JP2009068047A - 硬質皮膜、硬質皮膜被覆材および冷間塑性加工用金型 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】(Vx M1-x )(Ba Cb N1-a-b )からなる硬質皮膜であって下記式(1A)〜(4A)を満たすことを特徴とする硬質皮膜等。〔但し、上記Mは4a、5a、6a族の元素、Si、Alの1種以上であり、下記式において、xはVの原子比、1−xはMの原子比、aはBの原子比、bはCの原子比、1−a−bはNの原子比を示すものである。〕
0.4≦x≦0.95 ---- 式(1A)、 0≦a≦0.2 ---- 式(2A)、
0≦1−a−b≦0.35 ---- 式(3A)、 0.6≦b≦1 ---- 式(4A)
【選択図】なし
Description
0≦a≦0.2 ----------------------- 式(2A)
0≦1−a−b≦0.35 ------------- 式(3A)
0.6≦b≦1 ----------------------- 式(4A)
但し、上記(Vx M1-x )(Ba Cb N1-a-b )において、Mは4a族、5a族、6a族の元素、Si、Alの1種以上である。上記(Vx M1-x )(Ba Cb N1-a-b )、上記式(1A)〜(4A)において、xはVの原子比、1−xはMの原子比、aはBの原子比、bはCの原子比、1−a−bはNの原子比を示すものである。
0.4≦x≦0.95 ----------------- 式(1B)
0≦y≦0.15 --------------------- 式(2B)
0.9≦b≦1 ----------------------- 式(3B)
但し、上記(Vx Ti1-x-y My )(Cb N1-b )において、MはTiを除く4a族、5a族、6a族の元素、Si、Alの1種以上である。上記(Vx Ti1-x-y My )(Cb N1-b )、上記式(1B)〜(3B)において、xはVの原子比、1−x−yはTiの原子比、yはMの原子比、bはCの原子比、1−bはNの原子比を示すものである。
皮膜層A:
V(Ba Cb N1-a-b )からなる皮膜層であって下記式(1C)〜(3C)を満たす皮膜層。
0≦a≦0.2 ----------------------- 式(1C)
0≦1−a−b≦0.35 ------------- 式(2C)
0.6≦b≦1 ----------------------- 式(3C)
但し、上記V(Ba Cb N1-a-b )、上記式(1C)〜(3C)において、aはBの原子比、bはCの原子比、1−a−bはNの原子比を示すものである。
皮膜層B:
M(Ba Cb N1-a-b )からなる皮膜層であって下記式(1D)〜(3D)を満たす皮膜層。
0≦a≦0.2 ----------------------- 式(1D)
0≦1−a−b≦0.35 ------------- 式(2D)
0.6≦b≦1 ----------------------- 式(3D)
但し、上記M(Ba Cb N1-a-b )において、Mは4a族、5a族、6a族の元素、Si、Alの1種以上である。上記M(Ba Cb N1-a-b )、上記式(1D)〜(3D)において、aはBの原子比、bはCの原子比、1−a−bはNの原子比を示すものである。
本発明に係る硬質皮膜は、摺動時の発熱および圧力下において酸化し、潤滑性を有する酸化物を形成するVを必須元素とし、高硬度化をはかるために4a族、5a族、6a族の元素、Si、Alの1種以上を原子比で0.6を上限として添加し、更に潤滑性を高めるためにCを原子比で0.6以上添加することを必須要件とするものである。
添加元素Mの中ではTiを必ず使用し、かつ、C量(b)を0.9以上とすることが最も好ましい形態である。その理由としては、Mの炭化物の中でTiC が最も硬度が高く(約3500HV)であり、これらを組合せ且つ格子定数の違いによる固溶効果で更に硬度上昇が期待でき、耐摩耗性が固溶するからである。この場合にも、添加元素Mとして4a族、5a族、6a族の元素、Si、Alの1種以上(Tiを除く)を選択し、固溶効果により皮膜の高硬度化をはかることができるが、M添加量(原子比y)は0.15を上限とする。Mとしては特にSi、Cr、Wが好ましい。
VBCN膜とMBCN膜を積層して、全体として(V、M)(BCN)膜となるようにしてもよい。かかる点から、本発明(第3発明)に係る硬質皮膜は、前述のような構成の硬質皮膜としている。この場合の積層周期は特に規定しないが、50nm以下を目安とする。組合せとしてはVCとTiCの積層膜が最も好ましい。本発明(第3発明)に係る硬質皮膜は、従来の表面被覆層よりも耐摩耗性に優れると共に摩擦係数が低くて摺動性に優れ、金型や冶工具等の硬質皮膜として好適に用いることができ、それらの耐久性の向上がはかれる。
本発明(第4発明)に係る硬質皮膜被覆材は、基材の表面に第1〜3発明に係る硬質皮膜のいずれかが形成されていることを特徴とする硬質皮膜被覆材である。本発明(第4発明)に係る硬質皮膜被覆材は、耐摩耗性に優れると共に摩擦係数が低くて摺動性に優れ、金型材や冶工具材として好適に用いることができ、それらの耐久性の向上がはかれる。
