JPH0978238A - Surface hardening method - Google Patents
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- JPH0978238A JPH0978238A JP23148295A JP23148295A JPH0978238A JP H0978238 A JPH0978238 A JP H0978238A JP 23148295 A JP23148295 A JP 23148295A JP 23148295 A JP23148295 A JP 23148295A JP H0978238 A JPH0978238 A JP H0978238A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、金属部材の表面硬
化処理方法に関し、詳細には、各種機械の可動部を構成
する金属部材の摺動部表面、圧延用ローラや金型の作業
部表面等に、真空成膜およびイオン注入によって硬質で
厚い改質層を形成し、その表面を硬化し耐摩耗性・耐腐
食性を向上させる表面硬化処理技術に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for hardening a surface of a metal member, and more specifically, to a surface of a sliding portion of a metal member forming a movable portion of various machines, a surface of a working portion of a rolling roller or a die. In addition, the present invention relates to a surface hardening treatment technique for forming a hard and thick modified layer by vacuum film formation and ion implantation, and hardening the surface of the modified layer to improve wear resistance and corrosion resistance.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、耐摩耗性が要求される部材である
軸受、金型、圧延用ローラなどの表面硬化方法として、
基材に熱影響を及ぼさない低温域において、緻密かつ高
硬度で密着性に優れた被膜を付与できるイオンミキシン
グ法が注目され、その実用化に向けての検討が各方面か
ら進められている。イオンミキシング法は、真空蒸着、
スパッタリング、イオンプレーティング等による真空成
膜とイオン注入とにより基材表面に硬質な被膜を形成す
る硬化処理方法であって、真空成膜とイオン注入とを、
同時に行うダイナミックイオンミキシング法と、交互に
行うスタティックイオンミキシング法とが代表的であ
る。これらイオンミキシング法では、真空成膜とイオン
注入とにより硬質な被膜を形成する一方、その被膜界面
をイオン照射によって原子的に混合して、基材に対する
被膜の密着性を向上させることができる。2. Description of the Related Art In recent years, as a method of hardening the surface of bearings, molds, rolling rollers, etc., which are members requiring abrasion resistance,
Attention has been paid to an ion mixing method capable of providing a dense and highly hard coating having excellent adhesiveness in a low temperature range where the base material is not affected by heat, and studies for practical use of the ion mixing method are being promoted from various fields. Ion mixing method is vacuum deposition,
It is a curing treatment method for forming a hard film on the surface of a base material by vacuum film formation by sputtering, ion plating, etc. and ion implantation, and vacuum film formation and ion implantation are performed.
The dynamic ion mixing method performed simultaneously and the static ion mixing method performed alternately are typical. In these ion mixing methods, a hard film is formed by vacuum film formation and ion implantation, while the film interface is atomically mixed by ion irradiation to improve the adhesion of the film to the substrate.
【０００３】これらイオンミキシング法において、特
に、Ｔｉ蒸着とＮイオン注入とを組み合わせて硬質なＴ
ｉＮ被膜を形成する処理方法が多く検討され、種々の提
案がなされている。例えば、特開平1-168856号公報で
は、Ｎイオン照射の加速電圧と電流密度を、Ｎイオン入
射量とＴｉ蒸着量および蒸着速度と相関づけて適正化す
ることで、金属基材表面に密着性と耐摩耗性の優れたＴ
ｉＮ被膜を形成する表面硬化方法が提案されている。ま
た、特開平2-149663号公報では、Ｎイオンの入射数およ
び入射角度を適正なものとして、Ｎイオン入射数と蒸発
Ｔｉ原子数との比を制御することで、基材表面に高耐摩
耗性、高硬度のＴｉＮ薄膜を形成する方法が提案されて
いる。また、特開平4-236760号公報では、イオンミキシ
ング処理を２層に施すことで、第１層の蒸着膜界面での
イオン照射量を多く、続く第２層のイオン照射量を少な
くし、基材との密着性を保ちつつ 3μm 程度の厚いＴｉ
Ｎ被膜を形成する方法が提案されている。In these ion mixing methods, in particular, Ti vapor deposition and N ion implantation are combined to produce a hard T
Many treatment methods for forming an iN film have been studied and various proposals have been made. For example, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-168856, the acceleration voltage and current density of N ion irradiation are optimized by correlating them with the amount of incident N ions, the amount of Ti vapor deposition, and the vapor deposition rate, so that the adhesion to the surface of a metal substrate is And T with excellent wear resistance
A surface hardening method for forming an iN coating has been proposed. Further, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-149663, the number of incident N ions and the incident angle are set to be appropriate, and the ratio of the number of incident N ions and the number of evaporated Ti atoms is controlled to achieve high wear resistance on the substrate surface. A method of forming a TiN thin film having excellent properties and high hardness has been proposed. Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-236760, by performing the ion mixing treatment on two layers, the ion irradiation amount at the interface of the vapor deposition film of the first layer is increased and the ion irradiation amount of the subsequent second layer is decreased, and Thick Ti of about 3 μm while maintaining adhesion with the material
A method of forming an N coating has been proposed.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ところで、イオンミキ
シング処理により、耐摩耗性を効果的に改善するには、
硬質な被膜を数μm のオーダーまで充分に厚く、かつ充
分な密着性をもって形成する必要がある。また、充分な
密着性を得るためには、蒸着原子数に対する照射イオン
数の比（Arrival ratio ; Ion/Atom）を大きくする必要
がある。しかし、照射イオン量を多くすると、すでに蒸
着した膜がスパッタリングされて削られるため被膜を厚
くできなくなり、また、この点を補うために、蒸着量を
大きく（ Ion/Atom 比を小さく）して厚い被膜を形成す
ると、相対的なイオン照射量が少なくなって充分な密着
性を得られ難くなる。しかも、被膜を数μm まで厚くす
ると、被膜内の残留応力が大きくなって、基材との界面
に応力が集中するため、イオン照射による密着性強化だ
けでは、剥離を防止するに不十分となる。By the way, in order to effectively improve the wear resistance by the ion mixing treatment,
It is necessary to form a hard coating sufficiently thick to the order of several μm and with sufficient adhesion. Further, in order to obtain sufficient adhesion, it is necessary to increase the ratio of the number of irradiated ions to the number of vapor-deposited atoms (Arrival ratio; Ion / Atom). However, if the amount of irradiated ions is increased, the film that has already been deposited is sputtered and scraped off, making it impossible to thicken the film. To compensate for this point, the amount of deposition is increased (the Ion / Atom ratio is decreased) to increase the thickness. When a film is formed, the relative amount of ion irradiation is reduced and it becomes difficult to obtain sufficient adhesion. Moreover, if the coating is thickened up to several μm, the residual stress in the coating becomes large and the stress concentrates at the interface with the substrate, so strengthening the adhesion by ion irradiation alone is not sufficient to prevent peeling. .
