イオンビーム援用傾斜機能性コーティングによる精密金型の長寿命化
兵庫県立大学大学院工学研究科機械系工学専攻助教

中谷 正憲（平成 22 年度一般研究開発助成 AF-2010011）

キーワード：イオンビーム支援蒸着，傾斜機能，疲労強度

1．諸言る傾斜機能性コーティング膜の創製および疲労強度や摩精密金型は繰り返して使用されることにより磨耗を生耗特性の評価を行った．

じ，加工の精度が低下するため，セラミックスコーティングによる耐摩耗性の改善が図られている．しかしなが2．TiN 単層膜の成膜条件に関する検討と特性評価
2.1

ら，コーティングにはく離を生じると，加工の精度に加1)成膜方法．したがっ

成膜にはイオンビーム支援蒸着装置を用いた．成膜装て，セラミックスコーティングにおける密着性の改善が置の模式図を図 2 に示す．基材には(100)単結晶 Si ウェハ不可欠である．

および工具鋼 SKD61 を用い，回転丸棒ホルダに Si 基板

え，工具や金型の寿命にも悪影響を及ぼす

上記の課題を解決するために，本研究ではイオンビー2)を固定し，真空排気した．また，成膜前には窒素イオンム支援蒸着（Ion Beam Assisted Deposition: IBAD）法 にビームによりスパッタクリーニングを実施し，その後蒸注目した．IBAD 法は電子ビーム蒸着と同時にイオンビ着を開始した．

ームを照射することにより化合物薄膜を形成する手法でTiN 単層膜は，Ti ペレットを電子ビームにより加熱・ある．イオンビーム照射により，基材とコーティング膜蒸発させ，同時に窒素イオンビームを照射することによの間に互いの成分が混合した混合層を形成し，それにより成膜した．成膜条件を表 1 に示す．本研究においては，り界面の整合性が高まり，密着性が向上する

3)とされている．

混合層の形成に寄与するイオンビームの加速電圧および基板回転速度を変化させたが，ここでは特徴的な変化がしかしながら，依然としてコーティング膜と基材の変形特性に著しい差が存在し，変形特性の不連続性は界面に特異応力場を生じることで，はく離をもたらす．したがって，変形特性の不連続性の緩和が不可欠であり，報告者らは，イオンビーム支援蒸着において，成膜中に Tiと TiN の比率を制御し，図 1 に示すような硬さに勾配を有する傾斜機能性コーティングを施すことで，上述の不連続性を解消できると考えた．本研究では，イオンビー
ム支援蒸着法を利用した精密金型の長寿命化を最終目標
として，基礎研究として，イオンビーム支援蒸着法によ

硬さ混合比

キャップ層（TiN）
傾斜機能層

TiTiN

図2

成膜装置の模式図
表 1 成膜条件

加速電圧

基材（金属）[keV]

0.2

蒸発速度 [nm/s]
Ti と TiN の混合比を変化させる
ことにより硬さの連続的変化
界面での応力集中緩和
図1

イオンビーム照射により界面に基材と薄膜の混合層生成
高い界面整合性

本研究課題における傾斜機能コーティングの創製コンセプトー 48 ー0.52

イオン電流密度 [mA/cm ]

0.37

輸送比

4

回転速度 [rpm]0.1

膜厚 [m]1見られた回転速度の影響について記載する．また，以下った．これは，回転速度が速くなるほど，一回転中の核では，回転させて成膜した薄膜を回転材，基板を回転さ成長時間が短くなり，個々の島の合体が抑制されるためせずに，垂直にイオンビームが照射されるように固定しと考えられる．て成膜した薄膜を固定材と呼ぶ．
2.2

2.3.2

薄膜の各種分析および評価

ナノ硬さ

回転材および固定材に対してナノインデンテーション

作製した薄膜の表面性状は電界放射型走査電子顕微鏡試験を実施し，ナノ硬さを評価した．回転速度によらず，（FE-SEM）により観察した．薄膜の機械的特性はナノ回転材では固定材よりも硬さは低下した．本成膜法におインデンテーション試験により測定した．摩耗特性はボいて，回転材はチタンの蒸発流のみが基板に到達する時ールオンディスク試験により評価した．

