DE60300293T2

DE60300293T2 - Mit einer Kohlenstoffbeschichtung versehener Gegenstand und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE60300293T2
Application number: DE2003600293
Authority: DE
Inventors: Yasuo Ukyo-ku Murakami; Takashi Ukyo-ku Mikami; Hiroshi Ukyo-ku Murakami
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: CN1225569C; US20070071993A1; US7169473B2; US20050186424A1; SG105577A1; EP1380667B1; TW200401045A; JP4300762B2; CN1475597A; EP1380667A1; JP2004043867A; TWI229139B; DE60300293D1

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-201339, die in Japan am 10. Juli 2002 eingereicht wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mit einem Kohlenstofffilm beschichtete Gegenstände, die als Teile von Motoren (z. B. Verbrennungsmotoren einschließlich Benzinmotoren, Dieselmotoren oder dergleichen), Schneidgegenständen, wie beispielsweise Schneidwerkzeugen, Teile von Schneidwerkzeugen etc., verwendet werden können, und auf ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Beschreibung des Stands der Technik
Ein Kohlenstofffilm, wie beispielsweise ein DLC-Film (diamantenähnlicher Kohlenstofffilm), weist eine hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf. Es wurde vorgeschlagen, die Verschleissfestigkeit von Motorenteilen, Schneidgegenständen und ähnlichen verschiebbaren Gegenstände zu erhöhen und den Reibungskoeffizienten derselben abzusenken, indem derartige Eigenschaften des Kohlenstofffilms verwendet werden. Die Verschleißfestigkeit und der Reibungskoeffizient der verschiebbaren Gegenstände kann durch Beschichten der verschiebbaren Gegenstände mit dem DLC-Film oder ähnlichem Kohlenstofffilmen verbessert werden.
Im Allgemeinen ist jedoch die Adhäsion des DLC-Films und ähnlicher Kohlenstofffilme an dem Substrat der aus Stahl oder dergleichen hergestellten verschiebbaren Gegenstände niedrig, und diese Filme sind daher ohne weiteres von dem Substrat trennbar. Um die Adhäsion des DLC-Films und ähnlicher Kohlenstofffilme an dem Substrat zu verbessern, wurde vorgeschlagen, eine Zwischenschicht zwischen dem Kohlenstofffilm und dem Substrat zu bilden. Durch diesen Vorschlag wurde jedoch keine ausreichende Adhäsion erzeugt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstand, d. h. einen Gegenstand mit einem auf einem Substrat des Gegenstands gebildeten Kohlenstofffilm, wobei der Kohlenstofffilm eine hohe Adhäsion an dem Substrat des Gegenstands aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung desselben bereitzustellen.
Um die oben erwähnte Aufgabe zu erreichen, liefert die Erfindung den folgenden, mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstand und das folgende Herstellungsverfahren.
(1) Mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand
Ein mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand umfasst ein Substrat; eine Mischschicht, die auf mindestens einem Teil des Substrats gebildet ist und aus einem Element oder Elementen, die das Substrat bilden, und Wolfram zusammengesetzt ist; einen Wolframfilm, der auf der Mischschicht gebildet ist; und einen Kohlenstofffilm, der auf dem Wolframfilm gebildet ist.
(2) Verfahren zur Herstellung eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands
Ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands, der umfasst: ein Substrat, eine Mischschicht, die auf mindestens einem Teil des Substrats gebildet ist und aus einem Element oder Elementen, die das Substrat bilden, und Wolfram zusammengesetzt ist, einen Wolframfilm, der auf der Mischschicht gebildet, und einen Kohlenstofffilm, der auf dem Wolframfilm gebildet ist, umfasst die folgenden Schritte:
Bilden der Mischschicht auf mindestens einem Teil des Substrats, wobei die Mischschicht aus dem oder den Elementen, die das Substrat bilden, und Wolfram zusammengesetzt ist,
Bilden des Wolframfilms auf der Mischschicht und
Bilden des Kohlenstofffilms auf dem Wolframfilm, wobei mindestens eine bzw. einer der Mischschicht, des Wolframfilms und des Kohlenstofffilms unter Verwendung eines Kathodenmaterials, das durch Bogenentladung in einer Vakuumbodenabscheidungsvorrichtung mit einer Vakuumbogen-Verdampfungsquelle einschließlich der Kathode verdampft wird, gebildet wird.
Die vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen offensichtlicher.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands zeigt.
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Beispiels der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung zeigt.
3 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Material und einer Dicke einer darunterliegenden Schicht von (unter) dem DLC-Film einerseits und einer abgelösten Fläche, die die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat darstellt, andererseits zeigt.
4 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Dicke und der zwischen dem DLC-Film und dem Substrat gebildeten Mischschicht und eines Lastwiderstands zeigt, der die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(1) Mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand
Ein mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand umfasst als eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine Mischschicht, eine Wolframschicht und einen auf dem Substrat gebildeten Kohlenstofffilm in dieser Reihenfolge. Genauer gesagt werden eine Mischschicht, ein Wolframfilm und ein Kohlenstofffilm über mindestens einem Teil des Substrats des Gegenstands gebildet.
Das Substrat, das hohe mechanische Festigkeit erfordert, kann aus einem Material, einschließlich Eisen, als der Hauptbestandteil, wie beispielsweise Kohlenstoffstahl, Spezialstahl oder ähnliche Stähle; hergestellt werden. Optional kann das Substrat aus Keramik oder Keramiken, zementiertem Karbid (Hartmetall) oder dergleichen hergestellt werden.
Die Mischschicht wird auf dem Substrat gebildet und enthält ein das Substrat (Material bzw. Materialien, die das Substrat bilden) bildende Element bzw. Elemente und Wolfram (W), und kann ein weiteres Element bzw. Elemente enthalten.
Der Wolframfilm wird zwischen der Mischschicht und dem Kohlenstofffilm gebildet. Der Wolframfilm enthält Wolfram (W) als der Hauptbestandteil und kann Verunreinigungen (unbedeutende Bestandteile) enthalten.
Der Kohlenstofffilm wird auf dem Wolfram gebildet. Der Kohlenstofffilm enthält Kohlenstoff (C) als der Hauptbestandteil, und kann Verunreinigungen, einschließlich Kohlenstoffnitrid, Silizium oder dergleichen enthalten. Der Kohlenstofffilm kann beispielsweise ein DLC-Film (diamantenähnlicher Kohlenstofffilm) sein.
Wie bei den Ergebnissen von später zu beschreibenden Experimenten gezeigt wird, ist die Adhäsion des Kohlenstofffilms an dem Wolframfilm höher als die Adhäsion des Kohlenstofffilms an einem Molybdänfilm oder einem Chromfilm.
Da die Mischschicht, die das Substrat bildende Element bzw. Elemente und den Wolfram enthält, zwischen dem Substrat und dem Wolframfilm gebildet ist, ist die Adhäsion des Wolframfilms an dem Substrat hoch. Dadurch ist die Adhäsion des Kohlenstofffilms an dem Substrat in dem mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstand hoch.
Der Kohlenstofffilm (insbesondere der DLC-Film) weist eine hohe Härte und einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf, sodass die mit einem Kohlenstofffilm beschichtete Gegenstände vorzugsweise als Elemente benutzt werden können, von denen verlangt wird, mindestens Verschleißfestigkeit und/oder eine niedrige Reibungskennlinie aufzuweisen. Beispielsweise können die mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstände (Kohlenstofffilm beschichtete Elemente) als verschiebbare Elemente (Schiebeteile) verwendet werden.
