JP3719847B2 - 摺動性材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無潤滑で用いることができ、相手側材料の損傷や焼き付きを起こしにくい摺動性材料及びその製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、窒化チタン(TiN)膜は、硬質耐摩耗性膜として金型、切削工具等に広範囲に使用されており、近年には摺動部品への適用も図られている。通常、無潤滑状態下でTiN膜が金属材料それ自体、もしくは相手材と摩擦される場合、相手材が膜表面に凝着するために摩擦係数は必ずしも低くならない。しかしながら、本発明者の検討によれば、プラズマCVD法で成膜されたTiN膜と金属材料との摩擦係数は比較的低いことが一連の継続的研究結果から明らかになった。この理由は定かではないが、プラズマCVD法を適用する場合の成膜時に原料である塩化チタンの未分解に由来する塩素、特に成膜時温度の低い場合に分解し切れずに残った塩素がTiN膜全面に混入するためと推測される。しかし、このTiN膜全面に混入した塩素は素材である金属材料と接触することにより素材を酸化侵食するという重大な問題点を有するものであり、そのまま実用化し得ないものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる現状に鑑み、本発明は無潤滑で用いることができ、相手側材料の損傷や焼き付きを起こしにくい摺動性材料及びその製造方法を提供することを目的とするものである。このような課題のもと、本発明者らはプラズマCVD法での塩素含有による耐摩耗性改善効果に着目し、TiN膜全面に塩素を含有させず、表面にのみ塩素注入層を形成すること、成膜時に塩素混入を来さないTiN成膜法と組み合わせることに想起し、本発明を為すに至ったものである。
【０００４】
【問題点を解決するための手段】
すなわち、本発明は金型用または摺動部品用の自己潤滑性を有する摺動性材料であって、硬質金属からなる母材の表面部位に、物理的蒸着法もしくは粉末冶金法で形成されたTiN被覆層が形成され、このTiN被覆層表面から塩素がその表面濃度が１×10¹⁶ions/cm²以上の濃度、好ましくは１×10¹⁶ions/cm²〜１×10¹⁷ions/cm²の濃度でイオン注入されてなり、かつ該TiN被覆層の前記母材との界面近傍には塩素イオンが存在しないことを特徴とする摺動性材料、並びに金型用または摺動部品用の自己潤滑性を有する摺動性材料の製造方法であって、硬質金属からなる母材の表面部位に、物理的蒸着法もしくは粉末冶金法で形成されたTiN被覆層を形成し、このTiN被覆層表面から塩素をその表面濃度が１×10¹⁶ions/cm²以上の濃度、好ましくは１×10¹⁶ions/cm²〜１×10¹⁷ions/cm²の濃度でイオン注入し、かつ該TiN被覆層の前記母材との界面近傍には塩素イオンが存在しないようにイオン注入することを特徴とする摺動性材料の製造方法により、前記課題を達成したものである。
【０００５】
【発明の実施の態様】
上記本発明によれば、金属材料表面に物理的蒸着法もしくは粉末冶金法で形成されたTiN被覆層の表面にその表面塩素濃度が１×10¹⁶ions/cm²以上の濃度、好ましくは１×10¹⁶ions/cm²〜１×10¹⁷ions/cm²の濃度でイオン注入されているため、この塩素注入層が自己潤滑性を有し、相手材が軟質の金属材料であっても低摩擦系数であるために相手材の付着を防止でき、また硬質であるTiN層の特徴を維持して摩耗し難い。また低摩擦係数でかつ耐摩耗性に優れるのみならず、TiN層が形成された金属素材層近傍のTiN層部分には塩素が含有されていないので、素材の腐食の問題も解消される。
【０００６】
