(57)【要約】基材上にコーティングを蒸着する方法であって、（a）陰極真空アーク（CVA）蒸着工程を実施することによって、基材上に材料を蒸着する工程、および（b）CVA蒸着を除く物理蒸着（PVD）工程を実施することによって、基材上に材料を蒸着する工程を含み、工程（a）において蒸着された材料の厚さが、工程（b）において蒸着された材料の厚さよりも大きい、方法を提供する。2011522965.tif 000011
2011522965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上にコーティングを蒸着する方法であって、
該方法が、
（a）陰極真空アーク（CVA）蒸着工程を実施することによって、基材上に材料を蒸着する工程;および
（b）CVA蒸着を除く物理蒸着（PVD）工程を実施することによって、基材上に材料を蒸着する工程
を含み、
工程（a）において蒸着された材料の厚さが、工程（b）において蒸着された材料の厚さよりも大きい、
方法。
【請求項２】
前記工程（a）が、前記CVAをフィルタリングし、それによってフィルタード陰極真空アーク蒸着（FCVA）工程を実施することを含む、請求項1記載の方法。
【請求項３】
前記工程（b）がスパッタリング蒸着工程を含む、請求項1または2記載の方法。
【請求項４】
引き続く層を形成するために、（a）および（b）の工程を交互に繰り返す工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項５】
工程（a）のFCVA蒸着時の真空チャンバ内の圧力が、工程（b）のPVD時の真空チャンバ内の圧力より低い、請求項2記載の方法。
【請求項６】
工程（a）のFCVA蒸着時の真空チャンバ内の圧力が1mTorr未満であり、かつ工程（b）のPVD時の真空チャンバ内の圧力が1mTorrを超える、請求項5記載の方法。
【請求項７】
工程（a）および工程（b）のうちの少なくとも1つにおける前記材料が、金属、金属化合物、および炭素のうちの少なくとも1種を含む、請求項1記載の方法。
【請求項８】
前記金属が硬質金属である、請求項7記載の方法。
【請求項９】
前記金属化合物が、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ケイ化物、および硬質金属ホウ化物のうちの少なくとも1種である、請求項7記載の方法。
【請求項１０】
FCVA蒸着層が前記基材上に直接蒸着される、請求項2記載の方法。
【請求項１１】
前記スパッタリング工程により、50nm未満の厚さの材料層が蒸着される、請求項3記載の方法。
【請求項１２】
FCVA工程により、50nmを超える厚さの材料層が蒸着される、請求項3記載の方法。
【請求項１３】
FCVA工程により、前記スパッタリング工程によって蒸着される材料層の厚さ寸法を2〜100倍の範囲で上回る厚さ寸法を有する材料層が蒸着される、請求項3記載の方法。
【請求項１４】
前記コーティングの厚さ合計が1μmを超える、請求項4記載の方法。
【請求項１５】
FCVA工程およびスパッタリング工程によって蒸着される材料が炭素を含む、請求項4記載の方法。
【請求項１６】
前記FCVA工程によって蒸着される炭素層が、前記スパッタリング工程によって蒸着される炭素層に比べてより硬質である、請求項15記載の方法。
【請求項１７】
前記FCVA工程によって蒸着される前記炭素層が四面体非晶質炭素であり、かつ前記スパッタリング工程によって蒸着される前記炭素層が非晶質炭素である、請求項16記載の方法。
【請求項１８】
前記基材が自動車部品である、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
【請求項１９】
前記自動車部品が、ピストンリング、ピストンピン、カムシャフト、持上げ弁、および噴射ノズルからなる群より選択される、請求項18記載の方法。
【請求項２０】
請求項1〜19のいずれか一項記載の方法によってコーティングされた、ピストンリングまたはピストンピン。
【請求項２１】
少なくとも2つの層を有するコーティングを有する、基材であって、
該層の一方が、陰極真空アーク蒸着（CVA）を除く物理蒸着（PVD）によって蒸着されており、かつ陰極真空アーク蒸着（CVA）によって蒸着された他方の層に比べてより小さい応力を有し、CVAによって蒸着された材料の厚さが、CVAを除くPVDによって蒸着された材料の厚さよりも大きい、基材。
【請求項２２】
基底炭素層と上方炭素層との間に配置された中間炭素層を含む、コーティングであって、
該中間炭素層が該基底炭素層および該上方炭素層に比べて小さい応力を有し、該中間炭素層の厚さが、該上方炭素層および該基底炭素層の厚さよりも小さい、コーティング。
【請求項２３】
前記中間炭素層が非晶質炭素であり、かつ前記基底層および前記上方層が四面体非晶質炭素層である、請求項22記載のコーティング。
【請求項２４】
前記基底炭素層および前記上方炭素層のそれぞれが1GPaを超える応力を有する、請求項22または請求項23記載のコーティング。
【請求項２５】
前記中間炭素層が、前記基底炭素層および前記上方炭素層の少なくとも一方の応力よりも少なくとも20％小さい応力を示す、請求項22〜24のいずれか一項記載のコーティング。
【請求項２６】
前記コーティングが少なくとも10GPaの硬度を有する、請求項22〜25のいずれか一項記載のコーティング。
【請求項２７】
前記基底炭素層および前記上方炭素層の厚さが、前記中間層の厚さよりも2〜100倍大きい、請求項22〜26のいずれか一項記載のコーティング。
【請求項２８】
前記中間炭素層が、陰極真空アーク蒸着（CVA）を除く物理蒸着（PVD）によって蒸着される一方で、前記基底炭素層および前記上方炭素層がCVAによって蒸着される、請求項22〜27のいずれか一項記載のコーティング。
【請求項２９】
前記中間炭素層がスパッタリングによって蒸着される一方で、前記基底炭素層および前記上方炭素層がFCVAによって蒸着される、請求項28記載のコーティング。
【請求項３０】
請求項22〜29のいずれか一項において定義されるコーティングを有する、自動車部品。
【請求項３１】
ピストンリング、ピストンピン、カムシャフト、持上げ弁、および噴射ノズルからなる群より選択される、請求項30記載の自動車部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、応力を低減した新規のコーティングおよび基材上に該コーティングを蒸着する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
基材をコーティングするために、様々な蒸着技術が用いられる。蒸着技術は、通常、薄膜蒸着層を形成するために、マイクロエレクトロニクス用途および高荷重用途を含む様々なタイプの用途において用いられる。
【０００３】
このような蒸着技術は、主に2つのカテゴリに分類することができる。このような蒸着技術の第1のカテゴリは、化学蒸着（CVD）として知られている。CVDは、概して、化学反応によって生じる蒸着プロセスを意味する。CVDプロセスの一般的な例としては、電着、エピタクシー、および熱酸化が挙げられる。CVDの基本的概念は、CVD環境において生じる直接的化学反応の結果としての固体材料の作製にある。これらの反応は、通常、ガス状反応物間のものであり、したがって、形成された固体生成物は、上記の蒸着の厚さを制御するために予め決められた時間において、基材の表面にゆっくりと堆積して蓄積される。
