JP6015663B2 - 摺動特性に優れた被覆部材 - Google Patents

Description

本発明は、例えば各種機械を構成する摺動部品やプレス加工、鍛造用の金型といった、被加工材との摺動環境において耐摩耗性や耐カジリ性といった摺動特性が要求される被覆部材に関するものである。

近年、金型の作業面には様々な表面処理を施しておくことで、作業面の耐摩耗性や耐カジリ性を高める手法が広く実施されてきている。なかでもコーティング（被覆）による手法は、ビッカース硬度（ＨＶ）の値が１０００を超える硬質皮膜を被覆できるものであり、基材表面との密着性にも優れることから、それを適用した被覆金型の寿命は大きく向上する。

上記の硬質皮膜には、例えば化学蒸着法（ＣＶＤ法）で被覆したチタン炭化物（元素構成としてＴｉＣで表記する。以下同様）や、塩浴法で被覆したＶＣのほか、物理蒸着法（ＰＶＤ法）で被覆したＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＶＣＮ、ＶＣ、ＣｒＮ、ＣｒＡｌＮ、ＡｌＣｒＮなどの皮膜が実用化されている。各種の被覆手段のなかでは、被覆時の温度が焼戻し温度以下の低温とできるＰＶＤ法が、金型の被覆処理に有効である。
そして、被加工材の高強度化、加工製品の高精度化、成形サイクルの高速化が進む塑性加工用金型では、その作業面への負荷が特に増大していることから、作業面に硬質皮膜を形成した被覆金型が多用されており、特に冷間加工用は高硬度でかつ摩擦係数の低いＴｉＣＮやＴｉＣが使用されている。

最近の金型には、被加工材の更なる高強度化、金型の複雑形状化に加えて、温熱間加工にも対応できるように、優れた耐熱性も求められるようになってきた。これに対して金型へのＰＶＤ法を用いた硬質皮膜としては、耐摩耗性および耐酸化性に優れる上記のＡｌＣｒ系の窒化物皮膜を基にして、これに第３元素を添加した、例えばＡｌＣｒＳｉ系の窒化物皮膜（特許文献１、２）がある。
一方、切削工具の分野では、ＣｒＮと、耐摩耗性と耐熱性に優れる周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族元素、ＡｌおよびＳｉから選択された少なくとも１種の元素の窒化物を積層した硬質皮膜（特許文献３）が開示されている。
更には、切削工具および摺動部材に適した硬質皮膜として、クロム系の窒化物とＶＮとを交互に積層した硬質皮膜（特許文献４）が開示されている。

特許文献１〜４の硬質皮膜を金型の表面に設けることで、一定の寿命改善が見込まれる。しかし、特に激しい摺動環境にあるプレス加工や鍛造用金型等の塑性加工用金型に用いる場合には、作業面と被加工材が摺動することで摩耗やカジリ等の損耗が特に顕著であり、摺動特性の改善に余地があった。

本願出願人等は、摺動特性を改善する手段として、工具基材の表面に、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物とＶの窒化物が交互に積層された硬質皮膜を被覆した被覆工具であって、前記硬質皮膜の膜厚が３μｍ以上、表面粗さがＲａ＜０．２μｍ、Ｒｚ＜２．０μｍ、Ｒｓｋ＜０からなる被覆工具を提案している（特許文献５）。

特開２００５−０４２１４６号公報 特開２００３−３２１７６４号公報 特開２００７−１１１８１５号公報 特開２００５−２５６０８１号公報 特開２０１１−１８３５４５号公報

本願出願人等が提案した特許文献５に記載の被覆工具は、硬質皮膜に摺動特性が優れるＶの窒化物を含み、更に、被加工材を攻撃する起点となる皮膜表面の凸部を低減した平滑な皮膜構造であり、摺動特性に優れるものである。しかしながら、使用条件によっては、金型使用における初期段階で、金型と被加工材との馴染みが十分でないためビビリ振動が発生して突発的なカジリが発生する場合があり、金型寿命が十分に発揮されない場合があった。ここで、金型のカジリとは、金型表面における局所的な焼付きをいう。金型の焼付きとは、金型表面と被加工物が摺動する際に、潤滑が不十分であるなどの理由により摩擦熱による発熱が生じ、これによって金型表面が荒れたり、摩擦面同士が溶着してしまったりする現象をいう。

