JP2015200009A - ジルコニウム複合素材コーティング層及びその形成方法 - Google Patents

ジルコニウム複合素材コーティング層及びその形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、自動車のパワートレイン部品の摺動部などに適用できるジルコニウム複合素材コーティング層、前記コーティング層の形成方法、及び効率的なコーティング層を構成する厚さを提供することによって、摺動部などの摩擦を減らし、耐久性などを高めることを課題とする。
【解決手段】母材の表面上に、密着力を増大させるための中間層であるＺｒＣｕＡｌＭｏ層と、摩擦係数が小さく耐久性のための機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層と、がこの順に積層され、機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層は、中間層であるＺｒＣｕＡｌＭｏ層と接する一面から窒素（Ｎ）の含量が徐々に増加して形成される混合層を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジルコニウム複合素材コーティング層及びその形成方法に関し、より詳しくは、密着力に優れた中間層と摩擦係数が小さく耐久性に優れた機能層とを含み、自動車のパワートレイン部品の摺動部などに適用できるジルコニウム複合素材コーティング層及びその形成方法に関する。
自動車のエンジン及び変速機などのような機械部品は、連動する機械的動きを介して運動エネルギーをホイールまで伝達する役割をする。しかし、各々の機械部品の間では滑り運動、回転運動、及び往復運動などによって発生する摩擦によって運動エネルギーが失われ、また部品の摩耗が発生するという問題がある。
このような問題を解決するために、機械部品が相互に接して摩擦が発生する摺動部の摩擦を減らして摩擦によるエネルギーの損失を減らし、自動車の燃費を向上させ、機械部品の耐久寿命などを向上させる目的で、低摩擦及び高耐久性の表面処理が多様に用いられる。従来は、この目的の表面処理方法として、クロム（Ｃｒ）メッキ、窒化処理、及びＣｒＮのような窒化物系コーティング材などが用いられたが、これらの表面処理は摩擦特性が優れておらず、前記表面処理方法が適用された部品の耐久性が不足するという問題が発生した。
このような問題を解決するために、ＣｒＮコーティングより摩擦特性に優れ、耐久性に優れたＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）コーティングが開発された（例えば特許文献１を参照）。しかし、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を利用してＤＬＣコーティング層を形成する場合、黒鉛ターゲットのスパッタリング速度が非常に遅いために、工程時間が１２時間以上必要となってコーティング層の形成効率が落ち、原価競争力が落ちるという問題があった。
また、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を利用してＤＬＣコーティング層を形成する場合、ＰＶＤ法に比べて迅速な工程速度を確保することができるが、それによって形成されたＤＬＣコーティング層の硬度及び耐久性が落ちるという短所があった。
それのみならず、ＤＬＣ自体の残留応力が高いためにＣｒ、ＣｒＮ、ＷＣＣのような中間層を挿入する工程が含まれ、このような異種材質の中間層の挿入によって生産効率が低下するという短所があった。
したがって、本発明者は、ＤＬＣより摩擦係数が低く蒸着速度が高く、生産の効率化を達成することができ、摺動部品の摩擦低減及び耐摩耗性の向上に効果的なＺｒＣｕＡｌＭｏＮコーティング層を発明した。
特開２００７−４６０２９号公報
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためのものであって、効率的なコーティング層を構成すると共に、最適な厚さを設定することによって摺動部などの摩擦を減らし、耐久性などを高めることにその目的がある。
前記のような目的を達成するために、本発明は、母材の表面上に、密着力を増大させるための中間層であるＺｒＣｕＡｌＭｏ層と、摩擦係数が小さい耐久性のための機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層と、がこの順に積層されることを特徴とする。
また、前記機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層と接する一面から窒素（Ｎ）の含量が漸進的に（徐々に）増加して形成される濃度勾配層である混合層を含むことを特徴とする。
また、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）を含み、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の厚さは、０μｍを超過し０．５μｍ以下であることを特徴とする。
また、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、及び窒素（Ｎ）を含み、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の厚さは、０．１乃至１０μｍであることを特徴とする。
また、前記混合層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、及び窒素（Ｎ）を含み、混合層の厚さは、０．１乃至０．５μｍであることを特徴とする。
また、前記コーティング層が、母材の一面に、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層と、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層と、が繰り返し積層された構造である多層薄膜コーティング層を含むことを特徴とする。
また、前記繰り返し積層されたＺｒＣｕＡｌＭｏ層と、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層と、の厚さは、各々、０μｍを超過し０．５μｍ以下であることを特徴とする。
