JPH02138464A - コーティング装置 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は切削工具部材へのコーティング装置に関する
。

Ｂ１発明の概要 この発明はコーティング装置において、コーティング室
にイオン生成室で得られたイオンとスパッタ装置からの
Ｔｉターゲット部材のＴｉスパッタにより常温にて切削
工具部材にコーティングさせるようにしたことにより、 切削工具部材を高温に加熱する必要がなく、常温にて密
着性に優れ、かつ膜密度が高く、しかも良質のコーティ
ングができるようにしたものである。

Ｃ８従来の技術 自動車や産業機械などを製造している工場では、機械部
品切削加工の合理化能力向上のために、ＮＣマシンやＭ
Ｃ（マシニングセンター）を導入し、生産性向上を行っ
ている。このような合理化設備に使用される切削工具と
して近年、加工精度がよく、高速高送り切削が可能な超
鋼、サーメット、ＣＢＮ、ダイヤモンド等の高硬度材料
が高速度鋼（ハイス鋼）にかわって使用されるようにな
って来た。

上記のような切削工具の刃先に、耐摩耗性、耐ＴｉＣ（
炭化チタン）やＡＱ＊Ｏａ等の化合物をコーティングし
たものが多量に使用されるようになって来た。切削工具
の刃先に上述のような化合物をコーティングすると約５
倍以−トの切削能力の向上が可能となって来たが、上記
コーティング化合物は高価なため、切削工具の刃先に全
てコーティングするまでに至っていない。

しかし、上記にようにコーティングされた刃先も機械部
品を切削して行くうちに、次第に刃先のコーティング膜
が消失されてしまう。更に、切れなくなったソリッド型
ドリル、エンドミル、ボブカッター等の切削工具は、工
場の工具研摩場等にある専用研摩機により刃先を研摩し
、再使用を図っている。

再研摩後の刃先は最初に比較して約４０％ら切削能力が
低下するとともに、一番切削に関与する部分がソリッド
ドリルの場合、第３図に示すようにコーティングされて
いないため、加工精度が大幅に低下してくる。このため
、次の再研摩までの時間も短くなってしまう。この結果
、切削が悪くなった工具はコーティング専門のメーカー
に依頼して再研摩、再コーティングをすることが行われ
ているけれどもコーティング化が高価なため、普及する
には至っていない。

また、最近では切削工具の１つにスロアウェイチップと
呼ばれる使い捨てコーティング刃先が安価なため、多量
に使用されるようになって来た。

しかし、上記チップも再研摩し、再コーティングして再
使用したいという要望もあるが、やはりコーティング化
が高すぎるので普及が妨げられている。

Ｄ。発明が解決しようとする課題 上述したように切削能力に優れたコーティングされた工
具を自社内等で再コーティングしたり、あるいは未コー
ティング切削工具を購入して自社内等でコーティングす
ることが一般に行われていないのは、Ｔ　ＩＮ　、　Ｔ
　ｒ　Ｃ、Ａ　Ｑ　ｔ　０３等の化合物をコーティング
するには、非常に高価で、かつ大型な真空装置を使用し
たり、特殊なガス（例えば、Ｔ　ｉ　Ｃ１２４、ＣＣＱ
−等の危険なガス）を使用したＣＶＤ（化学蒸着法）法
や、特殊なイオン打込みやスパッタリングといった手法
を使うＰＶＤ　（物理蒸着法）法によりコーティングが
行われているためである。このため、以下のような問題
点があって、一般にコーティングが行われていない。

（１）　ｉ記の装置は一般の作業者が取扱いができない
ため。

（２）上記の装置は環境の良い場所で行わねばならない
ため。

（３）上記装置が高価で設備費及びその消却費がかかり
すぎるため。

（４）切削工具の刃先へのコーティングは専門の技術で
ある等の理由により機械加工工場では行われていないた
め。

（５）従来のコーティング手段は例えばハイス鋼等のは
材を４００℃程度まで加熱（超硬母材ならば５００℃以
Ｊ：、）する必要があるため、加熱時間は短く、成膜も
３０分程度で３〜５μＲ行え、る。

しかし、冷却には長時間を要する。（取り出しは２００
℃以下）また、膜質は温度が高い程よいが、あまり高く
する母材が変化するおそれかある。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、切削工
具を高温に加熱することなく、常温にて堅さを有する化
合物のコーティングを行うことができ、しかも母材との
密着性にすぐれ、膜密度が高く、良質のコーチ、インク
を行うことができるようにしたコーティング装置を提供
することを目的とする。

