JPS63166957A - 表面被覆鋼製品 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は表面被覆鋼製品に関し、特に、表面に設けられ
た硬質被膜の密着性が高いため耐久性に優れる表面被覆
鋼製品に関する。

〔従来の技術〕

工具や金型などの鋼製品の表面を改質したものとしては
、表面に窒素および／または炭素を拡散させて表面を硬
化した製品および表面に例えば、周期律表ＩＶａ族また
はＶａ族の金属の窒化物、炭化物または炭窒化物からな
る硬質被膜を形成してなる鋼製品が知られている。しが
し、前者の表面硬化させたものは、耐熱性、耐摩耗性が
不十分であり、一方、後者の表面に硬質被膜を形成した
場合には、これらの被膜は脆弱で、剥離が生じ易く。

一度このような剥離が生じると柔らかい下地の摩耗が進
行するという問題点がある。

そこで、特開昭５８−６４３７７号公報には、上記２方
法の複合による改良が提案されている。該公報には、高
速度工具網あるいは合金工具網の母材の表面に形成した
窒化層、炭化層、あるいは炭窒化層の上にＩＶａＶａ族
元素いはＶａ族元素の炭化物、窒化物、あるいは炭窒化
物の１種または２種以上の被覆層を設けたことを特徴と
する表面被覆工具が記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記公開公報に記載の工具は、使用時に外側の
硬質被膜の剥離が生じ易く、工具の寿命としては、表面
硬化処理だけを行なったものと大差なく、硬質被膜の効
果は、はとんどないという問題がある。

これは、鋼母材表面に窒素や炭素を拡散した表面硬化層
と硬質被膜との密着性が低いためであるが、この原因と
して、（１）金属としての性質が強い表面硬化層とセラ
ミックスとしての性質を有する硬質被膜が接合した界面
では硬度や熱膨張率などの物性値が急激に変化し界面に
大きな歪が集中すること、（２）窒素や炭素の拡散によ
って鋼母材表面を硬化する際に１表面近傍では窒素や炭
素と母材の金属成分とが、例えばＦｅ、〜□Ｎのε相、
　Ｆｅ４Ｎのγ相等の化合物を生成し、これらが硬質被
膜の密着性を低下させることが挙げられる。

そこで１本発明の目的は、硬質被覆の密着性が高く、耐
摩耗性が求められる用途においても高い耐久性を示す表
面被覆鋼製品を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記の目的を達成し得るものとして。

鋼系金属母材のみからなる基部と；前記と同一の鋼系金
属母材中に窒素および炭素の少なくとも１種が拡散して
なり、前記鋼系金属母材のみからなる基部の上に形成さ
れた第１拡散層と；前記と同一の鋼系金属母材中に、窒
素および炭素の少なくとも１種並びに周期律表ＩＶａ族
およびＶａ族の金属から選ばれる少なくとも１種が拡散
してなり、前記第１拡散層上に形成された第２拡散層と
；周期律表■ａ族およびＶａ族の金属から選ばれる金属
の炭化物、窒化物および炭窒化物の少なくとも１種から
なり、前記第２拡散層上に形成された硬質被膜とを有す
る表面被覆鋼製品を提供するものである。

本発明の鋼製品に用いられる鋼糸母材としては、例えば
、５ｉｓｃなどの肌焼鋼、　３４５Ｃなどの構造用鋼、
５ｕｐｔｏなとのバネ鋼、５ＵＪ２などの軸受鋼、ＳＡ
ＣＭ　１などの窒化鋼、５ＫＤ６などの熱間加工用工具
鋼、５ＫＤ１１などの冷間加工用工具鋼、　５ＫＨ５１
などの高速度鋼、５ＵＳ３１０Ｓなどの耐熱鋼、５ＵＳ
４１０などの耐食耐酸鋼などが挙げられる。

鋼系金属母材からなる基部の上に形成される第１拡散層
は、基部と同一の鋼系金属母材中に炭素および／または
窒素が拡散されてなるもので、炭素や窒素は母材中に固
溶した状態で存在する。

