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JP4807290B2 - Film forming method and film forming member - Google Patents
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JP4807290B2 - Film forming method and film forming member - Google Patents

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Description

本発明は、基材の表面への皮膜の成膜方法及び基材の表面に皮膜が形成された皮膜形成部材に係り、密着性に優れた皮膜の成膜方法、及び皮膜形成部材に関する。   The present invention relates to a film forming method on a surface of a substrate and a film forming member having a film formed on the surface of the substrate, and relates to a film forming method having excellent adhesion and a film forming member.

従来から、部材の耐摩耗性の向上、及び、摩擦係数の低減を図るべく、部材の表面に皮膜を成膜することがある。近年では、このような皮膜として、他の材質に比べて硬質であるという特性と、固体潤滑として作用するという特性とを兼ね備えていることから、非晶質炭素皮膜(いわゆるDLC皮膜)が注目されている。   Conventionally, a film is sometimes formed on the surface of a member in order to improve the wear resistance of the member and reduce the friction coefficient. In recent years, an amorphous carbon film (so-called DLC film) has attracted attention as such a film because it has both the characteristics of being harder than other materials and the characteristic of acting as solid lubrication. ing.

前記非晶質炭素皮膜は、アーク式イオンプレーティング(以下、AIP)や、スパッタリングにより成膜されることが一般的である。しかし、非消失炭素皮膜は、成膜において圧縮残留応力が内部に蓄積されることがあり、基材との密着性が低く、場合によっては、皮膜が基材から剥離することがあった。   The amorphous carbon film is generally formed by arc ion plating (hereinafter referred to as AIP) or sputtering. However, the non-disappearing carbon film sometimes accumulates compressive residual stress in the film formation, has low adhesion to the base material, and in some cases, the film may peel from the base material.

このような問題点を解決すべく、非晶質炭素皮膜と基材との間に、皮膜と基材との密着性を向上させるための中間層の役割を果たす皮膜を成膜する場合がある。前記中間層となる皮膜の材料は、基材との間に炭素との炭化物を形成し易い金属材料が選定されることが多い。たとえば、基材の表面に、前記中間層としてクロム層、クロム傾斜層、DLC硬度傾斜層、硬質DLC層の順に成膜した摺動部材が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In order to solve such problems, a film that serves as an intermediate layer for improving the adhesion between the film and the substrate may be formed between the amorphous carbon film and the substrate. . As the material of the coating film serving as the intermediate layer, a metal material that easily forms a carbide with carbon between the base material and the base material is often selected. For example, a sliding member has been proposed in which a chromium layer, a chromium gradient layer, a DLC hardness gradient layer, and a hard DLC layer are formed in this order on the surface of a substrate as the intermediate layer (see, for example, Patent Document 1).

このような摺動部材は、表面にDLC皮膜を形成することにより、摺動部材の耐摩耗性の向上、摩擦係数の低減を図ることができると共に、中間層としてクロムを含む層を有するので、基材と皮膜との密着性を確保することができる。   Since such a sliding member can improve the wear resistance of the sliding member and reduce the friction coefficient by forming a DLC film on the surface, it has a layer containing chromium as an intermediate layer. Adhesion between the substrate and the film can be ensured.

特開2004−10923号公報JP 2004-10923 A

しかし、前記中間層を形成した場合であっても、高面圧摺動などの環境においては、基材との密着性確保のレベルが低く、耐久評価などで剥離してしまう現象が多く見られている。さらに、前記皮膜の剥離の形態には、基材と中間層との間の剥離、中間層と非晶質炭素皮膜との剥離があり、これらの双方の剥離を抑える必要があった。   However, even in the case where the intermediate layer is formed, in an environment such as high surface pressure sliding, the level of adhesion with the base material is low, and there are many phenomena of peeling due to durability evaluation and the like. ing. Further, the form of peeling of the film includes peeling between the base material and the intermediate layer and peeling between the intermediate layer and the amorphous carbon film, and it is necessary to suppress both of these peelings.

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基材との密着性を確保すると共に、非晶質炭素皮膜との密着性も確保でき、中間層の役割を果たすことができる、皮膜の成膜方法、及び該皮膜が形成された皮膜形成部材を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to ensure adhesion with a substrate and also ensure adhesion with an amorphous carbon film, An object of the present invention is to provide a film forming method and a film forming member on which the film is formed.

前記課題を解決すべく、発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、これらの剥離の形態は、中間層及び非晶質炭素皮膜の成膜方法に起因することがわかった。そして、発明者は、前記2つの形態の剥離を解消するためには、中間層として作用する皮膜に、以下の二つの要件を充足させることが重要であると考えた。まず、第一の要件は、基材と中間層との剥離を防止させるために、前記中間層として作用する皮膜を、基材に対して投錨作用を有するように成膜することである。第二の要件は、中間層と非晶質炭素皮膜との剥離を防止させるために、前記中間層として作用する皮膜を、非晶質炭素皮膜に対してさらに濡れ性を向上させることである。そして、前記2つの要件を満たす成膜方法として、AIPによる成膜方法が有効であるとの新たな知見を得た。   In order to solve the above-mentioned problems, the inventors have conducted intensive studies, and as a result, it has been found that these forms of peeling are caused by the method for forming the intermediate layer and the amorphous carbon film. The inventor considered that it is important to satisfy the following two requirements for the film acting as the intermediate layer in order to eliminate the peeling of the two forms. First, in order to prevent peeling between the base material and the intermediate layer, the first requirement is to form a film that acts as the intermediate layer so as to have a throwing action on the base material. The second requirement is to further improve the wettability of the film acting as the intermediate layer with respect to the amorphous carbon film in order to prevent peeling between the intermediate layer and the amorphous carbon film. And the new knowledge that the film-forming method by AIP is effective as a film-forming method which satisfy | fills said two requirements was acquired.

本発明は、発明者の前記新たな知見に基づくものであり、本発明に係る皮膜の成膜方法は、金属ターゲットの金属をアーク放電によりイオン化させると共に、基材にバイアス電圧を印加することにより、前記基材の表面に前記イオン化した金属を付着させて、前記金属からなる皮膜を成膜する工程を少なくとも含む皮膜を成膜する方法であって、該金属皮膜の成膜工程において、前記成膜開始時の前記バイアス電圧の大きさを少なくとも500V以上とし、前記成膜終了時の前記バイアス電圧の大きさを少なくとも100V以下とし、前記成膜開始時から前記成膜終了時まで、前記バイアス電圧の大きさを傾斜的に減少させながら前記金属皮膜の成膜を行うことを特徴としている。   The present invention is based on the above-mentioned new knowledge of the inventor, and the film forming method according to the present invention is such that the metal of the metal target is ionized by arc discharge and a bias voltage is applied to the substrate. A method of forming a film comprising at least a step of depositing the ionized metal on the surface of the base material to form a film made of the metal, wherein in the film forming step of the metal film, The magnitude of the bias voltage at the start of the film is set to at least 500 V, the magnitude of the bias voltage at the end of the film formation is set to at least 100 V, and the bias voltage is measured from the start of the film formation to the end of the film formation. The metal film is formed while the size of the film is gradually decreased.

本発明によれば、アーク式イオンプレーティングにより、前記成膜開始時の前記バイアス電圧の大きさを少なくとも500V以上として金属皮膜を成膜することにより、金属ターゲットの金属イオンを界面(基材の表面)に打ち込む(金属イオンに運動エネルギを与え、金属イオンを基材の表面に衝突させるエネルギを増加させる)ことができるので、金属皮膜が、基材に対して投錨効果もたらすことができる。この結果、金属皮膜と基材との間の密着性を高めることが可能となる。また、基材の表面及びその近傍(基材と接触する部位及びその皮膜厚さ方向の近傍)の金属皮膜の結晶組織は、前記基材の表面に対して垂直方向に延出した、投錨作用を有した柱状の結晶組織(軸芯が基材の表面に対して垂直となる柱状組織)となる。さらに、このような金属イオンのイオンボンバードにより、基材の表面の酸化膜を除去し、表面の活性化を図ることができる。なお、前記成膜開始時の前記バイアス電圧の大きさを500V未満とした場合には、前記投錨効果を得ることができず、基材と皮膜とが剥離しやすくなる。また、前記バイアス電圧の上限値は、皮膜が形成可能な値(1000V)以下である。   According to the present invention, a metal film is formed by arc-type ion plating so that the magnitude of the bias voltage at the start of film formation is at least 500 V or more, whereby the metal ions of the metal target are interfaced (of the substrate). Since the kinetic energy is applied to the metal ions (the energy for causing the metal ions to collide with the surface of the base material is increased), the metal film can provide an anchoring effect on the base material. As a result, it becomes possible to improve the adhesion between the metal film and the substrate. In addition, the crystal structure of the metal film on the surface of the base material and in the vicinity thereof (sites in contact with the base material and in the vicinity of the film thickness direction) extends in a direction perpendicular to the surface of the base material. A columnar crystal structure (columnar structure in which the axis is perpendicular to the surface of the substrate). Furthermore, such an ion bombardment of metal ions can remove the oxide film on the surface of the substrate and activate the surface. In addition, when the magnitude of the bias voltage at the start of the film formation is less than 500 V, the anchoring effect cannot be obtained, and the substrate and the film are easily peeled off. The upper limit value of the bias voltage is not more than a value (1000 V) at which a film can be formed.

