TiN 硬质薄膜涂层评估 MSE测量应用

514 515石井·春山·河村·川·岩井：(111)面仁配向L龙窒化千夕>膜被覆L工具鋼D性能評価 論文 原稿受付2010年11月29日 揭載決定2011年5月13日“卜艺水口沙又卜”第56卷 第8号 (2011) 514-522 春 山 義鹿 夫富山立大学工学部機械沙又于么工学科(939-0398富山射水市黒河5180)河 村 新 吾YKK(株)工機技術本部(938-8601 富山鼎部市吉田200)川 教 世富山立大学工学部機械沙又于么工学科(T939-0398富山鼎射水市黒河5180)岩 井 善 郎 福井大学大学院工学研究科機械工学缚攻 (干910-8507福井书福井市文京3丁目9-1) Abstract Effect of crystal orientation of titanium nitride (TiN) film on its tribological performance is the subject of aseries of studies for a coating application to tools and machine parts. In this study， focusing on theinfluence of substrate on wear properties of film， two wear tests [the micro slurry-jet erosion (MSE) testagainst alumina particles and the ring-on-block sliding-test against an aluminum alloy ring] were conductedwith three kinds of tool steel substrate. Tribological performance of TiN film with a strong (111)orientation and that with ordinary (111) and (200) orientations were compared by these tests. The wear ratefrom the MSE test was depending on the X-ray diffraction intensity ratio of (111) to (200) regardless of thesubstrate. The film life from the ring-on-block sliding-test were markedly improved with the strongly (111)oriented TiN film. Possible mechanisms of the life improvement are discussed. 1.言 金型·工具·機械部品D性能向上D大汇，窒化松七D散处理，窒化千夕>(TiN) D硬質膜被覆，6忆法，九与玄搬办合扣世大複合表面改質注目誌礼，子D性能評価汇関寸石研究力行扣机飞石1.2). 著者法，合金工具鋼(熱間金型用) SKD61基材七ù，基材D厂艺<光輝窒化处理七彳才 达一彳少汇上石 TiN 被覆玄組合扣世TiN 複合表面改膜膜注注目L，子D性能向上KT檢討L龙3.4)，D結果，基材D窒化处理後记烧戾处理老施寸之七上切，了儿二二合金相手材七寸石無潤滑DJ沙少·才术·7口少夕摩擦摩耗試験汇拾\飞，燒戾L行打八場合比~，被膜寿命玄約2.5倍延長飞老石二七明与力L，，燒燒L忆加之 TiN 膜(111)面強<先先配向世石二七上，被膜 Performance Evaluation of (111) Preferred Oriented Titanium Nitride Coatings on ToolSteel By Junya ISHIl， Machinery and Engineering Group，YKK Co.， Ltd. (200， Yoshida， Kurobe-shi， Toyama 938-8601)， Yoshio HARUYAMA，Department of Mechanical Systems Engineering， Faculty of Engineering， Toyama Prefectural University (5180， Kurokawa，Imizu-shi， Toyama939-0398). Shingo KAWAMURA， Machinery and Engineering Group， YKK Co.