JP3246823B2 - Surface modified steel and method for producing the same - 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、耐摩耗性に優れる表面
を持つ鉄鋼材料およびその製造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 steel material having a surface having excellent wear resistance and a method for producing the same.

【０００２】[0002]

【従来の技術】鉄鋼材料の表面の組成を変えて耐摩耗性
を向上させる方法として、よく知られ、かつ汎用されて
いる浸炭処理がある。これは、鋼材を高温の炭素含有ガ
ス及び還元性のガス中にて被処理材にその表面から炭素
を侵入させるもので、種々の鋼材の表面硬化方法として
広く用いられている。2. Description of the Related Art As a method of improving wear resistance by changing the composition of the surface of a steel material, there is a well-known and widely used carburizing treatment. In this method, carbon is introduced from the surface of a steel material into the material to be treated in a high-temperature carbon-containing gas or a reducing gas, and is widely used as a surface hardening method for various steel materials.

【０００３】しかしながら、浸炭処理は熱平衡を前提と
したプロセスであるため、鋼材表面はセメンタイトを形
成するまでの炭素濃度、即ち２５原子％以上にならず、
かつ炭素は鉄炭化物になるだけでグラファイトとしては
析出しない。また鋼材の炭素量が０．５重量％を越える
とうまく浸炭処理ができないため、この処理は、比較的
低炭素鋼に限られているという欠点があった。また、浸
炭処理材の耐摩耗性の向上機構は、主に表面硬度上昇に
よるものであるため、無潤滑環境での耐摩耗性及び耐久
性が十分なものではなかった。[0003] However, since the carburizing treatment is a process on the premise of thermal equilibrium, the carbon concentration on the surface of the steel material does not exceed 25 atomic% until cementite is formed.
In addition, the carbon only turns into iron carbide and does not precipitate as graphite. If the carbon content of the steel material exceeds 0.5% by weight, the carburizing treatment cannot be performed well, so that there is a disadvantage that this treatment is limited to relatively low carbon steel. Further, the mechanism for improving the wear resistance of the carburized material is mainly due to an increase in surface hardness, and thus the wear resistance and durability in a non-lubricated environment are not sufficient.

【０００４】浸炭処理に代わる表面の組成を変える方法
としてイオン注入法がある。この方法では、窒素イオン
や炭素イオンを注入して鋼材表層に鉄窒化物や鉄炭化物
を形成し、耐摩耗性を向上させるものである。There is an ion implantation method as a method of changing the surface composition instead of carburizing. In this method, nitrogen ions or carbon ions are implanted to form iron nitride or iron carbide on the surface of a steel material, thereby improving wear resistance.

【０００５】更に、鋼材表面に種々の成膜法を用いて硬
質膜を形成することも良く知られ、かつ汎用されている
技術である。これは鋼材表面に化学気相蒸着法や物理気
相蒸着法などを用いて硬質薄膜を形成し、耐摩耗性を向
上させるものである。Further, forming a hard film on the surface of a steel material by using various film forming methods is a well-known and widely used technique. In this method, a hard thin film is formed on the surface of a steel material by using a chemical vapor deposition method, a physical vapor deposition method, or the like to improve wear resistance.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来行われているイオ
ン注入法では、窒素及び炭素を鉄鋼材料に注入する際、
それぞれ鉄窒化物や鉄炭化物が形成されるような条件で
行われていた。イオン注入法の場合、浸炭処理法のよう
に被処理材の組成により処理が行えないという制約はな
いが、従来行われているイオン注入処理では、耐摩耗性
向上の機構は主に硬度上昇によるものであるため、浸炭
処理法と同等の改質効果しか得られず、耐摩耗性として
は不十分であった。In the conventional ion implantation method, when nitrogen and carbon are implanted into a steel material,
It has been performed under conditions such that iron nitride and iron carbide are formed, respectively. In the case of the ion implantation method, there is no restriction that the treatment cannot be performed depending on the composition of the material to be treated as in the case of the carburizing treatment method. Therefore, only a modification effect equivalent to that of the carburizing method was obtained, and the wear resistance was insufficient.

