JP2600092B2 - Surface modification method for metallic materials - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は金属系材料の新規な表面
改質法に関するものである。さらに詳しくいえば、本発
明は、各種機械部品や電子部品の材料として好適な表面
硬度が高く、耐摩耗性及び摺動特性に優れる金属材料を
得るために、その表面を効率よく改質する方法に関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel surface modification method for a metal material. More specifically, the present invention provides a method of efficiently modifying the surface of a metal part having a high surface hardness suitable as a material for various mechanical parts and electronic parts and having excellent wear resistance and sliding characteristics. It is about.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来、金属や合金などの金属系材料から
成る薄板を各種機械部品や電気部品などに用いる場合、
耐摩耗性や摺動特性などに優れる材料が要求されること
が多く、この場合、その要求を満たすために、該金属系
材料の表面を改質することが通常行われている。2. Description of the Related Art Conventionally, when a thin plate made of a metal material such as a metal or an alloy is used for various mechanical parts and electric parts,
In many cases, a material excellent in abrasion resistance, sliding characteristics, and the like is required. In this case, in order to satisfy the requirement, the surface of the metal-based material is usually modified.

【０００３】金属系材料の表面改質法としては、例えば
（１）焼入れ、侵炭、イオン窒化、ホウ化処理など、金
属系材料表層部の金属自体を改質する方法、及び（２）
真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティ
ング法など、金属系材料表面に所望の特性を有する薄膜
を形成させる方法が通常用いられている。[0003] As a method for modifying the surface of a metal-based material, for example, (1) a method of modifying the metal itself in the surface layer of the metal-based material, such as quenching, carburization, ion nitriding, boring,
A method of forming a thin film having desired characteristics on the surface of a metal-based material, such as vacuum deposition, sputtering, CVD, or ion plating, is generally used.

【０００４】しかしながら、（２）の方法においては、
薄膜の組成として種々のものを選定できるという長所が
あるものの、形成された薄膜は密着力が低く、寿命が短
いという欠点がある。これに対し、（１）の方法におい
ては、形成された表層部の被膜は密着性については問題
はないものの、所望の特性をもつ被膜を得るために２種
以上の処理を組み合わせて複合被膜を形成させる場合、
それぞれの処理工程が異なるために該複合被膜の形成が
困難であるという欠点を有している。例えば、この
（２）の方法の場合、窒化処理は通常ドライプロセスの
イオン窒化法で行われており、シアン化合物の塩浴を用
いる方法に比べて取り扱いが容易である。一方、ホウ化
処理は、通常ホウ酸などの溶融塩法が採用されており、
ホウ素のハロゲン化物や水素化物を用いたドライプロセ
スは実用化されていない。したがって、従来法において
は、ホウ化処理と窒化処理を組み合わせて、金属系材料
表面に、その構成元素の窒化物とホウ化物とから成る複
合被膜を形成させることは極めて困難である。[0004] However, in the method (2),
Although there is an advantage that various compositions can be selected as the composition of the thin film, the formed thin film has disadvantages such as low adhesion and short life. On the other hand, in the method (1), although the formed surface layer film has no problem in adhesion, a composite film is formed by combining two or more kinds of treatments in order to obtain a film having desired characteristics. When forming
It has a drawback that it is difficult to form the composite coating because each processing step is different. For example, in the case of the method (2), the nitriding treatment is usually performed by an ion nitriding method of a dry process, and is easier to handle than a method using a salt bath of a cyanide compound. On the other hand, for the boration treatment, a molten salt method such as boric acid is usually employed,
A dry process using a halide or hydride of boron has not been put to practical use. Therefore, in the conventional method, it is extremely difficult to form a composite film composed of a nitride and a boride of the constituent elements on the surface of the metal material by combining the boride treatment and the nitridation treatment.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、表面硬度が
高く、耐摩耗性及び摺動特性に優れ、かつ長期間これら
の特性を保持しうる金属系材料を得るために、該材料表
面にその構成元素の窒化物とホウ化物とから成る複合被
膜をドライプロセスにより、簡単な操作で形成する方法
を提供することを目的としてなされたものである。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention is intended to obtain a metal material having a high surface hardness, excellent abrasion resistance and sliding properties, and capable of maintaining these properties for a long period of time. It is an object of the present invention to provide a method for forming a composite film composed of a nitride and a boride of the constituent elements by a dry process with a simple operation.

