JP2009185373A - Manufacturing method of hard material - Google Patents

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泰之 鈴木
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茂夫 小竹
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雅弘 中川
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三喜男 野田
Junya Funatsu
純矢 船津
Kenta Yamashita
健太 山下
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for manufacturing a hard material more easily as compared with the conventional art. <P>SOLUTION: The hard material is produced by using a plasma-enhanced chemical vapor deposition method by pulse discharge, and subjecting the oxide of at least one of elements selected from B, Ti, W, and Si to hydrogen reduction, then to nitriding, carbonizing or carbonitriding. It is preferable that one or two or more selected from B<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, TiO, TiO<SB>2</SB>, Ti<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, WO<SB>2</SB>, W<SB>2</SB>O<SB>5</SB>, WO<SB>3</SB>, SiO<SB>2</SB>are included in the oxide. Also, the hard material obtained by using the manufacturing method is used as a coating material for a cutting tool. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、硬質物質の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a hard substance.

切削工具や金型、機械部品などの耐摩耗性や耐久性、耐食性を高めるために、それらの表面に硬質物質をコーティングすることが広く行われている。このようなコーティング材としては、例えば、TiNなどの窒化物やTiC、WC、SiCなどの炭化物等が使用されることが多い。また、近年では、ダイヤモンドに次いで高い硬度を有するc−BN(立方晶窒化ホウ素)なども、コーティング材への応用が期待されている。   In order to improve wear resistance, durability, and corrosion resistance of cutting tools, molds, machine parts, and the like, it is widely performed to coat hard surfaces thereof. As such a coating material, for example, a nitride such as TiN or a carbide such as TiC, WC, or SiC is often used. In recent years, c-BN (cubic boron nitride) having the second highest hardness after diamond is also expected to be applied to coating materials.

これら窒化物や炭化物の製造技術としては、イオンプレーティング法やスパッタリング法、電子ビーム蒸着法などのPVD(物理的蒸着)法や、プラズマCVD法や熱CVD法などのCVD(化学的気相成長)法などが知られている。   These nitride and carbide manufacturing technologies include PVD (physical vapor deposition) methods such as ion plating, sputtering, and electron beam vapor deposition, and CVD (chemical vapor deposition) such as plasma CVD and thermal CVD. ) Laws are known.

例えば、非特許文献1には、アーク放電や電子銃を用いてチタンを蒸発させイオン化し、チタンイオンと窒素イオンとを基材表面に衝突させ反応させてTiNを合成する方法(イオンプレーティング法)、低温で気化した揮発性の金属化合物塩(TiCl)と反応ガス(CHもしくはN)とを、高温に加熱された基材表面に接触させ反応させてTiCもしくはTiNを合成する方法(CVD法)、ホウ素を電子ビームで蒸着させ、窒素とアルゴンの混合ガスをイオンガンによってイオン化させてc−BNを合成する方法(電子ビーム蒸着法)が記載されている。 For example, Non-Patent Document 1 discloses a method of synthesizing TiN by evaporating and ionizing titanium using an arc discharge or an electron gun, and causing titanium ions and nitrogen ions to collide with and react with a substrate surface (ion plating method). ), A method of synthesizing TiC or TiN by bringing a volatile metal compound salt (TiCl 4 ) vaporized at a low temperature and a reaction gas (CH 4 or N 2 ) into contact with the substrate surface heated to a high temperature and reacting them. (CVD method) describes a method (electron beam evaporation method) in which boron is vapor-deposited by an electron beam and a mixed gas of nitrogen and argon is ionized by an ion gun to synthesize c-BN.

また、特許文献1には、h−BN(六方晶窒化ホウ素)をターゲットとする高周波バイアススパッタリング法により、Ar−N2 混合ガスを用いて基板温度を350〜650度にしてc−BN薄膜を合成する技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses that a c-BN thin film is formed at a substrate temperature of 350 to 650 ° C. using an Ar—N 2 mixed gas by a high frequency bias sputtering method using h-BN (hexagonal boron nitride) as a target. Techniques for synthesizing are disclosed.

さらに、特許文献2には、アルゴン、水素ガスをプラズマの制御に用い、ホウ素源のBFガスおよび窒素ガスを、プラズマを用いて反応させ、気相からc−BN薄膜をシリコン基板上に合成する方法が開示されている。 Further, in Patent Document 2, argon and hydrogen gas are used for plasma control, and boron source BF 3 gas and nitrogen gas are reacted using plasma to synthesize a c-BN thin film on a silicon substrate from the gas phase. A method is disclosed.

池永勝、鈴木秀人「ドライプロセスによる超硬質皮膜の原理と工業的応用」、日刊工業新聞社、pp.6−31、(2000)Masaru Ikenaga and Hideto Suzuki “Principle and industrial application of ultra-hard coating by dry process”, Nikkan Kogyo Shimbun, pp. 6-31, (2000) 特開平11−12717号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-12717 特開2001−302218号公報JP 2001-302218 A

しかしながら、上記従来の硬質物質の製造方法では以下の問題があった。   However, the conventional method for producing a hard material has the following problems.

すなわち、ホウ素やチタンなどは、酸化物として天然に存在することが多く、それら酸化物は安定であるがゆえ、プラズマなどを用いて分解することが難しかった。   In other words, boron, titanium, and the like often exist in nature as oxides, and these oxides are stable, so that it is difficult to decompose them using plasma or the like.

したがって、例えば、上記従来のPVD法を用いてc−BNを合成する場合には、ホウ酸石(B(OH))などを電解還元するなどして精錬して得たホウ素単体を原料として用いなければならず、最終生成物を得るために多大な労力を費やさなければならないといった問題があった。 Therefore, for example, when c-BN is synthesized using the above-described conventional PVD method, boron alone obtained by refining borate (B (OH) 3 ) or the like by electrolytic reduction is used as a raw material. There was a problem that it had to be used and a great deal of effort had to be spent to obtain the final product.

また、上記従来のCVD法を用いてc−BNやTiNなどを合成する場合であっても、ホウ素やチタンの酸化物をそのまま原料にすることはできず、ソースガスとしてBFガスなどのハロゲン化物やTiClなどの金属化合物塩、有機化合物などを用いなければならず、上記問題に加え、有害なガスを用いるために環境負荷がかかるといったことも懸念されていた。 Further, even when c-BN or TiN is synthesized using the conventional CVD method, boron or titanium oxide cannot be used as a raw material as it is, and halogen such as BF 3 gas is used as a source gas. metal compound salt such as halides or TiCl 4, must be used, such as organic compounds, in addition to the above problems, environmental load was also concern that such according to the use of harmful gases.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、従来に比べて簡便に硬質物質を製造することが可能な製造方法を提供することにある。   Then, the subject which this invention tends to solve is providing the manufacturing method which can manufacture a hard substance simply compared with the past.

本発明者らが鋭意研究した結果、パルス放電によるプラズマ化学気相成長法を用いて、この方法の特徴である水素のラジカルによる極めて高い還元雰囲気を利用して、酸化物を還元し、窒化、炭化または炭窒化させうることを見出した。   As a result of intensive research by the present inventors, using a plasma chemical vapor deposition method by pulse discharge, an oxide is reduced using a very high reducing atmosphere by hydrogen radicals, which is a feature of this method, It has been found that it can be carbonized or carbonitrided.

