JP2001316819A - 非晶質硬質炭素膜及びその製造方法 - Google Patents
非晶質硬質炭素膜及びその製造方法Info
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Abstract
質炭素膜及びその製造方法を提供することにある。 【解決手段】 炭素と水素を主成分とする非晶質炭素膜
であって、膜中に金属酸化物を含有したことを特徴とす
る。この金属酸化物はSi,Ti,B及びWからなる群
から選ばれた少なくとも1種以上の元素の酸化物を含む
ものである。
Description
目的とした保護膜として摺動部品などに適用する硬質炭
素膜及びその製造方法に関する。さらに本発明は、摺動
部品を非晶質硬質炭素膜でコーティングした機械部品に
関する。
面処理方法としてめっき、窒化やPVD法、CVD法な
どによるTiC、TiN等の金属炭化物、金属窒化物等
の硬質薄膜を工具、金型などの金属材料表面にコーティ
ングして耐摩耗性、耐焼き付き性を向上させる方法があ
る。しかしながら、これらのコーティング層はHv20
00〜3000と高硬度ではあるが、摩擦係数が0.2
〜0.8程度と比較的大きいため、相手材との摩擦にお
いて摺動抵抗が増加し、コーティング層の摩耗、相手材
の損傷といった問題を生じる。プラズマやイオンビーム
を用いたCVD法などにより形成される非晶質硬質炭素
膜は、高硬度(Hv約2000〜6000)であること
から、耐摩耗性の良い硬質コーティング材として注目さ
れている。非晶質硬質炭素膜は、アモルファスカーボン
膜、ダイヤモンドライクカーボン膜、i−カーボン膜、
水素化アモルファスカーボン膜(a−C:H)等とも呼
ばれ、非晶質(アモルファス)状の炭素が主体の膜であ
る。このような非晶質硬質炭素膜は、摺動部材への適用
も検討されているが、膜自体の圧縮応力が大きいために
母材との密着性が悪く、厚くコーティングできないとい
う問題がある。密着性を改善する方法として基材との間
に中間層として金属、金属窒化物、金属炭化物の層を用
いることが提案されている。例えば特許公報平5−82
472では周期律表4a、5a、6a族金属の炭化物、
炭窒化物、炭酸化物、炭窒酸化物、炭硼化又はSiの炭
化物、炭窒化物などの用いる方法が開示されている。ま
た、特開平10−130865ではAl,Cr,Sn,
Co及びB,並びにこれらの酸化物、窒化物、及び炭化
物を主成分とした中間層が開示されている。しかしなが
ら、これらは密着性を向上させるために用いる中間層に
関するものであり、直接摺動に関与する表面層に関する
ものではない。Surface and Coatings Technology, 47,
710-721(1991)や特開平3−240957(特許297
1928号)では非晶質硬質炭素−水素−珪素薄膜で摺
動中に表面に形成された珪素酸化物(SiO2)による
気体の吸着などにより、低摩擦係数が実現できることが
開示されている。しかしながら、ここでいう珪素酸化物
は予めSiを含んだ水素化アモルファスカーボン皮膜が
相手材との摺動することにより、表面に形成されるもの
であり、最初から膜中に存在しているものではない。そ
のため摺動初期の段階で摩擦係数が高くなり、本来の低
摩擦係数となるまでに時間を要すると言う問題があっ
た。
解決すべくなされたもので、本発明の目的は高硬度、高
密着性かつ低摩擦係数の非晶質硬質炭素膜及びその製造
方法を提供することにある。
成分とする非晶質炭素膜であって、膜中に金属酸化物を
含有したことを特徴とする。この金属酸化物はSi,T
i,B及びWからなる群から選ばれた少なくとも1種以
上の元素の酸化物を含むものである。また炭素膜中の酸
素の含有量は約0.1〜10原子%が好適である。この
ような炭素と水素を主成分とし、金属酸化物を含有した
非晶質炭素膜は炭素原料、金属含有原料及び酸素原料
を、基材を設置した真空室内に導入することにより形成
することができる。また、本発明の非晶質硬質炭素膜は
高硬度で耐摩耗性に優れ、低摩擦係数であることから、
潤滑の困難な摺動部分を有する機械部品への適用が可能
である。
定なカーバイドを形成しやすい金属元素を添加すること
により、鉄系の基材との密着性を良好なものとすること
ができる。また成膜中のプラズマに酸素を添加したり、
予め金属元素と酸素を含んだ材料を用いることにより非
晶質硬質炭素膜中に金属酸化物が形成される。例えばS
iを添加した非晶質硬質炭素膜では酸化物としてSiO
2膜中に生成する。SiO2はそれ自体では摩擦係数は
1.0程度と大きいが雰囲気ガスの吸着によるコンタミ
ネーション潤滑現象により摩擦係数は0.25程度まで
減少することが知られている。このようにして最表面ば
かりでなく膜中にも微量の金属酸化物を含有させること
により摺動初期から安定した低摩擦係数の非晶質硬質炭
素膜とすることができる。
は、まず真空チャンバー内に基材を配設し、真空チャン
バー内を排気する。例えば5.25E−8Pa(7E−
6torr)以下まで排気する。次に、真空チャンバー
内を連続的に排気しながらArガスを導入して直流電力
または高周波電力を基材に印加してプラズマ放電を励起
させ基材表面をクリーニングする。Arガスを止めた
