JP4123529B2

JP4123529B2 - 超微粒子分散膜

Info

Publication number: JP4123529B2
Application number: JP02360596A
Authority: JP
Inventors: 美紀入江; 明中山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2016-02-09
Also published as: JPH09217141A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具や耐摩工具等の硬質部材の表面に設ける耐摩耗膜、保護膜として好適な超微粒子分散複合膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具等の材料として最も一般的には高速度工具鋼や超硬合金が用いられている。高速度合金鋼は、主としてCr,Mo,W,V,CoおよびCを合金成分として含有し、Feをマトリックスとする合金鋼である。一般的に高速度工具鋼は優れた靱性を有するため、高い信頼性が要求される切削工具の材料として用いられている。その製造方法としては、溶解鋳造法や、アトマイズ粉を熱間静水圧プレス処理（HIP）等によって固める粉末冶金法等が広く用いられている。また、上記のように靱性に優れた高速度工具鋼に耐摩耗性を付加するために、炭化物や窒化物の量を増加させる方法が提案されている。
【０００３】
たとえば、特開昭60-2648号公報、特開昭61-179845号公報には、マトリックス中に極めて微細なTiN粒子を分散させた高速度工具鋼と、高速度工具鋼等の合金鋼とが複合された工具材料が示されている。また特開平6-271972号公報には、Ni、Co、Fe等の金属中に、TiN、TiCN等の硬質超微粒子を分散させた材料を切削工具の被覆材料として使用すると、切削加工の高速化による能率向上、靱性アップによる欠けや折損に関する信頼性向上に大きく貢献することができることが示されている。
【０００４】
一方、超硬合金は、WC,TiC,TaC,NdC等の炭化物をCoやNiをベースとして焼結した合金である。超硬合金は、原材料としての粉末を混合、プレス、焼結する一連の工程からなる粉末冶金的な手法によって製造されるもので、靱性という面では高速度工具鋼に劣るが、耐摩耗性に優れているため、高速切削においてその特徴を発揮する工具材料となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、高速度工具鋼は靱性に優れるものの、耐摩耗性が不十分であるため、高速切削に適した工具用材料として用いることは困難である。高速度工具鋼の耐摩耗性を向上させるためには、合金成分を増し、マトリックス中の炭化物の量を増加させることが通常の手段として用いられる。しかしながら、高速度工具鋼の特徴である優れた靱性を維持したままで、耐摩耗性の向上を達成することは容易ではない。
【０００６】
すなわち、合金成分を増加させる事により高速度工具鋼中の炭化物の量は増加し、耐摩耗性は上昇する反面、靱性の急激な低下が起こる。特に、溶解鋳造法によって製造される場合には、高速度工具鋼中における炭化物の体積含有率は15％程度であって、また、粉末冶金法によって炭化物の量を多少増加させる事ができるが、体積含有率で30％程度までである。高速度工具鋼粉末に炭化物、窒化物の粉末を混合し、焼結する方法によれば、理論上は任意の量の炭化物、窒化物を含有させることは可能となる。
【０００７】
ところが、この場合においても硬質相を増加させるにつれて靱性の低下が起きる。一般的に、粒径が数μmの粉末を用いて混合し、圧縮成形後、焼結すると、これらの炭化物、窒化物等の硬質セラミックの量が増えるにつれて高速度工具鋼の粉末の粒界に炭化物、窒化物が網目状に集合してしまうので、靱性の低下は許容できない程度になる。そこで炭化物、窒化物をサブミクロンオーダーの微粒にすることも考えられるが、このような超微粒子は凝集しやすく、均一に分散させることは容易ではなく、炭化物、窒化物が分散させられた高速度工具鋼の組織を得ることはできない。
【０００８】
一方、超硬合金は、高速度工具鋼とは異なり、耐摩耗性は優れているが、十分な靱性を有していない。超硬合金の靱性を向上させる方法として、硬質相の炭化物を微細にする方法が採用されている。しかしながら、この方法にも限界があり、得られる靱性は高速度工具鋼の靱性にははるかに及ばない。この炭化物の量を60体積％程度まで低下させた組成の超硬合金は耐摩耗性が急激に低下し、切削工具の材料として実用に耐えないのである。
【０００９】
以上のように、従来の切削工具用材料として用いられる高速度工具鋼および超硬合金は、それぞれ欠点を有し、実用上、それらの欠点を生じさせない条件下でしか使用することができない。そのため、高速度工具鋼または超硬合金の特性を十分発揮することができないという問題点があった。そこで、この発明の目的は、超硬合金の持つ耐摩耗性（高硬度）とともに、靱性を有した超微粒子分散材料を提供することを課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するため、本発明の超微粒子分散膜を被覆した耐摩耗部材は、硬質物質からなる基材の表面に、硬質超微粒子と金属超微粒子から構成され、硬質超微粒子と金属超微粒子の結晶粒径が5nm以下であるような超微粒子分散膜を形成したことを特徴とする。なお、前記超微粒子分散膜は基板である切削工具や耐摩工具の全表面に実施してもまたは切刃部分の表面にのみ実施してもよい。なお、硬質部材に超微粒子分散膜を被覆する方法として、真空アーク放電を利用した間欠成膜法が最も適している。
