JP3339981B2 - 鉄基材料の表面処理方法 - Google Patents
鉄基材料の表面処理方法Info
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Description
コストパフォーマンス良く向上させるための鉄基材料の
表面処理方法に関するものである。
タンと炭素とをイオン注入することでその耐摩耗性等諸
特性が向上することは既に知られている。チタンイオン
と炭素イオンとの二重注入による鉄基材料の耐摩耗性改
善の報告(例えば、L.E.Pope,S.T.Picraux, D.M.Follst
aedt, J.A.Knapp, and F.G.Yost, "Effect of Ion Impl
antation Species on the Tribological Response of S
tainless Steel Surfaces", J.Materials for Energy S
ys. 7(1985) p.277)では、304ステンレス鋼等に対
して、チタンイオン注入に加えて炭素イオン注入を行う
ことで耐摩耗性改善効果の寿命が長くなることが述べら
れている。特開平4ー183860号公報では、鉄鋼材
料にチタンイオン注入量を1×1017ions/cm2
とし、かつチタンイオン注入層内の炭素量をチタンイオ
ン注入量の2倍以下とすることで良好な特性が得られる
ことが開示されている。これまで鉄基材料へチタンと炭
素とをイオン注入することにより該鉄基材料の耐摩耗性
を向上させる技術に関して開示された内容では、チタン
イオン注入量は1×1017ions/cm2を越えるも
のであった。その理由は、チタンのみをイオン注入した
鉄基材料の摩耗は、図1に示すように1×1017ion
s/cm2以上のイオン注入量で急激に減少するためで
ある。また、チタンイオン注入した鉄基材料の耐摩耗性
はイオン注入量が増加するほどより高い荷重まで耐える
ようになる。この耐荷重の上昇はチタンイオン注入に追
加して行う炭素イオン注入の注入量の増加によって更に
大きくなる。
オン注入量に比例することから、要求されるイオン注入
量が大きいほど処理時間が増大することによりコストの
高騰化を招く。
ときに、それを実現する処理時間の短縮を行うために
は、単位時間当りのイオンビーム積算照射量を増大させ
てイオンビーム電流密度を上昇させる方法がとられるこ
とが多い。イオンビーム電流密度を上昇させるには一般
に、(1) イオン注入装置で発生するイオンビーム電
流を増大させることでビーム電流密度を上昇させる、
(2)イオンビームを絞り、照射面積を縮小することに
よりビーム電流密度を上昇させる、という2つの方法が
ある。しかし前者(1)の方法の実現には設備費が高い
大ビーム電流の装置の採用が必要であり、設備コストが
高くなり、かつ取り扱いも煩雑となる。また後者(2)
の方法は、処理を行える面積が狭まることで生産性が低
下し、やはりコストが高騰化するという制限がある。よ
って、鉄基材料の耐摩耗性向上を目的とするチタンイオ
ン注入の処理コストには、最低チタンイオン注入量の存
在がもたらす下方硬直性が存在した。
ン注入した鉄基材料の優れた耐摩耗特性をより高いコス
トパフォーマンスで実現する方法が求められてきた。
一般に処理が実施されていたよりも少ないイオン注入量
でチタンと炭素とを鉄基材料に添加することにより、上
記問題点を解決し、イオン注入装置の負荷を増大させる
ことなく、かつ生産性を低下させることもなく、耐摩耗
特性を改善する方法を提供することにある。
者らは、鉄鋼材料へのチタンと炭素のイオン注入量とエ
ネルギーと耐摩耗特性改善効果との関係についての鋭意
検討し、実験を積み重ねた結果、鉄基材料の摩耗特性向
上の為のチタンと炭素とのイオン注入処理に関して、従
来一般に処理が行われていたのと異なるチタン及び炭素
のイオン注入量範囲でありながら、優れた耐摩耗性を実
現する条件範囲を見いだした。具体的には本発明は、鉄
基材料へチタンイオンを2×1016ions/cm2
以上であって、かつ1×1017ions/cm2以下
の注入量でイオン注入した後に、炭素イオンを2×10
17ions/cm2以上であって、かつ2×1018
ions/cm2以下の注入量でイオン注入することを
特徴とする表面処理方法である。
注入することにより耐摩耗性を向上させる技術に関して
特許公報や学術文献等で開示された範囲を図示してい
