JP3236636B2 - Method of coating hard compound film on stainless steel substrate surface - Google Patents

Method of coating hard compound film on stainless steel substrate surface

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はステンレス鋼基材の表面
に炭化タンタル、窒化チタンなどの硬質化合物膜を被覆
する方法に関し、密着性を改善するための下地層の形成
方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for coating a surface of a stainless steel substrate with a hard compound film such as tantalum carbide or titanium nitride, and to a method for forming an underlayer for improving adhesion.

【0002】[0002]

【従来の技術】炭化物あるいは窒化物からなる硬質化合
物膜をステンレス鋼の表面に被覆する場合に、密着性を
改善するための前処理としてアルゴンイオンボンバード
処理が行われている。この処理はステンレス鋼の表面に
形成されている不動態化膜(自然に形成される酸化膜)
を除去することを目的とするものであり、多くの場合有
効な手段である。一方、ステンレス鋼基材の表面に前記
硬質化合物膜を被覆する場合に、下地層として当該化合
物を構成する金属単体からなる層を被覆し、次いで炭素
あるいは窒素を含有するガスを導入して反応性イオンプ
レーティング法により当該金属の炭化物膜あるいは窒化
物膜を形成することが行われている。
2. Description of the Related Art When a hard compound film made of carbide or nitride is coated on the surface of stainless steel, argon ion bombardment is performed as a pretreatment for improving adhesion. This treatment is a passivation film (a naturally formed oxide film) formed on the surface of stainless steel.
This is an effective means in many cases. On the other hand, when the hard compound film is coated on the surface of the stainless steel base material, a layer composed of a single metal constituting the compound is coated as a base layer, and then a gas containing carbon or nitrogen is introduced to react. Forming a carbide film or a nitride film of the metal by an ion plating method is performed.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】前記の従来技術におけ
るボンバード処理あるいは金属単体層の挿入は、それぞ
れ有効な手段であり、またこれらの処理を併用すること
もできるが、目的によっては密着性が不足する場合があ
る。そこで本発明の目的は、ステンレス鋼基材とその表
面に被覆する硬質化合物膜との密着性をさらに飛躍的に
向上させることである。
The bombardment treatment and the insertion of a single metal layer in the above prior art are effective means, respectively, and these treatments can be used together, but the adhesion is insufficient for some purposes. May be. Accordingly, an object of the present invention is to dramatically improve the adhesion between a stainless steel substrate and a hard compound film coated on the surface thereof.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記目的のため本発明に
おいては、酸素およびアルゴンガスを含む減圧雰囲気中
におけるボンバード処理により、クロムを含有するステ
ンレス鋼基材の表面に厚さ約20nmの酸化クロム(C
23 )を主体とする酸化物層を形成し、次にアルゴ
ンガスを導入した減圧雰囲気中におけるイオンプレーテ
ィング法によりチタン、タンタル、タングステンなどの
周期律表第IVa,Va,VIa族に属する一種の金属
を被覆し、引き続き炭化水素ガスあるいは窒素ガスを導
入して前記金属の炭化物あるいは窒化物からなる硬質化
合物膜を被覆するようにした。
According to the present invention, a chromium oxide film having a thickness of about 20 nm is formed on a surface of a chromium-containing stainless steel substrate by a bombardment treatment in a reduced-pressure atmosphere containing oxygen and argon gas. (C
An oxide layer mainly composed of (r 2 O 3 ) is formed, and then an ion plating method is performed in a reduced pressure atmosphere in which an argon gas is introduced. A hard compound film made of a carbide or nitride of the metal was coated by introducing a kind of metal belonging thereto and subsequently introducing a hydrocarbon gas or a nitrogen gas.

【0005】従来のボンバード処理は基材表面の酸化物
被膜を除去するものであるが、酸化物被膜を積極的に介
在させることにより密着性が改善される場合があり、特
にチタン、タンタルなどの金属被覆層とステンレス鋼基
材との間に介在させる中間層として酸化クロム(Cr2
3 )膜が有効である。また、その膜厚は不動態化膜
(0. 5nm前後)よりもはるかに厚い20nm程度が
適当である。さらに、この酸化クロム膜は、酸素雰囲気
中での単なる熱酸化により形成されたものではなく、酸
素およびアルゴンガスを含む減圧雰囲気中におけるボン
バード処理により形成されたものが最も効果的である。
本発明はこのような知見に基づいてなされたもである。
[0005] The conventional bombardment treatment removes an oxide film on the surface of a substrate, but the adhesiveness may be improved by positively interposing the oxide film. As an intermediate layer interposed between the metal coating layer and the stainless steel substrate, chromium oxide (Cr 2
O 3 ) film is effective. It is appropriate that the film thickness is about 20 nm, which is much thicker than the passivation film (about 0.5 nm). Further, the chromium oxide film is most effectively formed not by simple thermal oxidation in an oxygen atmosphere but by bombardment in a reduced-pressure atmosphere containing oxygen and argon gas.
The present invention has been made based on such findings.

