JPH0250949A - 複合超硬材料 - Google Patents

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、複合超硬材料に関し、特に超硬合金の母材表
面に硬質の多層膜を被覆した切削・耐摩耗工具等に有用
な複合超硬材料に係わる。

［従来の技術及び課題］ 超硬合金やサーメットの母相表面に高硬度で耐摩耗性に
富むＴｉ　Ｎ　（硬度２４００）　、Ｚｒ　Ｎ　（硬度
２２００）　、Ｈｆ　、Ｎ　（硬度２３００）の窒化物
層を被覆した切削・耐摩耗工具は切削性能、耐摩耗性を
有することが知られている。しかしながら、工具の使用
形態の多様化等によりその使用条件かより苛酷になるに
伴い、更に高性能化、超寿命化か要望されてぎている。

このような要望から、最近、各種の耐摩耗性に富む炭化
物、窒化物及び酸化物を単層膜のみて使用するのではな
く、夫々の膜の特長を生かした多層膜コーティングが利
用されつつある。例えば、Ｔｉ　Ｃ膜は硬度か高く、耐
フランク摩耗性を備えているが、耐クレータ摩耗が劣る
欠点を有する。

一方、ＴｉＮは化学的に安定で耐クレータ摩耗が優れて
いるが、硬度が前記Ｔｉ　Ｃに比べて若干劣り、かつ耐
フランク摩耗性に劣るという欠点を有する。こうしたこ
とから、前記６膜の特長を生かし、Ｔｉ　Ｃ膜、ＴｉＮ
膜、Ｔｉ　（Ｃ−Ｎ）膜を前述した母料上にＰＶＤ法や
ＣＶＤ法により多層コティングした複合超硬材料か開発
され、市場に出廻っている。また、前記母料上にＴｉＣ
膜をコティングし、更に高温での安定性を高めるために
Ａ１２０３膜をコーティングした複合超硬材料も開発さ
れている。しかしながら、かかる異種化合物の多層膜が
被覆された複合超硬材料では異種化合物膜間での密着性
が劣るため、使用時に前記多層膜が剥離したり、チッピ
ングか起こるという問題があった。

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、ＴｉＮ薄膜、ＺｒＮ薄膜、Ｈ１″Ｎ薄膜のうちの
少なくとも２種以上が交互に積層されて各薄膜の特性を
備え、かつそれらの薄膜間相互の密着性に優れた多層膜
か超硬合金又はサーメットの母材に対して密着性よく被
覆された複合超硬材料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、超硬合金又はサーメットを母材とし、この母
材表面にイオンビームミキシング法によりＴｉ　Ｎ、Ｚ
ｒ　Ｎ、Ｈｆ　Ｎのうちの少なくとも２種以上の薄膜を
交互に積層して多層膜を被覆したことを特徴とする複合
超硬材料である。

上記超硬合金としては、例えば周期律表のＩＶａ、Ｖａ
、Ｖｌａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物とＮ　１　
％　Ｃｏ及びＦｅの少なくとも１種以上とからなるもの
等を挙げることができる。

上記多層膜の形態としては、Ｔｊ　Ｎ薄膜とＺｒＮ薄膜
を交互に積層したもの、ＴｉＮ薄膜とＨｆＮ薄膜を交互
に積層したもの、ＺｒＮ薄膜とＨｆＮ薄膜を交互に積層
したもの、ＴｉＮ薄膜とＺｒＮ薄膜とＨｆＮ薄膜を交互
に積層したものを挙げることかできる。特に、ＴｉＮ薄
膜とＺｒＮ薄膜とＨｆＮ薄膜を交互に積層した多層膜は
それら３種の窒化物の特性を生かすことかでき、多様な
特性か付与されるために好適である。この三層構造の多
層膜における各薄膜の積層順序は特に制約を受けるもの
ではなく任意である。また、前記各薄膜の厚さは０２〜
２，０μｍの範囲にすることか望ましい。この理由は、
薄膜の厚さを０８２μｍ未満にすると多層化した時に薄
膜相互間で拡散して多層膜を形成することが困難となり
、かといってその厚さが２．０μｍを越えると単層膜の
特徴である結晶粒成長か生じ易くなるからである。

上記多層膜の形成手段としては、■電子ビーム蒸着源に
よる真空蒸着と窒素イオンの照射を同時に行なうイオン
ミキシング法、■ターゲットを用いてイオンビームスパ
ッタで蒸着と窒素イオンの照射を同時に行なうイオンミ
キシング法を採用することができる。

