JPH08193266A - 超硬合金の表面処理方法 - Google Patents
超硬合金の表面処理方法Info
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- JPH08193266A JPH08193266A JP2110695A JP2110695A JPH08193266A JP H08193266 A JPH08193266 A JP H08193266A JP 2110695 A JP2110695 A JP 2110695A JP 2110695 A JP2110695 A JP 2110695A JP H08193266 A JPH08193266 A JP H08193266A
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- ions
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- ion implantation
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 処理が容易であり、超硬合金製品の摩擦環境
下での耐久性及び耐摩耗性を向上可能な超硬合金の表面
処理方法を提供する。 【構成】 超硬合金の表面に周期律表ＩＶａ族元素イオ
ン及び炭素イオンを注入することにより、特に、チタ
ン、ジルコニウム、ハフニウムのうちの少なくとも１種
類以上のイオン注入を行った後に、前記炭素イオンを追
加注入することにより、工具、ダイス、ドリルなどに用
いられている超硬合金の耐摩耗性を著しく向上させるこ
とができる。
下での耐久性及び耐摩耗性を向上可能な超硬合金の表面
処理方法を提供する。 【構成】 超硬合金の表面に周期律表ＩＶａ族元素イオ
ン及び炭素イオンを注入することにより、特に、チタ
ン、ジルコニウム、ハフニウムのうちの少なくとも１種
類以上のイオン注入を行った後に、前記炭素イオンを追
加注入することにより、工具、ダイス、ドリルなどに用
いられている超硬合金の耐摩耗性を著しく向上させるこ
とができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、工具、ダイス、ドリル
などに用いられる超硬合金の表面処理に関し、特にその
耐摩耗性を向上させるための方法に関する。
などに用いられる超硬合金の表面処理に関し、特にその
耐摩耗性を向上させるための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】超硬合金（主にＷＣをＣｏやＮｉで焼結
した合金で、炭化物成分としてＷＣの他にＴｉＣ、Ｔａ
Ｃ、ＮｂＣ等を含有するものも含む）は、高硬度、高強
度であり、ハイス鋼などに比べても耐摩耗性に優れるこ
とから、従来から耐摩耗性が要求される部分に用いられ
ている。
した合金で、炭化物成分としてＷＣの他にＴｉＣ、Ｔａ
Ｃ、ＮｂＣ等を含有するものも含む）は、高硬度、高強
度であり、ハイス鋼などに比べても耐摩耗性に優れるこ
とから、従来から耐摩耗性が要求される部分に用いられ
ている。
【０００３】しかしながら、苛酷な条件で使用されるこ
とが多くなり、このような超硬合金でも一層耐摩耗の向
上が望まれており、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）や化学気
相蒸着法（ＣＶＤ）などの手法で、炭化物や窒化物など
のセラミックスを皮膜として超硬合金の表面を被覆する
処理が行われてきたが、従来のＰＶＤ法及びＣＶＤ法に
よる皮膜では密着性、皮膜の硬度や残留応力などが不十
分でその性能に問題があった。
とが多くなり、このような超硬合金でも一層耐摩耗の向
上が望まれており、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）や化学気
相蒸着法（ＣＶＤ）などの手法で、炭化物や窒化物など
のセラミックスを皮膜として超硬合金の表面を被覆する
処理が行われてきたが、従来のＰＶＤ法及びＣＶＤ法に
よる皮膜では密着性、皮膜の硬度や残留応力などが不十
