JP3060658B2 - 耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法 - Google Patents
耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法Info
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- JP3060658B2 JP3060658B2 JP3290532A JP29053291A JP3060658B2 JP 3060658 B2 JP3060658 B2 JP 3060658B2 JP 3290532 A JP3290532 A JP 3290532A JP 29053291 A JP29053291 A JP 29053291A JP 3060658 B2 JP3060658 B2 JP 3060658B2
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- metal material
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- Physical Vapour Deposition (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、鋼やＴｉ等の金属材料
表面にＢ+ イオンを注入して表面改質層を形成する方法
に関し、特にＢ+ イオン注入による表面改質層を従来の
イオン注入層の７倍程度厚くすることによって、表面改
質層の耐摩耗性を飛躍的に向上させる技術に関するもの
である。
表面にＢ+ イオンを注入して表面改質層を形成する方法
に関し、特にＢ+ イオン注入による表面改質層を従来の
イオン注入層の７倍程度厚くすることによって、表面改
質層の耐摩耗性を飛躍的に向上させる技術に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】金属材料等の表面へのイオン注入処理
は、室温プロセスにより表面改質層を形成できる材料表
面改質法として注目されており、特に耐摩耗性の向上を
目的として種々の研究が行なわれている。しかしこれま
で数々の研究報告がなされているが、実用製品への応用
例は非常に少ない。これはイオン注入による改質層が他
の表面改質技術と競合できる特性を持ち合わせていない
からであり、その最大の原因は改質層の浅さにある。例
えば鋼基板にエネルギー４０KeVでＢ+ イオン注入を行
なった場合、イオン注入層の深さは 0.1μｍ以下程度し
かなく、このためイオン注入を行っても表面改質層の耐
摩耗性の持続性が実用材としては不十分である。
は、室温プロセスにより表面改質層を形成できる材料表
面改質法として注目されており、特に耐摩耗性の向上を
目的として種々の研究が行なわれている。しかしこれま
で数々の研究報告がなされているが、実用製品への応用
例は非常に少ない。これはイオン注入による改質層が他
の表面改質技術と競合できる特性を持ち合わせていない
からであり、その最大の原因は改質層の浅さにある。例
えば鋼基板にエネルギー４０KeVでＢ+ イオン注入を行
なった場合、イオン注入層の深さは 0.1μｍ以下程度し
かなく、このためイオン注入を行っても表面改質層の耐
摩耗性の持続性が実用材としては不十分である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】イオン注入処理は金属
材料表面に強制的に元素を添加する技術であるが、その
添加量には限界がある。イオン注入処理を長時間行なっ
て金属材料内の添加元素の組成が飽和に達すると、注入
Ｂが基板内に拡散していき注入層の厚さは 0.6μｍ程度
にまでは達する。しかしながら更に注入を続けても、金
属材料内に入りきれない過剰のイオンが金属材料表面に
逆戻りし、注入イオン元素のみの堆積層を表面に形成し
てしまい、金属材料内に形成されたイオン注入層の厚さ
は 0.6μｍ程度以上にはならない。また表面に堆積した
Ｂ薄膜は密着性が悪く、この膜による耐摩耗性改善はほ
とんど望めない。
材料表面に強制的に元素を添加する技術であるが、その
添加量には限界がある。イオン注入処理を長時間行なっ
て金属材料内の添加元素の組成が飽和に達すると、注入
Ｂが基板内に拡散していき注入層の厚さは 0.6μｍ程度
にまでは達する。しかしながら更に注入を続けても、金