さらに、本発明に係る皮膜の成膜方法は、前記成膜終了時の前記バイアス電圧の大きさを少なくとも100V以下とすることにより、金属皮膜の表面及びその近傍では、基材表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織(軸芯が基材の表面に対して平行となる柱状組織)を有することになり、金属皮膜の表面の濡れ性を向上させることができる。この結果、金属皮膜の表面にさらに皮膜(たとえば、非晶質炭素皮膜)を成膜した場合であっても、金属皮膜との密着性を向上させることができる。なお、前記成膜終了時の前記バイアス電圧の大きさが100Vを越えた場合には、濡れ性が低下してしまい、金属皮膜とその表面に被覆するさらなる皮膜とは、剥離しやすくなる。   Furthermore, in the film forming method according to the present invention, by setting the magnitude of the bias voltage at the end of the film formation to at least 100 V or less, the surface of the metal film and its vicinity are parallel to the substrate surface. It has a columnar crystal structure extending in the direction (a columnar structure in which the axis is parallel to the surface of the substrate), and the wettability of the surface of the metal film can be improved. As a result, even when a film (for example, an amorphous carbon film) is further formed on the surface of the metal film, the adhesion with the metal film can be improved. In addition, when the magnitude of the bias voltage at the end of the film formation exceeds 100 V, the wettability decreases, and the metal film and the further film covering the surface are easily peeled off.

また、前記成膜開始時から前記成膜終了時まで、前記バイアス電圧の大きさを傾斜的に減少させながら前記金属皮膜の成膜を行うので、基材の表面に接触している部位及びその近傍にでは、前記柱状の結晶組織は、前記基材の表面に対して垂直方向に延出し、金属皮膜の厚さ方向(膜厚方向)に沿った表面に進むに従って、基材の表面に対して柱状組織の軸芯が傾斜し、さらに、金属皮膜の表面及びその近傍では、柱状の結晶組織は、基材表面に対して平行方向に延出することになる。この結果、金属の強度は安定する。なお、バイアス電圧を傾斜的に減少させる方法としては、例えば、連続的に傾斜させて減少させる方法や、ステップ状に傾斜させて減少させる方法などが挙げられる。   Further, since the metal film is formed while decreasing the magnitude of the bias voltage from the start of the film formation to the end of the film formation, the portion in contact with the surface of the base material and its portion In the vicinity, the columnar crystal structure extends in a direction perpendicular to the surface of the base material, and moves toward the surface along the thickness direction (film thickness direction) of the metal film. As a result, the axis of the columnar structure is inclined, and the columnar crystal structure extends in a direction parallel to the surface of the base material at and near the surface of the metal film. As a result, the strength of the metal is stabilized. Note that examples of a method of decreasing the bias voltage in an inclined manner include a method of decreasing the bias voltage by continuously inclining, and a method of decreasing the bias voltage by inclining in steps.

また、本発明に係る皮膜の成膜方法は、前記金属皮膜の表面に前記金属ターゲットの前記金属を含む非晶質炭素皮膜を成膜する工程をさらに含み、前記金属ターゲットとして、4A族元素、5A族元素、6A族元素、3B族元素、及びSiから選択される1種以上の金属ターゲットを用いて前記金属皮膜の成膜を行い、前記非晶質炭素皮膜の成膜を、前記金属ターゲットと前記基材との間に炭化水素ガスをさらに供給した状態で、前記ターゲットの金属及び前記炭化水素ガスの炭化水素をイオン化させると共に、前記基材にバイアス電圧を付加することにより行うことがより好ましい。   The film forming method according to the present invention further includes a step of forming an amorphous carbon film containing the metal of the metal target on the surface of the metal film, and the metal target includes a group 4A element, The metal film is formed using one or more metal targets selected from Group 5A elements, Group 6A elements, Group 3B elements, and Si, and the amorphous carbon film is formed using the metal target. In a state where a hydrocarbon gas is further supplied between the base metal and the base material, the target metal and the hydrocarbon gas hydrocarbon are ionized and a bias voltage is applied to the base material. preferable.

本発明によれば、前記に示す金属は酸化物形成能及び炭化物形成能が高いので、このような金属からなるターゲットを用いることにより、基材及び非晶質炭素皮膜の密着性を高めることができる。また、前記金属のうち、より好ましい金属元素としては、Ta、Ti、Cr、Al、Mg、W、V、Nb、Moから選択される一種以上の金属元素であり、これらの中でも、Ta、Ti、Crが特に好ましい。   According to the present invention, since the metal described above has high oxide forming ability and carbide forming ability, the adhesion between the substrate and the amorphous carbon film can be improved by using a target made of such a metal. it can. Among the metals, more preferable metal elements are one or more metal elements selected from Ta, Ti, Cr, Al, Mg, W, V, Nb, and Mo. Among these, Ta, Ti Cr is particularly preferable.

また、前記非晶質炭素皮膜は、固体カーボンターゲットを使用せず、金属ターゲットのみを配置し、該金属ターゲットをアーク放電で昇華させ、金属及び導入された炭化水素ガスの炭化をイオン化することにより形成されるので、金属複合の非晶質炭素皮膜にすることができる。さらに、このような成膜方法は、従来のスパッタリングでは、カーボン蒸発源である固体カーボンターゲットと金属蒸発源である金属ターゲットを併用していたのに対し、本発明では、金属ターゲットのみをアーク放電でイオンプレーティング(アーク式イオンプレーティング(AIP)法)を行う点が異なるので、本発明に係る成膜方法で成膜した場合には、非晶質炭素皮膜の摩擦係数を低減し、金属皮膜との密着性を高め、耐摩耗性を向上させ、さらに、成膜時間の短縮化を図ることができる。   In addition, the amorphous carbon film does not use a solid carbon target, only a metal target is disposed, the metal target is sublimated by arc discharge, and the carbonization of the metal and the introduced hydrocarbon gas is ionized. Since it is formed, a metal composite amorphous carbon film can be obtained. Furthermore, in the conventional sputtering method, a solid carbon target, which is a carbon evaporation source, and a metal target, which is a metal evaporation source, are used in combination with conventional sputtering, whereas in the present invention, only a metal target is subjected to arc discharge. Is different in that ion plating (arc-type ion plating (AIP) method) is performed. Therefore, when the film is formed by the film forming method according to the present invention, the friction coefficient of the amorphous carbon film is reduced, and the metal is reduced. The adhesion with the film can be improved, the wear resistance can be improved, and the film formation time can be shortened.

また、本発明でいう炭化水素ガスとしては、アルカン化合物、アルケン化合物及びアルキン化合物から選択される鎖状炭化水素化合物の1種以上が好ましく、その中で、メタン、エチレン、アセチレンから選択される1種以上が好ましい。   The hydrocarbon gas referred to in the present invention is preferably one or more chain hydrocarbon compounds selected from alkane compounds, alkene compounds, and alkyne compounds. Among them, 1 selected from methane, ethylene, and acetylene. More than species are preferred.

また、本発明に係る皮膜の成膜方法は、前記金属皮膜の厚さを少なくとも20nm以上となるように前記金属皮膜の成膜を行うことがより好ましい。前記皮膜を20nm以上にすることにより、金属皮膜と基材との密着性を確保することができる。すなわち、前記皮膜を20nm未満にした場合には、皮膜が基材から剥離し易くなる。なお、金属皮膜の厚さは、100nm以下であることがより好ましい。100nmを越えたとしても、それ以上の密着性の効果は期待できず、経済的ではない。   In the film forming method according to the present invention, the metal film is more preferably formed such that the thickness of the metal film is at least 20 nm or more. By making the film 20 nm or more, adhesion between the metal film and the substrate can be ensured. That is, when the film is less than 20 nm, the film is easily peeled from the substrate. The thickness of the metal film is more preferably 100 nm or less. Even if it exceeds 100 nm, no further effect of adhesion can be expected, which is not economical.

また、本発明に係る皮膜の成膜方法は、前記非晶質炭素皮膜の成膜工程において、前記炭化系水素ガスの濃度を上昇させることにより、前記非晶質炭素皮膜中の炭素の割合を、該非晶質炭素皮膜の表面に向かう厚さ方向に沿って傾斜的に増加させることがより好ましい。本発明によれば、非晶質炭素皮膜の表面の炭素元素の割合が増加するため、耐摩耗性及び低摩擦に優れた皮膜を形成することができる。   In the film forming method of the present invention, the ratio of carbon in the amorphous carbon film is increased by increasing the concentration of the hydrocarbon gas in the film forming step of the amorphous carbon film. More preferably, the thickness is increased in a gradient along the thickness direction toward the surface of the amorphous carbon film. According to the present invention, since the proportion of carbon element on the surface of the amorphous carbon film increases, a film excellent in wear resistance and low friction can be formed.

