JPH0754150A

JPH0754150A - 非晶質硬質炭素膜及びその製造方法

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Publication number: JPH0754150A
Application number: JP6121047A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Sho; 健太郎庄
Original assignee: Zexel Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1993-06-11
Filing date: 1994-06-02
Publication date: 1995-02-28
Anticipated expiration: 2014-05-10
Also published as: JP2889116B2

Abstract

(57)【要約】【目的】基材との密着性に優れ、かつ耐摩耗性と摺動
特性（摩擦係数）のような潤滑特性が特に改善された非
晶質硬質炭素膜、その製造方法、及び非晶質硬質炭素膜
を用いた機械部品の提供。【構成】基材上に蒸着させた非晶質硬質炭素膜であっ
て、ケイ素及び窒素をさらに含有する非晶質硬質炭素
膜。炭素原料、ケイ素原料及び窒素原料を、基材を設置
した蒸着室内に導入し、前記基材上にケイ素及び窒素を
含有する非晶質硬質炭素膜を蒸着させる方法。摺動部分
を有する機械部品であって、少なくとも前記摺動部分を
前記非晶質硬質炭素膜で被覆した機械部品。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非晶質硬質炭素膜及び
その製造方法に関する。さらに詳しくは、基体との密着
性に優れ、かつ耐摩耗性と摺動特性（摩擦係数）のよう
な潤滑特性が特に改善された非晶質硬質炭素膜及びその
製造方法に関する。さらに本発明は、摺動部分を非晶質
硬質炭素膜で被覆した機械部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマやイオンビームを用いたＣＶＤ
等の蒸着法により形成される非晶質硬質炭素膜は、高い
硬度（ビッカース硬度が約２０００〜５０００）を有す
ることから、硬質被覆材として注目されている。非晶質
硬質炭素膜は、アモルファスカーボン膜、ダイヤモンド
様炭素膜、ｉ−カーボン膜、ａ−Ｃ：Ｈ膜等とも呼ば
れ、アモルファス状のカーボンが主体である、高硬度の
炭素膜である。

【０００３】ところが、非晶質硬質炭素膜は、基材の種
類によっては基材との密着性が悪い場合がある。そこ
で、種々の改良法が提案されている。例えば、特開昭５
８−１２６９７２号には、基材と非晶質硬質炭素膜との
間に中間層を設けることで、密着性を改良することが開
示されている。しかるに、中間層の形成は、成膜方法を
煩雑化するという問題がある。また、特開平４−３００
２８７号には、非晶質硬質炭素膜中の水素濃度を制御す
ることにより、密着性の向上を図る方法が開示されてい
る。しかるに、この方法により得られた炭素膜でも、機
械部品の被覆材として使用した場合には、基材との密着
性が不十分であった。

【０００４】それに対して、特開昭６２−１５７６０２
号には、ケイ素等の金属元素を含有する非晶質炭素膜が
開示されている。この非晶質炭素膜は、機械部品の被覆
材として十分な特性を有するものであった。即ち、ケイ
素を含有することにより、摩擦係数が減少して、その結
果、摺動特性が向上した。しかし、一方で、膜の耐摩耗
性が低下して摩耗量が増大し、長期間摩耗に曝される機
械部品の被覆材としては不適当であった。そこで、耐摩
耗性を向上させるために、例えば原料組成を変化させて
膜中のケイ素含有量を表面に向かって徐々に減少させる
等の方法により、表面層をケイ素を含まない非晶質炭素
膜とすることが考えられる。しかるに、そのような操作
は成膜方法を煩雑化することになり、また、膜の内部応
力を増加させて密着性を低下させる原因にもなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、基材との密着性に優れ、かつ耐摩擦性と摺動特性
（摩擦係数）のような潤滑特性が特に改善された非晶質
硬質炭素膜を提供することにある。

【０００６】さらに本発明の目的は、前記非晶質硬質炭
素膜の製造方法を提供することにある。

【０００７】また、本発明の別の目的は、基材との密着
性に優れ、かつ耐摩擦性と摺動特性（摩擦係数）のよう
な潤滑特性が特に改善された非晶質硬質炭素膜で摺動部
分を被覆した機械部品を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、基材上に蒸着
させた非晶質硬質炭素膜であって、ケイ素及び窒素をさ
らに含有する非晶質硬質炭素膜に関する。

【０００９】さらに本発明は、炭素原料、ケイ素原料及
び窒素原料を、基材を設置した蒸着室内に導入して、前
記基材上にケイ素及び窒素を含有する非晶質硬質炭素膜
を蒸着させる方法に関する。

