JPH04502346A - 非導電性被覆材料で金属基体を被覆する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 非導電性被覆材料で金属基体を被覆する方法本発明は、プラズマ活性化ＣＶＯ− 付着法によって、非導電性被覆材料、特にセラミック（＾１□０．）で金属基体 を被覆する方法に関する。

工具鋼よりなる工作物の寿命および信幀性は、上記工作物が耐摩耗性の層で被覆 されるならば、著しく改善されることが知られている。すなわち、工具鋼上の薄 層中の遷移金属のホウ化物、炭化物および窒化物、特に炭化チタンまたは窒化チ タンが工作物の寿命および信顛性を著しく改善することが、ドイツの刊行物“Ｖ ＤＩ−Ｚ”第１２４巻（１９８２年）第１８号９月　（ｎ）第６９３頁にすでに 記載されている。

適当な被覆方法としては、化学的に反応性のガス混合物よりの付着（ＣＶＤ・化 学蒸着）がある。この場合、付着すべき層を構成する元素を含有するガス状の化 合物を高い温度において互いに反応せしめる。炭化チタンを付着せしめるために は、還元剤およびキャリアーガスとしての水素（Ｎ２）を含有するメタン（ＣＩ （４）の存在下にガス状の塩化チタン（ＴｉＣ１，）が還元せしめられる。窒化 チタンの付着のためには、メタンの代りに窒素（Ｎ２）が使用される。

更に、切削工具において最高の切削速度が要求される場合には、超硬合金上の硬 質物質層としてＡｌｔｏｚ基礎上の切削用セラミックを使用することが知られて いる。セラミック被覆の利点は、特に、高い硬度および高温硬度、高温度におけ る高い耐圧性、高い熱力学的安定性および高い化学的抵抗性に存する。付着した 酸化アルミニウムは、大抵α−Ａｌｉｂｉ−コランダムの結晶構造中に存在する 。

周知のように、多数のアルミニウム水和物の脱水の際に中間段階として現れるＡ Ｉ、０３のすべての変態は、比較的高い温度においてはコランダムの基体構造を とろうとする。これらの変態のうちの若干のもの、なかんずくに−ＡｌｚＯｉは 、１２００°Ｃまでの比較的高い温度まで安定であるので、時によりコランダム の外にこれらの変態もまた付着層中に見出される。しかしながら、研究の結果、 α−およびに−Ａ１□０８層の間には、金属屑出し加工の際に認め得る程の相違 が認められないことが判明した。

しかしながら、化学蒸着（ＣＶＤ）被覆の場合の欠点は、それぞれの複合体の強 靭性の損失に導く約１０００°Ｃという従来必要とされた高い被覆温度である。

鋼中の粒子の成長およびオーステナイト相の安定化のおそれを避けるべき低ｍ− ｃｖｏ法を開発するための研究において、低圧グロー放電中の反応ガスが非平衡 プラズマに重なるというプラズマ活性化被覆法に到達した。この場合には、電子 の温度は、イオンおよび中性粒子の温度よりもかなり高い。同じ温度における熱 力学的平衡にあるガスに比較して実質的に高い上記非平衡プラズマのエネルギー によって、さもなければかなり高い温度が必要となるであろうような化学反応が 可能になる。

低圧プラズマは、種々の方法で発生されうるニー陰極として接続された工作物に 一定の直流電圧を印加することによるもの、 一高周波の交流によるもの、そして −パルス直流電圧（矩形パルスによる）によるもの。

エネルギーが誘導的にまたは静電的に外から反応容器内に導入されうる高周波励 起は、電気工学（を子工学）において、例えばマイクロチップにおいて極めて純 粋な相の付着のために使用される。

それは直接に基体に結合された電極なしに操作されるので、材料自体が導電性で あるかまたは非導電性であるかということは問題ではない。しかしながら、その 方法は、非常に費用がかかるという不利益がある。

低圧荷電を生ぜしめる最も簡単な手段は、被覆すべき工作部材を陰極として接続 し、そして受け器ないしその壁部を陽極ないし大地電位として用いることである 。この場合、基体の温度は、電圧および電流の関数である。

プラズマ−〇ｖＤ被覆のためのもう一つの可能性は、プラズマ−パルス法によっ て得られる。基体温度は、この場合ピーク電圧ならびにピーク電流の関数であり 、またパルス持続時間およびパルス周波数の関数でもある。有利には、被覆温度 は、低圧放電パラメーター、電圧および電流に無関係に調節されうる。しかしな がら、前記の一定の直流で行われる方法の場合と同様に、プラズマ−パルス法は 、従来金属的に導電性の工作材料、おそらく窒化チタンまたは炭化チタンの被覆 の場合のみ使用されている。

セラミック層（ＡＩｓｏ、）による被覆は、従来技術によれば、例えばいわゆる ＰＶＤ法（ＰＶＤ＝物理蒸着）によって実施される。ＰＶＤ法の例としては、陰 極スパッタリングが挙げられる。この場合、グロー放電中において陰極材料は、 正のイオンの衝突の際に陰極表面上でスパッタリングされる。陰極スパッタリン グによる炭化チタンでの被覆が最も困難であることが一般に知られている。何故 ならば、炭素がこの方法を妨げるからである。セラミックの付着の場合には、陰 極スパッタリングによっては無定形相のみしか得られない。

