JPH07278783A - 表面硬化方法 - Google Patents
表面硬化方法Info
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- JPH07278783A JPH07278783A JP9826394A JP9826394A JPH07278783A JP H07278783 A JPH07278783 A JP H07278783A JP 9826394 A JP9826394 A JP 9826394A JP 9826394 A JP9826394 A JP 9826394A JP H07278783 A JPH07278783 A JP H07278783A
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- JP
- Japan
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- hard
- ion implantation
- carbide
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 鉄鋼材料の表層内に炭化物を作り込むと同時
に、その内部拡散を促進し、実用的に十分な深さの硬質
層を持ち、かつ界面の存在しない表面硬化鋼を製造し得
る表面硬化方法を提供する。 【構成】 鉄鋼材料表層に硬質炭化物形成元素をイオン
注入によって添加した後に浸炭処理を行う。 【効果】 表面硬化鋼の適用範囲の拡大。
に、その内部拡散を促進し、実用的に十分な深さの硬質
層を持ち、かつ界面の存在しない表面硬化鋼を製造し得
る表面硬化方法を提供する。 【構成】 鉄鋼材料表層に硬質炭化物形成元素をイオン
注入によって添加した後に浸炭処理を行う。 【効果】 表面硬化鋼の適用範囲の拡大。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、鉄鋼材料表層に硬質炭
化物を形成させて耐摩耗性を向上させる表面硬化方法に
関する。
化物を形成させて耐摩耗性を向上させる表面硬化方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】鉄鋼材料の耐摩耗性を向上させるために
Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ等の硬質炭化物を利用することは良く知
られている。通常は、鉄鋼の溶製段階においてこれら炭
化物形成金属を添加して鋼中の炭素量等を調整しなが
ら、最終的に形成される炭化物の量、分布等を制御し、
目的とする耐摩耗性を鉄鋼に付与している。これらは、
工具鋼やダイス鋼として広く用いられている。
Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ等の硬質炭化物を利用することは良く知
られている。通常は、鉄鋼の溶製段階においてこれら炭
化物形成金属を添加して鋼中の炭素量等を調整しなが
ら、最終的に形成される炭化物の量、分布等を制御し、
目的とする耐摩耗性を鉄鋼に付与している。これらは、
工具鋼やダイス鋼として広く用いられている。
【０００３】これらの鉄鋼材料は、その表面のみなら
ず、内部まで硬質の材料であるが、多くの用途におい
て、内部まで高い硬度を要求されることは少なく、表面
を含んだ表層部分のみが硬質であれば満足される場合の
方が圧倒的に多い。しかも場合によっては、内部はむし
ろ硬質ではなく靱性を持つことを要求される。例えば、
鉄鋼の圧延工程で使われるロールは、耐摩耗性が要求さ
れる表面は当然硬質でなくてはならないが、同時に耐折
損性も不可欠なため、内部は高い靱性が要求されてい
る。このような要求は、圧延ロールに限らず多方面から
あるため、表面硬化は重要な技術となっており、今日ま
でに種々の技術が開発されてきている。中でも、上記硬
質炭化物を皮膜として形成させる技術は、高い硬度が得
られるために数多く提案されており、例えば、「表面技
術」第４１巻（１９９０年）、第６号、第２３頁「ＣＶ
Ｄによる金型の表面処理」には、ＣＶＤ処理によって得
られたＴｉＣ膜の硬度として、ＨＶ３８００が得られた
と報告されている。
ず、内部まで硬質の材料であるが、多くの用途におい
て、内部まで高い硬度を要求されることは少なく、表面
を含んだ表層部分のみが硬質であれば満足される場合の
方が圧倒的に多い。しかも場合によっては、内部はむし
ろ硬質ではなく靱性を持つことを要求される。例えば、
鉄鋼の圧延工程で使われるロールは、耐摩耗性が要求さ
れる表面は当然硬質でなくてはならないが、同時に耐折
損性も不可欠なため、内部は高い靱性が要求されてい
る。このような要求は、圧延ロールに限らず多方面から
あるため、表面硬化は重要な技術となっており、今日ま
でに種々の技術が開発されてきている。中でも、上記硬
質炭化物を皮膜として形成させる技術は、高い硬度が得
られるために数多く提案されており、例えば、「表面技
術」第４１巻（１９９０年）、第６号、第２３頁「ＣＶ
Ｄによる金型の表面処理」には、ＣＶＤ処理によって得
られたＴｉＣ膜の硬度として、ＨＶ３８００が得られた
と報告されている。
【０００４】しかしながら、皮膜として硬質層を形成さ
