JP2022100310A - 硬質皮膜および耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材 - Google Patents
硬質皮膜および耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】優れた耐土砂摩耗性を有する硬質皮膜を提供すること。【解決手段】硬質皮膜は、ＡｌおよびＣｒを主成分として含む窒化物からなり、厚さが６μｍ以上である。【選択図】なし
Description
本発明は、硬質皮膜と、当該硬質皮膜が土砂摩耗を受ける基材の少なくとも一部の表面に形成されている耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材とに関する。
樹脂混錬用ロータ等の流体混錬部材やポンプ等の水力部材は、樹脂中または水中等に硬質物質が混在しているため、その使用に当たりアブレシブ摩耗を受ける。混在する硬質物質としては、例えばシリカ、カーボン、その他土砂に含有される物質等が挙げられる。また、例えばバケット等のような建設機械の特定の部材も、その使用に当たり直接土砂に接触するため、同様の摩耗を受ける。そのため、これらの部材の一部の表面は、硬質皮膜で被覆されることにより、耐土砂摩耗性が高められている。硬質皮膜の成膜技術としては、めっき、溶射、または肉盛溶接による方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒを重量％で１６～２５％を含む溶接材料において、重量％でＣ：０．９～２．０％、Ｓｉ：２．０～５％、Ｍｎ：１０％以下、Ｃｒ：１６～２５％、Ｎｉ：５～２０％を含み、Ｎｉ＋Ｍｎを６～２５％、残部が同伴する不可避不純物からなり、かつＣ／Ｓｉ比が０．２～０．７、好ましくは０．２２～０．６７である高Ｃ高Ｓｉ含有溶接金属粉体が開示されている。
また、特許文献２には、流体の流路を形成するケーシングと、前記流路に配設されており、中心部のボスと、このボスを取り囲むシュラウドと、前記ボスと前記シュラウドとを連結する羽根とを備えたインペラと、このインペラを回転させるために前記ボスに勘合された軸とを備えたポンプにおいて、前記インペラおよび前記ケーシングの前記流体と接する面に、Ｎｉ合金の皮膜、ボロン拡散層の皮膜およびクロム拡散層の皮膜からなる群から選択された第１の皮膜が形成された領域と、金属と炭化物を含有する第２の皮膜が形成された領域とを有することを特徴とするポンプが開示されている。
耐土砂摩耗性については、肉盛溶接等に用いられる材料によって評価が行われ、一般的に、当該材料の硬度が高くなるほど耐土砂摩耗性に優れる傾向があることが確認されている。そのため、本発明者は、鉄系合金材等の部材材料よりも高い硬度の材料を用いて当該部材にめっき、溶射または肉盛溶接を施し、さらには当該皮膜をより厚く形成することによって、耐土砂摩耗性を改善しようとした。
しかしながら、そのようなアプローチから硬質皮膜の耐土砂摩耗性をより改善しようとする場合、その改善レベルは制限されてしまうことがわかった。具体的には、めっき、溶射または肉盛溶接によって成膜される硬質皮膜のうち、最も硬い硬質皮膜は、タングステンカーバイド系の合金金属を用いた溶射によって形成される皮膜である。しかしながら、その硬さはビッカース硬度で１５００ＨＶ程度であるため、土砂摩耗を引き起こすシリカ等の硬質物質の硬度と比較してもその硬度に大きな差異はない。そのため、上述したようなアプローチでは、硬質皮膜の耐土砂摩耗性を十分に改善できるとは言い難い。
また、例えば樹脂混錬用ロータ等の流体混錬部材やポンプ等の水力部材等の比較的サイズが大きく、かつ耐土砂摩耗性を必要とする領域が広範囲にわたる部材に硬質皮膜を形成する場合、皮膜を厚くする手法では、成膜時間およびコスト面での負担等も生じ得る。そのため、耐土砂摩耗性を有する硬質皮膜については、様々な点において改善の余地がある。
そこで、本発明は、優れた耐土砂摩耗性を有する硬質皮膜を提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、本発明に到達した。すなわち本発明は、以下の好適な態様を包含する。