また他の側面において、本発明のジルコニウム複合素材コーティング層の形成方法は、コーティングチャンバーにアルゴン（Ａｒ）ガスを注入した後、アルゴンイオン（Ａｒ＋）が存在するプラズマ状態を作る第１ステップと、コーティングチャンバーを加熱してジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）ターゲットを活性化し、各金属をイオン化する第２ステップと、イオン化したジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）が母材の一面に蒸着されてＺｒＣｕＡｌＭｏ層を形成する第３ステップと、コーティングチャンバーの窒素ガス（Ｎ２）の濃度を漸進的に増加させ、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の一面から窒素の含量が漸進的に増加する濃度勾配層である混合層を含むＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層を、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の一面に接して形成する第４ステップと、を含むことを特徴とする。
母材の表面にＺｒＣｕＡｌＭｏ層と、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層と、が繰り返し積層されて形成される構造である多層薄膜コーティング層を形成するために、第１ステップ及び第２ステップ後に、第３ステップ及び第４ステップを２回以上繰り返すことを特徴とする。
また、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）を含み、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の厚さは、０μｍを超過し０．５μｍ以下であることを特徴とする。
また、前記混合層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、及び窒素（Ｎ）を含み、混合層の厚さは、０．１乃至０．５μｍであることを特徴とする。
また、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）及び窒素（Ｎ）を含み、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の厚さは、０．１乃至１０μｍであることを特徴とする。
また、前記第４ステップにおいて、混合層を形成するために漸進的に増加する窒素ガス（Ｎ２）の濃度は、アルゴンガス（Ａｒ）の体積に対して０体積％を超過し５０体積％以下であることを特徴とする。
また、前記第４ステップにおいて、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層を形成するための窒素ガス（Ｎ２）の濃度は、アルゴンガス（Ａｒ）の体積に対して５乃至５０体積％であることを特徴とする。
上述したように、前記のような構成を有する本発明の効果は、摺動部の摩擦を減少させて耐摩耗性及び耐久寿命などを向上させるだけでなく、母材との密着力にも優れ、耐衝撃性などを向上させることができる。
本発明によるジルコニウム複合素材コーティング層の断面を示す断面図である。 ＺｒＣｕＡｌＭｏ層と混合層とが含まれたＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層における窒素（Ｎ）含量の変化を示すグラフである。 本発明によるジルコニウム複合素材コーティング層が繰り返し積層された多層薄膜コーティング層の断面を示す断面図である。 コーティング装置の断面模式図を示す図である。 実施例１の密着力試験終了後の顕微鏡写真である。
本明細書及び請求範囲に用いられた用語や単語は、通常的または辞書的な意味に限定して解釈してはならず、発明者は、自身の発明を最善な方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に立ち、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈しなければならない。
以下、添付の図面及び表などを参照して、本発明を詳細に説明する。
本発明は、ジルコニウム複合素材コーティング層及びコーティング層の形成方法に関し、一観点において、本発明は、自動車のパワートレイン部品などの摺動部の摩擦を減らし、耐摩耗性を向上させるジルコニウム複合素材コーティング層に関する。
一般的に、エンジン及び変速機などの摺動部の摩擦を減らし、部品の耐久寿命などを向上させるために、摺動部などの表面にコーティング層などを形成することが好ましい。
図１は、本発明のジルコニウム複合素材コーティング層の断面を示す断面図である。図１に示すように、本発明のジルコニウム複合素材コーティング層は、隣接した他の素材と接触して摩擦が発生する母材１０の表面に接し、母材１０と、機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０と、の密着力を増大させる中間層であるＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０を含むことが好ましい。また、本発明のジルコニウム複合素材コーティング層は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０の表面に接し、母材より摩擦係数の小さい機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０を含むことが好ましい。
この時、機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０と接する面から窒素（Ｎ）の含量が漸進的に（徐々に）増加して形成される濃度勾配層を有する混合層４０を含むことが好ましい。この時、混合層４０は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０との密着力を向上させる機能を果たす。
すなわち、ジルコニウム複合素材コーティング層は、母材１０とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０との間の密着力を増加させるための中間層であるＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０と、母材１０やＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０より摩擦係数が小さい耐久性のための機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０と、が母材の表面上に順次に積層される構造を有する。ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０は混合層４０を含み、混合層４０は、濃度勾配層を形成して異質な素材間に発生する結合力の低下を抑制することができる。
より具体的には、中間層であるＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０は、母材１０と、機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０と、がよく接合するように、母材１０と機能層との密着力を増大させる役割をする。ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）を含むことが好ましい。
