JFE 技報 No. 37（2016 年 2 月）p. 60-64

物理解析技術を駆使した PVD 皮膜開発
Practical Use of Microbeam Analysis in Development of PVD Coatings
寺尾星明

TERAO Hoshiaki

JFE 精密取締役・博士（工学）桜井雅彦

SAKURAI Masahiko

JFE 精密

技術部次長

和田雷太

WADA Raita

JFE 精密技術部次長・博士（工学）

仲道治郎

NAKAMICHI Haruo

JFE スチール

スチール研究所

分析・物性研究部

主任研究員（副部長）・博士（工学）要旨
物理蒸着法（PVD）コーティングは，表面に高硬度，高耐熱性などの特性を有する皮膜を形成させることにより，切削工具や金型，機械部品などの長寿命化を実現し急速に普及してきた。近年の皮膜は，さらなる高性能化により，長寿命化だけでなく高硬度材料の切削，高強度ハイテンのプレス成形，高精度の冷間鍛造など，従来不可能であった新しい加工方法が実現でき，適用範囲がさらに拡大している。JFE 精密では，JFE スチールをはじめとする JFE®

グループが持つ物理解析技術を生かして，SX シリーズや VSX シリーズなどの独自の高性能皮膜を商品化し，PVD 皮膜の適用範囲を拡大している。その高性能皮膜の開発では，高度な物理解析技術の活用が非常に有効である。

Abstract:
Recently higher performance new films by physical vapor deposition (PVD) coating are expected to achieve longer
life of cutting tools, metal molds, machine parts, and other materials. These films are expected to introduce newworking methods such as dry milling for high-speed steel (HSS), mold pressing for ultra high tensile strength steel
and net shape cold forging. To commercialize such higher performance new films, JFE Precision has developed PVD®

coatings with multi-layer and/or nanosized-layer films named SX Series and VSX Series in collaboration with JFE
Steel. For the research and development, practical use of advanced analysis technologies is essential. Because precise
surface analyses of worked films and sectional structure analysis of produced films are very important for basic datafor the research and development.

1． はじめに

イオンプレーティング法は，アークイオンプレーティング方式（AIP）とホローカソード方式（HCD）があり，皮膜のJFE 精密では，1987 年から物理蒸着法（PVD）コーティ多様化，高密着性の点で AIP 方式が主流となっている。図

ングの受託処理事業を行なっている。お客様からお預かり

1 は，JFE 精密における AIP 方式による皮膜開発の経緯を示した切削工具や金型あるいは機械部品などの表面に，イオしている。図から分かるように，皮膜開発は単一金属の炭ンプレーティング法による TiAlN や CrN など炭窒化物系皮窒化物から始まり，2 元合金系炭窒化物，3 元以上の合金系膜やスパッタリング法によるダイヤモンドライクカーボン

炭窒化物，複数の皮膜の積層，さらにはナノ積層化へと皮（DLC）などの硬質膜皮膜を厚さ数マイクロメートル程度形膜は進化している。言い換えると皮膜の高性能化を目指し成処理している。て，汎用の皮膜から高機能の皮膜開発へと進化してきていPVD コーティングは，その高硬度や高耐熱性などの特性る。このように皮膜開発は，高度化する市場ニーズに応えるを生かして，切削工具や金型あるいは機械部品の長寿命化ために，複数の種類の皮膜を複層化，ナノ積層化にするこを実現し急速に普及してきた。近年は，さらなる長寿命化にとにより高性能化が図られてきている。JFE 精密では，SX加えて，ドライ加工や熱処理した工具鋼，高速度鋼などのシリーズ と VSX シリーズの独自の高性能皮膜を商品化し，切削，高強度ハイテンのプレス成形，高精度の冷間鍛造など，さらなる高性能皮膜の開発に力を入れている。

