JPH01208381A - ＡｌＮ被覆窒化珪素基切削工具 - 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】 本発明は、セラミック切削工具、切削工具挿入体（イン
サート）及び摩耗部品に関するものであり、特には密着
した高融点窒化アルミニウムコーティングを単一体或い
は複合体としての窒化珪素セラミック基材に付着せしめ
て成るセラミック物品に関する。

ｌ且立１１ 超硬合金と呼ばれる炭化物焼結材料は、硬度、強度及び
耐摩耗性という性質に関して、そのユニークな組合せに
より周知されておりそして探鉱工具ビット、金属切削及
び穿孔工具、金属押出しグイ、耐摩耗性機械部品その他
において広範囲に使用されてきた。焼結炭化物材料の耐
摩耗性が炭化チタンや酸化アルミニウムのような高度に
耐摩耗性の材料の薄いコーティングを被覆することによ
り向上し得ることが知られている。これらコーティング
付き焼結炭化物材料は、成る種の切削工具や機械加工工
具及び摩耗部品用途に工業的有用性を次第に認められつ
つある。

例えば機械加工用途において生産性向上に向けてますま
す強くなる要求は、そうした被覆材料の性能に次第に厳
しさを増す要求を課しつつある。

機械加工において高い生産性を実現するには、工具は高
速度で切削を行なうことが出来ねばならない。１５００
表面フィート／分（ｓｆｐｍ）を超える切削速度におい
ては、切削工具材料の高温強度及び化学的不活性の重要
性が増してくる。焼結炭化物切削工具材料（切削工具に
使用される主たる材料）の有用性は、そうした工具を酸
化アルミニウムで被覆することにより約１５００ｓｆｐ
ｎ＋の切削速度を必要とする用途まで拡大された。しか
しながら、１５００ｓｆｐｍを超える切削速度に対して
は、焼結炭化物工具は、コーティング密着性、強度の損
失、工具ノーズ（鼻）部の変形と関連する問題に遭遇し
、これらは加工品の寸法精度に悪影響を与えまた工具寿
命の短縮につながった。

１里ユ且 従来からのセラミック切削工具は、これら欠点の一部を
解決はしたが、それらの衝撃強度及び破壊靭性の低下と
関連する制約を有する。これは殊に、従来からの多くの
アルミナ基セラミック切削工具に云えることである。窒
化珪素基セラミック切削工具は著しく高い衝撃強度及び
破壊靭性を有するが、鋼のような長い削り屑発生材料を
切削するのに使用されるときには所望水準より低い化学
的不活性さしか示さなかった。窒化珪素基セラミック基
材をアルミナで被覆することにより、或いはチタン、ジ
ルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタ
ル、クロム、モリブデン及びタングステンの炭化物及び
／或いは窒化物及び／或いは炭窒化物で被覆することに
より、成る程度の改善が為された。これらの技術は、本
件出願人に係る米国特許筒４．４０６．６６７．４．４
０６．６６８．４．４０６．６６９．４．４０６．６７
０．４．４０９゜００３．４．４０９．　ＯＯ４，４，
４１６，６７０，４，４１２，５２５、４，４１２，５
２８、４，４２４，０６６，４、４２６，２０９、４，
４３１，４３１、４，４４０，５４７，４，４４１，８
９４及び４．４４９．９８９号に開示されている。

日が　゛　しよ　と　る； しかしながら、これら基材の密着性及び耐摩耗性を更に
一層改善することが要望されている。機械加工速度、温
度及び加工品硬度についての厳しい賦課条件の下で金属
の機械加工の為の改善されてコーティング付き切削工具
及び切削工具挿入体が要望されている。切削や機械加工
用途のみならず、金属引抜きダイのような摩耗部品用途
に於ても有用な改善された密着性及び耐摩耗性を示すコ
ーティング付き物品が求められている。本発明の目的は
、こうした要望を満足する新規なコーティング付きセラ
ミック物品を提供することである。

ｌ孔立旦Ｉ 基本的に、本発明に従う耐摩耗性コーティング付き物品
は、密着した高融点（耐火）窒化アルミニウムコーティ
ング層を付着せしめた、高密度化単体乃至複合窒化珪素
基基材本体から成る。

本物品は、窒化アルミニウムコーティング層とは異なっ
た化学組成を有する高融点材料の少なくとも一つの外側
密着コーティング層を含みつる。

好ましくは、外側密着高融点コーティング層材料は、チ
タン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ
、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン乃至そ
れらの組合わせの炭化物、窒化物若しくは炭窒化物、ア
ルミナ或いはジルコニアから選択される。

