金属含有ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物
【課題】市販の金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物に比べて、優れた硬度、および純粋な転がり時の破損に対する耐性を有する金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物を提供すること。
【解決手段】基体１０は、第１の層１２と、その上に堆積されかつ約０．５〜１０μｍの厚さを有する第２の層１４とから構成された金属ダイヤモンドライクカーボンコーティングを含む。第１の層１２は、遷移金属から構成され、かつ第１の表面と、基体１０と接触している第２の表面とを含む。第２の層１４は、Ｃと、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉおよびこれらの組合せから成る群より選択された遷移金属とから構成され、やはり、第１の表面と、第１の層１２の第１の表面と接触している第２の表面とを含む。この組成物は、約−５０〜−７５０Ｖの範囲の負のバイアス電位範囲にわたって、約１０×１０-15ｍ3ｍ-1Ｎ-1以下のアブレシブ摩耗率を有する。
【解決手段】基体１０は、第１の層１２と、その上に堆積されかつ約０．５〜１０μｍの厚さを有する第２の層１４とから構成された金属ダイヤモンドライクカーボンコーティングを含む。第１の層１２は、遷移金属から構成され、かつ第１の表面と、基体１０と接触している第２の表面とを含む。第２の層１４は、Ｃと、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉおよびこれらの組合せから成る群より選択された遷移金属とから構成され、やはり、第１の表面と、第１の層１２の第１の表面と接触している第２の表面とを含む。この組成物は、約−５０〜−７５０Ｖの範囲の負のバイアス電位範囲にわたって、約１０×１０-15ｍ3ｍ-1Ｎ-1以下のアブレシブ摩耗率を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物に関し、より詳細には、クロムなどの遷移金属、または遷移金属炭化物の中間層と、炭素とチタン、タングステン、またはニオブなどの遷移金属とでできた外層とを含む金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物、ならびにその製造方法に関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
該当なし。
【０００３】
（連邦政府による資金提供を受けた研究）
米国政府は、本発明の払込済ライセンスを有し、限られた状況において、米国陸軍が授与したＤＡＡＨ１０−９８−２−０００４の条件に規定されている合理的な条件に基づいて他人にライセンスを付与するように、本特許の所有者に要求する権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
長年の間、ダイヤモンドライクカーボン（ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ）（ＤＬＣ）フィルムは、硬く、特に鋼鉄に対して低い摩擦係数（μ）を有することが知られている。これらの低いμ値（≒０．２）は、アモルファス水素化（ａ−Ｃ：ＨまたはＤＬＣと略記される）フィルム、ならびに金属含有炭化水素（Ｍｅ−Ｃ：ＨまたはＭｅ−ＤＬＣ）フィルムに認められてきた。今日、どちらのタイプのコーティングも、いくつかの応用例、中でも、機械要素や工具の分野での応用例が知られている。ＤＬＣコーティングならびにＭｅ−ＤＬＣコーティングは、それらのコーティング特性に加えて、低い基体温度（＜２００℃）で堆積させ得ることが重要な一面である。
【０００５】
ＤＬＣとＭｅ−ＤＬＣとの比較は、どちらの被覆材料、ならびに対応する堆積技術にも、利点および欠点があることを示している。高度に架橋結合された炭素原子のネットワークからなる硬質ＤＬＣコーティングは、高い圧縮応力（数ＧＰａ）を有する。前述の高い応力値のため、しばしば基体、特に鋼鉄との接着性が悪くなり、したがって、実際の応用ではその使用が制限されている。
【０００６】
ＤＬＣフィルムを調製する多くの方法が開発されてきている。最も一般に適用されている方法は、負に自己バイアスさせた基体を用いた、炭化水素ガスの無線周波数（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（ｒ．ｆ．）グロー放電である。しかし、このｒ．ｆ．技術を、産業的に適切な寸法および幾何形状にスケールアップするには、いくつかの問題がある。
【０００７】
一般に、低い金属含有量（Ｍｅ／Ｃの原子比が約０．３まで）を有するＭｅ−ＤＬＣフィルムは、ａ−Ｃ：Ｈよりも大幅に低い圧縮応力を有する（＜１ＧＰａ）。かかるフィルムは、金属炭化物が組み込まれたアモルファス炭素（ＤＬＣ）のネットワークからなる。かかるコーティングの摩擦係数は、ＤＬＣコーティングの摩擦係数とかなり類似している。しかし、Ｍｅ−ＤＬＣコーティングの耐摩耗性は、一般に、ＤＬＣの耐摩耗性よりも低い。一時は、Ｍｅ−ＤＬＣコーティングに関して報告された最も低いアブレシブ摩耗率でも、金属を含まないＤＬＣコーティングに関して報告されたアブレシブ摩耗率より少なくとも２倍は高かった。
【０００８】
一般に、Ｍｅ−Ｃ：Ｈ（Ｍｅ−ＤＬＣ）コーティングは、産業用バッチコータ（ｂａｔｃｈ ｃｏａｔｅｒ）内で、反応性マグネトロンスパッタリングによって、アルゴン炭化水素混合ガス内で金属または金属炭化物ターゲットを用いて調製される。これら２種類のコーティングを比較すると、ＤＬＣコーティングの電気抵抗率（＞１０6Ωｃｍ）は、Ｍｅ−ＤＬＣの電気抵抗率（１０-3〜１Ωｃｍ）よりも遙かに高いことに留意されたい。
【０００９】
例えば、ボエボジン（Ｖｏｅｖｏｄｉｎ）らによる論文では、マグネトロンスパッタリングを用いたパルスレーザ堆積技術を使用して、炭化チタンや炭化タングステンを含むアモルファスダイヤモンドライクカーボンフィルムが調製された。別の論文では、ウェイ（Ｗｅｉ）らが、グラファイトおよびドーパント（Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ）をアブレーション（ａｂｌａｔｅ）可能とする、特殊なターゲット構成を有するパルスレーザ技術を使用している。これらの元素の数パーセントが、炭素マトリックスに組み込まれ、それによって、接着性が著しく向上した。しかし、前述の複合フィルムの特性を、ケイ．ベウィログア（Ｋ．Ｂｅｗｉｌｏｇｕａ）、シー．ブイ．クーパー（Ｃ．Ｖ．Ｃｏｏｐｅｒ）、シー．シュペヒト（Ｃ．Ｓｐｅｃｈｔ）、ジェイ．シュレーダー（Ｊ．Ｓｃｈｒｏｄｅｒ）、アール．ウィットルフ（Ｒ．Ｗｉｔｔｏｒｆ）、およびエム．グリシュケ（Ｍ．Ｇｒｉｓｃｈｋｅ）による論文、題名「金属含有ＤＬＣ（Ｍｅ−ＤＬＣ）コーティングの堆積および特性に対するターゲット材料の影響（Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｎ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ＤＬＣ（Ｍｅ−ＤＬＣ）ｃｏａｔｉｎｇｓ）」、表面・コーティング技術（Ｓｕｒｆａｃｅ＆Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） １２７，２２４〜２３２、エルゼビア（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ）（２０００年）（その全体を参照により本明細書に組み込む）で論じられているように、様々な調製技術を用いて調製された水素含有Ｍｅ−ＤＬＣフィルムと比較することは、困難であると思われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、市販の金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物に比べて、優れた硬度、および純粋な転がり（ｒｏｌｌｉｎｇ）時の破損に対する耐性を有する金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、第１の遷移金属組成物を有し、かつ、第１の表面と、基体と接触している第２の表面とを有する第１の層を概略含む、金属含有ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物が提供される。このコーティングはまた、炭素と、タングステン、ニオブ、チタン、およびこれらの組合せから成る群より選択された第２の遷移金属とを有し、かつ、第１の表面と、第１の層の第１の表面と接触している第２の表面とを有する第２の層を含む。好ましくは、コーティングの厚さは、約０．５マイクロメートルから１０マイクロメートルである。さらに、この組成物は、任意選択で、低いアブレシブ摩耗率を有することができる。かかる低いアブレシブ摩耗率は、約１×１０-10ｍ3ｍ-1Ｎ-1を超えてはならない。かかるコーティングは、約−５０から−７５０ボルトＤＣのバイアス電位範囲を有する基体バイアス電位を用いて堆積させることができる。