鉄基合金よりなる基材への第1〜3発明に係る硬質皮膜の密着性を向上させるためにCr、Ti、Al、Siの1種以上の窒化物よりなる皮膜層を下地として形成することが有効である。かかる点から、本発明(第5発明)に係る硬質皮膜被覆材は、前述のような構成の硬質皮膜被覆材としている。このとき、下地の皮膜層としては、特にCrN膜またはTiN膜が鉄基材料に対して密着性に優れることから推奨される。下地の皮膜層の膜厚については、密着性を向上させるためには0.1 μm 以上とすることが好ましく、更に1μm 以上とすることが好ましいが、10μm 以上形成しても効果の増大は少ないことから10μm 以下とするのがよい。本発明(第5発明)に係る硬質皮膜被覆材は、耐摩耗性に優れると共に摩擦係数が低くて摺動性に優れ、金型材や冶工具材として好適に用いることができ、それらの耐久性の向上がはかれる。
本発明(第6発明)に係る冷間塑性加工用金型は、第4〜5発明に係る硬質皮膜被覆材のいずれかを用いた冷間塑性加工用金型である。本発明(第6発明)に係る冷間塑性加工用金型は、耐摩耗性に優れると共に摩擦係数が低くて摺動性に優れ、耐久性の向上がはかれる。
V及び金属元素Mあるいは更にBを含有するターゲットを、アーク蒸発源を有する成膜装置にセットして表1〜2に示す組成の皮膜を基材上に形成した。ただし、高温下での摺動試験用の皮膜形成の場合には、密着性を向上させるために基材上にCrNを約3μm 形成した後、表1〜2に示す組成の皮膜を形成した。
・装置:ベーンオンディスク型摺動試験装置
・ベーン:SKD 61鋼(HRC 50) 3.5×5mm, 長さ20mm, 先端半径10R
・ディスク:SKD 11鋼(HRC 60)に皮膜形成したもの
・摺動速度:0.2m/秒
・荷重:500N
・摺動距離:1000m
・試験温度:25℃(加熱無し),400℃
V及び金属元素Mあるいは更にBを含有するターゲットを、アーク蒸発源を有する成膜装置にセットして表3に示す組成、積層構造(多層構造)の皮膜を基材上に形成した。ただし、高温下での摺動試験用の皮膜形成の場合には、密着性を向上させるために基材上にTiNを約2μm 形成した後、表3に示す組成の皮膜を形成した。
Claims (6)
- (Vx M1-x )(Ba Cb N1-a-b )からなる硬質皮膜であって下記式(1A)〜(4A)を満たすことを特徴とする硬質皮膜。
0.4≦x≦0.95 ----------------- 式(1A)
0≦a≦0.2 ----------------------- 式(2A)
0≦1−a−b≦0.35 ------------- 式(3A)
0.6≦b≦1 ----------------------- 式(4A)
但し、上記(Vx M1-x )(Ba Cb N1-a-b )において、Mは4a族、5a族、6a族の元素、Si、Alの1種以上である。上記(Vx M1-x )(Ba Cb N1-a-b )、上記式(1A)〜(4A)において、xはVの原子比、1−xはMの原子比、aはBの原子比、bはCの原子比、1−a−bはNの原子比を示すものである。 - (Vx Ti1-x-y My )(Cb N1-b )からなる硬質皮膜であって下記式(1B)〜(3B)を満たすことを特徴とする硬質皮膜。
0.4≦x≦0.95 ----------------- 式(1B)
0≦y≦0.15 --------------------- 式(2B)
0.9≦b≦1 ----------------------- 式(3B)
但し、上記(Vx Ti1-x-y My )(Cb N1-b )において、MはTiを除く4a族、5a族、6a族の元素、Si、Alの1種以上である。上記(Vx Ti1-x-y My )(Cb N1-b )、上記式(1B)〜(3B)において、xはVの原子比、1−x−yはTiの原子比、yはMの原子比、bはCの原子比、1−bはNの原子比を示すものである。 - 下記の皮膜層Aと皮膜層Bとが合計で2層以上積層されてなることを特徴とする硬質皮膜。
皮膜層A:
V(Ba Cb N1-a-b )からなる皮膜層であって下記式(1C)〜(3C)を満たす皮膜層。
0≦a≦0.2 ----------------------- 式(1C)
0≦1−a−b≦0.35 ------------- 式(2C)
0.6≦b≦1 ----------------------- 式(3C)
但し、上記V(Ba Cb N1-a-b )、上記式(1C)〜(3C)において、aはBの原子比、bはCの原子比、1−a−bはNの原子比を示すものである。
皮膜層B:
M(Ba Cb N1-a-b )からなる皮膜層であって下記式(1D)〜(3D)を満たす皮膜層。
0≦a≦0.2 ----------------------- 式(1D)
0≦1−a−b≦0.35 ------------- 式(2D)
0.6≦b≦1 ----------------------- 式(3D)
但し、上記M(Ba Cb N1-a-b )において、Mは4a族、5a族、6a族の元素、Si、Alの1種以上である。上記M(Ba Cb N1-a-b )、上記式(1D)〜(3D)において、aはBの原子比、bはCの原子比、1−a−bはNの原子比を示すものである。 - 基材の表面に請求項1〜3のいずれかに記載の硬質皮膜が形成されていることを特徴とする硬質皮膜被覆材。
- 鉄基合金よりなる基材の表面にCr、Ti、Al、Siの1種以上の窒化物よりなる皮膜層が形成され、その上に請求項1〜3のいずれかに記載の硬質皮膜が形成されていることを特徴とする硬質皮膜被覆材。
- 請求項4または5記載の硬質皮膜被覆材を用いた冷間塑性加工用金型。
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