JPH06248422A - 被覆焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイヤモンドまたは硬質炭素を被覆した焼結
体の密着性、耐久性、結晶性、平坦性等を向上する。 【構成】 炭化タングステンや炭化チタン等をコバルト
やニッケルなどをバインダーとして焼結した超硬合金を
基材とし、表面にダイヤモンドまたは硬質炭素膜が被覆
される被覆焼結体において、中間層に５００Å以下の平
均結晶粒径またはアモルファス状の窒化アルミニウムま
たは窒化アルミニウムを主成分または主体構成物とする
層を設ける。この層を形成する方法としてホローカソー
ド型イオンプレーティング法等を用い、基材に高周波電
力を投入を行う。 【効果】 この被覆焼結体は切削工具、耐摩耗工具・部
品等として耐摩耗性をはじめとする耐久性に優れたもの
として使用でき、平坦なダイヤモンド被膜を提供でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】切削工具、耐摩耗工具、耐摩耗部
品や装飾品などに用いられる被覆焼結体及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高性能、高耐摩耗性工具等には、炭化タ
ングステンや炭化チタン等を主成分とする、いわゆる超
硬合金あるいはサーメットと呼ばれる焼結体材料が広く
用いられていた。また、アルミナや窒化ケイ素といった
セラミックス材料も広く用いられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、炭化タングス
テンや炭化チタンを主成分とする焼結体の化学気相析出
法（ＣＶＤ法）によりダイヤモンドまたは硬質炭素被膜
を形成する場合、焼結体のバインダーとして用いられる
コバルトやニッケル中に析出した炭素が拡散・固溶する
ため、密着性や結晶性等の被膜としての特性が悪くなる
という欠点を有していた。

【０００４】一方、基材がセラミックスの場合、この基
材との相性により、ダイヤモンドや所望の硬質炭素被膜
が析出しなかったり、熱膨張率の違いによる被膜の剥離
や、密着性の低下をきたすという欠点を有していた。ま
た、ダイヤモンド被膜を形成するには比較的高温を必要
とする。たとえばダイヤモンド膜の代表的な形成方法で
あるマイクロ波ＣＶＤ法や熱フィラメント法では処理物
の温度を８００℃程度に保つ必要がある。ダイヤモンド
は物質中最も小さな膨張係数を有しているため、超硬合
金材料のような母材との間に大きな差がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに、本発明では、母材とダイヤモンド被膜または母材
と硬質炭素被膜との中間層として、平均結晶粒径が５０
０オングストローム以下か、アモルファス状の窒化アル
ミニウム、または窒化アルミニウムを主成分あるいは主
体とする構造を持つ物質、たとえば、窒化アルミニウム
の他に窒化アルミニウムから誘導されるＡｌ_x Ｏ
_y Ｎ_z ，Ｓｉ_w Ａｌ_x Ｏ_y Ｎ_z （_w , _x , _y , _z は組成
比）などの物質の層（以下、窒化アルミニウム層とい
う）を形成したものを用いる。

【０００６】また、優れたダイヤモンドまたは硬質炭素
被膜を形成するにあたり、形成方法として化学気相析出
法（ＣＶＤ法）とくにマイクロ波ＣＶＤ法または熱フィ
ラメントＣＶＤ法を用いるもので、さらに、窒化アルミ
ニウム層の形成方法としては、ホローカソード型イオン
プレーティング法またはアーク放電を利用した薄膜形成
法を用いて、金属アルミニウムと窒素または窒素含有気
体から形成する。この時、必要に応じて高周波電力によ
り母材に自己バイアス電圧をかける。

