JPS6126786A - 多層被覆膜及び被覆法 - Google Patents

多層被覆膜及び被覆法

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JPS6126786A
JPS6126786A JP14443185A JP14443185A JPS6126786A JP S6126786 A JPS6126786 A JP S6126786A JP 14443185 A JP14443185 A JP 14443185A JP 14443185 A JP14443185 A JP 14443185A JP S6126786 A JPS6126786 A JP S6126786A
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Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は表面に適用乃至被着される被覆膜に係る。さら
に特定的には、本発明は個々の層の特徴の組合せである
特性をもつ多層被覆膜に係る。
過去においては、基体乃至母材の保護を得るためにさま
ざまな種類の被膜が母材に適用された。
例えば、耐摩耗性、耐食性、潤滑性、硬度、耐酸化性、
延性、強度及び弾性等の単数又は複数個の特性を改良す
るため、母材上に外側層を形成する材料層を適用するこ
とができる。不幸にしてこれらの特性又はその多くが所
定の１材料について相互に排他的な性質をもつ。従って
単一の材料又は組成が良好な硬さをもっていても、必要
とされる潤滑性その他のいくつかの特性はもっていない
。
例えば、酸化アルミニウムの被膜は非常に不活性で固い
けれど、部品の機械加工に必要な特性である潤滑性が欠
けている。同様にゲルマニウムやフルオロカーボンのよ
うな潤滑性材料は例えば充分な固さ又は耐摩耗性をもっ
ていない。従って得られる被膜は１又は数個の特性を最
適化した結果生じる折衷となシ、他の特性をしばしば弱
めてしまう。
以上の説明から、示される特性が個々の構成要素の特性
の結合であるような、例えば固さ、耐摩耗性、潤滑性、
耐酸化性、耐食性、延性、強度及び弾性のような１又は
数個の特性を示す被膜及び被覆方法が求められる。
本発明の特徴の１つによれば、表面即ち母材上に形成さ
れる保護膜が得られる。この被膜の目的は、切削及び研
磨加工から、更に例えば酸化、腐食及び熱減衰をおこし
やすい他の有害な環境から生じるような摩耗からの保護
を提供することである。表面即ち母材は一般に固い。こ
こで言及する表面又は母材は本発明に属さない単数又は
複数個２枚の層が組成上具なっている２枚又はそれ以上
の重ねあわせた薄い層を意味する。好ましく杜、各単位
多重層は同じタイプの層を同じ数だけもっているが、こ
れは必ずしも不可欠ではない。最も望ましい形としては
、被膜は複数個のくシ返えし単位多重層を含んでいる。
その結果得られる被膜は個々の層の特性の結合である性
質をもつ。
層は材料又は組成のノ々ルク被膜特性を獲得するため充
分に厚くなけれにならない。一般に、各層は材料のバル
ク被膜特性を得るため少なくともおよそ５０オングスト
ロームの厚さであシ、通常ではおよそ５０００オングス
トロ一ム未満である。普通は、摩耗に関する適用として
、各層の最大厚さは母材の固有表面のミクロ組織以下で
あるだろう。
一般に、この要求は、層の厚さがおよそ５０００オング
ストローム又はそれ未満の時に容易にかなえられる。ζ
こで使われている［特徴的表面ミクロ構造、乃至固有表
面ミクロ組織」という用語は基体乃至母材の微視的又は
顕微鏡的表面ＩＪ　ＩＪ−７を意味する。典型的な高度
研磨面は、およそ０．００２インチの表面に沿った距離
にわたって±０．５ミクロン（ｓｏｏｏオングストロー
ム）の表面レリーフヲモつ。もつと粗い表面は相対的に
もっと厚い層をもつことができた。例えば、精密研磨超
硬工具はお１−±２．５ミクロンの表面粗さをもっこと
ができる。従って、この種の表面では、被膜をっくシあ
げる層は、約５０オングストロームから約５０，００（
１ングストロームまでの範囲に入ることができ、更に母
材の特定表面ミクロ組織以下であることができる。層の
厚さをここに述べた通シに限定すれば、表面が充分な時
間にわたシ摩耗を受けている時、複数個の個別層は露出
され、表面は個別層の性質の結合である性質を示す。こ
れは表面が巨視的尺度で平坦であっても生じる。但し、
各層の厚さは、もし望むならば約８ミクロンまでの厚さ
であることができる。
単位多重層の各層は、例えは硬度、耐摩耗性、潤滑性、
耐酸化性、耐熱性、耐食性、粘着性、弾性、強度及び延
性並びにこれらの結合のような、但しこれらのみに限定
されない単数又は複数個の特性を提供するべく選択する
ことができる。更に特定的な面からすれば、耐摩耗性被
膜は、硬度及び／又は耐摩耗性を与える層と潤滑性を与
える層とを含むことを条件とする。
一般に、少なくとも１０個の単位多重層が与えられるが