【００１１】
【発明の実施の態様】
本発明による超微粒子分散膜によれば、硬質超微粒子としてのTiN粒子は金属材料のみでは不足する耐摩耗性を高める。TiNは、ビッカース硬度(Hv)で2000kgf/mm²程度であり、一般的な高速度工具鋼の２倍以上の硬さを有する。この硬質のTiN超微粒子と金属(Ni)超微粒子を分散、複合化した膜を形成することによりホールペッチ則（硬度が結晶粒径の平方根に逆比例する法則）から予測される高硬度化あるいはナノサイズ効果による硬度上昇によって耐摩耗性の向上が期待される。
【００１２】
また、TiNは鋼との反応性が少なく、切削工具に適用した場合、切削時の凝着摩耗を抑制し、切削面の面粗度を向上させると云われている。この硬質超微粒子としてのTiNを金属例えばNi中に分散させるのに、従来の技術によれば、TiN粒子が大きいため、TiN量が増えると強度の低下が生じていた。そこで、本発明によれば、TiN粒子と金属(Ni)粒子の粒径が各々5nm以下で、かつ両者を均一に分散させて、硬度の低下を軽減させることを可能とした。
【００１３】
本発明膜の作成には真空アーク放電を利用した間欠成膜法を用いている。たとえば、TiNとNiから構成される材料では真空アーク放電によりTiとNiを別々に蒸発させ、真空槽内に窒素ガスを導入することにより、基板表面にTiNとNiの複合膜を作成させることができる。しかしながら、従来の成膜方法は図2に示すようにTi陰極5とNi陰極4の２つの陰極から生成されたプラズマ（蒸気）を基板8上に連続的に照射し蒸着していた。図2の中の記号1は真空チャンバー、2はプラズマガイドノズル、3は放電用電源、7は基板ホルダ、9は磁場コイルを示している。
【００１４】
このような場合には、TiN粒子とNi粒子が均一に分散するよりもTiN粒子同士あるいはNi粒子同士が凝集し、連結した構造をとる方が膜構造全体の粒界エネルギー（界面エネルギー）が小さくなり（異相界面を持つよりも同相界面を持つ方がエネルギーが小さくなり）、より安定な構造となると考えられる。実際、この成膜方法で作製したTiN-Ni超微粒子分散膜においては透過電子顕微鏡による観察からは10nm程度の粒径のTiNとNi粒子同士が凝集、連結した構造になっている。このため、期待とおりの硬度あるいは靱性の向上は困難であった。
【００１５】
そこで、我々は超微粒子の粒径を5nm以下にし、かつ均一な分散を実現するために、金属陰極から生成されプラズマ中でイオン化された金属イオンを間欠（パルス）的に照射する成膜方法を見いだした。その成膜方法は、例えばTiNとNiの超微粒子分散膜の作製では、TiとNiの原料ターゲットである金属陰極から生成したプラズマを交互に基板照射することを特徴とする方法である。照射時間はTiNおよびNiが堆積しないような時間を設定する。すなわち、１回のパルスでの照射時間は、TiNおよびNiは基板上に島状（クラスタ状）で堆積して冷却固化するために、TiN超微粒子同士あるいはNi超微粒子同士が凝集したり連結するには至らない時間とした。
【００１６】
【実施例】
真空アーク放電を利用した間欠（パルス）成膜によるTiN-Ni超微粒子分散膜の試作を行った。本発明の成膜装置を図1に示す。プラズマガイドノズル2にプラズマガイド磁場コイル6を配置し、このコイル6に電流を流すことで、ノズル2内に磁界を生じさせる。電源3からのアーク放電により金属である原料ターゲットすなわち本例ではTi陰極5とNi陰極4から発生した粒子の中で、イオン化超微粒子のみが、この磁場に導かれてチャンバー1内に放出される。その他の粒子は、ノズル2内に付着する。
【００１７】
湾曲したプラズマガイドノズルの4ケ所に設置されたプラズマガイド磁場コイル6の電流をOFFにすることで、ノズル内の磁場が消失し、アーク放電により原料ターゲットから発生した粒子のすべてがノズル内に付着し、基板7に到達できない。すなわち、原料ターゲットと基板とが角度（ほぼ直角）を持って設置されており、湾曲した磁場の存在のためにターゲットから放出されプラズマとなった粒子中のイオン化超微粒子のみが、プラズマコイル中の磁界に沿って取り出され、基板ホルダ上に取り付けている基板に成膜する。
【００１８】
主に基板に成膜されることとなる。この場合はプラズマガイド磁場コイルの電流をON/OFFすることにより間欠（パルス）照射を実現した。真空チャンバー内を10^-5Torrの真空にして、次に窒素ガスを導入し5×10^-4Torrの圧力になるようにしたものであって、その間欠（パルス）成膜条件を表1に示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
基板として、組成がJIS規格P30,形状がJIS SNG432の超硬合金製チップを用意し、その表面に真空アーク放電による間欠（パルス）成膜法を用いて表2に示す超微粒子分散膜を形成し、試料1〜4（本発明品1〜4）を得た。また、比較のためにTiNとNiを用いて従来の焼結法（焼結温度1500℃）で作製した試料5と6及び従来材の超硬合金と高速度工具鋼の試料7と8も用意した。試料5はTiN60％のものに関して、焼結中の結合金属の液相体積が過大なため焼結支持台と反応し、組成変動や変形のような焼結欠陥を生じ、特性の測定は出来なかった。各試料の硬度等の測定値を表2に併せて示している。
【００２１】
【表２】