【０００４】
蒸着の第二のカテゴリは、一般的に、物理蒸着（PVD）として知られている。PVDは、概して、物理的プロセスの結果として生じる固体物質の堆積を意味する。PVDプロセスの根底にある主概念は、蒸着される材料が、直接的な物質移動を介して基材表面上へと物理的に移送されるということである。通常、該プロセスの際に化学反応は生じず、蒸着される層の厚さは、CVDプロセスとは対照的に、化学反応速度論に依存しない。
【０００５】
スパッタリングは、化合物を基材上に蒸着するための公知の物理蒸着技術であり、該技術では、原子、イオン、または分子が粒子衝撃によりターゲット材料（スパッタターゲットとも呼ばれる）から放出され、放出された原子または分子が、基材表面上に薄膜として蓄積する。スパッタリングは、基材上に様々な膜を蒸着するために幅広く使用される技術であるが、多くの用途に対してコーティングが好適ではなくなるといういくつかの欠点を抱えている。例えば、スパッタリング技術を用いて基材上に炭素膜を蒸着することにより、基材上に保護層を提供することができる。しかしながら、スパッタリングによって得られるこれらの保護炭素膜層は、通常、軟質であり、高荷重用途において受ける強い衝撃応力に耐えることができない。スパッタされた炭素コーティングにおける引っかき傷および変形は、これらのコーティングを自動車部品などの過酷な条件に晒される部品に用いてコーティングする場合に生じる共通の問題である。
【０００６】
その上、スパッタリングは、比較的低エネルギーの蒸着プロセスであるため、通常、放出された粒子の蒸着は不均一であり、そのため、蒸着された層内に空隙が形成される。この現象は、スパッタリングを用いて基材上に厚い層のコーティングを適用する場合に特に顕著である。その結果、蒸着された材料は、基材表面に対する不十分な接着性、低密度、および強度の減少といった問題を抱える。蒸着された層と基材表面との間の不十分な接着は、完成製品における「チッピング」の問題の原因にもなる。したがって、従来のスパッタリング法を用いて自動車部品などのような高い研磨機能性を有する部品をコーティングしても、そのような部品の寿命を十分に延ばすことはできない。
【０００７】
別の公知の物理蒸着技術は、陰極真空アーク蒸着法である。この方法では、電気アークを使用して、カソードターゲットから材料を蒸発させる。その結果、それによって蒸発した材料は、基材上で凝結してコーティングの薄膜を形成する。通常、陰極真空アーク蒸着法は、基材上にダイヤモンド状炭素（DLC）をコーティングすることによってコーティングによる硬質の保護層を製造するために用いられる。基材上へのDLCコーティングの陰極真空アーク蒸着では、スパッタリングによって得られる炭素コーティングよりも硬質でより強固なコーティングが製造されるが、DLCコーティングの陰極真空アーク蒸着も、それら自身に共通の欠点を有する。
【０００８】
DLCコーティングの硬質な性質のために、これらのコーティング内には高い内部応力が存在する。したがって、例えば、陰極真空アーク蒸着によってDLCコーティングの厚い層を基材上に適用することは、コーティングの厚い層内の大きな内部応力のために、コーティングは脆く、クラッキングおよび破損を生じる傾向があるために、実用的でない。したがって、表面の硬度を増大するためには、表面にDLCの薄層のみを適用することが適切であり得る。その結果、四面体非晶質炭素（TA−C）コーティングなどのDLCが、限定的に適用されている。基材上に適用できるのはDLCコーティングの薄層のみであるため、基材が高研磨条件に晒される場合には、これらのコーティングは急速にすり減る。この点に関して、DLCコーティングされた基材の保護機能および硬度を維持するには、これらの基材の寿命を延ばすための再生プロセスの一部として、これらの基材をDLCによって定期的にコーティングしなければならない。経済的な観点から、そのようなコーティングプロセスを繰り返すことは困難であるし、コスト効率も良くない。したがって、陰極真空アーク蒸着されたDLCコーティングは、高い衝撃応力並びに恒常的な摩滅に常に晒される部品、例えば自動車部品などには理想的でない。
【０００９】
上記において説明した欠点の1つまたは複数を、克服するかもしくは少なくとも改善する、基材のコーティング方法を提供することが必要とされている。
【００１０】
高い衝撃および摩滅に対して抵抗性であるコーティングされた基材を製造することができる、物理蒸着法を提供することが必要とされている。
【発明の概要】
【００１１】
概要
第一の局面により、基材上にコーティングを蒸着する方法であって、
（a）陰極真空アーク（CVA）蒸着工程を実施することによって、基材上に材料を蒸着する工程;および
（b）CVA蒸着を除く物理蒸着（PVD）工程を実施することによって、基材上に材料を蒸着する工程
を含み、工程（a）において蒸着された材料の厚さが、工程（b）において蒸着された材料の厚さよりも大きい方法を提供する。
【００１２】
有利なことに、該方法は、基材上に材料を蒸着するための少なくとも2つの異なる手法を用いる。
【００１３】
有利なことに、工程（a）において蒸着された層は、工程（b）において蒸着される層より硬く、したがって、工程（a）の層の厚さが工程（b）において蒸着された層より大きい場合には、コーティング全体の硬度は高く、その一方で、応力は工程（b）において蒸着される層により低減される。
【００１４】
有利なことに、工程（a）および（b）は、工程（b）の層が工程（a）の2つの層の間に蒸着される交互の層において実施され得る。工程（b）において蒸着される中間層は、工程（a）において蒸着される他の2つの層より少ない応力を有し得る。工程（a）において蒸着される2つの層は、工程（b）の層よりも著しく硬い傾向があり、そのために、工程（b）の層は、工程（a）で蒸着される2つの層の間において、潤滑層としての役割を果たす。有利なことに、そのような態様では、工程（b）において蒸着される潤滑中間層は、工程（a）において蒸着される基底層および上方層よりも小さい厚さを有し、コーティング全体の硬度は維持される一方で、より軟質の潤滑中間層によってコーティング全体の応力は低減される。これにより、該コーティングは、自動車エンジンにおける自動車部品への使用などの、高い研磨環境での使用に理想的である。
【００１５】
該方法では、基材上への有効なコーティングを達成するための、これらの様々な各蒸着手法によって提供される恩恵を得ることができる。より有利なことに、該方法は、少なくとも2つの異なる手法を組み合わせて基材上に材料を蒸着することにより、異なる蒸着方法のそれぞれ単独によって製造されるコーティングに固有の欠点を克服するコーティングを製造する。
【００１６】
一態様において、工程（a）は、フィルタード陰極真空アーク蒸着（FCVA）工程を実施することによって、材料を基材上に蒸着する工程を含む。有利なことに、FCVA技術は、そのエネルギーが十分に定義されている明確であり、かつ所望のコーティング特性に対して調節可能な純粋なイオンであるコーティング種を生成する。より有利なことに、FCVAは、生成されるマクロ粒子が従来のCVA技術より非常に少ない。
