JP2006241496A

JP2006241496A - 被覆部材の製造方法

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Publication number: JP2006241496A
Application number: JP2005056471A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Saito; 利幸齊藤; Tadatake Furuhashi; 資丈古橋
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2025-03-01
Also published as: JP4631472B2

Abstract

【課題】鋼からなる基材にＤＬＣ膜を形成しても、基材の強度が低下せず、高強度の被覆部材を得ることができる被覆部材の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくともＭｏを含有する鋼からなる基材に焼入れする焼入れ工程と、該基材の表面にプラズマＣＶＤ法により非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）を形成して該基材を焼戻しする焼戻し工程と、からなることを特徴とする。
上記の焼戻し工程において、プラズマＣＶＤ法によるＤＬＣ膜の成膜温度が上記基材の焼戻し温度に達するため、焼戻し処理とプラズマＣＶＤ処理とを同時に行うことができる。すなわち、本発明の被覆部材の製造方法を用いれば、強度低下を引き起こすことなく、鋼材へのＤＬＣ膜の形成が可能となる。その上、基材に対するＤＬＣの成膜と焼戻しとを一工程にできるため、製造工程が簡略化される。
【選択図】図２

Description

本発明は、硬質膜により表面を被覆された被覆部材の製造方法に関する。

耐摩耗性等を付与するために、各種工具や各種機械部品などの表面に非晶質炭素膜やＴｉＣ、ＴｉＮ等のセラミックス系の硬質膜を形成した被覆部材が、幅広い分野で用いられている。特に、非晶質炭素（Diamond Like Carbon ：以下、「ＤＬＣ」と記載）からなる硬質膜は、耐摩耗性に優れ、相手攻撃性が低いため、各種摺動部材や工具類の被覆膜として利用されている。たとえば、特許文献１には、サーメット製の基材を熱処理した後、プラズマＣＶＤ法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition ）により基材の表面にＤＬＣ膜を形成する被覆部材の製造方法が開示されている。

ところが、プラズマＣＶＤ法による成膜は処理温度が高く、通常、ＤＬＣ膜を成膜する際には５００℃以上で成膜が行われる。５００℃以上の処理では、ほとんどの鋼材が焼鈍されるため、鋼からなる部材にＤＬＣ膜を形成すると強度が低下するという問題がある。そのため、鋼材にＤＬＣ膜を形成した場合には、表面硬度は向上するが、繰り返しの使用によりＤＬＣ膜が剥離してしまうと、硬度の低い鋼材表面が露出するため、耐久性が悪いものであった。
特開平０５−２３０６５５号公報

本発明は、上記の問題点に鑑み、鋼からなる基材にＤＬＣ膜を形成しても、基材の強度が低下せず、高強度の被覆部材を得ることができる被覆部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、様々な鋼材にＤＬＣ膜の成膜を試みたところ、Ｍｏを含有する鋼からなる基材では、成膜後の基材の強度の低下が見られない、もしくは、強度が向上する場合があることに着目した。

そこで、本発明の被覆部材の製造方法は、少なくともＭｏを含有する鋼からなる基材に焼入れする焼入れ工程と、該基材の表面にプラズマＣＶＤ法により非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）を形成して該基材を焼戻しする焼戻し工程と、からなることを特徴とする。

この際、前記焼戻し工程は、前記基材の温度を５００〜６２０℃にして前記炭素系硬質膜を形成する工程であるのが望ましい。なお、「前記基材の温度を５００〜６２０℃にして」とは、基材の少なくとも表面部が５００〜６２０℃となった状態を指す。

また、前記鋼は、工具鋼であるのが好ましい。また、前記基材は、鍛造用工具であるのが好ましい。

本発明の被覆部材の製造方法によれば、上記の焼戻し工程において、プラズマＣＶＤ法によるＤＬＣ膜の成膜温度が上記基材の焼戻し温度に達するため、焼戻し処理とプラズマＣＶＤ処理とを同時に行うことができる。すなわち、本発明の被覆部材の製造方法を用いれば、強度低下を引き起こすことなく、鋼材へのＤＬＣ膜の形成が可能となる。その上、基材に対するＤＬＣの成膜と焼戻しとを一工程にできるため、製造工程が簡略化される。

また、基材の温度を５００〜６２０℃にしてＤＬＣ膜を形成することにより、Ｍｏを含有する鋼からなる基材は、良好に硬化する。

そして、特に、工具鋼からなる基材を用いれば、焼戻し工程において、焼戻しを行いつつ、その表面にＤＬＣを成膜でき、各種工具に高い強度を付与した被覆部材が得られる。また、基材が鍛造用工具であれば、表面に形成されたＤＬＣ膜と焼戻しによる基材の硬化とで、相手攻撃性が低く耐久性に優れた工具となる。

本発明の被覆部材の製造方法は、主として、焼入れ工程と、焼戻し工程と、からなる。なお、焼入れ工程は、通常の鋼材に対して行われる「焼入れ」と同様の処理であるが、本発明の被覆部材の製造方法は、焼入れ工程後に行う焼戻し工程に特色がある。

