硬質皮膜被覆部材およびその製造方法
【課題】良好な耐摩耗性および耐焼き付き性を有するとともに、基材への密着性および耐久性に優れた高硬度の硬質皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】基材１上に略同一の厚さの応力緩和層３としてのクロム皮膜と略同一の厚さの硬質層４としての窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜が形成され、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが２００ｎｍ以下であり且つ複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍である。応力緩和層３と硬質層４は、クロムターゲットを使用してスパッタリングする装置の処理室内で連続的に形成され、応力緩和層３を形成する際には、処理室内をアルゴンガス雰囲気にし、硬質層４を形成する際には、処理室内をアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気にする。
【解決手段】基材１上に略同一の厚さの応力緩和層３としてのクロム皮膜と略同一の厚さの硬質層４としての窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜が形成され、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが２００ｎｍ以下であり且つ複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍である。応力緩和層３と硬質層４は、クロムターゲットを使用してスパッタリングする装置の処理室内で連続的に形成され、応力緩和層３を形成する際には、処理室内をアルゴンガス雰囲気にし、硬質層４を形成する際には、処理室内をアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質皮膜被覆部材およびその製造方法に関し、特に、表面に硬質皮膜として窒素含有クロム皮膜が形成された部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐摩耗性や耐焼き付き性が必要とされる自動車などの摺動部品や機械部材の他、高面圧下で使用される金型などの表面に、スパッタリングなどの物理的蒸着によって窒素含有クロム皮膜を形成して、耐摩耗性や耐焼き付き性を向上させる方法が知られている。しかし、スパッタリングなどの物理的蒸着によって窒素含有クロム皮膜のような硬質皮膜を金属基材上に形成すると、皮膜自体の圧縮応力により皮膜を厚くするのが困難であり、皮膜の内部応力が大きくなって基材への密着性が悪くなるという問題がある。
【０００３】
このような問題を解消する方法として、スパッタリング法により、基材の表面に形成される窒素含有クロム皮膜中の窒素濃度を基材側と表面側の間で変化させて、良好な耐摩耗性および耐焼き付き性などを有するとともに、基材への密着性および靭性にも優れた窒素含有クロム皮膜を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、イオンプレーティング法により、柱状晶ができる高バイアス電圧で複合窒化物を一定時間形成する工程と、柱状晶ができない低バイアス電圧で複合窒化物を一定時間形成する工程とを交互に繰り返して、柱状晶の複合窒化物の硬質皮膜中に一定間隔毎に一定の厚さの柱状晶ではない構造の複合窒化物の応力緩和層を挟み込むことによって、内部応力が低減されて高い密着力を有する硬質厚膜皮膜を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−９２１１２号公報（段落番号０００８−００１３）
【特許文献２】特開２００５−１８７８５９号公報（段落番号００１１−００１３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の方法では、最表面の硬度は高いが、最表面から基材に向かって硬度が低下するため、表面に窒素含有クロム皮膜が形成された基材の摺動時の磨耗量が指数関数的に上昇し、高面圧下における使用では耐久性が良好ではない場合がある。また、特許文献２の方法では、生産性が悪く、表面が粗くなり、複合窒化物の単層膜を形成した場合と比べて硬さが低下するという問題がある。
【０００６】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、良好な耐摩耗性および耐焼き付き性を有するとともに、基材への密着性および耐久性に優れた高硬度の硬質皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、基材上にクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜を形成し、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さを２００ｎｍ以下にし且つ複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍にすることにより、良好な耐摩耗性および耐焼き付き性を有するとともに、基材への密着性および耐久性に優れた高硬度の硬質皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明による硬質皮膜被覆部材は、基材上にクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜が形成され、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが２００ｎｍ以下であり且つ複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍であることを特徴とする。この硬質皮膜被覆部材において、複数のクロム皮膜の各々の厚さが略同一であり、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが略同一であるのが好ましい。
【０００９】