【００１７】
別の態様において、工程（b）は、スパッタリング工程を含む。有利なことに、スパッタリングは、工程（a）によって製造されたコーティングの層を補完する品質を示すコーティングの層を製造する。
【００１８】
一態様において、該方法は、引き続く層を形成するために、（a）および（b）のうちの少なくとも1つの工程を交互に繰り返す工程をさらに含む。これにより、コーティングの脆性を望ましくないほどに増加させることなく、コーティングの複数の層を基材上に作製してコーティング全体の厚さを増加させることが可能となる。有利なことに、工程（a）および（b）のうちの少なくとも1つを交互に実施する工程の繰り返し回数により、コーティングの硬度を調整することができる。
【００１９】
一態様において、工程（b）におけるスパッタリング工程は、工程（a）の上記のFCVA工程によって蒸着された層の100倍未満の厚さ寸法を有する材料の層を蒸着する。有利なことに、スパッタリング工程によって蒸着される材料の層は、FCVA層と比較して非常に薄いため、コーティング全体の硬度および強度は、FCVAによって蒸着される材料の硬度および強度に非常に近い。
【００２０】
一態様において、FCVA工程によって蒸着される材料の層は、四面体非晶質炭素であり、かつスパッタリング工程によって蒸着される材料の層は、非晶質炭素である。有利なことに、四面体非晶質炭素は、コーティング全体に対して硬度および強度を付与し、一方で、スパッタされた非晶質炭素は、該四面体非晶質炭素の層間において応力を低減する。より有利なことに、四面体非晶質炭素と非晶質炭素の層を交互に配置することにより、全体の脆性を望ましくないほどに増加させることなく、コーティングの厚さを増加させることが可能となる。さらにより有利なことに、製造される厚いコーティングは、高衝撃応力に耐えることが可能であり、かつFCVAのみまたはスパッタリングのみによって蒸着された従来のコーティングより長い寿命を有する。
【００２１】
開示の方法は、自動車部品をコーティングするためにも使用され得る。自動車部品は、ピストンリング、ピストンピン、カムシャフト、持上げ弁、および噴射ノズルからなる群より選択され得る。一態様において、コーティングされる自動車部品は、ピストンリングまたはピストンピンである。ピストンリングおよびピストンピンは、繰り返し運動によって生じる応力を常に受けており、かつ摩耗および亀裂を生じる傾向にもあるため、コーティングの本開示の方法は、ピストンリングおよびピストンピンの寿命を有益に延ばすことができる。
【００２２】
第二の局面により、第一の局面の方法によってコーティングされたピストンリングまたはピストンピンを提供する。開示の方法によってコーティングされたピストンリングまたはピストンピンは、開示のプロセスによってコーティングされていないピストンリングまたはピストンピンと比べて、より強固であり、反復使用に由来する摩耗および亀裂に対して、より高い抵抗性を有する。
【００２３】
第三の局面により、少なくとも2つの層を有するコーティングを有する、基材であって、該層の一方が、陰極真空アーク蒸着（CVA）を除く物理蒸着（PVD）によって蒸着されており、かつ陰極真空アーク蒸着（CVA）によって蒸着された他方の層に比べてより小さい応力を有し、CVAによって蒸着された材料の厚さが、CVAを除くPVDによって蒸着された材料の厚さよりも大きい、基材を提供する。
【００２４】
第四の局面により、基底炭素層と上方炭素層との間に配置される中間炭素層を含むコーティングを有する、ピストンリングまたはピストンピンであって、中間炭素層が基底炭素層および上方炭素層に比べて小さい応力を有し、かつ該中間層の厚さが基底層および上方層の厚さよりも小さい、ピストンリングまたはピストンピンを提供する。
【００２５】
第五の局面により、基底炭素層と上方炭素層との間に配置される中間炭素層を含む、自動車部品用のコーティングであって、該中間炭素層が、基底炭素層および上方炭素層に比べて小さい応力を有し、かつ該中間炭素層が、基底炭素層および上方炭素層に比べて小さい応力を有し、かつ中間層の厚さが、基底層および上方層よりの厚さよりも小さい、コーティングを提供する。
【００２６】
理論によって拘束されるわけではないが、基底炭素層および上方炭素層より小さい応力を有する中間層は、基底層および上方層に存在する高い応力を打ち消す効果を提供すると考えられる。有利なことに、このことがコーティング全体の応力を低減し、それによってコーティングの脆性が実質的に減少すると考えられる。中間炭素層は、原子レベルにおいて基底炭素層と上方炭素層との間で幾分かの滑りが生じることを可能にする「潤滑」層としても機能すると考えられる。有利なことに、使用時に層同士間の動きに対して幾分かの余裕を使用できることにより、使用時のコーティングの内部応力が効果的に低減される。
【００２７】
一態様において、該コーティングは、1000ビッカースを超える硬度を有する。有利なことに、該コーティングは、高硬度を実現するのと同時に、CVAのみによって得られるコーティングと比較した場合に、より低い脆性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
添付の図面は、開示の態様を例示するものであり、かつ開示の態様の原理について説明するために用いられる。しかしながら、図面は、例示のためだけのものであり、本発明の限定を定義するものではないことが理解されるべきである。
【図１】本明細書において開示された方法の一態様により得られたコーティングの層構造の模式図である。
【図２Ａ】以下において開示されるピンオンディスク試験のセットアップの模式図である。
【図２Ｂ】ピンオンディスク試験で1〜6の評価におけるコーティングされた表面の物理状態を示す写真である。
【図３】1〜6の接着レベル試験評価を有するコーティングされた表面の物理状態を示す概略図である。
【図４Ａ】以下において説明する表1Aの結果のグラフ表示である。
【図４Ｂ】以下において説明する表1Aの結果のグラフ表示である。
【図４Ｃ】以下において説明する表1Aの結果のグラフ表示である。
【図４Ｄ】以下において説明する表1Aの結果のグラフ表示である。
【図４Ｅ】以下において説明する表1Bの結果のグラフ表示である。
【図４Ｆ】以下において説明する表1Bの結果のグラフ表示である。
【図４Ｇ】以下において説明する表1Bの結果のグラフ表示である。
【図４Ｈ】以下において説明する表1Bの結果のグラフ表示である。
【図５Ａ】以下において説明する表2Aの結果のグラフ表示である。
【図５Ｂ】以下において説明する表2Aの結果のグラフ表示である。
【図５Ｃ】以下において説明する表2Aの結果のグラフ表示である。
【図５Ｄ】以下において説明する表2Bの結果のグラフ表示である。
【図５Ｅ】以下において説明する表2Bの結果のグラフ表示である。
【図５Ｆ】以下において説明する表2Bの結果のグラフ表示である。
【図６Ａ】以下において説明する表3Aの結果のグラフ表示である。
【図６Ｂ】以下において説明する表3Aの結果のグラフ表示である。
【図６Ｃ】以下において説明する表3Aの結果のグラフ表示である。
【図６Ｄ】以下において説明する表3Aの結果のグラフ表示である。
【図６Ｅ】以下において説明する表3Bの結果のグラフ表示である。
