(57)【要約】【課題】従来のＴｉＮ皮膜と同じターゲット材を用いて製造することができ、従来のＴｉＮ皮膜よりも高硬度な皮膜でコーティングされたスリット加工用刃物を提供する。【解決手段】鋼板のスリット加工に用いるスリット加工用刃物である。基材と、基材の表面に形成されたＴｉＮ皮膜とを備え、ＴｉＮ皮膜は（１１１）面のｄ値を２．４６Å以上としている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板のスリット加工に用いる刃物であって、
基材と、該基材の表面に形成されたＴｉＮ皮膜と、を備え、
該ＴｉＮ皮膜は（１１１）面のｄ値が２．４６Å以上であることを特徴とするスリット加工用刃物。
【請求項２】
前記ＴｉＮ皮膜におけるＴｉ含有量が４４〜４７ａｔ％、Ｎ含有量が５２〜５５ａｔ％であることを特徴とする請求項１に記載のスリット加工用刃物。
【請求項３】
鋼板のスリット加工に用いる刃物であって、
基材と、該基材の表面に形成されたＣｒＮ皮膜と、を備え、
該ＣｒＮ皮膜は（１１１）面のｄ値が２．４２Å以上であることを特徴とするスリット加工用刃物。
【請求項４】
前記ＣｒＮ皮膜におけるＣｒ含有量が５６〜５９ａｔ％、Ｎ含有量が４０〜４３ａｔ％であることを特徴とする請求項３に記載のスリット加工用刃物。
【請求項５】
前記基材の表層に、前記皮膜の下地層として厚さ５０μｍ以下の窒化層が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のスリット加工用刃物。
【請求項６】
請求項１，２，５の何れかに記載のＴｉＮ皮膜をＰＶＤ法により形成し、
該ＰＶＤ法における成膜の工程では、アーク電流を１２０Ａ以下、基材バイアス電圧をマイナス値で且つその絶対値が２００Ｖ以下の条件で、前記ＴｉＮ皮膜を前記基材の表面に形成することを特徴とするスリット加工用刃物の製造方法。
【請求項７】
請求項３〜５の何れかに記載のＣｒＮ皮膜をＰＶＤ法により形成し、
該ＰＶＤ法における成膜の工程では、アーク電流を１２０Ａ以下、基材バイアス電圧をマイナス表示で且つその絶対値が１００Ｖ以下の条件で、前記ＣｒＮ皮膜を前記基材の表面に形成することを特徴とするスリット加工用刃物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜から成る硬質皮膜が表面に形成されているスリット加工用刃物及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コイル状に巻かれた長尺の鋼板を引き出して長手方向にスリット加工する場合、一対の略円盤状の刃物が用いられる。これら一対の刃物は、鋼板の上下に配され、互いの周縁部を上下方向にかみ合せながら回転し、鋼板の長尺方向にスリットを形成する。このような用途で用いられる刃物（スリット加工用刃物）は、主に耐摩耗性を向上させるため、刃物本体（基材）の表面にＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜等の硬質皮膜が形成されていた。
【０００３】
しかしながら、加工対象が超高張力鋼板など極めて強度の高いものであると、従来の硬質皮膜では十分な工具寿命を確保できない問題があった。
一方で、従来のＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜よりも耐磨耗性に優れる硬質皮膜として提案されているものは、皮膜生成に用いる元素の種類が多く皮膜の原料となるターゲット材のコストが上昇してしまう問題があった（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３２５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は以上のような事情を背景とし、従来のＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜と同じターゲット材を用いて製造することができ、従来のＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜よりも高硬度な皮膜でコーティングされたスリット加工用刃物及びその製造方法を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
而して請求項１のものは、鋼板のスリット加工に用いる刃物であって、基材と、該基材の表面に形成されたＴｉＮ皮膜と、を備え、該ＴｉＮ皮膜は（１１１）面のｄ値が２．４６Å以上であることを特徴とする。
【０００７】
請求項２のものは、請求項１において、前記ＴｉＮ皮膜におけるＴｉ含有量が４４〜４７ａｔ％、Ｎ含有量が５２〜５５ａｔ％であることを特徴とする。
【０００８】