る。更に図2には、その耐摩耗性向上効果が得られる最
大荷重の比較がプロットされている。チタンイオン注入
はイオン注入量が1×1017ions/cm2を越える
条件で初めてその耐摩耗向上効果が得られるために、チ
タンのみをイオン注入するときのイオン注入量が1×1
017ions/cm2に至らない場合には耐摩耗性向上
の効果は発現しない。チタンイオンのみをイオン注入し
た場合、チタンイオン注入量が増加するほどイオン注入
材料の耐摩耗性を示す最大荷重は上昇する。またチタン
のイオン注入が1×1017ions/cm2を越える場
合に、炭素イオン注入を行うことによりその効果の寿命
が増加することは既に知られている。例えば、D.M.Foll
staedt, J.A.Knapp, L.E.Pope, F.G.Yost, and S.T.Pic
raux, Appl.Phys.Lett. (1984) p.529 では、AISI
15−5PHステンレス鋼に対してチタン(180k
eV)2×1017ions/cm2に加えて炭素(30
keV)2×1017ions/cm2のイオン注入量で
処理を行うことにより、チタン単独でイオン注入した場
合と比較して耐摩耗性向上効果の寿命が延長されること
を示している。この報告を始めとして、従来チタンイオ
ン注入と併せて行われた炭素イオン注入の作用は、既に
チタン単独のイオン注入によって発現されていた耐摩耗
性の寿命若しくは最大耐荷重を向上する補助的な役割に
過ぎなかった。故に、図2が示すチタン単独のイオン注
入ではもともと耐摩耗性向上の効果がない1×1017i
ons/cm2以下というイオン注入量では、追加して
の炭素イオン注入を行うことも無意味と考えられてお
り、1×1017ions/cm2以下のチタンイオン注
入量に追加して炭素イオン注入を行った報告もない。
素のみをイオン注入することによって鉄基材料の耐摩耗
性を向上させることも可能である。しかし炭素イオン注
入のみによる耐摩耗性向上効果を得るには、K.Kobs他,A
ppl.Phys.Lett.,57 (1990) p.1622 に明らかにされてい
るように、2×1018ions/cm2以上のイオン注
入量が必要である。このイオン注入量の条件範囲は、図
2にも示した。
入条件は、チタン単独のイオン注入では耐摩耗性向上の
効果が得られないイオン注入量である1×1017ion
s/cm2以下であり、かつ炭素イオン注入量が2×1
017ions/cm2以上であり、このときに摺動特性
が良好な改質表層が形成されることを明らかにしたもの
である。この条件範囲は、即ち図2に示すように、チタ
ンイオンを注入量2×1016ions/cm2以上であ
って、かつ1×1017ions/cm2以下でイオン注
入するのに加えて炭素イオンを注入量2×1017ion
s/cm2以上であって、かつ2×1018ions/c
m2以下で注入する条件である。また、チタンイオン注
入のエネルギーは低いほど少ないイオン注入量でもイオ
ン注入後の材料表層のチタン濃度が高まることから、チ
タンイオン注入のエネルギーが低くなると本発明の効果
はより顕著となる。ここで、もしイオンビームとして複
数のイオン価数のイオンが混在するものを用いる場合に
は、そのエネルギーとは、加速電圧にイオンビームの平
均イオン価数を乗じた平均エネルギーである。イオン注
入のエネルギーを高めるためには一般にはイオンビーム
発生装置の加速電圧を高める必要があるが、高いイオン
ビームエネルギーの要求は装置コストの高騰化を招くた
めに、平均イオン価数が高いチタンイオンビームを発生
することが容易な真空アーク放電型イオン源を用いると
便利である。チタンイオン注入の下限である2×1016
ions/cm2以下のイオン注入量では、チタンイオ
ン注入と併せて炭素イオン注入を追加しても十分な耐摩
耗性向上効果が発現しない。また、炭素イオン注入量の
下限を2×1017ions/cm2としたのは、同じく
これ以下のイオン注入量では炭素イオン注入と併せて1
×1017ions/cm2以下のチタンイオン注入を行
っても十分な耐摩耗性向上効果が発現しないためであ
る。
ンイオン注入(140keV)を行った後に炭素イオン
注入(40keV)を行ったSUS440Cステンレス
鋼の耐摩耗性をピンオンディスク試験により測定した時
の結果を炭素イオン注入量の変化に対してプロットした
結果である。摺動速度は20mm/秒、摺動回数は10
