(57)【要約】【課題】母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含む機械部材の材料の機能を低下させることなく、母材の表層の膜硬さ、密着性、摩擦係数能を向上させた硬質被膜を有する機械部材を提供。【解決手段】母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含む機械部材表面に、    CrxAlyNz, ただしx,y,z はそれぞれCr,Al,N の元素比を表し、0.01≦x ≦0.99、0.01≦y ≦0.99、0.5 ≦z ≦2.0 の組成を有する窒素含有 CrAlN被膜を少なくとも一層形成したことを特徴とする窒素含有CrAl被膜を有する機械部材。。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含む機械部材表面に、
CrxAlyNz, ただしx,y,z はそれぞれCr,Al,N の元素比を表し、0.01≦x ≦0.99、0.01≦y ≦0.99、0.5 ≦z ≦2.0 の組成を有する窒素含有 CrAlN被膜を少なくとも一層形成したことを特徴とする窒素含有CrAl被膜を有する機械部材。
【請求項２】
前記窒素含有CrAl被膜は、複数のクロム、アルミターゲットの組み合わせ、もしくは前記組成比をコントロールしたクロムアルミ合金ターゲットを窒素雰囲気中でスパッタリングすることにより前記機械部材表面に形成したことを特徴とする請求項１記載の窒素含有CrAl被膜を有する機械部材。
【請求項３】
前記窒素含有CrAl被膜は、200 ℃以下の低温処理を行うことにより前記機械部材表面に形成したことを特徴とする請求項２記載の窒素含有CrAl被膜を有する機械部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含み、窒素含有CrAl被膜を有する機械部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車をはじめとした多くの機械産業において、母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含む機械部材に使用される材料の表層は、機械部材の使用状況により、表層の耐磨耗性、摺動性、耐食性、耐焼き付き性、装飾性など様々な特性を要求されており、その部材の加工性、生産性、経済性などを考慮して決定される。このため、機械部材に使用される材料の例として、一般にSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼などが挙げられるが、上記のような特性をその表層に付加するため、様々な熱処理や浸炭、窒化等の用途に合わせた表面改質や、塗装や蒸着、溶着、化学蒸着、物理蒸着などによる機能被膜を形成したりすることで目的の特性を満足させる技術も発達してきている。最もよく使われる表面処理技術の一つに硬質クロムメッキをはじめとする湿式メッキが挙げられる。これは表面の硬度をHv1000〜1100程度に向上させることや、耐食性、離形成、摺動性などの機能を向上させることができ、安価な処理方法として利用されている。
【０００３】
しかしながら、その処理排水に含まれる六価クロムなどの有害物質の処理が問題となっており、近年世界的に高まっている環境への配慮から、その代替技術が求められている。さらに、ISO14000など企業の環境問題への取り組みが盛んに行われるようになって、ウェットメッキからドライメッキへの転換が進みつつあり、ドライメッキのひとつと考えられている物理蒸着法(PVD法−Physical Vapour Deposition）によるCr蒸着や、同物理蒸着法による窒素含有Cr被膜の応用が試されているが、前者は十分な硬度の向上が見込めないため、そして後者は処理温度が400 ℃以上と高いため、その応用範囲は限られた。
こうした問題に対処するため、PVD 法の一つであるスパッタリング技術を利用した特許文献１に開示するような窒素含有Cr被膜の機械部材への表面処理も提案されているが、この方法では処理温度が300 ℃以下であり、SUJ2( 軸受け鋼）などの安価な低級鋼では母材の硬度低下を引き起こすため、より低温での処理が要求された。
【特許文献１】特開平１１- ２１７６６６公報  要約
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、このような事情に鑑みてなされたものであって、母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含む機械部材の材料の機能を低下させることなく、母材の表層の膜硬さ、密着性、摩擦係数能を向上させた硬質被膜を有する機械部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため本発明は、母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含む機械部材表面に、  CrxAlyNz, ただしx,y,z はそれぞれCr,Al,N の元素比を表し、0.01≦x ≦0.99、0.01≦y ≦0.99、0.5 ≦z ≦2.0 の組成を有する窒素含有 CrAlN被膜を少なくとも一層形成したことを特徴とする窒素含有CrAl被膜を有する機械部材によって上記した課題を解決した。
【発明の効果】
【０００６】
上記した本発明は、放熱特性が高いアルミニウムを含む窒素含有CrAl被膜を有するので、母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含む機械部材の機能を低下させることなく、母材の表層の膜硬さ、密着性、摩擦係数能を向上させた窒素含有CrAl被膜を有する機械部材を提供するものとなった。
【０００７】
好ましくは、前記窒素含有CrAl被膜は、複数のクロム、アルミターゲットの組み合わせ、もしくは前記組成比をコントロールしたクロムアルミ合金ターゲットを窒素雰囲気中でスパッタリングすることにより前記機械部材表面に形成することができる。