【００１０】また、本発明は、摺動部分を有する機械部
品であって、少なくとも前記摺動部分を前記の非晶質硬
質炭素膜で被覆した機械部品に関する。

【００１１】以下本発明について説明する。非晶質硬質
炭素膜は、一般に、炭素及び水素を含む。それ故、非晶
質硬質炭素膜は、ａ（アモルファス）−Ｃ（カーボ
ン）：Ｈ（水素）膜とも呼ばれる。それに対して、本発
明の非晶質硬質炭素膜は、炭素及び水素に加えてケイ素
及び窒素を含有する。炭素膜が、非晶質の炭素膜である
ことは、ラマン分光光度計による測定又はＸ線回折試験
等の結果から判定できる。また、本発明の非晶質硬質炭
素膜は、ビッカース硬度が約２０００〜５０００の高硬
度を有するものである。

【００１２】炭素膜中の水素の含有量は、製造原料の種
類や蒸着条件（高周波投入電力、反応圧力等）等によっ
て異なるが、例えば、約０．５〜５．０×１０²²原子／
ｃｍ³である。この範囲であれば、基材との密着性も良
好である。炭素膜中のケイ素の含有量及び窒素の含有量
は、良好な密着性と耐磨耗性とを得るという観点から決
められる。このような観点から、炭素膜中のケイ素の含
有量は、下限が約１０原子％、好ましくは約１５原子
％、上限は約３５原子％、好ましくは約２５原子％とす
ることが適当である。また、炭素膜中の窒素の含有量
は、下限が約０．１原子％、好ましくは約１原子％、上
限は約１０原子％、好ましくは約５原子％とすることが
適当である。

【００１３】前記本発明の非晶質硬質炭素膜は、炭素原
料、ケイ素原料及び窒素原料を、基材を設置した蒸着室
内に導入して、前記基材上にケイ素及び窒素を含有する
非晶質硬質炭素膜を蒸着させることで作製することがで
きる。

【００１４】炭素原料としては、例えば炭化水素を挙げ
ることができ、炭化水素としてはメタン、アセチレン、
エチレン等を例示できる。特に好ましい炭素原料はメタ
ンである。ケイ素原料としては、例えば有機ケイ素化合
物を挙げることができ、有機ケイ素化合物としては、テ
トラメチルシラン（ＴＭＳ）、ＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆、
ＳｉＣｌ₄、ＳｉＨ₂Ｆ₂等を例示できる。特に好まし
いケイ素原料は、毒性及び腐食性が低くかつ操作性が良
好であるという観点から、テトラメチルシランである。
窒素原料としては、例えば窒素（Ｎ₂）及び窒素含有化
合物を挙げることができ、窒素含有化合物としてはアン
モニア、アミン等を例示できる。

【００１５】ケイ素原料、炭素原料及び及び窒素原料
は、一般にガス状のものを、蒸着室に導入する。従っ
て、常温で液体のものは、適当なキャリアーガスを用い
て蒸着室に導入する。例えば、ケイ素原料であるテトラ
メチルシラン（ＴＭＳ）は、沸点が２６℃である。その
ため、例えば、蒸気圧を一定に保ために、一定温度に維
持したテトラメチルシランに、キャリアーガスとして、
例えば窒素原料である窒素ガスを導入し、得られるテト
ラメチルシランと窒素の混合ガスを蒸着室に導入するこ
とができる。また、上記原料を蒸着室内に導入するに際
して、キャリアガスとしてヘリウムやアルゴン等の不活
性ガスを用いることもできる。また、原料化合物のガス
と不活性ガスとの混合物をキャリアガスとして用いこと
もできる。

【００１６】ケイ素原料、炭素原料及び及び窒素原料の
比率は、Ｃ：Ｓｉ：Ｎのモル（原子）比が５：０．０５
〜１．０：０．４〜４．０の範囲になるようにすること
が、所望の組成の非晶質硬質炭素膜を形成するという観
点から適当である。特に、炭素原料としてメタンを用
い、ケイ素原料としてテトラメチルシランを用い、かつ
窒素原料として窒素を用いる場合、メタンとテトラメチ
ルシランと窒素とのモル比は、５：０．１〜１．０：
０．２〜２．０の範囲になるようにすることが、所望の
組成の非晶質硬質炭素膜を形成するという観点から適当
である。

【００１７】本発明の非晶質硬質炭素膜は、基材を設置
した蒸着室内に前記原料を導入して、前記基材上に蒸着
させる。蒸着方法には特に限定はなく、常法により行う
ことができる。例えば、プラズマ（例えば、高周波ＣＶ
Ｄ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、スパッタリング法（ＰＶ
Ｄ））又はイオンビーム（例えば、イオンプレーティン
グ法（ＰＶＤ））を用いた蒸着方法を適宜用いることが
できる。

