JPS5827974A - 硬質被膜被覆法 - 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】 本発明は、耐摩耗性、耐酸性、耐食性全向上させるだめ
の炭化物、窒化物あるいは酸化物などの硬質被膜を基体
表面に形成する表面被膜被覆法に関するものである。

金属、合金、超硬合金、セラミックス等の基体表面に上
記特性の優れた高融点化合物の被膜を形成し＼耐摩耗性
等を向上させる方法としては、従来より化学蒸着法（以
下ＣＶＤ法と略称する）および物理蒸着法（以下ＰＶＤ
法と略称する）が知られている。

ＣＶ　Ｉ）法による高融点化合物の被覆は特に超硬合金
の切削工具に実用化されておシ、チタンの炭化物、窒化
物、またはアルミナ等の単層あるいは多重層を表面に形
成して工具寿命全太幅に向上している。ＣＶＤ法は主に
金属のハロゲン化物を高温に加熱された被処理物に接触
させ、１￥”Ｉ　（ｉｉＷ気相反応により表面に硬質被
膜を形成させる方法であるが、熱処理により機械的性質
全付与して使用する合金鋼等では、本来の材料特性を得
るためにばＣＶＤ処理１汝、角び加熱して熱処理を行な
うだめの後工程を必要とする。丑たＣ　Ｖ　Ｉ）による
硬質被膜の形成は、例えばＴＩＣ被族被膜表的な例を示
すと、Ｈ２、Ａｒ等のキャリヤーガスによってＴｉｃｔ
４は９００〜１２００Ｃに加％、ｑされた基体」二へＣ
Ｈ４，、Ｃ３Ｈ５等の炭化水素ガスと共に送り込丑れる
。炉内では柚々の反応が起こっているが、ＴｉＣ被覆に
寄与している主たる反応は、ＴｉＣＡ、　−１−Ｈ，、
→ＴｉＣ４２＋２１１ＣＡ　　　・＝団−（１）’ｒｒ
ｃｔ、、　十ＣＨ，→’Ｊ”　ｉｃ−＋−２ｏｃｔ＋ｔ
ｒ２　＝−・・−（２）の反応であろうと推定される。

これらの反応により基体表面にＴｉＣが形成されるが、
ＴｉｃのＣは、導入された炭化水素ガスからのＣの他に
、基体衣■近傍のＣも′ｖｉＣ形成に寄与−ｒることか
知られている。それは式（２）で生成するＴｉｃが完全
なＴＩＣでなくＣ不足のものが析出されるために、基体
光面近傍のＣが被覆層側に拡散するためである。しかし
、Ｃの拡散のために基体表面のＣは低下し、基体自身の
機械的性質等の変化を生ずる結果となる。超硬合金の場
合には、ＣｖＤによるＴｉＣ被膜後の断面全観察すると
、ＴｉＣ層と母材との中間に脱炭層がみられ、これはＣ
不足となっだＷＣが結合材のｃｏと結合し脆いη相（Ｗ
３ＣＯ３Ｃ）が生ずる。この現象は他の材質、例えば低
合金鋼でも同様であり、表面のＣ不足による焼入れ能の
低下等により、基体の機械的性質等の低下となる。しか
し、基体表面近傍のＣの拡散は、１ｆ！質被膜と基体と
の密着性の向上に大きく寄与しており、基体にＣが少な
い材質では密着性が低下する結果となる。

本発明の第１の目的は、ＣＶＤ処理後、再び加熱する熱
処理を行なうことなく、ＣＶＤ処理後の冷却操作によっ
て硬質被膜が被覆される基体の本来の材料特性を得るこ
とができる硬質被膜被覆法を提供することである。

本発明の第２の目的は、上記第１の目的の他に更にＣＶ
Ｄ処理による硬質被膜と基体との密着を改善することが
できる硬質被＋ｊｒｔｉ被覆法を提供することにある。

本発明の第１は、ＣＶＤ法によシ硬質被膜を形成した後
、脱入れ効果が現われる温度から強制冷却することによ
って、」−記第１の目的を達成せしめたものである。

本発明の第２は、ＣＶＤ法により硬質被膜を形成する前
に、減圧された容器内でイオン衣面処理によって浸炭層
、窒化層または浸炭窒化層のいずれかを形成し、□次い
でＣＶＤ法による硬質被膜形成後、焼入れ効果が現われ
る温度から強制冷却することによって、上記第２の目的
を達成せしめたものである。