， Ltd. (200，Yoshida， Kurobe-shi， Toyama 938-8601)， NoriyoHORIKAWA. Department of Mechanical Systems Engineering， Faculty of Engineering， Toyama Prefectural University (5180， Kurokawa，Imizu-shi， Toyama 939-0398) and Yoshiro IWAI， Department of Mechanical Engineering， Graduate School of Engineering， University ofFukui (9-1， Bunkyo 3-chome， Fukui-shi， Fukui910-8507) ( Key W o rds： wea r ， surface treatment， coa t ing， alloy to o l steel，aluminum alloy， tit a nium nitride coa t ing， (11 1 ) p r ef e rred orie n ted titanium n itride ) 寿命社優先配向世場合合比飞約2倍延長寸石二七明加汇L龙5. 二九飞D研究飞法，基材法 SKD61 窒化处理行一龙D限定L飞，硬老店範囲忆異尔石基材记 TiN 膜覆被覆L七D被膜寿命系統的調八石二七硬質膜被覆材D性能中信賴性D向上七口飞必要課題飞步石，本報報注，3種類D硬之办異尔石工具鋼基材〔合金工具鋼(熱閒金型用)SKD61，合金工具鋼(冶間金型用)SKD11，高速度工具鋼 SKH51]用，配向D異石 TiN膜形成L被覆材K儿T，摩擦摩耗試験汇上9性能評価L，基材D影響i儿T檢討L結果報告告石 2..試験片 試験片D基材七石合金工具鋼(熱間金型用)SKD61，合金工具鋼(冷間金金用)SKD11， 高速度工具鋼 SKH51 D化学成分 Table 1汇示寸.試験片片 40×40 mm²， 厚10 mm D7口少夕形状飞芒机47±1， 58±1，61±1 HRC D硬汇熱处理L.拾熱处理法，机1020，1020，1180℃飞燒入入後，615，520，580℃飞燒戾L走行一.二基材D40mm平方D面玄鏡面研磨LTiN膜右被覆L龙.被覆前D表面粗表法 Rz 0.03，0.04， 0.04 um飞石. TiN 被覆法，亦口一力>一下放電(HCD)彳 才夕一才少上夕，前報飞述心沐上汇基材回転世面玄被覆寸石通常D方法法，基材苍常汇蒸発源向石之七飞片面D刄被覆，(111)面K強<配向L大被膜形成寸石方法用用℃製膜莫龙，芒D製膜方法上TiN 被覆L龙DeC-coating， N-coating 七呼.TiN 膜D厚法約 2.5 p.m 飞石，之D上5飞飞作製L大試験片 Table 2 示示寸，同表D試験片D記号IP法彳才少7L一彳少TiN被覆表L，八彳7D後数製膜方法法C， N飞表L，括弧内法基材示寸.表面粗面七 TiN 膜化学的除膜L飞測定L大基材D表面DE少力一又硬(測定荷重0.98N) Table 2 示寸七製製膜方法上6寸任一定D值七飞石. 3. TiN被覆材D基本的性質 試験片D基本的性質七L亡，X線回折 (XRD)八夕一>，透過型電子顯微鏡(TEM)上石断面每察，被膜D硬，残留力，又夕于少千試験汇上石臨界荷重一八丫调~. 3.1 TiN膜DX線回折八夕一> TiN膜DX線回折八夕一>D測定注，特性X線 Cu-K，線用，0-20法行行一.測定結果D代表例它 Fig.1示寸.