JPH04344211A - ダイヤモンド様保護膜を有する金型とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンド様薄膜で
保護した金型とその製造方法に関し、安価な鋼鉄を使用
した高性能金型とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、ガラスやプラスチックの射出成形、
押出成形、圧縮成形等の金型は、超硬質材料から製造さ
れている。しかしこのような材料は高価であり、手配及
び製造に時間と費用が掛かる。また靭性に欠けるため割
れ易い欠点がある。超硬質材料の脆さと耐摩耗性を補う
ために金型の成形表面のうち摩擦面又は摺動面をダイヤ
モンド様薄膜被覆して保護膜を作ることが特願昭６３−
６０２８５号、及び特願昭６３−１７０８４９号等によ
り提案されているが、ダイヤモンド様薄膜は金型基体表
面への結合力が弱く、微結晶の集まりであるため表面粗
度が大きいことも原因となって、外力の作用で金型基体
の成形面から剥離し易い問題があった。そのため保護被
覆として耐食性、耐摩耗性等が必要な用途において充分
に効果を発揮出来ない。

【０００３】一方焼入れ鋼は安価に入手出来、加工にも
手間と費用が余りかからないが、金型基体の成形表面が
摩耗し易く寿命が短い欠点がある。この欠点を改良する
には上記特願昭６３−６０２８５号、及び特願昭６３−
１７０８４９号に示されているような気相法によりダイ
ヤモンド用薄膜を行なうと良いが、同じ理由から結合力
が不十分である。他の方法によるダイヤモンド様薄膜製
造方法には各種の形式がある（例えば「表面化学」第５
巻第１０８号（１９８４年）第１０８−１１５頁の各種
の方法参照）が、一般に、６００℃以上の高温度の基質
温度が必要であり、焼入れ鋼の焼鈍が生じて金型の硬度
を損なう問題がある。

【０００４】

【発明が解決すべき課題】本発明は安価な焼入れ鋼を使
用して、耐摩耗性の高い成形金型を製造することを目的
とする。しかしこの焼入れ鋼は耐熱性が低く、又ダイヤ
モンド用薄膜に対する接着性に乏しいので工業的に耐摩
耗性のダイヤモンド成形金型を構成することが出来なか
った。特願平１−２１４９１３号には金属やセラミック
等の保護のためにＡｒイオン等による基板ボンバードと
それに続くイオン化蒸着法によるダイヤモンド成膜を使
用する技術が記載されているが、焼入れ鋼による金型の
製造への応用は開示していない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、（ａ）真空室
内に焼入れ鋼より製作された金型基体の成形面を配置し
、Ａｒ等の不活性ガスを前記真空室内に導入し、これを
熱陰極フィラメントとその周りに設けられた陽極とより
なるイオン化手段により電離してイオンの流れを形成し
、これを前記成形面にボンバードし、（ｂ）ついで低分
子量炭化水素又は分解又は反応により低分子量炭化水素
を生成し得る原料ガスをイオン化させてイオンを生成し
、これらのイオンを加速して前記成形面上に５２０℃以
下の温度で付着させることによりダイヤモンド様保護膜
を形成することを特徴とする金型の製造方法及び金型を
特徴とする。本発明は又、（ａ）真空室内に金型基体の
成形面を配置し、Ａｒ等のボンバード用ガスを前記真空
室内に導入し、これを熱陰極フィラメントとその周りに
設けられた陽極とよりなるイオン化手段により電離して
イオンの流れを形成し、これを前記陽極よりも低電位に
あるＭｏグリッドに衝突させて金型基体の成形面の表面
をＭｏ膜で被覆し、ついで、（ｂ）真空室内に低分子量
炭化水素、又は分解又は反応により低分子量炭化水素を
生成し得る原料ガスを導入し、前記イオン化手段により
電離して炭化水素イオンの流れを形成し、これを前記Ｍ
ｏグリッドにより加速して金型基体の成形面上で５２０
℃以下の温度で成膜反応させることを特徴とする、ダイ
ヤモンド様保護膜を有する金型の製造方法とこうして得
られた金型を提供する。