本発明者等は、過酷な使用環境下での被覆金型の損傷形態を鋭意研究し、硬質皮膜の損耗は、被加工材が局部的に付着することが原因で起こる場合と、摺動中に発生する摩耗粉が原因で起こる場合があることを見出した。そして、従来の被覆金型では、局所的に被加工材が付着し易く、皮膜表面上で摺動抵抗が不均一となり、突発的なカジリや焼付きが発生して、初期段階で損傷が発生する場合があることを突き止めた。また、被加工材が鉄系の場合、被加工材から発生する摩耗粉である鉄酸化物が皮膜表面を損傷させることで、初期段階での損傷が発生し易いことを見出した。

本発明は、上記課題に鑑み、初期段階での突発的なカジリを抑制し、摺動特性に優れる被覆部材を提供することを目的とする。特に、冷間から温熱間の使用環境で摺動特性に優れる、塑性加工用に最適な被覆金型を提供することを目的とする。

本発明者等は、初期段階の突発的なカジリ抑制し、更に長時間使用しても優れた摺動特性が発揮される手法について研究した結果、それを発現するための最適な元素構成と皮膜構造があることを見出した。

すなわち、本発明は、作業面に硬質皮膜を有する被覆部材であって、前記硬質皮膜は金属（半金属を含む。以下同様）部分の原子比率でクロムが３０％以上の窒化物、炭窒化物または酸窒化物からなるａ１層と、金属部分の原子比率でバナジウムが６０％以上の窒化物、炭窒化物または酸窒化物からなるａ２層とが交互に積層したＡ層と、
該Ａ層の上層にあって金属部分の原子比率でバナジウムが６０％以上の窒化物、炭窒化物または酸窒化物からなるＢ層を含み、
前記Ａ層は、個々のａ１層およびａ２層の膜厚が５０ｎｍ以下であり、かつ、ａ２層の膜厚の方がａ１層の膜厚よりも厚く、
前記Ｂ層は、膜厚が０．１μｍ以上である摺動特性に優れた被覆部材である。

また、ａ２層の膜厚が、ａ１層の膜厚よりも１．５倍以上であることが好ましい。更には、ａ２層の膜厚が、ａ１層の膜厚よりも２．０倍以上４．０倍以下であることが好ましい。
また、Ａ層とＢ層の総膜厚は、４μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。更には、Ａ層とＢ層の総膜厚は、８μｍ以上であることが好ましい。
また、Ｂ層は、表面粗さがＲａ＜０．２μｍ、Ｒｚ＜２．０μｍ、Ｒｓｋ＜０であることが好ましい。
また、Ｂ層は、膜厚が０．２μｍ以上であることが好ましい。更には、Ｂ層は、膜厚が８μｍ以下であることが好ましい。
また、ａ１層が、金属部分の原子比率でアルミニウムを１０％以上含むことが好ましい。
また、ａ１層が、金属（半金属を含む）部分の原子比率でシリコンを１〜１０％含むことが好ましい。
また、被覆部材は、金型であることが好ましい。

本発明によれば、例えば、金型使用時における初期段階でのカジリが抑制され、冷間から温熱間の使用領域に亘って摺動特性に優れて金型の摩耗が抑制される。そのため、金型等の被覆部材の寿命を飛躍的に向上させることが可能である。

本発明Ｎｏ．１の摺動距離に対する摩擦係数の振れ幅を示す一例である。 比較例Ｎｏ．５の摺動距離に対する摩擦係数の振れ幅を示す一例である。 本発明Ｎｏ．１２における往復摺動試験後の摺動面プロファイルを示す。 比較例Ｎｏ．２１における往復摺動試験後の摺動面プロファイルを示す。

本発明者等は、摺動特性を改善する皮膜構造として、クロムを一定量含有した化合物と、バナジウムを主体とする化合物を、個々の膜厚を制御してナノレベルで積層させ、更にその相互積層皮膜の上層には、厚膜のバナジウムを主体とする化合物を被覆する構成が有効であることを見出した。以下、その詳細について説明する。

まず、金属部分の原子比率でクロムが３０％以上の窒化物、炭窒化物または酸窒化物からなるａ１層と、金属部分の原子比率でバナジウムが６０％以上の窒化物、炭窒化物または酸窒化物からなるａ２層とが交互に積層したＡ層について説明する。
従来から切削工具や金型へ広く適用されているＣｒＮやこれに効果元素を添加したＣｒＡｌＮ、ＣｒＳｉＮ等のクロム系の化合物は、耐摩耗性と耐熱性に優れるものである。
特に、摺動中に摩擦熱が発生する高負荷環境で使用される金型においては、クロムを一定量含有する皮膜を適用することが、部材の寿命向上に有効である。本発明では、耐熱性と耐摩耗性を両立するために、積層構造の一方に、金属部分の原子比率でクロムが３０％以上の窒化物、炭窒化物または酸窒化物からなるａ１層を適用する。クロムの含有量がこれよりも少ないと耐熱性および耐摩耗性が乏しく、また、摺動特性が低下する傾向にある。
製造コストの点では、単純な金属ターゲットを使用して成膜するクロムの窒化物、炭窒化物または酸窒化物を適用することが好ましい。

