JPS62164869A - 高硬度被覆材料とその製造方法 - Google Patents
高硬度被覆材料とその製造方法Info
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Landscapes
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、高硬度被覆材料とその製造方法に関する。
例えば工具材料のような母材の表面を硬質セラミックス
で被覆して工具寿命を延長させることが行われている。
で被覆して工具寿命を延長させることが行われている。
ところが、超硬材料である立方晶窒化ホウ素（Ｃ−ＢＮ
） 、立方晶５ｉＢＮ （Ｃ−ＳｉＢＮ）あるいは立方
晶ＢＣＮ （Ｃ−ＢＣＮ）を含む窒化ホウ素系膜を、母
材としてのタングステン・カーバイド（ＷＣ）を主成分
とする超硬会合材料や工具鋼等の工具材料上に形成する
場合、ホウ素（金属ホウ素）の母材中への拡散により脆
化層が生成され、当該母材が脆くなる欠点がある。特に
工具として使用する場合、工作時の温度上昇により母材
へのホウ素の拡散が激しくなり、脆化層の生成が促進さ
れる。
） 、立方晶５ｉＢＮ （Ｃ−ＳｉＢＮ）あるいは立方
晶ＢＣＮ （Ｃ−ＢＣＮ）を含む窒化ホウ素系膜を、母
材としてのタングステン・カーバイド（ＷＣ）を主成分
とする超硬会合材料や工具鋼等の工具材料上に形成する
場合、ホウ素（金属ホウ素）の母材中への拡散により脆
化層が生成され、当該母材が脆くなる欠点がある。特に
工具として使用する場合、工作時の温度上昇により母材
へのホウ素の拡散が激しくなり、脆化層の生成が促進さ
れる。
そこでこの発明は、ホウ素の母材中への拡散を抑制でき
るようにした高硬度被覆材料とその製造方法を提供する
ことを目的とする。
るようにした高硬度被覆材料とその製造方法を提供する
ことを目的とする。
この発明の高硬度被覆材料は、母材の表面に、元素周期
表のＮａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素またはそれ
らの炭化物もしくは窒化物から成る中間層を形成し、更
に当該中間層の表面に窒化ホウ素系膜を形成しているこ
とを特徴とする。
表のＮａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素またはそれ
らの炭化物もしくは窒化物から成る中間層を形成し、更
に当該中間層の表面に窒化ホウ素系膜を形成しているこ
とを特徴とする。
この発明の製造方法は、真空中において、母材の表面に
物理的成膜方法によって元素周期表のＮａ族元素、Ｖａ
族元素、ＶＩａ族元素またはそれらの炭化物もしくは窒
化物から成る中間層を形成し、ついで当該中間層の表面
に少なくともホウ素の蒸着と窒素イオンの照射を同時に
行うことによって窒化ホウ素系膜を形成することを特徴
とする。
物理的成膜方法によって元素周期表のＮａ族元素、Ｖａ
族元素、ＶＩａ族元素またはそれらの炭化物もしくは窒
化物から成る中間層を形成し、ついで当該中間層の表面
に少なくともホウ素の蒸着と窒素イオンの照射を同時に
行うことによって窒化ホウ素系膜を形成することを特徴
とする。
この発明の高硬度被覆材料においては、中間層によって
、窒化ホウ素系膜の成分であるホウ素が母材中へ拡散す
ることによる脆化層の生成が阻止される。これによって
、窒化ホウ素系膜の高硬度特性を十分に生かした高硬度
被覆材料が得られる。
、窒化ホウ素系膜の成分であるホウ素が母材中へ拡散す
ることによる脆化層の生成が阻止される。これによって
、窒化ホウ素系膜の高硬度特性を十分に生かした高硬度
被覆材料が得られる。
一方、この発明の製造方法によれば、母材上に密着性の
高い中間層が形成されると共に、当該中間層上に立方晶
系の結晶粒を含む高硬度でしかも密着性の高い窒化ホウ
素系膜が形成される。
高い中間層が形成されると共に、当該中間層上に立方晶
系の結晶粒を含む高硬度でしかも密着性の高い窒化ホウ
素系膜が形成される。
第１図は、この発明に係る高硬度被覆材料の一例を示す
概略断面図である。この実施例に係る高硬度被覆材料４
は、例えばタングステン・カーバイドを主成分とする超
硬合金材料や工具ｆ！４（高速度鋼）等から成る工具材
料１ （母材）の表面に、Ｔｉ等のＮａ族元素、Ｎｂ等
のＶａ族元素、ＭＯ等のＶｌａ族元素またはそれらの炭
化物（例えばＭｏＣ等）もしくは窒化物（例えばＴｉＮ
