JP5623800B2

JP5623800B2 - ＴｉＡｌＮ膜形成体

Info

Publication number: JP5623800B2
Application number: JP2010134999A
Authority: JP
Inventors: 英之筒井
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2030-06-14
Also published as: JP2012001744A

Description

本発明は、工具や金型あるいは摺動部品などに使用される耐摩耗性に優れたＴｉＡｌＮ膜、および、それを表面に設けたＴｉＡｌＮ膜形成体に関するものである。

従来より、ＴｉＡｌＮ膜を金属表面にコーティングすることにより、金属の耐摩耗性や耐食性が向上することが知られており、工具や金型または摺動部品の長寿命化を図るために広く用いられている。ＴｉＡｌＮ膜は、チタンとアルミを窒素と化学反応させることにより形成される窒化チタンアルミ膜であり、真空槽内で処理する物理的蒸着法（ＰＶＤ）あるいは化学的蒸着法（ＣＶＤ）により対象物の表面に直接形成される。

ＴｉＡｌＮ膜の耐摩耗性を高めるために、結晶の配向制御などの種々の研究がなされている。例えば、特許文献１では、ＴｉＡｌＮ膜の耐摩耗性が、Ｘ線回折分析で得られる（１１１）面強度比と（２００）面強度比の比率と関係があることを見出し、（２００）面強度比が（１１１）面強度比の４倍以上であれば、ＴｉＡｌＮ膜被覆工具の寿命が延長されることが開示されている。また、特許文献２では、ＴｉＡｌＮ膜被覆工具の寿命は、ドロップレットの個数が少ないほど長寿命であることが開示されている。

特許第３５９９６２８号公報特許第３６３３８３７号公報

しかしながら、実験を重ねた結果、特許文献１に示唆されるように、（２００）面強度比が（１１１）面強度比の４倍以上であっても、その硬さや弾性率が低いものや表面粗さが大きいものは、耐摩耗性に劣る場合がある。また、ドロップレットが少なく表面粗さが小さいものであっても、その硬さや弾性率が低いものは、耐摩耗性に劣る場合がある。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、安定して高い耐摩耗性を有するＴｉＡｌＮ膜、および、それを表面に設けたＴｉＡｌＮ膜形成体を提供することを目的とする。

本発明のＴｉＡｌＮ膜は、（１）少なくとも、押し込み硬さが３０ＧＰａ以上または押し込み弾性率が５００ＧＰａ以上であり、かつ、（２）表面粗さが０．００５〜０．０１０μｍＲａの基材表面に形成した場合の該ＴｉＡｌＮ膜の表面粗さが０．０５０μｍＲａ以下である、ことを特徴とする。

本発明のＴｉＡｌＮ膜形成体は、表面粗さが０．００５〜０．０１０μｍＲａである金属製基材の表面にＴｉＡｌＮ膜を形成したＴｉＡｌＮ膜形成体であって、上記ＴｉＡｌＮ膜は、（１）少なくとも、押し込み硬さが３０ＧＰａ以上または押し込み弾性率が５００ＧＰａ以上であり、かつ、（２）該ＴｉＡｌＮ膜の表面粗さが０．０５０μｍＲａ以下である、ことを特徴とする。

上記ＴｉＡｌＮ膜の膜厚が、０．５〜１０μｍであることを特徴とする。

上記金属製基材と上記ＴｉＡｌＮ膜との間に、ＴｉＡｌ合金を含む中間層を設けたことを特徴とする。また、上記中間層が、上記ＴｉＡｌＮ膜に近いほどＴｉＡｌＮ含有量の多い傾斜組織からなる層であることを特徴とする。

上記金属製基材が、表面に窒化層を有することを特徴とする。また、上記窒化層が、プラズマ窒化処理により形成された窒化層であることを特徴とする。また、上記窒化層を有する金属製基材の表面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることを特徴とする。

上記ＴｉＡｌＮ膜は、上記金属製基材に対し、アークプラズマ方式イオンプレーティングまたはホロカソード方式イオンプレーティングによる成膜処理により形成することを特徴とする。

本発明のＴｉＡｌＮ膜は、（１）少なくとも、押し込み硬さが３０ＧＰａ以上または押し込み弾性率が５００ＧＰａ以上であり、かつ、（２）表面粗さが０．００５〜０．０１０μｍＲａの基材表面に形成した場合の該ＴｉＡｌＮ膜の表面粗さが０．０５０μｍＲａ以下であるので、安定して高い耐摩耗性を有し、工具や金型あるいは摺動部品の表面に形成することで、これらの長寿命化に寄与することができる。

