JP3135513B2 - ホウ素でドープされた窒化チタン、これをベースとする、高硬度及び耐摩耗性を有する基体コーティング、及びこのコーティングを含む部品 - Google Patents
ホウ素でドープされた窒化チタン、これをベースとする、高硬度及び耐摩耗性を有する基体コーティング、及びこのコーティングを含む部品Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ホウ素でドープさ
れた窒化チタンを含有する新規化合物に関する。更に詳
細には、新規な組成及び構造を有する、ホウ素でドープ
された窒化チタンであって、優れた機械的特性の組み合
わせを提供し、ダイヤモンドの硬度と類似する硬度を有
し、いかなる場合でもビッカース（Vickers ）硬度が５
０ＧＰａを超え、もろさがなく耐摩耗性に優れた窒化チ
タンに関する。また、本発明は、高硬度及び非常に良好
な耐摩耗性を有する、上記ホウ素でドープされた窒化チ
タンをベースとする基体コーティングに関する。更に、
本発明は、この種のコーティングを含有する部品に関す
る。
れた窒化チタンを含有する新規化合物に関する。更に詳
細には、新規な組成及び構造を有する、ホウ素でドープ
された窒化チタンであって、優れた機械的特性の組み合
わせを提供し、ダイヤモンドの硬度と類似する硬度を有
し、いかなる場合でもビッカース（Vickers ）硬度が５
０ＧＰａを超え、もろさがなく耐摩耗性に優れた窒化チ
タンに関する。また、本発明は、高硬度及び非常に良好
な耐摩耗性を有する、上記ホウ素でドープされた窒化チ
タンをベースとする基体コーティングに関する。更に、
本発明は、この種のコーティングを含有する部品に関す
る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】特に、
摩耗に耐えなければならない機械部品等の材料の場合、
耐摩耗性は、しばしばコーティングによって与えられる
保護により提供される。このような場合、コーティング
は高い硬度を有することが重要であるが、例えば、機械
的又は熱ショックの場合における、保護に影響を及ぼす
かもしれない非常に高いもろさを犠牲にして得られるも
のであってはならない。コーティングは、摩擦によって
消費されるエネルギーを排除できるようにするために十
分な熱伝導率をも有していなければならない。従って、
コーティングは、それと完全に接着するために、コート
される部品の材料と化学的及び金属学的に相溶性でなけ
ればならない。例えば、切断、変形又は成形により材料
を造形するための道具の場合には、上記の全ての特性が
必要であり、これは、本発明の好ましいが非限定的な適
用分野を示す。
摩耗に耐えなければならない機械部品等の材料の場合、
耐摩耗性は、しばしばコーティングによって与えられる
保護により提供される。このような場合、コーティング
は高い硬度を有することが重要であるが、例えば、機械
的又は熱ショックの場合における、保護に影響を及ぼす
かもしれない非常に高いもろさを犠牲にして得られるも
のであってはならない。コーティングは、摩擦によって
消費されるエネルギーを排除できるようにするために十
分な熱伝導率をも有していなければならない。従って、
コーティングは、それと完全に接着するために、コート
される部品の材料と化学的及び金属学的に相溶性でなけ
ればならない。例えば、切断、変形又は成形により材料
を造形するための道具の場合には、上記の全ての特性が
必要であり、これは、本発明の好ましいが非限定的な適
用分野を示す。
【０００３】耐摩耗性を向上させ、それによって性能を
向上させるために鋼鉄又はセラミック工具をコートする
ことは、通常のやり方である。最も広く用いられている
コーティングは、一般に物理的又は化学的気相蒸着技術
により工具に塗布される窒化チタンコーティングであ
る。最近、窒化チタンの被覆の限界を回避するために、
特に作業温度が４５０℃付近を越える場合に、炭化窒化
チタン(titanium carbonitride,TiCN)コーティング及び
混合窒化チタン及びアルミニウム(TiAlN) コーティング
が提案された。FR-A-2 653 452に記載されたクロム／窒
素の組み合わせのような、他の遷移元素の窒化物が首尾
よく提案されている。上述したコーティングの全て、遷
