JP2021510772A

JP2021510772A - ＣｒＮコーティング層の耐磨耗・減摩機能を向上させる後処理方法

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Publication number: JP2021510772A
Application number: JP2020554354A
Authority: JP
Inventors: 永欣王; ▲澤▼超李; 景文 ▲張▼; 志翔 ▲曾▼; 金▲龍▼ 李; 侠 ▲魯▼; 立平王
Original assignee: 中国科学院▲寧▼波材料技▲術▼与工程研究所
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: CN109943822B; JP7016189B2; US20200318232A1; US11377729B2; WO2019120253A1; CN109943822A

Abstract

ＣｒＮコーティング層の耐磨耗・減摩機能を向上させる後処理方法であって、６０％〜８０％のＲ．Ｈ湿度の環境において前記ＣｒＮコーティング層に対して−２０〜６０℃の温度範囲における熱循環処理を行う方法。当該後処理方法は、大幅にＣｒＮコーティング層の耐磨耗・減摩機能を向上させることで、コーティング層が沈着した摩擦対の部品が長時間で安定して稼働するようにすることができる。

Description

本発明は、表面工学の防護技術の分野に属し、ＣｒＮコーティング層の機械・摩擦学的機能を向上させるために、マルチアークイオンコーティングによるＣｒＮコーティング層に対して低温における熱循環を行う後処理方法に関する。

各種の機械部品は基材の硬度、強度および抗疲労能力が高く要求され、装備の部品が長時間で安全で安定して稼働できるかは、直接摩擦磨耗および媒体侵食を受ける表面によって大いに左右され、塑性変形、亀裂成長、浸食、キャビテーション、酸化、材料剥離などの表面状態の変化は部品の稼働寿命と安全性を顕著に低下させ、全体として機能喪失の部品でも、その機能喪失の過程も外部作用を受ける表面から徐々に材料のコア部に進展することが多い。多くの機械設備の稼働環境の条件（たとえばドリル採掘・、航空・宇宙航行、ガス燃焼動力システムなど）において、一般的に、同時に構造的支持と表面の強靭の要求を同時に満足させる材料が見つからない。そのため、表面の防護・強化技術の研究と発展は、装備の機能・品質の改善、主要部品の稼働寿命の延長、エネルギー消耗の低減などの面で重要な意義がある。同時に、材料は摩擦磨耗による損失が急激に増加し、表面の防護機能を提供する面だけでも、表面処理は幅広い応用の基礎がある。表面処理の技術は、２１世紀で高品質・高効率、安全性・信頼性、省エネ・省材を目的とする先進的な製造理念も含まれるため、再生工学に有力な技術的サポートを提供し、低炭素・循環経済に貢献する。表面処理は、物理と化学に加え、機械、電子、自動制御などの多くの学科の新規な技術を組み合わせ、研究と実用の価値を向上させる。薄膜技術は、表面処理の典型的な代表として、材料防護の分野で幅広く使用されている。

ＣｒＮコーティング層は、従来のＰＶＤハードコート層として、高い硬度、優れた耐磨耗性および優れた熱安定性のため、幅広く使用されている。しかし、工業の発展、稼働環境の悪化につれ、極惡の環境においてＣｒＮコーティング層の機能は既に徐々に要求に満足できなくなり、特に、厳しい海洋の侵食環境において、高湿度および海塩微粒子の侵食、孔食、ストレスクラックなどの腐食現象が深刻になる。

本分野では、ＣｒＮコーティング層の機械・摩擦学的機能を向上させるために、ＣｒＮコーティング層の耐磨耗・減摩機能を向上させる後処理方法の開発がまだ必要である。

本発明の目的は、ＣｒＮコーティング層の耐磨耗・減摩機能を向上させる後処理方法を提供することにある。

本発明の第一の側面では、ＣｒＮコーティング層の後処理方法であって、６０％〜８０％のＲ．Ｈ湿度の環境において前記ＣｒＮコーティング層に対して−２０〜６０℃の温度範囲における熱循環処理を行う方法を提供する。

湿度が低すぎると、コーティング層の表面と内部に吸着した酸素元素が少なすぎ、摩擦の過程においてＣｒの酸化物が不足し、減摩・耐磨耗などの面に影響を与える。湿度が高すぎると、コーティング層の腐食挙動が深刻になり、ＣｒＮコーティング層の寿命が短くなる。

温度の範囲が広すぎると、コーティング層は昇温と冷却の段階で生じる内部圧縮応力が大きすぎ、ひずみ硬化の作用が生じないのみならず、コーティング層と基体の間の結合作用が低下し、コーティング層の硬度が低くなり、コーティング層の抗摩擦・磨耗作用が劣る。