【００１８】本発明において基材としては、鉄合金及び
アルミニウム系合金製の機械部品等を例示できる。但
し、これらに限定されるものではなく、本発明の非晶質
硬質炭素膜の特性を利用し得るあらゆる物品を基材とす
ることができる。尚、鉄合金としては、例えば高速度工
具鋼、軸受鋼等を挙げることができる。また、アルミニ
ウム系合金としては、４０００系、６０００系等のアル
ミニウム系合金及びＡＤＣ１０、ＡＤＣ１２、Ａ３９
０、ＡＳＣＭ等の高シリコン含有アルミニウム合金等を
挙げることができる。

【００１９】特に、本発明では、摺動部分を有する機械
部品であって、少なくとも前記摺動部分を前記非晶質硬
質炭素膜で被覆した機械部品を提供できる。機械部品と
しては、摺動部分を有するものであれば、特に制限はな
い。摺動部分を有する機械部品としては、例えば、コン
プレッサや燃料噴射ポンプ等の摺動部品を挙げることが
できる。

【００２０】本発明の非晶質硬質炭素膜の膜厚は、蒸着
条件を調整することにより適宜変化させることができ
る。また、必要とされる膜厚は、本発明の非晶質硬質炭
素膜の用途により異なり、特に制限はない。但し、約
０．１〜３０μｍの範囲であることが、良好な密着性と
耐磨耗性を得るという観点から好ましい。

【００２１】

【発明の効果】本発明の非晶質硬質炭素膜は、基材との
密着性に優れかつ摩耗量が、従来の炭素膜の約半分であ
り、かつ摩擦係数も低く、かつ摩擦係数の変動も少ない
安定した摺動特性を示す。さらに、本発明の方法は、簡
便であり、上記非晶質硬質炭素膜を容易に製造すること
ができる。加えて、本発明によれば、摺動部分を有する
鉄合金又はアルミニウム系合金製の機械部品であって、
前記のような優れた特性を有する非晶質硬質炭素膜で記
摺動部分を被覆した機械部品を提供できる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに説明す
る。

【００２３】実施例１図１に示す平行平板型ＲＦプラズマＣＶＤ法によって、
原料ガスとしてメタン、及び０℃に保ったＴＭＳを窒素
ガスでバブリングすることにより得られるＴＭＳと窒素
の混合ガスを、プラズマ中に導入した。基材としては高
速度工具鋼（ＳＫＨ５１）を用いた。メタン流量は５ｓ
ｃｃｍ、窒素流量は１ｓｃｃｍ、反応圧力は８Ｐａ、投
入電力は１００Ｗとした。この条件で、非晶質硬質炭素
膜を形成した。成膜速度は５．５４μｍ／ｈｒであっ
た。この条件で、９０分間成膜を行い、膜厚８．３１μ
ｍの炭素膜を得た。

【００２４】この炭素膜をラマン分光光度計によりスペ
クトルを測定した。結果を図２に示す。この結果から、
得られた炭素膜は非晶質炭素膜であることが判明した。
また、この炭素膜のビッカース硬度は２７００であっ
た。よって、得られた炭素膜は、非晶質硬質炭素膜であ
ることが判明した。さらに、非晶質硬質炭素膜中の水素
含有量は、ＦＴ−ＩＲによって定量した結果、１×１０
²²原子／ｃｍ³であった。非晶質硬質炭素膜中のケイ素
含有量は、オージェ分光分析法によって定量した結果、
２０原子％であった。また、得られた非晶質硬質炭素膜
中の窒素の含有量は、Ｘ線光電子分光分析法（ＥＳＣ
Ａ）によって定量した結果、５．０原子％であった。

【００２５】比較例１実施例１においてＴＭＳのプラズマ中への導入を窒素ガ
スの代わりにヘリウムガスを用いて行った他は、実施例
１と同様に操作して、膜厚８μｍの炭素膜を得た。この
炭素膜をラマン分光により分析した結果、非晶質炭素膜
であった。また、この炭素膜のビッカース硬度は２５０
０であった。よって、得られた炭素膜は、非晶質硬質炭
素膜であることが判明した。さらに、非晶質硬質炭素膜
中の水素含有量は、ＦＴ−ＩＲによって定量した結果、
１×１０²²原子／ｃｍ³であった。この非晶質硬質炭素
膜中のケイ素含有量は、オージェ分光分析法によって定
量した結果、２１原子％であった。また、得られた非晶
質硬質炭素膜中には、オージェ分光分析法による分析の
結果、窒素は存在しなかった。

