WO2019065225A1 - Method for manufacturing hard carbon-based coating, and coated member - Google Patents
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Definitions
- the coated member of the present disclosure is A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
- the hard carbon-based film contains at least one of a hydrogen atom and an oxygen atom, D / G which is a ratio of the peak intensity of D band to the peak intensity of G band in Raman spectroscopy of the hard carbon-based film, and W which is the half width of the D band, W ⁇ 115 cm ⁇ 1 , and D / G ⁇ 9.0 and 80 / (D / G) 0.5 ⁇ W ⁇ 180 / (D / G) 0.5 or 115 cm ⁇ 1 ⁇ W ⁇ 500 cm ⁇ 1 And D / G ⁇ 2.8, or W ⁇ 50 cm ⁇ 1 , and 10.5 ⁇ D / G are satisfied.
- the hard carbon-based film can include a form in which at least one of hydrogen atoms and oxygen atoms in total is 0.1 ppb to 10% in atomic ratio.
- the temperature of the substrate 20 at the time of film formation is preferably 600 ° C. or less.
- the temperature of the substrate 20 can also be around normal temperature.
- the film formation atmosphere around the base material 20 at the time of film formation may be a room temperature / air atmosphere.
- the hard carbon-based film 22 can be formed with simpler equipment.
- part of nitrogen contained in the atmosphere may be contained in the hard carbon-based film 22.
- the deposition atmosphere can also be an atmosphere in which nitrogen is 95% by volume or more. By doing so, the hard carbon-based coating 22 containing more nitrogen can be obtained.
- FIG. 3 is a view for explaining a method of manufacturing a hard carbon-based film using a pulse voltage.
- a film forming apparatus 10 shown in FIG. 3 includes a charging circuit 11, a discharging circuit 12, and a discharging control unit 13 in addition to the discharge electrode 1, the support electrode 3 and the power supply 4 in FIG.
- the surface roughness Ra of the hard carbon-based film 22 is preferably 0.1 ⁇ m or more. If the surface roughness Ra of the hard carbon-based film 22 is 0.1 ⁇ m or more, the adhesion becomes strong.
- Ra in the present specification is an arithmetic mean roughness defined in JIS B 0601 (2001).
- the thickness of the hard carbon-based film 22 can be selected as appropriate.
- the thickness of the hard carbon-based film 22 may be 10 ⁇ m or less.
- the thickness is not necessarily uniform, and the thickness of the thickest portion may be 10 ⁇ m or less.
- peeling of the hard carbon-based coating 22 can be easily suppressed.
- the thickness can be adjusted by changing the scanning speed of the discharge electrode 1 of FIGS. It is also possible to further scan the top of the hard carbon-based coating 22 with the discharge electrode 1 to make the hard carbon-based coating 22 thicker.
- the area ratio (area ratio) of the said main part to the planar area of the hard carbon-type film 22 of each sample was investigated.
- the area ratio was obtained by calculation using a color-coded Raman image or a Raman image displayed in gray scale.
- the amount of hydrogen atoms (H), oxygen atoms (O), and argon atoms (Ar) contained in the hard carbon-based film 22 of each sample was determined.
- the element content (atomic%) was determined by a general procedure using secondary ion mass spectrometry.
- the area ratio of Sample 1-1 was 81%, and the area ratio of Sample 1-2 was 85%. That is, it has been found that the ratio of the main portion to the planar area of the hard carbon-based coating 22 is very high.
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un revêtement à base de carbone dur comprenant : une étape A pour préparer un appareil de formation de revêtement ayant un dispositif de source d'alimentation et une électrode de décharge contenant un matériau de carbone, et préparer un substrat comprenant une surface sur laquelle le revêtement doit être formé; et une étape B pour utiliser l'appareil de formation de revêtement pour effectuer une décharge répétée entre l'électrode de décharge et le substrat dans une atmosphère de formation de revêtement prescrite, formant ainsi un revêtement à base de carbone dur sur la surface. L'étape B est réalisée dans des conditions telles que l'atmosphère de formation de revêtement et/ou l'électrode de décharge contiennent au moins l'un d'atomes d'hydrogène, d'atomes d'oxygène, de molécules d'eau et de molécules de dioxyde de carbone.A method for making a hard carbon coating comprising: step A for preparing a coating forming apparatus having a power source device and a discharge electrode containing a carbon material, and preparing a substrate comprising a surface on which the coating is to be formed; and step B for using the coating forming apparatus to effect repeated discharge between the discharge electrode and the substrate in a prescribed coating forming atmosphere, thereby forming a hard carbon coating on the surface. Step B is carried out under conditions such that the coating-forming atmosphere and / or the discharge electrode contain at least one of hydrogen atoms, oxygen atoms, water and carbon dioxide molecules.
Description
本開示は、硬質炭素系被膜の製造方法、及び被膜付き部材に関する。
本出願は、2017年9月26日付の日本国出願の特願2017-185027に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
The present disclosure relates to a method of producing a hard carbon-based coating, and a coated member.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-185027 filed on Sep. 26, 2017, and uses the entire contents described in the Japanese application.
工具表面、摺動部品表面、耐腐食性部品表面、耐酸・耐アルカリ性部品表面、又は電極材料の表面などへの被膜材料として、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)、カーボンナノチューブ(CNT)、又はフラーレン(C60、C70、C74など)等を含む炭素材料の被膜が用いられている。 Diamond, diamond like carbon (DLC), carbon nanotube (CNT), or fullerene as a coating material on the tool surface, sliding component surface, corrosion resistant component surface, acid / alkali resistant component surface, or electrode material surface, etc. A coating of a carbon material including (C 60 , C 70 , C 74 and the like) and the like is used.
被膜の製造方法は、化学蒸着(Chemical Vapor Deposition:CVD)、物理蒸着(Physical Vapor Deposition:PVD)などの成膜方法が一般的に用いられる。 Generally as a manufacturing method of a film, the film-forming methods, such as chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition: CVD) and physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition: PVD), are used.
一方で、特許文献1のように、放電により工具表面のクラック、傷、又は摩耗部分を補修する技術が知られている。この原理は、放電のエネルギーにより、一方の電極である金属を一瞬に溶融し、もう一方に対向する基材(工具、又は部品)に引き込み成膜・堆積するものである。この方法は高融点金属などの被膜形成方法として知られていた。
On the other hand, as in
本開示の硬質炭素系被膜の製造方法は、
電源装置と炭素材料を含む放電電極とを有する成膜装置、及び被膜が形成される表面を有する基材を準備する工程Aと、
前記成膜装置によって、所定の成膜雰囲気の下、前記放電電極と前記基材との間に繰り返し放電を発生させることで、前記表面に硬質炭素系被膜を形成する工程Bと、を備え、
前記工程Bは、
前記成膜雰囲気及び前記放電電極の少なくとも一方が、水素原子、酸素原子、水分子、及び二酸化炭素分子の少なくとも一つを含む条件で行う。
The method for producing the hard carbon-based coating of the present disclosure is
A film forming apparatus having a power supply device and a discharge electrode containing a carbon material, and a step A of preparing a substrate having a surface on which a film is to be formed,
A step B of forming a hard carbon-based film on the surface by repeatedly generating a discharge between the discharge electrode and the base material under a predetermined film forming atmosphere by the film forming apparatus;
The process B is
The deposition is performed under the condition that at least one of the film forming atmosphere and the discharge electrode contains at least one of a hydrogen atom, an oxygen atom, a water molecule, and a carbon dioxide molecule.
本開示の被膜付き部材は、
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるピーク位置であるXと、そのピーク位置における半値幅であるWとが以下の条件を満たす被膜付き部材。
38cm-1<W<500cm-1
16×(X-1347.5)+39<W<16×(X-1335)+39
X<1370cm-1
The coated member of the present disclosure is
A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon-based film contains at least one of a hydrogen atom and an oxygen atom,
A coated member, wherein X being a peak position in Raman spectroscopy of the hard carbon-based coating and W being a half width at the peak position satisfy the following conditions.
38 cm -1 <W <500 cm -1
16 × (X-1347.5) +39 <W <16 × (X-1335) +39
X <1370 cm -1
本開示の被膜付き部材は、
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるDバンドのピーク強度とGバンドのピーク強度との比であるD/Gと、前記Dバンドにおける半値幅であるWとが、
W≦115cm-1、かつD/G<9.0、かつ80/(D/G)0.5<W<180/(D/G)0.5、又は
115cm-1<W<500cm-1、かつD/G<2.8、又は
W<50cm-1、かつ10.5<D/Gを満たす。
The coated member of the present disclosure is
A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon-based film contains at least one of a hydrogen atom and an oxygen atom,
D / G which is a ratio of the peak intensity of D band to the peak intensity of G band in Raman spectroscopy of the hard carbon-based film, and W which is the half width of the D band,
W ≦ 115 cm −1 , and D / G <9.0 and 80 / (D / G) 0.5 <W <180 / (D / G) 0.5 or 115 cm −1 <W <500 cm −1 And D / G <2.8, or W <50 cm −1 , and 10.5 <D / G are satisfied.
本開示の被膜付き部材は、
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、かつラマン分光法におけるDバンドのピークとGバンドのピークを有する部位を含み、
更に
ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の部位、及び
ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の部位、の少なくとも一つを含む。
The coated member of the present disclosure is
A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon-based film includes at least one of a hydrogen atom and an oxygen atom, and a site having a peak of D band and a peak of G band in Raman spectroscopy,
Furthermore, the peak position in Raman spectroscopy is a site at 910 ± 50 cm −1 ,
The peak position in Raman spectroscopy is a site at 810 ± 30 cm −1 ,
The site where the peak position is 705 ± 30 cm −1 in Raman spectroscopy,
The peak position in Raman spectroscopy is a site at 535 ± 30 cm −1 ,
The peak position in Raman spectroscopy is a site of 260 ± 20 cm −1 ,
The site of peak position at 210 ± 20 cm −1 in Raman spectroscopy,
The site of the peak position 135 ± 20 cm −1 in Raman spectroscopy,
It includes at least one of a site with a peak position of 95 ± 10 cm −1 in Raman spectroscopy and a site with a peak position of 2327 ± 10 cm −1 in Raman spectroscopy.
本開示の被膜付き部材は、
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、かつ
ラマン分光法におけるピーク位置が1335cm-1以上1349cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が30cm-1以上95cm-1以下の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が1349cm-1以上1370cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が95cm-1以上350cm-1以下の部位、及び
ラマン分光法におけるピーク位置が1300cm-1以上1335cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が1cm-1以上29cm-1以下の部位、の少なくとも一つを含む。
The coated member of the present disclosure is
A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon coating is hydrogen atom, and at least one of an oxygen atom, and the peak position in the Raman spectroscopy at 1335cm -1 or 1349cm -1 or less, the half width at the peak position is 30 cm -1 or more 95cm - 1 part or less,
Peak position in the Raman spectroscopy at 1349cm -1 or 1370 cm -1 or less, a half value width 95cm -1 or 350 cm -1 or less site at the peak position, and the peak position is 1300 cm -1 or more in the Raman spectroscopy 1335Cm -1 In the following, the full width at half maximum at the peak position includes at least one of 1 cm −1 or more and 29 cm −1 or less.
[本開示が解決しようとする課題]
従来の硬質炭素系被膜の成膜にはCVD、又はPVDなどを行う特別な設備が必要で、成膜にコストと時間がかかるため、より簡便な方法が望まれている。特許文献1の方法は、工具、又は部品の基材と同じ金属材料を放電によって成膜するものであり、炭素系材料(炭素が主流の材料)の被膜としては試みられていなかった。
[Problems to be solved by the present disclosure]
The conventional hard carbon-based film formation requires special equipment for performing CVD, PVD or the like, and the cost and time required for film formation make it desirable to have a simpler method. The method of
硬質炭素系被膜の成膜を考えた場合、使用されるのは比較的柔らかい炭素電極である。ここでいう『柔らかい』とは、結合が弱く、物理的に低硬度という意味である。炭素電極は導電性の高いSP2結合、及びSP2様結合の多い電極、あるいはπ結合の多い電極である。そのため、基材に形成される被膜も、SP2結合、SP2様結合、及びπ結合の多い被膜となる。工具を始めとする多くの用途においては、被膜が硬質であることが重要な特性である。ここで、SP2様結合とは、ラマン分光法で得られたスペクトルにおいて、ピーク位置がSP2結合と同様で、ピーク位置の半値幅がSP2結合よりも大きい値を示す結合のことである。秩序だったSP2結合の半値幅は20cm-1未満と小さいが、結合の秩序が乱れてくると半値幅が大きくなる。SP2結合よりも半値幅が大きい結合であってもその物理特性はSP2結合に類似するため、本明細書ではSP2様結合と称する。 When considering the formation of a hard carbon-based film, it is a relatively soft carbon electrode that is used. The term "soft" as used herein means that the bond is weak and that the hardness is physically low. The carbon electrode is a highly conductive SP2 bond, an electrode rich in SP2-like bonds, or an electrode rich in π bonds. Therefore, the film formed on the substrate is also a film having many SP2 bonds, SP2-like bonds, and π bonds. In many applications, including tools, it is an important property that the coating be hard. Here, the SP2-like bond is a bond in which the peak position is similar to that of the SP2 bond and the half width of the peak position is larger than that of the SP2 bond in the spectrum obtained by Raman spectroscopy. The half-width of the ordered SP2 bond is as small as less than 20 cm -1 , but the half-width becomes larger as the bond order gets disordered. Even a bond with a half width greater than SP2 bond is referred to herein as SP2 like bond because its physical properties are similar to SP2 bond.
そこで、本開示は、硬質な炭素系被膜を簡便に形成できる硬質炭素系被膜の製造方法を提供することを目的の一つとする。また、本開示は、基材上に硬質炭素系被膜を形成した被膜付き部材を提供することを目的の一つとする。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a method for producing a hard carbon-based film that can easily form a hard carbon-based film. Another object of the present disclosure is to provide a coated member in which a hard carbon-based coating is formed on a substrate.
[本開示の効果]
上記硬質炭素系被膜の製造方法によれば、硬質な被膜を簡便に形成することができる。
[Effect of the present disclosure]
According to the method of producing a hard carbon-based film, a hard film can be easily formed.
上記被膜付き部材は、従来よりも硬質な炭素系被膜を備える。 The said member with a film is equipped with a harder carbon-based film than before.
[本開示の実施形態]
本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
Embodiments of the Present Disclosure
The contents of the embodiment of the present disclosure will be listed and described.
