JPS5822375A - 超硬被膜金属材料とその製造方法 - 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】 本発明は表面に超硬質の被膜を形成した金属材料および
その製造方法Ｋｌｌする。

メカニカルシールなどのごとき摺動材料、あるいは切削
工具等にあっては耐摩耗性が強く要求される丸め、超硬
質会金中セラック材料等が広く利用されている。しかし
慶から耐摩耗性に関与するのは材料における表ｗＯ機械
的性質であるから、材料全体を耐摩耗性和しなくても、
表面だけを耐摩耗性に強化すればその機能を充尼する。

このため比較的、軟質の材料、の表面に超硬質の被膜を
形成し九摺動部＃などが開発されている。

従来において鋳、鉄などの表ＩＮＫ超硬被膜を形成する
方法の一つとして化学蒸着法（以下ＣＶＤ法と称す）が
開発されている。このＣＶＤ法は、鋳鉄などの基材の表
面に、炭化チタン（ＴＩＣ）。

炭化ケイ素（Ｓｉｃ）などの耐摩耗性に優れた被膜を、
下記（１）式あるいは（２）式に示す化学反応によって
コーティングする手段である。

＋１１　　’ｒｔｃｚ４　＋　２Ｈ２→Ｔｉ　＋　４Ｈ
Ｃ１Ｔ五十ＣＨ４→ＴｉＣ＋　２Ｈｚ （２１ＣＨｓ８１ＣＬｊ＋　Ｈｚ→Ｓ魚Ｃ＋　３ＨＣｔ
＋　Ｈ上記ＣＶＤ法は高純度な炭化物硬質被膜を複雑な
形状の基材に対しても緻密かつ均一にコーティングでき
るという利点があシ、実用化が進んでいる。

しかしながらこのようなＣＶＤ法において、基材として
炭素を含む鉄系材料もしくは鉄合金材料を用い、賦基材
の表面Ｋｉ［＊に炭化チタン中炭化ケイ素に代表される
炭化物被膜をコーティングしようとする場合、基材表面
の炭素成分の一部が化学蒸着の過程で脱縦されてしまっ
て脱炭層を生じてしまう問題がある。このような脱炭層
の発生は所望の炭化物被膜の緻密かつ均−表コーティン
グを阻害し、被膜の基材に対する密着性を弱くし、強度
、靭性が低下してしまう欠点を生じ、また、基材と被膜
材料との熱膨張係数が異なるために被膜形成後の冷却過
程において被膜の表面に亀裂を生じさせた〕、一部が基
材から剥離されてし重うなどの原因となっていた。

本発明はこのような事情にもとづきなされたもので、そ
の目的とするところは、基材の脱炭を防止して超硬被膜
が基材に緻密かつ均一にコーティングされ、接着性も高
くなって亀裂や剥離を生じることがない超硬被膜金属材
料およびその製造方法を提供しようとする一部である。

すなわち本発明の１つは、基材と炭化物からなる超硬被
膜との間に基材の脱炭を防止する中間層を形成したこと
を特徴とする超硬被膜金属材料であ〕、また本発ｖｉ４
Ｅ）４に０１つは、中間層として窒化チタンを使用し、
該窒化チタンの中間層は化学蒸着法によって形成し、ζ
Ｏ中間層の表面に炭化物超硬被膜を化Ｉ＃蒸着＃によっ
て形成するようにしたことを特徴とする超硬被膜金属材
料の製造方法である。

以下本発明の一実施例を第１図ないし１１４図にもとづ
き説明する。

鮪１図は本発明に係る超硬被膜金属材料をメカニカルシ
ールの固定環に使用した例を示し、ｌはケーシング、２
は回転軸で上記ケーシング１の開口Ｊを貫通されている
。ケーシング１の内部には上記開口ａＫ臨んで固定＠４
が配置されてお夛、この固定１ｉ４はＯリング５を介し
てケーシング１の内面と封密を保っている。固定環４に
は回転ｉｉｇが密接されている。この回転ｌＩＣはたと
えば成形カー−ｙなどの軟質材からな夛、固定ｉ１４と
その密着面で摺動回転されるよう罠なっている０回転環
σはホル／−１を介して回転軸２と一体的に回転さ、・
れるようになっておル、ばねａＫよって固定環６ＦＣ押
し付けられている。なお回転ｉａｇは回転軸２との間Ｋ
ＯリングＩを介してシール性を保っている。

