JP4560964B2 - 非晶質炭素被覆部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性、摺動特性および表面保護機能向上のため、機械部品、金型、切削工具、摺動部品などに用いられる、非晶質炭素被覆部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非晶質炭素膜は、ダイヤモンドライクカーボン(DLC) 、カーボン硬質膜、a-C 、a-C:H 、i-C 等とも称されている、非晶質の炭素膜または水素化炭素膜である。非晶質炭素膜は、高硬度で平面平滑性に優れ、摩擦係数が低いといった優れた特徴を有するため、耐摩耗性、低摩擦係数が要求される、機械部品、金型、 切削工具、摺動部品などへの応用が期待されており、一部の製品で実用化されている。
【０００３】
非晶質炭素膜の形成法としては、CH₄ 等の炭化水素系ガスを用いたプラズマCVD 法や、スパッタ蒸着法、イオンプレーティング法、真空アーク蒸着法などが用いられているが、基材と膜の密着性が乏しいため、密着性を改善するさまざまな方法が報告されている。非晶質炭素膜の密着性改善のための一般的な手法として、基材と非晶質炭素膜の間に様々な中間層を形成する方法が従来から試みられており、例えば特開昭64-79372号公報では、基材上に気相合成法により炭化チタニウムからなる厚さ50〜lOOOnmの中間層を被覆した後、気相合成法により非晶質炭素膜を形成する方法が示されている。
【０００４】
また、特開平5-82472 号公報では、周期律表IVa 、Va、VIa 族金属の炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種を含む焼結合金上に、IVa 、Va、VIa 族金属の炭化物、炭窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物、炭硼化物またはSiの炭化物、炭窒化物もしくは、これらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる、厚さ0.1 〜10μｍの中間層を形成し、その上に非晶質炭素膜を形成した構造が示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来は中間層の厚さは50nm以上となっていたが、このような厚さの中間層の上に非晶質炭素膜を形成した場合には、非常に高い面圧下で使用される機械部品や、切削工具、金型に対しては、密着性が不充分であり、非晶質炭素被膜を応用できる分野が限られていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
非晶質炭素膜の密着性を改善させるため、さまざまな構造を検討した結果、以下の構造により、機械部品、切削工具、金型等に応用可能な高い密着性を有する非晶質炭素被覆部材が実現可能なことを見いだした。
【０００７】
すなわち、非晶質炭素被覆部材の構造を、基材上に周期律表第IVa 、Va、VIa 、IIIb族元素およびＣ以外のIVb 族元素の元素群から選ばれた少なくとも１つの元素、またはこの元素群から選ばれた少なくとも１つの元素の炭化物からなる中間層が形成され、この中間層上に非晶質炭素膜が形成された構造とし、中間層の厚さが0.5nm 以上10nm未満とすることが、非晶質炭素被膜の基材との密着性を著しく高める効果があることを見いだした。
【０００８】
【作用及び発明の実施の形態】
本発明は基材との密着性に優れた非晶質炭素被覆部材膜を得るための構造として、中間層の材料、膜厚、形成方法に特徴を有する。
【０００９】
中間層の材料としては、周期律表第IVa 、Va、VIa 、IIIb族元素およびＣ以外のIVb 族元素の元素群から選ばれた少なくとも１つの元素を用いる。これらの元素は炭素と反応して炭化物を形成するため、これらの元素からなる中間層上に非晶質炭素膜を形成することにより、中間層と非晶質炭素膜の界面でこれらの元素と炭素の結合ができ、高い密着力を得ることができる。あるいは中間層の材料として、これらの元素の炭化物を用いることもできる。これらの炭化物の中間層上に非晶質炭素膜を形成することにより、中間層と非晶質炭素膜の界面で、炭化物の炭素と非晶質炭素の炭素間の結合あるいは、中間層の周期律表第IVa 、Va、VIa 、IIIb族元素、Ｃ以外のIVb 族元素と非晶質炭素の炭素間の結合が生じ、高い密着力が得られる。これらの炭化物は、化学量論比組成のものでも、化学量論比組成から組成がずれたものでも用いることができる。
【００１０】
これらの材料の中でも、Ti、Zr、Hf、V 、Nb、Ta、Cr、Mo、W 、Siの元素群から選ばれた少なくとも１つの元素、またはこの元素群のなかから選ばれた少なくとも１つの元素の炭化物を中間層として用いることが特に望ましい。これらの元素は、特に炭化物を形成しやすい物質であるため、これらの元素、またはこれらの元素の炭化物の中間層の上に、非晶質炭素膜を形成すると、中間層と非晶質炭素膜の界面で安定で、強固な結合が生じ、非常に高い密着力が得られる。
【００１１】
本発明において、中間層の厚さは0.5nm 以上10nm未満が好ましい。従来の技術で用いられている中間層の厚さより薄くすることにより、従来技術では不可能な高い密着力を得ることができる。中間層の厚さが0.5nm よりも薄いと、基材の表面全体にわたり均一な厚さの連続膜を形成することが難しくなるため、中間層としての機能をはたすことができないことがあり、中間層の厚さが10nm以上の場合、基材と中間層の界面あるいは中間層と非晶質炭素膜の界面の密着力が低下し、十分な密着力が得られないことがある。中間層の厚さとしては、２nm以上７nm以下とすることがさらに望ましい。