以下、添付図面に示す実施例によって本発明を説明する
。

第１図（８）において、反応容器１の上部壁に冷却ファ
ン２が取付けられ、この冷却ファン２の外側に制風板３
が設けられている。なお、図中４は被処理品である。本
装置では常法にしたがって、被処理品４がＣＶＤ法によ
り硬質被膜が形成され、その後直ちに冷却用ガス導入口
５から冷却用ガスが導入され、冷却ファン２０回転およ
び制風板３により冷却ガスを循環させて被処理品４は焼
入れ効果が現われる程度の冷却速度で強制冷却される。

第１図ａ′３）において、被処理品４にＣＶＤ法により
硬質被膜が形成され、その後直ちにしきり弁７が開放さ
れ移動装置８の作動により被処理品４は支持台と一体と
なって冷却室６内に移動し、ここで冷却用ガス導入口５
から供給される冷却用ガスによって強制冷却される。

第１図０において、冷却用ガスは冷却用ガス熱交換器９
で冷却され、循環させることによって連続的に被処理品
４を強制冷却するようになっている。

第１図（至）において、被処理品４にＣＶＤ法による硬
質被膜が形成された後、直ちにしきり弁１０が開放され
被処理品４は移動装置１１によって搬送された後、油冷
却部１２に浸漬される。

第１図（４）〜第１図（Ｑにおいて、冷却用ガスとして
は、Ｎ　２１　ＩＩ　ｅ、　Ａ、　ｒ等の不活性ガスを
挙げることができ、特に液体窒素ガスが有効である。

このように、第１口端）〜（Ｄ）に示す装置ｉｄ：、Ｃ
ＶＤにより硬質被膜を形成した後、連続して強制的な冷
却を行なうことができる。この効果の１つは特に基体が
馬入れ硬化して機械的性質を向−１ニする鋼に有効であ
る。超硬合金の場合は必要ないが、構造用合金鋼や合金
工具鋼等の場ａは連続して焼入れる効果は大きい。本装
置を用いないＣＶＤでは、これらの鋼種はりらたな焼入
れ工程を必要とし、再加熱による屯力孕要することとな
る。他の効果は、ＣＶＤの多くの場曾、硬質液）摸と基
体との熱膨張係数の差が太きいだめ、冷却中に硬質被膜
が剥離することがあるが、適切な冷却速度を選択し、冷
却速度を制御することにより、との問題は解決される。

なお、第１図の）の場曾、第１図（５）に示す装置より
速い冷却速度が得られ、第１１ン１０に示す装置では最
も迷い冷却速度を得ることができる。したがって、これ
らの装置のどれを選択するかは被処理品の材質を検討し
なければならない。即ち、空気焼入れが可能な材質、例
えば合金工具鋼のＪＩＳ規格５ＫＤ−６１や５ＫＤ−１
１の場合は装置ｗ〜０で焼入れ出来るが、他の低合金鋼
の材質の場合は油冷却可能な装置（２）の選択が必要と
なる。また、硬質被膜の剥離防止を目的とする冷却速度
の制御は装置（イ）〜（Ｑのいずれでも可能であり、冷
却用ファンの回転数、冷却用ガス体の導入量の制御、ま
たは室内のガス体の訛れ全変更可能な制風板の設置によ
シ可能で、硬質被膜および基体となる材質により適切な
冷却速度の選定が必要である。また、ＣＶＤ用のガスは
腐食性ガスであることが多いため、炉内壁は耐食性を有
する材質とすることが必要である。なお、別室で冷却す
る装置０３）、ＣＤ）については、その構造が縦型、横
型のいずれでも可能であることは熱論のことであシ、被
処理品の個順等により選択される。

ここで、基体（被処理品）に形成される硬質被膜は、Ｓ
ｉ、Ｂおよび周期律表の４ａ族金属、５ａ族金属、およ
び６ａ族金属から選ばれた金属（９） の酸化物もしくは窒化物、才たばＡ、ｔもしくはＣｒの
酸化物を化学的に気相成長をさせたものである。

