TWI834670B

TWI834670B - 滑動零件的製造方法

Info

Publication number: TWI834670B
Application number: TW108117768A
Authority: TW
Inventors: 進野大樹; 小関秀峰
Original assignee: 日商博邁立鋮股份有限公司
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2024-03-11

Abstract

本發明提供一種滑動零件的製造方法，能夠安全而迅速地獲得兼具良好的耐黏著性及平滑性的滑動零件。一種滑動零件的製造方法，其為包括超硬合金或金屬陶瓷的滑動零件的製造方法，所述滑動零件的製造方法的特徵在於包括：表層改質步驟，利用溶液對所述滑動零件的表面進行濕式蝕刻，去除表面附近的金屬相，所述溶液包含質量百分比濃度大於10%且55%以下的硝酸，並且所述滑動零件中所含的金屬相的溶解速度為0.5 mg/min以上。所述濕式蝕刻時的溶液的溫度較佳為調整至20℃～90℃。

Description

滑動零件的製造方法

本發明是有關於一種滑動零件的製造方法。

包括以陶瓷等為代表的硬質相、及以Ni、Co、Fe等為代表的金屬相的複合合金，由於在室溫及高溫下的耐衝擊性優異，故而應用於模具或切割工具等各種用途的滑動零件。為了提高所述複合合金製的滑動零件的耐磨損性，先前已進行各種探討。例如在專利文獻1中，為了提高超硬合金的耐磨損性或硬度，已揭示一種超硬合金，其是以碳化鎢（tungsten carbide，WC）為主成分，所述超硬合金的特徵在於，表面層實質上僅露出有WC微粒子，或僅露出有鐵族金屬以外的成分及WC微粒，且表面層的WC微粒的平均粒徑大於內部的WC微粒的平均粒徑，及/或表面硬度大於內部的硬度。根據專利文獻1，所述超硬合金可應用於切削工具或耐磨滑動工具，且亦記載：藉由使WC系超硬合金的表面暴露於經激勵的電漿中，而獲得僅WC微粒露出的超硬合金。

在專利文獻2中，已揭示一種耐磨損金屬體的製造方法，為了獲得耐磨損性優異的耐磨損金屬體，利用酸來蝕刻超硬合金的表面，使經氣化的銅在超硬合金表面液化而使銅浸漬於鎢粒子的晶界，所述超硬合金是藉由結合相而使碳化鎢粒子結合而成。並且，在專利文獻2中，亦記載如下的製造方法，不僅可應用於模具，而且可應用於磨損成為問題的各種領域內的超硬合金。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平07-11375號公報 [專利文獻2]日本專利特開2010-24519號公報

[發明所欲解決之課題]

在如上所述的滑動零件中，一方面伴隨著更進一步精密化要求或在更苛刻的環境下的使用，維持滑動零件的作業面的平滑性，以使得對被加工材料進行攻擊而不產生磨損粉末，一方面亦重視生產率、安全性的提高或低成本化。另一方面，如專利文獻中所述的對超硬合金的蝕刻的例子少，根據材料與溶液的組合，存在蝕刻的進展變慢的情況。又，當選擇氧化力強的王水等混酸溶液時，蝕刻能力自身雖無問題，但反應不斷進行，使用時容易產生氣體。因此，有對人體的不良影響、保管時容器破裂的危險，必須在操作時非常小心，存在管理成本或處理成本增加的情況。關於所述課題的解決，在專利文獻1或專利文獻2中尚未記載，而留有進一步探討的餘地。因此，本發明的目的在於提供一種滑動零件的製造方法，能夠安全而迅速地獲得兼具良好的耐黏著性及平滑性的滑動零件。 [解決課題之手段]

本發明是鑒於以上所述的課題而完成。即，本發明是一種滑動零件的製造方法，其為包括超硬合金或金屬陶瓷（cermet）的滑動零件的製造方法，所述滑動零件的製造方法的特徵在於包括：表層改質步驟，利用溶液對所述滑動零件的表面進行濕式蝕刻，去除表面附近的金屬相，所述溶液包含質量百分比濃度大於10%且55%以下的硝酸，並且所述滑動零件中所含的金屬相的溶解速度為0.5 mg/min以上。

較佳為，所述濕式蝕刻時的溶液的溫度為20℃～90℃。 [發明的效果] 根據本發明，能夠安全而迅速地獲得兼具良好的耐黏著性及平滑性的滑動零件。

以下對本發明進行詳細說明。但是，本發明並不限定於此處所列舉的實施形態，在不脫離所述發明的技術思想的範圍內可進行適當組合或改良。本實施形態的滑動零件包含超硬合金或金屬陶瓷，因此具有兼具優異的強度與高延展性及韌性的特徵。此處，本實施形態的所謂超硬合金，表示包括硬質相及金屬相的複合合金，所述硬質相包括W的碳化物，所述金屬相選自Fe、Ni、Co、Cr且具有作為結合相的作用。又，所謂金屬陶瓷，表示包括硬質相及金屬相的複合合金，所述硬質相選自四族過渡金屬、五族過渡金屬、除W以外的六族過渡金屬、Al及Si中的至少一種的碳化物、氮化物、氧化物、碳氮化物，所述金屬相選自Fe、Ni、Co、Cr且具有作為結合相的作用。較佳的金屬陶瓷組成選自四族過渡金屬、五族過渡金屬、除W以外的六族過渡金屬中的至少一種。再者，本實施形態的所謂滑動零件，表示與對象材料接觸，僅其中一個構件滑動，或相互滑動的零件。作為所述滑動零件的一例，可舉出模具。