【０００５】上記の前２者の従来技術（特開平1-168856
号、特開平2-149663号）では、蒸着Ｔｉ原子数と入射Ｎ
イオン数との比を制御して Ion/Atom 比を小さくするこ
とで、イオン照射によるスパッタを最小限にして被膜を
厚くしようとしている。しかし、これら従来技術では、
蒸着被膜を厚く成膜する場合、前述のように被膜界面で
の相対的なイオン照射量が少なくなって充分な密着性が
得られなくなり、数μm 以上の膜厚になると被膜内の残
留応力が大きくなって剥離してしまうので、１μm 以下
の厚さの硬質被膜しか得られない。一方、上記の後者の
従来技術（特開平4-236760号）では、２層に成膜するこ
とで厚いＴｉＮ被膜を形成しているが、そのＴｉＮ被膜
も結局は、第１層と第２層との間に界面を有しており、
第２層のイオン照射量を少なくしたことで第１と第２層
間の密着性があまり良くないので、第２層を厚く形成す
ると被膜内の残留応力が大きくなって、第１と第２層の
界面に応力が集中し、剥離し易いと言う問題がある。The former two prior arts described above (Japanese Patent Laid-Open No. 1-168856)
JP-A-2-149663), the number of vapor-deposited Ti atoms and the incident N
By controlling the ratio with the number of ions to reduce the Ion / Atom ratio, we are trying to minimize sputtering due to ion irradiation and thicken the film. However, in these conventional technologies,
When forming a vapor-deposited film thick, as described above, the relative ion irradiation dose at the film interface decreases and sufficient adhesion cannot be obtained, and when the film thickness is several μm or more, the residual stress in the film is reduced. Since it becomes large and peels off, only a hard coating having a thickness of 1 μm or less can be obtained. On the other hand, in the latter prior art described above (Japanese Patent Laid-Open No. 4-236760), a thick TiN film is formed by forming the film in two layers, but the TiN film is eventually the first layer and the second layer. Has an interface between
Since the adhesiveness between the first and second layers is not so good due to the reduced ion irradiation dose of the second layer, when the second layer is formed thicker, the residual stress in the film increases and the first and second layers There is a problem that stress is concentrated on the interface of and the peeling is easy.
【０００６】すなわち、前記従来技術では、基材表面に
硬質な被膜を形成して耐摩耗性を高めることが目的であ
って、その被膜を効率良く形成するには、イオン照射に
よるスパッタリングを避ける必要があるため、イオンミ
キシング処理時の Ion/Atom比を１以下の比較的低い値
として蒸着を多めにしている。そのため、より厚い被膜
を形成した場合、前述のように、被膜の密着性に問題が
生じる。[0006] That is, in the above-mentioned conventional technique, the purpose is to form a hard coating on the surface of the base material to enhance the wear resistance, and in order to form the coating efficiently, it is necessary to avoid sputtering by ion irradiation. Therefore, Ion / Atom ratio during the ion mixing process is set to a relatively low value of 1 or less to increase deposition. Therefore, when a thicker film is formed, as described above, there is a problem in the adhesion of the film.
【０００７】ここで、このような問題を解消するには、
被膜を形成することなく、直接的なイオン注入によって
基材表層部にイオン注入硬化層を形成することが有効と
考えられ、この観点から金属基材に直接原子を打ち込む
イオン注入処理を検討している報告（ Key Engineering
Materials；Vols.46 & 47(1990) 525頁〜 533頁）も見
られるが、この場合、イオン注入層の深さは、一般にサ
ブミクロンオーダーであって、耐摩耗性の改善には浅過
ぎる。しかも、その点を補うため、強制的にイオン注入
量を多くすると、注入層内のイオン濃度が飽和し、過剰
のイオンは基材内部に浸透せずに表層部に偏析したり、
あるいはガスとして散逸してしまい、注入イオン原子と
基材原子との混合層が形成できず、イオン注入単独処理
では、充分な厚さの改質層が得られないというのが実情
である。Here, in order to solve such a problem,
It is considered effective to form an ion-implanted hardened layer on the surface layer of the base material by direct ion-implantation without forming a film. From this viewpoint, the ion-implantation treatment that directly implants atoms into the metal base material is examined. Report (Key Engineering
Materials; Vols. 46 & 47 (1990) pp. 525 to 533) are also seen, but in this case, the depth of the ion-implanted layer is generally on the order of submicron, which is too shallow for improving wear resistance. Moreover, in order to compensate for that point, when the ion implantation amount is forcibly increased, the ion concentration in the implantation layer is saturated, and excess ions do not penetrate into the base material but segregate in the surface layer portion,
Alternatively, it is scattered as a gas, a mixed layer of implanted ion atoms and base material atoms cannot be formed, and the modified layer having a sufficient thickness cannot be obtained by the ion implantation alone treatment.
【０００８】従って、金属部材の耐摩耗性をより向上さ
せるには、硬質で充分に厚く、しかも基材から表面へと
徐々に変化する傾斜組織を有して安定な改質層を付与で
きる新たな技術の開発が必要とされていた。一方、この
ような改質層を得る従来技術として、浸炭処理や窒化処
理があるが、これら方法は、 600℃〜1000℃の高温下で
処理する必要があり、熱劣化し易いアルミやアルミ合金
等の基材には適用できず、万能的な硬化方法とは言えな
い。これに対応するため、本発明者らは、蒸着および／
またはイオン注入により、金属基材表面により厚くて安
定な改質層を形成すべく、種々の条件下でのイオンミキ
シング処理およびイオン注入単独処理試験と、その解析
を鋭意継続してきたが、それらの内のダイナミックイオ
ンミキシング処理において、ある条件下では、基材原子
が被膜側へ移動するという従来確認されていなかった特
異な現象、つまり基材原子の外方輸送現象が起こること
を見出した。そして、その関連データを整理解析したと
ころ、この外方輸送現象は、ダイナミックイオンミキシ
ング処理時の基材に到達する蒸着原子数に対する注入イ
オン数の比、つまり Ion/Atom 比と強位に相関している
ことが判明した。Therefore, in order to further improve the wear resistance of the metal member, it is possible to provide a stable modified layer that is hard and sufficiently thick and has a graded structure that gradually changes from the substrate to the surface. The development of various technologies was needed. On the other hand, as a conventional technique for obtaining such a modified layer, there are carburizing treatment and nitriding treatment, but these methods require treatment at a high temperature of 600 ° C to 1000 ° C, and aluminum or aluminum alloy that is easily deteriorated by heat. It cannot be applied to such base materials and cannot be said to be a universal curing method. To address this, we have
Or, in order to form a thicker and more stable modified layer on the surface of the metal substrate by ion implantation, the ion mixing treatment under various conditions and the ion implantation single treatment test and its analysis have been earnestly continued. In the dynamic ion mixing process in the above, it was found that under certain conditions, a unique phenomenon that substrate atoms move to the coating side, which has not been previously confirmed, that is, the phenomenon of outward transport of substrate atoms occurs. When the related data were organized and analyzed, this outward transport phenomenon was correlated with the ratio of the number of implanted ions to the number of vapor-deposited atoms reaching the substrate during dynamic ion mixing processing, that is, the Ion / Atom ratio and the strength. It turned out.
【０００９】そこで、この基材原子の外方輸送現象と I
on/Atom 比との相関関係を確認するため、Ｔｉ蒸着とＮ
ｅイオン注入によるダイナミックイオンミキシング処理
試験を行った。この試験では、炭素鋼基板に、イオンエ
ネルギー40keV でＮｅイオンを注入する一方、Ｔｉ蒸着
速度を変更して Ion/Atom 比を変化させた。そして、処
理後の炭素鋼基板の表層部についてオージェ電子分光分
析を行い、Ｔｉ被膜と炭素鋼基板との界面付近の組成プ
ロファイルを調べた。〔図１〕の (a)図〜 (c)図は、上
記処理後の基板について、オージェ電子分光分析を行っ
て得た深さ方向の組成プロファイルであって、 (a)図は
Ion/Atom 比を 0.1とした例、 (b)図は同比を 0.3とし
た例、 (c)図は同比を 0.6とした例それぞれの組成プロ
ファイルを示す。なお、各基板には、予めＴａイオンを
エネルギー45keV で注入しており、各プロファイル図中
に矢印で示したＴａ分布のピークを基準として、破線で
示す処理前の基板表面の位置を見積もった。Therefore, the outward transport phenomenon of this base atom and I
To confirm the correlation with the on / Atom ratio, Ti deposition and N
A dynamic ion mixing treatment test by e-ion implantation was performed. In this test, Ne ions were implanted into a carbon steel substrate at an ion energy of 40 keV, while the Ti deposition rate was changed to change the Ion / Atom ratio. Then, Auger electron spectroscopy analysis was performed on the surface layer portion of the carbon steel substrate after the treatment, and the composition profile near the interface between the Ti coating and the carbon steel substrate was investigated. (A) to (c) of FIG. 1 are composition profiles in the depth direction obtained by Auger electron spectroscopy analysis of the substrate after the above treatment.
