JP2007191751A - Coating film deposition method, and coating base material - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、潤滑油環境下および潤滑が不十分な環境下で高い耐焼き付き特性ならびに摺動特性を示す表層に微細孔を有するクロム含有窒化物膜の被膜形成方法とこの方法により得られる被膜を有する被膜基材に関する。 The present invention relates to a method for forming a chromium-containing nitride film having fine pores in the surface layer exhibiting high seizure resistance and sliding characteristics in a lubricating oil environment and in an environment where lubrication is insufficient, and a film obtained by this method. The present invention relates to a coating substrate having the same.
摺動部材にあっては、高面圧下では部品同士が焼き付き、それにともなって膜の剥離や摩耗が進行する。焼き付きは特に同種の金属同士で起こりやすく、そのため、耐焼き付き性を改善するために、摺動面を異種金属とすることもあるが、高面圧下では窒化クロムや窒化チタンのような硬質セラミックスを被覆することで、金属同士の直接接触を避ける方法がとられる。これらの硬質セラミックの内、窒化クロムは、窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化アルミチタンなどの硬質被膜に比べ、硬度が低いものの、摺動時の相手材攻撃性が小さいという特徴を持っている。攻撃性が小さいという面では、ダイヤモンド状カーボン(DLC)は窒化クロム以上に相手攻撃性が低く、乾式摩擦係数が0.1以下という特徴を持つが、付着強度と耐熱性に問題がある。このようなことから、窒化クロム膜がピストンリングやロータリーコンプレッサーのベーン材などの耐摩耗摺動被膜として用いられている。 In the sliding member, parts are seized under a high surface pressure, and film peeling and wear progress accordingly. The seizure is particularly likely to occur between the same type of metals, so the sliding surface may be made of a dissimilar metal to improve seizure resistance, but hard ceramics such as chromium nitride and titanium nitride are used under high surface pressure. By coating, a method of avoiding direct contact between metals is taken. Among these hard ceramics, chromium nitride has a feature that it has low hardness compared to hard coatings such as titanium nitride, titanium carbide, titanium carbonitride, and aluminum titanium nitride, but is less attacking by the mating material. ing. In terms of low aggression, diamond-like carbon (DLC) has characteristics that the other party is less aggressive than chromium nitride and has a dry friction coefficient of 0.1 or less, but there are problems in adhesion strength and heat resistance. For this reason, chromium nitride films are used as wear-resistant sliding coatings for piston rings and rotary compressor vanes.
摺動部品にPVDコーティング薄膜を適用する場合の懸念はその耐久性にあり、軽量化や省資源化の流れから、部品への負荷がますます大きくなっている状況下で、その安定化が強く望まれている。摺動部品に関わる被膜は摩耗、剥離、あるいは焼き付きで寿命となり、同部品を長期間に渡って安定に機能させるためにはそれらの改善が必要である。その対策として、基材表層を窒化し、その上にCr2N型とCrN型窒化クロムが混在する膜を形成する方法(例えば、特許文献1)、イオンプレーティング被膜の混合組成比率を耐剥離性に設置する方法(例えば、特許文献2)、CrNの配向を{111}面とし、被膜中にB、OまたはCの一方を含有させる方法(例えば、特許文献3)などが知られている。 The concern when applying PVD coating thin films to sliding parts is their durability, and their stabilization is strong under the circumstances where the load on parts is increasing due to the trend of weight reduction and resource saving. It is desired. The coating on the sliding part has a life due to wear, delamination, or seizure, and it is necessary to improve the part so that the part can function stably over a long period of time. As countermeasures, a method of nitriding the surface layer of the substrate and forming a film on which Cr 2 N-type and CrN-type chromium nitride are mixed (for example, Patent Document 1), the mixed composition ratio of the ion plating film is peel resistant. There are known methods (for example, Patent Document 2), a method in which the orientation of CrN is the {111} plane, and one of B, O, or C is contained in the coating (for example, Patent Document 3). .
一方、部品同士の焼き付きは潤滑油が界面から無くなることで起きやすくなるので、その対策として、基材表面に微細な油だまりを作ることが有効である。そのような方法として、例えば特許文献4においては、微粒子をめっきで基材に付着させ、その上から物理蒸着等の手段で被膜を形成し、しかる後に微粒子を除去し、潤滑剤保持用の孔を形成する方法が提案されている。また、非特許文献1には、電気めっきで基材表面を多孔質膜を形成する方法が提案されている。
しかしながら、窒化クロム皮膜による対策を行っても、部品へかかる面圧が高くなったり、潤滑油の供給が不十分であったりする環境下では、窒化クロム膜を被覆した部品でも焼き付きを起こすという問題がある。 However, even if countermeasures are taken with a chromium nitride film, parts that are coated with a chromium nitride film cause seizure in an environment where the surface pressure applied to the parts is high or the supply of lubricating oil is insufficient. There is.
