JP5979928B2 - 硬質装飾部材 - Google Patents

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Description

本発明は、時計の外装部品、眼鏡やアクセサリーなどの装身具、装飾品などの金属色を有する装飾部材およびスポーツ用品に関するものであり、特に、明度が高く、高級感のある色感と、長期間にわたり耐傷性、耐摩耗性、耐腐蝕性に優れる白色又はステンレス色の硬質装飾部材に関するものである。
従来において、外装部品、眼鏡、アクセサリー、時計などの装身具、装飾品、スポーツ用品などの耐傷性を向上させるための耐磨耗層上には、高級感のある外観とするために最外層に明度の高い白金被膜を形成していた。例えば、特許文献1では、基材上に下地層を形成し、この表面に乾式メッキ法によりTi炭化物膜を形成し、この表面に乾式メッキ法で形成された白金または白金合金からなる装飾被膜を形成している。しかしながら、最外層である白金層は高価なため薄く成膜する必要があり、その薄い白金層が剥離した場合の色変化を抑制するため、Ti炭化物膜を淡い色に作る必要があった。このため、Ti炭化物膜の硬度は本来のTi炭化物膜に比べ硬度が低く(約40%)、十分な耐傷性を得ることができなかった。
また、耐傷性を向上させるために、Ti炭化物膜に反応させる炭素量を増やして硬度を増加させると、耐傷性は増加するが色調が暗くなってしまう。また、同様に耐傷性を向上させるために、硬化層であるTi炭化物膜の膜厚を厚くすると、膜応力の増大による膜の剥離や、耐腐食試験において孔食が発生しやすくなるという問題点があり、膜厚を1.0μm以上に成膜することは困難であった。
さらに、白金系被膜は人の肌に触れると、アレルギーを引き起こすという問題があった。
そこで、最外層として、白金系被膜にかえて、明度、色調、低スプラッシュ性が良好で耐傷性を有しかつ高級感を有するMo被膜を使用することが提案されている。しかしながら、Mo被膜は耐食性が低いためそのままでは使用できないという問題があった。また明度、色調、低スプラッシュ性が良好でかつ高級感を有するCr被膜を使用することが提案されているが、Cr被膜は膜硬度が低く十分な耐傷性を得られないこと、また耐食性が非常に高いことから製造工程における剥離が困難であるという問題があった。
一方、最外層として、硬度の高く耐食性を有するNb炭化物膜やTa炭化物膜を使用することも提案されているが、基材との密着性が低く膜厚を厚くできないため耐傷性が低く、明度も低いことから、これらの被膜もそのままでは使用できないという問題があった。
特開2004−043959 特開2007−262472
本発明の目的は、耐傷性を著しく向上させることにより、傷や磨耗などによる外観品質の低下を抑制し、かつ高級感のある色調を有する硬質装飾部材を提供し、さらに膜硬度、耐傷性能、耐磨耗性能、色調、耐腐食性能を自由にコントロールできる製品を供給することにある。
上記目的を達成するために、本発明の硬質装飾部材は下記に記載の構成を採用する。
(1)基材上に、Crと、Mo、W、Nb、Ta、Ti、Hf、Zr及びVからなる群から選ばれる1種または2種以上との合金と、窒素、炭素、酸素の1種又は2種以上の非金属元素との反応化合物からなる硬質装飾膜を単層又は複層で積層したことを特徴とする硬質装飾部材。
(2)前記被膜中の前記非金属元素は、主として窒素からなることを特徴とする上記(1)に記載の硬質装飾部材。
(3)前記硬質装飾被膜が、基上に、順に、密着層、傾斜密着層、耐磨耗層、色上げ傾斜層として、複層で積層された硬質装飾部材において、前記密着層の非金属元素は低濃度の酸素であり、前記傾斜密着層、前記耐磨耗層及び前記色上げ傾斜層の非金属元素は窒素、炭素、酸素の1種又は2種以上からなり、かつ前記傾斜密着層を構成する反応化合物における非金属元素の含有量が基から離れるにつれて厚さ方向に傾斜的に増加し、前記色上げ傾斜層を構成する反応化合物における非金属元素の含有量が基から離れるにつれて厚さ方向に傾斜的に増減することを特徴とする上記(1)に記載の硬質装飾部材。
(4)前記耐磨耗層の厚さは0.5〜4μmであることを特徴とする上記(3)に記載の硬質装飾部材。
(5)前記Crの比率が20wt%以上であることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載の硬質装飾部材。
(6)前記硬質装飾部材の外観色が白色またはステンレス色であることを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載の硬質装飾部材。
(7)外装部品の一部又は全部が、(1)〜(6)のいずれか1項に記載の硬質装飾部材で構成されることを特徴とする時計。
(8)反応性スパッタリング法により、前記密着層、前記傾斜密着層、前記耐磨耗層及び前記色上げ傾斜層の少なくとも1つを積層することを特徴とする(1)〜(7)のいずれかに記載の硬質装飾部材の製造方法。
(9)反応性スパッタリング法において、前記非金属元素を含む反応ガス量を時系列的に増加又は減少させることにより前記傾斜密着層及び前記色上げ傾斜層を積層することを特徴とする上記(8)に記載の硬質装飾部材の製造方法。
本発明によれば、傷や磨耗などによる外観品質の低下を抑制し、かつ高級感のある色調を有した硬質装飾部材を提供し、さらに膜硬度、耐傷性能、耐磨耗性能、色調、耐腐食性能、エッチング性能を自由にコントロール可能な製品を提供できる。