【０００６】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者らは前記目的を
達成するために鋭意研究を重ねた結果、金属系材料表面
に、まずホウ素の電子ビーム蒸着処理と窒素のイオン注
入処理を同時に施して窒化ホウ素被膜を形成させ、次い
でこの被膜にレーザビームを照射することにより、該被
膜と金属系材料の熱拡散によって、金属系材料表面に、
その構成元素の窒化物とホウ化物とから成る複合被膜が
効率よく形成されることを見出し、この知見に基づいて
本発明を完成するに至った。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, first, an electron beam evaporation process of boron and an ion implantation process of nitrogen were simultaneously performed on the surface of a metal material. To form a boron nitride coating, and then irradiating the coating with a laser beam, the thermal diffusion of the coating and the metal-based material, on the metal-based material surface,
The inventors have found that a composite film composed of a nitride and a boride of the constituent elements is efficiently formed, and have completed the present invention based on this finding.

【０００７】すなわち、本発明は、金属又は合金から成
る金属系材料の表面に、ホウ素の電子ビーム蒸着処理及
び窒素のイオン注入処理を同時に施して窒化ホウ素被膜
を形成させたのち、この被膜にレーザビームを照射する
ことにより、該金属系材料表面にその構成元素の窒化物
とホウ化物とから成る複合被膜を形成させることを特徴
とする金属系材料の表面改質方法を提供するものであ
る。That is, according to the present invention, a boron nitride film is formed by simultaneously performing an electron beam evaporation process of boron and an ion implantation process of nitrogen on the surface of a metal material made of a metal or an alloy. An object of the present invention is to provide a method for modifying the surface of a metal-based material, which comprises irradiating a beam to form a composite coating composed of nitrides and borides of the constituent elements on the surface of the metal-based material.

【０００８】本発明方法が適用される金属系材料の種類
については、その構成元素が窒化物とホウ化物とから成
る複合被膜を形成しうるものであればよく、特に制限さ
れず、例えばチタンやチタン合金などの金属又は合金か
ら成る材料が用いられる。The type of the metal-based material to which the method of the present invention is applied is not particularly limited as long as its constituent elements can form a composite film composed of nitride and boride. A material composed of a metal or alloy such as a titanium alloy is used.

【０００９】次に、本発明の好適な実施態様の１例を添
付図面に従って説明すると、図１は本発明方法を実施す
るための装置の１例の概略図であって、内部を真空に保
持するための排気系２を有する真空容器１内には、イオ
ンビーム４を被加工物１１に照射するためのイオン注入
装置３、蒸着物質６を入れるためのるつぼ５、蒸着物質
６に電子ビーム８を照射するための電子ビーム発生装置
７、容器１内に導入されたレーザビーム９を集光するた
めのレンズ１０が設置されている。Next, an example of a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic view of an example of an apparatus for carrying out the method of the present invention, in which the inside is kept in a vacuum. In a vacuum vessel 1 having an exhaust system 2 for irradiating a workpiece 11 with an ion beam 4, a crucible 5 for containing a deposition material 6, and an electron beam 8 An electron beam generator 7 for irradiating the laser beam and a lens 10 for condensing the laser beam 9 introduced into the container 1 are provided.

【００１０】まず、真空容器１内に被加工物の金属系材
料１１を装着したのち、排気系２で真空容器内の真空度
を５×１０^−６Ｔｏｒｒ程度まで排気後、窒素ガスを流
入し、イオン注入装置３により窒素をイオン化して、金
属系材料１１に注入させるとともに、電子ビーム発生装
置７により、電子ビーム８をるつぼ５中のホウ素から成
る蒸着物質６に照射して、１２で示すようにホウ素を蒸
発させ、金属系材料１１に蒸着させる。このようにし
て、金属系材料１１の表面に窒化ホウ素被膜が密着力よ
く形成される。First, after the metal material 11 to be processed is mounted in the vacuum vessel 1, the degree of vacuum in the vacuum vessel is evacuated to about 5 × 10 ⁻⁶ Torr by the exhaust system 2 and nitrogen gas is introduced. Nitrogen is ionized by the ion implanter 3 and injected into the metal-based material 11, and the electron beam 8 is irradiated by the electron beam 8 onto the vapor deposition material 6 made of boron in the crucible 5, as indicated by 12. The boron is evaporated as described above, and is deposited on the metal-based material 11. In this way, a boron nitride film is formed on the surface of the metal-based material 11 with good adhesion.

