JPH10237627A

JPH10237627A - 硬質炭素膜被覆部材

Info

Publication number: JPH10237627A
Application number: JP3924897A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Oda; 一彦織田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 1998-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】基材との密着性、膜同士の密着性、耐摩耗
性、耐久性等に優れた硬質炭素膜被覆部材を提供するこ
とを目的とする。【解決手段】硬質炭素膜が被覆された部材において、
少なくとも１種類以上の金属元素が添加された硬質炭素
膜と、少なくとも１種類以上の金属又は金属炭化物又は
金属窒化物又は金属炭窒化物とを繰り返し交互に積層し
て被覆層が形成され、繰り返しの周期が１ｎｍ〜３μｍ
であり、硬質炭素膜の総膜厚が全膜厚の２０％〜９８％
であること特徴とする硬質炭素膜被覆部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工具、金型などの
耐摩耗性部品、産業用・一般家庭用の機械部品・摺動部
品、電気・電子部品、赤外線光学部品等に用いられる硬
質炭素被膜に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】硬質炭素膜は、ダイヤモンド構造を一部
に有するアモルファス状の炭素膜あるいは水素化炭素膜
で、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ，ａ−Ｃ：Ｈ）、ｉ
−Ｃ（アイ・カーボン）、ダイヤモンド状炭素(Diamond
like carbon;DLC) などとも呼ばれている。硬質炭素膜
は、一般にヌープ硬度が１０００〜８０００と高硬度
で、多くの相手材料に対する無潤滑での摩擦係数が０．
１〜０．２と極めて低く、軟質金属の離型性が高い。化
学的にも安定で、多くの酸、アルカリに対して極めて高
い耐食性を有している。また、電気抵抗率は１０⁶〜１
０¹⁴Ω％ｃｍと高い絶縁性を有し、赤外線に対して高い
透過性を有するなど、ダイヤモンドに類似した特性を多
く有している。これらの優れた性質を活かして種々の分
野への応用が期待されており、特に、耐摩耗性部品、摺
動部品、電気・電子部品、赤外線光学部品及び成形型・
成形部品等へのコーティングに関し開発が進められてい
る。特に近年、ビデオ部品やビデオテープの潤滑性、耐
擦傷性を向上させるための保護コーティング、各種回転
軸、バルブ類の摩擦係数低減の潤滑性コーティング、ハ
ンダやＡｌなど軟質金属の溶着防止の離型性コーティン
グなどで実用化が著しい。

【０００３】硬質炭素膜の形成にはさまざまな手法があ
る。結晶質ダイヤモンド薄膜の合成に適用されているマ
イクロ波プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、
フィラメント法などの他に、各種プラズマ源を用いたプ
ラズマＣＶＤ法、炭素又は炭化水素イオンを用いるイオ
ンビーム蒸着法、固体炭素源からスパッタリングやアー
ク放電にて炭素を気化し基体上に成膜する手法等があ
る。対象基材や用途、処理数などによりこれらの手法は
使い分けられている。一方、硬質炭素膜のコーティング
構造は、基材の上に直接硬質炭素膜が形成されることが
多いが、一部で密着性を高めるためＳｉなどの中間層を
導入している例もある（特開平５−１４０７３０号公
報）。またさらに、特開平５−６５６２５号公報に示さ
れるように、硬質炭素膜とバッファ層を交互に積層する
ことで硬質炭素膜の応力をバッファ層により緩和させ厚
膜化を施すものや、特開平６−２１２４２９号公報に示
されるように、硬質炭素膜に不純物元素を含有させるこ
とで応力などの膜特性を改善するものなどが提案されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、硬質炭
素膜は非常に高い内部応力を有しており、その応力ゆえ
剥離が起きやすい、厚膜化が困難であるなどの問題を有
している。一般に硬質炭素膜の有する内部応力は１０Ｇ
Ｐａを超える。これは、ハードコーティングで一般的な
ＰＶＤ法によるＴｉＮに比べ半桁から一桁高い値であ
る。このため、硬質炭素膜はその膜厚が１．５μｍを超
えるものを得るのが極めて困難で、かつ適用可能な基材
材料も限られたものであった。こうした問題を解決する
ため、前述のように中間層を導入する手法が一部で適用
されている。しかし、中間層を用いる手法は、適用基材
材料の種類を拡げることには有効であるが、厚膜化は依
然困難であるのが現状である。

