(57)【要約】【課題】耐久性に優れた表面被覆部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】表面被覆部材は、鋼系部材もしくは超硬合金部材からなる基部にＰＶＤ法によりＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＡｌおよびＣｒの少なくとも１種以上の窒化物、炭化物または炭窒化物からなる第１層と、第１層上に被覆されたＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層と、または第１層上に被覆された傾斜層であるＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層を有する。表面被覆部材の製造方法は、鋼系部材もしくは超硬合金部材からなる基部にＰＶＤ法によりＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＡｌおよびＣｒの少なくとも１種以上の窒化物、炭化物または炭窒化物からなる第１層を被覆し、第１層上にＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層を被覆し、または第１層上に傾斜層であるＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層を被覆することを特徴とする。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼系部材もしくは超硬合金部材からなる基部にＰＶＤ法によりＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＡｌおよびＣｒの少なくとも１種以上の窒化物、炭化物または炭窒化物からなる第１層と、前記第１層上に被覆されたＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層と、または前記第１層上に被覆された傾斜層であるＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層を有することを特徴とする表面被覆部材。
【請求項２】
請求項１記載の表面被覆部材において、前記Ａｌ−Ｃｒ系窒化物はＡｌの濃度が２５％以上７５％以下であり、Ｃｒが２５％以上７５％以下であることを特徴とする表面被覆部材。
【請求項３】
請求項１記載の表面被覆部材において、前記傾斜層であるＡｌ−Ｃｒ系窒化物はＡｌの濃度が２５％から５０％に段階的に変化するものであることを特徴とする表面被覆部材。
【請求項４】
鋼系部材もしくは超硬合金部材からなる基部にＰＶＤ法によりＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＡｌおよびＣｒの少なくとも１種以上の窒化物、炭化物または炭窒化物からなる第１層を被覆し、前記第１層上にＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層を被覆し、または前記第１層上に傾斜層であるＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層を被覆することを特徴とする表面被覆部材の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の表面被覆部材の製造方法において、前記Ａｌ−Ｃｒ系窒化物はＡｌの濃度が２５％以上７５％以下であり、Ｃｒが２５％以上７５％以下であることを特徴とする表面被覆部材の製造方法。
【請求項６】
請求項４記載の表面被覆部材の製造方法において、前記傾斜層であるＡｌ−Ｃｒ系窒化物はＡｌの濃度が２５％から５０％に段階的に変化するものであることを特徴とする表面被覆部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼系部材もしくは超硬合金部材において、ＰＶＤ法により被膜を形成する技術に関わり、特にアルミニウムや銅などの凝着性の高い非鉄金属を加工する場合でも実用上満足できる表面被覆部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム、銅などの非鉄金属の成形加工や切削加工では、工具に被加工材である非鉄金属が凝着し、工具に製品がかじったり、製品表面が荒れるなどの問題があった。この対応策として、潤滑油を使用する方法があるが、飲料缶の成形など安全・衛生上、潤滑油が使用できない分野もあり、十分ではなかった。
【０００３】
無潤滑下における対策として、工具表面にＤＬＣ膜を被覆することがなされている。ＤＬＣは緻密なアモルファス構造で、結晶学的にはダイヤモンドと異なるものであるが、高硬度で優れた耐摩耗性を有し、アルミニウムなどとの反応性も低いことから非鉄金属加工用の工具に広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５８４９５
