JP2023138104A - Coated member, method for manufacturing the same, and product using coated member - Google Patents

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秀峰 小関
Hidemine Koseki
史明 本多
Fumiaki Honda
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Abstract

To provide: a coated member including a hard film excellent in Al, Zn, Fe erosion resistance, fusion resistance and galling damage resistance; a method for manufacturing the same; and a product using the coated member.SOLUTION: A coated member includes a hard film in the surface layer part of an alloy base material. The hard film includes at least one kind element of a first element group consisting of Nb and Mo and at least two kind elements of a second element group consisting of Ta, W, Ti, Hf and Zr; when setting the total elements of the first element group and the second element group to 100 atom%, the content of each element is 5-35 atom%; the crystal structure of the hard film is a face centered cubic structure; and when setting the total content of all elements in the hard film to 100 atom%, the total of O, N and C is 30 atom% or more and less than 50 atom%.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、既存の合金基材(以下、単に基材と呼ぶことがある)の表面に耐Al、ZnまたはFe溶損性および耐Al、ZnまたはFe融着性に優れる硬質皮膜(以下、単に皮膜と呼ぶことがある)を形成した被覆部材、前記被覆部材の製造方法、および前記被覆部材を用いた製造物に関するものである。 The present invention provides a hard coating (hereinafter referred to as "hard coating") having excellent resistance to Al, Zn or Fe melting and adhesion to the surface of an existing alloy base material (hereinafter sometimes simply referred to as "base material"). The present invention relates to a coated member formed with a coating (sometimes simply referred to as a film), a method for manufacturing the coated member, and a product using the coated member.

金型の摩耗は、製品の品質にばらつきを生じさせ、生産性の低下に直結する。特に、AlやZn、Feなどの金属溶湯や半溶融金属と直接接触する摩耗が激しい用途では、金型の交換頻度が高くなることから、コストや資源の有効活用に配慮して、金型を含む特殊鋼部材の長寿命化が求められてきた。 Wear of molds causes variations in product quality and is directly linked to reduced productivity. In particular, in applications where there is severe wear and direct contact with molten or semi-molten metals such as Al, Zn, and Fe, molds must be replaced frequently, so molds should be replaced in consideration of cost and effective use of resources. There has been a demand for longer life of special steel components.

特殊鋼部材の長寿命化を解決する方法の一つに、摩耗が激しい製品表面に、高硬度・耐摩耗性に優れるコーティングを施す手法がある。従来では、Cr、Ti、Vの窒化物を基本構成とし、ここに他元素を添加したコーティングが使用、開発されてきた。 One method to extend the life of special steel components is to apply a coating with high hardness and excellent wear resistance to the product surface, which is subject to severe wear. Conventionally, coatings have been used and developed that have a basic composition of nitrides of Cr, Ti, and V, to which other elements are added.

ここで特許文献1には、熱間ダイス鋼もしくは高速度鋼を母材とする、少なくとも作業面に被覆層を有した鋳造用部材であって、該被覆層の最表層は、Vが主体の窒化物、酸窒化物、炭窒化物の一種以上からなり、さらにCrが主体の窒化物、酸窒化物、炭窒化物の一種以上からなる被覆層が、母材直上層として形成されている鋳造用部材が開示されている。 Here, Patent Document 1 discloses a casting member having a coating layer on at least the working surface, the base material being hot die steel or high speed steel, the outermost layer of the coating layer being mainly composed of V. Casting in which a coating layer consisting of one or more types of nitrides, oxynitrides, and carbonitrides, and further consisting of one or more types of nitrides, oxynitrides, and carbonitrides mainly composed of Cr, is formed as a layer directly above the base material. A member for use is disclosed.

また、特許文献2によれば、工具鋼を基材とするダイカスト用金型の表面に皮膜を被覆したダイカスト用被覆金型であり、該皮膜がコランダム構造からなる酸化物皮膜であるダイカスト用被覆金型が提供できるとされている。 Further, according to Patent Document 2, there is provided a die-casting coated mold in which the surface of a die-casting mold made of tool steel is coated with a film, and the coated die-casting mold is an oxide film having a corundum structure. It is said that molds can be provided.

特許文献1:特開2006-51510
特許文献2:特開2010-58135
Patent Document 1: Japanese Patent Application Publication No. 2006-51510
Patent Document 2: Japanese Patent Application Publication No. 2010-58135

しかしながら、特許文献1に記載されているような従来のCr、Ti、Vの窒化物皮膜では、AlやZn、Feによる溶損や溶着、焼付き(カジリ)への対策が不十分である。例えば、鋼板のホットスタンプ工程では、非メッキ鋼板を加熱する際に鉄スケールの生成を防ぐため、AlやZnでメッキを施してから加熱および加圧する手法が取られている。したがって金型は鋼板の表面にあるAlやZnと直接接触することとなる。そのため、耐AlまたはZn溶損性に優れ、高温・高面圧に耐えうる硬質皮膜が求められている。また、成形時の金型表面はAlやZnとの直接接触に加え、鋼板のFeとの接触も生じることがあり、その際にはFeとの耐反応性や耐融着性が求められる。 However, conventional nitride films of Cr, Ti, and V as described in Patent Document 1 are insufficient in countermeasures against erosion, welding, and galling caused by Al, Zn, and Fe. For example, in a hot stamping process for steel plates, in order to prevent the formation of iron scale when heating non-plated steel plates, a method is used in which the plates are plated with Al or Zn and then heated and pressurized. Therefore, the mold comes into direct contact with Al and Zn on the surface of the steel plate. Therefore, there is a need for a hard coating that has excellent resistance to Al or Zn erosion and can withstand high temperatures and high surface pressures. Furthermore, in addition to direct contact with Al and Zn, the surface of the mold during molding may also come into contact with Fe of the steel plate, and in this case, resistance to reaction with Fe and resistance to fusion are required.

また、特許文献2に記載されているようなダイカスト用被覆金型では、AlやZnによる溶損や焼付き(カジリ)対策が不十分である。AlやZnの鋳造物製造工程においては、金型にAlやZnの溶湯を流し込み、凝固させた後、金型表面に付着した鋳造物を剥がして鋳造物を得る。金型表面は高温の溶湯と直接接触することとなり、表面成分が溶湯中に溶け出す、あるいは、それによって発生した金型表面の凹凸と鋳造物の固着が生じる。これらを抑制し、安定した製造を継続するためには、耐AlまたはZn溶損性に優れ、カジリ損傷にも耐えうる硬質皮膜が求められている。 Furthermore, in the coated mold for die casting as described in Patent Document 2, countermeasures against melting damage and seizure (galling) caused by Al and Zn are insufficient. In the process of manufacturing Al or Zn castings, molten Al or Zn is poured into a mold, solidified, and then the casting adhered to the surface of the mold is peeled off to obtain a casting. The surface of the mold comes into direct contact with the high-temperature molten metal, and surface components may melt into the molten metal, or the mold surface may become uneven and the casting may stick. In order to suppress these problems and continue stable production, a hard coating is required that has excellent Al or Zn erosion resistance and can withstand galling damage.

すなわち、これまでの硬質皮膜の組成では、AlやZn、Feへの耐反応性や耐融着性が不足しており、また、溶湯の固化と離型時に金型表面にかかる力学的負荷に耐えるため、耐摩耗性を向上させる必要がある。これまでに検討されてきた組成は、Cr、Ti、Vを主体とする窒化物系の硬質皮膜であり、上記特性の向上のための皮膜組成を検討する余地が残っている。 In other words, the composition of conventional hard coatings lacks reaction resistance and adhesion resistance to Al, Zn, and Fe, and also has poor resistance to mechanical loads applied to the mold surface during solidification and demolding of molten metal. In order to endure, it is necessary to improve wear resistance. The compositions that have been studied so far are nitride-based hard coatings mainly composed of Cr, Ti, and V, and there remains room to study coating compositions for improving the above characteristics.

