JPH0526868B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、切削工具又は耐摩耗工具などの工具
部品及び半導体基板などの電子機器用部品として
利用できる立方晶窒化ホウ素被覆部品に関するも
のである。

（従来の技術） 立方晶窒化ホウ素は、ダイヤモンドに次ぐ高硬
度性、高熱伝導性及び高電気絶縁性を有し、しか
もダイヤモンドよりもすぐれた化学的安定性、耐
酸化物、耐熱性及び耐熱的衝撃性を有している。
また、ダイヤモンドは、鉄族金属との親和性が高
いのに対して立方晶窒化ホウ素は、鉄族金属との
親和性が低いことから、例えば鉄族金属材料を切
削又は研削するための工具材料として注目されて
いる。このように、立方晶窒化ホウ素は、すぐれ
た特性を有しているが、脆性材料であり、しかも
難焼結性材料であることから形状及び用途に制約
を受けている。

そこで、立方晶窒化ホウ素を被覆層として基体
の表面に形成してなる被覆部品によつて形状及び
用途の制約を解決しようとする試みがなされてい
る。その代表例として、立方晶窒化ホウ素の被覆
層を窒化ケイ素焼結体の基体の表面に直接形成さ
せてなる被覆部品が特開昭57−95881号公報に開
示されている。

（発明が解決しようとする問題点） 特開昭57−95881号公報に開示の被覆部品は、
次のような問題がある。窒化ケイ素焼結体は、焼
結を促進させるために、例えばAl₂O₃、MgO、
Y₂O₃などの、主として金属酸化物からなる焼結
助剤を含有している。このように焼結助剤を含有
した窒化ケイ素焼結体の基体の表面に直接立方晶
窒化ホウ素からなる被覆層を形成させてなる被覆
部品は、基体の表面にも焼結助剤が存在し、この
焼結助剤が六方晶窒化ホウ素又は非晶質窒化ホウ
素などの窒化ホウ素の立方晶窒化ホウ素への転換
を阻害し、又、基体と被覆層との付着性を低下さ
せるという問題がある。

本発明は、上述のような問題点を解決したもの
で、具体的には、基体と立方晶窒化ホウ素からな
る外層との間に窒化ホウ素の立方晶窒化ホウ素へ
の転換を促進させる効果があり、しかも高温での
安定性及び外層との付着性にすぐれた中間層を介
在させてなる立方晶窒化ホウ素被覆部品の提供を
目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 基体の表面に立方晶窒化ホウ素からなる被覆層
が形成される場合は、２つの形態があり、第１の
形態は、立方晶窒化ホウ素が合成されて、その立
方晶窒化ホウ素が被覆層として基体の表面に付着
形成される場合であり、第２の形態は、非晶質窒
化ホウ素又は六方晶窒化ホウ素などの窒化ホウ素
が基体の表面に被覆層として付着形成されると同
時又は被覆層として形成された後に、窒化ホウ素
が立方晶窒化ホウ素に転換する場合である。この
内、第１の形態に対しては、立方晶窒化ホウ素の
付着しやすい物質が必要であり、第２の形態に対
しては、窒化ホウ素の立方晶窒化ホウ素への転換
にすぐれる物質が必要である。本発明者らは、こ
の第１の形態と第２の形態に対して必要な物質及
び工具部品などの苛酷な用途に耐えることができ
る物質について検討した所、酸素又は酸素含有化
合物は、第１の形態及び第２の形態に対して最も
障害になること、並びに炭素及び炭素含有化合物
も第１の形態及び第２の形態に対して好ましくな
いということから、更に検討した結果、ホウ化ア
ルミニウム又はホウ窒化アルミニウムが上述の第
１の形態及び第２の形態などに対して満足させる
ことができるという知見を得るに至り、本発明を
完成したものである。

