CN1178257A

CN1178257A - 在导向套筒内表面形成硬质碳膜的方法

Info

Publication number: CN1178257A
Application number: CN 97116061
Authority: CN
Inventors: 杉山修; 宫行男; 小池龙太; 户井田孝志; 关根敏一
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1996-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 1998-04-08

Abstract

本发明将自动车床中用于保持被加工件使之可以旋转和沿轴向运动的导向套筒放置在真空槽中,在导向套筒和被加工件滑动接触的内表面上,形成质量均匀粘着性好的硬质碳膜。为此,将导向套筒放置于真空槽中,在构成上述内表面的中心开口处插入辅助电极,将该电极接地;在将真空槽排气后,经气体导入口将含碳的气体导入真空槽中,在上述导向套筒上经电抗器加上直流电压后,在真空槽中产生等离子体,利用等离子体CVD法在导向套筒的内表面形成氢化非晶状碳的硬质碳膜。

Description

在导向套筒内表面形成硬质碳膜的方法

本发明涉及一种在导向套筒的与被加工件滑动接触的内表面形成硬质碳膜的方法，该导向套筒安装于自动车床上，使圆棒状的被加工件可以在切削工具(刀具)的附近旋转和沿轴的方向滑动。

装在自动车床的自动车床立柱上，使圆棒状的被加工件可以在切削工具的附近旋转的导向套筒分为旋转型和固定型两种。旋转型的平时与被加工件一起旋转并同时使被加工件可沿轴的方向滑动；固定型的则不旋转但可以使被加工件旋转并沿轴的方向滑动。

各种型式的导向套筒均包括呈锥面的外周部，其上有保持弹力用的开槽；将其安装在立柱上用的螺纹和保持被加工件的内表面；由于该内表面平时与被加工件滑动接触所以容易磨耗，特别是在固定型的场合上述磨耗就更加严重。

因此由于该被加工件的旋转与滑动，在与被加工件滑动接触导向套筒的内表面上如日本专利公报特开平4-141303号中所提议的利用钎焊将超硬合金和陶瓷等固定其上。

这样，由于在导向套筒的内表面设置有耐磨耗性和耐热性均优越的超硬合金和陶瓷，可以达到一定程度抑制磨耗的效果。

但是即便在其内表面设有超硬合金和陶瓷，对于自动车床切削量大、加工速度大的重切削时由于超硬合金和陶瓷的摩擦系数大而热传导率低，会出现在被加工件上发生缺陷，或产生使导向套筒和被加工件直径方向的间隙减小的烧接等问题，因此限制了切削量和加工速度的提高。

固定型的导向套筒因为可以使被加工件保持轴心不偏斜，具有可以达到高精度的真圆度加工，并且噪音小，自动车床的构造简单且小型化的优点。

但是因为较之旋转型的场合导向套筒内表面的磨耗大得多，使得切削量和加工速度的提高变得更加困难。

为了解决该问题，我们提出了在该种导向套筒与被加工件滑动接触的内表面形成一层硬质的碳膜，极大地提高了内表面的耐磨耗性，使得被加工件不会发生缺陷和烧接，从而可以提高自动车床的切削量和加工速度的方案。

所谓硬质碳膜是一种氢化非晶碳膜，因为具有与钻石相似的性质，故也称为类钻石碳(DLC-Diamond Like Carbon)。

这种硬质碳膜DLC具有硬度高(维氏硬度3000HV以上)，耐磨耗性好，磨擦系数小(超硬合金的1/8)，耐腐蚀性好的优点。

作为在该导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法有例如，在含有碳的气体的雾围中将薄膜形成的压力减到5×10^-3torr，在导向套筒上加上-3KV的直流电压产生等离子体，从而形成硬质碳膜的等离子体CVD法(等离子体化学蒸汽涂敷加工)。

但是，这种等离子体CVD法因为是以导向套筒周围区域中产生的等离子体为主，将含碳的气体分解形成硬质碳膜，在导向套筒的外表面可以形成均匀的硬质碳膜，而在导向套筒的内表面所形成的硬质碳膜的粘着性不好，不仅如此还有硬度等膜的质量低劣的问题。

其原因是因为在导向套筒的中心开口之中，因为形成同电位的电极相互间相对的空间，从而在该中心开口中会发生被称为空穴放电的等离子体异常放电。由于这种空穴放电所形成的硬质碳膜为类似聚合物的粘着性不好的薄膜，容易从导向套筒的内表面剥离，硬度也低。

而且上述硬质碳膜的形成方法是在薄膜形成压力为5×10^-3torr时在导向套筒11上加上由电源73提供的-3KV的直流电压。

在这种真空槽中的压力为5×10^-3torr左右的状态，真空槽中的空间中具有大量的电子等电荷，空间阻抗低。因此在等离子体开始发电的瞬间，容易在导向套筒中发生作为异常放电的电弧放电现象。

不仅如此，在等离子体放电开始时，因为是硬质碳膜的薄膜形成的初期，在该薄膜形成初期所形成的膜的质量决定着导向套筒的粘着性。

因此，等离子体放电的最初的时期，一旦发生作为异常放电的电弧放电，硬质碳膜的膜的质量和粘着性就将下降，出现容易从导向套筒的内表面剥离的问题。

所以，本发明的目的就是解决上述问题，在导向套筒与被加工件滑动接触的内表面形成膜的质量和粘着性好的硬质碳膜。

本发明为了达到上述目的，由在沿轴方向有中心开口的大体为圆筒状的物体构成，在其一端具有锥形外周面与被加工件滑动接触的内表面和开槽；在安装于自动车床时，将被插入上述中心开口的被加工件保持在可在切削工具附近旋转及沿轴的方向滑动的导向套筒的内表面上按下述的顺序形成硬质碳膜。