ここで、本出願人はWO2021/193529において、溶融状態のアルミニウム合金などに対する耐性を備える合金を提案している。WO2021/193529には、第1元素群としてNbおよびMo、第2元素群として、Ta、W、Ti、HfおよびZrの少なくとも一種を含み、第1元素群および第2元素群の元素の合計が100at.%としたとき、含まれる元素の含有範囲は5~35at.%であり、Al、CuおよびZnの少なくとも一種に対する格子ミスマッチが13%以上であって、かつ、転位の移動障壁エネルギーが310kJ/mol以上の合金が開示されている。しかしながら、融点が高い合金組成を用いて皮膜を形成することは困難であり、これまでに高融点である、WO2021/193529に記載された合金を用いて硬質皮膜を形成する検討はなされていなかった。 Here, in WO2021/193529, the applicant has proposed an alloy that is resistant to molten aluminum alloy and the like. WO2021/193529 contains Nb and Mo as the first element group, at least one of Ta, W, Ti, Hf, and Zr as the second element group, and the total of the elements in the first element group and the second element group is When taken as 100 at.%, the content range of the included elements is 5 to 35 at.%, the lattice mismatch with respect to at least one of Al, Cu, and Zn is 13% or more, and the dislocation migration barrier energy is 310 kJ. /mol or more are disclosed. However, it is difficult to form a film using an alloy composition with a high melting point, and there has been no study to date of forming a hard film using the alloy described in WO2021/193529, which has a high melting point. .

以上から、本発明の目的は、合金基材表面に耐Al、ZnまたはFe溶損性、耐融着性、耐カジリ損傷性に優れる組成の硬質皮膜を具備する被覆部材、被覆部材の製造方法、および被覆部材を用いた製造物を提供することである。 From the above, an object of the present invention is to provide a coated member having a hard coating having a composition excellent in Al, Zn or Fe erosion resistance, fusion resistance, and galling resistance on the surface of an alloy base material, and a method for manufacturing the coated member. , and a product using the covered member.

本発明は、合金基材の表層部に硬質皮膜を有する被覆部材であり、前記硬質皮膜は、NbおよびMoからなる第1元素群のうち少なくとも一種および、Ta、W、Ti、HfおよびZrからなる第2元素群のうち少なくとも二種の元素を含み、前記第1元素群および前記第2元素群の元素の合計が100原子%としたとき、各元素の含有量はそれぞれ5~35原子%であることと、前記硬質皮膜の結晶構造は、面林立方構造であることと、前記硬質皮膜中のすべての元素の含有率の合計を100原子%としたとき、O、N、Cを合計で30原子%以上50原子%未満含有することと、を特徴とする被覆部材である。 The present invention is a coated member having a hard coating on the surface layer of an alloy base material, and the hard coating is made of at least one of the first element group consisting of Nb and Mo, and Ta, W, Ti, Hf, and Zr. When the total of the elements of the first element group and the second element group is 100 atomic %, the content of each element is 5 to 35 atomic %. and the crystal structure of the hard coating is a Menbayashi cubic structure, and when the total content of all elements in the hard coating is 100 atomic %, the total of O, N, and C is The coated member is characterized by containing 30 at % or more and less than 50 at %.

また、前記硬質皮膜は、TiまたはZrのうち少なくとも一種類を含むA相と、Mo、Ta、Hf、Wのうち少なくとも一種類を含むB相とを備えることが好ましい。 Further, the hard coating preferably includes an A phase containing at least one type of Ti or Zr, and a B phase containing at least one type of Mo, Ta, Hf, and W.

また、前記硬質皮膜において、窒素含有量は前記A相よりも前記B相の方が高いことが好ましい。 Further, in the hard coating, it is preferable that the nitrogen content in the B phase is higher than that in the A phase.

また、前記硬質皮膜において、前記A相と前記B相が交互に配置されており、各々の組成が連続的に変化していることが好ましい。 Further, in the hard coating, it is preferable that the A phase and the B phase are arranged alternately, and the composition of each phase changes continuously.

また、前記被覆部材は、前記合金基材表面と前記硬質皮膜との間に、Nb、Mo、Ta、W、Ti、Hf、Zrから選択される元素の少なくとも3種を含む中間層を有することが好ましい。 Further, the covering member has an intermediate layer containing at least three elements selected from Nb, Mo, Ta, W, Ti, Hf, and Zr between the alloy base material surface and the hard coating. is preferred.

また、前記被覆部材の皮膜硬さは、20GPa以上であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the coating hardness of the coating member is 20 GPa or more.

また、前記硬質皮膜において、ドロップレット数量が600以下であることが好ましい。 Moreover, in the hard coating, it is preferable that the number of droplets is 600 or less.

本発明の被覆部材の製造方法は、NbおよびMoからなる第1元素群のうち少なくとも一種および、Ta、W、Ti、HfおよびZrからなる第2元素群のうち少なくとも二種の元素を含み、前記第1元素群および前記第2元素群の元素の合計が100原子%としたとき、各元素の含有量がそれぞれ5~35原子%であるターゲット合金を作製する工程と、前記ターゲット合金を用いて、前記合金基材表面に前記硬質皮膜を成膜する工程と、を有することを特徴とする、前記被覆部材の製造方法である。 The method for manufacturing a coated member of the present invention includes at least one element from the first element group consisting of Nb and Mo and at least two elements from the second element group consisting of Ta, W, Ti, Hf and Zr, A step of producing a target alloy in which the content of each element is 5 to 35 at%, when the total of the elements of the first element group and the second element group is 100 at%, and using the target alloy. The method for manufacturing the coated member is characterized by comprising the step of forming the hard coating on the surface of the alloy base material.

また、前記被覆部材の製造方法において、硬質皮膜を成膜する方法にPVD法を用いることが好ましい。 Further, in the method for manufacturing the covered member, it is preferable to use a PVD method as a method for forming the hard coating.

また、前記被覆部材の製造方法において、前記ターゲット合金の融点が2000℃以上のとき、カソード蒸発源の前記ターゲット合金に印加する電流値を100A以上とすることが好ましい。 Further, in the method for manufacturing the covering member, when the melting point of the target alloy is 2000° C. or higher, it is preferable that the current value applied to the target alloy of the cathode evaporation source is 100 A or higher.

また、本発明は、前記被覆部材を用いた製造物である。 Further, the present invention is a product using the covering member.

本発明によれば、合金基材表面に耐Al、ZnまたはFe溶損性、耐融着性、耐カジリ損傷性に優れた組成を有する硬質皮膜を形成することが可能であり、耐Al、ZnまたはFe溶損性、耐融着性、耐カジリ損傷性に優れた被覆部材、前記被覆部材の製造方法、および前記被覆部材を用いた製造物を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to form a hard film on the surface of an alloy base material, which has a composition excellent in resistance to Al, Zn or Fe erosion, fusion resistance, and galling resistance. It is possible to provide a coated member with excellent Zn or Fe melting resistance, fusion resistance, and galling resistance, a method for manufacturing the coated member, and a product using the coated member.

本発明の実施例および比較例のターゲット合金の融点とアーク電圧値の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the melting point and arc voltage value of target alloys of Examples and Comparative Examples of the present invention. 本発明の実施例および比較例のアーク電圧値と成膜レートの関係を示す図である。It is a figure showing the relationship between the arc voltage value and the film-forming rate of the Example of this invention, and a comparative example. 本発明の実施例および比較例のアーク電圧値とドロップレット数量の関係を示す図である。It is a figure showing the relationship between the arc voltage value and the number of droplets in Examples and Comparative Examples of the present invention. 本発明の実施例および比較例の表面観察写真とドロップレット解析像を示す図である。It is a figure which shows the surface observation photograph and droplet analysis image of the Example of this invention, and a comparative example. 本発明の実施例および比較例の皮膜硬さとヤング率を示す図である。It is a figure showing film hardness and Young's modulus of an example of the present invention and a comparative example. 本発明の実施例および比較例の残留圧縮応力と皮膜硬さの関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between residual compressive stress and film hardness in Examples and Comparative Examples of the present invention. 本発明の実施例の硬質皮膜破断面の観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of the hard coating fracture surface of the Example of this invention. 本発明の実施例の硬質皮膜組成の定量分析結果を示す図である。It is a figure showing the quantitative analysis result of the hard coating composition of the Example of this invention. 本発明の実施例の硬質皮膜のXRD評価結果を示す図である。It is a figure which shows the XRD evaluation result of the hard coating of the Example of this invention. 本発明の実施例の硬質皮膜の結晶粒径と皮膜硬さの関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the crystal grain size and film hardness of a hard coating according to an example of the present invention. 実施例5の皮膜断面のTEM像を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a TEM image of a cross section of the film of Example 5. 実施例5の皮膜断面における各相を含めての電子線回折結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing electron beam diffraction results including each phase in a cross section of the film of Example 5.