また、前記非晶質炭素皮膜の成膜方法に加えて、本発明に係る皮膜の成膜方法は、前記非晶質炭素皮膜の成膜開始時のバイアス電圧を、前記金属皮膜の成膜終了時のバイアス電圧と同じ大きさすることがより好ましい。本発明によれば、前記バイアス電圧を一致させることにより、金属皮膜の表面の結晶組織と、該金属皮膜の表面に形成される結晶組織の形態を、いずれも、基材の表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織とすることが可能となるので、濡れ性の高い界面同士が密着するため、金属皮膜と非晶質炭素皮膜とのミスフィットを抑制し、これらの密着性をさらに向上させることができる。また、前記非晶質炭素皮膜中の炭素の割合を、該非晶質炭素皮膜の厚さ方向に沿って傾斜的に増加させる成膜方法、すなわち、前記非晶質炭素皮膜中の金属ターゲットの金属の割合を、該非晶質炭素皮膜と金属皮膜との界面に向う厚さ方向に沿って傾斜的に増加させる成膜方法を行うことにより、界面の金属組織の組成がより近くなるので、金属組織の形態をさらに整合させることができる。これにより、非晶質炭素皮膜と金属皮膜の密着性をさらに向上させることができる。   Further, in addition to the method for forming the amorphous carbon film, the film forming method according to the present invention may be configured such that the bias voltage at the start of film formation of the amorphous carbon film is set to the film formation end of the metal film. More preferably, it is the same size as the bias voltage at the time. According to the present invention, by matching the bias voltage, the crystal structure of the surface of the metal film and the form of the crystal structure formed on the surface of the metal film are both parallel to the surface of the substrate. Since it is possible to form a columnar crystal structure extending in the direction, the interfaces with high wettability are in close contact with each other, so that misfit between the metal film and the amorphous carbon film is suppressed, and these adhesions are reduced. Further improvement can be achieved. Further, a film forming method for increasing the proportion of carbon in the amorphous carbon film in a gradient along the thickness direction of the amorphous carbon film, that is, a metal of a metal target in the amorphous carbon film. The composition of the metal structure at the interface is made closer by performing a film forming method in which the ratio of is increased in a gradient along the thickness direction toward the interface between the amorphous carbon film and the metal film. Can be further matched. Thereby, the adhesiveness of an amorphous carbon film and a metal film can further be improved.

また、本発明に係る皮膜の成膜方法は、前記非晶質炭素皮膜の成膜を、前記バイアス電圧の大きさを増加させながら行うことがより好ましい。本発明によれば、非晶質炭素皮膜の内部の圧縮残留応力を緩和し、非晶質炭素皮膜と金属皮膜との密着性を確保することができる。そして、このような成膜方法により成膜された皮膜を基材に形成した部材は、摺動部材として好適である。   In the film forming method according to the present invention, it is more preferable to form the amorphous carbon film while increasing the magnitude of the bias voltage. According to the present invention, the compressive residual stress inside the amorphous carbon film can be relaxed, and the adhesion between the amorphous carbon film and the metal film can be secured. And the member which formed the film | membrane formed into a film by such a film-forming method on the base material is suitable as a sliding member.

さらに、本発明として、本発明に係る皮膜の成膜方法により製造された好適な皮膜形成部材をも開示する。本発明に係る皮膜形成部材は、基材の表面に少なくとも金属皮膜を形成した皮膜形成部材であって、前記金属皮膜は、前記基材の表面との接触部位およびその近傍では、前記基材の表面に対して垂直方向に延出した柱状の結晶組織を形成しており、前記金属皮膜の表面及びその近傍では、基材表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織を形成していることを特徴とする。   Furthermore, the suitable film formation member manufactured by the film-forming method of the film concerning the present invention is also indicated as the present invention. The film-forming member according to the present invention is a film-forming member in which at least a metal film is formed on the surface of a base material, and the metal film is formed at the contact portion with the surface of the base material and in the vicinity thereof. A columnar crystal structure extending in a direction perpendicular to the surface is formed, and a columnar crystal structure extending in a direction parallel to the substrate surface is formed at and near the surface of the metal film. It is characterized by being.

本発明によれば、前記皮膜形成部材は、前記基材の表面との接触部位およびその近傍では、前記基材の表面に対して垂直方向に延出した柱状の結晶組織を形成しているので、該柱状の結晶組織が、基材との投錨作用をもたらす。この結果、基材から金属皮膜が剥離し難くなる。さらに、前記皮膜形成部材は、金属皮膜の表面及びその近傍では、基材表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織を形成しており、該柱状の結晶組織が形成された表面は濡れ性が向上する。この結果、金属皮膜面に被覆する皮膜の密着性を向上させることができる。   According to the present invention, the film-forming member forms a columnar crystal structure extending in a direction perpendicular to the surface of the substrate at and near the contact portion with the surface of the substrate. The columnar crystal structure provides an anchoring action with the base material. As a result, the metal film is difficult to peel from the substrate. Further, the film forming member forms a columnar crystal structure extending in a direction parallel to the surface of the substrate at and near the surface of the metal film, and the surface on which the columnar crystal structure is formed is Improves wettability. As a result, the adhesion of the film covering the metal film surface can be improved.

また、本発明に係る皮膜形成部材は、前記金属皮膜の金属が、4A族元素、5A族元素、6A族元素、3B族元素、及びSiから選択される1種以上の金属であり、前記金属皮膜の表面には、さらに前記金属皮膜の金属を含む非晶質炭素皮膜が形成されていることが好ましい。前記に示す金属は酸化物形成能及び炭化物形成能が高いので、このような金属からなるターゲットを用いることにより、基材及び非晶質炭素皮膜の密着性を高めることができる。   Further, in the film forming member according to the present invention, the metal of the metal film is one or more metals selected from a group 4A element, a group 5A element, a group 6A element, a group 3B element, and Si, It is preferable that an amorphous carbon film containing the metal of the metal film is further formed on the surface of the film. Since the metal shown above has high oxide forming ability and carbide forming ability, the adhesion between the base material and the amorphous carbon film can be enhanced by using a target made of such a metal.

本発明に係る皮膜形成部材は、前記金属皮膜の厚さは少なくとも20nm以上であることがより好ましく、また、前記非晶質炭素皮膜は、該非晶質炭素皮膜の表面に向かう厚さ方向に沿って、傾斜的に炭素の割合が増加していることがより好ましい。   In the film forming member according to the present invention, the thickness of the metal film is more preferably at least 20 nm, and the amorphous carbon film is along a thickness direction toward the surface of the amorphous carbon film. Thus, it is more preferable that the proportion of carbon increases in a gradient manner.

また本発明に係る皮膜形成部材は、金属皮膜の表面上及びその近傍の非晶質炭素皮膜が、基材表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織を有することがより好ましい。本発明によれば、濡れ性の高い金属皮膜及び非晶質炭素皮膜の表面同士が密着するため金属皮膜と非晶質炭素皮膜との密着性をさらに向上させることができる。   In the film forming member according to the present invention, the amorphous carbon film on the surface of the metal film and in the vicinity thereof preferably has a columnar crystal structure extending in a direction parallel to the substrate surface. According to the present invention, since the surfaces of a highly wettable metal film and an amorphous carbon film are in close contact with each other, the adhesion between the metal film and the amorphous carbon film can be further improved.

本発明によれば、基材に対して投錨効果もたらし、金属皮膜と基材との間の密着性を高めることができ、かつ、金属皮膜の表面の濡れ性を向上させて、金属皮膜の表面にさらに皮膜を成膜した場合であっても、金属皮膜とさらなる皮膜との密着性を向上させることができる金属皮膜を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to increase the adhesion between the metal film and the substrate, and to improve the wettability of the surface of the metal film. Even when a film is further formed, a metal film capable of improving the adhesion between the metal film and the further film can be obtained.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本実施形態に係る金属皮膜及び該金属皮膜表面の非晶質炭素皮膜を形成するに、好適な皮膜形成装置の概略図であり、図2は、本実施形態に係る金属皮膜及び非晶質炭素皮膜の好適な製造方法を説明するための図である。図3は、本実施形態に係る金属皮膜の断面における金属組織の模式図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view of a film forming apparatus suitable for forming a metal film according to the present embodiment and an amorphous carbon film on the surface of the metal film, and FIG. It is a figure for demonstrating the suitable manufacturing method of an amorphous carbon membrane | film | coat. FIG. 3 is a schematic diagram of the metal structure in the cross section of the metal film according to the present embodiment.

図1に示すように、皮膜形成装置は、アーク式イオンプレーティング(AIP)用の装置であり、該装置は、真空ポンプによって排気される真空チャンバー(真空容器)内に複数の金属ターゲットが配置され、皮膜を形成すべき基材は、後述する金属ターゲットに対してバイアス電圧が印加可能なように、中央の回転テーブル上に配置されている。一方、金属皮膜の材料となる金属ターゲット材料の金属をアーク放電により昇華させてイオン化させるべく、金属ターゲット材料(カソード)とアノードが、アーク電流が通電可能なように、真空チャンバー内に配置されている。また、カソードとなる金属ターゲットとしては、Cr、Ti、Ta等が選定されている。一方、窒素、アルゴンなどの放電用の不活性ガスはノズルから真空容器内に導入され、処理後に排気されるようになっており、放電ガス以外のプロセスガスである炭化水素ガスもノズルから導入され、処理後に排気されるようになっている。   As shown in FIG. 1, the film forming apparatus is an apparatus for arc type ion plating (AIP), in which a plurality of metal targets are arranged in a vacuum chamber (vacuum container) exhausted by a vacuum pump. The base material on which the film is to be formed is arranged on a central rotary table so that a bias voltage can be applied to a metal target described later. On the other hand, a metal target material (cathode) and an anode are arranged in a vacuum chamber so that an arc current can be passed in order to sublimate and ionize the metal of the metal target material, which is the material of the metal film, by arc discharge. Yes. Moreover, Cr, Ti, Ta, etc. are selected as a metal target used as a cathode. On the other hand, an inert gas for discharge such as nitrogen and argon is introduced into the vacuum vessel from the nozzle and exhausted after the treatment, and hydrocarbon gas, which is a process gas other than the discharge gas, is also introduced from the nozzle. , Exhausted after processing.