【0006】[0006]

【作用】酸素およびアルゴンの混合ガスを導入した減圧
雰囲気中で、ステンレス鋼基材に負電圧を印加してボン
バード処理を行うと、基材の表面に主として酸化クロム
からなる酸化物を形成する現象と、酸化物を除去する現
象とが同時に発生する。この場合、酸素分圧と加速電圧
とを適当に調整すると、界面の結合力の弱い酸化物は除
去され、結合力の強い酸化物だけが密着性の優れた酸化
物膜として成長する。このような酸化膜が本発明の目的
とする機能を果たすものである。
When a negative voltage is applied to a stainless steel substrate in a reduced-pressure atmosphere in which a mixed gas of oxygen and argon is introduced, a bombardment treatment is performed to form an oxide mainly composed of chromium oxide on the surface of the substrate. And the phenomenon of removing oxides occur simultaneously. In this case, when the oxygen partial pressure and the accelerating voltage are appropriately adjusted, the oxide having a weak bonding force at the interface is removed, and only the oxide having a strong bonding force grows as an oxide film having excellent adhesion. Such an oxide film fulfills the function intended by the present invention.

【0007】[0007]

【実施例1】以下図面を参照して本発明の実施例につき
説明する。図1は本発明の実施例における層構造を模式
的に示す断面図である。酸素10%、アルゴン90%か
らなる混合ガスを真空装置に導入して圧力を2×10
- 3 Torrに保持し、ステンレス鋼(SUS27)か
らなる基材に−500Vの負電圧を印加して約10分間
ボンバード処理を行い、ステンレス鋼基材1の表面に酸
化クロム(Cr23 )を主体とする厚さ約20nmの
酸化物層2を形成した。次にアルゴンガス雰囲気中でチ
タンを電子ビーム溶解して蒸発させ、高周波励起イオン
プレーティング法により厚さ約100nmの金属チタン
層3を被覆し、さらに窒素ガスを導入して厚さ約500
nmの窒化チタン層4を反応性イオンプレーティング法
により被覆した。
Embodiment 1 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view schematically showing a layer structure in an embodiment of the present invention. A mixed gas consisting of 10% oxygen and 90% argon was introduced into a vacuum device to reduce the pressure to 2 × 10
Hold at −3 Torr, apply a negative voltage of −500 V to the substrate made of stainless steel (SUS27), perform bombardment treatment for about 10 minutes, and apply chromium oxide (Cr 2 O 3 ) to the surface of the stainless steel substrate 1. An oxide layer 2 having a thickness of about 20 nm was formed. Next, titanium is melted and evaporated by electron beam in an argon gas atmosphere, and a metal titanium layer 3 having a thickness of about 100 nm is coated by a high-frequency excitation ion plating method.
A 4 nm thick titanium nitride layer 4 was coated by a reactive ion plating method.

【0008】[0008]

【比較例1】酸素を含まない純アルゴンガスを真空装置
に導入して2×10- 3 Torrに保持し、ステンレス
鋼基材に−1000Vの負電圧を印加して約5分間ボン
バード処理を行い、基材の表面に自然に形成されている
不動態化膜を除去した。続いて実施例1と同様に金属チ
タン層と窒化チタン層を被覆した。
COMPARATIVE EXAMPLE 1 Pure argon gas containing no oxygen was introduced into a vacuum apparatus, kept at 2 × 10 −3 Torr, and a negative voltage of −1000 V was applied to a stainless steel substrate to perform bombarding for about 5 minutes. Then, the passivation film naturally formed on the surface of the substrate was removed. Subsequently, a metal titanium layer and a titanium nitride layer were coated in the same manner as in Example 1.

【0009】[0009]

【比較例2】実施例1と同じ酸素アルゴン混合ガスを真
空装置に導入して5×10- 3 Torrに保持し、ステ
ンレス鋼基材を300℃に加熱して基材の表面に約20
nmの酸化クロムを主体とする熱酸化被膜を形成した。
続いて実施例1と同様に金属チタン層と窒化チタン層を
被覆した。
Comparative Example 2 The same oxygen-argon mixed gas as in Example 1 was introduced into a vacuum device and maintained at 5 × 10 −3 Torr.
A thermal oxide film mainly composed of chromium oxide having a thickness of nm was formed.
Subsequently, a metal titanium layer and a titanium nitride layer were coated in the same manner as in Example 1.

