JPS60204687A - 表面被覆窒化珪素基セラミック工具部材 - 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】 この発明は、ロール、ガイドローラー、シール−リング
、ロッカーアームチップ、ノズル類、ダイス等の耐摩耗
工具あるいは尚硬度の被刀ロエ物に対する切削工具に用
いられるセラミック部材に関し、その部材は、耐熱性の
高い窒化珪素（以下、Ｓ　＋　ｌＮ４で示す）基セラミ
ックの表ｍｌに中間層全形成し、さらに、耐摩耗性のよ
シ高いＢと１〜とからなる組成の外側層全形成したもの
である。

８ｉ、Ｎ、基セラミックは、一般に、優れた尚温強度及
び耐摩耗性を有するので、両温において用いられる耐摩
耗工具や切削工具としても使用されてい入−前置ＰのＴ
且材斜〉１−で、ＳｈＮ□を８（１〜９５重量％、残り
がＡｔの酸化物、Ｍｇの酸化物、Ｚｒの酸化物、Ｙの酸
化・物、Ｓｌの酸化物及びＡｔの塁化物のうちの１種以
上からなる組成を有し、空隙率が５チ以下のＳｉ、Ｎ、
基セラミックが実用されている。

そして、前記のよりなＳｉ、Ｎ、［セラミックは、Ｎ１
基耐熱合金などの切削に対しては、実用的な性能を有し
ている。しかしながら、Ｓｉ、ｌ’Ｊ、は鉄との親和性
が強く、鉄と反応しやすいために、鋳鉄や鋼と摩擦を生
じる場合や、それらを切削する陽６、工具寿命が短かい
。

そこで、５ｉＩＮ１基セラミツクの鉄との反応全抑制し
、前記セラミックの工具寿命全延長する研究が種々性な
われ、その結果５ｉｌＮ４　（ｉ−主体とし、残シがＭ
の酸化物、Ｍｇの酸化物、Ｙの酸化物　Ｓｉの酸化物及
びＡｔの窒化物のうちの１種以上からなる組成に、元素
周期表の４ａ族（即ち、Ｔｉ　、　Ｚｒ及びＨｆ　）の
炭化物２塁化物及び炭窒化物の１種以上を含有させたセ
ラミック工具材料が開発された。しかしながら、このセ
ラミック工具材料も、その工具寿命は充分長いものとは
言えない。

更に、元素周期表の４ａＮの炭化物、窒化物及び炭窒化
物の１種以上を含有させた前記セラミック工具材料の鉄
との反応全抑制し、ひいては工具寿命を延長すべく研究
がなされた結果、′ｉｌ　ｉの炭化物、窒化物、炭窒化
物、炭酸化物及び炭窒酸化物並びにｋｌのば化物のうち
の１層以上を、前記セラミック工具材料の表面に被覆す
ることにより、鋳鉄の高速切削において、被棟しないも
のに比較して工具寿命が２〜３倍に延長されることが見
い出された。

この発明の目的は、前記の表面被覆Ｓ　ｌ　ｓ　Ｎ４基
セラミツクを用いて耐摩耗工具又は切削工具としての寿
命がより一層延長されたセラミック部材金得ることであ
る。

本発明者らは鋭意研究の結果、前記のような従来の表面
被覆Ｓｉ　、Ｎ、基セラミックの被覆層の少なくとも一
部の表面（但し、少なくとも摩耗を生じる面あるいは切
削面）に、さらにＢとＮとからなる（以下、Ｂ−Ｎと略
す）外−１ｊ被覆ｊ−を設け、前記外側被積層の組成及
び結晶構造を下記のような特定のものとすることによシ
、多ノー被憶されたセラミックの硬さ、ひいては耐摩耗
性を向上させ、例えば高硬度の鋼の切削においても被覆
層を全く設けない場合に比較して、５〜８倍工具寿命を
延長できることを見い出した。

ａ）Ｂ−Ｎ薄膜の組成及び結晶構造についてまず、スパ
ッタリング法を用いてＢ−Ｎ組成の薄膜を形成し、形成
された薄膜の組成はオージェによる半定量的分析によシ
同定し、又、結晶構造は電子顕微鏡による電子線回折に
よシ同定し、形成された薄膜の組成及び結晶構造と硬さ
との関係を調べた スパッタリング法は、高純度のホットプレス六万品窒化
硼素板をターゲットに、そして母材セラミック金基板に
用いて高周波スパッタリングする方法である。