より好ましくは、前記窒素含有CrAl被膜は、前記機械部材表面に、200 ℃以下の低温処理を行うことにより前記機械部材表面に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明を実施するための最良の形態は、母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含む機械部材表面に、  CrxAlyNz, ただしx,y,z はそれぞれCr,Al,N の元素比を表し、0.01≦x ≦0.99、0.01≦y ≦0.99、0.5 ≦z ≦2.0 の組成を有する窒素含有 CrAlN被膜を少なくとも一層形成したことを特徴とする窒素含有CrAl被膜を有する機械部材である。本発明に係る窒素含有CrAl被膜は図２に示すマグネトロンスパッタ装置により作成した。真空容器１内の基材ホルダ２に図示しない母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含む機械部材を設置した後、真空排気を行い、チャンバ内の脱ガスのためヒータにて150 ℃まで昇温し、所定の真空値に到達後、Arガスを導入し、一定の圧力を保持する。対向の２基のターゲット４、４を放電が持続する最小限の出力に設定し、放電を開始し、そのスパッタ放電により発生したAr+ イオンにより機械部材をイオンボンバードを行い表面をクリーニングする。この際、機械部材には数百ボルトの負の電位を印加し、Ar+ イオンを加速させ、ボンバード効率を上げておく。その後、膜の密着性を確保するため、わずかな時間下地膜としてCrを被覆する。更に対になる傾斜マグネトロンスパッタカソードにはあらかじめクロム、アルミニウムのターゲットをそれぞれ設置しておき、各原料のスパッタ収率を考慮し、所望の組成比となるようターゲット出力を調整し、反応ガスであるN2ガスを所望の組成となるよう流量を調整し導入する。必要な膜厚を考慮し、コーティング時間を設定する。ヒータについては脱ガス後マグネトロンカソードの放電開始の前に加熱を中止し、基材温度の増加を抑える。原料であるスパッタターゲット４、４は、クロム、アルミニウム単独のターゲット材料を組み合わせても良いが、組成比を調整したクロムアルミ合金を使用しても良い。
【実施例１】
【０００９】
アルミニウムは一般によく知られているように放熱特性がよく、アルミニウムをコーティング被膜に含有させることにより、温度の上昇を抑えることができる。図１に TiN被膜と CrAlN被膜の昇温冷却特性を示す。これは 1mmの厚さの SUS板に２μm の TiNおよび CrAlN膜を被覆したものを同じ熱量の加熱を行い、その表面温度の経時変化をプロットしたものである。表面温度は放射温度計にて測定した。このとき注目すべき点は、加熱初期の温度上昇であり、Alの含有する CrAlN被膜の方が急峻な温度上昇を示している。これは、Al含有膜の方が熱流速が速いことを意味しており、逆の見方をすれば、放熱特性が高いことを意味する。
【実施例２】
【００１０】
図２示すスパッタリング装置を使用して、従来法により CrN被膜を形成し、処理温度を測定したところ、表１に示すように、 280°であった。同様に異なるアルミニウム含有量の２種の CrAlN被膜を形成し、処理温度を測定したところ、 191°と 182°であった。アルミニウムを含有することにより、CrAlN 被膜の放熱特性をよくすることは、被膜形成時においても同様である。図２示すスパッタリング装置では、被膜される基材は均一に成膜せしめるため、回転しており、基材がスパッタターゲット４、４に面した場合、スパッタ放電によるプラズマからの熱放射によって機械部材が昇温するが、スパッタターゲット面から離れた時点で空間或いはチャンバ炉壁へ熱を放出する。このために表１に示すように、被膜にアルミニウムを混入させることにより CrN被膜の形成時に比べ基材温度が200 ℃以下に、30％以上温度を低く抑えることができることが判明した。
【表１】
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【実施例３】
【００１１】
図２示すスパッタリング装置を使用して、Crターゲット出力(KW)：Alターゲット出力(KW) = 8:6、窒素ガス流量適宜導入し、膜厚が 2.0μm 程度となるよう高速度鋼(SKH57) に成膜した。得られた膜の組成比は EPMA(Electron Probe Micro Analizer)で測定したところ、Cr:0.46 、Al:0.12 、N:0.42の組成比であった。処理温度は約 190℃であった。膜硬さは 50gマイクロビッカース硬度計にて測定し、摩擦係数は図３のような摩擦磨耗試験を行い評価した。また、膜の密着性については図示しないスクラッチ試験機を用いて評価した。図示しないイオンプレーティング法にて高速度鋼(SKH57) 表面に処理温度 450℃作成したCrN 、TiN 被膜と比較した（表２）。表２からみて判るように、本発明により 190℃の処理温度で処理した高速度鋼(SKH57) 表面は、膜硬さ、密着性、摩擦係数ともに、イオンプレーティング法で 450℃で処理したCrN と同等の特性を示し、機械部材表面に、200 ℃以下の低温処理した窒素含有CrAl被膜を実現した。
【表２】
2005187834.tif 000004
〔本発明の最良の実施形態の効果〕
【００１２】
上記した本発明の最良の実施形態は、放熱特性が高いアルミニウムを含む窒素含有CrAl被膜を有するので、母材としてSUJ2鋼、低炭素鋼或いは中炭素鋼を含む機械部材の機能を低下させることなく、母材の表層の膜硬さ、密着性、摩擦係数能を向上させた窒素含有CrAl被膜を有する機械部材を提供するものとなった。
【００１３】
好ましくは、前記窒素含有CrAl被膜は、複数のクロム、アルミターゲットの組み合わせ、もしくは前記組成比をコントロールしたクロムアルミ合金ターゲットを窒素雰囲気中でスパッタリングすることにより前記機械部材表面に形成することができる。
より好ましくは、前記窒素含有CrAl被膜は、前記機械部材表面に、200 ℃以下の低温処理を行うことにより前記機械部材表面に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】TiN 被膜とCrAlN 被膜の昇温冷却特性を示すグラフ。
【図２】本発明の最良の実施形態の機械部材に使用されるマグネトロンスパッタ装置の概略ブロック図。
【図３】摩擦磨耗試験装置の概略ブロック図。
【符号の説明】
【００１５】
１    真空容器( 成膜室) 
２    基材ホルダ
３    ターゲット電極
４    ターゲット材料
５    電磁石コイル
a    成膜ゾーン
b    冷却ゾーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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