(57)【要約】【課題】型材や切削工具等の鉄鋼製部材に耐酸化、耐摩耗表面処理を行う場合に、基板材の硬さも高いことが必要であるため、工具鋼であるSKH-51のような高合金鋼や超硬合金を使用しており、材料コストが大きくなるという課題がある。【解決手段】基板材として炭素鋼や可鍛鋳鉄のような低合金を用い、この基板材の焼き入れ温度以上の高温での耐酸化性、耐熱性を有するTi-Al-N系又はAl-Cr-N系又はAl-Cr-Si-N系の皮膜を最外層とする皮膜をアーク式イオンプレーティングで形成した後、火炎焼き入れ等の局部的熱処理により耐摩耗性必要部位の焼入れを行うことにより、低コストの低合金を基板材とした鉄鋼製部材の耐摩耗性、耐酸化性を付与する製造方法、及び低合金を用いて上記表面処理後に基板材の硬化熱処理を行うための、耐熱、耐酸化表面処理サービス。【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐摩耗性を必要とする鉄鋼製部材の表面硬化処理において、表面部に、耐熱性、耐酸化性に優れ、かつ室温での耐摩耗性にすぐれた皮膜を形成したあと、基材の耐摩耗性必要部分に火炎焼入れ等の局部的な表面硬化熱処理を施すことにより、基材の材質にかかわらず、熱処理歪が小さく、母材の靭性を損なうことなく優れた耐摩耗性、耐酸化性を得る鉄鋼製部材の表面処理方法。
【請求項２】
請求項１の表面硬化処理において、最表面部に形成される皮膜が基材の焼き入れ温度より高い温度での耐熱性、耐酸化性を有し、常温での耐摩耗性に優れた被膜であることを特徴とする、優れた耐摩耗性、耐酸化性を得る鉄鋼製部材の表面処理方法。
【請求項３】
請求項１又は２の表面硬化処理において、最表面部に形成される皮膜がTi-Al-N系又はAl-Cr-N系又はAl-Cr-Si-N系の耐熱性、耐酸化性、耐摩耗性に優れた皮膜であることを特徴とする耐摩耗性、耐酸化性に優れた鉄鋼製部材の表面処理方法。
【請求項４】
普通鋼や可鍛鋳鉄のような低合金を用いて製作された鉄鋼製部材に、硬化表面処理後に基板材の硬化熱処理を行うために実施される、請求項1又は２又は３に記載の表面処理サービス。
【請求項５】
請求項１又は２又は３の表面硬化処理において、表面皮膜の形成方法がアーク式イオンプレーティングによるPVD処理であることを特徴とする耐摩耗性、耐酸化性に優れた鉄鋼製部材の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理蒸着法を用いた、基板材の材質に関わらず優れた耐摩耗性、耐酸化性を得る鉄鋼製部材の表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製部材の耐酸化性にすぐれた表面処理方法としては、Al-Cr-N系複合硬質皮膜をイオンプレーティングにより基板上に形成する方法が示されている(例えば、特許文献１参照) 。 また、耐酸化性、耐摩耗性に優れた表面処理方法として、被処理物の外側表面にAl, Cr及びSiを主成分とする窒化物からなるコーティング層と、該コーティング層と該被処理物の間にTi又はCrの窒化物からなる下地層と、該コーティング層と該下地層との界面に設けられる中間層であって該中間層に接する前記コーティング層と前記下地層の組成成分を含む中間層とを備えることを特徴とする高硬度皮膜が開示されている(例えば、特許文献２参照) 。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０-２５５６６号公報
【特許文献２】特開２００５-４２１４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の耐酸化性、耐摩耗性に優れた表面処理方法では、基板材の最終熱処理後に表面処理を行っていた。このため、基板材の表面部は該表面処理の温度で焼鈍された状態となるので、基板材には工具鋼のような焼鈍状態でも高い硬度を有する高合金を使用することが必要であった。実際に、例えば特開平１０−２５５６６の例では工具鋼であるSKH-51を母材に用いた例が開示されており、特開２００５―４２１４６においてもやはりSKH-51や超硬合金であるTH10を母材として用いた例が開示されており、基板材の材料コストの点から大きな課題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは上記の課題に鑑み、耐酸化、耐摩耗性に優れた鉄鋼製部材の新たな製造工程を確立することにより、例えば鋳造用材料として用いられている可鍛鋳鉄や炭素鋼のような低合金を基板材として使用し、目的の性質を得て材料コストの大幅な低減を達成する方法を鋭意研究を行った結果、本発明を完成するに至ったものである。
【０００６】