The composition profiles of the Ion / Atom ratio of 0.1, (b) of 0.3, and (c) of 0.6 are shown. Ta ions were previously implanted into each substrate at an energy of 45 keV, and the position of the substrate surface before treatment shown by the broken line was estimated based on the peak of the Ta distribution indicated by the arrow in each profile diagram.
【００１０】その結果、 (a)図に示すように、 Ion/Ato
m 比が 0.1と小さいときは、被膜のＴｉ原子が基材側へ
移動した距離と基材Ｆｅが被膜側へ移動した距離がほぼ
等しいが、 (b)図と (c)図に示すように、 Ion/Atom 比
が 0.3、0.6 と順次大きくなるにつれ、基材Ｆｅの被膜
側への移動が顕著になることが確認された。そしてこれ
は、蒸着初期では基材のみがイオン照射されて、スパッ
タリングによって弾き出された基材Ｆｅ原子が蒸着され
るＴｉ原子と化合するためであり、また、これにより蒸
着Ｔｉ膜中の基材Ｆｅ原子濃度が高くなり、更にその上
に新たな膜が蒸着されたとき、基材Ｆｅ原子濃度が高い
古い蒸着膜中から、再びＦｅ原子が弾き出されて新たに
蒸着されるＴｉ原子と化合して行くことによって起こる
現象であることが判明した。As a result, as shown in (a), Ion / Ato
When the m ratio is as small as 0.1, the distance that the Ti atoms of the coating move to the substrate side and the distance that the substrate Fe moves to the coating side are almost equal, but as shown in (b) and (c), , As the Ion / Atom ratio increased to 0.3 and 0.6 in sequence, it was confirmed that the movement of the base material Fe to the coating side became remarkable. This is because, in the initial stage of vapor deposition, only the base material is irradiated with ions, and the base material Fe atoms ejected by sputtering combine with the Ti atoms to be deposited. When the atomic concentration becomes higher and a new film is vapor-deposited on it, Fe atoms are repelled from the old vapor-deposited film having a high Fe concentration in the base material and are combined with Ti atoms newly vapor-deposited. It turned out to be a phenomenon that occurs by going.
【００１１】ところで、上記の場合では、イオン注入さ
れたＮｅは基材表層部に残留せずにガスとして散逸する
が、基材原子との反応性が高いＢ、Ｎ、Ｃ等のイオンで
は、イオン注入された元素が基材表層部に蓄積され、そ
のイオン注入層中にも基材原子が混合されていく。一
方、イオン注入単独処理の場合では、スパッタリング効
果により基材原子が弾き出されてしまうため、注入量が
多くなると、注入イオン原子が表層部に偏析して基材原
子との混合層を形成し難いが、これに蒸着を組み合わせ
ると、前述の基材原子の外方輸送現象が起こり、つまり
蒸着原子がスパッタリング効果により基材から弾き出さ
れた原子を取り込むことになり、注入イオン原子と基材
原子との混合層が形成されると考えられる。従って、蒸
着とイオン注入とを同時に行い、かつ Ion/Atom 比を前
記従来の値よりも極端に大きくすると、上記基材原子の
外方輸送現象が起こる。また、このような基材原子の外
方輸送現象を利用すると、蒸着による被膜が比較的薄く
ても、その被膜下の基材表層部に厚い注入元素と基材元
素との混合層を形成し、薄い被膜と厚い混合層とからな
り、かつ基材から表面へと徐々に変化する傾斜組織を有
して安定な改質層を形成できるとの結論に達した。In the above case, the ion-implanted Ne does not remain in the surface layer of the base material and is dissipated as a gas. However, for ions such as B, N, and C, which have high reactivity with the base material atoms, The ion-implanted elements are accumulated in the surface layer of the base material, and the base material atoms are mixed in the ion-implanted layer. On the other hand, in the case of ion implantation alone treatment, the base material atoms are repelled by the sputtering effect, so when the implantation amount increases, the implanted ion atoms segregate in the surface layer portion and it is difficult to form a mixed layer with the base material atoms. However, when vapor deposition is combined with this, the above-mentioned outward transport phenomenon of the base material atom occurs, that is, the vapor deposition atom takes in the atom repelled from the base material by the sputtering effect, and the implanted ion atom and the base material atom It is considered that a mixed layer of is formed. Therefore, when the vapor deposition and the ion implantation are performed simultaneously and the Ion / Atom ratio is made extremely higher than the conventional value, the outward transport phenomenon of the base material atom occurs. Further, by utilizing such an outward transport phenomenon of the base material atom, even if the film formed by vapor deposition is relatively thin, a mixed layer of a thick injection element and the base material element is formed in the surface layer of the base material under the film. It was concluded that a stable modified layer can be formed with a thin coating and a thick mixed layer, and with a graded structure that gradually changes from the substrate to the surface.
【００１２】そして、本発明者らは、上記試験調査で把
握した条件に基づいて、Ｔｉ蒸着とＢイオン注入とを同
時に行うダイナミックイオンミキシング処理を検討し、
金属基材に到達する蒸着原子数に対する注入イオン数の
比を 1.5以上とし、更に、蒸着材をＴｉ、注入イオン種
をＢとすることで、厚さ 3μm 以上で、かつ基材から表
面へと徐々に変化する傾斜組織を有して安定な改質層を
形成することのできる表面硬化方法を、本願に先立って
出願（特願平 6-52019号）した。Then, the inventors of the present invention examined a dynamic ion mixing process in which Ti vapor deposition and B ion implantation were carried out at the same time, based on the conditions grasped in the above-mentioned test investigation.
By setting the ratio of the number of implanted ions to the number of vapor-deposited atoms reaching the metal base material to 1.5 or more, and further using Ti as the vapor deposition material and B as the implanted ion species, a thickness of 3 μm or more and from the base material to the surface can be achieved. Prior to the present application, a patent application was filed for a surface hardening method capable of forming a stable modified layer having a gradually changing gradient structure (Japanese Patent Application No. 6-52019).
【００１３】しかし、上記先願の表面硬化方法では、金
属基材の表面に、該基材に熱影響を及ぼさない低温域の
処理にて、厚くて安定な硬化層を形成し、優れた耐食性
および耐摩耗性を付与することができるものの、一般的
にＢイオンを発生させるには、ＢＦ3 ガス等の毒性材料
が必要であるため、安全性の点でその適用に制約が生
じ、一般的な工業用部材の表面処理方法として汎用的に
適用するには困難が伴うという問題があり、この点が解
決すべき課題として残されていた。However, in the surface hardening method of the above-mentioned prior application, a thick and stable hardened layer is formed on the surface of the metal base material by the treatment in the low temperature range which does not affect the base material, and the excellent corrosion resistance is obtained. Although it is possible to impart wear resistance, in general, a toxic material such as BF 3 gas is required to generate B ions, and therefore its application is restricted from the viewpoint of safety, However, there is a problem that it is difficult to apply it as a surface treatment method for various industrial members in general, and this point remains as a problem to be solved.
