JPH04103754A - セラミック被覆材料とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、母材の表面に炭窒化チタン膜を形成したセ
ラミック被覆材料とその製造方法に関する。

［従来の技術］ 工具鋼の表面を窒化チタン膜で被覆すると、それによっ
て得られる被覆材料の耐摩耗性、切削性等の特性が向上
し、工具寿命を延長させることが知られている。例えば
、（１）〈金属表面技術（１９８５）〉第３６巻第８号
、第３３０−３３４頁には、ＲＦイオンブレーティング
によるステンレス板上への窒化チタン膜の形成が、（２
）　　（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　５ｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（１９８６））　、　Ｊａｎ、　
Ｖｏｌ、２．　ｐ、５９−６８には、化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ法）によるｏ、ｏａ９６ｃ工具鋼へのＴｉＮ膜の形成
が、（３）＜真空（１９８６）　）第２９巻第３号、第
１５２ｉ５９頁には、マグネトロンスパッタ法による各
種基板上への窒化チタン膜の作製が、それぞれ報告さね
ている。

ところが、このような窒化膜を形成する際、膜の組成と
結晶配向性、結晶配向性と母材との密着性あるいは耐摩
耗性との関係、配向性の制御法については従来から検討
されているものの、例えば成膜温度、イオン化方式とい
ったような成膜条件の可変性故、特定されていなかった
。

一方、セラミック被覆材料を耐摩耗部材に使用するとき
、安価で、かつその工具寿命延長とともに、さまざまな
使用環境での適用が望まれている。最近では使用環境が
苛酷化し、切削時の温度上昇によりセラミック被覆が酸
化し使用不能という事態も起きている。このため、４０
０℃程度の中湿度でも酸化せず高硬度を維持する被膜が
求められていた。

［発明か解決しようとする課題］ この発明は、イオンブレーティング法によって炭窒化チ
タン膜を形成し、さらにこの膜の好ましい組成と結晶配
向性を特定することによって、耐摩耗性と耐酸化性を向
上させたセラミック被覆材料とその最適な製造方法を提
供するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るセラミック被覆材料は、炭素工具鋼、ステ
ンレス鋼や超硬合金等の母材表面に、炭素の含有量が７
重量％以上１８重量％未満の炭窒化チタン膜てあって、
当該膜の主たる結晶配向性が（］１１）面であるもの、
またはＣｕ−にα線を用いたＸ線回折における当該膜の
（Ｉｌｌ）面、（２２０）面、（２００）面の回折ピー
ク強度比において、（Ｉｌｌ）面からの回折ピーク強度
が０．９以上であるものを形成して成ることを特徴とす
る。

イオンブレーティング法により生成した炭窒化チタン膜
の炭素含有量が７重量％未満であると、膜内部残留応力
が著しく高くなる。膜内部残留応力が高いと膜の剥離や
酸化等の反応促進の原因になる。一方、炭窒化チタン膜
の炭素含有量か１８重量％以上ては、酸化しやすくなる
ことを見いたした。炭素含有量が１８重量％以上の炭窒
化チタン膜を４００℃で大気中に放置すると、１時間で
表面が変色し硬度が低下する。ウィッカース硬度荷重５
０ｇで４０００以上のものが、　３０００以下に低下す
る。さらに５００　ｔ：　１時間大気中焼成では１５０
０に低下する。炭窒化チタン膜の炭素の含有量が７重量
％以上１８重量％未満であれば、残留応力が低く、中温
度域（４００℃〜５００℃）でも耐酸化性があり硬度低
下が少ない。

また、イオンブレーテング法により生成した炭窒化チタ
ン膜の結晶配向性と膜の耐摩耗性には一定の関係がある
ことを見いだした。（１１０）面に配向した膜は、密着
性が低く、（１１１）面に配向した膜は密着性に優れ、
耐摩耗性も優れている。しかも（１１１）面のＸ線回折
強度比が、０，９を越えると密着性が著しく向上する。

上記炭窒化チタンは、例えばアーク放電型高真空イオン
ブレーティンク装置によって成膜することができる。炭
窒化チタン膜の組成は蒸発源からのチタン蒸気と反応ガ
スである窒素、アセチレンの比によって制御できる。炭
窒化チタン膜中の炭素と窒素の比はガス中の両者の比と
ほぼ等しい。

アセチレンガスの反応ガス中における分圧比を０．４以
上０．８以下とすれば、炭窒化チタン膜の炭素の重量％
を７％以上１８％未満にすることがてきる。イオン化電
圧はチタンをイオン化させるのに最低６Ｖ必要である。