このような図1に示す装置を用いて、放電用の不活性ガスを真空チャンバーに供給しながら、金属ターゲット材料(導電性の金属)をカソードにし、アノードとの間でアーク放電を発生させる。このエネルギにより金属ターゲット材料の金属は、昇華してイオン化し、基材へ負のバイアス電圧を掛けることによりイオンを基材に付着させ、金属皮膜を形成することができる。たとえば、代表的なTiN皮膜の場合は、材料にTiを用い、ガスに窒素を導入することにより基材の表面にTiN皮膜を形成することができる。   Using such an apparatus shown in FIG. 1, while supplying an inert gas for discharge to the vacuum chamber, a metal target material (conductive metal) is used as a cathode, and arc discharge is generated between the anode and the anode. With this energy, the metal of the metal target material is sublimated and ionized, and a negative bias voltage is applied to the base material to attach the ions to the base material, thereby forming a metal film. For example, in the case of a typical TiN film, the TiN film can be formed on the surface of the substrate by using Ti as the material and introducing nitrogen into the gas.

また、本実施形態では、金属皮膜の表面にさらに非晶質炭素皮膜を形成する場合に、ターゲット材料としてカーボン材料を使わずに、金属ターゲットと基材との間に炭化水素ガスをさらに供給した状態で、ターゲットの金属及び炭化水素ガスの炭化水素をイオン化させると共に、基材にバイアス電圧を付加することにより行うことにより、非晶質炭素皮膜を形成させる。   In this embodiment, when an amorphous carbon film is further formed on the surface of the metal film, a hydrocarbon gas is further supplied between the metal target and the base material without using a carbon material as a target material. In this state, the target metal and hydrocarbon gas hydrocarbons are ionized and a bias voltage is applied to the substrate to form an amorphous carbon film.

このような装置を用いて、本実施形態では、図2に示すようにして、基材の表面に成膜を行う。より具体的には、まず、金属皮膜の成膜開始時(成膜初期)の基材に印加する前記バイアス電圧の大きさを少なくとも500V以上(図2では800V)とし、金属ターゲットの金属をアーク放電によりイオン化させると共に、前記バイアス電圧により、前記基材の表面に前記イオン化した金属を付着させる(図2の金属層成膜初期)。そして、前記バイアス電圧の大きさを傾斜的に減少させながら、前記成膜終了時(成膜終期)の前記バイアス電圧の大きさを少なくとも100V以下(図2では50V)として、イオン化した金属を継続して付着させる。   In this embodiment, using such an apparatus, film formation is performed on the surface of the substrate as shown in FIG. More specifically, first, the magnitude of the bias voltage applied to the substrate at the start of metal film deposition (initial stage of film deposition) is set to at least 500 V (800 V in FIG. 2), and the metal of the metal target is arced. While ionizing by discharge, the ionized metal is adhered to the surface of the base material by the bias voltage (the metal layer deposition initial stage in FIG. 2). Then, while gradually decreasing the magnitude of the bias voltage, the magnitude of the bias voltage at the end of the film formation (film formation end) is set to at least 100 V or less (50 V in FIG. 2), and the ionized metal is continued. And attach.

このようにして、図3に示すように、基材70の表面は、入り組んだ凹凸上の投錨効果を有した表面となり、さらに、基材70の表面及びその近傍(基材と接触する部位及びその皮膜厚さ方向の近傍)には、前記基材70の表面に対して垂直方向に延出した、投錨作用を有した柱状の結晶組織21(軸芯が基材70の表面に対して垂直となる柱状組織21)が形成される。また、金属皮膜20の表面及びその近傍には、基材表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織22(軸芯が基材70の表面に対して平行となる柱状組織22)が形成され、金属皮膜20の表面の濡れ性を向上させることができる。   Thus, as shown in FIG. 3, the surface of the base material 70 becomes a surface having a throwing effect on the complicated unevenness, and further, the surface of the base material 70 and the vicinity thereof (the part in contact with the base material and In the vicinity of the film thickness direction, a columnar crystal structure 21 having an anchoring action extending in a direction perpendicular to the surface of the substrate 70 (the axis is perpendicular to the surface of the substrate 70). A columnar structure 21) is formed. Further, on the surface of the metal film 20 and in the vicinity thereof, there is a columnar crystal structure 22 (columnar structure 22 in which the axis is parallel to the surface of the substrate 70) extending in a direction parallel to the substrate surface. Thus, the wettability of the surface of the metal film 20 can be improved.

さらに、金属皮膜を成膜(金属層形成後)後、図2に示すように、金属皮膜(金属層)の表面に、さらに非晶質炭素皮膜(金属複合DLC傾斜組織)を形成する。具体的には、前記金属ターゲットと前記基材との間に炭化水素ガスをさらに供給した状態で、アーク放電により前記ターゲットの金属及び前記炭化水素ガスの炭化水素をイオン化させると共に、前記基材にバイアス電圧を付加することにより、非晶質炭素皮膜の成膜を行う。但し、前記非晶質炭素皮膜の成膜開始時のバイアス電圧は、前記金属皮膜の成膜終了時のバイアス電圧と同じに大きさする。このようにして金属皮膜の表面の結晶組織と、該金属皮膜の表面に形成される非晶質炭素皮膜の結晶組織の形態を、いずれも、基材の表面に対して基材表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織とすることが可能となるので、濡れ性の高い界面同士が密着するため金属皮膜と非晶質炭素皮膜との密着性をさらに向上させることができる。   Further, after forming a metal film (after forming the metal layer), as shown in FIG. 2, an amorphous carbon film (metal composite DLC gradient structure) is further formed on the surface of the metal film (metal layer). Specifically, in a state where a hydrocarbon gas is further supplied between the metal target and the base material, the target metal and the hydrocarbon gas hydrocarbon are ionized by arc discharge, and the base material is An amorphous carbon film is formed by applying a bias voltage. However, the bias voltage at the start of film formation of the amorphous carbon film is the same as the bias voltage at the end of film formation of the metal film. Thus, both the crystal structure of the surface of the metal film and the form of the crystal structure of the amorphous carbon film formed on the surface of the metal film are both relative to the surface of the base material. Since a columnar crystal structure extending in the parallel direction can be formed, the interfaces with high wettability are in close contact with each other, so that the adhesion between the metal film and the amorphous carbon film can be further improved.

また、非晶質炭素皮膜を成膜する際には、前記炭化系水素ガス(例えばCガス)の濃度を上昇させることにより、前記非晶質炭素皮膜中の炭素の割合を、該非晶質炭素皮膜の表面に向かう厚さ方向に沿って傾斜的に増加させる共に、前記バイアス電圧の大きさを減少させながら非晶質炭素皮膜の成膜を行う。このようにして、図2に示すような、基材の表面に、金属層(金属皮膜)、金属複合DLC傾斜組織を有した層(非晶質炭素皮膜)が順次形成された摺動部材に好適な皮膜形成部材を得ることができる。 Further, when the amorphous carbon film is formed, the concentration of the carbon in the amorphous carbon film is reduced by increasing the concentration of the hydrocarbon-based hydrogen gas (for example, C 2 H 2 gas). The amorphous carbon film is formed while increasing the thickness along the thickness direction toward the surface of the crystalline carbon film and decreasing the magnitude of the bias voltage. Thus, as shown in FIG. 2, a sliding member in which a metal layer (metal film) and a layer having a metal composite DLC gradient structure (amorphous carbon film) are sequentially formed on the surface of the substrate. A suitable film forming member can be obtained.

このようにして成膜された非晶質炭素皮膜は、金属皮膜との密着性をさらに向上させることができる。さらに、非晶質炭素皮膜の表面は、炭素元素が含有する割合が多いので、耐摩耗性が向上し、摩擦係数は低減される。   The amorphous carbon film thus formed can further improve the adhesion with the metal film. Furthermore, since the surface of the amorphous carbon film contains a large proportion of carbon element, the wear resistance is improved and the friction coefficient is reduced.

