JPH02170965A - 耐酸化耐摩耗性被覆鋼材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐酸化性を向上させた耐摩耗性被覆鋼材に関
する。

〔従来の技術〕

工具や金型などの鋼材の表面に、該鋼材の耐摩耗性を向
上させるためにイオンブレーティング法などにより窒化
チタンの被膜を被覆することは知られている。

しかしながら、窒化チタンをはじめとする金属窒化物は
、高温で酸化され易く、生成した脆い酸化物層により、
耐摩耗性を著しく劣化させるという欠点がある。

また単一組成比のＴｉＡ　Ｉ　Ｎ膜は、例えばライボル
トヘレウス社のＷ、Ｄ、　　ミュンツらを始めとして研
究が行われており、該被膜は耐酸化性に優れているとい
われている（Ｊ　、　Ｖａｃ、　Ｓｃｉ、↑ｅｃｈｎｏ
ｌ。

Ａ４．２７１７．１９８６）。しかしながら、本出願人
らの研究によれば、本質的には窒化チタン被膜中に一種
の欠陥としてアルミニウムを添加させているのであり、
被膜の表面硬度あるいは被膜の密着強度などの機械的特
性は、窒化チタンよりも劣っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで本発明の目的は、上記問題点を解消するために高
温での耐酸化性を向上させた耐摩耗性被覆鋼材を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、鋼材上に組成物Ｔ
ｉｘＡ　ｌ　、Ｎを、原子濃度ｙが前記鋼材表面で０、
最表層で０．６以下であり、かつ前記鋼材表面から最上
層にわたりｘ＋ｙ＝ｌを満たしつつ連続的に傾斜変化し
、前記へ１がＴｉＮに固溶してなる点に特徴がある。

〔作　用〕

用いられる該鋼材としては、例えば５１５Ｃなどの肌焼
鋼、３４５Ｃなどの構造用鋼、５ＵＰＩＯなどのハネ鋼
、５ＬＩＪ２などの軸受鋼、ＳＡＣＭＩなどの窒化鋼、
５ＫＤ６などの熱間加工用工具ｍｌ、　ＳＭＤＩＩなど
の冷間加工用工具畑、５Ｋｌ１５１などの高速度泪、５
ＵＳ３１０３などの耐熱鋼、５ｔｌＳ４１０などの耐食
耐酸鋼などが挙げられる。

該鋼材上に、被膜の表面層がＴｉつＡ　Ｉ！、Ｎの組成
をとり、該鋼材表面付近ではｙ＝ｏの窒化チタンである
被膜を被覆する必要があるが、この際、アルミニウムの
原子濃度ｙは、被膜の表面に近くなるほど大きくなるよ
うに連続的に傾斜変化させ、かつｘ＋ｙ＝ｌとなること
が必要である。何故ならば、該被膜の特徴は、アルミニ
ウムを被膜の表面層部分にのみ固溶させ、かつ濃度１頃
斜を持たせることにより、窒化チタンの結晶構造を変形
させることなく、アルミニウム固溶層から連続的に窒化
チタン層に移行させていることにあり、窒化チタン被膜
のもつ高い耐摩耗性を極力保持させるものであるからで
ある。但し、被膜表面での最終的なアルミニウム原子濃
度ｙは、０．６を越えてはス〈らない。

アルミニウム原子濃度ｙが０．６までの被膜は、Ｘ線回
折測定によると、窒化チタンと同しＢｌ型結晶構造であ
り、アルミニウムが窒化チタン中に完全に固溶している
。

また、固溶させるアルミニラｌ、の濃度ｙの最大値は、
要求される酸化または摩耗環境の程度により、Ｑ＜ｙ≦
０．６の範囲で自由に選択することができ、かつアルミ
ニウム固溶層の厚みも自由に選択することが可能である
。

もし、濃度ｙが０．６を越えると、アルミニウムが完全
に固溶せず、未同定相が析出する。そのため結晶構造に
変化が現われ、窒化チタンとの整合性が崩れ、耐摩耗性
を低下させるため不都合である。

また、該アルミニウム濃度を連続的に変化させず、アル
ミニウム添加層と窒化チタン層を分けて製膜した場合で
も、二層の接合面の不整合性から同様の結果を招くので
不都合である。

本発明の被膜は、イオンブレーティング法、ＣＶＤ法、
スパンクリング法などの公知の方法を用いて製膜しても
良いが、２種類以上の金属イオンを供給し、かつ耐摩耗
性などの強固な付着力を要求される被膜に対しては、特
にイオンブレーティング法が望ましい。

該被膜をイオンブレーティング法で製膜する際、蒸発源
として金属チタンおよび金属アルミニウムの２つを用い
るが、該金属アルミニウムのかわりにアルミニウムの原
子濃度が５０％以下のチタン。

アルミニウム合金を用いても良い。金属の蒸発およびイ
オン化の方法は特に制限されず、金属を蒸発させる方法
は、イオンブレーティング装置に備わった公知の抵抗加
熱や電子銃加熱などのどれでも良く、蒸発した金属のイ
オン化も公知のアーク放電、グロー放電、高周波放電な
どのいずれでも良い。

