JPS62290871A - タングステンカ−バイト層を有する耐摩耗性物品及びその製造方法 - 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】 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は、タングステンカーバイト層を有する耐摩耗性
物品及びその製造方法に関するものである。

（従来技術） 従来、各種機械部品（ゲージ類・軸受など）、合成樹脂
成形機械部品（スクリュー・シリンダ・プランジャーな
ど）、セラミック成形工具（スクリュー・シリンダ・モ
ールド金型など）、ＡＩ押出し工具（各種ダイ）及び熱
間成形工具（鋳込ピン・中子・金型など）等々の金属製
機械部品には、高硬度の耐摩耗性部品が用いられて来た
。

上記各種の耐摩耗性部品として、従来では部品素材の表
面にＴ　ｉ　Ｎの被膜層を形成したものや化学蒸着（Ｃ
ＶＤ）によりＴｉＣの被膜層を形成したものが用いられ
て来た。

特に、ＴｉＣの被膜層は高硬度（ビッカース硬さＨｖ３
８００）で耐摩耗性に優れ鏡面状に形成し得るなどの利
点を備えているので、耐摩耗性部品に広範に適用されて
来た。

しかしながら、ＣＶＤによりＴｉＣの被膜層を形成する
際には蒸着処理される部品を約１２００〜１３００℃も
の高温状態に保持する必要があるので、Ａ１やＣｕなど
の部品に適用できないこと、Ａ１やＣｕなどよりも耐熱
性に優れた金属部品であっても蒸着処理時に熱歪が生じ
るので精密な精度を要する部品には適用できないことな
どの欠点がある。

そこで、最近では金属部品の表面にＣＶＤによりタング
ステンカーバイト層を析出させて、耐摩耗性部品を製造
する技術が実用化されつつある。

例えば、特開昭５２−８９５８３号公報には、鋼製基材
の表面にニッケルリンメッキ層を有し、このニッケルリ
ンメッキ層の表面にタングステンカーバイト層またはタ
ングステンとタングステンカーバイトの混合物の層を有
するダイス型及びその製造方法が記載されている。

上記ニッケルリンメッキ層は、塩化ニッケル、次亜塩酸
ナトリウム、塩化アンモニウム、クエン酸ナトリウムな
どからなるメッキ浴により周知の技術で形成される。

上記タングステンカーバイト層は、所定のモル比の、Ｈ
２、キャリアガスとしてのＡ　ｒ　％　Ｃｂ　Ｈ５など
の炭化水素（炭素源）及びＷ　Ｆ　６からなる混合ガス
を舟いて低温ＣＶＤにより形成される。

上記タングステンとタングステンカーバイトの混合物の
層は、タングステンカーバイト層の形成時に炭化水素量
を減少させる方法若しくはタングステンカーバイト層に
タングステンを混入させる方法で形成される。

上記タングステンとタングステンカーバイトの混合物の
層は、ダイス型の表面研摩の際に研摩し易くするため耐
摩耗被膜層の硬さを軟く調整する目的で形成されるもの
である。

（発明が解決しようとする問題点） 上記鋼製基材の表面にニッケルリンメンキ層（ＨＶ７０
０〜１１００）を形成し、その表面にタングステンカー
バイト層（Ｈｖ２０００〜２５００）を形成してなる耐
摩耗性部品においては、ニッケルリンメッキ層の表面に
生じる酸化ニッケル被膜がニッケルリンメッキ層とタン
グステンカーバイト層との結合力を弱めること、またニ
ッケルリンメッキ層に比較してタングステンカーバイト
層が極端に硬いことから応力作用時にタングステンカー
バイト層にクラックが生し易く両層間の結合力が弱くな
ること、などの理由によりタングステンカーバイト層が
短期間の間にニッケルリンメッキ層から剥離してしまう
という問題がある。

これに対して、鋼製基材の表面にニッケルリンメッキ層
を形成し、その表面にタングステン（ＨＶ１２００）と
タングステンカーバイトの混合物の層を形成してなる耐
摩耗性部品においては、上記混合物中のタンスゲステン
の含有量を調整することによりその硬さを軟く調整し且
つ硬さの低下に対応してニッケルリンメッキ層との結合
力及びじん性を高めることが出来るが、タングステンカ
ーバイト層の優れた耐摩耗特性が著しく損なわれてしま
うという問題がある。

