JPH045750B2 - - Google Patents
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Description
(産業上の利用分野)
この発明は、化粧用および実用本位の部品にコ
ーテイングを施すための方法に関し、前記コーテ
イングは、金(10k〜24k)に類似する色、およ
び/または、灰色から、茶色、ブロンズ、黒およ
び白金の範囲にある色を有し、ここで当該コーテ
イングは、優れた接着性を有するとともに、腐食
および摩耗に対して優れた抵抗性を有するもので
ある。摩耗に対する抵抗性もしくは装飾性のある
コーテイングを必要とする典型的な部品は、クラ
ス・リング(高級リング)、時計ケースおよびバ
ンド、ライター・ケース、銀器部品、自動車部
品、眼鏡枠、ペン・キヤツプ、工具およびその他
の着用(実用)部品である。
(従来の技術)
薄いフイルム材料が、装飾的用途のために基礎
材料へ次の2つの方法により付着される。すなわ
ち、スパツタリングによる堆積(メツキ)技術、
およびイオンでメツキする堆積技術のいずれかに
よる付着される。しかし、これらの技術の両方に
含まれる典型的な基材の温度は、350〜550℃の範
囲内にある。これらの技術は、例えば、米国特許
第4402994号、米国特許第3900592号、および
“Journal of Vacuum Science and
Technology”A,Vol.4,NO.6,Nov./Dec.,
1986,pp.2717〜2725.に記載されている。しか
し、メツキされた亜鉛のコーテイング、黄銅、軸
受鋼、ブロンズおよび亜鉛を含むその合金、プラ
スチツク、アルミニウムおよびその合金等のごと
き多くの基層材料は、これらの高温度に曝される
ことはできない。さらに、これらの技術により一
般に得られる淡い黄色または他の淡い色のため、
堅いフイルムの表面上に薄い金のフイルムからな
る外套が必要である。これは、米国特許第
4415421号に記載されている。堅いフイルムおよ
び金フイルム間の協界面の接着性、および色の再
現性は、製造技術にとつて重要なものである。し
かし、上記のプロセス(技術)はこれらに関して
常に満足できるものではない。
米国特許第3625848号および米国特許第3793179
号は、真空アークの使用を伴う金属蒸着コーテイ
ングのための装置を開示している。これについて
の改良が、米国特許第4430184号に記載されてい
る。上記3つの特許は、参考としてここに併合さ
れる。そのようなアーク源は、高度のイオン化を
含むとともに、高いイオン・エネルギを有するコ
ーテイング融解体を発生させる。これは、結果と
して、高密度の微細構造および優れた接着性を持
つコーテイングになる。しかし、従来のアーク源
は、300〜500℃の範囲の典型的な基層の温度を必
要とする。
(発明の要約)
したがつて、本発明の主要目的は、多く部品に
とつて本質的なものである非常に低い基層温度ま
で低下する装飾性および耐摩耗性のあるコーテイ
ングを堆積させるためのアーク源および方法であ
つて、今までそのようなコーテイングに商業的に
適用されたことのない技術を提供することであ
る。
本発明の他の目的は、真空陰極アーク・メツキ
により材料が非常に低い温度(約50〜500℃の温
度範囲)で基層上へ付着させるための方法および
装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、金を使用することなく、
良好な接着および良好な装飾特性を以て基層にコ
ーテイングする方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、上記装置を用いて
非金色の装飾コーテイングを施すための方法を提
供することにある。
本発明の他の目的は、製造尺度において装飾フ
イルムの色の再現性および耐摩耗性を強化するこ
とである。
本発明の方法は、基層を真空容器内に置き、当
該基層上に、イオン、蒸気および/または中性体
からなる融解体を生じさせるため、前記真空環境
内での電気的アークの作用によりジルコウムを蒸
発させることからなる。前記堆積物の組成は、
種々なフイルムを製造するために、それらの堆積
中に適宜のガスと再反応させることにより変更さ
れることが可能である。前記基層の温度は、前記
アーク源の自動的なパルス化により制御されるこ
とが可能である。前記アーク源の「オン」時間お
よび「オフ」時間は、ほぼ50℃のように低い温度
まで前記基層の温度を制御するために変更される
ことが可能である。さらに、前記コーテイングの
接着性は、イオンを引き付けるために前記基層上
のバイアス電圧を調節することにより改善される
ことができる。前記コーテイングはジルコニウム
およびチタニウム・ジルコニウムをベースとする
システムからなる。前記色は、前記フイルムに酸
素および炭素のごとき適宜の添加物を添加するこ
とにより変更されることができ、この場合、前記
添加物ガスは、2〜7原子パーセントの範囲に典
型的に現れ、あるいは前記色は、適宜の反応性ガ
ス雰囲気を使用することにより変更されることが
できる。金色(10k〜24k)の異なる範囲が、例
えば、O<x<1である場合のTixN1-xまたは
TixZr1-xNおよび添加されたTiNまたはZrNフイ
ルムにおいて2倍にされる。
(発明の好ましい実施例の詳細な説明)
以下、図面により実施例を説明する。
本発明は、陰極アークによるメツキの方法およ
び装置における装着性および色彩の再現性を改善
することにより、従来技術の欠点を克服する。本
発明は、亜鉛、アルミニウム、ステンレス鋼、プ
ラスチツク、黄銅、およびこれらの合金を含む
種々な物質からなるコーテイング(塗膜)に適用
可能である。本発明による堅い材料でコーテイン
グされる基層のうち、工具もしくは部品の表面
は、ジルコニウムの堅いコーテイング材料でコー
テイングされる。
第1図を参照すると、本発明の実施例のアー
ク・プラズマ・メツキ装置100が図示されてい
る。真空容器内でアーク源110が外部のパルス
を発生される電力供給源105により作動され
る。コーテイングされるべき基層103が、回転
テーブル102上に取り付けられてもよい。同回
転テーブル102は、外部の高電圧供給源104
で負のバイアスを与えられてもよい。供給源10
4および105は、第1図に示されているよう
に、接地され、あるいは適宜の負電位源へ接続さ
れてもよい。また、前記装置100には、ガス導
入パイプ106と真空ポンプ・システム101と
が備えられている。種々なガスが1組のバルブ1
07を用いてガス導入パイプ106へ移送される
ことが可能である。シヤツタ108も採用される
ことが可能である。さらに、前記アーク源は、基
層の温度を制御するためコーテイングの流れを減
少させるべく、部分的に整流(図示せず)されて
もよい。
第2図は、説明的アーク源110の概略図を示
し、このアーク源110内では、蒸発されるべき
材料が、電器的アークの作用を用いて加熱され
る。同アーク源は、前記真空室内に、側部、上
部、または底部の形態で設置されてもよい。同ア
ーク源上でのアークの制限は、抑制リング113
を用いて達成される。この制限リング113は、
ボロン窒化物、チタニウム窒化物、パイレツク
ス・ガラス(耐熱ガラス)、石英もしくはソーダ
石炭ガラスから構成されてもよい。また、アーク
の制限は、適宜の境界シールドもしくは磁界を用
いて達成されることもできる。後者の技術におい
ては、アークの消滅が生じ、同アークは、例えば
米国特許第3793179号に開示されているように、
適宜の電子制御装置を用いて自動的に再点火され
る。前記電力供給源105は、もしターゲツトが
伝導性を有しRFが絶縁性を有するならば、DCで
あつてもよい。
陽極114は、前記陰極もしくはターゲツト1
02から離間されている。陽極114は、前記ア
ーク源の外側ハウジング、または小室の壁もしく
は同小室内の周囲であつてもよく、また電気的に
バイアスを与えられ、もしくは接地されていても
よい。同陽極114は、第2図に示され、米国特