移元素の窒化物及び炭化窒化物(carbonitride)は、一般
に20GPa 〜35GPa の範囲の同様の硬度を有する。これら
は、一般に残留応力が非常に高くなりやすく、これは過
度に高いもろさの危険を冒さずに１０μｍを超える厚み
の層では用いることができず、厳しい条件下での使用に
適さないことを意味する。
向上させるために鋼鉄又はセラミック工具をコートする
ことは、通常のやり方である。最も広く用いられている
コーティングは、一般に物理的又は化学的気相蒸着技術
により工具に塗布される窒化チタンコーティングであ
る。最近、窒化チタンの被覆の限界を回避するために、
特に作業温度が４５０℃付近を越える場合に、炭化窒化
チタン(titanium carbonitride,TiCN)コーティング及び
混合窒化チタン及びアルミニウム(TiAlN) コーティング
が提案された。FR-A-2 653 452に記載されたクロム／窒
素の組み合わせのような、他の遷移元素の窒化物が首尾
よく提案されている。上述したコーティングの全て、遷
移元素の窒化物及び炭化窒化物(carbonitride)は、一般
に20GPa 〜35GPa の範囲の同様の硬度を有する。これら
は、一般に残留応力が非常に高くなりやすく、これは過
度に高いもろさの危険を冒さずに１０μｍを超える厚み
の層では用いることができず、厳しい条件下での使用に
適さないことを意味する。
【０００４】現在のところ、上述した材料で得られる性
能のレベルを有意義に超えるコーティングはない。主要
な技術的な改良ステップを代表するものとして予想され
るかもしれない１つの解決案は、結晶ダイヤモンドコー
ティング又は立方晶窒化ホウ素コーティングを用いるこ
とであるが、不幸なことに、これらを用いることの困難
さのために、未だに修得されていないように思われる。
本発明の１つの目的は、性能において、機械部品、特に
工具の耐摩耗性を改良する目的で、今日この分野で基準
である窒化チタンコーティングを超える有意義な改良を
達成することである。この目的を達成するために、少な
くとも以下の機械的特性を有する材料が必要である。 −非常に高い硬度、少なくとも50GPa −良好な熱伝導率 −もろさの欠如 −適度な内部応力 これまでは、これら４つの特性を１つの材料で同時に得
ることはできそうもないと思われていた。非常に高い硬
度は共有結合タイプの化学結合を有する材料によって得
られるが、この結合のタイプは、ある種のセラミックに
おけるように容認できないもろさを示す。熱伝導率及び
もろさの欠如は、一般にイオンタイプの結合を有する固
体によって得られる。これは、金属及び合金及び既に例
示されたクロム及びチタンの窒化物の場合であり、これ
らの結合の本質により、硬度は合金では10GPa を超え
ず、金属／窒素の組み合わせでは35GPa を超えない。
能のレベルを有意義に超えるコーティングはない。主要
な技術的な改良ステップを代表するものとして予想され
るかもしれない１つの解決案は、結晶ダイヤモンドコー
ティング又は立方晶窒化ホウ素コーティングを用いるこ
とであるが、不幸なことに、これらを用いることの困難
さのために、未だに修得されていないように思われる。
本発明の１つの目的は、性能において、機械部品、特に
工具の耐摩耗性を改良する目的で、今日この分野で基準
である窒化チタンコーティングを超える有意義な改良を
達成することである。この目的を達成するために、少な
くとも以下の機械的特性を有する材料が必要である。 −非常に高い硬度、少なくとも50GPa −良好な熱伝導率 −もろさの欠如 −適度な内部応力 これまでは、これら４つの特性を１つの材料で同時に得
ることはできそうもないと思われていた。非常に高い硬
度は共有結合タイプの化学結合を有する材料によって得
られるが、この結合のタイプは、ある種のセラミックに
おけるように容認できないもろさを示す。熱伝導率及び
もろさの欠如は、一般にイオンタイプの結合を有する固
体によって得られる。これは、金属及び合金及び既に例
示されたクロム及びチタンの窒化物の場合であり、これ
らの結合の本質により、硬度は合金では10GPa を超え
ず、金属／窒素の組み合わせでは35GPa を超えない。
【０００５】全く予期せずに、出願人は、ホウ素等の分
子で、窒化チタン等の窒化物をドーピングすると、熱伝