等）から成る中間層２を形成し、更に当該中間層２の表
面に、立方晶窒化ホウ素、立方晶５ｉＢＮあるいは立方
晶ＢＣＮを含む窒化ホウ素系膜３を形成している。
概略断面図である。この実施例に係る高硬度被覆材料４
は、例えばタングステン・カーバイドを主成分とする超
硬合金材料や工具ｆ！４（高速度鋼）等から成る工具材
料１ （母材）の表面に、Ｔｉ等のＮａ族元素、Ｎｂ等
のＶａ族元素、ＭＯ等のＶｌａ族元素またはそれらの炭
化物（例えばＭｏＣ等）もしくは窒化物（例えばＴｉＮ
等）から成る中間層２を形成し、更に当該中間層２の表
面に、立方晶窒化ホウ素、立方晶５ｉＢＮあるいは立方
晶ＢＣＮを含む窒化ホウ素系膜３を形成している。
中間層２に用いる上記のような元素は、それ自体硬いも
のであり、しかもそれらの炭化物あるいは窒化物は一層
硬くなるため、中間Ｎ２として用いるのに好ましい。こ
の場合、中間層２は、上記のような成分から成るものの
単一層でも良く、あるいは複数層でも良い。複数層にす
ると、例えば中間層２の、母材である工具材料１と最終
的に形成する窒化ホウ素系膜３との両者に対するなじみ
を一層良くして、窒化ホウ素系膜３の密着性をより向上
させることができる場合もある。また中間層２の総膜厚
は、例えば５００Ａ〜５０００Ａ程度にするのが好まし
い。これは、あまり薄いとホウ素の工具材料１中への拡
散を抑制する効果が少なくなるからであり、−大中間Ｍ
２は、工具として使用した場合の初期摩耗後の窒化ホウ
素系膜３の厚み（通常は例えば２μｍ程度）の数分の一
程度以下に抑えるのが高硬度被覆材料４の表面の硬度維
持等の観点から好ましいからである。
のであり、しかもそれらの炭化物あるいは窒化物は一層
硬くなるため、中間Ｎ２として用いるのに好ましい。こ
の場合、中間層２は、上記のような成分から成るものの
単一層でも良く、あるいは複数層でも良い。複数層にす
ると、例えば中間層２の、母材である工具材料１と最終
的に形成する窒化ホウ素系膜３との両者に対するなじみ
を一層良くして、窒化ホウ素系膜３の密着性をより向上
させることができる場合もある。また中間層２の総膜厚
は、例えば５００Ａ〜５０００Ａ程度にするのが好まし
い。これは、あまり薄いとホウ素の工具材料１中への拡
散を抑制する効果が少なくなるからであり、−大中間Ｍ
２は、工具として使用した場合の初期摩耗後の窒化ホウ
素系膜３の厚み（通常は例えば２μｍ程度）の数分の一
程度以下に抑えるのが高硬度被覆材料４の表面の硬度維
持等の観点から好ましいからである。
上記のような高硬度被覆材料４においては、中間層２が
、窒化ホウ素系膜３の成分であるホウ素の拡散に対して
言わば障壁として作用するため、温度上昇時においても
当該ホウ素の工具材料ｌ中への拡散が抑制される。即ち
中間層２によって工具材料１中における脆化層の生成が
阻止される。
、窒化ホウ素系膜３の成分であるホウ素の拡散に対して
言わば障壁として作用するため、温度上昇時においても
当該ホウ素の工具材料ｌ中への拡散が抑制される。即ち
中間層２によって工具材料１中における脆化層の生成が
阻止される。
従って、上記のような高硬度被覆材料４は、窒化ホウ素
系膜３の高硬度特性を十分に生かした、刃先のチッピン
グ脱落の無い高寿命の特性を持つ。
系膜３の高硬度特性を十分に生かした、刃先のチッピン
グ脱落の無い高寿命の特性を持つ。
また中間層２の存在により、窒化ホウ素系膜３を工具材
料ｌの表面に直接付着させる場合に比べて、当該窒化ホ
ウ素系膜３が剥離しにくくなるという効果もある。これ
は、中間的な硬度材料である中間層２が、工具材料１と
窒化ホウ素系膜３との間の応力を緩和する言わばバッフ
ァ材となるためと考えられる。
料ｌの表面に直接付着させる場合に比べて、当該窒化ホ
ウ素系膜３が剥離しにくくなるという効果もある。これ
は、中間的な硬度材料である中間層２が、工具材料１と
窒化ホウ素系膜３との間の応力を緩和する言わばバッフ
ァ材となるためと考えられる。
次に、上記のような高硬度被覆材料４の製造方法の一例
を第２図および第３図を参照しながら説明する。
を第２図および第３図を参照しながら説明する。
まず第２図を参照して、真空容器（図示省略）内に母材
として前述したような工具材料ｌが収納されており、当
該工具材料１に向けて蒸発源５およびイオン源７が配置
されている。蒸発源５は例えば電子ビーム蒸発源であり
、種々の蒸発物質６あるいは６′を蒸気化して工具材料
１上に蒸着させることができる。イオン源７は例えばバ
