JPH06346239A - Production of ceramic coated metallic material - Google Patents

Production of ceramic coated metallic material

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JPH06346239A
JPH06346239A JP13847093A JP13847093A JPH06346239A JP H06346239 A JPH06346239 A JP H06346239A JP 13847093 A JP13847093 A JP 13847093A JP 13847093 A JP13847093 A JP 13847093A JP H06346239 A JPH06346239 A JP H06346239A
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JP
Japan
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metal
gas
layer
ceramic
nitrogen
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Application number
JP13847093A
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Japanese (ja)
Inventor
Motokazu Yuasa
基和 湯浅
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Sekisui Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sekisui Chemical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To produce a ceramic coated metallic material having high hardness and excellent in corrosion resistance as well as wear resistance. CONSTITUTION:A metallic substrate is coated with at least one ceramic layer of nitride, carbide or carbonitride of a group IV, VI or VIII metal of the periodic table such as Ti by physical vapor deposition such as ion plating or chemical vapor deposition and nitrogen-contg. gas such as nitrogen, carbon-contg. gas such as acetylene or a mixture of them is excited with plasma and brought into contact with the surface of the ceramic layer to obtain the objective ceramic coated metallic material useful as a cutlery, etc.

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、セラミックス被覆され
た金属材料に関し、例えば、電気機械、輸送機械、工作
機械、精密機械、土木建設機械およびこれらの部品;工
具類;建築材;家具材;食器、包丁、鋏等の日用品;装
飾品;その他あらゆる金属材料であって、高硬度、耐摩
耗性、耐食性等の付与を目的としてセラミックス被覆さ
れた金属材料の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic-coated metal material, for example, an electric machine, a transportation machine, a machine tool, a precision machine, a civil construction machine and their parts; tools; building materials; furniture materials; The present invention relates to a method for producing a metal material, such as tableware, kitchen knives, scissors, etc .; ornaments; all other metal materials, which are ceramic-coated for the purpose of imparting high hardness, wear resistance, corrosion resistance, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】高硬度、耐摩耗性、耐食性等の付与を目
的としてセラミックス被覆された金属材料が知られてい
る。例えば、包丁、鋏、ナイフ等の刃物には、従来から
炭素鋼またはステンレス製の刃物が用いられてきたが、
炭素鋼は錆が生じ易く、また、耐食性の高いステンレス
は刃先が柔らかく繰り返し使用すると刃先が摩耗するこ
とによって切れ味が低下するという問題があり、これを
改良するために、TiNやTiCに代表される金属窒
化、炭化物セラミックスを物理的蒸着法や化学的蒸着法
で刃物基体上に被覆することが近年活発に研究開発され
てきた。例えば、特開平1−47849号公報には、イ
オンプレーティングやスパッタリング等の物理的蒸着法
で刃物基体にTiNを形成後、CrN、TiCN等の金
属窒化、炭化窒化物セラミックスを被覆する方法が提案
されており、高硬度、耐摩耗性、耐食性等を具備したセ
ラミックス被覆金属材料が得られている。しかし、これ
らのセラミックス皮膜は、皮膜を構成する結晶の粒界か
らの孔食が発生し易く耐食性に問題が残っていた。
2. Description of the Related Art A metal material coated with ceramics for the purpose of imparting high hardness, wear resistance, corrosion resistance and the like is known. For example, knives such as kitchen knives, scissors, and knives have conventionally been made of carbon steel or stainless steel,
Carbon steel is prone to rust, and stainless steel, which has high corrosion resistance, has a problem that the blade edge is soft and the blade edge wears down after repeated use, resulting in reduced sharpness. To improve this, typified by TiN and TiC. In recent years, active research and development have been carried out on coating metal nitriding and carbide ceramics on a blade substrate by physical vapor deposition or chemical vapor deposition. For example, JP-A-1-47849 proposes a method of forming TiN on a blade substrate by physical vapor deposition such as ion plating or sputtering, and then coating metal nitride such as CrN or TiCN or carbonitride ceramics. Thus, a ceramic-coated metal material having high hardness, wear resistance, corrosion resistance, etc. has been obtained. However, in these ceramic coatings, pitting corrosion is likely to occur from the grain boundaries of the crystals forming the coating, and the corrosion resistance remains a problem.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記欠点に
鑑みてなされたものであり、その目的は、上記従来のセ
ラミックス被覆刃物を始めとして、従来のセラミックス
被覆金属材料の欠点を解消し、高硬度、耐摩耗性ととも
に、耐食性に優れるセラミックス被覆金属材料の製造方
法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above drawbacks, and an object thereof is to solve the drawbacks of conventional ceramics-coated metal materials, including the conventional ceramics-coated blades described above. It is an object of the present invention to provide a method for producing a ceramic-coated metal material that has high hardness and wear resistance as well as excellent corrosion resistance.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明で使用される金属
基体としては、金属であれば特に限定されるものでない
が、例えば、ステンレス鋼や炭素鋼等の鉄鋼;珪素、ア
ルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン等の純
金属およびこれらの合金等が挙げられる。その形状とし
ては、特に限定されるものでなく、例えば、板状、線
状、管状等が挙げられる。
The metal substrate used in the present invention is not particularly limited as long as it is a metal. For example, steel such as stainless steel or carbon steel; silicon, aluminum, titanium, molybdenum. And pure metals such as tungsten and alloys thereof. The shape is not particularly limited, and examples thereof include a plate shape, a linear shape, and a tubular shape.

【0005】本発明のセラミックス被覆金属材料の製造
方法は、まず、上記金属基体上に、物理的蒸着法または
化学的蒸着法により周期律表4、6、8、13または1
4族の金属の窒化物、炭化物または炭化窒化物からなる
セラミックス層を少なくとも一層被覆する。
In the method for producing a ceramic-coated metal material according to the present invention, first, the periodic table 4, 6, 8, 13 or 1 is formed on the metal substrate by physical vapor deposition or chemical vapor deposition.
At least one ceramic layer made of a Group 4 metal nitride, carbide, or carbonitride is coated.

【0006】上記物理的蒸着法としては、例えば、真空
蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等が挙げ
られる。化学的蒸着法としては、例えば、プラズマCV
D法が挙げられる。本発明では、セラミックス層の被覆
後、プラズマによってセラミックス層表面を処理するの
で、上記の蒸着法のうち、プラズマを利用した方法であ
るイオンプレーティング、スパッタリングおよびプラズ
マCVD法が好ましい。
Examples of the physical vapor deposition method include vacuum vapor deposition, ion plating and sputtering. Examples of the chemical vapor deposition method include plasma CV
Method D is mentioned. In the present invention, the surface of the ceramic layer is treated with plasma after the coating of the ceramic layer. Therefore, among the above vapor deposition methods, ion plating, sputtering and plasma CVD methods which are methods utilizing plasma are preferable.

【0007】前記の周期律表4、6、8、13または1
4族の金属としては、例えば、4族のチタン、ジルコニ
ウム、ハフニウム;6族のクロム、モリブデン、タング
ステン;8族の鉄;13族のアルミニウム;14族の珪
素等が挙げられる。該金属の窒化物、炭化物または炭化
窒化物からなるセラミックス層を金属基体上に被覆する
には、イオンプレーティングやスパッタリングにおいて
は、該金属そのものを原料として使用し、プラズマCV
D法においては、該金属の水素化物、ハロゲン化物、ア
ルコラート等の金属化合物ガスを原料として使用する。
Periodic table 4, 6, 8, 13 or 1
Examples of the Group 4 metal include Group 4 titanium, zirconium, and hafnium; Group 6 chromium, molybdenum, and tungsten; Group 8 iron; Group 13 aluminum; Group 14 silicon. In order to coat a metal substrate with a ceramic layer made of a nitride, a carbide, or a carbonitride of the metal, the metal itself is used as a raw material in ion plating or sputtering, and a plasma CV is used.
In the method D, a metal compound gas such as a hydride, a halide or an alcoholate of the metal is used as a raw material.

【0008】これらの原料を使用して上記金属基体上
に、物理的蒸着法または化学的蒸着法により該金属の窒
化物、炭化物または炭化窒化物からなるセラミックス層
を被覆するには、公知の方法に従って行えばよい。
A known method for coating the above metal substrate with a ceramic layer made of a nitride, a carbide or a carbonitride of the metal by a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method using these raw materials. You can follow.

【0009】例えば、イオンプレーティングによって、
セラミックス層を被覆するには、上記原料金属を蒸発さ
せ、さらにその蒸発粒子をイオン化し、イオン化した金
属を、窒化物を被覆する場合は窒素含有ガス、例えば、
窒素、アンモニア等のガス;炭化物を被覆する場合は炭
素含有ガス、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタ
ン、ペンタン、ヘキサン等のアルカン系ガス類、エチレ
ン、プロピレン、ブテン、ペンテン等のアルケン系ガス
類、ペンタジエン、ブタジエン等のアルカジエン系ガス
類、アセチレン、メチルアセチレン等のアルキン系ガス
類、ベンゼン、トルエン、キシレン、インデン、ナフタ
レン、フェナントレン等の芳香族炭化水素系ガス類、シ
クロプロパン、シクロヘキサン等のシクロアルカン系ガ
ス類、シクロペンテン、シクロヘキセン等のシクロアル
ケン系ガス類等のガス;炭化窒化物を被覆する場合は上
記の炭素含有ガスと窒素含有ガスとの混合ガスと反応さ
せる。
For example, by ion plating,
In order to coat the ceramics layer, the raw material metal is vaporized, the vaporized particles are further ionized, and the ionized metal is coated with a nitrogen-containing gas, for example, when coating a nitride,
Gases such as nitrogen and ammonia; carbon-containing gases when coating carbides, for example, alkane gases such as methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, etc., alkene gases such as ethylene, propylene, butene, pentene, etc. , Pentadiene, butadiene and other alkadiene gases, acetylene, methylacetylene and other alkyne gases, benzene, toluene, xylene, indene, naphthalene, phenanthrene and other aromatic hydrocarbon gases, cyclopropane, cyclohexane and other cyclones Gases such as alkane-based gases, cycloalkene-based gases such as cyclopentene, cyclohexene, etc .; when carbonitride is coated, it is reacted with a mixed gas of the above-mentioned carbon-containing gas and nitrogen-containing gas.

【0010】上記のイオンプレーティングの方式として
は、特に限定はなく、従来公知の方式が使用でき、例え
ばアーク放電法、高周波励起法、中空陰極放電法などの
方式が挙げられる。なお、これら各方式の相違点は金属
の蒸発方法及び蒸発粒子のイオン化方法が異なっている
点にある。
The above-mentioned ion plating method is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. Examples thereof include an arc discharge method, a high frequency excitation method, and a hollow cathode discharge method. The difference between these methods is that the metal evaporation method and the evaporation particle ionization method are different.

【0011】イオンプレーティングによってセラミック
ス層を被覆する場合の具体的手順としては、原料金属を
入れた水冷るつぼおよび金属基体が収容された真空容器
を1×10-5Torr以下に排気する。ついで、原料金
属を溶融加熱などによって蒸発させ、イオン化手段(例
えば、アーク放電方式の場合、イオン化電極を使用する
が、その際のイオン化電流は20A〜80Aになるよう
にイオン化電圧を調整する。)によって蒸発粒子をイオ
ン化する。これと同時に、上記の窒素含有ガス、炭素含
有ガスまたはその混合ガスを真空容器内の全圧力が4×
10-4〜3×10 -3Torrとなるように真空容器内
に導入する。その後、予め200〜800℃の温度に加
熱させておいた金属基体に−1000〜−25Vの直流
電圧を印加し、イオン化された金属と上記の窒素含有ガ
ス、炭素含有ガスまたはその混合ガスとを反応させて得
られた金属の窒化物、炭化物または炭化窒化物を金属基
体上に蒸着させ、目的とするセラミックス層を形成す
る。
As a specific procedure for coating the ceramics layer by ion plating, the water-cooled crucible containing the raw metal and the vacuum container containing the metal substrate are evacuated to 1 × 10 -5 Torr or less. Then, the raw material metal is vaporized by melting and heating and the like, and an ionization means (for example, in the case of the arc discharge method, an ionization electrode is used, and the ionization current at that time is adjusted to an ionization current of 20 A to 80 A). The vaporized particles are ionized by. At the same time, the total pressure in the vacuum container of the nitrogen-containing gas, the carbon-containing gas or the mixed gas is 4 ×.
It is introduced into a vacuum container so that the pressure becomes 10 −4 to 3 × 10 −3 Torr. After that, a DC voltage of −1000 to −25 V is applied to the metal substrate that has been heated to a temperature of 200 to 800 ° C. in advance, and the ionized metal and the above-mentioned nitrogen-containing gas, carbon-containing gas or a mixed gas thereof are added. The metal nitride, carbide or carbonitride obtained by the reaction is vapor-deposited on the metal substrate to form the desired ceramic layer.

