NACHITECHNICALREPORT

Materials

34B7

Vol.

October/2018■ 新商品・適用事例紹介

ハイブリッドイオンプレーティング装置

マテリアル事業「SPS-2020型」

Hybrid Ion Plating Equipment "SPS-2020"〈キーワード〉DLC・コーティング・PVD・CVD・HCDガン
耐摩耗・低摩擦サーモテック事業部／技術部

高井 健志
山口 淳 一Takeshi Takai
Junichi Yamaguchiハイブリッドイオンプレーティング装置「SPS-2020型」

要旨

1. はじめに金属製品の長寿命化・性能向上のため、幅広いDLC膜は高硬度、低摩擦、耐摩耗性など優れた産業分野でコーティングが行なわれて久しい。その機械的特性を有することが知られている。成膜は中 で 炭 素 を 主 成 分とするDLC（Diamond Like

一般的にスパッタリングやイオンプレーティングなどのCarbon）膜の需要は、耐摩耗性・非凝着性・低摩PVD法やプラズマCVD（PCVD）法が用いられ、製法や擦性に優れ、ドリル・エンドミルなどの工具や、金型、条件により性質が変化する。例えば原料にカーボン自動車部品などに広く用いられており、市場は堅調にターゲットを使用したスパッタリングと、炭化水素系の拡大している。それにあわせDLC成膜装置の高速化・ガスを使用してPCVDにて成 膜する場 合を比 較

高品質化のニーズが高まっている。

すると、前者では膜中に水素を含有しない硬い膜、本 稿ではそのニーズにこたえるため、高速かつ後者は膜中に水素を含有した柔らかい膜が得られ高品質なDLC成膜を実現する装置として開発した、やすい。またTi、Si、Crなどの異種元素を添加したハイブリッドイオンプレーティング装置「SPS-2020型」

金 属添加DLCや、撥水性を持たせたフッ素含有について紹介する。

DLCなど製法は幅広く、切削工具や摺動部品、金型などその用途は多岐にわたる。最 適なDLC膜を

Abstract
Coating of metal products has been an
established practice for many years in wideranging industrial sectors for prolonging lives ofmetal products and improving the performances.
Among the various types of coating, the demandfor DLC（Diamond Like Carbon）coating using
carbon as a main ingredient has increased,
steadily expanding the market. This is because
DLC coating has superb wear resistance,no adhesion and low friction features and is
widely used for the cutting tools such as drills
and end mills, dies and automobile parts. At
the same time, the needs for high-speed andhigh-quality DLC coating equipment have been
increasing.
The article introduces“SPS-2020”, hybrid
ion plating equipment that is developed torealize high-speed and high-quality coating,responding to the needs.

1得るためには、用途にあわせて膜の特 性を調 整する必要がある。またDLC膜はTiNやCrNなど他のコーティング膜と比較して、基材との密着性が弱く、いかに密着を向上するかが重要である。よってDLC膜を成膜する装置には密着性を上げ、コーティング層を用途にあわせて組 成を変化できることが求められる。

2.「SPS-2020型」の概要
ハイブリッドイオンプレーティング装置「SPS-2020

表1 「SPS-2020型」基本緒元型 」の基 本諸 元を表1に示す。成 膜 有 効 範囲は

型式

SPS-2020

φ500×h500mmとし、部品から棒物まで対応可能成膜有効範囲

φ500×h500mmとした。適用膜種は需要が高まっているDLCを標準処理量200kg（N.C.）

寸法5,000（W）×4,500（L）×3,000（H）mm

重量4.0ton

電源

3φ 200Ｖ 50/60Hz 200kVA

2020型」の外観写真を図1に示す。装置は成膜する冷却水

20℃以下の上水本体と制御電源の2つに分かれている。分けること

使用ガス

Ar、C2H2、N2、LN2、Airにより、設置スペースに対応した装置レイアウトを成膜可能膜種

DLC、TiN、CrN、TiAlN などソフトとし、その他TiN、CrN、TiAlNなども成膜可能とすることで汎用性の高い装置とした。
「SPS-

0.1Mpa

最大30L/min.

