JPH0860348A

JPH0860348A - 工具への被覆層形成方法

Info

Publication number: JPH0860348A
Application number: JP21961694A
Authority: JP
Inventors: Masao Murakawa; 正夫村川; Shuichi Watabe; 修一渡部; Shojiro Miyake; 正二郎三宅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-23
Filing date: 1994-08-23
Publication date: 1996-03-05

Abstract

(57)【要約】【目的】刃先部の鋭利な工具に対して、その刃先部の耐
摩耗性等を改善するために、金属の窒化物、炭化物また
は炭窒化物の硬質膜を刃先に均一に被覆する方法を提供
することにある。【構成】イオンプレーティング法によって刃先部の鋭利
な工具に対して硬質膜を被覆する時、工具基材にバイア
ス電位を印加した際発生する工具基材周囲の電界強度
を、導電性多孔性バイアスコントロール治具で工具の所
要範囲を囲繞することにより均一化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばマイクロドリル
のような刃先部の鋭利な工具に対して、その刃先部の耐
摩耗性を改善するために、金属の窒化物などの硬質膜を
刃先に均一に被覆する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその技術的課題】硬質膜を工具形状の
基材に被覆する方法としては、熱化学反応を利用した熱
ＣＶＤ法ならびにＰＶＤ法の一種であるイオンプレーテ
ィング法が広く採用されている。これらの中でドリル等
のように工具刃先端部が鋭利な形状をもつ工具基材に対
しては、工具基材への熱影響を抑えるため被覆温度の低
いイオンプレーティング法が一般に用いられる。イオン
プレーティング法の特徴は、被覆層の付着力を実用的に
問題が無い程度に高めるため、イオン化している蒸着粒
子を加速して膜を形成させるべく工具基材にバイアス電
位を印加して成膜することである。そのため複雑な形状
を有する工具基材であっても、このバイアス電位を印加
するため蒸着粒子は回り込みやすくなり、いわゆる着き
回り性は良好なものとなる。

【０００３】しかし、例えばこのような工具基材として
直径が０．１〜２．０mm程度の刃先部が非常に鋭利な工
具（マイクロドリル）に被覆する際には、このバイヤス
電位によって鋭利な刃先部に電界が集中しやすくなる。
そのため、電荷をもっている蒸着粒子は電界が集中して
いる部分へより集中してしまうという問題が起こる。そ
の結果、蒸着粒子が鋭利な刃先部に過度に堆積したり、
電荷が集中するため刃先部が他の部分と比べてそのエネ
ルギーでより高温かつ極端に加熱され、結晶の異常成長
が生ずる。すなわちいわゆるノジュールが発生する。そ
の結果、刃先部に被覆される膜の厚さが極端に厚くな
り、工具の切れ味が悪くなる。さらに、イオンプレーテ
ィング法では、まれに蒸着粒子が多数個集合成長した粒
子（ドロップレット称する）が発生することがある。こ
のドロップレットが工具基材に飛来して、刃先部および
その近傍に付着して前述の問題が生じる場合もある。そ
の結果、この被覆マイクロドリルによって例えばプリン
ト基板等に穴をあける場合に、滑らかな穴をあけること
ができなくなる。またスミヤ現象（摩擦熱によってプリ
ント基板を構成する絶縁基板が融けてそれが下の銅箔等
に付着すること）が発生しやすくなったりする。前述の
ような問題は、マイクロドリル以外の刃先部が鋭利な工
具についても同様に生じる。

【０００４】本発明は前記のような問題点を解消するた
めに創案されたもので、その目的とするところは、イオ
ンプレーティング法において蒸着粒子が鋭利な工具刃先
部に集中し刃先部に厚く堆積することを防止できる被覆
層形成方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
め本発明は、工具基材表面に硬質膜を負のバイアス電圧
を印加するイオンプレーティング法により金属の窒化
物、炭化物または炭窒化物の硬質膜を被覆させる方法に
おいて、前記金属の窒化物、炭化物または炭窒化物被覆
粒子が鋭利な工具刃先部に集中し刃先部に厚く堆積する
ことを防止すべく、工具に対して工具周囲の電界強度を
均一化させつつ被覆させる構成としたものである。な
お、工具に負のバイアス電圧を印加したときに発生する
工具周囲の電界強度を均一化する方法としては、硬質膜
被覆時に導電性多孔バイアスコントロール治具で工具の
所要範囲を囲繞する方法が効果的である。また、窒化
物、炭化物または炭窒化物被覆粒子を形成する金属とし
ては、一般に、IVａ族金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、Ｖａ
族金属（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）およびVIａ族金属（Ｃｒ，Ｍ
ｏ，Ｗ）から構成されるグループの金属から選ばれたい
ずれか一つの金属である。