【図６Ｆ】以下において説明する表3Bの結果のグラフ表示である。
【図６Ｇ】以下において説明する表3Bの結果のグラフ表示である。
【図７Ａ】以下において説明する表4Aの結果のグラフ表示である。
【図７Ｂ】以下において説明する表4Aの結果のグラフ表示である。
【図７Ｃ】以下において説明する表4Aの結果のグラフ表示である。
【図７Ｄ】以下において説明する表4Aの結果のグラフ表示である。
【図７Ｅ】以下において説明する表4Bの結果のグラフ表示である。
【図７Ｆ】以下において説明する表4Bの結果のグラフ表示である。
【図７Ｇ】以下において説明する表4Bの結果のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
定義
本明細書において使用される以下の語および用語は、以下に示された意味を有するものとする。
【００３０】
「硬質材料」なる用語は、本明細書において使用される場合、純硬質金属、金属化合物、またはダイヤモンド状炭素などの、かなりの硬度と高い耐摩耗性を特徴とする材料を意味する。該用語は、50mgの所定のビッカース荷重に対して500kg／mm2を超えるビッカース硬度、通常は800kg／mm2を超える、または900kg／mm2を超える、または1,000kg／mm2を超えるビッカース硬度を有する材料を包含する。
【００３１】
「硬質金属」なる用語は、本明細書において使用される場合、金属、概して、Cr、Ti、またはWなどの金属を意味し、これらは、AlまたはZnなどの軟質金属と比べて比較的高い硬度および耐摩耗性を有し、かつ50ミリグラムの所定のビッカース荷重に対して少なくとも500kg／mm2のビッカース硬度を有することを特徴とする。該用語には複数タイプの金属も包含され得、すなわち、該用語は、硬質金属合金も包含するということは理解されるべきである。
【００３２】
「軟質材料」なる用語は、本明細書において使用される場合、例えば、純軟質金属、金属化合物、またはグラファイトなどの非晶質炭素などの低硬度を特徴とする材料を意味する。該用語は、50mgの所定のビッカース荷重に対して500kg／mm2未満のビッカース硬度を有する材料を包含する。
【００３３】
「軟質金属」なる用語は、本明細書において使用される場合、金属、概して、AlまたはZnなどの金属を意味し、これらは、Cr、Ti、またはWなどの硬質金属と比べて比較的低い硬度および耐摩耗性を有し、かつ50ミリグラムの所定のビッカース荷重に対して500kg／mm2未満のビッカース硬度を有することを特徴とする。該用語には複数タイプの金属も包含され得るということ、すなわち、該用語は、軟質金属合金も包含するということは理解されるべきである。
【００３４】
「ダイヤモンド状炭素」なる用語およびその略語「DLC」は、本明細書において使用される場合、化学的にはダイヤモンドと同じであるが明確な結晶構造が存在しない硬質炭素を意味する。ダイヤモンド状炭素は、ほとんどが準安定性の非晶質材料であるが、微結晶質相を含み得る。ダイヤモンド状炭素の例としては、非晶質ダイヤモンド（a−D）、非晶質炭素（a−C）、四面体非晶質炭素（ta−C）、およびダイヤモンド状炭化水素などが挙げられる。ta−Cは、最も好ましいダイヤモンド状炭素である。
【００３５】
「フィルタード陰極真空アーク」なる用語およびその略語「FCVA」は、互換性を持って使用される。FCVA蒸着を実施する方法は、国際特許公開番号WO96／26531において開示されており、なお、該特許は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられるものとする。陰極アークビームにおいて生じるプラズマは、実質的にマクロ粒子を含有しないという点で、「フィルタリングされる」。
【００３６】
「マクロ粒子」なる用語は、この明細書の文脈においては、陰極アークビームにおける混入粒子を意味する。マクロ粒子は、通常、中性の電荷を有しており、プラズマのイオンおよび／または原子に比べて大きい。より典型的には、それらは、複数原子のクラスタである粒子群であり、陰極アーク法を用いて蒸着された膜において、光学顕微鏡により確認される。
【００３７】
「スパッタリング」または「スパッタ蒸着」なる用語は、十分なエネルギーを有する粒子の衝突によって、ターゲット材料の表面から原子が放出されるメカニズムを意味する。例示的スパッタリング蒸着は、例えば、米国特許第4,361,472号（Morrison, Jr.）および米国特許第4,963,524号（Yamazaki）により教示される。
【００３８】
「基底層」は、本明細書の文脈において、コーティングにおける中間層と基材との間にある材料の層を意味する。基底層は中間層に隣接しているが、基材に対しては、直接隣接していてもよいが、必ずしも直接隣接している必要はない。基底層は、基材に直接接触していてもよいが、基底層と基材との間に別のコーティングが存在していてもよい。
【００３９】
「上方層」は、本明細書の文脈において、基底層とは反対側にあり、中間層に直接隣接しているコーティングの層を意味する。コーティングの上方層の上に他の外層を適用してもよいので、上方層は必ずしもコーティングにおける最外層である必要はない。
【００４０】
「実質的に」なる言葉は、「完全に」を排除するものではなく、例えば、Yを「実質的に含有しない」組成物は、Yを完全に含有しない場合もある。必要に応じて、「実質的に」なる言葉は、本発明の定義から除外され得る。
【００４１】
特に指定されない限り、「を含む（comprising）」および「を含む（comprise）」なる用語およびその文法上の変形は、「オープンな」または「包括的な」言語を表すことが意図され、したがって、それらは、列挙された要素を含むが、列挙されていないさらなる要素を含むことも許容される。
【００４２】
本明細書において使用される場合、「約」なる用語は、配合の成分の濃度に関する文脈においては、典型的には、言及された値の＋／−5％、より典型的には言及された値の＋／−4％、より典型的には、言及された値の＋／−3％、より典型的には、言及された値の＋／−2％、さらにより典型的には、言及された値の＋／−1％、さらにより典型的には言及された値の＋／−0.5％を意味する。
【００４３】
本開示を通して、ある特定の態様は、ある範囲形式において開示され得る。範囲形式での記載は、単に便宜と簡潔さのためであり、開示の範囲の適用範囲に対する厳密な限定として解釈されるべきでないことは理解されるべきである。したがって、範囲の記載は、具体的に開示されたすべての可能な部分範囲、並びにその範囲内の個々の数値を有すると見なされるべきである。例えば、1〜6などの範囲の記載は、具体的に開示されている部分範囲、例えば、1〜3、1〜4、1〜5、2〜4、2〜6、3〜6などの部分範囲、並びにその範囲内の個々の数値、例えば、1、2、3、4、5、および6を有すると見なされるべきである。このことは、範囲の広さにかかわらず適用される。
【００４４】
態様の詳細な開示
ここで、コーティングを基材上に蒸着するための方法の例示的で非限定的な態様について開示する。該方法は、（a）陰極真空アーク（CVA）蒸着工程を実施することによって、基材上に材料を蒸着する工程、および（b）CVA蒸着を除く物理蒸着（PVD）工程を実施することによって、基材上に材料を蒸着する工程を含む。工程（a）において蒸着される材料の厚さは、工程（b）において蒸着される材料の厚さよりも大きい。