【０００５】一方、特開平５−６５６２５号公報に示さ
れる硬質炭素膜とバッファ層を交互に積層した被膜は、
厚膜化には有効な手法である。しかし、この構造の硬質
炭素被膜を被覆した部材は、その使用法によってはバッ
ファ層と硬質炭素膜との界面において剥離する例が見ら
れることもあり、基材材料との密着性の問題とは別に、
膜同士の界面の密着性という新たな課題を有することと
なった。さらに、特開平６−２１２４２９号公報にに示
される硬質炭素膜に不純物元素を含有させる被膜は、や
はり厚膜化には有効であったが、不純物元素の存在によ
る機械特性、化学的特性の低下が見られる場合があり、
硬質炭素膜の本来有する優れた特性を十分に発揮するこ
とができない例が見られた。本発明は上記種々の従来技
術の課題を解決するためになされたものであって、基材
との密着性、膜同士の密着性、耐摩耗性、耐久性等に優
れた硬質炭素膜被覆部材を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】こうした問題を解決する
ため、本発明では以下の硬質炭素膜を提案する。すなわ
ち、応力の高い硬質炭素膜と応力の緩衝層となる層との
繰り返しの積層構造をなし、それぞれの界面が親和性の
高いものとなるようにするものである。具体的には、以
下に１２の発明を提案する。（１）硬質炭素膜が基材上に被覆された部材において、
少なくとも１種類以上の金属元素が添加された硬質炭素
膜と、少なくとも１種類以上の金属又は金属炭化物又は
金属窒化物又は金属炭窒化物とを繰り返し交互に積層し
て被覆層が形成され、繰り返しの周期が１ｎｍ〜３μ
ｍ、好ましくは１０ｎｍ〜０．５μｍ、より好ましくは
１０ｎｍ〜０．２μｍであることを特徴とする硬質炭素
膜被覆部材。（２）硬質炭素膜の総膜厚が全膜厚の２０〜９８％、
好ましくは４０〜９０％であることを特徴とする（１）
に記載の硬質炭素膜被覆部材。（３）硬質炭素膜が基材上に被覆された部材において、
異なる種類の金属元素又は異なる添加量の金属元素が添
加された少なくとも２種類以上の硬質炭素膜を繰り返し
交互に積層して被覆層が形成され、繰り返しの周期が１
ｎｍ〜３μｍ、好ましくは１０ｎｍ〜１μｍ、より好ま
しくは１０ｎｍ〜０．２μｍであること特徴とする硬質
炭素膜被覆部材。

【０００７】（４）一方の硬質炭素膜の総膜厚が全膜厚
の２０〜８０％、好ましくは４０〜６０％であることを
特徴とする（３）に記載の硬質炭素膜被覆部材。（５）硬質炭素膜が基材上に被覆された部材において、
硬質炭素膜と、少なくとも１種類以上の金属又は金属炭
化物又は金属窒化物又は金属炭窒化物とを繰り返し交互
に積層して被覆層が形成され、繰り返しの周期が１ｎｍ
〜３μｍ、好ましくは１０ｎｍ〜０．５μｍ、より好ま
しくは１０ｎｍ〜０．２μｍであり、各層間の組成が連
続的に変化していることを特徴とする硬質炭素膜被覆部
材。（６）硬質炭素膜と組成が連続的に変化している部分の
総膜厚が全膜圧の２０〜９８％、好ましくは４０〜９０
％であることを特徴とする（５）に記載の硬質炭素膜被
覆部材。（７）硬質炭素膜が基材上に被覆された部材において、
少なくとも１種類以上の金属元素が添加された硬質炭素
膜と、少なくとも１種類以上の金属又は金属炭化物又は
金属窒化物又は金属炭窒化物とを繰り返し交互に積層し
て被覆層が形成され、繰り返しの周期が１ｎｍ〜３μ
ｍ、好ましくは１０ｎｍ〜０．５μｍ、より好ましくは
１０ｎｍ〜０．２μｍであり、各層間の組成が連続的に
変化していることを特徴とする硬質炭素膜被覆部材。（８）少なくとも１種類以上の金属元素が添加された硬
質炭素膜と組成が連続的に変化している部分の総膜厚が
全膜厚の２０〜９８％、好ましくは４０〜９０％である
ことを特徴とする（７）に記載の硬質炭素膜被覆部材。

