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JP3453033B2 - 被覆部材およびその製造方法 - Google Patents

被覆部材およびその製造方法

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JP3453033B2
JP3453033B2 JP28110296A JP28110296A JP3453033B2 JP 3453033 B2 JP3453033 B2 JP 3453033B2 JP 28110296 A JP28110296 A JP 28110296A JP 28110296 A JP28110296 A JP 28110296A JP 3453033 B2 JP3453033 B2 JP 3453033B2
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広行 森
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉄鋼材料等の金属
からなる基材に金属皮膜、セラミック皮膜及び炭素系皮
膜の１種からなる硬質膜を被覆した被覆部材に関するも
ので、基材と被覆膜との密着性が向上した被覆部材およ
びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】鉄鋼材料等の表面に数μｍ〜数１０μｍ
厚さの蒸着皮膜とかスパッタリング皮膜、酸化物皮膜等
をＰＶＤ法、ＣＶＤ法で形成し、基材とこの表面に被覆
された被覆膜とからなる被覆部材が広く使用されてい
る。この被覆部材を形成する基材と被覆膜との密着性が
問題になり皮膜層が剥離する場合も経験する。例えば、
ＰＶＤ法を採用し、基板の温度が６００℃以下の低温で
薄膜を被覆する技術では、温度が低いことで基材と被覆
膜との結合が弱く、しばしば剥離が発生する。
【０００３】かかる場合、従来基材と被覆膜との結合を
高める手段として、基材表面をスパッタリングして基材
表面をクリーニングする方法とか、基材表面をブラスト
処理することにより基材表面を粗面化する方法等が用い
られてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】被覆部材を摺動部材と
して使用するには、その被覆膜は平滑でかつ基材との密
着性が高いことが重要である。平滑でないと耐焼付性が
低く相手攻撃性が高い。また、基材との密着性は不足し
ていると剥離が生じ摺動部材に用いることができない。
【０００５】しかし、スパッタリング法では表面に存在
する有機系の汚れや酸化物を取り除くことができるが、
これによっても低温被覆の場合、所要の密着性が得られ
ないことが多い。ブラスト処理法では、基材表面を大き
く荒らし、最小でも数ミクロンの程度の凹凸表面となる
ため平滑な膜が得られない。このため、その後に被覆さ
れる薄膜の面粗度も悪くなる。たとえば、摺動部材とし
て使用する場合には、かえって相手材を攻撃して所要の
摺動特性が得られなくなる。そのため平滑な表面を必要
とする摺動部材などでは硬質膜の再研磨が必要となる場
合が出てくる。本発明はかかる問題のない、基材と被覆
膜との密着性が高く、かつ表面が平滑な被覆部材および
その製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者は被覆膜が被覆
される基材表面に極めて小さい所定高さおよび所定幅を
もつ凸部をもつ凹凸面とすることにより基材と被覆膜と
の密着性が高いかつ表面が平滑な被覆部材が得られるこ
とを発見、確認し本発明を完成した。本発明の被覆部材
は、金属からなる基材と該基材の表面に被覆された金属
皮膜、セラミック皮膜及び炭素系皮膜の１種からなる被