また、本発明のＴｉＡｌＮ膜形成体は、所定の金属製基材の表面に上記ＴｉＡｌＮ膜を形成したものであるので、該表面において安定して高い耐摩耗性を有し、工具や金型あるいは摺動部品として好適に利用できる。

本発明のＴｉＡｌＮ膜形成体の構成の一例を示す要部拡大断面図である。本発明のＴｉＡｌＮ膜形成体の構成の他の例を示す要部拡大断面図である。摩擦試験機を示す図である。実施例のＴｉＡｌＮ膜のＸ線回折スペクトルパターンを示す図である。比較例のＴｉＡｌＮ膜のＸ線回折スペクトルパターンを示す図である。

本願の発明者らは、ＴｉＡｌＮ膜の耐摩耗性を向上させることについて、多数の実験とその考察を重ねた結果、結晶の配向制御以外に、押し込み硬さや表面粗さのバランスが重要であり、具体的には（１）少なくとも、押し込み硬さが３０ＧＰａ以上または押し込み弾性率が５００ＧＰａ以上であり、かつ、（２）表面粗さが０．００５〜０．０１０μｍＲａの基材表面に形成した場合の膜の表面粗さが０．０５０μｍＲａ以下である場合に、安定して耐摩耗性が優れることを見出した。本発明はこのような知見によるものである。

本発明のＴｉＡｌＮ膜は、上記の知見に基づき、（１）少なくとも、押し込み硬さが３０ＧＰａ以上または押し込み弾性率が５００ＧＰａ以上であり、かつ、（２）表面粗さが０．００５〜０．０１０μｍＲａの基材表面に形成した場合の該ＴｉＡｌＮ膜の表面粗さが０．０５０μｍＲａ以下であることを特徴としている。（１）については、少なくとも、押し込み硬さ、押し込み弾性率のいずれかが上記物性を満たせばよく、硬さおよび弾性率の両方が上記物性を満たしてもよい。押し込み硬さや押し込み弾性率が高いほど、耐摩耗性が優れるのは、これらが物質のエネルギーに対する耐性を表しているからだと考えられる。また、表面粗さが小さいほど、耐摩耗性が優れるのは、表面の凹凸が直接関係しているのではなく、物質の緻密さに関係していると考えられる。これは、後述の実施例などに示す摩耗試験の際において、初期表面の凹凸は数秒間で失われることが分かっているからである。

上記ＴｉＡｌＮ膜の成膜方法としては、特に限定しないが、結晶面の配向を制御し易く、また密着性を比較的高くできるように、アークプラズマ方式イオンプレーティングまたはホロカソード方式イオンプレーティングを採用することが好ましい。アークプラズマ方式イオンプレーティングは、アーク放電によって陰極から蒸発する陰極物質に、陰極近傍に生じるアークプラズマによってイオン化された陰極物質イオンが多く含まれ、この陰極物質イオンをバイアス電界によって基材に引き込んで表面に薄膜を形成する方法である。上記ＴｉＡｌＮ膜をこのアークプラズマ方式イオンプレーティングにより成膜する場合において、該膜の押し込み硬さや押し込み弾性率を高くする（上記（１）の範囲）とともに、表面粗さが小さくなる（上記（２）の範囲）ように制御するには、バイアス電圧、成膜圧、アーク電流などを適宜調整することで可能である。

本発明のＴｉＡｌＮ膜形成体の一例を図１に基づいて説明する。図１に示すように、ＴｉＡｌＮ膜形成体１は、金属製基材２の表面にＴｉＡｌＮ膜３を形成（成膜）したものである。ここで、ＴｉＡｌＮ膜３は、（１）少なくとも、押し込み硬さが３０ＧＰａ以上または押し込み弾性率が５００ＧＰａ以上であり、かつ、（２）該膜の表面粗さが０．０５０μｍＲａ以下である。なお、金属製基材２におけるＴｉＡｌＮ膜３を形成する表面の表面粗さが０．００５〜０．０１０μｍＲａである。

この物性のＴｉＡｌＮ膜３を金属製基材２の表面に形成するには、上述のように、アークプラズマ方式イオンプレーティングで、金属製基材に印加するバイアス電圧、原料ガスである窒素の成膜圧、アーク放電のアーク電流を適宜調整すること、例えば、バイアス電圧を３０〜３００Ｖ、成膜圧を３〜５Ｐａ、アーク電流を１２０〜１８０Ａの範囲で調整することで可能となる。その他の手法も適宜に選択して調整可能である。

