JPH0791635B2 - 耐摩耗性硬質被膜の製造方法 - Google Patents
耐摩耗性硬質被膜の製造方法Info
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- JPH0791635B2 JPH0791635B2 JP7840892A JP7840892A JPH0791635B2 JP H0791635 B2 JPH0791635 B2 JP H0791635B2 JP 7840892 A JP7840892 A JP 7840892A JP 7840892 A JP7840892 A JP 7840892A JP H0791635 B2 JPH0791635 B2 JP H0791635B2
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- Japan
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- argon
- flow rate
- film
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、炭窒化チタニウム中の
炭素濃度を制御性よく製膜することができる耐摩耗性に
優れている耐摩耗性硬質被膜の製造方法に関するもので
ある。
炭素濃度を制御性よく製膜することができる耐摩耗性に
優れている耐摩耗性硬質被膜の製造方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来から、金属材料の耐摩耗性を向上さ
せるために、各種の表面処理が行なわれている。すなわ
ち、CVD法やPVD法によって被覆されたセラミック
被膜は、表面が滑らかであり、数μmの厚さで耐摩耗性
に優れているので、切削工具、金型、精密機械部品など
厳しい使用環境にさらされる部材に使用されている。し
かして、寸法精度が要求される部材、熱処理温度が60
0℃以下の鋼などでは、低温での製膜が可能であるPV
D法、とくに、イオンプレーティング法が用いられ、た
とえば、TiN被膜を施した切削工具は、母材の靭性と
被膜の耐摩耗性とによって寿命がいちじるしく向上して
いる。又、熱間加工用工具鋼、冷間加工用工具鋼、又
は、超硬合金などにおいてもイオンプレーティング法に
よってTiN被膜を形成したものが普及している。
せるために、各種の表面処理が行なわれている。すなわ
ち、CVD法やPVD法によって被覆されたセラミック
被膜は、表面が滑らかであり、数μmの厚さで耐摩耗性
に優れているので、切削工具、金型、精密機械部品など
厳しい使用環境にさらされる部材に使用されている。し
かして、寸法精度が要求される部材、熱処理温度が60
0℃以下の鋼などでは、低温での製膜が可能であるPV
D法、とくに、イオンプレーティング法が用いられ、た
とえば、TiN被膜を施した切削工具は、母材の靭性と
被膜の耐摩耗性とによって寿命がいちじるしく向上して
いる。又、熱間加工用工具鋼、冷間加工用工具鋼、又
は、超硬合金などにおいてもイオンプレーティング法に
よってTiN被膜を形成したものが普及している。
【0003】近時、加工技術の分野では、作業の省力
化、能率化の要請から、切削加工では高速送り、深切込
みなどの重切削加工が必要になり、金型成形において
は、高面圧加工の必要性が益々高くなってきている。こ
のような重加工では、さらに硬度を上げる必要があり、
これらの要求に対して、最近、窒化チタニウムよりも硬
度が高い炭窒化チタニウムの開発がイオンプレーティン
グ法によって進められている。すなわち、少なくとも1
種類の鎖状炭化水素と窒素及びアルゴンが用いられてい
るイオンプレーティング法によって製膜した炭窒化チタ
ニウム被膜は、ビッカース硬度でHv3000以上の高
硬度を示し、耐摩耗性に優れている被膜であるが、反
面、強度が低く、衝撃に弱いという欠点があり、この欠
点を補う方法として、強度が大きい窒化チタニウムと炭
