JP3469310B2

JP3469310B2 - ダイヤモンド被覆用セラミック基基材及び被覆用基材の製造方法

Info

Publication number: JP3469310B2
Application number: JP09393694A
Authority: JP
Inventors: 貴久牛田; 聡飯尾; 隆志岡村; 正一渡辺
Original assignee: 日本特殊陶業株式会社
Priority date: 1993-05-25
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 2003-11-25
Anticipated expiration: 2018-11-25
Also published as: JPH0797603A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被覆用セラミック基基
材、より詳細には硬質被膜、特にダイヤモンド膜及びｃ
ＢＮ（立方晶窒化ホウ素）膜等を被覆するためのセラミ
ック基基材に関する。本発明のセラミック基基材にダイ
ヤモンド又はｃＢＮ等の硬質被膜を被覆したものは、バ
イト、エンドミル、カッター若しくはドリル等の各種切
削工具、各種耐摩耗部材又はヒートシンク等の電子用部
材として用いることができる。

【０００２】

【従来の技術】基材にダイヤモンドを被覆して成るダイ
ヤモンド被覆硬質材料は、基材へのダイヤモンド被覆層
の付着強度が弱く、ダイヤモンド被覆層は基材から剥離
しやすかった。そのため、基材へのダイヤモンド被覆層
の付着強度を向上させることを目的とした種々の技術が
知られている。それらのいくつかを示せば次のとおりで
ある。

【０００３】特開平１−２４６３６１号公報には、特定
組成の焼結合金の加熱処理面に特定の被覆膜を形成した
焼結合金について開示されている。

【０００４】特開平４−２３１４２８号公報には、特定
組成の超硬合金工具を特定条件で二次焼結し、さらに化
学エッチングと超音波研磨を行なってダイヤモンド被覆
層を形成する切削工具の製造法が開示されている。

【０００５】特開平４−２６３０７４号及び特開平４−
２６３０７５号の各公報には、特定の凹凸を有する基材
表面にダイヤモンド被覆層を形成して成る硬質材料が記
載されている。

【０００６】これら以前の技術としては、特開昭５４−
８７７１９号、特開昭５８−１２６９７２号（特公昭６
２−７２６７号）の各公報に記載のものが知られてい
る。

【０００７】なお、「粉体および粉末冶金」第２９巻第
５号の第１５９〜１６３頁は、ＷＣ−β−Ｃｏ合金
（β：ＷＣ−ＴｉＣ固溶体）表面への硬質層形成につい
て報告されており、前記合金を5.1ｋＰａ（５×１０^-2
気圧）のＮ₂中において１６７３Ｋで加熱すると凹凸の
激しい硬質層が表面に形成される点、硬質層の形成はＮ
₂圧力が約0.7ｋＰａ（約７×１０^-3気圧）以上で見られ
る点、Ｎ₂圧力を高くして長時間加熱を行う程ＷＣ−Ｔ
ｉＣ−ＴｉＮ固溶体（β（Ｎ））粒子が粗大化して表面
部の凹凸が著しくなると共に表面部にＣｏプールが生じ
る点が記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術によっ
ても、基材へのダイヤモンド被覆層の付着強度は、なお
不十分であり、ダイヤモンド被覆層は基材から剥離しや
すいので、耐久性が不十分であった。

【０００９】また、前記「粉体および粉末冶金」に記載
の方法は、そもそもダイヤモンド膜を被覆するための基
材の製法として開示されたものではなく、ダイヤモンド
膜を良好に被覆しうるか否かは不明であると共に、減圧
下で加熱するので加熱条件の制御が困難で安定した量産
が困難である。

【００１０】本発明は従来技術のかかる問題点を解消す
る被覆用基材、被覆基材及び被覆用基材の製造方法を提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、次の被
覆用基材、被覆基材及び被覆用基材の製造方法により上
記目的を達成することができる。

【００１２】表面粗さ（Ｒｚ）２〜２０μｍの基凹
凸面を有し、角部の表面粗さ（Ｒｚ）は角部以外の表面
粗さ（Ｒｚ）の４０％以上である被覆用セラミック基基
材。

【００１３】上記被覆用セラミック基基材に硬質被
膜を被覆して成る被覆基材。

【００１４】（ａ）ＷＣを主成分とするＷＣ基超硬合
金の角部を、角部断面における輪郭線が曲率半径Ｒ 0.0
05 ｍｍ以上の曲線を含むように面取りされた形状と
し、（ｂ）前記（ａ）の工程で得られたＷＣ基超硬合金
を、0.05〜５容量％のＮ₂ガスを含有する０．５〜１．
５気圧の雰囲気下、前記ＷＣ基超硬合金の液相が発生す
る温度以上焼成温度以下で熱処理し、（ｃ）前記ＷＣ基
超硬合金の表面にＮ含有凹凸表面層を形成する被覆用基
材の製造方法。