焼入れ工程は、鋼からなる基材に焼入れをする工程である。この際、焼入れされる基材は、少なくともＭｏを含有する鋼からなる。Ｍｏを含有する鋼は、焼戻し温度が５００℃以上であるため、後述する焼戻し工程において好適である。Ｍｏを含有する鋼としては、炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度鋼、超硬合金などの工具鋼や、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼などの、構造用合金鋼などが使用可能である。具体的には、ＳＫＤ１１（ＪＩＳ記号、Ｍｏ含有量：０．８〜１．２ｗｔ％）、ＳＫＨ５１（Ｍｏ：４．７０〜５．２０ｗｔ％）、ＳＫＤ６１（Ｍｏ：１．０〜１．５ｗｔ％）、ＳＣＭ４１５（Ｍｏ：０．１５〜０．３０ｗｔ％）、ＳＣＭ８２２（Ｍｏ：０．３５〜０．４５ｗｔ％）、また、Ｍｏを２．０〜４．０ｗｔ％含有する特殊鋼（特開２００２−１２９２０１号公報参照）などが挙げられる。すなわち、基材は、Ｍｏを０．１５ｗｔ％以上含有する鋼性の基材であるのが好ましく、より好ましくは０．８ｗｔ％以上、さらに好ましくは１．０ｗｔ％以上である。

Ｍｏの含有量が上記の値以上であれば、Ｍｏの添加の効果により基材の耐摩耗性が向上し、後述の焼戻し工程において良好に基材が硬化するため、好ましい。なお、Ｍｏの含有量が１０ｗｔ％以下であれば、結晶粒界での炭化物の過度の生成を抑制することができ、基材の靱性が保持されるため、好ましい。

また、基材の形状に特に限定はないため、軸受け部材や歯車、金型、また、鍛造用工具、切削工具、治具、ダイス、パンチ、ローラー、ベアリング、転造工具、刃物などに用いることができる。後に詳説する焼戻し工程で基材の表面に形成されるＤＬＣ膜は摩擦係数が小さく相手攻撃性が低く、また、焼戻し工程により基材が高強度となるため、本発明の製造方法で得られる被覆部材は、上記の工具などに好適に用いられる。

焼戻し工程は、基材の表面にプラズマＣＶＤ法によりＤＬＣ膜を形成して基材を焼戻しする工程である。焼戻し工程では、ＤＬＣ膜の形成と焼戻しとを、基材に対して同時に行う。

ここで、図１は、ＤＬＣ成膜温度に対する基材の硬さ（ビッカース硬さ）を示すグラフである。以下、「ＤＬＣ膜の成膜温度」とは、基材の少なくとも表面の温度である。ＤＬＣ膜を成膜する基材として、Ｍｏを含有しないＳＫＤ１と、Ｍｏを含有するＳＫＤ１１と、を用いた。Ｍｏを含有しないＳＫＤ１では、ＤＬＣの成膜時の熱によりセメンタイトが生成され、成膜温度が高いほど基材の硬さが低下（脆化）する傾向にある。一方、Ｍｏを含有するＳＫＤ１１では、５００〜５５０℃の範囲で、基材の硬さが向上する温度範囲が存在する。これは、Ｍｏ₂Ｃ等の合金炭化物の析出によりセメンタイトが母相中に固溶する、いわゆる「二次硬化」により鋼の強度が向上するためである。

なお、ＳＫＤ１１では、５００〜５５０℃でのＤＬＣ膜の成膜により、Ｈｖ２５０からＨｖ３００程度にまで基材の強度が向上する。すなわち、基材の少なくとも表面部の温度が５００〜５５０℃で成膜を行えば、ＤＬＣ膜の形成された被覆部材の表面のみでなく、基材の表面部まで硬度が向上する。一方、ＳＫＤ１を同様の温度で成膜した場合には、Ｈｖ１５０程度まで低下する。

本発明では、上記の現象を利用して、プラズマＣＶＤ法による基材表面へのＤＬＣの成膜と、基材の焼戻しと、を焼戻し工程において同時に行った。すなわち、ＤＬＣ膜の成膜を、基材の焼戻し温度にて行った。通常、プラズマＣＶＤ法によるＤＬＣ膜の成膜は、５００℃以上の高温で行われるが、５００℃以上の焼戻しにより二次硬化が生じるＭｏを含有する鋼からなる基材に対して成膜を行うことで、ＤＬＣの成膜と焼戻し処理を同時に行うことが可能となる。その結果、基材の表面に硬質のＤＬＣ膜が形成されるとともに、基材の強度も向上する。

焼戻し工程での焼戻し温度（すなわち、ＤＬＣ膜の成膜温度）は、基材に二次硬化が生じる温度範囲であれば、特に限定はない。ただし、温度が高すぎる場合には、粒界に析出する炭化物が増加して、靱性が低下するため、具体的には、５００〜６２０℃でＤＬＣ膜を成膜すればよい。

