(57)【要約】炭化物などの、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材にチタンおよび窒化物を拡散する方法である。この方法では、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材を用意し、  二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を有する塩浴を用意し、チタン化合物の電解によって形成した金属チタンを上記塩浴に分散し、約４３０℃〜約６７０℃の範囲にある温度に塩浴を加熱し、そして約１０分間〜約２４時間の範囲にある時間基材を塩浴に浸漬することからなる。処理した基材は、さらに、通常の表面処理法または表面コーティング法を利用して処理してもよい。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材にチタンおよび窒化物を拡散する方法において、
全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材を用意し、
二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を有する塩浴を用意し、
チタン化合物の電解によって形成した金属チタンを上記塩浴に分散し、
約４３０℃〜約６７０℃の範囲にある温度に塩浴を加熱し、そして
約１０分間〜約２４時間の範囲にある時間上記基材を塩浴に浸漬することからなることを特徴とする拡散方法。
【請求項２】
基材へのチタンおよび窒化物の拡散を促進するために、上記浸漬時間を延長することからなる請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記塩浴が、非電解塩浴である請求項１記載の方法。
【請求項４】
上記塩浴に、二酸化炭素ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび塩化ナトリウムから選択された塩を約２０ｗ/ｗ％までの量で追加配合した請求項１記載の方法。
【請求項５】
浸漬温度が約５００℃〜約６５０℃である請求項１記載の方法。
【請求項６】
上記塩浴に、二酸化炭素ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび塩化ナトリウムから選択した塩を約２０ｗ/ｗ％までの量を追加配合した請求項３記載の方法。
【請求項７】
基材を塩浴に浸漬する前に、基材を処理することからなる請求項１記載の方法。
【請求項８】
熱処理、ナノコーティング、セラミックコーティング、物理的蒸着（ＰＶＤ）、化学的蒸着（ＣＶＤ）およびイオン加速コーティング（ＩＡＣ）からなる群から選択した処理法を使用して、基材を処理する請求項７記載の方法。
【請求項９】
基材を塩浴に浸漬した後、基材をさらに処理することからなる請求項１記載の方法。
【請求項１０】
上記のさらに行う処理が、熱処理、ナノコーティング、セラミックコーティング、物理的蒸着（ＰＶＤ）、化学的蒸着（ＣＶＤ）およびイオン加速コーティング（ＩＡＣ）からなる群から選択した処理法を使用して、基材を処理する請求項９記載の方法。
【請求項１１】
基材が、炭化物を含有する請求項１記載の方法。
【請求項１２】
上記の炭化物含有基材を、炭化ホウ素、炭化クロム、炭化鉄、炭化二オブ、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化チタン、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化ジルコニウム、セラミック炭化物および炭化物合金からなる群から選択した請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
基材が金属基材である請求項１記載の方法。
【請求項１４】
基材にチタンおよび窒化物を拡散する方法において、
炭化物含有基材を用意し、
二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を有する塩浴を用意し、
チタン化合物の電解によって形成した金属チタンを上記塩浴に分散し、
約４３０℃〜約６７０℃の範囲にある温度に塩浴を加熱し、そして
約１０分間〜約２４時間の範囲にある時間上記基材を塩浴に浸漬することからなることを特徴とする拡散方法。
【請求項１５】
上記の炭化物含有基材を、炭化ホウ素、炭化クロム、炭化鉄、炭化ニオブ、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化チタン、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化ジルコニウム、セラミック炭化物および炭化物合金からなる群から選択した請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
