(57)【要約】【課題】基体表面にプラズマ密度の異なる少なくとも２種以上の物理蒸着源を併用することより、硬質皮膜の耐酸化性及び耐摩耗性を向上させることである。【解決手段】基体表面にプラズマ密度の異なる少なくとも２種以上の物理蒸着源を併用することよって被覆した硬質皮膜の製造方法において、該硬質皮膜を電子顕微鏡により観察した際に、複数の層が存在し、第１の層は、該プラズマ密度の高い蒸発源により形成され、且つ、連続的に結晶成長し、第２の層は、該プラズマ密度の低い蒸発源により形成され、更に、第１の層と第２の層とは、界面を形成することなく成膜されていることを特徴とする硬質皮膜の製造方法である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体表面にプラズマ密度の異なる少なくとも２種以上の物理蒸着源を併用することよって被覆した硬質皮膜の製造方法において、該硬質皮膜を電子顕微鏡により観察した際に、複数の層が存在し、第１の層は、該プラズマ密度の高い蒸発源により形成され、且つ、連続的に結晶成長し、第２の層は、該プラズマ密度の低い蒸発源により形成され、更に、第１の層と第２の層とは、界面を形成することなく成膜されていることを特徴とする硬質皮膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の硬質皮膜の製造方法において、該プラズマ密度の高い蒸発源はアーク放電を利用したイオンプレーティング方式であることを特徴とする硬質皮膜の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の硬質皮膜の製造方法において、該プラズマ密度の低い蒸発源はマグネトロンスパッタリングであることを特徴とする硬質皮膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、切削加工時の接触により発生する摩耗による耐摩耗性や、耐欠損性向上を要求される硬質皮膜の被覆方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属加工の高能率化を目的とした切削速度の高速化並びに切削条件における１刃当たりの送り量が０．３ｍｍを越えるような高送り切削加工に対し、従来の硬質皮膜被覆工具では、密着性、硬質皮膜の機械的特性である耐酸化性、耐摩耗性に満足のいく性能が得られていない。この様な背景から、硬質皮膜の耐酸化性、耐摩耗性をより向上させる事を目的とした技術の開示が行われている。特許文献１、２には硬質皮膜に濃度分布を形成させる技術や、連続的に組成の変化する組成変化の繰り返し層を持った膜を形成することによって、耐摩耗性を向上させる技術が開示されている。しかし、何れも物理蒸着法におけるアーク放電型イオンプレーティング方式のみを利用した試みである。特許文献３はアーク放電を利用したイオンプレーティング方式とマグネトロンスパッタリングとを併用させる方式が開示されている。しかしこれは熱フィラメントを真空装置内に設置させたエレクトロンビーム方式とマグネトロンスパッタリング方式の併用方法である。エレクトロンビーム方式で被覆される皮膜は、密着性がアーク放電式イオンプレーティング方式に遠く及ばない。これは、マグネトロンスパッタリング方式同様、発生するプラズマ密度が低いためである。従って、硬質皮膜の硬度と、皮膜強度、靭性の改善は十分に満足のいくものではない。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２５８０７号公報
【特許文献２】特許第３４６０２８８号公報
【特許文献３】特開昭６４−８３６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明の目的は、基体表面にプラズマ密度の異なる少なくとも２種以上の物理蒸着源を併用することより、硬質皮膜の耐酸化性及び耐摩耗性を向上させることである。基体と皮膜、皮膜層間の界面における高密着性を維持し、硬質皮膜の靭性である衝撃特性を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、基体表面にプラズマ密度の異なる少なくとも２種以上の物理蒸着源を併用することよって被覆した硬質皮膜の製造方法において、該硬質皮膜を電子顕微鏡により観察した際に、複数の層が存在し、第１の層は、該プラズマ密度の高い蒸発源により形成され、且つ、連続的に結晶成長し、第２の層は、該プラズマ密度の低い蒸発源により形成され、更に、第１の層と第２の層とは、界面を形成することなく成膜されていることを特徴とする硬質皮膜の製造方法である。