属材料内に入りきれない過剰のイオンが金属材料表面に
逆戻りし、注入イオン元素のみの堆積層を表面に形成し
てしまい、金属材料内に形成されたイオン注入層の厚さ
は 0.6μｍ程度以上にはならない。また表面に堆積した
Ｂ薄膜は密着性が悪く、この膜による耐摩耗性改善はほ
とんど望めない。
【０００４】本発明は上記事情に着目してなされたもの
であって、Ｂ+イオン注入による表面改質層を厚く形成
することによって、金属材料の耐摩耗性を飛躍的に向上
させる表面改質層の形成方法を提供しようとするもので
ある。
であって、Ｂ+イオン注入による表面改質層を厚く形成
することによって、金属材料の耐摩耗性を飛躍的に向上
させる表面改質層の形成方法を提供しようとするもので
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成した本発
明とは、イオン注入処理を施すことによって金属材料表
面に耐摩耗性の優れた表面改質層を形成する方法であっ
て、上記金属材料表面にＢ+ イオン注入を行うと共にＴ
ｉ蒸着を行うことにより、金属材料表面にＴｉＢ2 薄膜
を形成し、ＴｉＢ2 薄膜における前記金属材料へのＢ放
出効果を利用してＴｉＢ2 薄膜中のＢを金属材料表面へ
拡散浸透させる様にした点に要旨を有するものである。
明とは、イオン注入処理を施すことによって金属材料表
面に耐摩耗性の優れた表面改質層を形成する方法であっ
て、上記金属材料表面にＢ+ イオン注入を行うと共にＴ
ｉ蒸着を行うことにより、金属材料表面にＴｉＢ2 薄膜
を形成し、ＴｉＢ2 薄膜における前記金属材料へのＢ放
出効果を利用してＴｉＢ2 薄膜中のＢを金属材料表面へ
拡散浸透させる様にした点に要旨を有するものである。
【０００６】
【作用】上述した様に、鋼やＴｉ等の金属材料表面にＢ
+ イオン注入を行なうと、金属材料内部のＢ組成が飽和
し、過剰の注入Ｂ+ イオンが金属材料表面に逆流し、金
属材料外に堆積してしまう。そのため金属材料表面のイ
オン注入層は0.6 μｍ以上の厚さにすることができな
い。
+ イオン注入を行なうと、金属材料内部のＢ組成が飽和
し、過剰の注入Ｂ+ イオンが金属材料表面に逆流し、金
属材料外に堆積してしまう。そのため金属材料表面のイ
オン注入層は0.6 μｍ以上の厚さにすることができな
い。
【０００７】これに対し本発明では、金属材料表面にＢ
+ イオン注入を行なうと共にＴｉ蒸着を行なって、金属
材料表面にＴｉＢ2 薄膜を形成する様にしている。この
ＴｉＢ2 薄膜は、その後イオン注入されてきたＢ+ イオ
ンを一時的に蓄えることができるが、ＴｉＢ2 薄膜は高
温において異種金属等が接触していると、Ｂを放出して
ＴｉＢに変化し、接触金属を硼化していく性質がある。
こうした性質によって、ＴｉＢ2 薄膜は金属材料中への
Ｂの拡散源として働くことになる。このような状況のも
とでＢ+ イオン注入を連続して行なうと、Ｂを金属材料
内へ放出した後のＴｉＢ薄膜にＢ+ イオンが注入されて
再びＴｉＢ2 薄膜が形成され、このＴｉＢ2 薄膜は再び
金属材料中へＢを放出し始める。このようなプロセスを
繰り返すことによって、金属材料内部に効率良くＢが拡
散浸透していく。この様にして本発明の方法によれば、
イオン注入層の厚さを通常の厚さの７倍以上にあたる３
〜４μｍ程度で形成できる。
+ イオン注入を行なうと共にＴｉ蒸着を行なって、金属
材料表面にＴｉＢ2 薄膜を形成する様にしている。この
ＴｉＢ2 薄膜は、その後イオン注入されてきたＢ+ イオ
ンを一時的に蓄えることができるが、ＴｉＢ2 薄膜は高
温において異種金属等が接触していると、Ｂを放出して
ＴｉＢに変化し、接触金属を硼化していく性質がある。
こうした性質によって、ＴｉＢ2 薄膜は金属材料中への
Ｂの拡散源として働くことになる。このような状況のも
とでＢ+ イオン注入を連続して行なうと、Ｂを金属材料
内へ放出した後のＴｉＢ薄膜にＢ+ イオンが注入されて
再びＴｉＢ2 薄膜が形成され、このＴｉＢ2 薄膜は再び
金属材料中へＢを放出し始める。このようなプロセスを
繰り返すことによって、金属材料内部に効率良くＢが拡
散浸透していく。この様にして本発明の方法によれば、
イオン注入層の厚さを通常の厚さの７倍以上にあたる３
〜４μｍ程度で形成できる。
【０００８】本発明を実施するに当たり、Ｔｉ蒸着速度
はＢ+ イオンビームの電流密度に応じて適切な値にする
のが望ましい。Ｂ+ イオンビームの電流密度が例えば0.
