JP2004298562A

JP2004298562A - 刃物の表面処理方法とその刃物

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Publication number: JP2004298562A
Application number: JP2003098227A
Authority: JP
Inventors: Yukio Ishii; 幸雄石井; Kensuke Uemura; 賢介植村; Shigehiro Nakao; 重博中尾; Manabu Banba; 学番場; Seiichi Yamada; 精一山田; Hideki Maruyama; 英樹丸山; Shosaku Honda; 章作本多
Original assignee: Niigata Prefecture; Nagata Seiki Co Ltd
Current assignee: Niigata Prefecture; Nagata Seiki Co Ltd
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】ステンレス、チタン等の刃物の表層にプラズマイオン窒化法で表面に金属間化合物を形成する硬質層、あるいは表面にダイヤモンド状炭素膜を形成し、鋼並みに硬度を高めることにより、磨耗を抑え、切れ味の低下を防ぐことが出来る。
【解決手段】鋼製あるいは、プラズマイオン窒化法で表面に金属間化合物を形成する金属素地で作られた刃物にプラズマ−イオン窒化表面処理を行い、素地の硬化から刃物の切れ味持続性を高める方法。更に、ダイヤモンド状炭素膜を施し、刃物の切れ味持続性を高める方法。加えて、高周波マグネトロンによりテフロン膜を施し、刃物の切断特性を変える方法。及び、前記方法で片面を処理された刃物。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属製の刃物表面に表面処理を施し、切れ味を向上させる製造方法及び処理された刃物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
刃物の材料は近年、鋼、ステンレス、チタンなど様々な種類の金属が用いられている。このうち、鋼は、磨耗は少ないが耐食性が低い。ステンレス、チタンは耐食性は高いが硬度が低く磨耗しやすいなど、いずれの材料にも一長一短があり、耐食性と対磨耗性を両立するにはいたっていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ステンレス、チタン等の刃物の表層にプラズマイオン窒化法で表面に金属間化合物を形成する硬質層、あるいは表面にダイヤモンド状炭素膜を形成し、鋼並みに硬度を高めることにより、磨耗を抑え、切れ味の低下を防ぐことが出来る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
窒素プラズマ中にて刃物表層に、窒素系金属間化合物を形成する窒化処理を行い、硬化層を形成する。この時に、窒化処理温度が刃物の熱処理温度を超えて、焼き戻し効果により、硬度が低下することに注意しなくてはならない。その後、ダイヤモンド状炭素膜装置により、表面にダイヤモンド状炭素膜を付加することも有効である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について説明する。市販の刃物（材質はステンレス鋼−愛知記号ＡＵＳ６Ｍ）を用意し、プラズマイオン窒化処理を行い、切れ味試験を実施した。切れ味試験は紙付箋を縦に並べ切れ味試験の回数を繰り返すのにしたがって、切断深さの低下を測定していく試験であり、以降の表面処理方法のすべてに採用した。表面処理の効果を確認するために、なんらの表面処理をしないものを比較基礎とした。表面処理は、プラズマイオン窒化に引き続いてその上からダイヤモンド状炭素膜をさらに表面処理したもの、また、プラズマイオン窒化、ダイヤモンド状炭素膜の後、際外層にポリ四フッ化エチレン膜、例えば、テフロン（登録商標）膜を処理した３種類について実施した。図１、図２、図３はそれぞれ本発明の実施形態に係わるプラズマイオン窒化装置、ダイヤモンド状炭素膜装置、高周波マグネトロン装置の模式図である。