また、本発明による硬質皮膜被覆部材の製造方法は、基材上にクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜を形成する硬質皮膜被覆部材の製造方法において、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さを２００ｎｍ以下にし且つ複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍にすることを特徴とする。この硬質皮膜被覆部材の製造方法において、複数のクロム皮膜の各々の厚さが略同一であり、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが略同一であるのが好ましい。また、複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜が、クロムターゲットを使用してスパッタリングする装置の処理室内で連続的に形成され、複数のクロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガス雰囲気にし、複数の窒素含有クロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気にするのが好ましい。
【００１０】
なお、本明細書中において、「窒素含有クロム皮膜」とは、クロム皮膜中に窒素および窒化クロムの少なくとも一方が分散した皮膜をいう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、良好な耐摩耗性および耐焼き付き性を有するとともに、基材への密着性および耐久性に優れた高硬度の硬質皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材を製造することができる。この硬質被膜被覆部材は、金型、機械部品、自動車部品などに使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明による硬質皮膜被覆部材およびその製造方法の実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１に示すように、本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態は、基材１と、この基材１上に略同一の厚さの応力緩和層としてのクロム皮膜と略同一の厚さの硬質層としての窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように形成された複数のクロム皮膜３および複数の窒素含有クロム皮膜４とを備え、複数の窒素含有クロム皮膜４の各々の厚さが２００ｎｍ以下であり且つ複数のクロム皮膜３の各々の厚さの１．２〜５倍になっている。
【００１４】
このように、略同一の厚さの窒素含有クロム皮膜（硬質層）と略同一の厚さのクロム皮膜（硬質層より硬度が低い応力緩和層）が交互に（周期的に）積層された多層膜を基材上に形成し、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さを２００ｎｍ以下にし且つ複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍にすることにより、基材への密着力および耐久性に優れた高硬度の硬質皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材を製造することができる。すなわち、基材上に形成される皮膜を多層構造にするとともに、各々の硬質層の厚さを２００ｎｍ以下にし且つ各々の応力緩和層の厚さの１．２〜５倍にすることにより、硬質層と応力緩和層の界面でクラックが伝播するのを阻止して、高硬度を確保しながら応力緩和層により応力緩和して充分な密着力を確保することができる。
【００１５】
多層膜の各々の窒素含有クロム皮膜の厚さは、２００ｎｍ以下であり、２０〜１６０ｎｍであるのが好ましく、４０〜１２０ｎｍであるのがさらに好ましい。また、多層膜の各々の窒素含有クロム皮膜の厚さは、各々のクロム皮膜の厚さの１．２〜５倍であり、１．５〜４倍であるのが好ましく、１．５〜３倍であるのがさらに好ましい。また、多層膜のクロム皮膜および窒素含有クロム皮膜の数は、それぞれ２０層以上であるのが好ましく、３０〜２４０層であるのがさらに好ましく、３０〜１２０層であるのが最も好ましい。さらに、多層膜全体の厚さは、５〜３０μｍであるのが好ましく、５〜２０μｍであるのがさらに好ましく、５〜１５μｍであるのが最も好ましい。なお、基材と多層膜との密着力をさらに向上させるために、基材上に下地層として１００ｎｍ以下のクロム皮膜を形成してもよい。
【００１６】
複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜は、クロムターゲットを使用してスパッタリングする装置の処理室内で連続的に形成することができる。すなわち、複数のクロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガス雰囲気し、複数の窒素含有クロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気にして、複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜を連続的に形成することができる。
【００１７】
このスパッタリングは、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によって行うことができるので、基材として使用する鋼材の焼き戻し温度以下の低温で成膜することができるため、鋼材の軟化や熱歪を抑制することができ、また、他の物理的蒸着と比べて生産性が高い。また、このスパッタリングでは、イオンプレーティング法によって成膜する場合のように皮膜の材料が溶融した塊（ドロップレット）が発生しないので、平滑な表面の皮膜を形成することができる。さらに、このスパッタリングでは、クロム皮膜と窒素含有クロム皮膜を形成するため、他の材料の中間層を排除することができるので、従来のスパッタリング装置に単一のターゲットを使用して、処理室内への窒素ガスを導入のＯＮ／ＯＦＦの切り替えにより、多層構造の皮膜（内部に複数の界面が形成された皮膜）を容易に形成することができる。そのため、硬質層としての窒素含有クロム皮膜と応力緩和層としてのクロム皮膜の界面でクラックが伝播するのを阻止して、高硬度を確保しながら応力緩和層により応力緩和して優れた密着性を有する窒素含有クロム皮膜を容易に得ることができる。また、バイアス電圧を一定にしてスパッタリングを行うことができるので、皮膜の割れを防止することができ、応力緩和層を挟み込んでも硬度が低下するのを防止することができる。