【００１２】
中間層の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法、イオンプレーティング法、各種CVD 法など、公知の手法を用いることができる。これらの中でも、イオンプレーティング法、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法は原料のイオン化率が高く、イオンの基材への打ち込み効果などにより、中間層と基材との間で高い密着力が得られるため、特に望ましい。
【００１３】
基材上に中間層を形成する前に、基材表面にイオンを照射することにより、基材表面の汚れや酸化物層を除去した後に中間層を形成すると、より高い密着力が得られるためにさらに望ましい。イオン照射により基材表面のクリーニングを行う方法としては、公知の技術を使うことができる。
【００１４】
基材表面へのイオン照射の方法によっては、基材表面のエッチングによるクリーニングと中間層の形成を同時に行うことができ、このようにして形成された中間層上に形成したＤＬＣ膜は特に密着性に優れているため、さらに望ましい。
【００１５】
イオン照射は、少なくとも中間層を構成する元素のイオン存在下にて、基材に負のバイアス電圧を印可することにより行う。イオンを発生させる方法としては、公知の技術を用いることができるが、イオン化率が高く、速いエッチング速度が得られるスパッタ蒸発源か真空アーク蒸発源を用いるのが望ましい。
【００１６】
この場合、中間層を構成する元素をターゲットに用いる。例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ等の金属を中間層に用いる場合は、これらの金属をターゲットに用いればよい。金属炭化物を中間層に用いる場合は、金属炭化物をターゲットに用いるか、金属をターゲットに用い、炭素源としてＣＨ₄ 等の炭化水素ガスをチャンバー内に供給するか、金属ターゲットを用いて、イオン照射時に基材表面に金属層を形成しておき、後述するように非晶質炭素形成時にこの金属層を炭化することにより、金属炭化物層を形成する。
【００１７】
基材表面のエッチングと中間層の形成を同時に行うためには、基材に印可する負のバイアス電圧の値と雰囲気の圧力を適切に選ぶ必要がある。これらの条件はイオン照射の方法により異なるが、例えば真空アーク蒸発源を用いて行う場合には、基材に印可する負のバイアス電圧が−３００Ｖ以上、−１５００Ｖ以下であり、かつ雰囲気の圧力を０．１３３Ｐａ以下にすればよい。
【００１８】
非晶質炭素膜形成時、あるいは少なくとも非晶質炭素膜形成初期に高エネルギーの炭素イオンを金属中間層表面に照射することにより、金属中間層を炭化して金属炭化物の中間層を形成することも可能である。このような条件は、非晶質炭素膜の形成方法によって異なるが、真空アーク蒸着法を用いる場合は、基材に印可する負のバイアス電圧が−５０Ｖ以上であり、かつ雰囲気の圧力を０．７Ｐａ以下にすればよい。
【００１９】
イオン照射処理が基材表面をエッチングすると同時に、中間層を形成する条件となっているかどうかは、その条件でイオン照射のみを長時間行った時に基材がエッチングされており、非晶質炭素膜を形成後の試料の断面の透過電子顕微鏡による評価、あるいはＸ線光電子分光法やオージェ電子分光法を用いた深さ方向の組成分析により、基材と非晶質炭素膜の界面に本発明の範囲の組成と厚さを持つ中間層が形成されていることを確認すればよい。
【００２０】
なお、本発明においては、後述するように基材上にセラミックス層が形成される場合がある。この場合の中間層の形成は、基材上のセラミックス層に上記と同様の方法を用いることによって中間層を形成させることができる。
【００２１】
非晶質炭素膜の形成方法としては、プラズマCVD 法や、スパッタ蒸着法、イオンプレーティング法、真空アーク蒸着法など、公知のいずれの方法でも用いることができるが、これらの中でもスパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法は、機械部品、金型、切削工具などの応用に適した、耐摩耗性に優れ、高硬度の非晶質炭素膜が形成可能なため、特に望ましい。また、これらの手法は炭素原料のイオン化率が高く、また比較的低い雰囲気圧力中で被膜を形成するため、基材に到達する炭素原料のイオンのエネルギーが高いため、イオンの中間層への打ち込み効果などにより、より高い密着力の非晶質炭素膜が形成可能であるという利点もある。
【００２２】
本発明においては、イオン照射処理、中間層形成、非晶質炭素膜形成を同一真空槽で行うか、あるいはイオン照射処理用真空槽と中間層形成用真空槽と非晶質炭素膜形成用真空槽の間に真空搬送路を設けることにより、真空中で連続的に処理する必要がある。これは、イオン照射後の基材が中間層形成前に大気にさらされたり、中間層の表面が非晶質炭素膜形成前に大気にさらされたりすると、基材表面や中間層表面の酸化や分子の吸着による汚染が生じ、イオン照射や中間層形成の効果がなくなってしまうためである。
【００２３】
本発明の非晶質炭素膜はヌープ硬度（Hv）が、1200以上8000以下であることが望ましい。これより硬度が低いと耐摩耗性が低く使える用途が制限されてしまい、これより硬度が高いと被膜の内部応力が高すぎて被膜が剥離しやすくなるため望ましくない。