この第１拡散層中には、その隣接層である第２拡散層と
の界面近傍を含めて、炭素や窒素は金属成分との化合物
、即ち炭化物や窒化物としては存在しない。炭素や窒素
は母材中に均一濃度で拡散していることは必ずしも必要
はなく、後記する製造方法の例によると、得られる鋼製
品の表面に近い側で濃度が高く、基部側で低い状態であ
る。この第１拡散層の厚さは、約１０〜３００μ璽が好
ましく、特に２０〜２００μｍが好ましい。

第１拡散層の上に形成される第２拡散層は、硬質被膜と
第１拡散層の間にあって、両者を強固に接合する働きを
するものである。この第２拡散層中に拡散されているＩ
Ｖａ族およびＶａ族の金属は、濃度が硬質被膜側で高く
第１拡散層側で低い状態で傾斜していることが望ましい
。このようにＩＶａ族、Ｖａ族金属の濃度が傾斜してい
ると、第２拡散層の上部（硬質被膜に近い側）はＩＶａ
族、Ｖａ族金属に富むため硬質被膜との親和性が高く、
界面における諸物性値の変化は緩やかで強固な接合がも
たらされる。

これらＩＶａＶａ族金属くはＶａ族金属は炭素および窒
素との親和性が大きいため、これらの金属の一部は拡散
している炭素や窒素と反応して、硬質被膜と類似した化
合物を形成し、この化合物相が分散した状態となってい
ると考えられる。これにより、第２拡散層と硬質被膜と
の間の界面は諸物性値の変化が一層少ないものとなり、
強固な接合に寄与しているものと推測される。また、第
２拡散層の下部は、ＩＶａ族やＶａ族の金属濃度が低下
してゆき１次第に第１拡散層へ移行してゆく形となるた
め、両波散層は一体的で強固であり、この間で剥離など
が生じることはない。

この第２拡散層の厚さは、０．１〜５μｍが好ましく、
特に０．５〜２μｍが好ましい。

次に１本発明の表面被覆鋼製品の製法例を説明する。

母材中に窒素および／または炭素を拡散してなる第１拡
散層を形成するには、公知の方法を利用することができ
、例えば、熔融塩を用いる方法、ガスを用いる方法、あ
るいはイオンを用いる方法のいずれでもよい。

熔融塩を用いる方法は、一般には塩浴窒化あるイハ浸炭
法トイｉ）レルモ（７）Ｃ”、　ＸＣＮ、　ＸＣＮ０．
　Ｘ、Ｃｏ。

（ここで又はアルカリ金属）で示される化合物の熔融洛
中に被処理物を浸して、これら化合物が分解して生じた
炭素や窒素を被処理物中に拡散させるものである。ガス
を用いる方法は、一般にガス窒化および浸炭、あるいは
ガス軟窒化および浸炭といわれるもので、ＮＨ，やＣＯ
などの気相中に被処理物を入れて加熱し、これらガスの
熱分解により生じた炭素や窒素を被処理物中に拡散させ
るものである。

イオンを用いる方法は、一般にイオン窒化あるいは浸炭
といわれるものでＮＨ，や炭化水素ガス中で被処理物と
装置容器壁との間に直流電圧を印加し、グロー放電を起
させてこれらのガスを分解、イオン化し、生じた炭素イ
オンあるいは窒素イオンを電界により被処理物に衝突さ
せる方法である。

これらの方法で、被処理物として、所定の鋼糸金属母材
からなる基材を使用すれば、基部が母材のままで表面が
前記第１拡散層に転化した中間製品が得られる。

次に、母材中に窒素および／または炭素の他にＩＶａ族
金属およびＶａ族金属の少なくとも１種を拡散してなる
第２拡散層を形成する方法としては。

例えば、金属蒸気に高い運動エネルギーを持たせられる
イオン注入やイオンボンバードメントなどにより、上記
金属の蒸気をイオン化して電界により加速してこれら金
属成分を前記第１拡散層を形成した中間製品の表面に打
ち込む方法が好ましい。

