JPH0637342B2 - セラミツクス複合体及びその製造方法 - Google Patents
セラミツクス複合体及びその製造方法Info
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- JPH0637342B2 JPH0637342B2 JP5769086A JP5769086A JPH0637342B2 JP H0637342 B2 JPH0637342 B2 JP H0637342B2 JP 5769086 A JP5769086 A JP 5769086A JP 5769086 A JP5769086 A JP 5769086A JP H0637342 B2 JPH0637342 B2 JP H0637342B2
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- Japan
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- coating layer
- base material
- compound
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- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、耐摩耗性の要求される工具や部品の構成材
料として好適なセラミツクス複合体、詳しくは、硬度と
母材に対する密着性に優れた表面層をもつセラミツクス
複合体とその製造方法に関する。
料として好適なセラミツクス複合体、詳しくは、硬度と
母材に対する密着性に優れた表面層をもつセラミツクス
複合体とその製造方法に関する。
切削工具に多く見られるように、セラミツクス母材の耐
摩耗性の強化策として、母材表面に、既知の技術、例え
ばＣＶＤ法やＰＶＤ法により１層又は２層のコーテイン
グ層を設けることは既に行われている。
摩耗性の強化策として、母材表面に、既知の技術、例え
ばＣＶＤ法やＰＶＤ法により１層又は２層のコーテイン
グ層を設けることは既に行われている。
例えば、特開昭５４−１３０８号公報には、窒化珪素
（以下Ｓi3Ｎ４と記す）質の切削工具母材に酸化アルミ
ニウム（Ａl2Ｏ３）等の耐摩耗性の高いセラミツクスコ
ーテイング層を設けることで、鋳鉄系材の高速切削条件
下での耐摩耗性を改善する技術が示されている。Ｓi3Ｎ
４は、機械的強度、破壊靭性、耐熱性、耐熱衝撃性に優
れているが、例えば、文献｛J.Am.Ceram.Soc.Vol 68
〔１〕Ｃ−３０−Ｃ−３１（１９８５）｝に記されてい
るように、鋳鉄材の高速切削では、耐摩耗性の劣化の問
題があり、従つて、母材の寿命を高めるべく、その表面
にＡl2Ｏ３等のコーテイング層をＣＶＤ法やＰＶＤ法等
で生成している訳である。
（以下Ｓi3Ｎ４と記す）質の切削工具母材に酸化アルミ
ニウム（Ａl2Ｏ３）等の耐摩耗性の高いセラミツクスコ
ーテイング層を設けることで、鋳鉄系材の高速切削条件
下での耐摩耗性を改善する技術が示されている。Ｓi3Ｎ
４は、機械的強度、破壊靭性、耐熱性、耐熱衝撃性に優
れているが、例えば、文献｛J.Am.Ceram.Soc.Vol 68
〔１〕Ｃ−３０−Ｃ−３１（１９８５）｝に記されてい
るように、鋳鉄材の高速切削では、耐摩耗性の劣化の問
題があり、従つて、母材の寿命を高めるべく、その表面
にＡl2Ｏ３等のコーテイング層をＣＶＤ法やＰＶＤ法等
で生成している訳である。
ところが、既知の方法で得られるコーテイング層は、母
材に対しての接着強度が充分でなく、また、Ｓi3Ｎ４の
母材上に直接設けられるＡl2Ｏ３等のコーテイング層
は、母材との熱伝導率の相違により、切削熱の流れに厚
み方向の温度勾配を生じ、これに起因した熱応力でき裂
を生じることがあるため、耐久性に問題がある。
材に対しての接着強度が充分でなく、また、Ｓi3Ｎ４の
母材上に直接設けられるＡl2Ｏ３等のコーテイング層
は、母材との熱伝導率の相違により、切削熱の流れに厚
み方向の温度勾配を生じ、これに起因した熱応力でき裂
を生じることがあるため、耐久性に問題がある。
そこで、特公昭５６−５１０４９号（特許第１１０６６
１５号）公報に示されるように、母材と最表面コーテイ
ング層との間に中間コーテイング層を設け、この中間コ