前報”七同樣，C-coating飞Fig.1 (a)K示寸上汇，，(111)面七(200)面D回折匕一夕一現飞現才求， N-coating 飞法 Table 1 Chemical composition of substrate (mass%) Substrate Si Mn P Cr W Mo V Fe SKD61 0.38 0.98 0.41 0.009 0.001 5.08 一 1.36 0.85 Bal. SKD11 1.50 0.25 0.45 0.025 0.010 12.0 1.00 0.35 Bal. SKH51 0.85 0.25 0.35 0.025 0.010 4.15 6.50 5.30 2.05 Bal. Table 2 TiN coated specimens and their properties Code ' Distinctionby coating Surface roughnessof the film Rz， um Surface hardness ofthe substrate HV Intensity ratio of(111) to (200) Residual stress，GPa IP-C(SKD61) C-coating 0.05 480 3~30 -1.9~-2.0 IP-N(SKD61) N-coating 26~500 -2.2~-2.4 IP-C(SKD11) C-coating 0.26 640 3~20 -1.7~-2.6 IP-N(SKD11) N-coating 18~200 -2.2~-2.7 IP-C(SKH51) C-coating 0.12 710 3~34 -1.6~-2.3 IP-N(SKH51) N-coating 32~350 -2.2~-2.7 (a)XRD intensity ratio：5.4 [IP-C(SKH51)] (b)XRD intensity ratio：260 [IP-N(SKH51)] Fig. 1 Example of X-ray diffraction patterns for specimens Fig.1 (b)寸示寸上艺K，(111)面办GD回折一夕強<現飞八石.各試験片D(111)面D(200)面仁対寸石回折強度比(以下，回折強度比比5) Table 2 K示寸.D試験片拾飞回折強 度比D異尔石試験片下飞八石.书，無配向D場合D回折折度比法 JCPDS 于一夕汇上上0.72飞石 3.2 TEM二=上石断面跟察 回折強度比D異尔石代表的二二DTiN膜D断面 TEM像 Fig.2(a)，(b)示示寸.而被膜七柱状構造L飞八石，回折強度比办小八被膜結晶粒大老<，同K結晶D成長方向矢印飞示L龙上5起，基材表面対L<艺沙岁么松方向成長L飞八石.一方， (111)面強<優先配向被膜結晶粒办小<，基材表面垂直忆成長L構造告飞石. 3.3 .被膜D硬 被膜D硬法十)彳少宁少夕一起上，E少力一又庄子用荷重10mN飞定， Ey力一-又硬主在推定龙.本試験飞，押込深基材D影響七七受时尔七九飞石”膜厚D1/10以下飞一. 被膜D硬七回折強度比D度係 Fig. 3 汇示示.硬更法2200~2600 HV 飞回折強度比上寸任于一定D值示L飞书，基材D種類汇上石差 300mm 1um 300nm (b)XRD intensity ratio：150 [IP-N(SKH51)] Fig.2 TEM micrographs of cross-sections of TiN film 电 3.4 残留力 被膜D残留留力法，前報七同樣 Cr-K.線汇上石 TiN311回折線(20=127.06)用 sin²山法汇上測定ù龙，得5九残留忘力七回折強度比D関係 Fig. 4 二示寸..主龙，九50值Table2汇示全.全飞D試験片八飞庄箱力七心飞石.前報D SKD61 基材沐寸石 TiN複合表面改質膜七同樣，本研究D被膜一丫D值妇回折強度比D增加七七汇增加石，大被覆之礼石基材汇上石差法玉九八.书，前報5)D複合表面改質膜飞法回折強度比50以上飞二D傾向法見与九龙力，本研究D被膜D場合， Fig. 4 汇見石上回折強度比办书上50以上 (N-coating) 飞法，D值D大老态注2GPa以上飞扬石屯DD，6士石石平均2.5GPa注飞同程度七寸二七飞老石 3.5 又夕亏少于試験 又夕少千試験法，既既3.4)七同試験機上0，先端曲率半径200 jmD夕彳中干>下庄子交用℃，試験片移動速度10 mm/min， 荷重負荷速度 100 N/min D条件飞行一七.被膜K損傷水発生L飞AE(了=一又彳少夕·工少八)信号办得6广場合洽龙边，臨界荷重LcD决定法，：，又夕少千条痕D光学頭微鏡觀察亿上门行定. Lc七回折強度比D関係 Fig. 5示寸.D基材汇DLc法回折強度比上6寸注一定D值飞石，亲龙，基材D硬办大<水石七Lc大吉八值值石. 