JPH06235708A - 金属の被覆適性評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被覆可能な超合金と被覆不可能な超硬合金の
簡単な区別を可能にする方法を提供する。 【構成】 高温ＰＶＤ法による金属、特に超硬合金の被
覆適性を評価するため、被覆すべき面においてバインダ
ーメタル、例えばコバルトの含有量をＸ−線蛍光分析に
よって測定し、バインダーメタル、例えばコバルトの含
有量測定値を被覆適性の尺度とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は特に工具用の、例えば超
硬合金のような金属の被覆適性評価方法、金属表面、特
に超硬合金中のバインダーメタル、例えばコバルトの含
有量測定方法、及びこれらの方法の利用に係わる。

【０００２】

【従来の技術】超硬合金を例えばプラズマ強化(plasma
enhanced) 物理蒸着 (physical vapour deposition (PV
D)) 法で被覆する際には接着に関して問題を生ずる可能
性があり、その原因を突き止められない場合がある。研
摩、強酸性洗浄剤による表面洗浄または強活性の冷却切
削油剤の使用時に上記現象が発生するおそれがあり、そ
の正確なメカニズムは判明していない。

【０００３】接着に問題があると残留圧縮応力下にある
ＰＶＤ層が剥離するという結果を招くおそれがある。超
硬合金粒子に対する被覆層の接着は強固であるから、被
覆層が界面層、即ち、ベースから剥離するのではなく、
超硬合金粒子が表面から離脱する。この剥離は工具使用
時、即ち、負荷が加わった状態でも起こり得る。

【０００４】適当な冷却切削油剤を選択し、最適製造工
程を設定すると共に冷却切削油剤の作用時間を極力短く
することによってすぐれた接着効果を達成することがで
きる。適当な洗浄剤を選択することも条件の１つであ
る。

【０００５】しかし、その場合、量産に適した測定方法
によって高温ＰＶＤ法を採用する際に被覆すべき超硬合
金に接着上の問題が起こり得るかどうかを判断できるこ
とが有益であり望ましい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の目的は
被覆可能な金属特に超硬合金と被覆不可能な金属特に超
硬合金の簡単な区別を可能にするため上記のような測定
方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明ではこの目的を特
に請求項１または３に記載の方法によって達成する。

【０００８】予想外の所見として、プラズマ強化ＰＶＤ
被覆法の採用時に超硬合金に接着上の問題が起こるのは
表面において、結合剤として作用する例えばコバルトや
ニッケルのようなバインダーメタルの減損が起こる場合
である。このような減損は例えば切削の際強活性の冷却
切削油剤による、または強酸性洗浄剤を使用する洗浄に
よるコバルトのようなバインダーメタルの選択的離脱が
原因となって起こる。バインダーメタルがこのように減
損することで超硬合金粒子（タングステンカーバイド、
チタンカーバイド）相互の安定度が低下する。その結
果、上述したように残留圧縮応力下の層が剥離し易くな
る。

【０００９】ＡＵＧＥＲ，ＥＳＣＡ、光電子分光法など
のような公知の表面分析法では３０％を越えるコバルト
含有量低下が測定されてもその影響は面の周縁部にしか
現われないから接着状態の良い被覆層が得られ、従っ
て、この公知測定方法からは本発明が提供するような信
超性の高い測定結果が得られない。

【００１０】従って、超硬合金のプラズマ強化ＰＶＤ被
覆ではバインダーメタル、例えばコバルトの溶損を伴な
わないことが必須条件である。周縁部に一定量のバイン
ダー損失があり、従って被覆層剥離が起こるおそれのあ
る超硬合金は被覆適性を欠くとされる。

【００１１】高温法を利用する硬質層による金属ベース
または超硬合金の被覆を可能にするため、被覆すべき面
におけるバインダーメタル、例えばコバルトの含有量を
測定し、バインダーメタル含有量の測定値に基づいて被
覆適性を評価する。