窒化チタニウムとを積層することが行なわれている(特
公平1−30910号公報)。
化、能率化の要請から、切削加工では高速送り、深切込
みなどの重切削加工が必要になり、金型成形において
は、高面圧加工の必要性が益々高くなってきている。こ
のような重加工では、さらに硬度を上げる必要があり、
これらの要求に対して、最近、窒化チタニウムよりも硬
度が高い炭窒化チタニウムの開発がイオンプレーティン
グ法によって進められている。すなわち、少なくとも1
種類の鎖状炭化水素と窒素及びアルゴンが用いられてい
るイオンプレーティング法によって製膜した炭窒化チタ
ニウム被膜は、ビッカース硬度でHv3000以上の高
硬度を示し、耐摩耗性に優れている被膜であるが、反
面、強度が低く、衝撃に弱いという欠点があり、この欠
点を補う方法として、強度が大きい窒化チタニウムと炭
窒化チタニウムとを積層することが行なわれている(特
公平1−30910号公報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】イオンプレーティング
法によって炭窒化チタニウム膜を製膜する場合、反応ガ
スとして、少なくとも1種類の鎖状炭化水素と窒素及び
アルゴンを用いるが、通常、被膜中の炭素濃度を変える
場合、鎖状炭化水素と窒素の流量比を変えて行なうもの
であるが、被膜中の炭素濃度を鎖状炭化水素の流量だけ
で制御しようとしても、鎖状炭化水素がイオン化され難
いために、鎖状炭化水素の流量比を大きく変化させなけ
れば被膜中の炭素濃度を変化することは困難である。そ
のために、必然的に窒素流量、製膜圧力をも調整しなけ
ればならなくなる。又、一旦、窒素と鎖状炭化水素の流
量比を変えるとプラズマ中の平衡状態が崩れてしまい、
プラズマが安定し、所定の圧力に復するまでに時間がか
かってしまい、目的の構造をもつ被膜を安定して得るこ
とが困難となるという問題がある。このようなことは、
窒素により組成を制御しても同じである。
法によって炭窒化チタニウム膜を製膜する場合、反応ガ
スとして、少なくとも1種類の鎖状炭化水素と窒素及び
アルゴンを用いるが、通常、被膜中の炭素濃度を変える
場合、鎖状炭化水素と窒素の流量比を変えて行なうもの
であるが、被膜中の炭素濃度を鎖状炭化水素の流量だけ
で制御しようとしても、鎖状炭化水素がイオン化され難
いために、鎖状炭化水素の流量比を大きく変化させなけ
れば被膜中の炭素濃度を変化することは困難である。そ
のために、必然的に窒素流量、製膜圧力をも調整しなけ
ればならなくなる。又、一旦、窒素と鎖状炭化水素の流
量比を変えるとプラズマ中の平衡状態が崩れてしまい、
プラズマが安定し、所定の圧力に復するまでに時間がか
かってしまい、目的の構造をもつ被膜を安定して得るこ
とが困難となるという問題がある。このようなことは、
窒素により組成を制御しても同じである。
【0005】本発明は、イオンプレーティング法によっ
て、炭窒化チタニウムを形成する際に、炭素濃度制御
性、反応ガス流量、反応圧力の制御性に優れている被膜
の製造方法を提供することを目的とするものである。
て、炭窒化チタニウムを形成する際に、炭素濃度制御
性、反応ガス流量、反応圧力の制御性に優れている被膜
の製造方法を提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記問題
を解決し、前記目的を達成するために、イオンプレーテ
ィング法によるTiCN被膜形成について鋭意研究を重
ねた結果、鎖状炭化水素と窒素の流量は変えず、アルゴ
ンの流量だけを変えることによって被膜中の炭素濃度を
変え得て目的を達し得ることを見出して本発明を完成す
るに至った。すなわち、本発明は、イオンプレーティン
グ法によって炭素濃度が異なる炭窒化チタニウム層の多
層被膜あるいは炭素濃度に勾配をもたせた炭窒化チタニ
ウム被膜を金属材料に被覆する方法において、反応ガス
として少なくとも1種類の鎖状炭化水素と窒素及びアル
ゴンとを用い、鎖状炭化水素と窒素の流量を一定にし、
