JPH02138459A - 複合硬質材料及びその製造方法 - Google Patents

複合硬質材料及びその製造方法

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JPH02138459A
JPH02138459A JP28973588A JP28973588A JPH02138459A JP H02138459 A JPH02138459 A JP H02138459A JP 28973588 A JP28973588 A JP 28973588A JP 28973588 A JP28973588 A JP 28973588A JP H02138459 A JPH02138459 A JP H02138459A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、複合硬質材料及びその製造方法に関し、特に
耐酸化性の優れた複合硬質材料及びその製造方法に係わ
る。
[従来の技術及び課題] 耐熱性が高く、硬質であるTiNは、従来より種々の基
材上に被覆してその特長である耐熱性、耐摩耗性を基材
に付与することが行われ、かつ各方面で実用化されてい
る。特に、高速度鋼、超硬合金にTi N膜を被覆した
複合硬質材料は耐摩耗部品、切削工具等で長年に亙って
実績を上げてきている。しかしながら、工業的利用の面
から更に苛酷な使用条件に耐える複合硬質材料が要望さ
れている。
上述した要望から、最近、Ti  (C−N)、(Tf
、Hf)N、(Ti、Zr)N等の3元系の複合材料が
検討され、夫々の元素の特長を生かした特性を有する材
料の開発が行われている。
一方、(Ti 、l)N系の複合材料はAρ成分を含む
ため、高温での酸化条件下で保護膜であるAl203を
生成することにより耐酸化性の向上が確認されており、
該複合材料を基材被覆した複合硬質材料は、従来の複合
硬質材料(例えば基材上にTiNを被覆したもの)に比
べてクレータ及びフランク摩耗量が少ないため、有望な
切削工具用材料と考えられている。
しかしながら、(Ti 、lり Nの特定の組成、例え
ば(50at%Tl−50at%Al)Hの組成の複合
被膜を所望の基材上に直接被覆すると、基材と複合被膜
との化学組成、結晶構造の相違からそれらの界面での構
成ギャップにより密着性が不十分となったり、熱膨張係
数のギャップにより熱応力下で界面から複合被膜が剥離
する等の問題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、耐酸化性の優れた(Ti、An))N組成を有す
る複合被膜を基材上にそれら界面でのクラックや剥離発
生等を招くことなく良好に密着させた複合硬質材料、並
びにかかる複合硬質材料を簡単な工程により製造し得る
方法を提供しようとするものである。
[課題を解決するための手段] 本発明は、基材上に、該基材側からAlff1を段階的
もしくは連続的に増加させた(Tl、lりN系の組成構
造を有する複合被膜を被覆したことを特徴とする複合硬
質材料である。
上記基材としては、例えば高速度鋼、超硬合金、サーメ
ット等からなるものを挙げることができる。
また、本発明方法は基材上にT1及びAl1を蒸着する
と同時にイオン源より窒素イオンを照射するイオンミキ
シング法により該基材側からAll量を段階的もしくは
連続的に増加させた(Ti 。
A11))N系の組成構造を有する複合被膜を形成する
ことを特徴とする複合硬質材料の製造方法である。
上記Ti 、 Altの蒸着手段としては、ターゲット
を利用したイオンビームスパッタ法と、電子ビームによ
る真空蒸着を挙げることができる。前者の方法では、所
定の化学組成を有するTi −A47合金ターゲツトを
利用してもよく、或いはTi及びAI単体の金属ターゲ
ットに順次スパッタイオンビームを照射して合金膜を基
材表面に蒸着してもよい。この場合、スパッタイオンビ
ームの加速電圧、ビーム電流を調節したり、ターゲット
にイオンビームを照射する時間を調節することにより蒸
着組成を制御することが可能となる。また、電子ビーム
を用いる真空蒸着法の場合はダブルハース方式で電子ビ
ームによりTiと1を蒸着するがTiとAlとを連続的