【０００６】なお、基質とダイヤモンド用膜の接着性を
向上させるために、中間層を介在させることが特開昭６
４−６２４６８号により提案されており、中間層として
はシリコン、アルミニウム、タングステン、コバルト、
ニッケル等の金属層、炭化珪素、炭化タングステン等の
金属炭化物層、窒化珪素、窒化タングステン、窒化チタ
ン等の金属窒化物層、シリカ、アルミナ、ジルコニア等
の金属酸化物層などが使用されている。しかし、これら
の中間層は蒸着、ＣＶＤ法により成膜されるもので工程
が複雑となりダイヤモンド成膜装置とは別の装置を要す
る問題があり、又中間層の特性も充分でない。基板は一
度空気中に取り出すとオージェ分析からもわかる様に明
らかに表面に汚染物が付着する。かかる汚染の防止には
基板を空気に触れさせないで移動させるための高価なロ
ートロック方式の装置を使用することが必要である。

【０００７】本発明によると、安価な焼入れ鋼よりなる
金型基体の成形表面へのダイヤモンド用膜の成膜が、Ａ
ｒ等のガスによるボンバード（衝撃）効果により、また
は、より好ましくはＭｏ中間層により、ダイヤモンド用
膜の金型基体の成形表面への強固な接着と、ダイヤモン
ド様保護膜の金型基体の成形面への強固な接着が達成出
来る。イオン化蒸着法は動作中に基質温度を５２０℃よ
りも高くすることはないので、焼入れ鋼の焼鈍温度に応
じて低く設定することが出来るので焼入れ鋼製の金型を
使用しても焼鈍による硬度低下の問題は生じない。

【０００８】イオン化蒸着法は炭化水素原料ガス又は分
解又は反応により炭化水素を生成し得る原料ガス（ここ
に炭化水素とはメタン、エタン、プロパン等の飽和炭化
水素、エチレン、プロピレン、アセチレン等の不飽和炭
化水素等があり、分解して炭化水素を生成し得る原料ガ
スはメチルアルコール、エチルアルコール等のアルコー
ル類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類など
があり、又反応して炭化水素ガスを生成する原料ガスに
は一酸化炭素、二酸化炭素と水素との混合ガス等がある
。また前記原料にはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希
ガスあるいは水素、酸素、窒素、水、一酸化炭素、二酸
化炭素、等の少なくとも一種を含ませることができる）
を熱陰極フィラメント−陽極間のアーク放電、陰極熱フ
ィラメント−陽極間の熱電子放出によるイオン化等の手
段でイオン化してイオン流とし、この流れを電場で加速
して金型基体の成形面に差し向けることによりダイヤモ
ンド様薄膜を成膜する方法であり、特願平１−２１４９
１３号に記載されている通り、イオン化蒸着法は金型基
体の成形面温度として従来のような７００℃以上の高温
度を用いる必要がなく（例えば「表面化学」第５巻第１
０８号（１９８４年）第１０８−１１５頁の各種の方法
参照）、成膜効率も良く、成膜されたダイヤモンド様膜
が良好な表面性、高硬度、高熱伝導性、高屈折率を有し
、仕上表面処理が不要である等、優れた方法である。

【０００９】成膜装置 第１図にボンバード用ガスによるボンバード又はＭｏ中
間層の形成、及びダイヤモンド様膜の成膜装置の好まし
い例を示す。図中３０は真空容器、３１はチャンバーで
あり、排気系３８に接続されて１０−６Ｔｏｒｒ程度ま
での高真空に引かれる。３２は金型基体の成形面Ｓの裏
面に設けられ負電位Ｖａに保たれた電極である（金型基
体の成形面が金属である場合にはそれ自体を電極として
良い）。金型基体の成形面Ｓの表面に近接又は接触して
ダイヤモンド様薄膜の形状を規制する窓を有するマスク
４２が設けられる。このマスクは金型基体の成形面に接
していても良いが膜の周部の厚みを薄くして割れ（クラ
ック）を減じるためにはなるべくは離間させる。３３は
金型基体の成形面と同一の負電位Ｖａを与えられたＭｏ
製のグリッドで成膜工程で炭化水素イオンの加速を行な
うのに使用される。このグリッド３３は膜の連続性を高
め且つ表面を平滑にするため適正に定めた空間率（単位
面積あたりの穴の面積）と穴密度（単位長さあたりの穴
の数）のグリッドを使用し、或いはその面内方向に振動
するための手段を有していても良い。３４は負電位Ｖｄ
に維持された熱陰極フィラメントであり、交流電源から
の電流Ｉｆによって加熱されて熱電子を発生する。３５
は原料である炭化水素ガスの供給口、及びアルゴン等の
ボンバードガスの供給口である。フィラメント３４を取
囲んで陽極３６が配置されている。この陽極はこの場合
接地されているが、フィラメントに対しては正の電圧と
なり、電極３２及びグリッド３３に対しては正の電位を
与えられている。フィラメント３４、陽極３６及び供給
口３５の周りを取り囲んでイオン化ガスの閉じ込め用の
磁界を発生するために電源Ｖｃからの電流Ｉｃで励磁さ
れる電磁コイル３９が配置されている。従って、Ｉｆ、
Ｖｄ、Ｖａ、コイルの電流Ｉｃ、イオン電流Ｉａを調整
することによりＭｏ中間層とダイヤモンド様保護膜の調
整が出来る。

