JP2001107221A - 耐摩耗性皮膜被覆材料及びその製法 - Google Patents
耐摩耗性皮膜被覆材料及びその製法Info
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Abstract
ことによって、高い耐摩耗性を発揮することの出来る耐
摩耗性皮膜被覆材料を提供すること。 【解決手段】 下記(A);下記(B);及び下記
(C)を含む皮膜が母材表面に被覆されたものであるこ
とを特徴とする耐摩耗性皮膜被覆材料。(A)Co、N
i、Mo及びCuよりなる群から選択される1種以上の
金属;(B)Al、Si、Fe、Ti、Mn、V、C
r、Nb、Zr及びWよりなる群から選択される1種以
上の金属の窒化物、炭化物若しくは炭窒化物;(C)金
属Fe;及びFeの窒化物、炭化物若しくは炭窒化物
Description
を兼ね備えた耐摩耗性皮膜を被覆した材料およびその製
造方法に関し、詳細には輸送機、産業機械、レジャー用
品等の分野において耐摩耗性が要求されるピストンリン
グ、バルブリフター、シム等の摺動部品及び、車軸、軸
受け、等速ジョイント、レールガイド、歯車等の転動部
品など各種機械部品の素材として有用な耐摩耗性皮膜被
覆材料、およびその製造方法に関するものである。
リングなどの摺動部品には、高い耐摩耗性が要求されて
おり、特に近年、皮膜の硬度だけでなく、靭性を付与し
て耐摩耗性の向上を図る技術が開発されている。例え
ば、特開平5−78821号には、Co、Ni及びMo
から選ばれる1種以上の金属と、Si、Ti、V、C
r、Fe、Zr、Nb及びWから選ばれる1種以上の金
属の炭化物又は窒化物との混合組織からなる皮膜を、イ
オンプレーティング法によって母材表面に被覆すること
により耐摩耗性、皮膜靭性を向上させたピストンリング
が提案されている。また特開平5−125521号に
は、TiNとNiよりなる皮膜をイオンプレーティング
法によって母材表面に被覆して密着性を向上させる技術
が開示されている。また本発明者らはAl、Si、F
e、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Hf、及びWよりな
る群から選択される1種以上の金属の炭化物、窒化物ま
たは炭窒化物中に、Co、Ni、Mo及びCuよりなる
群から選択される1種以上の金属を含む皮膜をイオンプ
レーティング法によって母材表面に被覆することにより
耐摩耗性及び靭性を向上させる技術を提案(特開平9−
71856号)している。
靭性を確保する為にNi、Co、Mo、又はCuを多量
に添加する必要があり、これら高価な金属の多量添加が
高コストの要因となっていた。特に成膜にイオンプレー
ティング法やスパッタリング法等の気相コーティング法
を用いる場合、特殊な組成のターゲット材を溶製した
り、或いは複数種のターゲットを用いる様な複雑な成膜
操作が必要となり、製造コストが大幅に上昇するため、
その適用は一部の高級品に限られていた。
るが、この様な母材に施される従来技術の皮膜の主成分
は、母材とのヤング率差が大きいので、皮膜と母材が変
形する様な、局部的な面圧の高い環境下で使用すると、
皮膜と母材の界面に生じるせん断応力が高くなり、皮膜
と母材との密着性が低下するという問題が生じていた。
部材を潤滑油存在下で使用すると、潤滑油と皮膜との相
性が悪い場合、例えば、部材の皮膜にNiが多量に含有
されていると、Niは潤滑油中のS系極圧剤と反応し、
Ni硫化物を生成して潤滑油を劣化させると共に、Ni
硫化物の生成によって極圧剤が減少する為に、潤滑油の
寿命が著しく低下するという問題が生じていた。
みてなされたものであり、その目的は優れた密着性と靭
性を有する皮膜を形成することによって、高い耐摩耗性
を発揮することの出来る耐摩耗性皮膜被覆材料を提供す
ることである。
発明とは、下記(A);下記(B);及び下記(C)を
含む皮膜が母材表面に被覆されたものであることを特徴
とする耐摩耗性皮膜被覆材料である。(A)Co、N
i、Mo及びCuよりなる群から選択される1種以上の
金属;(B)Al、Si、Fe、Ti、Mn、V、C
r、Nb、Zr及びWよりなる群から選択される1種以
上の金属の窒化物、炭化物若しくは炭窒化物;(C)金
属Fe;及びFeの窒化物、炭化物若しくは炭窒化物こ
の際、皮膜中に金属Feの含有率が3wt%以上である
ことが望ましく、被覆される母材の硬度がHv600以
上のFe基合金であることが推奨される。
造方法としては、下記(A);下記(D);及びFeを
含む合金ターゲットを用い、窒素及び/又はメタン存在