【０００７】一方、鋼材の表面に硬質膜を形成する方法
では、化学気相蒸着法や物理気相蒸着法などを用いて炭
化チタンや窒化チタン等の窒化物、炭化物、場合によっ
ては酸化物の薄膜を形成し、耐摩耗性を向上させるもの
である。ところが、窒化物、炭化物及び酸化物などはそ
れら自身が耐摩耗性に優れたものであるが、表面改質鋼
として見た場合、鉄基の基板に材料系が異なる化合物膜
を形成させることは、密着性の点で問題があった。その
ため、種々の前処理を施したり、基板と皮膜の界面に中
間層を形成することなどの処理が行われているが、装置
が複雑になったり、プロセスが煩雑になるという欠点が
あった。また、鉄基の化合物膜であれば同じ材料系であ
るため密着性の点では問題ないが、従来、鉄基化合物膜
を形成した例はなかった。On the other hand, in a method of forming a hard film on the surface of a steel material, a nitride, a carbide, and in some cases, an oxide such as titanium carbide and titanium nitride are formed by a chemical vapor deposition method or a physical vapor deposition method. It forms a thin film and improves wear resistance. However, nitrides, carbides and oxides themselves have excellent wear resistance, but when viewed as surface-modified steel, it is not possible to form a compound film having a different material system on an iron-based substrate. However, there was a problem in terms of adhesion. For this reason, various pretreatments and treatments such as formation of an intermediate layer at the interface between the substrate and the film are performed. However, there are drawbacks in that the apparatus becomes complicated and the process becomes complicated. In addition, since an iron-based compound film is made of the same material, there is no problem in terms of adhesion, but there has been no example of forming an iron-based compound film.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】上述した問題は、鉄−炭
素系に於て、炭素を鉄炭化物として化合物中に取り込ま
せることなく、主にグラファイトとして鉄中に均一に分
散析出するように精密にプロセスを制御しながらイオン
注入法や真空成膜法により表面処理を行うことにより解
決される。即ち、本発明は、耐摩耗性に優れる表面改質
鋼およびその製造方法を提供するものである。SUMMARY OF THE INVENTION The above-mentioned problems have been raised in the iron-carbon system in that carbon is not dispersed in the compound as an iron carbide, but is dispersed so as to be uniformly dispersed in iron mainly as graphite. The problem can be solved by performing surface treatment by ion implantation or vacuum film formation while controlling the process. That is, the present invention provides a surface-modified steel having excellent wear resistance and a method for producing the same.

【０００９】[0009]

【作用】鉄−炭素系の材料で、炭素を鉄炭化物として化
合物中に取り込ませることなく、主にグラファイトとし
て鉄中に均一に分散させる方法として、熱平衡に捕らわ
れない方法、すなわち非熱平衡プロセスにより表面処理
を行うとよい。非熱平衡プロセスとしては、基板表層へ
の元素添加法としてのイオン注入法および薄膜形成方法
としてのイオンプレーティング法、スパッタリング法、
イオンビーム蒸着法、クラスターイオンビーム蒸着法等
が使用できる。[Function] An iron-carbon based material, in which carbon is not incorporated into the compound as an iron carbide, but is dispersed uniformly in iron mainly as graphite. Processing should be performed. As the non-thermal equilibrium process, an ion implantation method as a method of adding an element to a substrate surface layer, an ion plating method as a method of forming a thin film, a sputtering method,
An ion beam evaporation method, a cluster ion beam evaporation method, or the like can be used.

