JP2009155721A - Hard coating excellent in sliding property and method for forming same - Google Patents

Hard coating excellent in sliding property and method for forming same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hard coating excellent in wear resistance, insusceptible to seizure, and excellent in sliding property even after use over the long term, and to provided a method for forming the hard coating excellent in sliding property in a short period of time. <P>SOLUTION: The hard coating is a hard coating expressed by chemical formula M<SB>x</SB>B<SB>a</SB>C<SB>b</SB>N<SB>c</SB>, wherein M is at least one of metallic element selected from among elements in the groups 4A, 5A, and 6A of the periodic table, and Si and Al. The hard coating has chemical composition satisfying respective formulas expressed by 0≤a≤0.2, 0≤c≤0.2, 0<x-a-c, x-a-c<b≤0.9, 0.05≤x≤0.5, and x+a+b+c=1. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば、金属成型用の金型や金属加工用の治工具等の表面に成膜される摺動性に優れた硬質皮膜、更には、その硬質皮膜の形成方法に関するものである。   The present invention relates to a hard film excellent in slidability formed on the surface of, for example, a metal mold or a metal working jig, and a method for forming the hard film.

従来から金属成型用の金型や金属加工用の治工具については、窒化処理による耐摩耗性の改善、耐焼き付き性の改善が進められてきた。近年ではその窒化処理に代えて、PVD等の気相コーティングによる耐摩耗性や耐焼き付き性の改善も検討されている。   Conventionally, for metal molds and metal working jigs, improvement of wear resistance and seizure resistance by nitriding has been promoted. In recent years, instead of the nitriding treatment, improvement of wear resistance and seizure resistance by vapor phase coating such as PVD has been studied.

例えば、特許文献1には、Cr、Ti、Al、Vの窒化物のうち少なくとも2種の金属窒化物を含む複合窒化物より成る皮膜を形成することで、摺動性を改善する技術が記載されている。また、特許文献2及び特許文献3には、Ti、V、Cr、Al、Siから選んだ1種以上の金属元素が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の1種以上から成る下地層と、更にその下地層の表面に、Ti、V、Cr、Al、Si、Cuを主体とする最表層、或いはTi、Crの1種以上を含み、残部がMoより構成される硫化物で成る最表層を形成することで、耐摩耗性や耐焼き付き性を改善する技術が記載されている。更には、特許文献4には、TiN、TiCN、CrN等で成る高硬度皮膜の下地層の表面に、二硫化モリブデンまたは二硫化モリブデンを主成分とする化合物で成る表面層を形成することで、耐摩耗性や耐焼き付き性を改善する技術が記載されている。   For example, Patent Document 1 describes a technique for improving slidability by forming a film made of a composite nitride containing at least two types of metal nitrides of Cr, Ti, Al, and V nitrides. Has been. Patent Document 2 and Patent Document 3 include an underlayer composed of at least one of nitride, carbide, and carbonitride mainly composed of one or more metal elements selected from Ti, V, Cr, Al, and Si. Further, on the surface of the underlayer, the outermost layer mainly composed of Ti, V, Cr, Al, Si, Cu, or the outermost layer comprising one or more of Ti and Cr, the balance being made of a sulfide composed of Mo. A technique for improving wear resistance and seizure resistance by forming a surface layer is described. Furthermore, in Patent Document 4, by forming a surface layer made of molybdenum disulfide or a compound mainly composed of molybdenum disulfide on the surface of the base layer of the high-hardness film made of TiN, TiCN, CrN, or the like, A technique for improving wear resistance and seizure resistance is described.

また、特許文献5は、本出願人が先に特許出願した発明である。この文献には、(X1−c)(B1−a−b)という成分組成(MはW、Vの1種以上、Xは4A族、5A族、6A族の元素およびAl、Si、Fe、Co、Niから選択される少なくとも1種であり、c、1−c、a、b、1−a-bは夫々X、M、B、C、Nの原子比を示す。)の皮膜を形成することで、耐摩耗性と耐焼き付き性を改善する技術を開示している。 Patent Document 5 is an invention previously filed by the present applicant. This document includes a component composition (X c M 1-c ) (B a C b N 1-ab ) (M is one or more of W and V, X is a group of 4A, 5A, and 6A). And at least one element selected from Al, Si, Fe, Co, and Ni, and c, 1-c, a, b, and 1-ab are atomic ratios of X, M, B, C, and N, respectively. A technique for improving wear resistance and seizure resistance is disclosed.

特許文献1に記載された、Cr、Ti、Al、Vの窒化物のうち少なくとも2種の金属窒化物を含む複合窒化物より成る皮膜は高硬度であり耐摩耗性には優れるが、耐焼き付き性は十分ではなく、高面圧の塑性加工をする場合など、過酷な環境の使用には絶え得るものではない。また、特許文献2に記載された、Ti、V、Cr、Al、Siから選んだ1種以上の金属元素が主体の窒化物、炭化物、炭窒化物の1種以上から成る下地層と、その下地層の表面に、Ti、V、Cr、Al、Si、Cuを主体とする最表層を形成した皮膜も、特許文献1記載の皮膜と同様に高硬度であり耐摩耗性には優れるが、耐焼き付き性には劣る。また、特許文献3、特許文献4に記載された皮膜には、焼き付き性改善のために形成した硫化物で成る表面層が設けられているが、硫化物は比較的軟質であり、使用当初に摺動性が優れる点は確かであるが、使用時間と共に経年摩滅し、長期耐久性といった点で問題がある。   The film made of a composite nitride containing at least two kinds of metal nitrides of Cr, Ti, Al, and V described in Patent Document 1 has high hardness and excellent wear resistance, but is not seized. However, it is not sufficient for use in harsh environments such as when plastic working with high surface pressure is performed. In addition, an underlayer composed of one or more of nitride, carbide, and carbonitride mainly composed of one or more metal elements selected from Ti, V, Cr, Al, and Si described in Patent Document 2, The film in which the outermost layer mainly composed of Ti, V, Cr, Al, Si, and Cu is formed on the surface of the underlayer is also high in hardness and excellent in wear resistance like the film described in Patent Document 1, It is inferior in seizure resistance. In addition, the coatings described in Patent Document 3 and Patent Document 4 are provided with a surface layer made of sulfide formed to improve the seizure property, but the sulfide is relatively soft and is used at the beginning of use. Although it is certain that the slidability is excellent, there is a problem in terms of long-term durability and wear over time with use time.

特開2000−144376号公報JP 2000-144376 A 特開2002−307129号公報JP 2002-307129 A 特開2002−307128号公報JP 2002-307128 A 特開2000−1768号公報JP 2000-1768 A 特開2006−124818号公報JP 2006-124818 A

本発明は、上記従来の問題を解消せんとしてなされたもので、耐摩耗性に優れ、また焼き付きなどが生じにくく、長期間使用しても摺動性に優れる硬質皮膜と、その摺動性に優れた硬質皮膜を短時間で形成することができる硬質皮膜の形成方法を提供することを課題とするものである。   The present invention has been made as a solution to the above-mentioned conventional problems, and has a hard film that is excellent in wear resistance, hardly seized, and has excellent slidability even after long-term use. It is an object of the present invention to provide a method for forming a hard film that can form an excellent hard film in a short time.

請求項1記載の発明は、化学式Mで示される硬質皮膜であって、Mは、4A族、5A族、6A族の元素、及びSi、Alから選択される少なくとも1種の金属元素であり、0≦a≦0.2、0≦c≦0.2、0<x−a−c、x−a−c<b≦0.9、0.05≦x<0.5、x+a+b+c=1という各式を満たすことを特徴とする摺動性に優れる硬質皮膜である。但し、x、a、b、cは、夫々M、B、C、Nの原子比を示す。 Invention of claim 1, wherein a hard film represented by the chemical formula M x B a C b N c , M is, 4A Group, 5A Group, at least one selected element Group 6A, and Si, the Al It is a kind of metal element, 0 ≦ a ≦ 0.2, 0 ≦ c ≦ 0.2, 0 <x−a−c, x−a−c <b ≦ 0.9, 0.05 ≦ x <0 .5, x + a + b + c = 1, a hard film excellent in slidability characterized by satisfying the respective expressions. However, x, a, b, and c represent atomic ratios of M, B, C, and N, respectively.

請求項2記載の発明は、aとcの原子比が共に0である場合、0.1≦x≦0.4を満たすことを特徴とする請求項1記載の摺動性に優れる硬質皮膜である。   The invention according to claim 2 is a hard film excellent in slidability according to claim 1, wherein when both the atomic ratios of a and c are 0, 0.1 ≦ x ≦ 0.4 is satisfied. is there.

請求項3記載の発明は、MはWであり、0≦a≦0.12、0.5<b≦0.8、0.01≦c<0.15、0.2≦x<0.5、の各式を満たすことを特徴とする請求項1記載の摺動性に優れる硬質皮膜である。   According to a third aspect of the present invention, M is W and 0 ≦ a ≦ 0.12, 0.5 <b ≦ 0.8, 0.01 ≦ c <0.15, 0.2 ≦ x <0. 5. The hard film having excellent sliding properties according to claim 1, wherein each of the formulas 5 and 5 is satisfied.

請求項4記載の発明は、結晶構造がδ−WNとWC1−xの混合物を含むことを特徴とする請求項3記載の摺動性に優れる硬質皮膜である。   The invention according to claim 4 is the hard film excellent in slidability according to claim 3, characterized in that the crystal structure includes a mixture of δ-WN and WC1-x.

請求項5記載の発明は、請求項1または2記載の硬質皮膜を基材の表面に成膜する硬質皮膜の形成方法であって、金属元素Mよりなる金属ターゲット、或いは金属元素MとBよりなる複合ターゲットを用いて、Arと炭化水素ガス、或いはArと炭化水素ガスと窒素の混合雰囲気中で、カソード放電型のアークイオンプレーティング装置により、前記ターゲットの蒸発面に略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成した状態で、前記硬質皮膜を前記基材の表面に成膜することを特徴とする硬質皮膜の形成方法である。   Invention of Claim 5 is a formation method of the hard film which forms the hard film of Claim 1 or 2 on the surface of a base material, Comprising: From the metal target which consists of metal element M, or metal elements M and B In a mixed atmosphere of Ar and hydrocarbon gas or Ar, hydrocarbon gas, and nitrogen, a cathode discharge type arc ion plating apparatus is used to move forward substantially orthogonal to the evaporation surface of the target. The hard film is formed by depositing the hard film on the surface of the substrate in a state where magnetic lines of force that diverge or travel in parallel are formed.

請求項6記載の発明は、金属元素MがTiであって、炭化水素ガスがメタン(CH)ガスである場合、成膜時のメタン分圧とアーク電流密度の関係が、メタン分圧(Pa)>0.163+1.44×アーク電流密度(A/cm)を満たすことを特徴とする請求項5記載の硬質皮膜の形成方法である。 According to the sixth aspect of the present invention, when the metal element M is Ti and the hydrocarbon gas is methane (CH 4 ) gas, the relationship between the methane partial pressure and the arc current density during film formation is The hard film forming method according to claim 5, wherein Pa)> 0.163 + 1.44 × arc current density (A / cm 2 ) is satisfied.

