JPH03290384A - 密着性にすぐれた被覆セラミックス焼結体 - 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１ま、窒化ケイ素、サイアロン、炭化ケイ素、窒
化アルミニウムなどの非酸化物を主成分として含有して
なる非酸化物系セラミックス焼結体の基材の表面に密着
性及び１ｊ摩耗性にすぐれた被膜を形成して、切削工具
又は１１摩耗工具などの］−具材料を１まじめとする各
種の材料に応用できるようにした被覆セラミックス焼結
体に関するものである。

（従来の技術） 従来から、セラミックス焼結体の表面に被膜を形成し、
装飾用材料又は切削工具材料として応用しようという試
みが行われており、その代表的なものとして、特公昭６
１−　１４９４２号公報、特開昭５９−２３２９８５号
公報及び特開昭６１−１９１５８４号公報がある。

（発明が解決しようとする課題） 特開昭５１−　１４９４２号公報には、アルミナ系セラ
ミックス焼結体やジルコニア系セラミックス焼結体の表
面にＴＩの金属又はＴｉＣ，ＺｒＯ２のセラミックスの
下層と、ＴｉＮ、　ＺｒＮの装飾的色彩の最外層とを形
成してなる装飾用多層被覆物が開示されてしへる。この
同公報は、基材との結合強度を高めること、基材表面の
凹凸を平滑化するに充分な厚さであること、硬さ及び装
飾的色彩を有することを満足した被膜をセラミックス焼
結体の基材に形成して装飾用多層被覆物として完成させ
たすぐれた発明である。しかしながら、同公報に開示の
多層被覆物は、酸化アルミニウムや酸化ジルコニウムを
主成分とする酸化物系セラミ・ンクス焼結体を基材とし
、かつ装飾用として適するような被膜の構成になってい
るもので、これを工具材料として応用する場合には、基
材と被膜との密着強度が劣り、その結果被膜の剥離が生
じるという問題がある。

特開昭５９−２３２９８５号公報には、ａ−サイアロン
とβ−サイアロンとを主成分とする非酸化物系セラミッ
クス焼結体の基材の表面にＴｉ、　Ｚｒ、　）Ｉｆの炭
化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物及び炭窒酸化物のう
ちの１種の単層又は２種以上の複層からなる被膜を形成
してなる被覆セラミックス焼結体が開示されている。ま
た、特開昭６１−１９１５８４号公報には、窒化ケイ素
を主成分とする非酸化物系セラミックス焼結体の基材の
表面にＴ１と、Ｃ，Ｎ、０から選んだ１種以上の非金属
元素との化合物の１種もしくは２種以上の被膜を１層又
は２層以上被膜した被膜セラミックス焼結体が開示され
ている。これら両公報には、サイアロン又は窒化ケイ素
を主成分とする非酸化物系セラミックス焼結体の基材の
表面に高硬度な被膜を形成することにより、耐摩耗性を
向上させようとしたすぐれた発明が開示されている。

しかしながら、この両公報に開示の被覆セラミックス焼
結体は、基材の主成分である窒化ケイ素自体が極めて共
有結合性の強い化合物であることから２基材と被膜との
密着性が著しく劣り、その結果、被膜の剥離が生じやす
く、耐摩耗性も満足する程向上してないという問題があ
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、非酸化物系セラミックス焼結体の基材と硬質な
金属化合物の外層との間に金属の内層を介在させて、基
材と被膜との密着性、被膜の耐剥離性、耐塑性変形性及
びｒＦＩ溶着性を向上させてなる被覆セラミックス焼結
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） 本発明者らは、他の工具材料に比へて、非酸化物系セラ
ミックス焼結体、特に窒化ケイ素系セラミックス焼結体
は、鉄系材料との親和性が割合に高い傾向にあることか
ら、その対策として、窒化ケイ素系セラミックス焼結体
の表面に鉄系材料との親和性に低く、しかも硬質なセラ
ミックスの被膜を形成して耐摩耗性の向上を計ることを
検討していた所。

窒化ケイ素系セラミックス焼結体の基材の表面にＴｉ、
　Ｚｒ、　Ｈｆの活性金属を被覆すると、基材と活性金
属との密着性が顕著に向上すること、この活性金属の表
面にＴｉ、　Ｚｒ、　Ｈｆの炭化物、窒化物などのセラ
ミックスの被膜を形成すると、活性金属とセラミックス
の被膜との密着強度が顕著に向上す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、本発明の密着性にすぐれた被覆セラミックス
焼結体は、非酸化物系セラミックス焼結体の基材の少な
くとも一面に内層と外層とを形成してなる被覆セラミッ
クス焼結体であって、該内層がＴｉ、　Ｚｒ、　ｔＨの
金属及びこれらの相互合金の中の少なくとも１種の中層
又は複層でなり５該外層がＴｉ、　Ｚｒ、ｌ（ｆの炭化
物、窒化物、炭酸化物、窒酸化物、酸化アルミニウム及
びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の単層又は
複層でなることを特徴とするものである。

