JP5952051B2 - 硬質塗層を有する被覆部材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、硬質塗層を有する被覆部材及びその製造方法に関するものである。
現在、電子部材の質に対する要求は高く、従って、電子部材の表面も高い硬度及び優れた耐摩耗性を有することが要求されている。そこで、往来は物理気相蒸着法の一種であるスパッタリングによって、該電子部材等の表面に硬質耐摩耗塗層を被覆するという方法が一般的である。しかし、該スパッタリングによって得られた塗層の密度は高くないため、硬度及び耐摩耗性の向上には限界がある。
本発明の目的は、前記課題を解決し、高い硬度及び優れた耐摩耗性を有する被覆部材及びその製造方法を提供することである。
本発明に係る硬質塗層を有する被覆部材は、硬質基材を備えている。前記被覆部材は、前記硬質基材に形成された結合層と、前記結合層に形成された中間層と、前記中間層に形成された硬質層と、を備えている。
本発明に係る硬質塗層を有する被覆部材の製造方法は、硬質基材を提供するステップと、イオンビームによって補助されたスパッタリング装置を利用して、前記硬質基材にチタン金属層を被覆するステップと、イオンビームによって補助されたスパッタリング装置を利用して、前記チタン金属層にチタン・クロム合金層を被覆するステップと、イオンビームによって補助されたスパッタリング装置を利用して、前記チタン・クロム合金層にチタン・クロム窒素層を被覆するステップと、を備えている。
本発明の硬質塗層を有する被覆部材及びその製造方法は、イオンビームによって補助されたスパッタリング装置によって前記結合層、中間層及び硬質層を硬質基材に被覆する過程において、イオンビームが前記硬質基材の表面に衝突することによって、膜層の密度が高くなり、耐摩耗性を高めることができる。そのため、イオンビームによって補助されたスパッタリング装置を使用しない方法に比べて、本発明で得られた膜層の厚さは薄く、且つ成膜時間も短い。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１を参照すると、本発明の硬質塗層を有する被覆部材１０は、硬質基材１１と、前記硬質基材１１上に形成された結合層１３と、前記結合層１３上に形成された中間層１５と、前記中間層１５上に形成された硬質層１７と、を備える。
前記硬質基材１１の材料は、高速度鋼、硬質合金、ステンレス鋼、チタン合金、マグネシウム合金或いはアルミニウム合金のような金属或いはセラミック、ガラス等であることができる。
前記結合層１３は、チタン金属層である。前記結合層１３の厚さは、０．１μｍ〜０．４μｍであり、他の塗層と前記硬質基材１１との間の結合力を高めることができる。
前記中間層１５は、チタン・クロム合金層である。前記中間層１５のチタン原子の含有量は３０原子％〜４０原子％であり、クロム原子の含有量は６０原子％〜７０原子％である。また、前記中間層１５の厚さは０．１〜０．４μｍである。
前記硬質層１７は、窒化チタンクロム（ＴｉＣｒＮ）層である。前記硬質層１７のチタン原子の含有量は２５．６原子％〜３７．０原子％であり、クロム原子の含有量は５１．７原子％〜６７．６原子％であり、窒素の含有量は５．４原子％〜１３．８原子％である。また、前記硬質層１７の厚さは、１．３〜１．７μｍである。
前記結合層１３、前記中間層１５及び前記硬質層１７は、イオンビームによって補助されたスパッタリング装置３０によって形成される。
前記被覆部材１０は、切削用の刀具、精密計器、金型、電子部品の筐体或いは建築物用装飾部材等であることができる。
前記被覆部材１０において、前記硬質層１７は、チタン金属からなる結合層１３及びチタン・クロム合金からなる中間層１５を介して、前記硬質基材１１と結合される。
前記被覆部材１０の製造方法は、以下のステップを含む。
ステップ１：前記硬質基材１１を、アルコール或いはアセトンの溶液を入れた超音波洗浄器の中に浸漬し、震動させて洗浄する。これにより、前記硬質基材１１の表面の不純物等が除去される。その後、清浄された前記硬質基材１１を乾燥させる。
図２を参照すると、イオンビームによって補助されたスパッタリング装置３０は、真空室３１と、前記真空室３１を真空状態にする真空ポンプ３２と、前記真空室３１に連通された気体源通路３３と、イオン源室３４と、前記真空室３１と前記イオン源室３４を連通するイオン源通路３５と、を備える。前記真空室３１には、加熱器３６及び回転枠３７が設置され、且つ少なくとも１つのチタンターゲット３８及び少なくとも１つのクロムターゲット３９も設置されている。前記回転枠３７は、複数の前記硬質基材１１を前記回転枠３７の円周上に沿って連動して回転させる。また、前記硬質基材１１は、回転枠３７の周りを回転するとともに自転する。薄膜を形成する時、スパッタリング気体と反応気体は、前記気体源通路３３を通って前記真空室３１に入り、前記イオン源室３４から発射されたイオンビームは、前記イオン源通路３５を通って前記真空室３１に導入される。
