(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の少なくとも一部がＤＬＣ膜で被覆された被覆部材の製造方法であって、
前記被覆部材は、基材と、前記基材の表面を覆う中間層と、前記中間層の表面を覆うＤＬＣ膜とを含み、
前記中間層は、金属窒化物を含み、前記中間層における硬さのヤング率に対する比は、前記基材における硬さのヤング率に対する比よりも大きく、前記ＤＬＣ膜における硬さのヤング率に対する比よりも小さい、前記被覆部材であって、
前記基材の温度を３００℃以下に維持した状態で、直流パルスプラズマＣＶＤ法によって、前記中間層およびＤＬＣ膜を形成する、被覆部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基材の少なくとも一部がＤＬＣ膜で被覆された被覆部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の燃費を低減させるために、自動車に搭載される各種摺動部材の摺動抵抗を低減させることが求められている。そのため、摺動部材のもとになる基材表面の少なくとも一部を、低摩擦性および耐摩耗性（高硬度性）を有するＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜によって被覆する場合がある（例えば特許文献１参照）。
ＤＬＣ膜は、例えば、基材に直流電圧を印加する直流プラズマＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）法や、直流パルス電圧を印加する直流パルスプラズマＣＶＤ法によって形成される。
【０００３】
すなわち、基材を収容する処理室内を真空排気し、かつメタン等の炭素系化合物、水素ガス、およびアルゴンガス等を含む原料ガスを継続的に導入して処理室内を所定の処理圧力に維持しながら、直流電圧または直流パルス電圧を基材に印加して処理室内にプラズマを発生させる。これにより、原料ガスからイオンやラジカルが生成されるとともに、基材の表面で化学反応が生じて、Ｃ（炭素）を主体とする膜（ＤＬＣ膜）が基材の表面に堆積する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５６４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＤＬＣ膜は、基材に対する密着力が弱い。そのため、基材に対するＤＬＣ膜の密着力を向上させることが望まれている。ＤＬＣ膜の密着力を向上させるために、例えば、基材とＤＬＣ膜との間に中間層を形成したり、ＤＬＣ膜を形成する前に窒化処理や浸炭処理（たとえば、プラズマ窒化やプラズマ浸炭）を行って基材の表層に窒化層や浸炭層を形成したりする場合がある。
【０００６】
しかしながら、基材とＤＬＣ膜との間に中間層を形成した場合であっても、中間層が適切でないと高い密着力を得ることができない。また、高い密着力を得るのに十分な窒化層や浸炭層を形成するには、高温環境下で窒化処理や浸炭処理を行う必要がある。そのため、基材の材料選択の幅が狭められる。よって、基材の材料選択の幅を十分に確保しながら、基材に対するＤＬＣ膜の密着力を向上させるためには、基材とＤＬＣ膜との間に適切な中間層を形成する必要がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、基材に対する密着力が高いＤＬＣ膜を有し、基材の材料選択の幅が広い被覆部材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するための請求項１記載の発明は、基材の少なくとも一部がＤＬＣ膜で被覆された被覆部材の製造方法であって、前記被覆部材は、基材（２００）と、前記基材の表面を覆う中間層（３００）と、前記中間層の表面を覆うＤＬＣ膜（４００）とを含み、前記中間層は、金属窒化物を含み、前記中間層における硬さ（Ｈ３）のヤング率（Ｅ３）に対する比は、前記基材における硬さ（Ｈ２）のヤング率（Ｅ２）に対する比よりも大きく、前記ＤＬＣ膜における硬さ（Ｈ４）のヤング率（Ｅ４）に対する比よりも小さい、前記被覆部材（１００）であって、前記基材の温度を３００℃以下に維持した状態で、直流パルスプラズマＣＶＤ法によって、前記中間層およびＤＬＣ膜を形成する、被覆部材の製造方法である。
【０００９】