以下に本発明の実施形態を詳しく説明する。ただし、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
本発明の被覆部材は、各種機械部品、金型、工具等に適用することができる。好ましくは、AlやZn、Fe合金に直接接触することから、低い反応性、耐溶損性、耐溶着性、耐カジリ性が求められるホットスタンプ用金型や、溶湯の接触により溶損が発生しやすい低圧鋳造用金型、ダイカスト用金型、高温での耐摩擦摩耗特性が求められる摩擦撹拌接合用工具に適用することができる。
Embodiments of the present invention will be described in detail below. However, the present invention is not limited to the embodiments mentioned here, and combinations and improvements can be made as appropriate without departing from the technical idea of the invention.
The covering member of the present invention can be applied to various mechanical parts, molds, tools, etc. Preferably, molds for hot stamping are required to have low reactivity, corrosion resistance, adhesion resistance, and galling resistance because they come into direct contact with Al, Zn, and Fe alloys, and molds that do not cause corrosion damage due to contact with molten metal. It can be applied to easy-to-use low-pressure casting molds, die-casting molds, and friction stir welding tools that require friction and wear resistance at high temperatures.

[被覆部材]
まず、本発明の被覆部材の実施形態について説明する。本実施形態の被覆部材は、合金基材(以下、単に基材と呼ぶこともある)の表層部に硬質皮膜(以下、単に皮膜と呼ぶこともある)を形成した被覆部材であり、NbおよびMoからなる第1元素群のうち少なくとも一種および、Ta、W、Ti、HfおよびZrからなる第2元素群のうち少なくとも二種の元素を含み、前記第1元素群および前記第2元素群の元素の合計が100原子%としたとき、各元素の含有量はそれぞれ5~35原子%であり、前記硬質皮膜の結晶構造は面心立方構造であり、前記硬質皮膜におけるO、N、Cの含有率の合計が30原子%以上50原子%未満であることを特徴とする。
[Coated member]
First, an embodiment of the covering member of the present invention will be described. The coated member of this embodiment is a coated member in which a hard coating (hereinafter sometimes simply referred to as a coating) is formed on the surface layer of an alloy base material (hereinafter sometimes simply referred to as a base material), and includes Nb and Containing at least one element from the first element group consisting of Mo and at least two elements from the second element group consisting of Ta, W, Ti, Hf and Zr, the first element group and the second element group When the total of the elements is 100 at%, the content of each element is 5 to 35 at%, and the crystal structure of the hard coating is a face-centered cubic structure, and the content of O, N, and C in the hard coating is 5 to 35 at%. It is characterized in that the total content is 30 atomic % or more and less than 50 atomic %.

(硬質皮膜の組成)
硬質皮膜は、溶融状態にあるAlやZnによる溶損や溶着、カジリ損傷に対する耐性を得るために、格子定数の相対差である格子ミスマッチの高い合金として、第1元素群としてNbおよびMoのうち少なくとも一種および、第2元素群として、Ta、W、Ti、HfおよびZrのうち少なくとも二種を含み、前記第1元素群および前記第2元素群の元素の合計が100原子%としたとき、含有されるそれぞれの元素の量は5原子%以上、35原子%以下である。
(Composition of hard film)
The hard coating is made of Nb and Mo as the first element group, as an alloy with a high lattice mismatch, which is a relative difference in lattice constants, in order to obtain resistance to erosion, welding, and galling damage caused by Al and Zn in the molten state. Containing at least one kind and at least two of Ta, W, Ti, Hf and Zr as a second element group, when the total of the elements of the first element group and the second element group is 100 atomic %, The amount of each element contained is 5 atomic % or more and 35 atomic % or less.

ここで、硬質皮膜において第1元素群および前記第2元素群から選択された各元素の比率は等モルであることが好ましい。各元素の比率が等モルに近くなると高強度、高耐食性を有するとして注目されているハイエントロピー合金(High Entropy Alloy:HEA)の特性が発揮されやすくなる。すなわち、本合金系では、溶融状態にあるAlやZnによる溶損やカジリ損傷に対する耐性が高まる。また、それらに加え、Feに対する耐融着、耐凝着によるカジリ損傷に対する耐性が高まる。成膜した際には、これらの金属成分がO、N、Cなどの軽元素と反応することで酸化物、窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物として成膜される。 Here, it is preferable that the ratio of each element selected from the first element group and the second element group in the hard coating is equimolar. When the ratio of each element approaches an equimolar ratio, the properties of a high entropy alloy (HEA), which is attracting attention as having high strength and high corrosion resistance, are more likely to be exhibited. That is, the present alloy system has increased resistance to melting loss and galling damage caused by Al and Zn in a molten state. In addition to these, resistance to galling damage due to Fe fusion resistance and adhesion resistance increases. When a film is formed, these metal components react with light elements such as O, N, and C to form a film as an oxide, nitride, carbide, oxynitride, or carbonitride.

ここで、硬質皮膜中のすべての元素を100原子%としたときのO、N、Cの含有率の合計は50原子%未満とすることで、硬質皮膜が金属的性質を有するので、靭性を高めることができる。また、硬質皮膜中のO、N、Cの含有率の合計が30原子%未満となると、金属的性質が主体となるので、溶融状態にあるAlやZnに対する耐性が得られにくく、硬さも得られにくい。従って、硬質皮膜中のO、N、Cの含有率の合計は30原子%以上50原子%未満である。 Here, when all the elements in the hard coating are 100 atomic%, the total content of O, N, and C should be less than 50 atomic%, since the hard coating has metallic properties, the toughness can be improved. can be increased. Furthermore, if the total content of O, N, and C in the hard coating is less than 30 atomic percent, it will have mainly metallic properties, so it will be difficult to obtain resistance to Al and Zn in the molten state, and hardness will not be obtained. Hard to get caught. Therefore, the total content of O, N, and C in the hard coating is 30 atomic % or more and less than 50 atomic %.

また、本実施形態の硬質皮膜は不可避的不純物を含有し得る。前記硬質皮膜には不可避不純物としてppmオーダーの金属元素や軽元素が含まれてもよい。 Further, the hard coating of this embodiment may contain inevitable impurities. The hard coating may contain metal elements and light elements on the order of ppm as inevitable impurities.

合金組成は、電子プローブマイクロアナライザー (Electron Probe Micro Analyzer;EPMA)により、分析できる。特にO、N、Cなどの軽元素を含む硬質皮膜の分析の際は、波長分散型検出器(Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer:WDX)を用いることで定量的に分析できる。 The alloy composition can be analyzed using an Electron Probe Micro Analyzer (EPMA). In particular, when analyzing hard coatings containing light elements such as O, N, and C, quantitative analysis can be performed using a wavelength dispersive X-ray spectrometer (WDX).

(硬質皮膜の組織)
硬質皮膜は、TiまたはZrのうち少なくとも一種類を含むA相と、Mo、Ta、Hf、Wのうち少なくとも一種類を含むB相とを備え得る。このとき、前記A相と前記B相は皮膜の成長方向に対し交互に成膜されていることが好ましい。二種の相が繰り返されることで、皮膜表面に過剰な負荷が加わった際に、相間で破壊が進展する現象が生じるため、皮膜全体の破壊を抑制することができる。ここで、各相を適切な層厚とすることで、破壊に対する耐性を高めることができる。層厚が小さいと各相の境の影響が出にくく、大きな破壊に至りやすい。一方で、層厚が大きいとそもそも破壊のサイズが大きいため、耐摩耗性の向上効果が得られにくい。したがって、各相の成長方向の厚さは10~100nm毎に繰り返されていることが好ましく、より好ましくは20~60nm毎である。これらの層厚は、例えば電子顕微鏡による観察によって確認することができる。
(Hard film structure)
The hard coating may include an A phase containing at least one of Ti or Zr, and a B phase containing at least one of Mo, Ta, Hf, and W. At this time, it is preferable that the A phase and the B phase are alternately formed in the film growth direction. By repeating the two types of phases, when an excessive load is applied to the film surface, a phenomenon occurs in which destruction progresses between the phases, so it is possible to suppress destruction of the entire film. Here, by setting each phase to an appropriate layer thickness, resistance to destruction can be increased. When the layer thickness is small, the effects of the boundaries between each phase are less likely to occur, which tends to lead to large fractures. On the other hand, if the layer thickness is large, the fracture size is large to begin with, making it difficult to obtain the effect of improving wear resistance. Therefore, the thickness of each phase in the growth direction is preferably repeated every 10 to 100 nm, more preferably every 20 to 60 nm. The thickness of these layers can be confirmed, for example, by observation using an electron microscope.