【０００８】（９）硬質炭素膜が基材上に被覆された部
材において、異なる種類の金属元素又は異なる添加量の
金属元素が添加された少なくとも２種類以上の硬質炭素
膜を繰り返し交互に積層して被覆層が形成され、繰り返
しの周期が１ｎｍ〜３μｍ、好ましくは１０ｎｍ〜１μ
ｍ、より好ましくは１０ｎｍ〜０．２μｍであり、各層
間の組成が連続的に変化していることを特徴とする硬質
炭素膜被覆部材。（１０）一方の硬質炭素膜の総膜厚が全膜厚の２０〜８
０％、好ましくは４０〜６０％であることを特徴とする
（９）に記載の硬質炭素膜被覆部材。（１１）硬質炭素膜が基材上に被覆された部材におい
て、コーティング層の一部に、上記（１）〜（５）のい
ずれかに記載された少なくともひとつの硬質炭素膜がコ
ーティングされていることを特徴とする硬質炭素膜被覆
部材。（１２）（１）〜（１０）のいずれかにに記載の硬質炭
素膜の部分の膜厚が（積層部分全体の膜厚）、コーティ
ング層全体の膜厚の５〜９９．９％、好ましくは３０〜
８０％であることを特徴とする（１１）に記載の硬質炭
素膜被覆部材。

【０００９】

【発明の実施の形態】上記（１）の発明は、具体的には
図１（ａ）に示される構成をとる。すなわち、基材１の
上に金属又は金属炭化物又は金属窒化物又は金属炭窒化
物からなる緩衝層２及び金属元素が添加された硬質炭素
層３を繰り返し交互に積層して被覆層を形成する。ここ
で繰り返しの周期を１ｎｍ〜３μｍと特定する理由は、
１ｎｍ未満であると現実的に制御が不可能なためであ
り、一方３μｍを超えるように周期を厚くすると硬質炭
素層が応力により破壊してしまうからである。また上記
（２）において、硬質炭素膜の総膜厚を全膜厚の２０〜
９８％と特定する理由は、２０％未満であると硬質炭素
膜の優れた耐摩耗性、摺動特性が得られないという欠点
が生じ、一方９８％を超えると応力の蓄積が大きくな
り、剥離し易くなるからである。

【００１０】基材１としては、超硬合金、炭化ケイ素、
窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ホウ
素、炭化ホウ素、ガラス、ダイヤモンド等のセラミック
ス、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ等の半導体、ＺｎＳ，ＺｎＳ
ｅ等の光学材料、鉄系合金、アルミ系合金樹脂等を用い
ることができる。硬質炭素膜に添加される元素として
は、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオ
ブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステ
ン、銅、銀、金、ボロン、アルミニウム、カリウム、イ
ンジウム、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、ニッケル等が
挙げられ、添加された金属成分は緩衝層となる金属又は
金属化合物との親和性をより高める作用を有する。添加
される金属元素の量は硬質炭素膜基準で０．００１〜４
０原子％とするのが好ましい。

【００１１】緩衝層となる金属又は金属炭化物又は金属
窒化物又は金属炭窒化物としてはチタン、バナジウム、
クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウ
ム、タンタル、タングステン、ボロン、アルミニウム、
ケイ素、ゲルマニウム等の金属又は炭化物又は窒化物又
は炭窒化物等が用いられる。またこれらの元素のほか
に、硬質炭素膜に添加されている元素と同じ元素を単体
で用いてもよい。ここで、積層膜はその最外層が硬質炭
素膜となるよう形成し、基材の上に積層する順序は、バ
ッファ層から始めても、硬質炭素膜から始めてもどちら
でもよい。また積層の数は通常４〜２００００層、特に
１０〜２０００層とするのが好ましい。

【００１２】上記（３）の発明は、具体的には図１
（ｂ）に示される構成をとる。すなわち、基材１の上
に、金属元素が添加された硬質炭素層３及び上記硬質炭
素層３とは異なる種類の金属元素又は異なる添加量の金
属元素が添加された硬質炭素層４を繰り返し交互に積層
して被覆層を形成する。ここで繰り返しの周期を１ｎｍ
〜３μｍと特定した理由は上記（１）の場合と同様であ
り、また添加される金属元素の種類、量は上記（１）の
場合と同様とする。また層の配列順序は硬質炭素層３又
は４のいずれから始まりいずれで終了してもよい。ここ
では、積層構造を構成するいずれの層も硬質炭素成分及
び金属成分を含有し、その界面においては、硬質炭素成
分同士、又は金属成分同士の高い親和力が働き、界面の
密着性を確保するものである。また上記（４）において
一方の硬質炭素膜の総膜厚が全膜厚の２０〜８０％とす
る理由は一方の硬質炭素膜の膜厚が８０％を超えると応
力の蓄積が大きくなり剥離し易くなるためである。

