金属部材、ＤＬＣ膜の製造装置、及び金属部材の製造方法
【課題】硬度に優れた領域と潤滑性に優れた領域とを同一平面内に局在させて併せ持つことが可能なＤＬＣ膜を備えた金属部材を提供すること。
【解決手段】少なくとも鉄を含む金属基材１１上にＤＬＣ膜１２を配してなる金属部材１０であって、ＤＬＣ膜１２は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が膜面内に複数異なって混在し、前記ピークの強度の最大と最小の差が１桁以上であること。
【解決手段】少なくとも鉄を含む金属基材１１上にＤＬＣ膜１２を配してなる金属部材１０であって、ＤＬＣ膜１２は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が膜面内に複数異なって混在し、前記ピークの強度の最大と最小の差が１桁以上であること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属部材に係り、より詳しくは硬度の異なる領域を有したＤＬＣ膜（Diamond like Carbon）を備えた金属部材と、硬度の異なる領域を有したＤＬＣ膜の製造装置と、該金属部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＬＣは、ダイヤモンドに起因するｓｐ３結合と、グラファイトに起因するｓｐ２結合からなっている。炭素から合成されるダイヤモンドやグラファイトは結晶構造を有するが、ＤＬＣはアモルファスである点が大きく異なっている。また、ダイヤモンドやグラファイトと比べ、ＤＬＣは低温で形成できる点が非常に優位である。さらに添加する水素量を変化させることにより様々にその特性を変化できることから、工学的な応用を進めていくうえで極めて潜在能力の高い材料である。
【０００３】
切削工具においては、応力が一部分に集中することがあり、このような局所的な応力の分布を考慮してＤＬＣ膜をコーティングすることができれば、更に工具の寿命を延ばすことができる。また、切削材の切粉が溶着しやすい部位に、良好な潤滑性を備えたＤＬＣ膜をコーティングすることができれば、該切粉の溶着が抑制され、工具の段取り替え工数を低減することが可能である。
【０００４】
しかしながら、従来は特許文献１に示すように、例えば所望の硬度あるいは潤滑性を有したＤＬＣ膜を基材に均一に形成する手法が検討・開示されているに過ぎない。つまり、従来は膜面全体がほぼ一定の硬度あるいは潤滑性を備えた形態のＤＬＣ膜しか得られていなかった。
これに対して、ＤＬＣ膜面内に局所的に硬度に優れる領域と潤滑性に優れる領域とを作り分けすることができれば、用途に応じたＤＬＣ膜を自由に設計可能となることからその開発が望まれていた。
【０００５】
また、切削加工において地球環境保全や作業環境改善の観点から切削油剤の使用を極力抑えることが求められている。ＤＬＣ膜は炭素を主成分とする非晶質膜であり、平面平滑性と高硬度を併せ持つユニークな硬質薄膜である。したがって、切削油剤の代替技術として極めて有望である。ＤＬＣ膜をコーティングした切削工具では、切削抵抗の低減、加工面積精度・寸法精度の向上、及び切削油剤を使用しないドライ加工の容易化、などの優れた効果に加えて、工具段取り替え工数の低減や省エネルギーなどコストダウンにも大きく貢献している。
【特許文献１】特開平１０−７２２８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、硬度に優れた領域と潤滑性に優れた領域とを同一平面内に局在させて併せ持つことが可能なＤＬＣ膜を備えた金属部材を提供することを第一の目的とする。
また、ＤＬＣ膜の同一面内に、異なった硬度や潤滑性を有した領域を局所的に作り分けることが可能なＤＬＣ膜の製造装置を提供することを第二の目的とする。
更に、ＤＬＣ膜の同一面内において、異なった硬度や潤滑性を有した領域を局所的に作り分けることが可能な金属部材の製造方法を提供することを第三の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に記載の金属部材は、少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなる金属部材であって、前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の金属部材は、請求項１において、前記領域のうち、前記第一ピークの強度が強い領域において、前記ピークは、波数が１３００〜１４００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるダイヤモンドに起因した第二ピークよりもラマン強度が強いことを特徴とする。
本発明の請求項３に記載のＤＬＣ膜の製造装置は、ＣＡＴ−ＣＶＤ法により金属基材上にＤＬＣ膜を形成する装置であって、前記金属基材を加熱する手段が、前記金属基材においてＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面に備えられていることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の金属部材の製造方法は、少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなり、前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が１桁以上異なる領域が、膜面内に複数、混在している金属部材の製造方法であって、前記金属基材にＤＬＣ膜を成膜する際に、前記ＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面から前記金属基材を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の金属部材は、少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなる金属部材であって、前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が膜面内に複数異なって混在し、前記ピークの強度の最大と最小の差が１桁以上である。
かかる構成によれば、ピークの強度が１桁以上高い値を示す領域は高いビッカース硬度を有することから、応力の集中する部分にこの高硬度な領域を配することで、より耐久性、耐摩耗性に優れた金属部材を提供することができる。また、ピークの強度が弱い領域は、優れた潤滑性を有するので、この領域を切粉の溶着が生じやすい領域に配することで該切粉の溶着を防ぎ、より簡便に潤滑性に優れた金属部材を得ることができる。したがって、硬度に優れた領域と潤滑性に優れた領域とを局所的に併せ持ったＤＬＣ膜を備えた金属部材を得ることができる。
【０００９】
本発明のＤＬＣ膜の製造装置は、触媒化学気体相堆積法（Catalytic Chemical Vapor Deposition：ＣＡＴ−ＣＶＤ法）により金属基材上にＤＬＣ膜を形成する装置であって、前記金属基材を加熱する手段が、前記金属基材においてＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面に備えられている。
