JP6569178B2 - 複合硬質被膜を有する物品及びその製造方法 - Google Patents
複合硬質被膜を有する物品及びその製造方法Info
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Description
特許文献5では、基材の表面に銅めっきを施し、銅めっきを感光液によるエッチングあるいは電子描写して、その表面に凹凸形状を付与し、その上に硬質膜を形成させて凹凸のある硬質膜を得る。
<1.溝構造を有する複合硬質膜の概要>
まず、本発明に係る複合硬質被膜を有する物品の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図1は本実施形態に係る溝構造を有する複合硬質被膜の一部平面図、図2は図1の断面図である。本発明に係る複合硬質被膜は、摺動部に使用される機械部品、工具、金型など摺動部材の表面に成膜されるものであり、図1に示すように、この複合硬質被膜の表面には、ネットワーク状(網目状)の溝が形成されている。すなわち、溝によって、この複合硬質被膜の表面がセグメント化されている。そして、この溝に潤滑油が保持されることで、長期の摺動性能を担保できる。
摺動部材は、主として、ベアリング、シリンダー、ピストンロッドなどの他の部材との摺動が施される機械部品と、摺動が生じる加工に使用する工具および金型であり、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼、各種ステンレス鋼などの鋼鉄系の材料のほか、Alおよびその合金、Tiおよびその合金、Mg合金、Niおよびその合金、銅およびその合金などの材料で形成されていることが好ましい。これらの材料は、機械部材としての利用範囲が広いうえ、硬質クロムめっき層のための電気めっき処理に対し、良好な電気伝導性を有している。
まず、摺動部材の表面上に形成する硬質クロムめっき層は、公知の電気めっき処理でクロムめっきされる。クロムめっき層の厚さは、例えば、3μm〜1000μmとすることができる。めっき液には、公知な、硫酸を触媒とするクロム酸めっき液、珪ふっ酸を含有したクロムめっき液、有機スルホン酸を触媒とする市販のクロムめっき液、3価クロムめっき液などを用いることができる。複合硬質被膜の溝密度の設定は、クロムめっき液の種類、浴組成(クロム濃度10〜400g/Lと触媒濃度0.1〜40g/L)およびめっき条件(電流密度5〜100A/dm2、浴温20〜70℃)を選定し、制御する。
硬質膜は、窒化物、炭化物、非晶質炭素膜など、種々の材料を適用することができる。具体的には、例えば、TiN、 TiC、TiCN、TiAlN、AlCrN、CrN、BN、またはDLCなどとすることができる。硬質膜の厚さは、例えば、0.1〜30μmとすることが好ましく、0.3〜25μmとすることがさらに好ましく、1〜20μmが特に好ましいが、形成すべき溝の幅に合わせて、適宜変更することができる。また、この硬質膜には、上述した硬質クロムめっき層の溝に対応するように、ネットワーク状の溝が形成されている。そして、この溝の少なくとも一部の幅は、0.1〜15μmの範囲で形成できるが、0.5〜14μmであることが好ましく、1.0〜12μmであることがさらに好ましく、3.0〜10μmが特に望ましい。
次に、摺動部材用被膜の製造方法について説明する。まず、摺動部材の表面に、電気めっき処理により、硬質クロムめっき層を形成する。図3は、その一例を示す平面図であるが、このとき、硬質クロムめっき層に内在するクラックは、0.05μm程度であり、同図では視認することが難しい。
以上のように、本発明に係る複合硬質被膜の製造方法によれば、摺動部に使用される機械部品、工具、金型などの摺動部材に対してネットワーク状の溝を形成した複合硬質被膜を形成することができる。この製造方法は、電気めっき処理による硬質クロムめっき層の形成、エッチング処理、及び硬質膜の形成で、摺動部材の形状にかかわらず、3次元形状であっても、ネットワーク状の溝を持つ複合硬質膜が簡易に形成できる。通常、硬質クロムめっき層上へのドライコーティングによる硬質膜の成膜は、密着性が低いが、本発明では、硬質クロムめっき層への溝形成と、イオンボンバードを用いる表面調整で、その上に成膜された硬質膜が分離されたセグメント化し、高い密着性を実現する。
本発明に係る複合硬質被膜を、次の工程に従って作製した。まず、摺動部材として、合金工具鋼SKD11調質材を準備し、その上に、硬質クロムめっき層を形成する。具体的には、摺動部材を、研磨、洗浄、脱脂などの前処理を行った後に、めっき厚さ約50μmの硬質クロムめっき層を形成した。