【００２４】
硬度の測定は、押し込み式で行う。ダイヤモンド製のヌープ圧子を用い、荷重50g 、荷重負荷時間10秒間とし、測定点10点の平均値とする。被膜表面の凹凸が大きく圧痕の形状が見にくい時は、＃8000のダイヤモンドペーストでバフ研摩を施し、圧痕形状が観察できるようにする。
【００２５】
非晶質炭素被覆の厚みは、0.05μｍ以上、10μｍ以下であることが望ましい。
これより薄いと、非晶質炭素自体の低摩擦係数、高硬度といった特性が発揮できず、これよりも厚いと、被膜の表面粗さが粗くなりすぎて摩擦係数が増加したり、被膜が剥離しやすくなるため、実用には適さない。
【００２６】
本発明の非晶質炭素被覆部材は、基材との高い密着力を特徴とするものであるため、その用途としては、切削工具、金型、機械部品など、9.8Mpa以上の高負荷で耐久性が要求される用途に適している。磁気記録媒体など、その負荷領域が軽荷重であるところに利用されるものではない。機械部品としては、特に内燃機関のカム、バルブリフターといった動弁系部品など、低摩擦係数、高耐久性が要求される部品に適している。
【００２７】
本発明では、基材と中間層の間にセラミックス層を形成した構造とすることもできる。この構造は、切削工具や金型など、特に耐摩耗性が要求される用途に用いる場合に効果的である。セラミックス層としては、例えばTiN 、ZrN 、VN、CrN 、AlN 、TiAlN などの周期律表第IVa 、Va、VIa 、IIIb族元素から選ばれた少なくとも１つの元素の窒化物、またはTiC などの周期律表第IVa 、Va、VIa 、IIIb族元素から選ばれた少なくとも１つの元素の炭化物、またはTiCNなどの周期律表第IVa 、Va、VIa 、IIIb族元素から選ばれた少なくとも１つの元素の炭窒化物をもちいることができる。これらの物質は耐摩耗性に優れているため、基材と中間層の間にこれらの物質を形成した構造とすることにより、非晶質炭素膜の低摩擦係数、高耐溶着性、高耐焼付き性に加え、耐摩耗性にも優れた非晶質炭素被覆部材とすることができる。非晶質炭素膜をこれらのセラミックス層上に直接形成した場合や従来技術で述べたような中間層を用いる方法では、充分な密着力が得られないが、本発明の中間層を用いることにより、セラミックス層上においても、 非常に高い密着力を得ることが可能となる。
【００２８】
セラミックス層は前記した物質の中から選ばれた１つの物質からなる単層膜であってもよいし、２種類以上の物質を複数層積層した構造であってもよい。
【００２９】
セラミックス層に用いる物質としては、前記したものの中でも、TiAlN 、ZrN 、VNを用いることが、中間層との密着力が特にすぐれているため特に望ましい。
セラミックス層を積層構造とする場合は、セラミックス層の最上層にこれらの物質を用いると、特に優れた密着力が得られるために望ましい。
【００３０】
セラミックス層の厚さは、0.2 μｍ以上、 ５μｍ未満であることが望ましい。
この範囲以下であると、耐摩耗性向上の効果がなく、この範囲以上であるとセラミックス層が基材から剥離しやすくなるため、望ましくない。セラミックス層の厚さが0.5 μｍ以上３μｍ未満であればさらに望ましい。
【００３１】
セラミックス層の形成方法としては、プラズマCVD 法、スパッタ蒸着法、イオンプレーティング法、真空アーク蒸着法など、公知のいずれの方法でも用いることができる。
【００３２】
本発明で用いる基材の材質に関しては、どのようなものでも用いることができるが、先に述べた本発明の特徴から、セラミックス、鉄系合金、アルミニウム合金および鉄系焼結体のなかから選ばれた少なくとも１種が好適である。セラミックスとしては、窒化ケイ素、窒化アルミ、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素などが挙げられる。鉄系合金としては、高速度鋼、ステンレス鋼、SKD などが挙げられる。アルミニウム合金としてはジュラルミンなどが挙げられる。さらに、タングステンカーバイト系金属の超硬合金、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化ホウ素焼結体など、用途に応じて用いることができる。
【００３３】
本発明の非晶質炭素被覆部材は、先に述べた本発明の特徴から、切削工具、金型、機械部品等に使用することができる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００３５】
（実施例１、参考例１）
イオン照射処理を行った基材１上に、周期律表第IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびＣ以外のIVb 族元素の元素群から選ばれた元素からなる中間層２を形成した後に、非晶質炭素膜３を形成し、図1に示すような非晶質炭素被覆部材を製造した。基材１には、JIS規格K10のタングステンカーバイト系超硬合金、SUS304、SCM415、SKD11を使用した。基材１は表面を清浄にするために、アセトン中で超音波洗浄を10分以上行ったのちに、真空槽内の基材ホルダに装着した。
【００３６】
イオン照射処理、中間層２形成、非晶質炭素膜３形成は同一成膜装置を用い、連続して行った。中間層２形成方法としては、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法を用いた。非晶質炭素膜３の成膜方法としては、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法を用いた。