基材へのチタンおよび窒化物の拡散を促進するために、上記浸漬時間を延長することからなる請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
上記塩浴が、非電解塩浴である請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
上記塩浴に、二酸化炭素ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび塩化ナトリウムから選択された塩を約２０ｗ/ｗ％までの量で追加配合した請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
浸漬温度が約５００℃〜約６５０℃である請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
上記塩浴に、二酸化炭素ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび塩化ナトリウムから選択された塩を約２０ｗ/ｗ％までの量で追加配合した請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
上記基材を塩浴に浸漬する前に、基材をさらに処理する請求項１４記載の方法。
【請求項２２】
熱処理、ナノコーティング、セラミックコーティング、物理的蒸着（ＰＶＤ）、化学的蒸着（ＣＶＤ）およびイオン加速コーティング（ＩＡＣ）からなる群から選択した処理法を利用して、基材を処理する請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
上記基材を塩浴に浸漬した後、基材をさらに処理することからなる請求項１４記載の方法。
【請求項２４】
上記のさらに行う処理が、熱処理、ナノコーティング、セラミックコーティング、物理的蒸着（ＰＶＤ）、化学的蒸着（ＣＶＤ）およびイオン加速コーティング（ＩＡＣ）からなる群から選択した処理法を利用して、基材を処理する請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
上記基材が、金属基材である請求項２１記載の方法。
【請求項２６】
全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材、および上記構造に拡散したチタン成分からなり、このチタン成分に加えて、基材にチタンが存在する場合にチタンを有することを特徴とする処理製品。
【請求項２７】
上記基材が、チタンを有する請求項２６記載の処理製品。
【請求項２８】
上記基材が、チタンを含まない請求項２６記載の処理製品。
【請求項２９】
上記チタン成分が、各ミクロ構造内の空隙に拡散している請求項２６記載の処理製品。
【請求項３０】
上記基材が窒化物を有する請求項２６記載の処理製品。
【請求項３１】
上記炭化物含有基材を、炭化ホウ素、炭化クロム、炭化鉄、炭化ニオブ、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化チタン、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化ジルコニウム、セラミック炭化物および炭化物合金からなる群から選択した請求項３０記載の処理製品。
【請求項３２】
上記基材が金属基材である請求項２６記載の処理製品。
【請求項３３】
上記チタン成分がさらに窒化物を有する請求項２６記載の処理製品。
【請求項３４】
特定のミクロ構造をもつ炭化物を含有する基材、およびこのミクロ構造に拡散したチタン成分からなり、このチタン成分に加えて、基材にチタンが存在する場合にチタンを有することを特徴とする処理製品。
【請求項３５】
上記基材が、チタンを有する請求項３４記載の処理製品。
【請求項３６】
上記基材が、チタンを含まない請求項３４記載の処理製品。
【請求項３７】
上記チタン成分が、ミクロ構造内の空隙に拡散している請求項３４記載の処理製品。
【請求項３８】
上記チタン成分がさらに窒化物を有する請求項３４記載の処理製品。
【請求項３９】
全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材を用意し、
二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を有する塩浴を用意し、
チタン化合物の電解によって形成した金属チタンを上記塩浴に分散し、
約４３０℃〜約６７０℃の範囲にある温度に塩浴を加熱し、そして
約１０分間〜約２４時間の範囲にある時間基材を塩浴に浸漬することからなる拡散方法
によって製造したことを特徴とする処理製品。
【請求項４０】
上記基材が、チタンを有する請求項３９記載の処理製品。
【請求項４１】
