JPH0657427A - 硬質炭素膜被覆超硬合金工具およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超硬合金母材と硬質炭素膜の密着性に優れた
硬質炭素膜被覆超硬合金工具、およびその様な工具を製
造する為の有用な方法を提供する。 【構成】 ＷＣ系の超硬合金を工具母材とし、下地層上
に気相合成法によって硬質炭素膜を被覆して硬質炭素膜
被覆超硬合金工具を製造するに当たり、前記母材表面に
金属Ｗを被覆し、次いで励起した炭素含有ガスを該金属
Ｗに接触させて平均粒径が0.1 μm 以上の多孔質ＷＣを
下地層として形成した後、気相合成法を適用して前記多
孔質ＷＣの結晶粒径よりも小さい平均粒径の硬質炭素膜
で下地層表面を被覆する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＷＣ系の超硬合金を工
具母材とし、該母材にダイヤモンドや非晶質炭素等の硬
質炭素膜を被覆した硬質炭素膜被覆超硬合金工具および
その製造方法に関し、殊に硬質炭素膜の母材への良好な
密着性を達成し、切削工具や耐摩工具として最適な硬質
炭素被覆超硬合金工具、およびその様な工具を製造する
為の方法の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドや非晶質炭素等の硬質炭素
は、従来硬質材料として汎用されてきたアルミナ，窒化
珪素，タングステンカーバイド等に比べて極めて高い硬
度を有し、また熱伝導率も高いことから、切削工具や耐
摩工具等の素材としての応用開発が盛んに進められてい
る。

【０００３】ダイヤモンドを切削工具の素材として応用
する技術の一例としては、超高圧・高温下で焼結して合
成されたダイヤモンドを用いたダイヤモンド焼結体工具
も知られているが、高価であり、またダイヤモンドより
高硬度のものがないとの理由から複雑な形状への加工が
困難であり、形状的にも制約を受けることになる。

【０００４】最近ではマイクロ波や熱フィラメント等で
励起状態にした炭素含有ガス（例えば水素と炭化水素の
混合ガス）を利用した化学気相合成法によって、ダイヤ
モンドや非晶質炭素等の硬質炭素膜を母材上に形成する
ことが可能となっており、この技術では複雑形状の工具
に対しても容易に且つ安価に硬質炭素膜を形成できるこ
とから、この技術を応用して工具の開発が活発に進めら
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、気相合
成した硬質炭素膜は、膜の内部応力が大きく、しかも母
材との密着強度が弱いため、例えば切削工具にコーティ
ングしても切削中に容易に剥離し、硬質炭素本来の高硬
度、高熱伝導性という優れた特性を生かせないという問
題がある。特に工具母材がＷＣ系超硬合金の様に結合剤
として５〜20％程度のＣｏを含んでいる場合は、合成時
に炭素がＣｏ中に溶解して硬質炭素膜が形成されず、た
とえ部分的に硬質炭素膜が形成されても工具母材との密
着強度が十分でなく、簡単に剥離してしまうという欠点
がある。従って、ＷＣ系超硬合金母材と硬質炭素膜にお
ける密着性を向上させる為の最大のポイントは、母材表
面のＣｏ拡散の防止を図ることであると言われている。

【０００６】こうした不都合を解消する為の一つの提案
として、超硬合金母材表面に下地層を形成することによ
って、超硬合金母材と硬質炭素膜の密着性を向上させよ
うという試みがなされている。例えば、特開昭63-19987
0 号，同58-126972 号，特開平1-201478号および同1-20
1480号等において、超硬合金母材表面に下地層を形成す
る方法が開示されている。しかしながらこれらの技術に
おいては、複雑な処理工程が必要となるばかりでなく、
下地層を炭化物や酸化物として母材表面に予め形成して
おくので、下地層と母材との密着性がなお不十分であ
り、実用に耐え得る段階には至らないという欠点があっ
た。

【０００７】一方、特開平1-275759号においても、超硬
合金母材上に下地層を形成することによって、母材表面
のＣｏ拡散防止を図った技術が提案されている。この技
術においては、下地層としてＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族金
属およびＳｉから選ばれる一種以上の金属を被覆し、こ
れらの金属を炭化させて下地層を形成しつつ硬質炭素膜
を形成することによって、密着性の向上を図ろうとする
ものである。しかしながらこの技術においても、期待す
るほどの密着性向上効果が得られていない。即ち、この
技術においては、合成温度が900 ℃と比較的高く、合成
初期における硬質炭素の核発生よりも前記金属の炭化反
応が優先的に進行し、硬質炭素の核発生密度が大幅に抑
制されてしまうことになる。その結果、硬質炭素膜の合
成そのものが抑制され、或はたとえ膜状になったとして
も下地層との界面にはボンドが多数残留して良好な密着
性が得られない。またこの技術では、下地層の種類とし
てＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族やＳｉ等の金属が示されてい
るが、これらの金属の炭化物と超硬合金との熱膨張係数
が異なっていることが多く、母材と下地層の密着性も悪
くなる。

