JPH0553864B2 - - Google Patents

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JPH0553864B2
JPH0553864B2 JP62330517A JP33051787A JPH0553864B2 JP H0553864 B2 JPH0553864 B2 JP H0553864B2 JP 62330517 A JP62330517 A JP 62330517A JP 33051787 A JP33051787 A JP 33051787A JP H0553864 B2 JPH0553864 B2 JP H0553864B2
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JP62330517A
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Tokiaki Hayashi
Naoki Matsumura
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SURFACE HIGH PERFORMANCE RES
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SURFACE HIGH PERFORMANCE RES
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Description

【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕 本発明は表面にTiC層からなる耐摩耗層を形成
した耐摩耗層被覆A1部材の製造方法に関する。 〔従来の技術〕 アルミニウム部材は、軽量で、加工性に優れ、
電気伝導性及び熱伝導性が良好であり、光線や熱
線の良反射材であり、磁気や放射線を帯びること
がなく、しかも耐食性にも優れているなどの特長
を有しており、工業分野で広く利用されている。
しかし、硬度や耐摩耗性に関しては、例えば鉄鋼
材料などに比較して劣つている。したがつて、ア
ルミニウム基材の表面を高硬度にし、耐摩耗性の
向上を図れば、工業分野での需要拡大に結びつ
く。 そこで、例えばアルミニウム基材の表面へのN
イオン注入により表面硬度を向上させて機械的性
質を改善したり、レーザー蒸着法によるアルミニ
ウム合金表面へのアルミナセラミツクスの蒸着に
より軸受など駆動装着部品の耐摩耗性を向上させ
るなどの方法が試みられている。 ところで、表面に耐摩耗性を付与するためのコ
ーテイング材として、高硬度物質であるTiC,
TiN,Ti(C,N,O),Al2O3などが従来より利
用されてきている。これらのコーテイング材は、
特に切削工具用の超硬合金チツプの表面硬質被覆
層としては多年の実績を有する。 〔発明が解決しようとする問題点〕 第1表にTiC,TiN及びAl2O3の各コーテイン
グ材とアルミニウムについて、ビツカース硬度及
び熱膨張係数を示す。
〔問題点を解決するための手段と作用〕
本発明の耐摩耗層被覆Al部材の製造方法は、
Al又はAl合金からなる基材の表面にイオンビー
ムミクシング法によりAl2O3層を形成する工程
と、該Al2O3層の表面に反応イオンプレーテイン
グ法又はイオンビームミクシング法によりTiC層
からなる耐摩耗層を形成する工程とを具備したこ
とを特徴とするものである。 本発明の耐摩耗層被覆Al部材は以下のような
方法により製造される。 まず、Al又はAl合金からなる基材の表面には、
基材の構成元素であるAlを含むAl2O3層が形成さ
れる。このAl2O3層を形成する方法としては、例
えば通常のCVD法やPVD法も利用可能である。
ただし、融点の低い基材に悪影響を与えない温度
条件を厳密にコントロールしなければならないと
いう制約があるためプロセス上不利である。 これに対して、基材に金属Alを蒸着しながら、
同時にOイオンをイオン注入してAl2O3層を成膜
するイオンビームミクシング法は上述したプロセ
ス上の問題が少ない。すなわち、この手法では約
200℃以下のごく低い温度でも成膜可能であり、
Al又はAl合金への成膜法としては最適と考えら
れる。しかも、この手法ではイオン注入によりO
イオンが基材の内部に注入されて注入層が形成さ
れるため、いわゆる“くい打ち”効果により基材
に対するAl2O3層の密着性を向上することができ
る。また、この手法では基材とAl2O3層との間で
Oイオン濃度が連続的に変化するため、層間の熱
膨張係数の差にもとづく応力歪によるAl2O3層の
破壊が防止され、密着性をより向上することがで
きる。 本発明において、Al2O3層は結晶質でもアモル
フアスでもよく、また結晶質の場合でも結晶形に
ついて限定されることはない。 なお、Al2O3はTiCやTiNと比較して靱性に劣
るため、Al2O3層の膜厚は2μm程度以下であるこ
とが望ましい。 次に、Al2O3層表面にTiC層からなる耐摩耗層
が形成されるが、Al2O3に対するTiCの密着性は
良好である。このTiC層を形成する方法として
は、PVD法も利用可能である。ただし、この場
合もAl2O3層を形成する場合と同様に、基材への