したがって回転軸２０回転に伴って回転＊ｇは一体的に
回転され、ヒの回転ｍｇと固定環４の会合面が相対的に
摺動回転されるが、この会合面は互に密着しているので
液体または気体の漏洩を防止しているものである。

しかして上記固定Ｈ１４には本発明の超硬被膜金属材料
が使用されてシシ、たとえば鋳鉄からなる基材１０の表
面に中間層１１が形成されているとともＫこの中間層１
１の表面に超硬被膜１２が形成されている。中間層１１
はニッケルもしくはコバルトをメッキによって形成した
ものであシ、層厚は５〜５０μ程度である。また超硬被
＠１１は炭化チタンまた＃ｉ廣化ケイ素をＣＶＤ法によ
って形成したものであシ、その膜厚は仕置であるがたと
えば１０〜５０＃程度が好ましい。

このような固定３ｊ４、換型すれば超硬被膜金属材料を
製造する方法について説明する。

薦２図は中間層１１としてニッケルもしくはコバルトメ
ッキ層を形成し、かつ超硬被膜１２として炭化ケイ素を
コーティングする例におけるｃｖｎ装置の概略的構成を
示す。２＃は水素Ｉンペであ〕、配管２１の途中に流量
制御弁Ｊｊａおよび流量計Ｊｊａを有して気化装置２４
に接続されている。ｔたこの水素がンペＸａは他の配管
２５を接続してあ〕、この配管２５の途中には流量制御
弁ｘｘｂおよび流量計ｘｓｂを備えている。上記気化装
置２４は加熱手段付温度制御装ｆｚｇを有している。気
化装置２４にはメチルトリク−ルシラン（ＣＨ３８１Ｃ
ｊ３）が貯えられている。気化装置２４から導出された
配管２１は上記水素がンペ２０から直接導びかれた配管
２５と合流されている。オた２８はアルｆ７ま九はヘリ
ウムなどの不活性ｆＸ−ンペであ夛、配管２＃の途中に
流量制御弁２２＠および流量針２３・を備えている。こ
の配管２＃は上記各配管１５および２ｒとともに合流配
管１０に接続されている。合流配管７ｏは反応装置ＪＪ
Ｋ導入されている０反応装置Ｊ１は耐熱性に優れ九磁器
等からなる円筒状の反応容器ｓ２の両端をシールしてあ
〉、その外部には加熱手段付温変制御装置Ｊ１（有して
いる０反応装置Ｊ１は配管Ｊ４を介して、化学反応によ
って発生したガスを吸収するためのトラップ装置ｘｓｙ
ｃ接続されていゐ。トラップ装置１１１ｆｌＣは外部放
出配管３εが接続されている。

このような構成のＣＶＤ装置を用いて超硬被膜金属材料
を製造する方法を述べる。

まず、所定の形状に加工し九鋳鉄などからなる基材１０
に、、＝−メチルまたは：ＩＡルトからなる中間層１１
を形成する。この場合、ニッケルまたはコ／肴ルト層は
公知の電気分解メッキ法によって形成し、その層厚は九
とえば１５声程度でよい。

このような中間層１１を予めメッキによって形成した基
材１０を、反応装置１１の容器Ｊ２内に収容する。そし
てまず不活性ガスがンぺ２８から反応装置Ｊ１内に１ア
ル！ンｔ＋ａヘリウムなどの不活性ガスを供給し、この
不活性ｆスＷ、ｌ！ｉ気中において基材１−を所定の温
度（たとえば１２００℃１度）ｔで加熱する。このこと
によル表面の不純物や不純ガスを放出させて中間層１１
の表面を浄化する。