【００１５】上記被覆用セラミック基基材の基凹凸面
は、好ましくは、最表面を構成する結晶粒子の大きさ程
度（0.5〜１０μｍ）の微小凹凸（より好ましくは、１
〜５μｍで且つ基凹凸面の粗さよりも小さい値の微小凹
凸）を前記基凹凸面に対し有して成る二重凹凸面構造を
有する。

【００１６】かかる微小凹凸の方向は、前記基凹凸面に
対したて方向のみならず、ななめ方向、横方向のものも
ある。

【００１７】上記被覆用セラミック基基材が、ダイヤモ
ンド被覆用であること、また、セラミック基基材本体
と、前記基材本体を被覆する被覆層から成り、前記二重
凹凸面構造を有する被覆層が最外層であることは、それ
ぞれ好ましい。

【００１８】セラミック基基材本体は、好ましくは、Ｗ
Ｃを主成分とし、Ｔｉ又はこれとＴａと、Ｃｏ及びＮｉ
の少なくとも１種を含有してなるＷＣ基超硬合金であ
る。

【００１９】被覆層は、好ましくは、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ−Ｎ
固溶体及びＷ−Ｔｉ−Ｔａ−Ｃ−Ｎ固溶体の少なくとも
１種を主体として成る。

【００２０】被覆基材の硬質被膜は、好ましくはダイヤ
モンドから成るものにする。

【００２１】上記被覆用セラミック基基材の製造方法に
おいて、好ましくは、表面粗さ（Ｒｚ）２〜２０μｍの
基凹凸面を有するＮ含有凹凸表面層を前記ＷＣ基超硬合
金の表面に形成する。

【００２２】より好ましくは、前記基凹凸面が、最表面
を構成する結晶粒子の大きさ程度（0.5〜１０μｍ）の
微小凹凸（さらに好ましくは、１〜５μｍで且つ基凹凸
面の粗さよりも小さい値の微小凹凸）を前記基凹凸面に
対し有して成る二重凹凸面構造を有するＮ含有凹凸表面
層を、ＷＣ基超硬合金の表面に形成する。

【００２３】また、好ましくは、ＷＣ基超硬合金とし
て、ＷＣを主体とし、Ｔｉ又はこれとＴａと、Ｃｏ及び
Ｎｉの少なくとも１種を含有してなる超硬合金を用い
る。

【００２４】また、好ましくは、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ−Ｎ固溶
体及びＷ−Ｔｉ−Ｔａ−Ｃ−Ｎ固溶体の少なくとも１種
を主体として成るＮ含有凹凸表面層を形成する。

【００２５】本発明の被覆用セラミック基基材におい
て、基凹凸面の表面粗さ（Ｒｚ）が２μｍ未満では、付
着性を高めることができず、２０μｍを越えると基材強
度が低下する。角部の表面粗さ（Ｒｚ）は角部以外の表
面粗さ（Ｒｚ）の４０％以上なので、被膜を被覆した場
合に被膜が剥離しにくい。ここで角部以外の表面粗さ
（Ｒｚ）とは、角部から離れた部分の表面粗さ（Ｒｚ）
のことであり、好ましくは、被覆用セラミック基基材を
構成する面のほぼ中央部ないしその周囲の表面粗さ（Ｒ
ｚ）である。

【００２６】また、基凹凸面に対する微小凹凸が0.5μ
ｍ以上の場合には、ダイヤモンド等の硬質被膜被覆時の
付着性をより一層高めることができるが、１０μｍを越
えても１０μｍ未満の場合の付着性を上まわる付着性は
得られない。表面粗さ（Ｒｚ）は、ＪＩＳＢ０６０１に
規定する十点平均粗さである。

【００２７】本発明の製造方法において、常圧の熱処理
雰囲気中のＮ₂ガスが0.05容量％未満の場合には、雰囲
気中のＮの量が少ないのでＮ含有凹凸表面層の形成が困
難であり、５容量％を越える場合にはＷＣ基超硬合金に
含まれる結合相（例えばＣｏ）が表面に多量に析出し、
ダイヤモンド被覆時の付着性を低下させる。

【００２８】熱処理温度がＷＣ基超硬合金の液相生成温
度未満の場合には、Ｎ含有凹凸表面層の凹凸が不十分で
あり、ダイヤモンド被覆時の付着性が不十分になり、焼
成温度を越える場合には、前記超硬合金を構成する粒子
が成長し、強度等の特性が低下する場合がある。熱処理
を常圧下で行うので、バッチ炉だけでなくトンネル炉な
どの連続処理が可能となり、コスト、生産性の点におい
て大きなメリットがある。