【００１０】イオン注入法は、炭素をイオン化して静電
的に加速して材料表面にたたき込むもので、熱平衡に囚
われず望みの量を表層に導入することができる。炭素の
注入量が少ないときは、炭素は鉄鋼の格子中に固溶する
が、注入量が多くなるに従い鉄炭化物として析出を起こ
す。本発明者は、炭素イオンの注入量を最適化し、注入
処理時の被処理材の温度を制御することで、炭素を鉄炭
化物として化合物中に取り込ませることなく、主にグラ
ファイトとして鉄中に均一に分散させ、耐摩耗性に優れ
る表面改質鋼を得ることができることを見いだした。即
ち炭素の注入量として注入層の炭素の最大濃度が４５原
子％〜８０原子％となるように注入し、かつイオン注入
処理を行うときの温度を２００℃以下とすることであ
る。注入層の炭素の最大濃度を４５原子％〜８０原子％
とする理由は、炭素イオンの注入量が少なく、最大濃度
を４５原子％以下とすると、炭素は鉄格子中に固溶した
り炭化物として化合物に取り込まれたりして、摩擦係数
を下げて耐摩耗性を向上させるために必要なグラファイ
トとして均一に分散析出しない。一方、注入層の炭素の
最大濃度を８０原子％以上とするとグラファイトの比率
が大きくなり過ぎて、注入層が脆く破壊しやすくなり、
良好な耐摩耗性が得られなくなる。表層の炭素の最大濃
度をこの範囲にするために、炭素イオンのエネルギーに
も依存するが、注入量として８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ²以上必要である。イオン注入の場合、イオンのエネ
ルギーによって被処理材へのイオンの侵入深さが異な
り、イオンのエネルギーが小さいときには表面から浅い
ところにイオンが集中するため、比較的低い注入量でも
グラファイトを均一に分散析出させられるが、イオンの
エネルギーが大きいときには、表面から深く侵入するた
めにイオンの分布は広がり、グラファイトを均一に分散
析出させるには多量の注入を必要とする。In the ion implantation method, carbon is ionized and accelerated electrostatically to strike a material surface, so that a desired amount can be introduced into a surface layer without being restricted by thermal equilibrium. When the injected amount of carbon is small, the carbon forms a solid solution in the steel lattice, but as the injected amount increases, precipitation occurs as iron carbide. The present inventor has optimized the amount of implanted carbon ions and controlled the temperature of the material to be treated during the implantation process, so that carbon was not incorporated into the compound as iron carbide, but was uniformly dispersed in iron mainly as graphite. To obtain a surface-modified steel having excellent wear resistance. That is, the amount of carbon to be implanted is such that the maximum concentration of carbon in the implanted layer is 45 to 80 atomic%, and the temperature at which the ion implantation is performed is 200 ° C. or less. The maximum concentration of carbon in the injection layer is 45 atomic% to 80 atomic%.
The reason is that if the amount of implanted carbon ions is small and the maximum concentration is 45 atomic% or less, carbon will be dissolved in the iron lattice or taken into the compound as carbide, lowering the friction coefficient and reducing the wear resistance. Does not uniformly disperse and precipitate as graphite required to improve the quality. On the other hand, if the maximum concentration of carbon in the injection layer is 80 atomic% or more, the proportion of graphite becomes too large, and the injection layer becomes brittle and easily broken,
Good abrasion resistance cannot be obtained. In order to keep the maximum concentration of carbon in the surface layer in this range, although it depends on the energy of carbon ions, the injection amount is 8 × 10 ¹⁷ atoms / c.
m ² or more is required. In the case of ion implantation, the penetration depth of ions into the workpiece depends on the energy of the ions, and when the energy of the ions is low, the ions are concentrated at a shallower depth from the surface, so the graphite is evenly dispersed even at a relatively low implantation dose. The ions are deposited, but when the energy of the ions is large, the ions are deeply penetrated from the surface, so that the distribution of the ions is widened, and a large amount of implantation is required to uniformly disperse and deposit graphite.

