JPH1046360A - 円柱状金属部品とその製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 円柱状金属部品に硬質炭素膜をコ−テイング
して摩耗を抑える方法がある。しかし金属と硬質炭素膜
との密着性が悪いので極めて能率の悪いイオンビ−ム蒸
着法でなければ金属母材の上に硬質炭素膜を付けること
ができない。円柱状金属母材の上に硬質炭素膜を被覆す
る能率の良い方法を提供することが目的である。 【構成】 円柱状金属母材の上に、アモルファスシリコ
ンの中間層をＰＶＤ法によって形成し、この上に硬質炭
素膜を形成する。アモルファスシリコンと硬質炭素膜の
密着性が良いので、硬質炭素膜の形成は時間のかからな
いＣＶＤ法で行うことができる。生産性の高い方法によ
って耐摩耗性に富んだ円柱状金属部品を作ることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＡＶ機器、輸送・搬送
などに用いられるローラ状（円柱状）の機械部品に関す
る。特に、軸受、ローラ、回転軸、ピストンなどの回転
運動、往復運動に用いられ耐摩耗性と摺動特性が求めら
れるローラ部品（円柱状金属部品）に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡＶ機器、輸送・搬送機器などに用いら
れる軸受、ローラ、回転軸、ピストンなどの摺動部材
は、相手部材と常時接触している。そのため相手材との
摩擦により摩耗が生じ易い部品である。摩耗によって、
製品寿命が短縮され部品精度が低下する。そのためこれ
ら円柱状部材について、摩耗しにくい部材の開発が望ま
れる。

【０００３】一般に耐摩耗性の不足する部材において、
耐摩耗性を得るためには部材の表面にＴｉＮなどの硬質
の膜をコ−テイングする方法がしばしば用いられる。一
方、摺動部品の母材としてはコスト、加工性の点から一
般的にＳＵＪ又はＳＵＳ４２０Ｊ２製などの鉄鋼材料が
用いられる。しかしこれらの材料は２００℃以上に加熱
されると変質するという欠点がある。ＴｉＮをコ−テイ
ングするためには４００℃以上の温度に母材を加熱する
必要がある。従ってＴｉＮをコ−テイングして耐摩耗性
を高めるという方法は通常のＳＵＪ又はＳＵＳ４２０Ｊ
２製のロ−ラ−に対しては使えない。

【０００４】ＳＵＪ又はＳＵＳ４２０Ｊ２製の部品の耐
摩耗性を改良するには、２００℃以下の温度で成膜でき
る薄膜材料が必要である。２００℃以下の温度領域でコ
−テイングできる硬質の材料としては、硬質炭素膜が挙
げられる。これは多くの半導体や絶縁体との密着性が良
いので、半導体、絶縁体の被覆材料として用いられてい
る。しかし硬質炭素膜は金属との密着性が非常に悪い。
通常のＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法などを用いてＳＵ
Ｊ又はＳＵＳ４２０Ｊ２の上に硬質炭素層を成膜しても
すぐに剥がれてしまう。このような難点を解決するた
め、ＳＵＪ又はＳＵＳ４２０Ｊ２製母材へ、イオンビ−
ム蒸着法と呼ばれる方法によって硬質炭素層を被覆した
という報告がある。これによってできたものは、金属母
材／硬質炭素層という構造になる。

【０００５】また、母材と硬質炭素層間の密着性を改善
する方法として、特開昭５６−６９２０号や特開昭６３
−９５４３号は、金属母材と硬質炭素層の間にシリコン
結晶膜、二酸化シリコン結晶膜、ゲルマニウム結晶膜な
どからなる中間層を介在させる方法を提案している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】通常の蒸着法やＣＶＤ
法は生産性は優れるものの材料がイオンではなく原子ま
たは分子状態であり、運動エネルギ−を殆ど持たないの
で金属の内部に入らない。イオンビ−ム蒸着法はメタン
等の炭化水素をイオン源においてプラズマとし引出電極
系の作用で加速したイオンビ−ムとして引き出して被処
理物に照射するものである。加速エネルギ−が大きいの
で、蒸着などに比較して炭素が被処理物の内部まで進入
する。運動エネルギ−によって金属の表面が活性化され
ることもあって炭素原料と母材との密着性が良い。この
ため２００℃以下の温度であっても金属に硬質炭素層を
被覆できる。