【０００６】
図１において、符号１はチャンバー、２はホローカソード、３はフィラメント、４はガス導入口、５は放電用電源、６は熱電対、７はホルダー、８はマニュピレーター、９ａはバイアス電圧陽極、９ｂはバイアス電圧陰極を示している。
チャンバー１の内部圧力を５．０×１０^−２Ｐａ程度まで真空ポンプにて排泄して、ガス導入口４より、窒素ガスを導入する。この時のチャンバー１の内部圧力は７．５×１０^−１Ｐａ程度である。フィラメント３に１７０Ａの電流を流し、ホローカソード２の内部にグロー放電を発生させる。これにより、チャンバー１内の窒素ガスがプラズマ状態になり、内部全体を覆う。刃物はホルダー７に固定されていて、さらにホルダー７はマニュピレーター８に固定されている。マニュピレーター８は回転して、さらにホルダー７を自転させる機構を有している。ホルダー７には熱電対６が接続してあり、窒化処理中の温度を知ることが出来る。チャンバー１にはバイアス電圧陽極９ａ、マニュピレーター８にはバイアス電圧陰極９ｂが接続してあり、この間に直流電圧を印加する。これにより、プラズマ状態の窒素原子が刃物表面に衝突して、表層に窒素系金属間化合物を形成する。
【０００７】
さらに材質が純チタン２種およびＴｉ１５−３−３−３製の市販の刃物に同様のプラズマイオン窒化処理を行った。
【０００８】
また、図２は本発明の実施形態例に係わるダイヤモンド状炭素膜装置の模式図である。図２おいて、符号１０はチャンバー、１１は回転機構、１２はイオンソース、１３はチタンソース、１４はカーボンソース、１５は真空ポンプ、１６はガス導入装置を示している。
【０００９】
まず、チャンバー１０内部を真空ポンプ１５にて排泄し、３．７×１０^−３Ｐａの真空度に設定する。ダイヤモンド状炭素膜成膜は、大きく分けて３段階で行なわれる。最初は、ガス導入装置１６より、アルゴンガスを注入し真空度２．１×１０^−２Ｐａ環境下でイオンソース１２を作用させる。これにより、刃物表面の洗浄を行なうと共に、微細な凹凸を作り出して成膜のアンカー効果を持たせる。この際の加速電圧は、２０００Ｖ〜３０００Ｖである。これより低い加速電圧ではアンカー効果が薄くなり、また高い加速電圧では刃物表面がダメージを受けてしまう。あわせてバイアス電圧１５００Ｖを印加することで、その効果を確実にする。
【００１０】
次に、アルゴンガスを停止してチタンソース１３を電圧３５Ｖ、電流７５〜９０Ａで作用させる。これにより、刃物表面へのダイヤモンド状炭素膜の密着性を向上させる。これより低い電流では密着性が確保できず、また高い電流ではチタン消耗が激しくなってしまう。刃物表面に均一に作用させるため、左右２ヶ所を同時に使用する。最後に、チタンソース１３と重複しながらカーボンソース１４をパルス状のＤＣ３００Ｖで作用させる。カーボンソース１４の放電周波数を１．２Ｈｚから１２．５Ｈｚまで段階的に変化させて傾斜層を作る。チタンソース１３を終了、カーボンソース１４にてダイヤモンド状炭素膜層を積み重ねてゆく。この結果、ステンレス製刃物の表面は、黒光りするダイヤモンド状炭素膜に覆われる。
【００１１】
図３は本発明の実施形態例にかかわる高周波マグネトロン装置の模式図である。
図３において、符号１７は被成膜材ホルダー、１８は被成膜材（刃物）、１９はテフロン薄膜、２０はテフロンターゲット、２１は真空計、２２は永久磁石ブロック、２３はワーキングガス、２４は高周波電源、２５は真空チャンバー、２６は空ポンプを示す。
真空チャンバー２５を真空ポンプ２６により、高真空にした後、ワーキングガス２３を導入し、１．０Ｐａ程度の真空圧で高周波電源２４より１ｋＶ以上の高周波を印加すると、真空チャンバー２５内はプラズマ状態となる。ワーキングガス２３のイオンがテフロンターゲット２０をスパッタリングしてターゲット原子が飛出し被成膜材である刃物１８の表面に撥水性に優れ低摩擦係数を有するテフロン薄膜１９が得られる。
【００１２】
【実施例】
実施例１