Genauer gesagt können die mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstände als Motorenteilen, wie beispielsweise Nocken, Unterlegscheiben, Ventilstößel, Kolben, Kolbenringe und dergleichen und andere Maschinenteile, Schneidgegenstände, wie beispielsweise Bohrer, Stirnfräser, Fräser, Schneidwerkzeuge und dergleichen, Formen etc. verwendet werden. Der Kohlenstofffilm bei einem derartigen mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstand weist eine derartige hohe Adhäsion an dem Substrat auf, wie oben beschrieben, dass der Gegenstand die niedrige Reibungskennlinie und andere Eigenschaften stabil langfristig beibehalten kann.
Hinsichtlich der Lebensdauer des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands kann der Kohlenstofffilm eine Dicke von beispielsweise 500 nm oder mehr aufweisen. Wenn der Kohlenstofffilm zu dick ist, ist es wahrscheinlich, dass Abblättern oder Risse auftreten. Somit kann die Dicke des Kohlenstofffilms beispielsweise 10 μm oder weniger sein. Die Spannung kann durch Hinzufügen von Metallen oder dergleichen gelockert werden.
Ein zu dicker oder zu dünner Wolframfilm macht die Verringerung seiner Adhäsion an den Kohlenstofffilm möglich, wie bei den Ergebnissen von später zu beschreibenden Experimenten gezeigt wird. Die obere Grenze der Dicke des Wolframfilms ist vorzugsweise 170 nm oder weniger, bevorzugt 150 nm oder weniger und am bevorzugtesten 100 nm oder weniger. Die untere Grenze der Dicke des Wolframfilms ist vorzugsweise 5 nm oder mehr, bevorzugt 10 nm oder mehr.
Eine zu dicke oder zu dünne Mischschicht führt zu niedriger Adhäsion des Kohlenstofffilms an dem Substrat, wie bei den Ergebnissen von später zu beschreibenden Experimenten gezeigt wird. Die obere Grenze der Dicke der Mischschicht ist vorzugsweise 200 nm oder weniger, bevorzugt 100 nm oder weniger, bevorzugt insbesondere 500 nm oder weniger und am bevorzugtesten 10 nm oder weniger. Die untere Grenze der Dicke der Mischschicht ist vorzugsweise 1 nm oder mehr, bevorzugt 2 nm oder mehr.
(2) Verfahren zur Herstellung eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands
Ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands als eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst folgende Schritte:
Bilden auf einem Substrat eines Gegenstands einer Mischschicht, die ein Element oder Elemente enthält, die das Substrat bilden, und Wolfram,
Bilden eines Wolframfilms auf der Mischschicht, und
Bilden eines Kohlenstofffilms auf dem Wolframfilm.
Mindestens eine bzw. einer der Mischschicht, der Wolframschicht und des Kohlenstofffilms wird durch eine Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung (Ionenplattierungsvorrichtung vom Bogentyp) gebildet. Die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung weist mindesten eine Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Kathode auf. Bei der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung kann eine Schicht oder ein Film mit einem Kathodenmaterial (die die Kathode bildende Substanz, die gemäß der zu bildenden Schicht oder Film ausgewählt wird) gebildet werden, das durch Bogenentladung, genauer gesagt durch Ionisieren eines verdampften Kathodenmaterials durch in der Nachbarschaft der Kathode hergestellten Plasmas verdampft wird. Jede bzw. jeder Mischschicht, Wolframfilm und Kohlenstofffilm kann durch die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden.
Wenn die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung benutzt wird, kann das ionisierte Kathodenmaterial durch eine an das Substrat angelegte Vorspannung zu dem Substrat angezogen und dazu gebracht werden, mit dem Substrat zu kollidieren. Eine derartige Vorspannungsanwendung kann beim Bilden der Mischschicht, des Wolframfilms und des Kohlenstofffilms ausgeführt werden.
Die Mischschicht kann gebildet werden, indem das Substrat einem Beschussverfahren (Vakuumbogenabscheidungsvorgang mit einem Beschussverfahren) unter Verwendung von Wolfram als ein Kathodenmaterial (mit anderen Worten, unter Verwendung einer hauptsächlich Wolfram enthaltenden Kathode) in der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden. Genauer gesagt wird Wolfram als das Kathodenmaterial durch ein Plasma ionisiert, während eine relativ hohe Vorspannung an das Substrat angelegt wird, sodass der ionisierte Wolfram in das Substrat getrieben wird (d. h. das Substrat wird einem Beschussverfahren unterworfen), wodurch die Mischschicht, die ein das Substrat bildende Element bzw. Elemente enthält, und Wolfram gebildet wird.
In diesem Fall kann vermutlich die Eigenschaft bzw. Eigenschaften der Oberfläche des Substrats durch das Beschussverfahren verbessert werden, was zu der Bildung der Mischschicht führt. Wenn die Mischschicht durch das Beschussverfahren gebildet wird, wird die Oberfläche des Substrats einer Sputter- Reinigung unterworfen, und das Substrat wird erwärmt, wodurch der später zu bildende Wolframfilm in seiner Haftung an der Mischschicht verstärkt wird.
Der Wolframfilm kann durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren mit Wolfram als ein Kathodenmaterial (mit anderen Worten, unter Verwendung einer hauptsächlich Wolfram enthaltenden Kathode) in der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden. Wenn beispielsweise Wolfram als das Kathodenmaterial in Plasma gemacht und ionisiert wird, während eine relativ niedrige Vorspannung an das Substrat angelegt wird, wird der ionisierte Wolfram auf dem Substrat (der Mischschicht auf dem Substrat) abgeschieden, um den Wolframfilm zu bilden. Es ist optional beispielsweise eine Vorspannung an das Substrat anzulegen, die in ihrem Absolutwert (einschließlich 0 V) niedriger ist, als wenn die Mischschicht durch das Beschussverfahren gebildet wird.
Der Kohlenstofffilm kann durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter Verwendung von Kohlenstoff als ein Kathodenmaterial (mit anderen Worten, unter Verwendung einer hauptsächlich Kohlenstoff enthaltenden Kathode) in der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden. Wenn beispielsweise Kohlenstoff als das Kathodenmaterial in Plasma gemacht und während des Anlegens einer Vorspannung an das Substrat ionisiert wird, wird der ionisierte Kohlenstoff auf dem Substrat (dem Wolframfilm auf dem Substrat) abgeschieden, um den Kohlenstofffilm zu bilden.
Jede bzw. jeder Mischschicht, Wolframfilm und Kohlenstofffilm kann durch andere Verfahren als die gebildet werden, die die vorhergehende Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung verwenden. Der Kohlenstofffilm kann beispielsweise durch ein Plasma-CVD-Verfahren, ein Sputter-Verfahren, ein Laserabscheidungsverfahren oder dergleichen gebildet werden. Jede bzw. jeder Mischschicht, Wolframfilms und Kohlenstofffilm kann jedoch mit einer relativ hohen Abscheidungsrate durch das Verfahren gebildet werden, das die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung verwendet. Dies ist so, weil die Ionendichte des Kathodenmaterials in dem Plasma aufgrund der Verdampfung des Kathodenmaterials durch Bogenentladung relativ erhöht werden kann. Wenn die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung verwendet wird, können die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm sogar auf dem Substrat des Gegenstands in einer relativ komplizierten Form (z. B. Substrat in einer kubischen Form) gebildet werden, und die Abscheidung ist ohne weiteres sogar über eine große Fläche durchführbar.