4. TiN被覆材D性能評価 4.1 又彳夕口又亏J一沙工少卜工口一沙>(MSE)試験， 被膜自体D特性評価石試験七了前報上同MSE 試験7.8)e行定. MSE 試験法又于y一庄縮空空気上夕加速束飞試験片汇衝突之世石毛D飞，基材D影響受受寸汇被膜D特性評価寸石二七飞老石.又少一中D固体粒子汇法平均粒径1.2 um D不定形了儿十WA#8000 用八，濃度3 mass%，空気気力0.5MPa，衝突角度 Fig.3 Relationship between film hardness and XRD intensityratio of (111) to (200) Fig.4Relationship between residual stress and XRD intensityratio of(111)to (200) Fig.5Relationship between critical load Lc and XRD intensityratio of (111) to (200) 45°℃試験行行一，书，摩耗量触針式粗計飞一定投射時間每D最大摩耗深誌測定L.投射時間亿対寸石最大摩耗深书D变化炫示寸石七，主飞D TiN 膜D结果7.8)同同樣最大摩耗深投射時間D增加伴丫直線的增加.子二飞，D直線D傾老力6単位時間当龙D摩耗量 (MSE 試験D摩耗率)求龙. 摩耗率上回折強度比D関係 Fig. 6示寸.摩耗率注回折強度比D增加汇伴飞减少L，回折強度比办50以上飞法活一定D值七，基材汇上石差七二艺.著者D岩井6井， MSE 試験D摩耗率，硬尤十<結晶配向性中被膜D方密老汇上口飞变化， TiN 膜飞法(111)面水(200)面上摩耗率小吉小之七報告L飞石7).電子線後方散乱回折 (EBSD)上回折強度比42D被膜 [IP-N (SKH51)〕測定L七二石，被膜表面D8割以上办(111)面飞石二七認L飞石.亲，回折強度比办50以上D被膜飞， Fig. 4 k見九石上汇縮残残留忘力同程度飞步石.之九D之七办回折強度比50以上D被膜飞法，被膜DD特性汇著L<支配石MSE 試験汇拾汁石摩耗率于一定D小八值K一无原因上考之乌扎石. 4.2 少少·才·口口夕摩擦摩耗試験 4.2.1 試験方法 被膜寿命評価寸石試験七L丫既報3~5)七同汇少沙少·才·7口少夕摩擦摩耗試験行.，少夕法内·外径外20.0，25.6 mm，硬70 HV D了儿二么合金A6063-T5 [化学粗成(mass%)：0.42Si， 0.18Fe，0.01 Cu， 0.01 Mn， 0.50 Mg， 0.01 Cr， 0.01 Zn， 0.01 Ti，Bal. Al] 製飞，7口夕夕試験片法第2章飞示L試験片飞步石，試験注，前報七同亡試験条件D荷重250N， 寸心速度 0.1 m/s七，温度20~25℃，相対湿 度45~60%D大気中，無潤滑下飞行. Fig.6 Relationship between erosion wear rate and XRDintensity ratio of (111) to (200) 被膜寿命注，既報”七同樣汇膜厚相当D摩耗量生生石寸心距離七定義L龙.被膜D損傷形態D觀察，試験後DL動面D移着物5%NaOH 水溶液溶溶解除去L走查型電子頸微鏡(SEM)乙上行一. 4.2.2摩擦系数七摩耗粉 IP-C(SKH51)， IP-N(SKH51)， IP-C(SKD11)， IP-N (SKD11)汇一儿法，摩擦係数法概扣0.4~0.5D範囲飞变動L飞元. 一方， IP-C (SKD61)， IP-N (SKD61)D摩擦係数数0.4~0.7D範囲飞变動L，他D試験片場合七比比L中中大老八值示示. 摩耗粉D大老大，形状注， Fig. 7 D SEM ī察像K示寸上K，回折強度比比上寸，数um加6十数um D粒状飞扬，工木儿中一分散型X線分光分析 (EDS) D果果上，大老吉汇上6寸A1，O，GU亿僅办石Ti办檢出老飞飞石. (b)XRD intensity ratio：205 [IP-N(SKH51)] Fig.7 SEM micrographs and EDS analyses of wear debris after sliding test 二D七加6摩耗粉法少量D TiN膜D破碎片混合L硬質D了儿二二人酸化物办主体石“)1) 乙打法，他D試験片D場合飞同司飞飞一.4.2.3 