JPS62222067A

JPS62222067A - セラミツクスが被着された部材の製造方法

Info

Publication number: JPS62222067A
Application number: JP6323386A
Authority: JP
Inventors: Mutsuki Yamazaki; 六月山崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-20
Filing date: 1986-03-20
Publication date: 1987-09-30

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】［発明の目的コ（産業上の利用分野）この発明は、高速で奢動する部材等に好適のセラミック
スが被着された部材の製造方法に関する。

（従来の技術）例えば、コンプレッサのシャフト、エンジンのカムシャ
フト、レーザプリンタのレーザスキャナ及びプリンタの
ガイドレール等のように、高速で摺動を受ける部材は、
摩耗しやすく、この高速被摺動部材の摩耗が装置の寿命
及び性能に大きな影響を及ぼしている。このため、この
ような高速被摺動部材には、高速度鋼及び超硬合金等の
硬くて摩耗し難い材料が使用されている。しかし、これ
らの材料は、材料費及び加工費が高いために、コストが
高くなることを回避せざるを得ない場合には、鋳鉄又は
快削鋼等の比較的低廉な材料を使用し、その表面を硬化
させたり、潤滑性を付与する等の対策がとられている。

また、ＴｉＮ及びＴｉＣ等の高硬度のセラミックスを被
覆して切削工具の耐摩耗性を向上させた技術も提案され
ている。

（発明が解決しようどする問題点）しかしながら、表面硬化処理には焼入れがあり、潤滑性
付与処理にはタフトライド処理、バーコ処理又は黒染め
二硫化モリブデンの塗布処理等があるが、いずれの処理
をした場合でも、高加重が印加され、且つ、高速回転す
る苛酷な条件下では、充分な耐久性を得ることができな
い。

また、焼き入れ及びタフトライド処理においては、処理
温度が５００℃以上と高いので、処理中に母材の変形が
生じるおそれがあり、高い寸法精度を要求される部材に
はこれらの処理を適用することができない。

更に、ＴｉＮ又はＴｉＣ等のセラミックスは、熱ＣＶＤ
又はプラズマ溶射等で金属製の母材に接−五着性よく被脅され得るが、熱ＣＶＤの場合には処ればな
らず、加工費が高いという不都合がある。

これに対し、プラズマＣＶＤ、スパッタリング叉点があ
る。

この発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、
母材に対する接着性が高く、母材の変形が抑制され、低
コストで生産することができ、耐摩耗性が優れているセ
ラミックスが被着された部材の製造方法を提供すること
を目的とする。

［発明の構成コ（問題点を解決するための手段）この発明に係るセラミックスが被着された部材の製造方
法は、鉄を主成分とし炭素を０．０５重量％以上含有す
る母材に少なくともアルゴンを含有するガスのプラズマ
雰囲気下で前処理を施し、次いで、セラミックス層を母
材の上に形成することを特徴とする。

（作用）本願発明者は、鉄を主成分とした母材にセラミックス層
を接着性良好に形成すべく種々検討した結果、炭素を含
有する母材に少なくともＡｒを含有するガスのプラズマ
雰囲気下で前処理を施すことにより、このような要求を
充分満足することを見出した。このような前処理により
、母材表面に母材よりも炭素を高濃度で含有する中間層
が形成され、この中Ｃ一層の炭素濃度が高い程セラミツ
性は、母材と中間層との含有成分が類似している場合に
良好となる。本ｌＩＲ明は、このような研究結果に基い
てなされたものである。この場合に、母材の炭素濃度が
０．０５重量％以上であるから炭素を高濃度で含有する
中間層と母材との一体性が良い。なお、このように本願
発明においては、母材は鉄の他に炭素を含有しているこ
とが必要であり、生産性を考慮すると、母材にはｖ！造
物を使用することが好ましい。

なお、セラミックス層を構成する材料としては、耐摩耗
性が高いものであれば使用することができ、このような
セラミックスとしては、窒化珪素（ＳｉＮ）、炭化珪素
（ＳｉＣ）、炭窒化珪素（ＳＩＣＮ）、酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、
炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化硼素（ＢＮ）　、炭化
硼素（ＢＣ）、炭窒化硼素（ＢＣＮ）、アルミナ（Ａ　
Ｑ２０３　）　、又ハ、炭化タングステン（ＷＣ）等が
ある。これらのセラミックスは、スパッタリング、イオ
ンブレーティング、プラズマＣＶＤ等の方法により製造
することができるが、母材との接着性及び一層の低温処
理が可能という点を考慮すると、プラズマＣＶＤが好ま
しい。