【０００７】しかしイオンビ−ム蒸着法は成膜速度が遅
く、一度に処理できる本数が少ない等生産性が低いとい
う難点がある。炭化水素をプラズマとするのにエネルギ
−が必要で、これをイオンビ−ムとするのにも大電力が
必要であるから、イオンビ−ム電流をあまり大きくでき
ない。装置を改良してイオンビ−ム電流を増やしても今
度は金属表面に与える機械的、熱的衝撃が過大になって
金属の表面を荒らしたり成膜した部分が再び剥離したり
する可能性がある。イオンビ−ム蒸着法を用いる限り生
産性をある程度以上に昂揚させることはできない。他の
方法によって硬質炭素層を金属母材に密着性良く形成す
ることが望ましい。

【０００８】一方前記の特開昭５６−６９２０号や特開
昭６３−９５４３号に示された結晶中間層を設ける方法
は、低速低負荷での膜の密着性が改善される。しかし高
速で摺動する部材や高負荷が掛かる用途ではなお密着性
が悪く硬質炭素層が剥離してしまう。さらにこのように
中間層を設ける方法は、中間層被覆装置と、硬質炭素層
被覆装置が異なるので設備費用が高くなる。処理時間が
かかるので、処理能力の問題も派生する。さらに、中間
層を被覆した後、硬質炭素層を被覆するまで大気中にあ
るから汚れが中間層に付着することがある。この場合は
硬質炭素層が剥離し易い。ゲルマニウム中間層被覆の場
合は、ゲルマニウムが高価であるという問題もあった。

【０００９】このような従来法の難点を解決し、円柱部
材（ローラ状）に、硬質炭素膜を密着性良く、低温で安
価に生産性良く被覆する方法、装置を提供すること、お
よびそれによって製造されたローラ部品を提供する事が
本発明の目的である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の方法は、円柱状
金属母材の表面にアモルファスシリコン中間層を設け、
その上に硬質炭素層を形成するものである。好適には、
母材の上に、膜厚５ｎｍ〜５００ｎｍ程度のアモルファ
スシリコン中間層を形成し、その上に膜厚１００ｎｍ〜
１μｍ程度の硬質素層を形成する。アモルファスシリコ
ン中間層は、イオンプレ−テイング法やイオンビ−ムア
シスト蒸着法などのＰＶＤ法で成膜する。さらに成膜装
置内の真空状態を破る事なく、引き続き、アモルファス
シリコン中間層の上にプラズマＣＶＤ法によって硬質炭
素層を被覆する。

【００１１】アモルファスシリコンを中間層とする事
と、中間層形成と硬質炭素層形成を真空状態のまま連続
して行うところが重要である。アモルファスシリコン中
間層の介在によって、母材と硬質炭素膜の密着性を著し
く改善できる。アモルファスシリコン中間層と硬質炭素
層を同一装置内で大気に戻す事なく処理することにより
汚染の可能性を排除し中間層と硬質炭素層の密着性を確
実にする。

【００１２】

【作用】本発明における円柱状金属部品は、金属母材／
アモルファスシリコン中間層／硬質炭素層という構造に
なる。前記特開昭５６−６９２０はシリコン中間層を提
案している。しかしシリコンを介在させても最外被膜の
密着性が改善されないことがある。実際には母材と外被
膜の密着性には著しいばらつきがみられる。そこで本発
明者は、シリコン中間層の膜構造と硬質炭素膜の親和性
について詳しく調査した。その結果、シリコンがアモル
ファスの時に親和性が良く密着性も優れているというこ
とが分かった。反対にシリコンが結晶質の膜である場
合、親和性に乏しく硬質炭素膜が容易に剥離するという
ことが分かった。

