特許 6887606 被覆部材、表面被覆金型、及び成膜方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6887606

(24)【登録日】2021年5月21日

(45)【発行日】2021年6月16日

(54)【発明の名称】被覆部材、表面被覆金型、及び成膜方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/06 20060101AFI20210603BHJP

   B21D 37/01 20060101ALI20210603BHJP

   B21D 37/20 20060101ALI20210603BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20210603BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/06 A

   C23C14/06 L

   B21D37/01

   B21D37/20 Z

   B23B27/14 A

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2017-549124(P2017-549124)

(86)(22)【出願日】2016年11月4日

(86)【国際出願番号】JP2016082803

(87)【国際公開番号】WO2017078138

(87)【国際公開日】20170511

【審査請求日】2019年9月19日

(31)【優先権主張番号】特願2015-217586(P2015-217586)

(32)【優先日】2015年11月5日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】398056218

【氏名又は名称】フジタ技研株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100137394

【弁理士】

【氏名又は名称】横井 敏弘

(72)【発明者】

【氏名】北岸 靖拡

(72)【発明者】

【氏名】南条 吉保

(72)【発明者】

【氏名】岡▲崎▼ 健一

【審査官】 宮崎 園子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−３７１３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０４７５４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−０４６９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 SANJINES,R. et al.，Hexagonal nitride coatings:electronic and mechanical properties of V2N,Cr2N and δ-MoN，Thin Solid Films，１９９８年，vol.332，p.225-229

【文献】 SANJINES,R. et al.，Chemical bonding and electronic structure in binary VNy and ternary T1-xVxNy nitrides，J.Appl.Phys.，１９９８年 ２月 １日，Vol.83，第3号，p.1396-1402

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １４／０６

Ｂ２１Ｄ ３７／０１

Ｂ２１Ｄ ３７／２０

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材の表面に被膜を形成した被覆部材であって、
前記被膜は、銅Ｋａ線のＸ線回折によって測定されたときに、回折角２θが２９．９度以上３０．３度以下の範囲、３３．２度以上３３．６度以下の範囲、及び、６９．８度以上７０．６度以下の範囲にそれぞれピークを示し、３３．２度以上３３．６度以下の範囲で最大強度を示すバナジウム系窒化膜である
被覆部材。

【請求項2】

前記被膜は、（V_ａＭ_１−ａ）_α（Ｎ_ｂＸ_１−ｂ）_β（但し、ＭはIVａ族、バナジウム以外のVａ族、VIａ族、アルミニウム、ケイ素もしくはこれらの複合物であり、Ｘは炭素、酸素、ホウ素もしくはこれらの複合物であり、ａ及びｂは０．８以上１以下であり、β／αの値がＮａＣｌ型結晶構造のバナジウム系被膜よりも大きいこと、を満足する）で表される金属化合物層である
請求項１に記載の被膜部材。

【請求項3】

前記被膜に加えて、ＮａＣｌ型結晶構造を持つバナジウム系窒化膜
をさらに有し、
これらの被膜が混在している
請求項２に記載の被膜部材。

【請求項4】

金型本体と、
前記金型本体の表面の少なくとも一部を被覆する被膜と
を有し、
前記被膜は、銅Ｋａ線のＸ線回折によって測定されたときに、回折角２θが２９．９度以上３０．３度以下の範囲、３３．２度以上３３．６度以下の範囲、及び、６９．８度以上７０．６度以下の範囲にそれぞれピークを示し、３３．２度以上３３．６度以下の範囲で最大強度を示すバナジウム系窒化膜である
表面被覆金型。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被覆部材、表面被覆金型、及び成膜方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、イオンプレーティングにより無機基材の表面にＶＮ膜を成膜する成膜方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２−３７１３５２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

