硬質皮膜被覆部材およびその製造方法
【課題】ＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜の表面の欠陥が少なく、母材とカーボン皮膜との密着性が良好で、相手攻撃性が低く、摩擦係数が低い硬質皮膜被覆部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】クロムターゲットを使用する処理装置の真空処理室内においてアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気中でスパッタリングすることによって母材上に厚さ１〜３０μｍの窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上、好ましくは０．３７以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下、好ましくは−２８０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上にカーボン皮膜を形成する。
【解決手段】クロムターゲットを使用する処理装置の真空処理室内においてアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気中でスパッタリングすることによって母材上に厚さ１〜３０μｍの窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上、好ましくは０．３７以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下、好ましくは−２８０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上にカーボン皮膜を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質皮膜被覆部材およびその製造方法に関し、特に、最表面に硬質皮膜としてダイヤモンドライクカーボン皮膜などのカーボンが形成された硬質皮膜被覆部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドライクカーボン（以下、「ＤＬＣ」という）皮膜は、プラズマＣＶＤなどの気相合成法などにより合成されるダイヤモンドに類似した高硬度や電気絶縁性などの特性を有するカーボン皮膜である。ＤＬＣ皮膜の構造は、通常、非晶質（アモルファス）構造であり、ダイヤモンド結合やグラファイト結合などを有している。ＤＬＤ皮膜は、硬く（例えば、マイクロビッカース硬度Ｈｖ１０００〜５０００）、耐摩耗性に優れた皮膜であるため、自動車部品などの各種の機械部品を被覆するために使用されている。
【０００３】
このＤＬＣ皮膜と母材との密着性を向上させるため、母材とＤＬＣ皮膜の間に炭化チタニウム層からなる中間層を介在させる方法（例えば、特許文献１参照）、母材を水素を含まない第１のＤＬＣ皮膜で被覆した上に水素を含む第２のＤＬＣ皮膜で被覆する方法（例えば、特許文献２参照）、母材をカーボンイオン注入層で被覆した上に炭素と珪素を含むガスによるプラズマガスを用いてＤＬＣ皮膜を形成する方法（例えば、特許文献３参照）、母材を柔らかい膜と硬い膜が交互に積層されたＤＬＣ多層膜で被覆する方法（例えば、特許文献４参照）などの様々な方法が提案されている。
【０００４】
しかし、ＤＬＣ皮膜は硬い皮膜であり、母材とＤＬＣ皮膜との硬さや熱膨張係数の差や組織の相違が非常に大きいため、上述した特許文献１〜４の方法では、母材とＤＬＣ皮膜との密着性を十分に向上させることができない場合がある。
【０００５】
そのため、処理装置の真空処理室内において、クロムターゲットを使用してスパッタリングすることにより、母材上に窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用してスパッタリングすることにより、窒素含有クロム皮膜上にＤＬＣ皮膜を形成して、母材とＤＬＣ皮膜との密着性が良好な硬質皮膜被覆部材を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開ＷＯ９２／００６２３４号公報（第３頁）
【特許文献２】特開２０００−１２８５１６号公報（段落番号０００４−０００５）
【特許文献３】特開２０００−３１９７８４号公報（段落番号０００８−０００９）
【特許文献４】特開２００４−２６９９９１号公報（段落番号０００７−０００８）
【特許文献５】特開２００７−３１７９７号公報（段落番号０００８−０００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献５の硬質皮膜被覆部材では、母材とＤＬＣ皮膜との密着性が良好になるものの、ＤＬＣ皮膜の表面の欠陥が多く（耐かじり性が悪く）なったり、相手攻撃性が高くなったり、あるいは、摩擦係数が高くなったりする場合がある。
【０００８】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜の表面の欠陥が少なく、母材とカーボン皮膜との密着性が良好で、相手攻撃性が低く、摩擦係数が低い硬質皮膜被覆部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、母材上に窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上にカーボン皮膜を形成することにより、ＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜の表面の欠陥が少なく、母材とカーボン皮膜との密着性が良好で、相手攻撃性が低く、摩擦係数が低い硬質皮膜被覆部材を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明による硬質皮膜被覆部材の製造方法は、母材上に窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上にカーボン皮膜を形成することを特徴とする。
【００１１】
この硬質皮膜被覆部材の製造方法において、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．３７以上であるのが好ましく、バイアス電圧が−２８０Ｖ以下であるのが好ましい。また、カーボン皮膜の厚さが３μｍ以上であるのが好ましく、窒素含有クロム皮膜の厚さが１〜３０μｍであるのが好ましい。さらに、窒素含有クロム皮膜が、クロムターゲットを使用する処理装置の真空処理室内においてアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気中でスパッタリングすることによって形成されるのが好ましい。
【００１２】
また、本発明による硬質皮膜被覆部材は、母材上に窒素含有クロム皮膜を介してカーボン皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材において、カーボン皮膜の表面の１００μｍ四方の範囲内における直径３μｍ以上の孔の数が３個以下であることを特徴とする。
【００１３】
なお、本明細書中において、「窒素含有クロム皮膜」とは、クロム皮膜中に窒素および窒化クロムの少なくとも一方が分散した皮膜をいう。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜の表面の欠陥が少なく、母材とカーボン皮膜との密着性が良好で、相手攻撃性が低く、摩擦係数が低い硬質皮膜被覆部材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態を製造するための処理装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明による硬質皮膜被覆部材の製造方法の実施の形態では、クロムターゲットを使用する処理装置の真空処理室内においてアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気中でスパッタリングすることによって母材上に厚さ１〜３０μｍの窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上、好ましくは０．３７以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下、好ましくは−２８０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上に厚さ３μｍ以上のＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜を形成する。
