JP2020090723A - Hard film coating member and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

To provide a hard film coating member improved in fatigue life, and a method of manufacturing the same.SOLUTION: The hard film coating member includes: a substrate made of a TiAl intermetallic compound and used under the condition that tension stress is repeatedly applied to the substrate; and a hard film covering the surface of the substrate and made from metal nitride of at least one kind selected from the group comprised of Ti, Al and Cr. In the hard film coating member, hard film residual compression stress measured by an X-ray diffraction method is 7 GPa or more.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、硬質皮膜被覆部材及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a hard coating member and a method for manufacturing the same.

飛行機用ジェットエンジンの圧縮機ブレードやタービンブレードなどの回転部材では、外部から流入する硬質異物に対する耐エロージョン性を高めることが要求される。このため、これらの回転部材の表面を硬質皮膜によってコーティングすることにより、耐エロージョン性を高めることが検討されている。例えば特許文献1には、ガスタービンの動翼表面に溶射皮膜を形成して当該動翼表面を被覆することにより、耐エロージョン性を高めることが記載されている。 BACKGROUND ART Rotating members such as compressor blades and turbine blades of airplane jet engines are required to have high erosion resistance against hard foreign matter flowing from the outside. Therefore, it has been studied to improve the erosion resistance by coating the surface of these rotating members with a hard coating. For example, Patent Document 1 describes that the erosion resistance is enhanced by forming a thermal spray coating on the surface of a moving blade of a gas turbine to cover the surface of the moving blade.

特開2005−140073号公報JP, 2005-140073, A

圧縮機ブレードやタービンブレードなどの回転部材では、硬質異物に対する耐エロージョン性を高めるための硬度が求められるのに加えて、疲労寿命の向上も要求される。特許文献1に記載されたガスタービンの動翼では、硬度が高く且つ緻密な溶射皮膜が形成されているが、疲労寿命の向上において改善の余地がある。 Rotating members such as compressor blades and turbine blades are required to have hardness for enhancing erosion resistance against hard foreign matters, and also to have improved fatigue life. In the rotor blade of the gas turbine described in Patent Document 1, a dense spray coating having high hardness is formed, but there is room for improvement in improving the fatigue life.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、疲労寿命が改善された硬質皮膜被覆部材及びその製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a hard coating member having improved fatigue life and a method for manufacturing the same.

本発明の一局面に係る硬質皮膜被覆部材は、TiAl金属間化合物からなると共に引張応力が繰り返し加わる条件下で使用される基材と、前記基材の表面を被覆する硬質皮膜であって、Ti、Al及びCrからなる群より選択される少なくとも一種の金属の窒化物からなる前記硬質皮膜と、を有している。この硬質皮膜被覆部材において、X線回折法により測定される前記硬質皮膜の残留圧縮応力が7GPa以上となっている。 A hard film-coated member according to one aspect of the present invention is a hard film that covers a surface of a base material that is made of a TiAl intermetallic compound and that is used under conditions in which tensile stress is repeatedly applied, , A hard coating made of a nitride of at least one metal selected from the group consisting of Al and Cr. In this hard film-coated member, the residual compressive stress of the hard film measured by the X-ray diffraction method is 7 GPa or more.

本発明の他の局面に係る硬質皮膜被覆部材は、Ti合金からなると共に引張応力が繰り返し加わる条件下で使用される基材と、前記基材の表面を被覆する硬質皮膜であって、Ti、Al及びCrからなる群より選択される少なくとも一種の金属の窒化物からなる前記硬質皮膜と、を有している。この硬質皮膜被覆部材において、X線回折法により測定される前記硬質皮膜の残留圧縮応力が4GPa以上となっている。 A hard film-coated member according to another aspect of the present invention is a base material that is made of a Ti alloy and is used under the condition where tensile stress is repeatedly applied, and a hard film that covers the surface of the base material. And the hard coating film made of a nitride of at least one metal selected from the group consisting of Al and Cr. In this hard film-coated member, the residual compressive stress of the hard film measured by the X-ray diffraction method is 4 GPa or more.

本発明者らは、硬質皮膜被覆部材の疲労寿命の改善について鋭意研究を行い、その結果、以下の知見を得て本発明に想到した。 The present inventors have earnestly studied to improve the fatigue life of a hard coating-coated member, and as a result, obtained the following findings and conceived the present invention.

例えば圧縮機ブレードやタービンブレードなどの引張応力が繰り返し加わる基材の表面を硬質皮膜により被覆すると、当該硬質皮膜に対しても同様に引張応力が繰り返し加わる。これに起因して、硬質皮膜の表面においてクラックが発生し、硬質皮膜の疲労現象が起こる。 For example, when the surface of a base material such as a compressor blade or a turbine blade to which tensile stress is repeatedly applied is coated with a hard film, the tensile stress is similarly repeatedly applied to the hard film. Due to this, cracks occur on the surface of the hard coating, and the fatigue phenomenon of the hard coating occurs.

これに対し、本発明者らは、鋭意研究を行った結果、硬質皮膜の残留圧縮応力を、TiAl金属間化合物の基材上では7GPa以上とし、Ti合金基材上では4GPa以上とすることにより、疲労寿命が著しく改善されることを新たに見出した。本発明の硬質皮膜被覆部材によれば、残留圧縮応力が7GPa以上又は4GPa以上の硬質皮膜によって基材の表面を被覆することにより、当該基材を引張応力が繰り返し加わる条件下で使用した場合でも、皮膜表面におけるクラックの発生を防止し、疲労寿命を大幅に改善することが可能になる。 On the other hand, as a result of intensive studies, the present inventors set the residual compressive stress of the hard coating to 7 GPa or more on the TiAl intermetallic compound base material and 4 GPa or more on the Ti alloy base material. It was newly found that the fatigue life was remarkably improved. According to the hard film-coated member of the present invention, by coating the surface of the base material with the hard coating having a residual compressive stress of 7 GPa or more or 4 GPa or more, even when the base material is used under the condition where tensile stress is repeatedly applied. It is possible to prevent the occurrence of cracks on the surface of the film and significantly improve the fatigue life.

「TiAl金属間化合物」とは、Ti及びAlを主成分として含有するものであり、例えば、Ti−48Al−2Cr−2Nb、Ti−45Al−8Nb−0.2Cなどが挙げられる(at%、小数点以下四捨五入)。「Ti合金」とは、Tiを主成分として含有するものであり、例えば、Ti−6Al−4V、Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo−0.1Siなどが挙げられる(mass%、小数点以下四捨五入)。また「主成分」とは、全体の成分のうち50at%以上(又はmass%以上)の成分を意味する。 The "TiAl intermetallic compound" contains Ti and Al as main components, and examples thereof include Ti-48Al-2Cr-2Nb and Ti-45Al-8Nb-0.2C (at %, decimal point). Rounded off below). The “Ti alloy” contains Ti as a main component, and examples thereof include Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo-0.1Si, etc. (mass %, rounded to the nearest whole number). ). Further, the “main component” means a component of 50 at% or more (or mass% or more) of all components.