ステンレス製の片刃刃物を刃の付いていない面が見えるように、金属製のホルダー７に固定し、さらにマニュピレーター８に固定した。刃物がホルダー７と接している面は処理されず、片面のみ処理がおこなわれるようにした。チャンバー１とマニュピレーター８の間にバイアス電圧を印加して、電圧値、放電電流値を変えて８時間窒化処理をおこなった。バイアス電圧値１００Ｖ以上で刃物表面の硬度が上昇した。しかし、バイアス電圧値４００Ｖ以上では逆に硬度が低下した。硬度上昇の結果を図４に示す。
図４において、符号２７は窒化８時間処理したもの、２８は窒化１０時間処理したもの、２９は窒化１２時間処理したもの、３０は未処理のものを示す。
このとき、刃物の表層に金属間化合物が形成されていることが断層を走査型電子顕微鏡で観察された。窒化処理を８時間おこなった刃物と、処理をしていない刃物を比較するために切れ味試験をおこなった。その結果を図５に示す。
図５において、符号３１は窒化・ダイヤモンド状炭素膜処理したもの（１）、３２は窒化・ダイヤモンド状炭素膜処理したもの（２）、３３は未処理のもの（２）、３４は未処理のもの（３）、３５は窒化処理したもの（１）、３６は窒化処理したもの（２）、３７は窒化・ダイヤモンド状炭素膜・テフロン膜処理したもの（１）、３８は窒化・ダイヤモンド状炭素膜・テフロン膜処理したもの（２）を示す。
図５に示すとおり、窒化処理をおこなった刃物は、処理していない刃物に対して、切断回数３０回以下の初期切断においても、３０回以降の切断においても、表面処理なしのステンレス鋼刃物より切断深さが深く、優れた結果を示した。
【００１３】
実施例２
予め片面窒化処理が上記実施例１に基づいて施された、ステンレス製の刃物の片面に、ダイヤモンド状炭素膜成膜を試みた。裏面にダイヤモンド状炭素膜が廻り込まないよう専用ホルダーに取り付けた後、チャンバー１０内部に置いた。チャンバー１０内部には回転機構１１があり、成膜ムラを防ぐ役割を有している。ガス導入装置１６より、アルゴンガスを注入し真空度２．１×１０^−２Ｐａ環境下でイオンソース１２を作用させる。この際の加速電圧は、２０００〜３０００Ｖである。あわせてバイアス電圧１５００Ｖを印加することで、その効果を確実にする。次に、アルゴンガスを停止してチタンソース１３を３５Ｖ、７５〜９０Ａで作用させる。最後に、チタンソース１３と重複しながらカーボンソース１４をパルス状のＤＣ３００Ｖで作用させる。チタンソース１３を終了、カーボンソース１４にてダイヤモンド状炭素膜層を積み重ねてゆく。この結果、ステンレス製刃物の片面は、黒光りするダイヤモンド状炭素膜に覆われる。表面処理をしていない刃物と比較するために、切れ味試験をおこなった。その結果を図５に示す。その結果、図５に示すとおり、処理をおこなった刃物は、処理していない刃物に対して、成膜条件によっては切断回数３０回以下の初期切断においても、３０回以降の切断においても、表面処理なしのステンレス鋼刃物より切断深さが深く、優れた結果を示した。
【００１４】
実施例３
予め片面窒化処理および、ダイヤモンド状炭素膜処理が上記実施例１及び２に基づいて施されたステンレス製の刃物の片面にテフロン成膜を試みた。図３に示す高周波マグネトロンの被成膜材ホルダー１７に被成膜材である刃物１８を、永久磁石ブロック２２にテフロンターゲット２０を取付け、真空チャンバー２５の中を真空ポンプ２６により、高真空にした後、ワーキングガスであるアルゴンガス２３を導入し、真空計２１の値を１．０Ｐａとした。次いで、周波数１３．５６ＭＨｚ、デュティー比０．５、電圧４．５ｋＶに設定した高周波電源２４より高周波を印加して、プラズマ状態にして被成膜材である刃物１８に膜厚が２μｍのテフロン薄膜１９を成膜した。表面処理していない刃物と比較するために、切れ味試験をおこなった。その結果を図５に示す。その結果、図５に示すとおり、処理をおこなった刃物は、処理していない刃物に対して、切断回数３０回以下の初期切断においても、３０回以降の切断においても、表面処理なしのステンレス鋼刃物より切断深さが深く、優れた結果を示した。
【００１５】
実施例４