【００１３】単結晶シリコン膜の上に硬質炭素膜を被覆
し、その密着力を、ヌープ硬度計圧子による圧痕周りの
硬質炭素膜の剥離状態を調べた。圧子の荷重が２５ｇの
時に剥離が始まった。また、アモルファスシリコン膜の
上に硬質炭素膜を被覆し、同じヌープ硬度計で密着力を
調べた。圧子の荷重を２５０ｇに増やしても硬質炭素膜
は剥離しない事が分かった。つまり中間層として同じシ
リコンでも結晶質ではなく、アモルファスでなければな
らない、という事である。

【００１４】その理由は次のようなことであろう。上層
の硬質炭素膜がアモルファス構造を取るので中間層が結
晶質であると結合性が悪い。上層の硬質炭素層に合わせ
て、中間層もアモルファスシリコンの方が親和性が高く
なる、というものである。そこで、本発明はアモルファ
スシリコンを中間層とする。つまり本発明では硬質炭素
層／アモルファスシリコン中間層／金属という構造を提
案する。

【００１５】本発明で採用するアモルファスシリコン中
間層の膜厚は５０Å（５ｎｍ）〜５０００Å（５００ｎ
ｍ）程度とする。５０Å（５ｎｍ）以下の膜厚では、母
材の表面を完全にシリコンで覆うことが困難であり、Ｓ
ｉ中間層導入効果が顕著に現れない。中間層膜厚の下限
はこれによって決まる。シリコン膜厚は数μｍであって
も機械的強度など問題は無い。しかし生産性を考慮する
と膜厚は薄い方が好都合であるから５００ｎｍ以下が良
い。生産性の観点から特に望ましいのは５ｎｍ〜３００
ｎｍである。

【００１６】アモルファスシリコン中間層の成膜には例
えばＰＶＤ法を用いる。これはイオンプレ−テイング
法、イオンビ−ムアシスト蒸着法などがある。イオンプ
レ−テイング法は、Ａｒガスなど稀ガスによるグロ−放
電中でシリコンを蒸着する方法である。シリコンはルツ
ボに入れておき電子ビ−ム等で加熱蒸発させる。Ａｒイ
オンが加速されて金属母材に衝突し運動エネルギ−によ
って表面を活性化するので、母材が低温であってもシリ
コンと母材がよく密着するのである。またシリコンをア
モルファス構造にするためにも母材は低温である事が必
要である。

【００１７】イオンビ−ムアシスト蒸着法はイオン蒸着
法ということもある。Ａｒなど稀ガスのプラズマをイオ
ン源において生成しこれを加速して金属母材に照射す
る。シリコンはルツボに入れておき電子ビ−ム加熱など
によって加熱蒸発させる。稀ガスの運動エネルギ−、電
流量を自由に変化させることができる。Ａｒ等イオンの
エネルギ−によって母材の表面が活性化される。低温で
あってもシリコンが母材に密着する。イオンプレーティ
ング法の場合と同様、アモルファス構造のシリコンを得
るためには母材が低温であることが望ましい。しかし同
一の真空チャンバの中にイオン源と蒸発源の２つを収容
しなければならない。

【００１８】いずれにしてもシリコン自体をイオンビ−
ムにするイオンビ−ム蒸着法とは異なる。シリコンは原
子状の蒸気として飛ぶ。運動エネルギ−は少ない。しか
し稀ガスがイオンとして高い運動エネルギ−をもって母
材に衝突するから表面を活性化しシリコンの密着性を高
揚させる。いずれの方法によってもシリコン中間層を金
属母材の上に形成できる。しかしイオンビ−ムアシスト
法は照射面積が限定されるため、バッチ当たりのチャ−
ジ量を高めるためにはイオンプレ−テイング法の方が適
している。

【００１９】最上層は硬質炭素層である。硬質炭素層
は、ダイヤモンド状炭素、アモルファスカ−ボン、ｉ−
Ｃなどと呼ばれる。アモルファス状のカ−ボン膜であ
る。グラファイトなど結晶炭素ではなくダイヤモンド自
体でもない。硬質炭素層の特性はダイヤモンドに類似し
た点が多い。特にヌ−プ硬度が２０００〜１００００ｋ
ｇ／ｍｍ² であって非常に硬い材料である。本発明では
この硬い硬質炭素層を円柱状金属部品（ロ−ラ−）の表
面にコ−テイングすることによって円柱状金属部品の摩
耗を防ぐ。硬質の被覆層によって摩擦係数が低下するの
で同時に接触する相手部品の損傷をも防ぐことができ
る。これによる経済的な効果も大きい。