【００１８】
本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態は、例えば、図２に示す処理装置１０を使用して製造することができる。この処理装置１０は、真空処理室１２と、この真空処理室１２内を減圧して真空にするための真空ポンプ１４と、真空処理室１２内の底部の中心部に配設された回転テーブル１６と、この回転テーブル１６上に治具１８を介して載置された被処理部材として基材２０と、この基材２０を取り囲むように配置された蒸発源としてのターゲット２２と、これらのターゲット２２の各々に接続された直流のスパッタ電源２４と、回転テーブル１６に接続された直流のイオンボンバードおよびバイアス電源２６と、真空処理室１２内にアルゴンガスおよび窒素ガスを導入するためのガス導入パイプ２８とを備えている。以下、この処理装置１０を使用して、本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態を製造する方法について説明する。
【００１９】
（イオンボンバード処理工程）
まず、処理装置１０のターゲット２２としてクロムターゲットを使用し、真空ポンプ１４を作動させて真空処理室１２内を真空排気した後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスを導入して真空処理室１２内をアルゴンガス雰囲気にして、イオンボンバード処理を行って、基材２０の表面を活性化する。
【００２０】
（クロム皮膜形成工程）
次に、真空処理室１２内を真空排気した後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスを導入して真空処理室１２内をアルゴンガス雰囲気にする。その後、ターゲット２２にスパッタ電源２４の所定の電圧を印加して、ターゲット２２の近傍にグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化してターゲット２２に高速で衝突し、この衝突によってターゲット２２からクロム原子が叩き出され、このクロム原子が基材２０の表面に叩き付けられて、基材２０の表面に応力緩和層としてのクロム皮膜が形成される。
【００２１】
（窒素含有クロム皮膜形成工程）
次に、真空処理室１２内を真空排気した後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して真空処理室１２内をアルゴンガスと窒素ガスの雰囲気にする。その後、ターゲット２２にスパッタ電源２４の所定の電圧を印加して、ターゲット２２の近傍にグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化してターゲット２２に高速で衝突し、この衝突によってターゲット２２からクロム原子が叩き出され、このクロム原子が真空処理室１２内の雰囲気中の窒素原子とともに基材２０上のクロム皮膜の表面に叩き付けられて、基材２０上のクロム皮膜の表面に窒素を含有するクロム皮膜（硬質層）が形成される。
【００２２】
さらに、上記のクロム皮膜形成工程と窒素含有クロム皮膜形成工程を繰り返して、略同一の厚さのクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜を形成する。
【００２３】
なお、上記のスパッタリングでは、皮膜の厚さを均一にするために且つ基材２０の温度をその焼戻し温度以下に維持するために、ターゲット２２と基材２０の間隔を、例えば、７０〜８０ｍｍに保持するのが好ましい。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明による硬質皮膜被覆部材およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２５】
［実施例１］
ダイス鋼ＳＫＤ１１に浸炭焼入れ焼き戻しを施した後に鏡面研磨した基材を用意した。この基材をクロムターゲットを使用する処理装置（ＤＣマグネトロンスパッタリング装置）の真空処理室に入れて、到達真空度５×１０−４Ｐａ以下に真空排気した後、真空処理室内が圧力５×１０−１Ｐａのアルゴンガス雰囲気になるように制御してアルゴンガスを真空処理室内に導入し、１０００Ｖ×２Ａでイオンボンバード処理を約１８０分間施して、基材の表面を活性化した。
【００２６】
次に、真空処理室内の雰囲気中のアルゴンガスの分圧が０．０６１Ｐａになるようにアルゴンガスを真空処理室内に導入しながら、バイアス電圧を−１００Ｖとして、スパッタリングを３０秒間行って、窒素含有クロム皮膜上に厚さ約４０ｎｍのクロム皮膜を形成した（クロム皮膜形成工程）。
【００２７】
次に、真空処理室内を排気して真空にした後、真空処理室内の雰囲気中のアルゴンガスの分圧が０．４２Ｐａになるようにアルゴンガスを真空処理室内に導入するとともに、窒素ガスの分圧が０．０５４Ｐａになるように窒素ガスを真空処理室内に導入しながら、投入電力４ｋＷ、バイアス電圧を−１００Ｖとして、スパッタリングを６０秒間行って、クロム皮膜上に厚さ約８０ｎｍの窒素含有クロム皮膜を形成した（窒素含有クロム皮膜形成工程）。
【００２８】
さらに、上記のクロム皮膜形成工程と窒素含有クロム皮膜形成工程を繰り返し、それぞれ厚さ約４０ｎｍのクロム皮膜と厚さ約８０ｎｍの窒素含有クロム皮膜を８０層ずつ（合計１６０層、全膜厚９．６μｍ）交互に形成して硬質皮膜被覆部材を得た。
【００２９】
このようにして得られた硬質皮膜被覆部材のマイヤー硬さ、ビッカース硬さ、ヤング率、ＨＲＣ圧痕および臨界加重の評価を行った。
【００３０】
塑性変形硬さとしてのマイヤー硬さ、ビッカース硬さおよびヤング率は、フィッシャー硬度計（超微小硬さ試験機）（株式会社フィッシャー・インストルメント製のＦＩＳＣＨＥＲＳＣＯＰＥＨ１００Ｃｘｙ−ｐ）を使用して、バーコビッチ圧子により測定荷重１０ｍＮ／１０ｓおよび１００ｍＮ／１０ｓを加えて室温で測定した塑性変形硬さに基づいて算出した。その結果、マイヤー硬さは１９．３ＧＰａ、ビッカース硬さは１３４９ＨＶ、ヤング率は２５４．５ＧＰａであった。
【００３１】
