JP2006265679A

JP2006265679A - 高硬度材料

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Publication number: JP2006265679A
Application number: JP2005088457A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Suzuki; 常生鈴木; Hisayuki Suematsu; 久幸末松; Kiyoshi Yatsui; 八井　　浄
Original assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Current assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP4701386B2

Abstract

【課題】高速での乾式切削にも耐え得る、高硬度で耐酸化性等に優れた硬質被膜を基材表面に形成した、切削工具や金型、摺動部材等として好適に用いられる、高硬度材料を提供する。
【解決手段】基材表面に、マグネシウムを含有するＣｒＮ型の窒化クロムからなる岩塩型結晶構造を有しビッカース硬さが２５００〜４０００の硬質被膜を形成することにより高硬度材料を構成する。硬質被膜中には、さらに酸素を含有させることが好ましい。また、硬質被膜中のマグネシウムの含有量が、硬質被膜を形成する全元素を基準として０．１〜３０原子％で、マグネシウム原子対酸素原子の比が１：０〜１：１となるように構成することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、切削工具や金型、摺動部材等として好適に用いられる、基材表面に、マグネシウムを含有するＣｒＮ型の窒化クロムからなる岩塩型結晶構造を有する硬質被膜を形成した高硬度材料に関する。

従来、切削工具や金型、或いは摺動部材へのコーティングに用いられる硬質被膜としては、窒化チタンや窒化クロムを主成分とする遷移金属窒化物が知られている。
窒化クロムはビッカース硬さが２０００程度であり、例えば窒化クロム被膜でコーティングした切削工具では、切削時に発生する熱によって工具が変質するのを防止するために、潤滑油を用いた湿式切削が主に採用されている。しかしながら、このような湿式切削では、被切削物に付着した潤滑油を洗浄して除去する工程が必要となり、生産コストを高くするとともに、環境への影響が懸念されるといった問題点がある。

窒化クロム被膜の膜特性を改善するために各種の金属やその他の元素を窒化クロム中に導入した被覆材料も種々提案されているが（例えば、特許文献１〜３参照）、潤滑油を使用しない乾式切削において、高速切削時の高温によっても硬度が低下せず、耐酸化性に優れた被覆材料は未だ実現していない。
特許第２７５７９７４号公報特許第２９７７０６６号公報特開２００１−３３５８７８号公報

したがって、本発明は上記従来技術の問題点を解消して、高速での乾式切削にも耐え得る、高硬度で耐酸化性等に優れた硬質被膜を基材表面に形成した、切削工具や金型、摺動部材等として好適に用いられる、高硬度材料を提供することを目的とする。

本発明者等は鋭意検討した結果、基材表面にマグネシウム及び酸素を含有する窒化クロムからなる岩塩型結晶構造を有する硬質被膜を形成することにより上記課題が解決されることを発見し、本発明を完成したものである。
すなわち、本発明では次の１〜７の構成を採用する。
１．基材表面に、マグネシウムを含有するＣｒＮ型の窒化クロムからなる岩塩型結晶構造を有しビッカース硬さが２５００〜４０００の硬質被膜を形成したことを特徴とする高硬度材料。
２．前記硬質被膜がさらに酸素を含有することを特徴とする１に記載の高硬度材料。
３．前記硬質被膜中のマグネシウムの含有量が、硬質被膜を形成する全元素を基準として０．１〜３０原子％で、マグネシウム原子対酸素原子の比が１：０〜１：１であることを特徴とする１又は２に記載の高硬度材料。
４．前記硬質被膜の格子定数が０．４１０〜０．４２０ｎｍであることを特徴とする１〜３のいずれかに記載の高硬度材料。
５．前記硬質被膜がＸ線回折図形において、格子定数が０．４１０〜０．４２０ｎｍの岩塩型構造であることを示す結晶相が含まれていることを特徴とする１〜４のいずれかに記載の高硬度材料。
６．前記硬質被膜の膜厚が０．１〜５０μｍであることを特徴とする１〜５のいずれかに記載の高硬度材料。
７．基材が金属、ガラス、セラミックス、プラスチックから選択されたものであることを特徴とする１〜６のいずれかに記載の高硬度材料。
８．前記硬質被膜がパルスレーザー堆積法によって形成したものであることを特徴とする１〜７のいずれかに記載の高硬度材料。

