複合コーティング被膜による金型の耐久性向上に関する研究
Study to Improve Durability of a Metal Mold by Physical Vapor Deposition Processing and Nitriding Treatment

今岡睦明・野嶋賢吾・菊井一樹＊
Mutsuharu Imaoka, Kengo Nojima and Kazuki Kikui*＊

元 鳥取県産業技術センター

金型や工具は、既存材料の高性能化・高機能化のために各種の表面改質技術が開発されており、いわゆるドライプロセスを硬質被膜作製のための手段として研究・実用化が進んでいる。今回の検討では、基材に窒化処理を行うことによって、硬質被膜の密着性が改善されることを確認した。
As for metal molds and tools, various technologies have been developed for achieving high performance. Researchfor finding a dry process as the means to make a hard thin layer is advancing. In this examination, it was confirmed thatthe adhesion of a hard thin layer was improved by doing nitride processing of the base material.

1.

はじめにの密着性が問題となっている。

金型や工具は、既存材料の高性能化・高機能化のそこで、成膜処理を行う前に、基材表面へ低窒素ために各種の表面改質技術が開発されており、いわ濃度拡散処理（窒化処理）を行って基材を強化した

ゆるドライプロセスを硬質皮膜作製のための手段と上で成膜することで密着性をさらに改善しようとすして研究、実用化が進んでいる。

る技術が提案・検討されている１）〜３）。技術の概念

イオンプレーティングなど PVD 処理等によって図を図１に示す。このような複合的な表面改質処理

成膜される窒化チタン（TiN）や窒化クロム（CrN）、を「複合表面処理」、「複合硬化処理」等と呼ぶが、炭窒化チタン（TiCN）等の硬質被膜は、材料特性強機能を発揮するための適切な窒化層深さや表面硬度化のために工具や金型等に利用されるようになってを示すデータはノウハウとして取り扱われ、多くのきた。しかし、被膜と基材（母材）はセラミックス場合で公開されていない。と金属という異種材料であるため、特に使用環境の本研究では、金型に広く利用されている冷間金型

厳しい条件下では被膜のはく離が発生しやすく、そ用合金工具鋼（SKD11）、高速度工具鋼（SKH51）の基材に硬質皮膜として利用される TiN、CrN、TiCN

従来法
被膜を成膜する場合に、基材に窒化処理を施すことによって密着性が改善されるか、改善するには窒化層深さがどの程度必要かについて、ロックウェル硬さ試

基材

験機を使った圧痕による評価及びスクラッチ試験による評価を通じて検証することとした。

改良法
被膜

2.

実験方法

2.1

供試材料

2.1.1

基材

窒素拡散層（窒化層）

試験片

試験片には金型等に広く利用されている SKD11、SKH51 を用いた。試験片形状はφ25 mm×20 mm とした。焼入焼戻し処理によって SKD11 は HRC60、

図１ 複合コーティング処理の概念図

SKH51 は HRC64 に調質した。なお、焼戻し温度は

SKD11 は 510 ℃の高温焼き戻し処理とし、SKH51 は表２ 被膜の膜厚と摩擦係数540 ℃とした。その後、試験面を鏡面に仕上げた。

膜種

膜厚[μm]

摩擦係数
[-]

TiN

3.90.8

窒化処理はプラズマ窒化処理装置を用いて窒化層

TiCN

4.10.2が 10 µm、20 µm、50 µm となるように処理を行った。

CrN

4.00.42.1.2

窒化処理

なお、窒化処理では基材表面に白層（3-Fe2-3N 化合物の層）と呼ばれる極めて硬質で脆い化合物層が形成

表３ 試験片（基材 SKD11）のビッカース硬さ、表面粗さされる場合があるが、白層が形成されない条件で処理を行った。窒化処理後に基材のビッカース硬さを

膜種

0（窒化処理なし）

2.1.3

1011301130

2010701230

5010901270

表面粗さ[μm]
RaRz

01020501680
2230
2190
2050

0.03
0.02
0.03
0.03

0.37
0.27
0.30
0.37

TiCN

01020502130
2660
2630
2570

0.03
0.04
0.03
0.04

0.49
0.61
0.50
0.53

CrN

01020501530
1780
1900
1840

0.02
0.02
0.03
0.02

0.30
0.32
0.37
0.26

表１ 窒化処理後の基材表面のビッカース硬さ

HV0.05
SKD11SKH51700830

ビッカース硬さ（HV0.05）

TiN測定した。測定結果を表１に示す。

窒化層深さ[μm]窒化層深さ[μm]成膜処理

成膜は、中空陰極放電（HCD）方式である不二越
製イオンプレーティング装置 SS-2-8SP を用いて、表４ 試験片（基材 SKH51）のビッカース硬さ、表面粗さ

