JP2001152319A - 密着性に優れた表面処理層を有する表面処理金属部材、その表面処理方法、及びその表面処理方法を用いてなる回転機器用部材 - Google Patents
密着性に優れた表面処理層を有する表面処理金属部材、その表面処理方法、及びその表面処理方法を用いてなる回転機器用部材Info
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 母材の金属部材とその表面に形成する表面処
理層の密着性、および表面処理層の耐摩耗性に優れた表
面処理金属部材、その表面処理方法、および表面処理方
法を用いてなる回転機器用部材を提供する。 【解決手段】 金属部材表面上に窒化層３とさらにその
上層のＤＬＣ層４とからなる表面処理層、または窒化層
とその上層のタングステンおよび／またはタングステン
カーバイドからなる中間層５と、さらにその上層のＤＬ
Ｃ層４とからなる表面処理層を形成させる。
理層の密着性、および表面処理層の耐摩耗性に優れた表
面処理金属部材、その表面処理方法、および表面処理方
法を用いてなる回転機器用部材を提供する。 【解決手段】 金属部材表面上に窒化層３とさらにその
上層のＤＬＣ層４とからなる表面処理層、または窒化層
とその上層のタングステンおよび／またはタングステン
カーバイドからなる中間層５と、さらにその上層のＤＬ
Ｃ層４とからなる表面処理層を形成させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、密着性および耐摩
耗性に優れた表面処理層を有する表面処理金属部材、そ
の表面処理方法、および表面処理方法を用いてなる回転
機器用部材に関する。
耗性に優れた表面処理層を有する表面処理金属部材、そ
の表面処理方法、および表面処理方法を用いてなる回転
機器用部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、エアーモーターのベーンなど、高
速回転による摩耗、損傷、焼き付きなどが生じやすい部
分の部材として、耐摩耗性に優れたダイス鋼や高速度鋼
などが使用され、耐摩耗性を向上させるために、さらに
表面に窒化層などを形成する表面処理が施されている。
しかし、窒化層を構成する窒素化合物が母材から剥離し
やすく、使用寿命は極めて短く、また窒化処理層は形成
条件が難しく、生産性に乏しい。
速回転による摩耗、損傷、焼き付きなどが生じやすい部
分の部材として、耐摩耗性に優れたダイス鋼や高速度鋼
などが使用され、耐摩耗性を向上させるために、さらに
表面に窒化層などを形成する表面処理が施されている。
しかし、窒化層を構成する窒素化合物が母材から剥離し
やすく、使用寿命は極めて短く、また窒化処理層は形成
条件が難しく、生産性に乏しい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のような状況に鑑
みて、本発明は母材の金属部材とその表面に形成する表
面処理層の密着性、および表面処理層の耐摩耗性に優れ
た表面処理金属部材、その表面処理方法、および表面処
理方法を用いてなる回転機器用部材を提供することを課
題とする。
みて、本発明は母材の金属部材とその表面に形成する表
面処理層の密着性、および表面処理層の耐摩耗性に優れ
た表面処理金属部材、その表面処理方法、および表面処
理方法を用いてなる回転機器用部材を提供することを課
題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】請求項１の表面処理金属
部材は、金属部材表面上に、窒化層とさらにその上層の
ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層とからなる表
面処理層を有することを特徴とする。請求項２の表面処
理金属部材は、金属部材表面上に、窒化層、タングステ
ンおよび／またはタングステンカーバイドからなる層、
およびダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層を、下
から順に形成させてなる表面処理層を有することを特徴
とする。請求項３の表面処理金属部材は、前記金属部材
が鋼材であることを特徴とする。請求項４の金属部材の
表面処理方法は、金属部材表面に窒化層を形成させ、次
いでその表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）
層を設けることを特徴とする。請求項５の金属部材の表
面処理方法は、金属部材表面に窒化層を形成させ、次い
でその表面にタングステンおよび／またはタングステン
カーバイドからなる層を形成させ、さらにその表面にダ
イヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層を設けることを
特徴とする。請求項６の金属部材の表面処理方法は、前
記窒化層を、グロー放電光輝窒素拡散法を用いて形成さ
せることを特徴とする。請求項７の金属部材の表面処理
方法は、前記ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層
を、イオン化蒸着法を用いて形成させることを特徴とす
る。請求項８の回転機器用部材は、金属部材からなる回
転機器用部材の表面に、前記のいずれかの表面処理方法
を用いて表面処理層を形成させてなることを特徴とす
る。請求項９の回転機器用部材は、エアモーター用部材
であることを特徴とする。請求項１０のエアモーター用
部材は、ローター、シリンダー、フロントシリンダカバ
ー、またはリアシリンダカバーのいずれか１つまたは２
つ以上であることを特徴とする。
部材は、金属部材表面上に、窒化層とさらにその上層の
ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層とからなる表
