JPH08144045A

JPH08144045A - 立方晶窒化ホウ素被覆部材

Info

Publication number: JPH08144045A
Application number: JP28785794A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Okubo; 昌和大久保; Tetsuya Suzuki; 哲也鈴木
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1996-06-04

Abstract

(57)【要約】【構成】基材が、実質的に立方晶窒化ホウ素からなる
硬質層で被覆され、該基材と該硬質層との間に、該硬質
層に隣接して、膜厚が０．０１〜１．０μm の実質的に
六方晶窒化ホウ素からなる中間層が介在していることを
特徴とする立方晶窒化ホウ素被覆部材。【効果】高純度のｃ−ＢＮからなる硬質層によって密
着性よく被覆された被覆部材が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、実質的に立方晶窒化ホ
ウ素（以下、ｃ−ＢＮという）からなる硬質層で被覆さ
れた部材に関し、さらに詳しくは、基材と該硬質層との
間に、実質的に六方晶窒化ホウ素（以下、ｈ−ＢＮとい
う）からなる中間層が介在している立方晶窒化ホウ素被
覆部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】ｃ−ＢＮは、ダイヤモンドに次ぐ硬さを
有し、鉄系材料との反応性がダイヤモンドに比べて低い
ことから、切削工具や耐摩耗性用品に広く用いられてい
る。しかし、ｃ−ＢＮの製造には超高圧・高温による合
成を必要とするため、ｃ−ＢＮからなる成形体は量産性
が低く、複雑な形状のものが得にくいほか、製造コスト
も非常に高くつくので、その使用範囲は著しく制約され
ている。

【０００３】そこで、基材表面に、ｃ−ＢＮからなる被
覆層を形成することにより、低いコストで成形体を得る
ことが試みられている。このようなｃ−ＢＮによる被覆
には、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法などにより、ｃ−ＢＮを基材
表面に析出させることが試みられ、ｃ−ＢＮの気相合成
による被覆が、工業的に可能になってきた。

【０００４】このようなｃ−ＢＮ被覆層の形成法とし
て、たとえば特開昭６３−４０５５号公報には、基材、
たとえばＳｉ基材の表面に、ｃ−ＢＮと六方晶窒化ホウ
素からなる窒化ホウ素を析出させた後、アルゴンガスを
用いるスパッタリングによってｈ−ＢＮを選択的にエッ
チングし、このような析出とエッチングを反覆すること
によって、ｃ−ＢＮからなる被覆層を得る方法が開示さ
れている。

【０００５】一方、特開昭６３−１８０５０号公報に
は、基材の表面にイオンプレーティングによって非晶質
または微結晶質の窒化ホウ素の被覆を形成させた後、窒
素イオンを照射して、ｃ−ＢＮ被覆を得る方法が開示さ
れている。

【０００６】ｃ−ＢＮ被覆層は、どのような製法によっ
ても内部応力が大きいので、被覆を形成した後に、基材
からの剥離を生じることが多い。それゆえ、このような
ｃ−ＢＮによる被覆の際に、種々の中間層を設けること
により、内部応力を緩和し、該ｃ−ＢＮ層の密着性を向
上させることが試みられている。

【０００７】中間層として代表的なものに、立方晶系セ
ラミックスがある（特開昭６３−１９３８３２号公報）
が、窒化ホウ素との濡れ性を含む結合性が悪く、密着性
は十分に改善されてはいない。

【０００８】一方、特開平３−２６００５４号公報に
は、中間層として、Ｂとの反応性の高いＴｉを用いるこ
とが開示されている。この中間層によっては、密着性は
改善されるものの、高純度のｃ−ＢＮ被覆層を得ること
は困難である。

【０００９】また、中間層として、Ｂに富む、たとえば
Ｂ／Ｎ（原子比）が１．５〜９の非晶質窒化ホウ素（以
下、ａ−ＢＮという）の層を形成させた後、ＢとＮを
１：１にしてｃ−ＢＮ層を形成させている例もある（特
開昭６３−１７１８６８号公報、特開平３−２８５０６
２号公報など）。しかし、このように組成を変化させた
中間層を設ける方法では、被覆層の密着性は向上するも
のの、ｃ−ＢＮ被覆層中にａ−ＢＮやｈ−ＢＮが混在
し、純粋なｃ−ＢＮによる耐摩耗性の被覆層を形成させ
ることは困難であった。