ここで、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０の厚さは、０超過０．５μｍ以下であることが好ましく、０．０１〜０．５μｍ以下であることがより好ましい。ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０厚さが０．５μｍを超過する場合は、全体的なコーティング層の厚さは厚くはなるが、母材１０とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０との密着効果が飽和するため、コーティング層の効率は増加するが、コーティング層の形成費用も増加する。
また、機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０は、従来用いられたＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）よりも硬度が高く、摩擦係数が低く、母材１０に対する蒸着速度が速いため、摺動部などの低摩擦性及び耐摩耗性などの向上に効果的である。ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０は、コーティングの形成速度が高いため、コーティング層の形成効率性が向上する。ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）及び窒素（Ｎ）を含むことが好ましい。
ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０の厚さは、０．１〜１０μｍの範囲であることが好ましい。厚さが０．１μｍ未満の場合は、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０が薄すぎて、小さな衝撃によっも破損してそれ以上の機能層の役割を果たしにくくなり、厚さが１０μｍを超過する場合は、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０の厚さが厚くなっても、摩擦係数や耐摩耗性などの特性が飽和するため、コーティング層の効果に対する形成費用の比が増加する。したがって、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０及びＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０の全体厚さは約０．１〜１０．５μｍであることが好ましい。
一方、本発明によるジルコニウム複合素材コーティング層は、中間層であるＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０と、機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０と、の密着力をより向上させるための混合層４０を更に含むことが好ましい。混合層４０は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０と、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０と、の間に位置し、窒素（Ｎ）の濃度がＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０からＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０の方向に漸進的に増加して形成される濃度勾配層（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｌａｙｅｒ）であることが好ましい。
また、混合層４０の構成成分はジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）及び窒素（Ｎ）が含まれることが好ましく、混合層４０の厚さは０．１〜０．５μｍであることが好ましく、０．５μｍであることがより好ましい。
混合層４０の厚さが０．１μｍ未満の場合は、濃度勾配が形成され難く、厚さが０．５μｍを超過する場合は、濃度勾配による効果が飽和するため、効果に比べてコーティングの全体厚さが厚くなるという短所がある。
図２は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層と混合層とが含まれたＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層における窒素（Ｎ）含有量の変化を示すグラフである。
図２に示すように、混合層４０は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０と、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０と、の間に位置し、濃度勾配薄膜法によって形成されることが好ましい。
ここで、混合層４０は、窒素（Ｎ）による濃度勾配が形成されることが好ましい。すなわち、混合層４０は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０と接する面の窒素（Ｎ）分率は低いことが好ましく、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０とは接していなく、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０と接する面の窒素（Ｎ）分率は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０と接する面より高いことが好ましい。
このように、本発明によるコーティング層は、濃度勾配層である混合層が含まれるため、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０との間の接着力が増加する。すなわち、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０との間に、混合層４０無しで接着されたＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０の接着力は約２０〜３０Ｎであるのに比べ、混合層４０が含まれたＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０とＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０の接着力は約４０Ｎである。