従って、本発明の解決すべき課題は、１つの金属の基体および１つまたはそれ以 上の層であってそのうちの少なくとも１つが非導電性であるものよりなる複合材 料が低度でしかも多額の技術的費用をかけずに製造されうるという方法を開発す ることである。この複合体は、特に切削用の工具としての使用および金属工作材 料の切削屑のない成形を可能にするすぐれた耐摩耗性を有すべきである。

この課題は、陰極に接続された基体にパルス直流電圧でプラズマ活性化をもたら すことによって解決される。ｔ＜べきことには、被覆材料もまた同様に導電性で なければならないという従来前提となっている予想に反して、例えば酸化アルミ ニウムによる被覆もまたパルス直流電圧が使用されるならば実施されうることか 示された。このことは、驚くべきことでありまた予想されなかったことである。

何故ならば、金属の基体は、すでにこの方法の開始の数分後に、全部の面がＡＩ Ｊｉよりなる非導電性の層によって被覆され、その層の厚さはそれにもかかわら ず、時間に比例して増大するからである。すでに上述のように、この方法は、特 に低温において実施した場合に可能である。好ましくは４００ないし８００°Ｃ の温度が、本発明の実施態様によれば６００°Ｃ以下の温度が選択される。

パルス直流電圧は、２００ないし９００ボルトの最大値を有する。

更に、被覆の品質は、正の直流電圧パルス（矩形パルス）の間のパルス休止期中 の残留直流電圧を、ＣＶＤ−法に関与するガス分子の最低のイオン化電位より高 いが、しかしパルス直流電圧の最大値の５０％を超えないように維持することに よって改善される。この場合、本質的なことは、電圧の経過ないし残留直流電圧 の均一性ではなく、単に２つの矩形パルスの間の全期間にわたって残留直流電圧 を、前記のイオン化電位よりも常に高くすることにかかっている。標準的なイオ ン化電位の若干の例を以下に示す： Ｈ：　１３．５ｅν、Ｈｚ　：　１５．８ｅＶ、　Ｎ：１４．５ｅＶ、Ｎｚ　： 　１５．７ｅＶおよびＡｒ　：　１５．７ｅＶ、　０　：　１３．６ｅＶ、　Ｏ ｘ　：　１２．１ｅＶ。

本発明のもう１つの実施態様によれば、パルス直流電圧の最大値に対する残留直 流電圧の比は、０．０２ないし０．５である。

パルス直流電圧の周期は、好ましくは２０μｓないし２０ａｓであるべきであり 、その際周期とは１つの矩形パルスと１つのパルス休止の期間を意味するものと する。好ましくは、パルス休止期間の長さに対するパルスの長さの比は、０．１ 　ないし０．６が選択される。最後にパラメーターは、０．５ないし１０　ａ　 ａ／ｈの層成長速度が達成されるように調整される。

従って、本発明による方法は、好ましくは、それぞれ異った硬質物質よりなる多 層被覆を可能にする。硬質物質とは、特に大きな硬度および高い融点を有する炭 化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物および酸化物、例えば、炭化チタン、窒化チ タン、炭窒化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化ホウ素、炭化 ケイ素およびニホウ化チタンを意味する。すなわち、本発明による方法により、 例えばそれぞれ５μ＋ｎ（ＴｉＮ、ＴｉＣ）ないし０．３　μｍ（＾１２０３） の層の厚さを有する、鋼の基体および層系列ＴｉＮおよび／またはＴｉＣおよび ／またはＡｌｚＯｉを有する使い捨て割出し可能インサート（Ｗｅｎｄｅｓｃｈ ｎｅｉｄｐｌａｔｔｅ）が製造される。これらの使い捨て割出し可能インサート は、著しく改善された耐摩耗性を示した。

梳正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成３年６月１０日

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．プラズマ活性化ＣＶＤ付着によって、非導電性被覆材料、特にセラミック（ ＡＩ２Ｏ３）で金属基体を被覆する方法において、陰極として接続された基体に おけるプラズマ活性化がパルス直流電圧によってもたらされることを特徴とする 上記被覆方法。
2. ２．被覆が４００ないし８００℃、好ましくは４００ないし６００℃の温度にお いて実施されることを特徴とする請求の範囲第１項による方法。
3. ３．パルス直流電圧が２００ないし９００ボルトの最大値を有することを特徴と する請求の範囲第１項または第２項による方法。
4. ４．正の直流電圧パルス、好ましくは矩形パルスの間のパルス休止期間中に、Ｃ ＶＤ法に関与するガス分子の最も低いイオン化電位よりも高いが、しかしパルス 直流電圧の最大値の５０％を超えないような残留直流電圧を維持することを特徴 とする請求の範囲第１項〜第３項のうちのいずれか一つによる方法。
5. ５．パルス直流電圧の最大値に対する残留直流電圧の比が０．２ないし０．５で ある請求の範囲第４項による方法。
6. ６．パルス直流電圧の周期が２０μｓないし２０ｍｓの間にあることを特徴とす る請求の範囲第１項〜第５項のうちのいずれか一つによる方法。
7. ７．パルス休止期間の長さに対するパルスの長さ（パルス期間）の比が０．１な いし０．６の間にあることを特徴とする請求の範囲第１項〜第６項のうちのいず れか一つによる方法。
8. ８．層成長速度が０．５ないし１０μｍ／ｈであることを特徴とする請求の範囲 第９項〜第１３項のうちのいずれか一つによる方法。