CN108486525A - 金属制品的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种金属制品的制造方法，该金属制品的制造方法包括：通过原子氮化法在以下(a)条件为以及/或者(b)条件下于金属材料的至少表面形成使规定的原子作为间隙式固溶原子而存在的固溶体层后，再对所述固溶体层进行机械加工。其中，(a)条件为以10Pa以下的压力实施原子氮化法。(b)条件在原子氮化法中，以等离子体的电势作为基准的所述金属材料的电势为‑300V至300V。

Description

金属制品的制造方法
技术领域
本发明涉及金属制品的制造方法。
背景技术
以往，已知有使用金刚石工具等工具对由钢等形成的金属材料进行机械加工，从而制造金属制品的技术。该技术存在工具磨损较快的问题。非专利文献1(E.Brinksmeier，R.Glabe，J.Osmer，“Ultra-Precision Diamond Cutting of Steel Molds”(《钢模的超精密金刚石切削》)；Annals of CIRP Vol.55/1/2006)中公开了通过以往的方法对金属材料的表面实施气体氮化处理，并使用金刚石工具进行机械加工，由此减小金刚石工具的磨损的技术。
发明内容
非专利文献1记载的技术使得机械加工后的金属制品的表面粗糙度较大。本发明的一个方案希望提供一种能够减小机械加工后的金属制品的表面粗糙度的金属制品的制造方法。
本发明的一个方案为一种金属制品的制造方法，该金属制品的制造方法包括：通过原子氮化法在以下(a)条件以及/或者(b)条件下于金属材料的至少表面形成使规定的原子作为间隙式固溶原子而存在的固溶体层后，再对固溶体层进行机械加工。
(a)条件为以10Pa以下的压力实施原子氮化法。
(b)条件为在原子氮化法中，以等离子体的电势为基准的金属材料的电势为-300V至300V。
根据本发明的一个方案的金属制品的制造方法，能够减小机械加工后的金属制品的表面粗糙度。
本发明的另一方案为一种金属制品的制造方法，其用于对金属材料进行机械加工，金属材料的至少表面具备通过原子氮化法在以下的(a)条件以及/或者(b)条件下形成的使规定的原子作为间隙式固溶原子而存在的固溶体层。
(a)条件为以10Pa以下的压力实施原子氮化法。
(b)条件为在原子氮化法中，以等离子体的电势为基准的金属材料的电势为-300V至300V。该金属制品的制造方法包括：对固溶体层进行机械加工。
根据本发明另一方案的金属制品的制造方法，能够减小机械加工后的金属制品的表面粗糙度。
附图说明
图1A是示出加工工件101的结构的俯视图。
图1B是图1A的IB-IB截面处的剖视图。
图2是示出氮化处理装置1的结构的说明图。
图3是示出处理后工件101A、101R的表面形状的三维光学轮廓仪的测定结果。
图4A是示出处理后工件101A在深度方向上的元素分布的电子探针显微分析仪的测定结果。
图4B是示出处理后工件101R在深度方向上的元素分布的电子探针显微分析仪的测定结果。
图5是示出处理后工件101A、101R在深度方向上的硬度分布的硬度计的测定结果。
图6是示出金属制品M1至M4的表面粗糙度Rt的曲线图。
图7是示出制造方法P2、P4中使用的切削工具的于切削刃附近的后刀面的表面粗糙度的三维光学轮廓仪的测定结果。
图8是示出氮化处理装置201的结构的说明图。
图9是示出表面具备固溶体层303的金属材料301的结构的剖视图。
具体实施方式
以下说明本发明的实施方式。
1.金属材料
作为金属材料可列举例如铁、不锈钢。作为铁，可列举例如钢材。金属材料也可以是含有除铁、不锈钢以外的金属的材料。作为除铁以外的金属，可列举例如钨、钴、镍。此外，金属材料也可以是2种以上的金属的合金。
