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耐摩擦摩耗特性に優れた柱状晶形マルチフェイズコーティング膜の開発

Research Project

Project/Area Number 11J05128
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Structural/Functional materials
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

小宮山 翔子  東北大学, 大学院・工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2011 – 2012
Project Status Completed (Fiscal Year 2012)
Budget Amount *help
¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywordsコーティング / Ti-Mo-N / スパッタリング / 摩擦摩耗特性 / 熱力学計算 / 相分離
Research Abstract

TiN(窒化チタン)は特性のバランスの取れた硬質膜として、切削工具や医療材料、鋳型の離型材など、様々な分野へ利用されているが、摩擦係数が高く、耐摩耗性に課題を残している。本研究では摩擦摩耗特性向上の観点から、Moを添加したTi-Mo-N膜に着目し、その摩耗機構の解明と、(Ti, Mo)酸窒化物の柱状晶形マルチフェイズコーティング膜の創製を試みた。
RFマグネトロンスパッタ装置を使用し、Ti_<50>Mo_<50>合金ターゲットを用いた反応性スパッタにより窒素濃度の異なるTi-Mo-N膜を成膜した。炭素鋼(S45C)を相手材とした摩耗試験後の膜および相手材の表面SEM観察および断面TEM観察より、高窒素濃度のTi-Mo-N膜の方が摩耗試験中に膜由来の酸化物(Mo酸化物)が形成され易いために焼付きが防がれ、低窒素濃度の膜に比して優れた耐摩耗・耐溶着性を示すことが分った。高窒素濃度Ti-Mo-N膜の方がMoが酸化しやすいことはThermo-Calcを用いた熱力学計算からも確かめられた。また、Ti_<25>Mo_<75>合金ターゲットを用いた反応性スパッタにより作製したTi-Mo-N膜において、700℃熱処理によってTi窒化物とMo窒化物に相分離し、5~6GPaもの硬度上昇がおこり、約34GPaの高硬度が得られた。窒化物同士の相分離はThermo-Calcによる計算状態図からも示唆された。さらに、熱処理後のTi-Mo-N膜は成膜ままと同様に0.4程度の低い摩擦係数を示した。
本研究において窒素濃度制御というコーティングの摩擦摩耗特性向上を目指した材料設計を提案し、組織制御というコーティングの新たな特性向上手法を提案した。さらに窒化物同士から成る二相分離が生じることを見出し、高硬度(約34GPa)と低摩擦係数(0.4)を併せ持つ新規コーティング材料を作製することが出来た。

Report

(2 results)
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2013 2012 2011

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (6 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results)

  • [Journal Article] Effect of Nitrogen Content on the Microstructure and Mechanical Properties of Ti-Mo-N Coating Films2011

    • Author(s)
      Shoko Komiyama, Yuji Sutou, Junichi Koike
    • Journal Title

      Metallurgical and Materials Transaction A

      Volume: 42 Issue: 11 Pages: 3310-3315

    • DOI

      10.1007/s11661-010-0522-x

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Ti-Mo-N膜の摩耗特性に及ぼす窒素濃度依存性に関する熱力学的な検討2013

    • Author(s)
      須藤祐司、小宮山翔子、小池淳一、及川勝成
    • Organizer
      日本金属学会
    • Place of Presentation
      東京理科大学(東京)
    • Year and Date
      2013-03-29
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] SUS304上に成膜したTi-Mo-N膜の二相分離による硬度上昇2013

    • Author(s)
      小宮山翔子、須藤祐司、小池淳一、及川勝成
    • Organizer
      日本金属学会
    • Place of Presentation
      東京理科大学(東京)
    • Year and Date
      2013-03-29
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Alloying effects on formation of compound layer in the gaseous nitride Fe-M binary alloys2012

    • Author(s)
      Fanhui Meng, Goro Miyamoto, Tadashi Furuhara, Shoko Komiyama
    • Organizer
      The 20^<th> Congress of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      2012-10-24
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Ti-Mo-N反応性スパッタ薄膜の摩耗特性に及ぼす窒素濃度依存性2012

    • Author(s)
      須藤祐司、小宮山翔子、小池淳一、王嫩、櫻井正俊
    • Organizer
      日本金属学会
    • Place of Presentation
      愛媛大学(愛媛県)
    • Year and Date
      2012-09-18
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Microstructure and wear properties of (Ti_<1-x>Mo_x)N_y hard coatings2012

    • Author(s)
      Shoko Komiyama, Yuji Sutou, Junichi Koike, Mei Wang, Takaomi Toihara
    • Organizer
      TMS 141^<st> Annual Meeting & Exhibition
    • Place of Presentation
      Walt Disney world Swan and Dolphin (FL, USA)
    • Year and Date
      2012-03-12
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] SUS304上に成膜した(Tix,Mo_<100-x>)N膜(x=25,50,75)の熱処理による組織変化挙動2011

    • Author(s)
      小宮山翔子、須藤祐司、小池淳一
    • Organizer
      日本金属学会
    • Place of Presentation
      沖縄コンベンションセンター(沖縄県)
    • Year and Date
      2011-11-07
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 工具用硬質被膜、その製造方法、および硬質被膜被覆金属加工工具2013

    • Inventor(s)
      櫻井正俊、王嫩、須藤祐司、小池淳一、小宮山翔子
    • Industrial Property Rights Holder
      東北大学、オーエス・ジー株式会社
    • Filing Date
      2013-03-28
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 加工工具用硬質被膜および硬質被膜被覆金属加工工具2013

    • Inventor(s)
      櫻井正俊、王嫩、大地敏弘、須藤祐司、小池淳一、小宮山翔子
    • Industrial Property Rights Holder
      東北大学、オー・エス・ジー株式会社
    • Filing Date
      2013-03-28
    • Related Report
      2012 Annual Research Report

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Published: 2011-12-12   Modified: 2024-03-26  

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