JPH08512362A - ダイヤモンド被覆物品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明によれば、セメンテッドカーバイド、Si₃N₄或いはセラミック材料の物品であって、CVD或いはPVDダイヤモンド或いはCBNの少なくとも１層と窒化クロム、炭化クロム或いは炭窒化クロムの層によって被覆された斯ゝる物品が提供される。クロム含有層はダイヤモンド層の外側に配位し、当該ダイヤモンド層は複数のダイヤモンド層の場合に被覆物の最外層ダイヤモンド層である。

Description

【発明の詳細な説明】 ダイヤモンド被覆物品 本発明は耐摩耗性ダイヤモンド被覆物が良好に付着しているダイヤモンド被覆 物品に関し、特には例えば合金元素としてSiとCu等を含有するAl合金を切削する ための切削工具に関する。 CVD法やPVD法によりガス相から直接にダイヤモンドの肉薄被覆物を生成するこ とは切削工具、ドリルビット、ナイフ等の被覆のために大きな関心事となってい る。ダイヤモンドを有用な沈積速度で気相沈積（蒸着）することはモスコーのDe rjaguinとその仲間達によって1977年に既に報告されている。その結果が80年代 の始めに日本の科学者の１グループによって再現されたときから、CVDダイヤモ ンドの意欲的な研究が世界中で始った。ガス相からダイヤモンドを被覆する１連 の新な方法は熱フィラメント、マイクロ波プラズマ、アーク放電プラズマ、ガス フレーム、中空カソード及び種々の形式のプラズマジェットを包含するものとし て記述されている。通常、純粋な水素は0.1−5.0％のCH₄を添加して成る混合気 として使用されるが、その他の炭化水素ガスは炭素源として使用され得る。更に 、ダイヤモンドの純度と品質はその他のガス、例えば酸素を含有した希ガスを添 加することにより制御され得る。 工作用の切削工具インサート（基体とも称される）にCVD法でダイヤモンドの 被覆を施こすときの主な問題はダイヤモンド被覆物の不充分な付着力にある。付 着力はインサートの表面特性に大きく左右される。しかし、付着力の劣る主理由 は気泡の生成と被覆物／基体の界面における非ダイヤモンド炭素材料の生成と、 被覆物に高圧縮応力が生じることの複合によるものと信じられている。高残留応 力（圧縮）の生成はダイヤモンドの低い熱膨張係数に部分的に起因している。 切削用途においてダイヤモンド被覆のために有利な基体はセメンテッドカーバ イド、SiAlONとSi₃N₄等のセラミックスを包含し、これらのカテゴリの基体にダ イヤモンドを被覆する方法は技術的に良くしられている。しかし、上述のように 、これらの従来品は工作試験から判定されるようにダイヤモンド被覆物の不充分 な付着力に起因して損傷を被っている。この貧弱な付着力を改良するための提案 は基体材料よりもダイヤモンドに相対的に適応する特性を有する中間被覆物を施 こすことである。JP−Ａ−59−166671とJP−Ａ−59−166672には、セメンテッド カーバイドやメタル合金をダイヤモンドで被覆するが、その前に周期律表のIV、 Ｖ或いはVI族の遷移金属の種々の炭化物、窒化物、炭窒化物或いは酸炭窒化物或 いはシリコン、ホウ素或いはアルミニウムの内部中間層で被覆する斯ゝる方法を 記述している。上記いずれのタイプの被覆物も最外被覆物として施こし得ること も記述されている。被覆物はマグネトロンスパッタ法により蒸着される。工具は 耐摩耗性に優れていると云われているが、最外被覆物（ダイヤモンド以外の）の 存在は中間被覆物と同じように摩耗抵抗に影響するものとは云われていない。 中間被覆物がダイヤモンド被覆物と基体の間の付着力を向上させるものと云わ れているもう１つの例はUS 4,707,384である。この特許はダイヤモンド被覆物と 基体の間に、炭素、ある種の炭化物、窒化物及び酸化物或いは希金属に高度の親 和性を備えた金属の薄い被覆物を有している化合物体を記述している。これらの 被覆物のいずれも最外物として施こされる可能性は記述されているが、それは特 別に好ましいものとして説明されているわけではない。 “Annals of the CIRP，Vol.41（1）1992，p381”には、ダイヤモ ンド粒子をクロム或いは炭化クロムの機能層で被覆する方法が記述されている。 しかし、この文献には、上記クロム被覆ダイヤモンド粒子とこれが混入されてい る包囲母材との間の付着力に焦点を当てゝいる。 