Ferner ist der durch das Vakuumbogenabscheidungsverfahren gebildete Kohlenstofffilm wahrscheinlich härter und niedriger im Wasserstoffgehalt, als wenn er durch ein Plasma-CVD-Verfahren, Sputter-Verfahren oder Laserabscheidungsverfahren gebildet wird. Wenn der Kohlenstofffilm durch das Vakuumbogenabscheidungsverfahren gebildet wird, kann dies durch Anlegen einer gepulsten Vorspannung an das Substrat durchgeführt werden. Dadurch kann die interne Spannung in dem somit gebildeten Kohlenstofffilm verringert und der Kohlenstofffilm mit einer sehr glatten Oberfläche gebildet werden.
Bei dem vorhergehenden Verfahren zur Herstellung eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wird mindestens eine bzw. einer der Mischschicht, des Wolframfilms und des Kohlenstofffilms in der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet. Beispielsweise können die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm in der gleichen Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden. Wenn die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm in der gleichen Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden, kann der Transport des Substrats, die Entfernung von Gas bzw. Gasen aus der Prozesskammer und die Erwärmung des Substrats in einer kürzen Zeit durchgeführt werden, als wenn eine oder zwei von ihnen in anderen Vorrichtungen gebildet werden.
Dies bedeutet, dass die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm so effizient gebildet werden können, und dass ein mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand so effizient hergestellt werden kann. In diesem Fall ist es unwahrscheinlich, dass eine Grenzfläche zwischen der Mischschicht und dem Wolframfilm und eine Grenzfläche zwischen dem Wolframfilm und dem Kohlenstofffilm in Kontakt mit Verunreinigungen kommen, und ordnungsgemäße Grenzflächen können hergestellt werden.
Eine Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung, die allgemein beim Bilden der Mischschicht, des Wolframfilms und des Kohlenstofffilms zu verwenden ist, umfasst mindestens zwei Vakuumbogen-Verdampfungsquellen, z. B. eine erste Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Wolframkathode (Kathode mit Wolfram als der Hauptbestandteil) und eine zweite Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Kohlenstoffkathode (Kathode mit Kohlenstoff als der Hauptbestandteil).
Wenn die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm durch eine Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden, die nur eine Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Kathode aufweist, muss eine Wolframkathode für eine Kohlenstoffkathode nach Bilden der Mischschicht und des Wolframfilms ausgetauscht werden. Wenn die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung mit den ersten und zweiten Vakuumbogen-Verdampfungsquellen benutzt wird, kann die Zeitspanne zum Austauschen der Kathoden eingespart werden, und dadurch kann ein mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand wirtschaftlicher hergestellt werden.
Eine Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung mit zwei oder mehr Vakuumbogen-Verdampfungsquellen, die jeweils eine Wolframkathode umfassen, können verwendet werden, um die Abscheidungsrate beim Bilden der Mischschicht und/oder des Wolframfilms zu erhöhen. Auf ähnliche Weise kann eine Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung mit zwei oder mehr Vakuumbogen-Verdampfungsquellen, die jeweils eine Kohlenstoffkathode umfassen, verwendet werden, um die Abscheidungsrate beim Bilden des Kohlenstofffilms zu erhöhen.
Eine Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung, die beim Bilden von mindestens eine bzw. einer der Mischschicht, des Wolframfilms und des Kohlenstofffilms zu verwenden ist, kann vom Magnetfiltertyp sein, der ein Magnetfilter für mindestens eine Vakuumbogen-Verdampfungsvorrichtung aufweist, um zu verhindern, dass Makroteilchen des Kathodenmaterials mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometer bis mehreren zehn Mikrometern an dem Substrat haften.
Insbesondere wird bevorzugt, wenn der Kohlenstofffilm gebildet wird, eine derartige Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung vom Magnetfiltertyp zu verwenden. Der Grund ist wie folgt. Wenn die Kathode gegenüber dem Substrat beim Bilden des Kohlenstofffilms mit einer Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung, die eine Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Kohlenstoff kathode aufweist, angeordnet wird, haften die Kohlenstoff-Makroteilchen ohne weiteres an der Oberfläche des Substrats (Wolframfilm auf dem Substrat).
(3) Beschreibung eines Beispiels eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands und des Verfahrens zur Herstellung desselben
Ein Beispiel des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands und eines Verfahrens zur Herstellung desselben wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Teilschnittansicht, die schematisch ein Beispiel des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands zeigt.
Ein in 1 gezeigter, mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand 1 umfasst ein Substrat 11 des Gegenstands. Auf mindestens einem Teil des Substrats 11 sind eine Mischschicht 12, ein Wolframfilm 13 und ein Kohlenstofffilm 14 überlagert, wie sie in dieser Reihenfolge von der Substratseite gebildet werden.
Das Substrat 11 ist bei diesem Beispiel aus Chrom-Molybdän-Stahl hergestellt. Die Mischschicht 12 enthält ein das Substrat bildendes Element bzw. Elemente und Wolfram (W). Bei diesem Beispiel enthält die Mischschicht Eisen (Fe), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Wolfram. Die Mischschicht 12 weist bei diesem Beispiel eine Dicke von 5 nm auf. Der Wolframfilm 13 ist hauptsächlich aus Wolfram zusammengesetzt und weist bei diesem Beispiel eine Dicke von 50 nm auf. Der Kohlenstofffilm 14 ist ein DLC-Film, der bei diesem Beispiel eine Dicke von 500 nm aufweist.
Der mit einem Kohlenstoff beschichtete Gegenstand 1 ist hervorragend in der niedrigen Reibungskennlinie und der Verschleißfestigkeit, da er mit einem sehr harten DLC-Film (Kohlenstofffilm) 14 beschichtet ist. Die Adhäsion zwischen dem DLC-Film 14 und dem Wolframfilm 13, die Adhäsion zwischen dem Wolframfilm 13 und der Mischschicht 12 sowie die Adhäsion zwischen der Mischschicht 12 und dem Substrat 11 sind alle gut, sodass die Adhäsion des DLC-Films 14 an dem Substrat 11 gut ist. Mit diesem Merkmal kann der mit einem Kohlenstofffilm beschichtete Gegenstand 1 die niedrige Reibungskennlinie und die Verschleißfestigkeit langfristig stabil aufrechterhalten.
Der DLC-Film 14 wird bei diesem Beispiel durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren mit einer Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet, sodass er ein geringeres Gehalt von Wasserstoff aufweist, als wenn er durch ein Plasma-CVD-Verfahren, Sputter-Verfahren, Laserabscheidungsverfahren oder andere Verfahren gebildet wird. Dadurch kann der DLC-Film 14 die niedrige Reibungskennlinie und andere Eigenschaften sogar unter Hochtemperaturumgebungen stabil aufweisen.
Bei dem mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstand 1, der eine niedrige Reibungskennlinie und eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist, kann das Substrat 11 eines der Substrate für Motorenteile, wie beispielsweise Nocken, Unterlegscheiben, Ventilstößel, Kolben, Kolbenringe und dergleichen und anderen Maschinen, Schneidgegenstände, wie beispielsweise Bohrer, Stirnfräser, Fräser, Schneidwerkzeuge oder Teile davon etc. sein. Die Gegenstände 1 mit derartigen Substraten 11 können vorzugsweise als Motorenteile und ähnliche Maschinenteile, Schneidgegenstände, etc. verwendet werden, die eine niedrige Reibungskennlinie und eine Verschleißfestigkeit erfordern.