すなわち、濃度勾配層である混合層４０は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０との間を漸進的に変化させ、２層の偏差を最小化したため、２層の接着力を向上させることができる。
それのみならず、本発明によるコーティング層の最表面層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０が磨耗しても、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０とは物性偏差の少ない濃度勾配層である混合層４０が存在するため、コーティング層の物性が急激に失われるという問題点を補完することができる。
図３は、本発明によるジルコニウム複合素材コーティング層が繰り返し積層された多層薄膜コーティング層の断面を示す断面図である。図３に示すように、多層薄膜コーティング層は母材１０の表面上にＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０とが２回以上繰り返し積層された構造である多層薄膜コーティング層であることがより好ましく、本発明によるコーティング層は多層薄膜コーティング層を含むことが好ましい。
多層薄膜コーティング層は、単一コーティング層よりコーティング層の硬度、耐摩耗性及び耐衝撃性などが向上し、母材１０との密着力などが優れているという長所がある。
ここで、多層薄膜コーティング層を構成するために積層されたＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０と、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０と、の厚さは、各々、０μｍを超過し０．５μｍ以下であることが好ましく、０．０１〜０．５μｍ以下であることがより好ましい。ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０及びＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０の各々の厚さが０．５μｍを超過する場合は、積層による効果に比べてコーティング層の形成に投入される費用が増加するという問題がある。
この時、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０は混合層４０を含み、混合層４０は、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層２０と、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層３０と、の密着力、接合力などを向上させることができる。
本発明によるジルコニウム複合素材コーティング層は、従来のＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）コーティングやクロム（Ｃｒ）メッキなどの代わりに、低い摩擦係数と優れた耐摩耗性及び耐衝撃性が必要な摺動部などに適用されることが好ましく、自動車のパワートレイン部品などの摺動部に好ましく適用される。
また他の観点において、本発明は、ジルコニウム複合素材コーティング層の形成方法に関する。
本発明によるジルコニウム複合素材コーティング層の形成方法は、プラズマスパッタリング法を利用することが好ましい。
図４は、コーティング装置の断面模式図を示す図である。
より具体的には、コーティング層の形成方法は、コーティングチャンバーを真空状態にしてからアルゴン（Ａｒ）ガスを注入した後に電流を印加し、陰極から発生する電子とアルゴン（Ａｒ）ガスとを衝突させ、アルゴンイオン（Ａｒ＋）が存在するプラズマ状態を作る第１ステップと、コーティングチャンバーを約２００℃に加熱してジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）ターゲットを活性化させ、アルゴンイオン（Ａｒ＋）と、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びモリブデン（Ｍｏ）ターゲットと、を衝突させて各金属をイオン化する第２ステップと、イオン化したジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びモリブデン（Ｍｏ）イオンが、母材の表面に蒸着されてＺｒＣｕＡｌＭｏ層を形成する第３ステップと、コーティングチャンバーの窒素ガス（Ｎ２）の濃度を漸進的に増加させ、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の上面から窒素の含量が漸進的に増加する濃度勾配層である混合層を含むＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層を、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の表面に接して形成する第４ステップと、を含むことが好ましい。
第１ステップにおいて、電流は、コーティング電源装置５１及びバイアス（ｂｉａｓ）電源装置５２などから印加されることが好ましい。
また、母材１０の表面に、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層とが２回以上繰り返し積層されて形成される構造である多層薄膜コーティング層を形成するために、先ずコーティングチャンバーの窒素ガス（Ｎ２）の濃度を下げてＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の表面にＺｒＣｕＡｌＭｏ層を形成した後、窒素ガス（Ｎ２）の濃度を漸進的に増加させ、形成されたＺｒＣｕＡｌＭｏ層の表面にＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層を形成することを２回以上繰り返すことが好ましい。ここで、多層薄膜コーティング層のＺｒＣｕＡｌＭｏ層とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の厚さは、各々、約０μｍを超過し、０．５μｍ以下であることが好ましく、０．０１〜０．５μｍ以下であることがより好ましい。
母材の表面にＺｒＣｕＡｌＭｏ層とＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層とが繰り返し積層されて形成された構造である多層薄膜コーティング層を形成するために、第１ステップ及び第２ステップを行った後に、第３ステップ及び第４ステップを２回以上繰り返して行うことが好ましい。
