被覆体
【課題】基材と被膜との密着性を高めることにより、耐摩耗性に優れた被覆体を提供する。
【解決手段】本発明の被覆体は、基材上に第１被膜が形成されたものであって、該第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、基材は、第１被膜が形成される側の表面において、立方晶窒化硼素微粒子が基材に浸入するアンカー部を有することを特徴とする。第１被膜は、立方晶窒化硼素粉末を原料とし、該原料を高速気流中で基板に衝突させることにより形成されることが好ましい。
【解決手段】本発明の被覆体は、基材上に第１被膜が形成されたものであって、該第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、基材は、第１被膜が形成される側の表面において、立方晶窒化硼素微粒子が基材に浸入するアンカー部を有することを特徴とする。第１被膜は、立方晶窒化硼素粉末を原料とし、該原料を高速気流中で基板に衝突させることにより形成されることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材を立方晶窒化硼素を主成分とする被膜により被覆した被覆体に関し、特に切削工具または摩擦攪拌接合用工具に好適に用いられる被覆体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車の製造工程、特にボディ部材および各種部品を連結する工程においては、複数の金属板部材を重ね合わせた上で、リベットによる接合、抵抗スポット溶接等のように点接合する技術が用いられている。このような点接合による金属板部材の連結は、自動車のみならず、鉄道車両を始めとする各種車両、航空機等の輸送機分野においても用いられるようになり、近年では家電製品、建材等の構造物等の分野においても広く採用され始めている。
【０００３】
しかし、点接合は、溶接時にその金属板が変形しやすいこと、金属板の軟化に多大な時間を要すること等が問題となっている。このような問題を解決するための接合方法として、たとえば特許文献１では、摩擦攪拌接合（Friction Stir Spot Welding）法が提案されている。
【０００４】
摩擦攪拌接合法は、接合部分のみに摩擦熱を発生させることにより、接合部分のみを軟化させて複数の金属板部材を接合する。このため、摩擦攪拌接合法は、従来の抵抗スポット溶接またはリベットによる接合よりも、接合部分以外の部分に金属板の軟化や歪みが生じにくいという利点を有する。このように接合部分を歪ませずに安定して接合することができるため、種々の特性を付与した各種の摩擦攪拌接合用工具が提案されている（たとえば特許文献２〜４）。
【０００５】
摩擦攪拌接合用工具に用いられる硬質膜としては、安価で、かつ耐摩耗性に優れている材料として超硬合金、Ｓｉ3Ｎ4セラミックス等が用いられるが、昨今の摩擦攪拌接合用工具においては更なる耐摩耗性の向上が要求されており、このような超硬合金やＳｉ3Ｎ4セラミックス等を含む硬質膜においても一段と向上した耐摩耗性が求められる。
【０００６】
一方、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ：cubic boron nitride）は、硬度、熱伝導性、耐摩耗性、化学的安定性等の面で優れた特性を有するため、ｃＢＮからなる被膜は、さまざまな分野で応用されている。近年では、ｃＢＮからなる被膜は、切削工具、摺動部材等への応用も展開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】特開２００１−３２１９６７号公報
【特許文献３】特開２００１−３１４９８３号公報
【特許文献４】特開２００２−１２００７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のとおりｃＢＮからなる被膜は、硬度、熱伝導性等の特性に優れるため、各種工具に適用する試みがなされている。しかし、ｃＢＮからなる被膜は、基材との密着性が不十分であるため、各種用途の加工時には基材と被膜との界面で剥離が生じやすく、特に耐摩耗性が十分ではないという問題があった。
【０００９】
また、ｃＢＮは、工具の先端のみにろう付け等で接合して用いられたり、ｃＢＮ焼結体として用いられたりするが、このようなｃＢＮは、いずれも数ＧＰａの超高圧を用いる超高圧法で製造したものを使用する。しかしながら、超高圧を発生させるための装置は極めて高価であるため、安価にｃＢＮを作製することは極めて困難である。
【００１０】
本発明は、上述のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、ｃＢＮ粒子を含む被膜を基材上に形成し、基材と被膜との密着性を高めることにより、耐摩耗性に優れた被覆体を安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の被覆体は、基材上に第１被膜が形成されたものであって、該第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、該立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、基材と第１被膜との界面には、立方晶窒化硼素微粒子が基材に浸入したアンカー部を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の被覆体は、基材上に中間層が形成され、その中間層上に第１被膜が形成された被覆体であって、該第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、該立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、中間層と第１被膜との界面には、立方晶窒化硼素微粒子が中間層に浸入したアンカー部を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の被覆体は、基材上に第２被膜が形成された被覆体であって、該第２被膜は、１０体積％以上１００体積％未満の立方晶窒化硼素微粒子と、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方とを含み、該立方晶窒化硼素微粒子とセラミックス微粒子とは、それぞれ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、基材と第２被膜との界面には、立方晶窒化硼素微粒子およびセラミックス微粒子が基材に浸入したアンカー部を有することを特徴とするものでもある。
【００１４】
本発明の被覆体は、基材上に中間層が形成され、その中間層上に第２被膜が形成された被覆体であって、該第２被膜は、１０体積％以上１００体積％未満の立方晶窒化硼素微粒子と、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方とを含み、該立方晶窒化硼素微粒子とセラミックス微粒子とは、それぞれ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、中間層と第２被膜との界面には、立方晶窒化硼素微粒子およびセラミックス微粒子が中間層に浸入したアンカー部を有することを特徴とするものでもある。
【００１５】
第１被膜は、立方晶窒化硼素粉末を原料とし、該原料を高速気流中で基板に衝突させることにより形成されることが好ましい。
【００１６】
立方晶窒化硼素粉末は、１ｎｍ以上１μｍ以下の平均粒子径を有することが好ましく、立方晶窒化硼素粉末、金属粉末、およびセラミックス粉末は、それぞれ１ｎｍ以上１μｍ以下の平均粒子径を有することが好ましい。
【００１７】
第１被膜または第２被膜は、エアロゾルデポジション法で形成されることが好ましい。
第２被膜は、立方晶窒化硼素粉末と、金属粉末またはセラミックス粉末のいずれか一方もしくは両方とを原料とし、該原料を高速気流中で基板に衝突させることにより形成されることが好ましい。
【００１８】
第２被膜は、５０体積％以上９２体積％以下の立方晶窒化硼素微粒子を含有することが好ましい。
【００１９】
セラミックス微粒子は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、ＣｏおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の微粒子であることが好ましく、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＡｌＳｉＮＯ、ＳｉＣ、ＴａＣ、Ｂ4Ｃ、ＢＮ、ＳｉＮ、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2およびＭｇＯからなる群より選択される１種以上を含む微粒子であることがより好ましい。金属バインダは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒからなる群より選択される１種以上の金属からなることが好ましい。
【００２０】
金属バインダは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒからなる群より選択される１種以上の金属からなることが好ましい。
【００２１】
アンカー部は、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みであることが好ましい。
第１被膜または第２被膜は、１μｍ以上１００μｍ以下の厚みを有することが好ましい。
【００２２】
本発明の被覆体は、切削工具または摩擦攪拌接合用工具として用いられる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の被覆体は、上記のような構成を有することにより、基材上にｃＢＮ微粒子を含む被膜を密着性高く安価に形成することができ、以って優れた耐摩耗性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の被覆体の断面図である。
【図２】中間層が形成された本発明の被覆体の断面図である。
【図３】本発明で用いた成膜装置の概念図である。