この構成によれば、以下に説明するように、中間層における硬さのヤング率に対する比が、基材における硬さのヤング率に対する比よりも大きく、ＤＬＣ膜における硬さのヤング率に対する比よりも小さいので、基材に対するＤＬＣ膜の密着力を向上させることができる。これにより、被覆部材の信頼性および耐久性を向上させることができる。さらに、中間層およびＤＬＣ膜は、基材の温度が３００℃以下に維持された状態で形成されるので、基材に加わるダメージが小さい。そのため、基材の材料選択の幅が広い。
【００１０】
さらに、直流パルスプラズマＣＶＤ法によれば、例えば直流プラズマＣＶＤ法を採用して、基材に直流電圧を印加することによりプラズマを発生させる場合と比べて、温度上昇に繋がる異常放電の発生を抑制しながら、プラズマをより一層安定化させることができる。そのため、基材の温度を３００℃以下に抑制して、温度上昇によって基材が受けるダメージを極力小さくすることができる。これにより、基材の材料選択の幅が広げられる。
【００１１】
なお、上記において、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る被覆部材の表層部の断面図である。
【図２】ＤＬＣ膜が剥離したときの剥離荷重を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態に係る被覆部材を製造するためのプラズマＣＶＤ装置の構成を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る被覆部材１００の表層部の断面図である。
図１を参照して、被覆部材１００は、例えば、摺動部材や装飾品として用いられる。摺動部材としては、例えば、摩擦クラッチのクラッチプレート、ステアリング装置のウォーム（歯面にＤＬＣ膜を形成）、軸受の内外輪（軌道面にＤＬＣ膜を形成）または保持器、およびプロペラシャフト（駆動軸、雄スプライン部および／または雌スプライン部にＤＬＣ膜を形成）が挙げられる。
【００１４】
被覆部材１００は、基材２００と、基材２００の表面を覆う中間層３００と、中間層３００の表面を覆うＤＬＣ膜４００とを含む。中間層３００およびＤＬＣ膜４００は、それぞれ、膜厚が数μｍ〜数十μｍ程度の薄膜である。中間層３００における硬さＨ３のヤング率Ｅ３に対する比（Ｈ３／Ｅ３）は、基材２００における硬さＨ２のヤング率Ｅ２に対する比（Ｈ２／Ｅ２）よりも大きく、ＤＬＣ膜４００における硬さＨ４のヤング率Ｅ４に対する比（Ｈ４／Ｅ４）よりも小さい。中間層３００の硬さＨ３、基材２００の硬さＨ２、およびＤＬＣ膜４００の硬さＨ４は、それぞれ、ナノインデンテーション法によって測定した硬さである（以下に説明する硬さについても同様）。中間層３００の（Ｈ３／Ｅ３）は、膜内で一定であってもよいし、基材２００からＤＬＣ膜４００に近づくに従って、基材２００の（Ｈ２／Ｅ２）からＤＬＣ膜４００の（Ｈ４／Ｅ４）まで変化していてもよい。
【００１５】
また、中間層３００およびＤＬＣ膜４００は、例えば、直流パルスプラズマＣＶＤ法によって形成されている。直流パルスプラズマＣＶＤでは、基材２００に対して電圧が断続的に印加される。したがって、基材２００に対して電圧が印加され続ける直流プラズマＣＶＤ法に比べて、基材２００の温度上昇に繋がる異常放電の発生が抑制される。これにより、中間層３００およびＤＬＣ膜４００は、基材２００の温度が低温（例えば、３００℃以下）に維持された状態で形成されている。したがって、中間層３００およびＤＬＣ膜４００が直流プラズマＣＶＤ法によって形成される場合に比べて、基材２００の材料選択の幅が広い。
【００１６】
また、ＤＬＣ膜４００の表面は、被覆部材１００の最表面の少なくとも一部を形成している。被覆部材１００が摺動部材として用いられる場合、ＤＬＣ膜４００の表面は、他の部材に摺動する摺動面として機能する。また、被覆部材１００が摺動部材として用いられる場合、基材２００の材質は、例えば、工具鋼、炭素鋼、およびステンレス鋼の何れかである。基材２００の材質が、例えば、高速度工具鋼（ＳＫＨ４）である場合、基材２００の硬さは、７．５ＧＰａであり、基材２００のヤング率は、２３０ＧＰａである。
【００１７】
また、中間層３００は、例えば、金属窒化物、金属炭化物、または金属炭窒化物を含む薄膜である。中間層３００の組成は、均一であってもよいし、基材２００からＤＬＣ膜４００に近づくに従って変化していてもよい。すなわち、中間層３００は、中間層３００の組成がＤＬＣ膜４００に近づくに従って連続的に変化する傾斜膜であってもよいし、組成がそれぞれ異なる複数の膜が積層された積層膜であってもよい。