せる技術の共通の欠点は、皮膜と母材との界面が明確に
存在し、界面での皮膜の剥離が避けられないことであ
る。この点で界面を作らない表層改質方法であるイオン
注入法が注目される。このイオン注入法は、エネルギー
ビームであると同時に物質ビームでもあるイオンビーム
を材料に照射し、その表層内にイオンを埋め込む表層改
質方法であり、半導体製造分野において広く用いられて
いる。更に近年は、イオン源の大容量化技術の進歩と共
に、一般材料の表面高機能化技術としても注目されてい
るものである。
せる技術の共通の欠点は、皮膜と母材との界面が明確に
存在し、界面での皮膜の剥離が避けられないことであ
る。この点で界面を作らない表層改質方法であるイオン
注入法が注目される。このイオン注入法は、エネルギー
ビームであると同時に物質ビームでもあるイオンビーム
を材料に照射し、その表層内にイオンを埋め込む表層改
質方法であり、半導体製造分野において広く用いられて
いる。更に近年は、イオン源の大容量化技術の進歩と共
に、一般材料の表面高機能化技術としても注目されてい
るものである。
【０００５】各種イオンを材料表層内に注入する表面硬
化方法も報告されている。例えば、「鉄と鋼」第７１巻
（１９８５年）、第１５号、第２４頁「イオン注入によ
る鉄鋼材料の表層改質」には、Ｂ、Ｎ、Ｃｒ、Ｔｉ各イ
オン注入により、硬質表面が得られることが示されてい
る。このイオン注入による表層硬化方法の１つの問題と
して、イオンの侵入深さに依存するために硬質層の厚さ
が極めて浅いということがある。図１に示したように、
イオンの加速電圧と侵入深さとの関係は、通常用いられ
ている１００ｋＶ以下の加速電圧では、イオンの侵入深
さは０．１μｍ以下である。このことは、半導体への応
用においては多くの場合むしろ大きな利点であったが、
一般材料の表面硬化を考える場合には、他の表面硬化方
法と比して一桁以上も浅く、大きな弱点である。
化方法も報告されている。例えば、「鉄と鋼」第７１巻
（１９８５年）、第１５号、第２４頁「イオン注入によ
る鉄鋼材料の表層改質」には、Ｂ、Ｎ、Ｃｒ、Ｔｉ各イ
オン注入により、硬質表面が得られることが示されてい
る。このイオン注入による表層硬化方法の１つの問題と
して、イオンの侵入深さに依存するために硬質層の厚さ
が極めて浅いということがある。図１に示したように、
イオンの加速電圧と侵入深さとの関係は、通常用いられ
ている１００ｋＶ以下の加速電圧では、イオンの侵入深
さは０．１μｍ以下である。このことは、半導体への応
用においては多くの場合むしろ大きな利点であったが、
一般材料の表面硬化を考える場合には、他の表面硬化方
法と比して一桁以上も浅く、大きな弱点である。
【０００６】イオンの侵入深さを上げる方法は、図１か
ら容易に考えられるように、イオンビームの加速電圧を
高めることである。例えば「色材」第６２巻（１９８９
年）、第２号、第７７頁「イオンビーム発生装置−装置
の解説−」に記載されているように、高電圧加速技術の
進歩により、１ＭＶクラスのイオン注入装置が近年市販
されるようになっている。これを用いれば、イオン注入
深さ１μｍレベルが可能であるが、ＭＶ加速のための加
速器が巨大となり、装置費用が莫大なものとなること、
及びイオン注入時の母材表面の過熱が激しいため、イオ
ン注入速度が極めて低く抑えられる等、実用的な方法と
なり得ていないのが現状である。
ら容易に考えられるように、イオンビームの加速電圧を
高めることである。例えば「色材」第６２巻（１９８９
年）、第２号、第７７頁「イオンビーム発生装置−装置
の解説−」に記載されているように、高電圧加速技術の
進歩により、１ＭＶクラスのイオン注入装置が近年市販
されるようになっている。これを用いれば、イオン注入
深さ１μｍレベルが可能であるが、ＭＶ加速のための加
速器が巨大となり、装置費用が莫大なものとなること、
及びイオン注入時の母材表面の過熱が激しいため、イオ
ン注入速度が極めて低く抑えられる等、実用的な方法と
なり得ていないのが現状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の説明か
ら明らかなように、表面硬質層を形成する技術におい
て、皮膜による方法は、界面での剥離の問題を解決し得
ていないし、皮膜によらないイオン注入法は、その表層
改質深さを高める実用的な方法が現存しないといった状
況にある。
ら明らかなように、表面硬質層を形成する技術におい
て、皮膜による方法は、界面での剥離の問題を解決し得
ていないし、皮膜によらないイオン注入法は、その表層
改質深さを高める実用的な方法が現存しないといった状
況にある。
【０００８】本発明は、このような従来技術の不都合を
改善するべく案出されたものであり、その主な目的は、
鉄鋼材料の表層内に炭化物を作り込むと同時に、その内
部拡散を促進し、実用的に十分な深さの硬質層を持ち、
かつ界面の存在しない表面硬化鋼を製造し得る表面硬化
方法を提供することにある。
改善するべく案出されたものであり、その主な目的は、
鉄鋼材料の表層内に炭化物を作り込むと同時に、その内
部拡散を促進し、実用的に十分な深さの硬質層を持ち、
かつ界面の存在しない表面硬化鋼を製造し得る表面硬化