面処理層を有することを特徴とする。請求項２の表面処
理金属部材は、金属部材表面上に、窒化層、タングステ
ンおよび／またはタングステンカーバイドからなる層、
およびダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層を、下
から順に形成させてなる表面処理層を有することを特徴
とする。請求項３の表面処理金属部材は、前記金属部材
が鋼材であることを特徴とする。請求項４の金属部材の
表面処理方法は、金属部材表面に窒化層を形成させ、次
いでその表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）
層を設けることを特徴とする。請求項５の金属部材の表
面処理方法は、金属部材表面に窒化層を形成させ、次い
でその表面にタングステンおよび／またはタングステン
カーバイドからなる層を形成させ、さらにその表面にダ
イヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層を設けることを
特徴とする。請求項６の金属部材の表面処理方法は、前
記窒化層を、グロー放電光輝窒素拡散法を用いて形成さ
せることを特徴とする。請求項７の金属部材の表面処理
方法は、前記ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層
を、イオン化蒸着法を用いて形成させることを特徴とす
る。請求項８の回転機器用部材は、金属部材からなる回
転機器用部材の表面に、前記のいずれかの表面処理方法
を用いて表面処理層を形成させてなることを特徴とす
る。請求項９の回転機器用部材は、エアモーター用部材
であることを特徴とする。請求項１０のエアモーター用
部材は、ローター、シリンダー、フロントシリンダカバ
ー、またはリアシリンダカバーのいずれか１つまたは２
つ以上であることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明においては、金属部材表面
上に、窒化層とさらにその上層のダイヤモンドライクカ
ーボン（以下ＤＬＣで示す）層とからなる表面処理層を
形成させることにより、密着性、および耐摩耗性に優れ
た表面処理層を有する表面処理金属部材が得られること
が判明した。以下、本発明の実施形態を詳細に説明す
る。
上に、窒化層とさらにその上層のダイヤモンドライクカ
ーボン（以下ＤＬＣで示す）層とからなる表面処理層を
形成させることにより、密着性、および耐摩耗性に優れ
た表面処理層を有する表面処理金属部材が得られること
が判明した。以下、本発明の実施形態を詳細に説明す
る。
【０００６】図１は請求項１の表面処理金属部材の概略
断面である。表面処理金属部材１は、金属部材２の上に
窒化層３とＤＬＣ層４が形成されてなる。図２は請求項
２の表面処理金属部材の概略断面である。表面処理金属
部材１は、金属部材２の上に下から順に窒化層３、タン
グステンおよび／またはタングステンカーバイドからな
る層５、およびＤＬＣ層４が形成されてなる。
断面である。表面処理金属部材１は、金属部材２の上に
窒化層３とＤＬＣ層４が形成されてなる。図２は請求項
２の表面処理金属部材の概略断面である。表面処理金属
部材１は、金属部材２の上に下から順に窒化層３、タン
グステンおよび／またはタングステンカーバイドからな
る層５、およびＤＬＣ層４が形成されてなる。
【０００７】金属部材２としては、炭素鋼、合金鋼、工
具鋼、ステンレス鋼、高速度鋼、マルエージング鋼など
の鋼材や、チタン、チタン合金などを用いることができ
る。
具鋼、ステンレス鋼、高速度鋼、マルエージング鋼など
の鋼材や、チタン、チタン合金などを用いることができ
る。
【０００８】窒化層３は従来のガス窒化法、溶融塩窒化
法を用いて形成することもできるが、減圧下で高温の水
素およびアンモニアの混合ガス雰囲気中でグロー放電さ
せる光輝窒素拡散法（以下、ラジカル窒化法という）を
用いて形成することにより、母材の金属部材との密着
性、耐摩耗性、耐衝撃性、耐熱衝撃性、耐熱疲労性に優
れた窒化層が得られる。
法を用いて形成することもできるが、減圧下で高温の水
素およびアンモニアの混合ガス雰囲気中でグロー放電さ
せる光輝窒素拡散法（以下、ラジカル窒化法という）を
用いて形成することにより、母材の金属部材との密着
性、耐摩耗性、耐衝撃性、耐熱衝撃性、耐熱疲労性に優
れた窒化層が得られる。
【０００９】ＤＬＣ層４は、スパッタ法、アークイオン
プレーティング法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、熱フ
ィラメント法などのいずれの方法を用いて形成すること
ができるが、炭素または炭化水素イオンを用いるイオン
化蒸着法を用いて形成することにより、下地の窒化層と
の密着性、および耐摩耗性に特に優れたＤＬＣ皮膜が得
られる。
プレーティング法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、熱フ
ィラメント法などのいずれの方法を用いて形成すること
ができるが、炭素または炭化水素イオンを用いるイオン
化蒸着法を用いて形成することにより、下地の窒化層と
の密着性、および耐摩耗性に特に優れたＤＬＣ皮膜が得
られる。
【００１０】また、窒化層３とＤＬＣ層４との密着性を
向上させるために、中間層としてシリコン、ゲルマニウ
ム、タングステン、モリブデン、シリコンカーバイド、
チタンカーバイド、タングステンカーバイド、シリコン
ナイトライド、チオタンナイトライドなどの１種または
２種以上を介在させることもできる。これらの中でタン
グステンおよび／またはタングステンカーバイドを用い
ることが特に好ましい。これらの中間層はスパッタ法、
アークイオンプレーティング法などを用いて形成させる
