JPH10204618A - Cubic boron nitride-coated composite material and its production - Google Patents

Cubic boron nitride-coated composite material and its production

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JPH10204618A
JPH10204618A JP9014818A JP1481897A JPH10204618A JP H10204618 A JPH10204618 A JP H10204618A JP 9014818 A JP9014818 A JP 9014818A JP 1481897 A JP1481897 A JP 1481897A JP H10204618 A JPH10204618 A JP H10204618A
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JP
Japan
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layer
cbn
coated
substrate
film
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP9014818A
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Japanese (ja)
Inventor
Takanobu Hashimoto
孝信 橋本
Masaki Toda
雅規 戸田
Kazutaka Kanda
一隆 神田
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Nachi Fujikoshi Corp
Original Assignee
Nachi Fujikoshi Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cubic boron nitride (cBN)-coated composite material free from the peeling from a substrate immediately or within several days after cBN coating and high in adhesion and furthermore to provide a cutting tool and wear resistant parts coated with cBN withstanding practical use. SOLUTION: Multilayer coating forming a gradient composite compsn. in which the surface of a substrate 5 is coated with a Ti layer having 10 to 300nm thickness as a primary layer, is coated with TiBX(1.5<=X<=2) having 50nm to 2μm thickness as a secondary layer, is successively coated with TiYBZN1- Z (0.6<=Y<=1.5 and 0.05<=Z<=0.4) having 50nm to 2μm as a third layer and is coated with cBN having 500nm to 3μm thickness as a fourth layer is prepd.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は耐摩耗性、耐熱性、
電気絶縁性および熱伝導性に優れた窒化ほう素を被覆し
た複合材料に関するもので、特に切削工具や耐摩耗部品
など、硬質耐摩耗性を要求される分野で使用することが
可能となる被覆複合材料とその製造方法に関するもので
ある。
The present invention relates to abrasion resistance, heat resistance,
A composite material coated with boron nitride that has excellent electrical insulation and thermal conductivity, and can be used in fields requiring hard wear resistance, such as cutting tools and wear-resistant parts. The present invention relates to a material and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】立方晶窒化ほう素(Cubic Boron Nitrid
e 、以下cBNという)は電気絶縁性および熱伝導性が
優れていることからICのヒートシンク材料やパッシベ
ーション膜として有用である。またcBNはダイヤモン
ドに次ぐ高硬度を持つ物質で、かつダイヤモンドと比較
して熱的に安定であり、鉄との反応性が低く、切削工
具、研削工具、耐摩耗工具等に広く使用されている。
2. Description of the Related Art Cubic Boron Nitrid
e, hereinafter referred to as cBN) is useful as a heat sink material or a passivation film for ICs because of its excellent electrical insulation and thermal conductivity. Also, cBN is a substance having the second highest hardness next to diamond, and is thermally stable compared with diamond, has low reactivity with iron, and is widely used in cutting tools, grinding tools, wear-resistant tools and the like. .

【0003】cBNは高温、高圧下で人工的に合成され
ており、その合成には1700℃、5万気圧という極め
て高い圧力と温度が必要とされ、高価な超高圧発生装置
を使用する必要があった。また、超高圧装置で形成でき
るのは小型円盤形状の製品に限られ、ドリルあるいはエ
ンドミルなどのような、通常用いられる切削工具形状に
形成するのは極めて困難である。
[0003] cBN is artificially synthesized under a high temperature and a high pressure. The synthesis requires an extremely high pressure and temperature of 1700 ° C. and 50,000 atm, and requires the use of an expensive ultra-high pressure generator. there were. In addition, an ultrahigh-pressure device can form only a small disk-shaped product, and it is extremely difficult to form it into a commonly used cutting tool shape such as a drill or an end mill.

【0004】近年、減圧下でcBN薄膜を気相合成法に
より基板表面上に形成する方法が研究され、様々な問題
点を残しているものの物理的蒸着法(PVD)ならびに
化学的蒸着法(CVD)によりcBN合成が可能になっ
ている。その代表的な方法を列挙すると以下のようにな
る。 (1) 高周波スパッタリング法 (特開昭60−20
4686号公報) (2) マイクロ波CVD法 (特開昭60−24
3273号公報) (3) イオンビームアシスト蒸着法 (特開昭60−16
9599号公報) (4) 反応性イオンプレーティング法(特開昭62− 4
7472号公報) (5) 熱フィラメントCVD法 (特開昭63− 6
9972号公報) (6) 高周波プラズマジェット法 (特開昭60−27
7767号公報)
In recent years, a method of forming a cBN thin film on a substrate surface under reduced pressure by a vapor phase synthesis method has been studied. Although various problems remain, physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD) have been proposed. ) Enables cBN synthesis. The typical methods are listed below. (1) High frequency sputtering method
No. 4686) (2) Microwave CVD method (JP-A-60-24)
No. 3273) (3) Ion beam assisted vapor deposition method (JP-A-60-16)
(4) Reactive ion plating method (Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-4 / 1987)
No. 7472) (5) Hot filament CVD method (Japanese Patent Laid-Open No. 63-6 / 1988)
No. 9972) (6) High frequency plasma jet method (Japanese Patent Laid-Open No. 60-27)
No. 7767)

【0005】気相合成法によりcBN薄膜をドリルまた
はエンドミルなどの複雑形状の切削工具の表面に形成す
ることができれば、cBNがその硬さ、耐熱、耐酸化
性、摩擦係数、鉄と反応性などに非常に優れた特徴を持
つ事から、大きな寿命や性能の改善が期待できる。
[0005] If a cBN thin film can be formed on the surface of a cutting tool having a complicated shape such as a drill or an end mill by a gas phase synthesis method, cBN can be used for its hardness, heat resistance, oxidation resistance, friction coefficient, reactivity with iron, etc. Because of its excellent characteristics, a long life and improved performance can be expected.

【0006】しかしながら、気相合成法によるcBN合
成では、いずれも励起もしくは加速されたイオンの衝撃
作用によって立方晶相(Cubic Phase )を形成するもの
である。そのためcBN膜が形成されても内部応力が大
きく、超硬合金を含めた金属、セラミックス基板との密
着性が極めて乏しいものとなる。そのため被覆後、直ち
にまたは数日以内に基板から剥離してしまう。cBNを
被覆した切削工具ならびに耐摩耗部品の実用化には、特
にcBN膜と基板材料の接合強度の改善が必要である。
However, in the cBN synthesis by the gas phase synthesis method, a cubic phase (Cubic Phase) is formed by the impact of excited or accelerated ions. Therefore, even if a cBN film is formed, the internal stress is large, and the adhesion to metals, including cemented carbides, and ceramic substrates is extremely poor. For this reason, it is peeled off from the substrate immediately after coating or within several days. For practical use of cutting tools and wear-resistant parts coated with cBN, it is particularly necessary to improve the bonding strength between the cBN film and the substrate material.

【0007】このため、気相合成法におけるcBN膜の
基板との密着性確保の手段として、 (1) B−N傾斜中間層被膜形成 (特開平3−26
0054号公報) (2) Ti、TiN中間層被膜の形成 (特開平3−26
0054、特開平4−168263、特開平4−246
164、特開平4−221059、特開平6−5740
8号公報) (3) Si、Si3 4 中間層被膜の形成(特開平3−2
57154号公報) など、基板とcBN膜との間に傾斜中間層を被覆する種
々の方法が提案されている。
For this reason, as means for ensuring the adhesion of the cBN film to the substrate in the vapor phase synthesis method, (1) formation of a BN gradient intermediate layer coating (Japanese Patent Laid-Open No. 3-26)
(No. 0054) (2) Formation of Ti, TiN intermediate layer coating (JP-A-3-26
0054, JP-A-4-168263, JP-A-4-246
164, JP-A-4-221059, JP-A-6-5740
No. 8) (3) Formation of Si, Si 3 N 4 intermediate layer coating (Japanese Unexamined Patent Publication No.
Various methods for coating an inclined intermediate layer between a substrate and a cBN film have been proposed.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらいずれ
の方法も、依然として密着性が低く、cBN被膜被覆工
具、耐摩耗部品としては実用に耐えられないという問題
があった。
However, all of these methods have a problem in that the adhesion is still low and cannot be put to practical use as a tool coated with a cBN film or a wear-resistant part.