許第3625848号に記載されているように、前記電
気的システムの陽極として作用すべく、前記小室
100の壁および基部から離れ、且つ別のバイア
スを与えられる状態で、前記小室100内に物理
的に取り付けられてもよい。さらに、前記小室の
全体またはそれの周囲は、前記電気的アーク・シ
ステムの陰極として作用すべく、接地電位を有し
てもよい(例えば米国特許第3793179号参照)。
第3図は、前記電力供給源105の作動サイク
ルを示している。前記アーク源が励起される(オ
ン)時間T1および前記アーク源がオフとされる
時間T2は、独立して変更されることができる、
例えば、T1は、前記アーク源が連続的に稼動す
るときには時(hour)であることができ、ある
いはパルス的に稼動するときには、それは分
(minutes)であることができる。時間T2は、ゼ
ロもしくは有限値であることができる。前記パル
スのピークのための典型的なバルブは、30〜
200Amp(アンペア)の範囲内で変化する。
第3Aおよび3B図を参照すると、ここで第3
A図は、本発明の前記アーク供給源に対して使用
するための制御回路の説明的ブロツク線図であ
り、第3B図は、第3A図の制御装置内に採用さ
れることが可能なプログラムのサブルーチンの説
明的フロー線図である。第3A図において、前記
制御回路120が全体を示され、それはプログラ
ム化の可能なプロセス制御装置122を包含して
いる。同制御装置122は、the Texas
Instruments Corporationという会社からModel
TCAM 5230として入手されることができ、この
制御装置は、前記陰極アークのプロセスを制御す
るためのプログラムを設けられる。本発明の1つ
の特徴によると、同プログラムは、第3B図のフ
ロー線図により例示されているものに対応し得る
プログラム階段(ステツプ)を同プログラムへ加
えることにより変更される。前記制御装置122
は、アーク供給源105により供給される電流の
大きさを制御する出力部128と、電力供給源1
04により用意されるバイアス電圧の大きさを制
御する出力部130とを備えている。同制御装置
122は、同様に伝統的に、温度センサ132か
らの信号を受けるように適合されており、且つ同
制御装置122は、温度センサ132からの出力
信号の処理を容易にするため、その出力信号をデ
イジタル化するための内部のアナログ対デイジタ
ル回路を備えている。前記温度センサ132は、
典型的に、基層103の温度を読む従来の赤外線
センサであつてもよい。この温度は、今後TSと
呼ばれる。また、前記制御装置122は、伝統的
に、前記アーク供給源105をオンおよびオフに
する出力部134を備えている。従来の出力部1
35も設けられ、これは、ターゲツト102から
のアーク発生を開始させるため、コイル115′
を介して点火装置115へ接続され、この場合点
火装置115は、電子機械的、電気的、またはガ
ス放出タイプのものであつてもよい。
動作を説明すると、前記制御装置102を用い
て伝統的に供給されるプログラムは、出力部12
8からのアーク電流の大きさの設定を可能にす
る。また、それは、電力供給源104により用意
される前記バイアス電圧の大きさの設定を可能に
する。前記プログラムの変更において、本発明の
1つの特徴によると、第3B図のサブルーチン
は、符号137の個所に入り、前記基層温度は符
号134の個所で読まれる。次に前記基層温度
TSは、符号136の個所で下限温度TLと比較さ
れる。もし、例えば、前記基層103の平均温度
を約100℃に維持するのが望ましければ、前記
下限温度TLは約90℃となるであろう。もし、前
記基層温度がTLよりも低ければ、前記アークを
開始させるために点火装置115を介して出力部
136から電流が出力され、これは符号138の
個所に示されている。この瞬間は、第3図に示さ
れている複数のパルスのうちの先行エツジの1つ
に対応する。上記したように、前記パルスの大き
さは、伝統的に出力部128から制御される。前
記パルスが一旦開始されると、第3A図のサブル
ーチンは符号139の個所から出、その結果、伝
統的に前記制御装置122を用いて用意される前
記メイン・プログラムが戻される。メツキ作業が
続く限り、第3B図のルーチンは繰り返し実行さ
れることになる。前記ルーチンが一旦戻される
と、前記基層温度が再び読まれ、そして再び符号
136の個所で前記下限温度TLと比較される。
このとき、前記基層温度が前記下限温度よりも高
いと仮定すると、当該基層温度が上限温度TUよ
りも高いかどうかを決定するために、符号140
の個所で別の比較がなされる。前記基層の望まし
い平均温度が約100℃であると仮定すると、前記
上限温度TUは典型的に約110℃に設定される。も
し、この温度が越えられると、前記アーク供給源
105をオフにするために制御装置122の出力
部134から信号が与えられ、これは符号142
の個所で示されている。この瞬間は、第3図に示
されている複数のパルスの後続エツジに対応して
いる。アーク供給源105が一旦オフにされる
と、前記メイン・プログラムが出口139を経由
して戻される。もし、前記基層温度TSが上限温
度TUよりも低ければ、前記パルスはそのONの状
態に維持される。
上記の説明から分かることは、前記アーク源1
10が、以下の例1においてさらに論じられるよ
うに、前記基層の温度をそれに着設されるコーテ
イングのタイプに適するレベルに維持するため
に、パルスを発生するようにされる。
前記アーク源のパルス化を行うために他の手段
が採用されてもよい。例えばTS>TUかどうかを
決定するために、符号136の個所で比較を行う
ことができる。もし、そうならば前記アーク源が
オフにされる。次に、TS>TLであるときを決定
するため、符号140の個所で比較がなされても
よい。これが生じたとき、前記アークが再開始さ
れる。また、陰極メツキ法以外のパルス列を発生
させるためのハードウエア源が知られている場合
には、ハードウエア形態が採用されてもよい。さ
らに、前記基層温度を維持するために用意される
制御装置の性質は、第3B図に示されているもの
から他の方法で異なつてもよい。例えば、前記基
層温度を制御するために採用される連続的エラー
信号を発生させるため、感知された基層温度が所
望の基層温度と連続的に比較される場合は、従来
の閉ループ制御が利用されてもよい。それの代わ
りに、前記温度TSがTLよりも低いかどうかを決
定するために、ステツプ136に対応する比較が
なされる場合には、第3B図のものに類似する提
案が採用されてもよい。もし、TSがTLよりも低
ければ、前記アークが点火され、且つ前記供給源
105が所定時間に亘りオンにされる。上限温度
TUは採用されない。むしろ、前記基層温度TSが
前記下方温度TLと繰り返し比較される。TSが再
びTLよりも低いと、前記アークは供給源が所定
時間に亘り再びオンにされる。
前記アークは前記小室内で点火装置115によ
り開始される。この点火装置115は電子機械的
装置であつてもよく、これは、アーク開始ワイヤ
もしくはガス放出点火システムを以て前記陰極源
の表面に接触し、前記ガス放出点火システムにお
いては、高電圧のガス放出が、適宜の電力源によ
り、前記点火装置および前記陰極表面の間に電流
経路を設ける。前記陰極性のアーク源は、前記陰
極もしくはアーク源材料102の背部に取り付け
られた銅製ブロツク111上に加工された特別の
溝により、水で冷却される。前記陰極材料の表面
上に電気的アークの動作は、結果として陰極スポ
ツト(cathode spot)となる。この陰極スポツ
トは、コーテイングを施すプラズマを形成するよ
う、前記コーテイング源材料の表面を横切つて不
規則に移動する。また、この陰極スポツトの運動
は、適宜の磁界構造の助けを以て制御されること
ができる。
前記小室内でコーテイングされるべき品目
(item)は、典型的に基層(substrates)と呼ば
れ、且つ符号103で全体を示され、基層は詳細
には図示されていない。なぜなら、それらはこの
発明の一部を形成するようなものではないからで