ことができる。
向上させるために、中間層としてシリコン、ゲルマニウ
ム、タングステン、モリブデン、シリコンカーバイド、
チタンカーバイド、タングステンカーバイド、シリコン
ナイトライド、チオタンナイトライドなどの１種または
２種以上を介在させることもできる。これらの中でタン
グステンおよび／またはタングステンカーバイドを用い
ることが特に好ましい。これらの中間層はスパッタ法、
アークイオンプレーティング法などを用いて形成させる
ことができる。
【００１１】次に、本発明の表面処理金属部材の製造方
法について説明する。まず、金属部剤表面に窒化層を形
成させる。母材となる金属部材を有機溶媒系洗浄剤や水
系洗浄剤などを用いて洗浄し、汚れ、油脂、ゴミなどを
除去した後、金属部材を真空炉内に設けた陰極上に載
せ、真空炉内を０．１３Ｐａ程度まで排気減圧し、水素
とアンモニアの混合ガス雰囲気中で４００〜５８０℃に
加熱し、真空炉内に設けた陽極との間に３００〜５００
Ｖの直流電圧を印加し、グロー放電によりガスをイオン
化し、１〜３０時間処理して金属部剤の表面に窒素を拡
散させる。その後、窒素ガス雰囲気中または減圧下で自
然放冷する。このようにしてビッカース硬度（荷重：
０．９８Ｎ）１０００以上の硬度を有する１０〜３００
μｍの厚さの窒化層が得られる。
法について説明する。まず、金属部剤表面に窒化層を形
成させる。母材となる金属部材を有機溶媒系洗浄剤や水
系洗浄剤などを用いて洗浄し、汚れ、油脂、ゴミなどを
除去した後、金属部材を真空炉内に設けた陰極上に載
せ、真空炉内を０．１３Ｐａ程度まで排気減圧し、水素
とアンモニアの混合ガス雰囲気中で４００〜５８０℃に
加熱し、真空炉内に設けた陽極との間に３００〜５００
Ｖの直流電圧を印加し、グロー放電によりガスをイオン
化し、１〜３０時間処理して金属部剤の表面に窒素を拡
散させる。その後、窒素ガス雰囲気中または減圧下で自
然放冷する。このようにしてビッカース硬度（荷重：
０．９８Ｎ）１０００以上の硬度を有する１０〜３００
μｍの厚さの窒化層が得られる。
【００１２】次いで、上記のようにして形成させた前記
の窒化層上に、選択的に中間層を形成させる。上記のよ
うに、中間層として半導体、金属、炭化物、窒化物のい
ずれの層も適用できるが、窒化処理層およびＤＬＣ層と
の密着性の点から、ダイヤモンドとの熱膨張計数の差が
小さいタングステン、またはタングステンカーバイド、
もしくはタングステンとタングステンカーバイドの両方
からなる層を設けることにより、窒化処理層およびＤＬ
Ｃ層との密着性がさらに向上する。形成方法としてはア
ークイオンプレーティング法を用いる。真空槽内にタン
グステンまたはタングステンカーバイドのターゲット
と、窒化層を形成した金属部材を配置し、１．３ x １
０-3Ｐａの真空程度まで排気減圧した後、アルゴンなど
の不活性ガスとアセチレンなどの炭化水素ガスを導入し
て０．１３Ｐａ程度の真空度とする。次いでターゲット
に１００〜１８０Ａの電流を流してイオン（プラス）を
放出させ、金属部材をイオンと反対の極性（マイナス）
に５０〜４００Ｖの電圧を印加することにより、５〜３
０分の処理時間で０.１〜０.５μｍの厚さのタングステ
ンまたはタングステンカーバイドの皮膜が得られる。タ
ングステンおよびタングステンカーバイドの両方の皮膜
を得る場合は、真空槽内に両方のターゲットを配置して
交互に皮膜を生成させるか、どちらか一方のターゲット
を真空槽内に配置してそのターゲットの皮膜を形成した
後、もう一方のターゲットに取り替え、そのターゲット
の皮膜を形成する。
の窒化層上に、選択的に中間層を形成させる。上記のよ
うに、中間層として半導体、金属、炭化物、窒化物のい
ずれの層も適用できるが、窒化処理層およびＤＬＣ層と
の密着性の点から、ダイヤモンドとの熱膨張計数の差が
小さいタングステン、またはタングステンカーバイド、
もしくはタングステンとタングステンカーバイドの両方
からなる層を設けることにより、窒化処理層およびＤＬ
Ｃ層との密着性がさらに向上する。形成方法としてはア
ークイオンプレーティング法を用いる。真空槽内にタン
グステンまたはタングステンカーバイドのターゲット
と、窒化層を形成した金属部材を配置し、１．３ x １
０-3Ｐａの真空程度まで排気減圧した後、アルゴンなど
の不活性ガスとアセチレンなどの炭化水素ガスを導入し
て０．１３Ｐａ程度の真空度とする。次いでターゲット
に１００〜１８０Ａの電流を流してイオン（プラス）を
放出させ、金属部材をイオンと反対の極性（マイナス）
に５０〜４００Ｖの電圧を印加することにより、５〜３
０分の処理時間で０.１〜０.５μｍの厚さのタングステ
ンまたはタングステンカーバイドの皮膜が得られる。タ
ングステンおよびタングステンカーバイドの両方の皮膜
を得る場合は、真空槽内に両方のターゲットを配置して
交互に皮膜を生成させるか、どちらか一方のターゲット
を真空槽内に配置してそのターゲットの皮膜を形成した
後、もう一方のターゲットに取り替え、そのターゲット
の皮膜を形成する。
【００１３】次に窒化層上、または窒化層上に形成した
中間層上に、イオン化蒸着法を用いてＤＬＣ層を形成さ
せる。真空槽内に上記のいずれかの表面処理層を形成し
た金属部材を配置し、真空槽内を１．３ x １０-3Ｐａ
程度まで排気減圧した後、メタンなどの炭化水素ガス、
またはそれと水素との混合ガス、もしくはそれらにさら
にアルゴン、ネオン、ヘリウムなどの不活性気体のキャ
リヤーガスを添加した混合ガスを真空槽内に導入して
０．１３Ｐａ程度とする。真空槽内に設けた熱陰極フィ
ラメントに交流電流を流して加熱し、真空槽内に設けた
熱陰極フィラメントを囲むように設けた対陰極とフィラ
メントの間に１００〜３００Ｖの電圧を印加して放電さ
せると炭化水素ガスは熱分解するとともにフィラメント
