JPH04301085A - 耐摩耗性部材の製造法 - 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、鉄系金属の表面にＴｉ
Ｃコート層を形成する耐摩耗性部材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、ＴｉＣ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、鉄系基材
としての低カーボン材料上に密着性の高いコート層を形
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】そこで、本発明は上記事情に鑑み、鉄系基
材の表面にＴｉＣコート層を高い密着強度で形成するよ
うにした耐摩耗性部材の製造法を提供することを目的と
するものである。

【０００７】

【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の製造法は、鉄系基材の表面部に
炭素含有量の多い炭素リッチ層を形成し、その後、該炭
素リッチ層上にＴｉＣコート層を形成するものである。

【０００８】上記炭素リッチ層は、高密度エネルギ熱線
で再溶融チル処理した炭化物層、浸炭処理して形成され
た炭化物層、炭素含有量の多いコート層などによって形
成することが好適である。また、前記ＴｉＣコート層の
形成後、拡散処理を施すようにしてもよい。

【０００９】

【作用および効果】上記のような耐摩耗性部材の製造法
では、鉄系基材とＴｉＣコート層との間に炭素リッチ層
を介装することにより、この炭素リッチ層の炭素を核と
してＴｉＣが成長するので、膜形成がスムーズに進行す
ると共に、アンカー効果で強固に基材と接合し、さらに
、厚膜形成条件をより低温化できるので膜材質そのもの
も向上することができる。

【００１０】また、ＴｉＣコート層の形成後に拡散処理
を施すと、ＴｉＣコート層と鉄系基材（炭素リッチ層）
との間で拡散層が生じ、さらに密着性の高い強固なＴｉ
Ｃコート層を形成することができる。

【００１１】

【実施例】＜実施例１＞この実施例は、炭素リッチ層を
高密度エネルギ熱線で再溶融チル処理してなる炭化物層
で形成した例である。

【００１２】まず、図１の（Ａ）に示すように、鉄系基
材１０としての炭素鋼（ＪＩＳ．Ｓ２５Ｃ）の平板（３
０×３０×５）に、高密度エネルギ熱線としてのレーザ
ービーム１１を照射し、表面を再溶融化してから照射の
移行に伴う冷却で固化する再溶融チル処理を施し、この
溶融部表面に炭素含有量の多い炭素リッチ層１２を形成
した。上記レーザービーム１１の照射条件は、 出力エネルギ（電力）　　…　　４Ｋｗ焦点距離　　　
　　　　　　　　　　　…　　１００ｍｍ送り速度　　
　　　　　　　　　　　　…　　０．３ｍ／ｍｉｎであ
る。また、使用した炭素鋼Ｓ２５Ｃの組成は、Ｃ…０．
２５％，Ｓｉ…０．２０％，Ｍｎ…０．４５％，Ｆｅ残
部である。

【００１３】上記再溶融チル処理後の炭素鋼においては
、素材平板の最表面では炭素含有量は０．４０％で、こ
の炭素鋼のカーボン含有量が０．２２〜０．２８％であ
り、素材平板表面から再溶融部と未溶融分との境にかけ
て傾斜的に炭素量が減少していることが、ＥＰＭＡ面分
析などによって判明した。

【００１４】上記炭素リッチ層１２を形成した後の平板
１０を、化学気相合成（ＣＶＤ）装置を用いて、ＴｉＣ
ｌ４　、ＣＨ４　、Ｈ２　等の反応ガスを導入して、１
０５０℃に加熱し、約６０分間反応させて、図１の（Ｂ
）に示すように、表面にＴｉＣコート層１３を形成した
。このＴｉＣコート層の厚みは約２μｍであった。

【００１５】なお、前記炭素リッチ層を形成しなかった
平板を、上記と同様のＣＶＤ装置で、同条件のコーティ
ング処理を行った場合には、表面に形成されたＴｉＣコ
ート層の厚みは約　０．５μｍと薄かった。

【００１６】次に、上記ＴｉＣ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、
前記炭素リッチ層を形成しなかった平板に対してＴｉＣ
のコーティング条件（温度、反応時間）を変えて、本実
施例品と同等の２μｍの厚さのＴｉＣコート層を形成し
たものについて行った。

【００１７】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……７０［Ｎ］ 比較品　　　　……３５［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、再
溶融チル処理を施して炭素リッチ層を形成した本実施例
品では、ＴｉＣコート層と基材との境界部は不明瞭であ
ったが、この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。