この本発明の密着性にすぐれた被覆セラミ・ンクス焼結
体における基材は、窒化ケイ素、サイアロン、炭化ケイ
素の中の少なくとも１種が主成分として含有している焼
結体で５他の残部としては、例えば酸化アルミニウム、
窒化アルミニウム、酸化ケイ素、Ｍ化マグネシウム、酸
化カルシウム。

鉄族金属の酸化物、Ｓ土類金属の酸化物、ホウ素、カー
ボン、炭化ホウ素、酸化ホウ素、窒化ホウ素１周期律表
４ａ、　５ａ、　６ａ族金属の炭化物、窒化物、ホウ化
物、酸化物及びこれらの相互固溶体。

窒化ケイ素ウィスカー、窒化ケイ素ウィスカーの少なく
とも１種、もしくは製造工程から混入する微量の鉄族金
属を含有している場合もあるもので、具体的には、例え
ば５ＩｓＮ４Ａｊ２Ｎ系焼結体、　Ｓｉ□Ｎ、　−ＡＡ
□Ｄ３系焼結体、　　５ｉ３Ｎｎ　−５ｉＣ系焼結体、
　５ｉＣ−８４Ｃ系焼結体、　５ｉ３Ｎ４ＡＩ２ｚＬ　
　　ＺｒＯ□系焼結体を挙げることができる。

この基材の表面に被覆させる内層は、　Ｔｉ、　Ｚｒ。

Ｈｆの金属及びこれらの相互合金の中の少なくとも１種
の活性金属又は活性な合金からなるもので、これらの活
性金属又は活性な合金の他に微量の金属や合金２例えば
Ｃｕ、　Ｎｉ、　Ｃｏ、　Ａｇなどが混在していても、
その密着性の効果に殆んど影響を及ぼすことがなく、内
層として充分に実用できるものである。この内層の厚さ
は、用途によって異なるもので、例えば切削工具又は耐
摩耗工具のような工具材料として用いる場合は、耐塑性
変形性及び耐剥離性から　１．０μｍ以下が好ましく、
基材と内層との密着性の強度をも加味すると、より好ま
しくは０．１〜０，５μｍ厚さである。また、装飾用材
料又はあまり苛酷な条件で用いられないような機能的な
使い方をする場合には、内層の厚さの影響は、あまり問
題にならないものである。

この内層の表面に被覆させる外層は、具体的には、例え
ばＴｉＣ，ＺｒＣ，ＦｌｆＣ，ＴｉＮ、　ＺｒＮ、　Ｔ
ｉ（Ｃ，Ｏｌ。

Ｚｒ　（Ｃ，０１、Ｔｉ　（Ｎ、　Ｏ）　、　Ｚｒ　（
Ｎ、　０１　、　　（Ｔｉ、　Ｚｒ）　Ｃ！Ｔｉ、Ｚｒ
）　ｆＣ，０）、　　ｆＴｉ、Ｚｒ）　ｆＮ、０）、　
Ｔｉ（Ｃ９Ｎ、０）（Ｔ＋、　Ｚｒｌ　ｆＣ，Ｎ、　０
）　、　　Ａｊ２　ｘｉ３などを挙げることができる。

この外層は、非化学量論組成になっている場合もあり、
その厚さは、内層と同様に用途によって異なり、工具材
料として用いる場合は、耐剥離性及び耐チッピング性か
ら、特に２．０μｍ以下が好ましく、すきとり状の摩耗
に対する耐摩耗性を加味すると、より好ましくは０．５
〜１．５μｍである。

本発明の密着性にすぐれた被覆セラミックス焼結体を装
飾用部材、耐蝕性部材又は工具部材の使用識別程度に用
いるような場合には、被膜の密着性がそれほど重要視さ
れないことから２内層と外層との合計の厚さについては
あまり制限を受けず、例えば２０μｍ以下の厚さでもよ
いけれども、工具材料として用いる場合には、内層と外
層との合計の厚さが３μｍを超えて多くなると、被膜内
での剥離又はチッピングが生じ易くなること、これに伴
って基材にまでチッピング又は欠損が伝播して短寿命と
なることから、内層と外層との合計の厚さは、３μｍ以
下が好ましく、より好ましくは２μｍ以下である。

本発明の密着性にすぐれた被覆セラミックス焼結体を作
製する場合は、従来の非酸化物系セラミックス焼結体を
研摩面の状態、又は焼結後や熱処理後の表面状態にし、
次いで、その表面に従来から行われているイオンブレー
ティング、スパッタレーザなどによる物理蒸着法（ＰＶ
Ｄ法）でもって内層を形成し、引続き　ＰＶＤ法でもっ
て外層を形成する方法、又は外層の形成は従来から行わ
れている化学蒸着法（ＣＶＤ法）、もしくはプラズマＣ
ＶＤ法でもって行うことができる。

