DE10108344A1

DE10108344A1 - Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement

Info

Publication number: DE10108344A1
Application number: DE10108344A
Authority: DE
Inventors: Yoshiharu Utsumi; Kazuhiko Oda
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2001-09-06
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: DE10108344B4; US6821624B2; JP4560964B2; US20010024737A1; JP2001316800A

Abstract

Für Maschinenteile, Schneidwerkzeuge und Formen, die unter extrem hohen Kontaktdrucken verwendet werden, wird ein amorpher Kohlenstofffilm bereitgestellt, der eine ausreichende Haftung an einem Substrat aufweist. Das mit amorphem Kohlenstoff beschichtete (bedeckte) Bauelement weist eine Zwischenschicht auf, die mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb und solchen der Gruppe IVb mit Ausnahme von Kohlenstoff des Periodischen Systems der Elemente, oder ein Carbid mindestens eines aus dieser Gruppe ausgewählten Elements sowie einen auf die zwischenschicht aufgebrachten amorphen Kohlenstofffilm aufweist. Die Zwischenschicht weist eine Dicke von 0,5 nm oder mehr und von weniger als 10 nm auf.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mit amorphem Kohlenstoff be decktes bzw. beschichtetes Bauelement (Formkörper), das für Maschinenteile, Formen, Schneidwerkzeuge, gleitende Teile und dgl. verwendet wird, um die Verschleißfestigkeit, die Gleiteigenschaften und die Oberflächenschutzfunktion zu verbessern.

Amorphe Kohlenstofffilme sind Kohlenstofffilme oder hydrierte Kohlenstofffil me, die amorph sind und auch als Filme aus diamantartigem Kohlenstoff (DLC- Filme), Filme aus hartem Kohlenstoff, a-C-, a-C : H- oder i-C-Filme bezeichnet werden. Da amorphe Kohlenstofffilme ausgezeichnete Eigenschaften, bei spielsweise eine hohe Härte, eine hohe Planheit und einen niedrigen Rei bungskoeffizienten aufweisen, können sie verwendet werden für Maschinentei le, Formen, Schneidwerkzeuge, gleitende Teile und dgl., die verschleißfest sein müssen und einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen müssen. Tatsächlich werden sie für einige dieser Verwendungszwecke eingesetzt.

Als Verfahren zur Herstellung von amorphen Kohlenstofffilmen wird ein Plas ma-CVD-Verfahren, bei dem ein Kohlenwasserstoffgas wie CH₄ verwendet wird, ein Sputter-Abscheidungsverfahren, ein Ionenplattierungsverfahren, ein Vakuumlichtbogen-Abscheidungsverfahren und dgl. angewendet. Da jedoch die Haftung zwischen dem Substrat und dem amorphen Kohlenstofffilm schlecht ist, wurden bereits verschiedene Verfahren zur Verbesserung der Haftung vorgeschlagen. Als allgemeiner Weg zur Verbesserung der Haftung von amorphen Kohlenstofffilmen wurde die Herstellung einer Zwischenschicht mit unterschiedlichen Strukturen zwischen dem Substrat und dem amorphen Kohlenstofffilm ausprobiert. So ist beispielsweise in der japanischen Patent publikation 64-79 372 ein Verfahren beschrieben, bei dem auf ein Substrat ei ne 50 bis 1000 nm dicke Zwischenschicht aus Titancarbid, hergestellt durch Gasphasensynthese, aufgebracht wird und anschließend ein amorpher Koh lenstofffilm, hergestellt durch Gasphasensynthese, gebildet wird.

Außerdem ist in der japanischen Patentpublikation 5-82 472 eine Struktur be schrieben, bei der eine 0,1 bis 10 µm dicke Zwischenschicht, die mindestens einen Vertreter aus der Gruppe der Carbide, Carbonitride, Carbooxide, Car booxynitride, Carboboride von Metallen der Gruppen IVa, Va und VIa des Peri odischen Systems der Elemente, Carbide oder Carbonitride von Si, oder wechselseitige feste Lösungen davon umfasst, auf eine Sinterlegierung aufge bracht ist, die mindestens einen Vertreter aus der Gruppe der Carbide, Nitride oder festen Lösungen von Metallen der Gruppen IVa, Va und VIa des Periodi schen Systems der Elemente umfasst, und anschließend ein amorpher Koh lenstofffilm darauf gebildet wird.

Bisher betrug die Dicke der Zwischenschicht in der Regel 50 nm oder mehr. Wenn ein amorpher Kohlenstofffilm auf eine Zwischenschicht mit einer solchen Dicke aufgebracht wurde, war die Haftung für Maschinenteile, Schneidwerk zeuge und Formen, die unter einem extrem hohen Kontaktdruck verwendet werden, unzureichend. Die Anwendungsgebiete, in denen ein amorpher Koh lenstofffilm verwendet werden konnte, waren daher beschränkt.

Zusammenfassung der Erfindung

Nach der Untersuchung verschiedener Strukturen zur Verbesserung der Haf tung eines amorphen Kohlenstofffilms wurde von der Anmelderin gefunden, dass die folgende Struktur die Herstellung eines mit amorphem Kohlenstoff beschichteten bzw. bedeckten Bauelements ermöglicht, das eine derart gute Haftung aufweist, dass es verwendbar ist für Maschinenteile, Schneidwerkzeu ge, Formen und dgl.

Insbesondere wurde gefunden, dass es möglich ist, die Haftung des amorphen Kohlenstofffilms an einem Substrat deutlich zu verbessern, indem man auf dem Substrat eine Zwischenschicht bildet, die umfasst mindestens ein Ele ment, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb des Periodischen Systems der Elemente, und Elementen der Gruppe IVb mit Ausnahme von Kohlenstoff oder Carbide mindestens eines Elements, das aus den oben genannten Gruppen ausgewählt wird, und dass man auf der Zwischenschicht einen amorphen Kohlenstofffilm in der Weise bildet, dass die Dicke der Zwischenschicht 0,5 nm oder mehr und weniger als 10 nm beträgt.

Die erfindungsgemäße Struktur zur Herstellung eines mit amorphem Kohlen stoff beschichteten Bauelements, bei dem der amorphe Kohlenstoff eine ver besserte Haftung an dem Substrat aufweist, ist charakterisiert durch das Mate rial, die Filmdicke und das Herstellungsverfahren der Zwischenschicht.

Als Material für die Zwischenschicht kann verwendet werden mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb des Periodischen Systems der Elemente und Elementen der Gruppe IVb mit Ausnahme von Kohlenstoff. Da diese Elemente mit Koh lenstoff reagieren und Carbide bilden, wird durch Erzeugung eines amorphen Kohlenstofffilms auf der Zwischenschicht, die eines dieser Elemente enthält, eine Bindung zwischen einem solchen Element und dem Kohlenstoff an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht und dem amorphen Kohlenstofffilm gebildet, so dass eine hohe Haftung erzielt wird.

Außerdem können Carbide dieser Elemente als Material für die Zwischen schicht verwendet werden. Durch die Bildung eines amorphen Kohlenstofffilms auf der Zwischenschicht aus einem solchen Carbid wird an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht und dem amorphen Kohlenstofffilm eine Bin dung zwischen dem Kohlenstoff in dem Carbid und dem Kohlenstoff in dem amorphen Kohlenstoff oder eine Bindung zwischen einem der Elemente der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb des Periodischen Systems der Elemente oder einem der Elemente der Gruppe IVb mit Ausnahme von Kohlenstoff und dem Kohlenstoff in dem amorphen Kohlenstoff erzeugt, so dass eine hohe Haftung erzielt wird. Diese Carbide können eine Zusammensetzung aufweisen, die in nerhalb oder außerhalb eines stöchiometrischen Verhältnisses liegen.

Unter diesen Materialien ist es insbesondere bevorzugt, für die Zwischen schicht mindestens ein Element, das ausgewählt wird aus der Gruppe, die be steht aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W und Si, oder ein Carbid mindestens eines aus dieser Gruppe ausgewählten Elements zu verwenden. Da diese Elemente Substanzen sind, die leicht Carbide bilden können, wird durch Bil dung eines amorphen Kohlenstofffilms auf einer Zwischenschicht aus einem dieser Elemente oder einem Carbid eines dieser Elemente eine stabile und feste Bindung an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht und dem amorphen Kohlenstofffilm gebildet, so dass eine extrem hohe Haftung erzielt wird.

