工具の通販モノタロウ 工具の熱処理・表面処理基礎講座 工具に適用されている表面処理の種類と分類

工具の熱処理・表面処理基礎講座

本講座では、主要工具材料である工具鋼の種類と、それらに適用されている熱処理(主に焼入れ焼戻し)および表面処理(主にPVD・CVD)について詳細に解説します。
第4章 工具を対象とした表面処理の種類と適用

4-2 工具に適用されている表面処理の種類と分類

工具には多種多様の表面処理法が採用されており、工具の種類や使用条件によって使い分けられています。それらは図1に示すように、窒化や金属浸透など熱拡散をともなう表面熱処理と表面に硬質膜等を形成させるコーティングとに大分類することができます。以下にこれらの概略を紹介します。

図1

1.表面熱処理

  • 窒化処理
    工具に適用されている表面熱処理の代表は窒化処理で、処理温度は500~550℃です。ダイカスト金型にはよく適用されており、このときの適用効果は、溶融金属による溶損防止やサーマルショック(熱衝撃)によるクラック発生の軽減です。

  • 水蒸気処理
    500℃位の水蒸気中で加熱する処理で、潤滑性が向上するとのことで高速度工具鋼のドリルなどに適用されています。

  • 金属拡散浸透処理
    高温中でクロム(Cr)やバナジウム(V)を拡散浸透させる処理で、表面熱処理の中では最も硬質の表面層を得ることができます。これらの金属元素は処理物に含有する炭素と反応して硬質の炭化物層を生成しますから、炭化物被覆ともよばれています。

2.コーティング

  • 湿式法
    電気めっきによる硬質クロム(Cr)めっき、化学めっき(無電解めっき)によるニッケルーリン(Ni-P)めっきが適用されており、900HV位の硬さが得られます。

  • 乾式法(PVD)
    物理蒸着ともよばれ、工具が対象の場合にはスパッタリングまたはイオンプレーティングが適用されており、処理温度は500℃以下の低温です。コーティング膜にはチタン(Ti)系硬質膜(TiN、TiCN、TiAlNなど)、クロム(Cr)系硬質膜(CrN、CrAlNなど)、カーボン(C)系皮膜(DLC)があります。

  • 乾式法(CVD)
    化学蒸着ともよばれ、熱CVDまたはプラズマCVDが適用されており、コーティング膜の種類はPVDと同様です。熱化学反応による成膜法ですから、処理温度は500℃以上が必要でPVDよりも高温処理です。

表面処理を適用する際に最初に考慮すべき点は処理温度です。例えば、工具材料が焼入れ焼戻しした鋼であれば、処理温度が最終焼戻温度よりも低温であれば問題は生じませんが、高温の場合には基材の軟化にともなう強度低下を招くだけでなく、表面処理することによって変形や変寸を生じる恐れがあります。そのため鋼を対象とした表面処理を分類する場合には、処理温度がA1点(727℃)よりも低温のものと、A1点以上のものとに分類することもあります。すなわち、前者はα(フェライト)領域での表面処理であり、後者はγ(オーステナイト)領域での表面処理になります。

工具に適用されている主な表面処理の処理温度を図2に示すように、γ領域での表面処理には金属元素拡散浸透処理および熱CVDがあり、その他の表面処理はα領域での表面処理になります。例えば、100℃以下の低温処理が絶対条件であれば、湿式法に頼らざるを得ませんし、500℃以下であればPVDやプラズマCVDまで適用範囲になります。

図2

執筆: 仁平技術士事務所 所長 仁平宣弘

『工具の熱処理・表面処理基礎講座』の目次

第1章 工具に用いられる材料

第2章 炭素工具鋼、合金工具鋼の焼入れ・焼戻し

第3章 高速度工具鋼の焼入れ・焼戻し

第4章 工具を対象とした表面処理の種類と適用

第5章 PVD、CVDの種類と工具への適用

第6章 工具を対象としたPVD、CVDによる硬質膜の種類と適用

第7章 工具の損傷事例と対策

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