下で、物理蒸着法によって前記皮膜を母材表面に被覆す
れば良い。(A)Co、Ni、Mo及びCuよりなる群
から選択される1種以上の金属;(D)Al、Si、F
e、Ti、Mn、V、Cr、Nb、Zr及びWよりなる
群から選択される1種以上の金属尚、物理蒸着法として
は特にイオンプレーティング法が推奨され、成膜時のバ
イアス電圧を50V以下、処理温度を300℃以下とす
ることが望ましい。
るために研究を重ねた結果、皮膜に金属Feが残存して
いれば、膜の靭性や密着性を向上させることができるこ
とを知見し本発明に至った。
o、Ni、Mo及びCuよりなる群から選択される1種
以上の金属は、皮膜の靭性を向上させる成分であり、ま
たFeが窒化物、炭化物、或いは炭窒化物を生成するの
を阻害し、金属Feとして皮膜中に残存させるために必
要な成分である。こうした効果を発揮させるには、これ
らCo等から選択される1種以上の金属が皮膜中に存在
していればよいが、要求される靭性、及びFeの窒化
物、炭化物、或いは炭窒化物生成の阻害等の効果を十分
発揮させるには、2.5wt%以上含有させることが望
ましい。また上限は特に限定されないが、多量に含有し
ても効果が飽和すると共に、コストも上昇するので、3
0wt%以下の含有量とすることが推奨される。
を起こして加工硬化し、皮膜が破損することがあるの
で、この様な条件下に用いる場合は、皮膜の破損を防止
するために、Co、Ni、Mo及びCuよりなる群から
選択される1種以上の金属の皮膜中の含有率を15wt
%以上とすることが推奨される。
l、Si、Fe、Ti、Mn、V、Cr、Nb、Zr及
びWよりなる群から選択される1種以上の金属の窒化
物、炭化物、若しくは炭窒化物を含有させることが必要
である。これらの成分は、金属Fe;及びCo、Ni、
Mo、Cuよりなる群から選択される1種以上の金属に
よって構成されるマトリックスに分散して混合組織、或
いは分散組織を形成し、皮膜の硬度を向上させることが
できる。これらAl等の金属の窒化物、炭化物、若しく
は炭窒化物の皮膜中の含有量は特に制限されず、潤滑剤
の有無、摺動、又は転動速度、面圧などの摩耗条件、要
求寿命、マトリックスの種類等の使用条件によって適宜
決定しうるが、Hv800〜2000程度の皮膜硬度と
するには、好ましくは10wt%以上、より好ましくは
20Wt%以上含有させることが推奨され、上限は80
wt%が好ましく、より好ましくは50wt%である。
金属Feを含有させることが必要である。皮膜中に金属
Feを含有させると、皮膜の靭性や密着性を向上させる
ことができる。
されず、使用目的に応じて適宜金属Fe含有量を調節す
ることができる。金属Feの含有量が多いほど皮膜の靭
性、潤滑油との相性を向上させることができ、またコス
トの上昇を抑えることができるので、50wt%以上含
有することが推奨される。
起こして硬化しかねない環境で用いる場合、皮膜中に含
まれる金属Feが多くなると加工硬化を起こすことがあ
るので、金属Fe含有量を減少させ、例えば50wt%
以下にしてもよい。
性が低下すると共に、潤滑油との相性も悪化するので、
皮膜中の金属Fe含有量の下限は好ましくは3wt%、
より好ましくは10wt%とすることが望ましい。
o、Ni、Mo及びCuよりなる群から選択される1種
以上の金属;Al、Si、Fe、Ti、Mn、V、C
r、Nb、Zr及びWよりなる群から選択される1種以
上の金属の窒化物、炭化物若しくは炭窒化物;及びFe
の窒化物、炭化物若しくは炭窒化物の1種を除いた残部
は実質的に金属Feであるが、「残部は実質的に金属F
e」とは、Fe系合金中に通常含まれているC、P、
S、その他金属元素及びその窒化物、炭化物、若しくは
炭窒化物がマトリックス中に混入し、それらが皮膜中に
2wt%程度以下含有する場合、或いは皮膜の特性に大
きな影響を与えない範囲で酸化物や硼化物を混入させる
場合も本発明の範囲内とする意味である。
合組織であることが望ましいが、均一な混合組織ではな
く、局部的な偏在や分散組織の状態であっても十分な効
果を発揮することができる。
材の種類は特に限定されず、機械構造用鋼、工具用鋼、
軸受け鋼等のFe基合金や、Ti合金、Al合金、Mg
合金等の各種合金の他、超硬材料、セラミックスなどを
用いることができる。これらのうち高い硬度を有する素
材が好ましく、高い硬度を有していれば局部的な面圧が
かかる環境下で使用しても、母材の変形による皮膜の破
壊や、剥離を防止することができるので、母材として硬
度がHv600以上である素材が推奨され、この様な素