【００２９】また、前記曲率半径Ｒが0.005ｍｍ未満の
場合には、熱処理後に角部に形成されるＮ含有凹凸表面
層の凹凸の程度が角部以外の部分（例えば、被覆用基材
を構成する面のほぼ中央部ないしその周囲）に比較して
小さいので、被膜を被覆した場合に被膜の付着性が低下
する。

【００３０】本発明の製造方法により得られた被覆用基
材にダイヤモンド等の硬質被膜を被覆したものは、硬質
被膜とＮ含有凹凸表面層が嵌合しており、且つ、Ｎ含有
凹凸表面層とＷＣ基超硬合金も嵌合していて、これら両
方の嵌合のアンカー効果によりより一層高い付着性が得
られる。

【００３１】本発明の被覆用基材の製造方法で用いるＷ
Ｃ基超硬合金の角部を、角部断面における輪郭線が曲率
半径Ｒ0.005〜0.10 mmの曲線を含むように面取りされた
形状にすることは、切削工具の製造に用いる基材として
特に好ましい。

【００３２】即ち、切削工具は、すくい面と逃げ面の交
差により規定される角部である刃先部分を有する。すく
い面又は逃げ面に対して直角方向の刃先部分断面（角部
断面）における輪郭線が、曲率半径Ｒ0.005 mm未満の曲
線又は直線から成る場合は、角部の基材肉厚が薄く、熱
処理によって形成されるＮ含有凹凸表面層の厚さが薄く
なるので、角部以外のＮ含有凹凸表面層よりも表面凹凸
が小さくなる。そのため、被覆層を形成すると、角部の
被覆層の密着性は、角部以外の密着性に比較して劣る傾
向にある。

【００３３】なお、熱処理によって角部に形成されるＮ
含有凹凸表面層の厚さが薄くなる理由は、例えば、ＷＣ
基超硬合金として、ＷＣを主体としＴｉを含有するもの
を用いた場合には、角部の肉厚が薄いので、熱処理によ
ってＷＣ基超硬合金表面側に移動するＴｉ成分量が少い
ためと考えられる。

【００３４】一方、前記輪郭線が曲率半径Ｒ0.10 mm を
越える曲線を含む場合は、熱処理によって形成されるＮ
含有凹凸表面層の表面凹凸の程度は十分であり、角部と
被覆層との密着性は、角部以外での密着性と同等であ
る。しかし、被覆後の角部を切削工具の刃先部分として
用いる場合には、切削抵抗が増加し過ぎて切り粉の溶着
が生じたり、切削後の被切削材の表面仕上げ状態が粗く
なる傾向がある。

【００３５】前記角部を、上記のように面取りされた形
状にするには、例えば丸ホーニング等のホーニング加工
等により行うことができる。

【００３６】なお、本願明細書においてセラミック基基
材とは、特に超硬質のセラミック質物質（炭化物、窒化
物、ホウ化物及びこれらの複合化合物ないし酸化物との
複合化合物、金属化合物等）を主成分とする硬質基材で
あり、基本的に焼結によって得られ、高融点金属の炭化
物を主要成分とし金属相を結合相とする超硬合金やサー
メット等も含まれる。なお、基材自体が被覆層を有する
複合構造体であってもよい。また、基凹凸面は、ＪＩＳ
Ｂ０６０１に規定する十点平均粗さが２〜２０μｍであ
る面である。常圧とは0.5〜1.5気圧のことをいう。

【００３７】

【好適な実施態様】

（被覆用セラミック基基材）本発明の被覆用セラミック
基基材は、基材本体とこれを被覆する被覆層から成るも
のにすることができ、被覆層は１層以上設けることがで
きる。基材本体と被覆層の間が嵌合したものは好まし
い。

【００３８】基材本体は、好ましくは超硬合金等の硬質
材料であり、例えば、ＴｉＣ又はこれとＴａＣを含んだ
ＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金にすることができる。ＴａＣを
含む場合は、Ｔａの一部ないし全部をＶ、Ｚｒ、Ｎｂ、
Ｈｆの少なくとも１種で置き換えてもよい。

【００３９】被覆層は、好ましくは、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ−Ｎ
固溶体及びＷ−Ｔｉ−Ｔａ−Ｃ−Ｎ固溶体の少なくとも
１種を主体とする。

【００４０】（被覆基材）本発明の被覆基材は、本発明
の被覆用セラミック基基材に硬質被膜を被覆して成るも
のであり、硬質被膜の材料としてダイヤモンド又はｃＢ
Ｎを用いることができる。