【００１１】炭素イオン注入の注入量としては、炭素の
最大濃度が４５ａｔ％以上になるように定めるが、用い
る炭素イオンエネルギーとして、３０ｋＶ〜４００ｋＶ
が望ましい。これは、３０ｋＶ以下では、炭素イオンの
注入深さが小さく、耐摩耗性を改善するのに十分な厚み
の改質層が得られないためであり、４００ｋＶ以上のエ
ネルギーの炭素イオンを用いたときに、最大濃度が４５
原子％を越えるようにするためには注入量が多くなり、
現実的な時間で処理できないこと、および注入装置が大
型化し、産業用プロセスとして適当でないからである。The amount of carbon ion implantation is determined so that the maximum concentration of carbon is 45 at% or more, and the carbon ion energy to be used is 30 kV to 400 kV.
Is desirable. This is because at 30 kV or less, the depth of implantation of carbon ions is small, and a modified layer having a sufficient thickness to improve wear resistance cannot be obtained. And the maximum concentration is 45
In order to exceed atomic%, the injection amount will increase,
This is because they cannot be processed in a realistic time, and the injection device becomes large and is not suitable as an industrial process.

【００１２】また、処理温度として２００℃以下とした
のは、２００℃を越えると炭素の拡散が活発になり、鉄
炭化物の再合成やグラファイトの合体・成長による特性
劣化がおこるためである。The reason why the treatment temperature is set to 200 ° C. or lower is that, when the temperature exceeds 200 ° C., the diffusion of carbon becomes active, and the characteristics are deteriorated due to the resynthesis of iron carbide and the coalescence and growth of graphite.

【００１３】炭素イオン注入だけでも鉄鋼材料表面は十
分に耐摩耗性が向上するが、チタン等のＩＶａ族または
バナジウム等のＶａ族の元素をイオン注入法等で添加す
ると表層の摩擦係数がさらに低下し、耐摩耗性の一層の
向上が得られる。ＩＶａ族やＶａ族の元素は、鉄−炭素
系の合金に導入されると鉄−ＩＶａ族−炭素系または鉄
−Ｖａ族−炭素系の非晶質相を形成し、これにより鉄鋼
材料の摩擦係数が低下するためである。Although the wear resistance of the steel material surface is sufficiently improved only by carbon ion implantation, the friction coefficient of the surface layer is further reduced when an element of the IVa group such as titanium or the Va group such as vanadium is added by the ion implantation method or the like. Thus, the wear resistance can be further improved. Group IVa and Va elements form an iron-IVa-carbon or iron-Va-carbon amorphous phase when introduced into an iron-carbon alloy, thereby causing friction of the steel material. This is because the coefficient decreases.

【００１４】また、薄膜形成方法で表面を処理する方法
としては、いろいろな組合せが可能である。例えば鉄蒸
着と炭素イオン注入の組合せ、鉄蒸着と炭素蒸着の組合
せ、鉄蒸着と炭素蒸着にイオン照射の組合せなどが考え
られる。ここでは、鉄蒸着と炭素蒸着に不活性ガスイオ
ン照射を行う方法について詳しく説明する。図１は、本
発明を実施する装置の一例を示した図である。鉄の蒸着
源１、炭素の蒸着源２、ガスイオン源３および試料ホル
ダー４を備えた真空チャンバ５に被処理材６を取付け、
真空排気を行う。所定の真空度（代表的には１×１０^-6
ｔｏｒｒ以下）に達したところで成膜を開始する。ここ
で用いるイオン種としては、ネオン、アルゴンなどの不
活性ガスイオンとする。これは、不活性であるため、皮
膜中に取り込まれたときも好ましくない化合物を形成し
ないためである。このとき成膜直前にイオンボンバード
メントなど、被処理材６の成膜前処理を行った後に成膜
すると皮膜の密着性が更に向上する。このイオンボンバ
ードメント用のイオン源としては、イオン源３を用いて
も良いし、専用のイオン源を真空チャンバ５内に別途設
置しても良い。清浄な表面が得られたら、蒸着源を起動
し、鉄および炭素の蒸着を開始する。鉄および炭素の蒸
着は、同時でも良いし、薄い層を交互に作成するように
行っても良い。Various combinations are possible for treating the surface by the thin film forming method. For example, a combination of iron vapor deposition and carbon ion implantation, a combination of iron vapor deposition and carbon vapor deposition, and a combination of iron vapor deposition and carbon vapor deposition with ion irradiation are conceivable. Here, a method of performing inert gas ion irradiation on iron deposition and carbon deposition will be described in detail. FIG. 1 is a diagram showing an example of an apparatus for implementing the present invention. A workpiece 6 is attached to a vacuum chamber 5 having an iron evaporation source 1, a carbon evaporation source 2, a gas ion source 3, and a sample holder 4.
Evacuate. A predetermined degree of vacuum (typically 1 × 10 ^-6
When the pressure reaches torr or less, the film formation is started. The ion species used here is an inert gas ion such as neon or argon. This is because they are inert and do not form undesirable compounds when incorporated into the film. At this time, if the film is formed after performing a pre-deposition treatment of the material to be processed 6 such as ion bombardment immediately before the film formation, the adhesion of the film is further improved. As the ion source for this ion bombardment, the ion source 3 may be used, or a dedicated ion source may be separately installed in the vacuum chamber 5. Once a clean surface is obtained, turn on the deposition source and begin depositing iron and carbon. The deposition of iron and carbon may be performed simultaneously or may be performed so that thin layers are alternately formed.

