JPH0774426B2 - 耐摩耗性被覆膜の製造方法 - Google Patents
耐摩耗性被覆膜の製造方法Info
- Publication number
- JPH0774426B2 JPH0774426B2 JP62199408A JP19940887A JPH0774426B2 JP H0774426 B2 JPH0774426 B2 JP H0774426B2 JP 62199408 A JP62199408 A JP 62199408A JP 19940887 A JP19940887 A JP 19940887A JP H0774426 B2 JPH0774426 B2 JP H0774426B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- coating film
- resistant coating
- ion plating
- substrate
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、フライス加工々具，切削加工々具，穿孔工具
等の工具類における表面コーティング材として有用な耐
摩耗性被覆膜を、カソードアーク方式のイオンプレーテ
ィング法を用いて効率良く製造することのできる方法に
関するものである。
等の工具類における表面コーティング材として有用な耐
摩耗性被覆膜を、カソードアーク方式のイオンプレーテ
ィング法を用いて効率良く製造することのできる方法に
関するものである。
［従来の技術］ 高速工具鋼や超硬合金鋼等からなる工作加工々具の分野
では、工具表面に物理的蒸着法（PVD法）や化学的蒸着
法（CVD法）によってTi窒化物やTi炭化物等の金属化合
物からなる耐摩耗性皮膜を形成し、工具の性能を更に高
める技術が知られている。上述の耐摩耗性皮膜における
金属成分として利用される金属としては、Tiの他周期律
表のIVa族,Va族,VIa族の金属、あるいはB,Si,Al等が例
示されるが、以下の説明ではTiを代表例としてとりあげ
る。但し本発明はこれによって限定解釈されるものでは
ない。
では、工具表面に物理的蒸着法（PVD法）や化学的蒸着
法（CVD法）によってTi窒化物やTi炭化物等の金属化合
物からなる耐摩耗性皮膜を形成し、工具の性能を更に高
める技術が知られている。上述の耐摩耗性皮膜における
金属成分として利用される金属としては、Tiの他周期律
表のIVa族,Va族,VIa族の金属、あるいはB,Si,Al等が例
示されるが、以下の説明ではTiを代表例としてとりあげ
る。但し本発明はこれによって限定解釈されるものでは
ない。
上記成膜法のうちCVD法では、耐摩耗性皮膜形成の為のT
i源として四塩化チタンガスを使用し、900〜1100℃の高
温条件で処理する必要がある。その為PVD法に比べると
母材との密着性に優れた耐摩耗性皮膜を形成することが
できるが、超硬合金鋼では母材表面に極めて脆弱な脱炭
層（例えばW3Co3C等）が生成する為、特にフライス加工
用工具には適用することができないとされている。又CV
D法の場合は上述の如く処理温度が高温となるので母材
の軟質化や熱変形を招き易く、精密工具への適用は避け
るのが無難である。
i源として四塩化チタンガスを使用し、900〜1100℃の高
温条件で処理する必要がある。その為PVD法に比べると
母材との密着性に優れた耐摩耗性皮膜を形成することが
できるが、超硬合金鋼では母材表面に極めて脆弱な脱炭
層（例えばW3Co3C等）が生成する為、特にフライス加工
用工具には適用することができないとされている。又CV
D法の場合は上述の如く処理温度が高温となるので母材
の軟質化や熱変形を招き易く、精密工具への適用は避け
るのが無難である。
そこで上記工具に対する皮膜コーティングに当たっては
CVD法と比べて低温の条件で皮膜を形成することのでき
るPVD法を採用することが一般的な手法となっている。
CVD法と比べて低温の条件で皮膜を形成することのでき
るPVD法を採用することが一般的な手法となっている。
しかるにPVD装置の一つであるスパッタリング装置によ