本発明は主に上記知見に基づきなされたもので、本発明に係る硬質物質の製造方法は、パルス放電によるプラズマ化学気相成長法を用いて、B、Ti、WおよびSiから選択される少なくとも1種の元素の酸化物を水素還元し、窒化、炭化または炭窒化させる工程を有することを要旨とするものである。   The present invention has been made mainly based on the above knowledge, and the method for producing a hard material according to the present invention is at least selected from B, Ti, W and Si using a plasma chemical vapor deposition method by pulse discharge. The gist of the invention is to have a step of hydrogen reduction of an oxide of one element and nitriding, carbonizing or carbonitriding.

ここで、上記酸化物は、B、TiO、TiO、Ti、WO、W、WO、SiOから選択される1種または2種以上を含むと良い。 Here, the oxide may include one or more selected from B 2 O 3 , TiO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , WO 2 , W 2 O 5 , WO 3 , and SiO 2. .

そして、反応ガスとして、水素ガスを用い、さらに、窒化物を製造する場合には窒素含有ガス、炭化物を製造する場合には炭素含有ガス、炭窒化物を製造する場合には窒素含有ガスおよび炭素含有ガスを用いると良い。   Then, hydrogen gas is used as the reaction gas. Further, when producing nitride, nitrogen-containing gas, when producing carbide, carbon-containing gas, when producing carbonitride, nitrogen-containing gas and carbon It is preferable to use a contained gas.

さらに、上記酸化物は、薄膜状に形成されていても良い。   Further, the oxide may be formed in a thin film shape.

この場合、酸化物の膜厚は、1nm〜100μmの範囲内にあることが好ましい。   In this case, the thickness of the oxide is preferably in the range of 1 nm to 100 μm.

また、上記パルス放電は、少なくとも、ガス圧力1〜800Torr、放電電流密度0.001〜1000A/cm、パルスの各周期における放電時間0.01〜10ms、放電停止時間0.01〜10msの放電条件を満たすと良い。 The pulse discharge is performed at least with a gas pressure of 1 to 800 Torr, a discharge current density of 0.001 to 1000 A / cm 2 , a discharge time of 0.01 to 10 ms in each cycle of the pulse, and a discharge stop time of 0.01 to 10 ms. It is good to meet the conditions.

さらに、本発明に係る工具には、上記製造方法により得られた硬質物質をコーティング材として用いることを要旨とするものである。   Furthermore, the gist of the present invention is to use a hard material obtained by the above-described manufacturing method as a coating material.

本発明に係る製造方法では、水素のラジカルによる極めて高い還元雰囲気を利用するので、酸化物を原料に用いることができ、酸化物を直接還元し、窒化、炭化または炭窒化させることができる。そのため、従来に比べて簡便に硬質物質を製造することができる。   In the production method according to the present invention, an extremely high reducing atmosphere by hydrogen radicals is used, so that an oxide can be used as a raw material, and the oxide can be directly reduced and nitrided, carbonized or carbonitrided. Therefore, it is possible to produce a hard substance more easily than in the past.

また、従来のPVD法では、製造時の反応容器内の圧力を10−4Torr以下の高真空にする必要があったが、本発明に係る製造方法では、反応容器内の予備排気の圧力は10−2Torr程度の真空で十分であり、また、パルス放電時の圧力は1〜800Torr程度で良く、高真空を必要としない。 Further, in the conventional PVD method, the pressure in the reaction vessel at the time of production needs to be a high vacuum of 10 −4 Torr or less, but in the production method according to the present invention, the pressure of the preliminary exhaust in the reaction vessel is A vacuum of about 10 −2 Torr is sufficient, and the pressure during pulse discharge may be about 1 to 800 Torr and does not require a high vacuum.

さらに、直流(DC)プラズマ放電を用いることができるため、高周波(RF)スパッタ法などに比較して装置が安価である。   Furthermore, since direct current (DC) plasma discharge can be used, the apparatus is less expensive than radio frequency (RF) sputtering.

また、酸化物の原料として比較的安価なB、TiO、TiO、Ti、WO、W、WO、SiOを用いることができるため、製造コストを抑えることができる。 In addition, relatively inexpensive B 2 O 3 , TiO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , WO 2 , W 2 O 5 , WO 3 , and SiO 2 can be used as raw materials for oxides, thereby reducing manufacturing costs. be able to.

そして、本発明に係る製造方法では、反応ガスとしてハロゲン等の有害なガスを含んでいないガスを用いることができ、環境負荷を抑えることができる。   And in the manufacturing method which concerns on this invention, the gas which does not contain harmful gas, such as a halogen, can be used as a reactive gas, and an environmental load can be suppressed.

また、本発明に係る製造方法では、薄膜状に形成された酸化物を用いることができ、その膜厚が1nm〜100μmの範囲内であれば、上記薄膜を十分に還元し、窒化、炭化または炭窒化させることができる。   In addition, in the manufacturing method according to the present invention, an oxide formed in a thin film shape can be used, and if the film thickness is in the range of 1 nm to 100 μm, the thin film is sufficiently reduced to be nitrided, carbonized or It can be carbonitrided.

さらに、上記パルス放電は、少なくとも、ガス圧力1〜800Torr、放電電流密度0.001〜1000A/cm、パルスの各周期における放電時間0.01〜10ms、放電停止時間0.01〜10msの放電条件を満たしていれば、酸化物を効率的に還元し、窒化、炭化または炭窒化させることができる。 Further, the pulse discharge is performed at least at a gas pressure of 1 to 800 Torr, a discharge current density of 0.001 to 1000 A / cm 2 , a discharge time of 0.01 to 10 ms in each cycle of the pulse, and a discharge stop time of 0.01 to 10 ms. If the conditions are satisfied, the oxide can be efficiently reduced and nitrided, carbonized, or carbonitrided.

また、本発明に係る工具は、上記製造方法により得られた硬質物質をコーティング材として用いるので、耐摩耗性などの機械的特性に優れるとともに、工具の長寿命化に寄与し、製造コストを抑えることができる。   In addition, since the tool according to the present invention uses the hard material obtained by the above manufacturing method as a coating material, it has excellent mechanical properties such as wear resistance, contributes to the extension of the tool life, and suppresses the manufacturing cost. be able to.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明では、パルス放電によるプラズマ化学気相成長法を利用して、特定元素の酸化物を原料に用い、硬質物質を製造する。   In the present invention, a hard substance is manufactured using an oxide of a specific element as a raw material using a plasma chemical vapor deposition method by pulse discharge.

具体的には、B、Ti、WおよびSiから選択される少なくとも1種の元素の酸化物を用いる。好ましくは、B、TiO、TiO、Ti、WO、W、WO、SiOから選択される1種または2種以上の酸化物を用いると良い。この中でもさらに好ましくは、Bを用いると良い。Bは、後述するように、簡便な方法で製造することができ、また材料コストも比較的安いからである。 Specifically, an oxide of at least one element selected from B, Ti, W, and Si is used. Preferably, one or more oxides selected from B 2 O 3 , TiO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , WO 2 , W 2 O 5 , WO 3 , and SiO 2 may be used. Among these, B 2 O 3 is more preferably used. This is because B 2 O 3 can be produced by a simple method as described later, and the material cost is relatively low.

そして、上記酸化物を、反応ガスを用いて還元し、窒化、炭化または炭窒化させることにより、硬質物質を製造することができる。   And a hard substance can be manufactured by reduce | restoring the said oxide using a reactive gas, and nitriding, carbonizing, or carbonitriding.

