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JP7722810B2 - DLC layer forming method and mold manufacturing method - Google Patents
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JP7722810B2 - DLC layer forming method and mold manufacturing method - Google Patents

DLC layer forming method and mold manufacturing method

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JP7722810B2 JP2020042313A JP2020042313A JP7722810B2 JP 7722810 B2 JP7722810 B2 JP 7722810B2 JP 2020042313 A JP2020042313 A JP 2020042313A JP 2020042313 A JP2020042313 A JP 2020042313A JP 7722810 B2 JP7722810 B2 JP 7722810B2
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Description

本発明は、基材表面に成膜されるDLC(Diamond-Like Carbon)層の成膜方法に関するものである。 The present invention relates to a method for forming a DLC (Diamond-Like Carbon) layer on a substrate surface.

従来、プレス加工用や鍛造用の金型表面には、金型の耐久性を向上させるためや、被成型材と金型表面との摩擦による被成型材の摩耗を低減させるために硬質層を形成するという対策が取られる。金型表面に形成される硬質層として、高硬度で耐久性に優れ、低摩擦係数であることが知られているDLC層の適用が進んでいる。金型表面にDLC層を成膜する方法としては、特許文献1のようなプラズマCVD法を用いたもの、または特許文献2のようなアンバランスドマグネトロンスパッタリング(以下、UBMスパッタリングと記す)法を用いたものが知られている。 Conventionally, a hard layer has been formed on the surface of press and forging dies to improve the durability of the die and reduce wear of the workpiece due to friction between the die surface and the workpiece. DLC layers, known for their high hardness, excellent durability, and low coefficient of friction, are increasingly being used as hard layers to form on die surfaces. Known methods for depositing DLC layers on die surfaces include plasma CVD, as described in Patent Document 1, and unbalanced magnetron sputtering (hereinafter referred to as UBM sputtering), as described in Patent Document 2.

特開2015-178670号公報JP 2015-178670 A 特開2013-079445号公報JP 2013-079445 A

昨今、自動車の軽量化に向けて、自動車部品の材質が、鋼材から例えば純アルミやアルミ合金などのアルミ材に置き換えられている。被成型材の成型加工は、被成型材と金型表面の間に潤滑油が存在する環境(いわゆるウェット環境)で行われるが、従来の方法でDLC層が成膜された金型では、ウェット環境下であっても被成型材とDLC層の摩擦係数が上昇しやすくなる。被成型材がアルミ材である場合、摩擦係数の上昇により被成型材の摩耗粉が発生しやすく、金型の表面に摩耗粉が張り付くことがあった。そのような状態で成型加工が行われると、被成型材に傷が発生することが懸念される。 In recent years, in an effort to reduce the weight of automobiles, the material used for automotive parts has been replaced from steel to aluminum materials such as pure aluminum and aluminum alloys. The molding process for the workpiece is carried out in an environment where lubricant is present between the workpiece and the mold surface (a so-called wet environment). However, with molds on which a DLC layer has been formed using conventional methods, the coefficient of friction between the workpiece and the DLC layer tends to increase even in wet environments. When the workpiece is aluminum, the increased coefficient of friction tends to generate wear powder from the workpiece, which can stick to the surface of the mold. If molding is carried out under such conditions, there is a concern that the workpiece may be scratched.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ウェット環境下において、DLC層の表面に接する相手部材との摩擦係数の上昇を抑制することが可能なDLC層の成膜方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a method for forming a DLC layer that can suppress an increase in the coefficient of friction between the surface of the DLC layer and a mating member in contact with the surface in a wet environment.

本発明者は、DLC層の表面に凹部を形成することで油だまりを設け、潤滑油を保持および供給する働きにより、DLC層の表面に接する相手部材との摩擦係数の上昇を抑制できることに想到した。そして、DLC層の表面に凹部を形成可能なDLC層の成膜方法として、UBMスパッタリング法に着目して鋭意検討を進めた。 The inventors came up with the idea that by forming recesses on the surface of a DLC layer, oil reservoirs can be created, which serve to retain and supply lubricating oil, thereby suppressing an increase in the coefficient of friction between the DLC layer and a mating member that comes into contact with the surface of the DLC layer. They then focused on the UBM sputtering method as a DLC layer deposition method that can form recesses on the surface of the DLC layer and conducted extensive research.

その結果、成膜されたDLC層がアルゴンイオンの衝突によりスパッタされる現象である、いわゆる逆スパッタ現象を利用できることを見出した。また成膜ガスとしてアルゴンガスのみの供給ではDLC層へのアルゴンイオンの衝突エネルギーが強くなりすぎるため、炭化水素ガスを供給しその流量比を制御することで、上記の目的が達成されることを見出し、本発明の完成に至った。 As a result, they discovered that they could utilize the so-called reverse sputtering phenomenon, in which the deposited DLC layer is sputtered by the collision of argon ions. Furthermore, since supplying only argon gas as the deposition gas would result in too much collision energy of argon ions with the DLC layer, they discovered that the above objective could be achieved by supplying hydrocarbon gas and controlling its flow rate ratio, which led to the completion of this invention.

上記課題を解決する本発明の一態様は、炭素ターゲットを用いたアンバランスドマグネトロンスパッタリング法により基材の表面にDLC層を成膜するDLC層の成膜方法であって、成膜処理が行われるチャンバー内に供給されるアルゴンガスと炭化水素ガスの流量比(アルゴンガスの流量/炭化水素ガスの流量)が35~60となるように、前記アルゴンガスおよび前記炭化水素ガスの流量を調節し、前記基材に対し、190275Vのバイアス電圧をパルス状に印加することを特徴としている。 One aspect of the present invention that solves the above-mentioned problems is a method for forming a DLC layer on the surface of a substrate by unbalanced magnetron sputtering using a carbon target, the method comprising adjusting the flow rates of argon gas and hydrocarbon gas supplied into a chamber where the film formation process is performed so that the flow rate ratio (flow rate of argon gas/flow rate of hydrocarbon gas) between the argon gas and the hydrocarbon gas is 35 to 60, and applying a pulsed bias voltage of 190 to 275 V to the substrate.

別の観点による本発明は、上記のDLC層の成膜方法を用いて、前記基材の表面に前記DLC層が成膜された金型を製造することを特徴としている。 In another aspect, the present invention is characterized by using the above-mentioned DLC layer deposition method to manufacture a mold in which the DLC layer is deposited on the surface of the substrate.

ウェット環境下において、DLC層の表面に接する相手部材との摩擦係数の上昇を抑制することが可能なDLC層を成膜することができる。なお、本明細書中のウェット環境下における、DLC層の表面に接する相手部材との摩擦係数とは、ボールオンディスク試験による摩擦係数測定の際、試料とボールの間にポリアルファオレフィンを介在させて測定された摩擦係数のことを指す。 It is possible to form a DLC layer that can suppress an increase in the coefficient of friction with a mating member that comes into contact with the surface of the DLC layer in a wet environment. Note that in this specification, the coefficient of friction with a mating member that comes into contact with the surface of the DLC layer in a wet environment refers to the coefficient of friction measured using a ball-on-disk test, with polyalphaolefin interposed between the sample and the ball.

本発明の一実施形態に係るDLC被覆材の積層構造の概略を示す図である。1 is a diagram showing an outline of a layered structure of a DLC coating material according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るUBMスパッタリング装置としての成膜装置の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a film forming apparatus as a UBM sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention. 試験片の基材形状を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the substrate shape of a test piece. ボールオンディスク試験の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a ball-on-disk test. 実施例1および比較例1のボールオンディスク試験(ウェット環境)の結果である。1 shows the results of a ball-on-disk test (wet environment) for Example 1 and Comparative Example 1. 実施例2のボールオンディスク試験(ウェット環境)の結果である。10 shows the results of a ball-on-disk test (wet environment) for Example 2. 実施例3のボールオンディスク試験(ウェット環境)の結果である。10 shows the results of a ball-on-disk test (wet environment) for Example 3. 実施例4のボールオンディスク試験(ウェット環境)の結果である。10 shows the results of a ball-on-disk test (wet environment) for Example 4. 実施例5のボールオンディスク試験(ウェット環境)の結果である。10 shows the results of a ball-on-disk test (wet environment) for Example 5. 実施例1のボールオンディスク試験(ドライ環境)の結果である。1 shows the results of a ball-on-disk test (dry environment) for Example 1. 実施例2のボールオンディスク試験(ドライ環境)の結果である。10 shows the results of a ball-on-disk test (dry environment) for Example 2. 実施例3のボールオンディスク試験(ドライ環境)の結果である。10 shows the results of a ball-on-disk test (dry environment) for Example 3. 実施例4のボールオンディスク試験(ドライ環境)の結果である。10 shows the results of a ball-on-disk test (dry environment) for Example 4. 実施例5のボールオンディスク試験(ドライ環境)の結果である。10 shows the results of a ball-on-disk test (dry environment) for Example 5. 実施例1のDLC層表面のSEM画像である。1 is an SEM image of the surface of the DLC layer of Example 1. 比較例1のDLC層表面のSEM画像である。1 is an SEM image of the surface of the DLC layer of Comparative Example 1.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that in this specification and drawings, elements that have substantially the same functional configuration will be assigned the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