【００１２】
したがって、本発明が、遷移金属を含む中間層と、遷移金属および炭素を含む外側機能層とを有する金属含有コーティングを教示することが理解され得る。
【００１３】
本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細を、添付の図面および以下の説明に記載する。本発明のその他の特徴、目的、および利点は、以下の説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
様々な図面を通じて、同じ参照番号および表示は、同じ要素を示す。
【００１５】
Ｍｅ−ＤＬＣコーティングを、マグネトロンスパッタリングによって堆積させ、ここでは、対象とする金属から構成された４つのターゲットを堆積チャンバの内部に配置し、活性化し、そして、アルゴン（Ａｒ）ガスおよびアセチレン（Ｃ2Ｈ2）ガスを用いてスパッタさせる。無心焼入れ（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｈａｒｄｅｎｅｄ）合金鉄、例えば、ＡＩＳＩ Ｍ５０から構成された転がり接触疲労ロッドを含む堆積基体、すなわち基体１０を堆積チャンバ内に配置し、約−５０から−７５０ボルトＤＣの範囲の直流（ＤＣ）電位を用いて負にバイアスさせる。スパッタリングターゲット組成物には、チタン元素（Ｔｉ）、ニオブ元素（Ｎｂ）、およびタングステン元素（Ｗ）が含まれる。
【００１６】
金属炭化水素（Ｍｅ−ＤＬＣ）コーティングを、ハウザー・テクノ・コーティング社（Ｈａｕｚｅｒ Ｔｅｃｈｎｏ Ｃｏａｔｉｎｇ）、ヴェンロー（Ｖｅｎｌｏ）、オランダ（Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）から市販されている、不平衡モード（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｍｏｄｅ）ハウジングＨＴＣ１０００／４（ＡＢＳ）コータ内で、反応性直流マグネトロンスパッタリングによって調製する。堆積の実施を開始する前に、真空チャンバ内の残留圧力を約１０-3パスカル（Ｐａ）未満に設定しておく。堆積を実施する間、真空チャンバ内の全ガス圧は、約０．３Ｐａ〜０．６Ｐａとする。本明細書にて述べる基体は、真空チャンバ内で基体ホルダを用いて支持し、約２００℃までの温度に維持する。これらの基体ホルダによって、基体は、約１２回転毎分の速度で、遊星、すなわち２軸回転（ｔｗｏ−ｆｏｌｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ）することが可能となった。全プロセスを通して、堆積速度は、通常、約２〜３マイクロメートル毎時である。
【００１７】
Ｍｅ−ＤＬＣ堆積プロセスは、一般に４つの工程を含む。第１に、基体を、当業者に周知のように、アルゴンエッチング法を用いて約０．３Ｐａの圧力で清浄化する。この工程では、アルゴンガスを、所望のガス流量および／またはチャンバ圧力、一般に、それぞれ、約３００標準立方センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）および０．３Ｐａに達するまでチャンバに入れ、イオン化して、基体表面をスパッタクリーニングするためのＡｒ＋イオンを生成する。
【００１８】
第２に、次いで、Ａｒイオンでエッチングされた基体上に、遷移金属、この場合はクロム（Ｃｒ）から構成される中間層１２をスパッタ堆積させる。堆積プロセスのこの第２の段階の間、クロム金属から構成される１つまたは複数のターゲットに印加するＤＣ電流を、目標値のまま一定に保持する。このプロセス工程では、アルゴンガスをチャンバ内に導入し、中間層が成長してその目標厚さに達するまで一定に保持する。Ａｒイオンエッチング段階に関して、この第２のプロセス工程での、アルゴン流量、およびアルゴン分圧は、それぞれ約３００ｓｃｃｍ、および０．３〜０．６Ｐａである。これらの堆積条件を維持しながら、クロム金属を、所望の厚さに達するまで基体表面上にスパッタ堆積させる。一般に、堆積した遷移金属中間層は、少なくとも約１０ナノメートル（０．０１マイクロメートル）から約２０００ナノメートル（２．０マイクロメートル）以下の厚さを有し、好ましくは約１００ナノメートル（０．１マイクロメートル）から３００ナノメートル（０．３マイクロメートル）の厚さを有する。
【００１９】
第３に、クロム金属ターゲットに印加するｄｃ電流をゼロになるまで低減させる。外層のスパッタ堆積に備えて、反応性混合ガスを真空チャンバから排出（ｆｌｕｓｈ）する。ある量のアルゴンガスを再度チャンバ内に導入し、次いで、ある量のアセチレンガスを、アルゴンガスとアセチレンガスとの比が、約１：１、すなわち５０／５０の混合物となるまで導入する。一般に、反応性混合ガス中に存在するアセチレンガスの量は、チャンバ容量の約１５パーセントから４５パーセントとなる。
【００２０】
第４に、次いで、基体の中間層上に、金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物製の外層１４をスパッタ堆積させる。タングステン、ニオブ、チタン、およびこれらの組合せなどの金属から構成される１つまたは複数のターゲットに、ＤＣ電流を徐々に印加し、すなわち、ゼロから始めて、その強度を徐々に増大させる。ここでもやはり、最初に、ある量のアルゴンガスをチャンバ内に導入し、次いで、ある量のアセチレンガスを、アルゴンガスとアセチレンガスとの比が、約１：１となるまで導入する。やはり、この混合物中に一般に存在するアセチレンガスの量は、チャンバ容量の約１５パーセントから４５パーセントとなる。純粋な不活性ガスから、不活性ガスとアセチレンとの組合せに遷移する間、または、最終的なアセチレン不活性ガス混合物が得られた後、ターゲット金属が、各基体の遷移金属製中間層の第１の表面、すなわち外側表面上に、所望の厚さに達するまでスパッタ堆積され始める。これらの処理条件の結果、金属対炭素（Ｍｅ／Ｃ）を原子比で０．１〜０．８の範囲で含んだＭｅ−ＤＬＣコーティングが堆積される。例示の目的であり、限定的な意味で解釈すべきものではないが、堆積した外層は、約０．１マイクロメートルから１０マイクロメートルの厚さを有し得る。結果として得られる、基体材料上に堆積させた金属含有ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物を図１に示す。図示のように、外層の第２の表面、すなわち外層の内側表面が、中間層の第１の表面、すなわち外側表面と接触しており、中間層の第２の表面、すなわち内側表面が、基体の外側表面と接触している。
【００２１】
（実験結果）
アブレシブ摩耗率：
次に、図２を参照すると、本明細書に記載の方法に従って、様々な金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物をその上に堆積させた、いくつかの板状基体試料について、アブレシブ摩耗率を求め、製造業者供給の金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標））で被覆された基体と比較した。
【００２２】
酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と水懸濁液とを用いて動作させるカロ（Ｃａｌｏ）試験器を利用して、試料１〜７についてアブレシブ摩耗率を計算した。それらの結果を定量化するために、カロ（Ｃａｌｏ）装置の回転ボールによって生じ、除去されたコーティングの容積を、回転ボールの垂直力およびトラック長で除算した。
【００２３】