【０００８】本発明はこうした状況のもとになされたも
のであって、その目的は、超硬合金母材と硬質炭素膜の
密着性に優れた硬質炭素膜被覆超硬合金工具、およびそ
の様な工具を製造する為の有用な方法を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明方法は、ＷＣ系の超硬合金を工具母材とし、下地層
上に気相合成法によって硬質炭素膜を被覆して硬質炭素
膜被覆超硬合金工具を製造するに当たり、前記母材表面
に金属Ｗを被覆し、次いで励起した炭素含有ガスを該金
属Ｗに接触させて平均粒径が0.1 μm 以上の多孔質ＷＣ
を下地層として形成した後、気相合成法を適用して前記
多孔質ＷＣの結晶粒径よりも小さい平均粒径の硬質炭素
膜で下地層表面を被覆する点に要旨を有するものであ
り、この方法を実施することによって、密着性に優れた
硬質炭素膜被覆超硬合金工具が得られる。

【００１０】

【作用】本発明者らは、上記課題を解決する為、様々な
角度から検討を加えた。そしてまずＷＣ系超硬合金母材
表面のＣｏ拡散防止に最も効果を発揮する下地層の素材
は、前記超硬合金の主成分であるＷＣが最も望ましいこ
とがわかった。即ち他の炭化物を下地層として用いた場
合は、硬質炭素膜との密着性が十分であっても、母材で
ある超硬合金との密着性が劣る。しかし、下地層がＷＣ
であればこの様な不都合は生じないことがわかった。

【００１１】またＷＣからなる下地層を母材表面上に形
成し、その上に硬質炭素膜を形成する手段としては、Ｗ
Ｃ系超硬合金母材表面に金属Ｗを被覆し、次いで励起し
た炭素含有ガスを該金属Ｗに接触させて平均粒径が0.1
μm 以上の多孔質ＷＣを下地層として形成した後、気相
合成法を適用することによって、前記多孔質ＷＣの結晶
粒径（従って、ＷＣは多結晶性である）よりも小さい平
均粒径の硬質炭素膜で下地層表面を被覆することが最適
であることを見出し、本発明を完成した。

【００１２】本発明では上述の如く、超硬合金母材表面
に被覆した金属Ｗに、励起した炭素含有ガスを接触させ
て炭化させることによって、平均粒径0.1 μm 以上の多
孔質ＷＣを下地層として形成する。そしてこの多孔質Ｗ
Ｃの内部に入り込む様にして、前記ＷＣの結晶粒径より
小さい平均粒径の硬質炭素膜を成長させることによっ
て、前記下地層と硬質炭素膜の接触面積の著しい増大を
図り、これによって両者の密着性向上を達成したもので
ある。またこうした観点からして、下地層を形成した
後、該下地層表面に微細な疵を形成し、その後その上に
硬質炭素膜を被覆する様にしてもよい。

【００１３】尚本発明において、超硬合金母材表面に被
覆する金属Ｗの厚さは１〜３μm とするのが好ましい。
即ち厚さが１μm 未満であると母材である超硬合金から
Ｃｏが拡散してしまい、３μm を超えると下地層と母材
との熱膨張係数の差による応力の影響が無視できなくな
り、いずれにしても剥離が生じ易くなる。また金属Ｗを
炭化する際の温度は、ＷＣの平均粒径を0.1 μm 以上に
するという観点からして500 〜1000℃程度が好ましい。
更に、本発明において下地層上に被覆される硬質炭素膜
の厚さは、特に限定するものではないが、実用的には３
〜20μm 程度で良く、より好ましくは10〜20μm 程度で
ある。

【００１４】以下本発明を実施例によって更に説明する
が、下記実施例は本発明を限定する性質のものではな
く、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれ
も本発明の技術的範囲に含まれるものである。例えば下
記実施例では、金属Ｗのコーティング法としてイオンプ
レーティング法を、硬質炭素膜のコーティング方法とし
てマイクロ波プラズマＣＶＤ法を示したが、前者におい
てはその他のＰＶＤ法を、後者においてはその他のＣＶ
Ｄ法（熱フィラメント法、高周波プラズマＣＶＤ法等）
を用いることができる。また下記実施例では、チップお
よびドリルとして適用する場合について示したが、本発
明工具はこれらに限らず例えばエンドミルにも適用でき
るのは勿論である。

