PVD成膜技術は、新しい表面改質技術として長年にわたり実践されてきましたが、特に真空イオンコーティング技術は近年目覚ましい発展を遂げ、現在では工具、金型、ピストンリング、歯車などの部品処理に広く用いられています。真空イオンコーティング技術で処理された歯車は、摩擦係数を大幅に低減し、耐摩耗性や耐腐食性を向上させることができ、歯車表面強化技術分野における研究の焦点、そしてホットスポットとなっています。
歯車に使用される一般的な材料は、主に鍛造鋼、鋳鋼、鋳鉄、非鉄金属（銅、アルミニウム）、およびプラスチックです。鋼は主に45鋼、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB、38CrMoAlです。低炭素鋼は主に20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnToに使用されます。鍛造鋼は性能が優れているため、歯車に広く使用されていますが、鋳鋼は通常、直径が400mmを超える複雑な構造の歯車の製造に使用されます。鋳鉄歯車は、粘着やピッチングに対する耐性がありますが、衝撃や摩耗に対する耐性が不足しており、主に安定した動作、低速ではない動力、または大型で複雑な形状、潤滑不足の条件下での動作が可能で、開放型伝動に適しています。一般的に使用される非鉄金属は、錫青銅、アルミニウム鉄青銅、鋳造アルミニウム合金であり、タービンや歯車の製造によく使用されますが、滑り特性や摩擦抵抗特性が劣るため、軽負荷、中負荷、低速の歯車にのみ適しています。非金属材料の歯車は、主に無油潤滑や高信頼性などの特別な要求がある分野で使用されます。低公害などの条件が求められる分野、例えば家電製品、医療機器、食品機械、繊維機械などです。
ギアコーティング材
エンジニアリングセラミック材料は、高強度・高硬度、特に優れた耐熱性、低熱伝導率・低熱膨張率、高耐摩耗性、耐酸化性を備えた、非常に有望な材料です。数多くの研究により、セラミック材料は本来的に耐熱性があり、金属に対する摩耗が少ないことが示されています。そのため、耐摩耗部品に金属材料の代わりにセラミック材料を使用することで、摩擦サブの寿命を延ばし、高温・高耐摩耗性、多機能性などの厳しい要求を満たすことができます。現在、エンジニアリングセラミック材料は、エンジンの耐熱部品、機械伝動装置の摩耗部品、化学装置の耐腐食部品やシール部品の製造に使用されており、セラミック材料の幅広い応用可能性がますます示されています。
ドイツ、日本、米国、英国などの先進国は、エンジニアリングセラミックス材料の開発と応用を非常に重視しており、エンジニアリングセラミックスの加工理論と技術の開発に多額の資金と人材を投入している。ドイツは「SFB442」と呼ばれるプログラムを開始しました。このプログラムの目的は、PVD技術を用いて部品表面に適切な膜を合成し、環境や人体に有害な可能性のある潤滑媒体を置き換えることです。ドイツのPW GoldらはSFB442の資金を活用し、PVD技術を用いて転がり軸受の表面に薄膜を成膜しました。その結果、転がり軸受の耐摩耗性能が大幅に向上し、表面に成膜された膜が極圧耐摩耗添加剤の機能を完全に代替できることが分かりました。ドイツのJoachim、FranzらはPVD技術を用いてWC/C膜を作製し、EP添加剤を含む潤滑剤よりも優れた耐疲労特性を示しました。この結果は、有害な添加剤をコーティングで置き換える可能性を示唆しています。ドイツ、アーヘン工科大学材料科学研究所のE. Lugscheiderらは、ドイツ研究振興協会（DFG）の資金援助を受け、適切な膜を成膜することで疲労抵抗が大幅に向上することを実証しました。 PVD技術を用いた100Cr6鋼。さらに、米国ゼネラルモーターズは、ボルボS80ターボタイプの自動車のギア表面に耐疲労孔食性を向上させるための成膜処理を開始しました。有名なティムケン社は、ES200という名称のギア表面フィルムを発表しました。ドイツでは、登録商標MAXITギアコーティングが登場しました。英国では、それぞれ登録商標Graphit-iCとDymon-iCのギアコーティングも入手可能です。