以下に本実施形態に係る実施例を示す。
(実施例1)
<皮膜形成部材>
前記実施形態に係る皮膜形成部材として、以下に示す試験片を作成した。基材として、直径28mm、厚さ3mmの焼入れ焼戻しを行った、ビッカース硬さHv800のクロムモリブデン鋼(JIS規格:SCM415相当)を準備し、直径28mmの円表面を、ダイヤモンドラップにより、表面粗さを中心線平均粗さ0.007μmとなるように、研磨した。そして、金属ターゲットとしてチタンターゲットを準備し、成膜開始時(成膜初期)のバイアス電圧の大きさを800Vとし、成膜終了時(成膜終期)の前記バイアス電圧の大きさを50Vとし、成膜開始時から成膜終了時まで、バイアス電圧の大きさを傾斜的に減少させながら、チタンターゲットの金属をアーク放電によりイオン化させると共に、バイアス電圧により、円表面にイオン化したチタンを付着させて、チタンからなる金属皮膜を成膜した。なお、この段階で、後述する表面の組織観察及び濡れ性の試験を行った。
Examples according to this embodiment will be described below.
Example 1
<Film forming member>
The test piece shown below was created as a film forming member according to the embodiment. As a base material, a chromium molybdenum steel (JIS standard: SCM415 equivalent) having a Vickers hardness of Hv800, which has been quenched and tempered with a diameter of 28 mm and a thickness of 3 mm, was prepared. Was polished so that the center line average roughness was 0.007 μm. Then, a titanium target is prepared as a metal target, the magnitude of the bias voltage at the start of film formation (initial stage of film formation) is 800 V, the magnitude of the bias voltage at the end of film formation (end of film formation) is 50 V, From the beginning of film formation to the end of film formation, while gradually decreasing the magnitude of the bias voltage, the metal of the titanium target is ionized by arc discharge and ionized titanium is attached to the circular surface by the bias voltage. A metal film made of titanium was formed. At this stage, the surface texture observation and wettability test described later were performed.

次に、チタンターゲットと基材との間に炭化水素ガスとしてアセチレンガス(C)ガスをさらに供給した状態で、チタンターゲットのチタン及び炭化水素ガスの炭化水素(具体的には炭素)をイオン化させると共に、図2に示すように、アセチレンガスを0〜300scmまで傾斜的に増加させ、基材にバイアス電圧を、成膜時において50Vから300Vまで傾斜的に増加させて、チタン元素が含まれる割合が、非晶質炭素皮膜の表面に向かう膜厚方向に沿って、100質量%〜20質量%に傾斜的に変化するチタン合金が複合した非晶質炭素皮膜の成膜を行い、試験片を製作した。 Next, in a state where acetylene gas (C 2 H 2 ) gas is further supplied as a hydrocarbon gas between the titanium target and the substrate, titanium of the titanium target and hydrocarbon of hydrocarbon gas (specifically, carbon) As shown in FIG. 2, the acetylene gas is gradually increased from 0 to 300 scm, the bias voltage is increased to 50 V to 300 V at the time of film formation, and the titanium element is increased. Along with the film thickness direction toward the surface of the amorphous carbon film, the contained ratio forms a film of an amorphous carbon film in which a titanium alloy that changes in a gradient from 100% by mass to 20% by mass is combined, A test piece was produced.

<顕微鏡観察>
前記試験片の皮膜の断面を観察すべく、試験片を切断し、その断面をTEM(透過型電子顕微鏡)より観察した。この結果を図4(a)に示す。また、前記非晶質炭素皮膜を形成する前に、チタンの金属皮膜の成膜を完了した際の金属皮膜表面をAFM(原子間力顕微鏡)により観察した。この結果を、図5(a)に示す。
<Microscope observation>
In order to observe the cross section of the film of the test piece, the test piece was cut, and the cross section was observed with a TEM (transmission electron microscope). The result is shown in FIG. Further, before the formation of the amorphous carbon film, the surface of the metal film when the film formation of the titanium metal film was completed was observed with an AFM (atomic force microscope). The result is shown in FIG.

<濡れ性試験>
図6に示すように、金属皮膜が形成された基材(個体)の表面に、(a)純水、(b)ホルムアミン、(c)エチレングリコールを滴下し、これらの液体の接触角を測定し、該接触角から、表面の密着性の指標として、付着仕事の大きさを算出した。この結果を、図6に示す。
<Wettability test>
As shown in FIG. 6, (a) pure water, (b) formamine, and (c) ethylene glycol are dropped on the surface of a substrate (solid) on which a metal film is formed, and the contact angles of these liquids are measured. From the contact angle, the size of the adhesion work was calculated as an index of surface adhesion. The result is shown in FIG.

<密着性試験>
スクラッチ法による試験:皮膜の密着力を測定した。具体的には、半径0.2μmのダイヤモンド圧子を用いて、この薄膜表面に、負荷速度100N/minで負荷をかけながら、圧子を10mm/minで相対移動させ、この薄膜が剥離した時点での荷重を、その薄膜の密着力として測定した。この結果を図7に示す。
<Adhesion test>
Test by scratch method: The adhesion of the film was measured. Specifically, using a diamond indenter with a radius of 0.2 μm, the indenter was moved relative to the thin film surface at a load speed of 100 N / min while moving the indenter at 10 mm / min. The load was measured as the adhesion of the thin film. The result is shown in FIG.

ロックウェル法による試験:硬さ測定法であるHRc法(ロックウェル硬さ測定法)の圧子(先端の曲率半径0.2mm、円錐角120°のダイヤモンド圧子)を皮膜表面に荷重150kgで押し込んで、皮膜の密着性(剥離性)を確認した。この結果を図7に示す。   Test by Rockwell method: HRc method (Rockwell hardness measurement method) indenter (diamond indenter with a tip radius of curvature of 0.2 mm and a cone angle of 120 °) is pushed into the coating surface with a load of 150 kg. The adhesion (peelability) of the film was confirmed. The result is shown in FIG.

<摩擦摩耗試験>
図8に示すボールオンディスク試験装置を用いて、摩擦摩耗試験を行った。具体的には、皮膜を形成した試験片を回転数500rpmで回転させると共に、直径6.35mmの高炭素クロム軸受鋼(JIS規格:SUJ2)を10Nで押しつけて、試験片の回転抵抗を測定することにより、摩擦係数を算出し、皮膜の摩耗深さを測定し、該摩耗深さを摩耗量とした。この結果を図7に示す。
<Friction and wear test>
Using the ball-on-disk test apparatus shown in FIG. Specifically, the test piece on which the film was formed was rotated at a rotation speed of 500 rpm, and a high carbon chromium bearing steel (JIS standard: SUJ2) having a diameter of 6.35 mm was pressed at 10 N to measure the rotational resistance of the test piece. Thus, the friction coefficient was calculated, the wear depth of the film was measured, and the wear depth was defined as the wear amount. The result is shown in FIG.

(比較例1)
実施例1と同じ基材を準備した。実施例1と相違する点は、スパッタリングにより金属皮膜と非晶質炭素皮膜とを成膜した点であり、基材とチタンからなるチタンターゲットとの間に、炉内圧が0.3Paとなるようにアルゴンガスを流し、この処理ガスを流した状態で、成膜温度(具体的には基材の温度)を150℃に保持して、チタンターゲットと基材との間に800Vに調整したバイアス電圧をかけながら、プラズマを発生させて、基板の表面をスパッタリングすることにより、金属皮膜を成膜した。さらに、チタンターゲットとカーボンターゲットを準備し、前記条件で、厚さ方向に沿ってチタンの割合が減少するチタン−カーボン複合層を形成し、さらに、チタンが複合した非晶質炭素皮膜(Ti複合DLC層)を形成した。そして、実施例1と同様の条件で、顕微鏡観察、密着性試験、及び摩擦試験を行った。この結果を図4(b)、図5(b)、図7に示す。
(Comparative Example 1)
The same base material as Example 1 was prepared. The difference from Example 1 is that a metal film and an amorphous carbon film are formed by sputtering, and the furnace pressure is 0.3 Pa between the base material and the titanium target made of titanium. In this state, the film forming temperature (specifically, the temperature of the substrate) is maintained at 150 ° C., and the bias is adjusted to 800 V between the titanium target and the substrate. While applying voltage, plasma was generated and the surface of the substrate was sputtered to form a metal film. Furthermore, a titanium target and a carbon target are prepared, and under the above conditions, a titanium-carbon composite layer in which the proportion of titanium decreases along the thickness direction is formed. Further, an amorphous carbon film (Ti composite) in which titanium is composited is formed. DLC layer) was formed. Then, under the same conditions as in Example 1, a microscopic observation, an adhesion test, and a friction test were performed. The results are shown in FIG. 4 (b), FIG. 5 (b), and FIG.

(比較例2)
実施例1と同じようにして、AIP法により皮膜を成膜した。実施例1と相違する点は、金属皮膜の成膜時のおけるバイアス電圧の大きさを800V一定とした点である。そして、実施例1と同じように、顕微鏡観察、及び濡れ性試験を行った。この結果を、図5(c)、図6に示す。
(Comparative Example 2)
In the same manner as in Example 1, a film was formed by the AIP method. The difference from the first embodiment is that the magnitude of the bias voltage at the time of forming the metal film is constant at 800V. Then, as in Example 1, microscopic observation and wettability test were performed. The results are shown in FIG. 5 (c) and FIG.