炭素原子の結合には、SP2結合、SP2様結合、π結合、SP3結合、又はSP3様結合などが存在する。ここで、SP2様結合とは、SP2結合に類似する物理特性を示す結合のことで、SP3様結合とは、SP3結合に類似する物理特性を示す結合のことである。これらの結合は、後段で述べるように、ラマン分光法で得られたスペクトルのピーク位置、あるいはピーク位置とそのピーク位置での半値幅(半値全幅)によって区別することができる。SP2結合、及びSP2様結合はグラファイトなどの比較的柔らかい炭素材料で認められる。また、π結合も比較的柔らかい炭素材料で認められる。一方、SP3結合、及びSP3様結合は、ダイヤモンドなどの硬質の炭素材料で認められる。また、平面結合のSP2結合、又はSP2様結合が曲面状に曲がることで、SP3結合、又はSP3様結合に近づいた結合も比較的硬質な炭素材料で認められる。SP2結合、又はSP2様結合が曲面状のように曲がっている結合としては、例えばカーボンナノチューブ、又はフラーレンのような微小の領域で結合のループを作っている結合が挙げられる。そのような炭素の結合はSP2結合のように平面的ではなく、SPx結合(2<x<3)あるいはSPx様結合(2<x<3)と言える。硬質炭素系被膜の炭素の結合がSP2結合から外れれば、硬質炭素系被膜のπ結合の割合も減少して硬質炭素系被膜が硬くなる。 As the bond of carbon atoms, SP2 bond, SP2 like bond, π bond, SP3 bond, or SP3 like bond is present. Here, the SP2-like bond is a bond showing physical properties similar to the SP2 bond, and the SP3-like bond is a bond showing physical properties similar to the SP3 bond. These bonds can be distinguished by the peak position of the spectrum obtained by Raman spectroscopy or the full width at half maximum (full width at half maximum) between the peak position and the peak position, as described later. SP2 bonds and SP2 like bonds are found in relatively soft carbon materials such as graphite. In addition, π bonds are also found in relatively soft carbon materials. On the other hand, SP3 bonds and SP3 like bonds are found in hard carbon materials such as diamond. Further, as the flat SP2 bond or the SP2-like bond is curved in a curved shape, the SP3 bond or a bond approaching the SP3-like bond is also recognized in a relatively hard carbon material. The SP2 bond or a bond in which the SP2 like bond is curved like a curved surface includes, for example, a bond forming a bond loop in a minute region such as a carbon nanotube or a fullerene. Such carbon bonds are not planar like SP2 bonds and can be said to be SPx bonds (2 <x <3) or SPx-like bonds (2 <x <3). If the carbon bond of the hard carbon-based film is removed from the SP2 bond, the ratio of π bond of the hard carbon-based film also decreases and the hard carbon-based film becomes hard.
上述したように、炭素系被膜における炭素原子のSP3結合、SP3様結合、SPx結合、及びSPx様結合の割合が多ければ、硬質な炭素系被膜となる。本願発明者らは、このような硬質炭素系被膜を簡便に効率良く形成できる方法を鋭意検討した。その結果、SP2結合、SP2様結合、及びπ結合の割合が多い高導電性の炭素電極を用いて繰り返しの放電を行うことで、SP3結合、SP3様結合、SPx結合、及びSPx様結合の少なくとも一つを含む硬質炭素系被膜を形成することに想到した。以下に、硬質炭素系被膜の製造方法、及び硬質炭素系被膜を有する被膜付き部材の詳細を説明する。 As described above, if the ratio of SP3 bond, SP3-like bond, SPx bond, and SPx-like bond of carbon atoms in the carbon-based film is large, it becomes a hard carbon-based film. The inventors of the present application diligently studied a method capable of forming such a hard carbon-based film easily and efficiently. As a result, at least SP3 bond, SP3 like bond, SPx bond, and SPx like bond by repeatedly performing discharge using a highly conductive carbon electrode having a large proportion of SP2, SP2, and π bonds. It was conceived to form a hard carbon-based film containing one. Below, the manufacturing method of a hard carbon type film, and the detail of a member with a film which has a hard carbon type film are explained.
(1)実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法は、
電源装置と炭素材料を含む放電電極とを有する成膜装置、及び被膜が形成される表面を有する基材を準備する工程Aと、
前記成膜装置によって、所定の成膜雰囲気の下、前記放電電極と前記基材との間に繰り返し放電を発生させることで、前記表面に硬質炭素系被膜を形成する工程Bと、を備え、
前記工程Bは、
前記成膜雰囲気及び前記放電電極の少なくとも一方が、水素原子、酸素原子、水分子、及び二酸化炭素分子の少なくとも一つを含む条件で行う。
(1) The method for producing a hard carbon-based film according to the embodiment
A film forming apparatus having a power supply device and a discharge electrode containing a carbon material, and a step A of preparing a substrate having a surface on which a film is to be formed,
A step B of forming a hard carbon-based film on the surface by repeatedly generating a discharge between the discharge electrode and the base material under a predetermined film forming atmosphere by the film forming apparatus;
The process B is
The deposition is performed under the condition that at least one of the film forming atmosphere and the discharge electrode contains at least one of a hydrogen atom, an oxygen atom, a water molecule, and a carbon dioxide molecule.
上記硬質炭素系被膜の製造方法によれば、炭素材料を含む導電性の放電電極と基材との間で繰り返し放電を発生させるだけの簡便な操作で、基材の表面に硬質炭素系被膜を形成することができる。また、導電性の炭素材料としてはグラファイトなどの安価で容易に入手可能なものを利用できるため、その点においても硬質炭素系被膜の生産性に優れる。 According to the above method for producing a hard carbon-based film, the hard carbon-based film is formed on the surface of the substrate by a simple operation of repeatedly generating a discharge between the conductive discharge electrode containing the carbon material and the substrate. It can be formed. In addition, since an inexpensive and easily available material such as graphite can be used as the conductive carbon material, the productivity of the hard carbon-based film is excellent also in that respect.
ここで、硬質炭素系被膜とは、炭素を主成分とする硬質の被膜、又は炭素を副成分とする硬質の被膜である。炭素を主成分とする被膜とは、被膜に占める炭素の含有量が50原子%以上である被膜のことである。炭素を副成分とする被膜とは、被膜に占める炭素の含有量が10原子%超50原子%未満である被膜のことである。また、硬質の被膜とは、被膜に含まれる炭素がSP3結合、SP3様結合、SPx結合(2<x<3)、及びSPx様結合(2<x<3)の少なくとも一つを有している被膜のことである。 Here, the hard carbon-based film is a hard film containing carbon as a main component or a hard film containing carbon as a minor component. The film containing carbon as a main component is a film in which the content of carbon in the film is 50 atomic% or more. The film containing carbon as a secondary component is a film having a carbon content of more than 10 atomic% and less than 50 atomic%. The hard coating means that carbon contained in the coating has at least one of SP3 bond, SP3 like bond, SPx bond (2 <x <3), and SPx like bond (2 <x <3). Is the coating that
硬質の被膜は、例えば、後述する被覆付き部材の項目で規定するラマン分光法の測定結果を満たす被膜のことである。より具体的には、硬質炭素系被膜として、炭素が100%のダイヤモンドやテトラヘドラルアモルファスカーボン、又はカーボンナノチューブなどで構成される被膜が挙げられる。その他、炭素が100%未満の炭素系被膜、例えば窒化炭素(CN)、又はホウ窒化炭素(BCN)の被膜なども、硬質炭素系被膜の一つに挙げられる。さらに、引張強度に強い繊維質の炭素材料(カーボンナノチューブなどを含む)、又は導電性の炭素材料(SP2結合の部分、SP2様結合の部分、及びフラーレンなどを含む)が含まれる被膜も、本開示の硬質炭素系被膜に含まれる。繊維質の炭素材料が含まれる硬質炭素系被膜は、その硬質炭素系被膜が形成された部材の抗折強度を向上させる効果を有する。また、硬質炭素系被覆の中に含まれる上記導電性の炭素材料は潤滑剤として機能することができる。そのような硬質炭素系被膜は、工具、金型、摺動部材、耐腐食部材、又は電極部材などに形成する被膜として利用可能である。 The hard coating is, for example, a coating satisfying the measurement results of Raman spectroscopy defined in the item of the coated member described later. More specifically, examples of the hard carbon-based film include films composed of 100% carbon diamond, tetrahedral amorphous carbon, carbon nanotubes, and the like. In addition, carbon-based coatings with less than 100% carbon, such as coatings of carbon nitride (CN) or carbon boronitride (BCN), are also included as one of the hard carbon-based coatings. Furthermore, a film containing a fibrous carbon material (including carbon nanotubes and the like) having high tensile strength or a conductive carbon material (including a portion of SP2 bonding, a portion of SP2 like bonding, a fullerene and the like) is also disclosed. Included in the disclosed hard carbon-based coatings. The hard carbon-based film containing the fibrous carbon material has an effect of improving the flexural strength of the member on which the hard carbon-based film is formed. In addition, the conductive carbon material contained in the hard carbon-based coating can function as a lubricant. Such a hard carbon-based film can be used as a film formed on a tool, a mold, a sliding member, a corrosion resistant member, an electrode member or the like.
上記製造方法に示すように、成膜雰囲気に、水素原子、酸素原子、水分子、及び二酸化炭素分子の少なくとも一つを含ませることで、SP2結合、SP2様結合、及びπ結合の生成抑制又は除去ができる。その結果、硬質炭素系被膜におけるSP3結合、SP3様結合、SPx結合、及びSPx様結合の比率を高めることができる。 As described in the above manufacturing method, by including at least one of a hydrogen atom, an oxygen atom, a water molecule, and a carbon dioxide molecule in a film formation atmosphere, the formation suppression of SP2 bond, SP2 like bond, and π bond or It can be removed. As a result, the ratio of SP3 bond, SP3 like bond, SPx bond, and SPx like bond in the hard carbon-based coating can be increased.
また、上記製造方法に示すように、放電電極に、水素原子、酸素原子、水分子、及び二酸化炭素分子の少なくとも一つを含ませることで、SP2結合、SP2様結合、及びπ結合の生成抑制又は除去ができる。その結果、硬質炭素系被膜におけるSP3結合、SP3様結合、SPx結合、及びSPx様結合の比率を高めることができる。 Further, as described in the above production method, by including at least one of a hydrogen atom, an oxygen atom, a water molecule, and a carbon dioxide molecule in the discharge electrode, the formation of SP2 bond, SP2 like bond, and π bond is suppressed. Or it can be removed. As a result, the ratio of SP3 bond, SP3 like bond, SPx bond, and SPx like bond in the hard carbon-based coating can be increased.
(2)実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法の一形態として、
前記成膜雰囲気が大気圧である形態を挙げることができる。
(2) As one mode of the manufacturing method of the hard carbon system film concerning an embodiment,
An embodiment in which the deposition atmosphere is atmospheric pressure can be mentioned.
成膜雰囲気が大気圧であると、成膜装置の構成を簡素にできる。そのため、簡便な方法で硬質炭素系被膜を形成できる。 When the deposition atmosphere is atmospheric pressure, the configuration of the deposition apparatus can be simplified. Therefore, the hard carbon-based film can be formed by a simple method.
(3)実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法の一形態として、
前記成膜雰囲気が水中である形態を挙げることができる。
(3) As one mode of the manufacturing method of the hard carbon system coating concerning the embodiment,
The form in which the said film-forming atmosphere is water can be mentioned.
硬質炭素系被膜におけるSP3結合、及びSPx結合の割合を高めるには、後述するように、高いエネルギー状態の結合をより早く凍結することが重要である。そのため、基材をヒートシンクで冷却したり、基材を水中、又は液体窒素中などに入れた状態で放電したりすることが好ましい。水中で放電を行うことが最も簡便で、硬質炭素系被膜を生産性良く形成できる。 In order to increase the proportion of SP3 bonds and SPx bonds in hard carbon-based coatings, it is important to freeze bonds in high energy states faster, as described later. Therefore, it is preferable to cool the substrate with a heat sink or to discharge the substrate in water or in liquid nitrogen or the like. It is easiest to discharge in water, and a hard carbon-based coating can be formed with good productivity.
(4)実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法の一形態として、
前記電源装置は交流電源であり、
前記放電電極に印加する交流電圧は3.6kV以上である形態を挙げることができる。
(4) As one mode of a method of manufacturing a hard carbon-based film according to the embodiment,
The power supply device is an alternating current power supply,
The form which the alternating voltage applied to the said discharge electrode is 3.6 kV or more can be mentioned.
電源装置を交流電源とすることで、放電電極の電圧が高まったときに放電が生じることを繰り返すことができる。基材側には負のバイアス電位を印加してもかまわない。バイアス電位は、セルフバイアス電位であっても良いし、外部から基材に印加したバイアス電位であっても良い。また、放電電極を振動させて、放電が周期的に発生することを促しても良い。 By using the power supply device as an AC power supply, it is possible to repeat that the discharge occurs when the voltage of the discharge electrode is increased. A negative bias potential may be applied to the substrate side. The bias potential may be a self bias potential or a bias potential externally applied to the substrate. In addition, the discharge electrode may be vibrated to urge the discharge to occur periodically.
本願発明者らの検討の結果、繰り返しの放電の際、従来では考えられなかった大きなエネルギーを一瞬で効率よく与えること、高いエネルギー状態の結合をより早く凍結すること、が重要であることが分かった。そこで、上記構成では、3.6kV以上の高い交流電圧を放電電極に印加している。このような電圧は、タングステン被膜のような金属材料を基材上に形成する従来の手法よりも、大きなエネルギーを電極と基材間に与えるものである。このような電圧とすることにより、SP2結合、及びSP2様結合の割合が多い炭素電極の構成材料を、SP3結合、及びSP3様結合の割合の多い硬質炭素系被膜に変換することができる。 As a result of the study of the present inventors, it has been found that it is important to efficiently give a large energy which could not be considered in the past in a quick and efficient manner and to freeze the bond of high energy states faster in repetitive discharge. The Therefore, in the above configuration, a high AC voltage of 3.6 kV or more is applied to the discharge electrode. Such voltages provide more energy between the electrode and the substrate than conventional techniques for forming a metallic material, such as a tungsten film, on the substrate. With such a voltage, it is possible to convert the constituent material of the carbon electrode having a large proportion of SP2 bonds and SP2-like bonds into a hard carbon-based film having a large ratio of SP3 bonds and SP3-like bonds.
