JPH0860348A - Formation of coating layer on tool - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、例えばマイクロドリル
のような刃先部の鋭利な工具に対して、その刃先部の耐
摩耗性を改善するために、金属の窒化物などの硬質膜を
刃先に均一に被覆する方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is directed to a sharp tool such as a microdrill for which a hard film such as a metal nitride is used to improve the wear resistance of the cutting edge. The present invention relates to a method for uniformly coating the same.
【0002】[0002]
【従来の技術及びその技術的課題】硬質膜を工具形状の
基材に被覆する方法としては、熱化学反応を利用した熱
CVD法ならびにPVD法の一種であるイオンプレーテ
ィング法が広く採用されている。これらの中でドリル等
のように工具刃先端部が鋭利な形状をもつ工具基材に対
しては、工具基材への熱影響を抑えるため被覆温度の低
いイオンプレーティング法が一般に用いられる。イオン
プレーティング法の特徴は、被覆層の付着力を実用的に
問題が無い程度に高めるため、イオン化している蒸着粒
子を加速して膜を形成させるべく工具基材にバイアス電
位を印加して成膜することである。そのため複雑な形状
を有する工具基材であっても、このバイアス電位を印加
するため蒸着粒子は回り込みやすくなり、いわゆる着き
回り性は良好なものとなる。2. Description of the Related Art As a method for coating a hard film on a tool-shaped substrate, a thermal CVD method utilizing a thermochemical reaction and an ion plating method, which is a kind of PVD method, are widely adopted. There is. Among them, an ion plating method having a low coating temperature is generally used for a tool base material such as a drill having a sharp tip end to suppress thermal influence on the tool base material. The feature of the ion plating method is that in order to increase the adhesion of the coating layer to the extent that there is no practical problem, a bias potential is applied to the tool substrate to accelerate the ionized vapor deposition particles and form a film. It is to form a film. Therefore, even with a tool base material having a complicated shape, the vapor deposition particles are likely to wrap around due to the application of this bias potential, so that the so-called wraparound property is improved.
【0003】しかし、例えばこのような工具基材として
直径が0.1〜2.0mm程度の刃先部が非常に鋭利な工
具(マイクロドリル)に被覆する際には、このバイヤス
電位によって鋭利な刃先部に電界が集中しやすくなる。
そのため、電荷をもっている蒸着粒子は電界が集中して
いる部分へより集中してしまうという問題が起こる。そ
の結果、蒸着粒子が鋭利な刃先部に過度に堆積したり、
電荷が集中するため刃先部が他の部分と比べてそのエネ
ルギーでより高温かつ極端に加熱され、結晶の異常成長
が生ずる。すなわちいわゆるノジュールが発生する。そ
の結果、刃先部に被覆される膜の厚さが極端に厚くな
り、工具の切れ味が悪くなる。さらに、イオンプレーテ
ィング法では、まれに蒸着粒子が多数個集合成長した粒
子(ドロップレット称する)が発生することがある。こ
のドロップレットが工具基材に飛来して、刃先部および
その近傍に付着して前述の問題が生じる場合もある。そ
の結果、この被覆マイクロドリルによって例えばプリン
ト基板等に穴をあける場合に、滑らかな穴をあけること
ができなくなる。またスミヤ現象(摩擦熱によってプリ
ント基板を構成する絶縁基板が融けてそれが下の銅箔等
に付着すること)が発生しやすくなったりする。前述の
ような問題は、マイクロドリル以外の刃先部が鋭利な工
具についても同様に生じる。However, for example, when such a tool base material is used for coating a tool (microdrill) having a very sharp cutting edge having a diameter of 0.1 to 2.0 mm, the sharp cutting edge is generated by the bias potential. The electric field tends to concentrate on the part.
Therefore, there arises a problem that the vapor-deposited particles having an electric charge are more concentrated in a portion where the electric field is concentrated. As a result, vapor deposition particles excessively accumulate on the sharp edge,
Since the electric charges are concentrated, the cutting edge portion is heated at a higher temperature and extremely higher than the other portions due to the energy, and abnormal growth of crystals occurs. That is, so-called nodules occur. As a result, the thickness of the film coated on the cutting edge portion becomes extremely thick, and the sharpness of the tool deteriorates. Furthermore, in the ion plating method, particles (referred to as droplets) in which a large number of vapor-deposited particles collectively grow may occur in rare cases. In some cases, the droplets may fly to the tool base material and adhere to the cutting edge portion and its vicinity to cause the above-mentioned problem. As a result, when the coated microdrill is used to make a hole in, for example, a printed circuit board, a smooth hole cannot be formed. In addition, smear phenomenon (the insulating substrate constituting the printed circuit board is melted by frictional heat and adheres to the underlying copper foil or the like) is likely to occur. The above-mentioned problems similarly occur with tools other than micro drills, which have sharp cutting edges.
