JPH04310515A - セラミック皮膜とその製造方法 - Google Patents
セラミック皮膜とその製造方法Info
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- JPH04310515A JPH04310515A JP9796291A JP9796291A JPH04310515A JP H04310515 A JPH04310515 A JP H04310515A JP 9796291 A JP9796291 A JP 9796291A JP 9796291 A JP9796291 A JP 9796291A JP H04310515 A JPH04310515 A JP H04310515A
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- ceramic coating
- cubic
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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。
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、密着性に優れ高硬度
が必要とされるセラミック皮膜に関する。
が必要とされるセラミック皮膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＰＶＤ法やＣＶＤ法によるセラミックス
皮膜のコーティングは、硬度が高く、耐摩耗性、耐酸化
性等が優れている。さらに電磁気的性質も兼備できるた
め、その工業的利用は急展開を示している。
皮膜のコーティングは、硬度が高く、耐摩耗性、耐酸化
性等が優れている。さらに電磁気的性質も兼備できるた
め、その工業的利用は急展開を示している。
【０００３】最近では、部材の使用条件も益々苛酷にな
り、皮膜の特性も高機能が求められているが、必ずしも
高機能化は容易ではない。
り、皮膜の特性も高機能が求められているが、必ずしも
高機能化は容易ではない。
【０００４】皮膜の高硬度化を例にとると、炭窒化チタ
ン膜は、母材との密着性が優れている（第１０７ 回日
本金属学会講演概要ｐ．１４８）が、立方晶窒化ボロン
やダイヤモンドほどの高硬度は示さない（窒化チタン皮
膜のヴィッカース硬度（２５ｇ） は２０００前後なの
に対して立方晶窒化ボロンは４０００以上とされている
） 。
ン膜は、母材との密着性が優れている（第１０７ 回日
本金属学会講演概要ｐ．１４８）が、立方晶窒化ボロン
やダイヤモンドほどの高硬度は示さない（窒化チタン皮
膜のヴィッカース硬度（２５ｇ） は２０００前後なの
に対して立方晶窒化ボロンは４０００以上とされている
） 。
【０００５】ところが、立方晶窒化ボロン膜やダイヤモ
ンド膜は実用的な密着性、結晶の安定性に欠ける報告が
多い（粉体および粉末冶金、第３７巻第２号ｐ．５）。
ンド膜は実用的な密着性、結晶の安定性に欠ける報告が
多い（粉体および粉末冶金、第３７巻第２号ｐ．５）。
【０００６】窒化ボロン膜にはアモルファス相や六方晶
系相（常圧常温での安定相）ができやすく、これが経時
変化したり、立方晶ＢＮ膜ができても窒素ガスの活性化
のみで成膜しているため、あるいは成膜時の基板温度が
不十分なためか、膜内残留応力が高く容易に剥離したり
することが多かった。
系相（常圧常温での安定相）ができやすく、これが経時
変化したり、立方晶ＢＮ膜ができても窒素ガスの活性化
のみで成膜しているため、あるいは成膜時の基板温度が
不十分なためか、膜内残留応力が高く容易に剥離したり
することが多かった。
【０００７】苛酷化する部材の使用環境の変化に対応す
るため、実用的な密着性を確保しつつ、より高い表面硬
度を持つセラミック皮膜が求められていた。
るため、実用的な密着性を確保しつつ、より高い表面硬
度を持つセラミック皮膜が求められていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、母材との
密着性が良く、表面硬度の高いセラミック皮膜を提供す
るものである。
密着性が良く、表面硬度の高いセラミック皮膜を提供す
るものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】イオンプレーティング法
のような非平衡プロセスでは高温高圧相も準安定的に得
られる。窒化ボロンは常温常圧では六方晶系であるが高
温高圧で立方晶系を呈し高硬度を示す。
のような非平衡プロセスでは高温高圧相も準安定的に得
られる。窒化ボロンは常温常圧では六方晶系であるが高
