(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理部材の基体表面にＴｉＮを合成し、ＴｉＮ膜を形成する工程と前記ＴｉＮ膜に対してＣｒイオンを注入する工程とを備え、
前記Ｃｒイオンを注入する工程が、８０ｋｅＶ以上４００ｋｅＶ以下の複数の異なる注入エネルギーで複数回繰り返される多段注入により行なわれる、表面処理方法。
【請求項２】
前記Ｃｒイオンを注入する工程におけるＣｒイオンの注入量が５×１０１５個／ｃｍ２以上５×１０１８個／ｃｍ２以下である、請求項１記載の表面処理方法。
【請求項３】
前記Ｃｒイオンを注入する工程におけるイオン注入条件が、注入後において前記ＴｉＮ膜の表面より少なくとも１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の深さにわたりＣｒ原子が分散するように設定される、請求項１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】
本発明は、耐摩耗性が要求される用途を有する工具、金型、機械部品などに施される表面処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工具、金型、機械部品などの耐摩耗性が要求される部材の表面処理には、各種のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition ）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法が適用されている。ＰＶＤ法には、アーク式イオンプレーティング法、ホロカソード型イオンプレーティング法、スパッタリング法、イオン注入蒸着法などが、またＣＶＤ法には、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などの手法があり、これらの手法によって被処理部材の基体表面にＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮなどの硬質のセラミックコーティング処理を施す方法がとられていた。これらの表面処理方法については、たとえば、株式会社総合技術センター発行（昭和５９年５月）の「セラミックコーティング技術」ｐ１２９−ｐ１４２に詳述されている。
【０００３】
一方半導体産業においては、不純物のドーピングを主目的とするイオン注入技術が開発され、工業的に使用されている。このイオン注入技術は、金属材料表面の機械特性の改善にも応用する試みがなされており、金属材料の硬さや靱性の改質に関する報告がなされている（株式会社ティー・アイ・シィー発行の「イオン・レーザによる表面改質・薄膜技術」ｐ７−ｐ１４参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＶＤ法、ＣＶＤ法による表面処理を行なうと、未処理のものに比べ、数倍から８０倍程度の寿命の向上が得られ、多くの分野で工業的に盛んに用いられている。しかし、近年の強い合理化の流れに伴い、耐摩耗性向上、長寿命化への要求は一層厳しくなる傾向にある。特に、新しい被加工材の開発に伴う従来にない厳しい使用環境の出現、プラントや航空宇宙分野などのような部品交換が困難な用途の拡大により、従来の表面処理技術では対応しきれない要求が増大してきており、より耐摩耗性の高い表面処理方法の開発が強く望まれているのが現状である
。
【０００５】
一方、イオン注入技術に関しても、金属材料そのものよりは各種機械特性の向上は見られるが、ＴｉＮをはじめとするＰＶＤ、ＣＶＤセラミックスコーティングに置換わるほどの効果は、現在のところ認められていない。
【０００６】
上記従来の問題点に鑑み本発明は、現今の耐摩耗性向上、長寿命化への高度な要求に応えることのできる表面処理方法を程度することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の表面処理方法は、被処理部材の基体表面にＴｉＮを合成しＴｉＮ膜を形成する工程と、そのＴｉＮ膜に対してＣｒイオンを注入する工程とを備える。