って低温で形成された膜は、Thorntonの実験で知られて
いる様に隙間の多いテーパー状の結晶粒からなるポーラ
スな膜となることがあり、この場合構造的に脆く従って
耐摩耗性は低い。又電子ビーム式や実用機として普及率
の高いホロカソード方式のイオンプレーティング装置に
よる膜も同様の膜構造を呈し得る場合が多く、満足でき
る耐摩耗性を得ることはできていない。
って低温で形成された膜は、Thorntonの実験で知られて
いる様に隙間の多いテーパー状の結晶粒からなるポーラ
スな膜となることがあり、この場合構造的に脆く従って
耐摩耗性は低い。又電子ビーム式や実用機として普及率
の高いホロカソード方式のイオンプレーティング装置に
よる膜も同様の膜構造を呈し得る場合が多く、満足でき
る耐摩耗性を得ることはできていない。
他方上記方式のイオンプレーティング装置では、るつぼ
内の蒸発源を溶融蒸発させて母材表面に蒸着させる為、
溶融金属の垂れ落ちを避ける必要性から蒸発源の設置位
置に制約を受ける。その結果複雑な形状をした母材の影
になる部分への成膜効率が悪く、当該部分までも十分に
被覆しようとすると成膜に長時間を要するという欠点が
あった。
内の蒸発源を溶融蒸発させて母材表面に蒸着させる為、
溶融金属の垂れ落ちを避ける必要性から蒸発源の設置位
置に制約を受ける。その結果複雑な形状をした母材の影
になる部分への成膜効率が悪く、当該部分までも十分に
被覆しようとすると成膜に長時間を要するという欠点が
あった。
［発明が解決しようとする問題点］ 耐摩耗性の優れた膜構造については、種々研究が行なわ
れており、例えばTiNの様なB1結晶構造のものでは原子
密度が最も高い＜111＞面に配向した膜が耐摩耗性に優
れているとか、ランダム結晶構造のものが最も優れてい
るといった見解があり、さらに被膜組成との関係もあっ
て耐摩耗性の優れた膜、殊にその膜構造について研究が
重ねられているが未だ解明されるには至っていない。
れており、例えばTiNの様なB1結晶構造のものでは原子
密度が最も高い＜111＞面に配向した膜が耐摩耗性に優
れているとか、ランダム結晶構造のものが最も優れてい
るといった見解があり、さらに被膜組成との関係もあっ
て耐摩耗性の優れた膜、殊にその膜構造について研究が
重ねられているが未だ解明されるには至っていない。
一方成膜速度を向上させるという観点からも種々研究が
なされ、その１つとしてカソードアーク方式イオンプレ
ーティング法が提案されている。即ちこの方法は、蒸発
源をカソードとして配置し、基材との間にアーク放電に
よるプラズマ状態を形成して蒸発源金属のイオン化効率
を高める方法であり、又蒸発源の溶融なしにイオン化が
進行するので蒸発源を自由な位置に配置することがで
き、複雑な形状の基材に対しても効率良く成膜すること
ができるとされている。
なされ、その１つとしてカソードアーク方式イオンプレ
ーティング法が提案されている。即ちこの方法は、蒸発
源をカソードとして配置し、基材との間にアーク放電に
よるプラズマ状態を形成して蒸発源金属のイオン化効率
を高める方法であり、又蒸発源の溶融なしにイオン化が
進行するので蒸発源を自由な位置に配置することがで
き、複雑な形状の基材に対しても効率良く成膜すること
ができるとされている。
しかるに耐摩耗性の優れた被覆膜については、カソード
アーク方式のイオンプレーティング法においても未だそ
の研究が進んでおらず、満足し得る被覆膜を提供するに
は至っていない。
アーク方式のイオンプレーティング法においても未だそ
の研究が進んでおらず、満足し得る被覆膜を提供するに
は至っていない。
本発明はこうした事情に着目してなされたものであっ
て、その目的は、カソードアーク方式のイオンプレーテ
ィング法を用いることによって、耐摩耗性に優れた膜を
効率良く成膜することができる方法を提供することにあ
る。
て、その目的は、カソードアーク方式のイオンプレーテ
ィング法を用いることによって、耐摩耗性に優れた膜を
効率良く成膜することができる方法を提供することにあ
る。
［問題点を解決する為の手段］ しかして本発明被覆膜は、ガス圧力:1×10-3〜３×10-1
Torr、基板バイアス電圧：−50V〜−1500Vとするカソー