温高圧で立方晶系を呈し高硬度を示す。
【００１０】イオンプレーティング法やスパッタリング
法のような気相プロセスによる窒化ボロン膜には成膜条
件が不適当だと、立方晶系のものに、アモルファス相や
六方晶系のものも混在しやすく、母材界面が不整合にな
ったり、立方晶系の皮膜でも非平衡度が高いため、多く
の欠陥、圧縮残留応力が残りこれが母材との密着性を阻
害することが多い。一方、炭窒化チタン膜は安定して立
方晶系を呈し、母材（鉄鋼部材、シリコン基板、セラミ
ックス基板、超硬合金等）の種類によらず母材と密着性
良く成膜することが容易である。
法のような気相プロセスによる窒化ボロン膜には成膜条
件が不適当だと、立方晶系のものに、アモルファス相や
六方晶系のものも混在しやすく、母材界面が不整合にな
ったり、立方晶系の皮膜でも非平衡度が高いため、多く
の欠陥、圧縮残留応力が残りこれが母材との密着性を阻
害することが多い。一方、炭窒化チタン膜は安定して立
方晶系を呈し、母材（鉄鋼部材、シリコン基板、セラミ
ックス基板、超硬合金等）の種類によらず母材と密着性
良く成膜することが容易である。
【００１１】立方晶系窒化ボロン膜の高硬度性と炭窒化
チタン膜の高密着性を兼備した皮膜は、両者を固溶体化
することで可能なことを見いだした。
チタン膜の高密着性を兼備した皮膜は、両者を固溶体化
することで可能なことを見いだした。
【００１２】また、固溶体化することで安定して立方晶
系の結晶が得られた。これは炭窒化チタン膜が立方晶系
になる傾向が強いため窒化ボロン成分もこれに誘引され
るためと思われる。
系の結晶が得られた。これは炭窒化チタン膜が立方晶系
になる傾向が強いため窒化ボロン成分もこれに誘引され
るためと思われる。
【００１３】ヴィッカース硬度３０００以上の高硬度で
スクラッチテスター（ＬＥＶＥＴＥＳＴ）での密着強度
が１０Ｎ以上の密着性の発現には炭窒化チタンと窒化ボ
ロンを端成分とする立方晶系固溶体において、組成を［
Ｔｉ（Ｃｙ，Ｎ１−ｙ）］ｘ（ＢＮ）１−ｘ と表すと
き、０＜Ｘ＜０．９ かつ０＜Ｙ＜０．７ であること
が必要である。
スクラッチテスター（ＬＥＶＥＴＥＳＴ）での密着強度
が１０Ｎ以上の密着性の発現には炭窒化チタンと窒化ボ
ロンを端成分とする立方晶系固溶体において、組成を［
Ｔｉ（Ｃｙ，Ｎ１−ｙ）］ｘ（ＢＮ）１−ｘ と表すと
き、０＜Ｘ＜０．９ かつ０＜Ｙ＜０．７ であること
が必要である。
【００１４】電子材料へ応用するときに密着強度は、１
０Ｎ程度でも実用的であるが、耐磨耗部材や工具に適用
するときは高い硬度を維持しつつ密着強度３０Ｎ以上と
、さらに高い母材との密着性が必要である。
０Ｎ程度でも実用的であるが、耐磨耗部材や工具に適用
するときは高い硬度を維持しつつ密着強度３０Ｎ以上と
、さらに高い母材との密着性が必要である。
【００１５】このような場合には、さらに組成を抑制す
る必要があり、上記組成において、０．１ ＜Ｘ＜０．
６ かつＹ＜０．１ である立方晶系固溶体を得ること
が好ましいことがわかった。
る必要があり、上記組成において、０．１ ＜Ｘ＜０．
６ かつＹ＜０．１ である立方晶系固溶体を得ること
が好ましいことがわかった。
【００１６】Ｙは炭化窒素成分量を示すがこの成分は硬
度上昇に効果あるが、密着性向上には逆効果となる。炭
化窒素成分の少ないことによる硬度低下を硬度の高い立
方晶窒化ボロン成分により改善した。
度上昇に効果あるが、密着性向上には逆効果となる。炭
化窒素成分の少ないことによる硬度低下を硬度の高い立
方晶窒化ボロン成分により改善した。
【００１７】皮膜密着性に及ぼす要因のうち圧縮残留応
力の影響は大きく、５ＧＰａを越えると母材から剥離し
やすくなるので、５ＧＰａ以下とすることが好ましい。 残留応力の測定には例えば、Ｘ線を使う方法が一般的で
ある（日本金属学会誌第４９巻第９号ｐ．７７３）。
力の影響は大きく、５ＧＰａを越えると母材から剥離し
やすくなるので、５ＧＰａ以下とすることが好ましい。 残留応力の測定には例えば、Ｘ線を使う方法が一般的で
ある（日本金属学会誌第４９巻第９号ｐ．７７３）。
【００１８】上記立方晶系固溶体皮膜を安定して得るこ
とと圧縮残留応力の低減両方に、金属成分（ボロンとチ
タン）とガス成分（窒素と炭素）それぞれの反応成分を
イオン化または励起させること、さらに母材温度を２０
０ ℃以上１０００℃以下に保持し成膜することが効果
的である。
とと圧縮残留応力の低減両方に、金属成分（ボロンとチ
タン）とガス成分（窒素と炭素）それぞれの反応成分を
イオン化または励起させること、さらに母材温度を２０
０ ℃以上１０００℃以下に保持し成膜することが効果
的である。
【００１９】金属成分のイオン化には例えば、１０−３
