JP3765474B2

JP3765474B2 - Ｃｒ合金ターゲット材およびその製造方法ならびに皮膜コーティング方法

Info

Publication number: JP3765474B2
Application number: JP2001346804A
Authority: JP
Inventors: 謙一井上
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: JP2002212707A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空蒸着用のターゲット材に関するものであり、特にはアークイオンプレーティング法によるコーティングの際の蒸発源として有効なＣｒ合金ターゲット材およびその製造方法と、そのターゲット材による皮膜コーティング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
摺動部品、切削工具、金型等の表面に耐摩耗性、耐焼付き性の向上を目的として、例えばその窒化膜や炭窒化膜、酸窒化膜といったＣｒ系硬質皮膜が適用されている。Ｃｒ系硬質皮膜のコーティングには、蒸発源としてＣｒ系合金ターゲット材を使用し、前述のアークイオンプレーティング法を適用することが一般的である。
【０００３】
イオンプレーティング法の１種であるアークイオンプレーティング法は、減圧した反応ガス雰囲気中において、皮膜の原料となるターゲット材をアーク放電にて瞬時に溶解、イオン化し、負に印可した被処理材に付着させ皮膜を形成する方法である。アークイオンプレーティング法は、電子銃等を用いたイオンプレーティング法に比べ、蒸発金属のイオン化率が高いため、密着力に優れた皮膜が得られることから、現在ではその適用量が増加している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
成膜に使用する際、アークイオンプレーティング用ターゲット材に要求される特性は、異常放電が発生しないこと、局部的な溶融が生じないこと、強度および靭性不足により割れ等の破損が生じないことである。
【０００５】
成膜中の異常放電は、ターゲット材上のアーク放電が度々失火する現象として認められるが、これにより成膜が断続的となるため、得られる皮膜の厚みが不均一になったり、皮膜の密度を部分的に低下させ、皮膜の性能は著しく劣化する。
【０００６】
また、ターゲット材表面の局部溶融は、ドロップレットと呼ばれるマイクロパーティクル量の増加や、皮膜組成を不均一にさせるため、同様に皮膜の性能は著しく劣化する。また、異常放電と局部溶融は、ターゲット材の寿命を極端に低下させる原因にもなる。
【０００７】
さらに、前述したようにアークイオンプレーティング法では、アーク放電によりターゲット材表面は溶融するほど加熱されるため、ターゲット材には大きな熱応力が発生する。この時、強度や靭性の低いターゲット材の場合ではクラックが生じ、異常放電や局部溶融といった不具合が発生するだけでなく、場合によってはターゲット材が破損することがある。ターゲット材の破損は、最悪の場合、その裏側に位置する水冷カソード部をも破損させ、冷却水が装置内に流出するという大事故につながる。したがって、ターゲット材の強度、靭性はこのような熱応力に耐えることが可能な値が要求される。
【０００８】
上記不具合現象は、純Ｃｒターゲット材使用時においては、ほとんど発生することがないものの、添加元素としてＳｉ等をターゲット材に含有させた場合、異常放電や局部溶融といった不具合が頻繁に発生する。そのため、従来はＳｉを含むＣｒ合金ターゲット材は実験的に使用が可能であっても、工業製品としての量産には適用できなかった。
【０００９】
本発明はこうした事情に着目してなされたものであって、Ｃｒ合金ターゲット材に関し、局部溶融の発生が少なく、安定した放電特性が得られ、かつ長寿命であるＣｒ合金ターゲット材およびその製造方法を提供することを目的とする。そして、これら技術を利用することにより、例えば摺動部品、切削工具、金型等の表面への最適なＣｒ系硬質皮膜のコーティング技術として、その有効な皮膜コーティング方法を確立するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、Ｓｉを含むＣｒ合金ターゲット材における異常放電、局部溶融の原因について検討を行った結果、ターゲット材組織中に存在する未反応の純Ｓｉ相、ターゲット材構成元素からなる金属間化合物相を一定範囲内で存在させることで、異常放電、局部溶融が抑制でき、真空蒸着法、特にアークイオンプレーティング用のターゲット材として安定に使用可能となることを見いだした。
【００１１】