<DLC被覆材の層構造>
図1は、本発明の製造方法により得られる、基材の表面にDLC層が成膜されたDLC被覆材の積層構造の一例を示す図である。図1に示される本実施形態のDLC被覆材1は、基材2と、基材2の上に成膜された中間層3と、中間層3の上に成膜されたDLC中間層4と、DLC中間層4の上に成膜されたDLC層5とを有している。
<Layer structure of DLC coating material>
1 is a diagram showing an example of a layer structure of a DLC coating material obtained by the manufacturing method of the present invention, in which a DLC layer is formed on the surface of a substrate. The DLC coating material 1 of this embodiment shown in FIG. 1 includes a substrate 2, an intermediate layer 3 formed on the substrate 2, a DLC intermediate layer 4 formed on the intermediate layer 3, and a DLC layer 5 formed on the DLC intermediate layer 4.

基材2は、例えばSKD11のような金型用途の合金工具鋼や高速度工具鋼などの鋼材が用いられるが、基材2は、これらの鋼材に限定されることはない。 The substrate 2 is typically made of a steel material such as alloy tool steel for mold applications, such as SKD11, or high-speed tool steel, but is not limited to these steel materials.

中間層3は、基材2とDLC層5との密着性を向上させるために必要に応じて成膜される層である。中間層3は、基材2の硬度とDLC層5の硬度の中間的な硬度を有している。中間層3は、基材2との相性を良好にして基材2との密着性を向上させるために、基材2の化学成分中の元素を含んでいることが好ましい。例えば中間層3は、鋼材の化学成分中に含まれ得るCr、W、Ti、V、Moからなる群から選択される1種以上の元素を含むことが好ましい。さらに、基材2が金型用途の合金工具鋼や高速度工具鋼などの鋼材である場合、中間層3は、そのような鋼材に多く含まれるクロムを含んでいることが好ましい。また、中間層3は、基材2側からDLC層5側に向かって硬度が高くなっていく層であることが好ましい。なお、中間層3は、複層構造であってもよい。 The intermediate layer 3 is an optional layer formed to improve adhesion between the substrate 2 and the DLC layer 5. The intermediate layer 3 has a hardness intermediate between that of the substrate 2 and that of the DLC layer 5. The intermediate layer 3 preferably contains elements contained in the chemical composition of the substrate 2 to improve compatibility with the substrate 2 and adhesion thereto. For example, the intermediate layer 3 preferably contains one or more elements selected from the group consisting of Cr, W, Ti, V, and Mo, which may be contained in the chemical composition of steel. Furthermore, when the substrate 2 is a steel material such as alloy tool steel or high-speed tool steel for mold applications, the intermediate layer 3 preferably contains chromium, which is abundant in such steel materials. Furthermore, the intermediate layer 3 preferably has a hardness that increases from the substrate 2 side toward the DLC layer 5 side. The intermediate layer 3 may have a multi-layer structure.

DLC中間層4は、中間層3とDLC層5との密着性を向上させるために必要に応じて成膜される炭素からなる層であり、中間層3の硬度とDLC層5の硬度の中間的な硬度を有している。また、DLC中間層4は、基材2側からDLC層5側に向かって硬度が高くなる層であることが好ましい。 The DLC intermediate layer 4 is a layer made of carbon that is deposited as needed to improve adhesion between the intermediate layer 3 and the DLC layer 5, and has a hardness intermediate between that of the intermediate layer 3 and that of the DLC layer 5. It is also preferable that the hardness of the DLC intermediate layer 4 increases from the substrate 2 side toward the DLC layer 5 side.

本実施形態のDLC中間層4は、中間層3の上に成膜される第1のDLC中間層4aと、第1のDLC中間層4aの上に成膜され、第1のDLC中間層4aよりも緻密な層である第2のDLC中間層4bとを有した2層構造となっている。第2のDLC中間層4bは、第1のDLC中間層4aよりも高硬度であることが好ましい。なお、DLC中間層4は、2層構造に限定されず、また、複層構造でなくてもよい。 The DLC intermediate layer 4 of this embodiment has a two-layer structure including a first DLC intermediate layer 4a formed on the intermediate layer 3 and a second DLC intermediate layer 4b formed on the first DLC intermediate layer 4a and denser than the first DLC intermediate layer 4a. The second DLC intermediate layer 4b preferably has a higher hardness than the first DLC intermediate layer 4a. Note that the DLC intermediate layer 4 is not limited to a two-layer structure, and does not have to have a multi-layer structure.

<DLC被覆材の製造方法>
基材2の表面にDLC層5が成膜されたDLC被覆材1の製造方法について説明する。DLC被覆材1は、UBMスパッタリング法によって行われる。
<Method of manufacturing DLC coating material>
A method for manufacturing the DLC coated material 1 in which the DLC layer 5 is formed on the surface of the substrate 2 will be described. The DLC coated material 1 is formed by UBM sputtering.

(成膜装置)
DLC被覆材の製造に使用される成膜装置は、ターゲットに電力を供給するスパッタ用パルス電源と、ターゲットの背面側に配置される複数個の磁極と、基材に負の電圧であるバイアス電圧をパルス状に印加するバイアス用パルス電源と、アルゴンガスおよび炭化水素ガスを供給するガスインレットを備えている。UBMスパッタリング法は、そのような装置において、磁極のバランスを非平衡にして磁力線の一部を基材の近傍まで伸ばすことによって基材近傍のプラズマ密度を高くすると共に、基材にバイアス電圧を印加することによって基材へのアルゴンイオンの衝突エネルギーを増やすことができるイオンアシスト作用を利用する成膜方法である。
(Film forming equipment)
A deposition apparatus used to manufacture DLC coating materials includes a sputtering pulse power supply that supplies power to the target, multiple magnetic poles arranged behind the target, a bias pulse power supply that applies a negative bias voltage to the substrate in pulses, and gas inlets that supply argon gas and hydrocarbon gas. The UBM sputtering method is a deposition method that uses an ion-assisted effect in such an apparatus, which increases the plasma density near the substrate by imbalancing the magnetic poles and extending some of the magnetic field lines to the vicinity of the substrate, and also increases the collision energy of argon ions with the substrate by applying a bias voltage to the substrate.

図2は、UBMスパッタリング装置としての成膜装置の一例を示す図である。図2に示される成膜装置10は、基材2が収容され、成膜処理が行われるチャンバー11と、基材2が載せられる台12と、台12に接続され、台12を介して基材2にバイアス電圧を印加するバイアス用パルス電源13を備えている。チャンバー11の側壁部には、中間層3、DLC中間層4およびDLC層5の成膜時に用いられる成膜ガスを供給するガスインレット14が設けられている。ガスインレット14は、成膜ガスの流量を調節する制御部等を備えたガス供給源15に接続されている。チャンバー11の底壁部には、チャンバー11内の雰囲気ガスを排気するガス排気管16が設けられ、ガス排気管16は、真空ポンプ(図示なし)に接続されている。成膜処理時には、ガス排気管16により適宜排気が行われることでチャンバー11内の圧力が制御される。台12の上方には、中間層3、DLC中間層4およびDLC層5の成膜時に用いられる各種ターゲット17が配置されている。ターゲット17は、チャンバー11の外部に配置されたスパッタ用パルス電源18に接続されている。ターゲット17の背面側には磁極19が設けられ、磁極19のバランスが非平衡となることで、生成されるプラズマ20が台12に載せられた基材2近傍まで到達する。 Figure 2 shows an example of a film formation apparatus as a UBM sputtering device. The film formation apparatus 10 shown in Figure 2 includes a chamber 11 in which a substrate 2 is housed and a film formation process is performed, a stage 12 on which the substrate 2 is placed, and a bias pulse power supply 13 connected to the stage 12 and applying a bias voltage to the substrate 2 via the stage 12. A gas inlet 14 is provided on the side wall of the chamber 11 to supply the film formation gas used in forming the intermediate layer 3, DLC intermediate layer 4, and DLC layer 5. The gas inlet 14 is connected to a gas supply source 15 equipped with a control unit for adjusting the flow rate of the film formation gas. A gas exhaust pipe 16 is provided on the bottom wall of the chamber 11 to exhaust the atmospheric gas from the chamber 11 and is connected to a vacuum pump (not shown). During the film formation process, the pressure within the chamber 11 is controlled by appropriate evacuation via the gas exhaust pipe 16. Various targets 17 used in forming the intermediate layer 3, DLC intermediate layer 4, and DLC layer 5 are arranged above the stage 12. The target 17 is connected to a sputtering pulse power supply 18 located outside the chamber 11. A magnetic pole 19 is provided on the back side of the target 17, and when the magnetic pole 19 becomes unbalanced, the generated plasma 20 reaches the vicinity of the substrate 2 placed on the stage 12.

