JPH05263251A - 被覆焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイヤモンドを中心とする硬質炭素を被覆し
た焼結体の密着性、耐久性結晶性等を向上する。 【構成】 炭化タングステンや炭化チタン等をコバルト
やニッケルなどをバインダーとして焼結した超硬合金を
母材とし、ダイヤモンドをはじめとする硬質炭素被膜を
表面に形成した被覆焼結体において母材超硬合金と硬質
炭素被膜の間に母材側からIVａ、Ｖａ、VIａ族元素の炭
化物、窒化物または炭窒化物を主成分とする層、その外
層に窒化アルミニウムまたは窒化アルミニウムを主成分
とする層を設ける。 【効果】 この構成を有する被覆焼結体は切削工具、耐
摩耗性工具・部品等として耐摩耗性をはじめとする耐久
性に優れたものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】切削工具、耐摩耗工具、耐摩耗部
品や装飾品などに用いられる被覆焼結体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の高性能、高耐摩耗性工具等には、
炭化タングステンや炭化チタン等を主成分とする、いわ
ゆる超硬合金あるいはサーメットと呼ばれる焼結体材料
が広く用いられていた。また、超硬合金の性能向上を目
的としてダイヤモンドをはじめとする硬質炭素被膜（以
下、ダイヤモンド被膜と呼ぶ）のコーティングが広く行
われるようになってきており、超硬合金などへのコーテ
ィングも行われるようになってきた。これらの技術につ
いては特公昭６２−２０２７５号公報や特公昭６２−７
２６７号公報に開示されている。

【０００３】一般に、炭化タングステンや炭化チタンを
主成分とする焼結体の化学気相析出法（ＣＶＤ法）によ
りダイヤモンド被膜を形成する場合、焼結体のバインダ
ーとして用いられるコバルトやニッケル中に析出した炭
素が拡散・固溶するため密着性や結晶性等の被膜として
の特性が悪くなるという欠点を有していた。したがっ
て、コバルトやニッケルを含む超硬合金に直接ダイヤモ
ンド被覆ことを避けるため、母材との間に中間層を設け
ることが提案されている。たとえば、特公昭６２−７２
６７号公報に各種の材料を中間層として用いた例が開示
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ダイヤ
モンド被膜を形成するには比較的高温を必要とする。た
とえばダイヤモンド膜の代表的な形成方法であるマイク
ロ波ＣＶＤ法や熱フィラメント法では処理物の温度を８
００℃程度に保つ必要がある。ダイヤモンドは物質中最
も小さな熱膨張係数を有しているため超硬合金材料のよ
うな母材との間に大きな差がある。このため処理後の冷
却に伴う母材と被膜の収縮率の違いにより剥離や応力発
生による密着不良を起こすという問題があった。

【０００５】よって、熱膨張率の差が大きな物質を母材
として用いる場合、ダイヤモンド膜との間に緩和層とし
ての中間層を設けることが考えられる。中間層について
は上述の特公昭６２−７２６７号公報に多くの記載例が
あるが、IVａ、Ｖａ、VIａ族元素の炭化物や窒化物で
は、一般に熱膨張係数が母材超硬材料とほぼ同じ値を有
しているため緩和層としての役割を果たさずダイヤモン
ド被膜を形成した場合、中間層とダイヤモンド被膜との
間での剥離や密着強度に問題があった。また、窒化アル
ミニウム、窒化ケイ素などは比較的熱膨張係数が小さ
く、中間層として好ましい材料である。しかし、窒化ア
ルミニウムや窒化ケイ素膜では、IVａ、Ｖａ、VIａ族元
素化合物のように焼結超硬材料との濡れ性が良くないこ
とに加え、表面に存在する薄い酸化層が密着力を低下さ
せるため、ダイヤモンド被膜の中間層としての機能を発
揮できないという問題点を有していた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに、本発明では、超硬合金母材とダイヤモンド被膜と
の中間層として、超硬合金母材側より、IVａ、Ｖａ、VI
ａ族元素等の窒化物、炭化物あるいは炭窒化物の単層ま
たは多層に次いで窒化アルミニウムまたは窒化アルミニ
ウムを主成分あるいは主体とする構造を有する層（以
下、窒化アルミニウム層と呼ぶ）を形成したものを用い
る。

