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硬質炭素皮膜(DLC)一覧
ダイヤモンドライクカーボン
ダイヤモンドライクカーボン(DLC; Diamond Like Carbon)は、ダイヤモンドのように高硬度で、定まった結晶構造をもたないアモルファス(非晶質)な炭素膜です。膜構造や水素の有無などにより、様々な種類が存在しますが、当社のDLC(商標:タフカーボン)は、ガスクラスターイオンビーム(GCIB)を用いた成膜プロセスにて生成しているため、水素を含まず、通常のDLCと比較して平滑性が優れています。
DLCの種別(a-C:H)
a-C:Hは、4タイプに大別されるDLC(非晶質炭素膜の総称)のうちの1タイプで、膜内に水素を5~50at%含有していることが共通点で、ダイヤモンド状のsp3混成軌道を持つ炭素原子よりもグラファイト状のsp2混成軌道を持つ炭素原子が多めに混在した構造になります。
a-C:Hの最大の特徴は水素含有にあります。水素が含まれることで、他タイプのDLCよりも密度が小さく柔らかい被膜ですが、膜内部の応力が小さいので密着性は良いといえます。さらに相手材に依存しますが一般に摩擦係数が低い傾向にあります。そのような特徴から理容はさみや髭剃り刃のコーティングに利用されています。また、グラファイト状のsp2混成軌道を持つ炭素原子が多めで黒い被膜であるという意匠性と、主成分が炭素なのでコーティングすることで金属アレルギー対策にも有効であるから腕時計にも用いられています。
主な成膜方法は固体炭素を原料とし、炭化水素ガスを雰囲気ガスとして水素含有を可能とするスパッタリングやイオンプレーティングなどのPVD法や、炭化水素ガスや有機溶媒蒸気を原料とした熱CVD法、プラズマCVD法が挙げられます。特に高周波電力を印加することにより被膜原料ガスのプラズマを発生させてプラズマ中のイオンを被覆対象に引き付けて膜形成させるプラズマCVD法は、室温から成膜できることから、工業用品だけでなく、ワイン向けペットボトルなどのプラスチック容器の内壁に酸素、炭酸、香りなどのガスバリア性付与を目的としたDLCコーティングプロセスとしても実用化されています。ペットボトルなどの飲料・食品の保存容器へのコーティングとしてDLCはガスバリア性だけでなく、内容物が付着しにくく不活性であること、ナノメートルオーダーの薄膜なのでコーティングされたままリサイクルできる等の観点からますますの普及が予想されます。
DLC(ダイヤモンドライクカーボン)の施工は可能でしょうか。
当社でのDLC(ダイヤモンドライクカーボン)施工は可能でございます。商品名を「タフカーボン」、「タフコンダクターB」、「タフコンダクターM」として対応しております。
DLC成膜の方式としましては、GCIB(ガスクラスターイオンビーム)方式というプロセスを採用しております。
GCIB方式の内容についてですが、まず炭素材料にフラーレン(C60=炭素60個の分子)を用いて、これを成膜したい基板に付着させます。同時にアルゴン(Ar)ガスのクラスターイオンを基板表面に衝突させる方法で、ダイヤモンド含有率が従来の30%増、膜厚が0.5μmとなっております。
また、これまでは基板を加熱しなければDLC膜は形成されないとされていましたが、原子の集団(クラスター)のイオンビーム衝突による高温高圧を利用して、室温でグラファイト(黒鉛)のカーボン原子結合をダイヤモンド成分に変えることができました。
なお、従来の化学的気相成長(CVD)法などによるDLC膜は、ビッカース硬度が1,500~3,000程度で耐熱温度は200℃程度でございましたが、当社の「タフカーボン」はビッカース硬度が5,000、耐熱温度が500℃(無酸素雰囲気、有酸素雰囲気では400℃)の特徴がございます。
また、導電性を付与させた「タフコンダクターB」では、ビッカース硬度が4,000に落ちますが、体積抵抗は、5.0×10-3Ω・㎝と金属並みの低抵抗となります。
さらに導電性を付与させた「タフコンダクターM」では、体積抵抗が1.0×10-3Ω・㎝となり(ビッカース硬度は2,000となります)、更なる導電性付与が達成できました。また、導電性以外では、はんだによる汚染性向上(はんだ片を熱処理した際に溶融状態のはんだがはじく)、が確認されております。