以下、DLC被覆材1の製造方法について工程順に説明を行う。 The manufacturing method for DLC coating material 1 will be explained below in order of steps.

(基材のクリーニング工程)
基材2の上に中間層3、DLC中間層4およびDLC層5を成膜する前に、必要に応じてアルゴンボンバードメント処理を施し、基材2の表面をクリーニングする工程を行う。
(Substrate cleaning process)
Before forming the intermediate layer 3, the DLC intermediate layer 4, and the DLC layer 5 on the substrate 2, an argon bombardment process is performed as necessary to clean the surface of the substrate 2.

(中間層成膜工程)
基材2とDLC層5の密着性を向上させるために、必要に応じて中間層3の成膜工程を行う。成膜条件は、基材2の硬度とDLC層5の硬度の中間的な硬度を有する中間層3を成膜することができれば特に限定されない。また、基材2との密着性を向上させる観点から、例えば中間層3が基材2の化学成分中に含まれ得るCr、W、Ti、V、Mo、Cからなる群から選択される1種以上の元素を含むようにターゲット17に供給する電力を適宜変更して中間層3を成膜してもよい。例えば、基材2の鋼材がSKD11の場合、元素としてCr、W、Cを含む中間層をUBMスパッタ法にて膜厚を1μm以上成膜するのが好ましい。また、基材2とDLC層5との密着性を向上させる観点から、例えばスパッタ用パルス電源の電圧を連続的または段階的に変化させ、基材2側からDLC層5側に向かって硬度が高くなるように中間層3を成膜してもよい。また、必要に応じて中間層3が複層構造となるように成膜工程を行ってもよい。
(Intermediate layer film formation process)
To improve adhesion between the substrate 2 and the DLC layer 5, a film formation process for the intermediate layer 3 is performed as needed. The film formation conditions are not particularly limited as long as an intermediate layer 3 having a hardness intermediate between that of the substrate 2 and that of the DLC layer 5 can be formed. Furthermore, from the viewpoint of improving adhesion to the substrate 2, the intermediate layer 3 may be formed by appropriately changing the power supplied to the target 17 so that the intermediate layer 3 contains one or more elements selected from the group consisting of Cr, W, Ti, V, Mo, and C that may be contained in the chemical composition of the substrate 2. For example, when the steel material of the substrate 2 is SKD11, it is preferable to form an intermediate layer containing Cr, W, and C to a thickness of 1 μm or more by UBM sputtering. Furthermore, from the viewpoint of improving adhesion between the substrate 2 and the DLC layer 5, the voltage of the sputtering pulse power supply may be changed continuously or stepwise to form the intermediate layer 3 so that its hardness increases from the substrate 2 side to the DLC layer 5 side. Furthermore, the film formation process may be performed so that the intermediate layer 3 has a multi-layer structure as needed.

(DLC中間層の成膜工程)
中間層3とDLC層5との密着性を向上させるために、必要に応じてDLC中間層4の成膜工程を行う。
(DLC intermediate layer formation process)
In order to improve the adhesion between the intermediate layer 3 and the DLC layer 5, a film-forming step of the DLC intermediate layer 4 is carried out as necessary.

成膜条件は、中間層3の硬度とDLC層5の硬度の中間的な硬度を有するDLC中間層4を成膜することができれば特に限定されない。また、中間層3とDLC層5との密着性を向上させる観点から、DLC中間層4がDLC層5よりも低硬度となるように、例えばDLC中間層4の成膜時における炭素ターゲットに供給する電力を、DLC層5の成膜時における炭素ターゲットに供給する電力よりも小さくする。また、中間層3とDLC層5との密着性を向上させる観点から、成膜時におけるバイアス電圧を連続的または段階的に大きくし、膜の緻密性を変化させることで基材2側からDLC層5側に向かって硬度が高くなるようにする。 The deposition conditions are not particularly limited as long as they allow deposition of a DLC intermediate layer 4 having a hardness intermediate between that of the intermediate layer 3 and that of the DLC layer 5. Furthermore, from the perspective of improving adhesion between the intermediate layer 3 and the DLC layer 5, the power supplied to the carbon target during deposition of the DLC intermediate layer 4 is set lower than the power supplied to the carbon target during deposition of the DLC layer 5, for example, so that the DLC intermediate layer 4 has a lower hardness than the DLC layer 5. Furthermore, from the perspective of improving adhesion between the intermediate layer 3 and the DLC layer 5, the bias voltage during deposition is increased continuously or stepwise, changing the density of the film so that the hardness increases from the substrate 2 side toward the DLC layer 5 side.

また、必要に応じてDLC中間層4が複層構造となるように成膜を行う。例えば第1のDLC中間層4aを成膜した後に、第1のDLC中間層4aよりも緻密な層である第2のDLC中間層4bを成膜する。このようなDLC中間層4を成膜する場合、例えば第1のDLC中間層4aの成膜時においてバイアス電圧を一定として、第2のDLC中間層4bの成膜時においてバイアス電圧を徐々に大きくする。 If necessary, the DLC intermediate layer 4 may be deposited so that it has a multi-layer structure. For example, after depositing a first DLC intermediate layer 4a, a second DLC intermediate layer 4b, which is denser than the first DLC intermediate layer 4a, may be deposited. When depositing such a DLC intermediate layer 4, for example, the bias voltage may be kept constant during deposition of the first DLC intermediate layer 4a, and the bias voltage may be gradually increased during deposition of the second DLC intermediate layer 4b.

(DLC層の成膜工程)
DLC層5の成膜ガスとして、アルゴンガスと炭化水素ガスをチャンバー11に供給する。炭化水素ガスは、例えばメタン(CH4)、アセチレン(C22)、エチレン(C24)、エタン(C26)、ベンゼン(C66)、トルエン(C78)などである。取扱いやコストの観点からは、メタンガスまたはアセチレンガスを使用することが好ましい。チャンバー11に成膜ガスを供給する際には、単一種類の炭化水素ガスを供給してもよいし、複数種類の炭化水素ガスを混合して供給してもよい。
(DLC layer formation process)
Argon gas and hydrocarbon gas are supplied to the chamber 11 as deposition gases for the DLC layer 5. Examples of hydrocarbon gases include methane ( CH4 ), acetylene ( C2H2 ), ethylene ( C2H4 ), ethane ( C2H6 ) , benzene ( C6H6 ) , and toluene ( C7H8 ). From the standpoints of ease of handling and cost, it is preferable to use methane gas or acetylene gas. When supplying deposition gases to the chamber 11, a single type of hydrocarbon gas may be supplied, or a mixture of multiple types of hydrocarbon gases may be supplied.

基材2に対しては、負の電圧であるバイアス電圧を印加する。なお、本明細書において、バイアス電圧の大小を比較する際には、電圧の絶対値が小さい方のバイアス電圧を“バイアス電圧が小さい”と表現する。すなわち、バイアス電圧が大きければ大きいほど、プラズマによって発生したアルゴンイオンが、基材2側に引き付けられ、基材2に衝突するエネルギーが強くなる。DLC層5の成膜工程においては、バイアス電圧が175~400Vに設定される。バイアス電圧がこの範囲を満たすように基材2に印加されることで、DLC層5の表面に凹部が形成されやすくなる。バイアス電圧が175V未満であると、アルゴンイオンが基材2側に引き付けられ、基材2に衝突するエネルギーが弱くなり、DLC層5の表面に凹部が形成されない。また、バイアス電圧が400Vを超える場合、アルゴンイオンが基材2側に引き付けられ、基材2に衝突するエネルギーが強くなりすぎてDLC層5が成膜されない。なお、バイアス電圧は、175~400Vの範囲内であれば、DLC層5の成膜中に変動してもよい。また、バイアス電圧は300V以下であることが好ましい。 A negative bias voltage is applied to the substrate 2. In this specification, when comparing bias voltages, the bias voltage with a smaller absolute value is referred to as the "small bias voltage." In other words, the larger the bias voltage, the more argon ions generated by the plasma are attracted to the substrate 2, and the stronger the energy with which they collide with the substrate 2. In the DLC layer 5 deposition process, the bias voltage is set to 175 to 400 V. Applying a bias voltage to the substrate 2 within this range facilitates the formation of recesses on the surface of the DLC layer 5. If the bias voltage is less than 175 V, the argon ions are attracted to the substrate 2, and the energy with which they collide with the substrate 2 is weak, preventing the formation of recesses on the surface of the DLC layer 5. If the bias voltage exceeds 400 V, the argon ions are attracted to the substrate 2, and the energy with which they collide with the substrate 2 is too strong, preventing the formation of the DLC layer 5. Note that the bias voltage may vary during the deposition of the DLC layer 5 as long as it is within the range of 175 to 400 V. Additionally, the bias voltage is preferably 300V or less.