基体１０を表す試料１は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．１マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、１マイクロメートルの厚さを有するチタン（Ｔｉ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２４】
基体１０を表す試料２は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．３マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、３マイクロメートルの厚さを有するチタン（Ｔｉ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２５】
基体１０を表す試料３は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．１マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、１マイクロメートルの厚さを有するタングステン（Ｗ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２６】
基体１０を表す試料４は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．３マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、３マイクロメートルの厚さを有するタングステン（Ｗ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２７】
基体１０を表す試料５は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．１マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、１マイクロメートルの厚さを有するニオブ（Ｎｂ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２８】
基体１０を表す試料６は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．３マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、３マイクロメートルの厚さを有するニオブ（Ｎｂ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２９】
基体１０を表す試料７は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドを、０．３マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、３マイクロメートルの厚さを有する、浮遊電位を用いて堆積させたイリノイ州エルジン（Ｅｌｇｉｎ）のバルザーズ社（（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標）Ｉｎｃ．）（国際本社はリヒテンシュタイン公国に所在）製のＢａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標）、すなわち、タングステン（Ｗ）ダイヤモンドライクカーボンコーティング外層とで被覆したものである。
【００３０】
試料３および試料４（Ｗ−ＤＬＣ）のアブレシブ摩耗率は、他の組成物のアブレシブ摩耗率よりも著しく低い。試料３および試料４は共に、金属対炭素比が、他の試料の金属対炭素比によりも遙かに低い。試料３および試料４の堆積に関して、結果として得られるアブレシブ摩耗率は、−１００から−１２０Ｖ ＤＣの範囲にわたって、バイアス電位とは極めて無関係であり、１×１０-15ｍ3ｍ-1Ｎ-1以下のアブレシブ摩耗率を示した。金属対炭素比を約０．１〜０．３として、結果として得られる金属含有量を、Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標）コーティングの金属含有量と同じ範囲に高くした場合の、結果として得られる試料３および試料４のＷ−ＤＬＣコーティングは、記録された本発明者らによる、従来技術の文献による調査を考慮すると予想外の結果を示している。さらに、これらのアブレシブ摩耗率の結果は、調査した他の組成物に優る際立った利点となっている。標準の、製造業者供給Ｗ−ＤＬＣコーティング（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標））に比べると、試料３および試料４はまた、試料７よりも優れている。試料３および試料４のアブレシブ摩耗率は、試料７で測定された１５-20×１０-15ｍ3ｍ-1Ｎ-1の範囲のアブレシブ摩耗率よりも１桁優れている。実証されたように、Ｍｅ−ＤＬＣコーティング、より具体的には、例えば、試料７、すなわちバルザーズ社（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標）Ｉｎｃ．）製のＢａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標）のように、浮動バイアス電位を用いて付着させたのではなく、負のバイアス電位を用いて付着させたＷ−ＤＬＣコーティングは、遙かに優れたアブレシブ摩耗率の結果を示している。
【００３１】
接着性能：
次に、図３を参照すると、試料１〜試料６について、接着性能値を求めた。
【００３２】
これらのコーティングの接着性能試験は、１５０キログラムの負荷での、静止ロックウェル押込み試験（ｓｔａｔｉｃ Ｒｏｃｋｗｅｌｌ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）によって実施した。周知のＶＤＩ分類によれば、値ＨＦ−１が優れた接着性を示し、値ＨＦ−６が窪み周辺の完全な剥離を示している。
【００３３】
試料３および試料４は、Ｔｉ含有ＤＬＣコーティングおよびＮｂ含有ＤＬＣコーティングのどちらと比べても、−１００ボルトから−５００ボルトの基体バイアス電位範囲にわたって、優れた接着性を示している。さらに、これらの結果は、基本的に、接着性が基体バイアス電位に伴って変動しないことを示し、したがって、より大きな部品を処理するのに有利となる。
【００３４】
一般に、大きな部品を処理する場合にあり得るように、ターゲットから基体までの距離が増大するにつれて、例えば、ターゲットから基体までの距離を移動するにつれて、金属ターゲットからスパッタされた原子は、運動エネルギーを失うことになる。これについては、大きな部品をコーティングするときに、より高い基体バイアス電位を印加することが好意的に議論される。しかし、他の組成物および堆積プロセスパラメータでは、より高い基体バイアス電位を使用すると、コーティングの劣化をもたらし、例えば、コーティング接着性が劣ることになる。図３に示すように、試料３および試料４のＷ−ＤＬＣコーティングは、コーティングの劣化を呈してはいない。
【００３５】
転がり接触疲労：
最後に、Ｗ−ＤＬＣコーティングのこの一群は、標準の、製造業者供給Ｗ−ＤＬＣコーティング（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標））に比べて、転がり接触疲労（ｒｏｌｌｉｎｇ−ｃｏｎｔａｃｔ−ｆａｔｉｇｕｅ）（ＲＣＦ）性能の劇的な改善を示している。
【００３６】
本発明に従って実施したＲＣＦ実験を表す図を、図４Ａおよび図４Ｂに示す。直径０．５インチ（１２．７ｍｍ）の３つの粗面化ボール（Ｂ1、Ｂ2、Ｂ3）を、１対のベアリングカップ（ＢC1およびＢC2）内で、（上述の通りの）試料１製の、直径０．３７５インチ（９．５２５ｍｍ）の転がり接触疲労ロッド（Ｒ1）に接して半径方向に装填する。ベアリングカップ（ＢC1、ＢC2）に締付け力（Ｆ）を加え、それによって、粗面化ボールとロッドとの間に半径方向の負荷を加える。米国陸軍が使用している合成タービンエンジン潤滑油であるＭＩＬ−Ｌ−２３６９９と同じ油で滴下注油しながら、ロッドをその縦軸線（Ｌ1）で（Ｄ1）の方向に３，６００回転毎分（３，６００ｒｐｍ）で回転させる。
【００３７】