ここで、ＣＡＴ−ＣＶＤ法は、加熱した触媒体に原料ガスを接触させることで分解種を生成し、薄膜を堆積させる化学気体相堆積法であり、プラズマを用いないで薄膜を低温で成膜できること、プラズマによる基板への損傷を与えることなく原料ガスの分解種を堆積できる等の利点を有する薄膜堆積方法として知られている。この方法は、原料ガスの利用効率が高く、薄膜を高速で堆積でき、堆積領域の大面積化も可能であるので、太陽電池や液晶ディスプレイ用薄膜トランジスタ等の大面積デバイスの形成法として期待されている。また、さらにプラズマ損傷がないことから表面の脆弱な化合物半導体用の薄膜形成法として実用化されつつある。
かかる構成によれば、金属基板のＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面に加熱する手段を備えたことで、金属基板のＤＬＣ膜が成膜される面の温度を、金属基材上に堆積する原料ガスの温度に対して最適な温度とすることができる。ゆえに、ＤＬＣ膜の同一面内でグラファイトに起因するピークのラマン強度が１桁異なる領域が膜面内に複数、配置されたＤＬＣ膜を金属基材に成膜でき、潤滑性に優れた領域と、硬度に優れた領域とを局所的に作り分けることが可能なＤＬＣ膜の製造装置を得ることができる。
【００１０】
本発明の金属部材の製造方法は、少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなり、前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が１桁以上異なる領域が、膜面内に複数、混在している金属部材の製造方法であって、前記金属基材にＤＬＣ膜を成膜する際に、前記ＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面から前記金属基材を加熱する。
かかる構成によれば、金属基材のＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面を加熱することで、ＤＬＣ膜が形成される金属基材表面の温度を、堆積される原料ガスの温度に対して適切な温度で成膜することができる。したがって、金属基材上に、硬度や潤滑性の異なるＤＬＣ膜を局所的に作り分けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
図１は本発明のＤＬＣ膜を備えた金属部材１０を模式的に示した図である。本発明の金属部材１０は、少なくとも鉄を含む金属基材１１と、金属基材１１上に配されたＤＬＣ膜１２とから概略構成されている。また、ＤＬＣ膜１２は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、このピークの強度が１桁以上異なる領域が、ＤＬＣ膜１２面内に複数、混在している。以下、それぞれについて詳細に説明する。
【００１２】
金属基材１１としては、その成分に少なくとも鉄を含むものであり、例えばＳＫＤ１１等のダイス鋼が挙げられる。
【００１３】
ＤＬＣ膜１２は、金属基材１１の少なくとも一面１１ａに形成された薄膜であり、その厚さは、例えば１０〜１００μｍである。このＤＬＣ膜１２には、ラマンスペクトルの１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に、グラファイトに起因するピーク（以下、Ｇピークということがある）のラマン強度が１桁以上異なる領域１２ａ、１２ｂが複数、混在している。ラマン強度の強い領域を１２ａ、ラマン強度の弱い領域を１２ｂとすると、ＤＬＣ膜１２は、同一平面内に領域１２ａと領域１２ｂとを局所的に併せ持っている。
ＤＬＣ膜１２の中心から各辺に対して３分割し、ＤＬＣ膜１２の中心を含む領域を中央部分α、この中央部分αの外側の領域を中淵部分β、この中淵部分の更に外側の領域を外淵部分γとすると、中央部分αにおいてはそのＤＬＣ膜１２はＧピークのラマン強度が強い領域１２ａのみが配されている。一方で、中淵部分βと外淵部分γとでは、領域１２ａと領域１２ｂが局在して配されている。
光学顕微鏡の観察によって、ＤＬＣ膜１２は白色に見える領域（白色領域）と黒色に見える領域（黒色領域）とからなり、中央部分α、中淵部分β、外淵部分γのいずれも、これらの領域が混在して配されている。この白色領域と黒色領域において、ラマンスペクトルを観察すると、それぞれの領域のラマンスペクトルは、ｓｐ３結合を有するダイヤモンドピーク（以下、Ｄピークということがある）が１３００〜１４００［ｃｍ―１］付近に、ｓｐ２結合を有するＧピークが１５５０〜１６００［ｃｍ―１］付近にそれぞれ個別に観察される。特に、本発明の金属部材１０に備えられたＤＬＣ膜１２は、ＤピークとＧピークの半値幅が小さいことから、非晶質炭素が秩序よく堆積されていると考えられる。したがって、本発明のＤＬＣ膜１２は、潤滑性に優れている。
また、ＤＬＣ膜１２の中淵部分βと外淵部分γにおいては、光学顕微鏡によって黒色に見える領域は、Ｇピークのラマン強度が１桁以上強い領域１２ａと一致し、白色に見える領域は、Ｇピークのラマン強度が弱い領域１２ｂと一致している。
ＤＬＣ膜１２のビッカース硬度に関しては、ＤＬＣ膜１２の中央部分αでは、白色領域と黒色領域とでそのビッカース硬度に違いはなく均一である。一方、ＤＬＣ膜１２の中淵部分βと外淵部分γとにおいて、領域１２ａと領域１２ｂとではビッカース硬度に差が生じ、Ｇピークのラマン強度が１桁以上強い方の領域（黒色領域）１２ａの方が、Ｇピークのラマン強度が弱い方の領域（白色領域）１２ｂと比較し、高硬度となっている。特に金属基材１１の外淵にいくに従い、Ｇピークのラマン強度が１桁以上強い領域１２ａとＧピークのラマン強度が弱い領域１２ｂとのラマン強度の差は大きくなる。
【００１４】
本発明のＤＬＣ膜１２を備えた金属部材１０において、そのＤＬＣ膜１２のラマン分光装置によって観察されるＧピークのラマン強度は、Ｄピークのラマン強度よりも１桁以上強い値を示している。特に白色領域においては、Ｇピークのラマン強度は、Ｄピークのラマン強度の１．１倍以上４倍以下である。また、黒色領域においては、Ｇピークのラマン強度は、Ｄピークのラマン強度の３倍以上８倍以下である。
特に、ＤＬＣ膜１２の中央部分αにおいては、白色領域（領域１２ａ）と黒色領域（領域１２ａ）共に、Ｇピークのラマン強度はＤピークのラマン強度の３倍以上４倍以下である。
中淵部分βにおいては、黒色領域（領域１２ａ）におけるＧピークのラマン強度はＤピークのラマン強度の７倍以上８倍以下であり、白色領域（領域１２ｂ）におけるＧピークのラマン強度はＤピークのラマン強度の１．５倍以上２倍以下である。
外淵部分γにおいては、黒色領域（領域１２ａ）におけるＧピークのラマン強度はＤピークのラマン強度の４倍以上５倍以下であり、白色領域（領域１２ｂ）におけるＧピークのラマン強度はＤピークのラマン強度の１．１倍以上１．５倍以下である。
【００１５】
本発明の金属部材１０に備えられたＤＬＣ膜１２は、Ｇピークのラマン強度が１桁以上異なる領域１２ａ，１２ｂが複数、二次元的に局在して混在している。特に、ラマン強度が１桁以上強い領域１２ａは、ラマン強度が弱い領域１２ｂと比較し、ビッカース硬度が高い値を示す。また、ＤＬＣ膜１２のラマンスペクトルはＤピーク、Ｇピーク共に半値幅が小さく、非晶質炭素が秩序良く堆積されている。したがって、本発明の金属部材１０は、ＤＬＣ膜１２の同一面内に、ビッカース硬度の高い領域（領域１２ａ）と、潤滑性のよい領域（領域１２ｂ）とが局在して配され、硬度・耐磨耗性に優れる部位と潤滑性に優れる部位とをＤＬＣ膜の同一平面内に局在させて併せ持ったものである。
【００１６】
