JP4777558B2

JP4777558B2 - 表面硬化材料とその製造方法

Info

Publication number: JP4777558B2
Application number: JP2001288391A
Authority: JP
Inventors: 惇司佐藤; 義継渋谷
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: JP2003096577A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板表面にＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉを主成分とする合金の硬質薄膜を有する材料とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
腕時計、ネックレス、ピアスなどの装飾用外装部品は主にステンレス鋼が主流となっており、その高耐食性、良好な加工性、また白色の色合いにより、低価格品から高価格品にいたるまで広く用いられている。また他の素材としてはチタンおよびチタン合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金、黄銅などの金属材料からなっているが、これらはいずれも軟質材料であることや、低耐食性のために様々な表面処理が行われている。
【０００３】
チタンまたはチタン合金では、窒化処理、ガラスコーティング等の表面硬化処理を施しているが、チタンそのものの色の特性上、ステンレス鋼より暗い色合いとなっている。そこで、白色の色合いを出すためにＰｔまたはＰｄなどの貴金属の薄膜をコーティングしているが、これらの薄膜硬度は小さく、耐傷性に劣る欠点を持っている。
【０００４】
また、アルミニウムおよびアルミニウム合金、および黄銅は、耐食性を保つために各種コーティング法により薄膜が形成される。薄膜を形成する方法には、陽極酸化、湿式メッキ、乾式メッキの手法がある。陽極酸化はアルミニウムおよびアルミニウム合金においてなされ、表面の硬度は上昇するが耐食性は向上しない。また、黄銅に対してはニッケルメッキ、ニッケルリンメッキなど各種湿式金属メッキがなされ、耐食性には効果があり、ある程度の硬質化も可能であるが、ステンレス鋼とは異なった色合いとなり、また、アレルギー性材料であることから、人の肌に触れる時計外装部品には適用ができない。また、乾式メッキにはイオンプレーティング、スパッタリング、ＣＶＤなどの手法による窒化チタン膜、炭化チタン膜などがあり硬質薄膜として使用されているが、ステンレス鋼のような白色の色合いを有する硬質薄膜はできなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、本発明の目的は、ステンレス鋼のような白色の色合いを有する高耐食性である硬質合金薄膜を有する材料、およびその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉを主成分とするステンレス鋼合金薄膜の種々の改質法を検討した結果、上記薄膜に炭素を固溶させることにより、ステンレス鋼の色合いを保ち、さらに耐食性を損なうことなく硬質化することを見出した。すなわち、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉを主成分とするステンレス鋼合金薄膜に炭素が固溶することにより炭素が結晶格子間に入り、その結果生じる高い歪みエネルギーのために強度が上昇し硬化するものである。一般に大気中での３００℃以上の高温熱処理では、平衡論的に炭素はクロムと反応し炭化クロムを生じ、結果的にステンレス合金中でクロムが枯渇して耐食性が劣化する。本発明では、このような炭化クロムが生成しない条件をつくり出すことに成功したものである。
【０００７】
すなわち、本発明の表面硬化材料は、基板表面にＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉを主成分とする合金の薄膜を有する材料であって、その薄膜中に炭素が固溶したことを特徴とする。
【０００８】
さらにその薄膜中の炭素の固溶量は、０．１〜２．０ｗｔ％であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の表面硬化材料の製造方法は、上記表面硬化材料を得るために、基板にＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ基からなる合金の薄膜を析出させる第１の工程と、炭素を固溶させる第２の工程の連続した工程を有することを特徴とする。
【００１０】
さらに説明すれば、第１の工程では、金属、ガラス、セラミック等の基板上に蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の方法によりＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ基からなるいわゆるステンレス鋼の組成からなる合金の薄膜を所定の膜厚で析出させる。この場合の膜厚は任意の厚さでよい。第２の工程では、第１の工程後装置内雰囲気を大気に戻すことなく、直ちに、基板加熱温度が３００〜５００℃、真空度が０．１〜１０Ｐａ、ＣＯのガスの場合は濃度が１０００〜３０００ｐｐｍ、ＣＯ ₂のガスの場合は濃度が２０００〜４０００ｐｐｍの条件下で所定時間処理することを特徴とするものであり、炭素が合金薄膜中に拡散し、０．１〜２．０ｗｔ％の炭素を固溶した表面硬化材料を製造することが可能となった。この第１の工程と第２の工程は連続した工程からなることを特徴とする。
【００１１】
したがって本発明により、上述の表面硬化材料を有することを特徴とする時計部品等の装飾部品の提供が可能となった。
【００１２】
（作用）
大気中での平衡論では、炭素は合金薄膜表面の酸化クロムからなる不動態膜の存在により炭素表面から内部に拡散できないが、本発明では第１の工程と第２の工程が連続して行われ、しかも第１の工程後合金膜が大気に触れることがないために不動態膜が生成されず、しかも減圧下での合金薄膜とＣＯまたはＣＯ ₂の炭素との反応であることから炭素の拡散が容易に進むものである。また、ＣＯ、ＣＯ ₂の還元作用により表面の酸化は抑えられ、また比較的低温度での反応であることから炭化クロムの析出なしに炭素が固溶するものである。