一方、バナジウムを主体とする化合物は、２５〜２００℃の使用温度域においてバナジウムが該温度域で適度に酸化されるため、それが薄い酸化層として基材表面に形成され、相手材（被加工材）との親和性を低下させる。そのため、その使用中における皮膜表面への被加工材の付着を低減できる。そして、被加工材が鉄系の場合には、バナジウムの酸化物が、被加工材の表面や摩耗粉である鉄酸化物と反応して、鉄酸化物を軟化させるので、皮膜への攻撃性が低減する。
また、バナジウムの酸化物が被加工材の鉄酸化物を軟化させる効果は、摺動中に摩耗粉の発生を抑制する傾向にあり、プレス成型中の作業面にて局部的なスクラッチやカジリを抑えることができる。
本発明では、摺動特性が優れるバナジウムの酸化物を十分に発生させるため、積層構造の一方に、金属部分の原子比率でバナジウムが６０％以上の窒化物、炭窒化物または酸窒化物からなるａ２層を適用する。より好ましくは７０原子％以上、更には８０原子％以上である。
製造コストの点では、単純な金属ターゲットを使用して成膜するバナジウムの窒化物、炭窒化物または酸窒化物を適用することが好ましい。

本発明は、耐摩耗性と耐熱性に優れるａ１層と、摺動特性に優れるａ２層の両特性を効果的に発現させるため、これらの積層皮膜の個々の膜厚を５０ｎｍ以下とする。このように積層皮膜の個々の膜厚を制御することで、上記の諸特性をバランスよく併せもった被覆部材となる。そして、使用中の各温度環境でも皮膜摺動面の凹凸発生が抑えられ、かつ被加工材への攻撃性も低いことから、摺動時に発生するカジリ等の損傷を抑制し、部材の寿命を改善できる。特に、金型の作業面が被加工材と激しく摺動する環境にある塑性加工用金型に適用することが好ましい。より好ましい個々の膜厚は、３０ｎｍ未満、更には１０ｎｍ未満である。
積層皮膜の個々の膜厚は、ターゲットに印加する投入電力、成膜に用いる装置のチャンバー容積およびテーブル回転数等を制御することで調整することができる。

更に、本発明では、過酷な使用環境下でも十分な摺動特性を得るために、ａ２層の膜厚の方が、ａ１層の膜厚よりも厚くする。更に、１．５倍以上であれば、摺動特性を高めるバナジウムの酸化物が十分に生成されるのでより好ましい。より好ましくは２．０倍以上である。
また、概ね３００℃以上の使用温度域になると、バナジウムを主体とする化合物の酸化が更に進行することから、過剰な酸化物が形成されるため、使用環境によっては、耐摩耗性が低下する場合がある。そのため、ａ２層の膜厚は、ａ１層の膜厚の４．０倍以下とすることが好ましい。
ａ１層およびａ２層は、窒化物である方が耐摩耗性と耐熱性がより優れるため好ましい。また、窒化物が主体であればその一部に炭化物、酸化物等を含有しても優れた耐摩耗性と耐熱性を発揮することができる。

Ａ層の効果を発揮するためには、Ａ層の膜厚が３μｍ以上であることが好ましい。より好ましくは５μｍ以上である。
基材とＡ層の間には、密着性を確保するために、金属、炭化物、炭窒化物または窒化物等の硬質皮膜を被覆してもよい。

より過酷な使用環境下において耐摩耗性と耐熱性を両立させるためには、ａ１層が、金属部分の原子比率でアルミニウムを１０％以上含むことが好ましい。更には、３０原子％以上であることがより好ましい。ａ１層のアルミニウムの添加量が多くなると、脆弱な六方晶構造が主体となり易い。ａ１層の結晶構造を立方晶構造に維持するためには、アルミニウムの含有量を７０原子％以下、更には、６５％原子以下とすることがより好ましい。