【００１３】上記（５）の発明は、具体的には図１
（ｃ）に示される構成をとる。すなわち、基材１の上
に、金属又は金属炭化物又は金属窒化物又は金属炭窒化
物からなる緩衝層２、傾斜層６及び硬質炭素層５を繰り
返し交互に積層して被覆層を形成する。ここで繰り返し
の周期を１ｎｍ〜３μｍと特定した理由は上記（１）の
場合と同様であり、緩衝層の材料及び各層の配列順序は
上記（１）の場合と同様とする。ここでは、硬質炭素層
と、金属又は金属化合物との間において、組成が連続的
に変化することで明瞭な界面を避け、層間での剥離が発
生しにくくなっている。また上記（６）においての硬質
炭素膜と組成が連続的に変化している部分の総膜厚が全
膜厚の２０〜９８％とする理由は２０％未満であると硬
質炭素膜の優れた耐摩耗性、摺動特性が得られないとい
う欠点が生じ、一方９８％を超えると応力の蓄積が大き
くなり剥離し易くなるからである。

【００１４】上記（７）の発明は、具体的には図１
（ｄ）に示される構成をとる。すなわち、基材１の上
に、金属元素が添加された硬質炭素膜３と、傾斜層６、
金属又は金属炭化物又は金属窒化物又は金属炭窒化物か
らなる緩衝層２とを繰り返し交互に積層して被覆層を形
成する。ここで繰り返しの周期を１ｎｍ〜３μｍと特定
した理由は上記（１）の場合と同様であり、緩衝層及び
硬質炭素層の材料は上記（１）の場合と同様とする。上
記（７）の発明は、上記（１）に提示した構造に準じ、
さらに、各層間において組成を連続的に変化させること
で、層間での剥離をより一層効果的に防ぐものである。
また上記（８）において、該金属元素が添加された硬質
炭素膜と組成が連続的に変化している部分の総膜厚が全
膜厚の２０〜９８％とする理由は２０％未満であると硬
質炭素膜の優れた耐摩耗性、摺動特性が得られないとい
う欠点が生じ、一方９８％を超えると応力の蓄積が大き
くなり剥離が生じ易くなるからである。

【００１５】上記（９）の発明は、具体的には図１
（ｅ）に示される構成をとる。すなわち、基材１の上
に、金属元素が添加された硬質炭素層３、傾斜層６及び
上記硬質炭素層とは異なる種類の金属元素又は異なる添
加量の金属元素が添加された硬質炭素層４を繰り返し積
層して被覆層を形成する。ここで繰り返しの周期を１ｎ
ｍ〜３μｍと特定した理由は上記（１）の場合と同様で
あり、また添加される金属元素の種類、量及び層の配列
順序等は上記（１）の場合と同様とする。上記（９）の
発明は、上記（２）に提示した構造に準じ、さらに、各
層間において組成を連続的に変化させることで、層間で
の剥離をより一層効果的に防ぐものである。また上記
（１０）において、一方の硬質炭素膜の総膜厚が全膜厚
の２０〜８０％とする理由は２０％未満であると硬質炭
素膜の優れた耐摩耗性、摺動特性が得られないという欠
点が生じ、一方８０％を超えると応力の蓄積が大きくな
り、剥離し易くなるからである。

【００１６】上記（１１）の発明は、例えば、基材が比
較的軟質の材料の場合、中間層に硬質クロムメッキやア
ルマイト処理、ＣｒＮやＴｉＮなどの硬質のコーティン
グ処理を施し、そのうえに摩擦摩耗特性を向上させる目
的で上記各発明硬質炭素層を形成することで、耐久性を
向上させることができる（図１（ｆ）参照）。また上記
（１２）において、硬質炭素膜の部分の膜厚が（積層部
分全体の膜厚）、コーティング層全体の膜厚の５〜９
９．９％とする理由は５％未満であると硬質炭素膜の優
れた耐摩耗性、摺動特性が得られないあるいは長時間維
持できないという欠点が生じ、一方９９．９％を超える
と軟質の基材をあらかじめ強化させるという目的が達成
されない。