本発明の硬質装飾部材の構造の一例を示す断面模式図を示す。 実施例1の硬質装飾部材の断面模式図を示す。 メタンガス量を変化させて作製した合金炭化物膜の膜硬度の比較を示す。 装飾部材の耐傷性の比較を示す。 メタンガス量を変化させて作製した合金炭化物膜の明度の比較を示す。 メタンガス量を変化させて作製した合金炭化物膜の彩度の比較を示す。 従来例(特許文献1を参考に作成)の装飾部材110の断面模式図を示す。 実施例2の硬質装飾部材の断面模式図を示す。 実施例2の硬質装飾部材の耐傷性の比較を示す。 実施例3の硬質装飾部材の断面模式図を示す。 窒素ガス量を変化させて作製した合金窒化物膜の膜硬度の比較を示す。 窒素ガス量を変化させて作製した合金窒化物膜の明度の比較を示す。 窒素ガス量を変化させて作製した合金窒化物膜の彩度の比較を示す。 実施例3の硬質装飾部材の耐傷性の比較を示す。 実施例4の硬質装飾部材の断面模式図を示す。 窒素ガス量を変化させて作製した合金窒化物膜の膜硬度の比較を示す。 窒素ガス量を変化させて作製した合金窒化物膜の明度の比較を示す。 窒素ガス量を変化させて作製した合金窒化物膜の彩度の比較を示す。 実施例4の硬質装飾部材の耐傷性の比較を示す。 実施例5の硬質装飾部材の断面模式図を示す。 メタンガス量を変化させて作製した合金炭化物膜の膜硬度の比較を示す。 メタンガス量を変化させて作製した合金炭化物膜の明度の比較を示す。 メタンガス量を変化させて作製した合金炭化物膜の彩度の比較を示す。 実施例5の硬質装飾部材の耐傷性の比較を示す。 <硬質装飾部材>
図1を用いて、本発明の硬質装飾部材の構造を説明する。基材としてSUS316L基材11の表面に、CrMo合金の炭化物からなる耐磨耗層12が形成されている。
本発明の硬質装飾部材では合金膜を採用していることにより、合金を構成するそれぞれの金属の比率により密着性能、膜硬度、耐傷性能、耐磨耗性能、色調、耐腐食性能を自由にコントロールできるという特徴をもつ。
硬質装飾部材10の硬度、明度、彩度は、求める特性に応じて変化させることが可能であり、耐傷性を求める場合は最大硬度を示す炭素含有量で、高い明度を求める場合にはそれに応じた炭素含有量での調整が可能となる。
このようにして、本発明の硬質装飾部材では、従来技術の問題点を解決している。
本発明の硬質装飾部材10は、基材11と、基材11表面に形成された耐磨耗層12から形成される。
<基材>
上記基材11としては金属またはセラミックスから形成される基材である。金属(合金を含む)として、具体的には、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、銅、銅合金、タングステンまたは硬質化処理したステンレス鋼、チタン、チタン合金などが挙げられる。これらの金属は、一種単独で、あるいは2種以上組み合わせて用いることができる。また上記基材11の形状については限定されない。
<耐磨耗層>
上記耐磨耗層12としては、Crと、Mo、W、Nb、Ta、Ti、Hf、Zr及びVからなる群から選ばれる1種または2種以上との合金と、窒素、炭素、酸素の1種又は2種以上の非金属元素との反応化合物から形成される。どのような材料を選択するかは求める外観色および被膜の使用環境によって決定される。また合金中には、上記金属以外に、B、Al、Si、Mn、Co、La、Ce、Y、Scなどの金属を合金中の割合で合計5Wt%以内含まれていてもよい。
耐磨耗層は、炭素、窒素またはそれら混合元素の含有量が0〜70atm%になっていることが望ましい。
耐磨耗層の厚みは、0.2〜4μmが望ましい。また、硬度はHV2000以上が望ましい。耐傷性能はおおよそ耐磨耗層の膜厚、膜硬度に依存することから、耐傷性、耐摩耗性を向上させるためには膜厚は、0.2μm以上とすることが望ましく、膜硬度はできるだけ高くすることが望ましい。ただし、膜厚が4μmを超えると、膜応力の上昇によるクラック発生や剥離の危険性が高くなり、またコストの面からも不利になることから、膜厚は4μm以下とすることが望ましい。
<製造方法>
本発明の硬質装飾部材を構成する各積層は、スパッタリング法、イオンプレーティング法などによって形成することができるが、好ましくは、反応性スパッタリング法により形成される。
本発明の実施形態において、硬質装飾部材10は、反応性スパッタリング法によって製造される。スパッタリング法は、真空に排気されたチャンバー内に不活性ガス(主にArガス)を導入しながら、基材と被膜の構成原子からなるターゲット間に直流または交流の高電圧を印加し、イオン化したArをターゲットに衝突させて、はじき飛ばされたターゲット物質を基材に形成させる方法である。不活性ガスとともに微量の反応性ガスを導入することで、ターゲット構成原子と反応性ガスとの化合物被膜を基材上に形成させることができる。実施形態の装飾部材10は、ターゲット構成原子と反応性ガスの選択および量を調整することで、密着性、膜硬度、色調をコントロールすることにより製造される。
反応性スパッタリング法は膜質や膜厚の制御性が高く自動化も容易である。またスパッタリングされた原子のエネルギーが高いことから、密着性を向上させるための基材加熱が必要なく、融点の低いプラスチックのような基材でも被膜形成が可能となる。また、はじき飛ばされたターゲット物質を基材に形成させる方法であることから高融点材料でも成膜が可能であり、材料の選択が自由である。さらに反応性ガスの選択や混合により炭化物膜、窒化物膜、炭窒化物膜、酸窒化物膜、酸炭化物膜、酸窒化炭化物膜等の形成が容易に行える。また、ターゲット構成原子を合金化することにより、合金被膜の形成、合金の炭化物膜、窒化物膜、炭窒化物膜、酸窒化物膜、酸炭化物膜、酸窒化炭化物膜等の形成も可能となる。