本発明のＤＬＣ膜の製造装置２０は、ＣＡＴ−ＣＶＤ法により金属基材１１上にＤＬＣ膜１２を形成する装置であって、金属基材１１を加熱する手段２２が、金属基材１１においてＤＬＣ膜１２が成膜される面とは反対側の面にあって、金属基材１１を支持する支持手段２１の下に配置されている。この装置２０は、金属基材１１、支持手段２１と、金属基材１１を加熱する手段２２と、原料ガスを吐出する吐出手段２３と、原料ガスを熱により分解する触媒体２４と、支持手段２１、加熱する手段２２、及び触媒体２４を内包する筐体２５と、筺体２５の一部に配され、筺体２５内を真空状態にする排気手段２６と、から概略構成されている。以下、詳細に説明する。
【００１７】
支持手段２１は、金属基材１１を支持すると共に、加熱する手段２２により熱が加わり、金属基材１１に熱を伝えるものでもある。このような支持手段２１としては、熱膨張率が低いものが良く、かつ、均一に金属基材１１に熱を伝えられるものがよい。このような支持手段２１としては、例えば、透明基板が好ましく、特に耐熱性（石英）ガラス基板が好ましく用いられる。また、その厚さは、例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍである。
【００１８】
加熱する手段２２は、支持手段２１を介して金属基材１１を一定の温度で加熱するもので、例えばＳｉＣヒータ等を用いることができる。またその形状は、支持手段２１を介して金属基材１１を均一に加熱できれば特に限定されるものではない。
【００１９】
吐出手段２３は、ＤＬＣ膜１２の原料ガスを金属基材１１の一面１１ａに向かって吐出するもので、筺体２５の一部に配されている。吐出手段２３としては、通常のＣＡＴ−ＣＶＤ法で用いられる装置で使用するものであれば、特に限定されるものではない。
【００２０】
触媒体２４は、吐出手段２３から金属基材１１に向けて吐出された原料ガスを分解するものである。吐出手段２３と支持手段２１上に載置される金属基材１１との間に設けられている。原料ガスが加熱された触媒体２４に接触し、その表面での接触分解反応により分解され、その分解種が金属基材１上に輸送されてＤＬＣ膜１２が形成される。このような触媒体２４としては、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、ニッケル、白金等のフィラメントを、格子状、渦巻状等にしたものを用いることができる。
【００２１】
筐体２５は、その一部に吐出手段２３と排気手段２６が設けられ、かつ支持手段２１、加熱する手段２２、及び触媒体２４、を内包するものである。また、筐体２５内は、排気手段２６により真空状態となる。このような筺体２５としては、通常のＣＡＴ−ＣＶＤ法で用いられる装置で使用するものであれば、特に限定されるものではない。
【００２２】
排気手段２６は、筺体２５内を真空状態にするもので、筺体２５の一部に配されている。排気手段２６としては、通常のＣＡＴ−ＣＶＤ法で用いられる装置で使用するものであれば、特に限定されるものではない。
【００２３】
本発明のＤＬＣ膜の製造装置は、金属基材１１のＤＬＣ膜１２が成膜された面１１ａとは反対側の面１１ｂに、金属基材１１を加熱する手段２２が配されている。また、金属基材１１は、支持手段２１を介して加熱する手段２２により熱が加えられる。ゆえに、本発明のＤＬＣ膜の製造装置２０を用いれば、支持手段２１を介して金属基材１１のＤＬＣ膜１２が成膜される面１１ａとは反対側の面１１ｂが加熱されることとなる。したがって、金属基材１１のＤＬＣ膜１２が形成される面１１ａの温度を、金属基材１１に堆積する原料ガスの温度に対して最適な温度とすることが可能な、ＤＬＣ膜の製造装置２０を得ることができる。
ゆえに、本発明のＤＬＣ膜の製造装置２０を用いれば、金属基材１１上にＤＬＣ膜１２の同一面内でグラファイトに起因するピークのラマン強度が１桁以上異なる領域が複数、配置されたＤＬＣ膜１２を金属基材１１に成膜でき、潤滑性に優れた領域と、硬度に優れた領域とを局所的に作り分けることが可能となる。
【００２４】
本発明の金属部材１０の製造方法は、少なくとも鉄を含む金属基材１１上にＤＬＣ膜１２を配してなり、ＤＬＣ膜１２は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、ピークの強度が１桁以上異なる領域が、膜面内に複数、混在している金属部材１０の製造方法であって、金属基材１１にＤＬＣ膜１２を成膜する際に、ＤＬＣ膜１２が成膜される面とは反対側の面１２ｂから金属基材１１を加熱する。以下、詳細に説明する。
【００２５】
まず、鉄を含有する金属基材１１を製造装置２０内の支持手段２１上に載置し、排気手段２６により製造装置２０内をおよそ１Ｘ１０−２Ｐａ程度の真空度にする。また、触媒体２４に電気を流して熱を発生させると共に、加熱する手段２２の温度を例えば６００℃〜９００℃まで上昇させ一定に保つ。
次いで、水素：メタンの比率が１０：１程度の原料ガスをおよそ１００００Ｐａ〜１４０００Ｐａの圧力で吐出してＤＬＣ膜の成膜を開始する。所定の膜厚となるまで成膜することで、本発明のＤＬＣ膜１２を備えた金属部材１０が作製される。
【００２６】
本発明の金属部材１０の製造方法によれば、金属基材１１のＤＬＣ膜が成膜される面１１ａの表面温度と、ＤＬＣ膜１２の原料ガスの温度とを適正な温度とすることができるので、ビッカース硬度に優れた領域と、潤滑性に優れた領域とをＤＬＣ膜の同一面内に局所的に作り分けることができる。したがって、応力が集中しやすい部分にはより高硬度なビッカース硬度を有するＤＬＣ膜１２を成膜し、潤滑性が必要な部位には、より潤滑性に優れたＤＬＣ膜を成膜することができ、ひいては、より耐久性、耐摩耗性に優れた金属部材１０を製造することができる。
【実施例】
【００２７】
＜ＤＬＣ膜の成膜＞
鉄を含む金属基材として、厚さ７ｍｍ、１ｃｍ角のダイス鋼ＳＫＤ１１を用意し、この一面にＣＡＴ−ＣＶＤ法によりＤＬＣ膜を成膜した。ＣＡＴ−ＣＶＤによる成膜条件に関しては、加熱する手段の温度を７００℃、吐出圧力を１２０００Ｐａで行った。また、原料ガスとして水素：メタンを１０：１で混合したものを用いて６時間成膜を行った。
ＤＬＣ膜の製造装置に関しては、支持手段としては厚さ１ｍｍの耐熱ガラスを、加熱手段としては直径が４．５ｃｍのＳｉＣヒータを、触媒体としてはタングステンフィラメントをコイル状にして用いた。触媒体は、できるだけ高温となることが好ましく、本例においては電流が３．０Ａ、電圧が１８Ｖで通電を行った（１９００℃に相当する）。また、金属基材のＤＬＣ膜が成膜される面から触媒体までの距離を１ｃｍ、触媒体から吐出手段までの距離を２ｃｍ、金属基材のＤＬＣ膜が成膜される面からから吐出手段までの距離を３ｃｍとした。
【００２８】
＜ＤＬＣ膜の観察＞
上記で作製したＳＫＤ１１基材上のＤＬＣ膜に関して、その外淵部分、中淵部分、中央部分を光学顕微鏡で観察した。また、ラマン分光装置（ＪＯＢＩＮＹＶＯＮ社製、ＯＲＴ−６４０００）によって、ＤＬＣ膜の外淵部分、中淵部分、中央部分のラマンスペクトルを観察した。更に、ビッカース硬度計（ＯＬＹＭＰＵＳ社製、ＢＸ−６０）を用いてＤＬＣ膜の外淵部分、中淵部分、中央部分のビッカース硬度をそれぞれ３２箇所で測定し、その平均値を算出した。その結果を図３〜図１０に示す。なお、光学顕微鏡は、５００倍で観察した。また、ラマンスペクトルは励起波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを使用した。
【００２９】
＜外淵部分＞
図３は、上記で成膜したＤＬＣ膜の外淵部分を光学顕微鏡によって観察した際の画像である。図３に示すように、ＤＬＣ膜は白色領域と黒色領域とが混在して存在していた。また、ビッカース硬度は白色領域で１３７３ＨＶ、黒色領域で１８３７ＨＶであり、黒色領域の方が硬く、硬度に差が生じていた。
