JPS6360285A

JPS6360285A - プラズマ蒸着式基体表面被覆方法

Info

Publication number: JPS6360285A
Application number: JP20294286A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Kawada; 一喜河田
Original assignee: Oriental Engineering Co Ltd
Current assignee: Oriental Engineering Co Ltd
Priority date: 1986-08-29
Filing date: 1986-08-29
Publication date: 1988-03-16
Also published as: JPH0119468B2

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】〔産業上の利用分野〕この発明は、プラズマ化学反応により、被処理基体の表
面部に、耐摩耗性を向上させる酸炭化物を被覆形成する
、プラズマ蒸着式基体表面被覆方法に関する。

〔従来の技術とその問題点〕

金属、セラミックス等の基体表面に、耐摩耗性に優れた
高融点化合物の被覆を形成する方法としては、従来、化
学的蒸着法（以下ＣＶＤ法という。

）及び物理的蒸着法（以下ＰＶＤ法という。）が知られ
ている。

ＣＶＤ法では、高融点化合物の被覆の形成が、９００〜
１２００’Ｃで行われるため、基体が薄物あるいは細物
等のように変形を起こし易い形状のものである場合とか
、融点の低い材質のものである場合とかには、適用でき
ないという制限があった。また、このＣＶＤ法を工具鋼
に適用するときは、その処理温度が高いので、基体の硬
さが低下し、真空炉等によって再焼入れ、焼戻しする必
要があり、処理コストが嵩むという問題点があった。

一方、ＰＶＤ法では、高融点化合物の被覆を２００〜８
００℃という低温で行うことができるため、種々の用途
において実用化されている。しかしながら、ＰＶＤ法は
、１０−２Ｔｏｒｒ以下という高真空の処理圧力である
から、蒸発した金属等が一定方向のみにしか飛散せず、
基体の一方向しか良好な被覆ができない。つまり、つき
まわりが悪い。そのため、基体を自公転させなければな
らず、コーティングコストが高くなり、応用範囲が狭い
という問題点があった。また、ＰＶＤ法で形成した被覆
は、ＣＶ　Ｄ法で形成した被覆より一般的に密着性が悪
いといわれている。

そこで、ＣＶＤ法とＰＶＤ法の長所だけを取り入れたプ
ラズマＣＶＤ法が開発されている（特公昭５９−１３５
８６号公報参照）。これは、従来より多く使われている
イオン窒化法と同じ原理によるものであり、反応容器に
流すガスの中に金属ハロゲン化物等を存在せしめるだけ
で、低温でつきまわりが優れている被覆が形成できるこ
とを特徴としている。

また、炭化水素系ガスは、ＣＶＤ法のような高温域では
よく反応し、基体と炭化物被覆の密着性は良好であり、
煤の発生も殆どない。しかしながら、このプラズマＣＶ
Ｄ法により基体をＴｉＣ等の炭化物で被覆する場合、そ
こで具現されるような低温域では、この炭化水素系ガス
ガ十分に反応しなかったり、煤を発生するため、基体と
炭化物皮膜の密着性は悪く、反応容器内を煤で汚すこと
もあり、実用化には問題があった。

この発明は、プラズマ化学反応により、密着性の優れた
酸炭化物を基体表面に形成する方法を提供して、かかる
問題を解決することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の目的を達成するために、プラズマＣ
ＶＤ法の炭素供給源として、炭化水素系ガスの代わりに
、−酸化炭素又は二酸化炭素を用いることによって、基
体との密着性の優れた被覆を形成する方法を提供する。

すなわち、この発明は、Ｓｉ、Ｂ、Ａｊｌ！、周期律表
の４Ａ、５Ａ、６Ａ族金属の化合物のうちの１種と水素
と一酸化炭素又は二酸化炭素とを主成分とするガスを反
応容器に導入し、その反応容器の内圧力を０．Ｏ１〜１
０Ｔｏｒｒにし、被処理基体を１００〜１０００’Ｃに
加熱するとともに、反応容器内にプラズマを発生させ、
プラズマ化学反応させることによって、被処理基体表面
に、Ｓｉ。

Ｂ、　Ａｌ、周期律表の４Ａ、５Ａ、６Ａ族金属の１種
の酸炭化物を形成することを特徴とするプラズマ蒸着式
基体表面被覆方法に係る。

〔作用〕

ここで、形成される被覆膜の特性に影響する各因子につ
いて、それぞれ説明する。

（イ）反応ガスについてまず、反応容器に導入するガスは、Ｓｉ、Ｂ。

ＡＮ、周期律表の４Ａ、５Δ、６Ａ族金属の化合物（以
下ソースガスという。）のうちの１種と水素と一酸化炭
素又は二酸化炭素とを主成分とする。

これらの混合ガスは、モル比で、ソースガス：水素−一
酸化炭素又は二酸化炭素＝１：５〜２００：０．２５〜
５０に制御するのがよい。

その理由は、この値をはずすと、密着性及び均一性が悪
く、しかも硬さ１色の良好な被覆膜が得られないことに
ある。

この場合、放電安定化あるいは反応制御用として、Ａｒ
、Ｈｅ、Ｎｅ等を、反応容器に導入する総ガス量の５〜
７０％導入してもよい。

（ロ）処理圧力について処理圧力が０．０１未満では、複雑な形状の基体表面に
微細で緻密なＭｉ織を存する被覆膜を均一に形成するこ
とができず、また、プラズマを直流電圧により発生する
場合に、その発生が困難となる。

