JPH03232957A - 耐摩耗部材の製造方法 - 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〕 本発明は刃物や金型或いは切削工具等の耐摩耗部材の製
造方法に関し、特にこれら部材の表面に窒化処理とイオ
ンプレーティング法による処理を併用して表面硬化層を
形成する耐摩耗部材の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

刃物、金型や工具等の耐摩耗部材の表面に窒素を侵入さ
せて、窒化物や窒素拡散層を造り硬化させる方法が、古
くからタフトライド法やガス窒化法として行われてきた
。又最近無公害の窒化法としてイオン窒化が行われるよ
うになってきた。従来のイオン窒化は真空槽内に１〜Ｌ
Ｏｔｏｒｒの窒素と水素の混合ガスを導入し、陰極（被
処理物）と陽極（真空槽内）間に数百■の直流電圧を印
加しグロー放電させて窒素をイオン化させ、部材表面に
衝突させることによって窒素を部材に侵入させている。

一方イオンプレーティング法により耐摩耗部材表面にＩ
Ｖａ族、Ｖａ族又はＶｉａ族の窒化物や炭化物を被膜す
ることが行われている。イオンプレーティング法は、熱
ＣＶＤ法のように部材を高温にする必要がなく、又プラ
ズマＣＶＤのように原料ガスの塩素や水素が膜中に混入
して膜品質を劣化する恐れがないことから、特に高温処
理ができない工具鋼からなる耐摩耗部材の表面処理法と
して広く用いられるようになってきた。

しかしながらイオンプレーティング法による皮膜は数卿
以下と薄く又使用条件によっては剥離が生じ十分寿命向
上の効果を果せないことが多い。これに対し、最近イオ
ン窒化法により窒素を侵入させて硬化させた後に硬質膜
を形成する複合処理法が提案されているｆ（特開平１−
１２９９５８）。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般にイオンプレーティング装置は膜を均一に被覆する
ため、陰極ホルダーを回転させる構造となっているほか
、陰極ホルダーを加熱するヒータ（３） −や過熱を防止するための水冷パイプが取付けられてい
る複雑な構造になっている。このイオンプレーティング
装置を用いて、従来行われている数ｔｏｒｒでのイオン
窒化を行おうとすると、陰極とヒーターや冷却パイプ或
いは回転部分をおおっている部分等との間で異常放電が
生じるため、イオン窒化には専用の装置が必要であった
。

このため、窒素侵入による硬化処理とイオンプレーティ
ングの複合処理を行うためには、イオン窒化専用装置で
被処理材に窒素侵入処理を行った後改めて該被処理材を
イオンプレーティング装置に設置する必要があった。こ
の場合、被処理材を加熱、冷却する工程をそれぞれ必要
とするほか、窒化表面が大気に曝されるため、酸化され
イオンプレーティングによる硬質膜との密着性が低下す
るという問題があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記問題を解決するために．イオンプレーティ
ング法により炭、窒化物膜を被覆するに（４） 先立ち、同一装置内で０．６　ｔｏｒｒ以下の窒素と水
素の混合ガスの雰囲気内において陰極板と補助陰極板に
数百■の負電圧を印加して両者間にホローカソード放電
を生ぜしめ、これにより被処理材表面を窒化する窒化と
コーティングの複合処理方法を提供するものである。

以下、本発明を図面に基づき、詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す断面側面図で、真空処
理室Ｓの上側に陰極板１が保持具８で保持されており、
該陰極板１の上部にはヒーター７が配設されている。ま
た、前記陰極板１の下部には陰極補助板２が配設され、
該補助板２に被処理部材３が吊下されている。真空処理
室Ｓの下側にハース５を設け、該ハース５内の蒸発金属
を蒸発せしめる電子銃４を隣設する。６はイオン電極で
あり、１１は反応ガス供給パイプである。

第２図は本発明の他の実施例を示し、陰極板１の下部に
被処理部材９（例えば金型等）を配置し、陰極板１と被
処理部材９の間にホローカソード放電を生じさせる。１
０はホローカソード銃でハース（５） ５内の金属を溶融蒸発すると共にイオン化せしめる。

以上の装置において、本発明では、真空処理室Ｓ内の窒
素と水素の混合ガス圧力を従来のイオン窒化より一桁低
い０．１〜０．６　ｔｏｒｒとし、陰極板１と陰極板補
助板２との間に或いは陰極板１と被処理部材９との間に
数百ボルトの負電圧を印加して、両者の間でホローカソ
ード放電を生じさせ、ホローカソード放電領域内にある
被処理部材３又は９の表面に窒素を侵入させて表層部を
硬化させる。