1）®

従来不可能であった新しい加工方法が皮膜の高性能化に現在の流れとなっている複数の種類の皮膜を複層化，ナよって生み出されてきており，皮膜の適用範囲がさらに拡大

ノ積層化する皮膜開発においては，特に高度な分析・解析している。このような加工においては，PVD コーティング技術が重要な位置を占めるようになってきている。本稿では，処理が必須要素となっている。

JFE 精密と JFE スチールが共同開発した独自の皮膜において物理解析技術を活用した例について紹介する。

2015 年 9 月 10 日受付－ 60 －
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物理解析技術を駆使した PVD 皮膜開発

図 2 AlCrN 皮膜の X 線回折図形
Fig. 2

図 1 アークイオンプレーティング方式（AIP）皮膜開発の流れ
Fig. 1

X-Ray diffraction (XRD) pattern of AlCrN coating withhexagonal close-packed (hcp) structure

History of physical vapor deposition (PVD) coating
development in JFE Precision

2． 皮膜開発における結晶構造解析
皮膜に要求される基本的な特性は，高硬度，高耐熱性，低摩擦係数，高密着性，高耐食性などである。中でも熱処理した工具鋼をドライで切削する超硬工具用の皮膜には，高硬度，高耐熱性，高密着性が要求される。このような切削工具用の皮膜は，基本的には，超硬素地の上に密着性の高い皮膜を形成し，最表面には高硬度，高耐熱性の皮膜を形成させている。そのような最表面の皮膜候補としては，
TiAlN 系，TiSiN 系，AlCrN 系などがベースの 2 元合金系以上の窒化物皮膜がある。主な皮膜の特性を表 1 に示す。一般的に耐酸化性の高い金属である Ti, Al，Si, Cr がベースで，

図 3 修正後の AlCrN 皮膜の X 線回折図形
Fig. 3合金化することによる固溶強化により高硬度化を図っている。ただし，成分の配合比率により硬さは大きく変化する

X-Ray dif fraction (XRD) pattern of modified AlCrN coatingwith face-centered cubic (fcc) structure2, 3）ことが知られている。
その中で，AlCrN 系は，密着性が高く，単層の皮膜でも質量の違いなどによるズレが生じており，実際には AlN 系ある程度の切削性能が発揮できる。図 2 は AlxCry の組成をhcp（六方最密格子）構造になっていた。皮膜硬さのピーク持つターゲット材を用いて成膜した皮膜を X 線回折（XRD）は結晶構造が変化する境界近くにあるため，この組成のズで調べた結果である。ターゲット組成から予想された結晶

レを XRD 構造解析で確認し，硬さが最大となる皮膜を形成構造は fcc（面心立方格子）のはずだが，ターゲット組成とさせることが重要である。この組成のズレを修正した皮膜の成膜組成には Al と Cr の成膜時におけるイオン化率，価数，XRD を用いた相同定結果を図 3 に示すが，目標のとおりの

表 1 PVD 皮膜の特性
Table 1 Properties of physical vapor deposition (PVD) coatings
CoatingSurface roughness
Critical load (by scratch test on high-speed steel (HSS))
Hardness

TiN

TiCN

TiAlN

CrN

AlCrN

TiSiN

Ra＝0.20 μm Ra＝0.20 μm Ra＝0.30 μm Ra＝0.15 μm Ra＝0.15 μm Ra＝0.15 μm
60 N

60 N

40 N

80 N

50 N

30 N

2 200 Hmv

2 800 Hmv

3 000 Hmv

1 800 Hmv

3 000 Hmv

3 700 Hmv

Oxidation resistance

450℃

350℃

800℃

550℃

1 100℃

1 300℃

Color

GoldBlue gray

VioletGray

Dark gray

Copper－ 61 －JFE 技報 No. 37（2016 年 2 月）

物理解析技術を駆使した PVD 皮膜開発

図 4 AlCrN 切削試験結果
Fig. 4Progress of flank wear with AlCrN coated tools

CrN 系 fcc 構造に修正されていることが確認できる。これらの 2 種類の皮膜に対して切削試験を行なった結果を図 4 に示す。切削性能に大きな差が生じていることが分かる。なお，切削試験は硬さ HRC20 の S50C 材に対して，切削工具は超写真 1 3 000 ショット後の TiCrN の剥離と金属凝着状態
Photo 1 Scanning electron microscope (SEM) image of surface
condition of TiCrN coating after 3 000 shots (a), energy
dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mappings of W(b), and Fe (c) corresponding to delamination of film
and metal adhesion, respectively

