窒化ホウ素膜の作製とその木工切削工具への適用＊
中村

北垣

関松（要知彦＊＊寛＊＊

浩田子＊＊
実＊＊＊

旨）

イオンビームアシスト蒸着法によりホウ素の蒸着速度、イオンの加速電流を変えて基板温度300℃で窒化ホウ素膜を成膜した。得られた皮膜のB/N組成は1.4から8.6であり、結晶相は全て六方晶であった。また、ダイナミック硬度が 1254 から 2041 であった。超硬製ルータービット刃のすくい面に膜厚 1 μ m の窒化ホウ素膜を成膜し、ＭＤＦ材について切削試験を行ったところ、非被覆刃と比較して切削性の向上が認められ、その傾向はホウ素の蒸着速度が高い皮膜ほど顕著であった。

１緒

言

２

実験方法

窒化ホウ素は耐熱性が良好であり鉄に対する反イオンビームアシスト蒸着は日新電機㈱製複合

応性が少ないこと１）等により金属加工用途の切削イオンビーム成膜装置（IVDS-250）を用いて行っ工具に用いられているが、特に高硬度で知られるた。この際、ホウ素の蒸着速度及びイオン電流密c-BN相は生成が困難であり、その成膜化について度を変えることによりホウ素 / 窒素イオンの基板は精力的に研究が行われている２）３）。

への供給比を制御した。成膜条件を表１に示す。基

一方、木材加工用途の切削工具は木材の持つ低板材料は必要に応じてシリコンウエハ、兼房㈱製熱伝導性などにより切削時における工具刃先は厳超硬製ルータービット刃を用いた。ルータービッ

しい条件におかれているが、刃先表面への成膜にト刃については刃のすくい面に１μmの膜厚設定よる切削性向上等に関する研究例はほとんど見らで成膜した。すくい面の大きさは 20mm ×５ mmれない。そこで本報告では前報４）に引き続きイオである。

ンビームアシスト蒸着法による窒化ホウ素膜の成皮膜の結晶構造は FT-IR による吸収スペクトル膜を行い、さらに木工加工用ルータービット刃に測定により、また皮膜の組成はオージェ電子分光被覆してその切削性について検討を行った。
表１成膜条件作動真空度

３×10−５torr

ビーム入射角度

基板に対して垂直＊

材料表面の高機能化に関する研究（Ⅳ）

基板温度300℃

＊＊

材料技術課

技師

加速電圧６kV

＊＊＊

材料技術課

主任研究員

基板回転５rpm−25−表２ルータービット刃

切削試験
超硬製・すくい面に窒化ホウ素膜を１μm成膜

被切削材

MDF材

切刃回転数

18000rpm

切刃直径

10mm

切り込み深さ３mm

送り速度1000mm/min

図１加速電流とBN成膜速度との関係

図２

B/N供給比とBN成膜速度との関係

図３

B/N供給比と皮膜B/N組成との関係分析によりそれぞれ行った。
皮膜の硬度は（株）島津製作所製超微小硬度計（DUH-200）により荷重0.5gでのダイナミック硬度測定を測定し評価した。
切削試験は表２に示す条件で NC ルータにより切削を行った。切削性は切削距離が21.5km、39.4km、53.7km の点で切削面の顕微鏡観察を行い切削長3.8mmでのヒゲの本数を長さ0mm以上0.08mm未満をクラス１、0.08mm以上0.20mm未満をクラス
２、0.20mm以上0.40mm未満をクラス３、0.40mm以上をクラス４として各クラスのヒゲ本数を計測して評価を行った。

３

結果と考察

図１にホウ素の蒸着速度が 0.48,0.83,1.13nm/secの場合の加速電流と窒化ホウ素膜の成膜速度とのイオンとホウ素の基板への供給比と窒化ホウ素膜関係を示す。窒化ホウ素膜の成膜速度は、ホウ素の成膜速度との関係を整理した結果を図２に示す。の蒸着速度が1.13nm/sec以外では窒素イオンビー

図３に今回の実験でのB/N供給比と皮膜のB/Nムの加速電流値の増加に伴い減少する傾向を示し組成との関係を示す。B/N供給比を0.96から5.8のていた。これは加速電流の増加により生成した膜範囲で変化させ、B/N 組成が 1.4 から 8.6 の皮膜がのスパッタ速度が大きくなるためと考えられる。

得られた。今回の実験ではB/N組成は供給比とほホウ素蒸着速度が1.13nm/secの場合はホウ素の突ぼ比例的に変化しており、供給比により組成が制沸等による蒸着速度制御が困難であったため窒化御可能であることがわかる。しかしながら量論的膜の成膜速度にも影響していることが考えられる。には傾き１の直線上で変化するはずであるが、実また、ホウ素の蒸着速度が増加すると、加速電流際はホウ素の過剰な皮膜が生成している。これはが同じでも窒化膜の成膜速度は大きくなっており、ビームが不均一に照射され、見かけの電流密度よ−26−図４