また、基材表面に微細な油だまりをつくる場合に、特許文献4においては、高分子粒をめっき処理で付着させたり、セラミックコーティング後に外したりする必要があり、工程が複雑で製造コストが高くなると言う問題がある。さらに、高分子がめっき膜表面に存在すると物理蒸着法で形成される膜の付着強度が著しく低くなること、曲面を持つ形状物への処理が難しいこと、あるいは高分子粒が微細になるほど、めっき処理時に基材表面へ均一分散させることが困難になるという問題がある。また、非特許文献1の方法では特許文献4の方法に比べ表面創製が容易であるが、膜の硬度がセラミックス膜の半分以下であり、耐摩耗性の点では不十分であり、使用に耐えないという問題があった。 Moreover, when making a fine oil sump on the surface of a base material, in patent document 4, it is necessary to attach a polymer grain by a plating process, or to remove after ceramic coating, and a process is complicated and manufacturing cost is high. There is a problem to say. Furthermore, if the polymer is present on the surface of the plating film, the adhesion strength of the film formed by the physical vapor deposition method is remarkably reduced, the processing to a shape having a curved surface is difficult, or the finer the polymer particles, the more the plating is performed. There is a problem that it is difficult to uniformly disperse the base material surface during processing. Further, the method of Non-Patent Document 1 is easier to create the surface than the method of Patent Document 4, but the film hardness is less than half that of the ceramic film, and is insufficient in terms of wear resistance, so it can withstand use. There was no problem.
本発明の課題は前述した問題点に鑑みて、従来の窒化クロムなどの硬質セラミック膜に比べ、特に耐焼き付き性を改善した高い耐久性を持つ摺動用被膜の被覆方法と被覆基材を提供することである。さらには、硬度の高い摺動被膜を確保しながら、微細な油だまりを種々の形状面であっても、容易に均一に形成できる摺動用被膜の被覆方法と被覆基材を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems, the present invention provides a coating method and a coating substrate for a sliding coating having high durability, particularly with improved seizure resistance, compared to conventional hard ceramic films such as chromium nitride. That is. Furthermore, it is to provide a coating method and a coating substrate for a sliding coating that can form a fine oil sump evenly in various shapes while ensuring a high hardness sliding coating. .
本発明においては、基材表面に物理蒸着法により少なくとも最上層にクロム含有窒化物膜を被覆した後、前記被覆された基材を酸化処理する被膜形成方法を提供することにより前述した課題を解決した(請求項1)。 In the present invention, the above-mentioned problems are solved by providing a film forming method in which at least the uppermost layer is coated with a chromium-containing nitride film by physical vapor deposition on the surface of the substrate, and then the coated substrate is oxidized. (Claim 1).
即ち、従来、物理蒸着法で成膜された窒化クロム膜は全てが窒化クロムの結晶から構成されているわけではなく、一般には化学量論組成から外れ、金属として存在しているクロムも存在する。この金属成分が高面圧や潤滑が不十分な環境下で焼き付きを引き起こすと考えられる。これに対して、本発明においては、イオンプレーティング法やスパッタリング方などの物理蒸着法により、基材上にクロムを含有する窒化物膜(以下クロム含有窒化物膜)を形成し、しかる後に該基材を酸化雰囲気中で加熱して膜の表層を酸化物とするので、クロム含有窒化物膜の少なくとも表層部は酸化物または酸窒化物となり、酸素の一部は組織の空隙を通して膜内へも入る。このようにすることにより、少なくとも表層付近には、フリーな状態の金属成分がなくなり、特に潤滑油中で高い面圧下でも優れた耐久性が得られる。 That is, conventionally, chromium nitride films formed by physical vapor deposition are not entirely composed of chromium nitride crystals, and generally deviate from the stoichiometric composition and some chromium exists as a metal. . This metal component is considered to cause seizure in an environment where high surface pressure and lubrication are insufficient. On the other hand, in the present invention, a nitride film containing chromium (hereinafter referred to as a chromium-containing nitride film) is formed on a substrate by a physical vapor deposition method such as an ion plating method or a sputtering method. Since the substrate is heated in an oxidizing atmosphere to convert the surface layer of the film into an oxide, at least the surface layer of the chromium-containing nitride film becomes an oxide or oxynitride, and a part of oxygen enters the film through the voids in the tissue. Also enter. By doing so, there is no free metal component at least near the surface layer, and excellent durability can be obtained even under high surface pressure in a lubricating oil.