（問題点を解決するための手段） 本願第１発明に係るタングステンカーバイト層を有する
耐摩耗性物品は、物品の素材としての金ｆｆ＜Ｍ材の表
面にニッケル系メッキ層が形成され、上記ニッケル系メ
ッキ層の表面にタングステン層が形成され、上記タング
ステン層の表面にタングステンカーｙ＜イト層が形成さ
れたものである。

本願第２発明に係るタングステンカーバイト層を有する
耐摩耗性物品の製造方法は、物品の素材としての金属基
材の表面にニッケル系メッキ層を形成し、上記ニッケル
系メッキ層の上にタングステンカーバイト層を析出させ
てタングステンカーバイト層を有する耐摩耗性物品を製
造する方法において、上記タングステンカーバイト層を
析出させる際に、炭素源を供給せずにタングステン層を
析出させ、次に炭素源を供給して上記タングステン層の
表面にタングステンカーバイト層を析出させるものであ
る。

ここで、タングステンカーバイト層を析出させる場合、
ＷＦ６ガスと炭素源としてのＣａ　Ｈｂガスなどの炭化
水素と水素ガスとを用い、約３００〜６００℃の温度で
減圧状態下に化学蒸着処理することにより析出させるこ
とが出来る。

そして、タングステン層を析出させる場合、上記化学１
着処理ガスのうちＣ６Ｈ＆ガスなどの炭化水素を除いた
処理ガスで化学蒸着処理することにより析出させること
が出来る。

（作用） 本願第１発明に係るタングステンカーバイト層を有する
耐摩耗性物品においては、物品の素材としての金属基材
の表面にニッケル系メッキ層（Ｈｖ７００〜１１００）
が形成され、上記ニッケル系メッキ層の表面にタングス
テン層（約）（ｖ１２００）が形成され、上記タングス
テン層の表面にタングステンカーバイト層（Ｈｖ２００
０〜２５００）が形成されているので、タングステン層
はタングステンカーバイト層に比較して格段に軟く、ニ
ッケル系メッキ層に近い硬さを有しているためニッケル
系メッキ層に対して強力に結合する。また、タングステ
ンカーバイト層はタンゲス、テン層に比較すると格段に
硬いものであるが、材質的にタングステンに近いものな
ので、タングステン層に強力に結合する。従って、タン
グステンカーバイト層はタングステン層とニッケル系メ
ッキ層を介して金属基材に強力に結合し、またタングス
テンカーバイト層に応力が作用しても比較的軟かいタン
グステン層が緩衝材として機能するのでタングステンカ
ーバイト層にクランクが生じにくくなり、剥離しにくい
ものとなる。

本願第２発明に係るタングステンカーバイト層を有する
耐摩耗性物品の製造方法においては、タングステンカー
バイト層を析出させる際に、先ず炭素源を供給しないで
処理するとタングステンカーバイトの為の炭素源がない
のでタングステンカーバイトが形成されずタングステン
層が析出する。

上記タングステン層の析出後に炭素源を供給して処理す
ると、炭素源からの炭素の供給によってタングステンカ
ーバイトが形成されタングステン層の表面にタングステ
ンカーバイト層が析出することになる。

（発明の効果） 本願第１発明に係るタングステンカーバイト層を有する
耐摩耗性物品によれば、以上説明したように物品の素材
としての金属基材の表面に内側から外側にかけて硬さが
段階的に高くなるようにニッケル系メッキ層、タングス
テン層及びタングステンカーバイト層が形成され、タン
グステンカーバイト層とニッケル系メッキ層との間には
タングステン層が介在しているので、既述の如くタング
ステン層が緩衝材的に機能しタングステンカーバイト層
の金属基材に対する密着性が強化され、タングステンカ
ーバイト層の剥離を防ぐことが出来、表層にタングステ
ンカーバイト層を有する耐久性に優れた耐摩耗性物品が
得られる。