Erfindungsgemäß beträgt die Dicke der Zwischenschicht vorzugsweise 0,5 nm oder mehr und weniger als 10 nm. Wenn man die Dicke geringer macht als die Dicke der gemäß dem Stand der Technik verwendeten Zwischenschichten ist es möglich, eine hohe Haftung zu erzielen, wie sie bei dem Stand der Technik bisher unmöglich war. Wenn die Dicke der Zwischenschicht weniger als 0,5 nm beträgt, kann die Zwischenschicht ihre Funktionen als Zwischenschicht nicht ausüben, weil es schwierig ist, einen zusammenhängenden Film herzustellen, der über die gesamte Oberfläche des Substrats eine einheitliche Dicke hat.

Wenn die Dicke der Zwischenschicht mehr als 10 nm beträgt, ist keine ausrei chende Haftung erzielbar, weil die Haftung an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht oder an der Grenzfläche zwischen der Zwi schenschicht und dem amorphen Kohlenstofffilm abnimmt. Besonders bevor zugt beträgt die Dicke der Zwischenschicht 2 nm oder mehr und 7 nm oder weniger.

Als Verfahren zur Herstellung der Zwischenschicht kann ein bekanntes Verfah ren angewendet werden, beispielsweise ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Sputterabscheidungsverfahren, ein Vakuumlichtbogenabscheidungsverfah ren, ein Ionenplattierungsverfahren oder verschieden CVD-Verfahren. Unter ihnen sind die Ionenplattierung, die Sputterabscheidung und die Vakuumlicht bogenabscheidung besonders bevorzugt wegen der hohen Ionisierungsrate des Ausgangsmaterials und weil durch den Effekt, Ionen in das Substrat einzu führen, eine hohe Haftung zwischen der Zwischenschicht und dem Substrat erzielt wird.

Wenn die Zwischenschicht auf dem Substrat gebildet wird, nachdem eine Kontamination und eine Oxidschicht auf der Substrat-Oberfläche durch Be strahlung der Substrat-Oberfläche mit Ionen entfernt worden ist, wird eine hö here Haftung erzielt. Diese Arbeitsweise ist daher bevorzugt. Als Verfahren zur Reinigung der Substrat-Oberfläche durch Ionenbestrahlung kann ein bekann tes Verfahren angewendet werden.

Nach dem Verfahren zur Ionenbestrahlung der Substrat-Oberfläche ist es möglich, gleichzeitig die Reinigung der Substrat-Oberfläche durch Ätzen durchzuführen und die Zwischenschicht zu bilden. Da ein DLC-Film, der nach diesem Verfahren auf der Zwischenschicht erzeugt worden ist, in Bezug auf die Haftung besonders verbessert ist, ist dieses Verfahren bevorzugt.

Eine Ionenbestrahlung wird durchgeführt, indem man eine negative Vorspan nung an das Substrat anlegt, mindestens in Gegenwart von Ionen von Elemen ten, welche die Zwischenschicht bilden. Als Verfahren zur Erzeugung von Io nen kann eine bekannte Methode angewendet werden. Die Verwendung einer Sputter-Verdampfungsquelle oder einer Vakuumlichtbogen-Verdampfungs quelle ist jedoch wünschenswert wegen der hohen Ionisierungsrate und einer hohen Ätzgeschwindigkeit.

In diesem Fall wird das die Zwischenschicht bildende Element als Target ver wendet. Wenn beispielsweise ein Metall wie Ti, Cr und Si für die Zwischen schicht verwendet wird, können diese Metalle als Targets verwendet werden. Wenn ein Metallcarbid für die Zwischenschicht verwendet wird, kann das Me tallcarbid als Target verwendet werden. Wenn ein Metall als Target verwendet wird, wird ein Kohlenwasserstoffgas wie CH₄ der Kammer als Kohlenstoffquelle zugeführt oder bei Verwendung eines Metalltargets wird eine Metallschicht auf der Substrat-Oberfläche während der Ionenbestrahlung gebildet und die Me tallschicht wird während der Bildung des amorphen Kohlenstofffilms, wie sie nachstehend beschrieben, carbonisiert unter Bildung einer Metallcarbidschicht.

Zur gleichzeitigen Durchführung der Ätzung der Substrat-Oberfläche und der Bildung der Zwischenschicht ist es erforderlich, den Wert für die negative Vor spannung, die an das Substrat angelegt wird, und den Druck der Atmosphäre in geeigneter Weise auszuwählen. Obgleich diese Bedingungen in Abhängig keit von dem angewendeten Ionenbestrahlungsverfahren variieren können, beispielsweise in Abhängigkeit davon, ob eine Vakuumlichtbogen-Abschei dungsquelle verwendet wird, sollte die negative Vorspannung, die an das Substrat angelegt wird, -300 V oder mehr und -1500 V oder weniger betragen und der Druck der Atmosphäre sollte 0,133 Pa oder weniger betragen.

Während der Bildung des amorphen Kohlenstofffilms oder mindestens wäh rend der Anfangsphase seiner Bildung kann eine Zwischenschicht aus einem Metallcarbid gebildet werden durch Bestrahlen der Oberfläche der Metall- Zwischenschicht mit energiereichen Kohlenstoffionen, um die Metall- Zwischenschicht zu carbonisieren. Wenn eine Vakuumlichtbogen-Abscheidung angewendet wird, sollte die negative Vorspannung, die an das Substrat ange legt wird, -50 V oder mehr betragen und der Druck der Atmosphäre sollte 0,7 Pa oder weniger betragen, obgleich diese Bedingungen in Abhängigkeit von dem Verfahren zur Bildung des amorphen Kohlenstofffilms variieren.

Es kann festgestellt werden, ob die Ionenbestrahlungsbehandlung unter den Bedingungen zur Bildung einer Zwischenschicht gleichzeitig mit der Ätzung der Substrat-Oberfläche durchgeführt worden ist oder nicht, indem man feststellt, ob das Substrat geätzt worden ist, nachdem man zuerst nur eine Ionenbestrah lung über einen langen Zeitraum hinweg unter den Bedingungen durchgeführt hat, und dass eine Zwischenschicht mit einer Zusammensetzung und Dicke innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches an der Grenzfläche des Substrat und des amorphen Kohlenstofffilms sich gebildet hat, durch Beurteilung der Querschnitte von Proben, auf denen ein amorpher Kohlenstofffilm erzeugt worden ist, mittels eines Transmissions-Elektronenmikroskops oder durch eine Analyse der Zusammensetzung in Richtung der Tiefe unter Anwendung der Röntgenfotoelektronenspektroskopie oder der Auger-Elektronenspektroskopie.

Erfindungsgemäß kann eine Keramikschicht auf dem Substrat erzeugt werden, wie nachstehend beschrieben. Auch in diesem Fall kann die Zwischenschicht auf der Keramikschicht auf dem Substrat nach einem ähnlichen Verfahren wie vorstehend angegeben gebildet werden.

Als Verfahren zur Bildung eines amorphen Kohlenstofffilms kann jedes be kannte Verfahren angewendet werden, beispielsweise ein Plasma-CVD-, Sputter-Abscheidungs-, Ionenplattierungs- oder Vakuumlichtbogen- Abscheidungs-Verfahren. Unter diesen sind die Sputter-Abscheidung und die Vakuumlichtbogen-Abscheidung besonders bevorzugt, weil nach diesen Ver fahren ein amorpher Kohlenstofffilm gebildet werden kann, der wegen seiner guten Verschleißfestigkeit und hohen Härte geeignet ist für die Verwendung in Maschinenteilen, Formen, Schneidwerkzeugen und dgl. Außerdem ist bei die sen Verfahren, bei denen eine hohe Ionisierungsrate des Kohlenstoff-Materials auftritt und ein Film unter einem verhältnismäßig niedrigen Atmosphärendruck gebildet wird, die Energie der Ionen des Kohlenstoff-Materials, die das Substrat erreichen können, so hoch, dass als Folge des Effekts, die Ionen in die Zwischenschicht hineinzutreiben, ein amorpher Kohlenstofffilm gebildet werden kann, der eine hohe Adhäsionskraft (Haftung) aufweist.

Erfindungsgemäß ist es erforderlich, die Ionenbestrahlungsbehandlung konti nuierlich durchzuführen, wobei die Bildung der Zwischenschicht und die Bil dung des amorphen Kohlenstofffilms in der gleichen Vakuumkammer erfolgen, oder Vakuum-Zuführungswege zwischen einer Vakuumkammer für die Ionen bestrahlung, einer Vakuumkammer für die Bildung der Zwischenschicht und einer Vakuumkammer für die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms bereit zustellen, um dadurch eine kontinuierliche Behandlung im Vakuum durchzu führen. Dies ist deshalb so, weil dann, wenn das ionenbestrahlte Substrat vor Bildung der Zwischenschicht der Atmosphäre ausgesetzt wird, eine Kontami nation als Folge einer Oxidation der Substrat-Oberfläche oder der Zwischen schicht-Oberfläche oder eine Adsorption von Molekülen erfolgt, so dass der Effekt der Ionenbestrahlung oder der Bildung der Zwischenschicht verloren geht.

Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße amorphe Kohlenstofffilm eine Kno op-Härte (Hv) von 1200 oder mehr und von 8000 oder weniger auf. Wenn sie unter 1200 liegt, ist die Verschleißfestigkeit so gering, dass seine Verwendung beschränkt ist. Wenn sie über 8000 liegt, sind die inneren Spannungen des Films so hoch, dass der Film dazu neigt, sich abzulösen (abzuplatzen).

Die Härte kann durch eine Eindrück-Anordnung bestimmt werden. Bei Ver wendung einer Diamant-Knoop-Riffelwalze, bei der die Belastung auf 50 g ein gestellt wird und die Belastungsdauer 10 s beträgt, wird ein durchschnittlicher Wert der Messwerte an 10 Punkten erhalten. Wenn die Gestalt der Eindrücke (Vertiefungen) wegen der Vorsprünge schwer zu erkennen ist und die Vertie fungen in der Filmoberfläche groß sind, kann ein Schwabbel-Polieren mit einer Diamantpaste #8000 durchgeführt werden, um die Gestalt der Vertiefungen leicht erkennen zu können.

Die Dicke des amorphen Kohlenstofffilms beträgt vorzugsweise 0,05 µm oder mehr und 10 µm oder weniger. Wenn sie unter 0,05 µm liegt, weist sie nicht die Eigenschaften des amorphen Kohlenstoffs selbst, wie z. B. einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine hohe Härte, auf. Wenn sie mehr als 10 µm beträgt, ist die Oberflächenrauheit des Films zu groß, so dass der Reibungs koeffizient ansteigt oder der Film zur Ablösung neigt. Dies ist für die praktische Verwendung daher nicht zweckmäßig.

Da das erfindungsgemäße, mit einem amorphen Kohlenstoff bedeckte bzw. beschichtete Bauelement durch eine hohe Haftung an dem Substrat charakte risiert ist, eignet es sich für solche Anwendungszwecke, bei denen eine Halt barkeit bei hohen Belastungen von 9,8 MPa oder mehr erforderlich ist, wie bei spielsweise bei Schneidwerkzeugen, Formen und Maschinenteilen. Es wird nicht verwendet für solche Anwendungszwecke, bei denen der Belastungsbe reich eine geringe Belastung ist, beispielsweise für Magnetaufzeichnungsme dien. Als Maschinenteil ist es besonders gut geeignet für solche Teile, die ei nen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine hohe Haltbarkeit aufweisen müssen, wie z. B. Ventilsteuerteile wie Nocken und Ventilstößel in Verbren nungsmotoren.

Die vorliegende Erfindung umfasst eine solche Struktur, bei der eine Keramik schicht zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht aufgebracht wird. Diese Struktur ist besonders wirksam bei solchen Anwendungen, bei denen eine besonders hohe Verschleißfestigkeit erforderlich ist, wie z. B. Schneid werkzeugen und Formen. Als Keramikschicht kann ein Nitrid mindestens eines Elements, ausgewählt aus den Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb des Periodischen Systems der Elemente, z. B. TiN, ZrN, VN, CrN, AlN oder TiAlN, ein Carbid mindestens eines Elements, ausgewählt aus den Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb des Periodischen Systems der Elemente wie TiC oder ein Carbonitrid mindestens eines Elements, ausgewählt aus den Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb des Periodischen Systems der Elemente wie TiCN verwendet werden.

Da diese Substanzen eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweisen durch die Anwendung einer Struktur, bei der eine dieser Substanzen zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht angeordnet ist, kann ein mit amorphem Kohlenstoff bedecktes (beschichtetes) Bauelement bereitgestellt werden, das neben einem niedrigen Reibungskoeffizienten, einer hohen Verschweißungs beständigkeit und einer hohen Beständigkeit des amorphen Kohlenstofffilms gegen Festfressen eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist. Wenn ein amorpher Kohlenstofffilm direkt auf einer solchen Keramikschicht gebildet wird oder wenn eine Zwischenschicht gemäß dem Stand der Technik verwendet wird, wird keine ausreichende Haftung erzielt. Durch Verwendung der erfin dungsgemäßen Zwischenschicht ist es jedoch möglich, eine extrem hohe Haf tung auch auf einer solchen Keramikschicht zu erzielen.

Die Keramikschicht kann entweder ein Einzelschichtfilm aus einer Substanz, ausgewählt aus den oben genannten Substanzen, oder eine Laminatstruktur sein, bei der zwei oder mehr Substanzen in Form einer Vielzahl von Schichten aufeinanderlaminiert sind.

Als Materialien, die für die Keramikschicht verwendet werden, sind unter den vorstehend beschriebenen Materialien TiAlN, ZrN oder VN besonders bevor zugt, weil sie besonders verbessert sind in Bezug auf die Haftung an der Zwi schenschicht. Wenn die Keramikschicht eine Laminatstruktur aufweist, werden diese Substanzen vorzugsweise als oberste Schicht der Keramikschicht ver wendet, weil dann eine besonders gute Haftung erzielt wird.

Die Dicke der Keramikschicht beträgt vorzugsweise 0,2 µm oder mehr und weniger als 5 µm. Wenn sie weniger als 0,2 µm beträgt, wird die Verschleiß festigkeit nicht verbessert. Wenn sie oberhalb des genannten Bereiches liegt, besteht die Neigung, dass sich die Keramikschicht von dem Substrat ablöst. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Keramikschicht 0,5 µm oder mehr und weniger als 3 µm.

Als Verfahren zur Bildung der Keramikschicht kann jedes bekannte Verfahren angewendet werden, beispielsweise ein Plasma-CVD-, Sputter-Abscheidungs-, Ionenplattierungs- oder Vakuumlichtbogen-Abscheidungsverfahren.

Als Substrat-Material, das erfindungsgemäß verwendet wird, kann jedes belie bige Material verwendet werden. Bevorzugt ist jedoch mindestens eines, das ausgewählt wird aus Keramik, Legierungen der Eisenfamilie, Aluminium- Legierungen und Sintermaterialien der Eisenfamilie. Als Keramik-Materialien können Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Silici umcarbid und dgl. genannt werden. Als Legierungen der Eisenfamilie können Schnelldrehstahl, rostfreier Stahl und SKD genannt werden. Als Aluminium- Legierungen kann Duralumin genannt werden. Außerdem kann ein Sintercar bid aus einem Metall der Wolframcarbidfamilie, ein Diamant-Sintermaterial oder ein kubisches Bornitrid-Sintermaterial für den vorgesehenen Verwen dungszweck eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße, mit amorphem Kohlenstoff bedeckte bzw. beschichte te Bauelement kann für Schneidwerkzeuge, Formen, Maschinenteile und dgl. verwendet werden.

Weitere Merkmale und Ziele der vorliegenden Erfindung gehen aus der nach folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt eine schematische Ansicht dar, die den Aufbau eines mit amor phem Kohlenstoff bedeckten bzw. beschichteten Bauelements zeigt, wie es in den Beispiele 1, 2, 11 und 13 beschrieben wird;

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Ionenplattierungssystems;

Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Sputter-Abscheidungssystems;

Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Vakuumlichtbogen-Abschei dungssystems; und

Fig. 5 stellt eine schematische Ansicht dar, die den Aufbau eines mit amor phem Kohlenstoff bedeckten (beschichteten) Bauelements zeigt, wie es in den Beispielen 8, 12 und 14 beschrieben wird.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsformen

Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.

Beispiel 1

Nachdem eine Zwischenschicht 2 aus einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb des Pe riodischen Systems der Elemente und Elementen der Gruppe IVb mit Aus nahme von Kohlenstoff auf einem Substrat 1 gebildet worden war, das einer Ionenbestrahlungsbehandlung unterworfen worden war, wurde ein amorpher Kohlenstofffilm 3 gebildet zur Herstellung eines mit amorphem Kohlenstoff be deckten bzw. beschichteten Bauelements, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Für das Substrat 1 wurde ein Sintercarbid der Wolframcarbid-Familie K10 (gemäß JIS-Standard), SUS304, SCM415 und SKD11 verwendet. Nachdem das Substrat 1 einer Ultraschall-Reinigung in Aceton für 10 min oder länger ausgesetzt worden war, um die Oberfläche zu reinigen, wurde es auf einem Substrathalter in einer Vakuumkammer befestigt.