【００１８】上記実施例におけるレーザービームによる
再溶融チル処理に伴う炭素リッチ層の形成は、エネルギ
ービームにより素材を再溶融化することにより素材中に
含まれている元素、特にカーボンまたは炭化物が比重の
差や冷却速度の影響で表面側に移動して冷却固化し、内
部の冷却が遅れるのに伴い、表層で炭素含有量がリッチ
となることを利用している。そして、この部分を核（種
）としてＴｉＣコーティング時にＴｉＣが成長する。こ
れにより、ＴｉＣコート層の形成がスムーズに進行する
と共に、アンカー効果でＴｉＣコート層と炭素リッチ層
（基材）とが強固に接合しており、また、ＴｉＣコート
条件をより低温化でき、コート層材質そのものの向上が
得られるものである。

【００１９】また、上記実施例での高密度エネルギ熱線
としては、レーザービームの他、公知のＴＩＧアーク、
電子ビーム等の照射が使用可能である。

【００２０】＜実施例２＞この実施例は、鋳鉄材に対し
高密度エネルギ熱線（ＴＩＧアーク）で再溶融チル処理
した炭化物層で炭素リッチ層を形成した例である。

【００２１】まず、鉄系基材としての鋳鉄材（ＦＣＨ１
相当）で形成したカムシャフトのカム面表面をＴＩＧア
ークで再溶融させ、深さ３〜４ｍｍの溶融部を形成して
チル層を形成することで、表層部に表面になるほど炭素
含有量が大きい炭素リッチ層を形成した後、仕上げ加工
を行った。このカムシャフトのカム面を切断して取り出
してテストピースを形成し、このテストピースを前例同
様の化学気相合成（ＣＶＤ）装置を用いて、ＴｉＣｌ４
　、ＣＨ４　、Ｈ２　等の反応ガスを導入して、１１０
０℃に加熱し、約１２０　分間反応させて、表面にＴｉ
Ｃコート層を形成した。なお、使用した鋳鉄材ＦＣＨ１
の組成は、Ｃ…３．４０％，Ｓｉ…１．８０％，Ｍｎ…
０．７０％，Ｃｒ…０．２０％，Ｆｅ残部である。

【００２２】上記のようにして形成したＴｉＣコート層
の厚みを測定したところ、図２に示すように、鉄系基材
１５に対し再溶融チル処理での溶融部１６の深さ方向に
対応して、ＴｉＣコート層１７の厚みは表面側から傾斜
的に変化し、最表面が約３μｍでそれから徐々に薄くな
り約１．５　μｍにまで至っている。そして、このＴｉ
Ｃコート層１７の厚みは対応する部分の炭素含有量に比
例するものであって、再溶融チル処理に伴う炭化物の表
層側でのリッチ化に対応している。

【００２３】上記ＴＩＧアークによる再溶融チル処理後
の金属組織の顕微鏡写真を図３に示す。この図３におい
て、表面側の再溶融部では上層ほどカーボン量が多い。 この再溶融部、境界層および母材における大小の黒色粒
は黒鉛であり、母材および境界層には大径のものが存在
し、再溶融部には小径のものが点在している。

【００２４】また、実際に上記のようなカムシャフトの
素材を用い、そのカム面に再溶融チル処理で炭素リッチ
層を形成し、その後約３μｍのＴｉＣコート層を形成し
たカムシャフトをエンジンに組込み、モータリンクベン
チにて摺動テスト（３０００ｒｐｍ，２０ｈｒ）　を行
ったところ、ＴｉＣコート層に剥離を生じることなく良
好な耐摩耗性が得られた。

【００２５】＜実施例３＞この実施例は、基材として比
較的Ｃ量の多いＳＣＭ４４０相当材に、レーザービーム
によって再溶融チル処理で炭素リッチ層を形成し、その
後条件を種々変更してＴｉＣコート層を設け、その処理
条件とＴｉＣコート層の硬度と膜厚との関係を求めた例
である。なお、使用した基材ＳＣＭ４４０の組成は、Ｃ
…０．４０％，Ｓｉ…０．２５％，Ｍｎ…０．７０％，
Ｃｒ…０．７０％，Ｍｏ…０．２０％，Ｆｅ残部である
。

【００２６】すなわち、鉄系基材としての上記ＳＣＭ４
４０相当材に、レーザービームで表面が溶融する程度に
再溶融処理し、実施例１と同様に炭素リッチ層を形成す
る。その後、実施例１と同様な反応ガスを用いて、各温
度、時間条件でＴｉＣコート層を形成し、その処理条件
とＴｉＣコート層の硬度と膜厚を測定した結果を表１に
示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】試料番号ａ〜ｆは上記再溶融チル処理を施
したもので、試料番号ｇ〜ｉは再溶融チル処理を施して
いない未処理品である。この結果から分かるように、上
記未処理品ｇ〜ｉにおいては、処理温度を高くおよび処
理時間を長く設定しても形成されるＴｉＣコート層の膜
厚は薄く、硬度も比較的低い値を示している。また、こ
れ以上の膜厚を形成するためには、処理温度を高くする
か、反応時間を長くする必要があるが、高温、高時間の
処理は鉄系基材の金属組織に対して悪影響を与える点で
好ましくない。