図４は、黒色領域のラマンスペクトルを、図５は白色領域のラマンスペクトルをそれぞれ示している。図４及び図５から、ｓｐ２結合を示すＧピークが１５８０ｃｍ−１付近に、ｓｐ３結合を示すＤピークが１３５０ｃｍ−１付近にそれぞれ観察された。また、Ｇピーク：Ｄピークの比率は黒色領域の方が高く、白色領域ではその比率は低く観察された。白色領域においては、Ｇピークのラマン強度はＤピークのラマン強度のおよそ１．２４倍であった。一方、黒色領域においては、Ｇピークのラマン強度はＤピークのラマン強度のおよそ４．６であった。更に、ラマン強度自体にも白色領域と黒色領域とで差が観察され、黒色領域のＧピークのラマン強度は、白色領域のＧピークのラマン強度に対しておよそ３０倍であった。これは、黒色領域と比較し、白色領域の方はＤＬＣ膜がかなり薄く堆積しておりＤＬＣ膜の成長の違いが生じていること、及び、含有水素量の違いによりｓｐ２結合とｓｐ３結合の含まれる率が異なっていることの両方が原因で得られた結果だと考えられる。
また一般的に、物質に応力が加わると、該応力によって結晶にひずみが生じ、原子間の結合力が変化してラマンピークはシフトするが、Ｄピーク、Ｇピーク共に、白色領域と黒色領域とでピークの現れている場所が同じであるため、白色領域と黒色領域とで応力は一定であると考えられる。
【００３０】
＜中淵部分＞
図６は、ＤＬＣ膜の中淵部分を光学顕微鏡によって観察した画像である。図６に示すように、ＤＬＣ膜は外淵部分と同様に白色領域と黒色領域とが混在して存在していた。また、ビッカース硬度は、白色領域で１１５９ＨＶ、黒色領域で２０８４ＨＶであり、黒色領域の方が硬く、外淵部分と同様に硬度に差が生じていた。
図７は、黒色領域のラマンスペクトルを、図８は白色領域のラマンスペクトルをそれぞれ示している。図７及び図８から、外淵部分と同様にＧピークが１５８０ｃｍ−１付近に、Ｄピークが１３５０ｃｍ−１付近に観察された。また、Ｇピーク：Ｄピークの比率は黒色領域の方が高く、黒色領域ではＧピークのラマン強度はＤピークのラマン強度のおよそ７．２４倍であったのに対し、白色領域ではその比率は低くおよそ１．６８倍であった。更に、ラマン強度自体も黒色領域の方が高く、白色領域との間でおよそ１５倍の差が観察された。これは、中淵部分は、外淵部分よりは膜が成長しているが、ｓｐ２成分が多いため、白色領域の硬度が低下したものと考えられる。また、白色領域と黒色領域において、ＤピークとＧピークの現れている位置が同じであるため、外淵部分と同様に、白色領域と黒色領域とでは応力は一定であると考えられる。
【００３１】
＜中央部分＞
図９は、ＤＬＣ膜の中央部分を光学顕微鏡によって観察した画像である。図９に示すように、ＤＬＣ膜は外淵部分、中淵部分と同様に白色領域と黒色領域とが混在して存在していた。また、ビッカース硬度は、白色領域と黒色領域で１６５４ＨＶ程度であり、黒色領域と白色領域で硬度の差はほとんど観察されなかった。
図１０は、ＤＬＣ膜の中央部分における黒色領域と白色領域のラマンスペクトルを示すものであり、両者の間に差はほとんど観察されなかった。また外淵部分、中淵部分と同様に、Ｇピークが１５８０ｃｍ−１付近に、Ｄピークが１３５０ｃｍ−１付近に観察された。Ｇピークのラマン強度はＤピークのラマン強度のおよそ３．２６倍であった。これは、色に違いが生じたものの、白色領域と黒色領域とでｓｐ２：ｓｐ３の比率にさほどの違いがなかったか、または膜の成長の違いが少ないためにラマンスペクトルの結果には変化が無かったと考えられる。よって、これらのことから、中央部分においては、色にこそ違いはあるが、黒色領域と白色領域とでＤＬＣ膜としての性質には大きな差がないと考えられる。また、白色領域と黒色領域において、ＤピークとＧピークの現れている位置が同じであるため、外淵部分、中淵部分と同様に、白色領域と黒色領域とでは応力は一定であると考えられる。
【００３２】
以上より、金属基材の一面に成膜されたＤＬＣ膜は、その中央部分は硬度に優れ、その外縁部分は硬度に優れた領域と潤滑性に優れた領域とを同一平面内に局所的に併せ持っていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、ＤＬＣ膜を備えた金属部材に適用することができる。特に鉄を含有する金属基材上に、高硬度な領域を有したＤＬＣ膜と潤滑性に優れたＤＬＣ膜とを局所的に作り分けすることができるので、硬度が要求される部位と潤滑性が要求される部位とに、それぞれの要求に見合ったＤＬＣ膜を備えた金属部材を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のＤＬＣ膜を備えた金属部材を模式的に示す図である。
【図２】本発明のＤＬＣ膜製造装置を模式的に示した断面図である。
【図３】ＤＬＣ膜の外淵部分を光学顕微鏡によって観察した図である。
【図４】ＤＬＣ膜の外淵部分における白色領域のラマンスペクトルを示した図である。
【図５】ＤＬＣ膜の外淵部分における黒色領域のラマンスペクトルを示した図である。
【図６】ＤＬＣ膜の中淵部分を光学顕微鏡によって観察した図である。
【図７】ＤＬＣ膜の中淵部分における白色領域のラマンスペクトルを示した図である。
【図８】ＤＬＣ膜の中淵部分における黒色領域のラマンスペクトルを示した図である。
【図９】ＤＬＣ膜の中央部分を光学顕微鏡によって観察した図である。
【図１０】ＤＬＣ膜の中央部分におけるラマンスペクトルを示した図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 金属部材、１１ 金属基材、１２ ＤＬＣ膜、１２ａ 白色領域、１２ｂ 黒色領域、２０ ＤＬＣ膜の製造装置、２１ 支持手段、２２ 加熱手段、２３ 吐出手段、２４ 触媒体、２５ 筐体、２６ 排気手段、α 中央部分、β 中淵部分、γ 外淵部分。
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属部材に係り、より詳しくは硬度の異なる領域を有したＤＬＣ膜（Diamond like Carbon）を備えた金属部材と、硬度の異なる領域を有したＤＬＣ膜の製造装置と、該金属部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＬＣは、ダイヤモンドに起因するｓｐ３結合と、グラファイトに起因するｓｐ２結合からなっている。炭素から合成されるダイヤモンドやグラファイトは結晶構造を有するが、ＤＬＣはアモルファスである点が大きく異なっている。また、ダイヤモンドやグラファイトと比べ、ＤＬＣは低温で形成できる点が非常に優位である。さらに添加する水素量を変化させることにより様々にその特性を変化できることから、工学的な応用を進めていくうえで極めて潜在能力の高い材料である。
【０００３】
切削工具においては、応力が一部分に集中することがあり、このような局所的な応力の分布を考慮してＤＬＣ膜をコーティングすることができれば、更に工具の寿命を延ばすことができる。また、切削材の切粉が溶着しやすい部位に、良好な潤滑性を備えたＤＬＣ膜をコーティングすることができれば、該切粉の溶着が抑制され、工具の段取り替え工数を低減することが可能である。
【０００４】
しかしながら、従来は特許文献１に示すように、例えば所望の硬度あるいは潤滑性を有したＤＬＣ膜を基材に均一に形成する手法が検討・開示されているに過ぎない。つまり、従来は膜面全体がほぼ一定の硬度あるいは潤滑性を備えた形態のＤＬＣ膜しか得られていなかった。
これに対して、ＤＬＣ膜面内に局所的に硬度に優れる領域と潤滑性に優れる領域とを作り分けすることができれば、用途に応じたＤＬＣ膜を自由に設計可能となることからその開発が望まれていた。
【０００５】