【0004】本発明は前記のような問題点を解消するた
めに創案されたもので、その目的とするところは、イオ
ンプレーティング法において蒸着粒子が鋭利な工具刃先
部に集中し刃先部に厚く堆積することを防止できる被覆
層形成方法を提供することにある。The present invention was devised in order to solve the above-mentioned problems. The purpose of the present invention is to deposit vapor deposition particles on the sharp edge of the tool in the ion plating method, and to make the deposition thick on the edge of the tool. It is an object of the present invention to provide a method for forming a coating layer capable of preventing deposition.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
め本発明は、工具基材表面に硬質膜を負のバイアス電圧
を印加するイオンプレーティング法により金属の窒化
物、炭化物または炭窒化物の硬質膜を被覆させる方法に
おいて、前記金属の窒化物、炭化物または炭窒化物被覆
粒子が鋭利な工具刃先部に集中し刃先部に厚く堆積する
ことを防止すべく、工具に対して工具周囲の電界強度を
均一化させつつ被覆させる構成としたものである。な
お、工具に負のバイアス電圧を印加したときに発生する
工具周囲の電界強度を均一化する方法としては、硬質膜
被覆時に導電性多孔バイアスコントロール治具で工具の
所要範囲を囲繞する方法が効果的である。また、窒化
物、炭化物または炭窒化物被覆粒子を形成する金属とし
ては、一般に、IVa族金属(Ti,Zr,Hf)、Va
族金属(V,Nb,Ta)およびVIa族金属(Cr,M
o,W)から構成されるグループの金属から選ばれたい
ずれか一つの金属である。In order to achieve the above object, the present invention provides a metal nitride, a carbide or a carbonitride of a hard film on the surface of a tool substrate by an ion plating method in which a negative bias voltage is applied. In the method of coating a hard film, in order to prevent the metal nitride, carbide or carbonitride coated particles from concentrating on a sharp tool tip and thickly depositing on the tip, an electric field around the tool is applied to the tool. It is configured to cover while making the strength uniform. As a method to equalize the electric field strength around the tool generated when a negative bias voltage is applied to the tool, a method of surrounding the required range of the tool with a conductive porous bias control jig at the time of hard film coating is effective. Target. In addition, as the metal forming the nitride, carbide or carbonitride coated particles, generally, a group IVa metal (Ti, Zr, Hf), Va
Group metals (V, Nb, Ta) and VIa group metals (Cr, M)
o, W) is any one metal selected from the group consisting of metals.
【0006】以下本発明を添付図面に基づいて詳細に説
明する。金属の窒化物、炭化物または炭窒化物の硬質膜
の形成はイオンプレーティング法により行われるが、こ
のイオンプレーティング法は特に限定は無く、各種手法
をとることができる。例えば電子ビーム蒸発源を有する
もの、ホローカソード放電プラズマビーム蒸発源を有す
るものやアーク放電蒸発源を有するものなどであり、こ
れらは全て膜を形成させる基板(工具基材)に負のバイア
ス電位を印加するものである。詳細には、例えば、蒸発
源の上方にガスを導入する一方、蒸発源の近傍にイオン
化電極を配して正電圧を与えることでアーク放電を行わ
せ、蒸発源からの蒸発粒子をイオン化する方法が簡便で
ある。これに代えて、アーク放電型イオンプレーティン
グ法すなわち、蒸発源の近傍にイオン化電極を配し、さ
らにそれら蒸発源とイオン化電極とのあいだに熱電子放
射フィラメントを配置して熱電子を放射させる方法、活
性化ノズルを用いた反応性イオンプレーティング法すな
わち、蒸発源の近傍に熱電子放射フィラメントを配置し
て熱電子を放射すると共に、これと反対位置に正電圧を
印加した活性化ノズルを配置してイオン化ガスを導入す
る方法、アークライクプラズマイオンプレーティング法
すなわち、蒸発源の近傍上方に熱電子放射フィラメント
とイオン化電極を対向状に配置し、これと別位置からガ
スを導入する方法などを使用することもできる。また、
磁界励起形イオンプレーティング法を使用することもで
きる。この方法は、排気系や蒸発源に特別な配慮を要さ
ず、高真空中で容易に高密度プラズマを形成することが
でき、金属の窒化物、炭化物または炭窒化物の硬質膜を
容易に比較的高速で得ることができる利点がある。いず
れのイオンプレーティング法においても、成膜条件は、
一般に次の条件から成膜すべき膜質に応じて適宜選択す
ればよい。すなわち、窒化物や炭化物を形成する場合に
は、ガス圧力:5×1/102〜1×1/104Torr,ア
ノード電圧:30〜80V,アノード電流:10〜80
A,カソード加熱電流:30〜60A,バイアス電源出
力:500W以下,電子銃電力:1.5〜4.0KWであ
る。The present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. The hard film of metal nitride, carbide or carbonitride is formed by an ion plating method, but this ion plating method is not particularly limited and various methods can be adopted. For example, those having an electron beam evaporation source, those having a hollow cathode discharge plasma beam evaporation source, those having an arc discharge evaporation source, etc., all of which apply a negative bias potential to the substrate (tool substrate) on which the film is formed. It is applied. Specifically, for example, a method of ionizing vaporized particles from the vaporization source by introducing a gas above the vaporization source and arranging an