施工可能サイズは、Φ100㎜以下で板形状が好ましいですが、サイズ及び形状につきましては事前に情報をいただければ幸いです。
サンプル貸与も可能ですので、お気軽にお問合せ下さい。
ガスクラスターイオンビーム(GCIB)
クラスタービームは、ガス状の原子または分子を真空中へ細い管を通して噴出させて生成されます。高圧でガス状の原子または分子が低圧環境下に噴出すると、水蒸気を含んだ空気が冷やされて雲ができるように凝集し、クラスターになります。京都大学の研究によって常温から強力なガスクラスタービームを発生させる技術が確立され、ドーピングや平坦化加工、薄膜形成などの様々な目的の装置が開発されています。
クラスターイオンビームの照射効果は、「低エネルギー照射効果」、「ラテラルスパッタ効果」、「高密度照射効果」の3つの特徴があります。
イオンが固体に衝突したときの現象として、固体中へ注入される場合があります。イオンが注入される深さは、イオンに与えられている運動エネルギーに依存します。ここで、単原子イオンとクラスターイオンを、同じ運動エネルギーを与えて、同じ固体に衝突させてイオン注入を発生させると、単原子イオンよりもクラスターイオンのほうが浅い位置に留まります。これはクラスターを構成している原子または分子に運動エネルギーが分配されて、低い運動エネルギーのイオンビームとなったためです。例えば1000 個のアルゴン原子からなるクラスターイオンを10 keVの電圧で加速するとアルゴン原子一個の持つ運動エネルギーは 10 eV となり、固体に衝突させたときの深さ方向の影響を緩和できます。これを低エネルギー照射効果としており、極浅イオン注入が可能となります。
クラスターイオン照射による構成元素をはじき出すスパッタの効率は単原子イオンと比較して2桁から3桁といわれています。また、単原子や分子のイオンビームは照射を続けると表面が粗れていき凹凸が激しくなるのに対して、クラスターイオンビームは照射を続けることで粗い表面が平坦化されます。この現象はイオンと照射対象固体との相互作用が単原子イオンとクラスターイオンでは異なることを示しています。単原子イオンは照射対象固体の構成原子との相互作用が2体衝突に基づく現象になりますが、多数の原子・分子が同時に同じ場所で衝突するクラスターイオンの場合は、入射してきたイオンと照射対象固体の構成原子が多体衝突を繰り返すので、非線形効果とよばれる現象によるものと研究で明らかにされています。これはラテラルスパッタ効果と呼ばれます。
また、数百から数千個のクラスターイオンを固体表面に照射すると、その表面が高温高圧状態となります。これは高密度照射効果と呼ばれており、例えば、アルゴン原子141個のクラスターイオンを10keVの電圧で加速して固体表面に衝突してすると、400フェムト秒後の衝突した付近の温度は約10E+5Kに上昇し、圧力は1Mbarに達するとシミュレーションされています。このような化学反応を促進させる効果があることから高品質の薄膜形成が可能になります。
DLCの表面平滑性について教えてください
DLC(diamond like carbon)は炭素の同素体であるダイヤモンド結晶構造であるsp3混成軌道結合の形を持った炭素を多く含み、非晶質で準安定な硬質炭素膜のことで、幅広い分野の産業で活用されています。
特に軸受やエンジン摺動部品などのトライボロジー分野での応用が盛んです。DLC被膜の代表的な性質である表面平滑性と高硬度という特徴がトライボロジー応用に期待できることが窺えます。DLCの表面平滑性は、膜構造が非晶質であり、結晶粒界を持たないことが要因と考えられており、他の硬質被膜と比較してナノオーダーレベルの微視的な表面が平滑性が優れています。トライボロジーは2つの固体表面に成り立つもので相手材料を摩耗させてしまうような攻撃性の高い被膜はその分野では好ましくないといえます。相手材に対する攻撃性は硬さと表面粗度が大きいほど増加しますが、DLCコーティングは他の同程度の硬質膜コーティングと比較して平滑性の高い被膜を得られます。また、DLCは多数の鋼材やセラミックス材料に対して小さい摩擦係数を示し、アルミニウムやはんだ等の軟質材に対しても凝着しにくい特性もあることがトライボロジー分野への応用を図られる理由といえます。ここで、DLC被膜の成膜方法について、CVDかPVDか、炭素源は炭化水素ガスか固体炭素か等で大まかに分類分けされており、成膜方法により膜組織や被膜硬度、成膜温度、付きまわり等が異なります。表面平滑性においては、アークイオンプレーティング法などの固体炭素をアーク放電等で加熱蒸発しイオン化させるような手法では、ドロップレットと呼ばれるマクロ微粒子が放出され、形成する被膜に付着すると表面平滑性を損ない、摩擦係数も大きくなってしまうので所望の効果を得られない場合があるので注意が必要です。