ステップ２：イオンビームによって補助されたスパッタリング装置３０を利用して、前記硬質基材１１上に前記結合層１３を被覆する。先ず、洗浄された前記硬質基材１１を、前記回転枠３７に設置し、前記回転枠３７の回転速度を１ｒｐｍ〜５ｒｐｍに設定する。さらに、前記真空室３１の真空度を６．０×１０−３Ｐａ〜９．０×１０−３Ｐａに保持させるとともに、前記加熱器３６を昇温させて、前記真空室３１の温度を１５０℃〜２５０℃に保持させる。その後、一定の流量でアルゴン気体を導入して、前記真空室３１の圧力を０．３Ｐａ〜０．５Ｐａまで上げる。次いで前記イオン源室３４にイオン源気体を導入し、イオン源の電源を起動させた後、該電源のパワーを１ｋｗ〜１．５ｋｗにして、イオン源を前記硬質基材１１の表面に衝突させる。その後前記チタンターゲット３８の電源を起動させ、該電源のパワーを３．８ｋｗ〜４．２ｋｗにして、前記硬質基材１１に対して５分〜１０分のスパッタリングをすることによって、前記硬質基材１１上に、チタン金属からなる結合層１３が形成される。ここで用いられたイオンビームは窒素イオンビームである。本実施形態において、前記回転枠３７の回転速度は３ｒｍｐであり、前記真空室３１の真空度は８．０×１０−３Ｐａであり、アルゴン気体を導入した後の前記真空室３１の圧力は０．４Ｐａであり、前記チタンターゲット３８は、中間周波電源によって駆動され、そのパワーは４ｋｗであり、被覆時間は１０分である。
ステップ３：イオンビームによって補助されたスパッタリング装置３０を利用して、前記結合層１３上に前記中間層１５を被覆する。先ず前記中間層１５を成膜する過程において、前記回転枠３７の回転速度は変わらないよう維持しておく。アルゴン気体の流量が変わらないよう維持するために、前記真空室３１にアルゴン気体を持続的に導入する。また、イオン源を起動させて、前記イオン源のパワーが変わらないよう維持するとともに、前記チタンターゲット３８の電源及び前記クロムターゲット３９の電源を起動させる。前記チタンターゲット３８の電源のパワー及び前記クロムターゲット３９の電源のパワーは３．８ｋｗ〜４．２ｋｗである。該ステップに要する時間は、５分〜１０分である。ここで用いられたイオンビームは窒素イオンビームである。本実施形態において、前記チタンターゲット３８は、中間周波電源によって駆動され、そのパワーは４ｋｗであり、前記クロムターゲット３９は、直流電源によって駆動され、そのパワーは４ｋｗであり、被覆時間は１０分である。
ステップ４：イオンビームによって補助されたスパッタリング装置３０を利用して、前記中間層１５上に前記硬質層１７を被覆する。前記硬質層１７を成膜する過程において、前記回転枠３７の回転速度及びアルゴン気体の流量が変わらないよう維持するとともに、前記真空室３１に窒素を導入する。前記アルゴン気体と前記窒素との比は、１．５〜２．０であり、即ち、前記真空室３１で生じる前記アルゴン気体と前記窒素の分圧比は１．５〜２．０である。次いでイオン源を起動させて、前記イオン源のパワーが変わらないように維持するとともに、前記チタンターゲット３８の電源及び前記クロムターゲット３９の電源を起動させる。前記チタンターゲット３８の電源のパワー及び前記クロムターゲット３９の電源のパワーは、３．８ｋｗ〜４．２ｋｗである。該ステップに要する時間は、３０分〜５０分である。該ステップにおいて用いられたイオンビームは窒素イオンとアルゴンイオンとの混合イオンビームである。本実施形態において、前記チタンターゲット３８は、中間周波電源によって駆動され、そのパワーは４ｋｗであり、前記クロムターゲット３９は、直流電源によって駆動され、そのパワーは４ｋｗであり、被覆時間は４０分である。
薄膜を形成した後は、ターゲットの電源、イオン源通路、気体源通路を閉め、前記真空室３１の温度が室温近い温度まで下がった後、前記被覆部材１０を取り出す。
以上の方法によって製造された被覆部材１０の、表面のマイクロビッカース硬さは６００ＨＶ０．０２５〜７００ＨＶ０．０２５であり、膜層の結合力は７０Ｎである。また、前記被覆部材１０の表面の膜層は、組織が均一であり且つ密度が高い。
前記被覆部材１０の製造方法は、前記結合層１３、中間層１５及び硬質層１７を被覆する過程において、イオンビームが前記硬質基材１１の表面に衝突することによって、膜層の密度が高くなり、耐摩耗性を高める。そのため、イオンビームによって補助されたスパッタリング装置を使用しない方法に比べて、本発明で得られた膜層の厚さは薄く、且つ成膜時間も短い。