ａ１層が、金属部分の原子比率でシリコンを１〜１０％含むことで、皮膜の硬度が向上し、例えば金型の耐摩耗性がより改善されるので好ましい。
ａ１層がシリコンを含有することで、Ａ層のビッカース硬度を２０００ＨＶ_１０以上にすることができる。更には、２５００ＨＶ_１０以上の高硬度とすることができるので好ましい。
シリコンの含有量がこれよりも少ないと、硬度の向上が十分でない。また、シリコンの含有量がこれよりも多いと皮膜の靭性が低下する傾向にある。

続いて、本発明の最も重要な特徴である、Ａ層の上層にあるバナジウムが主体の窒化物、炭窒化物または酸窒化物からなるＢ層について説明する。
上記の通り、バナジウムを主体とする化合物は、摺動中の熱によって、適度に酸化し、潤滑層として働く。そのため、耐摩耗性と耐熱性に優れるａ１層と摺動特性に優れるａ２層をナノレベルで相互積層させることで、ある程度の摺動特性は確保される。しかし、それだけでは、工具使用における初期段階での金型とワークの馴染みが十分でなく、初期段階で突発的なカジリが発生する場合がある。
そこで、相互積層したａ２層の個々の膜厚よりも厚い、０．１μｍ以上のバナジウムが主体の化合物をＡ層の上層に設けることで、潤滑効果が優れるバナジウムの酸化物が、金型使用時の初期から十分に生成されるため、初期の突発的なカジリが抑制される。より好ましくは０．２μｍ以上である。
これよりも薄い場合には、初期段階において金型と被加工材の馴染みが十分でなく、突発的なカジリが発生し易い。また、複雑形状の金型では、金型部位において皮膜成分や色味にバラツキが生じやすい。膜厚が厚くなり過ぎると、成膜に時間がかかり生産性が悪くなるので、Ｂ層の膜厚は、８μｍ以下であることが好ましい。また、使用環境によっては、皮膜全体の耐摩耗性が低下する場合があるため、より好ましくは５μｍ以下である。更には、３μｍ以下である。
本発明では、摺動特性が優れるバナジウムの酸化物を十分に発生させるため、Ｂ層は、金属部分の原子比率でバナジウムが６０％以上の窒化物、炭窒化物または酸窒化物を適用する。バナジウムの含有量を７０原子％以上、更には、８０原子％以上とすることがより好ましい。
製造コストの点では、単純な金属ターゲットを使用して成膜するバナジウムの窒化物、炭窒化物または酸窒化物を適用することが好ましい。

Ｂ層は、Ａ層の直上に設けることで皮膜構造が簡素となり、製造が容易となるため好ましい。
Ｂ層は、耐摩耗性と耐熱性がより優れるバナジウムの窒化物を設けることが好ましい。また、窒化物が主体であれば、その一部に炭化物、酸化物等を含有しても優れた耐摩耗性と耐熱性を発揮することができる。

本発明では、Ａ層とＢ層の総膜厚が４μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。
例えば、プレス成形に用いる金型では、皮膜表面から加えられる力が大きいため、皮膜がこれよりも薄くなると皮膜強度が乏しくなり、皮膜が損傷し易くなる。特に、高負荷環境下では、皮膜と基材の界面に大きな力が加わるため、皮膜と基材の弾性変形量の違いから、皮膜剥離や皮膜損傷が発生し易く、金型寿命に及ぼす膜厚の影響が大きくなる。
高負荷環境下においては、Ａ層とＢ層の総膜厚が８μｍ以上であることが好ましい。更には、１０μｍ以上であることがより好ましい。
また、硬質皮膜の総膜厚が厚くなり過ぎると、皮膜剥離が発生し易くなる場合があり、総膜厚は１５μｍ以下であることが好ましい。また、Ａ層はＢ層よりも厚膜であることが好ましい。

本発明においては、Ｂ層の表面粗さをＲａ＜０．２μｍ、Ｒｚ＜２．０μｍ、Ｒｓｋ＜０とすることが好ましい。
硬質皮膜の表面には、ドロップレットや皮膜欠陥、不純物等が含まれ、金型として使用するのに適切で無いため、平滑にすることが好ましい。特に、厚膜になると、ドロップレットや皮膜欠陥が蓄積することで表面粗さが低下するので、皮膜表面を平滑にすることが好ましい。
そして、摺動環境下では、皮膜表面の凸部が起点となり、被加工材を攻撃し、摩耗粉を発生させることにより、皮膜剥離や摩耗が発生する。
そのため、一般的な表面粗さであるＲａ、Ｒｚ（ＩＳＯ４２８７−１９９７）に加えては、凸部の頻度を把握するためにＲｓｋを制御することが好ましい。
表面粗さＲｓｋ値（ＩＳＯ４２８７−１９９７）は、振幅分布曲線の中心線に対する対象性を示すパラメーターである。例えば、表面に凹部が多い皮膜表面の場合は、Ｒｓｋ＜０を示し、凸部が多い場合にはＲｓｋ＞０を示し、凸部と凹部の頻度を管理することが可能である。本発明では、凸部が少ないことが好ましく、Ｒｓｋ＜０とすることが好ましい。
そして、表面粗さを上記の範囲に制御することで、金型の使用環境下で基材表面に形成されるバナジウムの酸化物が初期段階から均等に成形されるため、摺動特性が向上するので好ましい。特に、被加工材が鉄系である場合には、バナジウムの酸化物上に鉄酸化物が皮膜全体に薄く均一に付着するので、鉄酸化物自体も摺動特性の向上に起因して優れた摺動特性を発揮することができるので好ましい。