DLC層5は、アルゴンイオンが炭素ターゲットに衝突することによってスパッタされた炭素が基材2に堆積し、成膜されていく。その一方でバイアス電圧を基材2に印加している間は、アルゴンイオンが基材2へ引き付けられて成膜されたDLC層5にも衝突する。すなわち、バイアス電圧を基材2に印加している間は、DLC層5の成膜と、DLC層5へのアルゴンイオンへの衝突が同時に行われる状態にある。なお、基材2に対するバイアス電圧の印加を停止している間は、アルゴンイオンは主に炭素ターゲットに衝突し、スパッタされた炭素は基材2に堆積してDLC層5の成膜が進む。 The DLC layer 5 is formed when argon ions collide with the carbon target, causing the sputtered carbon to deposit on the substrate 2. Meanwhile, while a bias voltage is applied to the substrate 2, argon ions are attracted to the substrate 2 and collide with the formed DLC layer 5. In other words, while a bias voltage is applied to the substrate 2, the formation of the DLC layer 5 and the collision of argon ions with the DLC layer 5 occur simultaneously. While the application of the bias voltage to the substrate 2 is stopped, the argon ions mainly collide with the carbon target, and the sputtered carbon deposits on the substrate 2, thereby progressing the formation of the DLC layer 5.

基材2にバイアス電圧を印加する時間は、DLC層5の表面に形成される凹部の数に影響を及ぼすと考えられる。バイアス用パルス電源13の電圧印加時間は、1周期あたりの電圧印加時間であるDuty比を調節することで制御することができる。なお、Duty比は以下のように算出される。
Duty比〔%〕=100×印加時間(ON time)/{印加時間(ON time)+印加停止時間(OFF time)}
It is believed that the time for which the bias voltage is applied to the substrate 2 affects the number of recesses formed on the surface of the DLC layer 5. The voltage application time of the bias pulse power supply 13 can be controlled by adjusting the duty ratio, which is the voltage application time per cycle. The duty ratio is calculated as follows:
Duty ratio [%] = 100 x application time (ON time) / {application time (ON time) + application stop time (OFF time)}

Duty比は30~80%に設定されることが好ましい。Duty比が30%以上の場合には、Duty比が30%未満の場合に比べ、DLC層5の表面に形成される凹部が形成されやすくなり、凹部の数を増やすことができる。Duty比が80%以下の場合には、Duty比が80%を超える場合に比べ、DLC層5が成膜されやすくなる。このため、DLC層5の成膜と、凹部の形成をより高いレベルで両立させるためには、Duty比が30~80%に設定されることが好ましい。例えば、バイアス電圧が175~300Vの場合は、Duty比は60~80%が好ましい。 The duty ratio is preferably set to 30-80%. When the duty ratio is 30% or higher, recesses are more easily formed on the surface of the DLC layer 5 than when the duty ratio is less than 30%, allowing for a larger number of recesses. When the duty ratio is 80% or lower, the DLC layer 5 is more easily formed than when the duty ratio exceeds 80%. Therefore, to achieve a high level of both DLC layer 5 formation and recess formation, the duty ratio is preferably set to 30-80%. For example, when the bias voltage is 175-300V, a duty ratio of 60-80% is preferred.

DLC層5の成膜工程において、バイアス電圧を175~400Vに設定するだけでは、場合によっては、基材2に衝突するアルゴンイオンのエネルギーが強くなりすぎてDLC層5が成膜されないことがある。そこで、DLC層5の成膜工程においては、チャンバー11内に供給されるアルゴンガスと炭化水素ガスの流量比(アルゴンガスの流量/炭化水素ガスの流量)が20~60の範囲で維持されるように各ガスの流量を調節する。なお、アルゴンガスと炭化水素ガスの供給は、チャンバー11内の排気をしながら実施されているため、チャンバー11内におけるアルゴンガスと炭化水素ガスの流量比(アルゴンガスの流量/炭化水素ガスの流量)も20~60となっている。例えば、バイアス電圧が175~300Vの場合は、アルゴンガスと炭化水素ガスの流量比(アルゴンガスの流量/炭化水素ガスの流量)は、30以上であることが好ましい。また、流量比は50以下であることが好ましい。各ガスの流量は「質量流量」であり、マスフロコントローラーにて制御される。本明細書における「質量流量」は、実際のガスの使用温度および圧力に依存しない「標準状態に換算した流量」であり、「標準状態」は、101.3kPa(1atm)、0℃である。 In the DLC layer 5 deposition process, simply setting the bias voltage to 175-400 V may result in the energy of argon ions colliding with the substrate 2 being too strong, preventing the DLC layer 5 from being deposited. Therefore, in the DLC layer 5 deposition process, the flow rates of the argon gas and hydrocarbon gas supplied into the chamber 11 are adjusted so that the flow rate ratio (argon gas flow rate/hydrocarbon gas flow rate) is maintained within a range of 20-60. Because the argon gas and hydrocarbon gas are supplied while the chamber 11 is being evacuated, the flow rate ratio (argon gas flow rate/hydrocarbon gas flow rate) within the chamber 11 is also 20-60. For example, when the bias voltage is 175-300 V, the flow rate ratio (argon gas flow rate/hydrocarbon gas flow rate) of the argon gas and hydrocarbon gas is preferably 30 or greater. Furthermore, the flow rate ratio is preferably 50 or less. The flow rates of the gases are "mass flow rates" and are controlled by a mass flow controller. In this specification, "mass flow rate" refers to a "flow rate converted to standard conditions" that is independent of the actual gas temperature and pressure used, with "standard conditions" being 101.3 kPa (1 atm) and 0°C.

アルゴンガスと炭化水素ガスの流量比(アルゴンガスの流量/炭化水素ガスの流量)を20~60とすることで、アルゴンガスのイオン化が抑制され、基材2側に引き付けられるアルゴンイオンの数が少なくなる。すなわち、DLC層5に衝突するアルゴンイオンのエネルギーが強くなりすぎることを防ぐことができ、DLC層5を成膜しつつ、DLC層5の表面に凹部を形成することが可能となる。チャンバー11に供給されるアルゴンガスの流量は、100~450ml/minであることが好ましく、炭化水素ガスの流量は、5~15ml/minであることが好ましい。なお、本発明者の実験によって、炭化水素ガスを供給しない場合には、DLC層5が成膜されないことが確認されている。 By setting the flow rate ratio of argon gas to hydrocarbon gas (argon gas flow rate/hydrocarbon gas flow rate) between 20 and 60, ionization of the argon gas is suppressed, and the number of argon ions attracted to the substrate 2 is reduced. This prevents the energy of argon ions colliding with the DLC layer 5 from becoming too strong, making it possible to form recesses in the surface of the DLC layer 5 while depositing the DLC layer 5. The flow rate of argon gas supplied to the chamber 11 is preferably between 100 and 450 ml/min, and the flow rate of hydrocarbon gas is preferably between 5 and 15 ml/min. Experiments conducted by the inventors have confirmed that the DLC layer 5 is not deposited if hydrocarbon gas is not supplied.

DLC層5の成膜工程におけるスパッタ電力は、2.5~12kWであることが好ましい。“スパッタ電力”とはターゲット17に供給される電力のことである。スパッタ電力は、さらに好ましくは3~10kWであり、より好ましくは、5~6kWである。 The sputtering power used in the DLC layer 5 deposition process is preferably 2.5 to 12 kW. "Sputtering power" refers to the power supplied to the target 17. The sputtering power is more preferably 3 to 10 kW, and even more preferably 5 to 6 kW.