その結果、 ａ）−１形成された薄膜に立方晶窒化硼素（以下、ｃＢ
Ｎで示す。）が含有されると、薄膜の硬さはビッカース
硬さで３５００〜５ｏｏｏｘｃｒ／−になること、 ａ）−２形成された薄ｄのＢ／Ｎ（原子比）が１．０〜
１，２のとき、ｃＢＮの生成が顕著になり、父、薄膜の
硬さも高い（ビ ッカース硬さで３７００〜５０００呻 ／−）こと、 ａ）−３形成された薄膜のＢ／ｌ’Ｊ（原子比）が上記
の範囲以外でもｃＢＮの生成が認 められる場合がある。しかしながら、 その場合は薄膜の硬さがそれ程向上し ないこと。

ａ）−４スパッタリングの条件が基板温度３００℃未満
及び／又はバイアス電圧１００ Ｖ未満の場合は、形成された薄膜のＢ ／Ｎ（原子比）が１．０〜１．２であっても薄膜中にｃ
ＢＮが確認で＠ないこと。

が判明した。

したがって、薄膜の硬さを高めるためには、Ｂ／Ｎ（原
子比）　；　１．０〜１２の範囲にある組成で、しかも
、ｃＢＮを含む薄膜とすることが必要である。

ｂ）従来の表面被覆Ｓ　ｉ　、　Ｎ４基セラミツクにさ
らに被覆されたＨ−Ｎ層の組成及び結晶構造について 多層被覆Ｓ　１ｓＮ４基セラミック部材の硬さとの関係
を調べたが、ａ）と同様の結論が得られた。

この発明は、上記知見に基いて発明された耐摩耗工具又
は切削工具用多層被覆セラミック部材であり、 元素周期表の４８族の炭化物２塁化物及び炭窒化物の１
棟以上：５〜３７％。

Ａｔの酸化物２Ｍｇの酸化物、Ｚｒの酸化物、Ｙの酸化
物、Ｓｌの酸化物及びＭの窒化物のうちの１種以上：２
〜１５％。

を含有し、残９が窒化珪素からなる組成（以上、重量係
）をＭ　シｓ空隙率が５％以下の窒化ｙ−記素素糸ラミ
ック基体の少なくとも摩耗を生じる面あるいは切削向に
、 ＴＩの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物及び炭窒酸
化物並びにＭの酸化物のうちの１層以上からなる中間層
上平均層厚０．５〜１０μ岳で形成し、さらに、前記中
間層の少なくとも一部の表面（但し、少なくとも摩耗を
生じる面あるいは切削面）に、 ＢとＮとからなシ、Ｂ／Ｎ（原子比）が１０〜１．２の
範囲である組成を有し、しかも、立方晶讃化んＩＩＲ素
を含む外側層金、０．２〜１０μｍの平均層厚で形成し
てなるものである。

以下、この発明の詳細な説明する。

（１）セラミック基体について 元素周期表の４ａ族の炭化物、窒化物及び炭窒化物の１
棟以上とは、Ｔｉの炭化物、Ｚｒの窒化物。

Ｈｆの炭化物　Ｔｉの窒化物、　ＺｒＯ屋化物、　Ｈｆ
の窒化物、Ｔｉの炭窒化物、Ｚｒの炭窒化物及びＨｆの
炭窒化物（以下、　ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、’ｌ”ｉ
Ｎ　、　ＺｒＮ　、　ＨｆＮ。

Ｔｉ　ＣＮ　、　ＺｒＣＮ　、及びＨｆＣＮ−Ｃ’示す
。＞から−ｉる杵よシ選ばれた１種以上のことである。

これらの成分は鉄との親和性を低下させるのにＭ効で６
１、ひいては耐摩耗性の向上に効果かめる。その含有量
が５チ未満ではセラミック基体、ひいては表面被覆セラ
ミック部材に所望の耐摩耗性が得られないし、逆に、３
ｔｑｂｅ超えると、セラミック基体の焼結性が不充分と
なり常温強度の低下を招くと共に、相対的にＳｉ　、Ｎ
４量が少なくなり過ぎ、Ｓｉ、Ｎ。

の持つ優れた篩温強度及び耐熱衝撃性が低下するために
、その含有量を５〜３７％とした。

Ａｔの酸化物、　Ｍｇの酸化物、Ｚｒの歌化物、Ｙの酸
化物、Ｓ監の酸化物及びＭの窒化物（以下、ＡｚｔＯｓ
ｔＭｇＯ、ＺｒＯ＊　、　ＹｘＯｓ　、　Ｓ＋０．及び
ＡＬＮで示す。）のうちの１棟以上は、焼結助剤である
。その含有量が２％未満では焼結不充分とな）、一方、
１５％を超えると、液相量が多くな９過ぎ、粒成長も著
しく強度、硬さ共に低下するために、その含有！全２〜
１５％とした。