Das Verfahren zur Herstellung des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands 1 wird beschrieben. Bei diesem Beispiel werden die Mischschicht 12, der Wolfram-Film 13 und der DLC-Film 14 alle mit einer Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet, die Vakuumbogen-Verdampfungsquellen aufweist. Genauer gesagt werden alle von ihnen mit der gleichen Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet.
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Beispiels der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung zeigt, die beim Bilden der Mischschicht 12, des Wolframfilms 13 und des DLC-Films 14 zu verwenden ist.
Eine Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung AP1 von 2 ist vom Magnetfiltertyp und ist mit einer Vakuumkammer 20, einem Magnetfilter 5 und zwei Vakuumbogen-Verdampfungsquellen 3, 4 ausgestattet.
In der Kammer 20 ist ein Halter 21 zum Halten des Substrats 11 zum Bilden des DLC-Films 14 oder dergleichen angeordnet. Eine negative Spannung kann an das Substrat 11 von einer Vorspannungs-Leistungsquelle 22 über den das Substrat 11 tragenden haltenden Halter 21 angelegt werden. Die Kammer 20 ist geerdet.
Ein Evakuator 23 ist mit der Kammer 20 verbunden. Das Gas bzw. die Gase werden von der Kammer 20 durch den Evakuator 23 entfernt, wodurch der Gasdruck in der Kammer 20 in einem spezifizierten Bereich eingestellt werden kann. Eine Gaszufuhreinheit 24 ist mit der Kammer 20 verbunden. Ein spezifiziertes Gas bzw. Gase kann/können in die Kammer 20 durch die Gaszufuhreinheit 24 eingeleitet werden.
Die Vakuumbogen-Verdampfungsquelle 3 umfasst eine Kathode 31, eine Bogenleistungsquelle 32, eine Abschirmungsplatte 33 und eine Auslöseelektrode 34. Die Kathode 31 wird in der Kammer 20 angeordnet, liegt dem Halter 21 gegenüber und ist aus Wolfram zusammengesetzt. Die Abschirmungsplatte 33 ist ringförmig und angeordnet, um die Kathode 31 zu umgeben. Ein Zwischenraum ist zwischen der Abschirmungsplatte 33 und der Kathode 31 gebildet, die elektrisch voneinander isoliert sind. Die Abschirmungsplatte 33 ist elektrisch mit der Kammer 20 über einen Widerstand 35 verbunden.
Die Auslöseelektrode 34 kann in rechten und linken Richtungen in der Figur durch eine Treibervorrichtung (nicht gezeigt) von einer Position, bei der ihre Spitze in Kontakt mit der Kathode 31 ist, zu einer Position, bei der ihre Spitze damit außer Kontakt ist, bewegt werden.
Wenn die Auslöseelektrode 34 in und außer Kontakt mit der Kathode 31 gebracht wird, während eine negative Spannung von der Bogenleistungsquelle 32 an die Kathode 31 angelegt wird, werden elektrische Funken zwischen der Auslöseelektrode 34 und der Kathode 31 emittiert. Eine Bogenentladung wird durch die Funken ausgelöst.
Wolfram als ein Kathodenmaterial wird durch die Bogenentladung erwärmt, geschmolzen und verdampft. Plasma wird durch die Bogenentladung vor der Kathode 31 (rechts von der Kathode 31 in der Figur) hergestellt, wodurch das verdampfte Wolfram teilweise ionisiert wird. Mit anderen Worten kann bei der Vakuumbogen-Verdampfungsquelle 3 Wolframionen enthaltenes Plasma vor der Kathode 31 durch Bogenentladung hergestellt werden.
Ein Magnetfilter 5 wird bereitgestellt, um zu verhindern, dass Makroteilchen des Kathodenmaterials für die Vakuumbogen-Verdampfungsquelle 4 an dem von dem Halter 21 getragenen Substrat 1 haften. Das Magnetfilter 5 umfasst ein gekrümmtes Transportrohr 51, eine auf dem Transportrohr 51 gewickelte Magnetspule 52 und eine Leistungsquelle 53, um die Magnetspule 52 anzuregen.
Das Transportrohr 51 ist mit der Kammer 20 verbunden. Bei diesem Beispiel ist das Transportrohr 51 mit einem Winkel von 90 Grad gekrümmt. Eine der Öffnungen in dem Transportrohr 51 liegt dem in der Kammer 20 angeordneten Halter 21 gegenüber, während die andere Öffnung mit einer Endplatte 54 verschlossen ist.
Eine Gleichspannung wird an die Magnetspule 52 von der Leistungsquelle 53 angelegt, wodurch ein Magnetfeld im Wesentlichen entlang der Innenwand des Transportrohrs 51 innerhalb des Transportrohrs 51 hergestellt werden kann. Bei 55 in 2 sind magnetische Kraftlinien in dem auf diese Art und Weise gebildeten Magnetfeld angegeben.
Die Vakuumbogen-Verdampfungsquelle 4 umfasst eine Kathode 41, einen Kathodenhalter 42 und eine Bogenleistungsquelle 43. Die Kathode 41 ist aus Kohlenstoff zusammengesetzt und an den Endplatten 54 an einem Ende des Transportrohrs 51 über den aus einem Isoliermaterial gebildeten Halter 42 befestigt. Der Halter 21 (durch den Halter 21 gehaltenes Substrat 11) in der Kammer 20 kann nicht von der Position der Kathode 41 betrachtet werden, die an dem Ende des Transportrohrs 51 angeordnet ist, aufgrund der Unterbrechung der Innenwand des mit einem Winkel von 90 Grad gekrümmten Transportrohres 51. Mit anderen Worten existiert die Innenwand des Transportrohres 51 auf einer geraden Linie, die die Kathode 41 mit dem Halter 21 verbindet.
Bei diesem Beispiel dient die Endplatte 54 ebenfalls als eine Anode. Eine Bogenentladung wird zwischen der Endplatte (Anode) 54 und der Kathode 41 verursacht, wenn eine Bogenentladungsspannung zwischen ihnen von der Bogenleistungsquelle 43 angelegt wird. Die Verdampfungsquelle 4 umfasst eine Auslöseelektrode 44 zum Zünden einer Bogenentladung wie bei der oben erwähnten Verdampfungsquelle 3.
Die Auslöseelektrode 44 ist mit der Endplatte 54 über einen Widerstand 45 verbunden. Die Auslöseelektrode 44 kann in rechten und linken Richtungen in der Figur durch eine Treibervorrichtung (nicht gezeigt) von einer Position, bei der ihre Spitze in Kontakt mit der Kathode 41 ist, zu einer Position, bei der ihre Spitze außer Kontakt damit ist, bewegt werden.
Wenn die Auslöseelektrode 44 in und außer Kontakt mit der Kathode 41 gebracht wird, während eine negative Spannung von der Bogenleistungsquelle 43 an die Kathode 41 angelegt wird, werden elektrische Funken zwischen der Auslöseelektrode 44 und der Kathode 41 emittiert. Eine Bogenentladung wird durch die Funken ausgelöst. Kohlenstoff als ein Kathodenmaterial wird durch die Bogenentladung erwärmt, geschmolzen und verdampft.