【００１０】さらに、イオンプレーティング法によって
ｃ−ＢＮ層を形成させる初期の段階において、中間層と
してｈ−ＢＮが形成されるとの上月らの報告（粉体およ
び粉末冶金、41巻１号 57〜62頁（1944年１月）がある
が、ここで開示されている被覆は、本発明者らによる検
討の結果、該ｈ−ＢＮ層の結晶配向性の制御を行わない
と、高純度のｃ−ＢＮ被膜が得られないことが見出され
た。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、この
ような従来技術では得られていない、高純度のｃ−ＢＮ
からなる硬質層によって、密着性よく被覆された被覆部
材を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の目
的を達成するために研究を重ねた結果、ｃ−ＢＮに比べ
て硬さが著しく劣るために、従来から、被覆としては、
潤滑性を利用したものや、電気絶縁を保つための静的な
ものにのみ利用され、切削工具や耐摩耗性用品には利用
されていなかったｈ−ＢＮを、結晶の方向性を与えて中
間層として用いることにより、その上にｃ−ＢＮが優先
的にヘテロエピタキシャルに成長し、高純度のｃ−ＢＮ
から実質的になる硬質層を形成できることを見出して、
本発明を完成するに至った。

【００１３】すなわち、本発明は、基材が、実質的にｃ
−ＢＮからなる硬質層で被覆され、該基材と該硬質層と
の間に、膜厚が０．０１〜１．０μm の実質的にｈ−Ｂ
Ｎからなる中間層が介在していることを特徴とする立方
晶窒化ホウ素被覆部材に関する。

【００１４】本発明に用いられる基材は、その目的に応
じて任意に選択できるが、イオン注入、アニーリングな
どの処理によって密着性をさらに向上させるためには、
そのような処理に伴う温度上昇に耐える材質のものが好
ましい。このような基材としては、ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ
−ＴｉＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系など
の超硬合金；ＴｉＣ系などのサーメット；Ａｌ₂ Ｏ₃ 、
ＳｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ｔ
ｉＮなどのセラミックスが例示される。

【００１５】基材の形状は、イオンプレーティング、Ｃ
ＶＤなどによって、表面に被膜を形成しうる形状であれ
ば、どのような形状でもよい。

【００１６】本発明の被覆部材において、最外被覆層で
ある硬質層は、実質的に高純度のｃ−ＢＮからなる。ｃ
−ＢＮの純度は、被膜硬さおよび実用上の点から、少な
くとも７０重量％であり、好ましくは、該硬質層はエピ
タキシャル成長によって形成され、ほぼ１００重量％の
ｃ−ＢＮからなる。純度が７０重量％未満では、十分な
硬さと耐摩耗性が得られない。

【００１７】硬質層の膜厚は特に限定されないが、０．
０５〜２０μm が好ましく、０．５〜１０μm が特に好
ましい。０．０５μm 未満では、該硬質層を形成するこ
とによる耐摩耗性を向上する効果が十分でなく、２０μ
m を越えると、該硬質層の内部応力が高くなり、剥離し
やすくなる。

【００１８】本発明において特徴的なことは、基材と硬
質層との間に、該硬質層に隣接して、実質的にｈ−ＢＮ
からなる中間層が介在することである。このような中間
層が存在することにより、その上にエピタキシャル成長
によって、所望の高純度ｃ−ＢＮからなる硬質層が得ら
れる。さらに、このような中間層の存在によって、硬質
層の内部応力が緩和されて、その剥離を防止できるとい
う効果がある。

【００１９】中間層の膜厚は、０．０１〜１．０μm で
あり、０．０５〜０．５μm の範囲が好ましく、０．１
〜０．３μm が特に好ましい。０．０１μm 未満では、
硬質層の内部応力を緩和する効果が不十分であり、０．
２μm を越えると、強度が低下する。

【００２０】このような中間層のｈ−ＢＮは、その結晶
軸Ｃ軸の３０％以上が基材に平行になるように配向され
ている。基材に平行なＣ軸の割合は、１００％近く、た
とえば７０〜１００％であることが好ましい。このこと
によって、ｈ−ＢＮ層の底面が成長方向に対して垂直に
なり、膜全体の応力が有効に緩和される。