この発明の５ｌＩＮ４基セラミック基体の空隙率は５％
以下である。これは、壁隙率が５％を超えると、前記セ
ラミック基体の硬さが低下し、ひいては、その耐摩耗性
も低下するためである。

Ｔｉの炭化物、窒化物、炭４化吻、炭は化物及び炭窒酸
化物並びにＭの酸化物のうちの１層以上とは　ｒｌ＋　
ｔの炭化物、’Ｌ’ｉの窒化物　ｒｌｌｌの炭窒化物、
Ｔ１の炭酸化物及びＴｉの炭窒酸化物並びにＭのは化物
（以下、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔ１ＣＮ　、ＴｉＣＯ及ヒ’
ｆ’１ｃＮＯ並びにｋｔｘＯｓで示す。）からなる群よ
Ｑ選ばれた１層、あるいは前記の層の上に順次前記群よ
り選ばれた層を１層以上重ねた多＋＊’ｉ意味する。こ
の中間層は、それ自体硬質であり、しかも、耐摩耗工具
あるいは切削工具によって加工される鉄と、前記工具材
料であるセラミック中のＳｉ、Ｎ、との反応を妨げ、ひ
いては前記工具の耐摩耗性全向上させるために、基体に
被覆される。その平均層厚が０．５μｍ未満であると、
工具の耐摩耗性向上、ひいては寿命延長の効果が得られ
ず、逆に１０μｍ金超え６と、被覆層のはくシによるチ
ッピングを生じやすくなるために、中間層の平均層厚全
０．５〜１０μｍと定めた。

（ｌｌｌ）外側層について この登明のセラミック畑材中の八個１扇はＨふＮとから
なるのであるが、不純物として酸素を含むこともある。

酸素含有は外側層の性能に影響しないように、Ｏ／Ｎ＜
０．１５を満足することが望ましい。

又、外側層はＢ／Ｎ（原子比）がｌＯ〜１．２の範囲の
組成であジ、しかも、ｃＢＮを含むことが必要であるが
、その理由については知見事項の所で述べた。

そして、外・側層の平均ノー厚は０２〜１０μｍに限定
されるが、これは０．２μ以下では耐摩耗性向上の効果
が小さく、１０μを越えて厚くすると被覆層のハクリに
よるチッピングを生じやすくなるためである。

そして、この発明の多層被覆セラミック部材はセラミッ
ク基体の少なくとも摩耗を生じる面あるいは切削面に中
間層を形成し、さらに、前記中間層の少なくとも一部の
表面（但し、少なくとも摩耗を生じる面あるいは切＝１
＋而ンに外側層を形成するものである。即ち、例えば、
セラミック基体の全表面に中間ノーと外側層とからなる
多ノーを設けたものでもよいし、あるいは、中間層のみ
セラミック基体の全表面に設け、外側層は摩耗を生じる
而又は切削面に設けたものでもよいし、あるいは逆に中
間層はセラミック基体の摩耗を生じる而又は切削面に設
け、外側層を、中間層の上に中間層で蔽われている部分
を越えて全表面に設けたものでもよいし、中間層と外側
層からなる多層をセラミック基体の摩耗を生じる面又は
切削面に設けたものでもよい。とにかく、中間）―と外
側層の側層が少なくとも摩耗音生じる面又は切削面の部
分を完全に蔽うことが必要である。

ところで、この発明の多層被覆セラミック部材は次のよ
うにして製造される。

まず、通常の方法により製造されたＳｉ３Ｎ４基セラミ
ック基体の上に、公知の化学蒸着法によ９１層あるいは
多層の中間層全形成する。次に、中間層の上に外側層を
被覆形成するのであるが、その形成法としては、知見事
項ａ）の所で述べたようなスパッタリング法、硼素と窒
素のイオンビームを同時に蒸着する方法及び硼素のみ通
常の蒸着法を用い、１素のイオンビームＴｈ　′Ｆｐ）
ＩＩ（素Ｊ漠の中に打ち込む方法などが挙げられる。い
ずれの方法を用いても、形成されたＢ−Ｎ外側層の組成
がこの発明の原子比による組成範囲内であって、ｃＢＮ
の生成が確認され、しかも前記外側層の平均層厚がこの
発明の範囲内であれば、外側層の特性は同じであってこ
の発明に含まれる。

