JPS6342362A - 表面被覆鋼材の製造方法 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は硬質の被覆層を設けた表面被覆鋼材の製造方法
に関する。

（従来の技術） 工具や金型などの鋼材の表面を改質する方法としては、
表面に窒化層、炭化層あるいは炭窒化層（これらを以下
表面硬化層という）を形成して鋼材の表面を硬化する表
面硬化法、およびＰＶＤ法やＣＶＤ法により鋼材の表面
に硬質被膜を形成する方法がある。しかしながら、表面
に硬質被膜を形成した場合には、これらの被膜は脆いた
め剥離が生じ易く、一旦このような剥離が生じると柔ら
かい下地の摩耗が進行するという問題がある。そこで、
その解決法として、これらの表面改質法の複合、すなわ
ち、鋼材の表面を硬化した後に鋼材の表面に硬質被膜を
形成する方法が、特開昭５８−６４３７７号公報に提案
されている。この方法は、真空容器内に高速度工具鋼あ
るいは合金工具鋼の工具母材を保持してグロー放電によ
りその表面に窒化層あるいは炭窒化層を形成した後、引
続き大気から遮断して同一容器内でイオンプレーティン
グ法によって前記窒化層あるいは炭窒化層の上にＩＶａ
族元素あるいはＶａ族元素の炭化物、窒化物および炭窒
化物の１種または２種以上の被覆層を形成することを特
徴とする表面被覆工具の製造方法である。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、上記特開昭５８−６４３７７号公報に記載の方
法では表面硬化法としてはグロー放電を利用する方法、
すなわちイオンを利用する表面硬化法を利用しているが
、この方法に用いられる装置は普及率が低く、維持、運
転のコストが高くつく。一方、その他の公知の表面硬化
法であるガスを用いる方法や熔融塩を利用する方法など
に用いられる装置は、十分普及して技術が成熟しており
、利用が安価ですむが、上記公報の方法はこれらの表面
硬化法は利用することができない欠点がある。

また、この方法では表面硬化処理を施した鋼材の表面が
酸化被膜その他によって汚染されるのを防くために一貫
して大気から遮断する必要があるため同一装置で表面硬
化法と次の硬質被膜を形成する方法を行わなければなら
ない。このために装置に導入するガス系が複雑となり、
またその操作も繁雑であるという欠点がある。

また、−ａに、鋼材に表面硬化法により処理を施すと多
種類の相が生成するが、これらの相の中には後にイオン
プレーティングにより形成される被膜層の剥離等の原因
になる相も存在ずろ。例えば窒化処理においては表面付
近に窒素の拡散層が生じるが、さらに表面近傍ではε相
と言われる鉄と窒素の化合物相が生じ、さらに最表面に
は多孔質の層が生じる。この多孔質の層は大気に触れる
と酸化され易く、黒化膜となる。これらε相や黒化膜の
ような化合物類が存在する表面にイオンプレーティング
にて硬質膜を形成させても剥離が生じ易くなる。黒化膜
の生成は空気を遮断することにより防止できるが、ε相
を除去することは難しい。したがって母材を表面硬化法
による処理後に大気から遮断したまま直接イオンプレー
ティング法を行なっても不良品が多く出るという問題が
ある。

そこで、本発明の目的は、いずれの方法により形成され
た表面硬化層にも適用可能であり、しかも該表面硬化層
上に耐久性を有する堅牢な硬質被覆層をイオンプレーテ
ィング法により形成することができる表面被覆鋼材の製
造方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、前記問題点を解決する手段として、表面に窒
化層、炭化層または炭窒化層を形成した鋼母材を金属イ
オンによりボンバードメント処理し、次に、イオンプレ
ーティング法により周期律表ＴＶａＶａ族元素びＶａ族
元素の窒化物、炭化物および炭窒化物から選ばれる１種
または２種以上の被覆層を前記ボンバードメント処理を
施した窒化層、炭化層または炭窒化層の上に形成するこ
とからなる表面被覆鋼材の製造方法を提供するものであ
る。