試料１〜試料７製の転がり接触疲労ロッドをそれぞれ、５×１０6サイクルにかけて、加わった接触応力の最も高い量、すなわち、破損の誘起が避けがたくなる転がり接触応力限界（ｒｏｌｌｉｎｇ−ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｌｉｍｉｔ）（ＲＣＳＬ）を求めた。標準の、製造業者供給Ｗ−ＤＬＣコーティング（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標））では、ＲＣＳＬは、４００Ｋｓｉ（２．７６ＧＰａ）となることが求められた。本発明のＷ−ＤＬＣコーティングでは、ＲＣＳＬは、７００Ｋｓｉ（４．８３ＧＰａ）であった。Ｔｉ−ＤＬＣコーティングでは、ＲＣＳＬは、８００Ｋｓｉ（５．５２ＧＰａ）であった。Ｎｂ−ＤＬＣコーティングでは、ＲＣＳＬは、４００Ｋｓｉ（２．７６ＧＰａ）であった。
【００３８】
約４００Ｋｓｉ（２．７６ＧＰａ）の一定の接触応力レベルに換算した場合、Ｗ−ＤＬＣまたはＴｉ−ＤＬＣで被覆された部品のＲＣＳＬの増大は、その部品の転がり接触疲労寿命を、標準の、製造業者供給Ｗ−ＤＬＣコーティング（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標））の与える転がり接触疲労寿命の約１０〜１５倍まで増大させることになると推定される。
【００３９】
本発明の例示的な実施形態を、その特定の実施形態および応用例に関して示し、説明してきたが、本明細書に記載の本発明に、いくつかの変形、改変、または変更を行うことができ、これらはいずれも、本発明の趣旨および範囲から逸脱するものではないことが、当業者には明らかであろう。したがって、かかる変形形態、改変形態、および変更形態は全て、本発明の範囲に含まれるものとみなされる。
【００４０】
本発明の前述の説明を、本発明の特定の実施形態および応用例に関して示し、説明してきたが、この説明は、例示および説明の目的で示したものであり、網羅的なものでも、または、本発明を、開示の特定の実施形態および応用例に限定するものでもない。本明細書に記載の本発明に、いくつかの変形、改変、変型または変更を行うことができ、これらはいずれも、本発明の趣旨および範囲から逸脱するものではないことが、当業者には明らかであろう。これらの特定の実施形態および応用例は、本発明の原理およびその実際的な応用例を最も良く説明するために選択し、記載したものであり、それによって、当業者は、本発明を様々な実施形態で、企図される特定の用途に適した様々な改変形態と共に利用することが可能となる。したがって、かかる変形形態、改変形態、変型形態、および変更形態は全て、添付の特許請求の範囲を、公正に、法的に、かつ衡平的に認められる範囲に従って解釈したときに定められる、本発明の範囲に含まれるとみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】転がり接触疲労ロッドを含む基体上に堆積させた中間層と外層とを有する、金属ダイヤモンドライクカーボンコーティングを示す図である。
【図２】クロム製の中間層と、炭素とタングステン、チタン、およびニオブなどの金属とでできた外層とを含む、金属ダイヤモンドライクコーティング組成物に関する、金属濃度とアブレシブ摩耗率との関係を示すグラフである。
【図３】基体バイアス電位の関数としての、金属ダイヤモンドライクコーティングの接着性能を表す棒グラフである。
【図４Ａ】実施例で説明した試料１〜試料７の組成物で被覆された回転ロッドと接触して配置された３つの粗面化ボールの構成の上面図を示す、転がり接触疲労（ＲＣＦ）実験を表す図である。
【図４Ｂ】回転ロッドと接触して配置された粗面化ボールの側面図を示す、図４Ａの転がり接触疲労（ＲＣＦ）実験を表す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…基体
１２…中間層
１４…外層
Ｂ1、Ｂ2、Ｂ3…粗面化ボール
ＢC1、ＢC2…一対のベアリングカップ
Ｄ1…回転方向
Ｆ…締付け力
Ｌ1…縦軸線
Ｒ1…転がり接触疲労ロッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物に関し、より詳細には、クロムなどの遷移金属、または遷移金属炭化物の中間層と、炭素とチタン、タングステン、またはニオブなどの遷移金属とでできた外層とを含む金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物、ならびにその製造方法に関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
該当なし。
【０００３】
（連邦政府による資金提供を受けた研究）
米国政府は、本発明の払込済ライセンスを有し、限られた状況において、米国陸軍が授与したＤＡＡＨ１０−９８−２−０００４の条件に規定されている合理的な条件に基づいて他人にライセンスを付与するように、本特許の所有者に要求する権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
長年の間、ダイヤモンドライクカーボン（ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ）（ＤＬＣ）フィルムは、硬く、特に鋼鉄に対して低い摩擦係数（μ）を有することが知られている。これらの低いμ値（≒０．２）は、アモルファス水素化（ａ−Ｃ：ＨまたはＤＬＣと略記される）フィルム、ならびに金属含有炭化水素（Ｍｅ−Ｃ：ＨまたはＭｅ−ＤＬＣ）フィルムに認められてきた。今日、どちらのタイプのコーティングも、いくつかの応用例、中でも、機械要素や工具の分野での応用例が知られている。ＤＬＣコーティングならびにＭｅ−ＤＬＣコーティングは、それらのコーティング特性に加えて、低い基体温度（＜２００℃）で堆積させ得ることが重要な一面である。
【０００５】
ＤＬＣとＭｅ−ＤＬＣとの比較は、どちらの被覆材料、ならびに対応する堆積技術にも、利点および欠点があることを示している。高度に架橋結合された炭素原子のネットワークからなる硬質ＤＬＣコーティングは、高い圧縮応力（数ＧＰａ）を有する。前述の高い応力値のため、しばしば基体、特に鋼鉄との接着性が悪くなり、したがって、実際の応用ではその使用が制限されている。
【０００６】
ＤＬＣフィルムを調製する多くの方法が開発されてきている。最も一般に適用されている方法は、負に自己バイアスさせた基体を用いた、炭化水素ガスの無線周波数（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（ｒ．ｆ．）グロー放電である。しかし、このｒ．ｆ．技術を、産業的に適切な寸法および幾何形状にスケールアップするには、いくつかの問題がある。
【０００７】
一般に、低い金属含有量（Ｍｅ／Ｃの原子比が約０．３まで）を有するＭｅ−ＤＬＣフィルムは、ａ−Ｃ：Ｈよりも大幅に低い圧縮応力を有する（＜１ＧＰａ）。かかるフィルムは、金属炭化物が組み込まれたアモルファス炭素（ＤＬＣ）のネットワークからなる。かかるコーティングの摩擦係数は、ＤＬＣコーティングの摩擦係数とかなり類似している。しかし、Ｍｅ−ＤＬＣコーティングの耐摩耗性は、一般に、ＤＬＣの耐摩耗性よりも低い。一時は、Ｍｅ−ＤＬＣコーティングに関して報告された最も低いアブレシブ摩耗率でも、金属を含まないＤＬＣコーティングに関して報告されたアブレシブ摩耗率より少なくとも２倍は高かった。
【０００８】
一般に、Ｍｅ−Ｃ：Ｈ（Ｍｅ−ＤＬＣ）コーティングは、産業用バッチコータ（ｂａｔｃｈ ｃｏａｔｅｒ）内で、反応性マグネトロンスパッタリングによって、アルゴン炭化水素混合ガス内で金属または金属炭化物ターゲットを用いて調製される。これら２種類のコーティングを比較すると、ＤＬＣコーティングの電気抵抗率（＞１０6Ωｃｍ）は、Ｍｅ−ＤＬＣの電気抵抗率（１０-3〜１Ωｃｍ）よりも遙かに高いことに留意されたい。
【０００９】