【００１１】次に、容器１内にレーザビーム９を導入
し、レンズ１０で集光して金属系材料１１の表面に形成
された窒化ホウ素被膜に照射する。これにより、該窒化
ホウ素被膜と金属系材料との間で熱拡散が生じ、該金属
系材料表面に、その構成元素の窒化物とホウ化物とから
成る複合被膜が形成される。該窒化ホウ素被膜と金属系
材料との間の熱拡散は、両者の密着力が優れているほど
容易に起こる。Next, a laser beam 9 is introduced into the container 1 and focused by a lens 10 to irradiate a boron nitride film formed on the surface of a metal material 11. As a result, thermal diffusion occurs between the boron nitride film and the metal-based material, and a composite film composed of a nitride and a boride of the constituent element is formed on the surface of the metal-based material. Thermal diffusion between the boron nitride film and the metal-based material occurs more easily as the adhesion between the two is better.

【００１２】このようにして表面が改質された金属系材
料は、従来の表面改質法のものに比べて、表面硬度が高
く、耐摩耗性や摺動特性に優れる。The metal-based material whose surface has been modified in this way has a higher surface hardness and is more excellent in abrasion resistance and sliding characteristics than those of the conventional surface modification method.

【００１３】[0013]

【発明の効果】本発明の金属系材料の表面改質法は、窒
素とホウ素を供給源として窒化ホウ素被膜を、金属系材
料表面に密着性よく形成させたのち、これにレーザビー
ムを照射して、該被膜と金属系材料との間の熱拡散によ
るホウ化処理と窒化処理を同時に短時間で進行させ、金
属系材料表面に、その構成元素の窒化物とホウ化物とか
ら成る複合被膜を形成させるドライプロセス法であっ
て、この方法により表面改質された金属系材料は、表面
硬度が高く、耐摩耗性や摺動特性に優れ、かつこれらの
特性を長期間保持することができ、例えば機械部品や電
子部品などの材料として好適に用いられる。According to the method for modifying the surface of a metal-based material of the present invention, a boron nitride film is formed on a surface of a metal-based material with good adhesion by using nitrogen and boron as supply sources, and this is irradiated with a laser beam. Thus, a boride treatment and a nitridation treatment by thermal diffusion between the coating and the metal-based material are simultaneously advanced in a short time, and a composite coating comprising a nitride and a boride of the constituent element is formed on the surface of the metal-based material. A dry process method for forming, the metal-based material surface-modified by this method has a high surface hardness, excellent wear resistance and sliding properties, and can maintain these properties for a long time, For example, it is suitably used as a material for mechanical parts and electronic parts.

【００１４】[0014]

【実施例】次に、実施例により本発明をさらに詳細に説
明するが、本発明はこの例によってなんら限定されるも
のではない。Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

【００１５】実施例 図１に示す装置を用いて実施した。まず、真空容器１内
の真空度を５×１０^−６Ｔｏｒｒ以下まで排気後、窒素
ガスを８×１０^−５Ｔｏｒｒ程度まで流入した。次い
で、イオン注入装置３を用い、アーク放電させて窒素を
イオン化し、５ｋＶ高電圧によってイオンを加速してチ
タン基材（工業用純チタン）１１に照射し、表面のプレ
スパッタリングを行った。その後、加速電圧を２ｋＶと
し、イオンビームをチタン基材１１に照射するととも
に、電子ビーム発生装置７を用い、５ｋＷの電子銃から
の電子ビーム８をるつぼ５中のホウ素６に照射して、ホ
ウ素を蒸発させ、２５０ｍｍ離れたチタン基材１１に蒸
着させた。これにより、チタン基材表面に厚さ約１μｍ
の窒化ホウ素被膜を形成させた。Example The operation was carried out using the apparatus shown in FIG. First, after evacuating the degree of vacuum in the vacuum vessel 1 to 5 × 10 ⁻⁶ Torr or less, nitrogen gas was introduced to about 8 × 10 ⁻⁵ Torr. Next, using an ion implantation apparatus 3, arc discharge was performed to ionize nitrogen, ions were accelerated by a high voltage of 5 kV, and the titanium base material (pure titanium for industrial use) 11 was irradiated to presputter the surface. Thereafter, the titanium substrate 11 is irradiated with an ion beam at an accelerating voltage of 2 kV, and an electron beam 8 from a 5 kW electron gun is irradiated onto boron 6 in the crucible 5 using an electron beam generator 7. Was evaporated and deposited on the titanium substrate 11 at a distance of 250 mm. As a result, a thickness of about 1 μm
Was formed.

