(57)【要約】【課題】放電表面処理のもつ母材との強い密着力を維持しつつ、面粗さのよい、そして母材に大きな残留応力を残さない被膜を形成することが可能な表面処理方法を得ること。【解決手段】放電表面処理法によって、被加工物１０２の表面に所望の組成の第１の被膜１０５を形成する放電表面処理工程と、第１の被膜１０５の表面を研削または研磨する平坦化工程と、研削または研磨した第１の被膜１０５上に気相成長法またはメッキ法による第２の被膜１０７を形成する膜形成工程と、を含む。【選択図】      図１
2005008942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電表面処理法によって、被加工物の表面に所望の組成の第１の被膜を形成する放電表面処理工程と、
前記第１の被膜の表面を研削または研磨する平坦化工程と、
前記研削または研磨した第１の被膜上に気相成長法またはメッキ法による第２の被膜を形成する膜形成工程と、
を含むことを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】
前記放電表面処理工程は、前記被加工物の表面に所望の被膜を形成するための成分を有する粉末を圧縮成形した圧紛体または該圧紛体を加熱処理した圧紛体によって形成される電極と、前記被加工物と、の間に、油系の加工液中でパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギによって前記被加工物の表面に前記電極を構成する材料または前記電極を構成する材料が放電エネルギによって反応した物質を堆積させて前記第１の被膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
【請求項３】
前記第１の被膜は、前記被加工物と親和性の高い被膜であり、前記第２の被膜は、前記被加工物と親和性がなく、前記第１の被膜と親和性の高い被膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属粉末、金属の化合物の粉末またはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体電極材料とワークとの間に放電を発生させ、そのエネルギによって形成された、電極材料または電極材料が放電エネルギにより反応した物質からなるワーク表面上の被膜を処理する放電表面処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ワーク（被加工物）の表面に被膜を形成する技術として、従来多くのものが提案されている。たとえば、第１の従来技術には、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧紛体またはこれらの圧紛体を加熱処理した圧紛体からなる電極を、ワークが置かれた油系の加工液中に置いて、電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギによって、ワーク表面に電極材料または電極材料が放電エネルギによって反応した物質からなる、硬質炭化物被膜を形成する方法が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、第２の従来技術には、鉄系材料からなるピストンリング母材の摺動面の表面層に、炭化物形成元素を含む材料を配置し、レーザやプラズマなどの高密度エネルギビームを照射して合金化材料を溶融、再凝固させて合金化層を形成し、その後、合金化層上に、ＰＶＤ（物理蒸着、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＣＶＤ（化学蒸着、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって硬質セラミックス被膜を形成する方法が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、第３の従来技術には、メッキ槽内などの溶融金属内で使用される軸受やブッシュおよびメッキ用電極などのワーク表面にＷ（タングステン）またはＷＣ（炭化タングステン）、ステライト系合金、ＴｉＢ２（硼化チタン）、Ｃｒ３Ｃ２（炭化クロム）などの固着層を放電加工によって形成し、この固着層の表面にプラズマ加工を施して固着層のワークに対する結合を強固なものとする方法が開示されている（たとえば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
国際公開第９９／０５８７４４号パンフレット（第１５〜２０頁）
【特許文献２】
特開昭６２−２８８７７６号公報（第３〜４頁、第１図）