Unter Anwendung des gleichen Filmabscheidungssystems wurden eine Ionen bestrahlungsbehandlung, die Bildung der Zwischenschicht 2 und die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 kontinuierlich durchgeführt. Als Verfahren zur Bildung der Zwischenschicht 2 wurde die Ionenplattierung, die Sputter- Abscheidung oder die Vakuum-Lichtbogen-Abscheidung angewendet. Als Verfahren zur Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 wurde ein Radiofre quenz-Plasma-CVD-Verfahren, die Sputter-Abscheidung oder die Vakuum- Lichtbogen-Abscheidung angewendet.

Ein Ionenplattierungssystem ist in der Fig. 2 dargestellt. Durch Zuführung einer Radiofrequenzenergie in eine Radiofrequenzspule 5 aus einer Radiofrequenz energiequelle 6 wird eine durch einen Gaseinlass 7 eingeführte Gasatmo sphäre in einen Plasma-Zustand überführt. In einem Schmelztiegel 9 wird ein festes Material 10 durch Elektronenstrahlen aus einem Filament 8 erhitzt, um das feste Material zu verdampfen. Das verdampfte Material wird durch ein Plasma in der Gasatmosphäre ionisiert. Eine Gleichstromenergiequelle 12 wird mit einem Substrathalter 11 so verbunden, dass eine negative Vorspannung angelegt werden kann. Das Innere der Vakuumkammer kann durch eine Aus lassöffnung 13 auf ein Vakuum evakuiert werden.

Die Ionenbestrahlung, die Bildung der Zwischenschicht 2 und die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 mittels des Ionenplattierungssystems werden nachstehend beschrieben. Als festes Material 10 wurde Zr, Hf oder Nb ver wendet. Nach dem Befestigen des Substrats 15 an dem Substrathalter 11 wurde das Innere des Systems durch die Gasauslassöffnung 13 auf ein Va kuum von 0,002 Pa oder weniger evakuiert. Als Atmosphärengas wurde Ar durch den Gaseinlass 7 eingeführt, so dass der Druck in der Vakuumkammer 4 0,05 Pa betrug. Danach wurde eine Radiofrequenzenergie von 400 W der Ra diofrequenzspule 5 zugeführt zur Erzeugung eines Radiofrequenz-Plasmas. Bei einer an den Substrathalter 11 angelegten Vorspannung von -1200 V wur de das feste Material 10 durch Elektronenstrahlen verdampft und es wurde ein Shutter 14 geöffnet, um das verdampfte feste Material in dem Plasma zu ioni sieren. Als Folge der Kollision der Gasionen und der Zr-, Hf- oder Nb-Ionen mit dem Substrat 15 werden eine Kontamination und eine Oxidschicht auf der Oberfläche des Substrats geätzt und entfernt.

Danach wurde die Vorspannung auf -100 V herabgesetzt zur Bildung einer Zwischenschicht 2 aus Zr, Hf oder Nb. Nach dem Vakuumevakuierung des Innern der Vakuumkammer 4 wurde CH₄-Gas durch den Einlass 7 eingeführt, so dass der Druck in der Vakuumkammer 4 0,07 Pa betrug. Durch Anlegen einer Vorspannung von -500 V an den Substrathalter 11 und durch Zuführen einer Radiofrequenzenergie von 400 W in die Radiofrequenzspule 5 wurde ein amorpher Kohlenstofffilm 3 gebildet.

Das angewendete Sputter-Abscheidungssystem ist in der Fig. 3 dargestellt. Es weist eine Drehscheibe 17 in Form einer horizontalen Platte in einer Vakuum kammer sowie einen Substrathalter 18 auf, der an der Drehscheibe 17 vertikal fixiert ist. Auf den Seitenwänden der Vakuumkammer sind Sputter-Verdamp fungsquelle 19 befestigt, zwischen denen der Substrathalter 18 angeordnet ist. Jede Sputter-Verdampfungsquellen 19 steht mit einer Radiofrequenz-Energie quelle 20 in Verbindung. Auf jeder Sputter-Verdampfungsquellen 19 ist ein Target 21 befestigt. Außerdem kann eine vorgegebene negative Vorspannung mittels einer Gleichstromquelle 22, die mit der Drehscheibe 17 verbunden ist, an den Substrathalter 18 angelegt werden. Die Vakuumkammer 16 ist mit ei nem Gaseinlass und einer Gasauslassöffnung 24 ausgestattet.

Die Ionenbestrahlung, die Bildung der Zwischenschicht und die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms unter Verwendung der Sputter-Verdampfungsquel len werden nachstehend beschrieben. Unter Verwendung des in Fig. 3 darge stellten Sputter-Verdampfungssystems wurde eine der Sputter-Verdampfungs quellen 19 für die Ionenbestrahlung und für die Bildung der Zwischenschicht 2 und die andere für die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 verwendet. Als Target 21 für die Ionenbestrahlung und die Bildung der Zwischenschicht 2 wurde Ta, Mo, W oder Si verwendet. Als Target 21 für die Bildung des amor phen Kohlenstofffilms 3 wurde fester Kohlenstoff verwendet.

Nach dem Befestigen des Substrats 25 an dem Substrathalter 18 wurde das Innere der Vakuumkammer 16 durch die Gasauslassöffnung 24 auf ein Vaku um von 0,002 Pa oder niedriger evakuiert. Durch den Gaseinlass 23 wurde Argon eingeführt, so dass der Druck in der Vakuumkammer 16 1 Pa betrug. Danach wurde eine Vorspannung von -800 V an den Substrathalter 18 ange legt, während die Drehscheibe 17 mit 5 UpM gedreht wurde. Gleichzeitig wurde eine Radiofrequenzenergie von 400 W der Sputter-Verdampfungsquelle 19 für die Ionenbestrahlung zugeführt, um das Target 21 zu verstäuben und zu ioni sieren, so dass die Gasionen und die Ionen des Targetelements mit dem Sub strat 25 kollidierten, wodurch eine Ätzung und eine Entfernung der Kontamina tion und der Oxidschicht auf der Oberfläche des Substrats 1 erzielt wurden.

Danach wurde die Vorspannung auf -150 V verringert zur Bildung einer Zwi schenschicht 2 aus Ta, Mo, W oder Si. Nach dem Vakuumevakuieren des In nern der Vakuumkammer 16 wurden CH₄-Gas und Argongas durch den Ga seinlass 23 eingeführt, so dass der Druck in der Vakuumkammer 16 1 Pa be trug. Die Partialdrucke von CH₄-Gas und Argongas betrugen 0,3 Pa bzw. 0,7 Pa. Durch Zuführen einer Radiofrequenzenergie von 400 W in die Sputter- Verdampfungsquelle 19, die ein Target aus festem Kohlenstoff trug, und Anle gen einer Vorspannung von -100 V an den Substrathalter 16 unter gleichzeiti gem Drehen der Drehscheibe 17 mit 5 UpM wurde ein amorpher Kohlenstoff film 3 gebildet.

Das verwendeten Vakuum-Lichtbogenabscheidungssystem ist in der Fig. 4 dargestellt. Es weist eine Drehscheibe 27 in Form einer horizontalen Platte in der Vakuumkammer 26 sowie einen Substrathalter 28 auf, der vertikal an der Drehscheibe 27 befestigt ist. Auf den Seitenwänden der Vakuumkammer 26 sind Targets 29 (bei denen es sich um Vakuum-Lichtbogenverdampfungs quellen handelte) befestigt, zwischen denen der Substrathalter 28 angeordnet ist. Jedes Target 29 steht mit einer Gleichstromquelle 30 in Verbindung. Au ßerdem kann eine vorgegebene negative Vorspannung unter Verwendung ei ner Gleichstromquelle 31, die mit der Drehscheibe 27 in Verbindung steht, an den Substrathalter 28 angelegt werden. Die Vakuumkammer 26 ist mit einem Gaseinlass 32 und einer Gasauslassöffnung 33 ausgestattet.

