JPH0280559A - 耐摩耗被覆膜及びその形成方法 - 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、少くとも一つのエツジ部を有する工具若しく
は部品に適用される物理蒸着被覆或いはプラズマ化学蒸
着被覆に関する。これら被覆は複合組成を有する耐摩耗
性の硬質化合物からなり、２種類以上の金属元素を含む
。

本発明はさらにかかる工具若しくは部品を被覆する方法
に関する。

〔従来の技術〕

摩耗にさらされる切断工具、平削り工具、打抜工具、ド
リル工具及びあらゆる種類の部品の性能を向上させる為
に、耐摩耗性の硬質化合物からなる被覆膜が用いられて
いる。この被覆膜は数趨の厚みを有する非常に薄い膜か
らできており、工具表面における耐摩耗性を著しく改良
する事ができる。かかる硬質化合物被覆膜は酸素、窒素
、炭素、ホウ素若しくは硅素から選ばれる１種若しくは
数種の非金属元素及び１種若しくは数種の金属元素から
構成されている。これら硬質化合物被覆膜のコストは比
較的高いにもかかわらず、ある種の応用例において耐摩
耗性を著しく向上する事ができるのでその使用は結果的
にみて経済的である。

かかる硬質化合物膜の形成は真空室内において行なわれ
る。真空室内においてイオン粒子からなる気体即ちプラ
ズマが生成され、このプラズマは電場により若しくはマ
グネトロン磁場の助けを借りて被覆されるべき基板表面
に運ばれる。これらの処理はマグネトロンスパッタリン
グ或いはスパッタイオンプレイティングとして知られて
いるものである。プラズマを生成する為に、アーク放電
を用いたり、電子線ビームを用いたり、或いは処理の種
類に応じてターゲット若しくはカソードに対する希ガス
イオンの衝撃によって行なわれる。

プラズマは液相をともなう事なく若しくは液相を介する
事なく生成される。

場合によっては、真空室内には反応性ガスが満たされ、
このガスは後に形成される硬質化合物系の成分となる。

後に形成される硬質化合物系の成分がガス状態において
導入された真空室内においてプラズマが生成される場合
には、この処理はいわゆるプラズマ化学蒸着法と呼ばれ
る。化学蒸着法は時にＣＶＤとも呼ばれる。

当初の開発段階においては、窒化タンタルが主として硬
質化合物膜として用いられていた。通常のＨ８５−スチ
ールや硬質金属に比べて、耐摩耗性が著しく改善された
。これら硬質化合物被ｍ膜の一層の開発により、２種類
以上の金属成分を有する硬質化合物を用いた場合に、よ
り良好な結果が得られる事が明らかになった。例えば、
アルミニウムとチタンと窒素からなる複合系や、クロム
とチタンと窒素及び安定化の為に必要に応じて加えられ
る金属若しくは非金属元素からなる複合系である。この
様にして得られた工具その他の部品の耐摩耗性はさらに
向上された。しかしながら複合系の化合物被膜を用いる
事によって耐摩耗性が向上した理由について理論的な説
明は得られていない。しかしながら重要な点は、全ての
物理蒸着処理及びプラズマ化学蒸着処理において、工具
その他の部品のエツジ部領域に硬質化合物系の成分に関
して異質性又は不均一性が生じるという事である。異質
性の発現は容易に説明する事が可能であり、現在に到る
まで実際上かかる異質性の発現は極力避ける様にしてい
た。

工具その他の部品表面に対して、目的とする組成に含ま
れる気体化された粒子を気体相から供給する場合、電場
を利用したり、磁場を重ねる事により通常の電場の効果
を増強する為のマグネトロン磁場を利用する。この時、
エツジ部は電荷密度が他の部分に比べて高いので、より
強い電場を発生しその結果電束がエツジ部領域に集中す
る。

この集中の結果、エツジ部はイオンの集中的な衝撃を受
ける。この現象は工具の被覆の為に原子状態に変換され
るべき硬質化合物膜の粒子に関して起こるとともに、希
ガスを利用してターゲットのスパッタリングを行なう場
合に用いられる例えばアルゴンイオン等の単なるターゲ
ットイオン若しくはキャリアイオンについても発生する
。これらアルゴンイオンは基板に対してすでに吸着して
いる硬質化合物膜を構成する粒子群を圧縮する効果を有
する。