金属製基材２としては、特に限定されることなく汎用または周知の金属を採用でき、工具鋼、金型鋼、ステンレス鋼などの鋼材やチタン金属、チタン合金などが代表例として挙げられる。

ＴｉＡｌＮ膜３の膜厚は、０．５〜１０μｍであることが好ましい。ＴｉＡｌＮ膜は、厚み方向に組織が大きく変わることはないため、使用環境が純粋に摩耗が支配的なものであれば、単純に厚いほど製品としての寿命は長くなる。しかし、あまりに厚すぎると、成膜中に膜内に発生する応力が過大となり成膜中にクラックが生じる。また、クラックが生じなくとも厚過ぎる膜では残留応力が高いため剥離し易い傾向がある。よって、製品の長寿命に少なくとも効果が確認でき、かつ、高い残留応力のために剥離することがない膜厚の範囲は、上記のように０．５〜１０μｍである。また、膜厚が５μｍをこえると大型部品のエッジ部では剥離し易くなる場合があるので、より好ましく０．５〜５μｍである。

本発明のＴｉＡｌＮ膜形成体の他の例を図２に基づいて説明する。図２に示すように、この態様のＴｉＡｌＮ膜形成体１は、金属製基材２とＴｉＡｌＮ膜３との間にＴｉＡｌ合金を含む中間層４を設けたものである。中間層４は、蒸着（ＰＶＤまたはＣＶＤ）、イオンプレーティング、イオン注入、スパッタリングなどの周知の手法によって形成することができる。比較的軟質なＴｉＡｌ合金の中間層を基材とＴｉＡｌＮ膜との間に形成することで、応力集中を緩和し密着性を向上させることができる。

また、中間層４は、ＴｉＡｌＮ膜３側に近づくに従いＴｉＡｌＮ含有量が多い組成となるように窒化処理によって傾斜組織とすることができる。この傾金組織からなる中間層４を設けることで、金属製基材２からＴｉＡｌＮ膜３に至る硬さなどの各層の物性を穏やかに変化させることができ、さらに応力を緩和することができる。

工具のように、エッジ部にＴｉＡｌＮ膜が成膜され、使用中に局所的な高い応力を受ける製品の場合には、被膜剥離への耐性が重要になるため。上記のような中間層４を介在させて、応力集中を緩和し密着性を向上させる態様が好ましい。また、特に密着性の弱い成膜方法であるスパッタリング法などでは、この中間層４の効果は非常に高い。

また、金属製基材２において、ＴｉＡｌＮ膜３を形成する表面に、窒化処理により窒化層を形成しておくことができる。金属製基材２が、表面に窒化層を有することで、ＴｉＡｌＮ膜３や中間層４との密着性向上が図れる。窒化処理としては、表面に密着性を妨げる酸化層が生じ難いプラズマ窒化処理を施すことが好ましい。また、窒化処理後の表面の硬さがビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることが、ＴｉＡｌＮ膜３や中間層４との密着性に対し特に有効である。

各実施例および比較例に用いた基材および成膜に用いた装置は以下のとおりである。
（１）金属製基材：ステンレス鋼（材質：ＳＵＳ４４０Ｃ、硬さ：ＨＶ６５０、表面粗さ：０．００５μｍＲａ）
（２）アークプラズマ方式イオンプレーティング（表中では「ＡＩＰ」と記す）：神戸製鋼所製；ＵＢＭＳ２０２／ＡＩＰ複合装置
（３）ホロカソード方式イオンプレーティング（表中では「ＨＣＤ」と記す）：インターフェイス社製；３元ターゲット型ＨＣＤ−ＰＣＤ装置

実施例１〜実施例６および比較例１〜比較例６
上記金属製基材をアセトンで超音波洗浄した後、乾燥した。乾燥後、該基材表面に上記装置を用いて表１に示す条件でＴｉＡｌＮ膜を形成し、ＴｉＡｌＮ膜形成体を製造した。また、中間層「有り」のものは、まず、金属製基材上にＴｉＡｌ合金を含む中間層としてＴｉＡｌＮ膜側に近づくに従いＴｉＡｌＮ含有量が多い組成となる傾斜組織層（厚さ０．５μｍ）を形成した後、この中間層上に表１に示す条件でＴｉＡｌＮ膜を形成した。また、窒化層「有り」のものは、膜形成前に、金属製基材に対して、日本電子工業社製のラジカル窒化装置を用いてプラズマ窒化処理を施した。得られたＴｉＡｌＮ膜形成体について、以下に示す硬度試験、表面粗さ試験、膜厚試験、および摩耗試験に供し、押し込み硬さ、押し込み弾性率、表面粗さＲａ、および比摩耗量を測定した。結果を表１に併記する。