本願第２発明に係るタングステンカーバイト層を有する
耐摩耗性物品の製造方法によれば、前記説明したように
タングステンカーバイト層を析出させる際に、炭素源を
供給せずにタングステン層を析出させ、次に炭素源を供
給してタングステンカーバイト層を析出させるので、炭
素源の供給を所定時間停止するという掘めて簡単な操作
でニッケル系メッキ層とタングステンカーバイト層との
間にタングステン層を形成することが出来る。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基いて説明する。

本実施例は、タングステンカーバイトＪ’ｌを有する耐
摩耗性物品とその製造方法に係るものであるが、先ず最
初に上記耐摩耗性物品の製造方法について説明し、次に
上記耐摩耗性物品について説明する。

第１図は、上記耐摩耗性物品の製造方法に供する低温Ｃ
ＶＤ装置を示すものである。尚、ＣＶＤとは化学的蒸気
析出法（以下、化学７着という）のことである。

上記低温ＣＶＤ装置は、気相化学反応炉としてのレトル
ト１と、レトルト１へ混合ガスを供給するガス供給系２
と、レトル）ｌ内の混合ガスを排出するガス排出系３と
、レトルト１内の空気を吸引して約１０〜２００Ｔｏ　
ｒ　ｒに減圧する吸引系４とを備えている。

上記レトルト１は、有底円筒状の断熱容器５内に外周部
に空隙をあけて有底円筒状の金属製のレトルト本体６を
配設し、レトルト本体６のカバープレート７にワークホ
ルダ８やガス供給管９やガス排出管１０や吸引管１１や
圧力計２８を装着し、レトルト本体６内のガスや被処理
物である機械部品Ｐを加熱する誘導コイル１２を断熱容
器５の内周側に装着したものである。

上記ガス供給管９はカバープレート７に挿通固着されて
レトルト本体６の底部まで延び、その底部からレトルト
本体６内の内周側に沿って螺旋状に立ち上り、メクラ板
１３で閉じられたガス供給管９の終端部がカバープレー
ト７に固着されている。

そして、ガス供給管９で供給される混合ガスはガス供給
管９の螺旋部分の内周部の小孔からレトルト本体６内へ
供給される。

上記部品Ｐの交換の際には、ボルト１４を外しカバープ
レート７と一体的にワークホルダ８を外部へ取出して処
理済みの部品Ｐと未処理の部品Ｐとを交換する。

上記吸引系４は、カバープレート７から延びた吸引管１
１に真空ポンプ１５を接続したもので、レトルト本体６
内を１０〜２００Ｔｏｒｒの範囲の所定の圧力に減圧で
きるようになっている。

上記ガス供給系２は、上記ガス供給管９と、このガス供
給管９に接続された水素ガス供給源１５及びベンゼン供
給源１６及び六弗化タングステン供給源１７　（以下、
Ｗ　Ｆ　ｂ供給源という）及びアルゴン供給源１８を備
えている。

上記ＷＦｂ供給源１７から供給される液体ＷＦ６はポン
プ１９でガス供給管９の加熱器２０へ圧送され、この加
熱器２０内でアルゴン供給源１８から供給されるキャリ
アとしてのＡｒガスと混合してＷＦ６とＡｒとの混合ガ
スとなりガス供給管９へ供給される。

上記アルゴン供給源１８から同じくキャリアとしてのＡ
ｒガスがベンゼン供給源１６へ供給され、ＣｈＨｂとＡ
ｒとの混合ガスがガス供給管９へ供給される。

上記水素ガス供給ｒＡ１５からＨ２ガスがガス供給管９
へ供給される。

上記ガス供給源９へ供給されたＷＦ、ガスとＡｒガスと
Ｃ，Ｈ６ガス（但し、タングステン層を形成するときは
Ｃ，Ｈ，ガスは供給されない）とＨ２ガスとはガス混合
器２１内で攪拌混合され、レトルト本体６内へ供給され
る。

前記ガス排出系３は、カバープレート７から延びるガス
排出管１０に水運ポンプ２２とガス精製器２３とを介設
したものである。

上記低温ＣＶＤ装置を用いて、表面にニッケルリンメッ
キ層が形成された機械部品Ｐを低温ＣＶＤ処理して機械
部品Ｐの表面のニッケルリンメッキ層の表面にタングス
テン層及びタングステンカーバイト層を順々に析出方法
について説明する。

