JPH04128362A - 耐摩耗性硬質膜被覆鋼材 - Google Patents
耐摩耗性硬質膜被覆鋼材Info
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Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
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。
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］
本発明は、耐摩耗性を向上させた硬質膜被覆鋼材に関す
る。
る。
［従来の技術］
工具や金型などの鋼材の表面に、該鋼材の耐摩耗性を向
上させるためにイオンブレーティング法などによりＴｉ
Ｎの被膜を被覆することは知られている。
上させるためにイオンブレーティング法などによりＴｉ
Ｎの被膜を被覆することは知られている。
またＴｉ、＋６７！Ｎ膜は、ＴｉＮよりも耐酸化性に優
れていることから、摺動摩耗時に発生する熱による劣化
に対して、耐久性に優れており、結果として耐摩耗性に
優れていることがいろいろな研究者により報告されてい
る。しかしながら、本出願人らの研究によれば、ＴｉＡ
ｊ！Ｎは被膜の密着強度などの機械的特性が、ＴｉＮよ
りも劣っており、ドリルの切削試験を行ってもＴｉＮに
比べて、決して良い結果は得られなかった。
れていることから、摺動摩耗時に発生する熱による劣化
に対して、耐久性に優れており、結果として耐摩耗性に
優れていることがいろいろな研究者により報告されてい
る。しかしながら、本出願人らの研究によれば、ＴｉＡ
ｊ！Ｎは被膜の密着強度などの機械的特性が、ＴｉＮよ
りも劣っており、ドリルの切削試験を行ってもＴｉＮに
比べて、決して良い結果は得られなかった。
［発明が解決しようとする課題］
そこで本発明の目的は、上記問題点を解消するために被
膜の密着強度などの機械的特性を向上させた耐摩耗性硬
質膜被覆鋼材を提供することにある。
膜の密着強度などの機械的特性を向上させた耐摩耗性硬
質膜被覆鋼材を提供することにある。
［課題を解決するための手段］
上記目的を達成するために本発明は、鋼材上にＴｉ金属
を０．５μｍ以下の膜厚で被覆し、さらにその上に組成
物Ｔｔ、Ａｌ、Ｎを被覆し、該被膜の原子濃度ｙが０．
６以下であり、かつｘ＋ｙ＝１を満たしつつ、前記Ａｎ
がＴｉＮに固溶してなる点に特徴がある。
を０．５μｍ以下の膜厚で被覆し、さらにその上に組成
物Ｔｔ、Ａｌ、Ｎを被覆し、該被膜の原子濃度ｙが０．
６以下であり、かつｘ＋ｙ＝１を満たしつつ、前記Ａｎ
がＴｉＮに固溶してなる点に特徴がある。
［作 用］
本発明で用いられる鋼材としては、例えば３１５Ｃなど
の肌焼鋼、３４５Ｃなどの構造用鋼、５ＵＰＩＯなどの
バネ鋼、５ＵＪ２などの軸受鋼、ＳＡＣＭＩなどの窒化
鋼、５ＫＤ６などの熱間加工用工具鋼、５ＫＤＩＩなど
の冷間加工用工具鋼、５ＫＨ５１などの高速度鋼、５Ｕ
Ｓ３１０３などの耐熱鋼、５ＵＳ４１０などの耐食耐酸
鋼などが挙げられる。
の肌焼鋼、３４５Ｃなどの構造用鋼、５ＵＰＩＯなどの
バネ鋼、５ＵＪ２などの軸受鋼、ＳＡＣＭＩなどの窒化
鋼、５ＫＤ６などの熱間加工用工具鋼、５ＫＤＩＩなど
の冷間加工用工具鋼、５ＫＨ５１などの高速度鋼、５Ｕ
Ｓ３１０３などの耐熱鋼、５ＵＳ４１０などの耐食耐酸
鋼などが挙げられる。
該鋼材上に、まずＴｉ金属膜を０．５μｍ以下の膜厚で
被覆する。その際、Ｔｉ膜はく基板にバイアス電圧を印
加して製膜することが必要である。
被覆する。その際、Ｔｉ膜はく基板にバイアス電圧を印
加して製膜することが必要である。
これは、Ｔｉ金属を基材表面に打ち込むことにより、被
膜の密着力が向上するからである。
膜の密着力が向上するからである。
また、Ｔｉ金属層の厚みは、０．５μｍ以下であること
が望ましい、なぜならば、金属層の割合が膜全体に対し
て大きくなると、膜硬度が低下し、機械的強度を損なう
ためである。
が望ましい、なぜならば、金属層の割合が膜全体に対し
て大きくなると、膜硬度が低下し、機械的強度を損なう
ためである。
さらにＴｉ、Ａｊ！ｙＮの組成をとる被膜を被覆する必