免肚立且止工１１ 本発明に従うコーティング付き物品の一例はコーティン
グ付き切削工具挿入体であり、これは、高密化窒化珪素
マトリックス中に硬質高融点材料の細かい粒子、繊維及
びウィスカーを一様に分散せしめて含む複合窒化珪素を
基材とする。硬質高融点材料という用語は、チタン、ジ
ルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタ
ル、クロム、モリブデン及びタングステン（混合物、固
溶体を含めて）の炭化物及び／或いは窒化物及び／或い
は炭窒化物を意味する。こうした基材は、米国特許第４
．３８８．０８５及び１９８６年８月４日付は米国特許
出願番号第８９２．６４２号に詳しく記載されている。

硬質高融点材料の粒子、繊維或いはウィスカーは、窒化
珪素粒から成る第１相並びに窒化珪素及び有効量の高密
度化助剤、例えばイツトリア、ジルコニア、ハフニア、
アルミナ、マグネシア、ランタニド稀土類元素等及びそ
の混合物から成る高融点第２相から構成されるマトリッ
クス中に一様に分布される。

硬質高融点粒子の平均粒寸は、好ましくは、約０．５〜
２０μの範囲をとる。繊維及びウィスカーに対する好ま
しい形状比は５を超える。好ましい直径は１〜５μであ
る。基材本体中に含められる炭化物及び／或いは窒化物
及び／或いは炭窒化物高融点材料は、基材本体の約Ｏ〜
６０容積％、好ましくは約１５〜５０容積％、もっと好
ましくは約２０〜４０容積％を占める。先に挙げた米国
特許第４゜４０６．６６８．４．４０９．００３．４．
４３１゜４３１．４．４４０，５４７及び４．４４９．
９８９号に記載される窒化珪素材料もまた基材として好
ましいものである。

本発明の原理に従えば、窒化アルミニウムの密着コーテ
ィング層が基材本体に付着される。随意的に、少な（と
も一つの、高融点材料から成る硬質密着外側コーティン
グ層が窒化アルミニウム層上に付着され得る。外側コー
ティング層に対する代表的高融点材料は、チタン、ジル
コニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル
、クロム、モリブデン及びタングステン（混合物、固溶
体を含めて）の炭化物、窒化物及び炭窒化物並びにアル
ミナ、ジルコニアそしてアルミナ基及びジルコニア基複
合材料を含む１本発明における好ましい外側コーティン
グは、窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化ハ
フニウム、炭化ハフニウム、炭窒化ハフニウムおよびア
ルミナである。

窒化アルミニウム及び外側コーティング層の各々は好ま
しくは、約０．１〜２０μ、−層好ましくは約１．０〜
１０μの範囲の厚さを有する。特に好ましくは、密着窒
化アルミニウムコーティング層は約０．１〜１０ミクロ
ンの範囲の厚さを有し、外側密着コーティング層が約１
．０〜１０ミクロンの範囲の厚さを有する。

本発明に従うコーティング付き切削工具、切削工具挿入
体及び摩耗部品の作製方法の例を以下に呈示する。これ
ら方法は例示的なものに過ぎず、本発明を限定するもの
と見なされるべきでない。

本発明の基材本体を作製する方法の例は、前述した米国
特許第４，４３１．４３１及び４，４４１．８９４号及
び１９８６年８月４日付は米国特許出願番号第８９２．
６４２号に詳しく記載されている。

喪１方韮 上記複合基材本体に、密着窒化アルミニウムコーティン
グ層を被覆しそして随意的にその上に高融点材料層を被
覆する。両層とも、密着したコーティングを形成するべ
（化学的蒸着（ＣＶＤ）技術或いは物理的蒸着（ＰＶＤ
）技術により付着される。例えば、窒化アルミニウム、
チタン乃至ハフニウムの炭化物、炭窒化物乃至窒化物、
及びアルミナの好ましいコーティングはＣＶＤにより被
覆される。他の金属炭化物、炭窒化物乃至窒化物は、Ｃ
ＶＤが適用可能ならＣＶＤにより被覆されるしまた直接
的な蒸着、スパッタリング等のようなＰＶＤ技術により
被覆される。

ＣＶＤ法の有用な特性は、付着膜の純度が良いことと、
付着プロセスの早期段階中に付着されている層と基材或
いは中間層との間の成る程度の相互作用が生じ易く、こ
れが−層改善されたＭ密着性を生成し易いことである。