将上述导向套筒放入具有气体导入口和排气口及阳极和灯丝的真空槽中，在形成导向套筒的内表面的中心开口中插入辅助电极并将其接在地电位。

上述真空槽中排气之后，由上述气体导入口将含有碳的气体引入该真空槽，在经电抗器使上述导向套筒加上直流电压的同时，分别给上述阳极加上直流电压，灯丝加上交流电压，真空槽中产生等离子体，利用等离子体CVD法在该导向套筒的内表面形成硬质碳膜。

又，作为在真空槽中产生等离子体的方法也可在真空槽中不设阳极与灯丝，而借助电抗器在导向套筒上加上直流电压来产生等离子体。

并且，在真空槽中放置若干个导向套筒，分别给各个导向套筒插入辅助电极，各导向套筒分别经电抗器加上直流电压从而在真空槽内产生等离子体，可以在一个真空槽中使若干个导向套筒的内表面同时形成硬质碳膜。

此时，若干个导向套筒既可经同一个电抗器加上直流电压，也可以分别经各自的电抗器由各自的直流电源或共同的直流电源加上直流电压。

这样，经电抗器在导向套筒上加上直流电压后，真空槽中产生等离子体，在导向套筒的内表面形成决定硬质碳膜的质量的薄膜的形成初期，不发生作为异常放电的电弧放电，从而可形成膜的质量和粘着性好的硬质碳膜。

此外，导向套筒的中心开口中插入接地电位的辅助电极时，真空槽内引入含碳的气体的同时产生等离子体，可在导向套筒的内表面迅速的，且由开口端到深处形成均匀的硬质碳膜。

不仅如此，也可在导向套筒的内表面放置提高粘着性的中间层后，再以上述方法形成硬质碳膜。

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为适用于本发明的导向套筒一个例子的纵剖面图。

图2为其外观的斜视图。

图3为适用于本发明的导向套筒的另一个例子的纵剖面图。

图4至图7为相应于图1和图3中圆A所包围的部分的放大的剖面图。

图8为对图5的局部进一步放大的中间层结构地示意图。

图9为对在导向套筒内表面中间层形成方法的一个例子进行说明的装置的概要剖面图。

图10为对本发明的在导向套筒内表面形成硬质碳膜的方法的第一实施例进行说明的装置的要的剖面图。

图11为图10所示的绝缘体支撑物80的具体结构的剖面图。

图12至图18分别为对本发明的在导向套筒内表面形成硬质碳膜方法的第2至第8实施例进行说明的装置的概要剖面图。

图19为在图10的实施例中追加被覆材料时和图10有同样的剖面图。

图20为对采用伪构件在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的实施例进行说明的和装置的图10有同样的概要剖面图。

图21为图20实施例中使用的伪构件的斜视图。

图22为对在使用伪构件的导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的另一个实施例进行说明的，和装置图15为同样的概要剖面图。

图23采用适用于本发明的导向套筒的装备有固定型导向套筒的自动车床主轴附近区域的剖面图。

图24为采用适用于本发明的导向套筒的装备有旋转型导向套稠的自动车床主轴附近区域的剖面图。

以下将根据附图对本发明的实施例加以说明。

首先采用对适用于本发明的方法的在与本加工件滑动接触的内表面形成了硬质碳膜的导向套筒的自动车床的结构作简单的说明。

图23为数控自动车床主轴附近区域的剖面图。在该自动车床上固定着导向套筒11，以其内表面11b将被加工件51(用假想线表示)保持在旋转自如的状态，为设置有固定型导向套筒装置37的设备。

主轴台17可以在该数控自动车床图中没有示出的皮带上方沿图的左右方向滑动。

在主轴台17上设有由轴承21支撑可以旋转的主轴19。在主轴19的前端安装着弹簧卡盘13。

该弹簧卡盘13装在卡盘套筒41的中心孔中。弹簧卡盘13的前端的外表面为锥面13a，和长盘套筒41的内表面的锥面41a相互之间以面接触。

不仅如此，在中间套筒29中弹簧卡盘13的后端部设有由带状弹簧材料制成的线圈状的弹簧25。因此由于该弹簧25的动作可将弹簧卡盘13由中间套筒29中压出。

弹簧卡盘13的前端位置，受与位于主轴19的前端的弹簧固定用的锁紧螺母27接触的位置的限制。因此可以防止弹簧卡盘13在弹簧25的弹力的作用下由中间套筒29中飞出。

在中间套筒29的后端部设有借助中间套筒29的卡盘开闭机构31。而且通过使长盘开闭爪33开闭可以使弹簧卡盘13开闭从而使被加工件51被夹持或释放。

即，随卡盘开闭机构31的卡盘开闭爪33的前端部向相互打开的状态移动，卡盘开闭爪33和中间套筒29相接触的部分沿图23向左的方向移动，将中间套筒29向左推。由于该中间套筒29向左移动，与中间套筒29的左端相接触的卡盘筒41向左移动。

而且，弹簧卡盘13在主轴19的前端的弹簧止动用的锁紧螺母27的作用下防止其由主轴19飞出。

因此，由于向该卡盘套筒41的左方向移动，弹簧卡盘13的具有开槽的外周锥面13a与长盘套筒41的内圆锥面41a被压紧，相互沿锥面运动。

作为其结果，弹簧卡盘13的内表面的直径变小，可将被加工件51夹持住。

当弹簧卡盘13的内表面直径变大从而将被加工件51释放时，卡盘开闭爪33的前端部向相互闭合的状态移动，消除将卡盘套筒41向左方压紧的力。

于是由于弹簧25的复原力使中间套筒29和卡盘套筒41向图的右方向移动。

这使得弹簧卡盘13的外周锥面13a和卡盘套筒41的内周锥面41a的压紧力被除去。从而使弹簧卡盘13在本身具有的弹性力作用下使内表面的直径变大，将被加工件51释放。