Ｅ２課題を解決するための手段 この発明は被コーティング部材がセットされる試料室と
、この試料室から導入される１１む記披コーティング部
材に堅さを有する化合物をコーティングするコーティン
グ室と、このコーティング室に連設されるとともに、イ
オン生成用ガスが導入され、高周波電力を供給して内部
で放電を起させて電子サイクトロン共鳴の作用によりイ
オンを生成するイオン生成室と、このイオン生成室がｎ
ｑ記コーティング室に連設される部位と対向する部位に
設けられ、前記イオン生成室からのイオンの作用を用い
て、前記被コーティング部材に１笥記堅さを有する化合
物を付着させるスパッター装置とからなるものである。

また、イオン生成室に加速電極を設けて、コーティング
室に導入させるイオンを加速させたものである。

２１作用 コーティング室に連設されたイオン生成室に高周波電力
を供給して放電を起させるとともに電子サイクロトロン
共鳴の作用により室内にプラズマを生成させて多量の窒
素イオンを作る。このイオンをコーティング室に導入し
て被コーティング部材の表面層ｊこスパッターする。そ
の後、化合物を備えたスパッター装置を動作させて、例
えばＴ　ｉを彼コーティング部材にスパッターさせる。

また、イオン加速電極を使用してイオンを加速させて被
コーティング部材に打込み、その後、Ｔｉ等の化合物を
スパッターさせる。

Ｇ、実施例 以下この発明の一実施例を図面に騒づいて説明する。

第１図において、１１はコーティング室で、このコーテ
ィング室１１は図示下部に連設された試料室１２から導
入される例えばソリッドドリル等からなる被コーティン
グ部材１３の刃先にＴｉＮ等のコー・ティングを行う。

前記コーティング室ｌ■の図示右方にはイオン生成室１
４を連設する。

イオン生成室１４の図示右端側にはＮ、ガス導入パイプ
１５を設ける。このパイプ１５のイオン生成室内側には
イオン加速電極となる第１電極１６が設けられる。第１
電極Ｉ６は前記パイプ１５を介して図示しない直流電源
に接続される。１７は絶縁部材である。

１８はイオン生成室１４に設けられた２、４５ＧＨｚの
マイクロ波導入窓で、この窓１８に図示しないマイクロ
波発振器で発振された高周波電力が導波管１９を介して
供給される。前記イオン生成室！４の外側には電子サイ
クロトロン共鳴（以下ＥＣＲと称す）を起させる空芯コ
イル２０を設ける。このコイル２０はＥＣＨの作用によ
ってイオン生成室Ｉ４内にプラズマを生成させるもので
ある。

前記コーティング室１１とイオン生成室１４の遠投部位
には絶縁部材２Ｉに挾まれたイオン加速電極となるメツ
シュ状の第２電極２２が設けられて直流電源に接続され
る。２３はスパッター装置で、このスパッター装置２３
は前記イオン生成室Ｉ４と対向する部位となるコーティ
ング室１１に設けられる。スパッター装置２３はマグネ
トロンカソード２３ａと、このマグネトロンカソード２
３ａに取り付けられたコーティング部材となる例えばＴ
ｉターゲット２３ｂと、Ｎ、ガス導入パイプ２３ｃから
構成されている。

２４はコーティング室１１を真空にするための排気孔で
、後述の真空排気システムに接続される。

２５は電流計である。

第２図は真空排気システム構成図で、第２図において、
３Ｉは高真空ポンプで、この高真空ポンプ３１は排気弁
３２を介してロータリーポンプ３３に接続されるととも
に、主弁３４を介してコーティング室１！に接続される
。コーティング室ｌｌとロータリーポンプ３３は排気弁
３５を介して接続される。

前記高真空ポンプ３１と試料室１２は排気弁３６とトラ
ップ３７を介して接続される。また、試料室１２は荒引
き弁３８とフィルター３９を直列に介してロータリーポ
ンプ３３に接続される。４０はコーティング室１１と試
料室１２とを連設するロードロック弁（ゲート弁）であ
る。４１は試料室１２内の被コーティング部材をコーテ
ィング室ｌｌ内に導入させるための駆動装置である。な
お、ＬＳ、、ＬＳｚはリミットスイッチである。４２は
試料室１２内に被コーティング部材を出し入れする扉で
ある。４３，４４．４５はり−ク弁、４６．４７．４８
はフィルター、４９，５０，５１．５２はゲージである
。