上記硬質皮膜被覆部材において、前記硬質皮膜の成分組成がTiAlNであってもよい。これにより、硬質皮膜の耐酸化性を高めることができる。 In the above hard coating member, the composition of the hard coating may be TiAlN. This can increase the oxidation resistance of the hard coating.

本発明のさらに他の局面に係る硬質皮膜被覆部材の製造方法は、基材の表面に硬質皮膜を形成して硬質皮膜被覆部材を製造する方法である。この方法は、TiAl金属間化合物からなると共に引張応力が繰り返し加わる条件下で使用される前記基材を、成膜装置のステージ上に設置する基材設置工程と、Ti、Al及びCrからなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有するターゲットを、前記成膜装置内に設置するターゲット設置工程と、前記成膜装置内が窒素ガスを含む雰囲気となった状態で前記ターゲットを蒸発させることにより、前記少なくとも一種の金属の窒化物からなる前記硬質皮膜を前記基材の表面に形成する成膜工程と、を含む。前記成膜工程では、前記ステージから前記基材に−60V又は−60Vよりも負の大きな値のバイアス電圧を印加しつつ前記硬質皮膜を形成する。 A method for producing a hard coating member according to yet another aspect of the present invention is a method for producing a hard coating member by forming a hard coating on the surface of a base material. This method comprises a base material installation step of installing the base material, which is made of a TiAl intermetallic compound and is used under conditions in which tensile stress is repeatedly applied, on a stage of a film forming apparatus, and a group consisting of Ti, Al and Cr. By a target setting step of setting a target containing at least one metal selected from the above in the film forming apparatus, and evaporating the target in a state where the film forming apparatus is in an atmosphere containing nitrogen gas. And a film forming step of forming the hard film made of a nitride of the at least one metal on the surface of the base material. In the film forming step, the hard film is formed from the stage while applying a bias voltage of −60 V or a negative value larger than −60 V to the base material.

本発明のさらに他の局面に係る硬質皮膜被覆部材の製造方法は、基材の表面に硬質皮膜を形成して硬質皮膜被覆部材を製造する方法である。この方法は、Ti合金からなると共に引張応力が繰り返し加わる条件下で使用される前記基材を、成膜装置のステージ上に設置する基材設置工程と、Ti、Al及びCrからなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有するターゲットを、前記成膜装置内に設置するターゲット設置工程と、前記成膜装置内が窒素ガスを含む雰囲気となった状態で前記ターゲットを蒸発させることにより、前記少なくとも一種の金属の窒化物からなる前記硬質皮膜を前記基材の表面に形成する成膜工程と、を含む。前記成膜工程では、前記ステージから前記基材に−40V又は−40Vよりも負の大きな値のバイアス電圧を印加しつつ前記硬質皮膜を形成する。 A method for producing a hard coating member according to yet another aspect of the present invention is a method for producing a hard coating member by forming a hard coating on the surface of a base material. This method is selected from the group consisting of Ti, Al and Cr, in which the substrate made of a Ti alloy and used under the condition where tensile stress is repeatedly applied is placed on a stage of a film forming apparatus. A target containing step of installing a target containing at least one kind of metal to be installed in the film forming apparatus; and by evaporating the target in a state where the film forming apparatus is in an atmosphere containing nitrogen gas, A film forming step of forming the hard film made of at least one kind of metal nitride on the surface of the base material. In the film forming step, the hard film is formed from the stage while applying a bias voltage of -40V or a negative value larger than -40V to the base material.

本発明者らが鋭意研究を行った結果、成膜工程において基材に印加するバイアス電圧を適切な範囲に調整することにより、残留圧縮応力が適切な範囲で付与された硬質皮膜を形成可能であることが明らかになった。したがって、この方法によれば、疲労寿命が改善された硬質皮膜被覆部材を製造することが可能になる。 As a result of intensive studies by the present inventors, by adjusting the bias voltage applied to the substrate in the film-forming process to an appropriate range, it is possible to form a hard film to which residual compressive stress is applied in an appropriate range. It became clear. Therefore, according to this method, it becomes possible to manufacture a hard coating member having an improved fatigue life.

上記硬質皮膜被覆部材の製造方法において、前記ターゲット設置工程では、Ti及びAlを含有する前記ターゲットを前記成膜装置内に設置してもよい。前記成膜工程では、TiAlNの成分組成を有する前記硬質皮膜を形成してもよい。これにより、耐酸化性に優れた硬質皮膜を基材の表面に形成することができる。 In the method for manufacturing a hard film-coated member, in the target setting step, the target containing Ti and Al may be set in the film forming apparatus. In the film forming step, the hard film having a composition of TiAlN may be formed. As a result, a hard coating having excellent oxidation resistance can be formed on the surface of the base material.

上記硬質皮膜被覆部材の製造方法において、アークイオンプレーティング法により前記硬質皮膜を形成してもよい。スパッタリング法を用いた場合には、アークイオンプレーティング法を用いた場合に比べて、蒸着粒子のイオン化率が低く、バイアス電圧の印加による圧縮応力付与の効果が働きにくい。これに対し、アークイオンプレーティング法によれば、蒸着粒子のイオン化率を高めることができるため、適切な残留圧縮応力が付与された硬質皮膜を形成することが可能である。したがって、アークイオンプレーティング法は、スパッタリング法に比べて疲労寿命の改善において有効である。 In the method for manufacturing a hard coating-coated member, the hard coating may be formed by an arc ion plating method. When the sputtering method is used, the ionization rate of vapor deposition particles is lower than when the arc ion plating method is used, and the effect of applying a compressive stress by applying a bias voltage is hard to work. On the other hand, according to the arc ion plating method, since the ionization rate of the vapor deposition particles can be increased, it is possible to form a hard film to which an appropriate residual compressive stress is applied. Therefore, the arc ion plating method is more effective in improving the fatigue life than the sputtering method.

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、疲労寿命が改善された硬質皮膜被覆部材及びその製造方法を提供することができる。 As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to provide a hard coating member with improved fatigue life and a method for manufacturing the same.

本発明の実施形態に係る硬質皮膜被覆部材の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the hard film coating member which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る硬質皮膜被覆部材の製造方法を説明するためのフローチャートである。It is a flow chart for explaining the manufacturing method of the hard membrane covering member concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る硬質皮膜被覆部材の製造方法において用いられる成膜装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the film-forming apparatus used in the manufacturing method of the hard film coating member which concerns on embodiment of this invention. 疲労試験片を模式的に示す図である。It is a figure which shows a fatigue test piece typically. 図4中の線分V−Vに沿った疲労試験片の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the fatigue test piece along line VV in FIG. 4. 本発明の実施例1におけるバイアス電圧と疲労寿命との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the bias voltage and the fatigue life in Example 1 of the present invention. 本発明の実施例1におけるバイアス電圧と残留応力との関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between bias voltage and residual stress in Example 1 of the present invention. 本発明の実施例2におけるバイアス電圧と疲労寿命との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the bias voltage and the fatigue life in Example 2 of the present invention. 本発明の実施例2におけるバイアス電圧と残留応力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the bias voltage and the residual stress in Example 2 of this invention.