【図４】本発明で用いた成膜装置の概念図を一部拡大した図である。
【図５】本発明の被覆体である摩擦攪拌接合用工具の概略断面図である。
【図６】本実施例の被覆体に用いられる基材の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。
【００２６】
＜被覆体＞
本発明の被覆体は、基材上にｃＢＮ微粒子のみからなる第１被膜が形成されたものであることを特徴とする。該第１被膜は、基材上に直接形成されていても良いし、中間層を介して基材上に形成されていても良い。本発明の被覆体において、基材は、第１被膜が形成される側の表面において、ｃＢＮ微粒子が基材に浸入したアンカー部を有することを最大の特徴とする。これにより、基材と第１被膜との密着性が向上し、以って被覆体の耐摩耗性が飛躍的に向上したものとなる。なお、アンカー部の詳細は後述する。ここで、「ｃＢＮ微粒子が基材に浸入する」とは、ｃＢＮ微粒子の全てが基材に浸入することを意味するものではなく、ｃＢＮ微粒子の一部が基材に浸入することを意味するものであり、その他のｃＢＮ微粒子は、浸入したｃＢＮ微粒子上に堆積されることになる。このような本発明の被覆体は、ＣＶＤやＰＶＤなどの高温成膜プロセスを施すことなく、ｃＢＮ粒子を含む被膜を形成することができる。
【００２７】
基材上に中間層が形成され、その中間層上に第１被膜が形成された場合、第１被膜を構成するｃＢＮ微粒子が該中間層に浸入したアンカー部を有することを特徴とする。中間層は、基材と第１被膜との密着性を高めるために設けられるものであるが、その詳細は後述する。このように中間層を有する場合、中間層そのものによる密着性の向上効果とアンカー部による密着性の向上効果とが相乗的に作用することにより、基材と第１被膜との密着性がさらに向上したものとなる。
【００２８】
本発明の被覆体は、第１被膜に代えて、ｃＢＮ微粒子と、セラミックス微粒子または金属バインダのいずれか一方もしくは両方とを含む第２被膜を基材上に形成したものも含まれる。該第２被膜は、ｃＢＮ微粒子に加えて、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方を含むものである。
【００２９】
本発明の被覆体が、基材上に第２被膜を形成したものである場合、アンカー部は、ｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子が基材に浸入したものとなる他、金属バインダが基材に浸入したものとなる場合もある。また、基材上に中間層が形成され、その中間層上に第２被膜が形成された場合、第２被膜を構成するｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子が該中間層に浸入したアンカー部が形成される。なお、ｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子の他、金属バインダが中間層に浸入する場合もある。
【００３０】
＜基材＞
本発明の被覆体を構成する基材としては、切削工具の基材や摺動部材の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、組成的には超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など）等をこのような基材の例として挙げることができるとともに、その形状は特に限定されない。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
【００３１】
なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。
【００３２】
＜第１被膜＞
本発明において、第１被膜は、ｃＢＮ微粒子のみからなることを特徴とする。ここで、「ｃＢＮ微粒子のみからなる」とは、本発明に用いられる第１被膜は、不可避不純物を含み得ることを除き、ｃＢＮ微粒子から構成されるものをいう。
【００３３】
＜第２被膜＞
本発明の第２被膜は、ｃＢＮ微粒子に加えて、セラミックス微粒子または金属バインダのいずれか一方もしくは両方を含むことを特徴とする。本発明に用いられる第２被膜は、不可避不純物を含み得ることを除き、ｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子とから構成されていることが好ましい。これは、ｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子とを含むことにより、アンカー部がより形成されやすくなるからである。
【００３４】
ここで、本発明の第２被膜に含まれるｃＢＮ微粒子の割合は、体積比率にしてｃＢＮ微粒子が１０体積％以上１００体積％未満であることが好ましい。第２被膜に含まれるｃＢＮ微粒子が１０体積％未満であると、被膜の硬度が低下することとなり、被覆体の耐摩耗性が低下する。被膜に含まれるｃＢＮ微粒子の体積比率に上限はない。
【００３５】
ただし、被覆体の靭性と耐摩耗性とを向上させるという観点からは、ｃＢＮ微粒子を５０体積％以上９２体積％以下含むことが好ましい。この場合、その他の成分には、セラミックス微粒子および金属バインダを含むことが好ましい。被覆体の耐摩耗性を高めるという観点からは、第２被膜にセラミックス微粒子を含むことが好ましく、被覆体の靭性を高めるという観点からは、第２被膜に金属バインダを含むことが好ましい。
【００３６】
なお、本発明の第２被膜に含まれるｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子と金属バインダとの上記割合は、第２被膜の厚み方向において実質的に均一であっても良いし、傾斜するものであっても良い。傾斜する場合は、基材側から被覆体の表面に向かってｃＢＮ微粒子の割合をより高くすることが好ましい。このように配合割合を傾斜させることにより、後述するアンカー部を容易に形成することができ、耐摩耗性の向上に寄与することができる。
【００３７】
本発明において、第２被膜に含まれるｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子と金属バインダとの上記割合は、透過型電子顕微鏡−電子エネルギー損失分光法（ＴＥＭ−ＥＥＬＳ：Transmission Electron Microscopy-Electron Energy-Loss Spectroscopy）により被膜断面の組成マッピングを行ない、これに基づき走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscope）モードでのスペクトラムイメージング（ＳＩ：Spectrum Imaging）法によるスペクトルデータにより測定することができる。
【００３８】
＜被膜＞
以下においては、第１被膜および第２被膜に対し、これらを敢えて区別する必要がない場合は単に「被膜」と記す。被膜は、基材上に直接または中間層を介して形成されるものであるが、その被覆領域は基材の全面を覆うものであっても良いし、一部分を覆うものであっても良い。そして、被膜は、１ｎｍ以上１００μｍ以下の厚みを有することが好ましい。より好ましくは、その上限が８０μｍさらに好ましくは５０μｍであり、その下限が５ｎｍ、さらに好ましくは１０ｎｍである。被膜の厚みが１ｎｍ未満となる場合は十分なる耐摩耗性の向上作用が示されない場合があり、１００μｍを超えると被膜自体が剥離する場合がある。なお、このような被膜の厚みは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により、その断面を観察することを以って確認することができる。
【００３９】
＜ｃＢＮ微粒子＞
本発明の被膜に含まれるｃＢＮ微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有するものである。この平均粒子径は、より好ましくはその上限が５０ｎｍ、さらに好ましくは２０ｎｍである。
【００４０】
このようなｃＢＮ微粒子は、ｃＢＮ構造という極めて高硬度の結晶構造を有することから、被膜の耐摩耗性を飛躍的に向上させる作用を主として担うものである。上記の平均粒子径が１ｎｍ未満の場合、成膜速度が小さく生産性に劣り、１００ｎｍを超えると表面粗さが大きくなり耐摩耗性、耐溶着性、および摺動性が各々劣ることになる。
【００４１】
＜セラミックス微粒子＞
本発明において、第２被膜に含まれるセラミックス微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有するものである。この平均粒子径は、より好ましくは、その上限が５０ｎｍ、さらに好ましくは２０ｎｍである。
【００４２】
このようなセラミックス微粒子は、耐反応性、耐溶着性、耐熱性、摺動性などを飛躍的に向上させる作用を主として担うものである。上記平均粒子径が１ｎｍ未満の場合、成膜速度が小さく生産性に劣り、１００ｎｍを超えると表面粗さが大きくなり耐摩耗性、耐溶着性、摺動性が各々劣ることになる。
【００４３】
このようなセラミックス微粒子は、結晶粒子であっても良いし、非晶質の粒子であっても良い。またその組成としては、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、ＣｏおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の微粒子であることが好ましい。
【００４４】