導率に影響を及ぼさずかつもろさを引き起こさずに、50
GPaを超える優れた硬度が付与されることを発見した。
出願人は、ホウ素でドーピングされたこの種の材料の耐
摩耗性がドーピングしていない同一の材料よりも非常に
向上することを示すことができる。この向上は、典型的
には５〜１０倍である。本発明のコーティングに対して
適当な技術で層解析を行うと、窒化チタンTiN（オスボ
ーナイト）のみが見られ、定義された化合物又はホウ素
を含む層はないので、それは、新しい相というよりも、
実際にドープされた材料である。更に構造上の観点か
ら、これらの材料はもろいので、この組み合わせは窒化
ホウ素固有ではないが、ホウ素が挿入又は置換された、
窒化チタンTiN の金属学的構造を有しているので、本当
に「ホウ素でドープされた窒化チタン」である。本発明
の新規化合物は、単一相材料であり、即ち、単一の金属
学的相のみを含む。一般規則として、材料は、硬度、衝
撃抵抗、耐摩耗性及び抵抗率等の有用な特性を説明する
特徴のセットによって定義されなければならない。考え
られる基礎的特徴は、相互に関連した原子の配列で定義
されるので、主に、相又は現在の相の性質である。相の
確認のために最も広く用いられている技術はＸ線回折で
あり、その感度は、相がどれだけ良く結晶化されている
かに比例する。しかし、相が微結晶である場合、この技
術は相対的に低感度である。微小の結晶(nanocrystalli
ne) でさえも全く検出できず、非晶でも同様である。こ
の場合、他の技術を用いることができ、最も広く用いら
れるのが電子回折及びラマンスペクトル分析である。
子で、窒化チタン等の窒化物をドーピングすると、熱伝
導率に影響を及ぼさずかつもろさを引き起こさずに、50
GPaを超える優れた硬度が付与されることを発見した。
出願人は、ホウ素でドーピングされたこの種の材料の耐
摩耗性がドーピングしていない同一の材料よりも非常に
向上することを示すことができる。この向上は、典型的
には５〜１０倍である。本発明のコーティングに対して
適当な技術で層解析を行うと、窒化チタンTiN（オスボ
ーナイト）のみが見られ、定義された化合物又はホウ素
を含む層はないので、それは、新しい相というよりも、
実際にドープされた材料である。更に構造上の観点か
ら、これらの材料はもろいので、この組み合わせは窒化
ホウ素固有ではないが、ホウ素が挿入又は置換された、
窒化チタンTiN の金属学的構造を有しているので、本当
に「ホウ素でドープされた窒化チタン」である。本発明
の新規化合物は、単一相材料であり、即ち、単一の金属
学的相のみを含む。一般規則として、材料は、硬度、衝
撃抵抗、耐摩耗性及び抵抗率等の有用な特性を説明する
特徴のセットによって定義されなければならない。考え
られる基礎的特徴は、相互に関連した原子の配列で定義
されるので、主に、相又は現在の相の性質である。相の
確認のために最も広く用いられている技術はＸ線回折で
あり、その感度は、相がどれだけ良く結晶化されている
かに比例する。しかし、相が微結晶である場合、この技
術は相対的に低感度である。微小の結晶(nanocrystalli
ne) でさえも全く検出できず、非晶でも同様である。こ
の場合、他の技術を用いることができ、最も広く用いら
れるのが電子回折及びラマンスペクトル分析である。
【０００６】チタン、窒素及びホウ素を含有する多くの
材料が先行技術で開示されている。この点について、出
願人は、出願人が調査したChemical Abstracts, vol. 1
20,no.16, 18 April 1994に要約されたR.Soc.Chem.(199
3),126 （表面工学、vol.1,コーティングの基礎）のW.G
issler, T.Friesen, J.Haupt 及びD.G.Rickerbyの仕事
を引用する。この論文は、結晶相に加え非晶相を含む化
合物TiNx(By)、即ちガラス質マトリックス中の窒化チタ
ンを開示する。上記論文に開示された化合物は多相材料
であるが、本発明はそれとは異なり単相材料である。更
に、出願人は上記論文の材料が高い硬度を有し、同時に
非常に著しいもろさを有することを確認した（スクラッ
チ試験により検出）。また、出願人は、Chemical Abstr
acts, vol.120, no.10, 7 March 1994に要約される、T.