ionization electrode in the vicinity of the vaporization source to apply a positive voltage to cause arc discharge. Is simple. Instead of this, an arc discharge type ion plating method, that is, a method of arranging an ionization electrode in the vicinity of an evaporation source and further disposing a thermionic emission filament between the evaporation source and the ionization electrode to emit thermoelectrons , Reactive ion plating method using an activation nozzle, that is, a thermoelectron emission filament is arranged near the evaporation source to emit thermoelectrons, and an activation nozzle to which a positive voltage is applied is arranged at the opposite position. A method of introducing an ionized gas, such as an arc-like plasma ion plating method, that is, a method of arranging a thermionic emission filament and an ionization electrode opposite to each other above the evaporation source and introducing the gas from a different position. It can also be used. Also,
A magnetic field excitation type ion plating method can also be used. This method does not require special consideration for the exhaust system or evaporation source, can easily form high-density plasma in a high vacuum, and easily forms a metal nitride, carbide, or carbonitride hard film. There is an advantage that it can be obtained at a relatively high speed. In any of the ion plating methods, the film forming conditions are
Generally, the following conditions may be appropriately selected according to the film quality to be formed. That is, when forming a nitride or a carbide, gas pressure: 5 × 1/10 2 to 1 × 1/10 4 Torr, anode voltage: 30 to 80 V, anode current: 10 to 80
A, cathode heating current: 30 to 60 A, bias power output: 500 W or less, electron gun power: 1.5 to 4.0 KW.
【0007】図1は磁界励起形イオンプレーティング法
の概要を示しており、1は真空槽、2は真空槽1の内部
下方に設けられた蒸発源であり、金属Bを収容するるつ
ぼと、これを加熱して蒸発させる手段たとえば電子銃や
抵抗加熱ヒータ21を備えている。前記蒸発源は多元蒸
発機構としてもよい。金属Bとしては、IVa族金属(T
i,Zr,Hf)、Va族金属(V,Nb,Ta)およ
びVIa族金属(Cr,Mo,W)から構成されるグルー
プの金属から選ばれたいずれか一つの金属が用いられ
る。3は被覆すべき工具Tを着脱可能に取付けるホルダ
ーであり、真空槽1内の前記蒸発源2と対面する位置に
配置されている。ホルダー3は外部のバイアス電源30
に接続され、負の直流電圧又は高周波電圧が印加され、
また必要に応じて加熱用ヒータ35により加熱される。
4はガスノズルであり、真空槽1外に伸びる導入管に設
けた流量調整弁41により反応ガスたとえば窒素ガス、
炭化水素系ガス、あるいはそれらの混合ガスなどを真空
槽1内に導入する。6は熱電子放射用のカソード、7は
これに対向するアノード、8a,8bはこれらカソード
6とアノード7と同一水平面内の位置にしかもカソード
6とアノード7が形成する電界の方向と同じ向きに平行
磁界が形成されるように配置された一対の磁石、9はア
ノード側に配された補助アノードであり、それらによっ
てプラズマ発生機構が構成され、プラズマ発生機構の全
体は、真空槽1内に、蒸発源2とホルダー3間の中間例
えば少なくとも蒸発源2から150mm以上離間した位
置に設けられる。カソード6とアノード7の間隔はプラ
ズマ空間を広くするために広げることが好ましく、その
例としては200〜500mmである。カソード6は
W,Ta,W/Thなどの熱陰極材料で作られたフィラ
メントからなり、電源60により通電加熱されることで
熱電子を放出する。アノード7はカソード6と対向する
側の磁石8bに結線して磁石そのものを電極としてもよ
いし、磁石8bの前面側に電極を別に設置することで構
成してもよく、いずれの場合も、アノード7には接地電
位に対して正の直流又は交流の電圧たとえば40〜70
Vの直流電圧が電源71によって印加される。磁石8
a,8bは正対しており、その磁界の強さは、高密度の
プラズマを形成させるため、両磁石の中間地点で20〜
40Oeとすることが好ましい。FIG. 1 shows an outline of the magnetic field excitation type ion plating method. Reference numeral 1 is a vacuum chamber, 2 is an evaporation source provided below the vacuum chamber 1, and a crucible for containing a metal B, A means for heating and evaporating this, for example, an electron gun and a resistance heater 21 are provided. The evaporation source may be a multi-source evaporation mechanism. As the metal B, a group IVa metal (T
i, Zr, Hf), a group Va metal (V, Nb, Ta), and a group VIa metal (Cr, Mo, W), selected from the group consisting of metals. Reference numeral 3 denotes a holder to which the tool T to be coated is detachably attached, and is arranged at a position facing the evaporation source 2 in the vacuum chamber 1. Holder 3 is an external bias power supply 30
Connected to a negative DC voltage or high frequency voltage,
Further, it is heated by the heater 35 for heating if necessary.