請求項7記載の発明は、請求項3または4記載の硬質皮膜を基材の表面に成膜する硬質皮膜の形成方法であって、WCからなるターゲットを用いて、C含有ガスと窒素を含む混合雰囲気中で、カソード放電型のアークイオンプレーティング装置により、前記ターゲットの蒸発面に略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成した状態で、前記硬質皮膜を前記基材の表面に成膜することを特徴とする硬質皮膜の形成方法である。   A seventh aspect of the present invention is a method of forming a hard film by depositing the hard film according to the third or fourth aspect on the surface of a substrate, and includes a C-containing gas and nitrogen using a target made of WC. In a mixed atmosphere, with the cathode discharge type arc ion plating apparatus, the hard coating is applied to the surface of the base material in a state where magnetic lines of force that diverge forward or advance in a direction substantially perpendicular to the evaporation surface of the target are formed. And forming a hard film.

本発明の請求項1記載の摺動性に優れる硬質皮膜によると、金属元素Mの炭化物が形成されることで耐摩耗性が発現され、更に金属元素Mと反応していない遊離C成分が生じることで、低μなどの優れた摺動特性を得ることができる。即ち、耐摩耗性に優れ、また焼き付きなどが生じにくく、長期間使用しても摺動性に優れた硬質皮膜を得ることができる。   According to the hard film having excellent slidability according to the first aspect of the present invention, wear resistance is exhibited by the formation of carbide of the metal element M, and free C component that does not react with the metal element M is generated. Thus, excellent sliding characteristics such as low μ can be obtained. That is, it is possible to obtain a hard film having excellent wear resistance, hardly causing seizure, and having excellent slidability even when used for a long time.

本発明の請求項2記載の摺動性に優れる硬質皮膜によると、相対的に皮膜中のC量を増加させることができ、特に低温領域で、有効に摩擦係数を低下させることができ、摩擦量も低減させることができる。   According to the hard film having excellent slidability according to claim 2 of the present invention, the amount of C in the film can be relatively increased, and the coefficient of friction can be effectively reduced particularly in a low temperature region. The amount can also be reduced.

本発明の請求項3記載の摺動性に優れる硬質皮膜によると、潤滑性に優れると共に高硬度であり、また、耐摩耗性に優れ、焼き付きなどが生じにくく、長期間使用しても摺動性に優れた硬質皮膜を得ることができる。   According to the hard film having excellent slidability according to claim 3 of the present invention, it is excellent in lubricity and high hardness, excellent in abrasion resistance, hardly seized, etc. A hard film with excellent properties can be obtained.

本発明の請求項4記載の摺動性に優れる硬質皮膜によると、摺動性に優れるWC1−xと、耐摩耗性に優れるδ−WNが皮膜中に生成されるので、摺動性と耐摩耗性のバランスに優れた硬質皮膜を得ることができる。   According to the hard film having excellent slidability according to claim 4 of the present invention, WC1-x having excellent slidability and δ-WN having excellent wear resistance are produced in the film. It is possible to obtain a hard coating having an excellent wear balance.

本発明の請求項5記載の硬質皮膜の形成方法によると、ターゲットの蒸発面に略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成させる磁場をかけた状態で、炭化水素ガスを投入することで、それらをイオン化して皮膜中に取り込み、皮膜中の炭素含有率を増加させることができ、摺動性に優れた硬質皮膜を短時間で形成することができる。   According to the method for forming a hard coating film according to claim 5 of the present invention, the hydrocarbon gas is introduced in a state where a magnetic field is formed to form a magnetic field line that diverges forward or travels substantially in front of the evaporation surface of the target. Thus, they can be ionized and incorporated into the film, the carbon content in the film can be increased, and a hard film excellent in slidability can be formed in a short time.

本発明の請求項6記載の硬質皮膜の形成方法によると、Tiと反応していない遊離C成分が必ず生じることができるように、皮膜中のC含有量を好適な原子比とすることができる。   According to the method for forming a hard film according to claim 6 of the present invention, the C content in the film can be set to a suitable atomic ratio so that a free C component that does not react with Ti can be generated without fail. .

本発明の請求項7記載の硬質皮膜の形成方法によると、WCからなるターゲットを用いて、C含有ガスと窒素を含む混合雰囲気中で、アークイオンプレーティング装置により成膜を行うことで、短時間で安定性良く摺動性に優れた硬質皮膜を形成することができる。   According to the method for forming a hard coating film according to claim 7 of the present invention, film formation is performed by an arc ion plating apparatus in a mixed atmosphere containing a C-containing gas and nitrogen using a target made of WC. It is possible to form a hard film having excellent stability and slidability over time.

以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on embodiments.

まず、本発明の硬質皮膜とは、化学式Mで示すことができる硬質皮膜であって、Mは、4A族、5A族、6A族の元素、及びSi、Alから選択される少なくとも1種の金属元素であり、その成分組成が、0≦a≦0.2、0≦c≦0.2、0<x−a−c、x−a−c<b≦0.9、0.05≦x<0.5、x+a+b+c=1という各式を満たすものである。このように、硬質皮膜中のM、B、C、及びNの成分組成を限定した理由について以下に説明する。 First, the hard film of the present invention is a hard film that can be represented by the chemical formula M x B a C b N c , where M is selected from elements of groups 4A, 5A, and 6A, and Si and Al. At least one metal element having a component composition of 0 ≦ a ≦ 0.2, 0 ≦ c ≦ 0.2, 0 <xac, xac = b ≦ 0. 9, 0.05 ≦ x <0.5 and x + a + b + c = 1 are satisfied. The reason why the component compositions of M, B, C, and N in the hard coating are thus limited will be described below.

x、a、b、cは、夫々金属元素M、B、C、Nの原子比であり、それら全ての原子比を足した数値が1(即ち100%)となる。(x+a+b+c=1)   x, a, b, and c are atomic ratios of the metal elements M, B, C, and N, respectively, and a value obtained by adding all the atomic ratios is 1 (that is, 100%). (X + a + b + c = 1)

まず、本発明の硬質皮膜の要件は、発明の効果の欄にも記載したように、金属元素Mの炭化物が形成されることで耐摩耗性が発現され、且つ金属元素Mと反応していない遊離C成分が生じることで、低μなどの優れた摺動特性を得ることができるように組成したことである。   First, as described in the column of the effect of the invention, the requirement of the hard coating of the present invention is that wear resistance is expressed by the formation of carbide of the metal element M, and it does not react with the metal element M. The composition is such that excellent sliding characteristics such as low μ can be obtained by generating free C component.

B、C、Nの金属元素Mとの反応性を考えた場合、BやNとの反応性が、Cとの反応性より大きいことから、B、C、Nを同時に添加した場合、まず、窒化物、ホウ化物が優先的に生成され、その後、残った金属元素MとCが反応することで炭化物が生成される。従って、金属元素MとCの炭化物を生成するためには、金属元素Mの原子比xから、BとNの原子比a、cを差し引いたBとNと反応していない金属元素Mの原子比x−a−cが0より大きいことが条件となる。(0<x−a−c)   Considering the reactivity of B, C, and N with the metal element M, since the reactivity with B and N is greater than the reactivity with C, when adding B, C, and N simultaneously, Nitride and boride are preferentially produced, and then the remaining metal elements M and C react to produce carbide. Therefore, in order to generate carbides of the metal elements M and C, atoms of the metal element M not reacting with B and N obtained by subtracting the atomic ratios a and c of B and N from the atomic ratio x of the metal element M The condition is that the ratio xac is greater than zero. (0 <xac)

また、遊離C成分を生じさせるためには、金属元素Mの原子比xから、BとNの原子比a、cを差し引いたBとNと反応していない金属元素Mの原子比x−a−cがCの原子比bより小さいことが要件となる。(x−a−c<b)   In order to generate a free C component, the atomic ratio x-a of the metal element M not reacting with B and N is obtained by subtracting the atomic ratio a and c of B and N from the atomic ratio x of the metal element M. It is a requirement that -c is smaller than the atomic ratio b of C. (X-a-c <b)

BとNが添加されていない場合を考えると、前記した要件x−a−c<bを必ず満たすためには、Cの原子比bは0.5以上である必要がある。より好ましいCの原子比bは0.7以上である。但し、Cの原子比bが0.9を超えると、相対的に金属元素Mの原子比xが低くなり、耐摩耗性を向上させる役割の金属炭化物や、窒化物、ホウ化物の割合が相対的に少なくなることからCの原子比bは0.9以下とする必要がある。(b≦0.9)好ましくは、0.8以下である。   Considering the case where B and N are not added, the atomic ratio b of C needs to be 0.5 or more in order to satisfy the requirement xac-b <b. A more preferable atomic ratio b of C is 0.7 or more. However, when the atomic ratio b of C exceeds 0.9, the atomic ratio x of the metal element M is relatively low, and the proportion of metal carbide, nitride, and boride that plays a role of improving wear resistance is relatively high. Therefore, the atomic ratio b of C needs to be 0.9 or less. (b ≦ 0.9) Preferably, it is 0.8 or less.

金属元素Mの窒化物、ホウ化物は、金属元素Mの炭化物と比較して熱的に安定であり、B、Nの添加により皮膜の耐熱性を改善することができることから、B、Nを添加することは有効であるが、0.2を超えて添加すると相対的にCの原子比bが低くなるため、B、Nの原子比a、cは共に0.2以下とする。また、Cの原子比bを高くするためには、B、Nは必ず添加する必要はなく、B、Nの原子比a、cは共に0であっても構わない。(0≦a≦0.2、0≦c≦0.2)   The nitrides and borides of the metal element M are thermally stable compared to the carbides of the metal element M, and the addition of B and N can improve the heat resistance of the film, so B and N are added. Although it is effective to do so, the atomic ratio b of C is relatively low if added over 0.2, so that the atomic ratios a and c of B and N are both 0.2 or less. In order to increase the atomic ratio b of C, it is not always necessary to add B and N, and both the atomic ratios a and c of B and N may be 0. (0 ≦ a ≦ 0.2, 0 ≦ c ≦ 0.2)

尚、硬質皮膜を成膜した金型や治工具の使用温度域によっても異なるが、B、Nの添加は耐摩耗性に影響を及ぼす。400℃未満の温度域ではその影響はさほど大きくないが、400℃以上の温度域では耐摩耗性の向上に確実に影響を及ぼす。従って、400℃以上の温度域で使用される金型や治工具に成膜する皮膜には、BやNを添加することが推奨される。これらB、Nのうち少なくとも一方を原子比で0.05以上添加することにより、400℃以上の高温での耐摩耗性が顕著に改善できる。   Note that the addition of B and N affects the wear resistance, although it varies depending on the operating temperature range of the mold and jigs on which the hard film is formed. In the temperature range below 400 ° C., the influence is not so great, but in the temperature range above 400 ° C., the wear resistance is surely affected. Therefore, it is recommended to add B or N to a film formed on a mold or jig used in a temperature range of 400 ° C. or higher. By adding at least one of B and N in an atomic ratio of 0.05 or more, the wear resistance at a high temperature of 400 ° C. or more can be remarkably improved.