また、クロムはもともと耐酸化性の高い材料であり、ステンレス鋼に見られるように表層にクロム酸化物を形成してそれ以上の酸化の進行を抑制する。したがって、例えば大気中で電気炉などで加熱することにより容易に表層に酸化被膜を形成することが出来、内部まで酸化が進行するのを防止する。 Chromium is originally a material with high oxidation resistance, and forms chromium oxide on the surface layer as seen in stainless steel to suppress further oxidation. Therefore, for example, an oxide film can be easily formed on the surface layer by heating with an electric furnace or the like in the atmosphere, and oxidation is prevented from proceeding to the inside.
さらに、請求項2に記載の発明においては、基材表面に物理蒸着法により少なくとも最上層にクロム含有窒化物膜を被覆した後、前記被覆された基材を酸化処理し、さらに、前記酸化処理された最上層膜の表面から泡状凸部を除去する工程を加える被膜形成方法とした。 Furthermore, in the invention according to claim 2, after coating the chromium-containing nitride film on at least the uppermost layer on the surface of the substrate by physical vapor deposition, the coated substrate is oxidized, and the oxidation treatment is further performed. The method of forming a film was to add a step of removing the bubble-shaped convex portions from the surface of the uppermost layer film.
通常、物理蒸着法等で形成した膜中には膜表面から基材に達する多数のピンホールが存在する。このピンホールを皆無にすることは困難である。本発明はこのピンホールを逆に利点として活用したものである。即ち、ピンホールを有するクロム含有窒化物膜を酸化雰囲気で加熱することにより、膜に存在したピンホールを通して基材が酸化性ガスと接触し、穴直下の基材が酸化される。それにともない、酸化された基材が体積膨張し、その上に被覆された膜が浮き上がる。浮き上がった膜は泡状凸部を形成する。この泡状凸部は摩擦などの簡単な操作で除去、平滑化することが可能であり、この泡状凸部を除去、さらには平滑化することにより、表面に多数の微細な孔を持った膜を形成することができる。 Usually, in a film formed by physical vapor deposition or the like, there are many pinholes reaching the substrate from the film surface. It is difficult to eliminate this pinhole. In the present invention, this pinhole is utilized as an advantage. That is, by heating the chromium-containing nitride film having pinholes in an oxidizing atmosphere, the base material comes into contact with the oxidizing gas through the pinholes existing in the film, and the base material immediately below the holes is oxidized. As a result, the oxidized base material expands in volume, and the film coated thereon floats. The floated film forms a foamy convex part. This foamy convex part can be removed and smoothed by a simple operation such as friction. By removing and smoothing this foamy convex part, the surface has many fine holes. A film can be formed.
例えば、図1に熱間金型用鋼SKD61基材にマグネトロンスパッタ法で製作した窒化クロム膜の表面写真を示す。この図に見られるようなピンホールを持つ膜を被覆した基材を酸化雰囲気に置くと、ピンホールを通して基材が酸化され、ピンホール直下の基材が体積膨張し、その上に形成されている膜が浮き上がる。その浮き上がった膜の泡状凸部を摩擦などの方法で除去することにより容易に油だまりとなる孔を持った被膜を形成することが出来る。このようにして生成された孔の径は処理条件によって異なるのであるが、後述する図3に示すように、500℃の空気雰囲気で1時間加熱すると、酸化層の厚さが0.2μm、孔径の分布が10〜200μmとなる。 For example, FIG. 1 shows a surface photograph of a chromium nitride film manufactured by magnetron sputtering on a hot mold steel SKD61 substrate. When a base material coated with a film having a pinhole as shown in this figure is placed in an oxidizing atmosphere, the base material is oxidized through the pinhole, and the base material immediately below the pinhole expands and is formed thereon. The film is lifted. By removing the foamy convex portions of the floated film by a method such as friction, a film having holes that become oil pools can be easily formed. The diameter of the holes thus generated varies depending on the processing conditions. As shown in FIG. 3 described later, when heated in an air atmosphere at 500 ° C. for 1 hour, the thickness of the oxide layer is 0.2 μm and the hole diameter is Distribution of 10 to 200 μm.
