ダイヤモンドライクカーボン（DLC）コーティング理解ガイド：製品設計者のための基礎知識

他の部品やアセンブリと接触するパーツやコンポーネントを設計している、または過酷な化学環境や条件下で使用される製品を設計している製品設計者の皆さん。その場合、高い耐摩耗性と耐薬品性を持つ材料を選択する必要があります。

しかし、優れた耐摩耗性と化学的特性を持つ工学材料は、通常安価ではありません。そのため、トップクラスの製品設計者と製造業者は、ダイヤモンドライクカーボンコーティングのような特殊表面処理プロセスを用いて、通常金属の特性を向上させています。

ダイヤモンドライクカーボンコーティング（DLC）は、イオン化・分解された炭素が高エネルギーで基板表面に着地することで形成されます。このコーティングは基板の特性（耐摩耗性、耐食性、摩擦係数など）を改善し、幅広い用途に適したものにします。

本記事では、ダイヤモンドライクコーティングの基礎に立ち返り、そのタイプと複数業界での応用について解説します。始めましょう！

図1：ダイヤモンドライクカーボンコーティングされた金属基板

ダイヤモンドライクコーティングの理解

「ダイヤモンドライクコーティング」というフレーズを初めて聞くと、ダイヤモンド（最も硬い天然物質の一つ）がどのようにコーティング材料として加工されるのか疑問に思うでしょう。

しかし、DLCをそのように捉えてはいけません。代わりに、ダイヤモンドライクコーティングを独特なものにしている本質的な化学元素、すなわち炭素に注目してください。炭素は四価、つまり他の原子と結合するために利用可能な4つの電子を持っています。形成される結合の数とその配列が、炭素化合物の特性を決定します。

例えば、ダイヤモンドの分子構造では、複数の炭素原子が4つの電子すべてを使って他の炭素原子と分子結合を形成します。一方、グラファイトの分子構造では、炭素原子がこれらの電子のうち3つだけを使って互いに結合します。このわずかな違いが、ダイヤモンド結晶を非常に硬く、グラファイトを非常に柔らかくしています。

図2：ダイヤモンドとグラファイトの分子結合 出典：WikiMedia Commons

ダイヤモンドライクカーボン膜は、ダイヤモンドとグラファイトと同様、炭素原子で構成されています。しかし、DLC膜はダイヤモンドとグラファイトの原子構造を組み合わせたもので、複数の炭素原子が3つと4つの電子を用いて分子結合を形成します。その結果、DLCはダイヤモンドとグラファイトの特性を併せ持つことになります。

ダイヤモンドライクコーティングの特性

#1 低摩擦係数

摩擦係数は、材料（または製品）が他の表面を滑る際に摩擦をどれだけ抵抗するかを表す無次元数です。

DLCコーティングの摩擦係数は0.015〜0.2の非常に低い範囲です。その結果、DLCコートされた部品（またはアセンブリ）は、プロセス（機械操作）を維持するためにより少ないエネルギーで済みます。これは、可動部品がある用途（自動車産業、工作機械、航空宇宙産業など）で極めて有用です。

詳細はこちら：航空宇宙部品の製造方法を理解する。

#2 優れた耐摩耗性

摩耗とは、摩擦により材料の一部が削れる（剥離・摩耗）現象です。通常望ましくなく、機械操作では避けられません。対策は、特定用途に高耐摩耗性材料を見つけることだけです。

DLCコート金属は通常金属に比べ高い耐摩耗性を発揮します。DLCコーティングが提供する耐摩耗レベルを理解するため、図3をご覧ください。2つの金属で耐摩耗試験を行っています。

図3：ダイヤモンドライクカーボンコーティング材料への耐摩耗（摩耗）試験

一方の金属部品は無コーティング、もう一方はDLCコーティングされていると仮定します。同一の力でインデンターを両材料に押し付けると、DLCコート面は無コーティング面ほど傷つきません。このユニークな特性により、DLCコート部品は自動車エンジン摩耗部品、インジェクター、宝飾用途で有用です。

#3 耐食性

DLCコーティングは耐食性を提供し、部品が湿潤または腐食性環境（パイプライン、航空宇宙コンポーネントなど）にさらされる用途に最適です。

#4 美観

DLCコーティングは、部品の美観をほぼ変えることなく、腐食性雰囲気から金属部品を保護できる点で他のコーティングと一線を画します。さらに、DLCコーティングプロセスにより、アンスラサイトからディープブラックまで魅力的な色調を実現できます。

DLCコーティングのタイプ

DLCコーティングは、その化学構造に添加される金属（または非金属）によって異なるタイプがあります。例えば、金属ドープDLCコーティングは、チタン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、クロムなどの金属と合金化したDLCです。一方、非金属ドープDLCタイプには、シリコン-DLC、フッ素-DLC、窒素-DLCがあります。

図4：金属基板上のシリコンドープDLCコーティング

理想的な合金化DLCコーティングの選択は、あなたの用途要件に依存します。例えば、チタン合金化DLCコーティングは、優れた摺動特性、生体不活性、化学的不活性により医療用途に最適です。一方、シリコン合金化DLCコーティングは、切削工具、エンジンブロック、ピストン、ギアに適しています。

図5：DLCコーティングされたピストンとシリンダー部品

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