【０００６】以下本発明を添付図面に基づいて詳細に説
明する。金属の窒化物、炭化物または炭窒化物の硬質膜
の形成はイオンプレーティング法により行われるが、こ
のイオンプレーティング法は特に限定は無く、各種手法
をとることができる。例えば電子ビーム蒸発源を有する
もの、ホローカソード放電プラズマビーム蒸発源を有す
るものやアーク放電蒸発源を有するものなどであり、こ
れらは全て膜を形成させる基板(工具基材)に負のバイア
ス電位を印加するものである。詳細には、例えば、蒸発
源の上方にガスを導入する一方、蒸発源の近傍にイオン
化電極を配して正電圧を与えることでアーク放電を行わ
せ、蒸発源からの蒸発粒子をイオン化する方法が簡便で
ある。これに代えて、アーク放電型イオンプレーティン
グ法すなわち、蒸発源の近傍にイオン化電極を配し、さ
らにそれら蒸発源とイオン化電極とのあいだに熱電子放
射フィラメントを配置して熱電子を放射させる方法、活
性化ノズルを用いた反応性イオンプレーティング法すな
わち、蒸発源の近傍に熱電子放射フィラメントを配置し
て熱電子を放射すると共に、これと反対位置に正電圧を
印加した活性化ノズルを配置してイオン化ガスを導入す
る方法、アークライクプラズマイオンプレーティング法
すなわち、蒸発源の近傍上方に熱電子放射フィラメント
とイオン化電極を対向状に配置し、これと別位置からガ
スを導入する方法などを使用することもできる。また、
磁界励起形イオンプレーティング法を使用することもで
きる。この方法は、排気系や蒸発源に特別な配慮を要さ
ず、高真空中で容易に高密度プラズマを形成することが
でき、金属の窒化物、炭化物または炭窒化物の硬質膜を
容易に比較的高速で得ることができる利点がある。いず
れのイオンプレーティング法においても、成膜条件は、
一般に次の条件から成膜すべき膜質に応じて適宜選択す
ればよい。すなわち、窒化物や炭化物を形成する場合に
は、ガス圧力：５×１／１０²〜１×１／１０⁴Torr，ア
ノード電圧：３０〜８０Ｖ，アノード電流：１０〜８０
Ａ，カソード加熱電流：３０〜６０Ａ，バイアス電源出
力：５００Ｗ以下，電子銃電力：１.５〜４.０ＫＷであ
る。

【０００７】図１は磁界励起形イオンプレーティング法
の概要を示しており、１は真空槽、２は真空槽１の内部
下方に設けられた蒸発源であり、金属Ｂを収容するるつ
ぼと、これを加熱して蒸発させる手段たとえば電子銃や
抵抗加熱ヒータ２１を備えている。前記蒸発源は多元蒸
発機構としてもよい。金属Ｂとしては、IVａ族金属（Ｔ
ｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、Ｖａ族金属（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）およ
びVIａ族金属（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）から構成されるグルー
プの金属から選ばれたいずれか一つの金属が用いられ
る。３は被覆すべき工具Ｔを着脱可能に取付けるホルダ
ーであり、真空槽１内の前記蒸発源２と対面する位置に
配置されている。ホルダー３は外部のバイアス電源３０
に接続され、負の直流電圧又は高周波電圧が印加され、
また必要に応じて加熱用ヒータ３５により加熱される。
４はガスノズルであり、真空槽１外に伸びる導入管に設
けた流量調整弁４１により反応ガスたとえば窒素ガス、
炭化水素系ガス、あるいはそれらの混合ガスなどを真空
槽１内に導入する。６は熱電子放射用のカソード、７は
これに対向するアノード、８ａ，８ｂはこれらカソード
６とアノード７と同一水平面内の位置にしかもカソード
６とアノード７が形成する電界の方向と同じ向きに平行
磁界が形成されるように配置された一対の磁石、９はア
ノード側に配された補助アノードであり、それらによっ
てプラズマ発生機構が構成され、プラズマ発生機構の全
体は、真空槽１内に、蒸発源２とホルダー３間の中間例
えば少なくとも蒸発源２から１５０ｍｍ以上離間した位
置に設けられる。カソード６とアノード７の間隔はプラ
ズマ空間を広くするために広げることが好ましく、その
例としては２００〜５００ｍｍである。カソード６は
Ｗ，Ｔａ，Ｗ／Ｔｈなどの熱陰極材料で作られたフィラ
メントからなり、電源６０により通電加熱されることで
熱電子を放出する。アノード７はカソード６と対向する
側の磁石８ｂに結線して磁石そのものを電極としてもよ
いし、磁石８ｂの前面側に電極を別に設置することで構
成してもよく、いずれの場合も、アノード７には接地電
位に対して正の直流又は交流の電圧たとえば４０〜７０
Ｖの直流電圧が電源７１によって印加される。磁石８
ａ，８ｂは正対しており、その磁界の強さは、高密度の
プラズマを形成させるため、両磁石の中間地点で２０〜
４０Oeとすることが好ましい。