次に上記実施例の動作を述べる。

最初に第２図に示す真空排気システムによって、コーテ
ィング室１１はＩ　Ｏ−’Ｔｏｒｒ以下に真空排気し、
イオン生成室１４内にＮ、ガスをパイプ１５から導入し
、コーティング室ｌｌ内の圧力が０゜０５Ｐａ程度にな
るように流量を自動的に調節する。一方、試料室１２内
には被コーティング部材Ｉ３となる例えばソリッドドリ
ルを収納し、駆動装置４１を動作させて試料室１２から
コーティング室１１内に被コーティング部材■３を回転
させながら導入させる。

次にイオン生成室１４に設けられているマイクロ波導入
窓１８から２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力をイオン生
成室１４に放射させて内部に放電を起させる。ここで、
２．４５Ｇ１−１ｚ帯のマイクロ波を用いたのは、直流
電圧や１３．５６ＭＨｚの高周波帯でも放電を起すこと
は可能であるけれども、励磁エネルギー不足のため、窒
素Ｎを原子状にしにくく、それと同時に生成される窒素
イオンの寿命が短いことからである。

イオン生成室１４内に放電が起ったなら、コイル２０に
通電を行って、イオン生成室１４内にＥＣＲを起させる
８７５ガウスの磁場を生じさせる。

これにより、イオン生成室１４内にＥＣＲプラズマを生
成し、多量の窒素イオンを作る。生成されたイオンはコ
ーティング室１１に導入され、被コーティング部材Ｉ３
の表面層をスパッターし、その部分をクリ下ンングする
。

次に、スパッター装置２３を動作させて、マグネトロン
カソード２３ａに取り付けたＴｉターゲット２３ｂをコ
ーティング室１！内に存在するＮイオンによりスパッタ
ーする。スパッターはマグネトロンカソード２３ａに直
流電圧を印加することで行う。なお、コーティング室１
１内のみのＮ−イオンではＴｉのスパッタ速度が遅いの
で、スパッター装置２３のカソードシールド部よりＮ、
ガスをパイプ２３ｃを介してＴｉに吹き付けるように流
し、Ｔｉターゲット２３ｂ近傍に放電を集中させるとと
もに、マグネトロンにより効率よ＜Ｔｉをスパッターす
る。

但し、Ｎ！ガス導入量は多すぎるとＮ°イオン打込み能
力が低下するため、コーティング室１１内圧力を０．Ｉ
Ｐａ以下に抑える必要がある。

上記のようにして１゛ｉはスパッタリングで被コーティ
ング部材Ｉ３にスパッタリングで蒸着される際、Ｎと反
応して化学的にＴｉＮを作り、被コーティング部材１３
に蒸着される。しかし、コーティングが全て化学量論的
組成にならないこと、被コーティング部材１３との密着
性が少し悪いこと、膜密度が乏しい欠点があることを蒸
着後、膜に対してＮ゛イオン打込を行うことで、さらに
化学量論化が進みかつイオンミキシング効果により、被
コーティング部材との密着性にすぐれ、しかも膜密度が
良好なＴｉＮコーティング膜が得られる。

上記実施例においてはイオン生成室１４内で生成された
Ｎイオンは通常発散磁界の作用によってイオン生成室１
４からコーティング室１１に出てくる場合であるため、
このときのイオンエネルギーは数十ｅＶ程度と低い。こ
のため、被コーティング部材１３の例えばソリッドドリ
ルの刃先へのイオン打込みは出来ず、刃先をスパッタエ
ツチングする程度で、上述したように刃先表面層をクリ
ーニングするだけであった。

そこで、イオン打込みができるように第１．第２電極１
６．２２に直流電圧を印加させてＮイオンを加速させ刃
先にＮイオンを打込むようにする。

イオンの打込み量及び加速はマイクロ波電力と直流電圧
で制御し、電流値と時間から求める。

次に第２図に示す真空排気システムについて述べる。高
真空ポンプ３１はコーティング室ＩＩの上部に主弁３４
を介して設置して、コーティング中に発生する粉末や外
気から混入したゴミ等がポンプに入らないようにし、か
つｌｏ−１〜ｌ０−７Ｔ　ｏｒｒまでコーティング室１
１を短時間（約ＩＯ分程度）で排気する。これにはター
ボモレキュラーポンプを使用する。また、地震、衝撃等
に対する対策はコーティング室！ｌを架台（図示省略）
から空気ばね等を用いて浮した。ロータリーポンプ３３
は図示しない架台に取り付けて排気系とは図示しないベ
ローズ（ＳＵＳ製）チューブによりフレキシブルにした
。ここで、図示しない起動スイッチを押してシステムを
動作させると予め設定された順序に従ってシステムは動
作を行うようになっている。従って、作業者は被コーテ
ィング部材を試料室１２から出し入れするだけでよい。