(5)実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法の一形態として、
前記電源装置は直流電源であり、
前記放電電極に印加する直流電圧は3.6kV以上であり、
前記放電電極を周期的に振動させ、100ミリ秒未満のパルス幅を有する放電を生じさせる。
(5) As one mode of the manufacturing method of the hard carbon system film concerning the embodiment,
The power supply device is a DC power supply,
The DC voltage applied to the discharge electrode is 3.6 kV or more,
The discharge electrode is periodically oscillated to produce a discharge having a pulse width of less than 100 milliseconds.
3.6kV以上の高い直流電圧を放電電極に印加することで、上記(4)と同様に、SP2結合、及びSP2様結合の割合が多い炭素電極の構成材料を、SP3結合、及びSP3様結合の割合の多い硬質炭素系被膜に変換することができる。また、放電電極は基材に対して振動させることで、連続して放電を持続でき、広範囲に連続した硬質炭素系被膜を形成できる。本構成においても、基材側に負のバイアス電位を印加してもかまわない。 By applying a high DC voltage of 3.6 kV or more to the discharge electrode, the constituent material of the carbon electrode having a large proportion of SP2 bond and SP2 like bond as in the above (4), SP3 bond and SP3 like bond It can be converted to a hard carbon-based film having a high proportion of Further, by causing the discharge electrode to vibrate with respect to the substrate, the discharge can be continuously maintained, and a wide continuous carbon-based coating can be formed. Also in this configuration, a negative bias potential may be applied to the substrate side.
(6)実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法の一形態として、
前記成膜装置は、前記電源装置からの電力を蓄える充電回路と、
前記充電回路の電力をパルス状に放電させる放電回路と、
前記放電電極と前記基材との間の電圧が125V超でパルス幅が1ミリ秒未満の放電、又は前記放電電極と前記基材との間の電圧が50V超でパルス幅が10マイクロ秒未満の放電が発生するように前記放電回路を制御する放電制御部と、を備える形態を挙げることができる。
(6) As one mode of a method of manufacturing a hard carbon-based film according to the embodiment,
The film forming apparatus includes a charging circuit that stores power from the power supply device.
A discharge circuit for discharging the power of the charging circuit in a pulse shape;
A discharge between the discharge electrode and the substrate with a voltage greater than 125 V and a pulse width less than 1 millisecond, or a voltage between the discharge electrode and the substrate with a voltage greater than 50 V and a pulse width less than 10 microseconds And a discharge control unit configured to control the discharge circuit to generate the discharge.
上記構成に示すように、極めて短時間に、放電電極と基材との間に所定以上の電圧がかかるようにすることで、上記(4),(5)と同様に、SP2結合、及びSP2様結合の割合が多い炭素電極の構成材料を、SP3結合、及びSP3様結合の割合の多い硬質炭素系被膜に変換することができる。本構成においても、放電電極を振動させたり基材側に負のバイアス電位を印加したりしてもかまわない。 As shown in the above configuration, by applying a predetermined or higher voltage between the discharge electrode and the base material in an extremely short time, as in the above (4) and (5), SP2 coupling and SP2 The constituent material of the carbon electrode having a large proportion of similar bonds can be converted into a hard carbon-based film having a large proportion of SP3 bonds and SP3-like bonds. Also in this configuration, the discharge electrode may be vibrated or a negative bias potential may be applied to the substrate side.
(7)実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法の一形態として、
前記基材は、超硬合金、鉄系材料、ホウ窒化炭素系材料、立方晶窒化ホウ素系材料、サーメット、Ni系材料、又は導電性セラミックスで構成される形態を挙げることができる。
(7) As one mode of the manufacturing method of the hard carbon system coating concerning an embodiment,
The base material may be in the form of a cemented carbide, an iron-based material, a boronitride-based material, a cubic boron nitride-based material, a cermet, a Ni-based material, or a conductive ceramic.
上記(7)に列挙される材料は、主に工具の構成材料である。従って、上記構成によれば、硬質炭素系被膜を有する工具(被膜付き部材)を作製することができる。 The materials listed in (7) above are mainly constituent materials of the tool. Therefore, according to the above-mentioned composition, a tool (member with a film) which has a hard carbon system film can be produced.
(8)実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法の一形態として、
前記放電電極は、炭素原子を90質量%以上含む炭素材料である形態を挙げることができる。
(8) As one mode of a method of manufacturing a hard carbon-based film according to the embodiment,
The said discharge electrode can mention the form which is a carbon material containing 90 mass% or more of carbon atoms.
放電電極に炭素原子が90質量%以上含まれることで、硬質炭素系被膜が形成され易く、硬質炭素系被膜におけるSP3結合、及びSP3様結合の割合を大きくできる。炭素材料を固めるためのバインダーが多量に入った純度の低い炭素電極では、SP3結合、及びSP3様結合を有する硬質炭素系被膜が形成され難い。炭素原子の含有量は95質量%以上とすることが好ましい。より好ましい炭素原子の含有量は98質量%以上である。更に、炭素以外の元素の中で、共有結合性の元素が50質量%以上であることが好ましい。更に放電電極の炭素系材料が、本開示の硬質炭素系被膜の特徴を備えていることが好ましい。そうすることで、実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法によって、より硬質な炭素構造に変換できるからである。スパッタ法などの他の方法では、原料ターゲットに依らず、従来の構造の炭素膜しか形成できないからである。 By containing 90 mass% or more of carbon atoms in the discharge electrode, a hard carbon-based film is easily formed, and the ratio of SP3 bond and SP3-like bond in the hard carbon film can be increased. In a low purity carbon electrode containing a large amount of a binder for solidifying a carbon material, it is difficult to form a hard carbon-based film having SP3 bond and SP3 like bond. It is preferable to make content of a carbon atom into 95 mass% or more. The more preferred content of carbon atoms is 98% by mass or more. Furthermore, among the elements other than carbon, the covalent bondable element is preferably 50% by mass or more. Furthermore, it is preferable that the carbon-based material of the discharge electrode has the features of the hard carbon-based film of the present disclosure. By doing so, it is because it can be converted to a harder carbon structure by the method of manufacturing a hard carbon-based film according to the embodiment. By the other methods such as the sputtering method, only the carbon film of the conventional structure can be formed regardless of the raw material target.
(9)実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法の一形態として、
前記放電電極は、炭素原子、ホウ素原子、及び窒素原子を合計で90質量%以上含む形態を挙げることができる。
(9) As one mode of a method of manufacturing a hard carbon-based film according to the embodiment,
The said discharge electrode can mention the form which contains 90 mass% or more of a carbon atom, a boron atom, and a nitrogen atom in total.
炭素原子に加えてホウ素原子を放電電極に含ませることで、ホウ化炭素を主成分とする硬質炭素系被膜を形成できる。炭素原子に加えて窒素原子を放電電極に含ませることで、窒化炭素を主成分とする硬質炭素系被膜を形成できる。炭素原子に加えてホウ素原子と窒素原子を放電電極に含ませることで、ホウ窒化炭素を主成分とする硬質炭素系被膜を形成できる。 By including a boron atom in addition to the carbon atom to the discharge electrode, a hard carbon-based film containing boride carbon as a main component can be formed. By including nitrogen atoms in addition to carbon atoms in the discharge electrode, a hard carbon-based film containing carbon nitride as a main component can be formed. By including a boron atom and a nitrogen atom in addition to the carbon atom in the discharge electrode, a hard carbon-based film containing carbon as its main component can be formed.
(10)実施形態に係る被膜付き部材は、
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるピーク位置であるXと、そのピーク位置における半値幅であるWと、が以下の条件を満たす。
38cm-1<W<500cm-1
16×(X-1347.5)+39<W<16×(X-1335)+39
X<1370cm-1
(10) The coated member according to the embodiment is
A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon-based film contains at least one of a hydrogen atom and an oxygen atom,
The peak position X in Raman spectroscopy of the hard carbon coating and the half width W at the peak position satisfy the following conditions.
38 cm -1 <W <500 cm -1
16 × (X-1347.5) +39 <W <16 × (X-1335) +39
X <1370 cm -1
532nmの励起波長のレーザーを用いたラマン分光法で得られたスペクトルにおいて、SP3結合は1325cm-1以上1335cm-1未満の位置に鋭いピーク(半値幅が20cm-1未満)を形成する。SP3結合の秩序が乱れてくると、ピーク位置が1335cm-1以上1400cm-1未満となり、半値幅も大きく(20cm-1以上)なる。本明細書では、SP3結合のピークに隣接する位置にピークがシフトし、半値幅が大きくなった結合をSP3様結合と称する。ここで、特異な場合では、ピーク位置が1335cm-1以上1400cm-1未満においても、半値幅が小さい(20cm-1未満)炭素材料の結合が得られることがある。これは、SP3様結合でありながらSP3結合の秩序が向上したものであり、本開示のSP3様結合に含まれる。この特異なSP3様結合は、硬質炭素系被膜の硬度の向上に寄与するので、工具の被膜として好適である。一方、ラマン分光法で得られたスペクトルにおいて、SP2結合は1500cm-1以上1650cm-1未満の位置に半値幅が20cm-1未満のピークを形成する。SP2結合の秩序が乱れてくると、ピーク位置は変わらないが(1500cm-1以上1650cm-1未満)、半値幅は20cm-1以上と大きくなる。本明細書では、SP2結合に対して半値幅が大きくなった結合をSP2様結合と称する。これら各結合の定義に鑑みれば、硬質炭素系被膜をラマン分光法で測定した結果が上記(7)に記載の範囲を満たしていれば、硬質炭素系被膜においてSP3結合、及びSP3様結合の少なくとも一つが形成されていると判断できる。Xの下限値は1335cm-1とすることが好ましい。 In the spectrum obtained by Raman spectroscopy using a laser excitation wavelength of 532 nm, SP3 bond forms a sharp peak at a position of less than 1325cm -1 or 1335cm -1 (half-value width of less than 20 cm -1). When SP3 bonds of order is disturbed come, the peak position is less than 1335cm -1 or 1400 cm -1, consisting also half width larger (20 cm -1 or higher). In the present specification, a peak is shifted to a position adjacent to the peak of SP3 binding, and the binding having a larger half width is referred to as SP3-like binding. Here, in the case specific, peak positions even less 1335Cm -1 or 1400 cm -1, the half width is small (less than 20 cm -1) which may be bonded of the carbon material obtained. This is an SP3-like bond while the order of the SP3 bond is improved, and is included in the SP3-like bond of the present disclosure. This unique SP3-like bond is suitable as a coating of a tool because it contributes to the improvement of the hardness of the hard carbon-based coating. On the other hand, in the spectrum obtained by Raman spectroscopy, the half-value width to form a peak of less than 20 cm -1 SP2 bonds to the position of less than 1500 cm -1 or 1650 cm -1. When SP2 bonds of order is disturbed come, the peak position does not change (1500 cm less than -1 or 1650 cm -1), the half width increases with 20 cm -1 or more. In the present specification, a bond having a larger half width with respect to SP2 bond is referred to as SP2-like bond. In view of the definition of each of these bonds, if the result of measurement of the hard carbon-based film by Raman spectroscopy satisfies the range described in (7) above, at least SP3 bond and SP3-like bond in the hard carbon film. It can be determined that one is formed. The lower limit value of X is preferably 1335 cm −1 .
(11)実施形態に係る被膜付き部材は、
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるDバンドのピーク強度とGバンドのピーク強度との比であるD/Gと、前記Dバンドにおける半値幅であるWとが、
W<50cm-1、かつD/G>10.5、又は
W≦115cm-1、かつD/G<9.0、かつ80/(D/G)0.5<W<180/(D/G)0.5、又は
115cm-1<W<500cm-1、かつD/G<2.8を満たす。
(11) The member with a film according to the embodiment is
A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon-based film contains at least one of a hydrogen atom and an oxygen atom,
D / G which is a ratio of the peak intensity of D band to the peak intensity of G band in Raman spectroscopy of the hard carbon-based film, and W which is the half width of the D band,
W <50 cm −1 , and D / G> 10.5, or W ≦ 115 cm −1 , and D / G <9.0 and 80 / (D / G) 0.5 <W <180 / (D / G) 0.5 or 115 cm −1 <W <500 cm −1 and D / G <2.8 are satisfied.
