窒化ホウ素：コーティング場の新たな力

May 16, 2025

窒化ホウ素の財産基盤

高い硬度と耐摩耗性

立方体の窒化ホウ素は、ダイヤモンドに次ぐ硬度があり、ビッカーズの硬度は5000 - 8000 hvに達します。この特徴は、C-BNをコーティングに組み込むことによって形成されたフィルム層を可能にし、外部の摩擦と摩耗に効果的に抵抗します。ツールコーティングのフィールドでは、ツール表面がC-BN含有層でコーティングされている場合、金属材料の高速切断中に、コーティングはツールとワークピースの間の摩擦係数を大幅に低下させ、ツールの摩耗を最小限に抑え、ツールのサービス寿命を大幅に拡大し、削減効率を改善できます。たとえば、高硬度合金材料を機械加工する場合、通常のツールは短時間で深刻な摩耗を経験する可能性がありますが、C-BNでコーティングされたツールは、鋭利な縁を維持し、連続的で安定した加工を可能にし、機械加工の精度と表面の品質を大幅に向上させることができます。

化学的安定性

六角形の窒化ホウ素は、優れた化学的安定性を示し、溶融金属とはほとんど反応しません。真空コーティングプロセスでは、蒸発ボートは、コア消耗品として、高温（＞ 1500度）で安定して動作し、非常に腐食性の金属溶融物（アルミニウムや銅など）、および高吸血環境で動作する必要があります。従来のグラファイト蒸発船は、溶融金属による侵食に対して脆弱であり、寿命が短くなっています。対照的に、H-BNベースのセラミック材料は、化学的安定性のために理想的な代替手段となっています。 H-BN蒸発ボートは、ボートの体の腐食を防ぎ、ボートの体腐食によって引き起こされるコーティング汚染を避け、コーティングプロセスの安定性とコーティング品質の信頼性を確保することができます。

高い熱伝導率と低熱膨張係数

窒化ホウ素は、高い面での熱伝導率を持っています。たとえば、H-BN粉末は、蒸発船の調製中に優れた水平方向の熱伝導ネットワークを形成することができ、面内熱伝導率は250 w\/（m・k）です。一方、その熱膨張係数は非常に低いです。コーティングプロセス中、特に迅速な加熱と冷却サイクルを含む一部のプロセスでは、コーティング材料は劇的な温度変化に耐える必要があります。窒化ホウ素の高い熱伝導率と低熱膨張特性により、均一な熱分布が保証され、コーティングプロセス中に繰り返しの急速な加熱と冷却ショックの効果に効果的に耐え、フィルムの亀裂を防ぎ、フィルム層の完全性と性能の安定性を維持します。たとえば、フィルム層の熱安定性のための非常に高い要件を持つ半導体チップ製造のコーティングプロセスでは、窒化ホウ素コーティングはこれらの厳しい要件を満たし、チップ製造の安定した信頼できる基盤を提供します。

さまざまなコーティングプロセスにおける窒化ホウ素の応用

物理的蒸気堆積（PVD）

PVDプロセスでは、窒化ホウ素は硬いコーティングの準備によく使用されます。例としてマルチアークイオンメッキを取ります。金属蒸発源はカソードとして機能し、それとアノードシェルの間のアーク放電を介して、標的材料が蒸発してイオン化して、ワークピースにコーティングを堆積するための空間的プラズマを形成します。窒化ホウ素標的を使用すると、堆積した窒化ホウ素コーティングは非常に密度と接着があります。このコーティングは硬度が高く、ダイスチールの3倍以上であり、5000HVを超えることさえあります。それは細かく滑らかで、鋼との低摩擦係数があります。金属に簡単に接着することはなく、チップの蓄積を防ぎ、機械加工された部品の表面品質を改善します。また、靭性、耐衝撃性、衝突抵抗性も良好であり、たとえば自動車部品の製造において、ダイキャスティング金型、スタンピング金型などに適用できます。

化学蒸着（CVD）

CVDメソッドは、単純な準備プロセス、高品質のフィルム、大規模な成長領域など、窒化ホウ素薄膜を準備する上で独自の利点があります。金属表面腐食保護のために薄膜を準備する場合、CVD準備された窒化ホウ素薄膜を金属腐食保護に直接使用できます。 H-BNは、グラファイトの平面ネットワーク構造と同様に、一般に「白色グラフェン」として知られており、良好な断熱、高い熱安定性、強力な化学的安定性などの優れた特性を持っています。単一層の欠陥のない窒化ホウ素は優れたシールド性能を持ち、酸素や水分子などの腐食因子が金属基質表面に到達し、電子移動を阻害する可能性があり、それにより塩基金属の亜鉛抑制性腐食の可能性が低下します。ただし、CVD準備された窒化ホウ素薄膜には、必然的に穀物の境界と欠陥があります。原子層の堆積と組み合わせることにより、金属酸化物粒子は、窒化ホウ素膜層の空室、粒界、およびしわの欠陥で均一に分布し、表面上で窒化ホウ素複合膜を形成し、金属の長期保護を達成することができます。

アプリケーションのケースと効果

ツールコーティングのアプリケーションケース

ツール製造企業は、C-BNコーティング技術を製粉カッター製品に適用しました。高強度合金鋼のフライス式試験中に、100のワークピースを加工した後、発生しない通常のミリングカッターは明らかなエッジ摩耗を示し、その結果、機械加工精度が低下し、ワークピースの表面粗さが増加しました。対照的に、C-BNコーティングされたミリングカッターは、同じ数のワークピースを機械加工した後、最小限の摩耗を示し、その最先端は鋭く、連続的で安定した高精度加工を可能にしました。さらなるテストにより、C-BNコーティングミリングカッターのサービス寿命は、通常の製粉カッターの5倍以上であり、ツールの交換コストを大幅に削減し、機械加工効率を改善し、企業に顕著な経済的利益をもたらすことが示されました。

金属腐食保護コーティングのアプリケーションケース

航空宇宙コンポーネントの製造会社は、複雑な環境でのアルミニウム合金成分の耐食性を改善するために、窒化ホウ素複合フィルムコーティング技術を採用しました。アルミニウム合金成分の表面処理後、H-BN薄膜をCVD法によって堆積させ、その後、原子層堆積によりH-BN薄膜上に均一な金属酸化物膜を堆積させて、窒化ホウ素複合膜を形成しました。塩噴霧腐食試験や湿った熱老化テストなどのさまざまなシミュレートされた過酷な環境試験の後、結果は、塩スプレー環境で24時間後に明らかな腐食スポットを示した一方、塩性亜硝化コンポジットフィルムでコーティングされたコンポーネントは、塩スプレーテストの1000時間後に腐食の兆候なしに無効になったことを示しました。このテクノロジーの適用により、航空宇宙コンポーネントの信頼性とサービス寿命が効果的に向上し、複雑な環境での航空機の安全な動作が保証されます。