(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク放電によって陰極を溶解させ陰極物質を蒸発させるアーク放電式蒸発源およびスパッタリングによって陰極物質を放出させるスパッタリング用電極を同一容器内に備え、物理蒸着法により容器内の被覆基体に皮膜を形成する皮膜形成装置であって、前記アーク放電式蒸発源を使用する際は、前記スパッタリング用電極の陰極部前面が遮へいされる機構を有し、前記スパッタリング用電極を使用する際は、前記アーク放電式蒸発源の陰極部前面が遮へいされる機構を有し、さらに前記被覆基体にバイアス電圧を印加するバイアス電源を備え、アーク放電式イオンプレーティング法と、スパッタリング法が、連続して繰返し行えることを特徴とする皮膜形成装置。
【請求項２】
スパッタリング用電極が、非平衡な磁場の分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタリング用電極であることを特徴とする請求項１に記載の皮膜形成装置。
【請求項３】
被覆基体には、少なくとも負のパルスバイアス電圧を印加するパルスバイアス電源を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の皮膜形成装置。
【請求項４】
アーク放電式イオンプレーティング法による皮膜と、スパッタリング法による皮膜が、繰返し多層に被覆された冷間ならびに温熱間加工用金型の製造に使用されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の皮膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク放電式蒸発源およびスパッタリング用電極を用いて、被覆基体の表面に皮膜を形成する皮膜形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、切削工具、金型、摺動部材等への保護皮膜の形成には、アーク放電式イオンプレーティング装置、スパッタリング装置が広く用いられている。
【０００３】
アーク放電式イオンプレーティング装置は、アーク放電によって皮膜の金属源である陰極を溶解、蒸発させ、これによって生成したプラズマ中の正イオンを、負のバイアス電圧を印加した被覆基体に引き込み、被覆基体の表面に皮膜を形成する装置である。上記アーク放電式イオンプレーティング装置によって形成される皮膜は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮといった硬質皮膜が主体であるが、密度および密着性に優れているため、皮膜の密着性、耐酸化性、耐摩耗性が高い次元で要求される切削工具への適用が中心である。
【０００４】
一方、スパッタリング装置によって形成される皮膜は、密度および密着性はアーク放電式イオンプレーティングに及ばないものの、皮膜表面の平滑性が優れるため、被覆面に平滑性が要求される用途に適用されている。また、アーク放電式イオンプレーティング装置では、固体潤滑材料として知られているＭｏＳ２、ＦｅＳを代表とする硫化物系皮膜の形成が不可能であるため、上記硫化物系皮膜の形成には、スパッタリング装置が使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、加工効率の向上、被加工製品の高精度化、ニアネットシェイプ化、潤滑剤の低減もしくは無潤滑加工といった背景から、切削工具、金型等の使用環境はますます過酷化しつつあるため、耐摩耗性ならびに耐焼付き性の両特性を兼備させることが必要となってきた。
【０００６】
