JP7396018B2 - 硬質皮膜形成用のターゲットおよび硬質皮膜 - Google Patents
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Description
<1.ターゲット>
本実施形態のターゲットは、硬質皮膜形成の用途で用いられるもので、Ti、Al、Znを含有し、TiaAlbZncで表される組成を有している(不可避的不純物が含まれていてもよい)。
ここでa,b,cは、それぞれTi,Al,Znの原子比を示し、0.60<a≦0.89、0.10≦b≦0.30、c=1-a-b、0<c≦0.30である。
Ti量(a):0.60<a≦0.89
Tiは、Znと同時に使用することで被膜の硬度を高め耐摩耗性を向上させる効果がある。このような効果を得るためTi量は0.60超必要である。一方、Ti量が過剰になると硬度および耐熱性が低下するため、その上限を0.89としている。より好ましいTi量の範囲は、0.65~0.85である。
Alは、皮膜の耐熱性(耐酸化性)を向上させる効果がある。皮膜の耐熱温度を800℃以上とするためには、Al量は原子比で0.10以上必要である。ただしAl量が過剰になると皮膜の硬度が低下するため、その上限を0.30とする。より好ましいAl量の範囲は、0.15~0.30である。
Znは、Tiと同時に使用することで皮膜の硬度を高める効果がある。Tiよりも少量の添加で硬さ向上の効果を得ることができ、本発明ではZn量の範囲を0<c≦0.30としている。より好ましいZn量の範囲は、0.02~0.10である。
ターゲットは、成分元素を含む粉末を混合し、混合粉を冷間から熱間において加圧することで製造することができる。原料粉末は、成分元素を含む純金属または合金であってもよい。成形方法としては、例えば、冷間静水圧成型(CIP)法、熱間静水圧成形(HIP)法、熱間押出法、超高圧ホットプレス法などがある。
また、場合によっては所定の成分組成を有する鋼のブロックを溶製によって製造し、そこから切り出してターゲットを作製することも可能である。
本実施形態の硬質皮膜は、上記ターゲットを用いて、窒素及び/又は炭素共存下において基材表面に形成されたものである。
本実施形態の硬質皮膜は、組成が(TiaAlbZnc)(1-x-y)CxNyで表される窒化物,炭窒化物若しくは炭化物である。
ここでa,b,c,x,yは、それぞれTi,Al,Zn,C,Nの原子比を示し、0.60<a≦0.89、0.10≦b≦0.30、c=1-a-b、0<c≦0.30、0≦x≦0.6、0≦y≦0.6、0.4≦x+y≦0.6である。
金属成分であるTi、Al、Znの各比率の範囲は、上記ターゲットの場合と同じである。
またこの硬質皮膜では非金属元素としてC及び/又はNを含み、上記組成式において、C量はxで、N量はyで表されている。硬質皮膜における非金属成分の量(比率)はx+yで表される。
皮膜中にCまたはNが均一に存在する場合の非金属成分の比率は0.5である。C量またはN量が少ないと部分的にCまたはNが欠乏した領域が生じ、かかる欠乏領域は他部に比べて軟化する。このような欠乏領域の生成を抑制するため、ここでは非金属成分の比率x+yは0.4以上とする。なお、非金属成分の比率x+yの上限は、製造性を考慮して0.6としている。
硬質皮膜の成膜には、通常、PVD法(物理蒸着法)が用いられる。PVD法としては、バランスドマグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法、イオンプレーティング法などが挙げられる。特に、原料元素のイオン化率が高いアーク式イオンプレーティング法が好適である。
まず成膜装置のチャンバ内に、所定の形状に加工された基材を配置し、チャンバ内を真空引きして減圧した後、基材を加熱する。次に、チャンバ内にアルゴンガスを導入して、チャンバ内を所定の圧力に保持し、基材バイアス電圧を(負側にその絶対値が大きくなるように)徐々に上げていってタングステン(W)フィラメントを用いて熱電子を放出しながら、アルゴンイオンを発生させて基材表面のクリーニングを行う。その後、チャンバ内からアルゴンガスを排気し、引き続いて成膜を行う。尚、基材における被膜を形成しない箇所には、マスキングなどを施してから成膜する。
