(57)【要約】【課題】環境に問題があるメッキ法を用いることなく、基材への密着力に優れ、且つ高硬度の被膜を基材表面に成膜する。【解決手段】スパッタリング装置の炉１内にＣｒターゲット５とＣターゲット６を取り付けるとともに、治具３に基材２を取り付け、治具３ごと基材２を回転させる。真空引き→余熱→基材２のエッチングを実施し、炉１内にＡｒ等のキャリアガスを導入して、Ｃｒ、Ｃターゲット５、６からＣｒ原子、Ｃ原子を飛ばし、基材２の表面にＣｒ原子とＣ原子を同時に被着させ、Ｃｒの含有割合が９５ａｔｏｍ％ほどの被膜（炭素含有硬質Ｃｒ被膜４）を基材２の表面に成膜させる。この被膜は、基材２への密着力が非常に強く、且つＣｒ単独の被膜硬度（６００ＨＶ以下）に比べて高硬度（２０００ＨＶ以上）であり、従来のメッキ法を用いなくても高品質な被膜を成膜できる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理蒸着法によってクロムの含有割合が５０ａｔｏｍ％以上である炭素含有硬質Ｃｒ被膜を基材の表面に成膜することを特徴とする硬質被膜製造方法。
【請求項２】
物理蒸着法によってターゲットの物質を基材の表面に成膜する硬質被膜製造方法であって、
前記ターゲットとして、クロムとカーボンを同時に用いて、クロムの含有割合が５０ａｔｏｍ％以上である炭素含有硬質Ｃｒ被膜を基材の表面に成膜することを特徴とする硬質被膜製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の硬質被膜製造方法において、
物理蒸着法によってターゲットの物質を基材の表面に成膜する工程中は、前記基材が回転するように設けられたことを特徴とする硬質被膜製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の硬質被膜製造方法において、
前記炭素含有硬質Ｃｒ被膜は、前記基材の表面に直接成膜されることを特徴とする硬質被膜製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の硬質被膜製造方法において、
前記炭素含有硬質Ｃｒ被膜は、前記基材の表面との間に、１層あるいは複数層の中間層を介して成膜されることを特徴とする硬質被膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材の表面に硬質で高密着力の被膜を成膜する硬質被膜製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材等の金属部材（基材の一例）に耐摩耗性や耐焼き付き性を付与する方法として、各種の硬質被膜を基材の表面に成膜する技術がある。基材の表面に硬質被膜を成膜する従来の技術として、硬質クロムメッキ、Ｎｉ−Ｐメッキ等のメッキ法や、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＤＬＣ、ＷＣ／Ｃ等のコーティング法が一般に用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年では、環境問題に対する関心が高まり、環境に有害な六価クロム等を含むメッキ液を使用するメッキ法は問題があることから、コーティング法への注目が高まっている。
一方、コーティング法は、膜種により、付与される特性が大きく変わるものであり、ＴｉＮやＣｒＮは基材への密着力、耐摩耗性には優れるが、ＤＬＣやＷＣ／Ｃに比較して摩耗係数が高い。しかし、ＤＬＣやＷＣ／Ｃは摩耗係数、相手攻撃性が低いが、ＴｉＮやＣｒＮに比較して基材への密着力が低い。このように、コーティング法による被膜は、短所長所を持つことが知られており、使用環境に合わせての最適な被膜選定が重要となっており、各種研究機関にて新たな硬質被膜の製造技術が研究されている。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、環境に問題があるメッキ法を用いることなく、基材への密着力に優れ、且つ高硬度の被膜を基材表面に成膜できる硬質被膜製造方法の提供にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１、２の手段〕