このときの製造条件、特に外層を形成するための処理温
度によっては、基材と内層、及び内層と外層との相互反
応が生じることがある。この場合は、外層に隣接する内
層内、又は基材に隣接する内層内に５非金属元素の侵入
した形態となる。例えば、基材が窒化ケイ素又はサイア
ロンを主成分とした基材で２内層が１１で、外層がＴｉ
Ｎの場合は、基材の表面に極く薄いＴＩＮ、−Ｘの層　
（＋＞Ｘ＞Ｏ）とＴｉ層とＴｉＮ層が順次形成されたよ
うな構成になる。この内層内への非金属元素の侵入をで
きるだけ抑制するためには、内層及び外層の処理温度を
低くする方向が好ましいことである。

（作用） 本発明の密着性にすぐれた被覆セラミックス焼結体は２
内層が基材と外層との密着性の媒介的作用をし、しかも
、特に工具材料に用いる場合には、苛酷な衝撃や熱に対
する緩衝的作用及び放熱作用となっているもので、外層
が耐摩耗性を高める作用をしているものである。

（実施例） 市販されているＳ　ｉ　Ｊ４５Ａぶ！Ｏ，−５Ｙ２０．
セラミックス焼結体を基材として用いて、この基材を中
空熱陰極方式のイオンブレーティングの反応容器内に設
置し、反応容器内雰囲気Ａｒ、圧力１Ｏ−４Ｔｏｒｒ、
４０ｖ１５００Ａによる電子ビーム、基材温度２００℃
の条件でもってチタン金属を基材の表面に被覆し、（第
１次処理）、次いで反応容器内雰囲気５０ｖｏ［％＾ｒ
−５０ｖｏＡ％Ｎｚ　　、圧力１０−３Ｔｏｒｒ、基材
温度５００”Ｃで処理して（第２次処理）本発明品ｌを
得た。

比較として、上述の第１次処理を施さずに第２次処理の
み施して、他は同一条件で行って比較論ｌを得た。さら
に、上述の第１次処理のみ施し１、第２次処理を施さず
に、他は同一条件で行って比較論２を得た。

こうして得た本発明品ｌと比較論１．２を走査型電子顕
微鏡、走査型オージェ電子顕微鏡及びＸ線解析でもって
調査した所、本発明品１は内層０．３４ｍ厚さのＴｉ、
外層１．０μｍ厚さのＴｉＮからなっており、比較論ｌ
は２５μｍ厚さのＴｉＮ層のみからなり、比較論２は３
０μｍ厚さのＴｉ層のみからなっていた。

これらの本発明品１と比較論１，２に、上述の基材のみ
でなるものを比較論３として、下記の旋削試験条件でも
って切削試験を行い、それぞれの試料の切削時間におけ
る平均逃げ面摩耗量を求めて、その結果を第１表に示し
た。

旋削試験条件 被削材　　鋳鉄　（Ｆｅ１２） 切削速度　１５０　ｍ／ｍｉｎ　〜９００　ｒｎ／ｍｉ
ｎ切込み　　１．Ｏｍｍ 送　　　　リ　　　　　　　０．３　　ｍｍ／ｒｅｖ切
削時間　１０　ｍｉｎ 工具形状　５ＮＧＮ　１２０４０８ ブレホーニングＯ，１５Ｘ　−２５６ 湿式切削 以下余白 （発明の効果） 本発明の密着性性にずぐれた被覆セラミックス焼結体は
５従来の比較論に比へて、被膜の剥離が生じ難く、被膜
の剥離に伴なう基材の微小チッピングも生じ難く、その
結果耐摩耗性を高め得ること、及び被削材などの相手材
の表面粗さを低下させ難いという効果があること、特に
、セラミックス焼結体を切削工具として用いた場合には
、低切削速度領域に属する　１５０〜３００ｍ／ｍｉｎ
の切削速度域においては、従来の比較論に比へて耐摩耗
性が顕著にすぐれるという効果がある。

また、本発明の密着性にずぐれた被覆セラミックス焼結
体は、基材の色彩と、被膜、特に外層の色彩とを違える
ことにより、工具部材の使用前後の識別という使用上の
管理効果も備えているもので、この工具部材の他に、装
飾用材料又は耐腐蝕性材料としても使用可能な産業上有
用な材料である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）非酸化物系セラミックス焼結体の基材の少なくと
   も一面に内層と外層とを形成してなる被覆セラミックス
   焼結体であって、該内層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの金属及び
   これらの相互合金の中の少なくとも１種の単層又は複層
   でなり、該外層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの炭化物、窒化物、
   炭酸化物、窒酸化物、酸化アルミニウム及びこれらの相
   互固溶体の中の少なくとも１種の単層又は複層でなるこ
   とを特徴とする密着性にすぐれた被覆セラミックス焼結
   体。
2. （２）上記内層は、０．５μｍ以下の厚さであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の密着性にすぐれ
   た被覆セラミックス焼結体。
3. （３）上記外層は、１．５μｍ以下の厚さであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の密着性にすぐれ
   た被覆セラミックス焼結体。