【0009】本発明の課題は、かかるcBN被覆後、直
ちにまたは数日以内に基板から剥離することがなく、密
着性が高いcBN(立方晶窒化ほう素)被覆複合材料及
び製造方法を提供し、さらには、実用化に耐えうるcB
Nを被覆した切削工具ならびに耐摩耗部品を提供するも
のである。
An object of the present invention is to provide a cBN (cubic boron nitride) -coated composite material having high adhesion without peeling off from the substrate immediately or within several days after the cBN coating, and a method for producing the same. Furthermore, cB that can withstand practical use
An object of the present invention is to provide a cutting tool coated with N and wear-resistant parts.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1の発明においては、まず基板表面に第1層
として厚さ10nm以上、300nm以下のTi(チタ
ン)層を被覆し、第2層として50nm以上、2μm以
下のTiBX (ここでXの範囲を1.5≦X≦2とす
る)を被覆し、引き続き第3層として50nm以上、2
μm以下のTiYZ 1-Z 膜(ここでYの範囲は0.
6≦Y≦1.5とし、Zの範囲を0.05≦Z≦0.4
とする。また、以下略してTiBNと記す)を被覆し、
第4層に500nm以上、3μm以下のcBN(立方晶
窒化ほう素)を被覆した。
In order to solve the above-mentioned problems, in the invention of claim 1, first, a Ti (titanium) layer having a thickness of 10 nm or more and 300 nm or less is coated on a substrate surface as a first layer. A second layer is coated with TiB x of 50 nm or more and 2 μm or less (here, the range of X is 1.5 ≦ X ≦ 2).
μm or less Ti Y B Z N 1 -Z film (here, the range of Y is 0.
6 ≦ Y ≦ 1.5, and the range of Z is 0.05 ≦ Z ≦ 0.4
And In addition, hereinafter, it is abbreviated as TiBN).
The fourth layer was coated with cBN (cubic boron nitride) of 500 nm or more and 3 μm or less.

【0011】この被覆複合材料を得る手段として、請求
項2に記載の発明において、基板表面上、第1層として
Ti層を例えばイオンプレーティング法にて厚さ10n
m以上、300nm以下で被覆し、第2層としてTiと
ほう素(B)を同時に蒸発させることにより、50nm
以上、2μm以下のTiBX を被覆し、引き続いて窒素
ガス供給とプラズマ放電による窒素イオン生成もしくは
イオンガンを用いた窒素イオン照射を併用して第3層と
して50nm以上、2μm以下のTiBN層を被覆し、
第4層にBの蒸発と供給窒素ガスのプラズマ放電による
窒素イオン生成もしくはイオンガンを用いた窒素イオン
照射により500nm以上、3μm以下の立方晶窒化ほ
う素(cBN)を被覆するようにした。
As means for obtaining this coated composite material, in the invention according to claim 2, a Ti layer is formed on the surface of the substrate as a first layer to a thickness of 10 n by, for example, an ion plating method.
50 nm by evaporating Ti and boron (B) simultaneously as a second layer.
Above, covers the following TiB X 2 [mu] m, followed by nitrogen gas supply and the plasma discharge by nitrogen ion generation or ion gun 50nm or more as a third layer in combination with nitrogen ions irradiation with, covers the following TiBN layer 2 [mu] m ,
The fourth layer was coated with cubic boron nitride (cBN) having a thickness of 500 nm or more and 3 μm or less by evaporation of B and generation of nitrogen ions by plasma discharge of the supplied nitrogen gas or irradiation of nitrogen ions using an ion gun.

【0012】本発明においては、このようにcBN膜の
基板との密着性確保の手段として、Ti−TiBX −T
iBN−cBNを順次被覆した傾斜複合組成を形成する
多層被膜とした。従って、第1層のTi層、第2層のT
iBX 層および第3層のTiBN層はいずれもTiを含
むためその間の密着性は非常に良好で、また第2層のT
iBX 層および第3層のTiBN層は極めて硬質であ
り、その層のみでも切削工具や耐摩耗部材としての適用
が可能である。さらに加えて、第4層のcBNはBN成
分を含む第3層を下地として成長するため被膜構成元素
の変化も少なく、cBN膜の内部応力が高いにもかかわ
らず剥離することが無い。
In the present invention, as a means for ensuring the adhesion of the cBN film to the substrate, Ti-TiB x -T
iBN-cBN was sequentially coated to form a multi-layer coating forming a gradient composite composition. Therefore, the first Ti layer and the second T layer
Meanwhile adhesion for TiBN layer comprises any of Ti iB X layer and the third layer is very good, also T of the second layer
TiBN layer of iB X layer and the third layer is extremely hard, it can be applied as a cutting tool or a wear-resistant member even only on that layer. In addition, since the fourth layer of cBN grows with the third layer containing a BN component as a base, there is little change in the constituent elements of the film, and the cBN film does not peel off despite its high internal stress.

【0013】ここでTiBX のXの範囲を1.5≦X≦
2とし、TiY Z 1-Z 膜のYの範囲を0.6≦Y≦
1.5とし、Zの範囲を0.05≦Z≦0.4としたの
は種々実験の結果、各々の値がそれ以上であっても、そ
れ以下であっても被膜硬度が低下し、耐摩耗性が劣化す
るようになったためである。
Here, the range of X of TiB X is 1.5 ≦ X ≦
2, and the range of Y of the Ti Y B Z N 1 -Z film is set to 0.6 ≦ Y ≦
As a result of various experiments that the range of Z was set to 0.05 ≦ Z ≦ 0.4 as 1.5, the hardness of the coating decreased even if each value was higher or lower, This is because the wear resistance has deteriorated.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。Tiは窒素、炭素と結合して硬質な被膜を
形成する性質を持っている。Tiはまた活性な金属であ
り、鉄、超硬合金およびそれらに合金として含まれる材
料の表面の原子と強固に結合する。このようなTiを真
空中に蒸発させ、さらにTiをプラスにイオン化した
後、これを直流高圧または高周波を印加した基板に電気
的に衝突させて被膜を形成する方法、すなわちイオンプ
レーティング法により、まずTiの第1層を形成する。
Tiの蒸発にはTi箔やTi線に直接通電する抵抗加熱
方式、W(タングステン)ボートにTiを載せて抵抗加
熱により蒸発する方法あるいは電子ビーム加熱蒸発方式
などがあるが、そのいずれの方式であっても良い。
Next, an embodiment of the present invention will be described. Ti has the property of forming a hard film by combining with nitrogen and carbon. Ti is also an active metal and binds tightly to atoms on the surface of iron, cemented carbide and the materials contained as alloys. By evaporating such Ti in a vacuum and further ionizing the Ti positively, a method of forming a coating by electrically colliding this with a substrate to which a DC high voltage or a high frequency is applied, that is, by an ion plating method, First, a first layer of Ti is formed.
For the evaporation of Ti, there are a resistance heating method in which a Ti foil or a Ti wire is directly energized, a method in which Ti is placed on a W (tungsten) boat and evaporation by resistance heating, and an electron beam heating evaporation method. There may be.

【0015】しかし、ここで生じるTi膜は柔らかく、
Ti膜の厚さを必要以上に厚くした場合、切削工具や耐
摩耗部材などのようにコーティング表面と相手材料との
間で極めて大きなせん断力が働く所にあっては破壊して
しまう。そのため純Ti膜の厚さとしては10nm以
上、300nm以下に保つ必要のあることを試験的に確
認した。
However, the Ti film formed here is soft,
If the thickness of the Ti film is made unnecessarily thick, it will be destroyed where a very large shearing force acts between the coating surface and the counterpart material, such as a cutting tool or a wear-resistant member. Therefore, it was experimentally confirmed that the thickness of the pure Ti film had to be maintained at 10 nm or more and 300 nm or less.