Die Ionenbestrahlung, die Bildung der Zwischenschicht 2 und die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 unter Verwendung des Vakuum-Lichtbogenab scheidungssystems werden nachstehend beschrieben. Bei Verwendung des in Fig. 4 dargestellten Vakuum-Lichtbogenabscheidungssystems wurde eines der Targets 29 für die Ionenbestrahlung und die Bildung der Zwischenschicht und das andere für die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 verwendet. Als Target 29 für die Ionenbestrahlung und die Bildung der Zwischenschicht 2 wurde Ti, V oder Cr verwendet. Als Target 29 für die Bildung des amorphe Kohlenstofffilms 3 wurde fester Kohlenstoff verwendet. Als Atmosphäre für die Ionenbestrahlung wurde Argongas durch den Gaseinlass 32 eingeführt.

Nach dem Befestigen eines Substrats 34 an dem Substrathalter 28 wurde das Innere des Systems durch die Gasauslassöffnung 33 auf ein Vakuum von 0,002 Pa oder darunter evakuiert. Ein Atmosphärengas wurde eingeführt bis zu einem Druck von 0,7 Pa. Danach wurde eine Vorspannung von -1200 V an den Substrathalter 28 angelegt, während die Drehscheibe mit 5 UpM gedreht wurde. Gleichzeitig wurde eine Lichtbogenentladung erzeugt durch Zuführen eines Lichtbogenstroms von 50 A zu dem Target 29, so dass die Gasionen und die Ionen des Target-Elements mit dem Substrat 34 kollidierten, wodurch eine Ätzung und eine Entfernung einer Kontamination und der Oxidschicht auf der Oberfläche des Substrats 34 erzielt wurden. Danach wurde die Vorspannung an dem Substrat auf -800 V verringert zur Bildung einer Zwischenschicht 2 aus Ti, V oder Cr.

Danach wird durch Einführen von Argongas durch den Gaseinlass 32, so dass der Druck in der Vakuumkammer 26 1 Pa beträgt, durch Anlegen einer Vor spannung von -100 V an den Substrathalter 28 und durch Zuführen eines Ka thodenstroms von 50 A zu dem festen Kohlenstoff-Target zur Erzeugung einer Lichtbogenentladung, während die Drehscheibe 27 mit 5 UpM gedreht wird, ein amorpher Kohlenstoffilm 3 gebildet.

Zur Bestimmung der Härte des amorphen Kohlenstofffilms 3 wurde eine Kno op-Riffelwalze aus Diamant verwendet. Bei einer Belastung von 50 g und einer Belastungsdauer, die auf 10 s eingestellt war, wurde ein Durchschnittswert von an 10 Punkten gemessenen Werten verwendet. Wenn die Gestalt der Vertie fungen schwer zu erkennen war, weil die Vorsprünge und Ausnehmungen auf der Filmoberfläche groß waren, wurde ein Läppungs-Polieren mit einer Dia mantpaste #8000 durchgeführt, um die Formen der Vertiefungen leichter fest stellen zu können.

Die Haftung des amorphen Kohlenstofffilms 3 wurde in einem Rockwell- Abziehtest und in einem Aufpralltest bewertet. Zur Durchführung des Rockwell- Abziehtests wurde unter Verwendung einer Diamant-Riffelwalze zur Messung der Härte auf einer Rockwell-C-Skala der Ablösungszustand um die Vertiefun gen herum, die durch Eindrücken der Riffelwalze von der Filmoberfläche her unter einer Testbelastung von 150 kgf erzeugt worden waren, unter einem op tischen Mikroskop betrachtet. Für jede Probe wurden fünf Messungen durchge führt.

Bei dem Aufpralltest wurde unter Verwendung einer Kugel aus einem Sinter carbid der Wolframcarbid-Familie, die einen Durchmesser von 2,54 cm (1 inch) hatte, diese auf die Oberfläche jeder Probe, auf der ein Film gebildet worden war, 400mal unter Anwendung einer Arbeit von 10 J aufprallen gelassen und die Aufprall-Markierungen und der Ablösungszustand um diese herum wurden unter einem optischen Mikroskop betrachtet.

Die Strukturen und die Bewertungs-Ergebnisse der Zwischenschicht 2 und des amorphen Kohlenstofffilms 3 sind in der Tabelle 1 angegeben. Die Dicke der Zwischenschicht 2 wurde bestimmt anhand eines Transmissions-Elektronen mikroskop-Bildes von Querschnitten der Probe. Bei keiner der Strukturen wur de eine Ablösung weder bei dem Rockwell-Abziehtest noch bei dem Aufprall test festgestellt. Die amorphen Kohlenstofffilme 3 mit der erfindungsgemäßen Struktur wiesen eine gute Haftung an dem Substrat 1 auf.

Beispiel 2

Nachdem eine Zwischenschicht 2, hergestellt aus einem Carbid mindestens eines Elemente, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb des Periodischen Systems der Elemente und Elementen der Gruppe IVb mit Ausnahme von Kohlenstoff auf einem Substrat 1 gebildet worden war, das einer Ionenbestrahlungsbehandlung unterworfen worden war, wurde ein amorpher Kohlenstofffilm 3 gebildet. Das Substrat 1 war das gleiche wie das in Beispiel 1 verwendete Substrat und es wurde auf einem Substrathalter in einer Vakuumkammer befestigt nach dem Reinigen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1.

Die Verfahren zur Durchführung der Bestrahlung, zur Bildung der Zwischen schicht und zur Bildung des amorphen Kohlenstofffilms waren die gleichen wie in Beispiel 1.

Die Ionenbestrahlungsbehandlung, die Bildung der Zwischenschicht 2 und die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 mittels einen Ionenplattierungssy stems werden nachstehend beschrieben. Unter Verwendung von Zr, Hf oder Nb als Material 10 wurde eine Ionenbestrahlungsbehandlung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt. Nach dem Vakuumevakuieren des In nern der Vakuumkammer 4 wurde durch Einleiten von CH₄-Gas, so dass der Druck in der Vakuumkammer 4 0,1 Pa betrug, und durch Anlegen einer Vor spannung von -200 V an den Substrathalter 11, um Zr, Hf oder Nb in dem Schmelztiegel 9 zu verdampfen, eine Zwischenschicht 2 aus ZrC, HfC oder NbC gebildet. Danach wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ein amor pher Kohlenstofffilm auf der Zwischenschicht gebildet.

Die Ionenbestrahlung, die Bildung der Zwischenschicht 2 und die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 mittels eines Sputter-Abscheidungssystems wer den nachstehend beschrieben. Als Target 21 für die Ionenbestrahlung und die Bildung der Zwischenschicht 2 wurde Ta, Mo, W oder Si verwendet. Als Tar gets 21 für die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 wurde fester Kohlen stoff verwendet.

Nach Durchführung der Ionenbestrahlungsbehandlung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde das Innere der Vakuumkammer 16 evakuiert und es wurden CH₄-Gas und Argongas eingeleitet, so dass der Druck in der Vakuum kammer 16 1 Pa betrug. Die Partialdrucke des CH₄-Gases und des Argonga ses betrugen 0,3 Pa bzw. 0,7 Pa. Durch Zuführen einer Radiofrequenz-Energie von 400 W zu der Sputter-Verdampfungsquelle 19, an der ein Target aus Ta, Mo, W oder Si befestigt war, und durch Anlegen einer Vorspannung von -150 V an den Substrathalter 18, während die Drehscheibe 17 mit 5 UpM gedreht wurde, wurde eine Zwischenschicht aus TaC, MoC, WC oder SiC gebildet. Da nach wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ein amorpher Kohlenstoff film 3 auf der Zwischenschicht 2 gebildet.

Die Ionenbestrahlung, die Bildung der Zwischenschicht 2 und die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 unter Verwendung eines Vakuumlichtbogen- Abscheidungssystems werden nachstehend beschrieben. Als Target 21 für die Ionenbestrahlung und die Bildung der Zwischenschicht 2 wurde Ti, V oder Cr verwendet. Als Target 21 für die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 3 wurde fester Kohlenstoff verwendet. Nach Durchführung der Bestrahlung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde das Innere der Vakuumkammer 26 vakuumevakuiert und es wurden CH₄-Gas und Argongas eingeleitet, so dass der Druck in der Vakuumkammer 26 2 Pa betrug. Die Partialdrucke des CH₄-Gases und des Argongases betrugen 1 Pa bzw. 1 Pa. Durch Anlegen einer Vorspannung von -200 V an den Substrathalter 28, während die Drehscheibe 27 mit bei 5 UpM gedreht wurde, und durch Zuführen eines Lichtbogenstroms von 50 A zu dem Target für die Bildung der Zwischenschicht zur Erzeugung einer Lichtbogenentladung wurde eine Zwischenschicht aus TiC, VC oder CrC_x gebildet. Danach wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ein amorpher Kohlenstoffilm 3 auf der Zwischenschicht 2 gebildet.