、そのうち２個はどの少数しか使用されない。使用され
得る単位多重層の数に上限はないが、但し通例ではおよ
そｉ、　ｏ　ｏ　ｏ個以下になるだろう。被膜の総厚は
およそ０．５〜１０ミクロンであることがしばしばであ
る。
所望の性質をもつ任意の材料又は組成を単位多重層内の
１層として使用することができる。従って、本発明はこ
こに非限定の例として挙げた特定材料だけに限らない。
各層は隣接する層に対して適正な粘着性と妥協性を示す
ものでなければならない。単数又は複数の層が他の方法
で隣接している層の粘着性又は妥協性を改良するための
被膜内に含まれることができる。
被膜用に選択された特定材料は、勿論、所望の性質と被
膜の受ける条件とに左右されるだろう。
単位多重層を形成するために使用できる色々なタイプの
材料の例を以下に示す。
硬度及び／又は耐摩耗性を得るために単数又は複数の単
位多重層のために選ばれ得る材料は、例えば、適用でき
るならば、チタンとホウ素、チタンと炭素、タングステ
ンとホウ素、モリブデンとホウ素、炭素、アルミニウム
と酸素、ケイ素と窒素、ホウ素と窒素、タングステンと
炭素、タンタルと炭素、チタンと窒素、ジルコニウムと
酸素、及びこれらの結合物からなるものの非化学量論的
組成物、化学量論的化合物１合金又は単体を含む。
これらの材料は概して強度を得るためにも有効である。
好ましい組成は、ＴｉＸＢ１．　、　ｗＸＢ□−、及び
Ｍｏ　ＸＢ　１−ｘ　（但しＸ紘０．５に等しいか又は
それ未満）。
８１ｘＮ１−Ｘ（但しＸは０．４〜０．６に含まれる）
。
ＢＸＮｌ−Ｘ　（但しＸは０．５〜０．６に含まれる）
、ＴｉＸＮ１−ｘ（但しＸは０．５〜０．７に含まれる
）及びＴ櫨Ｃ１−Ｘ（但しＸは０．４〜０．６に含まれ
る）を含む。
潤滑性を得るための、単数又は複数個の単位多重層とし
て選ぶことのできる材料は例えば、ゲルマニウム、フル
オロカーボンポリマー（例エバテトラフルオロエチレン
（ＴＦＥ）樹脂及びフッ素化させたエチレン−ポリプロ
ピレン（ＦＥＰ）樹脂）、化学量論的乃至正規組成及び
非化学量論的乃至不正規組成の遷移金属ホウ化物、及び
これらの材料のｍ含む。好ましい遷移金属はモリブデン
である。好ましい組成はＭｏＸＢ□−Ｘ（但しＸは０．
５に等しいか又はそれ以下）である。潤滑性を得るのに
好ましいもうひとつの材料は無秩序ホウ素及び炭素材料
である。この種のホウ素及び炭素材料は。
通例ではＢＸＣ１−ｘの原子ベースの組成をもつ。但し
Ｂはホウ素、Ｃは炭素を示し、Ｘ及び１−ｘはそれぞれ
被膜内に存在するホウ素と炭素の相対量を示し％Ｘはお
よそ０．６０〜０．９０である。最も好ましいのは、被
膜がスノにツタリングによってデポジットされた無秩序
炭化ホウ素（Ｂ４　Ｃ）であシ、実質的にアモルファス
である。好ましくはｄｃマグネトロンスノ耐ジッタリン
グ使用される。適正な無秩序ホウ素及び炭素層は、ホッ
トプレスした結晶性ホウ素及び炭素ターゲットを用いた
ｄｃマグネトロンス・９ツタリングによってつくること
ができる。普通は。
母材はスノξツタリング処理中、例えばおよそ２００゜
℃又はそれ未満の比較的低温に維持される。
耐酸化性を得るための単数又は複数の単位多重層として
選択し得る材料は、例えば、シリコン、チタン、炭素（
好ましくは無秩序性のもの）ステンレス鋼、アルミニウ
ム、並びにアルミニウムと酸素、シリコンと酸素、ジル
コニウムと酸素、及びチタンと酸素の、例えばアルミナ
（ｋｌ＊　Ｏｓ　）を含む非化学量論的組成物又は化学
量論的化合物を含む。ここで使用されている「耐酸化性
材料」とは、上記の材料のいずれをも含む。これらの材
料はまた、耐食性を得るためにも適している。
弾性及び／又は延性を得るための単数又は複数の単位多
重層として選択することができる適正材料の例はクロム
及びステンレス鋼を含む。
（以下余白） 上述の例は適正材料を説明するために示した。
硬度、耐摩耗性、潤滑性等々の範ちゅうは相対的な用語
であシ、材料のうちには１つ以上の範ちゅうに有効な性
質をもつものもあることが理解されるべきである。
各層の原子構造は他の層から独立して、結晶状又はアモ
ルファス状であることができる。無秩序耐摩耗性被膜は
単相結晶被膜より機能が優れていると信じられている。
無秩序層は単相結晶層より母材及び／又は他の層間の拡
散結合性が容易で、従ってより優れた粘着性乃至接着性
を示す。無秩序材料はまた破損を伝えやすい格子面の伸
延がな（、概して破損なしで相対的に高い変形力に耐え
ることができる。この種の材料は単相結晶材料より概し
て腐食しにくい。前述の利点はアモルファス又は実質的
にアモルファスな被膜についてはより完全に実現される
。ここで用いられている「無秩序の」という術語は、ア
モルファス、多結晶（及び組成的に長距離秩序性の無い
）、微結晶又はこれらの位相の任意の結合を含んでいる
。「アモルファス」という術語は、長距離秩序性がなく
、短距離又は中間秩序をもつ稀かあるいは同時に何らか
の結晶性介在物さえ含んでいる材料を意味する。