超高硬度DLC:タフカーボン
タフカーボン | 特徴①
DLC(Diamond Like Carbon)を超える多機能超硬質の表面処理として、タフカーボンを開発しました。
最高硬度はHv5,000以上あり、摩擦・摩耗に非常に強く、各種パーツの保護膜として長寿命化に寄与します。
タフカーボンを施工することによって従来膜の3倍、硬質クロムめっきの5倍の高硬度を実現することができます。
また、水素フリーの皮膜で高い密着性や、はんだや血液などを低減できる優れた防汚性を持っています。
タフカーボン | 特徴②
一般的なDLC(Diamond Like Carbon)での表面処理膜の場合には、200℃程度でグラファイトに劣化してしまいますが、タフカーボンは400℃まで高い硬度を保つことができます。(O2フリー雰囲気であれば500℃まで)
独自のガスクラスターイオンビーム成膜法(Gas Clunster Ion Beams;GCIB)がこの高い耐熱性を実現しています。
高硬度の表面処理を探していますが貴社で一番硬い皮膜は何ですか
当社で一番硬い被膜はDLC(ダイヤモンドライクカーボン)となります。
商品名は、タフカーボンで、その硬度はHv4000以上になります。その特性として以下の3点があげられます。
①グラファイトのような潤滑性を持ち耐摩擦性に優れる。
②ダイヤモンドのように高硬度で耐摩耗性に優れる。
③主成分が炭素なので化学的に安定しており非汚染性に優れる(はんだや血液などの付着を低減)。
膜厚は最大で2μm程度まで可能で0.5μm以下の対応も可能で、ほぼ均一した厚さに仕上げる事ができます。
電子部品の滑り部材や電子部品向けパーツフィーダー用部品、アルミ切削用旋盤チップ等の刃物への施工され長寿命化に貢献しており、中には寿命が10倍に延びた事例もあります。
また、弊社では導電性を付与したDLCも取り扱っております。商品名はタフコンダクターBとタフコンダクターMの2種類です。
タフコンダクターMでは、体積抵抗1.0x10⁻³Ω㎝を実現致しました(他社事例での導電性DLCは5.0×10⁻³Ω㎝)。ただし、導電性を高めた代わりに硬度が下がり、その硬度はHv2000となります。
タフコンダクターBはタフコンダクターMよりも導電性は下がりますが、高硬度で導電性が付与されており体積抵抗は5.0×10⁻³Ω㎝、硬度はHv3000以上あります。
お客様の要求される特性に応じた被膜を提案させていただきますので是非ご相談ください。
タフカーボン処理による機能性向上
製品属性(仕様)
製品画像(様子)
特徴
タフカーボンの特徴としましては、「高硬度」、「高耐熱性」、「高密着性」の3点が大きく挙げられます。
硬度につきましては、ビッカース硬度49GPa(Hv5000)を有します。一般的なプラズマプロセスなどの成膜手法で形成したDLC(ダイヤモンドライクカーボン)の硬度は14.7~29.4GPa程度となりますので、当社のタフカーボンは高硬度の位置付けとなります。また、これにより、高い耐摩耗性が得られます。
次に耐熱性につきましては、タフカーボンは無酸素雰囲気においては、500℃までHv5000を有します(但し、大気中では400℃から酸素と反応し、消失し始める為に、400℃以下で使用していただく必要がございます。一方、DLCの耐熱性はおよそ200℃でありますので、タフカーボンは常温だけでなく、高温雰囲気でも高い耐摩耗性を維持することができます。