もう一つの好適な例において、熱循環処理の過程では、昇温過程における昇温速度は２℃／ｍｉｎで、温度の偏差は≦±２℃である。

もう一つの好適な例において、熱循環処理の過程では、降温過程における降温速度は１℃／ｍｉｎで、温度の偏差は≦±２℃である。

もう一つの好適な例において、湿度の偏差は≦±２％Ｒ．Ｈである。

もう一つの好適な例において、前記熱循環処理の過程では、１回の熱循環の時間は２ｈで、６回の循環を一つの周期とし、二つの循環周期の間で温度を１２ｈ一定に維持し、一定温度の変動度は±０．５℃である。

もう一つの好適な例において、前記熱循環処理の時間は７日である。

もう一つの好適な例において、前記ＣｒＮコーティング層の厚さは２μｍ〜８０μｍで、厚さの偏差は≦０．５μｍである。

もう一つの好適な例において、前記ＣｒＮコーティング層はマルチアークイオンコーティング技術によって基体にメッキされ、前記基体は金属または合金である。

もう一つの好適な例において、前記基体は３１６Ｌステンレス鋼の基体である。

もう一つの好適な例において、マルチアークイオンコーティング技術によって基体に前記ＣｒＮコーティング層がメッキされてから２〜２４ｈ後、−２０〜６０の温度範囲における熱循環処理が行われ、温度偏差は≦±２℃である。

もちろん、本発明の範囲内において、本発明の上記の各技術特徴および下記（たとえば実施例）の具体的に記述された各技術特徴は互いに組み合わせ、新しい、または好適な技術方案を構成できることが理解される。明細書で開示された各特徴は、任意の相同、同等或いは類似の目的の代替性特徴にも任意に替えることができる。紙数に限りがあるため、ここで逐一説明しない。

図１は、実施例１におけるＣｒＮコーティング層（厚さ：５．４μｍ）の熱循環処理の前後の高解像度透過型電子顕微鏡像およびフーリエ変換図である。図２は、実施例１におけるＣｒＮコーティング層（厚さ：５．４μｍ）の熱循環処理の前後の摩擦係数および摩耗率の比較図である。図３は、実施例２におけるＣｒＮコーティング層（厚さ：４１．５μｍ）の熱循環処理の前後の摩擦係数および摩耗率の比較図である。図４は、実施例３におけるＣｒＮコーティング層（厚さ：８０．６μｍ）の熱循環処理の前後の摩擦係数および摩耗率の比較図である。

具体的な実施形態
本願の発明者らは幅広く深く研究したところ、初めて、ＣｒＮコーティング層の耐磨耗・減摩機能を向上させる後処理方法であって、ＣｒＮコーティング層に対して低温における熱循環処理を行う方法を研究・開発し、当該処理方法によって、大幅にＣｒＮコーティング層の耐磨耗・減摩機能を向上させることで、コーティング層が沈着した摩擦対の部品が長時間で安定して稼働するようにすることができる。これに基づき、本発明を完成させた。

ＣｒＮコーティング層
本発明では、マルチアークイオンコーティング技術によって２０分間洗浄された基体の表面に順にＣｒ遷移層およびＣｒＮ薄膜層が沈着される。

使用されるターゲット材は金属Ｃｒターゲット（純度＞９９．５ｗｔ％、直径：６３ｍｍ）で、反応チャンバーの基本真空度は（３〜６）×１０^−３Ｐａである。まず、それぞれ−９００Ｖ、−１１００Ｖおよび−１２００Ｖの沈着バイアス電圧で基体の表面をエッチングし、酸化層および不純物を除去する。そして、Ｃｒ層を沈着させ、処理雰囲気はＡｒで、流量は３５０〜４５０ｓｃｃｍで、処理真空度は０．２〜０．５Ｐａで、沈着バイアス電圧は−１５〜−−２５Ｖの間で調整可能で、Ｃｒターゲットのアーク電流は５５〜６５Ａで、沈着温度は３００〜４００℃に維持し、沈着時間は１０〜１５分間である。最後に、１ｈ〜２４ｈの異なる時間でＣｒＮ層を沈着させ、処理雰囲気はＮ_２で、流量は５５０〜６５０ｓｃｃｍで、処理真空度は０．２〜０．５Ｐａで、沈着バイアス電圧は−１５〜−−２５Ｖの間で調整可能で、Ｃｒターゲットのアーク電流は５５〜６５Ａで、沈着温度は３００〜４００℃に維持する。

