JP4783928B2 - 窒素含有バナジウム被膜、その製造方法及び機械部材 - Google Patents

Description

本発明は、窒素含有バナジウム被膜とその製造方法に関するものである。本発明はまた、窒素含有バナジウム被膜を有する機械部材に関するものである。

車両のエンジン及び変速機等に使用される摩擦摩耗部品や金型等の機械部材は、過酷な条件下での使用を前提としているため、それに耐え得るように、耐摩耗性、耐食性、耐焼き付き性等に優れていることが不可欠である。

基材に対して前記の如き特性を付与するための一方法として、塩浴ＶＣ処理が知られている（特許文献１参照）。
特開平３−２０２４６０号公報

しかしながら、前記処理方法においては、品質を安定させるために行うべき塩浴の適切が管理が大変であった。また、処理温度が１２００℃程度と高いこと、及び、基材に含まれる炭素を利用して成膜する処理法であることにより、適用可能な基材の範囲に限りがある等の問題もあった。さらに、一定期間使用した塩浴は、産業廃棄物扱いとなるため、その処理に多大な手間やコストを要するほか、環境保護の点からも問題があった。

本発明は、前記の如き事情に鑑みてなされたもので、良好な耐摩耗性、高い硬度、基材に対する良好な密着性及び靭性等の特性を有し、且つ、適用可能な基材の範囲が広い、新規且つ有用な被膜、及びその製造方法を提供しようとするものである。

本発明はまた、前記被膜を有する機械部材を提供しようとするものである。

前記課題を解決するため、本発明に係る被膜は、バナジウムの被膜中にバナジウムの窒化物であるＶｘＮｙ結晶が混在している窒素含有バナジウム被膜であることを特徴としている（請求項１）。ＶｘＮｙ結晶をバナジウム中に混在させることにより、良好な耐摩耗性、高い硬度を得ることができる。

好適な実施の一形態として、前記ＶｘＮｙ結晶は、１００原子当たり５０〜９９のバナジウム原子及び５０〜１の窒素原子を含むものとすることもできる（請求項２）。この組成のＶｘＮｙ結晶とすることにより、良好な耐摩耗性、高い硬度に加えて、良好な密着性及び靭性を得ることができる。

前記窒素含有バナジウム被膜は、アルゴンガスと窒素ガスからなる雰囲気中でバナジウムターゲットに高電圧を印加して前記バナジウムターゲットの近傍でグロー放電を生じさせ、室温より高く３００℃より低い温度でスパッタリングを行うことによって形成することができる（請求項３）。

好適な実施の一形態として、前記スパッタリングを行う前にイオンボンバード処理を行うこともできる（請求項４）。

また、本発明に係る機械部材は、前記窒素含有バナジウム被膜を基材の表面に有することを特徴とするものである（請求項５）。本発明に係る機械部材には、自動車用の摩耗摩擦部品等の機械部品や、金型等が含まれる。本発明に係る機械部材によれば、前記窒素含有バナジウム被膜の発明によって奏される作用効果と同一の作用効果が奏される。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る窒素含有バナジウム被膜を基材の表面に形成するためのスパッタリング装置の概略図である。

図１に示すスパッタリング装置１０は、真空処理室１と、該真空処理室１内を真空状態にせしめるための真空ポンプ２と、前記真空処理室１内の中心部に配設された回転テーブル３と、該回転テーブル３上に治具５を介して載置された被処理部材としての基材４と、該基材４を取り囲むように配置された蒸発源としてのバナジウムターゲット６と、該各バナジウムターゲット６にそれぞれ接続された直流のスパッタ電源７と、前記回転テーブル３に接続された直流のイオンボンバード及びバイアス電源８と、前記真空処理室１内にアルゴンガス及び窒素ガスを導入するためのガス導入パイプ９と、を備えている。

前記スパッタリング装置１０によりスパッタリングを行うにあたっては、まず、前記真空ポンプ２を作動させ、前記真空処理室１について真空排気を実施する。次に、前記ガス導入パイプ９を介して、前記真空処理室１内に、アルゴンガス及び窒素ガスを導入してスパッタリングの雰囲気を形成する。スパッタリングプロセスの前に、必要に応じて、それ自体周知のイオンボンバード処理を行い、アルゴンイオンによって前記基材の表面の活性化を行うことが好ましい。