被膜寿命 被膜寿命七回折強度比D関系 Fig. 8 示方. IP-N (SKD61)法回折強度比办大吉八場合被膜寿命办約200m 飞石.IP-C (SKD11)， IP-N (SKD11) 飞注回折強度比D增加伴一飞被膜寿命法400m办5700m增加寸石， IP-C (SKH51)， IP-N(SKH51)飞回折強度比办50以下D場合，被膜寿命1000m 飞南石D対，回折強度比100以上飞法1500m飞协9，回折強度比力50以下D場合汇対L，約1.5倍D寿命延長七尔一飞石. Figure 8加明6办上艺汇，被膜寿命社基材上口飞大吉<異石. 4.2.4 被膜D損傷形態 Figure 9 K各被覆材D代表的泊損傷形態傷示寸. IP-C (SKD61)， IP-N(SKD61)， IP-C (SKD11)， IP-N (SKD11)飞社回折強度比D大小大办办扣6力， Fig.9 (a)(d)示示寸上微小尔殼状D了彳夕口千少八少飞摩耗進行L龙後汇，被膜七七汇基材水削取G石又夕夕少千升少办発生L飞被膜寿命至石. IP-C(SKH51)， IP-N (SKH51) K1飞它回折強度比办50以下D場合，他D試験片七同汇Fig.9(e)示寸上彳夕口千少少夕飞摩耗办進行L龙後仁，又夕少千沙少办発生儿飞被膜寿命至石..一方，回折強度比办100以上飞，久夕又少于沙少法発生世， Fig.9 (f)K見G九石上5，了彳夕口千少沙少D下被膜办消失寸石飞摩耗毛進行飞被膜寿命至石.二D上K，適切尔基材定，回折強度比北100 以上七寸石之七汇上，損傷形熊法√彳夕口千少少D上，大幅仁被膜寿命社延長寸石. 5.考察 5.1 久夕亏少于少少D抑制 前報习飞才√光輝窒化处理汇上基材D硬840 HV4) SKD61 基材七寸石 TiN複合表面改質膜招八，回折強度比比100以上飞法被膜D庄残留忘力D增加汇上9，被膜D損 Fig.8 Relationship between film life and XRD intensity ratioof (111)to (200) 傷又夕艺少千夕D発生办抑制扎了彳夕口千少少D办七，J少少·才少·口少夕摩擦摩耗試験汇拾汁石被膜寿命法1500m程度K延長寸石二七確認忍丫八. 本研究回折折度比比100以上DIP-N (SKH51)注夕沙少·才·口少夕摩擦摩耗試験之书夕口口少沙少D下摩耗办進行寸石大，長寿命飞寿一办， IP-N (SKD61)上UIP-N (SKD11)飞回回折強度比100以上D电D下又夕艺少千升少办発生L短寿命飞定...二九飞D研究5，又夕少千少少D発生被膜D破壞K対寸石強度右上心基材七D付着強度(界面飞D夕艺少夕発生·進展対寸石強度)D影響受，亲基材塑塑性变形受中寸場合，水UK基材D破壞韌性办低場合汇生石3.4)二七明办飞小石. Figure 3， Fig.4， Fig.6示L被膜D硬，残留忘力， MSE 試験D結果基基材D種類I依存加6，回折強度比办同基材办異口飞被膜自体D強度注同飞石上考之之石.前報》飞考察察上5K，庄縮残留忘力2 GPa上大老八，寸士打方Fig.4拾八℃回折強度比加上50以上D被膜D老裂開口干一下I亿対寸石強度，被膜自体D強度1GPa”七合世丫3GPa以上上石，L龙办一丫，之D被膜D強度讨L5動汇上酸化书上塑性流動受寸硬化L龙了儿二二合金合金少七 TiN膜七D間D寸心汇上生生石夕艺少夕办発生寸石引張忘力3GPa’上切大<，又夕于少于沙夕D起点七石老裂D発生，D後D又夕少千少D発生抑 50pm (a) XRD intensity ratio：4.4[IP-C(SKD61) after sliding 50ml 50um (c) XRD intensity ratio：3.3[IP-C(SKD11) after sliding 150ml 50um (e) XRD intensity ratio：6.5 [IP-C(SKH51) after sliding 300m] Fig.9 Typical microscopic failure of the TiN coating surfaceThe arrows indicate the sliding directions. 