【0016】続いてTiの蒸発と同時に、別の蒸発源か
らBを蒸発させ、TiおよびBの蒸発原子をイオン化ま
たは励起し、直流電圧あるいは高周波を印加した基板へ
電気的に衝突させて堆積させることにより、第2層とし
て50nm以上、2μm以下のTiBX を被覆する。
Subsequently, simultaneously with the evaporation of Ti, B is evaporated from another evaporation source to ionize or excite the evaporated atoms of Ti and B, and are made to collide with a substrate to which a DC voltage or a high frequency is applied, thereby being deposited. Thereby, TiB X of 50 nm or more and 2 μm or less is coated as the second layer.

【0017】さらに第2層形成に引き続きTiおよびB
を蒸発させながら反応室内へ窒素ガスを導入することに
より第3層であるTiBN層を形成する。このときのB
蒸発量と窒素ガスの供給量は第2層のTiBX 膜から徐
々に第3層のTiBN膜へ移行するよう調節した。
Further, after forming the second layer, Ti and B
By introducing nitrogen gas into the reaction chamber while evaporating, a third layer of TiBN layer is formed. B at this time
The evaporation amount and the supply amount of nitrogen gas were adjusted so as to gradually shift from the second layer TiB X film to the third layer TiBN film.

【0018】ここで窒素ガスの導入に於いては負の直流
電源あるいは高周波の電源を接続させた基板と、Tiお
よびBの蒸発源との間の放電空間に供給することによっ
て、TiおよびBのイオン化と同時に窒素ガスもイオン
化し、これらのイオンを基板に電気的に衝突させてコー
ティングすることが可能である。さらにこのときイオン
ガンを用いて導入窒素ガスのイオン化を促進し、基板に
加速衝突させることにより膜質を向上させ、密着性のよ
り強固なコーティング膜を形成することができる。
Here, when introducing nitrogen gas, Ti and B are supplied to a discharge space between a substrate to which a negative DC power supply or a high-frequency power supply is connected and a Ti and B evaporation source. At the same time as the ionization, the nitrogen gas is also ionized, and it is possible to electrically impinge these ions on the substrate for coating. Further, at this time, ionization of the introduced nitrogen gas is promoted by using an ion gun, and the film quality is improved by accelerated collision with the substrate, so that a coating film having stronger adhesion can be formed.

【0019】続いて第4層として、Tiの蒸発を徐々に
減少させ、B蒸発と窒素ガス供給のみによるcBNコー
ティングに移る。第3層形成中、既にB蒸気と窒素ガス
の供給が開始されており、イオンガンも動作しているの
で第4層のcBN合成へ極めて容易に移行できる。
Subsequently, as a fourth layer, the evaporation of Ti is gradually reduced, and the process is shifted to cBN coating using only B evaporation and nitrogen gas supply. During the formation of the third layer, the supply of the B vapor and the nitrogen gas has already been started, and the ion gun is also operating, so that the transition to the cBN synthesis of the fourth layer can be made very easily.

【0020】このように第1層から第3層の間におい
て、基板表面をTi、TiBX 、TiBNの順で被覆す
ることにより、基板となる超硬合金の材質や種類や表面
状況の如何を問わず、密着性に優れたcBNコーティン
グが可能になる。このように、本発明によれば、cBN
膜は剥離することもなく形成され、かつ作製されたcB
Nは本来持っている優れた耐摩耗性、耐熱、耐酸化性を
発揮することができるようになった。
By covering the surface of the substrate in the order of Ti, TiB x , and TiBN between the first layer and the third layer in this manner, the material, type and surface condition of the cemented carbide used as the substrate can be determined. Regardless, cBN coating with excellent adhesion can be achieved. Thus, according to the present invention, cBN
The film was formed without exfoliation and produced cB
N can exhibit its inherent excellent wear resistance, heat resistance and oxidation resistance.

【0021】[0021]

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。 (実施例1)図1に本発明の第1の方法を実施する装置
の略図、図2は形成される薄膜層の模式図である。図1
において、チャンバ1は排気口11を備え、排気口11
は図示しない真空排気装置に接続されている。チャンバ
1の上部には直流電源または高周波電源4に接続され、
チャンバ1とは電気的に絶縁を保ちながら回転する機構
で載置された基板5が設けられている。またチャンバ1
の基板の上部には基板5の温度を調節できるよう加熱ヒ
ータ12が保持されている。さらにチャンバ1の上部、
基板5の側部にはTiおよびBの蒸発速度を測定する膜
厚モニタ14が設けられている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below based on embodiments. (Embodiment 1) FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for carrying out the first method of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view of a thin film layer to be formed. FIG.
, The chamber 1 is provided with an exhaust port 11,
Is connected to an unillustrated evacuation device. A DC power supply or a high-frequency power supply 4 is connected to the upper part of the chamber 1,
A substrate 5 is provided which is mounted on the chamber 1 by a mechanism that rotates while maintaining electrical insulation. Chamber 1
A heater 12 is held above the substrate so that the temperature of the substrate 5 can be adjusted. Furthermore, the upper part of the chamber 1,
On the side of the substrate 5, a film thickness monitor 14 for measuring the evaporation rate of Ti and B is provided.

【0022】一方、チャンバ1の下部にはTi蒸発源2
が設置されている。またB蒸発源6は電子ビーム加熱蒸
発源であって、その中に蒸発材料であるほう素(B)7
を入れ、溶融・蒸発させ、B蒸気17を発生させるもの
である。
On the other hand, a Ti evaporation source 2
Is installed. The B evaporation source 6 is an electron beam heating evaporation source, and includes boron (B) 7 as an evaporation material.
Is melted and evaporated to generate a B vapor 17.

【0023】さらにチャンバ1の下部にはイオン源9を
設置した。ここで用いたイオン源9はカウフマン型イオ
ン源で背部のガス導入管18から供給される窒素ガスま
たは窒素と希ガスの混合ガス8をイオン化し、電界によ
り加速し、上記基板5にイオン10として照射するよう
にしたものである。
Further, an ion source 9 is provided below the chamber 1. The ion source 9 used here is a Kauffman-type ion source, which ionizes a nitrogen gas or a mixed gas 8 of nitrogen and a rare gas supplied from a gas introduction pipe 18 at the back thereof, accelerates it by an electric field, and forms ions 10 on the substrate 5. Irradiation is performed.

【0024】かかる構成にされた実施例1の実施方法に
ついて説明する。図1において、基板に接続する電源4
としては高周波電源を用い、基板5に接続し、基板5に
は超硬合金(K10)製のチップを取り付け、コーティ
ング処理中、回転させるようにした。まずチャンバ1内
を1×10-6Torrに排気したのち基板材料とTi膜
の密着性を上げるため、基板5を回転させながら加熱ヒ
ータによって300℃に加熱した。続いて、真空チャン
バ1内でTiの蒸発源2からTi3を蒸発させた。Ti
蒸発中、高周波電源4の出力は200Wとしたが、この
とき基板5には−400Vのセルフバイアスが発生し、
この基板5とTi蒸発源2との間で放電を発生させ、T
i蒸気17をイオン化し、基板5に衝突させて第1層を
形成した(図2に示す第1層)。
An implementation method of the first embodiment having such a configuration will be described. In FIG. 1, a power supply 4 connected to a substrate
, A high frequency power supply was used, connected to the substrate 5, a chip made of cemented carbide (K10) was attached to the substrate 5, and the substrate 5 was rotated during the coating process. First, after the inside of the chamber 1 was evacuated to 1 × 10 −6 Torr, the substrate 5 was heated to 300 ° C. while rotating the substrate 5 in order to increase the adhesion between the substrate material and the Ti film. Subsequently, Ti 3 was evaporated from the Ti evaporation source 2 in the vacuum chamber 1. Ti
During the evaporation, the output of the high-frequency power supply 4 was set to 200 W. At this time, a self-bias of -400 V was generated on the substrate 5,
Discharge is generated between the substrate 5 and the Ti evaporation source 2, and T
The i-vapor 17 was ionized and made to collide with the substrate 5 to form a first layer (first layer shown in FIG. 2).

