(57)【要約】【課題】摺動特性や耐溶性を改善する潤滑効果に加え、耐摩耗性の高い特性を切削あるいは摺動特性で示し、性能向上させる効果を奏する高機能カーボン被覆膜を提供。【解決手段】 (a). 最上層が膜厚が１μm 以下のCr-C（Cr-CはCrと Cとの化合物膜を示す      、以下同じ）, Al-C又は Si-C の膜で構成され、最上層の摩擦係数が  0.05-0.25       であり、 (b). 膜厚がそれぞれ0.2 μm 以上の、 CrAl とＣがC/CrAl≧１となるCrAl/Cと、SiとＣ      がC/Si＞１であるSiC/C とが、常にその構成膜厚がCrAl/C＞SiC/C となるように前      記部材上に最初にCrAl/C、次にSiC/C と順次少なくとも各１層積層し、 (c). 前記Cr-C, Al-C又は Si-C の膜、CrAl/C及びSiC/C からなる膜の合計膜厚は      0.5-5.0 μm である、セラミックス被覆膜を被覆することを特徴とする高機能カーボン被覆膜。【選択図】図１
2005213613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＨＲＣ40以上に熱処理された構造用鋼、合金鋼、工具鋼などの鋼材及びアルミ合金や銅合金からなる耐摩耗用途の非鉄合金部材上にＰＶＤ又はＰＣＶＤによって構成する膜が
(a). 最上層が膜厚が１μm 以下のCr-C（Cr-CはCrと Cとの化合物膜を示す、以下同じ）      , Al-C又は Si-C の膜で構成され、最上層の摩擦係数が  0.05-0.25 であり、
(b). 膜厚がそれぞれ0.2 μm 以上の、 CrAl とＣがC/CrAl≧１となるCrAl/C（/Cは Cが      表層に向けて漸増する傾斜層を示す、以下同じ）と、SiとＣがC/Si＞１である
SiC/C とが、常にその構成膜厚がCrAl/C＞SiC/C となるように前記部材上に最初に      CrAl/C、次にSiC/C と順次少なくとも各１層積層し、
前記成膜するCrAlは  Crx Al(1-x) とするとき  0.1 ≦ｘ≦0.7 を満たし、
(c). 前記Cr-C, Al-C又は Si-C の膜、CrAl/C及びSiC/C からなる膜の合計膜厚は
0.5-5.0 μm で、ロックウエル圧痕法による剥離試験で１００倍の倍率で1mm 以上      の剥離が見られない、
セラミックス被覆膜を被覆することを特徴とする高機能カーボン被覆膜。
【請求項２】
高速度工具鋼、超硬合金ならびにサーメット等の切削、切断、塑性を目的とした工具、あるいはダイス鋼等の金型及び摺動部品において400-500 ℃で軟化しない部材材料上に
ＰＶＤ及びＰＣＶＤによる４ａ、５ａ、６ａならびにAl、Si、Ｂの一種あるいは二種以上の金属元素と窒素、酸素、炭素の一種あるいは二種以上で構成されるセラミックス被覆膜が被覆されている部材上に
(a). 最上層が膜厚が１μm 以下のCr-C, Al-C又は Si-C の膜で構成され、最上層の摩擦      係数が  0.05-0.25 であり、
(b). 膜厚がそれぞれ0.2 μm 以上の
がC/Si＞１であるSiC/C とが、常にその構成膜厚がCrAl/C＞SiC/C となるように前      記部材上に最初にCrAl/C、次にSiC/C と順次少なくとも各１層積層し、
前記成膜するCrAlは  Crx Al(1-x) とするとき  0.1 ≦ｘ≦0.7 を満たし、
(c). 前記Cr-C, Al-C又は Si-C の膜、CrAl/C及びSiC/C からなる膜の合計膜厚は
0.5-5.0 μm で、ロックウエル圧痕法による剥離試験で１００倍の倍率で1mm 以上      の剥離が見られない、