【００４１】（ダイヤモンド被覆用基材の製造方法）Ｗ
Ｃ基超硬合金は、ＷＣを主成分としたものであり、他の
成分として好ましくは、Ｔｉ又はこれとＴａと、結合相
としてＣｏ及びＮｉの少なくとも１種を含むものを用い
ることができる。この場合のＷＣ基超硬合金の好ましい
組成は、Ｔｉ又はこれとＴａは、炭化物換算で0.2〜２
０重量％（好ましくは0.5〜１０重量％、より好ましく
は１〜５重量％）であり、Ｃｏ及びＮｉの少なくとも１
種は、２〜１５重量％（好ましくは、３〜１０重量％、
より好ましくは４〜７重量％）であり、前記合金はＷ−
Ｔｉ−Ｃ固溶体（β相）及びＷ−Ｔｉ−Ｔａ−Ｃ固溶体
（β_t相）の少なくとも１種を有する。前記β相及びβ_t
相の好ましい平均結晶粒径は、0.5〜１０μｍ（より好
ましくは１〜５μｍ）である。

【００４２】Ｔｉが炭化物換算で0.2重量％未満の場合
には、熱処理によってＮ含有凹凸表面層が形成しにく
く、また、熱処理後の表面層自体が剥離しやすくなる。
剥離しやすくなる理由は、熱処理によって、Ｔｉ成分の
ほとんどが表面に移動してＷ−Ｔｉ−Ｃ−Ｎ固溶体（β
（Ｎ）相）が表面に形成されて、Ｔｉ成分と他の合金成
分とが分離し嵌合状態が低下してしまうからである。ま
たＴｉが炭化物換算で２０重量％を越える場合には、熱
処理前において既に脆く、また、熱膨張係数が大きくな
るので、ダイヤモンドのそれとの差が大きくなり、ダイ
ヤモンド被覆後の冷却中に基材とダイヤモンド膜界面に
せん断応力が生じ膜剥離の原因となりやすい。

【００４３】Ｔｉの他にＴａを含有させた場合の好まし
い上限値が２０重量％である理由も上記と同様である。

【００４４】なお、前記熱処理に悪影響を与えない範囲
でＴａの一部ないし全部をＶ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆの少な
くとも１種で置き換えることができる。また、ＷＣ、Ｔ
ｉＣ、ＴａＣ、Ｃｏ等の各粉末を粉末冶金法で緻密に焼
結して得られるＷＣ基超硬合金は、前記炭化物結晶相が
焼結中に粒成長すると強度が低下するので、焼結中の粒
成長を抑制するＣｒ及びＭｏの少なくとも１種を通常は
炭化物として、本発明における熱処理に悪影響を及ぼさ
ない範囲で含有させることができる。

【００４５】結合相としてのＣｏ及びＮｉの少なくとも
１種の含有量が２重量％未満の場合には、ＷＣ基超硬合
金製造の際の焼結による緻密化が困難であり、基材とし
て要求される強度等の特性が不十分である。一方、１５
重量％を越える場合には、本発明における熱処理時やダ
イヤモンド被膜形成時にこれらの成分が基材表面に現わ
れやすく、ダイヤモンド被膜形成に対して悪影響を及ぼ
す場合があり、また、ダイヤモンド被膜の熱膨張係数と
の差が大きくなり膜剥離の原因となることがある。

【００４６】β相又はβ_t相の平均粒径が0.5μｍ未満の
場合には、熱処理後に形成されるＮ含有表面層の凹凸が
小さくなったり、Ｎ含有表面層とＷＣ基超硬合金内層と
の嵌合が十分に得られない場合があり、１０μｍを越え
ると前記嵌合が不十分になったり、熱処理前におけるＷ
Ｃ基超硬合金としての強度が得られないことがある。

【００４７】なお、ＴｉＮやＴｉＣ−ＴｉＮ固溶体等の
Ｎを含む粉末の添加による焼結、窒素原子を含む雰囲気
中での焼結により、あらかじめβ（Ｎ）相を含有するＮ
入り超硬合金やサーメットの場合には、本発明における
熱処理によっても表面層に凹凸ができにくくなったり、
熱処理雰囲気による凹凸状態の制御が困難あるいは不安
定になる場合がある。

【００４８】ＷＣ基超硬合金の熱処理の雰囲気中のＮ₂
含有量を正確に制御するため、熱処理に使用する炉は、
雰囲気中のＮ₂含有量に影響を及ぼさない耐火物で構成
し、ＢＮ等の耐火物からなる炉は用いない。