そこで発明者は、切削工具、金型等における耐摩耗性、耐焼付き性に及ぼす皮膜の層構造の影響について検討を行った結果、アーク放電式イオンプレーティング装置にて、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ等の硬質皮膜を形成し、その上にマグネトロンスパッタリング装置にて、固体潤滑材としてしられるＭｏＳ２を代表とする硫化物系皮膜を形成することで、上記要求を満足できるという結論に達した。そこで３０×３０×５ｍｍに切出したＪＩＳ  ＳＫＨ５１（硬さ６２ＨＲＣ）を被覆基体に用い、アーク放電式イオンプレーティング専用装置により、基体温度５００℃にてＣｒＮを４μｍ被覆後、Ｎ２雰囲気中の同減圧容器内で被覆基体温度２００℃まで冷却した後、一旦大気中に持ち出し、別に用意したマグネトロンスパッタリング専用装置にて、ＭｏＳ２を２μｍ被覆した。その後、３０×３０ｍｍの被覆面にて、ＨＲＣスケールによる厚痕試験を行い、皮膜の密着性を評価した。その結果、最表層に被覆したＭｏＳ２皮膜とＣｒＮの界面から剥離が生じ、ＭｏＳ２皮膜の密着性が十分でないことが認められた。
【０００７】
そこで原因を調査した結果、アーク放電式イオンプレーティング装置にて被覆したＣｒＮ皮膜の最表面部に極微量の酸化が認められ、これによって、その上部に被覆したＭｏＳ２皮膜の密着性が低下し、剥離が発生していることを確認した。
【０００８】
上記ＣｒＮ皮膜の最表面における酸化は、アーク放電式イオンプレーティング装置による皮膜形成後、同装置内Ｎ２雰囲気中にて冷却を行った際、チャンバーの壁に吸着した微量の酸素による酸化と、その後、大気中に持ち出した際の酸化によるものと推測された。
【０００９】
上記不具合を解消するためには、アーク放電式イオンプレーティングによって形成した後、高真空で冷却を行うことと、大気中に持ち出す温度を、皮膜表面に極微量な酸化が発生しない１００℃以下の温度に管理するといった両対策を行うことが有効と考えられる。しかしながら、高真空下で冷却を行うことは、冷却時間の増大につながり、かつその状態で被覆材温度１００℃以下にまで冷却することは、更に冷却時間が必要となるため、実用性、生産性に乏しい作業となる。
【００１０】
本発明は、上記のような問題を解消することを目的とし、アーク放電式イオンプレーティング法による皮膜の形成と、スパッタリング法による皮膜の形成が、それぞれ高い密着性を有す状態で、連続して繰返し行えることが可能である皮膜形成装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決できた本発明に係る皮膜形成装置は、アーク放電によって陰極を溶解させ陰極物質を蒸発させるアーク放電式蒸発源およびスパッタリングによって陰極物質を放出させるスパッタリング用電極を同一容器内に備え、物理蒸着法により容器内の被覆基体に皮膜を形成する皮膜形成装置であって、前記アーク放電式蒸発源を使用する際は、前記スパッタリング用電極の陰極部前面が遮へいされる機構を有し、前記スパッタリング用電極を使用する際は、前記アーク放電式蒸発源の陰極部前面が遮へいされる機構を有し、さらに前記被覆基体にバイアス電圧を印加するバイアス電源を備え、アーク放電式イオンプレーティング法と、スパッタリング法が、連続して繰返し行えることを特徴とする皮膜形成装置である。
【００１２】
また、前記スパッタリング用電極は、非平衡な磁場の分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタリング用電極であることが望ましい。
【００１３】
更にアーク放電式イオンプレーティング法による皮膜の形成時に発生し、被覆基体表面を溶融させるアーキング現象を抑制する目的で、被覆基体に少なくとも負のパルスバイアス電圧を印加するパルスバイアス電源を備えることも可能である。
【００１４】
また、本発明の皮膜形成装置は、アーク放電式イオンプレーティング法による皮膜と、スパッタリング法による皮膜が、繰返し多層に被覆された冷間ならびに温熱間加工用金型の製造に使用されることが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る皮膜形成装置の一例を示す垂直断面図である。図２は、図１の装置の水平断面図である。
【００１６】