主轴台17的前方还设有立柱35，其配置方式使导向套筒装置37的中心轴线和主轴中心线相一致。

该导向套筒装置37将导向套筒11固定，为以该导向套筒11的内表面11b使被加工件51保持在可以旋转的状态的固定型的导向套筒装置37。

在立柱35上固定的夹具39的中心孔中嵌入套筒套管23，在该套筒套管23的前端的内表面为锥面23a。

而且在该套筒套管23的中心孔中嵌入了前端部的外周为锥面11a且其上形成有开槽11c的导向套筒11。

在导向套筒装置37的后端部位，可以利用转动安装于导向套筒11的螺纹部拉的调整螺母43来调整导向套筒11的内径和被加工件51的外形之间的间隙大小。

即当将调整螺母43右旋时，导向套筒11相对于套筒套管23向图中的右方向移动，和弹簧卡盘13时同样，套筒套管23的内周锥面23a和导向套筒11的外周锥面11a相互压紧，使导向套筒11的前端部的内径变小。

在导向套筒27的更前端装有切削工具(刀具)45。

并且，在将被加工件51用主轴19的弹簧卡盘13夹持的同时还以导向套筒装置37支撑，且对贯通该导向套筒装置37并在加工领域中突出的被加工件51，根据切削工具45的进退和主轴台17的移动所构成的合成运动进行所定的切削加工。

其次，对于将夹持被加工件的导向套筒11以旋转状态使用的旋转型的导向套筒装置利用图24来加以说明。图24中与图23相对应的部分采用相同的符号。

作为旋转型的导向套筒装置，包括弹簧卡盘13和导向套筒11同步旋转的导向套筒装置和不同步旋转的导向套筒装置。图示的导向套筒装置37为弹簧卡盘13和导向套筒11同步旋转的装置。

该旋转型导向套筒装置37，由从主轴19的锁紧螺母27突出的旋转驱动棒47将其驱动。也可利用齿轮和皮带轮代替旋转驱动棒47驱动导向套筒装置37。

这种旋转型的导向套筒装置37具有在固定在立柱35上的夹具39的中心孔中嵌入的借助轴承21处于可以旋转状态的套筒套管23。此外在该套筒套管23的中心孔中嵌入导向套筒11。

套筒套管23和导向套筒11具有如图23所示的部件同样的结构。而在导向套筒装置37的后端部根据安装在导向套筒11的螺纹部分的调整螺母43的旋转，可以缩小导向套筒11的内径，调整导向套筒11的内径和被加工件51的外形之间的间隙大小。

导向套筒装置37旋转部分以外的结构和图23所表示的自动车床结构相同，故将其说明略去。

以下将适用于本发明的内表面上形成硬质碳膜的导向套筒的结构加以说明。

图1为该类导向套筒的一个例子的纵剖面图，图2为其外观的斜视图。

上述图中所示的导向套筒11前端部为开放的自由状态。该导向套筒11为轴方向具有中心开口11j的大体圆筒形的物体，纵向的一端形成有外周锥面11a，另一端则为螺纹部11f。

而且该导向套筒11的中心开口11j中在外周为锥面11a的一端的内侧，具有夹持被加工件51的内表面11b；该内表面11b以外的区域为具有比内表面11b的内径要大的内径的台阶部11g。

并且，该导向套筒11从外周锥面11a到弹簧部11d具有沿120°间隔将外周锥面11a沿圆周方向分为三等分的3个开槽11c。

由于上述套筒套管的内周锥面挤压该导向套筒11的外周锥面11a，弹簧部11d弯曲，可以调整内表面11b和图1中以假想线所表示的被加工件51之间的间隙的大小。

不仅如此，在该导向套管11中在弹簧部11d和螺纹部11f之间设有配合部11e。而且利用该配合部与图23和图24中所示的套筒套管23的中心孔相配合，可使导向套筒11位于主轴的中心线上，而且与主轴的中心线相平行。

作为该导向套筒11的材料采用合金工具钢(SKS)，在内、外形状均加工完成后，进行淬火处理与回火处理。

不仅如此，最好在该导向套管11的内表面11b上如图3所示将超硬构件12用钎焊方法加以固定。该种超硬构件12由85％～90％的钨，5％～7％的碳和3％～10％作为粘合剂用的钴构成。

可是，该导向套筒11外周锥面11a为闭合的状态时，内表面11b被加工件之间的径向具有5μm～10μm的间隙。因此，被加工件51出入时会与内表面11b发生滑动接触，产生磨耗的问题。

此外，在使用如图23所示的固定型的导向套筒装置时，因为在固定的导向套管11中保持的被加工件51被以高速旋转加工，内表面11b和被加工件51之间产生高速滑动，并且由于切削负荷向内表面产生过大的被加工件51的压紧压力，会出现烧接的问题。