第２図において、処理治具２０にガス冷却で焼入れ可能
な材質から成る被処理品２１が設置され排気系２２によ
り容器２３は約１Ｏ−１ＴＯｒｒ以下に減圧され、処理
用ガス導入部２４から適宜処理ガスが導入される。容器
２３内のガス圧はガス圧制御系２５によって、例えば０
５〜２０ＴＯｒｒに制御される。次に電極２６と電極脱
着部２７および処理治具２０を介して電気的に恢絖され
る被処理品２１を陰極とし、これに対向する炉体２８を
陽極として両極間に２００Ｖ〜８　Ｋ、　Ｖの１１流屯
圧が印加され、両極間にグロー放電が形成される。この
時の処理適度は、温反制御系２９によって、４００〜７
０（Ｉ’に制ｔｉｆｆＩされイオン表面処理によって、
被処理品２１に浸炭層、窒化層寸たは浸炭窒化層が形成
される。

ここで処理用ガス導入部２４から導入されるガスは、窒
化層を得る場合、Ｎ源として窒素ガス（１０） ＮＨ３、浸炭層の場合、Ｃ源としてＣＩＩ、。

Ｃ３Ｈ５、Ｃ４Ｉ−１１０、Ｃ２■−Ｉ２　、　Ｃ２１
１４またけＣ２ｉ−Ｉ　、等の炭化水累系ガスが用いら
れ、浸炭窒化層を得る場合、窒素ガスまたはＮ　Ｉ−１
３および炭化水素系ガスが用いられる。また、いずれの
層を得る場合にも希釈ガスとしてｌ−１２，Ａ　ｒ　、
　Ｈｅのいずれが一種以」二が用いられる。そして炉内
のプラズマ反応によってイオン化された窒素イオンや炭
素イオンが基体（被処理品）の成分と反応して基体表面
に１μ〜１ｍ＋ｎ程度の浸炭層、窒化層または浸炭窒化
層が形成される。

次いで容量２３内は温反制御系２９によってＣＶＤ処理
温度である４ｏｏｃ〜１２ｏｏｃに昇温され、ガス光生
装置３０から処理用ガス導入部２４を経てＣＶＤ処理用
ガスが導入きれる。すなわち前記のイオン表面処理面に
ＴｉＣ被膜を形成する場合、ｌ−１２，ＣＨ４および蒸
発サセ；ＴｈＴｉＣＺ。

ガスが所定の割合で炉内に導入され、１μ〜数十μのＴ
ｉＣ被膜が形成される。

ＣＶＤ処理が完了した後、処理室３１と同様に（１１） 既に真空排気された冷却室３２とは等圧力とされ、しき
り弁３３を開７１）れて処理治具２０ｄ：電着脱着部２
７から離脱し、移動装＋ｆｌＣ３４に、Ｊ：って冷却室
３２に移動する。その後、しきり弁３３が閉じられ、ガ
ス元生装置３０から冷却用ガス導入部３５を経て冷却室
３２内に冷却用ガスが導入され、冷却用ファン３６によ
って被処理品′２１は強制的に冷却される。これによっ
て基体の焼入れが完了する。なお、第２１／１中３７は
イオン匍１針系、３８は排気トラップである。

本実施ＩＺＩＪによれば、基体面に１ｌ１１１疲労性に
優れた浸炭窒化層が形成され、この浸炭窒化層面上に而
・１摩耗性に優れた７１０層が形成されているので基体
と硬質被膜との密層性に優れ、基体（〜旧）の跣入れも
同時に行なわれる。この後、処理品は焼戻しを行なって
使用されるが、焼入れ焼戻しによるＴｉＣの剥離は発生
しない。また第２図に示す装置では、Ｉ−１□、　Ｎ２
．　Ａ、　ｒ　、　Ｆｉｅ等の不活性ガス音用い、直流
グロー放電により被処理物全クリーニングした後、ＣＶ
Ｄ処理にすることもできる。