Bei den hergestellten Proben wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 die Haftung des amorphen Kohlenstofffilms 3 unter Anwendung des Rockwell- Abziehtests und des Aufpralltests bewertet.

Die Strukturen und Bewertungs-Ergebnisse für die Zwischenschicht 2 und den amorphen Kohlenstofffilm 3 sind in der Tabelle 2 angegeben. Die Dicke der Zwischenschicht 2 wurde anhand eines Transmissions-Elektronenmikroskop- Bildes von Querschnitten der Probe bestimmt. Bei keiner der Strukturen wurde weder bei dem Rockwell-Abziehtest noch bei dem Aufpralltest eine Ablösung festgestellt. Die amorphen Kohlenstofffilme mit der erfindungsgemäßen Struk tur wiesen eine gute Haftung an dem Substrat auf.

Vergleichsbeispiel 1

Auf die gleiche Weise wie in den Beispielen 1 und 2 wurde eine Zwischen schicht aus Nb, Mo, Ti, ZrC, TaC oder CrC_x auf einem Substrat gebildet, das einer Ionenbestrahlungsbehandlung unterworfen worden war, durch Ionenplat tierung, Sputter-Abscheidung oder Vakuum-Lichtbogenabscheidung. Auf der Zwischenschicht 2 wurde durch Plasma-CVD, Sputter-Abscheidung oder Va kuum-Lichtbogenabscheidung ein amorpher Kohlenstofffilm 3 gebildet. Die Filmdicke der Zwischenschicht 2 lag jedoch außerhalb des erfindungsgemäß definierten Bereiches.

Die Strukturen und Bewertungs-Ergebnisse der Zwischenschicht 2 und des amorphen Kohlenstofffilms 3 sind in der Tabelle 3 angegeben. Anders als bei den erfindungsgemäßen Beispielen wurde sowohl bei dem Rockwell- Abziehtest als auch bei dem Aufpralltest eine Ablösung des amorphen Koh lenstofffilms 3 festgestellt und die Haftung an dem Substrat war schlecht.

Beispiel 3

Eine Zwischenschicht 2 und ein amorpher Kohlenstofffilm 3 wurden auf dem äußeren Umfang eines Plungers aus rostfreiem Stahl unter Anwendung des Verfahrens des Beispiels 1-3 und des Verfahren des Vergleichsbeispiels 1-1 gebildet. Bei dem Plunger, bei dem ein amorpher Kohlenstofffilm 3 nach dem Verfahren des Vergleichsbeispiels 1-1 gebildet worden war, trat eine Ablösung des Films nach 1-stündigem Betrieb auf. Bei dem Plunger, bei dem ein amor pher Kohlenstofffilm 3 unter Anwendung des Verfahrens des Beispiels 1-3 gebildet worden war, trat selbst nach 10 000-stündigem Betrieb keine Ablö sung des Films auf.

Beispiel 4

Eine Zwischenschicht 2 und ein amorpher Kohlenstofffilm 3 wurden auf die Gleitoberfläche einer Nocke eines Motorteils nach den Verfahren des Beispiels 1-5 und des Vergleichsbeispiels 1-2 aufgebracht und es wurde ein Motorlauf test durchgeführt, wobei die Nockenwelle sich mit 2500 UpM drehte und eine Federbelastung von 882 N angewendet wurde. Bei dem amorphen Kohlen stofffilm 3, der nach dem Verfahren des Vergleichsbeispiels 1-2 hergestellt worden war, trat nach 30-minütigem Betrieb eine Ablösung auf, während bei demjenigen, der nach dem Verfahren des Beispiels 1-5 hergestellt worden war, trat auch nach 300-stündigem Betrieb keine Ablösung auf.

Beispiel 5

Eine Zwischenschicht 2 und ein amorpher Kohlenstofffilm 3 wurden auf den äußeren Umfang einer Welle aus SUJ2 unter Anwendung der Verfahren des Beispiels 1-8 und des Vergleichsbeispiels 1-3 aufgebracht. Wenn er in Kombi nation mit einem Lager aus SUJ2 verwendet wurde, trat bei dem amorphen Kohlenstofffilm, der nach dem Verfahren des Vergleichsbeispiels 1-3 herge stellt worden war, schon nach 1-stündiger Verwendung eine Ablösung auf, während bei demjenigen, der nach dem Verfahren des Beispiels 1-8 hergestellt worden war, auch nach 200-stündiger Verwendung keine Ablösung auftrat.

Beispiel 6

Eine Zwischenschicht 2 und ein amorpher Kohlenstofffilm 3 wurden auf einen Bohrer aus einem Sintercarbid der Wolframcarbid-Familie (K10 gemäß JIS- Standard) nach den Verfahren des Beispiels 2-1 und des Vergleichsbeispiels 1-4 aufgebracht. Wenn ein Aluminiummaterial unter Verwendung der Bohrer gebohrt wurde, trat bei dem amorphen Kohlenstofffilm, der nach dem Verfah ren des Vergleichsbeispiels 1-4 hergestellt worden war, nach dem Bohren über eine Länge von 1 km eine Ablösung auf, bei dem amorphen Kohlenstofffilm, der nach dem Verfahren des Beispiels 2-1 hergestellt worden war, trat jedoch selbst nach dem Bohren über eine Länge von 20 km keine Ablösung auf.

Beispiel 7

Eine Zwischenschicht 2 und ein amorpher Kohlenstofffilm 3 wurden auf die Oberfläche einer Form zum Biegen eines Bleirahmens, hergestellt aus SKD11 nach den Verfahren des Beispiels 2-4 und des Vergleichsbeispiels 1-5 aufge bracht und zum Biegen eines Bleirahmens verwendet. Bei dem amorphen Kohlenstofffilm, der nach dem Verfahren des Vergleichsbeispiels 1-5 herge stellt worden war, trat eine Verschweißung der Lötmittelplattierung als Folge der Ablösung des Films schon nach 5000 Shots auf, bei demjenigen, der nach dem Verfahren des Beispiels 2-4 hergestellt worden war, trat jedoch bei bis zu 200 000 Shots keine Verschweißung der Lötmittelplattierung auf als Folge der Ablösung des Films.

Beispiel 8

Unter Verwendung des gleichen Substrats wie es in Beispiel 1 als Substrat 35 verwendete wurde, wurde nach der Reinigung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 eine Keramikschicht 36 unter Anwendung einer bekannten Vakuum- Lichtbogenabscheidung (Fig. 5) gebildet. Nach Durchführung einer Ionenbe strahlungsbehandlung wurde eine Zwischenschicht 37 gebildet, die ein Ele ment der Gruppe IVa, Va, VIa oder IIIb des Periodischen Systems der Elemen te und der Gruppe IVb mit Ausnahme von Kohlenstoff oder ihre Carbide um fasste. Dann wurde ein amorpher Kohlenstofffilm 38 gebildet zur Herstellung des in Fig. 5 dargestellten, mit amorphem Kohlenstoff bedeckten bzw. be schichteten Bauelements.

Die Verfahren zur Durchführung der Ionenbestrahlungsbehandlung, der Bil dung der Zwischenschicht 37 und der Bildung des amorphen Kohlenstofffilms 38 waren die gleichen wie in den Beispielen 1 und 2.

Bei den so hergestellten Proben wurde die Haftung des amorphen Kohlen stofffilms 38 unter Anwendung des Rockwell-Abziehtests und des Aufpralltests auf die gleiche Weise wie in den Beispielen 1 und 2 bewertet.

Die Strukturen und Bewertungs-Ergebnisse der Keramikschicht 36, der Zwi schenschicht 37 und des amorphen Kohlenstofffilms 38 sind in der Tabelle 4 angegeben. Die Dicke der Zwischenschicht 37 wurde bestimmt anhand eines Transmissions-Elektronenmikroskop-Bildes von Querschnitten der Probe. Bei keiner der Strukturen trat eine Ablösung auf, weder beim Rockwell-Abziehtest noch beim Aufpralltest, und der amorphe Kohlenstofffilm 38, der eine erfin dungsgemäße Struktur aufwies, wies eine gute Haftung an dem Substrat 35 auf.