方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このような目的は、本発
明によれば、鉄鋼材料表層に硬質炭化物形成元素をイオ
ン注入によって添加した後に浸炭処理を行うことを特徴
とする表面硬化方法によって達成される。ただし、ここ
で言う硬質炭化物形成元素とは、炭素と結合して高い硬
度を示す元素であり、周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族の
元素がそれにあたり、それぞれＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆと、
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｒ、Ｍｏ、Ｗである。
明によれば、鉄鋼材料表層に硬質炭化物形成元素をイオ
ン注入によって添加した後に浸炭処理を行うことを特徴
とする表面硬化方法によって達成される。ただし、ここ
で言う硬質炭化物形成元素とは、炭素と結合して高い硬
度を示す元素であり、周期律表のIVａ、Vａ、VIａ族の
元素がそれにあたり、それぞれＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆと、
Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ及びＣｒ、Ｍｏ、Ｗである。
【００１０】
【作用】本来鉄鋼材料は、その必要とされる材料特性を
満足するように成分調整が行われているため、特定の炭
化物形成元素を多量に含有させることは、材料特性を変
えてしまうことになるので好ましくない。一方、材料の
表層にのみ任意の元素を添加する方法としてイオン注入
法があり、これを用いれば表層のみ炭化物形成元素を多
量に存在させ、材料内部の成分はそのままにしておくこ
とができる。この時、炭化物形成元素の注入量は１×１
０17ions／cm2以上であり、かつ注入元素の種類によっ
て定まる飽和注入量以下であることが望ましい。ここで
飽和注入量とは、イオン注入時のスパッタリング効果に
よって表面の注入元素が除去されるため、これ以上注入
濃度が上がらない限界の注入量を指し、鉄鋼材料への注
入においては、注入時のイオンの加速エネルギにもよる
が、Ｗで１×１０18ions／cm2、Ｃｒで１．５×１０18i
ons／cm2、Ｔｉで２×１０18ions／cm2程度である。ま
た、１×１０17ions／cm2以下では表面での炭化物形成
元素の濃度が低く、十分な量の炭化物形成が得られない
ため、所望の硬さが得られないことを理由とする。
満足するように成分調整が行われているため、特定の炭
化物形成元素を多量に含有させることは、材料特性を変
えてしまうことになるので好ましくない。一方、材料の
表層にのみ任意の元素を添加する方法としてイオン注入
法があり、これを用いれば表層のみ炭化物形成元素を多
量に存在させ、材料内部の成分はそのままにしておくこ
とができる。この時、炭化物形成元素の注入量は１×１
０17ions／cm2以上であり、かつ注入元素の種類によっ
て定まる飽和注入量以下であることが望ましい。ここで
飽和注入量とは、イオン注入時のスパッタリング効果に
よって表面の注入元素が除去されるため、これ以上注入
濃度が上がらない限界の注入量を指し、鉄鋼材料への注
入においては、注入時のイオンの加速エネルギにもよる
が、Ｗで１×１０18ions／cm2、Ｃｒで１．５×１０18i
ons／cm2、Ｔｉで２×１０18ions／cm2程度である。ま
た、１×１０17ions／cm2以下では表面での炭化物形成
元素の濃度が低く、十分な量の炭化物形成が得られない
ため、所望の硬さが得られないことを理由とする。
【００１１】注入時のイオンの加速電圧としては、５０
ｋＶ以上４００ｋＶ以下が望ましい。これは５０ｋＶ以
下であるとイオンの注入深さが浅いためにスパッタリン
グ効果によって表面の注入元素濃度が低いところで飽和
し、十分な濃度が得られないからであり、４００ｋＶ以
上であると、注入装置が大型化し、産業用プロセスとし
て実用的でなくなるためである。上記イオン注入によ
り、炭化物形成元素は表層０．１〜０．５μｍの深さに
渡って０．１％〜数１０％の原子濃度で存在する。
ｋＶ以上４００ｋＶ以下が望ましい。これは５０ｋＶ以
下であるとイオンの注入深さが浅いためにスパッタリン
グ効果によって表面の注入元素濃度が低いところで飽和
し、十分な濃度が得られないからであり、４００ｋＶ以
上であると、注入装置が大型化し、産業用プロセスとし
て実用的でなくなるためである。上記イオン注入によ
り、炭化物形成元素は表層０．１〜０．５μｍの深さに
渡って０．１％〜数１０％の原子濃度で存在する。
【００１２】次に、上記表面極表層に炭化物形成元素が
添加された鉄鋼材料に通常の浸炭処理を行うと、表面か
ら多量の炭素が侵入、拡散し、既に存在する炭化物形成
元素と結合する。これによって生じた炭化物は、更に内
部へ拡散する結果、浸炭処理の条件を適当に選ぶことに
より、表層数μｍに渡って炭化物を存在させることがで
きる。
添加された鉄鋼材料に通常の浸炭処理を行うと、表面か
ら多量の炭素が侵入、拡散し、既に存在する炭化物形成
元素と結合する。これによって生じた炭化物は、更に内