【０００８】
この表面処理方法によれば、被処理部材の耐摩耗性を向上することができる。ＴｉＮ膜に対してＣｒイオンを注入することにより耐摩耗性が向上する要因として、次の２点が考えられる。
【０００９】
まず第１に、Ｃｒイオンの注入によってＣｒＮ、Ｃｒ2 Ｎなどの摺動性に優れた相が形成されることが考えられる。ＣｒＮは摩擦係数を低減させる効果があり、結果的に表面に与える負荷が小さくなって、耐摩耗性が向上すると考えられる。
【００１０】
第２に、Ｃｒイオンの注入によって圧縮応力が導入され、耐摩耗性が向上することが考えられる。一般に材料は圧縮応力が導入されると耐摩耗性が向上する傾向にあり、ＴｉＮへのＣｒイオンの注入によっても同様の効果が得られることが推定される。
【００１１】
基体表面へのＴｉＮ膜の合成には、イオンプレーティング法、スパッタリング法、イオン注入蒸着法などの公知のＰＶＤ法、またはプラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法などの公知のＣＶＤ法が用いられる。ここでイオン注入蒸着法は、イオンの照射と金属元素の蒸着を同時に行なう手法のことを意味しており、本発明におけるＴｉＮ合成後に行なうＣｒイオンの注入の手法とは異なるものである。
【００１２】
本発明におけるＣｒイオンの注入エネルギーとして、８０ｋｅＶ以上４００ｋｅＶ以下、より好ましくは２００ｋｅＶ以上４００ｋｅＶ以下が用いられる。
【００１３】
注入されるイオンと注入される対象の材質が決まると、注入深さは注入エネルギーによって決まる。エネルギーが数十ｋｅＶの程度では、注入深さはＴｉＮ膜表面から１０ｎｍ以下のごく表面近傍にとどまり、逆にこのエネルギー領域では、スパッタリングの効果が顕著な傾向にある。よって注入の効果はほとんど期待できず、あるいは使用初期のみの効果が得られるのみである。注入エネルギーが８０ｋｅＶ以上になると、注入深さはＴｉＮ膜表面から１０ｎｍを超え、未注入のＴｉＮ膜と比べて有意差が出てくる。注入エネルギーが３００ｋｅＶ以上になると、ＴｉＮ膜表面からの深さが数十ｎｍ以上にまで注入され、耐摩耗性は大きく改善される。４００ｋｅＶ以上になれば、ＴｉＮ膜表面から数百ｎｍの深さの改質が期待できるが、イオン注入設備が高価なものとなり、工業的にみて採算上の合理性がなくなる。また、ＴｉＮ膜表面からの深さ数百ｎｍ以上の注入に関しては、後述するＴｉＮ膜の合成およびＣｒイオンの注入を交互に複数回繰り返して行なう手法によって代替することができる。
【００１４】
Ｃｒイオンの注入量としては、５×１０15個／ｃｍ2 以上５×１０18個／ｃｍ2 以下が好ましいが、特に５×１０17個／ｃｍ2 以上５×１０18個／ｃｍ2 以下の注入量により著しい効果が得られる。
【００１５】
Ｃｒイオンの注入量については、１×１０15個／ｃｍ2 以下でも効果が得られる場合もあるが、ばらつきが生じるという問題がある。未注入のＴｉＮ膜に比べて、Ｃｒイオン１×１０16個／ｃｍ2 程度の注入で耐摩耗性の効果が見られ始め、注入量を増加させるに従って耐摩耗性向上の度合いも大きくなる。Ｃｒイオン注入量が１×１０18個／ｃｍ2 においては、被処理部材の摩耗量は未注入の場合に比べて半分以下となる。これ以上の注入量による注入は、処理工数が大きくなり過ぎて採算上の合理性がなくなる。また注入量が多くなり過ぎると、ＴｉＮの結合を破壊し、アモルファス成分が増加してかえって耐摩耗性が低下することも予想される。
【００１６】
以上述べたＣｒイオンの注入法以外に、以下の手法を用いることによって、Ｃｒ注入のより大きな効果を得ることもできる。
【００１７】