【００１０】第３図は第１図のＡ−Ａ線から見た平面斜
視図であり、膜の形が長方形の場合には例えば図示のよ
うな複数フィラメントの配列体を用いるとか、コイル状
に巻いたものを用いる。又広い面積の成膜を行なうには
金型基体の成形面を長尺ものとして構成し、それを低速
で送るとか、イオンビームを走査させるとかの方法が可
能である。なお第１図においては、炭化水素ガスの原料
導入通路３７にプラズマ励起室３７’が設けられており
、これによりイオン化装置の効率を高めている。プラズ
マ励起は例えばマイクロ波、高周波（ＲＦ波）、放射線
、紫外線などが利用できる。

【００１１】また、第２図に示したように第１図の構成
の一部を変更して固定又は可変強度の磁石４０をフィラ
メント３４の上部に配置してプラズマ状のイオンビーム
の偏向用に用いても良い。磁石４０の磁界強度は固定又
は可変にし、磁石の磁界はイオン流の走行方向にたいし
て交差する方向にする。このようにしてＣＨ３＋、ＣＨ
４　＋　イオン等の所望するイオンに対して偏向角度θ
を得る。固定の場合一方、質量がこれらのイオンと大き
く異なるイオン例えば水素イオンはさらに大きく曲げら
れ、また中性粒子や重質の多量体イオンは直進する。従
って、直進方向にマスクを配置すれば結晶性の高いイオ
ンのみが金型基体の成形面Ｓに付着する。

【００１２】ボンバード又はＭｏの成膜焼き入れ鋼制金
型基体の成形面にＭｏ中間層を形成するには、真空室を
１０−６Ｔｏｒｒ程度に排気した後、供給口３５からア
ルゴン、窒素、水素、ヘリウム、ネオン、等から選んだ
ボンバードガスを０．１Ｔｏｒｒ程度に導入し、フィラ
メント３４により電離し、得られたアルゴンイオンをＭ
ｏグリッド３３により加速する。アルゴンイオンは金型
基体の成形面Ｓの表面を衝撃して清浄化して接着性を改
善し、同時にＭｏをグリッドからたたき出して金型基体
の成形面に被着させる。各部に印加される電圧、或いは
電流、ボンバードガスの分子量（混合ガスでは平均分子
量）、処理時間などが必要な制御因子となる。

【００１３】ボンバード用ガスのエネルギーは、分子量
、ボンバードの処理時間、及びイオン電流Ｉａ　とした
とき、分子量×Ｉａ　（ｍＡ）×時間（Ｈｒ）で表わさ
れ、２００＜分子量×Ｉａ　（ｍＡ）×時間（Ｈｒ）＜
８００にする。この値が小さ過ぎると、Ｍｏグリッドへ
のボンバードエネルギーが不十分となり、Ｍｏ膜の成膜
が充分に出来ない。又この値が大き過ぎると装置の他の
構成部分がエッチングされてしまい、膜中に不純物が混
入することによって密着性が低下する。より好ましいボ
ンバードエネルギーの範囲は５００〜８００である。

【００１４】焼入れ鋼の表面を活性化するには、上記の
エネルギーを５０以上５００未満にする。グリッドとし
てはＭｏ、ＳＵＳ３０３、Ｗ等が使用出来る。Ｍｏの層
は結合力はエネルギーが大きい範囲まで可能であり、ボ
ンバードと中間層の形成は連続可変であり中間層はあっ
たほうが良い。