すなわち、本発明は、ターゲット材組織中に面積率で純Ｓｉ相が５％以下、ターゲット材構成元素による金属間化合物相は、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とし、４０％以下存在するＣｒ合金ターゲット材、具体例として、ターゲット材組織中に面積率で純Ｓｉ相が５％以下、ターゲット材構成元素による金属間化合物相は、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とし、４０％以下、残部実質的にターゲット材構成元素による固溶相のＣｒ合金ターゲット材である。
【００１２】
本発明のＣｒ合金ターゲット材は、Ｓｉ：１〜４０原子％含み、残部実質的にＣｒであることが好ましい。また、皮膜の必要特性に応じて、Ｂを１〜７原子％添加することも有効である。これらにより、本発明のターゲット材は、アークイオンプレーティング用に好ましく、摺動部品、切削工具、金型のいずれかの表面コーティング用に使用することで、優れた耐摩耗性、耐焼付き性を付与できる。
【００１３】
本発明のＣｒ合金ターゲット材の製造方法は、Ｃｒ粉末とＳｉ粉末を所定比率に混合した混合粉末をＨＩＰ（熱間静水圧プレス）法またはホットプレス法のいずれかを用いて９００〜１３００℃で圧密化することである。ここで、混合粉末の比率は、Ｓｉを１〜４０原子％、残部Ｃｒの比率とすることが望ましく、さらに、Ｂ粉末を１〜７原子％添加することも有効である。
【００１４】
そして、これら技術を利用することにより、例えば摺動部品、切削工具、金型等の表面への最適なＣｒ系硬質皮膜のコーティング技術として、その有効な皮膜コーティング方法を確立した。すなわち、ターゲット材を用いた皮膜コーティング方法において、面積率で純Ｓｉ相が５％以下、ターゲット材構成元素による金属間化合物相は、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とし、４０％以下の組織であるＣｒ合金ターゲット材を使用し、アークイオンプレーティング法によってコーティングすることを特徴とする皮膜コーティング方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の重要な特徴は、特にアークイオンプレーティング法に適用して優れた成膜特性とターゲット材の耐久性を発揮し、摺動部品、切削工具、金型等に優れた耐摩耗性、耐焼付き性を付与できるターゲット材として、Ｃｒ合金ターゲット材の組織中に存在する純Ｓｉ相の面積率と金属間化合物相の面積率を規定した点である。
【００１６】
最初に、本発明のＣｒ合金ターゲット材の組織について説明する。
純Ｓｉ相の面積率は、ターゲット表面における放電の安定性と、局部溶融の発生に大きく影響する。純Ｓｉ相の面積率が５％を越えると使用中にアークが度々失火し放電が極端に不安定になる。加えて、純Ｓｉ相が優先的に溶融するため、得られる皮膜の性能が低下するのみならず、ターゲット自体の寿命も極端に短くなる。このため、上記現象を抑制するために純Ｓｉ相は面積率で５％以下に規定する。より好ましくは３％以下である。なお、本発明にいう純Ｓｉ相とは、Ｃｒと反応していないＳｉ領域を意味するものである。
【００１７】
ターゲット材を構成する元素からなる金属間化合物相は、上記純Ｓｉ相の減少にしたがって増加する。本発明のＣｒ合金ターゲットにおいては、ＣｒＳｉ_２、ＣｒＳｉ、Ｃｒ_３Ｓｉといった比較的脆い金属間化合物が主体となり、これらの形成量が極端に増加すると、特にアークイオンプレーティング用のターゲット材としては使用できなくなる。仮に、純Ｓｉ相が本発明の規定範囲内であっても、上記金属間化合物を主体とする相の面積率が４０％を越えると、ターゲット材の強度、靭性が極端に不足し、使用中にクラックや割れが発生し、放電を不安定にする原因となる。そのため、ターゲット材構成元素からなる金属間化合物相は、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とし、面積率で４０％以下と規定した。より好ましくは、３０％以下である。
【００１８】
なお、本発明のＣｒ合金ターゲット材は、目的とする異常放電や局部溶融、そしてターゲット材自身の破損を抑制するにおいて、その組織中の純Ｓｉ相と金属間化合物相を上記の面積率に規制すれば効果が発揮され、これら規制される以外の相については別段の規定を要するものではない。組織中の純Ｓｉ相と金属間化合物相を規制する本発明の場合、残部はこれら相以外の、実質的にターゲット材構成元素による固溶相（合金相）で構成され、これは上記特性の低下を抑制するにおいても望ましい。
【００１９】
次に、本発明のＣｒ合金ターゲット材の組成について説明する。