間帯が存在する．したがって，回転材においては，TiN

2.3と Ti が混在しており，そのため硬さが低下したと考えら

実験結果および考察

2.3.1表面性状れる．また，回転速度が大きくなるにつれて硬さは増加

回転速度 0.3 rpm で成膜した薄膜の表面を固定材のそする傾向にあった．回転速度の増加に伴って，島が小されと比較して図 3 に示す．固定材は凹凸が少なく極めてくなり，結果的に結晶粒の成長を抑制され，Hall-Petch平滑な表面であるのに対して，回転材は直径 100～200の関係に従って硬さが増加したと考えられる．

nm 程度の島状ナノ構造を有していることがわかる．

2.3.3

摩耗特性

回転材においては，チタンの蒸発流が基板に対してす

ボールオンディスク試験により得られた水平荷重をもれすれの角度から到達する時間帯が存在し，図 4 に示すとに算出した摩擦係数の変化を図 6 に示す．未コーティ

ように，すでに形成された核がその後方への蒸発流の到ング材では試験開始直後から急速に摩擦係数が増加し，4)にその後一定となった．また，島構造のない固定材では，より，このような島状構造を有する薄膜が形成されたと未コーティング材よりも低い摩擦係数を維持しつつも，考えることができる．

徐々に摩擦係数が増加し，未コーティング材と同程度の達を阻害し，結晶の成長が抑制される自己遮蔽効果

つぎに，回転速度を変えて成膜した TiN 薄膜表面の摩擦係数となった．

FESEM 像を図 5 に示す．回転速度が速くなると，はっき次に，島状ナノ構造を有する TiN 薄膜についてみると，りとした島の形を呈し，その寸法は小さくなる傾向にあ

開始直後は 0.1～0.15 程度で摩擦係数がほぼ一定となるサイクルが存在し，その後，摩擦係数が増加する傾向にある．これは初期の定常摩耗状態から，アブレシブ摩耗に移行したことを意味している．これらは，未コーティング材および固定材と比較しても小さく，島状構造の付与によって，摩擦係数が大幅に低減されると言える．こ

200nm(a) 固定材
図3200nm(b) 回転材 (0.3 rpm)

回転材（0.3rpm）および固定材の表面 SEM 写真.

自己遮蔽領域200nm

200nm(b) 0.3 rpm(a) 0.1 rpm

イオンビーム
蒸発流

イオンビーム
蒸発流(a)蒸発流の入射角が大(b)蒸発流の入射角がきいとき

小さいとき

図4

基板角度による結晶成長プロセスの変化

200nm
200nm

200nm
(c) 1.0 rpm
図5ー 49 ー(d) 4.8 rpm

島状ナノ構造 TiN 薄膜の表面性状に及ぼす回転速度の影響

れは，薄膜表面の島状ナノ構造の凹凸によって鋼球とのガス流量比を放物線的に増加させた条件の 2 つを作製し接触が点接触に近づくとともに，摩耗により生成する摩た，以降，それぞれを FGM-L，FGM-P と呼ぶ．比較の耗粉が島の凹部にトラップされることにより，凝着摩耗ために TiN 単層薄膜を成膜した．膜厚は全て 1m とした．の発生を抑制したためであると考えられる．また，島の光電子分光分析により解析した FGM-L の組成プロフ

寸法あるいは硬度との関係についてみると，TiN0.3rpm

ァイルを図 7 に示す．Ti と N の比率がほぼ一定となる

材は TiN4.8rpm 材よりも低硬度であるにもかかわらず，TiN 層と基板の間に，Ti と N の含有率が滑らかに変化す

定常摩耗状態における摩耗係数が小さくなるとともに，る領域が存在していることがわかる．この領域では，基その期間も増加しており，摩擦係数の低減あるいは摩耗板側に近づくにつれて，Ti が増加し，同時に N が減少し状態の改善には島構造による表面の凹凸の存在が有効でていることから，薄膜中の TiN が減少し，Ti が増加してあると言える．

いると考えられる．また，段階的に成膜しているにもかかわらず，組成の変化は滑らかであった．以上のことか

3.