【００１５】ダイヤモンド様膜の成膜 次工程のダイヤモンド様保護膜の成膜工程では、チャン
バー３１内を１０−６Ｔｏｒｒまで高真空とし、ガス供
給通路３７のバルブを操作して所定流量のメタンガス、
それと水素との混合ガス、或いはそれとＡｒ、Ｈｅ、Ｎ
ｅ等のキャリアガス等を各供給口３５から導入しながら
排気系３８を調整して所定のガス圧例えば１０−１Ｔｏ
ｒｒとする。一方、複数の熱陰極フイラメント３４には
交流電流Ｉｆを流して加熱し、フイラメント３４と陽極
３６の間には電位差Ｖｄを印加して放電を形成する。供
給口３５から供給されたメタンガス等の炭化水素は熱分
解されるとともにフィラメントからの熱電子と衝突して
プラスのイオンと電子を生じる。この電子は別の熱分解
粒子と衝突する。電磁コイルの磁界による閉じ込め作用
の下に、このような現象を繰り返すことによりメタンガ
スは熱分解物質のプラスイオンと成る。

【００１６】プラスイオンは電極３２、グリッド３６に
印加された負電位Ｖａにより引き寄せられ、金型基体の
成形面Ｓの方へ向けて加速され、金型基体の成形面に衝
突して成膜反応を行ない、ダイヤモンド様薄膜を形成す
る。所望により、上に述べた固定磁石を利用して更に品
質の良い薄膜を得ることができる。形成する膜の厚さは
好ましくは０．５〜１００μｍ、より好ましくは１〜５
０μｍである。厚さが上記の範囲よりも薄いと耐摩耗性
等の効果が減じ又厚すぎても効果が増大せず製造時間が
長くなる。ダイヤモンド様薄膜の硬度は５０００ｋｇ／
ｍｍ２　以上、好ましくは６０００ｋｇ／ｍｍ２　以上
である。ダイヤモンド様薄膜とは従ってここでは５００
０ｋｇ／ｍｍ２　以上でイオン化蒸着法によって実現出
来る膜を指す。以下に本発明を例示する。

【００１７】実施例１ 第１図の装置を使用し、真空室１０内に焼入れしたはが
ね鋼ＳＫＳ２、ＳＫＤ１１製の金型基体の成形面Ｓを配
置し、その面から距離約６．０ｍｍのところにＭｏ、Ｗ
、及びＳＵＳ３０３製のグリッド３３を配置した。金型
基体の成形面Ｓから陽極までの距離は約４０ｍｍであっ
た。グリッド３３の穴密度は６０個／２５．４ｍｍ、空
間率は４１％であった。

【００１８】Ｍｏの成膜・・・真空室１０を１０−６Ｔ
ｏｒｒに排気してからＡｒガスを導入した。ガス圧を０
．１Ｔｏｒｒとして熱陰極フィラメント３４に放電を起
こさせた。電磁コイル１９の磁束密度は４００ガウス、
金型基体の成形面電圧及びグリッド電圧Ｖａ＝−１００
０Ｖ、金型基体の成形面温度２００℃とした。またフィ
ラメント３４には電流Ｉｆ＝２０Ａを流した。更にフィ
ラメント電圧Ｖｄ＝−１０Ｖ、及びＩａ可変とした。フ
ィラメント３４はコイル状としその幅３ｍｍ、その周り
を取り囲む電極３６との隙間８ｍｍとした。グリッド３
３は５ｍｍ／分の速度で振動させた。

【００１９】ダイヤモンド様保護膜の成膜・・・次ぎに
Ａｒの導入を止め、真空室１０を１０−６Ｔｏｒｒに排
気してからメタンガスを導入しガス圧を１０−１Ｔｏｒ
ｒとして熱陰極フィラメント３４に放電を起こさせた。 電磁コイル１９の磁束密度は４００ガウス、金型基体の
成形面電圧Ｖａ＝−３００Ｖ、金型基体の成形面温度２
００℃とした。またフィラメント１４には電流Ｉｆ＝２
５Ａを流した。フィラメント３４はコイル状としその幅
３ｍｍ、その周りを取り囲む電極３６との隙間８ｍｍと
した。グリッド３３は５ｍｍ／分の速度で振動させた。 フィラメント電圧Ｖｄ＝−３０Ｖ、Ｖｃ＝３０Ｖの条件
で、膜厚１．０μｍのダイヤモンド様膜を得た。