ドアーク方式のイオンプレーティング法を用いることに
よって膜厚方向に指向した緻密な繊維状組織を有する耐
摩耗性被覆膜を製造する点に要旨を有するものである。
Torr、基板バイアス電圧：−50V〜−1500Vとするカソー
ドアーク方式のイオンプレーティング法を用いることに
よって膜厚方向に指向した緻密な繊維状組織を有する耐
摩耗性被覆膜を製造する点に要旨を有するものである。
［作用］ 耐摩耗性を高める為には、結晶構造的に緻密な膜を形成
することが有効であると考えられるが、従来のイオンプ
レーティング法によって形成した膜は、たとえ緻密化を
はかったとしても硬度が低いレベルに低迷し、従って十
分な耐摩耗性を示さない。即ち従来のイオンプレーティ
ング法における緻密化手段としては、成膜中の真空度を
上げ粒子の平均自由工程を大きくすることによって粒子
間の衝突確率を下げ、可能な限り基板に突入する粒子の
運動エネルギーを上げるといった手段が講じられるが、
こうして得られた膜の破断面組織を観察すると、結晶の
配向は認められるものの全体としては無組織であり、耐
摩耗性の点では効果が低い。
することが有効であると考えられるが、従来のイオンプ
レーティング法によって形成した膜は、たとえ緻密化を
はかったとしても硬度が低いレベルに低迷し、従って十
分な耐摩耗性を示さない。即ち従来のイオンプレーティ
ング法における緻密化手段としては、成膜中の真空度を
上げ粒子の平均自由工程を大きくすることによって粒子
間の衝突確率を下げ、可能な限り基板に突入する粒子の
運動エネルギーを上げるといった手段が講じられるが、
こうして得られた膜の破断面組織を観察すると、結晶の
配向は認められるものの全体としては無組織であり、耐
摩耗性の点では効果が低い。
これに対して本発明は、カソードアーク方式のイオンプ
レーティング法を採用することによって、膜厚方向に指
向した繊維状組織が緻密に並列した状態の膜組織を有す
る耐摩耗性被覆膜を得ることができたのである。
レーティング法を採用することによって、膜厚方向に指
向した繊維状組織が緻密に並列した状態の膜組織を有す
る耐摩耗性被覆膜を得ることができたのである。
上記カソードアーク方式イオンプレーティング法は数十
Ａ以上の大電流領域での蒸着方式である為、蒸発粒子の
イオン化効率が高く、基材到達時の粒子エネルギーが非
常に大きいので、耐摩耗性に優れた上記皮膜を製造する
のに最も好ましいものである。
Ａ以上の大電流領域での蒸着方式である為、蒸発粒子の
イオン化効率が高く、基材到達時の粒子エネルギーが非
常に大きいので、耐摩耗性に優れた上記皮膜を製造する
のに最も好ましいものである。
成膜条件的には、ガス圧力を１×10-3〜３×10-1Torrに
設定する必要がある。この様に比較的高いガス圧力下で
のアーク放電にもかかわらず高いイオン率を有する為、
金属イオンプラズマが広い領域で起こり、複雑な形状の
基材に対する蒸着が容易になると共に大面積基材に対し
ても十分に成膜することができる。そしてガスイオンと
金属イオンの存在バランスが保持されるので所望の膜組
成の耐摩耗性膜を得ることができるのである。
設定する必要がある。この様に比較的高いガス圧力下で
のアーク放電にもかかわらず高いイオン率を有する為、
金属イオンプラズマが広い領域で起こり、複雑な形状の
基材に対する蒸着が容易になると共に大面積基材に対し
ても十分に成膜することができる。そしてガスイオンと
金属イオンの存在バランスが保持されるので所望の膜組
成の耐摩耗性膜を得ることができるのである。
一方、基板に印加するバイアス電圧は−50V〜−1500Vと
する必要があり、これによってイオンの運動エネルギー
による基板の昇温を防止することができる。その結果、
基板温度上昇による基板強度の劣化や脱炭層の生成を防
止することができる。
する必要があり、これによってイオンの運動エネルギー
による基板の昇温を防止することができる。その結果、
基板温度上昇による基板強度の劣化や脱炭層の生成を防
止することができる。
この様に上記成膜条件を採用することにより、複雑な形
状基材への成膜、基材温度の上昇防止等を一層有効に発
揮させることができるのである。