すなわち、本発明の立方晶窒化ホウ素被覆部品
は、基体の表面に立方晶窒化ホウ素を主成分とす
る外層を形成してなる被覆部品において、前記基
体と前記外層との間に１層又は多層で構成される
中間層を介在させ、前記外層に隣接する該中間層
がホウ化アルミニウミ又はホウ窒化アルミニウム
からなるアルミニウム化合物層によつて形成され
ていることを特徴とするものである。

ここで用いる基体は、後述する製造条件に耐え
ることが可能な材種ならば特別に制限されるもの
でなく、例えば各種の金属、合金、焼結ハイス、
超硬合金、サーメツト又はセラミツクスなどを用
途によつて使い分けることができる。

立方晶窒化ホウ素を主成分とする外層は、μｍ
単位の薄膜状の層からmm単位の厚膜状の層として
形成することができる。この外層の成分は、立方
晶窒化ホウ素又は立方晶窒化ホウ素の他にFe、
Ni、Co、Al、Si及び周期律表4a、5a、6a族金属
もしくはAl、Siの窒化物あるいは周期律表4a、
5a、6a族金属の炭化物、窒化物、ホウ化物及び
これらの相互固溶体の中の少なくとも１種の結合
相を含有させたものにすることができる。この
内、立方晶窒化ホウ素からなる外層の場合は、立
方晶窒化ホウ素が脆性材料であることから0.1μｍ
以上〜15μｍ以下の層厚、好ましくは0.5μｍ以上
〜10μｍ以下の層厚でなる薄膜状にするのがよ
く、立方晶窒化ホウ素の他に結合相を含有した外
層の場合は、0.05mm以上〜0.8mm以下の層厚でな
る厚膜状にすることもできる。

これらの基体と外層との間に介在させる中間層
は、使用する基体の材種又は本発明の被覆部品の
用途もしくは形状によつて各種の構成にすること
ができる。

例えば、第１の構成としては、中間層がホウ化
アルミニウム又はホウ窒化アルミニウムのアルミ
ニウム化合物層からなるものである。この場合
は、基体と外層との間にアルミニウム化合物層が
介在しているもので、アルミニウム化合物層との
付着性にすぐれている基体、例えばAlN系セラ
ミツクス、Al₂O₃系セラミツクスなどの基体に適
用すると外層のすぐれた特性を発揮することがで
きる。

第２の構成としては、中間層がアルミニウム化
合物層と周期律表4a、5a、6a族金属のホウ化物
又は窒化アルミニウム、酸化アルミニウム及びこ
れらの相互固溶体から選ばれる１種以上の第１密
着補助層とからなるものである。この場合は、基
体と外層との間に第１密着補助層とアルミニウム
化合物層が介在し、基体に第１密着補助層が隣接
し、外層にアルミニウム化合物層が隣接している
もので、第１密着補助層との付着性にすぐれてい
る基体、例えばZrO₂系セラミツクス、TiC系セ
ラミツクス、Si₃N₄系セラミツクス、SiC系セラ
ミツクスなどの各種のセラミツクスからなる基体
に適用すると外層のすぐれた特性を発揮すること
ができる。

第３の構成としては、中間層がアルミニウム化
合物層と第１密着補助層と周期律表4a、5a、6a
族金属の炭化物、窒化物、酸化物及びこれらの相
互固溶体から選ばれる１種以上の第２密着補助層
とからなるものである。この場合は、基体と外層
との間に第２密着補助層と第１密着補助層とアル
ミニウム化合物層が介在し、基体に第２密着補助
層が隣接し、外層にアルミニウム化合物層が隣接
し、第２密着補助層とアルミニウム化合物層との
間に第１密着補助層が介在しているもので、第２
密着補助層との付着性にすぐれている基体、例え
ば各種の金属又はステンレス、高速度鋼などの工
具鋼を含めた各種合金、焼結ハイス、超硬合金、
サーメツトなどの基体に適用すると外層のすぐれ
た特性を発揮することができるものである。