Reference numeral 4 denotes a gas nozzle, and a reaction gas such as nitrogen gas is supplied by a flow rate adjusting valve 41 provided in an introduction pipe extending outside the vacuum chamber 1.
A hydrocarbon gas or a mixed gas thereof is introduced into the vacuum chamber 1. 6 is a cathode for thermionic emission, 7 is an anode facing it, 8a and 8b are in the same horizontal plane as the cathode 6 and the anode 7, and in the same direction as the direction of the electric field formed by the cathode 6 and the anode 7. A pair of magnets arranged so that a parallel magnetic field is formed, and 9 are auxiliary anodes arranged on the anode side, which constitute a plasma generation mechanism, and the entire plasma generation mechanism is provided in the vacuum chamber 1. It is provided at an intermediate position between the evaporation source 2 and the holder 3, for example, at a position separated from the evaporation source 2 by 150 mm or more. The distance between the cathode 6 and the anode 7 is preferably widened to widen the plasma space, and an example thereof is 200 to 500 mm. The cathode 6 is composed of a filament made of a hot cathode material such as W, Ta, W / Th, and emits thermoelectrons by being electrically heated by a power source 60. The anode 7 may be connected to the magnet 8b on the side facing the cathode 6 to use the magnet itself as an electrode, or may be configured by separately installing an electrode on the front surface side of the magnet 8b. 7, a positive DC or AC voltage with respect to the ground potential, for example, 40 to 70
A DC voltage of V is applied by the power supply 71. Magnet 8
a and 8b face each other, and the strength of the magnetic field is 20 to 20 at the midpoint between the two magnets in order to form high-density plasma.
It is preferably 40 Oe.
【0008】このイオンプレーティング装置によって硬
質膜を成膜するときには、ホルダー3にワークとしての
工具Tを取付け、必要に応じて加熱ヒータ35によりワ
ークを所要温度に加熱し、同時に真空槽1内を真空排気
する。その後、加熱ヒータ35を止め、真空槽1内にガ
スノズル4からアルゴン等のガスを導入し、イオンボン
バードを所要時間行った後、成膜を行う。この成膜工程
では、ガスノズル4により真空槽1内に所定成分のガス
を導入し、補助アノード9に高い正電圧を印加し、カソ
ード6を通電すると共に、アノード7に正電圧を印加す
る。これにより磁石8a,8bの平行磁界とあいまって
プラズマが形成される。この状態で蒸発源2の加熱手段
21を作動して蒸発材料としての金属Bを蒸発させる。
この蒸発粒子は上昇し、プラズマを通過してワークに付
着させられる一方、ホルダ3を介してワークに印加した
負の電圧又は高周波により生ずるセルフバイアス電圧に
よりプラズマ内で生成したガスイオンが引き付けられ、
基材ないしワーク上に衝突される。これにより基材ない
しワークTに反応生成膜としての金属の窒化物、炭化物
または炭窒化物の硬質膜が堆積される。When a hard film is formed by this ion plating apparatus, a tool T as a work is attached to the holder 3, and the work is heated to a required temperature by the heater 35 as needed, and at the same time, the inside of the vacuum chamber 1 is heated. Evacuate. Thereafter, the heater 35 is stopped, a gas such as argon is introduced from the gas nozzle 4 into the vacuum chamber 1, ion bombardment is performed for a required time, and then film formation is performed. In this film forming process, a gas of a predetermined component is introduced into the vacuum chamber 1 by the gas nozzle 4, a high positive voltage is applied to the auxiliary anode 9, the cathode 6 is energized, and a positive voltage is applied to the anode 7. As a result, plasma is formed together with the parallel magnetic fields of the magnets 8a and 8b. In this state, the heating means 21 of the evaporation source 2 is operated to evaporate the metal B as an evaporation material.
The vaporized particles ascend and pass through the plasma to be attached to the work, while the negative ions applied to the work via the holder 3 or the self-bias voltage generated by the high frequency attracts the gas ions generated in the plasma.
It collides with a base material or a work. As a result, a hard film of metal nitride, carbide or carbonitride as a reaction product film is deposited on the substrate or the work T.