本発明の好ましい表面粗さを達成するためには、コーティング後の磨き方法が重要となる。従来のコーティングの磨き方法である、研磨紙による磨きや、樹脂とダイヤモンド粒子からなるメディアを照射する磨きでは、ＲａやＲｚの指標になる表面粗さは低減できるが、凸部を確実に低減させることは容易ではない。一方、ダイヤモンドペーストを用いたバフ研磨を実施すれば平滑かつ凸部の減少した表面が得られ易く好ましい。

本発明の基材は特段に定めるものではないが、冷間金型用合金工具鋼、熱間金型用合金工具鋼、高速度工具鋼または超硬合金等を使用することができる。
また、本発明に係る硬質皮膜は、ＰＶＤ法で被覆することで、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼または高速度鋼等の基材の焼き戻し温度より低温で被覆処理が可能となり、基材の寸法の変動を抑制することができる。また、硬質皮膜に圧縮残留応力を付与することができ、硬質皮膜の機械特性も改善できるので好ましい。ＰＶＤ法の中でも皮膜密着性が優れるアークイオンプレーティング法で被覆することが好ましい。
基材は、窒化処理または浸炭処理等といった拡散を利用した表面硬化処理を予め適用してもよい。

実施例１では、ボールオンディスク試験にて、皮膜組成の有する特性を評価した。
処理基材には、ＪＩＳに規定される高速度鋼ＳＫＨ５１の円盤状試験片（直径２０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）を準備した。これは、真空中１１８０℃の加熱保持より窒素ガス冷却により焼入れ後、５６０℃での焼戻しにより６４ＨＲＣに調質したものである。いずれの基材も、平面を鏡面機械研磨した後、アルカリ超音波洗浄を行った。

成膜手段には、アークイオンプレーティング法を用いた。その成膜は複数のターゲットが取り囲む中心で基材が回転する構造のＰＶＤ装置を用いて行うものである。そして基材をチャンバー内の、遊星機構を有する冶具テーブル上の、回転機構を有したプレートに設置した。なお、テーブルと、テーブル上のプレートは夫々独立して回転する。

次に、チャンバー容積が１．４ｍ^３（処理品の挿入空間は０．３ｍ^３）のアークイオンプレーティング装置内において、温度７７３Ｋ、１×１０^−３Ｐａの真空中で加熱脱ガスを行った後、７２３Ｋの温度においてＡｒプラズマによるクリーニングを行った。
そして装置内に反応ガスを導入し、各種ターゲット上にアーク放電を発生させて、７２３Ｋのもとでコーティングを行った。
試料Ｎｏ．１〜４は、ＣｒターゲットとＶターゲットを用い、Ｃｒターゲットに印加する投入電流を１００Ａ、Ｖターゲットに印加する投入電流を１５０Ａ、反応ガス圧力は３Ｐａ、テーブル回転数は３ｒｐｍ、反応ガスはＮ、コーティング時の基材には−１００Ｖのバイアス電圧を印加して成膜した。また、試料Ｎｏ．３は、反応ガスにＮとメタンを使用して成膜した。
各試料の総膜厚が１０μｍになるよう成膜時間を調整した。試料Ｎｏ．５はＣｒターゲットのみを用い、投入電流１５０Ａで成膜した。

試料はコーティング後の表面磨きに、粒径３μｍのダイヤモンドペーストを用いたバフ研磨をすることで好ましい表面粗さに調整した。
各試料の皮膜表面粗さ値は、触針式粗さ計（株式会社東京精密製 ＳＵＲＦＣＯＭ４８０Ａ）を使用し、評価長さ４ｍｍ、測定速度０．３ｍｍ／ｓ、カットオフ値０．８ｍｍの条件にて測定した。表１に皮膜構成と表面粗さを示す。