悪影響を避けるためにできるだけ低い温度でコー
テイングできる方法が好ましく、反応イオンプレ
ーテイング法やイオンビームミクシング法が適し
ている。反応イオンプレーテイング法は、有機ガ
ス雰囲気中でイオン化したTiをバイアス電圧が
印加された基材に照射することによりTiCを成膜
する方法である。イオンビームミクシング法は、
例えばTiCターゲツトにArイオンを照射し、基
材にTiCをスパツタ蒸着させると同時に別のイオ
ン源よりCイオンをイオン注入する方法である。 TiCはAl2O3と比較して靱性が高いので、比較
的厚く被覆することができる。本発明において、
TiC層からなる耐摩耗層の膜厚は1〜10μmが望
ましく、3〜8μmがより好ましい。これは、膜厚
が1μm未満では耐摩耗性が不充分となり、一方
10μmを超えると靱性の点で問題が生じるためで
ある。 なお、TiCを構成するCの一部をN,Oのうち
1種又は両者で置換してもよい。このようにNや
Oを導入することにより、Al2O3層に対する密着
性をより向上させることが期待できる。 以上のような本発明の耐摩耗層被覆Al部材に
よれば、Al又はAl合金からなる基材とTiC層と
の中間層としてはAl2O3層が形成され、基材と
Al2O3層とが良好な密着性を有し、かつAl2O3
とTiC層からなる耐摩耗層も良好な密着性を有す
るので、TiCの特性を充分に発揮させることがで
き、耐摩耗性に優れたAl部材を提供することが
できる。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。 実施例 1 Al基材の表面に、第2図に示すイオンビーム
ミクシング装置(真空蒸着+イオン注入)を用い
てAl2O3層を形成し、更に図示しないイオンプレ
ーテイング装置を用いてTiC層を形成することに
より耐摩耗層被覆Al部材を製造した。 最初に、第2図に示すイオンビームミクシング
装置について説明する。第2図において、真空容
器11には真空ポンプ12が取付けられている。
また、真空容器11内には基材ホルダ13が回転
可能に取付けられ、この基材ホルダ13に基材1
4が保持される。この基材14の近傍には膜厚計
15が設けられ、この金属容器16にはEBガン
17が接続されている。この金属容器16と基材
14との間にはシヤツター18が回転可能に取付
けられ、金属容器16内の金属(本実施例では
Al)をEBガン17により加熱蒸発させた後、シ
ヤツター18を開くことにより基材14に金属が
蒸着される。上記真空容器11には、基材14へ
イオン注入できるようにイオンガン19が設けら
れている。このイオンガン19にはガスコントロ
ーラ20を介して酸素ガスボンベ21が接続され
ている。また、イオンガン19にはプラズマ発生
回路22及びイオン加速用回路23が接続され、
更にされらは電源24に接続されている。また、
イオンガン19は水冷却系25により冷却され
る。そして、イオンガン19で発生したOイオン
は開閉バルブ26を開くことにより基材14へイ
オン注入される。 まず、50mm×50mm×2mmの純Al基材の表面を
Al2O3研磨材を用いて鏡面研磨した後、アセトン
中で超音波洗浄し、乾燥した。このAl基材を第
2図図示のイオンビームミクシング装置の基材ホ
ルダ13に装着し、真空容器11内を真空度5×
10-6Torrまで真空引きした後、約1分間基材表
面にイオンを照射してスパツタエツチングし、表
面清浄化を行つた。その後、EBガン17により
純度99.9%以上の金属Alを加熱蒸発させ、3.45
Å/secの蒸着速度で基材表面に蒸着させながら、
同時に加速電圧5kV、電流100mA(電流密度
0.33mA/cm2)の条件でOイオンをイオン注入し、
基材表面に膜厚2μmのAl2O3層を形成した。この
基材の一部をXRDで解析したところ、Al2O3層は
アモルフアスであることが確認された。 次に、表面にAl2O3層が形成されたAl基材を図
示しないイオンプレーテイング装置に装入し、イ
オンプレーテイング直前にアルゴンイオン照射に
よる表面清浄化を行つた。その後、イオンプレー
テイング装置の真空容器内を5×10-6Torrのア
セチレンガス雰囲気とし、EB加熱によりチタン
を蒸発させてイオン化電圧+60Vでイオン化し、
基材に−1kVのバイアス電圧を印加して100分間
保持し、Al2O3層表面に膜厚5μmのTiC層を形成
した。この間、基材温度は400℃以下であつた。 得られたAl部材(実施例1)は、第1図に示
すようにAl基材1の表面にOイオン注入層2と
Al2O3層3とが連続的に形成され、更にAl2O3
3表面にTiC層4が形成された構造を有してい
る。 これと比較するために、Al2O3層を形成しなか
つた以外は、上記と全く同一の条件でAl基材の
表面に直接TiC層を形成したAl部材(比較例)を
製造した。 以上のようにして得られた実施例1及び比較例
のAl部材について、被覆層の密着性を調べるた
めに、ロツクウエル硬度計を用い、荷重50Kgにて
各Al部材のTiC層側に圧痕を打ち、この圧痕周囲
における被覆層の剥離状態を観察した。 その結果、実施例1のAl部材では被覆層の剥
離は全く認められなかつたが、比較例のAl部材
では圧痕の周囲の被覆層がかなり剥離していた。 実施例 2 Al基材の表面に、第2図に示すイオンビーム