本発明の一局面に係る硬質皮膜は、ＡｌおよびＣｒを主成分として含む窒化物からなり、
厚さが６μｍ以上である。
厚さが６μｍ以上である。
前述の当該硬質皮膜は、ＡＳＴＭ Ｇ６５規格に準拠した土砂摩耗試験機を用いて、以下の条件、
硬質皮膜被覆試験片の基材寸法：２５ｍｍ×７５ｍｍ×８ｍｍ（厚さ）の平板形状
ディスク寸法：幅１２．７ｍｍ×Φ２２０ｍｍ
試験力：１２７．５Ｎ（１３ｋｇｆ）
試験砂：６号珪砂、流量３５０ｇ／分
ホイール回転数：２００ｒｐｍ
試験時間：３０分間、
で測定される当該硬質皮膜被覆試験片の３０分間における土砂摩耗質量減少量が、０．０５ｇ以下であると好ましい。
硬質皮膜被覆試験片の基材寸法：２５ｍｍ×７５ｍｍ×８ｍｍ（厚さ）の平板形状
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試験時間：３０分間、
で測定される当該硬質皮膜被覆試験片の３０分間における土砂摩耗質量減少量が、０．０５ｇ以下であると好ましい。
前述の硬質皮膜は、物理的蒸着法により形成された皮膜であるとより好ましい。
本発明の別の局面に係る耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材は、基材と、前述の一局面に係るいずれか１つの硬質皮膜とを含み、
前記硬質皮膜は、液体または固体中に含まれる土砂成分によって摩耗を受ける前記基材の少なくとも一部の表面に形成されている。
前記硬質皮膜は、液体または固体中に含まれる土砂成分によって摩耗を受ける前記基材の少なくとも一部の表面に形成されている。
当該部材は、樹脂混錬機部品（ロータ、ケーシング等）、ゴム混錬機部品（ロータ、ケーシング等）、水中ポンプおよびサンドポンプ部品（インペラ、羽根、ケーシング等）、水車部品（ランナ、バケット、ライナー、ガイドベーン、ニードル、ノズル等）ならびに油圧ショベル等の建設機械部品（バケット、走行体部品等）から選択されると好ましい。
本発明によれば、優れた耐土砂摩耗性を有する硬質皮膜を提供することができる。
本発明者は、より効果的に耐土砂摩耗性を示す硬質皮膜について様々な研究を重ね、その成分組成について、さらには当該成分組成において優れた耐土砂摩耗性を示す皮膜の厚さについても着目し、本発明を完成した。
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。なお、本発明の範囲はここで説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で種々の変更をすることができる。
＜硬質皮膜＞
本実施形態に係る硬質皮膜は、ＡｌおよびＣｒを主成分として含む窒化物からなる。
本実施形態に係る硬質皮膜は、ＡｌおよびＣｒを主成分として含む窒化物からなる。
なお、本明細書における「ＡｌおよびＣｒを主成分として含む」とは、硬質皮膜の窒素を除く成分組成の原子比において、Ａｌの原子比とＣｒの原子比とを加算した割合が０．５以上であることを意味する。すなわち、本実施形態に係る硬質皮膜は、式：（ＡｌｘＣｒｙＭ１－ｘ－ｙ）Ｎ（ただし、式中、ｘ＞０、ｙ＞０、かつ１≧ｘ＋ｙ≧０．５）で表される成分組成からなる。
上記式中、Ｍは、任意で含まれるＡｌおよびＣｒ以外の１種以上の元素である。Ｍは、特に限定されないが、例えばＴｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｙおよびランタノイド（Ｐｍを除く）から選択される１種以上であり、好ましくはＴｉおよびＳｉから選択される１種以上である。ＡｌおよびＣｒ以外のこれらの元素Ｍを硬質皮膜の成分組成に含ませることによって、硬質皮膜の耐酸化性、耐疲労寿命等の他の機能を改善することができる。
上記式中、好ましくはｘ＋ｙ＝０．７５、より好ましくはｘ＋ｙ＞０．７５、さらに好ましくはｘ＋ｙ≧０．８、よりさらに好ましくはｘ＋ｙ≧０．８５、ｘ＋ｙ≧０．９、またはｘ＋ｙ＝１である。すなわち、硬質皮膜の窒素を除く成分組成において、Ａｌの原子比とＣｒの原子比とを加算した値をより１に近づけることによって、硬質皮膜の耐土砂摩耗性が顕著に向上する傾向がある。
