JP5933604B2 - 硬質膜が被覆されたステンレス製品及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、硬質膜が被覆されたステンレス制品及びその製造方法に関するものである。

近年、ユーザの電子製品の品質に対する要求は益々高くなっており、美観だけにとどまらず、使用上の耐久性も要求されている。よって、電子製品の表面はより高い硬度及び耐摩耗性を有していなければならない。

物理気相成長法（ＰＶＤ）は、環境に優しいコーティング技術であり、材料の表面の変性或いは材料表面の性能を向上させるために幅広く用いられている。中でも、スパッタリング法は、物理気相成長法の１つとして、電子製品のケース体の表面に硬質コーティングすることによく使用される。しかし、スパッタリング法によるコーティングの緻密度は不十分であることから、さらにコーティングの硬度を向上させることができない。

上記の問題点に鑑みて、本発明は、より高い硬度を有する硬質膜が被覆されているステンレス製品及び当該ステンレス製品の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るステンレス製品は、ステンレス基材と、前記ステンレス基材の上に順次に形成された下地層、移行層及び硬質層と、を備えている。前記下地層はＴｉからなり、前記移行層はＴｉ_ａＣｒ_ｂからなり、前記硬質層はＴｉ_ｘＣｒ_ｙＮ_ｚからなり、前記化学式において、１≦ａ≦２、２≦ｂ≦３、２≦ｘ≦４、３≦ｙ≦８、１０≦ｚ≦１６である。

また、上記の目的を達成するために、本発明に係るステンレス製品の製造方法は、ステンレス基材を提供する工程と、真空チャンバと、前記真空チャンバ内に固定されたチタンターゲット、クロムターゲット及び無線周波電極と、を備える真空蒸着装置を提供する工程と、前記ステンレス基材を前記真空蒸着装置内にセットし、前記チタンターゲットに対応する電源を起動し、且つ前記無線周波電極に対して電流を印加して、前記ステンレス基材の上にＴｉからなる下地層を形成する工程と、前記チタンターゲット及び前記クロムターゲットにそれぞれ対応する電源を同時に起動して、前記下地層の上面にＴｉ_ａＣｒ_ｂ（１≦ａ≦２、２≦ｂ≦３）からなる移行層を形成する工程と、窒素を反応気体とし、前記チタンターゲット及び前記クロムターゲットにそれぞれ対応する電源を同時に起動して、前記移行層の上面にＴｉ_ｘＣｒ_ｙＮ_ｚ（２≦ｘ≦４、３≦ｙ≦８、１０≦ｚ≦１６）からなる硬質層を形成する工程と、を備える。

本発明の製造方法によって得られたステンレス製品の表面マイクロビッカース硬度は、８００ＨＶ０．０２５〜１０００ＨＶ０．０２５である。しかも、前記ステンレス製品の上面に形成される膜は、それぞれ均一で且つ緻密性が高い。

本発明の実施形態に係るステンレス製品の断面図である。 本発明の実施形態に係る真空蒸着装置の平面図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る硬質膜が被覆されたステンレス製品１０は、順次に積層されたステンレス基材１１、下地層１３、移行層（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）１５及び硬質層１７を備える。

ステンレス基材１１の表層には、イオン注入層１１１が形成されている。下地層１３は、イオン注入層１１１の上面を被覆している。イオン注入層１１１は、主にＦｅ元素及びＮ元素を含有している。ＦｅとＮとの原子数の比は、１：４〜１：７である。イオン注入層１１１の厚さは、０．１μｍ〜０．２μｍである。

下地層１３は、Ｔｉ層であり、その厚さは０．３μｍ〜０．５μｍである。移行層１５は、Ｔｉ_ａＣｒ_ｂであり、下地層１３の表面を被覆している。Ｔｉ_ａＣｒ_ｂにおいて、１≦ａ≦２、２≦ｂ≦３である。移行層１５の厚さは、０．５μｍ〜０．８μｍである。硬質層１７は、Ｔｉ_ｘＣｒ_ｙＮ_ｚ層であり、移行層１５の上面を被覆している。Ｔｉ_ｘＣｒ_ｙＮ_ｚにおいて、２≦ｘ≦４、３≦ｙ≦８、１０≦ｚ≦１６である。硬質層１７の厚さは、１．２μｍ〜１．５μｍである。