歯車は機械式伝動装置の重要な部品であり、産業界において重要な役割を果たしているため、歯車へのセラミック材料の応用を研究することは非常に重要な実用的意義を持つ。現在、歯車に用いられているエンジニアリングセラミックスは主に以下の通りである。
1．TiNコーティング層
1. TiN
イオンコーティングされたTiNセラミック層は、高硬度、高密着強度、低摩擦係数、優れた耐食性など、最も広く使用されている表面改質コーティングの1つです。さまざまな分野、特に工具・金型業界で広く使用されています。ギアへのセラミックコーティングの適用に影響を与える主な理由は、セラミックコーティングと基材との接着の問題です。ギアの動作条件と影響要因は工具や金型よりもはるかに複雑であるため、ギア表面処理への単一のTiNコーティングの適用は大きく制限されます。セラミックコーティングは、高硬度、低摩擦係数、耐食性という利点がありますが、脆く、厚いコーティングを得るのが難しいため、その特性を発揮するには、コーティングを支える高硬度かつ高強度の基材が必要です。したがって、セラミックコーティングは主に超硬合金や高速度鋼の表面に使用されます。ギア材料はセラミック材料に比べて柔らかく、基材とコーティングの性質の差が大きいため、コーティングと基材の結合が悪く、コーティングがコーティングを支えるのに十分ではなく、使用中にコーティングが剥がれやすく、セラミックコーティングの利点を発揮できないだけでなく、剥がれたセラミックコーティング粒子がギアに摩耗を引き起こし、ギアの摩耗損失を加速させます。現在の解決策は、複合表面処理技術を使用してセラミックと基材の結合を改善することです。複合表面処理技術とは、物理蒸着コーティングと他の表面処理プロセスまたはコーティングを組み合わせ、2つの異なる表面/下地を使用して基材の表面を改質し、単一の表面処理プロセスでは達成できない複合的な機械的特性を得る技術を指します。イオン窒化とPVDによって堆積されたTiN複合コーティングは、最も研究されている複合コーティングの1つです。プラズマ窒化された基材とTiNセラミック複合コーティングは結合が強く、耐摩耗性が大幅に向上します。
優れた耐摩耗性と膜と基材との密着性を実現する最適なTiN膜層の厚さは約3～4μmである。膜層の厚さが2μm未満の場合、耐摩耗性は著しく向上しない。膜層の厚さが5μmを超えると、膜と基材との密着性が低下する。
2．多層・多成分TiNコーティング
TiNコーティングの普及に伴い、TiNコーティングの改良・強化に関する研究がますます盛んに行われています。近年では、二元系TiNコーティングをベースに、Ti-CN、Ti-CNB、Ti-Al-N、Ti-BN、(Tix,Cr1-x)N、TiN/Al2O3などの多成分コーティングや多層コーティングが開発されています。TiNコーティングにAlやSiなどの元素を添加することで、高温酸化耐性や硬度を向上させることができ、また、Bなどの元素を添加することで、硬度や密着強度を向上させることができます。
多成分組成の複雑さのため、この研究には多くの論争があります。(Tix,Cr1-x)N 多成分コーティングの研究では、研究結果に大きな論争があります。一部の人は、(Tix,Cr1-x)N コーティングは TiN をベースとしており、Cr は TiN ドットマトリックス中の置換固溶体の形でのみ存在でき、独立した CrN 相としては存在しないと考えています。他の研究では、(Tix,Cr1-x)N コーティングで Ti 原子を直接置換する Cr 原子の数は限られており、残りの Cr は一重項状態または N との化合物として存在することを示しています。実験結果によると、コーティングに Cr を添加すると表面粒子サイズが減少し、硬度が増加し、Cr の質量パーセントが 31% に達するとコーティングの硬度が最高値に達しますが、コーティングの内部応力も最大値に達します。
3．その他のコーティング層
一般的に使用されているTiNコーティングに加えて、歯車表面の強化には様々な種類のエンジニアリングセラミックスが使用されている。