請求項３のものは、鋼板のスリット加工に用いる刃物であって、基材と、該基材の表面に形成されたＣｒＮ皮膜と、を備え、該ＣｒＮ皮膜は（１１１）面のｄ値が２．４２Å以上であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４のものは、請求項３において、前記ＣｒＮ皮膜におけるＣｒ含有量が５６〜５９ａｔ％、Ｎ含有量が４０〜４３ａｔ％であることを特徴とする。
【００１０】
請求項５のものは、請求項１〜４の何れかにおいて、前記基材の表層に、前記皮膜の下地層として厚さ５０μｍ以下の窒化層が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項６のものは、スリット加工用刃物の製造方法に関するもので、請求項１，２，５の何れかに記載のＴｉＮ皮膜をＰＶＤ法により形成し、該ＰＶＤ法における成膜の工程では、アーク電流を１２０Ａ以下、基材バイアス電圧をマイナス値で且つその絶対値が２００Ｖ以下の条件で、前記ＴｉＮ皮膜を前記基材の表面に形成することを特徴とする。
【００１２】
請求項７のものは、スリット加工用刃物の製造方法に関するもので、請求項３〜５の何れかに記載のＣｒＮ皮膜をＰＶＤ法により形成し、該ＰＶＤ法における成膜の工程では、アーク電流を１２０Ａ以下、基材バイアス電圧をマイナス値で且つその絶対値が１００Ｖ以下の条件で、前記ＣｒＮ皮膜を前記基材の表面に形成することを特徴とする。
【００１３】
鋼板のスリット加工に用いる刃物は、例えば冷間プレス加工等に用いる工具と比べ、その歯先部分が受ける衝撃は小さい。このためスリット加工用刃物の高寿命化を検討するうえでは、耐衝撃特性よりも、硬質皮膜の硬さ向上が特段に重要である。
本発明者らは、従来からスリット加工用刃物の硬質皮膜として広く用いられているＴｉＮ皮膜やＣｒＮ皮膜における格子面間隔と皮膜硬さとの関係に注目して調査したところ、ＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜における格子面間隔値（ｄ値）を所定値以上とすることで、皮膜硬さを大きく向上させることができることを見出した。
【００１４】
本発明はこのような知見に基づくものであり、具体的には、基材表面に形成される皮膜がＴｉＮ皮膜の場合、（１１１）面のｄ値を２．４６Å以上とし、またＣｒＮ皮膜の場合、（１１１）面のｄ値を２．４２Å以上とすることで、従来のＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜に比べて皮膜硬さを大きく向上させることができる。
本発明は膜種の変更ではなく、（１１１）面間隔を拡大させること、即ち格子歪みを増加させること、により皮膜硬さを増大させるため、製造に際しては従来のＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜の場合と同じターゲット材を用いることができ、ターゲット材コストの増加を抑制することができる。
【００１５】
このような（１１１）面間隔の拡大は、原子サイズがＮよりも大きいＴｉ若しくはＣｒを多く含有させることで実現させることができる。具体的には、ＴｉＮ皮膜の場合、Ｔｉを４４ａｔ％以上（Ｎを５５ａｔ％以下）含有させることで皮膜硬さを大きく向上させることができる。ただしＴｉＮ皮膜をＰＶＤ法により形成する場合、Ｔｉ量を過度に高めることは難しく、ここではＴｉ含有量の上限を４７ａｔ％（Ｎ含有量の下限を５２ａｔ％）とする。
【００１６】
一方、ＣｒＮ皮膜の場合、Ｃｒを５６ａｔ％以上（Ｎを４３ａｔ％以下）含有させることで皮膜硬さを大きく向上させることができる。ただしＣｒＮ皮膜をＰＶＤ法により形成する場合、Ｃｒ量を過度に高めることは難しく、ここではＣｒ含有量の上限は５９ａｔ％（Ｎ含有量の下限を４０ａｔ％）とする。
【００１７】
また本発明では、基材の変形が大きいと、その表面に形成された硬質皮膜がこれに追従できずに剥れが生じてしまう場合も懸念されるため、基材の表層に、下地層として厚さ５０μｍ以下の窒化層を形成しておくことが望ましい。
【００１８】
本発明のＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜は、ＰＶＤ法により形成することができる。ここで、ＴｉＮ皮膜の場合、アーク電流を１２０Ａ以下、基材バイアス電圧をマイナス表示で且つその絶対値が２００Ｖ以下の条件で成膜することが望ましい。ＣｒＮ皮膜の場合、アーク電流を１２０Ａ以下、基材バイアス電圧をマイナス表示で且つその絶対値が１００Ｖ以下の条件で成膜することが望ましい。尚、このように製造されたＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜は、（１１１）面優先配向である。
【発明の効果】
【００１９】