Friesen, J.Haupt, P.N.Gibson及びW.Gissler による論
文、NATO ASISER., SER. E(1993), 233（超微粒顕微鏡
構造を有する材料の機械的特性及び変形）中のGissler
の他の仕事を調査した。上記論文の化合物の蒸着のＸ線
回折は、本発明のホウ素でドープされた窒化チタンと全
く異なるAlB2結晶構造を示す。既に分析された論文の化
合物と同様に、上記論文の材料は高い硬度を有すると同
時に著しいもろさを有する。
材料が先行技術で開示されている。この点について、出
願人は、出願人が調査したChemical Abstracts, vol. 1
20,no.16, 18 April 1994に要約されたR.Soc.Chem.(199
3),126 （表面工学、vol.1,コーティングの基礎）のW.G
issler, T.Friesen, J.Haupt 及びD.G.Rickerbyの仕事
を引用する。この論文は、結晶相に加え非晶相を含む化
合物TiNx(By)、即ちガラス質マトリックス中の窒化チタ
ンを開示する。上記論文に開示された化合物は多相材料
であるが、本発明はそれとは異なり単相材料である。更
に、出願人は上記論文の材料が高い硬度を有し、同時に
非常に著しいもろさを有することを確認した（スクラッ
チ試験により検出）。また、出願人は、Chemical Abstr
acts, vol.120, no.10, 7 March 1994に要約される、T.
Friesen, J.Haupt, P.N.Gibson及びW.Gissler による論
文、NATO ASISER., SER. E(1993), 233（超微粒顕微鏡
構造を有する材料の機械的特性及び変形）中のGissler
の他の仕事を調査した。上記論文の化合物の蒸着のＸ線
回折は、本発明のホウ素でドープされた窒化チタンと全
く異なるAlB2結晶構造を示す。既に分析された論文の化
合物と同様に、上記論文の材料は高い硬度を有すると同
時に著しいもろさを有する。
【０００７】また、出願人は、Chemical Abstracts, vo
l.80, no.16, 22 April 1974に要約されるV.N.Troitski
i らの論文「超高周波数放電プラズマ中での窒化ホウ素
化チタン(Titanium Boronitride)粉末の製造」を引用す
る。上記論文に開示された材料は、相というよりもむし
ろ固溶体である。この場合、結晶格子は、ホウ素又は窒
素の含有によって大きいか又は少ない程度での変形のあ
る、チタンのものであるのに対し、本発明においては、
結晶格子はTiN 相のものであり、ホウ素は、多分挿入に
より組み込まれている。Troitskii らの論文の固溶体
は、沈殿物ＢＮとＢ相とのアニーリングが本発明のもの
から程遠い多相材料を引き起こすので、過度に飽和され
不安定である。本発明の材料はセラミックであるのに対
し、Troitskii らの材料は金属の性質を有する。本発明
の新規材料の完全に顕著な性質の結合をどのように得た
かはまだ説明されておらず、どんな特別の理論に制限さ
れることも望まないけれども、非常に小さいホウ素原子
は、窒素原子（TiN は通常窒素又はチタン原子を欠くた
め、化学量論的不足を有する）又は割り込み位置を置換
して、窒化チタンTiN （オスボーナイト）の格子中で固
定することができる。従って、それは結晶格子の変形を
阻止して、他の特性に影響を及ぼすことなく、材料の硬
度を向上させることができる。
l.80, no.16, 22 April 1974に要約されるV.N.Troitski
i らの論文「超高周波数放電プラズマ中での窒化ホウ素
化チタン(Titanium Boronitride)粉末の製造」を引用す
る。上記論文に開示された材料は、相というよりもむし
ろ固溶体である。この場合、結晶格子は、ホウ素又は窒
素の含有によって大きいか又は少ない程度での変形のあ
る、チタンのものであるのに対し、本発明においては、
結晶格子はTiN 相のものであり、ホウ素は、多分挿入に
より組み込まれている。Troitskii らの論文の固溶体
は、沈殿物ＢＮとＢ相とのアニーリングが本発明のもの
から程遠い多相材料を引き起こすので、過度に飽和され