2.固溶体层
固溶体层是形成为使得规定的原子作为间隙式固溶原子而存在于金属材料内的层。可以在金属材料的至少表面形成固溶体层。作为规定的原子可列举例如碳原子、氢原子、硼原子、氮原子、氧原子等。优选氮原子作为规定的原子。当规定的原子为氮原子时，能够进一步减小机械加工后的金属制品的表面粗糙度。例如图9所示，金属材料301在表面具备固溶体层303。
可通过例如将金属材料预先设置在含有规定的原子的希薄气体内，并向该希薄气体照射电子束以进行激励的方法形成固溶体层。
优选使固溶体层实质上不含有规定的原子的化合物(以下称为特定化合物)。该特定化合物是指，规定的原子与金属材料中所含的金属的化合物。作为特定化合物可列举例如铁氮化物等。当实质上不含有规定的原子的化合物时，能够进一步减小机械加工后的金属制品的表面粗糙度。
实质上不含有是指，通过XRD(X射线衍射装置)对金属制品中形成有固溶体层的表面进行分析时，作为金属制品主要成分的金属与规定的原子的特定化合物的量为检测限以下。固溶体层尤其优选不含有特定化合物。
当规定的原子为氮时，可通过例如氮化处理形成固溶体层。作为氮化处理的方法，可列举例如原子氮化法。原子氮化法是利用含氮原子的等离子体使氮原子从金属材料的表面侵入扩散的方法。当使用原子氮化法时，能够抑制固溶体层含有氮和金属的特定化合物的情况。
作为产生含氮原子的等离子体的方法，可列举例如电子束激励等离子体法、或者微波激励等离子体法。电子束激励等离子体法是通过向含氮的气体照射电子束而生成等离子体的方法。微波激励等离子体法是通过向含氮的气体照射微波而生成等离子体的方法。作为含氮的气体，可列举例如仅由氮形成的气体、将氮作为主要成分并且还含有氢等的气体等。通过电子束激励等离子体法或微波激励等离子体法，能够在等离子体中产生高浓度的氮原子。
在原子氮化法中，优选使金属材料的电势低于等离子体的电势，并且优选使金属材料与等离子体的电势差在50V以下。该情形下，更难以在金属材料的表面形成化合物层。将以等离子体的电势为基准的金属材料的电势称为偏置电压。偏置电压优选为-300V至300V。下文将使偏置电压为-300V至300V的情况称为(b)条件。
偏置电压更优选为-200V以上，并进一步更优选为-100V以上，尤其优选为-50V以上。偏置电压更优选为200V以下，并进一步更优选为100V以下，尤其优选为50V以下。如果在上述(b)条件下实施原子氮化法，则能够抑制固溶体层所含有的特定化合物的量。
此外，偏置电压更优选在-5V至-10V的范围内。通过在该范围内，而能够抑制等离子体中所含有的电子向金属材料流入的情况。
实施原子氮化法时的压力优选为10Pa以下，更优选为1Pa以下。下文将使实施原子氮化法时的压力为10Pa以下的情况称为(a)条件。如果在上述(a)条件下实施原子氮化法，则能够抑制固溶体层所含有的特定化合物的量。如果在上述(a)条件以及(b)条件下实施原子氮化法，则能够进一步抑制固溶体层所含有的特定化合物的量。
在氮化处理中，能够抑制例如等离子体中所含有的电子向金属材料流入的情况。作为抑制等离子体中所含有的电子向金属材料流入的方法，有例如在金属材料的附近施加磁场的方法。优选使该磁场的方向为与金属材料的表面平行的方向。
当金属材料为铁或者为含有铁作为主要成分的合金时，形成了固溶体层后的金属材料的表面硬度优选为例如700Hv以上，更优选为1200Hv至1500Hv。当金属材料为铁或者为含有铁作为主要成分的合金时，具备固溶体层的金属材料的表面硬度优选为例如700Hv以上，更优选为1200Hv至1500Hv。例如，当金属材料为铁或者为含有铁作为主要成分的合金时，通过使用原子氮化法，而能够使金属材料的表面硬度为700Hv以上，并能够为1200Hv至1500Hv。金属材料的表面硬度是使用显微硬度计(维氏硬度计)测定出的数值。当表面硬度为700Hv以上时，在将金属材料制成模具等时不易产生损伤。