(硬質皮膜の結晶構造)
成膜した硬質皮膜の結晶構造は面心立方構造が主体である。面心立方構造は他の結晶構造に比べ、すべり面を多数有するため、構造材として用いる際に靭性が高く、破壊による大きな摩耗を生じにくい。結晶構造はX線回折(X-ray diffraction:XRD)によって評価できる。ここで、面心立方構造を主体とするとは、XRD評価の結果、各結晶構造を示すスペクトルの3強線の合計を比較した際に、面心立方構造を示すスペクトルが全体に対し50%以上であることをいう。好ましくは、80%以上、より好ましくは95%以上である。
(Crystal structure of hard coating)
The crystal structure of the hard coating formed is mainly a face-centered cubic structure. Since the face-centered cubic structure has a larger number of slip planes than other crystal structures, it has high toughness when used as a structural material and is less prone to large wear due to fracture. The crystal structure can be evaluated by X-ray diffraction (XRD). Here, "mainly having a face-centered cubic structure" means that as a result of XRD evaluation, when comparing the sum of the three strong lines of the spectra showing each crystal structure, the spectrum showing the face-centered cubic structure accounts for 50% or more of the whole. It means that. Preferably it is 80% or more, more preferably 95% or more.

(硬質皮膜の硬さ)
硬質被膜の硬さはナノインデンタ―で測定できる。耐カジリ性を高めるために20GPa以上であることが好ましい。より好ましくは25GPa以上、さらに好ましくは30GPa以上である。硬さが高くなりすぎると、皮膜の靭性が低下し、破壊形態の摩耗を生じるため、50GPa以下が好ましい。
(Hardness of hard film)
The hardness of hard coatings can be measured with a nanoindenter. In order to improve galling resistance, it is preferably 20 GPa or more. More preferably it is 25 GPa or more, and still more preferably 30 GPa or more. If the hardness becomes too high, the toughness of the film will decrease and wear in the form of destruction will occur, so it is preferably 50 GPa or less.

(硬質皮膜のドロップレット)
ドロップレットは硬質皮膜に不可避的に混入する溶融粒のことであり、表面観察によって確認できる。ドロップレットは面粗さを劣化させる原因となるため、500倍で観察した約200μm×280μmの視野において、硬質皮膜表面に確認されるドロップレットの数量は600以下とすることができる。好ましくは500以下であり、より好ましくは450以下である。
(Hard film droplet)
Droplets are molten particles that inevitably get mixed into hard coatings, and can be confirmed by surface observation. Since droplets cause deterioration of surface roughness, the number of droplets observed on the hard coating surface can be 600 or less in a field of view of approximately 200 μm x 280 μm observed at 500 times magnification. Preferably it is 500 or less, more preferably 450 or less.

(合金基材の種類)
硬質皮膜を形成する合金基材は特に限定されないが、基材の硬さが高い場合には、表面に成膜した皮膜に負荷がかかった際に、基材が変形することにより、皮膜が破壊されることを抑制するために40HRC以上であることが好ましい。たとえばSKD61、SKD11、SKH51、超硬合金などの高い硬さが得られる金型鋼や刃物鋼、合金が好ましい。また、基材に窒化処理や浸炭処理等を施し、表面硬さを高めておくことも有効である。
(Type of alloy base material)
The alloy base material that forms the hard film is not particularly limited, but if the hardness of the base material is high, the film formed on the surface may be deformed and destroyed when a load is applied to the film formed on the surface. It is preferable that the HRC is 40 HRC or more in order to suppress the occurrence of damage. For example, mold steels, cutter steels, and alloys that provide high hardness such as SKD61, SKD11, SKH51, and cemented carbide are preferable. It is also effective to increase the surface hardness by subjecting the base material to nitriding, carburizing, or the like.

[製造方法]
つぎに、本発明の実施形態の被覆部材の製造方法について説明する。
(合金の固化)
まず、第1元素群としてNbおよびMoのうち少なくとも一種および、第2元素群として、Ta、W、Ti、HfおよびZrのうち少なくとも二種を含む組成を決定し、所望の組成となるように原料粉末を配合する。前記原料粉末を溶解、固化する方法としては、例えば、前記粉末原料を混合し、プレス成型した後、ホットプレス法や放電プラズマ焼結などによって焼結固化する手法を取ることができる。
[Production method]
Next, a method for manufacturing a covering member according to an embodiment of the present invention will be described.
(solidification of alloy)
First, a composition containing at least one of Nb and Mo as a first element group and at least two of Ta, W, Ti, Hf, and Zr as a second element group is determined, and the desired composition is determined. Blend raw material powder. As a method for melting and solidifying the raw material powder, for example, a method may be used in which the powder raw materials are mixed, press-molded, and then sintered and solidified by hot pressing, discharge plasma sintering, or the like.

あるいは、前記原料粉末を坩堝に充填し、アーク方式、高周波加熱方式などによって溶解し、固化する手法を取ってもよいし、前記粉末材料を混合した後、ホットプレスした円筒インゴットを消耗電極とし、誘導加熱によって直接溶解アトマイズを行うEIGA(電極誘導溶解ガスアトマイズ)炉を通して粉体化し、再度ホットプレスで合金化する手法を取ることもできる。 Alternatively, a method may be used in which the raw material powder is filled in a crucible and melted and solidified by an arc method, a high frequency heating method, etc., or a cylindrical ingot hot-pressed after mixing the powder materials is used as a consumable electrode, It is also possible to pulverize the material through an EIGA (electrode induction melting gas atomization) furnace that directly melts and atomizes it by induction heating, and then alloys it again by hot pressing.

更には、前記原料粉末を混合した後、ホットプレスした円筒インゴットを消耗電極とし、ESR(エレクトロスラグ再溶解)やVAR(真空アーク再溶解)により、少しずつ再溶解および凝固をさせて合金化する手法を取ることもできる。この手法を取る場合、少しずつ再溶解および凝固をさせることにより、合金化する際の偏析を低減させることができるので好ましい。 Furthermore, after mixing the raw material powders, a hot-pressed cylindrical ingot is used as a consumable electrode, and by ESR (electroslag remelting) or VAR (vacuum arc remelting), they are gradually remelted and solidified to form an alloy. You can also use methods. When this method is adopted, it is preferable to re-melt and solidify the material little by little because segregation during alloying can be reduced.

このようにして固化した合金を機械加工し、物理蒸着(Pyisical Vapore Deposition:PVD)法用のターゲット合金に用いることができる。ここで、固化した合金を機械加工する前に、熱間静水圧成形(Hot Isostatic Pressing:HIP)によって合金を緻密化する工程を挟んでもよい。なお、前記原料粉末を缶に封入し、直接、熱間静水圧成形により固化する手法を取ってもよい。 The thus solidified alloy can be machined and used as a target alloy for physical vapor deposition (PVD) methods. Here, before machining the solidified alloy, a step of densifying the alloy by hot isostatic pressing (HIP) may be performed. Alternatively, the raw material powder may be sealed in a can and directly solidified by hot isostatic pressing.

(成膜方法)
硬質皮膜を成膜する方法としてはPVD法を用いることができる。PVD法はターゲット合金を放電またはスパッタリングによって気化し、目的とする基材に原子レベルで付着させる方法である。特にカソードアーク方式では、真空中にてターゲット合金を溶融しプラズマ化して成膜するため、多元素系の硬質皮膜を均一に成膜する上で好ましい。一方で、他の方式のPVD法で成膜した場合、多元素系のターゲット合金を蒸発させ、合金基材表面上に蒸着させることで硬質皮膜を得るが、その際に各元素の蒸気圧の差からターゲット合金が均一に蒸発せず、均一な硬質皮膜を成膜することが困難である。すなわち、PVD法、特にカソードアーク方式で成膜することで、ターゲット合金の組織が均質でなかったとしても、他のコーティング方法に比べて均質に成膜することができるので好ましい。狙い組成に対する各元素のばらつきは20%以内、好ましくは10%以内に調整することができるため、本被覆部材のようなハイエントロピー組成を合成するのにより適した方法である。
(Film forming method)
A PVD method can be used as a method for forming the hard film. The PVD method is a method in which a target alloy is vaporized by electrical discharge or sputtering, and is adhered to a target base material at the atomic level. In particular, the cathode arc method is preferable for uniformly forming a multi-element hard coating because the target alloy is melted in a vacuum and turned into plasma to form a film. On the other hand, when forming a film using other methods of PVD, a hard film is obtained by evaporating a multi-element target alloy and depositing it on the surface of the alloy base material. Due to the difference, the target alloy does not evaporate uniformly, making it difficult to form a uniform hard film. That is, by forming a film using the PVD method, particularly the cathode arc method, even if the structure of the target alloy is not homogeneous, it is possible to form a film more uniformly than with other coating methods, which is preferable. Since the variation of each element with respect to the target composition can be adjusted to within 20%, preferably within 10%, this method is more suitable for synthesizing a high entropy composition such as the present coated member.