図１は本発明の説明図であり、(a)は母材１のみを示し、(b)は母材片面にTiN層２を形成した状態を、そして(c)はTiN層表面に塩素を注入した塩素注入層３を形成した状態をそれぞれ示す。母材１は通常の高速度工具鋼、合金工具鋼、軸受鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼、アルミニウム及びその合金、チタン及びその合金、超硬、各種セラミックス等が使用でき、TiN層２の成膜に先だってその成膜される片面表面を研磨加工により鏡面仕上げしておく。TiN層２の成膜は物理的蒸着法、所謂PVD法、具体的にはイオンプレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンビームミキシング法等の蒸着法、もしくは粉末冶金法により形成するようにする。なお、本発明ではこのような方法によりTiN層２の成膜を行うものであるが、化学的蒸着法のうち熱CVD法ではプラズマCVD法と同様に原料として塩化チタンを用いるが工程時処理温度が極めて高いので未分解の塩素がTiN 層２に残存しないので、適用可能である。要は本発明は実質的に膜全面に塩素が含有されない手段であれば如何なる方法によってもよい。TiN層２の膜厚はその形成方法にもよるが、通常の硬質耐摩耗性膜として適用される0.2〜10μｍの範囲とすることが好ましい。0.2μｍより薄いと次工程である塩素注入時に母材界面近傍にまで塩素イオンが到達する恐れが大きくなる。逆に10μｍより厚くしても成膜時間、費用が嵩む割には耐摩耗性の向上はそれ程期待できない。
【０００７】
TiN層２上には、塩素を注入して塩素注入層３を形成する。イオン注入は半導体技術で汎用される技術であり、本発明はこれら半導体製造時に使用されるイオン注入装置をそのまま使用することができる。これらの注入装置は通常、100keV程度の加速エネルギーを有し、この程度の加速エネルギーで塩素注入を実施することにより適度の濃度で適度な深さまで塩素注入が施すことができる。勿論加速エネルギーをより高レベルとすれば塩素はそれだけ表面からより深くまで到達することは当然であるが、本発明ではTiN層２の表面における塩素注入層３の濃度が１×10¹⁶ions/cm²〜１×10¹⁷ions/cm²の濃度でイオン注入し、かつ母材１とTiN層２との界面近傍のTiN層２内には塩素が存在しないことが肝要であり、その点から従前の半導体製造装置用注入装置等をそのまま使用することが好ましい。塩素注入層３の塩素濃度がTiN層２表面において１×10¹⁶ions/cm²より少ないと無潤滑状態における耐摩耗性の向上効果もしくは低摩擦係数とならず、所期の課題が達成できなくなる。なお、TiN層２表面における塩素注入層３はTiN層２の膜厚方向に深くなるに従って漸次濃度を減少していき、およそ膜厚の約１／10〜８／10程度で殆どゼロとなる。以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【０００８】
【実施例】
基板として市販の粉末高速度工具鋼を用いた。機械加工により、φ25mm、厚さ約４mmに調整し、焼入れ、焼戻しの後、片面をダイヤモンド砥粒により鏡面研磨した。この基板の全面に中空陰極放電型の工業用イオンプレーティング装置を用いて厚さ約２μｍのTiN膜を生成し、試験片とした。成膜中は723Kに温度設定したヒーターで基板加熱を行った。
【０００９】
塩素イオン注入には半導体製造用の装置を用い、イオン源に装填した固体蒸発源にて純度99.99％の三塩化アルミニウムを気化した後、イオン化し、質量分離して一価の塩素イオンのみを選択した。加速エネルギーは100keV、イオン注入量は１×10¹⁶ions/cm²〜１×10¹⁷ions/cm²の範囲とした。イオン注入中の平均イオンビーム電流密度は約４μA/cm²であった。なお、処理中の温度制御は行わなかった。
【００１０】
摺動特性の評価にはボール・オン・ディスク型の摩擦摩耗試験機を用い、相手材としてSUS304及び超硬(WC)のボールを選んだ。試験条件は、荷重２または５Ｎ、摺動速度10または100mm/sとし、摩擦係数の変化を記録した。また、試料表面の摩耗痕を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察し、さらにエネルギー分散型Ｘ線分光装置(EDS)により元素分析を行った。