【0025】ここで、Tiの蒸発は0.7φ×200
(mm)のW(タングステン)ワイヤにTi線材を吊
し、Wワイヤーに50V,40A前後の交流電力を供給
する抵抗加熱方式により実施した。なおWワイヤーは通
電開始前後で蒸発により線径が変化するので±15Aの
範囲で電流を調節した。Tiの膜厚は水晶振動子を備え
た膜厚モニタ14の周波数変化によりモニターし、その
値を100nmとした。
Here, the evaporation of Ti is 0.7φ × 200
(Mm) W (tungsten) wire was suspended by a Ti wire, and the W wire was supplied with an AC power of about 50 V and 40 A by a resistance heating method. Since the wire diameter of the W wire changes due to evaporation before and after the start of energization, the current was adjusted within a range of ± 15 A. The film thickness of Ti was monitored by a frequency change of a film thickness monitor 14 having a quartz oscillator, and the value was set to 100 nm.

【0026】ついでTiの蒸発と同時に、別の蒸発源6
から、ほう素(B)7を蒸発させ、高周波の電源4に接
続された基板5とTi、Bの蒸発源2、6との間で放電
をおこさせ、Ti蒸気13、B蒸気17をイオン化し、
基板5の表面へ入射させることにより、第2層として1
μmのTiB1.5 膜を形成した(図2に示す第2層)。
Next, simultaneously with the evaporation of Ti, another evaporation source 6
, The boron (B) 7 is evaporated, and a discharge is caused between the substrate 5 connected to the high-frequency power supply 4 and the Ti and B evaporation sources 2 and 6 to ionize the Ti vapor 13 and the B vapor 17. And
By being incident on the surface of the substrate 5, 1
A μm TiB 1.5 film was formed (second layer shown in FIG. 2).

【0027】ここでTiの蒸発は第1層の条件と同一
で、W線に流す電流の調整で蒸発速度を調節した。Bは
電子ビーム加熱蒸発方式を用い、加速電圧8kV,電流
100mAで蒸発させた。Ti蒸気13およびB蒸気1
7は基板に印加される高周波によりイオン化され、セル
フバイアスにより負に帯電した基板に加速衝突させた。
TiとBの各々の蒸発速度はTiが1に対してBが1.
5〜2の比率で蒸発させた。また、第1層、第2層とも
コーティング中、チャンバ1内の真空度はできるだけ高
真空が望ましく、真空排気ポンプにより1×10-6〜5
×10-6Torrを維持した。
Here, the evaporation of Ti was the same as that of the first layer, and the evaporation rate was adjusted by adjusting the current flowing through the W line. B was evaporated using an electron beam heating evaporation method at an acceleration voltage of 8 kV and a current of 100 mA. Ti vapor 13 and B vapor 1
No. 7 was accelerated and collided with a substrate which was ionized by a high frequency applied to the substrate and negatively charged by a self-bias.
The evaporation rate of each of Ti and B is as follows.
Evaporated in a ratio of 5 to 2. During the coating of both the first layer and the second layer, the degree of vacuum in the chamber 1 is desirably as high as possible, and 1 × 10 −6 to 5 × 5 by a vacuum pump.
× 10 −6 Torr was maintained.

【0028】さらに第3層として、第2層に引き続きT
i3およびB7を蒸発させながら、真空チャンバ1内へ
ガス導入管18より窒素ガス8を導入してTiBN層を
形成した(図2に示す第3層)。このときのB蒸発量は
第2層で供給したB原子数のおおよそ20〜30%まで
漸次減少させ、第2層のTiB1.5 膜から徐々に第3層
のTiBN膜形成に移行した。
Further, as a third layer, T
While evaporating i3 and B7, nitrogen gas 8 was introduced from the gas introduction pipe 18 into the vacuum chamber 1 to form a TiBN layer (third layer shown in FIG. 2). At this time, the amount of evaporated B was gradually reduced to about 20 to 30% of the number of B atoms supplied in the second layer, and the transition from the TiB 1.5 film of the second layer to the formation of a TiBN film of the third layer was gradually started.

【0029】ここで、窒素ガス8は、そのイオン化を促
進するため基板5と、TiおよびBの蒸発源との間の放
電空間に供給した。また、これと併用してイオンガン9
を動作させ、窒素ガス8をイオン化させ、基板に入射さ
せた。イオンガン9には窒素ガスを5cc/minの流
量で供給し、70V,3Aで形成したイオンガン内のプ
ラズマから窒素イオンを0.8kVで引き出し、このイ
オンを基板5へ照射した。このときの高周波電力は20
0Wとし、チャンバ1内の真空度は1×10-4Torr
とした。
Here, the nitrogen gas 8 was supplied to a discharge space between the substrate 5 and a Ti and B evaporation source to promote the ionization. In addition, ion gun 9
Was operated to ionize the nitrogen gas 8 and make it incident on the substrate. Nitrogen gas was supplied to the ion gun 9 at a flow rate of 5 cc / min, nitrogen ions were extracted at 0.8 kV from plasma in the ion gun formed at 70 V, 3 A, and the substrate 5 was irradiated with the ions. The high frequency power at this time is 20
0 W, and the degree of vacuum in the chamber 1 is 1 × 10 −4 Torr
And

【0030】これによりTiBN膜(第3層)を1μm
の厚さでコーティングした。尚、TiBN膜においての
TiとBとNの比率はおおよそ0.6:0.4:0.6
とした。
As a result, the thickness of the TiBN film (third layer) becomes 1 μm.
Coated with thickness. Incidentally, the ratio of Ti, B and N in the TiBN film is approximately 0.6: 0.4: 0.6.
And

【0031】続いて、Ti蒸発を徐々に減らしたのち、
B蒸発と窒素ガス導入を続け、これにAr(アルゴン)
ガス供給を加えて、合成条件を調節し、cBNコーティ
ングを実施し図2に示す第4層を形成した。
Subsequently, after gradually reducing Ti evaporation,
Continue evaporation of B and introduction of nitrogen gas, and add Ar (argon)
A gas supply was added to adjust the synthesis conditions, and cBN coating was performed to form the fourth layer shown in FIG.

【0032】ここでも窒素とArの混合ガス8は高周波
の電源4を接続させた基板5とBの蒸発源6との間の放
電空間に供給することによって、Bのイオン化と同時に
窒素ガス、Arガスもイオン化し、基板5に入射させる
ことも可能である。しかしここではより密着性の高いc
BN被膜を形成するため、導入ガスのイオン化はイオン
ガン9を用い、イオンビーム10として基板に加速衝突
させた。イオンガン9には窒素ガス5cc/minとA
rガス5cc/minの混合ガスを供給し、イオンガン
9の内部で70V,3Aの放電プラズマ状態を形成し、
生成した混合ガスイオンを1.2kVの加速電圧で引き
出し、基板5へ向けて加速照射した。
Here, the mixed gas 8 of nitrogen and Ar is supplied to a discharge space between the substrate 5 to which the high-frequency power source 4 is connected and the evaporation source 6 of B, so that nitrogen gas and Ar The gas can also be ionized and incident on the substrate 5. However, here, c with higher adhesion
In order to form a BN film, the introduced gas was ionized using an ion gun 9 and made to collide with the substrate as an ion beam 10 at an accelerated rate. Nitrogen gas 5cc / min and A
A mixed gas of r gas 5 cc / min is supplied to form a discharge plasma state of 70 V, 3 A inside the ion gun 9,
The generated mixed gas ions were extracted at an accelerating voltage of 1.2 kV, and accelerated irradiation was performed on the substrate 5.