上記基材が、チタンを含まない請求項３９記載の処理製品。
【請求項４２】
上記チタン成分が、ミクロ構造内の空隙に拡散している請求項３９記載の処理製品。
【請求項４３】
上記チタン成分がさらに炭化物を有する請求項３９記載の処理製品。
【請求項４４】
上記炭化物含有基材を、炭化ホウ素、炭化クロム、炭化鉄、炭化ニオブ、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化チタン、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化ジルコニウム、セラミック炭化物および炭化物合金からなる群から選択した請求項４３記載の処理製品。
【請求項４５】
上記基材が金属基材である請求項３９記載の処理製品。
【請求項４６】
上記チタン成分がさらに窒化物を有する請求項３９記載の処理製品。
【請求項４７】
炭化物含有基材を用意し、
二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を有する塩浴を用意し、
チタン化合物の電解によって形成した金属チタンを上記塩浴に分散し、
約４３０℃〜約６７０℃の範囲にある温度に塩浴を加熱し、そして
約１０分間〜約２４時間の範囲にある時間基材を塩浴に浸漬することからなる拡散方法
によって製造したことを特徴とする処理製品。
【請求項４８】
上記基材が、チタンを有する請求項４７記載の処理製品。
【請求項４９】
上記基材が、チタンを含まない請求項４７記載の処理製品。
【請求項５０】
上記チタン成分が、上記基材内の空隙に拡散している請求項４７記載の処理製品。
【請求項５１】
上記炭化物含有基材を、炭化ホウ素、炭化クロム、炭化鉄、炭化ニオブ、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化チタン、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化ジルコニウム、セラミック炭化物および炭化物合金からなる群から選択した請求項４７記載の処理製品。
【請求項５２】
上記基材が金属基材である請求項４７記載の処理製品。
【請求項５３】
上記チタン成分がさらに窒化物を有する請求項４７記載の処理製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には、基材にチタンおよび窒化物を拡散する方法に関する。具体的には、本発明は、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材（炭化物など）にチタンおよび窒化物を拡散する方法に関する。
【０００２】
本発明は、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材に、電解チタンの存在下でチタンおよび窒化物を拡散する低温方法に関する。低温方法は、基材のそりおよび捩れを阻止または小さく抑える点で好ましい方法であるが、従来の表面処理方法には２つの問題がある。チタンについては、全体として不活性な軽量材料である上に、引っ張り強度（靭性）がきわめて高く、耐腐食性もすぐれている材料として考えられている。従って、不活性な性質、高い硬度、強い引っ張り強度や高い耐磨耗性を示すため、チタン含有製品は、各種の用途に利用できる。例示すれば、一般工業、生医学、宇宙工業、自動車工業、防衛産業、宝石産業、工具産業、工具製作産業、銃器製造産業などが挙げられる。
【背景技術】
【０００３】
全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ一部の材料は、非常に硬く、耐高温性が高いことが知られている。この種の材料の一つの実例は、炭化物である。限定する意図はないが、ここで公知の炭化物を挙げると、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）、セメンタイト即ち炭化鉄（Ｆｅ３Ｃ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ、Ｎｂ２Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ、Ｗ２Ｃ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、セラミック炭化物、炭化物を含有する金属合金、および炭化物を含有する金属がある。炭化物の応用分野の一つでは、これらを含有する切削工具が、高速鋼または炭素鋼の代わりに、強靭な材料を加工するために一般に使用されている。事実、炭化物を含有する切削工具は、炭素鋼または他の靭性のある金属を加工するために使用することができる。
【０００４】