一方、処理圧力が１０Ｔｏｒｒを越えると、被覆膜は、
粗雑で密度の低い組織や柱状組織になり易い。

そのため、この発明では、処理圧力を０．０１〜１ＱＴ
ｏｒｒの範囲とした。

（ハ）処理温度について基体温度が１００℃未満では、微細で緻密な被覆膜が形
成されず、基体と被覆膜との密着性が悪い。

一方、基体温度が１０００’Ｃを越えると、被覆膜は粗
雑な密度の低いＭｉ織や柱状組織になり、しかも基体の
変形が生しる。

そのため、この発明では、基体の温度を１００〜１００
０’Ｃの範囲とした。

（ニ）プラズマ発生についてプラズマ発生方法としては、直流電圧、高周波、マイク
ロ波等を用いればよい。それぞれの出力は、反応装置の
大きさ、基体表面積等によって変える必要がある。

この場合、プラズマは、化学反応を促進することと、基
体を加熱することの両方の役目をなす。

ただし、基体の加熱は、他にヒータを設けて行なうこと
とし、プラズマはあくまで化学反応促進のために使う方
が、被覆膜の厚さ、密着性、物性をうま（制御すること
ができる。

このように、プラズマＣＶＤ法の低温域処理でも、−酸
化炭素又は二酸化炭素ガスは十分に反応し、煤を発生さ
せることはない。

〔実施例〕

第１図に、この発明の方法で、ＴｉＣ０の被覆膜を基体
表面に形成するための装置の概略を示しである。

この方法によれば、金属チタン源としてＴｉＣ１，を用
い、その”ｐ　ｉ　ＣＩ　ａを入れたソースタンク６を
、ソースタンク加熱用ヒータ７により加熱し、気体の状
態の’ｌ’　ｉ　ＣＩ　ａをソースガス用流量計４を通
して反応容器１２に供給する。その場合、ソースタンク
６、ソースタンク加熱用ヒータ７、及びソースガス用流
量計４は、一定の温度に保持された恒温槽５に収納され
ている。この恒温槽５は、−旦気体になったＴ　ｉ　Ｃ
ｌ　４を液化させないためのものである。

上記ＴｉＣ１，ガスは、Ｈ２，Ｃｏとともに反応容器に
送られるようになっている。この際、必要に応じて、Ａ
ｒ、Ｈｅ、Ｎｅ等を添加してもよい。

Ｃ源としてＣＯを用いる主たる理由は、ＣＨ４、Ｃｚ　
Ｈｚ等の炭化水素系ガスに比べて煤の発生が殆どなく、
その添加量を多くできることにある。

そのことにより、密着性の良好な被覆膜ができるととも
に、蒸着速度も増すことができる。また、ＣＯを用いる
理由は、その分子式より理解できるように、分子の中に
○を持っているので、その添加量、処理条件等によって
は、形成される被覆膜中に０が入り、酸炭化物被覆膜が
できる。実際には、少量の炭化物も生成する。なお、炭
素供給源としては、二酸化炭素の使用も可能である。

反応容器１２内には、導入ガスを一定流量として流し、
真空ポンプ８によって排気する場合、図中のコンダクタ
ンスパ°ルブ１３を調節することによって、反応容器１
２内は０．　０１〜１０Ｔｏｒｒの適当な値に保つ。

前記ＴｉＣｌ４．Ｈｚ　、Ｃｏを主成分とするガスは、
反応容器１２内でプラズマとなり、そのプラズマ内で基
体９の表面にＴｉｃ○の被覆膜が形成される。

この場合、基体９を陰極とし、反応容器１２を陽極とし
、直流電圧を印加することによりプラズマが発生する。

ここで、基体（陰極）９と反応容器（陽極）１２とは、
絶縁材１１によって電気的に絶縁されている。この場合
、プラズマの発生だけで被覆膜を形成すると、プラズマ
によるスパッタリング効果により、蒸着速度が小さくな
るため、反応容器１２外側にヒータ１０を設けて基体９
の加熱をすることにより、プラズマ出力を押さえること
ができるので、蒸着速度を増すことができるとともに、
均一な被覆もできる。