からの熱電子と衝突してイオン（プラス）化する。イオ
ンはイオンと反対の極性（マイナス）に４００〜１５０
０Ｖに印加した金属部材に衝突して、ＤＬＣ皮膜を生成
する。５〜６０分の処理時間で、ビッカース硬度（荷
重：０．９８Ｎ）４０００以上の硬度を有する０.０５
〜１μｍの厚さのＤＬＣ皮膜が得られる。以上のように
して、母材の金属部材と表面処理層との密着性および耐
摩耗性に優れた表面処理金属部材が得られる。
中間層上に、イオン化蒸着法を用いてＤＬＣ層を形成さ
せる。真空槽内に上記のいずれかの表面処理層を形成し
た金属部材を配置し、真空槽内を１．３ x １０-3Ｐａ
程度まで排気減圧した後、メタンなどの炭化水素ガス、
またはそれと水素との混合ガス、もしくはそれらにさら
にアルゴン、ネオン、ヘリウムなどの不活性気体のキャ
リヤーガスを添加した混合ガスを真空槽内に導入して
０．１３Ｐａ程度とする。真空槽内に設けた熱陰極フィ
ラメントに交流電流を流して加熱し、真空槽内に設けた
熱陰極フィラメントを囲むように設けた対陰極とフィラ
メントの間に１００〜３００Ｖの電圧を印加して放電さ
せると炭化水素ガスは熱分解するとともにフィラメント
からの熱電子と衝突してイオン（プラス）化する。イオ
ンはイオンと反対の極性（マイナス）に４００〜１５０
０Ｖに印加した金属部材に衝突して、ＤＬＣ皮膜を生成
する。５〜６０分の処理時間で、ビッカース硬度（荷
重：０．９８Ｎ）４０００以上の硬度を有する０.０５
〜１μｍの厚さのＤＬＣ皮膜が得られる。以上のように
して、母材の金属部材と表面処理層との密着性および耐
摩耗性に優れた表面処理金属部材が得られる。
【００１４】本発明の表面処理方法は、回転機器用部材
に好適に適用できる。回転機器の例としてはベーン型エ
アモーターがあるが、エアモーター用部材としてロータ
ーとシリンダー、フロントシリンダカバー、およびリア
シリンダカバーに本発明の表面処理層を形成して耐磨耗
性を向上させることにより、使用寿命を大幅に増大する
ことができる。
に好適に適用できる。回転機器の例としてはベーン型エ
アモーターがあるが、エアモーター用部材としてロータ
ーとシリンダー、フロントシリンダカバー、およびリア
シリンダカバーに本発明の表面処理層を形成して耐磨耗
性を向上させることにより、使用寿命を大幅に増大する
ことができる。
【００１５】図３はベーン型エアモーターの外観図で、
モーターの周囲はモーターケース１９とエンドカバー２
０で囲われており、モーターケース１９の外壁には空気
供給孔１９Ａが穿設されている。図４はエアモーターの
内部の構造を示す横断面図、図５はエアモーターを直角
方向から見た横断面図で、モーターの中心に存在するロ
ーター１２は、シリンダー１４の偏芯位置に加工された
円筒孔１４Ｃの内壁１４Ｄに接近して配設されている。
ローター１２の両端１２Ａ及び１２Ｂはローター１２及
びシリンダー１４の両側に配設されているフロントシリ
ンダーカバー１５とリアシリンダーカバー１６にそれぞ
れ嵌着された軸受け１７及び１８で支持されている。
モーターの周囲はモーターケース１９とエンドカバー２
０で囲われており、モーターケース１９の外壁には空気
供給孔１９Ａが穿設されている。図４はエアモーターの
内部の構造を示す横断面図、図５はエアモーターを直角
方向から見た横断面図で、モーターの中心に存在するロ
ーター１２は、シリンダー１４の偏芯位置に加工された
円筒孔１４Ｃの内壁１４Ｄに接近して配設されている。
ローター１２の両端１２Ａ及び１２Ｂはローター１２及
びシリンダー１４の両側に配設されているフロントシリ
ンダーカバー１５とリアシリンダーカバー１６にそれぞ
れ嵌着された軸受け１７及び１８で支持されている。
【００１６】また、シリンダー１４、フロントシリンダ
ーカバー１５、リアシリンダーカバー１６はモーターケ
ース１９の円筒孔１９Ｃ内に嵌着され、エンドカバー２
０のねじ部２０Ａで固定されている。モーターケース１
９の内部であるシリンダー側にはシリンダー１４の内壁
が敷設されており、ベーン３１および３５はその中に格
納されている。
ーカバー１５、リアシリンダーカバー１６はモーターケ
ース１９の円筒孔１９Ｃ内に嵌着され、エンドカバー２
０のねじ部２０Ａで固定されている。モーターケース１
９の内部であるシリンダー側にはシリンダー１４の内壁
が敷設されており、ベーン３１および３５はその中に格
納されている。
【００１７】ローター１２の表面に穿設された溝１２Ｃ
１にはベーン３１が埋設され、同様にして他の溝（１２
Ｃ２〜１２Ｃ６）にはベーン３２〜３６がスライド可能
に配設され、ローター１２の回転に従ってベーン３１〜
３６は溝１２Ｃ１〜１２Ｃ６の中を半径方向にスライド
して移動する。ローター１２はシリンダー１４内に偏芯
した状態で敷設されていて、シリンダー１４も内壁との
間に空孔２１を形成している。
１にはベーン３１が埋設され、同様にして他の溝（１２
Ｃ２〜１２Ｃ６）にはベーン３２〜３６がスライド可能
に配設され、ローター１２の回転に従ってベーン３１〜
３６は溝１２Ｃ１〜１２Ｃ６の中を半径方向にスライド
して移動する。ローター１２はシリンダー１４内に偏芯
した状態で敷設されていて、シリンダー１４も内壁との
間に空孔２１を形成している。
【００１８】シリンダー１４の内壁の一部には、給気用
の空気室１４Ｃおよび排気用空気室１９Ｃが形成されて
おり、この空気室１４Ｃおよび１９Ｃはシリンダー１４
に貫通穿設されている空気供給孔１４Ａまたは空気排気
孔１４Ｂと連絡し、さらに空気供給孔１４Ａはモーター
ケース１９の外壁に敷設されている空気供給孔１４Ａと
連絡している。また同様にして、空気排気孔１４Ｂは、
モーターケース１９の外壁に敷設されている空気排気孔
１９Ａと連結している。なお、モーターベーンの回転
は、時計の回転方向に対して正逆いずれの方向にも回転
