JP2008150676A - 硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】母材を傷めることなく安価かつ容易に硬質皮膜コーティングを除去して硬質皮膜コーティング金属部材の再生を行うことができる硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法を提供する。
【解決手段】ＰＶＤやＣＶＤによる硬質皮膜コーティングが施された金属部材を、ハロゲン系ガスが存在する雰囲気中において加熱保持し、表面の硬質皮膜コーティングをハロゲン化物とすることにより除去する工程を備えたことにより、従来の薬液処理に比べて大幅に短い時間で硬質皮膜コーティングを除去し、金属部品の再生を行うことができる。また、従来のようにプラズマ雰囲気ではなく、加熱雰囲気を利用するため、高価な設備が不要で極めて安価に再生処理を行うことができる。さらに、母材が超硬合金であっても従来の薬液処理のようにＣｏ溶出による母材の損傷や粗れが生じないため、再生後の金属部品の耐磨耗性等に悪影響を及ぼさない。
【選択図】なし

Description

本発明は、切削工具や成形工具等のＰＶＤやＣＶＤによる硬質皮膜コーティングが施された金属部材の再生方法に関するものである。

近年、高速度工具鋼や超硬合金の表面に窒化チタンや炭化チタンなどＴｉ系皮膜など、またはＣｒＮ，ＡｌＮ，ＳｉＮ，ＢＮ，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＣＮ，ＣｒＡｌＮ，ＴｉＳｉＮ，ＣｒＳｉＮなどの膜やＴｉＮ／ＴｉＣＮ／ＴｉＮ，ＴｉＮ／ＴｉＡｌＮなどの多層膜を硬質皮膜コーティングすることで、耐摩耗性を向上させた切削工具が多用されるようになっている。また、切削工具だけでなく、ダイス鋼の表面に同様の硬質皮膜コーティングを施し、ダイス、パンチ、金型等の成形工具も多く用いられるようになっている。

このような工具類は、使用するにしたがってコーティングが劣化したり摩滅したりするので、必要に応じてコーティングを除去して再研磨や再コーティングを行って再生し、新品と同様の状態にしてリサイクルして利用する方法が行われつつある。

このようなリサイクル利用におけるＴｉ系皮膜などの除去は、例えば、下記の特許文献１に開示されているように、過酸化水素や水酸化アルカリを含む薬液に浸漬することにより除去することが行われている（例えば、下記の特許文献１）。また、このような薬液処理以外に、高濃度のフッ素系ガスを含むプラズマ中にコーティング工具類を晒すことにより窒化物コーティングを除去する方法も提案されている（例えば、下記の特許文献２）
特開２００２−２１２７６４号 特許第２９０３６０７号

しかしながら、薬液への浸漬で硬質皮膜コーティングを除去するには、少なくとも１２時間以上浸漬しておく必要があり、極めて時間効率が悪いという問題がある。しかも、母材が超硬合金からなる場合、薬液への浸漬によってＣｏ等の溶出が起こり、母材を傷め表面粗れを引き起こすため、超硬合金製の工具類には実質的に薬液処理を適用することができなかった。一方、プラズマ雰囲気内に工具類を晒す方法では、高価なプラズマ処理設備が必要になるため、結果的に処理コストが跳ね上がってしまうという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、母材を傷めることなく安価かつ容易に硬質皮膜コーティングを除去して硬質皮膜コーティング金属部材の再生を行うことができる硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法の提供を目的とする。

すなわち、本発明の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法は、ＰＶＤやＣＶＤによる硬質皮膜コーティングが施された金属部材を、ハロゲン系ガスが存在する雰囲気中において加熱保持し、表面の硬質皮膜コーティングをハロゲン化物とすることにより除去する工程を備えたことを要旨とする。

すなわち、本発明の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法は、ＰＶＤやＣＶＤによる硬質皮膜コーティングが施された金属部材を、ハロゲン系ガスが存在する雰囲気中において加熱保持する。そして、表面の硬質皮膜コーティングをハロゲン化物とすることにより除去する。このため、従来の薬液処理に比べて大幅に短い時間で硬質皮膜コーティングを除去し、金属部品の再生を行うことができる。そして、硬質皮膜コーティングが除去された金属部材は、必要に応じて再研磨を行ったり再コーティングを行って再利用することができる。また、本発明の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法は、従来のようにプラズマ雰囲気ではなく、加熱雰囲気を利用するため、高価な設備が不要で極めて安価に再生処理を行うことができる。さらに、母材が超硬合金であっても従来の薬液処理のようにＣｏ溶出による母材の損傷や粗れが生じないため、再生後の金属部品の耐磨耗性等に悪影響を及ぼさない。