ケソト型イオン源であり、種々のイオンビーム８あるい
は８′を工具材料ｌに向けて照射（注入）することがで
きる。
として前述したような工具材料ｌが収納されており、当
該工具材料１に向けて蒸発源５およびイオン源７が配置
されている。蒸発源５は例えば電子ビーム蒸発源であり
、種々の蒸発物質６あるいは６′を蒸気化して工具材料
１上に蒸着させることができる。イオン源７は例えばバ
ケソト型イオン源であり、種々のイオンビーム８あるい
は８′を工具材料ｌに向けて照射（注入）することがで
きる。
次に第３図を参照して、まず工具材料１を真空容器内に
収納して当該真空容器内を所定の真空度にまで排気した
後（同図（Ａ）） 、前述した蒸発源５からＩＶａＶａ
族元素ａ族元素またはＶｌａ族元素から成る蒸発物質６
を工具材料１の表面に所定厚みだけ蒸着させ、これによ
って前述した中間層２を形成する（同図（Ｂ））。もつ
とも、蒸着の代わりに、スパッタリング、イオンブレー
ティング等の他のＰＶＤ法によってこのような中間層２
を形成しても良い。
収納して当該真空容器内を所定の真空度にまで排気した
後（同図（Ａ）） 、前述した蒸発源５からＩＶａＶａ
族元素ａ族元素またはＶｌａ族元素から成る蒸発物質６
を工具材料１の表面に所定厚みだけ蒸着させ、これによ
って前述した中間層２を形成する（同図（Ｂ））。もつ
とも、蒸着の代わりに、スパッタリング、イオンブレー
ティング等の他のＰＶＤ法によってこのような中間層２
を形成しても良い。
そして、上記のような元素の炭化物または窒化物から成
る中間層２を形成する場合は、上記成膜後更にイオン源
７から炭素イオンまたは窒素イオンから成るイオンビー
ム８を射出してイオン注入する（同図（Ｃ））。勿論、
この工程（Ｃ）は省略される場合もある。また、中間層
２を複数層から成るものとする場合は、蒸発物質６およ
び場合によってはイオンビーム８の種類を前回とは変え
て、第３図（Ｂ）（Ｃ）のような工程を所定回数繰り返
す。
る中間層２を形成する場合は、上記成膜後更にイオン源
７から炭素イオンまたは窒素イオンから成るイオンビー
ム８を射出してイオン注入する（同図（Ｃ））。勿論、
この工程（Ｃ）は省略される場合もある。また、中間層
２を複数層から成るものとする場合は、蒸発物質６およ
び場合によってはイオンビーム８の種類を前回とは変え
て、第３図（Ｂ）（Ｃ）のような工程を所定回数繰り返
す。
次いで、蒸発源５から蒸発物質６′としてホウ素を蒸発
させてこれを中間層２の表面に蒸着させると同時に、イ
オン源７から窒素イオンビーム８′を引き出してこれを
中間層２の表面に照射する。
させてこれを中間層２の表面に蒸着させると同時に、イ
オン源７から窒素イオンビーム８′を引き出してこれを
中間層２の表面に照射する。
これによって、中間層２の表面に、立方晶窒化ホウ素を
含む窒化ホウ素系膜３が形成される（同図（Ｄ））。
含む窒化ホウ素系膜３が形成される（同図（Ｄ））。
以上によって、第１図に示したような高硬度被覆材料４
が製造される。
が製造される。
尚、上記（Ｄ）の場合の窒素イオンビーム８′のエネル
ギーは、０．５〜５ＫｅＶの範囲内の低エネルギーとす
るのが好ましい、これは、０．５ＫｅＶ未満では窒化ホ
ウ素系膜３は作成されず、逆に５ＫｅＶを越えると、窒
化ホウ素系膜３が作成されても窒素イオンビーム８′の
スパッタ作用によって平滑な膜面が得られなくなると共
に、当該窒化ホウ素系膜３内部に欠陥部等の損傷部が多
（なって良質の窒化ホウ素系膜３が得られなくなるから
である。また、膜作成時には、中間層２上へ蒸着させる
ホウ素Ｂと中間Ｎ２へ照射する窒素イオンＮとの粒子比
（組成比）Ｂ／Ｎを適切な値、例えば０．７〜２．０程
度の範囲内に選ぶのが好ましい。
ギーは、０．５〜５ＫｅＶの範囲内の低エネルギーとす
るのが好ましい、これは、０．５ＫｅＶ未満では窒化ホ
ウ素系膜３は作成されず、逆に５ＫｅＶを越えると、窒
化ホウ素系膜３が作成されても窒素イオンビーム８′の
スパッタ作用によって平滑な膜面が得られなくなると共
に、当該窒化ホウ素系膜３内部に欠陥部等の損傷部が多
（なって良質の窒化ホウ素系膜３が得られなくなるから
である。また、膜作成時には、中間層２上へ蒸着させる
ホウ素Ｂと中間Ｎ２へ照射する窒素イオンＮとの粒子比
（組成比）Ｂ／Ｎを適切な値、例えば０．７〜２．０程
度の範囲内に選ぶのが好ましい。
また、立方晶５ｉＢＮあるいは立方晶ＢＣＮを含む窒化
