(57)【要約】【課題】  本発明は、固体潤滑性や非親和性を付加した耐摩耗性硬質皮膜及び皮膜付き物品を提供する。【解決手段】固体潤滑性や非親和性を有する複合耐摩耗性硬質皮膜及び皮膜付き物品は、Ｃｒ及びＡｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｂから選択される一種以上の元素と、Ｃ、Ｎから選択される一種以上の元素とによって構成される単層または２種類以上の積層化合物皮膜の上に、当該積層化合物皮膜の構成元素であるＣｒ及びＡｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｂから選択される一種以上の元素の酸化物被膜によって構成される。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ及びＡｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｂから選択される一種以上の元素と、Ｃ、Ｎから選択される一種以上の元素とによって構成される単層または２種類以上の積層化合物皮膜の上に、当該積層化合物皮膜の構成元素であるＣｒ及びＡｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｂから選択される一種以上の元素の酸化物被膜によって構成される固体潤滑性および非親和性を有することを特徴とする複合耐摩耗性硬質皮膜。
【請求項２】
請求項１記載の複合耐摩耗性硬質皮膜において、積層化合物皮膜をイオンプレーティング法で成膜することを特徴とする複合耐摩耗性硬質皮膜。
【請求項３】
請求項１記載の複合耐摩耗性硬質皮膜において、酸化物皮膜を反応性ガスとしてＯ２あるいは水またはこれらの混合ガスを用いて、直流プラズマあるいは高周波プラズマ法で成膜することを特徴とする複合耐摩耗性硬質皮膜。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の複合耐摩耗性硬質皮膜を有する物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体潤滑性や非親和性等を付加した複合耐摩耗性硬質皮膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イオンプレーティング法などにより成膜されるＣｒＮなど金属クロムあるいはそれらの窒化物は硬質かつ耐酸化性、耐かじり摺動特性が優れており、その結果耐摩耗性に優れていることが見出されているため、金型、機械部品などの金属材料の表面に耐摩耗性の向上を図るために被覆されて用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、金型、機械部品などの使用環境が次第に環境問題を原因とした無潤滑化、また、加工材料の複雑化と高い生産性を求めるために高速加工化が著しくなり、かじりや焼き付きに対する耐摩耗性の要求がさらに厳しくなり、従来のＣｒ系皮膜では満足のいく寿命は得られなくなってきた。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、上記問題を解決するために固体潤滑性や非親和性等を有する複合耐摩耗性硬質皮膜及び該皮膜付き物品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、Ｃｒ及びＡｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｂから選択される一種以上の元素とＣ、Ｎから選択される一種以上の元素とによって構成される単層または２種類以上の積層化合物皮膜の上に、当該積層化合物皮膜の構成元素であるＣｒ及びＡｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｂから選択される一種以上の元素の酸化物被膜によって構成される固体潤滑性および非親和性を有することを特徴とする複合耐摩耗性硬質皮膜を採用するものである。また、上記複合耐摩耗性硬質皮膜付き物品を採用するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、Ｃｒ系の被膜の表面に酸化被膜を生成することによって、摺動摩耗により生じた摩擦熱による被膜の酸化劣化の影響を軽減し、固体潤滑性や非親和性等を持つことで、金型、機械部品の酸化による皮膜の劣化、摩耗損傷を防ぐ効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
従来、ＣｒＮ等のＣｒ系の被膜は、耐かじり、耐焼き付きに優れた耐摩耗性を示すことから、金型、機械部品の表面処理として用いられてきた。しかしながら、金型、機械部品の使用条件が過酷になるに従って、無潤滑下での使用やアルミや銅などの難加工材の加工では、凝着、熱による酸化劣化が生じるようになってきた。
【０００８】