本発明の実施形態に係る硬質膜が被覆されたステンレス製品１０の製造方法は、以下の工程を備える。

（１）ステンレス基材１１を提供する。
（２）ステンレス基材１１に対して、イオン注入処理を行う。

具体的には、先ず、図２に示すように、真空チャンバ２０及び該真空チャンバ２０に連接されている真空ポンプ３０を備える真空蒸着装置２００を用意する。真空ポンプ３０は、真空チャンバ２０を真空にするために用いられる。真空チャンバ２０内は、回転棚（図示せず）と、互いに対向して設けられた２つのチタンターゲット２２と、互いに対向して設けられた２つのクロムターゲット２３と、真空チャンバ２０の天井壁に固定されているＲＦ電極（図示せず）と、を有する。ステンレス基材１１は、前記回転棚により連動されて円形のトラック２６に沿って公転し且つ自転する。各チタンターゲット２２及び各クロムターゲット２３の両端には、ガス源通路２７がそれぞれ設けられている。気体は、このガス源通路２７を介して真空チャンバ２０内に入る。

前記ＲＦ（無線周波）電極は、チタンターゲット２２及びクロムターゲット２３から飛び出したチタン原子及びクロム原子をイオン化させて、チタンプラズマ及びクロムプラズマを形成する。これと同時に、前記ＲＦ電極は、アルゴン及び窒素等の気体をイオン化させて、アルゴンプラズマ及び窒素プラズマ等を形成する。

次に、ステンレス基材１１を真空蒸着装置２００の真空チャンバ２０の中の回転棚に固定して、真空ポンプ３０にて真空チャンバ２０を２×１０^−１Ｐａ〜８×１０^−１Ｐａまで真空にした後、真空チャンバ２０を２００℃〜２５０℃まで加熱する（即ち、イオン注入の温度は２００℃〜２５０℃である）。次いで、前記ＲＦ電極の電流を５Ａ〜８Ａにした後、ステンレス基材１１に対して−１３００Ｖ〜−１５００Ｖの負バイアス電圧を印加して、真空チャンバ２０内に対して流量が１００〜２００ｓｃｃｍの不活性ガスとするアルゴン（Ａｒ）及び流量が２００〜６００ｓｃｃｍの反応気体とする窒素（Ｎ_２）を注入する。ここで、注入時間は２０分〜３５分である。これにより、ステンレス基材１１の表面には、イオン注入層１１１が形成される。

上記のイオン注入過程において、前記ＲＦ電極は、放電して、アルゴン及び窒素をイオン化させて、アルゴンプラズマ及び窒素プラズマを形成する。

また、上記のイオン注入工程で得られたイオン注入層１１１は、主にＦｅ元素及びＮ元素を備える。その内、Ｆｅ元素はステンレス基材１１自身から得られ、Ｎ元素は前記ＲＦ電極によりイオン化されてなる窒素プラズマから得られる。また、イオン注入層１１１において、ＦｅとＮとの原子数の比は、１：４〜１：７である。また、イオン注入層１１１の厚さは、０．１μｍ〜０．２μｍである。イオン注入層１１１によって、ステンレス基材１１の硬度が向上される。

（３）真空蒸着装置２０の中で、マグネトロンスパッタリング法を利用して、ステンレス基材１１の上面に下地層１３を形成する。

具体的には、下地層１３は、Ｔｉからなる。スパッタリングする際、前記ＲＦ電極の電流を５Ａ〜８Ａにして、真空チャンバ２０の温度を１５０℃〜２００℃まで加熱する（即ち、スパッタリング温度は１５０℃〜２００℃である）。次いで、流量が１００〜２００ｓｃｃｍのアルゴンを注入して、チタンターゲット２２に対応する電源を起動して、チタンターゲット２２に対して出力が３ｋｗ〜５ｋｗである電流を印加した後、ステンレス基材１１に対して−３００Ｖ〜−３５０Ｖのバイアス電圧を印加する。ここで、スパッタリング時間は８分〜１５分である。これにより、厚さが０．３μｍ〜０．５μｍの下地層１３が形成される。

（４）真空蒸着装置２０の中で、マグネトロンスパッタリング法を利用して、下地層１３の表面に移行層１５を形成する。

具体的には、前記ＲＦ電極の電流が変わらないことを前提として、アルゴンの流量を１００〜１５０ｓｃｃｍに調節して、真空チャンバ２０の温度を１５０℃〜１８０℃まで加熱する。これと同時に、チタンターゲット２２及びクロムターゲット２３にそれぞれ対応している電源を起動し、且つチタンターゲット２２に対して出力が５ｋｗ〜７ｋｗである電流を印加した後、クロムターゲット２３に対して出力が８ｋｗ〜１２ｋｗである電流を印加し、ステンレス基材１１に対して−３５０Ｖ〜−４００Ｖのバイアス電圧を印加する。ここで、スパッタリング時間は１５分〜２５分である。これらの条件下で、マグネトロンスパッタリング処理を行って、下地層１３の上面に移行層１５を積層させる。