8A/m2 の場合には、Ｔｉ蒸着速度は0.03〜0.05 nm/sec
程度が好ましく、該Ｔｉ蒸着速度が速すぎる場合には、
金属材料表面に形成される薄膜中のＢ組成が十分に大き
くならないので、Ｂの金属材料内への放出が起こらな
い。またＴｉ蒸着速度が遅過ぎても十分なＴｉＢ2 薄膜
が形成されない。
はＢ+ イオンビームの電流密度に応じて適切な値にする
のが望ましい。Ｂ+ イオンビームの電流密度が例えば0.
8A/m2 の場合には、Ｔｉ蒸着速度は0.03〜0.05 nm/sec
程度が好ましく、該Ｔｉ蒸着速度が速すぎる場合には、
金属材料表面に形成される薄膜中のＢ組成が十分に大き
くならないので、Ｂの金属材料内への放出が起こらな
い。またＴｉ蒸着速度が遅過ぎても十分なＴｉＢ2 薄膜
が形成されない。
【０００９】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後期の主旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後期の主旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００１０】
【実施例】炭素鋼（ＳＳ４００）を鏡面研磨したものを
基板とし、以下の２つの条件で表面処理を行なった。 (1) 表面処理１［従来技術］ Ｂ+ イオン注入処理 エネルギー：４０KeV イオンビーム電流密度：0.8A/m2 注入量：５×１０22ions/m2 (2) 表面処理２［本発明技術］ Ｂ+ イオン注入とＴｉ蒸着の同時処理 Ｔｉ蒸着速度：0.04nm/sec. Ｂ+ イオン注入条件は上記表面処理１と同様
基板とし、以下の２つの条件で表面処理を行なった。 (1) 表面処理１［従来技術］ Ｂ+ イオン注入処理 エネルギー：４０KeV イオンビーム電流密度：0.8A/m2 注入量：５×１０22ions/m2 (2) 表面処理２［本発明技術］ Ｂ+ イオン注入とＴｉ蒸着の同時処理 Ｔｉ蒸着速度：0.04nm/sec. Ｂ+ イオン注入条件は上記表面処理１と同様
【００１１】上記した２つの表面処理を施した試験片に
ついてＡＥＳ分析を行い、深さ方向の組成分布を調べる
と共に、マイクロビッカース硬度計により改質層表面の
硬度を負荷荷重１０kgf で測定した。図２は表面処理１
を施した試験片のＡＥＳプロファイルである。Ｂ原子注
入層は試験片の基板中に0.6μｍ程度の厚さまでしか形
成されていない。この改質層により試験片の表面硬度は
１２０Hvから１９０Hvへと若干上昇した。しかしながら
Ｂ層単層の密着性が悪く、結合状態が悪いので耐摩耗性
改質層としては十分な特性を有するものではない。
ついてＡＥＳ分析を行い、深さ方向の組成分布を調べる
と共に、マイクロビッカース硬度計により改質層表面の
硬度を負荷荷重１０kgf で測定した。図２は表面処理１
を施した試験片のＡＥＳプロファイルである。Ｂ原子注
入層は試験片の基板中に0.6μｍ程度の厚さまでしか形
成されていない。この改質層により試験片の表面硬度は
１２０Hvから１９０Hvへと若干上昇した。しかしながら
Ｂ層単層の密着性が悪く、結合状態が悪いので耐摩耗性
改質層としては十分な特性を有するものではない。
【００１２】図１は本発明に係る表面処理２を施した試
験片のＡＥＳプロファイルである。表面処理１の場合と
異なり、基板内部にＢ原子が深く浸透していることがわ
かる。また基板表面にはＴｉＢ2 薄膜が形成されてお
り、この薄膜が基板内部にＢ原子を放出したものと考え
られる。この改質層により該試験片の表面硬度は１２０
Hvから１５００Hvと著しく向上し、耐摩耗性改質層とし
ても十分な特性を得ることができた。これは基板中に硬
度が１５００Hvと高いＦｅ2 Ｂ層が形成されたためと考
えられる。
験片のＡＥＳプロファイルである。表面処理１の場合と
異なり、基板内部にＢ原子が深く浸透していることがわ
かる。また基板表面にはＴｉＢ2 薄膜が形成されてお
り、この薄膜が基板内部にＢ原子を放出したものと考え
られる。この改質層により該試験片の表面硬度は１２０
Hvから１５００Hvと著しく向上し、耐摩耗性改質層とし
ても十分な特性を得ることができた。これは基板中に硬
度が１５００Hvと高いＦｅ2 Ｂ層が形成されたためと考
えられる。
【００１３】次に、上記した２つの表面処理を施した試
験片について、アルミナ球圧子により荷重300gf で往復
摺動を行なったときの摩擦係数の変化を調査した。その
結果を図３に示す。尚図３には比較の為に、前記基板を
用いて往復摺動試験を行なったときの結果についても示
した。表面処理１を施した試験片では、往復摺動回数25
回程度で摩耗によって摩擦係数が0.30を超えてしまうの
がわかる。これに対して表面処理２を施した試験片で