在本實施形態中，進行後述的表層改質步驟之前，亦可進行如下的形狀加工步驟：藉由磨削加工、研磨加工、切削加工及放電加工等而將準備好的滑動零件用原材料的表面調整成表面粗糙度（surface roughness，Ra）≦0.1 μm。藉由利用所述形狀加工步驟使滑動零件用原材料的表面、特別是成為作業面的面變得平滑，可將經由後來的表層改質步驟而形成的滑動零件表面、調整成平滑且形成有適度的凹部的面。較佳的形狀加工步驟後的滑動零件用原材料表面的Ra上限是0.05 μm，更佳的Ra的上限是0.02 μm。Ra的下限並無特別限定，但考慮到量產性，例如可設定為0.001 μm。此處，形狀加工步驟亦可組合多個步驟，且亦可例如在藉由磨削加工而進行粗加工之後，藉由利用研磨的精加工而調整成Ra≦0.1 μm。在此時的研磨中，可使用已有的研磨方法，但為了確實地獲得所期望的表面粗糙度，亦可實施使用金剛石研磨膏（diamond paste）的拋光。

在本實施形態的製造方法中，主要特徵是進行如下的表層改質步驟：對準備好的超硬合金或金屬陶瓷的滑動零件用原材料的表面進行蝕刻，去除表面附近的金屬相。藉由應用本實施形態的製造方法，可形成為如下的結構，即，軟質而容易黏著於被加工材料的金屬相實質上不存在於滑動零件的作業面（與被加工材料接觸的面），因此可期待顯著提高耐黏著性而大幅提高模具壽命。在本實施形態中，在所述表層改質步驟中應用濕式蝕刻。作為蝕刻方法，此外亦具有使用放電電漿的乾式蝕刻，但使用電漿的乾式蝕刻與濕式蝕刻相比處理步驟更長，處於難以使實質上僅包含硬質相的區域（以下，亦記作強化層）形成得厚的傾向，故而欠佳。藉由應用濕式蝕刻，可使實質上不存在金屬相而僅形成硬質相的區域形成得厚。再者，在去除金屬相時，亦有可能存在未被完全去除的部分，因此在本實施形態中是設為「實質上不存在金屬相」。若與並非強化層的部分，即，與包含硬質相及金屬相的滑動零件的主要部分（表面以外的部分）相比較，強化層的金屬相的存在量明顯不同，因此容易確定作為實質上不存在金屬相的層的強化層。又，強化層較佳為包含硬質相及空隙、或包含硬質相及填埋空隙的金屬相以外的材料的層。所述空隙既可去除金屬相而構成，亦可仍然為空隙，亦可在所述空隙填充有金屬相以外的材料。當然，亦可殘留一部分空隙。

在本實施形態的表層改質步驟中，蝕刻液是應用包含質量百分比濃度（mass%濃度）為55%以下的硝酸的溶液（以下，亦記作硝酸溶液）。藉由使用已調整至所述濃度的硝酸溶液，可迅速溶解超硬合金或金屬陶瓷的表面的金屬相，能夠迅速形成本發明的滑動零件所需的強化層。當使用王水或濃度大於55%的硝酸溶液時，會因過強的氧化力而使金屬相鈍化，從而處於蝕刻速度下降的傾向。又，王水是混酸，故安全性不佳，難以保管，因此會每次生成必需量，所以處於管理成本等亦增大的傾向。較佳的硝酸濃度的上限是50%，更佳為45%，進而更佳為40%，更進一步更佳為35%。又，若濃度過低，則金屬相的溶解力下降，因此將硝酸濃度的下限規定為大於10%。而且，關於所述下限，較佳為15%，更佳為20%，進而更佳為25%。本實施形態藉由使用所述硝酸溶液，可將滑動零件中所含的金屬相的溶解速度調整至0.5 mg/min以上（較佳為0.7 mg/min以上，更佳為0.9 mg/min以上，進而更佳為1.1 mg/min以上），處於可在更短時間內在滑動零件表面形成強化層的傾向，從而在更均勻地形成強化層的方面亦有利。再者，本實施形態的硝酸溶液亦可在未達所述溶解速度的範圍內，添加水、乙醇、硝酸以外的酸性溶液等，以調整濃度。溶解速度的上限無需特別的規定。而且，例如可設為10.0 mg/min、7.0 mg/min、5.0 mg/min、3.0 mg/min等。