最後に密着性につきましては、例えば超硬基材においてスクラッチ試験の結果、タフカーボンは100Nの値が得られることを確認しております。また、超硬以外の基材の場合でも、DLCと同等以上の密着性は得られております。通常、DLCは高密着を得るために基材とDLCの間に中間膜を形成しますが、タフカーボンの場合、中間膜を形成せずに超硬基材との密着性100Nを確保できます。中間膜が不要であることは、金型など再被覆が必要な応用分野におきましてはタフカーボンを構成する炭素のみ除去すれば良いため、例えば酸素プラズマなど容易に除膜できることとなります。
以上、タフカーボンの主な特徴について、3点挙げさせていただきましたが、その他の特徴としまして、低摩擦係数(約0.1)、表面平坦性(Ra=1nm以下)及びDLC比較で電気抵抗が低いことが挙げられます。また、膜厚の制御性が良いため、1μm以下の膜厚での被覆が容易であります。しかも極めて高い硬度を有しますので、基材の表面加工精度を損なわないサブミクロンの薄い膜厚におきましても、高い表面改質効果が期待できます。
次にタフカーボンの応用事例を紹介いたします。上の写真にもございますが、切削チップなどにおいて長寿命化の実績がございます。特に対アルミニウム切削において効果的であり、Φ100×1800㎜サイズのアルミロールの粗加工においてタフカーボンを被覆した切削チップをテスト使用したところ、未被覆のチップで1本で切削加工できるロールは3本でしたが、タフカーボン処理することにより、18倍の54本を削ることが可能となりました。
また、紙・フィルム切断用スリッターや電子部品向けパーツフィーダー用部品など用途実績が徐々に増えてまいりました。試作対応可能ですので、是非当社までお声掛けください。
連続摺動部品の摺動面耐摩耗性向上化
Before (改善前)
After (改善後)
導電性を付与させるにはどのような表面処理がありますか。
各被膜によって導電率は異なります。導電性がよい被膜では、銅めっきや銀めっきなどがあります。しかし銅めっきも銀めっきも金属の中では柔らかく、機械的な摺動部に使用すると大きく摩耗してしまう可能性があります。導電性とさらに耐摩耗性が必要な場合には【タフコンダクター】シリーズ(B・M)というDLC被膜も取り扱っています。野村鍍金では、ご使用される各諸条件をすり合わせさせていただくことで、1番適した表面処理を提案させていただくことが可能です。
高導電性DLC:タフコンダクター
タフコンダクター | 特徴①
一般的なDLC(Diamond Like Carbon)より導電性を強化させた 2種のタフコンダクター B と M を開発しました。
Bは高硬度に導電性を付与、Mは若干硬度は下がりますが導電性を重視(Bの5倍)した皮膜となります。
いずれもタフカーボンと同じく水素フリーの皮膜であり高温環境下も対応できる高い密着性を持っています。
この特性を生かし電子部品の検査用の電極や、プローブとして活用されています。
タフコンダクター | 特徴②
タフコンダクターはタフカーボンと同様に優れた防汚性能、非汚染性を持っています。
この性能により皮膜接触時の汚れを抑えるとともに清掃性も向上します。
ICチップの検査プローブ等に適しており、繊細な部品を高品質に生産することに効果が期待できます。
タフカーボンならびにタフコンダクターの耐熱温度を教えて下さい。
タフカーボンならびにタフコンダクター(B・M)ともに、大気中では300℃まで硬度を保持します。それぞれの硬度は、タフカーボンはビッカース硬度Hv3500以上、タフコンダクター(B・M)はHv2000以上を保有しております。また、無酸素雰囲気ではタフカーボンは500℃までその硬度を保持することが出来ます。尚、耐熱温度以上の温度域になりますと、被膜が炭化していき、硬度が低下します。
導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)の各性能についての紹介
Before (改善前)
After (改善後)
高硬度で平坦性・平滑性に優れたDLC被覆活用
Before (改善前)
After (改善後)
チップコンデンサの絶縁特性検査電極への導電性DLC施工
製品属性(仕様)
製品画像(様子)
特徴
「はんだ」などの軟質で凝着しやすい材料が接触する電極への凝着抑制対策として、導電性を付与した当社タフコンダクター(導電性DLC)シリーズが効果的です。DLCの特徴である、炭素主成分・高硬度・非汚染性・平滑性に導電性(抵抗率:5×10-3Ω・cm)をプラスしたタフコンダクターBは、チップコンデンサの絶縁特性検査などの異物付着に起因する不良を抑制し、メンテナンス性を向上させます。