要があるが、この際、アルミニウムの原子濃度ｙは、ｘ
＋ｙ＝１となることが必要である。
要があるが、この際、アルミニウムの原子濃度ｙは、ｘ
＋ｙ＝１となることが必要である。
但し、被膜方面での最終的なアルミニウム原子濃度ｙは
、０．６を越えてはならない。
、０．６を越えてはならない。
アルミニウム原子濃度ｙが０．６までの被膜は、Ｘ線回
折測定によると、窒化チタンと同じＢｌ型結晶構造であ
り、アルミニウムが窒化チタン中に完全に固溶している
。
折測定によると、窒化チタンと同じＢｌ型結晶構造であ
り、アルミニウムが窒化チタン中に完全に固溶している
。
また、固溶させるアルミニウムの濃度ｙの最大値は、要
求される酸化または摩耗環境の程度により、０＜ｙ≦０
．６の範囲で自由に選択することができ、かつアルミニ
ウム固溶層の厚みも自由に選択することが可能である。
求される酸化または摩耗環境の程度により、０＜ｙ≦０
．６の範囲で自由に選択することができ、かつアルミニ
ウム固溶層の厚みも自由に選択することが可能である。
もし、濃度ｙが０．６を越えると、アルミニウムが完全
に固溶せず、未同定相が析出する。そのため結晶構造に
変化が現われ、耐摩耗性などの機械的特性を低下させる
ため不都合である。
に固溶せず、未同定相が析出する。そのため結晶構造に
変化が現われ、耐摩耗性などの機械的特性を低下させる
ため不都合である。
本発明の被膜は、イオンブレーティング法、ＣＶＤ法、
スパッタリング法などの公知の方法を用いて製膜しても
良いが、２種類以上の金属イオンを供給し、かつ耐摩耗
性などの強固な付着力を要求される被膜に対しては、特
にイオンブレーティング法が望ましい。
スパッタリング法などの公知の方法を用いて製膜しても
良いが、２種類以上の金属イオンを供給し、かつ耐摩耗
性などの強固な付着力を要求される被膜に対しては、特
にイオンブレーティング法が望ましい。
該被膜をイオンブレーティング法で製膜する際、蒸発源
として金属チタンおよび金属アルミニウムの２つを用い
るが、該金属アルミニウムのかわりにアルミニウムの原
子濃度が５０％以下のチタン・アルミニウム合金を用い
ても良い、金属の蒸発およびイオン化の方法は特に制限
されず、金属を蒸発させる方法は、イオンブレーティン
グ装置に備わった公知の抵抗加熱や電子銃加熱などのど
れでも良く、蒸発した金属のイオン化も公知のアーク放
電、グロー放電、高周波放電などのいずれでも良い。
として金属チタンおよび金属アルミニウムの２つを用い
るが、該金属アルミニウムのかわりにアルミニウムの原
子濃度が５０％以下のチタン・アルミニウム合金を用い
ても良い、金属の蒸発およびイオン化の方法は特に制限
されず、金属を蒸発させる方法は、イオンブレーティン
グ装置に備わった公知の抵抗加熱や電子銃加熱などのど
れでも良く、蒸発した金属のイオン化も公知のアーク放
電、グロー放電、高周波放電などのいずれでも良い。
チタンとアルミニウムの組成比を任意に制御する方法は
、２つの蒸発源の蒸発量を変化させても良いし、シャッ
ターなどの遮蔽物の開閉による方法を用いても良い。
、２つの蒸発源の蒸発量を変化させても良いし、シャッ
ターなどの遮蔽物の開閉による方法を用いても良い。
反応性ガスとしては、窒化物を生成させるための反応性
ガスで、窒素あるいはアンモニアまたはこれらの混合ガ
スを用いる。該反応性ガスを反応容器中に導入し、鋼材
に負のバイアス電圧を印加し、チタンとアルミニウムの
組成比を上記方法により制御して本発明の被膜を製膜す
る。
ガスで、窒素あるいはアンモニアまたはこれらの混合ガ
スを用いる。該反応性ガスを反応容器中に導入し、鋼材
に負のバイアス電圧を印加し、チタンとアルミニウムの
組成比を上記方法により制御して本発明の被膜を製膜す
る。
尚、本出願人の研究によれば、基材とＴｉＡｆＮＯ間に
Ｔｉの金属層を形成すると基材中にＴｉの拡散層が形成
され、被膜の密着力が強くなる。さらにＴｉＡｊｌ！Ｎ
層との接合部分でもＡ！とＴｉとの相互拡散が起こるこ
とから、ＡＩｌの濃度勾配ができ、ＴｉＡｆＮ層を無理
なく基材と接合することができるのである。
Ｔｉの金属層を形成すると基材中にＴｉの拡散層が形成
され、被膜の密着力が強くなる。さらにＴｉＡｊｌ！Ｎ
層との接合部分でもＡ！とＴｉとの相互拡散が起こるこ
