JPS61177365A - 機械部材および工具を硬物質で被覆する方法ならびにこの方法で製造した機械部材および工具 - Google Patents

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： 本発明に特許請求の範囲第１項の上位概念による方法な
らびにこの方法によって製造した機械部材および工具に
関する。

従来の技術： このような方法およびこれに適する装置は***公開特許
公報第３１０７９１４号および相当する米国特許第４４
２６２６７号に記載される。

機械部材および工具の基体、すなわち被覆すべき基材を
繰返し公知陰極スパッタリング装置を通過させる場合で
も同じ性質の直接上下に重なる多数の層が発生し、その
界面は電子顕微鏡で認められるけれど、全体としては個
々の層から形成されているとしても１つのモノリシック
層系とみなされる。

切削工具、成形工具または摩耗にさらされる機械部材を
表面処理するための硬い耐摩耗層は現在とくにイオンブ
レーティングにより製造される。周知の層はこの場合Ｔ
ｉＡｌ、　ＴｉＣ、ＴｉＣＮ。

ＺｒＡｌ、　ＨｆＡｌ、　ＣｒＡｌ、　ＴａＣ，ＴａＡ
ｌ、　ＷＣ，ＷＮ　オＪ：びＮｂＮからなる。イオンブ
レーティングにはとくに使用する被覆材料源を考慮して
異なる種々の方法が使用される。蒸発ボート、電子ビー
ム蒸発器、中空陰極系、アーク蒸発器および陰極スパッ
タリング系の形の熱的蒸発器による工業的方法が公知で
ある。本発明に陰極スパッタリングによるイオンブレー
ティング法に関する。

たとえばスパイラル穿孔機の寿命を延長する耐摩耗性被
覆は現在２〜５μｍの層厚範囲にある。この場合層構造
の十分な付着強度および密度を達成するため、このよう
な層は３００〜５００℃の温度へ加熱した基材へ被覆さ
れる。この部材を全被覆過程の間たとえば４５０　’Ｃ
の一定温度レベルに保持することが重要である。これは
イオンブレーティングのために重要なイオン照射を均一
に保持しうるように、たとえば基材をつねに被覆ゾーン
のプラズマ内に滞留させることにより達成される。この
前提は現在使用する被覆法の場合も考慮される。

被覆過程の間に基材をイオン照射部から導入することに
よって発生しうる被覆の間の大きい温度・差を許容する
場合、前記硬物質の脆性、硬さおよび残留応力のため、
しばしばマイクロクラックおよび層の表面的剥離の原因
となる不均質な層構造が生ずる。このように被覆した工
具を部材の切削に使用する場合、その際発生する温度変
動負荷により被覆が十分均質でなければその破壊が発生
する。

前記不利な効果はとくに被覆を前記温度範囲より低い温
度で実施する場合に生ずる。装飾的表面層をたとえば黄
銅からなる時計ケースのような熱に弱い部材に製造する
際、被覆を段階的に実施し、またに個々の層からなる層
を形成する場合に低温で使用可能な被覆が可能なことが
明らかになった。このような方法もすでに前記***公開
特許公報第３１０７９１４号に記載される。回転可能の
基材ホルダに固定した基材が繰返し通過する際、基材は
被覆ゾーンから出た後再び冷却されるので、最大温度は
約２００〜２５０℃を超えない。公知法はＴｉＮからな
る金色層を製造する際にもちろん適当であることが実証
された。それにこの層が約１μｍの最大厚さを有するか
らである。しかし実験の結果層厚を工業的使用のために
必要な２〜５μｍ以上の値へ拡大すると、さらに前記問
題が生じ、すなわち層にマイクロクラックが発生するの
で、前記のように表面部分に脱落が起こる。これは機械
的負荷の高い機械部材または工具の場合許容できない。