より膜硬度の高い被膜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】

【0005】

本発明に係る被膜部材は、基材の表面に被膜を形成した被覆部材であって、前記被膜は、結晶構造が六方晶系であるバナジウム系被膜である。

【0006】

また、本発明に係る被膜部材は、基材の表面に被膜を形成した被覆部材であって、前記被膜は、銅Ｋａ線のＸ線回折によって測定されたときに、回折角２θが２９．９度以上３０．３度以下の範囲、３３．２度以上３３．６度以下の範囲、及び、６９．８度以上７０．６度以下の範囲にそれぞれピークを示し、３３．２度以上３３．６度以下の範囲で最大強度を示すバナジウム系被膜である。

【0007】

好適には、前記被膜は、（Ｖ_ａＭ_１−ａ）_α（Ｎ_ｂＸ_１−ｂ）_β（但し、Ｍは４ａ族、バナジウム以外の５ａ族、６ａ族、アルミニウム、ケイ素もしくはこれらの複合物であり、Ｘは炭素、酸素、ホウ素もしくはこれらの複合物であり、ａ及びｂは０．８以上１以下であり、ｂ／ａの値がＮａＣｌ型結晶構造のバナジウム系被膜よりも大きいこと、を満足する）で表される金属化合物層である。

【0008】

好適には、前記被膜に加えて、ＮａＣｌ型結晶構造を持つバナジウム系被膜をさらに有し、これらの被膜が混在している。

【0009】

また、本発明に係る被覆部材は、基材の表面に被膜を形成した被覆部材であって、前記被膜は、アークイオンプレーティング装置によって、成膜温度が１００℃以上４５０℃以下であり、基材に掛けるバイアス電圧が８０Ｖ以上３００Ｖ以下であり、窒素のガス圧が２．０Ｐａ以上８．０Ｐａ以下であり、バナジウム金属を主な蒸発源とし、蒸発源から基材の対向面までの距離を１８０ｍｍ以上２３０ｍｍ以下として、蒸発源と基材との相対位置を固定して成膜した場合に、蒸発源に向かい合う基材の面に対して直交する面に形成されるバナジウム系被膜である。

【0010】

また、本発明に係る表面被覆金型は、金型本体と、前記金型本体の表面の少なくとも一部を被覆する被膜とを有し、前記被膜は、結晶構造が六方晶系であるバナジウム系被膜である。

【0011】

また、本発明に係る表面被覆金型は、金型本体と、前記金型本体の表面の少なくとも一部を被覆する被膜とを有し、前記被膜は、銅Ｋａ線のＸ線回折によって測定されたときに、回折角２θが２９．９度以上３０．３度以下の範囲、３３．２度以上３３．６度以下の範囲、及び、６９．８度以上７０．６度以下の範囲にそれぞれピークを示し、３３．２度以上３３．６度以下の範囲で最大強度を示すバナジウム系被膜である。
なお、本願における「ピーク」とは、局所的に最大強度となる点を意味する。

【発明の効果】

【0012】

より膜硬度の高い被膜を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】ＡＩＰ装置５による被膜形成を模式的に説明する図である。

【図2】新規ＶＮ膜２０が形成される基材１０上の面を説明する図である。

【図3】実施例１の対向面におけるＸ線回折データを示す図である。

【図4】実施例１の直交面におけるＸ線回折データを示す図である。

【図5】実施例２の対向面におけるＸ線回折データを示す図である。

【図6】実施例２の直交面におけるＸ線回折データを示す図である。

【図7】実施例の膜硬度の分布を表わす図である。

【図8】従来のＶＮ膜２２のＴＥＭ像である。

【図9】従来のＶＮ膜２２の電子回折図形である。

【図10】新規ＶＮ膜２０のＴＥＭ像である。

【図11】新規ＶＮ膜２０の電子回折図形である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

まず、本発明がなされた背景を説明する。
金型や切削工具、治工具に耐摩耗性を付与するために、種々のコーティング膜が開発されている。特に高硬度膜は耐摩耗性が高く、ＴｉＣＮ膜やＴｉＣ膜、ＶＣ膜、ＴｉＡｌＮ膜、さらには、Ｓｉを添加した膜など、膜のビッカース硬度（以下「ＨＶ」）３５００前後の高硬度膜が利用されている。一般に、ＶＮ膜は、ＮａＣｌ型結晶構造を有し、その硬度はＨＶ２０００からＨＶ３０００であり、上記の高硬度膜に比べて低く、単独で耐摩耗性のコーティング膜としてはあまり利用されていない。
なお、ＨＶ硬度は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準じて測定された硬さを意味する。