ある。材料102のコーテイング源は、典型的に
陰極もしくはターゲツトと呼ばれる。(ここで、
同ターゲツトは前記陰極上に配置されてもよく、
または同ターゲツトが前記陰極であつてもよい。)
前記ターゲツト102は、前記アーク・メツキ法
のためのコーテイング融剤もしくはプラズマの源
泉である。チタニウム、ジルコニウム、チタニウ
ム−ジルコニウム、またはチタニウム−アルミニ
ウムのごとき前記源泉材料102は、固定であつ
て、円筒状、円形、楕円形、もしくは四角形、ま
たは任意の他の適宜形状のものであつてもよい。
それの代わりに、混合されたコーテイング・シス
テムの同時メツキを行うため、各源泉材料として
別々のターゲツトを採用することができる。
動作を説明すると、コーテイングを施されるべ
き前記基層は、化学的に清掃され、次に回転加工
品ホルダー102上に積まれる。次に、前記真空
室100が、圧送システム101を用いてポンプ
作用により基本圧力まで低下される。次に、前記
基層もしくは部品は、イオンで清掃され、そし
て、前記アーク源110をオンにするとともに、
供給源104により同基層へ光電圧バイアスを加
えることによつて、金属イオン砲撃(ボンバー
ド)を用いて加熱される。次に、前記アーク源1
10は、異なる作業サイクル毎にパルスを発生さ
れ、前記供給源104からのバイアス電圧および
前記アーク電流源105は、前記基層の限界温度
に従つて調節される。次に、適宜の添加剤を持つ
反応性ガスが、小室圧力を約0.1〜15.0ミクロン
(micron)に維持するため、ガス導入バルブ10
6およびガス配列バルブ107を通して導入され
る。前記基層バイアスおよびアーク電流は、予め
設定された限界温度により駆動される自動プロセ
ス制御装置により制御されてもよい。結果として
生じる堅いコーテイングが、設定された基層温度
で堆積を開始する。次に、約0.5〜5.0ミクロンの
範囲の典型的なコーテイング厚さが、装飾の用途
のために堆積される。
例 1
種々な基層温度のために観察される典型的な動
作条件およびコーテイングの組合わせが表に示
され、表においてx上の範囲は合金のためのも
のであり、また炭素窒化物はO<x<1から変化
され、特に例5および14におけるごとく別に述べ
られていない限り、0.1から0.9まで0.1ずつ増大
し、例5および14においては、前記0.1の増大が
0.1から0.5まで拡張されている。一般に、例えば
例10は、9つの例からなり、これらの例において
xは0.1から0.9までの0.1ずつ増大される。上記の
説明は、合金が前記ターゲツト材料を構成し、あ
るいは炭素窒化物が前記コーテイング材料を構成
している場合で、xの値が記述されている場合に
全ての例に適用される。
さらに、前記添加剤はO2もしくはCまたはこ
れらの混合物であつた。この場合、自然界のO2
が、前記Cを添加された例中に典型的に現れ、ま
た、この場合添加剤の量は2〜7原子パーセント
の範囲内にあつた。典型的に、前記C源は、CH4
またはC2H2のごとき炭素を含むガスであつた。
以上の説明は、前記コーテイング材料が添加剤を
付加されることを記述している全ての例に適用さ
れる。
上記の説明は前記相対的合金に関して述べてお
り、また炭素窒化物の量および添加剤の量も例
以下に適用され、また“x”に関する全ての他の
表示ならびに明細書および特許請求の範囲におけ
る添加剤に適用される。
FIELD OF INDUSTRIAL APPLICATION The present invention relates to a method for applying a coating to cosmetic and utilitarian parts, said coating having a color similar to gold (10K to 24K) and/or from gray to brown. , bronze, black and platinum, where the coating has excellent adhesion and excellent resistance to corrosion and abrasion. Typical parts requiring abrasion resistant or decorative coatings include class rings, watch cases and bands, lighter cases, silverware parts, auto parts, eyeglass frames, pen caps, Tools and other worn (utility) parts. BACKGROUND OF THE INVENTION Thin film materials are applied to base materials for decorative applications in two ways. That is, deposition (metsuki) technology by sputtering,
and ion plating deposition techniques. However, typical substrate temperatures involved in both of these techniques are in the range of 350-550°C. These techniques are described, for example, in U.S. Pat. No. 4,402,994, U.S. Pat.
Technology”A, Vol.4, NO.6, Nov./Dec.,
1986, pp. 2717-2725. However, many substrate materials cannot be exposed to these high temperatures, such as plated zinc coatings, brass, bearing steel, bronze and its alloys containing zinc, plastics, aluminum and its alloys, etc. Additionally, due to the pale yellow or other pale colors commonly obtained by these techniques,
A mantle consisting of a thin gold film over a hard film surface is required. This is US Patent No.
Described in No. 4415421. The adhesion of the cooperating surfaces between the rigid film and the gold film and the color reproduction are important to the manufacturing technology. However, the above processes (techniques) are not always satisfactory in these respects. U.S. Patent No. 3625848 and U.S. Patent No. 3793179