このような化合物としては、たとえばＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ2、ＺｒＯ2、ＺｒＳｉＯ4、ＺｒＢ2、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＨｆＯ2、ＨｆＢ2、ＨｆＣ、ＨｆＮ、Ｖ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ4、Ｖ2Ｏ5、ＶＣ、ＶＢ2、ＶＮ、ＮｂＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＮｂＢ2、ＮｂＣ、ＮｂＢ、ＮｂＮ、Ｔａ2Ｏ5、ＴａＢ2、ＴａＣ、ＴａＮ、Ｃｒ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｃ3、ＣｒＢ2、ＣｒＢ、ＭｏＯ2、ＭｏＯ3、ＭｏＢ、ＭｏＢ2、ＭｏＣ、Ｍｏ2Ｃ、Ｍｏ2Ｎ、ＷＯ2、ＷＯ3、ＷＣ、ＷＢ、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＳｉＮＯ、ＳｉＯ、ＳｉＯ2、ＳｉＣ、ＳｉＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＢ6、ＭｇＢ2、Ｍｇ3Ｎ2、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＭｇＭｏＯ4、ＭｇＴｉＯ3、ＭｇＷＯ4、ＭｇＺｒＯ3、ＣａＯ、ＣａＡｌ2Ｏ4、ＣａＴｉＯ3、ＣａＷＯ4、ＣａＺｒＯ3、ＣａＭｏＯ4、ＣａＣ2、Ｃａ3Ｎ2、Ｙ2Ｏ3、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12、ＹＭｎＯ3、ＹＢ6、ＹＣ2、Ｂ2Ｏ3、Ｂ4Ｃ、ＢＮ、Ｃｏ3Ｏ4、ＣｏＯ等を挙げることができる。
【００４５】
そして、上記のような化合物の中でも、本発明のセラミックス微粒子としては特にＡｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＡｌＳｉＮＯ、ＳｉＣ、ＴａＣ、Ｂ4Ｃ、ＢＮ、ＳｉＮ、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、およびＭｇＯからなる群より選択される１種以上を含むことが好ましい。これらの組成は、特に優れた高硬度、高耐酸化性、および高摺動性を有するためである。
【００４６】
なお、上記の化学式において、各元素の原子比が特に記載されていないものは必ずしも等比となるものではなく、従来公知の原子比が全て含まれるものとする。たとえば単にＴｉＮと記す場合、ＴｉとＮとの原子比は１：１が含まれる他、２：１、１：０．９５、１：０．９等が含まれる（特に断りのない限り、以下において同じ）。
【００４７】
本発明のセラミックス微粒子は、単独の化合物の微粒子であっても良いし、組成の異なる２種以上の化合物の微粒子であっても良い。
【００４８】
＜金属バインダ＞
本発明の第２被膜に含まれる金属バインダの組成としては、あらゆる種類の金属を用いることができる。このような金属の中でも工具への応用を考えると、融点が高い材料が好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選択される金属、または該金属を１種以上含む合金からなることが好ましい。
【００４９】
＜ｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子の平均粒子径の測定＞
本発明において、第２被膜に含まれるｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子の平均粒子径は、次のようにして測定することができる。すなわち、まず透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）を用いて第２被膜の断面（第２被膜表面に対する垂直方向の断面）中におけるｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子とのマッピングを行なう（たとえばそれぞれの微粒子毎に２色に色分けする）。次いで、同被膜断面において、被膜表面と平行な所定の長さの任意の線分上に存在するｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子の個数をそれぞれ計測するとともに同線分上においてそれぞれの微粒子が占有する領域の合計長さをそれぞれの微粒子毎に測定する。
【００５０】
続いて、このように測定されたそれぞれの微粒子毎の合計長さをそれぞれの微粒子の個数で除した値をそれぞれの微粒子毎の粒子径とする。そして、上記の任意の線分として３本の線分について同様の測定を行なうことにより、それらの粒子径の平均値を求め、その平均値をｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子との各々の平均粒子径とする。
【００５１】
なお、第１被膜に含まれるｃＢＮ微粒子の平均粒子径を算出する場合、第１被膜の断面において、第１被膜表面と平行な所定の長さの任意の線分上においてｃＢＮ微粒子が占有する領域の合計長さを測定し、その合計長さを同線分上に存在するｃＢＮ微粒子の個数で除した値をｃＢＮ微粒子の粒子径とする。そして、上記の任意の線分として３本の線分について同様の測定を行ない、それらの粒子径の平均値をｃＢＮ微粒子の平均粒子径とする。当該線分の所定長さは、３μｍ〜５μｍ程度とすることが好ましい。
【００５２】
なお、第２被膜中における金属バインダは粒子径を規定し得ないので算出しないこととする。なぜなら、ｃＢＮ微粒子と金属バインダとの二相系の被膜では、金属バインダはｃＢＮ微粒子同士を結合するバインダの役割を果たすため、金属バインダは第２被膜の形成時に組成変形し、独立した粒子として被膜中に存在するわけではなく連続相として存在するからである。そして、ｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子と金属バインダとの三相系の被膜であっても二相系の被膜の場合と同様、金属バインダは、ｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子のそれぞれを結合するバインダの役割を果たすため、金属バインダの粒子径を規定しない。
【００５３】
＜中間層＞
本発明の被覆体は、上記の基材上に中間層が形成され、該中間層上に上記の被膜が形成されたものであっても良い。このような中間層は、基材上の全面に形成されていても良いし、基材上の一部分に形成されていても良い。このような中間層は、基材と被膜との密着性を高める作用を担うものである。なお、中間層上の全面に被膜が形成されたものであってもよいし、中間層上の一部分のみに被膜が形成されたものであってもよい。
【００５４】
このような中間層の組成としては、たとえばＴｉ、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を好適な例として挙げることができる。また、これらの化合物のみに限られるものではなく、基材と被膜との密着性を高める作用を有する化合物であればいかなる組成のものを使用しても差し支えない。
【００５５】
このような中間層は、５０ｎｍ以上５０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。より好ましくは、その上限が２０μｍ、さらに好ましくは１０μｍであり、その下限が１００ｎｍ、さらに好ましくは２００ｎｍである。中間層の厚みが５０ｎｍ未満となる場合は十分なる密着性の向上作用が示されない場合があり、５０μｍを超えると生産性が劣る場合がある。なおまた、このような中間層の厚みは、被膜の厚みと同様にＴＥＭによりその断面を観察することによって確認することができる。なお、このような中間層は、１層または２層以上形成することができる。
【００５６】
＜アンカー部＞
本発明において、基材上に第１被膜が形成される場合、アンカー部は、第１被膜を構成するｃＢＮ微粒子が基材に浸入することにより形成される。一方、基材上に第２被膜が形成される場合、アンカー部は、第２被膜を構成するｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子が基材に浸入することにより形成される。このアンカー部により基材と被膜との密着性が飛躍的に向上し、以って被覆体の耐摩耗性が飛躍的に向上したものとなる。
【００５７】
また、基材上に中間層が形成され、該中間層上に第１被膜を形成する場合、アンカー部は、第１被膜を構成するｃＢＮ微粒子が該中間層に浸入することにより形成される。また、基材上に中間層が形成され、該中間層上に第２被膜を形成する場合、アンカー部は、第２被膜を構成するｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子とが該中間層に浸入することにより形成される。
【００５８】
以下、このようなアンカー部を図１に基づき説明する。なお、図１は便宜的に基材９上に直接被膜２１が形成される場合を例にとり、それを模式的に表わしたものである。このようなアンカー部は、ＴＥＭを用いて観測することにより確認することができ、この場合、観察視野は基材に対する水平方向に５００ｎｍ、垂直方向に５００ｎｍの領域とすることが好ましい。
【００５９】
まず、基材９上に被膜２１が形成されていない部分の基材表面およびその延長線を「基材ライン」とする。そして、アンカー部とは、被膜２１を構成する微粒子２４（第１被膜の場合は、ｃＢＮ微粒子のことを意味し、第２被膜の場合は、ｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子のことを意味する）が基材に浸入している部分、すなわち微粒子２４が基材ラインより深さ方向に入り込んだ部分をいい、その厚みは次のようにして求めることができる。
【００６０】
すなわち、上記観察視野において、各微粒子２４の先端部が「基材ライン」から基材の深さ方向に最も離れた５点を抽出し（図１の破線のサークル部）、それらの「基材ライン」までの直線距離を求めこの５点の距離の平均値を算出する。続いて、任意の３視野において測定し、その平均をアンカー部の厚みＤ（図１中「Ｄ」で示した部分）とする。
【００６１】
このようにして求められるアンカー部の厚みＤは、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、その上限が３００ｎｍ、さらに好ましくは２００ｎｍであり、その下限が２０ｎｍ、さらに好ましくは５０ｎｍである。アンカー部の厚みが１ｎｍ未満の場合、基材と被膜との密着性を十分に高めることができず、５００ｎｍを超えるとアンカー部と被膜とが一体となったまま剥離することがある。
【００６２】