さらに導電性が必要な場合は、硬度が若干低下する代わりにさらに高い導電性を持つタフコンダクターM(抵抗率1×10-3Ω・cm)もご用意しております。
半導体及び電子部品の搬送・検査機器へのDLC被覆
製品属性(仕様)
製品画像(様子)
特徴
テーピングマシンの連続稼働によるヒーター部へのテープ樹脂付着予防や、6面外観検査機の超硬製ガイドの損耗抑制被膜として当社タフカーボン(DLC)が効果を発揮します。DLC被膜は5,000~6,000の高硬度を持っており、また非汚染性・平滑性に優れた被膜です。タフカーボンの被覆により、テープ樹脂に対する離形性や超硬製ガイドの形状保持に効果を発揮し、連続稼働時間の延長に繋がります。
導電性DLCによるメンテナンス頻度減少
Before (改善前)
After (改善後)
半導体製造用の微細パーツに耐汚染性・密着性・耐摩耗性の優れた被膜はありますか。
半導体製造用の微細なパーツについて、半導体のスズが付着しない耐汚染性に優れ、細かく高速で摺動する動きに耐えられる被膜として、「タフカーボン」・「タフコンダクター(B・M)」という製品がございます。
タフカーボンの特徴は、①高硬度:Hv5,000、②高密着被膜、③低温成膜:100℃以下などの特徴を有しております。
タフコンダクター(B・M)の特徴は、①低抵抗率、②非汚染性、③耐摩耗性に優れた被膜となります。タフカーボン、タフコンダクター(B・M)ともに一般的なDLC被膜と同様にカーボンを主成分とした被膜であります。
一般的なDLC処理とは処理方法が異なり、弊社ではGCIB法(ガスクラスターイオンビーム法)という処理方法を採用しております。成膜温度が低いことや被膜硬度が高いことがこの処理の特徴となります。
タフカーボン・タフコンダクター(B・M)の詳細は紹介ページをご覧ください。
⇒タフカーボン
⇒タフコンダクター
対汚性に優れた導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)
Before (改善前)
After (改善後)
インプラント周囲炎抑止システムの開発
製品属性(仕様)
製品画像(様子)
特徴
東北大学歯学部様とインプラント周囲炎を抑える皮膜共同研究を行いました。
基礎研究の過程で当社のタフカーボンDLC(ダイヤモンドライクカーボン)を外科手術器具に被覆したところ、洗浄しても落とし辛い「プリオン(病原体たんぱく質)」が容易に洗浄できるとして、外科手術器具(主に刃物)に利用できないかと応用展開を検討したことが発端でしたが、「プリオン」付着抑制効果はバイオフィルム付着の抑制にも期待できるとして東北大学歯学部に注目していただき、バイオフィルム形成抑止と清掃時における擦過痕の発生を防止することで細菌由来のインプラント周囲炎を予防する新しいインプラント・システムの開発・実用化を目標とした共同研究がスタートしました。
歯科用インプラントは臨床に広く用いられていますが、長期使用に伴うインプラント周囲炎発症が問題となっています。歯科用インプラントの材料は、金属アレルギーを起こしにくい、歯槽骨と直接的に接合できる等の優れた生体親和性を示す純チタン、チタン合金が主ですが、歯周病原細菌からなるバイオフィルムが付着増殖し易く、インプラント歯周炎を生じやすくいという課題があります。 この解決策としてタフカーボンDLCのような共有結合性が強くて他の物質が付着しづらい特性を持ち、さらに表面硬度が高く耐摩耗性に優れる被膜をインプラントの口腔内に露出している部分に被覆することで歯周病原細菌の付着抑制を図り、さらにインプラントの長期維持に欠かせない定期的メンテナンス(清掃)の負荷軽減できるインプラント・システム開発を目指しました。
結果として医療研究開発推進事業費補助金の申請をせず研究開発を終了することになりましたが、イン・ビトロではバイオフィルム形成細菌の初期付着の抑制や剥離が容易であることが示唆できる結果を得られる等の成果が出たことは、今後の医療関連への当社DLCがお役に立てる可能性を見いだせました。 日本歯周病学会にて学会発表がなされました。
タフカーボン処理は配管内面への施工は可能でしょうか?
