JPH1025566A - イオンプレーティングによる耐高温酸化特性に優れた複合硬質皮膜の形成法 - Google Patents
イオンプレーティングによる耐高温酸化特性に優れた複合硬質皮膜の形成法Info
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Abstract
に向上した耐高温酸化特性(耐高温酸化温度:1000
℃程度)を有するAl−Cr−N系複合硬質皮膜を形成
する。 【解決手段】真空チャンバー内に配置されたAlとCr
の蒸気発生源から、AlとCrの混合蒸気を発生させ、
同時に窒素ガスを真空チャンバー内に導入して、前記混
合蒸気と窒素ガスとの反応生成物であるAl−Cr−N
系複合硬質皮膜を基板上に形成させる。
Description
ィングを用いて基板上に耐高温酸化特性を飛躍的に向上
させたAl−Cr−N系複合硬質皮膜を形成する方法に
関するものである。
イオンプレーティングをはじめとしたPVD法を用い
て、基板上に高付加価値な皮膜を形成する技術の開発が
盛んに試みられている。そして、イオンプレーティング
で最も応用が進んでいるTiN皮膜は、従来にない優れ
た耐摩耗性や装飾性を有していることから、工具、金
型、眼鏡や時計のフレーム等に多く適用されている。し
かしながら、TiN皮膜は約500℃以上になると酸化
がはじまるため、高温にさらされる機械部品、工具、金
型等への適用は不可能である。そこで改善技術として現
在ではTiNにAlを添加することで、その耐酸化特性
を向上させることが一般的に行われている。しかしなが
ら、この改善技術では耐熱温度はせいぜい800℃まで
が限界であり、それ以上の高温における耐酸化特性の向
上技術は存在しないのが現状である。
題を解決すべく鋭意研究を進めた結果、イオンプレーテ
ィングを用いて基板上に、従来に比して耐高温酸化特性
を飛躍的に向上した複合硬質皮膜を形成させることに成
功し、本願発明をなすに至った。
膜の形成法である。 (1)真空チャンバー内に配置されたAl蒸気とCr蒸
気の発生源から、Al蒸気とCr蒸気を発生させ、同時
に窒素ガスを真空チャンバー内に導入して、前記Alと
Crの混合蒸気と窒素ガスとの反応生成物であるAl−
Cr−N系複合硬質皮膜を基板上に形成させることを特
徴とするイオンプレーティングによる耐高温酸化特性に
優れた複合硬質皮膜の形成法。 (2)真空チャンバー内に配置されたルツボを用いて、
AlとCrを溶融し、AlとCrの混合蒸気を発生さ
せ、同時に窒素ガスを真空チャンバー内に導入して、前
記混合蒸気と窒素ガスとの反応生成物であるAl−Cr
−N系複合硬質皮膜を基板上に形成させることを特徴と
するイオンプレーティングによる耐高温酸化特性に優れ
た複合硬質皮膜の形成法。 (3)真空チャンバー内に配置されたAlとCrのター
ゲットにスパッタリング又はアーク放電を用いてAlと
Crの混合蒸気を発生させ、同時に窒素ガスを真空チャ
ンバー内に導入して、前記混合蒸気と窒素ガスとの反応
生成物であるAl−Cr−N系複合硬質皮膜を基板上に
形成させることを特徴とするイオンプレーティングによ
る耐高温酸化特性に優れた複合硬質皮膜の形成法。 (4)ルツボ内の金属又はターゲットが、Al25〜7
5原子%,Cr75〜25原子%からなるものであるこ
とを特徴とする(2)項又は(3)項に記載のイオンプ
レーティングによる耐高温酸化特性に優れた複合硬質皮
膜の形成法。
金属の蒸発方法には、電子銃による方法、ホローカソー
ドによる方法、スパッタリングによる方法、アーク放電
による方法等が挙げられるが、本発明の実施にはいずれ
の方法も採用可能である。すなわち、何らかの方法で真
空中でAl及びCrを蒸発させ、同時に窒素を導入し、
プラズマを発生させて反応生成物を基板上に成膜形成す
ればよいのである。電子銃による場合、Al,Crの蒸
発源(ルツボ)は、二つ必要であるが、適当な組成比の
AlCr合金あるいはAl粒とCr粒の混合物を用いれ
ば一つで構わない。蒸発源が二つの場合は、それぞれの
電子銃の出力を調節してAl及びCrの各蒸発量を制御
することができる。蒸発源が一つの場合は、目的とする