【００１４】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れもので、金属基材に熱影響を及ぼさない低温域の処理
にて、該基材表面に硬質で充分に厚く、かつ基材から表
面へと徐々に変化する傾斜組織を有して安定な改質層を
付与することができ、よって金属部材表面を硬化し耐摩
耗性・耐食性をより安定して向上でき、しかも、その実
施が容易で各種部材に汎用的に適用可能な表面硬化処理
方法を提供することを目的とする。The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is hard and sufficiently thick on the surface of a base material by a treatment in a low temperature range that does not affect the heat of the base material, It is possible to provide a stable modified layer with a graded structure that gradually changes to, so that the surface of the metal member can be hardened and wear resistance and corrosion resistance can be improved more stably, and its implementation is easy. It is an object of the present invention to provide a surface hardening treatment method that can be universally applied to various members.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成とされている。すなわち、本
発明に係る表面硬化処理方法は、真空成膜とイオン注入
とを同時に行うダイナミックイオンミキシング処理を施
して注入元素と基材元素との混合硬化層を形成する表面
硬化処理方法であって、前記ダイナミックイオンミキシ
ング処理時に、注入イオン種をＮイオンないしはＣイオ
ンとすると共に、注入イオンのエネルギーを1keV〜100k
eVとし、かつ金属基材に到達する蒸着原子数に対するイ
オン注入原子数の比を 1.5以上とすることを特徴とす
る。In order to achieve the above object, the present invention has the following constitution. That is, the surface hardening treatment method according to the present invention is a surface hardening treatment method of forming a mixed hardening layer of an implantation element and a base material element by performing a dynamic ion mixing process of simultaneously performing vacuum film formation and ion implantation. At the time of the dynamic ion mixing process, the implanted ion species are N ions or C ions, and the energy of the implanted ions is 1 keV to 100 k.
The feature is that eV is set, and the ratio of the number of ion-implanted atoms to the number of vapor-deposited atoms reaching the metal substrate is 1.5 or more.
【００１６】本発明者らは、ダイナミックイオンミキシ
ング処理において、前述した基材原子の外方輸送現象を
起こさせ、これにより金属基材表面に厚くて安定な硬化
層を形成するにあたって、Ｂイオン以外で、金属基材原
子との反応性が高く、かつ毒性がなくて発生の容易なＮ
イオンおよびＣイオンに着目し、これらイオン種を用い
た種々の処理試験とその解析を鋭意継続した結果、厚さ
1.0μm 以上の硬化層を得るに足る基材原子の外方輸送
現象は、 Ion/Atom 比およびイオンエネルギーをある値
以上とした場合のみに発現することが判明した。In the dynamic ion mixing process, the inventors of the present invention cause the above-mentioned outward transport of base material atoms to form a thick and stable hardened layer on the surface of the metal base material. N, which has high reactivity with the metal base material atom, is non-toxic, and is easy to generate
Focusing on ions and C ions, various treatment tests using these ion species and their analyzes were earnestly continued, and as a result,
It was found that the outward transport phenomenon of substrate atoms sufficient to obtain a hardened layer of 1.0 μm or more occurs only when the Ion / Atom ratio and the ion energy are set to a certain value or more.
【００１７】そこで、基材原子の外方輸送現象と Ion/A
tom 比および注入イオンのエネルギーとの相関関係を確
認するため、Ｔｉ蒸着とＮイオンおよびＣイオンの注入
によるダイナミックイオンミキシング処理試験を行っ
た。この試験では、炭素鋼基板に、イオンエネルギーを
１keV 、ビーム電流密度を80μＡ/cm2として、Ｎイオン
またはＣイオンを注入する一方、Ｔｉ蒸着速度を、0.20
nm/sec、0.10nm/sec、0.05nm/secと変更し、 Ion/Atom
比を、0.44、 0.89および 1.77 に変化させ、蒸着膜の
狙い膜厚さは 0.3μm と一定にした。また、Ｔｉ蒸着速
度を 0.05nm/sec として Ion/Atom 比を1.77に固定し、
注入イオンのエネルギーのみを 0.5keV 、1keV、10keV
と変化させた試験も行った。そして、処理後の炭素鋼基
板それぞれについて、その表層部を２次イオン質量分析
（ＳＩＭＳ）により分析し、深さ方向の組成変化を調べ
た。なお、各基板には、元の表面位置を把握するため、
予め、エネルギー10keV 、注入量 1×1017ions/cm2でＢ
イオン注入処理を施しておき、得られたＢイオン注入層
を元の表面位置を示すためのマーカとした。Therefore, the outward transport phenomenon of the base atoms and Ion / A
In order to confirm the correlation between the tom ratio and the energy of the implanted ions, a dynamic ion mixing treatment test was performed by Ti vapor deposition and implantation of N ions and C ions. In this test, N ion or C ion was implanted into a carbon steel substrate at an ion energy of 1 keV and a beam current density of 80 μA / cm 2 , while Ti deposition rate was 0.20.
Change to nm / sec, 0.10 nm / sec, 0.05 nm / sec, Ion / Atom
The ratio was changed to 0.44, 0.89 and 1.77, and the target film thickness of the deposited film was kept constant at 0.3 μm. Also, the Ti deposition rate was set to 0.05 nm / sec and the Ion / Atom ratio was fixed at 1.77.
Only the energy of the implanted ions is 0.5keV, 1keV, 10keV
The test which changed it was also performed. Then, the surface layer of each of the treated carbon steel substrates was analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) to examine the composition change in the depth direction. In addition, in order to grasp the original surface position on each board,
B in advance with an energy of 10 keV and an injection amount of 1 × 10 17 ions / cm 2 .
Ion implantation treatment was performed, and the obtained B ion implantation layer was used as a marker for indicating the original surface position.
【００１８】〔図２〕および〔図３〕は、上記各基板の
内のＴｉ蒸着速度を変化させたもののＳＩＭＳ分析結果
である。なお、〔図２〕はＮイオンを注入した例、〔図
３〕はＣイオンを注入した例をまとめたもので、また、
それらの (a)図は Ion/Atom比を 0.44 とした例、 (b)
図は同比を 0.89 とした例、 (c)図は同比を 1.77 とし
た例それぞれの組成プロファイルを示す。〔図２〕と
〔図３〕の (a)図および (b)図に示すように、Ion/Atom
比が 0.44および 0.89 の場合では、Ｔｉ被膜は厚く成
膜されるが、注入イオン（ＮイオンおよびＣイオン）と
基材Ｆｅとの混合層は 0.1μm 程度と薄い。また、予め
注入したＢの分布のピーク（矢印で示す）は基材Ｆｅの
プロファイルの最表面部にあり、基材Ｆｅ原子の外方輸
送は顕著ではない。これに対し、〔図２〕と〔図３〕の
(c)図に示すように、Ion/Atom比が 1.77になると、Ｔ
ｉ被膜はイオン注入のスパッタ効果によって薄くなる
が、注入イオン（ＮイオンおよびＣイオン）と基板材Ｆ
ｅとの混合層は 1.0μm 程度まで厚くなっている。ま
た、予め注入したＢの分布は深さ約 0.6μm の部分にピ
ーク（矢印で示す）があり、Ｂイオン注入だけを行った
場合の注入深さ(0.1μm)よりも深い部分に分布してい
る。このＢ分布のピーク付近が基板の元の表面位置と考
えられ、かつ、そのピーク位置よりも外側に注入イオン
（ＮイオンおよびＣイオン）と基材Ｆｅとの混合層があ
ることから、該混合層は基材Ｆｅ原子の外方輸送により
形成されたことがわかる。これは、 Ion/Atom 比を大き
くしたことによる基材Ｆｅ原子の被膜側への移動と、該
Ｆｅ原子と注入イオン（ＮイオンおよびＣイオン）の化
学的反応との相乗効果により、混合層が形成されたもの
である。また、この試験と一連の試験により、 Ion/Ato
m 比が 1.5以上になると、基材原子の外方輸送が顕著に
現れて、上記作用がより確実になることが確認された。FIG. 2 and FIG. 3 are SIMS analysis results of the Ti vapor deposition rate in each of the above-mentioned substrates which was changed. In addition, [FIG. 2] is an example in which N ions are implanted, [FIG. 3] is a summary in which C ions are implanted,
Figure (a) shows an example where the Ion / Atom ratio is 0.44, (b)
The figure shows the composition profile for the case where the ratio is 0.89, and the figure (c) shows the composition profile for the case where the ratio is 1.77. As shown in (a) and (b) of Fig. 2 and Fig. 3, Ion / Atom
When the ratio is 0.44 and 0.89, the Ti film is formed thick, but the mixed layer of implanted ions (N ions and C ions) and the base material Fe is as thin as about 0.1 μm. The peak of the distribution of B injected in advance (indicated by an arrow) is at the outermost surface of the profile of the base material Fe, and the outward transport of the base material Fe atoms is not remarkable. On the other hand, in [Fig. 2] and [Fig. 3]
As shown in (c), when the Ion / Atom ratio becomes 1.77, T
The i film becomes thin due to the sputtering effect of ion implantation, but the implanted ions (N ions and C ions) and the substrate material F
The mixed layer with e is thickened to about 1.0 μm. In addition, the distribution of B implanted in advance has a peak (indicated by an arrow) at a depth of about 0.6 μm, and it is distributed in a portion deeper than the implantation depth (0.1 μm) when only B ion implantation is performed. There is. It is considered that the vicinity of the peak of the B distribution is the original surface position of the substrate, and the mixed layer of the implanted ions (N ions and C ions) and the base material Fe is outside the peak position. It can be seen that the layer was formed by the outward transport of substrate Fe atoms. This is because the mixed layer is formed by the synergistic effect of the movement of the base Fe atom to the coating side by increasing the Ion / Atom ratio and the chemical reaction between the Fe atom and the implanted ions (N ion and C ion). It was formed. In addition, this test and a series of tests show that Ion / Ato
It was confirmed that when the m 2 ratio is 1.5 or more, the outward transport of the base material atoms is remarkably exhibited, and the above-mentioned action becomes more reliable.