（１２） 第３図において、第２図と異なる点は被処理品２１から
所定の距離をおいて陰極側に補助電極３９が設置されて
いることである。したがって、第３図において、第２図
と同一部分は同一符号で示している。

第３図においては、ホローカソード効果（）Ｉｏ　Ｉ　
ｌｏｗ−Ｃａ　ｔｈｏｄｅ　−Ｅｒ　ｆｅｃｔ　）を利
用して短時間に被処理物の全体、まだは部分的に加熱を
行なってＣＶＤ処理を施した後、連続して冷却する。

あるいは、イオン人血処理をし、基体表面に窒化層、浸
炭窒化層、または浸炭層を形成した後、ＣＶＤｔ行ない
、最表面に硬質被膜を形成することができる。ここで捷
ず、ホローカソード効果について説明する。

被処理品の表面温度を効率よく高くするかあるいは部分
的に適切な温度に加熱する方法は外部熱源による方法等
も可能であるが、被処理品金属材料とほぼ同電位の補助
電極を、被処理品表面から所定の距離をおいて陰極側に
配設し、容器中に導入するガスの圧力を制御することに
よシ補助電極（１３） と被処理品の間あるいは補助陰極内でホローカソード放
電ヲ発生させて処理を行なう。ここで、被処理品の熱の
収受は、グロー放電エネルギーの熱交換、被処理品間や
電極等からの輻射熱であり、熱放出による熱損失は輻射
熱、処理ガスの対流、電流からの熱伝導（電極の冷却水
からの流出）等がある。この要因の中で被処理品の必要
な部分を所定の温度に加熱するのに利用できるものは、
補助の陰極と被処理品間の輻射熱等である。これは陰極
間隔を一定間隔とし、導入ガス圧力を所定の値に設定し
て、２つの陰極間隔めるいは陰極と被処理品間でホロー
カソード放’ｅｌｆ、　ｋ　）’＆こさせて他のグロー
而よりも祇流密度を旨くさせることにより実現できる。

また、被処理品（陰極）で部分的に他とは異なる伝能を
付与したい表面部分であればこれとほぼ同電位の対同補
助電極を設置する。この部分の被処理品表面はこの補助
電極間あるいは陰極と被処理品との間でホローカソード
放電等により加熱および保温される。この場合、被処理
品と補助電極（１４） および補助陰極間のガスの電離密度も増加され、目的と
する拡散する活性な原子との表面反応も活発となる。こ
の現象を効果的に行なうだめには、被処理品表面から補
助電極丑での距離あるいは補助陰極内の間隔およびガス
の組成に応じたガス圧力の設定が重要な因子になる。ま
た、被処理品表面から補助電極までの距離あるいは補助
陰極内の間隔は、ガス圧力によっても異なるが、被処理
品および配設された補助電極とに生じる負グローが何ら
かの相互作用をおよぼしてホローカソード放電全発生し
なければ目的とする効果は発生しない。

これは、ガス組成およびガス圧によって負グローの幅が
異なりこれがホローカソード放電に強く影響するからで
ある。更に、これらと密接な関係にある補助陰極の形状
および構造も重要な因子となる。ホローカソード効果を
発生させるための彼処」１１品と補助電極との間隔は０
．１〜５０陥の距離が有効であるが、放電状態や温度の
調整のし易さから、約５〜２５ｍ＋＋＋が特に好適であ
る。

このようなホローカソード効果を生じさせるた（１５） めの補助電極の設置例を第４図お」：び第５図に示す。

第４区において、彼処ｆ３ｐ品２１の周囲に一定の間隔
をおいて放電空間を形成するように補助電極３９Ａが配
置されている。第５図においては、被処理品２１の周囲
に一定の間隙をおいて所定形状の開口部ｒ有する補助電
極３９Ｂが配置され、部分的に表面処理を行なうことが
できる。

補助電極の配置によって、ホローカソード効果を生じさ
せる条件下で被処理品の必要な部分を所定の温度に加熱
し、ＣＶＤ処理することによって被処理品に硬質被膜を
形成、次いで第２図と同様な操作で被処理品を冷却室３
２で強制冷却することができる。また、補助電極の配置
に」＝つて、ホローカソード効果を生じさせる条件下で
彼処ＪＪｊ品の必要な部分全所定の温度に加熱してイオ
ン表面処理し、次いでＣＶＤ処理し、次いで第２図と同
様な操作で阪処理品を冷却品３２で強制冷却することが
できる。なお、第２図および第３図に示す装置の冷却室
３２の代わりに、第１図（Ａ）、　（Ｃ）、　（ｒ））
（１６） における冷却手段全採用することも可能である。