【0009】カソード6とアノード7は平行磁界に配置
されているため、その磁界と電界により、カソード6か
ら放出された熱電子は磁界の方向とは別方向の速度成分
によりサイクロトロン運動をしながら電界の方向すなわ
ちアノード7に向かって加速される。真空槽1内には予
めガスが導入されており、そのガスの分子が上記のよう
に加速された電子と衝突することにより電離が起り、ガ
ス分子がイオン化されプラズマが形成される。このプラ
ズマは平行磁界により高密度化され、これにより熱電子
放出によるカソード付近の負の空間電荷を打消し、ほぼ
熱陰極(フィラメント)の飽和電流値の電流がカソードか
らアノードに流れる。放熱電流はカソードの温度に比例
するため、容易に20A程度流すことができ、この時の
電子の流れは熱電子の初速度が磁界及び電界に比べ充分
に小さいため、ほぼシートビーム状となり、従って、磁
石8a,8b間に高密度のプラズマ空間を安定的に形成
することができるのである。なお、アーク放電方式の場
合には、図1において蒸発源2の近傍にイオン化電極を
配し、一対の磁石8a,8bとアノード側の補助アノー
ド9を除去すればよい。Since the cathode 6 and the anode 7 are arranged in a parallel magnetic field, the magnetic field and the electric field cause the thermoelectrons emitted from the cathode 6 to make an electric field while performing cyclotron motion due to a velocity component in a direction different from the direction of the magnetic field. Direction, that is, toward the anode 7. Gas is introduced into the vacuum chamber 1 in advance, and ionization occurs when the molecules of the gas collide with the accelerated electrons as described above, and the gas molecules are ionized to form plasma. This plasma is densified by the parallel magnetic field, thereby canceling the negative space charge near the cathode due to thermionic emission, and a current having a saturation current value of about the hot cathode (filament) flows from the cathode to the anode. Since the heat radiation current is proportional to the temperature of the cathode, it can easily flow about 20 A. At this time, since the initial velocity of thermions is sufficiently smaller than the magnetic field and the electric field, the electron flow is almost in the form of a sheet beam. Thus, a high-density plasma space can be stably formed between the magnets 8a and 8b. In the case of the arc discharge method, an ionization electrode may be arranged in the vicinity of the evaporation source 2 in FIG. 1, and the pair of magnets 8a and 8b and the auxiliary anode 9 on the anode side may be removed.
【0010】いずれのイオンプレーティング法において
も、工具基材は工具周囲に均一な被覆層を形成すべく一
般的に自公転治具を有するホルダー3に取り付けられ
る。このホルダー3の一例を図2に示す。この自公転治
具の構造は任意であるが、この例ではホルダー3を中心
に嵌着固定し得るギヤ31と、これを駆動するアクチュ
エータ33と、ギヤとかみ合うギヤ付き環状レール32
を備えている。この図にはバイアス電位を印加するため
の電源30も併せて示している。そして、ホルダー3は
工具Tを囲繞するバイアスコントロール治具5を有して
いる。このバイアスコントロール治具5は、工具Tにバ
イアス電源30からバイアスを印加したときに発生する
工具周囲の電界強度を均一化し、工具Tの鋭利な刃先部
にも適切な成膜が行われるようにする手段である。In any of the ion plating methods, the tool base material is generally attached to a holder 3 having a revolving jig so as to form a uniform coating layer around the tool. An example of this holder 3 is shown in FIG. The structure of this auto-revolution jig is arbitrary, but in this example, a gear 31 that can be fitted and fixed around the holder 3, a actuator 33 that drives this, and an annular rail 32 with a gear that meshes with the gear.
It has. This figure also shows a power supply 30 for applying a bias potential. The holder 3 has a bias control jig 5 surrounding the tool T. The bias control jig 5 equalizes the electric field strength around the tool generated when a bias is applied to the tool T from the bias power source 30, so that the film can be appropriately formed even on the sharp edge of the tool T. Is a means to do.
【0011】すなわち、イオンプレーティング法におい
ては、前記のように工具Tに負のバイアス電位をかけて
成膜することが必須である。このため、工具Tの刃先部
分に電荷が集中する。これは前述の理由から刃先部に被
覆される膜の厚さが厚くなる結果をもたらす。そこで本
発明は、バイアスを印加したときに発生する工具Tの周
囲の電界強度を均一化するように制御することによっ
て、電荷が集中することを防止し膜の厚さの均一な被覆
層を形成させるものである。That is, in the ion plating method, it is essential to form a film by applying a negative bias potential to the tool T as described above. Therefore, the electric charge is concentrated on the cutting edge portion of the tool T. This results in a thicker coating of the film on the cutting edge for the reasons mentioned above. Therefore, in the present invention, by controlling the electric field strength around the tool T generated when a bias is applied to be uniform, it is possible to prevent the concentration of electric charges and form a coating layer having a uniform film thickness. It is what makes me.
【0012】バイアスコントロール治具5は、このこと
から、導電性材料であること、多孔性であること、対象
工具Tの形状に対応した形状を有し一部がホルダー1に
接触していることが必要である。その具体例としては、
ステンレスや銅などで構成された筒状ないしこれに類す
る形状の金網ないしこれに類するものが挙げられる。こ
の場合、孔径が小さすぎると蒸着粒子やガスイオンの侵
入が阻害され、成膜に必要な絶対量が不足して成膜速度
が低下し、逆に孔径が大きすぎると同電位化効果が乏し
くなり、電荷が集中し易くなるため、好適条件として
は、孔径(目の開き)が1〜5mm、孔間隔(網の線径)
が0.2〜1.0mmである。また、バイアスコントロー
ル治具5と工具表面は、その距離lがあまり大きすぎる
と同電位効果が喪失し、孔を通過した蒸着粒子が集中し
てしまい、逆にあまり距離lが小さいと蒸着粒子の工具
へのつき回りが悪くなり、網目模様状の膜となってしま
う。従って、前記距離lは通常1.0〜6.0mm好適に
は3〜4mmである。From this, the bias control jig 5 is made of a conductive material, is porous, and has a shape corresponding to the shape of the target tool T, and a part thereof is in contact with the holder 1. is necessary. As a concrete example,
Examples thereof include a wire mesh made of stainless steel or copper or the like, or a wire mesh having a shape similar to this, or the like. In this case, if the pore size is too small, the penetration of vapor-deposited particles or gas ions is hindered, the absolute amount required for film formation is insufficient, and the film formation rate decreases, while if the pore size is too large, the equipotential effect is poor. Therefore, it is easy for electric charges to concentrate. Therefore, the preferable conditions are the hole diameter (opening of the eye) of 1 to 5 mm, the hole interval (mesh wire diameter).