【００３７】
イオンプレーティング装置を図２に示す。高周波コイル５に高周波電源６から高周波電力を入力することにより、ガス導入口７より導入した雰囲気ガスをプラズマ化する。フィラメント８から発生した電子ビームにより、るつぼ９中の固体原料１０を加熱し、固体原料１０を蒸発させる。蒸発した原料は雰囲気ガスのプラズマによりイオン化される。基材ホルダ１１には直流電源１２が接続されており、負のバイアスが印可できるようになっている。真空槽内は排気口１３から真空排気されるようになっている。
【００３８】
イオンプレーティング装置でのイオン照射方法、中間層２形成方法、非晶質炭素膜３形成方法を以下に示す。固体原料１０にはZrまたはHfまたはNbを用いた。
基材ホルダ１１に基材１５をセットした後、装置内を0.002Pa 以下にガス排気口１３から真空排気する。雰囲気ガスとして、Arをガス導入口７より導入し、真空槽４内が0.05Paの圧力になるようにする。その後高周波コイル５に高周波電力400Wを投入し、高周波プラズマを発生させる。基板ホルダ１１に-1200Vの基材バイアスを印可しておき、固体原料１０を電子ビームにより蒸発させ、シャッター１４を開ける。蒸発した固体原料はプラズマ中でイオン化される。基材１５はガスイオンおよびZrまたはHfまたはNbのイオンの衝突により、表面の汚れや酸化物層がエッチング除去される。その後基材バイアスを-100V まで下げ、ZrまたはHfまたはNbの中間層２を形成する。その後、真空槽４内を真空排気した後に、真空槽４内が0.07Paの圧力になるようにガス導入口７よりCH₄ ガスを導入する。基材ホルダ１１に-500V のバイアス電圧を印可し、高周波コイルに高周波電力400Wを投入し、非晶質炭素被膜３を形成した。
【００３９】
スパッタ蒸着装置を図３に示す。この装置は、真空槽１６内に水平円盤状の回転テーブル１７を具え、この回転テーブル１７に垂直に固定された基材ホルダ１８を具える。基材ホルダ１８を挟む対向する真空槽側壁にはスパッタ蒸発源１９が設置され、各スパッタ蒸発源１９は高周波電源２０に接続される。スパッタ蒸発源１９にはターゲット２１が装着されている。また、基材ホルダ１８には回転テーブル１７に接続された直流電源２２により所定の負のバイアス電圧を付与することができる。そして、真空槽１６はガス導入口２３とガス排気口２４とが設けられている。
【００４０】
スパッタ蒸発源を用いたイオン照射方法、中間層形成方法、非晶質炭素膜形成方法を以下に示す。図３に示したスパッタ蒸着装置を用い、スパッタ蒸発源１９の１基をイオン照射処理と中間層２形成用に、もう１基を非晶質炭素膜３形成用に使用した。イオン照射処理用および中間層２形成用のターゲット２１にはTaまたはMoまたはW またはSiを用いた。非晶質炭素膜３形成用のターゲット２１には、固体炭素を用いた。基材ホルダ１８に基材２５をセットした後、真空槽１６内を0.002Pa 以下にガス排気口２４から真空排気した。Arガスをガス導入口２３より導入し、真空槽１６内を1Pa になるようにした。その後、回転テーブル１７を5rpmで回転させながら基材ホルダ１８に-800V の基材バイアスを印可するとともに、イオン照射処理用のスパッタ蒸発源１９に高周波電力400Wを導入し、ターゲット２１をスパッタしイオン化することにより、ガスイオンおよびターゲット元素のイオンを基材２５へ衝突させ、基材１表面の汚れや酸化物層をエッチング除去した。その後、基材バイアスを-150V に低下させて、TaまたはMoまたはW またはSiの中間層２を形成した。その後、真空槽１６内を真空排気した後に、真空槽１６内が1Pa の圧力になるようにガス導入口２３よりCH₄ ガスとArガスを導入する。CH₄ ガスとArの分圧はそれぞれ0.3Pa と0.7Pa である。固体炭素ターゲットを装着したスパッタ蒸発源１９に高周波電力400Wを投入し、基材ホルダ１８に-100V のバイアス電圧を印可し、回転テーブル１７を5rpmで回転させながら、非晶質炭素被膜３を形成した。
【００４１】
真空アーク蒸着装置を図４に示す。この装置は、真空槽２６内に水平円盤状の回転テーブル２７を具え、この回転テーブル２７に垂直に固定された基材ホルダ２８を備える。基材ホルダ２８を挾む対向する真空槽側壁にはターゲット２９（真空アーク蒸発源）が設置され、各ターゲット２９は直流電源３０に接続される。また、基材ホルダ２８には回転テーブル２７に接続された直流電源３１により所定の負のバイアス電圧を付与することができる。そして、真空槽２６はガス導入口３２とガス排気口３３とが設けられている。
【００４２】
真空アーク蒸着装置でのイオン照射方法、中間層２形成方法、非晶質炭素膜３の形成方法を以下に示す。図４に示す真空アーク蒸着装置を用い、ターゲット２９の１基をイオン照射処理用および中間層２形成用に、もう１基を非晶質炭素膜３形成用に使用した。イオン照射処理および中間層２形成用のターゲット２９には、TiまたはV またはCrを、非晶質炭素膜３形成用のターゲット２９には、固体炭素を用いた。イオン照射処理の雰囲気としてはArをガス導入口３２から導入した。基材ホルダ２８に基材３４をセットした後、装置内を0.002Pa 以下にガス排気口３３から真空排気した。そして、0.7Pa まで雰囲気ガスを導入した。その後、回転テーブル２７を5rpmで回転させながら、基材ホルダ２８に-1200Vの基材バイアスを印可するとともに、ターゲットにアーク電流50A を流してアーク放電を発生させ、ターゲット元素のイオンとガスイオンを基材３４へ衝突させ、基材３４表面の汚れや酸化物層をエッチング除去した。その後、基材バイアスを-800V まで低下し、TiまたはV またはCrの中間層２を形成した。その後、真空槽２６内が1Pa の圧力になるようにガス導入口３２よりArガスを導入し、基材ホルダ２８に-100V のバイアス電圧を印可し、固体炭素ターゲットにカソード電流50A を流してアーク放電を発生させ、回転テーブル２７を5rpmで回転させながら、非晶質炭素膜３を形成した。