【００１３】
ここで、基板加熱温度が３００℃未満では十分な硬度が得られず、５００℃を越えると耐食性が劣化する可能性がある。より好ましくは３５０〜４５０℃が安定した条件である。ＣＯの濃度が１０００ｐｐｍ未満では硬度上昇がなく、３０００ｐｐｍを越えると硬度は上昇するが耐食性が劣化する可能性がある。また、ＣＯ ₂の濃度が２０００ｐｐｍ未満では硬度上昇がなく、４０００ｐｐｍを越えると硬度は上昇するが耐食性が劣化する可能性がある。また好ましくは１〜５００Ｐａの減圧下で処理するのが好ましい。なお、ＣＯの方がＣＯ ₂よりも比較的低濃度で炭素の拡散が進行するのは、ＣＯがＣＯ ₂よりも活性なためである。
【００１４】
また、炭素の固溶量が、０．１ｗｔ％〜２．０ｗｔ％の範囲にあることが好ましい。炭素の固溶量が２．０ｗｔ％を越えると耐食性が劣化する可能性がある。これは炭化クロムの生成によるものである。炭素の固溶量が、０．１ｗｔ％未満であると、硬度上昇が見られない可能性がある。これは、十分に炭素の固溶が進行しないためである。すなわち、炭素濃度が０．１ｗｔ％未満では硬度が５００Ｈｖ以下となる可能性がある。
【００１５】
本発明により、ステンレス鋼の色合いで高耐食性の表面硬化材料が得られ、さらにこの表面硬化材料を有した腕時計ケース、腕時計バンド、ネックレス、ピアス等の装飾外装外装部品を得ることが可能となった。また、基体が黄銅、アルミニウム等の比較的低価格の外装であっても、ステンレス鋼の色合いを持つ高級感を具備した、しかも耐傷性があって美しさを持続できる装飾用外装製品が得られるようになった。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための最良の形態における表面硬化材料とその製造方法および、この表面硬化材料を有する装飾用外装部品とその製造方法について説明する。
【００１７】
まず、本発明における高耐食性の表面硬化材料の定義について説明する。まず、高耐食性とは、ＣＡＳＳ試験（ＪＩＳ）で腐食が発生しないことが合格の基準である。次に、ステンレス鋼の色合いの定義に関しては、その基準として、ＣＩＥ表色系の色差（Ｌ＊ａ＊ｂ＊）が２．５以下を基準とした。さらに、被膜の硬度は、時計外装として耐傷性が合格となるビッカース硬度５００（Ｈｖ）以上を合格の基準とした。なおビッカース硬度測定条件として、荷重は５ｇｆとした。
【００１８】
本発明において、基板としては金属、ガラス、セラミック等、材料は５００℃までの処理温度に耐えられるものであれば任意でよい。
【００１９】
また、第１の工程で得られる合金薄膜はＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉを主成分とするステンレス鋼合金の組成を有する合金薄膜であり、ＪＩＳで定められたフェライト系、オーステナイト系、マルテンサイト系等任意に選択できる。好ましくは、耐食性の高いオーステナイト系ステンレス鋼の合金組成が選ばれる。さらに成膜方法も、蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング、ＣＶＤ等任意でよいが、合金成分をある程度制御するためには、スパッタリングが好ましい。
【００２０】
また、第２の工程では、第１の工程後一旦１０ ^{- 4}Ｐａまで排気後、ランプヒータにて基板を２００〜４００℃に加熱し、所定の温度に到達したら、ＡｒまたはＨｅ、Ｎ₂等の不活性ガス中に１０００〜３０００ｐｐｍ含有するＣＯガスを導入し、真空度が１〜５００Ｐａになるように排気側で制御し、所定時間処理する。なお、ＣＯ ₂ガスの場合は、濃度は２０００〜４０００ｐｐｍとする。ここで処理時間は任意でよいが、３〜５時間が実用的な表面硬化材料が得られる条件となる
【００２１】
（実施例１）
基板は、１０ｍｍ×１５ｍｍ×０．３ｍｍの黄銅の板状テストピースの片面を鏡面研磨したのち、有機洗浄を施した。第１の工程ではこの基板を真空装置内に配置し、真空装置内を１×１０ ^{- 4}Ｐａまで排気した後Ａｒガスを導入し、圧力０．５Ｐａに保った雰囲気で、７０％Ｆｅ−２０％Ｃｒ−１０％Ｎｉ（ｗｔ％）合金ターゲットを使用し、ＤＣマグネトロンスパッタリング法により膜厚が約３μｍのＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉからなる合金薄膜を得た。ここで、得られた合金薄膜の組成はＥＰＭＡで定量分析を行ったところ、７３．７％Ｆｅ−１８．５％Ｃｒ−７．８％Ｎｉ（ｗｔ％）であった。
【００２２】
第２の工程では、第１の工程後直ちに真空度を５×１０ ^{- 4}Ｐａまで排気し、ランプヒータにより基板を２００〜６００℃に加熱した。その後、Ａｒに７００〜３５００ｐｐｍ含有したＣＯガスを導入し圧力が５０Ｐａになるように排気側で制御し５時間保持し炭素の拡散を行った。その後、基板温度が１００℃以下になるように冷却し基板を取り出し、ＥＰＭＡによるＣの定量分析、ビッカース硬度、耐食性試験としてＣＡＳＳ試験（４８時間）を行った。これらの結果を表１に示す。これより、本発明による条件のもと（太線内）では、硬度が５００Ｈｖ以上で耐食性良好な被膜が得られ、色彩色差計での測定では、いずれも色差（Ｌ＊ａ＊ｂ＊）は２．５以下でありステンレスの色調を有するものであった。また、第１の工程後取り出し、第２の工程を通さない比較例としての試料は、硬度２３０Ｈｖで、耐食性は良好（○）であった。なお、基板加熱温度が３００℃未満では硬度が上がらず、５００℃を越えると耐食性が不良となった。また、ＣＯの濃度が１０００ｐｐｍ未満では硬度が５００Ｈｖに到達しなく、３０００ｐｐｍを越えると耐食性が不良となった。これは、炭素の固溶量と対応し、炭素の固溶量が０．１ｗｔ％未満では硬度が５００Ｈｖ以下であり、２．０ｗｔ％を越えると耐食性が不良となった。
【００２３】
ここで、黄銅のテストピースの代わりに、時計外装用ケース、バンド、またピアス、ネックレス等への応用も同様に行うことが可能で、表面硬化材料を有する装飾用外装部品品の提供ができるようになった。なお部品材質としては、黄銅、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金等金属材料はもちろん、セラミック、ガラスなどに適用可能である。
【００２４】
【表１】