例えば、ボエボジン（Ｖｏｅｖｏｄｉｎ）らによる論文では、マグネトロンスパッタリングを用いたパルスレーザ堆積技術を使用して、炭化チタンや炭化タングステンを含むアモルファスダイヤモンドライクカーボンフィルムが調製された。別の論文では、ウェイ（Ｗｅｉ）らが、グラファイトおよびドーパント（Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｉ）をアブレーション（ａｂｌａｔｅ）可能とする、特殊なターゲット構成を有するパルスレーザ技術を使用している。これらの元素の数パーセントが、炭素マトリックスに組み込まれ、それによって、接着性が著しく向上した。しかし、前述の複合フィルムの特性を、ケイ．ベウィログア（Ｋ．Ｂｅｗｉｌｏｇｕａ）、シー．ブイ．クーパー（Ｃ．Ｖ．Ｃｏｏｐｅｒ）、シー．シュペヒト（Ｃ．Ｓｐｅｃｈｔ）、ジェイ．シュレーダー（Ｊ．Ｓｃｈｒｏｄｅｒ）、アール．ウィットルフ（Ｒ．Ｗｉｔｔｏｒｆ）、およびエム．グリシュケ（Ｍ．Ｇｒｉｓｃｈｋｅ）による論文、題名「金属含有ＤＬＣ（Ｍｅ−ＤＬＣ）コーティングの堆積および特性に対するターゲット材料の影響（Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｎ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ＤＬＣ（Ｍｅ−ＤＬＣ）ｃｏａｔｉｎｇｓ）」、表面・コーティング技術（Ｓｕｒｆａｃｅ＆Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） １２７，２２４〜２３２、エルゼビア（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ）（２０００年）（その全体を参照により本明細書に組み込む）で論じられているように、様々な調製技術を用いて調製された水素含有Ｍｅ−ＤＬＣフィルムと比較することは、困難であると思われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、市販の金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物に比べて、優れた硬度、および純粋な転がり（ｒｏｌｌｉｎｇ）時の破損に対する耐性を有する金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、第１の遷移金属組成物を有し、かつ、第１の表面と、基体と接触している第２の表面とを有する第１の層を概略含む、金属含有ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物が提供される。このコーティングはまた、炭素と、タングステン、ニオブ、チタン、およびこれらの組合せから成る群より選択された第２の遷移金属とを有し、かつ、第１の表面と、第１の層の第１の表面と接触している第２の表面とを有する第２の層を含む。好ましくは、コーティングの厚さは、約０．５マイクロメートルから１０マイクロメートルである。さらに、この組成物は、任意選択で、低いアブレシブ摩耗率を有することができる。かかる低いアブレシブ摩耗率は、約１×１０-10ｍ3ｍ-1Ｎ-1を超えてはならない。かかるコーティングは、約−５０から−７５０ボルトＤＣのバイアス電位範囲を有する基体バイアス電位を用いて堆積させることができる。
【００１２】
したがって、本発明が、遷移金属を含む中間層と、遷移金属および炭素を含む外側機能層とを有する金属含有コーティングを教示することが理解され得る。
【００１３】
本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細を、添付の図面および以下の説明に記載する。本発明のその他の特徴、目的、および利点は、以下の説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
様々な図面を通じて、同じ参照番号および表示は、同じ要素を示す。
【００１５】
Ｍｅ−ＤＬＣコーティングを、マグネトロンスパッタリングによって堆積させ、ここでは、対象とする金属から構成された４つのターゲットを堆積チャンバの内部に配置し、活性化し、そして、アルゴン（Ａｒ）ガスおよびアセチレン（Ｃ2Ｈ2）ガスを用いてスパッタさせる。無心焼入れ（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｈａｒｄｅｎｅｄ）合金鉄、例えば、ＡＩＳＩ Ｍ５０から構成された転がり接触疲労ロッドを含む堆積基体、すなわち基体１０を堆積チャンバ内に配置し、約−５０から−７５０ボルトＤＣの範囲の直流（ＤＣ）電位を用いて負にバイアスさせる。スパッタリングターゲット組成物には、チタン元素（Ｔｉ）、ニオブ元素（Ｎｂ）、およびタングステン元素（Ｗ）が含まれる。
【００１６】
金属炭化水素（Ｍｅ−ＤＬＣ）コーティングを、ハウザー・テクノ・コーティング社（Ｈａｕｚｅｒ Ｔｅｃｈｎｏ Ｃｏａｔｉｎｇ）、ヴェンロー（Ｖｅｎｌｏ）、オランダ（Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）から市販されている、不平衡モード（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｍｏｄｅ）ハウジングＨＴＣ１０００／４（ＡＢＳ）コータ内で、反応性直流マグネトロンスパッタリングによって調製する。堆積の実施を開始する前に、真空チャンバ内の残留圧力を約１０-3パスカル（Ｐａ）未満に設定しておく。堆積を実施する間、真空チャンバ内の全ガス圧は、約０．３Ｐａ〜０．６Ｐａとする。本明細書にて述べる基体は、真空チャンバ内で基体ホルダを用いて支持し、約２００℃までの温度に維持する。これらの基体ホルダによって、基体は、約１２回転毎分の速度で、遊星、すなわち２軸回転（ｔｗｏ−ｆｏｌｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ）することが可能となった。全プロセスを通して、堆積速度は、通常、約２〜３マイクロメートル毎時である。
【００１７】
Ｍｅ−ＤＬＣ堆積プロセスは、一般に４つの工程を含む。第１に、基体を、当業者に周知のように、アルゴンエッチング法を用いて約０．３Ｐａの圧力で清浄化する。この工程では、アルゴンガスを、所望のガス流量および／またはチャンバ圧力、一般に、それぞれ、約３００標準立方センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）および０．３Ｐａに達するまでチャンバに入れ、イオン化して、基体表面をスパッタクリーニングするためのＡｒ＋イオンを生成する。
【００１８】
第２に、次いで、Ａｒイオンでエッチングされた基体上に、遷移金属、この場合はクロム（Ｃｒ）から構成される中間層１２をスパッタ堆積させる。堆積プロセスのこの第２の段階の間、クロム金属から構成される１つまたは複数のターゲットに印加するＤＣ電流を、目標値のまま一定に保持する。このプロセス工程では、アルゴンガスをチャンバ内に導入し、中間層が成長してその目標厚さに達するまで一定に保持する。Ａｒイオンエッチング段階に関して、この第２のプロセス工程での、アルゴン流量、およびアルゴン分圧は、それぞれ約３００ｓｃｃｍ、および０．３〜０．６Ｐａである。これらの堆積条件を維持しながら、クロム金属を、所望の厚さに達するまで基体表面上にスパッタ堆積させる。一般に、堆積した遷移金属中間層は、少なくとも約１０ナノメートル（０．０１マイクロメートル）から約２０００ナノメートル（２．０マイクロメートル）以下の厚さを有し、好ましくは約１００ナノメートル（０．１マイクロメートル）から３００ナノメートル（０．３マイクロメートル）の厚さを有する。
【００１９】
第３に、クロム金属ターゲットに印加するｄｃ電流をゼロになるまで低減させる。外層のスパッタ堆積に備えて、反応性混合ガスを真空チャンバから排出（ｆｌｕｓｈ）する。ある量のアルゴンガスを再度チャンバ内に導入し、次いで、ある量のアセチレンガスを、アルゴンガスとアセチレンガスとの比が、約１：１、すなわち５０／５０の混合物となるまで導入する。一般に、反応性混合ガス中に存在するアセチレンガスの量は、チャンバ容量の約１５パーセントから４５パーセントとなる。
【００２０】