【特許文献３】
特開平８−８１７５６号公報（第２〜３頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の従来技術に開示される放電表面処理は、パルス状の放電エネルギにより被膜を形成する方法であるため、放電のパルスのエネルギにより決まる面粗さの限界が存在する。従来の放電表面処理において得られる面粗さの限界は、おおよそ５μｍＲｙ程度の面粗さであった。したがって、硬質の被膜が得られても、この面粗さの限界が存在するために、摺動性が要求されるような面へこの処理方法を適用することが困難であるという問題点があった。
【０００７】
また、第２の従来技術では、材料を溶射した後、レーザやプラズマなどの高密度エネルギビームの照射により溶融させる方法であるため、ピストンリング母材に大きな引張りの残留応力が残り、被膜としての強度が弱くなってしまうという問題点があった。そして、残留応力が大きいために、反りや割れが生じてしまうので、薄いワークに対してはこの方法の表面処理を適用することができないという問題点もあった。
【０００８】
さらに、第３の従来技術において使用される通常の放電加工では、放電加工用の電極材料がワークに移るとしても極少量であり、ワーク上に強い被膜を形成することは困難である。また、固着層に対するプラズマ加工によって、ワークに大きな引張りの残留応力が残ってしまい、被膜としての強度が弱くなってしまうという問題点があった。そして、残留応力が大きいために、反りや割れが生じてしまうので、薄いワークに対してはこの方法の表面処理を適用することができないという問題点もあった。
【０００９】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、放電表面処理方法のもつ母材との強い密着力を維持しつつ、面粗さのよい、そして母材に大きな残留応力を残さない被膜を形成することが可能な表面処理方法を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる表面処理方法は、放電表面処理法によって、被加工物の表面に所望の組成の第１の被膜を形成する放電表面処理工程と、前記第１の被膜の表面を研削または研磨する平坦化工程と、前記研削または研磨した第１の被膜上に気相成長法またはメッキ法による第２の被膜を形成する膜形成工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる表面処理方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
この発明の表面処理方法では、まず、ワーク（被加工物）を油系の加工液中で所望の被膜を得るための組成を有する電極を用いて放電表面処理を行い、硬質の第１の被膜を形成する。つぎに、形成した硬質の第１の被膜を研磨し、そして第１の被膜上に気相成長法によって硬質の第２の被膜を形成することを特徴とする。以下に、この手順を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、この発明にかかる表面処理方法の処理手順を模式的に示す図である。ここでは、ワークにＴｉ（チタン）系材料の硬質被膜を形成する場合を例に挙げて説明する。まず、ワーク１０２に対して、硬質の第１の被膜を形成するために放電表面処理を行う。図１（ａ）に示されるように、ワーク１０２に形成する硬質の第１の被膜の成分を有する放電表面処理用の電極１０１によって、ワーク１０２が、油系の加工液１０３中で放電表面処理される。ここでは、放電表面処理用の電極１０１として、Ｔｉ系材料の粉末を固めて製作した圧紛体電極が用いられる。なお、ここでは、Ｔｉ系材料の硬質被膜を形成する場合を例示しているために、電極材料としてＴｉ系材料を用いているが、電極材料としてＷやＣｒ（クロム）などの硬質炭化物を形成することが可能な材料であれば用いることが可能である。この放電表面処理用の電極１０１は、上記の材料の成分の金属粉末、金属の化合物の粉末もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧紛体、または該圧紛体を加熱処理した圧紛体の形で使用される。
【００１４】
なお、このとき使用される放電加工方法としては、上述した第１の従来技術に示されるように、放電表面処理用の電極１０１とワーク１０２との間でパルス状の放電を行って、そのエネルギによってワーク１０２表面に電極材料または電極材料が放電エネルギによって反応した物質からなる被膜を形成する方法が用いられる。
【００１５】