【００２２】
硬度測定はヌープ硬度（荷重100gf）、靱性値はビッカース圧子（荷重1Kgf）による圧痕からの亀裂による評価を行った。又、材料の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光（EDX）分析により測定した。組成のTiN以外はNiであった。粒径は本発明品1〜4（試料No.1〜4）では透過電子顕微鏡で超硬合金製チップ上に形成された膜微細組織を観察することで、直接的に粒径を観測した。比較材2については、Ｘ線回折ピークの半価幅から粒径を求めた。
【００２３】
表２の結果から、真空アーク放電を利用した間欠（パルス）成膜法により、硬質材料と金属材料の粒径を5nm以下にすることが可能とした。なお、透過電子顕微鏡で粒径0.5nm程度の粒子が確認できたので本成膜の粒径は0.5nm以上で5nm以下である。超微粒子を高分散させることで、耐摩耗性（高硬度）とともに、靱性を有した膜を提供することができる。このような膜は、高硬度化等の機械的特性に優れた特性を有する。
【００２４】
このような超微粒子分散膜は、本実施例で示したプロセス以外に真空蒸着、スパッタリング法等でも間欠（パルス）的に基板上に照射することにより作製することが不可能ではないが、本願による成膜方法が超微粒子分散膜を作製するのに好適である。また、本願による成膜方法は、機械的特性以外の光学、電気、磁気的性質に優れた膜の作製にも有用である。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明の超微粒子分散膜を用いれば優れた機械的特性を有する膜が開発できる。また、成膜手法としては真空アーク放電を利用した間欠（パルス）成膜法が最も適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の間欠成膜による方法を示す図である。
【図２】従来の成膜方法を示す図である。
【符号の説明】
１：真空チャンバー
２：プラズマガイドノズル
３：放電用電源
４：Ni陰極
５：Ti陰極
６：プラズマガイド磁場コイル
７：基板ホルダ
８：基板
９：磁場コイル

Claims

硬質超微粒子と金属超微粒子から構成され、それぞれの結晶粒径が０．５ｎｍ以上で５ｎｍ以下であることを特徴とする超微粒子分散膜であり、該膜は真空アーク放電を利用した間欠成膜法で作られていることを特徴とする超微粒子分散膜。
硬質超微粒子が窒化チタンであり、金属超微粒子がニッケルから構成される請求項１記載の超微粒子分散膜。
請求項１または２に示す超微粒子分散膜が、磁場を利用してイオン化超微粒子のみを選択的に基板に到達せしめることを特徴とする真空アーク放電を利用した間欠成膜法で作られていることを特徴とする超微粒子分散膜。