【００１５】このとき、被処理材に到達する鉄原子／炭
素原子の比を１．２２以下になるようにし、かつ０．２
５以上となるようにする。ここで、鉄原子／炭素原子比
が１．２２以上であると、主に鉄炭化物が形成され、炭
素が主にグラファイトとして均一に分散析出しない。ま
た、鉄原子／炭素原子比が０．２５以下であると薄膜中
のグラファイトの比率が大きくなりすぎて、薄膜が脆く
破壊しやすくなるために良好な耐摩耗性が得られなくな
る。鉄及び炭素の被処理材上での蒸着速度は、０．５オ
ングストローム／秒〜５０オングストローム／秒とする
と良い。蒸着速度が０．５オングストローム／秒未満で
は、成膜時間が長くなり実用的でないこと、及び真空チ
ャンバ５内に残存する不純物の皮膜中への取り込みが相
対的に大きくなり、膜質が低下する。一方、５０オング
ストローム／秒を越えるような蒸着速度では、安定な蒸
着を行うことが困難である。At this time, the ratio of iron atoms / carbon atoms reaching the material to be treated is set to be 1.22 or less, and 0.2
5 or more. Here, when the iron atom / carbon atom ratio is 1.22 or more, iron carbide is mainly formed, and carbon is not uniformly dispersed and deposited mainly as graphite. If the iron atom / carbon atom ratio is 0.25 or less, the ratio of graphite in the thin film becomes too large, and the thin film becomes brittle and easily broken, so that good wear resistance cannot be obtained. The deposition rate of iron and carbon on the workpiece is preferably 0.5 Å / sec to 50 Å / sec. If the deposition rate is less than 0.5 angstroms / sec, the film forming time becomes long and impractical, and the incorporation of impurities remaining in the vacuum chamber 5 into the film becomes relatively large, deteriorating the film quality. On the other hand, if the deposition rate exceeds 50 angstroms / second, it is difficult to perform stable deposition.

【００１６】蒸着中に照射するイオンのイオンビーム照
射量としては、被処理材に到達する（鉄原子数＋炭素原
子数）／イオン数の比が、１〜１０になるようにする。
（鉄原子数＋炭素原子数）／イオン数の比が、１以下と
なると、イオンビームによるスパッタリングが多くな
り、狙いの薄膜を形成できない。一方、（鉄原子数＋炭
素原子数）／イオン数の比が１０以上になると、イオン
ビーム照射効果が小さくなり、皮膜の緻密さおよび均一
さが確保できない。The ion beam irradiation amount of the ions irradiated during the vapor deposition is set so that the ratio of (number of iron atoms + number of carbon atoms) / number of ions reaching the material to be processed is 1 to 10.
When the ratio of (the number of iron atoms + the number of carbon atoms) / the number of ions is 1 or less, sputtering by an ion beam increases and a target thin film cannot be formed. On the other hand, when the ratio of (the number of iron atoms + the number of carbon atoms) / the number of ions is 10 or more, the ion beam irradiation effect is reduced, and the denseness and uniformity of the film cannot be secured.