【0012】スパッタリングによって、セラミックス層
を被覆するには、上記原料金属をターゲットとして、放
電用のアルゴンガス中に、金属の窒化物を形成する場合
は窒素含有ガス、炭化物を形成する場合は炭素含有ガ
ス、炭化窒化物を形成する場合は炭素含有ガスと窒素含
有ガスとの混合ガスからなる反応性ガスを混ぜる。この
状態でスパッタリングして、加熱した金属基体上でター
ゲットからの原子と反応性ガスとを反応させてそれぞれ
の金属化合物を形成させる。上記の炭素含有ガスと窒素
含有ガスの例としては、前記のイオンプレーティングで
使用されるものと同じである。
In order to coat the ceramics layer by sputtering, a nitrogen-containing gas is used when a metal nitride is formed in a discharge argon gas, and a carbon-containing gas is used when a carbide is formed in the argon gas for discharge. When forming a gas or carbonitride, a reactive gas consisting of a mixed gas of a carbon-containing gas and a nitrogen-containing gas is mixed. In this state, sputtering is performed, and the atoms from the target are reacted with the reactive gas on the heated metal substrate to form the respective metal compounds. Examples of the above carbon-containing gas and nitrogen-containing gas are the same as those used in the above-mentioned ion plating.

【0013】プラズマCVD法によって、セラミックス
層を被覆するには、前記金属の水素化物、ハロゲン化
物、アルコラート等の金属化合物ガスと、金属の窒化物
を形成する場合は窒素含有ガス、炭化物を形成する場合
は炭素含有ガス、炭化窒化物を形成する場合は炭素含有
ガスと窒素含有ガスとの混合ガスとからなる原料ガス中
に、金属基体を置き、金属基体近傍の原料ガスに直流ま
たは高周波電力を投入し、原料ガスをプラズマ化する。
これによって化学反応を起こさせ、金属基体上に反応生
成物の金属窒化物、金属炭化物または金属炭化窒化物を
形成させる。上記の炭素含有ガスと窒素含有ガスの例と
しては、前記のイオンプレーティングで使用されるもの
と同じである。
In order to coat the ceramic layer by the plasma CVD method, a metal compound gas such as a hydride, a halide or an alcoholate of the above metal, and a nitrogen-containing gas or a carbide when forming a metal nitride. In the case of forming a carbon-containing gas, in the case of forming a carbonitride, a metal substrate is placed in a source gas composed of a mixed gas of a carbon-containing gas and a nitrogen-containing gas, and a DC or high-frequency power is applied to the source gas near the metal substrate. Then, the raw material gas is turned into plasma.
This causes a chemical reaction to form a reaction product metal nitride, metal carbide or metal carbonitride on the metal substrate. Examples of the above carbon-containing gas and nitrogen-containing gas are the same as those used in the above-mentioned ion plating.

【0014】本発明のセラミックス被覆金属材料の製造
方法は、次に、上記のセラミックス層表面に、窒素含有
ガス、炭素含有ガスまたはこれらの混合ガスをプラズマ
によって励起して接触させる。
In the method for producing a ceramic-coated metal material according to the present invention, next, a nitrogen-containing gas, a carbon-containing gas or a mixed gas thereof is excited by plasma and brought into contact with the surface of the ceramic layer.

【0015】窒素含有ガスとしては、例えば、窒素、ア
ンモニア等のガスが挙げられる。また、窒素含有ガスに
水素ガスやアルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン等の
希ガスを添加してもよい。例えば、窒化チタン層に上記
の処理をする場合、窒素ガスに水素ガスを添加して全ガ
ス中の水素ガス濃度を10〜30体積%とすると、プラ
ズマ中でNHX X は1〜3の数)の励起種が生成され
るので、窒素ガスのみで処理する場合に比べ、窒化チタ
ン層の処理される厚みが1.5倍程度大きくなる。ま
た、窒素ガスに希ガスを添加して全ガス中の希ガス濃度
を10〜99体積%とすると、希ガスを添加することに
よってプラズマ密度が上昇し窒素ガスの励起分解が促進
され、窒化チタン層の処理される厚みが厚くなる。この
場合、希ガスとしてアルゴンとヘリウムとを使用しアル
ゴンとヘリウムの体積比を80:20前後とすると、そ
の効果が特に顕著である。また、水素ガスと希ガスを併
用すると、この効果はさらに高まる。
Examples of the nitrogen-containing gas include gases such as nitrogen and ammonia. Further, hydrogen gas or a rare gas such as argon, helium, neon, or xenon may be added to the nitrogen-containing gas. For example, in the case where the titanium nitride layer is subjected to the above treatment, if hydrogen gas is added to nitrogen gas so that the concentration of hydrogen gas in the total gas is 10 to 30% by volume, NH x ( X is 1 to 3) in plasma. Since the number of excited species is generated, the processed thickness of the titanium nitride layer is increased by about 1.5 times as compared with the case where only the nitrogen gas is processed. Further, when a rare gas is added to nitrogen gas so that the concentration of the rare gas in all the gases is 10 to 99% by volume, the plasma density is increased by the addition of the rare gas and the excited decomposition of the nitrogen gas is promoted. The processed thickness of the layer increases. In this case, when argon and helium are used as the rare gas and the volume ratio of argon and helium is about 80:20, the effect is particularly remarkable. Further, when hydrogen gas and rare gas are used together, this effect is further enhanced.

【0016】炭素含有ガスとしては、例えば、メタン、
エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン等のア
ルカン系ガス類、エチレン、プロピレン、ブテン、ペン
テン等のアルケン系ガス類、ペンタジエン、ブタジエン
等のアルカジエン系ガス類、アセチレン、メチルアセチ
レン等のアルキン系ガス類、ベンゼン、トルエン、キシ
レン、インデン、ナフタレン、フェナントレン等の芳香
族炭化水素系ガス類、シクロプロパン、シクロヘキサン
等のシクロアルカン系ガス類、シクロペンテン、シクロ
ヘキセン等のシクロアルケン系ガス類等が挙げられる。
これらのガスは、単独で使用されても良いし、2種以上
併用されてもよい。さらに、上記炭素含有ガスに水素ガ
スやアルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン等の希ガス
を添加してもよい。希ガスは2種以上混合しても構わな
い。例えば、炭化チタン層に上記の処理をする場合、炭
素含有ガスに水素ガスを添加して全ガス中の水素ガス濃
度を10〜30体積%とすると、プラズマ中でCHX
X は1〜4の数)の励起種が生成されるので、炭素含有
ガスのみで処理する場合に比べ、炭化チタン層の処理さ
れる厚みが1.5倍程度大きくなる。また、炭素含有ガ
スに希ガスを添加して全ガス中の希ガス濃度を10〜9
9体積%とすると、希ガスを添加することによってプラ
ズマ密度が上昇し炭素含有ガスの励起分解が促進され、
炭化チタン層の処理される厚みが厚くなる。この場合、
希ガスとしてアルゴンとヘリウムとを使用しアルゴンと
ヘリウムの体積比を80:20前後とすると、その効果
が特に顕著である。また、水素ガスと希ガスを併用する
と、この効果はさらに高まる。
As the carbon-containing gas, for example, methane,
Alkane-based gases such as ethane, propane, butane, pentane and hexane, alkenes-based gases such as ethylene, propylene, butene and pentene, alkadiene-based gases such as pentadiene and butadiene, alkyne-based gases such as acetylene and methylacetylene , Benzene, toluene, xylene, indene, naphthalene, phenanthrene, and other aromatic hydrocarbon gases, cyclopropane, cyclohexane, and other cycloalkane gases, cyclopentene, cyclohexene, and other cycloalkene gases, and the like.
These gases may be used alone or in combination of two or more. Further, hydrogen gas or a rare gas such as argon, helium, neon, or xenon may be added to the carbon-containing gas. Two or more rare gases may be mixed. For example, in the case where the titanium carbide layer is subjected to the above treatment, if hydrogen gas is added to the carbon-containing gas so that the concentration of hydrogen gas in all gases is 10 to 30% by volume, CH x (in plasma) (
Since X is an excited species of 1 to 4), the treated thickness of the titanium carbide layer is about 1.5 times larger than when treated with only the carbon-containing gas. Further, by adding a rare gas to the carbon-containing gas, the concentration of the rare gas in all the gases is set to 10-9.
When it is 9% by volume, the plasma density is increased by adding the rare gas, and the excited decomposition of the carbon-containing gas is promoted.
The processed thickness of the titanium carbide layer increases. in this case,
When argon and helium are used as the rare gas and the volume ratio of argon and helium is about 80:20, the effect is particularly remarkable. Further, when hydrogen gas and rare gas are used together, this effect is further enhanced.

【0017】窒素含有ガスと炭素含有ガスの混合ガスと
しては、前記の窒素含有ガスと炭素含有ガスのそれぞれ
1種以上が混合されたガスが挙げられる。さらに、この
混合ガスに希ガスを混合させると、処理されるセラミッ
クス層の厚みが大きくなる。窒素含有ガスと炭素含有ガ
スの混合比率は、プラズマ処理によって該セラミックス
層の表層部に形成されるであろう所望のセラミックスの
組成によって変える。例えば、セラミックス層が炭化チ
タンでなるとき、プラズマ処理によって炭化窒化チタン
を形成させようとするなら、窒素含有ガスと炭素含有ガ
スの混合比率は1:1でなく、窒素含有ガスの比率をも
っと高くする。同様に、セラミックス層が窒化チタンで
なるとき、プラズマ処理によって炭化窒化チタンを形成
させようとするなら、窒素含有ガスと炭素含有ガスの混
合比率は1:1でなく、炭素含有ガスの比率をもっと高
くする。この最適比率はガス種によって異なり適宜決定
する必要がある。
As the mixed gas of the nitrogen-containing gas and the carbon-containing gas, there may be mentioned a gas in which one or more kinds of the above-mentioned nitrogen-containing gas and carbon-containing gas are mixed. Furthermore, when a rare gas is mixed with this mixed gas, the thickness of the ceramic layer to be processed becomes large. The mixing ratio of the nitrogen-containing gas and the carbon-containing gas varies depending on the desired ceramic composition that will be formed on the surface layer of the ceramic layer by the plasma treatment. For example, when the ceramic layer is made of titanium carbide and the titanium carbonitride is to be formed by plasma treatment, the mixing ratio of the nitrogen-containing gas and the carbon-containing gas is not 1: 1 but the ratio of the nitrogen-containing gas is higher. To do. Similarly, when the ceramic layer is made of titanium nitride and the titanium carbonitride is to be formed by plasma treatment, the mixture ratio of the nitrogen-containing gas and the carbon-containing gas is not 1: 1 but the ratio of the carbon-containing gas is more Make it higher This optimum ratio depends on the gas type and must be determined appropriately.

【0018】本発明において、セラミックス層が金属の
窒化物、炭化物または炭化窒化物のいずれであっても、
プラズマ励起接触させるガスの種類は、窒素含有ガス、
炭素含有ガスまたはこれらの混合ガスであればいずれの
ガスが使用されてもよい。
In the present invention, whether the ceramic layer is a metal nitride, a carbide or a carbonitride,
The type of gas to be brought into contact with plasma excitation is a nitrogen-containing gas,
Any gas may be used as long as it is a carbon-containing gas or a mixed gas thereof.