セメンテッドカーバイド体（超硬質合金体）やセラミック体、特に切削工具イ ンサートに施こしたダイヤモンド被覆物のフレーキング抵抗並びに摩耗抵抗を窒 化クロム、炭化クロム或いは炭窒化クロムの肉薄被覆物がダイヤモンド被覆物の 上に蒸着されるならば、著しく増大させ得るという驚くべき事実が判明している 。クロム含有層は切削作業の際に局部的に容易に除去されるとはいえ、この層の 存在は代表的には、工作された品数として測定される或いは被覆物の摩耗破過に 至るまでの時間として測定される性能に関して、少なくとも50％増大する成果を もたらす。この有益な効果は、被覆物に硬質粒子を用いたブラスト処理やブラシ 処理等の機械的後処理を施こすならば、一段と高まる。代表的には、クロム含有 層の蒸着と機械的後処理とから成る複合処理によって、二倍に増大した性能が得 られる。 図１は本発明に係る被覆物の4000倍の走査電子顕微鏡写真であり、以下の構成 になっている。 Ａ−CrN層 Ｂ−ダイヤモンド層 Ｃ−セメンテッドカーバイド物品 本発明によれば、少なくとも１つのダイヤモンド層及びこのダイヤモンド層の 外側に配位する窒化クロム、炭化クロム或いは炭窒化クロム、好ましくは窒化ク ロムから成る被覆物を具備した被覆物品が提供される。ダイヤモンド層が二層以 上ある場合には、このダイヤモンド層は被覆物の最外ダイヤモンド層である。ク ロム含有層は ダイヤモンド層と直に接触しているのが好ましいが、クロム含有層とダイヤモン ド層との間には耐摩耗性材料或いは金属性材料を含んで成る＜１μｍの肉薄層が 介在してもよい。 一般には、クロム含有層は最外層であるが、その上に別の当技術上知られてい る耐摩耗性層、金属性層或いは着色層を含んで成る0.1−３μｍ厚の層を追加的 に施こしてもよい。 好適例では、ダイヤモンド層は被覆される物品と直接に接触しているか、或い は耐摩耗性或いは金属性の材料の＜３μｍ層によって両者が分離されている。ダ イヤモンド層の肉厚は１−20μｍ、好ましくは４−15μｍの範囲にあり、Cr含有 層の肉厚は0.1−５μｍである。後者の肉厚はダイヤモンド層の肉厚の常に＜200 ％、好ましくは＜50％である。 ダイヤモンド被覆物のグレンサイズは好ましくは＜15μｍ、最も好ましくは３ −10μｍである。Cr含有層のグレンサイズは＜１μｍである。 クロム含有層は表面粗度Ra 0.1−0.5μｍ、好ましくは0.2−0.3μｍを有して いる（或いは有するように処理される）。 本発明に係る蒸着に用いる物品はセメンテッドカーバイドと、SiAIONとSi₃N₄ 等のセラミックスとを包含する。好ましくは、セメンテッドカーバイド物品はそ の表面領域でCoが欠乏したものである。これは、例えば、EP464012に開示してい るようにエータ相含有物品を部分的に炭化することにより得られる。 本発明によれば、付着力の向上したダイヤモンド被覆体を作る方法も提供され る。この被覆物品は先ず既知のCVD法やPVD法、例えば熱フィラメント、DC，RF及 びMWプラズマ、中空カソード或いはプラズマジェットを用いた方法を用いて少な くとも１つのダイヤモンド層で被覆される。これらの方法では、ダイヤモンド生 成のために 炭化水素と水素とを異なる混合比で且つ低圧力（１−1000mbar）で適用する。あ る種の方法では、ダイヤモンド蒸着は物品を部分的にのみ被覆する層を生み出す 。ダイヤモンド層（最外層）の外側に、好ましくはこの層の上に、炭化クロム、 窒化クロム或いは炭窒化クロムの少なくとも１層を蒸着する。Cr含有層は既知の CVD法或いはダイヤモンド被覆に悪影響を与えないPVD法、好ましくはPVD法、最 も好ましくはイオンプレーティング法によって施こすことが出来る。 好ましくは、被覆物品には被覆後に、表面を滑らかにするために機械的後処理 を施こす。この機械的後処理の１例は、代表的には100−400の例えばAl₂O₃，SiC ，WC或いはダイヤモンドの硬質粒子を用いた軽度の湿式ブラスト処理である。も う１つの例は、砥材としてダイヤモンドやSiC粉末（代表的には100−300メッシ ュ）を用いたSiCブラシによる軽度のブラシ処理である。好ましくは、最外層は エッジにおける被覆度が25−75％になるように部分的に除去される。 本発明に係るダイヤモンド被覆切削工具の機械的特性の向上した性能は、クロ ム含有層が純粋なCVDダイヤモンド被覆物より著しく滑らかであるという事実を 考慮すれば、工作中に切削力が低減することにより説明付けることが出来る。