この中で特にイオンボンバードメントによる方法は、後
の硬質被膜の形成にも用いることができるイオンブレー
ティング装置内でも実施できるため、効率的である。イ
オンブレーティング装置によるイオンボンバードメント
処理は、公知のイオンブレーティング装置すなわち金属
を蒸発させる手段、蒸発した金属をイオン化する手段、
イオン化した金属を電界により加速する手段、および反
応性ガスを導入する手段より成るイオンブレーティング
装置を用いて、金属の蒸発、イオン化、加速を行ない、
高エネルギーを持った金属イオンを被処理物表面に衝突
させる方法である。このような金属を蒸発させる手段と
しては、イオンブレーティング装置に備わった公知の抵
抗加熱や電子銃加熱などのどれでも良く、蒸発した金属
のイオン化についても、公知のアーク放電、グロー放電
、高周波放電、およびイオン化電極を用いる方法やホロ
カソード法などのいずれでも良い、ここで、特にアーク
放電型のイオンブレーティング方式は金属の蒸発とイオ
ン化を同時に行なう方式であり、他の方式に比べて金属
のイオン化効率が高いので、本発明のイオンボンバード
メント処理に適した方式である。イオン化した金属を加
速する電界については、電圧の値として好ましくは１０
０Ｖから２０００Ｖ、特に好ましくは２００Ｖから１５
００Ｖの値とする。

ボンバードメント処理中の雰囲気としては原則としては
反応性ガスを用いない高真空下で行なうが、場合によっ
ては、１Ｏ−４Ｔｏｒｒから１ＯＴｏｒｒの圧力の雰囲
気ガス下で行なっても良い。この雰囲気ガスの種類とし
ては、Ｈｅ、　Ｎｅ、　Ａｒ、　Ｎ、、Ｈ，ｌあるいは
炭化水素などの１つもしくは２つ以上の混合ガスでもよ
い。これらの雰囲気ガスを用いると、加速用の電界によ
るグロー放電によって雰囲気ガスもイオン化し金属イオ
ンとともに被処理物表面に衝突するが、このことは、何
ら差しつかえない。

以上の方法によって形成される第２拡散層の厚さは処理
時間の調整により制御でき、第２拡散層は被処理物の表
面においてＩＶａ族金属および／またはＶａ族金属の濃
度が高く、深部へ向ってその濃度が低下して終には第１
拡散層へ移行してゆく理想的な状態で形成される。

前記第１拡散層の形成の際に、第１拡散層の表面近傍に
前述したε相、γ相等の化合物相が形成され、また第１
拡散層形成後に被処理物を空気に触れさせると中間製品
表面に黒化膜が形成されることがあるが、上記のイオン
注入法やイオンボンバードメント法によって第２拡散層
を形成すると、第２拡散層の生成とともに化合物相や黒
化膜がスパッタリングされて除去される。

第２拡散層の上に形成される硬質被膜は１周期律表ＩＶ
ａ族金属および／またはＶａ族金属の炭化物、窒化物お
よび炭窒化物から選ばれる１種または２種以上からなる
ものであり、単一層で形成されてもよく、また２以上の
層で形成されてもよい。

使用されるＩＶａＶａ族金属ては、Ｔｉ、　Ｚｒ、　Ｈ
ｆが、またＶａ族金属としては、Ｖ、　Ｎｂ、　Ｔａが
挙げられる。この硬質被膜の厚さは、０．５〜１０μｍ
が好ましく、特に１〜５μｍが好ましい。

硬質被膜は、公知の反応性ガス（この場合、例えば、Ｎ
２、炭化水素類）を用いた蒸着、スパッタリング、イオ
ンブレーティング、あるいはＣＶＤ法などで行なえるが
、特にイオンブレーティング法は前記したように第２拡
散層の形成にも使用できるため効率的である。

イオンブレーティング装置にて硬質被膜を形成する方法
としては、前記したイオンボンバードメント処理におけ
る４つの手段の内、イオン化した金属を電界により加速
する手段および反応性ガスを導入する手段とが相違する
が、他の金属を蒸発させる手段、蒸発した金属をイオン
化する手段は同じである。すなわち、イオン化した金属
を加速する電界としては、電圧の値として５０ｖから７
００■が好ましく、さらに好ましくは１００Ｖから５０
０Ｖの値とする。

反応性ガスとしては、イオンブレーティング法にて炭化
物や窒化物を生成させるための反応性ガス、すなわちＮ
２、ＮＨ，、炭化水素類、あるいは炭素と窒素を含んだ
有機化合物、たとえばトリメチルアミン等が挙げられる
１反応性ガスの圧力は、用いる反応性ガスの種類により
異なるが、一般に１０′″３Ｔｏｒｒから１０Ｔｏｒｒ
でよい。