以上の製造方法によれば、上述したような特性を有する硬質装飾部材を得ることができる。
<時計>
本発明により提供される時計は、その構成部品の一部、例えば、外装部品に上述した硬質装飾部材を有することを特徴とする。時計は、光発電時計、熱発電時計、電波受信型自己修正時計、機械式時計、一般の電子式時計のいずれであってもよい。このような時計は、上記硬質装飾部材を用いて公知の方法により製造される。時計はシャツとの擦れや、机、壁などに衝突することにより傷が入りやすい装飾部材の一例である。本発明の硬質装飾部材を時計に形成することにより、長年にわたり傷が入りにくく、外観が非常にきれいな状態を維持することが可能となる。
<膜硬度測定方法>
膜硬度測定は、微小押込み硬さ試験機(FISCHER製H100)を用いて行った。測定子にはビッカース圧子を使用し、5mN荷重で10秒間保持した後に除荷を行い、挿入されたビッカース圧子の深さから膜硬度を算出した。
<耐傷性試験方法>
耐傷性試験は、JISに定めるSUS316L基材に装飾膜を施し、アルミナ粒子が均一に分散した磨耗紙を試験サンプルに一定加重で接触させ、一定回数擦ることで傷を発生させる。傷がついた試験サンプルの表面を、キズの方向と垂直方向にスキャンして表面粗さを測定し、二乗平均荒さとして耐傷性の評価とした。傷の発生量が多いほど、傷の深さが深いほど二乗平均荒さの数値が大きくなり、逆に傷の発生量が少ないほど、傷の深さが浅いほど二乗平均粗さの数値が小さくなることから、耐傷性を数値的に評価することができる。
<耐食性試験方法>
キャス(CASS)試験はJIS−H 8502に準拠された、酢酸酸性の塩化ナトリウム溶液に塩化第二銅を添加した溶液を噴霧した雰囲気に48時間設置し、装飾膜の剥離および変色を観察し耐食性の評価とした。
人工汗試験はISO12870に準拠された、塩化ナトリウムと乳酸を混ぜた液(人工汗)を55℃で48時間ばっきさせた雰囲気に設置し、装飾膜の変色度合いを観察し耐食性の評価とした。
アルカリ耐性については、5%水酸化ナトリウム水溶液に24時間30℃の条件で浸漬させ、装飾膜の剥離および変色を観察して耐食性の評価とした。
次亜塩素酸耐性については、1%、3%および6%の次亜塩素酸ナトリウム水溶液に3時間30℃の条件で浸漬させ、装飾膜の剥離および変色を観察して耐食性の評価とした。
<色調測定方法>
装飾部材の色調(明度、彩度) はKONICA MINOLTA製のSpectraMagic NXを用いて行った。色調は光源D65を用いてL*a*b*色度図による各膜のL*a*b*を測定し、明度L*、彩度C*=√(a*+b*)を測定した。
次に、本発明の実施例を図面に基づいて、具体的に説明する。
[実施例1]
実施例1において、スパッタリングターゲットの組成は、Cr50Wt%Mo50Wt%の焼結体を使用した。図2に示されるように、基材21としてJISに規定されるSUS316L材を用い、基材21上にスパッタリング法でArガス量105sccm一定のもとメタンガスを30sccm導入してCrMo合金炭化物膜を1.8um形成し、硬質装飾部材20を作成した。
図3はCrMo合金炭化物膜において、メタンガス量を変化させて作成した膜の膜硬度をCr炭化物膜とMo炭化物膜とのそれと比較した図を示している。CrMo合金炭化物膜の硬度はCr炭化物膜と比較し明らかに高い硬度を示し、またMo炭化物膜と比較しても見劣りしない高い硬度を示すことがわかる。
耐傷性能はおおよそ耐磨耗層の硬度、耐磨耗層の膜厚、基材との密着度、基材の硬度の積によって決定されることから、最も高い硬度条件で膜を厚く形成させた方が良い。そのため、膜硬度の観点から言えばMo炭化物膜の方がCrMo合金炭化物膜よりも優れているが、後に述べるように、Mo単独の炭化物膜では耐食性が十分でないことから外装部品としての性能を維持できないという欠点がある。またCr単独の炭化物膜では膜硬度がHV2000を下回っていることから十分な耐傷性能を期待できない。
図4は、実施例1で作成した装飾部材20の耐傷性を、同じ膜厚で形成したMo炭化物膜、Cr炭化物膜、及び硬質膜を施さないSUS316L基材、図7に示される特許文献1に基づいて作成した装飾部材110(最表層がPt)と比較した図である。図4より膜硬度の高いMo炭化物膜の耐傷性が最も高く、またCr炭化物膜の耐傷性が最も低いことが分かり、これは明らかに膜硬度に由来する結果である。CrMo合金炭化物膜はCrとMoのそれぞれの特徴を併せ持っていることから、Mo炭化物膜には及ばないもののCr炭化物膜と比較して明らかに高い耐傷性能を示していることが分かる。
図5はCrMo合金炭化物膜において、メタンガス量を変化させて作成した膜の明度を比較した図である。CrMo合金炭化物膜の明度はMo炭化物膜と比較し明らかに高い明度を示し、またCr炭化物膜と比較しても見劣りしない高い明度を示すことがわかる。
高級感のある装飾品には高い明度が求められる。その為明度の観点から言えば、Cr単独膜でメタンガス量が少ない領域が最も優れているといえる。しかしながら図3からわかるように、その領域でのCr炭化物膜の硬度は低く、十分な耐傷性を得られない。CrとMoを合金化させることで高い明度を維持しつつ、かつ高い硬度を持った装飾部材が得られることがわかる。
