JPH03257176A - 硬質窒化ホウ素被覆焼結体 - 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】 （産業上の利用分野〉 本発明は、金属９合金、セラミックス焼結体、高密度相
窒化ホウ素基焼結体、又はダイヤモンド基焼結体でなる
基材の表面に立方晶窒化ホウ素の含有した薄い被膜を表
面に形成してなる硬質窒化ホウ素被覆焼結体に関するも
のである。

（従来の技術） 高硬度で高密度な窒化ホウ素である立方晶窒化ホウ素の
被膜を形成して、切削工具、耐摩耗工具などの工具材料
、又はヒートシンク、振動板などの電子材料に応用しよ
うという試みが行われている。その代表的なものに、特
開昭５７−　９５８８１号公報、特開昭６１−　４１７
６８号公報及び特開昭６３−４０８００号公報がある。

（発明が解決しようとする課題） 特開昭５７−９５８８１号公報には、窒化ケイ素基焼結
体の基材の表面に立方晶窒化ホウ素の被膜を設けた被覆
セラミック工具が開示されており、特開昭６１−　４１
７６８号公報には、硬質合金、サーメット、セラミック
スの基材の表面に立方晶窒化ホウ素と六方晶窒化ホウ素
、非晶質窒化ホウ素９周期律表４ａ、　５ａ、　６ａ族
金属の炭化物、窒化物、ホウ化物及びｉ□０３の少なく
とも１種との複合硬質膜を形成してなる複合工具が開示
されている。これら両公報に開示の被覆工具は、立方晶
窒化ホウ素の薄膜を合成すること自体が非常に困難であ
るにもかかわらず、基材の材質又は被膜の構成を検討す
ることによって立方晶窒化ホウ素又は立方晶窒化ホウ素
を含む被膜を形成しようとした先見性のある発明である
。

しかしながら、これら両公報に開示の被覆工具は、基材
と被膜との密着性が劣ること、又は被膜中の立方晶窒化
ホウ素の含有量が少なくて被膜の硬度も低く、耐摩耗性
が劣るという問題がある。

一方、特開昭６３−　４０８００号公報には、基材表面
にダイヤモンド被覆層を形成した後、該被覆層表面に高
硬度窒化ホウ素を析出させるという高硬度窒化ホウ素の
合成法が開示されている。

同公報に開示の高硬度窒化ホウ素の合成法は、ダイヤモ
ンドと立方晶窒化ホウ素との緒特性が非常に類似してい
ること、熱膨張率の差による亀裂や内部応力による剥離
が起りにくいこと、ダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素と
の密着性が良いこと、ダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素
との結晶構造の同一性からダイヤモンド薄膜上には、純
粋な立方晶窒化ホウ素が生成できるということを見出し
たすばらしい発明である。しかしながら、ダイヤモンド
は、他物質でなる基材との親和性が低いこと５基材との
相互拡散が起らないこと、及び基材に比べて熱膨張率が
極端に小さいことから、特開昭６３−　４０８００号公
報に開示の高硬度窒化ホウ素被覆材料を実用した場合、
基材とダイヤモンド薄膜との密着性が劣り、寿命が短い
という問題がある。

本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体
的には、高硬度で緻密な被膜を形成し、しかも基材と被
膜との密着性を向上させて、耐摩耗性及び耐剥離性を高
めた硬質窒化ホウ素被覆焼結体の提供を目的とするもの
である。

（課題を解決するための手段） 本発明者は、立方晶窒化ホウ素の含有量の多い膜質のす
ぐれた硬質窒化ホウ素の被膜を生成するための検討を行
なっていた所、 ダイヤモンドと同様にダイヤモンド状炭素の薄膜の表面
にも立方晶窒化ホウ素の含有量の多い膜質のすぐれた被
膜が生成しやすいこと、ダイヤモンド状炭素の薄膜と立
方晶窒化ホウ素の含有量の多い膜質との密着性が顕著に
すぐれていること、及びダイヤモンド状炭素の薄膜と金
属０合金、セラミックス焼結体などの基材との密着性も
著しくすぐれるという知見を得て、本発明を完成するに
至ったものである。