上記実施例１，２，３に基づいて刃物の両面を処理し、同様の切れ味試験を実施した。切れ味試験の結果を図６に示す。
図６において、符号３９は窒化・ダイヤモンド状炭素膜・テフロン膜処理したもの（１）、４０は窒化・ダイヤモンド状炭素膜・テフロン膜処理したもの（２）、４１は窒化・ダイヤモンド状炭素膜処理したもの（１）、４２は窒化・ダイヤモンド状炭素膜処理したもの（２）、４３は窒化処理したもの（１）、４４は窒化処理したもの（２）、４５は未処理のもの（２）、４６は未処理のもの（３）を示す。
３０回以降の切断においては、表面処理なしのステンレス鋼刃物より切断深さが深く、優れた結果を示した。
【００１６】
実施例５
上記実施例に基づく刃物、すなわち、なんらの表面処理を施さないもの、窒化処理を施したもの、窒化処理とダイヤモンド状炭素膜処理したもの、及び、さらにテフロン膜処理したものに、通常の片面研ぎを行った。その後、同様の切れ味試験を実施し、切れ味試験の結果を図７に示す。
図７において、符号４７は未処理のもの（２）、４８は未処理のもの（３）、４９は窒化・ダイヤモンド状炭素膜処理したもの（１）、５０は窒化・ダイヤモンド状炭素膜処理したもの（２）、５１は窒化処理したもの（１）、５２は窒化処理したもの（２）、５３は窒化・ダイヤモンド状炭素膜・テフロン膜処理したもの（１）、５４は窒化・ダイヤモンド状炭素膜・テフロン膜処理したもの（２）を示す。
図７に示すとおり、処理をおこなった刃物は、処理していない刃物に対して、片面研ぎ後も切断回数３０回以下の初期切断においても、３０回以降の切断においても、表面処理なしのステンレス鋼刃物より切断深さが深く、優れた結果を示した。
【００１７】
実施例６
市販の純チタン２種刃物およびＴｉ１５−３−３−３刃物に実施例１と同じ表面処理を行い、切れ味試験をおこなった。その結果を図８に示す。
図８において、符号５５は純チタン２種未処理のもの、５６は純チタン２種窒化処理したもの、５７はＴｉ１５−３−３−３未処理のもの、５８はＴｉ１５−３−３−３窒化処理したもの、５９は鋼製刃物を示す。
切断回数の増加とともに切断枚数の低下は見られるが、未処理品に対して、効果が確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマイオン窒化装置
【図２】ダイヤモンド状炭素膜装置
【図３】高周波マグネトロン装置
【図４】プラズマイオン窒化による硬度上昇
【図５】片面表面処理した刃物の切れ味試験結果
【図６】両面表面処理した刃物の切れ味試験結果
【図７】表面処理後片面研ぎした刃物の切れ味試験結果
【図８】窒化処理したチタン刃物の切れ味試験結果
【符号の説明】
３１窒化、ダイヤモンド状炭素膜処理したもの（１）
３２窒化、ダイヤモンド状炭素膜処理したもの（２）
３３未処理のもの（２）
３４未処理のもの（３）
３５窒化処理したもの（１）
３６窒化処理したもの（２）
３７窒化、ダイヤモンド状炭素膜、テフロン膜処理したもの（１）
３８窒化、ダイヤモンド状炭素膜、テフロン膜処理したもの（２）

Claims

鋼製あるいは、プラズマイオン窒化法で表面に金属間化合物を形成する金属素地で作られた刃物にプラズマ−イオン窒化表面処理を行い、素地の硬化から刃物の切れ味持続性を高める方法。
請求項１によって処理された刃物にダイヤモンド状炭素膜を施し、刃物の切れ味持続性を高める方法。
請求項１，２によって処理された刃物に高周波マグネトロンによりポリ四フッ化エチレン膜を施し、刃物の切断特性を変える方法。
上記請求項に基づく方法で片面を処理された刃物。
上記請求項に基づく方法で両面を処理された刃物。
請求項１において、イオン加速のために製品にかけるバイアス電圧は１００Ｖ以上、４００Ｖ以下である製造方法。
請求項２において真空度が３．７×１０^−３Ｐａに設定されたチャンバー内にて、イオンソース加速電圧を２０００Ｖ以上、３０００Ｖ未満、バイアス電圧を１５００Ｖ、チタンソース電流を７５Ａまたは９０Ａ、カーボンソースをパルス状ＤＣ３００Ｖで、その周波数を１．２Ｈｚから１２．５Ｈｚに変化させ、ダイヤモンド状炭素膜成膜をおこなう製造方法。