JPH01129958A - 高密着窒化チタン膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、摺動やｍ撃を受けるような工業用耐摩耗材と
して表面を改質するのに特に好適な、高密着窒化チタン
膜形成方法を提供するものである。

工業用部材の表面改質技術は、従来の湿式法であるメツ
キ処理から、物理的蒸着法、化学的蒸着法等の乾式法に
転換されつつある。この乾式法による表面改質技術は、
気相中で成膜するもので、緻密で品質の優れた膜を形成
することができ廃液処理等で公害問題を起こすおそれが
ないことから、近年では特にエレクトロニクス工業でも
注目されている。

こうした気相成膜は、一般には密着性が優れているとい
われているが、これは１〜２μｍの膜厚の場合であり、
厚膜化してくると、剥離しやすいという欠点があること
から、膜厚は高々５〜１０μｍが限界で、−殻内には２
〜３μｍ程度で使用されている。このため、長時間にわ
たって耐摩耗性を要するような部材や衝撃を受けるもの
においては不向きであり、応用分野が限られている。

こうした厚膜化による剥離の原因は、母地と膜との線膨
張係数の違いや、熱応力、残留応力が大きいためであり
、被処理物質の表面仕上状態、加熱あるいは後熱処理等
で剥離現象を軽減するといったことが試みられることも
ある。

別の剥離防止策としては線膨張係数の近いものを緩衝材
として中間コーティングし、多層構造とする方法がある
。あるいは添加したい粒子を真空。

中でイオン化し、静電界で加速して被蒸着物表面に打込
むものとしてイオン注入法があり、これは化学的な制約
なしに元素を添加、混合することができ、被処理物と膜
との間に界面を作らないことを特長としているが、厚膜
化が困難で、せいぜい０．１μｍ程度であり、抜本的な
対策には至っていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、剥離の問題や、厚膜化に対する配慮が
十分でなく、薄膜としての特長のみを生かした応用に限
られていた。このため、長時間に及ぶ摺動や衝撃を受け
るような耐摩耗部材としての応用はほとんど不可能であ
った。

本発明の目的は、被処理物の表面を改質し、密着性、耐
摩耗性に優れた厚い皮膜を形成させることにある。

〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、窒素ガス雰囲気中又は窒素ガスと水素ガス
の混合ガス雰囲気中でプラズマを発生させ、グロー放電
により前記窒素ガスをイオン化して加速し被処理物の表
面に衝突させて前記被処理物の表面に窒化層及び窒素拡
散層を形成させた後。

前記雰囲気中でプラズマを発生させ９次にチタンを蒸発
させて前記被処理物の表面に窒化チタン膜を形成させる
ことにより達成される。

〔作用〕

真空雰囲気中に窒素又は窒素と水素の混合ガスを導入し
、プラズマを発生させ、被処理物に負のバイアスを印加
することによりグロー放電をさせて窒素ガスをイオン化
する。イオン化したＮ正イオン、ＮＨ正正寸オンは陰極
降下部で加速されて被□処理物の表面に衝突し、そこで
窒素の授受を行うとともにスパッタリング作用でたたき
出された母地の原子は、プラズマ中の窒素イオンと結合
して窒化物を形成し、一部は再度被処理物表面に析出し
１表面においては順次低次の窒化物に変化しながら窒化
が進行する。

この窒化層を下地処理層とし、特に低次の窒化物は硬く
靭性も優れていることから、これを形成させてから窒化
チタン膜を形成すれば窒化層は緩衝材の役目もなして密
着力も向上し、厚膜化が可能となる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の高密着皮膜を形成する場合の高周波
イオンブレーティング装置の全体的な構成を示す。

本装置は、高周波励起プラズマを利用した一般的なイオ
ンブレーティング装置であり、真空容器１内には、高周
波コイル２、ガス供給管３、蒸発源（るつぼ）４．蒸発
金属（チタン）５があり、・また、電子銃６はフィード
スル９を介して直流電源制御系７に接続されている。

また、被処理物１０は、基板ホルダ１１に密着して取付
可能となっており、その上側には、基板加熱用ヒータ１
２がある。更に基板ホルダ１１には、イオン化した窒素
や金属の正イオンを加速させるための直流バイアス電源
１３に負側か接続され電界を形成するようになっている
。

次にプラズマ発生用の高周波コイル２は、マツチング回
路１４及び１３　、５６　Ｍ　Ｈｚの高周波発振器１５
に接続されている。またガス供給管３は。

窒化処理や窒化チタン膜生成に用いる窒素及び水素のガ
スボンベ１６に接続され、更にボンバード処理する場合
に用いるアルゴンガスボンベも接続されている。真空容
器１内を１〜１０　Ｔ　ｏ　ｒ　ｒに減圧し、容器内に
窒素ガス単独又は窒素と水素の混合ガスを導入し、高周
波コイル２に電圧を印加してプラズマ放電を起こさせる
。通常のイオン窒化法は、１〜１０Ｔｏｒｒ程度の低圧
（窒素又は窒素＋水素）ガス雰囲気中に、陰極（被処理
物）及び陽極を設け、両極間に１００〜１５００Ｖの直
流電圧を印加し、グロー放電を発生させる。グロー放電
でイオン化した窒素は、被処理物の表面近傍で急激な陰
極降下のため加速され、被処理物表面に衝突する。この
ときイオンの持つ高い運動エネルギーにより被処理物が
加熱され、窒化処理が行われる。