本発明の表面被覆鋼製品における硬質被膜の密着性の評
価方法として、スイス時計研究所（ＬＳＲＨ：ＬＡＢＯ
ＲＡＴＯＩＲＥ　５ＵＩＳＳＥ　ＤＥ　ＲＥＣＨＩＩＥ
ＲＣＨＥＳ　ＨＯＲＬＯＧＩＩ！ＲＥＳ）により考案さ
れたスクラッチテスターによる評価方法がある。これは
、硬質被膜の上を、荷重を連続的に変化できるダイヤモ
ンド圧着子で引っかき、硬質被膜が破壊するに至る荷重
（臨界荷重）の大きさによって密着性の尺度とするもの
である。

本発明の表面被覆鋼製品の種類としては１例えば、ドリ
ル、エンドミル、リーマ、バイト、タップ、ダイス、フ
ライス等の切削工具、プレス成形用、鍛造用、プラスチ
ック成形用、ダイカスト用、ガラス用、粉末冶金用等の
金型類、クランク軸。

カム軸、歯車、ローラー、ピストンリング、バルブシー
ト等の機械部品等が挙げられる。

〔実施例〕

以下１本発明を実施例により具体的に説明する。

実施例１ 高速度工具鋼５ＫＨ−５１（ＪＩＳ　Ｇ　４４０３）の
材質で、直径２５ｍｍ、長さ５０ｉａｍのシリンダ状部
材（基材）を、処理温度５７０℃、ガス組成Ｎ、／Ｈ，
＝　１、全圧６Ｔｏｒｒの条件下５時間、イオン窒化法
により処理し表面に窒素を拡散させた（中間製品）、装
置から取り出した部材の表面は黒化膜で覆われていた。

この中間製品について断面観Ｗｓ（光学顕微鏡写真、４
００倍）を行なったところ、最表面のごく薄い黒化膜の
下に化合物相の存在が認められた（第２図）、Ｘ線回折
によりＦｅｔＮ、　Ｆｅ、Ｎよりなるε相を確認した。

上記中間製品を１次にアーク放電型イオンブレーティン
グ装置にて、１０Ｔｏｒｒの真空下、バイアス電圧１０
００Ｖでチタンイオンによるボンバードメント処理を２
分間行なった後、バイアス電圧を４００ｖに下げ１反応
性ガスとして窒素をＩＰ”　Ｔｏｒｒ導入して窒化チタ
ンの被覆を２μｍ形成させ、本発明の表面被覆鋼材を得
た。中間製品は黒化膜で覆われていたにもかかわらず、
剥離の無い均一な窒化チタンの被覆が得られた。

得られた被覆鋼材の断面観察（光学顕微鏡写真、４００
倍）を行なったところ、窒化チタンの被膜の下にはε相
の存在は認められなかった（第１図）。

また、この断面試料について、表面からの距離について
の荷重５００ｇでのビッカース硬度分布を測定したとこ
ろ、第３図に示す結果が得られた。この硬度分布により
窒素が約２００μｍの深さまで拡散していることが推察
される。

上記被覆鋼材について、さらに二次イオン質量分析（Ｓ
ＩＭＳ）法にて、表面近傍でのＴｉおよびＦｓの分布を
測定したところ、第４図に実線で示す結果が得られた。

また、硬質被膜（ＴｉＮ）と第２拡散層（Ｔｉ、Ｎが拡
散）との界面は、Ｆｅの濃度の減衰曲線の直線部分を延
長して検出限界と交わった位置と推定した。

また、第２拡散層の深さく第１拡散層との境界）につい
ても同様にＴｉの濃度の減衰曲線の直線部分を延長して
検出限界と交わった位置と推定した。これにより本実施
例の被覆鋼材は第１拡散層の厚さが約２００μｍ、第２
拡散層の厚さが１．５μ重、そして硬質被覆の厚さが２
μｍであることがわかった。

また、上記被覆鋼材について、前述のスクラッチテスタ
ーにて硬質被覆の密着性を評価したところ、臨界荷重は
４５Ｎであった。

本実施例で用いた基材、得られた中間製品および被覆鋼
材について、荷重２５ｇでのビッカース硬度を測定した
結果を表１に示す。これより、中間製品では表面に黒化
膜が生じていたが、得られた最終製品である本発明の被
覆鋼材は硬質被覆が良好に密着し高い耐久性を有するこ
とがわかる。