DLC層5の成膜工程におけるスパッタ電力密度は、2.5~10W/cm2であることが好ましい。“スパッタ電力密度”とは、ターゲット17へのスパッタ電力(W)をターゲットの基材2に対向する面17aの面積(cm)で除した値である。スパッタ電力密度が2.5W/cm2以上であれば、炭素ターゲットのスパッタが促進され、DLC層5を成膜する速度が速く生産効率が高くなる。またスパッタ電力密度が10W/cm2以下であれば、ターゲットの温度上昇によるターゲットの割れを抑えることが可能となり望ましい。 The sputtering power density in the film formation process of the DLC layer 5 is preferably 2.5 to 10 W/ cm2 . "Sputtering power density" is the value obtained by dividing the sputtering power (W) to the target 17 by the area ( cm2 ) of the surface 17a of the target facing the substrate 2. A sputtering power density of 2.5 W/ cm2 or higher promotes sputtering of the carbon target, increasing the speed at which the DLC layer 5 is formed and improving production efficiency. Furthermore, a sputtering power density of 10 W/ cm2 or lower is desirable because it makes it possible to suppress cracking of the target due to an increase in target temperature.

以上の工程を経て、DLC被覆材1が製造される。本実施形態のDLC被覆材1は、DLC層5の成膜工程において、DLC層5の表面に凹部が形成されている。その凹部は、油だまりとして機能し、DLC被覆材1が例えば金型である場合は、繰り返し金型が使用されても被成型材と金型表面に安定して潤滑油を供給することができる。これにより、ウェット環境下における被成型材と金型表面の摩擦係数の上昇を抑えることが可能となる。特に、被成型材がアルミ材の場合には、摩擦係数の上昇によりアルミ材の摩耗粉が発生しやすくなるが、凹部が形成されたDLC層5を有する金型においては、摩擦係数の上昇を抑えることができるため、摩耗粉による被成型材の傷付き抑制の効果が顕著に現れる。DLC被覆材1は、金型の他、相手部材との摺動が起こるような部材にも適用され得る。 Through the above steps, the DLC coating material 1 is manufactured. In the DLC coating material 1 of this embodiment, recesses are formed on the surface of the DLC layer 5 during the DLC layer 5 deposition process. These recesses function as oil reservoirs. If the DLC coating material 1 is, for example, a mold, they can steadily supply lubricant to the workpiece and the mold surface, even when the mold is used repeatedly. This makes it possible to suppress an increase in the coefficient of friction between the workpiece and the mold surface in a wet environment. In particular, when the workpiece is aluminum, an increase in the coefficient of friction tends to generate wear particles from the aluminum. However, a mold having a DLC layer 5 with recesses can suppress an increase in the coefficient of friction, thereby significantly suppressing scratches on the workpiece caused by wear particles. In addition to molds, the DLC coating material 1 can also be used for components that slide against other components.

なお、摩耗を抑え、高い耐久性を確保する観点においては、DLC層5のビッカース硬さは1800HV以上であることが好ましい。また、膜応力を抑え、密着性を向上させる観点においては、DLC層5のビッカース硬さは4000HV以下であることが好ましい。 From the perspective of reducing wear and ensuring high durability, it is preferable that the Vickers hardness of the DLC layer 5 be 1800 HV or higher. Furthermore, from the perspective of reducing film stress and improving adhesion, it is preferable that the Vickers hardness of the DLC layer 5 be 4000 HV or lower.

以上の説明では、潤滑油を用いたウェット環境下での摩擦係数が低いDLC層について説明したが、被成型材の成型加工は、コストダウンや作業環境の改善などの観点から、被成型材と金型表面の間に潤滑油が存在しない環境(いわゆるドライ環境)で行われることが望まれている。しかしながら、ドライ環境での成型加工は、被成型材とDLC層との摩擦がウェット環境下での加工に比べて大きくなり、アルミ材のような被成型材にとっては厳しい環境下での加工となる。 The above explanation focuses on a DLC layer with a low coefficient of friction in a wet environment using lubricant. However, from the perspective of reducing costs and improving the working environment, it is desirable for molding processing of workpieces to be carried out in an environment where no lubricant is present between the workpiece and the mold surface (a so-called dry environment). However, molding processing in a dry environment results in greater friction between the workpiece and the DLC layer than processing in a wet environment, making it a harsh environment for molding materials such as aluminum.

そのようなドライ環境下であっても摩擦係数が低いDLC層を成膜するためには、前述のDLC層成膜工程において、アルゴンガスと炭化水素ガスの流量比(アルゴンガスの流量/炭化水素ガスの流量)を35~60とし、バイアス電圧を190~275Vとすることが好ましい。この条件を満たすように成膜されたDLC層5は、ウェット環境下だけでなく、ドライ環境下でも被成型材に対する摩擦係数が低くなる。ドライ環境下でも摩擦係数が低いDLC層を得る観点では、アルゴンガスと炭化水素ガスの流量比は、50以下であることがより好ましく、40以下であることがさらに好ましい。また、ドライ環境下でも摩擦係数が低いDLC層を得る観点では、バイアス電圧は200V以上であることがさらに好ましい。また、同様の観点から、バイアス電圧は250V以下であることがさらに好ましい。なお、本明細書中のドライ環境下における、DLC層の表面に接する相手部材との摩擦係数とは、ボールオンディスク試験によって測定された摩擦係数のことを指す。 To form a DLC layer with a low coefficient of friction even in such a dry environment, it is preferable to set the flow rate ratio of argon gas to hydrocarbon gas (argon gas flow rate/hydrocarbon gas flow rate) to 35 to 60 and the bias voltage to 190 to 275 V in the DLC layer formation process described above. A DLC layer 5 formed to meet these conditions will have a low coefficient of friction with the workpiece not only in wet environments but also in dry environments. To achieve a DLC layer with a low coefficient of friction even in dry environments, the flow rate ratio of argon gas to hydrocarbon gas is preferably 50 or less, and even more preferably 40 or less. To achieve a DLC layer with a low coefficient of friction even in dry environments, it is more preferable that the bias voltage be 200 V or more. From the same perspective, it is even more preferable that the bias voltage be 250 V or less. Note that, in this specification, the coefficient of friction between the DLC layer surface and a mating member in contact with the surface in a dry environment refers to the coefficient of friction measured by a ball-on-disk test.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to such an example. It is clear that a person skilled in the art can conceive of various modifications or alterations within the scope of the technical ideas set forth in the claims, and it is understood that these also naturally fall within the technical scope of the present invention.

基材の表面にDLC層が成膜された試験片を作製し、特性を評価した。 Test pieces were prepared with a DLC layer formed on the surface of the substrate, and their properties were evaluated.

合金工具鋼の一種であるSKD11を準備し、その鋼材を図3のようにφ22mm×厚さ7mmに加工したものを基材として用いた。中間層およびDLC層を成膜する成膜装置は、前述の図2のような構成を有したUBMスパッタリング装置である株式会社神戸製鋼所社製のUBMS707を用いた。 SKD11, a type of alloy tool steel, was prepared and processed to a diameter of 22 mm and a thickness of 7 mm as shown in Figure 3. This was used as the substrate. The deposition system used to deposit the intermediate layer and DLC layer was the UBMS707 UBM sputtering system manufactured by Kobe Steel, Ltd., which has the configuration shown in Figure 2 above.

基材には真空焼入れ、焼き戻し処理を施した。その後、JIS B 0601:2013で規定されている10点平均粗さRzjisが0.5μm以下になるまで基材の成膜面(図3)を研磨し、富士フィルム和光純薬株式会社製 アセトン(特級)に基材を浸し、10分間超音波洗浄を実施した。超音波洗浄終了後、基材に対して窒素ブローを行い、基材を乾燥し、その基材をUBMスパッタリング装置のチャンバー内に搬入した。 The substrate was vacuum hardened and tempered. The substrate's coating surface (Figure 3) was then polished until the 10-point average roughness (Rzjis) specified in JIS B 0601:2013 was 0.5 μm or less. The substrate was then immersed in acetone (special grade) manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. and ultrasonically cleaned for 10 minutes. After ultrasonic cleaning, nitrogen was blown onto the substrate to dry it, and the substrate was then loaded into the chamber of the UBM sputtering device.