状基材への成膜、基材温度の上昇防止等を一層有効に発
揮させることができるのである。
そして、この様な成膜条件下で膜形成を行なうと、膜形
成時の実効的な膜表面温度が上昇し、膜表面における金
属拡散が活発に起こる。こうして得られた膜の縦断面構
造を見ると膜厚方向に繊維状組織が緻密に並んだ状態を
示し、耐摩耗性に優れた組織となっている。即ち繊維状
組織は、その特性として、その長手方向に対して略直交
する方向からの摩擦に対する抵抗は小さいが、長手方向
からの摩擦に対しては相当に大きな抵抗力を示す。本発
明で得られる膜はこの様な繊維状組織が膜厚方向を指向
して緻密に並列した集合組織を呈するので、多数の繊維
状組織が協力して摩擦力に抵抗することになり、大きな
耐摩耗性を発揮する訳である。
成時の実効的な膜表面温度が上昇し、膜表面における金
属拡散が活発に起こる。こうして得られた膜の縦断面構
造を見ると膜厚方向に繊維状組織が緻密に並んだ状態を
示し、耐摩耗性に優れた組織となっている。即ち繊維状
組織は、その特性として、その長手方向に対して略直交
する方向からの摩擦に対する抵抗は小さいが、長手方向
からの摩擦に対しては相当に大きな抵抗力を示す。本発
明で得られる膜はこの様な繊維状組織が膜厚方向を指向
して緻密に並列した集合組織を呈するので、多数の繊維
状組織が協力して摩擦力に抵抗することになり、大きな
耐摩耗性を発揮する訳である。
この繊維集合組織は膜厚３〜４μｍで5000倍以下の倍率
で観察することができ、繊維間隙は最大で１μｍであ
る。尚耐摩耗性を発揮する上で膜厚に特に制限はない
が、好ましくは３〜７μｍの膜厚に形成することが望ま
れる。又この被覆膜の結晶配向性をＸ線回折によって調
べた結果、TiNの様なB1結晶構造を有する物質では結晶
粒は＜111＞方位に形状異方性を有するものが大部分で
あるが、一部に＜200＞方位も観測された。この原因に
ついては明らかでないが、基板に突入する粒子の入射角
度の違い、即ちすべての粒子が基板に対して垂直に入射
するのではなく、斜め方向からの入射による影響が含ま
れている為と推察される。
で観察することができ、繊維間隙は最大で１μｍであ
る。尚耐摩耗性を発揮する上で膜厚に特に制限はない
が、好ましくは３〜７μｍの膜厚に形成することが望ま
れる。又この被覆膜の結晶配向性をＸ線回折によって調
べた結果、TiNの様なB1結晶構造を有する物質では結晶
粒は＜111＞方位に形状異方性を有するものが大部分で
あるが、一部に＜200＞方位も観測された。この原因に
ついては明らかでないが、基板に突入する粒子の入射角
度の違い、即ちすべての粒子が基板に対して垂直に入射
するのではなく、斜め方向からの入射による影響が含ま
れている為と推察される。
［実施例］ ８×10-3Torrの高純度N2ガス雰囲気のアーク放電式イオ
ンプレーティング装置内に、Tiカソード電極を配置し、
これに対向する基板ホルダーに超硬合金製チップ試料を
取りつけた。試料を400℃に加熱しつつ、基板ホルダー
に−50Vのバイアス電圧を印加してTiアーク放電を開始
し、試料上に厚さ４μｍのTiN膜を成膜した。比較例と
して同一試料上へRFイオンプレーティング法によりTiN
膜を成膜した。尚このときの成膜条件は、雰囲気ガスと
してAr/N2混合ガスを８×10-3Torrまで導入し、基板に
は−50Vの電圧を印加した。
ンプレーティング装置内に、Tiカソード電極を配置し、
これに対向する基板ホルダーに超硬合金製チップ試料を
取りつけた。試料を400℃に加熱しつつ、基板ホルダー
に−50Vのバイアス電圧を印加してTiアーク放電を開始
し、試料上に厚さ４μｍのTiN膜を成膜した。比較例と
して同一試料上へRFイオンプレーティング法によりTiN
膜を成膜した。尚このときの成膜条件は、雰囲気ガスと
してAr/N2混合ガスを８×10-3Torrまで導入し、基板に
は−50Vの電圧を印加した。
冷却後取り出した試料の各被覆膜の縦断面を観察すると
第１図（実施例）及び第２図（比較例）に示す通りであ
り、第１図では膜厚方向に指向した繊維状組織が全域に
亘って緻密に存在するのが確認された。一方第２図では
繊維状組織は全く観察されなかった。