【0033】ここで、Bの蒸発は加速電圧8kV,電流
120mAで蒸発さた。その時チャンバ1内の真空度は
3×10-4Torrに保った。また、コーティング中、
基板5には高周波電源4より300Wの出力で電力が供
給され、−600Vのセルフバイアスが発生した。これ
によりcBNを膜厚1.5μmまでコーティングした。
(図2に示す第4層)
Here, B was evaporated at an acceleration voltage of 8 kV and a current of 120 mA. At that time, the degree of vacuum in the chamber 1 was kept at 3 × 10 −4 Torr. Also, during coating,
Electric power was supplied to the substrate 5 from the high-frequency power supply 4 at an output of 300 W, and a self-bias of -600 V was generated. Thus, cBN was coated to a thickness of 1.5 μm.
(4th layer shown in FIG. 2)

【0034】図3は、得られた最表層のcBN膜のIR
吸収スペクトルである。図3に示すように、得られた最
表層のcBN膜は、立方晶の結晶構造を有する窒化ほう
素膜であることが確認された。また、このcBN膜の被
膜硬さ(ビッカース硬度)、スクラッチ試験結果及び切
削性能試験結果を表1に示す。なお、比較材として、比
較例1は2μm厚みの単層のcBN膜をコーティングし
たもの、比較例2は3μm厚みのTiN被膜上に1.5
μm厚みのcBN膜をコーティングしたもの、比較例3
は3μm厚みの単層のTiN被膜をコーティングしたも
のを用いた。
FIG. 3 shows the IR of the obtained topmost cBN film.
It is an absorption spectrum. As shown in FIG. 3, it was confirmed that the obtained outermost cBN film was a boron nitride film having a cubic crystal structure. Table 1 shows the film hardness (Vickers hardness), scratch test results, and cutting performance test results of the cBN film. As a comparative material, Comparative Example 1 was coated with a single-layered cBN film having a thickness of 2 μm, and Comparative Example 2 was coated with 1.5 μm on a 3 μm-thick TiN film.
Coating with a μm thick cBN film, Comparative Example 3
Used was coated with a single-layer TiN film having a thickness of 3 μm.

【0035】[0035]

【表1】 [Table 1]

【0036】なお、作製したcBNコーティング工具の
性能を評価するための切削性能試験は、以下の条件で切
削試験を実施し、コーティング膜の評価は、逃げ面摩耗
幅の測定により行った。 被削材:SNCM439、55HRC 切削速度:100m/min 切り込み量:0.3mm 送り量:0.1mm/rev 冷却方法:乾式 図10は、本発明及び比較材の切削時間に対する逃げ面
摩耗量幅の増加を比較したものである。図10に示す通
り、実施例1のものは、比較材として用いたTiNコー
ティングチップ(比較例3)に対し逃げ面摩耗量におい
て半分以下となり、表1に示すように実施例1は比較例
3の約2.1倍の工具性能(切削寿命)を示すことが確
認された。
The cutting performance test for evaluating the performance of the produced cBN coated tool was carried out under the following conditions, and the coating film was evaluated by measuring the flank wear width. Work material: SNCM439, 55HRC Cutting speed: 100 m / min Cutting depth: 0.3 mm Feeding amount: 0.1 mm / rev Cooling method: Dry Fig. 10 shows the width of the flank wear amount with respect to the cutting time of the present invention and the comparative material. It is a comparison of the increase. As shown in FIG. 10, the flank wear amount of Example 1 was less than half of the flank wear amount with respect to the TiN-coated chip (Comparative Example 3) used as the comparative material. It was confirmed that a tool performance (cutting life) approximately 2.1 times that of the above was exhibited.

【0037】(実施例2)図4に本発明の第2実施例に
係る装置の略図、図5は第2実施例で形成される薄膜層
の模式図である。主要な装置構成は実施例1と同様であ
るがTiの蒸発源方法のみが実施例1と異なる。
(Embodiment 2) FIG. 4 is a schematic view of an apparatus according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a schematic view of a thin film layer formed in the second embodiment. The main device configuration is the same as that of the first embodiment, but only the method of evaporating Ti differs from the first embodiment.

【0038】実施例2においては、高周波電源4に接続
された基板5には超硬合金を用い、コーティング処理中
回転させた。チャンバ1内を1×10-6Torrに排気
したのち、Ti蒸発源2からTi3を蒸発させ、高周波
電源4に接続された基板5とTi蒸発源2との間で放電
をおこさせ、プラスにイオン化したTiを負にセルフバ
イアスした基板5に衝突させて第1層を形成した(図5
に示す第1層)。
In Example 2, the substrate 5 connected to the high frequency power supply 4 was made of a cemented carbide and was rotated during the coating process. After evacuating the chamber 1 to 1 × 10 −6 Torr, Ti 3 is evaporated from the Ti evaporation source 2, and a discharge is caused between the substrate 5 connected to the high-frequency power source 4 and the Ti evaporation source 2, and the discharge is performed. The first layer was formed by colliding the ionized Ti with the substrate 5 which was negatively self-biased (FIG. 5).
1st layer).

【0039】ここで、Tiの蒸発には0.2t×15×
100(mm)のW(タングステン)ボートに純Tiを
乗せて、交流4V250Aの電力を供給しながら蒸発さ
せるようにした。また、膜厚は水晶振動子を備えた膜厚
モニタ14の周波数変化によりモニターし、その膜厚を
40nmに調整した。
Here, 0.2t × 15 ×
Pure Ti was put on a 100 (mm) W (tungsten) boat, and evaporated while supplying electric power of AC 4V 250A. The film thickness was monitored by changing the frequency of a film thickness monitor 14 having a quartz oscillator, and the film thickness was adjusted to 40 nm.

【0040】続いてTiの蒸発を継続しながら、別の蒸
発源6から、B(ほう素)7を蒸発させ、高周波電源4
と接続されている基板5とTi、Bの蒸発源2、6との
間で放電をおこさせ、Ti蒸気13、B蒸気17をイオ
ン化し、基板5に第2層として1.3μmのTiB2
被覆した(図5に示す第2層)。
Subsequently, while continuing the evaporation of Ti, B (boron) 7 is evaporated from another evaporation source 6 and
A discharge is caused between the substrate 5 and the Ti and B evaporation sources 2 and 6 connected to the substrate 5 to ionize the Ti vapor 13 and the B vapor 17, and the 1.3 μm TiB 2 as a second layer is formed on the substrate 5. (The second layer shown in FIG. 5).

【0041】ここでのTi蒸発条件は第1層形成の条件
と同一とし、Wボート電流の調整で蒸発速度をコントロ
ールした。Bは電子ビーム加熱蒸発方式を用い、加速電
圧8kV,120mAで蒸発させた。Ti蒸気13、B
蒸気17は出力300Wの高周波電源4と接続されてい
る基板5との間で放電によりイオン化され、基板5の表
面に照射してコーティングした。ここでTi、Bの蒸発
速度としてはTiが1に対してBが2の比率とした。
Here, the Ti evaporation conditions were the same as the conditions for forming the first layer, and the evaporation rate was controlled by adjusting the W boat current. B was evaporated at an acceleration voltage of 8 kV and 120 mA using an electron beam heating evaporation method. Ti vapor 13, B
The vapor 17 was ionized by discharge between the substrate 5 connected to the high-frequency power supply 4 having an output of 300 W, and the surface of the substrate 5 was coated by irradiation. Here, the evaporation rate of Ti and B was such that the ratio of B to 2 was 1 for Ti.

【0042】第1層、第2層をコーティング中、チャン
バ1内の真空度は5×10-6〜8×10-6Torrに維
持した。この第2層に引き続きTi材料3、B材料7を
蒸発させながら真空チャンバ1内に窒素ガス8を導入す
ることにより、第3層であるTiB0.2 0.8 層を1.
2μm形成した(図5に示す第3層)。
During the coating of the first and second layers, the degree of vacuum in the chamber 1 was maintained at 5 × 10 -6 to 8 × 10 -6 Torr. By introducing nitrogen gas 8 into the vacuum chamber 1 while evaporating the Ti material 3 and the B material 7 after the second layer, the TiB 0.2 N 0.8 layer, which is the third layer, is placed in 1.
2 μm was formed (third layer shown in FIG. 5).