【0015】

上記のような事情に鑑みて、金型や切削工具、治工具などに高い耐摩耗性を付与する高硬度な新規ＶＮ膜を提供する。
新規ＶＮ膜は、膜硬度がＨＶ３０００からＨＶ５０００であり、イオンプレーティング法によって、金型や切削工具の表面に形成される。
新規ＶＮ膜は、ＮａＣｌ型結晶構造のＶＮ膜とは異なり、銅Ｋａ線でのＸ線回折の回折角２θで、２９．９度以上３０．３度以下の範囲、３３．２度以上３３．６度以下の範囲、及び、６９．８度以上７０．６度以下の範囲にそれぞれピークを示し、３３．２度以上３３．６度以下の範囲で最大強度を示すバナジウム系被膜である。つまり、本願の新規ＶＮ膜は、従来のＶＮ膜（回折角２θが３８度付近と４４度付近と６４度付近にピーク）とは異なる結晶構造を有し、従来のＶＮ膜の膜硬度（ＨＶ２０００からＨＶ３０００）よりも高い硬度を有する。
なお、新規ＶＮ膜は、バナジウムＶに加えて、他の金属元素（Ｍ）を添加して、上記硬度を有する膜を得ることもできる。Ｖの含有率は、全金属元素に対して８０％以上である。このような被膜は新規ＶＭＮ膜と呼ぶことがある。本願において、バナジウム系被膜とは、バナジウムを主な金属とする被膜であり、ＶＮ膜及びＶＭＮ膜を含む概念である。

【0016】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。新規ＶＮ膜２０（後述）は、物理的気相成長法（ＰＶＤ法）で形成される。より具体的には、イオンプレーティング法である。
図１は、ＡＩＰ装置５による被膜形成を模式的に説明する図である。
図１に例示するように、ＡＩＰ装置５は、基材１０を設置するステージ５００と、バナジウムのアーク蒸発源５０２と、バナジウム以外の金属のアーク蒸発源５０４と、アーク蒸発源に電圧を印加するアーク電源５０６と、ステージ５００に電圧を印加するバイアス電源５０８と、ガス（窒素ガスなど）の分圧を計測調整するための流量計５１０と、真空ポンプ５１２と、真空チャンバー５１４とを含む。
ＡＩＰ装置５は、上記構成によって、真空中のアーク放電を利用して、イオンプレーティング法により被膜を形成する。
特に、本実施形態では、アーク蒸発源５０２と、ステージ５００（すなわち、基材１０）との相対的な位置及び方向を固定して、被膜を形成する。
なお、本例では、バナジウムのアーク蒸発源５０２と、バナジウム以外の金属のアーク蒸発源５０４とを併用して、バナジウムを主とした合金で新規ＶＮ膜を形成する場合を具体例として説明する。

【0017】

図２は、新規ＶＮ膜２０が形成される基材１０上の面を説明する図である。
図２に例示するように、アーク蒸発源５０２と向かい合う基材１０には、従来のＶＮ膜２２が形成され、この対向面と直交する直交面に新規ＶＮ膜２０が形成される。
したがって、金型や切削工具（基材１０）をステージ５００に設置する際には、金型や切削工具（基材１０）のうち、特に耐摩耗性が必要な表面を、アーク蒸発源５０２と向かい合う対向面に直交させて配置する。