それに機械的力がただちにマイクロクラックによって損
傷した層組織からきわめて急速にさらに大きい脱落をも
たらすからである。

有効なすなわち工業的に使用可能な硬物質層の使用可能
性は被覆過程の基材温度を１５０〜２００℃の温度に制
限し、それにもかかわらず２μｍ以上の層厚を達成でき
れば、著しく拡大される。このような場合切削および成
形工具に要求されるような工具鋼、激しい摩擦にさらさ
れるたとえば紡織機械の糸ガイドのような機械部材およ
びさらにグラスチック部材も硬物質で被覆しうろことが
望ましい。

発明が解決しようとする問題点： それゆえ本発明の目的は熱に弱い基材に適用することが
でき、それにも拘らず層構造がマイクロクラックおよび
（または）高い残留応力によって損傷されることなく比
較的大、きい層厚の製造にも適する前記概念の方法を得
ることである。

問題点を解決するための手段： この目的は本発明により前記方法において特許請求の範
囲第１項の特徴部に記載の手段によって解決きれる。

作用： 硬物質からなる個々の層の前記金属中間層による本発明
による分離によって、比較的低い基材温度たとえば２０
０℃より低い温度で、約２μｍを超える大きい層厚でも
脱落傾向のない碩い層を製造することができる。電子顕
微鏡試験によりこの場合マイクロクラックのないことが
明らかになった。さもなければ層厚増大とともに上昇す
る内部応力は金属中間層の高い靭性によって吸収される
ものと推定される。

″金属中間層″の概念にはこの金属と被覆装置内雰囲気
との少量の反応生成物も含まれる。

金属中間層はほぼ金属の性質すなわち靭性および接する
硬物質に対し還元作用を有すれば十分である。理想的に
はもちろん純粋の金属中間層を得ることである。

中間層の金属を選択する場合、それぞれ隣接する材料（
界面）に対し十分な付着強度を有することが重要である
。さらに中間層の材料は前記のように隣接材料に対し還
元作用を有することが望ましい。この効果を説明するた
め、基材が個々の層を製造する際必然的に比較的高温で
被覆ゾーンから導出され、それにも拘らず少なくとも一
部励起または活性化されたガス分子からなる雰囲気中に
存在することが指摘される。

被覆装置内のいわゆる残留ガス雰囲気は通常きわめて反
応性の高い酸素の痕跡を含むので、個々の層上に非常に
薄い酸化物層が形成され、それによって層の均質性も積
層の内部付着も損われる。この効果はすべての場合に中
間層の金属の還元作用によって完全でないにしてもほぼ
補償される。

最後に金属中間層は高い熱伝導度を有するのが望ましい
。しばしば切削工具の場合に発生するような高いとくに
局部的温度変動負荷の際、硬物質層自体の中にもちろん
熱応力の原因となる熱の滞留が発生する。金属中間層の
適当な熱伝導によって温度差したがって熱応力をほぼ完
全に解消することができる。

特許請求の範囲第１項の特徴部に中間層のために挙げた
金属は完全にこの目的を解決することが明らかになった
。それゆえこの金属からなる層と硬物質を形成する同じ
金属の反応生成物からなる層が交互に配置される。この
場合スパッタリングの目的でスパッタリング陰極に固定
するためのターゲツト板の形で存在する同じ金属を時間
的に順次かつ交互に反応性および非反応性雰囲気中でス
ノぐツタリングすることができる。それによって方法に
非常に簡単に実施される。しかしさらに中間層の金属と
してアルミニウム、ニッケルおよび鉄すなわち硬物質層
自体の形成のためには使用しない金属を使用することも
できる。

この場合基材へ適当に高い負のバイアス電圧を印加する
陰極スパッタリングすなわちイオンブレーティングによ
って金属中間層を設けることにとくに重要である。負の
バイアス電圧の上昇とともに析出する層材料の密度がほ
ぼ理論的に最大可能の密度まで増大することは第３図に
よっても明らかである。このような手段によって同時に
金属中間層の強度が著しく上昇するので、全積層の強度
が同様上昇する。