ＨＲＣ圧痕は、ロックウェル試験機を使用して、Ｃスケールで圧痕を打って観察することにより、ＨＲＣ圧痕判定試験（ＤＩＮ５０１０３／１）に準拠して評価した。その結果、ＨＲＣ圧痕は（圧痕の周囲にわずかにひびが認められる）ＨＦ２であった。
【００３２】
臨界荷重Ｌｃについては、スクラッチ試験機（ＣＳＭ社製のＲＥＶＥＴＥＳＴ、ＡＥセンサー付スクラッチ試験機）を使用し、最小荷重０．９Ｎ、最大荷重９０Ｎ、荷重速度１００Ｎ／分、スクラッチ速度１０ｍｍ／分、スクラッチ距離８．９１ｍｍとして、０．２ｍｍＲのダイヤモンド圧子（型式Ｒｏｃｋｗｅｌｌ、シリアルＮｏ．Ｎ２−３１２２）によってスクラッチ試験を行い、スクラッチの周辺の皮膜が破壊されたときの荷重（臨界荷重Ｌｃ）を測定した。その結果、臨界荷重Ｌｃは８０Ｎであった。
【００３３】
［実施例２］
窒素含有クロム皮膜を成膜するためのスパッタリング時間を９０秒間にして、厚さ約４０ｎｍのクロム皮膜と厚さ約１２０ｎｍの窒素含有クロム皮膜を６０層ずつ（合計１２０層、全膜厚９．６μｍ）形成した以外は、実施例１と同様の方法によりクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜を交互に形成して硬質皮膜被覆部材を得た。
【００３４】
このようにして得られた硬質皮膜被覆部材のマイヤー硬さ、ビッカース硬さ、ヤング率、ＨＲＣ圧痕および臨界加重について、実施例１と同様の方法により評価した。その結果、マイヤー硬さは２１．１ＧＰａ、ビッカース硬さは１４５５ＨＶ、ヤング率は２７３．７ＧＰａ、ＨＲＣ圧痕はＨＦ２、臨界加重Ｌｃは８０Ｎであった。
【００３５】
［比較例１］
クロム皮膜と窒素含有クロム皮膜を交互に形成（多層膜を形成）する代わりに、窒素含有クロム皮膜を成膜するためのスパッタリング時間を７２００秒間にして、１０μｍの窒素含有クロム皮膜を形成（単層膜を形成）した以外は、実施例１と同様の方法により硬質皮膜被覆部材を得た。
【００３６】
このようにして得られた硬質皮膜被覆部材のマイヤー硬さ、ビッカース硬さ、ヤング率、ＨＲＣ圧痕および臨界加重について、実施例１と同様の方法により評価した。その結果、マイヤー硬さは１９．８ＧＰａ、ビッカース硬さは１３７６ＨＶ、ヤング率は２６１ＧＰａ、ＨＲＣ圧痕はＨＦ２、臨界加重Ｌｃは５０Ｎであった。
【００３７】
［比較例２］
窒素含有クロム皮膜を成膜するためのスパッタリング時間を３０秒間にして、それぞれ厚さ４０ｎｍのクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜を１２０層ずつ（合計２４０層、全膜厚９．６μｍ）形成した以外は、実施例１と同様の方法によりクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜を交互に形成して硬質皮膜被覆部材を得た。
【００３８】
このようにして得られた硬質皮膜被覆部材のマイヤー硬さ、ビッカース硬さ、ヤング率、ＨＲＣ圧痕および臨界加重について、実施例１と同様の方法により評価した。その結果、マイヤー硬さは１８．１ＧＰａ、ビッカース硬さは１２８０ＨＶ、ヤング率は２７１ＧＰａ、ＨＲＣ圧痕はＨＦ２、臨界加重Ｌｃは８０Ｎであった。
【００３９】
これらの実施例および比較例の硬質皮膜被覆部材の製造条件、構造および特性を表１〜表３に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
【表３】
【００４３】
これらの表からわかるように、多層膜の各々の窒素含有クロム皮膜の厚さが各々のクロム皮膜の厚さの２倍である実施例１では、単層膜の比較例１と比較すると、密着性（臨界荷重）が向上し、多層膜の各々の窒素含有クロム皮膜の厚さが各々のクロム皮膜の厚さと同じ比較例２と比較すると、密着性が同じであるにもかかわらず、硬度が向上している。また、多層膜の各々の窒素含有クロム皮膜の厚さが各々のクロム皮膜の厚さの３倍である実施例２では、比較例１と比較すると、密着性が向上するたけでなく、硬度も向上し、比較例２と比較すると、密着性が同じであるにもかかわらず、硬度がさらに向上している。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態の構造を示す断面図である。
【図２】本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態を製造するための処理装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 基材
３ 応力緩和層（クロム皮膜）
４ 硬質層（窒素含有クロム皮膜）
１０ 処理装置
１２ 真空処理室
１４ 真空ポンプ
１６ 回転テーブル
１８ 治具
２０ 基材
２２ ターゲット
２４ スパッタ電源
２６ イオンボンバードおよびバイアス電源
２８ ガス導入パイプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質皮膜被覆部材およびその製造方法に関し、特に、表面に硬質皮膜として窒素含有クロム皮膜が形成された部材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐摩耗性や耐焼き付き性が必要とされる自動車などの摺動部品や機械部材の他、高面圧下で使用される金型などの表面に、スパッタリングなどの物理的蒸着によって窒素含有クロム皮膜を形成して、耐摩耗性や耐焼き付き性を向上させる方法が知られている。しかし、スパッタリングなどの物理的蒸着によって窒素含有クロム皮膜のような硬質皮膜を金属基材上に形成すると、皮膜自体の圧縮応力により皮膜を厚くするのが困難であり、皮膜の内部応力が大きくなって基材への密着性が悪くなるという問題がある。
【０００３】
このような問題を解消する方法として、スパッタリング法により、基材の表面に形成される窒素含有クロム皮膜中の窒素濃度を基材側と表面側の間で変化させて、良好な耐摩耗性および耐焼き付き性などを有するとともに、基材への密着性および靭性にも優れた窒素含有クロム皮膜を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、イオンプレーティング法により、柱状晶ができる高バイアス電圧で複合窒化物を一定時間形成する工程と、柱状晶ができない低バイアス電圧で複合窒化物を一定時間形成する工程とを交互に繰り返して、柱状晶の複合窒化物の硬質皮膜中に一定間隔毎に一定の厚さの柱状晶ではない構造の複合窒化物の応力緩和層を挟み込むことによって、内部応力が低減されて高い密着力を有する硬質厚膜皮膜を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−９２１１２号公報（段落番号０００８−００１３）