第３ステップにおいて、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の構成成分はジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）を含むことが好ましく、ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の厚さは０μｍを超過し、０．５μｍ以下であることが好ましく、０．０１〜０．５μｍ以下であることがより好ましい。
また、第４ステップにおいて、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の構成成分はジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、及び窒素（Ｎ）を含むことが好ましく、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の厚さは０．１〜１０μｍであることが好ましい。
なお、混合層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）及び窒素（Ｎ）が含まれることが好ましく、濃度勾配薄膜法によって形成されることが好ましく、混合層の厚さは約０．１〜０．５μｍであることが好ましく、０．５μｍであることがより好ましい。
また、第４ステップにおいて、混合層を形成するために漸進的に増加する窒素ガス（Ｎ２）の濃度は、アルゴンガス（Ａｒ）の体積に対して０体積％を超過して５０体積％以下であることが好ましく、１〜５０体積％以下であることがより好ましい。
ここで、窒素ガス（Ｎ２）の濃度が０体積％の場合は、混合層の形成が制限され、窒素ガス（Ｎ２）の濃度が５０体積％を超過する場合は、漸進的な濃度勾配が形成され難く混合層の存在の効果が低減される。
また、第４ステップにおいて、混合層を形成するための窒素ガス（Ｎ２）の流量はコーティングチャンバーの容量と関係があるが、０〜３０ｓｃｃｍ以下であることが好ましい。特に０．１ｓｃｃｍから３０ｓｃｃｍ以下まで漸進的に窒素ガス（Ｎ２）の流量を増加させて濃度勾配薄膜形態の混合層を形成することが好ましい。ここで、窒素ガス（Ｎ２）の流量が３０ｓｃｃｍを超過する場合は、混合層の段階的な濃度勾配を形成しにくい。
なお、第４ステップにおいて、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層を形成するための窒素ガス（Ｎ２）の濃度は、アルゴンガス（Ａｒ）の体積に対して５〜５０体積％であることが好ましい。
また、窒素ガス（Ｎ２）の流量は３０ｓｃｃｍであることが好ましい。この流量範囲を外れる場合は、耐摩耗性などの物性が十分に向上したＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層を収得することが困難である。
［実施例］
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。
但し、これらの実施例は単に本発明を例示するためのものであって、本発明の範囲がこれらの実施例によって制限されると解釈されないのは当業界で通常の知識を有する者に明らかなことである。
本発明によるジルコニウム複合素材コーティング層である実施例の摩擦係数、摩耗率、密着力、硬度、及び蒸着速度を、従来に用いられたコーティング層である比較例のそれらと比較した。
Figure 2015200009
表１は、本発明によるジルコニウム複合素材コーティング層を有する実施例と、母材の表面が窒化（ｎｉｔｒｉｄｉｎｇ）処理された比較例１、母材の表面にＣｒＮコーティング層がある比較例２、及び母材の表面にＤＬＣコーティング層がある比較例３の物性を比較した表である。
比較例１を除いた、コーティング層を有する実施例１、比較例２、及び比較例３のコーティング工法はいずれも物理蒸着法（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が適用されており、同一のコーティング厚さを有する。
摩擦係数は、回転式摩擦摩耗試験機を用いてコーティングされた円板状の回転板とＳＵＪ２ピンとの間の摩擦係数を測定した。試験条件は、荷重１６０Ｎ、温度２７℃、回転板の回転速度１００ＲＰＭ、及びオイルの存在下で１時間測定した。荷重は面と圧力とを計算して１．５ＧＰａの高圧力を印加できるようにした。
試験の結果、摩擦係数は、０．０７として実施例１のジルコニウム複合素材コーティングが最も低いことを確認することができ、０．０９である比較例３のＤＬＣより約２２％小さいことが示された。小さい摩擦係数は小さい摩擦と関連があるため、本発明を適用した実施例１が最も摩擦が小さいことが示された。
また、摩耗率は、回転式摩擦摩耗試験機を用いて、コーティングされた円板状の回転板とベアリング鋼ピンとの間の摩耗量を測定した。試験条件は、荷重１６０Ｎ、温度２５℃、回転板の回転速度１００ＲＰＭ、及びオイルの存在下で１時間測定した。
試験の結果、実施例１のジルコニウム複合素材コーティングの摩耗率は０．０６μｍ／ｈｒであって、コーティング層が無く窒化処理だけ行われた比較例１より摩耗率が約６０％減少し、ＣｒＮコーティング層がある比較例２より摩耗率が約３０％減少し、ＤＬＣコーティング層がある比較例３と対等な摩耗率を有したことを確認することができた。
また、密着力は、コーティング層と母材との密着程度を測定した値であり、荷重０〜５０Ｎ、温度２５℃でスクラッチテスターを用いてプローブによるスクラッチの発生によって密着力を測定した。図５は、実施例１の密着力試験の終了後の顕微鏡写真であり、４９．３Ｎまでコーティング層の剥離や破れ現象がなく、母材との優れた密着力を示した。実施例１が比較例より遥かに高い密着力を有するのは、実施例１の中間層と機能層との間にある混合層が、コーティング層間の残留応力の偏差を最小化させたためであると判断される。
なお、実施例１の硬度は、比較例の平均である１，４１６Ｈｖより高いことが分かり、蒸着速度は比較例２及び比較例３より遥かに高いため、コーティング層の形成の効率が高いことを確認することができた。
したがって、本発明によるジルコニウム複合素材コーティング層は、従来に用いられたコーティング層より摩擦係数及び摩耗率が小さく、密着力が大きく、コーティング層の形成効率が優れることが示された。
以上、本発明の具体的な実施形態と関連して本発明を説明したが、これは例示したものに過ぎず、本発明はこれに制限されない。本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、説明された実施形態を変更または変形することができ、本発明の技術思想と下記に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で様々な修正及び変形が可能である。
１０ ・・・母材
２０ ・・・ＺｒＣｕＡｌＭｏ層
３０ ・・・ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層