可能なように、切替弁（図示せず）が付属している。
の空気室１４Ｃおよび排気用空気室１９Ｃが形成されて
おり、この空気室１４Ｃおよび１９Ｃはシリンダー１４
に貫通穿設されている空気供給孔１４Ａまたは空気排気
孔１４Ｂと連絡し、さらに空気供給孔１４Ａはモーター
ケース１９の外壁に敷設されている空気供給孔１４Ａと
連絡している。また同様にして、空気排気孔１４Ｂは、
モーターケース１９の外壁に敷設されている空気排気孔
１９Ａと連結している。なお、モーターベーンの回転
は、時計の回転方向に対して正逆いずれの方向にも回転
可能なように、切替弁（図示せず）が付属している。
【００１９】図５において空気供給孔１９Ａから高圧空
気を供給してモーターベーンを反時計方向へ回転させる
と、空気供給孔１９Ａよりシリンダー１４の空気供給孔
１４Ａを経由してシリンダー１４内の空気室１４Ｃに吸
入され、ベーン３１に作用するとローター１２は反時計
方向へ回転力を受けて回転する。空気流は空気室１４
Ｃ、空孔２１およびベーンの移動作用により、ローター
１２を回転させ、圧縮空気は最終的にはシリンダー１４
の排気孔１４Ｂを経由してモーターケースの排気孔１９
Ｂから大気中に排出される。このようにして、ローター
１２は連続的に反時計方向に回転する。
気を供給してモーターベーンを反時計方向へ回転させる
と、空気供給孔１９Ａよりシリンダー１４の空気供給孔
１４Ａを経由してシリンダー１４内の空気室１４Ｃに吸
入され、ベーン３１に作用するとローター１２は反時計
方向へ回転力を受けて回転する。空気流は空気室１４
Ｃ、空孔２１およびベーンの移動作用により、ローター
１２を回転させ、圧縮空気は最終的にはシリンダー１４
の排気孔１４Ｂを経由してモーターケースの排気孔１９
Ｂから大気中に排出される。このようにして、ローター
１２は連続的に反時計方向に回転する。
【００２０】この場合、例えばローター１２は５００Ｋ
Ｐａの圧力を受けて１００００ｒｐｍで回転する。した
がって、ベーンの周辺部材はタービン油などの潤滑剤を
供給しないと、早期に摩耗や焼き付きを生じて、回転不
能や性能低下のトラブルが発生する。このように、ベー
ンと摺動接触するローター１２、シリンダー１４の内
壁、フロントシリンダーカバー１５、リアシリンダーカ
バー１６は、摩耗作用により摩滅し、放置しておくと脆
化し破損に至る。そのためこれらの部材に本発明の密着
性と対磨耗性に優れた表面処理層を形成させることによ
り、エアーモーターの使用寿命を大幅に増大することが
できる。
Ｐａの圧力を受けて１００００ｒｐｍで回転する。した
がって、ベーンの周辺部材はタービン油などの潤滑剤を
供給しないと、早期に摩耗や焼き付きを生じて、回転不
能や性能低下のトラブルが発生する。このように、ベー
ンと摺動接触するローター１２、シリンダー１４の内
壁、フロントシリンダーカバー１５、リアシリンダーカ
バー１６は、摩耗作用により摩滅し、放置しておくと脆
化し破損に至る。そのためこれらの部材に本発明の密着
性と対磨耗性に優れた表面処理層を形成させることによ
り、エアーモーターの使用寿命を大幅に増大することが
できる。
【００２１】
【実施例】以下、順を追って本発明の表面処理層の形成
方法を説明する。 （実施例１） [ラジカル窒化]図６は本発明のラジカル窒化法の窒化装
置の概略図である。真空槽５０の外壁の内部には加熱ヒ
ーター７０が配置されている。真空槽５０の内部には直
流電源７１に接続された試料載置台を兼ねる陰極７２と
陽極７３が配置されている。真空槽５０の下部には排気
管が接続され、圧力調整用バルブを介して真空ポンプに
接続されている。真空槽５０の上部から原料ガス供給用
のノズルが挿入されており、水素ガス、アンモニアガス
が供給源から供給されるようになっている。陰極７２の
上に金属部材７４が配置される。金属部材として、ロッ
クウェル硬度（Ｃスケール）が約５０となるように熱処
理を施したＳＫＤ６１合金工具鋼の試片を平均表面粗さ
（Ｒａ）０.００１μｍとなるように研磨してなる基材
７４をアセトンで脱脂洗浄し、真空槽５０内の陰極７２
の上に載置し、固定した後、真空槽内を０．１３Ｐａま
で排気した。次いで、水素ガス７０％とアンモニアガス
３０％からなる混合ガスを真空槽５０に導入し、真空槽
５０の外壁に設けた加熱ヒーター７０に通電して真空槽
内部を４８０℃に加熱した、陰極７２と陽極７３の間に
４２０Ｖの直流電圧を印加し、グロー放電を生じさせて
ガスをイオン化し、６時間経時した後、加熱、通電、お
よびガスの供給を停止し減圧下で自然放冷した。このよ
うにして基材表面に表面から０.１ｍｍ の深さまで窒化
物層を形成させた。
方法を説明する。 （実施例１） [ラジカル窒化]図６は本発明のラジカル窒化法の窒化装
置の概略図である。真空槽５０の外壁の内部には加熱ヒ
ーター７０が配置されている。真空槽５０の内部には直
流電源７１に接続された試料載置台を兼ねる陰極７２と
陽極７３が配置されている。真空槽５０の下部には排気
管が接続され、圧力調整用バルブを介して真空ポンプに
接続されている。真空槽５０の上部から原料ガス供給用
のノズルが挿入されており、水素ガス、アンモニアガス
が供給源から供給されるようになっている。陰極７２の
上に金属部材７４が配置される。金属部材として、ロッ
クウェル硬度（Ｃスケール）が約５０となるように熱処
理を施したＳＫＤ６１合金工具鋼の試片を平均表面粗さ
（Ｒａ）０.００１μｍとなるように研磨してなる基材
７４をアセトンで脱脂洗浄し、真空槽５０内の陰極７２
の上に載置し、固定した後、真空槽内を０．１３Ｐａま
で排気した。次いで、水素ガス７０％とアンモニアガス
３０％からなる混合ガスを真空槽５０に導入し、真空槽
５０の外壁に設けた加熱ヒーター７０に通電して真空槽
内部を４８０℃に加熱した、陰極７２と陽極７３の間に
４２０Ｖの直流電圧を印加し、グロー放電を生じさせて