上記■のイオンミキシング法は、真空チャンバ内に３つ
のルツボを配置し、各ルツボ内にＴｉ１ＺｒＸＨｆのハ
ースを夫々装填し、電子ビームガンを使用して少なくと
も２個のルツボ内のノ＼−スを電源操作又はビーム走査
により溶解し、所定の時間間隔をあけて交互に真空蒸発
せしめ、母材表面に蒸着させながら、イオン源より窒素
イオンを引出して照射せしめ、ＴｉＮ薄膜、ＺｒＮ薄膜
及びＨｆＮ薄膜のうちの少なくとも２つの薄膜が交互に
積層された多層膜を母材表面に被覆するものである。

上記■のイオンミキシング法は、真空チャンバ内にＴｉ
　ＳＺｒ　％　Ｈｆからなる３個のターゲットを夫々配
置し、スパッタイオン源よりイオン（通常はＡｒイオン
）を引出し、少なくとも２個のターゲットにイオンを交
互に照射して夫々の金属を交互にスパッタさせ、母材表
面に蒸着させながらイオン源より窒素イオンを引出して
照射せしめ、ＴｉＮ薄膜、ＺｒＮ薄膜及びＨｆＮ薄膜の
うちの少なくとも２つの薄膜が交互に積層された多層膜
を母材表面に被覆するものである。この場合、窒素イオ
ン源を用いずにスパッタイオン源からスパッタ用Ａｒイ
オンと窒素イオンを同時に照射してイオンビームミキシ
ングを行なってもよい。

上記■、■のイオンビームミキシング法において、チャ
ンバ内に窒素ガスを別途導入して反応系を特定の窒素雰
囲気に保持することが可能であり、かつ別のイオン源か
らイオンアシストを行なうことによって各薄膜の結晶性
を改質することが可能となる。

［作用］ 本発明によれば、超硬合金又はサーメットを毎月とし、
この母材表面にイオンビームミキシング法によりＴｉ　
Ｎ、Ｚｒ　Ｎ、ＩｆＮのうちの少なくとも２種以上の薄
膜を交互に積層して多層膜を被覆することによって、各
薄膜間にミキシング層が形成され、それらの薄膜間相互
の密着性に優れ、かつ各薄膜の特性を備えた多層膜が超
硬合金又はサーメットの母材に対して密着性よ（被覆さ
れた複合超硬材料を得ることかできる。即ち、Ｔｉ　Ｎ
。

Ｚｒ　ＮＸＨｆ　Ｎはいずれも高硬度で、かっＴｉＮは
耐摩耗性、耐溶着性に優れ、ＺｒＮは耐溶着性に優れ、
ＨｆＮは耐熱塑性変形性に優れているため、これらの薄
膜を交互に積層することによって、各薄膜特性を兼ね備
えた多層膜を母料上に被覆され、切削・耐摩耗工具等に
有用な複合超硬材料を得ることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

実施例］ ます、ｗｃ−ｅ％Ｃｏ超硬合金の母材をイオンビームス
パッタ蒸着機能を備えたイオン注入装置のチャンバ内の
ホルダに設置した。つづいて、チャンバ内のガスを真空
排気し、前記ホルダ付近に設けたノスルから窒素ガスを
所定流量で導入し、スパッタイオン源よりＡｒと窒素の
混合イオンを加速電圧８ｋＶ、ビーム電流１．５　Ａの
条件で引き出し、チャンバ内に予め配置したＴｉ　　ｚ
ｒ。

Ｈｆからなる３個のターゲットに照射してそれらターゲ
ットを交互にスパッタして前記母材表面に各金属を４，
０人／　ｓｅｅの蒸着速度で蒸着、積層し、同時に別の
イオン源から窒素イオンを該母材表面に加速電圧２００
■、電流密度０．３　ｍ　Ａ　／　ｃｌの条件でアシス
ト照射することにより母材表面に多層膜を被覆して複合
超硬材料を製造した。

比較例１ まず、ＷＣ−６％Ｃｏ超硬合金の母材をマグネトロンス
パッタ装置のチャンバ内に設置した。つついて、チャン
バ内のガスを真空排気して該チャンバ内をアルゴンと窒
素の混合雰囲気とし、スパッタ電圧８００ｖでＴｉター
ゲットを使用して前記母材表面にスパッタ蒸着すること
により厚さ９μｍのＴｉ薄膜を被覆して複合超硬材料を
製造した。なお、母料温度は３００°Ｃとした。