以上、本発明の実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能であることは勿論であって、本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲から決まる。
１０ 被覆部材
１１ 硬質基材
１３ 結合層
１５ 中間層
１７ 硬質層
３０ イオンビームによって補助されたスパッタリング装置
３１ 真空室
３２ 真空ポンプ
３３ 気体源通路
３４ イオン源室
３５ イオン源通路
３６ 加熱器
３７ 回転枠
３８ チタンターゲット
３９ クロムターゲット
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３７ 回転枠
３８ チタンターゲット
３９ クロムターゲット
Claims (9)
- 硬質基材に形成された硬質塗層を有する被覆部材であって、
前記被覆部材は、前記硬質基材に形成された結合層と、前記結合層に形成された中間層と、前記中間層に形成された硬質層と、を備えており、
前記結合層は、チタン金属層であり、前記中間層は、チタン・クロム合金層であり、前記硬質層は、チタン・クロム窒素層であり、前記被覆部材の表面のマイクロビッカース硬さは６００ＨＶ ０．０２５ 〜７００ＨＶ ０．０２５ であることを特徴とする硬質塗層を有する被覆部材。 - 前記中間層のチタン原子の含有量は３０原子％〜４０原子％であり、クロム原子の含有量は６０原子％〜７０原子％であることを特徴とする請求項１に記載の硬質塗層を有する被覆部材。
- 前記硬質層のチタン原子の含有量が２５．６原子％〜３７．０原子％であり、クロム原子の含有量が５１．７原子％〜６７．６原子％であり、窒素の含有量が５．４原子％〜１３．８原子％であることを特徴とする請求項１に記載の硬質塗層を有する被覆部材。
- 前記結合層及び前記中間層の厚さは、それぞれ０．１μｍ〜０．４μｍであり、前記硬質層の厚さは、１．３μｍ〜１．７μｍであることを特徴とする請求項１に記載の硬質塗層を有する被覆部材。
- 請求項１から４のいずれか一項に記載の硬質塗層を有する被覆部材の製造方法であって、
硬質基材を提供するステップと、
イオンビームによって補助されたスパッタリング装置を利用して、前記硬質基材にチタン金属層を被覆するステップと、
イオンビームによって補助されたスパッタリング装置を利用して、前記チタン金属層にチタン・クロム合金層を被覆するステップと、
イオンビームによって補助されたスパッタリング装置を利用して、前記チタン・クロム合金層にチタン・クロム窒素層を被覆するステップと、
を備えていることを特徴とする硬質塗層を有する被覆部材の製造方法。 - 前記チタン金属層は、チタンターゲットを使用し、スパッタリングの気体はアルゴン気体であり、アルゴン気体の分圧は０．３Ｐａ〜０．５Ｐａであり、イオン源から発射されたイオンビームは硬質基材の表面に衝突するものであり、前記イオン源の電源のパワーは１ｋｗ〜１．５ｋｗであり、チタンターゲットの電源のパワーは３．８ｋｗ〜４．２ｋｗであり、被覆時間は５分〜１０分である、という条件で形成されることを特徴とする請求項５に記載の硬質塗層を有する被覆部材の製造方法。
- 前記チタン・クロム合金層は、チタンターゲット及びクロムターゲットを使用し、スパッタリングの気体はアルゴン気体であり、アルゴン気体の分圧は０．３Ｐａ〜０．５Ｐａであり、イオン源から発射されたイオンビームは硬質基材の表面に衝突するものであり、前記イオン源の電源のパワーは１ｋｗ〜１．５ｋｗであり、チタンターゲットの電源のパワーは３．８ｋｗ〜４．２ｋｗであり、被覆時間は５分〜１０分である、という条件で形成されることを特徴とする請求項５に記載の硬質塗層を有する被覆部材の製造方法。
- 前記チタン・クロム窒素層は、チタンターゲット及びクロムターゲットを使用し、スパッタリングの気体はアルゴン気体であり、アルゴン気体の分圧は０．３〜０．５Ｐａであり、窒素を反応気体として、前記アルゴン気体と前記窒素との分圧比は１．５〜２．０であり、イオン源から発射されたイオンビームは硬質基材の表面に衝突するものであり、前記イオン源の電源のパワーは１ｋｗ〜１．５ｋｗであり、チタンターゲットの電源のパワーは３．８ｋｗ〜４．２ｋｗであり、被覆時間は３０分〜５０分である、という条件で形成されることを特徴とする請求項５に記載の硬質塗層を有する被覆部材の製造方法。
- 前記チタン金属層、前記チタン・クロム合金層及び前記チタン・クロム窒素層を形成する過程で、真空度が６．０×１０−３Ｐａ〜９．０×１０−３Ｐａに保持され、且つ温度が１５０℃〜２５０℃に保持されることを特徴とする請求項５に記載の硬質塗層を有する被覆部材の製造方法。
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