JPH11217666A - 窒素含有Cr被膜とその製造方法およびこの被膜を有する機械部材 - Google Patents

窒素含有Cr被膜とその製造方法およびこの被膜を有する機械部材

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JPH11217666A
JPH11217666A JP33024198A JP33024198A JPH11217666A JP H11217666 A JPH11217666 A JP H11217666A JP 33024198 A JP33024198 A JP 33024198A JP 33024198 A JP33024198 A JP 33024198A JP H11217666 A JPH11217666 A JP H11217666A
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博 山形
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の機械部材は耐摩耗性、耐焼き付き性及
び耐腐蝕性に劣る欠点があった。 【解決手段】 本発明の窒素含有Cr被膜においては、
窒素を含有するCr膜中に100原子当たり50〜99
のクロム原子及び50〜1の窒素原子を含むCrX Y
結晶を点在せしめる。この被膜は窒素の雰囲気中でクロ
ムをスパッタリングすることによって形成する。また、
このスパッタリングを行う際、イオンボンバード処理を
行う。また、機械部材、特に自動2輪車、自動3輪車、
自動4輪車等の摩擦摩耗部品の表面に被膜を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒素含有Cr被膜
とその製造方法およびこの被膜を有する機械部材に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】金型をはじめとする多くの機械部材は過
酷な条件下で使用されるが、これらの機械部材に求めら
れる特性としては、耐摩耗性に優れること、耐食性に優
れること、耐焼き付き性に優れることなどが挙げられ
る。
【0003】このような特性を付与するために、通常は
このような機械部材の母材であるSKD(工具鋼)など
に様々な表面処理を施している。その一つに硬質クロム
メッキがある。硬質クロムメッキは表面の硬度が平均H
v1000〜1100と高いものの、処理廃水に含まれ
る六価クロムが水質汚染の原因になっている。また、メ
ッキ被膜と母材との密着性に問題があった。
【0004】また、PVD処理方法によって機械部材の
母材表面にCr単層被膜を形成した場合、母材と被膜と
の密着性は優れているものの、膜の硬度がHv500〜
600と低いなどの問題点があった。
【0005】また、自動2輪車や自動4輪車等のエンジ
ンおよび変速機に使用される摩擦摩耗部品などの機械部
材には、高速回転体との摺動接触や打撃を繰り返し受け
るために高靱性、高い表面硬度及び低摩擦係数等の特性
が要求される。
【0006】これらの部品には、一般に低炭素鋼或いは
中炭素鋼等が用いられ、上記特性を付与するために、浸
炭、焼き入れ、窒化などの表面処理が施されているが、
更に、硬質クロムメッキやニッケル−リンメッキ、ショ
ットピーニング、各種金属の溶射などが行われ、耐摩耗
性、耐焼き付き性、潤滑性の改善を図っている。
【0007】然しながら、昨今の軽量化やエンジン出力
の増大化により、より過酷な環境下で使用されるように
なり、上記のような表面処理では要求特性を満足し得な
くなりつつある。また、以上の特性を満足するためにP
VD法のうちイオンプレーティング法によるTiN膜や
CrN膜が使用されつつあるが、この方法では処理温度
が400℃以上と高いために母材の硬度が低下し、満足
な特性が得られないという問題があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の機
械部材への表面処理方法やそれによって得られた表面被
膜では、耐摩耗性や耐食性、耐焼き付き性、潤滑性など
に問題があったため、部材自体の寿命が劣るという問題
があった。
【0009】本発明はこのようなこれまでの表面処理方
法および被膜の問題点を解決すべくなされたものであ
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の窒素含有Cr被
膜は、CrX Y 結晶が点在することを特徴とする。
【0011】上記被膜の製造方法は、窒素の雰囲気中で
クロムをスパッタリングすることによって形成すること
を特徴とする。
【0012】また、上記スパッタリングを行うに際し、