一般に、ラマン分光法で1360cm-1付近に形成されるピークをDバンド、1580cm-1付近に形成されるピークをGバンドというが、本明細書では、1325cm-1以上1400cm-1未満に形成されるピークをDバンド、1500cm-1以上1650cm-1未満に形成されるピークをGバンドと称す。つまり、DバンドはSP3結合、及びSP3様結合に対応し、GバンドはSP2結合、及びSP2様結合に対応している。そのため、両バンドのピーク強度比であるD/Gと、Dバンドにおける半値幅Wが上記範囲を満たしていれば、硬質炭素系被膜においてSP3結合、及びSP3様結合が形成されていると判断できる。D/Gが高いということは、硬質炭素系被膜におけるSP3結合、及びSP3様結合が多いことを示しているので、D/Gの下限値は1.0以上であることが好ましく、1.5以上であることがより好ましく、更には2.0以上であることが好ましい。特異な場合では、ピーク位置が1335cm-1以上1400cm-1未満においても、半値幅が小さく(20cm-1未満)、D/Gが100以上の炭素材料の結合が得られることがある。これは、SP3様結合でありながらSP3結合の秩序が向上したものであり、本開示のSP3様結合に含まれる。この特異なSP3様結合は、硬質炭素系被膜の硬度の向上に寄与するので、工具の被膜として好適である。但し、硬質炭素系被膜において上記下限値以上の部位が面積比で10%以上含まれていれば、残りの部分のD/Gは0.2以上あれば十分である。硬質な部位が硬質炭素系被膜中に10%以上含まれていれば、硬質な部分が被膜中でパーコレーションを起こす。そのため、硬質炭素系被膜が、当該被膜に含まれる硬質な部分に支えられて、摩耗し難くなる。ここで、面積比の判断には色分けされたラマンイメージ、あるいは白黒の濃淡で表示されたラマンイメージを利用することができる。ラマンイメージの濃淡は4段階程度が適当である。ラマンイメージの作成にあたっては、ラマン分光法で得られたスペクトルからピークの強度の強弱が反映された5段階以上の濃淡イメージを画像処理で4段階程度にすることが好ましい。スペクトルのピーク位置は、スペクトルからバックグラウンドを引いて、ガウス分布でフィッティングすることで正確に求めることができる。バックグラウンドは、例えば次のように求める。まず、スペクトルから極大値を示す部分(仮のピーク)を特定する。仮のピークの半値幅が30cm-1以上であれば、仮のピークを中心に600cm-1の範囲で、スペクトルのカーブが下向きに凸となる極小値に接する接線を引いたものをバックグラウンドとする。仮のピークの半値幅が10cm-1以下であれば、仮のピークを中心として、その半値幅の3倍の範囲で、スペクトルのカーブが下向きに凸となる極小値に接する接線を引いたものをバックグラウンドとする。バックグラウンドが大きな傾きを持っていない場合、ピークと極大値はほぼ一致する。500cm-1以下のピークではバックグラウンドの傾きが大きくなったりする。 In general, D band peak formed near 1360 cm -1 in Raman spectroscopy, but refers to a peak formed near 1580 cm -1 and G bands, in this specification, is formed below 1325Cm -1 or 1400 cm -1 The peak that is formed is called D band, and the peak formed at 1500 cm −1 or more and less than 1650 cm −1 is called G band. That is, the D band corresponds to SP3 binding and SP3 like binding, and the G band corresponds to SP2 binding and SP2 like binding. Therefore, if the peak intensity ratio D / G of both bands and the half width W in the D band satisfy the above ranges, it can be determined that SP3 bond and SP3 like bond are formed in the hard carbon-based film. . The high D / G indicates that there are many SP3 bonds and SP3 like bonds in the hard carbon-based film, so the lower limit of D / G is preferably 1.0 or more, and 1.5 It is more preferable that it is the above, and it is more preferable that it is 2.0 or more. In specific cases, even less than the peak position 1335Cm -1 or 1400 cm -1, the half width is small (less than 20cm -1), D / G is sometimes obtained binding of 100 or more carbon materials. This is an SP3-like bond while the order of the SP3 bond is improved, and is included in the SP3-like bond of the present disclosure. This unique SP3-like bond is suitable as a coating of a tool because it contributes to the improvement of the hardness of the hard carbon-based coating. However, if the hard carbon-based film contains 10% or more of the area having the area of the lower limit or more, the remaining D / G of 0.2 or more is sufficient. If the hard portion is contained in the hard carbon-based film by 10% or more, the hard portion causes percolation in the film. Therefore, the hard carbon-based coating is supported by the hard portion contained in the coating and becomes hard to wear. Here, it is possible to use a color-coded Raman image or a Raman image displayed in black and white contrast to judge the area ratio. About four levels of gradation of the Raman image are appropriate. In the creation of a Raman image, it is preferable that image processing of five or more gradation images in which the intensity of the peak is reflected from the spectrum obtained by Raman spectroscopy be about four. The peak position of the spectrum can be accurately determined by subtracting the background from the spectrum and fitting with a Gaussian distribution. The background is determined, for example, as follows. First, the part (temporary peak) which shows local maximum from a spectrum is specified. If the half-width of the tentative peak is 30 cm -1 or more, the tangent of the curve curve is convex downward in the range of 600 cm -1 centered on the tentative peak and the tangent line is taken as the background Do. If the half-width of the provisional peak is 10 cm -1 or less, a tangent line is drawn that is tangent to the local minimum value where the curve of the spectrum is convex downward within a range of three times the half-width about the provisional peak As background. If the background does not have a large slope, the peaks and maxima almost coincide. At a peak of 500 cm -1 or less, the background slope becomes large.
(12)実施形態に係る被膜付き部材は、
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、かつラマン分光法におけるDバンドのピークとGバンドのピークを有する部位を含み、
更に
(a)ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の部位
(b)ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の部位
(c)ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の部位
(d)ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の部位
(e)ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の部位
(f)ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の部位
(g)ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の部位
(h)ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の部位
(i)ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の部位、の少なくとも一つを含む。
(12) The coated member according to the embodiment is
A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon-based film includes at least one of a hydrogen atom and an oxygen atom, and a site having a peak of D band and a peak of G band in Raman spectroscopy,
Further, (a) a peak position at 910 ± 50 cm −1 in Raman spectroscopy (b) a peak position at 810 ± 30 cm −1 in Raman spectroscopy (c) a peak position in Raman spectroscopy at 705 ± 30 cm −1 The site of (d) the peak position in Raman spectroscopy is 535 ± 30 cm −1 (e) the site of peak position in Raman spectroscopy is 260 ± 20 cm −1 (f) the peak position in Raman spectroscopy is 210 ± 20 cm − 1 site (g) The site where the peak position in Raman spectroscopy is 135 ± 20 cm −1 (h) the site where the peak position in Raman spectroscopy is 95 ± 10 cm −1 (i) the peak position in Raman spectroscopy is 2327 ± 10 cm site of -1, at least one.
上記(a)~(i)は、Dバンドのピーク高さの1/5以上のピーク値を持つ部位、より好ましくは1/3以上のピーク値を持つ部位(以下、Nバンドエリアと呼ぶ)である。このNバンドエリアは、カーボンナノチューブ、又はフラーレンなどのSPx結合、あるいはSPx様結合が形成された部分と考えられる。硬質炭素系被膜は、(a)~(d)のうちの少なくとも二つ、あるいは(e)~(i)のうちの少なくとも二つを含むことが好ましい。また、硬質炭素系被膜は、(a)~(d)のうちの少なくとも二つと、(e)~(i)のうちの少なくとも二つと、を含むことがより好ましい。 In the above (a) to (i), a portion having a peak value of 1⁄5 or more of the peak height of D band, more preferably a portion having a peak value of 1⁄3 or more (hereinafter referred to as N band area) It is. This N band area is considered to be a carbon nanotube, or an SPx bond such as fullerene, or a portion where an SPx-like bond is formed. The hard carbon-based coating preferably contains at least two of (a) to (d), or at least two of (e) to (i). More preferably, the hard carbon-based coating contains at least two of (a) to (d) and at least two of (e) to (i).
上記硬質炭素系被膜は、ラマン分光法におけるDバンドのピークとGバンドのピークを有する部分と、Nバンドエリアとを含む。Nバンドエリアを含む硬質炭素系被膜は、被膜付き部材の抗折強度を向上させる。このような硬質炭素系被膜は、工具あるいは電極材料の被膜として好適である。硬質炭素系被膜の平面面積に占めるNバンドエリアの面積割合は、0.1%以上99%以下であることが挙げられる。Nバンドエリア面積割合の下限値は、好ましくは1%以上、さらに好ましくは5%以上である。Nバンドエリア面積割合の上限値は、好ましくは80%以下、さらに好ましくは60%以下である。工具として、あるいは電極として好ましくなる。 The hard carbon-based film includes a portion having a D band peak and a G band peak in Raman spectroscopy and an N band area. The hard carbon-based coating including the N band area improves the bending strength of the coated member. Such hard carbon-based coatings are suitable as coatings for tools or electrode materials. The area ratio of the N band area to the planar area of the hard carbon-based film is, for example, 0.1% or more and 99% or less. The lower limit value of the N band area area ratio is preferably 1% or more, more preferably 5% or more. The upper limit value of the N band area area ratio is preferably 80% or less, more preferably 60% or less. It becomes preferable as a tool or as an electrode.
(13)実施形態に係る被膜付き部材は、
基材と、前記基材の少なくとも一部に形成される硬質炭素系被膜と、を備える被膜付き部材であって、
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、かつ
[A]ラマン分光法におけるピーク位置が1335cm-1以上1349cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が30cm-1以上95cm-1以下の部位、
[B]ラマン分光法におけるピーク位置が1349cm-1以上1370cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が95cm-1以上350cm-1以下の部位、及び
[C]ラマン分光法におけるピーク位置が1300cm-1以上1335cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が1cm-1以上29cm-1以下の部位、の少なくとも一つを含む。
(13) The member with a film according to the embodiment is
A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon coating is hydrogen atom, and at least one of an oxygen atom, and [A] peak position in the Raman spectroscopy at 1335cm -1 or 1349cm -1 or less, the half width at the peak position is 30 cm -1 More than 95cm -1 less part,
[B] peak position in the Raman spectroscopy at 1349cm -1 or 1370 cm -1 or less, the half width at the peak position is 95cm -1 or 350 cm -1 or less site, and peak positions in the [C] Raman spectroscopy 1300cm -1 above 1335Cm -1 or less, including the half-width at the peak position 1 cm -1 to 29cm -1 or less site, at least one.
実施形態の硬質炭素系被膜の製造方法で得られた硬質炭素系被膜では、炭素原子の結合状態が異なる部位がマーブル状に、あるいは粒状に形成されることがある。各部位の炭素原子の結合状態をラマン分光法で測定したとき、上記[A]、[B]、[C]のいずれかを満たしていれば、その部位の炭素原子の結合状態がSP3結合又はSP3様結合であると認められる。もちろん、硬質炭素系被膜が、[A]、[B]、[C]のいずれかのみで構成されることもあり得る。この中でも、少なくとも[A]を含むことは、[A]を含まない組み合わせより好ましい。[A]は、[B]と[C]の中間の特性を持つため、[B]に対しても[C]に対しても親和性が良いからである。 In the hard carbon-based film obtained by the method for producing a hard carbon-based film according to the embodiment, portions having different bonding states of carbon atoms may be formed in the shape of marble or particles. When the bonding state of the carbon atom at each site is measured by Raman spectroscopy, if any of the above [A], [B], and [C] is satisfied, the bonding state of the carbon atom at that site is the SP3 bond or Recognized as SP3-like binding. Of course, the hard carbon-based film may be composed of only [A], [B], or [C]. Among these, including at least [A] is more preferable than the combination not including [A]. Because [A] has an intermediate property between [B] and [C], it has good affinity to both [B] and [C].
(14)上記(13)の被膜付き部材の一形態として、
前記硬質炭素系被膜は更に、
(a)ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の部位、
(b)ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の部位、
(c)ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の部位、
(d)ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の部位、
(e)ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の部位、
(f)ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の部位、
(g)ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の部位、
(h)ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の部位、及び
(i)ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の部位の少なくとも一つを含む形態を挙げることができる。
(14) As one form of the member with a coat of the above (13),
The hard carbon coating is further
(A) A site at a peak position of 910 ± 50 cm −1 in Raman spectroscopy,
(B) a peak position at 810 ± 30 cm −1 in Raman spectroscopy,
(C) The site of peak position in Raman spectroscopy is 705 ± 30 cm −1 ,
(D) a peak position in Raman spectroscopy at 535 ± 30 cm −1 ,
(E) a site at 260 ± 20 cm −1 in peak position in Raman spectroscopy,
(F) a site at 210 ± 20 cm −1 in peak position in Raman spectroscopy,
(G) The site of the peak position in Raman spectroscopy is 135 ± 20 cm −1 ,
(H) A form including at least one of a site having a peak position of 95 ± 10 cm −1 in Raman spectroscopy and (i) a site having a peak position of 2327 ± 10 cm −1 in Raman spectroscopy can be mentioned.
硬質炭素系被膜は、(a)~(d)のうちの少なくとも二つ、あるいは(e)~(i)のうちの少なくとも二つを含むことが好ましい。また、硬質炭素系被膜は、(a)~(d)のうちの少なくとも二つと、(e)~(i)のうちの少なくとも二つと、を含むことがより好ましい。上記(a)~(i)は引張りに強い特性を持つため、硬質である[A]、[B]、[C]を含む硬質炭素系被膜の靱性を向上させる。 The hard carbon-based coating preferably contains at least two of (a) to (d), or at least two of (e) to (i). More preferably, the hard carbon-based coating contains at least two of (a) to (d) and at least two of (e) to (i). Since the above (a) to (i) have strong tensile properties, the toughness of the hard carbon-based film containing hard [A], [B] and [C] is improved.
(15)実施形態に係る被膜付き部材の一形態として、
前記硬質炭素系被膜は、原子比で、水素原子及び酸素原子の少なくとも1種を合計で0.1ppb以上10%以下含む形態を挙げることができる。
(15) As one form of the member with a film concerning an embodiment,
The hard carbon-based film can include a form in which at least one of hydrogen atoms and oxygen atoms in total is 0.1 ppb to 10% in atomic ratio.
実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法では、成膜雰囲気及び放電電極の少なくとも一方に水素原子と酸素原子が含まれた状態で硬質炭素系被膜を形成している。そのため、被膜付き部材の硬質炭素系被膜には、所定量の水素原子及び酸素原子の少なくとも一方が含まれる。 In the method of manufacturing a hard carbon-based film according to the embodiment, the hard carbon-based film is formed in a state in which hydrogen atoms and oxygen atoms are contained in at least one of the film forming atmosphere and the discharge electrode. Therefore, the hard carbon-based film of the coated member contains at least one of a predetermined amount of hydrogen atoms and oxygen atoms.
[本開示の実施形態の詳細]
<実施形態1>
以下、本開示の硬質炭素系被膜の製造方法、及び被膜付き部材の実施形態を図面を参照して説明する。図面は特に記載がない限り、説明を明確にするための概略図である。よって、部材の大きさ、及び位置関係等は、誇張したり見やすい比率で記載されたりしている。複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。なお、図面の参照、及び説明の都合において必要に応じて上下左右の方向、及び位置関係を示す用語を用いるが、それらの用語の使用は発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本開示の技術的範囲が制限されるものではない。
Details of Embodiments of the Present Disclosure
First Embodiment
Hereinafter, embodiments of a method for producing a hard carbon-based coating of the present disclosure and a member with a coating will be described with reference to the drawings. The drawings are schematic for clarity of the description unless otherwise stated. Therefore, the size, the positional relationship and the like of the members are described in an exaggeration or an easy-to-see ratio. The parts denoted by the same reference symbols in the drawings indicate the same parts or members. It should be noted that terms referring to directions in the top, bottom, left, and right, and positional relationships are used as needed in reference to the drawings and for convenience of explanation, but the use of those terms is to facilitate understanding of the invention. The technical scope of the present disclosure is not limited by the meaning of the terms.