【００１７】成膜中の温度は、２００℃以下にする。こ
れは２００℃以上であると鉄と炭素の反応が活発にな
り、鉄炭化物を形成したり、グラファイトが合体・成長
して表面特性が劣化するためである。The temperature during the film formation is set to 200 ° C. or less. This is because if the temperature is higher than 200 ° C., the reaction between iron and carbon becomes active, and iron carbide is formed, and graphite is united and grown to deteriorate the surface characteristics.

【００１８】蒸着と同時に照射するイオンのエネルギー
として、１ｋＶ〜５０ｋＶが望ましい。これは１ｋＶ以
下であると蒸着原子に与えるエネルギーが小さく、薄膜
の緻密さおよび均一さを確保できないからであり、５０
ｋＶより大きいとイオン源が大型化し、産業用プロセス
として適切でないことによる。The energy of the ions to be applied simultaneously with the deposition is preferably 1 kV to 50 kV. This is because if it is 1 kV or less, the energy given to the vapor-deposited atoms is small, and the denseness and uniformity of the thin film cannot be ensured.
If the voltage is higher than kV, the ion source becomes large and is not suitable for an industrial process.

【００１９】ここでは、鉄蒸着、炭素蒸着及び不活性ガ
スイオン照射の組合せについて説明したが、ガスイオン
の代わりに皮膜の構成原子である炭素イオンや鉄イオン
を用いても良い。尚、この場合は、基板に到達する鉄原
子／炭素原子の比が１．２２以下、かつ０．２５以上と
なるように、蒸着速度およびイオン照射量を制御する必
要がある。また蒸着原子を活性化できるイオンプレーテ
ィングや蒸着原子のエネルギーが大きいスパッタリング
やクラスターイオン蒸着法等の薄膜形成方法を使用する
とイオン照射を行わなくても十分緻密で均一な膜が得ら
れる。Here, the combination of iron vapor deposition, carbon vapor deposition and irradiation with inert gas ions has been described, but carbon ions or iron ions which are constituent atoms of the film may be used instead of gas ions. In this case, it is necessary to control the deposition rate and the ion irradiation amount so that the ratio of iron atoms / carbon atoms reaching the substrate becomes 1.22 or less and 0.25 or more. When ion plating capable of activating vapor-deposited atoms or a thin film forming method such as sputtering or cluster ion vapor-deposition with large energy of vapor-deposited atoms is used, a sufficiently dense and uniform film can be obtained without ion irradiation.

【００２０】[0020]

【実施例】以下にイオン注入法による実施例と薄膜形成
法による実施例について述べる。Embodiments An embodiment based on the ion implantation method and an embodiment based on the thin film forming method will be described below.

【００２１】第一実施例 軸受け鋼（ＳＵＪ２）に炭素イオンを注入し、そのとき
の表層の解析および耐摩耗性を調べた。注入条件は、イ
オンエネルギーを４０ｋＶとし、イオン注入量を変化さ
せた。注入時の試料の温度は６０℃としたが、一部につ
いては２５０℃まで上昇させた。表層の解析として、炭
素の深さ方向の最大濃度をオージェ電子分光分析で測定
し、また炭素の主な存在形態の解析として透過電子回折
を行った。耐摩耗性の試験として、直線往復摺動試験を
行い、摩擦係数測定と摩耗量の評価を行った。この試験
条件は、荷重：１ｋｇｆ、摺動速度：１０ｍｍ／秒、摺
動回数：１０００回、相手ピン：ＳＵＳ４４０Ｃで行っ
た。摩耗量の評価は、摩耗痕の最大深さを精密粗度計で
測定した。これらの結果を表１に示す。これより本発明
による表層が優れていることが分かる。First Example Carbon ions were implanted into bearing steel (SUJ2), and the surface layer was analyzed and its wear resistance was examined. The implantation conditions were such that the ion energy was 40 kV and the ion implantation amount was changed. The temperature of the sample at the time of the injection was 60 ° C., but the temperature was raised to 250 ° C. for a part. As the analysis of the surface layer, the maximum concentration of carbon in the depth direction was measured by Auger electron spectroscopy, and the transmission electron diffraction was performed as the analysis of the main form of carbon. As a test of abrasion resistance, a linear reciprocating sliding test was performed to measure a friction coefficient and evaluate a wear amount. The test conditions were as follows: load: 1 kgf, sliding speed: 10 mm / sec, number of times of sliding: 1000, and mating pin: SUS440C. For the evaluation of the wear amount, the maximum depth of the wear mark was measured with a precision roughness meter. Table 1 shows the results. This indicates that the surface layer according to the present invention is excellent.

