硬質膜蒸着とは何ですか?

硬質膜成膜の基礎

硬質膜堆積とは、耐摩耗性、腐食防止、遮熱性能などの表面特性を向上させるために、基材材料上に薄く硬いコーティングを堆積するプロセスを指します。 コーティングは通常 1 ～ 10 ミクロンの厚さで、蒸発した合金元素と化合物を基材表面に凝縮させることによって作成されます。 この表面工学技術により、メーカーはバルク特性に影響を与えることなく、基材の硬度、潤滑性、耐酸化性、またはその他の特性を強化することができます。

硬質膜成膜の目的

硬質膜の堆積は、さまざまな方法で材料の表面特性を向上させるために使用されます。

耐摩耗性

硬質膜堆積の主な目的の XNUMX つは、コンポーネントの耐摩耗性を向上させることです。 窒化チタン (TiN) や窒化クロム (CrN) などの硬質コーティングは、切削工具、エンジン部品、ベアリングなどの部品の摩耗、凝着摩耗、表面疲労を最小限に抑えることができます。 ハードコーティングは、他の表面との接触中に材料が急速に除去されるのを防ぎます。

防食

TiN、窒化アルミニウムチタン (AlTiN)、アモルファスダイヤモンドライクカーボン (DLC) などのコーティングを適用すると、下地の基板を腐食損傷から保護するバリアが形成されます。 これは、高温、酸化環境、酸や塩水などの腐食性媒体にさらされる部品に特に役立ちます。

遮熱材

セラミックや金属合金などの一部の材料は、コンポーネントを高温から絶縁できます。 酸化ジルコニウム、酸化クロム、または二ケイ化モリブデンの膜をタービンブレードに堆積すると、熱伝達が低減され、タービンブレードをより高温で動作させることができます。

装飾仕上げ

窒化チタンや窒化ジルコニウムなどの硬質コーティングは、表面に魅力的な金色、青、または黒色の仕上げを施します。 これにより、ジュエリー、ファッション アクセサリー、消費者製品に独特の装飾効果や外観を持たせることができます。

電気特性

金、プラチナ、金属炭化物などの導電性コーティングは、導電性や抵抗などの電気的特性を変更することができます。 これにより、センサーや半導体デバイスなどのコンポーネント内の電流の流れを正確に制御できます。

ハードコートの種類

蒸着プロセスを通じて適用できるハード コーティングにはさまざまなカテゴリがあります。

• 遷移金属窒化物 – チタン、クロム、ジルコニウムなどの金属の非常に硬い窒化セラミック化合物が一般的に使用されます。 窒化チタン (TiN) は、優れた耐食性と最大 2000 HV の硬度を備えた金色のコーティングを提供します。 窒化クロム (CrN) は灰色がかった外観をしており、高温でも摩擦特性を維持します。
• 遷移金属炭化物 – 炭化タングステン (WC)、炭化チタン (TiC)、炭化タンタル (TaC) などの金属炭化物は、非常に硬く耐久性のあるコーティングを生成します。 窒化膜に比べて耐摩耗性に優れています。 ただし、炭化物フィルムは高温で鋼基材と反応する可能性があります。
• セラミックコーティング – アルミナ (Al2O3)、ジルコニア (ZrO2)、酸化クロム (Cr2O3) などの非金属セラミック材料は、熱や腐食に対して絶縁できます。 炭化ケイ素（SiC）は、密度が低く、硬度と強度が高くなります。
• ダイヤモンドライクカーボン – ダイヤモンド ライク カーボン (DLC) コーティングには、sp3 と sp2 のハイブリッド炭素原子の混合が含まれており、ダイヤモンドのような特性を提供します。 アモルファス DLC フィルムは、優れた硬度、低摩擦、化学的不活性性を備えています。
• 多層コーティング – TiN や TiAlN などの異なる材料の層を組み合わせることで、各物質の利点を統合したコーティングが生成されます。 多層フィルムは、単層と比較して硬度、破壊靱性、耐酸化性が向上する傾向があります。

硬質膜成膜用材料

幅広い基材材料を硬質フィルムでコーティングして、表面特性と性能を向上させることができます。

• 鋼– スチールは、硬質フィルムでコーティングされた最も一般的な基材の XNUMX つです。 TiN、TiCN、CrN、DLC などのコーティングは、切削工具、金型、エンジン部品、ベアリングなどの鋼部品に適用され、硬度、耐摩耗性、腐食保護を高めます。
• アルミニウム– 軽量アルミニウム合金は、耐摩耗性と耐磨耗性を向上させるためにコーティングされることがよくあります。 硬質陽極酸化皮膜とアルミナやシリカなどのセラミック フィルムは、アルミニウムの自動車部品や航空宇宙部品を保護します。
• チタン– チタンの硬度、密着性、耐食性は、TiN、窒化クロム、金属ドープ ダイヤモンド状カーボンなどのコーティングによって強化できます。 これらのフィルムにより、チタン製の医療用インプラントや航空宇宙部品の衝撃や腐食に対する耐性が向上します。
• 炭化物– 炭化ケイ素、炭化タングステン、炭化ホウ素の基板は薄膜でコーティングされており、工具用途向けに硬度と耐熱性/耐酸化性がさらに最適化されています。 多層フィルムが適用されることが多い。
• プラスチックとポリマー– プラスチック部品に堆積されたDLC、窒化クロム、酸化ケイ素などの硬質コーティングは、柔軟性や衝撃強度などのバルク特性を維持しながら、表面硬度と耐傷性を向上させます。
• セラミック– アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素で作られたセラミック部品の耐摩耗性と耐食性は、金属窒化物、酸化物、炭化物の薄膜蒸着によって強化できます。