【００４５】
一態様において、工程（a）において蒸着される材料の厚さは、工程（b）において蒸着された材料の厚さよりも、少なくとも2倍、少なくとも5倍、少なくとも10倍、少なくとも25倍、少なくとも50倍、少なくとも75倍、少なくとも100倍からなる群より選択される倍数において大きい。
【００４６】
一態様において、上記の工程（a）は、フィルタード陰極真空アーク蒸着（FCVA）工程を実施することによって基材上に材料を蒸着する工程を含む。フィルタード真空陰極蒸着工程は、金属のような電気伝導性の基材に負の電圧パルスを印加する工程で構成され得る。負の電圧パルスは、約−100V〜約−4500V、−200V〜約−4000V、−300V〜約−3000V、約−200V〜約−1500V、約−200V〜約−1200V、約−400V〜約−800V、約−500V〜約−600Vの範囲であり得る。
【００４７】
負の電圧パルスは、約1kHz〜約50kHz、約10kHz〜約50kHz、約20kHz〜約50kHz、約30kHz〜約50kHz、約40kHz〜約50kHzの範囲の周波数を有し得る。一態様において、負の電圧パルスは、約30kHzの周波数を有する。
【００４８】
負の電圧パルスは、約1μ秒〜約50μ秒、約5μ秒〜約45μ秒、約10μ秒〜約40μ秒、約15μ秒〜約35μ秒、および約10μ秒〜約20μ秒のパルス持続時間を有する。
【００４９】
工程（b）の物理蒸着工程は、熱蒸発、スパッタリング、およびイオンプレーティングからなる群より選択され得る。一態様において、工程（b）はスパッタリング工程である。好ましくは、工程（a）はFCVA工程であり、一方、工程（b）はスパッタリング工程である。
【００５０】
開示の方法は、引き続く層を形成するために（a）および（b）のうちの少なくとも1つの工程を交互に繰り返す工程もさらに含む。一態様において、コーティングの所望の厚さが達成されるまで、工程（a）および（b）を交互に繰り返す。開示の方法は、スパッタリングおよびFCVAによって形成された所望の厚さを有する複数の層で構成されるコーティングを形成するために、上記スパッタリングおよび上記FCVA蒸着プロセスの両方を、交互に、連続して、または組み合わせて用いる工程をさらに含み得る。
【００５１】
工程（a）および（b）の両方は、真空において実施され得る。FCVA工程が実施される真空チャンバの圧力は、スパッタリング工程が実施される真空チャンバの圧力より低くてもよい。一態様において、FCVA工程が実施される真空チャンバの圧力は1mTorr未満であり、かつスパッタリング工程が実施される真空チャンバの圧力は1mTorrを超える。一態様において、工程（a）および（b）の両方は、約350℃未満、約300℃未満、約250℃未満、約200℃未満、約150℃未満の温度で実施され得る。好ましくは、工程（a）および（b）の両方は、約100℃未満の温度で実施され得る。
【００５２】
工程（a）によって蒸着された材料は、硬質金属、金属化合物、および炭素のうちの少なくとも1種であり得る。一態様において、金属化合物は、硬質金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ケイ化物、および金属ホウ化物のうちの少なくとも1種である。該金属化合物は、金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物、ケイ化物、およびホウ化物、ならびに／あるいは50mgの所定のビッカース荷重に対して500kg／mm2〜1,000kg／mm2超のビッカース硬度を有するそれらの複合混合物で構成され得る。
【００５３】
硬質金属は、スカンジウム（Sc）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、鉄（Fe）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、イットリウム（Y）、ジルコニウム（Zr）、ニオブ（Nb）、モリブデン（Mo）、テクネチウム（Tc）、ルビジウム（Ru）、ロジウム（Rh）、パラジウム（Pd）、カドミウム（Cd）、ハフニウム（Hf）、タンタル（Ta）、レニウム（Re）、オスミウム（Os）、イリジウム（Ir）、白金（Pt）、ラザフォージウム（Rf）、ドブニウム（Db）、シーボルギウム（Sg）、ボーリウム（Bh）、ハッシウム（Hs）、タングステン（W）、マイトネリウム（Mt）、およびそれらの合金からなる群より選択され得る。
【００５４】
工程（b）によって蒸着される材料は、軟質金属、金属化合物、および炭素のうちの少なくとも1種であり得る。一態様において、該金属化合物は、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ケイ化物、および金属ホウ化物のうちの少なくとも1種である。該金属化合物は、金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物、ケイ化物、およびホウ化物、並びに／あるいは50mgの所定のビッカース荷重に対して500kg／mm2未満、好ましくは100kg／mm2未満のビッカース硬度を有するそれらの複合混合物で構成され得る。
【００５５】
軟質金属は、アルミニウム（Al）、亜鉛（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、スズ（Sb）、金（Au）、銀（Ag）、マグネシウム（Mg）、アンチモン（Sb）、カドミウム（Cd）、タリウム（Tl）、ビスマス（Bi）、インジウム（In）、ガリウム（Ga）、水銀（Hg）、マンガン（Mn）、およびそれらの合金からなる群より選択され得る。
【００５６】
工程（b）によって蒸着される材料は、軟質金属と硬質金属との間のカテゴリに分類され得る金属または金属合金、例えばチタン（Ti）などであり得る。
【００５７】
一態様において、FCVA工程およびスパッタリング工程によって蒸着される材料層は、炭素を含む。FCVA工程によって蒸着される炭素層は、スパッタリング工程によって蒸着される炭素層に比べて、比較的より硬質であり得る。好ましくは、FCVA工程によって蒸着される炭素層は、四面体非晶質炭素であり、かつスパッタリング工程によって蒸着される炭素層は、グラファイトのような非晶質炭素である。
【００５８】
一態様において、スパッタリング工程は、上記のFCVA工程よりも小さい厚さ寸法を有する材料の層を蒸着する。スパッタリング工程を用いて蒸着された材料の層は、FCVA工程を用いて蒸着される材料の層より、約2〜100倍、約2〜10倍、約20〜40倍、約50〜60倍、約70〜80倍、または約90〜100倍薄い。
【００５９】
スパッタリング工程によって蒸着される材料層は、100ナノメートル未満、80ナノメートル未満、60ナノメートル未満、50ナノメートル未満、40ナノメートル未満、30ナノメートル未満、20ナノメートル未満、または10ナノメートル未満の厚さであり得る。
【００６０】