酸化物を還元させる反応ガスとしては、水素ガスを用いる。さらに、上記水素ガスに加え、窒化物を製造する場合には、窒素含有ガスを用いて酸化物を窒化させることができる。   Hydrogen gas is used as the reaction gas for reducing the oxide. Furthermore, in addition to the above hydrogen gas, when producing a nitride, an oxide can be nitrided using a nitrogen-containing gas.

窒素含有ガスとしては、窒素ガスのほかアンモニアガスなどを例示することができるが、必ずしもこれに限定されるものではない。   Examples of the nitrogen-containing gas include ammonia gas in addition to nitrogen gas, but are not necessarily limited thereto.

炭化物を製造する場合には、上記水素ガスに加え、炭素含有ガスを用いて酸化物を炭化させることができる。   In the case of producing a carbide, the oxide can be carbonized using a carbon-containing gas in addition to the hydrogen gas.

炭素含有ガスとしては、メタンガス、プロパンガス、アセチレンガス、ベンゼンガスなどの炭化水素ガス、メチルアルコールガス、エチルアルコールガスなどを例示することができるが、必ずしもこれに限定されるものではない。また、上記炭化水素ガスは、1種または2種以上混合されていても良い。   Examples of the carbon-containing gas include hydrocarbon gases such as methane gas, propane gas, acetylene gas, and benzene gas, methyl alcohol gas, and ethyl alcohol gas, but are not necessarily limited thereto. Moreover, the said hydrocarbon gas may be 1 type, or 2 or more types may be mixed.

さらに、炭窒化物を製造する場合には、上記水素ガスに加え、上記に示した窒素含有ガスおよび炭素含有ガスを用いて酸化物を炭窒化させることができる。   Furthermore, when producing carbonitrides, oxides can be carbonitrided using the nitrogen-containing gas and carbon-containing gas shown above in addition to the hydrogen gas.

上記酸化物は、薄膜状、バルク状、粉状などの形状のものを用いることができるが、好ましくは、薄膜状に形成されているものを用いると良い。薄膜状であれば、切削工具や金型、機械部品などの表面のコーティングが容易にできるからである。   The oxide may be in the form of a thin film, a bulk, a powder, or the like, but preferably the oxide is formed in a thin film. This is because if it is in the form of a thin film, it is possible to easily coat the surface of cutting tools, molds, machine parts, and the like.

薄膜状の酸化物を用いる場合、この膜厚は、1nm〜100μmの範囲内にあることが好ましい。酸化物の膜厚がこの範囲内にあれば、酸化物を十分に還元し、窒化、炭化または炭窒化させることができる。また、この範囲内であれば、切削工具や金型、機械部品などの表面のコーティングに用いた場合に、耐摩耗性や耐久性、耐食性を十分に高めることができるからである。   When using a thin film-like oxide, this film thickness is preferably in the range of 1 nm to 100 μm. If the thickness of the oxide is within this range, the oxide can be sufficiently reduced and nitrided, carbonized or carbonitrided. In addition, within this range, the wear resistance, durability, and corrosion resistance can be sufficiently enhanced when used for coating a surface of a cutting tool, a die, a machine part, or the like.

上記薄膜状の酸化物の製造方法は特に限定されないが、高価な装置が必要なく比較的容易に薄膜を形成することができる非真空プロセスを用いると良い。   The method for manufacturing the thin film oxide is not particularly limited, but it is preferable to use a non-vacuum process capable of forming a thin film relatively easily without requiring an expensive apparatus.

例えば、薄膜状のBは、ホウ酸水溶液を基材表面に塗布して熱処理することにより得ることができる。ホウ酸(HBO)は、大気圧171度において分解点に達し、無水ホウ酸(B)を形成することが知られており、この過程を用いることができる。 For example, thin-film B 2 O 3 can be obtained by applying an aqueous boric acid solution to the substrate surface and heat-treating it. Boric acid (H 3 BO 3 ) is known to reach the decomposition point at an atmospheric pressure of 171 degrees and form boric anhydride (B 2 O 3 ), and this process can be used.

また、薄膜状のTiO、WO、W、WO、SiOは、例えば、ゾルゲル法を用いて形成することができる。 The thin-film-like TiO 2, WO 2, W 2 O 5, WO 3, SiO 2 , for example, can be formed by using a sol-gel method.

ゾルゲル法で形成する場合、その原料となる金属アルコキシドとしては、具体的には、例えば、少なくとも一つのM−O−C(M:金属、O:酸素、C:炭素を表す)結合を有しており、アルコールのR−O−HのHが金属と置換した金属有機化合物などを例示することができる。以下に、金属アルコキシドをより具体的に例示するが、必ずしもこれらに限定されるものではない。また、これらは1種または2種以上混合して用いることも可能である。   In the case of forming by the sol-gel method, the metal alkoxide as the raw material specifically includes, for example, at least one M—O—C (M: represents metal, O: oxygen, C: represents carbon) bond. Examples thereof include metal organic compounds in which H of alcohol R—O—H is substituted with metal. Hereinafter, metal alkoxides are illustrated more specifically, but are not necessarily limited thereto. Moreover, these can also be used 1 type or in mixture of 2 or more types.

チタン系アルコキシドとしては、具体的には、例えば、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトラブトキシド、シクロペンタジニエルチタントリイソプロポキシドなどを例示することができる。   Specific examples of the titanium-based alkoxide include titanium tetraisopropoxide, titanium tetraethoxide, titanium tetrabutoxide, and cyclopentadinier titanium triisopropoxide.

タングステンアルコキシドとしては、具体的には、例えば、タングステンペンタエトキシドなどを例示することができる。   Specific examples of the tungsten alkoxide include tungsten pentaethoxide.

ケイ素アルコキシドとしては、具体的には、例えば、オルトケイ酸メチル、オルトケイ酸エチル、オルトケイ酸ブチル、フェニルトリエトキシシラン、アリルトリエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、シクロペンチルトリエトキシシランなどを例示することができる。   Specific examples of the silicon alkoxide include methyl orthosilicate, ethyl orthosilicate, butyl orthosilicate, phenyltriethoxysilane, allyltriethoxysilane, methyltriethoxysilane, and cyclopentyltriethoxysilane. .

また、上記ゾルゲル法は、上記金属アルコキシドをトルエンやジクロロエチレンなどの溶媒で希釈してコーティング液を作製し、このコーティング液を基材上に大気中などで塗工するなどして行えば良い。この際、基材への塗工方法としては、具体的には、例えば、ディッピング法、吹き付け法、スピンコート法、単純な刷毛塗り法などを例示することができる。基材の形状、目標膜厚などを考慮して適宜選択すれば良い。そして、基材上に塗工した試料を熱処理等して、薄膜状の酸化物を得ることができる。   The sol-gel method may be performed by diluting the metal alkoxide with a solvent such as toluene or dichloroethylene to prepare a coating solution, and coating the coating solution on the substrate in the air. In this case, specific examples of the coating method on the substrate include a dipping method, a spraying method, a spin coating method, and a simple brush coating method. What is necessary is just to select suitably considering the shape of a base material, a target film thickness, etc. And the sample coated on the base material can be heat-treated to obtain a thin film-like oxide.

また、バルク状の酸化物としては、B、TiO、TiO、Ti、WO、W、WO、SiOの焼結体を用いることができる。焼結体は、固相反応法などを用いて製造することができる。 As the bulk oxide, a sintered body of B 2 O 3 , TiO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , WO 2 , W 2 O 5 , WO 3 , and SiO 2 can be used. The sintered body can be manufactured using a solid phase reaction method or the like.