本発明において、上記加熱保持は金属部材をプラズマ中に晒さないで行う場合には、高価なプラズマ発生設備が不要で、極めて安価に再生処理を行うことができる。

本発明において、上記加熱保持の温度は１００℃を超え５００℃以下である場合には、硬質皮膜コーティングを十分に除去することができ、かつ不必要に高温保持することによる母材の軟化等を防止する。

本発明において、上記加熱保持の時間は１５分以上である場合には、硬質皮膜コーティングを十分に除去することができる。

本発明において、上記加熱保持の際の圧力は大気圧近傍である場合には、大気圧の加熱炉内をハロゲン系ガスでパージして加熱保持すればよいことから、容易かつ安価に再生処理を行うことができる。
なお、本発明において「大気圧近傍」とは、−２００ＰａＧ〜２００ＰａＧの範囲内の圧力をいう。

本発明において、上記ハロゲン系ガスがＮＦ_３系ガスである場合には、反応性、取り扱い性等の面で優れており、実用的である。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法は、ＰＶＤやＣＶＤによる硬質皮膜コーティングが施された金属部材を、ハロゲン系ガスが存在する雰囲気中において加熱保持し、表面の硬質皮膜コーティングをハロゲン化物とすることにより除去する工程を備えている。

本発明が対象とする金属部材としては、例えば、バイト、スローアウェイチップ、リーマ、ドリル、エンドミル等の切削工具や、熱間鍛造金型、冷間鍛造金型、射出成形金型、引き抜き用ダイス、押出し用ダイス、プレス用ダイス、プレス用パンチ等の成形工具等の工具類や、一部の機械部品等をあげることができるが、これらに限定するものではない。

本発明が対象とする硬質皮膜コーティングは、例えば、チタン、クロム、タングステン、ジルコニウム、アルミニウム等の窒化物、炭化物、炭窒化物、ほう化物、酸化物等をあげることができる。具体的には、ＴｉＣ，ＴｉＮ，Ｔｉ（ＣＮ），ＴｉＢ_２，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＣｒＮ，ＴｉＳｉＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮ，ＴｉＢ_２，ＣｒＡｌＮ，ＣｒＳｉＮ，ＷＣ，Ｗ_２Ｃ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２，ＢＮ，Ｃ−ＢＮ，ＭｏＳｉ２等各種のコーティング物質を対象とすることができる。これらのなかでも、工具類等に耐摩耗性を付与するための耐磨耗コーティング物質として、ＴｉＣ，ＴｉＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＢ_２，ＷＣ，Ｗ_２Ｃ，ＳｉＣ等各種のコーティング物質を好適に対象とすることができる。

これらの硬質皮膜コーティングとしては、例えば真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等の物理蒸着法（ＰＶＤ法）、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等の気相成長法等、各種の気相コーティング法により形成されたものを対象とすることができる。

上記硬質皮膜コーティングが施される母材としては、例えば、切削用工具鋼、耐摩不変形用工具鋼、耐衝撃用工具鋼、熱間加工用工具鋼、高速度鋼等の各種工具鋼や、超硬合金等をあげることができる。特に、母材が超硬合金からなる場合には、Ｃｏの溶出による表面粗れのために薬液処理ができないので効果的である。

本発明に用いるハロゲン系ガスとしては、例えば、塩素系ガス、フッ素系ガス、臭素系ガス，ヨウ素系ガス等をあげることができる。

上記塩素系ガスとしては、例えば、ＢＣｌ_３，Ｃｌ_２，ＣＣｌ_４等の塩素化合物からなる主成分ガスをＮ_２ガス等の希釈ガスで希釈して塩素系ガスとして使用することができる。また、上記主成分ガスは、希釈ガスで希釈しない状態で使用することも可能である。