ーテイング層により、切削時に表面コーテイング層に作
用する熱応力、熱衝撃を緩和して母材との接着性を向上
させる例がある。
１５号）公報に示されるように、母材と最表面コーテイ
ング層との間に中間コーテイング層を設け、この中間コ
ーテイング層により、切削時に表面コーテイング層に作
用する熱応力、熱衝撃を緩和して母材との接着性を向上
させる例がある。
しかしながら、この方法も、母材に対する中間コーテイ
ング層の接着強度が充分とは云えず、コーテイング層に
よる耐摩効果を長時間持続させるには、依然として改良
の余地が残されている。
ング層の接着強度が充分とは云えず、コーテイング層に
よる耐摩効果を長時間持続させるには、依然として改良
の余地が残されている。
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、コーテイン
グ層を母材に対して強固に接着させ得るセラミツクス複
合体の製造方法と、コーテイング層の強固な接着により
耐久性の高められたセラミツクス複合体を提供すること
を目的としている。
グ層を母材に対して強固に接着させ得るセラミツクス複
合体の製造方法と、コーテイング層の強固な接着により
耐久性の高められたセラミツクス複合体を提供すること
を目的としている。
〔問題点を解決するための手段〕 この発明のセラミツクス複合体は、母材上に設けた蒸着
膜にイオンを注入して蒸着物とイオン及び母材セラミツ
クスとの化学結合した化合物コーテイング層を生成せし
め、これを第１コーテイング層としてその表面上に硬質
の第２コーテイング層を設けたものである。また、その
複合体を得るための製造方法は、添付図に示すように、
セラミツクス焼結体から成る母材１の表面に、遷移金属
元素の蒸着膜を形成した後、その蒸着膜に、Ａr，Ｎ，
Ｎe，Ｈe，Ｈ，Ｂ，Ｃ等のイオンの中から選ばれた１種
を注入して蒸着膜を化合物化すると同時に、その膜と母
材との界面部に注入イオンと蒸着物とが母材に浸透した
ミキシング層２を生成せしめ、次いで、イオン注入によ
り得られた化合物第１コーテイング層３の表面に、Ａ
l，Ｓi，IVa 族元素、Ｖa 族元素、VIa 族元素の化合
物、立方晶型窒化硼素、ダイヤモンドの中から選ばれた
１種もしくは２種以上の積層物で成る第２コーテイング
層４を設けることから成る。
膜にイオンを注入して蒸着物とイオン及び母材セラミツ
クスとの化学結合した化合物コーテイング層を生成せし
め、これを第１コーテイング層としてその表面上に硬質
の第２コーテイング層を設けたものである。また、その
複合体を得るための製造方法は、添付図に示すように、
セラミツクス焼結体から成る母材１の表面に、遷移金属
元素の蒸着膜を形成した後、その蒸着膜に、Ａr，Ｎ，
Ｎe，Ｈe，Ｈ，Ｂ，Ｃ等のイオンの中から選ばれた１種
を注入して蒸着膜を化合物化すると同時に、その膜と母
材との界面部に注入イオンと蒸着物とが母材に浸透した
ミキシング層２を生成せしめ、次いで、イオン注入によ
り得られた化合物第１コーテイング層３の表面に、Ａ
l，Ｓi，IVa 族元素、Ｖa 族元素、VIa 族元素の化合
物、立方晶型窒化硼素、ダイヤモンドの中から選ばれた
１種もしくは２種以上の積層物で成る第２コーテイング
層４を設けることから成る。
遷移金属元素の蒸着膜に、上述したＡr 等のイオンを注
入すると、蒸着物とイオンの化学結合により蒸着膜が化
合物化して第２コーテイング層との親和性が高まるだけ
でなく、高エネルギーで注入されたイオンと蒸着物が共
に母材内に浸透して第１コーテイング層と母材との界面
部に３者のミキシング層が形成され、このミキシング層
が、第１コーテイング層の母材に対する接着性を高め
る。
入すると、蒸着物とイオンの化学結合により蒸着膜が化
合物化して第２コーテイング層との親和性が高まるだけ
でなく、高エネルギーで注入されたイオンと蒸着物が共
に母材内に浸透して第１コーテイング層と母材との界面
部に３者のミキシング層が形成され、このミキシング層
が、第１コーテイング層の母材に対する接着性を高め
る。
このようにして得られる第１コーテイング層は、それ自
体が非常に強固な層であるが、摩耗の耐久時間をより長
めようとすれば、膜厚を厚くしなければならない。しか
し、厚膜にイオンを注入して上述のミキシング層を得よ
うとすると、コストパフオーマンスの点で問題が残る。