鎖状炭化水素と窒素及びアルゴンの全流量に対するアル
ゴンの流量比を変えることによって、炭窒化チタニウム
中の炭素濃度を変化させる耐摩耗性硬質被膜の製造方法
である。
を解決し、前記目的を達成するために、イオンプレーテ
ィング法によるTiCN被膜形成について鋭意研究を重
ねた結果、鎖状炭化水素と窒素の流量は変えず、アルゴ
ンの流量だけを変えることによって被膜中の炭素濃度を
変え得て目的を達し得ることを見出して本発明を完成す
るに至った。すなわち、本発明は、イオンプレーティン
グ法によって炭素濃度が異なる炭窒化チタニウム層の多
層被膜あるいは炭素濃度に勾配をもたせた炭窒化チタニ
ウム被膜を金属材料に被覆する方法において、反応ガス
として少なくとも1種類の鎖状炭化水素と窒素及びアル
ゴンとを用い、鎖状炭化水素と窒素の流量を一定にし、
鎖状炭化水素と窒素及びアルゴンの全流量に対するアル
ゴンの流量比を変えることによって、炭窒化チタニウム
中の炭素濃度を変化させる耐摩耗性硬質被膜の製造方法
である。
【0007】本発明において被膜を形成する基板として
は、たとえば、S15Cなどの肌焼鋼、S45Cなどの
構造用鋼、SUP10などのばね鋼、SUJ2などの軸
受鋼、SACM1などの窒化鋼、SKD6などの熱間加
工用鋼、SKD11などの冷間加工用鋼、SKH51な
どの高速度工具鋼、SUS301などの耐熱鋼、SUS
410などの耐食耐酸鋼など種々の鋼、超硬合金、A7
075Pなどのアルミニウム合金などの金属材料などが
挙げられる。
は、たとえば、S15Cなどの肌焼鋼、S45Cなどの
構造用鋼、SUP10などのばね鋼、SUJ2などの軸
受鋼、SACM1などの窒化鋼、SKD6などの熱間加
工用鋼、SKD11などの冷間加工用鋼、SKH51な
どの高速度工具鋼、SUS301などの耐熱鋼、SUS
410などの耐食耐酸鋼など種々の鋼、超硬合金、A7
075Pなどのアルミニウム合金などの金属材料などが
挙げられる。
【0008】製膜に用いるイオンプレーティング法とし
て蒸発源としてのチタニウムを蒸発する方法は、抵抗加
熱、電子銃加熱、カソードアーク放電、グロー放電、高
周波放電などが挙げられ、いずれの方法でもよい。
て蒸発源としてのチタニウムを蒸発する方法は、抵抗加
熱、電子銃加熱、カソードアーク放電、グロー放電、高
周波放電などが挙げられ、いずれの方法でもよい。
【0009】又、用いる鎖状炭化水素としては、入手が
容易で経済的なメタン、エチレン、アセチレン、プロパ
ンなどが適当であって、これらを混合して用いてもよ
い。鎖状炭化水素、窒素及びアルゴンの流量は、製膜に
用いる装置の大きさ、排気能力などに依存するものであ
って、とくに規定されることはないが、鎖状炭化水素、
窒素及びアルゴンの全流量に対するアルゴンの流量比を
15%以下とすれば、とくに圧力変化が少なく、目的組
成の被膜を得ることができる。
容易で経済的なメタン、エチレン、アセチレン、プロパ
ンなどが適当であって、これらを混合して用いてもよ
い。鎖状炭化水素、窒素及びアルゴンの流量は、製膜に
用いる装置の大きさ、排気能力などに依存するものであ
って、とくに規定されることはないが、鎖状炭化水素、
窒素及びアルゴンの全流量に対するアルゴンの流量比を
15%以下とすれば、とくに圧力変化が少なく、目的組
成の被膜を得ることができる。
【0010】
【作用】反応ガスとして、鎖状炭化水素、窒素以外に用
いるアルゴンは、鎖状炭化水素及び窒素のイオン化率を
高めるために用いるものであるが、アルゴン流量を増加
させれば、被膜中の炭素濃度を増加し得ることを見出
し、又、アルゴンの流量を鎖状炭化水素、窒素及びアル
ゴンの全流量に対する流量比で15%以下にすれば、製
膜中の圧力変動を少なくすることができることを見出し
た。したがって、アルゴンだけの流量調整で被膜中の炭
素濃度の制御を行なえば、そのほかの反応ガスの流量を
変えることなく炭窒化チタニウムを多層化、傾斜化(濃
度勾配をもたせる)することが可能となるものである。
アルゴンの流量比が15%を超えることは、製膜圧力の