(結果1:顕微鏡観察)
図4(a)から、実施例1の基材と金属層(金属皮膜)であるチタン層(Ti層)と界面が、入り組んだ凹凸面となっている。さらに、金属層は、基材の表面と接触している部位およびその近傍には、基材表面に対して垂直方向に延出した幅40nm〜50nm、長さ200mm〜400nmの柱状の金属結晶が形成されていた。さらに、図5(a)に示すように、実施例1の金属皮膜(金属層)の表面およびその近傍では、基材表面に対して平行方向に延出した幅40nm〜50nm、長さ200mm〜400nmの柱状の結晶組織が形成されていた。
(Result 1: Microscopic observation)
From FIG. 4A, the base material of Example 1 and the titanium layer (Ti layer) which is a metal layer (metal film) are intricate uneven surfaces. Further, the metal layer has a columnar metal crystal having a width of 40 nm to 50 nm and a length of 200 mm to 400 nm extending in a direction perpendicular to the surface of the base material at and near the portion in contact with the surface of the base material. Was formed. Furthermore, as shown to Fig.5 (a), in the surface of the metal membrane | film | coat (metal layer) of Example 1, and its vicinity, width 40nm-50nm extended in the parallel direction with respect to the base-material surface, length 200mm- A columnar crystal structure of 400 nm was formed.

比較例1の基材の表面と接触している金属層およびその近傍、さらには、金属層(金属皮膜)の表面およびその近傍には、基材表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織を有する柱状の結晶組織が確認できた。   The metal layer in contact with the surface of the base material of Comparative Example 1 and the vicinity thereof, and further, the surface of the metal layer (metal film) and the vicinity thereof have columnar shapes extending in a direction parallel to the base material surface. A columnar crystal structure having a crystal structure was confirmed.

さらに、比較例2の基材の表面と接触している部位およびその近傍、金属層(金属皮膜)の表面およびその近傍には、基材表面に対して垂直方向に延出した柱状の結晶組織を有する柱状の結晶組織が確認できた。なお、実施例1、比較例1,2の表面粗さはいずれも中心線平均粗さRaが1.0nm程度であった。   Further, a columnar crystal structure extending in a direction perpendicular to the surface of the base material at and near the portion in contact with the surface of the base material of Comparative Example 2 and the surface of the metal layer (metal film) and the vicinity thereof. A columnar crystal structure having In addition, as for the surface roughness of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the center line average roughness Ra was about 1.0 nm.

(結果2:濡れ性試験)
図6に示すように、実施例1の金属皮膜の表面の付着仕事が、いずれの液体を用いた場合であっても、比較例2のものに比べて大きかった。
(Result 2: wettability test)
As shown in FIG. 6, the adhesion work on the surface of the metal film of Example 1 was larger than that of Comparative Example 2 regardless of which liquid was used.

(結果3:密着性試験)
図7に示すように、実施例1のほうが、比較例1に比べてスクラッチ法による荷重が40Nと高く(比較例1は20N)、HRc法では、比較例1の皮膜のみが剥離した。この結果から、実施例1の皮膜のほうが密着性に優れていることがわかった。
(Result 3: Adhesion test)
As shown in FIG. 7, in Example 1, the load by the scratch method was as high as 40 N compared to Comparative Example 1 (Comparative Example 1 was 20 N), and in the HRc method, only the film of Comparative Example 1 was peeled off. From this result, it was found that the film of Example 1 was superior in adhesion.

(結果4:摩擦摩耗試験)
実施例1と比較例1の摩擦係数は同程度であり、実施例1の摩耗量は、比較例1のものに比べ、より少なかった。尚、実施例1の皮膜の成膜時間は、比較例1のものに比べて、4倍程度短かった。
(Result 4: Friction and wear test)
The friction coefficients of Example 1 and Comparative Example 1 were comparable, and the wear amount of Example 1 was smaller than that of Comparative Example 1. The film formation time of the film of Example 1 was about 4 times shorter than that of Comparative Example 1.

(考察)
結果1より、実施例1の基材と金属層と界面は、入り組んだ凹凸面が形成されており、基材の表面に接触している金属層の部位およびその近傍には、基材表面に対して垂直方向に延出した柱状の金属結晶が形成されたことにより、基材と金属層との間に投錨効果が得られたと考えられる。これにより、結果3に示すように、実施例1のほうが、比較例1に比べて、皮膜の密着性が高くなったと考えられる。なお、実施例1の成膜初期においては、AIPによりTi原子がイオン化され、バイアス電圧が一般的な成膜時のバイアス電圧よりも大きいので、原子がひきつけられる力が強い。これにより、基材に衝突する際のエネルギが大きいため、基材と金属層と界面が入り組んだ凹凸面となり、基材表面に対して垂直方向に延出した柱状の金属結晶が形成されたものと推定される。
(Discussion)
As a result, the base material and the metal layer of Example 1 have an intricate uneven surface at the interface, and the metal layer portion in contact with the surface of the base material and the vicinity thereof are on the base material surface. On the other hand, it is considered that the anchoring effect was obtained between the base material and the metal layer by forming the columnar metal crystal extending in the vertical direction. Thereby, as shown in the result 3, it is considered that the adhesiveness of the film in Example 1 was higher than that in Comparative Example 1. In the initial stage of film formation in Example 1, Ti atoms are ionized by AIP, and the bias voltage is larger than the bias voltage at the time of general film formation, so the force to attract atoms is strong. As a result, the energy when colliding with the base material is large, so that the interface between the base material and the metal layer becomes an uneven surface, and columnar metal crystals extending in the direction perpendicular to the base material surface are formed. It is estimated to be.

また、結果1より、実施例1の金属皮膜(金属層)の表面およびその近傍では、基材表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織を有しており、このような結晶組織からなる表面は、付着仕事の大きさが大きく、濡れ性が高いと考えられる。一方、比較例2の金属皮膜は、膜厚方向に沿って、基材表面に対して垂直方向に延出した柱状の結晶組織を有しており、このような結晶組織からなる表面は、付着仕事の大きさが小さく、濡れ性も低いと考えられる。このような特性により、比較例2に比べて、実施例1のほうが金属皮膜(金属層)と非晶質炭素皮膜との密着性が高いと考えられる。なお、実施例1の成膜終期においては、AIPによりTi原子がイオン化されるものの、バイアス電圧は小さいので、原子がひきつけられる力が弱い。これにより、基材に衝突する際のエネルギが小さいため基材表面に対して平行方向に延出した柱状の金属結晶が形成されたと推定される。   Further, from the result 1, the surface of the metal film (metal layer) of Example 1 and the vicinity thereof have a columnar crystal structure extending in a direction parallel to the substrate surface, and such a crystal structure The surface made of is considered to have a large adhesion work and high wettability. On the other hand, the metal film of Comparative Example 2 has a columnar crystal structure extending in the direction perpendicular to the substrate surface along the film thickness direction. It is thought that the size of work is small and the wettability is also low. Due to such characteristics, it is considered that the adhesiveness between the metal film (metal layer) and the amorphous carbon film is higher in Example 1 than in Comparative Example 2. At the end of film formation in Example 1, Ti atoms are ionized by AIP, but the bias voltage is small, so the force for attracting atoms is weak. Thereby, since the energy at the time of colliding with a base material is small, it is estimated that the columnar metal crystal extended in the parallel direction with respect to the base-material surface was formed.

(実施例2,3)
実施例1と同じようにして、基材の表面に、金属層(金属皮膜)及び金属複合DLC層(非晶質炭素皮膜)を成膜した。実施例1と相違する点は、金属皮膜の成膜開始時(初期)の前記バイアス電圧の大きさを500Vとした点である。なお、実施例3は実施例2と同一の条件で成膜した。そして、実施例2,3の皮膜に対して、実施例1の密着性試験のうちHRc法により、荷重を100kg,150kg加え、皮膜の剥離を確認した。この結果を表1に示す。
(Examples 2 and 3)
In the same manner as in Example 1, a metal layer (metal film) and a metal composite DLC layer (amorphous carbon film) were formed on the surface of the substrate. The difference from Example 1 is that the magnitude of the bias voltage at the start (initial stage) of the metal film is 500V. In Example 3, the film was formed under the same conditions as in Example 2. And with respect to the film | membrane of Example 2, 3, 100 kg and 150 kg of load were added by the HRc method among the adhesiveness tests of Example 1, and peeling of the film | membrane was confirmed. The results are shown in Table 1.

(比較例3,4)
実施例1と同じようにして、基材の表面に、金属層(金属皮膜)及び金属複合DLC層(非晶質炭素皮膜)を成膜した。比較例3が、実施例1と相違する点は、金属皮膜の成膜開始時(初期)の前記バイアス電圧の大きさを250Vとした点である。比較例4が、実施例1と相違する点は、金属皮膜の成膜開始時(初期)の前記バイアス電圧の大きさを250Vとした点と、厚さ方向に沿ったチタンの割合を20質量%一定として、非晶質炭素皮膜を形成した点である。そして、比較例2,3の皮膜に対して、実施例2と同様の密着性試験を行った。この結果を表1に示す。
(Comparative Examples 3 and 4)
In the same manner as in Example 1, a metal layer (metal film) and a metal composite DLC layer (amorphous carbon film) were formed on the surface of the substrate. Comparative Example 3 is different from Example 1 in that the magnitude of the bias voltage at the start (initial stage) of forming the metal film is 250V. Comparative Example 4 differs from Example 1 in that the magnitude of the bias voltage at the start of metal film deposition (initial stage) was 250 V, and the proportion of titanium along the thickness direction was 20 mass. %, The amorphous carbon film was formed. And the adhesion test similar to Example 2 was done with respect to the film of Comparative Examples 2 and 3. The results are shown in Table 1.

