JPS62107069A - 金属元素からなるセラミクス膜及び非金属元素からなるセラミクス膜を順次表面に処理した部材及びその表面処理方法 - Google Patents

金属元素からなるセラミクス膜及び非金属元素からなるセラミクス膜を順次表面に処理した部材及びその表面処理方法

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JPS62107069A
JPS62107069A JP24385585A JP24385585A JPS62107069A JP S62107069 A JPS62107069 A JP S62107069A JP 24385585 A JP24385585 A JP 24385585A JP 24385585 A JP24385585 A JP 24385585A JP S62107069 A JPS62107069 A JP S62107069A
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JP
Japan
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ceramic film
film made
metal element
reaction vessel
gas
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JP24385585A
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Mutsuki Yamazaki
六月 山崎
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明はエンジンやコンプレッサーあるいは半導体レ
ーザの高速スキャン用ポリゴンミラーの回転部等の様に
、機械的高速摺動による摩擦を受ける摺動部の耐摩耗性
を向上する金属元素からなるセラミクス膜及び非金属元
素からなるセラミクス膜を順次表面に処理した部材及び
その表面処理方法に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
近年、コンプレッサーやポリゴンミラーの回転部あるい
はターボエンジンのシャフトのように1分間に数千回転
あるいは致方回転という機械的高速摺動を行なう種々の
装置が開発されているが、これ等装置にあってはその摺
動部分の摩耗を防止し、回転精度を保持するため、その
摺動部分に超高速度鋼のように高価ではあるが硬度が大
きく本質的に摩耗しにくい特殊な材料が使用されている
しかしながら、耐摩耗性の向上による負荷価値は高くて
も、価格を高く出来ずコストダウンが要求されるものに
あっては、一般鋼材である鉄(Fe)を焼き7人れ硬度
を大きくしたものや、炭素(C)を多く含ませる事によ
り硬度を大きくした鋳造物等を使わざるを得す、その硬
度的に劣る分は、表面に酸化チタン(Tie)、炭化チ
タン(TiC)、窒化チタン(TiN)や酸化アルミニ
ウム(Al□0.〕等金属元素からなるセラミクスを被
覆する等しているが、これ等にあっては、被覆時、本体
を400(’C)以上に加熱しなければならず、本体が
寸法変形を生じてしまうという欠点を有すると共に、こ
れ等金属元素からなるセラミクスは、本体との接着性が
良く、耐摩耗性も向上される反面、その材質から生じる
特性として相手側を削ってしまい、切削工具等には適す
るものの、ロータリーコンプレッサーの主軸やエンジン
のカムシャフト等に用いると、相手側の摩耗が激しく、
焼き付きを生じるという欠点を有している。即ち、この
金属元素からなるセラミクスにあっては本体との界面に
おいて、その金属元素と本体成分との合金が形成される
事から接着性が向上される一方、相手側に対しても、こ
れと同様の原理で、金属元素からなるセラミクスが相手
側に高荷重で押圧摺動された場合、その金属元素と相手
側成分との合金が形成され、これが金属元素からなるセ
ラミクス側に擬着され、結局は金属同志の摺動になり、
容易に焼き付きを生じてしまうためである。
このことから前記金属元素からなるセラミクスに代わる
摩擦係数の小さいセラミクスとして、窒化ボロン(BN
)、窒化シリコン(Si2N3)、炭化シリコン(Si
C) 、酸化シリコン(Sin)等非金属元素からなる
セラミクスを本体に被覆するものが開発されているが、
これ等非金属元素からなるセラミクスは被覆時の本体の
加熱温度が200(’C)〜350 (’C)と従来の
ものに比し低減出来る事から、本体の寸法変形を生ずる
事が無くなると共に、硬度が高いにもかかわらず摩擦係
数は小さく、相手側をあまり削らないという特性を有す
る反面、ステンレス鋼やアルミニウムには良いが、それ
以外の一般鋼材、特に多孔質の鋳鉄のように鉄を主成分
とする本体に被覆する場合には、その接着性が悪く、高
速摺動等により本体に荷重がかかると剥離してしまい実
用化に至らないという問題を有している。
〔発明の目的〕
この発明は上記事情にもとづいてなされたもので、一般
鋼材からなる本体を用いるにもかかわらず、機械的摺動
部において相手側を削る事無く充分な耐摩耗性を得られ
、しかも接着性が良く剥離する事が無い金属元素からな