以下、本発明の実施形態に係る硬質皮膜被覆部材及びその製造方法について詳細に説明する。 Hereinafter, the hard coating member and the method for manufacturing the same according to the embodiment of the present invention will be described in detail.

(実施形態1)
まず、本発明の実施形態1に係る硬質皮膜被覆部材1について説明する。図1に示すように、本実施形態に係る硬質皮膜被覆部材1は、TiAl金属間化合物からなる基材10と、当該基材10の表面11を被覆する硬質皮膜20と、を主に有している。
(Embodiment 1)
First, the hard coating member 1 according to the first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the hard coating member 1 according to the present embodiment mainly includes a base material 10 made of a TiAl intermetallic compound and a hard coating 20 that covers a surface 11 of the base material 10. ing.

基材10は、引張応力が繰り返し(周期的に)加わる条件下で使用される部材であり、例えば、飛行機用ジェットエンジンの圧縮機ブレードや発電用蒸気タービンのブレードなどの高速回転する部材である。これらの回転部材では、特にブレードの根元部分において、高速回転に伴う遠心力に起因した大きな引張応力が加わる。そしてこの引張応力は、ブレードの回転速度が変化するのに伴い、時間と共に変動する。なお、基材10は回転部材に限定されるものではなく、例えば高速で振動する部材においても引張応力が繰り返し加わるため、これを基材10として用いることもできる。 The base material 10 is a member used under conditions in which tensile stress is repeatedly (periodically) applied, and is, for example, a high-speed rotating member such as a compressor blade of an airplane jet engine or a blade of a steam turbine for power generation. .. In these rotating members, a large tensile stress due to the centrifugal force due to the high speed rotation is applied particularly at the root portion of the blade. This tensile stress fluctuates with time as the rotational speed of the blade changes. Note that the base material 10 is not limited to the rotating member, and tensile stress is repeatedly applied to, for example, a member that vibrates at a high speed, and thus the base material 10 can be used as the base material 10.

硬質皮膜20は、例えばカソード型アークイオンプレーティング(AIP;Arc Ion Plating)法などの物理蒸着(PVD;Physical Vapor Deposition)法により、基材10の表面11を被覆するように形成されている。なお、硬質皮膜20の成膜方法については後に詳述する。 The hard coating 20 is formed so as to cover the surface 11 of the base material 10 by a physical vapor deposition (PVD) method such as a cathode-type arc ion plating (AIP) method. The method of forming the hard film 20 will be described in detail later.

硬質皮膜20は、Ti、Al及びCrからなる群より選択される少なくとも一種の金属の窒化物からなる。より具体的には、硬質皮膜20は、TiN、TiAlN、AlN、CrN、AlCrN又はTiCrAlNなどの成分組成を有している。なお、硬質皮膜20における各金属元素の原子比は、特に限定されない。 The hard film 20 is made of a nitride of at least one metal selected from the group consisting of Ti, Al and Cr. More specifically, the hard coating 20 has a composition such as TiN, TiAlN, AlN, CrN, AlCrN, or TiCrAlN. The atomic ratio of each metal element in the hard coating 20 is not particularly limited.

飛行機用ジェットエンジンの圧縮機ブレードや発電用蒸気タービンのブレードである基材10においては、高速回転中に外部から流入する硬質異物に対する耐エロージョン性が求められる。これに対し、上記成分組成を有する硬質皮膜20を基材10の表面11にコーティングすることにより、エロージョンによる基材10の損傷を防ぐことができる。 The base material 10, which is a compressor blade of a jet engine for airplanes or a blade of a steam turbine for power generation, is required to have erosion resistance against hard foreign matter flowing from the outside during high speed rotation. On the other hand, by coating the surface 11 of the base material 10 with the hard coating 20 having the above-described composition, damage to the base material 10 due to erosion can be prevented.

また硬質皮膜20の耐酸化性を高める観点から、硬質皮膜20の成分組成がTiAlNであることが特に好ましい。さらに硬質皮膜20は、Ti、Al、Cr及びN以外の元素として、例えばSi、C又はBなどの元素をさらに含有していてもよい。 Further, from the viewpoint of enhancing the oxidation resistance of the hard coating 20, it is particularly preferable that the component composition of the hard coating 20 is TiAlN. Furthermore, the hard coating 20 may further contain an element such as Si, C, or B as an element other than Ti, Al, Cr, and N.

硬質皮膜20は、その残留圧縮応力が7GPa以上となっている。これにより、ブレード(基材10)が回転する時の引張応力による皮膜表面でのクラックの発生を抑制し、残留圧縮応力が7GPa未満である場合に比べて硬質皮膜20の疲労寿命を大幅に改善することができる。これは、硬質皮膜20において7GPa以上の残留圧縮応力を発生させることにより、当該硬質皮膜20の表面21においてクラックの発生を抑止し得る程度の圧縮応力が加わるためである。したがって、硬質皮膜20の成分組成や基材10の種類などに依らず、硬質皮膜20の残留圧縮応力を上記範囲内とすることにより、疲労寿命改善の効果を得ることができる。 The hard coating 20 has a residual compressive stress of 7 GPa or more. This suppresses the occurrence of cracks on the coating surface due to the tensile stress when the blade (base material 10) rotates, and significantly improves the fatigue life of the hard coating 20 as compared with the case where the residual compressive stress is less than 7 GPa. can do. This is because the residual compressive stress of 7 GPa or more is generated in the hard coating 20 and the compressive stress is applied to the surface 21 of the hard coating 20 to the extent that the generation of cracks can be suppressed. Therefore, it is possible to obtain the effect of improving the fatigue life by setting the residual compressive stress of the hard coating 20 within the above range irrespective of the component composition of the hard coating 20 and the type of the base material 10.

硬質皮膜20の残留圧縮応力は、8GPa以上であることが好ましく、9GPa以上であることがより好ましい。また当該残留圧縮応力の上限値は特に限定されないが、本実施形態における硬質皮膜20の残留圧縮応力は、例えば10GPa以下となっている。 The residual compressive stress of the hard coating 20 is preferably 8 GPa or more, and more preferably 9 GPa or more. Although the upper limit of the residual compressive stress is not particularly limited, the residual compressive stress of the hard coating 20 in this embodiment is, for example, 10 GPa or less.

硬質皮膜20の残留圧縮応力は、X線回折法により測定される。具体的な測定方法は、後述する実施例において説明する通りである。 The residual compressive stress of the hard coating 20 is measured by the X-ray diffraction method. The specific measuring method is as described in the examples below.