AlとCrの組成比に適したAlCr合金あるいはAl
粒とCr粒の混合物を用いる。スパッタリング法、アー
ク放電法を採用する場合は、AlとCrの2つのターゲ
ットを用いてもよいし、目的とする皮膜の、Al/Cr
組成比のターゲットなら1つで簡単に成膜が可能であ
る。真空チャンバー内におけるルツボ内の金属又はター
ゲットに、Al25〜75原子%,Cr75〜25原子
%からなるものを使用することは、基板上に非常に優れ
た耐高温酸化特性を有する皮膜を形成可能となるために
好ましい。
来のTi−Al−N系膜では800℃までの使用が限界
であったものが、本発明に係るAl−Cr−N系膜は1
000℃以上での使用も可能なことである。なお、Al
−Cr−N系皮膜中のAl/Cr原子比は、0.1〜
2.0であることが、特に優れた耐高温酸化特性を示す
ため好ましい。
によって説明する。
グ装置を用いて、活性化反応性蒸着法(ARE法)によ
り、Al−Cr−N系皮膜の形成を行った。図中、1は
真空チャンバー、2はルツボ、2aは電子銃、3は基
板、4はプローブ(イオン化促進用補助電極)、5は反
応ガス供給自動調整弁、6はヒータ、7は発光分光装
置、8は質量分析装置、9は電子銃電源、10はプラズ
マ制御装置、11はフイラメント電源、12はフィラメ
ントである。AlCr合金をルツボに入れ、反応ガスと
して窒素を導入し、EBエッミッション電流180m
A、処理圧1.3×10−4Torr,プローブ電圧9
0V,バイアス電圧─50V,フィラメント電流22
A,基板温度350℃で、30分間保持し、活性化反応
性蒸着法(ARE法)にてSKH51基板に成膜した。
その結果、SKH51基板上に、900℃で1時間酸化
雰囲気中でも耐え得るAl−Cr−N複合皮膜が形成さ
れた。実験のためルツボ内の蒸発源として用いた蒸着合
金は、6種のAlCr合金であって、その内のCr含有
率は、5原子%,10原子%,20原子%,25原子
%,50原子%及び75原子%のものであった。その結
果、いずれのCr含有率のものにおいても成膜が可能で
あった。なお、蒸発合金としてAlのみを用いた場合
と、Crのみを用いた場合の成膜も行った。上記実験に
おいて蒸発源のAlとCrの組成比を変化させた場合に
得られた各種皮膜のX線回折パターンの変化を図1に示
す。図中、(a)は蒸発源がAlからなるもの、(b)
はAl75原子%、Cr25原子%からなるもの、
(c)はAl50原子%,Cr50原子%からなるも
の,(d)はAl25原子%,Cr75原子%、からな
るもの、及び(e)はCrからなるものを示す。図1か
ら、いずれの組成についても成膜が可能であるが、
(b)Al75原子%,Cr25原子%を境界として、
結晶構造が変化することが解る。得られた皮膜の耐高温
酸化特性は、6種の皮膜はいずれも900℃の高温下で
酸化されず、特にAl50原子%Cr50原子%の合金
組成の蒸発源を用いて得られた皮膜は1000℃でも酸
化されなかった。以上のことからAl−Cr−N系膜
は、従来のTi−Al−N系膜(耐高温酸化特性800
℃以下)と比較すると、耐高温酸化特性が200℃程度
向上することが明らかとなった。
Cr50原子%合金を用いて作成した皮膜のオージェ分
析による組成分布を示す。その結果から、Al,Cr及
び窒素はかなり歪に分布しているものの、AlとCrの
窒化物を形成していることが解る。得られたAl−Cr
−N系膜の厚さは、表面あらさ計で皮膜の段差を測定し
たところ、約1.2μmであった。表面からスパッタす
ると図2のように約400分で基板の組成である鉄が現
れることにより、スパッタ時間400分は膜厚に換算し
て約1.2μmに相当する。また、得られた皮膜はHv
で約2100(荷重10g)の硬度であって、ほぼTi
Nに近い値であった。この皮膜を1000℃で1時間酸
化雰囲気中で保持後、急冷した後のオージェ分析の結果
を図3に示す。図のようにスパッタ時間約450分が酸
化層を含めた皮膜の厚さとなっている。酸化されている
厚さは、酸素がスパッタ時間約150分で急激に減少す
ることから、皮膜全体の約1/3と考えられるが、窒化
された部分がまだ残っており、酸化が膜内だけで基板ま