（実施例）以下、添附の図面を参照してこの発明の実施例について
説明する。この実施例に使用するセラミックスが被着さ
れた部材は、以下のようにして製造される。先ず、鋳鉄
又は快削鋼等のブロックからロータリコンプレッサのシ
ャフト又はプリンタのキャリッジガイド等の所定の形状
に加工成形して母材を得る。次いで、この母材の表面を
Ａｒガスを含有するガス中でプラズマ処理して母材の表
面に母材よりも高炭素濃度の中間層を形成する。

その後、ＳｉＮ等のセラミックスを母材の表面にコーテ
ィングする。このようにして製造されたシャフト又はキ
ャリッジガイドは、鉄を主成分とする母材の表面がＳｉ
Ｎ等のセラミックスで被着されている。このため、この
ような部材に摺動部材が高速で摺動しても、摩耗が抑制
される。

次に、第１図及び第２図を参照して、この実施例に係る
セラミックスが被着された部材の製造方法について、プ
ラズマ処理時間を例にとって説明する。円筒状の反応室
１は適宜の支持台上にその軸方向を鉛直にして支持され
ていると共に、絶縁体２を介して電気的に浮かせである
。反応室１内は、メカニカルブースタポンプ及び油回転
ポンプ（図示せず）等により排気され、約１０−３　ト
ルの真空度に保持されるようになっている。反応室１内
には、ガス導入口３を介して種々の原料ガスが導入され
る。円筒状の電ｔ４ｉ４が反応室１内にその周壁に対し
て同軸的に設置されており、反応室１と同一の電位に設
定されている。この電極４には、複数個のガス通流孔（
図示せず）が開設されていて、ガス導入口３を介し反応
室１内に導入されたガスは、電極４のガス通流孔を通過
して反応室１の中心部にほぼ均一に供給される。円筒状
のシールド５は接地されており、反応室１を囲むように
配設されている。

反応室１の中心には、円筒状の母材１ｏが、その軸方向
を鉛直にして電極４の軸心に配設されている。反応ｖ１
の天板上には、絶縁体２を介して支持部材１１が設置さ
れており、母材１０はこの支持部材１１に懸架されて反
応室１内に装入されている。母材１０は、その中心部に
、抵抗発熱線のヒータ１２が挿入されている。このヒー
タ１２は′１１源１３に接続されており、電源１３から
給電されて発熱し、母材１ｏを加熱するようになってい
る。第１図においては、母材１０及び支持部材１１が、
マツチングボックス１５を介して高周波電源１４が接続
されており、第２図においては、マツチングボックス１
５が反応室１に接続されていて、反応室１に高周波電力
が印加されるようになっている。このように、第１図及
び第２図に示すように、母材１０又は反応室１に高周波
電力が印加され、母材１０と反応室１との間に、プラズ
マ放電が生起される。

このように構成される８置により、先ず、母材の表面を
Ａｒ含有ガス雰囲気下でプラズマ、処理する。つまり、
第１図に示すように、マツチングボックス１５と支持部
材１１とを接続すると共に、反応室１内を約１０−３ト
ルに排気する。そして、ポンプによる排気を継続しつつ
、ガス導入口３を介して２００ＳＣＣＭのＡｒガスを反
応室１内に導入し、反応室１内を、例えば、１１・ルの
圧力に調節する。次いで、電源１３からヒータ１２に電
力を供給してヒータ１２を発熱させ、母材１０を１５０
乃至３００℃に加熱する。その後、母材１０に３００Ｗ
の高周波電力を印加して、電１１４と母材１０との間に
プラズマを生起させる。このプラズマ処理時間は、例え
ば、約３０分間である。

このプラズマ処理によって母材中に島状に含有される炭
素が一旦たたき出され、次いで、この炭素原子が母材の
表面の鉄原子と反応して母材の表面に母材よりも高炭素
濃度の中間層が形成される。

プラズマ処理後、オージェ光電子分光により分析　−し
たところ、炭素を高濃度で含有する中１！ｆｌｉｔが、
表面より５０人乃至２０００人程度形成されているのが
観測された。このような中間層を形成するためには、母
材中に炭素を含有していることが必要である。第１表に
、母材の種類による中間層の形成状況を示す。

第１表表中×は中間層が存在しなかったもの、Δはある程度中
間層が認められたもの、Ｏは中間層が良好に形成された
もの、◎は中間層が極めて良好に形成されたものを示す
。これによれば、炭素８１度が０．０５％以上で中間層
の存在が認められ、特に、炭素含有層が１．５％と多い
鋳鉄において、中ｆｉｌｌが最も良好に形成される。