セラミックス被覆膜を被覆することを特徴とする高機能カーボン被覆膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＰＶＤ又はＰＶＣＤで製造され──具、金型及び耐摩部品の高機能カーボン被覆膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＶＤ（物理蒸着法）を利用したコーティング工具はＴｉＮやＴｉＡｌＮコーティング工具として一般化している。また特許文献１には、膜全体の膜厚が 2.0μｍ以下のものであり、最上層に膜厚が 0.2μｍ以上 1,0μｍ以下の謂ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を含む硬質炭素系潤滑膜 Cを有し、中間層がSiC/C （/Cは Cが表層に向けて漸増する傾斜層を示す、以下同じ）を含む成分を有し、中間層の下に界面と接する厚さ0.02μｍ以上 0.5μｍ以下のシリコン単体の層がある硬質炭素被膜を有する工具部材を開示する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１での SiC/C膜は切削工具での耐溶着性を改善してはいるものの、アルミ合金のような、比較的耐摩耗性の強い粒子を含む材料の切削では例えばＡＤＣ１２レベルの切削になると潤滑機能のみでは性能向上率が低く、SiC/C 単層では耐摩耗性が不足する膜質となることがある。また、特許文献１の請求項に記載されるように１μm を越えると不安定な膜質であるため、更に性能のいい膜質が求められていた。さらにＨＲＣ40以上に熱処理された構造用鋼、合金鋼、工具鋼などの鋼材及びアルミ合金や銅合金からなる耐摩耗用途の非鉄合金に処理を適用する場合には250 ℃以下に処理温度を保つ必要があり、特許文献１等の方法では温度上昇が大きく適用が難しいという課題があった。
【特許文献１】特許３３７２４９３号公報
【０００４】
本発明の課題は、摺動特性や耐溶性を改善する潤滑効果に加え、耐摩耗性の高い特性を切削あるいは摺動特性で示し、性能向上させる効果を奏する高機能カーボン被覆膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため本発明の第１発明によると、ＨＲＣ40以上に熱処理された構造用鋼、合金鋼、工具鋼などの鋼材及びアルミ合金や銅合金からなる耐摩耗用途の非鉄合金部材上にＰＶＤ又はＰＣＶＤによって構成する膜が
(a). 最上層が膜厚が１μm 以下のCr-C（Cr-CはCrと Cとの化合物膜を示す、以下同じ）      , Al-C又は Si-C の膜で構成され、最上層の摩擦係数が  0.05-0.25 であり、
(b). 膜厚がそれぞれ0.2 μm 以上の、 CrAl とＣがC/CrAl≧１となるCrAl/C（/Cは Cが      表層に向けて漸増する傾斜層を示す、以下同じ）と、SiとＣがC/Si＞１である
SiC/C とが、常にその構成膜厚がCrAl/C＞SiC/C となるように前記部材上に最初に      CrAl/C、次にSiC/C と順次少なくとも各１層積層し、
前記成膜するCrAlは  Crx Al(1-x) とするとき  0.1 ≦ｘ≦0.7 を満たし、
(c). 前記Cr-C, Al-C又は Si-C の膜、CrAl/C及びSiC/C からなる膜の合計膜厚は
0.5-5.0 μm で、ロックウエル圧痕法による剥離試験で１００倍の倍率で1mm 以上      の剥離が見られない、
セラミックス被覆膜を被覆することを特徴とする高機能カーボン被覆膜によって上記した課題を解決した。
本発明の第２発明によると、前記ＨＲＣ40以上に熱処理された構造用鋼、合金鋼、工具鋼などの鋼材及びアルミ合金や銅合金からなる耐摩耗用途の非鉄合金部材上にＰＶＤ及びＰＣＶＤによる４ａ、５ａ、６ａならびにAl、Si、Ｂの一種あるいは二種以上の金属元素と窒素、酸素、炭素の一種あるいは二種以上で構成されるセラミックス被覆膜が被覆されている部材上に上記 (a)、 (b)、 (c)のセラミックス被覆膜を被覆することを特徴とする高機能カーボン被覆膜によっても上記した課題を解決した。