すなわち、本発明の硬質窒化ホウ素被覆焼結体は、金属
２合金、セラミックス焼結体、高密度相窒化ホウ素基焼
結体又はダイヤモンド基焼結体でなる基材の表面にダイ
ヤモンド状炭素の含有してなる単層又は複層の中間層と
、該中間層の表面に立方晶窒化ホウ素の含有してなる外
層とを形成したことを特徴とするものである。

本発明の硬質窒化ホウ素被覆焼結体における基材は、具
体的には、例えば周期律表４ａ、　ｆｉａ、　６ａ族金
属、鉄族金属、　　Ａｊ２．　Ｓｉ、　Ｍｇ、　Ｃｕ、
　Ｍｎなどの金属及びこれらの合金、また超硬合金、サ
ーメット。

鉄鋼材料などの合金、ＡｎａＯｉやｚ「０２を主成分と
する酸化物基セラミックス焼結体ＳｉＣや　Ｓ！ｓＮ４
゜サイアロンを主成分とする非酸化物基セラミックス、
さらに立方晶窒化硼素、ウルツ鉱型窒化ホウ素、及び／
又はダイヤモンドを含有して高圧高温処理により得られ
る高密度相窒化ホウ素基焼結体、ダイヤモンド基焼結体
などを用いることができる。

また、中間層であるダイヤモンド状炭素とは、電気抵抗
、光透過率、硬度などの諸特性がダイヤモンドの諸特性
に近い性質を示すもので、具体的には、ラマン分光分析
した場合にダイヤモンドのラマン線であるといわれてい
る１３３３ｃｍ−’又は１３３２Ｃｍ−’のピーク（Ａ
ビークと表わす。）、ダイヤモンドに近い硬さといわれ
ているカーボンのラマン線としての１５８９ｃｍ−’の
ビーク（Ｂビークと表わす。）、他にグラファイト、カ
ーボンとしてのラマン線ピーク１５ＢＯｃｍ−’、　１
５４０ｃｍ−’、　１３６０ｃｍ−’１２４０ｃｌＴｌ
−’その他（Ｃビークと表わす、）の内、ＡピークとＢ
ビークが生じる場合、ＡビークとＣビークが生じる場合
、ＢビークとＣビークが生じる場合、Ｂビークが生じる
場合又はＡビークとＢビークとＣビークが生じる場合に
相当するものである。この中間層の膜厚は、０．１〜５
μｍ、好ましくは１〜３μｍである。また、この中間層
が複層でなる場合は、基材側に比べて外層側にＡビーク
及び／又はＢビークが強く表われる形態にすることは、
特に高寿命化を達成できることから好ましいことである
。

この中間層の表面に形成する外層は、立方晶窒化ホウ素
のみからなる場合、又は立方晶窒化ホウ素と残り、例え
ばＴｉＮ、　ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、　ＴａＮ、　Ｎｂ
ＮＣｒＮなどの周期律表４ａ、　５ａ、　６ａ族金属の
窒化物、ＡＩ　Ｎ　　Ｓｉ３Ｎ４．　ＦｅＪ、　ＣｕＪ
、　ＭｇＪａ、六方晶窒化ホウ素２非晶質窒化ホウ素及
びこれらの相互固溶体とが混在してなる単層又は複層か
らなるものである。

本発明の硬質窒化ホウ素被覆焼結体において２特に好ま
しい構成は、金属２合金、セラミックス焼結体、高密度
相窒化ホウ素基焼結体又はダイヤモンド基焼結体でなる
基材の表面にダイヤモンド状炭素の含有してなる単層又
は複層の中間層と、該中間層の表面に立方晶窒化ホウ素
と六方晶窒化ホウ素、非晶質窒化ホウ素、金属窒化物及
びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種との混在し
てなる単層又は複層の外層と、該外層の表面に立方晶窒
化ホウ素の最外層とを形成しでなるものである。