【0018】

なお、本例の成膜方法は、成膜雰囲気に非常に敏感であり、ＮａＣｌ型結晶構造をもつ従来のＶＮ膜２２と、新規ＶＮ膜２０とが混在する。つまり、基材１０の対向面には、主に従来のＶＮ膜２２が形成され、基材１０の直交面には、主に新規ＶＮ膜２０が形成されるが、条件によって従来のＶＮ膜２２と新規ＶＮ膜２０の比率が変化する。また、混在する新規ＶＮ膜２０は、従来のＶＮ膜２２よりも白い傾向にある。したがって、新規ＶＮ膜２０は、本願の条件によって基材１０に形成されたバナジウム系被膜のうち、相対的に白い領域の被膜と定義することもできる。
さらに、被膜内部の構造も単一の膜ではなく、ＮａＣｌ型結晶構造をもつ従来のＶＮ膜２２と、新規ＶＮ膜２０との多層膜となることが多い。基材１０の直上は、従来のＶＮ膜２２であり、その上に新規ＶＮ膜２０が積層されていることが多い。

【0019】

ＡＩＰ装置５で成膜する場合、成膜温度は７００℃以下が好ましく、基材１０にかけるバイアス電圧（バイアス電源５０８の電圧）は、２０Ｖから４００Ｖであることが好ましい。また、成膜時の真空チャンバー５１４内の窒素のガス圧は１Ｐａから２０Ｐａであることが好ましい。
より好ましくは、成膜温度が１００℃以上４５０℃以下であり、基材１０に掛けるバイアス電圧が８０Ｖ以上３００Ｖ以下であり、窒素のガス圧が２．０Ｐａ以上８．０Ｐａ以下であり、バナジウム金属のみをアーク蒸発源とし、アーク蒸発源５０２から基材１０の対向面までの距離を１８０ｍｍ以上２３０ｍｍ以下として、アーク蒸発源５０２と基材１０との相対位置を固定して、ＡＩＰ装置５により、基材１０の直交面に成膜する。

【0020】

（実施例１）
ＡＩＰ装置５のステージ５００に基材１０を設置し、４００℃に真空加熱後、バナジウム金属のアーク蒸発源５０２に、アーク電源５０６から８０Ａの電流を流してバナジウムを蒸発イオン化させ、基材１０の電圧を−８００Ｖでイオンボンバードを２分間行った。その後、窒素ガスを真空チャンバー５１４内に導入し、３Ｐａに調圧した後、成膜温度を２５０℃まで低下させ、バイアス電圧を−８０Ｖに下げて５０分間成膜した。
基材１０の対向面の膜硬度はＨＶ２７００であり、基材１０の直交面の膜硬度はＨＶ４０００であった。この対向面のＸ線回折のデータ（回折角2θ）は図３であり、この直交面のＸ線回折のデータ（回折角２θ）は図４である。図４には、新規ＶＮ膜２０に特有の３３．４度に強いピークが見られる。

【0021】

（実施例２）
実施例１と同様に基材１０をセットし、イオンボンバードを行った。その後、窒素ガス５Ｐａ、成膜温度３００℃、バイアス電圧−８０Ｖ、成膜時間４０分の条件でＶＮ膜を成膜した。成膜された基材１０の膜硬度は、対向面でＨＶ３８００、直交面でＨＶ４１５０であった。この対向面のＸ線回折のデータ（回折角２θ）が図５であり、この直交面のＸ線回折のデータ（回折角２θ）が図６である。図５及び図６からわかるように、対向面及び直交面ともに、新規ＶＮ膜２０に特有の３３．４度に強いピークが見られた。

【0022】

（実施例３）
実施例１と同様に基材１０をセットし、イオンボンバードを行った。その後、窒素ガス７Ｐａ、成膜温度２００℃、バイアス電圧−３００Ｖ、成膜時間４０分の条件でＶＮ膜を成膜した。成膜された基材１０の膜硬度は、対向面でＨＶ２０００、直交面でＨＶ４５００であった。直交面が新規ＶＮ膜２０である。