【００１２】本発明の方法では、表面におけるバインダ
ーメタル、例えばコバルトの含有量を透過深度３μｍな
いし８μｍでＸ−線蛍光分析によって測定する。先ず金
属の１箇所から数μｍの金属を例えば機械的に削り取
り、この金属の標準組成中のバインダーメタル含有量を
知るための第１測定を実施し、次いで被覆適性を評価す
べき箇所について第２測定を実施する。第２測定の対象
となった箇所で少なくとも約３０％、例えば５０％のバ
インダーメタル、例えばコバルト含有量損失が測定され
れば被覆面に対する炭化物の結合が有効なＰＶＤ被覆を
達成するには不充分である。

【００１３】電子衝撃による励起を応用する公知の代表
的な表面測定法では超硬合金への透過深度が１μｍ以下
である。このような方法では例えば通常のアルカリ洗浄
の際に起こるような極めて浅い深度における例えばコバ
ルト濃度の低下をも測定できる。しかし、このようなコ
バルト損失はＰＶＤ層の接着状態とは無関係である。他
方、透過深度が上記８μｍよりも大きければ、周縁部の
層だけに損傷がある場合、方法の選択度が小さくなる。

【００１４】金属、特に超硬合金の表面におけるバイン
ダーメタル、例えばコバルトやニッケルの含有量を測定
するのに層厚測定に利用されるＸ−線蛍光分析法を利用
できることが実証されている。

【００１５】誘導放出の放出深度が物質及び使用される
１次光源の種類に応じて異なることは公知である。タン
グステンビームを使用する場合、代表的な品質の超硬合
金では放出深度は約５μｍである。コバルト損失を測定
する際にはこの深度が重要である。

【００１６】バインダーメタル、例えばコバルトの損失
を測定するのに利用されるＸ−線蛍光分析装置は定量分
析のために従来のＸ−線蛍光分析装置における３０mm×
１mmと比較すれば極めて細い、例えば平均直径が約３０
０μｍのビームを有することが好ましい。直径がこれよ
りもはるかに小さくなると、異なる点における反復測定
の測定値が著しく変動するから好ましくない。この問題
を別にすれば、多数の“スポット測定”を実施し、次い
で統計的に評価することになる。これによって入射点を
正確に調整することができる。Ｘ−線蛍光分析による層
厚の測定は原則として元素スペクトルを作成することに
よって行われる。このスペクトルを手もとの標準物質の
スペクトルと比較しながら数学的に処理することによ
り、測定すべき層からの元素のスペクトル線だけが残
り、ベースまたは層からの他の元素のスペクトル線を消
す。このプロセスがいわゆる数量的濾過である。検量線
を利用することにより残留スペクトル線の強さから層厚
を測定することができる。

【００１７】ビーム入射点の正確な位置ぎめを可能にす
ることに着目して本発明ではＸ−線蛍光分析法を選択し
た。ビーム入射点の正確な位置ぎめは最適作業条件を設
定するため例えば切断面のような作用域をねらって測定
しなければならない工具を対象とする場合特に重要であ
る。超硬合金表面における被測定サンプルの電子スペク
トルを作成したのち、上述したように数量的濾過によっ
て例えばコバルト以外のすべてのスペクトルを消す。コ
バルト含有量が既知の種々の超硬合金で作成した検量線
に基づいて、被測定サンプルのコバルトを定量分析する
ことができる。これに代わる方法として、場合によって
は、既知量のコバルトを含有する対象物においてその表
面を例えば噴射加工することによって基準域または基準
点を作成し、この基準域または基準点において既知コバ
ルト含有量を測定し、これを未処理表面におけるコバル
ト含有量測定値の検量基準とする方法も有効である。

【００１８】金属表面におけるバインダーメタル、例え
ばコバルトやニッケルの含有量を測定するための以上に
述べた本発明の方法は超硬合金に対する被覆層の接着性
評価に限らず、いかなる金属表面にも当然応用できる。
バインダーメタルとしては例えばサーメット中に存在し
てこのサーメットの被覆適性に好影響を与える金属がす
べてこれに該当する。バインダーメタルの具体例が上記
コバルトである。