【００１７】本発明において、硬質炭素膜は下記の手法
により調製することができる。（１）炭化水素ガスをプラズマで分解して基板上に堆積
させるプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)
法、（２）プラズマ状態から導き出されるイオンの衝撃
で、カーボンターゲットからスパッタリングされる炭素
粒子を基板上に堆積させるスパッタ法、イオンビームス
パッタ法、（３）固体カーボンを蒸着させる際にプラズ
マ中を通して炭素を活性化させ堆積させるイオンプレー
ティング法、（４）プラズマ状態から数１００ｅＶ〜１
ｋｅＶ程度のエネルギーを有する炭素又は炭化水素イオ
ンを照射して成膜するイオンビーム蒸着法及び（５）カ
ーボンターゲットにレーザを照射してプラズマ中に放出
される炭素粒子を堆積させるレーザアブレーション法。
これらの方法を用いて形成された硬質炭素膜の表面は極
めて平滑で、その摩擦係数は小さな値となる。

【００１８】硬質炭素膜に金属元素を添加する場合は下
記手法を適宜に採用することができる。（ａ）公知の方法で硬質炭素膜を形成中に、金属元素を
含むガスを反応系に供給して膜中に添加する方法。特に
プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、イオンプレーティング
法、レーザアブレーション法などにおいてこの方法は有
効である。（ｂ）公知の方法で硬質炭素膜を形成中に、金属元素を
含む固体源を、加熱蒸発、スパッタ蒸発、又はアブレー
ションさせ、膜中に添加する方法。この方法は、特にス
パッタ法、イオンプレーティング法、イオンビームスパ
ッタ法、レーザアブレーション法などにおいて有効であ
る。

【００１９】（ｃ）公知の方法で硬質炭素膜を形成中
に、金属元素を含むイオンビームを照射することによ
り、膜中に金属元素を添加する方法。（ｄ）公知の方法で硬質炭素膜を形成した後、金属元素
を含むイオンを注入して金属元素を添加する方法。金属元素を添加した硬質炭素膜の形成には、上記の方法
を単独で適用してもよく、複数の方法を併用してもよ
い。また、上記の方法とそれ以外の方法とを併用しても
よい。

【００２０】本発明において金属又は金属炭化物、窒化
物又は炭窒化物は、例えばプラズマＣＶＤ法、各種スパ
ッタ法、真空蒸着法、各種イオンプレーティング法、イ
オンミキシング法などで形成することができる。好まし
くは積層される硬質炭素膜と連続したプロセスで形成で
きる手法がよい。

【００２１】

【実施例】以下本発明を実施例により更に詳細に説明す
る。（実施例１）直流アーク放電式イオンプレーティング法
で、炭化バナジウムとバナジウム添加の硬質炭素膜との
交互積層膜を形成した。基板には、超硬合金の試験片を
用い、基板温度は３００℃とした。成膜に用いるプラズ
マの発生には、蒸発源の上部に配置した電子供給源より
熱電子を発生させ、その近傍に配置した直流電極に直流
電圧を印加することで、高密度のプラズマを発生させる
手法を用いた。炭化バナジウムの合成には、真空槽内に
メタンガスを導入し、電子ビーム蒸発源から金属バナジ
ウムを蒸発させながら、プラズマにより、金属バナジウ
ム蒸気と、メタンをイオン化させ、基板電極に印加した
直流電圧に引き込むことで炭化バナジウムを合成した。
一方、バナジウム添加の硬質炭素膜は、バナジウムの蒸
発量を少なくして成膜した。炭化バナジウムとバナジウ
ム添加の硬質炭素膜は、それぞれ膜厚０．１μｍとなる
ように設定し、全膜厚は５μｍとした。硬質炭素膜の総
膜厚の全膜厚に対する割合は５０％であった。比較のた
め、炭化バナジウムと硬質炭素膜との交互積層膜を形成
した。この場合、炭化バナジウムと硬質炭素層の成膜の
切り替えには、電子ビーム蒸発源のシャッターの開閉で
制御した。それぞれ膜厚０．１μｍとなるように設定
し、全膜厚は５μｍとした。得られた積層膜について、
ピン・オン・ディスク試験で摩耗試験を行った。相手材
（ピン）は窒化珪素焼結体、荷重１Ｎ、回転数５００ｒ
ｐｍ、回転半径１ｍｍ、回転回数１００００回とした。
試験後、摩耗深さを測定すると、本発明による炭化バナ
ジウムとバナジウム添加の硬質炭素膜との交互積層膜
は、摩耗深さ０．３μｍで、摩耗断面は極めてスムーズ
な曲面をしていた。これに対し、比較例の炭化バナジウ
ムと硬質炭素膜との交互積層膜は、摩耗深さが０．８μ
ｍであり、摩耗断面は階段状になっていた。比較例はそ
れぞれの積層界面の親和性が低いものと考えられ、摩耗
も促進されるものと考えられる。