【特許文献２】特開２００５−１８７８５９号公報（段落番号００１１−００１３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の方法では、最表面の硬度は高いが、最表面から基材に向かって硬度が低下するため、表面に窒素含有クロム皮膜が形成された基材の摺動時の磨耗量が指数関数的に上昇し、高面圧下における使用では耐久性が良好ではない場合がある。また、特許文献２の方法では、生産性が悪く、表面が粗くなり、複合窒化物の単層膜を形成した場合と比べて硬さが低下するという問題がある。
【０００６】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、良好な耐摩耗性および耐焼き付き性を有するとともに、基材への密着性および耐久性に優れた高硬度の硬質皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、基材上にクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜を形成し、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さを２００ｎｍ以下にし且つ複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍にすることにより、良好な耐摩耗性および耐焼き付き性を有するとともに、基材への密着性および耐久性に優れた高硬度の硬質皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明による硬質皮膜被覆部材は、基材上にクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜が形成され、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが２００ｎｍ以下であり且つ複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍であることを特徴とする。この硬質皮膜被覆部材において、複数のクロム皮膜の各々の厚さが略同一であり、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが略同一であるのが好ましい。
【０００９】
また、本発明による硬質皮膜被覆部材の製造方法は、基材上にクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜を形成する硬質皮膜被覆部材の製造方法において、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さを２００ｎｍ以下にし且つ複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍にすることを特徴とする。この硬質皮膜被覆部材の製造方法において、複数のクロム皮膜の各々の厚さが略同一であり、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが略同一であるのが好ましい。また、複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜が、クロムターゲットを使用してスパッタリングする装置の処理室内で連続的に形成され、複数のクロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガス雰囲気にし、複数の窒素含有クロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気にするのが好ましい。
【００１０】
なお、本明細書中において、「窒素含有クロム皮膜」とは、クロム皮膜中に窒素および窒化クロムの少なくとも一方が分散した皮膜をいう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、良好な耐摩耗性および耐焼き付き性を有するとともに、基材への密着性および耐久性に優れた高硬度の硬質皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材を製造することができる。この硬質被膜被覆部材は、金型、機械部品、自動車部品などに使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明による硬質皮膜被覆部材およびその製造方法の実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１に示すように、本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態は、基材１と、この基材１上に略同一の厚さの応力緩和層としてのクロム皮膜と略同一の厚さの硬質層としての窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように形成された複数のクロム皮膜３および複数の窒素含有クロム皮膜４とを備え、複数の窒素含有クロム皮膜４の各々の厚さが２００ｎｍ以下であり且つ複数のクロム皮膜３の各々の厚さの１．２〜５倍になっている。
【００１４】
このように、略同一の厚さの窒素含有クロム皮膜（硬質層）と略同一の厚さのクロム皮膜（硬質層より硬度が低い応力緩和層）が交互に（周期的に）積層された多層膜を基材上に形成し、複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さを２００ｎｍ以下にし且つ複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍にすることにより、基材への密着力および耐久性に優れた高硬度の硬質皮膜で被覆された硬質皮膜被覆部材を製造することができる。すなわち、基材上に形成される皮膜を多層構造にするとともに、各々の硬質層の厚さを２００ｎｍ以下にし且つ各々の応力緩和層の厚さの１．２〜５倍にすることにより、硬質層と応力緩和層の界面でクラックが伝播するのを阻止して、高硬度を確保しながら応力緩和層により応力緩和して充分な密着力を確保することができる。
【００１５】