分でその性能に問題があった。
【０００４】そこで、例えば特開昭５８−１８１８６４
号公報にあるように、金属蒸気中でイオンインプランテ
ーションを行う、いわゆるイオンビームアシスト蒸着法
またはダイナミックイオンミキシング法といわれる方法
により、強固に薄い硬質皮膜を密着させる方法が提案さ
れ、また、例えば特開平２−２２４５４号公報にあるよ
うに予め薄い被覆層を形成し、その後にイオン注入処理
を施す、いわゆるイオンミキシング法またはスタティッ
クミキシング法といわれる方法などが提案されており、
これらは薄膜の密着性及び硬度を高める方法であった。
号公報にあるように、金属蒸気中でイオンインプランテ
ーションを行う、いわゆるイオンビームアシスト蒸着法
またはダイナミックイオンミキシング法といわれる方法
により、強固に薄い硬質皮膜を密着させる方法が提案さ
れ、また、例えば特開平２−２２４５４号公報にあるよ
うに予め薄い被覆層を形成し、その後にイオン注入処理
を施す、いわゆるイオンミキシング法またはスタティッ
クミキシング法といわれる方法などが提案されており、
これらは薄膜の密着性及び硬度を高める方法であった。
【０００５】また、特開平１−２７４９０３号公報や特
開平６−２１０７号公報にあるように、予め硬質セラミ
ックス膜を形成した後にガスイオンや金属イオンを注入
し、硬質セラミックス膜に格子歪を与えて皮膜表層の硬
度を上昇させたり、注入イオンの酸化物を表層に形成さ
せることにより寿命を向上させる方法なども提案されて
いる。
開平６−２１０７号公報にあるように、予め硬質セラミ
ックス膜を形成した後にガスイオンや金属イオンを注入
し、硬質セラミックス膜に格子歪を与えて皮膜表層の硬
度を上昇させたり、注入イオンの酸化物を表層に形成さ
せることにより寿命を向上させる方法なども提案されて
いる。
【０００６】更に、特開平２−１１１８６９号公報にあ
るように、イオン注入法によって表層特性を向上させる
ことも提案されている。これは切削加工中に窒素イオン
を注入して耐摩耗性の向上を図るものである。加えて、
特開昭５８−１８１８６４号公報にあるように金属イオ
ンと窒素イオンとを同時に注入し、硬質窒化物の埋め込
み層を形成する方法も提案されている。
るように、イオン注入法によって表層特性を向上させる
ことも提案されている。これは切削加工中に窒素イオン
を注入して耐摩耗性の向上を図るものである。加えて、
特開昭５８−１８１８６４号公報にあるように金属イオ
ンと窒素イオンとを同時に注入し、硬質窒化物の埋め込
み層を形成する方法も提案されている。
【０００７】一方、超硬合金ではなく鉄基材料に関して
は、発明者らが特願平０５−２５２５３２号に於て、チ
タンイオンと炭素イオンの二重注入によって鉄基材料の
耐摩耗性を向上させる方法を出願している。
は、発明者らが特願平０５−２５２５３２号に於て、チ
タンイオンと炭素イオンの二重注入によって鉄基材料の
耐摩耗性を向上させる方法を出願している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ＰＶＤ法やＣＶＤ法に
よってセラミックス皮膜を形成することにより摩耗が減
少するのは、皮膜であるセラミックスが硬質で削れ難い
という性質に基づくが、皮膜であることから剥離の問題
がある。この剥離に関しては皮膜にイオン注入を行って
セラミックス皮膜の表層硬度を更に上昇させても効果が
なく、製品使用中に剥離が生じる。また、ダイナミック
イオンミキシング法や、スタティックミキシング法で形
成した皮膜については、その密着性は向上するが、皮膜
であることから剥離の問題は解決できず、また処理のた
めに蒸着源が必要であり、装置が大型化するという欠点
があった。
よってセラミックス皮膜を形成することにより摩耗が減
少するのは、皮膜であるセラミックスが硬質で削れ難い
という性質に基づくが、皮膜であることから剥離の問題
がある。この剥離に関しては皮膜にイオン注入を行って
セラミックス皮膜の表層硬度を更に上昇させても効果が
なく、製品使用中に剥離が生じる。また、ダイナミック