【0019】励起の手段としては、例えば、直流または
高周波を印加してプラズマ分解する方法、マイクロ波放
電によってプラズマ分解する方法、電子サイクロトロン
共鳴によってプラズマ分解する方法、熱フィラメントに
よる加熱によって熱分解する方法等が挙げられる。この
場合、工程を簡略化しようとするなら、前記セラミック
ス層の形成に使用したプラズマ手段と同じ方法のプラズ
マ手段を使用するのがよい。
Excitation means include, for example, a method of plasma decomposition by applying a direct current or a high frequency, a method of plasma decomposition by microwave discharge, a method of plasma decomposition by electron cyclotron resonance, and a method of thermal decomposition by heating with a hot filament. Etc. In this case, in order to simplify the process, it is preferable to use the plasma means of the same method as the plasma means used for forming the ceramic layer.

【0020】プラズマ処理の具体的な条件は、励起の手
段の違いにより最適条件が異なる。上記の直流電力を印
加してプラズマ分解する方法の場合についての手順を以
下に示す。まず、真空容器を1×10-5Torr以下に
排気する。次いで、処理に使用する窒素含有ガス、炭素
含有ガス等のガスを導入して、圧力0.01〜1Tor
rになるよう調整する。その後、予め200〜800℃
の温度で加熱させておいた被処理基体に−2000〜−
25Vの直流電圧を印加して上記ガスをプラズマ化し、
10〜60分程度処理する。処理時間は短すぎると処理
される層が薄くなるので効果が弱くなり、長すぎると被
処理基体のセラミックス層がダメージを受けセラミック
ス層の質が低下してしまう。
The optimum conditions for the plasma treatment differ depending on the excitation means. The procedure for the case of plasma decomposition by applying the above DC power is shown below. First, the vacuum container is evacuated to 1 × 10 −5 Torr or less. Then, a gas such as a nitrogen-containing gas or a carbon-containing gas used for the treatment is introduced, and the pressure is 0.01 to 1 Torr.
Adjust to r. After that, 200-800 ℃ in advance
To the substrate to be treated that has been heated at the temperature of -2000-
Applying a DC voltage of 25V to turn the above gas into plasma,
Process for about 10 to 60 minutes. If the treatment time is too short, the layer to be treated becomes thin and the effect is weakened, and if it is too long, the ceramic layer of the substrate to be treated is damaged and the quality of the ceramic layer deteriorates.

【0021】本発明の製造方法によると、セラミックス
層の耐食性が向上する。この理由は、以下のように考え
られる。例えば、窒化チタン層を窒素含有ガスのプラズ
マ励起物と接触させると、処理ガス、処理時間および処
理温度等の条件に応じて表面から窒素が拡散され未反応
のチタンの窒化が進み、被処理層と異なるチタンと窒素
の比率のより緻密で強固な窒化チタン層が形成される。
また、窒化チタン層を炭素含有ガスのプラズマ励起物と
接触させると、同様に条件に応じて表面から炭素が拡散
して炭化され、表面層に炭化窒化チタン層が形成され、
耐擦傷性および硬度の極めて高いセラミックス材料が得
られる。この場合に生成した炭化窒化チタン層を、従来
の炭化窒化チタン皮膜と比較すると、従来の炭化窒化チ
タン皮膜は、表面硬度が低いが、本発明の皮膜は高硬度
材料である窒化チタン皮膜の上に炭化窒化チタン皮膜が
出来ているので、硬度、耐擦傷性共に大きいものと考え
られる。
According to the manufacturing method of the present invention, the corrosion resistance of the ceramic layer is improved. The reason for this is considered as follows. For example, when the titanium nitride layer is brought into contact with a plasma-excited product of a nitrogen-containing gas, nitrogen is diffused from the surface according to conditions such as a processing gas, a processing time and a processing temperature, and nitridation of unreacted titanium proceeds, so that the layer A denser and stronger titanium nitride layer with a different titanium to nitrogen ratio is formed.
Further, when the titanium nitride layer is brought into contact with a plasma excitation product of a carbon-containing gas, carbon is similarly diffused and carbonized from the surface according to the conditions, and a titanium carbonitride layer is formed on the surface layer.
A ceramic material having extremely high scratch resistance and hardness can be obtained. When the titanium carbonitride layer produced in this case is compared with the conventional titanium carbonitride coating, the conventional titanium carbonitride coating has a low surface hardness, but the coating of the present invention is superior to the titanium nitride coating which is a high hardness material. Since the titanium carbonitride coating is formed on the surface, it is considered that both hardness and scratch resistance are large.

【0022】本発明のセラミックス被覆金属材料の製造
方法によって、プラズマ工程で処理されるセラミックス
層の厚みは用途によって適宜決定されるが、0.05μ
m以上が好ましい。しかし、前記の処理条件の最適条件
を選んでも2μm厚以上まで深く処理するのは難しい。
The thickness of the ceramic layer treated in the plasma step by the method for producing a ceramic-coated metal material of the present invention is appropriately determined depending on the application, but is 0.05 μm.
m or more is preferable. However, even if the optimum processing condition is selected, it is difficult to process deeply to a thickness of 2 μm or more.

【0023】本発明においては、金属基体は、セラミッ
クス層との密着性を向上させるために、必要に応じて、
セラミックス層を形成する前に予め該基体のセラミック
ス層形成面を有機溶剤で洗浄し、さらに減圧下でArな
どの不活性ガスもしくはTiなどの金属イオンでボンバ
ード処理しておいてもよい。
In the present invention, in order to improve the adhesion with the ceramic layer, the metal substrate may be added as necessary.
Before forming the ceramics layer, the surface of the substrate on which the ceramics layer is formed may be washed with an organic solvent and subjected to a bombarding treatment under a reduced pressure with an inert gas such as Ar or a metal ion such as Ti.

【0024】また、本発明において、金属基体とセラミ
ックス層との密着性を向上させるために、金属基体とセ
ラミックス層の間に、前記の金属のみからなる金属層を
物理的蒸着法または化学的蒸着法で設けてもよい。この
金属層は、セラミックス層の応力を緩和するように働く
ことにより、密着性を向上させる。上記金属層の厚み
は、金属基体やセラミックス層の組成によって異なるが
0.1〜1μmの範囲がよい。この厚みは大き過ぎて
も、小さ過ぎても応力バランスがくずれるので、セラミ
ックス膜の剥離が生じ易くなる。
Further, in the present invention, in order to improve the adhesion between the metal substrate and the ceramic layer, a metal layer made of only the above metal is physically or chemically vapor-deposited between the metal substrate and the ceramic layer. It may be provided by law. The metal layer works to relieve the stress of the ceramic layer, thereby improving the adhesion. The thickness of the metal layer varies depending on the composition of the metal substrate or the ceramic layer, but is preferably in the range of 0.1 to 1 μm. If the thickness is too large or too small, the stress balance is lost, and the ceramic film is likely to peel off.

【0025】この金属層を、例えば、イオンプレーティ
ングによって設ける場合は、まず形成したい蒸着材料の
金属を入れた水冷るつぼおよび基体が収容された真空容
器を1×10-5Torr以下に排気する。ついで、蒸着
材料金属を溶融加熱などによって蒸発させ、イオン化手
段(例えばイオン化電極)によって金属の蒸発粒子をイ
オン化する。なお、この時の真空容器内全圧力は、1×
10-5〜4×10-5Torrとする。その後、予め20
0〜800℃の温度に加熱させておいた金属基体に−1
000〜−25Vの直流電圧を印加し、イオン化された
金属蒸発粒子を基体上に蒸着させ金属層を形成する。
When this metal layer is provided by, for example, ion plating, first, the vacuum container containing the water-cooled crucible containing the metal of the vapor deposition material to be formed and the substrate is evacuated to 1 × 10 -5 Torr or less. Then, the vapor deposition material metal is vaporized by melting and heating, and the vaporized particles of the metal are ionized by an ionization means (for example, an ionization electrode). The total pressure in the vacuum container at this time is 1 x
The pressure is set to 10 −5 to 4 × 10 −5 Torr. After that, 20
-1 on a metal substrate that has been heated to a temperature of 0 to 800 ° C
A DC voltage of 000 to -25V is applied to vaporize the ionized metal vaporized particles on the substrate to form a metal layer.

【0026】本発明2は、本発明の「物理的蒸着法また
は化学的蒸着法により周期律表4、6、8、13または
14族の金属の窒化物、炭化物または炭化窒化物からな
るセラミックス層を少なくとも一層被覆し、該セラミッ
クス層表面に、窒素含有ガス、炭素含有ガスまたはこれ
らの混合ガスをプラズマによって励起して接触させる」
ことに代えて、「物理的蒸着法または化学的蒸着法によ
り周期律表4、6、8、13または14族の金属からな
る金属層を被覆し、次いで該金属層表面に窒素含有ガ
ス、炭素含有ガスまたはこれらの混合ガスをプラズマに
よって励起して接触させて、該金属層の表層部に該金属
の窒化物、炭化物または炭化窒化物からなるセラミック
ス層を形成させ、さらに該セラミックス層上に物理的蒸
着法または化学的蒸着法により、該セラミックス層と同
じ元素種からなるセラミックス層を被覆する」ことから
なるセラミックス被覆金属材料の製造方法である。
The second aspect of the present invention is a ceramic layer made of a nitride, a carbide or a carbonitride of a metal of Group 4, 6, 8, 13 or 14 of the periodic table by the physical vapor deposition method or the chemical vapor deposition method of the present invention. At least one layer, and a nitrogen-containing gas, a carbon-containing gas, or a mixed gas thereof is excited by plasma and brought into contact with the surface of the ceramic layer.
Instead of the above, “a metal layer made of a metal of Group 4, 6, 8, 13 or 14 of the periodic table is coated by a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method, and then the surface of the metal layer is covered with a nitrogen-containing gas or carbon. A gas containing or a mixed gas thereof is excited by plasma and brought into contact with each other to form a ceramic layer made of a nitride, a carbide or a carbonitride of the metal on the surface layer portion of the metal layer, and further, a physical layer is formed on the ceramic layer. A ceramics layer made of the same elemental species as the ceramics layer by a chemical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method. "

【0027】本発明2では、まず、金属基体上に、物理
的蒸着法または化学的蒸着法により周期律表4、6、
8、13または14族の金属からなる金属層を被覆す
る。
In the second aspect of the present invention, first, periodic tables 4, 6 and 6 are formed on a metal substrate by physical vapor deposition or chemical vapor deposition.
A metal layer consisting of a Group 8, 13 or 14 metal is coated.

【0028】周期律表4、6、8、13または14族の
金属は、本発明で使用されるものと同じである。上記物
理的蒸着法としては、例えば、真空蒸着、イオンプレー
ティング、スパッタリング等が挙げられる。化学的蒸着
法としては、例えば、プラズマCVD法が挙げられる。
本発明では、金属層の被覆後、プラズマによって金属層
表面を処理するので、上記の蒸着法のうち、プラズマを
利用した方法であるイオンプレーティング、スパッタリ
ングおよびプラズマCVD法が好ましい。
The metals of Groups 4, 6, 8, 13 or 14 of the Periodic Table are the same as those used in the present invention. Examples of the physical vapor deposition method include vacuum vapor deposition, ion plating, and sputtering. Examples of the chemical vapor deposition method include a plasma CVD method.
In the present invention, the surface of the metal layer is treated with plasma after coating with the metal layer. Therefore, among the above vapor deposition methods, ion plating, sputtering and plasma CVD methods, which are methods utilizing plasma, are preferable.

【0029】イオンプレーティングやスパッタリングに
おいては、該金属そのものを原料として使用し、プラズ
マCVD法においては、該金属の水素化物、ハロゲン化
物、アルコラート等の金属化合物ガスを原料として使用
する。
In ion plating and sputtering, the metal itself is used as a raw material, and in the plasma CVD method, a metal compound gas such as a hydride, a halide or an alcoholate of the metal is used as a raw material.

【0030】これらの原料を使用して上記金属基体上
に、物理的蒸着法または化学的蒸着法により金属層を被
覆するには、公知の方法に従って行えばよい。
A known method may be used to coat the metal layer on the above-mentioned metal substrate by the physical vapor deposition method or the chemical vapor deposition method using these raw materials.