ホウ素系膜３を形成する場合は、例えば上記（Ｄ）の工
程においてシリコンイオンあるいは炭素イオンの照射を
併せて行う。
ホウ素系膜３を形成する場合は、例えば上記（Ｄ）の工
程においてシリコンイオンあるいは炭素イオンの照射を
併せて行う。
上記のような方法によれば、工具材料１上に密着性の高
い中間層２が形成されると共に、当該中間層２上に立方
晶系の結晶粒を含む高硬度でしかも密着性の高い窒化ホ
ウ素系膜３が形成される。
い中間層２が形成されると共に、当該中間層２上に立方
晶系の結晶粒を含む高硬度でしかも密着性の高い窒化ホ
ウ素系膜３が形成される。
次に実験例を２例示す。
大醜桝上
タングステン・カーバイドを主成分とする超硬合金材料
上にＭｏを約５００＾堆積させた後、５０ＫｅＶの炭素
イオンをＩ Ｘ １０” 〜５ Ｘ １０”ケ／ｃｍ２
の範囲で注入した後、２Ｋｅｖ〜５Ｋｅ■の窒素イオン
照射とホウ素の蒸着を同時に行い、ＢＮ膜を形成した。
上にＭｏを約５００＾堆積させた後、５０ＫｅＶの炭素
イオンをＩ Ｘ １０” 〜５ Ｘ １０”ケ／ｃｍ２
の範囲で注入した後、２Ｋｅｖ〜５Ｋｅ■の窒素イオン
照射とホウ素の蒸着を同時に行い、ＢＮ膜を形成した。
つまり、超硬会合材料上に、ＭｏＣＪｉを中間層に有す
るＢＮ膜を形成した。この結果、超硬会合材料へのホウ
素拡散による脆化層の生成が無く、工具刃先のチッピン
グが皆無なりＮコート超硬材料が得られた。
るＢＮ膜を形成した。この結果、超硬会合材料へのホウ
素拡散による脆化層の生成が無く、工具刃先のチッピン
グが皆無なりＮコート超硬材料が得られた。
叉狼炭１
工具鋼の表面にＮｂを約６ｏｏＸ堆積させた後、４０Ｋ
ｅＶの窒素イオンを１０１Ｓ〜５×１０′７ケ／ｃｍ”
の範囲で注入した後、２ＫｅＶ 〜５ＫｅＶの窒素イオ
ン照射とホウ素の蒸着を同時に行い、ＢＮ膜を形成した
。つまり、工具鋼上にＮｂＮを中間層に有するＢＮ膜を
形成した。この結果、工具鋼へホウ素が拡散して脆化層
を作ることが阻止され、密着性の高いＢＮ膜となり、実
用上も刃先のチッピングが無く、無被覆品に比較して士
数倍の切削性能の向上が見られた。
ｅＶの窒素イオンを１０１Ｓ〜５×１０′７ケ／ｃｍ”
の範囲で注入した後、２ＫｅＶ 〜５ＫｅＶの窒素イオ
ン照射とホウ素の蒸着を同時に行い、ＢＮ膜を形成した
。つまり、工具鋼上にＮｂＮを中間層に有するＢＮ膜を
形成した。この結果、工具鋼へホウ素が拡散して脆化層
を作ることが阻止され、密着性の高いＢＮ膜となり、実
用上も刃先のチッピングが無く、無被覆品に比較して士
数倍の切削性能の向上が見られた。
以上のようにこの発明に係る高硬度被覆材料においては
、母材へホウ素が拡散することによる脆化層の生成が中
間層によって阻止される。その結果、窒化ホウ素系膜の
高硬度特性を十分に生かした、刃先のチッピング脱落等
の無い高寿命の高硬度被覆材料が得られる。
、母材へホウ素が拡散することによる脆化層の生成が中
間層によって阻止される。その結果、窒化ホウ素系膜の
高硬度特性を十分に生かした、刃先のチッピング脱落等
の無い高寿命の高硬度被覆材料が得られる。
またこの発明に係る製造方法によれば、母材上に密着性
の高い中間層が形成されると共に、当該中間層上に立方
晶系の結晶粒を含む高硬度でしかも密着性の高い窒化ホ
ウ素系膜が形成される。
の高い中間層が形成されると共に、当該中間層上に立方
晶系の結晶粒を含む高硬度でしかも密着性の高い窒化ホ
ウ素系膜が形成される。
第１図は、この発明に係る高硬度被覆材料の一例を示す
概略断面図である。第２図は、この発明に係る製造方法
を実施する装置の一例を示す概略図である。第３図は、
この発明に係る製造方法の一例を示す工程図である。
概略断面図である。第２図は、この発明に係る製造方法
を実施する装置の一例を示す概略図である。第３図は、
この発明に係る製造方法の一例を示す工程図である。
Claims (2)
- （１）母材の表面に、元素周期表のIVａ族元素、Ｖａ族
元素、VIａ族元素またはそれらの炭化物もしくは窒化物
から成る中間層を形成し、更に当該中間層の表面に窒化
ホウ素系膜を形成していることを特徴とする高硬度被覆
材料。 - （２）真空中において、母材の表面に物理的成膜方法に
よって元素周期表のIVａ族元素、Ｖａ族元素、VIａ族元
素またはそれらの炭化物もしくは窒化物から成る中間層
を形成し、ついで当該中間層の表面に少なくともホウ素
の蒸着と窒素イオンの照射を同時に行うことによって窒
化ホウ素系膜を形成することを特徴とする高硬度被覆材