イオンミキシング法や、スタティックミキシング法で形
成した皮膜については、その密着性は向上するが、皮膜
であることから剥離の問題は解決できず、また処理のた
めに蒸着源が必要であり、装置が大型化するという欠点
があった。
【０００９】一方、窒素や炭素のイオン注入法は基板表
面そのものの性質を変えることから、原理的に剥離がな
い。しかし、切削加工中にイオン注入を行うことは、加
工条件が限定されることからあまり現実的な方法とはい
えず、また、イオン注入により超硬合金表層に硬質窒化
物の埋め込み層を形成する方法では硬質部の厚みが小さ
いため、耐摩耗性を十分に確保することは困難であっ
た。本発明は上記した従来技術の問題点に鑑みなされた
ものであり、その主な目的は、処理が容易であり、超硬
合金製品の摩擦環境下での耐久性及び耐摩耗性を向上可
能な超硬合金の表面処理方法を提供することにある。
面そのものの性質を変えることから、原理的に剥離がな
い。しかし、切削加工中にイオン注入を行うことは、加
工条件が限定されることからあまり現実的な方法とはい
えず、また、イオン注入により超硬合金表層に硬質窒化
物の埋め込み層を形成する方法では硬質部の厚みが小さ
いため、耐摩耗性を十分に確保することは困難であっ
た。本発明は上記した従来技術の問題点に鑑みなされた
ものであり、その主な目的は、処理が容易であり、超硬
合金製品の摩擦環境下での耐久性及び耐摩耗性を向上可
能な超硬合金の表面処理方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】発明者らは、まず超硬合
金の摩耗機構の詳細な解析を行った。その結果、超硬合
金の摩耗は接触している相手材との凝着が起点となって
いることをつきとめた。即ち、摩擦環境中に相手材との
接触により凝着点（凝着部）を生じ、この凝着部が時間
と共に成長する。この凝着部と相手材とは同じ元素、即
ちともがねであることから非常にくっつきやすく、摩擦
中にここに大きな凝着力が働く。一般に超硬合金は数ミ
クロンのＷＣ粒をＣｏを結合剤として焼結することによ
って製造されるものである。前述した凝着力により超硬
合金の構成要素であるＷＣ粒の引き剥がしが起こり、こ
れを繰り返すことによって表面が損傷し摩耗が進展する
というものである。よって、超硬合金の摩耗は、相手材
との凝着を防止することによって減少させることができ
ることを発見した。よって上述の課題を解決するために
は、超硬合金に、原理的に剥離がなく、相手材との凝着
が少ない表面を形成してやればよい。そこで発明者らは
表層の特性を変えることのできるイオン注入法に着目
し、イオン注入条件を詳細に検討することによって上記
目的を達成した。これは、超硬合金の耐摩耗性を向上す
るためにこれまで行われてきたいろいろな方法、即ち硬
質皮膜を形成する方法、硬質皮膜の密着性を向上させる
方法または硬質皮膜の硬度をさらに向上させる方法等と
は全く異なるものであり、超硬合金の表層特性そのもの
を変える方法である。本発明は、超硬合金の表面に周期
律表ＩＶａ族元素イオン及び炭素イオンを注入すること
を特徴とする超硬合金の表面処理方法であり、周期律表
ＩＶａ族元素イオン注入処理として、チタン、ジルコニ
ウム、ハフニウムのうちの少なくとも１種類以上のイオ
ンの注入を行った後に、炭素イオンを追加注入すること
を特徴とする超硬合金の表面処理方法である。
金の摩耗機構の詳細な解析を行った。その結果、超硬合
金の摩耗は接触している相手材との凝着が起点となって
いることをつきとめた。即ち、摩擦環境中に相手材との
接触により凝着点（凝着部）を生じ、この凝着部が時間
と共に成長する。この凝着部と相手材とは同じ元素、即
ちともがねであることから非常にくっつきやすく、摩擦
中にここに大きな凝着力が働く。一般に超硬合金は数ミ
クロンのＷＣ粒をＣｏを結合剤として焼結することによ
って製造されるものである。前述した凝着力により超硬
合金の構成要素であるＷＣ粒の引き剥がしが起こり、こ
れを繰り返すことによって表面が損傷し摩耗が進展する
というものである。よって、超硬合金の摩耗は、相手材
との凝着を防止することによって減少させることができ