第１図（実施例）及び第２図（比較例）に示す通りであ
り、第１図では膜厚方向に指向した繊維状組織が全域に
亘って緻密に存在するのが確認された。一方第２図では
繊維状組織は全く観察されなかった。
実施例及び比較例に係る試料を、切削試験に供したとこ
ろ第１表に示す結果が得られた。
ろ第１表に示す結果が得られた。
（切削条件） 被削材 S50C 切削速度 170m/分 送り速度 0.25mm/rev 切り込み 0.1mm 第１表に示す様に本発明法によって得られる膜は耐摩耗
性に優れたものであることが確認された。
性に優れたものであることが確認された。
［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、耐摩耗性に卓越し
た被覆膜を効率良く得ることができ、該被覆膜を形成し
た耐摩耗性工具類等を効率良く提供することができた。
た被覆膜を効率良く得ることができ、該被覆膜を形成し
た耐摩耗性工具類等を効率良く提供することができた。
第１図（ａ），（ｂ）は本発明法によって得られた被覆
膜の縦断面金属組織を示す図面代用顕微鏡写真、第２図
（ａ），（ｂ）は従来法によって得られた被覆膜の同図
面代用顕微鏡写真である。
膜の縦断面金属組織を示す図面代用顕微鏡写真、第２図
（ａ），（ｂ）は従来法によって得られた被覆膜の同図
面代用顕微鏡写真である。
Claims (1)
- 【請求項１】ガス圧力:1×10-3〜３×10-1Torr、基板バ
イアス電圧：−50V〜−1500Vとするカソードアーク方式
のイオンプレーティング法を用いることによって、膜厚
方向に指向した緻密な繊維状組織を有する耐摩耗性被覆
膜を製造することを特徴とする耐摩耗性被覆膜の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62199408A JPH0774426B2 (ja) | 1987-08-10 | 1987-08-10 | 耐摩耗性被覆膜の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62199408A JPH0774426B2 (ja) | 1987-08-10 | 1987-08-10 | 耐摩耗性被覆膜の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6442567A JPS6442567A (en) | 1989-02-14 |
| JPH0774426B2 true JPH0774426B2 (ja) | 1995-08-09 |
Family
ID=16407301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62199408A Expired - Lifetime JPH0774426B2 (ja) | 1987-08-10 | 1987-08-10 | 耐摩耗性被覆膜の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0774426B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5380379A (en) * | 1976-12-27 | 1978-07-15 | Tsuneo Nishida | Ion plating apparatus |
| JPS56156767A (en) * | 1980-05-02 | 1981-12-03 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Highly hard substance covering material |
-
1987
- 1987-08-10 JP JP62199408A patent/JPH0774426B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6442567A (en) | 1989-02-14 |
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