【００２１】さらに、中間層のｈ−ＢＮは、硬質層に接
する上面において、２０％以上が(101^-0) 結晶面および
／または(112^-0) 結晶面からなるプリズムになるように
形成されることが好ましい。このような結晶面は、上面
の８０〜１００％であることがさらに好ましい。ｈ−Ｂ
Ｎの(0001)面はファンデルワールス力で結合しており、
活性種に対して不活性なので、核形成は期待できないか
らである。このような結晶配向性を中間層のｈ−ＢＮに
与えることによって、該中間層の上面に接して、その中
間層に接する面の２０％以上が(112^-)結晶面および／ま
たは(110) 結晶面からなるｃ−ＢＮのエピタキシャルな
成長を容易にすることができる。また、このことによっ
て、中間層の(101^-0) 結晶面が硬質層の(112^-)結晶面
と、中間層の112^-0)結晶面が硬質層の(110) 結晶面と、
それぞれ２０％以上、さらに好ましくは８０〜１００％
が平行である結晶方位関係が形成され、ｃ−ＢＮ層のエ
ピタキシャルな成長を助ける。

【００２２】基材と中間層の間に、さらに、実質的にａ
−ＢＮからなる内層が介在することが好ましい。このこ
とによって、中間層の密着性をさらに向上させるととも
に、硬質層の内部応力を緩和させる効果がある。

【００２３】このような中間層の膜厚は、０．０１〜
０．５μm が好ましく、０．０７〜０．３μm の範囲が
さらに好ましい。０．０１μm 未満では、内層を設ける
効果、とくに応力緩和効果が十分でなく、０．５μm を
越えると、硬さや機械的強さが減少する。また、内層を
構成するａ−ＢＮが傾斜組成を有するので、内層の膜厚
は中間層より多少厚めにするのが一般的である。

【００２４】これらの硬質層および中間層、ならびに必
要に応じて内層は、目的に応じて、基材表面の全面に形
成させてもよく、その一部、たとえば図１の（ａ）
（ｂ）のように一方の面に形成させてもよい。

【００２５】本発明の被覆部材は、たとえば、下記のよ
うな方法で、イオンプレーティング装置を用いて形成す
ることができる。

【００２６】基材を、イオンプレーティング装置の処理
室に置き、所定の真空度および温度にして、必要に応じ
て、基材への濡れ性の良好なＴｉ膜を形成させた後、Ｔ
ｉに対する反応性の良好なＢを成膜させる。Ｔｉ膜の厚
さは０．３μm 以下が好ましい。その後、漸次、窒素ガ
スを導入して、原子比Ｂ／Ｎ＝１に調節し、基板のＲＦ
バイアスを２００Ｗ程度、磁界を３０〜３５Oeとして、
イオンプレーティングを行い、ａ−ＢＮからなる内層を
形成させる。

【００２７】基材に直接、または上記のようにして内層
を形成させた基材に、ＲＦバイアスを２５０以上、３５
０Ｗ未満に上げて、Ｃ軸が基材に平行になるように、ｈ
−ＢＮからなる中間層を形成させる。この際、ＲＦバイ
アスが２５０Ｗ未満ではｈ−ＢＮのＣ軸が基材に平行に
ならず、３５０Ｗ以上になると、ｃ−ＢＮが形成され
る。

【００２８】ついで、ＲＦバイアスを３５０〜５００Ｗ
に上げて、ｃ−ＢＮを形成させる。ＲＦバイアスが３５
０Ｗ未満ではｃ−ＢＮが得られず、５００Ｗを越えると
スパッタ効果が高くなって、膜を形成できない。この
際、磁界を４０Oe程度まで上げることにより、プラズマ
密度を上げて、ＢとＮの反応を高め、ｈ−ＢＮとの界面
における結晶面を制御して、ｃ−ＢＮのエピタキシャル
成長を行わせる。

【００２９】

【作用】本発明において、硬質層は高純度のｃ−ＢＮか
らなり、本発明の被覆部材に、優れた表面硬さと耐摩耗
性を与える。また、中間層は実質的にｈ−ＢＮからな
り、また必要に応じて設けられる内層は実質的にａ−Ｂ
Ｎからなり、いずれも密着性を向上させ、応力を緩和さ
せることによって、ｃ−ＢＮ層の剥離を防止する効果が
ある。

【００３０】特に、中間層のｈ−ＢＮを、そのＣ軸の３
０％以上が基材に平行に配向して形成させることによ
り、応力緩和効果を高めることができる。さらに、該中
間層の硬質層に接する面の２０％以上を(101^-0) 結晶面
および／または(112^-0) 結晶面とすることにより、硬質
層のｃ−ＢＮを高い純度でエピタキシャル成長させて、
優れた耐摩耗性を与えることができる。