図6はCrMo合金炭化膜において、メタンガス量を変化させて作成した膜の彩度(C*)を比較した図である。CrMo合金炭化物膜の彩度は、Cr炭化物膜とMo炭化物膜のほぼ中間値を示した。CrMo硬質装飾部材20の外観カラーが:L*:82.16、a*:0.57、b*:1.69であることから、SUS316L基材の外観カラー、L*:85.1、a*:0.38、b*:2.34と比較しほぼ同色であることがわかる。
表1には、CrとMoの合金比率に対する炭化物膜、窒化物膜、炭窒化物膜の硬度、耐食性及びこれらの総合評価を示した。表1に見られるように、合金比率に応じて最大硬度、耐食性が変化しているのがわかり、合金比率によってそれらを自由に調整することが可能である。Mo比率を高くすると膜硬度が上がり耐傷性に有利であるが、Mo単独あるいはMo比率が高い場合にはキャス(CASS)試験での耐食性が悪く、装飾部材として適用することはできない。また、Cr比率が高い場合は、明度、耐食性が高いが、膜硬度が低いことから耐傷性が悪くなり、装飾部材として適用することはできない。CrとMoを合金化させることで膜硬度、明度、耐食性、密着性といったそれぞれの欠点を補うことが可能となる。色感、耐傷性、耐食性のバランスに優れる硬質装飾部材を得るには、Cr比率は20wt%以上が望ましく、30Wt%以上がより望ましい。
Figure 0005979928
[実施例2]
実施例2において、スパッタリングターゲットの組成は、実施例1と同様にCr50Wt%Mo50Wt%の焼結体を使用した。図8に示されるように、基材31としてJISに規定されるSUS316L材を用い、基材31上にスパッタリング法でCrMo合金の低級酸化物からなる密着層32を0.1μm形成した。その後、酸素ガスを微量導入しながらメタンガスを傾斜的に増加させたCrMo合金酸炭化物膜の傾斜密着層33を0.2μm形成した。その後CrMo合金炭化物膜からなる薄膜耐磨耗層34を2.0μm形成した。その後メタンガスを傾斜的に減少させたCrMo合金炭化物膜の色上げ傾斜層35を0.1μm形成して硬質装飾部材30を作成した。この実施例2で得られる硬質装飾部材30の外観カラーは、Lab色空間表示により、L*:83.74、a*:0.37,b*:0.51であり、SUS316L基材21の外観カラー、L*:85.1、a*:0.38,b*:2.34とほぼ同色であった。
硬質装飾部材30のメタンガス導入量に対する硬度、明度、彩度の変化は、実施例1で示した図3、図5、図6と同様である。膜硬度はメタンガス導入量に従いあるピークを持ち、明度はメタンガスの導入量に従い緩やかに低下した。硬質装飾部材30の密着層32は、図3のメタンガス導入量0sccmの条件で、酸素ガスを5sccm導入し、CrMo低級酸化物膜を0.1μm形成した。CrMo低級酸化物にすることで、CrMo合金膜よりも基材との密着性が増し耐傷性を向上させることができる。傾斜密着層33は、酸素ガスを3sccm導入しながら、図3のメタンガス導入量を0sccmから最大硬度を示す40sccmまで傾斜的に増加させてCrMo合金炭化物膜を0.2μm形成した。耐磨耗層34は、最大硬度を示すメタンガス導入量40sccmの条件でCrMo合金炭化物膜を2.0μm形成した。色上げ傾斜層35は図3の最大硬度を示すメタンガス導入量40sccmから0sccmまで傾斜的に減少させたCrMo合金炭化物膜を0.1μm形成した。
実施例2の硬質装飾部材30における傾斜密着層33は、密着層と耐磨耗層間で明確な界面が無くなることから、基材と密着層との一体化が図れる。傾斜密着層があることで密着層と耐磨耗層との密着性が十分に確保され、また膜応力が傾斜的に上昇する構造となることから、応力歪みによるクラックの発生や剥離の抑制効果が得られ、耐傷性、耐摩耗性が向上すると共に、膜硬度の高い耐磨耗層を厚く形成できるようになる。耐傷性はおおよそ耐磨耗層の硬度、耐磨耗層の膜厚、基材との密着度の積によって決定されることから、基材との密着性が向上することにより耐傷性を向上させることができる。
実施例2の硬質装飾部材30における色上げ傾斜層35は、炭素含有量を傾斜的に減少させることにより、図5、図6に見られるようにLab色空間表示でL*の上昇とC*の低下が傾斜的に行われ、外観色を基材であるSUS316L材に近づけると共に、耐磨耗層34との密着性が高いことから、傷が入っても剥離しにくく、また傷が目立ちにくいという効果にも寄与している。
図9は実施例2の硬質装飾部材30における耐傷性能を測定した図である。比較として図7に示される特許文献1に基づいて作成した装飾部材110(最表層がPt)、本発明に係わる実施例2の硬質装飾部材30、硬質膜を形成していないSUS316L基材の耐傷性(二乗平均粗さ)を測定した結果である。図9から、本発明の実施例2の硬質装飾部材30は、硬質膜を形成していないSUS316L基材に対してはもちろん、特許文献1に基づいて作成した装飾部材110と比較しても、はるかに耐傷性能が良くなっていることが確認された。
実施例2のような膜構造を用いることで、膜応力が傾斜的に上昇するまたは下降する構造となることから、応力歪みによるクラックの発生や剥離の抑制効果が得られ、耐傷性、耐摩耗性が向上すると共に、色上げ傾斜層の存在によりLab色空間表示で明度の上昇が傾斜的に行われることから、より高級感のある装飾部材を提供できる。