上記機械部品Ｐの金属基材としては各種の鋼、ステンレ
ス、鋳鉄、アルミ、アルミ合金、銅または銅合金等々各
種の金属材料を適用することが出来る。

先ず、機械部品Ｐの表面粗さがＣＶＤ処理後の表面粗さ
に大きく影響を及ぼすので、機械部品Ｐの表面を所望の
表面粗さとなるように研摩加工しておく。

次に、上記機械部品Ｐの表面に約２〜１５μｍの無電解
ニッケルリンメッキ層を形成する。このメッキ層を形成
する技術は広く実用化されている周知のニッケルリンメ
ッキ処理技術によって行なえばよく、ここではその詳細
については説明を省略する。但し、ニッケルリンメッキ
層に代えてニッケル単体のメッキ層或いはＮ１−Ｂメッ
キ層を形成してもよい。

次に、上記メッキされた複数の機械部品Ｐをレトルト本
体６内に収容し、吸引系４の真空ポンプ１５を作動させ
てレトルト本体６内を約１００　Ｔｏｒｒに減圧して気
相反応の妨げとなる空気を極力除去するとともに、誘導
コイル１２に通電して機械部品Ｐを約３００〜６００°
Ｃに加熱する。

次に、ガス供給系２のバルブ１６ａ・１８ｂを開かずに
バルブ９ａ・１５ａ・１７ａ・１３ａのみを開くととも
にポンプＩ９を作動させることにより、ガス供給管９を
介してレトルト本体６内へ所定モル比のＷＦ６ガスとＡ
ｒガスとＨ２ガスとの混合ガスを少量ずつ供給しながら
、ガス排出系３の水運ポンプ２２を作動させてレトルト
本体６内の混合ガスを少量ずつ排出する。

上記炭素源としてのＣ，Ｈ，ガスを含まない上記混合ガ
スの供給を約１０分間程度ｍＶｔすると、機械部品Ｐの
ニッケルリンメッキ層の表面に約１μｍ程度のタングス
テン単体の層が気相反応によって析出する。

上記ＣＶＤ処理時間の長短に応じてタングステン層の膜
厚を大小調節することが出来る。

上記タングステン層を形成するときの気相反応は、 ＷＦ６＋３Ｈ２−Ｗ＋６ＨＦ の反応式である。

次に、バルブ１６ａ・１８ｂをも開いてガス供給管９を
介してレトルト本体６内にＷＦ６ガス、ノ〜ｒガス、Ｃ
ｂＨ−ガス及びＨ２ガスの混合ガスを少量ずつ供給しな
がら、前記と同様にガス排出系３の水運ポンプ２２を作
動させてレトルト本体６内の混合ガスを少量ずつ排出す
る。

上記炭素源としてのＣＡＨ＆ガスを含む混合ガスの供給
を約１．５〜２時間程度継続すると、機械部品Ｐの表面
のタングステン層の表面に約１０〜２０μｍのタングス
テンカーバイト層が気相反応によって析出する。

上記ＣＶＤ処理時間の長短に応じてタングステンカーバ
イト層の膜厚を大小調節することが出来る。

上記タングステンカーバイト層を形成するときの気相反
応は、 ６　ＷＦ、＋Ｃｄ（ｂ＋１５Ｈｚ　　　　　　６　ＷＣ
＋３６１１Ｆ１２ＷＦｂ＋ＣＪｂ＋３３Ｈｚ　　　　　
　６ＷｚＣ＋７２ＨＦ１８ＷＦａ　＋　Ｃ６１１６＋　
５Ｈ１ｚ　　　　　　６ＷｚＣ＋　１０８ＨＦの３通り
の反応式であり、タングステンカーバイト層にはＷＣと
Ｗ２ＣとＷ、Ｃとが含まれている。

上記の低温ＣＶＤ処理によって機械部品Ｐの表面のニッ
ケルリンメッキ層の表面にはタングステン層とタングス
テンカーバイト層が順々に形成され、処理完了後にはカ
バープレート７を介してワークホルダ８を外部へ取出し
て機械部品Ｐを取外す。