ガスをイオン化し、６時間経時した後、加熱、通電、お
よびガスの供給を停止し減圧下で自然放冷した。このよ
うにして基材表面に表面から０.１ｍｍ の深さまで窒化
物層を形成させた。
【００２２】[中間層の形成]図７は中間層を形成させる
ためのアークイオンプレーティング装置の概略図であ
る。真空槽８０の内部には定電流電源８１の陰極に接続
されたタングステンのターゲット８２と陽極に接続され
たアノード８３、およびアース電位に対してマイナスの
電位となるように直流電源８４の陰極に接続された基材
８５が配置されている。真空槽８０の下部には排気管が
接続され、圧力調整用バルブを介して真空ポンプに接続
されている。真空槽８０の上部からガス供給用のノズル
が挿入されており、炭化水素ガス、アルゴンガスなどの
不活性ガスが供給源から供給されるようになっている。
ためのアークイオンプレーティング装置の概略図であ
る。真空槽８０の内部には定電流電源８１の陰極に接続
されたタングステンのターゲット８２と陽極に接続され
たアノード８３、およびアース電位に対してマイナスの
電位となるように直流電源８４の陰極に接続された基材
８５が配置されている。真空槽８０の下部には排気管が
接続され、圧力調整用バルブを介して真空ポンプに接続
されている。真空槽８０の上部からガス供給用のノズル
が挿入されており、炭化水素ガス、アルゴンガスなどの
不活性ガスが供給源から供給されるようになっている。
【００２３】上記のラジカル窒化法により、表面に窒化
層を形成した基材８５、タングステンのターゲット８
２、およびアノード８３を真空槽８０内に配置した後、
真空槽内を４×１０-3Ｐａ まで排気した。次いで、定
電流電源から通電し、タングステンイオン衝撃により基
材８５の表面を洗浄し、加熱した後、アセチレンガス９
０％とアルゴンガス１０％からなる混合ガスを真空槽８
０に導入し、圧力を０．２６Ｐａとした。そして低電流
電源から１５０Ａの電流を通電してターゲットからアー
ク放電によりタングステンイオンを放出させると共に、
ローター８４には−３００Ｖのバイアス電圧を印加し、
１０分間経時した後、通電、およびガスの供給を停止し
減圧下で自然放冷した。このようにして基材表面に２０
０ｎｍの厚さのタングステンの層を形成させた。
層を形成した基材８５、タングステンのターゲット８
２、およびアノード８３を真空槽８０内に配置した後、
真空槽内を４×１０-3Ｐａ まで排気した。次いで、定
電流電源から通電し、タングステンイオン衝撃により基
材８５の表面を洗浄し、加熱した後、アセチレンガス９
０％とアルゴンガス１０％からなる混合ガスを真空槽８
０に導入し、圧力を０．２６Ｐａとした。そして低電流
電源から１５０Ａの電流を通電してターゲットからアー
ク放電によりタングステンイオンを放出させると共に、
ローター８４には−３００Ｖのバイアス電圧を印加し、
１０分間経時した後、通電、およびガスの供給を停止し
減圧下で自然放冷した。このようにして基材表面に２０
０ｎｍの厚さのタングステンの層を形成させた。
【００２４】[ＤＬＣ層の形成]図８はＤＬＣを形成させ
るためのイオン化蒸着装置の概略図である。真空槽９０
の内部には陰極９１に接続された基材９５、熱陰極フィ
ラメント９２、熱陰極フィラメント９２を囲むように設
けられた対陰極９３が配置されている。真空槽９０の下
部には排気管が接続され、圧力調整用バルブを介して真
空ポンプに接続されている。真空槽９０の上部からガス
供給用のノズルが挿入されており、炭化水素ガスが供給
源から供給されるようになっている。
るためのイオン化蒸着装置の概略図である。真空槽９０
の内部には陰極９１に接続された基材９５、熱陰極フィ
ラメント９２、熱陰極フィラメント９２を囲むように設
けられた対陰極９３が配置されている。真空槽９０の下
部には排気管が接続され、圧力調整用バルブを介して真
空ポンプに接続されている。真空槽９０の上部からガス
供給用のノズルが挿入されており、炭化水素ガスが供給
源から供給されるようになっている。
【００２５】上記のラジカル窒化法およびアークイオン
プレーティング法により、表面に窒化物層とタングステ
ン層を形成した基材９５を陰極裏面に接続真空槽９０内
に配置した後、真空槽内を１．３×１０-2Ｐａまで排気
した。次いで、メタンガスを真空槽９０に導入し、圧力
を０．２６Ｐａとした。そして熱陰極フィラメント９２
に交流電流を３０Ａを流してフィラメントを加熱し、熱
陰極フィラメント９２と対陰極９３の間にアース電位に
対して２００Ｖの電圧を印加して放電を発生させ、メタ
ンガスをイオン化した。そして陰極９１（基材９５）と
対陰極の間にアース電位に対して−１０００Ｖの電圧を
印加し、１時間経時した後、通電、およびガスの供給を
停止し減圧下で自然放冷した。このようにして基材表面
に １.０μｍの厚さのＤＬＣ層を形成させた。
プレーティング法により、表面に窒化物層とタングステ
ン層を形成した基材９５を陰極裏面に接続真空槽９０内
に配置した後、真空槽内を１．３×１０-2Ｐａまで排気
した。次いで、メタンガスを真空槽９０に導入し、圧力
を０．２６Ｐａとした。そして熱陰極フィラメント９２
に交流電流を３０Ａを流してフィラメントを加熱し、熱
陰極フィラメント９２と対陰極９３の間にアース電位に
対して２００Ｖの電圧を印加して放電を発生させ、メタ
ンガスをイオン化した。そして陰極９１（基材９５）と
対陰極の間にアース電位に対して−１０００Ｖの電圧を
印加し、１時間経時した後、通電、およびガスの供給を
停止し減圧下で自然放冷した。このようにして基材表面
に １.０μｍの厚さのＤＬＣ層を形成させた。
【００２６】（実施例２）実施例１と同一のＳＫＤ６１
合金工具鋼からなる基材に、実施例１の中間層の形成に
おいて、タングステンのターゲットの変わりにタングス
テンカーバイドのターゲットを用いてタングステンカー