タフカーボン処理の配管内面への施工は難しいです。
タフカーボン処理は、DLCコーティングの一般的な手法であるプラズマCVD法とは異なり、ガスクラスターイオンビーム(GCIB)を利用した特殊な製膜方法を取り入れております。
GCIBとは、アルゴンなどのイオンを塊(クラスター)にし照射する技術で、このクラスターを基材に衝突させてそのエネルギーを利用して製膜したDLC被膜がタフカーボン処理となります。
製膜に衝突エネルギーを利用しているために、基材が面でビームを受ける必要があります。垂直にビームを当てる場合が、最も硬度が高い被膜が得られますが、多少の角度がついてもコーティングは可能であります。
ですが、配管の内面となりますと、ほぼ、ビームと基材面がの角度が平行となり、製膜が難しいです。
プレスロールの寿命を延ばすために、クロムめっきより硬い被膜はありますか
ご使用中のプレスロールの条件により、各種被膜の提案が可能です。一般的には硬質クロムめっきが使用されておりますが、これより硬い被膜としては
①R62めっき:野村鍍金が開発した高硬度クロムめっき被膜で、通常の硬質クロムめっきと比較して10~20%程度の硬度 アップが可能です。その一方固い反面熱衝撃に弱くなりますので、高温(150℃以上)での使用環境には不向きです。
②タングステンカーバイト溶射:条件によりクロムめっきよりさらに硬度アップが可能です。鏡面加工処理も可能ですがプレスする材質によっては逆に摩耗しやすくなる場合があります。
③DLC(ダイヤモンドライクカーボン):DLCはクロムめっきの数倍の硬度を出すことも可能ですが、厚膜化が難しく、一般的には1μ以下の被膜になります。硬度を犠牲にすれば数ミクロンの施工も可能になりますが、硬度は溶射と同程度になります。
このようにプレス条件や相手材質によりメリット、デメリットがありますので、お問い合わせ頂きましたら各種被膜を提案させて頂きます。
ロールへのDLC(ダイヤモンドライクカーボン)施工はできますか?
原則的には対応できません。
当社保有のDLC(ダイヤモンドライクカーボン)設備は特殊な装置のため、小型であることからロールへの施工はできません。
しかし、DLCの性能や長所短所に十分な知見があることから、その知見をもとに協力会社でロールへのDLC施工は可能です。その場合は当社で品質管理を含め一括して取りまとめ致します。また、当社ではDLCの密着力を上げるために施工前のロールの下層に特殊処理を施します。その処理の後に表層にDLCを施工致します。DLCは数ミクロンまでの薄膜ですので、表面状態は下層の特殊処理の状態に依存しますが、仕上がり粗度はご要望に応じて検討、対応致します。
施工は大きさ、重量により対応できない場合もあります。また、硬度や厚みについては別途ご相談の上、施工可能条件をご提示させていただきますのでお気軽にお問い合わせください。
スクラッチ試験
DLCやTiN等の硬質薄膜の密着性を評価する試験法の一つである。鏡面に加工された平板素材へ試験皮膜を被覆し、ダイヤモンドの針で荷重を徐々に大きくしながら引っかく試験で、皮膜が剥離する荷重で皮膜の密着性を評価する。なお、評価する皮膜の膜厚が変わったり、素材硬度が変わると試験結果が変わるので試験素材を同一にすることや皮膜厚みを同一にする必要がある