４０ ・・・混合層
５０ ・・・コーティングチャンバー
５１ ・・・コーティング電源装置
５２ ・・・バイアス（ｂｉａｓ）電源装置
５３ ・・・ターゲット

Claims (14)

  1. 母材の表面上に、密着力を増大させるための中間層であるＺｒＣｕＡｌＭｏ層と、摩擦係数が小さく耐久性のための機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層と、がこの順に積層されたことを特徴とするジルコニウム複合素材コーティング層。
  2. 前記機能層であるＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層は、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏ層と接する一面から窒素（Ｎ）の含量が漸進的に増加して形成される濃度勾配層である混合層を含むことを特徴とする請求項１に記載のジルコニウム複合素材コーティング層。
  3. 前記ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）を含み、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の厚さは、０μｍを超過し０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のジルコニウム複合素材コーティング層。
  4. 前記ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、及び窒素（Ｎ）を含み、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の厚さは、０．１乃至１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のジルコニウム複合素材コーティング層。
  5. 前記混合層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、及び窒素（Ｎ）を含み、前記混合層の厚さは、０．１乃至０．５μｍであることを特徴とする請求項２に記載のジルコニウム複合素材コーティング層。
  6. コーティング層が、前記母材の一面にＺｒＣｕＡｌＭｏ層と、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層と、が繰り返し積層された構造である多層薄膜コーティング層を含むことを特徴とする請求項１に記載のジルコニウム複合素材コーティング層。
  7. 繰り返し積層された前記ＺｒＣｕＡｌＭｏ層と、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層と、の厚さは、各々、０μｍを超過し０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載のジルコニウム複合素材コーティング層。
  8. コーティングチャンバーにアルゴン（Ａｒ）ガスを注入した後、アルゴンイオン（Ａｒ＋）が存在するプラズマ状態を作る第１ステップと、
    前記コーティングチャンバーを加熱してジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）ターゲットを活性化し、各金属をイオン化する第２ステップと、
    イオン化したジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）が母材の表面に蒸着されてＺｒＣｕＡｌＭｏ層を形成する第３ステップと、
    前記コーティングチャンバーの窒素ガス（Ｎ２）の濃度を漸進的に増加させ、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の表面から窒素の含量が漸進的に増加する濃度勾配層である混合層を含むＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層を、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の表面に接して形成する第４ステップと、
    を含むことを特徴とするジルコニウム複合素材コーティング層の形成方法。
  9. 前記母材の表面にＺｒＣｕＡｌＭｏ層と、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層と、が繰り返し積層されて形成される構造である多層薄膜コーティング層を形成するために、前記第１ステップ及び前記第２ステップ後に、前記第３ステップ及び前記第４ステップを２回以上繰り返すことを特徴とする請求項８に記載のジルコニウム複合素材コーティング層の形成方法。
  10. 前記ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びモリブデン（Ｍｏ）を含み、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏ層の厚さは、０μｍを超過し０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載のジルコニウム複合素材コーティング層の形成方法。
  11. 前記混合層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、及び窒素（Ｎ）を含み、前記混合層の厚さは、０．１乃至０．５μｍであることを特徴とする請求項８に記載のジルコニウム複合素材コーティング層の形成方法。
  12. 前記ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の構成成分は、ジルコニウム（Ｚｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）及び窒素（Ｎ）を含み、前記ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層の厚さは、０．１乃至１０μｍであることを特徴とする請求項８に記載のジルコニウム複合素材コーティング層の形成方法。
  13. 前記第４ステップにおいて、混合層を形成するために漸進的に増加する窒素ガス（Ｎ２）の濃度は、アルゴンガス（Ａｒ）の体積に対して０体積％を超過し５０体積％以下であることを特徴とする請求項８に記載のジルコニウム複合素材コーティング層の形成方法。
  14. 前記第４ステップにおいて、ＺｒＣｕＡｌＭｏＮ層を形成するための窒素ガス（Ｎ２）の濃度は、アルゴンガス（Ａｒ）の体積に対して５乃至５０体積％であることを特徴とする請求項８に記載のジルコニウム複合素材コーティング層の形成方法。
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