ＤＬＣ膜を形成するプラズマＣＶＤ法としては、直流プラズマＣＶＤ法を用いるとよい。直流プラズマＣＶＤ法では、直流電源に結線された電位差のある二つの電極の間に電力を加えてグロー放電を生じさせ、このグロー放電を利用して、電極間に導入した処理ガスをプラズマ化させ、マイナス電位側の電極にＤＬＣ膜を堆積させる。この際、基材をマイナス極に結線し、基材全体をグロー放電させて成膜するので、グロー放電により基材の温度は上昇し、基材全体を焼戻し温度にまで良好に到達させることができる。

また、ＤＬＣ膜としては、堆積密度の高いＤＬＣ膜や、珪素を含有するＤＬＣ−Ｓｉ膜などの耐摩耗性に優れたＤＬＣ膜を形成するのがよい。

なお、本発明の被覆部材の製造方法は、上記実施の形態に限定されるものではなく、ＤＬＣ膜の密着性を向上させるために基材の表面を粗面化する表面処理や、基材の表面を硬化させる窒化処理や浸炭処理などを、適宜行っても良い。

以下に、本発明の被覆部材の製造方法の実施例を比較例と共に説明する。

［実施例１］
以下の方法により、表面にＤＬＣ−Ｓｉ膜（珪素含有非晶質炭素膜）をもつ等速ジョイント用鍛造工具（以下「ＣＶＪ用鍛造工具」と記載）を製造した。

所定の形状をもつＳＫＨ５１からなる鋼材を１２１０℃で１．５分間保持後、急冷して焼入れを行った。次に、焼入れした鋼材をプラズマ電源のマイナス極に結線し、プラス極（接地電極）に結線した成膜炉内に配置し、直流プラズマＣＶＤ法によりＤＬＣ−Ｓｉ膜を成膜した。この際、成膜温度を５００℃（鋼材の表面を測定）とし、成膜終了後、鋼材を急冷して、鋼材に焼戻しを行った。得られたＤＬＣ−Ｓｉ膜の膜厚は、３μｍであった。

［比較例１］
ＤＬＣ−Ｓｉ膜のかわりに、プラズマＣＶＤ法により成膜温度７００℃で３μｍのＴｉＣ膜を成膜した他は、実施例１と同様にして、比較例のＣＶＪ用鍛造工具を作製した。

［評価］
実施例１および比較例１のＣＶＪ用鍛造工具について、耐久試験を行った。耐久試験は、両者を同じ条件の下で使用し、工具の先端の摩耗量が５μｍ以上となるまでの使用回数を、その工具の使用寿命とした。表１に、結果を示す。

ＤＬＣ−Ｓｉ膜の成膜とともに鋼材が二次硬化した実施例１のＣＶＪ用鍛造工具は、鋼材の表面硬度が高く耐久性に優れる。一方、７００℃でＴｉＣ膜を成膜した比較例１では、成膜時に高温にさらされたことによって、表面硬度が低下した。また、ＤＬＣ−Ｓｉ膜を成膜した実施例１のＣＶＪ用鍛造工具は、ＴｉＣ膜を形成した比較例１よりも、耐摩耗性に優れる。

［実施例２］
所定の形状をもつＳＫＤ１１からなる鋼材を１０４０℃で５０分間保持後、急冷して焼入れを行った。次に、実施例１と同様にして、ＤＬＣ−Ｓｉ膜を成膜し、表面にＤＬＣ−Ｓｉ膜をもつ試験片を作製した。

ＤＬＣ−Ｓｉ膜を形成する鋼材の表面に対し、成膜前後の鋼材（試験片）の表面硬さ（ビッカース硬さ）を測定（ＪＩＳＺ２２４４に準拠）した。測定結果を図２に示す。５００℃の成膜により鋼材に二次硬化が生じ、また、表面がＤＬＣ−Ｓｉ膜により覆われたため、成膜後の表面硬度が大きく向上した。

ＤＬＣ成膜温度に対する基材の硬さを示すグラフである。実施例２の試験片について、成膜前後の表面硬さを示すグラフである。

Claims

少なくともＭｏを含有する鋼からなる基材に焼入れする焼入れ工程と、
該基材の表面にプラズマＣＶＤ法により非晶質炭素膜を形成して該基材を焼戻しする焼戻し工程と、からなることを特徴とする被覆部材の製造方法。
前記焼戻し工程は、前記基材の温度を５００〜６２０℃にして前記炭素系硬質膜を形成する工程である請求項１記載の被覆部材の製造方法。
前記焼戻し工程は、前記基材の温度を５００〜５５０℃にして前記炭素系硬質膜を形成する工程である請求項１記載の被覆部材の製造方法。
前記基材は、Ｍｏを０．１５ｗｔ％以上含有する請求項１〜３のいずれかに記載の被覆部材の製造方法。
前記焼戻し工程は、前記非晶質炭素膜を直流プラズマＣＶＤ法により形成する工程である請求項１〜４のいずれかに記載の被覆部材の製造方法。
前記鋼は、工具鋼である請求項１記載記載の被覆部材の製造方法。
前記基材は、鍛造用工具である請求項１記載の被覆部材の製造方法。