50pm (b)XRD intensity ratio：500 [IP-N(SKD61) after sliding 50m] 50um (d) XRD intensity ratio：127 [IP-N(SKD11) after sliding 150m] 50um (f) XRD intensity ratio：270 [IP-N(SKH51) after sliding 300m] 制飞老石七考之石石. 各製膜方法汇上試験片D違八法，基材D合金組成七硬，基材D老裂汇対寸石破壞性性石.寸打方 SKD61 飞便硬法，第2章飞述入上5480 HV飞， SKH51 D硬710 HV七比較L飞7割以下七低八龙边K塑性变形生生中寸<，亲SKD11D硬法640 HV下步，SKH51 汇比 八丫約1割低<，抗折強度古同等以下10)飞石边，破壞性过低七推定礼石，.老6，SKD11 法 SKH51汇比八被膜D付着強度玄向上上世石八十沙么11)东D合金元素办少宏<界面八为老裂進展L中寸.：二九6D二七，IP-C(SKD61)， IP-N (SKD61)， IP-C(SKD11)，IP-N (SKD11)忆久夕少千沙少办生龙原因七 考之扎石. 主，庄残留心力办2 GPa 上大老<回折強度比七50~100DIP-N (SKH51) D被膜K， Fig. 8 見6石上長仁長寿命DD办得5，二D強度比下又夕艺少千沙少办確実<試験，調查办必要要石， TiN 複合表面改質膜K関寸石二飞D研究3~”飞明力汇L飞老之上，，今回D基材变之大 TiN被覆材D摩擦摩耗試験加66，硬質摩耗粉办介在寸石L5動汇拾℃，被覆材D又夕艺少子少抑制D无的汇，被膜D破壞対寸石強度七基材七D付着強度，东GU仁基材K塑性变形玄抑制飞老石硬更七，L重上発生寸石寸八方向垂直标夕少夕左抑制飞老石破壞勒性办必要飞扬石二七明办汇东一. 5.2晶配向七残留志力仁\飞 TiN 膜丫，(111)面K配向L結结晶粒侵入原子汇上格子歪他D面上大吉<石七5報告12)毛石办，本研究二石回折強度比七庄縮残留力D関係一叭法，十分忆明G加飞，两者D被膜寿命D向上D影響度合1七合世飞今後D檢討課題飞石. 沐， N-coating 七 C-coatingD比較飞，後者D縮残留忘力办小八七二八飞，前者飞法製膜面办常记蒸発源玄向八八八龙忆，被膜D成長時汇常汇浮任一定D千夕>彳才D一二夕作用2)受受石D石対L，後者飞注， Fig. 2 0TEM 像汇見G石上夕前者上夕結晶粒大音<，成膜面办蒸発源向小飞宏八七老汇结晶粒成長上石構造緩和13)办生石二七一因飞石七考之乌九石. 6.洁言 3種類D硬之办異石工具鋼张2種類D製膜方法飞 TiN膜被覆L被覆材忆口℃，被膜DX線回折強度比中基材D違忆上石卜艺彳才口沙一特性八D影響調~.得九結果士次D通飞石. (1) MSE 試験K汁石摩耗率注，基材D種類上5寸回折強度比D增加仁伴飞滤少 L，回折強度比办50以上飞任任一定D值七宝. (2) SKD11， SKH51 材基材七寸石試験片D少少·才·刀口少夕摩擦摩耗試験石被膜寿命法，回折強度比D大老小屯D注七長，，回折強度比比100超之石IP-N (SKH51)飞莫被膜D庄縮残留力大老八之七，U製膜寸石基材D硬大小之七汇上，又夕艺少千沙少办発生世亨忆彳夕口千少少少D孙下摩耗办進行寸石大被膜寿命法回折強度比办小場合七比較L飞約1.5倍延長L龙.(3) 上記D結果疮合寸石七，又夕少千沙少D発生抑制L，被膜寿命延長世石方策七L飞，基材法 SKH51 程度D硬七破壞性，才U被膜D(111)面優先配向七庄縮残留忘力D增加办必要飞石七考之扎石. 謝辞 ( 本研究D行汇海广，被膜D硬之測定，又夕少千試験汇際飞二協力八龙龙八龙富山工業技術七沙夕一岩坪聪副主幹研究員，6UK MSE 試験汇協力八无龙富山鼎立大学学生加藤大貴 君K感謝D意表寸，书，本研究D一部法科学研究費基盤研究(C)(21560147)，基盤研究(B) (21360073)D助成受実施L二七記L飞謝意表表主 ) ( 文献 ) ( 1 ) T . B ell， H. D ong & Y. Sun ： Realising th e po t ential o f duplex surface engineering， T ribology international， 3 1，1-3(1998) 1 27. ) ( 2) T . Bjork， R. W estergard & S. 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