本発明の他の特徴によれば、保護被膜が耐摩耗性を与え
る。耐摩耗性被膜は耐摩耗性及び／又は硬度を与える層
を含むことができる。層は更に例えば潤滑性又は他の性
質を提供するために含まれることができる。従って、耐
摩耗性被膜は、硬さ及び／又は耐摩耗性を与えるための
層と潤滑性を与えるための別の層をもつ各単位を備える
複数個の単位多重層を含むことができよう。最も好まし
くは、単位多重層が（シ返えし単位であることである。
本発明の他の特徴によれば、耐摩耗性被膜は、母材上に
貼付又は形成され、重ね合わせた単位多重層を複数個含
んでいることを条件にして、少なくとも３枚の組成的に
異なる薄膜を含有する各単位層から成り、各層は個々の
層の性質の結合形であるバルク被膜特性を得られる程度
の厚さをもっている。この３枚の組織的に異なる層とは
、耐酸化材料と、窒化チタンと窒化ハフニウムからなる
グループから選択した窒化物と、゛及び無秩序ホウ素及
び炭素材料である。
耐酸化材料はおそらく酸化アルミニウムであろう。その
他の有効な材料は耐酸化性として前に述べた材料である
。
母材、特に炭化物母材への粘着性を改良するためこれら
３枚の単位多重層のために粘着性被膜を使用するのが望
ましい。適正な１粘着層は炭化チタンで形成されること
ができる。窒化チタンの薄膜も、好１しくは炭化チタン
層と結合して、更に母材上に直接的にデポジットして使
用することができる。
３層形単位多重層の好ましい配列は、母材から数えて、
耐酸化性材料、窒化物材料、及び無秩序ホウ素〜炭紫材
料である。
所望の場合は１．４層形単位多重層を用いてもよ（、第
４層は例えば炭化チタンのような材料であシ、他の層は
３層形と同一である。４層単位の場合の１単位の（シ返
えしは炭化チタン、耐酸化材料、窒化物材料並びに無秩
序ホウ素及び炭素である。
３又は４層単位形多重被膜内の層及び粘着層は任意の適
切な方法でつくることができる。好ましくは、耐酸化材
料、窒化物材料及び粘着層は化学的蒸気デポジション（
ｃＶＤ）によ多形成され、無秩序ホウ素及び炭素材料は
スパッタリングによって形成される。耐酸化材料、酸化
アルミニウム（Ａ４０ｇ　）のような層、窒化チタンの
ような窒化物の層、及び炭化チタンの層を形成するため
の適正なＣＶＤ技術は当業者によく知られたものである
。
本発明のもうひとつの特徴によれば、被覆された品物は
、母材表面の少なくとも１部、貼付又は粘着された保護
又は耐摩耗性被膜をもつ使用端または使用面を含むこと
が条件である。被覆は本発明に従い、前述の通シにおこ
なわれる。外側層が破れると複数の層が露出するであろ
う。例えば、表面が使用されて摩耗すると、外側層の少
なくとも１部が破れ、複数の層が被膜表面に露出される
だろう。露出層は、個々の露出層の性質の結合としての
特性をもつ表面に帰着する。更に詳しく云えば、保護被
膜は耐摩耗性被膜であるか、又は耐摩耗性をもつ。
本発明の更に別の特徴によれば、母材の表面上に複数個
の単位多重層をデポジットする方法からなる被膜形成法
を得ることができる。単位多重層り前述の通りであって
、各単位をつくシあゆる何個の層をデポジットすること
によ多形成される。
本発明の更に他の特徴によれば１品物の機械加工法が提
供される。ここで使われている「機械加工」という用語
は広義で、切削、研削、形削シ、研磨、リーマ通し、旋
削、穴明け、ブローチ削シ、シャープカット、その他を
含むが、これらのみに限定されない。この方法は、例え
ば工具のような、本発明の多層被覆膜で被覆された品物
の少なくとも１部また鉱使用端ないし使用面を含む品物
で加工物を機械加工するというものである。好１しくは
、被膜は特性表面の微細構造より薄い層を含む。
保護被膜をもつ品物即ち工具が使用され、被膜の少な（
とも外側層が被膜の少なくともｌ゛部で摩耗するという
ような具合いに摩耗が充分に起きた後、被膜の複数の層
が露出されるだろう。
本発明の他の特徴は、品物の表面の少なくとも１部に本
発明保護被膜を適用することから成る表破壊抵抗（延性
）、強度、及びそれらの結合等の特性を得るための注文
製造品である。品物がこうむるであろう条件は、適用さ
れる多重層被膜のタイプをい（ぶんか決定する。
従って、本発明の第１の目的は、複数個の重ね合わせた
多層単位を特徴とする固い母材上に被膜を得ることであ
って、各単位層は少なくとも２個の組成的に異なる薄膜
を含み、更に各層はそのバルク被膜特性を充分に得られ
る厚さをもち、被膜の特性は膜の個々の特性の結合であ
る。
次に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図の全体及び特に第１図を参照すれば、母材１２に適用
された本発明に従う保＃！ＦｓｌＯが太き（拡大した断
面図で示されている。前述の通シ、摩耗が望ましい。こ
のことは、複数個の保護膜ｌＯの層が使用中に露出され
るのを許し、露出した面に゛個々の層内に存在する材料
の性質を示すのを許す。