【０００７】

【作用】このような構成を有する中間層を用いることに
より、コバルトやニッケルをバインダーとする超硬合金
上にダイヤモンド被膜を形成するに当たり、析出物の母
材中への拡散・固溶、グラファイト化等を防ぐと同時に
熱膨張率の差による密着性の低下や応力の残留等の問題
を同時に解決できる。すなわち、ダイヤモンド被膜側に
窒化アルミニウム層はダイヤモンド被膜析出における炭
素の拡散・固溶、グラファイト化を防ぐのに加え、その
熱膨張率が母材とダイヤモンド被膜の中間であることか
ら、高温下でのダイヤモンド被膜合成における熱膨張率
の違いに起因する収縮率の差により生じる残留応力を小
さくし、剥離や密着力の低下を防ぐ緩和層として働くの
である。

【０００８】一方、超硬合金と窒化アルミニウム層との
間のIVａ、Ｖａ、VIａ族元素等の窒化物、炭化物あるい
は炭窒化物の単層または多層の層は、ダイヤモンド被膜
析出時の炭素の拡散・固溶、グラファイト化を防ぐと同
時に、超硬合金と窒化アルミニウム層との密着性を高め
る作用を有している。この作用は窒化チタンをはじめと
するIVａ、Ｖａ、VIａ族元素窒化物において著しい作用
があるが、これらの元素の炭化物や炭窒化物においても
連続形成等をとることにより大きな作用がある。

【０００９】

【実施例】

（実施例−１）図１は、本発明である被覆焼結体の断面
図であり、１は超硬合金母材、２はIVａ、Ｖａ、VIａ族
の炭化物、窒化物等の層、３は窒化アルミニウム層、４
はダイヤモンドまたは硬質炭素層を表わしている。以下
に、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１０】炭化タングステン−コバルト系（重量比で
コバルト１０％、ＪＩＳ規格Ｋ−４０相当品）のいわゆ
る超硬合金製ドリル（直径１ｍｍ）上に中間層の第一層
として窒化チタン、第二層として窒化アルミニウムを使
用した例について反応性イオンプレーティング法を使っ
て作製し、外層であるダイヤモンド被膜をマイクロ波Ｃ
ＶＤ法により作製した例について述べる。

【００１１】図２は上記の窒化チタン層と窒化アルミニ
ウム層を真空を破らずに連続して形成するためのホロー
カソード型イオンプレーティング装置の縦断面図であ
る。まず、真空槽５を真空排気系６により１×１０^-5Ｔ
ｏｒｒまで真空排気し、放電を維持するためにアルゴン
ガスを流しながらホローカソード型電子銃７とチタン蒸
発用の水冷銅るつぼ８中に入っている蒸発用金属チタン
との間で３０Ｖ−２００Ａの直流放電を生じさせチタン
を溶融・蒸発させる。

【００１２】このとき、蒸発したチタンの多くは３０Ｖ
−２００Ａという大電流放電中に存在する電子によりイ
オン化、活性化される。この状態の中に窒素ガスを２０
０ｃｃ／ｍｉｎの流量でガス導入系９より導入し、安定
化した後シャッター１０を開け、基板である超硬製ドリ
ル１１表面に窒化チタン膜を合成・形成した。このと
き、基板となる超硬製ドリル１１には形成されるべき窒
化チタン層の結晶性や硬さ等の膜質を高めることと超硬
ドリル１１との密着性を高めるために直流電源１２を用
いて−５０Ｖ印加した。また、このとき超硬製ドリル１
１の温度は約３００℃とした。窒化チタン層を約１μｍ
形成したのちシャッター１０を閉じ、ホローカソード型
電子銃７の電源と窒素の導入を止めた。