また、切削加工において地球環境保全や作業環境改善の観点から切削油剤の使用を極力抑えることが求められている。ＤＬＣ膜は炭素を主成分とする非晶質膜であり、平面平滑性と高硬度を併せ持つユニークな硬質薄膜である。したがって、切削油剤の代替技術として極めて有望である。ＤＬＣ膜をコーティングした切削工具では、切削抵抗の低減、加工面積精度・寸法精度の向上、及び切削油剤を使用しないドライ加工の容易化、などの優れた効果に加えて、工具段取り替え工数の低減や省エネルギーなどコストダウンにも大きく貢献している。
【特許文献１】特開平１０−７２２８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、硬度に優れた領域と潤滑性に優れた領域とを同一平面内に局在させて併せ持つことが可能なＤＬＣ膜を備えた金属部材を提供することを第一の目的とする。
また、ＤＬＣ膜の同一面内に、異なった硬度や潤滑性を有した領域を局所的に作り分けることが可能なＤＬＣ膜の製造装置を提供することを第二の目的とする。
更に、ＤＬＣ膜の同一面内において、異なった硬度や潤滑性を有した領域を局所的に作り分けることが可能な金属部材の製造方法を提供することを第三の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に記載の金属部材は、少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなる金属部材であって、前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の金属部材は、請求項１において、前記領域のうち、前記第一ピークの強度が強い領域において、前記ピークは、波数が１３００〜１４００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるダイヤモンドに起因した第二ピークよりもラマン強度が強いことを特徴とする。
本発明の請求項３に記載のＤＬＣ膜の製造装置は、ＣＡＴ−ＣＶＤ法により金属基材上にＤＬＣ膜を形成する装置であって、前記金属基材を加熱する手段が、前記金属基材においてＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面に備えられていることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の金属部材の製造方法は、少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなり、前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が１桁以上異なる領域が、膜面内に複数、混在している金属部材の製造方法であって、前記金属基材にＤＬＣ膜を成膜する際に、前記ＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面から前記金属基材を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の金属部材は、少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなる金属部材であって、前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が膜面内に複数異なって混在し、前記ピークの強度の最大と最小の差が１桁以上である。
かかる構成によれば、ピークの強度が１桁以上高い値を示す領域は高いビッカース硬度を有することから、応力の集中する部分にこの高硬度な領域を配することで、より耐久性、耐摩耗性に優れた金属部材を提供することができる。また、ピークの強度が弱い領域は、優れた潤滑性を有するので、この領域を切粉の溶着が生じやすい領域に配することで該切粉の溶着を防ぎ、より簡便に潤滑性に優れた金属部材を得ることができる。したがって、硬度に優れた領域と潤滑性に優れた領域とを局所的に併せ持ったＤＬＣ膜を備えた金属部材を得ることができる。
【０００９】
本発明のＤＬＣ膜の製造装置は、触媒化学気体相堆積法（Catalytic Chemical Vapor Deposition：ＣＡＴ−ＣＶＤ法）により金属基材上にＤＬＣ膜を形成する装置であって、前記金属基材を加熱する手段が、前記金属基材においてＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面に備えられている。
ここで、ＣＡＴ−ＣＶＤ法は、加熱した触媒体に原料ガスを接触させることで分解種を生成し、薄膜を堆積させる化学気体相堆積法であり、プラズマを用いないで薄膜を低温で成膜できること、プラズマによる基板への損傷を与えることなく原料ガスの分解種を堆積できる等の利点を有する薄膜堆積方法として知られている。この方法は、原料ガスの利用効率が高く、薄膜を高速で堆積でき、堆積領域の大面積化も可能であるので、太陽電池や液晶ディスプレイ用薄膜トランジスタ等の大面積デバイスの形成法として期待されている。また、さらにプラズマ損傷がないことから表面の脆弱な化合物半導体用の薄膜形成法として実用化されつつある。
かかる構成によれば、金属基板のＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面に加熱する手段を備えたことで、金属基板のＤＬＣ膜が成膜される面の温度を、金属基材上に堆積する原料ガスの温度に対して最適な温度とすることができる。ゆえに、ＤＬＣ膜の同一面内でグラファイトに起因するピークのラマン強度が１桁異なる領域が膜面内に複数、配置されたＤＬＣ膜を金属基材に成膜でき、潤滑性に優れた領域と、硬度に優れた領域とを局所的に作り分けることが可能なＤＬＣ膜の製造装置を得ることができる。
【００１０】
本発明の金属部材の製造方法は、少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなり、前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が１桁以上異なる領域が、膜面内に複数、混在している金属部材の製造方法であって、前記金属基材にＤＬＣ膜を成膜する際に、前記ＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面から前記金属基材を加熱する。
かかる構成によれば、金属基材のＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面を加熱することで、ＤＬＣ膜が形成される金属基材表面の温度を、堆積される原料ガスの温度に対して適切な温度で成膜することができる。したがって、金属基材上に、硬度や潤滑性の異なるＤＬＣ膜を局所的に作り分けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
図１は本発明のＤＬＣ膜を備えた金属部材１０を模式的に示した図である。本発明の金属部材１０は、少なくとも鉄を含む金属基材１１と、金属基材１１上に配されたＤＬＣ膜１２とから概略構成されている。また、ＤＬＣ膜１２は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、このピークの強度が１桁以上異なる領域が、ＤＬＣ膜１２面内に複数、混在している。以下、それぞれについて詳細に説明する。
【００１２】
金属基材１１としては、その成分に少なくとも鉄を含むものであり、例えばＳＫＤ１１等のダイス鋼が挙げられる。
【００１３】