不安定である。本発明の材料はセラミックであるのに対
し、Troitskii らの材料は金属の性質を有する。本発明
の新規材料の完全に顕著な性質の結合をどのように得た
かはまだ説明されておらず、どんな特別の理論に制限さ
れることも望まないけれども、非常に小さいホウ素原子
は、窒素原子（TiN は通常窒素又はチタン原子を欠くた
め、化学量論的不足を有する）又は割り込み位置を置換
して、窒化チタンTiN （オスボーナイト）の格子中で固
定することができる。従って、それは結晶格子の変形を
阻止して、他の特性に影響を及ぼすことなく、材料の硬
度を向上させることができる。
【０００８】
【発明を解決するための手段】従って、本発明は、ホウ
素でドープされ、窒化チタンTiN と同一構造に結晶化さ
れ、ビッカース微小硬度が約50GPa を超える、窒化チタ
ンを提供する。本発明のホウ素でドープされた窒化チタ
ンの、３種の成分（窒素、チタン及びホウ素）の相対比
率は下記に示す原子％で表される。 ４％＜ホウ素＜２８％ １８％＜窒素＜３４％ チタン＝１００％の残余。 本発明のホウ素でドープされた窒化チタンの窒素、チタ
ン及びホウ素成分の原子％は、下記のような比率である
ことが好ましい。 （ホウ素＋窒素）／チタン＝0.７５ 該新規化合物、ホウ素でドープされた窒化チタンの金属
学的構造は、ホウ素が挿入又は置換された窒化チタンTi
N の構造であり、特にホウ化チタン又はホウ化窒化チタ
ンの相を有しないことがわかる。本発明の新規化合物の
金属学的構造は、添付図面１〜５の試験から更に明らか
になるだろう。
素でドープされ、窒化チタンTiN と同一構造に結晶化さ
れ、ビッカース微小硬度が約50GPa を超える、窒化チタ
ンを提供する。本発明のホウ素でドープされた窒化チタ
ンの、３種の成分（窒素、チタン及びホウ素）の相対比
率は下記に示す原子％で表される。 ４％＜ホウ素＜２８％ １８％＜窒素＜３４％ チタン＝１００％の残余。 本発明のホウ素でドープされた窒化チタンの窒素、チタ
ン及びホウ素成分の原子％は、下記のような比率である
ことが好ましい。 （ホウ素＋窒素）／チタン＝0.７５ 該新規化合物、ホウ素でドープされた窒化チタンの金属
学的構造は、ホウ素が挿入又は置換された窒化チタンTi
N の構造であり、特にホウ化チタン又はホウ化窒化チタ
ンの相を有しないことがわかる。本発明の新規化合物の
金属学的構造は、添付図面１〜５の試験から更に明らか
になるだろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】それぞれの図において、縦軸（０
〜５９３に目盛りをつけている）はＸ線の強度に相当す
る。横軸（２５°〜８０°に目盛りをつけている）は、
度における走査角(swept angle) ２θに相当する。条件
は以下の通りである。ＣＴ＝１1.２ｓ-1（１1.２カウン
ト／秒に相当する）；ＳＳ＝0.０２０°（θで目盛りを
つけた分析角度増加に相当する）；λ＝銅のＫα1 輝線
の波長である1.５４０９×１０-4μｍの波長λに相当す
る1.５４０９×１０-4μｍ。印を付けた化合物に先行す
る番号が、ＡＳＴＭの番号に相当する。図１は、本発明
のホウ素でドープした窒化チタンのＸ線回折スペクトル
を、窒化チタン（オブソーナイト）、TiN 、チタンTi及
び窒化チタンTi2Nのマークした理論ピークと共に示す。
図２は、本発明のホウ素でドープされた窒化チタンのＸ
線回折スペクトルを、チタンTi、ホウ素化チタンTiB2及
びホウ素化チタンTiB のマークした理論ピークと共に示
す。図３は、本発明のホウ素でドープされた窒化チタン
のＸ線回折スペクトルを、窒化ホウ素BN、窒化ホウ素B
N、窒化ホウ素BN及びホウ素Ｂのマークした理論ピーク
と共に示す。図４は、本発明のホウ素でドープされた窒
化チタンのＸ線回折スペクトルを、ホウ素化チタンTi3B
4 、ホウ素化チタンTi2B5 及びホウ素化チタンTiB2のマ
ークした理論ピークと共に示す。図５は、本発明のホウ
素でドープされた窒化チタンのＸ線回折スペクトルを、
三元相Ti-B-N（窒化ホウ素化チタン）及びB10N22Ti68の
マークした理論ピークと共に示す。図１の試験は、窒化
チタンTiN （オブソーナイト）相が本発明の新規化合物
内に見られ、チタン相が見られないことを示す。図２〜