Plasma wird vor der Kathode 41 (rechts von der Kathode 41 in der Figur) durch die Bogenentladung hergestellt, wodurch der verdampfte Kohlenstoff teilweise ionisiert wird. Mit anderen Worten kann bei der Vakuumbogen-Verdampfungsquelle 4 Plasma, das Kohlenstoffionen enthält, vor der Kathode 41 (rechts von der Kathode 41 in der Figur) durch die Bogenentladung hergestellt werden.
Bei der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung AP1 können, wie oben beschrieben, die Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der DLC-Film (Kohlenstofffilm) 14 in der folgenden Art und Weise auf dem Substrat 11 gebildet werden, wenn es von dem Halter 21 gehalten wird. Bei der Bildung der Mischschicht und der Filme kann der das Substrat 11 haltende Halter 21 durch eine Treibervorrichtung (nicht gezeigt) gedreht werden, um eine gleichmäßige Mischschicht und gleichmäßige Filme zu bilden.
Bei der Abscheidung eines Films wird Gas bzw. werden Gase, z. B. Luft einschließlich reaktiver Gase, wie beispielsweise Stickstoffgas und Sauerstoffgas, von der Kammer 20 durch den Evakuator 23 entfernt, um das Innere in einen Zustand verringerten Drucks von beispielsweise 10^–4 Torr (ungefähr 10^–2 Pa) oder weniger zu bringen.
Danach wird ein inaktives Gas, wie beispielsweise Argongas, in die Kammer 20 durch die Gaszufuhreinheit 24 eingeleitet, um das Innere in einen Zustand von beispielsweise 1 × 10^–3 Torr (ungefähr 1 × 10^–1 Pa) bis 8 × 10^–3 Torr (ungefähr 8 × 10^–1 Pa) zu bringen, sodass die Beibehaltung der Bogenentladung bei den Verdampfungsquellen 3 und 4 ermöglicht wird.
Wenn die Mischschicht 12 gebildet wird, benutzt der Vorgang die Verdampfungsquelle 3 mit der Kathode 31, die aus Wolfram zusammengesetzt ist, und nicht die Verdampfungsquelle 4. Durch die Verdampfungsquelle 3 kann Wolframionen enthaltenes Plasma vor der Kathode 31 hergestellt werden, wie oben beschrieben ist, d. h. zwischen der Kathode und dem das Substrat 11 haltenden Halter 21. Bei diesem Vorgang wird eine relativ hohe negative Gleichspannung (z. B. ungefähr –400 V Gleichstrom bis –2000 V Gleichstrom) von der Vorspannungs-Leistungsquelle 22 an das Substrat 11 über den Halter 21 angelegt.
Die Wolframionen werden zu dem Substrat 11 durch die an das Substrat 11 angelegte Vorspannung angezogen und dazu gebracht, mit dem Substrat 11 zusammenzustoßen, wodurch die Ionen in das Substrat eingearbeitet werden. D. h., das Substrat wird einem Beschussverfahren durch die Wolframionen ausgesetzt, wodurch eine das eingearbeitete Wolfram enthaltende Schicht als eine Oberflächenschicht auf dem Substrat 11 gebildet wird, d. h. die Substrat-bildende Elemente enthaltene Mischschicht 12 und Wolfram wird gebildet.
Anschließend wird der Wolframfilm 13 auf der Mischschicht 12 gebildet, während der Druck in der Kammer 20 beibehalten wird. Wenn der Wolframfilm 13 gebildet wird, benutzt der Vorgang die Verdampfungsquelle 3 mit der aus Wolfram zusammengesetzten Kathode 31 und nicht die Verdampfungsquelle 4. Wenn der Wolframfilm 13 gebildet wird, wird Wolframionen enthaltendes Plasma durch die Verdampfungsquelle 3 hergestellt, und eine negative Spannung wird von der Vorspannungs-Leistungsquelle 22 an das Substrat 11 angelegt.
Wenn der Wolframfilm 13 gebildet wird, wird eine negative Gleichspannung (z. B. ungefähr –200 V Gleichstrom), deren Absolutwert niedriger ist, als wenn die Mischschicht 12 gebildet wird (wenn das Beschussverfahren ausgeführt wird), an das Substrat 11 angelegt. Dadurch werden die Wolframionen zu dem Substrat 11 angezogen und dazu gebracht, mit dem Substrat 11 zusammenzustoßen, sodass der Wolframfilm 13 auf der Mischschicht 12 gebildet wird.
Da die an das Substrat 11 anzulegende Vorspannung so niedrig ist, dass eine Aktion des Einarbeitens (Schießens) der Wolframionen in das Substrat 11 klein ist, wird Wolfram auf der Mischschicht 12 akkumuliert, wobei der Wolframfilm 13 auf der Mischschicht 12 gebildet wird.
Anschließend wird der DLC-Film (Kohlenstofffilm) 14 auf dem Wolframfilm 13 gebildet, während der Druck in der Kammer 20 beibehalten wird. Wenn der DLC-Film 14 gebildet wird, benutzt der Vorgang die Verdampfungsquelle 4 mit der aus Kohlenstoff zusammengesetzten Kathode 41 und nicht die Verdampfungsquelle 3. Durch die Verdampfungsquelle 4 wird Kohlenstoffionen enthaltendes Plasma vor der Kathode 41 hergestellt, wie oben beschrieben ist. Das Plasma wird entlang dem Transportrohr 51 durch das durch die Magnetspule 52 hergestellte Magnetfeld transportiert und zu dem Substrat 11 geführt, das von dem Halter 21 in der Kammer 20 getragen wird.
Bei diesem Vorgang wurde eine negative Vorspannung von der Vorspannungs-Leistungsquelle 22 an das Substrat 11 angelegt. Bei diesem Beispiel wird eine gepulste negative Vorspannung an das Substrat 11 angelegt. Beispielsweise wird eine Impulsspannung von etwa –1 kV bis etwa –10 kV an das Substrat 11 mit einer Frequenz von 5 kHz und einem Tastverhältnis von etwa 2% bis etwa 10% angelegt. Die Kohlenstoffionen in dem Plasma werden zu dem Substrat 11 durch die an das Substrat 11 angelegte Vorspannung angezogen, wodurch der DLC-Film (Kohlenstofffilm) 14 auf dem Wolframfilm 13 gebildet wird.
Die Makroteilchen (Tröpfchen) der Kathoden-bildenden Substanz, die bei der Erzeugung der Plasma enthaltenden Kohlenstoffionen in der Verdampfungsquelle 4 hergestellt wurde, werden wie folgt entfernt, um die Makroteilchen daran zu hindern, die Kammer 20 durch das Magnetfilter 5 zu erreichen. Die Makroteilchen, die keine elektrische Ladung aufweisen, rücken im Wesentlichen gerade in einer anfangs genommenen Richtung beginnend von der Kathode 41 vor, da sich die Makroteilchen aufgrund des mit der Magnetspule 52 hergestellten Magnetfelds nicht krümmen.
Die meisten der Makroteilchen werden dazu gebracht, mit der Innenwand des gekrümmten Transportrohres 51 zusammenzustoßen, wobei sie folglich versagen, das Innere der Kammer 20 zu erreichen. Sogar wenn die Makroteilchen beginnen, sich in einer Richtung zu bewegen, bei der das Innere der Kammer 20 erreicht wird, würde das Substrat 11 nicht auf einer geraden Linie in der Anfangsrichtung existieren, was es für die Makroteilchen unmöglich macht, an dem Substrat 11 zu haften.
Wenn eine Mischschicht 12, ein Wolframfilm 13 und ein DLC-Film 14 durch das oben erwähnte Verfahren gebildet werden, werden die folgenden Vorteile erzielt.
