工業的規模で生成されている主なチタン系硬質膜は、TiN、TiC、TiCNおよびTiAlNで、それぞれ使用条件によって使い分けられています。

１．硬さ

TiCN膜はTiN膜の硬質･靱性とTiC膜の超硬質･低摩擦係数を兼ね備えた硬質膜として誕生したものです。すなわち、TiCN膜は反応ガスであるN₂ガスと炭化水素系ガス(CH₄またはC₂H₂)との混合比を変えることによって、膜中のC量を制御することができます。

図１は、HCD法によって生成した皮膜表面における硬さとC₂H₂流量比との関係を示したものです。反応ガスがN₂ガス単独の場合はTi/Nがほぼ1/1のTiNが得られますが、C₂H₂流量比が大きくなると膜中の窒素濃度が低下し、それに反比例するように炭素濃度が増加しており、C₂H₂ガス単独ではTi/Cがほぼ1/1のTiC膜が生成されます。測定荷重0.49Nのときの表面硬さは、N₂単独のときに得られるTiN膜の硬さは1600HV程度ですが、C₂H₂流量比の増加にともなってほぼ直線的に硬さは高くなり、C₂H₂単独のときに得られる皮膜は2400～2500HVにまで達します。ただし、これらの硬さは基材の影響を受けており、成膜法や成膜条件によっても異なりますから、一般的なTiN膜は1800HV以上、TiC膜は2600HV以上であることが推察されます。なお、TiAlN膜の硬さはTi/Alの含有比率によって若干は異なるようですが、TiN膜と同等もしくは若干高めです。

２．摺動特性

一例として、図２にHCD法にて生成したTiN膜について、凝着しやすいSUS304を相手材としたときの各種摩擦環境下における摩擦係数の変化を示します。大気中では、摩擦開始直後から摩擦係数は急上昇しており、相手材が激しく凝着している様相がうかがえます。しかし、水溶性切削油やパラフィン油中では摩擦係数が極端に低減しており、摺動をともなう工具にTiN膜を利用する場合には、無潤滑環境ではその採用効果はほとんど期待できず、潤滑剤の併用は必須であることが分かります。

なお、これらの摩擦摩耗特性は他のチタン系硬質膜においても同様です。例えば、図３にアーク蒸発法で生成したTiAlN膜について、凝着を起こしやすい軟質のSUS304と硬質の超硬合金(WC-Co)に対する摩擦係数の変化を示します。SUS304に対する摺動特性はTiN膜の場合とまったく同様であり、相手材がWC-Coの場合も、無潤滑環境下では摩擦熱による皮膜の酸化摩耗が進行して、摩擦距離が長くなると摩擦係数はしだいに上昇します。しかし、摩擦環境が水溶性切削油やパラフィン油の場合には、全般的に摩擦係数が低く、相手材の凝着や摩擦熱の発生に対する抑制効果が大きいことを示唆しています。

以上のように、イオンプレーティングによって生成したチタン系硬質膜は、無潤滑環境下では相手材の凝着や摩擦熱による皮膜の酸化を生じてしまいます。ところが、プラズマCVDによって生成したTiN膜中には塩素(Cl)を含有しており、このClが無潤滑環境における摩擦係数の低減に有効に作用します。図４は、DCプラズマCVDによってCl含有量の異なるTiN膜をコーティングした試料のSUS304に対する摩擦係数の変化を示したものです。摩擦距離が長くなるとCl含有量が最も少ない1.4mass%の試料の場合は、摩擦速度に関係なく摩擦係数が上昇しますが、Cl含有量が最も多い5.6mass%の試料は、今回測定した摩擦距離の範囲では、全域に渡って摩擦係数は低く、Cl含有の効果が顕著に表れています。

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