本発明の方法に用いられる鋼母材としては、例えば構造
用鋼、ばね鋼、軸受鋼、工具鋼、ステンレス鋼等が挙げ
られる。

母材表面に窒化層、炭化層または炭窒化層の表面硬化層
を形成する方法は特に限定されず、公知の表面硬化法、
すなわち熔融塩を用いる方法、ガスを用いる方法あるい
はイオンを用いる方法のどれでも良い。熔融塩を用いる
方法は、一般には塩浴窒化法といわれるもので、ＸＣＮ
、　ＸＣＮ０．　ＸＺＣＯ：１　（コこでＸはアルカリ
金属）で示される化合物の熔融浴中に被処理物を浸して
、これら化合物が分解して生じた炭素や窒素を被処理物
中に拡散させるものである。ガスを用いる方法は、−ｇ
にガス窒化および浸炭あるいはガス軟窒化および浸炭と
いわれるもので、ＮＨｆｆやＣＯ等の気相中に被処理物
を入れて加熱し、これらガスの熱分解により生じた炭素
や窒素を被処理物中に拡散させるものである。

イオンを用いる方法は、−Ｃにイオン窒化あるいは浸炭
といわれるもので、ＮＨ−ｘや炭化水素ガス中で被処理
物と装置容器壁の間に直流電圧を印加し、グロー放電を
起こさせてこれらのガスを分解、イオン化し、生じた炭
素イオンあるいは窒素イオンを電界により被処理物に衝
突させる方法である。

表面硬化層を形成した母材を次のボンバードメント処理
に供するに当っては、母材を大気から特に遮断する必要
はない。したがって、勿論、母材表面に硬化層を形成し
た後、同一反応容器内でそのまま次工程に供することが
できるが、一旦反応容器から大気中に取出した後に次工
程に供することもできる。表面硬化層の形成を、熔融塩
を用いる方法、またはガスを用いる方法により行なった
場合は、通常、次工程に移る際に大気に触れるることは
避は難いが何ら問題はない。

次にイオンボンバードメント処理およびイオンプレーテ
ィングは通常同一装置で連続して行なうことが好ましく
、公知のいずれのイオンプレーティング装置をも使用す
ることができる。イオンプレーティング装置の構成は、
一般に金属を蒸発させる手段、蒸発した金属をイオン化
する手段、イオン化した金属を電界により加速する手段
および反応性ガスを導入する手段より成る。

本発明における金属イオンによるボンバードメント処理
は、次のイオンプレーティングの前処理として行われる
ものであり、金属の蒸発、イオン化、加速を行ない、高
エネルギーを持った金属イオンを硬化層表面に衝突させ
る工程である。イオンボンバードメント処理に用いられ
る金属としては、例えば、次工程で用いる周期律表ＩＶ
ａ族およびＶａ族の元素、Ｆｅ、　Ｃｒ、　Ｎｉ、　Ｇ
ｏ等が挙げられる。

これらは、１種または２種以上使用することができる。

金属の１発およびイオン化の方法は特に制限されず、金
属を蒸発させる方法は、イオンプレーティング装置に備
わった公知の抵抗加熱や電子銃加熱などのどれでもよく
、蒸発した金属のイオン化も公知のアーク放電、グロー
放電、高周波放電、およびイオン化電極を用いる方法や
ホロカソード法などのどれでもよい。ここで、特にアー
ク放電型のイオンプレーティング方式は金属の蒸発とイ
オン化を同時に行なう方式であり、他の方式に比べて金
属のイオン化効率が高いため、本発明のイオンボンバー
ドメント処理に適し、１〜１０分程度で所期の効果が得
られる。

イオン化した金属を加速する電界については、電圧の値
として１ｏｏｖから２０００Ｖが好ましく、特に好まし
くは２００■から１５００Ｖの値とする。

金属イオンによるボンバードメント処理中の雰囲気は原
則としては雰囲気ガスを用いない高真空下で行なうが、
場合によっては１０−’Ｔｏｒｒから１０Ｔｏｒｒの圧
力の雰囲気ガス下で行なってもよい。これらの雰囲気ガ
スの種類としてはＨｅ＋　Ｎｅ＋　Ａｒ＋　ＮＺ＋Ｈ２
あるいは炭化水素などが挙げられ、これらの２種以上の
混合ガスでもよい。これらの雰囲気ガスを用いると、加
速用の電界によるグロー放電によってガスイオンもイオ
ン化し金属イオンと共に硬化層表面に衝突するが、本発
明によるボンバードメント処理の本質的効果は金属イオ
ンによるボンバードメント処理による。