続いて、チャンバー内を2.6×10-3Paまで真空引きし、ヒーターにて基材が180℃になるまで120分間加熱した。加熱の後、Arボンバード処理により、基材の表面のクリーニングを行った。クリーニングの後、UBMスパッタ法にて、クロムターゲット、タングステンカーバイドターゲット、炭素ターゲットをスパッタし、元素としてCr、W、Cを含む中間層(膜厚1.7μm)を成膜した。 The chamber was then evacuated to 2.6 × 10 Pa, and the substrate was heated for 120 minutes using a heater until the substrate reached 180°C. After heating, the surface of the substrate was cleaned by Ar bombardment. After cleaning, a chromium target, a tungsten carbide target, and a carbon target were sputtered by UBM sputtering to form an intermediate layer (thickness 1.7 µm) containing Cr, W, and C as elements.

(DLC中間層成膜工程)
次に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により、クロム、タングステン、炭素からなる中間層の上に第1のDLC中間層と、第2のDLC中間層を成膜した。DLC中間層の成膜条件を下記表1に示す。なお、以降の説明における“スパッタ電力”とは、ターゲットに供給される電力のことである。“スパッタ電力密度”とは、炭素ターゲットに供給される電力(W)を炭素ターゲットの基材に対向する面の面積(cm2)で除した値である。
(DLC intermediate layer film formation process)
Next, a first DLC intermediate layer and a second DLC intermediate layer were formed on the intermediate layer composed of chromium, tungsten, and carbon by unbalanced magnetron sputtering. The conditions for forming the DLC intermediate layer are shown in Table 1 below. In the following explanation, "sputtering power" refers to the power supplied to the target. "Sputtering power density" refers to the power (W) supplied to the carbon target divided by the area (cm2) of the carbon target's surface facing the substrate.

(第1のDLC中間層成膜工程)
アルゴンガスを流量300ml/minで、メタンガスを流量8ml/minでチャンバー内に供給した。また、基材に印加する負の電圧であるバイアス電圧を100V、炭素ターゲットのスパッタ電力を6kW、バイアス電圧のDuty比を75%に設定し、炭素ターゲットのスパッタリングを7.4分間行った。
(First DLC Intermediate Layer Forming Process)
Argon gas was supplied into the chamber at a flow rate of 300 ml/min, and methane gas was supplied at a flow rate of 8 ml/min. The bias voltage, which is a negative voltage applied to the substrate, was set to 100 V, the sputtering power of the carbon target was set to 6 kW, and the duty ratio of the bias voltage was set to 75%, and sputtering of the carbon target was carried out for 7.4 minutes.

(第2のDLC中間層成膜工程)
続いてバイアス電圧を36.6分間かけて100Vから200Vに漸増させながら、炭素ターゲットのスパッタリングを行った。
(Second DLC Intermediate Layer Forming Process)
Subsequently, the carbon target was sputtered while the bias voltage was gradually increased from 100 V to 200 V over a period of 36.6 minutes.

(DLC層成膜工程)
次に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法により、第2のDLC中間層の上にDLC層を成膜した。DLC層の成膜条件を下記表2に示す。
(DLC layer deposition process)
Next, a DLC layer was formed on the second DLC intermediate layer by unbalanced magnetron sputtering. The DLC layer formation conditions are shown in Table 2 below.

(実施例1)
本実施例におけるDLC層成膜工程のアルゴンガスの流量は300ml/min、メタンガスの流量は8ml/minである。チャンバー内に供給されるアルゴンガスと炭化水素ガスの流量比(アルゴンガスの流量/炭化水素ガスの流量)は37.5であり、前述の流量比の範囲(20~60)内にある。このようにアルゴンガスと炭化水素ガスの流量を調節すると共に、基材に印加するパルス状のバイアス電圧を200V、バイアス電圧のDuty比を75%に設定し、炭素ターゲットのスパッタリングを264分間行った。これにより、第2のDLC中間層の上に1.0μmのDLC層を成膜した。以上の工程を経て本発明の実施例1としての基材の表面にDLC層を成膜した試験片を作製した。
Example 1
In this example, the argon gas flow rate and methane gas flow rate during the DLC layer deposition process were 300 ml/min and 8 ml/min, respectively. The flow rate ratio of the argon gas to the hydrocarbon gas (argon gas flow rate/hydrocarbon gas flow rate) supplied into the chamber was 37.5, within the aforementioned range (20 to 60). While adjusting the flow rates of the argon gas and hydrocarbon gas in this manner, the pulsed bias voltage applied to the substrate was set to 200 V, with a bias voltage duty ratio of 75%, and sputtering of the carbon target was performed for 264 minutes. This resulted in a 1.0 μm DLC layer being deposited on the second DLC intermediate layer. Through the above steps, a test piece having a DLC layer deposited on the surface of a substrate was prepared as Example 1 of the present invention.

(実施例2)
DLC層成膜工程において基材に印加するパルス状のバイアス電圧を250Vにしたことを除き、実施例1と同様の条件で1.0μmのDLC層が成膜された試験片を作製した。
Example 2
A test piece on which a DLC layer of 1.0 μm was formed was prepared under the same conditions as in Example 1, except that the pulsed bias voltage applied to the substrate in the DLC layer forming step was set to 250 V.

(実施例3)
DLC層成膜工程において基材に印加するパルス状のバイアス電圧を300Vにしたことを除き、実施例1と同様の条件で1.0μmのDLC層が成膜された試験片を作製した。
Example 3
A test piece on which a DLC layer of 1.0 μm was formed was prepared under the same conditions as in Example 1, except that the pulsed bias voltage applied to the substrate in the DLC layer forming step was set to 300 V.

(実施例4)
DLC層成膜工程において基材に印加するパルス状のバイアス電圧を175Vにしたことを除き、実施例1と同様の条件で1.0μmのDLC層が成膜された試験片を作製した。
Example 4
A test piece on which a DLC layer of 1.0 μm was formed was prepared under the same conditions as in Example 1, except that the pulsed bias voltage applied to the substrate in the DLC layer forming step was set to 175 V.

(実施例5)
DLC層成膜工程においてメタンガスの流量を10ml/minに変更し、アルゴンガスと炭化水素ガスの流量比(アルゴンガスの流量/炭化水素ガスの流量)を30にしたことを除き、実施例1と同様の条件で1.0μmのDLC層が成膜された試験片を作製した。
Example 5
Test pieces on which a 1.0 μm DLC layer was formed were prepared under the same conditions as in Example 1, except that the flow rate of methane gas was changed to 10 ml/min in the DLC layer formation process and the flow rate ratio of argon gas to hydrocarbon gas (flow rate of argon gas/flow rate of hydrocarbon gas) was set to 30.

(比較例1)
DLC中間層成膜工程を実施せず、かつ、クロム、タングステン、炭素からなる中間層の表面にプラズマCVD法によりDLC層を成膜したことを除き実施例1と同様の条件で試験片を作製した。比較例1のDLC層は、アセチレンガスのみを流量1000ml/minでチャンバーに供給した状況で成膜された。なお、比較例1のDLC層の成膜工程では、基材に印加するパルス状のバイアス電圧を800V、バイアス電圧のDuty比が30%に設定され、130分間成膜処理が実施されることで1.5μmのDLC層が成膜されている。
(Comparative Example 1)
Test pieces were prepared under the same conditions as in Example 1, except that the DLC intermediate layer deposition process was not performed and a DLC layer was deposited by plasma CVD on the surface of the intermediate layer made of chromium, tungsten, and carbon. The DLC layer of Comparative Example 1 was deposited under conditions in which only acetylene gas was supplied to the chamber at a flow rate of 1000 ml/min. In the DLC layer deposition process of Comparative Example 1, a pulsed bias voltage applied to the substrate was set to 800 V, with a bias voltage duty ratio of 30%, and the deposition process was performed for 130 minutes, resulting in the deposition of a 1.5 μm DLC layer.

実施例1~5の試験片および比較例1の試験片に対し、ボールオンディスク試験を行うことでアルミ材に対する耐凝着性を評価した。また、硬度測定試験を行うことでDLC層の硬度を評価した。さらに、実施例1の試験片と比較例1の試験片に対してはFE-SEM観察を行い、DLC層の表面を観察した。 A ball-on-disk test was performed on the test specimens of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 to evaluate their resistance to adhesion to aluminum materials. A hardness measurement test was also performed to evaluate the hardness of the DLC layer. Furthermore, FE-SEM observation was performed on the test specimens of Example 1 and Comparative Example 1 to observe the surface of the DLC layer.