５の試験は、ホウ素化チタンTiB 、ホウ素化チタンTi
B2、ホウ素化チタンTi3B4 、ホウ素化チタンTi2B5 、窒
化ホウ素BN、チタンTi、ホウ素及びTi-B-N、窒化ホウ素
化チタンB10N22Ti68相が本発明の新規化合物内に見られ
ないことを示す。また、本発明は、上記で定義されたよ
うな化合物を含有する耐摩耗性コーティングを提供す
る。本発明のコーティングの厚みは、約１μｍを超える
ことが好ましい。
〜５９３に目盛りをつけている）はＸ線の強度に相当す
る。横軸（２５°〜８０°に目盛りをつけている）は、
度における走査角(swept angle) ２θに相当する。条件
は以下の通りである。ＣＴ＝１1.２ｓ-1（１1.２カウン
ト／秒に相当する）；ＳＳ＝0.０２０°（θで目盛りを
つけた分析角度増加に相当する）；λ＝銅のＫα1 輝線
の波長である1.５４０９×１０-4μｍの波長λに相当す
る1.５４０９×１０-4μｍ。印を付けた化合物に先行す
る番号が、ＡＳＴＭの番号に相当する。図１は、本発明
のホウ素でドープした窒化チタンのＸ線回折スペクトル
を、窒化チタン（オブソーナイト）、TiN 、チタンTi及
び窒化チタンTi2Nのマークした理論ピークと共に示す。
図２は、本発明のホウ素でドープされた窒化チタンのＸ
線回折スペクトルを、チタンTi、ホウ素化チタンTiB2及
びホウ素化チタンTiB のマークした理論ピークと共に示
す。図３は、本発明のホウ素でドープされた窒化チタン
のＸ線回折スペクトルを、窒化ホウ素BN、窒化ホウ素B
N、窒化ホウ素BN及びホウ素Ｂのマークした理論ピーク
と共に示す。図４は、本発明のホウ素でドープされた窒
化チタンのＸ線回折スペクトルを、ホウ素化チタンTi3B
4 、ホウ素化チタンTi2B5 及びホウ素化チタンTiB2のマ
ークした理論ピークと共に示す。図５は、本発明のホウ
素でドープされた窒化チタンのＸ線回折スペクトルを、
三元相Ti-B-N（窒化ホウ素化チタン）及びB10N22Ti68の
マークした理論ピークと共に示す。図１の試験は、窒化
チタンTiN （オブソーナイト）相が本発明の新規化合物
内に見られ、チタン相が見られないことを示す。図２〜
５の試験は、ホウ素化チタンTiB 、ホウ素化チタンTi
B2、ホウ素化チタンTi3B4 、ホウ素化チタンTi2B5 、窒
化ホウ素BN、チタンTi、ホウ素及びTi-B-N、窒化ホウ素
化チタンB10N22Ti68相が本発明の新規化合物内に見られ
ないことを示す。また、本発明は、上記で定義されたよ
うな化合物を含有する耐摩耗性コーティングを提供す
る。本発明のコーティングの厚みは、約１μｍを超える
ことが好ましい。
【００１０】本発明の材料は、保護が要求される部品に
適当な技術で蒸着コーティングした形態で用いられるこ
とが好ましい。上記コーティングは、適当な手段で塗工
される。真空蒸着技術、及び更に特にカソードスパッタ
ーは、意図した応用に依存し、数１０μｍまでの厚みの
相を得るための好ましい手段である。例えば、チタン−
ホウ素化合物は、窒素を含有する希薄な大気中で気化さ
れる。この種のTi-B化合物が気化される場合、常にほと
んど原子であり、Ti原子、Ｂ原子及びＮ原子を含有す
る。チタンは、窒素と結合するようになり、ホウ素は、
このようにして形成された窒化チタンに挿入される。本
発明によれば、コーティングは、例えば合金鉄等の金属
部品、炭化タングステン又はサーメット部品等のセラミ
ック部品に適用される。
適当な技術で蒸着コーティングした形態で用いられるこ
とが好ましい。上記コーティングは、適当な手段で塗工
される。真空蒸着技術、及び更に特にカソードスパッタ
ーは、意図した応用に依存し、数１０μｍまでの厚みの
相を得るための好ましい手段である。例えば、チタン−
ホウ素化合物は、窒素を含有する希薄な大気中で気化さ
れる。この種のTi-B化合物が気化される場合、常にほと
んど原子であり、Ti原子、Ｂ原子及びＮ原子を含有す
る。チタンは、窒素と結合するようになり、ホウ素は、
このようにして形成された窒化チタンに挿入される。本
発明によれば、コーティングは、例えば合金鉄等の金属
部品、炭化タングステン又はサーメット部品等のセラミ
ック部品に適用される。
【００１１】
