PVD・DLCコーティング

PVD処理は、大別すると、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングに分けることができます。その中でも、セラミックスの薄膜を生成する方法として、1964年、D.M.Mattoxによって提唱されたイオンプレーティングは、その後、多くの研究者によって多くの改良がなされ、実用化に至りました。セラミックスの薄膜は、金属材料にない、耐摩耗性、耐熱性、耐食性を有し、金属材料にコーティングすることにより、新しい機能を得ることが容易になりました。
そのブームは、1980年代に切削工具への適用から始まりました。そして、金型、自動車機構部品、食品・医療機器等、幅広く展開され、究極のダイヤモンド・コーティングの登場となり、次世代のCBN、Al2O3膜へ導かれています。

特徴

1.HCD法について

イオンプレーティングの代表的な方法として、アーク放電法、HCD法が挙げられますが、ここではHCD法について説明します。

【HCD法イメージ図】【HCD-IP炉】

  1. 高真空引きした真空炉にArガスを注入し、直流電圧を掛け、Ar+イオンとe-に電離する。
  2. 基板を+にチャージするとe-が基板に衝突し、そのとき発生する熱エネルギーで、基板を昇温。(400度から500度)マイナスの場合は、Ar+が衝突。
  3. 基板を-にチャージし、Ar+で表面をエッチング清掃する。
  4. EB-GUNでTiを溶融する。反応ガスとして、N2を注入する。 (プラズマ中で各々がイオン化する)
  5. Ti+とN+を吸着し基板上でTiN膜を生成する。
2.各膜種の比較
膜種 TiN TiCN TiAlN CrN DLC
外観色 ゴールド
(黄金色)
ダークグレイ、
ゴールド
バイオレット
(濃紫色)
シルバー
(銀白色)
ブラック
(光沢のある黒色)
硬度
(Hmv)
約2,300 約2,800 約2,300以上 約1,700以上 約3,500~5,000
膜厚
(μm)
約2~4 約2~4 約2~4 約2~5 約1~2
最高使用温度 約600度 約400度 約800度 約700度 約250度以下
摩擦係数
(SUJ2=1)
0.4 0.3 0.4 0.5 0.1
密着強度
(N)
65以上 60以上 80以上 55以上 40以上
耐摩耗性 ◎(冷間) ○(湿間)
耐食性 ×
耐酸化性 ×
摩擦係数
耐衝撃性 ×

TiN=窒化チタン TiCN=炭化窒化チタン TiAlN=チタン・アルミ・ナイトライド
CrN=窒化クロム DLC=Diamond Like Carbon

◎:優れている ○:優れている △:可 ×:条件による

密着強度は、スクラッチテスターで測定、母材の材質、硬さ、表面粗さに依存して数値が変化するため、参考値とする。一般的には、DIN50103/1:HRC圧痕法を採用する。

※加工材料(プレス材料・成形樹脂)による膜種選択詳細は、技術営業にご確認ください。

3.膜種別の用途例

TiN(窒化チタン)

用途 内容
切削工具 超硬・HSS工具の耐摩耗性向上、高速切削化溶着防止・切削表面粗さの改善
順送プレス金型 打抜き・曲げ・絞り金型の耐摩耗性の向上
プラ型 離型性・耐溶着防止・ガラス繊維の耐摩耗性の向上・パーティングラインの保護・メルトフローの改善
ダイキャスト金型 メルトの溶着防止、ヒートチェック防止
精密機械部品 耐摩耗性の向上、装飾、摩擦係数の低減

TiCN(炭化窒化チタン)

用途 内容
切削工具 TiN以上の耐摩耗性が必要な場合(特にSU系)
Al合金の切削(溶着防止)
順送プレス金型 鋼:1,000N以上/m2以上
SUS系のプレス金型・Al合金のプレス金型・銅合金プレス金型・FRP打抜き型

TiAlN(チタン・アルミ・ナイトライド)

用途 内容
切削工具 高硬度材料の切削(HRC40以上)
高速切削工具(超硬エンドミル・インサート等)
ダイキャスト金型 メルトの溶着防止・ヒートチェック防止

CrN(窒化クロム)

用途 内容
切削工具 純銅の切削・インコネル
プレス金型 純銅のプレス・フォーミング・マンドレル加工等
プラ型 耐食性の改善(腐食ガスが発生する樹脂成形)
ダイキャスト金型 メルトの溶着防止・ヒートチェック防止
精密機械部品 自動車部品(ピストンリング等)・精密SUSバルブ・
耐食、耐摩耗を必要とする部品、医療機器

DLC(Diamond Like Carbon)

用途 内容
切削工具 Al合金の切削・裁断刃(溶着防止)
半導体製造金型 LSIパッケージのリードフレームの曲げ加工(ハンダ溶着防止)
アルミ缶加工工具、
VTRアルミドラム
Al溶着防止・耐摩耗性の向上
精密機械部品 低摩擦係数を要求される部品。
潤滑材の使用を極力避ける場合。
4.耐久性データ例
コーティング耐久性比較 DLCと未処理品の比較 PVC成形金型の耐久性(メンテまで)
金型:SKH51順送プレス
加工材料:SUS304 t=1.0
LSI – リードフレーム曲げ加工
ハンダ密着防止(寿命5~20倍)
溶着・耐食性の改善
5.注意事項 ~より良い品質をご提供するためのお願い~
  • IPの場合は、処理温度約500度で寸法変化しない熱処理を行っていること。DLCの場合は、250℃(200℃)
  • 表面は、研削面もしくが研磨面で、膜厚以下の表面粗さが望ましい。(0.8S以下が望ましい)
  • 表面状態は、研磨焼け、酸化膜、錆等のない銀白色の面であること。
  • 内径、凹部は約直径(幅)と同じ深さしかコーティングできない。
  • 硬質クロムメッキ・ホモ処理・燐酸塩処理等の被服表面処理が施されていないこと。(Ni-Pメッキ除く)
  • ガス軟窒化等の窒化が施されている場合は、最表面の化合物層が除去されているものが望ましい。(当社:PSN+WPC等の処理を推奨)
  • 金型、部品は、単品にばらすこと。
  • ロー付け品の場合は、処理温度でロー剤が溶融しないこと。
  • コーティング必要範囲とコーティング不可の範囲を明確に指示すること。
  • 非磁性材料の場合は、密着強度が低下しますので、事前打ち合わせ必要。

適応材料

  • ダイス鋼 (SKD11、SKD61、SLD8、DC53等)
  • 高速度鋼 (SKH系、HAP系、ASP系、等)
  • プレハードン鋼 (HPM系、NAK系等)
  • ステンレス鋼 (STAVAX、HPM38、PD555等)
  • 超硬
  • サーメット
  • 純銅、銅合金(Be-Cu合金等)
  • Ti合金 (Ti-6Al-4V等)
  • アルミ合金 (DLC)
一覧へ戻る