この場合中間層の金属が硬物質の融点に比してとくに低
い融点を有すればとくに有利である。

すなわち硬物質自体と同様比較的高い融点を有する金属
からなるち密な層は陰極スパッタリング過程の間開時に
イオン照射が行われる場合のみ発生することが明らかに
なった。中間層が比較的融点の低い金属からなる場合、
ス・ξツタリング過程は著しく低いイオン照射割合すな
わち低い負の基材バイアス電圧で実施することができる
。これは基材加熱が（負の）バイアス電圧の高さしたが
ってイオン照射にほぼ比例するので、生ずる基材温度も
低下しうる利点となる。

本発明による積層も基材と著しく付着力の強い結合を有
することはもちろん必要である。硬物質層の金属成分は
多くの基材材質とくに金属に対し本来良好な付着促進剤
なので、本発明による被覆は基材表面にまず硬物質材料
の金属成分からなる純金属層を非反応性雰囲気中で設け
、次にこの層をそれぞれの反応ガスを徐々に供給するこ
とによって連続的移行をもって本来の硬物質層に変える
ように実施される。

反応ガスとしてはチツ化物形成のためにはチッ素自体、
炭化物形成には揮発性の飽和または不飽和炭化水素たと
えばアセチレンが挙げられる。いわゆる力／Ｉ／キニト
リド製造のためにはチッ素および炭素化合物の混合物も
使用される。

ス・ξツタリング雰囲気の主要部はこの場合もちろん不
活性ガスとくにアルゴンである。しかしこのようなスパ
ッタリング雰囲気の組成は技術水準なので、ここではこ
れ以上詳細には立入らない。

本発明による積層を製造する場合３つの基本的方法が可
能である。この場合被覆過程が基材の両面で同時に行わ
れ、それゆえ***公開特許公報第３１０７９１４号に記
載のようにスパッタリング陰極を組の配置で使用するこ
とが前提となる： １．１組のみの陰極を使用する場合、金属層および硬物
質層にガス供給の周期的中断によって製造することがで
きる。被覆装置のためいずれにせよ必要な真空ポンプの
吸引能力はその際一般にスパッタリング雰囲気から十分
迅速に反応性ガス分を分離するために十分である。

２．２組の陰極を使用する場合、これに同じターゲット
材料を備え、１組の陰極を反応ガス雰囲気で作業し、そ
れぞれもう１つの組の陰極を非反応性雰囲気で作業する
ことができる。

３．２組の陰極を使用する場合、これらの組を異なる材
料で形成し、１組の陰極を反応性雰囲気中で、他の組の
陰極を非反応性雰囲気中で作業することができる。

２組の陰極を空間的に互いに前後に接続する場合、再び
基材運動の２つの基本的可能性がある二基材を陰極の組
の間で往復運動させることができる。さらに２組の陰極
を配置する場合基材ホルダの可軌道の途中で基材を同じ
回転方向で順次に、かつ任意の頻度で２組の陰極を通過
させることができる。最後に記載した方法は実施例によ
り後にさらに詳述する。

金属中間層にたとえば Ｔｉ／／Ｖ；　Ｎｉ／Ｃｒ／Ｆｅ；　Ｃｒ／＃；　Ｔａ
／Ａｌのような合金の層でもよい。

有利な層配置は ＴｉＮ　−Ａｌ　−ＴｉＮ　−Ａｌ−・・・・・・・・
ＣｒＮ　−Ｃｒ　−ＣｒＮ　−Ｃｒ　−−−−・−・・
−ＴａＮ　−Ｔ　ｉ／Ａｌ　−ＴａＮ　−Ｔ　ｉ／Ａｌ
ｌ　−−・・−・−・・・−である。