添加される金属元素Mは、4A族、5A族、6A族の元素、Si、Alから選択される少なくとも1種の金属元素であるが、高硬度の炭化物や、窒化物、ホウ化物を形成できる金属元素Mであることが望ましく、Ti、V、Zr、Nb、Cr、Siを単独で、或いはこれらを主体とした複合元素を、添加することが推奨される。これらの金属元素Mの中でも、Ti、Vは高硬度であり、低摩擦係数の炭化物を形成することから添加元素として特に推奨される。   The metal element M to be added is at least one metal element selected from elements of Group 4A, Group 5A, Group 6A, Si, and Al, and can form high-hardness carbides, nitrides, and borides. The metal element M is desirable, and it is recommended to add Ti, V, Zr, Nb, Cr, Si alone or a complex element mainly composed of these. Among these metal elements M, Ti and V are particularly recommended as additive elements because they have high hardness and form carbides with a low coefficient of friction.

また、金属元素Mの役割は、C、N、Bと結合して、耐摩耗性に優れる金属炭化物や、窒化物、ホウ化物を皮膜中に形成することであるから、金属元素Mの原子比xは最低でも0.05は必要であり、好ましくは0.1以上は必要である。但し、金属元素Mの原子比xが0.5以上であると、先に説明したx−a−c<bという式を満たすことができなくなるため、金属元素Mの原子比xは0.5未満とする必要がある。好ましくは0.3以下である。(0.05≦x<0.5)   In addition, the role of the metal element M is to combine with C, N, and B to form metal carbide, nitride, and boride excellent in wear resistance in the film. x must be at least 0.05, preferably 0.1 or more. However, if the atomic ratio x of the metal element M is 0.5 or more, the expression xac−b <b described above cannot be satisfied, so the atomic ratio x of the metal element M is 0.5. Must be less than Preferably it is 0.3 or less. (0.05 ≦ x <0.5)

次に、B、Nの原子比a、cが共に0である場合、即ち、BとNを添加しない場合の条件について説明する。   Next, the condition when the atomic ratios a and c of B and N are both 0, that is, when B and N are not added will be described.

a=c=0とした場合、相対的に皮膜中のC量を増加させることとなり、特に400℃未満の低温度域で使用される金型や治工具に成膜する皮膜に影響を及ぼし、摩擦係数の低下と、摩擦量の低減をもたらす。B、Nを添加しない場合、好ましい金属元素Mの原子比は、0.1〜0.4であり、より好ましくは0.2〜0.3である。   When a = c = 0, the amount of C in the film is relatively increased, and particularly affects the film formed on a mold or jig used in a low temperature range of less than 400 ° C., The friction coefficient is reduced and the friction amount is reduced. When B and N are not added, the preferable atomic ratio of the metal element M is 0.1 to 0.4, and more preferably 0.2 to 0.3.

次に、以上に説明した硬質皮膜の形成方法について説明する。   Next, a method for forming the hard coating described above will be described.

この硬質皮膜は、金属元素Mよりなる金属ターゲットとCターゲットを使用し、これらを同時に放電させることで、所望の組成の皮膜を得ることは可能であるが、この硬質皮膜の形成方法であると、成膜レートが非常に遅く時間がかかるという問題がある。そこで、本発明者が鋭意研究を進めた結果、想到したのが本発明の硬質皮膜の形成方法である。   This hard film can be obtained by using a metal target consisting of a metal element M and a C target, and simultaneously discharging them to obtain a film having a desired composition. The film formation rate is very slow and takes time. Thus, as a result of intensive studies by the inventor, the inventors have come up with the method for forming a hard coating of the present invention.

硬質皮膜の形成方法は、例えば、図1に示すカソード放電型のアークイオンプレーティング装置1を用いることで、アーク蒸発源5を使用して、金属元素Mよりなる金属ターゲットや、金属元素MとBよりなる複合ターゲットといったターゲット2から金属元素Mを蒸発させながら、Arと共に、炭化水素ガスや、更に窒素ガスを供給し、これらをイオン化して基材3の表面に形成される皮膜中に取り込むことで、摺動性に優れた硬質皮膜を短時間で形成することができる硬質皮膜の形成方法である。   The hard film is formed by using, for example, a cathode discharge type arc ion plating apparatus 1 shown in FIG. 1, and using an arc evaporation source 5, a metal target composed of a metal element M, and a metal element M While evaporating the metal element M from the target 2 such as a composite target made of B, a hydrocarbon gas and further a nitrogen gas are supplied together with Ar, and these are ionized and taken into a film formed on the surface of the substrate 3. By this, it is the formation method of the hard film which can form the hard film excellent in slidability in a short time.

まず、このカソード放電型のアークイオンプレーティング装置1の構成について、その一例を図面に基づき簡単に説明する。図1に示すように、このアークイオンプレーティング装置1は、真空ポンプ(図示しない)に連通し真空排気を行う排気口6と、Ar、炭化水素ガス、窒素ガス等の成膜ガスを供給するガス供給口7を備えた真空容器8と、アーク放電によって陰極を構成するターゲット2(図2に示す)を蒸発させてイオン化するアーク蒸発源5と、硬質皮膜を成膜する基材3を支持する基材ステージ9と、この基材ステージ9と真空容器8との間で基材ステージ9を通して基材3に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源10を具備している。また、バイアス電源10はアース16を備えている。   First, an example of the configuration of the cathode discharge type arc ion plating apparatus 1 will be briefly described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the arc ion plating apparatus 1 is connected to a vacuum pump (not shown) and supplies an exhaust port 6 for evacuation and a film forming gas such as Ar, hydrocarbon gas, nitrogen gas or the like. Supports a vacuum vessel 8 provided with a gas supply port 7, an arc evaporation source 5 for evaporating and ionizing a target 2 (shown in FIG. 2) constituting a cathode by arc discharge, and a substrate 3 for forming a hard film. And a bias power source 10 for applying a negative bias voltage to the substrate 3 through the substrate stage 9 between the substrate stage 9 and the vacuum vessel 8. In addition, the bias power supply 10 includes a ground 16.

尚、図1に示す12はフィラメント型イオン源13に電圧を印加するフィラメント加熱用交流電源、14は放電用直流電源であり、基材ステージ9を取り囲むように4箇所に設けられた15はヒータである。   1, 12 is a filament heating AC power source for applying a voltage to the filament type ion source 13, 14 is a discharging DC power source, and 15 provided at four locations so as to surround the substrate stage 9 is a heater. It is.

図2に示すように、アーク蒸発源5は、陰極を構成するターゲット2と、このターゲット2と陽極を構成する真空容器8との間に接続されたアーク電源11と、ターゲット2の蒸発面2aに略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線4を形成する磁石(永久磁石)17を備えている。この磁石17はターゲット2の蒸発面2aを取り囲むようにして配置されている。尚、ターゲット2の蒸発面2aに略直交するとは、蒸発面2aの法線方向に対して約30度以下の傾く範囲までを含めることを意味する。尚、この図2に示すアーク蒸発源5を、後述の実施例では使用蒸発源Aとして説明する。   As shown in FIG. 2, the arc evaporation source 5 includes a target 2 constituting a cathode, an arc power source 11 connected between the target 2 and a vacuum vessel 8 constituting an anode, and an evaporation surface 2a of the target 2. And a magnet (permanent magnet) 17 that forms a magnetic field line 4 that diverges forward or travels parallel to the front. The magnet 17 is disposed so as to surround the evaporation surface 2 a of the target 2. The phrase “substantially orthogonal to the evaporation surface 2a of the target 2” means to include a range inclined by about 30 degrees or less with respect to the normal direction of the evaporation surface 2a. The arc evaporation source 5 shown in FIG. 2 will be described as a use evaporation source A in the embodiments described later.

図3には図2と異なるアーク蒸発源5の事例を示す。このアーク蒸発源5では、磁石17として永久磁石ではなく電磁石を用いている。磁石の配置箇所は、図2の場合と異なり、ターゲット2の蒸発面2aの前方、即ち硬質皮膜を形成する基材3側の前方を取り囲む位置である。この箇所に磁石17を配置しても、図2に示すアーク蒸発源5を使用した場合と同様、ターゲット2の蒸発面2aに略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線4を形成することができる。尚、この図2に示すアーク蒸発源5を、後述の実施例では使用蒸発源Bとして説明する。   FIG. 3 shows an example of an arc evaporation source 5 different from FIG. In the arc evaporation source 5, an electromagnet is used as the magnet 17 instead of a permanent magnet. Unlike the case of FIG. 2, the magnet is disposed at a position surrounding the front of the evaporation surface 2 a of the target 2, that is, the front of the base 3 on which the hard film is formed. Even when the magnet 17 is arranged at this location, the magnetic field lines 4 that diverge forward or proceed in parallel are formed substantially orthogonally to the evaporation surface 2a of the target 2 as in the case of using the arc evaporation source 5 shown in FIG. be able to. The arc evaporation source 5 shown in FIG. 2 will be described as a use evaporation source B in the embodiments described later.

図4に示すアーク蒸発源5は、本発明の硬質皮膜の形成方法で用いるアーク蒸発源5ではないが、従来からアークイオンプレーティング装置1に用いられているアーク蒸発源5であるため参考として説明する。このアーク蒸発源5では磁石(電磁石)17は、ターゲット2の裏側(基材3とは反対側)に配置されており、形成される磁力線4は、ターゲット2の蒸発面2aの近傍で、その蒸発面2aと略平行になり、基材3の近傍まで達しないようになっている。尚、この図4に示すアーク蒸発源5を、後述の実施例では使用蒸発源Cとして説明する。   The arc evaporation source 5 shown in FIG. 4 is not the arc evaporation source 5 used in the method for forming a hard film of the present invention, but is an arc evaporation source 5 that has been used in the arc ion plating apparatus 1 conventionally, so that it is used as a reference. explain. In this arc evaporation source 5, a magnet (electromagnet) 17 is arranged on the back side of the target 2 (the side opposite to the base material 3), and the magnetic field lines 4 formed are in the vicinity of the evaporation surface 2 a of the target 2. It is substantially parallel to the evaporation surface 2 a and does not reach the vicinity of the base material 3. The arc evaporation source 5 shown in FIG. 4 will be described as a use evaporation source C in the embodiments described later.