次に、本発明の実施形態に係る硬質皮膜被覆部材の製造方法について、図2に示すフローチャートに従って説明する。この方法は、アークイオンプレーティング法により基材10の表面11に硬質皮膜20を形成して上記硬質皮膜被覆部材1を製造する方法である。まず、当該方法において硬質皮膜20の成膜に用いられる成膜装置2の構成について、図3を参照して説明する。図3に示すように、成膜装置2は、チャンバー31と、アーク電源32と、ステージ34と、バイアス電源35と、ヒータと、放電電源37と、フィラメント加熱電源38と、を主に有している。 Next, a method for manufacturing the hard coating member according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart shown in FIG. This method is a method of manufacturing the hard coating member 1 by forming the hard coating 20 on the surface 11 of the base material 10 by the arc ion plating method. First, the configuration of the film forming apparatus 2 used for forming the hard film 20 in the method will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the film forming apparatus 2 mainly includes a chamber 31, an arc power source 32, a stage 34, a bias power source 35, a heater, a discharge power source 37, and a filament heating power source 38. ing.

チャンバー31には、硬質皮膜20の成膜を行うための空間が内部に形成されており、その壁部には、当該チャンバー31内を真空排気するためのガス排気口31Aと、当該チャンバー31内に成膜用ガス(窒素ガスなど)やアルゴンガスを供給するためのガス供給口31Bと、がそれぞれ設けられている。図3に示すように、チャンバー31の外には窒素ガス供給源39A及びアルゴンガス供給源39Bがそれぞれ配置されており、これらは、ガス導入経路36を介してガス供給口31Bに接続されている。またアーク電源32の正バイアス側は、チャンバー31に接続されている。 A space for forming the hard film 20 is formed inside the chamber 31, and a gas exhaust port 31A for evacuating the inside of the chamber 31 and a inside of the chamber 31 are formed on a wall portion thereof. And a gas supply port 31B for supplying a film-forming gas (such as nitrogen gas) and an argon gas. As shown in FIG. 3, a nitrogen gas supply source 39A and an argon gas supply source 39B are arranged outside the chamber 31, respectively, and these are connected to the gas supply port 31B via a gas introduction path 36. .. The positive bias side of the arc power source 32 is connected to the chamber 31.

ステージ34は、チャンバー31内の中央に配置されており、回転可能に構成されている。ステージ34は、成膜対象である基材10を支持するための支持面を有している。バイアス電源35は、マイナス側がステージ34に接続されており、成膜中においてステージ34を通して基材10に負のバイアス電圧を印加する。またバイアス電源35のプラス側はチャンバー31に接続されている。 The stage 34 is arranged in the center of the chamber 31 and is rotatable. The stage 34 has a support surface for supporting the base material 10 that is a film formation target. The negative side of the bias power supply 35 is connected to the stage 34, and applies a negative bias voltage to the substrate 10 through the stage 34 during film formation. The positive side of the bias power source 35 is connected to the chamber 31.

次に、本実施形態に係る硬質皮膜被覆部材の製造方法の手順について説明する。この方法では、まず、基材10を成膜装置2のステージ34上に設置する工程S10が行われる(基材設置工程)。この工程S10では、まず、基材10をエタノールなどの洗浄液を用いて洗浄する。そして、洗浄後の基材10をチャンバー31内に導入し、ステージ34上に設置する。 Next, the procedure of the method for manufacturing the hard coating member according to the present embodiment will be described. In this method, first, step S10 of setting the base material 10 on the stage 34 of the film forming apparatus 2 is performed (base material setting step). In this step S10, first, the base material 10 is washed with a washing liquid such as ethanol. Then, the cleaned base material 10 is introduced into the chamber 31 and placed on the stage 34.

次に、ターゲットを成膜装置2内(チャンバー31内)に設置する工程S20が行われる(ターゲット設置工程)。この工程S20では、硬質皮膜20の金属元素の成分を有するターゲットを準備し、これをカソードとして作用させるために、アーク電源32の負バイアス側に接続された蒸発源にセットする。 Next, step S20 of setting the target in the film forming apparatus 2 (in the chamber 31) is performed (target setting step). In this step S20, a target having the component of the metal element of the hard coating 20 is prepared, and in order to make it act as a cathode, it is set in the evaporation source connected to the negative bias side of the arc power source 32.

ターゲットは、Ti、Al及びCrからなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有するものであり、具体的には、Tiターゲット、TiAlターゲット、Alターゲット、Crターゲット、AlCrターゲット又はTiCrAlターゲットなどである。なお、ターゲットが2種類以上の金属元素を含有する場合には、硬質皮膜20における各金属元素の原子比に合わせて、当該ターゲットにおける各金属元素の含有比率が調整される。 The target contains at least one metal selected from the group consisting of Ti, Al and Cr, and specifically, a Ti target, a TiAl target, an Al target, a Cr target, an AlCr target, a TiCrAl target, or the like. is there. When the target contains two or more kinds of metal elements, the content ratio of each metal element in the target is adjusted according to the atomic ratio of each metal element in the hard coating 20.

次に、基材10をエッチングする工程S30が行われる(基材エッチング工程)。この工程S30では、まず、ガス排気口31Aからチャンバー31内を排気することにより当該チャンバー31内が所定の圧力まで減圧され、真空状態とされる。次に、ガス供給口31BからArガスがチャンバー31内に導入され、またヒータにより基材10が所定の温度まで加熱される。そして、基材10の表面11(被成膜面)がArイオンにより所定時間エッチングされる。これにより、基材10の表面11に形成された酸化皮膜などが除去される。なお、当該基材エッチング工程S30は、本発明の硬質皮膜被覆部材の製造方法における必須の工程ではなく、省略されてもよい。 Next, step S30 of etching the base material 10 is performed (base material etching step). In this step S30, first, the inside of the chamber 31 is depressurized to a predetermined pressure by exhausting the inside of the chamber 31 from the gas exhaust port 31A, and the inside of the chamber 31 is brought into a vacuum state. Next, Ar gas is introduced into the chamber 31 from the gas supply port 31B, and the heater heats the substrate 10 to a predetermined temperature. Then, the surface 11 (deposition surface) of the base material 10 is etched by Ar ions for a predetermined time. As a result, the oxide film and the like formed on the surface 11 of the base material 10 are removed. The base material etching step S30 is not an essential step in the method for manufacturing a hard coating member of the present invention and may be omitted.

次に、硬質皮膜20を基材10の表面11に形成する工程S40が行われる(成膜工程)。この工程S40では、まず、ガス供給口31Bから窒素(N)ガスをチャンバー31内に導入することにより、当該チャンバー31内が所定の成膜圧力に調整される。そして、チャンバー31内が窒素ガスを含む雰囲気となった状態で所定のアーク電流を流すことにより、ターゲットを蒸発させる。これにより、蒸発してイオン化した蒸着粒子が、チャンバー31内の窒素と反応すると共に基材10の表面11に堆積する。その結果、TiN、TiAlN、AlN、CrN、AlCrN又はTiCrAlNなどの成分組成を有する硬質皮膜20が基材10上に形成される。 Next, step S40 of forming the hard coating 20 on the surface 11 of the base material 10 is performed (film forming step). In this step S40, first, nitrogen (N 2 ) gas is introduced into the chamber 31 from the gas supply port 31B to adjust the inside of the chamber 31 to a predetermined film forming pressure. Then, the target is vaporized by applying a predetermined arc current in a state where the chamber 31 is in an atmosphere containing nitrogen gas. As a result, the vaporized and ionized vapor deposition particles react with the nitrogen in the chamber 31 and are deposited on the surface 11 of the substrate 10. As a result, the hard coating 20 having a composition such as TiN, TiAlN, AlN, CrN, AlCrN, or TiCrAlN is formed on the base material 10.