【0031】例えば、イオンプレーティングによって、
金属層を被覆するには、まず形成したい蒸着材料の金属
を入れた水冷るつぼおよび基体が収容された真空容器を
1×10-5Torr以下に排気する。ついで、蒸着材料
金属を溶融加熱などによって蒸発させ、イオン化手段
(例えばイオン化電極)によって金属の蒸発粒子をイオ
ン化する。なお、この時の真空容器内全圧力は、1×1
-5〜4×10-5Torrとする。その後、予め200
〜800℃の温度に加熱させておいた金属基体に−10
00〜−25Vの直流電圧を印加し、イオン化された金
属蒸発粒子を基体上に蒸着させ金属皮膜を形成する。
For example, by ion plating,
In order to coat the metal layer, first, the water-cooled crucible containing the metal of the vapor deposition material to be formed and the vacuum container containing the substrate are evacuated to 1 × 10 −5 Torr or less. Then, the vapor deposition material metal is vaporized by melting and heating, and the vaporized particles of the metal are ionized by an ionization means (for example, an ionization electrode). The total pressure in the vacuum container at this time is 1 x 1
It is set to 0 −5 to 4 × 10 −5 Torr. Then 200 in advance
-10 on a metal substrate that has been heated to a temperature of ~ 800 ° C.
A direct current voltage of 00 to -25V is applied to vaporize the ionized metal vaporized particles on the substrate to form a metal film.

【0032】スパッタリングによって、金属層を被覆す
るには、上記原料金属をターゲットとして、放電用のア
ルゴンガス中に置く。この状態でスパッタリングして、
加熱した金属基体上にターゲットと同じ金属層を形成さ
せる。
In order to coat the metal layer by sputtering, the above source metal is used as a target and placed in an argon gas for discharge. Sputter in this state,
The same metal layer as the target is formed on the heated metal substrate.

【0033】プラズマCVD法によって、金属層を被覆
するには、前記金属の水素化物、ハロゲン化物、アルコ
ラート等の金属化合物ガスからなる原料ガス中に、金属
基体を置き、金属基体近傍の原料ガスに直流または高周
波電力を投入し、原料ガスをプラズマ化する。これによ
って化学反応を起こさせ、金属基体上に金属を形成させ
る。
In order to coat a metal layer by the plasma CVD method, a metal substrate is placed in a source gas composed of a metal compound gas such as a hydride, a halide or an alcoholate of the above metal, and the source gas in the vicinity of the metal substrate is treated. Direct-current or high-frequency power is applied to turn the source gas into plasma. This causes a chemical reaction to form a metal on the metal substrate.

【0034】上記金属層の厚みは、金属の種類、後の工
程で被覆するセラミックス層の種類によって異なるが、
0.1〜3μmの範囲がよい。この厚みは大き過ぎて
も、小さ過ぎても応力バランスがくずれるので、セラミ
ックス膜の剥離が生じ易くなる。
The thickness of the metal layer varies depending on the type of metal and the type of ceramic layer to be coated in a later step,
The range of 0.1 to 3 μm is preferable. If the thickness is too large or too small, the stress balance is lost, and the ceramic film is likely to peel off.

【0035】本発明2では、金属層の被覆に次いで該金
属層表面に窒素含有ガス、炭素含有ガスまたはこれらの
混合ガスをプラズマによって励起して接触させて、該金
属層の表層部に該金属の窒化物、炭化物または炭化窒化
物からなるセラミックス層を形成させる。
In the second aspect of the present invention, after coating the metal layer, a nitrogen-containing gas, a carbon-containing gas or a mixed gas thereof is excited by plasma and brought into contact with the surface of the metal layer, and the surface layer of the metal layer is covered with the metal. Forming a ceramic layer of the nitride, carbide or carbonitride.

【0036】窒素含有ガスとしては、例えば、窒素、ア
ンモニア等のガスが挙げられる。また、窒素含有ガスに
水素ガスやアルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン等の
希ガスを添加してもよい。例えば、チタン層を窒化する
場合、窒素ガスに水素ガスを添加して全ガス中の水素ガ
ス濃度を10〜30体積%とすると、プラズマ中でNH
X X は1〜3の数)の励起種が生成されるので、窒素
ガスのみで処理する場合に比べ、窒化層は1.5倍程度
厚く形成される。また、窒素ガスに希ガスを添加して全
ガス中の希ガス濃度を10〜99体積%とすると、希ガ
スを添加することによってプラズマ密度が上昇し窒素ガ
スの励起分解が促進され、窒化層は厚くなる。この場
合、希ガスとしてアルゴンとヘリウムとを使用しアルゴ
ンとヘリウムの体積比を80:20前後とすると、その
効果が特に顕著である。また、水素ガスと希ガスを併用
すると、この効果はさらに高まる。
Examples of nitrogen-containing gas include gases such as nitrogen and ammonia. Further, hydrogen gas or a rare gas such as argon, helium, neon, or xenon may be added to the nitrogen-containing gas. For example, in the case of nitriding a titanium layer, if hydrogen gas is added to nitrogen gas so that the concentration of hydrogen gas in all gases is 10 to 30% by volume, NH in plasma
Since X ( X is a number of 1 to 3) excited species are generated, the nitride layer is formed to be about 1.5 times thicker than the case where only nitrogen gas is used for treatment. Further, when a rare gas is added to nitrogen gas so that the concentration of the rare gas in the total gas is 10 to 99% by volume, the plasma density is increased by the addition of the rare gas and the excited decomposition of the nitrogen gas is promoted, so that the nitride layer Becomes thicker. In this case, when argon and helium are used as the rare gas and the volume ratio of argon and helium is about 80:20, the effect is particularly remarkable. Further, when hydrogen gas and rare gas are used together, this effect is further enhanced.

【0037】炭素含有ガスとしては、例えば、メタン、
エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン等のア
ルカン系ガス類、エチレン、プロピレン、ブテン、ペン
テン等のアルケン系ガス類、ペンタジエン、ブタジエン
等のアルカジエン系ガス類、アセチレン、メチルアセチ
レン等のアルキン系ガス類、ベンゼン、トルエン、キシ
レン、インデン、ナフタレン、フェナントレン等の芳香
族炭化水素系ガス類、シクロプロパン、シクロヘキサン
等のシクロアルカン系ガス類、シクロペンテン、シクロ
ヘキセン等のシクロアルケン系ガス類等が挙げられる。
これらのガスは、単独で使用されても良いし、2種以上
併用されてもよい。さらに、上記炭素含有ガスに水素ガ
スやアルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン等の希ガス
を添加してもよい。希ガスは2種以上混合しても構わな
い。例えば、チタン層を炭化する場合、炭素含有ガスに
水素ガスを添加して全ガス中の水素ガス濃度を10〜3
0体積%とすると、プラズマ中でCHX X は1〜4の
数)の励起種が生成されるので、炭素含有ガスのみで処
理する場合に比べ、炭化チタンは1.5倍程度厚く形成
される。また、炭素含有ガスに希ガスを添加して全ガス
中の希ガス濃度を10〜99体積%とすると、希ガスを
添加することによってプラズマ密度が上昇し炭素含有ガ
スの励起分解が促進され、炭化チタン層は厚くなる。こ
の場合、希ガスとしてアルゴンとヘリウムとを使用しア
ルゴンとヘリウムの体積比を80:20前後とすると、
その効果が特に顕著である。また、水素ガスと希ガスを
併用すると、この効果はさらに高まる。
Examples of the carbon-containing gas include methane,
Alkane-based gases such as ethane, propane, butane, pentane and hexane, alkenes-based gases such as ethylene, propylene, butene and pentene, alkadiene-based gases such as pentadiene and butadiene, alkyne-based gases such as acetylene and methylacetylene , Benzene, toluene, xylene, indene, naphthalene, phenanthrene, and other aromatic hydrocarbon gases, cyclopropane, cyclohexane, and other cycloalkane gases, cyclopentene, cyclohexene, and other cycloalkene gases, and the like.
These gases may be used alone or in combination of two or more. Further, hydrogen gas or a rare gas such as argon, helium, neon, or xenon may be added to the carbon-containing gas. Two or more rare gases may be mixed. For example, when carbonizing the titanium layer, hydrogen gas is added to the carbon-containing gas to adjust the hydrogen gas concentration in the total gas to 10 to 3
When it is 0% by volume, CH X ( X is a number of 1 to 4) excited species are generated in the plasma, so that titanium carbide is formed to be about 1.5 times thicker than the case where only carbon-containing gas is treated. To be done. Further, when the rare gas is added to the carbon-containing gas to make the concentration of the rare gas in all gases 10 to 99% by volume, the plasma density is increased by the addition of the rare gas and the excited decomposition of the carbon-containing gas is promoted. The titanium carbide layer becomes thicker. In this case, when argon and helium are used as the rare gas and the volume ratio of argon and helium is about 80:20,
The effect is particularly remarkable. Further, when hydrogen gas and rare gas are used together, this effect is further enhanced.

【0038】窒素含有ガスと炭素含有ガスの混合ガスと
しては、前記の窒素含有ガスと炭素含有ガスのそれぞれ
1種以上が混合されたガスが挙げられる。さらに、この
混合ガスに希ガスが混合させると、処理層は厚くなる。
窒素含有ガスと炭素含有ガスの混合比率は、生成させる
セラミックス層の組成と同じ組成にすることが好まし
く、この比率はガス種によって異なり適宜決定する必要
がある。
As the mixed gas of the nitrogen-containing gas and the carbon-containing gas, there may be mentioned a gas in which one or more kinds of each of the nitrogen-containing gas and the carbon-containing gas are mixed. Further, when the rare gas is mixed with this mixed gas, the processing layer becomes thick.
The mixing ratio of the nitrogen-containing gas and the carbon-containing gas is preferably the same as the composition of the ceramic layer to be produced, and this ratio differs depending on the gas species and needs to be appropriately determined.

【0039】励起の手段としては、例えば、直流または
高周波を印加してプラズマ分解する方法、マイクロ波放
電によってプラズマ分解する方法、電子サイクロトロン
共鳴によってプラズマ分解する方法、熱フィラメントに
よる加熱によって熱分解する方法等が挙げられる。この
場合、工程を簡略化しようとするなら、前記金属層の形
成に使用したプラズマ手段と同じプラズマ手段を使用す
るのがよい。
Excitation means include, for example, a method of plasma decomposition by applying a direct current or a high frequency, a method of plasma decomposition by microwave discharge, a method of plasma decomposition by electron cyclotron resonance, and a method of thermal decomposition by heating with a hot filament. Etc. In this case, in order to simplify the process, it is preferable to use the same plasma means as that used for forming the metal layer.

【0040】プラズマ処理の具体的な条件は、励起の手
段の違いにより最適条件が異なる。上記の直流電力を印
加してプラズマ分解する方法の場合についての手順を以
下に示す。まず、真空容器を1×10-5Torr以下に
排気する。次いで、処理に使用する窒素含有ガス、炭素
含有ガス等のガスを導入して、圧力0.01〜1Tor
rになるよう調整する。その後、予め200〜800℃
の温度で加熱させておいた被処理基体に−2000〜−
25Vの直流電圧を印加して上記ガスをプラズマ化し、
10〜60分程度処理する。処理時間は短すぎると処理
される層が薄くなるので効果が弱くなり、長すぎると被
処理基体の金属層がダメージを受けセラミックス層の質
が低下してしまう。
The optimum conditions for the plasma treatment differ depending on the means of excitation. The procedure for the case of plasma decomposition by applying the above DC power is shown below. First, the vacuum container is evacuated to 1 × 10 −5 Torr or less. Then, a gas such as a nitrogen-containing gas or a carbon-containing gas used for the treatment is introduced, and the pressure is 0.01 to 1 Tor.
Adjust to r. After that, 200-800 ℃ in advance
To the substrate to be treated that has been heated at the temperature of -2000-
Applying a DC voltage of 25V to turn the above gas into plasma,
Process for about 10 to 60 minutes. If the treatment time is too short, the layer to be treated becomes thin and the effect becomes weak. If the treatment time is too long, the metal layer of the substrate to be treated is damaged and the quality of the ceramic layer deteriorates.