【００２２】第２実施例 軸受け鋼（ＳＵＪ２）に鉄蒸着、炭素蒸着およびアルゴ
ンイオン照射を行い、鉄−炭素薄膜を形成した。薄膜作
成の条件は、アルゴンイオンエネルギー：２０ｋＶ、ア
ルゴンイオンビーム電流：０．１ｍＡ／ｃｍ²、基板温
度：８０℃、膜厚：２μｍとし、基板に到達する鉄原子
と炭素原子の比率を変化させた。作成した薄膜の評価と
して、オージェ電子分光分析により薄膜中の鉄と炭素の
比を求め、透過電子回折で炭素の主な存在形態を調べ
た。また、薄膜の密着性をスクラッチ試験機で測定し
た。スクラッチ試験の条件は、荷重：１００Ｎ、荷重速
度：１００Ｎ／分、スクラッチ針先端半径：０．２ｍｍ
であった。また、第一実施例に示した直線往復摺動試験
を行い、摩擦係数及び摩耗量を測定した。また、通常の
イオンプレーティング法で軸受け鋼上に膜厚を２μｍと
して作成した窒化チタン薄膜および炭化チタン薄膜も比
較材として評価した。結果を表２に示す。本発明により
形成した表層が優れていることが分かる。SECOND EXAMPLE An iron-carbon thin film was formed on a bearing steel (SUJ2) by performing iron evaporation, carbon evaporation and argon ion irradiation. The conditions for forming the thin film were as follows: argon ion energy: 20 kV, argon ion beam current: 0.1 mA / cm ² , substrate temperature: 80 ° C., film thickness: 2 μm, and the ratio of iron atoms to carbon atoms reaching the substrate was changed. Was. As an evaluation of the formed thin film, the ratio of iron to carbon in the thin film was determined by Auger electron spectroscopy, and the main form of carbon was examined by transmission electron diffraction. Further, the adhesiveness of the thin film was measured by a scratch tester. The conditions of the scratch test were as follows: load: 100 N, load speed: 100 N / min, tip radius of the scratch needle: 0.2 mm
Met. In addition, the linear reciprocating sliding test shown in the first example was performed to measure the friction coefficient and the wear amount. In addition, a titanium nitride thin film and a titanium carbide thin film formed on bearing steel with a film thickness of 2 μm by a normal ion plating method were also evaluated as comparative materials. Table 2 shows the results. It can be seen that the surface layer formed according to the present invention is excellent.

【００２３】[0023]

【発明の効果】このように本発明によれば、炭素を鉄炭
化物として化合物中に取り込ませることなく、主にグラ
ファイトとして鉄中に均一に分散析出するように精密に
プロセスを制御しながらイオン注入法や真空成膜法によ
り表面処理を行って鋼材表層の炭素の最大濃度を４５原
子％乃至８０原子％とし、かつ主な存在形態がグラファ
イトからなる炭素を鋼材表層に分散析出させることによ
り、鉄鋼材料の耐摩耗性を飛躍的に向上することが可能
となる。As described above, according to the present invention, ion implantation is performed while controlling the process precisely so that carbon is not uniformly incorporated into the compound as iron carbide, but is mainly dispersed as graphite in the iron. The maximum concentration of carbon in the steel surface layer is adjusted to 45 atomic% to 80 atomic% by performing surface treatment by a vacuum method or a vacuum film forming method, and carbon mainly composed of graphite is dispersed and precipitated on the steel surface layer. It is possible to dramatically improve the wear resistance of the material.