【０００８】このイオンプレーティング装置によって硬
質膜を成膜するときには、ホルダー３にワークとしての
工具Ｔを取付け、必要に応じて加熱ヒータ３５によりワ
ークを所要温度に加熱し、同時に真空槽１内を真空排気
する。その後、加熱ヒータ３５を止め、真空槽１内にガ
スノズル４からアルゴン等のガスを導入し、イオンボン
バードを所要時間行った後、成膜を行う。この成膜工程
では、ガスノズル４により真空槽１内に所定成分のガス
を導入し、補助アノード９に高い正電圧を印加し、カソ
ード６を通電すると共に、アノード７に正電圧を印加す
る。これにより磁石８ａ，８ｂの平行磁界とあいまって
プラズマが形成される。この状態で蒸発源２の加熱手段
２１を作動して蒸発材料としての金属Ｂを蒸発させる。
この蒸発粒子は上昇し、プラズマを通過してワークに付
着させられる一方、ホルダ３を介してワークに印加した
負の電圧又は高周波により生ずるセルフバイアス電圧に
よりプラズマ内で生成したガスイオンが引き付けられ、
基材ないしワーク上に衝突される。これにより基材ない
しワークＴに反応生成膜としての金属の窒化物、炭化物
または炭窒化物の硬質膜が堆積される。

【０００９】カソード６とアノード７は平行磁界に配置
されているため、その磁界と電界により、カソード６か
ら放出された熱電子は磁界の方向とは別方向の速度成分
によりサイクロトロン運動をしながら電界の方向すなわ
ちアノード７に向かって加速される。真空槽１内には予
めガスが導入されており、そのガスの分子が上記のよう
に加速された電子と衝突することにより電離が起り、ガ
ス分子がイオン化されプラズマが形成される。このプラ
ズマは平行磁界により高密度化され、これにより熱電子
放出によるカソード付近の負の空間電荷を打消し、ほぼ
熱陰極(フィラメント)の飽和電流値の電流がカソードか
らアノードに流れる。放熱電流はカソードの温度に比例
するため、容易に２０Ａ程度流すことができ、この時の
電子の流れは熱電子の初速度が磁界及び電界に比べ充分
に小さいため、ほぼシートビーム状となり、従って、磁
石８ａ，８ｂ間に高密度のプラズマ空間を安定的に形成
することができるのである。なお、アーク放電方式の場
合には、図１において蒸発源２の近傍にイオン化電極を
配し、一対の磁石８ａ，８ｂとアノード側の補助アノー
ド９を除去すればよい。

【００１０】いずれのイオンプレーティング法において
も、工具基材は工具周囲に均一な被覆層を形成すべく一
般的に自公転治具を有するホルダー３に取り付けられ
る。このホルダー３の一例を図２に示す。この自公転治
具の構造は任意であるが、この例ではホルダー３を中心
に嵌着固定し得るギヤ３１と、これを駆動するアクチュ
エータ３３と、ギヤとかみ合うギヤ付き環状レール３２
を備えている。この図にはバイアス電位を印加するため
の電源３０も併せて示している。そして、ホルダー３は
工具Ｔを囲繞するバイアスコントロール治具５を有して
いる。このバイアスコントロール治具５は、工具Ｔにバ
イアス電源３０からバイアスを印加したときに発生する
工具周囲の電界強度を均一化し、工具Ｔの鋭利な刃先部
にも適切な成膜が行われるようにする手段である。