因此，在该导向套筒11的内表面11b上设有上述的硬质碳膜(DLC)15。该硬质碳膜15膜的厚度为1μm～5μm。

在图1所示的例中为在导向套筒的基材(合金工具钢)上借助后述的中间层形成硬质碳膜15，在图3的例中则为超硬构件12上直接或借助后述的中间层形成硬质碳膜15。

该硬质碳膜具有类似钻石的性质。即机械强度高，摩擦系数小具有润滑性，并且还具有良好的电气绝缘性能和高的热传导率，及优良的抗腐蚀性等特征。

因此在内表面上设有硬质碳膜15的导向套筒11的耐磨耗性得到很大的提高，即便长期使用和在重切削加工时也可以抑制与被加工件51相接触的内表面11b的磨耗。而且可以抑制被加工件51缺陷的发生和导向套筒与被加工件烧接的发生。

因此，该导向套筒11可以大幅度提高长时间使用的可靠性，可以在固定型的导向套筒装置中充分使用。

这里对该导向套筒11内表面11b上形成硬质碳膜15的部分的各种结构的例子参照表示与图1和图3圆A围住部分相应的放大剖面图图4至图7及表示图5的局部放大的中间层的结构的图8加以说明。

图4为图1A部的放大图，在导向套筒11的内表面11b的基材(合金工具钢)上借助以提高粘着性为目的的中间层16形成膜厚为1μm～5μm的硬质碳膜。而，根据导向套筒基材的材质，也可以不利用中间层16而直接在其表面上形成硬质碳膜。

图5和图6为图3A部的放大图，在导向套筒11的内表面11b的基材上都用钎焊固定一层厚度为2mm～5mm的超硬构件12，在其内表面再形成硬质碳膜15。这种方法可以进一步提高导向套筒11的耐久性。

图5所示的例中在超硬构件12的内表面上借助为进一步提高粘着性用的中间层16形成硬质碳膜15。

在这些例中在硬质碳膜15的下面设置的超硬构件12可采用碳化钨(WC)等超硬合金和碳化硅(Sic)等陶瓷烧结体。在陶瓷烧结时通常添加作为粘结剂的Cr，Ni，Co等，当添加剂少时不用借助中间层可直接在超硬件12上形成硬质碳膜15。

图7为在导向套筒11的内表面11b不用超硬构件12，而在其内表面11b的附近的基材上形成渗碳层11K，利用该渗碳层11K在内表面11b上形成硬质碳膜15的例子。

所谓渗碳作为钢材表面硬化的一种方法使表层硬化而深部则仍保持强韧的性质的处理为人们所共知。比如在甲烷(CH₄)和乙烯(C₂H₄)等含碳的渗碳气体和作为载体的氮气(N₂)的混合气体的雾围中按下述条件进行渗碳处理。

渗碳条件

温度 100℃

时间 30分钟

渗碳深度0.5mm

这样在导向套筒11的内表面11b的表层形成渗层11K时可在其表面直接形成硬质碳膜15，或在其表面再形成提高粘着性的中间层16，借助该中间层形成硬质碳膜15。

作为中间层16采用周期表第IVb族的硅(Si)和锗(Ge)或硅和锗的化合物均可。也可用含碳的化合物碳化硅(SiC)和碳化钛(TiC)。

而且，作为中间层16也可用钛(Ti)、钨(W)、钼(Mo)或钽(Ta)和硅(Si)的化合物。

此外，中间层16也可如图8所示采用由钛(Ti)或铬(Cr)形成下层16a，硅(Si)或锗(Ge)形成上层16b的双层膜的结构。

这样，中间层16的下层16a的钛和铬达到保证与导向套筒11的基材粘着的效果，上层16b的硅和锗为与硬质碳膜15形成共价键从而达到与该硬质碳膜15结合紧密的目的。

此外，作为中间层16也可采用钛化合物或铬化合物作为下层而以硅化合物或锗化合物作为上层的双层膜的结构，或采用钛或铬构成的下层和硅化合物或锗化合物的上层构成的两层膜，也可采用钛化合物或铬化合物的下层和硅或锗的上层形成的两层膜。

作为上述中间层16的形成方法有溅射法、离子镀敷法、化学蒸汽涂敷法(CVD)和喷镀法。

以下利用图9对采用溅射法形成中间层16的方法加以说明。

如图9所示，在真空槽19的壁91a的内侧固定着靶盖9b，在其中装有作为中间层材料的靶90。而且将导向套筒11的内表面11b一侧的端部布置得与该靶90相对。此时导向套筒11的中心开口11j的轴线和靶90的表面相垂直。

靶90为由上述列举的中间材料钛(Yi)、铬(Cr)、硅(Si)、碳化硅(SiC)或碳化钨(WC)制成。

其后，将导向套筒11和直流电源92相连接。靶90与靶电源97相连接。利用图中没有示出的排气装置使真空槽91中的真空度达到10^-5torr以下，由排气口95作真空排气。

其后由气体导入口93将作为溅射气体用的氩(Ar)气引入，将真空槽中的真空度调整到3×10^-3torr。

此后，给导向套筒11加上由直流电源92提供的负50V的直流电压，给靶90加上由靶电源97提供的负600V直流电压。此时真空槽91中产生等离子体，由于等离子体中的离子作用在靶90的表面溅射。

这样，由靶90的表面被轰出的中间层材料附着在导向套筒11的没被覆盖材料94覆盖的部分，如图4所示，形成中间层16。或如图5所示，也可在固定在导向套筒11的内表面11b的超硬构件12上形成中间层16。该中间层16的膜厚为0.5μm左右。

但是如图8所示，将中间层16分为下层16a和上层16b两层膜时，开始使用下层材料(如钛或Cr)作为靶90形成0.5μm左右的下层16a，其后使用上层材料(如硅或锗)作为靶90形成0.5μm左右的上层16b。