母材１２は保護Ｗ！Ｘ１０の適用に先立ち、第２図に透
視図で示されている。保護膜１０が適用される母材１２
の表面１４線巨視的に平坦であるが、顕微鏡的には顕微
鏡級の表面レリーフをもつ非平坦面である。この場合、
表面レリーフは複数個の波高部１６からなる。波高部１
６ａ、顕微鏡的表面不完全又は欠陥で６って、表面１４
上で事実上ランダムに方位決定されてもされなくてもよ
い。
波高部１６は顕微鏡的表面レリーフ不完全の１タイプの
例である。
顕微鏡的表面不完全のもうひとつのタイプは、第５図〜
第７図に示し、後はど説明する隆起部から成る。他の顕
微鏡的表面不完全は、例えば波高部と隆起部の結合また
控平坦面からの任意のタイプの変化より成シ得る。じっ
さいに出会う表面はいずれも平坦面からのこのような顕
微鏡的偏移をもつだろう。
保護１［１０ｔｉ複数個のくシ返えし上側に広がる多層
ユニット１８でつ（られる耐摩耗性被膜であシ得る。各
多層ユニットは、第１図にｒａＪとｒｂＪの文字で示し
た２個の組成的に異なる層でつくられている。多層ユニ
ット１８のひとつまたは両方の層を硬度または耐摩耗性
のために選択し、またはひとつの層を硬度または耐摩耗
性のために選び（例えば酸化アルミニウム）、他の層を
潤滑のために選ぶこともできる（例えばニホウ化モリブ
デンまたはホウ素及び炭素）。
好ましくは、多層ユニットはくシ返えしユニットである
、即ちユニットは同一の数、組成、゛並び方であるのが
よい。従って、多層ユニットは例えば：　ａｂ＋　ａｂ
、　ａｂ等、ａｂｃ　、　ａｂｃ　、　ａｂｃ等、ａｂ
ｃｄ＋　ａｂｅｄ、　ａｂｅｄ等を含む（ただし各文字
は別の材料層を示し、文字の各群は多層ユニットを示す
）。多層ユニットはさまざまな組合が可能でおる。例え
ば、ａｂ　＊　ａｂｃ　ｅ　ａｂ等、ａｂ＋　ａｃ、　
ａｂ゛等、ａｂｅｄ　＊　ａｂｃ　、　ａｂ＋　ａｂｅ
ｄ等、ａｂｃ、ｂａｃ、ａｂｃ等、ａｂ、　ｃｄ、　ｅ
ｆ等、ａｂｂａ＋　ａｂｂａ等でもよい。
被膜中の各多層ユニットはさまざまな材料をもっことが
できるが、被膜の適用を容易にするため、多層ユニット
ヲ＜シ返えし形にするのが概して有利である。前述の結
合は例として挙げたもので、限定的なもので蝶ない。
多層ユニット中の各層の厚さは、前述の説明の中で、摩
耗対策として複数個の層を露出させるため所望の通シの
厚さが可能である。好ましくは、各くシ返えし多層ユニ
ット紘はぼ同じ厚さをもち、対応する層も同じく同じ厚
さをもつであろう。
例えに保護被膜ｌＯのような本発明被膜は母材１２のよ
うな母材に適用され、摩耗又紘これに類するものへの対
策として使用される。この場合摩耗のため被膜表面ｌＯ
が破れると、複数個の被膜層が露出される。
第３図は保護膜ｌＯの１部が第１図の３−３線に沿って
破れた後の表面を図解する。第３図に示す通シ、複数個
の個々の層ａ及びｂは、個々の層ａ及びｂの性質の結合
である特性を表面が備えていることを条件として露出さ
れる。
保護膜ｌＯはさらにそれ以上の摩耗が進んだ後で、第１
図の４−４線にしたがって第４図に示される。いくつか
の地点で、保護膜ｌＯは母材１２まですυ切れ、波高部
１６の形で母材１２の表面レリーフに相当する。第４図
の円形でない部分性、表面で露出する保護膜１０の層に
対応する。従って、表面は保護膜１０の露出層と母材１
２の露出部分との複数の領域でつくられる。
第３図及び第４図拡単なる説明図にすぎないこと、及び
実際の被膜の摩耗又は破裂は、結果としては複数個の層
が露出された状態であっても、図のように平らには生じ
ないことが理解されるべきである。この図では、母材２
２は複数個の隆起部２４からなる顕微鏡的偏移又は表面
レリーフをもつ。隆起部２４は第６図にさらに明瞭に示
されてお夛、保ＮＪｉ２０の適用に先立つ母材２２がこ
こに示されている。隆起部２４は母材２２の表面２６の
１部を形成する。
保＠膜２０は複数個の上側に広がる多層ユニット２８で
つくられる。各多層ユニットは第５図の文字ｒａ、ｊ、
ｒｂ」及び「ｃ」によって示される３個の層でつくられ
る。各層は母材２２の特定表面ミクロ組織又は表面レリ
ーフより小さい。
第７図は、保護膜２０の１部がすりきれた後に生じるか
もしれない状態を図解した第５図の７−７線に沿う保護
膜２０の表面を示す。保護膜２゜の露出面を形成するさ
まざまの層ａ、　ｔ）及びＣは各露出層の性質の結合で
ある特性をもつ面に帰着する。
本発明の別の具体例を第８図に示す。母材３゜は平坦面
をもつように示されているが、但しこの面は前述の通シ
表面レリーフをもつことができる。
母材３０は複数個のコラム即ち波高部からなる柱状ミク
ロ組織をもつ層３２で被覆されている。柱状部又は波高
部の間隔又は充填密度は変化し得る。
層３２は例えば所望の表面レリーフをもつ表面を得るか
、あるいは本発明に従う多層ユニットの１部を形成する
。上側層３２は被膜１０に類似の保護膜３６である。も
し被膜３６が、その１部がすシきれるような摩耗及びそ
れに類するものへの対策として使用される場合には、被