(成膜条件)
PVD法のカソードアーク方式は、カソード部にターゲット合金を設置したカソード蒸発源にアーク放電を発生させ、ターゲット合金をイオン化して成膜する技術であり、そのアーク放電とは、ターゲット合金上に発生するアークスポットから成る。ターゲット合金にTa、W、Ti、HfおよびZr等からなる高融点元素を含む合金を用いる場合、合金自体が高融点であるため成膜時にアークスポットをターゲット合金上に安定して維持することが重要となる。高融点材に安定してアークスポットを発生させ維持するには、アークスポットに対して高い電気エネルギーが必要であり、そのためには、ターゲット合金上の平均磁束密度が5mT以下と低く磁場制御されたカソード蒸発源を用いることが好ましい。そして、カソード蒸発源の高融点ターゲット材に印加する電流値は100A以上が好ましく、150A以上がより望ましい。成膜時には炉内に窒素やアルゴンなどのガスも導入する。一方で、過剰に炉内圧力を高くすると、カソード蒸発源から発生した金属イオンが合金部材表面に十分に到達しにくくなるため、炉内圧力は2~15Paとすることが望ましい。より好ましくは炉内圧力が5~8Paである。このように、PVD法を用いて、適切な条件を選定することで、高融点のハイエントロピー合金を均質な組成で基材上に成膜することができる。
(Film forming conditions)
The cathode arc method of the PVD method is a technology in which arc discharge is generated in a cathode evaporation source with a target alloy installed in the cathode part, and the target alloy is ionized and formed into a film. It consists of arc spots. When using an alloy containing high melting point elements such as Ta, W, Ti, Hf, and Zr as the target alloy, it is difficult to stably maintain the arc spot on the target alloy during film formation because the alloy itself has a high melting point. becomes important. In order to stably generate and maintain an arc spot in a high-melting point material, high electrical energy is required for the arc spot, and for this purpose, the average magnetic flux density on the target alloy must be controlled by a low magnetic field of 5 mT or less. Preferably, a cathode evaporation source is used. The current value applied to the high melting point target material of the cathode evaporation source is preferably 100 A or more, more preferably 150 A or more. During film formation, gases such as nitrogen and argon are also introduced into the furnace. On the other hand, if the furnace pressure is increased excessively, it becomes difficult for metal ions generated from the cathode evaporation source to sufficiently reach the surface of the alloy member, so it is desirable that the furnace pressure is 2 to 15 Pa. More preferably, the pressure inside the furnace is 5 to 8 Pa. In this way, by using the PVD method and selecting appropriate conditions, it is possible to form a film of a high-melting point, high-entropy alloy with a homogeneous composition on a base material.

[用途・製造物]
本発明の被覆部材を用いた用途や製造物は特に限定しない。製造方法を適宜選択して、用途に応じた機械的特性、耐摩耗性、耐溶損性を得ることができる。
[Applications/Products]
There are no particular limitations on the uses or products using the coated member of the present invention. By appropriately selecting the manufacturing method, it is possible to obtain mechanical properties, wear resistance, and erosion resistance depending on the application.

用途の一例として、アルミニウム合金、亜鉛合金などの溶湯に対する耐溶損性や耐融着性と機械強度を十分に備え、耐カジリ性に優れた金型部材や、耐摩耗性や耐カジリ性に優れたプレス金型、鍛造金型、押し出し成形に使用するマンドレル、伸線加工に使用する引き抜きダイス、アルミニウム合金同士やアルミニウムと鋼板の摩擦撹拌接合に用いる回転工具等を得ることができる。 Examples of applications include mold parts that have sufficient corrosion resistance, adhesion resistance, and mechanical strength against molten metals such as aluminum alloys and zinc alloys, and have excellent galling resistance, as well as mold parts that have excellent wear resistance and galling resistance. Press dies, forging dies, mandrels used for extrusion molding, drawing dies used for wire drawing, rotary tools used for friction stir welding of aluminum alloys and aluminum and steel plates, etc.

以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. Note that the present invention is not limited to these examples.

[実験1]
(ターゲット合金の作製)
Nb、Mo、Ta、W、Ti、Hf、Zrの原料粉末を準備した。それら原料粉末は何れも化学還元法で得られた純金属粉末である。これらの原料を、表1に記載のターゲット合金組成となるように秤量し、Vミキサーによって30分間混合することで、各々の原料粉末内での複数の比重の異なる粉末原料を均一に混合した。
次いで、以下の手順で各実施例組成の合金の焼結体を作製した。混合した原料粉末をカーボン製ダイスに充填し、カーボン製パンチを用いて一軸加圧成形した。ダイスはφ110mmとした。その後、ホットプレス装置に設置し、真空中で昇温し、11MPaで加圧して、5時間保持する条件で加圧焼結を行った。焼結温度は、1430℃とした。
焼結体をカーボン製ダイスから取り出し、機械加工を経てφ100×10mm厚さの成形体となし、ターゲット合金を得た。その後、無酸素銅のバッキングプレートの上にロウ材(In)を用いてターゲット合金をボンディングし、これをPVD成膜用ターゲットとした。
[Experiment 1]
(Preparation of target alloy)
Raw material powders of Nb, Mo, Ta, W, Ti, Hf, and Zr were prepared. All of these raw material powders are pure metal powders obtained by chemical reduction methods. These raw materials were weighed so as to have the target alloy composition listed in Table 1, and mixed for 30 minutes using a V-mixer to uniformly mix a plurality of powder raw materials with different specific gravities within each raw material powder.
Next, sintered bodies of alloys having the compositions of the respective examples were produced in the following procedure. The mixed raw material powder was filled into a carbon die and uniaxially press-molded using a carbon punch. The die had a diameter of 110 mm. Thereafter, it was placed in a hot press apparatus, heated in vacuum, pressurized at 11 MPa, and subjected to pressure sintering under conditions of holding for 5 hours. The sintering temperature was 1430°C.
The sintered body was taken out from the carbon die and machined into a molded body having a diameter of 100 mm and a thickness of 10 mm to obtain a target alloy. Thereafter, a target alloy was bonded onto a backing plate of oxygen-free copper using a brazing material (In), and this was used as a target for PVD film formation.

(PVD成膜工程)
まず合金基材として、SKD相当材である45HRCのDAC(日立金属株式会社製、DACは登録商標)を準備した。成膜装置はアークイオンプレーティング装置(AIP-S20、神戸製鋼株式会社製)を用い、成膜兼金属イオンボンバード用ターゲットとしてCrを、硬質成分用ターゲットとして、前記PVD成膜用ターゲットを準備した。基材に硬質皮膜を成膜する前に、基材の表面を研磨して平均粗さRa=0.05μm、Rz=0.1μmとしてから脱脂洗浄した後、基材ホルダーに固定した。
(PVD film formation process)
First, 45HRC DAC (manufactured by Hitachi Metals, Ltd., DAC is a registered trademark), which is a material equivalent to SKD, was prepared as an alloy base material. The film forming apparatus used was an arc ion plating apparatus (AIP-S20, manufactured by Kobe Steel Corporation), and Cr was used as a target for film forming and metal ion bombardment, and the above-mentioned PVD film forming target was prepared as a target for hard components. . Before forming a hard film on the base material, the surface of the base material was polished to an average roughness of Ra=0.05 μm and Rz=0.1 μm, and then degreased and cleaned, and then fixed to a base material holder.

そして、チャンバーに設置された加熱用ヒーターにより、基材を500℃付近に加熱し、50分間保持した。次に、Arガスを導入し、基材には-200Vのバイアス電圧を印加し、20分間のプラズマクリーニング処理(Arイオンエッチング)を行った。続いて、基材に印加するバイアス電圧を-800Vに変更して、約20分間Arイオンエッチングを行った。 Then, the base material was heated to around 500° C. using a heating heater installed in the chamber and held for 50 minutes. Next, Ar gas was introduced, a bias voltage of -200V was applied to the substrate, and plasma cleaning treatment (Ar ion etching) was performed for 20 minutes. Subsequently, the bias voltage applied to the base material was changed to -800V, and Ar ion etching was performed for about 20 minutes.