るセラミクス膜及び非金属元素からなるセラミクス膜を
順次処理した部材及びその表面処理方法を提供する事を
目的とする。
〔発明の概要〕
この発明は上記目的を達成するために、一般鋼材からな
る電動機器やエンジン等の機械的摺動部に、減圧下にお
けるグロー放電により金属元素からなるセラミクス膜及
び非金属元素からなるセラミクス膜を順次表面に被覆し
たことを特徴とするものである。
〔発明の実施例〕
以下この発明の一実施例を第1図を参照しながら説明す
る。成膜装置(10)の円筒状の反応容器(11)内の
中心には、基台(12)に取着され、ヒータ(図示せず
)を内蔵する支持具(13)に支持される本体であり、
鋳鉄からなるロータリーコンプレッサーのシャフト(1
4a)・・・(14n)が複数挿入されるようになって
いる。又、支持具(13)周囲には円筒状でガスを流入
するための穴を有する電極(16)及びガス拡散板(1
7)が同心円状に設けられ、電極(16)には反応容器
(11)を介し放電生起用電源である周波数13.56
(MHz)の高周波電源(18)が接続されている。更
に反応容器(11)内には、図示しないガス供給系より
、ガス導入バルブ(20a)を介し、窒素ガス〔N2〕
、アンモニアガス(NH3)、シランガス(SiH,)
等を必要に応じでぶ入するガス導入管(20)及びガス
排出管(21)が接続されている。但しガス排出管(2
1)はガス排出バルブ(21a)を介し、図示しないガ
ス排出ポンプ更には排ガス処理装置に接続されている。
尚(22)、(23)、 (24)は絶縁体、(26)
は基台(12)の取着部、(27)はガス導入管(20
)の取着部、(28)はガス排出管(18)の取着部で
ある。
しかして先ずシャフト(14a)・・・(14n)を機
械的に加工した後、支持具(13)に取り付け、反応容
器(11)内に挿入し、反応容器(11)内の圧力を1
×1O−3(Torr)とするようガス排出管(21)
より排ガス処理を行なうと共に、ヒータ (図示せず)
によりシャフト(14a)・・・(140)を約250
(’C)に加熱する。
次いでガス導入バルブ(20a)を開け、ガス導入管(
20)を介し、ガス供給系よりiooo(sccM)の
水素ガス[11□〕によりバブリングされ気化された四
塩化チタン(TiC14)を1時間に1000(CC)
と、窒素ガス〔N2〕を500 (SCCM)を反応容
器(11)内に導入する。尚この導入ガスは拡散板(1
7)及び電極(16)の突を通過する事によりシャフト
(14a)・・・(14n)周囲で均一化される。この
後反応容器(11)内のガス圧をl [Torr]に維
持するようガス排出バルブ(21a)を調整し、高周波
電源(1g)ニより、反応容器(11) ニ400(W
) (7)高周波電力を20分間印加する。これにより
電極(16)及びシャフト(14a’)・・・(14n
)間にプラズマが生起され、シャフト(14a)・・・
(14n)表面に窒化チタン膜(TiN)が2〔μm〕
被覆される。この後水素ガス〔N2〕 でバブリングさ
れた四塩化チタン(TiC1,)の導入を止め1次いで
シランガス(SiH4]を1oo(scC旧、窒素ガス
〔N2〕を500 (SCCM)の流量で反応容器(1
1)内に導入する。そして圧力をl (Torr)に維
持して、高周波電源(18)により反応容器(11)に
300(W)の高周波電力を30分間印加し、電極(1
6)及びシャフト(14a)・・・(14n)間にプラ
ズマを生起させる。
この後ガス導入バルブ(20a)を閉にすると共にガス
排出バルブ(21a)を全開にし、反応容器(11)内
に残留するガスを排出した後、シャフト(14a)・・
・(1,4n )を反応容器(11)より取り出し、シ
ャフト(14a)・・・(14n)の表面処理工程を終
了するが、これによりシャフト(14a)・・・(14
n)に形成される窒化チタン膜(TiN)上に、約3〔
μm〕の窒化シリコン膜(S13N4)が被覆される。
尚ここで窒化シリコン膜(Si3 N4 )は鋳鉄との
接着性は悪いが、金属元素からなるセラミクス膜との接
着性は良く、しかも相手側を削りにくいという特性を有
している。
そしてこのようにして表面処理されたシャフト(14a
)・・・(14n)をロータリーコンプレッサーに組み
込み耐摩耗試験を行なったところ10000(r、po
m)という高速回転で、30分間連続運転し、10分間
停止するというモードで1000 (時間〕運転しても
摩耗による焼つきも、膜の剥離も生ぜず、充分な耐久性
を有する事が確認された。
このように構成すれば、安価で加工性の良い鋳鉄からな
るシャフト(14a)・・・(14n)でありながら、
その外周を窒化シリコン暎〔si、N4)で被覆する事
により、相手側を削る事無くしかも耐摩耗性の向上を図
れ、更にシャフト(14a)・・・(14n)及び窒化
シリコン膜(S13 N4 )の間に窒化チタン膜(T
iN)を中間層として設ける事により窒化シリコン膜(
Si3 N4 )の剥離を防止出来、その長寿命化を図
る事が出来る。
尚この発明は上記実施例に限定されず種々設計変更可能
であり、例えば本体は、エンジンの摺動部、あるいはポ
リゴンミラーの回転部等の機械的摺動部であっても良い
し、その材質も特殊鋼材では無く、主として鉄を主成分