これら中間層と外層とでなる被膜、又は中間層と外層と
最外層とでなる被膜における被膜厚さは、用途により異
なるけれども０．５〜２０μｍ程度が好ましく、特に切
削工具や耐摩耗工具の中でもドリル、エンドミル、スリ
ッターなとの鋭角な刃先を必要とする場合には、０．５
〜５μｍと膜厚を薄い傾向にするのが好ましいことであ
る。

本発明の硬質窒化ホウ素被覆焼結体は、従来の基材を用
いて、この基材の表面に、例えばマイクロ波又は熱フイ
ラメント法によるプラズマ化学蒸着法（プラズマＣＶＤ
法）や物理蒸着法ｔＰＶＤ法）でもって被膜を形成する
ことによって得られる。

（作用） 本発明の硬質窒化ホウ素被覆焼結体は、中間層中のダイ
ヤモンドを除いた他物質が中間層と基材との密着性を高
める作用をし、しかも基材と中間層との耐剥離性を向上
する作用をしており、また中間層中のダイヤモンド及び
／又はダイヤモンドに近い硬さを有するカーボンが外層
の中の立方晶窒化ホウ素の生成を容易にするという作用
をすると共に、中間層と外層との密着性及び耐剥離性を
向上させるという作用をしているものである。

実施例 ＴＮＧＮ１６０４０８　（ＪＩＳ規格による寸法）形状
の超硬合金の基材を熱フィラメントＣＶＤの反応容器に
設置し、ｈ−５％Ｃ［１４雰囲気、ガス圧力３０’ｒｏ
ｒｒ、基材温度８５０℃の条件で第１次処理を行った。

次いで、反応容器内をＩ　Ｘ　ＩＱ−’Ｔｏｒｒに排気
し、基材を６００”Ｃに加熱した後、反応容器内にＡ「
ガス（純度５Ｎ）を導入して圧力ＩＱ−２Ｔｏｒｒにし
た。次に、基材に一５００Ｖの直流電圧を印加して反応
容器内をグロー放電状態にすることにより第１次処理後
の基材表面のクリーニングを１０分間行った。次いで、
反応容器内をＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒにした後、電子
銃（出力４に■）にて、ＡＩ２含有金属ホウ素（純度９
９９％の＾ｎＢ＋ａ）を徐々に加熱蒸発させ、こハと同
時に基材方向にイオン源より水素含有窒素ガスをイオン
化して照射した。この時の反応容器内の圧力は、５Ｘｌ
Ｏ−Ｔｏｒｒにして４０分間保持して第２次処理を行っ
て、本発明品を得た。こうして得た本発明品の被膜を調
査した所５被膜厚さ２５μｍの中間層と被膜厚さ２．５
μｍの外層とからなり、被膜硬さ５５００ｋｇ／ｍｍ”
、ロックウェルのダイヤモンド圧子によるスクラッチテ
ストでは８ｋｇ荷重まで被膜の剥離が生じなかった。ま
た、ｘｍ回折及びラマン分光分析の結果、外層が立方晶
窒化ホウ素と２０ｖｏｎ％以下の六方晶窒化ホウ素及び
窒化アルミニウムとからなり、中間層が１５８９ｃｍ−
のラマン綿が生じているダイヤモンド状炭素からなって
いた。

比較として、ＴＮＧＮ１６０４０８形状の超硬合金の基
材を用いて、上述の第１次処理条件をＬ−１％ＣＩ。

雰囲気、ガス圧力３５Ｔｏｒｒ、基材温度９００”Ｃと
し、他の条件は上述と同様にして比較品ｌを得た。また
、同様の基材を用いて、第１次処理を施さずに第２処理
のみ上述と同様に行って比較品２を得た。

