JP2746505B2 - セラミック被覆部材とその製造方法 - Google Patents
セラミック被覆部材とその製造方法Info
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Description
軸受鋼を用いた耐摩耗性と耐食性に優れたセラミック被
覆部材とその製造方法に関する。
皮膜のコーティングは、硬度が高く、耐摩耗性、耐食性
等が優れているため、その工業的利用は急展開を示して
いる(ジョイテック(1989)8月号、p.12)。
ってきたが、必ずしも高機能化は容易ではない。
窒化チタン膜や炭窒化チタン膜を被覆した部材は、工
具、刃物、金型類をはじめとする耐摩耗部材(特殊鋼
(1990)vol.39、No.9、p.25)、ア
ルミニウムや亜鉛等の低融点金属やアルカリ溶液などと
接する耐食部材(アルトピア(1989)12、p.4
1)としても適用されている。
効果は認められるが、寿命となった被覆部材では皮膜自
身の摩耗、溶損により皮膜の剥離や、腐食溶損が界面を
起点として起こることが多かった(表面技術(199
1)vol.42、No.5、p.102)。
るため、より耐摩耗性と耐食性に優れた部材が求められ
ていた。
膜界面からの劣化および皮膜自体の劣化を減少させた耐
摩耗性と耐食性に優れたセラミック被覆部材とその製造
方法を提供するものである。
からの劣化および皮膜内部からの劣化を減少させ、耐摩
耗性と耐食性を向上させるために、本発明では、基材の
工具鋼、軸受鋼の表面に、窒化チタン、炭化チタンまた
は炭窒化チタン膜であって当該膜をTiCxN1-xと表す
とき、前記の基材の表面に0≦X≦0.1で膜厚0.5
μm以上2.0μm以下の界面層、0.6≦X≦1.0
で膜厚0.5μm以上5.0μm以下の中間層、さらに
0≦X≦0.6で膜厚1.0μm以上5.0μm以下の
最表層からなる皮膜を成膜してなることを特徴とするセ
ラミック被覆部材を開発した。
性を備えていることが必要で、この表面特性の向上にセ
ラミックス被覆を施す。
は、SKD11やSKH51等があり、炭素を重量%
で、0.3%以上2.0%以下含み、それに加えて7%
以下のV、Mo、Wをそれぞれ含み、さらにCrを3.
0%以上13.0%以下含む工具鋼等を例示でき、これ
らは、強度も高く耐磨耗性に優れ、好ましいものであ
る。
重量%で0.8%以上1.2%以下、Crを1.0%以
上2.0%以下含むSUJ2等があり、耐磨耗性と共に
加工性、焼き入れ性に富み、構造用材料として適当であ
る。
耗と疲れ破壊である。前2者はもちろんのこと、疲れ破
壊もまた表面から割れていく現象で、いずれも表面の状
況に強く影響される。
ことで改善することが可能であり、摩耗に対する特性を
向上させるためには表面を硬化すること、さらに疲れ破
壊にも表面を硬化し耐摩耗性を向上し、また圧縮残留応
力を表面に残留させることが有効である。
ミックスを、PVD法等で基材上にコーティングするこ
とが効果的である。
との固溶体であり、組成を選べば使用目的に応じた基材
との密着性、皮膜硬度、表面の耐食性等の特性が得られ
るので、上記目的に好ましいものである。
表すとき、基材との十分な密着性を得るために、0≦X
≦0.1で膜厚0.5μm以上2.0μm以下の層を基
材表面に成膜することが必要である。
含有量が大きいと、鉄鋼をベースとした基材との密着性
は劣る。
耗部材として使用できる程度に十分高いことが必要で、
例えばLEVETESTのスクラッチテスターによる皮
膜臨界剥離荷重値が10N以上、望ましくは20N以上
であればよい。
は無く、2.0μmを越えても効果は変わらない。
上に0.6≦X≦1.0で膜厚0.5μm以上5.0μ
m以下の中間層を成膜すると効果的である。
有量が大きくなると、皮膜が高硬度化し、ヴィッカース
硬度(荷重50g)が約3000から5000程度にな
る。
度は800未満であり、前記0≦X≦0.1の窒化チタ
ンまたは窒化チタンに近い組成の皮膜でもヴィッカース
硬度は約2000から2500であるので、中間層中の
炭素含有量を大きくすることが高硬度化に効果的であ
る。
未満では高硬度化の効果は少ない。膜厚が5.0μmを