本発明によれば、高速での乾式切削にも耐え得る、ビッカース硬さが２５００〜４０００という、高硬度で耐酸化性等に優れた硬質被膜を基材表面に形成した、高硬度材料を得ることができる。本発明の高硬度材料は、切削工具や金型、摺動部材等として幅広い分野に利用できるものであり、実用的価値は極めて高いものである。

つぎに、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の硬質材料の製造に使用される装置の１例を示す模式図である。この装置１は、レーザー発生装置２、発生されたレーザーを集光するレンズ３及びウィンドウ４を備えた円筒形のチャンバー５、該チャンバー５を減圧にするポンプ６、及び該チャンバー５に置換ガスを供給する置換ガス供給源７により構成される。

この装置１を使用して本発明の硬質材料を製造する手順としては、はじめに、チャンバー５内に、基材８及び基材表面に硬質被膜を形成する材料となるターゲット９を対向させて配置する。つぎに、チャンバー５内をポンプ６により減圧にし、置換ガス供給源７からアンモニアガスを供給してチャンバー５内を置換する。つぎに、レーザー発生源２から発生させたレーザーをレンズ３で集光し、ウインドウ４を通じてターゲット９に照射し、基材８上に薄膜を堆積させて、硬質材料を形成する。

本発明の硬質材料を形成する基材としては、鋼、鋳鉄、ステンレス鋼、シリコン、チタン或いはチタン合金等の金属材料や、ガラス、セラミック、プラスチック等の材料を、硬質材料の用途に応じて使用することができる。切削工具や摺動部材のように、強度及び耐久性を必要とする場合には、通常は金属材料が使用される。
基材８は、チャンバー５内に設けたヒーター（図示せず）により、基材の種類に応じた温度、例えば金属材料では１００〜７００℃程度、に加熱される。

基材表面に堆積させる硬質被膜の原料となるターゲットとしては、例えば、ａ）Ｃｒ源としては、Ｃｒ、Ｃｒ_２Ｎ等、ｂ）Ｍｇ源としては、Ｍｇ、Ｍｇ_３Ｎ_２、ＭｇＯ等を使用することができ、これらは適宜組み合わせて使用される。このターゲットは円盤状に形成し、回転させながらレーザーを照射する。そして、ターゲット中のＣｒ源とＭｇ源の面積比を変化させることによって、硬質被膜中に導入するＭｇの量を調整することができる。
硬質被膜中のＭｇの含有量は、被膜を構成する全元素を基準として０．１〜３０原子％、特に１〜１５原子％とすることが好ましい。Ｍｇの含有量を上記範囲とすることによって、高硬度で耐酸化性等に優れた被膜を得ることができ、このような被膜は化学的安定性が高いために、被切削物との反応を低減することができる。

本発明の高硬質材料の硬質被膜中には、さらに酸素を含有させることが好ましい。硬質被膜中の酸素の含有量は、Ｍｇ原子：Ｏ原子が１：０〜１：１、特に１：０．３〜１：０．８とすることが好ましい。硬質被膜中に酸素を含有させることによって、被膜の硬度を一段と改善することができる。
硬質被膜中に酸素を含有させるには、例えば、チャンバー５内の酸素の分圧が０．０００１〜０．１、好ましくは０．００１〜０．０１Ｔｏｒｒとなるように減圧度を調整することによって、行うことができる。

本発明によれば、格子定数が０．４１０〜０．４２０ｎｍである岩塩型結晶構造を有する硬質被膜を得ることができる。岩塩型結晶構造の存在は、Ｘ線回折図形において岩塩型構造に起因する（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（２２２）、（４００）、（３３１）、又は（４２０）のピークにより確認することができる。硬質被膜は、Ｘ線回折図形において、全回折ピークの積分強度和の９０％以上が、岩塩型構造に起因する回折ピークであるものとすることが好ましい。

本発明の高硬度材料において、基材表面に形成する硬質被膜の膜厚は、用途に応じて適宜選択することができるが、通常は、０．０１〜５００μｍ程度、好ましくは０．１〜１００μｍ程度、さらに好ましくは０．１〜５０μｍ程度とすることができる。