■Ｌ二１工」１ 窒化アルミニウム層は、窒化珪素基基材上に、ハロゲン
化アルミニウム、窒素或いはアンモニアのような気体状
の窒素源及び水素の混合気体を約８００−１５００℃、
好ましくは約１０００℃を超える温度において基材表面
に流すことにより付着される。代表的な反応が次の式に
より示される（反応が還元雰囲気で起こることを保証す
る為に水素が添加される）： ２　ＡｌＣ１１＋　Ｎｚ　＋　３　Ｈ２→　２　ＡＩＮ
　＋　６８Ｃ１（１）混合気体は所望のコーティング厚
さが実現されるまで加熱された基材上に通される。特定
の気体流量と温度においてコーティング厚の成長速度を
決定するのに日常実験が使用される。随意的に、ＡＩＮ
コーティング付き基材は、コーティングと基材部の間の
拡散を通して密着性を一層改善するため基材材質に依存
して１１００〜１５００℃において熱処理され得る。こ
れは特に低温での被覆処理後に有用である。ＡＩＮコー
ティング付き切削工具は、追加被覆層無しでも使用でき
るしまた以下に記載するように追加高融点層で被覆する
ことも出来る。

第１図は、基材が焼結窒化珪素であるような本発明に従
うＡＩＮコーティング付き物品を例示する。

Ａ１□０３１　の・ アルミナ外側密着コーティング層はＣＶＤ技術により被
覆される。米国特許筒３．９１４．４７３号に詳しく記
載されるＣＶＤ技術の一つにおいて、塩化アルミニウム
蒸気或いは他の種アルミニウムハロゲン化物蒸気が、水
蒸気及び水素気体と共にＡＩＮコーティング付き基材上
に通される。別法として、酸化アルミニウムは直接蒸着
やスパッタリングのようなＰＶＤ技術により付着される
。

ＣＶＤ技術に対する代表的な反応が次の式により示され
る（但し、反応が還元雰囲気で起こることを保証する為
に水素がしばしば添加される）：２　ＡｌＣ１，＋　３
　ｕａｏ　−Ａｔｌ０．　＋　６　ＨＣＩ（２）ＡＩＮ
コーティング付き基材本体は気体流送の設備を備えた炉
内で約８００〜１５００℃の温度において加熱される。

塩化アルミニウム源が気化のため予備加熱されそして塩
化アルミニウム蒸気が他の気体と共に炉を通して流され
る。混合気体は所望のコーティング厚さが実現されるま
で加熱されたコーティング付き基材上に通される。特定
の気体流量と温度においてコーティング厚の成長速度を
決定するのに日常実験が使用される。

ＡＩＮコーティング付き基材本体に外側密着アルミナコ
ーティング層を被覆するまた別の好ましい方法は、次の
式に従い塩化アルミニウムと二酸化炭素とを水素気体の
存在下で反応せしめることによる： ２　ＡｌＣｌ５　＋　３　ＣＯ□＋３　Ｈ。

→Ａ１．Ｏ，＋　３　ＣＯ＋　６　ＨＣＩ　（３）所望
の平衡気体組成を確立するために、加熱された基材本体
或いはコーティング付き本体上に通される気体に一酸化
炭素が随意的に添加される。

ＭＣｇいはＭＮ　　の・ 金属炭化物或いは金属窒化物外側層がＣＶＤ或いはＰＶ
Ｄ技術によりＡＩＮコーティング付き切削工具基材上に
形成され得る。一つのＣＶＤ法においては、コーティン
グは、金属塩化物、窒素或いはアンモニアのような気体
窒素源もしくはメタンのような気体炭素源及び水素の混
合気体を基材上に約８００〜１５００℃の温度で、好ま
しくは約１０００℃を超える温度において通すことによ
り形成される。ＴｉＣ或いはＴｉＮを付着する反応は次
の式により示される： ＴｉＣｌ４＋　ＣＬ　　→ＴｉＣ＋　　４１（Ｃ１（４
）ＴｉＣ１４＋　Ｎ２　＋　３　Ｈ２→Ｔｉ、　＋　　
６　ＨＣＩ　（５）混合気体は所望のコーティング厚さ
が実現されるまで加熱されたコーティング付き基材上に
通される。式（５）において均等比率のＮＨ，がＮ２に
対して置換され得る。特定の気体流量と温度においてコ
ーティング厚の成長速度を決定するのに日常実験が使用
される。

Ｍ　ＣＮ　の・ 上述した窒化アルミニウムコーティング付き物品は、Ｃ
ＶＤ或いはＰＶＤ技術により外側高融点金属炭窒化物コ
ーティングで被覆されつる。例えば、炭窒化チタン或い
は炭窒化ハフニウムの好ましいコーティングはＣＶＤに
より被覆される。別様には、高融点金属が化学的或いは
物理的蒸着技術により付着され、その後付着金属層が窒
化及び炭化される。