イオンボンバード処理を行うことを特徴とする。
【0013】また、本発明の機械部材は、CrX Y
晶が点在する窒素含有Cr被膜をその表面に形成したこ
とを特徴とする。
【0014】上記CrX Y 結晶は100原子当たり5
0〜99のクロム原子及び50〜1の窒素原子を含むこ
とを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】以下図面によって本発明の被膜お
よびその製造方法、さらに被膜を有する機械部材の一例
として金型について説明する。
【0016】図1は本発明の被膜を金型上に形成するた
めのスパッタリング装置の概略図を示し、1は円筒状ま
たは角形状の真空処理室、2はこの真空処理室1内を真
空とするための真空ポンプ、3は上記真空処理室1内の
中心部に配置した回転テーブル、4はこの回転テーブル
3上に治具5を介して載置した被処理部材である金型、
6はこの被処理金型4を取り囲むように配置した蒸発源
としてのクロムターゲット、7はこのクロムターゲット
6に夫々接続した直流のスパッタ電源、8は上記回転テ
ーブル3に接続した直流のイオンボンバード及びバイア
ス電源、9は上記真空処理室1内にアルゴン及び窒素ガ
スを導入するためのガス導入パイプである。
【0017】本発明においては、スパッタリングプロセ
スの前に真空脱ガスを実施せしめる。
【0018】また、本発明においては真空処理室1内に
窒素ガスとアルゴンガスをガス導入パイプ9を介して導
入した後、被処理部材、例えば金型の表面にクロムをス
パッタリングし、金型の表面に窒素を含有するCr膜と
して100原子当たり50〜99のクロム原子及び50
〜1の窒素原子を含むCrX Y 結晶が点在した膜を生
成せしめる。上記スパッタリングに際しては、上記被膜
の厚さを均一ならしめるため、且つ被処理部材の温度を
その焼戻し温度以下に維持するため、ターゲットと被処
理材料間の間隔を例えば70mmに保つのが好ましい。
【0019】本発明においては、上記スパッタリングプ
ロセス前に必要に応じてイオンボンバード処理を行い、
かつプロセス温度を300℃未満とし、所定の被膜の厚
みに応じて処理時間を定め、被膜の組織調整はプロセス
中の圧力やバイアス電圧の変更によって行うようにす
る。なおプロセス温度が300℃以上になると、母材自
体の軟化が生じるので、本処理についてはなるべく低い
温度が好ましいが、室温以下で行うことは密着性の確保
が困難なので実用上得策でない。
【0020】なお、上記被膜の厚みは、最大100μm
までとするのが好ましい。
【0021】EPMAによって表面の膜の化学組成を調
べたところ、Cr72,N28及びCr52,N48な
どの比を示した。膜の特性については、耐焼き付き性、
耐摩耗性、摩擦係数、密着性などについて調査した。
【0022】(比較例)
【0023】比較例1,2としてはイオンプレーティン
グしたTiN膜および電解硬質クロムメッキの膜を用い
た。
【0024】耐焼き付け性については、図2に示すよう
なファビリー試験機を用いて行った。即ち、直径約6.
4mmのSCM415に浸炭焼き入れ焼き戻し研磨仕上
げしたテストピン10に、それぞれ6μmの本発明被膜
を付け、SCM415に浸炭焼き入れ焼き戻し表面研磨
仕上げしたVブロック11を用い、締め付け加重を60
0Kgf一定として断続運転を行った。断続運転は2秒
ON,10秒OFF、すべり速度0.1m/sec,無
潤滑の条件である。評価の方法は、膜が破壊するまでの
断続回数を焼き付き性として評価した。
【0025】なお、12はテストピン10を例えば30
0rpmで回転せしめる駆動機、13は駆動機12にテ
ストピン10を固定するためのシアーピンである。
【0026】また、摩耗特性としては、耐アグレッシブ
特性を評価した。スガ式摩耗試験器(NUS−ISO−
3型)を用いて、#400のダイヤモンド電着研磨布を
用いて、往復運動摩耗試験を行った。母材はいずれもS
US440Cを鏡面仕上げしたものである。試験片の総
荷重は9.8Nであり往復のストローク長さは60mm
である。摩耗特性の評価はサンプルの摩耗量(×10-5
g/cm)として評価した。
【0027】表1にその結果を示す。
【0028】
【表1】
【0029】なお、表1において、例えば破壊までの回
数30<とは30回以上を示し、5>とは5回以下を示
す。
【0030】さらに、本発明被膜を有する部材の一例と
して、金型にスパッタリング処理を施した。
【0031】本発明におけるイオンボンバード処理は、
Ar雰囲気中で2×10-2torrとして、1250V
×0.01mAで約40分行った。
【0032】また、スパッタリング処理は、雰囲気中の
ガス分圧をAr:1.2×10-3torr,N2:0.