なお、中間層が形成される場合は、上記の説明において適宜「基材」を「中間層」に読み替えるものとし、図１における「基材ライン」に変えて図２に示した「中間層ライン」（中間層２５上に被膜２１が形成されていない部分の中間層表面およびその延長線）とすることにより、上記と同様にしてアンカー部の厚みを求めることができる。なおまた、中間層が形成され、該中間層上に被膜を形成する場合、アンカー部は、被膜を構成する微粒子が該中間層に浸入することにより形成される場合のみに限られるものではなく、中間層を貫通して被膜に浸入することにより形成されるものであってもよい。
【００６３】
＜製造方法＞
本発明の被覆体は、高速気流を用いたエアロゾルデポジション法（原理的に同様の「コールドスプレー法」も含む）を用いて基材上に第１被膜または第２被膜を形成することにより、製造することができる。換言すれば、本発明の上記第１被膜は、ｃＢＮ粉末を原料として、エアロゾルデポジション法により形成されるものであり、第２被膜は、ｃＢＮ粉末に加えてセラミックス粉末または金属粉末を原料として、エアロゾルデポジション法により形成されるものである。
【００６４】
被膜をこのようなエアロゾルデポジション法を用いて形成することにより、上記のようなアンカー部を形成することが可能となる。この点、従来のようなＰＶＤ法により被膜を形成してもアンカー部は形成されない。なお、ｃＢＮ粉末がｃＢＮ微粒子の原料となり、セラミックス粉末がセラミックス微粒子の原料となり、金属粉末が金属バインダの原料となることは言うまでもない。
【００６５】
以下、被膜をこのエアロゾルデポジション法により形成する場合についてさらに詳細に説明する。図３は、本発明で用いるエアロゾルデポジション法を実行するための成膜装置の概念図であり、図４は、図３の成膜装置を部分的に拡大した図である。図５は、本発明の被覆体が摩擦攪拌接合用工具の場合の模式的な断面図である。たとえば図４で示される成膜装置を用いて、基材上に被膜を形成し、図５に示される被覆体を形成する。摩擦攪拌接合用工具において、最も耐摩耗性が必要とされる部位は、図５に示すように、ショルダー部２２およびプローブ部２３である。よって、ショルダー部２２およびプローブ部２３に被膜２１を形成すればよく、その他の部位には被膜２１を形成しなくてもよい。
【００６６】
図３に示される成膜装置には、搬送ガスボンベ１の先にガス搬送ライン２を介してエアロゾル発生器としてのエアロゾル化室４が設置されている。ガス搬送ライン２を通る搬送ガスとして、窒素、アルゴン、ヘリウム、乾燥空気などを用いることができる。
【００６７】
エアロゾル化室４の内部には原料３としてｃＢＮ粉末とセラミックス粉末と金属粉末とが充填されている。これらの充填割合（体積比率）は、被膜におけるｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子と金属バインダの割合（体積比率）に合致させることが好ましい。なお、エアロゾル化室４は、図３のように１室のみであっても良いし、図示はしないが粉末毎に１室ずつ計３室を並列的に設けることもできる。被膜に含まれるｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子と金属バインダとの割合を上記のように被膜の厚み方向に傾斜させる場合は、エアロゾル化室４を３室設け、各独立に後述のガス流量を制御することにより被膜の組成を傾斜させることができる。すなわち、ガス流量を大きくすると、成膜量（被膜としての堆積量）も大きくなる傾向を示す。
【００６８】
このようなエアロゾル化室４は振動を加えるための加振機５上に載置される。エアロゾル化室４はエアロゾル搬送ライン６によりノズル７に接続されており、ノズル７は成膜室を構成するチャンバ１３内において基材９と向かい合う。基材９が円柱形状を基本とする摩擦攪拌接合用工具の場合、図５に示されるように、基材９には回転軸が挿入できるような穴が開いている。
【００６９】
以下においては、図４を参照して図５の摩擦攪拌接合用工具の製造方法を説明する。基材９は基板ステージ１０によって保持されている。基材９は、加熱機構を併せ持つ回転機構１５の回転軸８により回転させられる。基材９を回転すると同時に回転軸８が加熱され、この熱が基材９に伝わって基材９を加熱することができる。なお、回転軸８はクリップ１６により回転機構１５に固定されている。このクリップには、通常Ｍ６程度のイモネジを用いる。
【００７０】
ノズル７からはエアロゾル粒１２が基材９に向かって噴出する。基板ステージ１０は矢印１４で示す方向に移動可能であり、これに伴い、基材９も基板ステージ１０とともに移動する。チャンバ１３は真空ポンプ１１に接続されており、真空ポンプ１１がチャンバ１３内の圧力を調整することができる。
【００７１】
このような成膜装置において、真空ポンプ１１を稼働させ、成膜室としてのチャンバ１３およびエアロゾル化室４の圧力を１Ｐａ程度となるまで減圧する。搬送ガスボンベ１をあけて、ガスを流量０．１ｓｌｍ（標準状態（２５℃）での１分間当たりの流量が０．１ｌ）から１５ｓｌｍ（標準状態（２５℃）において１分間当たりの流量が１５ｌ）でエアロゾル化室４にガスを送り込み、原料３であるｃＢＮ粉末とセラミックス粉末と金属粉末とガスとが適当な比率で混合されたエアロゾルを発生させる。
【００７２】
この際、エアロゾルは微小開口を有するノズル７を通じてチャンバ１３に流れ込むため、エアロゾル化室４とチャンバ１３との間には１０3Ｐａ程度の圧力差が生じる。このエアロゾルを、エアロゾル搬送ライン６を通じて加速させ、ノズル７により基材９に向けて噴射する。
【００７３】
基板ステージ１０を駆動させることによりエアロゾルの衝突位置を変化させながらｃＢＮ粉末（ｃＢＮ粉末に加えセラミックス粉末または金属粉末のいずれか一方もしくは両方を含む場合もある）との衝突により基材９上に本発明の被膜が焼結状態で形成される。ノズル７と基材９を相対的に移動させることにより、必要部位に成膜する。摩擦攪拌接合用工具を作製する場合、図５に示すように、ショルダー部２２とプローブ部２３との両方に被膜２１を製膜する必要があるため、ノズルはマルチノズルを用いる。このようにして、図５に示されるように、被覆体２０のショルダー部２２およびプローブ部２３に被膜２１を形成することができる。
【００７４】
上記において、被膜形成用の原料として用いるｃＢＮ粉末とセラミックス粉末と金属粉末とはそれぞれ、平均粒子径が１ｎｍ以上１μｍ以下のものを用いることが好ましい。より好ましくは、ｃＢＮ粉末の平均粒子径は１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、セラミックス粉末の平均粒子径は１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下であり、金属粉末の平均粒子径は５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。そして、特に好ましくは、ｃＢＮ粉末の平均粒子径をセラミックス粉末の平均粒子径より１００ｎｍ以上小さくすることが好適である。これにより３種の粉末をより緻密に混合することができるとともに良好な分散状態を得ることができる。上記平均粒径が１ｎｍ未満の場合、緻密な被膜が得られない場合がある。一方、１μｍを超えると被膜の成長速度が遅くなり生産性が劣る場合がある。なお、セラミックス粉末として２種以上の化合物の粉末を使用すると、それに対応して２種以上のセラミックス微粒子を形成することができる。
【００７５】
なお、ここでいうｃＢＮ粉末およびセラミックス粉末の平均粒子径とは、累積質量５０質量％（一般にＤ50で表わされる）の粒子径をいう。このような粒子径は市販の粒度分布測定装置を用いて簡単に測定することができる。
【００７６】
また、上記３種の粉末のうち、ｃＢＮ粉末とセラミックス粉末とは、ともに基材（中間層が形成される場合は基材と中間層との両者）の硬度よりも高い硬度を有していることが好ましい。これにより、アンカー部を容易に形成することができるからである。ここで、ｃＢＮ粉末の硬度およびセラミックス粉末の硬度としては、ｃＢＮの文献値および当該セラミックスの焼結体の文献値を採用することができる。また、基材および中間層の硬度としても、それぞれ文献値を参考にすることが好ましい。なお、金属粉末の硬度は高いことが好ましいが、必ずしも硬度が高くある必要はない。
【００７７】
一方、本発明において中間層を形成する場合は、そのような中間層は従来公知のＰＶＤ法により形成することができる。特にそのようなＰＶＤ法として、アーク式イオンプレーティング法やスパッタリング法を採用することが好ましい。
【００７８】
このように基材上に中間層を形成する場合は、中間層上に上記のエアロゾルデポジション法により被膜を形成することにより、被膜を構成するｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子が中間層まで浸入することによりアンカー部を形成することができる。
【００７９】
＜用途＞
本発明の被覆体は、切削工具または摺動部材として好適に用いることができる。ここで、切削工具としては、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等を例示することができる。また、摺動部材としては、たとえば摩擦攪拌接合用工具、エンジン部品、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）、ＨＤＤヘッド、キャプスタン、ウェハーチャック、半導体搬送用アーム、自動車駆動系部品、カメラ用ズームレンズシールリング等を例示することができる。これらの用途の中でも、鋼同士を接合するための摩擦攪拌接合用工具として用いることが好ましい。
【実施例】
【００８０】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、厚み、平均粒子径、体積％等の測定は、それぞれ上記に記載した方法により行なった。
【００８１】
＜基材＞
図４のようなエアロゾルデポジション法を用い、基材上に被膜を成膜した。図６は、本実施例の被覆体に用いられる基材の外形の一例を示す模式的な断面図である。図６に示される外形の基材を用いて各実施例および各比較例の被覆体を作製した。本発明の被覆体は、摩擦攪拌接合用工具に好適に用いられるものである。図６における各寸法は、ａ1＝３０ｍｍ、ａ2＝４ｍｍ、ａ3＝３．０ｍｍ、ａ4＝８ｍｍである。また、摩擦撹拌接合工具に好適に用いられる基材として、９０質量％のＷＣと１０質量％のＣｏとを含む超硬合金を準備し、表１に示した各実施例および各比較例の被覆体を形成した。以下においては、本実施例の被覆体の製造方法を示す。