覆膜とからなる被覆部材であって、該被覆膜が被覆され
た該基材の表面は、その表面の面積率で３０％以上の表
面部分が、イオン衝撃法によって得られた平均高さが１
０〜１００ｎｍの範囲、平均の幅が３００ｎｍ以下の凸
部をもつ凹凸面となっており、前記被覆膜はイオンプレ
ーティング、スパッタリング、真空蒸着及びプラズマＣ
ＶＤのいずれかの方法で形成されたものであることを特
徴とする。また、本発明の被覆部材の製造方法は、金属
からなる基材の被覆すべき表面に予めイオン衝撃によ
り、平均高さが１０〜１００ｎｍの範囲、平均の幅が３
００ｎｍ以下にある凸部を該表面の面積率で３０％以上
の表面部分に形成して凹凸面とする第１工程と、該凹凸
面上に金属皮膜、セラミック皮膜及び炭素系皮膜の１種
からなる被覆膜をイオンプレーティング、スパッタリン
グ、真空蒸着及びプラズマＣＶＤのいずれかの方法で形
成する第２工程と、よりなることを特徴とする。
【０００７】基材と被覆膜の界面が所定高さ、幅の凸部
をもつ凹凸面となっているため両者間の結合が強くより
一体性の高い被覆部材となる。
【０００８】
【発明の実施の態様】本発明の被覆部材は基材と被覆膜
とからなる。基材は基板、摺動部材、構造部材等の種々
の部品、装置の一部を構成するもので金属で形成されて
いる。一方、被覆膜はこの基材の少なくとも一部の表面
を覆い、その表面に耐蝕性、耐摩耗性、装飾性等の機能
を付加するもので、種々の被覆方法で形成された、金属
皮膜、セラミック皮膜および炭素系皮膜からなる。
【０００９】基材を形成する金属としては鋼等の鉄系金
属、チタン、アルミ、銅、マグネシウム等の金属、また
はこれら金属の合金等を挙げることができる。また、被
覆膜を形成する金属皮膜としてはクロム、ニッケル、タ
ングステン等を、またセラミックス皮膜としては周期率
表ＩＶ族〜ＶＩ族の元素またはそれらのひとつを含む複
合元素からなる窒化物膜、炭化物膜、酸化物膜等を、炭
素系皮膜としては、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボ
ン）、ダイヤモンド等を挙げることができる。被覆膜が
被覆される基材表面は、平均高さが１０〜１００ｎｍの
範囲、平均の幅が３００ｎｍ以下にある凸部を形成した
凹凸面となっている。なお、凸部は半球状である。ここ
で凸部の高さとはこの半球状の凸部の底から頂点までの
距離を、凸部の幅とは半球状の凸部の底の最大径（凸部
の底面形状が真円の場合は直径、凸部の底面形状が楕円
の場合は長軸径）に相当する水平方向の距離をいう。
【００１０】平均高さの範囲を１０〜１００ｎｍの範囲
としたのは、１０ｎｍ未満では機械的なアンカー効果が
得られず密着性が不足する、一方、１００ｎｍを越える
場合、平滑な膜が得られないためである。なお、より好
ましい平均高さの範囲は２０〜７０ｎｍであり、より密
着性が向上する。平均の幅を３００ｎｍ以下としたのは
３００ｎｍを越えるとアンカー効果が得られず、密着性
が低下するためである。なお、凸部の大きさは従来の表
面粗さ計（触針法）では測定できない。そのためここで
は凸部の大きさ、幅はＳＥＭ観察及びＡＦＭなどの微小
な形状測定によっている。
【００１１】凸部の大きさが所定のものであっても、凸
部の面積が少なければ、膜の密着性には効果が得られな
い。凹凸面に占める凸部の面積割合は、凹凸面の面積を
１００％とすると凸部の占める面積は３０％以上である
のが好ましい。３０％以上になると膜の密着性が高いも
のとなる。本発明の被覆部材の製造方法は基材の表面に
凹凸面を形成する第１工程とこの凹凸面上に被覆膜を形
成する第２工程からなる。
【００１２】第１工程の凹凸面を形成する方法としては
イオン衝撃法を採用できる。このイオン衝撃法により基
材の被覆すべき表面に平均高さが１０〜１００ｎｍの範