【００４９】ＷＣ基超硬合金の好ましい熱処理温度は１
３５０〜１４５０℃であるが、合金中の炭素量やＣｏと
Ｎｉの量比によって下限温度は異なる。

【００５０】熱処理時間は、Ｎ含有表面層の凹凸の度合
に最も影響を及ぼす因子であり、これを調整することで
任意の凹凸を有するＮ含有表面層を形成することができ
る。効率よく、安定的にＮ含有層を得るには、熱処理温
度や雰囲気中のＮ₂含有量を調整し、熱処理時間を好ま
しくは0.5〜５時間にする。

【００５１】熱処理時の雰囲気は、常圧においてＮ₂を
0.05〜５容量％含有するが、好ましくは0.5〜３容量％
含有させ、残部はＡｒ等の不活性ガスにする。

【００５２】本発明の被覆用基材の製造方法によって、
Ｎ含有凹凸表面層を形成した後に、前記表面層の膜付着
性を変化させない範囲でアルゴン等の不活性雰囲気中で
再熱処理を行ない、前記表面層からＮを放出してもよ
い。

【００５３】また、上記の再熱処理と同等の効果（最表
面にＮが含まれないようにする）を得る他の方法とし
て、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の周知の方法によりＴｉＣ等の硬
質被膜を凹凸表面層の表面形状がさほど変化しない程度
の厚みで被覆しても良い。

【００５４】ダイヤモンドを被覆する方法としては、炭
素源ガスと水素ガスの混合ガスを励起したガスを基材に
接触させる、いわゆるＣＶＤ法を用いることができる。
なかでも、合成条件を精度よく制御できる手段としてマ
イクロ波プラズマＣＶＤ法が好ましい。

【００５５】ダイヤモンドの被覆は２以上の工程にわけ
て行ない、２以上の被覆層を形成してもよい。

【００５６】

【実施例】

（参考例）原料粉末として、平均粒径２μｍのＷＣ粉
末、ＴｉＣ−ＷＣ固溶体粉末、平均粒径１μｍのＴａＣ
粉末及びＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末をＷＣ、Ｔ
ｉＣ、ＴａＣ、Ｃｏに換算して表１に示される割合とな
るように配合し、この混合粉末を湿式混合し、乾燥した
後1.5ton/cm²の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉
体を真空中、１４００〜１４５０℃で１時間焼結し、上
記配合組成とほぼ同一の成分組成をもつ焼結体を製造し
た。これらの焼結体の表面を研削加工し、ＩＳＯ規格Ｓ
ＰＧＮ１２０３０８の形状のチップに成形した。

【００５７】これらのチップをカーボンケースに入れ、
ヒーター、断熱材など高温に曝される部分が全てカーボ
ンからなる電気炉を用いて、表２に示される条件で熱処
理を施し、表２〜３に示す特性の表面変質層を形成し
た。

【００５８】得られた表面変質層を有する基体（試料番
号２〜４０）及び熱処理を施していないチップ（試料番
号１）を平均粒径１０μｍのダイヤモンド微粉末が浮遊
分離している溶媒中に浸漬し超音波処理を施すことによ
り表面を活性化した。

【００５９】このようにして得られたチップを2.45ＧＨ
ｚのマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に設置し、８５０
℃に加熱し、全圧を５０ＴｏｒｒとしたＨ₂−２％ＣＨ₄
の混合プラズマ中にて１０時間保持し、膜厚約１０μｍ
のダイヤモンド被覆切削チップを作製した。なお、本試
験において、基体の表面に析出した被覆層はラマン分光
分析法によってダイヤモンド被覆層であることを確認し
た。

【００６０】これらの切削チップを用いて、下記条件で
切削テストを行なった結果を表２〜３に示す。

【００６１】連続切削：旋削（直径約１５０ｍｍ、長さ
約２００ｍｍの円筒被削材の外周を加工する。）被削材：Ａ１−１８ｗｔ％Ｓｉ合金切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ送り：0.15ｍｍ／ｒｅｖ切込み：0.5ｍｍ断続切削：フライス（約１５０×１５０ｍｍで厚さ約５
０ｍｍの角板被削材の表面を加工する。）被削材：Ａ１−１８ｗｔ％Ｓｉ合金切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ送り：0.1ｍｍ／ｔｏｏｔｈ切込み：0.5ｍｍ

【００６２】

【表１】

【００６３】

【表２】

【００６４】

【表３】

【００６５】なお、表２〜３中のα、β、γは結晶相を
示す記号であり、それぞれ次のものを示す。 α：ＷＣ β：β相、β_t相及びそれらにＮが固溶したβ（Ｎ）相
等の何れか γ：Ｃｏ及び／又はＮｉを主体とする結合相また、表面変質層の有無については、電子線マイクロプ
ローブ分析（ＥＰＭＡ）による基材の厚さ方向断面の元
素分析により、表面近傍にＴｉ及び／又はＴａ成分が偏
析し且つＣｏを全く含有しない部分が観察されたものを
表面変質層有り、Ｔｉ及び／又はＴａを含有する粒子や
Ｃｏを含有する結合相の分散状態が表面及び内部に於い
て差が無く、比較的均一であるものを表面変質層無しと
判断した。