油系の加工液１０３中で、ワーク１０２と放電表面処理用の電極１０１との間でのパルス状の放電によってアーク柱１０４が発生する。そして、このアーク柱によって電極材料がワーク１０２表面に移行すると同時に、加工液１０３の油の成分であるＣ（炭素）と電極１０１中のＴｉとが化学反応を起こし、ワーク１０２表面に硬質炭化物であるＴｉＣ（炭化チタン）の第１の被膜１０５が形成される。この様子が、図１（ｂ）に示されている。このようにワーク１０２表面に形成された第１の被膜１０５は、硬質で、密着力が極めて強いが、放電のパルスによって被膜を形成する方法であるために、この放電のパルスのエネルギに起因する面粗さの限界が存在する。そのため、摺動性が要求されるような部材に対しては、この表面加工処理は適していない。
【００１６】
つぎに、放電表面処理によって形成された硬質の第１の被膜１０５の表面を、砥石１０６によって研削する。この状態が、図１（ｃ）に示されている。この研削によって、硬質の第１の被膜１０５の表面に存在する凹凸部分が除去され、面粗さが向上される。この処理は研削に限らず、砥粒を用いた研磨のような方法によって行ってもよい。この表面が研削（研磨）された後の様子が、図１（ｄ）に示されている。
【００１７】
そして、表面を研削（研磨）して面粗さを向上させた硬質の第１の被膜１０５上に、真空蒸着、スパッタリング、レーザアブレーション、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法、または熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  ＣＶＤ）などのＣＶＤ法などの気相成長法によって、硬質の第２の被膜１０７を形成する。この状態が、図１（ｅ）に示されている。なお、ここでは、硬質の第２の被膜１０７として、ＴｉＮ（窒化チタン）を形成する場合を例に挙げている。
【００１８】
以上のような工程で多層被膜を形成する理由について説明する。従来、様々な被膜形成技術が開発されているが、密着力の点で最も強固な被膜を得ることができる方法が、放電表面処理による被膜形成方法である。これは、放電表面処理が、ワーク１０２側の材料と電極１０１側の材料を微小エネルギの放電によって溶融し融合するプロセスを繰り返すことで成膜を行う方法であるためである。ところが、密着力が強いという利点がある一方で、放電の繰り返しで成膜するという方法であるために面粗さが悪いという大きな欠点を有する。また、油中での放電を利用した方法であるため、炭化物を主成分とした被膜しか形成することができず、使用する用途によっては適さない場合もあった。たとえば、第１の被膜１０５を形成したワーク１０２の擦れ合う相手が鉄鋼材料の場合、ＴｉＣと鉄鋼材料は親和性があるため、第１の被膜１０５の寿命が短くなってしまうなどの問題があった。
【００１９】
そこで、放電表面処理によって形成されたＴｉＣ被膜と親和性の高いＴｉＮ被膜を、第２の被膜１０７として第１の被膜１０５上にＰＶＤ法やＣＶＤ法などの気相成長法によって形成するようにした。これは、母材とＴｉＮ被膜との間には親和性がないために、ワーク１０２上にそのままＴｉＮ被膜を形成して密着強度を上げることは困難であるが、ワーク１０２と放電表面処理によって形成された第１の被膜１０５との間の密着力が強いこと、また、放電表面処理によって形成された被膜ＴｉＣと被膜ＴｉＮとの間の親和性が高いことを利用して、ワーク１０２上に形成される被膜ＴｉＮの密着性を高めたものである。これによって、上記問題点を解決することが可能となる。
【００２０】
しかし、放電表面処理によるＴｉＣ被膜上に気相成長法によってＴｉＮ被膜を直接形成すると、上述したように面粗さが粗いために、蒸着が安定して進まず密着力が弱くなってしまう。これは気相成長法の際に加速されたＴｉＮがワーク１０２表面に当たるときの角度が、面粗さが悪い場合には変化するためであると推測される。また、気相成長法によって直接にＴｉＮ被膜を形成した場合には、放電表面処理による被膜ＴｉＣの面粗さの影響がＴｉＮ被膜を形成した後にも残ってしまうので、面粗さを向上させることができないという問題点もある。以上の理由によって、第２の被膜１０７を第１の被膜１０５上に形成する場合には、放電表面処理によって形成された被膜（第１の被膜１０５）の面粗さを研削などの方法で向上させることが不可欠であることがわかった。
【００２１】
そこで、この発明では、ワーク１０２上に密着性のよい被膜を形成することが可能な放電表面処理によって、まず、第１の被膜１０５を形成し、つぎに、この第１の被膜１０５の表面を研削や研磨して面粗さを改善し、そして、第１の被膜１０５と親和性のよい第２の被膜１０７を気相成長法などで形成するようにした。これによって、たとえば、ワーク１０２の擦れ合う相手が鉄鋼材料の場合に、第１の被膜１０５として放電表面処理でＴｉＣ被膜を形成し、この表面を研削（研磨）した後に、第２の被膜１０７として鉄鋼材料と親和性のない、そしてＴｉＣと親和性の高いＴｉＮ被膜を形成することによって、ワーク１０２の寿命を延ばすことが可能となる。また、擦れ合う相手との親和性に応じて、炭化物を主成分とした被膜以外の密着性のよい被膜を形成することもできる。