【００１７】
この硬質皮膜被覆部材の製造方法の実施の形態では、母材上に窒素含有クロム皮膜（Ｃｒ（Ｎ）系皮膜）が形成され、この窒素含有クロム皮膜上にＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材を製造する。この母材として、合金鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、軟鉄や鋳鉄などの鉄、アルミニウム、アルミニウム合金などからなる母材を使用することができる。
【００１８】
このような硬質皮膜被覆部材は、例えば、図１に示す処理装置１０を使用して製造することができる。この処理装置１０は、真空処理室１２と、この真空処理室１２内を減圧して真空にするための真空ポンプ１４と、真空処理室１２内の底部の中心部に配設された回転テーブル１６と、この回転テーブル１６上に治具１８を介して載置された被処理部材としての母材２０と、この母材２０を取り囲むように配置された蒸発源としてのターゲット２２と、これらのターゲット２２の各々に接続された直流のスパッタ電源２４と、回転テーブル１６に接続された直流のイオンボンバードおよびバイアス電源２６と、真空処理室１２内にアルゴンガスおよび窒素ガスを導入するためのガス導入パイプ２８とを備えている。
【００１９】
この処理装置１０のターゲット２２としてクロムターゲットを使用して母材２０を厚さ１〜３０μｍ、好ましくは３〜２５μｍの窒素含有クロム皮膜で被覆した後、ターゲット２２としてカーボンターゲットを使用して厚さ３μｍ以上、好ましくは５〜３０μｍのＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜で被覆する。窒素含有クロム皮膜としては、クロム皮膜中に窒素または窒化クロムがほぼ均一分散した皮膜（以下、「窒素含有クロム皮膜Ｉ」という）でもよいし、クロム皮膜中の膜厚方向中央部の窒素濃度がその両側の部分の窒素濃度より高い皮膜（以下、「窒素含有クロム皮膜ＩＩ」という）でもよい。以下、窒素含有クロム皮膜およびカーボン皮膜の形成方法について詳細に説明する。
【００２０】
（窒素含有クロム皮膜Ｉの形成方法）
まず、ターゲット２２としてクロムターゲットを使用する処理装置１０の真空処理室１２内に母材２０を配置し、真空ポンプ１４を作動させて真空処理室１２内を真空排気した後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して真空処理室１２内をスパッタリング雰囲気にする。なお、必要に応じて、スパッタリングを行う前にイオンボンバード処理を行って、母材２０の表面を活性化しておくのが好ましい。
【００２１】
次に、ターゲット２２にスパッタ電源２２から−３００Ｖ〜−８００Ｖ、好ましくは−５００Ｖ〜−７５０Ｖの電圧を印加して、ターゲット２２の近傍にグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化してターゲット２２に高速で衝突し、この衝突によってターゲット２２からクロム原子が叩き出され、このクロム原子が真空処理室１２内の雰囲気中の窒素原子とともに母材２０の表面に叩き付けられて、母材２０の表面に窒素を含有するクロム皮膜として１００原子当たり５０〜９９のクロム原子および５０〜１の窒素原子を含むＣｒＸＮＹ結晶が点在した窒素含有クロム皮膜が形成される。
【００２２】
なお、窒素ガスを導入しないでスパッタリングを行って母材２０上に厚さ３μｍ以下、好ましくは１μｍ以下のクロム皮膜を形成した後に、窒素ガスを導入してスパッタリングを行って窒素含有クロム皮膜Ｉを形成してもよい。このようにクロム皮膜を介して窒素含有クロム皮膜を形成すれば、母材２０とカーボン皮膜との間の密着性をさらに向上させることができる。
【００２３】
（窒素含有クロム皮膜ＩＩの形成方法）
まず、ターゲット２２としてクロムターゲットを使用する処理装置１０の真空処理室１２内に母材２０を配置し、真空ポンプ１４を作動させて真空処理室１２内の真空排気を行った後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスを導入して真空処理室１２内をスパッタリング雰囲気にする。なお、必要に応じて、スパッタリングを行う前にアルゴンガス雰囲気中でイオンボンバード処理を行って、母材２０の表面をアルゴンイオンで活性化しておくのが好ましい。
【００２４】
次に、ターゲット２２にスパッタ電源２４から−３００Ｖ〜−８００Ｖ、好ましくは−５００Ｖ〜−７５０Ｖの電圧を印加して、ターゲット２２の近傍にグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化してターゲット２２に高速で衝突し、この衝突によってターゲット２２からクロム原子が叩き出される。
【００２５】
このスパッタリングの開始から所定時間を経過した後、あるいはスパッタリングの開始時点から、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内に窒素ガスの導入を開始すると、ターゲット２２から叩き出されたクロム原子は、真空処理室１２内の雰囲気中の窒素濃度がゼロの間はクロム単独で、真空処理室１２内の雰囲気中に窒素ガスが導入された後には雰囲気中の窒素原子とともに、母材２０の表面に叩きつけられて堆積する。
【００２６】
この窒素含有クロム皮膜ＩＩは、クロム中に窒素が固溶されている組織、クロム中に窒化クロムが分散している組織、あるいはクロム中に窒素が固溶され且つ窒化クロムが分散している組織を有するが、この組織の調整は、スパッタリングの際に真空処理室１２内の雰囲気中の窒素濃度を制御することによって行うことができ、この雰囲気中の窒素濃度の制御は、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内に導入する窒素ガスの供給量を制御することによって行うことができる。窒素ガスの供給量を増加して雰囲気中の窒素濃度を高くすれば、ターゲット２２から叩き出されたクロム原子と結合して母材２０の表面に堆積する窒素の量が多くなり、逆に、窒素ガスの供給量を減少させて雰囲気中の窒素濃度を低くすれば、窒素含有クロム皮膜ＩＩに含まれる窒素の量が減少する。したがって、スパッタリングの中間時点における雰囲気中の窒素濃度が他の時点に比べて高くなり且つスパッタリングの開始時点および終了時点における雰囲気中の窒素濃度が中間時点の窒素濃度より低くなるように窒素ガスの供給量を制御すれば、クロム皮膜中の膜厚方向中央部の窒素濃度がその両側の部分の窒素濃度より高い窒素含有クロム皮膜ＩＩを形成することができる。具体的には、スパッタリングの開始時点からスパッタリングの中間時点までは、雰囲気中の窒素濃度を逓増させ、スパッタリングの中間時点からスパッタリングの終了時点までは、雰囲気中の窒素濃度を逓減させるのが好ましい。なお、スパッタリングの開始時点では窒素ガスを供給しなくてもよい。
【００２７】
このようにして、クロム皮膜中の膜厚方向中央部の窒素濃度がその両側の部分の窒素濃度より高い窒素含有クロム皮膜ＩＩが母材２０上に形成される。スパッタリング時間は、母材２０の種類や必要とする膜厚に応じて適宜設定することができる。
【００２８】
また、窒素含有クロム皮膜ＩＩでは、膜厚方向の窒素含有量の相違により、膜厚方向中央部で最も硬度が高く、例えば、Ｈｖ８００〜２０００、好ましくはＨｖ１６００〜１８００であり、母材２０側および表面側で硬度が低く、例えば、母材２０側でＨｖ５００〜９００、好ましくはＨｖが５００〜７００、表面側でＨｖ９００〜１９００、好ましくはＨｖ９００〜１１００である。したがって、皮膜全体としての硬度を最高硬度の部分よりも低くし、また、セラミックスである窒化クロム（ＣｒＮ）の生成を抑制することにより、皮膜の靭性が良好になると考えられる。
【００２９】
さらに、窒素含有クロム皮膜ＩＩの母材２０側では、窒素含有量が膜厚方向中央部より低い分だけクロム含有量が高いので、皮膜と母材２０との密着性も良好になる。母材２０が機械部材に用いられる工具鋼や低炭素鋼などの金属の場合には、窒素含有クロム皮膜ＩＩの母材２０との界面の熱膨張率と母材２０の熱膨張率の差を小さくすることにより、すなわち、窒素含有クロム皮膜ＩＩの母材２０との界面のクロム含有量を高くして膜厚方向中央部に向かって徐々に窒素含有量を増加させることにより、熱応力の発生を減少させて密着強度を増大させることができると考えられる。