次に、ＩＶａ族すなわちＴｉ、　Ｚｒ、　ＨｆおよびＶ
ａ族すなわちＶ、　Ｎｂ、　Ｔａの炭化物、窒化物およ
び炭窒化物の１種または２種以上の被覆層がイオンプレ
ーティング法によりイオンボンバードメント処理後の表
面に形成される。このイオンプレーティング法は公知の
もので、金属を蒸発させる方法や蒸発した金属をイオン
化する方法は、前記したイオンボンバードメント処理に
おいて述べたと同様の方法でよいが、他の、イオン化し
た金属を加速する方法や反応性ガスを４人する方法は前
記したイオンボンバードメント処理における方法と相違
する。即ち、イオン化した金属を加速する電界としては
電圧の値として５０Ｖから７００Ｖが好ましく、さらに
好ましくは１００Ｖから５００Ｖの値とする。反応性ガ
スとしては、イオンプレーティング法にて炭化物や窒化
物を生成させるための反応性ガス、すなわち、Ｎ、、Ｎ
Ｈ，、炭化水素類あるいは炭素と窒素を含んだ有機化合
物、例えば（Ｃｔｌｌ）Ｊなどである。反応性ガスの圧
力としては、用いる反応性ガスの種類により異なるが、
一般に１０−３〜１ＱＴｏｒｒの圧力で行なえる。

イオンプレーティング法により形成される硬質被覆層の
厚さは、０．１〜１０μｍが好ましく、通常１〜５μｍ
に形成すればよい。

〔作用〕

鋼母材表面に表面硬化法により窒化層、炭化層または炭
窒化層の表面硬化層を形成し、さらにこれらの層を大気
に接触させることにより、母材表面にはこれら表面硬化
層のほかに、母材金属成分と炭素および／または窒素と
からなる他の化合物類（例えば、前記の鉄と窒素からな
るε相）や酸化物が生成する。本発明の方法によると、
金属イオンによるイオンボンバードメント処理により、
表面硬化層がスパッタリングされ、前記副生したε相等
の化合物類や酸化物が除去され、これらによる悪影響が
除かれるものと考えられる。また、さらに、ボンバード
メント処理により、高い運動エネルギーを持った金属イ
オンが被処理物に衝突することにより金属イオンが被処
理物内部に打ち込まれ、後工程のイオンプレーティング
により形成される硬質被膜との密着性をアンカー効果に
より高めるものと考えられる。また、高エネルギーの金
属イオンが被処理物に衝突することにより運動エヱルギ
ーが熱エネルギーに転化して前工程の表面硬化処理によ
り生じた拡散層を再度加熱することにより、さらに深部
にまで広げて表面近傍の高硬度領域を広げるものと推定
される。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により説明する。

実施例 高速度工具鋼５ＫＨ−５１（ＪＩＳ　Ｇ　４４０３）の
材質で、直径２５ｍ＋ｎ、長さ５０ｍｍのシリンダ状部
材（試料１）を、イオン窒化装置内で処理温度５７０°
Ｃ、ガス組成Ｎ２／ｌ＋２＝１、全圧６　Ｔｏｒｒの条
件下でイオン窒化した（試料２）。装置から大気中に取
り出したところ、部材の表面は黒化膜で覆われるに至っ
た。

この試料２について、断面を光学顕微鏡で観察したとこ
ろ、第２図に示す顕微鏡写真（ｘ　８００）のとおり最
表面のごく薄い黒化膜の下にε相（八）の存在が認めら
れた（Ｘ線回折によりＦｅ２Ｎ、　Ｆｅ、Ｎからなるε
相を確認した）。

窒化層を形成した試料２を、次にアーク放電型イオンプ
レーティング装置にて１０−’Ｔｏｒｒの真空下、チタ
ン金属陰極と器壁の陽極の間に約３０Ｖの電圧を印加し
てアーク放電を生起させ、陰極のチタン表面の微小な点
でチタンの蒸発およびイオン化を起こさせた。このとき
の放電により流れた電流は約５ＯＡであった。次に、バ
イアス電圧を１０００　Ｖに設定し、チタンイオンによ
るボンバードメント処理を２分間行なった。更に、チタ
ン蒸発ｇの放を状態は前工程のボンバードメント処理と
同一の条件にしたまま、バイアス電圧を４００Ｖに下げ
、反応性ガスとして窒素を１０−”Ｔｏｒｒ導入して窒
化チタンの被覆を２μｍ形成させた（試料３）。