例えば、炭窒化チタン外側層は、四塩化チタンと、メタ
ンのような気体炭素源と、窒素或いはアンモニアのよう
な気体窒素源と、水素との気体混合物を基材上に約８０
０〜１５００℃、好ましくは約１２００℃を超える温度
において通すことによりＣＶＤ技術により形成される。

解離アンモニアは窒素と水素との気体混合物により代替
され得る。反応は次の式により示される（但し、反応が
還元雰囲気で起こることを保証する為に水素がしばしば
添加される）： ＴｌＣ１４＋　ＣＨ４＋　Ｎ２→Ｔｔ（Ｃ−Ｎｙ）　＋
　　４１（Ｃ１（６）混合気体は所望のコーティング厚
さが実現されるまで加熱されたコーティング付き基材上
に通される。特定の気体流量と温度においてコーティン
グ厚の成長速度を決定するのに日常実験が使用される。

気体混合物中のメタン及び窒素の量のコントロールは、
式ｒｔ　（ＣＸＮＩＩ）におけるＸ及びｙの比率を変更
した層の形成を可能ならしめる。Ｘ及びｙの値は好まし
くは、Ｘに対しては約０．５〜０．６そしてｙに対して
は０．４〜０．５の範囲であり、約１．０〜１．５のｘ
／ｙの好ましい比率をもたらすようなものとされる。最
も好ましいｘ／ｙの比率の値は約１．２２であり、これ
はＸ及びｙそれぞれ約０．５５及び０．４５の値に相当
する。

次の実施例および比較例並びに試験例は、本発明に従い
、窒化アルミニウム密着コーティング単独或いは窒化ア
ルミニウム中間コーティング及び高融点外側コーティン
グを有する切削工具、切削工具挿入体或いは摩耗部品と
してのコーティング付き基材により与えられる利益を例
示する。

以下の表１に示されるように、窒化珪素気基材に上述し
た方法により様々のコーティングを付着した。基材は、
（Ａ）焼結助剤としてイツトリア及びアルミナを含有す
る５１３Ｎ４、（Ｂ）分′＃！１Ｔｉｃを含有する複合
５ｉｓＮ４及び（Ｃ）焼結助剤としてイツトリア及びマ
グネシアを含有する５ｉｓＮ４であった。

付着コーティングは、 １、ＡＩＮ付着したまま（ＡＩＮとして表示）、２．１
３５０℃で上述したようにして熱処理されたＡ　Ｉ　Ｎ
　（ＡＩＮ（熱処理）として表示）、及び３、ＡＩＮ中
間層及びＴｉＣ外側層有する（ＴｉＣ／ＡＩＮとして表
示）とし、 そして対照サンプルとして ４、ＴｉＣ層単独（Ｔｉｃとして表示）及び５、炭化チ
タン中間層及びＴｉＣ外側層（Ｔｉｃ／ＴｉＮとして表
示） とした。但し、すべてのコーティングがすべての基材に
被覆されたわけではない。表は、コーティング密着性を
測定するためコーティング付き基材に行なわれた引掻き
試験の結果を示す。

表１ コーティング　　　　　への・　−、ｋ−因一　−皿Ｌ
　−利し ＡＩＮ　　　　　　　　　６．５　　−　　　９．０Ａ
ＩＮ（熱処理）　　　　１４．０　　−　　　−ＴｉＣ
／ＡＩＮ　　　　　　　−−８，５Ｔｉｃ　　　　　　
　　＜１．０　　３．０　　１．０ＴｉＣ／ＴｉＮ　　
　　　　　２．０　　５．５　　１．５これら結果は、
窒化チタンを予備付着したものを含めてＴｉＣコーティ
ングを上回るＡＩＮコーテインク層の改善された密着性
を例示する。更に、改善された密着性は、基材（Ｃ）上
のＡＩＮ層上にＴｉＣを付着したものにも認められ、こ
れは中間密着層としてＡＩＮを使用することの有益さを
例示する。改善は更に、基材（Ｃ）に同様のコーティン
グを施した基材の顕微鏡写真であり、２種のコーティン
グについての引掻き試験により生ぜしめられたコーティ
ング剥離の状況を示す第２及び３図により例示される。

この場合、第２図は、１．０ｋｇの負荷の下でのコーテ
ィングの広範囲の剥離を伴うＴｉｃ／ＴｉＮコーティン
グの劇的な破損を例示する。第３図は、８．５ｋｇ負荷
の引掻き試験機を通したときにだけ生じたＴｉＣ／ＡＩ
Ｎコーティングの剥離例を示す。