Ｔｏｒｒ以下の真空下で金属チタンとボロンを電子銃で
蒸発させ、負に数１０Ｖバイアスを印可した電極により
プラズマを発生させることにより可能である。
Ｔｏｒｒ以下の真空下で金属チタンとボロンを電子銃で
蒸発させ、負に数１０Ｖバイアスを印可した電極により
プラズマを発生させることにより可能である。
【００２０】ただし、この時ボロンはイオン化されにく
いので、熱電子を供給して活性化を促進すると効果的で
ある。
いので、熱電子を供給して活性化を促進すると効果的で
ある。
【００２１】熱電子の発生にタングステンフィラメント
を赤熱させる方法が簡易である。タングステンフィラメ
ントからの熱電子の発生は、フィラメント温度が少なく
とも１０００℃以上必要である。ガス成分のイオン化に
も同じくタングステンフィラメントの利用が効果的であ
る。
を赤熱させる方法が簡易である。タングステンフィラメ
ントからの熱電子の発生は、フィラメント温度が少なく
とも１０００℃以上必要である。ガス成分のイオン化に
も同じくタングステンフィラメントの利用が効果的であ
る。
【００２２】バイアスのかかった二つの電極間に赤熱し
たタングステンフィラメントを置くことで、電極間にプ
ラズマが発生しガス成分がイオン化される。この時アル
ゴンガスを入れると活性化しやすい。
たタングステンフィラメントを置くことで、電極間にプ
ラズマが発生しガス成分がイオン化される。この時アル
ゴンガスを入れると活性化しやすい。
【００２３】プラズマを集中化させ、さらに活性化効率
を上げるには、例えば磁界をもうけ、この中で放電を行
なうと電子あるいはイオンはサイクロトロン共鳴し、プ
ラズマが活性化される。
を上げるには、例えば磁界をもうけ、この中で放電を行
なうと電子あるいはイオンはサイクロトロン共鳴し、プ
ラズマが活性化される。
【００２４】金属成分、ガス成分両者ともイオン化ある
いは励起することが安定に立方晶系固溶体皮膜を得るこ
とと残留応力低減に必要である。どちらか一方が不十分
だとアモルファス相や六方晶の相が混じったり、残留応
力が著しく大きくなったりする。
いは励起することが安定に立方晶系固溶体皮膜を得るこ
とと残留応力低減に必要である。どちらか一方が不十分
だとアモルファス相や六方晶の相が混じったり、残留応
力が著しく大きくなったりする。
【００２５】さらに温度制御が重要であることを見いだ
した。成膜時の基板温度が２００ ℃未満だと皮膜に内
部欠陥が残りこれが残留応力を高める。逆に基板温度が
１０００℃より高いと基板との熱膨張率の差が室温で取
り出した時大きくなり皮膜の剥離を誘発する。
した。成膜時の基板温度が２００ ℃未満だと皮膜に内
部欠陥が残りこれが残留応力を高める。逆に基板温度が
１０００℃より高いと基板との熱膨張率の差が室温で取
り出した時大きくなり皮膜の剥離を誘発する。
【００２６】したがって、成膜時の基板温度は ２００
℃以上１０００℃以下が好ましい。この製造方法は、安
定して立方晶窒化ボロンを得るのにも効果的であり、こ
の場合、金属成分にボロン、ガス成分に窒素またはアル
ゴンと窒素の混合ガスを使う。
℃以上１０００℃以下が好ましい。この製造方法は、安
定して立方晶窒化ボロンを得るのにも効果的であり、こ
の場合、金属成分にボロン、ガス成分に窒素またはアル
ゴンと窒素の混合ガスを使う。
【００２７】
【実施例】イオンプレーティング法によって得られた炭
窒化チタンボロン皮膜の成膜条件と鉱物相、表面硬度、
密着性、残留応力を表１に示す。成膜条件を適正化する
と、鉱物相も立方晶以外のものがなくなり、高い表面硬
度と密着性が兼備できる。
窒化チタンボロン皮膜の成膜条件と鉱物相、表面硬度、
密着性、残留応力を表１に示す。成膜条件を適正化する
と、鉱物相も立方晶以外のものがなくなり、高い表面硬
度と密着性が兼備できる。
【００２８】試料番号１、３、４、５、６が実施例であ
る。金属蒸発源にチタンとボロンを使い、５ＫＷの出力
で電子銃で溶解した。ガスはアルゴンと窒素とアセチレ
ンガスの混合ガスを使いトータル圧力５×１０−４Ｔｏ
ｒｒで行なった。成膜は６０分間行ない、膜厚約４μｍ
を得た。
る。金属蒸発源にチタンとボロンを使い、５ＫＷの出力
で電子銃で溶解した。ガスはアルゴンと窒素とアセチレ
ンガスの混合ガスを使いトータル圧力５×１０−４Ｔｏ
ｒｒで行なった。成膜は６０分間行ない、膜厚約４μｍ
を得た。
【００２９】
【表１】
【００３０】注） 鉱物相の同定はＸ線回折法による。
ｃ：立方晶系単相 ｈ：六方晶系単相ａ：アモルファ
ス相 皮膜密着強度はスクラッチテスター（ＬＥＶＥＴＥＳＴ
）による皮膜組成は［Ｔｉ（Ｃｙ，Ｎ１−ｙ）］ｘ（Ｂ
Ｎ）１−ｘ の（ｘ，ｙ）に相当している 試料番号６は本発明の製造方法に関する実施例である。