とから、ＡＩｌの濃度勾配ができ、ＴｉＡｆＮ層を無理
なく基材と接合することができるのである。
［実施例］
１７ｍｍ角、厚み２ｍｍのステンレス鋼（Ｓ Ｕ ５３
０４）基板を有機溶剤で洗浄し、真空アーク放電型イオ
ンブレーティング装置に取付けた。
０４）基板を有機溶剤で洗浄し、真空アーク放電型イオ
ンブレーティング装置に取付けた。
蒸発源としてはチタンターゲットと、チタンとアルミニ
ウムの原子組成比が５０％ずつの合金ターゲットを用い
た。
ウムの原子組成比が５０％ずつの合金ターゲットを用い
た。
まず真空度をＩ Ｘ １０ ’ Ｔｏｒｒ以下にした後
、チタンイオン衝撃により、鋼材の洗浄、加熱を行った
。
、チタンイオン衝撃により、鋼材の洗浄、加熱を行った
。
まず、チタンターゲットに９０Ａの電流を流し、真空ア
ーク放電でチタンイオンを放出させて、−１００ＯＶの
バイアス電圧が印加された鋼材上にＴｉ膜を１分間製膜
した。
ーク放電でチタンイオンを放出させて、−１００ＯＶの
バイアス電圧が印加された鋼材上にＴｉ膜を１分間製膜
した。
次に反応ガスとして窒素ガスを導入して、装置内圧力を
３ Ｑ ｍＴｏｒｒとした。
３ Ｑ ｍＴｏｒｒとした。
製膜の第二段階として、チタン・アルミニウム合金ター
ゲットに９０Ａの電流を流し、真空アーク放電でチタン
およびアルミニウムイオンを放出させて、−５ｏｏｖの
バイアス電圧が印加された鋼材上にＴｉ、ＡｆｙＮを４
５分間製膜した。
ゲットに９０Ａの電流を流し、真空アーク放電でチタン
およびアルミニウムイオンを放出させて、−５ｏｏｖの
バイアス電圧が印加された鋼材上にＴｉ、ＡｆｙＮを４
５分間製膜した。
製膜した被膜を電子線マイクロ分析装置（ＥＰＭＡ）に
より組成比を測定したところ、チタンとアルミニウムの
比は、ｘ ： ｙ＝ｏ、６ ： ０．４であった。
より組成比を測定したところ、チタンとアルミニウムの
比は、ｘ ： ｙ＝ｏ、６ ： ０．４であった。
また、得られた被覆鋼材の被膜のＸ線回折測定を行った
ところ、中間層のＴｉ金属の回折スペクトルと表面層の
ＴｉＡｆ！Ｈの回折スペクトルが得られた。このＴｉＡ
ｊ！Ｎの回折スペクトルは、ＴｉＮの回折スペクトルと
同様のスペクトルであり、ＡｆがＴｉＮ中に固溶してい
ることを示している。尚、このＸ線回折測定は、グラフ
ァイト（００２）モノクロメータ−を備えたデイフラク
トメーターを使用し、ＣｕＫα線によった。
ところ、中間層のＴｉ金属の回折スペクトルと表面層の
ＴｉＡｆ！Ｈの回折スペクトルが得られた。このＴｉＡ
ｊ！Ｎの回折スペクトルは、ＴｉＮの回折スペクトルと
同様のスペクトルであり、ＡｆがＴｉＮ中に固溶してい
ることを示している。尚、このＸ線回折測定は、グラフ
ァイト（００２）モノクロメータ−を備えたデイフラク
トメーターを使用し、ＣｕＫα線によった。
この被覆鋼材の機械的特性を見るため、該被膜を高速度
鋼製の６閣φドリルに被覆し、切削試験を行った。比較
例として、上記製膜装置で作製したＴｉ金属層の無いＴ
ＩＸ Ａｆｙ Ｎ （ｘ ： ｙ＝０、６ ： ０．
４ ）のドリルも同様の切削試験を行った。
鋼製の６閣φドリルに被覆し、切削試験を行った。比較
例として、上記製膜装置で作製したＴｉ金属層の無いＴ
ＩＸ Ａｆｙ Ｎ （ｘ ： ｙ＝０、６ ： ０．
４ ）のドリルも同様の切削試験を行った。
第１表に本発明の被膜の切削試験の結果を示す。
この試験の切削条件は、以下の通りである０回転速度；
１５００ｒｐ■０、送り速度；０．２閤／ｒｅｖ、、切
削深さ１７ｍ＋＋である。被削材にはＳＣＭ４４０、切
削油は、水溶性切削油（サンカット５０）を使用した。
１５００ｒｐ■０、送り速度；０．２閤／ｒｅｖ、、切
削深さ１７ｍ＋＋である。被削材にはＳＣＭ４４０、切
削油は、水溶性切削油（サンカット５０）を使用した。
表に示したように比較例のドリルが数個の穴しか開けら
れないのに対し、本発明の被膜を被覆したドリルは、１
００〜３００個の性能を示している。
れないのに対し、本発明の被膜を被覆したドリルは、１
００〜３００個の性能を示している。
第
表
［発明の効果］
以上のことから明らかなように、本発明は、Ｔｉ、Ａｆ
！、ＮにＴｉ金属膜を中間層として用いることにより、