【００１１】すなわち、イオンプレーティング法におい
ては、前記のように工具Ｔに負のバイアス電位をかけて
成膜することが必須である。このため、工具Ｔの刃先部
分に電荷が集中する。これは前述の理由から刃先部に被
覆される膜の厚さが厚くなる結果をもたらす。そこで本
発明は、バイアスを印加したときに発生する工具Ｔの周
囲の電界強度を均一化するように制御することによっ
て、電荷が集中することを防止し膜の厚さの均一な被覆
層を形成させるものである。

【００１２】バイアスコントロール治具５は、このこと
から、導電性材料であること、多孔性であること、対象
工具Ｔの形状に対応した形状を有し一部がホルダー１に
接触していることが必要である。その具体例としては、
ステンレスや銅などで構成された筒状ないしこれに類す
る形状の金網ないしこれに類するものが挙げられる。こ
の場合、孔径が小さすぎると蒸着粒子やガスイオンの侵
入が阻害され、成膜に必要な絶対量が不足して成膜速度
が低下し、逆に孔径が大きすぎると同電位化効果が乏し
くなり、電荷が集中し易くなるため、好適条件として
は、孔径（目の開き）が１〜５mm、孔間隔（網の線径）
が０．２〜１．０mmである。また、バイアスコントロー
ル治具５と工具表面は、その距離ｌがあまり大きすぎる
と同電位効果が喪失し、孔を通過した蒸着粒子が集中し
てしまい、逆にあまり距離ｌが小さいと蒸着粒子の工具
へのつき回りが悪くなり、網目模様状の膜となってしま
う。従って、前記距離ｌは通常１．０〜６．０mm好適に
は３〜４mmである。

【００１３】上記のような適切なバイアスコントロール
治具２を用いるならば、図３のように硬質膜形成の際に
反応するガスイオンＡならびに蒸着粒子Ｂはバイアスコ
ントロール治具５に影響され加速が解かれ、慣性力で孔
５０から内部空間に進入する。このため、蒸着粒子の工
具基材へ飛来する密度が均一化され、膜厚の均一な被覆
層が形成されるものである。

【００１４】

【実施例】次に本発明の実施例を示す。本発明を適用し
てマイクロドリルに窒化チタニウム（ＴｉＮ）膜を被覆
した。対象ドリルは、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金製の全長３
７mm、刃長５mm、ドリル径０．４mmφのものである。こ
のドリルに対し、電子ビーム蒸発源の上方に反応性ガス
を導入する一方、蒸発源の近傍にイオン化電極を配して
正電圧を与えることでアーク放電を行わせ、蒸発源から
の蒸発粒子をイオン化させる高真空アーク放電型イオン
プレーティング装置を使用して、周囲にＴｉＮ膜を被覆
した。この際、蒸発源には金属Ｔｉを使用し、反応ガス
としては窒素ガスを用いた。ドリルは、図２に模式的に
示したものと同様な自公転治具を有するホルダーに取り
付け、バイアスコントロール治具としてドリルの周りを
直径が４mmφのステンレスメッシュ筒で囲繞した。網目
の開きは２mm、線径０．５mmであり、ステンレスメッシ
ュ筒はドリル先端から２０mm先に達する長さとした。成
膜は、ホルダーに固定した工具をボンバードクリーニン
グ後、純度９９．９％のＴｉを電子ビーム蒸発源より蒸
発させて行った。この際の成膜条件は、電子ビーム出
力：−８．５ｋＶ，２５０ｍＡ、イオン化電極電圧：３
０Ｖ、イオン化電流：５０Ａ、窒素ガス圧力：１×１／
１０³Ｔｏｒｒ、バイアス電圧：−３００Ｖ、工具温
度：３５０℃であった。得られたＴｉＮ被膜層の膜厚は
約１．５μｍであり、ドリルの主切れ刃、コーナ、マー
ジンにも一様に膜が形成されていた。これはバイアスコ
ントロール治具の効果により均一な膜を形成できたこと
によることは明らかである。次いで、得られた被覆ドリ
ルの切削特性を調べた。この試験での穴あけ装置にはＣ
ＮＣドリリングマシンを使用した。被加工材はガラスエ
ポキシ４層板（ＮＥＭＡグレード、ＦＲ−４）である。
切削条件は、ドリル回転数：７５０００ｒｐｍ、Ｚ軸送
り速度：２．４ｍ／ｍｉｎ、穴あけピッチ：２．５mmで
あり、ガラスエポキシ基板２枚重ねに貫通穴をあける試
験を行った。穴あけの際切削液は使用しなかった。併せ
てバイアスコントロール治具を使用しないほか他を同条
件としてＴｉＮ被膜層付きのドリルを得、これについて
も上記条件で切削特性を調べた。その結果、従来法（バ
イヤスコントロール治具を使用しないほか同条件で被覆
する方法）でＴｉＮ膜被覆されたマイクロドリルは、未
被覆ドリルの平均寿命（スミヤ現象が発生して使用不可
となる）である３０００ヒット（回）よりは幾分向上し
たものの、平均で約４０００ヒット（回）程度で寿命に
達した。しかし中には３０００ヒットより寿命が短くな
る場合も観察された。これに対して、本発明法で被覆し
たマイクロドリルの場合は、約１００００ヒット（回）
程度と２〜３倍程度に寿命が向上されることが確認され
た。これは、図４に刃先部を拡大し模式的に示すよう
に、工具刃先部最外部ＤにＴｉＮ膜Ｃがノジュール現象
を生ぜず均一な膜厚で形成されたため、被覆の効果が良
好に現れたことによることは明らかである。それに対
し、従来法では図５に刃先部を拡大し模式的に示すよう
に、刃先にＴｉＮのノジュールＣ’が生じており、この
ため切れ味が悪くなったり、そこが脱落したりして満足
な寿命向上が得られなかったと思われる。