Ｓｉは、例えばアークイオンプレーティングのような成膜方法によって得られる硬質皮膜の耐酸化性の向上、高硬度化に効果を示す元素である。その添加量は１〜４０原子％であることが好ましい。１％未満では上記効果が顕著に得られず、４０原子％を越えて添加すると皮膜の密着力が劣化してしまう。そのためＳｉ添加量は１〜４０原子％が好ましい。さらに好ましくは２〜３０原子％である。
【００２０】
Ｂは、例えばアークイオンプレーティングのような成膜方法によって得られる硬質皮膜の耐焼付き性を向上させるため、必要に応じて添加が可能である。この効果を得るには、１％以上の添加が必要であるが、７％を超えて添加するとＣｒとＢからなる比較的脆い金属間化合物が多量に形成されターゲット材の靭性が劣化する。そのためＢの添加量は１〜７原子％の添加が好ましく、更に好ましくは３〜６原子％である。
【００２１】
本発明のＣｒ合金系ターゲット材は、スパッタリングに代表されるような真空蒸着法による成膜に用いることができるが、例えば摺動部品、切削工具、金型といった工具皮膜に用いる際には皮膜の密着性に優れるといった面からアークイオンプレーティング用とすることが最も好ましいものである。
【００２２】
本発明のＣｒ合金ターゲット材を製造するにあたっては、Ｃｒ粉末とＳｉ粉末、場合によってはＢ粉末を所定量に混合した混合粉末を用いてＨＩＰ法またはホットプレス法のいずれかを用いて９００〜１３００℃で圧密化することによって製造することができる。
【００２３】
この時、圧密化温度が９００℃未満では、圧密化が十分でないため、ターゲット中にミクロポア等の欠陥が多数残存してしまうことや、各元素間の反応が不十分のため、純Ｓｉ相が面積率で５％を越えて残存してしまうことから，ターゲット材使用中に異常放電や局部溶融等の不具合が発生する。逆に１３００℃を超えて圧密化すると、ターゲット材を構成する元素からなる、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とする金属間化合物相が、面積率で４０％を越えてしまい、ターゲット材が極端に脆くなり使用に耐えることができない。そのためＨＩＰ法あるいはホットプレス法による圧密化の温度は９００〜１３００℃と限定する。
【００２４】
そして、これら説明した本発明の技術を利用することにより、例えば摺動部品、切削工具、金型等の表面への最適なＣｒ系硬質皮膜のコーティング技術として、その有効な皮膜コーティング方法を確立した。すなわち、ターゲット材を用いた皮膜コーティング方法において、面積率で純Ｓｉ相が５％以下、ターゲット材構成元素による金属間化合物相は、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とし、４０％以下の組織であるＣｒ合金ターゲット材を使用し、アークイオンプレーティング法によってコーティングする皮膜コーティング方法である。なお、本発明の皮膜コーティング方法であっても、その供するターゲット材、そしてその製造方法については、本発明の条件を適用できることは言うまでもない。
【００２５】
本発明であれば、密着性および耐摩耗性、耐焼付き性に優れた皮膜を達成できることから、それら必要とされる用途に広く適用することが可能である。例えばコンプレッサー用ベーン、ピストンリングといった摺動部品や、エンドミル、ホブ、ブローチといった切削工具、冷間鍛造、板金プレス、温熱間鍛造を用途とする金型等の工具類への表面皮膜に用いることで、その効果を十分に活用できる。また、被処理材についても、本発明の上記効果はその材質にこだわらず達成されるが、例えば被処理材に工具鋼や超硬合金、サーメットを適用すれば、本発明の皮膜の特性が生かされ、また、上記の用途にも適するものである。
【００２６】
工具鋼の場合、例えばＪＩＳＧ４４０１（炭素工具鋼鋼材）やＪＩＳＧ４４０３（高速度工具鋼鋼材）、ＪＩＳＧ４４０４（合金工具鋼鋼材）にも規定されるような、質量％で３．０％以下のＣを含む鋼を基に適宜Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｃｏ等を選択含有せしめた材質であるが、その指定される用途も合わせ、摺動部品、切削工具、金型等に適用される材質を含むものである。特に高速度工具鋼鋼材といった、Ｃ：０．５０〜１．８０％，Ｃｒ：３．５〜５．５％を含む鋼に適宜Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｃｏ等を選択含有せしめた材質は、超硬合金とともに、切削工具に好ましい。
【００２７】
【実施例】