総膜厚および相互積層皮膜の直上に設けたＶＮまたはＶＣＮの膜厚（Ｂ層）は光学顕微鏡で測定した。相互積層皮膜の個々の膜厚は、電子顕微鏡観察で測定した。
試料Ｎｏ．１〜４ともに相互積層皮膜における個々のＶＮまたはＶＣＮの膜厚は約６ｎｍ、ＣｒＮまたはＣｒＣＮの膜厚は約３ｎｍであった。

試験条件は、ボールオンディスク試験機（ＣＳＭ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 Ｔｒｉｂｏｍｅｔｅｒ）を使用し、２５℃（常温）〜４００℃の大気中にて、コーティング皮膜にＳＵＪ２球（直径６ｍｍ）を１０Ｎの荷重で押し付けながら、円盤状試験片を１５０ｍｍ／秒の速度で回転させ、試験距離は１００ｍとした。

摺動部の摩耗量については、表面粗さ計（東京精密株式会社製 サーフコム４８０Ａ）にて、１．５ｍｍ／ｓの条件で皮膜摺動部の凹部を測定し、摩耗状態を評価した。
摺動特性については、測定中の摩擦係数の振れ幅を指標とし、試験中の最大摩擦係数と最小摩擦係数の差を測定した。摺動距離に対する摩擦係数振れ幅が大きい試料は、摺動抵抗が高いことを意味しており、摺動中にビビリが発生する。なお、摺動距離に対する摩擦係数の振れ幅は、摩擦係数が安定する２０ｍ〜１００ｍの試験距離間で算出した。図１、２に試料Ｎｏ．１、５の摩耗係数振れ幅の一例を示す。表２に試験結果を示す。

本発明例であるＮｏ．１〜３は、相互積層皮膜の直上にＶＮまたはＶＣＮが無い試料Ｎｏ．４よりも、室温から４００℃まで摺動中の摺動距離に対する摩耗係数の振れ幅が小さく、ビビリが発生せず、優れた摺動特性を示した。特に相互積層皮膜の直上にあるＶＮ膜が厚い試料Ｎｏ．１では、初期に十分な潤滑層が形成されたため、優れた摺動特性を示した。
単層のＣｒＮである試料Ｎｏ．５は、摺動特性が優れるＶＮまたはＶＣＮを含まないため、摺動距離に対する摩擦係数振れ幅が大きくなり、摺動特性が乏しかった。

実施例２では、より過酷な試験環境下で評価するため、皮膜の総膜厚を薄く設定し、更に、硬質皮膜への荷重負荷がより大きい往復動摩擦摩耗試験にて、皮膜組成の有する特性を評価した。
表面処理を行う基材は、ＪＩＳに規定されるダイス鋼ＳＫＤ６１の角状試験片（１８０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍ）を準備した。これは、真空中１０５０℃の加熱保持より窒素ガス冷却により焼入れ後、５６０℃での焼戻しにより４５ＨＲＣに調質した。これらの平面を鏡面機械研磨した後、アルカリ超音波洗浄を行った。

成膜時間を調整して総膜厚を４．０、４．５μｍとし、その他は実施例１と同様の条件で成膜した。試料はコーティング後の表面磨きに、粒径３μｍのダイヤモンドペーストを用いたバフ研磨をすることで好ましい表面粗さに調整した。各試料の皮膜表面粗さ値は、実施例１と同様の方法で測定した。表３に皮膜構成と表面粗さを示す。
膜厚の測定は、実施例１と同様に測定した。試料Ｎｏ．６〜８ともに相互積層皮膜における個々のＶＮの膜厚は約６ｎｍ、ＣｒＮの膜厚は約３ｎｍであった。

次に、往復動摩擦摩耗試験機（株式会社共和技研）を用いて、各種皮膜の損傷回数と摩擦係数を測定した。摺動する相手材には、φ１０ｍｍ×１６ｍｍのＳＫＤ６１（４５ＨＲＣ）を用いた。測定荷重は２００ｋｇｆ、測定速度は１５０ｍｍ／ｓ、摺動距離は３００ｍｍ／往復、試験条件は常温、無潤滑にて試験を実施して、皮膜が損傷して基材が露出した時点の往復回数で評価を行った。表４に試験結果を示す。
本発明例のＮｏ．７と比較例のＮｏ．８、９の比較では、ＣｒＮとＶＮの相互積層皮膜の直上に厚膜のＶＮ膜を設けることで、基材が露出するまでの往復回数が伸びたことが確認される。
実施例１、２のボールオンディスク試験および往復動摩擦摩耗試験いずれでも、本発明の皮膜構造が優れた摺動特性を示すことが確認された。
また、本発明例のＮｏ．６、７の比較から、総膜厚を厚くすることで、基材露出までの往復回数が改善されることが確認された。