ることを発見した。よって上述の課題を解決するために
は、超硬合金に、原理的に剥離がなく、相手材との凝着
が少ない表面を形成してやればよい。そこで発明者らは
表層の特性を変えることのできるイオン注入法に着目
し、イオン注入条件を詳細に検討することによって上記
目的を達成した。これは、超硬合金の耐摩耗性を向上す
るためにこれまで行われてきたいろいろな方法、即ち硬
質皮膜を形成する方法、硬質皮膜の密着性を向上させる
方法または硬質皮膜の硬度をさらに向上させる方法等と
は全く異なるものであり、超硬合金の表層特性そのもの
を変える方法である。本発明は、超硬合金の表面に周期
律表ＩＶａ族元素イオン及び炭素イオンを注入すること
を特徴とする超硬合金の表面処理方法であり、周期律表
ＩＶａ族元素イオン注入処理として、チタン、ジルコニ
ウム、ハフニウムのうちの少なくとも１種類以上のイオ
ンの注入を行った後に、炭素イオンを追加注入すること
を特徴とする超硬合金の表面処理方法である。
【００１１】
【作用】超硬合金の耐摩耗性を向上させる方法につい
て、発明者らは、原理的に剥離がなく、表層の特性を変
えることのできるイオン注入法に着目し、種々の条件を
詳細に検討した。その結果、チタン、ジルコニウム、ハ
フニウムのうちの少なくとも１種類以上のイオン注入を
行った後に炭素イオンを追加注入することで、超硬合金
の相手材に対する凝着をほぼ皆無にすることができる。
て、発明者らは、原理的に剥離がなく、表層の特性を変
えることのできるイオン注入法に着目し、種々の条件を
詳細に検討した。その結果、チタン、ジルコニウム、ハ
フニウムのうちの少なくとも１種類以上のイオン注入を
行った後に炭素イオンを追加注入することで、超硬合金
の相手材に対する凝着をほぼ皆無にすることができる。
【００１２】超硬合金にチタン、ジルコニウムまたはハ
フニウムを注入すると、超硬合金表層は非晶質化する。
この非晶質相が形成されると超硬合金の表面エネルギー
は低下し、相手材との反応、即ち凝着が著しく抑制され
る。超硬合金の表層を非晶質化するだけでも、凝着は減
少し耐摩耗性は向上するが、これだけでは耐久性が不十
分で寿命が短い。これにある程度の炭素イオンを注入す
ると炭素原子は非晶質構造の原子間に入り込み、非晶質
相を強化する。更に多くの炭素を注入すると、炭素は非
晶質相中でグラファイトとして微細析出するようにな
る。この炭素によって強化され、グラファイトが微細析
出した構造をもつ非晶質相を超硬合金表層に形成してや
ると、耐久性が著しく向上する。
フニウムを注入すると、超硬合金表層は非晶質化する。
この非晶質相が形成されると超硬合金の表面エネルギー
は低下し、相手材との反応、即ち凝着が著しく抑制され
る。超硬合金の表層を非晶質化するだけでも、凝着は減
少し耐摩耗性は向上するが、これだけでは耐久性が不十
分で寿命が短い。これにある程度の炭素イオンを注入す
ると炭素原子は非晶質構造の原子間に入り込み、非晶質
相を強化する。更に多くの炭素を注入すると、炭素は非
晶質相中でグラファイトとして微細析出するようにな
る。この炭素によって強化され、グラファイトが微細析
出した構造をもつ非晶質相を超硬合金表層に形成してや
ると、耐久性が著しく向上する。
【００１３】イオン注入条件は、チタン、ジルコニウ
ム、ハフニウムのうちの１種類以上のイオンの注入量が
１×１０17個／ｃｍ2以上であり、かつ炭素イオンの追
加注入量が４×１０17個／ｃｍ2以上である必要があ
る。チタン、ジルコニウム、ハフニウムのうちの１種類
以上のイオンの注入量を１×１０17個／ｃｍ2以上とし
たのは、この注入量以下では耐摩耗性を向上させるため
に必要な非晶質相を形成することができないためであ
る。炭素イオンの追加注入量が４×１０17個／ｃｍ2以
上としたのは、これ以下では非晶質相を十分に強化でき
ず、またグラファイトの析出も生じないため耐久性を向
上させることができないためである。チタン、ジルコニ
ウム、ハフニウムのうちの少なくとも１種類以上のイオ
ン及び炭素イオンの追加注入量の上限については特に規
定はないが、１×１０20個／ｃｍ2以下が望ましい。こ