【００６６】（電子線マイクロプローブ分析）試料番号
１１の基材と試料番号１の基材の各々について、電子線
マイクロプローブ分析（ＥＰＭＡ）による基材の厚さ方
向断面の元素分析を行った。その結果、試料番号１の基
材はＴｉ及びＴａを含有する粒子（β_t相）やＣｏを含
有する結合相が比較的均一に分散し、また、表面に変質
層を有さない組織から成るものであることが分かった。
これに対し試料番号１１の基材は表面にＴｉ及びＴａを
含有する表面変質層を有し、この変質層はＣｏを全く含
有しないものであることが分かった。また、上記の表面
変質層中には窒素（Ｎ）が含まれていることも確認し
た。これらの結果を図５及び図７に示す。

【００６７】（実施例）上記参考例と同様にして表１の
材質Ｆの焼結体を製造し、この焼結体を研削加工してＩ
ＳＯ規格ＳＰＧＮ１２０３０８形状の超硬合金チップを
得た。このチップの刃先に、すくい面に対して直角方向
の刃先断面における輪郭線が表４に示した曲率半径
（Ｒ）の線又は曲線を含むようにホーニング加工を施
し、これらのチップをカーボンケース（厚さ４ｍｍ、内
のりφ９２×３１ｍｍ）に入れ、ヒータ、断熱材など高
温に曝される部分が全てカーボンから成る電気炉を用い
て、１３７５℃、３時間、１％Ｎ₂−Ａｒ雰囲気、１atm
中で熱処理を施し、表面変質層（Ｎ含有凹凸表面層）を
形成した。これらのチップのうち試料番号４１、４４及
び４６について、図１４、１５、１６にチップの刃先部
分のすくい面に対して直角方向の断面の様子を、図１
７、１８、１９に表面状態を示す。表面変質層の厚み分
布、表面凹凸分布を表４に示す。

【００６８】上記ホーニング加工は、遊離ダイヤモンド
砥石を油に分散させた液をチップに供給し、円盤状のブ
ラシを回転させながらチップに接触させる「ブラシ研磨
機」を用いて行った。加工条件としてはブラシ回転数：
３００〜６００回転／分、遊離ダイヤモンド砥石の番
手：３００〜１０００番、処理時間：１〜１０分で刃先
が所定の曲率半径になるようにした。被削材の表面状態
は、被削材の表面粗さＲｚ（ＪＩＳＢ０６０１に規定す
る十点平均粗さ）により次の判定基準で定めた。良：Ｒz≦６μｍやや良：６μｍ＜Ｒz≦１２μｍ悪：Ｒz＞１２μｍ膜剥離に至る切削時間として好ましい範囲は、連続切削
の場合には６０分を越える範囲（より好ましくは１２０
分を越える範囲）であり、断続切削の場合には４０分を
越える範囲（より好ましくは７０分を越える範囲）であ
る。

【００６９】

【表４】

【００７０】この様にして得られたチップを2.45 GHz
のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に設置し、８５０℃
に加熱し、全圧を５０ Torr とした９８体積％Ｈ₂−２
体積％ＣＨ₄の混合プラズマ中にて１０時間保持し、膜
厚約１０μｍのダイヤモンド被覆切削チップを作製し
た。

【００７１】これらの切削チップを用いて下記条件で切
削テストを行ったところ、表４に示したように、本発明
のダイヤモンド被覆チップは厳しい切削条件下でもダイ
ヤモンド膜が剥離することなく被削材を良好な面粗度で
切削できる時間が長く、比較例ではダイヤモンド膜の密
着強度が不十分なために剥離し易く、また、被削材を良
好な面粗度で切削できる時間が短いことがわかる。連続切削：旋削（直径約１５０ｍｍ、長さ約２００ｍｍ
の円筒被削材の外周を加工する。）被削材：Ａｌ−１８ｗｔ％Ｓｉ合金切削速度：１５００ｍ／ｍｉｎ送り：0.15ｍｍ／ｒｅｖ切込み：0.5ｍｍ断続切削：フライス（約１５０×１５０ｍｍで厚さ約５
０ｍｍの角板被削材の表面を加工する。）被削材：Ａｌ−１８ｗｔ％Ｓｉ合金切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ送り：0.1ｍｍ／ｔｏｏｔｈ切込み：0.5ｍｍ

