JPH05106022A - 耐摩耗性硬質被膜の製造方法 - Google Patents

耐摩耗性硬質被膜の製造方法

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JPH05106022A
JPH05106022A JP29500791A JP29500791A JPH05106022A JP H05106022 A JPH05106022 A JP H05106022A JP 29500791 A JP29500791 A JP 29500791A JP 29500791 A JP29500791 A JP 29500791A JP H05106022 A JPH05106022 A JP H05106022A
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JP
Japan
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target
alloy
film
resistant hard
metallic material
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JP29500791A
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English (en)
Inventor
Yuji Chiba
祐二 千葉
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐摩耗性硬質被膜の製造方法を得る。 【構成】 蒸着する際、合金Tia Alb で原子濃度が
0.6以下でかつa+b=1を満たすターゲットを使用
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性を向上させた
耐摩耗性硬質被膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】工具や金型などの金属材料の表面に耐摩
耗性を向上させるためにイオンプレーティング法などに
よりTiNを被覆することは知られている。また、Ti
AlN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優れてお
り、その結果、耐摩耗性に優れていることが見出されて
いる。
【0003】TiAlN膜の製膜には物理蒸着法が用い
られる。物理蒸着法でTiAlNを製膜するときに用い
られるTi及びAlの蒸着の方法には次の3つがある。
第1には、TiとAlを別々に蒸発させる。第2には、
目的組成の合金粉を作製し、これを焼結することによっ
て蒸発材として使用する。第3には、Ti粉とAl粉を
TiとAlが反応する温度以下で加熱しながら鍛造して
蒸発材として使用する。抵抗加熱、電子銃加熱などによ
り蒸発源を溶融して蒸発させる方法には、前述した第1
の方法が用いられ、ターゲットを用いてアーク放電やス
パッタにより蒸発させるものは前述の第2、第3の方法
が用いられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Tiと
Alを別々に蒸発させる方法では、広い領域でTiとA
lを目的の組成にし難く、組成のずれが生じ易い。ま
た、Ti粉とAl粉を鍛造して加工したターゲットはT
i相とAl相が別々に存在する組織になっているため、
このターゲットを用いてTiAlNを製膜すると融点の
低いAlが選択的に蒸発し、被膜中に未反応Alが含有
されてしまうと同時に、表面が荒れて、,摩擦係数が大
きくなり耐摩耗性が低下してしまう。TiとAlの合金
粉を焼結することにより作製したターゲットはTiとA
lの合金組織となっているため、Alが選択的に蒸発す
ることはないが、Ti、Alとも酸化され易いため、合
金粉の表面はかなり酸化されており、この粉を用いて焼
結したTiAlターゲットも多くの酸素を含んでいる。
したがって、このターゲットを用いて製膜すると被膜中
にも酸素が取り込まれてしまい、被膜の機械的特性は低
下してしまう。このように、これら従来のTiとAlの
蒸発のさせ方では満足のいく性能は得られないでいた。
【0005】したがって、本発明の目的は、上記問題を
解決するために被膜の密着強度などの機械的強度を向上
させた耐摩耗性硬質被膜の製造方法を提供することにあ
る。
【0006】
【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、AlがTiN中に固溶している化合物
で、Tiの原子濃度をxとし、Alの原子濃度をyとす
ると、yが0.6以下でかつx+y=1を満たす耐摩耗
性硬質被膜TiX AlY Nを金属材料上に被覆すること
によって、金属材料上に耐摩耗性硬質被膜を製造する方
法において、Alの原子濃度をbとし、Tiの原子濃度
をaとすると、bが0.6以下でかつa+b=1を満た
す合金Tia Alb をTi及びAlまたはこれらの合金
を溶解して作製し、該合金Tia Alb を蒸着する際の
ターゲットとして使用することを特徴とする耐摩耗性硬
質被膜の製造方法を採用するものである。
【0007】
【作用】TiとAlの合金は金属間化合物を作るため極
めて硬く、難加工性の合金である。そのため、TiAl
N製膜用のターゲット材料として用いられていなかっ
た。これに対して、本発明者は、TiとAlを溶解して
作製した合金をターゲットとして使用すると、得られる
TiAlN被膜は機械的特性が極めて優れていること見
出した。その理由は、TiとAlを溶解して作製したタ
ーゲットを用いると、Al相は存在せず、Alが選択的
に蒸発しないために、被膜中に未反応Alが混入するこ
ともなく、被膜表面が荒れることもなく、また、Tiと
Alの合金粉の焼結ターゲットに比べて、含有酸素量も
低く、被膜中に取り込まれる酸素量も低減することがで
きるなどにより、結果として、このターゲットを用いる
ことにより、TiAlN膜の機械的特性が著しく向上す
るものと思われる。
【0008】TiAlN膜に耐摩耗性を持たせるには、
特願平2−24634号に記載のように、Al濃度yが
0.6以下でかつx+y=1を満たす化合物Tix Al
y Nでなければならない。Al原子濃度0.6までの被