万回である。無注入のSUS440Cの比摩耗量を1と
するとき、イオン注入材の比摩耗量は炭素イオン注入量
2×1017ions/cm2以上では急激に低下して、
2×1017ions/cm2以上では0.004という
無注入材よりも3桁低い値となるのに対して、炭素イオ
ン注入量2×1017ions/cm2よりも低い値で
は、比摩耗量は無注入材と変わらないことがわかる。
量1×1015ions/cm2から1×1018ions
/cm2の範囲でイオン注入(140keV)した後
に、炭素をイオン注入量1×1018ions/cm2で
イオン注入(40keV)したSUS440Cステンレ
ス鋼の比摩耗量をピンオンディスク試験により測定した
結果である。測定条件は上記と同様に、摺動速度は20
mm/秒、摺動回数は10万回である。炭素イオン注入
量5×1016ions/cm2以上で比摩耗量の低下が
あるのに対して、5×1016ions/cm2未満のイ
オン注入量では比摩耗量は無注入材のものと変わらな
い。
発明によれば、鉄基材料へチタンイオンを2×1016i
ons/cm2以上であって、かつ1×1017ions
/cm2以下の注入量でイオン注入すると共に炭素イオ
ンを2×1017ions/cm2以上であって、かつ2
×1018ions/cm2以下の注入量でイオン注入す
ることにより、鉄基材料の耐摩耗性を高いコストパフォ
ーマンスをもって向上できる。
テンレス鋼の比摩耗量のチタンイオン注入量依存性を示
すグラフ。
量(縦軸)の座標により表した従来のイオン注入量の範
囲と、本発明のイオン注入量の範囲を示すグラフ。
たSUS440Cステンレス鋼について、ピンオンディ
スク試験測定した比摩耗量の炭素イオン注入量依存性を
示すグラフ。
たSUS440Cステンレス鋼について、ピンオンディ
スク試験測定した比摩耗量の炭素イオン注入量依存性を
示すグラフ。
Claims (1)
- 【請求項1】 鉄基材料へチタンイオンを2×10
16ions/cm2以上であって、かつ1×1017
ions/cm2以下の注入量でイオン注入した後に、
炭素イオンを2×1017ions/cm2以上であっ
て、かつ2×1018ions/cm2以下の注入量で
イオン注入することを特徴とする鉄基材料への表面処理
方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP02727895A JP3339981B2 (ja) | 1995-01-23 | 1995-01-23 | 鉄基材料の表面処理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP02727895A JP3339981B2 (ja) | 1995-01-23 | 1995-01-23 | 鉄基材料の表面処理方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08199356A JPH08199356A (ja) | 1996-08-06 |
JP3339981B2 true JP3339981B2 (ja) | 2002-10-28 |
Family
ID=12216612
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP02727895A Expired - Fee Related JP3339981B2 (ja) | 1995-01-23 | 1995-01-23 | 鉄基材料の表面処理方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3339981B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7064491B2 (en) * | 2000-11-30 | 2006-06-20 | Semequip, Inc. | Ion implantation system and control method |
-
1995
- 1995-01-23 JP JP02727895A patent/JP3339981B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH08199356A (ja) | 1996-08-06 |
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