【0041】本発明2の製造方法によると、金属層の表
層部に窒素含有ガスで処理した場合は該金属の窒化物、
炭素含有ガスで処理した場合は該金属の炭化物、これら
の混合ガスで処理した場合は該金属の炭化窒化物からな
るセラミックス層が形成される。このセラミックス層の
厚みは、薄過ぎると、この層の上に被覆させるセラミッ
クス層との密着性の向上効果が弱くなるので、0.05
μm以上が好ましい。
According to the manufacturing method of the present invention 2, when the surface layer portion of the metal layer is treated with a nitrogen-containing gas, a nitride of the metal,
When treated with a carbon-containing gas, a ceramic layer made of a carbide of the metal, and when treated with a mixed gas thereof, a ceramic layer made of a carbonitride of the metal is formed. If the thickness of this ceramic layer is too thin, the effect of improving the adhesiveness with the ceramic layer to be coated on this layer will be weakened.
It is preferably at least μm.

【0042】本発明2では、金属層の表層部に該金属の
窒化物、炭化物または炭化窒化物からなるセラミックス
層を形成させた後、該セラミックス層上に物理的蒸着法
または化学的蒸着法により、該セラミックス層と同じ元
素種からなるセラミックス層を被覆する。
According to the second aspect of the present invention, a ceramic layer made of a nitride, a carbide or a carbonitride of the metal is formed on the surface layer of the metal layer, and then a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method is applied on the ceramic layer. And covering a ceramics layer made of the same elemental species as the ceramics layer.

【0043】上記物理的蒸着法としては、例えば、真空
蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等が挙げ
られる。化学的蒸着法としては、例えば、プラズマCV
D法が挙げられる。生産性を考慮すると前記金属層を被
覆するのに使用した方法と同じ方法が好ましい。
Examples of the physical vapor deposition method include vacuum vapor deposition, ion plating and sputtering. Examples of the chemical vapor deposition method include plasma CV
Method D is mentioned. In view of productivity, the same method as that used for coating the metal layer is preferable.

【0044】この方法に使用する金属としては、例え
ば、4族のチタン、ジルコニウム、ハフニウム;6族の
クロム、モリブデン、タングステン;8族の鉄;13族
のアルミニウム;14族の珪素等が挙げられる。該金属
の窒化物、炭化物または炭化窒化物からなるセラミック
ス層を金属基体上に被覆するには、イオンプレーティン
グやスパッタリングにおいては、該金属そのものを原料
として使用し、プラズマCVD法においては、該金属の
水素化物、ハロゲン化物、アルコラート等の金属化合物
ガスを原料として使用する。
Examples of the metal used in this method include titanium, zirconium and hafnium of group 4; chromium, molybdenum, tungsten of group 6; iron of group 8; aluminum of group 13; silicon of group 14 and the like. . In order to coat a metal substrate with a ceramic layer made of a nitride, a carbide, or a carbonitride of the metal, the metal itself is used as a raw material in ion plating or sputtering, and the metal is used in a plasma CVD method. The metal compound gas such as hydride, halide, or alcoholate is used as a raw material.

【0045】これらの原料を使用して上記セラミックス
層上に、物理的蒸着法または化学的蒸着法により該金属
の窒化物、炭化物または炭化窒化物からなるセラミック
ス層を被覆するには、公知の方法に従って行えばよい。
A known method can be used for coating the above-mentioned ceramic layer using these raw materials by a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method with a ceramic layer made of a nitride, a carbide or a carbonitride of the metal. You can follow.

【0046】例えば、イオンプレーティングによって、
セラミックス層を被覆するには、上記原料金属を蒸発さ
せ、さらにその蒸発粒子をイオン化し、イオン化した金
属を、窒化物を被覆する場合は窒素含有ガス、炭化物を
被覆する場合は炭素含有ガス、炭化窒化物を被覆する場
合は上記の炭素含有ガスと窒素含有ガスとの混合ガスと
反応させる。上記の炭素含有ガスと窒素含有ガスの例と
しては、前記の金属層の表層部に該金属の窒化物、炭化
物または炭化窒化物からなるセラミックス層を形成させ
るために使用されるものと同じである。
For example, by ion plating,
To coat the ceramics layer, the raw material metal is vaporized, and the vaporized particles are ionized, and the ionized metal is nitrogen-containing gas when coating a nitride, carbon-containing gas when coating a carbide, carbonization When coating with a nitride, it is reacted with a mixed gas of the above-mentioned carbon-containing gas and nitrogen-containing gas. Examples of the above-mentioned carbon-containing gas and nitrogen-containing gas are the same as those used for forming a ceramic layer made of a nitride, a carbide or a carbonitride of the metal on the surface layer portion of the metal layer. .

【0047】上記のイオンプレーティングの方式として
は、特に限定はなく、従来公知の方式が使用でき、例え
ばアーク放電法、高周波励起法、中空陰極放電法などの
方式が挙げられる。
The above-mentioned ion plating method is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. Examples thereof include arc discharge method, high frequency excitation method and hollow cathode discharge method.

【0048】イオンプレーティングによってセラミック
ス層を被覆する場合の具体的手順としては、原料金属を
入れた水冷るつぼおよび前記セラミックス化処理された
金属基体が収容された真空容器を1×10-5Torr以
下に排気する。ついで、原料金属を溶融加熱などによっ
て蒸発させ、イオン化手段(例えば、アーク放電方式の
場合、イオン化電極を使用するが、その際のイオン化電
流は20A〜80Aになるようにイオン化電圧を調整す
る。)によって蒸発粒子をイオン化する。これと同時
に、上記の窒素含有ガス、炭素含有ガスまたはその混合
ガスを真空容器内の全圧力が4×10-4〜3×10 -3
Torrとなるように真空容器内に導入する。その後、
予め200〜800℃の温度に加熱させておいた上記の
金属基体に−1000〜−25Vの直流電圧を印加し、
イオン化された金属と上記の窒素含有ガス、炭素含有ガ
スまたはその混合ガスとを反応させて得られた金属の窒
化物、炭化物または炭化窒化物を上記の金属基体上に蒸
着させ、目的とするセラミックス層を形成する。
As a concrete procedure for coating the ceramics layer by ion plating, a water-cooled crucible containing a raw material metal and a vacuum container accommodating the ceramics-treated metal substrate are set to 1 × 10 -5 Torr or less. Exhaust to. Then, the raw material metal is vaporized by melting and heating and the like, and an ionization means (for example, in the case of the arc discharge method, an ionization electrode is used, and the ionization current at that time is adjusted to an ionization current of 20 A to 80 A). The vaporized particles are ionized by. At the same time, the above nitrogen-containing gas, carbon-containing gas or mixed gas thereof is added to the vacuum vessel at a total pressure of 4 × 10 −4 to 3 × 10 −3.
It is introduced into a vacuum container so that it becomes Torr. afterwards,
A direct current voltage of -1000 to -25V is applied to the above-mentioned metal substrate which has been heated to a temperature of 200 to 800 ° C in advance,
Targeted ceramics by vapor-depositing metal nitrides, carbides or carbonitrides obtained by reacting an ionized metal with the above-mentioned nitrogen-containing gas, carbon-containing gas or a mixed gas thereof. Form the layers.

【0049】スパッタリングによって、セラミックス層
を被覆するには、上記原料金属をターゲットとして、放
電用のアルゴンガス中に、金属の窒化物を形成する場合
は窒素含有ガス、炭化物を形成する場合は炭素含有ガ
ス、炭化窒化物を形成する場合は炭素含有ガスと窒素含
有ガスとの混合ガスからなる反応性ガスを混ぜる。この
状態でスパッタリングして、加熱した前記の金属基体上
でターゲットからの原子と反応性ガスとを反応させてそ
れぞれの金属化合物を形成させる。上記の炭素含有ガス
と窒素含有ガスの例としては、前記のイオンプレーティ
ングで使用されるものと同じである。
In order to coat the ceramics layer by sputtering, a nitrogen-containing gas is used in the case of forming a metal nitride and a carbon-containing gas is used in the case of forming a carbide in a discharge argon gas, using the above-mentioned raw material metal as a target. When forming a gas or carbonitride, a reactive gas consisting of a mixed gas of a carbon-containing gas and a nitrogen-containing gas is mixed. In this state, sputtering is performed, and the atoms from the target are reacted with the reactive gas on the heated metal substrate to form the respective metal compounds. Examples of the above carbon-containing gas and nitrogen-containing gas are the same as those used in the above-mentioned ion plating.

【0050】プラズマCVD法によって、セラミックス
層を被覆するには、前記金属の水素化物、ハロゲン化
物、アルコラート等の金属化合物ガスと、金属の窒化物
を形成する場合は窒素含有ガス、炭化物を形成する場合
は炭素含有ガス、炭化窒化物を形成する場合は炭素含有
ガスと窒素含有ガスとの混合ガスとからなる原料ガス中
に、上記の金属基体を置き、該金属基体近傍の原料ガス
に直流または高周波電力を投入し、原料ガスをプラズマ
化する。これによって化学反応を起こさせ、該金属基体
上に反応生成物の金属窒化物、金属炭化物または金属炭
化窒化物を形成させる。上記の炭素含有ガスと窒素含有
ガスの例としては、前記のイオンプレーティングで使用
されるものと同じである。
In order to coat the ceramic layer by the plasma CVD method, a metal compound gas such as a hydride, a halide or an alcoholate of the above metal, and a nitrogen containing gas or a carbide when forming a metal nitride. In the case of forming a carbon-containing gas, in the case of forming a carbonitride, in the raw material gas consisting of a mixed gas of a carbon-containing gas and a nitrogen-containing gas, the metal base is placed, and a direct current or a direct current is supplied to the raw material gas near the metal base. High-frequency power is applied to turn the source gas into plasma. This causes a chemical reaction to form a reaction product metal nitride, metal carbide or metal carbonitride on the metal substrate. Examples of the above carbon-containing gas and nitrogen-containing gas are the same as those used in the above-mentioned ion plating.

【0051】上記セラミックス層の厚みとしては、0.
5μm〜7μmが好ましい。厚みが大きくなると剥離し
易くなり、小さくなると硬度が弱くなる。
The thickness of the ceramic layer is 0.
It is preferably 5 μm to 7 μm. The larger the thickness, the easier the peeling, and the smaller the thickness, the weaker the hardness.

【0052】本発明2によると、金属基体に高硬度、耐
摩耗性、耐食性が付与されると共に、金属基体とセラミ
ックス層との密着性が特に優れたセラミックス被覆金属
材料が得られる。この理由は以下のように考えられる。
金属基体とセラミックス層との密着性向上のために、金
属基体とセラミックス層の間に金属の中間層を設けるこ
とは、従来からなされてきたことであるが、この場合は
金属の中間層とセラミックス層の間には明確な界面が存
在している。一方、本発明では、金属の中間層の表層部
がプラズマによってセラミックス層に変性されているの
で、その上に形成されるセラミックス層との間に明確な
界面が存在しない。従って、本発明はこの間の密着性が
向上しているものと考えられる。また、金属基体と金属
層は金属同士なので密着性はよい。従って、本発明は、
金属基体とセラミックス層との密着性が向上したものと
考えられる。
According to the second aspect of the present invention, it is possible to obtain a ceramic-coated metal material in which high hardness, wear resistance, and corrosion resistance are imparted to the metal substrate, and the adhesion between the metal substrate and the ceramic layer is particularly excellent. The reason for this is considered as follows.
It has been conventionally done to provide a metal intermediate layer between the metal substrate and the ceramic layer in order to improve the adhesion between the metal substrate and the ceramic layer, but in this case, the metal intermediate layer and the ceramic layer are provided. There are clear interfaces between the layers. On the other hand, in the present invention, since the surface layer portion of the metal intermediate layer is modified into the ceramic layer by the plasma, there is no clear interface with the ceramic layer formed thereon. Therefore, in the present invention, it is considered that the adhesiveness during this period is improved. Further, since the metal base and the metal layer are metals, the adhesion is good. Therefore, the present invention provides
It is considered that the adhesion between the metal substrate and the ceramic layer is improved.