とする一般鋼材であれば全く任意である。又、使用ガス
も安全性のためアルゴン(Ar)やヘリウム[He)等
の不活性ガスを混合しても良い、し、本体上に被覆され
る金属元素からなるセラミクス膜にあっては、実施例に
おける窒素ガス〔N2]にかえメタンガス(CH4)を
用いチタンカーバイド(TiC) を形成しても良いし
、更に原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(Al(
CH3)りあるいはトリエチルアルミニウム(Al (
C2Ha )3 )と酸素ガス〔0□〕あるいは酸化窒
素(Neo)を用い酸化アルミニウム(A1203)を
形成したり、その他フッ化タングステン(wF、 )と
メタンガス(CH4)やエタンガス(C2HG )等の
炭素含有ガスを用い炭化タングステン〔wC〕を形成す
る等任意である。又、非金属元素からなるセラミクス膜
にあっても、実施例における窒素ガス(NZ、〕にかえ
メタンガス(CO4)等の炭素含有ガスを用い炭化シリ
コン(SiC)を形成したり、実施例における窒素ガス
〔N2〕にかえ酸素含有ガスを用い酸化シリコン(Su
n)を形成しても良い。尚成膜装置もCVD装置やスパ
ッタリング装置を用いる等任意である。
〔発明の効果〕
以上説明したようにこの発明によれば、電動機器やエン
ジン等の機械的摺動部を有する本体を。
安価で加工性の良い一般鋼材で形成するにもかかわらず
、その表面に順次金属元素からなるセラミクス膜及び非
金属元素からなるセラミクス膜を成膜する事により、本
体の耐摩耗性を向上出来、しかも相手側を削る事が無い
ので、焼き付や、摩耗現象を防止出来る一方、金属元素
からなるセラミクス膜により非金属元素からなるセラミ
クス膜の接着性が向上され、その剥離を防止出来、長寿
命化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示す成膜装置の概略構成
図である。 10・・・成膜装置、11・・・反応容器、12・・・
基台。 13・・・支持具、14a・・・14n・・・シャフト
、16・・・電極、17・・・拡散板、 18・・・高
周波電源、20・・・ガス導入管、21・・・ガス排出
管。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、機械的摺動を受けるものにおいて、本体と、この本
    体表面に被覆される金属元素からなるセラミクス膜と、
    この金属元素からなるセラミクス膜上に被覆される非金
    属元素からなるセラミクス膜とからなる金属元素からな
    るセラミクス膜及び非金属元素からなるセラミクス膜を
    順次表面に処理した部材。 2、本体が鉄を主成分とする事を特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の金属元素からなるセラミクス膜及び非
    金属元素からなるセラミクス膜を順次表面に処理した部
    材。 3、金属元素からなるセラミクス膜がチタン原子を含有
    することを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項
    のいづれかに記載の金属元素からなるセラミクス膜及び
    非金属元素からなるセラミクス膜を順次表面に処理した
    部材。 4、非金属元素からなるセラミクス膜がシリコン原子を
    含有することを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし
    第3項のいづれかに記載の金属元素からなるセラミクス
    膜及び非金属元素からなるセラミクス膜を順次表面に処
    理した部材。 5、機械的摺動を受けるものにおいて、本体を形成した
    後、この本体を収納する反応容器内に金属元素からなる
    セラミクス膜を形成するための原料を導入し減圧下でグ
    ロー放電を発生させて前記本体表面に金属元素からなる
    セラミクス膜を被覆し、更に前記反応容器内に非金属元
    素からなるセラミクス膜を形成するための原料を導入し
    、減圧下でグロー放電を発生させて前記金属元素からな
    るセラミクス膜上に前記非金属元素からなるセラミクス
    膜を被覆する事を特徴とする表面処理方法。 6、本体が鉄を主成分とする事を特徴とする特許請求の
    範囲第5項記載の表面処理方法。 7、金属元素からなるセラミクス膜がチタン原子を含有
    する事を特徴とする特許請求の範囲第5項又は第6項の
    いづれかに記載の表面処理方法。 8、非金属元素からなるセラミクス膜が、シリコン原子
    を含有する事を特徴とする特許請求の範囲第5項ないし
    第7項のいづれかに記載の表面処理方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014097536A (ja) * 2012-11-13 2014-05-29 Mitsubishi Materials Corp 高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具

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