(57)【要約】【課題】最表層であるＤＬＣ膜とその下地層である中間層の密着性を向上させる硬質皮膜および当該硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材を提供する。【解決手段】ＴｉおよびＳｉを含有する第１層と、Ｔｉ、ＳｉおよびＣを含有する第２層と、ダイヤモンドライクカーボンから成る第３層と、を備えており、第２層は第１層と第３層の間に形成されていて、第２層におけるＣの含有量は第１層から第３層に近づくにつれて増加している硬質皮膜１０とする。また、第１層のＴｉの含有量を質量％で２５％以上３５％以下として、Ｓｉの含有量を質量％で６５％以上７５％以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉおよびＳｉを含有する第１層と、
Ｔｉ、ＳｉおよびＣを含有する第２層と、
ダイヤモンドライクカーボンから成る第３層と、を備えており、
前記第２層は、前記第１層と前記第３層の間に形成されていて、
前記第２層におけるＣの含有量は、前記第１層から前記第３層に近づくにつれて
増加していることを特徴とする硬質皮膜。
【請求項２】
前記第１層のＴｉの含有量は、質量％で２５％以上３５％以下であり、かつ
前記第１層のＳｉの含有量は、質量％で６５％以上７５％以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質皮膜。
【請求項３】
前記第２層の厚さｔ２は、前記第１層の厚さｔ１よりも厚い
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の硬質皮膜。
【請求項４】
鋼製の基材表面に前記硬質皮膜が被覆されたことを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項５】
前記鋼は高速度工具鋼であることを特徴とする請求項４に記載の硬質皮膜被覆部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に鋼製の基材に対して成膜される硬質皮膜およびその被覆部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、耐摩耗性や耐熱性を備えた硬質皮膜の代表例として、ＴｉＮ（窒化チタン）膜やＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミ）膜等の硬質皮膜が鋼製の基材（基板）の表面に被覆されてきた。また、これらの硬質皮膜よりも表面硬度が高い硬質皮膜としては、ダイヤモンド膜やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が挙げられる。特に、固体の蒸着材料（ターゲット）を使用せず炭化水素系ガスを原料として成膜できる点で、ＤＬＣ膜は多様な産業部品に適用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では円筒状部品（基材）の内周面に、ＴｉやＣｒなどから形成される第１の中間層とＴｉＳｉなどから形成される第２の中間層を被覆した後、最表面にＤＬＣ膜を被覆する、多層の皮膜が開示されている。また、特許文献２では基材とＤＬＣ膜の間に形成された中間層に、ＴｉやＣｒの炭化物が厚さ方向で割合を変化させて含有している構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−８０４７４号公報
【特許文献２】特開２０００−２５６８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されているＤＬＣ膜の下層である中間層の組成の組合わせが複数存在するので、成膜装置には少なくとも２種類以上の異なる組成のターゲットが必要となるか、もしくは複数の成膜装置を用いて成膜する必要があった。
【０００６】
また、特許文献２に開示されているＤＬＣ膜の下層である中間層と基材の密着性は良好であるが、ＤＬＣ膜と中間層の密着性が不十分であり、結果的にＤＬＣ膜と中間層の間で剥離する場合があった。
【０００７】
そこで、本発明は、最表層であるＤＬＣ膜とその下地層である中間層の密着性を向上させた硬質皮膜およびその硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した課題を解決するために、本発明はＴｉおよびＳｉを含有する第１層と、Ｔｉ、ＳｉおよびＣを含有する第２層と、実質的にダイヤモンドライクカーボンから成る第３層と、を備えており、第２層は、第１層と第３層の間に形成されていて、第２層におけるＣの含有量は、第１層から第３層に近づくにつれて増加している硬質皮膜とした。
【０００９】
また、第１層のＴｉの含有量を質量％で２５％以上３５％以下として、かつ第１層のＳｉの含有量を質量％で６５％以上７５％以下とする。さらに、第２層の厚さｔ２を第１層の厚さｔ１よりも厚くすることもできる。また、鋼製の基材表面にこれらの硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材としたり、この鋼を高速度工具鋼とした硬質皮膜被覆部材とすることもできる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る硬質皮膜は、最表層であるＤＬＣ膜とその下地層である中間層の密着性を向上させるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態を示す硬質皮膜１０の断面図である。
【図２】本実施例における本発明材のロックウエル圧痕試験後の圧痕状態である。
【図３】本実施例における比較材１のロックウエル圧痕試験後の圧痕状態である。