【００３１】

【実施例】以下の実施例および比較例により、本発明を
さらに詳細に説明する。本発明は、これらの実施例によ
って限定されるものではない。

【００３２】基材として、市販のＰ１０超硬合金（ＪＩ
ＳＢ４０５３）の、鏡面研摩した１０×１０×４mmの
基材を用いた。これを、磁界発生に電磁石を用いる磁界
励起型イオンプレーティング装置を用いて、図１（ｂ）
に示すような被覆部材を作成した。

【００３３】まず、基材を上記装置の処理チャンバーに
置き、５×１０^-6Torrまで排気し、２５０℃まで加熱し
た。ボンバードによって基材を清浄にした後、Ｔｉを蒸
発源として、基材ＲＦバイアス４０〜５０Ｗ、Ａｒ流量
５０SCCM、磁界３５Oeで、０．２μm のＴｉ膜を形成さ
せた。ただし、表１に示すように、一部の試料ではＴｉ
膜の形成を行わなかった。

【００３４】蒸発源をＢに切り替え、まずＢのみの蒸発
を行い、ついで窒素ガスをチャンバーに導入して、Ｎ₂
を徐々にチャンバー内に導入して、その流量を原子比Ｂ
／Ｎ＝１になるまで増やし、以下、前述のようにＲＦバ
イアスと磁界を調節して、ａ−ＢＮ層（内層）、ｈ−Ｂ
Ｎ（中間層）およびｃ−ＢＮ層（硬質層）を順次形成さ
せた。

【００３５】このようにして得られた本発明による試料
１〜２５および比較品試料１〜５について、各被覆層の
膜厚、結晶の性質、および剥離の有無と、スクラッチテ
ストにおける臨界剥離荷重を表１に示す。ただし、膜厚
は透過電子線回折によって測定を行った。なお、比較品
試料１は中間層の膜厚の薄いもの、比較品試料２はａ−
ＢＮ層の上に直接硬質層を形成させようとしたが、ｈ−
ＢＮとｃ−ＢＮの混合層しか得られなかったもの、比較
品試料３は最外層がｈ−ＢＮからなるもの、比較品試料
４は内層を設けず、中間層がａ−ＢＮとｈ−ＢＮの混合
層からなり、最外層が比較品試料２と同様の混合層しか
得られなかったもの、比較品試料５は同様に内層を設け
ず、中間層が厚さ１μm のＴｉＮ層であり、最外層が比
較品試料２と同様の混合層からなるものである。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】表１から明らかなように、本発明による試
料は剥離が認められず、またスクラッチテストにおいて
高い臨界剥離荷重を示し、耐摩耗性および密着性に優れ
ている。

【００３９】

【発明の効果】本発明によって、高純度のｃ−ＢＮから
なる硬質層によって密着性よく被覆された被覆部材が得
られる。本発明の被覆部材は、高硬度で耐摩耗性に優
れ、かつ硬質層の基板への密着性が優れているので、切
削工具や耐摩耗性用品としてきわめて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の被覆部材の構造の例を示す断面図であ
る。（ａ）は内層をもたない例、（ｂ）は内層を有する
例である。

【符号の説明】１硬質層（ｃ−ＢＮ層）２中間層（ｈ−ＢＮ層）３内層（ａ−ＢＮ層）４基材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基材が、実質的に立方晶窒化ホウ素から
なる硬質層で被覆され、該基材と該硬質層との間に、該
硬質層に隣接して、膜厚が０．０１〜１．０μm の実質
的に六方晶窒化ホウ素からなる中間層が介在しているこ
とを特徴とする立方晶窒化ホウ素被覆部材。
【請求項２】上記基材と上記中間層との間に、膜厚が
０．０１〜０．５μm の実質的に非晶質窒化ホウ素から
なる内層が介在している請求項１記載の被覆部材。
【請求項３】上記中間層のＣ軸の３０％以上が、上記
基材に平行に配向されている請求項１または２記載の被
覆部材。
【請求項４】上記中間層は、上記硬質層に接する面の
２０％以上が(101^-0) 結晶面および／または(112^-0) 結
晶面からなり、該硬質層は、該中間層に接する面の２０
％以上が(112^-)結晶面および／または(110) 結晶面から
なる請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆部材。
【請求項５】上記中間層は、その２０％以上が、該中
間層の(101^-0) 結晶面が上記硬質層の(112^-)結晶面と平
行であり、また該中間層の(112^-0) 結晶面が該硬質層の
(110) 結晶面と平行である結晶方位関係にある請求項１
〜４のいずれか１項に記載の被覆部材。
【請求項６】上記硬質層の膜厚が０．０５〜２０μm
である請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆部材。