【0053】また、耐食性が向上した理由は、プラズマ
処理によって形成されたセラミックス層は極めて微結晶
であり、その上に形成されたセラミックス層が下地の性
状を反映して従来品よりも結晶径が小さくなっているた
めと考えられる。
The reason why the corrosion resistance is improved is that the ceramic layer formed by the plasma treatment is extremely fine crystals, and the ceramic layer formed thereon has a crystal diameter smaller than that of the conventional product, reflecting the properties of the base. It is thought that it is getting smaller.

【0054】[0054]

【実施例】以下、本発明を具体的に説明するために、そ
の実施例を示す。実施例1〜8および比較例1〜3は本
発明の実施例および比較例であり、実施例9〜16は本
発明2の実施例である。また、いずれの実施例および比
較例においても、高真空アーク放電形イオンプレーティ
ング装置(神港精機社製、型式;AI−850SE)を
用いて、所要成膜条件にて被覆およびプラズマ処理をし
た。また、金属皮膜およびセラミックス皮膜の厚み測定
は、蛍光X線微小部膜厚計(セイコー電子工業社製、型
式;SFT−157)により行った。
EXAMPLES Examples will be shown below to specifically explain the present invention. Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 3 are examples and comparative examples of the present invention, and Examples 9 to 16 are examples of the present invention 2. In each of the examples and comparative examples, high vacuum arc discharge type ion plating apparatus (manufactured by Shinko Seiki Co., Ltd., model: AI-850SE) was used to perform coating and plasma treatment under required film forming conditions. . Further, the thickness of the metal coating and the ceramic coating was measured by a fluorescent X-ray microscopic film thickness meter (manufactured by Seiko Denshi Kogyo KK, model: SFT-157).

【0055】実施例1 (a) 金属基体としてハイス鋼(SS51)製の50
×50×3mmの平板を使用し、アセトンを用いて超音
波洗浄し、表面の油分を除去した。この金属基体と、蒸
着原料としてチタンを真空容器内に置いて、容器内を1
×10-5Torr以下になるまで真空にした後、金属基
体を500℃に加熱し、金属基体に−500Vの電圧を
印加しながら、チタンを蒸発させ、4×10-5Torr
の条件でチタン皮膜が0.5μm厚となるまでイオンプ
レーティングによって同皮膜を蒸着させた。こうして金
属層を形成した。
Example 1 (a) 50 made of high-speed steel (SS51) as a metal substrate
A flat plate of × 50 × 3 mm was used, and ultrasonic cleaning was performed using acetone to remove oil on the surface. This metal substrate and titanium as a vapor deposition material are placed in a vacuum container, and the inside of the container is
After evacuating to a pressure of × 10 -5 Torr or less, the metal substrate is heated to 500 ° C, and titanium is evaporated while applying a voltage of -500V to the metal substrate to 4 × 10 -5 Torr.
Under the conditions, the titanium coating was vapor-deposited by ion plating until the thickness of the titanium coating became 0.5 μm. Thus, the metal layer was formed.

【0056】(b) 次に、金属基体の加熱温度を50
0℃に維持し、金属基体に−500Vの電圧を印加しな
がら、チタンを蒸発させると共に反応ガスとして窒素ガ
スを全圧が7×10-4Torrとなるように導入し、窒
化チタン皮膜が3.0μm厚となるまでイオンプレーテ
ィングによって、同皮膜を蒸着させた。 (c) 次に、チタンの蒸発を止め、金属基体の加熱温
度を500℃に維持し、金属基体に−1000Vの電圧
を印加しながら、窒素ガスを200sccm導入し、
0.1Torrの条件で30分プラズマ処理を行った。
こうして、セラミックス被覆金属材料を製造した。
(B) Next, the heating temperature of the metal substrate is set to 50.
While maintaining the temperature at 0 ° C. and applying a voltage of −500 V to the metal substrate, titanium was vaporized and nitrogen gas was introduced as a reaction gas so that the total pressure was 7 × 10 −4 Torr, and the titanium nitride film was coated with 3%. The same film was vapor-deposited by ion plating until the thickness became 0.0 μm. (C) Next, the evaporation of titanium is stopped, the heating temperature of the metal substrate is maintained at 500 ° C., and nitrogen gas is introduced at 200 sccm while applying a voltage of −1000 V to the metal substrate,
Plasma treatment was performed for 30 minutes under the condition of 0.1 Torr.
Thus, a ceramics-coated metal material was manufactured.

【0057】実施例2 実施例1の工程(c)において、窒素ガスを200sc
cm導入する代わりに、窒素ガス160sccmと水素
ガス40sccmを導入したことの他は実施例1と同様
にしてセラミックス被覆金属材料を製造した。 実施例3 実施例1の工程(c)において、窒素ガスを200sc
cm導入する代わりに、窒素ガス80sccm、水素ガ
ス20sccm、アルゴンガス50sccmおよびへリ
ウムガス50sccmを導入したことの他は実施例1と
同様にしてセラミックス被覆金属材料を製造した。 実施例4 実施例1の工程(c)において、窒素ガスを200sc
cm導入する代わりに、アセチレンガス160sccm
とアルゴンガス40sccmを導入したこと、および金
属基体の加熱温度を500℃の代わりに700℃とした
ことの他は実施例1と同様にしてセラミックス被覆金属
材料を製造した。
Example 2 In step (c) of Example 1, nitrogen gas was added at 200 sc.
A ceramic-coated metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that nitrogen gas of 160 sccm and hydrogen gas of 40 sccm were introduced instead of introducing cm. Example 3 In the step (c) of Example 1, 200 sc of nitrogen gas was used.
A ceramic-coated metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that nitrogen gas of 80 sccm, hydrogen gas of 20 sccm, argon gas of 50 sccm, and helium gas of 50 sccm were introduced instead of introducing cm. Example 4 In the step (c) of Example 1, 200 sc of nitrogen gas was used.
cm, instead of introducing acetylene gas 160 sccm
A ceramic-coated metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that argon gas of 40 sccm was introduced, and the heating temperature of the metal substrate was 700 ° C. instead of 500 ° C.

【0058】実施例5 実施例1の工程(b)において、反応ガスとして窒素ガ
スの代わりにアセチレンガスを使用し、金属基体に−7
50Vの電圧を印加しながら、チタンを蒸発させると共
に該アセチレンガスを全圧が8×10-4Torrとなる
ように導入し、炭化チタン皮膜が3.0μm厚となるま
でイオンプレーティングによって、同皮膜を蒸着させた
こと、および実施例1の工程(c)において、窒素ガス
を200sccm導入する代わりに、アセチレンガスを
200sccm導入したことの他は実施例1と同様にし
てセラミックス被覆金属材料を製造した。
Example 5 In step (b) of Example 1, acetylene gas was used as the reaction gas instead of nitrogen gas, and -7 was added to the metal substrate.
While applying a voltage of 50 V, titanium was vaporized and the acetylene gas was introduced so that the total pressure was 8 × 10 −4 Torr, and the same was applied by ion plating until the titanium carbide film became 3.0 μm thick. A ceramic-coated metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that a film was deposited and that acetylene gas was introduced at 200 sccm instead of introducing 200 sccm in step (c) of Example 1. did.

【0059】実施例6 実施例5の工程(c)において、アセチレンガスを20
0sccm導入する代わりに、窒素ガスを200scc
m導入したことの他は実施例5と同様にしてセラミック
ス被覆金属材料を製造した。 実施例7 実施例1の工程(b)において、反応ガスとして窒素ガ
スの代わりに窒素ガスとアセチレンガスを流量比3:7
で使用し、炭化窒化チタン皮膜が3.0μm厚となるま
でイオンプレーティングによって、同皮膜を蒸着させた
こと、および実施例1の工程(c)において、窒素ガス
を200sccm導入する代わりに、窒素ガスを60s
ccmとアセチレンガスを140sccm導入したこと
の他は実施例1と同様にしてセラミックス被覆金属材料
を製造した。
Example 6 In the step (c) of Example 5, acetylene gas was added to 20
Instead of introducing 0 sccm, nitrogen gas is added at 200 sccc
A ceramic-coated metal material was produced in the same manner as in Example 5, except that m was introduced. Example 7 In the step (b) of Example 1, nitrogen gas and acetylene gas were used as the reaction gas instead of nitrogen gas in a flow rate ratio of 3: 7.
In the step (c) of Example 1, the nitrogen carbonitride film was vapor-deposited by ion plating until the titanium carbonitride film had a thickness of 3.0 μm. Gas 60s
A ceramic-coated metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that csc and acetylene gas were introduced at 140 sccm.

【0060】実施例8 (a) 金属基体としてステンレス鋼(SUS304)
製の50×50×2mmの平板を使用し、アセトンを用
いて超音波洗浄し、表面の油分を除去した。この金属基
体と、蒸着原料としてクロムを真空容器内に置いて、容
器内を1×10-5Torr以下になるまで真空にした
後、金属基体を500℃に加熱し、金属基体に−650
Vの電圧を印加しながら、クロムを蒸発させ、4×10
-5Torrの条件でクロム皮膜が0.5μm厚となるま
でイオンプレーティングによって同皮膜を蒸着させた。
こうして金属層を形成した。
Example 8 (a) Stainless steel (SUS304) as a metal substrate
Using a flat plate of 50 × 50 × 2 mm manufactured by Mfg. Co., Ltd., ultrasonic cleaning was performed with acetone to remove oil on the surface. This metal substrate and chromium as a vapor deposition material are placed in a vacuum container, the interior of the container is evacuated to 1 × 10 −5 Torr or less, and then the metal substrate is heated to 500 ° C.
While applying a voltage of V, chromium is evaporated and 4 × 10
The chromium coating was deposited by ion plating until the thickness of the chromium coating became 0.5 μm under the condition of −5 Torr.
Thus, the metal layer was formed.

【0061】(b) 次に、金属基体の加熱温度を50
0℃に維持し、金属基体に−750Vの電圧を印加しな
がら、クロムを蒸発させると共に反応ガスとしてアセチ
レンガスを全圧が6×10-4Torrとなるように導入
し、炭化クロム皮膜が3.0μm厚となるまでイオンプ
レーティングによって、同皮膜を蒸着させた。 (c) 次に、クロムの蒸発を止め、金属基体の加熱温
度を500℃に維持し、金属基体に−1000Vの電圧
を印加しながら、アセチレンガスを200sccm導入
し、0.1Torrの条件で30分プラズマ処理を行っ
た。こうして、セラミックス被覆金属材料を製造した。
(B) Next, the heating temperature of the metal substrate is set to 50.
While maintaining the temperature at 0 ° C. and applying a voltage of −750 V to the metal substrate, chromium was vaporized and acetylene gas was introduced as a reaction gas so that the total pressure was 6 × 10 −4 Torr, and the chromium carbide film was formed to 3 The same film was vapor-deposited by ion plating until the thickness became 0.0 μm. (C) Next, the evaporation of chromium is stopped, the heating temperature of the metal substrate is maintained at 500 ° C., acetylene gas is introduced at 200 sccm while applying a voltage of −1000 V to the metal substrate, and the temperature is set to 30 at 0.1 Torr. Minute plasma treatment was performed. Thus, a ceramics-coated metal material was manufactured.

【0062】比較例1 実施例1の工程(c)を行わなかったことの他は、実施
例1と同様にしてセラミックス被覆金属材料を製造し
た。 比較例2 実施例6の工程(c)を行わなかったことの他は、実施
例6と同様にしてセラミックス被覆金属材料を製造し
た。 比較例3 実施例7の工程(c)を行わなかったことの他は、実施
例7と同様にしてセラミックス被覆金属材料を製造し
た。
Comparative Example 1 A ceramic-coated metal material was produced in the same manner as in Example 1 except that the step (c) of Example 1 was not performed. Comparative Example 2 A ceramic-coated metal material was produced in the same manner as in Example 6 except that the step (c) of Example 6 was not performed. Comparative Example 3 A ceramic-coated metal material was produced in the same manner as in Example 7, except that the step (c) of Example 7 was not performed.