薄膜状の酸化物の製造方法には、上記製造方法のほかに、真空技術を用いることもできる。例えば、イオンプレーティング法やスパッタリング法、電子ビーム蒸着法などのPVD(物理的蒸着)法や、プラズマCVD法や熱CVD法などのCVD(化学的気相成長)法を用いることができる。これらの方法を用いることにより、表面が平滑な薄膜状の酸化物を得ることができる。   In addition to the above manufacturing method, a vacuum technique can be used for the manufacturing method of the thin film-like oxide. For example, a PVD (physical vapor deposition) method such as an ion plating method, a sputtering method, or an electron beam vapor deposition method, or a CVD (chemical vapor deposition) method such as a plasma CVD method or a thermal CVD method can be used. By using these methods, a thin-film oxide having a smooth surface can be obtained.

上記のようにして得られた酸化物を、パルス放電によるプラズマ化学気相成長法を用いて、酸化物を水素還元し、窒化、炭化または炭窒化させ、硬質物質を製造する。   The oxide obtained as described above is subjected to hydrogen reduction, nitriding, carbonizing, or carbonitriding using a plasma chemical vapor deposition method by pulse discharge to produce a hard substance.

次に、本発明に係る硬質物質の製造方法の一例を、図を用いてより具体的に説明する。図1は、本発明の硬質物質の製造方法に好適に用いられる、パルス放電によるプラズマ化学気相成長装置の概略図を示す。パルス放電によるプラズマ化学気相成長装置50は、反応室10、排気バルブ12、真空ポンプ14、反応ガス導入バルブ16、マスフローコントローラ18、反応ガス20、パルス電源22、陰極24を備えている。   Next, an example of the manufacturing method of the hard substance according to the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of a plasma chemical vapor deposition apparatus using pulse discharge, which is preferably used in the method for producing a hard material of the present invention. The plasma chemical vapor deposition apparatus 50 by pulse discharge includes a reaction chamber 10, an exhaust valve 12, a vacuum pump 14, a reaction gas introduction valve 16, a mass flow controller 18, a reaction gas 20, a pulse power source 22, and a cathode 24.

真空ポンプ14は排気バルブ12を介して反応室10に接続されており、反応室10内の真空引きを行うためのものである。マスフローコントローラ18は、反応ガス導入バルブ16を介して反応室10に接続されており、反応室10内に導入されるガスの流量を調節するためのものである。パルス電源22は、反応室10を介して、反応室10内に配設されている陰極24に接続されており、陰極24と基材間に放電を起こさせるものである。また、基材の過度な温度上昇を防ぐために、ホルダ周辺部には水冷台(図示しない)が設けられている。   The vacuum pump 14 is connected to the reaction chamber 10 via the exhaust valve 12 and is used to evacuate the reaction chamber 10. The mass flow controller 18 is connected to the reaction chamber 10 via the reaction gas introduction valve 16 and adjusts the flow rate of the gas introduced into the reaction chamber 10. The pulse power source 22 is connected to the cathode 24 disposed in the reaction chamber 10 via the reaction chamber 10 and causes discharge between the cathode 24 and the substrate. In order to prevent an excessive temperature rise of the base material, a water cooling table (not shown) is provided around the holder.

図2はパルス電源の構成の概略図である。パルス電源22は直流電源26とその出力を断続させるインテリジェントパワーモジュール(IPM)28およびパルス発信器30と、抵抗32と、低圧側で電流を断続させ高圧側で放電に必要な高い電圧を発生させる高圧トランス34と、高圧トランスの高圧側からの電圧を放電するためのダイオード36とを備えている。   FIG. 2 is a schematic diagram of the configuration of the pulse power supply. The pulse power source 22 is a DC power source 26, an intelligent power module (IPM) 28 that interrupts its output, a pulse transmitter 30, a resistor 32, and a current that is interrupted on the low-voltage side to generate a high voltage required for discharge on the high-voltage side. A high voltage transformer 34 and a diode 36 for discharging the voltage from the high voltage side of the high voltage transformer are provided.

このパルス電源22においては、出力電圧を0から約200Vまで変化させることのできる直流電源26の出力を、パルス発信器30から発信されるパルスを用いてインテリジェントパワーモジュール28で断続しつつ、高圧トランス34の低圧側に加え、電流を断続させるときのONとOFFの時間は、パルス発信器30により広範囲に変化させることができるようにしてある。またこのパルス電源22は高圧トランス34の大きなインダクタンスと回路に挿入した抵抗32による過渡現象を利用して、アーク放電になるような急激な電流の増加を抑えるようになしており、一方で、高圧トランス34の高圧側の電圧を、ダイオード36を通して放電電極に加えて放電させることができるように構成されている。   In this pulse power source 22, the output of the DC power source 26 whose output voltage can be changed from 0 to about 200 V is intermittently transmitted by the intelligent power module 28 using a pulse transmitted from the pulse transmitter 30, while the high voltage transformer In addition to the low voltage side of 34, the ON and OFF times when the current is interrupted can be changed in a wide range by the pulse transmitter 30. The pulse power supply 22 uses a large inductance of the high-voltage transformer 34 and a transient phenomenon caused by the resistor 32 inserted in the circuit to suppress a sudden increase in current that causes arc discharge. The voltage on the high voltage side of the transformer 34 is applied to the discharge electrode through the diode 36 and can be discharged.

図3は、放電時の波形を例示したグラフである。(a)はパルス発信器の波形、(b)は電極間の放電電圧の波形、(c)は放電電流の波形である。ここで、Ipは放電電流、Tdは放電時間、Tnは放電停止時間、Vpは放電開始時のピーク電圧、Vgは放電電圧、Taは放電停止後電流がゼロになるまでの時間、Trはパルスの発信から放電電圧が放電開始電圧となるまでのパルス電圧の立ち上がり時間である。   FIG. 3 is a graph illustrating waveforms during discharge. (A) is a waveform of a pulse transmitter, (b) is a waveform of a discharge voltage between electrodes, and (c) is a waveform of a discharge current. Here, Ip is the discharge current, Td is the discharge time, Tn is the discharge stop time, Vp is the peak voltage at the start of discharge, Vg is the discharge voltage, Ta is the time until the current becomes zero after the discharge stops, Tr is the pulse This is the rise time of the pulse voltage from when the discharge voltage reaches the discharge start voltage.

まず、反応室10へ酸化物試料を導入した後、排気バルブ12を開き、真空ポンプ14で反応室10内の真空引きを開始する。反応室10内の真空度が10−2Torr程度になるまで真空引きした後、反応ガス導入バルブ16を開けて、マスフローコントローラ18で設定した流量の反応ガス20を反応室10内へ導入する。その後、パルス電源22から電圧を発生させ、陰極と基材間に放電を起こさせて、酸化物の窒化、炭化または炭窒化を行う。 First, after an oxide sample is introduced into the reaction chamber 10, the exhaust valve 12 is opened, and the vacuum pump 14 starts evacuating the reaction chamber 10. After evacuating until the degree of vacuum in the reaction chamber 10 becomes about 10 −2 Torr, the reaction gas introduction valve 16 is opened, and the reaction gas 20 having a flow rate set by the mass flow controller 18 is introduced into the reaction chamber 10. Thereafter, a voltage is generated from the pulse power source 22 to cause a discharge between the cathode and the base material, thereby nitriding, carbonizing or carbonitriding the oxide.