当金属材料为钨合金时，形成有固溶体层的金属材料的表面硬度优选为例如580Hv以上，更优选为600Hv以上。当表面硬度为580Hv以上时，在将金属材料制成模具等时不易产生损伤。
3.机械加工
在机械加工中，可使用例如高硬度的工具。作为高硬度的工具，可列举例如金刚石工具。作为机械加工可列举例如切削加工。
根据本发明的金属制品的制造方法，能够延长在机械加工中所使用的金刚石工具的使用寿命。其理由可推测如下。是因为金属材料具有固溶体层。因此，金刚石工具中的碳不易向金属材料中扩散，从而难以与金属产生反应。其结果为，使机械加工中所使用的金刚石工具的磨损得以抑制，从而可延长工具的使用寿命。
通过原子氮化法并在上述(a)条件以及/或者上述(b)条件下形成的含有氮原子作为间隙式固溶原子的固溶体层不易含有特定化合物。因此，即使当工具具有锋利的刀尖时，也难以在其刀尖产生缺损。其结果为，能够延长工具的使用寿命。
此外，难以出现由于特定化合物的颗粒与切削刃一并移动而致使在加工面产生划痕(切削方向上的瑕疵)的现象。其结果为，不易使加工面的粗糙度劣化。
此外，上述划痕的产生是在对通过析出如特定化合物的颗粒般的硬质颗粒而硬化的材料进行切削时经常出现的现象。例如，神户制钢技报Vol.39，No.4(1989)p.39等中公开了上述划痕的产生。
对此，如果通过气体软氮化的方法进行氮化处理，则容易生成特定化合物。该特定化合物有时会使工具锋利的刀尖产生缺损。其结果为，使工具的使用寿命缩短。此外，特定化合物的颗粒与切削刃一并移动，由此容易在加工面产生划痕。其结果为，容易使加工面粗糙度劣化。
4.金属制品
作为通过本发明的金属制品的制造方法制造的金属制品可列举例如模具等。金属制品也可以是除模具以外的金属制品。通过本发明的金属制品的制造方法制造的金属制品的表面粗糙度小。并且难以在该金属制品的表面产生虹面。其理由可推测如下。是因为根据本发明的金属制品的制造方法，不易在工具的切削刃产生条纹状的损耗或缺损。并且难以出现由于特定化合物与切削刃一并移动而致使在加工面产生划痕的现象。因此，能够抑制在工具的切削刃上产生条纹状的损耗或缺损，并且能够抑制由划痕而引起的虹面。
5.实施例1
(5-1)加工工件
准备图1示出的加工工件101。加工工件101的材质为SUS420J2。加工工件101对应于金属材料。加工工件101具有在中心设置有孔102且直径为50mm的圆板状的基本形状。
加工工件101在其一个面103具备突出部105。突出部105是比面103中的其他部分向加工工件101的厚度方向突出1mm的部分。突出部105形成在面103的外周部分上。不过，在面103中的以孔102为圆心的圆心角为50°的扇形区域上未形成突出部105。突出部105在面103的径向上的宽度为10mm。
(5-2)氮化处理装置1的结构
参照图2说明氮化处理装置1的结构。氮化处理装置1在腔室3内具备阴极5、辅助阳极7、阳极9、以及加速电极11。此外，在腔室3还设置有氩导入口13、氮导入口15、真空排气口17。在腔室3内，夹在阴极5与辅助阳极7之间且面对着氩导入口13的区域为初期放电形成区域19。此外，在腔室3内，比加速电极11靠右侧且面对着氮导入口15以及真空排气口17的部分为反应室21。
(5-3)使用氮化处理装置1的氮化处理方法
以下说明使用氮化处理装置1对加工工件101实施的氮化处理方法。在该氮化处理方法中，使用电子束激励等离子体法。首先，将加工工件101设置在反应室21内。然后，在对氮化处理装置1内进行排气以使其成为十足的真空后，从氮导入口15向反应室21内导入氮气。