に蒸着することも可能であり、適当な時間間隔をおいて
蒸着することも可能であり、組成制御も可能である。
前記イオン源より照射する窒素イオンは、蒸着と独立し
て操作することが可能である。このため、蒸着量と窒素
イオンの相対的な組成比率は自由に調節でき、目的とす
る所定比率の(Ti 、 AI )Nの被膜を形成する
ことが可能であり、組成を段階的もしくは連続的に制御
することが可能である。
[作用] 本発明によれば、基材上に、該基材側からAfl量を段
階的もしくは連続的に増加させた(Ti 。
Al)N系の組成構造を有する複合被膜を被覆すること
によって、基材と接する複合被膜の界面での極端な組成
の落差に起因する複合被膜のクラックや剥離等の発生を
防止できると共に基材に対する密着性を向上できる。ま
た、複合被膜中の1量を基材側から段階的もしくは連続
的に増加させることによって、最上層側の被膜部分中の
AIのTi リッチ層への拡散を抑制できるため、目的
とした耐酸化性及び切削性能を有する複合被膜を基材上
に被覆した複合硬質材料を得ることができる。
更に、本発明によれば組成制御、組成の段階的もしくは
連続的な制御が容易なイオンミキシング法を採用してい
るため、既述したような耐酸化性及び切削性能を有する
複合被膜を基材上に対してクラック等を発生せずに良好
に密着、被覆した複合硬質材料を簡単に製造することが
できる。
[実施例] 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
実施例1 まず、基材としてのaox aox 2 mmの寸法の
高速度鋼板を用意し、この板をイオン照射と蒸着機能を
備えた真空チャンバ内のホルダに保持した。つづいて、
このチャンバ内を5 X lo= torrに真空引き
した後、イオン源から加速電圧5kVのArイオンを引
き出し、前記板に照射して表面清浄化のための前処理を
施した。次いで、Ti及びA、Qをダブルハース方式の
電子ビーム蒸着法で、まず前記高速度鋼板にTiを3.
0人/seeの蒸着速度で蒸着しながら、Alを0〜3
.0人/ seeの蒸着速度で次第に蒸着速度を増大さ
せて、Ti−Alの組成変化がなされた連続膜を形成す
ると同時にイオン源から窒素イオンを加速電圧10kV
、イオン電流密度0.5mA/cdの条件で引き出し、
該連続膜に照射して複合窒化物膜を形成し、最後に(5
0at%↑l−50at%Aρ)Nの組成となるように
条件をコントロールして厚さが4μmの複合被膜を形成
して複合硬質材料を製造した。
比較例1 前記実施例1と同様な前処理を施した高速度鋼板にダブ
ルハース方式と窒素イオンの照射により厚さ4μmの(
50at%Ti−50at%Aj7)N(7)組成を持
つ複合被膜を直接形成して複合硬質材料を製造した。な
お、TiとAl1の蒸着速度は夫々3.0人/see、
窒素イオンの照射を加速電圧10kV、イオン電流密度
0.5mA/c−の条件で行なった。
しかして、真空チャンバから取出した本実施例1及び比
較例1の複合硬質材料を切断し、断面をSEMで観察し
た。その結果、比較例1の複合硬質材料では高速度鋼と
複合被膜の界面に僅かであるがマイクロクラックの発生
が認められた。これに対し、本実施例1の複合硬質材料
では高速度鋼板と複合被膜との界面にも何等の欠陥も観
察されず良好な被覆構造を有することが確認された。
実施例2 一般的なCVD法によりTiN膜が被覆された超硬合金
チップをイオン照射と蒸着機能を備えた真空チャンバ内
のホルダに保持した。つづいて、このチャンバ内を5 
X 10= torrに真空引きした後、イオン源から
加速電圧5kVのArイオンを引き出し、前記チップ表
面に5分間照射して表面清浄化のための前処理を施した
。ひきつづき、75at%T1.−25at%Apのタ
ーゲットにスパッタイオン源より加速電圧3.5kV、
イオン電流2.OAで弓出したArイオンを照射して前
記チップにスパッタ蒸着すると同時に他のイオン源から
窒素イオンを加速電圧10kV、イオン電流密度0.5
mA/cJの条件で引き出し、該スパッタ蒸着膜に照射
して厚さ2μmの(75at%Ti  25at%Aj
7)N組成を有する複合窒化物膜を形成した。次いで、