エツジ部領域における被覆膜組成の異質性を防止する為
に、比較的弱い電場が用いられる。そしてこの弱い電場
を補正する為に、真空室の内容物をかなり強力にイオン
化する事が行なわれている。

この様にして得られた被覆膜は一定の良好な結果を示し
ている。エツジ部領域における高い電場密度の影響は印
加される電場を弱める事により低減され、エツジ部から
離れた領域に比較した場合エツジ部の領域においても又
均−な被覆膜を形成する事が可能である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は基板の耐摩耗性を改良する為に用いられ
る物理蒸着被覆膜及びその形成方法を提供する事である
。又本発明の他の目的は、この改良を基本的に従来と同
一の設備及び実質的に同一のコストで達成する事である
。

〔発明の概要〕

上記目的を達成する為に、本発明によれば、少くとも２
種類の金属元素成分を有する硬質化合物系を基板に対し
て適切に適用する事により、エツジ部の領域に積極的に
被覆膜組成の異質性（１ｎｈｏ＊ｏｇｅｎｅ１ｔｙ）を
発現させ、基板物質に対する接着性を向上させるととも
に工具の寿命を改善する事ができる。硬質化合物フィル
ム内に化学量論的な均衡が存在しないにもかかわらずで
ある。

【発明の説明〕

本発明によれば、金属元素組成に関し、エツジ部領域を
その他の領域に比較した場合中くとも原子百分率で２％
（２ａｔ％）の濃度差を与える事ができる。又本発明に
かかる方法によれば、基板の電位に対してプラズマの電
位を適当に設定する事により上述した濃度差が、自動的
にエツジ部領域における電場集中によって生じるイオン
衝撃によって達成される。

最も驚くべき事には、硬質化合物系の金属成分の濃度差
によって測られるエツジ部領域の被覆膜の異質性又は不
均一性がこの領域における従来の均一で且つ平坦な被覆
膜よりも相当程度高い耐摩耗性を有する硬質化合物被覆
膜の形成をもたらす。

これらエツジ部領域における組成に化学量論的な欠陥が
あるにもかかわらずである。かかる驚異的な現象を理論
的に説明する必要はないが、発明者は個人的な見解とし
て以下に述べる説明を試みた。

即ち、イオン化の量及び電場の強さを適切に設定する事
により均一な被覆を形成する為に許容される程度を超え
てエツジ部が強力に衝撃を受けた場合、高度に活性化さ
れた大量の個数のイオン粒子が既にエツジ部に定着して
いた粒子群をたたき、その結果これら粒子群を圧縮する
。加えてこのイオン衝撃の間に、比較的低い原子量を有
する粒子が被覆膜から取除かれ、その結果上述した濃度
差が生ずる。かかるイオン衝撃が粒子自体によって行な
われるのか或いは気体イオンによって行なわれるのか或
いは自由電子によって行なわれるのかは重要ではない。

化学量論的にみてバランスのとれた組成ではないが、エ
ツジ部における硬質化合物系は他の領域に比べてより高
度に固体化される。過剰な圧縮によって得られる利益即
ちこれらの部分における硬質化合物膜の改良された接着
性によって得られる利益は、被覆膜の化学量論的不均衡
によって生ずる不利益を補って余りあるものがある。実
験結果によれば、本発明によってｖＬｔＩｉ処理を施さ
れたドリル工具は同一の組成若しくは類似の組成の硬質
化合物系によって均質的に被覆された場合に比べて、相
当程度良好な耐摩滅性を有していた。

特に好ましいのは、２８ｉ類の金属元素即ちアルミニウ
ムとチタンを含有する硬質化合物系を用いる場合である
。被覆処理を行なった後に、得られた濃度差はエツジ部
においてアルミニウム含有量で原子百分率でみると１０
％（１０ａｔ％）に及ぶ減少であった。硬質化合物は系
全体として、アルミニウムとチタンと窒素を含みさらに
安定化の為にクロムとバナジンが添加される場合もある
。−膜内に、周期律表においてＩＶａ族ないしＶｌａ族
に属する元素を用いた場合に最良の結果が得られた。そ
の理由は、これらの元素が互いに類似しているからであ
り、固体相において互いに混合可能であるからである。