これに対して、本発明者らは、以前より硬質皮膜の耐摩耗性のメカニズムについて研究を重ね、摺動摩耗により生じた摩擦熱による被膜の酸化劣化の影響が大きいことを見いだした。ＴｉＮやＴｉＣＮのようなＴｉ系被膜では摩擦熱により生成したＴｉ酸化物は脆く、多孔質な構造で酸化に対する保護膜にはならない。一方、Ｃｒ系の被膜もＴｉ系被膜同様、摺動摩耗による摩擦熱により表面にＣｒを主とした酸化被膜を形成するが、これは非常に緻密でかつ安定な被膜となり、固体潤滑性や非親和性等を持つことで、酸化による皮膜の劣化、摩耗損傷を防ぐ効果があることがわかった。
【０００９】
そこで、本発明者らは、Ｃｒ及びＡｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｂから選択される一種以上の元素と、Ｃ、Ｎから選択される一種以上の元素とによって構成される単層または２種類以上の積層化合物皮膜を形成した後、あらかじめ、当該積層化合物皮膜の構成元素であるＣｒ及びＡｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｂから選択される一種以上の元素の酸化物被膜を形成し、固体潤滑性や非親和性等を持つ膜構造を発明した。これにより、金型、機械部品等において飛躍的に寿命を延ばすことが出来るようになった。
【００１０】
本発明の対象となる金属材料としては、例えば、Ｓ１５Ｃ等の肌焼き鋼、Ｓ４５Ｃ等の構造用鋼、ＳＵＰ１０等のバネ鋼、ＳＵＪ２等の軸受け鋼、ＳＫＤ６等の熱間加工用工具鋼、ＳＫＤ１１等の冷間加工用工具鋼、ＳＫＨ５１等の高速度工具鋼等の鋼材や超硬合金、またＡｌ合金、Ｃｕ合金、Ｔｉ合金等の非鉄金属がある。
【００１１】
本発明の皮膜のうち、第１層の積層化合物皮膜はイオンプレーティング法、スパッタリング法等公知の方法を用いて成膜することができるが、２種類以上の金属イオンを供給し、かつ耐摩耗性などの強固な付着力を要求される皮膜に対しては、特に強固な付着力が得られるイオンプレーティング法が好ましい。
【００１２】
第１層の後、当該積層化合物皮膜の構成元素であるＣｒ及びＡｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｂから選択される一種以上の元素の酸化物被膜を形成する。この酸化皮膜を形成する際、酸化物皮膜を反応性ガスとしてＯ２あるいは水またはこれらの混合ガスを用いて、直流プラズマあるいは高周波プラズマ法で成膜する。特に均一な被膜形成には高周波プラズマ法が望ましい。
【実施例】
【００１３】
（実施例）
被覆する金属材料として、超硬合金の試験片をイオンプレーティング装置にセットし、蒸発金属材料として、金属Ｃｒ、ＣｒＢ合金、ＣｒＡｌ合金、ＣｒＡｌＢ合金、ＣｒＡｌＳｉ合金、ＣｒＡｌＹ合金の所定の組成に調整した原料を用意し、表１に示すような窒化物及び炭窒化物を成膜した。
【００１４】
さらに積層膜として、中間層にＣｒＮを被覆した後に、表２に示す窒化物、炭窒化物を成膜した。
【００１５】
次に酸化被膜を生成するため、表１及び表２の試料を１３．５６ＭＨｚ、３００ｋＷの高周波電源を装備したプラズマ発生装置にセットし、真空排気後、Ｏ２と気化器を通した水の混合ガスを導入し、酸素プラズマを発生させて、試料表面の酸化処理を行った。処理後の試料をエックス線回折により分析したところ、Ｃｒ酸化物の他、Ａｌ酸化物の生成が確認された。ＣｒやＡｌに比べ、濃度の低いＳｉ、Ｙ、Ｂはエックス線回折では酸化物の生成が確認できなかったが、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）により、Ｓｉ、Ｙ、Ｂの各元素がＯと結合していることを確認した。
【００１６】
（比較例）
比較例として、表３のようにイオンプレーティング法により成膜したＴｉＮ、ＴｉＣＮと上記実施例のうち、プラズマ処理をしていない、ＣｒＮ、ＣｒＢＮ、ＣｒＡｌＮ、ＣｒＡｌＢＮ、ＣｒＡｌＳｉＮ、ＣｒＡｌＹＮを用意した。
【００１７】
これら被膜の耐摩耗性を評価する手段として、ボールオンディスク摩耗試験を行った。実施例及び比較例の試料を摩耗試験機にセットし、摩耗相手として、アルミ合金Ａ５０５２のボールをセットした。荷重を５Ｎ（ニュートン）とし、無潤滑摩耗条件で最大５０００ｍの試験を実施した。
【００１８】
摩耗試験を行った結果、本発明のプラズマ処理により酸化被膜を成膜した試料は、いずれも平均摩擦係数が０．１から０．２という非常に低い値を示した。
【００１９】
一方、プラズマ処理を施していない比較例では、ＴｉＮやＴｉＣＮは早期にアルミ合金の凝着により、摩耗試験ができなくなった。また、Ｃｒ系被膜では途中で試験中止までは至らなかったものの、プラズマ処理を行ったものに比べ、アルミ合金の凝着が著しく、平均摩擦係数は０．４から０．６と高くなった。
【００２０】
【表１】
2009167488.tif 000002
【００２１】
【表２】
2009167488.tif 000003
【００２２】
【表３】
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