【0043】ここで窒素ガスはガス導入管18よりイオ
ンガン9に導入してイオン化し、300Wの高周波電力
を供給された基板5に照射した。イオンガンの動作条件
は実施例1の第3層コーティングと同一である。また、
Tiの蒸発は第1層の条件と同一で、電流の調整で蒸発
速度をコントロールし、Bは電子ビーム加熱蒸発方式を
用い、加速電圧8kV,120mAで蒸発させた。この
時チャンバ1内の真空度は1×10-4Torrに保っ
た。
Here, the nitrogen gas was introduced into the ion gun 9 from the gas introduction pipe 18 to be ionized, and was irradiated to the substrate 5 supplied with 300 W of high frequency power. The operating conditions of the ion gun are the same as those of the third layer coating of the first embodiment. Also,
The evaporation of Ti was the same as that of the first layer, the evaporation rate was controlled by adjusting the current, and B was evaporated at an accelerating voltage of 8 kV and 120 mA using an electron beam heating evaporation method. At this time, the degree of vacuum in the chamber 1 was kept at 1 × 10 −4 Torr.

【0044】第4層はTiの蒸発13を徐々に停止し、
B蒸発と窒素ガス導入を続けたまま、Arガスを添加
し、合成条件を調整することによってcBN膜形成に移
った。
The fourth layer gradually stops the evaporation 13 of Ti,
While continuing the evaporation of B and the introduction of nitrogen gas, Ar gas was added and the synthesis conditions were adjusted to shift to cBN film formation.

【0045】供給ガスは窒素5cc/minとAr5c
c/minの混合ガスとし、イオンガン9の動作条件と
しては実施例1の第4層被膜形成条件と同一条件とし
た。この時のチャンバ1内の真空度は3×10-4Tor
rとした。Bは電子ビーム加熱蒸発方式を用い、加速電
圧8kV,120mAで蒸発させ、cBNを膜厚2μm
までコーティングした(図5に示す第4層)。
The supply gas is nitrogen 5 cc / min and Ar 5 c
A mixed gas of c / min was used, and the operating conditions of the ion gun 9 were the same as the conditions for forming the fourth layer coating in Example 1. At this time, the degree of vacuum in the chamber 1 is 3 × 10 −4 Torr.
r. B was evaporated using an electron beam heating evaporation method at an acceleration voltage of 8 kV and 120 mA, and cBN was formed to a thickness of 2 μm.
(The fourth layer shown in FIG. 5).

【0046】図6は、得られた最表層のcBN膜のIR
吸収スペクトルである。図6に示すように、得られた最
表層のcBN膜は、立方晶の結晶構造を有する窒化ほう
素膜であることが確認された。また、このcBN膜の被
膜硬さ(ビッカース硬度)、スクラッチ試験結果及び切
削性能試験結果を前述した表1に示す。なお、切削性能
試験は実施例1と同一条件で行った。
FIG. 6 shows the IR of the obtained topmost cBN film.
It is an absorption spectrum. As shown in FIG. 6, it was confirmed that the obtained outermost cBN film was a boron nitride film having a cubic crystal structure. Table 1 shows the film hardness (Vickers hardness), scratch test results and cutting performance test results of the cBN film. The cutting performance test was performed under the same conditions as in Example 1.

【0047】実施例2においては、表1、図10に示す
通り、比較材として用いた比較例3のTiNコーティン
グチップに対し半分以下の摩耗であり、約2.5倍の工
具性能(寿命)を示すことを確認した。
In Example 2, as shown in Table 1 and FIG. 10, the wear was less than half that of the TiN-coated chip of Comparative Example 3 used as a comparative material, and the tool performance (life) was about 2.5 times. Was confirmed.

【0048】(実施例3)図7に本発明の第3実施例に
係る装置の略図、図8は第2実施例で形成される薄膜層
の模式図である。主要な装置構成は実施例1と同様であ
るが、Tiの蒸発源、基板に接続した直流電源が実施例
1と異なる。
(Embodiment 3) FIG. 7 is a schematic view of an apparatus according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a schematic view of a thin film layer formed in the second embodiment. The main configuration of the apparatus is the same as that of the first embodiment, except for the Ti evaporation source and the DC power supply connected to the substrate.

【0049】実施例3においては、図7に示すように、
基板5には超硬合金板を取り付け、コーティング処理中
回転させながら、直流電源4のマイナス側に接続して−
1000Vの電圧を印加した。さらに、チャンバ1内を
1×10-6Torrに排気したのち、Tiの電子ビーム
加熱蒸発源2からTi3を蒸発させ、直流電源4に接続
された基板5とTi蒸発源2の間で放電をおこさせ、イ
オン化したTiを基板5に衝突させてコーティングし、
第1層を形成した(図8に示す第1層)。
In the third embodiment, as shown in FIG.
A cemented carbide plate is attached to the substrate 5 and connected to the negative side of the DC power supply 4 while rotating during the coating process.
A voltage of 1000 V was applied. Further, after the inside of the chamber 1 is evacuated to 1 × 10 −6 Torr, Ti 3 is evaporated from the electron beam heating evaporation source 2 of Ti, and discharge is performed between the substrate 5 connected to the DC power supply 4 and the Ti evaporation source 2. The substrate 5 is coated with the ionized Ti by colliding with the substrate.
A first layer was formed (first layer shown in FIG. 8).

【0050】ここで、Ti3の蒸発には8kV,150
mAの電子ビームを照射し加熱して蒸発させた。Ti膜
の膜厚は水晶振動子を備えた膜厚モニタ14の周波数変
化によりモニターし、その膜厚を250nmに調整し
た。尚、基板材料とTi膜の密着性を向上するため、予
め基板5は加熱ヒータによって300℃に加熱した。
Here, 8 kV, 150 kV is used for evaporation of Ti3.
The sample was irradiated with an electron beam of mA, heated and evaporated. The thickness of the Ti film was monitored by a frequency change of a film thickness monitor 14 having a quartz oscillator, and the thickness was adjusted to 250 nm. In order to improve the adhesion between the substrate material and the Ti film, the substrate 5 was previously heated to 300 ° C. by a heater.

【0051】続いてTiの蒸発13と同時に、別の電子
ビーム加熱蒸発源6から、B(ほう素)7を蒸発させ、
直流電源4と接続されている基板5とTi、Bの電子ビ
ーム加熱蒸発源2、6との間で放電をおこさせ、Ti蒸
気13、B蒸気17をイオン化し、直流電源により負電
圧を印加した基板5に入射させてコーティングすること
により、第2層として2μmのTiB2 をイオンプレー
ティング法にて被覆した(図8に示す第2層)。
Subsequently, simultaneously with the evaporation 13 of Ti, B (boron) 7 is evaporated from another electron beam heating evaporation source 6,
A discharge is caused between the substrate 5 connected to the DC power supply 4 and the electron beam heating evaporation sources 2 and 6 for Ti and B, thereby ionizing the Ti vapor 13 and the B vapor 17 and applying a negative voltage by the DC power supply. The substrate 5 was coated with the incident light by coating the substrate 5 with 2 μm of TiB 2 as a second layer by an ion plating method (the second layer shown in FIG. 8).

【0052】ここでTiの蒸発条件は電子ビーム加速電
圧8kV,電流150mAとし、電子ビーム電流の調整
で蒸発速度をコントロールした。Bは別の電子ビーム加
熱蒸発源6を用い、加速電圧8kV,電流120mAで
蒸発させた。Ti蒸気13、B蒸気17は直流電源4に
より−600Vを印加した基板5との間に供給し、放電
によってイオン化しながら基板5の表面に照射してコー
ティングした。第1層、第2層をコーティング中、チャ
ンバ1内の真空度を5×10-6〜8×10-6Torrに
維持した。
Here, the conditions for evaporating Ti were an electron beam acceleration voltage of 8 kV and a current of 150 mA, and the evaporation rate was controlled by adjusting the electron beam current. B was evaporated using another electron beam heating evaporation source 6 at an acceleration voltage of 8 kV and a current of 120 mA. The Ti vapor 13 and the B vapor 17 were supplied between the DC power source 4 and the substrate 5 to which -600 V was applied, and the surface of the substrate 5 was coated while being ionized by discharge. During the coating of the first layer and the second layer, the degree of vacuum in the chamber 1 was maintained at 5 × 10 −6 to 8 × 10 −6 Torr.