【００２２】（実施例２）マグネトロンスパッタ法で、
ホウ素添加の硬質炭素膜とシリコン添加の硬質炭素膜と
の交互積層膜を形成した。基板には、超硬合金の試験片
を用い、基板温度は２００℃とした。ここでは、ターゲ
ットを２基搭載する高周波マグネトロンスパッタ装置を
使用し、それぞれのターゲットにホウ素とシリコンを使
用した。基板電極をそれぞれのターゲット位置に移動さ
せて、高周波を印加することで、ホウ素又はシリコンの
スパッタ蒸着を行うものとした。一方、雰囲気ガスには
アルゴンとメタンの混合ガスを使用し、基板にはターゲ
ットとは別に高周波を印加できるようにした。ホウ素添
加の硬質炭素膜の形成には、ホウ素ターゲット上に基板
電極を移動させ、メタンとアルゴンの混合ガスを導入す
る。そしてターゲット及び基板にはそれぞれ高周波を印
加することで、基板上にホウ素添加の硬質炭素膜を形成
する。次に、基板電極をシリコンターゲット上に移動さ
せ、同様の手法でシリコン添加の硬質炭素膜を形成し
た。それぞれの膜の周期は、０．１μｍとし全膜厚は５
μｍとした。比較のため、ホウ素添加の硬質炭素膜と硬
質炭素膜との交互積層膜を形成した。それぞれ膜厚０．
１μｍとなるように設定し、全膜厚は５μｍとした。実
施例１と同様の摩擦摩耗試験を行ったところ、ホウ素添
加の硬質炭素膜とシリコン添加の硬質炭素膜との交互積
層膜の摩耗深さは０．１５μｍで、摩耗断面は極めてス
ムーズな曲面をしていた。これに対し比較例のホウ素添
加の硬質炭素膜と硬質炭素膜との交互積層膜は、摩耗深
さが０．７μｍであり、摩耗断面は階段上になってい
た。実施例１と同様に、比較例はそれぞれの積層界面の
親和性が低いものと考えられ、摩耗も促進されるものと
考えられる。

【００２３】（実施例３）カソードアークイオンプレー
ティング法にて、クロムと硬質炭素膜との交互傾斜積層
膜を形成した。基板には超硬合金製試験片を使用し、基
板加熱は特にしなかった。カソードアークイオンプレー
ティング設備は、中央に回転式の円筒型基板電極を、こ
れを取り囲むように４面にアークカソードを持つタイプ
のものを使用し、クロム、クロム、カーボン、カーボン
の順でカソードを配置した。雰囲気には、アルゴンガス
を導入し、放電の安定化を図った。成膜には、直流電圧
を印加した基板電極を回転させながら、４面に配置され
たカソードからクロム又は炭素を蒸発させ、クロム又は
硬質炭素膜の形成を行った。クロムとカーボンの両カソ
ードの中間に基板が来ると、両カソードからの飛来粒子
が混合されて成膜される。こうして、クロムと硬質炭素
膜とが組成が連続的に変化する傾斜組成の交互積層膜が
形成される。積層の繰り返し周期を１ｎｍ〜５μｍまで
各種成膜を試みたところ、周期が４μｍを越えると膜が
全面的に剥離してしまった。また周期が３．４μｍで
も、エッジ部に剥離が見られた。