この成膜工程S40では、ステージ34から基材10に負のバイアス電圧(直流電圧)を印加しつつ硬質皮膜20を形成する。このバイアス電圧の大小によって成膜中に基材10の表面11に入射する蒸着粒子のエネルギーが変化し、その結果、硬質皮膜20の残留圧縮応力を調整することができる。具体的に、本実施形態では、基材10に−60V又は−60Vよりも負の大きな値のバイアス電圧を印加しつつターゲットを蒸発させることにより、残留圧縮応力が7GPa以上の硬質皮膜20を形成することができる。当該バイアス電圧は、−70V又は−70Vよりも負の大きな値であることが好ましく、−80V又は−80Vよりも負の大きな値であることがより好ましく、−90V又は−90Vよりも負の大きな値であることがさらに好ましい。また当該バイアス電圧は、−100V又は−100Vよりも負の小さな値とされる。 In this film forming step S40, the hard film 20 is formed while applying a negative bias voltage (DC voltage) from the stage 34 to the substrate 10. The energy of the vapor deposition particles incident on the surface 11 of the substrate 10 changes during film formation depending on the magnitude of this bias voltage, and as a result, the residual compressive stress of the hard coating 20 can be adjusted. Specifically, in the present embodiment, the hard coating 20 having a residual compressive stress of 7 GPa or more is formed by evaporating the target while applying a bias voltage of −60 V or a negative value larger than −60 V to the base material 10. can do. The bias voltage is preferably a negative value larger than −70V or −70V, more preferably a negative large value greater than −80V or −80V, and a negative value larger than −90V or −90V. A value is more preferable. The bias voltage is set to -100V or a negative value smaller than -100V.

(実施形態2)
次に、本発明の実施形態2に係る硬質皮膜被覆部材及びその製造方法について説明する。実施形態2に係る硬質皮膜被覆部材は、基本的に上記実施形態1に係る硬質皮膜被覆部材1と同様の構成を備え且つ同様の効果を奏するものであるが、基材10がTi合金からなる点で上記実施形態1に係る硬質皮膜被覆部材1とは異なっている。また実施形態2に係る硬質皮膜被覆部材の製造方法は、基本的に上記実施形態1に係る硬質皮膜被覆部材の製造方法と同様に実施され且つ同様の効果を奏するものであるが、Ti合金からなる基材10を成膜対象物として用いると共に、成膜工程S40において基材10に印加するバイアス電圧の条件が上記実施形態1に係る硬質皮膜被覆部材の製造方法とは異なっている。以下、実施形態1と異なる点についてのみ説明する。
(Embodiment 2)
Next, a hard coating member and a method for manufacturing the same according to Embodiment 2 of the present invention will be described. The hard coating member according to the second embodiment basically has the same configuration as the hard coating member 1 according to the first embodiment and has the same effect, but the base material 10 is made of a Ti alloy. It is different from the hard coating member 1 according to the first embodiment in the point. The method for manufacturing the hard coating member according to the second embodiment is basically the same as the method for manufacturing the hard coating member according to the first embodiment and has the same effects. The base material 10 is used as an object to be film-formed, and the condition of the bias voltage applied to the base material 10 in the film-forming step S40 is different from the method for manufacturing the hard coating member according to the first embodiment. Only the points different from the first embodiment will be described below.

実施形態2に係る硬質皮膜被覆部材は、上記実施形態1と同様に、基材10と、当該基材10の表面11を被覆する硬質皮膜20と、を有しているが(図1)、当該基材10がTi合金からなっている。また当該基材10上に形成される硬質皮膜20は、X線回折法により測定される残留圧縮応力が4GPa以上の皮膜である。 The hard coating member according to the second embodiment has the base material 10 and the hard coating 20 that covers the surface 11 of the base material 10 as in the first embodiment (FIG. 1). The base material 10 is made of a Ti alloy. Further, the hard coating 20 formed on the base material 10 is a coating having a residual compressive stress of 4 GPa or more measured by an X-ray diffraction method.

実施形態2に係る硬質皮膜被覆部材の製造方法は、上記実施形態1と同様に、図2に示すフローチャートに従って実施される。ここで、実施形態2では、基材設置工程S10においてTi合金からなる基材10をステージ34上に設置し、また成膜工程S40においてステージ34から基材10に−40V又は−40Vよりも負の大きな値のバイアス電圧を印加しつつ硬質皮膜20を形成する。これにより、残留圧縮応力が適切な範囲(4GPa以上)に調整された硬質皮膜20を成膜することができ、疲労寿命が改善された硬質皮膜被覆部材を得ることができる。 The method for manufacturing a hard coating member according to the second embodiment is carried out according to the flowchart shown in FIG. 2, as in the first embodiment. Here, in the second embodiment, the base material 10 made of a Ti alloy is installed on the stage 34 in the base material installation step S10, and −40 V from the stage 34 to the base material 10 is more negative than −40 V in the film forming step S40. The hard film 20 is formed while applying a bias voltage of a large value. As a result, the hard coating film 20 having a residual compressive stress adjusted to an appropriate range (4 GPa or more) can be formed, and a hard coating member having an improved fatigue life can be obtained.

次に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例により制限されるものではなく、前後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 Next, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and it is also possible to make appropriate modifications and implement them within a range that is compatible with the gist of the preceding and following, and all of them are techniques of the present invention. It is included in the target range.

(実施例1)
<硬質皮膜の成膜>
図3に示す構成を備えた成膜装置(株式会社神戸製鋼所製 AIPSS002)を用いて、上記実施形態1で説明したアークイオンプレーティング法により、TiAlNからなる硬質皮膜を基材上に形成した。
(Example 1)
<Hard film formation>
A hard coating made of TiAlN was formed on the substrate by the arc ion plating method described in the first embodiment using a film forming apparatus (AIPSS002 manufactured by Kobe Steel, Ltd.) having the configuration shown in FIG. ..

基材としては、図4に示す形状に加工された疲労試験片3を用いた。また図5は、図4中の線分V−Vに沿った疲労試験片3の断面を示している。 As the base material, the fatigue test piece 3 processed into the shape shown in FIG. 4 was used. Further, FIG. 5 shows a cross section of the fatigue test piece 3 along the line segment VV in FIG.