≪硬質炭素系被膜の製造方法≫
実施形態に係る硬質炭素系被膜の製造方法は、炭素電極と基材との間に繰り返し放電を発生させ、基材の表面に硬質炭素系被膜を形成する。その具体的な製造方法として、(1)交流を利用するもの、(2)直流を利用するもの、(3)パルス電圧を利用するもの、の三つがある。いずれの方法におても、成膜雰囲気及び放電電極の少なくとも一方が、水素原子、酸素原子、水分子、及び二酸化炭素分子の少なくとも一つを含む条件で行う。成膜雰囲気が気相であれば、その圧力は大気圧とすることができる。成膜雰囲気として、純水をバブリングしたバブリングガスを用いることができる。バブリングガスには、純水の温度で決まる蒸気圧分の水分子が含まれる。そのため、成膜雰囲気にバブリングガスを用いることで、硬質炭素系被膜への水素原子と酸素原子の導入を容易にする。バブリングガスは、成膜が行なわれる放電電極1の周辺に供給される。バブリングガスとしては、水素ガスも候補として挙げられるが、一般的にはアルゴンガス、及び窒素ガスなどの不活性なガスをバブリングガスとして利用することが適している。その他、成膜雰囲気は水中とすることもできる。
«Method for producing hard carbon film»
In the method of manufacturing a hard carbon-based film according to the embodiment, a discharge is repeatedly generated between the carbon electrode and the substrate to form a hard carbon-based film on the surface of the substrate. There are three specific manufacturing methods: (1) using alternating current, (2) using direct current, and (3) using pulse voltage. In any method, at least one of the film formation atmosphere and the discharge electrode is performed under the condition including at least one of a hydrogen atom, an oxygen atom, a water molecule, and a carbon dioxide molecule. If the deposition atmosphere is a gas phase, the pressure can be atmospheric pressure. A bubbling gas in which pure water is bubbled can be used as a film formation atmosphere. The bubbling gas contains water molecules for a vapor pressure determined by the temperature of pure water. Therefore, introduction of hydrogen atoms and oxygen atoms to the hard carbon-based film is facilitated by using a bubbling gas for the film formation atmosphere. The bubbling gas is supplied to the periphery of the
(1)交流を利用した製造方法
図1は、交流を利用した硬質炭素系被膜の製造方法を説明する図である。図1に示す成膜装置10は、放電電極1と、基材20を支持する支持電極3と、電源装置4と、バイアス電源5と、を備える。本例では、支持電極3上に基材20を設置し、放電電極1を基材20に近づけて、電源装置4で交流電圧を放電電極1と支持電極3との間に印加する。本例では更に、バイアス電源5によって支持電極3が負電位となるバイアス電位を印加し、放電電極1の電極材料を基材20側に引き付ける様にしている。バイアス電源5は無くても良い。この成膜装置10で放電電極1に交流電圧を印加することで、放電電極1の電極材料で構成された硬質炭素系被膜22を基材20の表面21に形成できる。放電電極1に交流電圧を印加しつつ放電電極1を基材20の表面21に並行に走査させることで、広範囲に硬質炭素系被膜22を形成することができる。走査は、表面21をスキャンできる装置を用いて自動で行っても良いし、手動で行っても良い。
(1) Manufacturing Method Using AC FIG. 1 is a view for explaining a method of manufacturing a hard carbon-based film using AC. A
電源装置4の交流電圧は3.6kV以上とすることが好ましい。これは、従来の高融点金属(1500℃より高い融点を持つ金属とする)の被覆方法における交流電圧よりも20%以上大きい。従来の高融点金属の被覆方法における交流電圧は1kV以上3kV以下程度である。高融点金属の被覆においては、交流電圧が1kVより小さいと放電時の電流が小さくなり、高融点の金属が溶融され難く、膜形成が難しくなり、3kVより大きいと放電時の衝撃が大きくなり、基材表面の凹凸が大きくなり、もとの表面形状を維持したままの平坦で均質な膜にならないからである。従来の被覆方法と同様の交流電圧で図1の成膜装置10を動作させても、炭素材料の被膜を形成することはできるが、その被膜はSP2結合の多い軟質の被膜になる。また、交流電圧が3kVより若干大きいぐらいでは、SP2結合、SP2様結合、SP3結合、及びSP3様結合が不均質に混ざる被膜となるので、本例では交流電圧を3.6kV以上としている。本例の交流電圧は、7kV以上とすることが好ましく、8kV以上とすることが更に好ましく、9kV以上とすることが最も好ましい。
The AC voltage of the
放電電極1に瞬間的に高いエネルギーを与える上で、交流電圧の周波数を高くすることが有効である。例えば周波数は、商用周波数(50Hz又は60Hz)以上13.56MHz以下とすることが挙げられる。周波数の好ましい範囲は、例えば50Hz以上100MHz以下、更には10kHz以上15MHz以下である。
In order to give high energy instantaneously to the
バイアス電源5によって支持電極3(基材20)が負電位となるバイアス電位をかける場合、そのバイアス電位の絶対値は100V以上とすることが好ましい。これは、従来の高融点金属の被膜方法におけるバイアス電位よりも20%以上大きい。従来の被覆方法におけるバイアス電位は30V以上80V以下程度である。本例のバイアス電位の上限は500Vとすることが好ましい。バイアス電位を大きくすると、SP3結合がSP3様結合に転換する可能性が高い。
In the case where the
硬質炭素系被膜22におけるSP3結合、及びSP3様結合の割合を増やすには、上述した交流電圧(交流電流)とバイアス電圧(バイアス電流)をそれぞれ独立に制御することが有効である。例えば、交流電圧とバイアス電圧がそれぞれ4.2kV超と112V超とすると、SP3様結合が均質な硬質炭素系被膜22となる。また、上記割合の増加には、基材20と放電電極1との間の距離を変化させることも有効である。瞬間的に放電電極1に大きなエネルギーを与えることができるからである。上記距離を変化させるには、例えば放電電極1を振動装置などで振動させると良い。
In order to increase the ratio of SP3 bonding and SP3 like bonding in the hard carbon-based
放電電極1には、導電性を有する炭素材料、例えばグラファイトなどを使用する。放電電極1には、炭素材料を結合する炭素以外のバインダーが含有されていても良い。放電電極1に占める炭素の含有量は90質量%以上とすることが好ましく、95質量%以上とすることがより好ましい、99質量%以上とすることが最も好ましい。さらに、炭素以外の元素の中で、共有結合性の元素が50質量%以上であることが好ましい。更に、放電電極の炭素材料が、本開示の硬質炭素系被膜の特徴を備えていることが好ましい。
For the
支持電極3は特に限定されない。例えば図1に示すように、支持電極3は、基材20を表面21側から平面視したときの面積よりも大きな平面面積を有する平板状の電極とすることが挙げられる。また、支持電極3は、導電性に優れるCu(銅)などで構成することができる。
The
その他、成膜時の基材20の温度は600℃以下であることが好ましい。基材20の温度は常温付近とすることもできる。例えば、成膜時の基材20周りの成膜雰囲気を、室温・大気雰囲気とすることが挙げられる。その場合、より簡便な設備で硬質炭素系被膜22を形成することができる。大気雰囲気であれば、大気に含まれる窒素の一部が硬質炭素系被膜22に含有される場合がある。また、成膜雰囲気は、窒素が95体積%以上の雰囲気とすることもできる。そうすることで、より多くの窒素を含んだ硬質炭素系被膜22とすることができる。分子状窒素ではなく原子状窒素を硬質炭素系被膜22に含ませるために、原子状窒素が分離し易いガス(NH3など)を含む成膜雰囲気で、硬質炭素系被膜22を成膜することが好ましい。窒素が含まれた硬質炭素系被膜22になると、炭素単体では反応してしまう被削材料に対しても適用範囲が広がるので、好ましい。硬質炭素系被膜22に窒素が原子数比で5%以上含まれると、被削材料に対する反応を抑制する効果が顕在化するようになり、10%以上で顕著になり、30%以上でさらに顕著になる。
In addition, the temperature of the
放電電極1は、硬質炭素系被膜22の成膜に伴って消耗する。そこで、放電電極1から基材20までの距離をモニターし、当該距離が一定となるように調整することが好ましい。例えば、距離を自動で調整する装置を用いて、当該距離が0.5mmで保たれるようにすることが挙げられる。その他、振動装置などで放電電極1を機械的に振動させ、基材20の表面21に放電電極1をこすりつける様にしても良い。その場合、振動によって周期的に放電電極1と基材20との間隔が開き、間隔が開いたときに放電が生じるようにできる。当該間隔は0mmから1mm程度の間で変化する。
The
(2)直流を利用した製造方法
図2は、直流を利用した硬質炭素系被膜の製造方法を説明する図である。図2に示す成膜装置10は、図1の放電電極1と支持電極3に加え、直流を発生させる電源装置4と放電電極1を振動させる振動装置6とを備える。本例では、支持電極3上に基材20を設置し、放電電極1を基材20に近づけて、電源装置4で直流電圧を放電電極1に印加すると共に、振動装置6で放電電極1を振動させる。本例においても、放電電極1を基材20の表面21に並行に走査させることで、広範囲に硬質炭素系被膜22を形成することができる。
(2) Manufacturing Method Utilizing Direct Current FIG. 2 is a view for explaining a method of manufacturing a hard carbon-based film using direct current. In addition to the
電源装置4の直流電圧は3.6kV以上とすることが好ましい。、直流電圧が3kVより若干大きいぐらいでは、SP2結合、SP2様結合、SP3結合、及びSP3様結合が不均質に混ざる被膜となるので、本例では直流電圧を3.6kV以上としている。本例の直流電圧は、7kV以上とすることが好ましく、8kV以上とすることが更に好ましく、9kV以上とすることが最も好ましい。
The DC voltage of the
振動装置6は、放電電極1の一端(基材20とは反対側)を把持し、放電電極1を周期的に振動させる。振動によって放電電極1と基材20との間の距離が変化し、その距離が所定以下になったときに、放電が生じる。振動装置6は、放電のパルス幅が100ミリ秒未満となるように調整される。例えば、振動装置6による放電電極1の振動数を1Hz以上、更には10Hz以上、あるいは50Hz以上とすることが挙げられる。瞬間的に大きなエネルギーを放電電極1に与えることで、硬質炭素系被膜22におけるSP3結合、及びSP3様結合の割合を増やすことができる。
The vibrating
本例においても、支持電極3が負電位となるバイアス電位を付与しても良い。バイアス電位の付与には、図1に示すようなバイアス電源5を用いることができる。バイアス電位はセルフバイアス電位であっても良い。図2ではバイアス電源の図示を省略している。
Also in this example, a bias potential may be applied such that the
(3)パルス電圧を利用した製造方法
既に説明したように、硬質炭素系被膜22におけるSP3結合、及びSP3様結合の割合を増やすには、瞬間的に大きなエネルギーを放電電極1に与えることが好ましい。その観点から、パルス電圧が放電電極1に印加されるようにしても良い。図3は、パルス電圧を利用した硬質炭素系被膜の製造方法を説明する図である。図3に示す成膜装置10は、図2の放電電極1、支持電極3及び電源装置4に加え、充電回路11と放電回路12と放電制御部13とを備える。充電回路11は、電源装置4の正極に繋がる可変抵抗11rと、可変抵抗11rの下流で正極線と負極線との間を繋ぐ連絡線に設けられる可変コンデンサ11cと、を備える。放電回路12は、充電回路11の可変コンデンサ11cと、上記連絡線よりも下流で可変抵抗11rに直列に繋がる抵抗12r及びインダクタ12iと、を備える。放電制御部13は、可変抵抗11rと可変コンデンサ11cの値を変化させる。本例の成膜装置10によれば、充電回路11の可変コンデンサ11cに貯めた電力を、放電回路12によってパルス状に放電電極1に印加することができる。パルス状の電圧が放電電極1に印加されることで、放電電極1と基材20との間にパルス状の放電が発生し、基材20の表面21に硬質炭素系被膜22が形成される。本例においても、放電電極1を基材20の表面21に並行に走査させることで、広範囲に硬質炭素系被膜22を形成することができる。
(3) Manufacturing Method Using Pulse Voltage As described above, it is preferable to instantaneously give large energy to the
パルス状の放電は、次の条件のいずれかを満たすことが好ましい。
・放電電極1と基材20との間の電圧が125V超でパルス幅が1ミリ秒未満
・放電電極1と基材20との間の電圧が50V超でパルス幅が10マイクロ秒未満
The pulsed discharge preferably satisfies any of the following conditions.
・ The voltage between the
上記条件を満たすように、充電回路11と放電回路12を放電制御部13で制御することで、基材20に硬質炭素系被膜22を形成することができる。放電電極1と基材20との間の電圧は、放電制御部13が可変抵抗11rと可変コンデンサ11cの値を変えることで調整できる。また、パルス幅は抵抗12r、及びインダクタンス12iの少なくとも一方を変えることで調整できる。なお、放電電極1と基材20との間の電圧とパルス幅は、高圧プローブなども利用して、オシロスコープで観察することで測定することができる。
The hard carbon-based
パルス幅の調整にあたり、放電電極1を振動させても良い。放電電極1の振動には、図2の振動装置6を利用することができる。
In adjusting the pulse width, the
放電電圧を高くすることで、硬質炭素系被膜22に占めるSP3結合、及びSP3様結合の部位(Dバンドの部位)を多くすることができる。例えば、後述するD/G>10.5を達成する場合、放電電圧を400V以上とすることが挙げられる。一方、放電電圧を低くすることで、硬質炭素系被膜22に占めるSPx結合、及びSPx様結合の部位を多くすることができる。例えば、放電電圧を80V以上110V未満とすることが挙げられる。より好ましい放電電圧は100V以上110V未満である。
By increasing the discharge voltage, it is possible to increase the number of SP3 bond and SP3-like bond sites (site of D band) occupied in the hard carbon-based
≪被膜付き部材≫
上述した硬質炭素系被膜の製造方法によれば、図4に示すような被膜付き部材2を作製することができる。被膜付き部材2は、基材20と、基材20の少なくとも一部(ここでは表面21)に形成される硬質炭素系被膜22と、を備える。
«Member with film»
According to the method of manufacturing the hard carbon-based film described above, the
基材20としては、超硬合金、鉄系材料、ホウ窒化炭素系材料、立方晶窒化ホウ素系材料、サーメット、Ni系材料、導電性セラミックスなどを挙げることができる。これらの材料は、主に工具の構成材料である。
Examples of the
上述した硬質炭素系被膜の製造方法で成膜した硬質炭素系被膜22は、ラマン分光法で特定することができる。特定方法は大別して3つある。硬質炭素系被膜22には必ず、水素原子及び酸素原子の少なくとも一方を含む。
The hard carbon-based
(1)一つ目の特定方法
硬質炭素系被膜22のラマン分光法におけるピーク位置であるXと、そのピーク位置における半値幅であるWとが下記の[条件I]を満たす。
[条件I]
38cm-1<W<500cm-1
16×(X-1347.5)+39<W<16×(X-1335)+39
X<1370cm-1
(1) First Identification Method X, which is the peak position in Raman spectroscopy of hard carbon-based
[Condition I]
38 cm -1 <W <500 cm -1
16 × (X-1347.5) +39 <W <16 × (X-1335) +39
X <1370 cm -1
既に述べたように、ラマン分光法で得られたスペクトルにおいて、SP3結合は1325cm-1以上1335cm-1未満の位置にピークを形成し、SP3様結合は1335cm-1以上1400cm-1未満の位置にピークを形成する。また、ラマン分光法で得られたスペクトルにおいて、SP2結合は1500cm-1以上1650cm-1未満の位置に半値幅が20cm-1未満のピークを形成し、SP2様結合は1500cm-1以上1650cm-1未満の位置に半値幅が20cm-1以上のピークを形成する。そのため、532nmの励起波長のレーザーを用いて、硬質炭素系被膜をラマン分光法で測定した結果が上記範囲を満たしていれば、硬質炭素系被膜においてSP3結合、及びSP3様結合が形成されていると判断できる。 As already mentioned, in a spectrum obtained by Raman spectroscopy, SP3 bond forms a peak at less than 1325cm -1 or 1335cm -1, SP3-like binding to the position of less than 1335cm -1 or 1400 cm -1 Form a peak. Further, in the spectrum obtained by Raman spectroscopy, SP2 bonds FWHM in a position of less than 1500 cm -1 or 1650 cm -1 to form a peak of less than 20 cm -1, SP2-like coupling 1500 cm -1 or 1650 cm -1 A peak with a half width of 20 cm -1 or more is formed at a position of less than 20 cm. Therefore, if the result of measuring the hard carbon-based film by Raman spectroscopy using a laser with an excitation wavelength of 532 nm satisfies the above range, SP3 bond and SP3-like bond are formed in the hard carbon film It can be judged.