越えた単一相皮膜は剥離しやすくなるので不適当であ
る。
学的に安定な特性が必要である。炭窒化チタンは組成に
より反応性が異なり、窒素含有量が高いと耐酸化性が増
し、窒素含有量が低いと硬度が上がり耐磨耗性が向上
し、アルミ溶湯との耐食性も増す。
性、アルミ溶湯等の溶融金属との耐食性を考慮し、0≦
X≦0.6で膜厚1.0μm以上5.0μm以下の層と
した。
量が大きくなると、空気中で400℃程度でも表面が酸
化し、酸化チタンが生成しこれにより硬度がヴィッカー
ス硬度で1000以下となり、耐磨耗性を著しく損なう
ので好ましくない。
最表層が5.0μmを越えた皮膜は、前記同様剥離しや
すくなるので不適当である。
他に、多層膜化することはさらに耐食性向上に貢献す
る。
裂等の欠陥が皮膜表面から基材表面にまで達し、腐食が
ここを起点として起こる場合が多い。
った基材は容易にFeAl3等の金属間化合物を生成す
る。
安定な窒化チタン等のセラミックスである場合、かえっ
て反応が促進されることがある。
の皮膜中の欠陥も基材まで達することなく、腐食の起点
を少なくすることができる。
法について説明する。
組成を精度良く得るには、蒸発源を金属チタンとし、反
応ガス中の窒素ガスの含有モル%をA、アセチレンの含
有モル%をBとするとA+B>90%であって、炭窒化
チタン膜をTiCxN1-xと表すとき、当該膜を得るのに
x=B/(A+B)となる反応ガスを使用し、上記のよ
うに成膜することが必要である。
等しくなるように設定する方法が簡便で、特に高真空中
では正確である。
ス流量をbとするとx=B/(A+B)=b/(a+
b)となるように設定すればよい。
r以下で電子銃蒸発源を使って成膜するイオンプレーテ
ィング法が有効である。
蒸発源を金属チタンとした場合、高真空中でイオン化が
容易で、通常使用されるアルゴン等の不活性ガスを使用
する必要はなく、高純度で密着性のある皮膜生成が可能
である。
ンガスの含有モル%が90%より多い場合、炭窒化チタ
ン膜の組成制御が正確にできることを見いだした。
き、当該膜を得るのにx=B/(A+B)となる反応ガ
スを使用すれば良い。
際、基材を軟化させないために、基材の焼き戻し温度以
下で処理する。
子銃蒸発源で溶解し、電子銃蒸発源と基材の間に設置さ
れた正に印加された電極で金属チタンをイオン化し、反
応ガスを導入して、負にバイアスを印加された基材へ成
膜すると効果的である。
材の前処理として、イオンボンバードメントあるいはイ
オン炭窒化等の処理を行なっても良い。
のイオンを基材表面にぶつけて、コーティング前に、表
面に吸着した密着性の弱い原子あるいは分子を取り除く
ので、密着性のある界面層形成に効果がある。
ンを使用し基材に1KV以下の負のバイアスをかけて処
理する。
層を形成させるので、皮膜と基材の機械的特性あるいは
化学的特性のギャップを埋め、界面での剥離や応力集中
あるいは腐食を避けるのに効果的である。
ン密度が高く、処理温度が高く、長時間処理程効率が良
いが、基材を軟化させないために、処理温度は600℃
以下の基材焼き戻し温度以下で、例えば2時間以内とい
った短時間で行なうことが望ましい。
基材中への窒素、炭素の拡散が促進される。
化水素やアンモニアを使うと効果的である。
等の不活性ガスを添加しても良いが、窒素、炭素、水素
以外のガスはモル%で40%未満とすることが望まし
い。
物、金型類をはじめとする耐摩耗部材、アルミニウムや
亜鉛等の低融点金属やアルカリ溶液などと接する耐食部
材として、より苛酷化する使用環境で適用することがで
きる。
膜の成膜条件と皮膜特性を第1表に示す。皮膜表面硬度
の測定は荷重50gでヴィッカース硬度の測定値を示し
てある。
のわかっている試料により検量線を作り、RSV社AN
ALYMAT2504型グロー放電発光分光分析装置を
用いて分析した。
を4.4%、Vを1.8%、Moを5.1%、Wを5.
7%を含み、焼き入れ焼き戻しした後のヴィッカース硬
さが700の合金工具鋼SKH51(焼き戻し温度57
0℃)を使用した。
タンを使い、電子銃でこれを溶解した。ガスは窒素ある
いはそれに加えてアセチレンガスを用いた。
B)となるようにB=10%(アセチレンガス分圧0.