如图9所示，在形成中间层时，将导向套筒11的外表面用铝箔等覆盖材料94加以覆盖，从而可仅在导向套筒11的内表面形成中间层。

又，使用碳化硅(SiC)作为上述超硬构件12时，要以不用形成该中间层16。因为碳化硅为周期表第Ivb族的硅和碳的化合物，和其表面形成的硬质碳膜形成共价键，可以得到高的粘着性。

以下将对根据本发明在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的各种实施例加以说明。

首先，以图3的导向套筒11为例对在其内表面11b形成硬质碳膜之前导向套筒的制造过程加以说明。

导向套筒11为对合金工具钢(SKS)进行切削加工，形成外围锥面11a，弹簧部11d，配合部11e和螺部11f，在中心开口11j中形成内表面11b和比其内径大的台阶部11g。其后将圆筒状的超硬合金构件12利用钎焊固定在导向套筒11的内表面11b。

然后，进行放电加工，在该导向套筒11的外周锥面11a一侧形成间隔为120°的开槽11c。

其后再进行研磨加工对内表面11b，外周锥面11a和配合部11e进行研磨，得到硬质碳膜形成前的导向套筒11。

其后以如图9所示的方法形成一层或二层中间层。

以下，根据图10对采用本发明的在导向套筒内表面形成硬质碳膜方法的第一实施例加以说明。

图10中61为具有气体导入口63和排气口65的真空槽，在其内中部的上方装有阳极79和灯丝78。

在真空槽61内中部的下方，将上述导向套筒11下部垂直固定在绝缘支持物80上。

此外，在该导向套筒11的中心开口11j中插有借助真空槽61与接地电位相连接的细棒状的辅助电极71。图中辅助电极71位于导向套筒11中心开口11j中心的部位(大体为轴线上)。

又，该辅助电极71是用不锈钢等金属材料制成。此外，该辅助电极71其前端不由导向套筒11的开口端11h突出，最好位于内部1mm左右。

而且为使真空槽内真空度达到3×10^-5torr，由排气口65真空排气。

其后，由气体导入口63向真空槽61中引入作为含碳气体的苯，将真空槽61中的压力控制在5×10^-3torr。

其后在导向套筒11上加上由直流电源73借助电抗器74提供的负直流电压，在阳极79上加上由阳极电源75所提供的正直流电压，在灯丝78上加上由灯丝电源77提供的交流电压，使真空槽内产生等离子体，利用等离子体CVD法在导向套筒11的内表面11b上形成氢化非晶碳的硬质碳膜。

此时由直流电源73加在导向套筒11上的直流电压为负3KV，由阳极电源75加在阳极79上的直流电压为正50V。并且，电灯丝电源77加在灯丝78上的交流电压在流过电流为30A时为10V左右的交流电压。

电抗器74为在磁性材料作成的心上以铜线绕制而成，其电抗值设定为100mH左右。

这样，由直流电源73经过电抗器74加在导向套筒11上的负直流电压，就可在放于真空槽61中的导向套筒11的周围产生稳定的等离子体。

决定硬质碳膜质量的薄膜形成的初期，导向套筒11中因为不发生作为异常放电的弧放电，硬质碳膜的质量和粘着性均得到提高。

此外因为将插入导向套筒11的中心开口11j中的辅助电极71接地，可以不仅在导向套筒11的外周部并且在开口11j内部均产生充分的等离子体。

并且，由于不产生作为异常放电的空穴放电，也提高了导向套筒11的内表面11b上的硬质碳膜的粘着性。

此外，由于在导向套筒11的内表面纵向电位特性均匀，内表面11b上形成的硬质碳膜的膜厚的分布也均匀。并且，因为成膜速度快，可以由开口端面到里面在短时间内即生成均匀膜厚的硬质碳膜。

辅助电极71的外径比导向套筒11的中心开口11j的内径小既可，最好与形成了硬质碳膜的内表面11b之间有5mm左右的间隙，即希望具有等离子体形成的区域。希望辅助电极71的直径与导向套筒11的开口的直径之比为1/10以下，可以用细线状的辅助电极。

前已说过，该辅助电极71用不锈钢制成，也可以用钨(W)和钽(Ta)等高熔点的金属材料制成。并且该辅助电极71的剖面形状为圆形。

图11所示为将图10加以简化得到的导向套筒11和辅助电极71支撑用的绝缘支撑物80的具体构造。

绝缘支撑物80，如图11所示，具有和导向套筒11电气连接用的第一电极板85，其露出的面以由陶瓷和树脂材料构成的第一绝缘构件87和第二绝缘构件88加以覆盖。该第一电极板85经过电抗器74与直流电源73相连接。

并且，在导向套筒11的内表面11b形成硬质碳膜时，将具有不在内表面11b附近的台阶部11g引起台阶的作用的，导电性的插入构件83装在导向套筒11的中心开口11j中。

插入构件83内径的尺寸与导向套筒11的内表面11b的开口尺寸大体相同。且插入构件83的外形形状与导向套筒11的中心开口11j的内表面11b附近的内壁形状相同。

此外，支承插入构件83的第一绝缘子81和支承第一绝缘子81的第二绝缘子82被安装在导向套筒的中心开口11j内的台阶部11g中。第一绝缘子81和第二绝缘子82均由陶瓷绝缘材料制成。

在第一绝缘子81和第二绝缘子82上具有将辅助电极71和该辅助电极71插入并加以支撑的辅助电极支撑构件72插入的通孔，并且在第二绝缘子82上有由导向套筒11突出的突出部82a。辅助电极在辅助电极支撑构件72的作用下装在导向套筒11中心开口11j内的中央。

第一绝缘子81上具有和辅助电极间的间隙为0.01mm到0.05mm左右的小直径的通孔81a，和决定辅助电极支撑构件72的粗直径部72a的大直径的孔81b。即在第一绝缘子81上设有阶梯状的孔。