【００３０】
また、窒素含有クロム皮膜ＩＩは、母材２０との密着性が良好であるので、皮膜形成時に窒素濃度を緩やかに変化させて母材２０との接触面における熱膨張率と皮膜内部の熱膨張率との差による応力を小さく（緩和）することにより、耐摩耗性を保持しつつ、耐熱衝撃性も向上させることができると考えられる。
【００３１】
さらに、窒素含有クロム皮膜ＩＩでは、表面の窒素含有量が母材２０との接触面における窒素含有量より高くなっているので、皮膜表面側の硬度が母材２０側の硬度よりも高くなる。
【００３２】
例えば、真空処理室１２内の雰囲気中のアルゴンガスの分圧を１．２×１０−３ｔｏｒｒ程度にし、窒素ガスの分圧を０〜０．５×１０−３ｔｏｒｒ程度になるように雰囲気中の窒素濃度（窒素ガス供給量）を変化させることにより、スパッタリングの初期において、窒素濃度０〜０．６原子％、Ｈｖ５００〜９００の母材２０側の層を形成することができ、スパッタリングの中期において、窒素濃度０．５〜３．０原子％、Ｈｖ８００〜２０００の膜厚方向中央部の層を形成することができ、スパッタリングの終期において、窒素濃度０．３〜３．０原子％、Ｈｖ９００〜１９００の表面側の層を形成することができる。このようにして形成された窒素含有クロム皮膜ＩＩ中の窒素濃度の測定は、通常の物理分析法を適用して行うことができ、例えば、グロー放電発光表面分析（ＧＤＳ）を利用して行うことができる。
【００３３】
また、窒素含有クロム皮膜ＩＩの厚さは、窒素含有量がゼロの部分がある場合はその部分も含めて、数μｍ程度から最大１００μｍにすることができる。しかし、窒素含有クロム皮膜ＩＩが厚過ぎると、皮膜の応力によって皮膜にクラックが入り易くなる傾向があるので、実際には膜厚の上限を３０μｍ程度にするのが好ましい。この範囲内において、要求される機械部材の特性に応じて機械部材の種類ごとに膜厚を決めればよい。例えば、精度の厳しい機械部材の場合には、膜厚１〜５μｍ程度、好ましくは３μｍ程度であり、良好な耐摩耗性を必要とする機械部材の場合には、膜厚５〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍ程度である。
【００３４】
（カーボン皮膜の形成）
このように母材２０を窒素含有クロム皮膜ＩまたはＩＩで被覆した後、クロムターゲット２２としてカーボンターゲットを使用する処理装置１０の真空処理室１２内に母材２０を配置し、真空ポンプ１４を作動させて真空処理室１２内を真空排気して減圧した後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、真空処理室１２内をアルゴンガスと窒素ガスの全圧（好ましくは１．０×１０−３〜３×１０−３ｔｏｒｒ）に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上、好ましくは０．３７以上のスパッタリング雰囲気にする。
【００３５】
次に、ターゲット２２にスパッタ電源２２から−２５０Ｖ以下、好ましくは−２８０Ｖ以下の電圧を印加して、ターゲット２２の近傍にグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化してターゲット２２に高速で衝突し、この衝突によってターゲット２２からカーボン原子が叩き出され、このカーボン原子が窒素原子とともに母材２０の表面に叩き付けられて、母材２０の表面に窒素を含有するＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜が形成される。
【００３６】
このようにして、母材２０が窒素含有クロム皮膜で被覆され、この窒素含有クロム皮膜がＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材を製造することができる。なお、カーボン皮膜の密着性を向上させるために、バイアス電圧や窒素ガスの分圧の調整によりカーボン皮膜の硬さを調整して、窒素含有クロム皮膜との界面の硬さを窒素含有クロム皮膜の硬さに近付けて同等程度にするのが好ましい。例えば、窒素含有クロム皮膜の表面の硬さをＨｖ８００〜１３００とし、その上にＨｖ８００〜１６００のカーボン皮膜を形成するのが好ましい。また、バイアス電圧を−２５０Ｖ以下にすることにより、カーボン皮膜の表面の欠陥を少なくすることができる。なお、カーボン皮膜の硬度をある程度低くすれば、相手攻撃性が低くし且つ摺動痕の幅の増大を防ぐことができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明による硬質皮膜被覆部材およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００３８】
［実施例１］
合金鋼からなる母材２０としてＪＩＳ ＳＣＭ４１５（クロモリ鋼（Ｃｒ−Ｍｏ鋼））からなる母材を（直径３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの大きさに）切り出して用意し、９００℃で２時間浸炭した後に８５０℃から油焼入れして、表面の硬度（ロックウェル硬さ）を５９〜６１ＨＲＣに調整し、表面粗さを１．６Ｓにした。
【００３９】
この母材２０を、ターゲット２２として５インチ×１７インチの大きさのクロムターゲットを使用する処理装置（対向ターゲット式のマグネトロンスパッタリング装置）１０の真空処理室１２に入れ、この真空処理室１２内を排気して真空にした後、真空処理室１２内にアルゴンガスを導入して、真空処理室１２内の雰囲気中のアルゴンガスの分圧を１．２×１０−３ｔｏｒｒ、バイアス電圧を−１００Ｖとしてスパッタリングを行って、母材２０上に下地膜として厚さ１μｍ程度のクロム皮膜を形成した。
【００４０】
続いて、この処理装置１０の真空処理室１２内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、真空処理室１２内の雰囲気中のアルゴンガスの分圧を１．１×１０−３ｔｏｒｒ、窒素ガスの分圧を０．２×１０−３ｔｏｒｒ、バイアス電圧を−３００Ｖとしてスパッタリングを行って、母材２０上に下地膜として厚さ５μｍの窒素含有クロム皮膜を形成した。
【００４１】
このように窒素含有クロム皮膜を形成した母材２０を、ターゲット２２として５インチ×１７インチの大きさのカーボンターゲットを使用する処理装置１０に入れ、この真空処理室１２内にアルゴンガスを流量３３ｓｃｃｍ、窒素ガスを流量２６．７ｓｃｃｍで導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧（１．４×１０−３ｔｏｒｒ）に対する窒素ガスの分圧の比を０．４４７とし、バイアス電圧を−３００Ｖ、スパッタ電圧を８Ｗ／ｃｍ２として、ターゲット２２に生成したプラズマを使用してスパッタリング処理を施すことにより、窒素含有クロム皮膜上に厚さ５μｍのカーボン皮膜を形成した。なお、窒素含有クロム皮膜とカーボン皮膜の膜厚は、断面を金属顕微鏡で観察することによって求めた。また、カーボン皮膜をＧＤＳで分析したところ、カーボン皮膜中に窒素を含むことが確認された。
【００４２】
このようにして作製した硬質皮膜被覆部材について、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によってカーボン皮膜の表面の欠陥として１００μｍ四方の範囲内における直径３μｍ以上の孔の数を調べたところ、孔の数は１個未満であり、表面の欠陥は少なかった。また、トライボメータによって摩擦係数を求めたところ、初期最大摩擦係数（摺動開始直後から摺動距離５ｍ以内における摩擦係数の最大値）は０．１２、最終摩擦係数（摺動距離２５ｍのときの摩擦係数）は０．１８であった。また、カーボン皮膜の表面の硬さをナノインデンテーションにより荷重１００ｍＮで測定したところ、Ｈｖ１０００であった。さらに、カーボン皮膜の密着性をスクラッチ試験機（ＣＳＭ社製）により評価したところ、９５Ｎでカーボン皮膜のチッピングが生じていたが剥離は見られず、密着強度が高かった。また、カーボン皮膜の密着性をロックウエル圧痕試験（１５０ｋｇｆ、Ｃスケール）により評価したところ、ひびが生じていたが剥離は見られなかった。
【００４３】
［実施例２］