窒化ホウ素膜の赤外吸収スペクトル
B/N 供給比 0.96

図５

皮膜B/N組成と硬度との関係

図６

図７

皮膜の硬度

切削距離21.5kmでのヒゲ本数（切削長3.8mm）

り実際は低い値をとっていることなどが原因として考えられる。

晶相の変化は認められなかった。

図４にB/N供給比が 0.96の窒化ホウ素膜の赤外図５に皮膜B/N組成と硬度との関係を示す。超吸収スペクトルを示す。スペクトルはh-BN相を示

硬母材の硬度は1587であるが、今回得られた皮膜

す約 1400cm −１と 800cm −１ h-BN の吸収を示して硬度が 1254 から 2041 であり母材と同程度もしくいる。窒化ホウ素はB/N供給比が１に近い条件では若干高い硬度を示した。また比較的硬度の低い

c-BN相が得られているが３）、今回の実験ではB/Nホウ素の組成比が増加するに従って硬度が低くな供給比が図に示されている膜の成膜条件より大きることが予想されたが、大きくばらつきがあるもい条件下で成膜した他の全ての窒化膜ホウ素膜でののB/N組成の増加に伴い硬度は増大する傾向をh-BN のみの吸収が認められ、c-BN 相の生成は認示した。この原因については現在のところ不明でめられなかった。この結果は前報で基板を水冷しある。また図６にホウ素蒸着速度、加速電流と硬て成膜した結果と同様であり、基板温度による結度の関係を示す。硬度はホウ素蒸着速度が高いほ−27−

図８

図９

切削距離39.4kmでのヒゲ本数

切削距離53.7kmでのヒゲ本数（切削長3.8mm）（切削長3.8mm）

ど、また加速電流が低いほど高くなる傾向を示しかる。特にホウ素の蒸着速度が1.13nm/secでは３た。

条件ではあるが良好な結果が得られた。図８から

図７〜９に 21.5km,39.4km,53.7km 各切削距離に切削距離が39.4kmに延びるとヒゲ本数総数では未おける切削長3.8mmでのヒゲ本数のクラス分けの被覆の場合と被覆刃ではホウ素蒸着速度によらず結果を示す。図中、BN 膜の被覆を行っていない大きな差は認められなくなるが、ヒゲの長さを比ルータービット刃による切削結果をホウ素蒸着速較すると未被覆刃による切削ではクラス３、クラ度 0.83nm/sec で加速電流 0mA で示している。まス４と長いヒゲが多く発生しているのに対し、被た棒が示されていない条件での実験は行っていな

覆刃による切削ではクラス１、クラス２の短いヒい。図７から切削距離21.5kmでは、未被覆の場合ゲの発生が多くなっており、この傾向はホウ素蒸と比較してホウ素の蒸着速度が高いほどヒゲ本数着速度1.13nm/secで顕著である。図９の切削距離は減少しており、切削性が向上していることがわ

53.7km についてもこのような傾向は認められた。

−28−

図10

未被覆刃による切削

ホウ素蒸着速度0.83nm/sec

ホウ素蒸着速度0.48nm/sec

ホウ素蒸着速度1.13nm/sec

切削面の顕微鏡写真（×25）

切削距離 21.5km

以上から今回のルータービット刃への BN 皮膜の４

結皮膜のイオン加速電流：5.4mA

言

すくい面のみの被覆により MDF 材の切削性は向イオンビームアシスト蒸着法により基板温度上すること、この傾向はホウ素の蒸着速度が高い

300℃で加速電流、ホウ素蒸着速度を変えて窒化ホほど良好であることがわかった。この原因としてウ素膜を成膜したところ以下の結果が得られた。

は図６に示している硬度と幾分相関がみられるが、

１）B/N供給比を0.96から5.8と変化させ、B/N組明確な結論は得られていない。なお図10に加速電成比が1.4から8.6の皮膜が得られたが結晶相は流 5.4mA での各ホウ素蒸着速度により被覆した六方晶のみであった。またB/N供給比とB/Nルータービット刃および未被覆刃による切削距離組成比とは比例的に変化した。
２）皮膜の硬度はB/N組成が高いほど、すなわち21.5km での切削面の顕微鏡写真を示す。
また切削距離53.7km後の被覆ルータービット刃

ホウ素蒸着速度が高く、イオンの加速電流値が低いほど高くなる傾向を示した。

は、全て刃先の皮膜の脱落が認められた。従って切削寿命の改善には皮膜密着性の更なる改善が必

３）超硬製ルータービット刃への窒化ホウ素膜の要であることがわかった。

被覆によりMDF材での切削性の向上が認めら−29−れた。切削性はホウ素の蒸着速度が高いほど良好であった。

（謝辞）
本実験で切削試験及びその評価について御協力いただきました当センター材料技術課

坂之上技師に感謝いたします。

参考文献
１）榎本裕嗣、三宅正二郎：薄膜トライボロ
ジー，東京大学出版会(1994),99.
２）田辺信夫、飯島康裕、高山輝之、岩木正哉：
表面技術、43(1992),1223.
３）Y.Andoh,K.Ogata,Y.Suzuki,E.Kamijo,M.Satouand F.Fujimoto;Nucl.Instr.and Meth.,B19/20(1987),787.
４）中村知彦他：本誌、25(199),58.

−30−