与之相应，在第二绝缘子82上具有确定辅助电极支撑构件72的大直径部72a和小直径部72b的位置的阶梯状孔82b。该第二绝缘子82的上述突出的部分82a嵌入第一电极板85的孔85a中。

此外，导向套筒11的螺纹部11f的阳螺纹与具有阴螺纹的导向套筒支承物84相连接。该导向套筒支承物84起着防止第一绝缘子81和第二绝缘子82由导向套筒11的中心开口11j中脱落的作用。该导向套筒支承物84用不锈钢材料制成。在第一绝缘构件87上设有与该导向套筒支承物84的外形尺寸相一致的开口部87a。

因导向套筒支承物84的底面和电极板85的上表面相接触，加大了导向套筒11与电极板85的接触面积。这样可以使由直流电源73经电抗器施加的直流负电压稳定，抑制硬质碳膜的厚度和质量的偏差。

在放置第二绝缘构件88的第三绝缘构件89上设有凹部89a，使得第二电极板86嵌入后仍保持平面。而辅助电极支撑构件72的小直径部72b由第二绝缘子82向下突出，贯通第二绝缘构件88，嵌入第二电极板86的中心孔86a中。

若干个垂直设立的与第二电极板82的背面相接触，嵌入第三绝缘构件89中的金属制机架100，如图所示安装于导电材料制成的真空槽62的底面。

因此辅助电极71经辅助电极支撑构件72，第二电极板86，机架100和真空槽61接地。

这样，在导向套筒11的台阶部11g借助第一绝缘子81和第二绝缘子82来配置辅助电极71和辅助电极支撑构件72，可以将辅助电极71正确地配置于导向套筒11的中心开口11j的中心。

如辅助电极71的配置与导向套筒11的中心开口11j的中心偏离，辅助电极71和导向套筒11的内表面11b之间的等离子体放电不平衡，硬质碳膜的厚度和质量均发生偏差。

这里将与导向套筒11的台阶部11g的内径尺寸相符合的第一绝缘子81和第二绝缘子82插入，进一步以绝缘子81和82的孔部81a，81b和82b对辅助电极71的位置加以限制，可以将辅助电极71正确地配置于导向套筒11的中心开口11j的中心。因此，内表面11b上形成的硬质碳膜的厚度和质量就不会发生偏差。

此外，因为第二绝缘子82由导向套筒11突出的突出部82a如前所述与第一电极板85的孔相配合，利用该突出部82a，可以使导向套筒11和辅助电极71实现完全地绝缘隔离。

以下，根据图12对本发明的在导向套筒的内表面生成硬质碳膜方法的第二实施例加以说明。

该第二实施例和此后将说明的第三、第四实施例，如图10所示，为在同样的真空槽中装有若干个导向套筒，它们的各自的内表面上，同时形成硬质碳膜的实施例。

图12所示的第二实施例在真空槽61中有两个导向套筒11A，11B，在各自的中心开口11j的中央分别插入辅助电极71A，71B。两个导向套筒11A，11B装于具有通过辅助电极71A，71B的开口55a，55b的导电板55上，将辅助电极71A，71B分别置于各自中心开口11j的中心部位。

辅助电极71A，71B垂直安装在由导电材料制成的真空槽61的底面，经该真空槽61接地。

导电板55经绝缘材料制成的机架56安装在真空槽61底面上并与之绝缘。

因此，该导电板55经电抗器74由直流电源73供给负直流电压，该负直流电压被加到各导向套筒11A和11B上。即在该实施例中两个导向套筒11A，11B经同一个电抗器施加直流电压。

因其他条件与图10说明的第一实施例相同，真空槽61中产生等离子体，利用等离子体CVD方法在各个导向套筒11A，11B的内表面11b上同时形成硬质碳膜。

以下，借助图13对本发明的在导向套筒内表面上形成硬质碳膜的方法的第三实施例加以说明。

第三实施例中与上述第二实施例不同的地方如图13所示，仅是两个导向套筒11A，11B分别经在真空槽61内底面上的机架56A，56B装于各自的导电板55A，55B上，各自的直流电源73A，73B经各自的电抗器74A，74B和导电板55A，55B，分别在导向套筒11A，11B上加上负直流电压。电抗器74A，74B的电抗值一同设定为100MH左右。

在该实施例中，若干个导向套筒11A，11B间等离子体放电的独立性可以得到提高。因此不会发生相互之间等离子体放电的干扰，等离子体放电稳定，可以在导向套筒11A，11B各自的内表面11b形成膜质量好，粘着性好的硬质碳膜。

以下根据图14对本发明的在导向套筒内表面形成硬质碳膜方法的第四实施例加以说明。

在第四实施例中和第三实施例不同的仅是如图14所示，两个导向套筒11A，11B由共同的直流电源73，经各自的电抗器74A，74B和导电板55A，55B施加负的直流电压。

该实施例中提高了若干个导向套筒11A，11B之间等离子体放电的独立性，而由于使用同一个直流电源73，可以降低装置的价格。

以下参照图15对本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的第五个实施例加以说明。

图15中与图10中相应的部分采用同一符号并略去对其的说明。

在该实施方式中所使用的真空槽61中没有图10所示的阳极79和灯丝78。

第五实施例与图1所示的第一实施例中的硬质碳膜形成方法不同的点是在真空槽中插入了接地的辅助电极的导向套筒11，由直流电源73′经电抗器74施加负600V的直流电压，和作为含碳的气体甲烷(CH₄)被导入真空槽61中将真空度调整为0.1Torr。