にもかかわらず、一般的にいって、炭化物は一部の金属材料や合金に比較して脆く、チッピングおよび／または破壊を受けやすい。例えば、図１に示すように、炭化物は、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ。粒状ミクロ構造は、炭化物の硬度に寄与するものであるが、粒子２０間に、炭化物構造の脆弱性を永続化させる小さな空隙２２が存在する。即ち、本発明の目的は、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ材料にチタンおよび窒化物を拡散して、これらに固有のものとして存在する空隙を充填し、これによってチタンの特性（靭性または引っ張り強度）を強化することである。
【０００５】
本開示に援用され、かつその一部を構成するＵＳＰ６，６４５，５６６には、鋼、鋼合金、アルミ、アルミ合金、チタン、チタン合金は始めとする各種の基材にチタンおよび窒化物を拡散する方法が開示されているが、ＵＳＰ６，６４５，５６６には、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ材料にチタンおよび窒化物を拡散する手法は記載されていない。炭化物は、一般的には、他の材料、金属または金属合金とは異なる構造をもつことが知られている。例えば、図２、３および４にそれぞれ示されているように、鋼、アルミおよびチタン（いずれもＵＳＰ６，６４５，５６６に開示されている基材）は、一般的に、空隙２６をもつ無定形基本構造２４ａ、２４ｂ、２４ｃを有する無定形ミクロ構造をもつものである。
【０００６】
鋼、アルミおよびチタンの無定形ミクロ構造は、炭化物の全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造とは著しく相違している。一般的に、全体として粒状を呈するミクロ構造の場合、炭化物が、全体として無定形のミクロ構造をもつ鋼、チタンおよびアルミより硬い。さらに、炭化物ミクロ構造の粒子２０は、鋼、アルミおよびチタンの無定形基本構造２４ａ、２４ｂ、２４ｃよりも全体としてコンパクトである。従って、炭化物の粒子２０間の空隙２２は、全体として、鋼、アルミおよびチタンの無定形基本構造２４ａ、２４ｂ、２４ｃ内部の空隙２６ａ、２６ｂ、２６ｃよりも小さい。
【０００７】
鋼、アルミやチタンなどの材料の場合、無定形基本構造２４ａ、２４ｂ、２４ｃおよび比較的大きい空隙２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、ＵＳＰ６，６４５，５６６の方法において、チタンおよび窒化物の拡散を促進するものである。対照的に、コンパクトな粒状ミクロ構造をもつ炭化物などの材料に任意の物質を拡散させることはより難しく、ほぼ不可能に近いことが一般的に知られている。従って、本発明の目的は、炭化物などの材料にチタンおよび窒化物を拡散して、粒状ミクロ構造に固有な空隙を、そのコンパクトな配向にもかかわらず充填し、チタンの特性を強化することである。
【０００８】
また、炭化物を含有する材料には、基材に保護層を与えるか、あるいは材料を強化する従来の他の表面処理方法およびコーティング方法も適用されている。ところが、これら方法は多くの点で欠点がある。一つの実例を挙げれば、従来の表面処理方法および被覆方法は、典型的には、鋼および鋼合金に適用されている。一般に、鋼および鋼合金の場合、鉄の含有率が高いことが知られている。一部の従来表面処理方法の場合、例えば、物理的蒸着（ＰＶＤ）、化学的蒸着（ＣＶＤ）やイオン加速コーティング（ＩＡＣ）のように、鋼または鋼合金の鉄と反応して、硬化した窒化鉄層を形成するように窒素を導入する窒化処理を行う。この反応によって、基材上の好適な保護層として作用する硬化窒化鉄層が形成する。
【特許文献１】ＵＳＰ６，６４５，５６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、一般的にいえば、これら窒化方法は、炭化物を処理するさいには十分ではない。より具体的にいえば、炭化物の場合、比較的鉄分が低いことが知られている。例えば、このような材料に適用する場合、窒素と反応する鉄が十分にない。従って、従来の窒化表面処理では、一般的にいって、鉄含有率が低いため、基材に硬化窒化鉄層が形成することはない。代わりに、基材表面との接着性が弱い保護層が生成するため、チッピングが発生しやすい。即ち、本発明の目的は、比較的鉄分の少ない材料のチタンおよび窒化物を拡散させることである。また、炭化物を含む基材と、従来の表面処理およびコーティングによって形成した保護層との間の接着性を強化する方法を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