【００１１】
その結果、摩擦係数の変化を図２及び図３に示す。これら図より、TiN層表面に注入される塩素の量は１×10¹⁶ions/cm²のものでは試験開始直後から低い摩擦係数を示し、その効果は１×10¹⁷ions/cm²程度の量において十分であることがわかる。また、試験後の試料表面の摩耗痕を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察したところ、塩素注入を行わなかった試料面には凝着した相手材が認められ、EDSによる元素分析の結果、該凝着が認められた摩耗痕部分には大量の酸素が検出され、酸化が同時に起こっていることがわかった。これに反し本発明に係る実施例ではSEMによる摩耗痕の観察及び元素分析の結果から相手材の凝着は全く認められず、酸素の存在も確認できなかった。これらの結果から本発明耐摩耗性膜は自己潤滑性能を具備し、無潤滑状態での使用が可能である各種硬質膜として摺動部品等へも適用することができるものであることが明になった。なお、上記実施例において注入される塩素がTiN層表面で１×10¹⁶ions/cm²程度の量である場合、TiN層の通常の厚さが２μｍであるとして表面から１／10以深では塩素イオンは実質的に含有されておらず、特に母材近傍のTiN層には全く存在しないものである。
【００１２】
【発明の効果】
以上のような本発明によれば、従来は潤滑剤を必要とした金型においても耐摩耗性を維持したまま潤滑剤を不要にできる。また摺動部品においても潤滑剤を不要にし、さらに摩擦係数の低減により、エネルギーロスを減少できる。以上により、本発明による硬質材料を適用した場合、省資源、廃棄物低減の効果が期待できる。その適用範囲には以下のものがある。
(1)曲げ、絞り加工：金型の寿命改善、材料の付着防止、加工精度向上
(2)切削加工：工具寿命の改善、材料の付着防止、加工精度向上
(3)自動車部品：耐摩耗性向上、低摩擦係数、エネルギー効率向上、排気ガス低減
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る製造工程を示す説明図である。
【図２】実施例において相手材SUS304で荷重２Ｎの場合における摺動距離と摩擦係数との関係図である。
【図３】実施例において相手材WCで荷重5Ｎの場合における摺動距離と摩擦係数との関係図である。
【符号の説明】
１ 母材
２ TiN層
３ 塩素注入層

Claims (4)

1. 金型用または摺動部品用の自己潤滑性を有する摺動性材料であって、
   硬質金属からなる母材の表面部位に、物理的蒸着法もしくは粉末冶金法で形成されたTiN被覆層が形成され、
   このTiN被覆層には、表面から塩素がその表面濃度が１×10¹⁶ions/cm²以上の濃度でイオン注入されてなり、かつ該TiN被覆層の前記母材との界面近傍には塩素イオンが存在しないことを特徴とする摺動性材料。
2. 前記TiN被覆層表面から塩素がその表面濃度が１×10¹⁶ions/cm²〜１×10¹⁷ions/cm²濃度でイオン注入されてなる請求項１記載の摺動性材料。
3. 金型用または摺動部品用の自己潤滑性を有する摺動性材料の製造方法であって、
   硬質金属からなる母材の表面部位に、物理的蒸着法もしくは粉末冶金法によりTiN被覆層を形成し、
   このTiN被覆層に、表面から塩素をその表面濃度が１×10¹⁶ions/cm²以上の濃度でイオン注入し、かつ該TiN被覆層の前記母材との界面近傍には塩素イオンが存在しないようにイオン注入することを特徴とする摺動性材料の製造方法。
4. 前記TiN被覆層表面からイオン注入する塩素をその表面濃度が１×10¹⁶ions/cm²〜１×10¹⁷ions/cm²の濃度となるようにして行う請求項３記載の摺動性材料の製造方法。

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