膜３６の露出面は、複数個の被膜層３６が表面に露出さ
れる第３図の説明と同様になるであろう。
本発明のさらに別の具体例を第９図に示す。被膜３８は
母材４０の上にかぶせられる。被膜３８は複数個の多層
ユニット４２を含み、ｆｓ９図にｒａＪ及びｒｂＪの文
字で示す２個の層で各二ニットが構成される。ｒａＪ層
の構造は非柱状であり、ｒｂＪ層の構造は柱状である。
ｒｂＪ層内のコラムの充填密度は変化することができる
。
例えば、柱状層は１層のコラムが本質的に隣接している
非常に密な充填密度をもってもよいし、あるいは層のコ
ラムがある程度間隔をとって並んでいてもよい。
被覆用に選択された材料と母材へのその適用は、母材へ
の適正な粘着と個々の層間の適正な粘着が得られるよう
でなければならない。
概して、適正な粘着は、特定材料に隣接する材料を適切
に選択することによって達成される。
（以下余白） 適正な選択は一般にある１つの層についてこれと直接的
に隣接する層又は母材に関連して次の条件のひとつまた
はそれ以上にかなうと七によって達成され得る。隣接層
のひとつに対するこれらの条件のどれかは他の隣接層に
ついて満たされる条件とは別に独立して満たされること
ができる。これらの条件とは、（１）特定層と隣接層に
対して共通な少なくとも１つの元素の存在、（２）隣接
層内の少なくとも１元素とほぼ同じ原子サイズ−をもつ
少な（とも１原子が特定層内に存在すること、（３）即
ち隣接層への移動に際して、移動前の層と同じ原子構造
をもつ組成物を層内に形成する少な（とも１元素が特定
層組成内に存在すること、（４）隣接層内に溶解可能な
少なくとも１元素が特定層内に存在すること、及び（５
）隣接層内の少なくとも１元素の間に高い結合エネルギ
をもつ少なくとも１元素が特定層内に存在すること。
被膜即ち多層ユニット内の単数又は複数の層ホ、主とし
て隣接層の良好な粘着性を得るために与えられることが
できる。粘着層は隣接層に関する前記条件の１又はそれ
以上にかなうものであれば、１又はそれ以上の元素、合
金又は化合物を含むことができる。
被膜形成法は適正な粘着性をもつ被膜をつくる場合にも
重要である。被膜は一般にス／ｅツタによ）デポジット
され得る。但し例えばスパッタリングやＣＶＤのような
適正な技術又は技術の結合を任意に使用することができ
る。その他の適正な技術としては、例えば蒸気や鉄メッ
キのような他の物理的蒸気デポジション法がある。ＣＶ
Ｄプラズマスプレー、電着法なども適している。スパッ
タリングによって、被膜を比較的低い温度で適用するこ
とができ、比較的高い温度を要求する他の技術より母材
の特性に影響する恐れが少ない。
スパッタリングにより多重層被膜を形成する１方法は、
被覆する品物又状工具を支持するコンイヤを用いる。ス
パッタリング用ターゲットはコンベヤ外周上に相互に間
隔をとって配置される。各ターゲットは多層ユニットの
特定層に対してデポジットされるべき材料に対応する。
スパッタリングのあいだ、コンベヤは回転し、従ってコ
ンベヤによって支えられた各々の品物は各ターゲットの
面前を通過する。特定の品物がターゲットを通過すると
、そのターゲットから材料の薄い層が品物の表面上にデ
ポジットされる。各ターゲットに加わる力を調節するこ
とによって、各層のデポジション速度が調節され、従っ
て層の厚さも調節される。
スパッタデポジット技術は、当業者に概して知られてお
シ、本発明の利益を最大限とするため、被覆する面の特
定形状に適合するスパッタリング技術で所望の被膜を形
成するのが有利である。本発明を限定するものではなく
、例として説明した一般的で適正なスパッタリング技術
としては、ｒｆダイオード、ｒｆマグネトロン及びｄＣ
マグネトロンス、Ｑツタリングがある。望むならばｄｃ
又はｒｆバイアスを、スパッタリングによる被膜適用中
、母材にかけることができる。バイアスは母材上に形成
された被膜の粘着性を改善し、被膜中のストレスを取除
き、そして被膜の密度を高めることができる。被膜の適
用の際、母材の形状は特定な膜の適用のための最も望ま
しいスパッタリング技術をいくぶんか決定する。
スノｑツタデポジットに先立って、被覆するべき工具又
は母材表面の１部に原子的にクリーンな表面を設けるこ
とが概して重要である（ここで用いられている「基体」
又は「母材」という用語は、本発明の単数又は複数の被
膜に専用の、工具又は母材の部分を意味している。この
ことは母材表面に粘着する一様な被膜の形成を容易にす
る。スパッタリングのための原子的にクリーンな表面を
設けるためには、当業者に周知のいくつかの方法があシ
、そのうちのどれを用いてもよい。下記の表面形成法は
本発明の非限定の例として示したものである。
原子的にクリーンな表面をつくるための１方法によれば
、母材は塩素化された炭化水素脱脂剤で油を除去される
。その後、母材をメタノール洗浄し、次にプラズマある
いはドライケミカルエツチングにかける、プラズマエツ
チングが使用される場合は、好ましくはフッ素化された