厩１ Ｔｉｃ／ＡＩＮ　　（２系列）、ＡＩＮ中間コーティン
グ上に窒化チタン（ＴｉＮ／ＡＩＮ　）　、Ｔ　ｉ　Ｃ
、及びＴｉｃ／ＴｉＮを基材（Ｃ）に被覆した切削工具
挿入体を、１０インチ軸線距離に対して０．０５０イン
チ切込み深さ及び０．０１５インチ／回転送り速度にお
いて６００　ｒｐｍで４３４０鋼を乾式機械加工するこ
とにより耐摩耗試験した。挿入体に対するノーズ及びフ
ランク部の平均摩耗を第４図に示す。Ｔｉ（：／ＡＩＮ
コーティング付き挿入体に対するノーズ及びフランク部
の平均摩耗は、ＴｉＣ１及びＴｉＣ／ＴｉＮコーティン
グ付き挿入体のそれの１／３以下であり、またＴｉＮ／
ＡＩＮ挿入体に対する平均摩耗もやはり低かった。

同様の程度の改善が、他の種ＡＩＮコーティング付き窒
化珪素基基材にも認められた。

ｌユ立激ｊ 機械加工用途及び加工物材質に応じて、ＡＩＮ層単独或
いは上述した他の様々のコーティングとの組合わせの使
用は、総合的な切削工具等の性能を向上するのに適合し
つる。これは、基材へのコーティングの改善された密着
性を提供する窒化アルミニウム層を通して実現されたも
のであり、そしてまた窒化アルミニウム層と他の外側層
との組合わせは密着性の改善並びに硬度、破壊靭性、耐
衝撃性、化学的不活性等いったコーティングの組織及び
性状の改善を実現し、セラミック業界に多大の貢献をな
すものである。特定的には、本発明は１機械加工速度、
温度及び加工品硬度についての厳しい賦課条件の下で金
属の機械加工の為の改善されてコーティング付き切削工
具及び切削工具挿入体提供する。更には、本発明は、切
削や機械加工用途のみならず、金属引抜きダイのような
摩耗部品用途に於ても有用な改善された密着性及び耐摩
耗性を示すコーティング付き物品を提供するものである
。

本発明の好ましい具体例について説明したが、本発明の
精神内で多くの変更を為しうることを銘記されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従うコーティング付き物品の組織及
び粒子構造を示す顕微鏡写真である。 第２及び３図は、先行技術及び本発明に従うコーティン
グ付き物品それぞれの引掻き試験後の組織を示す顕微鏡
写真である。 第４図は、比較機械加工試験の結果を示すグラフである
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）高密度化単体乃至複合窒化珪素基基材本体に密着し
   た高融点窒化アルミニウムコーティング層を付着せしめ
   て成る耐摩耗性コーティング付き物品。 ２）窒化アルミニウムコーティング層とは異なった化学
   組成を有する高融点材料の少なくとも一つの外側密着コ
   ーティング層を窒化アルミニウムコーティング層上に更
   に付着せしめた特許請求の範囲第１項記載のコーティン
   グ付き物品。 ３）外側密着高融点コーティング層が、炭化チタン、炭
   化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム、炭
   化ニオブ、炭化タンタル、炭化クロム、炭化モリブデン
   或いは炭化タングステンから成る特許請求の範囲第２項
   記載のコーティング付き物品。 ４）外側密着高融点コーティング層が、窒化チタン、窒
   化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化バナジウム、窒
   化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化モリブデン
   或いは窒化タングステンから成る特許請求の範囲第２項
   記載のコーティング付き物品。 ５）外側密着高融点コーティング層が、炭窒化チタン、
   炭窒化ジルコニウム、炭窒化ハフニウム、炭窒化バナジ
   ウム、炭窒化ニオブ、炭窒化タンタル、炭窒化クロム、
   炭窒化モリブデン或いは炭窒化タングステンから成る特
   許請求の範囲第２項記載のコーティング付き物品。 ６）外側密着高融点コーティング層が、アルミナ或いは
   ジルコニアから成る特許請求の範囲第２項記載のコーテ
   ィング付き物品。 ７）密着窒化アルミニウムコーティング層が約０．１〜
   １０ミクロンの範囲の厚さを有する特許請求の範囲第１
   項記載のコーティング付き物品。 ８）外側密着コーティング層が約１．０〜１０ミクロン
   の範囲の厚さを有する特許請求の範囲第２項記載のコー
   ティング付き物品。