要は被処理品の材質によって冷却手段を設定すればよい
。

実施例１ 空気焼入れ可能な熱間工具鋼（ＪＩＳ　　５ＫＤ−６１
）のＡ７ダイカスト中子ピン４０全第６図にに示すよう
にピン４０と補助電極４１との間隔ｔ＋　　１　　”２
　ｋそれぞれ１５＋＋＋＋＋＋とじ、ビン４０同士の間
隔１３’（ｚ２０ｍｍとして第３図に示す装置の処理治
具２０に設置した。昇温はＡｒガスを用いてガス圧２Ｔ
Ｏｒｒで行なった。昇温後、メタンと水素ｉｃＨ，／ｌ
−Ｉ２二６の割合で導入して浸炭処理を行ない、約２０
μの浸炭層を形成した後、容器２３内全Ｈ２のみの雰囲
気とした。次に、’ｒｉｃｔ。

を蒸発器より蒸発させＩＷ％Ｔｉｃｔ、、９Ｗ％（ｊ−
Ｉ、　、　９０　Ｗ％Ｉ工、のガス雰囲気とし、ガス圧
を４０’１’ｏｒｒとし”？ｌＴ１．０２０ｔｒＸ３　
ｈ　ｒ（７）ＣＶＤによるＴｉＣ被覆を行なった。その
後、処理室３１と冷却室３２とを等圧力とし、しきり弁
３２を開き、移動装置３４にて被処理物および治具を冷
却室（１７） ３２へ移動し、しきり弁３３を阿び閉じた後、液体窒素
ガスを冷却室３２へ導入し、冷却ファン３６にて被処理
物のＮ２ガス冷却による焼入れを行なった。その後別炉
にて６０００の焼戻しを行ない５ＫＤ−６＋である中子
ピンの母イ」硬さを約ＨＲＣ４７°とし、その断面を研
摩して硬さ分布、および炭素濃度のＥＰＭＡによる分析
を行なった。

その結果を第７１％ｌに示す。硬さ分布針に最表面から
約２０μ炭素が浸入しているため、その利点の硬さは向
上している。最表面には５μの均一なＴ゛ｉＣ膜が形成
されており、その硬さにＪゴＩｖ　２Ｂ００〜３５００
であり、金属顕微鏡１睨祭でも非常に緻密で母材との密
層状態もよく、異常析出物等の欠陥は見られなかった。

炭素は最表面より２０μまで譲匿分布が見られ、母材の
０．３８％から約０．７５％までの変化がめった。この
中子ピンを実１５ＡのＡ、ｔダイカスト型に挿入してダ
イカスト’を行なったところ、従来の窒化処理のピ／に
対して約３倍のノｆ命延長が図れた。

実施例２ １１Ω） ＪＩＳ　　５Ｊ（Ｄ−１１のＡｔ温間鍛造用パンチ４２
と第８図に示すようにこのパンチ４２の側面形状に対応
させた補助電極４３とを２０ｍｍの間隔をもって配置さ
せるようにして第３図の処理治具２ｏに設置した。

処理工程は実施例１と同様であるが、ｃＶＤの条件を１
０２０ｔＺ’Ｘ　６　ｈ　ｒとし’、’ｒｉｃ＊ｄの厚
さ全８μとした。処理後のパンチ表面の硬さ分布と炭素
濃度全第９図に示す。その結果、実施例１と同体な挙動
を示し、金属顕微鏡による観察でも良好な組織であった
。このパンチを用いて実際の温間鍛造を行なったところ
、従来の窒化処理のパンチの寿命が約３０，０００シヨ
ツトであるのに較べ本処理のパンチは約１２０，０００
　　ショットと犬１陥な寿命向上（ｉｌ−区することか
出来た。