このように、中間層はＡｒ含有ガス雰囲気下における母
材のプラズマ処理によって形成することができるが、炭
素を含有するガス雰囲気下で母材をプラズマ処理して形
成することもできる。この場合に、中１１層には、炭素
を含有するガスからも炭素が供給される。しかし、炭素
を含有するガスのみの雰囲気下で母材をプラズマ処理す
ると、母材表面に炭素が重合してできる膜が付着する場
合があり、この膜が柔らかい場合には接着性に好ましく
ない影響を与える。このため、炭素を含有するガスの他
にＡｒ１Ｈｅ又はＮ２等のガスを混合する。そうすると
、炭素の重合が発生し難く、炭素と鉄とが反応し易くな
る。この場合に、Ａｒガスはイオン化エネルギが大きく
、不活性なので最も好ましい。また、炭素供給源は固体
でもよく、その場合には、Ａｒガス含有雰囲気下のプラ
ズマにより固体から炭素をたたき出すようにする。以下
に炭素を含有するガスを使用してプラズマ処理した場合
の条件の一例を示す。

Ｃｌ−１４ガス流ｍ：　５０８ＣＣＭＡｒガス流量：　３００ＳＣＣＭ反応圧力＝１．０トル＾周波電カニ５００Ｗ処理時１！ｌ：３０分なお、この実施例のように、母材を予め加熱しておいて
もよいが、プラズマが生起されると、このプラズマによ
って母材が加熱されるので、必ずしも格別の加熱手段を
設けることは必要ない。このように、ヒータ１２を使用
して母材１０を加熱しない場合には、母材１０等に印加
する高周波電力を大きくするか、又は処理＠間を長くす
ればよい。

このプラズマ処理に続いて、反応室１内にコーティング
すべきセラミックスの構成元素を含有するガスを導入し
、表面がプラズマ処理された母材にセラミックスをコー
ティングする。このような原料ガスを反応ｖ１内に導入
すると共に、マツチングボックスの接続を支持部材１１
から反応室１に切替え、シールド５の接続を反応ｖ１か
ら支持部材１１に切替える。そして、高周波１１１１４
から反応室１及び電極４に高周波電力を印加して、電極
４と母材１０との間にプラズマを生起させる。

これにより、原料ガス中の成分を構成元素とするセラミ
ックスが母材１０の表面にコーティングされる。例えば
ＳｉＮをコーティングする場合には、ＳｉＨ４の流山を
１１００８ＣＣ，Ｎ２の流屋を３００ＳＣＣＭに設定し
、反応圧力を１．０トルとし、高周波電力を５００Ｗと
して３０分間成膜すると、約３μｍのＳｉＮ層が母材１
０の表面に成膜される。