【００２０】得られた膜の顕微鏡観察による密着力とス
クラッチ力を測定した。その結果を表１に示す。ここに
密着力は１ｃｍ角の長さ１０ｃｍの角柱をダイヤモンド
様薄膜をエポキシ樹脂で接着し、引張試験機（テンシロ
ン・・・商品名）で引っ張って剥離し測定を行なった。 又スクラッチ力はＲｅｓｃａ社製のＣＳＲ試験機で測定
した。これらの結果は処理エネルギー（分子量×Ｉａ（
Ａ）×時間（Ｈｒ）を１００に設定したときを基準１．
０にして対比した。比較のためグリッドにＷ及び鋼鉄Ｓ
ＵＳ３０３の結果を併記する。

【００２１】

【表１】 　　表１から分かるように、Ａｒイオンの分子量×Ｉａ
×時間は約５００前後で良好な密着力及びスクラッチ力
を生じることが分る。広くはこの値は５００より大きく
８００よりも小さい。一方Ｗは通常のグリッド材である
ＳＵＳ３０３よりも良好な結果を与えるがＭｏを使用す
る場合よりも劣る。

【００２２】実施例２ グリッドとしてＭｏを使用し、金型基体としてＳＫＳ２
、ＳＫＤ１１の他に超硬質鋼を使用し、且つ表２の各種
処理エネルギーを使用した他は実施例１に従った。結果
を表２に示した。なお削れ面積はジス規格の表面荒さＲ
ａを研磨の前後で測定し、それらの差に走査長を掛けた
値である。スクラッチ力はＳＫＤ１１に処理エネルギー
２００、膜厚０．１μの試料を１．０とした相対値であ
る。

【００２３】

【表２】

【００２４】表２から分かるように、Ｍｏグリッドを使
用するとＡｒイオンの分子量×Ｉａ×時間は約２００〜
６５０で良好な密着力及びスクラッチ力を生じることが
分る。焼入れした鋼ＳＫＤ１１及び超硬質鋼は硬度が低
い。

【００２５】

【発明の作用効果】本発明は保護すべき焼入れ鋼金型基
体の成形面を、イオン化蒸着法を実施するための装置を
使用して、電界付与グリッドによりアルゴン（Ａｒ）等
をイオン化し加速した高エネルギーボンバードガスで衝
撃することにより、金型基体の成形面を活性化し、ある
いはグリッドとしてＭｏを使用して金型基体の成形面に
Ｍｏを成膜し、その上にダイヤモンド様薄膜を形成する
ことにより金型基体の成形面との結合性の高いダイヤモ
ンド様保護膜薄膜を有する金型基体を製造することが出
来た。本発明の金型はその基体として特性の劣る焼入れ
鋼を利用しながら高性能で安価な金型である。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の方法を実施する成膜装置の一例を
示す断面図である。

【図２】　　本発明の方法を実施する製膜装置の他の例
を示す断面図である。

【図３】　　本発明の製膜装置のフィラメント部分の構
造を示す平面斜視図である。

【符号の説明】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　焼入れ鋼より製作された金型基体の成
   形面に、Ｍｏ膜とダイヤモンド様薄膜とをこの順に形成
   した金型。
2. 【請求項２】　　（ａ）真空室内に金型基体の成形面を
   配置し、Ａｒ等のボンバード用ガスを前記真空室内に導
   入し、これを熱陰極フィラメントとその周りに設けられ
   た陽極とよりなるイオン化手段により電離してイオンの
   流れを形成し、これを前記陽極よりも低電位にあるＭｏ
   グリッドに衝突させて金型基体の成形面の表面をＭｏ膜
   で被覆し、ついで、（ｂ）真空室内に低分子量炭化水素
   、又は分解又は反応により低分子量炭化水素を生成し得
   る原料ガスを導入し、前記イオン化手段により電離して
   炭化水素イオンの流れを形成し、これを前記Ｍｏグリッ
   ドにより加速して金型基体の成形面上で成膜反応させる
   ことを特徴とする、ダイヤモンド様保護膜を有する金型
   の製造方法。
3. 【請求項３】　　（ａ）の工程において、ボンバード用
   ガスの分子量、ボンバード処理時間、及びイオン電流Ｉ
   ａ　が条件式 ２００＜分子量×Ｉａ　（ｍＡ）×時間（Ｈｒ）＜８０
   ０を満足することを特徴とする請求項２に記載のダイヤ
   モンド様保護膜を有する金型の製造方法。