互いに規則的に繰返す層の数にこの場合上限がない。実
際には前記組成の２〜１００の硬物質層が考えられ、こ
れが前記金属および（またに）合金からなる１〜９９の
金属層によって分離される。しかし１５〜４０の硬物質
層および１４〜３９の金属層からなる積層が有利なこと
が明らかになった。

この場合側々の硬物質層の厚ざは５０〜１０ＱＱｎｍ１
個々の金属層の厚さは５〜１１００ｎに選択される。

金属層の厚さを硬物質層の厚さより小さくするのがとく
に有利である。個々の硬物質層の層厚と個々の金属層の
層厚の比ＵＩＯ：１〜１０：５がとくに適当である。１
ｏ：２０層厚比に非常によく再現しうる比でめった。

特許請求の範囲第６項の上位概念による工具または機械
部材はその特徴部に記載の特徴によって得られる。

実施例。

第２図はたとえばＨ５Ｓ品質の工具鋼からなる基材１を
示す。この基材に直接硬物質力・らなる個々の層２を西
独公開特許公報第３１０７９１４号に記載の方法により
順次被覆する。工具（穿孔機）に必要な大きさの層厚（
２〜５μｍ）によって積層内部にマイクロクラック３お
よびそれによって著しく容易に発生する局部的脱落Φが
生じた。

第１図に同じ工具鋼からなる基材５を示し、この基材に
交互の順序で金属中間層（アルミニウムの）６および硬
物質層（ＣｒＮまた［ＴｉＮの）７が配置される。最下
の金属中間層６ａは同時に付着改善層として役立つ。第
１図により製造した層はたとえば全体で６０の層すなわ
ち３０の硬物質層７，２９の金属中間層６および１つの
付着改善層６ａからなった。

第３図には横軸に基材バイアス電圧Ｕｓｕｂをゼルトで
、縦軸に密度ρを７／ｃｔＪで層厚６μｍの金属タンタ
ルに対して示す。基材温度はすべての測定で一定に保持
した。析出した材料の密度は正の基材バイアス電圧２０
ｏ■から出発して負の基材バイアス電圧−５００ｖまで
２０９６近く上昇し、これは材料の引張りまたばシャ強
度に関しきわめて重要な意義を有する（参照文献：マト
ツクスＤ、Ｍ−；コミニアークＤ、」、によるジャーナ
ルノζキュームサイエンスアンドテクノロジー第９巻第
１号１９７２年５２８ページＭａｔｔｏｘ、　Ｄ、Ｍ　
；　Ｋｏｍｉｎ　ｉａｋ、　Ｄ、　Ｊ、　”　Ｓｔ　ｒ
ｕｃｔｕｒｅＭｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｉｏｎ
　Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ　ｄｕｒ−ｉｎｇ　Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ　”　Ｊ、　Ｖａｃ、　Ｓｃｉ、　＆　Ｔ
ｅｃｈｎ、。

Ｖｏｌ、９、Ｎｏ、　１．１９７２．　Ｐ５２８参照）
。

第４図には前部にドア１１を有するほぼ回転対称の反応
室１０の水平断面が示される。反応室内には基材ホルダ
１２がその垂直軸を中心に回転可能に支持され、このホ
ルダはこの例では中空円筒形の回転ケージとして形成さ
れる。基材ホルダ１２はここには図示されていない容量
を介して同様図示されていない電圧源と接続される。基
材ホルダ１２の回転軌道の両側にほぼ鏡像対称配置でそ
れぞれ１組の２重陰極１３／１４また［　１５／１６が
配置される。それぞれのマグネトロン陰極は常用法で形
成される。非磁性材料からなる冷却水が貫流する中空体
内に同心配置の永久磁石Ｓ　Ｎ／Ｎ　Ｓが収容され、こ
の永久磁石は図示のように互いに反対の極位置を有する
。この永久磁石の背面はヨーク板によって互いに結合さ
れる。中空体の端壁に硬物質層の成分またに金属層を形
成する金属からなる板状ターゲットが固定される。この
ターゲットの前面および基材ホルダ１２は互いにほぼ平
行に整列する。図示のマグネトロン陰極は最長軸が図面
に対し垂直に走る長い陰極である。