部へ拡散する結果、浸炭処理の条件を適当に選ぶことに
より、表層数μｍに渡って炭化物を存在させることがで
きる。
【００１３】
【実施例】以下に軟鋼基板を用いた本発明の実施例につ
いて詳細に説明する。基板寸法を２０×２０×５mmと
し、炭化物形成元素としてはチタンイオンを注入した。
チタンイオンの注入条件は、加速電圧７０ｋＶ、注入イ
オン量５×１０17ions／cm2とした。
いて詳細に説明する。基板寸法を２０×２０×５mmと
し、炭化物形成元素としてはチタンイオンを注入した。
チタンイオンの注入条件は、加速電圧７０ｋＶ、注入イ
オン量５×１０17ions／cm2とした。
【００１４】次に、ＣＯ約２０％、Ｈ2約４０％、Ｎ2約
４０％の組成のガス中で９００℃、２時間の浸炭処理を
行った。比較材として、チタンイオンを注入しないサン
プルについても同じ浸炭処理を行った。また、イオン注
入のみによる方法との比較を行うため、上記チタンイオ
ンを注入後、炭素イオンを加速電圧４０ｋＶ、注入イオ
ン量１×１０18ions／cm2で注入したサンプルも作製し
た。
４０％の組成のガス中で９００℃、２時間の浸炭処理を
行った。比較材として、チタンイオンを注入しないサン
プルについても同じ浸炭処理を行った。また、イオン注
入のみによる方法との比較を行うため、上記チタンイオ
ンを注入後、炭素イオンを加速電圧４０ｋＶ、注入イオ
ン量１×１０18ions／cm2で注入したサンプルも作製し
た。
【００１５】処理後の軟鋼基板の表層改質効果を調べる
ために、微小硬度計による基板表面の硬度測定を行うと
共に、グロー放電分光分析によって表層の深さ方向のチ
タンの分布を調べた。その結果、表面硬度は、本発明に
よるチタンイオン注入材についてはビッカース硬度で１
７８０、無注入材については９１０と約２倍の硬度が得
られた。なお、イオン注入のみによるサンプルでは１０
２０であった。また、グロー放電分光分析による深さ方
向のチタン分布を図２の曲線ａで示す。図２から表層約
２μｍにわたってチタンが存在していることがわかる。
更に、透過型電子顕微鏡による基板の断面観察から、こ
れらチタンは炭化物の形態で存在していることが確認で
きた。図２からチタンの分布、即ちチタン炭化物の分布
が表面から内部へと緩やかに減少しており、硬質皮膜形
成処理の場合の界面で見られるような急激な硬度の低下
はないことが分かる。
ために、微小硬度計による基板表面の硬度測定を行うと
共に、グロー放電分光分析によって表層の深さ方向のチ
タンの分布を調べた。その結果、表面硬度は、本発明に
よるチタンイオン注入材についてはビッカース硬度で１
７８０、無注入材については９１０と約２倍の硬度が得
られた。なお、イオン注入のみによるサンプルでは１０
２０であった。また、グロー放電分光分析による深さ方
向のチタン分布を図２の曲線ａで示す。図２から表層約
２μｍにわたってチタンが存在していることがわかる。
更に、透過型電子顕微鏡による基板の断面観察から、こ
れらチタンは炭化物の形態で存在していることが確認で
きた。図２からチタンの分布、即ちチタン炭化物の分布
が表面から内部へと緩やかに減少しており、硬質皮膜形
成処理の場合の界面で見られるような急激な硬度の低下
はないことが分かる。
【００１６】他方、イオン注入のみによるサンプルでの
チタンの深さ方向の分布を図２の曲線ｂに示す。チタン
の濃度が０．１％を越える領域は、本発明による場合の
曲線ａに比して著しく浅く、０．３μｍ程度にとどまっ
ている。
チタンの深さ方向の分布を図２の曲線ｂに示す。チタン
の濃度が０．１％を越える領域は、本発明による場合の
曲線ａに比して著しく浅く、０．３μｍ程度にとどまっ
ている。
【００１７】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の表
面硬化方法によれば、実用的に十分な深さの硬質層を持
ち、かつ界面の存在しない表面硬化鋼を製造することが
できる。その結果、従来、皮膜の剥離のために、または
硬化深さが浅いためにその適用が制限されていた表面硬
化鋼の適用範囲を大きく広げることができるようになる
等、その効果は極めて大である。
面硬化方法によれば、実用的に十分な深さの硬質層を持
ち、かつ界面の存在しない表面硬化鋼を製造することが
できる。その結果、従来、皮膜の剥離のために、または
硬化深さが浅いためにその適用が制限されていた表面硬
化鋼の適用範囲を大きく広げることができるようになる
等、その効果は極めて大である。
【図１】イオン注入におけるイオンの加速電圧と侵入深
さとの関係を示すグラフ。
さとの関係を示すグラフ。
【図２】本発明の一実施例の結果として、表面硬化させ
た軟鋼基板の深さ方向のチタンの分布を示すグラフ。
た軟鋼基板の深さ方向のチタンの分布を示すグラフ。
Claims (1)
- 【請求項１】 鉄鋼材料表層に硬質炭化物を形成させて
耐摩耗性を向上させる表面硬化方法において、 硬質炭化物形成元素をイオン注入によって表層に添加し