また、より硬質の膜、例えば、Ａl2Ｏ３膜を第１コーテ
イング層として厚膜に形成すると、Ｓi3Ｎ４等で形成さ
れる母材との熱伝導率が異なるため、温度勾配に起因い
た熱応力によりコーテイング層にき裂が生じると云う問
題も残される。
体が非常に強固な層であるが、摩耗の耐久時間をより長
めようとすれば、膜厚を厚くしなければならない。しか
し、厚膜にイオンを注入して上述のミキシング層を得よ
うとすると、コストパフオーマンスの点で問題が残る。
また、より硬質の膜、例えば、Ａl2Ｏ３膜を第１コーテ
イング層として厚膜に形成すると、Ｓi3Ｎ４等で形成さ
れる母材との熱伝導率が異なるため、温度勾配に起因い
た熱応力によりコーテイング層にき裂が生じると云う問
題も残される。
そこで、この発明では遷移金属元素の化合物から成る第
１コーテイング層上に、ＣＶＤ法やＰＶＤ法と云つた既
知の技術で、耐摩耗性の特に優れる第２コーテイング層
を設け、これによつて耐摩耗性の持続時間を低コストで
延長させるようにしている。
１コーテイング層上に、ＣＶＤ法やＰＶＤ法と云つた既
知の技術で、耐摩耗性の特に優れる第２コーテイング層
を設け、これによつて耐摩耗性の持続時間を低コストで
延長させるようにしている。
第２コーテイング層は、Ａl，Ｓi，IVa族元素、Ｖａ族
元素、VIａ族元素の炭化物、窒化物、酸化物或いはそれ
等の相互固溶体の中から選ばれる１種又は２種以上の化
合物、立方晶型窒化硼素（CBN）、ダイヤモンドと云つ
た硬質材料を使い、その材料の１種から成る単層或いは
２種以上を組合せた複合層となすが、鋳鉄材の切削用途
では、特に、耐摩耗性の高いＡl2Ｏ３が有効である。ま
た、第２コーテイング層をＡl2Ｏ３で形成する場合の第
１コーテイング層は、Ａl2Ｏ３膜に作用する熱応力や熱
衝撃の吸収効果が高く、かつ、母材との接着強度も高い
Ｔi 化合物が有効である。
元素、VIａ族元素の炭化物、窒化物、酸化物或いはそれ
等の相互固溶体の中から選ばれる１種又は２種以上の化
合物、立方晶型窒化硼素（CBN）、ダイヤモンドと云つ
た硬質材料を使い、その材料の１種から成る単層或いは
２種以上を組合せた複合層となすが、鋳鉄材の切削用途
では、特に、耐摩耗性の高いＡl2Ｏ３が有効である。ま
た、第２コーテイング層をＡl2Ｏ３で形成する場合の第
１コーテイング層は、Ａl2Ｏ３膜に作用する熱応力や熱
衝撃の吸収効果が高く、かつ、母材との接着強度も高い
Ｔi 化合物が有効である。
なお、この発明のセラミツクス複合体は、母材上に接着
強度の大きい化合物第１コーテイング層を介してより硬
質で、しかも、工作物との親和性のない第２コーテイン
グ層を設けてあるので、鋳鉄材の切削工具として使用し
た場合、耐摩耗性、耐久性の増強効果が顕著に発揮され
るが、切削工具以外の耐摩工具、部品等に利用しても、
優れた耐摩性能を示す。
強度の大きい化合物第１コーテイング層を介してより硬
質で、しかも、工作物との親和性のない第２コーテイン
グ層を設けてあるので、鋳鉄材の切削工具として使用し
た場合、耐摩耗性、耐久性の増強効果が顕著に発揮され
るが、切削工具以外の耐摩工具、部品等に利用しても、
優れた耐摩性能を示す。
母材は、鋳鉄材の切削用途ではＳi3Ｎ４好適であるが、
複合体の用途に応じてＳiＣ，Ａl2Ｏ３、CBN，ＺrＯ2と
云つたあらゆるセラミツクスを任意に選択して使用して
よい。
複合体の用途に応じてＳiＣ，Ａl2Ｏ３、CBN，ＺrＯ2と
云つたあらゆるセラミツクスを任意に選択して使用して
よい。
以下に、この発明の効果を明確にするより具体的な実施
例を挙げる。
例を挙げる。
〔実施例１〕 まず、母材のＳi3Ｎ４として、焼結助剤に５．８重量％
のＹ2Ｏ3及び１２．９重量％のＡl2Ｏ３を用い、残部を
Ｓi3Ｎ４とした粉末を湿式混合した後、乾燥した。次
に、この混合粉末をホツトプレスを使つて成形し、か
つ、１８５０℃で２時間焼結した。そして、得られた焼
結体より１４mm×１４mm×６mmの試験片を切出し、これ
をダイヤモンド砥石で研削して母材となるＪＩＳ ＳＮ
Ｇ４３２のスローアウエイチツプを作成した。
のＹ2Ｏ3及び１２．９重量％のＡl2Ｏ３を用い、残部を
Ｓi3Ｎ４とした粉末を湿式混合した後、乾燥した。次
に、この混合粉末をホツトプレスを使つて成形し、か
つ、１８５０℃で２時間焼結した。そして、得られた焼