疲労試験片3は、全長L1が100mmで且つ直径D1が12mmであり、試験部41と、当該試験部41の両端に連なる保持部42と、を有している。保持部42は、長さL2が25mmであり、直径D1が12mmとなっている。試験部41は、長さL3が20mmで且つ直径D2が3.5mmであり、鏡面加工が施されている。また図4に示すように、疲労試験片3は、保持部42から試験部41に向かって縮径するようにテーパ加工が施されている。また疲労試験片3は、TiAl金属間化合物(Ti−48Al−Cr2−Nb2(at%、小数点以下四捨五入)からなるものである。 The fatigue test piece 3 has a total length L1 of 100 mm and a diameter D1 of 12 mm, and has a test part 41 and holding parts 42 connected to both ends of the test part 41. The holding portion 42 has a length L2 of 25 mm and a diameter D1 of 12 mm. The test portion 41 has a length L3 of 20 mm and a diameter D2 of 3.5 mm, and is mirror-finished. Further, as shown in FIG. 4, the fatigue test piece 3 is tapered so that the diameter decreases from the holding portion 42 toward the test portion 41. The fatigue test piece 3 is made of a TiAl intermetallic compound (Ti-48Al-Cr2-Nb2 (at %, rounded off to the right of the decimal point)).

ターゲットとしては、溶解法により作製したTiAl金属間化合物からなる直径100mmのものを用いた。当該ターゲットにおけるTi及びAlの各原子比は、それぞれ50%であった。 The target used was a TiAl intermetallic compound having a diameter of 100 mm prepared by a melting method. The atomic ratio of Ti and Al in the target was 50%.

疲労試験片3をチャンバー31内に導入してステージ34上に設置すると共に、TiAlターゲットをアーク電源32の負バイアス側に接続された蒸発源にセットした。そして、チャンバー31内に窒素ガスを導入して当該チャンバー31内の圧力を4Paとし、またヒータを作動させてチャンバー31内の温度を500℃とした。その後、150Aのアーク電流を流すことによりターゲットを蒸発させ、疲労試験片3の表面上にTiAlNからなる硬質皮膜を3〜5μmの厚さで形成した。成膜中、ステージ34から疲労試験片3に印加されるバイアス電圧(直流電圧)を−20〜−100Vの範囲で変化させた。 The fatigue test piece 3 was introduced into the chamber 31 and installed on the stage 34, and the TiAl target was set to the evaporation source connected to the negative bias side of the arc power source 32. Then, nitrogen gas was introduced into the chamber 31 to set the pressure in the chamber 31 to 4 Pa, and the heater was operated to set the temperature in the chamber 31 to 500°C. Then, the target was evaporated by passing an arc current of 150 A, and a hard coating made of TiAlN was formed on the surface of the fatigue test piece 3 to a thickness of 3 to 5 μm. During the film formation, the bias voltage (DC voltage) applied to the fatigue test piece 3 from the stage 34 was changed in the range of -20 to -100V.

<残留応力測定>
上述のようにして成膜した硬質皮膜の残留応力を、以下の通りX線回折法により測定した。X線ビームの入射角度を5°に固定し、2θをスキャンすることにより、TiAlN膜の(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(331)及び(420)の各結晶面由来の回折線ピークを測定し、測定された各ピークの標準回折位置からのズレを歪として計算した。この標準回折位置は、TiAlNをTiNとAlNの混合物として仮定し、TiN、立方晶AlNの各格子定数(0.424nm、0.412nm)とTi、Alの各原子比(50at%)とに基づいてTiAlNの格子定数を算出し(0.418nm)、当該格子定数から算出したものである。そして、当該歪を各回折線からのψ角と共にプロットし、multiple hkl法によりTiAlN膜の残留応力を計算した(根津他、リガクジャーナル、45巻、1号、2014年参照)。X線源はCuKα(1.54059Å)とし、励起電圧を40kV−40mA、スキャン速度を2°/minとして測定を行った。また残留応力計算時におけるTiAlN膜のヤング率及びポワソン比は各々500GPa及び0.22とした。
<Residual stress measurement>
The residual stress of the hard film formed as described above was measured by the X-ray diffraction method as follows. By fixing the incident angle of the X-ray beam at 5° and scanning 2θ, (111), (200), (220), (311), (222), (331) and (420) of the TiAlN film. The diffraction line peaks derived from the respective crystal planes were measured, and the deviation from the standard diffraction position of each measured peak was calculated as the strain. The standard diffraction position is based on each lattice constant (0.424 nm, 0.412 nm) of TiN and cubic AlN and each atomic ratio of Ti and Al (50 at%), assuming TiAlN as a mixture of TiN and AlN. Then, the lattice constant of TiAlN was calculated (0.418 nm), and the lattice constant was calculated from the calculated lattice constant. Then, the strain was plotted together with the ψ angle from each diffraction line, and the residual stress of the TiAlN film was calculated by the multiple hkl method (see Nezu et al., Rigaku Journal, Vol. 45, No. 1, 2014). The X-ray source was CuKα (1.54059Å), the excitation voltage was 40 kV-40 mA, and the scan speed was 2°/min. The Young's modulus and the Poisson's ratio of the TiAlN film at the time of calculating the residual stress were 500 GPa and 0.22, respectively.

<疲労寿命測定>
成膜後の疲労試験片3を用いて、応力比0.1、応力幅190MPa、周波数20Hzの条件下において常温で疲労試験を行い、破断に至るまでのサイクル数を疲労寿命として測定した。具体的には、疲労試験片3に対して正弦波状に変化する引張応力を付与し、その周期を1サイクルとした。「応力比」とは引張応力の最大値に対する引張応力の最小値の比であり、「応力幅」とは「((引張応力の最大値)−(引張応力の最小値))/2」の値である。なお、疲労試験のサイクル数が10回に達してもなお疲労破断が起こらなかった場合には、その時点で試験を終了した。また成膜なしの疲労試験片3についても同様に疲労試験を行った。
<Fatigue life measurement>
Using the fatigue test piece 3 after the film formation, a fatigue test was performed at room temperature under conditions of a stress ratio of 0.1, a stress width of 190 MPa, and a frequency of 20 Hz, and the number of cycles until fracture was measured as the fatigue life. Specifically, tensile stress that changes sinusoidally was applied to the fatigue test piece 3, and the cycle was set to one cycle. "Stress ratio" is the ratio of the minimum value of tensile stress to the maximum value of tensile stress, and "stress width" is "((maximum value of tensile stress)-(minimum value of tensile stress))/2". It is a value. When the fatigue test did not occur even after the number of cycles in the fatigue test reached 10 7 , the test was terminated at that point. Further, the fatigue test was similarly performed on the fatigue test piece 3 without film formation.

図6は、実施例1における、成膜時のバイアス電圧(V、横軸)と疲労寿命(サイクル、縦軸)との関係を示している。図7は、実施例1における、成膜時のバイアス電圧(V、横軸)と硬質皮膜の残留応力(GPa、縦軸)との関係を示している。なお、図7における負(マイナス)の残留応力値は、圧縮側の残留応力であることを示している。 FIG. 6 shows the relationship between the bias voltage (V, horizontal axis) and the fatigue life (cycle, vertical axis) during film formation in Example 1. FIG. 7 shows the relationship between the bias voltage (V, horizontal axis) during film formation and the residual stress (GPa, vertical axis) of the hard film in Example 1. In addition, the negative (minus) residual stress value in FIG. 7 indicates that it is the residual stress on the compression side.