【実施例】本発明は、下記の非限定的な実施例によって
更に詳細に説明されるだろう。実施例１ ３６ｍｍ×１８ｍｍ×８ｍｍのカーボンスチールプレー
トに、１０μｍ厚みで、ホウ素でドープした窒化チタン
を蒸着した。このため、プレートを、ホウ素−チタン化
合物をベースとする標的を取りつけたマグネトロンカソ
ードスパッター蒸着装置に置き、減圧下アルゴン及び窒
素雰囲気中でスパッターした。操作条件は下記の通りで
ある。 −アルゴンの分圧 ：2.２Ｐａ −窒素の分圧 ：0.０５Ｐａ −カソード電力 ：1.８ｋｗ −処理時間 ：６０分 この種の材料を評価するために通常用いられる特性試験
をコートされた部品について行った。即ち： −グロー放電分光分析による原子化学分析 −ビッカース微小押込硬度による表面硬度の測定 −コーティングの接着性及びもろさを同時に測定するた
めの標準スクラッチテストにおける表面スクラッチ；結
果は、スケーリングが生じたときの負荷によって評価さ
れる。 −炭化ケイ素装填した研磨リングでプレートを摩擦する
ことによって測定した耐摩耗性。直線速度は0.55m/s 、
適用される負荷は5daNであり、試験時間は１０分であっ
た。摩擦によって発生する熱を除去するため、試験を水
中で行い、結果を、摩耗率（μｍ／分）で表した。選択
された基準は、物理的蒸気相蒸着技術によって塗布され
た窒化チタンであった。下記に説明する表１は、結果を
比較する。
更に詳細に説明されるだろう。実施例１ ３６ｍｍ×１８ｍｍ×８ｍｍのカーボンスチールプレー
トに、１０μｍ厚みで、ホウ素でドープした窒化チタン
を蒸着した。このため、プレートを、ホウ素−チタン化
合物をベースとする標的を取りつけたマグネトロンカソ
ードスパッター蒸着装置に置き、減圧下アルゴン及び窒
素雰囲気中でスパッターした。操作条件は下記の通りで
ある。 −アルゴンの分圧 ：2.２Ｐａ −窒素の分圧 ：0.０５Ｐａ −カソード電力 ：1.８ｋｗ −処理時間 ：６０分 この種の材料を評価するために通常用いられる特性試験
をコートされた部品について行った。即ち： −グロー放電分光分析による原子化学分析 −ビッカース微小押込硬度による表面硬度の測定 −コーティングの接着性及びもろさを同時に測定するた
めの標準スクラッチテストにおける表面スクラッチ；結
果は、スケーリングが生じたときの負荷によって評価さ
れる。 −炭化ケイ素装填した研磨リングでプレートを摩擦する
ことによって測定した耐摩耗性。直線速度は0.55m/s 、
適用される負荷は5daNであり、試験時間は１０分であっ
た。摩擦によって発生する熱を除去するため、試験を水
中で行い、結果を、摩耗率（μｍ／分）で表した。選択
された基準は、物理的蒸気相蒸着技術によって塗布され
た窒化チタンであった。下記に説明する表１は、結果を
比較する。
【００１２】
【表１】 本発明のホウ素で 純粋な窒化チタン ドープした窒化チタン 化学組成 Ｔｉ ５６％ Ｔｉ ５０％ Ｂ ２２％ Ｎ ５０％ Ｎ ２２％ 微小硬度 ７０ＧＰａ ２５ＧＰａ スクラッチ試験 ４２Ｎ ４０Ｎ 危険(critical)荷重 摩耗率 0.０４μｍ／分 0.４１μｍ／分
【００１３】ホウ素によるドーピングにより、その硬度
（2.８倍）及び耐摩耗性（約１０倍）はかなり上昇する
が、最初の柔軟性は保持される。実施例２ 実施例１の手順を行ったが、本発明のホウ素を含む窒化
チタンコーティングを、本発明の組成でないが真空蒸着
で形成された他の４種のコーティングと比較した。特性
試験の結果を下記表２に示した。
（2.８倍）及び耐摩耗性（約１０倍）はかなり上昇する
が、最初の柔軟性は保持される。実施例２ 実施例１の手順を行ったが、本発明のホウ素を含む窒化
チタンコーティングを、本発明の組成でないが真空蒸着
で形成された他の４種のコーティングと比較した。特性
試験の結果を下記表２に示した。
【００１４】
【表２】 本発明の 比較蒸着 比較蒸着 比較蒸着 比較蒸着 蒸着 No.1 No.2 No.3 No.4 化学組成 Ti 56％ Ti 38％ Ti 26％ Ti 56％ Ti 80％ B 22％ B 56％ B 38％ B 28％ B 10％ N 22％ N 6％ N 36％ N 16％ N 10％ 微小硬度 70GPa 55GPa 42GPa 50GPa 38GPa 危険荷重 42N 38N 36N 36N 24N 摩耗率（μｍ／分） 0.04 30 0.32 0.10 7.9