囲、平均の幅が３００ｎｍ以下にある凸部を形成して凹
凸面とする。イオン衝撃は密閉容器内に被処理材たる基
材を設置し、密閉容器内の圧力を１０-3〜２０ｔｏｒｒ
程度とする。圧力が１０-3ｔｏｒｒ未満では、十分に被
処理材を加熱することができない。２０ｔｏｒｒを越え
ると、被処理材を加熱することはできるが、微細な凹凸
ができない。
【００１３】次に、容器内に微細凹凸前処理用ガスを導
入する。この微細凹凸前処理用ガスとしてはヘリウム、
ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンの１
種または２種以上からなる希ガスを利用できる。さら
に、鉄系基材の場合、水素を加えて行うと被処理材表面
の酸化を防ぐことができる。この状態でイオン衝撃を与
える。イオン衝撃を与える手段としてはグロー放電また
はイオンビームを利用できる。放電電圧２００〜１００
０Ｖ、電流０．５〜３．０Ａで、処理時間３０〜６０分
でイオン衝撃を行うと、均一で微細なナノオーダの凹凸
ができる。イオン衝撃を与えている時に被処理材を硬さ
が低下しない温度（２００℃以上は必要）にまで加熱す
ると、さらに均一で微細なナノオーダの凹凸ができる。
【００１４】また、鉄系の被処理材の場合は、イオン衝
撃を与える前に、通常のガス窒化処理、浸炭処理または
ガス軟窒化処理のいずれの処理を行い、被処理材表面に
窒化層、浸炭層または軟窒化層を形成しておいても良
い。これら窒化層、浸炭層または軟窒化層を形成するこ
とによりイオン衝撃法で非常に均一で微細なナノオーダ
の凹凸ができやすくなる。なお、これら窒化層、浸炭層
または軟窒化層はイオン衝撃装置内で行い、硬質膜を形
成した後連続してイオン衝撃により凹凸を形成すること
ができる。
【００１５】第２工程の被覆膜を形成する方法として
は、イオンプレティーング（アーク、ホロカソード方式
など）、スパッタリング、真空蒸着、プラズマＣＶＤ等
により被覆膜を形成できる。形成された被覆膜は基材表
面が凹凸面となっているため強固に密着したものとな
る。また、得られる被覆膜は凹凸の少ない平滑な面を持
つものとなる。なお、ＣＶＤについては、高い温度で処
理するためには、本発明の第１工程の微細な凹凸を付け
なくても比較的良好な密着性を示す。このため第１工程
による微細な凹凸形成の効果は少ない。
【００１６】第２工程を実施して被覆膜を形成した後で
形成された被覆膜を研磨するとかラッピングするとかの
後処理は特に必要がない。適切に本発明の第１工程およ
び第２工程を実施することにより研磨とかラッピングを
必要としない平滑な被覆層が形成される。本発明の被覆
部材は耐摩耗性が必要な摺動部材に使用できる。例えば
摺動を伴う機械部品として、エンジン部品（ピストン、
ピストンリング、バルブステム等）、コンプレッサー部
品（ベーン、シュウ等）、噴射ポンプ（ロータ、プラン
ジャ等）の摺動部に本発明の被覆部材を使用できる。
【００１７】
【発明の作用効果】本発明の被覆部材は基材と被覆膜と
の界面が平均高さが１０〜１００ｎｍの範囲で平均の幅
が３００ｎｍ以下の凸部をもつ凹凸面となっている。こ
の界面の微視的な凹凸により接着面積が増加している。
この接着面積の増加に対応して密着強度が増加してい
る。また、この凹凸表面を形成することにより基材表面
が洗浄されかつ活性化しているため強固な被覆膜が形成
される。さらに凸部の境界に形成される凹部の機械的な
投錨効果により基材と被覆膜とは機械的に結合され一層
強固な結合が得られる。
【００１８】また、基材の凹凸面の凹凸が１０〜１００
ｎｍと極めて微小であるため基材の凹凸は被覆膜表面に
再現されず被覆膜表面は平滑なものとなる。なお、基材
表面に予め窒化層、浸炭層あるいは軟窒化層を形成して
おくことにより、イオン衝撃による凸部の形成が容易と
なり、凸部がより微細でかつ単位面積当たりの凸部の占
