2013 Fiscal Year Annual Research Report
ホロカソード放電型スパッタ装置によるフリーカーボン含有高潤滑コーティング膜の創成
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24360054
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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) |
上田 隆司 金沢大学, 機械工学系, 教授 (60115996)
古本 達明 金沢大学, 機械工学系, 准教授 (60432134)
小谷野 智広 金沢大学, 機械工学系, 助教 (20707591)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | PVD / コーティング工具 / AIP法 / 難削材 / 切削抵抗 / 工具摩耗 / 凝着 / 仕上げ面粗さ |
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| Research Abstract |
本研究では独自のコーティング装置である“ホロカソード放電型スパッタ装置”の導入を予定していたが，コアであるコーティング膜創成装置の製作過程で不具合が判明し，装置の抜本的な再設計を行ったため完成が平成25年度にずれ込んだ．したがって，本研究実績は本来平成24年度に行う予定で平成25年度にずれ込んだ内容も含んでいる．
1. (平成24年度)：“ホロカソード放電型スパッタ装置”と同等の機能を有しながら，機能性・拡張性に富む“アーク放電収束プラズマ輸送型イオンプレーティング装置”の設計を行った．これは，FAD(Filtered Arc Deposition)手法による成膜を可能にしたもので，より平滑なコーティング膜が生成できる．
2. (平成25年度)：“アーク放電収束プラズマ輸送型イオンプレーティング装置”を導入し，成膜のための調整を行った．すなわち，(1)放電パラメータ(カソード・アノード間距離／ダクトバイアス電流／バックコイル電流)の最適化，(2)ターゲットと形成される膜の組成比の関連づけ，を行い，正常にコーティング膜が生成できることを確認した．
4. (平成25年度)：膜と基材の密着度に影響するボンバード(表面をエッチング)条件の最適化を図った．その結果，Arボンバードの他，TiAl金属イオンボンバードが有効であることが判明した．
5. (平成25年度)：導入したコーティング装置(VACS-100)およびコーティングメーカ所有の装置でTiAlN-コーティングチップを作製し，切削実験を行った．その結果，本装置で作製したチップは優れた耐摩耗性を示すことを明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究の特徴は独自のコーティング装置の導入であるが，この装置の製作過程で不具合が生じ，再設計を余儀なくされ，その開発と導入が遅れたのが大きい．本来，平成24年度でコーティング装置のチューニングと成膜条件を確定する予定であったが，装置の導入が平成25年度にずれ込んだため，当初の予定を達成できなかった．しかしながら，成膜実験と膜の特性評価および切削実験を開始できる段階まで終了し，下記の有益な結果を得ている．
1. (平成24年度)：設計変更した“アーク放電収束プラズマ輸送型イオンプレーティング装置”はドロップレット(溶滴)のない平滑な膜の生成が可能であり，当初の“ホロカソード放電型スパッタ装置”と同等の機能を有していることを確認している．
2. (平成24年度)：2層構造のTiAlN/AlCrN-コーティングエンドミルが優れた切削性能を有することを示すことによって，多層構造膜の有効性を明らかにした．すなわち，新しい膜種を開発することはもちろん重要であるが，母材との密着性，耐熱性，平滑性など種々の特性を有している既存の膜種の多層化・階層化によっても優れたコーティング工具を製作可能であることを明らかにした．
3. (平成25年度)：“アーク放電収束プラズマ輸送型イオンプレーティング装置”による成膜実験を開始し，ドロップレットのない平滑な膜の生成に成功した．また，生成パラメータを変えることによって，膜厚，密着度，組成などが変化することを明らかにした．
4. (平成25年度)：切削工具として実績のあるTiAlN-コーティングについて，市販品，コーティングメーカの装置で作製したもの，本装置(VACS-100)で作製したチップで切削実験を行い，本装置で作製したチップが優れた特性を有することを明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 引き続き，“アーク放電収束プラズマ輸送型イオンプレーティング装置”のチューニングと成膜条件の最適化を行う．
2. 母材との密着力の改善のため，基板表面の酸化物層や有機物層をイオンスパッタリングで除去するボンバード工程の最適化を図る．通常，不活性ガスであるArイオンでスパッタリングするが，金属イオンでのスパッタリングも有効である結果が得られている．
3. まずは，切削工具として実績のあるTiN, TiAlN, AlCrN, TiCN-コーティング膜を対象に，いくつかの難削材を被削材として切削実験を行い，工具(コーティング膜)の特性を市販品と比較しながら評価する．評価項目は，切削抵抗，切削温度，切りくず形態，工具損耗，切りくずの凝着性などである．本研究では膜に潤滑性を持たせることを目的としているため，乾式切削における適用性を重視し，特に，工具の損傷メカニズムは詳細に検討する．
4. 切削加工実験によるコーティング膜の摩耗・損傷メカニズムの解析結果をコーティング膜の構造設計にフィードバックさせることで, 難削材の高能率・高精度切削加工に最適適なカーボンの含有形態を同定し，低摩擦・高耐熱性・高硬度を有する示すコーティング膜を創出する．具体的には，膜組成の再構築，多層コーティング，厚膜コーティング，母材とのコンビネーションなどである．
5. PVDに加え，水素を含まない硬質のテトラヘドラルアモルファスカーボン(ta-C)構造のDLCコーティング工具を作製し，CFRP複合材料の高品位加工を行う．
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