切 粉は滑らかなクロム含有層と接触するので、切粉の除去が容易になる。 本発明はダイヤモンド被覆切削工具に関して説明されたが、本発明はその他の 被覆工具、例えばロックドリル用工具及び摩耗物品に適用され得るし、更にはCV D法やPVD法により蒸着されたcBN等の超硬被覆物にも適用され得る。 例１ 貧Co表面領域を備えた６個のWC−６％Coセメンテッドカーバイドを先ずマイク ロ波補助プラズマ方式のCVD法を用いて10μｍ厚のダイヤモンド層で被覆した。 この層のグレンサイズは約10μｍであった。このダイヤモンド層の上に２μｍ C rNから成る第２の層を反応イオンプレーティング法で蒸着した。 滑らかなCrN層としてはRa＝0.25μｍの表面粗度のものが得られた。 インサートで、次の切削データを用いて、Al−９％Si合金に対するフライス加 工フレーキング試験を行った。 ｖ＝1000ｍ／分 ｆ＝ 0.3mm／歯 ａ＝１mm 湿式切削 ダイヤモンド／CrN被覆セットのインサートは170回のパス（passes）しか持ち こたえられなかったダイヤモンドしか被覆されていない１セットのインサートと 比較し、本試験で320回のパスまで持ちこたえることが出来た。 例２ ６個のSi₃N₄インサートを、例１のように10μｍ厚のダイヤモンド層を蒸着し 、そしてこのダイヤモンド層の上に例１のように４μｍ CrN層を蒸着した。滑ら かなCrN層として、Ra＝0.25μｍの表面粗度のものが得られた。 インサートで、次の切削データを用いて、Al−４％Cu−0.3％Si合金に対する フライス加工フレーキング試験を行った。 ｖ＝1000ｍ／分 ｆ＝ 0.3mm／歯 ａ＝１mm 湿式切削 ダイヤモンド／CrN被覆セットのインサートは、70回のパスしか持ちこたえら れなかったダイヤモンドしか被覆していない１セットのインサートに比較して、 本試験で150回のパスまで持ちこたえることが出来た。 例３ 貧Co表面領域を有するWC−６％Coセメンテッドカーバイドを先ず、例１と同様 に、但し蒸着時間を相対的に短縮させた、マイクロ波補助プラズマ式CVD法を用 いて５μｍ厚のダイヤモンド層で被覆した。この層のグレンサイズは約７μｍで あった。ダイヤモンドの上には１μｍ CrNから成る第２の層をイオンプレーティ ング反応器内で蒸着させた。CrN被覆物の上には、イオンプレーティング法を用 いて２μｍ TiN層を施こした。工具表面のRa＝0.23μｍの表面粗度が得られた。 インサートで、Al−18％Si合金に対し、下記切削データを用いた旋削試験を行 った。 ｖ＝ 700ｍ／分 ｆ＝ 0.1mm ａ＝ 0.6mm 湿式切削 ダイヤモンド／CrN／TiN被覆インサートは、被覆物破過するまでに44分間持ち こたえることが出来たのに対し、５μｍ厚のダイヤモンド被覆物のみを施こした インサートは16分間だけ持ちこたえた（被覆物が膜片落ちしたとき）。 例４ 貧Co表面領域を有するWC−６％Coセメンテッドカーバイドのインサートを熱フ ィラメント反応を用いることにより10μｍダイヤモン ド層で被覆した。ダイヤモンドの上には２μｍ CrNから成る第２の層を例１のよ うに蒸着させた。次いで、インサートには200メッシュAl₂O₃を用いた湿式ブラス ト処理を施こした。 滑らかで且つ良く付着したCrN層が得られた〔即ち、自然なフレーキング（膜 片落ち）は観測されなかった〕。表面粗度はRa＝0.2μｍであった。CrNはエッジ ライン上でスポット状に除去されたが、それでもなおインサートの他の部分に良 好に付着していた。 インサートで、Al−18％Si合金に対し下記切削データを用いた旋削試験を行っ た。 ｖ＝ 700ｍ／分 ｆ＝ 0.1mm ａ＝ 0.6mm 湿式切削 ダイヤモンド／CrN被覆したものであって、ブラスト処理されているインサー トは被覆物の破過する前に240分間持ちこたえることが出来たのに対し、ブラス ト処理していないダイヤモンド／CrN被覆インサートは180分間持ちこたえ、10μ ｍ厚ダイヤモンド被覆物のみを施こされたインサートは50分間しか持ちこたえら れなかった。 例５ 貧Co表面領域を有するWC−４％Coセメンテッドカーバイドインサートを例１の ようにダイヤモンド層で被覆した。ダイヤモンド上には、２μｍ CrNから成る第 ２の層をPVDイオンスパッタ法を用いて蒸着させた。次いで、このインサートに は砥材として150メッシュダイヤモンド粉末を用いたSiCブラシによるブラッシン グ処理を施こした。 滑らかで且つ良好に付着したCrN層が得られた。