【００７２】表面凹凸（表面粗さＲｚ）は、走査型電子
顕微鏡（ＳＥＭ）に三次元形状解析装置（有限会社電子
光学研究所製ＲＤ−５００形）を取り付けて測定を行っ
た。この装置はＳＥＭの反射電子検出器を４分割にして
表面形状による電子線散乱方向の変化を測定し、コンピ
ューターによるデータ解析を行うことで三次元形状測定
を可能にするものであり、通常の表面粗度などの表面形
状測定に用いられている接触子を用いた接触式では接触
子の先端半径が５〜１０μｍ程度あるため測定が困難な
微小凹凸の測定を可能にするものである。

【００７３】得られた表面形状のデータから断面の凹凸
波形を求め、それをフーリエ変換し、周期が２５μｍ以
上の成分をフィルターにより除去後、逆フーリエ変換し
て得られた凹凸波型についてＪＩＳＢ０６０１に規定す
る十点平均粗さ（Ｒｚ）を求める。この方法により周期
が２５μｍ以下の凹凸成分についてのＲｚが得られる。

【００７４】なお、表４における試料番号４１〜４６の
各チップの角部である刃先の表面粗さ（Ｒｚ）は、中央
の表面粗さ（Ｒｚ）の約３１％（試料番号４１〜４
２）、約４７％（試料番号４３）、約６９％（試料番号
４４）、約８４％（試料番号４５）、１００％（試料番
号４６）である。

【００７５】

【発明の効果】本発明の被覆用セラミック基基材は、前
記特定の基凹凸面を有し、角部の表面粗さ（Ｒｚ）は角
部以外の表面粗さ（Ｒｚ）の４０％以上であるので、表
面にダイヤモンド等の硬質被覆層を形成した場合に、被
覆層が基材表面へ強力に付着し、剥離しにくい。

【００７６】本発明の被覆用基材の製造方法は、（ａ）
ＷＣを主成分とするＷＣ基超硬合金の角部を、角部断面
における輪郭線が曲率半径Ｒ 0.005 ｍｍ以上の曲線を
含むように面取りされた形状とし、（ｂ）前記（ａ）の
工程で得られたＷＣ基超硬合金を、0.05〜５容量％のＮ
₂ガスを含有する常圧雰囲気下、前記ＷＣ基超硬合金の
液相が発生する温度以上焼成温度以下で熱処理し、
（ｃ）前記ＷＣ基超硬合金の表面にＮ含有凹凸表面層を
形成するので、Ｎ含有凹凸表面層の表面にダイヤモンド
等の硬質被覆層を形成した場合に、被覆層が前記表面層
へ強力に付着し剥離しにくい被覆用基材を製造すること
ができる。

【００７７】従って、本発明により、ダイヤモンド等の
硬質被覆層が剥離しにくく耐用期間の長い各種切削工
具、耐摩耗部材、電子用部材を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】参考例の基材（試料番号１０）の表面の微細組
織を示すセラミック材料の組織の写真。

【図２】参考例の基材（試料番号１０）にダイヤモンド
を被覆した後の断面の微細組織を示すセラミック材料の
組織の写真。

【図３】参考例の基材（試料番号１０）にダイヤモンド
を被覆した後の刃先断面の微細組織を示すセラミック材
料の組織の写真。

【図４】参考例の基材（試料番号１０）にダイヤモンド
を被覆した後の中央断面の微細組織を示すセラミック材
料の組織の写真。

【図５】参考例の基材（試料番号１１）の断面の微細組
織（左側の上部）を示すセラミック材料の組織の写真と
製図法に従って作図することが極めて困難な電子線マイ
クロプローブ分析（ＥＰＭＡ）による元素分析結果（左
側の中央部はＷ、左側の下部はＴａ、右側の中央部はＴ
ｉ、右側の下部はＣｏ）を示すＸ線写真。

【図６】試料番号１（比較例）の表面の微細組織を示す
セラミック材料の組織の写真。

【図７】試料番号１（比較例）の断面の微細組織（左側
の上部、中央の上部）を示すセラミック材料の組織の写
真と製図法に従って作図することが極めて困難なＥＰＭ
Ａによる元素分析結果（左側の中央部はＷ、左側の下部
はＴａ、中央の中央部はＴｉ、中央の下部はＣｏ、右側
の中央部はＣ、右側の下部はＮ）を示すＸ線写真（な
お、各部の縮尺は同じ）。