本発明の硬質皮膜は、金属元素Mの原子比と比較してCの原子比の方が多いため、硬質皮膜を形成する際に、ガス供給口7から真空容器8中に供給したガス、その中でも炭化水素ガスを効率的に分解してC成分を得る必要があるが、そのためには、ターゲット2の蒸発面2aに略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成した状態とすることが好ましい。カソード放電型のアークイオンプレーティング装置1を用いた場合は、カソードから電子eが放電され、アノードに向かってそのアーク放電された電子eが飛んでいくのであるが、その時にターゲット2の蒸発面2aに略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線4が存在する場合、例えば図3に示すように、アーク放電された電子eは磁力線4に巻き付くようにして螺旋運動をしながら移動する。このように、磁場をかけることで電子eの軌跡は長くなり、供給されたガスと多くの衝突を繰返し、イオン化・炭化水素ガスの分解を促進する。   Since the hard coating of the present invention has a larger atomic ratio of C compared to the atomic ratio of the metal element M, the gas supplied from the gas supply port 7 into the vacuum vessel 8 when forming the hard coating, In particular, it is necessary to efficiently decompose hydrocarbon gas to obtain a C component. For this purpose, a state is formed in which magnetic lines of force that diverge forward or proceed in parallel approximately perpendicular to the evaporation surface 2a of the target 2 are formed. It is preferable. When the cathode discharge type arc ion plating apparatus 1 is used, the electrons e are discharged from the cathode, and the arc-discharged electrons e fly toward the anode. When there is a magnetic field line 4 that diverges forward or travels in a direction substantially orthogonal to 2a, for example, as shown in FIG. 3, the arc-discharged electron e moves around the magnetic field line 4 while performing a spiral motion. To do. In this way, by applying a magnetic field, the trajectory of the electrons e becomes longer, and many collisions with the supplied gas are repeated to promote the decomposition of the ionized / hydrocarbon gas.

また、ガス供給口7から真空容器8中に、炭化水素ガスや窒素ガスと共に、Arを供給するのは、イオン化されたArが成膜中の皮膜に衝突し、その皮膜を緻密化、高硬度化するためである。Arの割合は、供給する全てのガス中、30〜70vol%とすることが好ましい。より好ましくは40〜60vol%である。また、成膜時の真空容器8内の圧力は、0.5〜5Pa程度であることが好ましい。0.5Paより低圧力であれば放電が不安定となり、5Paより高圧力であればガスの散乱により成膜レートが低下する。また、成膜時の真空容器8内の圧力は、1〜3Paであることがより好ましい。尚、供給する炭化水素ガスとしては、メタンガス、エチレンガス、アセチレンガス、トルエンガス、ベンゼンガス等を例示することができる。   Also, Ar is supplied from the gas supply port 7 into the vacuum vessel 8 together with the hydrocarbon gas and nitrogen gas because the ionized Ar collides with the film being formed, densifies the film, and has high hardness. This is because of The ratio of Ar is preferably 30 to 70 vol% in all the gases to be supplied. More preferably, it is 40-60 vol%. Moreover, it is preferable that the pressure in the vacuum vessel 8 at the time of film-forming is about 0.5-5Pa. If the pressure is lower than 0.5 Pa, the discharge becomes unstable, and if the pressure is higher than 5 Pa, the film formation rate decreases due to gas scattering. The pressure in the vacuum vessel 8 during film formation is more preferably 1 to 3 Pa. Examples of the hydrocarbon gas to be supplied include methane gas, ethylene gas, acetylene gas, toluene gas, and benzene gas.

また、本発明の硬質皮膜を形成するにあたっては、金属元素Mの原子比が、Cの原子比を超えないように調整する必要があり、アークの放電電流を低く抑えることで対応することができる。つまり、硬質皮膜中のCの原子比は、アーク電流密度に応じて変動する。   Further, in forming the hard coating of the present invention, it is necessary to adjust the atomic ratio of the metal element M so as not to exceed the atomic ratio of C, and this can be dealt with by keeping the arc discharge current low. . That is, the atomic ratio of C in the hard coating varies depending on the arc current density.

後述する実施例でその詳細は説明するが、例えば、ターゲット2に用いる金属元素MをTiとし、供給する炭化水素ガスをメタン(CH)ガスとした場合、メタン分圧(Pa)とアーク電流密度(A/cm)の関係は、
メタン分圧(Pa)>0.163+1.44×アーク電流密度(A/cm
という数式で表すことができる。この数式を満たすことで、硬質皮膜中のCの原子比を、BとNが添加されていない場合のより好ましいCの原子比である0.7以上とすることができる。尚、V等、同等のアーク電流で、Tiと蒸発量が等価なターゲット2に関してもこの数式を適用することができる。
The details will be described in an example described later. For example, when the metal element M used for the target 2 is Ti and the hydrocarbon gas to be supplied is methane (CH 4 ) gas, the methane partial pressure (Pa) and the arc current are set. The density (A / cm 2 ) relationship is
Methane partial pressure (Pa)> 0.163 + 1.44 × arc current density (A / cm 2 )
It can be expressed by the mathematical formula. By satisfy | filling this numerical formula, the atomic ratio of C in a hard film can be 0.7 or more which is a more preferable atomic ratio of C when B and N are not added. It should be noted that this mathematical formula can also be applied to a target 2 having an equivalent arc current, such as V, and an evaporation amount equivalent to Ti.

更には、添加する金属元素MをWとすることも推奨することができる。このように、添加する金属元素MをWとすると、特に潤滑性に優れたW−C結合と、高硬度のW−N結合が生成される。そのため、添加する金属元素MをWとする場合は、CおよびNは必須元素となる。   Furthermore, it can be recommended that the metal element M to be added is W. Thus, when the metal element M to be added is W, a WC bond having particularly excellent lubricity and a WN bond with high hardness are generated. Therefore, when the metal element M to be added is W, C and N are essential elements.

硬質皮膜に含まれるCの原子比bは少なくとも0.5超は必要であり、0.8以下で潤滑性、低摩擦係数に優れた皮膜となる。(0.5<b≦0.8)より好ましいCの原子比bは0.55以上である。   The atomic ratio b of C contained in the hard film needs to be at least more than 0.5, and when it is 0.8 or less, the film has excellent lubricity and low coefficient of friction. A more preferable atomic ratio b of C is 0.55 or more (0.5 <b ≦ 0.8).

Nについては、微量の添加であっても耐摩耗性に優れたW−N結合を生成することができるため、硬質皮膜に含まれるNの原子比cの下限は0.01とする。より好ましいNの原子比cの下限は0.02である。一方、Nを添加しすぎると、潤滑性が低下してしまい、また摩擦係数が上昇すると共に、耐摩耗性も低下する。従って、硬質皮膜に含まれるNの原子比cの上限を0.15未満とする。(0.01≦c<0.15)より好ましいNの原子比cの上限は0.1である。   About N, since the W-N bond excellent in abrasion resistance can be produced even with a slight addition, the lower limit of the atomic ratio c of N contained in the hard coating is set to 0.01. A more preferable lower limit of the atomic ratio c of N is 0.02. On the other hand, when N is added too much, the lubricity is lowered, the friction coefficient is increased, and the wear resistance is also lowered. Therefore, the upper limit of the atomic ratio c of N contained in the hard coating is made less than 0.15. (0.01 ≦ c <0.15) The upper limit of the atomic ratio c of N is more preferably 0.1.

Bは選択元素であるが、添加により高硬度のW−B結合を生成すると共に、潤滑性を有するB−N結合も生成することから、添加することができる。しかしながら、過度の添加により皮膜全体が非晶質化し、その硬さが低下することから、硬質皮膜に含まれるBの原子比aの上限を0.12とする。(0≦a≦0.12)より好ましいBの原子比aの上限は0.05である。摺動時の温度がそれほど高くなく常温に近い場合にはa=0が推奨される。   B is an optional element, but can be added because it produces a WB bond with high hardness and also a BN bond having lubricity. However, since the entire coating becomes amorphous due to excessive addition and the hardness thereof decreases, the upper limit of the atomic ratio a of B contained in the hard coating is set to 0.12. The upper limit of the atomic ratio a of B is more preferably 0.05 (0 ≦ a ≦ 0.12). If the sliding temperature is not so high and close to room temperature, a = 0 is recommended.

硬質皮膜に含まれるWの原子比xについては、前記したC、B、Nの原子比によって決定されるが、Wの原子比xが0.2未満の場合、W−C、W−N、W−B等の結合が少なくなり耐摩耗性に劣る。一方、0.5以上の場合には潤滑性がなくなってしまい耐摩耗性が低下する。従って、硬質皮膜に含まれるWの原子比xは、0.2以上、0.5未満の範囲とする。(0.2≦x<0.5)より好ましいWの原子比xの上限は0.45である。   The atomic ratio x of W contained in the hard coating is determined by the atomic ratio of C, B, and N described above. When the atomic ratio x of W is less than 0.2, W—C, W—N, Bonds such as WB are reduced and wear resistance is poor. On the other hand, in the case of 0.5 or more, the lubricity is lost and the wear resistance is lowered. Therefore, the atomic ratio x of W contained in the hard coating is in the range of 0.2 or more and less than 0.5. (0.2 ≦ x <0.5) The upper limit of the atomic ratio x of W is more preferably 0.45.

これら元素の組成割合(原子比)によって、皮膜の結晶構造も変化する。Nを添加しない場合の皮膜の結晶構造は、立方晶の摺動性に優れるWC1−xであるが、Nを微量添加することにより耐摩耗性に優れる窒化物である六方晶のδ−WNが皮膜中に生成される。   Depending on the composition ratio (atomic ratio) of these elements, the crystal structure of the film also changes. The crystal structure of the film when N is not added is WC1-x which is excellent in cubic slidability, but the hexagonal δ-WN which is a nitride which is excellent in wear resistance by adding a small amount of N is It is produced in the film.

耐摩耗性と摩擦係数は、皮膜中にWC1−xとδ−WNの両方の結晶を有している時に、共に良好となり、摺動性と耐摩耗性のバランスが良好となることから、WC1−xとδ−WNの両方の結晶を有した混合膜が、良好な皮膜であるとして推奨することができる。尚、皮膜の結晶構造は、X線回析により同定される。   The wear resistance and friction coefficient are both good when the film has both WC1-x and δ-WN crystals, and the balance between slidability and wear resistance is good. A mixed film having both −x and δ-WN crystals can be recommended as a good film. The crystal structure of the film is identified by X-ray diffraction.

次に、添加する金属元素MをWとした硬質皮膜の形成方法について説明する。   Next, a method for forming a hard film in which the metal element M to be added is W will be described.

Wを含有する硬質皮膜を形成するには、スッパッタリング法のほか、前記したアークイオンプレーティング装置を用いたアークイオンプレーティング法でも形成が可能であるが、Wターゲットを用いるスッパッタリング法で硬質皮膜を形成した場合、成膜速度が非常に遅いことから実用上の問題がある。また、アークイオンプレーティング法でも、Wターゲットを用いた場合は、Wのアーク放電が安定しないことから実用上の問題がある。   In order to form a hard film containing W, in addition to the sputtering method, the arc ion plating method using the arc ion plating apparatus described above can be used, but the sputtering method using a W target is also possible. In the case of forming a hard film, there is a practical problem because the film forming speed is very slow. In the arc ion plating method, when a W target is used, there is a practical problem because W arc discharge is not stable.