接下来，从氩导入口13向初期放电形成区域19导入氩气，以在阴极5与辅助阳极7之间发生放电。之后，使放电移动到阴极5与阳极9之间，而生成稳定的氩等离子体27。利用加速电极11仅对电子进行加速而由此从该氩等离子体27产生电子束29，并将该电子束29引向反应室21。
在反应室21中，向氮气照射电子束29，以使氮气效率良好地离解电离，从而生成氮原子密度高的等离子体31。加工工件101包含在等离子体31中。利用等离子体31使加工工件101的表面被氮化处理，并形成氮原子作为间隙式固溶原子而存在的固溶体层。
此外，通过氮化处理装置1所具备的但未图示出的加热器将反应室21的温度控制成适当的温度。此外，可通过对加速电极11施加的电压而任意地设定电子束29的能量。
氮化处理的操作条件设定如下。
反应室21内的压力：0.2Pa
电子束29的加速电压：80V
电子束29的电流：8A
反应室21的温度：500℃
氮化处理的时间：5小时
偏置电压(以等离子体31的电势为基准的加工工件101的电势)：-50V
氮化处理结束后，将加工工件101从氮化处理装置1中取出。用显微硬度计(维氏硬度计)测定面103的表面硬度。测定结果为表面硬度1120Hv。该表面硬度与氮化处理前的数值205Hv相比显著提高。此外，下文将进行了如上所述的氮化处理后的加工工件101称为处理后工件101A。处理后工件101A在表面具备固溶体层。
(5-4)气体软氮化的方法
以下说明对加工工件101实施的气体软氮化的方法。将加工工件101置于含氨和二酸化碳的气氛中，在580℃下处理100分钟。之后，使用液体氮对加工工件101进行冷却。此外，以下将如上所述实施了气体软氮化后的加工工件101称为处理后工件101R。在处理后工件101R的表面形成有含铁氮化物的化合物层。
(5-5)处理后工件101A、101R的分析
对处理后工件101A、101R的表面进行了观察。使用三维光学轮廓仪(产品名称：Zygo、NewView7300)进行了观察。图3示出处理后工件101A、101R的表面形状。图3所示的表面形状是在1条扫描线上的截面轮廓。处理后工件101A的表面形状比处理后工件101R的表面形状平坦。
对处理后工件101A、101R在深度方向上的元素分布进行了测定。使用电子探针显微分析仪(岛津制作所；EPMA-1610)进行了测定。将处理后工件101A的测定结果示于图4A，并将处理后工件101R的测定结果示于图4B。处理后工件101A、101R的氮浓度均在表面附近较高。
对处理后工件101A、101R在深度方向上的硬度分布进行了测定。使用株式会社Mitutoyo制造的硬度计进行了测定。将测定结果示于图5。处理后工件101A、101R的硬度均在表面附近较高。并且处理后工件101A在表面附近的硬度为700Hv以上。
此外，对处理后工件101A进行了X射线衍射。在处理后工件101A未确认到铁氮化合物的峰。即，在处理后工件101A未确认到存在有含铁氮化物的化合物层。
(5-6)机械加工
对处理后工件101A、101R进行了机械加工。机械加工为将突出部105切削至规定深度的加工。将处理后工件的种类和机械加工条件的组合示于表1。下文将处理后工件的种类和机械加工条件的组合称为制造方法。制造方法包括如表1中所示的P1至P4。其中，在P4中，最终道次的切入深度为2μm，其他道次的切入深度为5μm。
[表1]
制造方法 P1 P2 P3 P4
处理后工件 101A 101A 101A 101R
切削速度(m/min) 1 10 100 10
旋转速度(min-1) 8 80 800 80