上記式中、好ましくはｘ≧ｙである。すなわち、硬質皮膜の窒素を除く成分組成において、Ａｌの原子比をＣｒの原子比よりも大きくすることによって、硬質皮膜の耐土砂摩耗性が向上する傾向にある。例えば、上記式中、好ましくはｘ≧０．４、より好ましくはｘ≧０．５、さらに好ましくはｘ≧０．５５、よりさらに好ましくはｘ≧０．６５である。具体的数値としては、例えば、好ましくはｘ＝０．５、より好ましくはｘ＝０．５５、さらに好ましくはｘ＝０．６５、よりさらに好ましくはｘ＝０．７である。ｘの上限、すなわちＡｌの原子比の上限は、限定されないが、例えばｘ≦０．９またはｘ≦０．８５である。
従って、本実施形態に係る硬質皮膜の成分組成は、例えば、（Ａｌ０．５Ｃｒ０．５）Ｎ、（Ａｌ０．６Ｃｒ０．４）Ｎ、（Ａｌ０．６５Ｃｒ０．３５）Ｎ、（Ａｌ０．７Ｃｒ０．３）Ｎ、（Ａｌ０．７５Ｃｒ０．２５）Ｎ、（Ａｌ０．８Ｃｒ０．２）Ｎ、（Ａｌ０．６５Ｃｒ０．１Ｔｉ０．２５）Ｎ、（Ａｌ０．７０Ｃｒ０．２７Ｔｉ０．０３）Ｎ、（Ａｌ０．５５Ｃｒ０．２Ｔｉ０．２Ｓｉ０．０５）Ｎ、またはＡｌ０．５５Ｃｒ０．２Ｔｉ０．２Ｓｉ０．０3Ｙ０．０2）Ｎ等が挙げられる。
本実施形態に係る硬質皮膜の厚さは６μｍ以上である。硬質皮膜の成分組成がＡｌおよびＣｒを主成分として含む窒化物である場合、その厚さを６μｍ以上、特に６．７μｍ以上にすることによって、硬質皮膜の耐土砂摩耗性を顕著に改善することができる。特に、硬質皮膜の厚さが６μｍ未満の場合、その硬質皮膜は耐土砂摩耗性を目的とする皮膜として機能することができなくなってしまう。具体的には、土砂による摩耗を受けるとわずかな時間でほとんどの皮膜が削られてしまう。
硬質皮膜の厚さは、好ましくは６．７μｍ以上、より好ましくは７μｍ以上、さらに好ましくは１０μｍ以上、または２０μｍ以上である。硬質皮膜の厚さの上限は、特に限定されないが、コスト面の負担等の観点から、例えば１００μｍ以下であればよい。あるいは、例えば樹脂混錬機部品（ロータ、ケーシング等）、ゴム混錬機部品（ロータ、ケーシング等）、水中ポンプおよびサンドポンプ部品（インペラ、羽根、ケーシング等）、水車部品（ランナ、バケット、ライナー、ガイドベーン、ニードル、ノズル等）、油圧ショベル等の建設機械部品（バケット、走行体部品等）等のような本実施形態に係る硬質皮膜が形成される部材の種類、使用環境および使用期間等に適合するように、硬質皮膜の厚さを調整すればよい。
なお、本明細書において、硬質皮膜の厚さは、後述する実施例と同様に、カロテスタまたは走査型電子顕微鏡による皮膜断面測定によって実績値を測定することができる。
本実施形態に係る硬質皮膜は、好ましくは、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ：Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ）法、スパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成された皮膜である。これらの物理蒸着法を用いて皮膜を形成することによって、所望の成分組成を有し、かつ所望の厚さを有する硬質皮膜を、効率的かつ高精度に成膜することができる。なお、本実施形態に係る硬質皮膜の形成方法については後に詳述する。
本実施形態に係る硬質皮膜は、ＡＳＴＭ Ｇ６５規格に準拠した土砂摩耗試験機を用いて、後述する実施例と同じ条件かつ同じ方法で測定される硬質皮膜被覆試験片の３０分間における土砂摩耗質量減少量（以下、単に「３０分間における土砂摩耗質量減少量」とも称する）が、好ましくは０．０５ｇ以下である。３０分間における土砂摩耗質量減少量は、より好ましくは０．０３ｇ以下、さらに好ましくは０．０１ｇ以下、よりさらに好ましくは０．００７４ｇ以下、０．００４７ｇ以下、または０．００３６ｇ以下である。３０分間における土砂摩耗質量減少量の下限は、特に限定されず、例えば０ｇ以上である。３０分間における土砂摩耗質量減少量がより少ない程、耐土砂摩耗性に優れていることを意味する。