次に実施例に基づき詳細に説明するが、本発明は下記実施例によって限定を受けるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更が可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００２８】
（実施例１）
Ｃｒ粉末（平均粒径７５μｍ）、Ｓｉ粉末（平均粒径１５０μｍ）およびＢ粉末（平均粒径５μｍ）を用い、表１に示すターゲット材組成と同様の原子量比にそれぞれ調整しＶ型混合機により混合紛を作製した後、鋼製の容器に充填しこれを表１記載の条件にてＨＩＰ処理し圧密化した。
【００２９】
得られた成形品より機械加工によって、組織評価用の１５ｍｍ×１５ｍｍ×厚み１０ｍｍのブロックサンプルと、放電特性および皮膜の密着力を調査する目的でφ１００ｍｍ×厚み１４ｍｍ、底面はφ１０５×厚み２ｍｍの固定用つばがついたターゲット材を削り出した。ターゲット材の組成を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
ブロックサンプルについては、Ｘ線マイクロアナライザーによりＣｒ、Ｓｉ、Ｂの面分析を行い、純Ｓｉ相ならびにターゲット材構成元素からなる、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とする金属間化合物相を特定し、画像解析によってそれらの面積率を算出した。なお、純Ｓｉ相、金属間化合物相以外の部分は、ターゲット材構成元素による固溶相であった。ここで、本発明のターゲット材Ｎｏ．４を観察した光学顕微鏡組織写真を図１に示しておく。灰色の部分が金属間化合物相、白い部分が固溶相である。なお、純Ｓｉ相は非常に微細で少量なため、この写真から観察することはできなかった。
【００３２】
一方、ターゲット材はアークイオンプレーティング装置の水冷カソードへ装着し、実際に成膜を行い評価した。この時、被処理材としてＳＫＨ５１（硬さ６０ＨＲＣ）を使用し、始めに１×１０^−３Ｐａまで真空引きし、５００℃に加熱、３０分間保持した後、Ａｒ雰囲気中１．０Ｐａの圧力にし、被処理材のＢｉａｓ電圧：−４００Ｖで３０分間、Ａｒイオンによる被処理材の表面の洗浄を行った後、Ｎ_２雰囲気中、圧力：３．０Ｐａ、ターゲット材のアーク電流：１００Ａ、被処理材のＢｉａｓ電圧：−１００Ｖにて７０分の条件で窒化膜の成膜を行った。
【００３３】
放電特性については、ターゲット材上でアーク放電が失火した回数を測定し、局部溶融については成膜終了後のターゲット材表面の状態より評価した。また得られた皮膜の密着力については、引っ掻き試験機を用いて皮膜の剥離が生じた荷重で評価を行った。ターゲット材組織、ターゲット材の使用状態、皮膜の評価結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】

【００３５】
表２より明らかなように、純Ｓｉ相ならびに金属間化合物相の面積率が本発明の範囲を外れるターゲット材については、７０分の成膜中に４０回以上の異常放電が発生し、アーク放電が失火した。なお、ターゲット材Ｎｏ．５５については、成膜中にアーク放電が全く安定しないため使用不可能と判断し、実験を中止した。
【００３６】
使用後のターゲット材表面を観察したところ、比較品であるターゲット材Ｎｏ．５１、５２については、純Ｓｉ相が優先的に溶融したと思われる痘痕状の外観を示し、Ｎｏ．５３、５４は、ターゲット材表面で発生したクラックにアーク放電が集中し発生したと思われる局部溶融痕が認められた。このような異常放電を伴なって成膜した皮膜は、本発明のターゲット材より得られた皮膜と比較して密着力が大幅に低下し、いずれもスクラッチ強度で５０Ｎ以下の値となった。一方、本発明のターゲット材では、いずれも比較のターゲット材に比べて異常放電ならびに局部溶融が大幅に抑制され、得られた皮膜のスクラッチ強度も著しく優れる結果となった。
【００３７】
（実施例２）
Ｃｒ粉末（平均粒径４５μｍ）、Ｓｉ粉末（平均粒径７５μｍ）およびＢ粉末（平均粒径５μｍ）を表３に示すターゲット材組成と同様の原子量比にそれぞれ調整し、Ｖ型混合機にて混合紛を作製後、プレス成形機にて予備成形体を成形し、これを表３中に示す温度にてホットプレスを用いて圧密化した。この時のプレス圧力は、いずれも１５０ＭＰａ一定とした。
【００３８】
得られた成形品は実施例１と同様に、加工ならびに評価を行った。ターゲット材の組成を同様に測定したものを表３に示す。ターゲット材組織、ターゲット材の使用状態、皮膜の評価結果を表４に示す。なお、ターゲット材の純Ｓｉ相、金属間化合物相以外の部分は、ターゲット材構成元素による固溶相であった。
【００３９】
【表３】

【００４０】
【表４】

【００４１】