【００１５】なお、上記方法は、イオンプレーティング
法によって形成される前述のＴｉＮの他、IVａ族金属
（Ｚｒ，Ｈｆ）、更にはＶａ族金属（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）
やVIa族金属（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ）の窒化物、炭化物また
は炭窒化物、例えばＨｆＮ，ＣｒＮ，ＺｒＮ，ＴｉＣ，
ＴｉＣＮ等の薄膜の被覆にも勿論適用することができ
る。また、上記方法は前述したようなマイクロドリル
以外の刃先部が鋭利な工具への薄膜被覆にも勿論適用す
ることができる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明した本発明の請求項１によれ
ば、被覆層を形成させる際に工具基材にバイアス電位を
印加したときに発生する工具周囲の電界強度を均一化す
るため、蒸発源より発生された電荷をもった蒸着粒子が
刃先部の鋭利な工具の刃先部に集中すること、ならびに
同工具の刃先部およびその近傍に大きなサイズのドロッ
プレットが付着してそれぞれ工具の切れ味を低下させる
ことが防止され、表面が滑らかで膜厚の均一性の優れた
被覆層を有する切れ味の良い工具を得ることができると
いうすぐれた効果が得られる。請求項２によれば、導電
性多孔バイアスコントロール治具で工具の所要範囲を囲
繞するため、工具周囲の電界強度の均一化を簡単かつ低
コストで実現することができるというすぐれた効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の被覆層形成方法に使用されるイオンプ
レーティング装置の一例を示す説明図である。

【図２】イオンプレーティングに使用されるバイアスコ
ントロール治具を使用状態で示す側面図である。

【図３】バイアスコントロール治具の作用を示す説明図
である。

【図４】本発明を適用した被覆マイクロドリルの刃先部
の拡大断面図である。

【図５】バイアスコントロール治具を使用しなかった場
合の被覆マイクロドリルの刃先部の拡大断面図である。

【符号の説明】

３ホルダー５バイアスコントロール治具３０バイアス電源５０孔Ｔ被覆すべき工具Ａ反応するガスイオンＢ蒸着粒子Ｃ硬質膜被覆層Ｄ工具刃先部最外部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工具基材表面に硬質膜を負のバイアス電圧
を印加するイオンプレーティング法により金属の窒化
物、炭化物または炭窒化物の硬質膜を被覆させる方法に
おいて、前記金属の窒化物、炭化物または炭窒化物被覆
粒子が鋭利な工具刃先部に集中し刃先部に厚く堆積する
ことを防止すべく、工具に対して工具周囲の電界強度を
均一化させつつ被覆させることを特徴とする工具への被
覆層形成方法。
【請求項２】前記工具に負のバイアス電圧を印加したと
きに発生する工具周囲の電界強度を均一化する方法が、
硬質膜被覆時に導電性多孔バイアスコントロール治具で
工具の所要範囲を囲繞する方法である請求項１に記載の
被覆層形成方法。
【請求項３】窒化物、炭化物または炭窒化物被覆粒子を
形成する金属がIVａ族金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）、Ｖａ
族金属（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）およびVIａ族金属（Ｃｒ，Ｍ
ｏ，Ｗ）から構成されるグループの金属から選ばれたい
ずれか一つの金属である請求項１ないし２のいずれかに
記載の工具への被覆層形成方法。