[実施例3]
実施例3において、スパッタリングターゲットの組成は、Cr50wt%Nb50wt%の焼結体を使用した。図10に示されるように、基材41としてJISに規定されるSUS316L材を用い、基材41上にスパッタリング法でCrNb合金の低級酸化物からなる密着層42を0.1μm形成した。その後、酸素ガスを微量導入しながら窒素ガスを傾斜的に増加させたCrNb合金酸窒化物膜の傾斜密着層43を0.2μm形成した。その後CrNb合金窒化物膜からなる薄膜耐磨耗層44を1.8μm形成した。その後窒素ガスを傾斜的に減少させたCrNb合金窒化物膜の色上げ傾斜層45を0.1μm形成して硬質装飾部材40を作成した。
実施例3で得られる硬質装飾部材40の外観カラーは、Lab色空間表示により、L*:83.37、a*:0.05、b*:0.61であり、SUS316L基材41の外観カラー、L*:85.1、a*:0.38、b*:2.34とほぼ同色である。
図11は実施例3の硬質装飾部材40において、Arガス量105sccm一定のもと、導入窒素ガス量を変化させた場合の硬度変化をCr窒化物膜、Nb窒化物膜のそれと比較した図を示している。膜硬度は窒素ガス導入量に従いあるピークを持ち、窒素ガス量30sccmの条件で最大硬度を示した。CrNb合金窒化物膜の硬度はCr窒化膜と比較し明らかに高い硬度を示し、またNb窒化膜と比較しても見劣りしない高い硬度を示すことがわかる。
図12は導入窒素ガス量を変化させた場合のCrNb合金窒化物膜の明度変化をCr窒化物膜、Nb窒化物膜のそれと比較した図を示している。CrNb合金窒化物膜の明度はNb窒化物膜と比較し明らかに高い明度を示し、またCr窒化物膜と比較しても見劣りしない高い明度を示すことがわかる。
高級感のある装飾品には高い明度が求められる。その為明度の観点から言えば、Cr単独膜で窒素ガス量の少ない領域が最も優れているといえる。しかしながら図11からわかるように、その領域でのCr窒化物膜の硬度は低く、十分な耐傷性を得られない。CrとNbを合金化させることで高い明度を維持しつつ、かつ高い硬度を持った装飾部材が得られる。
図13は導入窒素ガス量を変化させた場合のCrNb合金窒化物膜の彩度変化をCr窒化物膜、Nb窒化物膜のそれと比較した図を示している。CrNb合金窒化物膜の彩度は、低窒素ガス領域でCr窒化物膜とNb窒化物膜よりも低く、高窒素ガス領域でCr窒化物膜とNb窒化物膜よりも高くなる傾向を示した。白色の場合、彩度(C*)は0に近いほうが良いことから、CrNb合金窒化物膜は特に低窒素ガス領域でより白色を示すことが分かる。
実施例3の硬質装飾部材40の密着層42は、図11の窒素ガス導入量0sccmの条件で、酸素ガスを5sccm導入し、CrNb低級酸化物膜を0.1μm形成した。CrNb低級酸化物にすることで、CrNb合金膜よりも基材との密着性が増し耐傷性を向上させることができる。傾斜密着層43は、酸素ガスを3sccm導入しながら、図11の窒素ガス導入量を0sccmから最大硬度を示す30sccmまで傾斜的に増加させてCrNb合金窒化物膜を0.2μm形成した。耐磨耗層44は、最大硬度を示す窒素ガス導入量30sccmの条件でCrNb合金窒化物膜を1.8μm形成した。色上げ傾斜層45は図11の最大硬度を示す窒素ガス導入量30sccmから0sccmまで傾斜的に減少させたCrNb合金窒化物膜を0.1μm形成した。
実施例3の硬質装飾部材40における傾斜密着層43は、密着層と耐磨耗層間で明確な界面が無くなることから、基材と密着層との一体化が図れる。傾斜密着層があることで密着層と耐磨耗層との密着性が十分に確保され、また膜応力が傾斜的に上昇する構造となることから、応力歪みによるクラックの発生、剥離の抑制効果が得られ、耐傷性、耐摩耗性が向上すると共に、膜硬度の高い耐磨耗層を厚く形成できるようになる。耐傷性はおおよそ耐磨耗層の硬度、耐磨耗層の膜厚、基材との密着度の積によって決定されることから、基材との密着性が向上することにより耐傷性を向上させることができる。
実施例3の硬質装飾部材40における色上げ傾斜層45は、窒素含有量を傾斜的に減少させることにより、図12、図13に見られるようにLab色空間表示でL*の上昇とC*の低下が傾斜的に行われ、外観色を基材であるSUS316L材に近づけると共に、耐磨耗層44との密着性が高いことから、傷が入っても剥離しにくく、また傷が目立ちにくいという効果にも寄与している。
図14は実施例3の硬質装飾部材40における耐傷性能を測定した図である。比較として図7に示される特許文献1に基づいて作成した装飾部材110、本発明に係わる実施例3の硬質装飾部材40、硬質膜を形成していないSUS316L基材の耐傷性(二乗平均粗さ)を測定した結果である。図14から、本発明の実施例3の硬質装飾部材40は、硬質膜を形成していないSUS316L基材に対してはもちろん、特許文献1に基づいて作成した装飾部材110と比較しても、はるかに耐傷性能が良くなっていることが確認された。