【0063】実施例9 (a) 金属基体としてハイス鋼(SS51)製の50
×50×3mmの平板を使用し、アセトンを用いて超音
波洗浄し、表面の油分を除去した。この金属基体と、蒸
着材料としてチタンを真空容器内に置いて、容器内を1
×10-5Torr以下になるまで真空にした後、金属基
体を500℃に加熱し、金属基体に−500Vの電圧を
印加しながら、チタンを蒸発させ、4×10-5Torr
の条件でチタン皮膜が0.5μm厚となるまでイオンプ
レーティングによって同皮膜を蒸着させた。こうして金
属層を形成した。 (b) 次に、チタンの蒸発を止め、金属基体の加熱温
度を500℃に維持し、金属基体に−1000Vの電圧
を印加しながら、窒素ガスを200sccm導入し、
0.1Torrの条件で30分プラズマ処理を行った。 (c) 次に、金属基体の加熱温度を500℃に維持
し、金属基体に−500Vの電圧を印加しながら、チタ
ンを蒸発させると共に反応ガスとして窒素ガスを全圧が
7×10-4Torrとなるように導入し、窒化チタン皮
膜が3.0μm厚となるまでイオンプレーティングによ
って、同皮膜を蒸着させセラミックス被覆金属材料を製
造した。 なお、別に上記の工程(a)と(b)までを行なったと
ころで製造を中止し、得られた金属基体の金属層を観察
すると、黄金色をしており、X線電子分光法で表面分析
を行った結果、厚み0.2μmの窒化チタン層が形成さ
れていることが分かった。
Example 9 (a) 50 made of high-speed steel (SS51) as a metal substrate
A flat plate of × 50 × 3 mm was used, and ultrasonic cleaning was performed using acetone to remove oil on the surface. Place this metal substrate and titanium as a vapor deposition material in a vacuum container, and
After evacuating to a pressure of × 10 -5 Torr or less, the metal substrate is heated to 500 ° C, and titanium is evaporated while applying a voltage of -500V to the metal substrate to 4 × 10 -5 Torr.
Under the conditions, the titanium coating was vapor-deposited by ion plating until the thickness of the titanium coating became 0.5 μm. Thus, the metal layer was formed. (B) Next, the evaporation of titanium is stopped, the heating temperature of the metal substrate is maintained at 500 ° C., and while applying a voltage of −1000 V to the metal substrate, 200 sccm of nitrogen gas is introduced,
Plasma treatment was performed for 30 minutes under the condition of 0.1 Torr. (C) Next, while maintaining the heating temperature of the metal substrate at 500 ° C. and applying a voltage of −500 V to the metal substrate, titanium is vaporized and the total pressure of nitrogen gas as a reaction gas is 7 × 10 −4 Torr. And the titanium nitride film was deposited by ion plating until the titanium nitride film had a thickness of 3.0 μm to produce a ceramic-coated metal material. In addition, when the above steps (a) and (b) were separately performed and the production was stopped, and the metal layer of the obtained metal substrate was observed, it had a golden color and surface analysis by X-ray electron spectroscopy. As a result, it was found that a titanium nitride layer having a thickness of 0.2 μm was formed.

【0064】実施例10 実施例9の工程(b)において、窒素ガスを200sc
cm導入する代わりに、窒素ガス160sccmと水素
ガス40sccmを導入したことの他は実施例9と同様
にしてセラミックス被覆金属材料を製造した。なお、別
に上記の工程(a)と(b)までを行なったところで製
造を中止し、得られた金属基体の金属層を観察すると、
黄金色をしており、X線電子分光法で表面分析を行った
結果、厚み0.4μmの窒化チタン層が形成されている
ことが分かった。 実施例11 実施例10の工程(c)において、窒化チタン皮膜を
3.0μm厚となるまで形成させる代わりに窒化チタン
皮膜を5.0μm厚となるまで形成させたことの他は実
施例10と同様にしてセラミックス被覆金属材料を製造
した。
Example 10 In the step (b) of Example 9, 200 sc of nitrogen gas was used.
A ceramic-coated metal material was manufactured in the same manner as in Example 9 except that 160 sccm of nitrogen gas and 40 sccm of hydrogen gas were introduced instead of introducing cm. In addition, when the steps (a) and (b) above are separately performed, the production is stopped, and the metal layer of the obtained metal substrate is observed.
It has a golden color, and as a result of surface analysis by X-ray electron spectroscopy, it was found that a titanium nitride layer having a thickness of 0.4 μm was formed. Example 11 The same as Example 10 except that in the step (c) of Example 10, the titanium nitride film was formed to have a thickness of 5.0 μm instead of being formed to have a thickness of 3.0 μm. A ceramic-coated metal material was manufactured in the same manner.

【0065】実施例12 (a) 金属基体としてハイス鋼(SS51)製の50
×50×3mmの平板を使用し、アセトンを用いて超音
波洗浄し、表面の油分を除去した。この金属基体と、蒸
着材料としてチタンを真空容器内に置いて、容器内を1
×10-5Torr以下になるまで真空にした後、金属基
体を500℃に加熱し、金属基体に−500Vの電圧を
印加しながら、チタンを蒸発させ、4×10-5Torr
の条件でチタン皮膜が1.0μm厚となるまでイオンプ
レーティングによって同皮膜を蒸着させた。こうして金
属層を形成した。 (b) 次に、チタンの蒸発を止め、金属基体の加熱温
度を700℃とし、金属基体に−1000Vの電圧を印
加しながら、窒素ガスを160sccmと水素ガスを4
0sccm導入し、0.1Torrの条件で60分プラ
ズマ処理を行った。 (c) 次に、金属基体の加熱温度を500℃とし、金
属基体に−500Vの電圧を印加しながら、チタンを蒸
発させると共に反応ガスとして窒素ガスを全圧が7×1
-4Torrとなるように導入し、窒化チタン皮膜が
5.0μm厚となるまでイオンプレーティングによっ
て、同皮膜を蒸着させセラミックス被覆金属材料を製造
した。 なお、別に上記の工程(a)と(b)までを行なったと
ころで製造を中止し、得られた金属基体の金属層を観察
すると、黄金色をしており、X線電子分光法で表面分析
を行った結果、厚み0.7μmの窒化チタン層が形成さ
れていることが分かった。
Example 12 (a) 50 made of high-speed steel (SS51) as a metal substrate
A flat plate of × 50 × 3 mm was used, and ultrasonic cleaning was performed using acetone to remove oil on the surface. Place this metal substrate and titanium as a vapor deposition material in a vacuum container, and
After evacuating to a pressure of × 10 -5 Torr or less, the metal substrate is heated to 500 ° C, and titanium is evaporated while applying a voltage of -500V to the metal substrate to 4 × 10 -5 Torr.
Under the conditions, the titanium coating was vapor-deposited by ion plating until the thickness of the titanium coating became 1.0 μm. Thus, the metal layer was formed. (B) Next, the evaporation of titanium is stopped, the heating temperature of the metal substrate is set to 700 ° C., while applying a voltage of −1000 V to the metal substrate, 160 sccm of nitrogen gas and 4 hydrogen gas are added.
0 sccm was introduced, and plasma treatment was performed for 60 minutes under the condition of 0.1 Torr. (C) Next, the heating temperature of the metal substrate is set to 500 ° C., while applying a voltage of −500 V to the metal substrate, titanium is vaporized and nitrogen gas as a reaction gas has a total pressure of 7 × 1.
It was introduced so as to have a thickness of 0 −4 Torr, and the titanium nitride film was vapor-deposited by ion plating until the titanium nitride film had a thickness of 5.0 μm to produce a ceramic-coated metal material. In addition, when the above steps (a) and (b) were separately performed and the production was stopped, and the metal layer of the obtained metal substrate was observed, it had a golden color and surface analysis by X-ray electron spectroscopy. As a result, it was found that a titanium nitride layer having a thickness of 0.7 μm was formed.

【0066】実施例13 (a) 実施例12の工程(a)と同様に行った。 (b) 次に、チタンの蒸発を止め、金属基体の加熱温
度を500℃に維持し、金属基体に−1000Vの電圧
を印加しながら、窒素ガスを80sccm、水素ガスを
20sccm、アルゴンガスを50sccmおよびヘリ
ウムガスを50sccm導入し、0.1Torrの条件
で30分プラズマ処理を行った。 (c) 次に、実施例12の工程(c)と同様に行ない
セラミックス被覆金属材料を製造した。 なお、別に上記の工程(a)と(b)までを行なったと
ころで製造を中止し、得られた金属基体の金属層を観察
すると、黄金色をしており、X線電子分光法で表面分析
を行った結果、厚み0.8μmの窒化チタン層が形成さ
れていることが分かった。
Example 13 (a) The operation was carried out in the same manner as in step (a) of Example 12. (B) Next, the evaporation of titanium is stopped, the heating temperature of the metal substrate is maintained at 500 ° C., and while applying a voltage of −1000 V to the metal substrate, nitrogen gas is 80 sccm, hydrogen gas is 20 sccm, and argon gas is 50 sccm. Then, 50 sccm of helium gas was introduced, and plasma treatment was performed for 30 minutes under the condition of 0.1 Torr. (C) Next, a ceramic-coated metal material was manufactured in the same manner as in step (c) of Example 12. In addition, when the above steps (a) and (b) were separately performed and the production was stopped, and the metal layer of the obtained metal substrate was observed, it had a golden color and surface analysis by X-ray electron spectroscopy. As a result, it was found that a titanium nitride layer having a thickness of 0.8 μm was formed.

【0067】実施例14 (a) 実施例9の工程(a)と同様に行った。 (b) 次に、チタンの蒸発を止め、金属基体の加熱温
度を500℃に維持し、金属基体に−1000Vの電圧
を印加しながら、アセチレンガスを200sccm導入
し、0.1Torrの条件で30分プラズマ処理を行っ
た。 (c) 次に、金属基体の加熱温度を500℃に維持
し、金属基体に−750Vの電圧を印加しながら、チタ
ンを蒸発させると共に反応ガスとしてアセチレンガスを
全圧が8×10-4Torrとなるように導入し、炭化チ
タン皮膜が3.0μm厚となるまでイオンプレーティン
グによって、同皮膜を蒸着させセラミックス被覆金属材
料を製造した。 なお、別に上記の工程(a)と(b)までを行なったと
ころで製造を中止し、得られた金属基体の金属層を、X
線電子分光法で表面分析を行った結果、厚み0.1μm
の炭化チタン層が形成されていることが分かった。
Example 14 (a) The same process as step (a) in Example 9 was carried out. (B) Next, the evaporation of titanium is stopped, the heating temperature of the metal substrate is maintained at 500 ° C., acetylene gas is introduced at 200 sccm while applying a voltage of −1000 V to the metal substrate, and the pressure is set to 30 at 0.1 Torr. Minute plasma treatment was performed. (C) Next, while maintaining the heating temperature of the metal substrate at 500 ° C. and applying a voltage of −750 V to the metal substrate, titanium is vaporized and acetylene gas as a reaction gas has a total pressure of 8 × 10 −4 Torr. And the titanium carbide film was deposited by ion plating until the titanium carbide film had a thickness of 3.0 μm to produce a ceramic-coated metal material. In addition, when the above steps (a) and (b) are separately performed, the production is stopped, and the metal layer of the obtained metal substrate is replaced with X.
As a result of surface analysis by line electron spectroscopy, the thickness is 0.1 μm.
It was found that the titanium carbide layer was formed.