しかして、上述したイオン注入装置から取出した本実施
例１の複合超硬材料について、表面の多層膜を研磨して
顕微鏡により各薄膜を観察したところ、各薄膜の厚さは
ほぼ１μｍ程度であることが認められ、全体の膜厚が９
μｍであった。また、本実施例１の複合超硬材料及び上
述したスパッタ装置から取出した比較例１の複合超硬材
料の硬さを測定したところ、実施例１てはＨｖ　＝　３
２００Ａ’？／Ｈ２、比較例１ではＨｖ　＝　２０００
Ｋｇ／　ｍｍ　２てあった。更に、本実施例１の複合超
硬材料によりＨ８−２８０のＳＮＣＭＳ鋼をＶ−１８０
ｍ／ｍｉｎ　、　ｆ　＝０．２５ｇ／　ｒｅｖ　、　　
ｔ　＝　１．５　ｍｍ　（１回の切削時の切込み量）の
条件で切削した時の耐摩耗性を調べたところ、１０分間
でＶＢ＝０．１０ｍｍであった。これに対し、比較例１
の複合超硬材料を用いて同様な耐摩耗性を調べたところ
、表面のＴｉ　薄膜の一部に剥離が見られ、かつ１０分
間でＶ　［３＝　０．３５ｍｍと摩耗度合か大きいこと
が確認された。

実施例２ まず、ＷＣ−６％Ｃｏ超硬合金の母材を真空蒸着機能を
有するイオン注入装置のチャンバ内に設置し、真空引き
した後、予めＴ　ｒ　−、Ｚ　ｒ　％　Ｈｆ’のハース
か夫々装填され、所定の間隔をあけてチャンバ内に配置
された３個のルツボに電子ビームを照射して所定の時間
間隔をあけてＴ　１　％　Ｚ　ｒ、Ｈｆを交互に溶解蒸
発させて前記母材表面に真空蒸着させた。この時、Ｔｉ
は３．３人／ｓｅｅ、Ｚｒは２．２人／ｓｅｅ、Ｈｆを
２．１人／ｓｅｅの速度で前記母材表面に交互に蒸着さ
せた。同時に、イオン源より窒素イオンを加速電圧２０
ｋＶ、イオンビム電流密度０．５ｍＡ／ｃｌＮの条件で
引出し該母材表面に照射するイオンミキシングを行なう
ことにより母材表面に多層膜を被覆して複合超硬材料を
製造した。

比較例２ まず、ｗｃ−ｅ％Ｃｏ超硬合金の母材を市販のＡＲＥイ
オンブレーティング装置のチャンバ内に設置した。つつ
いて、チャンバ内のガスを真空υＩ気し、ルツボ内のＴ
ｉを蒸着させながら窒素雰囲気中でイオンブレーティン
グを行なって前記母材表面に厚さ９ｆｔｍのＴｉＮ膜を
被覆して複合超硬材料を製造した。

しかして、上述したイオン注入装置から取出した本実施
例２の複合超硬材料について、表面の多層膜を研磨して
顕微鏡により各薄膜を観察したところ、各薄膜の厚さは
ほぼ１μｍ程度であることか認められ、全体の膜厚が９
μｍであった。また、本実施例２の複合超硬材料及び上
述したイオンブレーティング装置から取出した比較例２
の複合超硬材料の硬さを測定したところ、実施例２では
Ｈｖ　＝　３１００Ｋｇ／　ｍｍ　”　、比較例２では
Ｈｖ＝２２００Ｋｇ／　Ｍ　”であった。更に、本実施
例２の複合超硬材料によりＨ，＝２８０のＳＮＣＭＳ鋼
をＶ＝１８０ｍ／ｍｉｎ　、　　ｆ　＝０．２５ｍｍ／
ｒｅｖ　、　ｔ　＝］、５　ｍｍの条件で切削した時の
耐摩耗性を調べたところ、１０分間でＶ　８＝　Ｏ，１
０ｍｍであった。これに対し、比較例２の複合超硬材料
を用いて同様な耐摩耗性を調べたところ、１０分間でＶ
Ｂ＝０．２５ｍｍと耐摩耗性かかなり劣ることか確認さ
れた。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によればＴｉＮ薄膜、ＺｒＮ
薄膜、Ｈｆ’Ｎ薄膜のうちの少なくとも２種以上か交互
に積層されて各薄膜の特性を備え、かつそれらの薄膜間
相互の密着性に優れた多層膜か超硬合金又はサーメット
の母材に対して密着性よく被覆された構造をなし、高硬
質、耐摩耗性、耐溶着性、耐熱塑性変形性なとを有する
切削・耐摩耗工具等に有用な複合超硬材料を提供できる
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超硬合金又はサーメットを母材とし、この母材表面にイ
   オンビームミキシング法によりＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ
   のうちの少なくとも２種以上の薄膜を交互に積層して多
   層膜を被覆したことを特徴とする複合超硬材料。