【０００７】

【作用】上述のような構成を有する中間層を用いること
により、コバルトやニッケルをバインダーとする超硬合
金の母材上にダイヤモンド被膜を形成するに当たり、前
記母材中への拡散、固溶、グラファイト化等を防ぐと同
時に熱膨張率の差による密着性の低下や応力の残留等の
問題、さらに、ダイヤモンドの結晶粒の粗大化を同時に
解決できる。すなわち、超硬合金表面を平均粒径５００
オングストローム以下またはアモルファス状の窒化アル
ミニウム層で完全に覆うことによりダイヤモンド析出時
に析出した炭素がバインダーであるコバルトやニッケル
と接する事がないので、これらの物質中への拡散、固溶
あるいはグラファイトとしての析出を防ぐことができる
のである。また、窒化アルミニウムの熱膨張率は２〜４
×１０^-6Ｋ^-1であり、母材である焼結超硬合金（５〜８
×１０^-6Ｋ^-1）および被覆層であるダイヤモンド（１〜
２×１０^-6Ｋ^-1）の熱膨張率の中間であることから、ダ
イヤモンドの合成温度である約８００℃からの室温への
冷却による収縮に対し、優れた緩和層として働くので各
々の層間における剥離や密着力の低下を防ぐ役目をす
る。

【０００８】気相からダイヤモンドを合成・析出させる
場合、基板の微細な傷や欠陥および結晶の粒界などによ
り核生成がおこり、微細で緻密なダイヤモンド被膜を形
成するためにはこの核生成の密度を高めることが必要と
なる。ここで中間層である窒化アルミニウム層の平均結
晶粒径５００オングストローム以下の微細粒あるいはア
モルファス状にすることにより粒界でのダイヤモンドの
核生成密度を高めることができ、微細で緻密なダイヤモ
ンド被膜を形成することができるのである。

【０００９】この平均結晶粒径５００オングストローム
以下の微細粒またはアモルファス状の窒化アルミニウム
層を焼結超硬合金上に形成する方法として、原料に金属
アルミニウムと窒素ガスまたは窒素含有ガスを使用し、
ホローカソード型イオンプレーティング装置またはアー
ク放電を用いた薄膜形成装置を用いることで達成できる
のであるが、特に形成時に必要に応じて高周波電力によ
り母材に自己バイアス電圧をかけることにより微細化に
加えて母材との密着性を高めることができる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいて説明す
る。 （実施例１）図１は、本発明により形成された被覆焼結
体の断面図であり、１は超硬合金母材、２は中間層であ
る窒化アルミニウム層、３はダイヤモンドをはじめとす
る硬質炭素層を表わしている。

【００１１】焼結超硬合金基材として炭化タングステン
ーコバルト系（重量比でコバルト１０％、ＪＩＳ規格Ｋ
−４０相当品）超硬合金製のドリル（直径１ｍｍ）を用
い、中間層として窒化アルミニウム（不可避的成分を除
いて純粋に近い）をホローカソード型イオンプレーティ
ング法を使って金属アルミニウムと窒素ガスから作製
し、外層であるダイヤモンド被膜をマイクロ波ＣＶＤ法
により作製した例について述べる。

【００１２】図２は上記の窒化アルミニウム層を形成す
るためのホローカソード型イオンプレーティング装置の
縦断面図である。まず、真空槽４を真空排気系５により
１×１０^-5Ｔｏｒｒまで真空排気し、放電維持用のアル
ゴンガスを流しながらホローカソード型電子銃６と水冷
銅るつぼ７中に入っている蒸発用金属アルミニウムとの
間で３０Ｖ−３００Ａの直流放電を生じさせアルミニウ
ムを溶融・蒸発させる。このとき、蒸発したアルミニウ
ムの多くは３０Ｖ−３００Ａという大電流放電中に存在
する電子によりイオン化、活性化される。この状態中へ
窒素ガスを１００ｃｃ／ｍｉｎの流量でガス導入系８よ
り導入し、安定化した後シャッター９を開け、基板であ
る超硬製ドリル１０上に窒化アルミニウム膜を合成・形
成した。