【図８】ダイヤモンド膜を被覆した試料番号１（比較
例）のダイヤモンド膜が一部剥離して露出した基材の表
面（金属組織）を示す金属組織の写真。

【図９】試料番号２（比較例）の表面の微細組織を示す
セラミック材料の組織の写真。

【図１０】試料番号３０（比較例）の表面の微細組織を
示すセラミック材料の組織の写真。

【図１１】試料番号３２（比較例）の表面の微細組織を
示すセラミック材料の組織の写真。

【図１２】本発明の基材にダイヤモンドを被覆した後の
断面の微細組織を示す模式図。

【図１３】本発明の熱処理条件の概念図。

【図１４】試料番号４１のチップの刃先部分の断面図。

【図１５】試料番号４４のチップの刃先部分の断面図。

【図１６】試料番号４６のチップの刃先部分の断面図。

【図１７】試料番号４１のチップの表面凹凸を示すセラ
ミック材料の組織の写真。

【図１８】試料番号４４のチップの表面凹凸を示すセラ
ミック材料の組織の写真。

【図１９】試料番号４６のチップの表面凹凸を示すセラ
ミック材料の組織の写真。

【符号の説明】

１…超硬母材２…表面変質層

フロントページの続き (72)発明者渡辺正一名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (56)参考文献特開平３−86403（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／002022（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22F 3/24 C23C 8/24,16/02,26/00 B23B 27/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面粗さ（Ｒｚ）２〜２０μｍの基凹凸面
を有し、角部の表面粗さ（Ｒｚ）は角部以外の表面粗さ
（Ｒｚ）の４０％以上であることを特徴とする被覆用セ
ラミック基基材。
【請求項２】前記基凹凸面は、最表面を構成する結晶粒
子の大きさ程度である0.5〜１０μｍの微小凹凸を前記
基凹凸面に対し有して成る二重凹凸面構造を有すること
を特徴とする請求項１記載の被覆用セラミック基基材。
【請求項３】ダイヤモンド被覆用であることを特徴とす
る請求項１又は２記載の被覆用セラミック基基材。
【請求項４】セラミック基基材本体と、前記基材本体を
被覆する被覆層から成り、前記基凹凸面を有する被覆層
が最外層であることを特徴とする請求項１〜３の一に記
載の被覆用セラミック基基材。
【請求項５】前記セラミック基基材本体は、ＷＣを主成
分とし、Ｔｉ又はこれとＴａと、Ｃｏ及びＮｉの少なく
とも１種を含有してなるＷＣ基超硬合金であることを特
徴とする請求項４記載の被覆用セラミック基基材。
【請求項６】前記被覆層は、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ−Ｎ固溶体及
びＷ−Ｔｉ−Ｔａ−Ｃ−Ｎ固溶体の少なくとも１種を主
体として成ることを特徴とする請求項４又は５記載の被
覆用セラミック基基材。
【請求項７】請求項１〜６の一に記載の被覆用セラミッ
ク基基材に硬質被膜を被覆して成ることを特徴とする被
覆基材。
【請求項８】前記硬質被膜はダイヤモンドからなること
を特徴とする請求項７に記載の被覆基材。
【請求項９】（ａ）ＷＣを主成分とするＷＣ基超硬合金
の角部を、角部断面における輪郭線が曲率半径Ｒ 0.005
ｍｍ以上の曲線を含むように面取りされた形状とし、（ｂ）前記（ａ）の工程で得られたＷＣ基超硬合金を、
0.05〜５容量％のＮ₂ガスを含有する０．５〜１．５気
圧の雰囲気下、前記ＷＣ基超硬合金の液相が発生する温
度以上焼成温度以下で熱処理し、（ｃ）前記ＷＣ基超硬合金の表面にＮ含有凹凸表面層を
形成することを特徴とする被覆用基材の製造方法。
【請求項１０】表面粗さ（Ｒｚ）２〜２０μｍの基凹凸
面を有するＮ含有凹凸表面層を前記ＷＣ基超硬合金の表
面に形成することを特徴とする請求項９に記載の被覆用
基材の製造方法。
【請求項１１】前記基凹凸面が、最表面を構成する結晶
粒子の大きさ程度である0.5〜１０μｍの微小凹凸を前
記基凹凸面に対し有して成る二重凹凸面構造を有するＮ
含有凹凸表面層を、前記ＷＣ基超硬合金の表面に形成す
ることを特徴とする請求項１０記載の被覆用基材の製造
方法。
【請求項１２】前記ＷＣ基超硬合金として、ＷＣを主体
とし、Ｔｉ又はこれとＴａと、Ｃｏ及びＮｉの少なくと
も１種を含有してなる超硬合金を用いることを特徴とす
る請求項９〜１１の一に記載の被覆用基材の製造方法。
【請求項１３】Ｗ−Ｔｉ−Ｃ−Ｎ固溶体及びＷ−Ｔｉ−
Ｔａ−Ｃ−Ｎ固溶体の少なくとも１種を主体として成る
Ｎ含有凹凸表面層を形成することを特徴とする請求項９
〜１２の一に記載の被覆用基材の製造方法。