その他の中間層の構成としては、例えば前述し
た第３の構成で、第２密着補助層中にFe、Ni、
Coなどの金属を含有した層でなる場合、又は第
３の構成で、更に基体と第２密着補助層との間に
金属又は合金でなる層の介在した場合、もしくは
アルミニウム化合物層と第２密着補助層との組合
わせにすることもできる。

上述の如く、中間層は、主として基体との付着
性の関係から１層又は多層からなる構成にするこ
とができるが、外層に隣接する中間層は、立方晶
窒化ホウ素との付着性にすぐれるのと、窒化ホウ
素の立方晶窒化ホウ素への転換作用が高いのと、
強度及び化学的安定性にすぐれているということ
からアルミニウム化合物層にすることを特徴とす
るものである。

これらの中間層を具体的に示すと、アルミニウ
ム化合物層としたは、例えばAlB、AlB₂、
AlB₁₀、AlB₁₂、Al（Ｂ、Ｎ）があり、特にAlB₂
又はAlB₁₂に相当するホウ化アルミニウムが好ま
しい。第１密着補助層としては、例えばTiB₂、
ZrB₂、HfB₂、VB₂、TaB、WB、AlN、Al₂O₃、
Al（Ｏ、Ｎ）があり、第２密着補助層としては、
例えばTiC、ZrC、HfC、VC、TaC、NbC、
WC、Cr₃C₂、Mo₂C、TiN、ZrN、HfN、VN、
TaN、CrN、Ti（Ｃ、Ｏ）、Ti（Ｎ、Ｏ）、Ti（Ｃ、
Ｎ、Ｏ）、（Ti、Ta）Ｃなどを挙げることができ
る。これらの中間層は、化学量論的化合物のみで
なく、非化学量論的化合物、例えばAlB_1-x、
AlB_2-xなどとして形成される。

本発明の立方晶窒化ホウ素被覆部品は、次のよ
うな方法によつて製造することができる。まず、
基体は、板状体、塊状体、粉末状又は粉末圧粉体
状のものを用いることができる。この内、板状体
又は塊状体のものを用いる場合は、必要に応じて
基体の表面を研摩、洗浄及び乾燥などを行なうと
基体と中間層との付着性がすぐれることから好ま
しいことである。

基体の表面に中間層を設ける方法は、CVD法、
PVD法又はプラズマCVD法による方法、金属を
蒸着した後浸炭や窒化処理して金属化合物の中間
層とする方法、スプレー、刷毛塗りなどで粉末状
として設ける方法、もしくは加圧成形によつて粉
末圧粉体として設ける方法がある。また、基体と
中間層との付着性を高めるために、基体の表面に
金属又は合金からなる層を設ける必要がある場合
には、蒸着、イオンプレーテイング又はスパツタ
ーのようなPVD法の他にメツキによつても形成
することができる。

外層の形成方法は、PVD法又はプラズマCVD
法の他に粉末状、粉末圧粉体状もしくはCVD法、
PVD法、プラズマCVD法などによつて窒化ホウ
素を中間層の表面に形成した後、立方晶窒化ホウ
素の安定な高圧高温条件によつて処理して立方晶
窒化ホウ素を主体とする外層にすることができ
る。さらに、本発明の被覆部品の製造方法につい
て具体的に説明すると、第１の方法は、基体が、
例えば線引品、圧延品、鋳造品、鍛造品又は焼結
品からなる板状体もしくは塊状体である場合、基
体の表面を研摩、洗浄及び乾燥後、CVD法、
PVD法又はプラズマCVD法によつて中間層を設
ける。次いで、高エネルギーを発生し得るPVD
法、プラズマCVD法又はレーザ蒸着法などの反
応容器内に設置して、中間層の表面に0.05μｍ〜
20μｍ程度の薄膜状の外層を形成する方法であ
る。