上記硬質炭素系被膜22は、高硬度であるだけでなく、欠け難い性質を持つ。ピーク位置と半値幅が小さくなると硬度が高くなる傾向にあり、ピーク位置と半値幅が大きくなると耐欠損性が高くなる傾向にある。 The hard carbon coating 22 not only has high hardness, but also has the property of being hard to chip. When the peak position and the half width decrease, the hardness tends to increase, and when the peak position and the half width increase, the fracture resistance tends to increase.
(2)二つ目の特定方法
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるDバンドのピーク強度とGバンドのピーク強度との比であるD/Gと、前記Dバンドにおける半値幅であるWと、が下記の[条件II-A]又は[条件II-B]又は[条件II-C]を満たす。
・[条件II-A]
W≦115cm-1
D/G<9.0
80/(D/G)0.5<W<180/(D/G)0.5
・[条件II-B]
115cm-1<W<500cm-1
D/G<2.8
・[条件II-C]
W<50cm-1(W<30cm-1がさらに好ましくは<20cm-1)
D/G>10.5(より好ましくはD/G>50、さらに好ましくはD/G>300)
(2) Second specifying method D / G, which is the ratio of the peak intensity of the D band to the peak intensity of the G band in Raman spectroscopy of the hard carbon-based coating, and W, which is the half width of the D band , Satisfy the following [condition II-A] or [condition II-B] or [condition II-C].
・ [Condition II-A]
W ≦ 115 cm −1
D / G <9.0
80 / (D / G) 0.5 <W <180 / (D / G) 0.5
・ [Condition II-B]
115 cm -1 <W <500 cm -1
D / G <2.8
・ [Condition II-C]
W <50 cm -1 (W <30 cm -1 is more preferably <20 cm -1 )
D / G> 10.5 (more preferably D / G> 50, still more preferably D / G> 300)
既に述べたように、本明細書では、1325cm-1以上1400cm-1未満に形成されるピークはDバンド、1500cm-1以上1650cm-1未満に形成されるピークはGバンドである。つまり、DバンドはSP3結合、及びSP3様結合に対応し、GバンドはSP2結合、及びSP2様結合に対応している。そのため、両バンドのピーク強度比であるD/Gと、Dバンドにおける半値幅Wが上記範囲を満たしていれば、硬質炭素系被膜においてSP3結合、及びSP3様結合が形成されていると判断できる。 As already mentioned, in the present specification, the peaks are formed below 1325Cm -1 or 1400 cm -1 peak is formed below D band, 1500 cm -1 or 1650 cm -1 is G-band. That is, the D band corresponds to SP3 binding and SP3 like binding, and the G band corresponds to SP2 binding and SP2 like binding. Therefore, if the peak intensity ratio D / G of both bands and the half width W in the D band satisfy the above ranges, it can be determined that SP3 bond and SP3 like bond are formed in the hard carbon-based film. .
上記硬質炭素系被膜22は、高硬度であるだけでなく、欠け難く、摩耗し難い性質を持つ。D/Gが大きくなると耐摩耗性が高くなる傾向にあり、半値幅が大きくなると耐欠損性が高くなる傾向にある。
The hard carbon-based
(3)三つ目の特定方法
実施形態の硬質炭素系被膜の製造方法で得られた硬質炭素系被膜22では、炭素原子の結合状態が異なる部位がマーブル状、あるいは粒状に形成されることがある。その場合、硬質炭素系被膜22は、下記[条件III-A]を満たす部位、[条件III-B]を満たす部位、及び[条件III-C]を満たす部位の少なくとも一つを含む。
・[条件III-A]
ラマン分光法におけるピーク位置が1335cm-1以上1349cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が30cm-1以上95cm-1以下。半値幅は更に30cm-1以上90cm-1以下が好ましく、40cm-1以上73cm-1以下が更に好ましく、62cm-1以上73cm-1以下が最も好ましい。
・[条件III-B]
ラマン分光法におけるピーク位置が1349cm-1以上1370cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が95cm-1以上350cm-1以下。ピーク位置は更に、1350cm-1以上1365cm-1以下が好ましい。また、半値幅は更に120cm-1以上350cm-1以下が好ましく、130cm-1以上300cm-1以下が最も好ましい。
・[条件III-C]
ラマン分光法におけるピーク位置が1300cm-1以上1335cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が1cm-1以上29cm-1以下。
(3) Third Specific Method In the hard carbon-based
・ [Condition III-A]
Peak position in the Raman spectroscopy at 1335cm -1 or 1349cm -1 or less, the half width at the peak position is 30 cm -1 or more 95cm -1 or less. Half width is preferably further 30 cm -1 or more 90cm -1 or less, 40 cm -1 or more 73cm -1 more preferably less, 62cm -1 or 73cm -1 or less is most preferred.
・ [Condition III-B]
Peak position in the Raman spectroscopy at 1349cm -1 or 1370 cm -1 or less, the half width at the peak position is 95cm -1 or 350 cm -1 or less. The peak position is further preferably 1350 cm -1 or more and 1365 cm -1 or less. Further, the half width is more preferably 120 cm -1 or more 350 cm -1 or less, 130 cm -1 or more 300 cm -1 or less is most preferred.
・ [Condition III-C]
Peak position in the Raman spectroscopy at 1300 cm -1 or 1335cm -1 or less, the half width at the peak position 1 cm -1 or more 29cm -1 or less.
ラマン分光法で測定した部位が、上記[条件III-A]、[条件III-B]、[条件III-C]のいずれかを満たしていれば、その部位の炭素原子の結合状態がSP3結合又はSP3様結合であると認められる。この中でも、少なくとも[条件III-A]を含むことは、[条件III-A]を含まない組み合わせより好ましい。これは[条件III-A]の部位は、[条件III-B]の部位と[条件III-C]の部位の中間の特性を持つために、全体の親和性が良くなるからである。 If the site measured by Raman spectroscopy satisfies any of the above [conditions III-A], [conditions III-B], and [conditions III-C], the bonding state of the carbon atom of that site is the SP3 bond. Or recognized as SP3-like binding. Among these, including at least [condition III-A] is more preferable than the combination not including [condition III-A]. This is because the site of [Condition III-A] has an intermediate property between the site of [Condition III-B] and the site of [Condition III-C], so that the overall affinity is improved.
上記硬質炭素系被膜22は、次の項目で説明する[条件IV-A]から[条件IV-I]を満たす部位を含んでいても良い。
The hard carbon-based
(4)四つ目の特定方法
実施形態の硬質炭素系被膜の製造方法で得られた硬質炭素系被膜22では、炭素原子の結合状態が異なる部位がマーブル状、あるいは粒状に形成されることがある。その場合、硬質炭素系被膜22は、1325cm-1以上1400cm-1以下に形成されるDバンドの部位と、1500cm-1以上1650cm-1以下に形成されるGバンドの部位を有し、更に下記[条件IV-A]から[条件IV-I]の少なくとも一つを満たす部位(Nバンドエリア)を含む。
・[条件IV-A]
ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は910±30cm-1であり、より好ましい範囲は910±10cm-1である。ピークの半値幅は200cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は100cm-1未満であり、より好ましい半値幅は70cm-1未満である。
・[条件IV-B]
ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は810±20cm-1であり、より好ましい範囲は815±10cm-1である。ピークの半値幅は200cm-1未満である、ピークの好ましい半値幅は100cm-1未満であり、より好ましい半値幅は70cm-1未満である。
・[条件IV-C]
ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は705±20cm-1であり、より好ましい範囲は705±10cm-1である。ピークの半値幅は200cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は100cm-1未満であり、より好ましい半値幅は70cm-1未満である。
・[条件IV-D]
ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は535±20cm-1であり、より好ましい範囲は535±15cm-1、さらに好ましい範囲は505±10cm-1である。ピーク位置の半値幅は800cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は300cm-1未満であり、より好ましい半値幅は100cm-1未満である。
・[条件IV-E]
ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は260±15cm-1、より好ましい範囲は260±10cm-1である。ピークの半値幅は100cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は80cm-1未満であり、より好ましい半値幅は50cm-1未満である。
・[条件IV-F]
ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は210±15cm-1、より好ましい範囲は210±10cm-1である。ピークの半値幅は100cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は80cm-1未満であり、より好ましい半値幅は50cm-1未満である。
・[条件IV-G]
ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は135±15cm-1、より好ましい範囲は135±10cm-1である。ピークの半値幅は80cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は40cm-1未満であり、より好ましい半値幅は20cm-1未満である。
・[条件IV-H]
ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は95±8cm-1、より好ましい範囲は95±5cm-1である。ピークの半値幅は20cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は10cm-1未満であり、より好ましい半値幅は5cm-1未満である。
・[条件IV-I]
ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の範囲。ピーク位置の好ましい範囲は2327±7cm-1、より好ましい範囲は2327±5cm-1である。ピークの半値幅は16cm-1未満である。ピークの好ましい半値幅は8cm-1未満であり、より好ましい半値幅は5cm-1未満である。
(4) Fourth Specific Method In hard carbon-based
・ [Condition IV-A]
Peak position in Raman spectroscopy is in the range of 910 ± 50 cm −1 . The preferred range of peak positions is 910 ± 30 cm −1 , and the more preferred range is 910 ± 10 cm −1 . The half width of the peak is less than 200 cm -1 . The preferred full width at half maximum of the peak is less than 100 cm −1 , and the more preferred half width is less than 70 cm −1 .
・ [Condition IV-B]
Peak position in Raman spectroscopy is in the range of 810 ± 30 cm −1 . The preferred range of peak positions is 810 ± 20 cm −1 , and the more preferred range is 815 ± 10 cm −1 . The half width of the peak is less than 200 cm -1 , the preferred half width of the peak is less than 100 cm -1 , and the more preferred half width is less than 70 cm -1 .
・ [Condition IV-C]
The peak position in Raman spectroscopy is in the range of 705 ± 30 cm −1 . A preferred range of peak positions is 705 ± 20 cm −1 , and a more preferred range is 705 ± 10 cm −1 . The half width of the peak is less than 200 cm -1 . The preferred full width at half maximum of the peak is less than 100 cm −1 , and the more preferred half width is less than 70 cm −1 .
・ [Condition IV-D]
Peak position in Raman spectroscopy is in the range of 535 ± 30 cm −1 . The preferred range of the peak position is 535 ± 20 cm −1 , more preferably 535 ± 15 cm −1 , and still more preferably 505 ± 10 cm −1 . The half value width of the peak position is less than 800 cm -1 . The preferred full width at half maximum of the peak is less than 300 cm −1 , and the more preferred half width is less than 100 cm −1 .
・ [Condition IV-E]
The peak position in Raman spectroscopy is in the range of 260 ± 20 cm −1 . A preferred range of peak positions is 260 ± 15 cm −1 , and a more preferred range is 260 ± 10 cm −1 . The half width of the peak is less than 100 cm -1 . The preferred full width at half maximum of the peak is less than 80 cm -1 , and the more preferred half width is less than 50 cm -1 .
・ [Condition IV-F]
Peak position in Raman spectroscopy is in the range of 210 ± 20 cm −1 . The preferable range of the peak position is 210 ± 15 cm −1 , and the more preferable range is 210 ± 10 cm −1 . The half width of the peak is less than 100 cm -1 . The preferred full width at half maximum of the peak is less than 80 cm -1 , and the more preferred half width is less than 50 cm -1 .
・ [Condition IV-G]
Peak position in Raman spectroscopy is in the range of 135 ± 20 cm −1 . The preferred range of the peak position is 135 ± 15 cm −1 , and the more preferred range is 135 ± 10 cm −1 . The half width of the peak is less than 80 cm -1 . The preferred full width at half maximum of the peak is less than 40 cm -1 , and the more preferred half width is less than 20 cm -1 .
・ [Condition IV-H]
Peak position in Raman spectroscopy is in the range of 95 ± 10 cm −1 . The preferred range of the peak position is 95 ± 8 cm −1 , and the more preferred range is 95 ± 5 cm −1 . The half width of the peak is less than 20 cm -1 . The preferred full width at half maximum of the peak is less than 10 cm −1 , and the more preferred half width is less than 5 cm −1 .
・ [Condition IV-I]
The peak position in Raman spectroscopy is in the range of 2327 ± 10 cm −1 . The preferable range of the peak position is 2327 ± 7 cm −1 , and the more preferable range is 2327 ± 5 cm −1 . The half width of the peak is less than 16 cm -1 . The preferred full width at half maximum of the peak is less than 8 cm −1 , and the more preferred half width is less than 5 cm −1 .