这样，在导向套筒的外表面侧和内表面侧均产生稳定的等离子体，导向套筒11整个表面形成质量和粘着性好的硬质碳膜。具体地说，在和辅助电极71相对的内表面11b可以在整个长度上短时间内形成膜厚大体均匀的硬质碳膜15。

以下结合图16对本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的第六实施例加以说明。

该第六实施例和其后说明的第七、第八实施例和图12至图14说明的第二至第四实施例相同均为在真空槽中放置若干个导向套筒，在它们各自的内表面同时形成硬质碳膜的实施例。

在图16中和图12相同的部分采用同一符号但略去对其的说明。

图16所示的第六实施例中和图12所示的第二实施例不同处在于和图15所示的第五实施例相同，所使用的真空槽61不具有阳极79和灯丝81，在其内部放置的两个导向套筒11A，11B经单一的电抗器74由直流电源73′施加负600V的直流电压，在真空槽61中产生等离子体。

用这种方法可以得到与上述第二实施例同样的效果。

以下根据图17对本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的第七实施例加以说明。

图17中与图13相同的部分采用同一符号但略去对其的说明。

图17所示的第七实施例和图13所示的第三实施例不同的地方在于和图15所示的第五实施例同样，采用不具有阳极79和灯丝78的真空槽61，在其内部放置的两个导向套筒11A，11B分别经各自的电抗器74A，74B由各自的直流电源73′A，73′B施加负600V直流电压，在真空槽61中产生等离子体。

采用这种方法可以得到与上述第三实施例同样的效果。

以下，结合图18对本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的第八实施例加以说明。

图18中与图14中相同的地方采用同一符号，略去对其的说明。

图18所示的第八实施例和图14所示的第四实施例不同的点在于和图15所示的第五实施例相同，使用了不具有阳极79和灯丝78的真空槽61，在其内部放置的两个导向套筒11A，11B由共同的直流电源73′经各自的电抗器74A，74B分别施加负600V的直流电压，在真空槽61中产生等离子体。

用这种方法可以得到和上述的第四实施例同样的效果。

以上说明的方法既可以在导向套筒11的外表面和内表面两面均形成硬质碳膜，也可仅在内表面上形成硬质碳膜。

该实施例如图19所示。图19与图10不同的点仅在于将导向套筒的外表面用铝箔等覆盖构件加以覆盖。

这样，可仅在含有导向套筒11的内表面11b的中心开口11j的内壁形成坚固的硬质碳膜。

这样，可以使导向套筒的外形尺寸保持高精度，且可以防止由于导向套筒整个表面均形成硬质碳膜使得开槽部分的韧性降低。

以下结合图20和图21对本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的第十实施例加以说明。

图20中和图10相同的部分采用同样的符号，略去对其的说明。

图20和图10不同的点在于使用具有与导向套筒11的内表面11b的直径大体相同的内径的，图21所示的环状的伪构件53。该伪构件53和辅助电极71相同由不锈钢制成。该伪构件53的外径尺寸和导向套筒11的开口端面11h的大小大体相同。

如图20所示，在具有气体导入口63和排气口65的真空槽61中放置有要形成硬质碳膜的导向套筒11。而在导向套筒11的开口端面11h上放在伪构件53。

此时，导向套筒11的内表面11b和伪构件53的内表面一致。

在该导向套筒11的内表面11b，可如上所述予先将硬质材料粘着形成中间层。

但是，和图10相同，在该导向套筒11的中心开口11j的中心插有处于接地电位的辅助电极71。此时辅助电极71的端部不从伪构件53的上端面突出而在略低于其的位置。

其他和图10所示的方法相同，为慎重起见，加以说明，真空槽内使真空度达到3×10^-5torr，由排气口65进行真空排气。

其后，由气体导入口63将作为含碳的气体的苯(C₆H₆)导入真空槽61中，将真空槽61中的压力控制在5×10^-3torr。

其后，导向套筒11由直流电源73经电抗器74施加负3KV的直流电压，由阳极电源75向阳极79施加正50V的直流电压，由灯丝电源77向灯丝78施加流过电流为30A时10V的交流电压。

这样真空槽内导向套筒11周围的区域产生等离子体，利用等离子体CVD法在包括导向套筒11的内表面11b的表面上形成硬质碳膜。

此时辅助电极的作用和上述第一实施例的场合相同，伪构件53的作用如下所述。

即，在上述导向套筒11中形成硬质碳膜的方法中，导向套筒的内表面和外表面均产生等离子体。而且在导向套筒11的端面容易产生电荷集中；与里面相比，开口端面区处于高电位的状态，产生所谓的边缘效应。从而使导向套筒11的开口端面11h的附近的等离子体强度比其他区域要大，而且不稳定。

不仅如此，在导向套筒11的端部区域受到里面的等离子体和外表面的等离子体双方的影响。

而且，在这种状态下形成的硬质碳膜在由导向套筒11的开口端部到几mm内侧的区域，和在其他区域的硬质碳膜的粘着性间有一定区别，甚至膜的质量也不同。

因此如图20所示，在导向套筒11的开口端面11h上放置伪构件53形成硬质碳膜时，膜的质量和粘着性不同的区域不会在导向套筒11的里面形成，而将形成在伪构件53的开口里面。

实验表明在以图10所示的方法在导向套筒上形成硬质碳膜时由导向套筒11的开口端面到4mm左右的里面形成宽度为1mm到2mm的膜，且其的质量和粘着性有差异的区域。

但以图20所示的方法将具有与导向套筒11的开口的尺寸大体相同的开口，长度为10mm的伪构件53置于导向套筒开口端面11h之上时，在以上述硬质碳膜形成的同样条件下进行薄膜形成时，膜的质量与粘着性有差异的区域在伪构件53的内表面形成而在导向套筒11的内表面11b则完全没有形成膜的质量和粘着性有差异的区域。

