JPS60100660A - 表面被覆硬質材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、基材と該基材の表面全被覆する硬質被覆層と
の付着強度が大きく、従って、切削工具などに用いた場
合その使用寿命も長い表面被覆硬質材料に関し、更に詳
しくは、物理蒸着法（ＰＶＤ法）全適用して製造した硬
質材料に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来から、切削工具等の硬質材料の製造においては、各
種の超硬合金又はセラミックスの基材の表面を、薄い硬
質被覆層で被覆することが行なわれている。

最近、硬質被覆層の形成に関しては、化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ法）による場合よりも、物理蒸着法（ＰＶＤ法）によ
る場合の方が低温被覆処理が可能であり、しかもＰＶＤ
法により被覆層を形成した材料の機械的強度は比較的低
下しないという利点を有しているため、広く注目を集め
ている。

しかしながら、ＰＶＤ法によると、基材と被覆層との間
の付着強度が極めて小す＜、そのため、切削工具などに
あっては被覆層の一部が剥離することがある。したがっ
て、ＰＶＤ法の適用は、目的とする材料の用途によって
制限されざるを得なかった。

ＰＶＤ法の適用による上記した問題全解決するために、
基材の表面に活性なチタン金属の薄層を密着層として形
成し、該チタン層の上に硬質被覆層を形成する方法が提
案されている。

しかしながら、この方法には、被覆処理工程が更に１つ
ふえること、また、チタン層は軟質層なので高温又は高
剪断力が加わる過酷な使用条件で用いられるような工具
に適用するには好適ではないこと、などの解決すべき課
題が含まれている。

〔発明の目的〕

本発明は、製造時にＰＶＤ法を適用するにもかかわらず
、基材と硬質被覆層間の接着強度が大きく、そのため、
過酷な使用条件下でも該被覆層の剥離現象を起すことの
ない表面被覆硬質材料の提供を目的とする。

〔発明の概要〕

本発明者らは、ＣＶＤ法の場合の方がＰＶＤ法による場
合よりも被覆層の基材への接着強度が大きい原因につき
調査したところ、前者の場合、基材と被覆層との界面に
は１種の拡散層が生成し、この拡散層が基材と被覆層と
の結合層的な機能を果すという知見を得た。したがって
、たとえＣＶＤ法より低い温度で実施されるＰＶＤ法に
あっても、上記したような拡散層全生成できれば基材と
被覆層との接着強度は向上するであろうとの着想を得、
該着想に基づいて鋭意研究を重ねた結果、驚くべきこと
には、ＰＶＤ法を適用するに当り基材の表面全充分に洗
浄すると、通常のＰＶＤ条件でもある種の基材と被覆層
の間に１種の拡散層が形成できるとの事実を見出し、本
発明を完成するに到った。

すなわち、本発明の表面被覆硬質材料は周期律表’−□
ｆｌ／／ａ　、　Ｖａ　、　、Ｍ、、族に属する元素の
少なくとも１種の元素の炭化物、窒化物、酸化物、ホウ
化物、ケイ化物及びこれらの相互固溶体の群から選ばれ
る少なくとも１種の硬質相成分と、鉄（Ｆｅ）、ニッケ
ル（Ｎｉ）、コバルト（ＣＯ）、クロム（Ｃｒ　）　、
モリブデン（Ｍｏ　）　、タングステン（Ｗ）の群から
選ばれる少なくとも１種の結合相成分とから成る基材表
面２　ｐｖｐ法により硬質被覆層で被覆した硬質材料で
あって、該硬質被覆層と該基材との界面の基材表面部に
拡散層を生成させたことを特徴とする。