上記Nバンドエリアは、繊維質の炭素材料、及び潤滑性のある導電性の炭素材料で認められる。繊維質の炭素材料は、硬質炭素系被膜22が形成された工具の抗折強度を大きくする効果があると考えられる。一方、潤滑性のある導電性の炭素材料は、硬質炭素系被膜22が形成された工具の切削抵抗を小さくする効果があると考えられる。そのため、Nバンドエリアを含む硬質炭素系被膜22を備える工具は、曲げ強度に優れ、耐欠損性、耐摩耗性を有する工具となることが期待される。
The N band area is recognized in fibrous carbon materials and in conductive conductive carbon materials having lubricity. The fibrous carbon material is considered to be effective in increasing the bending strength of the tool on which the hard carbon-based
また、潤滑性のある導電性の炭素材料は、硬質炭素系被膜22が形成された電極材料の耐久性及び電池の容量を大きくする効果があると考えられる。そのため、Nバンドエリアを含む硬質炭素系被膜22を備える電極材料は耐久性に優れ、高容量の電池を作製することができると期待される。
Further, it is considered that the conductive and conductive carbon material has an effect of increasing the durability of the electrode material on which the hard carbon-based
ここで、Nバンドエリアでは、Dバンドのピークも検出される。ラマンイメージでNバンドエリアを特定するにあたり、N/Dを用いることができる。N/Dは、Nバンドのピーク強度と、Dバンドのピーク強度の比である。N/Dの好ましい範囲は、1/5以上15以下である。より好ましいN/Dは1/3以上6以下である。 Here, in the N band area, the peak of the D band is also detected. N / D can be used to identify the N band area with a Raman image. N / D is the ratio of the peak intensity of the N band to the peak intensity of the D band. The preferable range of N / D is 1/5 or more and 15 or less. More preferable N / D is 1/3 or more and 6 or less.
硬質炭素系被膜22には、原子比で、水素原子及び酸素原子の少なくとも1種を合計で0.1ppb以上10%以下含まれる。成膜雰囲気及び放電電極1に水素原子及び酸素原子が含まれるからである。
The hard carbon-based
硬質炭素系被膜22は、炭素以外の原子を含んでいても良い。例えば、硬質炭素系被膜22中に5原子%以上60原子%以下の窒素を含む形態、5原子%以上50原子%以下のホウ素を含む形態を挙げることができる。前者の形態では硬質炭素系被膜22中に窒化炭素が含まれ、後者の形態では硬質炭素系被膜22中にホウ窒化炭素が含まれる。その他、硬質炭素系被膜22中に、アルミニウム、シリコン及びリンを合計で5原子%以上50原子%以下含まれる形態を挙げることができる。
The hard carbon-based
(その他の構成)
硬質炭素系被膜22の表面粗さRaは0.1μm以上であることが好ましい。硬質炭素系被膜22の表面粗さRaが0.1μm以上であれば、密着性が強固になる。ここで、本明細書におけるRaは、JIS B0601(2001年)に規定される算術平均粗さである。
(Other configuration)
The surface roughness Ra of the hard carbon-based
硬質炭素系被膜22の厚さは適宜選択することができる。例えば、硬質炭素系被膜22の厚さは10μm以下とすることが挙げられる。厚さは必ずしも均一である必要はなく、最も厚い箇所の厚さが10μm以下であれば良い。厚さを10μm以下とすることで、硬質炭素系被膜22の剥離を抑制し易い。厚さは、図1~3の放電電極1の走査速度を変化させることによって調整することができる。硬質炭素系被膜22の上を更に放電電極1で走査し、硬質炭素系被膜22を厚くすることも可能である。
The thickness of the hard carbon-based
上記硬質炭素系被膜22の平均粒径が10μm以下であることが好ましい。硬質炭素系被膜22の平均粒径が10μm以下であれば、硬質炭素系被膜22の靱性を向上させることができる。硬質炭素系被膜22の平均粒径は、硬質炭素系被膜22を顕微鏡観察により求めることができる。具体的には、10個以上の結晶粒子について面積を測定し、各粒子の面積と同等となる円の直径を求める。求めた直径の平均値が、硬質炭素系被膜22の平均粒径である。
The average particle diameter of the hard carbon-based
また、硬質炭素系被膜22が形成される基材20の表面21の表面粗さRaも0.1μm以上であることが好ましい。基材20の表面粗さRaが0.1μm以上であれば、基材20と硬質炭素系被膜22との接合面積が大きくなり、硬質炭素系被膜22が剥離し難くなる。
Moreover, it is preferable that surface roughness Ra of the
基材20の表面21と硬質炭素系被膜22との間に、両者の密着性を向上させる中間層23を備えていても良い。中間層23としては、Ni,Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,Mo,Wの少なくとも1種を含む金属層又は複合金属層が挙げられる。また、中間層23として、TiN,ZrN,HfN,NbN,TaN,NbC、TaC,MoC,WCの少なくとも1種を含むセラミックス層又は積層セラミックスが挙げられる。この中間層23の平均厚みは10μm以下とすることが好ましい。
Between the
<試験例>
図1~3のいずれかの成膜装置10を用いて、図4に示す硬質炭素系被膜22を備える被膜付き部材2を作製した。
≪試験1≫
試験1では、図2に示す直流電流を用いた成膜装置10(バイアス電源5は無し)によって硬質炭素系被膜22を形成した。まず、100mm×100mm×5mmtサイズのCu製の支持電極3の上に30mm×30mm×1mmtのMo又は炭化タングステン(WC)の基材20を載せた。次いで、支持電極3と炭素棒からなる放電電極1との間に3.8kV又は4.0V、60Hzの直流電圧を印加しながら、放電電極1を基材20に接触しないように近づけた。交流電流は、放電時に放電電極1と基材20との間で約0.4A流れた。放電電極1には60Hzの振動を加えていたので、振動時に放電電極1と基材20との離隔距離が近くなったときに放電が起こった。成膜雰囲気は、アルゴン(Ar)と純水(H2O)の混合雰囲気とした。具体的には、容器中で60℃に保持した純水にArガスをバブリングし、その純水中で基材20に硬質炭素系被膜22を形成した。
<Test example>
The film-coated
«
In the
基材20上に硬質炭素系被膜22が形成されたので、それを532nmの励起波長のレーザーを用いたラマン分光法で評価した。評価にあたっては、硬質炭素系被膜22の被覆領域の2次元的重心を含む100μm角の領域を、ラマン分光装置のマッピング機能あるいはイメージング機能で分析し、特性によって色分け、あるいは濃淡で表示されたラマンイメージを作製した。そのラマンイメージのうち、Dバンドが面積比で50%超を占める主要部分を特定し、その主要部分のラマンピークと半値幅を調べた。その結果を表1に示す。表1のラマンピーク(1)は、上記主要部分で検出されたピークであって、SP3結合、及びSP3様結合の存在を示すDバンドのうちで、最も大きいピークである。また、ラマンピーク(2)は、上記主要部分で検出されたピークであって、SP2結合、及びSP2様結合の存在を示すGバンドのうちで、最も大きいピークである。また、D/Gは、Dバンドのピーク強度をGバンドのピーク強度で除したピーク比である。これら表中の用語の意味は後述する表2~表6においても同様である。
Since the hard carbon-based
また、各サンプルの硬質炭素系被膜22の平面面積に占める上記主要部分の面積比率(エリア比)を調べた。エリア比は、色分けされたラマンイメージ、あるいは濃淡で表示されたラマンイメージを利用し、計算により求めた。更に、各サンプルの硬質炭素系被膜22に含まれる水素原子(H)、酸素原子(O)、及びアルゴン原子(Ar)の量を求めた。元素の含有量(原子%)は、二次イオン質量分析法を用いた一般的な手順で求めた。これらの結果も表1に示す。
Moreover, the area ratio (area ratio) of the said main part to the planar area of the hard carbon-
表1に示すように、サンプル1-1では、ピーク位置1346cm-1で半値幅52cm-1のSP3様結合と、ピーク位置1581cm-1で半値幅55cm-1のSP2様結合のスペクトルが確認された。また、サンプル1-2では、ピーク位置1348cm-1で半値幅55cm-1のSP3様結合と、ピーク位置1585cm-1で半値幅50cm-1のSP2様結合のスペクトルが確認された。これらサンプル1-1,1-2の被膜は、被膜付き部材2の項目で説明した[条件I]と[条件II-A]と[条件III-A]とを同時に満たす硬質炭素系被膜22であることが分かった。
As shown in Table 1, Sample 1-1, and SP3-like coupling half width 52cm -1 at the peak position 1346Cm -1, the spectrum of the SP2-like coupling half width 55cm -1 is confirmed by the peak position 1581 cm -1 The Further, in the sample 1-2, and SP3-like coupling half width 55cm -1 at the peak position 1348Cm -1, the spectrum of the SP2-like
また、サンプル1-1のエリア比は81%、サンプル1-2のエリア比は85%であった。つまり、硬質炭素系被膜22の平面面積に占める主要部分の割合が非常に高いことが分かった。
In addition, the area ratio of Sample 1-1 was 81%, and the area ratio of Sample 1-2 was 85%. That is, it has been found that the ratio of the main portion to the planar area of the hard carbon-based
更に、各サンプルには、原子比で、水素原子及び酸素原子が合計で0.1ppm以上5%以下含まれていることが分かった。また、各サンプルにはアルゴン原子が含まれていることも分かった。これらの原子は、成膜雰囲気に由来するものと考えられる。 Furthermore, it was found that in each sample, hydrogen atoms and oxygen atoms in total were contained at 0.1 ppm or more and 5% or less in atomic ratio. It was also found that each sample contained an argon atom. These atoms are considered to be derived from the film forming atmosphere.
≪試験2≫
試験2では、図3のパルス放電を用いた成膜装置10を用いて基材20上に硬質炭素系被膜22を形成したサンプル5-1~5-11を作製した。基材20は、超硬合金、中間層23を有する超硬合金、Ta、Mo、Nb、高速度鋼、又はAlのいずれかであった。中間層23は、Niメッキ層、又はTiNメッキ層であった。成膜装置10は、パルス放電の条件が下記[A]、[B]のいずれかを満たすように調整した。放電電極1は、30Hz、60Hz、又は90Hzで振動させながら基材20の表面21にこすりつけるようにして、放電電極1で表面21を走査した。
[A]放電電極1と基材20との間の電圧が50V超でパルス幅が10マイクロ秒未満
[B]放電電極と前記基材との間の電圧が125V超でパルス幅が1ミリ秒未満
«
In
[A] The voltage between the
各サンプルの成膜雰囲気は以下の通りである。
・サンプル2-1~2-3
成膜雰囲気…水素(H2)ガス(100%)
・サンプル2-4~2-6
成膜雰囲気…二酸化炭素(CO2)ガス(100%)
・サンプル2-7,2-8
成膜雰囲気…60℃の純水をバブリングしたArガス(100%)
・サンプル2-9~2-11
成膜雰囲気…60℃の純水をバブリングしたN2ガス(100%)
ここで、サンプル2-7,2-8の作製に使用した放電電極1のみ、水素が5原子%含有されているものを使用した。
The film formation atmosphere of each sample is as follows.
・ Samples 2-1 to 2-3
Deposition atmosphere: hydrogen (H 2 ) gas (100%)
・ Samples 2-4 to 2-6
Deposition atmosphere: carbon dioxide (CO 2 ) gas (100%)
・ Samples 2-7 and 2-8
Film forming atmosphere: Ar gas (100%) bubbling pure water at 60 ° C.
Samples 2-9 to 2-11
Film forming atmosphere: N 2 gas (100%) bubbling pure water at 60 ° C.
Here, only the
各サンプルをラマン分光法で調べたところ、特性が異なるエリアがマーブル状に形成されていた。各エリアのピークを調べた結果を表2,3に示す。各サンプルには、第一エリア、第二エリア、第四エリアが認められ、一部のサンプルには第三エリアも含まれていた。第一エリアは、DバンドとGバンドが混在している部分を含むエリアである。第二エリアは、[条件III-A]又は[条件III-B]を満たす部分を含むエリアである。第三エリアは、[条件III-C]を満たす部分を含むエリアである。第四エリアは、[条件IV-A]から[条件IV-I]のいずれかを満たす部分を含むエリア(Nバンドエリアに同じ)である。 When each sample was examined by Raman spectroscopy, areas with different characteristics were formed in a marble shape. The results of examining the peaks in each area are shown in Tables 2 and 3. Each sample contained a first area, a second area and a fourth area, and some samples also included a third area. The first area is an area including a portion in which the D band and the G band are mixed. The second area is an area including a portion satisfying [condition III-A] or [condition III-B]. The third area is an area including a portion satisfying [Condition III-C]. The fourth area is an area (same as N band area) including a portion satisfying any of [condition IV-A] to [condition IV-I].
表2の結果(第一エリアの結果)をプロットしたグラフを図5,6に示す。図5のグラフの横軸はラマンピーク(1)のピーク位置(cm-1)、縦軸はラマンピーク(1)の半値幅(cm-1)を示し、菱形の細線で囲まれる部分が[条件I]を満たす範囲である。一方、図6のグラフの横軸はD/G、縦軸はラマンピーク(1)の半値幅(cm-1)である。図6における二本の曲線と、半値幅の115cm-1の位置を示す横方向の破線と、D/Gの9.0の位置を示す縦方向の破線と、で囲まれる部分が[条件II-A]を満たす範囲である。また、図6における半値幅の115cm-1の位置を示す横方向の破線と、D/Gの2.8の位置を示す縦方向の点線と、で囲まれる部分が[条件II-B]を満たす範囲である。 The graph which plotted the result of Table 2 (result of 1st area) is shown to FIG. The horizontal axis of the graph in FIG. 5 represents the peak position (cm -1 ) of the Raman peak (1), and the vertical axis represents the half width (cm -1 ) of the Raman peak (1). It is the range which satisfy | fills condition I]. On the other hand, the horizontal axis of the graph in FIG. 6 is D / G, and the vertical axis is the half width (cm −1 ) of the Raman peak (1). A portion surrounded by two curves in FIG. 6, a broken line in the horizontal direction indicating the position of 115 cm −1 in half width, and a broken line in the vertical direction indicating the position of 9.0 in D / G It is the range which satisfies-A]. Further, a portion surrounded by a broken line in the horizontal direction indicating the position of 115 cm -1 in the half width in FIG. 6 and a dotted line in the vertical direction indicating the position of D / G of 2.8 corresponds to [Condition II-B]. It is a range that meets.