スパッタリング工程においては、前記バナジウムターゲット６に前記スパッタ電源７の高電圧を印加して、前記バナジウムターゲット６の近傍でグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化して前記バナジウムターゲット６に高速で衝突し、その衝撃によって、前記バナジウムターゲット６からバナジウム原子が叩き出される。

前記真空処理室１内には、前記アルゴンガスに加えて、窒素ガスも導入されている。このため、前記バナジウムターゲット６から叩き出されたバナジウム原子は、雰囲気中の窒素原子とともに前記基材４の表面に叩きつけられて堆積し、本実施の形態に係る窒素含有バナジウム被膜が形成される。このバナジウム被膜中には、バナジウム原子と窒素原子との結合により形成された、バナジウムの窒化物であるＶｘＮｙ結晶が分散・混在する。前記スパッタリングに際しては、前記被膜の厚さを均一ならしめるため、且つ、前記基材の温度をその焼戻し温度以下に維持するため、前記バナジウムターゲット６と前記基材４との間隔を５５〜１００ｍｍに保つことが好ましい。

バナジウム被膜中にバナジウムの窒化物であるＶｘＮｙ結晶を混在させることで、前記被膜に、優れた耐摩耗性及び高い硬度をもたせることができる。

前記被膜の組織調整は、スパッタリングプロセス中の圧力、窒素ガスの分圧やバイアス電圧の変更によって行うことができるが、前記ＶｘＮｙ結晶が、１００原子当たり５０〜９９のバナジウム原子及び５０〜１の窒素原子を含む結晶となるように制御するのが好ましい。好ましくはＶｘＮｙの組成は、窒素ガスの流量により制御し、Ｘ線回折、ＥＰＭＡで確認する。

前記ＶｘＮｙ結晶が、１００原子当り５０〜９９のバナジウム原子及び５０〜１の窒素原子を含むことにより、前記窒素含有バナジウム被膜は、優れた耐摩耗性及び高い硬度を有すると同時に、基材４との優れた密着性、靭性をも有するものとなる。窒素原子が５０を超えると密着性、靭性が劣化し、窒素原子が１未満であると耐摩耗性、硬度の向上が少ない。

スパッタリング時間は、前記基材４の種類や必要とされる膜厚によって適宜に設定することができる。前記窒素含有バナジウム被膜の厚みは、数μｍ〜最大１００μｍまで可能であるが、特に、１〜２０μｍ、中でも特に、１〜１５μｍとするのが好ましい。

また、スパッタリングプロセス温度が３００℃以上になると、前記基材４自体に軟化等の品質低下が生じるので、スパッタリングは３００℃未満のなるべく低温で行うことが好ましい。但し、室温以下で行うと、基材に対する被膜の密着性の確保が難しくなるので、室温よりは高い温度で行うのが好ましい。

膜質向上のために、スパッタリングに先立って、前記基材の表面にアモルファス層をラップ又はコーティングにより形成することもできる。場合によっては、スパッタリング直前にアモルファス層をコーティングし、その上にＣｒなどの金属層を中間層として介してバナジウム層を設けることもできる。

基材（ＳＣＭ４１５）の上に、スパッタリング条件として、バナジウムターゲットを用い、雰囲気中のガス分圧を、アルゴンガス：１．２×１０^−３ｔｏｒｒ、窒素ガス：０．２×１０^−３ｔｏｒｒ、バイアス電圧：−９０〜１００Ｖ、処理時間約１００分として、ＶｘＮｙ結晶が分散する窒素含有バナジウム被膜１０μｍを形成した。このときＶｘＮｙのｘ：ｙはＸ線回折により５０：５０が検出された。