【００２２】
つぎに、この発明の表面処理方法によって形成される被膜の効果を、従来例のものと比較して示す。表１は、ある自動車部品の冷間鍛造金型にこの発明による表面処理方法を適用した場合の寿命を、従来例のものと比較して示す表である。比較例として、（１）無処理の金型、（２）放電表面処理によるＴｉＣ被膜のみを形成した金型、（３）ＰＶＤ法によるＴｉＮ被膜のみを形成した金型、のそれぞれの寿命を測定し、実施例として、（４）この発明による放電表面処理によるＴｉＣ被膜＋研削＋ＰＶＤ法によるＴｉＮ被膜を形成した金型の寿命を測定した。
【００２３】
【表１】
2005008942.tif 000003
【００２４】
この表１に示されるように、（２）放電表面処理によるＴｉＣ被膜のみを形成した金型の場合や、（３）ＰＶＤ法によるＴｉＮ被膜のみを形成した金型の場合、のそれぞれ単独の被膜を形成した金型では、（１）無処理の金型の寿命の延長の効果が２〜３倍程度であるのに対して、この発明による（４）放電表面処理によるＴｉＣ被膜＋研削＋ＰＶＤ法によるＴｉＮ被膜を形成した金型の場合では、（１）無処理の金型の寿命延長の効果が約７倍となり、大幅な寿命の延長効果を得ることができた。
【００２５】
上述した説明では、放電表面処理による第１の被膜１０５としてＴｉＣ被膜を用い、ＰＶＤ法による第２の被膜１０７としてＴｉＮ被膜を用いたが、この組合せに限定されるものではない。たとえば、上述したように、第１の被膜１０５として、ＴｉＣ被膜の代わりにＷＣなどの炭化物の被膜を放電表面処理によって形成してもよい。また、第２の被膜１０７として、ＴｉＮ被膜の代わりにＴｉＡｌＮ（窒化アルミチタン）、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）、ＣｒＮ（窒化クロム）などさまざまな材料の被膜を用いることができる。そして、被膜が使用される目的に応じて、たとえば摺動性が要求される場合に、ワーク１０２と密着性の高い第１の被膜１０５と、ワーク１０２と擦れ合う相手の材質と親和性が低くかつ第１の被膜１０５と親和性が高い第２の被膜１０７となるように、第１と第２の被膜１０５，１０７の材料を適宜選択することによって、それぞれの材料の特性を活かした被膜を形成することができる。さらに、上述した説明では、放電表面処理によって形成される第１の被膜１０５の上に形成される第２の被膜１０７は、気相成長法によって作製される場合を説明したが、これに限られず、多少効果は落ちるがメッキ法によって作製されるようにしてもよい。
【００２６】
この実施の形態によれば、ワーク１０２表面にまず放電表面処理法によって硬質の第１の被膜１０５を形成し、つぎに第１の被膜１０５の表面を研削または研磨し、そしてその上に気相成長法による第２の被膜１０７を形成するようにしたので、被膜の母材に対する密着力が強く、面粗さのよい被膜を母材上に形成することができる。そして、その結果得られる母材の寿命が、放電表面処理によって硬質被膜のみを形成した場合と、気相成長法による被膜のみを形成した場合のそれぞれの寿命の延長に比べて、著しく延ばすことができるという効果を有する。また、第２の被膜１０７を気相成長法で形成するので、第２の被膜１０７が母材に大きな残留応力を残すことがない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ワーク表面にまず放電表面処理法によって硬質の第１の被膜を形成し、つぎに第１の被膜の表面を研削または研磨し、そしてその上に気相成長法による第２の被膜を形成するようにしたので、被膜の母材に対する密着力が強く、面粗さのよい被膜を母材上に形成することができる。そして、その結果得られる母材の寿命が、放電表面処理によって硬質被膜のみを形成した場合と、気相成長法による被膜のみを形成した場合のそれぞれの寿命の延長に比べて、著しく延ばすことができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる表面処理方法の処理手順を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０１  電極、１０２  ワーク、１０３  加工液、１０４  アーク柱、１０５第１の被膜、１０６  砥石、１０７  第２の被膜。
【図１】
2005008942.tif 000004