図6に示すように、バイアス電圧が−60Vよりも負の小さな値で成膜した場合には、成膜なしの場合よりも疲労寿命が短くなった。これに対し、バイアス電圧が−60V又は−60Vよりも負の大きな値の条件で成膜した場合には、疲労寿命が大幅に改善された。具体的に、成膜なしの場合には疲労寿命が137452サイクルであったのに対し、バイアス電圧−75Vで成膜した場合には疲労寿命が1084971サイクルまで延び、バイアス電圧−100Vで成膜した場合には10000000サイクルでも疲労破断が起こらなかった。 As shown in FIG. 6, the fatigue life was shorter when the film was formed at a bias voltage smaller than −60 V and smaller than that when the film was not formed. On the other hand, when the film was formed under the condition that the bias voltage was -60V or a value larger negative than -60V, the fatigue life was significantly improved. Specifically, the fatigue life was 137452 cycles without film formation, whereas the fatigue life was extended to 1084971 cycles with film formation at a bias voltage of -75V, and film formation was performed at a bias voltage of -100V. In some cases, fatigue fracture did not occur even at 10,000,000 cycles.

一方、図7に示すように、疲労寿命の改善が認められたバイアス電圧が−60V又は−60Vよりも負の大きな値の条件では、硬質皮膜の残留応力が−7GPa以下、つまり残留圧縮応力が7GPa以上となった。具体的に、バイアス電圧−75Vで成膜した場合には残留圧縮応力が7.5GPaとなり、バイアス電圧−100Vで成膜した場合には残留圧縮応力が約9.5GPaとなった。以上の結果より、TiAl金属間化合物を基材として用いた場合において、成膜時のバイアス電圧を−60V又は−60Vよりも負の大きな値にすることにより残留圧縮応力が7GPa以上の硬質皮膜が形成され、その場合に疲労寿命が大幅に改善されることが分かった。 On the other hand, as shown in FIG. 7, under the condition that the bias voltage in which the improvement of the fatigue life is recognized is −60 V or a large negative value than −60 V, the residual stress of the hard coating is −7 GPa or less, that is, the residual compressive stress is It became 7 GPa or more. Specifically, the residual compressive stress was 7.5 GPa when the film was formed at a bias voltage of −75 V, and the residual compressive stress was about 9.5 GPa when the film was formed at a bias voltage of −100 V. From the above results, when the TiAl intermetallic compound is used as the substrate, the bias voltage during film formation is set to −60 V or a negative value larger than −60 V, whereby a hard coating with residual compressive stress of 7 GPa or more is formed. It was found that the fatigue life was significantly improved in this case.

(実施例2)
疲労試験片3として、Ti合金(Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo−0.1Si)からなるものを使用し、疲労試験の条件を、応力比0.1、応力幅234MPa又は400MPa、周波数20Hzとした点以外は、上記実施例1と同様である。
(Example 2)
A fatigue test piece 3 made of a Ti alloy (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) was used, and the fatigue test conditions were: stress ratio 0.1, stress width 234 MPa or 400 MPa, frequency 20 Hz. The same as Example 1 except for the above.

図8は、実施例2における、成膜時のバイアス電圧(V、横軸)と疲労寿命(サイクル、縦軸)との関係を示している。図9は、実施例2における、成膜時のバイアス電圧(V、横軸)と硬質皮膜の残留応力(GPa、縦軸)との関係を示している。なお、図8中の白丸プロットは疲労試験時の応力幅が400MPaである場合のデータを示しており、一方で黒丸プロットは当該応力幅が234MPaである場合のデータを示している。 FIG. 8 shows the relationship between the bias voltage (V, horizontal axis) during film formation and the fatigue life (cycle, vertical axis) in Example 2. FIG. 9 shows the relationship between the bias voltage (V, horizontal axis) during film formation and the residual stress (GPa, vertical axis) of the hard film in Example 2. The white circle plots in FIG. 8 show the data when the stress width in the fatigue test is 400 MPa, while the black circle plots show the data when the stress width is 234 MPa.

図8に示すように、いずれの応力幅の条件で疲労試験を行った場合でも、バイアス電圧が−40Vよりも負の小さな値で成膜した場合には、成膜なしの場合よりも疲労寿命が短くなったのに対し、バイアス電圧が−40V又は−40Vよりも負の大きな値の条件で成膜した場合に疲労寿命の改善が認められた。また図9に示すように、疲労寿命の改善が認められたバイアス電圧が−40V又は−40Vよりも負の大きな値の条件では、硬質皮膜の残留応力が−4GPa以下、つまり残留圧縮応力が4GPa以上となった。以上の結果より、Ti合金を基材として用いた場合において、成膜時のバイアス電圧を−40V又は−40Vよりも負の大きな値にすることにより残留圧縮応力が4GPa以上の硬質皮膜が形成され、その場合に疲労寿命が大幅に改善されることが分かった。 As shown in FIG. 8, even when the fatigue test is performed under any stress width condition, when the bias voltage is formed to be a negative value smaller than −40 V, the fatigue life is longer than that in the case where the film is not formed. However, the fatigue life was improved when the film was formed under the condition that the bias voltage was −40 V or a value larger negative than −40 V. Further, as shown in FIG. 9, under the condition that the bias voltage in which the improvement of fatigue life is recognized is −40 V or a large negative value than −40 V, the residual stress of the hard coating is −4 GPa or less, that is, the residual compressive stress is 4 GPa. That's it. From the above results, when the Ti alloy is used as the base material, the bias voltage at the time of film formation is set to -40 V or a negative value larger than -40 V to form a hard film having a residual compressive stress of 4 GPa or more. , In that case, it was found that the fatigue life was significantly improved.

今回開示された実施形態及び実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed this time are illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description but by the scope of the claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.

1 硬質皮膜被覆部材
2 成膜装置
10 基材
11 表面
20 硬質皮膜
34 ステージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hard film coating member 2 Film forming apparatus 10 Base material 11 Surface 20 Hard film 34 Stage

Claims (7)