表４に示すごとく、純Ｓｉ相ならび金属間化合物相の面積率が本発明の範囲にあるターゲット材Ｎｏ．１１〜１４は、ターゲット材の使用状態、皮膜のスクラッチ強度ともに良好な結果が得られた。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のＣｒ合金ターゲット材は、異常放電や局部溶融等の問題の主要因となるターゲット材組織中の純Ｓｉ相ならびに金属間化合物相の面積率を特定値以下に規定したことによって、アークイオンプレーティングにおいても安定した成膜が可能となり、得られる皮膜特性についてもバラツキが少なくなるため、安定した性能が得られるようになる。また、異常放電、局部溶融等の問題が解消したことによって、ターゲット材の寿命も大幅に改善される。これにより、例えば摺動部品、切削工具、金型等への表面皮膜のコーティングに最適なターゲット材として、供給が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＣｒ合金ターゲット材の一実施例を示す光学顕微鏡ミクロ組織写真である。

Claims

Ｓｉを含むＣｒ合金ターゲット材において、ターゲット材組織中に面積率で純Ｓｉ相が５％以下、ターゲット材構成元素による金属間化合物相は、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とし、４０％以下であることを特徴とするＣｒ合金ターゲット材。
Ｓｉを含むＣｒ合金ターゲット材において、ターゲット材組織中に面積率で純Ｓｉ相が５％以下、ターゲット材構成元素による金属間化合物相は、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とし、４０％以下、残部実質的にターゲット材構成元素による固溶相であることを特徴とするＣｒ合金ターゲット材。
Ｓｉ：１〜４０原子％、残部実質的にＣｒであることを特徴とする請求項１または２に記載のＣｒ合金ターゲット材。
Ｂを１〜７原子％を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のＣｒ合金ターゲット材。
ターゲット材はアークイオンプレーティング用であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のＣｒ合金ターゲット材。
ターゲット材は摺動部品、切削工具、金型のいずれかの表面コーティング用であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のＣｒ合金ターゲット材。
ターゲット材組織中に面積率で純Ｓｉ相が５％以下、ターゲット材構成元素による金属間化合物相は、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とし、４０％以下であるＣｒ合金ターゲット材の製造方法であって、Ｃｒ粉末とＳｉ粉末を所定比率に混合した混合粉末をＨＩＰ法またはホットプレス法のいずれかを用いて９００〜１３００℃で圧密化することを特徴とするＣｒ合金ターゲット材の製造方法。
ターゲット材組織中に面積率で純Ｓｉ相が５％以下、ターゲット材構成元素による金属間化合物相は、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とし、４０％以下、残部実質的にターゲット材構成元素による固溶相であるＣｒ合金ターゲット材の製造方法であって、Ｃｒ粉末とＳｉ粉末を所定比率に混合した混合粉末をＨＩＰ法またはホットプレス法のいずれかを用いて９００〜１３００℃で圧密化することを特徴とするＣｒ合金ターゲット材の製造方法。
Ｓｉを１〜４０原子％、残部Ｃｒの比率で混合した混合粉末を使用することを特徴とする請求項７または８に記載のＣｒ合金ターゲット材の製造方法。
混合粉末にＢ粉末を１〜７原子％の比率で添加することを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載のＣｒ合金ターゲット材の製造方法。
ターゲット材はアークイオンプレーティング用であることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載のＣｒ合金ターゲット材の製造方法。
ターゲット材は摺動部品、切削工具、金型のいずれかの表面コーティング用であることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載のＣｒ合金ターゲット材の製造方法。
ターゲット材を用いた皮膜コーティング方法において、面積率で純Ｓｉ相が５％以下、ターゲット材構成元素による金属間化合物相は、ＳｉとＣｒの金属間化合物を主体とし、４０％以下の組織であるＣｒ合金ターゲット材を使用し、アークイオンプレーティング法によってコーティングすることを特徴とする皮膜コーティング方法。