【００１９】従って、本発明の方法は金属評価中のコバ
ルトやニッケルの含有量を測定しなければならないすべ
ての用途に応用できる。

【００２０】本発明の蛍光分析法もまた被覆すべき超硬
合金表面のコバルト含有量測定に限らず、コバルト含有
量の測定を必要とすると共にその値がこの表面に発生す
る可能性がある接着問題と直接関連するすべての用途に
当然応用できる。

【００２１】コバルトとではなくその他の金属、例えば
上記サーメットと結合している超硬合金にも本発明の方
法は基本的に好適である。

【００２２】

【実施例】実施例に沿って以下に本発明をさらに詳細に
説明する。

【００２３】（例１）被覆前の超硬合金工具を検討し
た。表１は引渡し状態における表面のコバルト含有量と
いわゆる基準点におけるコバルト含有量を示す。この基
準点は例えば表面を噴射加工することによって作成す
る。ここでは例えば平均粒度１０μｍの酸化アルミニウ
ムのような噴射媒を使用して損傷域が完全になくなるま
で表面を研摩する。

【００２４】 〔表１〕 工具 引渡し状態における 基準点における Ｃｏ−含有量 Ｃｏ−含有量 ───────────────────────── １） １４．５ １４．８ ２） １０．７ １０．７ ３） ６．０ ６．１ ４） ５．０ ５．２ ───────────────────────── （ただし表中のコバルト含有量測定値はすべて重量％）

【００２５】基準点における測定値と引渡し状態におけ
る測定値の比較から明らかなように、コバルト含有量の
差は事実上ゼロである。測定値１），３）及び４）では
コバルト含有量が約１ないし４％減少しているが、この
程度の差は測定精度の許容範囲内であるから、表面にお
いてコバルト含有量の損失はないと判断できる。事実、
上記いずれのサンプルにおいても被覆に際して接着の問
題は起こらなかった。

【００２６】（例２）表２に示すように表面において顕
著なコバルト含有量減少が見られる被覆サンプルをも検
討した。

【００２７】 〔表２〕 工具 引渡し状態における 基準点における Ｃｏ−含有量 Ｃｏ−含有量 ──────────────────────── ５） ８．０ ３．８ ６） ６．１ ４．６ ７） ６．０ ３．５ ８） ９．０ ６．０ ──────────────────────── （表中のコバルト含有量測定値はすべて重量％）

【００２８】表面におけるコバルト含有量は基準点で測
定されるコバルト含有量にむかって著しい減少を示して
いる。コバルト含有量の減少は３０ないし５０％の範囲
であり、これらの工具では被覆層の接着は事実上達成不
可能であった。これらの測定値から約３０％のコバルト
含有量減少を準限界値とみなすことができることをも示
唆した。即ち、減少が３０％未満なら接着効果は充分な
いし良好であり、３０％を越えるなら不充分であると考
えられる。

【００２９】（例３）コバルト含有量の減少が３０％を
超えると被覆層の接着効果が得られなくなるが、最大限
４％の減少なら接着能力に全く影響しないことが判明し
たから、ここで正確な限界値を実験的に求める必要があ
る。このため、コバルト含有量の異なる超硬合金をリン
酸で洗浄した。pHを２に設定し、浴温度を４０℃に維持
した。予備試験で処理時間とコバルト含有量減少の関係
を明らかにした。

【００３０】表３は使用した超硬合金について処理後の
変化を示す。

【００３１】 〔表３〕 超硬合金 引渡し状態における 処 理 処 理 処 理 の種類 Ｃｏ−含有量 １ ２ ３ ──────────────────────────────── １ ６．５ ５．４ ４．８ ４．２ ２ ９．０ ８．０ ７．４ ６．１ ３ １１．５ １０．８ ９．６ ８．４ ────────────────────────────────

【００３２】処理１では表面におけるコバルト含有量減
少が約１０％となり、処理２では約２０％、処理３では
約３０％となるように処理時間を設定した。

【００３３】処理後、サンプルを被覆したところ、処理
３を施したサンプルではいずれも被覆層の接着効果は得
られなかった。これに対して処理１及び２を施したサン
プルでは良好な接着効果が得られた。この結果を見る限
り、コバルト含有量減少が２０％なら良好な被覆層接着
効果の達成を妨げないが、３０％に達すると被覆層の接
着に問題を生ずると判断することができる。