そこで、本発明者が鋭意研究を進めた結果、想到したのが以下に説明する硬質皮膜の形成方法である。本発明では、Wを含有する硬質皮膜の成膜時に、ターゲットとしてWCからなるターゲットを用いることで、アークイオンプレーティング法によって、高速で、且つ安定性良くWを含有する硬質皮膜が形成できることを明らかにした。   Therefore, as a result of the inventor's extensive research, the inventors have come up with a hard film forming method described below. In the present invention, a hard film containing W can be formed at high speed and with high stability by an arc ion plating method by using a target made of WC as a target when forming a hard film containing W. Revealed.

アークイオンプレーティング法については、既に説明した通り、アークイオンプレーティング装置を用いた硬質皮膜の形成方法であるが、簡単に説明すると、図1に示すカソード放電型のアークイオンプレーティング装置1を用いて、ターゲット2の蒸発面2aに略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線4を形成した状態で、皮膜を基材4の表面に成膜する方法である。   As described above, the arc ion plating method is a method for forming a hard film using an arc ion plating apparatus. In brief, the cathode discharge type arc ion plating apparatus 1 shown in FIG. In this method, a film is formed on the surface of the substrate 4 in a state in which the magnetic lines 4 that diverge forward or proceed in parallel substantially perpendicular to the evaporation surface 2a of the target 2 are formed.

また、ターゲットとしてWCからなるターゲットを用いることで、アークイオンプレーティング法によって、高速で、且つ安定性良くWを含有する硬質皮膜が形成できると説明したが、WCからなるターゲットを用いるだけでは、形成される硬質皮膜からCが抜けるという傾向があることから、Cを補うために、メタン(CH)、アセチレン(C)等のC含有ガスと、窒素を含む混合雰囲気中で成膜を行う必要がある。 In addition, it has been described that a hard film containing W can be formed at high speed and with high stability by an arc ion plating method by using a target made of WC as a target, but only by using a target made of WC, Since there is a tendency for C to escape from the formed hard film, in order to supplement C, the gas is formed in a mixed atmosphere containing nitrogen and a C-containing gas such as methane (CH 4 ) or acetylene (C 2 H 2 ). It is necessary to do a membrane.

また、C含有ガスと窒素以外に、Ar、Ne、Xe等の希ガスを放電安定性のために添加しても良い。   In addition to the C-containing gas and nitrogen, a rare gas such as Ar, Ne, or Xe may be added for discharge stability.

成膜時のC含有ガスの分圧については、その分圧を高くしすぎると、WCターゲットの表面にCが堆積して放電が困難になることから、0.5Pa以下とすることが好ましい。より好ましくは0.2Pa以下である。   The partial pressure of the C-containing gas at the time of film formation is preferably set to 0.5 Pa or less because if the partial pressure is excessively high, C is deposited on the surface of the WC target and discharge becomes difficult. More preferably, it is 0.2 Pa or less.

また、成膜時に基材に印可するバイアス電圧により皮膜の結晶構造が変化するが、バイアス電圧が低すぎる場合、δ−WN相の割合が小さくなって耐摩耗性を発揮することができない。一方、バイアス電圧が高すぎる場合、基材に入射するエネルギーが高くなりすぎて、基材の温度上昇を招くと共に、WC1−x相の割合が小さくなってしまう。従って、バイアス電圧は−50V〜−100Vの範囲内とすることが好ましい。   In addition, the crystal structure of the film changes depending on the bias voltage applied to the substrate during film formation. However, if the bias voltage is too low, the ratio of the δ-WN phase becomes small and the wear resistance cannot be exhibited. On the other hand, when the bias voltage is too high, the energy incident on the base material becomes too high, causing the temperature of the base material to rise, and the ratio of the WC1-x phase becomes small. Therefore, the bias voltage is preferably in the range of −50V to −100V.

尚、WCターゲットに限らず、MCからなる金属酸化物ターゲットを用いて成膜を行った場合には、形成される皮膜に含まれるCの原子比bが、ターゲットに含まれるCの原子比より少なくなる傾向があることから、x−a−c<bという条件を満足する皮膜を形成することは困難である。従って、成膜時には必ずC含有ガスを用いて成膜を行う必要がある。   In addition, when forming into a film using not only a WC target but also a metal oxide target made of MC, the atomic ratio b of C contained in the formed film is more than the atomic ratio of C contained in the target. Since there is a tendency to decrease, it is difficult to form a film that satisfies the condition xac-b <b. Therefore, it is necessary to always form a film using a C-containing gas at the time of film formation.

(実施例1)
金属元素Mよりなる金属ターゲット、或いは金属元素MとBよりなる複合ターゲットを用いて、図1に示すようなカソード放電型のアークイオンプレーティング装置により表1に原子比を示す各組成の皮膜を基材表面に形成した。この実施例1では、まず、皮膜の組成を確認すると共に皮膜の硬度を測定するために、基材として表面を鏡面研磨した超硬合金を使用し、その表面に表1に示す各組成の皮膜を形成した。また、摺動試験用として、SKD11基板(硬度HRC60)を基材として、その基材の表面に密着性を向上させるために3μm厚のCrN層を形成した後、その表面に表1に示す各組成の皮膜を形成した。
Example 1
Using a metal target composed of the metal element M or a composite target composed of the metal elements M and B, a film having each composition having an atomic ratio shown in Table 1 is formed by a cathode discharge type arc ion plating apparatus as shown in FIG. It formed on the substrate surface. In Example 1, first, in order to confirm the composition of the film and measure the hardness of the film, a cemented carbide whose surface was mirror-polished was used as a base material, and the film of each composition shown in Table 1 on the surface. Formed. For sliding tests, a SKD11 substrate (hardness HRC60) is used as a base material, and a CrN layer having a thickness of 3 μm is formed on the surface of the base material. A film of composition was formed.

最初に、これらの基材を、アークイオンプレーティング装置の基材ステージにセットした後、真空ポンプで排気口から空気を排気して真空容器内の圧力を1×10−3Pa以下とし、基材を400℃に加熱後、Arイオンを用いてスパッタクリーニングを行った。次に、金属元素Mを含有するφ100のmmのターゲット(Bはターゲットを蒸発させて皮膜内に取り込むため、Bを含有する皮膜を形成する時には、金属元素Mのみよりなる金属ターゲットではなく、金属元素MとBよりなる複合ターゲットを用いる。)を用い、真空容器内にArとメタン(CH)ガスを供給して、(No.8、9、19〜23の場合は更に窒素を供給して、)メタン(CH)分圧を1.5Pa、Ar―CH(―N)の混合ガス雰囲気下で全圧を3Paとし、アーク電流を60Aとして、皮膜の成膜を行った。尚、使用したアーク蒸発源、即ち使用蒸発源は、図2に示す使用蒸発源Aと、図4に示す使用蒸発源Cである。成膜時の基材電圧は200Vである。 First, after setting these substrates on the substrate stage of the arc ion plating apparatus, air is exhausted from the exhaust port by a vacuum pump so that the pressure in the vacuum vessel is 1 × 10 −3 Pa or less. The material was heated to 400 ° C., and then sputter cleaning was performed using Ar ions. Next, a φ100 mm target containing the metal element M (B is a target that evaporates the target and takes it into the film. Therefore, when forming a film containing B, a metal target consisting of only the metal element M is not a metal target. Using a composite target composed of elements M and B), Ar and methane (CH 4 ) gas are supplied into the vacuum vessel, and in the case of Nos. 8, 9, and 19 to 23, nitrogen is further supplied. The film was formed by setting the partial pressure of methane (CH 4 ) to 1.5 Pa, the total pressure to 3 Pa, and the arc current to 60 A in a mixed gas atmosphere of Ar—CH 4 (—N 2 ). The arc evaporation sources used, that is, the use evaporation sources are the use evaporation source A shown in FIG. 2 and the use evaporation source C shown in FIG. The substrate voltage at the time of film formation is 200V.

皮膜の組成の確認は、電子線マイクロアナライザー(EPDA)により分析を行い、皮膜の硬度は、マイクロビッカース硬度計(試験荷重:0.25N)を用いて測定した。皮膜の硬度が30GPa以上であれば高硬度で耐摩耗性に優れると判定した。また、摺動試験では、加熱を行わない25℃(常温)と400℃の条件下で、皮膜の摩擦係数と摩耗深さを調査した。摩擦係数が小さいことで焼き付きが生じにくいことが分かり、摩耗深さが小さいことで耐摩耗性に優れることが分かる。尚、摩擦係数については、下記する摺動距離中、最も安定したデータが得られる100m〜300mの平均値を用いてデータとした。摩擦係数の合格判定基準は0.35以下、摩耗深さの合格判定基準は2.0μm以下とした。   The composition of the film was confirmed by an electron beam microanalyzer (EPDA), and the film hardness was measured using a micro Vickers hardness tester (test load: 0.25 N). If the hardness of the film was 30 GPa or more, it was determined that the film had high hardness and excellent wear resistance. In the sliding test, the coefficient of friction and the wear depth of the film were investigated under the conditions of 25 ° C. (normal temperature) and 400 ° C. without heating. It can be seen that seizure hardly occurs when the friction coefficient is small, and that wear resistance is excellent when the wear depth is small. In addition, about the friction coefficient, it was set as data using the average value of 100m-300m in which the most stable data is obtained in the sliding distance mentioned below. The acceptance criterion for the coefficient of friction was 0.35 or less, and the acceptance criterion for the wear depth was 2.0 μm or less.

摺動試験に用いた摺動試験装置並びに試験条件は、下記に示す通りである。また、試験結果は表1に示す通りである。   The sliding test apparatus and test conditions used for the sliding test are as shown below. The test results are as shown in Table 1.

試験装置:ベーンオンディスク型摺動試験装置
ベーン :SKD61鋼(HRC50)、3.5×5mm、長さ20mm、先端半径10R
ディスク:SKD11鋼(HRC60)+コーティング
摺動速度:0.2m/秒
荷重 :500N
摺動距離:500m
試験温度:25℃(加熱なし)、及び400℃
Test device: Vane on disk type sliding test device Vane: SKD61 steel (HRC50), 3.5 × 5 mm, length 20 mm, tip radius 10R
Disc: SKD11 steel (HRC60) + coating Sliding speed: 0.2m / sec Load: 500N
Sliding distance: 500m
Test temperature: 25 ° C. (no heating) and 400 ° C.

Figure 2009155721
Figure 2009155721

成膜した皮膜の組成(原子比)については、表1に示す通りである。表1のNo.4〜10、12〜15、17、19〜22、24〜29は、請求項1及び請求項2に記載の条件を満たす組成の皮膜であり、皮膜の硬度は、全て30GPa以上と高い。また、皮膜の摩擦係数は、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも、全て0.35以下と小さく、皮膜の摩耗深さも、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも、全て2.0μm以下と小さい。即ち、これら請求項1及び請求項2に記載の条件を満たす組成の皮膜は、耐摩耗性に優れ、また焼き付きなどが生じにくく、長期間使用しても摺動性に優れることが分かる。   The composition (atomic ratio) of the film formed is as shown in Table 1. No. in Table 1 4 to 10, 12 to 15, 17, 19 to 22, and 24 to 29 are films having a composition that satisfies the conditions of claims 1 and 2, and the hardness of each film is as high as 30 GPa or more. Also, the friction coefficient of the film is as low as 0.35 or less under both conditions of 25 ° C. (room temperature) and 400 ° C., and the wear depth of the film is 400 under both conditions of 25 ° C. (room temperature). Even under conditions of ° C., all are as small as 2.0 μm or less. That is, it can be seen that a film having a composition satisfying the conditions described in claims 1 and 2 is excellent in abrasion resistance, hardly seized, and has excellent slidability even when used for a long time.