表2には、CrとNbの合金比率に対する炭化物膜、窒化物膜、炭窒化物膜の硬度、耐食性能及びこれらの総合評価を示した。表2に見られるように、合金比率に応じて最大硬度、耐食性能が変化しているのがわかり、合金比率によってそれらを自由に調整することが可能である。Cr比率を高くすると明度が上がり、基材との密着性も向上し厚膜が可能となることから耐傷性に有利であるが、Cr単独の場合には膜硬度が低いことから、高い耐傷性能が得られない。またNb比率が高い場合は、膜硬度が高くなり耐傷性に有利であるが、明度が低く、またNb単独の場合は耐アルカリ性、耐次亜塩素酸性に問題があることから装飾部材として適用することはできない。さらにNb単独の場合は、基材との密着性が悪く、厚膜を形成することができない。CrとNbを合金化させることで膜硬度、明度、耐食性、密着性といったそれぞれの欠点を補うことが可能となる。色感、耐傷性、耐腐蝕性のバランスに優れる硬質装飾部材を得るには、Cr比率は20wt%以上が望ましく、30wt%以上がより望ましい。
Figure 0005979928
[実施例4]
実施例4において、スパッタリングターゲットの組成は、Cr50wt%W50wt%の焼結体を使用した。図15において、基材51としてJIS2種のTi基材を用い、基材51上にスパッタリング法でCrW合金の低級酸化物からなる密着層52を0.1μm形成した。その後、酸素ガスを微量導入しながら窒素ガスを傾斜的に増加させたCrW合金酸窒化物膜の傾斜密着層53を0.2μm形成した。その後CrW合金窒化物膜からなる薄膜耐磨耗層54を1.8μm形成した。その後窒素ガスを傾斜的に減少させたCrW合金窒化物膜の色上げ傾斜層55を0.15μm形成して硬質装飾部材50を作成した。
実施例4で得られる硬質装飾部材50の外観カラーは、Lab色空間表示により、L*:83.42、a*:0.1,b*:0.64であり、SUS316L基材41の外観カラー、L*:85.1、a*:0.38,b*:2.34とほぼ同色である。
図16は実施例4の硬質装飾部材50において、Arガス量105sccm一定のもと、導入窒素ガス量を変化させた場合の硬度変化をCr窒化物膜、W窒化物膜のそれと比較した図を示している。膜硬度は窒素ガス導入量に従い増加傾向を示し、窒素ガス量50sccmの条件で最大硬度を示した。CrW合金窒化物膜の硬度はCr窒化物膜と比較し明らかに高い硬度を示し、またW窒化物膜と比較しても見劣りしない高い硬度を示すことがわかる。
図17は導入窒素ガス量を変化させた場合の明度変化をCr窒化物膜、W窒化物膜のそれと比較した図を示している。CrW合金窒化物膜の明度は、W窒化物膜と比較し明らかに高い明度を示し、また高窒素ガス領域においてはCr窒化物膜よりも高い明度を示すことがわかる。
高級感のある装飾品には高い明度が求められる。その為明度の観点から言えば、Cr単独で窒素ガス量が少ない領域が最も優れているといえる。しかしながら図17からわかるように、その領域でのCr窒化物膜の硬度は低く、十分な耐傷性を得られない。CrとWを合金化させることで高い明度を維持しつつ、かつ高い硬度を持った装飾部材が得られる。
図18は導入窒素ガス量を変化させた場合の彩度変化をCr窒化物膜、W窒化物膜のそれと比較した図を示している。CrW合金窒化物膜の彩度は、Cr窒化物膜とW窒化物膜のそれよりも低い値を示した。白色の場合、彩度(C*)は0に近いほうが良いことから、CrW合金窒化物膜は特に低窒素ガス領域でより白色を示すことが分かる。
実施例4の硬質装飾部材50の密着層52は、図16の窒素ガス導入量0sccmの条件で、酸素ガスを5sccm導入し、CrW低級酸化物膜を0.1μm形成した。CrW低級酸化物にすることで、CrW合金膜よりも基材との密着性が増し耐傷性を向上させることができる。傾斜密着層53は、酸素ガスを3sccm導入しながら、図16の窒素ガス導入量を0sccmから最大硬度を示す50sccmまで傾斜的に増加させてCrW合金窒化物膜を0.2μm形成した。耐磨耗層54は、最大硬度を示す窒素ガス導入量50sccmの条件でCrW合金窒化物膜を1.8μm形成した。色上げ傾斜層55は図16の最大硬度を示す窒素ガス導入量50sccmから10sccmまで傾斜的に減少させてCrW合金窒化物膜を0.15μm形成した。
実施例4の硬質装飾部材50における傾斜密着層53は、密着層と耐磨耗層間で明確な界面が無くなることから、基材と密着層との一体化が図れる。傾斜密着層があることで密着層と耐磨耗層との密着性が十分に確保され、また膜応力が傾斜的に上昇する構造となることから、応力歪みによるクラックの発生、剥離の抑制効果が得られ、耐傷性、耐摩耗性が向上すると共に、膜硬度の高い耐磨耗層を厚く形成できるようになる。耐傷性はおおよそ耐磨耗層の硬度、耐磨耗層の膜厚、基材との密着度の積によって決定されることから、基材との密着性が向上することにより耐傷性を向上させることができる。
実施例4の硬質装飾部材50における色上げ傾斜層55は、窒素含有量を傾斜的に減少させることにより、図17、図18に見られるようにLab色空間表示でL*の上昇とC*の低下が傾斜的に行われ、外観色を基材であるSUS316L材に近づけると共に、耐磨耗層54との密着性が高いことから、傷が入っても剥離しにくく、また傷が目立ちにくいという効果にも寄与している。
図19は実施例4の硬質装飾部材50における耐傷性能を測定した図である。比較として図7に示される特許文献1に基づいて作成した装飾部材110(最表層がPt)、本発明に係わる実施例4の硬質装飾部材50、硬質膜を形成していないSUS316L基材の耐傷性(二乗平均粗さ)を測定した結果である。図19から、本発明の実施例4の硬質装飾部材50は、硬質膜を形成していないSUS316L基材に対してはもちろん、特許文献1に基づいて作成した装飾部材110と比較しても、はるかに耐傷性能が良くなっていることが確認された。