機器および消耗品

硬質膜の堆積は、高度な真空技術装置を利用して、正確な制御でわずか数ミクロンの厚さのコーティングを堆積します。

• 真空チャンバー– コーティングは、ポンプを使用して 10-6 torr までの高真空レベルを達成する真空チャンバー内で塗布されます。 これにより、気化したコーティング材料がガスと反応せずに基材に到達することが可能になります。 チャンバーはステンレス鋼またはガラスで作られています。
• スパッタリングガン– マグネトロン スパッタリング ガンは、電場を使用してターゲット コーティング材料の原子を放出します。 その後、原子は基板上に薄膜として凝縮します。 強力な磁石がプラズマ放電をスパッタリングターゲット表面に閉じ込めます。
• 蒸発源– 電子ビーム、熱、またはアーク蒸発などの蒸発源では、非常に高い温度を使用してコーティング材料を蒸発させ、基板上でコーティング材料を凝縮させます。
• ガス供給– 窒素やメタンなどの反応性ガスがチャンバーに導入され、スパッタリングまたは蒸発したコーティング材料と反応して窒化物や炭化物などの化合物を形成します。
• 基板ヒーターとバイアス– 加熱素子と基板バイアス電圧により、付着性が向上し、堆積した原子の表面移動度が向上することで膜構造が変更されます。
• 対象物質– コーティング蒸着源には高純度のターゲット材料が必要です。 一般的な材料には、チタン、クロム、アルミニウム、ジルコニウム、タングステン、カーボン、シリコンなどがあります。
• プロセスガス– アルゴン、窒素、アセチレンなどのガスは、プラズマの生成やコーティング材料との反応に使用されます。 高純度のプロセスガスを供給することで、適切な膜組成が保証されます。

プロセスステップ

蒸着によるハードコーティングの適用には、望ましい特性を備えたコーティングを生成するための慎重な処理が必要です。

1. 表面処理– 基材の表面を徹底的に洗浄して、コーティングの密着性を低下させる可能性のある油、酸化物、汚染物質を除去する必要があります。 グリットブラスト、溶剤洗浄、酸エッチングが一般的に使用されます。
2. 取り付け– コンポーネントは、すべての表面を均一にコーティングできる特別なホルダーに固定または取り付けられます。 回転バレルにより均一な被覆が保証されます。
3. 加熱– コーティング原子の表面移動性を高め、密着性を向上させるために、基板は蒸着前に 150 ～ 500°C に予熱されることがよくあります。
4. 沈着– コーティング材料はスパッタリング、蒸発、またはアーク蒸発によって気化され、厚さわずかミクロンの薄膜が基板上に凝縮します。 これは高真空環境で発生します。
5. イオン衝撃– 蒸着中の高エネルギーイオン衝撃により、コーティング原子の表面拡散が強化され、密着性と密度が向上します。
6. クールダウン– 堆積後、酸化を防止し残留応力を緩和するために、コンポーネントは制御された雰囲気下で冷却されます。
7. 品質管理– コーティングされた部品は、顕微鏡検査、スクラッチテスト、摩耗/腐食テスト、およびその他の分析を通じて、コーティングの厚さ、密着性、硬度、および性能を検証するためのテストを受けます。

慎重な表面処理、蒸着プロセスの制御、およびコーティング後のテストにより、最適な品質とコーティング特性が保証されます。

産業用アプリケーション

硬質保護コーティングは、コンポーネントの性能と耐久性を向上させるために製造業界全体で広く使用されています。

• 切削工具– ドリル、ミル、ソー、その他の切削工具に適用される窒化チタンアルミニウム (TiAlN)、炭窒化チタン (TiCN)、ダイヤモンドライクカーボン (DLC) などのコーティングは、硬度と耐摩耗性を大幅に向上させます。 これにより、切断速度が向上し、耐用年数が長くなります。
• 金型とダイ– 窒化物、炭化物、DLC コーティングは、プラスチック射出成形金型や金属成形金型を摩耗や腐食から保護し、寿命を延ばします。 一般的なコーティングには、CrN、TiAlN、炭化タングステン カーボン (WC/C) などがあります。
• 石油およびガスの成分– ダウンホールドリルビット、バルブ、ポンプ、その他の石油およびガス部品は、非常に硬い TiN、TiAlN、またはダイヤモンドのフィルムでコーティングされており、掘削、砂の生成、および高温ブラインによる腐食による磨耗に耐えます。
• 航空宇宙および自動車部品– エンジン部品、機体表面、ベアリング、その他の部品は、摩耗、疲労、高温酸化から守る保護膜でコーティングされています。
• 医療機器– 手術器具、インプラント、医療機器の表面は、硬度、摩耗性能、耐食性を向上させるために、DLC、TiN、TiAlN などの生体適合性フィルムでコーティングされています。
• 装飾コーティング– TiN、ZrN、CrN、AlTiN などの着色装飾ハードコーティングは、宝飾品、時計、サングラス、その他の消費者製品に適用されます。