また、表1のNo.4〜6、10、12、24〜29は、更に請求項2に記載の条件を満たす組成の皮膜である。これらの皮膜は、皮膜中の金属元素Mが同条件の請求項1に記載の条件は満たすが、請求項2に記載の条件を満たさない皮膜と比較した場合、低温領域である25℃(常温)の条件下で、摩擦係数の低下と、摩擦量の低減が顕著である。   In Table 1, No. 4 to 6, 10, 12, and 24 to 29 are films having a composition that satisfies the condition of claim 2. These coatings satisfy the conditions described in claim 1 in which the metal element M in the coating satisfies the same conditions, but when compared with coatings that do not satisfy the conditions described in claim 2, they are 25 ° C. (normal temperature) ), The reduction of the friction coefficient and the reduction of the friction amount are remarkable.

No.1は、皮膜をTiNとし、皮膜にCを含有させなかった比較例である。この比較例では、Cを含有させなかったため、炭化物が形成できず、皮膜の硬度は低く、皮膜の摩擦係数と摩耗深さは、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも大きい。その結果、耐摩耗性に問題があり、併せて摺動性にも問題がある。   No. No. 1 is a comparative example in which the film is TiN and C is not contained in the film. In this comparative example, since C was not contained, carbide could not be formed, the hardness of the film was low, and the coefficient of friction and wear depth of the film were 25 ° C. (normal temperature) or 400 ° C. large. As a result, there is a problem with wear resistance, and there is also a problem with slidability.

No.2、3は、x−a−c<bという条件と、0.05≦x<0.5という条件を満たさない皮膜である。この組成であると遊離C成分を生じさせることはできず、Cを含有させなかったNo.1と同様に、皮膜の硬度は低く、皮膜の摩擦係数と摩耗深さは、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも大きい。即ち、低μなどの優れた摺動特性を得ることができ、耐摩耗性、摺動性ともに問題がある。   No. 2 and 3 are films that do not satisfy the condition of xac−b <b and the condition of 0.05 ≦ x <0.5. With this composition, a free C component could not be produced, and no. Similar to 1, the hardness of the film is low, and the coefficient of friction and the wear depth of the film are large both at 25 ° C. (normal temperature) and at 400 ° C. That is, excellent sliding characteristics such as low μ can be obtained, and there are problems in both wear resistance and sliding properties.

No.11、18は、b≦0.9という条件を満たさない皮膜である。Cの原子比が多くなり過ぎたため、相対的に金属元素Mの原子比が低くなり、耐摩耗性を向上させる役割の金属炭化物や、窒化物、ホウ化物の割合が相対的に少なくなった結果、皮膜の硬度は低くなり、皮膜の摩擦係数と摩耗深さも大きくなった。即ち、耐摩耗性、摺動性ともに問題がある。   No. 11 and 18 are films that do not satisfy the condition of b ≦ 0.9. As a result of the atomic ratio of C being excessively high, the atomic ratio of the metal element M is relatively low, and the proportion of metal carbide, nitride, and boride that plays a role in improving wear resistance is relatively low. The film hardness decreased, and the film friction coefficient and wear depth increased. That is, there are problems in both wear resistance and slidability.

No.16は、0≦a≦0.2という条件を満たさない皮膜である。Bを、原子比0.2を超えて添加したため、相対的にCの原子比が低くなった結果、皮膜の硬度は低くなり、皮膜の摩擦係数と摩耗深さも、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも大きくなった。即ち、耐摩耗性、摺動性ともに問題がある。   No. 16 is a film that does not satisfy the condition of 0 ≦ a ≦ 0.2. Since B was added exceeding the atomic ratio of 0.2, the atomic ratio of C was relatively low. As a result, the hardness of the film was lowered, and the friction coefficient and wear depth of the film were also 25 ° C. (normal temperature). It became large even under the condition of 400 ° C. below. That is, there are problems in both wear resistance and slidability.

No.23は、0≦c≦0.2という条件を満たさない皮膜である。Nを、原子比0.2を超えて添加したため、相対的にCの原子比が低くなった結果、皮膜の硬度は低くなり、皮膜の摩擦係数と摩耗深さも、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも大きくなった。即ち、耐摩耗性、摺動性ともに問題がある。   No. 23 is a film that does not satisfy the condition of 0 ≦ c ≦ 0.2. Since N was added exceeding the atomic ratio of 0.2, the atomic ratio of C was relatively low. As a result, the hardness of the film was reduced, and the friction coefficient and wear depth of the film were also 25 ° C. (normal temperature). It became large even under the condition of 400 ° C. below. That is, there are problems in both wear resistance and slidability.

表1には、25℃(常温)の条件下での摩耗深さと、400℃の条件下での摩耗深さの差も、摩耗深さ変動量(高−低)として記載している。BやNを含有する皮膜は、BやNを含有しない皮膜と比較し、添加される金属元素M並びにその原子比を同条件とした場合において、摩耗深さの差が小さく、BやNの添加により高温下での耐摩耗性が向上していることが分かる。   In Table 1, the difference between the wear depth under the condition of 25 ° C. (normal temperature) and the wear depth under the condition of 400 ° C. is also described as the wear depth variation (high-low). The film containing B or N has a smaller difference in wear depth when the added metal element M and the atomic ratio are the same as compared with the film containing no B or N. It can be seen that the wear resistance at high temperatures is improved by the addition.

(実施例2)
金属元素MとしてTiを用いて金属ターゲットとし、実施例1と同様、図1に示すようなカソード放電型のアークイオンプレーティング装置により、アーク電流、メタン(CH)分圧を、表2に示すように種々変化させ、基材として表面を鏡面研磨した超硬合金を使用し、その表面に硬質皮膜を形成した。尚、使用したアーク蒸発源、即ち使用蒸発源は、図2に示す使用蒸発源A、図3に示す使用蒸発源B、図4に示す使用蒸発源Cの3種である。成膜時の基材電圧は200Vである。
(Example 2)
As a metal target using Ti as the metal element M, the arc current and the methane (CH 4 ) partial pressure are shown in Table 2 using a cathode discharge type arc ion plating apparatus as shown in FIG. As shown in the drawing, a cemented carbide whose surface was mirror-polished was used as a base material, and a hard film was formed on the surface. The arc evaporation sources used, that is, the use evaporation sources are the three types of the use evaporation source A shown in FIG. 2, the use evaporation source B shown in FIG. 3, and the use evaporation source C shown in FIG. The substrate voltage at the time of film formation is 200V.

尚、実施例2では真空容器内に供給したガスはArとメタン(CH)ガスのみであり、他の実験条件は実施例1の実験条件を倣って行った。皮膜の成分組成の確認は、電子線マイクロアナライザー(EPDA)により分析を行った。その分析確認結果を表2に示す。 In Example 2, the gas supplied into the vacuum vessel was only Ar and methane (CH 4 ) gas, and the other experimental conditions were similar to those in Example 1. The component composition of the film was confirmed by an electron beam microanalyzer (EPDA). The analysis confirmation results are shown in Table 2.

Figure 2009155721
Figure 2009155721

実施例2では、金属ターゲットに用いた金属元素Mは全てTiであり、真空容器内に供給したガスはArとメタン(CH)ガスのみであるため、基材の表面に形成される硬質皮膜の成分組成は、全てTiとなる。表2には、bとしてCの原子比のみを記載しているが、C以外は全てTiである。 In Example 2, since all the metal elements M used for the metal target are Ti and the gas supplied into the vacuum vessel is only Ar and methane (CH 4 ) gas, the hard film formed on the surface of the base material The component composition of all is Ti x C b . In Table 2, although only the atomic ratio of C is described as b, all except C are Ti.

表2のNo.13、27、28が、アーク電流、メタン(CH)分圧を同条件とし、使用蒸発源を夫々変えて基材の表面に形成した硬質皮膜の成分組成を分析した確認結果を示す。使用蒸発源Aを用いて形成した硬質皮膜のCの原子比は0.7、使用蒸発源Bを用いて形成した硬質皮膜のCの原子比は0.8、使用蒸発源Cを用いて形成した硬質皮膜のCの原子比は0.45である。Cの原子比が高い硬質皮膜を形成することができた使用蒸発源A、Bはともに、ターゲットの蒸発面に略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成するアーク蒸発源である。即ち、ターゲットの蒸発面に略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成すれば、皮膜中のCの原子比を好適に増加させることができることが検証された。 No. in Table 2 13, 27, and 28 show the confirmation results obtained by analyzing the component composition of the hard film formed on the surface of the base material under the same conditions of the arc current and the methane (CH 4 ) partial pressure and changing the evaporation source used. The hard film formed using the used evaporation source A has an atomic ratio C of 0.7, the hard film formed using the used evaporation source B has an atomic ratio C of 0.8, and formed using the used evaporation source C. The hard film has an atomic ratio of C of 0.45. Both the evaporation sources A and B used to form a hard film having a high atomic ratio of C are arc evaporation sources that form magnetic field lines that diverge forward or proceed in parallel substantially perpendicular to the evaporation surface of the target. . In other words, it was verified that the atomic ratio of C in the film can be suitably increased by forming magnetic lines of force that diverge forward or travel in a direction substantially orthogonal to the evaporation surface of the target.

表2に示す試験結果より、各試験体毎のメタン分圧(Pa)とアーク電流密度(A/cm)の関係を図5にプロットした。更に、皮膜中のCの原子比毎のメタン分圧とアーク電流密度の関係を、実験のデータ点同士を結んで間の点を内挿で生成し、等高線図を描くことにより求め、図5に表示した。BとNが添加されていない場合のより好ましいCの原子比bは、前記した説明によると0.7以上であることから、推奨されるメタン分圧とアーク電流密度の関係は、
メタン分圧(Pa)=0.163+1.44×アーク電流密度(A/cm
という図5に表示した斜線よりも上の領域とすれば良いことが分かる。
From the test results shown in Table 2, the relationship between the methane partial pressure (Pa) and the arc current density (A / cm 2 ) for each specimen was plotted in FIG. Further, the relationship between the methane partial pressure and the arc current density for each atomic ratio of C in the film is obtained by connecting the data points of the experiment and interpolating the points between them, and drawing a contour map. Displayed. The more preferable atomic ratio b of C in the case where B and N are not added is 0.7 or more according to the above description. Therefore, the recommended relationship between the partial pressure of methane and the arc current density is:
Methane partial pressure (Pa) = 0.163 + 1.44 × arc current density (A / cm 2 )
It can be seen that the region above the oblique line displayed in FIG.

