材料設計を基盤とした次世代高硬度・耐酸化性コーティング材料の開発

基于材料设计开发新一代高硬度抗氧化涂层材料

基本信息

批准号：
15760508
负责人：
鈴木常生
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Nagaoka University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、工具等の高寿命化のための硬質薄膜を作製する研究が盛んに行われてきている。窒化チタン、窒化クロム、ダイヤモンドライクカーボン等、種々の材料は、実用化も進み、同時に研究も盛んに行われている。しかし、より過酷な切削環境にも使用するためには、コーティング材料の高硬度化と高耐酸化性化が要求されてきている。本研究では、実用硬質材料の中でも比較的耐酸化性に優れた窒化クロム(CrN)を、さらに高硬度化・高耐酸化性化する事を目指した。すでに前年度までの研究に置いて、CrNに酸素を固溶させた酸窒化クロムCr(N,O)薄膜が、高硬度・高耐酸化性を示すことを確認している。Cr(N,O)は、CrNとCrOの固溶体と考えられるが、CrOという物質が存在しないため、Cr(N,O)中のCr-O結合は不安定であると考えられる。そこで、この結合を安定化させる狙いで、Cr原子の一部をMg電子で置換することを発案した。つまり、ともに岩塩型構造のCrNとMgOを固溶体化した(Cr,Mg)(N,O)である。固溶体化により、結晶中にMg-Oのイオン結合が存在するため、Cr-Oの不安定性が解消するという材料設計である。Cr-Mg-N-O薄膜をパルスレーザー堆積法によって作製した。X線回折の結果、Crに対するMgの含有量を変化させた結果、広範囲にわたり岩塩型単相の薄膜を得ることができた。またその硬度は、Cr:Mg=1:1の組成で最大硬度を示し、Cr(N,O)よりも高硬度であることが確認できた。(Cr,Mg)(N,O)薄膜を大気中で酸化試験を行ったところ、900℃-1時間の酸化試験でも岩塩型構造を維持しており、700℃以上では酸化クロムCr_2O_3とスピネル酸化物MgCr_2O_4が析出することが明らかになった。

近年来，为了延长工具等的寿命而制造硬质薄膜进行了很多研究。氮化钛、氮化铬、类金刚石碳等各种材料正在投入实用，同时研究也在积极进行。然而，为了在更恶劣的切削环境下使用，要求涂层材料具有更高的硬度和更高的抗氧化能力。在本研究中，我们的目标是进一步提高氮化铬（CrN）的硬度和抗氧化性，氮化铬（CrN）在实用硬质材料中具有相对优异的抗氧化性。截至去年的研究已经证实，通过在CrN中溶解氧而制成的氮氧化铬Cr(N,O)薄膜具有高硬度和高抗氧化性。 Cr(N,O)被认为是CrN和CrO的固溶体，但由于物质CrO不存在，因此Cr(N,O)中的Cr-O键被认为是不稳定的。因此，为了稳定该键，他们建议用镁电子取代一些铬原子。换句话说，它是(Cr,Mg)(N,O)，它是CrN和MgO的固溶体，两者都具有岩盐型结构。这种材料设计消除了因固溶体形成而导致晶体中存在 Mg-O 离子键而导致 Cr-O 的不稳定性。采用脉冲激光沉积法制备 Cr-Mg-N-O 薄膜。 X射线衍射的结果表明，通过改变相对于Cr的Mg含量，我们能够在很宽的范围内获得岩盐型单相薄膜。还证实Cr:Mg=1:1的组成时硬度最高，其高于Cr(N,O)的硬度。 (Cr,Mg)(N,O)薄膜在空气中进行氧化试验时，即使在900℃、1小时的氧化试验后仍保持岩盐型结构，而在700℃以上，铬氧化物Cr_2O_3和尖晶石氧化物中发现有MgCr_2O_4析出。