スパッタリング処理時間を長くして窒素含有クロム皮膜の厚さを１５μｍにした以外は、実施例１と同様の方法により作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の欠陥を調べたところ、孔の数は１個未満であり、表面の欠陥は少なかった。また、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の硬さを測定したところ、Ｈｖ１０００であった。さらに、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の密着性を評価したところ、スクラッチ試験では、１００Ｎまでカーボン皮膜のチッピングや割れも剥離も見られず、密着強度が高かった。また、ロックウエル圧痕試験では、ひびが僅かに生じていたが剥離は見られなかった。
【００４４】
［比較例１、実施例３〜７］
カーボン皮膜を形成する際の窒素ガスの流量を１０ｓｃｃｍとして、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比を０．２３３とし、バイアス電圧をそれぞれ−２００Ｖ（比較例１）、−２５０Ｖ（実施例３）、−３００Ｖ（実施例４）、−４００Ｖ（実施例５）、−５００Ｖ（実施例６）、−６００Ｖ（実施例７）にした以外は、実施例１と同様の方法により作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の欠陥を調べたところ、比較例１では孔の数が７個で表面の欠陥が多く、実施例３および５では孔の数が１個で表面の欠陥が少なく、実施例４では孔の数が１個未満で表面の欠陥が最も少なかった。また、実施例４の硬質皮膜被覆部材についてカーボン皮膜をＧＤＳで分析したところ、実施例１より少ないが、カーボン皮膜中に窒素を含むことが確認された。
【００４５】
また、作製した硬質皮膜被覆部材について、表面粗さを評価したところ、算術平均粗さＲａは、それぞれ０．０７μｍ（実施例３）、０．０５μｍ（実施例４）、０．０７μｍ（実施例５）、０．０９μｍ（実施例６）、０．０９μｍ（実施例７）であり、十点平均粗さＲｚは、それぞれ１．７５μｍ（実施例３）、１．１０μｍ（実施例４）、１．７０μｍ（実施例５）、１．５５μｍ（実施例６）、１．６０μｍ（実施例７）であった。
【００４６】
また、作製した硬質皮膜被覆部材について、ボールオンディスク試験機により、相手材をＳＵＪ２材とし、直径６ｍｍのボールを使用し、ドライ環境において、荷重５Ｎ、摺動速度３０ｍｍ／ｓ、回転半径５ｍｍの条件で摩擦係数を求めたところ、それぞれ０．１３（比較例１）、０．０９（実施例３）、０．１５（実施例４）、０．１５（実施例５）であった。また、この摺動試験後の硬質皮膜被覆部材について、ＳＥＭ写真から摺動痕の幅を求めたところ、それぞれ１４０μｍ（実施例３）、１１０μｍ（実施例４）、２８０μｍ（実施例５）であった。
【００４７】
また、作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の硬さを測定したところ、それぞれＨｖ１４５０（比較例１）、Ｈｖ１４５０（実施例３）、Ｈｖ１５２０（実施例４）、Ｈｖ１１２０（実施例５）、Ｈｖ１０５０（実施例６）、Ｈｖ１０２０（実施例７）であった。
【００４８】
なお、カーボン皮膜を形成する際の窒素ガスの流量を１０ｓｃｃｍとして、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比を０．２３３とした以外は、実施例１と同様の方法により作製した実施例４の硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様にトライボメータによって摩擦係数を求めたところ、初期最大摩擦係数は０．３５、最終摩擦係数は０．０９であった。
【００４９】
［比較例２、実施例８〜９］
カーボン皮膜を形成する際の窒素ガスの流量をそれぞれ０ｓｃｃｍ（比較例２）、２０ｓｃｃｍ（実施例８）、３０ｓｃｃｍ（実施例９）として、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比をそれぞれ０（比較例２）、０．３７７（実施例８）、０．４７６（実施例９）とした以外は、実施例４と同様の方法により作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の欠陥を調べたところ、いずれも孔の数が１個で、表面の欠陥が少なかった。また、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の硬さを測定したところ、それぞれＨｖ１５３０（比較例２）、Ｈｖ１３７０（実施例８）、Ｈｖ９７０（実施例９）であった。
【００５０】
また、実施例９で作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様にスクラッチ試験によってカーボン皮膜の密着性を評価したところ、９０Ｎ以上でもカーボン皮膜のチッピングや割れも剥離も見られなかった。
【００５１】
また、比較例２で作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様にトライボメータによって摩擦係数を求めたところ、初期最大摩擦係数は０．３５、最終摩擦係数は０．１５であり、実施例１と同様にスクラッチ試験によってカーボン皮膜の密着性を評価したところ、１０Ｎ付近でカーボン皮膜のチッピングが発生した。
【００５２】
これらの実施例および比較例の結果から、母材上に窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上にカーボン皮膜を形成すると、表面の欠陥が少なく（耐かじり性が良好で）、母材とカーボン皮膜との密着性が良好で、相手攻撃性が低く、摩擦係数が低い硬質皮膜被覆部材を製造することができる。
【００５３】
［実施例１０］
バイアス電圧を−４００Ｖにした以外は、実施例２と同様の方法により作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の欠陥を調べたところ、孔の数は１個未満であり、表面の欠陥は少なかった。また、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の硬さを測定したところ、Ｈｖ８９０であった。さらに、実施例３と同様にボールオンディスク試験機により摺動試験を行った後の硬質皮膜被覆部材について、ＳＥＭ写真から摺動痕の幅を求めたところ、１３０μｍであった。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 処理装置
１２ 真空処理室
１４ 真空ポンプ
１６ 回転テーブル
１８ 治具
２０ 母材
２２ ターゲット
２４ スパッタ電源
２６ イオンボンバードおよびバイアス電源
２８ ガス導入パイプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質皮膜被覆部材およびその製造方法に関し、特に、最表面に硬質皮膜としてダイヤモンドライクカーボン皮膜などのカーボンが形成された硬質皮膜被覆部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドライクカーボン（以下、「ＤＬＣ」という）皮膜は、プラズマＣＶＤなどの気相合成法などにより合成されるダイヤモンドに類似した高硬度や電気絶縁性などの特性を有するカーボン皮膜である。ＤＬＣ皮膜の構造は、通常、非晶質（アモルファス）構造であり、ダイヤモンド結合やグラファイト結合などを有している。ＤＬＤ皮膜は、硬く（例えば、マイクロビッカース硬度Ｈｖ１０００〜５０００）、耐摩耗性に優れた皮膜であるため、自動車部品などの各種の機械部品を被覆するために使用されている。
【０００３】
このＤＬＣ皮膜と母材との密着性を向上させるため、母材とＤＬＣ皮膜の間に炭化チタニウム層からなる中間層を介在させる方法（例えば、特許文献１参照）、母材を水素を含まない第１のＤＬＣ皮膜で被覆した上に水素を含む第２のＤＬＣ皮膜で被覆する方法（例えば、特許文献２参照）、母材をカーボンイオン注入層で被覆した上に炭素と珪素を含むガスによるプラズマガスを用いてＤＬＣ皮膜を形成する方法（例えば、特許文献３参照）、母材を柔らかい膜と硬い膜が交互に積層されたＤＬＣ多層膜で被覆する方法（例えば、特許文献４参照）などの様々な方法が提案されている。
【０００４】