一方、気化装置２４のメチルト蔓・りｐルシランを所定
温度（たとえば２０〜３（１）Ｋ加熱してメチルトリク
費ルシランの蒸気圧を一定の値（りとえば１８０−−）
とし、これに水素−ンペ２０から一定の流速（たとえば
０．８４７ｍ１ｍ）の水素を供給する。

このような気化装置２４は、上記浄化処理の終了した反
応装置Ｊ１の容器５ｘＰｃ配管２ｒを介して導通し、同
時に配管ｘｔｓｐよび２９も導通させ、メチルトリクロ
ルシランの蒸気−水素および不活性ガスを容ｌ５ＪｊＫ
供給する。このようにして容器３２内において前述した
（２）式の化学反応を約１時間行わせることによ）、中
間層１１の表面に炭化ケイ素の超硬被膜１２を形成する
ことができる。

上記被膜１２の形成後は、配管ｘｒ、ｚｓを閉じて容器
Ｓ２内に不活＋ｊｋｆスだけを供給し、数年活性ガスの
雰囲気中で反応装置Ｊ１を徐冷する。冷却後、製品をＩ
ＩＬｎ出し、必要に応じてつｔｂメカニカルシールの国
定１［としての機能を発揮させる九めに１被＠ＺＸの摺
動される表面を研摩する。この研摩によ）、たとえば表
面の面粗度０．０５声Ｒａ　ｅ　ＩＩうねル０．３声１
１ｍＫ仕上げる。

上記のごとく製造された超硬被膜金属材料は、その断画
組織をＸ線マイク四アナライプによって線分析してみる
と第３図Ｏごとき模式図となった。すなわち、鋳鉄（ｒ
・）からなる基材１０の表面に、約１５μの厚みを有す
るニッケルメッキの中間層１１が形成されてお）、この
中間層１１０表面ＫＩＮ厚約ｓＯ声の炭化ケイ素の被膜
１２が形成されていることが認められた。そしてこのも
のｋは基材１０の表面に脱炭層の生成が全く認められな
いものであった。

このような超硬被膜金属材料は、化学蒸着法によって超
硬被膜１２を形成する場合に、基材１０の表面が中間層
１１によって予め被われているから、脱炭されず、つｔ
〕脱羨層の生成が防止される。したがって被１［１２が
基材１０に対し緻密かつ均一に形成され、かつ被膜１２
の基材１０１ＩＣ対する接合力も大きくなる。また、被
膜ｘｌ（Ｄ形成１１に誉ける冷却される過程で、被膜１
２の亀裂中剥離の発生がない。

また、このような超硬被膜金属材料は、１８ｇ１図のメ
カニカルシールにおける固定環４として使用し大場合に
は、回転環５との密着性がよくてオイル洩れやガス洩れ
を効果的に防止し、さらに被膜１２の摩擦係数が小さく
、耐摩耗性においてきわめて優れている。このため耐久
性能が向上する。

菖４図においては上記実施例に係る本発明の固定環４と
、従来公知の材料によって製造した他の固定環との摩耗
特性について実験した結果を示した。すなわち、使用し
た試料は、表面処理のない鋳鉄、ｔ−メット、アルンナ
、全体を炭化ケイ素焼結体としたもの、および本発明に
係る炭化ケイ素の超硬被膜を形成したものである０回転
Ｉｌｌとして成形カー−ンＪ１０ものを用い、回転数２
００Ｏｒ’、ｐ、ｗａ、面圧力１０　ｋＰ／ｃｎｈｃよ
って各々回転摺動１０時間ｖｋ＃ｃおける摺動面の摩耗
量を測定したものである。この第４図からも判るよう゛
に本発明の超硬被膜金属材料は、耐摩耗性に優れ、耐久
特性が向上することが理解できる。

上記実施例において社中間層１１としてニッケルもしく
は＝パル）Ｏメッキ層を用いた例を詳述じたが、中間層
１１として窒化チタンを用いてもよく、この窒化チタン
を用いる場合についての製造方法を第５図にもとづき説
明する。