本発明において硬質被覆層で被覆される基材は硬質相成
分と結合相成分とから成る焼結合金である。硬質層成分
としては、周期律表’ｐｉ；’ａ　、　Ｖａ　。

・、■ａ族に属する元素の炭化物、窒化物、酸化物、ホ
ウ化物、ケイ化物及びこれらの相互固溶体の１種又は２
種以上である。好ましくは、Ｔｉｃ、ＴＩＮ　。

ＺｒＣ、ＶＣｔ　ＴａＣｔ　ＮｂＣ、Ｍｏ２Ｃ＊　Ｃｒ
３Ｃ２＋　ＷＣ＋ＴＩＢ　ｒ　ＴａＳｉ　ｒ　ＴｉＯ、
Ｚｒ０ｚなどである。とくに２　２ ＴＩＣｌＴＩＮ、ＴａＣ２ＮｂＣＩＷＣの少なくとも１
種が含有されている場合は、後述する拡散層を生成し易
すいので好都合である。

結合相成分としては、　Ｆｅ　、　Ｎｉ　ｅ　Ｃｏ　ｒ
　Ｃｒ　ｔＭｏ　、　Ｈのいずれか１種又は２種以上で
あり、好ましくは、Ｃｏである。

基材は、上記した硬質相成分の粉と結合相成分の粉とを
所定の割合いで混合し、常法により成形、焼結して製造
することができる。このとき結合相成分の配合割合は、
通常１〜３０重量％重量％上い。

この基材の表面にはＰＶＤ法で硬質被覆層が形成される
。硬質被覆層を構成する材料は、周期律表Ｎ＝ａ族に属
する元素の炭化物、窒化物、ホウ化物、及びそれらの相
互固溶体若しくはそれらの混合物又は酸化アルミニウム
（Ａ１２０３）の少なくとも１種の層から成る。例えば
、Ｔｉｃ、　ＴＩＮ　、　ＴｌＢ２；ＺｒＣｅ　ＺｒＮ
　、　ＺｒＢ　、”　ＨｆＣ、ＨｆＮ　、　ＨｆＢ２　
；１吏五ＴｉＣ０、ＴｉＮ０　、ＴｉＣＮ０％　（ＴＩ
Ｚｒ）（−ｐ　（ＴｉＨｆ）ＣｐＡ１２０３等が基材に
官有１〜でいる侵入型元素の拡散奮起こさせて硬質被覆
層と基材との界面の基材表面部に拡散層全生成し易やす
くする。

被覆層は上記した各材料の単層であってもよいが、これ
ら金２層以上順次積層して成る複合層であってもよい。

以上のような本発明の硬質材料は次のようにして製造さ
れる。その製造方法における最大の特徴は、基材の表面
を、基本的には後述する方法で、充分に洗浄して該表面
に付着している不純物又は基材の結合相成分の酸化物等
を完全に除去し、しかも清浄な雰囲気中でＰＶＤ法を適
用することにある。

まず、基材の表面を非イオン系界面活性剤で充分に洗浄
し、表面のヨゴレ、油等全完全に除去する。洗浄時には
、表面を傷つけない程度にブラッシング処理を施すこと
が効果的である。用いる界面活性剤としては非イオン系
であることが必要で陽イオン系又は陰イオン系の場合に
は、基材表面にこれら各イオンが残留してしまう慮れか
あって避けるべきである。

ついで、基材表面金酸液中で洗浄する。このとき、超音
波洗浄を適用することが有効である。酸液としては、塩
酸、希硫酸などが好ましく、またそのｐＨは基材成分及
び基材の表面状態、例えば焼結した状態の焼肌面並びに
研削又は研摩した加工面によって異なるが、約声５〜Ｇ
であることが好ましい。この基材表面の汚染状態によっ
ては酸液洗浄粂件である酸液の種類、洗浄時間、温度又
はｐＨ値を更に違憲する必要がある。この過程で、基材
表面に存在する結合相成分が酸化汚染している場合には
それが溶解して除去される。