Die Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der DLC-Film 14 können mit einer relativ höheren Abscheidungsrate durch Verwenden des durch die Bogenentladung verdampften Kathodenmaterials gebildet werden, als wenn sie durch ein Plasma-CVD-Verfahren, ein Sputter-Verfahren oder ein Laserabscheidungsverfahren gebildet werden, was zu höherer Produktivität führt. Die Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der DLC-Film 14 können auf dem Substrat 11, sogar wenn das Substrat in einer relativ komplizierten Form (z. B. einem Substrat in einer kubischen Form) ist, gemäß der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung AP1 gebildet werden. Außerdem ist die Abscheidung mit relativer Einfachheit sogar über eine große Fläche durchführbar.
Die Mischschicht 12 wird gebildet, indem das Substrat einem Beschussverfahren ausgesetzt wird, sodass die Adhäsion der Mischschicht 12 an dem Substrat 11 erhöht wird. Da das Substrat 11 einem Beschussverfahren ausgesetzt wird, kann das Substrat 11 durch Sputtern gereinigt und erwärmt werden, wodurch die Adhäsion der Wolframschicht 13 (die später zu bilden ist) an der Mischschicht 12 erhöht wird.
Wenn der DLC-Film (Kohlenstofffilm) 14 durch das Vakuumbogenabscheidungsverfahren gebildet wird, wie oben beschrieben ist, weist der DLC-Film 14 eine höhere Härte und einen geringeren Wasserstoffgehalt auf, als wenn er durch ein Plasma-CVD-Verfahren, Sputter-Verfahren und Laserabscheidungsverfahren gebildet wird. Aufgrund des geringeren Gehalts von Wasserstoff kann der DLC-Film 14 eine niedrigere Reibungskennlinie sogar unter einer Hochtemperaturumgebung stabil aufweisen.
Da der DLC-Film 14 gebildet wird, während die gepulste Vorspannung an das Substrat 11 angelegt wird, kann der interne Stress in dem DLC-Film 14 verringert werden, und der DLC-Film 14 kann eine sehr glatte Oberfläche aufweisen.
Die Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der DLC-Film 14 werden alle mit der gleichen Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung AP1 gebildet. Daher kann der Transport des Substrats 11, die Evakuierung, etc. in einer kürzeren Zeit durchgeführt werden, als wenn eine oder zwei von ihnen durch andere Vorrichtungen gebildet werden. Dies bedeutet, dass die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm so effizient gebildet werden können, was zu einer erhöhten Produktivität führt.
Die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung AP1 umfasst die gleiche Verdampfungsquelle 3 zur Verwendung beim Bilden der Mischschicht 12 und des Wolframfilms 13 und die Verdampfungsquelle 4 zur Verwendung beim Bilden des DLC-Films 14, d. h. zwei Verdampfungsquellen, sodass die Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der DLC-Film 14 kontinuierlich ohne Austausch der Kathode in jeder der Verdampfungsquellen gebildet werden können. Dadurch können die Mischschicht 12, der Wolframfilm 13 und der DLC-Film 14 so effizient mit hoher Produktivität gebildet werden.
Da das Magnetfilter 5 für die Verdampfungsquelle 4 zur Verwendung beim Bilden des DLC-Films 14 bereitgestellt wird, können die Makroteilchen der die Kathode 41 bildenden Substanz am Anhaften an dem Substrat 11 (Wolframfilm 13) gehindert werden, wodurch der DLC-Film 14 am Absenken der Oberflächenglätte des DLC-Films 14 gehindert werden kann. Der DLC-Film 14 kann ferner am Ablösen und Rissbilden beginnen von einem Teil des DLC-Films 14 gehindert werden, an dem Makroteilchen gehaftet haben. Bei diesem Beispiel wird das Magnetfilter 5 nur für die Verdampfungsquelle 4 bereitgestellt, die die Kohlenstoffkathode aufweist, bei der es wahrscheinlich ist, dass sich Makroteilchen entwickeln, wobei es jedoch ebenfalls für die Verdampfungsquelle 3 bereitgestellt werden kann.
(4) Experimente an dem Material und der Dicke der darunterliegenden Kohlenstofffilmschicht
Prüflinge des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden hergestellt, um die Adhäsion des Kohlenstofffilms an dem Substrat unter Verwendung von Wolframfilmen verschiedener Dicken zu untersuchen, die als eine darunterliegende Schicht des Kohlenstofffilms dienen.
Die Prüflinge des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden wie folgt hergestellt. Eine Mischschicht, ein Wolframfilm und ein Kohlenstofffilm (DLC-Film) wurden durch das oben erwähnte Verfahren unter Verwendung der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung des in 2 gezeigten Typs gebildet. Das Substrat war eines, das aus Chrom-Molybdän-Stahl SCM415 hergestellt wurde. Jede der Schichten und Filme wurde in der Kammer unter einem Gasdruck-Zustand gebildet, der durch Einleiten von 100 sccm Argongas in die Kammer vorbereitet wurde, um einen Druck von 5 × 10^–3 Torr (ungefähr 5 × 10^–1 Pa) zu erreichen, und nachdem die Luft aus der Kammer 20 evakuiert wurde, einen Druck von 1 × 10^–5 Torr (ungefähr 1 × 10^–3 Pa) zu erreichen.
Eine Mischschicht wurde durch Versorgen der Wolframkathode in der Verdampfungsquelle mit einem Bogenstrom von 100 A (100 Ampere) und Anlegen einer Vorspannung aus Gleichstrom (–1000 V) an das Substrat gebildet, um das Substrat einem Beschussverfahren auszusetzen. Ein Wolframfilm wurde durch Versorgen der Wolframkathode in der Verdampfungsquelle mit einem Bogenstrom von 80 A (80 Ampere) und Anlegen einer Vorspannung aus Gleichstrom (–200 V) an das Substrat gemäß dem Vakuumbogenabscheidungsverfahren gebildet. Ein DLC-Film wurde durch Versorgen der Kohlenstoffkathode in der Verdampfungsquelle mit einem Bogenstrom von 80 A und Anlegen einer gepulsten Vorspannung von –5 kV an das Substrat gemäß dem Vakuumbogenabscheidungsverfahren gebildet. Die Impulsspannung wurde an das Substrat mit einer Frequenz von 10 kHz und einem Tastverhältnis von 5% angelegt.
Fünf Prüflinge des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden hergestellt. Die Prüflinge waren voneinander dadurch unterschiedlich, dass die Wolframfilme von einer Dicke von 5 nm, 10 nm, 50 nm, 100 nm bzw. 200 nm waren. Bei jedem dieser Prüflinge hatte die Mischschicht eine Dicke von 10 nm und der DLC-Film eine Dicke von 500 nm. Die Dicke der Mischschicht betrug 10 nm, bei der gute Ergebnisse bei den später zu beschreibenden Experimenten erzielt wurden.
Die folgenden drei Typen von Vergleichs-Prüflingen des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden hergestellt, um die Adhäsion des Kohlenstofffilms (DLC-Films) an dem Substrat zu untersuchen. Alle diese Vergleichs-Prüflinge hatten Substrate aus dem gleichen Material (SCM415 Stahl) wie das Substrat für die Prüflinge mit dem Wolframfilm.