【0053】第2層に引き続きTi材料3、B材料7を
蒸発させながら真空チャンバ1内に窒素ガス8を導入す
ることにより、第3層としてTi1.3 0.150.85層を
形成した(図8に示す第3層)。
A Ti 1.3 B 0.15 N 0.85 layer was formed as a third layer by introducing a nitrogen gas 8 into the vacuum chamber 1 while evaporating the Ti material 3 and the B material 7 after the second layer (FIG. 8). 3rd layer shown in FIG.

【0054】このときのB蒸発量は第2層で供給したB
原子数のおおよそ10〜15%とし、第2層のTiB2
膜から徐々に第3層のTiBN膜形成に移行した。窒素
イオンはイオンガン9の背部のガス導入管18より導入
した窒素ガスをイオンガン9で発生させたもので、−6
00Vの直流電源4と接続された基板5に照射した。イ
オンガンの動作条件は実施例1の第3層コーティングと
同一とした。Ti蒸発は電子ビーム加熱蒸発源2によっ
て行い、その条件は8kV,200mAとし、電子ビー
ム電流の調整で蒸発速度をコントロールした。Bも電子
ビーム加熱により、加速電圧8kV,80mAで蒸発さ
た。この時チャンバ1内の真空度としては1×10-4
orrに保った。
At this time, the amount of B evaporated is the amount of B supplied in the second layer.
About 10 to 15% of the number of atoms, and TiB2
The film gradually shifted to the formation of the third layer TiBN film. Nitrogen ions are generated by using the ion gun 9 to generate nitrogen gas introduced from the gas introduction pipe 18 at the back of the ion gun 9;
The substrate 5 connected to the 00 V DC power supply 4 was irradiated. The operating conditions of the ion gun were the same as the third layer coating of Example 1. The Ti evaporation was performed by the electron beam heating evaporation source 2 under the conditions of 8 kV and 200 mA, and the evaporation rate was controlled by adjusting the electron beam current. B was also evaporated at an accelerating voltage of 8 kV and 80 mA by electron beam heating. At this time, the degree of vacuum in the chamber 1 is 1 × 10 −4 T
orr.

【0055】尚、TiBN膜において、TiとBとNの
比率はおおよそ1:0.15:0.85とし、膜厚を2
μmの厚さでコーティングした。
In the TiBN film, the ratio of Ti, B and N is approximately 1: 0.15: 0.85 and the thickness is 2
Coated with a thickness of μm.

【0056】第4層はTiの蒸発13を徐々に停止し、
B蒸発と窒素ガス導入を続けたままArガスを添加し、
合成条件を調整することによりcBN膜形成に移った。
供給ガスは窒素5cc/minとAr5cc/minの
混合ガスとし、イオンガン9の動作条件としては実施例
1の第4層被膜形成条件と同一条件とした。この時のチ
ャンバ1内の真空度は3×10-4Torrとした。Bは
電子ビーム加熱蒸発方式を用い、加速電圧8kV,12
0mAで蒸発させ、cBNを膜厚3μmまでコーティン
グした(図8に示す第4層)。
The fourth layer gradually stops the evaporation 13 of Ti,
Ar gas was added while continuing B evaporation and nitrogen gas introduction,
By adjusting the synthesis conditions, the process was shifted to cBN film formation.
The supply gas was a mixed gas of 5 cc / min of nitrogen and 5 cc / min of Ar, and the operating conditions of the ion gun 9 were the same as the conditions for forming the fourth layer coating in Example 1. At this time, the degree of vacuum in the chamber 1 was 3 × 10 −4 Torr. B uses an electron beam heating evaporation method and has an accelerating voltage of 8 kV and 12 kV.
Evaporated at 0 mA and coated cBN to a thickness of 3 μm (fourth layer shown in FIG. 8).

【0057】尚、第1層から第3層までのイオンプレー
テイング膜は電気的導電性の被膜であるため、回転基板
5に接続する電源4は直流負電源でも製膜可能である。
しかし第4層のcBN膜は電気的に絶縁膜である。絶縁
性の膜をイオン照射によりコーティングする場合、プラ
スイオンが絶縁性被膜表面に堆積する。これを「チャー
ジアップ現象」と呼んでいるが、チャージアップが発生
すると、それ以上コーティング膜の形成が進まなくなっ
たり、膜の絶縁破壊による損傷を生じたりする。ここで
はチャージアップを防止するため、イオンガンに付属さ
れていた熱電子放出機能を持つニュートラライザを動作
させた。このニュトラライザは熱フィラメントを保有
し、通電加熱により負に帯電した電子を放出するもの
で、これにより絶縁膜表面の電荷を中和しコーティング
を継続した。
Since the ion plating films of the first to third layers are electrically conductive films, the power supply 4 connected to the rotating substrate 5 can be formed by a DC negative power supply.
However, the fourth layer cBN film is an electrically insulating film. When coating an insulating film by ion irradiation, positive ions are deposited on the surface of the insulating film. This is called a "charge-up phenomenon". When the charge-up occurs, the formation of the coating film does not proceed any more or the film is damaged due to dielectric breakdown. Here, a neutralizer with a thermionic emission function attached to the ion gun was operated to prevent charge-up. This neutralizer has a hot filament and emits negatively charged electrons by applying heat. This neutralizes the charge on the surface of the insulating film and continues coating.

【0058】図9は、実施例3で得られた最表層のcB
N膜のIR吸収スペクトルである。図9に示すように、
実施例3で得られた最表層のcBN膜は、立方晶の結晶
構造を有する窒化ほう素膜であることが確認された。ま
た、このcBN膜の被膜硬さ(ビッカース硬度)、スク
ラッチ試験結果及び切削性能試験結果を前述した表1に
示す。なお、切削性能試験は実施例1と同一条件で行っ
た。
FIG. 9 shows the cB of the outermost layer obtained in Example 3.
It is an IR absorption spectrum of an N film. As shown in FIG.
It was confirmed that the outermost cBN film obtained in Example 3 was a boron nitride film having a cubic crystal structure. Table 1 shows the film hardness (Vickers hardness), scratch test results and cutting performance test results of the cBN film. The cutting performance test was performed under the same conditions as in Example 1.

【0059】実施例3においては、特に表1に示すスク
ラッチ試験では、57Nという値となり、密着性が極め
て優れたものとなった。また、表1、図10に示す通
り、比較材として用いた比較例3のTiNコーティング
チップに対し半分以下の摩耗であり、約2.3倍の工具
性能(寿命)を示すことが確認された。
In Example 3, especially in the scratch test shown in Table 1, the value was 57 N, and the adhesion was extremely excellent. Further, as shown in Table 1 and FIG. 10, it was confirmed that the wear was less than half that of the TiN-coated chip of Comparative Example 3 used as the comparative material, and the tool performance (life) was about 2.3 times that of the chip. .

【0060】以上述べたように、本発明においては、剥
離し易いといわれたcBNコーティングをしたにも係わ
らず、表1等に示すように、TiBX やTiBNといっ
た硬質膜の存在により、ビッカース硬度測定値も高く、
切削性能もいずれの比較例よりも格段に向上した。さら
に、AE(アコースティック・エミッション)検出法を
用いたスクラッチ試験による密着性評価結果は40〜6
0Nという高い臨界荷重を示し、密着性は極めて優れ、
比較例1、2のcBNコーティング試料に比べて格段に
向上した。
As described above, in the present invention, despite the cBN coating which is said to be easy to peel off, as shown in Table 1 and the like, the presence of a hard film such as TiB X or TiBN causes the Vickers hardness. The measured value is also high,
The cutting performance was significantly improved as compared with any of the comparative examples. Further, the adhesion evaluation result by the scratch test using the AE (acoustic emission) detection method is 40 to 6
It shows a high critical load of 0N, extremely excellent adhesion,
The results were remarkably improved as compared with the cBN coating samples of Comparative Examples 1 and 2.