料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61007557A JP2593441B2 (ja) | 1986-01-16 | 1986-01-16 | 高硬度膜被覆工具材料とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61007557A JP2593441B2 (ja) | 1986-01-16 | 1986-01-16 | 高硬度膜被覆工具材料とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62164869A true JPS62164869A (ja) | 1987-07-21 |
| JP2593441B2 JP2593441B2 (ja) | 1997-03-26 |
Family
ID=11669102
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61007557A Expired - Lifetime JP2593441B2 (ja) | 1986-01-16 | 1986-01-16 | 高硬度膜被覆工具材料とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2593441B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02236268A (ja) * | 1989-03-07 | 1990-09-19 | Nissin Electric Co Ltd | 窒化ホウ素膜の形成方法 |
| JPH03229857A (ja) * | 1990-02-02 | 1991-10-11 | Nissin Electric Co Ltd | 窒化ホウ素薄膜の形成方法 |
| JPH03260061A (ja) * | 1990-03-09 | 1991-11-20 | Nissin Electric Co Ltd | 窒化ホウ素薄膜被覆基体の形成方法 |
| CN104846333A (zh) * | 2015-04-22 | 2015-08-19 | 武汉理工大学 | 一种组分可控的硼碳氮薄膜的制备方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS4942535A (ja) * | 1972-05-25 | 1974-04-22 | ||
| JPS5364471A (en) * | 1976-11-18 | 1978-06-08 | Henry Loic Gustave | Method of producing silicon nitride barrier on semiconductor substrate |
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| JPS59178122A (ja) * | 1983-03-29 | 1984-10-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 押出し加工用耐摩部品 |
| JPS6063372A (ja) * | 1983-09-19 | 1985-04-11 | Agency Of Ind Science & Technol | 高硬度窒化ホウ素薄膜の製造方法 |
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-
1986
- 1986-01-16 JP JP61007557A patent/JP2593441B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (7)
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| CN104846333A (zh) * | 2015-04-22 | 2015-08-19 | 武汉理工大学 | 一种组分可控的硼碳氮薄膜的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2593441B2 (ja) | 1997-03-26 |
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