すなわち、本発明の骨子とするところは、可鍛鋳鉄や炭素鋼のような低合金を基板材に用いて、母材の焼き入れ温度以上の耐酸化性、耐熱性を有する皮膜をPVD処理により基板材表面に形成させることにより、通常の製造工程とは逆にPVD処理による皮膜形成のあとに母材の耐摩耗性を要する部分に火炎焼入れ等の局部的熱処理を施し、母材の硬さを上昇させ、かつ局部的な焼き入れ加熱により熱処理歪も小さい状態で所要の耐摩耗性を付与しようとするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、プレス金型や切削工具等の鉄鋼製の耐摩耗性を必要とする部材を製作する場合に、工具鋼のような高合金鋼や超硬合金を用いず炭素鋼や可鍛鋳鉄のような低合金を基板材料として用い、耐熱性、耐酸化性に優れた耐摩耗表面処理を行った後、基板材料の必要部分に火炎焼き入れのような局部的硬化熱処理を行うことにより所要の耐摩耗性を付与することができ、基板材料の大幅なコスト低減が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
請求項に基づいて、本発明の実施の形態について説明を行う。これまでの耐摩耗性、耐酸化性を要する鉄鋼製部材の製造手段としては、例えばSKD-51のような工具鋼を基板材として用い、基板材を調質処理してHRc50以上の高い硬度にした後、ＰＶＤ処理により表面にTi-Al--N系又はAl-Cr--N系又はAl-Cr-Si-N系複合硬質皮膜を最外層にもつ皮膜をコーティングすること等により所要の耐摩耗性を達成している。
【０００９】
本発明においては、請求項1及び２に述べているように、基板材料として工具鋼のような高合金鋼を用いることなく、例えば可鍛鋳鉄や炭素鋼のような低合金を用いて、基板材料の硬化熱処理温度（８００〜９５０℃）以上の耐熱性、耐酸化性を有する皮膜を基板材料表面にコーティング後、基板材のうちの耐摩耗性を要する部分に例えば火炎焼入れのような局部的表面硬化処理を行うことにより、所要の耐摩耗性を達成する。
【００１０】
所要の耐熱性、耐酸化性を有するコーティング材料としては、請求項３に示しているように、最表面部がTi-Al-N系又はAl-Cr-N系又はAl-Cr-Si-N系である皮膜が基板材料の硬化熱処理温度以上の耐熱性、耐酸化性を有し、なおかつ耐摩耗性にも優れており、コーティング後に基板材に対し局部的な表面硬化処理を行った場合にも、皮膜が損傷を受けることがなく好適である。
【００１１】
請求項4に示すように、基板材料の硬化熱処理温度以上の耐熱性、耐酸化性を有し、なおかつ耐摩耗性にも優れている被膜を表面にコーティングすることにより、硬化表面処理後に部材の必要部位に火炎焼き入れ等の局部的熱処理を施すことにより、可鍛鋳鉄あるいは炭素鋼のような低合金を基板材として用いた耐摩耗性に優れた鉄鋼部材の製造が可能である。
【００１２】
また、コーティング方法としては請求項５に示したように、アーク式イオンプレーティング法のPVD処理によるコーティングが皮膜の密着性や作業性の面から好適である。
【実施例１】
【００１３】
アーク式イオンプレーティング装置を用いて、SKD-51及び可鍛鋳鉄、及び炭素鋼の基板材に対しTi-Al-Si-N系、Al-Cr-N系、Al-Cr-Si-N系、Ti-N系、TiCN系及びTi-C系の皮膜が最外層となる皮膜を形成した。皮膜の厚みはそれぞれ５−７μmである。皮膜の形成後、部材の耐摩耗性必要個所に火炎焼入れを施した。この時の加熱温度は８００-９５０℃とした。火炎焼入れ後、皮膜硬さ及び基板材の最表面硬さを測定した。この結果を、PVD処理前の基板材の硬さと合わせて表１に示す。
【００１４】
【表１】
2006312767.tif 000002
【００１５】
本発明例であるNo.1-No.4は、火炎焼入れ後にもPVD処理による皮膜が正常に維持されており、Hv2500程度の硬さを示しているのに対し、比較例であるNo.5-No.7では火炎焼入れ時の加熱により皮膜が剥離しており、表面部の硬さは母材の硬さとなっていることがわかった。
【００１６】
火炎焼入れ後の各試験片に対し、耐摩耗性を評価するためアルミナボール（径６）を使用したボールオンディスク摩耗試験を実施した。試験条件は、荷重５Ｎ、すべり速度１２０ｍ／秒、摺動距離３００ｍ、室温、無潤滑とした。摩耗量の測定は、摩耗試験後の試験片表面の摩耗深さ及び摩耗幅を測定することにより行った。また、熱処理及び表面処理後の熱処理歪を測定するため、ドリルチップ形状の試験片に表１に示す１〜７の条件で熱処理及びPVD処理を行い、処理後のドリルチップの寸法測定により熱処理歪の大小を判定した。
【００１７】
表２に、ボールオンディスク摩耗試験及び熱処理歪の結果を示す。本発明例であるNo.1−No.4の試験における摩耗量は、比較例であるNo.5−No.7に比較して摩耗深さおよび摩耗幅がいずれも少なく耐摩耗性に優れており、また熱処理歪も小さいことが判明した。また、基板材として炭素鋼あるいは可鍛鋳鉄を用いたNo.1〜 No.3と、SKD-51を用いたNo.4との間にも摩耗試験結果に顕著な差は認められず、本発明によれば基板材料としてSKD-51のような工具鋼を用いず、より安価な炭素鋼あるいは可鍛鋳鉄を用いても所要の耐摩耗性が達成されており、基板材料の低合金化による大幅なコストダウンが可能であることが明らかとなった。
【００１８】
【表２】
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