あるいは、本実施形態に係る硬質皮膜は、ＡＳＴＭ Ｇ６５規格に準拠した土砂摩耗試験機を用いて、後述する実施例と同じ条件かつ同じ方法で測定される硬質皮膜被覆試験片の１０分から３０分までの質量減少量から算出される土砂摩耗質量減少速度（以下、単に「土砂摩耗質量減少速度」とも称する）が、好ましくは０．００１５ｇ／分以下である。土砂摩耗質量減少速度は、より好ましくは０．００１ｇ／分以下、さらに好ましくは０．０００２ｇ／分以下、よりさらに好ましくは０．０００１ｇ／分以下、または０．００００５ｇ／分以下である。土砂摩耗質量減少速度の下限は、特に限定されず、例えば０ｇ／分以上である。土砂摩耗質量減少速度がより遅い程、耐土砂摩耗性に優れていることを意味する。
後述する実施例からわかる通り、３０分間における土砂摩耗質量減少量が０．０５ｇ以下または土砂摩耗質量減少速度が０．００１５ｇ／分以下という硬質皮膜の特性は、Ｃｒめっき、タングステンカーバイド系の超硬質材料の溶射等の方法を用いても達成されなかった特性である。また、硬質皮膜の窒素以外の成分組成が本発明の範囲外である場合、または当該成分組成が本発明の範囲内であっても皮膜の厚さが６μｍ未満である場合も達成し得なかった特性である。すなわち、本実施形態に係る硬質皮膜は、その硬質皮膜の成分組成にＡｌおよびＣｒを主成分として含む窒化物を選択し、かつ皮膜の厚さを６μｍ以上、好ましくは６．７μｍ以上にすることによって、従来技術から予測できない程の優れた耐土砂摩耗性を奏する。
＜耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材＞
本実施形態に係る耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材について、図１を参照しながら説明する。
本実施形態に係る耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材について、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材１は、基材１０と、当該基材１０の表面１１に形成されている前述した実施形態に係る硬質皮膜２０とを含む。硬質皮膜２０は、液体または固体中に含まれる土砂成分によって摩耗を受ける基材１０の少なくとも一部の表面１１に形成されていればよい。
本明細書において、「液体または固体中に含まれる土砂成分」（または、以下単に「土砂成分」とも称する）とは、スラリー、水溶液、懸濁液、油、水、溶融状態の樹脂、溶融状態のゴム等の流体中、固液混合体中、または土壌等の固体中に含まれるシリカ、カーボン、石灰、石炭またはＳｉ、Ｃ、Ｃａ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＫもしくはＮａ等の元素を含有する硬質物質を意味する。
耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材１としては、耐土砂摩耗性を必要とする部材であれば特に限定されない。例えば、樹脂混錬機部品（ロータ、ケーシング等）、ゴム混錬機部品（ロータ、ケーシング等）、水中ポンプおよびサンドポンプ部品（インペラ、羽根、ケーシング等）、水車部品（ランナ、バケット、ライナー、ガイドベーン、ニードル、ノズル等）、油圧ショベル等の建設機械部品（バケット、走行体部品等）等を挙げることができる。
基材１０は、前述した耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材１の構成要素である。従って、基材１０の材質も特に限定されない。例えば、クロムモリブデン鋼（例えばＳＣＭ４４０）、機械構造用炭素鋼（例えばＳ２５Ｃ）、一般構造用圧延鋼（例えばＳＳ４００）、高速度工具鋼（例えばＳＫＨ５１）、合金工具鋼（例えばＳＫＤ５１）、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）等の鉄系材料、Ｔｉ合金、アルミ合金等の非鉄金属材料等が挙げられる。