Vergleichsbeispiel 2

Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 8 wurde auf einem Substrat, auf das eine Keramikschicht 36 aufgebracht worden war und das einer Ionenbestrahlung unterworfen worden war, eine Zwischenschicht 37 aus Nb, Mo, Ti, ZrC, TaC oder CrC_x gebildet durch Ionenplattierung, Sputter-Abscheidung oder Vakuum- Lichtbogenabscheidung, und auf einen amorphen Kohlenstofffilm 38 wurde auf der Zwischenschicht 37 ein amorpher Kohlenstoffilm 38 gebildet durch Plas ma-CVD, Sputter-Abscheidung oder Vakuum-Lichtbogen-Abscheidung. Die Filmdicke der Zwischenschicht 37 lag jedoch außerhalb des erfindungsgemä ßen Bereiches.

Die Strukturen und die Bewertungs-Ergebnisse der Zwischenschicht 37 und des amorphen Kohlenstofffilms 38 sind in der Tabelle 5 angegeben. Anders als bei den erfindungsgemäßen Beispielen trat sowohl bei dem Rockwell- Abziehtest als auch bei dem Aufpralltest eine Ablösung des amorphen Koh lenstofffilms auf und die Haftung an dem Substrat 35 war schlecht.

Beispiel 9

Eine Zwischenschicht 2 und ein amorpher Kohlenstofffilm 3 wurden auf einem Einsatz (Insert) zur Bearbeitung einer Aluminium-Legierung gebildet, an den ein Diamant-Sinterkörper nach den Verfahren des Beispiels 2-10 und des Vergleichsbeispiels 1-6 durch Hartlöten angelötet worden war. Eine Aluminium- Legierung (JIS ADC12) wurde unter Verwendung der erhaltenen Proben ge fräst. Bei dem amorphen Kohlenstofffilm 3, der unter Anwendung des Verfah rens des Vergleichsbeispiels 1-6 gebildet worden war, trat nach dem Schnei den von 1 km eine Ablösung auf, bei dem amorphen Kohlenstofffilm 3, der nach dem Verfahren des Beispiels 2-10 gebildet waren war, trat jedoch auch nach kontinuierlichem Schneiden von 40 km keine Ablösung auf.

Beispiel 10

Eine Zwischenschicht 2 und ein amorpher Kohlenstofffilm 3 wurden auf einer Wendeschneidplatte zum Hartdrehen gebildet, an die ein kubisches Bornitrid- Sinterelement durch Hartlöten angelötet worden war unter Anwendung der Verfahren des Beispiels 2-10 und des Vergleichsbeispiels 1-6. Unter Verwen dung der erhaltenen Proben wurde ein kontinuierliches Hochgeschwindigkeits schneiden von einsatzgehärtetem Stahl (JIS SCM415) durchgeführt. Bei dem amorphen Kohlenstofffilm 3, der nach dem Verfahren des Vergleichsbeispiels 1-6 hergestellt worden war, trat nach 1-minütigem Schneiden eine Ablösung auf, während bei dem amorphen Kohlenstofffilm 3, der nach dem Verfahren des Beispiels 2-10 hergestellt worden war, auch nach kontinuierlichem 30-minütigem Schneiden keine Ablösung auftrat.

Beispiel 11

Nachdem durch Ionenbestrahlungsbehandlung des Substrats 1 eine Metall- Zwischenschicht 2 gleichzeitig mit der Reinigung der Substrat-Oberfläche ge bildet worden war, wurde ein amorpher Kohlenstofffilm 3 auf der Zwischen schicht gebildet, um ein von amorphem Kohlenstoff bedecktes (beschichtetes) Bauelement herzustellen, wie in Fig. 1 dargestellt. Als Substrat 1 wurde ein ähnliches Substrat wie in Beispiel 1 verwendet. Nach dem Reinigen wie in Bei spiel 1 wurde es in einer Vakuumkammer auf einem Substrathalter befestigt.

Die Ionenbestrahlungsbehandlung und die Bildung des amorphen Kohlen stofffilms 3 wurden durchgeführt unter Anwendung der Vakuum-Lichtbogen abscheidung wie in Beispiel 1. Als Targets 29 für die Ionenbestrahlung wurden Ti, Cr, Zr und V verwendet. Die Ionenbestrahlung wurde durchgeführt, ohne ein Gas durch den Gaseinlass einzuleiten, wobei das Endvakuum 0,002 Pa oder weniger betrug. Die Ionenbestrahlung wurde mit einer auf -1000 Volt eingestell ten Vorspannung und einem Lichtbogenstrom von 50 A unter Drehen der Drehscheibe 27 mit einer Geschwindigkeit von 5 UpM durchgeführt. Danach wurde ein amorpher Kohlenstofffilm 3 auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gebildet.

Bei den hergestellten Proben wurde die Haftung des amorphen Kohlenstoff films 3 unter Anwendung eines Rockwell-Abziehtests und eines Aufpralltests auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 bewertet.

Die Strukturen und die Bewertungs-Ergebnisse der Targets, die verwendet wurden für die Ionenbestrahlung, die Zwischenschicht 2 und den amorphen Kohlenstofffilm 3 sind in der Tabelle 6 angegeben. Die Dicke und die Zusam mensetzung der Zwischenschicht 2 wurden bestimmt anhand von Transmissi ons-Elektronenmikroskop-Bildern von Querschnitten der Proben und durch Analyse der Zusammensetzung jedes Abschnitts in der Tiefenrichtung durch Röntgenfotoelektronenspektroskopie.

Bei jeder Probe wurde festgestellt, dass sich eine Zwischenschicht 2 durch Ionenbestrahlung gebildet hatte, die das gleiche Element enthielt wie das Tar get-Material, das für die Ionenbestrahlung verwendet wurde. Es wurde außer dem festgestellt, dass nur dann, wenn die Ionenbestrahlung 1 h lang unter den gleichen Ionenbestrahlungsbedingungen durchgeführt wurde, das Substrat geätzt wurde und eine Ätz-Reinigung des Substrats und die Bildung der Zwi schenschicht durch die Ionenbestrahlung gleichzeitig auftraten. Bei keiner die ser Strukturen wurde eine Ablösung festgestellt, weder bei dem Rockwell- Abziehtest noch bei dem Aufpralltest. Der amorphe Kohlenstofffilm 3 mit der erfindungsgemäßen Struktur wies eine gute Haftung an dem Substrat auf.

Beispiel 12

Ein Substrat, auf das eine Keramikschicht 36 auf die gleiche Weise wie in Bei spiel 8 aufgebracht worden war, wurde einer Ionenbestrahlungsbehandlung wie in Beispiel 11 unterworfen. Nachdem eine Metall-Zwischenschicht 37 gleichzeitig mit der Reinigung der Substrat-Oberfläche gebildet worden war, wurde ein amorpher Kohlenstofffilm 38 auf der Zwischenschicht gebildet zur Herstellung eines mit amorphem Kohlenstoff bedeckten (beschichteten) Bau elements, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Die Strukturen und die Bewertungs-Ergebnisse der Targets, die verwendet wurden für die Ionenbestrahlung, die Keramikschicht 36, die Zwischenschicht 37 und den amorphen Kohlenstofffilm 38 sind in der Tabelle 7 angegeben. Die Dicke und Zusammensetzung der Zwischenschicht 37 wurde bestimmt anhand von Transmissionselektronenmikroskop-Bildern von Querschnitten der Proben und durch Analyse der Zusammensetzung jedes Querschnitts in einer tiefen Richtung durch Röntgenfotoelektronenspektroskopie. Bei jeder Probe wurde bestätigt, dass eine Zwischenschicht 37 durch die Ionenbestrahlung gebildet wurde, welche die gleichen Elemente wie die für die Ionenbestrahlung verwen deten Target-Materialien enthielt.

Es wurde ferner bestätigt, dass nur dann, wenn die Ionenbestrahlung 1 h lang unter den gleichen Bedingungen durchgeführt wurde, die Keramikschicht ge ätzt wurde, und dass eine Ätz-Reinigung der Keramikschicht und die Bildung der Zwischenschicht durch die Ionenbestrahlung gleichzeitig auftraten. Bei kei ner dieser Strukturen wurde eine Ablösung festgestellt, weder bei dem Rock well-Abziehtest noch bei dem Aufpralltest. Der amorphe Kohlenstofffilm 38, der die erfindungsgemäße Struktur aufwies, wies eine gute Haftung an dem Substrat auf.

Beispiel 13

Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 11 wurde auf der Substrat-Oberfläche gleichzeitig mit der Reinigung der Substrat-Oberfläche durch Ionenbestrahlung des Substrats 1 eine Metallschicht gebildet. Danach wurde durch Bildung eines amorphen Kohlenstofffilms 3 auf die nachstehend beschriebene Weise ein mit amorphem Kohlenstoff bedecktes (beschichtetes) Bauelement verwendet, dessen Zwischenschicht 2 aus einem Metallcarbid bestand.