【００１３】このとき、基板である超硬製ドリル１０に
は形成されるべき窒化アルミニウム層の結晶性や硬さ、
さらに結晶粒子の大きさ等の膜質を高めることと超硬ド
リル１０との密着性を高めるために高周波電源１１を用
いて直流成分で−５０Ｖとなるように高周波電力（１
３．５４ＭＨｚ）を印加した。また、このとき超硬製ド
リル１０の温度は約３００℃とした。窒化アルミニウム
層を約１μｍ形成したのちシャッター９を閉じ、ホロー
カソード型電子銃６の電源と窒素の導入を止めた。十分
冷却した後、真空槽４の真空を破り、試料であるドリル
１０を取り出した。 次に、この中間層を形成した超硬
製ドリルを図３に示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置
内に置き、装置内を１×１０^-3Ｔｏｒｒまで真空排気
後、ガス導入系１２よりメタンを０．５％含んだ水素ガ
スを導入し、マイクロ波発生電源１３より５００Ｗの
２．５４ＧＨｚのマイクロ波を発生させ導波管１４を通
して石英管製の反応管１５内に放電プラズマを発生させ
て中間層を被覆した超硬製ドリル１６上にダイヤモンド
膜を０．３μｍ／ｈｒの成膜速度で約５μｍ形成した。
この間処理物である超硬製ドリルの温度はマイクロ波に
より発生したプラズマによる衝撃のため約８００℃とな
っていた。冷却後、試料であるドリルを取り出したとこ
ろ、剥離やクラック等の欠陥を生じていなかった。

【００１４】このドリルををＸ線回折法により分析を行
ったところ、超硬材料に起因する回折ピークの他に形成
したダイヤモンドのほか窒化アルミニウムによる回折ピ
ークがみられたが、この方法により形成されたダイヤモ
ンド被膜は回折ピークから超硬材料に直接、ダイヤモン
ド被膜を形成したものに比べて、極めて高い結晶性を有
していると同時に歪のないダイヤモンドの格子定数に近
い値を示すことが分かった。さらに走査型電子顕微鏡に
よる観察でもダイヤモンド膜固有の立方晶系の結晶成長
がみられたが、直接超硬合金上にダイヤモンド被膜を形
成したものや窒化アルミニウム層形成時に高周波電力を
投入せずにダイヤモンド被膜を形成した試料では約１〜
２μｍの大きさのダイヤモンド結晶粒子とグラファイト
が多く存在すると同時に大きな凹凸があったのに対し、
この方法で作製した試料にはグラファイト成分がなく、
ダイヤモンド被膜の結晶粒子の大きさは１μｍ以下であ
り、表面も凹凸が少なく平坦であった。

【００１５】また、レーザー・ラマン分光分析によって
も，いわゆるダイヤモンド構造ＳＰ３結合炭素成分も直
接超硬合金上にダイヤモンドを被覆した試料や窒化アル
ミニウム層形成時に高周波電力を投入せずにダイヤモン
ド被膜を形成した試料に比べ多く存在していることが認
められた。一方、中間層である窒化アルミニウムの結晶
粒径を透過型電子顕微鏡と走査型電子顕微鏡を用いて調
べたところ、高周波電力を投入した試料では平均粒径が
約２００オングストロームの緻密な構造を有していたの
に対し、投入しなかった試料では柱状晶となっており密
度も低いものであると推定された。

【００１６】このようにダイヤモンドコーティングされ
た直径１ｍｍのドリルを用いて回転数５３００ｒｐｍ、
穴開け深さ５ｍｍ、送り１００ｍｍ／ｍｉｎの条件でダ
イヤモンド工具による切削で最も効果のあるＡｌ−Ｓｉ
（１２％）合金に対して穴開け（貫通）テストを行った
ところ、１００００回の穴開けに対しても、ドリルには
何等損傷無く、同時に被削材においては貫通によるバリ
発生も無かった。一方、コーティングを行わなかった超
硬合金製ドリルでは３０回の穴開けで破損（折れ）し
た。これは、超硬合金では被削材であるアルミニウム合
金と焼き付きによる構成刃先を生じたためによるものと
考えられるが、ダイヤモンドコーティングしたものを調
べたところ被削材の焼き付きなども生じていなかった。
また、窒化アルミニウム層形成時に高周波電力を投入し
なかった試料では１回の穴開けテストでダイヤモンド被
膜、窒化アルミニウム層とも剥離しており、なんらコー
ティングの効果を示さなかった。

【００１７】なお、ここで超硬合金として比較的Ｃｏ量
の多いもの用いたのは小型のドリルのように工具作製に
おいて加工性が良さを必要とすることに加え、強度（抗
折力）を大きくすることが好ましことと、ダイヤモンド
膜合成時（８００℃）に受ける焼き鈍し効果による強度
の低下を小さくするためである。したがって、これらの
問題が無いような場合にはＣｏ含有量の少ない超硬合金
でも良い。