移行層１５を形成する過程において、チタンターゲット２２及びクロムターゲット２３から飛び出したチタン原子及びクロム原子の一部は、前記ＲＦ電極によりイオン化されてプラズマとなる。これにより、移行層１５と下地層１３との接合力及び移行層１５の緻密度が高められる。

移行層１５は、Ｔｉ_ａＣｒ_ｂ層であり、その中で、１≦ａ≦２、２≦ｂ≦３である。移行層１５の厚さは、０．５μｍ〜０．８μｍである。

（５）真空蒸着装置２０の中で、マグネトロンスパッタリング法によって、移行層１５の表面に硬質層１７を形成する。

具体的には、前記ＲＦ電極の電流及びスパッタリング温度が変わらないことを前提として、チタンターゲット２２に対して出力が４ｋｗ〜６ｋｗである電流を印加した後、クロムターゲット２３に対して出力が１０ｋｗ〜１５ｋｗである電流を印加する。次いで、流量が１５０〜２００ｓｃｃｍのアルゴンを注入した後、流量が３００〜５００ｓｃｃｍの窒素を注入し、ステンレス基材１１に対して−１３００Ｖ〜−１５００Ｖのバイアス電圧を印加する。この時、スパッタリング時間は１５分〜２５分である。これらの条件下で、マグネトロンスパッタリング処理を行って、移行層１５の上面に硬質層１７を積層させる。

硬質層１７を形成する過程において、チタンターゲット２２及びクロムターゲット２３から飛び出したチタン原子及びクロム原子の一部は、前記ＲＦ電極によりイオン化されてプラズマとなる。これにより、硬質層１７の中のＴｉ原子及びＣｒ原子とＮ原子との間の結合力、硬質層１７の内部組織の均一性及び緻密化を高め、さらに硬質層１７の硬度を向上させることができる。

硬質層１７は、Ｔｉ_ｘＣｒ_ｙＮ_ｚであり、その中で、２≦ｘ≦４、３≦ｙ≦８、１０≦ｚ≦１６である。硬質層１７の厚さは、１．２μｍ〜１．５μｍである。

（６）硬質層１７が被覆されているステンレス基材１１に対して、液体窒素冷却処理を行う。

真空チャンバ２０内に液体窒素を注入して、３〜５℃／分の冷却速度によって真空チャンバ２０内の温度を１００℃まで下げる。この時、真空チャンバ２０内の圧力は２〜５Ｐａに維持する。さらに、５〜６℃／分の冷却速度によって真空チャンバ２０内の温度を１００℃から７０℃まで下げる。この時も、真空チャンバ２０内の圧力は２〜５Ｐａに維持する。このような液体窒素冷却処理工程は、ステンレス基材１１と下地層１３との間、及び前記複数の膜の間の応力を低下させ、膜間の結合力及びステンレス製品１０の耐摩耗性を高めることができる。

上記の（１）ないし（６）の工程により得られたステンレス製品１０の表面マイクロビッカース硬度は、８００ＨＶ０．０２５〜１０００ＨＶ０．０２５である。しかも、前記ステンレス製品の上面に形成される膜は、それぞれ均一で、緻密性も高い。

以下、具体的な実施例を挙げて、本発明について説明する。

［実施例１］
（１）ステンレス基材１１を提供する。

（２）ステンレス基材１１に対してイオン注入処理を行う。本工程において、真空チャンバ２０内の真空度は２×１０^−１Ｐａであり、イオン注入の温度は２２０℃であり、ＲＦ電極の電流は６Ａであり、ステンレス基材１１に印加されるバイアス電圧は−１４００Ｖであり、アルゴンの流量は１５０ｓｃｃｍであり、窒素の流量は４００ｓｃｃｍである。この時、イオン注入時間は３０分である。これらの条件で得たイオン注入層１１１の厚さは、０．１５μｍである。

（３）ステンレス基材１１の上面に下地層１３を積層する。具体的には、ＲＦ電極の電流、アルゴンの流量を変えない条件下で、スパッタリング温度を１７０℃にし、チタンターゲット２２に対して出力が４ｋｗである電流を印加し、ステンレス基材１１に対して−３００Ｖのバイアス電圧を印加する。この時、スパッタリング時間は１０分である。本工程で得られた下地層１３の厚さは、０．４μｍである。