上記フッ素系ガスとしては、例えば、ＮＦ_３，ＢＦ_３，ＣＦ_４、ＳＦ_６，ＣＨＦ_３，Ｃ_２Ｆ_６等のフッ素化合物からなる主成分ガスをＮ_２ガス等の希釈ガスで希釈してフッ素系ガスとして使用することができる。また、上記主成分ガスは、希釈ガスで希釈しない状態で使用することも可能である。これらフッ素系ガスに用いられる主成分ガスのうち、反応性、取り扱い性等の面でＮＦ_３が最も優れており、実用的である。

上記臭素系ガスとしては、例えば、ＨＢｒ，Ｂｒ_２，ＢＢｒ_３，ＣＯＢｒ_２，Ｓ_２Ｂｒ_２等の臭素化合物からなる主成分ガスをＮ_２ガス等の希釈ガスで希釈して臭素系ガスとして使用することができる。また、上記主成分ガスは、希釈ガスで希釈しない状態で使用することも可能である。

上記ヨウ素系ガスとしては、ＩＦ_５、ＩＦ_６、ＩＦ_７、ＩＣｌ、ＩＣｌ_３、ＩＢｒ、ＩＢｒ_３等のインターハロゲン化合物、ＣＩＦ_３、ＣＩ_２Ｆ_２、ＣＩ_３Ｆ、ＣＩ_４等の炭化物、ＳｉＩ_４等のケイ化物、ＣＨ_３Ｉ、ＣＨ_３ＯＩ等のアルキル化合物やアルコキシ化合物、ＣＦ_３Ｉ、ＨＩ、そしてＩ_２等、室温領域で気体あるいは気化しやすい化合物等からなる主成分ガスをＮ_２ガス等の希釈ガスで希釈してヨウ素系ガスとして使用することができる。また、上記主成分ガスは、希釈ガスで希釈しない状態で使用することも可能である。

上記塩素系ガス、フッ素系ガス、臭素系ガス等のハロゲン系ガスは、単独で用いることもできるし、２種類以上を混合して用いることもできる。

本発明では、上記硬質皮膜コーティングが施された金属部材を、ハロゲン系ガスが存在する雰囲気中において加熱保持する。この加熱保持により、表面の硬質皮膜コーティングをハロゲン化物とすることにより除去することが行われる。

上記加熱保持の際の圧力は大気圧近傍とすることができる。大気圧近傍で加熱保持するときは、所定温度に加熱した炉内に処理対象の金属部材を装入し、炉内圧力を大気圧近傍に保持しながら炉内にハロゲン系ガスを導入してパージし、さらに所定時間保持することが行われる。このとき炉内に導入されるハロゲン系ガスは、主成分ガスを希釈ガスで希釈したガスを導入することがおこなわれる。ここで、上記大気圧近傍の圧力とは、−２００Ｐａ〜２００Ｐａの範囲内の圧力をいう。

希釈ガスで希釈されたハロゲン系ガス中の主成分ガスの濃度は、２容量％以上２０容量％以下程度が好ましい。２容量％未満では硬質皮膜コーティングを除去するのに時間を要してしまい、２０容量％を超えてもそれほどの時間短縮や効率アップが望めないからである。

また、加熱保持の際の圧力は、減圧雰囲気とすることもできる。減圧雰囲気で加熱保持するときは、所定温度に加熱した炉内に処理対象の金属部材を装入し、炉内を真空ポンプで減圧したのち炉内にハロゲン系ガスを導入し、さらに所定時間保持することが行われる。このとき炉内に導入されるハロゲン系ガスは、主成分ガスを希釈ガスで希釈しないか、主成分ガスの濃度を２容量％以上としたガスを導入することがおこなわれる。ここで、上記減圧雰囲気の圧力は、上記大気圧近傍圧力未満で１ｋＰａまでの範囲内の圧力である。

このように、上記加熱保持は、金属部材をプラズマ中に晒さないで行う。このため、プラズマ発生装置等の設備のない雰囲気炉により処理が可能となるため、設備の兼用や流用が容易であり、コストを大幅に節減することができる。

また、上記加熱保持の温度は１００℃を超え５００℃以下とするのが好ましい。１００℃以下であると硬質皮膜コーティングを除去するのに時間を要し、５００℃を超えてもそれほどの時間短縮や処理効率の向上を望めないうえ、高温保持による母材の軟化が生じるおそれがあるからである。