【図４】本実施例における比較材２のロックウエル圧痕試験後の圧痕状態である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態の一例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態の一例を示す硬質皮膜１０の断面図である。本発明の硬質皮膜１０は、図１に示すように大きく分けて基材側より最下層を構成する第１層、この第１層の上層を構成する第２層および第２層の上層を構成すると共に硬質皮膜１０の最上層（最表層）を構成する第３層から形成されている。以下、第１層から第３層までの膜組成等について詳細に説明する。
【００１３】
まず、第１層は基材に直接被覆されて、硬質皮膜１０の最下層を構成する皮膜である。第１層を構成する元素（組成）は、Ｔｉ（チタン）およびＳｉ（ケイ素）を含有しており、例えばＴｉＳｉ（珪化チタン：チタンシリサイド）の形態として存在する。基材が高速度工具鋼等の鉄基合金の場合には、第１層をＴｉＳｉ皮膜とすることで基材との密着性を向上することができる。
【００１４】
また、第１層に含有されるＴｉの含有量は、質量％で２５％以上３５％以下の範囲として、Ｓｉの含有量は、質量％で６５％以上７５％以下の範囲とすることができる。ＴｉおよびＳｉの各含有量を上述の含有量に規定することで、基板および後述する第２層の間の皮膜同士の密着性を向上させることができる。
【００１５】
次に、第２層は、第１層と後述する第３層の間に形成される皮膜である。第２層を構成する元素は、第１層と同様にＴｉ（チタン）およびＳｉ（ケイ素）の他にＣ（炭素）を含有している点で第１層とは異なる。第２層に含有されるＣ（炭素）は、第１層側から第３層側へ向かうにしたがってその含有量は増加している。第２層における炭素含有量の増加形態は、直線的もしくは曲線的な増加や段階的な増加等の傾斜的な含有形態であっても構わない。
【００１６】
また、第２層の最下部（第１層との境界部）におけるＴｉおよびＳｉの含有量は第１層と同様に質量％で２５％以上３５％以下の範囲として、Ｓｉの含有量は、質量％で６５％以上７５％以下の範囲とすることができる。さらに、第１層の厚さは０．１μｍ程度であるのに対して、第２層の厚さｔ２は０．２〜０．４μｍ程度として、第２層の厚さｔ２は第１層の厚さｔ１よりも厚くすることができる。
【００１７】
次に、第３層は本発明の硬質皮膜において最上層を構成する皮膜であり、実質的にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）から成る皮膜である。ここで、「実質的にダイヤモンドライクカーボンから成る皮膜」とは、例えば水素含有（または水素フリー）ＤＬＣ皮膜もしくはＴｉやＳｉ等の金属元素を含むＤＬＣ皮膜など多様なＤＬＣ皮膜、またはこれらの皮膜の複層構造から成るＤＬＣ皮膜を言うものとする。
【００１８】
なお、ＤＬＣ皮膜である第３層は、上述した第２層の上層に直接被覆する形態と、第２層の上層に別の中間層を形成した後に（その中間層上に）被覆する形態のいずれでも構わない。
【実施例】
【００１９】
本発明の硬質皮膜と基材および硬質皮膜を形成する第１層から第３層までの皮膜間の密着性を確認するために、本発明材および比較材（２種類）を用いてロックウェル硬さ試験機を用いた圧痕試験（ロックウエル圧痕試験）を行ったので、その試験結果について図面を用いて説明する。
【００２０】
本実施例で用いた試験片として、高速度工具鋼製の基材の表面に本発明の硬質皮膜を構成する第１層の組成をＴｉ含有率３０％（以下、単位は質量％とする）およびＳｉ含有率７０％として、第２層の組成として第１層と同一の組成に加えてＣ量を第３層へ向かうほど増加させて、最表層としてＤＬＣ膜を被覆させたものとした（以下、本発明材という）。
【００２１】
一方、本発明材との比較材として同じ基材の表面にＴｉ含有率５０％、Ｓｉ含有率５０％の組成の第１層を被覆した後、この第１層と同一組成に加えてＣ量を第３層へ向かうほど増加させた第２層を被覆して、最表層にＤＬＣ膜である第３層を被覆した試験片（以下、比較材１）を使用した。
【００２２】
また、本発明材との別の比較材として同じ基材の表面にＴｉ含有率７０％、Ｓｉ含有率３０％の組成の第１層を被覆した後、この第１層と同一組成に加えてＣ量を第３層へ向かうほど増加させた第２層を被覆して、最表層にＤＬＣ膜である第３層を被覆した試験片（以下、比較材２）も使用した。
【００２３】
上述の本発明材および比較材（２種類）に対して、ロックウエルＣスケールによる硬さ試験機を用いて、ダイヤモンド圧子を１５０ｋｇの荷重で押し付けて、その圧痕を顕微鏡により観察した。本発明材および比較材１、２の圧痕試験後における試験片表面の顕微鏡写真を図２〜図４にそれぞれ示す。
【００２４】
本発明材の圧痕試験後の状態は、図２に示すように圧痕の周囲には皮膜の剥離が全く認められなかった。この試験結果から、本発明材は基材と硬質皮膜および硬質皮膜を構成する第１層から第３層までの密着性が良好であったことを示す。これに対して、比較材１および２の圧痕は図３および図４に示すようにロックウエルのＣ圧痕の周囲には矢印で示す箇所に皮膜の剥離が認められた。
【００２５】
以上の試験結果より、本発明の硬質皮膜を形成する第１層（基板上に直接被覆される層）は、Ｔｉ含有率３０％およびＳｉ含有率７０％とすることで硬質皮膜全体の密着性が向上できた。
【符号の説明】
【００２６】
１０      硬質皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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