硬 2 枚刃 R5 ボールエンドミルを使用し，回転数 5 100 rpm，
送り 1 330 mm/min，半径方向切り込み 0.3 mm，軸方向切り込み 0.1 mm で，無潤滑にて切削し，切削距離と逃げ面磨耗幅を測定した。

3.

SEM による皮膜損傷解析
JFE 精密の冷間鍛造部門では，同社内でコーティングを施した金型を冷間鍛造部品の生産に使用している。初期には TiN を使用していたが，その後独自開発した皮膜である
図 5 VSX®-V の構造TiCrN に変更し，金型が長寿命になる効果を挙げてきた。
Fig. 5

しかし，最近になり，さらなる長寿命化の要求が高まってき®

Schematic structure of VSX -Vた。
寿命を迎えた 3 000 ショット後の TiCrN 金型の表面状態を走査電子顕微鏡（SEM）で観察すると，皮膜の摩耗が進耗性に優れる多層構造の主層を重ね，最表層には耐凝着性行しているが（写真 1（a）），所々に皮膜が点状に脱落し金に優れる層を設ける構造としている。この VSX -V の寿命評型素材が露出している状況が見られた（写真 1（b））
。また

価結果を図 6 に示すが，TiCrN を大きく上回る長寿命が得

皮膜表面に被加工材が凝着している状況も見られた（写真 1られている。写真 2 は 20 000 ショット使用後の VSX -V 金（c））
。これらの状況は皮膜の密着性と耐凝着性が十分でな型の観察結果であるが，TiCrN で見られたような点状の皮く，剥離と被加工材の凝着が起こり，結果として金型寿命膜の脱落や被加工材の凝着は見られず，目標どおりの皮膜を支配していることを示唆している。

特性が得られていることが確認できる。

®

®

以上の知見に基づき皮膜構造を設計し直し，高密着性，耐摩耗性，耐凝着性を併せ持つ皮膜の開発を行なった。開®

このように皮膜の複層化により各層に機能を分担させて，全体として複数の優れた特性を併せ持つ皮膜を得ることが発された皮膜である VSX -V の基本構造を図 5 に示す。高できるが，目標どおりの特性を得るためには皮膜の表面分密着性を得るため素材直上に密着層を設け，その上に耐摩析を詳細に行ない，皮膜損傷の仕組みを理解し設計に反映

JFE 技報 No. 37（2016 年 2 月）

－ 62 －物理解析技術を駆使した PVD 皮膜開発

図 6 金型寿命結果
Fig. 6Die life of cold forging die coated with TiN, TiCrN, and®
VSX -V
写真 3 ナノ積層の HAADF 像
Photo 3High-angle annular dark-field (HAADF) image of thecross-section of nano-layer

写真 2 20 000 ショット後の VSX®-V 摩耗状態
Photo 2 Scanning electron microscope (SEM) image of surface®
condition of VSX -V after 20 000 shots

させることが重要である。

4.