【００２５】
（実施例２）
ＣＯ ₂の濃度以外は実施例１と同等の方法で行った。基板は、１０ｍｍ×１５ｍｍ×０．３ｍｍの黄銅の板状テストピースの片面を鏡面研磨したのち、有機洗浄を施した。第１の工程ではこの基板を真空装置内に配置し、真空装置内を１×１０ ^{- 4}Ｐａまで排気した後Ａｒガスを導入し、圧力０．５Ｐａに保った雰囲気で、７０％Ｆｅ−２０％Ｃｒ−１０％Ｎｉ（ｗｔ％）合金ターゲットを使用し、ＤＣマグネトロンスパッタリング法により膜厚が約３μｍのＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉからなる合金薄膜を得た。ここで、得られた合金薄膜の組成はＥＰＭＡで定量分析を行ったところ、７３．７％Ｆｅ−１８．５％Ｃｒ−７．８％Ｎｉ（ｗｔ％）であった。
【００２６】
第２の工程では、第１の工程後直ちに真空度を５×１０ ^{- 4}Ｐａまで排気し、ランプヒータにより基板を２００〜６００℃に加熱した。その後、Ａｒに１０００〜５０００ｐｐｍ含有したＣＯ ₂ガスを導入し圧力が５０Ｐａになるように排気側で制御し５時間保持し炭素の拡散を行った。その後、基板温度が１００℃以下に冷却し基板を取り出し、ＥＰＭＡによるＣの定量分析、ビッカース硬度、耐食性試験としてＣＡＳＳ試験（４８時間）を行った。これらの結果を表２に示す。これより、本発明による条件のもと（太線内）では、硬度が５００Ｈｖ以上で耐食性良好な被膜が得られ、色彩色差計での測定では、いずれも色差（Ｌ＊ａ＊ｂ＊）は２．５以下でありステンレスの色調を有するものであった。また、第１の工程後取り出し、第２の工程を通さない比較例としての試料は、硬度２３０Ｈｖで、耐食性は良好（○）であった。なお、基板温度が３００℃未満では硬度が上がらず、５００℃を越えると耐食性が不良となった。また、ＣＯ ₂の濃度が１０００ｐｐｍ未満では硬度が５００Ｈｖに到達しなく、３０００ｐｐｍを越えると耐食性が不良となった。これは、炭素の固溶量、すなわち炭素の濃度と対応し、炭素濃度が０．１ｗｔ％未満では硬度が５００Ｈｖ以下であり、２．０ｗｔ％を越えると耐食性が不良となった。
【００２７】
ここで、黄銅のテストピースの代わりに、時計外装用ケース、バンド、またピアス、ネックレス等への応用も同様に行うことが可能で、表面硬化材料を有する装飾用外装部品の提供ができるようになった。なお基板、すなわち部品材質としては、黄銅、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金等金属材料はもちろん、セラミック、ガラスなどに適用可能である。
【００２８】
【表２】