第２の方法は、第１の方法で用いたと同様の基
体の表面に第１の方法と同様にして中間層を形成
した後、中間層の表面にCVD法、PVD法、プラ
ズマCVD法又はレーザ蒸着法によつて外層を形
成するための例えば非晶質窒化ホウ素又は六方晶
窒化ホウ素からなる薄膜を形成し、次いでベルト
型又はカードル型などの高圧高温装置に設置して
立方晶窒化ホウ素の安定な高圧高温条件下で処理
する方法である。

第３の方法は、第１の方法で用いたと同様の基
体の表面に第１の方法と同様にして中間層を形成
した後、0.05mm〜0.8mm程度の厚膜状の外層を形
成する目的で、中間層の表面に外層を形成するた
めの粉末状又は粉末圧粉体状のものを設け、次い
で高圧高温装置に設置して立方晶窒化ホウ素の安
定な高圧高温条件下で処理する方法である。この
とき、厚膜状の外層にする場合は、窒化ホウ素の
他に窒化ホウ素の立方晶窒化ホウ素への転換のた
めの触媒作用となる、例えばホウ化アルミニウ
ム、窒化アルミニウム、ホウ窒化アルミニウムな
どを含有させておくと一層好ましいことである。

第４の方法は、第１の方法で用いたと同様の基
体の表面に粉末状、粉末圧粉体状又は板状体でな
る中間層を設けた後、この中間層の表面に外層を
形成するための粉末状又は粉末圧粉体状のものを
設け、次いで高圧高温装置に設置して立方晶窒化
ホウ素の安定な高圧高温条件下で処理する方法で
ある。

第５の方法は、基体、中間層及び外層を全て粉
末状又は粉末圧粉体状として設けた後、高圧高温
装置に設置して、立方晶窒化ホウ素の安定な高圧
高温条件下で処理する方法である。

このときの立方晶窒化ホウ素の安定な高圧高温
条件下とは、圧力4.5GPa以上、温度700℃で行な
うことができるが、特に圧力6.0GPa以上、温度
1500℃以上で行なうのが好ましい。

（作用） 本発明の立方晶窒化ホウ素被覆部品は、外層に
隣接する中間層がホウ化アルミニウム又はホウ窒
化アルミニウムからなるアルミニウム化合物で、
このアルミニウム化合物が立方晶窒化ホウ素との
付着性を高めること、窒化ホウ素の立方晶窒化ホ
ウ素への転換作用を高めること並びにアルミニウ
ム化合物自体が高硬度性であるということから立
方晶窒化ホウ素の含有量が高く、緻密で膜状の外
層を形成しているものである。また、本発明の被
覆部品は、中間層と基体との付着性を高めること
ができるために被覆層の耐剥離性がすぐれている
ものである。この結果、本発明の被覆部品は、立
方晶窒化ホウ素自体の有している高硬度性、高熱
伝導性、高電気絶縁性などの諸特性を充分に発揮
することができるものである。

（実施例） 実施例 １ Al₂O₃−25wt％TiC−1wt％MgO組成のセラミ
ツクス焼結体で作成した形状寸法10φ×３mmの基
体の表面をダイヤモンド砥石で研摩後蒸留水及び
エチルアルコールで洗浄してから乾燥した。次い
で、基体を反応容器内に設置し、5vol％ACl₃−
10vol％BCl₃−25vol％Ar−60vol％H₂雰囲気中、
圧力50Torr、温度1250℃、保持時間60分にて処
理し、基体の表面にホウ化アルミニウムの層を形
成させた。次に、容器内のガスを真空排気した
後、9vol％BCl₃−25vol％H₂−40vol％NH₃−
26vol％Ar雰囲気中、圧力60Torr、温度1100℃、
保持時間90分の条件で処理してホウ化アルミニウ
ム層の表面に窒化ホウ素の層を形成させた。次い
で、これを高圧高温装置に設置して、圧力
6.5GPa、温度1650℃の条件で処理して本発明品
の被覆部品を得た。