【００１８】
中間層３００に含まれる金属窒化物としては、例えば、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＮが挙げられる。また、中間層３００に含まれる金属炭化物としては、例えば、ＴｉＣが挙げられる。また、中間層３００に含まれる金属炭窒化物としては、例えば、ＴｉＣＮが挙げられる。中間層３００が、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮの何れかによって形成された均一な組成の薄膜である場合の、硬さ、ヤング率、および（硬さ／ヤング率）を以下の表１に示す。
【００１９】
【表１】
0005557011.tif 000002
【００２０】
図２は、ＤＬＣ膜が剥離したときの剥離荷重を示すグラフである。
図２における剥離荷重は、日本機械学会基準ＪＳＭＥ  Ｓ０１０（１９９６）において規定されたスクラッチ試験によってＤＬＣ膜を剥離させて、ＤＬＣ膜に局所的な剥離が生じたときの測定値（モード２の測定値）である。
第１実施例、第２実施例、および第１比較例は、基材とＤＬＣ膜との間に中間層が設けられた被覆部材についての剥離荷重である。また、第２比較例は、中間層が設けられていない被覆部材についての剥離荷重である。第１実施例の中間層は、ＴｉＮ膜（金属窒化膜）であり、第２実施例の中間層は、ＣｒＮ膜（金属窒化膜）であり、第１比較例の中間層は、Ｃｒメッキである。第１比較例の中間層の硬さ（Ｃｒメッキの硬さ）は、１２．９ＧＰａであり、第１比較例の中間層のヤング率は、２８７ＧＰａである。
【００２１】
また、各実施例および比較例において、基材の材質は同一である。すなわち、各実施例および比較例における基材の材質は高速度工具鋼（ＳＫＨ４）である。したがって、各実施例および比較例において、基材における硬さＨ２のヤング率Ｅ２に対する比（Ｈ２／Ｅ２）は、０．０３である。
また、各実施例および比較例において、ＤＬＣ膜の成膜条件は同一である。すなわち、各実施例および比較例におけるＤＬＣ膜は、直流パルスプラズマＣＶＤ法によって形成された薄膜である。各実施例および比較例におけるＤＬＣ膜の硬さＨ４は、１２ＧＰａであり、ＤＬＣ膜のヤング率Ｅ４は、１０３ＧＰａであり、ＤＬＣ膜における硬さＨ４のヤング率Ｅ４に対する比（Ｈ４／Ｅ４）は、０．１２である。
【００２２】
第１実施例、第２実施例、および第１比較例に係る中間層の（Ｈ３／Ｅ３）は、それぞれ、膜内で一定である。第１実施例、第２実施例、および第１比較例に係る中間層の（Ｈ３／Ｅ３）は、それぞれ、０．０７（第１実施例：ＴｉＮ）、０．０５（第２実施例：ＣｒＮ）、０．０４（第１比較例：Ｃｒメッキ）である。したがって、第１実施例、第２実施例、および第１比較例の中間層の（Ｈ３／Ｅ３）は、基材の（Ｈ２／Ｅ２）よりも大きく、ＤＬＣ膜の（Ｈ４／Ｅ４）よりも小さい。
【００２３】
図２に示すように、第１実施例および第２実施例に係る剥離荷重は、中間層が設けられていないときの剥離荷重（第２比較例に係る剥離荷重）よりも大きい。また、第１比較例に係る剥離荷重は、中間層が設けられていないときの剥離荷重（第２比較例に係る剥離荷重）よりも小さい。したがって、硬さのヤング率に対する比が基材よりも大きく、ＤＬＣ膜よりも小さい金属窒化物からなる中間層を設けることによって、基材に対するＤＬＣ膜の密着力を向上させることができる。これにより、被覆部材１００の信頼性および耐久性を向上させることができる。
【００２４】
図３は、本発明の一実施形態に係る被覆部材１００を製造するためのプラズマＣＶＤ装置１の構成を示す模式的な断面図である。
図１および図３を参照して、プラズマＣＶＤ装置１は、隔壁２で取り囲まれた処理室３と、処理室３内で基材２００を保持する基台５と、処理室３内に原料ガスを導入するための原料ガス導入管６と、処理室３内を真空排気するための排気系７と、処理室３内に導入されたガスをプラズマ化させるための直流パルス電圧を発生させる電源８とを備えている。
【００２５】
基台５は、水平姿勢をなす支持プレート９と、鉛直方向に延び、支持プレート９を支持する支持軸１０とを備えている。この実施形態では、基台５として、支持プレート９が上下方向に３つ並んで配置された３段式のものが採用されている。基台５は、全体が銅などの導電材料を用いて形成されている。基台５には電源８の負極が接続されている。基材２００は、支持プレート９上に載置される。