【００３４】例１ないし３に挙げたコバルトの測定結果
はニッケルにもほぼ当てはまる。

【００３５】工具表面のコバルト含有量減少の測定及び
この工具の被覆適性に及ぼすコバルト含有量減少の影響
に関する上記例は工具表面または超硬合金表面の被覆適
性を左右するその他のバインダーメタルにも転用でき
る。バインダーメタルの種類に応じて３０％という上記
限界値がこれよりも高くなったり低くなったりすること
は充分あり得ることであるが、以上に述べたのと同じ態
様で工具表面におけるバインダーメタル減少量をいく通
りも測定することによってこの限界値を容易に求めるこ
とができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明方法によれば、被覆可能な金属特
に超硬合金と被覆不可能な金属特に超硬合金の簡単な区
別が可能になる。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ強化物理蒸着 (plasma enhance
   d physical vapourdeposition (PVD)) 法による金属、
   特に超硬合金の被覆適性評価方法において、被覆すべき
   面の周縁部においてバインダーメタル含有量を測定し、
   バインダーメタル含有量測定値を被覆適性の尺度とする
   ことを特徴とする被覆適性評価方法。
2. 【請求項２】 被覆すべき面のバインダーメタル含有量
   をＸ−線蛍光によって測定することを特徴とする請求項
   １に記載の方法。
3. 【請求項３】 プラズマ強化ＰＶＤ法による金属、特に
   超硬合金の被覆適性評価方法において、被覆すべき面に
   おいてコバルト含有量を測定し、コバルト含有量測定値
   を被覆適性の尺度とし、被覆すべき面のコバルト含有量
   をＸ−線蛍光によって測定することを特徴とする被覆適
   性評価方法。
4. 【請求項４】 金属の１箇所から数μｍの金属を切除
   し、基準組成中におけるバインダーメタル、例えばコバ
   ルトの含有量を先ず測定し、次いで被覆適性を評価すべ
   き箇所で第２の測定をし、この２つの測定を比較するこ
   とにより被覆適性の尺度を得ることを特徴とする請求項
   １から請求項３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 【請求項５】 第２の測定から被覆すべき面におけるバ
   インダーメタル、例えばコバルトの含有量が少なくとも
   約３０％だけ少ないことが明らかになれば金属または超
   硬合金の被覆適性が充分ではないと判定することを特徴
   とする請求項４に記載の方法。
6. 【請求項６】 被覆すべき面におけるバインダーメタ
   ル、例えばコバルトの含有量を測定する際の透過深度が
   ３μｍないし８μｍであることを特徴とする請求項１か
   ら請求項５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 【請求項７】 金属特に超硬合金の表面中のバインダー
   メタル、例えばコバルトの含有量を測定する方法におい
   て、被覆層の厚さを測定するのに適したＸ−線蛍光分析
   法を利用することを特徴とするバインダーメタル、例え
   ばコバルト含有量の測定方法。
8. 【請求項８】 タングステンビームを使用することを特
   徴とする請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 直径が約３００μｍの極めて細いビーム
   を使用することを特徴とする請求項７または８に記載の
   方法。
10. 【請求項１０】 バインダーメタル、例えばコバルトの
    含有量を元素スペクトル分析によって測定し、この測定
    において手もとの標準物質のスペクトルと比較すると共
    に数量的濾過によってバインダーメタル、例えばコバル
    ト以外のすべてのスペクトル線を消し、最後に検量線ま
    たは目盛定めされた基準点に基づいてバインダーメタ
    ル、例えばコバルトの含有量を定量的に測定することを
    特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか１項に
    記載の方法。
11. 【請求項１１】 金属表面中のバインダーメタル、例え
    ばコバルトの含有量を例えばＸ−線蛍光分析で測定する
    ことにより金属の被覆適性をあらたに評価して金属、特
    に超硬合金をプラズマ強化ＰＶＤ法で被覆することを目
    的とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に
    記載の方法の利用。