比較用として、上述した本発明の被覆部品の製
造方法からホウ化アルミニウム層の形成工程を除
いて、その他の工程を同様に行なつて比較の被覆
部品を得た。

こうして得た本発明の被覆部品と比較の被覆部
品の被覆層をＸ線回折及び走査型電子顕微鏡にて
調べた所、本発明の被覆部品は、外層が厚さ3μ
ｍの緻密な立方晶窒化ホウ素の層で、中間層が厚
さ1μｍのAlB₂相当の層であり、比較の被覆部品
は、被覆層が厚さ3μｍで、六方晶窒化ホウ素の
層であつた。

実施例 ２ ZrO₂−5wt％MgO組成のセラミツクス焼結体
で作成した形状寸法10φ×３mmの基体の表面を実
施例１と同様に処理した後、反応容器内に設置
し、5vol％ACl₃−10vol％CO−10vol％CO₂−
75vol％H₂雰囲気中、圧力30Torr、温度1100℃、
保持時間120分にて処理して基体の表面に酸化ア
ルミニウムの層を形成させた。次に、容器内のガ
スを真空排気した後、5vol％AlCl₃−10vol％
BCl₃−25vol％Ar−60vol％H₂雰囲気中、圧力
50Torr、温度1250℃、保持時間60分にて処理し、
酸化アルミニウム層の表面にホウ化アルミニウム
の層を形成させた。次に容器内のガスを真空排気
した後、10vol％BCl₃−25vol％H₂−40vol％NH₃
−25vol％Ar雰囲気中、圧力60Torr、温度1100
℃、保持時間120分にて処理してホウ化アルミニ
ウム層の表面に窒化ホウ素の層を形成させた。次
いで、これを高圧高温装置に設置して、圧力
6GPa、温度1600℃の条件で処理して本発明品の
被覆部品を得た。

比較用として、上述した本発明の被覆部品の製
造方法から酸化アルミニウム層及びホウ化アルミ
ニウム層の形成工程を除いて、その他の工程を実
施例１と同様に行なつて比較の被覆部品を得た。

こうして得た本発明の被覆部品と比較の被覆部
品を実施例１と同様に調べた所、本発明の被覆部
品は、外層が厚さ2μｍの緻密な立方晶窒化ホウ
素の層で、中間層が厚さ1μｍのAl₂O₃層と厚さ1μ
ｍのAlB₂相当の層であり、比較の被覆部品は、
被覆層が厚さ2μｍで、六方晶窒化ホウ素の層で
あつた。

実施例 ３ WC−8wt％TiC−８％TaC−８％Co組成の超
硬合金で作成した形状寸法10×10×５mmの基体の
表面を実施例１と同様に処理した後、反応容器内
に設置し、8vol％TiCl₄−5vol％CH₄−87vol％
H₂雰囲気中、圧力20Torr、温度1000℃、保持時
間30分にて処理して基体の表面にチタン炭化物層
を形成させた。次いで、容器内のガスを真空排気
した後、5vol％AlCl₃−10vol％CO−10vol％CO₂
−75vol％H₂雰囲気中、圧力30Torr、温度1100
℃、保持時間120分にて処理してチタン炭化物層
の表面に酸化アルミニウム層を形成させ、再度容
器内のガスを真空排気した後、5vol％AlCl₃−
10vol％BCl₃−25vol％Ar−60vol％H₂雰囲気中、
圧力30Torr、温度1100℃、保持時間120分にて処
理して酸化アルミニウム層の表面にホウ化アルミ
ニウム層を形成させた。また、容器内のガスを真
空排気した後、10vol％BCl₃−25vol％H₂−40vol
％NH₃−25vol％Ar雰囲気中、圧力50Torr、温
度1150℃、保持時間100分にて処理してホウ化ア
ルミニウム層の表面に窒化ホウ素の層を形成させ
た。次に、これを高圧高温装置に設置して、圧力
60GPa、温度1500℃の条件で処理して本発明品の
被覆部品を得た。

比較用として、上述した本発明の被覆部品の製
造方法からチタン炭化物層、酸化アルミニウム層
及びホウ化アルミニウム層の形成工程を除いて、
その他の工程を実施例１と同様に行なつて比較の
被覆部品を得た。