続いて成膜条件やイオンエッチング条件等を調整し、本発明例を作製した。前記PVD成膜用ターゲットを電磁コイルの配置されたカソード(ノーマルカソード)に設置した。
成膜条件のうち、基材温度を500℃、反応ガスを窒素、基材のバイアス電圧を-100Vに設定し、圧力は5.0~10.0Pa、放電電流は100~160Aの範囲から成膜に適した値を選択して、基材表面上に約3~4μmの膜厚狙いで30分間成膜した。
Subsequently, film forming conditions, ion etching conditions, etc. were adjusted to produce an example of the present invention. The PVD film forming target was placed on a cathode (normal cathode) on which an electromagnetic coil was arranged.
Among the film forming conditions, the substrate temperature was set at 500°C, the reaction gas was nitrogen, the substrate bias voltage was set at -100V, the pressure was set in the range of 5.0 to 10.0 Pa, and the discharge current was in the range of 100 to 160 A. A value suitable for the film was selected, and the film was formed on the surface of the substrate for 30 minutes, aiming for a film thickness of about 3 to 4 μm.

表1に実施例と比較例の成膜条件と、カソード蒸発源への放電印加時の状況を示す。また、参考例として、成膜できなかった際の成膜条件も示している。表1の各項目の詳細は以下に示す。
ターゲット合金組成:使用したターゲット合金の組成を示す。
融点:Thermo-Calcを用いた計算状態図から算出した融点を示す。
圧力:成膜時の装置内圧力を示す。
アーク電流:成膜時のアーク電流値を示す。
アーク電圧:各成膜条件において、カソード蒸発源にかかるアーク電圧値を示す。
ワーク温度:成膜時の反応熱などで昇温する被覆基材自体の実温度を示す。制御パラメータ上では、ヒーター加熱温度は450℃に制御している。
成膜可否:成膜の可否を示す。実施例および比較例は成膜に成功した条件であり、成膜できなかった条件は参考例としている。
放電状況:成膜中におけるアーク放電の状態を示す。
Table 1 shows the film-forming conditions of Examples and Comparative Examples and the situation when applying a discharge to the cathode evaporation source. Furthermore, as a reference example, film formation conditions when film formation could not be performed are also shown. Details of each item in Table 1 are shown below.
Target alloy composition: Indicates the composition of the target alloy used.
Melting point: Melting point calculated from a calculated phase diagram using Thermo-Calc.
Pressure: Indicates the pressure inside the device during film formation.
Arc current: Indicates the arc current value during film formation.
Arc voltage: Indicates the arc voltage value applied to the cathode evaporation source under each film forming condition.
Work temperature: Indicates the actual temperature of the coated substrate itself, which rises in temperature due to reaction heat during film formation. Regarding the control parameters, the heater heating temperature is controlled at 450°C.
Possibility of film formation: Indicates whether film formation is possible. Examples and comparative examples are conditions under which film formation was successful, and conditions under which film formation was not possible are used as reference examples.
Discharge status: Indicates the status of arc discharge during film formation.

表1より、実施例は全て融点が2000℃以上と、従来材組成の比較例と比べても高融点であることがわかる。また、実施例2、4および6は成膜には成功したもののアーク放電が不安定であった。従って、ワーク温度については測定できたものを記載している。 From Table 1, it can be seen that all of the Examples had melting points of 2000° C. or higher, which were higher melting points than comparative examples with conventional material compositions. Further, in Examples 2, 4, and 6, although film formation was successful, arc discharge was unstable. Therefore, the workpiece temperatures that could be measured are listed.

図1にターゲット材の融点と、アーク放電時のカソード蒸発源にかかるアーク電圧値の関係を示す。実施例および比較例共に、ターゲット合金の融点が高くなるに伴い、カソード蒸発源におけるアーク放電の安定維持に要するアーク電圧値が高くなる。実施例は全て融点が2000℃以上である、高融点なターゲット合金であり、制御するアーク電流値が低いと、アークスポットの維持に必要な電気エネルギーが不足し、その結果アーク放電が不安定もしくは放電不可となる傾向となった。よって、高融点ターゲット材へのアーク放電には高電流値での印加が安定する。具体的には150A以上が好ましい。 Figure 1 shows the relationship between the melting point of the target material and the arc voltage applied to the cathode evaporation source during arc discharge. In both Examples and Comparative Examples, as the melting point of the target alloy increases, the arc voltage value required to maintain stable arc discharge at the cathode evaporation source increases. All of the examples are high melting point target alloys with melting points of 2000°C or higher, and if the arc current value to be controlled is low, the electrical energy required to maintain the arc spot will be insufficient, resulting in unstable or unstable arc discharge. There was a tendency for discharge to become impossible. Therefore, application of a high current value is stable for arc discharge to the high melting point target material. Specifically, 150A or more is preferable.

(硬質被膜の各種特性の測定)
上記の各成膜条件で被覆した硬質皮膜について各種物性を測定した。表2に各物性値を示す。ここで、実施例2、4および6は前述の通りアーク放電が不安定であった。従って、各物性について測定できたものを記載している。
(Measurement of various properties of hard coating)
Various physical properties were measured for the hard coating coated under each of the above film forming conditions. Table 2 shows each physical property value. Here, in Examples 2, 4, and 6, the arc discharge was unstable as described above. Therefore, what was able to be measured for each physical property is described.

(成膜レート)
成膜レートは単位時間当たりの成膜厚さであり、成膜レートが高いほど目的の硬質皮膜を得られるまで時間が短縮できるので好ましい。
各成膜条件にて30分間の放電にて作製した皮膜について、カロテスター(CALOTESTER:CSM社製)を用いて膜厚を測定し、成膜レート(μm/min)として算出した。
図2に成膜レートとアーク電圧の関係図を示す。実施例の高融点ターゲット合金を用いて形成した窒化皮膜は、比較例のCrNやTiNやAlCrNに比べて成膜レートが速い。また図2より、成膜レートがアーク電圧値の増加に比例して高くなっていることが読み取れる。すなわち、実施例のターゲット合金は比較例よりも高融点であることからアーク放電に必要なアーク電圧も高くなり、それに伴って成膜レートも高くなっている。したがって、高融点なターゲット合金を用いた本発明は、成膜レートの改善にも有効であると推察される。
(film formation rate)
The film-forming rate is the film-forming thickness per unit time, and a higher film-forming rate is preferable because the time required to obtain the desired hard coating can be shortened.
The film thickness was measured using a CALOTESTER (manufactured by CSM) for the film produced by discharging for 30 minutes under each film-forming condition, and calculated as a film-forming rate (μm/min).
FIG. 2 shows a diagram of the relationship between film formation rate and arc voltage. The nitride film formed using the high melting point target alloy of the example has a faster film formation rate than that of CrN, TiN, and AlCrN of the comparative example. Furthermore, from FIG. 2, it can be seen that the film formation rate increases in proportion to the increase in arc voltage value. That is, since the target alloy of the example has a higher melting point than that of the comparative example, the arc voltage required for arc discharge is also higher, and the film formation rate is also higher accordingly. Therefore, it is presumed that the present invention using a target alloy with a high melting point is effective in improving the film formation rate.

(ドロップレット面積率および数量)
ドロップレットはカソード蒸発源から発生し、硬質皮膜に不可避的に混入する溶融粒のことであり、面粗さを劣化させるのでドロップレットの面積率および数量は低いことが好ましい。
各成膜条件にて被覆した皮膜の表面を、レーザー顕微鏡の500倍の倍率で観察し、その視野内におけるドロップレットの球状を画像解析ソフト用いて検出した後、ドロップレットの面積を観察視野の面積(210.93μm×281.33μm)で割ったドロップレット面積率と、視野内のドロップレットの数量を算出した。
図3にアーク電圧とドロップレットの数量の関係図を示す。実施例において、成膜後に皮膜表面に残存するドロップレットは、比較例より少なくなる傾向になることがわかり、特にドロップレット数量の点では比較例より大きく改善が認められた。また図3より、ドロップレット数量がアーク電圧値の増加に比例して少なくなっていることが読み取れる。すなわち、実施例のターゲット合金は比較例よりも高融点であることからアーク放電に必要なアーク電圧も高くなり、それに伴ってドロップレット数量も少なくなっている。したがって、高融点なターゲット合金を用いた本発明は、ドロップレット数量の改善が期待できる。
(Droplet area ratio and quantity)
Droplets are molten particles generated from the cathode evaporation source and inevitably mixed into the hard coating, and since they deteriorate the surface roughness, it is preferable that the area ratio and number of droplets are low.
The surface of the film coated under each film formation condition was observed at 500x magnification using a laser microscope, and the spherical shape of the droplets within the field of view was detected using image analysis software. The droplet area ratio divided by the area (210.93 μm×281.33 μm) and the number of droplets within the visual field were calculated.
Figure 3 shows a diagram of the relationship between arc voltage and the number of droplets. In the Examples, it was found that the number of droplets remaining on the film surface after film formation tended to be smaller than in the Comparative Examples, and in particular, a large improvement was observed in terms of the number of droplets compared to the Comparative Examples. Moreover, from FIG. 3, it can be seen that the number of droplets decreases in proportion to the increase in the arc voltage value. That is, since the target alloy of the example has a higher melting point than that of the comparative example, the arc voltage required for arc discharge is also higher, and the number of droplets is accordingly smaller. Therefore, the present invention using a target alloy with a high melting point can be expected to improve the number of droplets.

