JP2011089199A - 潤滑特性に優れた硬質皮膜およびその被覆方法ならびに、金属塑性加工用工具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 他材と接する基体表面にアークイオンプレーティング法によって被覆される硬質皮膜であって、その硬質皮膜はNaCl型結晶構造における(111)面の半値幅が1.75°以上のチタン炭化物である。そして、これらの硬質被膜を作業面に被覆してなることを特徴とする金属塑性加工用工具である。
さらには、アークイオンプレーティングによる基体表面への硬質皮膜の被覆方法であって、チタンターゲットを用いたアークイオンプレーティング中には、基体に−120〜−150Vのバイアス電圧を印加しかつ、炉内圧力が2.8Pa〜3.8Paのメタンガスを導入することによって、基体表面にチタン炭化物からなる皮膜を被覆する硬質皮膜の被覆方法である。
【選択図】図1
Description
炉内圧力を2.8Pa〜3.8Paとするのは、これは、健全なチタン炭化物自体の形成に加えては、過剰炭素による結晶粒の成長抑制作用にとっても最適な条件のためである。つまり、炉内圧力が2.8Pa以上で、結晶粒成長抑制に起因する炭素の働きが強まり、皮膜の更なる硬さ向上が達成される。但し、3.8Paを越えると、チャンバ内および皮膜表面に“すす”状の物質が発生し、製品外観を悪くするばかりか、アークイオンプレーティング中のアーク放電が不安定となり易く、生産性に影響を及ぼすことになる。
表面処理を行う基体として、硬さ64HRCに調整したJIS高速度工具鋼SKH51の板状試験片(幅15mm×長さ18mm×厚さ2mm)と、同円盤状試験片(直径20mm×厚さ5mm)を準備した。板状試験片はコーティングした皮膜の分析用、円盤状試験片は潤滑特性の評価試験用である。そして、これらの平面を鏡面機械研磨した後、アルカリ超音波洗浄を行った。
なお、試料No.2〜14は、TiC硬質皮膜を被覆する前の基体直上には、炉内圧力3Pa、基体に印加するバイアス電圧を−50V、723Kのもとで、窒素ガスのみを導入することで[流量:4.15(10−5m3/s)]、厚さがおよそ1〜2μmのTiN中間皮膜を被覆している。
<硬質皮膜の半値幅の測定>
まず、板状試験片を用いて、その最表面に被覆された硬質皮膜の結晶構造を調べた。つまり、試料No.1〜16の硬質皮膜(TiC、VC)においては、そのNaCl型結晶構造における(111)面の半値幅を測定することで、その結晶粒の微細度を評価した。半値幅は、Cu−Kα線によるθ−2θ法で測定したX線回折線にて、その(111)面の相対強度がバックグラウンドからそのピーク高さの2分の1になる部位の回析線の幅(全幅である)とした。
次に、板状試験片の最表面に被覆された硬質皮膜の硬度を、超微小硬度計を用いて測定した。測定装置には、CSM Instruments社製ナノハードネステスターを使用し、バーコビッチ圧子を用いて、試験片表面への最大荷重9.8mN、押し込み速度19.60mN/分、除荷速度19.60mN/分の条件で測定した。圧子の押し込み深さは、膜厚の10分の1の深さになるように設定した。そして、以上の条件による硬度測定を、各試験片毎に10点行い、その平均値を評価した。
そして、円盤状試験片を用い、その最表面に被覆された硬質皮膜の摩擦係数を測定することで、潤滑特性を評価した。摩擦係数は、相手材をJIS軸受鋼SUJ2とした時の動摩擦係数であり、測定装置には、ボールオンディスク型摩擦試験機(CSM Instruments社製トライボメーター)を使用した。測定条件は、常温、大気中にて、硬質皮膜の表面にSUJ2球(直径6mm)を2Nの荷重で押し付けながら、円盤状試験片を150mm/秒の速度で回転させたものである。試験距離は100mとし、その10〜100mの距離範囲において、10m刻み毎に測定した値(計10点)の平均値を、摩擦係数とした。以上の結果を、表2に示す。
皮膜表面に対し、ロックウェル硬さ試験機(株式会社ミツトヨ製AR−10)にてCスケールで圧痕を付けた、そして、その圧痕部位を光学顕微鏡にて観察することで、圧痕周辺の皮膜隔離有無を評価した。
なお、Bias電圧または炉内圧力が外れる試料No.2〜8は、皮膜硬さが3300HV以下と従来水準である。
Claims (7)
- 他材と接する基体表面にアークイオンプレーティング法によって被覆される硬質皮膜であって、その硬質皮膜はNaCl型結晶構造における(111)面の半値幅が1.75°以上のチタン炭化物であることを特徴とする潤滑特性に優れた硬質皮膜。
- ビッカース硬さが3300HV以上であることを特徴とする請求項1に記載の潤滑特性に優れた硬質皮膜。
- 硬質皮膜は、非晶質炭素を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の潤滑特性に優れた硬質皮膜。
- 硬質皮膜は、その基体表面との間に、チタン窒化物からなる皮膜を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の潤滑特性に優れた硬質皮膜。
- アークイオンプレーティングによる基体表面への硬質皮膜の被覆方法であって、チタンターゲットを用いたアークイオンプレーティング中には、前記の基体に−120〜−150Vのバイアス電圧を印加しかつ、炉内圧力が2.8Pa〜3.8Paのメタンガスを導入することによって、基体表面にチタン炭化物からなる皮膜を被覆することを特徴とする潤滑特性に優れた硬質皮膜の被覆方法。
- メタンガスを導入する前には、窒素ガスを導入することによって、基体表面にチタン窒化物からなる皮膜を被覆することを特徴とする請求項5に記載の潤滑特性に優れた硬質皮膜の被覆方法。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載の硬質被膜を作業面に被覆してなることを特徴とする金属塑性加工用工具。
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