特許請求の範囲に記載した本発明の上記目的を実現するために、本発明は、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材にチタンおよび窒化物を拡散する手法、およびこの手法によって製造した製品を提供するものである。このような基材の一例は、炭化物を含有する基材である。驚くべきことに、本発明の方法を適用すると、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材に、チタンおよび窒化物を拡散できる。また、本発明は、このような基材のチタンの特性を強化する方法を提供するものである。
【００１１】
全体としては、本発明方法は、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材を準備する工程、二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を有する塩浴を準備する工程、チタン化合物の電解によって形成した金属チタンを上記塩浴に分散する工程、約４３０℃〜約６７０℃の範囲にある温度に塩浴を加熱する工程、および約１０分間〜約２４時間の範囲にある時間基材を塩浴に浸漬する工程からなる。
【００１２】
本発明の別な態様では、基材は、従来の表面処理またはコーティング処理で処理することができる。このような一つの実施態様では、本発明のチタン/窒化物拡散方法を使用して処理してから、従来の表面処理またはコーティング処理によって処理することができる。さらに別な実施態様では、従来の表面処理または表面コーティングで基材を処理してから、本発明のチタン/窒化物拡散方法を使用して処理することも可能である。この実施態様の場合、チタンおよび窒素が保護層の空隙を拡散充填するとともに、基材構造体の空隙を拡散充填する。この場合、保護層から下の基材まで拡散するため、両者の間にチタン界面または網目構造が生成する。この界面または網目構造が、保護層とその下にある基材との接着を良好のものにする。
【００１３】
本発明のさらに別な態様の場合、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材からなり、チタン成分がミクロ構造体に拡散し、そして基材に存在するチタンがあればこのチタンに加えてチタン成分が存在する処理製品を提供するものである。
【００１４】
本発明のさらに別な態様の場合、特定のミクロ構造体を有する炭化物を含有する基材からなり、チタン成分がミクロ構造体に拡散し、そして基材に存在するチタンがあればこのチタンに加えてチタン成分が存在する処理製品を提供するものである。
【００１５】
なお、本発明は、単独でも効果があり、また複数組み合わせても効果がある多数の異なる態様または特徴を有するものである。従って、この発明の開示は、ここで特許請求の範囲に記載し、あるいは今後特許請求の範囲に記載される可能性のあるこのような態様または特徴を含むだけでなく、以下のより詳しい説明を理解するさいに役立つ本発明のその他の態様も含むものである。本発明の範囲は、以下に記載する具体的な実施態様に限定されるものではなく、あくまでも本特許請求の範囲、あるいは今後の特許請求の範囲に記載される範囲によって制限されるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の場合、多くの形態で、かつ各種の組み合わせで実施することが可能であるが、以下、焦点を絞って本発明のいくつかの実施態様を説明する。なお、これら実施態様はいずれも本発明の原理原則を例示するもので、本発明の広い範囲を制限するものではない。例えば、本発明は、コンパクトな粒状ミクロ構造をもつ任意の基材に適用できる。他の適当な基材も対象であるが、基材としては、コンパクトな粒状ミクロ構造をもつ金属基材を使用することができる。このような構造をもつ好適な別な基材は、例示すると、炭化物である。さらに、特定すれば、本発明は、炭化タングステン（ＷＣ、Ｗ２Ｃ）、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）、セメンタイト即ち炭化鉄（Ｆｅ３Ｃ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ、Ｎｂ２Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、セラミック炭化物、炭化物を含有する金属合金、および炭化物を含有する金属を対象とするものである。
【００１７】
本発明の一つの実施態様では、活性化電解金属チタンを含有する穏やかに加熱した非電解塩浴を使用する。この塩浴中には、二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を存在させる。さらに、約２０ｗ/ｗ％までのＮａＣＯ２または塩化ナトリウムを添加配合してもよい。この浴に、約２〜約２０μｇの電解金属チタンを添加する。約４３０℃〜約６７０℃の温度で約１０分間〜約２４時間、コンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材を塩浴に浸漬する。電解チタンの触媒作用によって、チタンおよび窒化物が、この塩浴から約２０〜約１００μのコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材に拡散する。