【００８２】
＜実施例１〜１８＞
前述の基材に対して以下のようにして中間層（ただし表１に記載のあるもののみ）および被膜を形成することにより、被覆体を製造した。
【００８３】
＜中間層の形成＞
表１中、製法の欄に「アーク」とあるものはアーク式イオンプレーティング法により、表１に記載の材質と厚みを有する中間層を形成した。
【００８４】
【表１】
【００８５】
アーク式イオンプレーティング法は、基材温度を３５０〜６５０℃に設定し、反応ガスとして窒素を導入させながら１．０〜８．０Ｐａの圧力下、バイアス電圧を−２５〜−７００Ｖとして実行した。蒸発源は、表１中の材質の欄に「ＴｉＮ」とあるものは「Ｔｉ」をセットした。なお、表１中の材質の欄に「ＴｉＣＮ」とあるものは、反応ガスとして窒素とメタンとを導入することにより形成したものである。
【００８６】
なお、表１中の「空欄（−）」は、該当する中間層が形成されなかったことを示す。
＜被膜の形成＞
実施例１では、ｃＢＮ微粒子のみからなる第１被膜を基材上に、図４の成膜装置を用いて以下の条件でエアロゾルデポジション法により形成した。また、実施例２〜１８ではｃＢＮ微粒子と、セラミックス微粒子または金属バインダのうちのいずれか一方もしくは両方とを表１に記載したように含む第２被膜を、基材上または上記で形成した中間層上に実施例１と同様の条件で形成した。
【００８７】
すなわち、まずエアロゾル化室４に原料として予め用意しておいたｃＢＮ粉末、もしくはｃＢＮ粉末とセラミックス粉末または金属粉末のうちのいずれか一方もしくは両方とを充填した。また、セラミックス粉末は、表１のセラミックス微粒子の化合物の欄に示されている化合物の粉末を用い、その平均粒子径は、表１のセラミックス微粒子の平均粒子径の欄に示している。また、金属粒子の平均粒子径は、表１の金属粒子の平均粒子径の欄に示している。
【００８８】
そして、搬送ガスとしてはヘリウムを用い、その流量を０．１ｓｌｍ〜１５ｓｌｍの範囲で調節した。また、エアロゾル化室４の圧力が１０〜２０ｋＰａとなり、チャンバ１３の圧力が５〜３０００Ｐａとなるように真空ポンプ１１で圧力を調整した。
【００８９】
また、基板ステージ１０に上記基材９をセットし、ノズル７の開口サイズは２〜４ｍｍ2の範囲で調整し、ノズル７と基材９との距離は４〜１５ｍｍの範囲で調整した。さらに基板ステージ１０の移動速度を０．１〜３ｍｍ／ｓの範囲で調整した。回転軸８の回転速度は、１ｒｐｍとした。このようにして、表１に記載した被膜を基材上または中間層上に形成した。このようにして、本発明の実施例１〜１８の被覆体を製造した。
【００９０】
このようにして得られた本発明の実施例１の被覆体は、基材上に第１被膜が形成されたものであって、該第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、該立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、該基材は、第１被膜が形成される側の表面において、立方晶窒化硼素微粒子が基材に浸入するアンカー部を有するものであった。
【００９１】
一方、本発明の実施例２〜１６の被覆体は、基材上に第２被膜が形成されたものであって、該第２被膜は、１０体積％以上１００体積％未満の立方晶窒化硼素微粒子と、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方とを含み、立方晶窒化硼素微粒子とセラミックス微粒子とは、それぞれ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、基材は、第２被膜が形成される側の表面において、立方晶窒化硼素微粒子およびセラミックス微粒子が基材に浸入したアンカー部を有するものであった。
【００９２】
＜比較例１＞
実施例１で用いた基材を被覆することなく、以下の摩擦攪拌接合試験に用いた。なお、以下においては便宜的に比較例１の基材も「被覆体」と記するものとする。
【００９３】
＜比較例２＞
実施例１で用いた基材に対し、厚み１１μｍのＴｉＣＮからなる被膜をＣＶＤ法によりコーティングした被覆体を作製した。
【００９４】
＜比較例３＞
ｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子との比が表１のように異なる他は、実施例２と同様の方法により、被覆体を作製した。このようにして得られた本発明の各実施例の被覆体および各比較例の被覆体について、摩擦攪拌接合加工試験を行なった。その結果を以下の表２に示す。
【００９５】
＜摩擦攪拌接合加工試験の条件＞
摩擦攪拌接合加工試験では、各実施例の被覆体および各比較例の被覆体を用いて、２００ｍｍ×５００ｍｍであって、厚さ０．９ｍｍの鋼板を２枚重ねたものに対し、以下の条件で１０００スポットの摩擦攪拌接合を行なった。
【００９６】
鋼板種 ：ＳＰＣ２７０(引張強度：２７０ＭＰａ)
工具の挿入深さ：１．２ｍｍ(プローブ先端の浸入深さ)
挿入速度 ：０．５ｍｍ/秒
接合時間 ：２秒
回転速度 ：２０００ｒｐｍ
負荷加重 ：５００ｋｇ
＜被覆体の性能評価＞
上記の各実施例および各比較例に対し、摩擦攪拌接合加工試験の前後の被覆体のプローブ部の直径をレーザー顕微鏡で測定することにより、摩擦攪拌接合加工試験により摩耗したプローブ部の摩耗幅を算出した。なお、摩擦攪拌接合加工試験前のプローブ部の直径から、摩擦攪拌接合加工試験後のプローブ部の直径を引いて、その値を２で割ったものを「プローブ部の摩耗量」として表２中に記載した。プローブ部の摩耗幅が小さいほど耐摩耗性に優れていることを示している。
【００９７】
また、摩擦攪拌接合加工試験後の被覆体のプローブ部をレーザー顕微鏡で観察したときに、ショルダー面の外周近傍にチッピングが発生しているかを確認し、以下の評価基準に基づいてＡ〜Ｄの４段階で評価した。
【００９８】
Ａ：チッピングが見られない
Ｂ：チッピングが１〜２箇所見られる
Ｃ：チッピングが２箇所以上５箇所以下見られる
Ｄ：チッピングが６箇所以上散見される
【００９９】
【表２】
【０１００】
表２から明らかなように、本発明の実施例の被覆体は、アンカー部が形成されていないか本発明の範囲外となる平均粒子径の微粒子により被膜を形成した比較例の被覆体に比し優れた耐摩耗性が示された。これは、本発明の実施例の被覆体において、被膜が適切な平均粒子径の微粒子を含み、かつ基材と被膜との界面（中間層が形成される場合は中間層と被膜との界面）においてアンカー部が形成されたことにより被膜の剥離が防止され、以って優れた耐摩耗性が達成されたことを示している。
【０１０１】
また、実施例１１〜１４の被覆体と、実施例１〜１０の被覆体とを対比すると、実施例１１〜１４の被覆体の方がチッピングを生じにくい。これは、ｃＢＮ微粒子とともに金属バインダを含むことにより、被覆体の耐チッピング性が高められたことによるものと考えられる。
【０１０２】
よって、本発明の被覆体を用いて摩擦攪拌接合加工をすると、耐摩耗性が高く、かつ耐チッピング性にも優れることがわかる。
【０１０３】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【０１０４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明は、一般構造用鋼材、建築用構造用鋼材および自動車用鋼板などの鉄鋼材料をはじめとする鉄系金属、およびアルミニウム、マグネシウム等の鉄以外の金属からなる被接合物を接合するための摩擦撹拌接合用工具に関する。
【符号の説明】
【０１０６】
１ 搬送ガスボンベ、２ ガス搬送ライン、３ 原料、４ エアロゾル化室、５ 加振機、６ エアロゾル搬送ライン、７ ノズル、８ 回転軸、９ 基材、１０ 基板ステージ、１１ 真空ポンプ、１２ エアロゾル粒、１３ チャンバ、１４ 矢印、１５ 回転機構、１６ クリップ、２０ 被覆体、２１ 被膜、２２ ショルダー部、２３ プローブ部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材を立方晶窒化硼素を主成分とする被膜により被覆した被覆体に関し、特に切削工具または摩擦攪拌接合用工具に好適に用いられる被覆体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車の製造工程、特にボディ部材および各種部品を連結する工程においては、複数の金属板部材を重ね合わせた上で、リベットによる接合、抵抗スポット溶接等のように点接合する技術が用いられている。このような点接合による金属板部材の連結は、自動車のみならず、鉄道車両を始めとする各種車両、航空機等の輸送機分野においても用いられるようになり、近年では家電製品、建材等の構造物等の分野においても広く採用され始めている。
【０００３】
しかし、点接合は、溶接時にその金属板が変形しやすいこと、金属板の軟化に多大な時間を要すること等が問題となっている。このような問題を解決するための接合方法として、たとえば特許文献１では、摩擦攪拌接合（Friction Stir Spot Welding）法が提案されている。
【０００４】
摩擦攪拌接合法は、接合部分のみに摩擦熱を発生させることにより、接合部分のみを軟化させて複数の金属板部材を接合する。このため、摩擦攪拌接合法は、従来の抵抗スポット溶接またはリベットによる接合よりも、接合部分以外の部分に金属板の軟化や歪みが生じにくいという利点を有する。このように接合部分を歪ませずに安定して接合することができるため、種々の特性を付与した各種の摩擦攪拌接合用工具が提案されている（たとえば特許文献２〜４）。
【０００５】
摩擦攪拌接合用工具に用いられる硬質膜としては、安価で、かつ耐摩耗性に優れている材料として超硬合金、Ｓｉ3Ｎ4セラミックス等が用いられるが、昨今の摩擦攪拌接合用工具においては更なる耐摩耗性の向上が要求されており、このような超硬合金やＳｉ3Ｎ4セラミックス等を含む硬質膜においても一段と向上した耐摩耗性が求められる。
【０００６】