【００４３】
非晶質炭素膜３の硬度測定は、ダイヤモンド製のヌープ圧子を用い、荷重50g 、荷重負荷時間10秒間とし、測定値10点の平均値を採用した。被膜表面の凹凸が大きく圧痕の形状が見えにくい時は、＃8000のダイヤモンドペーストでバフ研摩を施し、圧痕形状が観察できるようにした。
【００４４】
非晶質炭素膜３の密着性は、ロックウエル剥離試験および打撃試験により評価した。ロックウエル剥離試験には、ロックウエルＣスケール硬度測定用のダイヤモンド圧子を用い、試験荷重150kgfで被膜表面から圧子を押し付けてできた圧痕まわりの剥離状況を光学顕微鏡で観察した。測定は各試料につき５回行った。
【００４５】
打撃試験は、試料の被膜を形成した面に対し、直径１インチのタングステンカーバイト系超硬合金製球を用い仕事量10J で400 回打撃を加え、打痕およびその周辺の剥離状況を光学顕微鏡で観察した。
【００４６】
中間層２と非晶質炭素膜３の構造と評価結果を表１にまとめる。中間層２の厚さは断面の透過電子顕微鏡像から求めた。いずれの構造においても、ロックウエル剥離試験、打撃試験ともに剥離は見られず、本発明の構造を有する非晶質炭素膜３は基材１に対し良好な密着性を示した。
【００４７】
【表１】

【００４８】
（実施例２、参考例２）
イオン照射処理を行った基材１上に、周期律表第IVa 、Va、VIa 、IIIb族元素およびＣ以外のIVb 族元素の元素群から選ばれた少なくとも一つの元素の炭化物からなる中間層２を形成した後に、非晶質炭素膜３を形成した。基材１は実施例１と同じものを使用し、実施例１と同じ洗浄を行った後に、真空槽内の基材ホルダに装着した。
【００４９】
イオン照射処理、中間層形成、非晶質膜形成の方法は、実施例１と同じ手法を用いた。
【００５０】
イオンプレーティング装置でのイオン照射方法、中間層２形成方法、非晶質炭素膜３の形成方法を以下に示す。原料１０にはZrまたはHfまたはNbを用い、実施例１と同様にしてイオン照射処理を行った。その後、真空槽４内を真空排気した後、真空槽４内が0.lPa になるようにCH₄ ガスを導入し、基材バイアス-200V を基材ホルダ１１に印可し、るつぼ９内のZrまたはHfまたはNbを蒸発させ、ZrC またはHfC またはNbC の中間層２を形成した。その後実施例１と同様にして中間層上に非晶質炭素膜を形成した。
【００５１】
スパッタ蒸着装置でのイオン照射方法、中間層２形成方法、非晶質炭素膜３の形成方法を以下に示す。イオン照射用および中間層２形成用のターゲツト２１にはTaまたはMoまたはW またはSiを用いた。非晶質炭素膜３形成用のターゲット２１には、固体炭素を用いた。実施例１と同様にしてイオン照射処理を行った後、真空槽１６内を真空排気し、真空槽１６内が1Pa になるようにCH₄ ガスとAlガスを導入した。CH₄ ガスとArの分圧はそれぞれ0.3Pa と0.7Pa である。TaまたはMoまたはW またはSiターゲットを装着したスパッタ蒸発源１９に高周波電力400Wを投入し、基材ホルダ１８に-150V のバイアス電圧を印可し、回転テーブル１７を5rpmで回転させながら、TaC またはMoC またはWCまたはSiC の中間層を形成した。その後、実施例１と同様にして中間層２上に非晶質炭素膜３を形成した。
【００５２】
真空アーク蒸着装置でのイオン照射方法、中間層２形成方法、非晶質炭素膜３の形成方法を以下に示す。イオン照射用および中間層２形成用のターゲット２９にはTiまたはV またはCrを用いた。非晶質炭素膜３形成用のターゲット２９には、固体炭素を用いた。実施例１と同様にしてイオン照射処理を行った後、真空槽２６内を真空排気し、真空槽２６内が2Pa になるようにCH₄ ガスとArガスを導入した。CH₄ ガスとArの分圧はそれぞれ1Pa と1Pa である。回転テーブル２７を5rpmで回転させながら、基板ホルダ２８に-200V の基材バイアスを印可するとともに、中間層形成用ターゲットにアーク電流50A を流してアーク放電を発生させ、TiC またはVCまたはCrC_X の中間層を形成した。その後、実施例１と同様にして中間層２上に非晶質炭素膜３を形成した。
【００５３】
作成した試料は実施例１と同様に、ロックウエル剥離試験および打撃試験により、非晶質炭素膜３の密着性を評価した。
【００５４】
中間層２と非晶質炭素膜３の構造と評価結果を表２にまとめる。中間層２の厚さは断面の透過電子顕微鏡像から求めた。いずれの構造においても、ロックウエル剥離試験、打撃試験ともに剥離は見られず、本発明の構造を有する非晶質炭素膜３は基材に対し良好な密着性を示した。
【００５５】
【表２】

【００５６】
（比較例１）
実施例１、実施例２と同様にして、イオン照射処理を行った基材上にイオンプレーティング法、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法により、NbまたはMoまたはTiまたはZrC またはTaC またはCrC_X の中間層２を形成し、中間層２上にプラズマCVD 法、スパッタ法、真空アーク蒸着法により、非晶質炭素膜３を形成した。