結体より１４mm×１４mm×６mmの試験片を切出し、これ
をダイヤモンド砥石で研削して母材となるＪＩＳ ＳＮ
Ｇ４３２のスローアウエイチツプを作成した。
次に、そのチツプの表面に、Ｔi，Ｖ，Ｔa，Ｗ，Ｓi の
各金属を０．５μ厚さに蒸着し、さらに、この５種類の
チツプの各々の蒸着膜にイオン注入装置を使つてＡr イ
オンを1015dose／ions．cm2注入して化合物第１コーテ
イング層を生成後、その表面にＣＶＤ法でＡl2Ｏ３の第
２コーテイング層を施した。
各金属を０．５μ厚さに蒸着し、さらに、この５種類の
チツプの各々の蒸着膜にイオン注入装置を使つてＡr イ
オンを1015dose／ions．cm2注入して化合物第１コーテ
イング層を生成後、その表面にＣＶＤ法でＡl2Ｏ３の第
２コーテイング層を施した。
また、比較のため、同じスローアウエイチツプに、第１
層としてＴi，Ｖ，Ｔa，Ｗ，Ｓiの各炭化物を、第２層
としてＡl2Ｏ３をコーテイングした。このときの、第１
層はイオン注入を行つていない。
層としてＴi，Ｖ，Ｔa，Ｗ，Ｓiの各炭化物を、第２層
としてＡl2Ｏ３をコーテイングした。このときの、第１
層はイオン注入を行つていない。
なお、コーテイング層の厚みの制御は、本発明品、比較
例ともコーテイング前後の重量変化を算出して行い、第
１層、第２層ともに２μｍの厚さとした。
例ともコーテイング前後の重量変化を算出して行い、第
１層、第２層ともに２μｍの厚さとした。
以上のようにして得られたこの発明の工具と比較例の工
具を、下記の切削条件で切削試験に供し、それぞれの寿
命時間を測定したところ、比較例がいずれも５〜１０分
で寿命に至つたのに対し、この発明の工具は３０〜８０
分と６〜８倍に寿命が延長された。
具を、下記の切削条件で切削試験に供し、それぞれの寿
命時間を測定したところ、比較例がいずれも５〜１０分
で寿命に至つたのに対し、この発明の工具は３０〜８０
分と６〜８倍に寿命が延長された。
切削条件 加 工 機：池具鉄工製ＮＣ旋盤２５kw 被 削 材：ＦＣ２５ ３００φ×１０００Ｌ ホルダー：ＦＮ１１Ｒ−４４Ａ 切削速度：５００ｍ／分 送 り：０．３６mm／rev 切 込 み：２．０mm 寿命判定：ＶB＝０．２mm 〔実施例２〕 母材、第１コーテイング層、第２コーテイング層の材料
を第１表に基いて組合せたコーテイングチツプを作成
し、それ等の切削性能を確かめた。スローアウエイチツ
プの作成方法及び切削条件は実施例１と同じである。
を第１表に基いて組合せたコーテイングチツプを作成
し、それ等の切削性能を確かめた。スローアウエイチツ
プの作成方法及び切削条件は実施例１と同じである。
以上の組合せ３６種のスローアウエイチツプは、いずれ
も、従来法で得られた比較例のチツプに比べて切削寿命
が５〜１０倍に改善された。
も、従来法で得られた比較例のチツプに比べて切削寿命
が５〜１０倍に改善された。
以上の通り、この発明によれば、セラミツクス母材の表
面に、遷移金属元素の蒸着とそれに対するイオン注入を
併用して第２コーテイング層の熱応力、熱衝撃に対する
保護効果をもち、しかも、母材に対する接着性に優れた
化合物第１コーテイング層を生成し、その表面上により
硬質の第２コーテイング層を設けるので、母材のもつ靭
性や耐熱衝撃性などの機械的特性を何ら損わずに、従来
指摘されていたコーテイング層の耐久性の悪さの問題を
解決し得ると云う効果が得られ、寿命の長い、かつ、コ
ストパフオーマンスの充分に改善された経済的なセラミ
ツクス複合体を提供することが可能になる。
面に、遷移金属元素の蒸着とそれに対するイオン注入を
併用して第２コーテイング層の熱応力、熱衝撃に対する
保護効果をもち、しかも、母材に対する接着性に優れた
化合物第１コーテイング層を生成し、その表面上により
硬質の第２コーテイング層を設けるので、母材のもつ靭
性や耐熱衝撃性などの機械的特性を何ら損わずに、従来
指摘されていたコーテイング層の耐久性の悪さの問題を
解決し得ると云う効果が得られ、寿命の長い、かつ、コ
ストパフオーマンスの充分に改善された経済的なセラミ
ツクス複合体を提供することが可能になる。
添付図は、この発明に係るセラミツクス複合体の一例を
示す部分的な拡大断面図であつて、１は母材、２はミキ
シング層、３は化合物第１コーテイング層、４は第２コ
ーテイング層を示している。
示す部分的な拡大断面図であつて、１は母材、２はミキ