No. 1, No. 1, No. 1, No. 1, No. 1, No. 1, No. 1, No. 1, 2003, 2004, 2003, discloses an apparatus for metal vapor deposition coatings involving the use of a vacuum arc. An improvement in this regard is described in US Pat. No. 4,430,184. The above three patents are incorporated herein by reference. Such arc sources contain a high degree of ionization and produce a coating melt having high ion energy. This results in a coating with a dense microstructure and excellent adhesion. However, conventional arc sources require typical substrate temperatures in the range of 300-500°C. SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore a primary object of the present invention to develop an arc for depositing decorative and wear-resistant coatings that reduces to the very low base temperatures that are essential for many parts. The object of the present invention is to provide a source and method of technology that has not heretofore been commercially applied to such coatings. Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for depositing materials onto a substrate at very low temperatures (temperature range of about 50-500 DEG C.) by vacuum cathodic arc plating. Another object of the invention is that without using gold,
The object of the invention is to provide a method for coating substrates with good adhesion and good decorative properties. Yet another object of the invention is to provide a method for applying non-golden decorative coatings using the apparatus described above. Another object of the invention is to enhance the color reproduction and abrasion resistance of decorative films at manufacturing scale. The method of the invention involves placing a base layer in a vacuum vessel and producing a melting solution of zirconium, consisting of ions, vapors and/or neutrals, on the base layer by the action of an electric arc within said vacuum environment. consists of evaporating. The composition of the deposit is:
They can be modified to produce different films by re-reacting with appropriate gases during their deposition. The temperature of the base layer can be controlled by automatic pulsing of the arc source. The "on" and "off" times of the arc source can be varied to control the temperature of the base layer down to temperatures as low as approximately 50°C. Furthermore, the adhesion of the coating can be improved by adjusting the bias voltage on the base layer to attract ions. The coating consists of a zirconium and titanium-zirconium based system. The color can be modified by adding suitable additives to the film, such as oxygen and carbon, where the additive gases typically range from 2 to 7 atomic percent; Alternatively, the color can be changed by using a suitable reactive gas atmosphere. Different ranges of gold (10k to 24k) are e.g. Ti x N 1-x or when O<x<1
doubled in Ti x Zr 1-x N and doped TiN or ZrN films. (Detailed Description of Preferred Embodiments of the Invention) Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The present invention overcomes the shortcomings of the prior art by improving the fit and color reproduction in cathodic arc plating methods and apparatus. The present invention is applicable to coatings made of a variety of materials including zinc, aluminum, stainless steel, plastic, brass, and alloys thereof. Of the base layers coated with a hard material according to the invention, the surface of the tool or part is coated with a hard coating material of zirconium. Referring to FIG. 1, an arc plasma plating apparatus 100 according to an embodiment of the present invention is illustrated. An arc source 110 is operated within the vacuum vessel by an external pulsed power supply 105. A base layer 103 to be coated may be mounted on the rotary table 102. The rotary table 102 is connected to an external high voltage supply source 104.