TEM による
ナノメートルレベルの皮膜構造解析

図 7 ナノ積層の EDX ラインプロファイル

プレス加工用や鍛造用の金型は，寸法精度の向上，生産

Fig. 7 Line profiles of nano-layer measured by energy dispersive
X-ray spectroscopy (EDS)

性向上の目的で熱処理後に加工する方法が行なわれるようになってきており，HRC60 以上の高硬度の金型を加工でき料切削用に開発した皮膜の高角散乱環状暗視野像る切削工具が必要となっている。高硬度の材料を切削する（HAADF），図 7 には皮膜の多層部分について，ナノプローためには，皮膜に従来以上の高耐熱性，高密着性，低摩擦ブ走査によるエネルギ一分散型 X 線分光法（EDS）で得ら係数が要求されるが，2 元合金系以上の窒化物皮膜とそれられた元素のラインプロファイルを示す。ナノメートルレベルの単純な積層を行なうだけでは，要求を十分に満たせなくで規則的な積層構造が得られていることがわかる。
®

なってきている。その対応として複数の皮膜をナノメートル

図 8 は，このような積層構造を導入した VSX -V 皮膜の切レベルの厚さで交互に積層することによって高性能化を削試験結果である。切削試験は硬さ HRC60 の合金工具鋼4, 5）。ただし，性能を発揮させるためには，複数SKD11 材に対して，超硬 2 枚刃 R5 ボールエンドミルを使用の皮膜がナノメートルレベルで明確な層構造でしかも整合し，回転 3 000 rpm，送り 800 mm/min，半径方向切り込みした連続体であることが必要であることから，形成した皮膜0.3 mm，軸方向切り込み 0.1 mm で，無潤滑にて切削し，切図っている構造を確認する必要があるが，層厚みが非常に薄いため削距離と逃げ面磨耗幅を測定した。積層構造で HRC55 程度

SEM の倍率では観察が困難である。このため透過電子顕微までは優れた寿命を持つ SX-W 皮膜の工具でも HRC60 では鏡（TEM）による観察を行なっている。写真 3 に高硬度材

十 分 な 寿 命 が 得られ な か った が，積 層 構 造 を 採 用し た－ 63 －JFE 技報 No. 37（2016 年 2 月）

物理解析技術を駆使した PVD 皮膜開発

ることも皮膜設計のためには重要であり，その際にも分析・解析技術が欠かせない。
（4）皮膜開発における高度な分析・解析技術の活用は，ますます重要となっている。今後もコーティング技術と分析・解析技術の両方を保有するという JFE グループの強みを最大限に活用し，Only1, No. 1 の皮膜開発を推進する予定である。
なお，本研究は，JFE スチール研究所主席研究員 佐藤馨
博士，元分析・物性研究部長（現 JFE ミネラル）野呂寿人博士の協力を受けて行なった。

図8 V
 SX®-V による硬さ HRC60 のダイス鋼（SKD11）の切削結果
Fig. 8®

Flank wear of tools with SX-W and VSX -V coating

参考文献1）桜井雅彦，寺尾星明．機械と工具．2007, vol. 51, no. 3, p. 21-25.
2）神鋼コベルコツール．特許第 2644710 号．
3）Vaz, F. et al. Surface and Coatings Technology. 2000, vol. 133-134, p. 307313.
4）Carneiro, J. O. et al. Rev. Adv. Mater. Sci. 2004, vol. 7, p. 83-90.
5）Chang, Chi-Lung et al. Surface and Coatings Technology. 2007, vol. 202,p. 987-992.

®

VSX -V では摩耗量が減少しており，高硬度切削用 SX-W を上回る寿命が得られた。この切削性能は，現時点業界で最高性能とされている皮膜を上回る。

5． おわりに（1）近年，PVD 皮膜の性能向上は従来の長寿命化だけでなく，高強度ハイテンのプレス成形など，従来不可能であった新しい加工方法を実現させることができる。JFE

寺尾星明

仲道治郎

精密では JFE スチールとの共同開発により，皮膜の耐摩耗性，耐熱性および密着性など皮膜性能を高めた SX®

シリーズや VSX シリーズを商品化した。
（2）高性能の皮膜開発には，複数の種類の皮膜の積層やナノ積層構造を取り入れる必要がある。そのため，成膜した皮膜が設計どおりであるかの確認にはナノレベルの物理解析技術が必要となる。
（3）使用後の皮膜の状態を解析し損傷メカニズムを把握す

JFE 技報 No. 37（2016 年 2 月）
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和田雷太