【００２０】硬質炭素層の膜厚は、１０００Å（１００
ｎｍ）〜１００００Å（１μｍ）であることが望まし
い。摺動部品の保護膜として十分であるためには１００
０Å以上の厚みが必要である。反対に生産性の点であま
り厚いのは望ましくない。さらに硬質炭素層は大きい圧
縮応力を持つので膜厚が大きいと応力が強くなり剥離し
やすくなる。それで１μｍより薄いほうが良い。

【００２１】硬質炭素層の成膜には例えばプラズマＣＶ
Ｄ法を用いる。これは高周波放電、直流放電、マイクロ
波放電などの作用で炭素を含む原料をプラズマとしてか
ら金属母材に堆積させるものである。プラズマで金属母
材を叩くので表面を活性化できる。熱ＣＶＤ法などに比
べると薄膜形成温度が低くて良いという長所がある。イ
オンビ−ム蒸着法と比較すると、プラズマとするのは同
じであるが、これをイオンビ−ムとして取り出すのでは
なく同一の空間内にある母材に直接に堆積させるので成
膜が迅速である。プラズマＣＶＤ法は、イオンビ−ム蒸
着法に比べて成膜速度は３倍以上、バッチ当たりの処理
数が数倍〜数十倍である。高速処理できるので生産性が
飛躍的に向上する。

【００２２】プラズマＣＶＤ法とイオンビ−ム蒸着法を
一般的に比較すると、イオンビ−ム蒸着法の方が、密着
性が良いと言われている。しかし本発明ではアモルファ
スシリコンの中間層を設けているからプラズマＣＶＤ法
で硬質炭素層を形成しても実用上十分な密着性が得られ
る。両工程を通じて、金属母材の温度は２００℃以下に
保つことができる。低温成膜できるから母材を変質させ
る惧れがない。なお、生産性を向上させ、高い密着力を
安定して得るためには、アモルファスシリコン中間層と
硬質炭素層の被覆は同一の真空装置内において、真空を
破る事なく、連続して行うのが効果的である。

【００２３】もしも、それぞれの被覆を異なる装置で行
うとすると、それぞれの工程に真空排気、部品セット、
部品取りだし等の工程に時間が掛かるので生産性が落ち
る。それに加えて一旦大気圧にすると、アモルファスシ
リコン中間層の表面が空気中の酸素、水蒸気、ゴミ等に
よって汚染される。そのためアモルファスシリコン中間
層と硬質炭素層との間の密着力が低下し製品歩留まりも
低下する。そこで本発明は、同一真空装置内で、アモル
ファスシリコン中間層の被覆と硬質炭素層の被覆を連続
して行うことにする。アモルファスシリコン中間層の表
面が汚染されることなく保持されその上に硬質炭素層が
被覆されるので、常に優れた密着力の被覆を実現するこ
とができる。

【００２４】さらにまた生産性を上げたり高負荷の用途
に対しては、母材にマイナスの直流電圧を印加しなが
ら、アモルファスシリコン中間層及び硬質炭素層の被覆
作業するのが有効である。真空中に放出されたシリコン
や炭素、炭化水素などのプラスイオンおよびプラスに荷
電されたクラスターなどが マイナスバイアスによって
加速されるために、母材に到着する粒子の数が増える。
ために成膜速度が上がり、その結果生産性が向上する。
マイナスバイアスの効果はそれだけではない。母材がマ
イナス電位になるので、母材に到達する粒子は加速され
運動エネルギーが増える。高い運動エネルギーを持ちつ
つ母材に反射された粒子は母材をエッチングし表面を清
浄にする。高い運動エネルギーを持ちつつ注入されたシ
リコンや炭素はそのエネルギーのために密着力がさらに
強化される。母材をマイナスにバイアスするとこのよう
に二重の効果がある。