ミクシング装置を用いてAl2O3層を形成し、更に
第3図に示す別方式のイオンビームミクシング装
置(イオンビームスパツタ+イオン注入)を用い
てTiC層を形成することにより耐摩耗層被覆Al部
材を製造した。 最初に、第3図に示すイオンビームミクシング
装置について説明する。第3図において、真空容
器31にはメカニカルポンプ32及びクライオポ
ンプ33が取付けられている。この真空容器31
内には基材ホルダ34が回転可能に取付けられ、
この基材ホルダ34に基材35が保持される。上
記真空容器31内には基材35と対向するように
ターゲツトホルダ36が設けられ、このターゲツ
トホルダ36上にターゲツト37(本実施例では
TiC)が保持される。上記真空容器31には、タ
ーゲツト37へイオン注入できるようにイオンガ
ン38が設けられており、アパーチヤー39を介
して例えばArイオンをターゲツト37へ照射す
ることにより基材35にTiCがスパツタ蒸着され
る。また、上記真空容器31には、基材35へ直
接イオン注入できるよにイオンガン40が設けら
れており、本実施例では基材35へCイオンがイ
オン注入される。 まず、50mm×50mm×2mmの純Al基材を2個用
意し、第2図図示のイオンビームミクシング装置
により、上記実施例1と同様にしてそれぞれ各基
材表面に膜厚が2μmと3.2μmのAl2O3層を形成し
た。これらの基材の一部をXRDで解析したとこ
ろ、いずれもAl2O3層はアモルフアスであること
が確認された。 次に、それぞれ表面にAl2O3層が形成された2
個のAl基材を順次第3図図示のイオンビームミ
クシング装置に装入し、TiCターゲツト37へイ
オンガン38からArイオンを照射することによ
り、基材へTiCをスパツタ蒸着させると同時に、
基材へイオンガン40からCイオンをイオン注注
入することにより、それぞれAl2O3層表面に膜厚
3.5μmのTiC層を形成した。この間、基材は冷却
されており、基材温度は150℃以下であつた。得
られた2個のAl部材は第1図に示すような構造
を有している。 以上のようにして得られた2個のAl部材につ
いて、被覆層の密着性を調べるために、実施例1
と同様にロツクウエル硬度計による試験を行い、
被覆層の剥離状態を観察した。 その結果、2個のAl部材とも被覆層の剥離は
全く認められなかつた。ただし、Al2O3層の膜厚
が3.2μmのものは、Al2O3層の膜厚が2μmのもの
よりも圧痕の周囲に生じるクラツクの長さが長
く、Al2O3層で若干のクラツク発生が認められ
た。したがつて、Al基材とTiC層との中間に設け
られるAl2O3層の膜厚は約2μm以下であることが
望ましい。 〔発明の効果〕 以上詳述したように本発明の耐摩耗層被覆Al
部材の製造方法によれば、基材の表面にTiCが密
着性よく形成されているので、TiCの耐摩耗性、
高硬度などの特性を生かした軽量のAl部材を提
供することができ、その工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る耐摩耗層被覆Al部材の
断面図、第2図は本発明の実施例1及び2におい
て用いられたイオンビームミクシング装置の構成
図、第3図は本発明の実施例2において用いられ
たイオンビームミクシング装置の構成図である。 1……Al基材、2……Oイオン注入層、3…
…Al2O3層、4……TiC層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 A1又はA1合金からなる基材の表面にイオン
    ビームミクシング法によりAl2O3層を形成する工
    程と、該Al2O3層の表面に反応イオンプレーテイ
    ング法又はイオンビームミクシング法によりTiC
    層からなる耐摩耗層を形成する工程とを具備した
    ことを特徴とする耐摩耗層被覆A1部材の製造方
    法。
JP33051787A 1987-12-26 1987-12-26 耐摩耗層被覆Al部材 Granted JPH01172558A (ja)

Priority Applications (1)

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JP33051787A JPH01172558A (ja) 1987-12-26 1987-12-26 耐摩耗層被覆Al部材

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5130538A (ja) * 1974-09-09 1976-03-15 Suwa Seikosha Kk Chokoshitsutokeuyokeesu
JPS5429885A (en) * 1977-08-10 1979-03-06 Pilot Pen Co Ltd Metal article forming transparent coat and its manufacturing method
JPS6191354A (ja) * 1984-10-11 1986-05-09 Canon Inc 耐摩耗性多層膜付き母材

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