こうして得た本発明の被覆部品と比較の被覆部
品を実施例１と同様に調べた所、本発明の被覆部
品は、外層が厚さ2μｍの緻密な立方晶窒化ホウ
素の層で、中間層が厚さ1μｍのTiC層と厚さ1μｍ
のAl₂O₃層と厚さ1μｍのAlB₂相当の層であり、比
較の被覆部品は、被覆層が厚さ2μｍで、六方晶
窒化ホウ素の層であつた。

実施例 ４ WC−6wt％Co組成の超硬合金で作成した形状
寸法10×10×５mmの基体の表面を実施例３と同様
にしてチタン炭化物層、酸化アルミニウム層及び
ホウ化アルミニウム層を形成させた後、高出力可
変高周波熱プラズマ発生装置によつて高プラズマ
を発生させた容器内に設置し、20vol％B₃N₃H₆
−40vol％NH₃−40vol％H₂雰囲気中、温度1200
℃、で処理してホウ化アルミニウム層の表面に窒
化ホウ素の層を形成させて本発明品の被覆部品を
得た。

比較用として、上述の窒化ホウ素の層を形成さ
せる方法と同様にして、基体の表面に直接窒化ホ
ウ素の層を形成させて比較の被覆部品を得た。

こうして得た本発明の被覆部品と比較の被覆部
品の被覆層を実施例１と同様にして調べた所、本
発明の被覆部品は外層が厚さ2μｍの立方晶窒化
ホウ素を主体とする層で、中間層が厚さ1μｍの
TiC層と厚さ1μｍのAl₂O₃層と厚さ1μｍのAlB₂相
当の層であり、比較の被覆部品は、被覆層が厚さ
2μｍで、立方晶窒化ホウ素の微量含有した六方
晶窒化ホウ素の層であつた。

（発明の効果） 上述の如く、本発明の立方晶窒化ホウ素被覆部
品は、基体と外層との間に中間層を介在させるこ
とによつて、被覆層の耐剥離性が著しくすぐれる
と共に緻密で立方晶窒化ホウ素の含有量の多い外
層が形成されているものである。このために、従
来の立方晶窒化ホウ素焼結体が用いられている切
削工具及び耐摩耗工具から更には形状及び用途的
に制約を受けている、例えばミクロンドリル、ド
ツトピン、ブレーカー付きスローアウエイチツプ
など複雑形状の工具部材にも応用することができ
る。また、立方晶窒化ホウ素からなる外層が緻密
でバラツキの少ないものであることから立方晶窒
化ホウ素の特性を利用した半導体基板をはじめ各
種の電子又は電気部品関係に応用できる産業上有
用な材料である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基体の表面に立方晶窒化ホウ素を主成分とす
   る外層を形成してなる被覆部品において、前記基
   体と前記外層との間に１層又は多層で構成される
   中間層を介在させ、前記外層に隣接する該中間層
   がホウ化アルミニウム又はホウ窒化アルミニウム
   からなるアルミニウム化合物層によつて形成され
   ていることを特徴とする立方晶窒化ホウ素被覆部
   品。 ２ 上記中間層は、上記外層に隣接するアルミニ
   ウム化合物層と１層又は多層で構成される密着補
   助層からなり、前記アルミニウム化合物層に隣接
   する該密着補助層が周期律表4a、5a、6a族金属
   のホウ化物、酸化アルミニウム又は窒化アルミニ
   ウム及びこれらの相互固溶体から選ばれる１種以
   上の第１密着補助層であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の立方晶窒化ホウ素被覆部
   品。 ３ 上記中間層において、上記第１密着補助層に
   隣接する第２密着補助層が周期律表4a、5a、6a
   族金属の炭化物、窒化物、酸化物及びこれらの相
   互固溶体から選ばれる１種以上の成分からなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の立方
   晶窒化ホウ素被覆部品。