しかし、ＤＬＣ皮膜は硬い皮膜であり、母材とＤＬＣ皮膜との硬さや熱膨張係数の差や組織の相違が非常に大きいため、上述した特許文献１〜４の方法では、母材とＤＬＣ皮膜との密着性を十分に向上させることができない場合がある。
【０００５】
そのため、処理装置の真空処理室内において、クロムターゲットを使用してスパッタリングすることにより、母材上に窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用してスパッタリングすることにより、窒素含有クロム皮膜上にＤＬＣ皮膜を形成して、母材とＤＬＣ皮膜との密着性が良好な硬質皮膜被覆部材を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開ＷＯ９２／００６２３４号公報（第３頁）
【特許文献２】特開２０００−１２８５１６号公報（段落番号０００４−０００５）
【特許文献３】特開２０００−３１９７８４号公報（段落番号０００８−０００９）
【特許文献４】特開２００４−２６９９９１号公報（段落番号０００７−０００８）
【特許文献５】特開２００７−３１７９７号公報（段落番号０００８−０００９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献５の硬質皮膜被覆部材では、母材とＤＬＣ皮膜との密着性が良好になるものの、ＤＬＣ皮膜の表面の欠陥が多く（耐かじり性が悪く）なったり、相手攻撃性が高くなったり、あるいは、摩擦係数が高くなったりする場合がある。
【０００８】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜の表面の欠陥が少なく、母材とカーボン皮膜との密着性が良好で、相手攻撃性が低く、摩擦係数が低い硬質皮膜被覆部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、母材上に窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上にカーボン皮膜を形成することにより、ＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜の表面の欠陥が少なく、母材とカーボン皮膜との密着性が良好で、相手攻撃性が低く、摩擦係数が低い硬質皮膜被覆部材を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明による硬質皮膜被覆部材の製造方法は、母材上に窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上にカーボン皮膜を形成することを特徴とする。
【００１１】
この硬質皮膜被覆部材の製造方法において、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．３７以上であるのが好ましく、バイアス電圧が−２８０Ｖ以下であるのが好ましい。また、カーボン皮膜の厚さが３μｍ以上であるのが好ましく、窒素含有クロム皮膜の厚さが１〜３０μｍであるのが好ましい。さらに、窒素含有クロム皮膜が、クロムターゲットを使用する処理装置の真空処理室内においてアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気中でスパッタリングすることによって形成されるのが好ましい。
【００１２】
また、本発明による硬質皮膜被覆部材は、母材上に窒素含有クロム皮膜を介してカーボン皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材において、カーボン皮膜の表面の１００μｍ四方の範囲内における直径３μｍ以上の孔の数が３個以下であることを特徴とする。
【００１３】
なお、本明細書中において、「窒素含有クロム皮膜」とは、クロム皮膜中に窒素および窒化クロムの少なくとも一方が分散した皮膜をいう。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜の表面の欠陥が少なく、母材とカーボン皮膜との密着性が良好で、相手攻撃性が低く、摩擦係数が低い硬質皮膜被覆部材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態を製造するための処理装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明による硬質皮膜被覆部材の製造方法の実施の形態では、クロムターゲットを使用する処理装置の真空処理室内においてアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気中でスパッタリングすることによって母材上に厚さ１〜３０μｍの窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上、好ましくは０．３７以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下、好ましくは−２８０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上に厚さ３μｍ以上のＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜を形成する。
【００１７】
この硬質皮膜被覆部材の製造方法の実施の形態では、母材上に窒素含有クロム皮膜（Ｃｒ（Ｎ）系皮膜）が形成され、この窒素含有クロム皮膜上にＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材を製造する。この母材として、合金鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、軟鉄や鋳鉄などの鉄、アルミニウム、アルミニウム合金などからなる母材を使用することができる。
【００１８】
このような硬質皮膜被覆部材は、例えば、図１に示す処理装置１０を使用して製造することができる。この処理装置１０は、真空処理室１２と、この真空処理室１２内を減圧して真空にするための真空ポンプ１４と、真空処理室１２内の底部の中心部に配設された回転テーブル１６と、この回転テーブル１６上に治具１８を介して載置された被処理部材としての母材２０と、この母材２０を取り囲むように配置された蒸発源としてのターゲット２２と、これらのターゲット２２の各々に接続された直流のスパッタ電源２４と、回転テーブル１６に接続された直流のイオンボンバードおよびバイアス電源２６と、真空処理室１２内にアルゴンガスおよび窒素ガスを導入するためのガス導入パイプ２８とを備えている。
【００１９】
この処理装置１０のターゲット２２としてクロムターゲットを使用して母材２０を厚さ１〜３０μｍ、好ましくは３〜２５μｍの窒素含有クロム皮膜で被覆した後、ターゲット２２としてカーボンターゲットを使用して厚さ３μｍ以上、好ましくは５〜３０μｍのＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜で被覆する。窒素含有クロム皮膜としては、クロム皮膜中に窒素または窒化クロムがほぼ均一分散した皮膜（以下、「窒素含有クロム皮膜Ｉ」という）でもよいし、クロム皮膜中の膜厚方向中央部の窒素濃度がその両側の部分の窒素濃度より高い皮膜（以下、「窒素含有クロム皮膜ＩＩ」という）でもよい。以下、窒素含有クロム皮膜およびカーボン皮膜の形成方法について詳細に説明する。
【００２０】
（窒素含有クロム皮膜Ｉの形成方法）
まず、ターゲット２２としてクロムターゲットを使用する処理装置１０の真空処理室１２内に母材２０を配置し、真空ポンプ１４を作動させて真空処理室１２内を真空排気した後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して真空処理室１２内をスパッタリング雰囲気にする。なお、必要に応じて、スパッタリングを行う前にイオンボンバード処理を行って、母材２０の表面を活性化しておくのが好ましい。
【００２１】
次に、ターゲット２２にスパッタ電源２２から−３００Ｖ〜−８００Ｖ、好ましくは−５００Ｖ〜−７５０Ｖの電圧を印加して、ターゲット２２の近傍にグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化してターゲット２２に高速で衝突し、この衝突によってターゲット２２からクロム原子が叩き出され、このクロム原子が真空処理室１２内の雰囲気中の窒素原子とともに母材２０の表面に叩き付けられて、母材２０の表面に窒素を含有するクロム皮膜として１００原子当たり５０〜９９のクロム原子および５０〜１の窒素原子を含むＣｒＸＮＹ結晶が点在した窒素含有クロム皮膜が形成される。