以下、実施例及び比較例により、この発明の構成及び効
果を詳細に説明する。

実施例１及び比較例 原料として、平均粒径０．５μのα−９ｉ　、Ｎ、粉末
。

同０．８μのＴｉＮ粉末、同０３μのＡｔりＯ１粉末、
同０．５μのＹ　ｘ　Ｕ　ｚ粉末を用いた。

α　−Ｓ＋ｍ　Ｎ４　：　８　９　重二２ａ　！叱ｂ　
、Ｔ　ＩＮ　：　６　Ｍ　＊　％　５Ａ−ｔ、Ｏｓ　：
　２重量楚及びＹ、（Ｊｌ：３重量襲となる量の前記原
料粉末全ボールミルで５０時時間式混合し取シ出し乾燥
した。前記の乾燥粉末混合物を１ｔ／−の圧力でプレス
成形し、窒素気流中において１８００　’Ｃで３０分間
焼結し、実質的に配合組成を得た。このセラミックを研
６１］してＩＳＯ規格で８ＮＧＮ４３’２の形状にし、
基体とした。

この基体の全表面に、公知の化学蒸着法を用いて平均層
厚１０μｍのＴｉＣからなる１ｊ響の中間層全形成した
。

次に、六方晶窒化硼素のターゲラトラ用いた高周波スパ
ッタリング法により、＝ｉＪ記基体上の中間層の上の片
側すくい面にＢ−Ｎ組成の外側層全形成させた。スパッ
タリングは、基体加熱温度を４００℃、Ｎ、／Ａｒ、（
雰囲気ｉス比）　−１／　４　、ＩＦ囲気圧力１０−ｓ
ｌｏ−５ｔ１．バイアス電圧１５０ｖテ１５時間行なわ
れ、平均層厚２．５μｍのＢ−１Ｎ外側層が形成された
。

形成された外側層について、オージゴ分析及び透過電子
線回折全行なった所、形成された外側層はに３／Ｎ（原
子比）が約１０５の組成ヲ南し、ｃＢＮ結晶を含有して
いた− 前記の多層被覆されたセラミック部材（本発明品）の（
多層被覆側の）ビッカース硬さは３８００ｖ１１／−苧
−Ａ、り昏　−士　甲１ρ騙ハ五ム女１　がＡＥｌｌ席
音用しないセラミック部材のビッカース硬さは２７００
ｋｆ／−であシ、全く被覆層を有しない基体の葦まのビ
ッカース硬さは１８００ｋｐ／−であった。

本発明品、　Ｔｉ　Ｃ層のみを有し外側層を有しないセ
ラミック部材及び全く被覆層をＭしない基体のままのも
のを用いて、下記の鋳鉄に対する切削試験全行なった。

〔切削試験〕

被削材：プリネル硬さが２３０のＦＣ３０切削条件 切削速度：　６００　ｍ／分 送シ　：０．２０閣／ｒｅｖ 切込み　：３ヨ 切削油　：エマルジョンタイプ 全く被覆層を有しない基体の葦までは切削時間２分で寿
命となシ、又、’ｆ’ｉｃ層のみを有し外側層を有しな
いセラミック部材では切削時間５分で寿命となったのに
対し、本発明品は切削時間１ｏ分でまだ使用可能であっ
た。上記の切削では結局、本発明品の寿命は１２分であ
った。したがって、本発明品は被覆層の全くない場合に
比較して６倍、又　１１１ｉ　Ｃ層のみ金有する場合に
比較して２．４倍の切削工具としての寿命を有する。

実施例２及び比較例 第１表の本発明品Ｎα１〜８及び比戟品凪１〜８の種々
の基体組成をＭするよりに、原料粉末を配合し、ボール
ミルで５０時時間式混合し、取り出し乾燥した。前記の
乾燥粉末混合物音１　ｔ　／　ｃａの圧力でプレス成形
し、４累気流中において１８００℃で３０分（−焼結し
、それぞれ実質的に第１表記載の組成をＭし、第１表記
載の空隙率を肩するセラミックを得た。このセラミック
を研削してＩｓり規格で５ＮＧＮ４３２の形状にし、基
体とした。

前記基体のビッカース硬さ全測定し、その結果を第１表
に示す。

前記基体（但し、比較品１蒐１の基体を除く。）の全表
面に公知の化学蒸着法にょ９第１表記載のような１〜３
１−からなる中間層を第１表記載の平均層厚で形成した
。

前記の中間層で被覆された基体の（中間層側の）ビッカ
ース硬さを測定し、その結果を第１表に示゛す。

次に、１１記の基体上の中間層の片側すくい面に、六方
晶窒化硼素のターゲットに用いた高周波スパッタリング
法により、　１１−Ｎ組成の外側層を形成させ、本発明
品Ｎα１〜８及び比較品を線３〜８を得た。なお、比較
品、→α１は被覆層全音く有しない基体のままのもの、
比較品縄２はＢ−Ｎ層を有しないものである。