また、システムの動作途中で作業者が被コーティング部
材の出し入れを行いたいときには例えば緊急スイッチを
操作して行うことができるようになっている。さらに、
各システムの工程の進行具合等は全て目視監視出来るよ
うになっている。

上述した実施例を用いて、直径Ｉ５φの通常使用するハ
イスドリルに５μｌのＴｉＮを刃先にコーティングし、
このドリルにより８４５Ｇ鉄材を加工した所、コーティ
ングがあるものと、ないものとでは寿命が５倍ものびる
ことが実験結果から判明した。また、切削加工によって
コーティングが消失したドリルを研摩し、刃先をととの
えたのち、刃先を湿式洗浄、乾燥後、上記実施例により
、まず刃先表面をスパッタクリーン化する。その後、Ｔ
ｉＮイオンミキシング蒸着を行い、刃先に５μｌのＴｉ
Ｎをコーティングしたドリルを使用して、切削加工を行
ったが、切削能力、寿命も前記と同様であった。

さらに、ギヤー溝加工用に用いるソリッドホブカッター
（外径７０、内径２７、全長７０ｊ＋ｘ）モジュールＩ
＝３、並歯、口数１１歯数２４を上記と同様な処理をし
て、刃先に５μｌのＴｉＮをコーティングし、浸炭材（
−ＨＢ１８０）のギヤー溝加工を行った所、次のような
表の結果になった。

上記の他に、切れなくなったカッターを研摩し、刃先を
ととのえたのち上記実施例によってコーティングを行っ
て切削加工を行ったが、切削能力は低下しなかった。

上述した各切削工具を従来のような方法でコーティング
するには４００℃程度の加熱が必要であり、加熱及びコ
ーティング後に冷却する時間がかかりすぎるばかりでな
く、部材（母材）そのものが熱により変化してしまうお
それがある。しかし、この実施例によれば、加熱を要せ
ず、室温（常温）で膜質のすぐれたＴｉＮをコーティン
グすることができる。しかも、コーティング時間も約３
０程度度で行うことができ、かつコーティングに要する
操作は何隻知識がない作業者でも簡単にできる。

Ｈ６発明の効果 以上述べたように、この発明によれば、被コーティング
部材を高温に加熱する必要がなく、部材との密着性にす
ぐれ、膜密度が高く、かつ良質の堅さを有する化合物（
例えばＴ　ｉ　Ｎ　）のコーティングができる利点があ
る。

また、加速電極によりイオンを加速させることにより、
被コーティング部材へのイオンの打込みが確実に行うこ
とができ、披コーティングへの化合物が極めて強力に密
着する利点がある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例を示す概略構成説明図、第
２図は第１図の実施例の真空排気システムを示す説明図
、第３図はソリッドドリルを示ず措成説明図である。 １１・・・コーティング室、１２・・・試料室、１３・
・・被コーティング部材、１４・・・イオン生成室、１
６゜２２・・・第１．第２電極、Ｉ８・・・マイクロ波
導入窓、２０・・・コイル、２３・・・スバヮタ装置。 外２名

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被コーティング部材がセットされる試料室と、こ
   の試料室から導入される前記被コーティング部材に堅さ
   を有する化合物をコーティングするコーティング室と、
   このコーティング室に連設されるとともに、イオン生成
   用ガスが導入され、高周波電力を供給して内部で放電を
   起させて電子サイクトロン共鳴の作用によりイオンを生
   成するイオン生成室と、このイオン生成室が前記コーテ
   ィング室に連設される部位と対向する部位に設けられ、
   前記イオン生成室からのイオンの作用を用いて、前記被
   コーティング部材に前記堅さを有する化合物を付着させ
   るスパッタ装置とからなることを特徴とするコーティン
   グ装置。
2. （２）前記イオン生成室に加速電極を設けて、コーティ
   ング室に導入させるイオンを加速させたことを特徴とす
   る請求項１に記載のコーティング装置。