マグネトロン陰極１３〜１６の近くにガス人口１７また
は１８が設けられ、ここから希ガスおよび（または）反
応ガスが本来の反応ゾーンへ導入される。プラズマの拡
がり（第４図の上部に点々で示される。）は付加的にス
クリン１９に本って制限されるけれど、このスクリンは
図面に３つだけ示す基材２０通過のための十分な隙間を
残す。

回転可能の基材ホルダ１２の円周の一部ニサらに２つの
エツチングスクリン２２およヒ２３の間へ旋回して入り
うる前ス・ξツタリングに役立つスクリン２１が固定さ
れる。２重陰極配置に関連する回転可能の基材ホルダの
他の詳細は***公開特許公報第３１０７９１４号に記載
される。しかしそこに示される装置はもっばら陰極スパ
ッタリング過程に使用される。

第４図の装置は内側マグネトロン陰極１４および１５を
除去し、基材ホルダを被覆の間回転する被覆すべきドラ
ム状の基材（複写機のドラムおよびマトリックス）で置
替えることによって改善することができる。

第４図はパッチ的に作業する陰極スパッタリング装置（
反応室はチャージのため通気しなければならない。）を
示すけれど、第５図はほぼ連続的に作業しうる長い反応
室３０を示す。この反応室の両端の前方またに後方に真
空ゲート３１および３２が配置され、このゲートはゲー
ト弁３３または３４によって反応室と分離され、またに
分離可能である。反応室３０は両側にドア３５および３
６を備え、このドアに互いに組をなす陰極３７／３８．
３９／４０．４１／４２および４３／４４が挿入される
。この各組の陰極に再び第４図のようなガス人口１７ま
たはスクリン１９が配置される。すべての組の陰極の対
称面Ｅ−Ｅ内をフレーム構造として形成した基材ホルダ
４５が動く。このフレームの主平面は図面と垂直である
。このフレームの個々の段へ多数の基材４６が挿入され
、そのうち３．つだけが図示される。

陰極の組に異なるターゲット（太い黒線）を備え、かつ
（またに）それぞれの組の陰極を不活性ガス（アルゴン
）および反応ガスにエリ種々に負荷し、かつ基材ホルダ
の２つの矢印の方向の振動往復運動と関連した陰極の組
の間の個々の反応室のスクリン１９による分割によって
、前記積層を交互に形成することができる。

第４および５図による装置の作業パラメータはマグネト
ロン陰極または組の陰極のための電流供給系を含んで技
術水準なので、これに関する詳細に不用である。

例１： 第４図の装置で陰極の組１３／１４Ｕチタンのターゲッ
ト（太い黒線）を備え、半径方向に相対する陰極の組１
５／１６はアルミニウムのターゲットを備える。基材ホ
ルダ１２へ挿入する基材としては２００℃より低温で焼
戻した鋼ＣＫ１５からなる糸ガイドを使用した。

公知の洗浄過程の後マグネトロン陰極１３および１４の
間にガス人口１７からアルゴンおよびチッ素の混合物を
供給し、マグネトロン陰極１５および１６の間にガス人
口１８から純アルゴンを供給した。それぞれの組の陰極
の内側にグロー放電が発生した後、基材ホルダ１２ＩＩ
′ｉ全部で約３０回転した。基材ホルダ１２の適当な回
転数と関連してターゲット表面の特定のスパッタリング
速度を調節することにより、基材は陰極の組の内部で形
成されるＴｉＮ層の層厚が５０ｎｍ、形成されるＡ１層
の層厚がｌｏｎｍになるような滞留時間を達成した。全
部で３０のＴｉＮ層および３０のＡ１層が発生し、　Ａ
１層のうちの２９は中間層として機能し、最下層は基材
に対する付着改善層となった。３６０Ｑ、ｎｍの全層厚
にも拘らず、糸ガイドは普通の作業条件で最大負荷部に
脱落を認めることなく優れた寿命を示した。