ハードコーティングは、ほぼすべての製造分野で耐久性とパフォーマンスを向上させます。

ジュエリーへの応用

耐久性の向上に加えて、ハードコーティングはジュエリーやファッションアクセサリーに魅力的な仕上げを与えます。

• 時計の保護コーティング– 高級時計のケースとバンドは、耐傷性を高めるために窒化チタン (TiN)、ダイヤモンドライク カーボン (DLC)、または窒化クロム (CrN) の薄膜でコーティングされることがよくあります。 これにより、高価な時計のコンポーネントが日常使用中に損傷するのを防ぎます。
• カラーファッションジュエリー– TiN、窒化ジルコニウム (ZrN)、および窒化クロムの蒸着コーティングは、ステンレス鋼または真鍮で作られた安価なファッション ジュエリーに目を引くゴールド、ブルー、ブラック、グレーの仕上げを提供します。
• 強化された宝石の設定– ホワイトゴールドまたはシルバーのジュエリーセッティングにロジウムまたはルテニウムの薄い層を適用すると、硬度が向上し、摩耗が軽減され、宝石をより適切に固定し、何年も定期的に使用した後でも新品同様の外観を維持します。
• 表面硬度の向上– DLC や、酸化チタンや二酸化ケイ素などのセラミック コーティングをジュエリーに適用して、表面の傷、摩耗、変色に対する耐性を向上させることができます。 これにより、時間が経っても新品のような光沢のある外観が維持されます。
• ウェアラブル技術の装飾コーティング– 硬質装飾コーティングは、スマートウォッチ、フィットネストラッカー、VR/AR ヘッドセットなどのウェアラブルデバイスに美的魅力を加え、ブランドが外観に基づいて差別化できるようにします。

耐久性に優れた魅力的なハードコーティングは、ジュエリー、時計、ファッション アクセサリーの寿命と視覚的魅力の両方を向上させます。

他の表面硬化処理との比較

硬質膜の堆積は、いくつかの点で従来の表面硬化技術とは異なります。

浸炭窒化処理

浸炭と窒化は、鋼などの合金の表面に炭素または窒素を拡散させ、硬い化合物を作成します。 硬さは0.1～0.5mmの深さまでしか広がりません。 フィルムはあらゆる材料をコーティングでき、窒化の 2 倍を超える硬度を達成できます。

高周波焼入れおよび火炎焼入れ

高周波焼き入れまたは火炎焼き入れでは、熱サイクルによってギアやベアリングなどの部品の表層のみが選択的に硬化されます。 フィルム蒸着により、すべての表面にカスタマイズされたコーティングが可能になります。

硬質膜成膜技術

ハードコーティングを塗布するために使用される蒸着技術はいくつかあります。

スパッタ蒸着

スパッタ蒸着では、高エネルギーのイオン衝撃によって固体ターゲットから原子が放出され、原子が基板上に薄膜として凝縮します。 マグネトロン スパッタリングは、窒化チタンや窒化クロムなどの材料を堆積するために一般的に使用されます。

陰極アーク蒸着

電気アークにより、陰極ターゲットからコーティング材料が蒸発し、磁束の大部分がイオン化されます。 これにより、比較的低温で窒化チタンアルミニウムのような非常に硬いセラミックコーティングを堆積することができます。

パルスレーザー蒸着

高出力パルスレーザーがターゲットから材料をアブレーションしてプラズマプルームを生成し、真空チャンバー内の基板上にコーティングを堆積させます。 このプロセスにより、膜の厚さと組成を適切に制御できます。

電子ビーム蒸着

電子ビーム蒸発器がコーティング材料に衝撃を与え、蒸発点まで加熱して薄膜を堆積させます。 高い堆積速度が可能ですが、このプロセスを制御するのは難しい場合があります。

物理蒸着（PVD）

スパッタリングや蒸着などの PVD ​​技術は、コーティング材料を物理的に蒸発させて薄膜を堆積します。 一般的な PVD ​​法には、マグネトロン スパッタリング、熱蒸着、電子ビーム蒸着などがあります。

化学蒸着（CVD）

CVD では、前駆体ガス間の化学反応を利用して、加熱された基板上に膜を堆積します。 低圧 CVD およびプラズマ強化 CVD により、複雑な形状のコーティングが可能になります。

各技術には、制御、コーティングの可能性、蒸着速度、コストの点で独自の利点があります。 PVD と CVD はどちらも硬質膜の堆積用途において重要な役割を果たします。