TiAl金属間化合物からなると共に引張応力が繰り返し加わる条件下で使用される基材と、
前記基材の表面を被覆する硬質皮膜であって、Ti、Al及びCrからなる群より選択される少なくとも一種の金属の窒化物からなる前記硬質皮膜と、を有し、
X線回折法により測定される前記硬質皮膜の残留圧縮応力が7GPa以上であることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材。
A base material made of TiAl intermetallic compound and used under the condition where tensile stress is repeatedly applied,
A hard coating for coating the surface of the base material, wherein the hard coating comprises a nitride of at least one metal selected from the group consisting of Ti, Al and Cr, and
A hard coating material, characterized in that the residual compressive stress of the hard coating measured by X-ray diffraction is 7 GPa or more.
Ti合金からなると共に引張応力が繰り返し加わる条件下で使用される基材と、
前記基材の表面を被覆する硬質皮膜であって、Ti、Al及びCrからなる群より選択される少なくとも一種の金属の窒化物からなる前記硬質皮膜と、を有し、
X線回折法により測定される前記硬質皮膜の残留圧縮応力が4GPa以上であることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材。
A base material that is made of a Ti alloy and is used under conditions in which tensile stress is repeatedly applied,
A hard coating for coating the surface of the base material, wherein the hard coating comprises a nitride of at least one metal selected from the group consisting of Ti, Al and Cr, and
A hard film-coated member, characterized in that the residual compressive stress of the hard film measured by X-ray diffractometry is 4 GPa or more.
前記硬質皮膜の成分組成がTiAlNであることを特徴とする、請求項1に記載の硬質皮膜被覆部材。 The hard coating member according to claim 1, wherein the composition of the hard coating is TiAlN. 基材の表面に硬質皮膜を形成して硬質皮膜被覆部材を製造する方法であって、
TiAl金属間化合物からなると共に引張応力が繰り返し加わる条件下で使用される前記基材を、成膜装置のステージ上に設置する基材設置工程と、
Ti、Al及びCrからなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有するターゲットを、前記成膜装置内に設置するターゲット設置工程と、
前記成膜装置内が窒素ガスを含む雰囲気となった状態で前記ターゲットを蒸発させることにより、前記少なくとも一種の金属の窒化物からなる前記硬質皮膜を前記基材の表面に形成する成膜工程と、を含み、
前記成膜工程では、前記ステージから前記基材に−60V又は−60Vよりも負の大きな値のバイアス電圧を印加しつつ前記硬質皮膜を形成することを特徴とする、硬質皮膜被覆部材の製造方法。
A method for producing a hard coating member by forming a hard coating on the surface of a base material,
A base material installation step of installing the base material, which is made of a TiAl intermetallic compound and is used under conditions in which tensile stress is repeatedly applied, on a stage of a film forming apparatus;
A target setting step of setting a target containing at least one metal selected from the group consisting of Ti, Al and Cr in the film forming apparatus;
A film forming step of forming the hard film made of the nitride of the at least one metal on the surface of the substrate by evaporating the target in a state where the film forming apparatus is in an atmosphere containing nitrogen gas. Including,
In the film forming step, the hard film is formed while applying a bias voltage of −60 V or a value larger than −60 V to the base material from the stage, and a method for manufacturing a hard film-coated member, comprising: ..
基材の表面に硬質皮膜を形成して硬質皮膜被覆部材を製造する方法であって、
Ti合金からなると共に引張応力が繰り返し加わる条件下で使用される前記基材を、成膜装置のステージ上に設置する基材設置工程と、
Ti、Al及びCrからなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有するターゲットを、前記成膜装置内に設置するターゲット設置工程と、
前記成膜装置内が窒素ガスを含む雰囲気となった状態で前記ターゲットを蒸発させることにより、前記少なくとも一種の金属の窒化物からなる前記硬質皮膜を前記基材の表面に形成する成膜工程と、を含み、
前記成膜工程では、前記ステージから前記基材に−40V又は−40Vよりも負の大きな値のバイアス電圧を印加しつつ前記硬質皮膜を形成することを特徴とする、硬質皮膜被覆部材の製造方法。
A method for producing a hard coating member by forming a hard coating on the surface of a base material,
A base material installation step of installing the base material, which is made of a Ti alloy and is used under conditions in which tensile stress is repeatedly applied, on a stage of a film forming apparatus;
A target setting step of setting a target containing at least one metal selected from the group consisting of Ti, Al and Cr in the film forming apparatus;
A film forming step of forming the hard film made of the nitride of the at least one metal on the surface of the substrate by evaporating the target in a state where the film forming apparatus is in an atmosphere containing nitrogen gas. Including,
In the film forming step, the hard film is formed from the stage while applying a bias voltage of -40 V or a value larger than -40 V to the base material, and the hard film is formed. ..
前記ターゲット設置工程では、Ti及びAlを含有する前記ターゲットを前記成膜装置内に設置し、
前記成膜工程では、TiAlNの成分組成を有する前記硬質皮膜を形成することを特徴とする、請求項4又は5に記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
In the target setting step, the target containing Ti and Al is set in the film forming apparatus,
The method for producing a hard coating member according to claim 4 or 5, wherein in the film forming step, the hard coating having a component composition of TiAlN is formed.
アークイオンプレーティング法により前記硬質皮膜を形成することを特徴とする、請求項4〜6のいずれか1項に記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。 The hard coating film-forming member according to any one of claims 4 to 6, wherein the hard coating film is formed by an arc ion plating method.
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS50105515A (en) * 1974-01-10 1975-08-20
JPH01211604A (en) * 1987-12-24 1989-08-24 United Technol Corp <Utc> Compressor component, gas turbine engine of which is coating-treated
JPH05195198A (en) * 1991-07-11 1993-08-03 Praxair St Technol Inc Nonstoichiometrically nitrided titanium coating
JPH10226820A (en) * 1997-02-18 1998-08-25 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Method for improving stress on surface of metallic parts
WO2008117802A1 (en) * 2007-03-26 2008-10-02 Ihi Corporation Heat resistant component
JP2010209913A (en) * 2009-03-06 2010-09-24 General Electric Co <Ge> Erosion and corrosion resistant turbine compressor airfoil and method of making the same
JP2012045650A (en) * 2010-08-25 2012-03-08 Hitachi Tool Engineering Ltd Hard film-coated cutting tool
JP2013019051A (en) * 2011-06-17 2013-01-31 Kobe Steel Ltd Hard film coated member
JP2017088937A (en) * 2015-11-06 2017-05-25 株式会社Ihi Compressor blade for engine having anticorrosive coating, and coating method therefor
WO2017170603A1 (en) * 2016-03-31 2017-10-05 株式会社タンガロイ Coated cutting tool

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5195198B2 (en) 2008-09-12 2013-05-08 株式会社リコー Droplet discharge device, method for manufacturing two-row integrated piezoelectric element, and method for manufacturing droplet discharge device

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS50105515A (en) * 1974-01-10 1975-08-20
JPH01211604A (en) * 1987-12-24 1989-08-24 United Technol Corp <Utc> Compressor component, gas turbine engine of which is coating-treated
JPH05195198A (en) * 1991-07-11 1993-08-03 Praxair St Technol Inc Nonstoichiometrically nitrided titanium coating
JPH10226820A (en) * 1997-02-18 1998-08-25 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Method for improving stress on surface of metallic parts
WO2008117802A1 (en) * 2007-03-26 2008-10-02 Ihi Corporation Heat resistant component
JP2010209913A (en) * 2009-03-06 2010-09-24 General Electric Co <Ge> Erosion and corrosion resistant turbine compressor airfoil and method of making the same
JP2012045650A (en) * 2010-08-25 2012-03-08 Hitachi Tool Engineering Ltd Hard film-coated cutting tool
JP2013019051A (en) * 2011-06-17 2013-01-31 Kobe Steel Ltd Hard film coated member
JP2017088937A (en) * 2015-11-06 2017-05-25 株式会社Ihi Compressor blade for engine having anticorrosive coating, and coating method therefor
WO2017170603A1 (en) * 2016-03-31 2017-10-05 株式会社タンガロイ Coated cutting tool

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