【特許文献２】特開２００５−２２０７３
【特許文献３】特開２００７−１３１８９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＤＬＣ膜においても、使用条件によっては潤滑油を併用しないと凝着してしまったり、ＰＶＤ法に比べ、密着力が低いため、早期に剥離が発生するなどの問題があった。また、ＤＬＣ膜の場合、５００°C以上の使用環境下では、耐酸化性に劣るため、温間成形加工などには適用できなかった。
【０００６】
本発明は、アルミニウムなどの非鉄金属に対して、従来のＤＬＣ膜同等の摩擦係数を有し、ＤＬＣ膜以上の密着力があるため、耐久性に優れた被膜を提供することにある。また、従来のＤＬＣ膜では対応できなかった５００°C以上の使用環境においても、実用上問題にならない被膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の表面被覆部材は、鋼系部材もしくは超硬合金部材からなる基部にＰＶＤ法によりＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＡｌおよびＣｒの少なくとも１種以上の窒化物、炭化物または炭窒化物からなる第１層と、前記第１層上に被覆されたＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層と、または前記第１層上に被覆された傾斜層であるＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層を有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の表面被覆部材の製造方法は、鋼系部材もしくは超硬合金部材からなる基部にＰＶＤ法によりＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＡｌおよびＣｒの少なくとも１種以上の窒化物、炭化物または炭窒化物からなる第１層を被覆し、前記第１層上にＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層を被覆し、または前記第１層上に傾斜層であるＡｌ−Ｃｒ系窒化物の第２層を被覆することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、鋼系部材もしくは超硬合金部材からなる機械部品、工具、金型等の表面にＰＶＤ法により硬質膜を形成することにより、基材との密着力に優れ、耐久性に優れた被膜を提供することができる。さらに非鉄金属に対して低摩擦を示すＡｌ−Ｃｒ系窒化物を最表面に形成することで、非鉄金属の凝着が起こりにくくなり、かじりなどの問題を低減することができる。さらにＡｌ−Ｃｒ系窒化物は、耐酸化特性および高硬度特性を兼ね備えているため、５００°C以上の高温域においても耐久性に優れ、部材寿命を大幅に延長することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の機械部品、工具、金型等は、鋼系材料もしくは超硬合金を母材とするものに適用される。鋼系材料の場合、あらかじめ窒化処理などの硬化処理がなされていても良い。また、湿式メッキなどのＰＶＤ法以外の表面処理がなされていても良い。
【００１１】
本発明の機械部品、工具、金型等の表面処理構造について説明する。先ず、ＰＶＤ法により硬さの異なる被膜であるＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＡｌおよびＣｒの少なくとも１種以上の窒化物、炭化物または炭窒化物と最表層のＡｌ−Ｃｒ系窒化物を積層構造およびＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｒの少なくとも１種の窒化物、炭化物または炭窒化物との傾斜層を介したＡｌ−Ｃｒ系窒化物を積層構造にしたのは、最表層のＡｌ−Ｃｒ系窒化物、炭化物または炭窒化物の受ける負荷を下層のＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＡｌおよびＣｒの少なくとも１種以上の窒化物、炭化物または炭窒化物が緩衝し、結果的にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＡｌおよびＣｒの少なくとも１種以上の窒化物、炭化物または炭窒化物とＡｌ−Ｃｒ系窒化物の密着性を改善するため、Ａｌ−Ｃｒ系窒化物、炭化物または炭窒化物の高硬度特性を十分に発揮させることが可能となる。
【００１２】