【００２５】

【実施例】直径２ｍｍ、長さ３０ｍｍのＳＵＪ又はＳＵ
Ｓ４２０Ｊ２製の円柱状金属母材に、アモルファスシリ
コン中間層と硬質炭素層のコ−テイングを同一の真空装
置にて、真空を大気圧に戻すことなく連続して２層コー
トを行った。比較のため、同じ母材に、イオンビ−ム蒸
着法により硬質炭素層のみを被覆した。そして円柱状金
属部品の性能の比較と、コ−テイング処理能力の比較を
行った。まずコ−テイングプロセスの概要について説明
する。

【００２６】［実施例（同一の真空装置内で２段階被覆
する例］まず始めに、アモルファスシリコン中間層のコ
ーテイングについて説明する。本発明に係る連続コート
用の装置の一例を図１に示す。これは共通の真空槽を用
いて連続コートする装置の例である。

【００２７】真空槽１は真空に引くことのできる空間で
ある。円盤型のホルダー２は５枚の円盤を軸方向に並べ
たもので、端面円周上にローラー（円柱状母材）を入れ
る多数の孔が穿たれている。対向する円盤の孔に母材３
の端を挿入して円盤を合体し、ホルダー回転軸８に取り
付けるようにする。ホルダー２は真空槽１の内部上方に
設けられる。このホルダー２の数は任意に増減できる。
円柱状金属母材３の近傍にはこれを適当な温度に加熱す
るためのヒ−タがあるが、簡単のため図示を略した。真
空槽１の下方にはシリコン蒸発源４が設けられる。これ
は水冷ルツボ１２にシリコン材料１３を入れたものであ
る。電子ビ−ム等によって加熱蒸発させられる。ここで
は簡単のため加熱源の図示を略した。シリコン蒸発源４
の上方にはシャタ−５がある。これは開閉することがで
き、開くとシリコン蒸気が上昇し、上方の円柱状金属母
材３に到達できる。閉じると蒸気は遮断される。

【００２８】さらにこの上には高周波電極６がある。こ
れは高周波電源９によって高周波電力が与えられるよう
になっている。真空槽１の外部には基板回転用モ−タ７
がある。これは水平に真空槽を貫く回転軸８を回転させ
る。前記の円盤型ホルダー２は回転軸８の適当な箇所に
固定されるので、回転軸８とともに回転する。これは全
ての円柱状金属母材３に均一にコ−テイングするように
するためである。また回転軸８を介して円柱状金属母材
３には負の電圧を印加する。高周波電極６との間には直
流と高周波の重畳した電圧が掛かることになる。真空槽
１の壁面には、ガス入口１０があってここからＡｒなど
の稀ガスが内部に導入される。真空排気装置に接続され
た排気口１１からガスが排気される。

【００２９】本発明の方法を行うために、先ず、有機溶
剤による超音波洗浄でＳＵＪ又はＳＵＳ４２０Ｊ２製円
柱状母材３の表面の汚れを落とした。直径３０ｍｍの円
盤ホルダー２において、円盤と円盤との間に１００本ず
つこの円柱状母材をセットし、図１に示すシリコン中間
層コ−テイングのための装置にセットした。合計４００
本の円柱状金属母材を処理する。

【００３０】まず真空槽１を１×１０^-6Ｔｏｒｒ以下の
真空になるまで排気した。ついでヒ−タにより母材を１
５０℃まで加熱した。さらにＡｒガスを５×１０^-4Ｔｏ
ｒｒまで導入した。これは高周波電極６と母材３の間で
生ずる高周波放電の作用でプラズマになる。ホルダー
２、円柱状金属母材３は回転させる。ホルダー２、円柱
状金属母材３には−５００Ｖの負バイアスを印加してお
く。母材側は負の電圧が印加してあるので正のＡｒイオ
ンが母材に衝突し母材の表面をスパッタして清浄化す
る。１０分間放電処理し母材表面を清浄化した。