請求項１、２の発明は、物理蒸着法（ＰＶＤ法）を用いて５０ａｔｏｍ％以上のクロム（Ｃｒ）に炭素（Ｃ）を含有させた被膜を基材の表面に成膜するものであり、この製造方法によって基材の表面に成膜された被膜は、基材に対して強固に密着するとともに、非常に高い硬度を得ることができる。
つまり、この請求項１、２の発明によって、環境に問題があるメッキ法を用いることなく、基材への密着力に優れ、且つ高硬度の被膜を基材表面に成膜できる。
【０００６】
〔請求項３の手段〕
請求項３の手段を採用し、物理蒸着法によってターゲットの物質を基材の表面に成膜する工程中に、基材が回転するように設けることにより、基材表面に成膜される被膜中のクロムと炭素の混入ムラを抑えることができる。
【０００７】
〔請求項４の手段〕
請求項４の手段を採用し、炭素含有硬質Ｃｒ被膜を基材の表面に直接成膜しても良い。
【０００８】
〔請求項５の手段〕
請求項５の手段を採用し、基材の表面に１層あるいは複数層の中間層を成膜しておき、その表面に炭素含有硬質Ｃｒ被膜を成膜しても良い。つまり、炭素含有硬質Ｃｒ被膜と基材の表面の間に、１層あるいは複数層の中間層を介在させても良い。このように中間層を設けることで、基材に対する密着力の向上や、応力緩和等を図ることが可能になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例および変形例を用いて説明する。
〔実施例〕
この実施例では、既存のスパッタリング装置を用いて基材の表面に炭素含有硬質Ｃｒ被膜を成膜する製造方法を説明する。
【００１０】
スパッタリング装置は、図１（ａ）の概略図に示されるものであり、真空引き可能な炉１の略中心部分に基材２が取付可能な治具３が配置されており、その治具３の周囲には２個以上のターゲット（後述する）が取付可能に設けられている。
また、スパッタリング装置は、図１（ｂ）の概略図に示されるように、治具３に取り付けられる基材２にはバイアス電圧が印加可能に設けられており、炉１の内壁に取り付けられるターゲットにはスパッタ電圧が印加可能に設けられている。
【００１１】
基材２の表面に炭素含有硬質Ｃｒ被膜４を成膜する工程を説明する。
（１）スパッタリング装置の炉１内に１個以上の固体のＣｒターゲット５と、固体のＣターゲット６とを同時に取り付ける。
（２）中心の治具３に基材２を取り付け、治具３ごと０．１ｒｐｍ以上の速度で回転させる。なお、基材２は以下の工程中に炉１内で溶けない固体（例えば２００℃以上の融点を持つ固体）である。
（３）通常のＰＶＤ成膜工程である真空引き→余熱（例えば１００℃）→基材２の表面エッチングを実施する。なお、エッチングに用いるガスは、通常のＰＶＤ成膜工程に用いるＡｒガス等を用いる。
【００１２】
（４）基材２の種類等によっては密着力向上や応力緩和を目的に、Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ，ＣｒＮ，ＴｉＮ，ＡｌＮ等を用いた中間層７を基材２の表面に成膜しても良い。
なお、中間層７は、図２（ａ）に示されるように成膜しなくても良いし、図２（ｂ）に示されるように中間層７を１層のみとしても良いし、図２（ｃ）に示されるように中間層７を２層以上の複数層としても良い。
【００１３】
（５）炉１内に通常のＰＶＤ成膜工程に用いるＡｒ等のキャリアガスを導入し、炉１内の圧力を０．１〜１００Ｐａとする。代表的な例としては１Ｐａ程度が望ましい。
（６）キャリアガス（図１中、Ａｒ＋）を用いてターゲット原子（図１中、Ｃｒ原子、Ｃ原子）を炉１内に飛ばし、基材２の表面にＣｒ原子とＣ原子を同時に被着させて基材２の表面に炭素含有硬質Ｃｒ被膜４を成膜させる。この成膜時には、基材２に１Ｖ以上の負のバイアス電圧を印加する（バイアス電圧≦−１Ｖ）。
また、基材２に成膜される炭素含有硬質Ｃｒ被膜４の組成は、キャリアガス成分を除いてＣｒの含有割合が５０ａｔｏｍ％以上のものであり、例えばＣｒが６０〜９９ａｔｏｍ％、Ｃが４０〜１ａｔｏｍ％、より好ましい組成割合はＣｒが９０〜９９ａｔｏｍ％、Ｃが１０〜１ａｔｏｍ％となるようにＣｒターゲット５およびＣターゲット６のスパッタ電圧を制御するものである。