TiN、TiCN、CrN の 3 種類を膜厚約 4 µm となるよう膜種に処理を行った。

TiN

0102050

2050
2210
2180
2560

0.02
0.03
0.03
0.03

0.30
0.310.290.29

TiCN

0102050

2400
2770
2760
3010

0.03
0.04
0.040.03

0.440.49
0.490.44

CrN

0102050

1910
193022202130

0.020.030.030.03

0.220.200.220.23

成膜した試験片の膜厚及び摩擦係数を表２に、SKD11 を基材とする試験片の表面粗さ、ビッカース硬さを表３に、SKH51 を基材とする試験片の表面粗さ、ビッカース硬さを表４に示す。膜厚は、φ20 mmの金属球を使ってカロテスト法により測定した。摩擦係数は CSM 社製摩擦磨耗試験機 TRIBOMETER を用いてボールオンディスク法によりボールにアルミナ（φ6.25 mm）、荷重 5 N、しゅう動速度 0.1 m/s において、しゅう動距離 100 m における摩擦力から算

窒化層深さ
[μm]

ビッカース硬さ（HV0.05）

表面粗さ[μm]
RaRz

出した。表面粗さはテーラーホブソン社製フォーム
タリサーフ PGI Plus、ビッカース硬さはアカシ製

2.2

測定方法

AAV-4(M)を用いて測定した。

2.2.1

圧痕試験

被膜の密着性を簡易的に評価する手法として、ロックウェル硬さ試験 C スケール（HRC）の圧痕周辺の被膜の付着状態を観察する方法が提案されている。

HRC では、円すい型ダイヤモンド圧子（円すい角度昇を始める部分を顕微鏡で観察すると、被膜がはく120 °、先端の曲率半径 0.2 mm）を 1471 N（150 kgf）離する様子が観察される。の荷重で押し込み、圧子が進入した深さにより硬さを決定するが、圧痕試験では圧痕周辺の被膜のはく3.

結果と考察離やクラックの状態から密着性を比較した。この試

3.1

圧痕試験結果験はアカシ製ロックウェル硬さ試験機 ARK-8 を用SKD11 を基材とする試験片の圧痕試験後の表面をいて行い、圧痕の観察は主にキーエンス製レーザ顕図３に示す。窒化処理なしの試験片は、膜種に関わ微鏡 VK-9500 を用いて行った。

らず、圧痕周辺に細かなクラックが発生し、被膜が2.2.2微小にはく離している様子が確認できる。顕微鏡のスクラッチ試験（引っ掻き試験）

被膜の密着性を定量的に評価するために、CSM 社

倍率を拡大して観察すると図４のように観察され、製スクラッチテスタ REVETEST を用いてスクラッ被膜がはく離している様子を認めることができる。

チ試験を行った。試験では、円すい型ダイヤモンド

窒化層 10 µm の場合は、圧痕周辺の被膜がはく離し圧子（円すい角度 120 °、先端の半径 0.2 mm）を用て基材が見えている状態にあり、密着性に問題があいて、10 mm/min の速度で直線的に圧子を移動しなることが示された。窒化層 20 µm あるいは 50 µm のがら 100 N/min で徐々に荷重を加え（最大荷重 100場合は、被膜のはく離やクラックは認められなかっN）、被膜がはく離される際に発生する音をアコース
ティックエミッション（AE）信号で計測するものである。はく離が始まる（＝AE 強度が急激に上昇する）
荷重を臨界荷重（Lc）と呼び、Lc 値が高いほど密着性が良いものとする。
なお、スクラッチ試験における AE 強度は図２に示すような挙動を典型的に示す。AE 強度が急激に上
図３ 圧痕試験後の試験片（基材：SKD11）500µm

AE強度 （相対値） [−]1.00.80.6

臨界荷重(Lc)

0.40.20.020µm

0204060
荷重[N]80100200µm

図２ スクラッチ試験 測定例（基材 SKD11、膜種 TiCN）
上：AE 強度の波形
下：荷重 35N 付近のスクラッチ痕

図４ 圧痕試験後の試験片（TiCN、窒化処理なし）
上：拡大図
下：拡大図を三次元的に示した図

た。圧痕周辺には円周に垂直な亀裂がほぼ等間隔に拡大写真を図５に示す。SKD11 の窒化層 10 µm のよできているが、それ以外には大きな変化はなく、窒うな極端な被膜のはく離は見られなかったが、窒化化層 20 µm 以上で密着性が良好となった。