Die Bildung des amorphen Kohlenstofffilms wurde durchgeführt ohne Einleiten irgendeines Gases durch den Gaseinlass, wobei das Endvakuum auf 0,002 Pa oder darunter festgesetzt wurde. Der amorphe Kohlenstofffilm 3 wurde gebildet mit einer auf -100 V festgelegten Vorspannung und einem Lichtbogenstrom von 50 A, während die Drehscheibe 27 mit einer Geschwindigkeit von 5 UpM gedreht wurde.

Bei den erhaltenen Proben wurde die Haftung des amorphen Kohlenstofffilms 3 unter Anwendung eines Rockwell-Abziehtests und eines Aufpralltests wie in Beispiel 1 bestimmt.

Die Strukturen und die Bewertungs-Ergebnisse der Targets, die verwendet wurden für die Ionenbestrahlung, die Zwischenschicht 2 und den amorphen Kohlenstofffilm 3 sind in der Tabelle 8 angegeben. Die Dicke und die Zusam mensetzung der Zwischenschicht 2 wurden bestimmt anhand von Transmissi ons-Elektronenmikroskop-Bildern von Querschnitten der Proben und durch eine Analyse der Zusammensetzung jedes Querschnitts in einer Tiefen- Richtung durch Röntgenfotoelektronenspektroskopie.

Bei jeder Probe wurde bestätigt, dass durch die Ionenbestrahlung eine Zwi schenschicht 2 gebildet wurde, die ein Carbid des gleichen Metallelements enthielt wie das Target-Material, das für die Ionenbestrahlung verwendet wur de. Es wurde außerdem bestätigt, dass nur dann, wenn die Ionenbestrahlung 1 h lang unter den gleichen Ionenbestrahlungsbedingungen durchgeführt wurde, das Substrat geätzt wurde und die Ätz-Reinigung des Substrats und die Bil dung der Metallschicht durch die Ionenbestrahlung gleichzeitig auftraten. Bei keiner dieser Strukturen wurde eine Ablösung festgestellt, weder beim Rock well-Abziehtest noch beim Aufpralltest. Der amorphe Kohlenstofffilm 3, der die erfindungsgemäße Struktur aufwies, wies eine gute Haftung an dem Substrat auf.

Beispiel 14

Bei einem Substrat, das auf die gleiche Weise wie in Beispiel 8 mit einer Ke ramikschicht 36 versehen worden war, wurden eine Ionenbestrahlungsbehand lung und die Bildung eines amorphen Kohlenstofffilms 38 auf die gleiche Wei se wie in Beispiel 13 durchgeführt zur Herstellung eines mit amorphem Koh lenstoff bedeckten (beschichteten) Bauelements, wie in Fig. 5 dargestellt.

Die Strukturen und Bewertungs-Ergebnisse der Targets, die verwendet wurden für die Ionenbestrahlung, die Keramikschicht 36, die Zwischenschicht 37 und den amorphen Kohlenstofffilm 38 sind in der Tabelle 9 angegeben. Die Dicke und Zusammensetzung der Zwischenschicht 37 wurden bestimmt anhand von Transmissions-Elektronenmikroskop-Bildern von Querschnitten der Proben und durch Analyse der Zusammensetzung jedes Querschnitts in einer Tiefen- Richtung durch Röntgenfotoelektronenspektroskopie. Bei jeder Probe wurde bestätigt, dass durch Ionenbestrahlung eine Zwischenschicht 37 gebildet worden war, die das gleiche Element enthielt wie das für die Ionenbestrahlung verwendete Target-Material.

Außerdem wurde bestätigt, dass nur dann, wenn die Ionenbestrahlung 1 h lang unter den gleichen Ionenbestrahlungsbedingungen durchgeführt wurde, die Keramikschicht geätzt wurde und dass durch die Ionenbestrahlungsbehand lung gleichzeitig eine Ätz-Reinigung der Keramikschicht und eine Bildung der Zwischenschicht auftraten. Bei keiner dieser Strukturen wurde eine Ablösung festgestellt, weder beim Rockwell-Abziehtest noch bei dem Aufpralltest, und der amorphe Kohlenstofffilm 38, der die erfindungsgemäße Struktur aufwies, wies eine gute Haftung an dem Substrat auf.

Wie vorstehend beschrieben, kann unter Anwendung der Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung ein mit amorphem Kohlenstoff bedecktes (beschichtetes) Bauelement erhalten werden, das in Bezug auf die Haftung an dem Substrat verbessert ist. Es ist verwendbar für Maschinenteile, Werkzeuge und Formen.

Claims

1. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes (bedecktes) Bauelement, das ein Substrat, eine auf das genannte Substrat aufgebrachte Zwischenschicht und einen auf die genannte Zwischenschicht aufgebrachten amorphen Koh lenstofffilm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Zwischenschicht mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb und Elementen der Gruppe IVb mit Ausnahme von Koh lenstoff des Periodischen Systems der Elemente, oder ein Carbid mindestens eines aus der genannten Gruppe ausgewählten Elements umfasst und eine Dicke von 0,5 nm oder mehr und von weniger als 10 nm aufweist.

2. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement, das ein Substrat, eine auf das genannte Substrat aufgebrachte Keramikschicht, eine auf die ge nannte Keramikschicht aufgebrachte Zwischenschicht und einen auf die ge nannte Zwischenschicht aufgebrachten amorphen Kohlenstofffilm aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass die genannte Keramikschicht ein Nitrid, Carbid oder Carbonitrid minde stens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb des Periodischen Systems der Elemente umfasst, und
dass die genannte Zwischenschicht mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Elementen der Gruppen IVa, Va, VIa und IIIb und Elementen der Gruppe IVb mit Ausnahme von Kohlenstoff des Periodischen Systems der Elemente, oder ein Carbid mindestens eines Elements, ausge wählt aus der genannten Gruppe, umfasst und eine Dicke von 0,5 nm oder mehr und von weniger als 10 nm aufweist.

3. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement nach Anspruch 2, worin die genannte Keramikschicht mindestens einen Vertreter, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus TiAlN, ZrN und VN, umfasst und eine Dicke von 0,2 µm oder mehr und von weniger als 5 µm aufweist.

4. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die genannte Zwischenschicht mindestens ein Ele ment, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W und Si, oder ein Carbid mindestens eines aus der genannten Gruppe ausgewählten Elements umfasst.

5. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die genannte Zwischenschicht durch Ionenplattie rung, Sputter-Abscheidung oder Vakuum-Lichtbogenabscheidung gebildet worden ist.

6. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die genannte Zwischenschicht gleichzeitig mit dem Ätzen der Oberfläche des genannten Substrats oder der auf das Substrat auf gebrachten genannten Keramikschicht gebildet worden ist durch Anlegen einer negativen Vorspannung an das genannte Substrat in Gegenwart von Ionen mindestens eines Elements, das die genannte Zwischenschicht bildet.

7. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die genannte Zwischenschicht ein Carbid umfasst, das gebildet worden ist in Gegenwart mindestens von Ionen mindestens eines Metallelements, das die genannte Zwischenschicht bildet, durch Bildung einer Metallschicht, die das genannte Metallelement enthält, gleichzeitig mit dem Ätzen der Oberfläche des genannten Substrats oder der genannten Keramik schicht, die auf dem genannten Substrat gebildet worden ist, durch Anlegen einer negativen Vorspannung an das genannte Substrat und Bestrahlen der Oberfläche des genannten Substrats oder der genannten Keramikschicht mit den genannten Ionen und Carbonisieren der genannten Metallschicht während der Bildung des genannten amorphen Kohlenstofffilms.

8. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der genannte amorphe Kohlenstofffilm durch Sputter- Abscheidung oder Vakuum-Lichtbogenabscheidung gebildet worden ist.

9. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der genannte amorphe Kohlenstofffilm eine Knoop- Härte (Hv) von 1200 oder mehr und von 8000 oder weniger aufweist.

10. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin das genannte Substrat mindestens ein solches ist, das ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Keramik, Legierungen auf Eisenbasis, Aluminium-Legierungen, Sintermaterialien auf Eisenbasis, Sintercarbiden von Metallen auf Wolframcarbidbasis, Diamant-Sintermateri alien und kubischen Bornitrid-Sintermaterialien.

11. Mit amorphem Kohlenstoff beschichtetes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das als Schneidwerkzeug, als Form und/oder als Maschi nenteil verwendet wird.