【００１４】
以上の（１）〜（６）の工程、あるいは（４）の工程をとばした工程によって、膜のビッカース硬さ２０００ＨＶ以上で、３μｍ以上の膜厚であってもロックウェルＣ硬さ試験機を用いた圧痕試験（荷重１４７０Ｎ）での剥離の発生が無く、さらにスクラッチ試験においても８０Ｎ以上の密着力を示す結晶質の被膜（炭素含有硬質Ｃｒ被膜４）が基材２の表面に成膜される。
【００１５】
次に、上記の如く高い硬度の被膜が得られる原理を考察する。
Ｃｒターゲット５のみを用いて成膜するＣｒ被膜の場合は、Ｃｒ被膜の膜硬さは５００〜６００ＨＶを示す。これに対し、組成割合が例えばＣｒ９５ａｔｏｍ％、Ｃ５ａｔｏｍ％ほどの被膜（炭素含有硬質Ｃｒ被膜４）の膜硬さは２０００ＨＶ以上と飛躍的に膜硬さが向上する。
被膜の膜硬さが硬化する原理としては、バイアス電圧による膜密度の向上硬化も一因として考えられるが、最も大きな因子はＣｒ結晶内へＣ原子が侵入することによる結晶歪現象が挙げられる。結晶性物質において歪現象が発生すると、硬化に繋がることは一般に知られている。
図３（ａ）、（ｂ）に、ＣｒだけのＣｒ被膜、Ｃｒに少量のＣを含有させた炭素含有硬質Ｃｒ被膜４のＸ線回析結果を示す。この２つのグラフから読み取れるように、Ｃｒ被膜｛図３（ａ）参照｝に対し、炭素含有硬質Ｃｒ被膜４｛図３（ｂ）参照｝の半価幅は５倍程度に拡大している。これは、炭素含有硬質Ｃｒ被膜４内の結晶構造に著しい歪現象が発生していることを示すものであり、Ｃｒ結晶内にＣ原子を侵入させたことに起因していると考えられる。
【００１６】
次に、基材２に成膜された被膜の密着力について述べる。
上記の製造方法で基材２の表面に成膜される炭素含有硬質Ｃｒ被膜４は、上述した高硬度以外に、基材２に対して高密着力であるという特徴を備える。
被膜の密着力は、一般にロックウェルＣ硬さ試験機を用いた圧痕試験およびスクラッチ試験によって測定される。
基材２としてＳＵＪ２焼入れ焼き戻し材を用い、中間層７を成膜せずに、基材２の表面に炭素含有硬質Ｃｒ被膜４（Ｃｒが９５ａｔｏｍ％、Ｃが５ａｔｏｍ％）を直接成膜したサンプルの密着力は、圧痕試験の場合、圧痕を与えるニードルへの荷重（圧痕荷重）が１５０ｋｇｆの場合でも剥離せず、スクラッチ試験でも摩擦力変化荷重８０Ｎ以上を示すものであり、試験結果からも非常に高密着力を備えることが確認できる。
【００１７】
〔実施例の効果〕
以上に示したように、上記製造方法を用いることにより、環境に問題があるメッキ法を用いることなく、基材２への密着力が非常に強く、且つ高硬度の被膜（炭素含有硬質Ｃｒ被膜４）を基材２の表面に成膜できる。
また、成膜中に基材２を回転させているため、Ｃｒターゲット５およびＣターゲット６から飛び出したＣｒ原子およびＣ原子がムラなく混ざり合った状態で基材２の表面に被着させることができ、炭素含有硬質Ｃｒ被膜４の硬度ムラや密着力のムラを無くすことができる。
【００１８】
〔変形例〕
上記の実施例では、ＰＶＤ法の一例としてスパッタリング法を用いて基材２の表面に炭素含有硬質Ｃｒ被膜４を成膜した例を示したが、イオンプレーティング法など他のＰＶＤ法を用いて基材２の表面に炭素含有硬質Ｃｒ被膜４を成膜しても良い。
上記の実施例では、基材２の表面に膜のビッカース硬さが２０００ＨＶ以上の炭素含有硬質Ｃｒ被膜４を成膜した例を示したが、基材２に印加するバイアス電圧、炭素含有硬質Ｃｒ被膜４におけるＣｒとＣの組成、中間層７の膜組成等を制御することにより６００ＨＶ〜２０００ＨＶの範囲の被膜を成膜しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】スパッタリング装置の概略図である。
【図２】基材表面に成膜された被膜の要部断面図である。
【図３】Ｃｒ被膜および炭素含有硬質Ｃｒ被膜のＸ線回析結果を示すグラフである。
【符号の説明】
２　基材
４　炭素含有硬質Ｃｒ被膜
５　Ｃｒターゲット
６　Ｃターゲット
７　中間層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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