以上のような本発明によれば、従来のＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜の場合と同じターゲット材を用いて製造することができ、従来のＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜よりも高硬度な皮膜でコーティングされたスリット加工用刃物及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（Ａ）はＴｉＮ皮膜の（１１１）面のｄ値と皮膜硬さとの関係を示した図である。（Ｂ）はＴｉＮ皮膜のＴｉ量と（１１１）面のｄ値との関係を示した図である。
【図２】（Ａ）はＣｒＮ皮膜の（１１１）面のｄ値と皮膜硬さとの関係を示した図である。（Ｂ）はＣｒＮ皮膜のＣｒ量と（１１１）面のｄ値との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に本発明の一実施形態のスリット加工用刃物について具体的に説明する。本実施形態のスリット加工用刃物は、基材と、基材表面に形成された硬質皮膜とを備えている。
【００２２】
基材は、ＳＫＤ１１等の従来公知の鋼材を用い、例えば外径Φ３００ｍｍで厚み１０ｍｍの略円盤状に加工されている。
場合によっては、基材の表面に下地処理として窒化処理を施し、厚さ５０μｍ以下の窒化層を形成しておくことができる。この場合には、窒化層の硬さを１０００ＨＶ以上とすることが望ましい。尚、窒化層深さの測定は、ＪＩＳ  Ｇ  ０５６２の鉄鋼の窒化層深さ測定方法に従って測定することができる。
【００２３】
＜硬質皮膜＞
本実施形態のスリット加工用刃物では、基材の表面に硬質皮膜として、ＴｉＮ皮膜若しくはＣｒＮ皮膜を形成する。硬質皮膜は基材の全面に形成されるものに限定されず、部分的に形成されるものであってもよいが、皮膜の厚みは、３μｍ〜５μｍとすることが望ましい。
皮膜の厚みが３μｍ未満の場合には、十分な硬さが得られ難く、一方、皮膜の厚みが５μｍを越える場合には、基材との密着性が低下するおそれがあるからである。
【００２４】
＜ＴｉＮ皮膜＞
基材の表面にＴｉＮ皮膜を形成する場合、Ｘ線回折における（１１１）面のｄ値を２．４６Å以上とする。ちなみに、無歪状態のＴｉＮ皮膜における（１１１）面のｄ値は２．４４８Åである。従来のＴｉＮ皮膜は、無歪状態もしくはこれに近い格子面間隔であった。
本実施形態では、（１１１）面のｄ値を２．４６Å以上とすることで、後述するように従来のＴｉＮ皮膜に比べて大きく硬度を高めることができる。
本例では、原子サイズがＮよりも大きいＴｉを多く含有させることで（１１１）面間隔を拡大させており、このとき格子歪みが生じ、ＴｉＮ皮膜内部に圧縮残留応力が発生し、ＴｉＮ皮膜の硬さが高まるものと推測される。
【００２５】
＜ＰＶＤ処理＞
本例では、ＴｉＮ皮膜をＰＶＤ法（物理蒸着法）により形成する。（１１１）面のｄ値が２．４６Å以上のＴｉＮ皮膜は、ＰＶＤ法における成膜の条件を変更することにより実現することが可能である。
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(カソードアークイオンプレーティング)法が好適である。
【００２６】
アーク式イオンプレーティング法について以下に述べる。
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。
【００２７】
成膜の工程では、金属ターゲット（ここではＴｉターゲット）を原料蒸発源にセットする。基材温度を所定の温度とし、反応ガスとして窒素ガスを導入する。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金属（Ｔｉ）が昇華されイオン化され、基材表面にＴｉＮ皮膜が形成される。尚、形成された皮膜にはＴｉ，Ｎのほか不可避的不純物も含まれ得る。
【００２８】
＜ＣｒＮ皮膜＞
基材の表面にＣｒＮ皮膜を形成する場合、Ｘ線回折における（１１１）面のｄ値を２．４２Å以上とする。ｄ値を２．４２Å以上とすることで、ＴｉＮ皮膜の場合と同様に、従来のＣｒＮ皮膜に比べて大きく硬度を高めることができる。このｄ値が２．４２Å以上のＣｒＮ皮膜も、またＰＶＤ法における成膜の条件を変更することにより実現することが可能である。
【実施例】
【００２９】
＜ＴｉＮ皮膜の評価＞
材質：ＤＣ５３（大同特殊鋼株式会社製、冷間工具鋼）の素材を加工して、Φ３０ｍｍの円盤形状とした基材を準備し、基材の表面にＰＶＤ法、詳しくはアーク式イオンプレーティング法によりＴｉＮ皮膜を形成した。
詳しくは、成膜装置のチャンバ内に、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後、基材バイアス電圧を−４００〜−６００Ｖまで、徐々にその絶対値が大きくなるように上げていっ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った。
【００３０】
成膜の工程では、基材温度を４００〜５５０℃とし、反応ガスとして窒素ガスを導入して、雰囲気の圧力を１００Ｐａ以下とした。基材バイアス電圧を所定の値（表１参照）に維持した状態で、カソード電極に所定のアーク電流を供給して（表１参照）、基材表面にＴｉＮ皮膜を形成した。尚、形成されたＴｉＮ皮膜の膜厚は３〜５μｍである。