また、高真空下でアーク放電を安定させるために８０Ｖ
を越えないことが重要である。このイオン化電圧によっ
て、チタン蒸気がイオン化または励起されるが、その際
、イオン化を適正にするためイオン化電極に流れる電流
制御も重要である。イオン化電流が１０Ａ以上であれば
、チタン蒸気の一部はイオン化している。しかし、１０
０Ａ以上では電子銃蒸発源から大量のチタン蒸発が必要
となり、また放電も安定しないので、１００　Ａ以下と
する必要がある。これらの条件で真空放電状態を得れば
、イオン化率の高い状態でイオンブレーティングかでき
、このため、母材表面での反応やイオンや粒子の移動が
促進され、より密な充填状態つまり（１１１）面配向す
るものと思われる。

バイアス電圧は一１００ｖでイオンブレーティングの効
果がでるか、−］５００　Ｖ以下では、イオンの基板へ
の衝突が激しくなり、基板温度が急激に上昇したり、ス
パッタリンクか起こり、配向性をもつ緻密膜か成膜しに
くくなるので、バイアス電圧は＋５００　Ｖ以上用ＯＯ
Ｖ以下とする。

上記炭窒化チタン膜は、緻密で（１１１）面に強く配向
し、このため母材との密着性に優れ、表面硬度が従来の
より非常に高い。

［実施例］ まず、装置の構成を第１図に示す。冷間合型用鋼（ＪＩ
Ｓ、　５ＫＤＩＩ相当材）を基板にして、これを鏡面研
磨したのち、アセトン中で超音波洗浄して供試した。前
処理として０．０５Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気中で２０
０ＷのＲＦボンバードを行った。その後、蒸発金属をチ
タンとしたハースを使用し、基板蒸発源間距離を５５ｃ
ｍとし、電子銃出力１０ＫＶ−３００ｍＡ、アセチレン
ガス圧力２．４　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ、窒素ガス圧力
り、Ｓ　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ、イオン化電圧４０Ｖ、
イオン化電流７０Ａでイオン化した。バイアス電圧は一
５００ｖとし、基板温度を５００℃に保持した。この条
件て、．イオンプレーティングを４０分間行った。

生成した炭窒化チタンは、Ｃｕ−にα線を用いたＸ線回
折における当該膜の（］１１）面、（２２０）面、（２
００）面の回折ピーク強度比において、（Ｉｌｌ）面か
らの回折ピーク強度か０．９３であった。被膜は４　、
　］　１１Ｊ［Ｉ＋の炭窒化チタンから形成され、表面
のヒラカース硬度Ｈｖ　（５０ｇ）は４１７８．０．２
ｍｍｒのタイヤモンドコーンによるスクラッチ剥離荷重
は４２Ｎの高密着性膜を得た。

上記のような方法によって得た炭窒化チタン膜のＸ線回
折による結晶配向性の結果、西原式摩耗試験結果および
０．２ｍｍｒのタイヤモントコーンによるスクラッチ剥
離試験の結果等を第１表に示す。

摩耗量比はＳＭＤＩＩに対する被覆材料の耐摩耗性を示
す。

［発明の効果］ この発明によれば、使用中に剥離しにくく、耐摩耗性、
耐酸化性のある高硬度炭窒化チタン膜を表面に形成した
被覆材料の製造が可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図はアーク放電型高真空イオンブレーティング装置
の原理図である。 １・・・ヒーター、２・・・基板保持具、３・・・イオ
ン化電極、４・−ＥＢ蒸発源、５・・・反応ガス供給口
、６・・・被膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．炭素の含有量か７重量％以上１８重量％未満の炭窒
   化チタン膜であって、当該膜の主たる結晶配向性が（１
   １１）面であるものを形成して成ることを特徴とするセ
   ラミック被覆材料。
2. ２．被覆炭窒化チタン膜が、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線
   回折における当該膜の（１１１）面、（２２０）面、（
   ２００）面の回折ピーク強度比において、（１１１）面
   からの回折ピーク強度が０．９以上であることを特徴と
   する請求項１記載のセラミック被覆材料。
3. ３．イオンプレーティング装置によって炭窒化チタン膜
   を生成させる方法において、主たる反応ガスとして窒素
   ガスとアセチレンガスを用い、アセチレンガスの反応ガ
   ス中における分圧比を０．４以上０．８以下、イオン化
   電圧６Ｖ以上８０Ｖ以下、イオン化電流１０Ａ以上１０
   ０Ａ以下、バイアス電圧−１５００Ｖ以上−１００Ｖ以
   下とすることを特徴とするセラミック被覆材料の製造方
   法。