傾斜機能性薄膜の創製と密着性

3.1

ら，成膜中の窒素ガス流量比を段階的に変化させること成膜条件に関する検討により，傾斜機能性薄膜を成膜できることが明らかとなチタンの蒸発速度を固定し，窒素とアルゴンの混合ガった．

スの流量比を変化させてイオンビーム中の窒素の量を制3.2御することにより，基板側に Ti，表層側に TiN となるよ

薄膜の密着性はスクラッチ試験により評価した．スク

うな Ti-TiN 傾斜機能薄膜を成膜した．本研究で作製したラッチ試験後のスクラッチ痕をデジタルマイクロスコー

傾斜機能性薄膜の成膜条件を表 2 に示す．成膜中の膜厚プにより観察し，同定したはく離位置からはく離時の臨に対して，窒素ガス流量比を線形的に変化させた条件と，界荷重を決定した．

窒素ガス流量比 0%層（Ti 層）の膜厚を大きくし，窒素密着性評価

測定結果を表 3 に示す．傾斜機能薄膜におけるはく離の臨界荷重は単層薄膜のそれに比べて小さくなる結果となり，当初想定していた結果と逆のものとなった．これ

0.4は，最下層の成膜時にアルゴンイオンビームを照射したことによると考えられる．アルゴンイオンは不活性であFriction coefficient

0.3るため，薄膜や基板との結合に寄与せず，結果的に密着性が低下する要因 5)になったと考えられる．

0.2

Uncoated
TiN0rpm
TiN0.3rpm
TiN4.8rpm

0.1

00

2000

4000

6000

Time [s]図6表2

摩耗試験における摩擦係数の変化

傾斜機能薄膜成膜時の窒素ガス流量比の変化

各窒素ガス流量比に対する膜厚（nm）
図7

傾斜機能薄膜 FGM-L の組成プロファイル

0%

20%

40%

60%

80%

100%

TiN－－－－－

1000

FGM -L

170

170

170

170

170

170

TiN

FGM -LFGM -P

FGM -P

190

180

170

170

160

150

12.5

9.1

5.2

表3ー 50 ー

単層薄膜および傾斜機能薄膜のはく離臨界荷重(単位: N)4. 疲労強度特性に及ぼす TiN コーティングおよ

基板と TiN 薄膜の界面近傍の組成を XPS により解析しび傾斜機能コーティングの影響
4.1

た．組成プロファイルの一例を図 8 に示す．基板と薄膜実験方法の間には互いの組成が混在した領域が存在する．ここで，供試材には市販の炭素鋼 S45C 丸棒を用いた．焼鈍し

Fe の含有量が 5％から 95％までの範囲を混合層と便宜上を施した後，機械加工により砂時計型試験片を作製した．

定義すると，加速電圧が大きくなるにつれて混合層は厚最少断面部の直径は 3mm であり，応力集中係数は 1.09くなった．これは，加速電圧が大きくなるほど，イオンである．切欠き部は鏡面仕上げとした．の運動エネルギーが大きくなり，薄膜形成時により深く丸棒試験片に 2.1 節で述べた方法により TiN コーティまでイオンが基材に侵入するためである．

ングおよび傾斜機能コーティングを施した．本研究では，

表 4 に硬さ，残留応力および密着強度を整理した．薄イオンビーム支援蒸着における混合層の影響を調べるた

膜の硬さは 2keV の場合に最も高くなった．TiN の場合，めに，イオンビームの加速電圧を変化させて成膜した．

(111)配向に比べて(100)配向のほうが硬くなること 6)がまた，傾斜機能薄膜として，表 2 の FGM-L を用いた．

知られており，それと一致する結果となった．また，い試験片への成膜時には，S45C 平板，Si 基板およびガずれの薄膜にも圧縮残留応力が発生し，残留応力は加速ラス基板を切欠き部以外に貼り付けた．S45C 基板および電圧の増加とともに，大きくなる傾向にあった．密着強Si 基板上の薄膜は硬度測定および結晶配向解析に利用し度についてみると，各条件で若干の差は見られたものの，た．また，ガラス基板上の薄膜は成膜後のガラス基板の前述の混合層の厚さとの相関は低く，混合層厚さは密着曲率を測定することにより残留応力を求めた．