例２： 第５図の装置で陰極の組３７／３８はＴｉＡ／合金のタ
ーゲットを備え、残りの組の陰極３９／４０．４１／４
２および＋３／４４はタンタルのターゲットを備えた。

前述の方法でＴｉ／／ｖターゲットを有する陰極の組に
不活性スパッタリングガス（アルゴン）を供給し、タン
クルターゲットにはチッ素およびアルゴンからなる反応
性混合物を供給した。すべての組の陰極のスパッタリン
グ能力がほぼ等しい場合、３：１の比で異なる表面積の
ためＴａＮ層とＴｉ／Ａ１層の相当する層厚分布が得ら
れた。交互の積層に基材ホルダ４５の振動往復運動によ
って得られた。

この場合も基材として使用した成形ラムは負荷の高い端
縁範囲の脱落を認めることなく満足な長時間安定性を示
した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による積層系の基材表面に垂直の断面図
、第２図は公知層系の基材表面に垂直の断面図、第３図
は陰極ス・ξツタリング（イオンブレーティング）の際
の基材の負のバイアス電圧Ｕｓｕｂと金属層の密度ρの
関係を示す図。 第４図は回転する基材ホルダを有する被覆装置の水平断
面図、第５図は振動運動する基材ホルダを有する被覆装
置の水平断面図である。 １・・・基材、２・・・硬物質層、３・・・マイクロク
ラック、Φ・・・脱落部、５・・・基材、６・・・金属
中間層。 ７・・・硬物質層、１０・・・反応室、１２・・・基材
ホルダ、１３，１４，１５．１６・・・陰極、１７．１
８・・・ガス入口、２０・・・基材、３ｏ・・・反応室
、３７〜４４亀 ・蔦 ・あ 菊 縞 ＋５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、チッ素または炭素含有雰囲中のスパッタリング条件
   下にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｔａ、ＷおよびＮｂの群
   からの少なくとも１つの金属の反応陰極スパッタリング
   によってその金属のチッ素または炭素化合物からなる硬
   物質で機械部材および工具を被覆する方法において、そ
   れぞれ全層厚の一部のみを占めるＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ
   ＣＮ；ＺｒＮ；ＨｆＮ；ＣｒＮ、Ｃｒ＿２Ｃ＿３；Ｔａ
   Ｃ、ＴａＮ；ＷＮ、ＷＣ；ＮｂＮの群からの硬物質の個
   々の層の間にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ
   、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅの群からの少なくとも１つの金属か
   らなる金属中間層をほぼ非反応性条件下に陰極スパッタ
   リングによって設けることを特徴とする機械部材および
   工具を硬物質で被覆する方法。 ２、２〜１００の硬物質層および１〜９９の金属層を交
   互に形成する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、個々の硬物質層の厚さを５０〜１０００ｎｍに選択
   する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４、個々の金属層の厚さを５〜１００ｎｍに選択する特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ５、個々の硬物質層の層厚と個々の金属層の層厚の比を
   １０：１〜１０：５に選択する特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ６、基体ならびにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗお
   よびＮｂの群からの金属のチッ素または炭素化合物の硬
   物質からなる被覆を有する機械部材および工具において
   、それぞれ全層厚の一部のみを占めるＴｉＮ、ＴｉＣ、
   ＴｉＣＮ；ＺｒＮ；ＨｆＮ；ＣｒＮ、Ｃｒ＿２Ｃ＿３；
   ＴａＣ、ＴａＮ；ＷＮ、ＷＣ；ＮｂＮの群からの硬物質
   からなる個々の層の間にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｔａ
   、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅの群からの金属中間層が
   配置されていることを特徴とする機械部材および工具。