【0010】実施例1、比較例1、比較例2で得られた
硬質化合物膜すなわち窒化チタン膜の密着性を引っかき
試験によりテストした結果を表1に示す。界面の密着性
を改善する上で、熱酸化膜の介在(比較例2)は全く効
果が無く、ボンバード処理による不動態化膜の除去(比
較例1)により密着性は改善されるが、本発明の方法に
よりさらに密着性が向上することが明らかに認められ
る。
Table 1 shows the results of a scratch test on the adhesion of the hard compound films, ie, titanium nitride films, obtained in Example 1, Comparative Examples 1 and 2. The interposition of a thermal oxide film (Comparative Example 2) had no effect in improving the interface adhesion, and the adhesion was improved by removing the passivation film by bombardment (Comparative Example 1). It is clearly observed that the adhesion is further improved by the method of the invention.

【0011】[0011]

【表1】 [Table 1]

【0012】[0012]

【実施例2】実施例1と同様にステンレス鋼基材の表面
にボンバード処理により酸化クロムを主体とする酸化物
膜を形成し、その上にアルゴンガス雰囲気中でイオンプ
レーティング法により金属タンタル層を被覆し、さらに
炭化水素ガスを導入して反応性イオンプレーティング法
により炭化タンタル層を被覆した。この場合にも極めて
強固な密着性が認められた。
EXAMPLE 2 An oxide film mainly composed of chromium oxide was formed on the surface of a stainless steel substrate by bombardment treatment in the same manner as in Example 1, and a metal tantalum layer was formed thereon by ion plating in an argon gas atmosphere. And a hydrocarbon gas was introduced to coat the tantalum carbide layer by a reactive ion plating method. Also in this case, extremely strong adhesion was observed.

【0013】[0013]

【発明の効果】以上の実施例は硬質化合物膜として窒化
チタンあるいは炭化タンタルを被覆したものであるが、
本発明の方法は周期律表第IVa、Va、VIa族に属
する金属の炭化物あるいは窒化物被膜に対して有効であ
る。本発明によれば硬質化合物膜の密着性が著しく向上
し、同一の真空装置を用いた一連の工程により前処理を
行うことが可能であり、耐摩耗性の要求される機械部品
などに施される表面処理法として格別の効果がある。
In the above embodiment, the hard compound film is coated with titanium nitride or tantalum carbide.
The method of the present invention is effective for carbide or nitride coatings of metals belonging to Groups IVa, Va and VIa of the Periodic Table. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the adhesiveness of a hard compound film improves remarkably, it is possible to perform pre-processing by a series of processes using the same vacuum apparatus, The surface treatment method has a special effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例における層構造を示す模式的断
面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a layer structure in an example of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ステンレス鋼基材 2 酸化物層 3 金属チタン層 4 窒化チタン層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stainless steel base material 2 Oxide layer 3 Metal titanium layer 4 Titanium nitride layer

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 酸素およびアルゴンガスを含む減圧雰囲
気中で基材に電圧を印加してボンバード処理を行い、ス
テンレス鋼基材の表面に厚さ約20nmの酸化クロム
(Cr23 )を主体とする酸化物層を形成し、次にア
ルゴンガスを導入した減圧雰囲気中におけるイオンプレ
ーティング法により周期律表第IVa,Va,VIa族
に属する一種の金属を被覆し、引き続き炭化水素ガスあ
るいは窒素ガスを導入して前記金属の炭化物あるいは窒
化物からなる硬質化合物膜を被覆することを特徴とする
ステンレス鋼基材の表面に硬質化合物膜を被覆する方
法。
1. A bombardment treatment is performed by applying a voltage to a substrate in a reduced-pressure atmosphere containing oxygen and argon gas, and a chromium oxide (Cr 2 O 3 ) having a thickness of about 20 nm is mainly formed on the surface of the stainless steel substrate. Is formed, and then a kind of metal belonging to Group IVa, Va, or VIa of the periodic table is coated by an ion plating method in a reduced pressure atmosphere into which an argon gas is introduced, and then a hydrocarbon gas or a nitrogen gas is applied. A method for coating a hard compound film on a surface of a stainless steel substrate, wherein a hard compound film made of a carbide or nitride of the metal is coated by introducing a gas.
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