また、請求項3に記載の発明においては、前記少なくとも最上層のクロム含有窒化物被膜の金属元素中のクロム含有比率は10wt%以上とした。基材の表層に酸化膜を形成しつつ、内部への酸化の進行を抑制する機能を持つクロムの合金元素含有量は10wt%以上が好ましく、それより少ないと膜全体が酸化し、膜自身の特性が変化してしまうからである。また、本発明のクロム含有窒化物膜は少なくともクロムが含有されている必要がある。そこで、請求項4に記載の発明においては、前記少なくとも最上層のクロム含有窒化物膜の金属元素中のクロム以外の合金元素が4a、5a、3b、および4b族から選ばれる1種または2種以上とクロムとの硬質合金膜を形成したものとした。 In the invention described in claim 3, the chromium content ratio in the metal element of the at least uppermost chromium-containing nitride coating is 10 wt% or more. The alloy element content of chromium having a function of suppressing the progress of oxidation to the inside while forming an oxide film on the surface layer of the substrate is preferably 10 wt% or more, and if it is less than that, the entire film is oxidized and the film itself This is because the characteristics change. Further, the chromium-containing nitride film of the present invention needs to contain at least chromium. Therefore, in the invention described in claim 4, the alloy element other than chromium in the metal element of the at least uppermost chromium-containing nitride film is one or two selected from 4a, 5a, 3b, and 4b groups. A hard alloy film of chromium and chromium was formed.
さらに請求項5に記載の発明においては、前記酸化処理は大気中、水蒸気中あるいは酸素雰囲気中で加熱する方法で行う。これによれば、簡単な装置でよい。また、請求項6に記載の発明においては、前記酸化処理温度を300℃以上、1000℃未満とした。酸化被膜の厚さは時間とともに厚くなるが、一旦表層に酸化被膜が形成されると、酸素の膜中への拡散が抑制されるので、厚さの増加は時間とともに遅くなる。そこで、厚い酸化被膜を形成するためには処理温度を例えば500℃程度に高める方法が有効で、短時間により厚い膜を形成することが出来る。酸化処理温度は基材の強度や硬度などの特性にも影響を及ぼすので、注意を要するが、実用的には300℃以上、1000℃未満が適当である。 Furthermore, in the invention described in claim 5, the oxidation treatment is performed by a method of heating in air, water vapor or oxygen atmosphere. According to this, a simple apparatus may be sufficient. In the invention described in claim 6, the oxidation treatment temperature is set to 300 ° C. or higher and lower than 1000 ° C. Although the thickness of the oxide film increases with time, once the oxide film is formed on the surface layer, diffusion of oxygen into the film is suppressed, so that the increase in thickness is delayed with time. Therefore, in order to form a thick oxide film, a method of increasing the processing temperature to about 500 ° C. is effective, and a thick film can be formed in a short time. Since the oxidation treatment temperature also affects properties such as the strength and hardness of the base material, it is necessary to pay attention. However, practically, the temperature is not less than 300 ° C. and less than 1000 ° C.
さらにまた、請求項7に記載の発明においては、前記基材は鋼基材であって、前記基材を窒化処理した後に、被覆処理、酸化処理等を行う。高速度工具鋼や耐熱性の高い材料を用いたり、鋼を窒化処理することで、加熱による軟化を抑制し、本発明の酸化膜形成時の処理温度により基材が軟化するのを防止する。 Furthermore, in the invention described in claim 7, the base material is a steel base material, and after the base material is nitrided, a coating treatment, an oxidation treatment or the like is performed. By using high-speed tool steel or a material having high heat resistance, or by nitriding the steel, softening due to heating is suppressed, and the base material is prevented from being softened by the processing temperature at the time of forming the oxide film of the present invention.