Bei den Vergleichs-Prüflingen des ersten Typs wurde ein Molybdän-Film (Mo-Film) anstatt des Wolframfilms als die darunterliegende Schicht des DLC-Films verwendet, und eine Mischschicht war eine, die der darunterliegenden Schicht (Molybdän-Film) entsprach. D. h., dass die Vergleichs-Prüflinge des ersten Typs einen Molybdän-Film (Mo-Film) und eine Molybdän enthaltende Mischschicht und ein Substrat-bildendes Element bzw. Elemente zwischen dem DLC-Film und dem Substrat hatten.
Die Vergleichs-Prüflinge des ersten Typs wurden auf die gleiche Art und Weise, wie es beim Erzeugen der Prüflinge mit dem Wolframfilm durchgeführt wurde, mit der Ausnahme hergestellt, dass Molybdän als ein Kathodenmaterial bei der Verdampfungsquelle verwendet wurde, die beim Bilden des Molybdänfilms und der Mischschicht verwendet wurde.
Genauer gesagt wurde die Mischschicht in jedem der Vergleichs-Prüflinge des ersten Typs gebildet, indem das Substrat einem Beschussverfahren unter den gleichen Abscheidungsbedingungen wie beim Bilden der Mischschicht bei den Prüflingen mit dem Wolframfilm ausgesetzt wurde. Der Molybdänfilm bei jedem der Vergleichs-Prüflinge des ersten Typs wurde durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter den gleichen Abscheidungsbedingungen gebildet, wie beim Bilden des Wolframfilms in den Prüflingen mit dem Wolframfilm. Der DLC-Film bei jedem der Vergleichs-Prüflinge des ersten Typs wurde durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter den gleichen Abscheidungsbedingungen wie beim Bilden des DLC-Films in den Prüflingen mit dem Wolframfilm gebildet.
Vier Vergleichs-Prüflinge des ersten Typs wurden auf eine solche Art und Weise gebildet, dass die Dicke von Molybdänfilmen 5 nm, 10 nm, 50 nm bzw. 100 nm betrug. In jedem der Vergleichs-Prüflinge des ersten Typs hatte die Mischschicht eine Dicke von 10 nm und der DLC-Film eine Dicke von 500 nm.
Bei den Vergleichs-Prüflingen des zweiten Typs wurde ein Chromfilm (Cr-Film) anstatt des Wolframfilms als die darunterliegende Schicht des DLC-Films verwendet, und eine Mischschicht war eine, die der darunterliegenden Schicht (Chromfilm) entspricht. D. h., die Vergleichs-Prüflinge vom zweiten Typ hatten einen Chromfilm und eine Chrom enthaltende Mischschicht und ein Substrat-bildendes Element bzw. Elemente zwischen dem DLC-Film und dem Substrat.
Die Vergleichs-Prüflinge vom zweiten Typ wurden auf die gleiche Art und Weise, wie es beim Erzeugen der Prüflinge mit dem Wolframfilm durchgeführt wurde, mit der Ausnahme hergestellt, dass Chrom als ein Kathodenmaterial bei der Verdampfungsquelle verwendet wurde, die beim Bilden des Chromfilms und der Mischschicht verwendet wurde. Genauer gesagt wurde die Mischschicht bei jedem der Vergleichs-Prüflinge vom zweiten Typ gebildet, indem das Substrat einem Beschussverfahren unter den gleichen Abscheidungsbedingungen wie beim Bilden der Mischschicht in den Prüflingen mit dem Wolframfilm ausgesetzt wurde.
Der Chromfilm bei jedem der Vergleichs-Prüflinge vom zweiten Typ wurde durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter den gleichen Abscheidungsbedingungen wie beim Bilden des Wolframfilms bei den Prüflingen mit dem Wolframfilm gebildet.
Der DLC-Film bei jedem der Vergleichs-Prüflinge vom zweiten Typ wurde durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter den gleichen Abscheidungsbedingungen wie beim Bilden des DLC-Films bei den Prüflingen mit dem Wolframfilm gebildet.
Fünf Vergleichs-Prüflinge vom zweiten Typ wurden auf eine solche Art und Weise hergestellt, dass die Dicke der Chromfilme 5 nm, 10 nm, 50 nm, 100 nm bzw. 200 nm betrug. Bei jedem der Vergleichs-Prüflinge vom zweiten Typ hatte die Mischschicht eine Dicke von 10 nm und der DLC-Film eine Dicke von 500 nm.
Bei dem Vergleichs-Prüfling vom dritten Typ wurde ein DLC-Film direkt auf dem Substrat gebildet. Der DLC-Film des Vergleichs-Prüflings vom dritten Typ wurde durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter den gleichen Abscheidungsbedingungen wie beim Bilden des DLC-Films bei den Prüflingen mit dem Wolframfilm gebildet. Der DLC-Film bei dem Vergleichs-Prüfling vom dritten Typ hatte eine Dicke von 500 nm.
Die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat bei jedem der Prüflinge wurde durch eine Rockwell-Härteprüfmaschine wie folgt ausgewertet. Der DLC-Film über dem Substrat wurde unter einer Last von 150 kg durch einen Eindringkörper (Eindringkörper mit konischem Diamanten) gedrückt, der bei einer C-Skala-Rockwell-Härteprüfung zu verwenden ist, wodurch die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat hinsichtlich einer abgelösten DLC-Filmfläche um die durch die Depression gebildeten Eindruck ausgewertet wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass je kleiner die abgelöste Filmfläche ist, desto höher die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat ist.
Die Ergebnisse werden in 3 gezeigt. Es ist aus 3 offensichtlich, dass, wenn ein Wolframfilm und eine Wolfram enthaltende Mischschicht zwischen dem DLC-Film und dem Substrat gebildet werden, die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat höher ist, als wenn der DLC-Film direkt auf dem Substrat gebildet wird. Es ist ebenfalls offensichtlich, dass, wenn die darunterliegende Schicht des DLC-Films die gleiche Dicke aufweist, ein als die darunterliegende Schicht gebildeter Wolframfilm eine höhere Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat erreicht, als wenn ein Molybdän oder ein Chromfilm als die darunterliegende Schicht verwendet wird.
Es ist ferner ersichtlich, dass ein Wolframfilm, wenn er zu dick oder zu dünn ist, die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat verringert. Die Dicke des Wolframfilms beträgt vorzugsweise etwa 5 nm oder mehr, bevorzugt etwa 10 nm oder mehr. Die Dicke des Wolframfilms beträgt vorzugsweise etwa 170 nm oder weniger, bevorzugt etwa 150 nm oder weniger und am bevorzugtesten etwa 100 nm oder weniger.
(5) Experimente an der Dicke der Mischschicht
Prüflinge des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden hergestellt, um die Adhäsion des Kohlenstofffilms (DLC-Films) an dem Substrat unter Verwendung von Mischschichten unterschiedlicher Dicke zu untersuchen.
Sechs Prüflinge des mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands wurden hergestellt. Diese Prüflinge sind voneinander dadurch unterschiedlich, dass die aus Wolfram und einem Element bzw. Elementen gebildete Mischschichten, die das Substrat bilden, Dicken von 2 nm, 5 nm, 10 nm, 50 nm, 100 nm bzw. 200 nm aufwiesen. Die Mischschicht, der Wolframfilm und der DLC-Film bei diesen Prüflingen wurden durch das gleiche Verfahren und unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben gebildet. Das Substrat bei jedem Prüfling wurde aus Chrom-Molybdän-Stahl SCM 415 hergestellt. Bei jedem der Prüflinge hatte der Wolframfilm eine Dicke von 50 nm und der DLC-Film eine Dicke von 500 nm. Wenn der Wolframfilm eine Dicke von 50 nm aufweist, zeigt der DLC-Film eine ausgezeichnete Adhäsion an dem Substrat, wie aus 3 offensichtlich ist.