ハロゲン系ガスとして塩素系ガスを使用した場合は、上記加熱保持の温度を、１００〜４００℃℃とするのが好ましい。また、上記ハロゲン系ガスとして塩素系ガス以外のハロゲン系ガスを使用した場合は、上記加熱保持の温度を、１５０〜５００℃とするのが好ましい。

上記加熱保持の時間は、１５分以上とするのが好ましい。１５分未満では、硬質皮膜コーティングの除去が十分行われないおそれがあるからである。加熱保持時間は長いほうが硬質皮膜コーティングの除去が進むのであるが、硬質皮膜コーティングが除去されているのに加熱し続けても意味がない。したがって加熱時間は、１５分を下限とし、硬質皮膜コーティングの種類、厚み、ハロゲン系ガスの濃度、加熱温度等の諸条件に応じて適宜決定されるが、おおむね最大６時間程度まで、通常は２〜３時間程度までで終了する。

このように、硬質皮膜コーティングが施された金属部材をハロゲン系ガスが存在する雰囲気中で加熱保持し、表面の硬質皮膜コーティングをハロゲン化物とすることにより除去する。

一例をあげると、例えば、ＴｉＮコーティングをＮＦ_３ガス雰囲気中に加熱保持すると、下記の式（１）に示すようにＴｉＦ_４が生成する。ＴｉＦ_４は蒸気圧が高いため、生成されるとほぼ同時に蒸発する。このようにして、母材表面からＴｉＮコーティングが除去される。
６ＴｉＮ＋８ＮＦ_３→６ＴｉＦ_４＋７Ｎ_２…（１）

また、ＣｒＮコーティングをＮＦ_３ガス雰囲気中に加熱保持すると、下記の式（２）に示すようにＣｒＦ_３が生成する。ＣｒＦ_３は脆くて弱いため、生成されるとパラパラと表面から剥離する。このようにして、母材表面からＣｒＮコーティングが除去される。
ＣｒＮ＋ＮＦ_３→ＣｒＦ_３＋Ｎ_２…（２）

このように硬質皮膜コーティングを除去した後は、必要に応じて再研磨処理、再コーティング処理を行い、工具類や機械部品として再生する。

つぎに、実施例について説明する。

〔実施例１〕
＜試験材１＞：ダイス用超硬合金（ＷＣ；９０重量％、Ｃｏ；１０重量％）ＪＩＳ Ｖ３０相当の金型表面にイオンプレーティング法により膜厚２μｍのＴｉＮ皮膜を形成した。
この試験材１を、１０容量％ＮＦ_３、９０容量％Ｎ_２雰囲気の炉内において２４０℃×３０分間処理し、超硬合金金型表面からＴｉＮ皮膜を剥離・除去した。

〔実施例２〕
＜試験材２＞：超硬合金（ＷＣ；７１重量％、ＴｉＣ；９重量％、ＴｉＮ；０．５重量％、ＴａＣ；１０重量％、Ｃｏ；９．５重量％）ＪＩＳ Ｐ３０相当のスローアウェイチップ表面にＣＶＤ法により膜厚３μｍのＴｉＮ−ＴｉＣＮ皮膜を形成した。
この試験材２を、５容量％ＮＦ_３、９５容量％Ｎ_２雰囲気の炉内において３００℃×６０分間処理し、超硬合金金型表面からＴｉＮ−ＴｉＣＮ皮膜を剥離・除去した。

〔実施例３〕
＜試験材３＞：ダイス用超硬合金（ＷＣ；８５重量％、Ｃｏ；１５重量％）ＪＩＳ Ｖ５０相当の金型表面にイオンプレーティング法により膜厚２μｍのＴｉＮ−ＴｉＳｉＮ皮膜を形成した。
この試験材３を、１０容量％ＮＦ_３、９０容量％Ｎ_２雰囲気の炉内において３５０℃×９０分間処理し、超硬合金金型表面からＴｉＮ−ＴｉＳｉＮ皮膜を剥離・除去した。

〔実施例４〕
＜試験材４＞：切削工具用超硬合金（ＷＣ；９０重量％、Ｃｏ；１０重量％）ＪＩＳ Ｋ２０相当のリーマ表面にイオンプレーティング法により膜厚２μｍのＴｉＡｌＮ皮膜を形成した。
この試験材４を、１０容量％ＮＦ_３、９０容量％Ｎ_２雰囲気の炉内において３５０℃×９０分間処理し、超硬合金金型表面からＴｉＡｌＮ皮膜を剥離・除去した。