表3には、CrとWの合金比率に対する炭化物膜、窒化物膜、炭窒化物膜の硬度、耐食性能及び総合評価を示した。表3に見られるように、合金比率に応じて最大硬度、耐食性能が変化しているのがわかり、合金比率によってそれらを自由に調整することが可能である。Cr比率を高くすると明度が上がり、基材との密着性も向上し厚膜が可能となることから耐傷性に有利であるが、Cr単独の場合には膜硬度が低く、高い耐傷性能が得られない。またW比率が高い場合は、膜硬度が高くなり耐傷性に有利であるが明度が低く、また次亜塩素酸耐性に問題があることから装飾部材として適用することはできない。さらにW単独の場合は、膜応力が高いため基材との密着性が悪く厚膜を形成することができない。CrとWを合金化させることで膜硬度、明度、耐食性、密着性といったそれぞれの欠点を補うことが可能となる。色感、耐傷性、耐腐蝕性のバランスに優れる硬質装飾部材を得るには、Cr比率は20wt%以上が望ましく、30wt%以上がより望ましい。
Figure 0005979928
[実施例5]
実施例5において、図20において、スパッタリングターゲットの組成は、Cr40wt%Ti60wt%の焼結体を使用した。基材61としてJIS2種のTi基材を用い、基材61上にスパッタリング法でCrTi合金の低級酸化物からなる密着層62を0.1μm形成した。その後、酸素ガスを微量導入しながらメタンガスを傾斜的に増加させたCrTi合金酸炭化物膜の傾斜密着層63を0.2μm形成した。その後CrTi合金炭化物膜からなる薄膜耐磨耗層64を1.7μm形成した。その後メタンガスを傾斜的に減少させたCrTi合金炭化物膜の色上げ傾斜層65を0.1μm形成して硬質装飾部材60を作成した。
実施例5で得られる硬質装飾部材60の外観カラーは、Lab色空間表示により、L*:82.34、a*:0.97,b*:0.77であり、SUS316L基材41の外観カラー、L*:85.1、a*:0.38,b*:2.34とほぼ同色である。
図21は実施例5の硬質装飾部材60において、Arガス量105sccm一定のもと、導入メタンガス量を変化させた場合の硬度変化をCr炭化物膜、Ti炭化物膜のそれと比較した図を示している。膜硬度は炭素ガス導入量に従い硬度ピークを示し、メタンガス量25sccmの条件で最大硬度を示した。CrTi合金炭化物膜の硬度は、Cr炭化物膜と比較し高メタンガス領域において明らかに高い硬度を示した。
図22は導入メタンガス量を変化させた場合の明度変化をCr炭化物膜、Ti炭化物膜のそれとを比較した図を示している。CrTi合金炭化物膜の明度は、Cr炭化物膜とTi炭化物膜のおよそ中間値を示し、Ti炭化物膜と比較し明らかに高い明度を示した。
高級感のある装飾品には高い明度が求められる。その為明度の観点から言えば、Cr単独膜でメタンガス量が少ない領域が最も優れているといえる。しかしながら図21からわかるように、その領域でのCr炭化物膜の硬度は低く、十分な耐傷性を得られない。CrとTiを合金化させることで高い明度を維持しつつ、かつ高い硬度を持った装飾部材が得られる。
図23は導入メタンガス量を変化させた場合の彩度変化をCr炭化物膜、Ti炭化物膜のそれと比較した図を示している。CrTi合金炭化物膜の彩度は、Cr炭化物膜とTi炭化物膜のおよそ中間値を示し、メタンガスが10sccmの条件で最も低い値を示した。白色の場合、彩度(C*)は0に近いほうが良いことから、CrTi合金炭化物膜は特に低メタンガス領域でより白色を示すことが分かる。
実施例5の硬質装飾部材60の密着層62は、図21のメタンガス導入量0sccmの条件で、酸素ガスを5sccm導入し、CrTi低級酸化物膜を0.1μm形成した。CrTi低級酸化物にすることで、CrTi合金膜よりも基材との密着性が増し耐傷性を向上させることができる。傾斜密着層63は、酸素ガスを3sccm導入しながら、図21のメタンガス導入量を0sccmから最大硬度を示す25sccmまで傾斜的に増加させてCrTi合金炭化物膜を0.2μm形成した。耐磨耗層64は、最大硬度を示すメタンガス導入量25sccmの条件でCrTi合金炭化物膜を1.7μm形成した。色上げ傾斜層65は、図21の最大硬度を示すメタンガス導入量25sccmから0sccmまで傾斜的に減少させたCrTi合金炭化物膜を0.1μm形成した。
実施例5の硬質装飾部材60における傾斜密着層63は、密着層と耐磨耗層間で明確な界面が無くなることから、基材と密着層との一体化が図れる。傾斜密着層があることで密着層と耐磨耗層との密着性が十分に確保され、また膜応力が傾斜的に上昇する構造となることから、応力歪みによるクラックの発生、剥離の抑制効果が得られ、耐傷性、耐摩耗性が向上すると共に、膜硬度の高い耐磨耗層を厚く形成できるようになる。耐傷性はおおよそ耐磨耗層の硬度、耐磨耗層の膜厚、基材との密着度の積によって決定されることから、基材との密着性が向上することにより耐傷性を向上させることができる。
実施例5の硬質装飾部材60における色上げ傾斜層65は、炭素含有量を傾斜的に減少させることにより、図22、図23に見られるようにLab色空間表示でL*の上昇とC*の低下が傾斜的に行われ、外観色を基材であるSUS316L材に近づけると共に、耐磨耗層64との密着性が高いことから、傷が入っても剥離しにくく、また傷が目立ちにくいという効果にも寄与している。