優れた耐摩耗性被覆鋼材を提供するものであり、従来よ
りのＴｉＡＩＮの機械的強度を改善し、その効果は極め
て大である。
！、ＮにＴｉ金属膜を中間層として用いることにより、
優れた耐摩耗性被覆鋼材を提供するものであり、従来よ
りのＴｉＡＩＮの機械的強度を改善し、その効果は極め
て大である。
Claims (1)
- 鋼材上にＴｉ金属を０．５μｍ以下の膜厚で被覆し、
さらにその上に組成物Ｔｉ＿ｘＡｌ＿ｙＮを被覆し、該
被膜の原子濃度ｙが０．６以下であり、かつｘ＋ｙ＝１
を満たしつつ、前記ＡｌがＴｉＮに固溶してなることを
特徴とする耐摩耗性硬質膜被覆鋼材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24634890A JPH04128362A (ja) | 1990-09-18 | 1990-09-18 | 耐摩耗性硬質膜被覆鋼材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24634890A JPH04128362A (ja) | 1990-09-18 | 1990-09-18 | 耐摩耗性硬質膜被覆鋼材 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04128362A true JPH04128362A (ja) | 1992-04-28 |
Family
ID=17147224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24634890A Pending JPH04128362A (ja) | 1990-09-18 | 1990-09-18 | 耐摩耗性硬質膜被覆鋼材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04128362A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19517120A1 (de) * | 1994-05-13 | 1995-11-16 | Kobe Steel Ltd | Beschichtetes Teil mit ausgezeichneter Härte und Haftung |
| WO2000014300A1 (en) * | 1998-09-02 | 2000-03-16 | Unaxis Trading Ag | Wear-resistant workpiece and method for producing same |
| CN1301341C (zh) * | 2002-03-20 | 2007-02-21 | 塞科机床公司 | Pvd涂覆的切削刀片 |
-
1990
- 1990-09-18 JP JP24634890A patent/JPH04128362A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19517120A1 (de) * | 1994-05-13 | 1995-11-16 | Kobe Steel Ltd | Beschichtetes Teil mit ausgezeichneter Härte und Haftung |
| DE19517120C2 (de) * | 1994-05-13 | 1998-07-02 | Kobe Steel Ltd | Beschichtetes Teil mit ausgezeichneter Härte und Haftung, seine Verwendung und Verfahren zur Herstellung |
| WO2000014300A1 (en) * | 1998-09-02 | 2000-03-16 | Unaxis Trading Ag | Wear-resistant workpiece and method for producing same |
| CN1301341C (zh) * | 2002-03-20 | 2007-02-21 | 塞科机床公司 | Pvd涂覆的切削刀片 |
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