〔実施例５〕
上記試験材１の成膜試料を新品膜としてスクラッチ試験に供した。一方、上記試験材１の成膜試料を、１０容量％ＮＦ_３、９０容量％Ｎ_２雰囲気の炉内において２４０℃×３０分間処理し、超硬合金金型表面からＴｉＮ皮膜を剥離・除去した。その後、全く同一の成膜条件でＴｉＮを再コーティングし、スクラッチ試験に供した。

スクラッチ試験は、ナノテック社製ＣＳＥＭ ＲＥＶＥＴＥＳＴスクラッチ試験機を用いた。試験結果を図１に示す。図１からわかるように、膜剥離の臨界荷重Ｌｃ値の測定結果は両者とも７５Ｎであり、除膜再コーティングの場合でも膜の密着性は新品と同様であることがわかった。

〔比較例１〕
上記試験材１，２，３について、３５％溶液の過酸化水素水−ニトロ化合物−アンモニア水−アミン化合物で形成された市販の剥離液に、２２℃で２０時間浸漬した。

〔比較例２〕
上記試験材４について、剥離剤３５％溶液の過酸化水素水−アンモニア水−アミン化合物で形成された市販の剥離液に、２０℃で４８時間浸漬した。

〔比較例３〕
上記試験材１について、剥離剤３５％溶液の過酸化水素水−水酸化ナトリウム−ＥＤＴＡ等で形成された市販の剥離液に、２０℃で１４時間浸漬した。

上記各実施例および比較例について、硬質皮膜のコーティング前と皮膜除去後について表面粗さを測定した結果を下記の表１に示す。表１から明らかなように、比較例に比べて実施例については皮膜除去後の表面粗さが小さいレベルにあることがわかる。

以上のように、本発明の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法は、従来の薬液処理に比べて大幅に短い時間で硬質皮膜コーティングを除去し、金属部品の再生を行うことができる。そして、硬質皮膜コーティングが除去された金属部材は、必要に応じて再研磨を行ったり再コーティングを行って再利用することができる。また、本発明の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法は、従来のようにプラズマ雰囲気ではなく、加熱雰囲気を利用するため、高価な設備が不要で極めて安価に再生処理を行うことができる。さらに、母材が超硬合金であっても従来の薬液処理のようにＣｏ溶出による母材の損傷や粗れが生じないため、再生後の金属部品の耐磨耗性等に悪影響を及ぼさない。

また、上記加熱保持は金属部材をプラズマ中に晒さないで行う場合には、高価なプラズマ発生設備が不要で、極めて安価に再生処理を行うことができる。

また、上記加熱保持の温度は１００℃を超え５００℃以下である場合には、硬質皮膜コーティングを十分に除去することができ、かつ不必要に高温保持することによる母材の軟化等を防止する。

また、上記加熱保持の時間は１５分以上である場合には、硬質皮膜コーティングを十分に除去することができる。

また、上記加熱保持の際の圧力は大気圧近傍である場合には、大気圧の加熱炉内をハロゲン系ガスでパージして加熱保持すればよいことから、容易かつ安価に再生処理を行うことができる。

また、上記ハロゲン系ガスがＮＦ_３系ガスである場合には、反応性、取り扱い性等の面で優れており、実用的である。

実施例５のスクラッチ試験の試験結果である。

Claims (6)

1. ＰＶＤやＣＶＤによる硬質皮膜コーティングが施された金属部材を、ハロゲン系ガスが存在する雰囲気中において加熱保持し、表面の硬質皮膜コーティングをハロゲン化物とすることにより除去する工程を備えたことを特徴とする硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法。
2. 上記加熱保持は金属部材をプラズマ中に晒さないで行う請求項１記載の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法。
3. 上記加熱保持の温度は１００℃を超え５００℃以下である請求項１または２記載の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法。
4. 上記加熱保持の時間は１５分以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法。
5. 上記加熱保持の際の圧力は大気圧近傍である請求項１〜４のいずれか一項に記載の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法。
6. 上記ハロゲン系ガスがＮＦ_３系ガスである請求項１〜５のいずれか一項に記載の硬質皮膜コーティング金属部材の再生方法。

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