Is 0.2 to 1.0 mm. When the distance 1 between the bias control jig 5 and the tool surface is too large, the same potential effect is lost, and the vapor deposition particles passing through the holes are concentrated. The throwing power to the tool becomes poor and the film becomes a mesh pattern. Therefore, the distance 1 is usually 1.0 to 6.0 mm, preferably 3 to 4 mm.
【0013】上記のような適切なバイアスコントロール
治具2を用いるならば、図3のように硬質膜形成の際に
反応するガスイオンAならびに蒸着粒子Bはバイアスコ
ントロール治具5に影響され加速が解かれ、慣性力で孔
50から内部空間に進入する。このため、蒸着粒子の工
具基材へ飛来する密度が均一化され、膜厚の均一な被覆
層が形成されるものである。If the appropriate bias control jig 2 as described above is used, the gas ions A and the vapor deposition particles B that react during the formation of the hard film are influenced by the bias control jig 5 and accelerated as shown in FIG. It is released and enters the internal space from the hole 50 by inertial force. For this reason, the density of the vapor deposition particles flying to the tool substrate is made uniform, and a coating layer having a uniform film thickness is formed.
【0014】[0014]
【実施例】次に本発明の実施例を示す。本発明を適用し
てマイクロドリルに窒化チタニウム(TiN)膜を被覆
した。対象ドリルは、WC−Co系超硬合金製の全長3
7mm、刃長5mm、ドリル径0.4mmφのものである。こ
のドリルに対し、電子ビーム蒸発源の上方に反応性ガス
を導入する一方、蒸発源の近傍にイオン化電極を配して
正電圧を与えることでアーク放電を行わせ、蒸発源から
の蒸発粒子をイオン化させる高真空アーク放電型イオン
プレーティング装置を使用して、周囲にTiN膜を被覆
した。この際、蒸発源には金属Tiを使用し、反応ガス
としては窒素ガスを用いた。ドリルは、図2に模式的に
示したものと同様な自公転治具を有するホルダーに取り
付け、バイアスコントロール治具としてドリルの周りを
直径が4mmφのステンレスメッシュ筒で囲繞した。網目
の開きは2mm、線径0.5mmであり、ステンレスメッシ
ュ筒はドリル先端から20mm先に達する長さとした。成
膜は、ホルダーに固定した工具をボンバードクリーニン
グ後、純度99.9%のTiを電子ビーム蒸発源より蒸
発させて行った。この際の成膜条件は、電子ビーム出
力:−8.5kV,250mA、イオン化電極電圧:3
0V、イオン化電流:50A、窒素ガス圧力:1×1/
103Torr、バイアス電圧:−300V、工具温
度:350℃であった。得られたTiN被膜層の膜厚は
約1.5μmであり、ドリルの主切れ刃、コーナ、マー
ジンにも一様に膜が形成されていた。これはバイアスコ
ントロール治具の効果により均一な膜を形成できたこと
によることは明らかである。次いで、得られた被覆ドリ
ルの切削特性を調べた。この試験での穴あけ装置にはC
NCドリリングマシンを使用した。被加工材はガラスエ
ポキシ4層板(NEMAグレード、FR−4)である。
切削条件は、ドリル回転数:75000rpm、Z軸送
り速度:2.4m/min、穴あけピッチ:2.5mmで
あり、ガラスエポキシ基板2枚重ねに貫通穴をあける試
験を行った。穴あけの際切削液は使用しなかった。併せ
てバイアスコントロール治具を使用しないほか他を同条
件としてTiN被膜層付きのドリルを得、これについて
も上記条件で切削特性を調べた。その結果、従来法(バ
イヤスコントロール治具を使用しないほか同条件で被覆
する方法)でTiN膜被覆されたマイクロドリルは、未
被覆ドリルの平均寿命(スミヤ現象が発生して使用不可
となる)である3000ヒット(回)よりは幾分向上し
たものの、平均で約4000ヒット(回)程度で寿命に
達した。しかし中には3000ヒットより寿命が短くな
る場合も観察された。これに対して、本発明法で被覆し
たマイクロドリルの場合は、約10000ヒット(回)
程度と2〜3倍程度に寿命が向上されることが確認され
た。これは、図4に刃先部を拡大し模式的に示すよう
に、工具刃先部最外部DにTiN膜Cがノジュール現象
を生ぜず均一な膜厚で形成されたため、被覆の効果が良
好に現れたことによることは明らかである。それに対
し、従来法では図5に刃先部を拡大し模式的に示すよう
に、刃先にTiNのノジュールC’が生じており、この
ため切れ味が悪くなったり、そこが脱落したりして満足
な寿命向上が得られなかったと思われる。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below. The present invention was applied to coat a microdrill with a titanium nitride (TiN) film. The target drill has a total length of 3 made of WC-Co cemented carbide.