【0061】[0061]

【発明の効果】本発明においては、精度よく膜厚管理さ
れたTi層と、その上に中間層としてTiBX 、TiB
Nをコーティングし、最外表面、即ち最表層をcBNで
コーティングする傾斜複合組成を形成することにより、
その中間層硬さも極めて高く、共通した元素を持つ膜の
構成により極めて密着性の高いTi−TiBX −TiB
N−cBN多層被膜から成る窒化ほう素被覆複合材料を
形成する。即ち、下方層でTiを含ませ基板との密着性
を増し、中間層で硬度を持たせ、さらに、BN成分を含
む第3層を下地として第4層のcBNを成長させるよう
にしたので、被膜構成元素の変化も少なく、cBN膜の
内部応力が高いにもかかわらずcBN膜が剥離すること
が無くなった。
According to the present invention, a Ti layer whose film thickness is accurately controlled, and a TiB x , TiB
By coating N and forming a graded composite composition that coats the outermost surface, i.e., the outermost layer, with cBN,
The hardness of the intermediate layer is also extremely high, and Ti—TiB x —TiB having extremely high adhesion is obtained by forming a film having a common element.
A boron nitride coated composite comprising an N-cBN multilayer coating is formed. That is, Ti is included in the lower layer to increase the adhesion to the substrate, hardness is provided in the intermediate layer, and cBN of the fourth layer is grown using the third layer containing the BN component as an underlayer. There was little change in the constituent elements of the film, and the cBN film was not peeled despite the high internal stress of the cBN film.

【0062】従って、cBN被覆後、直ちにまたは数日
以内に基板から剥離することがなく、密着性が高いcB
N(立方晶窒化ほう素)被覆複合材料及び製造方法を提
供し、実用化に耐えうるcBNを被覆した切削工具なら
びに耐摩耗部品を提供するものとなった。さらに、cB
N膜の持つ高硬度・高耐摩耗、高耐熱性という優れた特
性を付与できる複合材料形成を可能にした。
Accordingly, cB having high adhesion does not peel off from the substrate immediately or within a few days after cBN coating.
The present invention provides an N (cubic boron nitride) -coated composite material and a production method, and provides a cBN-coated cutting tool and wear-resistant parts that can withstand practical use. Furthermore, cB
This enables the formation of a composite material that can impart the excellent properties of the N film such as high hardness, high wear resistance, and high heat resistance.

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

【図1】本発明の第1実施例の装置の略図である。FIG. 1 is a schematic view of an apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1実施例で形成される薄膜層の模式
図である。
FIG. 2 is a schematic view of a thin film layer formed in a first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1実施例で得られた最表層のcBN
膜のIR吸収スペクトルである。
FIG. 3 shows the cBN of the outermost layer obtained in the first embodiment of the present invention.
It is an IR absorption spectrum of a film.

【図4】本発明の第2実施例の装置の略図である。FIG. 4 is a schematic view of an apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2実施例で形成される薄膜層の模式
図である。
FIG. 5 is a schematic view of a thin film layer formed in a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2実施例で得られた最表層のcBN
膜のIR吸収スペクトルである。
FIG. 6 shows the cBN of the outermost layer obtained in the second embodiment of the present invention.
It is an IR absorption spectrum of a film.

【図7】本発明の第3実施例の装置の略図である。FIG. 7 is a schematic view of an apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第3実施例で形成される薄膜層の模式
図である。
FIG. 8 is a schematic view of a thin film layer formed in a third embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3実施例で得られた最表層のcBN
膜のIR吸収スペクトルである。
FIG. 9 shows the cBN of the outermost layer obtained in the third embodiment of the present invention.
It is an IR absorption spectrum of a film.

【図10】本発明の第1〜3実施例と比較例3の切削時
間に対する超硬チップ逃げ面摩耗量を示す切削試験結果
である。
FIG. 10 is a cutting test result showing the amount of wear on the flank of a carbide tip with respect to the cutting time in the first to third examples of the present invention and Comparative Example 3.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3 Ti(チタン) 5 基板 7 B(ほう素) 8 N(窒素)・希(Ar(アルゴン))ガス 9 イオン源(イオンガン) 10 窒素イオンまたは窒素と希ガスの混合イオン 13 Ti(チタン)蒸気 17 B(ほう素)蒸気 Reference Signs List 3 Ti (titanium) 5 substrate 7 B (boron) 8 N (nitrogen) / rare (Ar (argon)) gas 9 ion source (ion gun) 10 nitrogen ion or mixed ion of nitrogen and rare gas 13 Ti (titanium) vapor 17 B (boron) vapor

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板表面に第1層として厚さ10nm以
上、300nm以下のTi層を被覆し、第2層として5
0nm以上、2μm以下のTiBX (但し、1.5≦X
≦2)を被覆し、引き続き第3層として50nm以上、
2μm以下のTiY Z 1-Z 膜(但し、0.6≦Y≦
1.5、0.05≦Z≦0.4)を被覆し、第4層に5
00nm以上、3μm以下の立方晶窒化ほう素(cB
N)を被覆したことを特徴とする立方晶窒化ほう素被覆
複合材料。
1. A surface of a substrate is coated with a Ti layer having a thickness of 10 nm or more and 300 nm or less as a first layer.
TiB x of 0 nm or more and 2 μm or less (provided that 1.5 ≦ X
≦ 2), followed by a third layer of 50 nm or more,
Ti Y B Z N 1 -Z film of 2 μm or less (provided that 0.6 ≦ Y ≦
1.5, 0.05 ≦ Z ≦ 0.4), and 5
Cubic boron nitride (cB
N) -coated cubic boron nitride-coated composite material.
【請求項2】 基板表面上、第1層としてTi層を厚さ
10nm以上、300nm以下で被覆し、第2層として
Tiとほう素(B)を同時に蒸発させることにより、5
0nm以上、2μm以下のTiBX を被覆し、引き続い
て窒素ガス供給とプラズマ放電による窒素イオン生成も
しくはイオンガンを用いた窒素イオン照射を併用して第
3層として50nm以上、2μm以下のTiY Z
1-Z 層を被覆し、第4層にBの蒸発と供給窒素ガスのプ
ラズマ放電による窒素イオン生成もしくはイオンガンを
用いた窒素イオン照射により500nm以上、3μm以
下の立方晶窒化ほう素(cBN)を被覆することによ
り、請求項1記載のTi−TiBX −TiY Z 1-Z
−cBN多層被膜を形成することを特徴とした立方晶窒
化ほう素被覆複合材料の製造方法。
2. A titanium layer as a first layer having a thickness of not less than 10 nm and not more than 300 nm on a substrate surface, and Ti and boron (B) are simultaneously evaporated as a second layer to form a first layer.
TiB X of 0 nm or more and 2 μm or less is coated, and subsequently, nitrogen gas supply and nitrogen ion generation by plasma discharge or nitrogen ion irradiation using an ion gun are used in combination to form a third layer of Ti Y B Z of 50 nm or more and 2 μm or less. N
The 1-Z layer is coated, and cubic boron nitride (cBN) of 500 nm or more and 3 μm or less is vapor-deposited on the fourth layer and nitrogen ions are generated by plasma discharge of the supplied nitrogen gas or nitrogen ions are irradiated using an ion gun. by coating of claim 1 wherein Ti-TiB X -Ti Y B Z N 1-Z
-A method for producing a cubic boron nitride-coated composite material, comprising forming a cBN multilayer coating.
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