ここでは、プラズマの発生手段としては、直流電圧以外
に、高周波、マイクロ波等を利用してもよく、また、ヒ
ータも、反応容器の内側に設置するようにしてもよい。

この実施例の実施手順は、凡そ次の通りである。

＜ｉ）被処理品を治具の上に載置し、反応容器・内の適
切な位置に配置する。

（ｉｉ）反応容器内を１０−’Ｔｏｒｒ以下に排気する
。

（ｉｉｉ）　Ｈ２、Ａ　ｒ又はＨ２＋Ａｒを０．０１〜
１ＱＴｏｒｒの必要値になるように反応容器内に導入す
る。

（ｉｖ）直流電圧、高周波、マイクロ波等により反応容
器内にプラズマを発生させ、被処理品表面をスパッター
クリーニングし、その後、処理温度に加熱する。この場
合、加熱手段として、ヒータを併用すれば均一な加熱が
できるとともに、プラズマ出力を適正に制御して蒸着速
度を上げることができる。

（Ｖ）Ｓｉ、Ｂ、Ａｌ並びに周期律表の４Ａ。

５Ａ及び６Ａ族の金属化合物の１種のガス状物質とＣＯ
又はＣＯｚとを反応容器に導入し、それらのガスと、Ｈ
ｇ、Ａｒとの比率を一定値に制御し、更に０．０１〜１
０Ｔｏｒｒの処理圧力に保ち、必要時間プラズマ処理す
る。

（ＶＩ）その後、Ｈ２を除いた他のガスの供給とプラズ
マ出力、ヒータ出力とを中止し、反応容器内圧力を０．
０１〜１０Ｔｏｒｒに保って冷却する。

この発明を更に具体的に実施すると、次のようになる。

被処理品としては、直径１５ｍｍ、高さ５０鰭の寸法の
５ＫＤＩ１．５ＫＤ６１，５ＫＨ５１゜５ＵＳ３０４の
鋼材それぞれ用い、第１図に示した装置にＴｉＣ０の被
覆膜を以下の手順で形成した。

まず、被処理品を反応容器内治具に配置した後に、反応
容器内を１０−”Ｔｏｒｒに減圧し、その後、ガス成分
比でＡｒ：Ｈ，＝ｌ：ｌの混合ガスを、反応容器内がＩ
　Ｔｏｒｒになるように制御して導入した。

そして、被処理品を陰極とし反応容器を陽極として、６
００ｖの直流電圧を印加するとともに、外部ヒータによ
り、被処理品温度を４００℃に保持し、３０分間被処理
品表面をプラズマによりスパッタークリーニングした。

次に、外部ヒータの出力を増して、被処理品を５５０℃
に昇温し、その後、ガス成分比でＴｉＣ１ａ　　：Ｈｚ
　　：ＣＯ：Ａｒ＝ｌ　：　８４　：　５　：１０の混
合ガスを反応容器内が２　Ｔｏｒｒになるように導入し
、３時間プラズマ処理を続行した。

この結果、厚さ６μｍの均一なＴｉＣ０の被覆膜が、そ
れぞれの被処理品表面に形成されたことが確認された。

この実施例は、基体表面にＴｉＣ０と若干のＴｉＣの被
覆膜を形成する場合であるが、Ｔｉ以外の例えばｓｉ、
　Ｂ、　Ａｔｔ、周期律表の４Ａ、５Ａ、６Ａ族金属の
酸炭化物の被覆膜を形成することも勿論可能である。

〔効果〕

この発明によれば、低温でも煤を発生させることなく、
反応容器内で一酸化炭素又は二酸化炭素が十分に反応し
て、複雑な基体に酸炭化物の被覆膜を均一にしかも密着
性よく形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法の実施に用いる装置の概略図で
あり、回申、１はＨ２流量計、２はＡｒ流量計、３はＣ
Ｏ流量計、４はソースガス用流量計、５は恒温槽、６は
ソースタンク、７はソースタンク加熱用ヒータ、８は真
空ポンプ、９は基体、１０はヒータ、１２は反応容器、
１３はコンダクタンスバルブである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｓｉ、Ｂ、Ａｌ、周期律表の４Ａ、５Ａ、６Ａ族
金属の化合物のうちの１種と水素と一酸化炭素又は二酸
化炭素とを主成分とするガスを反応容器に導入し、その
反応容器の内圧力を０．０１〜１０Ｔｏｒｒにし、被処
理基体を１００〜１０００℃に加熱するとともに、反応
容器内にプラズマを発生させ、プラズマ化学反応させる
ことによって、被処理基体表面に、Ｓｉ、Ｂ、Ａｌ、周
期律表の４Ａ、５Ａ、６Ａ族金属の１種の炭化物或いは
酸炭化物を形成することを特徴とするプラズマ蒸着式基
体表面被覆方法。