シング層、３は化合物第１コーテイング層、４は第２コ
ーテイング層を示している。
Claims (4)
- 【請求項１】セラミツクス焼結体から成る母材の表面
に、遷移金属元素の蒸着膜に対してＡr，Ｎ，Ｎe，Ｈ
e，Ｈ，Ｂ，Ｃ等のイオンの中から選ばれた１種を注入
して形成される化合物第１コーテイング層と、Ａl，Ｓ
i，IVa族元素、Ｖa族元素、VIa族元素の化合物、立方晶
型窒化硼素、ダイヤモンドの中から選ばれた１種もしく
は２種以上の積層物で形成されて第１コーテイング層を
覆つた第２コーテイング層とを備え、第１コーテイング
層と母材との界面部に、注入イオンと蒸着物とが母材に
浸透して形成されるミキシング層が存在しているセラミ
ツクス複合体。 - 【請求項２】上記第２コーテイング層の化合物が、Ａ
l，Ｓi，IVa族元素、Ｖa族元素、VIa族元素の炭化物、
窒化物、酸化物又はそれ等の相互固溶体から成る群の中
から選ばれる１種又は２種以上の化合物であることを特
徴とする特許請求の範囲第(1)項記載のセラミツクス複
合体。 - 【請求項３】上記母材が、窒化珪素、炭化珪素、酸化ア
ルミニウム、立方晶型窒化硼素、酸化ジルコニウムのい
ずれかを主成分としたものであることを特徴とする特許
請求の範囲第(1)項又は第(2)項記載のセラミツクス複合
体。 - 【請求項４】セラミツクス焼結体から成る母材の表面
に、遷移金属元素の蒸着膜を形成した後、その蒸着膜
に、Ａr、Ｎ，Ｎe，Ｈe，Ｈ，Ｂ，Ｃ等のイオンの中か
ら選ばれた１種を注入して蒸着膜を化合物化すると同時
に、その膜と母材との界面部に注入イオンと蒸着物とが
母材に浸透したミキシング層を生成せしめ、次いで、イ
オン注入により得られた化合物第１コーテイング層の表
面に、Ａl，Ｓi，IVa族元素、Ｖa族元素、VIa族元素の
化合物、立方晶型窒化硼素、ダイヤモンドの中から選ば
れた１種もしくは２種以上の積層物で成る第２コーテイ
ング層を設けることを特徴とするセラミツクス複合体の
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5769086A JPH0637342B2 (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | セラミツクス複合体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5769086A JPH0637342B2 (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | セラミツクス複合体及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62216982A JPS62216982A (ja) | 1987-09-24 |
| JPH0637342B2 true JPH0637342B2 (ja) | 1994-05-18 |
Family
ID=13062939
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5769086A Expired - Lifetime JPH0637342B2 (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | セラミツクス複合体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0637342B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7252684B2 (en) * | 2002-11-06 | 2007-08-07 | Southwest Research Institute | Ceramic in replacement components |
-
1986
- 1986-03-14 JP JP5769086A patent/JPH0637342B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62216982A (ja) | 1987-09-24 |
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