【００１８】
このプロセスを通じて、チタンおよび窒化物が、コンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材に拡散する。驚くべきことに、比較的大きな空隙および構造がチタンおよび窒化物の拡散を促進するＵＳＰ６，６４５，５６６に記載されているように、基材が無定形ミクロ構造をもつ必要はない。対照的に、また驚くべきことに、このプロセスを通じて、電解チタンの触媒作用によって、チタンおよび窒化物が塩浴から約２０〜約１００μの基材に拡散する。具体的には、塩浴からチタンおよび窒化物が拡散して、基材の粒状ミクロ構造を、そのコンパクトな配向にもかかわらず充填する。従って、炭化物がコンパクトな粒状構造をもつため、これを含有する任意の基材を本発明方法で処理することができる。
【００１９】
また、本発明の一つの実施態様は、炭化物を含有する基材にチタンおよび窒化物を拡散する方法であって、炭化物を含有する基材を準備する工程、二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を有する塩浴を準備する工程、電解金属チタンを上記塩浴に分散する工程、約４３０℃〜約６７０℃の範囲にある温度に塩浴を加熱する工程、および約１０分間〜約２４時間、好ましくは約２〜約１０時間の範囲にある時間基材を塩浴に浸漬する工程からなる拡散方法を提供するものである。好ましくは、塩浴には、約２０ｗ/ｗ％までの量の、二酸化炭素ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび塩化ナトリウムからなる群から選択した塩を追加配合する。好ましい浸漬温度は、約５００℃〜約６５０℃、特に約５３０℃〜約６３０℃である。
【００２０】
従って、本発明の一つの実施態様の場合、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ基材からなり、チタン成分がミクロ構造体に拡散し、そして基材に存在するチタンがあればこのチタンに加えてチタン成分が存在する処理製品を提供するものである。
【００２１】
本発明のさらに別な態様の場合、特定のミクロ構造体を有する炭化物を含有する基材からなり、チタン成分がミクロ構造体に拡散し、そして基材に存在するチタンがあればこのチタンに加えてチタン成分が存在する処理製品を提供するものである。
【００２２】
ＵＳＰ６，６４５，５６６には、約２時間〜約１０時間、好ましく約２時間〜約６時間、基材を浸漬することが開示されている。この浸漬時間は、一般的にいって、鋼、アルミおよびチタンの無定形構造体にチタンおよび窒化物を十分に浸漬するためには十分であるが、驚くべきことに、浸漬の早くも１０分後には、炭化物への拡散が生じていることが見出された。さらに、炭化物のコンパクトな粒状構造へのチタンおよび窒化物の拡散を促進するためには、塩浴に炭化物を含有する基材を浸漬する時間を延長することが好ましい。
【００２３】
本発明の別な態様では、基材は、従来の表面処理またはコーティング処理で処理することができる。このような一つの実施態様では、本発明のチタン/窒化物拡散方法を使用して処理してから、従来の表面処理またはコーティング処理により処理することができる。さらに別な実施態様では、従来の表面処理または表面コーティングで基材を処理してから、本発明のチタン/窒化物拡散方法を使用して処理することも可能である。
【００２４】
これら実施態様では、基材を処理またはコーティング処理する任意の従来の方法を使用することができる。例えば、制限するものではないが、これら従来方法には、熱処理、ナノコーティング、セラミックコーティング、物理的蒸着（ＰＶＤ）、化学的蒸着（ＣＶＤ）、イオン加速コーティング（ＩＡＣ）、およびその他の材料または金属に好適な表面処理およびコーティング処理がある。既に詳しく述べたように、これら従来の表面処理方法およびコーティング処理方法は、単独で使用した場合には、炭化物の処理に一般的に十分ではない。これら従来方法で形成した保護層は、炭化物表面との接着が弱く、チッピングを発生しやすい。さらに、これら従来処理方法は、保護層の下にある基材そのものの引っ張り特性を改善または強化するものではない。本発明の一つの実施態様の場合、保護層を形成した基材を本発明方法で以下のように処理することができる。
【００２５】
活性化電解金属チタンを含む穏やかに加熱した非電解塩浴に、保護層を形成した基材を浸漬する。この塩浴中には、二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を存在させる。さらに、約２０ｗ/ｗ％までの塩化ナトリウムＮａＣＯ２を添加配合してもよい。この浴に、約２〜約２０μｇの電解金属チタンを添加する。約４３０℃〜約６７０℃の温度で約１０分間〜約２４時間、保護層を形成した基材を塩浴に浸漬する。電解チタンの触媒作用によって、チタンおよび窒化物が、この塩浴から基材およびその上に形成した保護層の両者に拡散する。