【００２２】
なお、窒素ガスを導入しないでスパッタリングを行って母材２０上に厚さ３μｍ以下、好ましくは１μｍ以下のクロム皮膜を形成した後に、窒素ガスを導入してスパッタリングを行って窒素含有クロム皮膜Ｉを形成してもよい。このようにクロム皮膜を介して窒素含有クロム皮膜を形成すれば、母材２０とカーボン皮膜との間の密着性をさらに向上させることができる。
【００２３】
（窒素含有クロム皮膜ＩＩの形成方法）
まず、ターゲット２２としてクロムターゲットを使用する処理装置１０の真空処理室１２内に母材２０を配置し、真空ポンプ１４を作動させて真空処理室１２内の真空排気を行った後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスを導入して真空処理室１２内をスパッタリング雰囲気にする。なお、必要に応じて、スパッタリングを行う前にアルゴンガス雰囲気中でイオンボンバード処理を行って、母材２０の表面をアルゴンイオンで活性化しておくのが好ましい。
【００２４】
次に、ターゲット２２にスパッタ電源２４から−３００Ｖ〜−８００Ｖ、好ましくは−５００Ｖ〜−７５０Ｖの電圧を印加して、ターゲット２２の近傍にグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化してターゲット２２に高速で衝突し、この衝突によってターゲット２２からクロム原子が叩き出される。
【００２５】
このスパッタリングの開始から所定時間を経過した後、あるいはスパッタリングの開始時点から、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内に窒素ガスの導入を開始すると、ターゲット２２から叩き出されたクロム原子は、真空処理室１２内の雰囲気中の窒素濃度がゼロの間はクロム単独で、真空処理室１２内の雰囲気中に窒素ガスが導入された後には雰囲気中の窒素原子とともに、母材２０の表面に叩きつけられて堆積する。
【００２６】
この窒素含有クロム皮膜ＩＩは、クロム中に窒素が固溶されている組織、クロム中に窒化クロムが分散している組織、あるいはクロム中に窒素が固溶され且つ窒化クロムが分散している組織を有するが、この組織の調整は、スパッタリングの際に真空処理室１２内の雰囲気中の窒素濃度を制御することによって行うことができ、この雰囲気中の窒素濃度の制御は、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内に導入する窒素ガスの供給量を制御することによって行うことができる。窒素ガスの供給量を増加して雰囲気中の窒素濃度を高くすれば、ターゲット２２から叩き出されたクロム原子と結合して母材２０の表面に堆積する窒素の量が多くなり、逆に、窒素ガスの供給量を減少させて雰囲気中の窒素濃度を低くすれば、窒素含有クロム皮膜ＩＩに含まれる窒素の量が減少する。したがって、スパッタリングの中間時点における雰囲気中の窒素濃度が他の時点に比べて高くなり且つスパッタリングの開始時点および終了時点における雰囲気中の窒素濃度が中間時点の窒素濃度より低くなるように窒素ガスの供給量を制御すれば、クロム皮膜中の膜厚方向中央部の窒素濃度がその両側の部分の窒素濃度より高い窒素含有クロム皮膜ＩＩを形成することができる。具体的には、スパッタリングの開始時点からスパッタリングの中間時点までは、雰囲気中の窒素濃度を逓増させ、スパッタリングの中間時点からスパッタリングの終了時点までは、雰囲気中の窒素濃度を逓減させるのが好ましい。なお、スパッタリングの開始時点では窒素ガスを供給しなくてもよい。
【００２７】
このようにして、クロム皮膜中の膜厚方向中央部の窒素濃度がその両側の部分の窒素濃度より高い窒素含有クロム皮膜ＩＩが母材２０上に形成される。スパッタリング時間は、母材２０の種類や必要とする膜厚に応じて適宜設定することができる。
【００２８】
また、窒素含有クロム皮膜ＩＩでは、膜厚方向の窒素含有量の相違により、膜厚方向中央部で最も硬度が高く、例えば、Ｈｖ８００〜２０００、好ましくはＨｖ１６００〜１８００であり、母材２０側および表面側で硬度が低く、例えば、母材２０側でＨｖ５００〜９００、好ましくはＨｖが５００〜７００、表面側でＨｖ９００〜１９００、好ましくはＨｖ９００〜１１００である。したがって、皮膜全体としての硬度を最高硬度の部分よりも低くし、また、セラミックスである窒化クロム（ＣｒＮ）の生成を抑制することにより、皮膜の靭性が良好になると考えられる。
【００２９】
さらに、窒素含有クロム皮膜ＩＩの母材２０側では、窒素含有量が膜厚方向中央部より低い分だけクロム含有量が高いので、皮膜と母材２０との密着性も良好になる。母材２０が機械部材に用いられる工具鋼や低炭素鋼などの金属の場合には、窒素含有クロム皮膜ＩＩの母材２０との界面の熱膨張率と母材２０の熱膨張率の差を小さくすることにより、すなわち、窒素含有クロム皮膜ＩＩの母材２０との界面のクロム含有量を高くして膜厚方向中央部に向かって徐々に窒素含有量を増加させることにより、熱応力の発生を減少させて密着強度を増大させることができると考えられる。
【００３０】
また、窒素含有クロム皮膜ＩＩは、母材２０との密着性が良好であるので、皮膜形成時に窒素濃度を緩やかに変化させて母材２０との接触面における熱膨張率と皮膜内部の熱膨張率との差による応力を小さく（緩和）することにより、耐摩耗性を保持しつつ、耐熱衝撃性も向上させることができると考えられる。
【００３１】
さらに、窒素含有クロム皮膜ＩＩでは、表面の窒素含有量が母材２０との接触面における窒素含有量より高くなっているので、皮膜表面側の硬度が母材２０側の硬度よりも高くなる。
【００３２】
例えば、真空処理室１２内の雰囲気中のアルゴンガスの分圧を１．２×１０−３ｔｏｒｒ程度にし、窒素ガスの分圧を０〜０．５×１０−３ｔｏｒｒ程度になるように雰囲気中の窒素濃度（窒素ガス供給量）を変化させることにより、スパッタリングの初期において、窒素濃度０〜０．６原子％、Ｈｖ５００〜９００の母材２０側の層を形成することができ、スパッタリングの中期において、窒素濃度０．５〜３．０原子％、Ｈｖ８００〜２０００の膜厚方向中央部の層を形成することができ、スパッタリングの終期において、窒素濃度０．３〜３．０原子％、Ｈｖ９００〜１９００の表面側の層を形成することができる。このようにして形成された窒素含有クロム皮膜ＩＩ中の窒素濃度の測定は、通常の物理分析法を適用して行うことができ、例えば、グロー放電発光表面分析（ＧＤＳ）を利用して行うことができる。
【００３３】
また、窒素含有クロム皮膜ＩＩの厚さは、窒素含有量がゼロの部分がある場合はその部分も含めて、数μｍ程度から最大１００μｍにすることができる。しかし、窒素含有クロム皮膜ＩＩが厚過ぎると、皮膜の応力によって皮膜にクラックが入り易くなる傾向があるので、実際には膜厚の上限を３０μｍ程度にするのが好ましい。この範囲内において、要求される機械部材の特性に応じて機械部材の種類ごとに膜厚を決めればよい。例えば、精度の厳しい機械部材の場合には、膜厚１〜５μｍ程度、好ましくは３μｍ程度であり、良好な耐摩耗性を必要とする機械部材の場合には、膜厚５〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍ程度である。
【００３４】
（カーボン皮膜の形成）
このように母材２０を窒素含有クロム皮膜ＩまたはＩＩで被覆した後、クロムターゲット２２としてカーボンターゲットを使用する処理装置１０の真空処理室１２内に母材２０を配置し、真空ポンプ１４を作動させて真空処理室１２内を真空排気して減圧した後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、真空処理室１２内をアルゴンガスと窒素ガスの全圧（好ましくは１．０×１０−３〜３×１０−３ｔｏｒｒ）に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上、好ましくは０．３７以上のスパッタリング雰囲気にする。
【００３５】
次に、ターゲット２２にスパッタ電源２２から−２５０Ｖ以下、好ましくは−２８０Ｖ以下の電圧を印加して、ターゲット２２の近傍にグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化してターゲット２２に高速で衝突し、この衝突によってターゲット２２からカーボン原子が叩き出され、このカーボン原子が窒素原子とともに母材２０の表面に叩き付けられて、母材２０の表面に窒素を含有するＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜が形成される。