(ボールオンディスク試験)
試験機は、CSM
Instruments社製の「Tribometer」を用いた。ディスクは、実施例1~5および比較例1のいずれかの試験片である。ディスクに接触させるボールとして、純アルミからなる直径が6mmのアルミボールを使用した。温度が23~24℃、湿度が21%、ディスクに潤滑油としてポリアルファオレフィンを1滴塗布したウェット環境下で、図4のようにアルミボールをディスクに接触させ、アルミボールに13Nの荷重を加えながら、摺動速度が0.05m/sとなるようにディスクを回転させた。アルミボールとディスクの接触点は、ディスクの中心から半径5mmの点である。そして、ディスクとアルミボールの摺動距離が100mに達するまでのディスクとアルミボールとの摩擦力を0.2秒間隔で測定し、試験機に付属するソフトウェアであるTRIBOXを用いて摩擦係数を測定した。また、摩擦係数が0.5以上となった場合には試験を停止した。また、ボールオンディスク試験については、ディスクに潤滑油を塗布しないドライ環境下での試験も実施した。ドライ環境下でのボールオンディスク試験の方法は、ディスクに潤滑油が塗布されていないことを除き、ウェット環境下でのボールオンディスク試験の方法と同様である。
(Ball-on-disk test)
The test machine is CSM
A Tribometer manufactured by Instruments was used. The disk was a test specimen from any of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. A pure aluminum ball with a diameter of 6 mm was used as the ball to be contacted with the disk. Under a wet environment with a temperature of 23-24°C, a humidity of 21%, and a drop of polyalphaolefin applied to the disk as a lubricant, the aluminum ball was brought into contact with the disk as shown in Figure 4. A load of 13 N was applied to the aluminum ball, and the disk was rotated at a sliding speed of 0.05 m/s. The contact point between the aluminum ball and the disk was a point 5 mm radius from the center of the disk. The friction force between the disk and the aluminum ball was measured at 0.2-second intervals until the sliding distance between the disk and the aluminum ball reached 100 m, and the friction coefficient was measured using TRIBOX, the software provided with the testing machine. The test was stopped when the friction coefficient reached 0.5 or greater. The ball-on-disk test was also conducted in a dry environment without applying lubricant to the disk. The method for the ball-on-disk test in a dry environment is similar to the method for the ball-on-disk test in a wet environment, except that no lubricant is applied to the disk.

ボールオンディスク試験の結果を図5~図14および前記の表2に示す。なお、図5~図9はウェット環境下での試験結果であり、図10~図14はドライ環境下での試験結果である。各図のグラフ中の線は0.2秒間隔で測定された摩擦係数の測定値を結んだ線である。 The results of the ball-on-disk tests are shown in Figures 5 to 14 and Table 2 above. Note that Figures 5 to 9 show test results in a wet environment, while Figures 10 to 14 show test results in a dry environment. The lines in the graphs in each figure connect the measured values of the friction coefficient measured at 0.2 second intervals.

<ウェット環境>
図5および表2に示されるように実施例1の試験片は、摺動距離が100mに達するまでに摩擦係数が0.003~0.093の間で変化したが、摩擦係数の大きな上昇は見受けられず、アルミ材に対し、優れた耐凝着性を有していた。なお、図5には比較例1の結果も示されている。比較例1の試験片は、摺動開始直後に摩擦係数が0.5以上に上昇し、試験を停止した。
図6および表2に示されるように実施例2の試験片は、摺動距離が100mに達するまでに摩擦係数が0.027~0.122の間で変化したが摩擦係数の大きな上昇が見受けられず、アルミ材に対し、優れた耐凝着性を有していた。
図7および表2に示されるように実施例3の試験片は、摺動距離が100mに達するまでに摩擦係数が0.033~0.155の間で変化したが摩擦係数の大きな上昇が見受けられず、アルミ材に対し、優れた耐凝着性を有していた。
図8および表2に示されるように実施例4の試験片は、摺動距離が100mに達するまでに摩擦係数が0.007~0.093の間で変化したが摩擦係数の大きな上昇が見受けられず、アルミ材に対し、優れた耐凝着性を有していた。
図9および表2に示されるように実施例5の試験片は、摺動距離が100mに達するまでに摩擦係数が0.089~0.147の間で変化したが摩擦係数の大きな上昇が見受けられず、アルミ材に対し、優れた耐凝着性を有していた。
<Wet environment>
As shown in Figure 5 and Table 2, the coefficient of friction of the test piece of Example 1 varied between 0.003 and 0.093 until the sliding distance reached 100 m, but no significant increase in the coefficient of friction was observed, demonstrating excellent adhesion resistance to the aluminum material. Figure 5 also shows the results of Comparative Example 1. The coefficient of friction of the test piece of Comparative Example 1 rose to 0.5 or more immediately after the start of sliding, and the test was stopped.
As shown in FIG. 6 and Table 2, the friction coefficient of the test piece of Example 2 changed between 0.027 and 0.122 until the sliding distance reached 100 m, but no significant increase in the friction coefficient was observed, and the test piece had excellent adhesion resistance to the aluminum material.
As shown in FIG. 7 and Table 2, the friction coefficient of the test piece of Example 3 changed between 0.033 and 0.155 until the sliding distance reached 100 m, but no significant increase in the friction coefficient was observed, and the test piece had excellent adhesion resistance to the aluminum material.
As shown in FIG. 8 and Table 2, the friction coefficient of the test piece of Example 4 changed between 0.007 and 0.093 until the sliding distance reached 100 m, but no significant increase in the friction coefficient was observed, and the test piece had excellent adhesion resistance to the aluminum material.
As shown in FIG. 9 and Table 2, the friction coefficient of the test piece of Example 5 changed between 0.089 and 0.147 until the sliding distance reached 100 m, but no significant increase in the friction coefficient was observed, and the test piece had excellent adhesion resistance to the aluminum material.

以上の結果によれば、実施例1~5では、ウェット環境下におけるアルミ材との摩擦係数が0.2以下と非常に低く、摩擦係数の上昇が抑制されたDLC層が成膜されていることがわかる。また、実施例1~5ではDLC層の成膜速度が0.2μm/hr以上であり、速い成膜速度でDLC層が成膜されている。すなわち、本発明に係るDLC層の成膜方法によれば、ウェット環境下における摩擦係数が低いDLC層を短時間で得ることができる。 These results show that in Examples 1 to 5, the coefficient of friction with the aluminum material in a wet environment was extremely low at 0.2 or less, and a DLC layer was formed in which an increase in the coefficient of friction was suppressed. Furthermore, in Examples 1 to 5, the DLC layer was formed at a high deposition rate of 0.2 μm/hr or more. In other words, the DLC layer deposition method of the present invention makes it possible to obtain a DLC layer with a low coefficient of friction in a wet environment in a short period of time.

<ドライ環境>
図10および表2に示されるように実施例1の試験片は、摺動距離が100mに達するまでに摩擦係数が0.135~0.296の間で変化したが、摩擦係数の大きな上昇は見受けられず、アルミ材に対し、優れた耐凝着性を有していた。
図11および表2に示されるように実施例2の試験片は、摺動距離が100mに達するまでに摩擦係数が0.099~0.269の間で変化したが摩擦係数の大きな上昇が見受けられず、アルミ材に対し、優れた耐凝着性を有していた。
図12および表2に示されるように実施例3の試験片は、摺動開始直後に摩擦係数が0.5以上に上昇し、試験を停止した。
図13および表2に示されるように実施例4の試験片は、摺動開始直後に摩擦係数が0.5以上に上昇し、試験を停止した。
図14および表2に示されるように実施例5の試験片は、摺動開始直後に摩擦係数が0.5以上に上昇し、試験を停止した。
表2に示されるように比較例1の試験片は、摺動開始直後に摩擦係数が0.5以上に上昇し、試験を停止した。
<Dry environment>
As shown in FIG. 10 and Table 2, the friction coefficient of the test piece of Example 1 changed between 0.135 and 0.296 until the sliding distance reached 100 m, but no significant increase in the friction coefficient was observed, and the test piece had excellent adhesion resistance to the aluminum material.
As shown in FIG. 11 and Table 2, the friction coefficient of the test piece of Example 2 changed between 0.099 and 0.269 until the sliding distance reached 100 m, but no significant increase in the friction coefficient was observed, and the test piece had excellent adhesion resistance to the aluminum material.
As shown in FIG. 12 and Table 2, the coefficient of friction of the test piece of Example 3 rose to 0.5 or more immediately after the start of sliding, and the test was stopped.
As shown in FIG. 13 and Table 2, the coefficient of friction of the test piece of Example 4 rose to 0.5 or more immediately after the start of sliding, and the test was stopped.
As shown in FIG. 14 and Table 2, the coefficient of friction of the test piece of Example 5 rose to 0.5 or more immediately after the start of sliding, and the test was stopped.
As shown in Table 2, the coefficient of friction of the test piece of Comparative Example 1 rose to 0.5 or more immediately after the start of sliding, and the test was stopped.