在本實施形態的利用濕式蝕刻的表層改質步驟中，硝酸溶液的溫度較佳為20℃～90℃。藉由調整至所述溫度，可抑制水溶液的蒸發或氣泡的過多產生，從而更穩定地進行濕式蝕刻。較佳的溫度的上限為70℃，更佳為50℃，進而更佳為40℃。又，蝕刻處理時間可配合零件的形狀或用途，在0.5 min～30 min之間適當調整。較佳的蝕刻處理時間的上限為15 min，更佳為10 min，進而更佳為8 min，特佳為6 min。較佳的蝕刻處理時間的下限為1 min。

本發明如上所述，藉由對使用超硬合金或金屬陶瓷的零件實施表層改質步驟，而形成包含硬質相的強化層，從而可獲得已大幅提高耐磨損性或耐黏著性的滑動零件。所述強化層較佳為形成至滑動零件的至少自作業面的表面起在深度方向上0.2 μm的範圍為止，所述滑動零件是藉由本實施形態的製造方法而製作。由此，可進一步提高所述耐黏著性。所述強化層更佳為形成至至少自作業面的表面起在深度方向上0.5 μm的範圍為止，進而更佳為形成至1 μm的範圍為止。

又，在本實施形態中，為了進一步提高耐磨損性或耐黏著性，亦可在表層改質步驟後的滑動零件包覆硬質皮膜。作為硬質皮膜的種類，例如，可包覆如下的硬質皮膜或類金剛石碳（diamond like carbon）皮膜，所述硬質皮膜包含選自四族過渡金屬、五族過渡金屬、六族過渡金屬、Si及Al的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物中的一種以上。所述皮膜可在不破壞表層改質步驟中所獲得的表面形狀的範圍內，調整至所期望的厚度。較佳的皮膜的厚度為2 μm以下，更佳的皮膜的厚度為1 μm以下。 [實施例]

準備八個超硬合金製的滑動零件（12.7 mm×12.7 mm×4.8 mm），所述超硬合金製的滑動零件選擇WC作為硬質相，選擇Co作為金屬相，Co的相對於WC及Co的合計量的含有比例為11 wt%。此時，滑動零件的表面已藉由拋光而調整至Ra≦0.1 μm。又，分別準備50 ml的表1所示的條件的溶液。在60 wt%濃度的硝酸中使用硝酸1.38（關東化學股份有限公司製，特級，純度60%～61%），10wt%濃度、30wt%濃度硝酸是在純水中混合硝酸1.38而製作。王水是使用鹽酸（關東化學股份有限公司製，特級，純度35%～37%）及硝酸1.38，以混合比例為三份鹽酸、一份硝酸的方式進行調整而製作。使準備好的滑動零件在放入有所述溶液的處理槽內浸漬兩分鐘或五分鐘，進行表面改質處理。此時的溶液的溫度在本發明例、比較例中均為20℃～25℃。然後，利用直線連接浸漬時間兩分鐘的資料與五分鐘的資料，根據直線的傾斜度，評估Co的溶解速度。Co的溶出量是藉由如下的方法來評估：在電漿中噴霧經稀釋的試驗溶液，根據從經激勵的原子、離子釋放的發光束的波長判定含有成分的種類，根據其強度，求出含量，所述電漿是使用電感耦合電漿（Inductively Coupled Plasma，ICP）發光光譜裝置（SII奈米技術（SII Nano Technology）股份有限公司製，SPS3100H）對Ar氣體施加高頻而生成。將分析結果示於圖1。

[表1]

根據圖1，各個的溶解速度是本發明例1為1.3 mg/min，比較例1為0.3 mg/min，比較例2為0.6 mg/min，比較例3為0.2 mg/min。已確認，在蝕刻液中使用有30 wt%濃度的硝酸的本發明例1的試料，相較於比較例在更短的時間內溶解了大量的Co。特別是當與使用王水的示例即比較例3相比較時，可確認到Co是以大約四倍以上的速度而溶解。由此可確認，本發明例能夠以低成本且在短時間內對滑動零件的表層進行改質。本發明例1的試料是在所述蝕刻後的表面，將包含硬質相的強化層形成至0.2 μm以上的深度為止。並且，可在所述蝕刻後的表面，例如在2 μm以下之類的厚度的範圍內，包覆各種硬質皮膜。

無

圖1是表示本發明例與比較例的Co溶出量的曲線圖。

Claims

一種滑動零件的製造方法，所述滑動零件包括超硬合金或金屬陶瓷，所述滑動零件的製造方法的特徵在於包括：形狀加工步驟，將所述滑動零件的表面加工成表面粗糙度Ra≦0.1μm；以及表層改質步驟，利用溶液對經加工後的所述滑動零件的表面進行濕式蝕刻，去除表面附近的金屬相，形成包含硬質相的強化層，所述溶液包含質量百分比濃度大於10%且55%以下的硝酸，並且所述滑動零件中所含的所述金屬相的溶解速度為0.5mg/min以上，其中所述濕式蝕刻時的所述溶液的溫度為20℃~90℃，所述強化層為形成至所述滑動零件的至少自作業面的表面起在深度方向上0.2μm的範圍為止。