の理由は、イオン注入に伴うスパッタリングによって基
板表面での注入イオン濃度が飽和し、これ以上注入して
も効果が飽和するからである。
ム、ハフニウムのうちの１種類以上のイオンの注入量が
１×１０17個／ｃｍ2以上であり、かつ炭素イオンの追
加注入量が４×１０17個／ｃｍ2以上である必要があ
る。チタン、ジルコニウム、ハフニウムのうちの１種類
以上のイオンの注入量を１×１０17個／ｃｍ2以上とし
たのは、この注入量以下では耐摩耗性を向上させるため
に必要な非晶質相を形成することができないためであ
る。炭素イオンの追加注入量が４×１０17個／ｃｍ2以
上としたのは、これ以下では非晶質相を十分に強化でき
ず、またグラファイトの析出も生じないため耐久性を向
上させることができないためである。チタン、ジルコニ
ウム、ハフニウムのうちの少なくとも１種類以上のイオ
ン及び炭素イオンの追加注入量の上限については特に規
定はないが、１×１０20個／ｃｍ2以下が望ましい。こ
の理由は、イオン注入に伴うスパッタリングによって基
板表面での注入イオン濃度が飽和し、これ以上注入して
も効果が飽和するからである。
【００１４】また、イオンのエネルギーとしては、１０
ＫｅＶ以上４００ＫｅＶ以下が望ましい。１０ＫｅＶ以
上としたのは、これ以下であるとイオンのエネルギーが
小さすぎてイオン注入の効果がほとんどなくなるためで
ある。一方、４００ＫｅＶ以下としたのは、このエネル
ギー以上であるとイオン注入機が大型化し、産業用プロ
セスとして成り立たなくなるためである。
ＫｅＶ以上４００ＫｅＶ以下が望ましい。１０ＫｅＶ以
上としたのは、これ以下であるとイオンのエネルギーが
小さすぎてイオン注入の効果がほとんどなくなるためで
ある。一方、４００ＫｅＶ以下としたのは、このエネル
ギー以上であるとイオン注入機が大型化し、産業用プロ
セスとして成り立たなくなるためである。
【００１５】
【実施例】超硬合金の耐摩耗性を改善するためのイオン
注入条件について説明する。超硬合金基板としてＷＣ−
８ｗｔ％Ｃｏを用い、これをイオン注入機に取り付け、
種々の金属イオンを注入した。注入イオンは、チタン
（ＩＶａ族）、ジルコニウム（ＩＶａ族）、ハフニウム
（ＩＶａ族）、タンタル（Ｖａ族）、モリブデン（ＶＩ
ａ族）またはバナジウム（Ｖａ族）である。また、金属
イオンを注入した一部の基板に炭素イオンの追加注入を
行った。注入条件を表１に示す。イオン注入を行った超
硬合金及び未処理の超硬合金の耐摩耗性を往復摺動摩耗
試験により調べた。摩耗試験の条件は、相手ピン：直径
３．１８ｍｍのＳＵＳ４４０Ｃベアリング球、荷重：１
Ｋｇｆ、摺動速度：１０ｍｍ／ｓｅｃ．、摺動回数：１
００００回であった。１００００回試験終了時の摩擦係
数及び摩耗痕の断面積を表１に示す。表１より、チタ
ン、ジルコニウムまたはハフニウムを注入し、さらに炭
素イオンを追加注入した試料のみが、１００００回の試
験中、低い摩擦係数を示し、かつ摩耗量が少ないことは
明らかである。
注入条件について説明する。超硬合金基板としてＷＣ−
８ｗｔ％Ｃｏを用い、これをイオン注入機に取り付け、
種々の金属イオンを注入した。注入イオンは、チタン
（ＩＶａ族）、ジルコニウム（ＩＶａ族）、ハフニウム
（ＩＶａ族）、タンタル（Ｖａ族）、モリブデン（ＶＩ
ａ族）またはバナジウム（Ｖａ族）である。また、金属
イオンを注入した一部の基板に炭素イオンの追加注入を
行った。注入条件を表１に示す。イオン注入を行った超
硬合金及び未処理の超硬合金の耐摩耗性を往復摺動摩耗
試験により調べた。摩耗試験の条件は、相手ピン：直径
３．１８ｍｍのＳＵＳ４４０Ｃベアリング球、荷重：１
Ｋｇｆ、摺動速度：１０ｍｍ／ｓｅｃ．、摺動回数：１
００００回であった。１００００回試験終了時の摩擦係
数及び摩耗痕の断面積を表１に示す。表１より、チタ
ン、ジルコニウムまたはハフニウムを注入し、さらに炭
素イオンを追加注入した試料のみが、１００００回の試
験中、低い摩擦係数を示し、かつ摩耗量が少ないことは
明らかである。
【００１６】
【表１】
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、超硬合金の表面に周期