1次切入深度(μm) 5 5 5 5；2
总计切入深度(μm) 5 15 5 22
进给率(μm/rev) 10 10 10 10
切削装置 第1装置 第1装置 第2装置 第1装置
所有使用的切削工具皆为共同的单晶金刚石切削工具。该切削工具的刀尖半径为1mm。
表1中的“第1装置”为株式会社Nagase Ihtegrex制造的超精密微细加工机(商品名称：N2C-53US4N4)。“第2装置”为株式会社不二越制造的超精密5轴加工机(商品名称：ASP01UPX)。
所有制造方法皆使用共同的油雾润滑系统用油，即Fuji BC技研株式会社制造的Bluebe LB10(商品名称)。
(5-7)金属制品以及工具的评价
下文将实施了制造方法P1至P4后的工件分别称为金属制品M1至M4。实施了制造方法P1至P4后的工件相当于工件或者被切削件。对金属制品M1至M4的突出部105的表面粗糙度Rt进行了测定。使用三维光学轮廓仪(产品名称：Zygo、NewView7300)进行了测定。将测定结果示于图6。金属制品M1至M3的表面粗糙度Rt小于金属制品M4的表面粗糙度Rt。
在金属制品M1至M3未产生虹面。而在金属制品M4却产生了虹面。
对在制造方法P2、P4中使用过的切削工具的切削刃附近的后刀面的表面粗糙度进行了测定。使用三维光学轮廓仪(产品名称：Zygo、NewView7300)进行了测定。将测定结果示于图7。图7示出后刀面的表面粗糙度。
制造方法P2中使用过的切削工具的表面粗糙度平坦。而制造方法P4中使用过的切削工具的表面产生了条纹状的损耗。该条纹状的损耗被推测为是导致在金属制品M4产生虹面的原因。
6.实施例2
(6-1)与实施例1的不同点
上述实施例1通过电子束激励等离子体法生成等离子体。而实施例2在通过微波激励等离子体法生成等离子体这一点不同于实施例1。
(6-2)氮化处理装置201的结构
参照图8说明氮化处理装置201的结构。氮化处理装置201在腔室203内具备石英玻璃窗205、以及处理对象物保持器207。处理对象物保持器207能够将加工工件101保持在其上表面。此外，处理对象物保持器207内置有未图示的加热器，从而能够对加工工件101进行加热。此外，在腔室203设置有用于输送微波的波导路209、氮导入口211、以及真空排气口213。腔室203的内部为反应室215。
(6-3)使用氮化处理装置201的氮化处理方法
以下说明使用氮化处理装置201的氮化处理方法。首先，将加工工件101安装到处理对象物保持器207上，然后设置在反应室215内。将加工工件101加热到500℃，接下来从氮导入口211向反应室215内导入氮气。然后，从波导路209导入微波。微波穿透石英玻璃窗205，而在石英玻璃窗205的下侧表面生成表面波等离子体。该表面波等离子体作用于反应室215内的氮气，从而在反应室215内生成含高浓度氮原子的等离子体。利用该含高浓度氮原子的等离子体而使加工工件101的表面被氮化处理。
通过使用氮化处理装置201的氮化处理方法也能够在加工工件101的表面形成氮原子作为间隙式固溶原子而存在的固溶体层，从而能够提高表面附近的硬度。此外，使用氮化处理装置201的氮化处理方法也能够抑制形成铁等的氮化合物层，从而不会使表面的粗糙度增大。
(6-4)机械加工
可对氮化处理后的加工工件进行与实施例1相同的机械加工，从而制造金属制品。所制造的金属制品的表面粗糙度Rt小。此外，在金属制品的表面未产生虹面。
7.其他实施方式
以上对本发明的实施方式进行了说明，不过本发明不限于上述实施方式，能够进行各种变形而加以实施。