Zum Vergleich wurde ein Prüfling ohne Mischschicht, d. h. mit einem Wolframfilm und einem DLC-Film hergestellt, die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat gebildet wurden, um die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat zu untersuchen. Der Wolframfilm und der DLC-Film bei diesem Vergleichsprüfling wurden durch das gleiche Verfahren und unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben gebildet. Der Wolframfilm hatte eine Dicke von 50 nm und der DLC-Film ein Dicke von 500 nm bei den Vergleichs-Prüflingen.
Die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat bei jedem der Prüflinge wurde hinsichtlich einer abgelösten DLC-Filmfläche um den mit einem Eindringkörper (Eindringkörper mit konischem Diamanten) gebildeten Eindruck auf die gleiche Art und Weise wie oben beschrieben ausgewertet. Bei dem Vergleichs-Prüfling ohne eine Mischschicht wurde der DLC-Film abgelöst, wohingegen sich keine der DLC-Schichten bei den Prüflingen mit der Mischschicht ungeachtet der Dicke der Mischschicht ablösten. Wie oben beschrieben wurde kein Unterschied in der Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat wegen der Dicke der Mischschicht gefunden, wenn sie durch das vorhergehende Auswertungsverfahren gemessen wurde. Die Adhäsion der DLC-Filme bei diesen Prüflingen wurde weiter ausgewertet, wie nachstehend beschrieben, um einen bevorzugten Bereich der Dicke der Mischschicht zu untersuchen.
Ein Pressling wurde mit dem DLC-Film auf dem Substrat unter einer Presskraft in einem Maschinenöl in Kontakt gebracht und mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 1042 UpM (Gleitgeschwindigkeit 1200 mm/s) durch einen Motor gedreht. Bei diesem Vorgang wurde herausgefunden, dass, während eine Last des Presslings gegen den DLC-Film (eine Last auf den Pressling beim Pressen des Presslings gegen den DLC-Film) allmählich erhöht wurde, eine Last (kgf/mm²) beteiligt war, wenn ein Drehmoment des Motors, das erforderlich war, um den Pressling mit der vorhergehenden Umdrehungsgeschwindigkeit zu drehen, 20 [N] oder mehr erreichte. Wenn sich der DLC-Film durch Erhöhen der Last ablöste, wurde ein größeres Drehmoment des Motors beim Drehen des Presslings benötigt. D. h., dass, sogar wenn eine schwere Last auferlegt wurde, das Drehmoment des Motors beim Drehen des Presslings klein war, wenn ein hoch verschiebbarer DLC-Film fest an dem Substrat haftete und sich nicht von dem Substrat trennte. Folglich zeigt dies, dass je schwerer die gemessene Last ist, desto höher die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat ist. Der verwendete Pressling war in der Form, wie es gemäß JIS-K7218A beschrieben ist, d. h. zylindrisch, und wurde aus Kohlenstoffstahl zur Maschinenstruktur-Verwendung hergestellt (S50C).
Die Ergebnisse werden in 4 gezeigt. 4 zeigt, dass, wenn die Wolfram enthaltende Mischschicht und ein Substrat-bildendes Element bzw. Elemente zu dick oder zu dünn sind, die Adhäsion des DLC-Films an dem Substrat verringert wird. Es ist ebenfalls aus 4 offensichtlich, dass die Dicke der Mischschicht vorzugsweise 1 nm oder mehr, bevorzugt etwa 2 nm oder mehr beträgt. Es ist ferner offensichtlich, dass die Dicke der Mischschicht vorzugsweise etwa 200 nm oder weniger, bevorzugt etwa 100 nm oder weniger, bevorzugt insbesondere etwa 50 nm oder weniger und am bevorzugtesten etwa 10 nm oder weniger beträgt.
Wie oben dargelegt ist, liefert die Erfindung ein mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstand, bei dem ein Kohlenstofffilm gebildet wird und die Adhäsion des Kohlenstofffilms an dem Substrat hoch ist, und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Gemäß dem Herstellungsverfahren der Erfindung können der Kohlenstofffilm und andere effizient gebildet werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben und dargestellt wurde, ist es klar ersichtlich, dass dies nur mittels Darstellung und Beispiel ist und nicht als Einschränkung zu nehmen ist, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nur durch die Bedingungen der beigefügten Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand, umfassend ein Substrat; eine Mischschicht, die auf mindestens einem Teil des Substrats gebildet ist und aus einem Element oder Elementen, die das Substrat bilden, und Wolfram zusammengesetzt ist; einen Wolframfilm, der auf der Mischschicht gebildet ist; und einen Kohlenstofffilm, der auf dem Wolframfilm gebildet ist.
Mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Mischschicht eine Dicke von 200 nm oder weniger aufweist.
Mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Wolframfilm eine Dicke von 170 nm oder weniger aufweist.
Mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Kohlenstofffilm eine Dicke von 500 nm bis 10 μm aufweist.
Mit einem Kohlenstofffilm beschichteter Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem Material ist, das Eisen als Hauptkomponente aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines mit einem Kohlenstofffilm beschichteten Gegenstands, umfassend ein Substrat, eine Mischschicht, die auf mindestens einem Teil des Substrats gebildet ist und aus einem Element oder Elementen, die das Substrat bilden, und Wolfram zusammengesetzt ist, einen Wolframfilm, der auf der Mischschicht gebildet ist, und einen Kohlenstofffilm, der auf dem Wolframfilm gebildet ist, wobei das Verfahren die Schritte: Bilden der Mischschicht auf mindestens einem Teil des Substrats, wobei die Mischschicht aus dem oder den Elementen, die das Substrat bilden, und Wolfram zusammengesetzt ist, Bilden des Wolframfilms auf der Mischschicht und Bilden des Kohlenstofffilms auf dem Wolframfilm umfasst, wobei mindestens eine bzw. einer der Mischschicht, des Wolframfilms und des Kohlenstofffilms unter Verwendung eines Kathodenmaterials, das durch Bogenentladung in einer Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung mit einer Vakuumbogen-Verdampfungsquelle einschließlich der Kathode verdampft wird, gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Kohlenstofffilm durch ein Vakuumbogenabscheidungsverfahren unter Verwendung von Kohlenstoff als Kathodenmaterial in der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet wird, während an das Substrat eine gepulste Vorspannung angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Mischschicht unter Verwendung von Wolfram als Kathodenmaterial in der Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet wird, während an das Substrat eine Vorspannung angelegt wird, um das Substrat einem Beschussverfahren auszusetzen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Mischschicht, der Wolframfilm und der Kohlenstofffilm alle in der gleichen Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Vakuumbogen-Verdampfungsvorrichtung mindestens zwei Vakuumbogen-Verdampfungsquellen aufweist, einschließlich einer ersten Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Kathode, die Wolfram als Hauptkomponente einschließt, und einer zweiten Vakuumbogen-Verdampfungsquelle mit einer Kathode, die Kohlenstoff als Hauptkomponente einschließt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Vakuumbogenabscheidungsvorrichtung vom Magnetfilter-Typ ist, der ein Magnetfilter für mindestens eine Vakuumbogen-Verdampfungsquelle aufweist, um das Haften von Makroteilchen des Kathodenmaterials an dem Substrat zu unterdrücken.