may be given a negative bias. supply source 10
4 and 105 may be grounded, as shown in FIG. 1, or connected to a suitable source of negative potential. The device 100 is also equipped with a gas introduction pipe 106 and a vacuum pump system 101. A set of valves 1 for various gases
07 to the gas introduction pipe 106. A shutter 108 may also be employed. Additionally, the arc source may be partially commutated (not shown) to reduce coating flow to control substrate temperature. FIG. 2 shows a schematic diagram of an illustrative arc source 110 in which the material to be vaporized is heated using the action of an electrical arc. The arc source may be installed in the vacuum chamber in the form of a side, top or bottom. Arc restriction on the same arc source is achieved by the suppression ring 113
This is achieved using This restriction ring 113 is
It may be composed of boron nitride, titanium nitride, pyrex glass (heat resistant glass), quartz or soda coal glass. Arc restriction can also be achieved using suitable boundary shields or magnetic fields. In the latter technique, there is an extinction of the arc, which is e.g. disclosed in US Pat. No. 3,793,179.
It is automatically reignited using a suitable electronic control unit. The power source 105 may be DC if the target is conductive and the RF is insulating. The anode 114 is the cathode or the target 1
It is separated from 02. The anode 114 may be on the outer housing of the arc source, or on or around the wall of the chamber, and may be electrically biased or grounded. The anode 114 is spaced apart from the walls and base of the chamber 100 and at a separate bias to act as an anode for the electrical system, as shown in FIG. 2 and described in U.S. Pat. No. 3,625,848. It may be physically attached within the chamber 100 in a state where it is provided with. Additionally, the entire chamber or its surroundings may have a ground potential to act as a cathode for the electrical arc system (see, eg, US Pat. No. 3,793,179). FIG. 3 shows the operating cycle of the power supply 105. The time T 1 at which the arc source is energized (on) and the time T 2 at which the arc source is turned off can be independently varied;
For example, T 1 can be hours when the arc source runs continuously, or it can be minutes when the arc source runs in pulses. Time T 2 can be zero or a finite value. A typical valve for pulse peak is 30~
Varies within a range of 200Amp. Referring to Figures 3A and 3B, the third
Figure A is an illustrative block diagram of a control circuit for use with the arc source of the present invention, and Figure 3B is a program that may be employed within the control device of Figure 3A. FIG. 2 is an explanatory flow diagram of a subroutine of FIG. In FIG. 3A, the control circuit 120 is shown in its entirety and includes a programmable process controller 122. In FIG. The control device 122 is the
Model from a company called Instruments Corporation
Available as TCAM 5230, this control device is provided with a program for controlling the cathodic arc process. According to one feature of the invention, the program is modified by adding program steps to the program that may correspond to those illustrated by the flow diagram of FIG. 3B. The control device 122
includes an output section 128 that controls the magnitude of the current supplied by the arc source 105, and an output section 128 that controls the magnitude of the current supplied by the arc source 105;
04. The controller 122 is also traditionally adapted to receive a signal from a temperature sensor 132, and the controller 122 is adapted to receive a signal from a temperature sensor 132 to facilitate processing of the output signal from the temperature sensor 132. It includes internal analog-to-digital circuitry to digitize the output signal. The temperature sensor 132 is
Typically, it may be a conventional infrared sensor that reads the temperature of the base layer 103. This temperature will henceforth be referred to as T S. The controller 122 also traditionally includes an output 134 for turning the arc source 105 on and off. Conventional output section 1
35 is also provided, which connects coil 115' to initiate arcing from target 102.
is connected to an ignition device 115, in which case the ignition device 115 may be of the electromechanical, electrical, or gas-emitting type. To explain the operation, a program traditionally supplied using the control device 102 is sent to the output section 12.
It is possible to set the magnitude of the arc current from 8 to 8. It also allows setting the magnitude of the bias voltage provided by the power supply 104. In modifying the program, in accordance with one feature of the invention, the subroutine of FIG. 3B is entered at 137 and the substrate temperature is read at 134. Next, the base layer temperature
T S is compared with the lower limit temperature T L at 136 . If, for example, it is desired to maintain the average temperature of the base layer 103 at about 100°C, the lower temperature limit T L would be about 90°C. If the substrate temperature is lower than T L , a current is output from output 136 via igniter 115 to start the arc, indicated at 138 . This instant corresponds to one of the leading edges of the pulses shown in FIG. As mentioned above, the magnitude of the pulse is traditionally controlled from the output 128. Once the pulse is initiated, the subroutine of FIG. 3A exits at 139, resulting in the return of the main program traditionally prepared using the controller 122. As long as the plating operation continues, the routine of FIG. 3B will be executed repeatedly. Once the routine returns, the substrate temperature is read again and again compared to the lower temperature limit T L at 136.
At this time, assuming that the base layer temperature is higher than the lower limit temperature, in order to determine whether the base layer temperature is higher than the upper limit temperature T U , a step 140 is performed.
Another comparison is made at . Assuming that the desired average temperature of the base layer is about 100°C, the upper temperature limit T U is typically set at about 110°C. If this temperature is exceeded, a signal is provided from the output 134 of the controller 122 to turn off the arc source 105, referenced 142.