【００２４】（実施例４）実施例１と同様、直流アーク
放電式イオンプレーティング法で、炭窒化チタンと硬質
炭素膜との交互傾斜層膜を形成した。基板には、超硬合
金製マイクロドリルを用い、基板温度は３００℃とし
た。炭窒化チタンの合成には、真空槽内に窒素とアセチ
レンの混合ガスを導入し、電子ビーム蒸発源から金属チ
タンを蒸発させながら、プラズマにより、金属チタン蒸
気と、窒素ガス、アセチレンガスをイオン化し、基板電
極に印加した直流電圧に引き込むことで炭窒化チタンを
合成した。一方、硬質炭素膜は、アセチレンプラズマに
より成膜を行った。炭窒化チタンと硬質炭素膜との切り
替えには、徐々に電子ビーム蒸発源の電子ビーム電流を
小さくするとともに、導入するアセチレンガス流量を増
やし、窒素ガス流量を減少させるという方法を用いた。
これにより、組成が連続的に変化する傾斜組成の交互積
層膜が形成される。積層の周期は２０ｎｍとし、全膜厚
は３μｍとした。本マイクロドリルにて切削試験を行っ
たところ、未コートのマイクロドリルと比較して、寿命
が１２倍に伸びた。なお、本手法で硬質炭素膜のみの５
μｍの成膜も試みたが、途中で剥離してしまうという結
果に終わった。

【００２５】（実施例５）マグネトロンスパッタ法で、
タングステン添加の硬質炭素膜とホウ素添加の硬質炭素
膜の交互傾斜積層膜を形成した。基板には、ステンレス
製のシャフトを使用し、基板温度は３００℃とした。マ
グネトロンスパッタ設備は、中央に回転式の円筒型基板
電極を、これを取り囲むように４面にスパッタターゲッ
トを持つタイプのものを使用し、タングステン、ホウ
素、タングステン、ホウ素の順でターゲットを配置し
た。雰囲気には、アルゴンガスとメタンガスを導入し
た。成膜には、直流電圧を印加した基板電極を回転させ
ながら、４面に配置されたターゲットからタングステン
又はホウ素を蒸発させ、タングステン添加の硬質炭素膜
とホウ素添加の硬質炭素膜の形成を行った。タングステ
ンとホウ素の両ターゲットの中間に基板が来ると、両タ
ーゲットからの飛来粒子が混合されて成膜される。こう
して、タングステン添加の硬質炭素膜とホウ素添加の硬
質炭素膜の組成が連続的に変化する傾斜組成の交互積層
膜が形成される。積層の周期は８０ｎｍとし、全膜厚は
４μｍとした。被覆処理したシャフトをステンレス円筒
の内部に差し込み、回転数５０００ｒｐｍで回転させた
ところ、従来の硬質炭素膜膜厚１μｍのコートのシャフ
トに比べ、焼き付きが発生するまでの時間が約２０倍に
伸びた。

【００２６】（実施例６）カソードアークイオンプレー
ティング法で、摺動するアルミ合金製のコンプレッサー
部品に窒化クロム層を２０μｍ形成し、さらにその上に
実施例３のクロムと硬質炭素膜との交互傾斜積層膜を５
μｍ形成した。交互傾斜積層膜の繰り返しの周期は１０
ｎｍとした。比較のため、同じアルミ合金製のコンプレ
ッサー部品に、硬質炭素膜１μｍのみ、窒化クロム２０
μｍのみ、又はクロムと硬質炭素膜との交互傾斜積層膜
を５μｍのみ形成したものを作製した。これらのコンプ
レッサー部品を無潤滑環境化で実際に使用し性能を調査
した。硬質炭素膜１μｍのみでは、摩擦係数は０．２以
下で滑り抵抗は小さかったが、膜が使用初期に剥離する
という寿命の問題が発生した。窒化クロム２０μｍのみ
のコンプレッサー部品では、摩擦係数が０．５を越え滑
り抵抗が大きいという問題が発生した。クロムと硬質炭
素膜との交互傾斜積層膜を５μｍ形成したものは、摩擦
係数は０．２以下で滑り抵抗は小さく、寿命もクロム２
０μｍのみより５倍ほど長かった。ただし、異物が混入
すると、比較的容易に傷が発生する問題が残った。最後
に、窒化クロム層を２０μｍ形成後さらにその上に実施
例３のクロムと硬質炭素膜との交互傾斜積層膜を５μｍ
形成したものは、摩擦係数は０．２以下で滑り抵抗は小
さく、寿命もクロム２０μｍのみより２０倍ほど、クロ
ムと硬質炭素膜との交互傾斜積層膜を５μｍのみと比べ
ても４倍の寿命となった。硬質の厚いクロム層を中間層
として導入したため、母材の柔らかさをカバーし、クロ
ムと硬質炭素膜との交互傾斜積層膜の特性をも十分に発
揮できたと考えられる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によると工具、金型などの耐摩耗
性部品、産業用・一般家庭用の機械部品・摺動部品、電
気・電子部品、赤外線光学部品等に用いるに適した、従
来品に比べて基材との密着性、膜同士の密着性、耐摩耗
性、耐久性等に優れた硬質炭素膜被覆部材を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）〜（ｆ）は、本発明の硬質炭素膜被
覆部材の六つの具体化例を示す概念図である。

