JPH0588308B2 - - Google Patents
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- JPH0588308B2 JPH0588308B2 JP20000288A JP20000288A JPH0588308B2 JP H0588308 B2 JPH0588308 B2 JP H0588308B2 JP 20000288 A JP20000288 A JP 20000288A JP 20000288 A JP20000288 A JP 20000288A JP H0588308 B2 JPH0588308 B2 JP H0588308B2
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Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
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。
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］
超硬合金やサーメツトの母材表面に高硬度で耐
摩耗性に富むTiN（硬度2400）、ZrN（硬度2200）、
HfN（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がより苛酷になるに伴
い、更に高性能化、超寿命化が要望されてきてい
る。
摩耗性に富むTiN（硬度2400）、ZrN（硬度2200）、
HfN（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がより苛酷になるに伴
い、更に高性能化、超寿命化が要望されてきてい
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で使
用するのではなく、夫々の膜の特長を生かした多
層膜コーテイングが利用されつつある。例えば、
TiC膜は硬度が高く、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TiC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、前記各膜の特長を生か
し、TiC膜、TiN膜、Ti（Ｃ・Ｎ）膜を前述した
母材上にPVD法やCVD法により多層コーテイン
グした複合超硬材料が開発され、市場に出廻つて
いる。また、前記母材上にTiC膜をコーテイング
し、更に高温での安定性を高めるためにAl2O3膜
をコーテイ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、チツピングが起こるという問題があつた。
富む炭化物、窒化物及び酸化物を単層膜のみで使
用するのではなく、夫々の膜の特長を生かした多
層膜コーテイングが利用されつつある。例えば、
TiC膜は硬度が高く、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TiC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、前記各膜の特長を生か
し、TiC膜、TiN膜、Ti（Ｃ・Ｎ）膜を前述した
母材上にPVD法やCVD法により多層コーテイン
グした複合超硬材料が開発され、市場に出廻つて
いる。また、前記母材上にTiC膜をコーテイング
し、更に高温での安定性を高めるためにAl2O3膜
をコーテイ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、チツピングが起こるという問題があつた。
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、HfN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が超硬合金又はサーメツト
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。
されたもので、TiN薄膜、ZrN薄膜、HfN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が超硬合金又はサーメツト
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ツトを母材と
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である。
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である。
上記超硬合金としては、例えば周期律表の
ａ，Va，ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化
物とNi，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。
ａ，Va，ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化
物とNi，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、TiN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が
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
特性を生かすことができ、多様な特性が付与され
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
はなく任意ある。また、前記各薄膜の厚さは0.2
〜2.0μmの範囲にすることが望ましい。この理由
は、薄膜の厚さを0.2μm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、かといつてその厚さが2.0μmを越
えると単層膜の特徴である結晶粒成長が生じ易く
なるからである。
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が
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
特性を生かすことができ、多様な特性が付与され
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
はなく任意ある。また、前記各薄膜の厚さは0.2
〜2.0μmの範囲にすることが望ましい。この理由
は、薄膜の厚さを0.2μm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、かといつてその厚さが2.0μmを越
えると単層膜の特徴である結晶粒成長が生じ易く
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、ターゲツトを用
いてイオンビームスパツ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。
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、ターゲツトを用
いてイオンビームスパツ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、真空チヤンバ
内に３つのルツボを配置し、各ルツボ内にTi，
Zr，Hf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個のルツボ内のハースを
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。
内に３つのルツボを配置し、各ルツボ内にTi，
Zr，Hf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個のルツボ内のハースを
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、真空チヤンバ
内にTi，Zr，Hfからなる３個のターゲツトを
夫々配置し、スパツ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
ゲツトにイオンを交互に照射して夫々の金属を交
互にスパツタさせ、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ツタイオン源からスパツタ
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つてもよい。
内にTi，Zr，Hfからなる３個のターゲツトを
夫々配置し、スパツ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
ゲツトにイオンを交互に照射して夫々の金属を交
互にスパツタさせ、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ツタイオン源からスパツタ
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つてもよい。
上記、のイオンビームミキシング法におい
て、チヤ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
うことによつて各薄膜の結晶性を改質することが
可能となる。
て、チヤ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
うことによつ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ツトを母
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す
ることによつて、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
メツトの母材に対して密着性よく被覆された複合
超硬材料を得ることができる。即ち、TiN，
ZrN，HfNはいずれも高硬度で、かつ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つて、各
薄膜特性を兼ね備えた多層膜を母材上に被覆さ
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。
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す
ることによつて、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
メツトの母材に対して密着性よく被覆された複合
超硬材料を得ることができる。即ち、TiN，
ZrN，HfNはいずれも高硬度で、かつ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つて、各
薄膜特性を兼ね備えた多層膜を母材上に被覆さ
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 １