（１）日本の寺内義雄らは、蒸着法で成膜した炭化チタンまたは窒化チタンセラミックギアの摩擦摩耗耐性を研究した。コーティング前にギアを浸炭研磨して表面硬度約HV720、表面粗さ2.4μmとし、炭化チタンには化学蒸着（CVD）法、窒化チタンには物理蒸着（PVD）法でセラミックコーティングを施し、膜厚は約2μmとした。摩擦摩耗特性は、油摩擦および乾摩擦の条件下でそれぞれ調査した。セラミックコーティング後、ギアバイスの焼き付き耐性および引っかき耐性が大幅に向上することがわかった。
（２）化学コーティングされたNi-PとTiNの複合コーティングは、遷移層としてNi-Pをプレコーティングし、その上にTiNを堆積することによって作製された。この研究により、この複合コーティングの表面硬度が一定程度向上し、コーティングと基材との密着性が向上し、耐摩耗性も向上することが示された。
（３）WC/C、B4C薄膜
日本工業大学機械工学科の村川正人らは、PVD技術を用いて歯車の表面にWC/C薄膜を成膜し、無油潤滑条件下での耐用年数が通常の焼入れ研削歯車の3倍になることを示した。また、Franz Jらは、PVD技術を用いてFEZ-AおよびFEZ-C歯車の表面にWC/CおよびB4C薄膜を成膜し、実験によりPVDコーティングが歯車の摩擦を大幅に低減し、歯車の熱接着や接着に対する耐性を高め、歯車の耐荷重能力を向上させることを示した。
（４）CrN膜
CrN 膜は、硬度が高いという点で TiN 膜に似ており、TiN よりも高温酸化に対する耐性が高く、耐食性が高く、内部応力が低く、靭性も比較的優れています。Chen Ling らは、HSS の表面に優れた膜ベースの結合を持つ耐摩耗性 TiAlCrN/CrN 複合膜を作製し、多層膜の転位スタッキング理論も提案しました。2 つの層間の転位エネルギー差が大きい場合、1 つの層で発生した転位は界面を越えて他の層に入ることが難しくなり、界面に転位スタッキングが形成され、材料を強化する役割を果たします。Zhong Bin らは、窒素含有量が CrNx 膜の相構造と摩擦摩耗特性に及ぼす影響を研究し、N2 含有量の増加に伴い、膜中の Cr2N (211) 回折ピークが徐々に弱まり、CrN (220) ピークが徐々に強くなり、膜表面の大きな粒子が徐々に減少し、表面が平坦になる傾向があることを示しました。 N2通気量が25ml/分（ターゲットソースアーク電流が75A、負圧が100V）の場合、堆積されたCrN膜は良好な表面品質、良好な硬度、優れた耐摩耗性を有します。
（５）超硬質フィルム
超硬質膜は、硬度が 40GPa を超える固体膜で、優れた耐摩耗性、耐高温性、低摩擦係数、低熱膨張係数を持ち、主に非晶質ダイヤモンド膜と CN 膜です。非晶質ダイヤモンド膜は非晶質特性を持ち、長距離秩序構造がなく、多数の CC 四面体結合を含むため、四面体非晶質炭素膜とも呼ばれます。非晶質炭素膜の一種であるダイヤモンドライクコーティング (DLC) は、高い熱伝導率、高い硬度、高い弾性率、低い熱膨張係数、良好な化学的安定性、良好な耐摩耗性、低い摩擦係数など、ダイヤモンドに似た多くの優れた特性を持っています。ギア表面にダイヤモンドライク膜をコーティングすると、耐用年数が 6 倍に延長され、疲労耐性が大幅に向上することが示されています。CN 膜は、非晶質炭素窒素膜とも呼ばれ、β-Si3N4 共有結合化合物に似た結晶構造を持ち、β-C3N4 とも呼ばれます。Liu および Cohen ら第一原理に基づく擬ポテンシャルバンド計算を用いた厳密な理論計算を行い、β-C3N4は大きな結合エネルギー、安定した機械的構造を持ち、少なくとも1つの準安定状態が存在し、その弾性率はダイヤモンドに匹敵する優れた特性を持ち、材料の表面硬度と耐摩耗性を効果的に向上させ、摩擦係数を低減できることを確認した。
（６）その他の合金耐摩耗コーティング層
合金製の耐摩耗コーティングを歯車に適用する試みもいくつか行われており、例えば、45番鋼歯車の歯面にNi-P-Co合金層を堆積させることで超微細粒組織が得られ、寿命を1.144～1.533倍まで延ばすことができる。また、Cu-Cr-P合金鋳鉄歯車の歯面にCu金属層とNi-W合金コーティングを施して強度を向上させること、HT250鋳鉄歯車の歯面にNi-WとNi-Co合金コーティングを施してコーティングなしの歯車に比べて耐摩耗性を4～6倍向上させることも研究されている。
投稿日時：2022年11月7日