【００１８】（実施例２）次に、直径１ｍｍの２枚刃エ
ンドミルに本発明を適用した例について述べる。使用し
た超硬合金は実施例−１で用いたＪＩＳ規格でＫ−４０
相当品とした。実施例１と同じ方法で窒化アルミニウム
層およびダイヤモンド被膜を形成した。窒化アルミニウ
ムの膜厚は１μｍとし、ダイヤモンド被膜の膜厚は２μ
ｍとした。ＮＣフライス盤を用いて表１の切削条件を行
ったところ図４及び図５に示す結果が得られた。図４か
らコーティングしたエンドミルＢは未コーティングのエ
ンドミルＡと比べてほとんど摩耗がないことが分かる。
また、図５から被削材の切削面の表面粗さも超硬合金Ａ
では切削開始直後から大きくなってしまったのに対し、
コーティング品Ｂでは極めて平坦であると同時にほとん
ど変化を生じなかった。さらに、切削面を顕微鏡で観察
したところ未コーティング品では滑りを起こしていた
が、コーティング品では綺麗な切削傷のみがみられた。

【００１９】なお、この実施例で膜厚をドリルと比べ薄
くしたのはエンドミルでは被削材加工後の平坦性や表面
粗さが問題となるため、極力コーティングによる工具の
凹凸を小さくするためであるが、目的により膜厚を変え
ても切削性そのものには大きな問題は無い。

【００２０】

【表１】

【００２１】（実施例３）超硬合金性スローアウェイチ
ップに適用した例について述べる。使用した超硬合金は
ＪＩＳ規格のＫ−１０（重量比でＣｏ４％含有のＷＣ基
超硬合金）とし、中間層として微量（重量比でアルミニ
ウムの５％）のケイ素を含む窒化アルミニウム−窒化ケ
イ素複合体層を用いた。また、この複合体層は耐熱金属
（タングステン）棒からなる陽極と陰極ターゲットとの
間でアーク放電を起こすことにより蒸発される陰極ター
ゲット材と雰囲気である窒素ガスと反応させ基板上に化
合物膜を堆積させる薄膜形成装置によりアルミニウム−
ケイ素（重量で５％ケイ素）合金と窒素ガスを原料とし
て２μｍ形成したが、このとき基板であるスローアウェ
イチップには１３．５４ＭＨｚの高周波電力をかけてお
いた。この層をＸ線回折法で調べたところ結晶性はもっ
ておらずアモルファス状であっ次にダイヤモンド膜は図
３に示したマイクロ波ＣＶＤ装置により実施例１の条件
で６μｍ形成した。

【００２２】このようにしてできたダイヤモンド被覆超
硬合金製スローアウェイチップを用いて難削材であるＡ
ｌ−Ｓｉ合金の切削テストをＮＣ旋盤を用いて表２に示
した条件で行ったところ、図６に示した逃げ面摩耗に関
する結果が得られた。未被覆の超硬合金性製スローアウ
ェイチップでは、切削テスト開始直後に焼き付きを起こ
し、大きな摩耗を生じた。また、超硬製スローアウェイ
チップに直接ダイヤモンド膜を被覆したものについては
切削テスト開始直後にチッピング、剥離を起こしてしま
いダイヤモンド膜の被覆効果が全くなかった。これに対
して、中間層を形成したものではチッピングや剥離とい
った現象は起こらず極めて高い切削性をしめした。

【００２３】ここで超硬合金としてＣｏ含有率の小さな
ものを使用したのはスローアウェイチップでは上述の小
型ドリルやエンドミルとは異なり加工性が比較的容易で
あることに加え、高い硬度であることが好ましいためで
ある。