表面粗度はRa＝ 0.2μｍであった。CrNはエッジライン上でスポット状に除去されたが、それでも なおインサートの他の部分に良好に付着していた。 このインサートで、Al−18％Si合金に対し下記切削データを用いた旋削試験を 行った。 ｖ＝ 700ｍ／分 ｆ＝ 0.1mm ａ＝ 0.6mm 湿式切削 ダイヤモンド／CrN被覆したものであって、ブラスト処理されているインサー トは被覆物の破過の前まで200分間持ちこたえることが出来たのに対し、10μｍ 厚のダイヤモンド被覆物のみを施こしたインサートは50分間しか持ちこたえられ なかった。 例６ ５μｍ厚のダイヤモンド層を貧Co表面領域を有するWC−６％Coセメンテッドカ ーバイドのインサートに蒸着させた。ダイヤモンドには１μｍ厚のCrN層を被覆 した。次いで、このインサートに200メッシュAl₂O₃砥粒を用いた湿式ブラスト処 理を施こした。 このインサートで、末端ユーザの職場でAl−７％Si合金のコンポーネントに対 し下記の切削デートを用いた旋削を行った。 ｖ＝1500ｍ／分 ｆ＝ 0.8mm ａ＝１−３mm 乾式切削 ダイヤモンド／CrN被覆インサートを用いて、164個のコンポーネントを工作し たのに対し、５μｍ厚のダイヤモンド被覆物を有するインサートを用いると99個 のコンポーネントのみが工作されたに過ぎなかった。破損のメカニズムは被覆物 のフレーキングであった 。 例７ 貧Co表面領域を有するWC−６％Coセメンテッドカーバイドのインサートに10μ ｍ厚のダイヤモンド層を蒸着した。その後、このダイヤモンドを２μｍ厚のCrN 層で被覆した。このインサートで、Al−７％Si合金に対し下記の切削データを用 いた旋削試験を末端ユーザの職場で行った。 ｖ＝2500ｍ／分 ｆ＝0.25mm ａ＝ 0.5mm 乾式切削 ダイヤモンド／CrN被覆インサートを用いて136個のコンポーネントを工作する ことが出来たが、10μｍ厚のダイヤモンド被覆物を有するインサートを用いると 88個のコンポーネントしか工作出来なかった。破損メカニズムは被覆物のフレー キングであった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ // Ｂ２３Ｂ 27/14 9326−3Ｃ Ｂ２３Ｂ 27/14 Ａ Ｂ２３Ｐ 15/28 8308−3Ｃ Ｂ２３Ｐ 15/28

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つのダイヤモンド層と、炭化クロム、窒化クロム或いは炭窒 化クロムの少なくとも１つの層とで被覆された物品において、該クロム含有層が 該ダイヤモンド層の外側に配位し、そして２層以上のダイヤモンド層の場合には 該ダイヤモンド層が被覆物の最外ダイヤモンド層であることを特徴とする物品。 ２．該ダイヤモンド層が被覆される物品と直に接触しているか、或いは耐摩耗 性或いは金属性材料の＜３μｍ厚層によって基体から分離されていることを特徴 とする、請求項１に記載の物品。 ３．該クロム含有層が該ダイヤモンド層と直に接触しているか、或いはそれか ら耐摩耗性或いは金属性の材料の＜１μｍ厚層により分離されていることを特徴 とする、請求項１或いは２に記載の物品。 ４．該クロム含有層が最外層か、或いは0.1−３μｍ厚の別の耐摩耗性層、金 属性層或いは着色層を具備していることを特徴とする、先行請求項のいずれか１ 項に記載の物品。 ５．被覆後の物品がRa 0.1−0.5μｍ、好ましくは0.2−0.3μｍの表面粗度を 有していることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項に記載の物品。 ６．該ダイヤモンド層の肉厚が２−15μｍであり、該Cr含有層の肉厚が0.2− ５μｍであることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項に記載の物品。 ７．該物品が貧Co表面領域を有するセメンテッドカーバイドであることを特徴 とする、先行請求項のいずれか１項に記載の物品。 ８．ダイヤモンド被覆物品を製造する方法において、炭化クロム、窒化クロム 或いは炭窒化クロムの少なくとも１つの層が好ましく はダイヤモンド層の上に後続的に蒸着されていることを特徴とする、ダイヤモン ド被覆物品の製造方法。 ９．該被覆物品にブラスト処理やブラシ処理等の機械的後処理を後続的に施こ すことを特徴とする、請求項８に記載の方法。