このとき、各反応ガスの導入手順はとくに限定されない。例えば、酸化物を水素で還元し、同時に、またはその後、窒化、炭化、炭窒化させることができる。具体的に、窒化物を製造する場合には、水素ガスと窒素含有ガスを、反応室10内に同時に導入して還元と窒化を同時に行っても良いし、水素ガスを先に反応室10内に導入して酸化物試料をある程度還元させた後、さらに窒素含有ガスを導入し、窒化させても良い。また、水素ガスを先に反応室10内に導入して酸化物試料を還元させた後、窒素含有ガスのみを反応室10内に導入して窒化させても良い。   At this time, the introduction procedure of each reaction gas is not particularly limited. For example, the oxide can be reduced with hydrogen and simultaneously or subsequently nitrided, carbonized, carbonitrided. Specifically, in the case of producing nitride, hydrogen gas and nitrogen-containing gas may be simultaneously introduced into the reaction chamber 10 to perform reduction and nitridation at the same time. After the oxide sample is reduced to some extent by introduction into the gas, a nitrogen-containing gas may be further introduced and nitrided. Alternatively, after hydrogen gas is first introduced into the reaction chamber 10 to reduce the oxide sample, only the nitrogen-containing gas may be introduced into the reaction chamber 10 for nitriding.

炭化物を製造する場合には、水素ガスと炭素含有ガスを、反応室10内に同時に導入して還元と炭化を同時に行っても良いし、水素ガスを先に反応室10内に導入して酸化物試料をある程度還元させた後、さらに炭素含有ガスを導入し、炭化させても良い。また、水素ガスを先に反応室10内に導入して酸化物試料を還元させた後、炭素含有ガスのみを反応室10内に導入して炭化させても良い。   In the case of producing carbide, hydrogen gas and carbon-containing gas may be simultaneously introduced into the reaction chamber 10 to perform reduction and carbonization at the same time, or hydrogen gas may be introduced into the reaction chamber 10 first to oxidize. After the product sample is reduced to some extent, a carbon-containing gas may be further introduced and carbonized. Alternatively, after hydrogen gas is first introduced into the reaction chamber 10 to reduce the oxide sample, only the carbon-containing gas may be introduced into the reaction chamber 10 to be carbonized.

炭窒化物を製造する場合には、水素ガスと窒素含有ガスおよび炭素含有ガスを、反応室10内に同時に導入して還元と炭窒化を同時に行っても良いし、水素ガスを先に反応室10内に導入して酸化物試料をある程度還元させた後、さらに窒素含有ガスおよび炭素含有ガスを導入し、炭窒化させても良い。また、水素ガスを先に反応室10内に導入して酸化物試料を還元させた後、窒素含有ガスおよび炭素含有ガスのみを反応室10内に導入して炭窒化させても良い。   When carbonitride is produced, hydrogen gas, nitrogen-containing gas, and carbon-containing gas may be simultaneously introduced into the reaction chamber 10 to perform reduction and carbonitriding at the same time. After introducing the sample 10 into the oxide sample and reducing the oxide sample to some extent, a nitrogen-containing gas and a carbon-containing gas may be further introduced and carbonitrided. Alternatively, after hydrogen gas is first introduced into the reaction chamber 10 to reduce the oxide sample, only the nitrogen-containing gas and the carbon-containing gas may be introduced into the reaction chamber 10 for carbonitriding.

また、上記反応ガスに加え、アルゴン等の不活性ガスを反応室内の圧力調整に用いても良い。これらガスの混合比は特に限定されるものではなく、適宜変更することができる。   In addition to the reaction gas, an inert gas such as argon may be used for adjusting the pressure in the reaction chamber. The mixing ratio of these gases is not particularly limited, and can be changed as appropriate.

上記パルス放電の条件として、反応室内のガス圧力は、1〜800Torrの範囲内にあることが好ましい。より好ましくは、1〜50Torrであり、さらに好ましくは10〜50Torrである。ガス圧力が1Torr以上であれば、反応室内のイオンの数を適度に保つことができ、放電が安定するからである。また、ガス圧力が800Torr以下であれば、イオンの平均自由行程が極端に短くなることなく適度な放電領域を保つことができ、酸化物を効率的に水素還元し、窒化、炭化または炭窒化させることができるからである。   As a condition for the pulse discharge, the gas pressure in the reaction chamber is preferably in the range of 1 to 800 Torr. More preferably, it is 1-50 Torr, More preferably, it is 10-50 Torr. This is because if the gas pressure is 1 Torr or more, the number of ions in the reaction chamber can be kept moderate, and the discharge is stabilized. Further, when the gas pressure is 800 Torr or less, an appropriate discharge region can be maintained without extremely shortening the mean free path of ions, and the oxide is efficiently reduced by hydrogen to be nitrided, carbonized or carbonitrided. Because it can.

放電電流密度は、大きくすれば、成膜速度を速くすることができるが、プラズマによる試料の加熱・融解、電源容量などを配慮して、目的に対応した値にすると良い。具体的に、放電電流密度は、0.001〜1000A/cmの範囲内にあることが好ましい。より好ましくは、0.01〜100A/cmであり、さらに好ましくは0.1〜10A/cmである。放電電流密度が0.001A/cm以上であれば、イオンを試料へ適度に衝突させることができるからである。また、1000A/cm以下であれば、イオンの衝突エネルギーが極端に増大することなく、酸化物試料の表面の損傷を抑制することができるからである。 If the discharge current density is increased, the film formation rate can be increased. However, it is preferable that the discharge current density is set to a value corresponding to the purpose in consideration of the heating / melting of the sample by the plasma and the power source capacity. Specifically, the discharge current density is preferably in the range of 0.001 to 1000 A / cm 2 . More preferably from 0.01 to 100 A / cm 2, more preferably from 0.1 to 10 A / cm 2. This is because, if the discharge current density is 0.001 A / cm 2 or more, ions can be appropriately collided with the sample. Moreover, if it is 1000 A / cm < 2 > or less, it is because the damage of the surface of an oxide sample can be suppressed, without ion collision energy increasing extremely.

パルスの各周期における放電時間、放電停止時間、電極間距離などは、安定した放電が持続し、窒化、炭化、炭窒化が効率よく行われるように、設定すると良い。   The discharge time, discharge stop time, interelectrode distance, and the like in each cycle of the pulse are preferably set so that stable discharge can be sustained and nitriding, carbonizing, and carbonitriding can be performed efficiently.

具体的に、パルスの各周期における放電時間は、0.01〜10msの範囲内にあることが好ましい。より好ましくは、0.1〜10msであり、さらに好ましくは、0.5〜10msである。パルスの各周期における放電時間が0.01ms以上であれば、効率よく試料を水素還元し、窒化、炭化または炭窒化させることができるからである。また、10ms以下であれば、放電がアークになり難く、より放電を安定させることができるからである。   Specifically, the discharge time in each cycle of the pulse is preferably in the range of 0.01 to 10 ms. More preferably, it is 0.1-10 ms, More preferably, it is 0.5-10 ms. This is because if the discharge time in each cycle of the pulse is 0.01 ms or more, the sample can be efficiently reduced by hydrogen and nitrided, carbonized or carbonitrided. Moreover, if it is 10 ms or less, the discharge is less likely to become an arc, and the discharge can be more stabilized.