この比較品ｌ及び２を同様にして調べた所、比較品ｌの
中間層の被膜厚さ２．０μｍ、外層の被膜厚さ２．５ｕ
ｍ、被膜硬さ５８００ｋｇ／ｍｍ１１．ロックウェルの
ダイヤモンド圧子によるスクラッチテストでは３ｋｇ荷
重で被膜が剥離した。また、Ｘ線回折及びラマン分光分
析の結果、中間層は１３３３ｃｍ川のラマン線のみ生じ
ているダイヤモンドからなり、外層は本発明品に比べて
立方晶窒化ホウ素含有量の多い傾向のものであった。一
方、比較品２の被膜は、被膜厚さ３．０ｇｍ、被膜硬さ
４［ＩＱＯｋｇ／＋ｍ”、スクラッチテストでは３ｋｇ
荷重で被膜が剥離した。

また、Ｘ線回折の結果、被膜は本発明品に比へて立方晶
窒化ホウ素含有量の少ない傾向のものであった。

こうして得た本発明品及び比較品１．２を用いて、被削
材５ＫＤＩＩ　ｆＨＲｃ５９．９）、切削速度３０ｍ／
ｍｉｎ、切込み０．５ｍｍ、送り０．１ｍ＠／ｒｅｖ　
、切削時間２０分、乾式切削の条件でもって、旋削試験
を行った結果、本発明品は、平均逃げ面摩耗量（Ｖ＋＋
）　＝０．０５ｎ＋ｍであったのに対し、比較品ｌは平
均逃げ面摩耗量（ｌｉｅ）　＝Ｏ，１ｍｍ　、比較品２
は平均逃げ面摩耗量（Ｖａ）　＝Ｏ４１６ｎ＋ｍＴ、本
発明品ハ正常す摩耗形Ｄ　−ｃあったのに対し、比較品
ｌ及び２は被膜が剥離し、基材まで摩耗している状態で
あった。

（発明の効果） 本発明の硬質窒化ホウ素被覆焼結体は、従来の硬質窒化
ホウ素被覆焼結体に比較して、基材と被膜との耐剥離性
に著しくすぐれており、耐摩耗性及び寿命が顕著に向上
するという効果があるゆこのことから、本発明の硬質窒
化ホウ素被覆焼結体は、基材の材質を、例えばＡｌ１．
　Ｃｕ　　Ｍｏ、　ＩＮ又はｉＮ基セラミックス焼結体
、　ＳｉＣ基セラミックス焼結体とすることにより、振
動板やヒートシンクとしても応用ができる産業上有用な
材料である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属，合金，セラミックス焼結体，高密度相窒化
   ホウ素基焼結体，又はダイヤモンド基焼結体でなる基材
   の表面にダイヤモンド状炭素の含有してなる単層又は複
   層の中間層と、該中間層の表面に立方晶窒化ホウ素の含
   有してなる外層とを形成したことを特徴とする硬質窒化
   ホウ素被覆焼結体。
2. （２）上記外層が立方晶窒化ホウ素と六方晶窒化ホウ素
   ，非晶質窒化ホウ素，金属窒化物及びこれらの相互固溶
   体の中の少なくとも１種との混在してなる単層又は複層
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の硬
   質窒化ホウ素被覆焼結体。
3. （３）金属，合金，セラミックス焼結体，高密度相窒化
   ホウ素基焼結体，又はダイヤモンド基焼結体でなる基材
   の表面にダイヤモンド状炭素の含有してなる単層又は複
   層の中間層と、該中間層の表面に立方晶窒化ホウ素と六
   方晶窒化ホウ素，非晶質窒化ホウ素，金属窒化物の中の
   少なくとも１種との混在してなる単層又は複層の外層と
   、該外層の表面に立方晶窒化ホウ素の最外層とを形成し
   てなることを特徴とする硬質窒化ホウ素被覆焼結体。