【0023】

（実施例４）
ＡＩＰ装置５のアーク蒸発源５０２にバナジウム金属蒸発源を設置すると共に、隣のアーク蒸発源５０４にクロム金属蒸発源を設置して、図１のように、複数の基材１０をセットし、実施例１と同様にイオンボンバードを行った。その後、窒素ガス７Ｐａ、成膜温度２５０℃、バイアス電圧−１４０Ｖ、成膜時間４０分の条件で、バナジウム金属蒸発源とクロム金属蒸発源と共にアーク電流８０Ａで金属を蒸発イオン化させ、ＶＣｒＮ膜を成膜した。バナジウム金属蒸発源から遠ざかり、クロム金属蒸発源に近いほど、ＶＣｒＮ膜中のクロム含有量が高くなった（つまり、図１の最上部の基材１０の被膜がクロム含有量最大となった）。バナジウムに対するクロムの割合が１０％と２０％の被膜では、膜硬度がＨＶ３０００、３０％の被膜では、膜硬度がＨＶ２３００であった。Ｘ線回折のデータ（回折角２θ）を見ると、クロムの割合が１０％と２０％の被膜は、新規ＶＮ膜２０に特有の３３．４℃に強いピークが見られ、新規ＶＭＮ膜であると考えられる。

【0024】

（実施例の膜硬度ＨＶ）
図７は、各被膜の膜硬度の分布を表わす図である。図７の「硬いＶＮ」は、本願の実施例における新規ＶＮ膜２０であり、「普通のＶＮ」は、従来のＶＮ膜２２である。本図からも明らかなように、新規ＶＮ膜２０は、飛躍的に膜硬度が向上したバナジウム系被膜であるといえる。

【0025】

（結晶構造の比較）
次に、新規ＶＮ膜２０と従来のＶＮ膜２２の結晶構造を比較する。
図８は、従来のＶＮ膜２２のＴＥＭ像であり、図９は、従来のＶＮ膜２２の電子回折図形である。
図１０は、新規ＶＮ膜２０のＴＥＭ像であり、図１１は、新規ＶＮ膜２０の電子回折図形である。
図８に示すように、従来のＶＮ膜２２には、約２０〜１００ｎｍの幅をもつ結晶粒が存在していた。図９に示すように、従来のＶＮ膜２２の電子回折図形で、デバイ・リングが得られたことから、従来のＶＮ膜２２は、多結晶に近い状態である。その結晶構造は、面心立方構造（ＦＣＣ）である。
一方、新規ＶＮ膜２０には、図１０に示すように、約１００〜３００ｎｍの幅をもつ結晶粒が存在していた。つまり、新規ＶＮ膜２０は、従来のＶＮ膜２２よりも大きな結晶粒が分散した状態となっている。
さらに、新規ＶＮ膜２０の電子回折図形では、図１１に示すように、デバイ・リングが見られず、方位が定まった結晶状態であることがわかる。新規ＶＮ膜２０の結晶構造は、六方晶系であることがわかった。新規ＶＮ膜２０の結晶構造の対称性は、６回回反軸であると考えられる。
このように、新規ＶＮ膜２０を構成する結晶は、従来のＶＮ膜２２を構成する結晶と比較して、結晶粒径の点及び結晶構造の点で明らかに異なるものである。

【0026】

（好ましい用途）
次に、新規ＶＮ膜２０の好ましい用途を例示する。
新規ＶＮ膜２０は、高い硬度を有するため、例えば、高張力鋼板を塑性加工するための金型表面に適用できる。塑性加工は、例えば、曲げ加工、絞り加工、バーリング加工などである。

【0027】

以上説明したように、本実施形態の新規ＶＮ膜２０は、従来のＶＮ膜に比較して高い膜硬度を有する。したがって、この新規ＶＮ膜２０で被膜された金型又は切削工具は、高い耐摩耗性を有する。

【符号の説明】

【0028】

５…ＡＩＰ装置
１０…基材
２０…新規ＶＮ膜
５００…ステージ
５０２，５０４…アーク蒸発源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】