可能とした。装置内部の概略を図2に示す。装置は左右対称構造になっており、本体上部にプラズマ発生源であるHCDガンを搭載し、本体側面に成膜原料となるターゲット、本体中央のワーク回転台にワークを設置する。成膜はHCDガンから発生するイオンビームを収束コイルによりコントロールし、ターゲット、ワーク付近のイオン化率を向上しつつ、ビーム中のArイオンにより原料をスパッタして行なう。また成膜時にガスを導入し、ワークに直流の負電圧を印加することでPCVD成膜も可能である。DLC成膜はHCD

図1

ガンのイオンビームによるスパッタリングとPCVDの2方 式で行なっており、これがハイブリッドイオン

外観

HCDガンプレーティング装置という名前の由来となっている。

ワーク

ターゲット

アノード

収束コイル

ワーク回転台図2
NACHI TECHNICAL REPORT

34B7

Vol.

外略図
2

ハイブリッドイオンプレーティング装置「SPS-2020型」

3. 装置の特徴
1）高速DLC成膜
NACHIはHCD式イオンプレーティング 装 置を成膜速度が向上する。同様にコーティング前のワーク1983年より販売してきた。HCDガンの特徴は最大におけるイオンクリーニング（ボンバード）も効率的に200Aという大電流の高密度イオンビームを発生できる行なうことができ、DLC膜の高速処理が可能となった。

ことであり、「SPS-2020型 」にはHCDガンが2基コーティングの処理工程を図3に示す。ワーク自公転搭載されている。HCDガンが発するイオンビーム中成膜において1μｍ成膜時のサイクルタイムは加熱～には多くのArイオンが存在しており、効率的に原料を冷却まで約3.5時間となっており、NACHI従来機種スパッタリング、またはガスをイオン化できるため対比で1.5倍超の高速処理ができる。

サイクルタイム 約3.5時間（DLC自公転1μm時）

排気加熱

点火

ボンバード

図3

成膜冷却取出処理工程

2）ハイブリッド成膜
DLCの特性を活かすには密着性を上げ、使用目的にあわせて性質を調整する必要がある。

Siが中間層とDLCの密着性を確保する構造であり、SEM画像では欠陥のない密着性の良い膜である

密着性は、膜と基材の間に基材と密着性が良いことが分かる。

金属中間層を設けて改善ができる。
「SPS-2020型」

またワーク電 圧とDLC膜 硬 度の関 係を図5にでは、スパッタ法でTiSi中間層を成膜し、PCVD法で示す。膜硬度はワークにかける電圧、成膜圧力にDLCを連続成膜する。
「SPS-2020型」によるDLC

相関があり、スパッタ法とPCVD法の条件を調整

膜 の構 造 例を図4に示 す。Tiが 基 材と中間 層、することで膜質コントロールが可能である。

3,500

DLC

DLC

中間層（TiSi合金）
基材

中間層基材

図4

膜硬度（HV）

3,000

2,000
1,500
1,0005000

DLC膜構造例

高真空
低真空2,500050

図53100150
ワーク電圧（V）

ワーク電圧とDLC膜2003）安定した成膜品質原料となるターゲットやガス導入口の配置は、設計成膜 有効 範囲が狭くなるので、1回あたりの処理段階の計算と実際の成膜結果より割り出した最適量が減ってしまい、処理コストが増加する。反対に配置となっている。有効範囲内φ500×h500mmにバラツキが少なく、有効範囲全てに処理品が挿入

テストピースを5段 設 置した際のDLC膜 厚およびできれば低コストで処理可能となる。よってコーティ

膜 硬度分布を図6に示す。膜厚のバラツキはMax-ング装置において膜厚や膜硬度のバラツキを抑える

Min法にて±10.5％、膜硬度は±4.4％と良好な分布がことは重要である。
「SPS-2020型 」において成膜得られている。

665544段数

段数

成膜分布のバラツキが大きいと、装置が大きくても33221100.01.02.03.04.00h500mm

0500

膜厚（μm）

34B7Vol.