7 mm, blade length 5 mm, drill diameter 0.4 mmφ. For this drill, while introducing a reactive gas above the electron beam evaporation source, an ionization electrode was placed near the evaporation source to apply a positive voltage to cause arc discharge, and to evaporate particles from the evaporation source. A high vacuum arc discharge type ion plating device for ionization was used to coat the periphery with a TiN film. At this time, Ti was used as the evaporation source and nitrogen gas was used as the reaction gas. The drill was attached to a holder having a revolving jig similar to the one schematically shown in FIG. 2, and was surrounded by a stainless mesh cylinder having a diameter of 4 mmφ as a bias control jig. The mesh opening was 2 mm and the wire diameter was 0.5 mm, and the stainless mesh cylinder had a length reaching 20 mm ahead from the drill tip. The film formation was performed by bombarding a tool fixed to a holder and then evaporating Ti having a purity of 99.9% from an electron beam evaporation source. The film forming conditions at this time were as follows: electron beam output: -8.5 kV, 250 mA, ionization electrode voltage: 3
0 V, ionization current: 50 A, nitrogen gas pressure: 1 × 1 /
It was 10 3 Torr, bias voltage: −300 V, and tool temperature: 350 ° C. The thickness of the obtained TiN coating layer was about 1.5 μm, and the film was uniformly formed on the main cutting edge of the drill, the corner and the margin. It is clear that this is because a uniform film could be formed by the effect of the bias control jig. Then, the cutting characteristics of the obtained coated drill were examined. C for the drilling device in this test
An NC drilling machine was used. The work material is a glass epoxy four-layer board (NEMA grade, FR-4).
The cutting conditions were a drill rotation speed: 75000 rpm, a Z-axis feed rate: 2.4 m / min, and a drilling pitch: 2.5 mm, and a test was performed in which two glass epoxy substrates were stacked to form a through hole. No cutting fluid was used during drilling. A drill with a TiN coating layer was also obtained under the same conditions except that the bias control jig was not used, and the cutting characteristics of the drill were also examined under the above conditions. As a result, the micro drill coated with the TiN film by the conventional method (a method that does not use the bias control jig and covers under the same conditions) has an average life of the uncoated drill (smear phenomenon occurs and becomes unusable). Although it was somewhat improved from a certain 3000 hits (times), the average life reached about 4000 hits (times). However, in some cases, the life was shorter than 3000 hits was also observed. On the other hand, in the case of the microdrill coated by the method of the present invention, about 10,000 hits (times)
It was confirmed that the life was improved by about 2 to 3 times. This is because the TiN film C is formed on the outermost part D of the tool edge portion with a uniform film thickness without causing the nodule phenomenon, as shown schematically in FIG. It is clear that it depends. On the other hand, in the conventional method, as shown in an enlarged schematic view of the cutting edge portion in FIG. 5, a TiN nodule C ′ is generated at the cutting edge, which results in poor sharpness and falling off, which is satisfactory. It seems that the life was not improved.
【0015】なお、上記方法は、イオンプレーティング
法によって形成される前述のTiNの他、IVa族金属
(Zr,Hf)、更にはVa族金属(V,Nb,Ta)
やVIa族金属(Cr,Mo,W)の窒化物、炭化物また
は炭窒化物、例えばHfN,CrN,ZrN,TiC,
TiCN等の薄膜の被覆にも勿論適用することができ
る。 また、上記方法は前述したようなマイクロドリル
以外の刃先部が鋭利な工具への薄膜被覆にも勿論適用す
ることができる。In the above method, in addition to the above-mentioned TiN formed by the ion plating method, a group IVa metal (Zr, Hf) and a group Va metal (V, Nb, Ta) are used.
Or VIa group metal (Cr, Mo, W) nitrides, carbides or carbonitrides such as HfN, CrN, ZrN, TiC,
Of course, it can be applied to the coating of a thin film such as TiCN. Further, the above method can of course be applied to thin film coating on a tool having a sharp cutting edge other than the micro drill as described above.