【００１９】〔図４〕および〔図５〕は、上記各基板の
内のＴｉ蒸着速度と Ion/Atom 比を固定し、イオンエネ
ルギーを変化させたもののＳＩＭＳ分析結果である。な
お、〔図４〕はＮイオンを注入した例、〔図５〕はＣイ
オンを注入した例をまとめたもので、また、それらの
(a)図はイオンエネルギー 0.5keV 、 (b)図は同エネル
ギー 1keV 、 (c)図は同エネルギー 10keVの場合それぞ
れの組成プロファイルを示す。〔図４〕と〔図５〕の
(a)図に示すように、イオンエネルギーが 0.5keV 程度
と低い場合は、注入イオン（ＮイオンおよびＣイオン）
と基材Ｆｅとの混合層は0.3μm 程度しか形成されてい
ない。また、予め注入したＢが最表面部に分布している
ので、基材Ｆｅの外方輸送はほとんど起こってないこと
がわかる。これは、低エネルギーでは注入深さが浅くな
るので、基材Ｆｅのスパッタよりも、蒸着されるＴｉ被
膜のスパッタが顕著になるためと考えられる。これに対
して、〔図４〕と〔図５〕の (b)図に示すように、イオ
ンエネルギーが 1keV の場合は、予め注入したＢの分布
のピーク（矢印で示す）よりも外側に、注入イオン（Ｎ
イオンおよびＣイオン）と基材Ｆｅとの混合層が形成さ
れており、基材Ｆｅの外方輸送が顕著であることがわか
る。更に、〔図４〕と〔図５〕の (c)図に示すように、
イオンエネルギーが 10keVの場合も、 1.0μm 以上の厚
さの注入イオン（ＮイオンおよびＣイオン）と基材Ｆｅ
との混合層が形成されており、基材Ｆｅの外方輸送がよ
り顕著に起こったものと考えられる。但し、予め注入し
たＢは著しく少なく、どこがピークであるか判別できな
い。これは、注入したＮおよびＣイオンエネルギーが、
予め注入したＢイオンエネルギー(10keV) と等しいの
で、注入深さが同程度になることから、ダイナミックイ
オンミキシング処理中にＢがＦｅと共にスパッタされて
消滅したものと考えられる。FIGS. 4 and 5 show SIMS analysis results of the above-mentioned substrates with the Ti deposition rate and Ion / Atom ratio fixed and the ion energy varied. [FIG. 4] shows an example in which N ions are implanted, and [FIG. 5] is an example in which C ions are implanted.
Figure (a) shows the composition profile for ion energy of 0.5keV, (b) shows the same energy of 1keV, and (c) shows the same composition profile of 10keV. [Fig. 4] and [Fig. 5]
As shown in Figure (a), when the ion energy is as low as 0.5 keV, implanted ions (N and C ions)
The mixed layer of Fe and the base material Fe is formed to a thickness of only about 0.3 μm. Further, since B injected in advance is distributed on the outermost surface portion, it is understood that the outward transport of the base material Fe hardly occurs. It is considered that this is because the implantation depth becomes shallow at low energy, so that the sputtering of the Ti coating film deposited becomes more prominent than the sputtering of the base material Fe. On the other hand, as shown in (b) of [FIG. 4] and [FIG. 5], when the ion energy is 1 keV, it is outside the peak of the distribution of B injected in advance (indicated by the arrow), Implanted ion (N
It can be seen that a mixed layer of Fe and Fe) is formed, and the outward transport of Fe is remarkable. Furthermore, as shown in (c) of [FIG. 4] and [FIG. 5],
Even when the ion energy is 10 keV, implanted ions (N and C ions) with a thickness of 1.0 μm or more and the base material Fe
It is considered that the outer layer transport of the base material Fe occurred more significantly because a mixed layer with was formed. However, the amount of B injected in advance is extremely small, and it is not possible to determine where the peak is. This is because the implanted N and C ion energies are
Since it is equal to the B ion energy (10 keV) pre-implanted, the implantation depth is almost the same, and it is considered that B was sputtered with Fe during the dynamic ion mixing process and disappeared.
【００２０】ここで、上記の 1.0μm 程度の厚い混合層
は、ＮイオンまたはＣイオンの単独注入では得られない
ものである。〔図６〕および〔図７〕は、上記ダイナミ
ックイオンミキシング処理と同じ照射条件（イオンエネ
ルギー1keV、ビーム電流密度80μＡ/cm2）で、Ｔｉ蒸着
を行わずに、Ｎイオン注入またはＣイオン注入のみを行
った炭素鋼基板についての表層部のＳＩＭＳ分析結果で
ある。なお、〔図６〕はＮイオンを注入した例、〔図
７〕はＣイオンを注入した例をまとめたもので、また、
それらの (a)図はイオン注入量 3×1018ions/cm2の例、
(b)図はイオン注入量 5×1018ions/cm2の例それぞれの
組成プロファイルを示す。〔図６〕と〔図７〕の (a)図
に示すように、低イオン注入量の場合では、予め注入し
たＢ層とほぼ同じ深さに注入ＮおよびＣが分布してい
る。一方、〔図６〕と〔図７〕の (b)図に示すように、
高イオン注入量の場合は、予め注入したＢ層は観察され
ずＮおよびＣイオン注入によりＢ層がスパッタされて消
失したものと考えられる。しかし、いずれの場合も注入
イオン（ＮイオンおよびＣイオン）と基材Ｆｅとの混合
層は 0.1μm 程度しかない。Here, the thick mixed layer of about 1.0 μm cannot be obtained by single implantation of N ions or C ions. 6 and 7 show the same irradiation conditions (ion energy 1 keV, beam current density 80 μA / cm 2 ) as in the above dynamic ion mixing process, but only N ion implantation or C ion implantation without Ti deposition. It is a SIMS analysis result of the surface layer part about the carbon steel substrate which performed. In addition, [FIG. 6] is a summary of N ion implantation, [FIG. 7] is a summary of C ion implantation, and
Those (a) figures are examples of ion implantation dose of 3 × 10 18 ions / cm 2 ,
Figure (b) shows the composition profile of each example with an ion implantation dose of 5 × 10 18 ions / cm 2 . As shown in (a) of FIGS. 6 and 7, in the case of a low ion implantation amount, the implantations N and C are distributed at almost the same depth as the previously implanted B layer. On the other hand, as shown in (b) of FIGS. 6 and 7,
In the case of a high ion implantation amount, it is considered that the previously implanted B layer was not observed and the B layer was sputtered and disappeared by the N and C ion implantation. However, in both cases, the mixed layer of implanted ions (N ions and C ions) and the base material Fe is only about 0.1 μm.