前述した本発明の被膜形成方法により、次の被覆基材を提供する。即ち、請求項8に記載の発明においては、基材表面の少なくとも最上層にクロム含有被膜を有し、前記クロム含有被膜の表層はクロム含有酸化物膜又はクロム含有酸窒化物膜を含み表層の金属の比率が0.01原子%以下である被覆基材を提供する。表層は酸化され、クロム含有窒化物膜とクロム含有酸窒化物膜であるので、摺動性能が良好である上に、クロム金属やクロム以外の金属、例えばアルミ金属等の金属の比率が0.01原子%以下と実質的にフリーな状態の金属成分がないので、高い、摺動性能と耐久性を有する。 The following coated substrate is provided by the above-described film forming method of the present invention. That is, in the invention described in claim 8, at least the uppermost layer of the substrate surface has a chromium-containing coating, and the surface layer of the chromium-containing coating includes a chromium-containing oxide film or a chromium-containing oxynitride film. A coated substrate having a metal ratio of 0.01 atomic% or less is provided. Since the surface layer is oxidized to be a chromium-containing nitride film and a chromium-containing oxynitride film, the sliding performance is good, and the ratio of the metal such as chromium metal or metal other than chromium, for example, aluminum metal is 0. Since there is no metal component in a substantially free state of 01 atomic% or less, it has high sliding performance and durability.
また、請求項9に記載の発明においては、前記基材表面に微少孔が形成され、前記微少孔表面がクロム含有酸化物膜又はクロム含有酸窒化物膜を含む被覆基材とした。これは請求項2記載の被膜形成方法により得られる。単なる微少孔でなく、孔内面がクロム酸化物膜又はクロム酸窒化物膜であるので、錆等の発生も少なく、潤滑剤等による化学変化が少ない。さらに、請求項10に記載の発明においては、前記酸化層の厚さが0.05以上0.5μm以下、微少孔の孔径の分布が10〜200μmである被覆基材とした。このものは、前述したように、物理蒸着時のピンホールの発生や抑制の制御等を多く必要としない。また、微少孔の孔径は大きさ的に潤滑用の油だまり等の大きさとして適したものである。酸化層の厚みが0.05μm以下ではフリーな状態の金属成分が残る可能性があり、0.5μmを超えると酸化により表面が劣化する虞があるので、酸化層の厚さは0.05以上0.5μm以下が好ましい。 In the invention according to claim 9, a microporous hole is formed on the surface of the base material, and the microporous surface is a coated base material including a chromium-containing oxide film or a chromium-containing oxynitride film. This is obtained by the film forming method according to claim 2. Since the inner surface of the hole is not a mere minute hole but a chromium oxide film or a chromic oxynitride film, the occurrence of rust or the like is small, and the chemical change due to the lubricant or the like is small. Furthermore, in the invention described in claim 10, the coated base material has a thickness of the oxide layer of 0.05 to 0.5 μm and a pore size distribution of 10 to 200 μm. As described above, this does not require much control of generation or suppression of pinholes during physical vapor deposition. Moreover, the hole diameter of the minute hole is suitable for the size of the oil sump for lubrication. If the thickness of the oxide layer is 0.05 μm or less, free metal components may remain. If the thickness exceeds 0.5 μm, the surface may be deteriorated due to oxidation, so the thickness of the oxide layer is 0.05 or more. 0.5 μm or less is preferable.
さらに、請求項11に記載の発明においては、前記最上層のクロム含有被膜の金属元素中のクロム含有比率は10wt%以上とし、安定した膜を提供する。また、請求項12に記載の発明においては、前記最上層のクロム含有被膜の金属元素中のクロム以外の合金元素は4a、5a、3b、および4b族から選ばれる1種または2種以上とするのが好ましい。また、請求項13に記載の発明においては、前記基材は鋼基材であって、窒化処理されたものとし、強度低下のないものとした。 Furthermore, in the invention described in claim 11, the chromium content ratio in the metal element of the uppermost chromium-containing coating is 10 wt% or more, thereby providing a stable film. In the invention described in claim 12, the alloy element other than chromium in the metal element of the chromium-containing coating of the uppermost layer is one or more selected from 4a, 5a, 3b, and 4b groups. Is preferred. In the invention described in claim 13, the base material is a steel base material, which has been subjected to nitriding treatment, and has no reduction in strength.
以上述べたように、本発明においては、クロム含有窒化物膜を被覆された基材を酸化処理する被膜形成方法を提供することにより、表層付近のフリーな状態の金属成分を無くし、耐焼き付け性を改善した、高い耐久性が得られる摺動部材を、容易にかつ高く安定した品質で製造できるものとなった。さらに、請求項2に記載の発明においては、記酸化処理された最上層膜の表面から泡状凸部を除去する工程を加え、表面に多数の孔を持った膜を形成する方法を提供するので、微細な油だまりを容易に、多数、均一に製造できるものとなった。また、従来の装置を適宜用いる等、比較的簡単な方法で実現できるため、耐焼き付き性の優れた摺動用被膜とそれを被覆した部材を安価に提供することが出来る効果がある。 As described above, in the present invention, by providing a film forming method for oxidizing a substrate coated with a chromium-containing nitride film, free metal components near the surface layer are eliminated, and seizure resistance is improved. Thus, a sliding member with improved durability and high durability can be easily manufactured with high and stable quality. Furthermore, the invention according to claim 2 provides a method of forming a film having a large number of pores on the surface by adding a step of removing the bubble-shaped convex portions from the surface of the oxidized uppermost layer film. Therefore, a large number of fine oil sumps can be easily and uniformly manufactured. In addition, since it can be realized by a relatively simple method such as appropriately using a conventional apparatus, there is an effect that it is possible to provide a sliding coating excellent in seizure resistance and a member coated therewith at a low cost.