一方、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ：cubic boron nitride）は、硬度、熱伝導性、耐摩耗性、化学的安定性等の面で優れた特性を有するため、ｃＢＮからなる被膜は、さまざまな分野で応用されている。近年では、ｃＢＮからなる被膜は、切削工具、摺動部材等への応用も展開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】特開２００１−３２１９６７号公報
【特許文献３】特開２００１−３１４９８３号公報
【特許文献４】特開２００２−１２００７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のとおりｃＢＮからなる被膜は、硬度、熱伝導性等の特性に優れるため、各種工具に適用する試みがなされている。しかし、ｃＢＮからなる被膜は、基材との密着性が不十分であるため、各種用途の加工時には基材と被膜との界面で剥離が生じやすく、特に耐摩耗性が十分ではないという問題があった。
【０００９】
また、ｃＢＮは、工具の先端のみにろう付け等で接合して用いられたり、ｃＢＮ焼結体として用いられたりするが、このようなｃＢＮは、いずれも数ＧＰａの超高圧を用いる超高圧法で製造したものを使用する。しかしながら、超高圧を発生させるための装置は極めて高価であるため、安価にｃＢＮを作製することは極めて困難である。
【００１０】
本発明は、上述のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、ｃＢＮ粒子を含む被膜を基材上に形成し、基材と被膜との密着性を高めることにより、耐摩耗性に優れた被覆体を安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の被覆体は、基材上に第１被膜が形成されたものであって、該第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、該立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、基材と第１被膜との界面には、立方晶窒化硼素微粒子が基材に浸入したアンカー部を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の被覆体は、基材上に中間層が形成され、その中間層上に第１被膜が形成された被覆体であって、該第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、該立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、中間層と第１被膜との界面には、立方晶窒化硼素微粒子が中間層に浸入したアンカー部を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の被覆体は、基材上に第２被膜が形成された被覆体であって、該第２被膜は、１０体積％以上１００体積％未満の立方晶窒化硼素微粒子と、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方とを含み、該立方晶窒化硼素微粒子とセラミックス微粒子とは、それぞれ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、基材と第２被膜との界面には、立方晶窒化硼素微粒子およびセラミックス微粒子が基材に浸入したアンカー部を有することを特徴とするものでもある。
【００１４】
本発明の被覆体は、基材上に中間層が形成され、その中間層上に第２被膜が形成された被覆体であって、該第２被膜は、１０体積％以上１００体積％未満の立方晶窒化硼素微粒子と、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方とを含み、該立方晶窒化硼素微粒子とセラミックス微粒子とは、それぞれ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、中間層と第２被膜との界面には、立方晶窒化硼素微粒子およびセラミックス微粒子が中間層に浸入したアンカー部を有することを特徴とするものでもある。
【００１５】
第１被膜は、立方晶窒化硼素粉末を原料とし、該原料を高速気流中で基板に衝突させることにより形成されることが好ましい。
【００１６】
立方晶窒化硼素粉末は、１ｎｍ以上１μｍ以下の平均粒子径を有することが好ましく、立方晶窒化硼素粉末、金属粉末、およびセラミックス粉末は、それぞれ１ｎｍ以上１μｍ以下の平均粒子径を有することが好ましい。
【００１７】
第１被膜または第２被膜は、エアロゾルデポジション法で形成されることが好ましい。
第２被膜は、立方晶窒化硼素粉末と、金属粉末またはセラミックス粉末のいずれか一方もしくは両方とを原料とし、該原料を高速気流中で基板に衝突させることにより形成されることが好ましい。
【００１８】
第２被膜は、５０体積％以上９２体積％以下の立方晶窒化硼素微粒子を含有することが好ましい。
【００１９】
セラミックス微粒子は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、ＣｏおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の微粒子であることが好ましく、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＡｌＳｉＮＯ、ＳｉＣ、ＴａＣ、Ｂ4Ｃ、ＢＮ、ＳｉＮ、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2およびＭｇＯからなる群より選択される１種以上を含む微粒子であることがより好ましい。金属バインダは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒからなる群より選択される１種以上の金属からなることが好ましい。
【００２０】
金属バインダは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒからなる群より選択される１種以上の金属からなることが好ましい。
【００２１】
アンカー部は、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みであることが好ましい。
第１被膜または第２被膜は、１μｍ以上１００μｍ以下の厚みを有することが好ましい。
【００２２】
本発明の被覆体は、切削工具または摩擦攪拌接合用工具として用いられる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の被覆体は、上記のような構成を有することにより、基材上にｃＢＮ微粒子を含む被膜を密着性高く安価に形成することができ、以って優れた耐摩耗性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の被覆体の断面図である。
【図２】中間層が形成された本発明の被覆体の断面図である。
【図３】本発明で用いた成膜装置の概念図である。
【図４】本発明で用いた成膜装置の概念図を一部拡大した図である。
【図５】本発明の被覆体である摩擦攪拌接合用工具の概略断面図である。
【図６】本実施例の被覆体に用いられる基材の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。
【００２６】
＜被覆体＞
本発明の被覆体は、基材上にｃＢＮ微粒子のみからなる第１被膜が形成されたものであることを特徴とする。該第１被膜は、基材上に直接形成されていても良いし、中間層を介して基材上に形成されていても良い。本発明の被覆体において、基材は、第１被膜が形成される側の表面において、ｃＢＮ微粒子が基材に浸入したアンカー部を有することを最大の特徴とする。これにより、基材と第１被膜との密着性が向上し、以って被覆体の耐摩耗性が飛躍的に向上したものとなる。なお、アンカー部の詳細は後述する。ここで、「ｃＢＮ微粒子が基材に浸入する」とは、ｃＢＮ微粒子の全てが基材に浸入することを意味するものではなく、ｃＢＮ微粒子の一部が基材に浸入することを意味するものであり、その他のｃＢＮ微粒子は、浸入したｃＢＮ微粒子上に堆積されることになる。このような本発明の被覆体は、ＣＶＤやＰＶＤなどの高温成膜プロセスを施すことなく、ｃＢＮ粒子を含む被膜を形成することができる。
【００２７】
基材上に中間層が形成され、その中間層上に第１被膜が形成された場合、第１被膜を構成するｃＢＮ微粒子が該中間層に浸入したアンカー部を有することを特徴とする。中間層は、基材と第１被膜との密着性を高めるために設けられるものであるが、その詳細は後述する。このように中間層を有する場合、中間層そのものによる密着性の向上効果とアンカー部による密着性の向上効果とが相乗的に作用することにより、基材と第１被膜との密着性がさらに向上したものとなる。
【００２８】
本発明の被覆体は、第１被膜に代えて、ｃＢＮ微粒子と、セラミックス微粒子または金属バインダのいずれか一方もしくは両方とを含む第２被膜を基材上に形成したものも含まれる。該第２被膜は、ｃＢＮ微粒子に加えて、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方を含むものである。
【００２９】
本発明の被覆体が、基材上に第２被膜を形成したものである場合、アンカー部は、ｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子が基材に浸入したものとなる他、金属バインダが基材に浸入したものとなる場合もある。また、基材上に中間層が形成され、その中間層上に第２被膜が形成された場合、第２被膜を構成するｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子が該中間層に浸入したアンカー部が形成される。なお、ｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子の他、金属バインダが中間層に浸入する場合もある。
【００３０】
＜基材＞
本発明の被覆体を構成する基材としては、切削工具の基材や摺動部材の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、組成的には超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など）等をこのような基材の例として挙げることができるとともに、その形状は特に限定されない。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