・基板バイアス電圧:−500V
・フィラメント電流:5A
・圧力:1.3Pa
・時間:10分
・基板回転速度:5rpm
・基板バイアス電圧:−50V
・圧力:3.3Pa
・アーク電流:70A
・温度:400℃
・特性X線:CuKα
・電圧:40kV
・電流:150mA
次に、実施例2に係る複合硬質被膜を作製した。実施例1との相違は、硬質クロムめっき層上に形成される硬質膜であり、その他は、実施例1と同じである。実施例2では、硬質膜として、アークイオンプレーティングにより、厚さが約10.7μmのTiNを成膜した。成膜条件は、以下の通りである。
・基板バイアス電圧:−50V
・圧力:2.6Pa
・アーク電流:100A
・温度:400℃
・特性X線:CuKα
・電圧:40kV
・電流:150mA
次に、実施例3に係る複合硬質被膜を作製した。実施例1との相違は、硬質クロムめっき層上に形成される硬質膜であり、その他は、実施例1と同じである。実施例3では、硬質膜として、アンバランスドマグネトロンスパッタ法により、厚さが約5.3μm(DLC:3.1μm、Cr/C傾斜中間層2.2μm)のDLCを成膜した。成膜条件は、以下の通りである。
・基板バイアス電圧:−50V
・Arガス流量:200sccm
・メタンガス流量:10sccm
・温度:200℃
次に、硬質膜の膜厚と溝幅の関係について検討した。実施例1と同条件で、硬質膜として厚さの異なるCrN膜を成膜し、表面に形成される溝の幅を測定した。結果は、図19に示すとおりである。図19によれば、硬質膜における溝幅と膜厚は反比例の関係となる。すなわち、硬質膜の膜厚が大きくなるほど、表面に形成される溝の幅が小さくなる。ここで、最小二乗法による直線フィッティングの傾きは、−0.298である。この定数を利用することで、初期溝幅が分かれば、任意の膜厚を形成した際の、微細溝幅を計算することが可能となる。したがって、膜厚の制御により、溝幅の制御が可能となる。ただし、本定数はアークイオンプレーティング法による成膜に適用できるものであり、成膜方法が変われば、本定数は変化する。
上記各実施例における硬質膜の密着性をスクラッチ試験により評価した。また、硬質膜の下地の影響も検討した。すなわち、上記各実施例では、エッチングにより溝幅を大きくした硬質クロムめっき層を下地とし、その上に硬質膜を成膜しているが、本発明者は、この下地の種類により硬質膜が強固に硬質クロムめっき層と密着し、剥離が生じにくいことを見出した。以下、検討する。まず、比較例として、以下の2つを準備し、さらに実施例4を準備した。
実施例1との相違は、硬質クロムめっき層を設けないことであり、その他は実施例と同じである。すなわち、摺動部材である合金工具鋼SKD11調質材上に、直接、約10μmの厚さのCrN膜を成膜した。
実施例1との相違は、硬質クロムめっき層にエッチング及びイオンボンバード処理を行わず、鏡面加工を施したことであり、その他は実施例と同じである。すなわち、摺動部材である合金工具鋼SKD11調質材上に、実施例1と同様に、硬質クロムめっき層を形成した後、バフ研磨により鏡面加工を施し、その後、約10μmの厚さのCrN膜を成膜した。
実施例1との相違は、硬質クロムめっきのエッチング法であり、その他は実施例と同じである。すなわち、実施例1では化学エッチングを施したのに対し、実施例4では、陽極エッチングを施し、その後、実施例1と同様に、約10μmの厚さのCrN膜を成膜した。なお、陽極エッチングには、標準的なクロムめっき液であるクロム酸250g/L、硫酸2.5g/Lの溶液を用いた。陽極電解条件は、室温、電流密度20A/dm2、電解時間1分間とした。
ISO20502:2005(E)に基づいて、スクラッチ試験を行った。条件は、以下の通りである。
・初期荷重:0.3N
・終了荷重:100N
・スクラッチ距離:10mm
・圧子:ダイヤモンド(先端半径0.2mm)
次に、ネットワーク状の溝による液体潤滑下での摺動性能を確認するため、図26に示すような装置(新東科学(株)製トライボギア TYPE−35S)を用い、ピンオンディスク試験を行った。ここでは、実施例1及び比較例1に係る被膜を用いて試験を行った。まず、実施例1及び比較例1の硬質膜の表面に流動パラフィンを塗布し、ピンオンディスク試験を行った。試験条件は、以下の通りである。
・荷重:15kg
・摩擦円半径:5mm
・回転速度:100rpm