【００２１】以上の結果から、厚さ 1.0μm 以上の硬化
層を得るに足る基材原子の外方輸送現象は、 Ion/Atom
比を 1.5以上、イオンエネルギーを 1keV 以上とした場
合のみに発現することがわかる。本発明は、これら試験
調査の結果から把握した条件に基づいて完成されたもの
である。すなわち、本発明では、真空成膜とイオン注入
とを同時に行うダイナミックイオンミキシング処理時
に、注入イオン種をＮイオンないしはＣイオンとすると
共に、注入イオンのエネルギーを1keV〜100keVとし、か
つ金属基材に到達する蒸着原子数に対するイオン注入原
子数の比、つまり Ion/Atom 比を 1.5以上と大きくする
ので、前述した基材原子の外方輸送現象を起こさせて、
この金属基材表面に、注入ＮないしはＣと基材元素とが
化学的に混合し、硬質で充分に厚く、かつ基材から表面
へと徐々に変化する傾斜組織を有して剥離の生じない安
定な改質層を形成することができる。ここで、本発明に
おける真空成膜とは、真空蒸着、スパッタリングまたは
イオンプレーティングによる成膜処理である。From the above results, the phenomenon of outward transport of base material atoms sufficient to obtain a hardened layer having a thickness of 1.0 μm or more is
It can be seen that it appears only when the ratio is 1.5 or more and the ion energy is 1 keV or more. The present invention has been completed based on the conditions grasped from the results of these test investigations. That is, in the present invention, during the dynamic ion mixing process in which the vacuum film formation and the ion implantation are simultaneously performed, the implanted ion species are N ions or C ions, and the energy of the implanted ions is 1 keV to 100 keV, and the metal substrate is Since the ratio of the number of ion-implanted atoms to the number of vapor-deposited atoms to reach, that is, the Ion / Atom ratio is increased to 1.5 or more, the above-mentioned outward transport phenomenon of the base material atoms is caused,
Injecting N or C and the base material element are chemically mixed on the surface of this metal base material, and it is hard and sufficiently thick and has a graded structure that gradually changes from the base material to the surface, so that peeling does not occur. A stable modified layer can be formed. Here, the vacuum film formation in the present invention is a film formation process by vacuum vapor deposition, sputtering or ion plating.
【００２２】また、ＮイオンおよびＣイオンは、毒性の
ない窒素ガスおよび二酸化炭素を用いて発生させること
ができ、取扱が安全で安価なことより、本発明方法は、
その実施が容易で各種部材に汎用的に適用可能で、工業
化に極めて有利である。そして、注入ＮおよびＣと基材
元素との混合層は必然的に窒化物または炭化物となるの
で、一般に広く利用されている窒化処理および浸炭処理
と同等の特性が得られ、これらの分野に随時代用するこ
とができる。しかも、一般の窒化処理および浸炭処理は
熱拡散効果に依存するために 600℃〜1000℃で処理が行
われ、基材が熱劣化し易い場合には適用できないのに対
し、本発明方法では、イオン注入のスパッタ効果を利用
して注入ＮおよびＣと基材元素との混合層を形成するの
で、例えば、〔表１〕に示すように、イオンビーム電流
量を調整すれば 100℃以下で処理することも可能である
ため、例えば、アルミおよびアルミ合金などの熱劣化が
激しい種別の金属材料からなる部材を始めとし、種々の
特性の金属部材に広く適用することができる。The N ion and C ion can be generated by using non-toxic nitrogen gas and carbon dioxide, and since the handling is safe and inexpensive, the method of the present invention is
It is easy to carry out, can be applied to various members in general, and is extremely advantageous for industrialization. Since the mixed layer of the implanted N and C and the base material element is inevitably a nitride or a carbide, the same characteristics as the widely used nitriding treatment and carburizing treatment can be obtained, and it can be applied to these fields at any time. It can be substituted. Moreover, the general nitriding treatment and carburizing treatment are performed at 600 ° C. to 1000 ° C. because they depend on the thermal diffusion effect, which is not applicable when the base material is likely to be thermally deteriorated. Since the mixed layer of implanted N and C and the base material element is formed by utilizing the sputtering effect of ion implantation, for example, as shown in [Table 1], if the ion beam current amount is adjusted, the treatment is performed at 100 ° C or less. Therefore, it can be widely applied to metal members having various characteristics, including a member made of a metal material of a type that is severely deteriorated by heat, such as aluminum and an aluminum alloy.
【００２３】[0023]
【表１】 [Table 1]
【００２４】なお、本発明において、注入ＮおよびＣと
基材元素との混合層の形成に関してはイオンエネルギー
の上限はないが、〔表１〕に示すように、イオンエネル
ギーが 100keV を超えると、イオンビーム電流量を必要
最小限としても、基材温度が600℃以上になってしま
い、一般の窒化処理および浸炭処理と比べて優位点が見
いだせなくなる。従って、本発明においては、その特徴
である厚い改質層を低温処理で得られる利点を享受する
ため、注入イオンのエネルギーを 100keV 以下に限定す
る。また、同様の観点から、特にイオンビーム電流量を
多くしたい場合は、最高エネルギーを 80keV以下、更に
好ましくは 50keV以下に設定するのが望ましい。In the present invention, there is no upper limit of the ion energy for forming the mixed layer of the implanted N and C and the base element, but as shown in [Table 1], when the ion energy exceeds 100 keV, Even if the amount of ion beam current is reduced to the necessary minimum, the substrate temperature will rise to 600 ° C or higher, and no advantage can be found compared to general nitriding treatment and carburizing treatment. Therefore, in the present invention, the energy of the implanted ions is limited to 100 keV or less in order to enjoy the advantage that the thick modified layer, which is the characteristic thereof, can be obtained by the low temperature treatment. From the same viewpoint, it is desirable to set the maximum energy to 80 keV or less, and more preferably 50 keV or less, especially when it is desired to increase the ion beam current amount.
【００２５】また、本発明において、適用時における最
適な Ion/Atom 比は、真空成膜の種別と注入イオン種に
よって異なる値をとるが、いずれにしても基材表面に硬
質膜を蒸着形成することを目的とした従来のダイナミッ
クイオンミキシング処理での最適値より I.5〜 2倍以上
大きい値とされる。また、上限値については特別の規制
要因は認められないが、経済性とスパッタリングの観点
から、大きくて10程度とし、通常では 5までの値、すな
わち 1.5以上から 5程度の範囲内の値に設定されること
が好ましい。In the present invention, the optimum Ion / Atom ratio at the time of application has different values depending on the type of vacuum film formation and the type of implanted ions, but in any case, a hard film is formed by vapor deposition on the surface of the substrate. Therefore, I.5 to 2 times larger than the optimum value in the conventional dynamic ion mixing process. Also, regarding the upper limit value, no special regulatory factor is recognized, but from the viewpoint of economic efficiency and sputtering, it is set to a maximum of about 10 and usually set to a value of up to 5, that is, a value within the range of 1.5 or more to about 5 Preferably.
【００２６】また、本発明において、ダイナミックイオ
ンミキシング処理時に用いる蒸着材としては任意の材料
が使用可能であるが、一般的な簡便性からＴｉ、Ｚｒ、
Ｈｆ、Ｓｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ等が好ましい。In the present invention, any material can be used as a vapor deposition material used in the dynamic ion mixing process, but Ti, Zr,
Hf, Si, B, Al, Fe, Cu and the like are preferable.