膜は、X線回折測定によるとTiNと同じB1型結晶構
造であり、AlがTiN中に完全に固溶している。ま
た、固溶されるAlの濃度yの最大値は、要求される耐
酸化、耐摩耗の程度により、0<y≦0.6の範囲で自
由に選択することができ、かつAl固溶層の厚みも自由
に選択することができる。
【0009】TiAlN膜中のTi及びAlの濃度はタ
ーゲット組成に依存する。耐摩耗性に優れた上記のTi
x Aly Nを製膜するには、Ti及びAlまたはこれら
の合金を溶解して作製するには、Ti及びAlまたはこ
れらの合金を溶解して作製した合金Tia Alb でAl
の原子濃度bが0.6以下でかつa+b=1を満たすタ
ーゲットを使用することが必要である。Alの原子濃度
bが0.6を越えると被膜中のAl濃度yも0.6を越
え、TiAlN膜の機械的特性が劣化してしまう。
【0010】本発明の方法の対象となる金属材料として
は、例えば、S15C等の肌焼鋼、S45C等の構造用
鋼、SUP10等のバネ鋼、SUJ2等の軸受鋼、SK
D6等の熱間加工用工具鋼、SKD11等の冷間加工用
工具鋼、SKH51等の高速度工具鋼等の鋼材や、超硬
合金、Al合金、Cu合金がある。
【0011】本発明の被膜はイオンプレーティング法、
スパッタリング法等の公知の方法を用いて製膜すること
ができるが、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、特に強固な付着力が得られるイオンプレーティング
法が好ましい。
【0012】反応性ガスとしては、窒化物を生成するた
めの反応性ガスであり、N2 あるいはアンモニアまたは
これらの混合ガスを用いるのが好ましい。
【0013】
【実施例】実施例1 最初に、本発明を実施する装置として真空ア
ーク放電型イオンプレーティング装置を使用した。被膜
を形成させるための金属蒸発源として、溶解法で作製し
たAlの原子濃度が50%のTiAl合金を用いた。被
覆する金属材料として、SKH51より成る6mmφの
ドリルを用いた。この鋼材を有機溶剤により洗浄後、真
空反応槽内にセットし、この真空槽内の圧力を1×10
-5Torrまでの真空にした後、Tiイオン衝撃による
洗浄、加熱を行って、TiAlNの製膜を開始する。製
膜条件は反応ガスとしてN2 を23cc/分の速度で反
応槽内に導入し、圧力を30×10-3Torrとした。
上記金属蒸発源に90Aの電流を流すことによりTiA
lターゲットから真空アーク放電によりTi及びAlイ
オンを放出させ、一方、上記鋼材には−500Vのバイ
アス電圧を印加した。この様な条件下で鋼材上にTiA
lNを生成させた。約1時間の製膜反応によりTi0.53
Al0.47Nである3.7μmの被膜が得られた。
【0014】この被膜の機械的特性の評価方法として次
のような方法を採用した。即ち、この様にした得られた
表面被覆ドリルの性能をドリル切削加工により形成でき
た穴の数により評価した。切削条件は被削材がSCM4
40、ドリル回転数1500rpm、送り速度0.15
mm/rev.切り込み深さ20mmである。その結果
切削可能回数は360回であった。
【0015】実施例2 Alの原子濃度が25%である
溶解法で作製したTiAl合金をターゲットとして使用
した以外は実施例1と同様な条件で製膜したところ1時
間の製膜でTi0.78Al0.22Nである3.5μmの被膜
が得られた。この時の表面被覆ドリルの切削可能回数は
実施例1と同じ切削条件で380回であった。
【0016】比較例1 TiとAlの合金粉より焼結法
で作製したAlの原子濃度が50%であるTiAlター
ゲットを用いた以外は実施例と同じ条件で製膜したとこ
ろ、1時間の製膜時間でTi0.54Al0.46Nの3.5μ
mの被膜が得られた。このときの表面被膜ドリルの切削
可能回数は実施例1と同じ切削条件で31回に過ぎなか
った。
【0017】比較例2 Ti粉とAl粉を鍛造して加工
したAlの原子濃度が50%であるTiAlターゲット
を用いた以外は実施例1と同じ条件で製膜したところ、
1時間の製膜時間でTi0.42Al0.58Nの3.5μmの
被膜が得られた。このときの表面被覆ドリルの切削被覆
ドリルの切削可能回数は実施例1と同じ切削条件で14
回であった。
【0018】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、被覆金属材料の耐摩耗性を大幅に改善することが
でき、さらにこの様な被覆金属材料を工具などの材料と
して用いる場合には、その性能、寿命を著しく向上させ
るなどの利点がある。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 AlがTiN中に固溶している化合物
    で、Tiの原子濃度をxとし、Alの原子濃度をyとす
    ると、yが0.6以下でかつx+y=1を満たす耐摩耗
    性硬質被膜TiX AlY Nを金属材料上に被覆すること
    によって、金属材料上に耐摩耗性硬質被膜を製造する方
    法において、Alの原子濃度をbとし、Tiの原子濃度
    をaとすると、bが0.6以下でかつa+b=1を満た
    す合金Tia Alb をTi及びAlまたはこれらの合金
    を溶解して作製し、該合金Tia Alb を、蒸着する際
    のターゲットとして使用することを特徴とする耐摩耗性
    硬質被膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の製造方法において、蒸着
    をイオンプレーティング法で行うことを特徴とする製造
    方法。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の製造方法において、イオ
    ンプレーティング法が真空アーク放電型であることを特
    徴とする製造方法。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の製造方法において、反応
    性ガスとして、N2あるいはアンモニアまたはこれらの
    混合ガスを用いることを特徴とする製造方法。
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