本発明例と、相互積層皮膜の直上にＶＮ膜を設けない比較例について、往復摩擦摩耗試験にて評価した。成膜時間を調整して総膜厚を１０μｍとした以外は、実施例１と同様の条件で成膜した。
表面の平滑化には、通常使用されるエアロラップ（エアロラップは株式会社ヤマシタワークスの登録商標である）で平滑化した。表５に皮膜構成と表面粗さを示す。表面粗さと膜厚の測定は、実施例１と同様に測定した。
試料Ｎｏ．１０、１１ともに相互積層皮膜における個々のＶＮの膜厚は約６ｎｍ、ＣｒＮの膜厚は約３ｎｍであった。

往復動摩擦摩耗試験機（株式会社共和技研）を用いて、各種皮膜の損傷回数と摩擦係数を測定した。摺動する相手材には、φ１０ｍｍ×１６ｍｍのＳＫＤ６１（４５ＨＲＣ）を用いた。測定荷重は２００ｋｇｆ、測定速度は１５０ｍｍ／ｓ、摺動距離は３００ｍｍ／往復、試験条件は常温、無潤滑にて試験を実施した。
往復摩擦摩耗試験の回数を２００往復まで行い、試験後の皮膜表面のスクラッチ痕の深さを、レーザー顕微鏡（株式会社キーエンス：ＶＫ−８７１０）を用いて、スクラッチ痕部を２００倍で観察し、その表面プロファイル測定から算出した。表６に試験結果を示す。
各試料とも、膜厚が１０μｍと厚いため、２００往復でも試験途中でカジリは発生しなかった。ＣｒＮとＶＮの相互積層皮膜の直上に厚膜のＶＮ膜を設けることで、表面粗さのＲｓｋがプラス側であっても、摺動試験後のスクラッチ痕深さが小さくなることが確認された。

続いて、好ましい表面状態で往復動摩擦摩耗試験を行った。実施例１と同様の要領で成膜し、表７に示す試料Ｎｏ．１２〜２３を作製した。
なお、試料Ｎｏ．１９は、Ａ層の個々の膜厚比を変化させるため、Ｃｒターゲット上に印加する投入電流を１５０Ａ、Ｖターゲット上に印加する投入電流を１００Ａとして成膜した。
ＡｌＣｒＳｉＮの成膜には、Ａｌ_６０Ｃｒ_３７Ｓｉ_３ターゲットを使用した（数値は原子比、以下同様）。
ＣｒＳｉＢＮの成膜には、Ｃｒ_９２Ｓｉ_３Ｂ_５ターゲットを使用した。
ＴｉＡｌＮの成膜には、Ｔｉ_５０Ａｌ_５０のターゲットを使用した。ＴｉＮの成膜には、Ｔｉターゲットを使用した。
各試料好ましい表面状態になるように、粒径３μｍのダイヤモンドペーストを用いたバフ研磨にて好ましい表面粗さに調整した。
表７に皮膜構成と表面粗さを示す。表面粗さと膜厚の測定は、実施例１と同様に測定した。
成膜条件を変えた試料Ｎｏ．１９では、相互積層皮膜における個々のＶＮとＣｒＮの膜厚は約４ｎｍで同じであった。その他の試料は、相互積層皮膜における個々のＶＮの膜厚は約６ｎｍ、もう一方の膜厚は約３ｎｍであった。

次に、往復動摩擦摩耗試験機（株式会社共和技研）を用いて、各種皮膜の損傷回数と摩擦係数を測定した。摺動する相手材には、φ１０ｍｍ×１６ｍｍのＳＫＤ６１（４５ＨＲＣ）を用いた。測定荷重は２００ｋｇｆ、測定速度は１５０ｍｍ／ｓ、摺動距離は３００ｍｍ／往復、試験条件は常温、無潤滑にて試験を実施した。
往復摩擦摩耗試験の回数を２００往復まで行い、試験後の皮膜表面のスクラッチ痕の深さを、レーザー顕微鏡（株式会社キーエンス：ＶＫ−８７１０）を用いて、スクラッチ痕部を２００倍で観察し、その表面プロファイル測定から算出した。表８に試験結果を示す。
また、図３、４に試料Ｎｏ．１２と試料Ｎｏ．２１のそれぞれの表面プロファイルを示す。