上昇、急激な製膜温度上昇を招き望ましくないものであ
る。
いるアルゴンは、鎖状炭化水素及び窒素のイオン化率を
高めるために用いるものであるが、アルゴン流量を増加
させれば、被膜中の炭素濃度を増加し得ることを見出
し、又、アルゴンの流量を鎖状炭化水素、窒素及びアル
ゴンの全流量に対する流量比で15%以下にすれば、製
膜中の圧力変動を少なくすることができることを見出し
た。したがって、アルゴンだけの流量調整で被膜中の炭
素濃度の制御を行なえば、そのほかの反応ガスの流量を
変えることなく炭窒化チタニウムを多層化、傾斜化(濃
度勾配をもたせる)することが可能となるものである。
アルゴンの流量比が15%を超えることは、製膜圧力の
上昇、急激な製膜温度上昇を招き望ましくないものであ
る。
【0011】
【実施例】次に、本発明の実施例を述べる。 実施例 1 真空アーク放電型イオンプレーティング装置を使用し、
被膜を形成する基材として、有機溶剤によって洗浄した
SKH51高速度工具鋼(ビッカース硬度Hv850)
を、金属蒸発源としてTiを用い、それぞれを装置の真
空反応槽内に設置した。真空反応槽内の圧力を1.5×
10−3Paまで排気し、Tiイオン衝撃による洗浄、
加熱を行ないTiCNの製膜を開始する。反応ガスとし
て、窒素を22cc/分、アセチレンを14cc/分の
割合で真空反応槽内に導入し、圧力を4Paとした。金
属Tiに90Aの電流を流し、真空アーク放電によって
Tiイオンを放出させ、一方、鋼材には、−400Vの
バイアス電圧を印加した。このような条件下で鋼材表面
にTiCN被膜を20分間製膜した。その後、アルゴン
を2cc/分(5容量%)導入し、圧力4.7Paで2
0分間製膜した。その後、アルゴンの流量を4cc/分
(8容量%)に増加し、圧力6.7Paでさらに20分
間製膜し、合計1時間製膜した。
被膜を形成する基材として、有機溶剤によって洗浄した
SKH51高速度工具鋼(ビッカース硬度Hv850)
を、金属蒸発源としてTiを用い、それぞれを装置の真
空反応槽内に設置した。真空反応槽内の圧力を1.5×
10−3Paまで排気し、Tiイオン衝撃による洗浄、
加熱を行ないTiCNの製膜を開始する。反応ガスとし
て、窒素を22cc/分、アセチレンを14cc/分の
割合で真空反応槽内に導入し、圧力を4Paとした。金
属Tiに90Aの電流を流し、真空アーク放電によって
Tiイオンを放出させ、一方、鋼材には、−400Vの
バイアス電圧を印加した。このような条件下で鋼材表面
にTiCN被膜を20分間製膜した。その後、アルゴン
を2cc/分(5容量%)導入し、圧力4.7Paで2
0分間製膜した。その後、アルゴンの流量を4cc/分
(8容量%)に増加し、圧力6.7Paでさらに20分
間製膜し、合計1時間製膜した。
【0012】この操作において、アルゴンの流量を変え
ることによる圧力安定までに要した時間は1分間であっ
た。又、得られた被膜は、炭素濃度が1モル%のTiC
Nが1.5μm、2モル%が1.1μm、5モル%が1
μmの合計3.6μmの膜厚を有していた。被膜の硬度
は、ビッカース硬度3100であった。
ることによる圧力安定までに要した時間は1分間であっ
た。又、得られた被膜は、炭素濃度が1モル%のTiC
Nが1.5μm、2モル%が1.1μm、5モル%が1
μmの合計3.6μmの膜厚を有していた。被膜の硬度
は、ビッカース硬度3100であった。
【0013】このように、アセチレン及び窒素の流量は
変えずにそのままとし、アルゴンだけ流量を変えること
によって、被膜中の炭素濃度を制御することができるこ
とが認められる。 実施例 2 窒素の流量を10cc/分、メタンを26cc/分、ア
ルゴンを1cc/分(3容量%)、基板のバイアス電圧
を−440Vとした以外は、実施例1と同じ条件で製膜
を開始し、20分後アルゴン流量を3cc/分(8容量
%)にし、圧力5Paで20分間製膜した。その後、ア
ルゴンの流量を5cc/分(12容量%) として、圧力