次に、本発明の実施形態に係る耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材の製造方法について説明する。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を形成して耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材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２を参照して説明する。図２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（図示せず）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。
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２に示すように、チャンバー３１の外には窒素ガス供給源３９Ａおよ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。
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。
次に、本実施形態に係る耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材１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上に設置する工程が行われる（基材設置工程）。基材設置工程では、まず、基材１０をエタノール等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。
次に、ターゲットを成膜装置２内（チャンバー３１内）に設置する工程が行われる（ターゲット設置工程）。ターゲット設置工程では、硬質皮膜２０の窒素を除く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。
ターゲットは、ＡｌおよびＣｒを主成分として含むものであり、具体的には、ＡｌＣｒターゲット、ＡｌＣｒＴｉターゲット、またはＡｌＣｒＴｉＳｉターゲット等である。なお、当該ターゲットにおける各元素の含有比率は、成膜される硬質皮膜２０における各元素の原子比に合わせて調整される。
次に、基材１０をエッチングする工程が行われる（基材エッチング工程）。基材エッチング工程では、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、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、ガス供給口３１ＢからＡｒガスがチャンバー３１内に導入され、フィラメント加熱電源３８および放電電源３７の運転により発生したＡｒプラズマにより、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は、本実施形態に係る耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材１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。
その後、硬質皮膜２０を基材１０の表面１１に形成する工程が行われる（成膜工程）。成膜工程では、まず、ガス供給口３１Ｂから窒素ガスをチャンバー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、例えば（Ａｌ０．５Ｃｒ０．５）Ｎ、（Ａｌ０．７Ｃｒ０．３）Ｎ、（Ａｌ０．６５Ｃｒ０．１Ｔｉ０．２５）Ｎ、または（Ａｌ０．５５Ｃｒ０．２Ｔｉ０．２Ｓｉ０．０５）Ｎ等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。この成膜工程では、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。硬質皮膜２０を形成する際、アーク電流の供給時間および電圧印加時間を調整することによって、硬質皮膜２０の厚さを６μｍ以上にする。
