2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of VN(vanadium nitride)-containing coating film having high-temperature lubricity and its application to machining hard-to*machine materials
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18H01349
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
細川 晃 金沢大学, 機械工学系, 教授 (40199493)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小谷野 智広 金沢大学, 機械工学系, 助教 (20707591)
橋本 洋平 金沢大学, 機械工学系, 助教 (30456686)
古本 達明 金沢大学, 機械工学系, 教授 (60432134)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | コーティング / 窒化バナジウム / 複合膜 / 潤滑性 / 耐熱性 / 切削工具 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は高温潤滑性を有するVN膜と耐熱性のあるAl含有膜の複合化・多層化を実現するためのシステムの構築を行った．コーティング膜を多層化・複合化するためにはコーティング物質を放電・イオン化する電極が複数必要になる．そこで，現有のコーティング装置に装備している「AIP・FAD置換型蒸着源: VACS-100」に対向させて『磁界ステアリング型アークプラズマ蒸発源: MF-ARC3』を増設した．この新しい蒸発源は，①スーパーカソード方式(金属イオンが通過するアノード部にコイルを設置して磁界を発生)によるドロップレット(気化されなかった金属溶滴)の除去や成膜レートの向上；②アノード部を短くすることによる損失の低減；などの特徴をもっている．新蒸発源は2018年12月に完成したため，本年度の実績は(1)既存のVACS-100による潤滑性VN膜の生成，(2)新規のMF-ARC3による耐熱性AlCrN膜の生成および(3)両蒸発源による複合膜の生成である．
(1)既存VACS-100によるVN単層コーティング膜の最適成膜条件を決定し，VN膜の機械特性，トライボ特性およびその温度依存性，膜構造，高温下における生成物質と摩擦係数を明らかにした．
(2)新規MF-ARC3による耐摩耗性に優れる(Al-Cr)N膜の最適成膜条件を決定し，その機械特性，トライボ特性を明らかにした．
(3)(1)(2)の結果を踏まえ，VNとAlCrNの複合膜を創成した．複合化の方法として，はじめに多層化(VN, AlCrN)，次に，対向する２つの電極モジュールを同時に用いて，膜内部に混在した複合(VN, AlCrN)膜を創成し，その機械的性質(硬度，摩擦係数，平滑度，膜厚), 母材との密着性，組成分析を行った．その結果，現時点では母材との密着性にやや改良の余地があることが判明し，現在コーティング条件の再検討を行っている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の目的は，高温潤滑性に富むVN膜と耐熱性に優れた(Al, Cr)Nの複合膜を創成し，難削材(Ti合金，Ni基耐熱合金等)の高速・高能率切削加工に適した工具を開発することにある．交付申請書に記載した本年度の研究計画は，①コーティング膜の多層化・複合化を実現するためのシステムの構築．すなわち，現有のアーク蒸着電極(VACS-100)に対向する形で『磁界ステアリング型アークプラズマ蒸発源』を増設する；②既存の装置を用いて潤滑性をもつVN単層コーティング膜の最適成膜条件を決定し，VN膜の機械特性，トライボ特性およびその温度依存性，膜構造，高温下における生成物質と摩擦係数を明らかにする；③新規装置を用いて，耐摩耗性に優れる(Al-Cr)N膜の最適成膜条件を決定し，その機械特性，トライボ特性およびその温度依存性(高温硬度など)を明らかにする；④高温雰囲気で潤滑性と耐摩耗性に優れる(Al-Cr-V)N複合膜の創成；である．
まず，①については㈱オンワード技研の協力の下，スーパーカソード方式の蒸発源を開発し，ドロップレットが少なく成膜効率に優れた電極(MF-ARC3)の増設を実現した．②については，MF-ARC3が完成するまでの間，既存のVACS-100を用いてVN膜の最適成膜条件を決定し，VN膜の機械特性，トライボ特性を明らかにするとともに，切削工具に適用してその有効性を確認した．③においては，新規MF-ARC3装置を用い(Al-Cr)N膜の最適成膜条件を検討するとともに，その機械特性，トライボ特性を明らかにした．④では，①～③の結果を踏まえ，VNとAlCrNの多層膜・複合膜の創成に成功した．
創成した多層・複合膜については，母材との密着強度の改良や高温におけるトライボ特性の評価が必要であるが，“新装置で膜の複合化に成功した”実績により，おおむね順調に進展していると評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の予定通り，2018年度において複合膜の創成が可能なコーティングシステムの構築を行い，基本的な多層膜の創成に成功した．2019年度の研究推進方策は以下の通りである．
(1)VNおよびAlCrN単層膜の密着性の向上：超硬母材とコーティング膜，あるいはVNとAlCrN膜間の密着性の改善を行う．異種材料の界面にはいわゆる中間層と呼ばれる緩衝層が必要と考えられている．現在，必要最低限の密着強度を有していることはナノインデンターによる引っ掻き試験で確認しているが，切削工具としての耐摩耗性を念頭に，さらなる密着強度の向上をめざす．
(2)多種複合膜の創成：高温雰囲気で潤滑性のあるVN膜と耐摩耗性に優れるAlCrN膜の複合化を行う．2018年度は10層(超硬-VN-AlCrN-・・・・VN)，11層(超硬-AlCrN-VN-・・・・VN)および114層の複合膜を創成したが，2019年度はより多様な膜厚・層数の複合膜を創成し，その機械的・トライボ特性を明らかにする．特に，高温環境下における膜の摩擦係数と硬度低下を明確にすることが重要である．
(3)膜の改良：(2)の結果次第では，耐熱性膜としてAlCrN以外のAl含有膜種も検討する．Ti, Mo, Siなどの添加を考えている．
(4)切削工具への適用：(2)(3)で優れた特性を示した幾つかの複合膜をエンドミルに施し，切削実験を実施し，コーティング工具として耐熱性・耐摩耗性を既存のコーティング工具と比較しながら評価する．加工材料はSUSU304，プリハードン鋼，Ti合金を準備する．
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