本発明では直流グロー放電のみならず、高周波放電も利
用している。また、イオンの加速は陰極降下に加えてバ
イアス電圧を印加しているので、グロー放電よりもイオ
ン化率が高く、また加熱も行うので効率的な窒化が行な
える。

ここでは、被処理物として５ＵＳ３０４の場合のイオン
窒化処理と窒化チタン膜の生成について述べる。

すなわち、窒素：水素＝１：１の混合ガス雰囲気中で５
　Ｔ　ｏ　ｒ　ｒに減圧保持し、また被処理物は窒素イ
オンの衝突エネルギーによる加熱だけでなく、ヒータに
よって、５００℃に加熱した。こうした条件でプラズマ
を発生させ、被処理物にマイナス２〜３ＫＶのバイアス
電圧を印加した。イオン化されたＮ正イオン、ＮＨ正正
寸オン陰極降下部で加速され、被処理物表面に衝突し、
そこで窒素の伝熱を行うり午もに、スパッタリング作用
ではじき出された鉄原子が、プラズマ中の窒素と結合し
てＦｅＮを形成し、再び被処理物表面から母地内部に浸
入、窒化が進行する。この処理を３時間継続した後、次
のイオンブレーティング処理に移行した。すなわち、プ
ラズマを遮断し、ガスを止め、これまでのロータリーポ
ンプによる真空引きからデイヒユージョンポンプに切替
え１０−’Ｔｏｒｒ台に保持した後窒素：水素＝９５：
５の混合ガスを導入して、プラズマを発生し、電子銃６
を作動してチタンを蒸発させ、いわゆる窒化チタン成膜
処理を行った。

第２図は、このようにして得たイオン窒化処理及び窒化
チタン成膜後の金属組織図である。

５ＵＳ３０４の表面には約５０μｍの窒素拡散層、２〜
３μｍの窒化層があり、この上に窒化チタンを約１０μ
ｍ成膜したが、巾広い境界用となり、はっきりした界面
がない。このため、剥離しにくい密着性の優れた皮膜が
形成された。

窒化処理条件として５〜６Ｔｏｒｒの真空中で、５００
〜６００℃に３〜４時間加熱した場合、その硬化範囲は
８１５Ｃ材で６００μｍ（表面Ｈｖ２００）　、５０Ｍ
４４０材で２００μｍ　（表面Ｈｖ　６２０　）　、Ｓ
　Ｕ　Ｓ　３０４材で９５７ｚｍ（表面Ｈｖ１２００）
程度になることが知られている。

第３図は横軸に母材から表面の窒化チタン膜に向かって
の膜厚をとり縦軸に線膨張係数をとり本実施例と従来例
を対比させた図表で、第４図は横軸に母材から表面の窒
化チタン膜に向かっての膜厚をとり縦軸に硬さをとり本
実施例と従来例を対比させた図表である。従来法ではい
ずれも急激に変化し、剥離しやすい状態にあったものが
、イオン窒化法と組合わせて窒化チタン膜を生成すれば
。

分布曲線がゆるやかになり、剥離しにくい密着性の優れ
た皮膜を形成することができる。

ここでは鉄鋼、ステンレス鋼等の場合について−例示し
たが、非鉄金属、特にアルミニウムに対しても可能であ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、被処理物表面に窒素イオンを表面拡散
浸透法によって形成した窒化層と、その窒化層にチタン
を蒸着させて形成した窒化チタンが巾広い境界用となっ
ているため、剥離しにくい密着性の優れた皮膜が形成さ
れ、密着性が向上することから従来できなかった窒化チ
タンの厚膜化が可能となり、長時間耐摩耗性を有する皮
膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す高周波イオンブレーティ
ング装置の全体構成図、第２図は本発明による皮膜構成
の金属組織図、第３図は膜厚と線膨張係数の関係を示す
図表、第４図は膜厚と硬さの関係を示す図表である。 １・・・真空容器、２・・・高周波コイル、３・・ガス
供給管、４・・・蒸発源、５・・・蒸発金属、１１・・
・基板ホルダ、１３・・・直流バイアス電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 窒素ガス雰囲気中又は窒素ガスと水素ガスの混合ガス雰
   囲気中でプラズマを発生させ、グロー放電により前記窒
   素ガスをイオン化して加速し被処理物の表面に衝突させ
   て前記被処理物の表面に窒化層及び窒素拡散層を形成さ
   せた後、前記雰囲気中でプラズマを発生させ、次にチタ
   ンを蒸発させて前記被処理物の表面に窒化チタン膜を形
   成させる高密着窒化チタン膜形成方法。