【0016】[0016]
【発明の効果】以上説明した本発明の請求項1によれ
ば、被覆層を形成させる際に工具基材にバイアス電位を
印加したときに発生する工具周囲の電界強度を均一化す
るため、蒸発源より発生された電荷をもった蒸着粒子が
刃先部の鋭利な工具の刃先部に集中すること、ならびに
同工具の刃先部およびその近傍に大きなサイズのドロッ
プレットが付着してそれぞれ工具の切れ味を低下させる
ことが防止され、表面が滑らかで膜厚の均一性の優れた
被覆層を有する切れ味の良い工具を得ることができると
いうすぐれた効果が得られる。請求項2によれば、導電
性多孔バイアスコントロール治具で工具の所要範囲を囲
繞するため、工具周囲の電界強度の均一化を簡単かつ低
コストで実現することができるというすぐれた効果が得
られる。According to claim 1 of the present invention described above, evaporation is performed in order to equalize the electric field strength around the tool generated when a bias potential is applied to the tool base material when forming the coating layer. The vaporized particles with a charge generated from the source concentrate on the cutting edge of a sharp tool, and large size droplets adhere to the cutting edge of the tool and its vicinity to improve the sharpness of the tool. It is possible to obtain the excellent effect that it is possible to obtain a tool with good sharpness which is prevented from being lowered and has a coating layer having a smooth surface and excellent in film thickness uniformity. According to the second aspect, since the required range of the tool is surrounded by the conductive porous bias control jig, the excellent effect that the electric field strength around the tool can be easily realized at low cost can be obtained. .
【図1】本発明の被覆層形成方法に使用されるイオンプ
レーティング装置の一例を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view showing an example of an ion plating device used in a coating layer forming method of the present invention.
【図2】イオンプレーティングに使用されるバイアスコ
ントロール治具を使用状態で示す側面図である。FIG. 2 is a side view showing a bias control jig used for ion plating in a used state.
【図3】バイアスコントロール治具の作用を示す説明図
である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an operation of a bias control jig.
【図4】本発明を適用した被覆マイクロドリルの刃先部
の拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged sectional view of a blade portion of a coated microdrill to which the present invention is applied.
【図5】バイアスコントロール治具を使用しなかった場
合の被覆マイクロドリルの刃先部の拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a cutting edge portion of a coated microdrill when a bias control jig is not used.
3 ホルダー 5 バイアスコントロール治具 30 バイアス電源 50 孔 T 被覆すべき工具 A 反応するガスイオン B 蒸着粒子 C 硬質膜被覆層 D 工具刃先部最外部 3 Holder 5 Bias control jig 30 Bias power supply 50 Hole T Tool to be coated A Reactive gas ions B Evaporated particles C Hard film coating layer D Tool edge outermost
Claims (3)
を印加するイオンプレーティング法により金属の窒化
物、炭化物または炭窒化物の硬質膜を被覆させる方法に
おいて、前記金属の窒化物、炭化物または炭窒化物被覆
粒子が鋭利な工具刃先部に集中し刃先部に厚く堆積する
ことを防止すべく、工具に対して工具周囲の電界強度を
均一化させつつ被覆させることを特徴とする工具への被
覆層形成方法。1. A method for coating a hard film of a metal nitride, a carbide or a carbonitride on the surface of a tool substrate by an ion plating method in which a negative bias voltage is applied, wherein the metal nitride is A tool characterized in that carbide or carbonitride coated particles are coated on the tool while making the electric field strength around the tool uniform in order to prevent the particles from being concentrated and sharply deposited on the sharp edge of the tool. Of forming a coating layer on the surface.
きに発生する工具周囲の電界強度を均一化する方法が、
硬質膜被覆時に導電性多孔バイアスコントロール治具で
工具の所要範囲を囲繞する方法である請求項1に記載の
被覆層形成方法。2. A method for equalizing the electric field strength around a tool generated when a negative bias voltage is applied to the tool,
The method for forming a coating layer according to claim 1, which is a method of surrounding a required range of the tool with a conductive porous bias control jig when coating a hard film.
形成する金属がIVa族金属(Ti,Zr,Hf)、Va
族金属(V,Nb,Ta)およびVIa族金属(Cr,M
o,W)から構成されるグループの金属から選ばれたい
ずれか一つの金属である請求項1ないし2のいずれかに
記載の工具への被覆層形成方法。3. The metal forming the nitride, carbide or carbonitride coated particles is a group IVa metal (Ti, Zr, Hf), Va.
Group metals (V, Nb, Ta) and VIa group metals (Cr, M)
The method for forming a coating layer on a tool according to any one of claims 1 to 2, wherein the coating layer is a metal selected from the group consisting of metals (o, W).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21961694A JPH0860348A (en) | 1994-08-23 | 1994-08-23 | Formation of coating layer on tool |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21961694A JPH0860348A (en) | 1994-08-23 | 1994-08-23 | Formation of coating layer on tool |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0860348A true JPH0860348A (en) | 1996-03-05 |
Family
ID=16738327
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21961694A Pending JPH0860348A (en) | 1994-08-23 | 1994-08-23 | Formation of coating layer on tool |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0860348A (en) |
-
1994
- 1994-08-23 JP JP21961694A patent/JPH0860348A/en active Pending
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