第１に、ＴｉＮ膜を基体表面に合成した後、Ｃｒイオン注入を８０ｋｅＶ以上４００ｋｅＶ以下の複数の異なる注入エネルギーによって多段注入する手法である。イオンの注入深さは注入エネルギーで決まるため、注入エネルギーを変えて注入することにより、深さ方向に広い分布をもった注入領域が形成される。８０ｋｅＶ〜４００ｋｅＶのイオンを多段注入することによって、表面から１０〜１５０ｎｍの範囲に広くＣｒ原子が分散したＴｉＮ膜が得られる。よって摩耗初期から長時間にわたって安定した耐摩耗性を得ることができる。
【００１８】
第２に、基体表面にＴｉＮ膜の合成とＣｒイオン注入とを交互に複数回繰り返す手法である。この手法の場合には、注入深さに制限はなく、任意の厚さのＴｉＮ−Ｃｒ注入相が形成可能である。ＴｉＮ膜合成の手法は公知の手法を適用することができるが、イオン注入工程との連続性のある手法が好ましい。このような手法は特に、長寿命が要求される用途に用いられる被処理部材に有効である。
【００１９】
また、Ｃｒを注入されたＴｉＮ膜厚が０．１μｍ以下では、大きな耐摩耗性の向上が期待できず、また２０μｍ以上では、採算上合理的ではない。したがってＴｉＮの膜厚は０．１μｍ以上２０μｍ以下が適している。
【００２０】
以上述べたように本発明の表面処理方法を適用することにより、従来のＴｉＮ膜の耐摩耗性をさらに向上させることができ、その結果、一般の工具、金型、機械部品のみならず、部品交換が困難なプラント、航空宇宙関係への展開が期待される耐摩耗性の優れた製品を提供することができる。
【００２１】
【実施例】
実施例１
超硬合金基材にイオンプレーティング法によってＴｉＮ膜を３μｍの膜厚で合成し、これに注入エネルギーと注入量とを変えた各条件でＣｒイオン注入を実施した。図１に、注入量を１×１０18個／ｃｍ2 に固定し、注入エネルギーを１００，２００，３００ｋｅＶの３通りに変えた場合の、深さ方向のＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）による元素分析結果を示す。このグラフからわかるように、注入エネルギーが大きくなるほど、より深い領域までＣｒが存在している。
【００２２】
実施例２
次に、上記実施例１と同様の条件で超硬合金基材にＴｉＮ膜を合成し、これに注入エネルギーおよび注入量の両方を変化させてＣｒイオンを注入し、ピンオンディスク試験によって摩耗量を調べた。Ｃｒイオンの注入エネルギーとして１００ｋｅＶ，２００ｋｅＶ，３００ｋｅＶの３通り、注入量として１×１０15，１×１０16，１×１０17，１×１０18個／ｃｍ2 の４通りについて試験を行なった。横軸にＣｒイオン注入量を、縦軸に摩耗深さｄをとったグラフを図２に、横軸に注入エネルギー、縦軸に摩耗深さｄをとったグラフを図３に示す。ただし、ピンオンディスク試験で用いた相手材のピンの材質は窒化硅素、荷重１Ｎ、回転数５００ｒｐｍ、回転半径１ｍｍ、回転回数を１００００回とした。
【００２３】
図２に示されたグラフから、注入エネルギーの大小にかかわらず、注入量の増加に伴ってＴｉＮ膜の摩耗深さｄが小さくなることがわかる。また、摩耗深さｄの減少は、どの注入エネルギーにおいても、注入量が１×１０18個／ｃｍ2 において顕著になる傾向を示している。一方図３のグラフから、各注入量において、注入エネルギーが３００ｋｅＶで摩耗深さｄの減少が顕著であることがわかる。注入エネルギー３００ｋｅＶ、注入量１×１０18個／ｃｍ2 の場合、未注入のＴｉＮ膜に比べて摩耗量が４分の１に減少している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における、Ｃｒイオンを注入したＴｉＮ膜の深さ方向のＳＩＭＳによる元素分析結果を示すグラフである。
【図２】本発明の一実施例におけるＣｒイオン注入量とＴｉＮ膜の摩耗深さとの関係を示す図である。
【図３】図２と同じ実施例における、Ｃｒイオン注入エネルギーとＴｉＮ膜の摩耗深さとの関係を示す図である。
【図１】
0003769782.tif 000002
【図２】
0003769782.tif 000003
【図３】
0003769782.tif 000004