第５図は窒化チタンをｃｖｎ＃＆によって基材表面に形
成する手段を、第２図の装置に追加したものであシ、追
加した部分を説明すると、５０は四塩化チタン（ＴｉＣ
４）を気化させる気化装置であシ、加熱手段付温度制御
装置５１を有している。気化装置５”□Ｏは、途中に流
量制御弁２２４１および流量計ＪＪｄを有する配管５２
を通じて水素がンペ２０に連結されてシシ、かつ他の配
管５３を介して合流配管ｘｏＫ＠＠されている。

また５４は窒素Ｉンペであル、配管１５を介して合流配
管１１１に＠絖されている。この配管５５にも流量制御
弁２２・および流量計２Ｓ・が設けられている。

このような装置を用いて超硬被膜金属材料を製造する手
順を説明する。

所定形状に加工した基材１０を反応装置１１０容ＢａＸ
内に収容する。そして不活性ガスがンぺ２８から反応装
置の容器Ｓ２内に不活性ガスを供給し、この不活性ガス
雰Ｈ気中において基材１０を加熱し、脱ガス処理を行う
。

一方、四塩化チタンを収容した気化装置５０内に水素ボ
ンぺ２０から水素を導入して四塩化チタンを気化させる
。上記気化装置１０の四塩化チタン蒸気と、水素がンぺ
２０からの水素と、ｉｉ１素ゲンペ５４からの窒素を反
応装置の容器１２内“に供給する。この場合四塩化チタ
ンと窒素との供給比率を適幽に選定（たとえばＮ２／Ｔ
　Ｉ　ＣＬ４＝６〜１０）ｌ、、かつ基材１０を１００
０℃ｍ＆の温度に加熱し、水嵩供、給も適＃！ＡｌＩＣ
制御する。

これによって （３）２〒ＩＣＬ４＋’Ｎ２＋４Ｍ宜→２Ｔ息Ｎ＋８Ｈ
ＣＡの化学反応を生じ、窒化チタン（ＴｉＮ）が基材１
０の表面に形成される。

引き続き反応装置Ｊ１へのｆス供給を切シ換えて、かつ
温度を制御して第３図における炭化ケイ素析出の化学蒸
着法によル、上記窒化チタンの表面に炭化ケイ素被膜を
形成する。

このようにして製造された超硬被膜金属材料は、中間層
ＩＩとして窒化チタンの被膜が構成されてｂるが、この
ものは中間層１１としてニッケルメッキもしくは＝パル
トメツキを使用したものと、機械的性質において差異が
なく、耐摩耗性に優れている。

そして上記の製造方法によると、菓３図に示された被膜
形成のための化学蒸着装置に１窒化チタンの中間層を形
成するための装置を付加するだけで、中間層と被膜とを
連続して成形することができるから、製造装置が簡単で
あるばか）でなく、中間層を形成した基材１＃を反応装
ｔｌｌから移し変える必要がなく、よって製造手間を格
段に省略することができる。特に反応装置３１の移し変
えを行う場合、中間層１１の表面に不純物、不純ガスが
付着するので被膜１２を形成するに先立って再び脱ガス
等の浄化を必要とするととになるが、中間層１１の形成
後引き続き同一反応装置３１によシ被膜１２を形成する
とこのような面倒な手間を要さないなどの利点がある。

なお本発明に係る第１番目の発明は各実施例に制約され
るものではない。すなわち中間層１１としては実施例に
おいてニッケルメッキ、コバルトメッキ鳴しくけ窒化チ
タンが例示されているが、この中間層１１は要するに超
硬被膜１２が化学蒸着される際に基材１０の脱炭を防止
するものであればよい、したがって中間層１１としては
被＠Ｉ　ＪＣ）化学蒸着過ＳＣおける反応温度以上の耐
熱性をもち、かり脱炭を防止すべく基材ｉｅｏ表面を被
うものであればよい。そして機械的性質の点で中間層１
１は基材１０および被膜１２０両者に対する接合力を有
し、ある程度以上の靭性をもち、かつ基材１０および被
ｊ［１２０５ｍ張係数の中間位Ｏ熱膨張率をもっている
どとが望ましい、このようなことから、中間層１１とし
ては前述し九ニッケル、コバルト、窒化チタンのはかに
九とえば窒化ニオブ（ＮｂＮ）等も使用可能である。