【００２６】
本発明方法のこの実施態様の場合、チタンおよび窒素が保護層の空隙に拡散充填するとともに、基材の空隙も拡散充填する。このように、保護層からのその下の基材に拡散し、チタン界面またはチタン網を両者の間に形成する。このチタン界面またはチタン網が、保護層とその下の基材との間の接着をすぐれたものにする作用効果をもつ。驚くべきことに、本発明の方法では、チタンおよび窒化物が基材だけではなく、その上の保護層に拡散することになる。
【実施例１】
【００２７】
図５は、チタンおよび窒化物を拡散する前の、炭化物を含有する基材３０ａを示す図である。図示のように、基材３０ａは、全体として淡い色であり、炭化物の粒状構造を呈するものである。この基材を以下のようにして本発明方法で処理する。
【００２８】
活性化電解金属チタンを含有する穏やかに加熱した非電解塩浴に炭化物含有基材３０ａを浸漬する。この塩浴中には、二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を存在させる。さらに、約２０ｗ/ｗ％までの量でＮａＣＯ２または塩化ナトリウムを添加配合してもよい。この浴に、約２〜約２０μｇの電解金属チタンを添加する。約４３０℃〜約６７０℃の温度で約１０分間〜約２４時間、炭化物含有基材を塩浴に浸漬する。電解チタンの触媒作用によって、チタンおよび窒化物が、この塩浴から約２０〜約１００μの基材３０ａに拡散する。
【００２９】
図６に示すように、チタンおよび窒化物が約３５μ以上の基材３０ｂに拡散する。この拡散により、図６の基材３０ｂが、図５に示すように基材３０ａより暗い色になる。この暗い色の部分は、炭化物構造の粒子間の空隙に充填されたチタンおよび窒素に対応する。即ち、実施例１では、驚くべきことに、チタンおよび窒化物が、本発明方法により、炭化物のコンパクトな粒子構造に拡散していることがわかる。
【実施例２】
【００３０】
図７は、本発明の一態様に従ってチタンおよび窒化物を拡散する前の、ＣＶＤ法で処理した炭化物を示す。既に説明したように、従来の窒化表面処理は、炭化物含有材料をコーティング処理または表面処理する場合に問題がある。ＣＶＤ法などのこれら従来方法によって形成した保護層は、炭化物表面との接着が弱く、チッピングが発生しやすい。さらに、これら従来処理法は、炭化物そのものの引っ張り特性を改善または強化するものではない。
【００３１】
図７は、ＣＶＤ法によって形成した保護層３２ｃを示す図である。図７に示すように、保護層３２ｃと基材３０ｃの炭化物表面との間に判然とした界面および境界が存在するため、これらの間の接着性が脆弱化する。図７は、さらに、ＣＶＤ法が炭化物自体の引っ張り特性を強化しないことも説明している。図示のように、図７に示す基材３０ｃの下にある炭化物は、図５に示す基材３０ａの未処理炭化物と構造および色が同じである。具体的には、いずれも炭化物を含有する基材３０ａ、３０ｃは、全体として淡色であるため、炭化物の粒状構造を呈している。この保護層３２ｃを形成した基材３０ｃを以下のようにして本発明方法で処理する。
【００３２】
活性化電解金属チタンを含有する穏やかに加熱した非電解塩浴に保護層３２ｃを形成した炭化物含有基材３０ｃを浸漬する。この塩浴中には、二酸化ナトリウム、およびシアン酸ナトリウムおよびシアン酸カリウムからなる群から選択した塩を存在させる。さらに、約２０ｗ/ｗ％までの量でＮａＣＯ２または塩化ナトリウムを添加配合してもよい。この浴に、約２〜約２０μｇの電解金属チタンを添加する。約４３０℃〜約６７０℃の温度で約１０分間〜約２４時間、保護層３２ｃを形成した炭化物含有基材３０ｃを塩浴に浸漬する。電解チタンの触媒作用によって、チタンおよび窒化物が、この塩浴から基材３０ｃおよび保護層３２ｃの両者に拡散する。
【００３３】
図８に示すように、チタンおよび窒化物が保護層３２ｄおよび基材３０ｄの両者に拡散する。この拡散によって、図７の淡い色の材料が、図８に示すようにより暗い色になっている。この暗い部分は、保護層３２ｄおよび基材３０ｄの下にある炭化物の両者に現れている。即ち、チタンおよび窒素は、保護層３２ｄの空隙を拡散充填するとともに、基材３０ｄの炭化物構造の粒子間の空隙にも拡散充填している。このように、保護層３２ｄから基材３０ｄの下にある炭化物まで拡散するため、チタン界面またはチタン網が両者の間に生成する。このチタン界面またはチタン網が、保護層３２ｄとその下にある基材３０ｄとの間の接着を良好なものにする作用効果をもつ。即ち、実施例２では、本発明の方法により、チタンおよび窒化物が炭化物のコンパクトな粒状構造だけでなく、その上の保護層にも拡散していることがわかる。
【実施例３】
【００３４】