6.3Paで20分間製膜した。合計1時間の製膜反応
によって、炭素濃度が3モル%のNiCN被膜が1.5
μm、6モル%が1.2μm、10モル%が1.1μm
の合計3.8μmの被膜が得られた。
変えずにそのままとし、アルゴンだけ流量を変えること
によって、被膜中の炭素濃度を制御することができるこ
とが認められる。 実施例 2 窒素の流量を10cc/分、メタンを26cc/分、ア
ルゴンを1cc/分(3容量%)、基板のバイアス電圧
を−440Vとした以外は、実施例1と同じ条件で製膜
を開始し、20分後アルゴン流量を3cc/分(8容量
%)にし、圧力5Paで20分間製膜した。その後、ア
ルゴンの流量を5cc/分(12容量%) として、圧力
6.3Paで20分間製膜した。合計1時間の製膜反応
によって、炭素濃度が3モル%のNiCN被膜が1.5
μm、6モル%が1.2μm、10モル%が1.1μm
の合計3.8μmの被膜が得られた。
【0014】アルゴン流量を変えることによる圧力安定
までに要した時間は2分間であった。又、被膜の硬度
は、ビッカース硬度で3500であった。 実施例 3 窒素の流量を23cc/分とし、圧力4Pa、基板のバ
イアス電圧を−200Vとした以外は、実施例1と同じ
条件で製膜を開始し、20分後、窒素流量を15cc/
分、アセチレンを22cc/分、アルゴンを3cc/分
(8容量%)で4Paとし、さらに20分後、アルゴン
を6cc/分(14容量%)で圧力6Paとして20分
間製膜し、合計1時間の製膜反応によって、TiN層が
1.3μm、炭素濃度が6モル%のTiCNが1.2μ
m、10モル%が1.4μmの合計3.9μmの被膜が
得られた。
までに要した時間は2分間であった。又、被膜の硬度
は、ビッカース硬度で3500であった。 実施例 3 窒素の流量を23cc/分とし、圧力4Pa、基板のバ
イアス電圧を−200Vとした以外は、実施例1と同じ
条件で製膜を開始し、20分後、窒素流量を15cc/
分、アセチレンを22cc/分、アルゴンを3cc/分
(8容量%)で4Paとし、さらに20分後、アルゴン
を6cc/分(14容量%)で圧力6Paとして20分
間製膜し、合計1時間の製膜反応によって、TiN層が
1.3μm、炭素濃度が6モル%のTiCNが1.2μ
m、10モル%が1.4μmの合計3.9μmの被膜が
得られた。
【0015】アルゴン流量を変えることによる圧力安定
までに要した時間は1分間であった。又、被膜の硬度
は、ビッカース硬度で2800であった。 比較例 1 反応ガスとして、窒素を22cc/分、アセチレンを1
4cc/分、アルゴンを2cc/分の割合で真空反応槽
内に導入し、圧力を4.7Paとし、鋼材に−300V
のバイアス電圧を印加する。このような条件下で鋼材表
面にTiCNを30分間製膜した。その後、窒素15c
c/分、アセチレン22cc/分にした。このとき圧力
は0.7Paに低下し、4Paになるように7分間かか
った。合計1時間の製膜反応によりできた被膜は膜厚
3.7μmのTiCNであった。又、被膜の硬度は、ビ
ッカース硬度で2300であった。 比較例 2 窒素の流量を8cc/分、メタンを20cc/分、アル
ゴンを6cc/分とし、アルゴンの流量比を18%とし
た以外は実施例1と同じ条件で1時間製膜を行なった。
までに要した時間は1分間であった。又、被膜の硬度
は、ビッカース硬度で2800であった。 比較例 1 反応ガスとして、窒素を22cc/分、アセチレンを1
4cc/分、アルゴンを2cc/分の割合で真空反応槽
内に導入し、圧力を4.7Paとし、鋼材に−300V
のバイアス電圧を印加する。このような条件下で鋼材表
面にTiCNを30分間製膜した。その後、窒素15c
c/分、アセチレン22cc/分にした。このとき圧力
は0.7Paに低下し、4Paになるように7分間かか
った。合計1時間の製膜反応によりできた被膜は膜厚
3.7μmのTiCNであった。又、被膜の硬度は、ビ
ッカース硬度で2300であった。 比較例 2 窒素の流量を8cc/分、メタンを20cc/分、アル