ＤＬＣ膜１２は、金属基材１１の少なくとも一面１１ａに形成された薄膜であり、その厚さは、例えば１０〜１００μｍである。このＤＬＣ膜１２には、ラマンスペクトルの１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に、グラファイトに起因するピーク（以下、Ｇピークということがある）のラマン強度が１桁以上異なる領域１２ａ、１２ｂが複数、混在している。ラマン強度の強い領域を１２ａ、ラマン強度の弱い領域を１２ｂとすると、ＤＬＣ膜１２は、同一平面内に領域１２ａと領域１２ｂとを局所的に併せ持っている。
ＤＬＣ膜１２の中心から各辺に対して３分割し、ＤＬＣ膜１２の中心を含む領域を中央部分α、この中央部分αの外側の領域を中淵部分β、この中淵部分の更に外側の領域を外淵部分γとすると、中央部分αにおいてはそのＤＬＣ膜１２はＧピークのラマン強度が強い領域１２ａのみが配されている。一方で、中淵部分βと外淵部分γとでは、領域１２ａと領域１２ｂが局在して配されている。
光学顕微鏡の観察によって、ＤＬＣ膜１２は白色に見える領域（白色領域）と黒色に見える領域（黒色領域）とからなり、中央部分α、中淵部分β、外淵部分γのいずれも、これらの領域が混在して配されている。この白色領域と黒色領域において、ラマンスペクトルを観察すると、それぞれの領域のラマンスペクトルは、ｓｐ３結合を有するダイヤモンドピーク（以下、Ｄピークということがある）が１３００〜１４００［ｃｍ―１］付近に、ｓｐ２結合を有するＧピークが１５５０〜１６００［ｃｍ―１］付近にそれぞれ個別に観察される。特に、本発明の金属部材１０に備えられたＤＬＣ膜１２は、ＤピークとＧピークの半値幅が小さいことから、非晶質炭素が秩序よく堆積されていると考えられる。したがって、本発明のＤＬＣ膜１２は、潤滑性に優れている。
また、ＤＬＣ膜１２の中淵部分βと外淵部分γにおいては、光学顕微鏡によって黒色に見える領域は、Ｇピークのラマン強度が１桁以上強い領域１２ａと一致し、白色に見える領域は、Ｇピークのラマン強度が弱い領域１２ｂと一致している。
ＤＬＣ膜１２のビッカース硬度に関しては、ＤＬＣ膜１２の中央部分αでは、白色領域と黒色領域とでそのビッカース硬度に違いはなく均一である。一方、ＤＬＣ膜１２の中淵部分βと外淵部分γとにおいて、領域１２ａと領域１２ｂとではビッカース硬度に差が生じ、Ｇピークのラマン強度が１桁以上強い方の領域（黒色領域）１２ａの方が、Ｇピークのラマン強度が弱い方の領域（白色領域）１２ｂと比較し、高硬度となっている。特に金属基材１１の外淵にいくに従い、Ｇピークのラマン強度が１桁以上強い領域１２ａとＧピークのラマン強度が弱い領域１２ｂとのラマン強度の差は大きくなる。
【００１４】
本発明のＤＬＣ膜１２を備えた金属部材１０において、そのＤＬＣ膜１２のラマン分光装置によって観察されるＧピークのラマン強度は、Ｄピークのラマン強度よりも１桁以上強い値を示している。特に白色領域においては、Ｇピークのラマン強度は、Ｄピークのラマン強度の１．１倍以上４倍以下である。また、黒色領域においては、Ｇピークのラマン強度は、Ｄピークのラマン強度の３倍以上８倍以下である。
特に、ＤＬＣ膜１２の中央部分αにおいては、白色領域（領域１２ａ）と黒色領域（領域１２ａ）共に、Ｇピークのラマン強度はＤピークのラマン強度の３倍以上４倍以下である。
中淵部分βにおいては、黒色領域（領域１２ａ）におけるＧピークのラマン強度はＤピークのラマン強度の７倍以上８倍以下であり、白色領域（領域１２ｂ）におけるＧピークのラマン強度はＤピークのラマン強度の１．５倍以上２倍以下である。
外淵部分γにおいては、黒色領域（領域１２ａ）におけるＧピークのラマン強度はＤピークのラマン強度の４倍以上５倍以下であり、白色領域（領域１２ｂ）におけるＧピークのラマン強度はＤピークのラマン強度の１．１倍以上１．５倍以下である。
【００１５】
本発明の金属部材１０に備えられたＤＬＣ膜１２は、Ｇピークのラマン強度が１桁以上異なる領域１２ａ，１２ｂが複数、二次元的に局在して混在している。特に、ラマン強度が１桁以上強い領域１２ａは、ラマン強度が弱い領域１２ｂと比較し、ビッカース硬度が高い値を示す。また、ＤＬＣ膜１２のラマンスペクトルはＤピーク、Ｇピーク共に半値幅が小さく、非晶質炭素が秩序良く堆積されている。したがって、本発明の金属部材１０は、ＤＬＣ膜１２の同一面内に、ビッカース硬度の高い領域（領域１２ａ）と、潤滑性のよい領域（領域１２ｂ）とが局在して配され、硬度・耐磨耗性に優れる部位と潤滑性に優れる部位とをＤＬＣ膜の同一平面内に局在させて併せ持ったものである。
【００１６】
本発明のＤＬＣ膜の製造装置２０は、ＣＡＴ−ＣＶＤ法により金属基材１１上にＤＬＣ膜１２を形成する装置であって、金属基材１１を加熱する手段２２が、金属基材１１においてＤＬＣ膜１２が成膜される面とは反対側の面にあって、金属基材１１を支持する支持手段２１の下に配置されている。この装置２０は、金属基材１１、支持手段２１と、金属基材１１を加熱する手段２２と、原料ガスを吐出する吐出手段２３と、原料ガスを熱により分解する触媒体２４と、支持手段２１、加熱する手段２２、及び触媒体２４を内包する筐体２５と、筺体２５の一部に配され、筺体２５内を真空状態にする排気手段２６と、から概略構成されている。以下、詳細に説明する。
【００１７】
支持手段２１は、金属基材１１を支持すると共に、加熱する手段２２により熱が加わり、金属基材１１に熱を伝えるものでもある。このような支持手段２１としては、熱膨張率が低いものが良く、かつ、均一に金属基材１１に熱を伝えられるものがよい。このような支持手段２１としては、例えば、透明基板が好ましく、特に耐熱性（石英）ガラス基板が好ましく用いられる。また、その厚さは、例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍである。
【００１８】
加熱する手段２２は、支持手段２１を介して金属基材１１を一定の温度で加熱するもので、例えばＳｉＣヒータ等を用いることができる。またその形状は、支持手段２１を介して金属基材１１を均一に加熱できれば特に限定されるものではない。
【００１９】
吐出手段２３は、ＤＬＣ膜１２の原料ガスを金属基材１１の一面１１ａに向かって吐出するもので、筺体２５の一部に配されている。吐出手段２３としては、通常のＣＡＴ−ＣＶＤ法で用いられる装置で使用するものであれば、特に限定されるものではない。
【００２０】
触媒体２４は、吐出手段２３から金属基材１１に向けて吐出された原料ガスを分解するものである。吐出手段２３と支持手段２１上に載置される金属基材１１との間に設けられている。原料ガスが加熱された触媒体２４に接触し、その表面での接触分解反応により分解され、その分解種が金属基材１上に輸送されてＤＬＣ膜１２が形成される。このような触媒体２４としては、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、ニッケル、白金等のフィラメントを、格子状、渦巻状等にしたものを用いることができる。
【００２１】
筐体２５は、その一部に吐出手段２３と排気手段２６が設けられ、かつ支持手段２１、加熱する手段２２、及び触媒体２４、を内包するものである。また、筐体２５内は、排気手段２６により真空状態となる。このような筺体２５としては、通常のＣＡＴ−ＣＶＤ法で用いられる装置で使用するものであれば、特に限定されるものではない。
【００２２】
排気手段２６は、筺体２５内を真空状態にするもので、筺体２５の一部に配されている。排気手段２６としては、通常のＣＡＴ−ＣＶＤ法で用いられる装置で使用するものであれば、特に限定されるものではない。
【００２３】