【符号の説明】

１：基材２：金属又は金属炭化物又は金属窒化物又は金属炭窒化
物層３：金属元素が添加された硬質炭素層４：３と異なる種類の金属元素又は異なる添加量の金属
元素が添加された硬質炭素層５：硬質炭素層６：傾斜層７：請求項１〜１１までの構造を持つ層８：請求項１〜１１までの構造以外を持つ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬質炭素膜が基材上に被覆された部材に
おいて、少なくとも１種類以上の金属元素が添加された
硬質炭素膜と、少なくとも１種類以上の金属又は金属炭
化物又は金属窒化物又は金属炭窒化物とを繰り返し交互
に積層して被覆層が形成され、繰り返しの周期が１ｎｍ
〜３μｍであることを特徴とする硬質炭素膜被覆部材。
【請求項２】硬質炭素膜の総膜厚が全膜厚の２０〜９
８％であることを特徴とする請求項１に記載の硬質炭素
膜被覆部材。
【請求項３】硬質炭素膜が基材上に被覆された部材に
おいて、異なる種類の金属元素又は異なる添加量の金属
元素が添加された少なくとも２種類以上の硬質炭素膜を
繰り返し交互に積層して被覆層が形成され、繰り返しの
周期が１ｎｍ〜３μｍであることを特徴とする硬質炭素
膜被覆部材。
【請求項４】一方の硬質炭素膜の総膜厚が全膜厚の２
０〜８０％であることを特徴とする請求項３に記載の硬
質炭素膜被覆部材。
【請求項５】硬質炭素膜が基材上に被覆された部材に
おいて、硬質炭素膜と、少なくとも１種類以上の金属又
は金属炭化物又は金属窒化物又は金属炭窒化物とを繰り
返し交互に積層して被覆層が形成され、繰り返しの周期
が１ｎｍ〜３μｍであり、各層間の組成が連続的に変化
していることを特徴とする硬質炭素膜被覆部材。
【請求項６】硬質炭素膜と組成が連続的に変化してい
る部分の総膜厚が全膜圧の２０〜９８％であることを特
徴とする請求項５に記載の硬質炭素膜被覆部材。
【請求項７】硬質炭素膜が基材上に被覆された部材に
おいて、少なくとも１種類以上の金属元素が添加された
硬質炭素膜と、少なくとも１種類以上の金属又は金属炭
化物又は金属窒化物又は金属炭窒化物とを繰り返し交互
に積層して被覆層が形成され、繰り返しの周期が１ｎｍ
〜３μｍであり、各層間の組成が連続的に変化している
ことを特徴とする硬質炭素膜被覆部材。
【請求項８】少なくとも１種類以上の金属元素が添加
された硬質炭素膜と組成が連続的に変化している部分の
総膜厚が全膜厚の２０〜９８％であることを特徴とする
請求項７に記載の硬質炭素膜被覆部材。
【請求項９】硬質炭素膜が基材上に被覆された部材に
おいて、異なる種類の金属元素又は異なる添加量の金属
元素が添加された少なくとも２種類以上の硬質炭素膜を
繰り返し交互に積層して被覆層が形成され、繰り返しの
周期が１ｎｍ〜３μｍであり、各層間の組成が連続的に
変化していることを特徴とする硬質炭素膜被覆部材。
【請求項１０】一方の硬質炭素膜の総膜厚が全膜厚の
２０〜８０％であることを特徴とする請求項９に記載の
硬質炭素膜被覆部材。
【請求項１１】硬質炭素膜が基材上に被覆された部材
において、コーティング層の一部に、請求項１〜１０ま
での少なくともひとつに記載の硬質炭素膜がコーティン
グされていることを特徴とする硬質炭素膜被覆部材。
【請求項１２】請求項１〜１０のいずれかに記載の硬
質炭素膜の部分の膜厚が（積層部分全体の膜厚）、コー
ティング層全体の膜厚の５〜９９．９％であることを特
徴とする請求項１１に記載の硬質炭素膜被覆部材。