更に、被処理部材１を大気に曝すことなく、前記真空処
理室Ｓ内でイオンプレーティング法によりハース５内の
ＩＶａ族、Ｖａ族、Ｖｉａ族の炭化物、窒化物或いは炭
、窒化物を前記被処理部材表面に被覆する。最初の窒化
処理において、窒素は被処理部材表面に侵入させる原料
でありその混合割合が２０％未満では他のガスによるス
パッタリング作用が優り空気が有効に侵入しない。水素
は窒素の侵入を助けると同時に部材表面の酸化物を除去
する作用がある。これら作用が有効に働くためには（６
） その混合割合として２０％以上含まれている必要がある
。窒素と水素の混合ガスのガス圧力が０．１ｔｏｒｒ未
満ではホローカソード放電が生じない。又、０、６　ｔ
ｏｒｒを超えると陰極板１とヒーター７や冷却パイプ或
いは回転部分をおおっている部分等との間で異常放電が
生じる。更にＱ、５　ｔｏｒｒを超える場合にはホロー
カソード放電を生じさせるには陰極板１と陰極補助板２
又は被処理部材９の間隔を１０胴以下にする必要があり
、特に陰極補助板２を用いた場合、被処理部材３の取付
けに不都合が生じる場合がある。

陰極板１と陰極補助板２或いは被処理部材９に印加する
負電圧は３００■未満ではホローカソード放電が生ぜず
又８００■を超えると陰極に多量の電流が流れるため３
００〜８００■の電圧が好ましい。

ホローカソード放電により窒素を侵入させて硬化させる
深さは１０／１ｍ未満では皮膜の密着強度を高める効果
が少ないため１０卿以上が好ましい。イオン窒化の後の
イオンプレーティングは、被処理材を大気に触れさせな
いため同一の真空処理室内で行われなければならない。

イオンプレーティングでコーティングする膜は窒素侵入
層より高硬度のものでなければ耐摩耗性の向上効果が少
ない。このため硬質膜であるＩＶａ族、Ｖａ族或いはＶ
ｉａ族の炭化物、窒化物或いは炭、窒化物である必要が
ある。

〔作　用〕

ホローカソード放電領域内では電子の往復運動が行われ
ており、これによってガス成分である窒素や水素が有効
にイオン化される結果、Ｑ、　５　ｔｏｒｒ以下の低圧
であるにもかかわらず、従来のイオン窒化が行われてい
る数ｔｏｒｒ下でのグロー放電に相当するイオン量が得
られ、被処理部材への窒素の侵入現象が生じる。ホロー
カソード放電の外では通常のグロー放電が生じるが、低
圧であるためイオン密度が小さい。そのため．イオンプ
レーティング装置のようにヒーターや陰極回転機構等複
雑部分が真空処理室内にあっても、異常放電を生じさせ
ないで窒化処理が可能となる。

イオンプレーティング装置を用いて窒化処理を行い被処
理材の表層部に窒素を侵入させ硬化させた後、同装置を
用いてＩＶａ族、Ｖａ族およびＶｉａ族の炭化物、窒化
物或いは炭窒化物をイオンプレーティング法により被覆
すると、被覆前の表面が大気に触れないため酸化されて
いないことおよび表層部が窒素侵入により硬化している
ことの複合効果により、上述の硬質膜が優れた密着強度
を示すに至る。

〔実施例〕 実施例１ 高速度工具鋼５Ｋ１１５１からなる１０ｍ１’Ｘ１８ｍ
ｍのドリル１０本を第１図に示すように真空アーク方式
のイオンプレーティング装置内の陰極補助板２に設置し
た。陰極板１と陰極補助板２の間隔は１５ＩＩＩＩ１１
でその間に螢処理するドリル３の刃先部分だけが入るよ
うにドリル３が補助板２に取付けられている。

処理に先立ち、ドリル３をアセトン中に浸し超音波洗浄
を行った。

（９） 処理室Ｓ内をＩ　Ｘ　１０−　’　ｔｏｒｒまで真空に
した後、７０％ＮＺ、３０％Ｈ２ガスを槽内に導入し、
０．４　ｔｏｒｒとした。次にヒーターでドリル刃を３
００°Ｃに加熱した。その後、陰極板１と陰極補助板２
およびドリル３に５５０■の負電圧を印加すると陰極板
１と陰極補助板２の間でホローカソード放電が生じた。