【００３１】このあと、高周波放電は継続したままシリ
コンの蒸発を開始した。ルツボに入れたシリコンを電子
ビ−ム等で加熱し蒸気を発生させた。シリコンの蒸気が
上昇し加熱された母材３の表面に付着する。Ａｒイオン
によって一部の蒸気はイオン化していることもある。母
材の表面がＡｒイオンの衝突によって活性化されている
のでシリコン蒸気の密着性がより良くなる。所望の膜厚
になったらシャッター５を閉じて、シリコンコーテイン
グを終了する。そして、真空の状態を維持したまま、引
き続き硬質炭素膜のコーテイングを行った。

【００３２】シリコンコーテイングと同一の真空槽１に
おける硬質炭素層のコ−テイングについて述べる。真空
槽１の真空度を１×１０^-6Ｔｏｒｒ以下の真空になるま
で上げる。ガス導入口１０から水素ガスＨ₂ を５×１０
^-4Ｔｏｒｒになるまで導入し、ホルダー２に高周波を印
加した。これによってＨ₂ がプラズマになる。水素プラ
ズマが円柱状金属母材に衝突してこれの表面を清浄化す
る。１０分間の放電洗浄の後、導入ガスをメタンＣＨ₄
に切り替えた。ＣＨ₄ が高周波放電によってプラズマと
なり、円柱状金属母材の表面において炭素となって堆積
する。これがプラズマＣＶＤによる硬質炭素層のコ−テ
イングである。所定の膜厚に達したら、ＣＨ₄ の導入を
停止し、コ−テイングを終了する。その後、室温まで冷
却し、ここから取り出した円柱状金属母材の寿命を評価
した。

【００３３】また、シリコンコーテイング及び硬質炭素
膜コーテイングされた部品の５本について、硬質炭素膜
を除去したもののＸ線回折ピークを調べた。結晶質シリ
コンの回折ピークは見られなかった。これによって、コ
ーテイングされたシリコンはアモルファスであることを
が確かめられた。

【００３４】［比較例］ イオンビ−ム蒸着による場合 比較のためイオンビ−ム蒸着法により硬質炭素膜単層を
コ−テイングしたサンプルも作製した。これは、炭化水
素原料をイオンビ−ムとして母材に照射するものであ
る。本発明と異なりアモルファスシリコン中間層を設け
ない。ここで用いた装置はイオンビ−ム径が５０ｍｍで
ある。ホルダーは直径５０ｍｍの円盤状のものを使用し
た。直径２ｍｍ長さ３０ｍｍの円柱状金属母材を２０本
このホルダーにセットした。これを装置の内部に装入
し、装置内部を１×１０^-6Ｔｏｒｒ以下の真空まで排気
した後、ホルダーを回転させながらＡｒイオンを照射し
表面洗浄を行った。Ａｒによる表面処理の条件は、

【００３５】 ［Ａｒの表面処理］ Ａｒイオンの加速エネルギ− ３ｋｅＶ Ａｒビ−ム電流密度 ０．５ｍＡ／ｃｍ² Ａｒ照射時間 ３分 であった。Ａｒイオンによる表面処理後、Ａｒに代えて
ＣＨ₄ ガスを導入し以下の条件で硬質炭素層をコ−テイ
ングした。

【００３６】 ［硬質炭素層形成］ 原料ガス ＣＨ₄ ＣＨ₄ イオンの加速エネルギ− ５００ｅＶ イオンビ−ム電流密度 ０．２ｍＡ／ｃｍ² 所定の膜厚まで成膜した後、室温まで冷却して外部に取
り出した。

