JPH04301084A - 耐摩耗性部材およびその製造法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基材の表面にチタン化
合物層とアルミナコート層とを形成する耐摩耗性部材お
よびその製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、硬質焼結合金の表面に、例え
ば窒化チタン、炭窒化チタン、炭窒酸化チタンなどを被
覆して、その耐摩耗性を向上させて切削寿命の改善を図
るようにした技術は、特開昭５５−８３５０７　号公報
に見られるように公知である。

【０００３】すなわち、セラミックスは硬く、化学安定
性に優れているので、良好な耐摩耗性を示すことは知ら
れているが、脆いために実際の耐摩耗性部材としての適
用範囲は限られている。そこで、気相合成反応（ＣＶＤ
）法が考案され、金属部材の表面に、ＴｉＣ、ＴｉＮセ
ラミックコーティングを被覆し、金型やシリンダの寿命
を伸ばす方法として用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかして、上記のよう
なセラミックコーティングの技術において、ＣＶＤ法は
１０００℃以上の高温で処理するので、一般の鉄系金属
に被覆する場合、基材の組織が熱による悪影響を受ける
問題を有する。

【０００５】また、比較的低温でコーティング処理が可
能なイオンプレーティング法、プラズマＣＶＤ法は、基
材とコート層との密着強度が低いため、使用用途が負荷
の少ない部分に限られる。そして、チタン化合物とアル
ミナの複層コーティングは、高硬度を有して優れた耐摩
耗性を示すが、このチタン化合物層とアルミナコート層
とは相互の密着性が低く、剥離が生じやすく良好なコー
ト層を形成することが困難で、実用化の大きな障害とな
っている。

【０００６】すなわち、チタン化合物層の上にアルミナ
コーティングを行う場合、両者の間では熱膨張率が異な
り、また、コーティングのガス組成が異なることから、
アルミナコーティング時にチタン化合物層に酸化物が生
成し、両者の密着強度が低下する原因となっている。

【０００７】そこで、本発明は上記事情に鑑み、基材の
表面に形成したチタン化合物層に強固な密着強度でアル
ミナコート層を形成してなる耐摩耗性部材およびその製
造法を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の耐摩耗性部材は、基材の表面に形成したチタン
化合物層の上にチタン酸アルミニウムの反応層を介して
アルミナコート層を被覆してなるものである。上記チタ
ン化合物層は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等によって形
成される。

【０００９】また、耐摩耗性部材の製造法は、基材の表
面にチタン化合物層をコーティングした後、アルミナコ
ーティングを施してアルミナコート層を被覆し、その後
、非酸化性雰囲気で加熱して、チタン化合物層とアルミ
ナコート層との間にチタン酸アルミニウムの反応層を形
成するものである。

【００１０】さらに、上記耐摩耗性部材の製造は、気相
合成反応装置内で、基材の表面にチタン化合物層とアル
ミナコート層とをコーティングした後、非酸化性雰囲気
で加熱してチタン化合物層とアルミナコート層との間に
チタン酸アルミニウムの反応層を連続処理によって形成
してもよい。

【００１１】

【作用および効果】上記のような耐摩耗性部材およびそ
の製造法では、基材にコーティングしたチタン化合物層
の上にアルミナコート層を被覆し、両層間に非酸化性雰
囲気の加熱によってチタン酸アルミニウムの反応層を形
成したことにより、チタン化合物層とアルミナコート層
とが堅固な密着強度によってコーティングされ、優れた
耐摩耗性を得ることができる。すなわち、チタン化合物
層は摩擦温度等による昇温時に酸化して劣化しやすいが
、このチタン化合物層を良好な密着強度でアルミナコー
ト層を積層することで保護して耐熱性を改善することが
できる。

【００１２】また、上記チタン酸アルミニウムの反応層
の形成も気相合成反応装置内で連続的に行うようにする
と、更に良好な特性のコーティングが行える。

【００１３】

【実施例】この実施例は、超硬合金の表面にチタン化合
物層としてＴｉＣコート層を形成した例である。

【００１４】まず、この実施例で製造した耐摩耗性部材
の構造は、図１に示すように、基材１０の表面にチタン
化合物層１１（ＴｉＣコート層）が形成され、このチタ
ン化合物層１１上にチタン酸アルミニウムによる反応層
１３を介してアルミナコート層１２が積層されている。