また、請求項3に記載の発明においては、クロム含有比率を10wt%以上とし、基材の表層に酸化膜を形成しつつ、内部への酸化の進行を抑制し、膜の酸化、膜の特性の変化を防止するので、安定した摺動部材を提供できる。また、クロム含有窒化物膜の金属元素中のクロム以外の合金元素が4a、5a、3b、および4b族から選ばれる1種または2種以上とクロムとの硬質合金膜でよいのでクロムの特性を利用した種々の被覆機材を提供できる。 In the invention described in claim 3, the chromium content is set to 10 wt% or more, and while the oxide film is formed on the surface layer of the substrate, the progress of oxidation to the inside is suppressed, and the oxidation of the film and the characteristics of the film are performed. Therefore, a stable sliding member can be provided. In addition, since the alloy element other than chromium in the metal element of the chromium-containing nitride film may be a hard alloy film of one or more selected from the group 4a, 5a, 3b, and 4b and chromium, the characteristics of chromium can be improved. Various coating equipment used can be provided.
また、請求項5に記載の発明においては、酸化処理は大気中、水蒸気中あるいは酸素雰囲気中で加熱する簡単な装置でよいので、操作も容易で、安価に処理できる。また、請求項6に記載の発明においては、酸化処理温度を300℃以上、1000℃未満とし、厚い膜を形成できるようにし、さらに、請求項7に記載の発明においては、鋼基材を窒化処理した基材に被覆処理、酸化処理等を行い、基材の軟化を防止するので、基材の強度や硬度への影響を減じ、基材の特性を活かした被覆基材を提供できる。 In the invention described in claim 5, since the oxidation treatment may be a simple apparatus that heats in the air, water vapor or oxygen atmosphere, the operation is easy and the treatment can be performed at low cost. In the invention described in claim 6, the oxidation treatment temperature is set to 300 ° C. or more and less than 1000 ° C. so that a thick film can be formed. Further, in the invention described in claim 7, the steel substrate is nitrided. Since the treated base material is subjected to coating treatment, oxidation treatment, etc. to prevent softening of the base material, it is possible to provide a coated base material that reduces the influence on the strength and hardness of the base material and takes advantage of the properties of the base material.
そして、請求項8に記載の発明においては、クロム含有被膜の表層にクロム含有酸化物膜又はクロム含有酸窒化物膜を含ませ表層の金属の比率を0.01原子%以下とし、実質的にフリーな状態の金属成分を無くし、油潤滑が不十分な環境下でも相手金属材との摺動において焼き付きが生じにくく、高い、摺動性能と耐久性を有するので、耐焼き付け性が高く、高耐荷重、高耐久性を有し、特に摺動部材に適した被覆基材となった。さらに、請求項9に記載の発明においては、基材表面にクロム含有酸化物膜又はクロム含有酸窒化物膜の表面を有する微少孔が設けられ、耐薬品性を有する油溜まりが形成されているので、潤滑剤の保持性が高まり、さらに耐焼き付き性を高める作用をし、摺動用被覆基材として有用なものとなった。 In the invention described in claim 8, the surface layer of the chromium-containing coating film includes a chromium-containing oxide film or a chromium-containing oxynitride film so that the metal ratio of the surface layer is 0.01 atomic% or less, Eliminates metal components in a free state, prevents seizure when sliding against the mating metal material even in an environment where oil lubrication is insufficient, and has high sliding performance and durability. It has a load resistance and high durability, and is a coated substrate particularly suitable for a sliding member. Furthermore, in the invention described in claim 9, a micropore having the surface of the chromium-containing oxide film or the chromium-containing oxynitride film is provided on the surface of the base material, and an oil sump having chemical resistance is formed. As a result, the retention of the lubricant has been increased, and the seizure resistance has been further improved, making it useful as a coating substrate for sliding.