材としては、特にFe基合金が好ましい。Fe基合金で
あればヤング率が本発明に係る皮膜とほぼ同等の値を有
するため、皮膜と母材の界面に生じるせん断応力が高く
なっても、密着性を維持することができる。
る方法として、反応性のプラズマ溶射などを用いること
も可能であるが、イオンプレーティング法やスパッタリ
ング法などの物理蒸着法がが推奨され、これらの中で
も、成膜速度、反応性、密着性、操作性の観点からアー
クイオンプレーティング法(AIP法)に代表されるイ
オンプレーティング法が好ましい。
プロセスガスとしては、窒素;メタン;或いは窒素、メ
タン混合ガスであり、該プロセスガス雰囲気中で成膜す
ることによって、Al、Si、Fe、Ti、Mn、V、
Cr、Nb、Zr及びWよりなる群から選択した金属を
窒化物、炭化物若しくは炭窒化物とすることができる。
は、(A)Co、Ni、Mo及びCuよりなる群から選
択される1種以上の金属;(D)Al、Si、Fe、T
i、Mn、V、Cr、Nb、Zr及びWよりなる群から
選択される1種以上の金属;及びFeを含有するターゲ
ット材であり、この様なターゲット材として例えば、市
販のオーステナイト系ステンレス等のFe基合金やニッ
ケルクロムモリブデン鋼等の合金鋼を用いることができ
るので、特殊な合金の溶製を必要とせず、また複数種の
ターゲット材を用いる成膜操作の様な複雑な作業を必要
としないので、コストの上昇を防ぐことができる。
は炭窒化物を形成する金属としてFeを選択した場合
は、実質的に金属Feと上記(A)より選択される金属
とを成分とするターゲット材を用いることになるが、皮
膜形成時に金属Feの一部が窒化物、炭化物若しくは炭
窒化物となり、結果として皮膜中には上記(A)と;F
eの窒化物、炭化物若しくは炭窒化物;及び金属Feの
3成分が含まれる。また上記(D)の金属としてFe以
外の金属(例えばCr)を選択しても、成膜過程で金属
Feの一部が窒化物、炭化物若しくは炭窒化物となり、
皮膜中には上記(A)より選択した金属;Crの窒化
物、炭化物若しくは炭窒化物;Fe;及びFeの窒化
物、炭化物若しくは炭窒化物が含まれることになる。
Feの窒化物、炭化物若しくは炭窒化物であるかは、T
EM、或いはXRD(X線回析)等を用いて調べること
ができる。
の母材の処理温度、バイアス電圧を調整することによっ
ても調整することができる。Feの窒化、炭化、或いは
炭窒化を極力抑え、皮膜中に金属Feのまま残存させる
ためには、成膜時のバイアス電圧及び母材温度を通常よ
り低く調整することが推奨される。バイアス電圧の上限
は50Vとすることが望ましい。母材温度はターゲット
合金の組成や成膜条件によって変わるが、通常、300
℃以下とすることが好ましく、より好ましくは250℃
以下、さらに好ましくは200℃以下とすることが推奨
される。またこの様に成膜時の母材の処理温度を低くす
ると調質された母材の硬度を維持することができるので
好ましい。
は特に限定されず、用途や使用条件に応じて膜厚を選択
することができるが、皮膜が薄すぎると、用途によって
は十分な特性を発揮できない場合があるので、3μm以
上とすることが好ましい。また皮膜が厚すぎると膜靭性
の低下や表面粗度の悪化等をもたらす場合があるので2
0μm以下とすることが推奨される。
が、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・
後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することは全て
本発明の技術範囲に包含される。
用い、この母材表面にアークイオンプレーティング法
(AIP)またはスパッタリング法によって下記表1に
示す条件(ターゲット材、プロセスガス、成膜時処理温
度)で皮膜を被覆し、得られた各種耐摩耗性皮膜被覆材
料の膜硬度、靭性、密着性、耐摩耗性について評価し
た。結果を表1に示す。
また成膜時の処理温度を調節するために必要に応じて間
欠成膜を行うと共に、圧力調整のためにArガスを必要
に応じて適宜混入させた。製造方法の他の条件を以下に
示す。
性、密着性、及び耐摩耗性について評価を行った。各耐
摩耗性皮膜被覆材料の評価方法を以下に示す。 [硬度] マイクロビッカース硬度計 [靭性、密着性] スクラッチ試験機 圧子 :ダイヤモンド、先端径200μmR 速度 :10mm/min 荷重 :100N/min 靭性評価基準 :ピッチング発生荷重 密着性評価基準:剥離発生荷重(剥離が発生したものは
表中(剥離)と記載) 尚、靭性及び密着性はいずれか低い荷重で発生したもの