性にほとんど影響しないと考えられる．

疲労試験には 4 連式回転曲げ疲労試験機を用いた．応疲労試験結果を図 9 に示す．有限寿命域についてみる力繰返し速度は 3.3Hz とした．試験片が破断するまで繰と，コーティングによって疲労寿命は向上したが，2keV7材ではそれほど大きな向上は見られなかった．薄膜の硬加速電圧の影響さや残留応力，密着強度と相関がほとんどない．TiN 薄り返し負荷を与え，10 cycle で試験を打ち切った．
4.2

加速電圧を変化させて成膜した TiN 薄膜の結晶配向性膜における(111)面の存在の有無と疲労寿命の増加量にを X 線回折により解析した．いずれの薄膜も(100)優先配対応があることから，薄膜の配向性によって疲労特性が向を示したが，0.2keV および 15keV の場合には(111)面か変化する可能性が考えられるが，今後詳細に検討する必らの回折ピークも見られた．

要がある．

TiN

Mixed
layer Substrate

TiN

100

Mixed layer

Substrate

60402000TiNO510Sputter time (min)1580604020TiNO00510Sputter time (min)60Ti

40N20O

0015510
Sputter time (min)(c) 15.0keV

図 8 S45C 基板上の TiN 薄膜界面近傍の組成プロファイル
表4

薄膜の硬さ，残留応力および密着強度
Single-layer

FG coated

Acceleration voltage (keV)

0.2

2152Vickers hardness

645924816

688

Compressive residual stress (GPa)

0.123

0.238

0.297

0.157

Adhesion strength (N)

12.5

11.8

12.2

9.1ー 51 ー

Substrate80(b) 2.0keV(a) 0.2keV

Mixed layer

FeFe

Composition ratio (atom %)Composition ratio (atom %)Composition ratio (atom %)

Fe80

TiN

10010015つぎに，疲労限度についてみると，未コーティング材

のき裂発生起点は 1 か所になったと考えられる．なお，

では 300MPa であるのに対して，0.2keV 材，2keV 材およ

加速電圧による破面の様相の違いは観察されなかった．

び 15keV 材ではそれぞれ 320MPa，336MPa および 350MPa

4.3となり，加速電圧の増加とともに疲労限度は上昇した．

表 4 に硬さおよび残留応力を整理した．傾斜機能コー

これは薄膜の圧縮残留応力と対応しており，圧縮残留応ティングの硬さおよび残留応力は単層コーティングのそ力が疲労き裂の発生を抑制していると考えられる．

れに比べて低下した．硬さについては，傾斜機能層中に傾斜機能層の影響試験後の試験片の表面をデジタルマイクロスコープにTi が含まれるため，薄膜中の TiN の割合が減ったことでより観察したところ，いずれのコーティング材でも破壊硬さが低下したと考えられる．また，Ti が成膜時の残留起点以外にコーティングのはく離は見られなかったこと応力を緩和したと言える．

から，繰返し荷重下におけるコーティング材の密着性は疲労試験結果を図 11 に示す．同じ加速電圧で成膜した十分であると考えられた．破断した試験片の破面を単層コーティング材（図 9(b)）と同様の疲労寿命およびFE-SEM により観察した結果を図 10 に示す．未コーティ

疲労限を示し，見かけ上，傾斜機能コーティングが疲労ング材では複数の起点からき裂が発生したのに対して，強度に及ぼす影響はほとんどない．しかしながら，単層コーティング材では加速電圧によらず疲労き裂の発生起コーティングに比べて密着強度，硬さおよび残留応力の点は一つであった．これは，TiN コーティングが基材のいずれも低下しているにも関わらず，単層コーティング変形を拘束したことでき裂の発生を抑制したといえる．

材と同等の疲労特性を示した．したがって，傾斜機能層

また，表面観察結果を考慮すると，基材側で発生したき自体が疲労特性に何らかの影響を及ぼしていると考えら裂がコーティングにも伝ぱして，コーティンが大きく割れる．今後，他の成膜条件でも疲労特性の評価を行い，れることにより急速に疲労き裂が成長するため，破面上傾斜機能層の効果を検証するとともに，傾斜機能コーテ
400