【００１５】製造法を説明すれば、まず、基材としてＫ
１０相当の超硬合金の表面に、プラズマＣＶＤ法（プラ
ズマ気相合成反応法）によりＴｉＣコーティングを施し
、チタン化合物層１１（ＴｉＣコート層）を形成する。 このＴｉＣコート層１１の形成は、化学気相合成（ＣＶ
Ｄ）装置を用いて、圧力６０ｔｏｒｒ下でＴｉＣｌ４　
が５容量％、ＣＨ４　が５容量％、Ｈ２　が９０容量％
等の反応ガスを導入して、９００　℃に加熱し、約２時
間反応させて、表面にＴｉＣコート層を形成した。この
ＴｉＣコート層の厚みは約２μｍであった。

【００１６】続いて、同一ＣＶＤ装置で、Ａｌ２　Ｏ３
　コーティングを施し、アルミナコート層１２を形成す
る。このアルミナコーティングは、ＡｌＣｌ３　が５容
量％、ＣＯ２　が５容量％、Ｈ２　が９０容量％を反応
ガスとして、１０００℃に加熱し、約２時間反応させて
、表面にアルミナコート層１２を形成した。このアルミ
ナコート層１２の厚みは約２μｍであった。

【００１７】さらに、上記アルミナコーティング後の素
材を、減圧雰囲気で熱処理することにより、チタン酸ア
ルミニウムを反応生成することで反応層１３を形成する
。 この熱処理は、温度９００　℃で６０分加熱して行った
。この熱処理の温度変化を図２により詳細に示せば、真
空雰囲気で加熱を開始して、１０℃／ｍｉｎの加熱速度
で温度を高め、９００　℃に達するとこの温度を６０分
間保持した後、徐々に温度を低下させる徐冷を行い、こ
の徐冷の途中で真空状態を解除してガスパージを行う。

【００１８】次に、上記コート層の密着強度のテスト結
果を比較例と共に示す。この密着強度試験は、公知のス
クラッチ試験機で行うものであり、該スクラッチ試験機
はダイヤモンド引掻部を試験片に対して荷重を徐々に増
大しつつ押圧移動し、ＡＥ波の振動の振れと荷重の関係
から、剥離時の荷重の大きさ（ニュートン）で密着強度
を評価するものである。また、比較例としては、前記反
応層生成のための熱処理を行っていないコーティング後
の素材である。

【００１９】この密着試験の結果すなわち剥離時荷重［
Ｎ］は、 本実施例品……６０［Ｎ］ 比較品　　　　……４０［Ｎ］ であり、この実施例によるものが大幅に高い密着強度を
有している。また、スクラッチ試験痕を観察すると、熱
処理でチタン酸アルミニウムの反応層１３を形成した本
実施例品では、ＴｉＣコート層１１とアルミナコート層
１２との境界部は不明瞭であったが、この熱処理を行っ
ていない比較品ではその境界部で剥離が生じており、そ
の密着性には明確な差が見られた。このことは、電子走
査顕微鏡による断面の組織観察でも確認された。

【００２０】上記アルミナコート層１２の密着性を更に
向上させる試みとして、前記熱処理の条件を２時間もし
くは３時間とし、処理温度についても１０５０℃、１２
００℃に設定した場合の密着強度を測定した結果を図３
および図４に示す。またこの時のスクラッチ試験におけ
るＡＥ波形の測定結果を図５に示す。

【００２１】上記テスト結果より、熱処理の温度（図３
）は、９００　℃、１０５０℃、１２００℃いずれの温
度（処理時間２ｈｒ）でも未処理品より耐摩耗性が向上
している。そして、この処理温度については、７００℃
から１２００℃の範囲が最適で、これより低温では反応
の進行が遅く、また、高温ではコート層が劣化し、好ま
しくない。また、処理温度を９００　℃とした際の処理
時間（図４）についても、１時間以上で未処理品より耐
摩耗性が向上しているが、３時間では２時間より耐摩耗
性が低いものであり、この素材等の条件の場合には２時
間程度が最適である。

【００２２】一方、雰囲気については、図５のＡＥ波形
に示すように、ａの未処理品のアルミナ剥離点Ｐａおよ
びＴｉＣ剥離点Ｑａに対して、　９００℃×２ｈｒ加熱
条件でのｂのＡｒガス冷却のアルミナ剥離点Ｐｂおよび
ＴｉＣ剥離点Ｑｂ、ｃのＮ２　ガス冷却のアルミナ剥離
点ＰｃおよびＴｉＣ剥離点Ｑｃは高くなり、耐摩耗性は
向上している。そして、この処理雰囲気は、真空、Ａｒ
ガス、Ｈｅガス中が最適であって、上記Ｎ２　ガス中で
はアルミナとの反応が生起することから好ましくないも
のである。