【００１５】４種の比較蒸着コーティングは非常に硬度
は高いが、耐摩耗性は本発明に比べきわめて低かった。実施例３ 反応陰極スパッターの間、窒素分圧を0.０７Ｐａに、陰
極電力を1.５ｋｗにした以外は、実施例１を繰り返し
た。得られたコーティングを実施例１に記載した方法で
特徴づけ、耐摩耗性の向上に通常に用いられている窒化
クロムと比較した。特性試験の結果を、下記表３に示し
た。
は高いが、耐摩耗性は本発明に比べきわめて低かった。実施例３ 反応陰極スパッターの間、窒素分圧を0.０７Ｐａに、陰
極電力を1.５ｋｗにした以外は、実施例１を繰り返し
た。得られたコーティングを実施例１に記載した方法で
特徴づけ、耐摩耗性の向上に通常に用いられている窒化
クロムと比較した。特性試験の結果を、下記表３に示し
た。
【００１６】
【表３】 本発明のホウ素で ＣｒＮ蒸着 ドープした窒化チタンの蒸着 （本発明でない） 化学組成 Ｔｉ ４２％ Ｃｒ ５２％ Ｂ ２６％ Ｎ ４８％ Ｎ ３２％ 微小硬度 ６０ＧＰａ ２４ＧＰａ スクラッチ試験 ３７Ｎ ３５Ｎ 危険荷重 摩耗率 0.０８μｍ／分 0.３８μｍ／分
【００１７】本発明のコーティングは、これまで、耐摩
耗性を改良するために通常に推奨された解決法の１つで
ある窒化クロムに比し、2.５倍高い硬度及びほぼ４倍優
れた耐摩耗性を有する。
耗性を改良するために通常に推奨された解決法の１つで
ある窒化クロムに比し、2.５倍高い硬度及びほぼ４倍優
れた耐摩耗性を有する。
【図１】本発明のホウ素でドープした窒化チタンのＸ線
回折スペクトルを示す図である。
回折スペクトルを示す図である。
【図２】本発明のホウ素でドープした窒化チタンのＸ線
回折スペクトルを示す図である。
回折スペクトルを示す図である。
【図３】本発明のホウ素でドープした窒化チタンのＸ線
回折スペクトルを示す図である。
回折スペクトルを示す図である。
【図４】本発明のホウ素でドープした窒化チタンのＸ線
回折スペクトルを示す図である。
回折スペクトルを示す図である。
【図５】本発明のホウ素でドープした窒化チタンのＸ線
回折スペクトルを示す図である。
回折スペクトルを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｐ 15/28 Ｂ２３Ｐ 15/28 Ａ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 C01B 21/076 C04B 35/58 101 B23B 27/14 B23P 15/28
Claims (11)
- 【請求項１】 ホウ素でドープされ、窒化チタンTiN と
同一構造に結晶化し、かつビッカース微小硬度が50GPa
を超えることを特徴とする窒化チタン。 - 【請求項２】 ３種の成分である窒素、チタン及びホウ
素の相対比率が下記に示す原子％で表される、請求項１
記載のホウ素でドープされた窒化チタン。 ４％＜ホウ素＜２８％ １８％＜窒素＜３４％ チタン＝１００％の残余 - 【請求項３】 窒素、チタン及びホウ素成分の原子％が
下記のような比率である、請求項２記載のホウ素でドー
プされた窒化チタン。 （ホウ素＋窒素）／チタン＝0.７５ - 【請求項４】 金属学的単一相を含有する、請求項１記
載のホウ素でドープされた窒化チタン。 - 【請求項５】 請求項１〜４の何れか１項に記載の化合
物を含有する、耐摩耗性コーティング。 - 【請求項６】 厚みが１μｍを超える、請求項５記載の
コーティング。 - 【請求項７】 請求項５又は６記載のコーティングを有
する部品。 - 【請求項８】 金属部品、炭化タングステン部品及びサ
ーメット部品から選択される、請求項７記載の部品。 - 【請求項９】 真空蒸着技術を用いて、請求項５又は６
記載のコーティングを適用する方法。 - 【請求項１０】 上記真空蒸着技術が、陰極スパッタリ
ングである、請求項９記載の方法。 - 【請求項１１】 チタン−ホウ素化合物が、窒素を含有
する一気圧未満の雰囲気中で気化される、請求項９記載
の方法。
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