キャリヤガス、例えば四フフ化炭素が使用される。キャ
リヤガスは分解して、母材表面をクリーンにするフッ素
を提供する。被膜のための原子的にクリーンな表面を提
供するための最終段階は、アルシンプラズマ中でのスパ
ッタエツチングである。
原子的清浄面が、母材上又は少なくとも被覆されるべき
母材の部分上に設けられた後、被膜を適用することがで
きる。
スパッタリングが使用される場合、好ましいスノｑツタ
リング条件は表面形状と好ましいミクロ組織のタイプに
左右されるであろう。一般に、被膜の表面は、特に多数
の摩耗関係の被膜の場合に、なめらかであるのが好まし
い。被膜の内部ミクロ組織は、柱状もしくは非柱状であ
る。外部被膜のため、柱状面が望ましい場合もある。
柱状ミクロ組織をつくることが望まれる時は。
当業者に周知の柱状ミクロ組織をつくるスパッタリング
技術を用いることができる。柱状ミクロ組織をつくるた
めの１技術は、柱状ミクロ組織を形成するための母材に
充分なノ々イアス電圧を印加する。ｂくつかの被膜材料
及び／又は母材形状については、いくら高いノ々イアス
電圧をかけても柱状ミクロ組織は形成できない。当業者
には周知の通り、バイアススフ９ツタリングはデポジシ
ョノ工程で母材上に負バイアス電圧を維持するプロセス
である。
母材にバイアス電圧をかけることによって、密度、純度
、粘着性、及び被膜の内部応力が制御される。概して、
バイアス電圧の印加は、密度、純度及び粘着性を増し、
更に被膜の内部応力を下げる傾向がある。
母材に印加される／ぐイアスミ圧はス゛′／♀ツタリン
グ工程で所望のシーケンスで変えることもできる。
好ましいバイアスシーケンス制御は母材の形状及びどの
ような被膜ミクロ組織を望むかによってきまる。複雑形
状の場合、あるいは比較的高い（およそ２．０又はそれ
より大）縦横比（表面の幅に対する顕微鏡的深さの比、
例えば平坦面の縦横比が０であシ、更に深さと幅が等し
い沈下をもつ表面の縦横比が１）をもつ表面の場合、先
ず母材に対して比較的低ｂバイアス電圧（例えばおよそ
−１００〜−２００ボルト）で材料をスーｑツタして完
全な被覆を確保するのが望ましい。その後、バイアス電
圧を比較的高いバイアス電圧（例えばおよそ−１０００
から一２５００ボルト）に増加させる。バイアス電圧は
徐々に増加させる（勾配増加）か段階式に増加させるこ
とができる。この種のバイアス電圧の使用は、粘着性が
より大きく、内部応力が小さい。
より密度の濃い純粋な被膜を助長する。柱状ミクロ組織
は概して、母材への機械的固定の結果として、より良い
粘着性を提供するものと考えられる。
縦横比の高い表面の場合、バイアス電圧は、平滑面を求
める場合を除けば、粘着被膜に関して印加することがで
き、デポジションの終了時にかけてバイアス電圧は低減
しく例えばおよそ−１００〜−２００ボルトに）、ある
いは停止され、従って平滑面の形成を杵す。
およそ０５からおよそ２．０の縦横比をもつ表面につい
て、好ましくは被膜をおよそ−５００〜−１０００ボル
トの範囲で、主として一定のバイアス電１圧でスパッタ
する。望むならばさらに高い電圧を使用することもでき
る。好ましくは、外表面を形成する被膜部分の適用工程
でバイアス電圧は比較的平滑な外表面を得させることが
期待される。
比較的低い縦横比（０とおよそ０．５のあいだ）をもつ
表面の場合、バイアス電圧を始めは高く（およそ−１０
００〜−２５００ボルト）、段階式又は勾配式に低電圧
（およそ−１ｏｏ〜−２００ボルト）に降下させるかま
たは停止させる。
スパッタリングは比較的低い母材温度（ふつうは例えば
およそ２００　Ｃ又はそれ未満）で実施することができ
るから、母材材料の性質を大きく変えるのを避け、また
耐摩耗性が増大し、潤滑性の優れた表面を提供したうぇ
で被膜形成が可能である。
従って、本発明は、例えば工具鋼、タングステン鋼、浸
炭鋼、グラファイト、プラスチック、及びその他の、加
工温度はこれらの材料の特性を低下させないから、例え
ば高温によって不利な彩管を受けない母材材料に対して
特に有効である。低い母材温度でのスパッタリングはま
た無秩序状態での被膜形成を可能ならしめる。本発明は
また特に母材組織のいかんにかかわらず、精密に寸法決
定された母材を被覆するためにも適している。
本発明多層被覆膜の特定の２層間の境界面は２層中に存
在する材料の結合でｓｂ得ることが理解されるべきであ
る。従っである程度の層の混合又は重な！７が存在する
かもしれない。混合又は１なシの景は、１層をもうひと
つの層上にスパッタリングする時に使用されるターゲッ
ト電力及び／又はバイアス及び／又は背景ガスを調節す
ることによって制御することができる、もつと高い電力
、もつと高いバイアスまたはもつと多量の背景ガスが通
例では基準の層と適用する層の間の境界面の混合又は重
なりの分量が多くなると、得られよう。
粘着性を向上させるためにこれがむしろ望ましい場合も
あるだろう。
例１ 本発明多層保護膜を、ｄａマグネトロンスノｑツタリン