（４）下地層１３の上面に移行層１５を積層する。具体的には、ＲＦ電極の電流、アルゴンの流量及びスパッタリング温度を変えない条件下で、チタンターゲット２２に対して出力が６ｋｗである電流を印加し、クロムターゲット２３に対して出力が１０ｋｗである電流を印加し、ステンレス基材１１に対して−４００Ｖのバイアス電圧を印加する。この時、スパッタリング時間は２０分である。本工程で得られた移行層１５の厚さは、０．６μｍである。

（５）移行層１５の上面に硬質層１７を積層する。具体的には、ＲＦ電極の電流及びスパッタリング温度を変えない条件下で、チタンターゲット２２に対して出力が５ｋｗである電流を印加し、クロムターゲット２３に対して出力が１２ｋｗである電流を印加し、真空チャンバ２０内に流量が１８０ｓｃｃｍのアルゴン及び流量が４００ｓｃｃｍの窒素を注入し、ステンレス基材１１に対して−１４００Ｖのバイアス電圧を印加する。この時、スパッタリング時間は４０分である。本工程で得られた硬質層１７の厚さは、１．４μｍである。

（６）硬質層１７が被覆されているステンレス基材１１に対して、液体窒素冷却処理を行う。具体的には、真空チャンバ２０内に液体窒素を注入して、３℃／分の冷却速度によって真空チャンバ２０内の温度を１００℃まで下げる。この時、真空チャンバ２０内の圧力は４Ｐａに維持する。さらに、５℃／分の冷却速度によって真空チャンバ２０内の温度を１００℃から７０℃まで下げる。この時、真空チャンバ２０内の圧力は２Ｐａに維持する。

上記の実施例１により得られたステンレス製品１０の表面マイクロビッカース硬度は、８１５ＨＶ０．０２５である。

［実施例２］
（１）ステンレス基材１１を提供する。

（２）ステンレス基材１１に対してイオン注入処理を行う。本工程において、真空チャンバ２０内の真空度は５×１０^−１Ｐａであり、イオン注入の温度は２５０℃であり、ＲＦ電極の電流は８Ａであり、ステンレス基材１１に印加されるバイアス電圧は−１５００Ｖであり、アルゴンの流量は２００ｓｃｃｍであり、窒素の流量は６００ｓｃｃｍである。この時、イオン注入時間は３０分である。これらの条件で得たイオン注入層１１１の厚さは、０．１５μｍである。

（３）ステンレス基材１１の上面に下地層１３を積層する。具体的には、ＲＦ電極の電流を変えない条件下で、アルゴンの流量を１５０ｓｃｃｍに調節し、スパッタリング温度を２００℃にし、チタンターゲット２２に対して出力が５ｋｗである電流を印加し、ステンレス基材１１に対して−３５０Ｖのバイアス電圧を印加する。この時、スパッタリング時間は１０分である。本工程で得られた下地層１３の厚さは、０．５μｍである。

（４）下地層１３の上面に移行層１５を積層する。具体的には、ＲＦ電極の電流、アルゴンの流量及びスパッタリング温度を変えない条件下で、チタンターゲット２２に対して出力が７ｋｗである電流を印加し、クロムターゲット２３に対して出力が１２ｋｗである電流を印加し、ステンレス基材１１に対して−４００Ｖのバイアス電圧を印加する。この時、スパッタリング時間は２５分である。本工程で得られた移行層１５の厚さは、０．７μｍである。

（５）移行層１５の上面に硬質層１７を積層する。具体的には、ＲＦ電極の電流及びスパッタリング温度を変えない条件下で、チタンターゲット２２に対して出力が６ｋｗである電流を印加し、クロムターゲット２３に対して出力が１５ｋｗである電流を印加し、真空チャンバ２０内に流量が２００ｓｃｃｍのアルゴン及び流量が５００ｓｃｃｍの窒素を注入し、ステンレス基材１１に対して−１５００Ｖのバイアス電圧を印加する。この時、スパッタリング時間は４０分である。本工程で得られた硬質層１７の厚さは、１．５μｍである。

（６）硬質層１７が被覆されているステンレス基材１１に対して、液体窒素冷却処理を行う。具体的には、真空チャンバ２０内に液体窒素を注入して、５℃／分の冷却速度によって真空チャンバ２０内の温度を１００℃まで下げる。この時、真空チャンバ２０内の圧力は４Ｐａに維持する。さらに、６℃／分の冷却速度によって真空チャンバ２０内の温度を１００℃から７０℃まで下げる。この時、真空チャンバ２０内の圧力は１Ｐａに維持する。