ス相 皮膜密着強度はスクラッチテスター（ＬＥＶＥＴＥＳＴ
）による皮膜組成は［Ｔｉ（Ｃｙ，Ｎ１−ｙ）］ｘ（Ｂ
Ｎ）１−ｘ の（ｘ，ｙ）に相当している 試料番号６は本発明の製造方法に関する実施例である。
【００３１】
【発明の効果】炭窒化チタンと窒化ボロンを端成分とす
る立方晶系固溶体化あるいは、皮膜内残留応力を低減し
、母材との密着性と高い表面硬度を兼備したセラミック
膜を得ることができる。
る立方晶系固溶体化あるいは、皮膜内残留応力を低減し
、母材との密着性と高い表面硬度を兼備したセラミック
膜を得ることができる。
Claims (3)
- 【請求項１】 炭窒化チタンと窒化ボロンを端成分と
する固溶体であり、組成を［Ｔｉ（Ｃｙ，Ｎ１−ｙ）］
ｘ（ＢＮ）１−ｘ と表すとき、０＜Ｘ＜０．９ かつ
０＜Ｙ＜０．７ であり、母材との密着性と表面の高硬
度を兼備し、結晶系が立方晶系であることを特徴とする
セラミック皮膜。 - 【請求項２】 炭窒化チタンと窒化ボロンを端成分と
する固溶体であり、組成を［Ｔｉ（Ｃｙ，Ｎ１−ｙ）］
ｘ（ＢＮ）１−ｘ と表すとき、０．１ ＜Ｘ＜０．６
かつＹ＜０．１ であり、母材との高い密着性と表面
の高硬度を兼備し、結晶系が立方晶系であることを特徴
とするセラミック皮膜。 - 【請求項３】 イオンプレーティング装置によって高
硬度セラミック皮膜を生成させる方法において、金属成
分と、窒素および炭素またはどちらか一方からなるガス
成分との各々をイオン化し、基板温度２００ ℃以上１
０００℃以下で反応させることを特徴とするセラミック
皮膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09796291A JP3199395B2 (ja) | 1991-04-04 | 1991-04-04 | セラミック皮膜とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09796291A JP3199395B2 (ja) | 1991-04-04 | 1991-04-04 | セラミック皮膜とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04310515A true JPH04310515A (ja) | 1992-11-02 |
| JP3199395B2 JP3199395B2 (ja) | 2001-08-20 |
Family
ID=14206302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09796291A Expired - Lifetime JP3199395B2 (ja) | 1991-04-04 | 1991-04-04 | セラミック皮膜とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3199395B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014518380A (ja) * | 2011-06-16 | 2014-07-28 | スミスズ ディテクション モントリオール インコーポレイティド | ループ形状イオン化源 |
| JP2017113828A (ja) * | 2015-12-22 | 2017-06-29 | アイシン精機株式会社 | 刃工具および刃工具の製造方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016143172A1 (ja) | 2015-03-09 | 2016-09-15 | 住友電気工業株式会社 | セラミック粉末及び窒化ホウ素焼結体 |
-
1991
- 1991-04-04 JP JP09796291A patent/JP3199395B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014518380A (ja) * | 2011-06-16 | 2014-07-28 | スミスズ ディテクション モントリオール インコーポレイティド | ループ形状イオン化源 |
| JP2017113828A (ja) * | 2015-12-22 | 2017-06-29 | アイシン精機株式会社 | 刃工具および刃工具の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3199395B2 (ja) | 2001-08-20 |
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