ただし、中間層２の膜厚は本発明の範囲外とした。
【００５７】
中間層２と非晶質炭素膜３の構造と評価結果を表３にまとめる。本発明の実施例とは異なり、ロツクウエル剥離試験、打撃試験ともに非晶質炭素被膜３の剥離が生じ、基材１に対する密着性は低かった。
【００５８】
【表３】

【００６０】
（実施例３）
エンジン部品のカムの摺動面に、実施例１−２および比較例１−２の方法で中間層２及び非晶質炭素膜３を形成し、モータリング試験を行った。カム軸回転数2500rpm、バネ荷重882Nで試験を行った結果、比較例１−２の方法で形成した非晶質炭素膜３は30分の運転で剥離が生じたが、実施例１−２の方法で形成した非晶質炭素膜３は300時間運転後でも剥離が生じなかった。
【００６１】
（実施例４）
SUJ2製の軸の外周に、参考例１−２および比較例１−３の方法で中間層２及び非晶質炭素膜３を形成した。これをSUJ2製の軸受と組み合わせて使用したところ、比較例１−３の方法で形成した非晶質炭素膜３は１時間の使用で膜が剥離したが、参考例１−２の方法で形成した非晶質炭素膜３は200 時間使用後でも剥離は生じなかった。
【００６３】
（実施例５）
SKD11製のリードフレーム曲げ加工用金型表面に、実施例２−１および比較例１−５の方法で中間層２及び非晶質炭素膜３を形成し、リードフレームの曲げ加工に使用した。比較例１−５の方法で形成した非晶質炭素膜は、5000ショットで膜の剥離によるハンダメッキの溶着が発生したが、実施例２−１の方法で形成したものは、200000ショットまでの膜の剥離によるハンダメッキの溶着は発生しなかった。
【００６４】
（実施例６、参考例３）
基材３５は実施例１と同じものを使用し、実施例１と同じ洗浄を行った後に、セラミックス層３６を形成した。セラミックス層３６は公知の真空アーク蒸着法により形成した。次いで、イオン照射処理を行い、周期律表第IVa、Va、VIa、IIIb族およびＣ以外のIVb族元素あるいはこれらの炭化物からなる中間層３７を形成した後に、非晶質炭素膜３８を形成し、図５に示す非晶質炭素被覆部材を製造した。
【００６５】
イオン照射処理、中間層３７形成、非晶質炭素膜３８形成の方法は、実施例１，２と同じ手法を用いた。
【００６６】
作成した試料は実施例１、２と同様に、ロックウエル剥離試験および打撃試験により、非晶質炭素膜３８の密着性を評価した。
【００６７】
セラミックス層３６、中間層３７、非晶質炭素膜３８の構造と評価結果を表４にまとめる。中間層３７の厚さは断面の透過電子顕微鏡像から求めた。いずれの構造においても、ロックウエル剥離試験、打撃試験ともに剥離は見られず、本発明の構造を有する非晶質炭素膜３８は基材３５に対し良好な密着性を示した。
【００６８】
【表４】

【００６９】
（比較例２）
実施例６と同様にして、セラミックス層３６を形成した基材にイオン照射処理を行い、イオンプレーティング法、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法により、NbまたはMoまたはTiまたはZrC またはTaC またはCrCx の中間層３７を形成し、中間層３７上にプラズマCVD 法、スパッタ法、真空アーク蒸着法により、非晶質炭素膜３８を形成した。ただし、中間層３７の膜厚は本発明の範囲外とした。
【００７０】
中間層３７と非晶質炭素膜３８の構造と評価結果を表５にまとめる。本発明の実施例とは異なり、ロックウエル剥離試験、打撃試験ともに非晶質炭素被膜の剥離が生じ、基材３５に対する密着性は低かった。
【００７１】
【表５】

【００７２】
（実施例７）
ダイヤモンド焼結体がろう付けされたアルミ合金加工用スローアウエイチップに、実施例２−４および比較例１−６の方法で、中間層２及び非晶質炭素膜３を形成した。これを用いアルミ合金ADC12 のフライス加工を行ったところ、比較例１−６の方法で形成した非晶質炭素膜３は１km切削後に剥離が生じていたが、実施例２−４の方法で形成した非晶質炭素膜３は40km連続切削後でも剥離が生じていなかった。
【００７３】
（実施例８）
立方晶窒化ホウ素焼結体がろう付けされた焼入鋼切削加工用スローアウエイチップに、実施例２−４および比較例１−６の方法で中間層２及び非晶質炭素膜３を形成した。これを用い浸炭焼入鋼SCM415の高速連続切削を行ったところ、比較例１−６の方法で形成した非晶質炭素膜３は切削時間１分の段階で剥離が生じていたが、実施例２−４の方法で形成した非晶質炭素膜３は30分連続切削後でも剥離が生じていなかった。
【００７４】
（実施例９、参考例４）
基材１上にイオン照射処理を行い、基材表面のクリーニングと同時に金属の中間層２を形成した後に、非晶質炭素膜３を形成し、図１に示すような非晶質炭素被覆部材を製造した。基材１には実施例１と同様のものを用い、実施例１と同様の洗浄後に真空槽内の基材ホルダに装着した。
【００７５】
イオン照射処理、非晶質炭素膜３の形成は、実施例１に用いた真空アーク蒸着法を用いて行った。イオン照射処理用のターゲット２９には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖを用いた。イオン照射処理は、ガス導入口からガスを導入せずに、０．００２Ｐａ以下の到達真空度で行った。基材バイアスを−１０００Ｖ、アーク電流を５０Ａとし、回転テーブル２７を５ｒｐｍで回転させながら、イオン照射を行った。その後、実施例１と同様にして非晶質炭素膜３を形成した。