この皮膜形成装置は、図示していない排気設備によって排気される減圧容器１４に、被覆基体１１を保持するホルダー１２が設けられている。このホルダー１２は図１、図２中で、円盤状をしているが、被覆基体１１の形状によって任意に変更可能である。また、ホルダー１２は駆動部１３によって例えばＡ方向に回転する機構を備え同時に被覆基体１１の各々が例えば図３に示すＤ方向に自転することもできる。またホルダー１２の軸部は、シール機能および絶縁機能を有す軸受け部２１によって支持されている。ホルダー１２ならびに保持される被覆基体１１は、バイアス電源２０にて、−数十〜１０００Ｖのバイアス電圧が印加される。
【００１７】
減圧容器１４内へは、ガス１９として、Ａｒ等の不活性ガスおよび陰極物質と反応し化合物を形成するのに必要な反応ガスが導入される。反応ガスは、例えばＮ２ガス、ＣＨ４ガス等である。これらガス種により減圧容器１４内の圧力が調整されるが、特に皮膜形成中の圧力については、スパッタリングによる皮膜の形成が安定して行えるのが、０．１〜２．０Ｐａの範囲であり、アーク放電式イオンプレーティングによる皮膜の形成が安定して行えるのが、２．０〜２０Ｐａの範囲であることから、皮膜形成中の減圧容器１４内の圧力は０．１〜２０Ｐａに減圧調整されることが好ましい。
【００１８】
シール機能および電気絶縁機能を有す絶縁物２４によって、減圧容器１４と絶縁された熱フィラメント１５と、シール機能および電気絶縁機能を有す絶縁物２５によって減圧容器１４と絶縁された陽極１６は、フィラメント加熱電源１７とフィラメント放電電源１８を作動させることで、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気中にて被覆基体表面の洗浄および活性化を行うのに使用する。
【００１９】
アーク放電式蒸発源１は、アーク放電用電源３により、陰極物質２を溶解、蒸発させ、被覆基体１１の表面に皮膜を形成する。アーク放電式蒸発源１は、シール機能および電気絶縁機能を有す絶縁物２２によって、減圧容器１４と絶縁されている。アーク放電式蒸発源１を使用し皮膜を形成する際、ガス１９として、Ｎ２ガスの導入により窒化物が形成でき、Ａｒ等の不活性ガスの導入により、陰極物質２を主体とした金属材料の皮膜を形成することができる。また、図示はしていないが、アーク放電式蒸発源近傍には、アークを点火するための点火機構が設置されている。
【００２０】
スパッタリング用電極６は、スパッタリング用放電電源８により、陰極物質７をスパッタ現象により放出させ、被覆基体１１表面に皮膜を形成する。スパッタリング用電極６は、シール機能および電気絶縁機能を有す絶縁物２３によって、減圧容器１４と絶縁されている。スパッタリング用電極６を使用し皮膜を形成する際、アーク放電電源１使用時と同様に、ガス１９として、Ｎ２ガスもしくはＮ２ガスとＡｒガスの混合ガスの導入によって窒化物が形成でき、Ａｒ等の不活性ガスの導入により、陰極物質７を主体とする皮膜を形成できる。
【００２１】
アーク放電用陰極物質２の前面に備えられた遮へい板４は、シール機能および電気絶縁機能を有する軸受け部２６によって支持されており、駆動部５により図２中のＢ方向へ可動する。また、スパッタリング用陰極物質７の前に備えられた遮へい板９も、遮へい板４と同様な構造を有し、シール機能および電気絶縁機能を有す軸受け部２７によって支持され、駆動部１０により図２中のＣ方向へ可動する。上記遮へい板４および９の動作は、皮膜形成の工程と合わせ後述する。また、図示はしていないが、減圧容器１４内には、被覆基体１１を過熱するヒーターが設置されている。
【００２２】
図３は、被覆基体１１の加熱工程もしくは熱フィラメント１５による被覆基体表面の洗浄、活性化工程における、各陰極前面に設置された遮へい板４および９の状態を示したものである。上記両工程中は、各陰極表面の汚染を防ぐために、各遮へい板は各陰極を覆う位置にある。
【００２３】