【００２９】一方、本発明品ａ〜ｆによれば、ｆを除い
て十分な硬度と膜厚が得られ、同じ材質の基材を用いる
場合、同じ膜厚のＴｉＣコート層を得るための反応条件
は、より低い温度、短い時間で可能となり、鉄系基材へ
の熱影響を少なくすることができる。なお、資料番号ｆ
のものはこの素材に対しては処理温度が低く設定され、
ＴｉＣコート層の膜厚が薄くなっている。

【００３０】＜実施例４＞この実施例は、炭素リッチ層
を浸炭処理で形成する例である。まず、鉄系基材として
実施例１と同様な組成の炭素鋼Ｓ２５Ｃの丸棒（直径３
０ｍｍ、長さ１００ｍｍ）に、公知の方法によって浸炭
処理を施す。この浸炭処理によって、素材の炭素含有量
が０．２２〜０．２８％であるのに対して、表面の炭素
リッチ層の炭素含有量は０．４　〜０．５％に上昇して
いる。

【００３１】上記浸炭処理で炭素リッチ層を形成した後
の丸棒を、実施例１と同様に化学気相合成（ＣＶＤ）装
置を用いて、ＴｉＣｌ４　、ＣＨ４、Ｈ２　等の反応ガ
スを導入して、１０５０℃に加熱し、約１８０　分間反
応させて、表面にＴｉＣコート層を形成した。このＴｉ
Ｃコート層の厚みは約１．５　μｍであった。

【００３２】なお、浸炭処理を施していない同様素材に
対して、上記と同様のコーティングを行ったものでは、
形成されたＴｉＣコート層は約０．５　μｍと薄かった
。また、この浸炭処理を施していない同様素材に対して
上記と同様に１．５　μｍまでＴｉＣコート層を形成す
るのには、約４２０　分の処理時間が必要であり、その
間に基材の組織が粗大化し、硬度が著しく低下した。

【００３３】また、同一の厚み（約３μｍ）を有するＴ
ｉＣコート層を形成した浸炭処理品（実施例品）と未処
理品（比較品）とを用意し、そのＴｉＣコート層の密着
強度をスクラッチ試験機によって測定したテスト結果す
なわち剥離時荷重［Ｎ］は、 本実施例品……６０［Ｎ］ 比較品　　　　……３０［Ｎ］ であり、比較品では軽度の衝撃を加えることにより容易
に剥離した。

【００３４】さらに、前記のように浸炭処理の後、Ｔｉ
Ｃコート層をコーティングした基材に対し、拡散処理を
施した。この拡散処理は、コーティング後の素材を、Ａ
ｒガス中で９００　℃の温度に２ｈｒ加熱することで行
った。 この拡散処理後の、ＴｉＣコート層の密着強度は上記剥
離時荷重が６０［Ｎ］　のものが１２０［Ｎ］にまで向
上し、強固な密着強度が得られた。

【００３５】なお、上記実施例品の断面を調査したとこ
ろ、実態観察においては、ＴｉＣコート層と基材の境界
部の状況はそれ程の変化はないが、基材表面のカーボン
量を測定すると、熱処理（拡散処理）前に比べて低下し
ている一方、若干のＴｉが存在することが判明し、その
拡散が確認された。

【００３６】また、上記拡散処理を行う際に、加熱雰囲
気を真空、Ａｒガス、Ｎ２　ガスで加熱したところ、真
空およびＡｒガスではほぼ同等であったが、Ｎ２　ガス
ではＴｉＣコート層の表面が劣化している様子が観察で
きた。この場合の膜密着強度は、拡散処理前よりもさら
に低下しており、スクラッチ試験では約４０［Ｎ］　の
値を示している。

【００３７】＜実施例５＞この実施例は、鉄系基材とし
てオーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３１６相当材）
の平板（２０×１０×３）の表面に、気相合成法（ＣＶ
Ｄ法）により薄いグラファイトコーティングを施し、こ
の炭素含有量の多いコート層で炭素リッチ層を形成した
例である。上記オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１
６の組成は、Ｃ　　…０．０７％，Ｓｉ…０．９０％，
Ｍｎ…１．５０％，Ｎｉ…１２．０％，Ｃｒ…１７．０
％，Ｍｏ…２．４０％，Ｆｅ残部である。また、後述の
マルテンサイト系ステンレスＳＵＳ４２０の組成は、Ｃ
　　…０．３３％，Ｓｉ…０．９０％，Ｍｎ…０．８０
％，Ｎｉ…０．５０％，Ｃｒ…１５．０％，Ｆｅ残部で
ある。