1,500

2,000

2,500

3,000

膜硬度（HV）

図6

NACHI TECHNICAL REPORT

1,000

DLCの膜厚および膜硬度分布4ハイブリッドイオンプレーティング装置「SPS-2020型」

4）豊富な成膜バリエーション
HCDイオンプレーティング装置は、イオンビームのではPCVD法による硬さ柔らかめのDLC-S、硬めの通電 加 熱により、原料を加 熱・蒸発する装置でDLC-Hの 他にPCVD法と金 属ターゲットを使 用ある。そのため、密着性、表面粗さなどの膜特性はしたスパッタ法の同時成膜によるMe-DLCも成膜優れるものの、融点の異なる合 金材料成膜には可能である。また従来膜種であるTiN、CrNに加え不向きであった。
「SPS-2020型」はイオンビームのTiAlNやAlCrNといった 合 金 膜 の成 膜も可 能

スパッタ法とP C V D 法 の 機 能をあわ せもってであり、汎用性の高い装置となっている。

おり、従 来 機ではできなかった合 金 膜の成 膜も可能となっている。成膜可能膜種を表2に示す。DLC

表25膜種

標準膜厚（μm）

膜硬度（HV）

DLC-Ｓ

0.5 〜 3300 〜 1,500

DLC-Ｈ

0.5 〜 1.5

1,500 〜 3,000

Me-DLC

0.5 〜 1.5500 〜 1,500

TiN

2〜4CrN
TiAlN

成膜可能膜種
摩擦係数

耐熱温度（℃）

特徴主な用途

0.1300

低摩擦係数
耐摩耗性

切削工具
金型
摺動部品

2,000 〜 2,8000.6400

耐摩耗性
広い適用性

切削工具
金型

2〜41,100 〜 2,0000.5

700

耐熱性
非凝着性

金型
摺動部品

2〜42,200 〜 3,0000.7850

耐摩耗性
耐熱性

切削工具

4. 成膜実施例
DLCは高硬度、低摩擦、耐摩耗性において優れた

表3

機 械的特 性を有することから摺動 部品におけるプランジャー向けDLC成膜仕様

膜種

DLC-S

処理品

プランジャー

使 用し、表3に示 す 仕 様にて図7に外 観を示 す

設置方法

有効寸法h500mm内に5段設置

プランジャー（摺動部品）へ成膜を試みた。成膜後の膜厚1.7 〜 2.1μm

プランジャーを水用機器に組み込み、水中で約5億

膜厚分布±10.5％

膜硬度

HV800 〜 900

摩擦係数0.07（対SUS304）

成膜温度

約250℃需要が高まっている。NACHIでは「SPS-2020型」を回の往復運動をしても摩耗は見られず、良好な密着性と耐摩耗性が確認できた（図8）。その他にも図9に示すような処理品への成膜の応用が期待できる。

図7

DLC-Sプランジャー外観

DLC：切削工具

図8

CrN：自動車部品

図9

NACHI TECHNICAL REPORT

34B7

Vol.

使用後外観

TiN：金型

成膜応用例

6

5. まとめ
DLC成膜が可能な新しいコーティング装置として「SPS-2020型」とその成膜例を紹介した。
コーティング市場におけるDLCの需要は冒頭にも記したとおり堅調に拡大している。NACHIは引き続き低摩擦、耐摩耗膜の普及をはかり、併せて従来型の合金膜成膜ソフトのラインナップと装置バリエーションの拡大をすすめ、需要家のニーズにこたえていく。

NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.34B7

October / 2018〈発行〉2018 年 10 月 15 日
株式会社 不二越 技術開発本部
富山市不二越本町 1-1-1 〒 930-8511
Tel.076-423-5118 Fax.076-493-5213