【００１３】次に、水冷銅るつぼを回転し、アルミニウ
ム蒸発用とした後、再びホローカソード型電子銃７を作
動し、蒸発用アルミニウムとの間に３０Ｖ−３００Ａの
大電流放電と反応用の窒素ガスの導入を再開し、安定し
た後シャッター１０を開け第二層である窒化アルミニウ
ム層の形成を行った。このとき、処理物である超硬製ド
リル１１には形成すべき窒化アルミニウム層の結晶性や
膜質などの特性を高めることと窒化チタン層との密着性
を高めるために高周波電源１３により１３．５６ＭＨｚ
の高周波電力が直流成分で真空槽５に対して−２０Ｖ印
加している。窒化アルミニウム層を約２μｍ形成した
後、成膜操作を終了、十分冷却した後、真空槽５の真空
を破り、試料であるドリル１１を取り出した。

【００１４】次に、この中間層を形成した超硬製ドリル
を図３に示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に置
き、装置内を１×１０^-3Ｔｏｒｒまで真空排気後，ガス
導入系１４よりメタンを０．５％含んだ水素ガスを導入
し、マイクロ波発生電源１５より５００Ｗの２．５４Ｇ
Ｈｚのマイクロ波を発生させ導波管１６を通して石英管
製の反応管１７内に放電プラズマを発生させて中間層を
被覆した超硬製ドリル１８上にダイヤモンド膜を０．３
μｍ／ｈｒの成膜速度で約５μｍ形成した。この間処理
物である超硬製ドリルの温度はマイクロ波により発生し
たプラズマによる衝撃のため約８００℃となっていた。
冷却後、試料であるドリルを取り出したところ、剥離や
クラック等の欠陥は生じていなかった。

【００１５】このドリルををＸ線回折法により分析を行
ったところ、超硬材料に起因する回折ピークの他に形成
したダイヤモンドのほか窒化チタン、窒化アルミニウム
による回折ピークがみられたが、この方法により形成さ
れたダイヤモンド被膜は回折ピークから超硬材料に直
接、あるいは窒化チタンのみを中間層としてダイヤモン
ド被膜を形成したものに比べて、極めて高い結晶性を有
していると同時に歪のないダイヤモンドの格子定数に近
い値を示すことが分かった。また、レーザー・ラマン分
光分析によっても、いわゆるダイヤモンド構造ＳＰ３結
合炭素成分も後者に比べ多く存在していることが認めら
れた。さらに走査型電子顕微鏡による観察でもダイヤモ
ンド膜固有の立方晶系の結晶成長がみられた。

【００１６】このようにダイヤモンドコーティングされ
た直径１ｍｍのドリルを用いて回転数５３００ｒｐｍ、
穴開け深さ５ｍｍ、送り１００ｍｍ／ｍｉｎの条件でダ
イヤモンド工具による切削で最も効果のあるＡｌ−Ｓｉ
（１２％）合金に対して穴開け（貫通）テストを行った
ところ、１００００回の穴開けに対しても、ドリルには
何等損傷なく、同時に被削材においては貫通によるバリ
の発生もなかった。一方、コーティングを行わなかった
超硬合金製ドリルでは３０回の穴開けで破損（折れ）し
た。これは、超硬合金では被削材であるアルミニウム合
金と焼き付きによる構成刃先を生じたためによるものと
考えられるが、ダイヤモンドコーティングしたものを調
べたところ被削材の焼き付きなども生じていなかった。

【００１７】なお、ここで超硬合金として比較的Ｃｏ量
の多いもの用いたのは小型のドリルのように工具作製に
おいて加工性が良さを必要とすることに加え、強度（抗
折力）を大きくすることが好ましことと、ダイヤモンド
膜合成時（８００℃）に受ける焼き鈍し効果による強度
の低下を小さくするためである。したがって、これらの
問題がないような場合にはＣｏ含有量の少ない超硬合金
でも良い。