It is shown in the section. This moment corresponds to the subsequent edges of the pulses shown in FIG. Once arc source 105 is turned off, the main program is returned via outlet 139. If the substrate temperature T S is lower than the upper temperature limit T U , the pulse is maintained in its ON state. What can be seen from the above explanation is that the arc source 1
10 is adapted to generate pulses to maintain the temperature of the substrate at a level appropriate to the type of coating applied thereto, as further discussed in Example 1 below. Other means may be employed to effect pulsing of the arc source. For example, a comparison can be made at 136 to determine whether T S >T U. If so, the arc source is turned off. A comparison may then be made at 140 to determine when T S >T L. When this occurs, the arc is restarted. Additionally, if a hardware source for generating a pulse train other than the cathode plating method is known, a hardware form may be employed. Furthermore, the nature of the control device provided for maintaining the substrate temperature may vary in other ways from that shown in FIG. 3B. For example, conventional closed-loop control is utilized where the sensed substrate temperature is continuously compared to a desired substrate temperature to generate a continuous error signal that is employed to control the substrate temperature. Good too. Alternatively, if a comparison corresponding to step 136 is made to determine whether said temperature T S is lower than T L , a proposal similar to that of FIG. 3B may be adopted. good. If T S is lower than T L , the arc is ignited and the source 105 is turned on for a predetermined period of time. upper limit temperature
T U will not be accepted. Rather, the base temperature T S is repeatedly compared to the lower temperature T L. When T S is again lower than T L , the arc is turned on again with the source for a predetermined period of time. The arc is initiated within the chamber by an igniter 115. The igniter 115 may be an electromechanical device that contacts the surface of the cathode source with an arc starting wire or a gas discharge ignition system, in which a high voltage gas discharge is performed. , a suitable power source provides a current path between the igniter and the cathode surface. The cathodic arc source is water cooled by special grooves machined into a copper block 111 attached to the back of the cathode or arc source material 102. The action of an electric arc on the surface of the cathode material results in a cathode spot. The cathode spot moves randomly across the surface of the coating source material to form a plasma that applies the coating. Also, the movement of this cathode spot can be controlled with the aid of a suitable magnetic field structure. The items to be coated within the chamber are typically referred to as substrates and are indicated generally at 103, the substrates not being shown in detail. This is because they do not form part of this invention. The coating source of material 102 is typically referred to as the cathode or target. (here,
The target may be disposed on the cathode,
Alternatively, the target may be the cathode. )
The target 102 is the source of the coating flux or plasma for the arc plating process. The source material 102, such as titanium, zirconium, titanium-zirconium, or titanium-aluminum, may be fixed and cylindrical, circular, oval, or square, or any other suitable shape. .
Alternatively, separate targets can be employed for each source material to perform simultaneous plating of the mixed coating system. In operation, the substrate to be coated is chemically cleaned and then loaded onto the rotary workpiece holder 102. The vacuum chamber 100 is then pumped down to the base pressure using the pumping system 101. Next, the base layer or component is cleaned with ions and the arc source 110 is turned on and
By applying a photovoltage bias to the substrate by source 104, it is heated using metal ion bombardment. Next, the arc source 1
10 is pulsed for each different work cycle, and the bias voltage from the source 104 and the arc current source 105 are adjusted according to the critical temperature of the substrate. A reactive gas with appropriate additives is then applied to the gas inlet valve 10 to maintain the chamber pressure between approximately 0.1 and 15.0 microns.
6 and gas array valve 107. The base bias and arc current may be controlled by an automatic process controller driven by preset temperature limits. The resulting hard coating begins to deposit at the set substrate temperature. Typical coating thicknesses ranging from about 0.5 to 5.0 microns are then deposited for decorative applications. Example 1 Typical operating conditions and coating combinations observed for various substrate temperatures are shown in the table, where the ranges on x are for alloys and carbon nitrides are O< varies from
Extended from 0.1 to 0.5. In general, example 10 consists of nine examples in which x is increased in 0.1 increments from 0.1 to 0.9. The above description applies to all examples where an alloy constitutes the target material or a carbon nitride constitutes the coating material and the value of x is stated. Furthermore, the additive was O 2 or C or a mixture thereof. In this case, natural O 2
is typically present in the C-added examples, and in this case the amount of additive was in the range of 2 to 7 atomic percent. Typically, the C source is CH 4
Or it was a gas containing carbon such as C 2 H 2 .
The above description applies to all instances where it is stated that the coating material is loaded with additives. The above discussion has been made with respect to the relative alloys, and the amounts of carbon nitrides and additives also apply below, and all other designations regarding "x" as well as in the specification and claims. Applies to additives.
【表】【table】
【表】
表の結果からは、前記コーテイングの厚さが
5ミクロンよりも小さいときには、前記基礎材料
の光沢が維持されたことが見出された。より厚い
層(25または50ミクロンのごとき)も堆積(メツ
キ)されることが可能である。そのような層を以
て前記基層(基礎材料)の光沢(反射率)は2倍
にされることができない。しかし、表面仕上げは
2倍にされることができる。上記厚さの典型的な
層は、幾つかの層を構成してもよく、その場合、
各層の材料は同じもの、または異なるものであつ
てもよい。
第4図は、本発明により製造される不純物を添
加されたTiN、不純物を添加されたZrN、および
TixZr1-xN製フイルムの光反射率のスペクトルを
示している。また、14k金のフイルムの反射率の
スペストルも示されている。したがつて、見るこ
とができるように、この発明のフイルムの光反射
率のスペクトルは、米国特許第4415521号におい
て必要とされ得る。異なるコーテイング・システ
ムにおいて得られる種々の色のスペクトルは、例
として表中に示されている。TABLE From the results in the table it was found that the gloss of the base material was maintained when the thickness of the coating was less than 5 microns. Thicker layers (such as 25 or 50 microns) can also be deposited. With such a layer the gloss (reflectance) of the base layer (base material) cannot be doubled. However, the surface finish can be doubled. Typical layers of the above thickness may constitute several layers, in which case:
The materials of each layer may be the same or different. Figure 4 shows impurity-doped TiN, impurity-doped ZrN, and
It shows the spectrum of light reflectance of a Ti x Zr 1-x N film. Also shown is the reflectance spectra of the 14k gold film. Therefore, as can be seen, the light reflectance spectra of the films of this invention may be required in US Pat. No. 4,415,521. The various color spectra obtained with different coating systems are shown in the table by way of example.