グによって、炭素、モリブデン、炭化モリブデン（Ｍｏ
＊Ｃ）及びシリーンの各ターゲットから、炭素、モリブ
デン、炭化モリブデン及びシリコンの連続層から成る弁
ピストンリングの上に形成した。被膜の総厚が約３．２
ミクロンとなるまでデポジションを続けた。炭素、モリ
ブデン、縦化モリブデン及びシリコンの各多層ユニット
の厚さは約３８０オングストロームであった。シリコン
は耐食性のために加えた。
例２ 本発明多層保護膜をｄｃマグネトロンスノｑツタリ／グ
によって、平板の両面にタングステン鋼とクロム層を交
代に重ねて形成した。平板の各面は別々にスパッタした
。片面は厚さ約７４０オングストロームの多層ユニット
（タングステン鋼の１層とクロームの１層）をもち、他
面は約１１７０オンダストローへの厚さの多層ユニット
を得た。クロムは弾性のため、タングステン鋼は硬度の
ために使用した。
例３ 次のような多層ｗ＝ニットデポジットする仁とによって
、特定タイプの多層ユニットを製造し、テストした。多
層ユニットは、母材から１方向に１酸化アルξニウＡ（
アルミナ）、窒化チタン及び無秩序炭化ホウ素の層を含
む。多層ユニットは。
外側層を形成する炭化ホウ素と固着された一連の炭化物
インサート物上にデポジットした。窒化チタンと炭化チ
タンの粘着層を浸炭鋼上に適用した。
固着された炭化物インサートは、高さ３７１６インチ（
４，７ｍ）、直径１７２インチ（ｘ２．７ｍ）のサンド
ビク（ＳＡＮＤＶＩＫ）ＡＢ形ＲＮＭＡ４３ＧＣ４１５
チーバエ具インサートである。インサートは、厚さ１ミ
クロン以下の窒化チタンの内側層と、窒化チタン層の頂
上ＶＣ２ミクロンの炭化チタン層、炭化チタン層の頂上
に５ミクｎンのアルミナ層、及び１ミクロンの窒化チタ
ン層を得た。これらの層はいずれもＣＶｐによって適用
した。
次にインサート２及びインサート３をマグネトロンスパ
ッタリングによって被覆した。スノＱツタリングターゲ
ットは、Ｂ４Ｃ結晶粉を９９１ｇの純度で、ホッ＋プレ
スしたＢ４Ｃである。厚さおよそ２．５ミクロンの無秩
序炭化ホウ素被膜を、窒化チタンー炭化チタン−アルミ
ナ−窒化チタンで被覆した固着（ｃｓｗｔｅｎｔｅｄ　
）工具インサート２及び３の頂上にデポジットした。イ
ンサー）１は炭化ホウ素の被膜はない。
これらのインサートを、厚さ４インチ（１０α）、直径
２５インチ（６３，５ｍりのダイから９６４Ｌ溶接物を
取外すためのテストに付した。溶接物はまた、５４〜５
８のロックウェルＣ硬度をもつ。
ダイの周囲に沿って溶接物から０．１００インチ（２，
５４■）の切込深さで金属除去を実施した。次表の結果
が得られた。
被　　　　覆　　　インナート１　インナート２　イン
サート３回転数（毎分）　　　　９　　　２１　　　　
２５除去金ｌｔ景（立方イ ンチ／分）０．０８８　　　２．６３９　　　３．９２
７除去量０．１００インチ までの所要時間（分）３５６　　　　１１　　　　　８
本発明はいくつかの具体例に関連して説明したが、本発
明の範囲を超えず、種々の修正及び変更を加え得ること
は勿論明らかであろう。
例の断面説明図％第２図は被膜の適用に先立つ第１図の
母材表面の斜視説明図、第３図は第１図の３−３線に従
う第１図の被膜の断面図、第４図は第１図の４−４線に
従う第１図の被膜の断面図、第５図は母材に適用した本
発明の別の例の多層保護膜の断面説明図、第６図は被膜
の適用に先立つ第５図の母材表面の斜視説明図、第７図
は第５図の７−７線に従う被膜の断面図、第８図は母材
に適用した本発明の更に別の例の被膜の断面説明図、第
９図は母材忙適用した本発明の更に別の例の被膜の断面
図である。
１０・・・保護膜、　１２・・・母　材、１４・・・母
材表面、１６・・・波高部、１８・・・多層ユニット。

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）剛性の基体上に適用する被覆膜であって、複数個
    の重ねた多層ユニットを特徴としており、各ユニットが
    少なくとも２個の組成的に異なる薄い層を含んでおり、
    各層がそのバルク被覆特性を充分得られるだけの厚さを
    もち、前記被覆膜の特性が前記層の個々の性質の結合で
    ある被覆膜。
  2. （２）前記層の厚さが前記基体の特徴的表面ミクロ構造
    より小である特許請求の範囲第１項に記載の被覆膜。
  3. （３）前記層がおよそ０．００５ミクロンからおよそ０
    ．５ミクロンの厚さの範囲内にある特許請求の範囲第１
    項に記載の被覆膜。
  4. （４）前記多層ユニットの各々内の前記少なくとも２個
    の層の１個又はそれ以上が、次の特性、即ち、硬度、耐
    摩耗性、潤滑性、耐衝撃性、耐食性、耐酸化性、耐熱性
    、粘着性、延性、弾性及び強度のうちの１特性又はそれ
    以上を与えるための材料を含んでいる特許請求の範囲第
    １項に記載の被覆膜。
  5. （５）前記複数個の多層ユニットが反復ユニットから成