Ａｌ−Ｃｒ系窒化物の耐酸化特性について説明する。Ａｌ−Ｃｒ系窒化物はＣｒのマトリックス中に置換固溶したＡｌがＣｒよりも先に外向拡散し、最表面に緻密なアルミナ層を形成し、酸化の進行である酸素の内向拡散を防ぐ保護層となる。このように形成されたアルミナ層および酸化の進行に伴い、形成されるＣｒ酸化層の二重の保護層の効果によって、より高い耐酸化特性を示すことを確認している。以上のことから高温雰囲気中での鋼系部材からなる機械部品、工具、金型等の受ける損傷を軽減でき、部材寿命を延長させることができる。
【００１３】
ここで、上記効果を発揮するためにＡｌ−Ｃｒ系窒化物は金属成分のみの原子％がＡｌが２５％以上５０％以下、Ｃｒが５０％以上７５％以下が好ましい。Ａｌが５０％以上に含有されると被膜の延性が低下し始め、高負荷の加わる環境下における耐久性が得られ難くなる。
【００１４】
通常これらの被膜を設けるには化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）、物理気相蒸着法（ＰＶＤ法）等、種々の方法で被膜形成が可能だが、鋼系母材への処理温度の関係からくる母材の硬度低下や密着性の問題を考慮すると、ＰＶＤ法の一種であるイオンプレーティング法が好ましい。
【００１５】
本発明の被膜の全膜厚は２〜５μｍが好ましいが、特に規定するものではない。ただし、Ａｌ−Ｃｒ系窒化物の膜厚は、全膜厚の１０〜５０％にとどめるのが好ましい。この理由について説明する。ＰＶＤ法で形成されるＡｌ−Ｃｒ系窒化物は、面粗さが荒く、部材へ被覆後、磨き処理を行う必要がある。したがって全膜厚の１０％未満の膜厚であると磨き処理によってＡｌ−Ｃｒ系窒化物が除去され、効果が十分発揮されないことがある。逆に５０％を超えてＡｌ−Ｃｒ系窒化物を被覆すると被膜の延性が低下し、耐久性も低下する。
【００１６】
上記したようにＡｌ−Ｃｒ系窒化物は面粗さが荒い。このままの状態では、物理的に非鉄金属が溶着しやすい。そのため、Ｒａで０．０２μｍ以下、凸側の最大高さＲｍａｘで０．２μｍ以下にする。したがって基材となる鋼系材料もしくは超硬合金の表面粗さは、この粗さ以下に仕上げておく必要がある。
【実施例１】
【００１７】
本発明を適用した実施例を説明する。アルミニウムを成形する超硬合金製ダイ（φ８２×５７Ｌｍｍ）に本発明の表面処理を施し評価した。
【００１８】
先ず、ダイを有機溶剤にて脱脂洗浄後、必要部である内面をダイヤモンドペーストにて磨き処理を行い、表面粗さがＲａで０．０１μｍ、凸部側の最大高さＲｍａｘが０．１μｍ以下になるまで仕上げた。その後、有機溶剤でダイヤモンドペーストを拭き取り洗浄した。
【００１９】
次に、磨き処理したダイをカソードアークイオンプレーティング装置に入れ、装置内を真空排気した。続いて６００°Cに加熱したヒーターで１時間加熱し、金属イオンによるボンバードメント処理を行い、被覆基体を４５０°Cまで昇温した。次に金属成分の蒸発源であるＣｒターゲット、ならびに反応ガスであるＮ２を導入し、被覆基体温度４００°C、チャンバー内圧力３Ｐａの条件下にて窒化クロム（以下ＣｒＮと記す）を形成する。
【００２０】
更に、ＣｒＮに連続して金属成分の蒸発源であるＡｌ−Ｃｒターゲット、ならびに反応ガスであるＮ２を導入し、被覆基体温度４００°C、チャンバー内圧力３Ｐａの条件下にてＡｌ−Ｃｒ系窒化物を形成し、ＣｒＮと合わせて被膜の総厚が４μｍ、Ａｌ−Ｃｒ系窒化物の被膜が１μｍになるように処理を行った。
【００２１】
また、Ａｌ−Ｃｒ系窒化物傾斜膜を作製するためには、第１層（被膜）の成膜の後に、ＣｒターゲットとＡｌ−Ｃｒターゲットを同時に使用し、反応ガスであるＮ２を導入し、被覆基体温度４００℃、チャンバー内圧力３Ｐａの条件下にて、第２層を形成する成膜時間の最初の２５％ではＣｒターゲットとＡｌ−Ｃｒターゲット蒸発速度を５０％に設定し、Ａｌ−ＣｒＮを形成する。
【００２２】
成膜時間の５０％となったときにＣｒターゲットとＡｌ−Ｃｒターゲット蒸発速度比を２５％：７５％とし、さらに成膜時間の７５％でＡｌ−Ｃｒターゲットのみによる成膜を行い、Ａｌ濃度が表面になるに従って増加するＡｌ−Ｃｒ系窒化物傾斜層を形成した。なお、ここで、表１〜６において、ＣｒＡｌ（２５−５０）ＮはＡｌ−Ｃｒ系窒化物傾斜膜において、Ａｌの濃度が２５％から５０％に段階的に変化することを表すものである。
【００２３】
被覆後のダイ内面の表面粗さは、Ｒａで０．０８μｍ、凸部側の最大高さＲｍａｘは１．９３μｍであった。同バッチで処理した同ダイをダイヤモンドペーストで磨き、Ｒａで０．０２μｍ、凸部側の最大高さＲｍａｘは０．１２μｍに仕上げた。
【００２４】
比較の為、同ダイにイオン化蒸着法にてＤＬＣ膜を１μｍ形成した。
【００２５】
ＤＬＣ被覆後の金型の表面粗さは、Ｒａで０．０２μｍ、凸部側の最大高さＲｍａｘは０．１μｍであった。
【００２６】