【００７６】
作製した試料は、実施例１と同様にロックウェル剥離試験及び打撃試験により、非晶質炭素膜３の密着性を評価した。
【００７７】
イオン照射処理に用いたターゲット、中間層２と非晶質炭素膜３の構造と評価結果を表６にまとめる。中間層２の厚さ及び組成は、それぞれ断面の透過電子顕微鏡像とＸ線光電子分光による深さ方向の組成分析から求めた。いずれの試料もイオン照射により、イオン照射に用いたターゲット材料と同じ元素からなる中間層２が形成されていることが確認された。また、同じイオン照射処理条件で１時間イオン照射のみを行ったところ、基材がエッチングされていることが確認され、イオン照射処理により基材のエッチングクリーニングと中間層の形成が同時におこっていることが確認できた。いずれの構造においても、ロックウェル剥離試験、打撃試験ともに剥離は見られず、本発明の構造を有する非晶質炭素膜３は基材に対して良好な密着性を示した。
【００７８】
【表６】

【００７９】
（実施例１０、参考例５）
実施例６と同様にしてセラミックス層３６を形成した基材に、実施例９と同様にしてイオン照射処理を行い、基材表面のクリーニングと同時に金属の中間層３７を形成した後に、非晶質炭素膜３８を形成し、図５に示すような非晶質炭素被覆部材を製造した。
【００８０】
イオン照射処理に用いたターゲット、セラミックス層３６、中間層３７、非晶質炭素膜３８の構造と評価結果を表７にまとめる。中間層３７の厚さ及び組成は、それぞれ断面の透過電子顕微鏡とＸ線光電子分光による深さ方向の組成分析から求めた。いずれの試料もイオン照射により、イオン照射に用いたターゲット材料と同じ元素からなる中間層３７が形成されていることが確認された。
【００８１】
また、同じイオン照射条件で１時間イオン照射のみを行ったところ、セラミックス層がエッチングされていることが確認され、イオン照射処理によりセラミックス層のエッチングクリーニングと中間層の形成が同時におこっていることが確認できた。いずれの構造においても、ロックウェル剥離試験、打撃試験共に剥離は見られず、本発明の構造を有する非晶質炭素膜３８は基材に対し良好な密着性を示した。
【００８２】
【表７】

【００８３】
（実施例１１、参考例６）
実施例９と同様にして、基材１へのイオン照射処理により基材表面のクリーニングと同時に基材表面に金属層を形成した。その後、非晶質炭素膜３の形成を以下のように行うことにより、金属炭化物を中間層２とする非晶質炭素被覆部材を製造した。
【００８４】
非晶質炭素膜の形成は、ガス導入口からガスを導入せずに、０．００２Ｐａ以下の到達真空度で行った。基材バイアスを−１００Ｖ、アーク電流を５０Ａとし、回転テーブル２７を５ｒｐｍで回転させながら、非晶質炭素膜３を形成した。
【００８５】
作製した試料は実施例１と同様に、ロックウェル剥離試験及び打撃試験により、非晶質炭素膜３の密着性を評価した。
【００８６】
イオン照射処理に用いたターゲット、中間層２と非晶質炭素膜３の構造と評価結果を表８にまとめる。中間層２の厚さ及び組成は、それぞれ断面の透過電子顕微鏡像とＸ線光電子分光による深さ方向の組成分析から求めた。いずれの試料もイオン照射により、イオン照射に用いたターゲット材料と同じ金属元素の炭化物の中間層２が形成されていることが確認された。また、同じイオン照射処理条件で１時間イオン照射のみを行ったところ、基材がエッチングされていることが確認され、イオン照射処理により基材のエッチングクリーニングと金属層の形成が同時に起こっていることが確認できた。いずれの構造においても、ロックウェル剥離試験及び打撃試験共に剥離は見られず、本発明の構造を有する非晶質炭素膜３は基材に対して良好な密着性を示した。
【００８７】
【表８】

【００８８】
（実施例１２、参考例７）
実施例６と同様にしてセラミックス層３６を形成した基材に、実施例１１と同様にしてイオン照射処理及び非晶質炭素膜３８の形成を行い、図５に示すような非晶質炭素被覆部材を製造した。
【００８９】
イオン照射処理に用いたターゲット、セラミックス層３６、中間層３７、非晶質炭素膜３８の構造と評価結果を表９にまとめる。中間層３７の厚さ及び組成は、それぞれ断面の透過電子顕微鏡とＸ線光電子分光による深さ方向の組成分析から求めた。いずれの試料もイオン照射により、イオン照射に用いたターゲット材料と同じ金属元素の炭化物の中間層３７が形成されていることが確認された。
【００９０】
また、同じイオン照射条件で１時間イオン照射のみを行ったところ、セラミックス層がエッチングされていることが確認され、イオン照射処理によりセラミックス層のエッチングクリーニングと金属層の形成が同時におこっていることが確認できた。いずれの構造においても、ロックウェル剥離試験、打撃試験共に剥離は見られず、本発明の構造を有する非晶質炭素膜３８は基材に対し良好な密着性を示した。
【００９１】
【表９】

【００９２】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の構造を用いれば、基材との密着性に優れた非晶質炭素被覆部材が実現でき、機械部品、工具、金型への応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１、２、１１、１３に記載の非晶質炭素被覆部材の構造を示す概略図である
【図２】イオンプレーティング装置の概略図である
【図３】スパッタ蒸着装置の概略図である
【図４】真空アーク蒸着装置の概略図である
【図５】本発明の実施例８、１２、１４に記載の非晶質炭素被覆部材の構造を示す概略図である