炭化物からなる金属合金を、旋盤用インサートの基材として使用した。基材は、さらにバナジウムを含有していた。旋盤用インサートをさらにＣＶＤ法で処理した。次に、この旋盤用インサートを、２〜２０μｇの電解金属チタンを添加した加熱塩浴（ＮａＣＮＯおよび約１０ｗ/ｗ％のＮａＣＯ２）に５４５℃で２時間浸漬処理した。次に、旋盤用インサートを冷却、乾燥した。次に、旋盤用インサートを洗浄して、拡散プロセス時および拡散プロセス後に加えられた熱の結果として生成した酸化層を除去した。
【００３５】
本発明方法で処理した上記旋盤用インサートをＣＶＤ法のみで処理した旋盤用インサートとともに同じ加工パラメータの下で試験し、比較した。
加工基材：炭素鋼  
加工径：１９´´
スピンドル速度（ＳＦＰＭ）：３３０
送り速度ＩＰＲ：０．０４
切断深さ：０．２５´´/側面
切断深さ：４´９´´
パス回数：８
【００３６】
試験後、本発明方法で処理した旋盤用インサートの磨耗は驚くほど少なかった。対照的に、ＣＶＤ法でのみ処理した旋盤用インサートはチッピングが激しく、切断工具が壊れた。
【実施例４】
【００３７】
炭化物からなる金属合金を、旋盤用インサートの基材として使用した。基材は、さらにバナジウムを含有していた。旋盤用インサートをさらにＣＶＤ法で処理した。次に、この旋盤用インサートを、２〜２０μｇの電解金属チタンを添加した加熱塩浴（ＮａＣＮＯおよび約１０ｗ/ｗ％のＮａＣＯ２）に５４５℃で２時間浸漬処理した。次に、旋盤用インサートを冷却、乾燥した。次に、旋盤用インサートを洗浄して、拡散プロセス時および拡散プロセス後に加えられた熱の結果として生成した酸化層を除去した。
【００３８】
本発明方法で処理した上記旋盤用インサートをＣＶＤ法のみで処理した旋盤用インサートとともに同じ加工パラメータの下で試験し、比較した。
加工基材：炭素鋼  
加工径：１７´´
スピンドル速度（ＳＦＰＭ）：３３０
送り速度ＩＰＲ：０．０３５
切断深さ：０．２５´´/側面
切断深さ：５´９´´
パス回数：１１
【００３９】
試験後、本発明方法で処理した旋盤用インサートの磨耗は驚くほど少なかった。対照的に、ＣＶＤ法でのみ処理した旋盤用インサートはチッピングが激しく、切断工具が壊れた。
【００４０】
上記実施例およびデータから、炭化物からなる基材を本発明に従って処理すると、驚くべきことに、炭化物のコンパクトな粒状構造にチタンおよび窒化物が拡散することが理解できる。さらに、保護層を形成した基材を本発明方法で処理すると、驚くべきことに、チタンおよび窒化物が保護層に拡散した。保護層から下にある炭化物まで拡散するため、これらの間にチタン界面またはチタン網が生成した。このチタン界面またはチタン網が、保護層とその下の基材との間にすぐれた接着性を与える作用効果をもたらした。本発明の方法によって、すぐれた加工結果が得られた。
【００４１】
以上、いくつかの例示的な態様について本発明を説明してきたが、説明はいずれも例示のみを目的とするものである。個別的に記載されているか、あるいは特許請求の範囲に記載されている特長の組み合わせを始めとする各種の変更や改変が、本発明の精神、核心となる特徴、範囲から逸脱せずに、本発明の各態様において可能である。さらに、このような変更または改変はいずれも、当業者にとっては、以下の特許請求の範囲における一つかそれ以上の要素に対して等価であり、法律によって許されている最大の範囲まで特許請求の範囲の記載によって保護されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
添付図面は、本発明を説明するための図面であり、同一部分は同一符号で示す。
【図１】炭化物などの、全体としてコンパクトな粒状ミクロ構造をもつ代表的な基材を示す走査電子顕微鏡写真横断面図である。
【図２】全体として無定形な構造をもつ代表的な鋼を示す走査電子顕微鏡写真横断面図である。
【図３】全体として無定形な構造をもつ代表的なアルミを示す走査電子顕微鏡写真横断面図である。
【図４】全体として無定形な構造をもつ代表的なチタンを示す走査電子顕微鏡写真横断面図である。
【図５】本発明の一態様に従ってチタンおよび窒化物を拡散する前の炭化物を示す横断面図である。
【図６】本発明の一態様に従ってチタンおよび窒化物を拡散した後の炭化物を示す横断面図である。
【図７】本発明に従ってチタンおよび窒化物を拡散する前の、ＣＶＤ法で処理した炭化物の横断面図である。
【図８】本発明に従ってチタンおよび窒化物を拡散した後の、ＣＶＤ法で処理した炭化物の横断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ：基材、
３２ｃ、３２ｄ：保護層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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