放電停止時間は、水素以外のイオンや電子の寿命が100μsに対して、原子状水素(水素ラジカル)の寿命が3msぐらいである点を考慮し、この原子状水素による還元作用の時間を確保できる範囲内にあれば良い。具体的に、放電停止時間は、0.01〜10msの範囲内にあることが好ましい。より好ましくは、1〜10msであり、さらに好ましくは、2〜10msである。放電停止時間が、0.01ms以上であれば、放電電圧が定常状態に戻る前に次のパルスが発生せず、放電がアークになることを抑制することができ、放電がより安定するからである。また、放電停止時間が10ms以下であれば、適度な周波数が得られ、効率よく試料を水素還元し、窒化、炭化または炭窒化させることができるからである。   Considering the fact that the lifetime of ions and electrons other than hydrogen is 100 μs and the lifetime of atomic hydrogen (hydrogen radical) is about 3 ms, the discharge stop time can secure the reduction action time by this atomic hydrogen. It only has to be within the range. Specifically, the discharge stop time is preferably in the range of 0.01 to 10 ms. More preferably, it is 1-10 ms, More preferably, it is 2-10 ms. If the discharge stop time is 0.01 ms or longer, the next pulse is not generated before the discharge voltage returns to the steady state, and it is possible to suppress the discharge from becoming an arc, and the discharge becomes more stable. is there. Moreover, if the discharge stop time is 10 ms or less, an appropriate frequency can be obtained, and the sample can be efficiently reduced by hydrogen and nitrided, carbonized or carbonitrided.

電極間距離dは、電極形状や反応室の大きさや試料の形状などにより適宜変更することができるが、5〜50mmの範囲内にあることが好ましい。電極間距離dが5mm以上であれば、試料全体をムラなく処理することができるからである。また、電極間距離dが50mm以下であれば、別の場所で放電が発生することなく、安定した放電が得られるからである。   The inter-electrode distance d can be appropriately changed depending on the electrode shape, the size of the reaction chamber, the shape of the sample, etc., but is preferably in the range of 5 to 50 mm. This is because if the inter-electrode distance d is 5 mm or more, the entire sample can be processed without unevenness. Further, when the inter-electrode distance d is 50 mm or less, a stable discharge can be obtained without generating a discharge in another place.

試料を水素還元し、窒化、炭化または炭窒化させる放電処理時間は、特に限定されるものではなく、試料の形状に応じて適宜変更することができる。また、放電電圧、パルスの各周期における放電時間を放電停止時間で割って求められるデューティ比は上記条件などに応じて適宜変更することができる。   The discharge treatment time for reducing the sample to hydrogen and nitriding, carbonizing, or carbonitriding is not particularly limited, and can be appropriately changed according to the shape of the sample. Also, the duty ratio obtained by dividing the discharge voltage and the discharge time in each cycle of the pulse by the discharge stop time can be changed as appropriate according to the above conditions and the like.

本実施形態に係る工具は、上述した方法で製造された硬質物質をコーティング材として用いたものである。硬質物質を工具にコーティングする方法としては、例えば、上記に挙げた薄膜状の酸化物を基材表面に形成する方法を用いることができる。   The tool according to this embodiment uses a hard material manufactured by the above-described method as a coating material. As a method of coating the tool with a hard substance, for example, a method of forming the above-described thin film-like oxide on the substrate surface can be used.

まず、ホウ酸水溶液や、金属アルコキシドをトルエンやジクロロエチレンなどの溶媒で希釈したコーティング液を工具表面にディッピング法、吹き付け法、スピンコート法、単純な刷毛塗り法などの方法で塗工する。そして、パルス放電によるプラズマ化学気相成長法を用いて、工具表面に形成された酸化物を水素還元し、窒化、炭化または炭窒化させ、硬質物質をコーティングすることができる。   First, a boric acid aqueous solution or a coating solution obtained by diluting a metal alkoxide with a solvent such as toluene or dichloroethylene is applied to the tool surface by a method such as dipping, spraying, spin coating, or simple brush coating. Then, using a plasma chemical vapor deposition method using pulse discharge, the oxide formed on the tool surface can be reduced with hydrogen, nitrided, carbonized or carbonitrided, and coated with a hard material.

以上、本実施形態に係る硬質物質の製造方法および硬質物質ならびにこれを用いた工具について説明したが、上記実施形態は本発明を何ら限定するものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変形・改良が可能なものである。   As mentioned above, although the manufacturing method of the hard substance which concerns on this embodiment, a hard substance, and the tool using this were demonstrated, the said embodiment does not limit this invention at all, and various in the range which does not deviate from the meaning. It can be modified and improved.

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, this invention is not limited by these.

(実施例1)
SUS304「20×20mm、厚み0.75mm」基材上に、ホウ酸(HBO)を水に溶かしてなるホウ酸水溶液(濃度10%)をスポイトにより塗布し、ホットプレートを用いて大気中において100度で熱処理した。
(Example 1)
An aqueous boric acid solution (concentration: 10%) obtained by dissolving boric acid (H 3 BO 3 ) in water is applied onto a SUS304 “20 × 20 mm, thickness 0.75 mm” base material with a dropper, and air is applied using a hot plate. It was heat-treated at 100 degrees.

そして、上記試料を、電極間距離dを25mm、混合ガス比をH/N=1/2、流入ガス量を30cc/min、放電ガス圧を38Torr、放電電圧を650V、放電電流を4A、周波数を1205Hz、デューティ比を10%、放電時間を60minとして、パルス放電によるプラズマ化学気相成長法により、水素還元および窒化処理を行い、硬質物質を製造した。また、試料は、放電中にホウ酸の分解点温度に達するように、水冷台から離した位置に設置し処理を行った。 Then, the above-mentioned sample was measured with a distance d between the electrodes of 25 mm, a mixed gas ratio of H 2 / N 2 = 1/2, an inflow gas amount of 30 cc / min, a discharge gas pressure of 38 Torr, a discharge voltage of 650 V, and a discharge current of 4 A. A hard substance was manufactured by performing hydrogen reduction and nitriding treatment by a plasma chemical vapor deposition method using pulse discharge with a frequency of 1205 Hz, a duty ratio of 10%, and a discharge time of 60 min. In addition, the sample was placed at a position away from the water-cooled table and processed so as to reach the decomposition point temperature of boric acid during discharge.

図4(a)に、本実施例1で処理された試料のX線回折の測定結果を示す。また、比較のために、図4(b)に、SUS304基材上に塗布された放電前のHBO、図4(c)に、SUS304基材のみのX線回折の測定結果もあわせて示す。 FIG. 4A shows the measurement result of the X-ray diffraction of the sample processed in Example 1. FIG. For comparison, FIG. 4 (b) also shows the H 3 BO 3 before discharge applied on the SUS304 base material, and FIG. 4 (c) also shows the X-ray diffraction measurement results of the SUS304 base material alone. Show.

SUS304基材上に塗布された放電前のHBOでは、図4(b)より、HBOおよびSUS304のピークのみが確認できる。これに対して、本実施例1で処理された試料は、図4(a)より、c−BNのピークが確認できる。また、僅かにBのピークが確認できるが、HBOのピークはほとんど確認されない。 In H 3 BO 3 before discharge applied on the SUS304 base material, only peaks of H 3 BO 3 and SUS304 can be confirmed from FIG. 4B. In contrast, the c-BN peak can be confirmed in the sample processed in Example 1 from FIG. Moreover, although the peak of B can be confirmed slightly, the peak of H 3 BO 3 is hardly confirmed.