次に、その他のセラミックスのコーティング条件及び成
膜されたセラミックスの層厚の代表例について説明する
。

（ａ）ＳｉＣＮの場合５ＩＨ４ガス流１：１０Ｓ１０５ＣＣガス流量：５０ＳＣＣＭＣＨ３ガス１１：　３０ＳＣＣＭ反応圧カニ１．Ｏトル高周波電カニ５００Ｗ成膜鍔間：４０分１１厚：３．０μｍ（ｂ）ＳｉＣの場合ＳｉＨ＋ガス流１　：　１０ＳＣＣＭＣＨ３ガス流１１：３０ｓｃｃＭ反応圧カニ１．Ｏトル高周波電カニ５００Ｗ成膜時間：４０分層厚：３．０μｍ（ｃ）ＳｉＯの場合ＳｉＨ＋ガス流！ｌ　：　１０ＳＣＧＭＯ２ガス流ｊｉ
：３０ｓｃｃＭ反応圧カニ１．０トル高周波電カニ５００Ｗ成膜時間＝４０分層厚：３．０μｍ（ｄ）ＴｉＮの場合ＴｉＣｎ４ガス流ｆｆｉ：１０Ｓ１０５ＣＣガス流邑：
５０ＳＣＣＭＨ２ガス流量：　２００ＳＣＣＭ反応圧カニ１．０トル高周波型カニ　１　ｋＷ成膜時間二６０分層厚：３．Ｏμ雇（ｅ）ＴｉＣの場合ＴｉＣＱ＋ガス流１：１０ｓｃ１０５ｃｃガス流１１：３０ＳＣＣＭＨ２ガス流但：２００ＳＣＣＭ反応圧カニ１．Ｏトル高周波型カニ　１　ｋＷ成膜時１ｍ：６０分層厚：３，０μｍ（ｆ）ＴｉＣＮの場合ＴｉＣＱ＋ガス流量：　１　Ｏ５ＣＣＭＣＨ４ガス流ｆ
ｆｉ　：　２０ＳＣＣＭＮ２　カスＦＥｊｌ　：　５０
ＳＣＣＭＨ２ガス流ｆｉ：２００ｓｃｃＭ反応圧カニ　１．０トル高周波型カニ　１　ｋＷ成膜時間二６０分ｍｌ’Ｊ：３．０ｕＴｒＬ（Ｑ）ＢＮの場合Ｂ２　Ｈ６ガス流量：　１０ＳＣＣＭＮ２ガス流山：５０ＳＣＣＭ反応圧カニ１．０）−ル高周波型カニ５００Ｗ成膜時間＝３０分層厚：３．０μｍ（ｈ）ＢＧの場合Ｂ２　Ｈ６ガス流ｆｆｉ　：　１　Ｏ５ＣＣＭＣＨ４ガ
ス流１：３０ｓｃｃＭ反応圧カニｉ、ｏトル高周波型カニ５００Ｗ成膜時間：３０分層厚：３．０μｍ（ｉ　＞ＢＣＮの場合Ｂ２　Ｈｓガス流邑：　１　Ｏ５ＣＣＭＣＨ４ガス流違
：２０ＳＣＣＭＮ２ガス流量：５０５ＣＣ〜１反応圧カニ１．Ｏトル高周波型カニ５００Ｗ成膜時間：３０分層厚：３．０Ｌｔｍ（ｊ　）ＡＱ２０３の場合Ａｊ２　（ＣＨ３）！　ガスｉ！ｌ：　１０Ｓ１０５Ｃ
Ｃガス流量：３０８ＣＣＭ反応圧カニ１．Ｏトル高周波型カニ８００Ｗ成膜時ｆｌｌｌ：６０分層厚：３．０μｍ（ｋ）ＷＣの場合ＷＦｓガス流量：１０ＳＣ１０５ＣＣガス流ｊ：５０ＳＣＣＭ反応圧カニ１．Ｏトル高周波型カニ１ｋＷ成膜時間二６０分層厚：３．０μｍ上述の如くして製造されたセラミックスが被着された部
材は、セラミックスが高強度で被着されており、耐摩耗
性が高い。上述の各成膜条件で、ロータリコンプレッサ
用のシャフトを製造し、このシャフトに対し、１００Ｏ
ＯＲ，Ｐ、Ｍの回転数で３０分間達耕運転し、次いで１
０分間停止した後、再度３０分間運転するというモード
で１０００時間の耐久試験を実施した。上記ＳｉＮ及び
（ａ）乃至（ｋ）に示す各セラミックスをコーティング
したシャフトは、いずれも、摩耗による焼付を発生させ
ず、層が剥離することもなく、極めて耐久性が高いこと
が実証された。

また、母材表面に炭素濃度が高い中間層を形成すること
により、プラズマＣＶＤ等、低温で処理することができ
る方法で上述のような接着性に優れたセラミックス層を
形成することができるので、母材が変形する虞が少ない
。また、プラズマＣＶＤ等で形成したセラミックス層は
、その表面が粗いことがなく、表面を加工する必要がな
い。

なお、この実施例は、母材表面の炭化及びセラミックス
のコーティングをプラズマＣＶＤにより実施しているが
、これに限らず、前述の叩く、スパッタリング、イオン
ブレーティング等の他の手段を使用してもよい。また、
プラズマ生起用の電力は、上記実施例に限らず、直流電
力を使用してもよい。この場合には、マツチングボック
スが不要である。

なお、このようにして成膜されたセラミックス層は通常
アモルファスであるが、多結晶であったり、一部分で結
晶化していたり、微結晶の領域が存在することもある。

しかしこれらいずれの場合であっても、耐摩耗性は良好
で同様の浸れた効果を得ることができる。

［発明の効果］この発明によれば、鉄を主成分とする母材に対してもセ
ラミックス層が高接着性で接着されており、耐摩耗性が
優れた部材を得ることができる。

この部材は、低温処理で製造することができるので母材
の変形が抑制され、また表面を加工する必要がないので
低コストで生産することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明の実施例に係るセラミック
スが被着された部材の製造方法を実施するための装置を
示す断面図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）鉄を主成分とし炭素を０．０５重量％以上含有す
る母材に少なくともアルゴン含有するガスのプラズマ雰
囲気下で前処理を施し、次いで、セラミックス層を母材
の上に形成することを特徴とするセラミックスが被着さ
れた部材の製造方法。
（２）前記前処理は、母材表面に母材よりも炭素を高濃
度で含有する層を形成する処理であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載のセラミックスが被着され
た部材の製造方法。
（３）前記セラミックス層は、減圧下でプラズマを生起
させて被着されることを特徴とする特許請求の範囲第１
項又は第２項に記載のセラミックスが被着された部材の
製造方法。