【００３１】
なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。
【００３２】
＜第１被膜＞
本発明において、第１被膜は、ｃＢＮ微粒子のみからなることを特徴とする。ここで、「ｃＢＮ微粒子のみからなる」とは、本発明に用いられる第１被膜は、不可避不純物を含み得ることを除き、ｃＢＮ微粒子から構成されるものをいう。
【００３３】
＜第２被膜＞
本発明の第２被膜は、ｃＢＮ微粒子に加えて、セラミックス微粒子または金属バインダのいずれか一方もしくは両方を含むことを特徴とする。本発明に用いられる第２被膜は、不可避不純物を含み得ることを除き、ｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子とから構成されていることが好ましい。これは、ｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子とを含むことにより、アンカー部がより形成されやすくなるからである。
【００３４】
ここで、本発明の第２被膜に含まれるｃＢＮ微粒子の割合は、体積比率にしてｃＢＮ微粒子が１０体積％以上１００体積％未満であることが好ましい。第２被膜に含まれるｃＢＮ微粒子が１０体積％未満であると、被膜の硬度が低下することとなり、被覆体の耐摩耗性が低下する。被膜に含まれるｃＢＮ微粒子の体積比率に上限はない。
【００３５】
ただし、被覆体の靭性と耐摩耗性とを向上させるという観点からは、ｃＢＮ微粒子を５０体積％以上９２体積％以下含むことが好ましい。この場合、その他の成分には、セラミックス微粒子および金属バインダを含むことが好ましい。被覆体の耐摩耗性を高めるという観点からは、第２被膜にセラミックス微粒子を含むことが好ましく、被覆体の靭性を高めるという観点からは、第２被膜に金属バインダを含むことが好ましい。
【００３６】
なお、本発明の第２被膜に含まれるｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子と金属バインダとの上記割合は、第２被膜の厚み方向において実質的に均一であっても良いし、傾斜するものであっても良い。傾斜する場合は、基材側から被覆体の表面に向かってｃＢＮ微粒子の割合をより高くすることが好ましい。このように配合割合を傾斜させることにより、後述するアンカー部を容易に形成することができ、耐摩耗性の向上に寄与することができる。
【００３７】
本発明において、第２被膜に含まれるｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子と金属バインダとの上記割合は、透過型電子顕微鏡−電子エネルギー損失分光法（ＴＥＭ−ＥＥＬＳ：Transmission Electron Microscopy-Electron Energy-Loss Spectroscopy）により被膜断面の組成マッピングを行ない、これに基づき走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscope）モードでのスペクトラムイメージング（ＳＩ：Spectrum Imaging）法によるスペクトルデータにより測定することができる。
【００３８】
＜被膜＞
以下においては、第１被膜および第２被膜に対し、これらを敢えて区別する必要がない場合は単に「被膜」と記す。被膜は、基材上に直接または中間層を介して形成されるものであるが、その被覆領域は基材の全面を覆うものであっても良いし、一部分を覆うものであっても良い。そして、被膜は、１ｎｍ以上１００μｍ以下の厚みを有することが好ましい。より好ましくは、その上限が８０μｍさらに好ましくは５０μｍであり、その下限が５ｎｍ、さらに好ましくは１０ｎｍである。被膜の厚みが１ｎｍ未満となる場合は十分なる耐摩耗性の向上作用が示されない場合があり、１００μｍを超えると被膜自体が剥離する場合がある。なお、このような被膜の厚みは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により、その断面を観察することを以って確認することができる。
【００３９】
＜ｃＢＮ微粒子＞
本発明の被膜に含まれるｃＢＮ微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有するものである。この平均粒子径は、より好ましくはその上限が５０ｎｍ、さらに好ましくは２０ｎｍである。
【００４０】
このようなｃＢＮ微粒子は、ｃＢＮ構造という極めて高硬度の結晶構造を有することから、被膜の耐摩耗性を飛躍的に向上させる作用を主として担うものである。上記の平均粒子径が１ｎｍ未満の場合、成膜速度が小さく生産性に劣り、１００ｎｍを超えると表面粗さが大きくなり耐摩耗性、耐溶着性、および摺動性が各々劣ることになる。
【００４１】
＜セラミックス微粒子＞
本発明において、第２被膜に含まれるセラミックス微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有するものである。この平均粒子径は、より好ましくは、その上限が５０ｎｍ、さらに好ましくは２０ｎｍである。
【００４２】
このようなセラミックス微粒子は、耐反応性、耐溶着性、耐熱性、摺動性などを飛躍的に向上させる作用を主として担うものである。上記平均粒子径が１ｎｍ未満の場合、成膜速度が小さく生産性に劣り、１００ｎｍを超えると表面粗さが大きくなり耐摩耗性、耐溶着性、摺動性が各々劣ることになる。
【００４３】
このようなセラミックス微粒子は、結晶粒子であっても良いし、非晶質の粒子であっても良い。またその組成としては、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、ＣｏおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の微粒子であることが好ましい。
【００４４】
このような化合物としては、たとえばＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ2、ＺｒＯ2、ＺｒＳｉＯ4、ＺｒＢ2、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＨｆＯ2、ＨｆＢ2、ＨｆＣ、ＨｆＮ、Ｖ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ4、Ｖ2Ｏ5、ＶＣ、ＶＢ2、ＶＮ、ＮｂＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＮｂＢ2、ＮｂＣ、ＮｂＢ、ＮｂＮ、Ｔａ2Ｏ5、ＴａＢ2、ＴａＣ、ＴａＮ、Ｃｒ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｃ3、ＣｒＢ2、ＣｒＢ、ＭｏＯ2、ＭｏＯ3、ＭｏＢ、ＭｏＢ2、ＭｏＣ、Ｍｏ2Ｃ、Ｍｏ2Ｎ、ＷＯ2、ＷＯ3、ＷＣ、ＷＢ、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＳｉＮＯ、ＳｉＯ、ＳｉＯ2、ＳｉＣ、ＳｉＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＢ6、ＭｇＢ2、Ｍｇ3Ｎ2、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＭｇＭｏＯ4、ＭｇＴｉＯ3、ＭｇＷＯ4、ＭｇＺｒＯ3、ＣａＯ、ＣａＡｌ2Ｏ4、ＣａＴｉＯ3、ＣａＷＯ4、ＣａＺｒＯ3、ＣａＭｏＯ4、ＣａＣ2、Ｃａ3Ｎ2、Ｙ2Ｏ3、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12、ＹＭｎＯ3、ＹＢ6、ＹＣ2、Ｂ2Ｏ3、Ｂ4Ｃ、ＢＮ、Ｃｏ3Ｏ4、ＣｏＯ等を挙げることができる。
【００４５】
そして、上記のような化合物の中でも、本発明のセラミックス微粒子としては特にＡｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＡｌＳｉＮＯ、ＳｉＣ、ＴａＣ、Ｂ4Ｃ、ＢＮ、ＳｉＮ、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、およびＭｇＯからなる群より選択される１種以上を含むことが好ましい。これらの組成は、特に優れた高硬度、高耐酸化性、および高摺動性を有するためである。
【００４６】
なお、上記の化学式において、各元素の原子比が特に記載されていないものは必ずしも等比となるものではなく、従来公知の原子比が全て含まれるものとする。たとえば単にＴｉＮと記す場合、ＴｉとＮとの原子比は１：１が含まれる他、２：１、１：０．９５、１：０．９等が含まれる（特に断りのない限り、以下において同じ）。
【００４７】
本発明のセラミックス微粒子は、単独の化合物の微粒子であっても良いし、組成の異なる２種以上の化合物の微粒子であっても良い。
【００４８】
＜金属バインダ＞
本発明の第２被膜に含まれる金属バインダの組成としては、あらゆる種類の金属を用いることができる。このような金属の中でも工具への応用を考えると、融点が高い材料が好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＡｇおよびＣｕからなる群より選択される金属、または該金属を１種以上含む合金からなることが好ましい。
【００４９】
＜ｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子の平均粒子径の測定＞
本発明において、第２被膜に含まれるｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子の平均粒子径は、次のようにして測定することができる。すなわち、まず透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）を用いて第２被膜の断面（第２被膜表面に対する垂直方向の断面）中におけるｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子とのマッピングを行なう（たとえばそれぞれの微粒子毎に２色に色分けする）。次いで、同被膜断面において、被膜表面と平行な所定の長さの任意の線分上に存在するｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子の個数をそれぞれ計測するとともに同線分上においてそれぞれの微粒子が占有する領域の合計長さをそれぞれの微粒子毎に測定する。