FCVA工程によって蒸着される材料層は、50ナノメートルを超える、100ナノメートルを超える、150ナノメートルを超える、200ナノメートルを超える、250ナノメートルを超える、300ナノメートルを超える、350ナノメートルを超える、400ナノメートルを超える、450ナノメートルを超える、または500ナノメートルを超える厚さであり得る。一態様において、スパッタリング工程は、50nm未満の厚さの材料層を蒸着し、その一方で、FCVA工程は、300nmを超える範囲の厚さの材料層を蒸着し得る。
【００６１】
一態様において、上記のFCVA蒸着層は、上記の基材上に直接蒸着される。FCVA蒸着層は、基材へのコーティングの接着性を促進する材料によって事前にコーティングされた基材上に蒸着してもよい。接着性を促進する材料は、引き続く工程（a）および（b）によって蒸着される材料層の接着性を向上させる任意の材料であり得る。例えば、基材が鉄鋼であり、かつ引き続く工程（a）および（b）によって蒸着される材料層が炭素層の場合、接着性を促進する材料は、チタンまたはクロムあるいはそれらの組み合わせであり得る。一態様において、該材料層は、基材とコーティングとの間に蒸着される金属層であり得る。接着性を促進する材料層は最初に、熱蒸発、スパッタリング、イオンプレーティング、陰極アーク蒸着、およびフィルタード陰極真空アーク（FCVA）からなる群より選択される物理蒸着工程によって基材上にコーティングされ得る。接着性を促進する材料層は、約50ナノメートル〜約500ナノメートル、約150ナノメートル〜約450ナノメートル、約200ナノメートル〜約400ナノメートル、約250ナノメートル〜約350ナノメートル、または約300ナノメートル〜約500ナノメートルの厚さを有し得る。一態様において、接着性を促進する材料層は、約800V、約1000V、約1200V、および約1500Vからなる群より選択される電圧バイアスにおいて蒸着される。
【００６２】
引き続く工程（a）および（b）によって蒸着される材料層は、接着性を促進する材料に隣接するシード層上に蒸着してもよい。シード層は、熱蒸発、スパッタリング、イオンプレーティング、陰極アーク蒸着、およびフィルタード陰極真空アーク（FCVA）からなる群より選択される物理蒸着工程によって、最初に基材上にコーティングされ得る炭素を含み得る。
【００６３】
シード層は、約50ナノメートル〜約300ナノメートル、約100ナノメートル〜約250ナノメートル、約120ナノメートル〜約200ナノメートル、または約150ナノメートル〜約180の厚さを有し得る。一態様において、シード層バイアスは、約80V、約100V、約120V、約200V、約200／1200V、および約1200Vからなる群より選択される。シード層は、上記において説明したような接着性を促進する材料の層が既に存在する場合には、任意選択であり得る。
【００６４】
一態様において、開示の方法によって達成される最終コーティングは、少なくとも2層を含み得、該層の一方は、上記において説明したような陰極蒸着（CVD）を除く物理蒸着（PVD）によって蒸着され、かつ上記において説明したような陰極蒸着（CVD）によって蒸着された他方の層に比べて小さい応力を有する。上記において説明した2層は、繰り返し単位も形成し得、したがって、コーティングは、複数のこれらの繰り返し単位を含む。これらの繰り返し層の厚さ全体は、バルク層と呼ばれ得る。一態様において、バルク層のFCVAバイアスは、約200V、約500V、約800V、約1200V、および約600／1200Vからなる群より選択される。
【００６５】
一態様において、コーティングは、基底層と上方層との間に蒸着される中間層を含む3層を含み、該中間層は基底層および上方層と比べて小さい応力を有する。該中間層の厚さは、基底層または上方層のいずれかの厚さよりも小さい。
【００６６】
上方層および基底層は、中間層の厚さ寸法を上回り、少なくとも2倍、好ましくは少なくとも5倍、好ましくは少なくとも10倍、好ましくは少なくとも25倍、好ましくは少なくとも50倍、好ましくは少なくとも75倍、好ましくは少なくとも100倍である厚さ寸法を有し得る。
【００６７】
一態様において、上方層および基底層は、中間層の厚さ寸法を2〜100倍、約2〜10倍、約20〜40倍、約50〜60倍、約70〜80倍、約90〜100倍、約10〜200倍、約25〜200倍、約50〜200倍、および約100〜200倍からなる群より選択される範囲で上回る厚さ寸法を有する。
【００６８】
中間層、基底層、および上方層は、炭素層であり得る。基底炭素層および上方炭素層は、それぞれ1GPaを超える応力を有し得るが、その一方で、中間炭素層は、基底炭素層または上方炭素層の応力の20％未満、より好ましくは10％未満の応力を有し得る。
【００６９】
一態様において、中間炭素層は、グラファイトなどの非晶質炭素層であり、その一方で、基底炭素層および上方炭素層は、四面体非晶質炭素である。中間層、基底層、および上方層は、繰り返し単位を形成し得、したがって、コーティングは、複数のこれらの繰り返し単位を含む。これらの繰り返し層の厚さ全体は、バルク層と呼ばれ得る。一態様において、バルク層のFCVAバイアスは、約200V、約500V、約800V、約1200V、および約600／1200Vからなる群より選択される。
【００７０】
開示の方法によって達成される最終コーティングは、50ミリグラムのビッカース荷重に対して、約500kg／mm2〜約2000kg／mm2、約500〜約1800kg／mm2、約500〜約1,500kg／mm2、約500〜約1300kg／mm2、約500〜1100kg／mm2、約500〜約1000kg／mm2、約500〜約900kg／mm2、約500〜約800kg／mm2の範囲のビッカース硬度を有し得る。有利なことに、開示の蒸着材料は、該蒸着材料に耐摩耗性および耐久性を付与する少なくとも約1000kg／mm2のビッカース硬度を有し得る。該コーティングも、1000ビッカースを超える、1200ビッカースを超える、1400ビッカースを超える、1500ビッカースを超える、または2000ビッカースを超える硬度を有し得る。
【００７１】
開示の方法によって達成される最終コーティングは、0.5GPa未満、0.3GPa未満、または0.2GPa未満の応力を有し得る。
【００７２】
達成される最終コーティングの厚さは、1μmを超える、3μmを超える、4μmを超える、5μmを超える、10μmを超える、15μmを超える、または20μmを超える厚さであり得る。
【００７３】
一態様において、該コーティングは、四面体非晶質炭素の基底層と上方層との間に配置された非晶質炭素の中間層を含み、この場合、四面体非晶質炭素の基底層および上方層は、非晶質炭素中間層の少なくとも50倍、好ましくは100倍の厚さ寸法であり、コーティングの硬度は少なくとも1000ビッカースである。
【００７４】
開示の方法は、ピストンリング、ピストンピン、カムシャフト、持上げ弁、および噴射ノズルからなる群より選択される自動車部品をコーティングするためにも使用され得る。
【００７５】