物理蒸着処理において、ターゲットのスパッタリングに
アルゴンを用い且つ所定の分圧において窒化物を生成す
る為に真空室内に反応ガスとして窒素を加えた場合、非
常に良好な被覆結果が得られる。既知のイオン化手段に
より高いレベルに維持された良好なイオン化状態におい
ては、プラズマと基板若しくは工具の間の電位差は一５
０Ｖから一１５０Ｖに設定する事ができ、特に電位差を
約−１００Ｖに設定した場合非常に良い結果が得られる
。本発明によっていかなるエツジ部領域においても異質
性を有する被８！膜が形成される。この異質性又は不均
一性は従来本発明の概念に到るまでむしろ避けるべきも
のとされていたのである。プラズマ化学蒸着により被覆
を行なう場合には、プラズマと基板の間にｔｏｏｖない
し２０００Ｖの範囲のより高い電位差を加える必要があ
る。

本発明にかかる硬質化合物膜はスチール、硬質金属、セ
ラミックと金属の複合材料であるサーメット、セラミッ
ク及びこれら材料の複合物の表面に用いる事ができる。

ある条件下においては、特に外的な衝撃負荷に対する抵
抗を改善し従って被覆膜の脆さを小さくする為に、下地
層としてまずチタン窒素系、チタン炭素窒素系、チタン
炭素系等の薄膜を形成し、その後本発明に従って硬質化
合物を用いて工具若しくは部品を被覆する事が望ましい
。かかる下地膜も大きな硬度を有するが、基板材料界面
からエツジ部領域における固体化された硬質化合物被覆
膜界面への移行を滑かにする事ができる。

〔実　施　例〕

アルゴンで満たされた真空室内において直径８ｍ脂のド
リル工具がターゲットスパッタリングにより１時間被覆
処理を施された。ターゲット（カソード）の材料は焼結
されたチタンとアルミニウムの組成物からなる。目的と
する硬質化合物系を形成する為に、反応性ガスである窒
素があらかじめ定められた分圧の下で真空室に導入され
た。良好なイオン化状態においてプラズマと基板（ドリ
ル工具）の間に一１００Ｖの電位差を加える事により、
１時間に及ぶ処理期間の間に３μｓの厚みを有する被覆
層を形成する事ができた。

処理の後、全てのエツジ部に沿って赤色ないし黄色の薄
膜の存在が観察された。この色は硬質化合物系の典型的
な色調である黒灰色からは明らかに異なっていた。チタ
ン窒化物が赤色又は黄色の色調を示すので、これらエツ
ジ部領域においてはアルミニウムの濃度が薄められてい
るという事がわかる。エツジ部領域におけるアルミニウ
ムの濃度差は、エツジ部から離れた領域にある残りの黒
青色若しくは黒灰色層に比較して、原子百分率で約６％
（６ａｔ％）であった。この様にして処理され被覆され
たドリル工具を用いて摩滅特性試験を行なった。比較例
として、同一の硬質化合物系を用いて同一の膜厚により
均質な組成を有する膜で被覆されたドリル工具を用いた
。換言すると、比較例はエツジ部とエツジ部から離れた
平面部において平坦且つ均一な外観及び組成を有する膜
で被覆されている。さらに他の比較例として、同一の直
径を有し窒化チタンで被覆されたドリル工具を用いて試
験を行なった。

本発明にかかる被覆膜を有するドリル工具は、均質な膜
によって被覆されたドリル工具に比べて５０％高い寿命
を有し、窒化チタン膜によって被覆されたドリル工具に
比べた場合には、３００％高い寿命が得られた。この様
に良好な寿命期間が得られた理由の一つは、被覆膜が基
板材料に対してより強固に密着している為であった。

〔発明の効果〕

色調の違いにより既に外観的に認められたアルミニウム
濃度の低下の事実を確認する為に、角型の試料を用いて
例示したドリル工具に対して行なわれた上述の条件と実
質的に同じ条件で被覆処理を行なった。主に被覆された
角型試料上面の全ての４つのエツジ部は赤色ないし黄色
の色調を有し残りの上面平面部は黒灰色ないし黒青色を
呈していた。