ボンバードメント処理前の試料２は黒化膜で覆われてい
たにもかかわらず、剥離の無い均一な窒化チタンの被覆
が得られた。窒化チタン層で被覆した試料３の断面を前
記と同様にして、観察したところ、第１図に示す光学顕
１故鏡写真（ｘ８００）のとおり窒化チタンの被膜（Ｂ
）の下にはε相及び黒化膜の存在は認められなかった（
Ｘ線回折により、ε相の不存在及びＴｉＮ被覆を確認し
た）。

実施例で用いた試料１．２および３について、荷重２５
ｇでのビッカース硬度を測定した。表１に結果を示す。

表　　　１ 比較例１ 実施例での試料２について表面に生じた黒化膜をパフ研
磨により取り除いた。この試料について別途断面観察を
行なったところ、黒化膜は除かれていたがε相の存在は
認められた。

この窒化後に黒化膜を除去した試料を、アーク放電型イ
オンプレーティング装置内で、チタン蒸発源は点火しな
い状態で、計ガスを１０−”Ｔｏｒｒｉ人し、バイアス
電圧１ｏｏｏｖにてガスイオンによるボンバードメント
処理を１０分間行なった後、実施例と同様に窒化チタン
の被覆を行なったが、処理後の被膜には剥離が生じてい
た。この試料にはε相の存在が認められた。

比較例２ 実施例での試料１をアーク放電型イオンプレーティング
装置に入れ、実施例と同一条件でイオン窒化を行なった
。その後、容器から試料を出さずに引き続いて排気を行
ない比較例１と同様にＡｒガスイオンによるボンバード
メント処理を行なった後、実施例と同様な窒化チタンの
被覆を行なったが、処理後の被膜には剥離が認められた
。この試料は外観上は剥離した部分に多孔質層は認めら
れなかったが、断面組織観察ではε相が認められた。

〔発明の効果〕

本発明によると、鋼母材表面の窒化、炭化または炭窒化
による表面硬化効果と、ｒＶａ族またはＶａ族元素の窒
化物、炭化物または炭窒化物からなる硬質被覆層の効果
が複合的に良好に得られ、堅牢かつ耐久性のある表面被
覆鋼材を製造することができる。また、本発明の方法で
は、窒化、炭化または炭窒化の表面硬化工程と次のイオ
ンボンバードメント処理およびイオンプレーティングを
同一反応装置内で連続して行なう必要はなく、使用装置
の複雑化を避けることができ作業の簡便化上有利である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法により窒化チタン被覆層を表面
に形成した部材の断面の光学顕微鏡写真（Ｘ８００）で
ある。 第２図は、表面をイオン窒化後火気中に取出した部材の
断面の光学顕微鏡写真（ｘ８００）である。 代理人　弁理士　　岩見谷　周　志 手続ネ甫正書（方式） 昭和６１年ｒｔ月１７日 １、事件の表示 昭和６１年　特許側　第１８４６７８号２、発明の名称 表面被覆鋼材の製造方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　東京都港区新橋５丁目１１番３号４、代理人 ５、補正命令の日付 昭和６１年１０月８日（発送臼１０月２８日）゛７．補
正の内容 （１１明細書第７頁第３行の「触れるる」を、「触れる
」と訂正する。 （２）同第１５真下から３行目及び第１６頁第１行の「
部材の断面」を、いずれも、「部材の表面部の金属組織
を示す該部材の断面」と補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　表面に窒化層、炭化層または炭窒化層を形成した鋼母
   材を金属イオンによりボンバードメント処理し、次に、
   イオンプレーティング法により周期律表IVａ族元素およ
   びＶａ族元素の窒化物、炭化物および炭窒化物から選ば
   れる１種または２種以上の被覆層を前記のボンバードメ
   ント処理を施した窒化層、炭化層または炭窒化層の上に
   形成することからなる表面被覆鋼材の製造方法。