本願発明の構成を採用することによって、高いプラズマ密度を有する蒸発源により形成される皮膜は、高残留応力であるために高硬度を有する硬質皮膜が得られ、高電流放電により発生する高密度プラズマを形成するため、融点の異なる複雑な組成系の硬質皮膜を均一に被覆することが可能である。しかし、皮膜の靭性、耐衝撃特性に劣る傾向を示す。低いプラズマ密度を有する蒸発源により形成される皮膜は、プラズマ内でイオン化した金属やガスイオンが基体へ入射する際のエネルギーが低く、残留応力が小さく低硬度層となるが、高靭性を有し、密着性も低い傾向にある。そこで、本願発明を適用することにより、お互いの長所を共有し、短所を相殺することによって、機械的特性の優れた硬質皮膜を得ることが可能となる。
【０００６】
本願発明の形態を、図１に示す被覆装置を用いて説明する。本願発明は、高いプラズマ密度を有する蒸発源と、相対的に低いプラズマ密度を有する蒸発源とが同時に稼動し、そのプラズマの中を基体が両蒸発源に対して相対的に移動しながら皮膜を形成させることによって、密度の異なるプラズマから被覆される硬質皮膜は、界面を形成することなく連続的に結晶を成長させた多層構造を有することである。被覆時のより好ましい形態は、例えば高いプラズマ密度を有する蒸発源として、アーク放電式イオンプレーティング方式の蒸発源６を採用し、相対的に低いプラズマ密度を有する蒸発源としてマグネトロンスパッタリング方式の蒸発源８を採用することができる。両者を同じ真空容器内に備えた成膜装置５を用いて、プラズマ密度の異なる状態から皮膜が被覆されることで、硬質皮膜は高いプラズマ密度を有する蒸発源により形成される高硬度層と、相対的に低いプラズマ密度を有する蒸発源により形成される低硬度層とからなり、高硬度層と低硬度層とが連続的に結晶成長した多層構造を有する硬質皮膜を得ることができる。
アーク放電式イオンプレーティング方式を採用する理由は、高残留応力高硬度を有する硬質皮膜が得られ、高電流放電により発生する高密度プラズマを形成するため、融点の異なる複雑な組成系の硬質皮膜を均一に被覆することができるからである。
マグネトロンスパッタリング方式を採用する理由は、アークイオンプレーティング方式ではプラズマ発生が困難であった高融点材料や高潤滑材料を、皮膜内に添加することが可能となるからである。更に、皮膜は結晶組織が分断することなく、連続的に結晶が成長することが可能となる。その結果、異種の材料どうしを積層させたときのような明確な層状界面を持つことがなく、耐剥離性、耐破壊性などの機械的強度が著しく向上する。これにより、高硬度層と低硬度層とが連続的に結晶成長した多層構造を有する硬質皮膜となり、靭性を著しく向上させることが可能とり、硬質皮膜の耐衝撃特性が向上する。
両者を同時に使用することで、連続的に結晶成長させ、且つ、使用目的に応じて適用する硬質皮膜組成を自在に変化させることが可能となり、著しく強靭な硬質皮膜を得ることができる。被覆開始時点の初期層は密着性確保の観点から高いプラズマ密度を有する蒸発源による被覆方式を適用することが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明の硬質皮膜は、高硬度皮膜と高潤滑皮膜等の組み合わせや、皮膜と基体とが強固な密着性をもち、切削性能、特に耐衝撃性をを著しく向上させることができ、乾式高能率切削加工をはじめ、金型加工時の強断続切削環境下においても安定性と、長い工具寿命が得られ、切削加工における生産性の向上に極めて有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
２種以上のプラズマ密度の異なる成膜方式を同時に使用すると、それぞれの放電により発生したプラズマから価数の異なるイオンが同時に基体表面に到達する。第１の層は、アーク放電式イオンプレーティング方式の蒸発源近傍で、硬質結晶が主体に層をなし、第２の層は、マグネトロンスパッタリング方式の蒸発源近傍で、軟質結晶が主体の層をなして多層構造を有する。第１の層と第２の層とが混在して基体表面で層として堆積する。その際に、第２の層が第１の層の結晶間に存在すると、いわばクッション効果を示し、その結果、皮膜全体として靭性に富むようになる。被覆部材の耐衝撃特性が向上する。
【０００９】
本願発明で用いるターゲット材は、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｓから選ばれる金属成分からなることによって、硬質皮膜の高硬度化、耐熱性を向上させることに効果的である。また、皮膜の非金属成分はＣ、Ｎ、Ｏから選ばれることが好ましい。本願発明の多層構造では、膜厚に沿って含有される元素量が原子％で変化していることが好ましい。これは、真空装置に２種以上の蒸発源を設置し、その蒸発源には同一組成の金属蒸発源を取り付けた場合に、高密度プラズマでの被覆が優先される領域と低密度プラズマ領域での被覆が優先される領域で組成を意図的に変化させるためである。