2×10-3torr,バイアス電圧:−90〜−100
Vとし、処理時間を約100分とした。
【0033】本発明においては以上の条件で母材である
工具鋼にスパッタリングターゲット処理を施した金型を
作成した。
【0034】なお、上記の条件については、母材の材
料、寸法や形状によって変更される。本実施例の場合は
上記条件をはずれると、被膜の密着性や膜の特性が劣
る。
【0035】この条件によって得られた膜は、硬度がH
v=1700〜2000であり、得られた膜の厚さは1
0μmであった。
【0036】表2に従来の金型との使用上の比較例を示
す。寿命については実際にパンチをした際に金型の離れ
が悪くなった際の成型品のショット数で本発明と従来金
型の比較を行ったものである。
【0037】表2は、種々の材質の金型及びパンチの使
用寿命を示す。
【0038】
【表2】
【0039】なお、表2において、例えば寿命倍率10
<とは従来のものに比べ寿命が10倍延びたことを示
す。また、SKD(HQT)は、焼入・焼戻しのSKD
材を示す。
【0040】以下本発明の被膜を自動2輪車及び自動4
輪車等のエンジン及び変速機に使用される摩擦摩耗部品
に適用した本発明の他の実施例を説明する。
【0041】比較例3,4,5としてはイオンプレーテ
ィングしたTiN膜とCrN膜及び電解硬質クロムメッ
キの膜を用いた。
【0042】摩擦係数及び耐焼き付き性については、図
2に示すような、ファビリー試験機を用いて行った。即
ち、直径6.4mmのSCM415に浸炭焼き入れ、焼
き戻し研磨仕上げしたテストピン10に、夫々10μm
の本発明被膜を着け、SCM415に浸炭焼き入れ、焼
き戻し表面研磨仕上げしたVブロック11を用い、締付
け荷重を0から25kg/秒で増加する試験を行った。
試験は油中で実施し、このときの摩擦係数と耐焼付き荷
重を評価した。表3にその結果を示す。
【0043】
【表3】
【0044】また、本発明被膜を摩擦摩耗部品である自
動2輪車用シフトフォークに適用することを考慮して、
摩擦摩耗試験を行ない、本発明品の摩耗量を比較例6〜
9のそれと比較した。この時の被膜条件は、母材がSC
M415の浸炭焼き入れ焼き戻し品を研磨ラップ仕上し
表面粗さをRa0.2に調整し、この上に本発明被膜を
5〜10μm厚さで処理した。また、摩擦摩耗試験は実
際の自動2輪車ではシフトフォークの相手方の材料(シ
フター)との摩擦摩耗を調べるのであるが、ここでは、
摩擦摩耗試験としてプレイトオンディスク試験を行な
い、シフターに相当する部分の表面処理は、機械加工
し、浸炭し,ショットブラスト処理したものを用いた。
【0045】本発明で用いた摩擦摩耗試験では、シフタ
ーに相当するターンテーブルの上に、シフトフォークに
相当する被処理品を所定の荷重で押圧した状態でターン
テーブルのみを所定時間回転させた後、被処理品の摩耗
量を測定し、この摩耗量を試験片の摩擦面の被膜の膜厚
の減少量として評価する。
【0046】具体的には、被処理品:SCM415の母
材を浸炭焼き入れ焼き戻しした後に、研磨ラップ仕上げ
し、表面粗さをRa=0.2に調整し、この上に本発明
の方法によって得られる窒素含有被膜を5μm厚さでつ
けたものを試験品として用い、相手方のターンテーブル
には、被処理品と接触する面の表面を機械加工仕上げの
後、浸炭を行ない、ショットブラスト処理によって得ら
れたものを用いた。なお、荷重負荷は80Kgf,すべ
り速度は13m/sec,時間は20時間とした。
【0047】摩擦条件は、最大荷重80kgf、すべり
速度最大13m/秒で20時間の耐久試験を実施した。
【0048】試験後の評価は、摩擦面の摩耗量を膜厚の
減少量として評価した。本評価結果を表4に示す。
【0049】
【表4】
【0050】表4中に比較例6として硬質クロムメッキ
(膜厚30μm)、比較例7としてイオンプレーティン
グ製(以下IPと略す)TiN(膜厚5μm)、比較例
8としてIP製CrN(膜厚6μm)及び比較例9とし
てMo溶射(膜厚100μm)品を用いた。
【0051】
【発明の効果】上記のように本発明の機械部材によれ
ば、機械部材の寿命を大きく延ばすことができるのみな
らず、その離型性も向上し、資源の有効的活用と公害問
題の軽減にも大きく貢献できる等大きな利益がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の機械部材の表面処理装置の説明図であ
る。
【図2】ファビリー試験機の説明図である。
【符号の説明】
1 真空処理室 2 真空ポンプ 3 回転テーブル 4 被処理金型 5 治具 6 クロムターゲット 7 スパッタ電源 8 直流のバイアス電源 9 ガス導入パイプ 10 テストピン 11 Vブロック 12 駆動機 13 シアーピン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山形 博 神奈川県横浜市泉区中田北三丁目3−8− 104号 (72)発明者 野上 曜 神奈川県横浜市泉区中田北三丁目3−8− 205号

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CrX Y 結晶が点在することを特徴と
    する窒素含有Cr被膜。
  2. 【請求項2】 上記CrX Y 結晶は100原子当たり
    50〜99のクロム原子及び50〜1の窒素原子を含む
    ことを特徴とする請求項1記載の窒素含有Cr被膜。
  3. 【請求項3】 窒素の雰囲気中でクロムをスパッタリン
    グすることによってCrX Y 結晶が点在する窒素含有
    Cr被膜を形成することを特徴とする窒素含有Cr被膜
    の製造方法。
  4. 【請求項4】 上記スパッタリングを行うに際し、イオ
    ンボンバード処理を行うことを特徴とする請求項3記載
    の窒素含有Cr被膜の製造方法。
  5. 【請求項5】 CrX Y 結晶が点在する窒素含有Cr
    被膜をその表面に形成したことを特徴とする機械部材。
  6. 【請求項6】 上記CrX Y 結晶は100原子当り5
    0〜99のクロム原子及び50〜1の窒素原子を含むこ
    とを特徴とする請求項5記載の機械部材。
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