【００２４】

【表２】

【００２５】

【発明の効果】以上、この発明によれば工具、耐摩耗工
具、金型、耐摩耗部品等の材料として汎用性の高い炭化
タングステンーコバルト焼結体をはじめとする焼結体を
基材とするダイヤモンド膜または硬質炭素膜が被覆され
た被覆焼結体を提供できる。すなわち、炭化タングステ
ンーコバルト焼結体をはじめとする焼結体とダイヤモン
ド膜と中間層として平均結晶粒径５００オングストロー
ム以下またはアモルファス状の窒化アルミニウム層また
は窒化アルミニウムを主成分とする層を用いることによ
り密着性、結晶性、粒子径、緻密さ等に優れたダイヤモ
ンド被覆焼結体とすることができるのである。

【００２６】なお、実施例ではタングステンーコバルト
系超硬合金製のドリル、エンドミルおよびスローアウェ
イチップについて取り上げたが、この他の超硬合金材料
や部品についても本発明が適用できることは明かであ
る。また、実施例では中間層の結晶粒径を約２００オン
グストロームまたはアモルファス状としたが、平均粒径
５００オングストローム程度の大きさまでが有効である
ことが確認できている。さらに、ダイヤモンド膜の合成
ではマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いたが、熱フィラ
メント法やプラズマジェット法などの方法によっても同
様の効果が得られることも明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の被覆焼結体の断面図である。

【図２】ホローカソード型イオンプレーティング装置の
縦断面図である。

【図３】マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の縦断面図であ
る。

【図４】切削距離とエンドミルの逃げ面摩耗の関係を示
す説明図である。

【図５】切削距離と切削面の表面粗さの関係を示す説明
図である。

【図６】切削距離とスローアウェイチップの逃げ面摩耗
の関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 超硬合金母材 ２ 窒化アルミニウム層 ３ ダイヤモンドまたは硬質炭素層 ４ 真空槽 ５ 真空排気系 ６ ホローカソード型電子銃 ７ 水冷銅るつぼ ８ ガス導入系 ９ シャッター １０ 超硬合金製ドリル １１ 高周波電源 １２ ガス導入系 １３ マイクロ波発生電源 １４ 導波管 １５ 反応管 １６ 超硬合金製ドリル Ａ 未被覆の超硬合金製エンドミル Ｂ 本発明の中間層を用いダイヤモンド膜被覆した超硬
合金製エンドミル Ｄ 未被覆の超硬合金製スローアウエイチップ Ｅ 中間層を介さず直接ダイヤモンド膜を形成した超硬
合金製スローアウェイチップ Ｆ 本発明の中間層を用いダイヤモンド膜被覆した超硬
合金製スローアウェイチップ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２３Ｃ 28/04 (72)発明者 恒吉 潤 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイコ ー電子工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コバルトやニッケルなどをバインダーと
   して焼結した炭化タングステンや炭化チタン等の超硬合
   金を母材とし、この母材表面にダイヤモンドをはじめと
   する硬質炭素被膜を形成する被覆焼結体の製造方法にお
   いて、金属アルミニウムと窒素または窒素含有気体か
   ら、ホローカソード型イオンプレーティング法またはア
   ーク放電を利用した薄膜形成法により、母材表面と硬質
   炭素被膜との間に、結晶粒の大きさが平均５００オング
   ストローム以下かアモルファス状の窒化アルミニウムま
   たは窒化アルミニウムを主成分とするか、あるいは窒化
   アルミニウムを主体とする構造を持つ物質からなる層を
   形成することを特徴とする被覆焼結体の製造方法。
2. 【請求項２】 窒化アルミニウムまたは窒化アルミニウ
   ムを主成分とするか、あるいは窒化アルミニウムを主体
   とする構造を持つ物質からなる層の作成時に、母材に高
   周波電力を印加することを特徴とする請求項１記載の被
   覆焼結体の製造方法。
3. 【請求項３】 コバルトやニッケルなどをバインダーと
   して炭化タングステンや炭化チタン等を焼結した超硬合
   金またはアルミナや窒化ケイ素等を主成分とするセラミ
   ックス焼結体を母材とし、該母材の表面にダイヤモンド
   または硬質炭素皮膜が形成された被覆焼結体において、
   前記基材とダイヤモンドまたは硬質炭素皮膜との間に中
   間層として窒化アルミニウムまたは窒化アルミニウムを
   主成分とするか、あるいは窒化アルミニウムを主体とす
   る構造を持つ物質からなる層を有することを特徴とする
   被覆焼結体。