多層膜の各々の窒素含有クロム皮膜の厚さは、２００ｎｍ以下であり、２０〜１６０ｎｍであるのが好ましく、４０〜１２０ｎｍであるのがさらに好ましい。また、多層膜の各々の窒素含有クロム皮膜の厚さは、各々のクロム皮膜の厚さの１．２〜５倍であり、１．５〜４倍であるのが好ましく、１．５〜３倍であるのがさらに好ましい。また、多層膜のクロム皮膜および窒素含有クロム皮膜の数は、それぞれ２０層以上であるのが好ましく、３０〜２４０層であるのがさらに好ましく、３０〜１２０層であるのが最も好ましい。さらに、多層膜全体の厚さは、５〜３０μｍであるのが好ましく、５〜２０μｍであるのがさらに好ましく、５〜１５μｍであるのが最も好ましい。なお、基材と多層膜との密着力をさらに向上させるために、基材上に下地層として１００ｎｍ以下のクロム皮膜を形成してもよい。
【００１６】
複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜は、クロムターゲットを使用してスパッタリングする装置の処理室内で連続的に形成することができる。すなわち、複数のクロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガス雰囲気し、複数の窒素含有クロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気にして、複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜を連続的に形成することができる。
【００１７】
このスパッタリングは、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によって行うことができるので、基材として使用する鋼材の焼き戻し温度以下の低温で成膜することができるため、鋼材の軟化や熱歪を抑制することができ、また、他の物理的蒸着と比べて生産性が高い。また、このスパッタリングでは、イオンプレーティング法によって成膜する場合のように皮膜の材料が溶融した塊（ドロップレット）が発生しないので、平滑な表面の皮膜を形成することができる。さらに、このスパッタリングでは、クロム皮膜と窒素含有クロム皮膜を形成するため、他の材料の中間層を排除することができるので、従来のスパッタリング装置に単一のターゲットを使用して、処理室内への窒素ガスを導入のＯＮ／ＯＦＦの切り替えにより、多層構造の皮膜（内部に複数の界面が形成された皮膜）を容易に形成することができる。そのため、硬質層としての窒素含有クロム皮膜と応力緩和層としてのクロム皮膜の界面でクラックが伝播するのを阻止して、高硬度を確保しながら応力緩和層により応力緩和して優れた密着性を有する窒素含有クロム皮膜を容易に得ることができる。また、バイアス電圧を一定にしてスパッタリングを行うことができるので、皮膜の割れを防止することができ、応力緩和層を挟み込んでも硬度が低下するのを防止することができる。
【００１８】
本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態は、例えば、図２に示す処理装置１０を使用して製造することができる。この処理装置１０は、真空処理室１２と、この真空処理室１２内を減圧して真空にするための真空ポンプ１４と、真空処理室１２内の底部の中心部に配設された回転テーブル１６と、この回転テーブル１６上に治具１８を介して載置された被処理部材として基材２０と、この基材２０を取り囲むように配置された蒸発源としてのターゲット２２と、これらのターゲット２２の各々に接続された直流のスパッタ電源２４と、回転テーブル１６に接続された直流のイオンボンバードおよびバイアス電源２６と、真空処理室１２内にアルゴンガスおよび窒素ガスを導入するためのガス導入パイプ２８とを備えている。以下、この処理装置１０を使用して、本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態を製造する方法について説明する。
【００１９】
（イオンボンバード処理工程）
まず、処理装置１０のターゲット２２としてクロムターゲットを使用し、真空ポンプ１４を作動させて真空処理室１２内を真空排気した後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスを導入して真空処理室１２内をアルゴンガス雰囲気にして、イオンボンバード処理を行って、基材２０の表面を活性化する。
【００２０】
（クロム皮膜形成工程）
次に、真空処理室１２内を真空排気した後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスを導入して真空処理室１２内をアルゴンガス雰囲気にする。その後、ターゲット２２にスパッタ電源２４の所定の電圧を印加して、ターゲット２２の近傍にグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化してターゲット２２に高速で衝突し、この衝突によってターゲット２２からクロム原子が叩き出され、このクロム原子が基材２０の表面に叩き付けられて、基材２０の表面に応力緩和層としてのクロム皮膜が形成される。
【００２１】
（窒素含有クロム皮膜形成工程）
次に、真空処理室１２内を真空排気した後、ガス導入パイプ２８を介して真空処理室１２内にアルゴンガスと窒素ガスを導入して真空処理室１２内をアルゴンガスと窒素ガスの雰囲気にする。その後、ターゲット２２にスパッタ電源２４の所定の電圧を印加して、ターゲット２２の近傍にグロー放電（低温プラズマ）を生じさせる。これにより、放電領域内のアルゴンガスがイオン化してターゲット２２に高速で衝突し、この衝突によってターゲット２２からクロム原子が叩き出され、このクロム原子が真空処理室１２内の雰囲気中の窒素原子とともに基材２０上のクロム皮膜の表面に叩き付けられて、基材２０上のクロム皮膜の表面に窒素を含有するクロム皮膜（硬質層）が形成される。
【００２２】
さらに、上記のクロム皮膜形成工程と窒素含有クロム皮膜形成工程を繰り返して、略同一の厚さのクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜を形成する。
【００２３】
なお、上記のスパッタリングでは、皮膜の厚さを均一にするために且つ基材２０の温度をその焼戻し温度以下に維持するために、ターゲット２２と基材２０の間隔を、例えば、７０〜８０ｍｍに保持するのが好ましい。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明による硬質皮膜被覆部材およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２５】