【００１５】

【実施例】

実施例１ 超硬合金母材として、ＷＣ−６％Ｃｏのスローアウェイ
チップ（形状ＳＰＧＮ）を用い、このチップの逃げ面お
よびすくい面にイオンプレーティング法によって金属Ｗ
をコーティングした。このとき、金属Ｗの厚さは0.5 μ
m ，1.0 μm ，2.0 μm，3.0 μm および4.0 μm とし
た。次に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を適用して励起
したメタン−水素混合ガスに、前記金属Ｗを１時間接触
させた。尚このときの母材温度は約750 ℃とした。母材
表面のＳＥＭ観察およびＸ線回折によれば、前記金属Ｗ
は平均粒径0.6 μmの多孔質ＷＣ（多結晶性膜）に変化
していることが確認された。引き続きこれらの母材を、
ダイヤモンド砥粒（粒径約0.5 μm ）を分散させたエタ
ノール懸濁液に浸漬し、超音波処理を施すことによって
多孔質ＷＣの表面に微細な疵を生成した。

【００１６】これらの母材に、マイクロ波プラズマＣＶ
Ｄ法を適用して励起したメタン−水素混合ガスで約12時
間気相合成し、硬質炭素膜を厚さ約15μm 形成した。尚
このときの合成条件は、母材温度：900 ℃，メタン濃
度：２容量％とした。また比較のため、下地層をコーテ
ィングしない以外は同一のチップも作成した。ラマン分
析およびＸ線回折分析の結果、下地層表面には、ダイヤ
モンドと非晶質炭素の混合物からなり、ビッカース硬度
が7000〜8000である硬質炭素膜が形成されていることが
確認された。上記６種のチップを用いて切削試験を行
い、その切削寿命を比較した。このとき被削材はＡｌ−
20％Ｓｉを用い、切削速度，送り量，切込み量は各々50
0m/min，0.6 mm/rev，1.0mm とした。その結果を表１に
示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１から明らかな様に、Ｎo.２〜４の実施
例のものは、切込み量の大きい過酷な条件においても摩
耗量が圧倒的に少ない、或は寿命が伸びることが明らか
である。しかしながら、金属Ｗの厚みが0.5 μm または
4.0 μm の場合（Ｎo.１，５）では、比較例（Ｎo.６）
と比べて良好であるとはいうものの、本発明の効果が十
分に発揮されていない。金属Ｗの厚みが0.5 μm の場合
には、硬質炭素膜とＷＣ下地層との間で剥離が発生して
おり、この母材表面（即ちＷＣ層の表面）をＥＰＭＡ分
析したところ、Ｃｏが検出された。これはＷＣ形成時あ
るいは硬質炭素膜合成時に、母材に含まれるＣｏが下地
層を透過して局部的に析出し、このＣｏの存在が硬質炭
素膜とＷＣ下地層の密着性を低下させたものと考えられ
る。一方、金属Ｗの厚みが4.0 μm の場合には、ＷＣ下
地層と母材との間で剥離が発生していた。Ｗ膜が３μm
を超えると、全膜厚に渡って均一に炭化させるのに長時
間を要し界面にもろい（ＭＣｏ)₆Ｃ状の析出物を形成す
る結果悪影響を及ぼすこととなる。また短時間の炭化で
は界面まで進行しないため、界面に未炭化の金属Ｗを残
す結果となり母材との熱膨張係数の差による応力の影響
が無視できなくなり、上記と同様に密着性には悪影響を
及ぼすこととなる。

【００１９】実施例２ 工具母材として、軸径８mmの超硬合金ドリル（Ｃｏ含有
量：約１０％）を用いる以外は、実施例１と同様にして
硬質炭素膜被覆超硬合金ドリルを作製した。尚このとき
の金属Ｗの被覆厚さは約２μm とした。比較として、本
発明によらない未処理のドリルについても作製した。こ
れらのドリルについて、切削試験を行った。このとき被
削材はＡｌ−16％Ｓｉとし、切削条件は切削速度：150m
/min，送り量：0.1 mm/revおよび切削長：25mmとした。
その結果、本発明のドリルでは約3000穴切削後も膜の剥
離が無かったのに対し、比較例では約250 穴切削した時
点で刃先の摩耗が激しく、寿命に達していた。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、超硬合金母材表面のＣ
ｏ拡散防止を達成することができ、その結果母材との密
着性に極めて優れた硬質炭素膜被覆超硬合金工具が実現
でき、その工業的価値は極めて大きい。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＷＣ系の超硬合金を工具母材とし、下地
   層上に気相合成法によって硬質炭素膜を被覆して硬質炭
   素膜被覆超硬合金工具を製造するに当たり、前記母材表
   面に金属Ｗを被覆し、次いで励起した炭素含有ガスを該
   金属Ｗに接触させて平均粒径が0.1 μm 以上の多孔質Ｗ
   Ｃを下地層として形成した後、気相合成法を適用して前
   記多孔質ＷＣの結晶粒径よりも小さい平均粒径の硬質炭
   素膜で下地層表面を被覆することを特徴とする硬質炭素
   膜被覆超硬合金工具の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、金属Ｗ
   の被覆厚さが１〜３μm である製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の方法によって
   製造されたものである硬質炭素膜被覆超硬合金工具。