本発明の好ましい表面状態である試料Ｎｏ．１２〜１７は、摺動試験後の摺動面にスクラッチ痕の発生や、カジリが発生せず、摺動特性に優れた。
試料Ｎｏ．１８は、相互積層皮膜の直上にあるＶＮ膜が薄い。そのため、皮膜の表面状態が好ましいにも関わらず、初期での馴染み性が十分でなく、試料Ｎｏ．１２〜１７に比べて摺動特性が悪く、スクラッチ痕跡が観察された。
試料Ｎｏ．１９は、ＣｒＮとＶＮの相互積層皮膜の個々の膜厚が同じである。そのため、摺動特性を高めるバナジウムの酸化物が十分に生成されないため、スクラッチ痕が観察された。
試料Ｎｏ．２０は、相互積層皮膜の直上に厚いＶＮ膜を設けていない。そのため、皮膜の表面状態が好ましいにも関わらず、初期での馴染み性が悪く、試料Ｎｏ．１２〜１７に比べて摺動特性が悪く、スクラッチ痕が観察された。
試料Ｎｏ．２１は、ＣｒＮの単層膜で、ＶＮ層を含有しない。そのため、好ましい表面状態であるが摺動特性が悪く、スクラッチ痕が深く形成された。
試料Ｎｏ．２２、２３は、クロムを含有しないＴｉＡｌＮとＶＮの相互積層皮膜である。そのため、相互積層皮膜の直上に厚いＶＮ膜を設けても、クロムを一定量含有する窒化物に比べて耐熱性に乏しく、スクラッチ痕が深く形成された。

相互積層皮膜の硬度を測定するため、実施例４で用いた試料Ｎｏ．１３、１５、１６のＡ層のみを設けた試料について、皮膜表面から、ビッカース硬さ試験機（株式会社ミツトヨ製 ＨＭ１００）を使用し、１０ｇｆの荷重にて硬度を測定した。
ＣｒＮとＶＮの相互積層皮膜よりも、ＣｒＮに他元素を添加した方が相互積層皮膜の硬度が高く耐摩耗性により優れる。特に、ＡｌとＳｉを同時添加したＡｌＣｒＳｉＮでは、Ａ層の硬度が２５００ＨＶ以上の高硬度であった。試験結果を表９に示す。

本発明の被覆部材は優れた摺動特性を有することから、冷間から温熱間で使用されるプレス加工や鍛造用金型等の塑性加工用金型に用いることができる。また、ダイカスト鋳抜きピン、入子、各種機械を構成する摺動部品にも適用することができる。

Claims (10)

1. 作業面に硬質皮膜を有する被覆部材であって、前記硬質皮膜は金属（半金属を含む。以下同様）部分の原子比率でクロムが３０％以上の窒化物または炭窒化物からなるａ１層と、金属部分の原子比率でバナジウムが６０％以上の窒化物または炭窒化物からなるａ２層とが交互に積層したＡ層と、
   該Ａ層の上層にあって金属部分の原子比率でバナジウムが６０％以上の窒化物または炭窒化物からなるＢ層を含み、
   前記Ａ層は、個々のａ１層およびａ２層の膜厚が５０ｎｍ以下であり、かつ、ａ２層の膜厚の方がａ１層の膜厚よりも厚く、
   前記Ｂ層は、膜厚が０．２μｍ以上であることを特徴とする摺動特性に優れた被覆部材。
2. ａ２層の膜厚が、ａ１層の膜厚よりも１．５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の摺動特性に優れた被覆部材。
3. ａ２層の膜厚が、ａ１層の膜厚よりも２．０倍以上４．０倍以下であることを特徴とする請求項２に記載の摺動特性に優れた被覆部材。
4. Ａ層とＢ層の総膜厚は、４μｍ以上２０μｍ以下である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摺動特性に優れた被覆部材。
5. Ａ層とＢ層の総膜厚は、８μｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の摺動特性に優れた被覆部材。
6. Ｂ層は、表面粗さがＲａ＜０．２μｍ、Ｒｚ＜２．０μｍ、Ｒｓｋ＜０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摺動特性に優れた被覆部材。
7. Ｂ層は、膜厚が８μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動特性に優れた被覆部材。
8. ａ１層が、金属部分の原子比率でアルミニウムを１０％以上含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の摺動特性に優れた被覆部材。
9. ａ１層が、金属（半金属を含む）部分の原子比率でシリコンを１〜１０％含むことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の摺動特性に優れた被覆部材。
10. 被覆部材は、金型であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の摺動特性に優れた被覆部材。

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