た後に浸炭処理を行うことを特徴とする表面硬化方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9826394A JPH07278783A (ja) | 1994-04-11 | 1994-04-11 | 表面硬化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9826394A JPH07278783A (ja) | 1994-04-11 | 1994-04-11 | 表面硬化方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07278783A true JPH07278783A (ja) | 1995-10-24 |
Family
ID=14215068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9826394A Withdrawn JPH07278783A (ja) | 1994-04-11 | 1994-04-11 | 表面硬化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07278783A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003096577A (ja) * | 2001-09-21 | 2003-04-03 | Citizen Watch Co Ltd | 表面硬化材料とその製造方法 |
| KR100393524B1 (ko) * | 2000-05-06 | 2003-08-06 | 국방과학연구소 | 텅스텐계 중합금의 표면개질 방법 |
| JP2012184762A (ja) * | 2011-02-28 | 2012-09-27 | General Electric Co <Ge> | ガス化システムに使用するポンプ |
| CN108179375A (zh) * | 2018-01-30 | 2018-06-19 | 哈尔滨工程大学 | 合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法 |
| CN109735796A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-05-10 | 哈尔滨工业大学 | 一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法 |
| CN110172647A (zh) * | 2019-07-15 | 2019-08-27 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种合金钢真空渗碳的预处理方法、真空渗碳方法和合金钢 |
-
1994
- 1994-04-11 JP JP9826394A patent/JPH07278783A/ja not_active Withdrawn
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100393524B1 (ko) * | 2000-05-06 | 2003-08-06 | 국방과학연구소 | 텅스텐계 중합금의 표면개질 방법 |
| JP2003096577A (ja) * | 2001-09-21 | 2003-04-03 | Citizen Watch Co Ltd | 表面硬化材料とその製造方法 |
| JP2012184762A (ja) * | 2011-02-28 | 2012-09-27 | General Electric Co <Ge> | ガス化システムに使用するポンプ |
| US9909217B2 (en) | 2011-02-28 | 2018-03-06 | General Electric Company | Pump used in gasification system |
| CN108179375A (zh) * | 2018-01-30 | 2018-06-19 | 哈尔滨工程大学 | 合金钢材表面真空渗碳与离子注入复合强化处理方法 |
| CN109735796A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-05-10 | 哈尔滨工业大学 | 一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法 |
| CN109735796B (zh) * | 2019-03-15 | 2020-11-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法 |
| CN110172647A (zh) * | 2019-07-15 | 2019-08-27 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种合金钢真空渗碳的预处理方法、真空渗碳方法和合金钢 |
| CN110172647B (zh) * | 2019-07-15 | 2021-02-12 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 一种合金钢真空渗碳的预处理方法、真空渗碳方法和合金钢 |
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