【００１８】（実施例−２）次に、直径１ｍｍの２枚刃
エンドミルに本発明を適用した例について述べる。使用
した超硬合金は実施例−１で用いたＪＩＳ規格でＫ−４
０相当品とした。実施例−１と同じ方法で窒化チタン、
窒化アルミニウム層およびダイヤモンド被膜を形成し
た。窒化チタンと窒化アルミニウムの膜厚はいずれも１
μｍとし、ダイヤモンド被膜の膜厚は２μｍとした。Ｎ
Ｃフライス盤を用いて表１の切削条件を行ったところ図
４及び図５の結果が得られた。図４ではコーティングし
たエンドミルＢは未コーティングのエンドミルＡと比べ
てほとんど摩耗がないことが分かる。また、図４に示す
ように、被削材の切削面の表面粗さも超硬合金Ａでは切
削開始直後から大きくなってしまったのに対し、コーテ
ィングしたエンドミルＢでは極めて平坦であると同時に
ほとんど変化を生じなかった。さらに、切削面を顕微鏡
で観察したところ未コーティング品では滑りを起こして
いたが、コーティング品では綺麗な切削傷のみがみられ
た。

【００１９】なお、この実施例で膜厚をドリルと比べ薄
くしたのはエンドミルでは被削材加工後の平坦性や表面
粗さが問題となるため、極力コーティングによる工具の
凹凸を小さくするためであるが、目的により膜厚を変え
ても切削性そのものには大きな問題はない。

【００２０】

【表１】

【００２１】（実施例−３）超硬合金性スローアウェイ
チップに適用した例について述べる。使用した超硬合金
はＪＩＳ規格のＫ−１０（重量比でＣｏ４％含有のＷＣ
基超硬合金）とし、中間層第１層として窒化チタン、第
２層として炭窒化チタンさらにダイヤモンド被膜に直接
接する中間層として窒化アルミニウムを用いた。ここで
超硬合金としてＣｏ含有率の小さなものを使用したのは
スローアウェイチップでは上述の小型ドリルやエンドミ
ルとは異なり加工性が比較的容易であることに加え、高
い硬度であることが好ましいためである。また、中間層
として窒化チタン層だけでなく炭窒化チタン層を設けた
のは炭窒化チタンは密着性や強度では窒化チタン層に劣
るものの硬度が窒化チタンのそれより高いことによる。

【００２２】これらのチタン化合物層のは実施例１であ
げた反応性イオンプレーティング装置を用いた。第１層
の窒化チタン層は実施例１であげた条件で１μｍ作成
し、第２層の炭窒化チタン層は反応ガスを窒素１５０ｃ
ｃ／ｍｉｎ、アセチレンガス１５ｃｃ／ｍｉｎとし他の
条件は窒化チタン層作製と同じ条件で膜厚を３μｍとし
た。ダイヤモンド膜は図３に示したマイクロ波ＣＶＤ装
置により実施例−１の条件で６μｍ形成した。

【００２３】このようにしてできたダイヤモンド被覆超
硬合金製スローアウェイチップを用いて難削材であるＡ
ｌ−Ｓｉ合金の切削テストをＮＣ旋盤を用いて表２に示
した条件で行ったところ、図６に示した逃げ面摩耗に関
する結果が得られた。未被覆の超硬製スローアウェイチ
ップＤでは、切削テスト開始直後に焼き付きを起こし、
大きな摩耗を生じた。また、超硬製スローアウェイチッ
プに直接ダイヤモンド膜を被覆したものＥについては切
削テスト開始直後にチッピング、剥離を起こしてしまい
ダイヤモンド膜の被覆効果が全くなかった。これに対し
て、中間層を形成した超硬製スローアウェイチップＦで
はチッピングや剥離といった現象は起こらず極めて高い
切削性を示した。