図6に示すように、大部分のサンプルは、[条件II-A]又は[条件II-B]を満たすが、一部のサンプルは、[条件II-A]又は[条件II-B]を満たさない。しかし、図5に示すように、全てのサンプルは[条件I]を満たしており、全てのサンプルの被膜は、硬質炭素系被膜22であることが分かった。
As shown in FIG. 6, most of the samples satisfy [condition II-A] or [condition II-B], but some of the samples satisfy [condition II-A] or [condition II-B]. I do not meet. However, as shown in FIG. 5, it was found that all the samples satisfied [condition I], and the coatings of all the samples were hard carbon-based
表2の結果から、放電電圧が110Vであるサンプル2-4,2-5,2-6は、放電電圧が125V超の他のサンプルに比べて、ラマンピーク(1)が高い傾向にあった。サンプル2-4,2-5,2-6は[条件III-B]を満たし、その他のサンプルは[条件III-A]を満たす。 From the results in Table 2, samples 2-4, 2-5, 2-6 having a discharge voltage of 110 V tended to have higher Raman peaks (1) than the other samples having a discharge voltage of more than 125 V. . Samples 2-4, 2-5, and 2-6 satisfy [Condition III-B], and the other samples satisfy [Condition III-A].
また、表2,3の結果から、試験2の硬質炭素系被膜22では第一エリアが約50%以上を占め、第二エリアが約20~30%前後を占めていることが分かった。各サンプルの硬質炭素系被膜22には、所定量の水素原子又は酸素原子が含まれていた。
Further, from the results of Tables 2 and 3, it was found that in the hard carbon-based
≪試験3≫
試験3では、放電電極1と液相の成膜雰囲気のバブリングガスが異なる以外は、試験2のサンプル2-9~2-11と同様の材料及び手法でサンプル3-1~3-3を作製した。放電電極1は、98質量%の炭素と2質量%の窒素が含まれるもので、気相合成法により作製した。また、バブリングガスは窒素(100%)とした。
«
In
サンプル3-1~3-3の硬質炭素系被膜22に含まれる窒素含有量を測定した。その結果を表4に示す。硬質炭素系被膜22における窒素の含有量は、エネルギー分散型X線分析を用いた一般的な手順で求めた。窒素の含有量は、サンプル中央(被膜領域の2次元的重心)を含む100μm角中の平均の値である。ラマン分光法によって、全てサンプルの硬質炭素系被膜22が[条件I]、[条件II-A]を満たすことを確認した。
The nitrogen content contained in the hard carbon-based
表4に示すように、サンプル3-1、3-2、3-3の結果から、パルス電圧幅が大きくなると、硬質炭素系被膜22に含まれる窒素量が大きくなることが分かった。
As shown in Table 4, from the results of Samples 3-1, 3-2, and 3-3, it was found that the amount of nitrogen contained in the hard carbon-based
≪試験4≫
試験4では、図3のパルス放電を用いた成膜装置10を用いて基材20上に硬質炭素系被膜22を形成したサンプル4-1~4-3を作製した。基材20はTaであった。放電電圧は500V又は800V、パルス電圧幅は0.7、又は0.9、放電電極1の振動周波数は180Hz又は360Hzであった。また、成膜雰囲気は、試験2のサンプル2-7~2-8と同じとした。各サンプルの成膜条件とラマン分光法の測定結果を表5に示す。表5に示すように、サンプル4-1~4-3においても、硬質炭素系被膜22に水素原子、及び酸素原子が確認された。
«
In
表5に示すように、サンプル4-1~4-3はいずれも、[条件II-C]を満たしていた。条件II-Cは、Dバンド(ラマンピーク(1))の半値幅が50cm-1未満で、D/Gが10.5超であることを規定している(図6のグラフに示す一点鎖線で囲まれた部分を参照)。サンプル4-1~4-3のD/Gはいずれも極めて大きな値になっている。つまり、サンプル4-1~4-3では、Dバンドが極めて優勢である。DバンドはSP3結合、SP3様結合に対応するバンドであるので、サンプル4-1~4-3の硬質炭素系被膜22は、SP3結合、及びSP3様結合の割合が極めて多い被膜である。
As shown in Table 5, all of the samples 4-1 to 4-3 satisfied the [condition II-C]. Condition II-C specifies that the half width of D band (Raman peak (1)) is less than 50 cm -1 and D / G is more than 10.5 (the alternate long and short dash line shown in the graph of FIG. See the section enclosed by). The D / G values of Samples 4-1 to 4-3 are all extremely large. That is, in the samples 4-1 to 4-3, the D band is extremely dominant. Since the D band is a band corresponding to the SP3 bond and the SP3 like bond, the hard carbon-based
試験4では、試験2に比べて放電電圧を高めに設定している。そのことが硬質炭素系被膜22のD/Gを大きくすることに寄与しているものと推察される。特に、サンプル4-1、4-2を比較すると、放電電圧が高くなるとD/Gが大きく上昇することが分かる。また、サンプル4-1と、サンプル4-3とを比較することで、放電電極1の振動周波数を高くすることでD/Gを大きくできることが分かった。
In
≪試験5≫
試験5では、試験2と同様の手法で硬質炭素系被膜22を有するサンプル5-1~5-12を作製した。基材20はTa、Cu、又はAlであった。放電電圧は100V、102V、105V、又は108V、パルス電圧幅は0.005msec、0.007msec、0008msec、又は0.009msec、放電電極1の振動周波数は90Hz、又は120Hzであった。各サンプルの成膜条件とラマン分光法の測定結果を表6に示す。各サンプルの硬質炭素系被膜22において第四エリア([条件IV-A]から[条件IV-I]のいずれかを満たす部分)が最も大きな面積を占めていた。従って、表9では第四エリアの測定結果のみを示す。また、表6では、Nバンドのピーク強度と、Dバンドのピーク強度との比(N/D)を合わせて示す。
«
In
表6に示すように、サンプル5-1~5-12[条件IV-A]から[条件IV-I]のうち、二つを満たす部位が混在する第四エリアが大半を占める。これのピークは、カーボンナノチューブ、又はフラーレンなどのラマンピークに近いピークである。試験5では、放電電圧を100Vから110V程度に設定し、かつ放電電極1の振動周波数を90Hzから120Hz程度に設定している。つまり、試験5では、試験2に比べて放電電圧を低めに設定している。そのことが硬質炭素系被膜22に占める第四エリアを大きくすることに寄与しているものと推察される。
As shown in Table 6, among the samples 5-1 to 5-12 [conditions IV-A] to [conditions IV-I], the fourth area in which the portions satisfying the two conditions are mixed occupies the majority. The peak of this is a peak close to a carbon nanotube or a Raman peak such as fullerene. In
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the embodiments described above but by the scope of claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.
10 成膜装置
11 充電回路 11r 可変抵抗 11c 可変コンデンサ
12 放電回路 12r 抵抗 12i インダクタ
13 放電制御部
1 放電電極
2 被膜付き部材
20 基材 21 表面 22 硬質炭素系被膜 23 中間層
3 支持電極
4 電源装置
5 バイアス電源
6 振動装置
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記成膜装置によって、所定の成膜雰囲気の下、前記放電電極と前記基材との間に繰り返し放電を発生させることで、前記表面に硬質炭素系被膜を形成する工程Bと、を備え、
前記工程Bは、
前記成膜雰囲気及び前記放電電極の少なくとも一方が、水素原子、酸素原子、水分子、及び二酸化炭素分子の少なくとも一つを含む条件で行う硬質炭素系被膜の製造方法。 A film forming apparatus having a power supply device and a discharge electrode containing a carbon material, and a step A of preparing a substrate having a surface on which a film is to be formed,
A step B of forming a hard carbon-based film on the surface by repeatedly generating a discharge between the discharge electrode and the base material under a predetermined film forming atmosphere by the film forming apparatus;
The process B is
The method for producing a hard carbon-based film, which is performed under the condition that at least one of the film forming atmosphere and the discharge electrode contains at least one of a hydrogen atom, an oxygen atom, a water molecule, and a carbon dioxide molecule.
前記放電電極に印加する交流電圧は3.6kV以上である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の硬質炭素系被膜の製造方法。 The power supply device is an alternating current power supply,
The method for producing a hard carbon-based film according to any one of claims 1 to 3, wherein an alternating voltage applied to the discharge electrode is 3.6 kV or more.
前記放電電極に印加する直流電圧は3.6kV以上であり、
前記放電電極を周期的に振動させ、100ミリ秒未満のパルス幅を有する放電を生じさせる請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の硬質炭素系被膜の製造方法。 The power supply device is a DC power supply,
The DC voltage applied to the discharge electrode is 3.6 kV or more,
The method for producing a hard carbon-based film according to any one of claims 1 to 3, wherein the discharge electrode is periodically vibrated to generate a discharge having a pulse width of less than 100 milliseconds.
前記電源装置からの電力を蓄える充電回路と、
前記充電回路の電力をパルス状に放電させる放電回路と、
前記放電電極と前記基材との間の電圧が125V超でパルス幅が1ミリ秒未満の放電、又は前記放電電極と前記基材との間の電圧が50V超でパルス幅が10マイクロ秒未満の放電が発生するように前記放電回路を制御する放電制御部と、を備える請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の硬質炭素系被膜の製造方法。 The film forming apparatus is
A charging circuit for storing power from the power supply device;
A discharge circuit for discharging the power of the charging circuit in a pulse shape;
A discharge between the discharge electrode and the substrate with a voltage greater than 125 V and a pulse width less than 1 millisecond, or a voltage between the discharge electrode and the substrate with a voltage greater than 50 V and a pulse width less than 10 microseconds The method for manufacturing a hard carbon-based film according to any one of claims 1 to 3, further comprising: a discharge control unit that controls the discharge circuit so as to generate the discharge.
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるピーク位置であるXと、そのピーク位置における半値幅であるWとが以下の条件を満たす被膜付き部材。
38cm-1<W<500cm-1
16×(X-1347.5)+39<W<16×(X-1335)+39
X<1370cm-1 A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon-based film contains at least one of a hydrogen atom and an oxygen atom,
A coated member, wherein X being a peak position in Raman spectroscopy of the hard carbon-based coating and W being a half width at the peak position satisfy the following conditions.
38 cm -1 <W <500 cm -1
16 × (X-1347.5) +39 <W <16 × (X-1335) +39
X <1370 cm -1
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、
前記硬質炭素系被膜のラマン分光法におけるDバンドのピーク強度とGバンドのピーク強度との比であるD/Gと、前記Dバンドにおける半値幅であるWとが、
W≦115cm-1、かつD/G<9.0、かつ80/(D/G)0.5<W<180/(D/G)0.5、又は
115cm-1<W<500cm-1、かつD/G<2.8、又は
W<50cm-1、かつ10.5<D/Gを満たす被膜付き部材。 A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon-based film contains at least one of a hydrogen atom and an oxygen atom,
D / G which is a ratio of the peak intensity of D band to the peak intensity of G band in Raman spectroscopy of the hard carbon-based film, and W which is the half width of the D band,
W ≦ 115 cm −1 , and D / G <9.0 and 80 / (D / G) 0.5 <W <180 / (D / G) 0.5 or 115 cm −1 <W <500 cm −1 And a coated member that satisfies D / G <2.8 or W <50 cm −1 and 10.5 <D / G.
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、かつラマン分光法におけるDバンドのピークとGバンドのピークを有する部位を含み、
更に
ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の部位、及び
ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の部位、の少なくとも一つを含む被膜付き部材。 A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon-based film includes at least one of a hydrogen atom and an oxygen atom, and a site having a peak of D band and a peak of G band in Raman spectroscopy,
Furthermore, the peak position in Raman spectroscopy is a site at 910 ± 50 cm −1 ,
The peak position in Raman spectroscopy is a site at 810 ± 30 cm −1 ,
The site where the peak position is 705 ± 30 cm −1 in Raman spectroscopy,
The peak position in Raman spectroscopy is a site at 535 ± 30 cm −1 ,
The peak position in Raman spectroscopy is a site of 260 ± 20 cm −1 ,
The site of peak position at 210 ± 20 cm −1 in Raman spectroscopy,
The site of the peak position 135 ± 20 cm −1 in Raman spectroscopy,
A coated member comprising at least one of a site with a peak position of 95 ± 10 cm −1 in Raman spectroscopy and a site with a peak position of 2327 ± 10 cm −1 in Raman spectroscopy.
前記硬質炭素系被膜は、水素原子、及び酸素原子の少なくとも一方を含み、かつ
ラマン分光法におけるピーク位置が1335cm-1以上1349cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が30cm-1以上95cm-1以下の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が1349cm-1以上1370cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が95cm-1以上350cm-1以下の部位、及び
ラマン分光法におけるピーク位置が1300cm-1以上1335cm-1以下で、そのピーク位置における半値幅が1cm-1以上29cm-1以下の部位、の少なくとも一つを含む被膜付き部材。 A coated member comprising a substrate and a hard carbon-based film formed on at least a part of the substrate,
The hard carbon coating is hydrogen atom, and at least one of an oxygen atom, and the peak position in the Raman spectroscopy at 1335cm -1 or 1349cm -1 or less, the half width at the peak position is 30 cm -1 or more 95cm - 1 part or less,
Peak position in the Raman spectroscopy at 1349cm -1 or 1370 cm -1 or less, a half value width 95cm -1 or 350 cm -1 or less site at the peak position, and the peak position is 1300 cm -1 or more in the Raman spectroscopy 1335Cm -1 hereinafter, the half value width of 1 cm -1 or more 29cm -1 or less site at the peak position, a coated member comprising at least one.
ラマン分光法におけるピーク位置が910±50cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が810±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が705±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が535±30cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が260±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が210±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が135±20cm-1の部位、
ラマン分光法におけるピーク位置が95±10cm-1の部位、及び
ラマン分光法におけるピーク位置が2327±10cm-1の部位、の少なくとも一つを含む請求項10、請求項11、又は請求項13に記載の被膜付き部材。 The hard carbon-based coating further has a peak position of 910 ± 50 cm −1 in Raman spectroscopy,
The peak position in Raman spectroscopy is a site at 810 ± 30 cm −1 ,
The site where the peak position is 705 ± 30 cm −1 in Raman spectroscopy,
The peak position in Raman spectroscopy is a site at 535 ± 30 cm −1 ,
The peak position in Raman spectroscopy is a site of 260 ± 20 cm −1 ,
The site of peak position at 210 ± 20 cm −1 in Raman spectroscopy,
The site of the peak position 135 ± 20 cm −1 in Raman spectroscopy,
The peak position in Raman spectroscopy includes at least one of a site of 95 ± 10 cm −1 and a peak position in Raman spectroscopy of 2327 ± 10 cm −1. The coated member as described.
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