処理なし及び窒化層 10 µm の試験片では膜種に関わSKH51 を基材とする試験片の圧痕試験後の表面らず圧痕周辺に被膜がはがれている様子が確認された。しかし、窒化層が 20 µm あるいは 50 µm の場合は被膜がはく離する様子は認められなかった。
SKH51 の場合も窒化層 20 µm 以上で密着性が良好な状態となった。
3.2

スクラッチ試験結果

スクラッチ試験の結果について、基材が SKD11の場合を図６に、SKH51 の場合を図７に示す。SKD11
では、TiN 被膜では窒化層が深くなるに従い Lc 値が図５ 圧痕試験後の試験片（基材：SKH51）

100µｍ

TiN

TiN

AE強度

窒化層50μm

AE強度

20μm

10μm

窒化層
50μm

20μm

10μm0μm0μm

TiCN020AE強度

窒化層
50μm

4060
荷重[N]

801000TiCN

AE強度

20μm10μm

AE強度801008010080

1000μm406080100

CrN0

荷重[N]20μm

窒化層
50μm

204060

荷重[N]

20μm
10μm

10μm0μm060
荷重[N]10μm

AE強度

20
窒化層
50μm

4020μm0μm

CrN020
窒化層
50μm0μm

20406080

1000204060

荷重[N]

荷重[N]

図６ スクラッチ試験結果 基材：SKD11（図は上から膜種 TiN、TiCN、CrN）

図７ スクラッチ試験結果 基材：SKH51（図は上から膜種 TiN、TiCN、CrN））

大きくなる傾向が見られるが、TiCN・CrN では明確

＜圧痕試験の結果から＞な傾向は見受けられない。SKH51 では 3 つの膜種と①良好な被膜密着性を得るには、SKD11、SKH51

も窒化層が深くなるに従い Lc 値が大きくなる傾向

ともに窒化処理（窒化層 20 µm 以上）が必要でが見られた。

あった。

なお、基材が SKH51 で窒化層 20 µm 及び 50 µm、TiN コーティングを施した試験片では、荷重 100 N＜スクラッチ試験の結果から＞②

基材表面が硬いほど密着性が改善される傾向がに至っても AE 強度に大きな変化が見られなかった。
被膜のはく離も認められず、極めて良好な密着性を見られた。
③

基材のビッカース硬さが同じでも膜種が異なる示した。と被膜の密着性は異なり、今回検討した 3 種の3.3

被膜では TiN、TiCN、CrN の順で良好であった。

密着性と硬度の関係

SKH51 を基材とする場合のコーティング前のビッカース硬さ（HV0.05）と Lc 値の関係を図８に示

謝辞す。Lc 値は基材表面が硬くなるとともに大きくなる

本研究を行うにあたり、試験片の熱処理及び窒化傾向が概ね見られた。膜ごとの関係を比較すると、処理の実施並びにスクラッチ試験の実施に際して、同じ硬さにおける Lc 値は TiN、TiCN、CrN の順で高鳥取県金属熱処理協業組合様のご協力をいただきまい傾向が見られた。言い換えれば、密着性は TiN、した。厚く御礼申し上げます。また、本研究は、財TiCN 、CrN の順で良好であった。なお、図８には団法人 JKA から競輪等の収益の一部である自転車等基材が SKD11 の場合も併せてプロットしているが、機械工業振興事業の補助を受けた設備を利用して研SKH51 のような明確な相関関係を認めることは難究を行いました。

しい。SKD11 は炭化物が局所的に発達したミクロ組織を有しており、ビッカース硬さもばらつきが大き文い。金属組織が SKH51 よりも不均一な状態にあるこ

1) 市村博司; 複合硬化処理, 表面技術, 52(12),とが、SKD11 の場合の相関性を低下させる要因にな

献
p.851-852(2001).

2) 川名淳雄; PVD による硬質膜形成とその工業的応っていると考えられる。

用, 表面技術, 58(8), p.440-444(2007).
TiN/SKD11TiN/SKH51

TiCN/SKD11TiCN/SKH513) 池永勝; 高機能化のための DLC 成膜技術, 日刊CrN/SKD11CrN/SKH51

工業新聞社(2007).

臨界荷重(Lc） 値 [N]10080
TiN/SKH5160

TiCN/SKH514020CrN/SKH51

0600

800100012001400

基材（コーティング前）のビッカース硬さ HV0.05
図８4.

Lc 値とコーティング前の基材硬度の関係おわりに以上をまとめると次のことがわかった。