上記したダイにてアルミニウムの成形を行った。被覆後、磨き処理を行わなかったダイでは５００ショットにてアルミニウムが溶着した。一方、被覆後、磨き処理を行ったダイは、２００万ショット後もアルミニウムの溶着は見られなかった。継続使用後、約５００万ショット時にアルミニウムの溶着がわずかに観察されたため、＃２０００サンドペーパーにて溶着物を除去し、その後、さらに１，０００万ショットまで使用することができた。ＤＬＣを被覆したダイは、２，０００ショットでアルミニウムの溶着が見られ、溶着物を除去する為に＃２０００サンドペーパーで磨いたところ、ＤＬＣ膜が剥離し、使用不可となった。
【００２７】
最表層のＡｌ−Ｃｒ系窒化物のＡｌ濃度別（表中におけるＡｌの前の数字はＡｌの原子％を示しており、Ｃｒ−２５ＡｌＮであればＡｌ原子％が２５であることを示す）の各組み合わせにおける各表面処理について、上記アルミニウム成型試験後の表面状態を表１〜３にまとめた。
【００２８】
高負荷の加わる成型加工において、Ｃｒ−７５ＡｌＮのようにＡｌ濃度が高いものは被膜の延性の低下が顕著になり、高負荷の加わる環境下における耐久性が得られにくいことがわかった。
【００２９】
またＡｌ濃度が２５原子％であるＣｒ−２５ＡｌＮのようなＡｌ濃度が低くなると被膜硬度が低下するので、加工時の負荷により被膜が損傷し、凝着が発生すると思われる。
【実施例２】
【００３０】
銅を成形するＳＫＤ６１製押出し金型（φ６６×９６０Ｌｍｍ）に本発明の表面処理を施し評価した。
【００３１】
先ず、金型表面に窒化層を形成した。処理はラジカル窒化を適用し、窒化層４０μｍ形成した。
【００３２】
次に窒化層を形成した金型をカソードアークイオンプレーティング装置に入れ、装置内を真空排気した。続いて７００°Cに加熱したヒーターで１時間加熱し、金属イオンによるボンバードメント処理を行い、被覆基体を４５０°Cまで昇温した。次に金属成分の蒸発源であるＴｉＡｌターゲット、ならびに反応ガスであるＮ２を導入し、被覆基体温度４５０°C、チャンバー内圧力２Ｐａの条件下にて窒化チタンアルミ（以下ＴｉＡｌＮと記す）を形成する。
【００３３】
更に、ＴｉＡｌＮに連続して金属成分の蒸発源であるＡｌ−Ｃｒターゲット、ならびに反応ガスであるＮ２を導入し、被覆基体温度３００°C、チャンバー内圧力３Ｐａの条件下にてＡｌ−Ｃｒ系窒化物を形成し、ＴｉＡｌＮと合わせて被膜の総厚が５μｍ、Ａｌ−Ｃｒ系窒化物の被膜が２μｍになるように処理を行った。
【００３４】
また、Ａｌ−Ｃｒ系窒化物傾斜膜を作製するためには、第１層（被膜）の成膜の後に、ＣｒターゲットとＡｌ−Ｃｒターゲットを同時に使用し、反応ガスであるＮ２を導入し、被覆基体温度４００℃、チャンバー内圧力３Ｐａの条件下にて、第２層を形成する成膜時間の最初の２５％ではＣｒターゲットとＡｌ−Ｃｒターゲット蒸発速度を５０％に設定し、Ａｌ−ＣｒＮを形成する。
【００３５】
成膜時間の５０％となったときにＣｒターゲットとＡｌ−Ｃｒターゲット蒸発速度比を２５％：７５％とし、さらに成膜時間の７５％でＡｌ−Ｃｒターゲットのみによる成膜を行い、Ａｌ濃度が表面になるに従って増加するＡｌ−Ｃｒ系窒化物傾斜層を形成した。なお、ここで、表１〜６において、ＣｒＡｌ（２５−５０）ＮはＡｌ−Ｃｒ系窒化物傾斜膜において、Ａｌの濃度が２５％から５０％に段階的に変化することを表すものである。
【００３６】
被覆後の金型の表面粗さは、Ｒａで０．１μｍ、凸部側の最大高さＲｍａｘは２．３４μｍであった。同バッチで処理した同金型をダイヤモンドペーストで磨き、Ｒａで０．０２μｍ、凸部側の最大高さＲｍａｘは０．１８μｍに仕上げた。
【００３７】
比較の為、窒化層を形成した金型をイオン化蒸着装置にてＤＬＣ膜を１μｍ形成した。
【００３８】
ＤＬＣ被覆後の金型の表面粗さは、Ｒａで０．０２μｍ、凸部側の最大高さＲｍａｘは０．１μｍであった。
【００３９】
それぞれの金型にて、７００°Cに加熱した銅の押出し成形を行った。ＤＬＣを被覆した金型は、わずか３ショットで剥離が発生し、銅が溶着した。一方、本発明の処理を施した金型は、１００ショット後も被膜の剥離は見られず、溶着も見られなかった。
【００４０】
最表層のＡｌ−Ｃｒ系窒化物のＡｌ濃度別の各組み合わせにおける各表面処理について、上記銅の押し出し成型試験後の表面状態を表４〜６にまとめた。
【００４１】
高負荷の加わる成型加工において、Ｃｒ−７５ＡｌＮのようにＡｌ濃度が高いものは被膜の延性の低下が顕著になり、高負荷の加わる環境下における耐久性が得られにくいことがわかった。
【００４２】
またＡｌ濃度が２５原子％であるＣｒ−２５ＡｌＮのようなＡｌ濃度が低くなると被膜硬度が低下するので、加工時の負荷により被膜が損傷し、剥がれが発生すると思われる。
【００４３】
【表１】
2012092364.tif 000002
【表２】
2012092364.tif 000003
【表３】
2012092364.tif 000004
【表４】
2012092364.tif 000005
【表５】
2012092364.tif 000006
【表６】
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