［実施例１］
ダイス鋼ＳＫＤ１１に浸炭焼入れ焼き戻しを施した後に鏡面研磨した基材を用意した。この基材をクロムターゲットを使用する処理装置（ＤＣマグネトロンスパッタリング装置）の真空処理室に入れて、到達真空度５×１０−４Ｐａ以下に真空排気した後、真空処理室内が圧力５×１０−１Ｐａのアルゴンガス雰囲気になるように制御してアルゴンガスを真空処理室内に導入し、１０００Ｖ×２Ａでイオンボンバード処理を約１８０分間施して、基材の表面を活性化した。
【００２６】
次に、真空処理室内の雰囲気中のアルゴンガスの分圧が０．０６１Ｐａになるようにアルゴンガスを真空処理室内に導入しながら、バイアス電圧を−１００Ｖとして、スパッタリングを３０秒間行って、窒素含有クロム皮膜上に厚さ約４０ｎｍのクロム皮膜を形成した（クロム皮膜形成工程）。
【００２７】
次に、真空処理室内を排気して真空にした後、真空処理室内の雰囲気中のアルゴンガスの分圧が０．４２Ｐａになるようにアルゴンガスを真空処理室内に導入するとともに、窒素ガスの分圧が０．０５４Ｐａになるように窒素ガスを真空処理室内に導入しながら、投入電力４ｋＷ、バイアス電圧を−１００Ｖとして、スパッタリングを６０秒間行って、クロム皮膜上に厚さ約８０ｎｍの窒素含有クロム皮膜を形成した（窒素含有クロム皮膜形成工程）。
【００２８】
さらに、上記のクロム皮膜形成工程と窒素含有クロム皮膜形成工程を繰り返し、それぞれ厚さ約４０ｎｍのクロム皮膜と厚さ約８０ｎｍの窒素含有クロム皮膜を８０層ずつ（合計１６０層、全膜厚９．６μｍ）交互に形成して硬質皮膜被覆部材を得た。
【００２９】
このようにして得られた硬質皮膜被覆部材のマイヤー硬さ、ビッカース硬さ、ヤング率、ＨＲＣ圧痕および臨界加重の評価を行った。
【００３０】
塑性変形硬さとしてのマイヤー硬さ、ビッカース硬さおよびヤング率は、フィッシャー硬度計（超微小硬さ試験機）（株式会社フィッシャー・インストルメント製のＦＩＳＣＨＥＲＳＣＯＰＥＨ１００Ｃｘｙ−ｐ）を使用して、バーコビッチ圧子により測定荷重１０ｍＮ／１０ｓおよび１００ｍＮ／１０ｓを加えて室温で測定した塑性変形硬さに基づいて算出した。その結果、マイヤー硬さは１９．３ＧＰａ、ビッカース硬さは１３４９ＨＶ、ヤング率は２５４．５ＧＰａであった。
【００３１】
ＨＲＣ圧痕は、ロックウェル試験機を使用して、Ｃスケールで圧痕を打って観察することにより、ＨＲＣ圧痕判定試験（ＤＩＮ５０１０３／１）に準拠して評価した。その結果、ＨＲＣ圧痕は（圧痕の周囲にわずかにひびが認められる）ＨＦ２であった。
【００３２】
臨界荷重Ｌｃについては、スクラッチ試験機（ＣＳＭ社製のＲＥＶＥＴＥＳＴ、ＡＥセンサー付スクラッチ試験機）を使用し、最小荷重０．９Ｎ、最大荷重９０Ｎ、荷重速度１００Ｎ／分、スクラッチ速度１０ｍｍ／分、スクラッチ距離８．９１ｍｍとして、０．２ｍｍＲのダイヤモンド圧子（型式Ｒｏｃｋｗｅｌｌ、シリアルＮｏ．Ｎ２−３１２２）によってスクラッチ試験を行い、スクラッチの周辺の皮膜が破壊されたときの荷重（臨界荷重Ｌｃ）を測定した。その結果、臨界荷重Ｌｃは８０Ｎであった。
【００３３】
［実施例２］
窒素含有クロム皮膜を成膜するためのスパッタリング時間を９０秒間にして、厚さ約４０ｎｍのクロム皮膜と厚さ約１２０ｎｍの窒素含有クロム皮膜を６０層ずつ（合計１２０層、全膜厚９．６μｍ）形成した以外は、実施例１と同様の方法によりクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜を交互に形成して硬質皮膜被覆部材を得た。
【００３４】
このようにして得られた硬質皮膜被覆部材のマイヤー硬さ、ビッカース硬さ、ヤング率、ＨＲＣ圧痕および臨界加重について、実施例１と同様の方法により評価した。その結果、マイヤー硬さは２１．１ＧＰａ、ビッカース硬さは１４５５ＨＶ、ヤング率は２７３．７ＧＰａ、ＨＲＣ圧痕はＨＦ２、臨界加重Ｌｃは８０Ｎであった。
【００３５】
［比較例１］
クロム皮膜と窒素含有クロム皮膜を交互に形成（多層膜を形成）する代わりに、窒素含有クロム皮膜を成膜するためのスパッタリング時間を７２００秒間にして、１０μｍの窒素含有クロム皮膜を形成（単層膜を形成）した以外は、実施例１と同様の方法により硬質皮膜被覆部材を得た。
【００３６】
このようにして得られた硬質皮膜被覆部材のマイヤー硬さ、ビッカース硬さ、ヤング率、ＨＲＣ圧痕および臨界加重について、実施例１と同様の方法により評価した。その結果、マイヤー硬さは１９．８ＧＰａ、ビッカース硬さは１３７６ＨＶ、ヤング率は２６１ＧＰａ、ＨＲＣ圧痕はＨＦ２、臨界加重Ｌｃは５０Ｎであった。
【００３７】
［比較例２］
窒素含有クロム皮膜を成膜するためのスパッタリング時間を３０秒間にして、それぞれ厚さ４０ｎｍのクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜を１２０層ずつ（合計２４０層、全膜厚９．６μｍ）形成した以外は、実施例１と同様の方法によりクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜を交互に形成して硬質皮膜被覆部材を得た。
【００３８】
このようにして得られた硬質皮膜被覆部材のマイヤー硬さ、ビッカース硬さ、ヤング率、ＨＲＣ圧痕および臨界加重について、実施例１と同様の方法により評価した。その結果、マイヤー硬さは１８．１ＧＰａ、ビッカース硬さは１２８０ＨＶ、ヤング率は２７１ＧＰａ、ＨＲＣ圧痕はＨＦ２、臨界加重Ｌｃは８０Ｎであった。
【００３９】
これらの実施例および比較例の硬質皮膜被覆部材の製造条件、構造および特性を表１〜表３に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
【表３】
【００４３】
これらの表からわかるように、多層膜の各々の窒素含有クロム皮膜の厚さが各々のクロム皮膜の厚さの２倍である実施例１では、単層膜の比較例１と比較すると、密着性（臨界荷重）が向上し、多層膜の各々の窒素含有クロム皮膜の厚さが各々のクロム皮膜の厚さと同じ比較例２と比較すると、密着性が同じであるにもかかわらず、硬度が向上している。また、多層膜の各々の窒素含有クロム皮膜の厚さが各々のクロム皮膜の厚さの３倍である実施例２では、比較例１と比較すると、密着性が向上するたけでなく、硬度も向上し、比較例２と比較すると、密着性が同じであるにもかかわらず、硬度がさらに向上している。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態の構造を示す断面図である。