その後、純水中で超音波洗浄し、前記の２工程を経て基
材表面に残留する活性剤、酸液、等を完全に除去する。

純水には、イオン交換樹脂で処理して水の中の微量な金
属成分金も完全に除去したものが用いられる。

かくして、基材の表面は、硬質相成分と結合相成分とか
らのみ構成てれた表面となる。

ついで、基材全有機溶剤の中に入れて超音波洗浄し、水
金有機溶剤で置換する。有機溶剤としては、揮発性のも
のが用いられ、具体的には、メチルアルコール、エチル
アルコール、アセトン、エーテルなどが好捷しいものと
してあげられる。

最後に、乾燥処理音節（７、得られた清浄な基材表面に
ＰＶＤ法全法用適用硬質被覆層を形成する。

適用するＰＶＤ法は常用の方法でよく、格別、制限を受
けるものではなく、例えばイオンブレーティング法、ス
パッタリング法及びプラズマ中でのガス反応による被覆
方法等を適用できる。温度は被覆層材料の種類によって
異なるが、通常、２００〜７００℃程度が望ましい。

このとき、表面が洗浄された基材ｉ　ＰＶＤ装置にセッ
トするとき、又はＰＶＤ操作を行なうとき、いずれにお
いても、基材表面全汚染しないように注意すべきである
。例えば、基材を装置にセットするとき、その操作を湿
度の低い乾燥空気中で行なうことが好ましい。

このようにしてＰＶＤ法で硬質被覆層を形成すると基材
と被覆層との界面に１種の拡散層が生成する。具体的に
は、基材の表面がある深さに亘って基材を構成する硬質
相成分中の非金属成分（例えば、Ｃ，Ｎ、Ｂ）ｆ減じた
化合物の層又は不定比化合物の層になる。逆にいえば、
基材表面部分の該非金属成分が被覆層の方に拡散して、
基材とは。

異質であり厚み０，０５〜１μｍの拡散層が生成する。

詳細は不明であるが、この拡散層が介在することにより
、基材と被覆層との接着強度は向上するものと考えられ
、特にこの拡散層厚さが０．１〜０．５μｍのときが好
ましい。

〔発明の実施例〕

実施例１ 硬質相成分ＷＣ９０重′＃チ、結合相成分Ｃｏ１０重量
％から成る材料の、フライス切削用５ＤＣＮ４ａＺＴＮ
型研削チツプの表面に、中性洗剤の５％水溶液のシャワ
ー内で自動ブラッシング処理全１施した。

ついでチップ全一１６の塩酸水溶液中で超音波洗浄し、
オーバーフローしている純水の超音波洗浄器４檜に順次
通した。その後、エチルアルコールの超音波洗浄器３槽
に通し、更に、アセトンの超音波洗浄器３槽に通した。

ついで、フロンの超音波洗浄器２槽に通した後、最後に
６０℃でフロン乾燥した。各槽内での基材の洗浄時間は
それぞれ７分であった。

チップを、湿度２０％の乾燥空気中で、充分に洗浄した
ステンレス製冶具に取り付け、充分クリーニングしたイ
オンブレーティング装置内にセットした。

装置内ｆ　１０−５Ｔ、ｏｒｒまで排気したのち、炉内
真空度ｆ　１０−’　Ｔｏｒｒよりも高真空に保持して
チップを徐々に加熱して最終的には５００℃とした。

ついで、チップ表面を、純度９９．９９９９９９％のア
ルゴンガスで４０分間ボンバードし、その後、窒素ガス
全流入して装置内の窒素ガス分圧’！ｉｏ、１３Ｐａと
して常法によりＴｉＮをＰＶＤ　した。このときの硬質
被覆層の析出速度は１．３　Ｘ　１０””μｍ／ｓｅｃ
であり、その硬質被覆層の厚さは約２μｍであった。

チップの基材が、ＷＣ７２重量％、Ｔｉｃ　１０重量％
、ＴａＣ１０重量％、Ｃｏ　８重量％の焼結合金であっ
たこと、被覆層が、温度５ｏｏ℃、アセチレン分圧Ｑ、
　１０　Ｐ＆で形成した厚み約１μｍのＴａＣ層と、温
度６５０℃、酸素ガス分圧４　Ｘ　１０−２Ｐａ。