【発明の効果】
【０００６】
発明者は、摺動特性や耐溶性を改善する潤滑効果に加え、耐摩耗性の高い特性を切削あるいは摺動特性を有する各種の金属―炭素を試作評価したところ、Crが比較的強い密着性があることが判明した。Cr-Cは摩擦係数が0.25―0.35程度であり、強度と密着性に優れるが  Alを加えることで安定化と摩擦係数0.20―0.30に下げることがわかったが、摩擦係数については Si-C 、Cr-C又はAl-Cが小さいのでこの組合せにより0.05-0.25 が得られた。さらに、特許文献１にあるように最上層の膜厚は１μm 以下であることが好ましい。工具に使用する場合には膜厚が大きいと刃先の鋭利さが失われること、被膜自身が靱性を失う結果をもたらすので、Cr-C, Al-C又は Si-C の膜、CrAl/C及びSiC/C からなる膜の合計膜厚は0.5-5.0 μm に限定し、実用上の観点からロックウエル圧痕法による剥離試験で１００倍の倍率で1mm 以上の剥離がない程度の密着性は必要であるので限定した。
本発明は上記第１発明又は第２発明の構成により、摺動特性や耐溶性を改善する潤滑効果に加え、耐摩耗性の高い特性を切削あるいは摺動特性で示し、性能向上させる効果を奏する高機能カーボン被覆膜を提供するものとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明の第１発明の最良の実施形態の高機能カーボン被覆膜の膜構成を示す。この高機能カーボン被覆膜は図１で（ａ）のような最初にCrAl/C及びSiC/C と最上層に Si-C （Si-CはSiと Cとの化合物膜を示す、以下同じ）と順次少なくとも各１層積層し、各１層の積形態と（ｂ）のような最初にCrAl/C・SiC/C と上層に SiCと次にCrAl/C・SiC/C と上層に SiCといった各多層の形態とがある。耐摩耗性も要求される場合には（ａ）、摩擦係数の低減も必要な場合（ｂ）、溶着対策と耐摩耗性が必要とされる場合は（ｂ）というような使い分けが可能である。なお最上層の Si-C に代わり Cr-C 又は Al-C でもよい。
【０００８】
本発明の第１発明の最良の実施形態の高機能カーボン被覆膜は、ＨＲＣ40以上に熱処理された構造用鋼、合金鋼、工具鋼などの鋼材及びアルミ合金や銅合金からなる耐摩耗用途の非鉄合金部材上にＰＶＤ又はＰＣＶＤによって構成
(a). 最上層が膜厚が１μm 以下のCr-C（Cr-CはCrと Cとの化合物膜を示す、以下同じ）      , Al-C又は Si-C の膜で構成され、最上層の摩擦係数が  0.05-0.25 であり、
(b). 膜厚がそれぞれ0.2 μm 以上の、 CrAl とＣがC/CrAl≧１となるCrAl/Cと、SiとＣ      がC/Si＞１であるSiC/C とが、常にその構成膜厚がCrAl/C＞SiC/C となるように前      記部材上に最初にCrAl/C、次にSiC/C と順次少なくとも各１層積層し、
前記成膜するCrAlは  Crx Al(1-x) とするとき  0.1 ≦ｘ≦0.7 を満たし、
(c). 前記Cr、Al又はSiの金属元素とＣ炭素の膜、CrAl/C及びSiC/C からなる膜の合計膜      厚は0.5-5.0 μm で、ロックウエル圧痕法による剥離試験で１００倍の倍率で1mm       以上の剥離が見られない、
セラミックス被覆膜を被覆することを特徴とする高機能カーボン被覆膜であり、
本発明の第２発明の最良の実施形態の高機能カーボン被覆膜は、前記ＨＲＣ40以上に熱処理された構造用鋼、合金鋼、工具鋼などの鋼材及びアルミ合金や銅合金からなる耐摩耗用途の非鉄合金部材上にＰＶＤ及びＰＣＶＤによる４ａ、５ａ、６ａならびにAl、Si、Ｂの一種あるいは二種以上の金属元素と窒素、酸素、炭素の一種あるいは二種以上で構成されるセラミックス被覆膜が被覆されている部材上に上記 (a)、 (b)、 (c)のセラミックス被覆膜を被覆することを特徴とする高機能カーボン被覆膜である。