以」二のように本発明によれば、基体のＣＶＤ処理後、
再び加熱処理することなく、ＣＶＤ処理後に４ｙｇして
行なわれる強制冷却によって基体の焼入れを行なうこと
ができ、また、ｃｖＤ処理による７質被膜と基体との密
着性とをイオン衣面処理（１９） による中間層によって改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ＣＡ）、　（Ｉ３）、　（Ｃ１，ＣＤ）はそれぞ
れ本発明を実施するだめの装置の一例を示す概略的構成
図、第２図および第３図はそれぞれ本発明を実〃１封す
るだめの装置の他の例を示す装置の概略的１１１Ｔ成図
、第４図および第５図はそれぞれ被処理品に対する補助
電極の配置状態を示す一↑面図、第６図は実施例１にお
ける被処理品（中子ピン）と補助電極との配置状ｊ法を
示すＩｉ”ｌ切回、第７図り：ｉ実施例１における処理
品断面の硬さ分布と炭素分布濃度との分析結果を示す１
メ１、第８図は実施例２における被処理品（パンチ）と
補助電極との配置ｄ状態を示す説明図、第９図は実施例
２における処理品断面の硬さ分布と炭素濃度との分析結
果を示す図である。 １・・・反応容器、２・・・冷却ファン、３・・・制風
板、４・・・被処理品、６・・・冷却室、７・・・Ｉ〜
きり弁、９・・・熱交換器、２０・・・処理治具、２１
・・・被処理品、２４・・・処理用ガス導入部、２６・
・・電極、２８・・・炉体（陽極）、３１・・・処理室
、３２・・・冷却室、３３・・・（２０） しきり弁、３４・・・移動装置、３６・・・冷却用ファ
ン、（２１） 第　　１　　図 第　　２　　図 第　　３　　図 第４図 第　Ｓ　図 某　　　ろ　　　　図 第　７　図 不血力・らり距離（ｖｔ、）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 】、基体面に高融点化合物の複膜全化学蒸着処理によっ
   て形成後、焼入れ効果が現われる温度から強制冷却する
   ことを特徴とする硬質波ノ莫被覆法。 ２、篩画点化合物が、Ｓｊ、Ｂおよび周期律表の４３族
   金属、５ａ族金属および６ａ族金属から選ばれた金属の
   炭化物もしくは窒化物、筐たはＡ、ｔもしくはＣｒの酸
   化物であること全特徴とする硬質被膜被覆法。 ３、強制冷却が、基体の化学蒸着処理を行なう反応室内
   で行なわれることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の硬質被膜被覆法。 ４、強制冷却が、基体の化学蒸着処理を行なう反応室に
   連設された室内で行なわれることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の硬質被膜被覆法。 ５、強制冷却が、不活性ガス雰囲気中で行なわれること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の硬質被膜被覆
   法。 ６６強制冷却が、冷却用オイル中で行なわれることを特
   徴とする特許８ｊｙ求の範囲第１項記載の硬質被膜被覆
   法。 ７、化学蒸着処理時、ホローカッ−ド放電効果を生じさ
   せるようにしてグロー放電処理することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の硬質被膜被覆法。 ８、基体面にイオン表面処理によって浸炭層、窒化層ま
   たは浸炭窒化層のいずれを形成し、その層上に制融点化
   会物の被覆を化学蒸着処理によって形成した吹、焼入れ
   効果が現われる温度から強制冷却すること全特徴とする
   硬質板ノ臭被覆法。 ９、高融点化合物が、ｓｉ、ｎおよび周期律表の４３族
   金属、５ａ族金属、および６ａ族金属が選ばれた金属の
   炭化物もしくは窒化物、またＦｉＡｔもしくはＣｒの酸
   化物であること全特徴とする特許請求の範囲第６項記載
   の硬質被膜被覆法。 １０、強制冷却が、基体の化学蒸着処理を行なう反応室
   に連設された室内で行なわれることを特徴とする特許請
   求の範囲第６　ＪＡ記載の硬質被膜被覆法。 １１、イオン表面処理時、ホローカソード効果を生じさ
   せるようにしてグロー放電処理することを特徴とする特
   許請求の範囲第６項記載の硬質被膜被覆法。