次に、上記機械部品Ｐの必要個所にダイヤモンド研摩工
具でラッピングを施して滑らかに研摩する。

尚、上記炭素源としてはＣ６Ｈ６以外にＣＨ。

やＣ２Ｈ，など各種の炭化水素を用いることが出来る。

上記ＣＶＤ処理後の機械部品Ｐは金属基材の表面にニッ
ケルリンメッキ層、タングステン層及びタングステンカ
ーバイト層を有するもので、タングステンカーバイト層
を有する耐摩耗性物品である。

上記のようにタングステン層を析出させることなく、ニ
ッケルリンメッキ層の表面に直接タングステンカーバイ
ト層を析出させる場合には、混合ガス供給後タングステ
ンカーバイト層の析出が開始するまでに数１０分間要し
ていたが、上記のようにタングステン層を析出させる場
合には混合ガスの供給開始後直ちにタングステン層が析
出し始めるので全体の処理時間が却って短縮する。

以下、上記製造方法によって製造されるタングステンカ
ーバイト層を有する耐摩耗性機械部品について説明する
。

第２図は、タングステンカーバイト層を有する耐摩耗性
機械部品Ｐの要部拡大断面図であり、この機械部品Ｐの
金属基材２４は前述の各種の金属の何れかまたはその他
の金属で構成される。

上記機械部品Ｐの金属基材２４の表面には約２〜１５μ
ｍの厚さのニッケルリンメッキ層２５が形成されており
、このニッケルリンメッキ層２５の表面には前述の低温
ＣＶＤ処理により約０．０５〜１μｍの厚さのタングス
テン単体の層２６が形成されており、上記タングステン
層２６の表面には同じく前述の低温ＣＶＤ処理により約
１０〜２０μｍの厚さのＷＣとＷ２ＣとＶ／、Ｃとから
なるタングステンカーバイト層２７が形成されている。

但し、タングステン層の厚さは数１０〜数１０００オン
グストロ一ム程度の厚さでもよいし、１μｍ以上の厚さ
でもよい。

上記ニッケルリンメッキ層２５は金属基材２４とタング
ステン層２６及びタングステンカーバイト層２７との密
着力を強化する為のものであり、上記ニッケルリンメッ
キ層２５はメッキ後の状態ではビッカース硬さＨＶ１０
０〜３００程度の比較的軟かいものであるが、タングス
テン層２６及びタングステンカーバイト層２７の被覆時
に硬化処理されＨｖ７００〜１１００程度に硬化する。

尚、上記ニッケルリンメッキ層の代りにニッケル単体の
メッキ層或いはＮ１−Ｂメッキ層を設けてもよい。

上記タングステン層２６はニッケルリンメッキ層２５と
の結合力も強く、また同種の材質故にタングステンカー
バイト層２７との結合力も強く、またこのタングステン
層２６はニッケルリンメッキ層２５　　（Ｈｖ７００〜
１１００）とタングステンカーバイト層２７　　（Ｈｖ
２０００〜２５００）との中間の硬さく約Ｈｖ１２００
）を有しているので、上記ニッケルリンメッキ層２５と
タングステン層２６とによって金属基材２４とタングス
テンカーバイト２７間の極端な硬度差が緩衝され、タン
グステンカーバイト層２７の外部応力に対する剥離抵抗
が著しく増強される。

上記タングステンカーバイト層２７は極めて硬＜　　（
Ｈｖ２０００〜２５００）ｉｔ摩耗性に優れているので
、上記機械部品Ｐは著しく耐摩耗性に優れたものとなる
。

このタングステンカーバイト層２７を存する耐摩耗性部
品Ｐは前記従来技術の項の冒頭に記載した各種の機械部
品に適用される。そして、前述のように約３００〜６０
０℃という比較的低温のＣＶＤ処理によってタングステ
ン層２６とタングステンカーバイト層２７とを形成する
ことが出来るので、ＡＩやＣｕなどの低融点金属基材を
使用できるうえ、熱歪の影響を嫌う精密機械部品にも適
用することが出来る。