380

380

380

360

360

360

340

340

320

280 410340

320300Uncoated
0.2keV−coated5106710Nf (cycles)

10280 410320300

Uncoated
2.0keV−coated510610Nf (cycles)

280 4
10710

Uncoated
15.0keV−coated510

図9107610(c) 15.0keV(b) 2.0keV(a) 0.2keV

610
Nf (cycles)

TiN コーティング材の疲労強度特性に及ぼす加速電圧の影響.
400
380360a (MPa)300a (MPa)a (MPa)400a (MPa)

400

340
320
300

500m

500m(a) 未コーティング材
図 10(b) TiN コーティング材（0.2keV）

疲労破面写真（矢印は破壊起点の位置を示す）

280 410Uncoated
FG coated

図 1151010
Nf (cycles)

傾斜機能コーティング材の疲労強度特性

ー 52 ー7

謝辞

ィングの設計指針を検討する必要がある．

本研究は公益財団法人天田財団(天田金属加工機械技5.

結言と今後の展開術振興財団)平成 22 年度一般研究開発助成にて実施した

本研究では，イオンビーム支援蒸着法を用いて成膜しものである．ここに，記して謝意を表する．

た単層 TiN コーティングおよび傾斜機能コーティングの参考文献

各特性とそれらが疲労強度特性に及ぼす影響について調1)

べた．得られた主な結果は以下の通りである．
(1)

(2)

イオンビーム支援蒸着において，基板を回転させな

S.Dixit, D.Bhat, On the fatigue behavior of an

がら成膜することにより，島状の表面構造を有する

AISI316L stainless steel coated with a PVD TiN deposit,

TiN 薄膜を作製することができ，その寸法は回転速Surface and Coating Technology, Vol. 182，No. 2/3,度に依存する．

(2004), p.276-286.

島状ナノ構造を有する TiN 薄膜の耐摩耗性は，平滑2)イオンビーム中の窒素イオンおよびアルゴンイオ

W. Ensinger, A. Schröer, G..K. Wolf, A comparison ofIBAD films for wear and corrosion protection with

薄膜を作製することができる．しかしながら，本実

other PVD coatings, Nuclear Instruments and Methods

験内ではいずれの成膜条件においても密着性は低in Physics Research, Vol. B80/81 (1993), p. 445-454.
4)

Vick, D., Friedrich, L. J., Dew, S. K., Brett, M. J.,

TiN 単層コーティングによって疲労強度は向上し，

Robbie, K., Seto, M., Smy, T. Self-shadowing and

中でも疲労限度はイオンビームの加速電圧と相関

surface diffusion effects in obliquely deposited thin

関係が見られた．単層コーティングに比べて，傾斜films, Thin Solid Films, Vol. 339 (1999), p.88-94.

機能コーティングの密着強度，硬さおよび残留応力

(5)

3)

ンの比率を制御することにより，組成傾斜を有する

下した．
(4)

J. K. Hirvonen, Ion beam assisted thin film deposition,Materials Science Reports, Vol. 6 (1991), p. 215-274.

な TiN 薄膜のそれよりも優れる．
(3)

E.S.Puchi-Cabrera, F.Matinez, I.Herrera, J.A.Berriosa,5)

近藤市治，近藤憲司，竹中修，永田雅彦，草野英二，はいずれも低下したが，単層コーティング材と同等

金原粲，低出力 Ar イオン照射前処理による Ti 薄膜の疲労特性を示したことから，傾斜機能層自体は疲/Si 基板間の密着性の改善，表面技術，Vol. 47，No.

労損傷の抑制に寄与するものと考えられる．

10，(1996)，p.858-862．

今後，金型に使用される工具鋼や超硬合金などに対6)

松室昭仁，渡邊知彦，林敏行，村松睦生，高橋裕，して本手法を適用し，疲労寿命や摩耗寿命の改善がナノインデンテーション法による TiN 配向膜の機可能か否かについて検討するとともに，企業との共械的性質の評価，材料，Vol. 48，No. 12，(1999)，

同研究として，実機の金型に適用し，その加工性能

p.1423-1427.

や寿命などについて評価を行う予定である．

ー 53 ー