有面積率が大きくなる。これにより基材と被覆膜との接
触面積が非常に増大することから、密着性がさらに良好
となる。
【００１９】
【実施例】以下の試験において、基材には窒化用鋼であ
るＳＡＣＭ６４５を使用し、５０×１０×７ｍｍの試験
片とした。また、基材の表面粗度をＲｚ０．１μｍとし
た。 （凹凸形成条件の検討）基材表面に凹凸を形成するため
の条件を検討した。基材として前記窒化用鋼をＮＨ3 ガ
ス中で５２０℃、３５時間のガス窒化処理を行い、基材
表面に厚さ約０．４ｍｍの窒化の拡散層を形成した。そ
してさらに基材表面を研磨し表面粗さをＲｚ０．１μｍ
とした。
【００２０】凹凸を形成するイオン衝撃処理用の処理ガ
スとしてアルゴンガスを用い酸化防止ガスとしての水素
を加え、ガス圧力４ｔｏｒｒ、電圧と電流は１００Ｖと
０．４Ａおよび２００Ｖと０．８Ａ、処理時間０、５、
５０分で行った。このイオン衝撃処理で表１に示す凸部
が形成された。なお、表面荒さはイオン衝撃処理後も変
わらずＲｚ０．１μｍであった。
【００２１】この後、プラズマＣＶＤで基材表面にＤＬ
Ｃ−Ｓｉ（シリコン含有ダイヤモンドライクカーボン）
の硬質膜を形成した。この硬質膜の厚さは３μｍであっ
た。得られた硬質膜の密着性の評価を圧痕試験およびス
クラッチ試験でおこなった。圧痕試験は、膜表面にロッ
クウェルＣスケールの圧子を１５０ｋｇで押しつけて圧
痕周辺の膜の剥離形態により硬質膜の密着性を評価する
ものである。また、スクラッチ試験は頂角１２０°先端
０．２ｍｍＲのダイヤモンドコーンを荷重を掛けて引っ
掻くことによって、膜の剥離を測定する方法で剥離した
ときの荷重を臨界荷重といい、その臨界荷重の大小によ
り硬質膜の密着性を評価するものである。評価を併せて
表１に示す。
【００２２】
【表１】 表１より明らかなように、凸部の平均高さが５ｎｍでは
充分な密着性が得られない。そして凹凸処理条件として
電圧２００Ｖ、電流０．８Ａ、処理時間４０分のイオン
衝撃処理が必要であることがわかる。 （凹凸形成に及ぼす基材の表面硬化処理条件の検討）試
験片に硬化処理を施さなかった試料、表１の試料と同じ
窒化処理を施したもの及び浸炭処理を施したものの３種
類の試料を用いて、表１の試料Ｎｏ．３の凹凸を形成し
たのと同じイオン衝撃処理条件で凸部を形成した。その
後表１の試料と同じプラズマＣＶＤで基材表面に厚さ３
μｍのＤＬＣ−Ｓｉの硬質膜を形成した。その後表１の
試料と同様に圧痕試験およびスクラッチ試験を行い硬質
膜の密着性の評価を行った。結果を併せて表２に示す。
【００２３】なお、浸炭処理はハダ焼鋼を基材として、
塩浴中にて９００℃１時間の条件で行った。得られた浸
炭層は０．４ｍｍのものであった。
【００２４】
【表２】 表２より凹凸形成のためのイオン衝撃処理の前に基材表
面を硬化処理することが好ましいことが明らかである。
表面硬化処理がなされていない試料Ｎｏ．１１では、電
圧２００Ｖ、電流０．８Ａ、処理時間４０分のイオン衝
撃処理でも充分な凹凸が形成されていない。このため密
着性が充分でない。
【００２５】基材表面を予め窒化処理あるいは浸炭処理
することによりイオン衝撃処理による凹凸形成が容易と
なることがわかる。なお、参考までに試料Ｎｏ．１１と
試料Ｎｏ．１２のそれぞれのイオン衝撃処理後で硬質膜
形成前の凹凸表面のＳＥＭ写真を図１および図２にそれ
ぞれ示す。イオン衝撃により半球状の凸部が形成されて
いるのがわかる。そして試料Ｎｏ．１１の図１に示され
る凹凸は数が少ない。これに対して試料Ｎｏ．１２の図
２に示される凹凸は表面一杯に広がっているのがわか
る。 （総合評価試験）硬質被覆膜としてはＴｉＮ、窒化処理
による表面硬化処理については未処理と処理の２水準、
凹凸形成についても有無の２水準として合計４種類の試