【０００９】
発明者は、摺動特性や耐溶性を改善する潤滑効果に加え、耐摩耗性の高い特性を切削あるいは摺動特性を有する各種の金属―炭素を試作評価したところ、Crが比較的強い密着性があることが判明した。Cr-Cは摩擦係数が0.25―0.35程度であり、強度と密着性に優れるが  Alを加えることで安定化と摩擦係数0.20―0.30に下げることがわかったが、摩擦係数については Si-C 、Cr-C又はAl-Cが小さいのでこの組合せにより0.05-0.25 が得られた。  これを実現する方法としては図３のイオンプレーティング装置の場合にはCrAlC/C を形成する場合にCr単体を蒸発させAl化合物蒸気を用いてＰＶＤ・ＰＣＶＤ併用法、もしくはCrAlを直接蒸発させアセチレン等の炭化水素ガスでプラズマ反応させる。また、連続的にSi化合物蒸気と炭化水素ガスでプラズマ反応させ成膜する。CrAlC/C 及びSiC/C はいずれも0.2 μm 以上ないと機能膜として作用せず、CrAlC/C はSiC/C 以上の膜厚でないと効果は小さい。この成膜はマグネトロンスパッタによる図４のスパッタイオンプレーティング装置を用いても良い。
【００１０】
さらに、特許文献１にあるように最上層の膜厚は１μm 以下であることが好ましい。工具に使用する場合には膜厚が大きいと刃先の鋭利さが失われること、被膜自身が靱性を失う結果をもたらすので、Cr-C, Al-C又は Si-C の膜、CrAl/C及びSiC/C からなる膜の合計膜厚は0.5-5.0 μm に限定し、実用上の観点からロックウエル圧痕法による剥離試験で１００倍の倍率で1mm 以上の剥離がない程度の密着性は必要であるので限定した。
この被膜を図４のスパッタイオンプレーティングにより、ＨＲＣ40以上に熱処理された構造用鋼、合金鋼、工具鋼などの鋼材及びアルミ合金や銅合金からなる耐摩耗用途の非鉄合金上に成膜する。この場合はCrAlもしくはCr―Alターゲット及びSi―Ｃターゲットを用い、アセチレン等の炭化水素ガスでプラズマ反応させて積層状態を形成する。高速度工具鋼、超硬合金ならびにサーメット等の場合は400-500 ℃に加熱するが低温処理の場合には150 ℃以内で加熱し、脱ガスさせて行う。Cr単独ではなくAlを加えることにより摩擦係数を下げると同時にAlの放熱特性が高いため、100 ℃以内の温度上昇に抑制が可能である。従って、成分比としてAlの効果が有効となる30% 以上、CrAlC/C が成立するCr10% 以上と限定した。
【実施例１】
【００１１】
φ６のアルミ切削用Ti系コーティングハイスドリルを用いてADC １２相当アルミ合金の切削試験を行った。比較品として、φ６のアルミ切削用Ti系コーティングハイスドリルと（Ti系コーティング品）、φ６のアルミ切削用Ti系コーティングハイスドリルに特許文献１の膜全体の膜厚が 2.0μｍ以下で、最上層に膜厚が 1,0μｍ以下の所謂ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を含む硬質炭素系潤滑膜 Cを有し、中間層がSiC/C を含む成分を有し、中間層の下に界面と接する厚さ0.02μｍ以上 0.5μｍ以下のシリコン単体の層がある硬質炭素被膜を成膜したもの（Ti系コーティング＋SiC/C 品）を準備した。本発明品としてTi系コーティングがないアルミ切削用ハイスドリルに図３に示したイオンプレーティング装置により、上述の方法でCrAlC/C を1.5 μm 、最上層に SiC（ SiCに代わりCrC,又は AlCの膜でもよい）を0.5 μm の積層させたもの（本発明品）を準備して、速度  60m/min 、送り  0.15mm/rev、深さ  20mmで、止まり穴をドライ加工で切削試験した。その結果を図２に示す。それぞれ平均すると、本発明品は従来品のTi系コーティング品と比較して1.７倍以上の性能、従来品のTi系コーティング＋SiC/C 品と比較して1.４倍以上の性能を得た。