図４は、アーク放電式蒸発源１にて皮膜形成する際の、遮へい板４および９の状態を示したものである。アーク放電用陰極物質２の前面に設置された遮へい板４は、陰極物質２から発生する金属イオン２８の軌道を邪魔しない位置に移動し、かつスパッタリング用陰極物質７前面の遮へい板９は、アーク放電用陰極物質２より発生した金属イオンによって、スパッタリング用陰極物質７が汚染されないよう、スパッタリング用陰極物質７の前面を覆う位置にある。これにより、この後スパッタリングによって形成される皮膜は、形成初期の段階であっても皮膜組成の純度が高くなり、また、予期しない皮膜組成の変化が生じなくなるため、密着性の高い皮膜が形成できる。
【００２４】
図５は、スパッタリング用電極６にて皮膜形成する際の、遮へい板４および９の状態を示したものである。スパッタリング用陰極物質７の前面に設置された遮へい板９は、陰極物質７から放出される金属イオン２９の軌道を邪魔しない位置に移動し、かつアーク放電用陰極物質２前面の遮へい板４は、スパッタリング用電極６より放出された金属イオンによって、アーク放電用陰極２が汚染されないよう、アーク放電用陰極物質２の前面を覆う位置にある。これにより、スパッタリングによって皮膜形成後、更に連続してアーク放電式蒸発源１によって皮膜の形成が行われても、皮膜形成初期の皮膜組成は純度が高く、かつ予期しない皮膜組成の変化が生じることが無くなるため、皮膜の密着性は大幅に向上する。
【００２５】
図６は、更に使用中陰極からの汚染を防ぐために、アーク放電式蒸発源側には、遮へい容器３０、スパッタリング用電極側には、遮へい容器３２をそれぞれ絶縁物質３１、３３によって減圧容器１４と絶縁した状態で装着した例である。この構造にすることで、各陰極の周囲から巻き込まれる微量な汚染物質も、十分に抑制可能となり、更に皮膜の清浄度が向上し、密着性も良好となる。
【００２６】
本発明の皮膜形成装置のスパッタリング用電極は、必要に応じてアンバランスドマグネトロンスパッタリング用電極が選択できる。アンバランスドマグネトロンスパッタリング用電極は、陰極から被覆基体方向へ伸びる磁力線の形成が特徴であり、陰極付近で生成したプラズマが、前記磁力線に沿って被覆基体方向へ拡散し、被覆基体近傍でプラズマの密度が増加する。これにより、成膜速度の向上のみならず被覆基体へバイアス電圧を印加した際は、イオン電流密度の増加が達成でき、皮膜の高密度化、密着性の向上に効果がある。
【００２７】
更に本発明の皮膜形成装置には、少なくとも負のパルスバイアス電圧を印加できるパルスバイアス電源を備えることが望ましい。これは被覆基体表面を局部的に溶融させるアーキング現象を抑制することを目的としている他に、熱フィラメント等を用いた不活性ガスイオンによる被覆基体表面の洗浄ならびに活性化工程にて、バイアス電圧を数十μ秒で断続的に印加することによって、効率良く洗浄ならびに活性化が行えるからである。
【００２８】
本発明の皮膜形成装置は、アーク放電式イオンプレーティング法による皮膜と、スパッタリング法による皮膜が、繰返し多層に被覆された冷間ならびに温熱間加工用金型の製造に使用することが望ましい。例えば、アーク放電式イオンプレーティング専用装置と、スパッタリング専用装置で上記多層皮膜を形成する場合、両装置間をプロセスに応じて搬送する必要がある。この時、切削工具等に比べ、寸法、重量の大きな金型を被覆する場合は、クレーン等の搬送設備が必要となる。本装置の用途は特に限定されるものではないが、経済性や安全性を重視した場合では、比較的寸法、重量の大きな金型の被覆に使用することが望ましい。
【００２９】
【実施例】
図１および図２に示した構成の皮膜形成装置を用いて、被覆基体を保持するホルダー１２に、３０×３０×５ｍｍに切出し、アセトンにて超音波洗浄を行ったＪＩＳ  ＳＫＨ５１（硬さ６２ＨＲＣ）のテストピースを、一辺が４０ｍｍの８角形である断面形状の高さ４００ｍｍの筒に、８角形の各面につき３個づつ、上記テストピースを高さ方向に均等となるよう磁石で固定した。
【００３０】