(7-1)可由多个构成元素分担上述各实施方式中的1个构成元素所具有的功能，或可由1个构成元素发挥多个构成元素所具有的功能。此外，也可以省略上述各实施方式的构成的一部分。此外，还可以将上述各实施方式的构成的至少一部分添加到上述其他实施方式的构成中，或对上述各实施方式的构成的至少一部分与上述其他实施方式的构成进行置换。而且由记载于专利权利要求中的语句所确定的技术思想所包含的所有形态均为本发明的实施方式。
(7-2)在实施例1、实施例2中，进行氮化处理的场所和进行机械加工的场所也可以彼此不同。此外，在实施例1、实施例2中，进行氮化处理的主体和进行机械加工的主体也可以彼此不同。此外，在实施例1、实施例2中，也可以在氮化处理结束后并经过一段时间再进行机械加工。
(7-3)除上述金属制品的制造方法外，本发明还可以通过金属制品、金属材料的加工方法等各种方式予以实现。
图中：
1…氮化处理装置；3…腔室；5…阴极；7…辅助阳极；9…阳极；11…加速电极；13…氩导入口；15…氮导入口；17…真空排气口；19…初期放电形成区域；21…反应室；27…氩等离子体；29…电子束；31…等离子体；101…加工工件；101A…处理后工件；101R…处理后工件；102…孔；103…面；105…突出部；201…氮化处理装置；203…腔室；205…石英玻璃窗；207…处理对象物保持器；209…波导路；211…氮导入口；213…真空排气口；215…反应室。

Claims (10)

1.一种金属制品的制造方法，其特征在于，包括：
通过原子氮化法在以下(a)条件以及/或者(b)条件下于金属材料的至少表面形成使规定的原子作为间隙式固溶原子而存在的固溶体层后，再对所述固溶体层进行机械加工；
所述(a)条件为以10Pa以下的压力实施所述原子氮化法；
所述(b)条件为在所述原子氮化法中，以等离子体的电势为基准的所述金属材料的电势为-300V至300V。
2.根据权利要求1所述的金属制品的制造方法，其特征在于，所述金属材料含有铁，并且形成了所述固溶体层后的所述金属材料的表面硬度为700Hv以上。
3.根据权利要求1或2所述的金属制品的制造方法，其特征在于，所述固溶体层实质上不含有所述规定的原子的化合物。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的金属制品的制造方法，其特征在于，所述规定的原子为氮原子。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的金属制品的制造方法，其特征在于，使用金刚石工具对所述金属材料进行机械加工。
6.一种金属制品的制造方法，其用于对金属材料进行机械加工，所述金属制品的制造方法的特征在于，所述金属材料的至少表面具备通过原子氮化法在以下(a)条件以及/或者(b)条件下形成的使规定的原子作为间隙式固溶原子而存在的固溶体层；
所述(a)条件为以10Pa以下的压力实施所述原子氮化法；
所述(b)条件为在所述原子氮化法中，以等离子体的电势为基准的所述金属材料的电势为-300V至300V；
所述金属制品的制造方法包括：
对所述固溶体层进行机械加工。
7.根据权利要求6所述的金属制品的制造方法，其特征在于，所述金属材料含有铁，并且具备所述固溶体层的所述金属材料的表面硬度为700Hv以上。
8.根据权利要求6或7所述的金属制品的制造方法，其特征在于，所述固溶体层实质上不含有所述规定的原子的化合物。
9.根据权利要求6至8中任一权利要求所述的金属制品的制造方法，其特征在于，所述规定的原子为氮原子。
10.根据权利要求6至9中任一权利要求所述的金属制品的制造方法，其特征在于，使用金刚石工具对所述金属材料进行机械加工。
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