本発明品を得るためのスパッタリングは、基体加熱温度
を２００〜５００℃、Ｎｔ／Ａｒ（参囲気ガス比）＝Ｉ
／１〜１／２０．雰囲気圧力１ｏ−４〜５　Ｘ　１．０
　’　ｍｔ−ｆｇ　Ｉバイアス電圧５０〜２００■で０
．５〜２０時間行なった。

形成された被積層について、オージェ分析及び透過電子
線回折を行ない、得られた８／Ｎ　（原子比）のｉｌＭ
及びｃＢＮの有無についての結果ヲ第１表に示す。父、
被覆層の平均層厚を被処理物の研摩断面を顕微鏡で測定
する方法によりめ、その結果も第１表に示す。

そして、本発明Ｎ［Ｌ１〜８及び比戦品Ｎα３〜８につ
いて、多層（被覆側の）ビッカース硬さを測定し、その
結果を第１表に示す。

本発明品蝿１〜８及び比較品１１１１１〜８を用いて、
下記のような鋳鉄に対する高速切削試験′全行ない、そ
の摩耗量全測定し、更に、刃先状態を観察し、それらの
結果全第２表に示す。刃先状態において、正常とは逃げ
面摩耗が均一に生じ、すくいｍｔｓ耗が小さい状態を指
し、摩耗量とは逃げ面摩耗が部分的に大きく生じる、あ
るいはすくい面ｌψ耗が大きい状態でめり、カケとは切
刃の先端が切削中に欠損した状態を示す。

〔切削試験〕

被削材：プリネル硬さが２３０のＦＣ３０切削条件 切削速度：５００ｍ／分 送り　＝０．３０ｍｍ／ｒｅｖ 切込み　：２５震 切削油二エマルジョンタイプ 切削時間＝６分 第２表 第１〜２表から次のことがわかる。

被覆１６　ｋ全くＮＬない基体の−まま（比較品随１参
照）では２分で寿命となり、ｔｉ−Ｎ被後ｔｒｉ　ｋ有
しない場合（比較品ｉα２参照）には４分で寿命となる
。父、中間層と外側ｊ−とを共に有するが、但し、外側
層の平均層厚が本発明範囲よりも大きい比較品Ｎα８で
は刃先のカケを生じ３分で寿命となるし、又、外側層の
平均層厚が本発明範囲よりも小さい比較品Ｎα７では４
分で寿命となる。

これに対し、不発明品では５分＋ｉｌ）の切削時間に耐
え％Ｂ／Ｎ（原子比）とＣＢＮ有無の一方か両方で本発
明からはずれる比較品）（α３〜４及び５〜６に比較し
て摩耗量が小さく、シかも刃先状態も正常である。

このように、本発明の多層被覆セラミック部材によって
切削工具寺の工具寿命の延長がＩｊＴ舵になったのであ
り、本発明の工業的意義は太きい。

出願人　三菱金属株式会社 代理人　富　１）　和　夫　外１名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 元素周期表の４ａ族の炭化物、窒化物及び炭窒化物の１
   種以上＝５〜３７チ、 Ａｔの酸化物、Ｍｇの酸化物、Ｚｒの酸化物、Ｙの酸化
   物、Ｓｌの酸化物及びＭの窒化物のうちの１種以上：２
   〜１５％、 を含有し、残りが窒化珪素からなる組成（以上、重量％
   ）を有し、空隙率が５％以下の窒化珪素基セラミック基
   体の少なくとも摩耗を生じるｌＩＯあるいは切削面に、 ＴＩの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物及び炭窒酸
   化物並びにＡｔの酸化物のう７ちの１層以上からなる中
   間層を平均層厚０．５〜１０μｍで形成し、さらに、前
   記中間層の少なくとも一部の表面（但し、少なくとも摩
   耗を生じる曲あるいは切削面）Ｉ：、ＢとＮとからなり
   、Ｂ　／　Ｎ（原子比）が１０〜１，２の範囲である組
   成を有し、しかも、立方晶４化硼素を含む外側層ｉ、’
   ０．２〜１０μｍの平均層厚で形成してなる耐摩耗工具
   又は切削工具用多層被後セラミック部材。