また、本実施例1で処理された試料の試料分析を行ったところ、僅かにc−BNおよびBが確認された。そして、本実施例1で得られた試料は、削り取ることができないほどの硬質膜であった。さらに、放電前のSUS304基材上に塗布されたHBOは白色であったのに対し、本実施例1で処理された試料はB特有の黒色に変色しているのを確認した。 Further, when sample analysis was performed on the sample processed in Example 1, c-BN and B were slightly confirmed. The sample obtained in Example 1 was a hard film that could not be scraped off. Furthermore, it was confirmed that the H 3 BO 3 applied on the SUS304 base material before discharge was white, whereas the sample treated in Example 1 was discolored to black peculiar to B.

(実施例2)
酸化物試料としてTiO焼結体[(株)高純度化学研究所製、純度99.9%、直径10mm、厚み5mm]を用い、パルス放電によるプラズマ化学気相成長法により、水素還元および窒化処理を行い、硬質物質を製造した。
(Example 2)
TiO 2 sintered body (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99.9%, diameter 10 mm, thickness 5 mm) was used as the oxide sample, and hydrogen reduction and nitridation were performed by plasma chemical vapor deposition using pulse discharge. Processing was performed to produce a hard material.

放電条件は、電極間距離dを25mm、混合ガス比をH/N=1/2、流入ガス量を30cc/min、放電ガス圧を38Torr、放電電圧を650V、周波数を1205Hz、デューティ比を20%、放電時間を90min、放電電流を4Aおよび2Aとした。 Discharge conditions were: electrode distance d 25 mm, mixed gas ratio H 2 / N 2 = 1/2, inflow gas amount 30 cc / min, discharge gas pressure 38 Torr, discharge voltage 650 V, frequency 1205 Hz, duty ratio Was 20%, the discharge time was 90 min, and the discharge current was 4A and 2A.

図5(a)に、放電電流4Aで処理された試料、図5(b)に、放電電流2Aで処理された試料のX線回折の測定結果を示す。また、比較のために、図5(c)に、放電前のTiO焼結体のX線回折の測定結果もあわせて示す。 FIG. 5A shows the measurement result of the X-ray diffraction of the sample treated with the discharge current 4A, and FIG. 5B shows the sample treated with the discharge current 2A. For comparison, FIG. 5C also shows the measurement result of the X-ray diffraction of the TiO 2 sintered body before discharge.

放電前のTiO焼結体は、図5(c)より、ルチル構造であることがわかる。これに対して、放電電流4Aで処理された試料は、図5(a)より、TiNの強いピークが確認できる。また、放電電流2Aで処理された試料においても、図5(b)より、TiNのピークが確認できる。また、放電前のTiO焼結体は白色であったのに対し、放電電流4Aおよび2Aで処理された試料は、TiN特有の金色に変色しているのを確認した。 It can be seen from FIG. 5C that the TiO 2 sintered body before discharge has a rutile structure. On the other hand, in the sample treated with the discharge current 4A, a strong peak of TiN can be confirmed from FIG. Further, in the sample treated with the discharge current 2A, the peak of TiN can be confirmed from FIG. Further, it was confirmed that the TiO 2 sintered body before discharge was white, whereas the samples treated with the discharge currents 4A and 2A were discolored to a gold color peculiar to TiN.

(実施例3)
酸化物試料としてTiO焼結体[(株)高純度化学研究所製、純度99.9%、直径10mm、厚み5mm]を用い、電極間距離dを25mm、混合ガス比をH/N=1/2、流入ガス量を30cc/min、放電ガス圧を38Torr、放電電圧を600V、周波数を1205Hz、デューティ比を10%、放電時間を180min、放電電流を2Aの放電条件で、硬質物質を製造した。
(Example 3)
A TiO 2 sintered body (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99.9%, diameter 10 mm, thickness 5 mm) was used as the oxide sample, the inter-electrode distance d was 25 mm, and the mixed gas ratio was H 2 / N. 2 = 1/2, inflow gas amount is 30cc / min, discharge gas pressure is 38 Torr, discharge voltage is 600V, frequency is 1205Hz, duty ratio is 10%, discharge time is 180min, discharge current is 2A The material was manufactured.

(実施例4)
酸化物試料としてTiO焼結体[(株)高純度化学研究所製、純度99.9%、直径10mm、厚み5mm]を用い、電極間距離dを25mm、混合ガス比をH/N=1/2、流入ガス量を30cc/min、放電ガス圧を38Torr、放電電圧を600V、周波数を1538Hz、デューティ比を10%、放電時間を180min、放電電流を2Aの放電条件で、硬質物質を製造した。
Example 4
A TiO 2 sintered body (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99.9%, diameter 10 mm, thickness 5 mm) was used as the oxide sample, the inter-electrode distance d was 25 mm, and the mixed gas ratio was H 2 / N. 2 = 1/2, inflow gas amount is 30cc / min, discharge gas pressure is 38 Torr, discharge voltage is 600V, frequency is 1538Hz, duty ratio is 10%, discharge time is 180min, discharge current is 2A The material was manufactured.

(実施例5)
酸化物試料としてTiO焼結体[(株)高純度化学研究所製、純度99.9%、直径10mm、厚み5mm]を用い、電極間距離dを25mm、混合ガス比をH/N=1/2、流入ガス量を30cc/min、放電ガス圧を38Torr、放電電圧を600V、周波数を1205Hz、デューティ比を10%、放電時間を90min、放電電流を2Aの放電条件で、硬質物質を製造した。
(Example 5)
A TiO 2 sintered body (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99.9%, diameter 10 mm, thickness 5 mm) was used as the oxide sample, the inter-electrode distance d was 25 mm, and the mixed gas ratio was H 2 / N. 2 = 1/2, inflow gas amount is 30cc / min, discharge gas pressure is 38 Torr, discharge voltage is 600V, frequency is 1205Hz, duty ratio is 10%, discharge time is 90min, discharge current is 2A The material was manufactured.

(比較例1)
酸化物試料としてTiO焼結体[(株)高純度化学研究所製、純度99.9%、直径10mm、厚み5mm]を用い、反応ガスをHのみとして、電極間距離dを25mm、流入ガス量を30cc/min、放電ガス圧を38Torr、放電電圧を600V、周波数を1205Hz、デューティ比を10%、放電時間を180min、放電電流を2Aの条件で放電を行った。
(Comparative Example 1)
A TiO 2 sintered body (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99.9%, diameter 10 mm, thickness 5 mm) was used as the oxide sample, the reaction gas was only H 2, and the inter-electrode distance d was 25 mm. Discharging was performed under the conditions of an inflow gas amount of 30 cc / min, a discharge gas pressure of 38 Torr, a discharge voltage of 600 V, a frequency of 1205 Hz, a duty ratio of 10%, a discharge time of 180 min, and a discharge current of 2 A.

(比較例2)
酸化物試料としてTiO焼結体[(株)高純度化学研究所製、純度99.9%、直径10mm、厚み5mm]を用い、反応ガスをNのみとして、電極間距離dを25mm、流入ガス量を30cc/min、放電ガス圧を38Torr、放電電圧を600V、周波数を1205Hz、デューティ比を10%、放電時間を180min、放電電流を2Aの条件で放電を行った。
(Comparative Example 2)
A TiO 2 sintered body (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99.9%, diameter 10 mm, thickness 5 mm) was used as the oxide sample, the reaction gas was N 2 only, and the interelectrode distance d was 25 mm. Discharging was performed under the conditions of an inflow gas amount of 30 cc / min, a discharge gas pressure of 38 Torr, a discharge voltage of 600 V, a frequency of 1205 Hz, a duty ratio of 10%, a discharge time of 180 min, and a discharge current of 2 A.