基材バイアス電圧を所定の値に維持した状態で、カソード電極にアーク電流を供給するとアーク放電により金属ターゲットが部分的に融解してTiなどの金属が昇華されイオン化され、基材表面に皮膜が形成される。尚、形成された皮膜にはTi,Al,Zn,C,Nのほか不可避的不純物も含まれ得る。
下記表1に示す成分組成となるよう各元素の粉末を混合した後に焼結し、得られた焼結体を機械加工して26種のターゲットを作製した。なお、表1に示す比較例1~比較例14のターゲットは、少なくとも1種の元素において本発明の請求範囲を外れている。
次に、作製したターゲットを用いてアーク式イオンプレーティング法により、硬さ評価用の試験片および耐熱性評価用の試験片の表面に硬質皮膜を形成した。硬質皮膜は、各ターゲット毎に窒化膜、炭化膜および炭窒化膜の3種を形成し、それぞれについて硬さおよび耐熱性の評価を行った。
使用した試験片の仕様は以下の通りである。
・硬さ評価用試験片:SKH51製、12mm×12mm×5mm、60±2HRC
・耐熱性評価用試験片:Pt製、φ0.5mm×100mm
硬さ評価用の試験片に形成した硬質皮膜の硬度を、ナノインデンテーション試験により算出した。測定機はフィッシャースコープ H100C(フィッシャー・インスツルメンツ製)を使用した。押し込み荷重10mN、測定時の押し込み量を膜厚の1/10以下とし、基材の影響を受けないよう測定した。圧子(プローブ)の押し込み荷重および深さを連続的に測定し、ナノインデンテーション法により押し込み硬さHITを算出し、HV換算式:HV=0.0945×HITによりビッカース硬さ(HV)への換算を行った。
硬さの評価は、合計10点の平均値で行ない、4000HV以上であった場合を〇(合格)とし、4000HV未満であった場合を×(不合格)とした。
TG-DTAにより、耐熱性評価用の試験片の重量変化を測定し、重量が増加し始めた温度を耐熱温度(酸化開始温度)とした。測定機は、STA2500 Regulus(ネッチ・ジャパン製)を使用した。測定条件は、雰囲気:大気、昇温温度:1000℃、昇温速度:5℃/minである。
ここで、耐熱温度の求め方について図1に基づいて説明する。図1はTG-DTAにより測定された試験片の重量変化を示すグラフで、横軸は温度(℃)、縦軸は重量変化率(%)である。本明細書では、この図1で示されたグラフにおいて、重量変化率(増加率)が2%の点P1と、重量変化率が4%の点P2とを結んだ直線が、重量変化率が0%の軸と交わった点P0を求め、この点P0おける温度を耐熱温度(酸化開始温度)と定義している。
耐熱性の評価は、耐熱温度が800℃以上であった場合を〇(合格)とし、800℃未満であった場合を×(不合格)とした。
これら評価の結果を表2~表4に示す。
表1に記載の比較例5のターゲットは、Ti量が本発明の下限値を下回っている。このため形成された窒化膜は、表2に示すように硬さが目標の4000HVを下回っている。
以上のように比較例のターゲットを用いて形成された窒化膜は、硬さ若しくは耐熱性の何れか一方の評価が目標未達である。
これら窒化膜、炭化膜および炭窒化膜の3種を比較すると、非金属成分中のCの比率が高い膜の方が硬さに対しては有効であった。すなわち窒化膜よりも炭窒化膜の方が硬さの値が大きく、炭窒化膜よりも炭化膜の方が硬さの値が大きい傾向が認められた。
Claims (2)
- TiaAlbZncで表される組成を有し、
前記a,b,cは、それぞれTi,Al,Znの原子比を示し、
0.65≦a≦0.89、
0.10≦b≦0.30、
c=1-a-b、0<c≦0.30、
であることを特徴とする硬質皮膜形成用のターゲット。 - 基材上に形成される硬質皮膜であって、
組成が(TiaAlbZnc)(1-x-y)CxNyで表される窒化物,炭窒化物若しくは炭化物からなり、
前記a,b,c,x,yは、それぞれTi,Al,Zn,C,Nの原子比を示し、
0.65≦a≦0.89、
0.10≦b≦0.30、
c=1-a-b、0<c≦0.30、
0≦x≦0.6、
0≦y≦0.6、
0.4≦x+y≦0.6、
であることを特徴とする硬質皮膜。
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