硬質皮膜２０を成膜する方法は、上述したアークイオンプレーティング法に限定されず、例えばスパッタリング法であってもよい。スパッタリング法により硬質皮膜２０を成膜する場合には、前述したターゲットをそれぞれスパッタ電源（図示せず）に接続すればよい。そして、チャンバー３１内をスパッタリング用の所定の成膜圧力に調整し、所定の電力を投入してターゲットを蒸発させることにより、上述したアークイオンプレーティング法と同様に硬質皮膜２０を成膜することができる。
このように、本発明の硬質皮膜が基材の表面に形成されることにより、土砂摩耗による基材の表面の損傷等を顕著に抑制することができる。特に、本発明の硬質皮膜によると、６μｍ以上、好ましくは６．７μｍ以上の厚ささえあれば、従来技術において耐土砂摩耗目的として施されていた皮膜よりも顕著に優れた耐土砂摩耗性を発揮する。そのため、本発明の硬質皮膜は、例えば樹脂混錬機部品（ロータ、ケーシング等）、ゴム混錬機部品（ロータ、ケーシング等）、水中ポンプおよびサンドポンプ部品（インペラ、羽根、ケーシング等）、水車部品（ランナ、バケット、ライナー、ガイドベーン、ニードル、ノズル等）、油圧ショベル等の建設機械部品（バケット、走行体部品等）等の比較的サイズが大きく、かつ耐土砂摩耗性を必要とする領域が広範囲にわたる部材に適用される場合、成膜時間およびコスト面での負担等を減少できるため有益である。
以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例により何ら限定されるものではない。
実施例では、実際の硬質皮膜被覆部材の製造に模して硬質皮膜被覆試験片を作製し、当該硬質皮膜被覆試験片の耐土砂摩耗性を評価した。
＜硬質皮膜の形成＞
後の表１に示す試験片Ｎｏ．１～１１における各硬質皮膜を、図２に示す構成を備えた成膜装置（株式会社神戸製鋼所製、ＡＩＰＳＳ００２およびＡＩＰｏｃｋｅｔ）を用いて、上述した実施形態にて説明したアークイオンプレーティング法により基材上に形成した。
後の表１に示す試験片Ｎｏ．１～１１における各硬質皮膜を、図２に示す構成を備えた成膜装置（株式会社神戸製鋼所製、ＡＩＰＳＳ００２およびＡＩＰｏｃｋｅｔ）を用いて、上述した実施形態にて説明したアークイオンプレーティング法により基材上に形成した。
基材としては、２５ｍｍ×７５ｍｍ×８ｍｍ（厚さ）の平板形状に加工されたクロムモリブデン鋼片（ＳＣＭ４４０、バフ研磨仕上げ）を用いた。
ターゲットとしては、試験片Ｎｏ．１～１１における各硬質皮膜の窒素を除く成分組成と同じ原子比を有するＡｌＣｒターゲット（ターゲット径１００ｍｍφ）、ＡｌＣｒＴｉターゲット（ターゲット径１００ｍｍφ）、ＡｌＣｒＴｉＳｉターゲット（ターゲット径１００ｍｍφ）、Ｃｒターゲット（ターゲット径１００ｍｍφ）、またはＡｌＴｉターゲット（ターゲット径１００ｍｍφ）を用いた。
基材（ＳＣＭ４４０）を成膜装置のチャンバー内に導入してステージ上に設置すると共に、各試験片Ｎｏ．１～１１に対応するターゲットをアーク電源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、チャンバー内に窒素ガスを導入して当該チャンバー内の圧力を４Ｐａとした。また、ヒータを作動させてチャンバー内の温度を約４００℃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、基材（ＳＣＭ４４０）の表面上に各試験片Ｎｏ．１～１１に対応する成分組成からなる硬質皮膜を形成した。成膜中、ステージから基材（ＳＣＭ４４０）に印加されるバイアス電圧（直流電圧）は膜種に応じて－３０Ｖ～－６５Ｖとした。なお、各試験片Ｎｏ．１～１１に対応する硬質皮膜の厚さは成膜時間により調整し、成膜後、カロテスタ（ナノテック（株）製、Ａｕｔｏ Ｃｒａｔｅｒ）または走査型電子顕微鏡（日本電子（株）製、ＪＳＭ６０１０）による皮膜断面測定によって実績値を測定した。具体的には、皮膜の厚さが１０μｍ未満の場合にカロテスタを使用し、皮膜の厚さが１０μｍ以上の場合に電子顕微鏡を使用した。このような方法により、ＳＣＭ４４０を基材とした試験片Ｎｏ．１～１１の硬質皮膜被覆試験片を作製した。