【００２６】比較例２実施例１においてＴＭＳをプラズマ中に導入せず、かつ
基材として高シリコンアルミニウム合金を用いた他は、
実施例１と同様に操作して、膜厚２μｍ及び０．５μｍ
の炭素膜を得た。これらの炭素膜をラマン分光により分
析した結果、非晶質炭素膜であった。また、これらの炭
素膜のビッカース硬度は約３０００であった。よって、
得られた炭素膜は、いずれも、非晶質硬質炭素膜である
ことが判明した。さらに、非晶質硬質炭素膜中の水素含
有量は、ＦＴ−ＩＲによって定量した結果、１．２×１
０²²原子／ｃｍ³であった。さらに、ＦＴ−ＩＲによっ
てこの非晶質硬質炭素膜を分析した結果、ケイ素は含ま
れていなかった。また、得られた非晶質硬質炭素膜中に
は、ＥＰＭＡ及びＦＴ−ＩＲによって確認した結果、窒
素は存在しなかった。

【００２７】試験例１（摩耗特性）実施例１で得られた非晶質硬質炭素膜の摩耗特性につい
て、比較例１の非晶質硬質炭素膜と比較して検討した。

【００２８】図３に摩耗試験結果を示す。摩耗試験は、
ボールオンディスク摩耗試験機を用い、相手材には６ｍ
ｍφＳＵＪ２ボールを用い、荷重５Ｎ、摺動速度６０ｍ
ｍ／ｓｅｃ、摺動距離２００ｍ、大気中（ＲＨ〜５０
％）、無潤滑の条件で行った。その結果、実施例１の炭
素膜は、比較例１の炭素膜に比べて、摩擦係数が約０．
０２減少した。さらに、実施例１の炭素膜は、摩擦係数
の変動も少なく、摺動特性にも優れていることが分か
る。

【００２９】さらに、図４には、摩耗試験後の、実施例
１及び比較例１の各炭素膜表面の摩耗痕の断面プロファ
イルをそれぞれ示す。その結果、比較例１の炭素膜表面
の摩耗痕は、約０．５μｍであるのに対して、実施例１
の炭素膜表面の摩耗痕は、約０．３μｍであり、本発明
の非晶質硬質炭素膜は摩耗特性に優れていることが分か
る。

【００３０】試験例２（密着性）さらに、実施例１で得られた非晶質硬質炭素膜の密着性
について、比較例２の非晶質硬質炭素膜と比較して検討
した。

【００３１】比較例２の膜厚２μｍの非晶質硬質炭素膜
は、基材として高シリコンアルミニウム合金を用いたに
もかかわらず、成膜時に剥離を起こしており、明らかに
密着性に劣るものであった。また、比較例２の膜厚０．
５μｍの非晶質硬質炭素膜は、成膜時に剥離を起こすこ
とはなかった。しかし、高圧雰囲気摩耗試験機により、
ＨＦＣ−１３４ａ＋ＰＡＧオイル中で摩耗試験を行った
ところ、面圧の低い段階（５ＭＰａ程度）で焼付きを起
こしてしまい、密着性に劣るものであった。

【００３２】一方、本発明の非晶質硬質炭素膜は、上記
と同様に高圧雰囲気摩耗試験機で高面圧（４０ＭＰａ程
度）まで焼付きを起こさず、剥離や焼付きを起こすこと
がなく、密着性に優れたものであった。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で用いた平行平板型ＲＦプラズマＣＶ
Ｄ法の装置の概略説明図である。

【図２】実施例１の非晶質硬質炭素膜についてのラマン
分光光度計により測定したスペクトルを示す。

【図３】実施例１及び比較例１の各非晶質硬質炭素膜に
ついての摩耗試験結果を示す。

【図４】摩耗試験後の実施例１及び比較例１の各非晶質
硬質炭素膜表面の摩耗痕の断面プロファイルを示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基材上に蒸着させた非晶質硬質炭素膜で
あって、ケイ素及び窒素をさらに含有する非晶質硬質炭
素膜。
【請求項２】炭素膜中の水素の含有量が、約０．５〜
５．０×１０²²原子／ｃｍ³である請求項１記載の非晶
質硬質炭素膜。
【請求項３】炭素膜中のケイ素の含有量が、約１０〜
３５原子％である請求項１又は２記載の非晶質硬質炭素
膜。
【請求項４】炭素膜中の窒素の含有量が、約０．１〜
１０原子％である請求項１〜３のいずれか１項に記載の
非晶質硬質炭素膜。
【請求項５】炭素原料、ケイ素原料及び窒素原料を、
基材を設置した蒸着室内に導入して、前記基材上にケイ
素及び窒素を含有する非晶質硬質炭素膜を蒸着させる方
法。
【請求項６】摺動部分を有する機械部品であって、少
なくとも前記摺動部分を請求項１記載の非晶質硬質炭素
膜で被覆した機械部品。