切削工具への耐摩耗性膜成膜のための卓上型プラズマCVD装置とプロセスの研究開発

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K06806
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 清水 禎樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノ材料研究部門, 研究グループ長 (20371049)
• 研究分担者: 中野 禅 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 製造技術研究部門, 研究グループ長 (50357646)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: プラズマプロセス / ＣＶＤ / 切削工具 / ドリル / 寿命改善 / 窒化チタン / 炭窒化チタン

研究実績の概要

難削材の加工で過酷な摺動環境に曝される切削工具の長寿命化に向けて、耐摩耗性や潤滑性に優れた膜の成膜による寿命改善が鋭意検討されているが、本研究では、このような成膜を、難削材加工の現場で簡易的に施すための、卓上型プラズマCVD装置の開発を目的としている。ここでは、プラズマ技術の中では装置の小型化が比較的容易な大気圧プラズマ技術に着目する一方で、大気圧プラズマでは、工具の長寿命化に繋がるような、密着性や硬度に優れた膜の成膜が難しいことを課題としてとらえ、大気圧プラズマ技術の優れた簡易装置機構を活かした減圧タイプの卓上型プラズマCVD装置の開発を進めている。そして、代表的な切削工具であるドリルの表面に、窒化チタンや炭窒化チタンに代表される硬度や潤滑性に優れた膜を成膜し、ドリルの長寿命化実証を目指している。
平成28年度は卓上型プラズマCVD装置の開発を中心に研究開発を進めてきた。装置は主に、円筒状の狭小なリアクター、リアクター内部にドリルをセットするためのジグ、プラズマ発生器で構成されている。リアクター内部は減圧が可能で、ドリルに対してはジグを介して高周波バイアスが印加できる機構を備えており、ドリルを取り囲むようなプラズマ放電が可能である。
また、薄膜原料をリアクター中に供給するシステムの開発も進め、酸素などの不純物混入を極力抑制し、膜の主原料であるチタン、窒素、炭素原をプラズマリアクター中に供給するためのシステムを開発した。
以上のように、本研究開発の基盤となるプロトタイプの卓上型プラズマCVD装置を開発したことで、Ｈ29年度以降、窒化チタンおよび炭窒化チタンなどの成膜・評価実験の加速的推進が可能になった。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

計画では、卓上型プラズマCVD装置開発、ドリル模倣基材への耐摩耗性膜の成膜と作製膜の評価に関する予備的試験までを初年度に実施する予定であったが、初年度は、本研究開発の根幹となる卓上型プラズマCVD装置の開発に注力したため、成膜と評価の予備的試験は未着手となった。しかしながら、プロトタイプ型のCVD装置が完成し、効率良く成膜と評価とが実施できる環境が整ったため、次年度以降は加速的な研究開発の推進が期待される。

今後の研究の推進方策

開発したプロトタイプ機を用いて、今後は成膜試験および作製膜の評価を中心に研究開発を推進する予定である。成膜試験では、最初はドリル模倣材への成膜を通してプロセスの条件を整え、その後に本物のドリルへの成膜試験を実施する。堆積膜の評価では、例えば膜内の原子間結合状態などの学術的な側面からの評価を行う一方で、実際の穴あけ加工による評価も実施し、堆積膜の摩耗量や密着性などについて総合的に評価する計画である。

次年度使用額が生じた理由

H28年度はプロトタイプの卓上型プラズマCVD装置の開発に注力し、当初予定していた成膜試験の開始をH29年度からとしたため、その成膜試験用資材を購入するための予算（物品費）や依頼分析に要する予算（役務）の一部、評価ならびにデータ整理を行う技術補助員雇用の為の人件費が未使用となった。また、H28年度末に参加を計画していた国際学会への参加を見送った。以上の理由から、次年度使用額が発生した。

次年度使用額の使用計画

H28年度に未実施となった成膜試験を本年度は加速的に実施する計画であり、そのための資材購入や、繰り返しのプロセス実施で消耗する卓上型プラズマCVD装置の消耗品購入、作製膜の依頼分析料などで繰越予算を使用する。また、成果発表のための国際学会参加に要する旅費等でも使用する計画である。