試験片Ｎｏ．１２は、基材（ＳＣＭ４４０）上に硬質皮膜を形成していない試験片である。試験片Ｎｏ．１３～１５は、いずれも基材として炭素鋼であるＳ２５Ｃが用いられており、基材（Ｓ２５Ｃ）上にＣｒめっきが施されている硬質皮膜被覆試験片である。具体的には、それぞれ、西森鍍金工業（株）製Ｃｒメッキ、トクシュ技研（株）製Ｃｒメッキ、または（株）姫路鍍金工業所製Ｃｒメッキが皮膜として施されている硬質皮膜被覆試験片である。試験片Ｎｏ．１６は、基材（Ｓ２５Ｃ）上にタングステンカーバイド（ＷＣ）溶射（（株）トーカロ製）皮膜が形成された硬質皮膜被覆試験片である。これらの基材（Ｓ２５Ｃ）のサイズおよび形状はいずれも前述した試験片Ｎｏ．１～１１の基材（ＳＣＭ４４０）と同じにした。各試験片Ｎｏ．１３～１６における硬質皮膜の厚さは、いずれも３００μｍになるように施されている。
＜耐土砂摩耗性の評価＞
作製したそれぞれの硬質皮膜被覆試験片について、ＡＳＴＭ Ｇ６５規格に準拠した土砂摩耗試験機（（株）神戸製鋼所製「アブレージョン摩耗試験機」）を用いて、以下の条件での硬質皮膜被覆試験片の３０分間における土砂摩耗質量減少量（ｇ）を測定した。さらに、１０分から３０分までの質量減少量から、土砂摩耗質量減少速度（ｇ／分）を算出した。土砂摩耗質量減少量がより少なく、または土砂摩耗質量減少速度がより遅ければ、耐土砂摩耗性により優れる。測定および算出結果は、下記表１に、各試験片の硬質皮膜の成分組成、測定された皮膜の厚さおよび基材の種類、ならびに３０分後における各硬質皮膜被覆試験片の皮膜の状態と共にまとめて示す。
作製したそれぞれの硬質皮膜被覆試験片について、ＡＳＴＭ Ｇ６５規格に準拠した土砂摩耗試験機（（株）神戸製鋼所製「アブレージョン摩耗試験機」）を用いて、以下の条件での硬質皮膜被覆試験片の３０分間における土砂摩耗質量減少量（ｇ）を測定した。さらに、１０分から３０分までの質量減少量から、土砂摩耗質量減少速度（ｇ／分）を算出した。土砂摩耗質量減少量がより少なく、または土砂摩耗質量減少速度がより遅ければ、耐土砂摩耗性により優れる。測定および算出結果は、下記表１に、各試験片の硬質皮膜の成分組成、測定された皮膜の厚さおよび基材の種類、ならびに３０分後における各硬質皮膜被覆試験片の皮膜の状態と共にまとめて示す。
測定条件
硬質皮膜被覆試験片の基材寸法：２５ｍｍ×７５ｍｍ×８ｍｍ（厚さ）の平板形状
ディスク寸法：幅１２．７ｍｍ×Φ２２０ｍｍ
試験力：１２７．５Ｎ（１３ｋｇｆ）
試験砂：６号珪砂、流量３５０ｇ／分
ホイール回転数：２００ｒｐｍ
試験時間：３０分間
硬質皮膜被覆試験片の基材寸法：２５ｍｍ×７５ｍｍ×８ｍｍ（厚さ）の平板形状
ディスク寸法：幅１２．７ｍｍ×Φ２２０ｍｍ
試験力：１２７．５Ｎ（１３ｋｇｆ）
試験砂：６号珪砂、流量３５０ｇ／分
ホイール回転数：２００ｒｐｍ
試験時間：３０分間
＜考察＞
上記表１に示す通り、硬質皮膜の成分組成および皮膜の厚さが本発明の条件を満たす試験片Ｎｏ．１～Ｎｏ．８は、３０分間における土砂摩耗質量減少量がわずかであり、土砂摩耗質量減少速度も遅く、耐土砂摩耗性に優れていた。特に、ＡｌおよびＣｒのみの窒化物の成分組成からなる試験片Ｎｏ．１～Ｎｏ．６の硬質皮膜は、試験片Ｎｏ．７およびＮｏ．８の他の元素も含む成分組成の硬質皮膜と比べて、耐土砂摩耗性により優れる傾向を有していた。
上記表１に示す通り、硬質皮膜の成分組成および皮膜の厚さが本発明の条件を満たす試験片Ｎｏ．１～Ｎｏ．８は、３０分間における土砂摩耗質量減少量がわずかであり、土砂摩耗質量減少速度も遅く、耐土砂摩耗性に優れていた。特に、ＡｌおよびＣｒのみの窒化物の成分組成からなる試験片Ｎｏ．１～Ｎｏ．６の硬質皮膜は、試験片Ｎｏ．７およびＮｏ．８の他の元素も含む成分組成の硬質皮膜と比べて、耐土砂摩耗性により優れる傾向を有していた。
これに対して、硬質皮膜の成分組成は本発明の条件を満たすが、皮膜の厚さが５．０μｍの試験片Ｎｏ．９では、皮膜の厚さが６．７μｍである試験片Ｎｏ．１と比較して、３０分間における土砂摩耗質量減少量が極端に増加し、土砂摩耗質量減少速度も極端に速くなっていた。すなわち、耐土砂摩耗性が極端に劣っていた。なお、試験片Ｎｏ．９の３０分後における皮膜の状態は、全面において基材が露出していた。