【００３６】
このようにして、母材２０が窒素含有クロム皮膜で被覆され、この窒素含有クロム皮膜がＤＬＣ皮膜などのカーボン皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材を製造することができる。なお、カーボン皮膜の密着性を向上させるために、バイアス電圧や窒素ガスの分圧の調整によりカーボン皮膜の硬さを調整して、窒素含有クロム皮膜との界面の硬さを窒素含有クロム皮膜の硬さに近付けて同等程度にするのが好ましい。例えば、窒素含有クロム皮膜の表面の硬さをＨｖ８００〜１３００とし、その上にＨｖ８００〜１６００のカーボン皮膜を形成するのが好ましい。また、バイアス電圧を−２５０Ｖ以下にすることにより、カーボン皮膜の表面の欠陥を少なくすることができる。なお、カーボン皮膜の硬度をある程度低くすれば、相手攻撃性が低くし且つ摺動痕の幅の増大を防ぐことができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明による硬質皮膜被覆部材およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００３８】
［実施例１］
合金鋼からなる母材２０としてＪＩＳ ＳＣＭ４１５（クロモリ鋼（Ｃｒ−Ｍｏ鋼））からなる母材を（直径３０ｍｍ×厚さ５ｍｍの大きさに）切り出して用意し、９００℃で２時間浸炭した後に８５０℃から油焼入れして、表面の硬度（ロックウェル硬さ）を５９〜６１ＨＲＣに調整し、表面粗さを１．６Ｓにした。
【００３９】
この母材２０を、ターゲット２２として５インチ×１７インチの大きさのクロムターゲットを使用する処理装置（対向ターゲット式のマグネトロンスパッタリング装置）１０の真空処理室１２に入れ、この真空処理室１２内を排気して真空にした後、真空処理室１２内にアルゴンガスを導入して、真空処理室１２内の雰囲気中のアルゴンガスの分圧を１．２×１０−３ｔｏｒｒ、バイアス電圧を−１００Ｖとしてスパッタリングを行って、母材２０上に下地膜として厚さ１μｍ程度のクロム皮膜を形成した。
【００４０】
続いて、この処理装置１０の真空処理室１２内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、真空処理室１２内の雰囲気中のアルゴンガスの分圧を１．１×１０−３ｔｏｒｒ、窒素ガスの分圧を０．２×１０−３ｔｏｒｒ、バイアス電圧を−３００Ｖとしてスパッタリングを行って、母材２０上に下地膜として厚さ５μｍの窒素含有クロム皮膜を形成した。
【００４１】
このように窒素含有クロム皮膜を形成した母材２０を、ターゲット２２として５インチ×１７インチの大きさのカーボンターゲットを使用する処理装置１０に入れ、この真空処理室１２内にアルゴンガスを流量３３ｓｃｃｍ、窒素ガスを流量２６．７ｓｃｃｍで導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧（１．４×１０−３ｔｏｒｒ）に対する窒素ガスの分圧の比を０．４４７とし、バイアス電圧を−３００Ｖ、スパッタ電圧を８Ｗ／ｃｍ２として、ターゲット２２に生成したプラズマを使用してスパッタリング処理を施すことにより、窒素含有クロム皮膜上に厚さ５μｍのカーボン皮膜を形成した。なお、窒素含有クロム皮膜とカーボン皮膜の膜厚は、断面を金属顕微鏡で観察することによって求めた。また、カーボン皮膜をＧＤＳで分析したところ、カーボン皮膜中に窒素を含むことが確認された。
【００４２】
このようにして作製した硬質皮膜被覆部材について、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によってカーボン皮膜の表面の欠陥として１００μｍ四方の範囲内における直径３μｍ以上の孔の数を調べたところ、孔の数は１個未満であり、表面の欠陥は少なかった。また、トライボメータによって摩擦係数を求めたところ、初期最大摩擦係数（摺動開始直後から摺動距離５ｍ以内における摩擦係数の最大値）は０．１２、最終摩擦係数（摺動距離２５ｍのときの摩擦係数）は０．１８であった。また、カーボン皮膜の表面の硬さをナノインデンテーションにより荷重１００ｍＮで測定したところ、Ｈｖ１０００であった。さらに、カーボン皮膜の密着性をスクラッチ試験機（ＣＳＭ社製）により評価したところ、９５Ｎでカーボン皮膜のチッピングが生じていたが剥離は見られず、密着強度が高かった。また、カーボン皮膜の密着性をロックウエル圧痕試験（１５０ｋｇｆ、Ｃスケール）により評価したところ、ひびが生じていたが剥離は見られなかった。
【００４３】
［実施例２］
スパッタリング処理時間を長くして窒素含有クロム皮膜の厚さを１５μｍにした以外は、実施例１と同様の方法により作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の欠陥を調べたところ、孔の数は１個未満であり、表面の欠陥は少なかった。また、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の硬さを測定したところ、Ｈｖ１０００であった。さらに、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の密着性を評価したところ、スクラッチ試験では、１００Ｎまでカーボン皮膜のチッピングや割れも剥離も見られず、密着強度が高かった。また、ロックウエル圧痕試験では、ひびが僅かに生じていたが剥離は見られなかった。
【００４４】
［比較例１、実施例３〜７］
カーボン皮膜を形成する際の窒素ガスの流量を１０ｓｃｃｍとして、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比を０．２３３とし、バイアス電圧をそれぞれ−２００Ｖ（比較例１）、−２５０Ｖ（実施例３）、−３００Ｖ（実施例４）、−４００Ｖ（実施例５）、−５００Ｖ（実施例６）、−６００Ｖ（実施例７）にした以外は、実施例１と同様の方法により作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の欠陥を調べたところ、比較例１では孔の数が７個で表面の欠陥が多く、実施例３および５では孔の数が１個で表面の欠陥が少なく、実施例４では孔の数が１個未満で表面の欠陥が最も少なかった。また、実施例４の硬質皮膜被覆部材についてカーボン皮膜をＧＤＳで分析したところ、実施例１より少ないが、カーボン皮膜中に窒素を含むことが確認された。
【００４５】
また、作製した硬質皮膜被覆部材について、表面粗さを評価したところ、算術平均粗さＲａは、それぞれ０．０７μｍ（実施例３）、０．０５μｍ（実施例４）、０．０７μｍ（実施例５）、０．０９μｍ（実施例６）、０．０９μｍ（実施例７）であり、十点平均粗さＲｚは、それぞれ１．７５μｍ（実施例３）、１．１０μｍ（実施例４）、１．７０μｍ（実施例５）、１．５５μｍ（実施例６）、１．６０μｍ（実施例７）であった。
【００４６】
また、作製した硬質皮膜被覆部材について、ボールオンディスク試験機により、相手材をＳＵＪ２材とし、直径６ｍｍのボールを使用し、ドライ環境において、荷重５Ｎ、摺動速度３０ｍｍ／ｓ、回転半径５ｍｍの条件で摩擦係数を求めたところ、それぞれ０．１３（比較例１）、０．０９（実施例３）、０．１５（実施例４）、０．１５（実施例５）であった。また、この摺動試験後の硬質皮膜被覆部材について、ＳＥＭ写真から摺動痕の幅を求めたところ、それぞれ１４０μｍ（実施例３）、１１０μｍ（実施例４）、２８０μｍ（実施例５）であった。
【００４７】
また、作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の硬さを測定したところ、それぞれＨｖ１４５０（比較例１）、Ｈｖ１４５０（実施例３）、Ｈｖ１５２０（実施例４）、Ｈｖ１１２０（実施例５）、Ｈｖ１０５０（実施例６）、Ｈｖ１０２０（実施例７）であった。
【００４８】
なお、カーボン皮膜を形成する際の窒素ガスの流量を１０ｓｃｃｍとして、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比を０．２３３とした以外は、実施例１と同様の方法により作製した実施例４の硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様にトライボメータによって摩擦係数を求めたところ、初期最大摩擦係数は０．３５、最終摩擦係数は０．０９であった。