従って、金属元素MがTiであって、炭化水素ガスがメタン(CH)ガスである場合、成膜時のメタン分圧とアーク電流密度の関係が、
メタン分圧(Pa)>0.163+1.44×アーク電流密度(A/cm)を満たせば、Tiと反応していない遊離C成分が必ず生じることができるように、皮膜中のC含有量を好適な原子比0.7以上とすることができる。
Therefore, when the metal element M is Ti and the hydrocarbon gas is methane (CH 4 ) gas, the relationship between the methane partial pressure and the arc current density during film formation is
C content in the film so that a free C component not reacting with Ti can always be produced if methane partial pressure (Pa)> 0.163 + 1.44 × arc current density (A / cm 2 ) is satisfied. Can be set to a suitable atomic ratio of 0.7 or more.

尚、この実施例2は、金属ターゲットに用いた金属元素Mは全てTiである場合を示したが、V等、同じアーク電流でTiと蒸発量が等価な金属ターゲットの場合にも上式を適用することが可能である。また、蒸発量が異なる場合には、適宜補正を加えることで対応可能である。   In addition, although this Example 2 showed the case where all the metal elements M used for the metal target were Ti, the above formula was also obtained in the case of a metal target having the same arc current and equivalent to Ti and the evaporation amount, such as V. It is possible to apply. Further, when the evaporation amount is different, it can be dealt with by appropriately correcting.

(実施例3)
金属元素MをWとし、ターゲットとしてWCからなるW0.50.5ターゲット(ホットプレス品φ100mm)を用いて、図1に示すようなカソード放電型のアークイオンプレーティング装置で、基材の表面にWを含有する硬質皮膜を形成した。
(Example 3)
A cathode discharge type arc ion plating apparatus as shown in FIG. 1 using a W 0.5 C 0.5 target (hot-pressed product φ100 mm) made of WC as a target and a metal element M as a target. A hard film containing W was formed on the surface.

Wを含有する硬質皮膜の成膜時の条件として、アーク電流を150Aとし、メタン(CH)流量比を0〜30vol%、窒素(N)流量比を0〜30vol%の間で夫々変化させ、更に真空容器内にArを供給して全圧力を1.33Paに調整した。Bを添加するNo.15〜17の場合には、更に真空容器内にBガスを供給した。成膜温度は400℃、バイアス電圧は100Vとした。 As conditions for forming a hard coating containing W, the arc current is 150 A, the methane (CH 4 ) flow rate ratio is changed between 0 and 30 vol%, and the nitrogen (N 2 ) flow rate ratio is changed between 0 and 30 vol%, respectively. Furthermore, Ar was supplied into the vacuum vessel to adjust the total pressure to 1.33 Pa. No. to which B is added In the case of 15 to 17, it was supplied B 2 H 6 gas in addition the vacuum vessel. The deposition temperature was 400 ° C. and the bias voltage was 100V.

形成したWを含有する硬質皮膜の膜厚は10μmとし、その皮膜の結晶構造はX線回析によって同定した。X線回析の条件は、線源としてCukαを用い、40kV−40mAの条件で、θ−2θ法で10°〜100°の領域の測定を行い、観察されたピークから結晶相の同定を行った。   The film thickness of the formed hard film containing W was 10 μm, and the crystal structure of the film was identified by X-ray diffraction. X-ray diffraction is performed using Cukα as a radiation source, measuring 40 ° V to 40 mA at a range of 10 ° to 100 ° by the θ-2θ method, and identifying the crystal phase from the observed peak. It was.

Wを含有する硬質皮膜の組成の確認は、電子線マイクロアナライザー(EPDA)により分析を行った。また、実施例1と同じ条件で摺動試験を実施した。この摺動試験では、加熱を行わない25℃(常温)と400℃の条件下で、皮膜の摩擦係数と摩耗深さを調査した。摩擦係数が小さいことで焼き付きが生じにくいことが分かり、摩耗深さが小さいことで耐摩耗性に優れることが分かる。尚、摩擦係数については、下記する摺動距離中、最も安定したデータが得られる100m〜300mの平均値を用いてデータとした。摩擦係数の合格判定基準は0.35以下、摩耗深さの合格判定基準は2.0μm以下とした。この試験結果を表3に示す。   The composition of the hard coating containing W was analyzed by an electron beam microanalyzer (EPDA). A sliding test was performed under the same conditions as in Example 1. In this sliding test, the friction coefficient and wear depth of the film were investigated under the conditions of 25 ° C. (normal temperature) and 400 ° C. without heating. It can be seen that seizure hardly occurs when the friction coefficient is small, and that wear resistance is excellent when the wear depth is small. In addition, about the friction coefficient, it was set as data using the average value of 100m-300m in which the most stable data is obtained in the sliding distance mentioned below. The acceptance criterion for the coefficient of friction was 0.35 or less, and the acceptance criterion for the wear depth was 2.0 μm or less. The test results are shown in Table 3.

Figure 2009155721
Figure 2009155721

成膜した皮膜の組成(原子比)については、表3に示す通りである。表3のNo.7〜12、14〜16は、請求項3に記載の条件を満たす組成の皮膜であり、そのWC1−xとδ−WNの両方の結晶を有した混合膜であることが確認できた。また、皮膜の摩擦係数は、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも、全て0.35以下と小さく、皮膜の摩耗深さも、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも、全て2.0μm以下と小さい。よって、これら請求項3に記載の条件を満たす組成のWを含有する硬質皮膜は、耐摩耗性に優れ、また焼き付きなどが生じにくく、長期間使用しても摺動性に優れることが分かった。   The composition (atomic ratio) of the deposited film is as shown in Table 3. No. in Table 3 It was confirmed that 7 to 12 and 14 to 16 are films having a composition satisfying the condition of claim 3 and mixed films having both WC1-x and δ-WN crystals. Also, the friction coefficient of the film is as low as 0.35 or less under both conditions of 25 ° C. (room temperature) and 400 ° C., and the wear depth of the film is 400 under both conditions of 25 ° C. (room temperature). Even under conditions of ° C., all are as small as 2.0 μm or less. Therefore, it was found that the hard film containing W having a composition satisfying the conditions described in claim 3 is excellent in wear resistance, hardly seized, and excellent in slidability even when used for a long time. .

更には、先の説明で夫々BCNの組成がより好ましい範囲であるとして示した範囲に全て該当するNo.8,11,12,14,15は、皮膜の摩擦係数が、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも、0.25以下であり、皮膜の摩耗深さも、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも、1.0μm以下であり、特に摩擦特性および耐摩耗性に優れていることが分かった。   Furthermore, in the above description, the numbers corresponding to all the ranges indicated as the more preferable ranges of the composition of BCN. 8, 11, 12, 14 and 15, the friction coefficient of the film is 0.25 or less under the condition of 25 ° C. (room temperature) or 400 ° C., and the wear depth of the film is 25 ° C. It was found to be 1.0 μm or less both under normal temperature conditions and at 400 ° C., and was found to be particularly excellent in friction characteristics and wear resistance.

また、No.1,5,6の試験結果から、C含有ガス(CHガス)を含む雰囲気中でなければ、WCからなるターゲットを用いても、皮膜中のCの原子比bが請求項3で規定する範囲に達しないことが確認できた。 No. From the test results of 1, 5, and 6, the atomic ratio b of C in the film is defined in claim 3 even if a target made of WC is used unless the atmosphere contains C-containing gas (CH 4 gas). It was confirmed that the range was not reached.

(実施例4)
実施例3と同様に金属元素MをWとし、ターゲットとしてWCからなるW0.50.5ターゲット(直径は10インチ)を用いて、スパッタリング法によって、全圧力0.6Paで、メタン−窒素雰囲気中において、基材の表面にWを含有する硬質皮膜を形成した。
Example 4
In the same manner as in Example 3, the metal element M is W, and a W 0.5 C 0.5 target (diameter is 10 inches) made of WC is used as a target. In a nitrogen atmosphere, a hard film containing W was formed on the surface of the substrate.

このスパッタリング法によって基材の表面にWを含有する硬質皮膜を形成する場合と、実施例3のアークイオンプレーティング法によって基材の表面にWを含有する硬質皮膜を形成する場合の成膜レートを比較した。その比較結果を表4に示す。   Deposition rate when forming a hard film containing W on the surface of the substrate by this sputtering method and when forming a hard film containing W on the surface of the substrate by the arc ion plating method of Example 3 Compared. The comparison results are shown in Table 4.

Figure 2009155721
Figure 2009155721

表4によると、アークイオンプレーティング法では1時間あたり5μmの成膜ができたのに対し、スパッタリング法では1時間あたり1μmの成膜しかできず、アークイオンプレーティング法の方がより高速にWを含有する硬質皮膜を形成できることが確認できた。   According to Table 4, the arc ion plating method can form a film of 5 μm per hour, while the sputtering method can form a film of 1 μm per hour, and the arc ion plating method is faster. It was confirmed that a hard film containing W could be formed.

(実施例5)
実施例3と同様に、W0.50.5ターゲット(ホットプレス品φ100mm)を用いて、図1に示すようなカソード放電型のアークイオンプレーティング装置で、基材の表面にWを含有する硬質皮膜を形成した。
(Example 5)
Similarly to Example 3, using a W 0.5 C 0.5 target (hot-pressed product φ100 mm), a cathode discharge type arc ion plating apparatus as shown in FIG. A hard coating was formed.

Wを含有する硬質皮膜の成膜時の条件は、アーク電流を150Aとし、メタン(CH)および窒素(N)流量比を夫々10vol%とし、更に真空容器内にArを供給して全圧力を1.33Paに調整した。成膜温度は400℃、バイアス電圧は−30〜−200Vの範囲で変化させ、10μm厚の皮膜(原子比は全てW0.380.550.07)を形成した。 The conditions at the time of film formation of the hard film containing W are as follows: the arc current is 150 A, the flow rate ratio of methane (CH 4 ) and nitrogen (N 2 ) is 10 vol%, and Ar is supplied into the vacuum vessel. The pressure was adjusted to 1.33 Pa. The film forming temperature was changed to 400 ° C. and the bias voltage was changed in the range of −30 to −200 V to form a 10 μm thick film (all atomic ratios were W 0.38 C 0.55 N 0.07 ).