まず、WC−６％Co超硬合金の母材をイオンビ
ームスパツタ蒸着機能を備えたイオン注入装置の
チヤンバ内のホルダに設置した。つづいて、チヤ
ンバ内のガスを真空排気し、前記ホルダ付近に設
けたノズルから窒素ガスを所定流量で導入し、ス
パツタイオン源よりArと窒素の混合イオンを加
速電圧3kV、ビーム電流1.5Aの条件で引き出し、
チヤンバ内に予め配置したTi，Zr，Hfからなる
３個のターゲツトに照射してそれらターゲツトを
交互にスパツタして前記母材表面に各金属を4.0
Å／sec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
200V、電流密度0.3mA／cm2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。
ームスパツタ蒸着機能を備えたイオン注入装置の
チヤンバ内のホルダに設置した。つづいて、チヤ
ンバ内のガスを真空排気し、前記ホルダ付近に設
けたノズルから窒素ガスを所定流量で導入し、ス
パツタイオン源よりArと窒素の混合イオンを加
速電圧3kV、ビーム電流1.5Aの条件で引き出し、
チヤンバ内に予め配置したTi，Zr，Hfからなる
３個のターゲツトに照射してそれらターゲツトを
交互にスパツタして前記母材表面に各金属を4.0
Å／sec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
200V、電流密度0.3mA／cm2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
ロンスパツタ装置のチヤンバ内に設置した。つづ
いて、チヤンバ内のガスを真空排気して該チヤン
バ内をアルゴンと窒素の混合雰囲気とし、スパツ
タ電圧800vでTiターゲツトを使用して前記母材
表面にスパツタ蒸着することにより厚さ9μmの
TiN膜を被覆して複合超硬材料を製造した。な
お、母材温度は300℃とした。
ロンスパツタ装置のチヤンバ内に設置した。つづ
いて、チヤンバ内のガスを真空排気して該チヤン
バ内をアルゴンと窒素の混合雰囲気とし、スパツ
タ電圧800vでTiターゲツトを使用して前記母材
表面にスパツタ蒸着することにより厚さ9μmの
TiN膜を被覆して複合超硬材料を製造した。な
お、母材温度は300℃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9μmであつた。また、本
実施例１の複合超硬材料及び上述したスパツタ装
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ではHv＝3200Kg／mm2、
比較例１ではHv＝2000Kg／mm2であつた。更に、
本実施例１の複合超硬材料によりＨＢ＝280の
SNCM8鋼をＶ＝180m／min，ｆ＝0.25mm／rev，
ｔ＝1.5mm（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であつた。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TiN膜の一部に剥離が見られ、か
つ10分間でＶＢ＝0.35mmと摩耗度合が大きいこと
が確認された。
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9μmであつた。また、本
実施例１の複合超硬材料及び上述したスパツタ装
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ではHv＝3200Kg／mm2、
比較例１ではHv＝2000Kg／mm2であつた。更に、
本実施例１の複合超硬材料によりＨＢ＝280の
SNCM8鋼をＶ＝180m／min，ｆ＝0.25mm／rev，
ｔ＝1.5mm（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であつた。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TiN膜の一部に剥離が見られ、か
つ10分間でＶＢ＝0.35mmと摩耗度合が大きいこと
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ヤンバ内に設置
し、真空引きした後、予めTi，Zr，Hfのハース
が夫々装填され、所定の間隔をあけてチヤンバ内
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Ti，Zr，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3.3Å／sec，Zrは2.2Å／sec，Hfを
2.1Å／sec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20kV、イオンビーム電流密度0.5mA／cm2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。
機能を有するイオン注入装置のチヤンバ内に設置
し、真空引きした後、予めTi，Zr，Hfのハース
が夫々装填され、所定の間隔をあけてチヤンバ内
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Ti，Zr，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3.3Å／sec，Zrは2.2Å／sec，Hfを
2.1Å／sec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20kV、イオンビーム電流密度0.5mA／cm2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−６％Co超硬合金の母材を市販の
AREイオンプレーテイング装置のチヤンバ内に
設置した。つづいて、チヤンバ内のガスを真空排
気し、ルツボ内のTiを蒸着させながら窒素雰囲
気中でイオンプレーテイングを行なつて前記母材
表面に厚さ9μmのTiN膜を被覆して複合超硬材料
を製造した。
AREイオンプレーテイング装置のチヤンバ内に
設置した。つづいて、チヤンバ内のガスを真空排
気し、ルツボ内のTiを蒸着させながら窒素雰囲
気中でイオンプレーテイングを行なつて前記母材
表面に厚さ9μm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程度であることが
認められ、全体の膜厚が9μmであつた。また、本
実施例２の複合超硬材料及び上述したイオンプレ
ーテイ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／mm2、比較例２ではHv＝2200Kg／mm2で
あつた。更に、本実施例２の複合超硬材料により
ＨＢ＝280のSNCM8鋼をＶ＝180m／min，ｆ＝
0.25mm／rev，ｔ＝1.5mm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
あつた。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
ＶＢ＝0.25mmと耐摩耗性がかなり劣ることが確認
された。
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程度であることが
認められ、全体の膜厚が9μmであつた。また、本
実施例２の複合超硬材料及び上述したイオンプレ
ーテイ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／mm2、比較例２ではHv＝2200Kg／mm2で
あつた。更に、本実施例２の複合超硬材料により
ＨＢ＝280のSNCM8鋼をＶ＝180m／min，ｆ＝
0.25mm／rev，ｔ＝1.5mm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
あつた。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
ＶＢ＝0.25mmと耐摩耗性がかなり劣ることが確認
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、HfN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が超
硬合金又はサーメツトの母材に対して密着性より
被覆された構造をなし、高硬質、耐摩耗性、耐溶
着性、耐熱塑性変形性などを有する切削・耐摩耗
工具等に有用な複合超硬材料を提供できる。
ZrN薄膜、HfN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が超
硬合金又はサーメツトの母材に対して密着性より
被覆された構造をなし、高硬質、耐摩耗性、耐溶
着性、耐熱塑性変形性などを有する切削・耐摩耗
工具等に有用な複合超硬材料を提供できる。
Claims (1)
- １ 超硬合金又はサーメツトを母材とし、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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20000288A JPH0250949A (ja) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | 複合超硬材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20000288A JPH0250949A (ja) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | 複合超硬材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0250949A JPH0250949A (ja) | 1990-02-20 |
| JPH0588308B2 true JPH0588308B2 (ja) | 1993-12-21 |
Family
ID=16417163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20000288A Granted JPH0250949A (ja) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | 複合超硬材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0250949A (ja) |
-
1988
- 1988-08-12 JP JP20000288A patent/JPH0250949A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0250949A (ja) | 1990-02-20 |
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