このようにしてＴｉＮ皮膜が形成された試験片を作製し、（１１１）面のｄ値、皮膜組成、皮膜硬さを評価した。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
＜（１１１）面のｄ値の測定＞
Ｘ線回折分析（ＸＲＤ）を行い、得られた回折角をブラックの条件式に代入して、（１１１）面の格子面間隔（ｄ値）を測定した（但し、Ｋａ２除去の操作を施してある）。
【００３３】
＜皮膜組成の測定＞
皮膜中のＴｉ、Ｎの含有量を、ＧＤ−ＯＥＳ（グロー放電発光分析装置）により、皮膜の表層にて深さ０．１〜２．５μｍの間で測定しその平均ａｔ％を求めた。
【００３４】
＜皮膜硬さの測定＞
ＴｉＮ皮膜のビッカース硬度は、ＪＩＳ  Ｚ２２４４に基づいて、ナノインデンテーション装置により測定した。測定では、圧子（プローブ）の押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（押込み深さおよび荷重の曲線から圧入硬度（indentation hardness）またはヤング率を算出する方法）による硬度測定結果からのビッカース硬度への換算を行った。
これらの結果を表１及び図１に示す。
【００３５】
図１（Ａ）に示すように、ＴｉＮ皮膜における（１１１）面間隔（ｄ値）を拡大させることで皮膜硬さが増大しており、特にｄ値が２．４６Å以上の領域において、皮膜硬さを大きく向上させることができる。図１（Ａ）によれば無歪状態のＴｉＮ皮膜の皮膜硬さはおよそ２０５０ＨＶであるのに対し、ｄ値が２．４６Å以上のＴｉＮ皮膜では２１００ＨＶ以上の皮膜硬さが得られている。そして、同図（Ｂ）に示すように、Ｔｉを４４ａｔ％以上含有させることで、ｄ値が２．４６Å以上の皮膜を形成することが可能である。
本例では、ＰＶＤ法、詳しくはアーク式イオンプレーティング法によりＴｉＮ皮膜を形成しているが、表１に示すように、ｄ値が２．４６Å以上の皮膜、即ちＴｉを４４ａｔ％以上含有する皮膜は、アーク電流を１２０Ａ以下、基材バイアス電圧をマイナス表示で且つその絶対値が２００Ｖ以下の条件で成膜することができる。
【００３６】
＜ＣｒＮ皮膜の評価＞
次に、材質：ＤＣ５３（大同特殊鋼株式会社製、冷間工具鋼）の素材を加工して、Φ３０ｍｍの円盤形状とした基材を準備し、基材の表面にＰＶＤ法、詳しくはアーク式イオンプレーティング法によりＣｒＮ皮膜を形成した。
詳しくは、成膜装置のチャンバ内に、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後、基材バイアス電圧を−４００〜−６００Ｖまで、徐々にその絶対値が大きくなるように上げていっ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った。
【００３７】
成膜の工程では、基材温度を４００〜５５０℃とし、反応ガスとして窒素ガスを導入して、雰囲気の圧力を１００Ｐａ以下とした。基材バイアス電圧を所定の値（表２参照）に維持した状態で、カソード電極に所定のアーク電流を供給して（表２参照）、基材表面にＣｒＮ皮膜を形成した。尚、形成されたＣｒＮ皮膜の膜厚は３〜５μｍである。
このようにしてＣｒＮ皮膜が形成された試験片を作製し、（１１１）面のｄ値、皮膜組成、皮膜硬さを評価した。これらの評価の方法は上記ＴｉＮ皮膜の場合と同様である。
これらの結果を表２及び図２に示す。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
図２（Ａ）に示すように、ＣｒＮ皮膜においても、（１１１）面間隔を拡大させることで皮膜硬さが増大しており、特にｄ値が２．４２Å以上の領域において、皮膜硬さを大きく向上させることができる。図２（Ａ）によれば無歪状態のＣｒＮ皮膜の皮膜硬さはおよそ１６５０ＨＶであるのに対し、ｄ値が２．４２Å以上のＣｒＮ皮膜では１９００ＨＶ以上の皮膜硬さが得られている。
そして、同図（Ｂ）に示すように、Ｃｒを５６ａｔ％以上含有させることで、ｄ値が２．４２Å以上の皮膜を形成することが可能である。本例では、ＰＶＤ法によりＣｒＮ皮膜を形成しているが、表２に示すように、ｄ値が２．４２Å以上の皮膜、即ちＣｒを５６ａｔ％以上含有する皮膜は、アーク電流を１２０Ａ以下、基材バイアス電圧をマイナス表示で且つその絶対値が１００Ｖ以下の条件で成膜することができる。
【００４０】
以上本発明の実施形態及び実施例について詳しく説明したが、これはあくまで一例示である。上記実施形態及び実施例ではアーク式イオンプレーティング法にて皮膜を形成したが他のＰＶＤ法を用いることも可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【図１】
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【図２】
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