＜硬度試験＞
得られた形成体の押し込み硬さおよび押し込み弾性率をアジレント社製：ナノインデンタ（Ｇ２００）を用いて測定した。測定値は表面粗さの影響を受けない深さ（硬さ等が安定している箇所）の平均値を示しており、各試験片１０箇所ずつ測定している。

＜表面粗さ試験＞
得られた形成体の表面粗さＲａをテーラーホブソン社製：フォーム・タリサーフＰＧＩ８３０を用いて測定した。

＜膜厚試験＞
得られた形成体の膜厚を表面形状・表面粗さ測定器（テーラーホブソン社製：フォーム・タリサーフＰＧＩ８３０）を用いて測定した。膜厚は成膜部の一部にマスキングを施し、非成膜部と成膜部の段差から膜厚を求めた。

＜摩耗試験＞
得られた形成体を、図３に示す摩擦試験機用いて摩耗試験を行なった。図３（ａ）は正面図を、図３（ｂ）は側面図を、それぞれ表す。φ４０ｍｍ（外周面曲率Ｒ６０ｍｍ）で、表面粗さＲａが０．０１μｍであるＳＵＪ２焼入れ鋼を相手材６として回転軸に取り付け、形成体５をアーム部７に固定して所定の荷重８を図面上方から印加して、ヘルツの最大接触面圧０．５ＧＰａ、室温（２５℃）下、０．０５ｍ／ｓの回転速度で３分間、形成体５と相手材６との間に潤滑剤を介在させることなく、相手材６を回転させたときに、相手材６と形成体５との間に発生する摩擦力をロードセル９により検出した。これより、比摩耗量を算出した。

また、得られたＴｉＡｌＮ膜形成体のＴｉＡｌＮ膜について、Ｘ線回折分析を行ない、その結果を表１に併記する。表１における強度比は、Ｘ線回折分析で得られた回折パターンにおいて、２θ：１０〜１００°の範囲で検出される６つのピーク、１１１面、２００面、２２０面、３１１面、２２２面、４００面のピーク強度の合計を１００％とした、百分率で表したものである。また、実施例の代表的なＸ線回折パターンを図４に、比較例の代表的なＸ線回折パターンを図５にそれぞれ示す。

実施例および比較例の結果より、面強度比が近いものであっても、その硬さや弾性率、表面粗さにより、耐摩耗性が大きく異なることが分かる。また、本発明で規定する物性値を有する各実施例のＴｉＡｌＮ膜形成体は、高い耐摩耗性を有することが確認できる。

本発明のＴｉＡｌＮ膜成形体は、安定して高い耐摩耗性を有するので、工具や金型あるいは摺動部品に好適に利用できる。

１ＴｉＡｌＮ膜形成体
２金属製基材
３ＴｉＡｌＮ膜
４中間層
５（ＴｉＡｌＮ膜）形成体
６相手材
７アーム部
８荷重
９ロードセル

Claims

表面粗さが０．００５〜０．０１０μｍＲａである金属製基材の表面にＴｉＡｌＮ膜を形成したＴｉＡｌＮ膜形成体であって、
前記金属製基材が、前記表面にプラズマ窒化処理により形成された窒化層を有し、
前記金属製基材と前記ＴｉＡｌＮ膜との間に、ＴｉＡｌ合金とＴｉＡｌＮとを含み、前記ＴｉＡｌＮ膜に近いほどＴｉＡｌＮ含有量の多い傾斜組織からなる中間層を有し、
前記ＴｉＡｌＮ膜の膜厚が、０．５〜５μｍであり、
前記ＴｉＡｌＮ膜は、少なくとも、押し込み硬さが３０ＧＰａ以上または押し込み弾性率が５００ＧＰａ以上であり、かつ、該ＴｉＡｌＮ膜の表面粗さが０．０５０μｍＲａ以下であることを特徴とするＴｉＡｌＮ膜形成体。
前記窒化層を有する金属製基材の表面の硬さが、ビッカース硬さでＨｖ１０００以上であることを特徴とする請求項１記載のＴｉＡｌＮ膜形成体。
前記ＴｉＡｌＮ膜は、前記金属製基材に対し、アークプラズマ方式イオンプレーティングまたはホロカソード方式イオンプレーティングによる成膜処理により形成することを特徴とする請求項１または請求項２記載のＴｉＡｌＮ膜形成体。