【００２３】前記耐摩性耗部材のコーティングの条件お
よび反応層の生成条件としては次のようになる。まず、
ＴｉＣコート層１１の生成としては、 （１）　熱ＣＶＤ法 前記のような塩化チタン（ＴｉＣｌ４　）、メタン（Ｃ
Ｈ４　）、水素（Ｈ２　）ガスを導入し、数ｔｏｒｒか
ら大気圧下で、９００　〜１０５０℃に加熱しＴｉＣコ
ート層を生成するものであるが、このときキャリアガス
はＡｒ、ＨｅおよびＮ２　があるが、膜質の面からＡｒ
またはＨｅが望ましい。上記メタンの代わりにベンゼン
またはプロパンでもよい。 ＴｉＣｌ４　＋ＣＨ４　＋Ｈ２　　　→　　ＴｉＣ＋Ｈ
Ｃｌ（２）　プラズマＣＶＤ法 コーティングのために加えるべきエネルギーを熱だけで
なく、プラズマを発生させることによりガスを励起し、
上記の反応を促進することができる。プラズマにより加
わるエネルギー分だけ熱を加える必要がなく、この方法
であれば４００〜９００　℃に加熱するだけでよい。な
お、プラズマを発生させるために圧力を数ｔｏｒｒ以下
に保つ必要がある。

【００２４】一方、アルミナコート層１２の生成のため
の反応ガスは前記のようにＡｌＣｌ３　、ＣＯ２　、Ｈ
２　で、これらのガスを８００　〜１１００℃に加熱す
るが、プラズマＣＶＤの場合は、ガス成分にＡｌ（ＣＨ
３　）３　、Ｎ２　Ｏを用いる必要がある。

【００２５】さらに、ＴｉＣコート層１１とアルミナコ
ート層１２との間に反応層１３を形成させるには、ある
程度高温である必要があるが、あまり高温だと両コート
層の結晶の異常成長を引き起こすので好ましくない。ま
た、雰囲気もＡｒまたはＨｅガスが各々の膜に与える影
響がなく好ましい。温度条件としては９００　℃前後が
最もよいものである。

【００２６】上記実施例におけるコーティング後の熱処
理は、その熱処理によってチタン化合物層とアルミナコ
ート層との間で、チタン酸アルミニウムの反応層を生成
するものであり、この反応層によって両層は強固に結合
し、容易に剥がれにくい耐摩耗性に優れたコート層とな
る。

【００２７】なお、上記実施例では基材としては、超硬
合金について示したが、その他の鉄系基材に対しても適
用可能である。また、チタン化合物としては、前記Ｔｉ
Ｃの他、反応ガスの変更などによりＴｉＮ、ＴｉＣＮ等
がコーティング可能である。さらに、本発明による耐摩
耗性部材は、切削工具はもとより、エンジンのロッカア
ームチップ、カムシャフト等の滑り摺動部材に適用でき
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の耐摩耗性部材の拡大断面図

【図２】熱
処理の一例を示す説明図

【図３】熱処理の温度と耐摩耗性との関係を示す説明図

【図４】熱処理の処理時間と耐摩耗性との関係を示す説
明図

【図５】雰囲気ガスに対するＡＥ波形の測定結果を示す
グラフ

【符号の説明】

１０　　　　基材 １１　　　　チタン化合物層 １２　　　　アルミナコート層 １３　　　　反応層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基材の表面に形成されたチタン化合物
   層の上にチタン酸アルミニウムの反応層を介してアルミ
   ナコート層が被覆されていることを特徴とする耐摩耗性
   部材。
2. 【請求項２】　　基材の表面にチタン化合物層をコーテ
   ィングした後、アルミナコーティングを施してアルミナ
   コート層を被覆し、その後、非酸化性雰囲気で加熱して
   、チタン化合物層とアルミナコート層との間にチタン酸
   アルミニウムの反応層を形成することを特徴とする耐摩
   耗性部材の製造法。
3. 【請求項３】　　気相合成反応装置内で、基材の表面に
   チタン化合物層とアルミナコート層とをコーティングし
   た後、非酸化性雰囲気で加熱してチタン化合物層とアル
   ミナコート層との間にチタン酸アルミニウムの反応層を
   連続処理によって形成することを特徴とする耐摩耗性部
   材の製造法。