次に、上記ニッケルリンメッキ層とタングステン層とタ
ングステンカーバイト層とを有する耐摩耗性部品と従来
技術に係るニッケルリンメッキ層とタングステンカーバ
イト層とを有する耐摩耗性部品に対して行なった比較試
験結果について説明する。

５ＫＤＩＩ製の金属基材（８１１φＸ１００ｍｍ）の表
面に、厚さ３μｍのニッケルリンメッキ層と厚さ約５０
０オングストロームのタングステン層と厚さ７μｍのタ
ングステンカーバイト層とを内層から順に形成した第１
テストピースと、同上金属基材の表面に厚さ３μｍのニ
ッケルリンメッキ層と厚さ７μｍのタングステンカーバ
イト層とを内層から順に形成した第２テストピースとを
製作し、３点曲げ試験により密着性能について試験した
。

第３図（ａ）は第１テストピースの表面の拡大写真であ
り第３図（ｂ）は第２テストピースの表面の拡大写真で
ある。

第２テストピースではタングステンカーバイト層の表面
に無数のクラックが発生しているのに対し、第１テスト
ピースでは全熱クラックが発生していない。

また、Ａ　Ｉ　−Ｍｇ合金の金属基材について上記同様
に試験したところ同一の結果が得られた。

従って、ニッケルリンメッキ層とタングステンカーバイ
ト層との間にタングステン層を介在させることにより、
タングステンカーバイト層の密着性を著しく向上させる
ことが出来ることが判る。

【図面の簡単な説明】

図面のうち第１図〜第３図（ａ）は本発明の実施例に係
るもので、第１図はタングステンカーバイト層を有する
耐摩耗性機械部品の製造に供する低温ＣＶＤ装置の概略
全体構成図、第２図は同上機械部品の要部拡大断面図、
第３図（ａｌはニッケルリンメッキ層とタングステン層
とタングステンカーバイト層とを有する第１テストピー
スの表面の拡大写真、第３図（ｂ）は従来技術に係るニ
ッケルリンメッキ層とタングステンカーバイト層とを有
する第２テストピースの表面の拡大写真である。 ２４・・金属基材、　　２５・・ニッケルリンメノキ層
、　２６・・タングステン層、　２７・・タングステン
カーバイト層。 特　許　出　願　人　　　マツダ株式会社第２図 り／ゲステアカーバイト層 第３図（Ｑ） 第３図（ｂ） 手続補正書　（旅）７．１ 昭和６２年７月　３日 １、羽生の耘 例６１年特許順第２９３７０号 ２、発明の名称 タングステンカーバイト層を有する耐摩耗性物品及びそ
の製造方法 ３、補正をする者 羽生との放　特許出願人 住　　所　　　広島県安芸郡府中町新地３番１号名　称
　　（３１３）　　マツダ株式会社イリ者　山本健− ４、代理人 住　　所　〒５３０　　大阪市北区西天満４丁目５番５
号東急、マーキス梅田５、補正命令の日付　　　昭和６
２年　６月３０日　発送両正の内容　（１）添付の訂正
願書のように、願書に［特許請求の範囲に記載された発
明の数」の項を追加します。 （２）明細書２２頁１５行目の「第１テストピースの表
面」を「第１テストピースの金属組織の表面」と訂正し
、また明細書２２頁１８行目の［第２テストピースの表
面」を「第２テストピースの金属組織の表面」と訂正し
ます。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）物品の素材としての金属基材の表面にニッケル系
   メッキ層が形成され、上記ニッケル系メッキ層の表面に
   タングステン層が形成され、上記タングステン層の表面
   にタングステンカーバイト層が形成されたことを特徴と
   するタングステンカーバイト層を有する耐摩耗性物品。
2. （２）物品の素材としての金属基材の表面にニッケル系
   メッキ層を形成し、上記ニッケル系メッキ層の上にタン
   グステンカーバイト層を析出させてタングステンカーバ
   イト層を有する耐摩耗性物品を製造する方法において、 上記タングステンカーバイト層を析出させる際に、炭素
   源を供給せずにタングステン層を析出させ、次に炭素源
   を供給して上記タングステン層の表面にタングステンカ
   ーバイト層を析出させることを特徴とするタングステン
   カーバイト層を有する耐摩耗性物品の製造方法。