【００２４】

【表２】

【００２５】

【発明の効果】以上、この発明によれば工具、耐摩耗工
具、金型、耐摩耗部品等の材料として汎用性の高い炭化
タングステン−コバルト焼結体をはじめとする焼結体を
基材とするダイヤモンド膜または硬質炭素膜が被覆され
た被覆焼結体を提供できる。すなわち、炭化タングステ
ン−コバルト焼結体をはじめとする焼結体とダイヤモン
ド膜との中間層に基材側からIVａ、Ｖａ、VIａ族元素の
炭化物、窒化物または炭窒化物（炭化物と窒化物の混合
物を含む）を主成分とする層、その外層に窒化アルミニ
ウム層または窒化アルミニウムを主成分とする層を用い
ることにより密着性、結晶性等に優れたダイヤモンド被
覆焼結体とすることができるのである。

【００２６】なお、実施例ではタングステン−コバルト
系超硬合金製のドリル、エンドミルおよびスローアウェ
イチップについて取り上げたが、この他の超硬合金材料
や部品についても本発明が適用できることは明かであ
る。実施例では中間層のIVａ、Ｖａ、VIａ族元素の炭化
物、窒化物または炭窒化物（炭化物と窒化物の混合物を
含む）を主成分とする層としてチタン化合物について述
べたが他の元素を用いても同じ効果が期待できることは
言うまでもない。

【００２７】また、中間層の形成方法としては反応性イ
オンプレーティング法を用いたがスパッタリング法、熱
ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、イオンビーム法などの方
法でも形成が可能であることも明かである。さらに、ダ
イヤモンド膜の合成ではマイクロ波プラズマＣＶＤ法を
用いたが、熱フィラメント法やプラズマジェット法など
の方法によっても同様の効果が得られることも明白であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の被覆焼結体の断面図である。

【図２】ホローカソード型イオンプレーティング装置の
縦断面図である。

【図３】マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の縦断面図であ
る。

【図４】切削距離とエンドミルの逃げ面摩耗の関係を示
す説明図である。

【図５】切削距離と切削面の表面粗さの関係を示す説明
図である。

【図６】切削距離とスローアウェイチップの逃げ面摩耗
の関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 超硬合金母材 ２ IVａ、Ｖａ、VIａ族炭化物層 ３ 窒化アルミニウム層 ４ ダイヤモンドまたは硬質炭素層 ５ 真空槽 ６ 真空排気系 ７ ホローカソード型電子銃 ８ 水冷銅るつぼ ９ ガス導入系 １０ シャッター １１ 超硬合金製ドリル １２ 直流電源 １３ 高周波電源 １４ ガス導入系 １５ マイクロ波発生電源 １６ 導波管 １７ 反応管 １８ 超硬合金製ドリル Ａ 未被覆の超硬合金製エンドミル Ｂ 本発明の中間層を用いダイヤモンド膜被覆した超硬
合金製エンドミル Ｄ 未被覆の超硬合金製スローアウエイチップ Ｅ 中間層を介さず直接ダイヤモンド膜を形成した超硬
合金製スローアウェイチップ Ｆ 本発明の中間層を用いダイヤモンド膜被覆した超硬
合金製スローアウェイチップ

フロントページの続き (72)発明者 恒吉 潤 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイコ ー電子工業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コバルトやニッケルなどをバインダーと
   して炭化タングステンや炭化チタン等を焼結した超硬合
   金の母材を有し、この母材の表面にダイヤモンドをはじ
   めとする硬質炭素被膜を形成した被覆焼結体において、
   前記母材と硬質炭素被膜との間に、母材側から順に、IV
   ａ、Ｖａ、VIａ族元素の炭化物あるいは窒化物、または
   炭化物と窒化物の混合物を含む炭窒化物を主成分とする
   層および窒化アルミニウム層または窒化アルミニウムを
   主成分とする層からなる中間層を設けたことを特徴とす
   る被覆焼結体。