【表】
表の結果からは、装飾的コーテイングのため
の広汎な種類の色が製造され得ることが注目され
る。全てのケースにおけるコーテイング・フイル
ムの厚さは、0.10〜5ミクロンの範囲内であつ
た。TiNに関し、その金黄色の色は、一般に緑
およびブロンズ色に富み、一方、前記ZrNは緑が
目立つ黄緑である。TiNおよびZrNの両方は、緑
を排除するためにO2を添加されることができ、
そして赤みを増大させるためにCを添加されるこ
とができる。したがつて、前記O2およびCの添
加剤を組合わせることにより、添加されたTiN
または添加されたZrNを以て、10Kから24Kまで
制御を行うことができる。さらに、TixZr1-xNに
関し、前記kの値は前記xの値が増大するに従い
増大する。同様に、TiCxN1-xおよびTixAl1-xN
は、xの値が変化するに従い、異なる色に亘つて
変化する。
再び第4図を参照すると、前記TixZr1-xNのコ
ーテイングの14Kの金色は、約0.25から約0.30ま
での範囲にあるxの値を以てもたらされた。この
色は、約1%のO2および約4%のCの添加剤を
以て添加されたZrNによりもたらされた。この場
合、全てのパーセントは、明細書および特許請求
の範囲において言及される全ての添加剤に対する
原子パーセントである。前記添加されたTiMの
14Kの金色は、約4%のO2の添加によりもたらさ
れた。さらに、前記TiおよびNは、Tiの量が、
Nの各原子に対して約1.15から約1.2の原子比ま
で変化する場合の、非化学量論的比率にあつた。
非化学量論的フイルムを達成するために、0.1〜
1.0ミクロンの範囲にある減少された窒素ガスが
採用された。
前記10Kの金色に関しては、これは、(a)xが約
0.15から約0.20まで変化する場合のTixZr1-xNと、
(b)約2%のO2の添加を持つ添加されたZrNと、
そして(c)Tiの量が各Nに対して約1.25から約1.40
の原子比まで変化する場合の、約4%のO2の添
加および3%のCの添加を持つ添加されたTiN
とを以てもたらされた。
前記24Kの金色に関しては、xが約0.5から約
0.55まで変化する場合のTixZr1-xNが採用され
た。
例
次に、これらのコーテイングの摩耗に対する抵
抗性が、ピン・オン・デイスク方法(円盤上のピ
ンによる方法)を用いて測定された。この方法に
おいては、500グラムの負荷を持つピンが、回転
しているコーテイングを施されたサンプル(コー
テイングされたデイスク)上に載せられ、前記コ
ーテイング中に掻き傷があるとすれば、50回転の
後50倍の光学顕微鏡内で観察されるはずであつ
た。表中の全ての堅いコーテイング中には掻き
傷が全然現れなかつた。
例
第5および5A図は、化学分析用電子分光器
(ESCA)により測定された際の、異なる色のた
めの種々なコーテイングに対する原子組成のグラ
フを示し、この場合、第5図はO2およびCを添
加されたTiNのための前記ESCAによるスパツタ
ー深さのグラフである。前記フイルム中のO2は、
前記システム中の自然界レベルのO2から結果的
に得られるものである。この自然界レベルは、第
5図に示されているO2中にも当てはまる。
本発明の種々の実施例についての前記コーテイ
ングの材料、デザインおよび構造の種々な詳細
は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲か
ら離れることなく変更されることが可能である。
さらに、本発明の好ましい実施例はアーク・コー
テイング・システムに関連して説明されている
が、ターゲツトの表面の所定の領域内に閉じ込め
られるべきアークにより、材料がターゲツトから
瞬間的に蒸発される場合のような他のシステムに
も適用可能であることは言うまでもない。TABLE It is noted from the results of the table that a wide variety of colors for decorative coatings can be produced. The coating film thickness in all cases was in the range of 0.10 to 5 microns. Regarding TiN, its golden-yellow color is generally rich in green and bronze colors, while the ZrN is a yellow-green color with prominent green. Both TiN and ZrN can be added with O2 to eliminate green,
And C can be added to increase redness. Therefore, by combining the O 2 and C additives, the added TiN
Alternatively, with added ZrN, it is possible to control from 10K to 24K. Furthermore, with respect to Ti x Zr 1-x N, the value of k increases as the value of x increases. Similarly, TiC x N 1-x and Ti x Al 1-x N
changes across different colors as the value of x changes. Referring again to FIG. 4, the 14K gold color of the Ti x Zr 1-x N coating was produced with values of x ranging from about 0.25 to about 0.30. This color was produced by ZrN added with additives of about 1% O 2 and about 4% C. In this case, all percentages are atomic percentages for all additives mentioned in the specification and claims. The added TiM
The 14K gold color was brought about by the addition of approximately 4% O2 . Furthermore, the amount of Ti and N is
Non-stoichiometric ratios were met, varying from about 1.15 to about 1.2 atomic ratios for each atom of N.
To achieve a non-stoichiometric film, 0.1~
Reduced nitrogen gas in the 1.0 micron range was employed. For the 10K gold color above, this means that (a) x is approximately
Ti x Zr 1-x N when varying from 0.15 to about 0.20;
(b) doped ZrN with about 2% O 2 addition;
and (c) the amount of Ti is about 1.25 to about 1.40 for each N.
Doped TiN with approximately 4% O 2 addition and 3% C addition when varying the atomic ratio of
It was brought by. Regarding the 24K gold color mentioned above, x is about 0.5 to about
Ti x Zr 1-x N was adopted when varying up to 0.55. Examples The resistance to abrasion of these coatings was then measured using the pin-on-disc method. In this method, a pin with a load of 500 grams is placed on a rotating coated sample (coated disc) and, assuming there are scratches in said coating, is rotated for 50 revolutions. It was supposed to be observed under an optical microscope at 50x magnification. No scratches appeared in all the hard coatings on the surface. EXAMPLE Figures 5 and 5A show graphs of atomic composition for various coatings for different colors as measured by Electron Spectrometer for Chemical Analysis (ESCA), where Figure 5 shows O 2 and FIG. 2 is a graph of sputter depth according to the ESCA for C-doped TiN. FIG. The O2 in the film is
This results from natural levels of O2 in the system. This natural level also applies to the O 2 shown in FIG. Various details of the materials, design and construction of the coatings for various embodiments of the invention may be changed without departing from the scope of the invention as claimed.