【００３８】そして、上記グラファイトコーティングに
よる炭素リッチ層を形成した上に、前例と同様に化学気
相合成装置で、ＴｉＣｌ４　、ＣＨ４　、Ｈ２　等の反
応ガスを導入して、１０５０℃に加熱し、約１８０　分
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。このＴｉＣ
コート層の密着強度はスクラッチ試験で約２０［Ｎ］　
の値であった。

【００３９】続いて、上記素材に拡散処理を施すもので
あるが、この拡散処理条件は、真空中で１０００℃×９
０分間保持することによって行い、この後、同様のスク
ラッチ試験によるＴｉＣコート層の密着強度の測定結果
は、約８０［Ｎ］　に上昇し、前記グラファイトコーテ
ィング層は観察できなかった。

【００４０】なお、比較材として前記オーステナイト系
ステンレス（ＳＵＳ３１６相当材）とマルテンサイト系
ステンレス（ＳＵＳ４２０相当材）にＴｉＣコート層を
生成した場合に、その膜厚は、ＳＵＳ３１６では約０．
５　μｍ程度で、ＳＵＳ４２０では約１．０　μｍ程度
であった。

【００４１】本実施例のように、鉄系基材表面にグラフ
ァイト層を設けると、それを核（種）としてＴｉＣの成
長がスムーズに生じ、さらに熱処理（拡散処理）を加え
ることにより、ＴｉＣコート層と基材との間に拡散層が
生じ、強固なコート層を形成することができる。

【００４２】前記拡散処理の条件としては、７００　℃
から材料の融点に至らない１２００℃程度で行うのが好
適である。低温だと拡散が生じにくく、また高温だとコ
ート層、基材共に劣化を生起し、処理時間についても１
時間より長い程度でなければ拡散が進行するのに十分で
はないが、長時間であると高温時と同様に劣化を生じる
。

【００４３】＜実施例６＞この実施例は、鉄系基材とし
て前例同様の組成を有するオーステナイト系ステンレス
（ＳＵＳ３１６相当材）に対してグラファイトコーティ
ングによる炭素リッチ層を形成し、低温（５００℃）で
ＴｉＣコート層を形成する例である。

【００４４】すなわち、グラファイトコーティング上に
化学気相合成装置で、５００　℃の低温処理で表面にＴ
ｉＣコート層を形成した。このＴｉＣコート層の厚みは
約３μｍであった。この後、拡散処理を真空中で１００
０℃×９０分間保持することによって行うと、グラファ
イトコーティング層がなくなり、スクラッチ試験による
ＴｉＣコート層の密着強度は、約１００［Ｎ］であった
。

【００４５】これに対して、グラファイトコーティング
を形成することなく低温（５００℃）でＴｉＣコート層
を生成した場合には、約１．５　μｍ程度の厚みに形成
され、これに対して上記と同様の拡散処理を施したもの
でのスクラッチ試験によるＴｉＣコート層の密着強度は
約６０［Ｎ］　であった。

【００４６】なお、上記実施例における拡散処理の後に
、さらに鉄系基材の機械特性を向上させるための熱処理
、例えば焼入れ、焼戻しを行ってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における耐摩耗性部材の製造
法の工程を示す断面図

【図２】本発明の実施例２における再溶融チル処理部分
とその上のＴｉＣコート層の厚みとの関係を示す説明図

【図３】実施例２における再溶融チル処理後の表面部の
金属組織を示す顕微鏡写真

【符号の説明】

１０，１５　　　　　鉄系基材 １１　　　　レーザービーム １２　　　　炭素リッチ層 １３，１７　　　　　ＴｉＣコート層 １６　　　　溶融部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　鉄系基材の表面部に炭素含有量の多い
   炭素リッチ層を形成し、その後、該炭素リッチ層上にＴ
   ｉＣコート層を形成することを特徴とする耐摩耗性部材
   の製造法。
2. 【請求項２】　　前記炭素リッチ層が、高密度エネルギ
   熱線で再溶融チル処理した炭化物層であることを特徴と
   する請求項１記載の耐摩耗性部材の製造法。
3. 【請求項３】　　前記炭素リッチ層が、浸炭処理して形
   成された炭化物層であることを特徴とする請求項１記載
   の耐摩耗性部材の製造法。
4. 【請求項４】　　前記炭素リッチ層が、炭素含有量の多
   いコート層であることを特徴とする請求項１記載の耐摩
   耗性部材の製造法。
5. 【請求項５】　　前記ＴｉＣコート層の形成後、拡散処
   理を施すことを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性部材
   の製造法。