前記の基体の材料は限定されず、金属およびその合金を含む。前記のＣｒＮコーティング層の厚さは２μｍ〜８０μｍである。

熱循環処理
本発明では、高湿度の環境における低温熱循環の処理方法によってマルチアークイオンコーティングのＣｒＮコーティング層の耐摩耗・減摩機能を向上させる。

低温熱循環の処理において、温度循環の範囲は好ましくは−２０〜６０℃で、昇温速度は２℃／ｍｉｎで、降温速度は１℃／ｍｉｎで、温度の偏差は≦±２℃である。

湿度は、好適に、６０％〜８０％Ｒ．Ｈに維持し、湿度の偏差は≦±２％Ｒ．Ｈである。

１回の熱循環の時間は２ｈで、６回の循環を一つの周期とし、二つの循環周期の間で温度を１２ｈ一定に維持し、一定温度の変動度は±０．５℃である。

既存技術と比べ、本発明では、熱処理技術をマルチアークイオンコーティング技術と合わせることにより、製造されるＣｒＮコーティング層が材料の結晶粒界で転位の堆積が生じ、結晶粒界における内部応力が強化されることで、ひずみ硬化の作用が生じてＣｒＮコーティング層の強度が向上し、コーティング層の安定性および使用寿命が顕著に改善され、また処理過程では、６０％〜８０％Ｒ．Ｈ湿度の環境において、コーティング層の表面および内部に大量のＯ元素が存在し（Ｃｒの酸化物、酸素原子および酸素イオンとして）、摩擦摩耗の過程で持続的に摩擦化学反応に参与してＣｒの酸化物が生じ、これらの酸化物は潤滑剤として、コーティング層が減摩・耐摩耗などのいずれの面でも向上するようにすることができる。そのため、現在の機械工業では、優れた応用の将来性がある。

以下、具体的な実施例によって、さらに本発明を説明する。これらの実施例は本発明を説明するために用いられるものだけで、本発明の範囲の制限にはならないと理解されるものである。以下の実施例において、具体的な条件が記載されていない実験方法は、通常、通常の条件、あるいはメーカーの薦めの条件で行われた。特に説明しない限り、百分率および部は重量百分率および重量部である。

別途に定義しない限り、本文に用いられるすべての専門用語と科学用語は、当業者に熟知される意味と同様である。また、記載の内容と類似あるいは同等の方法および材料は、いずれも本発明の方法に用いることができる。ここで記載の好ましい実施方法及び材料は例示のためだけである。

実施例１：
本実施例において、アークイオンコーティング技術によって３１６Ｌステンレス鋼の基体に遷移Ｃｒ層および２ｈのＣｒＮコーティング層をメッキした。使用されるターゲット材は金属Ｃｒターゲットで、反応チャンバーの基本真空度は（３〜６）×１０^−３Ｐａである。まず、それぞれ−９００Ｖ、−１１００Ｖおよび−１２００Ｖの沈着バイアス電圧で基体の表面をエッチングし、酸化層および不純物を除去した。遷移Ｃｒ層を沈着させる時、処理雰囲気はＡｒで、流量は３５０〜４５０ｓｃｃｍで、処理真空度は０．２〜０．５Ｐａで、沈着バイアス電圧は−１５〜−−２５Ｖの間で調整可能で、Ｃｒターゲットのアーク電流は５５〜６５Ａで、沈着温度は３００〜４００℃に維持し、沈着時間は１０〜１５分間であった。最後に、２ｈのＣｒＮ層を沈着させ、処理雰囲気はＮ_２で、流量は５５０〜６５０ｓｃｃｍで、処理真空度は０．２〜０．５Ｐａで、沈着バイアス電圧は−１５〜−−２５Ｖの間で調整可能で、Ｃｒターゲットのアーク電流は５５〜６５Ａで、沈着温度は３００〜４００℃に維持した。

その後、低温熱循環の処理を行ったが、具体的な実施のパラメーターについて、温度循環の範囲は好ましくは−２０〜６０℃で、昇温速度は２℃／ｍｉｎで、降温速度は１℃／ｍｉｎで、温度の偏差は≦±２℃で、湿度は好適に８０％Ｒ．Ｈに維持し、湿度の偏差は≦±２％Ｒ．Ｈで、１回の熱循環の時間は２ｈで、毎日６回の循環を行い、その後、温度を維持して１２ｈ処理し、一定温度の変動度は±０．５℃であった。