Figure 0004807290
Figure 0004807290

(結果5及び考察)
実施例2,3の皮膜は、剥離しなかったが、比較例3,4の皮膜は、基材と金属皮膜との界面から剥離した。この結果から、実施例2,3は、金属皮膜を成膜開始時(初期)のバイアス電圧が、比較例3,4に比べて大きかったことにより、基材と金属皮膜の界面に前記した投錨効果が得られ、この結果、実施例2,3の皮膜は剥離しなかったと考えられる。このことから、前記投錨効果を得るためには、実施例2,3のように、金属皮膜の成膜開始時(初期)のバイアス電圧の大きさは、少なくとも500V以上である必要がある。また、比較例4のように、金属組成比を変化させても、基材と金属皮膜の界面における密着性に及ぼす影響は少ないと考えられる。
(Result 5 and discussion)
Although the films of Examples 2 and 3 did not peel, the films of Comparative Examples 3 and 4 peeled from the interface between the base material and the metal film. From these results, in Examples 2 and 3, the bias voltage at the start of deposition of the metal film (initial) was larger than that in Comparative Examples 3 and 4, and thus the above-described casting was performed at the interface between the base material and the metal film. As a result, it is considered that the films of Examples 2 and 3 did not peel off. From this, in order to obtain the throwing effect, as in Examples 2 and 3, the magnitude of the bias voltage at the start (initial) of the metal film formation needs to be at least 500 V or more. Moreover, it is thought that even if it changes a metal composition ratio like the comparative example 4, it has little influence on the adhesiveness in the interface of a base material and a metal film.

(実施例4〜6)
実施例2と同じようにして、基材の表面に、金属層(金属皮膜)及び金属複合DLC層(非晶質炭素皮膜)を成膜した。実施例4〜6が、実施例2と相違する点は、金属皮膜の成膜終了時(終期)のバイアス電圧の大きさを順次25V,50V,100Vとした点であり、非晶質炭素皮膜の成膜開始時(初期)のバイアス電圧の大きさを順次25V,50V,100Vとした点である。実施例6は、厚さ方向に沿ったチタンの割合を20質量%一定として、非晶質炭素皮膜を形成した点もさらに実施例2と相違する。そして、実施例4〜6の皮膜に対して、実施例2と同様の密着性試験を行った。この結果を表2に示す。
(Examples 4 to 6)
In the same manner as in Example 2, a metal layer (metal film) and a metal composite DLC layer (amorphous carbon film) were formed on the surface of the substrate. Examples 4 to 6 differ from Example 2 in that the magnitude of the bias voltage at the end of film formation (final stage) was set to 25 V, 50 V, and 100 V in order, and the amorphous carbon film That is, the magnitude of the bias voltage at the start of film formation (initial) is set to 25 V, 50 V, and 100 V in sequence. Example 6 is further different from Example 2 in that the amorphous carbon film is formed with the proportion of titanium along the thickness direction being constant at 20% by mass. And the adhesiveness test similar to Example 2 was done with respect to the film | membrane of Examples 4-6. The results are shown in Table 2.

(比較例5)
実施例4と同じようにして、基材の表面に、金属層(金属皮膜)及び金属複合DLC層(非晶質炭素皮膜)を成膜した。比較例4が、実施例4と相違する点は、金属皮膜の成膜終了時(終期)の前記バイアス電圧の大きさを500Vとした点である。そして、比較例5の皮膜に対して、実施例4と同様の密着性試験を行った。この結果を表2に示す。
(Comparative Example 5)
In the same manner as in Example 4, a metal layer (metal film) and a metal composite DLC layer (amorphous carbon film) were formed on the surface of the substrate. The comparative example 4 is different from the example 4 in that the magnitude of the bias voltage at the end of the metal film formation (end) is 500V. And the adhesion test similar to Example 4 was done with respect to the film of Comparative Example 5. The results are shown in Table 2.

Figure 0004807290
Figure 0004807290

(結果6及び考察)
実施例4〜6の皮膜は、剥離しなかったが、比較例5の皮膜は、金属皮膜と非晶質炭素皮膜との界面から剥離した。この結果から、実施例4〜6は、金属皮膜を成膜終了時(終期)のバイアス電圧が、比較例3,4に比べて小さかったことにより、金属皮膜の表面の濡れ性が向上し、金属皮膜と非晶質炭素皮膜との密着性が向上したものと考えられる。このような理由から、実施例4〜6の皮膜は剥離しなかったと考えられる。このことから、前記濡れ性を得るためには、実施例4〜6のように、金属皮膜の成膜終了時(終期)のバイアス電圧の大きさは、100V以下である必要がある。また、実施例6のように、金属組成比を変化させても、金属皮膜と非晶質炭素皮膜との密着性に及ぼす影響は少ないと考えられる。
(Result 6 and discussion)
Although the films of Examples 4 to 6 did not peel, the film of Comparative Example 5 peeled from the interface between the metal film and the amorphous carbon film. From these results, in Examples 4 to 6, the bias voltage at the end of film formation (terminal) of the metal film was smaller than those in Comparative Examples 3 and 4, thereby improving the wettability of the surface of the metal film. It is considered that the adhesion between the metal film and the amorphous carbon film is improved. For these reasons, it is considered that the films of Examples 4 to 6 did not peel off. From this, in order to obtain the wettability, as in Examples 4 to 6, the magnitude of the bias voltage at the end of film formation (final stage) needs to be 100 V or less. In addition, as in Example 6, even if the metal composition ratio is changed, it is considered that the influence on the adhesion between the metal film and the amorphous carbon film is small.

(実施例7,8)
実施例2と同じようにして、基材の表面に、金属層(金属皮膜)及び金属複合DLC層(非晶質炭素皮膜)を成膜した。実施例7の成膜条件は、実施例2と同一であり、実施例8が、実施例2と相違する点は、金属皮膜の厚さを50nmとした点である。そして、実施例7,8の皮膜に対して、実施例2と同様の密着性試験を行った。この結果を表2に示す。
(Examples 7 and 8)
In the same manner as in Example 2, a metal layer (metal film) and a metal composite DLC layer (amorphous carbon film) were formed on the surface of the substrate. The film forming conditions of Example 7 are the same as those of Example 2, and Example 8 is different from Example 2 in that the thickness of the metal film is 50 nm. And the adhesion test similar to Example 2 was done with respect to the films of Examples 7 and 8. The results are shown in Table 2.

(比較例6〜9)
実施例7と同じようにして、基材の表面に、金属層(金属皮膜)及び金属複合DLC層(非晶質炭素皮膜)を成膜した。比較例6〜9が、実施例7と相違する点は、金属皮膜の厚さを5nmとした点である。比較例7は、非晶質炭素皮膜の成膜開始時(初期)の前記バイアス電圧の大きさを300Vとした点がさらに相違する。比較例8は、金属皮膜の成膜開始時(初期)のバイアス電圧の大きさを250Vにした点が相違する。また、比較例9は、金属皮膜の成膜開始時(初期)のバイアス電圧の大きさを250Vにした点、及び非晶質炭素皮膜の成膜開始時(初期)の前記バイアス電圧の大きさを300Vとした点が相違する。そして、実施例4と同様の試験を行った。この結果を表3に示す。
(Comparative Examples 6-9)
In the same manner as in Example 7, a metal layer (metal film) and a metal composite DLC layer (amorphous carbon film) were formed on the surface of the substrate. Comparative Example 6-9 differs from Example 7 in that the thickness of the metal film is 5 nm. The comparative example 7 is further different in that the magnitude of the bias voltage at the start of film formation of the amorphous carbon film (initial stage) is 300V. The comparative example 8 is different in that the magnitude of the bias voltage at the start (initial stage) of forming the metal film is 250V. In Comparative Example 9, the magnitude of the bias voltage at the start of metal film deposition (initial) was 250 V, and the magnitude of the bias voltage at the start of amorphous carbon film deposition (initial). Is different from that of 300V. And the test similar to Example 4 was done. The results are shown in Table 3.