ゴンを6cc/分とし、アルゴンの流量比を18%とし
た以外は実施例1と同じ条件で1時間製膜を行なった。
【0016】得られた被膜の硬度はビッカース硬度で3
100であったが、製膜操作中の温度が630℃になっ
てしまったため、製膜前にはビッカース硬度で850で
あった基板の硬度は720まで低下してしまった。
100であったが、製膜操作中の温度が630℃になっ
てしまったため、製膜前にはビッカース硬度で850で
あった基板の硬度は720まで低下してしまった。
【0017】
【発明の効果】本発明は、イオンプレーティング法によ
るTiCN被膜を形成する際に、反応ガスの鎖状炭化水
素、窒素の流量を変えずアルゴン流量だけを変えるよう
にしたので、TiCNの多層膜、傾斜度を制御性よく製
膜することができ、品質が安定した耐摩耗性硬質被膜を
製造し得るものであって、顕著な効果が認められる。
るTiCN被膜を形成する際に、反応ガスの鎖状炭化水
素、窒素の流量を変えずアルゴン流量だけを変えるよう
にしたので、TiCNの多層膜、傾斜度を制御性よく製
膜することができ、品質が安定した耐摩耗性硬質被膜を
製造し得るものであって、顕著な効果が認められる。
Claims (1)
- 【請求項1】 イオンプレーティング法によって炭素濃
度が異なる炭窒化チタニウム層の多層被膜あるいは炭素
濃度に勾配をもたせた炭窒化チタニウム被膜を金属材料
に被覆する方法において、反応ガスとして少なくとも1
種類の鎖状炭化水素と窒素及びアルゴンとを用い、鎖状
炭化水素と窒素の流量を一定にし、鎖状炭化水素と窒素
及びアルゴンの全流量に対するアルゴンの流量比を変え
ることによって、炭窒化チタニウム中の炭素濃度を変化
させることを特徴とする耐摩耗性硬質被膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7840892A JPH0791635B2 (ja) | 1992-02-28 | 1992-02-28 | 耐摩耗性硬質被膜の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7840892A JPH0791635B2 (ja) | 1992-02-28 | 1992-02-28 | 耐摩耗性硬質被膜の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0625836A JPH0625836A (ja) | 1994-02-01 |
| JPH0791635B2 true JPH0791635B2 (ja) | 1995-10-04 |
Family
ID=13661214
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7840892A Expired - Fee Related JPH0791635B2 (ja) | 1992-02-28 | 1992-02-28 | 耐摩耗性硬質被膜の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0791635B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3642427B1 (ja) | 2004-03-16 | 2005-04-27 | セイコーエプソン株式会社 | 装飾品および時計 |
| JP4839120B2 (ja) * | 2006-04-03 | 2011-12-21 | 株式会社リケン | 積層皮膜を有するピストンリング |
-
1992
- 1992-02-28 JP JP7840892A patent/JPH0791635B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0625836A (ja) | 1994-02-01 |
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