【００４９】
［比較例２、実施例８〜９］
カーボン皮膜を形成する際の窒素ガスの流量をそれぞれ０ｓｃｃｍ（比較例２）、２０ｓｃｃｍ（実施例８）、３０ｓｃｃｍ（実施例９）として、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比をそれぞれ０（比較例２）、０．３７７（実施例８）、０．４７６（実施例９）とした以外は、実施例４と同様の方法により作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の欠陥を調べたところ、いずれも孔の数が１個で、表面の欠陥が少なかった。また、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の硬さを測定したところ、それぞれＨｖ１５３０（比較例２）、Ｈｖ１３７０（実施例８）、Ｈｖ９７０（実施例９）であった。
【００５０】
また、実施例９で作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様にスクラッチ試験によってカーボン皮膜の密着性を評価したところ、９０Ｎ以上でもカーボン皮膜のチッピングや割れも剥離も見られなかった。
【００５１】
また、比較例２で作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様にトライボメータによって摩擦係数を求めたところ、初期最大摩擦係数は０．３５、最終摩擦係数は０．１５であり、実施例１と同様にスクラッチ試験によってカーボン皮膜の密着性を評価したところ、１０Ｎ付近でカーボン皮膜のチッピングが発生した。
【００５２】
これらの実施例および比較例の結果から、母材上に窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上にカーボン皮膜を形成すると、表面の欠陥が少なく（耐かじり性が良好で）、母材とカーボン皮膜との密着性が良好で、相手攻撃性が低く、摩擦係数が低い硬質皮膜被覆部材を製造することができる。
【００５３】
［実施例１０］
バイアス電圧を−４００Ｖにした以外は、実施例２と同様の方法により作製した硬質皮膜被覆部材について、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の欠陥を調べたところ、孔の数は１個未満であり、表面の欠陥は少なかった。また、実施例１と同様の方法により、カーボン皮膜の表面の硬さを測定したところ、Ｈｖ８９０であった。さらに、実施例３と同様にボールオンディスク試験機により摺動試験を行った後の硬質皮膜被覆部材について、ＳＥＭ写真から摺動痕の幅を求めたところ、１３０μｍであった。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 処理装置
１２ 真空処理室
１４ 真空ポンプ
１６ 回転テーブル
１８ 治具
２０ 母材
２２ ターゲット
２４ スパッタ電源
２６ イオンボンバードおよびバイアス電源
２８ ガス導入パイプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材上に窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上にカーボン皮膜を形成することを特徴とする、硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項２】
前記アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．３７以上であることを特徴とする、請求項１に記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項３】
前記バイアス電圧が−２８０Ｖ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項４】
前記カーボン皮膜の厚さが３μｍ以上であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項５】
前記窒素含有クロム皮膜の厚さが１〜３０μｍであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項６】
前記窒素含有クロム皮膜が、クロムターゲットを使用する処理装置の真空処理室内においてアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気中でスパッタリングすることによって形成されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項７】
母材上に窒素含有クロム皮膜を介してカーボン皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材において、カーボン皮膜の表面の１００μｍ四方の範囲内における直径３μｍ以上の孔の数が３個以下であることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材。
【請求項１】
母材上に窒素含有クロム皮膜を形成した後、カーボンターゲットを使用する処理装置の真空処理室内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して、アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．２３以上の雰囲気中において、バイアス電圧−２５０Ｖ以下でスパッタリングして、窒素含有クロム皮膜上にカーボン皮膜を形成することを特徴とする、硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項２】
前記アルゴンガスと窒素ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の比が０．３７以上であることを特徴とする、請求項１に記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項３】
前記バイアス電圧が−２８０Ｖ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項４】
前記カーボン皮膜の厚さが３μｍ以上であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項５】
前記窒素含有クロム皮膜の厚さが１〜３０μｍであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項６】
前記窒素含有クロム皮膜が、クロムターゲットを使用する処理装置の真空処理室内においてアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気中でスパッタリングすることによって形成されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項７】
母材上に窒素含有クロム皮膜を介してカーボン皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材において、カーボン皮膜の表面の１００μｍ四方の範囲内における直径３μｍ以上の孔の数が３個以下であることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材。
【図１】
【公開番号】特開２０１３−１０４１０７（Ｐ２０１３−１０４１０７Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４９６１１（Ｐ２０１１−２４９６１１）
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（３０６０３９１２０）ＤＯＷＡサーモテック株式会社 (45)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（３０６０３９１２０）ＤＯＷＡサーモテック株式会社 (45)
【Ｆターム（参考）】
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