以下根据图22对本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的第十一实施例加以说明。

图20中和图15相同的部分采用同样的符号，但略去对其的说明。

第十一实施例和第15图相同使用不具有阳极和灯丝的真空槽61，导向套筒11的开口端面11h上放置有伪构件，进行硬质碳膜的形成。

该实施例可以得到与上述第十实施例同样的效果。

在前述的应用中在真空槽中放置有若干导向套筒11，使它们各个内表面11b同时形成硬质碳膜的方法，也可用于在各个导向套筒11的开口端面11h上放置伪构件53，来形成硬质碳膜。

而且上述各实施例中对于一个真空槽中放置一个或两个导向套筒使它们各自的内表面同时形成硬质碳膜进行了说明，也可以在其中放置3个以上的导向套筒并在各自的内表面同时形成硬质碳膜。

此外，在所有的实施例中，在将导向套筒放入硬质碳膜形成用的真空槽中之前，有以图9所述的方法，在导向套筒的内表面11b上形成将硬质碳膜的粘着性提高的中间层的过程。在此场合，以上述各实施例中以等离子体CVD法形成硬质碳膜的过程，在导向套筒11的内表面11b的中间层上形成硬质碳膜。

在上述利用本发明在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的各实施例中作为含碳的气体以甲烷(CH₄)或苯(C₆H₆)为例进行了说明，也可以利用乙烯(C₂H₄)和己烷(C₆H₁₄)。

此外上述含碳气体可以用氩(Ar)等电离电压低的惰性气体加以稀释。此时可以使导向套筒的圆筒内的等离子体更加稳定。

也可在硬质碳膜形成时加入少量(1％以下)添加物以提高其润滑性的硬度。

比如添加氟(F)或硼(B)可增加润滑性，添加铬(Cr)，钼(Mo)或钨(W)可增加硬度。

而在真空槽中放置导向套筒之后，而在硬质碳膜形成之前，氩(Ar)和氮(N₂)等等离子体发生，轰击导向套筒的圆筒内表面；其后甲烷和苯等含碳气体产生等离子体，形成硬质碳膜。

这样，由于利用惰性气体进行轰击的前处理，导向套筒的圆筒内壁的温度上升进入活性状态。同时将圆筒内壁表面的杂质轰出，使表面清洁。由此使得导向套筒内表面形成的硬质碳膜的粘着性得到进一步提高。

Claims

1.一种在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，所述该导向套筒在轴方向具有中心开口且大体为圆筒状，其一端的外周为锥面，具有和被加工件滑动接触的内表面和开槽：当装在自动车床上时，插入上述中心开口的被加工件在其保持作用下可以在切削工具附近旋转并沿轴的方向滑动，上述方法的特征在于：

上述导向套筒被放置于具有气体导入口和排气口与阳极和灯丝的真空槽中；

在该导向套筒的形成上述内表面的中心开口中插入辅助电极并将该电极接到地电位；

在将上述真空槽中排气后由上述气体导入口将含碳的气体导入该真空槽中；

在上述导向套筒经电抗器被施加上直流电压的同时，在上述阳极上施加直流电压，上述灯丝上施加交流电压，上述真空槽中产生等离子体，利用等离子体CVD法在上述导向套筒的上述内表面形成氢化非晶碳的硬质碳膜。

2.一种在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，所述导向套筒在轴方向具有中心开口且大体为圆筒状，其一端的外周为锥面，具有和被加工件滑动接触的内表面和开槽；当装在自动车床上时，插入上述中心开口的被加工件在其保持作用下可以在切削工具附近旋转并沿轴的方向滑动，上述方法的特征在于：

上述导向套筒被放置于具有气体导入口和排气口的真空槽中；

在上述导向套筒经电抗器被施加上直流电压的同时，上述真空槽中产生等离子体，利用等离子体CVD法在上述导向套筒的上述内表面形成氢化非晶碳的硬质碳膜。

3.根据权利要求1或2所述的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，其特征在于：

在将上述导向套筒放置于上述真空槽中之前，具有在导向套筒的上述内表面形成提高上述硬质碳膜的粘着性的中间层的过程；

利用上述等离子体CVD法形成硬质碳膜的过程中，在上述导向套筒内表面的上述中间层上形成上述的硬质碳膜。

4.根据权利要求1或2所述的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，其特征在于：

在上述真空槽中放置有若干个上述导向套筒；

在上述各导向套筒的上述中心开口中分别插入辅助电极，并将各辅助电极接到地电位；

上述各导向套筒经同一个电抗器被施加上直流电压。

5.根据权利要求4所述的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，其特征在于：

6.根据权利要求1或2所述的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，其特征在于：

在上述真空槽中放置有若干个上述导向套筒；

上述各导向套筒分别由各自的电源经各自的电抗器被施加上直流电压。

7.根据权利要求6所述的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，其特征在于：

8.根据权利要求1或2所述的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，其特征在于：

在上述真空槽中放置有若干个上述导向套筒；

上述各导向套筒由同一个电源经各自的电抗器被施加上直流电压。

9.根据权利要求8所述的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，其特征在于：

在将上述导向套筒放置于上述真空槽中之前，具有在导向套筒的上述内表面形成提高上述硬质碳膜的粘着性的中间层的过程；而在利用上述等离子体CVD法形成硬质碳膜的过程中，在上述导向套筒内表面的上述中间层上分别形成上述的硬质碳膜。