Further, although the preferred embodiment of the invention is described in connection with an arc coating system, it is also possible to use an arc coating system where material is instantaneously evaporated from the target by an arc that is to be confined within a predetermined area of the target's surface. Needless to say, it is also applicable to other systems such as.
第1図は、本発明において使用される説明的陰
極アーク・プラズマ・メツキ装置の概略図であ
る。第2図は、この発明の陰極アーク・プラズ
マ・メツキ装置において使用される説明的アーク
源の概略図である。第3図は、この発明のアーク
源の説明的任務サイクルを示す時間チヤート図で
ある。第3A図は、本発明のアーク供給源と一緒
に使用するための説明的制御回路のブロツク線図
である。第3B図は、第3A図の制御回路に対し
て採用されてもよいプログラムの説明的フロー線
図である。第4図は、この発明の製造プロセス
(方法)により生産されるフイルムの反射率の様
子を示している。第5図および第5A図は、この
発明の製造プロセスにより生産されるコーテイン
グ・フイルムの原子組成を示す概略図である。
100……アーク・プラズマ・メツキ装置、1
02……回転テーブル、103……基層、104
……高電圧供給源、105……電力供給源、10
6……ガス導入パイプ、107……バルブ、10
8……シヤツタ、110……アーク源、113…
…制限リング、114……陽極、115′……コ
イル、120……制御回路、122……制御装
置、128,130……出力部、132……温度
センサ、134,135……出力部。
FIG. 1 is a schematic diagram of an illustrative cathodic arc plasma plating apparatus used in the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of an illustrative arc source used in the cathodic arc plasma plating apparatus of the present invention. FIG. 3 is a time chart showing an illustrative mission cycle of the arc source of the present invention. FIG. 3A is a block diagram of an illustrative control circuit for use with the arc source of the present invention. FIG. 3B is an illustrative flow diagram of a program that may be employed for the control circuit of FIG. 3A. FIG. 4 shows the reflectance of the film produced by the manufacturing process (method) of the present invention. 5 and 5A are schematic diagrams showing the atomic composition of the coating film produced by the manufacturing process of the present invention. 100...Arc plasma plating device, 1
02...Rotary table, 103...Base layer, 104
... High voltage supply source, 105 ... Power supply source, 10
6...Gas introduction pipe, 107...Valve, 10
8... Shutter, 110... Arc source, 113...
... Restriction ring, 114 ... Anode, 115' ... Coil, 120 ... Control circuit, 122 ... Control device, 128, 130 ... Output section, 132 ... Temperature sensor, 134, 135 ... Output section.
Claims (1)
て、主としてジルコニウムからなる固体ターゲツ
トを用意する工程と、 前記基層として装飾部品を用意し、当該部品を
備える材料が、プラスチツク、亜鉛、亜鉛合金、
黄銅およびステンレス鋼からなる群より選択され
るようにする工程と、 前記基層から離れた陽極を用意する工程と、 前記基層を前記ターゲツトに対して負にバイア
スする工程と、 前記ターゲツトが陰極アーク蒸発するように前
記陽極と前記ターゲツトとの間にアークを形成す
る工程と、 主として窒素からなるガスに前記蒸発した蒸気
を反応させる工程と、 前記反応物質を厚さ0.5〜5.0ミクロンの装飾コ
ーテイングとして前記基層上に堆積させる工程
と、 前記コーテイングにO2,Cおよびこれらの混
合物からなる群より選ばれた添加剤を添加して前
記コーテイングを前記添加剤が添加されたZrNか
らなるものにする工程とからなることを特徴とす
る方法。 2 前記添加剤を添加されたZrNの色が白色であ
り、この色は、CおよびO2の添加物の相対的比
率に従い、約10kから24kまで変化することを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の方法。 3 前記色が約10kであり、前記O2の添加物の量
が約2原子パーセントであることを特徴とする特
許請求の範囲第2項記載の方法。 4 前記色が約14kであり、前記O2の添加物の量
が約1原子パーセントであり、前記C添加物が約
4原子パーセントであることを特徴とする特許請
求の範囲第2項記載の方法。 5 前記添加剤を添加されたZrNの色が、白色で
あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の方法。 6 前記添加物が、約5原子パーセントのO2で
あることを特徴とする特許請求の範囲第5項記載
の方法。[Scope of Claims] 1. A method for applying a decorative coating on a base layer, comprising the steps of: preparing a solid target mainly made of zirconium; preparing a decorative component as the base layer; ,Zinc alloy,
providing an anode remote from the base layer; biasing the base layer negatively with respect to the target; and the target being a cathodic arc evaporator. forming an arc between the anode and the target so as to react the evaporated vapor with a gas consisting primarily of nitrogen; applying the reactant as a decorative coating of 0.5 to 5.0 microns thick to depositing on a base layer; and adding an additive selected from the group consisting of O 2 , C and mixtures thereof to the coating to make the coating consist of ZrN doped with the additive. A method characterized by comprising: 2. The color of the additive-doped ZrN is white, which color varies from about 10k to 24k, depending on the relative proportions of the C and O2 additives. The method described in Section 1. 3. The method of claim 2, wherein the color is about 10k and the amount of O2 additive is about 2 atomic percent. 4. The method of claim 2, wherein the color is about 14k, the amount of O2 additive is about 1 atomic percent, and the C additive is about 4 atomic percent. Method. 5. The method according to claim 1, wherein the color of ZrN to which the additive is added is white. 6. The method of claim 5, wherein the additive is about 5 atomic percent O2 .
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