を評価した。 [耐摩耗性] ローラーピッチング試験 面圧 :3GPa 滑り率 :−40% 回転数 :1500rpm 潤滑油 :ディーゼルオイル(2L/min、90℃) 相手材 :SUJ2鋼 評価基準 :振動で試験片が停止するまでの回転数 [皮膜中のFe]TEM及びXRDを用いて皮膜中のFe
が金属Feであるか、Feの窒化物、炭化物、或いは炭
窒化物であるかを判断した。
を含有し、他の皮膜成分等を満足する本発明例No.1
〜19は、優れた靭性、及び密着性を有し、耐摩耗性に
も優れた特性を示した。一方、本発明の範囲外である比
較例No.20〜22は十分な靭性もしくは密着性が得
られず、耐摩耗性も劣る。
皮膜被覆材料は、優れた靭性と密着性を有する皮膜を形
成しており、十分な耐摩耗性を発揮することができた。
ンリング、バルブリフター、シム等の摺動部品及び、車
軸、軸受け、等速ジョイント、レールガイド、歯車等の
転動部品の素材として、輸送機、産業機械、レジャー用
品等、幅広い分野に用いることができる。
Claims (7)
- 【請求項1】 下記(A);下記(B);及び下記
(C)を含む皮膜が母材表面に被覆されたものであるこ
とを特徴とする耐摩耗性皮膜被覆材料。 (A)Co、Ni、Mo及びCuよりなる群から選択さ
れる1種以上の金属 (B)Al、Si、Fe、Ti、Mn、V、Cr、N
b、Zr及びWよりなる群から選択される1種以上の金
属の窒化物、炭化物若しくは炭窒化物 (C)金属Fe;及びFeの窒化物、炭化物若しくは炭
窒化物 - 【請求項2】 前記金属Feの含有率が3wt%以上で
ある請求項1に記載の耐摩耗性皮膜被覆材料。 - 【請求項3】 前記母材の硬度がHv600以上のFe
基合金である請求項1または2のいずれかに記載の耐摩
耗性皮膜被覆材料。 - 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の耐摩耗
性皮膜被覆材料を製造するにあたり、下記(A);下記
(D);及びFeを含む合金ターゲットを用い、窒素及
び/又はメタンの存在下で、物理蒸着法によって前記皮
膜を母材表面に被覆することを特徴とする耐摩耗性皮膜
被覆材料の製造方法。 (A)Co、Ni、Mo及びCuよりなる群から選択さ
れる1種以上の金属 (D)Al、Si、Fe、Ti、Mn、V、Cr、N
b、Zr及びWよりなる群から選択される1種以上の金
属 - 【請求項5】 前記物理蒸着法がイオンプレーティング
法である請求項4に記載の製造方法。 - 【請求項6】 成膜時のバイアス電圧が50V以下であ
る請求項4または5に記載の製造方法。 - 【請求項7】 成膜時の処理温度が300℃以下である
請求項4〜6のいずれかに記載の製造方法。
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---|---|---|---|
JP27689699A JP4398546B2 (ja) | 1999-09-29 | 1999-09-29 | 耐摩耗性皮膜被覆材料及びその製法 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003301282A (ja) * | 2002-04-10 | 2003-10-24 | Kobe Steel Ltd | 高面圧下での摺動特性に優れる摺動部材 |
EP1852520A1 (en) * | 2006-05-02 | 2007-11-07 | United Technologies Corporation | Wear-resistant coating |
JP2008513695A (ja) * | 2004-09-17 | 2008-05-01 | ティッセンクルップ オートモーティヴ アクチエンゲゼルシャフト | 軸受け装置 |
US8530050B2 (en) | 2007-05-22 | 2013-09-10 | United Technologies Corporation | Wear resistant coating |
RU2596522C1 (ru) * | 2015-03-13 | 2016-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента |
-
1999
- 1999-09-29 JP JP27689699A patent/JP4398546B2/ja not_active Expired - Fee Related
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