[发明专利]渗碳处理的金属材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及以富勒烯为原料的渗碳处理(Carburization process)的金属材料及其制造方法，特别涉及不使用高价设备、在几乎不引起晶粒成长的低温区域实施了渗碳处理的金属材料和用碳膜被覆的金属材料、以及该金属材料的制造方法。

背景技术

作为用于增加铁系金属材料的硬度等的表面处理，通常进行使碳原子从表面固溶几十μm到几mm深度的渗碳处理。作为其碳源，在固体渗碳法中，使用木炭或石墨；在气体渗碳法中，使用烃气体、天然气等。但是，在固体渗碳法中，其问题在于，碳源的反应性低，在渗碳时，在900℃以上的高温下需要加热相当长的时间，金属结晶粗大化且强度容易降低。与此相反，在气体渗碳法中，虽然适于大量生产，但存在需要高价设备的问题。

然而，富勒烯是只由碳构成的、一个分子为1nm左右的球状分子，由于其反应性高而受到关注。相对于石墨等其它碳材料由比较稳定的碳的6员环的基本结构构成，富勒烯反应性的高低是由于富勒烯在分子内除了具有6员环以外，还具有反应性高的5员环。因此，近年来，对于富勒烯和有机物等的反应，进行了大量的研究。

关于金属和富勒烯的反应，例如，在专利文献1中，示出了通过容易形成碳化物的钛等的金属最表面和富勒烯反应来形成含有富勒烯的碳化物。

专利文献1：特表2002-538906号公报

另外，富勒烯是只由碳原子构成的、一个分子约为1nm左右的球状分子。由于分子中不含氧、氢、氮等，因此即使在300℃以上进行热处理也不会产生热分解气体。另外，由于除6员环以外分子内还具有反应性高的5员环，因此，通过热处理，富勒烯彼此之间进行反应，变化成无定形碳。该无定形碳化是石墨等其它碳材料中没有发现的富勒烯特有的现象。

由这些情况可以设想：在将由富勒烯制成的膜进行热处理时，不会产生热分解气体，而形成只由碳构成的致密的无定形碳膜。该碳膜具有润滑性等优异的性质，是在以材料的表面保护为代表的各种用途中有用的材料。

但是，为了制作富勒烯膜，通常需要使用真空蒸镀装置这类高价的装置，另外，由于难以制作厚膜，因此由富勒烯膜制作碳膜并未在工业上利用。

然而，作为其它的普通膜的制作方法，有称为热喷涂法(Thermal sprayingmethod)的方法。热喷涂是在高温下将金属、陶瓷等的粉末熔融并使之附着在材料表面上而制作厚膜的方法，是在工业上非常有用的成膜方法。但是，目前用热喷涂法得到的碳材料膜并不限定于镍-石墨热喷涂膜。其理由是因为：作为通常的碳材料的石墨或炭黑由于没有结晶性且也没有熔融，因而不能通过热喷涂而成膜。另外，对热喷涂领域的技术人员来说，由于富勒烯在高温下升华或燃烧，因而并不适于热喷涂，这也是现有的技术常识。

另一方面，提出了使用热喷涂法制作含有富勒烯的膜，专利文献2中提出了通过热喷涂法制作分散了以富勒烯为主的纳米碳类的被膜。

专利文献2：特开2005-29873号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，专利文献1停留在关于在金属最表面上形成的碳化物的研究，对于使碳原子侵入型固溶的金属渗碳处理方法没有研究。

因此，本发明的第一课题是提供一种不使用高价设备、在几乎不引起晶粒成长的低温区域实施渗碳处理的金属材料以及该金属材料的制造方法。

另外，专利文献2是使纳米碳发挥“滚珠轴承的功能”，使粉末状的纳米碳本身分散在金属或者树脂的基材(matrix)表面的方法，但有如下所述的不当之处：不能制作富勒烯的厚膜进而得到使富勒烯之间反应的光滑碳膜。

因此，本发明的第二课题是提供一种不使用真空蒸镀装置这样的高价设备，以富勒烯为原料制作的平滑碳膜及其制造方法。

解决课题的方法

以下，对本发明进行说明。另外，为了容易地理解本发明，将附图的参照符号标记于括弧中，但本发明并不限定于图示的形态。

本发明的主旨如下所述。

1.一种以铁为主要成分的金属材料(10)(作为本发明的第1项)，其特征在于，其表面通过使用富勒烯类为碳源的处理而进行了渗碳处理。

2.上述1所述的以铁为主要成分的金属材料，其特征在于，上述渗碳处理在300℃以上900℃以下的温度环境下进行。

3.上述1或2所述的以铁为主要成分的金属材料，其特征在于，在上述渗碳处理后还实施淬火处理。

4.上述1～3中任一项所述的以铁为主要成分的金属材料，其特征在于，在渗碳处理的上述表面上具有上述富勒烯变性的无定形碳层。