【0068】実施例15 (a) 実施例9の工程(a)と同様に行った。 (b) 次に、チタンの蒸発を止め、金属基体の加熱温
度を500℃に維持し、金属基体に−1000Vの電圧
を印加しながら、窒素ガスを60sccmとアセチレン
ガスを140sccm導入し、0.1Torrの条件で
30分プラズマ処理を行った。 (c) 次に、金属基体の加熱温度を500℃に維持
し、金属基体に−500Vの電圧を印加しながら、チタ
ンを蒸発させると共に反応ガスとして窒素ガスとアセチ
レンガスを流量比3:7で使用し、全圧が8×10-4
orrとなるように導入し、炭化窒化チタン皮膜が3.
0μm厚となるまでイオンプレーティングによって、同
皮膜を蒸着させセラミックス被覆金属材料を製造した。
なお、別に上記の工程(a)と(b)までを行なったと
ころで製造を中止し、得られた金属基体の金属層を、X
線電子分光法で表面分析を行った結果、厚み0.2μm
の炭化窒化チタン皮膜が形成されていることが分かっ
た。なお、別に上記の工程(a)と(b)までを行なっ
たところで製造を中止し、得られた金属基体の金属層を
観察すると、黄金色をしており、X線電子分光法で表面
分析を行った結果、厚み0.8μmの窒化チタン層が形
成されていることが分かった。
Example 15 (a) The same operation as in step (a) of Example 9 was carried out. (B) Next, the evaporation of titanium is stopped, the heating temperature of the metal substrate is maintained at 500 ° C., and while applying a voltage of −1000 V to the metal substrate, 60 sccm of nitrogen gas and 140 sccm of acetylene gas are introduced, Plasma treatment was performed for 30 minutes under the condition of 1 Torr. (C) Next, while maintaining the heating temperature of the metal substrate at 500 ° C. and applying a voltage of −500 V to the metal substrate, titanium is vaporized and nitrogen gas and acetylene gas are used as reaction gases at a flow rate ratio of 3: 7. Used, total pressure is 8 × 10 -4 T
Introduced so as to have an orr and a titanium carbonitride film of 3.
The same coating was vapor-deposited by ion plating to a thickness of 0 μm to manufacture a ceramic-coated metal material.
In addition, when the above steps (a) and (b) are separately performed, the production is stopped, and the metal layer of the obtained metal substrate is replaced with X.
As a result of surface analysis by line electron spectroscopy, thickness 0.2 μm
It was found that the titanium carbonitride film was formed. In addition, when the above steps (a) and (b) were separately performed and the production was stopped, and the metal layer of the obtained metal substrate was observed, it had a golden color and surface analysis by X-ray electron spectroscopy. As a result, it was found that a titanium nitride layer having a thickness of 0.8 μm was formed.

【0069】実施例16 (a) 金属基体としてステンレス鋼(SUS304)
製の50×50×2mmの平板を使用し、アセトンを用
いて超音波洗浄し、表面の油分を除去した。この金属基
体と、蒸着材料としてクロムを真空容器内に置いて、容
器内を1×10-5Torr以下になるまで真空にした
後、金属基体を500℃に加熱し、金属基体に−650
Vの電圧を印加しながら、クロムを蒸発させ、4×10
-5Torrの条件でクロム皮膜が0.5μm厚となるま
でイオンプレーティングによって同皮膜を蒸着させた。
こうして金属層を形成した。 (b) 次に、クロムの蒸発を止め、金属基体の加熱温
度を500℃に維持し、金属基体に−1000Vの電圧
を印加しながら、アセチレンガスを200sccm導入
し、0.1Torrの条件で30分プラズマ処理を行っ
た。 (c) 次に、金属基体の加熱温度を500℃に維持
し、金属基体に−750Vの電圧を印加しながら、クロ
ムを蒸発させると共に反応ガスとしてアセチレンガスを
全圧が6×10-4Torrとなるように導入し、炭化ク
ロム皮膜が3.0μm厚となるまでイオンプレーティン
グによって、同皮膜を蒸着させセラミックス被覆金属材
料を製造した。 なお、別に上記の工程(a)と(b)までを行なったと
ころで製造を中止し、得られた金属基体の金属層を観察
すると、黄金色をしており、X線電子分光法で表面分析
を行った結果、厚み0.2μmの炭化クロム層が形成さ
れていることが分かった。
Example 16 (a) Stainless steel as a metal substrate (SUS304)
Using a flat plate of 50 × 50 × 2 mm manufactured by Mfg. Co., Ltd., ultrasonic cleaning was performed with acetone to remove oil on the surface. This metal substrate and chromium as a vapor deposition material are placed in a vacuum container, the interior of the container is evacuated to 1 × 10 −5 Torr or less, and then the metal substrate is heated to 500 ° C.
While applying a voltage of V, chromium is evaporated and 4 × 10
The chromium coating was deposited by ion plating until the thickness of the chromium coating became 0.5 μm under the condition of −5 Torr.
Thus, the metal layer was formed. (B) Next, the evaporation of chromium is stopped, the heating temperature of the metal substrate is maintained at 500 ° C., while applying a voltage of −1000 V to the metal substrate, 200 sccm of acetylene gas is introduced, and the acetylene gas is set to 30 at 0.1 Torr. Minute plasma treatment was performed. (C) Next, while maintaining the heating temperature of the metal substrate at 500 ° C. and applying a voltage of −750 V to the metal substrate, chromium is evaporated and acetylene gas is used as a reaction gas at a total pressure of 6 × 10 −4 Torr. And the chromium carbide film was deposited by ion plating until the chromium carbide film had a thickness of 3.0 μm to produce a ceramic-coated metal material. In addition, when the above steps (a) and (b) were separately performed and the production was stopped, and the metal layer of the obtained metal substrate was observed, it had a golden color and surface analysis by X-ray electron spectroscopy. As a result, it was found that a chromium carbide layer having a thickness of 0.2 μm was formed.

【0070】以上の実施例および比較例のセラミックス
被覆金属材料の製造条件を表1および表2に示した。
Tables 1 and 2 show the manufacturing conditions of the ceramic-coated metal materials of the above Examples and Comparative Examples.

【0071】[0071]

【表1】 [Table 1]

【0072】[0072]

【表2】 [Table 2]

【0073】上記実施例および比較例で得られたセラミ
ックス被覆金属材料を試料として以下の評価を行った。 (1) 表面硬度:マイクロビッカース硬度計(明石製作所
社製、ハードネステスター、型式MVK−E)を使用
し、負荷荷重10gで測定した。表面硬度の単位はkg
/mm2 で表わした。 (2) 耐摩耗性:#400サンドペーパーで、圧力1.5
kg/cm2 で200回研磨した後、外観を観察し以下
の基準で評価した。 (評価基準) ○:傷が観察されない。 △:傷が少し観察される。 (3) 耐食性:温度60℃、湿度96%に設定した恒温恒
湿器に静置し、24時間毎に外観を観察し初めて錆の発
生が観察された日までの日数を調べた。 (4) 密着力:ダイヤモンド圧子による引っ掻き試験によ
って行った。単位はN(ニュートン)で表した。以上の
評価結果について、表3および表4に示した。
The ceramic-coated metal materials obtained in the above Examples and Comparative Examples were used as samples for the following evaluations. (1) Surface hardness: A micro Vickers hardness meter (manufactured by Akashi Seisakusho Co., Ltd., Hard Nester, model MVK-E) was used and measured with a load of 10 g. The unit of surface hardness is kg
/ Mm 2 (2) Wear resistance: # 400 sandpaper, pressure 1.5
After polishing 200 times at kg / cm 2 , the appearance was observed and evaluated according to the following criteria. (Evaluation Criteria) O: No scratch is observed. Δ: Some scratches are observed. (3) Corrosion resistance: The sample was left to stand in a thermo-hygrostat set to a temperature of 60 ° C. and a humidity of 96%, and the appearance was observed every 24 hours to examine the number of days until the first occurrence of rust. (4) Adhesion: A scratch test with a diamond indenter was performed. The unit is N (Newton). The above evaluation results are shown in Tables 3 and 4.

【0074】[0074]

【表3】 [Table 3]

【0075】[0075]

【表4】 [Table 4]

【0076】表1〜4から明らかなように、本発明に属
する実施例の各セラミックス被覆金属材料は評価項目の
いずれにおいても良好な結果を示している。
As is clear from Tables 1 to 4, the ceramic-coated metal materials of the examples belonging to the present invention show good results in all of the evaluation items.

【0077】[0077]

【発明の効果】本発明のセラミックス被覆金属材料の製
造方法は、上述の通りであるから、高硬度、耐摩耗性と
ともに、耐食性に優れるセラミックス被覆金属材料が製
造可能であり、得られたセラミックス被覆金属材料は、
セラミックス被覆刃物を始めとして、電気機械、輸送機
械、工作機械、精密機械、土木建設機械およびこれらの
部品;工具類;建築材;家具材;食器等の日用品;装飾
品;その他あらゆる金属材料の用途に好適に用いること
ができる。
Since the method for producing a ceramic-coated metal material of the present invention is as described above, it is possible to produce a ceramic-coated metal material which is excellent in corrosion resistance as well as high hardness and wear resistance. The metal material is
Ceramic-coated blades, electrical machinery, transportation machinery, machine tools, precision machinery, civil engineering construction machinery and their parts; tools; building materials; furniture materials; daily necessities such as tableware; ornaments; all other metallic material applications Can be suitably used.

【0078】本発明2のセラミックス被覆金属材料の製
造方法は、上述の通りであるから、高硬度、耐摩耗性と
ともに、耐食性および密着性に優れるセラミックス被覆
金属材料が製造可能であり、得られたセラミックス被覆
金属材料は、セラミックス被覆刃物を始めとして、電気
機械、輸送機械、工作機械、精密機械、土木建設機械お
よびこれらの部品;工具類;建築材;家具材;食器等の
日用品;装飾品;その他あらゆる金属材料の用途に好適
に用いることができる。
Since the method for producing a ceramic-coated metal material of the present invention 2 is as described above, it is possible to obtain a ceramic-coated metal material which is excellent in corrosion resistance and adhesion as well as high hardness and wear resistance. Ceramic-coated metal materials include ceramic-coated blades, electric machines, transportation machines, machine tools, precision machines, civil engineering construction machines and their parts; tools; building materials; furniture materials; daily necessities such as tableware; ornaments; It can be suitably used for applications of all other metal materials.

フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C23C 28/04 Continuation of front page (51) Int.Cl. 5 Identification number Office reference number FI technical display location C23C 28/04

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 金属基体上に、物理的蒸着法または化学
的蒸着法により周期律表4、6、8、13または14族
の金属の窒化物、炭化物または炭化窒化物からなるセラ
ミックス層を少なくとも一層被覆し、該セラミックス層
表面に、窒素含有ガス、炭素含有ガスまたはこれらの混
合ガスをプラズマによって励起して接触させることを特
徴とするセラミックス被覆金属材料の製造方法。
1. A ceramic layer made of a nitride, a carbide or a carbonitride of a metal of Group 4, 6, 8, 13 or 14 of the Periodic Table at least by a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method on a metal substrate. 1. A method for producing a ceramic-coated metal material, which comprises coating one layer and contacting the surface of the ceramic layer with a nitrogen-containing gas, a carbon-containing gas or a mixed gas thereof by exciting them with plasma.
【請求項2】 金属基体上に、物理的蒸着法または化学
的蒸着法により周期律表4、6、8、13または14族
の金属からなる金属層を被覆し、次いで該金属層表面に
窒素含有ガス、炭素含有ガスまたはこれらの混合ガスを
プラズマによって励起して接触させて、該金属層の表層
部に該金属の窒化物、炭化物または炭化窒化物からなる
セラミックス層を形成させ、さらに該セラミックス層上
に物理的蒸着法または化学的蒸着法により、該セラミッ
クス層と同じ元素種からなるセラミックス層を被覆する
ことを特徴とするセラミックス被覆金属材料の製造方
法。
2. A metal substrate is coated with a metal layer made of a metal of Group 4, 6, 8, 13 or 14 of the periodic table by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, and then the surface of the metal layer is covered with nitrogen. A gas containing carbon, a gas containing carbon or a mixed gas thereof is excited by plasma and brought into contact with each other to form a ceramic layer made of a nitride, a carbide or a carbonitride of the metal on the surface layer portion of the metal layer, and further the ceramic A method for producing a ceramic-coated metal material, characterized in that a ceramic layer made of the same elemental species as the ceramic layer is coated on the layer by a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0790542A (en) * 1993-09-21 1995-04-04 Osaka Prefecture Surface treating method of titanium metal
US7261956B2 (en) 2004-03-16 2007-08-28 Seiko Epson Corporation Decorative article and timepiece
WO2010002572A3 (en) * 2008-06-30 2010-03-25 Gm Global Technology Operations, Inc. Layered coating and method for forming the same
CN111133609A (en) * 2017-09-20 2020-05-08 应用材料公司 Method for forming a ceramic layer of an element of an electrochemical energy storage device, evaporation source and treatment chamber

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