この皮膜の摺動性を確認するため、実施例1、3と同じ条件で摺動試験を実施した。この摺動試験では、加熱を行わない25℃(常温)と400℃の条件下で、皮膜の摩擦係数と摩耗深さを調査した。摩擦係数が小さいことで焼き付きが生じにくいことが分かり、摩耗深さが小さいことで耐摩耗性に優れることが分かる。尚、摩擦係数については、下記する摺動距離中、最も安定したデータが得られる100m〜300mの平均値を用いてデータとした。摩擦係数、摩耗深さの合格判定基準は、夫々0.35以下、2.0μm以下と他の実施例と同様であるが、本実施例では、摩擦係数が0.25以下、摩耗深さが1.0μm以下のものを、より好ましいと判断した。その試験結果を表5に示す。   In order to confirm the slidability of this film, a sliding test was performed under the same conditions as in Examples 1 and 3. In this sliding test, the friction coefficient and wear depth of the film were investigated under the conditions of 25 ° C. (normal temperature) and 400 ° C. without heating. It can be seen that seizure hardly occurs when the friction coefficient is small, and that wear resistance is excellent when the wear depth is small. In addition, about the friction coefficient, it was set as data using the average value of 100m-300m in which the most stable data is obtained in the sliding distance mentioned below. The acceptance criteria for the friction coefficient and the wear depth are 0.35 or less and 2.0 μm or less, respectively, which are the same as in the other examples. In this example, the friction coefficient is 0.25 or less and the wear depth is A thickness of 1.0 μm or less was judged to be more preferable. The test results are shown in Table 5.

Figure 2009155721
Figure 2009155721

表5によると、皮膜の組成(原子比)は請求項3に記載の要件を満足しているため、No.1〜No.6の全てが合格判定基準を満たしている。その中でもNo.2〜No.4は、摩擦係数が、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも、0.25以下であり、皮膜の摩耗深さも、25℃(常温)の条件下でも、400℃の条件下でも、1.0μm以下である。この結果から、バイアス電圧を−50V〜−100Vの範囲内とすることで、摩擦特性および耐摩耗性に更に向上することが分かった。   According to Table 5, since the composition (atomic ratio) of the film satisfies the requirements described in claim 3, 1-No. All of 6 satisfy the acceptance criteria. Among them, no. 2-No. No. 4 has a friction coefficient of 0.25 or less under the condition of 25 ° C. (normal temperature) or 400 ° C., and the wear depth of the film is 400 ° C. under the condition of 25 ° C. (normal temperature). Even under conditions, it is 1.0 μm or less. From these results, it was found that the friction characteristics and wear resistance were further improved by setting the bias voltage within the range of −50V to −100V.

(実施例6)
0.50.5ターゲット(ホットプレス品φ100mm)或いはWターゲットを用いて、図1に示すようなカソード放電型のアークイオンプレーティング装置で、基材の表面にWを含有する硬質皮膜の形成を行う試験を実施した。
(Example 6)
A hard coating containing W on the surface of a substrate using a cathode discharge type arc ion plating apparatus as shown in FIG. 1 using a W 0.5 C 0.5 target (hot-pressed product φ100 mm) or a W target. A test was performed to form

0.50.5ターゲットの場合、Wを含有する硬質皮膜の成膜時の条件として、アーク電流を150Aとし、メタン(CH)および窒素(N)流量比を夫々10vol%とし、更に真空容器内にArを供給して全圧力を1.33Paに調整した。成膜温度は400℃、バイアス電圧は−70Vとし、10μm厚の皮膜を形成することとした。(実施例5のNo.3と同一条件) In the case of a W 0.5 C 0.5 target, as conditions for forming a hard coating containing W, the arc current is 150 A, and the methane (CH 4 ) and nitrogen (N 2 ) flow rate ratio is 10 vol%, respectively. Further, Ar was supplied into the vacuum vessel to adjust the total pressure to 1.33 Pa. The film forming temperature was 400 ° C., the bias voltage was −70 V, and a 10 μm thick film was formed. (Same conditions as No. 3 in Example 5)

一方、Wターゲットの場合は、全圧力を2.66Paとし、Ar分圧を1.33Pa、メタン(CH)分圧を1Pa、窒素(N)分圧を0.33Paとして、成膜温度は400℃、バイアス電圧は−70Vとし、10μm厚の皮膜を形成することとした。 On the other hand, in the case of the W target, the total pressure is 2.66 Pa, the Ar partial pressure is 1.33 Pa, the methane (CH 4 ) partial pressure is 1 Pa, and the nitrogen (N 2 ) partial pressure is 0.33 Pa. Was 400 ° C., the bias voltage was −70 V, and a 10 μm thick film was formed.

WCターゲットを用いた場合、基材表面への成膜はできたが、Wターゲットを用いた場合、アーク放電が持続せず、基材表面への成膜はできなかった。すなわち、Wターゲットを用いた場合はアーク放電が安定せず、安定性良くWを含有する硬質皮膜を形成することはできないが、WCターゲットを用いることで、安定性良くWを含有する硬質皮膜を形成することができる。   When the WC target was used, film formation on the substrate surface could be performed, but when the W target was used, arc discharge did not continue and film formation on the substrate surface could not be performed. That is, when a W target is used, arc discharge is not stable, and a hard coating containing W cannot be formed with good stability. However, a hard coating containing W with good stability can be obtained using a WC target. Can be formed.

本発明の硬質皮膜の形成に用いるカソード放電型のアークイオンプレーティング装置の一例を模式的に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows typically an example of the cathode discharge type arc ion plating apparatus used for formation of the hard film of the present invention. 同アークイオンプレーティング装置の使用蒸発源の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the use evaporation source of the arc ion plating apparatus. 同アークイオンプレーティング装置の使用蒸発源の別の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows another example of the use evaporation source of the arc ion plating apparatus. 従来のアークイオンプレーティング装置の使用蒸発源示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the use evaporation source of the conventional arc ion plating apparatus. 金属元素MがTiであって、炭化水素ガスがメタン(CH)ガスである場合の、メタン分圧とアーク電流密度の関係を示す説明図である。The metal element M is a Ti, when the hydrocarbon gas is methane (CH 4) gas is an explanatory diagram showing the relationship between the methane partial pressure and arc current density.

符号の説明Explanation of symbols

1…アークイオンプレーティング装置
2…ターゲット
2a…蒸発面
3…基材
4…磁力線
5…アーク蒸発源
6…排気口
7…ガス供給口
8…真空容器
9…基材ステージ
10…バイアス電源
11…アーク電源
12…フィラメント加熱用交流電源
13…フィラメント型イオン源
14…放電用直流電源
15…ヒータ
16…アース
17…磁石
e…電子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Arc ion plating apparatus 2 ... Target 2a ... Evaporation surface 3 ... Base material 4 ... Magnetic field line 5 ... Arc evaporation source 6 ... Exhaust port 7 ... Gas supply port 8 ... Vacuum vessel 9 ... Base material stage 10 ... Bias power supply 11 ... Arc power supply 12 ... Filament heating AC power supply 13 ... Filament type ion source 14 ... Discharge DC power supply 15 ... Heater 16 ... Earth 17 ... Magnet e ... Electron

Claims (7)

化学式Mで示される硬質皮膜であって、
Mは、4A族、5A族、6A族の元素、及びSi、Alから選択される少なくとも1種の金属元素であり、
0≦a≦0.2、
0≦c≦0.2、
0<x−a−c、
x−a−c<b≦0.9、
0.05≦x<0.5、
x+a+b+c=1
の各式を満たすことを特徴とする摺動性に優れる硬質皮膜。
但し、x、a、b、cは、夫々M、B、C、Nの原子比を示す。
A hard film represented by the chemical formula M x B a C b N c ,
M is an element of Group 4A, Group 5A, Group 6A, and at least one metal element selected from Si and Al.
0 ≦ a ≦ 0.2,
0 ≦ c ≦ 0.2,
0 <x-a-c,
x-a-c <b ≦ 0.9,
0.05 ≦ x <0.5,
x + a + b + c = 1
A hard film excellent in slidability characterized by satisfying each formula of
However, x, a, b, and c represent atomic ratios of M, B, C, and N, respectively.
aとcの原子比が共に0である場合、
0.1≦x≦0.4
を満たすことを特徴とする請求項1記載の摺動性に優れる硬質皮膜。
When the atomic ratio of a and c is both 0,
0.1 ≦ x ≦ 0.4
The hard film having excellent sliding properties according to claim 1, wherein:
MはWであり、
0≦a≦0.12、
0.5<b≦0.8、
0.01≦c<0.15、
0.2≦x<0.5、
の各式を満たすことを特徴とする請求項1記載の摺動性に優れる硬質皮膜。
M is W,
0 ≦ a ≦ 0.12,
0.5 <b ≦ 0.8,
0.01 ≦ c <0.15,
0.2 ≦ x <0.5,
The hard coating having excellent slidability according to claim 1, wherein the following formulas are satisfied.
結晶構造がδ−WNとWC1−xの混合物を含むことを特徴とする請求項3記載の摺動性に優れる硬質皮膜。   4. The hard film having excellent sliding properties according to claim 3, wherein the crystal structure contains a mixture of δ-WN and WC1-x. 請求項1または2記載の硬質皮膜を基材の表面に成膜する硬質皮膜の形成方法であって、
金属元素Mよりなる金属ターゲット、或いは金属元素MとBよりなる複合ターゲットを用いて、Arと炭化水素ガス、或いはArと炭化水素ガスと窒素の混合雰囲気中で、カソード放電型のアークイオンプレーティング装置により、前記ターゲットの蒸発面に略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成した状態で、前記硬質皮膜を前記基材の表面に成膜することを特徴とする硬質皮膜の形成方法。
A method of forming a hard film, wherein the hard film according to claim 1 or 2 is formed on a surface of a substrate.
Cathode discharge type arc ion plating in a mixed atmosphere of Ar and hydrocarbon gas or Ar, hydrocarbon gas and nitrogen using a metal target composed of metal element M or a composite target composed of metal elements M and B The hard coating is formed on the surface of the substrate in a state in which a magnetic line of force that diverges or advances in a direction substantially perpendicular to the evaporation surface of the target is formed by an apparatus. Method.
金属元素MがTi或いはVであって、炭化水素ガスがメタン(CH)ガスである場合、成膜時のメタン分圧とアーク電流密度の関係が、
メタン分圧(Pa)>0.163+1.44×アーク電流密度(A/cm
を満たすことを特徴とする請求項5記載の硬質皮膜の形成方法。
When the metal element M is Ti or V and the hydrocarbon gas is methane (CH 4 ) gas, the relationship between the methane partial pressure and the arc current density during film formation is
Methane partial pressure (Pa)> 0.163 + 1.44 × arc current density (A / cm 2 )
The method for forming a hard film according to claim 5, wherein:
請求項3または4記載の硬質皮膜を基材の表面に成膜する硬質皮膜の形成方法であって、
WCからなるターゲットを用いて、C含有ガスと窒素を含む混合雰囲気中で、カソード放電型のアークイオンプレーティング装置により、前記ターゲットの蒸発面に略直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成した状態で、前記硬質皮膜を前記基材の表面に成膜することを特徴とする硬質皮膜の形成方法。
A method of forming a hard film, wherein the hard film according to claim 3 or 4 is formed on a surface of a substrate.
Magnetic field lines that diverge forward or proceed in parallel approximately perpendicular to the evaporation surface of the target by a cathode discharge type arc ion plating apparatus in a mixed atmosphere containing a C-containing gas and nitrogen using a target made of WC In the state which formed, the said hard film is formed into a film on the surface of the said base material, The formation method of the hard film characterized by the above-mentioned.
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