【００２７】[0027]
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る表面硬化処理
方法の実施例について説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the surface hardening treatment method according to the present invention will be described below.
【００２８】[0028]
【実施例】蒸着材としてＴｉ、注入イオン種としてＮお
よびＣを用い、表面を研磨した炭素鋼基板に、Ｔｉ蒸着
とＮまたはＣイオン注入とを同時に行うダイナミックイ
オンミキシング処理を行った。このとき、イオンエネル
ギーを 10keV、ビーム電流密度を 80 μA/cm2 とし、Ｎ
またはＣイオンを注入する一方、Ｔｉの蒸着速度を 0.2
0 〜 0.02nm/sec と変更して、 Ion/Atom 比を 0.44 〜
3.0 に変化させた。また、蒸着膜の狙い膜厚は、いずれ
も 0.3μm と一定にした。[Example] Using Ti as a vapor deposition material and N and C as implanted ion species, a carbon steel substrate having a polished surface was subjected to a dynamic ion mixing treatment in which Ti vapor deposition and N or C ion implantation were simultaneously performed. At this time, the ion energy is 10 keV, the beam current density is 80 μA / cm 2, and N
Or while injecting C ions, Ti deposition rate is 0.2
Change from 0 to 0.02 nm / sec and change the Ion / Atom ratio from 0.44 to
Changed to 3.0. In addition, the target film thickness of the vapor deposition film was fixed at 0.3 μm in all cases.
【００２９】そして、処理後の各基板それぞれについ
て、腐食試験と摩耗試験を行った。その結果を〔図８〕
および〔図９〕に示す。なお、〔図８〕はＮイオンを注
入した例、〔図９〕はＣイオンを注入した例をまとめた
ものである。Then, a corrosion test and an abrasion test were performed on each of the treated substrates. The result is shown in Fig. 8.
And [Fig. 9]. It should be noted that FIG. 8 shows an example in which N ions are implanted, and FIG. 9 shows an example in which C ions are implanted.
【００３０】〔図８〕と〔図９〕の (a)図は腐食試験に
おける腐食速度と Ion/Atom 比との関係を示すグラフで
あって、縦軸は、20％ＮａＣｌ水溶液中で電気化学的な
試験を行い、アノード分極曲線とカソード分極曲線から
計算した腐食速度である。〔図８〕と〔図９〕の (a)図
のグラフに示すように、Ｎイオンを注入した例およびＣ
イオンを注入した例とも、Ion/Atom比が 1.5以上になる
と急に腐食速度が減少して、優れた耐食性を示すように
なる。そして、このことは、イオンエネルギーを 1keV
以上に高めた状態で、Ion/Atom比が 1.5以上になると、
注入イオン（ＮイオンおよびＣイオン）と基材Ｆｅとの
混合層が急に厚くなり、それによって耐食性が高くなる
ことを意味する。(A) of FIG. 8 and FIG. 9 are graphs showing the relationship between the corrosion rate and the Ion / Atom ratio in the corrosion test, and the vertical axis shows the electrochemical in a 20% NaCl aqueous solution. The corrosion rate calculated from the anodic polarization curve and the cathodic polarization curve. As shown in the graphs of (a) of FIGS. 8 and 9, an example of implanting N ions and C
In both the ion-implanted examples, when the Ion / Atom ratio is 1.5 or more, the corrosion rate suddenly decreases and excellent corrosion resistance is exhibited. And this means that the ion energy is 1 keV
When the Ion / Atom ratio becomes 1.5 or more in the state of being raised above,
This means that the mixed layer of the implanted ions (N ions and C ions) and the base material Fe suddenly becomes thicker, thereby increasing the corrosion resistance.
【００３１】〔図８〕と〔図９〕の (b)図は往復摺動試
験における寿命サイクルとIon/Atom比との関係を示すグ
ラフである。なお、寿命サイクルとは、直径10mmのアル
ミナ球圧子を用いて、荷重O.98N(100gf)で往復摺動試験
を行う条件において、摺動摩耗溝深さが 5μm になるま
での摺動回数である。FIGS. 8B and 9B are graphs showing the relationship between the life cycle and the Ion / Atom ratio in the reciprocating sliding test. The life cycle is the number of slides until the sliding wear groove depth reaches 5 μm under the condition that a reciprocal sliding test is performed with a load of O.98N (100 gf) using an alumina ball indenter with a diameter of 10 mm. is there.
【００３２】〔図８〕と〔図９〕の (b)図のグラフに示
すように、Ｎイオンを注入した例およびＣイオンを注入
した例とも、Ion/Atom比が 1.5以上になると急に寿命サ
イクルが増加して、優れた耐摩耗性を示すようになる。
そして、このことは、耐食性の場合と同様に、イオンエ
ネルギーを 1keV 以上に高めた状態で、Ion/Atom比が1.
5以上になると、注入イオン（ＮイオンおよびＣイオ
ン）と基材Ｆｅとの混合層が急に厚くなり、それによっ
て耐摩耗性が高くなることを意味する。As shown in the graphs of (b) of FIGS. 8 and 9, both the example in which N ions are implanted and the example in which C ions are implanted, when the Ion / Atom ratio becomes 1.5 or more, it suddenly increases. The life cycle is increased to show excellent wear resistance.
And this is similar to the case of corrosion resistance, when the ion energy is increased to 1 keV or more, the Ion / Atom ratio is 1.
When it is 5 or more, it means that the mixed layer of implanted ions (N ions and C ions) and the base material Fe is suddenly thickened, thereby increasing the wear resistance.
【００３３】以上の結果から、ダイナミックイオンミキ
シング処理時に、注入イオン種をＮイオンないしはＣイ
オンとすると共に、注入イオンのエネルギーを1keV〜10
0keVとし、かつ Ion/Atom 比を 1.5以上とする本発明方
法によれば、金属基材の表面に、耐食性、耐摩耗性に優
れた改質層を、 200℃以下の低温域で付与できることが
確認できた。From the above results, at the time of the dynamic ion mixing process, the implanted ion species are N ions or C ions, and the energy of the implanted ions is 1 keV to 10 keV.
According to the method of the present invention having 0 keV and an Ion / Atom ratio of 1.5 or more, it is possible to apply a modified layer excellent in corrosion resistance and wear resistance to the surface of a metal substrate in a low temperature range of 200 ° C. or lower. It could be confirmed.
【００３４】なお、上記実施例では、イオンエネルギー
および Ion/Atom 比を大きくしたので、スパッタリング
によって蒸着被膜は薄く形成されるが、この被膜は、照
射イオンにより弾き出される基材原子を取り込むことが
主要な役割であって、その厚さが薄くても、注入イオン
と基材原子との混合層を充分厚く形成して補うことがで
きる。しかも、その混合層は、基材から表面へと徐々に
変化する傾斜組織を有するので、剥離の問題の生じない
安定なものとなる。In the above examples, since the ion energy and the Ion / Atom ratio were increased, the vapor-deposited coating was thinly formed by sputtering, but this coating mainly incorporates the base material atoms repelled by the irradiation ions. Even if the thickness is thin, the mixed layer of the implanted ions and the base material atoms can be formed sufficiently thick to compensate. Moreover, since the mixed layer has a gradient structure that gradually changes from the base material to the surface, it becomes stable without causing the problem of peeling.
【００３５】また、上記実施例では、炭素鋼基板を処理
した例について述べたが、本発明はこれに限定されるも
のでなく、炭素鋼以外の種々の金属材料、特に、一般の
窒化処理や浸炭処理は適用できないアルミおよびアルミ
合金やチタンおよびチタン合金等の金属材料からなる部
材についても広く適用することができる。Further, in the above embodiment, an example in which a carbon steel substrate was treated was described, but the present invention is not limited to this, and various metal materials other than carbon steel, particularly general nitriding treatment and It can also be widely applied to members made of metal materials such as aluminum and aluminum alloys and titanium and titanium alloys to which carburizing treatment cannot be applied.