第４に、次いで、基体の中間層上に、金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物製の外層１４をスパッタ堆積させる。タングステン、ニオブ、チタン、およびこれらの組合せなどの金属から構成される１つまたは複数のターゲットに、ＤＣ電流を徐々に印加し、すなわち、ゼロから始めて、その強度を徐々に増大させる。ここでもやはり、最初に、ある量のアルゴンガスをチャンバ内に導入し、次いで、ある量のアセチレンガスを、アルゴンガスとアセチレンガスとの比が、約１：１となるまで導入する。やはり、この混合物中に一般に存在するアセチレンガスの量は、チャンバ容量の約１５パーセントから４５パーセントとなる。純粋な不活性ガスから、不活性ガスとアセチレンとの組合せに遷移する間、または、最終的なアセチレン不活性ガス混合物が得られた後、ターゲット金属が、各基体の遷移金属製中間層の第１の表面、すなわち外側表面上に、所望の厚さに達するまでスパッタ堆積され始める。これらの処理条件の結果、金属対炭素（Ｍｅ／Ｃ）を原子比で０．１〜０．８の範囲で含んだＭｅ−ＤＬＣコーティングが堆積される。例示の目的であり、限定的な意味で解釈すべきものではないが、堆積した外層は、約０．１マイクロメートルから１０マイクロメートルの厚さを有し得る。結果として得られる、基体材料上に堆積させた金属含有ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物を図１に示す。図示のように、外層の第２の表面、すなわち外層の内側表面が、中間層の第１の表面、すなわち外側表面と接触しており、中間層の第２の表面、すなわち内側表面が、基体の外側表面と接触している。
【００２１】
（実験結果）
アブレシブ摩耗率：
次に、図２を参照すると、本明細書に記載の方法に従って、様々な金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物をその上に堆積させた、いくつかの板状基体試料について、アブレシブ摩耗率を求め、製造業者供給の金属ダイヤモンドライクカーボンコーティング（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標））で被覆された基体と比較した。
【００２２】
酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と水懸濁液とを用いて動作させるカロ（Ｃａｌｏ）試験器を利用して、試料１〜７についてアブレシブ摩耗率を計算した。それらの結果を定量化するために、カロ（Ｃａｌｏ）装置の回転ボールによって生じ、除去されたコーティングの容積を、回転ボールの垂直力およびトラック長で除算した。
【００２３】
基体１０を表す試料１は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．１マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、１マイクロメートルの厚さを有するチタン（Ｔｉ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２４】
基体１０を表す試料２は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．３マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、３マイクロメートルの厚さを有するチタン（Ｔｉ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２５】
基体１０を表す試料３は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．１マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、１マイクロメートルの厚さを有するタングステン（Ｗ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２６】
基体１０を表す試料４は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．３マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、３マイクロメートルの厚さを有するタングステン（Ｗ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２７】
基体１０を表す試料５は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．１マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、１マイクロメートルの厚さを有するニオブ（Ｎｂ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２８】
基体１０を表す試料６は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドの上に、０．３マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、３マイクロメートルの厚さを有するニオブ（Ｎｂ）ダイヤモンドライクカーボン組成物製の外層とを堆積させたものである。
【００２９】
基体１０を表す試料７は、ＡＩＳＩ Ｍ５０で作成された転がり接触疲労ロッドを、０．３マイクロメートルの厚さを有するクロム金属（Ｃｒ）製の中間層と、３マイクロメートルの厚さを有する、浮遊電位を用いて堆積させたイリノイ州エルジン（Ｅｌｇｉｎ）のバルザーズ社（（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標）Ｉｎｃ．）（国際本社はリヒテンシュタイン公国に所在）製のＢａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標）、すなわち、タングステン（Ｗ）ダイヤモンドライクカーボンコーティング外層とで被覆したものである。
【００３０】
試料３および試料４（Ｗ−ＤＬＣ）のアブレシブ摩耗率は、他の組成物のアブレシブ摩耗率よりも著しく低い。試料３および試料４は共に、金属対炭素比が、他の試料の金属対炭素比によりも遙かに低い。試料３および試料４の堆積に関して、結果として得られるアブレシブ摩耗率は、−１００から−１２０Ｖ ＤＣの範囲にわたって、バイアス電位とは極めて無関係であり、１×１０-15ｍ3ｍ-1Ｎ-1以下のアブレシブ摩耗率を示した。金属対炭素比を約０．１〜０．３として、結果として得られる金属含有量を、Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標）コーティングの金属含有量と同じ範囲に高くした場合の、結果として得られる試料３および試料４のＷ−ＤＬＣコーティングは、記録された本発明者らによる、従来技術の文献による調査を考慮すると予想外の結果を示している。さらに、これらのアブレシブ摩耗率の結果は、調査した他の組成物に優る際立った利点となっている。標準の、製造業者供給Ｗ−ＤＬＣコーティング（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標））に比べると、試料３および試料４はまた、試料７よりも優れている。試料３および試料４のアブレシブ摩耗率は、試料７で測定された１５-20×１０-15ｍ3ｍ-1Ｎ-1の範囲のアブレシブ摩耗率よりも１桁優れている。実証されたように、Ｍｅ−ＤＬＣコーティング、より具体的には、例えば、試料７、すなわちバルザーズ社（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標）Ｉｎｃ．）製のＢａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標）のように、浮動バイアス電位を用いて付着させたのではなく、負のバイアス電位を用いて付着させたＷ−ＤＬＣコーティングは、遙かに優れたアブレシブ摩耗率の結果を示している。
【００３１】
接着性能：
次に、図３を参照すると、試料１〜試料６について、接着性能値を求めた。
【００３２】
これらのコーティングの接着性能試験は、１５０キログラムの負荷での、静止ロックウェル押込み試験（ｓｔａｔｉｃ Ｒｏｃｋｗｅｌｌ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）によって実施した。周知のＶＤＩ分類によれば、値ＨＦ−１が優れた接着性を示し、値ＨＦ−６が窪み周辺の完全な剥離を示している。
【００３３】
試料３および試料４は、Ｔｉ含有ＤＬＣコーティングおよびＮｂ含有ＤＬＣコーティングのどちらと比べても、−１００ボルトから−５００ボルトの基体バイアス電位範囲にわたって、優れた接着性を示している。さらに、これらの結果は、基本的に、接着性が基体バイアス電位に伴って変動しないことを示し、したがって、より大きな部品を処理するのに有利となる。
【００３４】