でには及んでいないことが解る。
あるスパッタリング法により、Al50原子%Cr50
原子%をターゲットとしてAl−Cr−N系膜の成膜を
試みたところ、ARE法での結果と同様に成膜が可能で
あった。得られた成膜はARE法で作成したものと同様
に1000℃においても、酸化されないことが明らかと
なった。スパッタリング法にて作成した皮膜のオージェ
による組成分布を図4に示す。スパッタリング法で作成
した皮膜のAl,Cr及び窒素は、ARE法で作成した
ものと対比すると均一に分布している。この皮膜を10
00℃で30分間酸化雰囲気中で保持後、急冷した後の
オージェ分析の結果を図5に示す。図5より、酸化は皮
膜のほぼ表面のみで停止しており、ARE法による皮膜
と同様に優れた耐高温酸化特性を有していることが解
る。
る金属部品、金属製品を酸化から保護することが可能と
なり、従来製造が困難で高価なセラミックス製品しか使
用できなかった環境下でもその使用が可能となる。 .従来のイオンプレーティングによる耐高温酸化特性
に優れた複合硬質皮膜では、800℃が使用限界であっ
たところ、1000℃前後にまで向上させることができ
るため、高温にさらされる工業製品の耐久性を飛躍的に
向上させることができ、かつ産業上の適用分野を大幅に
拡張することができる。 .新たな装置を用いなくても従来の装置で、本発明に
係る耐高温酸化複合皮膜が、安価に形成できる。
パターン図。
0原子%合金を用いて作成したAl−Cr−N系耐高温
酸化特性の優れた皮膜のオージェによる組成分布図。
を用いて作成したAl−Cr−N系耐高温酸化特性の優
れた皮膜を1000℃で1時間酸化雰囲気中で保持後、
急冷した皮膜、のオージェ分析による組成分布図。
原子%Cr50原子%をターゲットとして形成されたA
l−Cr−N系皮膜のオージェによる組成分布図。
1000℃で30分間酸化雰囲気中で保持後、急冷した
皮膜、のオージェ分析による組成分布図。
装置の概略構成図。
子銃 3:基板, 4:プローブ(イオン
化促進用補助電極) 5:反応ガス供給自動調整弁, 6:ヒータ 7:発光分光分析装置, 8:質量分析装置 9:電子銃電源, 10:プラズマ制御装置 11:フィラメント電源, 12:フィラメント
Claims (4)
- 【請求項1】真空チャンバー内に配置されたAl蒸気と
Cr蒸気の発生源から、Al蒸気とCr蒸気を発生さ
せ、同時に窒素ガスを真空チャンバー内に導入して、前
記AlとCrの混合蒸気と窒素ガスとの反応生成物であ
るAl−Cr−N系複合硬質皮膜を基板上に形成させる
ことを特徴とするイオンプレーティングによる耐高温酸
化特性に優れた複合硬質皮膜の形成法。 - 【請求項2】真空チャンバー内に配置されたルツボを用
いて、AlとCrを溶融し、AlとCrの混合蒸気を発
生させ、同時に窒素ガスを真空チャンバー内に導入し
て、前記混合蒸気と窒素ガスとの反応生成物であるAl
−Cr−N系複合硬質皮膜を基板上に形成させることを
特徴とするイオンプレーティングによる耐高温酸化特性
に優れた複合硬質皮膜の形成法。 - 【請求項3】真空チャンバー内に配置されたAlとCr
のターゲットにスパッタリング又はアーク放電を用いて
AlとCrの混合蒸気を発生させ、同時に窒素ガスを真
空チャンバー内に導入して、前記混合蒸気と窒素ガスと
の反応生成物であるAl−Cr−N系複合硬質皮膜を基
板上に形成させることを特徴とするイオンプレーティン
グによる耐高温酸化特性に優れた複合硬質皮膜の形成
法。 - 【請求項4】ルツボ内の金属又はターゲットが、Al2
5〜75原子%,Cr75〜25原子%からなるもので
あることを特徴とする請求項2又は3に記載のイオンプ
レーティングによる耐高温酸化特性に優れた複合硬質皮
膜の形成法。
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JP8183858A JP3039381B2 (ja) | 1996-07-12 | 1996-07-12 | 耐高温酸化特性に優れた複合硬質皮膜の形成法 |
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