熱循環処理の７日前後のＣｒＮコーティング層の透過型電子顕微鏡像およびフーリエ変換図は図１に示す。低温熱循環処理の前では、コーティング層の内部の柱状結晶の構造が完全にできており、低温熱循環処理を経た後、コーティング層の内部の柱状結晶の末端および柱状結晶の間に多くの微小の亀裂が現れたことがわかる。高解像度透過型電子顕微鏡像およびフーリエ変換図から、低温熱循環処理を経た後、コーティング層の結晶粒界に多くの格子歪みおよび転位の堆積が現れたこともわかる。これらの現象はいずれもコーティングが熱循環時に生じる大きい内部応力によるものである。転位の堆積も結晶粒界における内部応力を強化することで、ひずみ硬化の作用が生じる。

熱循環処理の７日後のＣｒＮコーティング層に対して機械的性能の測定および大気環境における摩擦摩耗性能の測定（負荷１０Ｎ、周波数５Ｈｚ）を行ったところ、沈着２ｈのＣｒＮコーティング層（厚さ：５．４μｍ）は、硬度が１５％向上し、摩擦係数が３１．８％低下し、摩耗率が５１．６％低下し（図２に示すように）、コーティング層の耐磨耗・減摩機能が顕著に向上した。

実施例２：
本実施例において、実施例１と同様のマルチアークイオンコーティング技術の沈着パラメーターを使用し、３１６Ｌステンレス鋼の基体にＣｒＮコーティング層をメッキし、１２ｈ沈着した後、低温熱循環処理を行い、処理パラメーターは実施例１と同様で、相違点は湿度を６０％に維持したことである。

熱循環処理の７日後の沈着１２ｈのＣｒＮコーティング層（厚さ：４１．５μｍ）に対して大気環境における摩擦摩耗性能の測定（負荷１０Ｎ、周波数５Ｈｚ）を行ったところ、摩擦係数が２７．３％低下し、摩耗率が平均で１９％低下し（図３に示すように）、コーティング層の耐磨耗・減摩機能が顕著に向上した。

実施例３：
本実施例において、実施例１と同様のマルチアークイオンコーティング技術の沈着パラメーターを使用し、３１６Ｌステンレス鋼の基体にＣｒＮコーティング層をメッキし、２４ｈ沈着した後、低温熱循環処理を行い、処理パラメーターは実施例１と同様で、相違点は湿度を７０％に維持したことである。

熱循環処理の７日後の沈着２４ｈのＣｒＮコーティング層（厚さ：８０．６μｍ）に対して大気環境における摩擦摩耗性能の測定（負荷１０Ｎ、周波数５Ｈｚ）を行ったところ、摩擦係数が１７．７％低下し、摩耗率が平均で２１．７％低下し（図４に示すように）、コーティング層の耐磨耗・減摩機能が顕著に向上した。

各文献がそれぞれ単独に引用されるように、本発明に係るすべての文献は本出願で参考として引用する。また、本発明の上記の内容を読み終わった後、当業者が本発明を各種の変動や修正をすることができるが、それらの等価の形態のものは本発明の請求の範囲に含まれることが理解されるはずである。

Claims

ＣｒＮコーティング層の後処理方法であって、６０％〜８０％のＲ．Ｈ湿度の環境において前記ＣｒＮコーティング層に対して−２０〜６０℃の温度範囲における熱循環処理を行うことを特徴とする方法。
熱循環処理の過程では、昇温過程における昇温速度は２℃／ｍｉｎで、温度の偏差は≦±２℃であることを特徴とする請求項１に記載の後処理方法。
熱循環処理の過程では、降温過程における降温速度は１℃／ｍｉｎで、温度の偏差は≦±２℃であることを特徴とする請求項１に記載の後処理方法。
湿度の偏差は≦±２％Ｒ．Ｈであることを特徴とする請求項１に記載の後処理方法。
前記熱循環処理の過程では、１回の熱循環の時間は２ｈで、６回の循環を一つの周期とし、二つの循環周期の間で温度を１２ｈ一定に維持し、一定温度の変動度は±０．５℃であることを特徴とする請求項１に記載の後処理方法。
前記熱循環処理の時間は７日であることを特徴とする請求項１に記載の後処理方法。
前記ＣｒＮコーティング層の厚さは２μｍ〜８０μｍで、厚さの偏差は≦０．５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の後処理方法。
前記ＣｒＮコーティング層はマルチアークイオンコーティング技術によって基体にメッキされ、前記基体は金属または合金であることを特徴とする請求項１に記載の後処理方法。
前記基体は３１６Ｌステンレス鋼の基体であることを特徴とする請求項７に記載の後処理方法。
マルチアークイオンコーティング技術によって基体に前記ＣｒＮコーティング層をメッキしてから２〜２４ｈ後、−２０〜６０の温度範囲における熱循環処理を行い、温度偏差は≦±２℃であることを特徴とする請求項７に記載の後処理方法。