【符号の説明】
１ 基材
２ 中間層
３ 非晶質炭素膜
４ 真空槽
５ 高周波コイル
６ 高周波電源
７ ガス導入口
８ フィラメント
９ るつぼ
１０ 原料
１１ 基材ホルダ
１２ 直流電源
１３ ガス排気口
１４ シャッター
１５ 基材
１６ 真空槽
１７ 回転テーブル
１８ 基材ホルダ
１９ スパッタ蒸発源
２０ 高周波電源
２１ ターゲット
２２ 直流電源
２３ ガス導入口
２４ ガス排気口
２５ 基材
２６ 真空槽
２７ 回転テーブル
２８ 基材ホルダ
２９ ターゲット
３０ 直流電源
３１ 直流電源
３２ ガス導入口
３３ ガス排気口
３４ 基材
３５ 基材
３６ セラミックス層
３７ 中間層
３８ 非晶質炭素膜

Claims (11)

1. 基材と、その上に形成された中間層、さらにその上に形成された非晶質炭素膜とを備えた非晶質炭素被覆部材であって、中間層が周期律表第ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＩＩＩｂ族元素、並びにＣ及びＳｉ以外のＩＶｂ族元素の元素群から選ばれた少なくとも１つの元素、またはこの元素群から選ばれた少なくとも１つの元素の炭化物からなり、厚さが０．５ｎｍ以上４．５ｎｍ以下であり、非晶質炭素膜がスパッタ蒸着法、イオンプレーティング法、又は真空アーク蒸着法により形成されることを特徴とする非晶質炭素被覆部材。
2. 基材と、その上に形成されたセラミックス層、さらにその上に形成された中間層、さらにその上に形成された非晶質炭素膜とを備えた非晶質炭素被覆部材であって、セラミックス層が、周期律表第ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＩＩＩｂ族元素から選ばれた少なくとも１つの元素の窒化物、炭化物又は炭窒化物からなり、中間層が周期律表第ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＩＩＩｂ族、並びにＣ及びＳｉ以外のＩＶｂ族元素の元素群から選ばれた少なくとも１つの元素、またはこれらのなかから選ばれた少なくとも１つの元素の炭化物からなり、中間層の厚さが０．５ｎｍ以上４．５ｎｍ以下であり、非晶質炭素膜がスパッタ蒸着法、イオンプレーティング法、又は真空アーク蒸着法により形成されることを特徴とする非晶質炭素被覆部材。
3. セラミックス層が、ＴｉＡｌＮ、ＺｒＮ、ＶＮの中から選ばれた少なくとも１種からなり、このセラミックス層の厚さが０．２μｍ以上５μｍ未満であることを特徴とする、請求項２に記載の非晶質炭素被覆部材。
4. 中間層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの元素群から選ばれた少なくとも１つの元素、またはこの元素群から選ばれた少なくとも１つの元素の炭化物であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の非晶質炭素被覆部材。
5. 中間層がイオンプレーティング法、スパッタ蒸着法、あるいは真空アーク蒸着法により形成されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の非晶質炭素被覆部材。
6. 中間層が、少なくとも中間層を構成する元素のイオン存在下にて、基材に、−３００Ｖ以上、−１５００Ｖ以下の負バイアス電圧を印可し、基材又は基材上に形成されたセラミックス層表面をエッチングすると同時に形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の非晶質炭素被覆部材。
7. 中間層が、少なくとも中間層を構成する金属元素のイオン存在下にて、基材に、−３００Ｖ以上、−１５００Ｖ以下の負のバイアス電圧を印可し、基材又は基材上に形成されたセラミックス層表面に前記イオンを照射することにより、基材又はセラミックス層表面をエッチングすると同時に、前記金属元素からなる金属層を形成した後、非晶質炭素形成時に前記金属層を炭化することにより形成された炭化物であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の非晶質炭素被覆部材。
8. 非晶質炭素膜がスパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法により形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の非晶質炭素被覆部材。
9. 非晶質炭素膜のヌープ硬度（Ｈｖ）が、１２００以上８０００以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の非晶質炭素被覆部材。
10. 基材が、セラミックス、鉄系合金、アルミニウム合金、鉄系焼結体、タングステンカーバイト系金属の超硬合金、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化ホウ素焼結体から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の非晶質炭素被覆部材。
11. 切削工具、金型、機械部品のいずれかとして使用されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の非晶質炭素被覆部材。

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