後、真空チャンバー内に炭素ガス、金属含有原料ガス及
び酸素ガスを、基材を設置した真空室内に導入して、プ
ラズマ放電を励起し、基材表面上に金属酸化物を含有す
る非晶質硬質炭素膜を形成する。炭素原料ガスとしては
メタン,アセチレンなどの炭化水素ガスを用いることが
できる。また金属含有原料ガスとしてはテトラメチルシ
ラン(Si(CH3)4)、テトラエチルシラン(Si
(C2H5)4)、テトラメトキシシラン(Si(OC
H3)4)、テトラエトキシシラン(Si(OC
2H5)4)やトリエトキシボロン(B(OC2H5)3)、
テトラ−i−プロポキチタン(Ti(OCH(C
H3)2)4)、六フッ化タングステン(WF6)などを
用いることができる。真空チャンバー内の圧力は7.5
E−6〜7.5E−5Pa(1〜10mmtorr)が好適で
ある。
ズマCVD法により基材表面に非晶質硬質炭素膜を成膜
し、評価試験を行った。本発明の成膜処理を行ったRF
プラズマCVD装置の概略を図1に示した。真空チャン
バー1を排気口6に接続された真空ポンプ(図示せず)
により5.2E−8Pa以下まで排気する。次にガス導
入口5よりArガスを導入し、真空チャンバー内の圧力
を7.5E−5Paに調整する。そして下部電極2と上
部電極3間にRF電源4より300Wの高周波電力加え
下部電極2と上部電極3との間にプラズマを発生させ
る。被処理材10は下部電極2上に置いておく。Arプ
ラズマで所定時間クリーニング処理を行った後、高周波
電源をオフしてプラズマ放電を停止させ、Arガスの供
給を停止する。次にガス導入口5よりアセチレン、テト
ラメチルシラン、酸素を真空チャンバー内に導入し、各
々のガスの分圧比がC2H2:TMS:O2=8.5:
1:0.5で全圧が5.25E−5Paとなる用に調整
する。ガス圧が安定するのを待ってRF電源4から下部
電極2に100Wの高周波電力を印加し、プラズマを発
生させ60分程度成膜を行う。こうすることにより比処
理材10に約1μていどの黒色の被膜が形成される。形
成された黒色皮膜についてレーザーラマン分光測定を行
った結果、典型的な非晶質のダイヤモンドライクカーボ
ンであることが確認された。さらに膜内部のXPS分析
を行った。図2は全元素を対象としたXPS]による膜
内部の分析結果を示したものである。結合エネルギー2
84eV付近にCls、100eV付近にSi2p、1
50eV付近にSi2sのヒ゜ークが検出された。また図3は
530eV付近で酸素の結合状態を測定したものである
が、酸素のピーク位置が532eV付近であることか
ら、SiO2が形成されていることが確認された。また
表1はXPS分析による組成分析の結果を示したもので
ある。これによると水素を除く組成で炭素含有量が9
6.4at%でシリコンが2.55%、酸素が1.01
%という結果が得られた。これらのことから成膜中に添
加した酸素により膜中にSiO2が微量形成されている
ことが確認された。
評価はボールオンディスク試験により行った。直系6m
mのSUJ2ボールを相手材として、荷重10N、摺動
速度10mm/secで約20mの距離を摺動させた。この
結果を表2に示した。 比較例 実施例との比較を容易にするため、テトラメチルシラン
および酸素を添加せずにアセチレンだけで成膜を行っ
た。成膜の手順、圧力などは実施例1と同様にして行っ
た。膜厚、摩擦特性の測定結果を表2に示した。
ン(TEOS、(Si(OC2H5)4))を使用して成
膜を行った。この場合には各々のガスの分圧比がC
2H2:TMS:TEOS=8:1:1で全圧が5.25
E−5Paとなるように調整した。XPS分析の結果は
実施例1と同様に膜中にSiO2が形成されていること
がわかった。実施例2による被膜の摩擦特性の評価結果
を表2に示した。
ような金属酸化物が無い場合には高い摩擦係数を示す。
一方実施例1および2で示されたように、膜中にSiO
2のような金属酸化物が存在する場合には摩擦係数は
0.05と低い値を示す。
質炭素膜では成膜中に微量の酸を添加したり、含酸素化
合物を少量添加することにより容易に膜中に金属酸化物
を形成することができ、これにより摩擦係数が約1/4
に低減される。また摺動初期の摩擦係数の増加もなく安
定な摩擦特性が得られるという効果もある。
の概略図
XPS分析結果
結果
Claims (5)
- 【請求項1】 炭素と水素を主成分とする非晶質炭素膜
であって、膜中に金属酸化物を含有したことを特徴とす
る非晶質硬質炭素膜。 - 【請求項2】 前記金属酸化物がSi,Ti,B及びW
からなる群より選ばれた少なくとも1種以上の元素の酸
化物を含む請求項1記載の非晶質硬質炭素膜。 - 【請求項3】 炭素膜中の酸素の含有量が約0.1〜1
0原子%である請求項1〜2記載の非晶質硬質炭素膜。 - 【請求項4】 炭素原料、金属含有原料及び酸素原料
を、基材を設置した真空室内に導入して、前記基材上に
金属酸化物を含有する非晶質硬質炭素膜を形成する方
法。 - 【請求項5】 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が請求項1記載の非晶質硬質炭素
膜でコーティングされた機械部品。
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