料を調整した。その後表１の試料と同様に圧痕試験およ
びスクラッチ試験を行い硬質膜の密着性の評価を行っ
た。結果を併せて表３に示す。
【００２６】窒化処理は表１の試料と同様に行った。凹
凸形成のイオン衝撃処理は電圧４００Ｖ、電流１．５Ａ
にして処理時間１ｈの条件で行った。ＴｉＮ被覆膜の形
成はアークイオンプレーティング法により処理温度４０
０℃、処理時間１ｈの条件で行い、膜厚３μｍのＴｉＮ
被覆膜を形成した。
【００２７】
【表３】 密着性は表３より明らかなよう凹凸形成により密着性は
向上し、さらに、表面硬化処理し、凹凸形成したものが
より密着性は向上したことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の試料Ｎｏ．１１のイオン衝撃処理によ
り得られた凸部の状態を示すＳＥＭ写真図である。
【図２】実施例の試料Ｎｏ．１２のイオン衝撃処理によ
り得られた凸部の状態を示すＳＥＭ写真図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 麻蒔 立男「薄膜作成の基礎（第３ 版）」平成８年３月29日，日刊工業新聞 社 ｐ．136−146

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属からなる基材と該基材の表面に被覆さ
    れた金属皮膜、セラミック皮膜及び炭素系皮膜の１種か
    らなる被覆膜とからなる被覆部材であって、 該被覆膜が被覆された該基材の表面は、その表面の面積
    率で３０％以上の表面部分が、イオン衝撃法によって得
    られた平均高さが１０〜１００ｎｍの範囲、平均の幅が
    ３００ｎｍ以下の凸部をもつ凹凸面となっており、前記
    被覆膜はイオンプレーティング、スパッタリング、真空
    蒸着及びプラズマＣＶＤのいずれかの方法で形成された
    ものであることを特徴とする被覆部材。
  2. 【請求項２】前記金属は鉄、チタン、アルミ、銅、マグ
    ネシウム及びこれらの合金の１種であり、前記金属皮膜
    は、クロム、ニッケル及びタングステンの１種であり、
    前記セラミック皮膜は、周期律表IV族〜VI族の元素又は
    それらの一つを含む複合元素からなる窒化物膜、炭化物
    膜及び酸化物膜の１種であり、前記炭素系皮膜はダイヤ
    モンドライクカーボン及びダイヤモンドの１種である請
    求項１記載の被覆部材。
  3. 【請求項３】前記金属は表面に窒化層、浸炭層又は軟窒
    化層をもつ鉄系材料である請求項１記載の被覆部材。
  4. 【請求項４】金属からなる基材の被覆すべき表面に予め
    イオン衝撃により、平均高さが１０〜１００ｎｍの範
    囲、平均の幅が３００ｎｍ以下にある凸部を該表面の面
    積率で３０％以上の表面部分に形成して凹凸面とする第
    １工程と、 該凹凸面上に金属皮膜、セラミック皮膜及び炭素系皮膜
    の１種からなる被覆膜をイオンプレーティング、スパッ
    タリング、真空蒸着及びプラズマＣＶＤのいずれかの方
    法で形成する第２工程と、 よりなることを特徴とする被覆部材の製造方法。
  5. 【請求項５】前記金属は鉄、チタン、アルミ、銅、マグ
    ネシウム及びこれらの合金の１種であり、前記金属皮膜
    は、クロム、ニッケル及びタングステンの１種であり、
    前記セラミック皮膜は、周期律表IV族〜VI族の元素又は
    それらの一つを含む複合元素からなる窒化物膜、炭化物
    膜及び酸化物膜の１種であり、前記炭素系皮膜はダイヤ
    モンドライクカーボン及びダイヤモンドの１種である請
    求項５記載の被覆部材の製造方法。
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