【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉを主成分とする高耐食、高硬度のステンレス鋼組成の薄膜を有する表面硬化材料が得られ、装飾性の高い外装部品の提供が可能となった。また、基板が黄銅、アルミニウム等金属部材またはガラス、セラミックに至るまで比較的低価格の外装であっても、ステンレス鋼の色合いを持つ高級感を具備した、しかも耐傷性があって美しさを持続できる装飾用外装製品が得られるようになった。

Claims

表面にＦｅ、ＣｒおよびＮｉを主成分とするステンレス鋼合金の薄膜を有し、該薄膜中に炭素が固溶している表面硬化材料。
前記炭素の固溶量が、０．１ｗｔ％〜２．０ｗｔ％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の表面硬化材料。
基板表面にＦｅ、ＣｒおよびＮｉを主成分とするステンレス鋼合金の薄膜を析出させる第１の工程と、前記薄膜中に炭素を固溶させる第２の工程とを有する表面硬化材料の製造方法。
前記第２の工程での基板加熱温度が３００℃〜５００℃の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の表面硬化材料の製造方法。
前記第２の工程での雰囲気ガスにＣＯガスを使用することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の表面硬化材料の製造方法。
前記ＣＯガスの濃度が１０００ｐｐｍ〜３０００ｐｐｍの範囲にあることを特徴とする請求項５に記載の表面硬化材料の製造方法。
前記第２の工程での雰囲気ガスにＣＯ ₂ガスを使用することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の表面硬化材料の製造方法。
前記ＣＯ ₂ガスの濃度が２０００〜４０００ｐｐｍの範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の表面硬化材料の製造方法。