【実施例２】
【００１２】
比較品として、ダイス鋼ＳＫＤ１１(HRC58) のディスクにＴｉＮ及びＴｉＣＮのTi系コーティングを行い3.5 μm 成膜した上、特許文献１の膜全体の膜厚が 2.0μｍ以下で、最上層に膜厚が 1,0μｍ以下の所謂ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を含む硬質炭素系潤滑膜 Cを有し、中間層がSiC/C を含む成分を有し、中間層の下に界面と接する厚さ0.02μｍ以上 0.5μｍ以下のシリコン単体の層がある硬質炭素被膜を成膜した。本発明品として同様にＴｉＮ及びＴｉＣＮのTi系コーティングを2.0 μm 成膜した上、図４のスパッタイオンプレーティングによってCrAlC/C を0.5 μm 、連続的にSiC/C を0.3 μm の操作を３回行って本発明である多層のコーティングディスクを製作した。このディスクを用いて図５に示すピンオンディスク摩擦試験を行った。10000 回の擦過回数についてのピンオンディスクの摩耗状況を図６に示す。ピンオンディスクの摩耗状況ではディスクの摩耗跡を示す帯に幅が大きければそれだけ摩擦が大きいと判定される。かかる判定基準で見ると、（ａ）特許文献１のSiC/C 品の帯の幅は８mmに対し、（ｂ）て本発明品は３mmであり、６割以上摩擦が軽減されており、図６に示すように本発明品は比較品に比べ、良好な成績を示した。
【実施例３】
【００１３】
比較品として、HRC56 に調整したSCM440上に特許文献１の膜全体の膜厚が１.0μｍ以下で、最上層に膜厚が 1,0μｍ以下の所謂ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を含む硬質炭素系潤滑膜 Cを有し、中間層がSiC/C を含む成分を有し、中間層の下に界面と接する厚さ0.02μｍ以上 0.5μｍ以下のシリコン単体の層がある硬質炭素被膜を形成したものと、本発明品であるCrAlC/C を0.5 μm 、連続的にSiC/C を0.3 μm の操作を１回行った膜と２回行った膜を試作し、図７に示す膜厚計測に使うカロテストのボールに砥粒を使用しない方法で３０分間の比較試験を行った。カロテスト法の摩耗状況では、図７で示すボールの摩耗跡ａの直径が大きければそれだけ摩擦が大きいと判定される。かかる判定基準で見ると、（ａ）特許文献１の従来品（SiC/C ）の直径は２．３mmに対し、（ｂ）て本発明品は２mmであり、面積で約２５％摩擦が軽減されており、図８に示すように本発明品は非常に良い耐摩耗性を示した。
〔本発明の最良の実施形態の効果〕
【００１４】
以上本発明品の最良の実施形態は、摺動特性や耐溶性を改善する潤滑効果に加え、耐摩耗性の高い特性を切削あるいは摺動特性で示し、性能向上させる効果を奏するものとなった。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１発明の最良の実施形態の高機能カーボン被覆膜の膜構成を示す。
【図２】本発明品と比較品の切削工具切削試験結果を示すグラフ。
【図３】イオンプレーティング装置の概略ブロック図。
【図４】スパッタイオンプレーティング装置の概略ブロック図。
【図５】ピンオンディスク摩擦摩耗試験装置の模式図。
【図６】比較品と本発明品のピンオンディスク摩耗試験結果を示す、ピンオンディスクの摩耗状況写真。
【図７】カロテスト法の原理を示す説明図。
【図８】カロテストによる耐研削強度の差を示す、摩耗状況写真。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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