本発明のＤＬＣ膜の製造装置は、金属基材１１のＤＬＣ膜１２が成膜された面１１ａとは反対側の面１１ｂに、金属基材１１を加熱する手段２２が配されている。また、金属基材１１は、支持手段２１を介して加熱する手段２２により熱が加えられる。ゆえに、本発明のＤＬＣ膜の製造装置２０を用いれば、支持手段２１を介して金属基材１１のＤＬＣ膜１２が成膜される面１１ａとは反対側の面１１ｂが加熱されることとなる。したがって、金属基材１１のＤＬＣ膜１２が形成される面１１ａの温度を、金属基材１１に堆積する原料ガスの温度に対して最適な温度とすることが可能な、ＤＬＣ膜の製造装置２０を得ることができる。
ゆえに、本発明のＤＬＣ膜の製造装置２０を用いれば、金属基材１１上にＤＬＣ膜１２の同一面内でグラファイトに起因するピークのラマン強度が１桁以上異なる領域が複数、配置されたＤＬＣ膜１２を金属基材１１に成膜でき、潤滑性に優れた領域と、硬度に優れた領域とを局所的に作り分けることが可能となる。
【００２４】
本発明の金属部材１０の製造方法は、少なくとも鉄を含む金属基材１１上にＤＬＣ膜１２を配してなり、ＤＬＣ膜１２は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、ピークの強度が１桁以上異なる領域が、膜面内に複数、混在している金属部材１０の製造方法であって、金属基材１１にＤＬＣ膜１２を成膜する際に、ＤＬＣ膜１２が成膜される面とは反対側の面１２ｂから金属基材１１を加熱する。以下、詳細に説明する。
【００２５】
まず、鉄を含有する金属基材１１を製造装置２０内の支持手段２１上に載置し、排気手段２６により製造装置２０内をおよそ１Ｘ１０−２Ｐａ程度の真空度にする。また、触媒体２４に電気を流して熱を発生させると共に、加熱する手段２２の温度を例えば６００℃〜９００℃まで上昇させ一定に保つ。
次いで、水素：メタンの比率が１０：１程度の原料ガスをおよそ１００００Ｐａ〜１４０００Ｐａの圧力で吐出してＤＬＣ膜の成膜を開始する。所定の膜厚となるまで成膜することで、本発明のＤＬＣ膜１２を備えた金属部材１０が作製される。
【００２６】
本発明の金属部材１０の製造方法によれば、金属基材１１のＤＬＣ膜が成膜される面１１ａの表面温度と、ＤＬＣ膜１２の原料ガスの温度とを適正な温度とすることができるので、ビッカース硬度に優れた領域と、潤滑性に優れた領域とをＤＬＣ膜の同一面内に局所的に作り分けることができる。したがって、応力が集中しやすい部分にはより高硬度なビッカース硬度を有するＤＬＣ膜１２を成膜し、潤滑性が必要な部位には、より潤滑性に優れたＤＬＣ膜を成膜することができ、ひいては、より耐久性、耐摩耗性に優れた金属部材１０を製造することができる。
【実施例】
【００２７】
＜ＤＬＣ膜の成膜＞
鉄を含む金属基材として、厚さ７ｍｍ、１ｃｍ角のダイス鋼ＳＫＤ１１を用意し、この一面にＣＡＴ−ＣＶＤ法によりＤＬＣ膜を成膜した。ＣＡＴ−ＣＶＤによる成膜条件に関しては、加熱する手段の温度を７００℃、吐出圧力を１２０００Ｐａで行った。また、原料ガスとして水素：メタンを１０：１で混合したものを用いて６時間成膜を行った。
ＤＬＣ膜の製造装置に関しては、支持手段としては厚さ１ｍｍの耐熱ガラスを、加熱手段としては直径が４．５ｃｍのＳｉＣヒータを、触媒体としてはタングステンフィラメントをコイル状にして用いた。触媒体は、できるだけ高温となることが好ましく、本例においては電流が３．０Ａ、電圧が１８Ｖで通電を行った（１９００℃に相当する）。また、金属基材のＤＬＣ膜が成膜される面から触媒体までの距離を１ｃｍ、触媒体から吐出手段までの距離を２ｃｍ、金属基材のＤＬＣ膜が成膜される面からから吐出手段までの距離を３ｃｍとした。
【００２８】
＜ＤＬＣ膜の観察＞
上記で作製したＳＫＤ１１基材上のＤＬＣ膜に関して、その外淵部分、中淵部分、中央部分を光学顕微鏡で観察した。また、ラマン分光装置（ＪＯＢＩＮＹＶＯＮ社製、ＯＲＴ−６４０００）によって、ＤＬＣ膜の外淵部分、中淵部分、中央部分のラマンスペクトルを観察した。更に、ビッカース硬度計（ＯＬＹＭＰＵＳ社製、ＢＸ−６０）を用いてＤＬＣ膜の外淵部分、中淵部分、中央部分のビッカース硬度をそれぞれ３２箇所で測定し、その平均値を算出した。その結果を図３〜図１０に示す。なお、光学顕微鏡は、５００倍で観察した。また、ラマンスペクトルは励起波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを使用した。
【００２９】
＜外淵部分＞
図３は、上記で成膜したＤＬＣ膜の外淵部分を光学顕微鏡によって観察した際の画像である。図３に示すように、ＤＬＣ膜は白色領域と黒色領域とが混在して存在していた。また、ビッカース硬度は白色領域で１３７３ＨＶ、黒色領域で１８３７ＨＶであり、黒色領域の方が硬く、硬度に差が生じていた。
図４は、黒色領域のラマンスペクトルを、図５は白色領域のラマンスペクトルをそれぞれ示している。図４及び図５から、ｓｐ２結合を示すＧピークが１５８０ｃｍ−１付近に、ｓｐ３結合を示すＤピークが１３５０ｃｍ−１付近にそれぞれ観察された。また、Ｇピーク：Ｄピークの比率は黒色領域の方が高く、白色領域ではその比率は低く観察された。白色領域においては、Ｇピークのラマン強度はＤピークのラマン強度のおよそ１．２４倍であった。一方、黒色領域においては、Ｇピークのラマン強度はＤピークのラマン強度のおよそ４．６であった。更に、ラマン強度自体にも白色領域と黒色領域とで差が観察され、黒色領域のＧピークのラマン強度は、白色領域のＧピークのラマン強度に対しておよそ３０倍であった。これは、黒色領域と比較し、白色領域の方はＤＬＣ膜がかなり薄く堆積しておりＤＬＣ膜の成長の違いが生じていること、及び、含有水素量の違いによりｓｐ２結合とｓｐ３結合の含まれる率が異なっていることの両方が原因で得られた結果だと考えられる。
また一般的に、物質に応力が加わると、該応力によって結晶にひずみが生じ、原子間の結合力が変化してラマンピークはシフトするが、Ｄピーク、Ｇピーク共に、白色領域と黒色領域とでピークの現れている場所が同じであるため、白色領域と黒色領域とで応力は一定であると考えられる。
【００３０】
＜中淵部分＞
図６は、ＤＬＣ膜の中淵部分を光学顕微鏡によって観察した画像である。図６に示すように、ＤＬＣ膜は外淵部分と同様に白色領域と黒色領域とが混在して存在していた。また、ビッカース硬度は、白色領域で１１５９ＨＶ、黒色領域で２０８４ＨＶであり、黒色領域の方が硬く、外淵部分と同様に硬度に差が生じていた。
図７は、黒色領域のラマンスペクトルを、図８は白色領域のラマンスペクトルをそれぞれ示している。図７及び図８から、外淵部分と同様にＧピークが１５８０ｃｍ−１付近に、Ｄピークが１３５０ｃｍ−１付近に観察された。また、Ｇピーク：Ｄピークの比率は黒色領域の方が高く、黒色領域ではＧピークのラマン強度はＤピークのラマン強度のおよそ７．２４倍であったのに対し、白色領域ではその比率は低くおよそ１．６８倍であった。更に、ラマン強度自体も黒色領域の方が高く、白色領域との間でおよそ１５倍の差が観察された。これは、中淵部分は、外淵部分よりは膜が成長しているが、ｓｐ２成分が多いため、白色領域の硬度が低下したものと考えられる。また、白色領域と黒色領域において、ＤピークとＧピークの現れている位置が同じであるため、外淵部分と同様に、白色領域と黒色領域とでは応力は一定であると考えられる。
【００３１】
＜中央部分＞
図９は、ＤＬＣ膜の中央部分を光学顕微鏡によって観察した画像である。図９に示すように、ＤＬＣ膜は外淵部分、中淵部分と同様に白色領域と黒色領域とが混在して存在していた。また、ビッカース硬度は、白色領域と黒色領域で１６５４ＨＶ程度であり、黒色領域と白色領域で硬度の差はほとんど観察されなかった。