【００１０】
本願発明の硬質皮膜は被覆後に該硬質皮膜表面の凸部を機械的処理により、平滑化することにより、硬質皮膜の摩擦特性が安定し好ましい。例えば切削工具を被覆基体として本願発明の硬質皮膜を用いた場合、切削寿命のばらつきを低減することができ、好ましい切削工具を得ることができる。本願発明は、炭化タングステン基超硬合金基体、高速度合金鋼基体又はサーメット基体の表面に被覆して用いる耐摩耗性、密着性及び耐高温酸化特性に優れた硬質皮膜に関し、特に切削工具、金型、軸受け、ダイス、ロール、ピストンリング、摺動部材等、高硬度が要求される耐摩耗部材や内燃機関部品等の耐熱部材の表面に被覆するのが好ましい。
【００１１】
本願発明の被覆方法であるアークイオンプレーティング法とマグネトロンスパッタリング法とを同時に使用して、プラズマを形成させる場合には、反応ガス圧力Ｐ１が、０．５Ｐａ≦Ｐ１≦１０Ｐａの範囲に設定すると良い。この条件で被覆することによって、高硬度かつ高靭性を有する硬質皮膜が得られるからである。Ｐ１が０．５Ｐａ未満での適用は、アークイオンプレーティング法における放電が困難となる。また、基本的にアークイオンプレーティング法では、発生するマクロパーティクルを抑制させるためにターゲット周辺に磁場を作用させることが好ましいが、それでも低圧環境下においてはマクロパーティクルが多数発生し、皮膜品質において硬質皮膜内部の欠陥が多くなり好ましくない。また、本願発明の被覆方法は、１０Ｐａを越えて大きくなることも好ましくない。反応ガス圧力が１０Ｐａを越えるとマグネトロンスパッタリング法における放電が困難となり、均一なプラズマを発生させることが難しい。その結果、硬質皮膜の靭性を向上させた硬質皮膜被覆部材を得ることが困難となる。従って適用可能な反応圧力の設定範囲を０．５Ｐａ≦Ｐ１≦１０Ｐａに規定した。本願発明を以下の実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１２】
（実施例１）
図１に示す小型真空装置内にアーク放電型イオンプレーティング方式を行う蒸発源と、マグネトロンスパッタリング方式を行う蒸発源とを併設した装置を用いて被覆を行った。基体は超硬合金製インサートを用いた。反応ガスはＮ２ガス、ＣＨ４ガス、Ａｒ／Ｏ２混合ガスから目的の皮膜が得られるものを選択した。両成膜法が真空装置内で同時にプラズマを発生させることが可能な反応圧力を選定した。基体温度は４００度、バイアス電圧は−４０Ｖから−１５０Ｖの範囲の電圧を印加した。蒸発源は各種合金製ターゲットが選択可能であるが、実施例１ではＴｉＡｌ合金を用いた。
アークイオンプレーティング法で得られる（ＴｉＡｌ）Ｎ膜の高硬度性、高密着性と、マグネトロンスパッタリング法で得られる（ＴｉＡｌ）Ｎ膜の高靭性特性に着目し検討を行った。つまり、同一被覆処理装置内で、アークイオンプレーティング法の蒸着源にＴｉＡｌターゲットを設置し、またマグネトロンスパッタリング法の蒸着源にもＴｉＡｌターゲットを設置し、両成膜法で同時にプラズマを形成させた。
本発明例１は、硬度はアークイオンプレーティング法のみで成膜された硬質皮膜と同レベルの高硬度を示し、高い靭性が得られた。本発明例１の硬質皮膜の積層状態を観察すると、図２に示す様な多層構造を有するものであり、この多層構造は図３に示す様に結晶が分断されることなく連続的に結晶が成長していることが確認された。この様に、クッション効果をもたらす硬質皮膜が連続した結晶として成長することで、靭性を高めることが可能となるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、硬質皮膜被覆装置の概略図を示す。
【図２】図２は、本発明の硬質皮膜断面組織を示す。
【図３】図３は、図３の拡大を示す。
【符号の説明】
【００１４】
１：アーク放電式イオンプレーティング方式が主体の層
２：マグネトロンスパッタリング方式が主体の層
３：アーク放電式イオンプレーティング方式が主体の層の拡大部分
４：マグネトロンスパッタリング方式が主体の層の拡大部分
５：真空装置
６：アークイオンプレーティング蒸発源
７：基体保持治具
８：マグネトロンスパッタ蒸発源
９：回転方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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