次に減圧容器１４内を圧力０．０１Ｐａまで排気した後、排気を継続しながら、被覆基体温度が４００℃になるまで、ホルダー１２を約３ｒｐｍで回転させ、減圧容器１４内に設置したヒーターで加熱を行った。その後、減圧容器１４内にガス１９としてＡｒを導入し、圧力０．５ＰａのＡｒ雰囲気を得、被覆基体に−４００Ｖのバイアス電圧をバイアス電源２０で印加し、熱フィラメント１５と陽極１６により、被覆基体表面の洗浄と活性化を６０分間行った。
【００３１】
そして、遮へい板４および９を、図４に示す位置にして、被覆基体には−３０Ｖのバイアス電圧をバイアス電源２０で印加しながら、反応ガス１９としてＮ２ガスを導入し、圧力３．０ＰａのＮ２雰囲気中で、２台のアーク放電式蒸発源１を動作させることで、陰極物質２として取付けた純Ｃｒを蒸発させ、ＣｒＮ皮膜を層厚で５μｍとなるよう形成した。
【００３２】
次に、ガス１９としてＡｒを導入し、減圧容器１４内の圧力を０．８ＰａのＡｒ雰囲気にした後、遮へい板４および９を図５に示す位置にして、被覆基体には−１００Ｖのバイアス電圧をバイアス電源２０で印加しながら、２台のスパッタリング用電極６を作動させ、陰極物質７にＭｏＳ２を用い、スパッタリングによりＭｏＳ２皮膜を２μｍとなるように形成した。
【００３３】
更に遮へい板４および９を図４に示す位置にし、成膜初期の５分間はバイアス電源２０によって−１００Ｖのバイアス電圧を被覆基体に印加し、後の３０分間は０Ｖとして、ガス１９にはＡｒガスを用い、圧力１３．０ＰａのＡｒ雰囲気中で、２台のアーク放電式蒸発源１を動作させ、陰極物質２として取付けた純Ｃｒにて純Ｃｒ皮膜を形成した。
【００３４】
得られた被覆材の３０×３０ｍｍの面にて、ＨＲＣスケールによる厚痕試験を行い皮膜の密着性を評価した結果、いずれの皮膜も剥離は認められず、良好な密着性が得られていることを確認した。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の皮膜形成装置を用いることで、アーク放電式イオンプレーティング法による皮膜の形成と、スパッタリング法による皮膜の形成が、それぞれ高い密着性を有す状態で、連続して繰返し行えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る皮膜形成装置の一例を示す垂直断面図である。
【図２】図１の装置の水平断面図である。
【図３】本発明に係る皮膜形成装置の一例にて、その加熱工程もしくは被覆基体表面の洗浄、活性化工程中の遮へい板の位置を示す水平断面図である。
【図４】本発明に係る皮膜形成装置の一例にて、そのアーク放電式蒸発源使用時の遮へい板の位置を示す水平断面図である。
【図５】本発明に係る皮膜形成装置の一例にて、そのスパッタリング電極使用時の遮へい板の位置を示す水平断面図である。
【図６】本発明に係る皮膜形成装置の他の例を示す垂直断面図である。
【符号の説明】
１  アーク放電式蒸発源
２  アーク放電用陰極物質
３  アーク放電用電源
４  遮へい板
５  遮へい板駆動部
６  スパッタリング用電極
７  スパッタリング用陰極物質
８  スパッタリング用放電電源
９  遮へい板
１０  遮へい板駆動部
１１  被覆基体
１２  ホルダー
１３  ホルダー用駆動部
１４  減圧容器
１５  熱フィラメント
１６  熱フィラメント用陽極
１７  フィラメント加熱電源
１８  フィラメント放電電源
１９  ガス
２０  バイアス電源
２１  ホルダー軸受け部
２２  絶縁物
２３  絶縁物
２４  絶縁物
２５  絶縁物
２６  遮へい板軸受け部
２７  遮へい板軸受け部
２８  金属イオン
２９  金属イオン
３０  遮へい容器
３１  絶縁物
３２  遮へい容器
３３  絶縁物
【図１】
0004756434.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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