一般に、大きな部品を処理する場合にあり得るように、ターゲットから基体までの距離が増大するにつれて、例えば、ターゲットから基体までの距離を移動するにつれて、金属ターゲットからスパッタされた原子は、運動エネルギーを失うことになる。これについては、大きな部品をコーティングするときに、より高い基体バイアス電位を印加することが好意的に議論される。しかし、他の組成物および堆積プロセスパラメータでは、より高い基体バイアス電位を使用すると、コーティングの劣化をもたらし、例えば、コーティング接着性が劣ることになる。図３に示すように、試料３および試料４のＷ−ＤＬＣコーティングは、コーティングの劣化を呈してはいない。
【００３５】
転がり接触疲労：
最後に、Ｗ−ＤＬＣコーティングのこの一群は、標準の、製造業者供給Ｗ−ＤＬＣコーティング（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標））に比べて、転がり接触疲労（ｒｏｌｌｉｎｇ−ｃｏｎｔａｃｔ−ｆａｔｉｇｕｅ）（ＲＣＦ）性能の劇的な改善を示している。
【００３６】
本発明に従って実施したＲＣＦ実験を表す図を、図４Ａおよび図４Ｂに示す。直径０．５インチ（１２．７ｍｍ）の３つの粗面化ボール（Ｂ1、Ｂ2、Ｂ3）を、１対のベアリングカップ（ＢC1およびＢC2）内で、（上述の通りの）試料１製の、直径０．３７５インチ（９．５２５ｍｍ）の転がり接触疲労ロッド（Ｒ1）に接して半径方向に装填する。ベアリングカップ（ＢC1、ＢC2）に締付け力（Ｆ）を加え、それによって、粗面化ボールとロッドとの間に半径方向の負荷を加える。米国陸軍が使用している合成タービンエンジン潤滑油であるＭＩＬ−Ｌ−２３６９９と同じ油で滴下注油しながら、ロッドをその縦軸線（Ｌ1）で（Ｄ1）の方向に３，６００回転毎分（３，６００ｒｐｍ）で回転させる。
【００３７】
試料１〜試料７製の転がり接触疲労ロッドをそれぞれ、５×１０6サイクルにかけて、加わった接触応力の最も高い量、すなわち、破損の誘起が避けがたくなる転がり接触応力限界（ｒｏｌｌｉｎｇ−ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｌｉｍｉｔ）（ＲＣＳＬ）を求めた。標準の、製造業者供給Ｗ−ＤＬＣコーティング（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標））では、ＲＣＳＬは、４００Ｋｓｉ（２．７６ＧＰａ）となることが求められた。本発明のＷ−ＤＬＣコーティングでは、ＲＣＳＬは、７００Ｋｓｉ（４．８３ＧＰａ）であった。Ｔｉ−ＤＬＣコーティングでは、ＲＣＳＬは、８００Ｋｓｉ（５．５２ＧＰａ）であった。Ｎｂ−ＤＬＣコーティングでは、ＲＣＳＬは、４００Ｋｓｉ（２．７６ＧＰａ）であった。
【００３８】
約４００Ｋｓｉ（２．７６ＧＰａ）の一定の接触応力レベルに換算した場合、Ｗ−ＤＬＣまたはＴｉ−ＤＬＣで被覆された部品のＲＣＳＬの増大は、その部品の転がり接触疲労寿命を、標準の、製造業者供給Ｗ−ＤＬＣコーティング（Ｂａｌｚｅｒｓ（登録商標） Ｂａｌｉｎｉｔ Ｃ（登録商標））の与える転がり接触疲労寿命の約１０〜１５倍まで増大させることになると推定される。
【００３９】
本発明の例示的な実施形態を、その特定の実施形態および応用例に関して示し、説明してきたが、本明細書に記載の本発明に、いくつかの変形、改変、または変更を行うことができ、これらはいずれも、本発明の趣旨および範囲から逸脱するものではないことが、当業者には明らかであろう。したがって、かかる変形形態、改変形態、および変更形態は全て、本発明の範囲に含まれるものとみなされる。
【００４０】
本発明の前述の説明を、本発明の特定の実施形態および応用例に関して示し、説明してきたが、この説明は、例示および説明の目的で示したものであり、網羅的なものでも、または、本発明を、開示の特定の実施形態および応用例に限定するものでもない。本明細書に記載の本発明に、いくつかの変形、改変、変型または変更を行うことができ、これらはいずれも、本発明の趣旨および範囲から逸脱するものではないことが、当業者には明らかであろう。これらの特定の実施形態および応用例は、本発明の原理およびその実際的な応用例を最も良く説明するために選択し、記載したものであり、それによって、当業者は、本発明を様々な実施形態で、企図される特定の用途に適した様々な改変形態と共に利用することが可能となる。したがって、かかる変形形態、改変形態、変型形態、および変更形態は全て、添付の特許請求の範囲を、公正に、法的に、かつ衡平的に認められる範囲に従って解釈したときに定められる、本発明の範囲に含まれるとみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】転がり接触疲労ロッドを含む基体上に堆積させた中間層と外層とを有する、金属ダイヤモンドライクカーボンコーティングを示す図である。
【図２】クロム製の中間層と、炭素とタングステン、チタン、およびニオブなどの金属とでできた外層とを含む、金属ダイヤモンドライクコーティング組成物に関する、金属濃度とアブレシブ摩耗率との関係を示すグラフである。
【図３】基体バイアス電位の関数としての、金属ダイヤモンドライクコーティングの接着性能を表す棒グラフである。
【図４Ａ】実施例で説明した試料１〜試料７の組成物で被覆された回転ロッドと接触して配置された３つの粗面化ボールの構成の上面図を示す、転がり接触疲労（ＲＣＦ）実験を表す図である。
【図４Ｂ】回転ロッドと接触して配置された粗面化ボールの側面図を示す、図４Ａの転がり接触疲労（ＲＣＦ）実験を表す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…基体
１２…中間層
１４…外層
Ｂ1、Ｂ2、Ｂ3…粗面化ボール
ＢC1、ＢC2…一対のベアリングカップ
Ｄ1…回転方向
Ｆ…締付け力
Ｌ1…縦軸線
Ｒ1…転がり接触疲労ロッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遷移金属成分を有するダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物であって、
基体と、
第１の遷移金属を含み、かつ、第１の表面と、前記基体と接触している第２の表面とを有する第１の層と、
炭素と、第２の遷移金属とを含む第２の層と、
を含むことを特徴とするコーティング組成物。
【請求項２】
前記第２の遷移金属が、タングステン、ニオブ、チタン、およびこれらの組合せから成る群より選択されることを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項３】
前記第１の遷移金属がクロムであることを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項４】
前記第２の層が、約０．５マイクロメートルから１０マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項５】
前記第１の層が、約０．０１マイクロメートルから２．０マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項６】
前記第２の層が、低いアブレシブ摩耗率を有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項７】
前記低いアブレシブ摩耗率が、１×１０-10ｍ3ｍ-1Ｎ-1未満であることを特徴とする請求項６記載のコーティング。
【請求項８】
前記第２の層が、約−５０ボルトから−７５０ボルトの範囲を有する基体バイアス電位を使用して堆積されることを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項９】
前記第２の層が、約０．１から０．８の金属対炭素比を有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項１０】
前記第１の層および第２の層が、少なくとも４ギガパスカルの転がり接触応力限界を有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項１１】
遷移金属成分を有するダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物であって、
基体と、
第１の遷移金属を含み、かつ、第１の表面と、前記基体と接触している第２の表面とを有する第１の層であって、前記第１の層および第２の層が、少なくとも４ギガパスカルの転がり接触応力限界を有する第１の層と、