図1を参照すると、本明細書において開示された方法の一態様により得られるコーティングの層構造20の模式図が示されている。最初に、炭化物基材または鉄鋼基材であり得る基材層10を、FCVAにより、1000Vで0.25μmの厚さまでチタンの層12によりコーティングする。このチタンの層12は、後に続くための引き続く層の接着性を促進する。チタンの層12は、基材が高速度鋼などの鉄鋼の場合、コーティングの接着性の促進において特に有用である。チタン層12に隣接する次の層はシード層14である。シード層14は、通常、0.12μmの厚さが達成されるまで、FCVAにより、鉄鋼基材に対しては120Vで、炭化物基材に対しては1000VP（パルス電圧）で蒸着されたClシード層（第一の炭素層）である。シード層14は、蒸着されるべき炭素層の引き続く層のための出発点を提供する。このシード層も、チタン層12が既に存在している場合には、任意選択であり得る。
【００７６】
次の層15'は、スパッタリングにより、シード層14に隣接して蒸着される。この層は、スパッタされた非晶質炭素層、例えばグラファイト層などであり、20ナノメートル未満の厚さまでスパッタリングによって蒸着される。続いて、別の炭素層16'が、スパッタされた層15'の上に、FCVAによって0.35μmの厚さまで蒸着される。FCVAによって蒸着されるこの炭素層16'は、四面体非晶質炭素である。FCVA層（14）および（16'）とほぼ同じ寸法を有している場合のスパッタされた層15'は、図1には示されているが、これは、例示目的のみのためである。スパッタされた層15'は、FCVA層（14）および（16'）に比べて、かなり小さい厚さ寸法を有すると考えられる。
【００７７】
スパッタリングプロセスおよびFCVAのプロセスは、層15nおよび16nが最上層となるように、n回にわたって交互に繰り返し実施され得る。繰り返し数nは、所望されるコーティング全体の厚さに基づいて選択され得る。15'〜16nの厚さ全体は、バルク層として知られている。
【実施例】
【００７８】
以下の実験では、様々なパラメータを変えた場合のコーティングの性能における違いを示す比較データを提供する。これらの実験における基材は、図1に示されている順序に基づいてコーティングした。
【００７９】
以下の実験において、高衝撃に耐える膜コーティングの能力を試験するために、ピンオンディスク試験（ピンオンディスク試験のセットアップ30は図2aに示されている）を実施した。これらの試験は、通常、直径8mmの鋼球32を、適切な荷重34（30kg〜50kg）をかけて、コーティングされた基材36上で、660rpm／分の回転スピードで5分間回転させて実施した。次いで、耐衝撃能力の最も良好な場合を6、最も悪い場合を1として、コーティングを1〜6で評価した。ピンオンディスク試験における1〜6評価の、コーティングされた表面の物理状態を示す例示的写真を図2bに示す。例えば、図2bに見られるように、広範囲のフレーキングが明確に示されている1の評価の写真と比較して、6の評価の写真は比較的滑らかな表面を示している。同様に、2の評価の写真と比較して、5の評価の写真では、ひっかき傷が著しく少ない。
【００８０】
同様に、基材に対する膜コーティングの接着能力を試験するために、刻み目による接着レベル試験も以下の実験において実施した。これらの試験は、コーティングされた基材に、直径0.2±0.01mmのチップにより、120±30°のチップ角度で、150kgの荷重力において刻み目をつけることによって実施した。次いで、接着能力の最も良好な場合を6、最も悪い場合を1として、コーティングを1〜6で評価した。接着レベル試験における1〜6の評価の、コーティングされた表面の物理状態を示す例示的概略図を図3に示す。例えば、図3に見られるように、黒い中止を囲む黒い境界によって示される剥離が広範囲に明確に示されている1の評価の概略図と比較して、6の評価の概略図は剥離がほとんどもしくは全くない。
【００８１】
実験1
高速度鋼におけるシード層およびバルク層の比較
この実験では、基材として高速度鋼（HSS）を使用する。コーティングプロセスは、バルク層バイアスを固定するが、Clシード層バイアスを調整することによって実施する。チタン層の条件は1000v（0.25μm）で固定し、スパッタされた各炭素層が0.02μmの厚さを有し、かつ各FCVA炭素層が0.35μmの厚さを有する、バルク層の条件は600／1200vで固定する。結果を表1Aにまとめる。
【００８２】
【表１Ａ】
2011522965.tif 000003
*100μmのダイヤモンドチップでの限界荷重
【００８３】
表1Aで得られた結果は、図4a〜4dにもグラフ表示する。
【００８４】
上記に示した結果から、120VPのClシード層は、HSS基材において好ましい。
【００８５】
コーティングプロセスは、シード層バイアスを固定するが、バルク層バイアスを調整することによって繰り返した。チタン層の条件は1000V（0.25μm）で固定し、スパッタされた各炭素層が0.02μmの厚さを有し、かつ各FCVA炭素層が0.35μmの厚さを有する、シード層の条件は120V（0.12μm）に固定する。結果を表1Bにまとめる。
【００８６】
【表１Ｂ】
2011522965.tif 000004
*100μmのダイヤモンドチップでの限界荷重
【００８７】
表1Bで得られた結果は、図4e〜4hにもグラフ表示する。
【００８８】
上記に示した結果から、800VPのバルク層は、HSS基材において好ましい。
【００８９】
実験2
炭化物基材におけるシード層およびバルク層の比較
この実験では、基材として炭化物を使用する。コーティングプロセスは、バルク層バイアスを固定するが、シード層バイアスを調整することによって実施する。第一の実験では、チタン層は適用せず、スパッタされた各炭素層が0.02μmの厚さを有し、かつ各FCVA炭素層が0.35μmの厚さを有する、バルク層の条件は600／1200vで固定する。結果を表2Aにまとめる。
【００９０】
【表２Ａ】
2011522965.tif 000005
*100μmのダイヤモンドチップでの限界荷重
【００９１】
表2Aで得られた結果は、図5a〜5cにもグラフ表示する。
【００９２】
上記に示した結果から、チタン中間層を用いない場合、1000VPを超えるVPのClシード層が、炭化物基材において好ましい。
【００９３】
コーティングプロセスは、シード層バイアスを固定するが、バルク層バイアスを調整することによって繰り返した。この実験では、チタン層を提供する。チタン層の条件は1000V（0.25μm）で固定し、スパッタされた各炭素層が0.02μmの厚さを有し、かつ各FCVA炭素層が0.35μmの厚さを有する、シード層の条件は120v（0.12ミクロン）に固定する。結果を表2Bにまとめる。
【００９４】
【表２Ｂ】
2011522965.tif 000006
*100μmのダイヤモンドチップでの限界荷重
【００９５】
表2Bで得られた結果は、図5d〜5fにもグラフ表示する。
【００９６】
上記に示した結果から、チタン中間層を用いる場合、800VPのバルク層が、炭化物基材において好ましい。
【００９７】
実験3
高速度鋼における、スパッタされた炭素の厚さ対性能の比較
この実験では、基材として高速度鋼を使用する。コーティングプロセスは、バルク層バイアスおよびシード層バイアスを固定するが、スパッタされた炭素層の厚さを変更することによって実施する。チタン層の条件は1000v（0.25μm）で固定し、各FCVA炭素層が0.35μmの厚さを有する、バルク層の条件は500／1200vで固定する。シード層は、120V（0.12μm）に固定する。結果を表3Aにまとめる。
【００９８】