図4に各皮膜の表面観察写真とドロップレット解析像を示す。ドロップレットの発生原因は、カソード蒸発源からアーク放電により金属イオンを発生させる際、イオン化せずに金属溶融粒として発生した粒子が皮膜内に含有することである。例えばAlダイカスト分野において被覆金型をAl溶湯に浸漬した場合、この皮膜中のドロップレットが優先的にAlと反応し、被覆金型のAl溶損を引き起こすことが知られている。また、ドロップレット自体は皮膜にとって欠陥であり、皮膜密度が低下することからもAl溶損の原因にもつながると考えられる。比較例に対して、実施例はドロップレットが少なく、かつ、高融点ターゲット材を出発原料としているため皮膜内に発生するドロップレット自体の融点も高い。よって、実施例は耐Al、ZnまたはFe溶損性や耐反応性に優れる窒化物皮膜であると期待できる。 Figure 4 shows surface observation photographs and droplet analysis images of each film. The cause of droplets is that when metal ions are generated by arc discharge from a cathode evaporation source, particles generated as molten metal particles without being ionized are contained in the coating. For example, in the field of Al die casting, when a coated mold is immersed in molten Al, it is known that droplets in this film preferentially react with Al, causing Al melt loss of the coated mold. In addition, the droplets themselves are a defect in the film, and since the film density decreases, it is thought that this also leads to Al melt loss. Compared to the comparative example, the example has fewer droplets, and since a high melting point target material is used as a starting material, the melting point of the droplets themselves generated in the film is also high. Therefore, the examples can be expected to be nitride films with excellent resistance to Al, Zn, or Fe erosion and reaction resistance.

(硬さおよびヤング率)
本発明における硬質皮膜は耐摩耗性を得る上で、硬さおよびヤング率が高いことが好ましい。
硬さおよびヤング率は、超微小硬度計(ナノインデンテーション)を用い、各実施例の被覆部材の表面に対して荷重10mNにて測定し、15点測定した平均から算出した。
図5に各皮膜のナノインデンテーション測定値を示す。図5より、本発明の硬さは33.30~39.60GPaと、一般的な窒化皮膜であるTiNやAlCrNなどと比べても、著しい高硬度を有する。また、それに応じてヤング率も高くなる傾向が読み取れる。Alダイカストでの使用環境下ではAl溶湯との接触時に皮膜の摩滅も懸念事項となるため、実施例のような高硬度皮膜は耐摩耗性の点でも有効な手段となる。
(hardness and Young's modulus)
The hard coating in the present invention preferably has high hardness and Young's modulus in order to obtain wear resistance.
The hardness and Young's modulus were measured using an ultra-microhardness meter (nanoindentation) on the surface of the coated member of each example under a load of 10 mN, and were calculated from the average of 15 measurements.
Figure 5 shows the nanoindentation measurements of each film. From FIG. 5, the hardness of the present invention is 33.30 to 39.60 GPa, which is significantly higher than that of general nitride films such as TiN and AlCrN. Furthermore, it can be seen that the Young's modulus tends to increase accordingly. Under the usage environment of Al die-casting, wear of the film upon contact with molten Al is also a concern, so a high hardness film like the one in the example is an effective measure in terms of wear resistance.

(残留圧縮応力)
残留圧縮応力が存在していると耐疲労性や耐摩耗性が向上することから、残留圧縮応力は大きいことが好ましい。
10mm×24mm×1mmの超硬製板状基材(EW07)に各成膜条件にて被覆し、Stoney-Hoffman式に基づき、板状基材のたわみ量や他物性値から皮膜の残留圧縮応力を算出した。
図6に各皮膜の残留圧縮応力と皮膜硬さの関係図を示す。実施例はいずれも高い残留圧縮応力を有しており、その値は皮膜硬さとも相関があることから、実施例の皮膜の高硬度化の要因の一つとして、残留圧縮応力が寄与していると考えられる。
(Residual compressive stress)
Since the presence of residual compressive stress improves fatigue resistance and wear resistance, it is preferable that the residual compressive stress is large.
A 10 mm x 24 mm x 1 mm carbide plate-like substrate (EW07) was coated under each film formation condition, and the residual compressive stress of the film was calculated from the amount of deflection and other physical properties of the plate-like substrate based on the Stoney-Hoffman formula. was calculated.
FIG. 6 shows a diagram of the relationship between residual compressive stress and film hardness for each film. All of the examples have high residual compressive stress, and this value is also correlated with the hardness of the coating, so residual compressive stress is one of the factors contributing to the high hardness of the coating of the examples. It is thought that there are.

図7に各本発明の皮膜破断面の走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)による観察結果(左:SEM像、右:反射電子像)を示す。比較的平滑な破面形態を示していることから、膜内の組織が均質であり、脆性的な特性を有する粒界の影響が小さいことが示唆されている。これは安定した摩耗に寄与する。 FIG. 7 shows the observation results of the fractured surface of each film of the present invention using a scanning electron microscope (SEM) (left: SEM image, right: backscattered electron image). The relatively smooth fracture surface morphology suggests that the structure within the film is homogeneous and that the influence of grain boundaries, which have brittle characteristics, is small. This contributes to stable wear.

(皮膜組成の測定)
形成した硬質皮膜の化学組成を確認するために、EPMAによって硬質皮膜の化学組成を測定した。
図8にEPMAによる各実施例の皮膜組成の定量分析結果を示す。定量分析は検出器に波長分散型X線分光器(Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer:WDS)を用いた。各金属成分はターゲット組成と同等であり、およそ等モルで含有していることを確認した。また、Nの含有量が約40at%であり、金属成分の割合が高いことがわかる。
前述の皮膜硬さにおいて、実施例の硬さが従来材の硬質皮膜と比較して著しく高いことが分かったが、これは実施例の硬質皮膜が金属的性質を有すること、及び各金属元素をおよそ等モルで含有するハイエントロピー組成であることも理由の一つであると推察される。
(Measurement of film composition)
In order to confirm the chemical composition of the formed hard film, the chemical composition of the hard film was measured by EPMA.
FIG. 8 shows the results of quantitative analysis of the film composition of each example by EPMA. For quantitative analysis, a wavelength dispersive X-ray spectrometer (WDS) was used as a detector. It was confirmed that each metal component was the same as the target composition, and was contained in approximately equimolar amounts. Further, it can be seen that the N content is about 40 at%, and the proportion of metal components is high.
Regarding the film hardness mentioned above, it was found that the hardness of the example was significantly higher than that of the conventional material, but this was because the hard film of the example had metallic properties and that each metal element was It is presumed that one of the reasons is that it has a high entropy composition containing approximately equimolar amounts.

(硬質皮膜の結晶構造)
形成した硬質皮膜の結晶構造を確認するためにXRD測定を行った。図9に各実施例のXRDの評価結果を示す。いずれも面心立方構造のみで構成されており、主には(111)面配向であることを確認した
また、表3にXRDの回析ピークから算出した、(111)面および(200)面に配向した結晶粒の情報を示す。表3において、2θは図9におけるピーク位置、dは格子面間隔、aは格子定数、FWHMは2θにおけるピークの半値幅、結晶粒径はScherrer式に基づいてFWHMから算出した結晶粒径、配向比率は(111)面または(200)面に配向した結晶粒の割合を示す。
表3より、結晶粒径は(200)面配向の結晶粒において6.27nm~8.95nmであり、結晶粒は従来材よりも微細であると判断できる。
また、図10に結晶粒径と皮膜硬さの関係図を示す。図10より、結晶粒径と皮膜硬さの間には相関が認められ、本発明の皮膜の高硬度化には、先述の残留圧縮応力以外にも結晶粒微細化も寄与していると考えられる。
(Crystal structure of hard coating)
XRD measurement was performed to confirm the crystal structure of the formed hard film. FIG. 9 shows the XRD evaluation results of each example. All of them were confirmed to have only a face-centered cubic structure, and were mainly oriented in the (111) plane. Table 3 also shows the (111) and (200) planes calculated from the XRD diffraction peaks. Information on crystal grains oriented in In Table 3, 2θ is the peak position in FIG. 9, d is the lattice spacing, a is the lattice constant, FWHM is the half width of the peak at 2θ, and the crystal grain size is the crystal grain size and orientation calculated from FWHM based on the Scherrer formula. The ratio indicates the proportion of crystal grains oriented in the (111) plane or the (200) plane.
From Table 3, the crystal grain size is 6.27 nm to 8.95 nm for crystal grains oriented in the (200) plane, and it can be judged that the crystal grains are finer than those of the conventional material.
Further, FIG. 10 shows a relationship diagram between crystal grain size and film hardness. As shown in Figure 10, there is a correlation between the crystal grain size and film hardness, and it is thought that grain refinement, in addition to the residual compressive stress mentioned above, also contributes to the high hardness of the film of the present invention. It will be done.