炭素と、第２の遷移金属とを含む第２の層と、
を含むことを特徴とするコーティング組成物。
【請求項１２】
前記第２の遷移金属が、タングステン、ニオブ、チタン、およびこれらの組合せから成る群より選択されることを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１３】
前記第１の遷移金属がクロムであることを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１４】
前記第２の層が、約０．５マイクロメートルから１０マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１５】
前記第１の層が、約０．０１マイクロメートルから２．０マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１６】
前記第２の層が、低いアブレシブ摩耗率を有することを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１７】
前記低いアブレシブ摩耗率が、１×１０-10ｍ3ｍ-1Ｎ-1未満であることを特徴とする請求項１６記載のコーティング。
【請求項１８】
前記第２の層が、約−５０ボルトから−７５０ボルトの範囲を有する基体バイアス電位を使用して堆積されることを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１９】
前記第２の層が、約０．１から０．８の金属対炭素比を有することを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項２０】
遷移金属成分を有するダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物であって、
基体と、
第１の遷移金属を含み、かつ、第１の表面と、前記基体と接触している第２の表面とを有する第１の層であって、前記第１の層および第２の層が、少なくとも４ギガパスカルの転がり接触応力限界を有する第１の層と、
炭素と、第２の遷移金属とを含み、低いアブレシブ摩耗率を有する第２の層と、
を含むことを特徴とするコーティング組成物。
【請求項１】
遷移金属成分を有するダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物であって、
基体と、
第１の遷移金属を含み、かつ、第１の表面と、前記基体と接触している第２の表面とを有する第１の層と、
炭素と、第２の遷移金属とを含む第２の層と、
を含むことを特徴とするコーティング組成物。
【請求項２】
前記第２の遷移金属が、タングステン、ニオブ、チタン、およびこれらの組合せから成る群より選択されることを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項３】
前記第１の遷移金属がクロムであることを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項４】
前記第２の層が、約０．５マイクロメートルから１０マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項５】
前記第１の層が、約０．０１マイクロメートルから２．０マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項６】
前記第２の層が、低いアブレシブ摩耗率を有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項７】
前記低いアブレシブ摩耗率が、１×１０-10ｍ3ｍ-1Ｎ-1未満であることを特徴とする請求項６記載のコーティング。
【請求項８】
前記第２の層が、約−５０ボルトから−７５０ボルトの範囲を有する基体バイアス電位を使用して堆積されることを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項９】
前記第２の層が、約０．１から０．８の金属対炭素比を有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項１０】
前記第１の層および第２の層が、少なくとも４ギガパスカルの転がり接触応力限界を有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
【請求項１１】
遷移金属成分を有するダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物であって、
基体と、
第１の遷移金属を含み、かつ、第１の表面と、前記基体と接触している第２の表面とを有する第１の層であって、前記第１の層および第２の層が、少なくとも４ギガパスカルの転がり接触応力限界を有する第１の層と、
炭素と、第２の遷移金属とを含む第２の層と、
を含むことを特徴とするコーティング組成物。
【請求項１２】
前記第２の遷移金属が、タングステン、ニオブ、チタン、およびこれらの組合せから成る群より選択されることを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１３】
前記第１の遷移金属がクロムであることを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１４】
前記第２の層が、約０．５マイクロメートルから１０マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１５】
前記第１の層が、約０．０１マイクロメートルから２．０マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１６】
前記第２の層が、低いアブレシブ摩耗率を有することを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１７】
前記低いアブレシブ摩耗率が、１×１０-10ｍ3ｍ-1Ｎ-1未満であることを特徴とする請求項１６記載のコーティング。
【請求項１８】
前記第２の層が、約−５０ボルトから−７５０ボルトの範囲を有する基体バイアス電位を使用して堆積されることを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項１９】
前記第２の層が、約０．１から０．８の金属対炭素比を有することを特徴とする請求項１１記載のコーティング。
【請求項２０】
遷移金属成分を有するダイヤモンドライクカーボンコーティング組成物であって、
基体と、
第１の遷移金属を含み、かつ、第１の表面と、前記基体と接触している第２の表面とを有する第１の層であって、前記第１の層および第２の層が、少なくとも４ギガパスカルの転がり接触応力限界を有する第１の層と、
炭素と、第２の遷移金属とを含み、低いアブレシブ摩耗率を有する第２の層と、
を含むことを特徴とするコーティング組成物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【公開番号】特開２００８−５６９７０（Ｐ２００８−５６９７０Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００６−２３３４２３（Ｐ２００６−２３３４２３）
【出願日】平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【出願人】（５９０００５４４９）ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション (581)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３３４２３（Ｐ２００６−２３３４２３）
【出願日】平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【出願人】（５９０００５４４９）ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション (581)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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