この結果、硬度ＨＶが２８００の窒素含有バナジウム被膜を有する機械部材を得ることができた。比較例として、ターゲットをクロムターゲットとしたこと以外は同様の処理条件として、窒素含有クロム被膜を１０μｍ形成した。このとき硬度ＨＶが１５００であった。前記基材に電気めっきにより硬質クロムメッキ被膜を１０μｍ形成した場合には、硬度ＨＶが９００であった。これらと比較すると、硬度における優位性が傑出しているのが明瞭に理解される。

また、前記各被膜について、スクラッチ試験機（ＡＥセンサー付スクラッチ試験機）により密着性を測定した。ダイヤモンド圧子（０．２ｍｍＲ）により、荷重速度１００Ｎ／ｍｉｎ、スクラッチ速度１０ｍｍ／ｍｉｎで、被膜のスクラッチを行った。本発明による窒素含有バナジウム被膜の場合には、臨界荷重が８０Ｎ以上との測定結果が得られた。前記窒素含有クロム被膜の場合には、臨界荷重が５０Ｎ、前記硬質クロムメッキの場合には、臨界荷重が３０Ｎであったから、前記窒素含有バナジウム被膜の密着性の良さが際立っていることが分かる。

ＳＵＳ３０４（厚さ２ｍｍ）の板について、打ち抜きパンチにより寿命の試験を行ったところ、硬質Ｃｒメッキの寿命を１とした場合に、イオンプレーティングによるＴｉＮ被膜によった場合の寿命が２、塩浴ＶＣによった場合の寿命が７．５であるのに対し、本発明による窒素含有バナジウム被膜の寿命は８という結果が得られた。

また、ＳＵＳ３０４（厚さ２ｍｍ）の板について、バーリングパンチにより寿命の試験を行ったところ、硬質Ｃｒメッキの寿命を１とした場合に、イオンプレーティングによるＴｉＮ被膜の場合に寿命が２、塩浴ＶＣによった場合の寿命が４であるのに対し、本発明による窒素含有バナジウム被膜の寿命は４という結果が得られた。よって、寿命の観点では、塩浴ＶＣによった場合とほぼ同程度か、それを上回る成果が得られたことになる。塩浴ＶＣ処理法には、既に述べたような問題点があることを考慮すると、本発明の優位性が明瞭である。なお、前記イオンプレーティングによるＴｉＮ被膜、塩浴ＶＣは前記基材（ＳＣＭ４１５）上に１０μｍ形成したものである。

本発明に係る窒素含有バナジウム被膜は、前記の如き優れた特性を有することに加え、前記塩浴ＶＣ処理法とは異なり、３００℃未満という低い温度で製造でき、また、基材に炭素が含まれていることを要しないので、様々な種類の基材について広く適用できる利点がある。

本発明の実施の一形態に係る窒素含有バナジウム被膜を基材の表面に形成するためのスパッタリング装置の概略図である。

符号の説明

１ 真空処理室
２ 真空ポンプ
３ 回転テーブル
５ 治具
４ 基材（被処理部材）
６ バナジウムターゲット
７ スパッタ電源
８ イオンボンバード及びバイアス電源
９ ガス導入パイプ
１０ スパッタリング装置

Claims (5)

1. バナジウムの被膜中にバナジウムの窒化物であるＶｘＮｙ結晶が混在している、窒素含有バナジウム被膜。
2. 前記ＶｘＮｙ結晶は、１００原子当たり５０〜９９のバナジウム原子及び５０〜１の窒素原子を含んでいる、請求項１に記載の窒素含有バナジウム被膜。
3. アルゴンガスと窒素ガスからなる雰囲気中でバナジウムターゲットに高電圧を印加して前記バナジウムターゲットの近傍でグロー放電を生じさせ、室温より高く３００℃より低い温度でスパッタリングを行い、これによって、バナジウムの被膜中にバナジウムの窒化物であるＶｘＮｙ結晶が混在する窒素含有バナジウム被膜を基材の表面に形成する、窒素含有バナジウム被膜の製造方法。
4. 前記スパッタリングを行う前にイオンボンバード処理を行う、請求項３に記載の窒素含有バナジウム被膜の製造方法。
5. 請求項１又は２に記載の窒素含有バナジウム被膜を基材の表面に有する、機械部材。

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