は、90回以上往復摺動しても摩擦係数は0.25前後であ
り、鋼（基板）の耐摩耗寿命は20倍以上改善されてい
た。
験片について、アルミナ球圧子により荷重300gf で往復
摺動を行なったときの摩擦係数の変化を調査した。その
結果を図３に示す。尚図３には比較の為に、前記基板を
用いて往復摺動試験を行なったときの結果についても示
した。表面処理１を施した試験片では、往復摺動回数25
回程度で摩耗によって摩擦係数が0.30を超えてしまうの
がわかる。これに対して表面処理２を施した試験片で
は、90回以上往復摺動しても摩擦係数は0.25前後であ
り、鋼（基板）の耐摩耗寿命は20倍以上改善されてい
た。
【００１４】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、金
属材料の耐摩耗性を飛躍的に向上させる表面改質層が形
成できた。
属材料の耐摩耗性を飛躍的に向上させる表面改質層が形
成できた。
【図１】本発明に係る表面処理を施した試験片のＡＥＳ
プロファイルを示すグラフである。
プロファイルを示すグラフである。
【図２】従来の表面処理を施した試験片のＡＥＳプロフ
ァイルを示すグラフである。
ァイルを示すグラフである。
【図３】往復摺動試験における往復摺動回数と摩擦係数
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−174372（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−56061（ＪＰ，Ａ) 堂山昌男 外１名「材料テクノロジー ９材料のプロセス技術［▲Ｉ▼］」（昭 62−11−30）東京大学出版会ｐ．236− 238 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58
Claims (1)
- 【請求項１】 イオン注入処理を施すことによって金属
材料表面に耐摩耗性の優れた表面改質層を形成する方法
であって、上記金属材料表面にＢ+ イオン注入を行うと
共にＴｉ蒸着を行うことにより、金属材料表面にＴｉＢ
2 薄膜を形成し、ＴｉＢ2 薄膜における前記金属材料へ
のＢ放出効果を利用してＴｉＢ2 薄膜中のＢを金属材料
表面へ拡散浸透させる様にしたことを特徴とする耐摩耗
性の優れた表面改質層の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3290532A JP3060658B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3290532A JP3060658B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0598439A JPH0598439A (ja) | 1993-04-20 |
| JP3060658B2 true JP3060658B2 (ja) | 2000-07-10 |
Family
ID=17757247
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3290532A Expired - Fee Related JP3060658B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 耐摩耗性の優れた表面改質層の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3060658B2 (ja) |
-
1991
- 1991-10-08 JP JP3290532A patent/JP3060658B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 堂山昌男 外１名「材料テクノロジー９材料のプロセス技術［▲Ｉ▼］」（昭６２−１１−３０）東京大学出版会ｐ．２３６−２３８ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0598439A (ja) | 1993-04-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20000328 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
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| R350 | Written notification of registration of transfer |
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