以上の結果によれば、実施例1~2ではウェット環境だけでなく、ドライ環境でも摩擦係数が低いDLC層が成膜されていることがわかる。 These results show that in Examples 1 and 2, a DLC layer with a low friction coefficient was formed not only in wet environments but also in dry environments.

(硬度測定)
硬度測定は、Fischer Instruments社製のPICODENTOR(登録商標)Hm500を用いたナノインデンテーション法により実施する。具体的には、最大押し込み荷重を5mNとして試験片にバーコビッチ圧子を押し込み、連続的に押し込み深さを計測する。得られた押し込み深さの計測データからFischer Instruments社製のソフトウエアである「商品名:WIN-HCU(登録商標)」を用いて、マルテンス硬さ、マルテンス硬さから換算されるビッカース硬さを算出する。算出されたビッカース硬さは測定装置の画面に表示され、この数値を測定点における膜の硬度として扱う。本実施例では各試験片表面の任意の20点のビッカース硬さを求め、得られた硬度の平均値を膜の硬度として記録する。なお、試験片に圧子を押し込む際には、圧子の最大押し込み深さの約10倍まで押し込み荷重が伝播する場合がある。このため、押し込み荷重の伝播が試験片の基材に到達してしまうと、硬度測定の結果に基材の影響が含まれてしまう場合がある。したがって、純粋な硬質膜の硬度を測定するためには「硬質膜の膜厚>圧子の最大押し込み深さ×10」を満たす必要がある。
(hardness measurement)
Hardness measurements were performed using the nanoindentation method using a Fischer Instruments PICODENTOR (registered trademark) Hm500. Specifically, a Berkovich indenter was pressed into the test specimen with a maximum indentation load of 5 mN, and the indentation depth was continuously measured. From the obtained indentation depth measurement data, Martens hardness and Vickers hardness converted from Martens hardness were calculated using Fischer Instruments' software "Product Name: WIN-HCU (registered trademark)." The calculated Vickers hardness was displayed on the screen of the measuring device, and this value was treated as the hardness of the film at the measurement point. In this example, the Vickers hardness was measured at 20 arbitrary points on the surface of each test specimen, and the average of the obtained hardness values was recorded as the hardness of the film. Note that when pressing the indenter into the test specimen, the indentation load may propagate up to approximately 10 times the maximum indentation depth of the indenter. Therefore, if the propagation of the indentation load reaches the substrate of the test specimen, the influence of the substrate may be included in the hardness measurement results. Therefore, in order to measure the hardness of a pure hard film, it is necessary to satisfy the following condition: "thickness of hard film>maximum indentation depth of indenter×10".

表2に示されるように実施例1の試験片はビッカース硬さで2629HVと十分な硬度を有していた。
実施例2の試験片はビッカース硬さで2535HVと十分な硬度を有していた。
実施例3の試験片はビッカース硬さで2682HVと十分な硬度を有していた。
実施例4の試験片はビッカース硬さで2404HVと十分な硬度を有していた。
実施例5の試験片はビッカース硬さで2215HVと十分な硬度を有していた。
比較例1の試験片はビッカース硬さで2052HVと十分な硬度を有していた。
As shown in Table 2, the test piece of Example 1 had a sufficient hardness of 2629 HV in Vickers hardness.
The test piece of Example 2 had a sufficient hardness of 2535 HV in Vickers hardness.
The test piece of Example 3 had a sufficient hardness of 2682 HV in Vickers hardness.
The test piece of Example 4 had a sufficient hardness of 2404 HV in Vickers hardness.
The test piece of Example 5 had a sufficient hardness of 2215 HV in Vickers hardness.
The test piece of Comparative Example 1 had a sufficient hardness of 2052 HV in Vickers hardness.

(FE-SEM表面観察)
次に、FE-SEMを用いて、各試験片の表面、すなわち各試験片のDLC層の表面を観察した。図15は実施例1のDLC層表面の観察画像である。実施例1のDLC層は、所々に凹部が形成されていた。図16は比較例1のDLC層表面の観察画像である。比較例1のDLC層は、表面に微小な凸が形成されているが、実施例1とは異なり、凹部は形成されていなかった。
(FE-SEM surface observation)
Next, the surface of each test piece, i.e., the surface of the DLC layer of each test piece, was observed using an FE-SEM. Fig. 15 is an observation image of the DLC layer surface of Example 1. The DLC layer of Example 1 had recesses formed in places. Fig. 16 is an observation image of the DLC layer surface of Comparative Example 1. The DLC layer of Comparative Example 1 had minute protrusions formed on the surface, but unlike Example 1, no recesses were formed.

以上の結果によれば、実施例1の試験片が、比較例1の試験片と比較してアルミ材に対する摩擦係数が低い理由は、DLC層の表面に凹部が形成されているためであることがわかる。そして、このようなDLC層は、DLC成膜工程において、バイアス電圧を高い値に設定すると共に、アルゴンガスと炭化水素ガスの流量比(アルゴンガスの流量/炭化水素ガスの流量)を特定の範囲内に規定することで成膜される。 These results indicate that the reason the test piece of Example 1 has a lower coefficient of friction with the aluminum material than the test piece of Comparative Example 1 is because recesses are formed on the surface of the DLC layer. Furthermore, this type of DLC layer is formed by setting the bias voltage to a high value and specifying the flow rate ratio of argon gas to hydrocarbon gas (argon gas flow rate/hydrocarbon gas flow rate) within a specific range during the DLC film formation process.

本発明は、例えばアルミ材を成型加工する金型表面の硬質膜を形成する際に利用することができる。 The present invention can be used, for example, to form a hard film on the surface of a mold used to mold aluminum material.

1 DLC被覆材
2 基材
3 中間層
4 DLC中間層
4a 第1のDLC中間層
4b 第2のDLC中間層
5 DLC層
10 成膜装置
11 チャンバー
12 台
13 バイアス用パルス電源
14 ガスインレット
15 ガス供給源
16 ガス排気管
17 ターゲット
17a 基材に対向する面
18 スパッタ用パルス電源
19 磁極
20 プラズマ
1 DLC coating material 2 Base material 3 Intermediate layer
4 DLC intermediate layer 4a First DLC intermediate layer 4b Second DLC intermediate layer 5 DLC layer 10 Film forming apparatus 11 Chamber 12 Stand 13 Bias pulse power supply 14 Gas inlet 15 Gas supply source 16 Gas exhaust pipe 17 Target 17a Surface facing substrate 18 Sputtering pulse power supply 19 Magnetic pole 20 Plasma

Claims (5)

炭素ターゲットを用いたアンバランスドマグネトロンスパッタリング法により基材の表面にDLC層を成膜するDLC層の成膜方法であって、
成膜処理が行われるチャンバー内に供給されるアルゴンガスと炭化水素ガスの流量比(アルゴンガスの流量/炭化水素ガスの流量)が35~60となるように、前記アルゴンガスおよび前記炭化水素ガスの流量を調節し、
前記基材に対し、190275Vのバイアス電圧をパルス状に印加する、DLC層の成膜方法。
A method for forming a DLC layer on a surface of a substrate by unbalanced magnetron sputtering using a carbon target, comprising:
adjusting the flow rates of the argon gas and the hydrocarbon gas so that the flow rate ratio (flow rate of the argon gas/flow rate of the hydrocarbon gas) of the argon gas and the hydrocarbon gas supplied into the chamber where the film formation process is performed is 35 to 60;
A method for forming a DLC layer, comprising applying a bias voltage of 190 to 275 V in pulses to the substrate.
前記流量比が50以下である、請求項1に記載のDLC層の成膜方法。 The method for forming a DLC layer according to claim 1 , wherein the flow rate ratio is 50 or less. 前記バイアス電圧のDuty比を30~80%に設定する、請求項1または2に記載のDLC層の成膜方法。 3. The method for forming a DLC layer according to claim 1 , wherein the duty ratio of the bias voltage is set to 30 to 80%. 前記炭化水素ガスは、メタンガスである、請求項1~のいずれか一項に記載のDLC層の成膜方法。 4. The method for forming a DLC layer according to claim 1 , wherein the hydrocarbon gas is methane gas. 請求項1~のいずれか一項に記載のDLC層の成膜方法を用いて、前記基材の表面に前記DLC層が成膜された金型を製造する、金型の製造方法。 A method for manufacturing a mold, comprising manufacturing a mold having a DLC layer formed on a surface of a substrate by using the method for forming a DLC layer according to any one of claims 1 to 4 .
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