ホローカソード放電領域内においては、多量の窒素或い
は水素のイオンが生じ、このイオンがドリル刃に衝突し
てドリル刃を５８０°Ｃまで昇温した。

ホローカソード放電を９０分継続させた後、処理室内を
Ｎ２ガスで４　ＸＩＯ””ｔｏｒｒにするとともに陰極
補助板２を少し下げかつ上下を逆転し、次に電子銃４で
ハース５内にあるＴｉを蒸発すると同時にイオン化電極
６に５０Ｖの正電圧を負荷してＴｉをイオン化して、Ｔ
ｉＮのコーティングを４５分間行った。第１表に窒素が
侵入処理しただけのドリルと窒素侵入処理後ＴｉＮをコ
ーティングしたドリルの穴あけ加工時の寿命を比較材と
ともに示す。本発明の処理を施したドリルは優れた寿命
を示した。

ドリル寿命は３４５Ｃ板に３０ｍｍ深さの穴を周速度３
０ｍ（１０） ／ｍｉｎ、送り０．２　ｍｍ　／　ｒｅｖ、の条件で加
工した時の加工できなくなるまでの六個数で評価した。

ｎ−５本の平均値である。

第１表 実施例２ 合金工具鋼５ＫＤＩＩからなル１５０ｍｍＸ　３００ｍ
ｍＸ２０閣の大きさの金型９を第２図に示すように設置
し、処理室内を真空にした後、５０％Ｎ２．３０％Ｎ２
および２０％Ａｒガスを導入し、０．２５ｔｏｒｒとし
た。そ（１１） の後陰極板１と金型９に４００■の負電圧を印加して両
者間でホローカソード放電を生じさせた。

金型９は放電開始後２０分で５００″Ｃまで昇温した。

そのまま１２０分間処理した後に金型９を１８０°回転
させた。処理室内をＣＨ４ガスでＩ　Ｘｌ０−”ｔｏｒ
ｒとした後ホローカソード銃１２によりハース１３内の
９５％Ｃｒ−５％■合金を溶解、蒸発させると同時にイ
オン化し、金型の窒素侵入面に（Ｃｒ−Ｖ）ｎＣ膜をコ
ーティングした。皮膜の密着強度および耐摩耗性は第２
表に示すように比較の従来イオン窒化とイオンプレーテ
ィングの複合処理材に較べて優れた値を示した。ここで
密着強度はスクラッチ試験における剥離開始時の荷重に
よって評価した。又摩耗減量はピンオンディスク試験に
おいてサンプルをディスクとし、ピンを３４５Ｃ材、速
度１０ｍｍ／ｓ、距離１０００ｍとした時のテスト前後
の重量差で示した。

実施例３ 実施例２と同材料を同方法にて窒素侵入処理を行った後
、処理室内をＮｔとＣＨ，の混合ガスとし、（１２） Ｔａを溶解、蒸発させてＴａ（Ｃ，Ｎ）膜をコーティン
グした。この時の密着強度と摩耗減量を第２表に示すが
、比較材にくらべて優れた値を示した。

第２表 〔発明の効果〕 本発明によれば、一つのイオンプレーティング装置でイ
オン窒化とイオンプレーティングの？Ｌ＆処理ができる
ので、皮膜の密着強度を大幅に改善することができ、そ
の結果、被処理材の耐摩耗性を大幅に向上することがで
きる。

（１３）

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すイオンプレーティング装
置の概略断面側面図、 第２図は本発明の他の実施例を示すイオンプレーティン
グ装置の概略断面側面図である。 １・・・陰極板、　　　　　２・・・陰極補助板、３・
・・被処理部材、　　　４・・・電子銃、５・・・ハー
ス、　　　　　６・・・イオン電極、７・・・ヒーター
、　　　　８・・・陰極板保持具、９・・・被処理部材
、　　　１０・・・ホローカソード銃、１１・・・反応
ガス供給パイプ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．イオンプレーティング装置内に、窒素と水素をそれ
   ぞれ２０％以上含む混合ガスを導入して０．１〜０．６
   ｔｏｒｒの圧力に調整し、次いで上記装置内にホローカ
   ソード放電を生じさせて、該ホローカソード放電領域内
   の被処理部材表層部に窒素を浸入せしめ、続いて、前記
   イオンプレーティング装置内で前記被処理部材の窒素浸
   入表層部にIVａ族、Ｖａ族又はVIａ族の窒化物、炭化物
   、或いは炭、窒化物を被覆することを特徴とする耐摩耗
   部材の製造方法。
2. ２．イオンプレーティング装置内の陰極板と陰極補助板
   との間にホローカソード放電を生ぜしめる請求項１記載
   の方法。
3. ３．イオンプレーティング装置内の陰極板処理部材との
   間にホローカソード放電を生ぜしめる請求項１記載の方
   法。