工具用スチールの硬度をカラフルに高める - 真空を利用したコーティングで摩耗から守る

工具用スチールの硬度をカラフルに高める - 真空を利用したコーティングで摩耗から守る

硬質膜のコーティングを施せば工具の耐用年数を伸ばすことができます。耐摩耗性を持つ物質を材料とし、真空チャンバー内で皮膜形成します。このような真空チャンバーにはBuschの真空ポンプが使われるケースが少なくありません。
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色の異なる窒化物

現在使われているドリルの多くは、先端部が鮮やかな色に輝き、もはやスチール製には見えません。しかし、この見た目の多彩さは、美しさの問題ではなく、硬さに関係するものです。ドリルの先端は、硬い材料の層でコーティングされています。一般的に、これは金属の窒化物であり、それぞれの素材に特有の色があります。たとえば、窒化チタンは金のような輝きをもち、窒化ジルコニウムの鮮やかな黄色はレモネードを連想させます。また、アルミ クロム化合物はスタイリッシュなブルーになります。

このようなコーティングは、他の工具や摩耗の激しい機械の部品にも見られます。各種コーティング材が持つ特色は色だけでなく、硬さ、耐熱性、摩擦係数、コーティングの厚み(通常は数マイクロメートルの範囲)も様々です。コーティングは用途に応じて選択します。たとえば、鮮やかな黄色の窒化ジルコニウムは、アルミニウム合金の加工に使用されます。

ガスのイオン化

硬質皮膜のコーティングは通常、物理蒸着(PVD)の一種である真空アーク蒸着法で行われます。真空アーク蒸着では、真空中でアーク放電を利用しカソードを蒸発させ、被膜となる物質を作ります。

カソードにはコーティングのベースとなる金属を使い、アノードは被処理物、つまりコーティングを施す工具などとなります。真空チャンバー内でカソードである金属が「燃え」プラズマ状態となり、イオン化した金属がアノードである工具に引き寄せられます。金属と反応させ窒化する目的で、外部から純窒素を送り込みます。反応によって生成された物質が、被処理物の表面にきめ細かく密着した膜を形成します。チャンバー内を高真空にすることで、比較的低温の400度前後で一連のプロセスを行うことが可能となり、また、異物の混入も防止できます。このプロセスに最適な真空システムは Busch の幅広い製品を組み合わせて構築できます。

材料科学における硬さとは、物体の表面の抵抗力で、材料に別のより硬い物体を押し付けた際の傷つきにくさを表します。硬さと頑丈さは異なります。頑丈さとは、変形と破断のしにくさを表します。

硬さの測定で一般的なのは、測定対象物に四角錐のダイヤモンドを押し込む方法です。ダイヤモンドは、最も硬い既知の物質です。物質が硬ければ硬いほど、四角錐の跡が小さくなります。

この測定方法は、イギリスの防衛請負業者であるビッカース社が開発したことにちなんで命名されています。測定単位は、ビッカース硬さ(VHN)です。石こうのHNは1.25です。スチールは約500~1000 HV程度です。金属窒化物でコーティングすると、最高で約4,000 HVまで到達できます。ダイヤモンドの硬さは7140~15300 HV です。


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