・摩擦相手材:SKH51(φ3mmのピン)
・潤滑材:流動パラフィン
摩擦摩耗特性試験1では、液体潤滑下での試験であったが、ここでは、固定潤滑下での試験を行う。試験方法としては、潤滑剤として、二硫化モリブデン粉末を用いるのみが相違する。結果は、図28に示す摩擦摩耗特性に示すとおりである。同図に示すように、比較例1(微細溝なし)では、800秒付近から摩擦係数が増大し、その後は高い摩擦係数を維持した。これは、比較例1では、試験の進行に伴い摺動面の粉末が減少してゆき、800秒付近から部分的な焼き付きが発生し始めたことで、摩擦係数が増大したからであると考えられる。一方、実施例1(微細溝なし)は、終始低い摩擦係数を維持した。これは、ネットワーク状の溝に保持された粉末が、摺動面に供給され続けることで、安定した摩擦挙動を示したからであると考えられる。
次に、塑性加工における金型性能を円筒深絞り試験により評価した。試験機はJTトーシ株式会社製自動型万能深絞り試験機SAS−200Dを使用した。図29に示す円筒深絞り試験機において、合金工具鋼SKD11調質材製のダイ及びしわ押えに対し、実施例1及び比較例1に係る被膜を形成し、オーステナイト系ステンレス鋼(SUS304−2B)の円筒深絞り試験を複数回行った。円筒深絞りの条件は、以下の通りである。
・金型: パンチ φ40.0×R8mm
ダイス φ42.5×R8mm
しわ押え φ40.5mm
・被加工材: SUS304−2B(1mmt)
・潤滑油: フォーマ油MS70
(動粘度70mm2/s[40℃])
・成形速度: 80mm/min
・しわ押え力: 5kN
但し、試験毎に被加工材へ注油した。
次に、金型性能試験2を行った。金型性能試験1との相違は、試験開始前に金型へ潤滑油を塗布し、試験開始後は金型と加工材への注油を一切行わずに試験した点である。結果は、図32に示すとおりである。比較例1に係る金型では、4試験で最大荷重の大幅な増加が起こり、6試験で割れにより成形が不能となり、成形できた品物は5個であった。一方、実施例1に係る金型では、20試験まで低い最大荷重を維持しながら安定して成形できており、その後は最大荷重が徐々に増加するものの、優れた保油効果により、26個の品物を成形することができた。
Claims (8)
- 摺動部材と、
前記摺動部材上に形成され、網目状の溝を有する硬質クロムめっき層と、
前記硬質クロムめっき層上に形成された硬質膜であって、前記網目状の溝の少なくとも一部と対応する溝が形成されている、硬質膜と、
を備え、
前記硬質膜は、TiN、 TiC、TiCN、TiAlN、AlCrN、CrN、BN、またはDLCである、複合硬質被膜を有する物品。 - 前記硬質膜に形成されている溝は、
前記硬質クロムめっき層の表面に形成されている溝と連通する溝であって、当該硬質クロムめっき層の内部で延びる溝にも連通している、請求項1に記載の複合硬質皮膜を有する物品。 - 摺動部材と、
前記摺動部材上に形成され、網目状の溝を有する硬質クロムめっき層と、
前記硬質クロムめっき層上に形成された硬質膜であって、前記網目状の溝の少なくとも一部と対応する溝が形成されている、硬質膜と、
を備え、
前記硬質クロムめっき層の厚みが3〜1000μm、前記硬質膜の厚みが0.1〜30μmである、複合硬質被膜を備える物品。 - 前記硬質クロムめっき層の溝と連通している前記硬質膜の溝の少なくとも一部の幅は、0.1μm以上である、請求項1から3のいずれかに記載の複合硬質被膜を有する物品。
- 摺動部材の表面に硬質クロムめっき層を形成する工程と、
前記硬質クロムめっき層が保有するクラックをエッチングにより網目状の溝へ拡張する工程と、
前記網目状の溝を有する硬質クロムめっき層上にドライコーティング法で硬質膜を形成する工程と、
を備えている、複合硬質被膜を有する物品の製造方法。 - 前記硬質膜の工程に先立って、
前記網目状の溝を有する硬質クロムめっき層に対して、アルゴンガスによるイオンボンバード処理を行う工程をさらに備えている、請求項5に記載の複合硬質被膜を有する物品の製造方法。 - 前記硬質膜は、TiN、 TiC、TiCN、TiAlN、AlCrN、CrN、BN、またはDLCである、請求項5または6に記載の複合硬質被膜を有する物品の製造方法。
- 前記硬質膜を成膜した後に、当該硬質膜の表面を研磨する工程をさらに備えている、請求項5から7のいずれかに記載の複合硬質被膜を有する物品の製造方法。
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