(硬質皮膜の表面状態)
図11に、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)による実施例5の皮膜断面の高倍率観察結果(TEM像)を示す。分析位置1に存在する黒色相がA相、分析位置2に存在する白色相がB相であり、各相は20μm程度で交互に組成傾斜を繰り返しながら成膜されていることが確認できた。
また、表4に図11中の分析位置1および2における組成分析結果を示す。組成分析にはTEMに付設のエネルギー分散型蛍光X線(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:EDS)検出器を用いた。表4より、分析位置1のA相は、NbやTi、Zrといった、皮膜内の他の金属元素に比べて原子量の小さい元素を多く含む。一方で、分析位置2のB相は、TaやHfといった、皮膜内の他の金属元素に比べて原子量の大きい元素を多く含むことが分かった。
また、図12に、図11と同視野内における各相を含めての電子線回折結果を示す。回折スポットが複数現れているため、微結晶で構成されており、基材から表面近傍にかけて、一様な組織を呈していることが確認できた。
(Surface condition of hard coating)
FIG. 11 shows a high-magnification observation result (TEM image) of a cross section of the film of Example 5 using a transmission electron microscope (TEM). It was confirmed that the black phase present at analysis position 1 was phase A, and the white phase present at analysis position 2 was phase B, and that each phase was formed with a thickness of about 20 μm while alternating compositional gradients.
Further, Table 4 shows the composition analysis results at analysis positions 1 and 2 in FIG. For the compositional analysis, an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) detector attached to the TEM was used. From Table 4, the A phase at analysis position 1 contains many elements such as Nb, Ti, and Zr, which have smaller atomic weights than other metal elements in the film. On the other hand, it was found that the B phase at analysis position 2 contains many elements with larger atomic weights than other metal elements in the film, such as Ta and Hf.
Further, FIG. 12 shows the electron beam diffraction results including each phase within the same field of view as in FIG. 11. Since multiple diffraction spots appeared, it was confirmed that the material was composed of microcrystals and exhibited a uniform structure from the base material to the vicinity of the surface.

実施例5の硬質皮膜が図11に示すような表面組織を呈する理由は判明していないが、成膜条件にあると推察される。実施例のターゲット合金はハイエントロピー合金であり、非平衡組成が相分離しないように皮膜を形成するには、カソードアーク方式のように気体プラズマを合金基材表面に付着させることで成膜する方法が有効である。しかし、その成膜条件は非常にシビアであることから、実施例5は非平衡組織が相分離した結果、図11のような表面組織を有するに至ったと推察される。 Although the reason why the hard coating of Example 5 exhibits the surface structure shown in FIG. 11 is not clear, it is presumed that it is due to the film forming conditions. The target alloy in the example is a high-entropy alloy, and in order to form a film so that the non-equilibrium composition does not undergo phase separation, it is possible to form a film by attaching gas plasma to the surface of the alloy base material, such as the cathode arc method. is valid. However, since the film forming conditions were very severe, it is presumed that Example 5 had a surface structure as shown in FIG. 11 as a result of phase separation of the non-equilibrium structure.


Claims (9)

合金基材の表層部に硬質皮膜を有する被覆部材であり、
前記硬質皮膜は、NbおよびMoからなる第1元素群のうち少なくとも一種および、Ta、W、Ti、HfおよびZrからなる第2元素群のうち少なくとも二種の元素を含み、前記第1元素群および前記第2元素群の元素の合計が100原子%としたとき、各元素の含有量はそれぞれ5~35原子%であることと、
前記硬質皮膜の結晶構造は、面心立方構造であることと、
前記硬質皮膜中のすべての元素の含有率の合計を100原子%としたとき、O、N、Cを合計で30原子%以上50原子%未満含有することと、
を特徴とする被覆部材。
A coated member having a hard coating on the surface layer of an alloy base material,
The hard coating contains at least one element from the first element group consisting of Nb and Mo and at least two elements from the second element group consisting of Ta, W, Ti, Hf and Zr, and and when the total of the elements of the second element group is 100 atomic %, the content of each element is 5 to 35 atomic %,
The crystal structure of the hard coating is a face-centered cubic structure;
When the total content of all elements in the hard coating is 100 at%, the total content of O, N, and C is 30 at% or more and less than 50 at%;
A covering member characterized by:
前記硬質皮膜は、TiまたはZrのうち少なくとも一種類を含むA相と、Mo、Ta、Hf、Wのうち少なくとも一種類を含むB相とを備えることを特徴とする、請求項1に記載の被覆部材。 The hard coating according to claim 1, characterized in that the hard coating comprises an A phase containing at least one type of Ti or Zr, and a B phase containing at least one type of Mo, Ta, Hf, and W. Covering member. 前記硬質皮膜において、窒素含有量が前記A相よりも前記B相の方が高いことを特徴とする、請求項2に記載の被覆部材。 The coated member according to claim 2, wherein in the hard coating, the nitrogen content is higher in the B phase than in the A phase. 前記硬質皮膜において、前記A相と前記B相が交互に配置されており、各々の組成が連続的に変化していることを特徴とする、請求項2または3に記載の被覆部材。 4. The coated member according to claim 2, wherein in the hard coating, the A phase and the B phase are arranged alternately, and the composition of each phase changes continuously. 前記合金基材表面と前記硬質皮膜との間に、Nb、Mo、Ta、W、Ti、Hf、Zrから選択される元素の少なくとも3種を含む中間層を有することを特徴とする、請求項1~4いずれか一項に記載の被覆部材。 Claim characterized in that an intermediate layer containing at least three elements selected from Nb, Mo, Ta, W, Ti, Hf, and Zr is provided between the surface of the alloy base material and the hard coating. The covering member according to any one of items 1 to 4. 前記硬質皮膜の硬さは20GPa以上であることを特徴とする、請求項1~5のいずれか一項に記載の被覆部材。 The coated member according to any one of claims 1 to 5, wherein the hard coating has a hardness of 20 GPa or more. 合金基材の表層部に硬質皮膜を有する被覆部材の製造方法であって、
NbおよびMoからなる第1元素群のうち少なくとも一種および、Ta、W、Ti、HfおよびZrからなる第2元素群のうち少なくとも二種の元素を含み、前記第1元素群および前記第2元素群の元素の合計が100原子%としたとき、各元素の含有量がそれぞれ5~35原子%であるターゲット合金を作製する工程と、
前記ターゲット合金を用いて、前記合金基材表面に前記硬質皮膜を成膜する工程と、
を有することを特徴とする、被覆部材の製造方法。
A method for manufacturing a coated member having a hard coating on the surface layer of an alloy base material, the method comprising:
At least one element from the first element group consisting of Nb and Mo and at least two elements from the second element group consisting of Ta, W, Ti, Hf and Zr, the first element group and the second element A step of producing a target alloy in which the content of each element is 5 to 35 at% when the total of the group elements is 100 at%;
forming the hard coating on the surface of the alloy base material using the target alloy;
A method for manufacturing a covered member, comprising:
前記硬質皮膜を成膜する方法にPVD法を用いることを特徴とする、請求項7に記載の被覆部材の製造方法。 8. The method for manufacturing a coated member according to claim 7, wherein a PVD method is used for forming the hard coating. 前記ターゲット合金の融点が2000℃以上のとき、カソード蒸発源の前記ターゲット合金に印加する電流値を100A以上とすることを特徴とする、請求項7または8に記載の被覆部材の製造方法。

The method for manufacturing a coated member according to claim 7 or 8, characterized in that when the melting point of the target alloy is 2000° C. or higher, a current value applied to the target alloy of the cathode evaporation source is set to 100 A or higher.

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