【実施例】耐摩耗性を向上させる目的で、本発明の方法
と従来法によってステンレス部品に硬質炭素膜を被覆し
た。方法はイオンビ−ム蒸着である。ガスはＣＨ4 を用
いた。圧力は１Ｔｏｒｒである。温度は従来法では常温
で一定とした。本発明では温度を常温〜６００℃の間で
階段的に変化させた。
と従来法によってステンレス部品に硬質炭素膜を被覆し
た。方法はイオンビ−ム蒸着である。ガスはＣＨ4 を用
いた。圧力は１Ｔｏｒｒである。温度は従来法では常温
で一定とした。本発明では温度を常温〜６００℃の間で
階段的に変化させた。
【００１３】
【表１】
【００１４】表１に両方法の比較を示す。従来法では
０．３μｍの厚みのものしかできなかった。これ以上の
ものを作ると剥離して使い物にならない。しかし本発明
方法によれば３０μｍの厚さの硬質炭素膜を得ることが
できた。この膜は容易に剥離しなかった。本発明が著し
く優れているということが分かる。
０．３μｍの厚みのものしかできなかった。これ以上の
ものを作ると剥離して使い物にならない。しかし本発明
方法によれば３０μｍの厚さの硬質炭素膜を得ることが
できた。この膜は容易に剥離しなかった。本発明が著し
く優れているということが分かる。
【００１５】
【発明の効果】本発明の方法によれば最初の内は低温で
硬質炭素膜を形成させ、後に高温で硬質炭素膜を形成さ
せる。形成温度を上げてゆくことにより初めに形成され
た膜を焼鈍してゆく。焼鈍によって残留応力を低減でき
るからこうして作った膜は堅牢で厚くても剥離しない。
従来法では０．５μｍ程度の厚みの膜しかできず最良の
場合でも１μｍのものしかできなかった。ところが本発
明によれば１００μｍまでの膜厚であれば容易に剥離し
ないものが得られる。厚い膜が形成可能になったので、
従来適用範囲が狭く制限されていた硬質炭素膜の用途が
広くなる。耐摩耗性部品、摺動部品、赤外線光学部品等
へのコ−テイング膜として広く利用することができる。
硬質炭素膜を形成させ、後に高温で硬質炭素膜を形成さ
せる。形成温度を上げてゆくことにより初めに形成され
た膜を焼鈍してゆく。焼鈍によって残留応力を低減でき
るからこうして作った膜は堅牢で厚くても剥離しない。
従来法では０．５μｍ程度の厚みの膜しかできず最良の
場合でも１μｍのものしかできなかった。ところが本発
明によれば１００μｍまでの膜厚であれば容易に剥離し
ないものが得られる。厚い膜が形成可能になったので、
従来適用範囲が狭く制限されていた硬質炭素膜の用途が
広くなる。耐摩耗性部品、摺動部品、赤外線光学部品等
へのコ−テイング膜として広く利用することができる。
【００１６】本発明の硬質炭素膜は少なくとも２つの部
分膜よりなり、基体側が低硬度、表面側が高硬度となっ
ている。この様にすると硬度が従来のものよりも低下す
るようにもみえるがそうではない。表面側は高硬度であ
るからそれで良いのである。摺動特性、耐摩耗性に影響
するのは硬質炭素膜の表面の特性である。内部の硬度は
無関係であるからこれの硬度が低くても差し支えない事
である。本発明の利点は同時的焼鈍に由来するとして説
明しているが、この他に、基体に近い部分は低温で形成
するのでもともと基体との間の残留応力が小さいわけで
ある。形成温度は厚み方向に変化するので常温にした時
の歪みは厚み方向に徐々に増加する。歪みが厚み方向に
比例して増加するので残留応力が厚み方向にほぼ均等に
配分されるということである。また硬度が低い代わりに
靱性、弾性が高くなるから基体の近くの部分層は表面に
加えられた衝撃力を適度に緩和して基体を保護できる。
分膜よりなり、基体側が低硬度、表面側が高硬度となっ
ている。この様にすると硬度が従来のものよりも低下す
るようにもみえるがそうではない。表面側は高硬度であ
るからそれで良いのである。摺動特性、耐摩耗性に影響
するのは硬質炭素膜の表面の特性である。内部の硬度は
無関係であるからこれの硬度が低くても差し支えない事
である。本発明の利点は同時的焼鈍に由来するとして説
明しているが、この他に、基体に近い部分は低温で形成
するのでもともと基体との間の残留応力が小さいわけで
ある。形成温度は厚み方向に変化するので常温にした時
の歪みは厚み方向に徐々に増加する。歪みが厚み方向に
比例して増加するので残留応力が厚み方向にほぼ均等に
配分されるということである。また硬度が低い代わりに
靱性、弾性が高くなるから基体の近くの部分層は表面に
加えられた衝撃力を適度に緩和して基体を保護できる。
【図１】本発明の方法によって形成した硬質炭素膜の概
略の構造を説明する図。
略の構造を説明する図。
【図２】硬質炭素膜の形成温度とビッカ−ス硬度の関係
を示すグラフ。
を示すグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 織田 一彦 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電 気工業株式会社伊丹製作所内
Claims (2)
- 【請求項１】 基体の上に形成した硬質炭素膜であっ
て、厚み方向に硬度が変化しており、基体側の硬度がビ
ッカ−ス硬度で２０００〜４０００の範囲にあり、表面
側の硬度が４０００〜１００００の範囲にあり、膜厚が
１μｍ〜１００μｍである事を特徴とする硬質炭素膜。 - 【請求項２】 基体上に硬質炭素膜を形成する方法であ
って、基体の温度を少なくとも２段階以上に変化させ、
形成の初期には基体温度を低温にし、形成の終期には基
体温度を高温にして形成し、初期の形成温度と終期の形
成温度の差が２００℃〜７００℃であるようにしたこと
を特徴とする硬質炭素膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3724192A JPH05202477A (ja) | 1992-01-27 | 1992-01-27 | 硬質炭素膜とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3724192A JPH05202477A (ja) | 1992-01-27 | 1992-01-27 | 硬質炭素膜とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05202477A true JPH05202477A (ja) | 1993-08-10 |
Family
ID=12492126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3724192A Pending JPH05202477A (ja) | 1992-01-27 | 1992-01-27 | 硬質炭素膜とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05202477A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003052671A (ja) * | 2001-08-20 | 2003-02-25 | Sony Corp | 指紋検出装置及びその製造方法 |
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| WO2007072658A1 (ja) | 2005-12-21 | 2007-06-28 | Kabushiki Kaisha Riken | 非晶質硬質炭素皮膜 |
| JP2008081630A (ja) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Brother Ind Ltd | 摺動部材 |
| WO2009116405A1 (ja) * | 2008-03-21 | 2009-09-24 | 東芝キヤリア株式会社 | 冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置 |
| JP2010531242A (ja) * | 2007-06-26 | 2010-09-24 | ナノフィルム テクノロジーズ インターナショナル ピーティーイー リミテッド | プラズマ堆積させた炭素皮膜を有する切削工具 |
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| JP2012527583A (ja) * | 2009-05-19 | 2012-11-08 | フェデラル−モーグル ブルシャイド ゲーエムベーハー | 滑動部材 |
| US10458548B2 (en) * | 2015-08-10 | 2019-10-29 | Nippon Itf, Inc. | Piston ring and method for manufacturing same |
-
1992
- 1992-01-27 JP JP3724192A patent/JPH05202477A/ja active Pending
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