    る特許請求の範囲第１項に記載の被覆膜。
  6. （６）前記複数個の多層ユニットが少なくともおよそ１
    ０個である特許請求の範囲第１項に記載の被覆膜。
  7. （７）各ユニットの前記層の少なくとも１層が、次の物
    質、即ち、炭素、タングステンと炭素、炭素とアルミニ
    ウムと酸素、チタンとホウ素、タングステンとホウ素、
    モリブデンとホウ素、シリコンと窒素、ホウ素と窒素、
    タンタルと炭素、チタンと窒素、及びチタンと炭素を含
    む材料から成るグループから選択した硬度を与えるため
    の材料によって構成される特許請求の範囲第１項に記載
    の被覆膜。
  8. （８）各ユニットの前記層の少なくとも１層が、次の物
    質、即ち、ゲルマニウム、遷移金属ホウ化物、及びフル
    オロカーボンを含む材料から成るグループから選択した
    潤滑性を与えるための材料によって構成される特許請求
    の範囲第１項に記載の被覆膜。
  9. （９）各ユニットの前記層の少なくとも１層が、次の物
    質、即ち、炭素、シリコン、タンタル及びステンレス鋼
    を含むグループから選択した耐食性を与えるための材料
    から成る特許請求の範囲第１項に記載の被覆膜。
  10. （１０）各ユニットの前記層の少なくとも１層が、シリ
    コン、チタン、炭素、アルミニウム、酸化アルミニウム
    、酸化シリコン及び酸化ジルコニウムを含むグループか
    ら選択した耐酸化性を与えるための材料から成る特許請
    求の範囲第１項に記載の被覆膜。
  11. （１１）各ユニットの前記層の少なくとも１層が潤滑性
    を与えるためのものであり、無秩序Ｍ＿ｏ＿ｘＢ＿１＿
    −＿ｘ（但しｘは約０．５に等しいかまたはそれ未満）
    より成る特許請求の範囲第１項に記載の被覆膜。
  12. （１２）多層ユニットの第１層が炭素より成り、第２層
    がシリコン、第３層がモリブデン、第４層が炭化モリブ
    デンより成る特許請求の範囲第１項に記載の被覆膜。
  13. （１３）多層ユニットの１層がタングステンと炭素から
    成り、もうひとつの層がモリブデン及びホウ素から成る
    特許請求の範囲第１項に記載の被覆膜。
  14. （１４）前記多層ユニットの各々が、アルミニウムと酸
    素を含む材料の１層と、モリブデンとホウ素を含む材料
    の１層から成る特許請求の範囲第１項に記載の被覆膜。
  15. （１５）各ユニットが少なくとも３個の組成的に異なる
    薄い層から成り、各層がそのバルク被覆膜特性を充分得
    られる程度の厚みをもっており、３個の組成的に異なる
    層が、（ａ）耐酸化性材料、（ｂ）窒化チタン及び窒化
    ハフニウムから成るグループから選択した窒化物材料、
    （ｃ）無秩序ホウ素及び炭素材料である耐摩耗性被覆膜
    を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の被覆膜。
  16. （１６）前記耐酸化性材料が、酸化アルミニウム、酸化
    ジルコニウム及び酸化シリコンから成るグループから選
    択される特許請求の範囲第１５項に記載の被覆膜。
  17. （１７）前記無秩序ホウ素及び炭素が実質的にアモルフ
    ァスである特許請求の範囲第１５項に記載の被覆膜。
  18. （１８）基体と前記多層ユニット間に少なくとも１個の
    粘着層を含む特許請求の範囲第１５項に記載の被覆膜。
  19. （１９）前記少なくとも１個の粘着層が基体上の炭化チ
    タンの層から成る特許請求の範囲第１８項に記載の被覆
    膜。
  20. （２０）炭化チタン層上の窒化チタンの粘着層を特徴と
    する特許請求の範囲第１９項に記載の被覆膜。
  21. （２１）前記多層ユニットがさらに炭化チタンの第４の
    層から成る特許請求の範囲第１５項に記載の被覆膜。
  22. （２２）作業面の少なくとも１部上に保護被覆膜が被着
    されている工具によって被作業物を機械加工する方法で
    あって、前記保護被覆膜が複数個の重ねあわされた多層
    ユニットから成り、各ユニットが少なくとも２個の組成
    的に異なる薄い層から成り、さらに各層はそのバルク被
    覆膜特性を充分に得られる程度の厚さをもっており、前
    記被覆膜の特性は前記層の個々の性質の結合である、加
    工物を機械加工する方法。
  23. （２３）前記層の厚さが、被覆膜が被着される前記工具
    表面の特徴的表面ミクロ構造より小であり、従って保護
    被膜の表面が、保護膜の外側層の少なくとも１部が磨滅
    するほどの摩耗を受けた後で露出せしめられる複数個の
    層をもつ特許請求の範囲第２２項に記載の方法。
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