【００３７】本発明は、アモルファスシリコン中間層の
成膜と硬質炭素層の成膜とを同一の反応槽を用いて連続
コートするものであるが、アモルファスシリコン中間層
と硬質炭素層の膜の組成および厚さを個々に調べる為
に、それぞれの成膜を別異の反応槽にて行った。また、
生産性の評価を行うために処理能力も調べた。これらの
結果及び従来例の結果を表１に示す。また、生成された
シリコンは、Ｘ線回折のピークからアモルファスシリコ
ンであることを確認した。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１において、最左欄は硬質炭素層の膜
厚、製法、処理能力を示す。第２欄はアモルファスシリ
コン中間層の膜厚、製法、処理能力を示す。第３欄は寿
命を示す。上から７つ目までの試料についてはアモルフ
ァスシリコン中間層の膜厚を５００Å、とし硬質炭素層
の膜厚を５００Å〜１２０００Åに変化させている。８
番目〜１６番目の試料は硬質炭素層の膜厚を３０００Å
とし、アモルファスシリコン中間層の膜厚を０Å〜１０
０００Åに変化させている。１７番目の試料は従来法に
属するイオンビ−ム蒸着によるものである。

【００４０】寿命は、ＡＶ用機器に本部品を組込みテス
トを行って評価した結果である。コ−テイングが施され
ていないＳＵＪ又はＳＵＳ４２０Ｊ２母材の寿命を１と
してこれに対する比によって寿命を表現している。それ
ぞれのプロセスについて単位時間あたりの処理能力を本
数で示した。硬質炭素層の膜厚が１０００Å以上になる
と、円柱状金属部品の寿命が無被覆のものに比べて格段
に増加するのが分かる。アモルファスシリコン中間層が
５００Åの時、硬質炭素層が１０００Åを越えると円柱
状金属部品の寿命は７倍以上になる。しかし硬質炭素層
の膜厚が１００００Å（１μｍ）を越えると剥離が生じ
た。これは厚過ぎるのである。硬質炭素層の膜厚は従っ
て１０００Å〜１００００Åが最適であるということが
分かる。

【００４１】アモルファスシリコン中間層については、
これがないと硬質炭素層は完全に剥離した。アモルファ
スシリコン中間層があっても５０Å以下の場合は、やは
り剥離した。アモルファスシリコン中間層が５０Å以上
であれば硬質炭素層の剥離は起こらなくなり、寿命も無
被覆のものに比べて５倍以上になる。アモルファスシリ
コン中間層の厚みが３００Åを越えると硬質炭素層の接
合強度は増強され寿命は１０倍以上になる。アモルファ
スシリコン中間層の厚みを増やしても剥離するというこ
とはなく機械的強度の観点からは厚みに上限は存在しな
い。しかしアモルファスシリコン中間層の厚みを増やす
とコ−テイング時間が余分にかかるので処理能力が減少
する。処理能力の点では、アモルファスシリコン中間層
の膜厚は５０００Å以下であるのが良い。

【００４２】従って、アモルファスシリコン中間層の厚
みをｄ₁ 、硬質炭素層の膜厚をｄ₂とすると、最適の範
囲は、 ５０Å≦ｄ₁ ≦５０００Å （１） １０００Å≦ｄ₂ ≦１μｍ （２）

【００４３】ということになる。この範囲でいずれも寿
命は無被覆の物に比べ５倍以上である。処理能力はアモ
ルファスシリコン中間層に関しては１８０〜２５０本／
時間である。硬質炭素層に関しては、９２〜３００本／
時間である。本発明では２工程を含むので、全体として
の処理能力は低い方が律速する。この範囲外であって
も、硬質炭素層の膜厚が５００Å〜１０００Åの範囲
で、無被覆のものに比して２〜７倍程度に寿命を延長す
ることはできる。

【００４４】さらにイオンビ−ム蒸着によるものは無被
覆のものに比較して１０倍以上の寿命を持つが、処理能
力が１３本／時間であって極めて低い。処理能力の点で
本発明に及ぶものではない。アモルファスシリコン中間
層の形成はイオンプレ−テイングによって行うと処理能
力を高めることができる。

【００４５】本発明ではホルダーとは独立した高周波電
極を適用する例を示ている。ホルダーは接地でもよいが
マイナスの直流電圧を印加した方が成膜速度は向上す
る。例えば、高周波電極に４００Ｗの電力を印加した場
合、ホルダーが接地の時は６００Å／ｈの成膜速度であ
るがホルダ−にマイナス５００Ｖの直流電圧を印加する
と２０００Å／ｈまで成膜速度が向上する。