【表３Ａ】
2011522965.tif 000007
*100μmのダイヤモンドチップでの限界荷重
【００９９】
表3Aで得られた結果は、図6a〜6dにもグラフ表示する。
【０１００】
上記に示した結果から、炭素層の厚さは、硬度および高応力に耐える能力などの個々の特性のうちの所望されるものに基づいて選択することができるということがわかり得る。20ナノメートル未満の厚さによって、比較的良好な結果が得られる。
【０１０１】
実験4
炭化物基材におけるスパッタされた炭素の厚さ対性能の比較
この実験では、基材として炭化物を使用する。コーティングプロセスは、バルク層バイアスおよびシード層バイアスを固定するが、スパッタされた炭素層の厚さを変更することによって実施する。チタン層の条件は1000v（0.25μm）で固定し、各FCVA炭素層が0.35μmの厚さを有する、バルク層の条件は500／1200vで固定する。シード層は、120V（0.12μm）に固定する。結果を表3Bにまとめる。
【０１０２】
【表３Ｂ】
2011522965.tif 000008
*100μmのダイヤモンドチップでの限界荷重
【０１０３】
表3Bで得られた結果は、図6e〜6gにもグラフ表示する。
【０１０４】
上記に示した結果から、炭素層の厚さは、硬度および高応力に耐える能力などの個々の特性のうちの所望されるものに基づいて選択することができるということがわかり得る。20ナノメートル未満の厚さにより、比較的良好な結果が得られる。
【０１０５】
実験5
高速度鋼におけるFCVA炭素の厚さ対性能の比較
この実験では、基材として高速度鋼を使用する。コーティングプロセスは、バルク層バイアスおよびシード層バイアスを固定するが、FCVA炭素層の厚さを変更することによって実施する。チタン層の条件は1000v（0.25μm）で固定し、スパッタされた各炭素層が5ナノメートルの厚さを有する、バルク層の条件は500／1200vで固定する。シード層は、120V（0.12μm）に固定する。結果を表4Aにまとめる。
【０１０６】
【表４Ａ】
2011522965.tif 000009
*100μmのダイヤモンドチップでの限界荷重
【０１０７】
表4Aで得られた結果は、図7a〜7dにもグラフ表示する。
【０１０８】
上記に示した結果から、FCVA層の厚さは、硬度および高応力に耐える能力などの個々の特性のいずれが所望されるものに基づいて選択することができるということがわかり得る。0.35μmを超える厚さにより、比較的良好な結果が得られる。
【０１０９】
実験6
炭化物基材におけるFCVA炭素の厚さ対性能の比較
この実験では、基材として炭化物を使用する。コーティングプロセスは、バルク層バイアスおよびシード層バイアスを固定するが、FCVA炭素層の厚さを変更することによって実施する。チタン層の条件は1000v（0.25μm）で固定し、スパッタされた各炭素層が5ナノメートルの厚さを有する、バルク層の条件は500／1200vで固定する。シード層は、120V（0.12μm）に固定する。結果を表4Bにまとめる。
【０１１０】
【表４Ｂ】
2011522965.tif 000010
*100μmのダイヤモンドチップでの限界荷重
【０１１１】
表4Bで得られた結果は、図7e〜7gにもグラフ表示する。
【０１１２】
上記に示した結果から、FCVA層の厚さは、硬度および高応力に耐える能力などの個々の特性のうちの所望されるものに基づいて選択することができるということがわかり得る。0.35μmを超える厚さにより、比較的良好な結果が得られる。
【０１１３】
比較例
この例では、第一の基材は、工業用に用いられる従来のコーティング方法（例えば、陰極真空アーク蒸着など）を使用してTA−Cコーティングされた。第二の基材は、本明細書において開示した方法を使用してコーティングされた。両基材の応力レベルを測定し、コーティングの厚さ全体が同じ場合、従来の方法でコーティングされた第一の基材の応力レベルは1GPaを超えるが、その一方で、本明細書において開示された方法によりコーティングされた基材の応力レベルは、0.2GPa未満であるということがわかった。第二の基材の応力レベルは、従来の方法によってコーティングされた第一の基材に比べて著しく低いため、第二の基材は、従来の方法でコーティングされた第一の基材より脆くないと推測され得る。
【０１１４】
適用
本開示の方法は、優れた硬度を有しかつ摩耗および亀裂に対する良好な抵抗性を有するコーティングを製造するための基材のコーティングにおいて効果的な方法である。
【０１１５】
有利なことに、本明細書において開示されたコーティングは、開示の方法によって達成可能であり、高負荷の用途において受ける強い衝撃応力に耐えることができる。これらのコーティングが、過酷な条件に晒される自動車部品に用いられる場合、該部品は、引っかき傷および変形に対して改善された抵抗性を有する。
【０１１６】
より有利なことに、開示の方法は、基材表面に対して良好な接着性を有しかつ高い密度と改善された強度を有する比較的厚いコーティング（例えば、20μmより厚い）を基材上に製造することができる。さらにより有利なことに、該コーティングが、研磨機能性を有する自動車部品に適用される場合、そのような部品の寿命は効果的に延ばされる。
【０１１７】
本明細書において開示された方法によって製造されたコーティングはまた、従来のTACコーティングと比較して、脆性が低く、かつクラッキングおよび破損の生じる傾向が少ない。低い脆性および破損の可能性の低減により、コーティングの厚さを従来のTACコーティングより厚く作製することが可能である。有利なことに、これらの厚いコーティングは、自動車などの高研磨条件に晒される場合でさえ、容易には摩耗しない。その結果、保護機能および硬度を維持するために基材を定期的に再コーティングする必要がない。経済的な見地から、これにより、コーティングを繰り返す必要性が減少するので、コーティング剤が節約される。
【０１１８】
さらに、本開示のコーティング方法は、物理蒸着法の混成物を用いているため、それぞれの蒸着法に固有の利点が混ぜ合わされ、かつ個々の方法のそれぞれ単独の場合に存在する特定の欠点が改善される。
【０１１９】
有利なことに、本開示の方法を伴う工程は、約100℃の低温で実施される。これにより、基材中に存在する熱応力が減少し、基材が変形する可能性が減少する。その結果、開示の方法では低温が用いられるため、工業規模でのプロセスの生産性が実質的に向上する。より有利なことに、プロセスを高温環境に維持する必要が無いため、多量のエネルギーが節約され、これにより運用コスト全体が低減される。
【０１２０】
本発明の同等の態様を説明するために当然の努力を払ってきたが、前記の開示を読んだ後には、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、本発明の様々な他の修正および適合をその範囲内において為すことができ、そのような修正および適合のすべてが、添付の特許請求の範囲内であることが意図されるということは、当業者には明らかであると考えられる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【国際調査報告】
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