さらに、請求項10に記載の発明においては、酸化層の厚みが0.05以上0.5μm以下、微少孔の孔径の分布が10〜200μmであり、微少孔の孔径は油だまり用として適した大きさであるので、摺動用にさらに適したものとなった。また、請求項11に記載の発明においては、クロム含有比率を10wt%以上とし、安定した膜となるので、はく離や、発錆がない。また、請求項12に記載の発明においては、前記最上層のクロム含有被膜の金属元素中のクロム以外の合金元素は4a、5a、3b、および4b族から選ばれる1種または2種以上とするので種々の摺動用被覆基材を提供できる。例えば窒化クロムの他、窒化アルミクロム、窒化クロムチタンなどのクロムを含有する被膜でも同様な特性が得られる。また、同様な機能は、例えば基材に接する下層をチタン金属やクロム金属とし、徐々に窒素成分を多くした傾斜組成層構造に形成し、その後に酸化処理しても同様に得られる。また、請求項13に記載の発明においては、鋼基材を窒化処理し、強度低下を減じるので、高強度の摺動被覆基材の提供ができる。 Furthermore, in the invention described in claim 10, the thickness of the oxide layer is 0.05 to 0.5 μm, the pore size distribution is 10 to 200 μm, and the pore size is suitable for oil sump. Due to its size, it became more suitable for sliding. In the invention described in claim 11, since the chromium content is 10 wt% or more and a stable film is obtained, there is no peeling or rusting. In the invention described in claim 12, the alloy element other than chromium in the metal element of the chromium-containing coating of the uppermost layer is one or more selected from 4a, 5a, 3b, and 4b groups. Therefore, various sliding coated substrates can be provided. For example, in addition to chromium nitride, similar characteristics can be obtained with a film containing chromium, such as aluminum chromium nitride and chromium nitride titanium. A similar function can be obtained in the same way by forming a gradient composition layer structure in which the lower layer in contact with the base material is made of titanium metal or chromium metal, gradually increasing the nitrogen component, and then oxidizing. In the invention according to claim 13, since the steel substrate is subjected to nitriding treatment to reduce the strength reduction, a high-strength sliding coating substrate can be provided.
次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described.
本発明の実施例1は、蒸発原料を溶解する方式のイオンプレーティング装置を用い、金属クロムを蒸発原料、窒素を反応ガスとして、研削仕上げしたクロムモリブデン鋼SCM415基材およびラップ仕上げした高速度工具鋼SKH51上に厚さが3μmの窒化クロム膜(CrN膜)を被覆した。これにより、基材表面には図1に示すように表面に多数のピンホールを持つ被膜が得られた。 Example 1 of the present invention uses a chromium plating steel SCM415 base material that has been ground using a metal chromium as an evaporation material and nitrogen as a reaction gas, and a high-speed tool that has been lapped using an ion plating apparatus that dissolves the evaporation material. A chromium nitride film (CrN film) having a thickness of 3 μm was coated on the steel SKH51. As a result, a film having a large number of pinholes on the surface was obtained as shown in FIG.
次に、本基材を大気雰囲気下で電気炉に入れ、500℃にて30分の加熱を行った。その結果、SKH51基材の方は、色調が金属色から青色に変化し、表層が酸化されていることが判るが、その他の認識できる表面性状の変化はなかった。図2に示す同心円は酸化層の厚さを調べるため、平滑に研磨したSKH51基材の試料にカロテスターを用いて膜表面から基材に向かって球形状に削った痕跡を膜表面から見たカロテスト痕である。図2から基材表面の酸化層の厚さは約0.2μmであった。 Next, this base material was put into an electric furnace in an air atmosphere and heated at 500 ° C. for 30 minutes. As a result, it was found that the color tone of the SKH51 base material changed from a metal color to a blue color and the surface layer was oxidized, but there was no other recognizable change in surface properties. The concentric circles shown in FIG. 2 were used to examine the thickness of the oxide layer, and a trace of a smooth polished SKH51 substrate sample was cut from the surface of the membrane toward the substrate using a carotester. Carotest marks. From FIG. 2, the thickness of the oxide layer on the substrate surface was about 0.2 μm.