図6に、実施例3〜5および、比較例1、2で得られた試料のX線回折の測定結果を示す。また、比較のために、実施例2で測定した放電前のTiO焼結体のX線回折データもあわせて示す。 In FIG. 6, the measurement result of the X-ray diffraction of the sample obtained in Examples 3-5 and Comparative Examples 1 and 2 is shown. For comparison, the X-ray diffraction data of the TiO 2 sintered body before discharge measured in Example 2 is also shown.

図6より、実施例3〜5は、TiNのピークが確認できる。これに対して、反応ガスにHのみを用いて処理された比較例1および、反応ガスにNのみを用いて処理された比較例2では、ともにTiNのピークは確認されなかった。比較例1では、反応ガスにHのみを用いているため試料が窒化されず、比較例2では、反応ガスにNのみを用いているため試料が十分に還元されなかったためであると推察される。また、比較例2では、β−WNのピークが確認されるが、これは電極に用いたWが一部プラズマ化し、Nと反応して形成されたものと推察される。 From FIG. 6, Examples 3-5 can confirm the peak of TiN. On the other hand, no peak of TiN was confirmed in Comparative Example 1 treated using only H 2 as the reactive gas and Comparative Example 2 treated using only N 2 as the reactive gas. In Comparative Example 1, the sample was not nitrided because only H 2 was used as the reaction gas. In Comparative Example 2, it was assumed that the sample was not sufficiently reduced because only N 2 was used as the reaction gas. Is done. In Comparative Example 2, a peak of β-W 2 N is confirmed, which is presumed to be that W used for the electrode is partly plasmatized and reacted with N 2 .

以上、実施例1〜5および比較例1、2の結果から、パルス放電によるプラズマ化学気相成長法を用いて酸化物を水素還元し、窒化させることにより、硬質物質を製造することができることを確認できた。   As described above, from the results of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, it is possible to produce a hard material by reducing the oxide with hydrogen using a plasma chemical vapor deposition method by pulse discharge and nitriding. It could be confirmed.

パルス放電によるプラズマ化学気相成長装置の構成を示した概略図である。It is the schematic which showed the structure of the plasma chemical vapor deposition apparatus by pulse discharge. パルス放電によるプラズマ化学気相成長装置に使用される電源回路の概略図である。It is the schematic of the power supply circuit used for the plasma chemical vapor deposition apparatus by pulse discharge. パルス放電によるプラズマ化学気相成長装置で放電を行った際の(a)パルス発信器の波形と、(b)電極間の放電電圧の波形および(c)放電電流の波形を例示したグラフである。It is the graph which illustrated the waveform of (a) pulse transmitter, (b) waveform of discharge voltage between electrodes, and (c) waveform of discharge current at the time of performing discharge with the plasma chemical vapor deposition apparatus by pulse discharge. . 実施例1のX線回折図形であり、(a)は本実施例1で処理された試料のX線回折図形、(b)はSUS304基材上に塗布された放電前のHBOのX線回折図形、(c)はSUS304基材のみのX線回折図形である。Example a 1 X-ray diffraction pattern, (a) shows the X-ray diffraction pattern of a sample treated in this Example 1, (b) is before arc coated on SUS304 substrate of H 3 BO 3 X-ray diffraction pattern, (c) is an X-ray diffraction pattern of SUS304 base material only. 実施例2のX線回折図形であり、(a)は放電電流4Aで処理された試料のX線回折図形、(b)は放電電流2Aで処理された試料のX線回折図形、(c)は放電前のTiO焼結体のX線回折図形である。It is an X-ray diffraction pattern of Example 2, (a) is an X-ray diffraction pattern of a sample treated with a discharge current 4A, (b) is an X-ray diffraction pattern of a sample treated with a discharge current 2A, (c). Is an X-ray diffraction pattern of a TiO 2 sintered body before discharge. 実施例3〜5および比較例1、2で得られた試料のX線回折図形である。3 is an X-ray diffraction pattern of samples obtained in Examples 3 to 5 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・反応室
12・・・排気バルブ
14・・・真空ポンプ
16・・・反応ガス導入バルブ
18・・・マスフローコントローラ
20・・・反応ガス
22・・・パルス電源
24・・・陰極
26・・・直流電源
28・・・インテリジェントパワーモジュール(IPM)
30・・・パルス発信器
32・・・抵抗
34・・・高圧トランス
36・・・ダイオード
50・・・パルス放電によるプラズマ化学気相成長装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Reaction chamber 12 ... Exhaust valve 14 ... Vacuum pump 16 ... Reaction gas introduction valve 18 ... Mass flow controller 20 ... Reaction gas 22 ... Pulse power supply 24 ... Cathode 26 ... DC power supply 28 ... Intelligent power module (IPM)
30 ... Pulse transmitter 32 ... Resistor 34 ... High voltage transformer 36 ... Diode 50 ... Plasma chemical vapor deposition apparatus by pulse discharge

Claims (7)

パルス放電によるプラズマ化学気相成長法を用いて、B、Ti、WおよびSiから選択される少なくとも1種の元素の酸化物を水素還元し、窒化、炭化または炭窒化させる工程を有することを特徴とする硬質物質の製造方法。   Using a plasma chemical vapor deposition method using pulse discharge, the method includes hydrogen-reducing and nitriding, carbonizing, or carbonitriding an oxide of at least one element selected from B, Ti, W, and Si. A manufacturing method of a hard substance. 前記酸化物は、B、TiO、TiO、Ti、WO、W、WO、SiOから選択される1種または2種以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の硬質物質の製造方法。 The oxide includes one or more selected from B 2 O 3 , TiO, TiO 2 , Ti 2 O 3 , WO 2 , W 2 O 5 , WO 3 and SiO 2. The manufacturing method of the hard substance of Claim 1. 反応ガスとして、水素ガスを用い、
さらに、窒化物を製造する場合には窒素含有ガス、炭化物を製造する場合には炭素含有ガス、炭窒化物を製造する場合には窒素含有ガスおよび炭素含有ガスを用いることを特徴とする請求項1または2に記載の硬質物質の製造方法。
Hydrogen gas is used as the reaction gas,
Furthermore, a nitrogen-containing gas is used when producing nitride, a carbon-containing gas is used when producing carbide, and a nitrogen-containing gas and a carbon-containing gas are used when producing carbonitride. 3. A method for producing a hard substance according to 1 or 2.
前記酸化物は、薄膜状に形成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の硬質物質の製造方法。   The said oxide is formed in thin film form, The manufacturing method of the hard substance in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記酸化物の膜厚は、1nm〜100μmの範囲内にあることを特徴とする請求項4に記載の硬質物質の製造方法。   The method for producing a hard substance according to claim 4, wherein the oxide has a thickness in a range of 1 nm to 100 µm. 前記パルス放電は、少なくとも、ガス圧力1〜800Torr、放電電流密度0.001〜1000A/cm、パルスの各周期における放電時間0.01〜10ms、放電停止時間0.01〜10msの放電条件を満たすことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の硬質物質の製造方法。 The pulse discharge has at least discharge conditions of a gas pressure of 1 to 800 Torr, a discharge current density of 0.001 to 1000 A / cm 2 , a discharge time of 0.01 to 10 ms in each cycle of the pulse, and a discharge stop time of 0.01 to 10 ms. The method for producing a hard material according to claim 1, wherein the hard material is satisfied. 請求項1〜6に記載の製造方法により得られた硬質物質をコーティング材として用いたことを特徴とする工具。   A tool using a hard substance obtained by the manufacturing method according to claim 1 as a coating material.
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