律表ＩＶａ族元素イオン及び炭素イオンを注入すること
により、工具、ダイス、ドリルなどに用いられている超
硬合金の耐摩耗性を著しく向上させることができる。
律表ＩＶａ族元素イオン及び炭素イオンを注入すること
により、工具、ダイス、ドリルなどに用いられている超
硬合金の耐摩耗性を著しく向上させることができる。
Claims (2)
- 【請求項１】 超硬合金の表面に周期律表ＩＶａ族元
素イオン及び炭素イオンを注入することを特徴とする超
硬合金の表面処理方法。 - 【請求項２】 前記周期律表ＩＶａ族元素として、チ
タン、ジルコニウム及びハフニウムのうちの少なくとも
１種類以上のイオン注入を行った後に、前記炭素イオン
を追加注入することを特徴とする請求項１に記載の超硬
合金の表面処理方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2110695A JPH08193266A (ja) | 1995-01-13 | 1995-01-13 | 超硬合金の表面処理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2110695A JPH08193266A (ja) | 1995-01-13 | 1995-01-13 | 超硬合金の表面処理方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08193266A true JPH08193266A (ja) | 1996-07-30 |
Family
ID=12045634
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2110695A Pending JPH08193266A (ja) | 1995-01-13 | 1995-01-13 | 超硬合金の表面処理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08193266A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018167534A1 (en) * | 2017-03-15 | 2018-09-20 | University Of The Witwatersrand, Johannesburg | Ion implanted hardmetal cemented carbide cold sprayed coatings |
| CN113811106A (zh) * | 2020-06-11 | 2021-12-17 | 维达力实业（赤壁）有限公司 | 壳体的制备方法、壳体以及应用 |
-
1995
- 1995-01-13 JP JP2110695A patent/JPH08193266A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018167534A1 (en) * | 2017-03-15 | 2018-09-20 | University Of The Witwatersrand, Johannesburg | Ion implanted hardmetal cemented carbide cold sprayed coatings |
| JP2020514553A (ja) * | 2017-03-15 | 2020-05-21 | ユニヴァーシティ・オブ・ザ・ウィットウォーターズランド・ヨハネスブルグ | イオン注入超硬合金コールドスプレーコーティング |
| CN113811106A (zh) * | 2020-06-11 | 2021-12-17 | 维达力实业（赤壁）有限公司 | 壳体的制备方法、壳体以及应用 |
| CN113811106B (zh) * | 2020-06-11 | 2023-06-27 | 维达力科技股份有限公司 | 壳体的制备方法、壳体以及应用 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20020730 |