また、超硬被膜１２は炭化チタンもしくは炭化ケイ素の
みに制約されるものではなく、その他炭化ホウ素（１１
４Ｃ）などを含む炭化物であっても実施可能である。

さらＫＮ化ケイ素の化学蒸着法は前述した篤（２）式を
採用することＫｉｌらず、たとえば８１Ｃｊ＋ＣＨｎ＋
Ｈｚ→８１　Ｃ＋　４　ＨＣｊ　＋　１１！などの反応
式を利用するものであってもよい。

そしてまた、第２図および菖５図に各々示された反応装
置ＪＪＫついては、外部から容器３２内を加熱するもの
ＫＦｉ限らず、内熱方式を採用することも可能であ〕、
容器Ｊ２４ペルシアタイブで構成するとともできる。

以上詳述し九通夛、本発明の嬉１の発明は、炭素を含有
する鉄を主体とし丸材料からなる基材の表面に、耐熱性
を有し皺基材の脱炭を防止する中間層を形成し、この中
間層の表面に炭化物の超硬被膜を化学蒸着して形成した
ものである。したがってこのものは中間層が基材の脱炭
を阻止するので超硬被膜の付着力が向上するとともに数
置かつ均一な被膜が形成される。しかも超硬被膜の亀裂
中剥離が少く、耐摩耗性を維持して耐久性に優れ丸もの
となる。ｔた基材として鉄屯しくけ鉄合金を採用するの
で、基材形状を任意に加工することができて複雑な形状
の製品も容易に得られるとともに、基材が機械的強度の
大部分を負担するので衝撃等にも耐え得るものとなる。

また第２の発明は、基材の表面に化学蒸着法によって中
間層を形成し、しかるのちこの中間層表面に化学蒸着法
によって超硬被膜を形成する方法であるから、上暉第１
の発明に係る超硬被膜金属材料の製造が同一反応装置を
使用して連続して行え、よってその手間がきわめて簡単
になり、工程４削減できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の一実施例を示し、第１図
はメカニカルシールの構成図、＃Ｉ２図は固定環として
使用する超硬被膜金属材料の製造方法に使用する装置の
概略的構成図、第３図は上記装置を用いて製造した製品
のＸ線分析図、第４図は上記製品と従来品との耐摩耗性
を示す特性図である。またＷＸｓ図は他の実施例に係る
製造方法に使用するための装置を示す概略的構成図であ
る。 １０・・・基材、１１・・・中間層、１２・・・超硬被
膜。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦矛３図 一！ＩＰ４図 矛５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｃυ　炭素を含有する鉄を主体とし大材料からなる基材
   ０！１面に、耐熱性を有しかつ＃基材の脱炭を防止する
   中間層を形成し、この中間層の表面に化学蒸着された炭
   化物からなる超硬被膜を形成したことを特徴とする超硬
   被膜金属材料・（２）　　上記１ｉｉＷｌ被Ｉｌｉは膨
   化チタンもしくは炭化ケイ素であることを特徴とする特
   許請求のａＳ館（１）項記載０超硬被属金属材＄ｉ！。 （３１上記中間層はニッケルもしくはコ／ぐルトのメッ
   キ層であることを特徴とする特許請求のＳ囲第（１）項
   もしくは第（２）項記載の超硬被膜金属材料。 （４）上記中間層は窒化チタンである仁とを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項もしくは第（２）項記載の超
   硬被膜金属材料。 （５）炭素を含有する鉄を主体とした材料からなる基材
   の表面（窒化チタンからなる中間層を化学蒸着法により
   形成し、仁の中間層の表ｗ−炭化物から慶る超硬被膜を
   化学蒸着法によシ形成することを特徴とする１１１ｔＩ
   被膜金属材料の製造方法。