他方、SCM415基材の方は、図3に示すように、酸化後、平滑に研磨した基材表面に多数の酸化痕が現れた。これは先述のように、膜のピンホールを通してピンホール直下の基材が酸化して生じたものである。なお、ピンホールは10〜80μmのものが多数生じている。SKH51とSCM415の違いは生成される膜のピンホールサイズや基材の耐酸化性の違いによるものと思われる。 On the other hand, as shown in FIG. 3, in the SCM415 base material, a number of oxidation marks appeared on the surface of the base material that had been polished smoothly after oxidation. As described above, this is caused by oxidation of the base material directly below the pinhole through the pinhole of the film. Many pinholes having a thickness of 10 to 80 μm are generated. The difference between SKH51 and SCM415 is thought to be due to the difference in the pinhole size of the produced film and the oxidation resistance of the substrate.
図4は超硬合金基材に窒化アルミニウムクロム膜(AlCrN膜)を被覆し、大気雰囲気にて1000℃で1時間加熱した後、平滑に研磨した後の表面とカロテスト痕の写真を示す。図2と同様にカロテスターを用いて膜表面から基材に向かって球形状に削った痕跡を示す。超硬合金はSKH51より耐酸化性の高い基材であるが、大気中で1000℃まで加熱することで、窒化アルミニウムクロム膜のピンホールを通して酸化が進行し、膜に孔が生成されることがわかる。 FIG. 4 shows a photograph of a surface and a calotest mark after a cemented carbide base material is coated with an aluminum chromium nitride film (AlCrN film), heated at 1000 ° C. for 1 hour in an air atmosphere, and then polished smoothly. FIG. 3 shows traces of a spherical shape from the film surface toward the substrate using a carotester as in FIG. 2. Cemented carbide is a base material having higher oxidation resistance than SKH51. However, when heated to 1000 ° C. in the atmosphere, oxidation proceeds through pinholes in the aluminum nitride chromium film, and pores are generated in the film. Recognize.
実施例1に示した方法にてφ6×40の研削仕上げしたクロムモリブデン鋼SCM415基材に窒化クロム膜および窒化アルミニウムクロム膜を成膜し、しかる後に、電気炉を用いて大気中で500℃にて1時間の酸化処理を行い、円筒面が滑らかになるよう円筒面を研磨した。次に、図5にその要部を示すファレックス試験装置を用いて、本発明の基材の耐焼き付き性能の評価を行った。また、比較例として酸化処理を行っていない窒化クロム膜、窒化アルミニウムクロム膜、窒化チタン膜を被覆した基材についても同様に試験を行った。試験はファレックス試験開始直前に基材1にオートマチックトランスミッション油を塗布し、その後丸棒基材を300rpmで回転させ、その両側から丸棒を押しつけたVブロック2を介して荷重3,3をかけた。荷重は一定速度で増加させ、400kgfに達した後、その荷重を保持して、回転トルクが上昇するまでの時間を測定した。本試験により、表1に示す結果を得た。
表1はファレックス試験による耐焼き付き性評価結果である。表1に示すように、本発明品の耐久時間は窒化クロム膜の場合で50秒、窒化アルミニウムクロム膜で45秒の耐久時間を得られたのに対し、比較例である酸化処理をしていない窒化クロム膜、窒化アルミニウムクロム膜の場合はそれぞれ15秒、14秒と1/3程度の耐久時間しか得られず、クロムを含まない窒化チタン膜では11秒と1/5程度の耐久時間しか得られなかった。このように、本発明の酸化処理を行ったクロム含有窒化物膜は優れた耐焼き付き特性を持つことがわかる。 Table 1 shows the evaluation results of seizure resistance by the Falex test. As shown in Table 1, the durability of the product of the present invention was 50 seconds in the case of the chromium nitride film and 45 seconds in the aluminum chromium nitride film, while the oxidation treatment as a comparative example was performed. In the case of the non-chromium nitride film and the aluminum nitride chromium film, only the durability time of about 15 seconds and 14 seconds can be obtained, and in the case of the titanium nitride film not containing chromium, the durability time is only about 11 seconds and 1/5. It was not obtained. Thus, it can be seen that the chromium-containing nitride film subjected to the oxidation treatment of the present invention has excellent seizure resistance characteristics.
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明はこれら特定の形態のみに限定されず、添付した特許請求の範囲の定義内で、説明した形態を様々に変更可能であり、或いは本発明を別の形態で実施することができる。 Although the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to these specific forms, and the described forms can be variously changed within the definition of the appended claims, or The present invention can be implemented in other forms.
Claims (13)
The coated substrate according to any one of claims 8 to 12, wherein the substrate is a steel substrate and is nitrided.
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