バイドからなる層を形成させた以外は、実施例１と同様
にしてラジカル窒化層と、中間層と、ＤＬＣ層を順に形
成させた。中間層の形成における実施例１の場合と異な
る条件は以下の通りとした。。 ターゲット ：タングステンカーバイド ガス圧力 ：０．４Ｐａ 放電電流 ：１７０Ａ バイアス電圧：−３００Ｖ 処理時間 ：２０分 上記の条件にて、厚さ２００ｎｍのタングステンカーバ
イドの層を形成させた。
合金工具鋼からなる基材に、実施例１の中間層の形成に
おいて、タングステンのターゲットの変わりにタングス
テンカーバイドのターゲットを用いてタングステンカー
バイドからなる層を形成させた以外は、実施例１と同様
にしてラジカル窒化層と、中間層と、ＤＬＣ層を順に形
成させた。中間層の形成における実施例１の場合と異な
る条件は以下の通りとした。。 ターゲット ：タングステンカーバイド ガス圧力 ：０．４Ｐａ 放電電流 ：１７０Ａ バイアス電圧：−３００Ｖ 処理時間 ：２０分 上記の条件にて、厚さ２００ｎｍのタングステンカーバ
イドの層を形成させた。
【００２７】（実施例３）実施例１と同一のＳＫＤ６１
合金工具鋼からなる基材に、実施例１の中間層を形成さ
せない以外は、実施例１と同様にしてラジカル窒化層
と、その上に直接ＤＬＣ層を形成させた。
合金工具鋼からなる基材に、実施例１の中間層を形成さ
せない以外は、実施例１と同様にしてラジカル窒化層
と、その上に直接ＤＬＣ層を形成させた。
【００２８】（比較例）比較例として、実施例１と同一
のＳＫＤ６１合金工具鋼からなる基材に、実施例例１の
ラジカル窒化層および中間層を形成させず、実施例１と
同様にして基材上に直接ＤＬＣ層を形成させた。
のＳＫＤ６１合金工具鋼からなる基材に、実施例例１の
ラジカル窒化層および中間層を形成させず、実施例１と
同様にして基材上に直接ＤＬＣ層を形成させた。
【００２９】[特性評価]実施例１〜３および２と比較例
の表面処理を施した基材の表面処理層の密着性を、薄膜
評価試験機（ＣＳＥＭ社製Ｒｅｖｅｔｅｓｔ）を用い、
スクラッチが発生する臨海荷重を測定し評価した。結果
を表１に示す。
の表面処理を施した基材の表面処理層の密着性を、薄膜
評価試験機（ＣＳＥＭ社製Ｒｅｖｅｔｅｓｔ）を用い、
スクラッチが発生する臨海荷重を測定し評価した。結果
を表１に示す。
【００３０】
【００３１】表１に示すように、合金工具鋼表面にラジ
カル窒化層を形成した上にさらにＤＬＣ層を形成させる
と、直接合金工具鋼表面にＤＬＣ層を形成させた場合に
比べ、スクラッチが発生する臨海荷重が大きく、密着性
に優れており、ラジカル窒化層とＤＬＣ層の間にタング
ステンやタングステンカーバイドからなる中間層を介在
させると、スクラッチが発生する臨海荷重はさらに大き
くなり、密着性は一層向上することが分かる。
カル窒化層を形成した上にさらにＤＬＣ層を形成させる
と、直接合金工具鋼表面にＤＬＣ層を形成させた場合に
比べ、スクラッチが発生する臨海荷重が大きく、密着性
に優れており、ラジカル窒化層とＤＬＣ層の間にタング
ステンやタングステンカーバイドからなる中間層を介在
させると、スクラッチが発生する臨海荷重はさらに大き
くなり、密着性は一層向上することが分かる。
【００３２】
【発明の効果】本発明の、金属部材表面上にラジカル窒
化層とさらにその上層のＤＬＣ層とからなる表面処理
層、またはラジカル窒化層とその上層のタングステンお
よび／またはタングステンカーバイドからなる中間層
と、さらにその上層のＤＬＣ層とからなる表面処理層を
形成させた表面処理金属部材は密着性に優れている。そ
のため耐磨耗性にも優れているので、エアーモーターの
ような回転機器の部材であるローター、シリンダー、フ
ロントシリンダカバー、またはリアシリンダカバーのい
ずれか１つまたは２つ以上に好適に適用する事ができ
る。
化層とさらにその上層のＤＬＣ層とからなる表面処理
層、またはラジカル窒化層とその上層のタングステンお
よび／またはタングステンカーバイドからなる中間層
と、さらにその上層のＤＬＣ層とからなる表面処理層を
形成させた表面処理金属部材は密着性に優れている。そ
のため耐磨耗性にも優れているので、エアーモーターの
ような回転機器の部材であるローター、シリンダー、フ
ロントシリンダカバー、またはリアシリンダカバーのい
ずれか１つまたは２つ以上に好適に適用する事ができ
る。
【図１】表面処理金属部材の一例の概略断面である。
【図２】表面処理金属部材の他の一例の概略断面であ
る。
る。
【図３】ベーン型エアモーターの外観図である。
【図４】エアモーターの内部の構造を示す横断面図であ
る。
る。
【図５】エアモーターを直角方向から見た横断面図であ
る。
る。
【図６】ラジカル窒化装置の概略図である。
【図７】中間層を形成させるためのアークイオンプレー
ティング装置の概略図である。
ティング装置の概略図である。
【図８】ＤＬＣを形成させるためのイオン化蒸着装置の
概略図である。
概略図である。
１ ：表面処理金属部材 ２ ：金属部材 ３ ：窒化層 ４ ：ＤＬＣ層 ５ ：タングステンおよび／またはタングステンカーバ
イドからなる層 １２ ：ローター １４ ：シリンダー １４Ａ：シリンダーの空気供給孔 １４Ｂ：シリンダーの排気孔 １４Ｃ：シリンダーの給気用空気室 １５ ：フロントシリンダーカバー １６ ：リアシリンダーカバー １７ ：軸受 １８ ：軸受 １９ ：モーターケース １９Ａ：モーターケースの空気供給孔 １９Ｂ：モーターケースの排気孔 １９Ｃ：シリンダーの排気用空気室 ２０ ：エンドカバー ２１ ：空孔 ３１ ：ベーン ３５ ：ベーン ５０ ：真空槽 ７０ ：加熱ヒーター ７１ ：直流電源 ７２ ：陰極 ７３ ：陽極 ７４ ：金属部材（基材） ８０ ：真空槽 ８１ ：定電流電源 ８２ ：ターゲット ８３ ：アノード ８４ ：直流電源 ８５ ：基材 ９０ ：真空槽 ９１ ：陰極 ９２ ：熱陰極フィラメント ９３ ：対陰極 ９５ ：基材