図24は実施例5の硬質装飾部材60における耐傷性能を測定した図である。比較として図7に示される特許文献1に基づいて作成した装飾部材110(最表層Pt)、本発明に係わる実施例5の硬質装飾部材60、硬質膜を形成していないSUS316L基材の耐傷性(二乗平均粗さ)を測定した結果である。図24から、本発明の実施例5の硬質装飾部材60は、硬質膜を形成していないSUS316L基材に対してはもちろん、特許文献1に基づいて作成した装飾部材110と比較しても、はるかに耐傷性能が良くなっていることが確認された。
表4には、CrとTiの合金比率に対する炭化物膜の硬度、耐食性能及び総合評価を示した。TiやHf、Zrといった4A族は、窒化物膜を形成すると金色を呈することから、4A族を合金化させる場合には炭化物膜に限定される。表4に見られるように、合金比率に応じて最大硬度、耐食性能が変化しているのがわかり、合金比率によってそれらを自由に調整することが可能である。Cr比率を高くすると明度が上がり、基材との密着性も向上し厚膜が可能となることから耐傷性に有利であるが、Cr単独の場合には膜硬度が低く、高い耐傷性能が得られない。またTi比率が高い場合は、膜硬度が高くなり耐傷性に有利であるが、明度が低く、またTi単独の場合は、膜応力が高いため基材との密着性が悪く厚膜を形成することができない。CrとTiを合金化させることで膜硬度、明度、耐食性、密着性といったそれぞれの欠点を補うことが可能となる。色感、耐傷性、耐腐蝕性のバランスに優れる硬質装飾部材を得るには、Cr比率は20wt%以上が望ましい。
Figure 0005979928
本発明によれば、傷や磨耗などによる外観品質の低下を抑制し、かつ高級感のある色調を有した硬質装飾部材を提供し、さらに膜硬度、耐傷性能、耐磨耗性能、色調、耐腐食性能を自由にコントロール可能な製品を提供できるため、産業上の利用可能性が高い。
10 本発明の実施態様の硬質装飾部材
11 基材
12 耐磨耗層
110 従来例(特許文献1に基づいて作成)の装飾部材
111 基材
112 密着層
113 耐摩耗層
114 Pt層
20 実施例1の硬質装飾部材
21 SUS316L基材
22 CrMo合金耐磨耗層
30 実施例2の硬質装飾部材
31 SUS316L基材
32 CrMo合金低級酸化物膜密着層
33 CrMo合金酸炭化物膜傾斜密着層
34 CrMo合金炭化物膜耐磨耗層
35 CrMo合金炭化物膜色上げ傾斜層
40 実施例3の硬質装飾部材
41 SUS316L基材
42 CrNb合金低級酸化物膜密着層
43 CrNb合金酸窒化物膜傾斜密着層
44 CrNb合金窒化物膜耐磨耗層
45 CrNb合金窒化物膜色上げ傾斜層
50 実施例4の硬質装飾部材
51 Ti基材
52 CrW合金低級酸化物膜密着層
53 CrW合金酸窒化物膜傾斜密着層
54 CrW合金窒化物膜耐磨耗層
55 CrW合金窒化物膜色上げ傾斜層
60 実施例5の硬質装飾部材
61 Ti基材
62 CrTi合金低級酸化物膜密着層
63 CrTi合金酸炭化物膜傾斜密着層
64 CrTi合金炭化物膜耐磨耗層
65 CrTi合金炭化物膜色上げ傾斜層

Claims (7)

  1. 基材上に、Crと、Mo、W、Nb、Ta、Ti、Hf、Zr及びVからなる群から選ばれる1種または2種以上との合金と、窒素、炭素、酸素の1種又は2種以上の非金属元素との反応化合物からなる硬質装飾被膜を複層で積層したことを特徴とする硬質装飾部材であって、
    前記複層の前記硬質装飾被膜が、前記基材の上に積層された密着層、前記密着層の上に積層された傾斜密着層、前記傾斜密着層の上に積層された耐磨耗層、及び前記耐摩耗層の上に積層された色上げ傾斜層を含み、
    前記密着層の非金属元素は低濃度の酸素であり、
    前記傾斜密着層、前記耐磨耗層及び前記色上げ傾斜層の非金属元素は窒素、炭素、酸素の1種又は2種以上からなり、
    前記傾斜密着層を構成する反応化合物における非金属元素の含有量が基材から離れるにつれて厚さ方向に傾斜的に増加し、
    前記色上げ傾斜層を構成する反応化合物における非金属元素の含有量が基材から離れるにつれて厚さ方向に傾斜的に増減する、硬質装飾部材。
  2. 前記耐磨耗層の厚さは0.5〜4μmであることを特徴とする請求項1に記載の硬質装飾部材。
  3. 前記Crの比率が20wt%以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の硬質装飾部材。
  4. 前記硬質装飾部材の外観色が白色またはステンレス色であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の硬質装飾部材。
  5. 外装部品の一部又は全部が、請求項1〜のいずれか1項に記載の硬質装飾部材で構成されることを特徴とする時計。
  6. 反応性スパッタリング法により、前記密着層、前記傾斜密着層、前記耐磨耗層及び前記色上げ傾斜層の少なくとも1つを積層することを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の硬質装飾部材の製造方法。
  7. 反応性スパッタリング法において、前記非金属元素を含む反応ガス量を時系列的に増加又は減少させることにより前記傾斜密着層及び前記色上げ傾斜層を積層することを特徴とする請求項に記載の硬質装飾部材の製造方法。
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