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

【図１】本発明の薄膜形成を行うための装置構成を示す
図。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an apparatus for forming a thin film according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 鉄蒸着源 ２ 炭素蒸着源 ３ イオン源 ４ 試料ホルダー ５ 真空チャンバ ６ 被処理材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Iron evaporation source 2 Carbon evaporation source 3 Ion source 4 Sample holder 5 Vacuum chamber 6 Material to be processed

【表１】 [Table 1]

【表２】 [Table 2]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−229854（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−6362（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−33130（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−572（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 C23C 8/00 - 12/02 C23C 24/00 - 30/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-3-229854 (JP, A) JP-A-3-6362 (JP, A) JP-A-5-33130 (JP, A) JP-A-61- 572 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. ⁷ , DB name) C23C 14/00-14/58 C23C 8/00-12/02 C23C 24/00-30/00 JICST file (JOIS )

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 鋼材表層の炭素の最大濃度が４５原子
％乃至８０原子％であり、かつ炭素の主な存在形態がグ
ラファイトであり、該グラファイトが鋼材表層に分散析
出していることを特徴とする表面改質鋼。1. A steel material having a maximum carbon concentration of 45 to 80 atomic% in a surface layer of a steel material, wherein carbon is mainly present in the form of graphite, and the graphite is dispersed and precipitated on the steel material surface layer. Surface modified steel. 【請求項２】 イオン注入法により被処理材の温度を
２００℃以下に制御して、前記被処理材に対して炭素イ
オンを８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上注入すること
により、鋼材表層の炭素の最大濃度を４５原子％乃至８
０原子％とし、かつ主な存在形態がグラファイトからな
る炭素を鋼材表層に分散析出させることを特徴とする表
面改質鋼の製造方法。2. A method of controlling the temperature of a material to be treated to 200 ° C. or less by an ion implantation method, and implanting carbon ions into the material to be treated at a concentration of 8 × 10 ¹⁷ atoms / cm ² or more, so that a steel surface layer Maximum carbon concentration of 45 atomic% to 8
A method for producing surface-modified steel, characterized in that carbon having a concentration of 0 atomic% and whose main form is graphite is dispersed and deposited on a surface layer of a steel material. 【請求項３】 真空成膜法により被処理材の温度を２
００℃以下に制御して、被処理材に到達する鉄原子／炭
素原子の比を、０．２５乃至１．２２になるように蒸着
速度を制御することにより、鋼材表層の炭素の最大濃度
を４５原子％乃至８０原子％とし、かつ主な存在形態が
グラファイトからなる炭素を鋼材表層に分散析出させる
ことを特徴とする表面改質鋼の製造方法。3. The temperature of the material to be processed is set to 2 by a vacuum film forming method.
The maximum concentration of carbon in the steel surface layer is controlled by controlling the deposition rate so that the ratio of iron atoms / carbon atoms reaching the material to be treated becomes 0.25 to 1.22 by controlling the temperature to 00 ° C. or lower. A method for producing a surface-modified steel, comprising 45 to 80 atomic%, wherein carbon mainly composed of graphite is dispersed and precipitated on a surface of a steel material. 【請求項４】 前記真空成膜法に重畳して不活性ガス
イオン、炭素イオン及び鉄イオンのうちのいずれか１つ
若しくは２つ以上のイオンビームを照射することを特徴
とする請求項３に記載の表面改質鋼の製造方法。4. The method according to claim 3, further comprising irradiating an ion beam of one or more of inert gas ions, carbon ions, and iron ions in superposition with the vacuum film forming method. A method for producing the surface-modified steel according to the above.