第１図はアルミニウム濃度の変化を示し、角型試料の上
面において一つのエツジから中央に向かって２．５ｍｌ
の範囲で測定された。この範囲は２．５００　ｍに相当
する。明らかに、エツジ部においてアルミニウムの濃度
が質量百分率で約２％（２ｍａｓｓ％）程低下している
事が分かる。

又第２図に示す様に、チタンの濃度については、アルミ
ニウム成分の低下に対応して測定領域に沿ってその増加
が認められた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる耐摩滅性被覆膜に含まれるアル
ミニウム成分の濃度分布を示すグラフ、第２図は同じく
チタン成分の濃度分布を示すグラフである。 Ａ！濃度（質量％） Ｔｉ濃度（質量％〕 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、摩耗に対して保護されるべき領域において少くとも
   一つのエッジ部を有する工具その他の部品の平面に物理
   蒸着法若しくはプラズマ化学蒸着法により形成され、２
   種以上の金属元素を含む複数成分系の硬質化合物からな
   る被膜において、各エッジ部の領域における該被膜の組
   成は各エッジ部から離れた領域における該被膜の組成に
   比較して金属元素濃度が原子百分率で少くとも２％の差
   を有する事を特徴とする被膜。 ２、該硬質化合物は窒素、炭素、ホウ素、硅素又は酸素
   から選ばれる１種又は２種以上の非金属元素を含む請求
   項１に記載の被膜。 ３、該硬質化合物はアルミニウムとチタンの２種の金属
   元素を含む請求項１に記載の被膜。 ４、該硬質化合物はＡｌ−Ｔｉ−Ｎ成分系である請求項
   ３に記載の被膜。 ５、該硬質化合物はＺｒ−Ｔｉ−Ｎ成分系である請求項
   ３に記載の被膜。 ６、該硬質化合物は追加の金属又は非金属元素を含む請
   求項４又は５に記載の被膜。 ７、部分的若しくは全体的に高速鋼からなる工具その他
   の部品の表面に形成される請求項１に記載の被膜。 ８、部分的若しくは全体的に硬質金属特にタングステン
   カーバイドからなる工具その他の部品の表面に形成され
   る請求項１に記載の被膜。 ９、部分的若しくは全体的にセラミックと金属の複合材
   料であるサーメットからなる工具その他の部品の表面に
   形成される請求項１に記載の被膜。 １０、部分的若しくは全体的にセラミックからなる工具
   その他の部品の表面に形成される請求項１に記載の被膜
   。 １１、部分的若しくは全体的に下塗り層としてＴｉ−Ｎ
   系、Ｔｉ−Ｃ−Ｎ系又はＴｉ−Ｃ系の膜を有する工具そ
   の他の部品の表面に形成される請求項１に記載の被膜。 １２、少くとも一つのエッジ部を有し摩滅にさらされる
   工具その他の部品に対して真空室内で硬質化合物膜を物
   理蒸着法又はプラズマ化学蒸着法により被覆する方法に
   おいて、該硬質化合物は少くとも１種の金属元素を含み
   エネルギーに富む放射によりイオン化されプラズマを形
   成し電位差により生じる電場によって該工具その他の部
   品に適用され、該工具その他の部品の電位に対してプラ
   ズマの電位を適当に設定する事により生じるイオン衝撃
   は各エッジ部の領域において高密度の電場によって強め
   られ、その結果各エッジ部から離れた領域に比較して各
   エッジ部の領域に形成された膜の金属元素濃度は原子百
   分率で少くとも２％の差を有する事を特徴とする方法。 １３、該プラズマはイオン化された金属原子及び非金属
   原子からなる請求項１２に記載の方法。 １４、該プラズマを支える為に真空室内に希ガスを導入
   する請求項１２に記載の方法。 １５、該硬質化合物の少くとも１種の成分を反応性ガス
   として真空室内に導入する請求項１２に記載の方法。 １６、物理蒸着法において高温によりイオン化を促進し
   、該電位差を−５０Ｖから−１５０Ｖの範囲に下げる請
   求項１２に記載の方法。 １７、該電位差は約−１００Ｖに設定される請求項１６
   に記載の方法。 １８、プラズマ化学蒸着法において高温によりイオン化
   を促進し、該電位差を数百Ｖから二千Ｖの範囲に下げる
   請求項１２に記載の方法。