本発明の硬質材料の製造に使用するレーザーの種類としては特に制限はなく、ＸｅＣｌレーザー、ＫｒＦレーザー、ＡｒＦレーザー、ＣＯ_２レーザー、ＹＡＧレーザー等の、レーザーアブレーションに使用されるレーザーはいずれも使用することができる。好ましいレーザーとしては、例えばネオジウムヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザーの３倍波（３５５ｎｍ）が挙げられる。
レーザーの照射条件は、基板やターゲットの種類、硬質被膜の膜厚や用途等に応じて適宜選択することができるが、通常はパルス幅：１〜１０ｎｓ、周波数：１〜３００Ｈｚ、エネルギー密度：０．１〜３０Ｊ／ｃｍ^２、照射回数：６，０００〜１８０，０００回程度とすることが好ましい。

つぎに、本発明を実施例によりさらに説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
（実施例１）
図１の装置１内に、Ｃｒ_２ＮとＭｇからなる直径５ｃｍ、厚さ５ｍｍの円盤状のターゲット９と、縦３ｃｍ、横３ｃｍ、厚さ０．５ｍｍのＳｉ（１００）基材８を１０ｍｍの間隔で対向配置した。ポンプ６でチャンバー５を３×１０^−６Ｔｏｒｒ以下の減圧とし、置換ガス供給源７からアンモニアガスを供給して、チャンバー５内を置換した。
基材８をヒーターで４００℃に加熱し、レーザー発生装置２で発生させたＮｄ：ＹＡＧレーザーの３倍波（３５５ｎｍ）をレンズ３で集光し、ウィンドウ４を通じて回転するターゲット９に照射することにより、基材８上にＭｇ及び０を含有する、膜厚１μｍの窒化クロム被膜を堆積させた。レーザーは、繰り返し周波数１０Ｈｚ、パルス幅７ｎｓで１時間照射した（照射回数３６，０００回）。
ターゲット９におけるＭｇの面積比を０〜５０％と変化させて成膜を行ない、得られた被膜はエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により組成分析を行った。また、被膜の硬度はビッカース硬さ試験機により測定し、被膜の格子定数は、銅のＫαＸ線（波長０．１５４ｎｍ）を使用した管電圧５０ｋｖ・管電流３００ｍＡのＸ線回折装置により、θ／２θ法で測定した。

ターゲットにおけるＣｒ_２Ｎ：Ｍｇの面積比を７５：２５として得られた、Ｃｒ：Ｍｇの原子比が６７：３３である被膜のＸ線回折図形を図２に示す。図２には、被膜材料の主相が岩塩型であることを示す、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（２２２）、（４００）、（３３１）、（４２０）の各ピークが見られる。
また、被膜を構成する金属元素中のＭｇ含有量と、被膜のビッカース硬さとの関係を図３に示す。被膜中のＭｇの含有量の増加に伴って、ビッカース硬さは２３００〜３７００と向上することが判明した。

本発明の高硬度材料の製造に使用される装置の１例を示す模式図である。本発明の実施例において得られた高硬度材料の被膜のＸ線回折図形である。本発明の高硬度材料の被膜中のＭｇの含有量と被膜の硬度との関係を示す図である。

符号の説明

１製造装置
２レーザー発生装置
３レンズ
４ウインドウ
５チャンバー
６ポンプ
７置換ガス供給源
８基材
９ターゲット

Claims

基材表面に、マグネシウムを含有するＣｒＮ型の窒化クロムからなる岩塩型結晶構造を有しビッカース硬さが２５００〜４０００の硬質被膜を形成したことを特徴とする高硬度材料。
前記硬質被膜がさらに酸素を含有することを特徴とする請求項１に記載の高硬度材料。
前記硬質被膜中のマグネシウムの含有量が、硬質被膜を形成する全元素を基準として０．１〜３０原子％で、マグネシウム原子対酸素原子の比が１：０〜１：１であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高硬度材料。
前記硬質被膜の格子定数が０．４１０〜０．４２０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高硬度材料。
前記硬質被膜がＸ線回折図形において、格子定数が０．４１０〜０．４２０ｎｍの岩塩型構造であることを示す結晶相が含まれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高硬度材料。
前記硬質被膜の膜厚が０．１〜５０μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高硬度材料。
基材が金属、ガラス、セラミックス、プラスチックから選択されたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の高硬度材料。
前記硬質被膜がパルスレーザー堆積法によって形成したものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の高硬度材料。