基　　材　未処理　　　　　　　　　　８００中間製品
　窒化処理　　　　　　　　　１４００被覆鋼材　窒化
後室化チタン被覆　　　１８００比較例１ アーク放電型イオンブレーティング装置内でチタン蒸発
源は点火しない状態で、Ａｒガスを１Ｏ−２Ｔｏｒｒ導
入し、バイアス電圧１０００Ｖにてガスイオンによるボ
ンバードメント処理を１０分間行なった以外は実施例１
と同様にして窒化チタンの被覆を形成した。得られた被
覆鋼材の被膜には部分的に剥離が生じていた。この被覆
鋼材を実施例１と同様に断面ａ察したところ、ε相の存
在が認められた。

また、スクラッチテスターにて臨界荷重を測定したとこ
ろ３ＯＮであった。

実施例２ 高速度工具鋼５ＫＨ−５１の材質の１２＋ｍｍ径のエン
ドミル（基材）をイオン窒化装置にて処理温度５００℃
。

ガス組成Ｎ２：Ｈ２：Ａｒ＝１：５：４、全圧４０Ｔｏ
ｒｒで１５分イオン窒化法により処理して表面に窒素を
拡散させ中間製品を得た。

この中間製品について、イオンブレーティング装置にて
、実施例１と同様にチタンイオンによるボンバードメン
ト処理を行なった後、窒化チタンの被覆を厚さ２μｍに
形成した。

比較例２ チタンイオンによるボンバードメント処理の代りに、比
較例１と同様のガスイオンによるボンバードメントを行
なった以外は実施例２と同様に被　ｌ覆を形成した。

実施例２、比較例２で用いた基材、イオン窒化法で得ら
れた中間製品および最終製品である各エンドミルについ
て次の条件で切削試験を行なった。

被削材：高ケイ素球状黒鉛鋳鉄、 切削速度′：２５．６ｍ／ｗｉｎ、切り込み：１ｍｍ、
送　　　リ：　３８ｍｍ＋／ｒｅｖ。

この切削試験で得られた逃げ面摩耗と切削長さの関係を
第５図に示す。ここで逃げ面摩耗が０．３ｍｍとなった
時点を工具の寿命とすると、実施例２の表面被覆エンド
ミルは比較例２の表面被覆エンドミルに比べて外挿によ
り約２倍の寿命となることが推定される。

〔発明の効果〕

以上の実施例から明らかなように、本発明の表面被覆鋼
製品は硬質被覆と母材表面の硬化層との密着性が優れて
いるため、各種工具等の耐摩耗性などが要求される場合
でも高い耐久性を示し、長寿命である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１で得られた表面被覆鋼材の表面部の
金属組織を示す断面の光学顕微鏡写真（Ｘ　４００）で
ある。 第２図は、実施例１における中間製品についての第１図
と同様の金属組織を示す光学顕微鏡写真（Ｘ４００）で
ある。 第３図は実施例１の表面被覆鋼材の断面硬度分布を示す
。 第４図は実施例の表面被覆鋼材の表面部におけるＴｉと
Ｆｅの濃度分布を示す。 第５図は、実施例２、比較例２の各種エンドミルについ
ての切削試験の結果を示す。 代理人　弁理士　岩見谷　周　志 第１図 第３図 Ａ：　基材のエンドミル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 鋼系金属母材のみからなる基部と；前記と同一の鋼系金
   属母材中に窒素および炭素の少なくとも１種が拡散して
   なり、前記鋼系金属母材のみからなる基部の上に形成さ
   れた第１拡散層と；前記と同一の鋼系金属母材中に、窒
   素および炭素の少なくとも１種並びに周期律表IVａ族お
   よびＶａ族の金属から選ばれる少なくとも１種が拡散し
   てなり、前記第１拡散層上に形成された第２拡散層と；
   周期律表IVａ族およびＶａ族から選ばれる金属の炭化物
   、窒化物および炭窒化物の少なくとも１種からなり、前
   記第２拡散層上に形成された硬質被膜とを有する表面被
   覆鋼製品。