【００３６】[0036]
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
金属基材表面に、真空成膜およびイオン注入によって、
硬質で充分に厚く、かつ基材から表面へと徐々に変化す
る傾斜組織を有して安定な改質層を付与することがで
き、よって金属部材の表面硬度および耐摩耗性、耐食性
をより安定して向上でき、しかも、その処理を基材に熱
影響を及ぼさない 100℃〜 200℃程度の低温で行うこと
ができ、かつ用いるイオンの取扱が安全で実施が容易で
あり、よって各種部材に汎用的に適用できて、その波及
性は非常に大きい。As described above, according to the present invention,
By vacuum deposition and ion implantation on the surface of the metal substrate,
It is hard and sufficiently thick, and has a graded structure that gradually changes from the base material to the surface, and can provide a stable modified layer. Therefore, the surface hardness, wear resistance, and corrosion resistance of metal members are more stable. The treatment can be carried out at a low temperature of 100 ° C to 200 ° C, which does not affect the base material, and the ions used are safe and easy to carry out. It can be applied universally, and its ripple effect is very large.
【図１】本発明に関わる基材原子の外方輸送現象と Ion
/Atom 比との関係を確認するためにダイナミックイオン
ミキシング処理後の基板についてオージェ電子分光分析
を行って得た各元素の深さ方向の組成プロファイルであ
る。1] Outer transport phenomenon of substrate atoms and Ion related to the present invention
It is the composition profile in the depth direction of each element obtained by performing Auger electron spectroscopy analysis on the substrate after the dynamic ion mixing treatment in order to confirm the relationship with the / Atom ratio.
【図２】本発明に関わる基材原子の外方輸送現象と Ion
/Atom 比およびイオンエネルギーとの関係を確認するた
めに Ion/Atom 比を変化させたダイナミックイオンミキ
シング処理後の基板について２次イオン質量分析を行っ
て得た各元素の深さ方向の組成プロファイルである。[Fig. 2] Outer transport phenomenon of substrate atoms and Ion according to the present invention
In order to confirm the relationship between the / Atom ratio and the ion energy, the composition profile in the depth direction of each element obtained by performing secondary ion mass spectrometry on the substrate after the dynamic ion mixing process in which the Ion / Atom ratio was changed is there.
【図３】本発明に関わる基材原子の外方輸送現象と Ion
/Atom 比およびイオンエネルギーとの関係を確認するた
めに Ion/Atom 比を変化させたダイナミックイオンミキ
シング処理後の基板について２次イオン質量分析を行っ
て得た各元素の深さ方向の組成プロファイルである。[Fig. 3] Outer transport phenomenon of substrate atoms and Ion related to the present invention
In order to confirm the relationship between the / Atom ratio and the ion energy, the composition profile in the depth direction of each element obtained by performing secondary ion mass spectrometry on the substrate after the dynamic ion mixing process in which the Ion / Atom ratio was changed is there.
【図４】本発明に関わる基材原子の外方輸送現象と Ion
/Atom 比およびイオンエネルギーとの関係を確認するた
めにイオンエネルギーを変化させたダイナミックイオン
ミキシング処理後の基板について２次イオン質量分析を
行って得た各元素の深さ方向の組成プロファイルであ
る。[Fig. 4] Outer transport phenomenon of substrate atoms and Ion according to the present invention
FIG. 3 is a composition profile in the depth direction of each element obtained by performing secondary ion mass spectrometry on the substrate after the dynamic ion mixing process in which the ion energy was changed in order to confirm the relationship with the / Atom ratio and the ion energy.
【図５】本発明に関わる基材原子の外方輸送現象と Ion
/Atom 比およびイオンエネルギーとの関係を確認するた
めにイオンエネルギーを変化させたダイナミックイオン
ミキシング処理後の基板について２次イオン質量分析を
行って得た各元素の深さ方向の組成プロファイルであ
る。FIG. 5: Outer transport phenomenon of substrate atoms and Ion relating to the present invention
FIG. 3 is a composition profile in the depth direction of each element obtained by performing secondary ion mass spectrometry on the substrate after the dynamic ion mixing process in which the ion energy was changed in order to confirm the relationship with the / Atom ratio and the ion energy.
【図６】本発明に関わる基材原子の外方輸送現象の発現
条件を確認するためにイオン注入単独処理後の基板につ
いて２次イオン質量分析を行って得た各元素の深さ方向
の組成プロファイルである。FIG. 6 is a composition in the depth direction of each element obtained by performing secondary ion mass spectrometry on the substrate after the ion implantation alone treatment in order to confirm the expression condition of the outward transport phenomenon of the substrate atom according to the present invention. It is a profile.
【図７】本発明に関わる基材原子の外方輸送現象の発現
条件を確認するためにイオン注入単独処理後の基板につ
いて２次イオン質量分析を行って得た各元素の深さ方向
の組成プロファイルである。FIG. 7 is a composition in the depth direction of each element obtained by performing secondary ion mass spectrometry on the substrate after the ion implantation alone treatment in order to confirm the expression condition of the outward transport phenomenon of the substrate atom according to the present invention. It is a profile.
【図８】本発明の実施例の基板表面の腐食試験における
腐食速度および往復摺動試験における寿命サイクルと I
on/Atom 比との関係を示すグラフである。FIG. 8 shows the corrosion rate in the corrosion test on the substrate surface and the life cycle in the reciprocating sliding test and I in the example of the present invention.
It is a graph which shows a relation with on / Atom ratio.
【図９】本発明の実施例の基板表面の腐食試験における
腐食速度および往復摺動試験における寿命サイクルと I
on/Atom 比との関係を示すグラフである。FIG. 9 shows the corrosion rate in the corrosion test of the substrate surface and the life cycle in the reciprocating sliding test and I in the example of the present invention.
It is a graph which shows a relation with on / Atom ratio.
Claims (1)
とを同時に行うダイナミックイオンミキシング処理を施
して注入元素と基材元素との混合硬化層を形成する表面
硬化処理方法であって、前記ダイナミックイオンミキシ
ング処理時に、注入イオン種をＮイオンないしはＣイオ
ンとすると共に、注入イオンのエネルギーを1keV〜100k
eVとし、かつ金属基材に到達する蒸着原子数に対するイ
オン注入原子数の比を 1.5以上とすることを特徴とする
表面硬化処理方法。1. A surface hardening treatment method for forming a mixed hardening layer of an implanting element and a base material element by subjecting a surface of a metal base material to a dynamic ion mixing treatment in which vacuum film formation and ion implantation are simultaneously performed, At the time of the dynamic ion mixing process, the implanted ion species are N ions or C ions, and the energy of the implanted ions is 1 keV to 100 k.
A surface hardening treatment method, wherein eV is set, and the ratio of the number of ion-implanted atoms to the number of vapor-deposited atoms reaching a metal substrate is set to 1.5 or more.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23148295A JPH0978238A (en) | 1995-09-08 | 1995-09-08 | Surface hardening method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23148295A JPH0978238A (en) | 1995-09-08 | 1995-09-08 | Surface hardening method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0978238A true JPH0978238A (en) | 1997-03-25 |
Family
ID=16924192
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23148295A Pending JPH0978238A (en) | 1995-09-08 | 1995-09-08 | Surface hardening method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0978238A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030073693A (en) * | 2002-03-12 | 2003-09-19 | (주) 유니플라텍 | Surface Modification Process for Enhancing Wear Resistance of Tools Using Ion Mixing Technology |
-
1995
- 1995-09-08 JP JP23148295A patent/JPH0978238A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030073693A (en) * | 2002-03-12 | 2003-09-19 | (주) 유니플라텍 | Surface Modification Process for Enhancing Wear Resistance of Tools Using Ion Mixing Technology |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20051128 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
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| A131 | Notification of reasons for refusal |
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| A521 | Written amendment |
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060816 |