【００２６】
また、処理室３の隔壁２は、ステンレス鋼等の導電材料を用いて形成されている。隔壁２には、電源８の正極が接続されている。また隔壁２はアース接続されている。隔壁２と基台５とは絶縁部材１１によって絶縁されている。そのため隔壁２はアース電位に保たれている。電源８がオンされて直流パルス電圧が発生されると、隔壁２と基台５との間に電位差が生じる。
【００２７】
また、原料ガス導入管６は、処理室３内における基台５の上方を水平方向に延びている。原料ガス導入管６の基台５に対向する部分には、原料ガス導入管６の長手方向に沿って配列された多数の原料ガス吐出孔１２が形成されている。原料ガス吐出孔１２から原料ガスが吐出されることにより、処理室３内に原料ガスが導入される。
原料ガス導入管６には、例えば、成分ガスとして少なくとも炭素系化合物を含む原料ガスが供給される。原料ガス導入管６には、各成分ガスの供給源（ガスボンベや液体を収容する容器等）からそれぞれの成分ガスを処理室３に導くための複数の分岐導入管（図示せず）が接続されている。各分岐導入管には、各供給源からの成分ガスの流量を調節するための流量調節バルブ（図示せず）等が設けられている。また供給源のうち液体を収容する容器には、必要に応じて、液体を加熱するための加熱手段（図示せず）が設けられている。
【００２８】
排気系７は、処理室３に連通する第１排気管１３および第２排気管１４と、第１開閉バルブ１５、第２開閉バルブ１６、および第３開閉バルブ１９と、第１ポンプ１７および第２ポンプ１８とを備えている。
第１排気管１３の途中部には、第１開閉バルブ１５および第１ポンプ１７が、処理室３側からこの順で介装されている。第１ポンプ１７としては、例えば油回転真空ポンプ（ロータリポンプ）やダイヤフラム真空ポンプなどの低真空ポンプが採用される。油回転真空ポンプは、油によってロータ、ステータおよび摺動翼板などの部品の間の気密空間および無効空間の減少を図る容積移送式真空ポンプである。第１ポンプ１７として採用される油回転真空ポンプとしては、回転翼型油回転真空ポンプや揺動ピストン型真空ポンプが挙げられる。
【００２９】
また第２排気管１４の先端は、第１排気管１３における第１開閉バルブ１５と第１ポンプ１７との間に接続されている。第２排気管１４の途中部には、第２開閉バルブ１６、第２ポンプ１８、および第３開閉バルブ１９が、処理室３側からこの順で介装されている。第２ポンプ１８としては、例えばターボ分子ポンプ、油拡散ポンプなどの高真空ポンプが採用される。
【００３０】
処理室３内の気体は、第１ポンプ１７および第２ポンプ１８によって処理室３から排出される。中間層３００を形成するときには、基材２００が支持プレート９上に載置された状態で処理室３内を真空排気し、かつ原料ガスを処理室３内に継続的に導入して処理室３内を所定の処理圧力に維持しながら、電源８をオンし、隔壁２と基台５との間に電位差を生じさせることにより、処理室３内にプラズマを発生させる。このプラズマの発生により、処理室３内において原料ガスからイオンやラジカルが生成されるとともに、このイオンやラジカルが電位差に基づいて基材２００の表面に引き付けられる。そして基材２００の表面で化学反応して、基材２００の表面に中間層３００が堆積される。ＤＬＣ膜４００の形成についても同様である。
【００３１】
この発明の実施の形態の説明は以上であるが、この発明は、前述の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。例えば前述の実施形態では、基材にＤＬＣ膜が被覆されている場合について説明したが、ケイ素（Ｓｉ）を含むＤＬＣ膜が基材に被覆されていてもよい。
【００３２】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１００・・・被覆部材、２００・・・基材、３００・・・中間層、４００・・・ＤＬＣ膜、Ｈ２・・・基材の硬さ、Ｅ２・・・基材のヤング率、Ｈ３・・・中間層の硬さ、Ｅ３・・・中間層のヤング率、Ｈ４・・・ＤＬＣ膜の硬さ、Ｅ４・・・ＤＬＣ膜のヤング率
【図１】
0005557011.tif 000003
【図２】
0005557011.tif 000004
【図３】
0005557011.tif 000005