Figure 0004807290
Figure 0004807290

(結果7及び考察)
実施例7,8の皮膜は、剥離しなかったが、比較例6〜9の皮膜は、基材と金属皮膜との界面から剥離した。但し、比較例6の皮膜は、測定箇所によっては、100kgで剥離しない箇所もあった。また、比較例7,9は、さらに、金属皮膜と非晶質炭素皮膜との界面から剥離するものもあった。この結果から、実施例7,8は、皮膜厚さが、比較例6〜9に比べて大きかったことにより、基材と金属皮膜の密着性が確実に向上したものと考えられる。このような理由より、実施例7,8の皮膜は剥離しなかったと考えられる。このことから、実施例7,8のように、皮膜厚さは、20nm以上であることが好ましいと考えられる。また、比較例7,9のように、金属皮膜と非晶質炭素皮膜との界面から剥離するものもあったのは、非晶質炭素皮膜の成膜開始時(初期)のバイアス電圧の大きさを、金属皮膜の成膜終了時(終期)のバイアス電圧の大きさよりも大きくしたため、濡れ性の高い金属皮膜の界面の組織形態とは異なった結晶組織が、非晶質炭素皮膜の界面に形成され、これにより、界面同士の密着性が低下したものと考えられる。
(Result 7 and discussion)
Although the films of Examples 7 and 8 did not peel, the films of Comparative Examples 6 to 9 peeled from the interface between the base material and the metal film. However, the film of Comparative Example 6 was not peeled at 100 kg depending on the measurement location. In Comparative Examples 7 and 9, there were also those that peeled off from the interface between the metal film and the amorphous carbon film. From these results, it is considered that in Examples 7 and 8, the film thickness was larger than those in Comparative Examples 6 to 9, and thus the adhesion between the base material and the metal film was surely improved. For these reasons, it is considered that the films of Examples 7 and 8 did not peel off. From this, it is considered that the film thickness is preferably 20 nm or more as in Examples 7 and 8. In addition, as in Comparative Examples 7 and 9, some peeled from the interface between the metal film and the amorphous carbon film because of the large bias voltage at the start of the film formation of the amorphous carbon film (initial). Since the bias voltage was larger than the bias voltage at the end of the metal film deposition (final stage), a crystal structure different from the structure of the metal film interface with high wettability appeared at the interface of the amorphous carbon film. It is considered that the adhesion between the interfaces was lowered.

本実施形態に係る金属皮膜及び該金属皮膜表面の非晶質炭素皮膜を形成するに、好適な皮膜形成装置の概略図。1 is a schematic view of a film forming apparatus suitable for forming a metal film according to the present embodiment and an amorphous carbon film on the surface of the metal film. 本実施形態に係る金属皮膜及び非晶質炭素皮膜の好適な製造方法を説明するための図。The figure for demonstrating the suitable manufacturing method of the metal membrane | film | coat and amorphous carbon membrane which concern on this embodiment. 本実施形態に係る金属皮膜の断面における金属組織の模式図。The schematic diagram of the metal structure in the cross section of the metal film which concerns on this embodiment. 実施例1及び比較例1のTEM(透過型電子顕微鏡)より観察した写真図。The photograph figure observed from TEM (transmission electron microscope) of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 実施例1及び比較例1,2の金属皮膜表面をAFM(原子間力顕微鏡)により観察した写真図。The photograph figure which observed the metal film surface of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 with AFM (atomic force microscope). 実施例1及び比較例2の濡れ性試験の結果を示した図。The figure which showed the result of the wettability test of Example 1 and Comparative Example 2. 実施例1及び比較例1の密着性試験、摩擦摩耗試験の結果を示した図。The figure which showed the result of the adhesiveness test of Example 1 and the comparative example 1, and the friction abrasion test. 摩擦摩耗試験を説明するための図。The figure for demonstrating a friction abrasion test.

符号の説明Explanation of symbols

20:金属皮膜,21:基材の表面に対して垂直方向に延出した柱状の結晶組織,22:基材材表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織,70:基材 20: Metal film, 21: Columnar crystal structure extending in a direction perpendicular to the surface of the base material, 22: Columnar crystal structure extending in a direction parallel to the surface of the base material, 70: Base material

Claims (11)

金属ターゲットの金属をアーク放電によりイオン化させると共に、基材にバイアス電圧を印加することにより、前記基材の表面に前記イオン化した金属を付着させて、前記金属からなる皮膜を成膜する工程を少なくとも含む皮膜を成膜する方法であって、
該金属皮膜の成膜工程において、前記成膜開始時の前記バイアス電圧の大きさを少なくとも500V以上とし、前記成膜終了時の前記バイアス電圧の大きさを少なくとも100V以下とし、前記成膜開始時から前記成膜終了時まで、前記バイアス電圧の大きさを傾斜的に減少させながら前記金属皮膜の成膜を行い、
前記金属皮膜の表面に前記金属ターゲットの前記金属を含む非晶質炭素皮膜を成膜する工程をさらに含むことを特徴とする皮膜の成膜方法。
At least a step of ionizing the metal of the metal target by arc discharge and applying a bias voltage to the base material to attach the ionized metal to the surface of the base material to form a film made of the metal. A method of forming a coating film including:
In the metal film formation step, the magnitude of the bias voltage at the start of the film formation is at least 500 V or more, the magnitude of the bias voltage at the end of the film formation is at least 100 V or less, and the film formation is started. the layers up to end, have rows deposition of the metal coating while inclined to reduce the magnitude of the bias voltage from,
A method of forming a film, further comprising the step of forming an amorphous carbon film containing the metal of the metal target on the surface of the metal film .
記金属ターゲットとして、4A族元素、5A族元素、6A族元素、3B族元素、及びSiから選択される1種以上の金属ターゲットを用いて前記金属皮膜の成膜を行い、
前記非晶質炭素皮膜の成膜を、前記金属ターゲットと前記基材との間に炭化水素ガスをさらに供給した状態で、前記ターゲットの金属及び前記炭化水素ガスの炭化水素をイオン化させると共に、前記基材にバイアス電圧を付加することにより行うことを特徴とする請求項1に記載の皮膜の成膜方法。
As before Symbol metal target, perform deposition of the metal coating with 4A group element, 5A group elements, 6A Group elements, 3B group elements, and at least one metal target is selected from Si,
The amorphous carbon film is formed by ionizing the metal of the target and the hydrocarbon gas in a state where a hydrocarbon gas is further supplied between the metal target and the base material, and The method for forming a film according to claim 1, wherein the method is performed by applying a bias voltage to the substrate.
前記金属皮膜の厚さを少なくとも20nm以上となるように前記金属皮膜の成膜を行うことを特徴とする請求項2に記載の皮膜の成膜方法。   The film forming method according to claim 2, wherein the metal film is formed so that the thickness of the metal film is at least 20 nm or more. 前記非晶質炭素皮膜の成膜工程において、前記炭化系水素ガスの濃度を上昇させることにより、前記非晶質炭素皮膜中の炭素の割合を、該非晶質炭素皮膜の表面に向かう厚さ方向に沿って傾斜的に増加させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の皮膜の成膜方法。   In the film forming step of the amorphous carbon film, by increasing the concentration of the hydrocarbon-based hydrogen gas, the ratio of carbon in the amorphous carbon film is increased in the thickness direction toward the surface of the amorphous carbon film. The method of forming a film according to claim 1, wherein the film is increased in a slanting manner along the line. 前記非晶質炭素皮膜の成膜を、前記バイアス電圧の大きさを増加させながら行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の皮膜の成膜方法。   5. The film forming method according to claim 1, wherein the amorphous carbon film is formed while increasing the magnitude of the bias voltage. 前記非晶質炭素皮膜の成膜開始時のバイアス電圧を、前記金属皮膜の成膜終了時のバイアス電圧と同じ大きさとする請求項5に記載の皮膜の成膜方法。6. The method of forming a film according to claim 5, wherein a bias voltage at the start of film formation of the amorphous carbon film is the same as a bias voltage at the end of film formation of the metal film. 請求項1〜6のいずれかに記載の成膜方法により成膜された皮膜を基材の表面に形成した摺動部材。 The sliding member which formed the film | membrane formed into a film by the film-forming method in any one of Claims 1-6 on the surface of the base material. 基材の表面に少なくとも金属皮膜を形成した皮膜形成部材であって、
前記金属皮膜は、前記基材の表面との接触部位およびその近傍では、前記基材の表面に対して垂直方向に延出した柱状の結晶組織を形成しており、
前記金属皮膜の表面及びその近傍では、基材表面に対して平行方向に延出した柱状の結晶組織を形成しており、
前記金属皮膜の表面には、さらに前記金属皮膜の金属を含む非晶質炭素皮膜が形成されていることを特徴とする皮膜形成部材。
A film forming member having at least a metal film formed on the surface of a substrate,
The metal film forms a columnar crystal structure extending in a direction perpendicular to the surface of the base material at and near the contact portion with the surface of the base material,
At the surface of the metal film and in the vicinity thereof, a columnar crystal structure extending in a direction parallel to the substrate surface is formed ,
A film-forming member , wherein an amorphous carbon film containing the metal of the metal film is further formed on the surface of the metal film .
前記金属皮膜の金属は、4A族元素、5A族元素、6A族元素、3B族元素、及びSiから選択される1種以上の金属であることを特徴とする請求項に記載の皮膜形成部材。 Metal of the metal coating, 4A group elements, 5A Group elements, 6A Group elements, 3B group elements, and film forming member according to claim 8, characterized in that the Si is one or more metals selected . 前記金属皮膜の厚さは少なくとも20nm以上であることを特徴とする請求項8又は9に記載の皮膜形成部材。 The film forming member according to claim 8 or 9 , wherein the thickness of the metal film is at least 20 nm or more. 前記非晶質炭素皮膜は、該非晶質炭素皮膜の表面に向かう厚さ方向に沿って、傾斜的に炭素の割合が増加していることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の皮膜形成部材。 The amorphous carbon film along the thickness direction toward the surface of the amorphous carbon film, inclined manner according to claim 8, characterized in that the proportion of carbon is increased Film forming member.
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