【００１６】次に、出力０．５ｋＷの炭酸ガスレーザビ
ーム９をＺｎＳｅレンズ１０で直径５ｍｍに絞り、約２
０秒間照射して、チタン基材表面に窒化チタンとホウ化
チタンとから成る複合被膜を形成させた。この複合被膜
は高硬度でかつ密着力も良好であった。この被膜のＸ線
回折結果を図２に、また、レーザビーム照射時間と被膜
硬度との関係を図３に示す。Next, a carbon dioxide laser beam 9 having an output of 0.5 kW is squeezed by a ZnSe lens 10 to a diameter of 5 mm,
Irradiation was performed for 0 second to form a composite coating composed of titanium nitride and titanium boride on the surface of the titanium substrate. This composite coating had high hardness and good adhesion. FIG. 2 shows the results of X-ray diffraction of the coating, and FIG. 3 shows the relationship between the laser beam irradiation time and the coating hardness.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】 本発明方法を実施するための装置の１例の概
略図。FIG. 1 is a schematic view of an example of an apparatus for performing the method of the present invention.

【図２】 実施例において、レーザビーム照射後形成さ
れた被膜のＸ線回折図。FIG. 2 is an X-ray diffraction diagram of a coating formed after laser beam irradiation in an example.

【図３】 実施例において、レーザビーム照射時間と形
成された被膜の表面硬度との関係を示すグラフ。FIG. 3 is a graph showing a relationship between a laser beam irradiation time and a surface hardness of a formed film in Examples.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 真空容器 ２ 排気系 ３ イオン注入装置 ４ イオンビーム ５ るつぼ ６ 蒸着物質 ７ 電子ビーム発生装置 ８ 電子ビーム ９ レーザビーム １０ 集光レンズ １１ 被加工物 １２ 蒸着物質蒸気 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum container 2 Exhaust system 3 Ion implantation apparatus 4 Ion beam 5 Crucible 6 Evaporation substance 7 Electron beam generator 8 Electron beam 9 Laser beam 10 Condensing lens 11 Workpiece 12 Evaporation substance vapor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 純 香川県高松市花ノ宮町二丁目３番３号 工業技術院四国工業技術試験所内 (72)発明者 内海 明博 香川県高松市花ノ宮町二丁目３番３号 工業技術院四国工業技術試験所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Jun Matsuda 2-3-3 Hananomiyacho, Takamatsu City, Kagawa Prefecture Inside the Shikoku Industrial Technology Laboratory (72) Inventor Akihiro Utsumi 2-chome Hananomiyacho, Takamatsu City, Kagawa Prefecture No. 3 Inside the Industrial Technology Research Institute of Shikoku

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 金属又は合金から成る金属系材料の表面
に、ホウ素の電子ビーム蒸着処理及び窒素のイオン注入
処理を同時に施して窒化ホウ素被膜を形成させたのち、
この被膜にレーザビームを照射することにより、該金属
系材料表面にその構成元素の窒化物とホウ化物とから成
る複合被膜を形成させることを特徴とする金属系材料の
表面改質方法。An electron beam evaporation process of boron and an ion implantation process of nitrogen are simultaneously performed on a surface of a metal material made of a metal or an alloy to form a boron nitride film.
A method for modifying the surface of a metal-based material, comprising irradiating a laser beam to the coating to form a composite coating comprising nitrides and borides of the constituent elements on the surface of the metal-based material.