【００４６】また、本装置では円柱状金属母材の円周方
向の膜厚の均一化のため図２に示す様なホルダ−を使用
した。円柱状金属母材をホ−ルドする穴の内径を円柱状
金属母材外径より大きくすることによって、ホルダ−の
公転運動にともない円柱状金属母材が自転をするという
ものである。さらにホルダ−を多段に積み重ねることで
処理本数も増やす事が出来る。この様な連続コ−ト装置
を用いることにより処理能力は２倍以上、人件費は半
分、設備投資も半分以下になり、大幅な生産性向上が達
成された。

【００４７】本発明のロ−ラ−（円柱状金属部品）は、
無被覆のＳＵＪ又はＳＵＳ４２０Ｊ２製のものに比べて
工程が増えるが、寿命が格段に高揚する。本発明は２層
の薄膜をコ−テイングする必要があるが、イオンビ−ム
蒸着法による硬質炭素層１層の形成よりも処理能力が高
く生産性において勝っている。

【００４８】

【発明の効果】本発明は、円柱状金属母材の表面にアモ
ルファスシリコン中間層と硬質炭素層を被覆している。
硬質炭素層によって高い耐摩耗性が得られ摩耗が少なく
なる。またアモルファスシリコン中間層によって金属母
材と硬質炭素層の密着性が得られるので、膜形成に時間
のかかるイオンビ−ム蒸着法を用いることなく硬質炭素
層を母材に被覆できる。膜形成のための処理時間が短縮
できるので、イオンビ−ム蒸着法を用いるものよりも生
産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】アモルファスシリコン中間層と硬質炭素膜とを
連続して形成する装置の概略断面図。

【図２】自公転型ホルダ−の１枚の板の穴と円柱状金属
母材との関係を示す図。

【符号の説明】

１ 真空槽 ２ ホルダー ３ 円柱状金属母材 ４ シリコン蒸発源 ５ シャッタ− ６ 高周波電極 ７ 基板回転用モ−タ ８ 回転軸 ９ 高周波電源 １０ ガス導入口 １１ ガス排気口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川合 弘 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電 気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円柱状金属母材の外周面の少なくとも一
   部にアモルファスシリコン中間層が被覆され、その上に
   硬質炭素層が被覆されていることを特徴とする円柱状金
   属部品。
2. 【請求項２】 アモルファスシリコン中間層、硬質炭素
   層の膜厚をそれぞれｄ₁ 、ｄ₂ とすると、５０Å≦ｄ₁
   ≦５０００Å、１０００Å≦ｄ₂ ≦１μｍであることを
   特徴とする請求項１に記載の円柱状金属部品。
3. 【請求項３】 円柱状金属母材が鉄を主成分とする鉄鋼
   材料であることを特徴とする請求項１に記載の円柱状金
   属部品。
4. 【請求項４】 真空装置内で、円柱状金属母材の上に、
   ＰＶＤ法によってアモルファスシリコン中間層を被覆
   し、同一装置内で、装置内の真空を維持したまま引き続
   き、プラズマＣＶＤ法によって前記アモルファスシリコ
   ン中間層の上に硬質炭素層を被覆する事を特徴とする円
   柱状金属部品の製造方法。
5. 【請求項５】 円柱状金属母材にマイナスの直流電圧を
   印加した状態で、アモルファスシリコン中間層の形成お
   よび硬質炭素層の形成を行うようにした事を特徴とする
   請求項４に記載の円柱状金属部品の製造方法。
6. 【請求項６】 真空に引く事のできる真空槽と、真空槽
   内に設けられたシリコン蒸発源と、アルゴン、炭化水素
   等のガス及びシリコン蒸気を高周波励起するため真空槽
   内のシリコン蒸発源の上方に設けられた高周波コイル
   と、アルゴン、炭化水素を含む原料ガスを真空槽に導入
   するためのガス導入口と、複数の円柱状金属母材を真空
   槽内で保持する為のホルダ−と、ホルダ−を回転する回
   転機構と、ホルダ−にマイナスの直流電圧を印加するた
   めの機構とを備えてなることを特徴とする円柱状金属部
   品の製造装置。