この複合窒化物膜に別の50at%Tl−50at%A
lのターゲットにスパッタイオン源より加速電圧2.5
k V、イオン電流1,5Aで引出したArイオンを照
射して前記チップにスパッタ蒸着すると同時に他のイオ
ン源から窒素イオンを加速電圧10k V、イオン電流
密度0.5mA/c−の条件で引き出し、該スパッタ蒸
着膜に照射して厚さ約2μmの(50at%Tl−50
at%AΩ)N組成を有する複合窒化物膜を形成して複
合硬質材料を製造した。
比較例2 前記実施例2と同様に表面清浄化処理されたTi N膜
が被覆された超硬合金チップにスパッタ蒸着と窒素イオ
ンの照射により厚さ4μmの(50at%T1−50a
t%AJ7)N組成を有する複合窒化物膜のみを形成し
て複合硬質材料を製造した。
しかして、本実施例2及び比較例2の複合硬質材料ニヨ
リH,−280(7)SNCM8鋼をv −ig。
m/ll1n Sf −0,25mm/rev 、 t
 −1,5mm (1回の切削時での切り込み量)の条
件で切削した時の耐摩耗性を調べた。その結果、本実施
例2の複合硬質材料では10分間テV B= 0.15
Il1m テあったか、比較例2の複合硬質材料では1
0分間でVB−0,25■と劣っており、しかも基材で
あるTiN被覆超硬合金チップと複合窒化物膜との界面
で一部クラックの発生が認められた。
実施例3 30X 30X 2 mmのTi板を実施例1と同様な
表面清浄化処理を施し、電子ビームによるダブルハース
方式によりTl 、Alの電子ビーム蒸着量をコントロ
ールしながら、同時に窒素イオンを照射して多層の複合
窒化物膜を形成した複合硬質材料を製造した。なお、各
膜の組成、T1及び八ρの蒸着速度、窒素イオンの照射
時の加速電圧、ビーム電流密度を下記第1表に示す。
比較例3 aox 30X 2 amのT1板を実施例1と同様な
表面清浄化処理を施した後、該Tf後板上上記第1表の
第3層目の膜形成と同様な方法により厚さ3umの(5
0at%Ti−50at%AjりN組成を有する複合窒
化物膜を直接形成して複合硬質材料を製造した。
しかして、本実施例3及び比較例3の複合硬質材料を夫
々空気中で1700”c、300時間の酸化試験を行な
い、酸化増量を調べた。その結果を下記第2表に示した
第2表 上記第2表から明らがなように、本実施例3の複合硬質
材料は耐酸化性が極めて優れていることがわかる。
なお、上記実施例では基材上に該基材側がらAN量を段
階的もしくは連続的に増大させた(Ti、AΩ)N系の
組成構造を有する複合被膜を被覆した複合硬質材料につ
いて説明したが、基材の種類や結晶構造等により該基材
側からAl量を段階的もしくは連続的に減少させた(T
i 。
Al)N系の組成構造を有する複合被膜を基材上に被覆
したり、AfI lを段階的もしくは連続的に増減させ
た複合被膜を基材上に被覆してもよい。
[発明の効果] 以上詳述した如く、本発明によれば耐酸化性の優れた(
Ti 、Al2)N組成を有する複合被膜を基材上にそ
れら界面でのクラックや剥離発生等を招くことなく良好
に密着させた耐摩耗部品や切削工具等に好適な複合硬質
材料、並びにかかる複合硬質材料を簡単な工程により製
造し得る方法を提供できる。
出願人代理人 弁理士 鈴江武彦

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)、基材上に、該基材側からAl量を段階的もしく
    は連続的に増加させた(Ti、Al)N系の組成構造を
    有する複合被膜を被覆したことを特徴とする複合硬質材
    料。
  2. (2)、基材上にTi及びAlを蒸着すると同時にイオ
    ン源より窒素イオンを照射するイオンミキシング法によ
    り該基材側からAl量を段階的もしくは連続的に増加さ
    せた(Ti、Al)N系の組成構造を有する複合被膜を
    形成することを特徴とする複合硬質材料の製造方法。
JP28973588A 1988-11-16 1988-11-16 複合硬質材料及びその製造方法 Granted JPH02138459A (ja)

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