図１０は、ＤＬＣ膜の中央部分における黒色領域と白色領域のラマンスペクトルを示すものであり、両者の間に差はほとんど観察されなかった。また外淵部分、中淵部分と同様に、Ｇピークが１５８０ｃｍ−１付近に、Ｄピークが１３５０ｃｍ−１付近に観察された。Ｇピークのラマン強度はＤピークのラマン強度のおよそ３．２６倍であった。これは、色に違いが生じたものの、白色領域と黒色領域とでｓｐ２：ｓｐ３の比率にさほどの違いがなかったか、または膜の成長の違いが少ないためにラマンスペクトルの結果には変化が無かったと考えられる。よって、これらのことから、中央部分においては、色にこそ違いはあるが、黒色領域と白色領域とでＤＬＣ膜としての性質には大きな差がないと考えられる。また、白色領域と黒色領域において、ＤピークとＧピークの現れている位置が同じであるため、外淵部分、中淵部分と同様に、白色領域と黒色領域とでは応力は一定であると考えられる。
【００３２】
以上より、金属基材の一面に成膜されたＤＬＣ膜は、その中央部分は硬度に優れ、その外縁部分は硬度に優れた領域と潤滑性に優れた領域とを同一平面内に局所的に併せ持っていることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、ＤＬＣ膜を備えた金属部材に適用することができる。特に鉄を含有する金属基材上に、高硬度な領域を有したＤＬＣ膜と潤滑性に優れたＤＬＣ膜とを局所的に作り分けすることができるので、硬度が要求される部位と潤滑性が要求される部位とに、それぞれの要求に見合ったＤＬＣ膜を備えた金属部材を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のＤＬＣ膜を備えた金属部材を模式的に示す図である。
【図２】本発明のＤＬＣ膜製造装置を模式的に示した断面図である。
【図３】ＤＬＣ膜の外淵部分を光学顕微鏡によって観察した図である。
【図４】ＤＬＣ膜の外淵部分における白色領域のラマンスペクトルを示した図である。
【図５】ＤＬＣ膜の外淵部分における黒色領域のラマンスペクトルを示した図である。
【図６】ＤＬＣ膜の中淵部分を光学顕微鏡によって観察した図である。
【図７】ＤＬＣ膜の中淵部分における白色領域のラマンスペクトルを示した図である。
【図８】ＤＬＣ膜の中淵部分における黒色領域のラマンスペクトルを示した図である。
【図９】ＤＬＣ膜の中央部分を光学顕微鏡によって観察した図である。
【図１０】ＤＬＣ膜の中央部分におけるラマンスペクトルを示した図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 金属部材、１１ 金属基材、１２ ＤＬＣ膜、１２ａ 白色領域、１２ｂ 黒色領域、２０ ＤＬＣ膜の製造装置、２１ 支持手段、２２ 加熱手段、２３ 吐出手段、２４ 触媒体、２５ 筐体、２６ 排気手段、α 中央部分、β 中淵部分、γ 外淵部分。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなる金属部材であって、
前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が膜面内に複数異なって混在し、前記ピークの強度の最大と最小の差が１桁以上であることを特徴とする金属部材。
【請求項２】
前記領域のうち、前記ピークの強度が強い領域において、前記ピークは、波数が１３００〜１４００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるダイヤモンドに起因したピークよりもラマン強度が強いことを特徴とする請求項１に記載の金属部材。
【請求項３】
ＣＡＴ−ＣＶＤ法により金属基材上にＤＬＣ膜を形成する装置であって、前記金属基材を加熱する手段が、前記金属基材においてＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面に備えられていることを特徴とするＤＬＣ膜の製造装置。
【請求項４】
少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなり、前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が膜面内に複数異なって混在し、前記ピークの強度の最大と最小の差が１桁以上である金属部材の製造方法であって、
前記金属基材にＤＬＣ膜を成膜する際に、前記ＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面から前記金属基材を加熱することを特徴とする金属部材の製造方法。
【請求項１】
少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなる金属部材であって、
前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が膜面内に複数異なって混在し、前記ピークの強度の最大と最小の差が１桁以上であることを特徴とする金属部材。
【請求項２】
前記領域のうち、前記ピークの強度が強い領域において、前記ピークは、波数が１３００〜１４００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるダイヤモンドに起因したピークよりもラマン強度が強いことを特徴とする請求項１に記載の金属部材。
【請求項３】
ＣＡＴ−ＣＶＤ法により金属基材上にＤＬＣ膜を形成する装置であって、前記金属基材を加熱する手段が、前記金属基材においてＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面に備えられていることを特徴とするＤＬＣ膜の製造装置。
【請求項４】
少なくとも鉄を含む金属基材上にＤＬＣ膜を配してなり、前記ＤＬＣ膜は、ラマンスペクトルにおいて、波数が１５５０〜１６００［ｃｍ―１］の範囲に観測されるグラファイトに起因したピークを有し、前記ピークの強度が膜面内に複数異なって混在し、前記ピークの強度の最大と最小の差が１桁以上である金属部材の製造方法であって、
前記金属基材にＤＬＣ膜を成膜する際に、前記ＤＬＣ膜が成膜される面とは反対側の面から前記金属基材を加熱することを特徴とする金属部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１８４８５９（Ｐ２００９−１８４８５９Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４４４３（Ｐ２００８−２４４４３）
【出願日】平成２０年２月４日（２００８．２．４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００７年９月４日〜８日 「２００７年（平成１９年）秋季 第６８回応用物理学会学術講演会」に文書をもって発表
【出願人】（８０１００００２７）学校法人明治大学 (161)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月４日（２００８．２．４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００７年９月４日〜８日 「２００７年（平成１９年）秋季 第６８回応用物理学会学術講演会」に文書をもって発表
【出願人】（８０１００００２７）学校法人明治大学 (161)
【Ｆターム（参考）】
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