4Torr)、A=90%(窒素ガス分圧3.6Tor
r)とし、中間層の成膜は、x=0.8=B/(A+
B)となるようにB=80%(アセチレンガス分圧3.
2Torr)、A=20%(窒素ガス分圧0.8Tor
r)として行ない、最表層だけ試料ごとに組成を変化さ
せた。
ろ、界面層はx=0.1、中間層はx=0.8となっ
た。
を変えることによって変化させた。成膜速度は0.1μ
m/minで行なった。基材温度は500℃に保持し
た。
00Vの直流を印加し、圧力は4x10-4torrで行
なった。耐磨耗性はピンオンディスク試験を行なった。
セラミック被覆した試験片上で荷重29N、速度100
mm/sで500m磨耗試験したときのピン磨耗重量で
比較した。
ある。第1表では、磨耗重量2mg以下を小、10mg
以上を大、それ以外を中とした。溶損量は700℃のア
ルミ溶湯にセラミック被覆した試験片を4時間浸漬し、
試験後NaOH溶液でアルミを除去しその時の重量減を
測定した。
mg/cm2以下が実用レベルである。皮膜臨界剥離荷
重LcはLEVETESTスクラッチテスターによるも
ので、基材と皮膜との密着性の指標となる。
1から5までが実施例であり、試料番号6から10まで
が比較例である。第1表に示すように条件を適正化する
と、耐摩耗性と耐食性を兼備できる。
表面特性を生かし、基材と皮膜界面からの劣化および皮
膜内部からの劣化を減少させた耐摩耗性と耐食性に優れ
たセラミック被覆部材を得ることができる。
Claims (2)
- 【請求項1】 工具鋼、軸受鋼を基材とし、窒化チタ
ン、炭化チタンまたは炭窒化チタン膜であって当該膜を
TiCxN1-xと表すとき、前記の基材の表面に0≦X≦
0.1で膜厚0.5μm以上2.0μm以下の界面層、
0.6≦X≦1.0で膜厚0.5μm以上5.0μm以
下の中間層、さらに0≦X≦0.6で膜厚1.0μm以
上5.0μm以下の最表層からなる皮膜を成膜してなる
ことを特徴とするセラミック被覆部材。 - 【請求項2】 蒸発源を金属チタンとし、反応ガス中の
窒素ガスの含有モル%をA、アセチレンの含有モル%を
BとするとA+B>90%であって、炭窒化チタン膜を
TiCxN1-xと表すとき、当該膜を得るのにx=B/
(A+B)となる反応ガスを使用し、アーク放電を利用
したイオンプレーティング法によって組成を制御して、
工具鋼、軸受鋼からなる基材の表面に、請求項(1)記
載のように成膜することを特徴とするセラミック被覆部
材の製造方法。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP4273536A JP2746505B2 (ja) | 1991-11-27 | 1992-09-18 | セラミック被覆部材とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33583491 | 1991-11-27 | ||
JP3-335834 | 1991-11-27 | ||
JP4273536A JP2746505B2 (ja) | 1991-11-27 | 1992-09-18 | セラミック被覆部材とその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05214512A JPH05214512A (ja) | 1993-08-24 |
JP2746505B2 true JP2746505B2 (ja) | 1998-05-06 |
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ID=26550700
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4273536A Expired - Fee Related JP2746505B2 (ja) | 1991-11-27 | 1992-09-18 | セラミック被覆部材とその製造方法 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2746505B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105039982A (zh) * | 2015-08-28 | 2015-11-11 | 太原理工大学 | 一种钛镍合金表面制备碳纳米管增强复合陶瓷层的方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5382672A (en) * | 1976-12-28 | 1978-07-21 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Coated high speed steel and its manufacture |
JPS61170559A (ja) * | 1985-01-21 | 1986-08-01 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 被覆超硬合金 |
-
1992
- 1992-09-18 JP JP4273536A patent/JP2746505B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
桑野三郎他、″反応性イオンプレーティングによるTi(C,N)複合皮膜の形成について″,表面技術,(1992),Vol.43,No.9,p.852−857 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105039982A (zh) * | 2015-08-28 | 2015-11-11 | 太原理工大学 | 一种钛镍合金表面制备碳纳米管增强复合陶瓷层的方法 |
CN105039982B (zh) * | 2015-08-28 | 2017-06-06 | 太原理工大学 | 一种钛镍合金表面制备碳纳米管增强复合陶瓷层的方法 |
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---|---|
JPH05214512A (ja) | 1993-08-24 |
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