試験片Ｎｏ．１０の硬質皮膜の成分組成はＣｒの窒化物であり、試験片Ｎｏ．１１の硬質皮膜の成分組成はＡｌ０．６７Ｔｉ０．３３の窒化物であるため、これらの試験片は硬質皮膜の成分組成において本発明の条件を満たしていない。そのため、試験片Ｎｏ．１０は、実施例の試験片と比べて、土砂摩耗質量減少量が極端に増加し、かつ土砂摩耗質量減少速度も極端に速くなっており、耐土砂摩耗性が極端に劣っていた。なお、試験片Ｎｏ．１０の３０分後における皮膜の状態は、全面において基材が露出していた。試験片Ｎｏ．１１は、試験片Ｎｏ．１０ほどではないが、３０分後における皮膜の状態は大部分において基材が露出しており、実施例の試験片と比べて、耐土砂摩耗性に劣っていた。なお、硬さの観点からは、Ａｌ０．６７Ｔｉ０．３３の窒化物は、例えばＡｌ０．７Ｃｒ０．３の窒化物とあまり差異はない。そのため、本発明の硬質皮膜は、硬さの要素だけでなく、ＡｌおよびＣｒの組み合わせを主成分とする要素に耐土砂摩耗性の機能に好適な影響を及ぼすと推測される。
試験片Ｎｏ．１２には硬質皮膜が形成されていないため、測定された土砂摩耗質量減少量と土砂摩耗質量減少速度は、基材（ＳＣＭ４４０）の摩耗質量減少量と摩耗質量減少速度である。
試験片Ｎｏ．１３～１６は、耐土砂摩耗性を改善するための技術として現在広く利用されているめっきまたは溶射技術により作製された硬質皮膜被覆試験片である。試験片Ｎｏ．１～１１とは基材の種類が異なるが、上述した条件での耐土砂摩耗性の評価方法によると、その土砂摩耗質量減少量および土砂摩耗質量減少速度の数値の比較に関しては、当該基材の相違は概ね考慮しなくてもよい。いずれの試験片も、実施例の試験片と比較して、皮膜の厚さが極端に大きいが、土砂摩耗質量減少量が極端に多く、土砂摩耗質量減少速度も極端に速く、耐土砂摩耗性は劣っていた。
今回開示された実施形態および実施例は、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および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１ 耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材
２ 成膜装置
１０ 基材
１１ 表面
２０ 硬質皮膜
３４ ステージ
２ 成膜装置
１０ 基材
１１ 表面
２０ 硬質皮膜
３４ ステージ
Claims (4)
- 基材と、ＡｌおよびＣｒを主成分として含む窒化物からなり、厚さが６．７μｍ以上である硬質皮膜とを含み、
前記硬質皮膜は、液体または固体中に含まれる土砂成分によって摩耗を受ける前記基材の少なくとも一部の表面に形成されている、耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材。 - 前記基材は、樹脂混錬機部品、ゴム混錬機部品、水中ポンプおよびサンドポンプ部品、水車部品、ならびに建設機械部品からなる群より選択される、請求項１に記載の耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材。
- 前記硬質皮膜は、ＡｌおよびＣｒを主成分として含む窒化物からなる硬質皮膜であって、
式：（ＡｌｘＣｒｙＭ１－ｘ－ｙ）Ｎ（ただし、式中、ｘ≧０．５５、ｙ＞０、ｘ＞ｙ、１≧ｘ＋ｙ≧０．７５、かつ、Ｍは、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｙおよびランタノイド（Ｐｍを除く）から選択される１種以上である）で表される成分組成からなる、請求項２に記載の耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材。 - 前記硬質皮膜は、ＡｌおよびＣｒを主成分として含む窒化物からなる硬質皮膜であって、
式：（ＡｌｘＣｒｙ）Ｎ（ただし、式中、ｘ≧０．５５、ｙ＞０、ｘ＞ｙ、ｘ＋ｙ＝１である）で表される成分組成からなる、請求項２に記載の耐土砂摩耗性硬質皮膜被覆部材。
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