イドからなる層 １２ ：ローター １４ ：シリンダー １４Ａ：シリンダーの空気供給孔 １４Ｂ：シリンダーの排気孔 １４Ｃ：シリンダーの給気用空気室 １５ ：フロントシリンダーカバー １６ ：リアシリンダーカバー １７ ：軸受 １８ ：軸受 １９ ：モーターケース １９Ａ：モーターケースの空気供給孔 １９Ｂ：モーターケースの排気孔 １９Ｃ：シリンダーの排気用空気室 ２０ ：エンドカバー ２１ ：空孔 ３１ ：ベーン ３５ ：ベーン ５０ ：真空槽 ７０ ：加熱ヒーター ７１ ：直流電源 ７２ ：陰極 ７３ ：陽極 ７４ ：金属部材（基材） ８０ ：真空槽 ８１ ：定電流電源 ８２ ：ターゲット ８３ ：アノード ８４ ：直流電源 ８５ ：基材 ９０ ：真空槽 ９１ ：陰極 ９２ ：熱陰極フィラメント ９３ ：対陰極 ９５ ：基材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｃ 21/08 Ｆ０１Ｃ 21/08
Claims (10)
- 【請求項１】 金属部材表面上に、窒化層とさらにその
上層のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層とから
なる表面処理層を有する表面処理金属部材。 - 【請求項２】 金属部材表面上に、窒化層、タングステ
ンおよび／またはタングステンカーバイドからなる層、
およびダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層を、下
から順に形成させてなる表面処理層を有する表面処理金
属部材。 - 【請求項３】 前記金属部材が鋼材であることを特徴と
する、請求項１または２に記載の表面処理金属部材。 - 【請求項４】 金属部材表面に窒化層を形成させ、次い
でその表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層
を設けることを特徴とする、金属部材の表面処理方法。 - 【請求項５】 金属部材表面に窒化層を形成させ、次い
でその表面にタングステンおよび／またはタングステン
カーバイドからなる層を形成させ、さらにその表面にダ
イヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）層を設けることを
特徴とする、金属部材の表面処理方法。 - 【請求項６】 前記窒化層を、グロー放電光輝窒素拡散
法を用いて形成させることを特徴とする、請求項４また
は５に記載の金属部材の表面処理方法。 - 【請求項７】 前記ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬ
Ｃ）層を、イオン化蒸着法を用いて形成させることを特
徴とする、請求項４または５に記載の金属部材の表面処
理方法。 - 【請求項８】 金属部材からなる回転機器用部材の表面
に、請求項４〜７のいずれかに記載の表面処理方法を用
いて表面処理層を形成させてなる、回転機器用部材。 - 【請求項９】 前記回転機器用部材がエアモーター用部
材であることを特徴とする、請求項８に記載の回転機器
用部材。 - 【請求項１０】 前記エアモーター用部材がローター、
シリンダー、フロントシリンダカバー、またはリアシリ
ンダカバーのいずれか１つまたは２つ以上である、請求
項９に記載のエアモーター用部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33474399A JP2001152319A (ja) | 1999-11-25 | 1999-11-25 | 密着性に優れた表面処理層を有する表面処理金属部材、その表面処理方法、及びその表面処理方法を用いてなる回転機器用部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33474399A JP2001152319A (ja) | 1999-11-25 | 1999-11-25 | 密着性に優れた表面処理層を有する表面処理金属部材、その表面処理方法、及びその表面処理方法を用いてなる回転機器用部材 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001152319A true JP2001152319A (ja) | 2001-06-05 |
Family
ID=18280737
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33474399A Pending JP2001152319A (ja) | 1999-11-25 | 1999-11-25 | 密着性に優れた表面処理層を有する表面処理金属部材、その表面処理方法、及びその表面処理方法を用いてなる回転機器用部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001152319A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1999
- 1999-11-25 JP JP33474399A patent/JP2001152319A/ja active Pending
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| JP7005450B2 (ja) | 2018-07-26 | 2022-01-21 | 株式会社ジャパンペール | エキスパンダー金型用表面処理方法、ペール缶製造方法、及びエキスパンダー金型 |
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