【図２】本発明による硬質皮膜被覆部材の実施の形態を製造するための処理装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 基材
３ 応力緩和層（クロム皮膜）
４ 硬質層（窒素含有クロム皮膜）
１０ 処理装置
１２ 真空処理室
１４ 真空ポンプ
１６ 回転テーブル
１８ 治具
２０ 基材
２２ ターゲット
２４ スパッタ電源
２６ イオンボンバードおよびバイアス電源
２８ ガス導入パイプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上にクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜が形成され、前記複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが２００ｎｍ以下であり且つ前記複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍であることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材。
【請求項２】
前記複数のクロム皮膜の各々の厚さが略同一であり、前記複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが略同一であることを特徴とする、請求項１に記載の硬質皮膜被覆部材。
【請求項３】
基材上にクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜を形成する硬質皮膜被覆部材の製造方法において、前記複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さを２００ｎｍ以下にし且つ前記複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍にすることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項４】
前記複数のクロム皮膜の各々の厚さが略同一であり、前記複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが略同一であることを特徴とする、請求項３に記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項５】
前記複数の窒素含有クロム皮膜と前記複数のクロム皮膜が、クロムターゲットを使用してスパッタリングする装置の処理室内で連続的に形成され、前記複数のクロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガス雰囲気にし、前記複数の窒素含有クロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気にすることを特徴とする、請求項３または４に記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項１】
基材上にクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜が形成され、前記複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが２００ｎｍ以下であり且つ前記複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍であることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材。
【請求項２】
前記複数のクロム皮膜の各々の厚さが略同一であり、前記複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが略同一であることを特徴とする、請求項１に記載の硬質皮膜被覆部材。
【請求項３】
基材上にクロム皮膜と窒素含有クロム皮膜が交互に配置されるように複数のクロム皮膜と複数の窒素含有クロム皮膜を形成する硬質皮膜被覆部材の製造方法において、前記複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さを２００ｎｍ以下にし且つ前記複数のクロム皮膜の各々の厚さの１．２〜５倍にすることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項４】
前記複数のクロム皮膜の各々の厚さが略同一であり、前記複数の窒素含有クロム皮膜の各々の厚さが略同一であることを特徴とする、請求項３に記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【請求項５】
前記複数の窒素含有クロム皮膜と前記複数のクロム皮膜が、クロムターゲットを使用してスパッタリングする装置の処理室内で連続的に形成され、前記複数のクロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガス雰囲気にし、前記複数の窒素含有クロム皮膜を形成する際には、処理室内をアルゴンガスと窒素ガスを含む雰囲気にすることを特徴とする、請求項３または４に記載の硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−８４１９７（Ｐ２０１０−８４１９７Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５４７８８（Ｐ２００８−２５４７８８）
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【出願人】（３０６０３９１２０）ＤＯＷＡサーモテック株式会社 (45)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【出願人】（３０６０３９１２０）ＤＯＷＡサーモテック株式会社 (45)
【Ｆターム（参考）】
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