チタンとアルミニウムの組成比を任意に制御する方法は
、２つの蒸発源の蒸発量を変化させても良いし、シャン
ターなどの遮蔽物の開閉による方法を用いても良い。

反応性ガスとしては、窒化物を生成させるための反応性
ガスで、窒素あるいはアンモニアまたはこれらの混合ガ
スを用いる。該反応性ガスを反応容器中に導入し、鋼材
に負のバイアス電圧を印加し、チタンとアルミニウムの
組成比を上記方法により制御して本発明の被膜を製膜す
る。

尚、本出願人の研究によれば、窒化チタンの表面層にア
ルミニウムを固溶させると、アルミニウムの表面への拡
散により表面に熱的に安定なアルミニウムの酸化物層（
Ａ／、０．など）が選択的に生成され、それが保護層の
役割をして窒化チタンの酸化の進行を抑制するものと判
ＩＴｈされる。

〔実施例〕

１７ｍｍ角、厚み２龍のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４’
）基板を有機溶剤で洗浄し、真空アーク放電型イオンブ
レーティング装置に取付けた。

蒸発源としてはチタンターゲットと、チタンとアルミニ
ウムの原子組成比が５０％ずつの合金ターゲットを用い
た。

まず真空度をＩ　Ｘ　１０−５Ｔｏｒｒ以下にした後、
チタンイオン衝撃により、鋼材の洗浄、加熱を行った。

次に反応ガスとし°ζ窒素ガスを導入して、装置内圧力
を３０　ｍＴｏｒｒとした。

製膜の第一段階として、まずチタンクーゲットに９０Ａ
の電流を流し、真空アーク放電でチタンイオンを放出さ
せて、−３００Ｖのバイアス電圧が印加された鋼材上に
窒化チタンを４５分間製膜した。その後、チタンターゲ
ットの電流値を徐々に下げながら、チタン・アルミニウ
ム合金ターゲットの電流値を徐々に上げてアルミニウム
イオンを供給し、両ターゲットの電流値によりチタンと
アルミニウムの組成比を制御しながら、ＴｉつＡβ、Ｎ
濃度傾斜）模を１５分間製膜した。

製膜した被膜のチタンとアルミニウムの組成比は、Ｘ線
光電子分光法（Ｘ　Ｐ　Ｓ）により測定して、最表層で
ｘ　：　ｙ＝０．６　：　０．４であった。

得られた被覆鋼材の被膜のＸ線回折測定を行ったところ
、窒化チタンと同様の回折スペクトルが得られた。尚、
このＸ線回折測定は、グラフアイ）（００２）モノクロ
メータ−を備えたデイフラクトメーターを使用し、Ｃｕ
Ｋα線によった。

この被覆鋼材の耐酸化性を見るため、該被？ｉＩ鋼材を
５００ｃｃ／ｍｉｎの流量で大気を流し、７００°Ｃに
保持した電気炉中に一時間放置した。比較例として、上
記製膜装置で作製した窒化チタン被覆鋼材も同様の環境
下に置いた。

その後、両試料を二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）に
より深さ方向分析を行った。第１図および第２図に本発
明の被膜の酸化試験前後の深さ方向のプロファイルを、
第３図および第４図に窒化チタンの被膜の酸化試験前後
の深さ方向のプロファイルを示す。横軸は表面からの深
さをスパッタリング時間で表わし、縦軸は被膜中の物質
の…対的な量を表わしている。

窒化チタンの場合、試験前ではほとんど認められていな
い酸化チタン（ＴｉＯｚ）が相当量生成しており、Ｘ線
回折測定でも酸化チタン（ＴｉＯ□）の回折スペクトル
しか検出されない。

それに比べ本発明の被膜では酸化チタン（ＴｉＯｚ）層
は表面層にとどまり、酸化の進み具合が窒化チタンより
も遅いことを示している。

〔発明の効果〕

以上のことから明らかなように、本発明は、高温での耐
酸化性を向上させた耐摩耗性被覆鋼材を提供するもので
あり、高温酸化環境下での耐摩耗性を要求される部材に
適用することができ、その効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の被膜の耐酸化性を示すもので、５００
ｃｃ／ｍｉｎの大気流量で、７００℃に保持した電気炉
中に一時間放置した被膜の二次イオン質量分析計（ＳＩ
ＭＳ）による深さ方向のプロファイルを示したものであ
る。 第１図は、本発明の被膜の酸化試験前の深さ方向のプロ
ファイル、第２図は該被膜の酸化試験後の深さ方向のプ
ロファイルである。また、第３図は比較例である窒化チ
タンの被膜の酸化試験前の深さ方向のプロファイル、第
４図はその酸化試験後の深さ方向のプロファイルである
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 鋼材上に組成物Ｔｉ＿ｘＡｌ＿ｙＮを、原子濃度ｙが前
   記鋼材表面で０、最表層で０．６以下であり、かつ前記
   鋼材表面から最上層にわたりｘ＋ｙ＝１を満たしつつ連
   続的に傾斜変化し、前記ＡｌがＴｉＮに固溶してなるこ
   とを特徴とする耐酸化耐摩耗性被覆鋼材。