上記の実施例２により得られたステンレス製品１０の表面マイクロビッカース硬度は、１０００ＨＶ０．０２５である。

１０ ステンレス製品
１１ ステンレス基材
１３ 下地層
１５ 移行層
１７ 硬質層
２０ 真空チャンバ
２２ チタンターゲット
２３ クロムターゲット
２６ トラック
２７ ガス源通路
３０ 真空ポンプ
１１１ イオン注入層
２００ 真空蒸着装置

Claims (9)

1. ステンレス基材に硬質膜が被覆されたステンレス製品であって、前記ステンレス基材の上に順次に形成された下地層、移行層及び硬質層をさらに備え、前記下地層はＴｉからなり、前記移行層はＴｉ_ａＣｒ_ｂからなり、前記硬質層はＴｉ_ｘＣｒ_ｙＮ_ｚからなり、
   前記化学式において、１≦ａ≦２、２≦ｂ≦３、２≦ｘ≦４、３≦ｙ≦８、１０≦ｚ≦１６であることを特徴とする硬質膜が被覆されたステンレス製品。
2. 前記ステンレス基材の表層は、イオン注入層であり、前記下地層は、前記イオン注入層の上面を被覆し、前記イオン注入層は、主にＦｅ元素及びＮ元素を含有し、前記イオン注入層の厚さは、０．１μｍ〜０．２μｍであることを特徴とする請求項１に記載の硬質膜が被覆されたステンレス製品。
3. 前記イオン注入層において、ＦｅとＮとの原子数の比は、１：４〜１：７であることを特徴とする請求項２に記載の硬質膜が被覆されたステンレス製品。
4. 前記硬質層の厚さは１．２μｍ〜１．５μｍであり、前記移行層の厚さは０．５μｍ〜０．８μｍであることを特徴とする請求項１に記載の硬質膜が被覆されたステンレス製品。
5. ステンレス基材を提供する工程と、
   真空チャンバと、前記真空チャンバ内に固定されたチタンターゲット、クロムターゲット及び無線周波電極と、を備える真空蒸着装置を提供する工程と、
   前記ステンレス基材を前記真空蒸着装置内にセットし、前記チタンターゲットに対応する電源を起動し、且つ前記無線周波電極に対して電流を印加して、前記ステンレス基材の上にＴｉからなる下地層を形成する工程と、
   前記チタンターゲット及び前記クロムターゲットにそれぞれ対応する電源を同時に起動して、前記下地層の上面にＴｉ_ａＣｒ_ｂ（１≦ａ≦２、２≦ｂ≦３）からなる移行層を形成する工程と、
   窒素を反応気体とし、前記チタンターゲット及び前記クロムターゲットにそれぞれ対応する電源を同時に起動して、前記移行層の上面にＴｉ_ｘＣｒ_ｙＮ_ｚ（２≦ｘ≦４、３≦ｙ≦８、１０≦ｚ≦１６）からなる硬質層を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする硬質膜が被覆されたステンレス製品の製造方法。
6. 前記下地層を形成する前に、前記真空蒸着装置内にアルゴン及び窒素を注入して、前記ステンレス基材の表面にイオン注入層を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の硬質膜が被覆されたステンレス製品の製造方法。
7. 前記イオン注入層を形成する工程において、前記無線周波電極は、前記アルゴン及び前記窒素をイオン化させて、アルゴンプラズマ及び窒素プラズマを形成し、
   また、前記移行層を形成する工程及び前記硬質層を形成する工程において、前記無線周波電極は、前記チタンターゲット及び前記クロムターゲットから飛び出したチタン原子、クロム原子をイオン化させて、チタンプラズマ及びクロムプラズマを形成することを特徴とする請求項６に記載の硬質膜が被覆されたステンレス製品の製造方法。
8. 前記イオン注入層を形成する工程において、前記無線周波電極の電流は５Ａ〜８Ａであり、前記ステンレス基材に印加したバイアス電圧は−１３００Ｖ〜−１５００Ｖであり、前記アルゴンの流量は１００ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍであり、前記窒素の流量は２００ｓｃｃｍ〜６００ｓｃｃｍであり、前記イオン注入時間は２０分〜３５分であることを特徴とする請求項６に記載の硬質膜が被覆されたステンレス製品の製造方法。
9. 前記硬質層を形成する工程において、前記チタンターゲットに対して出力が４ｋｗ〜６ｋｗである電流を印加し、前記クロムターゲットに対して出力が１０ｋｗ〜１５ｋｗである電流を印加し、前記窒素の流量は３００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍであり、前記アルゴンの流量は１５０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍであり、前記ステンレス基材に印加したバイアス電圧は−１３００Ｖ〜−１５００Ｖであり、スパッタリング時間は２５分〜５０分であることを特徴とする請求項５に記載の硬質膜が被覆されたステンレス製品の製造方法。