ＡＩ！電子ビーム蒸着によって形成した厚み約１μｍの
ＡＩ！２０３とをこの順序で積層した層であったこと、
全線いては実施例１と同様にして硬質材料を製造した。

比較例１ 基材は、中性洗剤による超音波洗浄を施し、ついでｐＨ
５の硫酸水溶液中で超音波洗浄した後オーバフローして
いる純水の超音波洗浄器２槽に順次通した。その後水切
りフロン槽を通してから最後に６０℃でフロン乾燥した
。その他は、実施例１と同様にして硬質材料全製造した
。

比較例２ 比較例１において、アルゴンガスで基材表面をボンバー
ドしたのち、該表面にまずチタン層を０．１μｍ形成し
、ついでその表面に窒素ガス分圧Ｑ、　１３　Ｐａの条
件で厚み１．９μｍのＴｉＮ’ｉ被覆した。被覆層の析
出速度は１．３　Ｘ　１０−３μｆｆｌ／　ｍ＠ｅであ
った。

以上４種類のチップで、ステンレススチール（５ＴＪＳ
　３０４　）のブロック全フライス切削した。

切削条件は、切削速度１４８　ｍ／ｍｌｎ　、切り込み
量２ｍ、送り速度０．３　ｍｕ　／刃、切削時間３０分
であった。

被剛材と接触したチップすくい面の面積中、表面被覆層
の剥離している割合を測定した。実施例１のもの３．２
％、実施例２のもの１．８チ、比較例１のもの７８チ、
比較例２のもの４９チであった。

なお、実施例１．実施例２のチップを切断してその断面
状態を顕微鏡観察したところ、いずれも基材と被覆層と
の界面において基材側に約０．１５μｍ（実施例工）、
約０．２５μｍ（実施例２）の深さで基材とは組織の異
なる層が認められた。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明の硬質材料は、基
材と硬質被覆層との接着強度が大きく、したがって切削
工具に用いる場合も該被覆層が剥離することはなく、そ
のため使用寿命が長くなる。

ま罠、その製造方法においては、基材表面を清浄にし、
他は常用のＰＶＤ法を適用して上記の有用な材料を製造
することができ、その工業的な効果は犬である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、周期律表ＩＶａ　）　−Ｖａ　、　Ｖａ族に属する
   元素の少なくとも１１事の元素の炭化物、窒化物、酸化
   物、ホウ化物、ケイ化物及びこれら相互固溶体の群から
   選ばｎる少なくとも１１・且の硬質相成分と、鉄、ニッ
   ケル、コバルト、クロム、モリブデン、タングステ７０
   群から選ばれる少なくとも１種の結合相成分とから成る
   基材の表面を物理蒸着法（ＰＶＤ法）により硬質被俊層
   で被覆した硬質材料であって、該硬質被覆層と該左利と
   の界面の基材表面部に拡散層全生成させたことを特徴と
   する表面被覆硬質材料。 ２、該基材が、炭化タングステン、炭化タンタル、炭化
   ニオブ、炭化チタン、窒化チタンの群から選ばれる少な
   くとも１種の硬質相成分を含有する特許請求の範囲第１
   項記載の表面被覆硬質材料。 ３、該硬質被覆層が、周期律ｄｌＶａ族に属する元素の
   炭化物、窒化物、ホウ化物、及びそれらの相互固溶体若
   しくはそれらの混合物又は酸化アルミニウムの群から選
   ばれる少なくとも１種の層である特許請求の範囲第１項
   記載の表面被覆硬質材料。 ４　該拡散層が、厚さ０１〜０５μｍの化合物又は不定
   比化合物から成る特許請求の範囲第１項記載の表面被覆
   硬質材料。