【００５０】
続いて、このように測定されたそれぞれの微粒子毎の合計長さをそれぞれの微粒子の個数で除した値をそれぞれの微粒子毎の粒子径とする。そして、上記の任意の線分として３本の線分について同様の測定を行なうことにより、それらの粒子径の平均値を求め、その平均値をｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子との各々の平均粒子径とする。
【００５１】
なお、第１被膜に含まれるｃＢＮ微粒子の平均粒子径を算出する場合、第１被膜の断面において、第１被膜表面と平行な所定の長さの任意の線分上においてｃＢＮ微粒子が占有する領域の合計長さを測定し、その合計長さを同線分上に存在するｃＢＮ微粒子の個数で除した値をｃＢＮ微粒子の粒子径とする。そして、上記の任意の線分として３本の線分について同様の測定を行ない、それらの粒子径の平均値をｃＢＮ微粒子の平均粒子径とする。当該線分の所定長さは、３μｍ〜５μｍ程度とすることが好ましい。
【００５２】
なお、第２被膜中における金属バインダは粒子径を規定し得ないので算出しないこととする。なぜなら、ｃＢＮ微粒子と金属バインダとの二相系の被膜では、金属バインダはｃＢＮ微粒子同士を結合するバインダの役割を果たすため、金属バインダは第２被膜の形成時に組成変形し、独立した粒子として被膜中に存在するわけではなく連続相として存在するからである。そして、ｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子と金属バインダとの三相系の被膜であっても二相系の被膜の場合と同様、金属バインダは、ｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子のそれぞれを結合するバインダの役割を果たすため、金属バインダの粒子径を規定しない。
【００５３】
＜中間層＞
本発明の被覆体は、上記の基材上に中間層が形成され、該中間層上に上記の被膜が形成されたものであっても良い。このような中間層は、基材上の全面に形成されていても良いし、基材上の一部分に形成されていても良い。このような中間層は、基材と被膜との密着性を高める作用を担うものである。なお、中間層上の全面に被膜が形成されたものであってもよいし、中間層上の一部分のみに被膜が形成されたものであってもよい。
【００５４】
このような中間層の組成としては、たとえばＴｉ、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を好適な例として挙げることができる。また、これらの化合物のみに限られるものではなく、基材と被膜との密着性を高める作用を有する化合物であればいかなる組成のものを使用しても差し支えない。
【００５５】
このような中間層は、５０ｎｍ以上５０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。より好ましくは、その上限が２０μｍ、さらに好ましくは１０μｍであり、その下限が１００ｎｍ、さらに好ましくは２００ｎｍである。中間層の厚みが５０ｎｍ未満となる場合は十分なる密着性の向上作用が示されない場合があり、５０μｍを超えると生産性が劣る場合がある。なおまた、このような中間層の厚みは、被膜の厚みと同様にＴＥＭによりその断面を観察することによって確認することができる。なお、このような中間層は、１層または２層以上形成することができる。
【００５６】
＜アンカー部＞
本発明において、基材上に第１被膜が形成される場合、アンカー部は、第１被膜を構成するｃＢＮ微粒子が基材に浸入することにより形成される。一方、基材上に第２被膜が形成される場合、アンカー部は、第２被膜を構成するｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子が基材に浸入することにより形成される。このアンカー部により基材と被膜との密着性が飛躍的に向上し、以って被覆体の耐摩耗性が飛躍的に向上したものとなる。
【００５７】
また、基材上に中間層が形成され、該中間層上に第１被膜を形成する場合、アンカー部は、第１被膜を構成するｃＢＮ微粒子が該中間層に浸入することにより形成される。また、基材上に中間層が形成され、該中間層上に第２被膜を形成する場合、アンカー部は、第２被膜を構成するｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子とが該中間層に浸入することにより形成される。
【００５８】
以下、このようなアンカー部を図１に基づき説明する。なお、図１は便宜的に基材９上に直接被膜２１が形成される場合を例にとり、それを模式的に表わしたものである。このようなアンカー部は、ＴＥＭを用いて観測することにより確認することができ、この場合、観察視野は基材に対する水平方向に５００ｎｍ、垂直方向に５００ｎｍの領域とすることが好ましい。
【００５９】
まず、基材９上に被膜２１が形成されていない部分の基材表面およびその延長線を「基材ライン」とする。そして、アンカー部とは、被膜２１を構成する微粒子２４（第１被膜の場合は、ｃＢＮ微粒子のことを意味し、第２被膜の場合は、ｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子のことを意味する）が基材に浸入している部分、すなわち微粒子２４が基材ラインより深さ方向に入り込んだ部分をいい、その厚みは次のようにして求めることができる。
【００６０】
すなわち、上記観察視野において、各微粒子２４の先端部が「基材ライン」から基材の深さ方向に最も離れた５点を抽出し（図１の破線のサークル部）、それらの「基材ライン」までの直線距離を求めこの５点の距離の平均値を算出する。続いて、任意の３視野において測定し、その平均をアンカー部の厚みＤ（図１中「Ｄ」で示した部分）とする。
【００６１】
このようにして求められるアンカー部の厚みＤは、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、その上限が３００ｎｍ、さらに好ましくは２００ｎｍであり、その下限が２０ｎｍ、さらに好ましくは５０ｎｍである。アンカー部の厚みが１ｎｍ未満の場合、基材と被膜との密着性を十分に高めることができず、５００ｎｍを超えるとアンカー部と被膜とが一体となったまま剥離することがある。
【００６２】
なお、中間層が形成される場合は、上記の説明において適宜「基材」を「中間層」に読み替えるものとし、図１における「基材ライン」に変えて図２に示した「中間層ライン」（中間層２５上に被膜２１が形成されていない部分の中間層表面およびその延長線）とすることにより、上記と同様にしてアンカー部の厚みを求めることができる。なおまた、中間層が形成され、該中間層上に被膜を形成する場合、アンカー部は、被膜を構成する微粒子が該中間層に浸入することにより形成される場合のみに限られるものではなく、中間層を貫通して被膜に浸入することにより形成されるものであってもよい。
【００６３】
＜製造方法＞
本発明の被覆体は、高速気流を用いたエアロゾルデポジション法（原理的に同様の「コールドスプレー法」も含む）を用いて基材上に第１被膜または第２被膜を形成することにより、製造することができる。換言すれば、本発明の上記第１被膜は、ｃＢＮ粉末を原料として、エアロゾルデポジション法により形成されるものであり、第２被膜は、ｃＢＮ粉末に加えてセラミックス粉末または金属粉末を原料として、エアロゾルデポジション法により形成されるものである。
【００６４】
被膜をこのようなエアロゾルデポジション法を用いて形成することにより、上記のようなアンカー部を形成することが可能となる。この点、従来のようなＰＶＤ法により被膜を形成してもアンカー部は形成されない。なお、ｃＢＮ粉末がｃＢＮ微粒子の原料となり、セラミックス粉末がセラミックス微粒子の原料となり、金属粉末が金属バインダの原料となることは言うまでもない。
【００６５】
以下、被膜をこのエアロゾルデポジション法により形成する場合についてさらに詳細に説明する。図３は、本発明で用いるエアロゾルデポジション法を実行するための成膜装置の概念図であり、図４は、図３の成膜装置を部分的に拡大した図である。図５は、本発明の被覆体が摩擦攪拌接合用工具の場合の模式的な断面図である。たとえば図４で示される成膜装置を用いて、基材上に被膜を形成し、図５に示される被覆体を形成する。摩擦攪拌接合用工具において、最も耐摩耗性が必要とされる部位は、図５に示すように、ショルダー部２２およびプローブ部２３である。よって、ショルダー部２２およびプローブ部２３に被膜２１を形成すればよく、その他の部位には被膜２１を形成しなくてもよい。
【００６６】
図３に示される成膜装置には、搬送ガスボンベ１の先にガス搬送ライン２を介してエアロゾル発生器としてのエアロゾル化室４が設置されている。ガス搬送ライン２を通る搬送ガスとして、窒素、アルゴン、ヘリウム、乾燥空気などを用いることができる。
【００６７】
エアロゾル化室４の内部には原料３としてｃＢＮ粉末とセラミックス粉末と金属粉末とが充填されている。これらの充填割合（体積比率）は、被膜におけるｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子と金属バインダの割合（体積比率）に合致させることが好ましい。なお、エアロゾル化室４は、図３のように１室のみであっても良いし、図示はしないが粉末毎に１室ずつ計３室を並列的に設けることもできる。被膜に含まれるｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子と金属バインダとの割合を上記のように被膜の厚み方向に傾斜させる場合は、エアロゾル化室４を３室設け、各独立に後述のガス流量を制御することにより被膜の組成を傾斜させることができる。すなわち、ガス流量を大きくすると、成膜量（被膜としての堆積量）も大きくなる傾向を示す。
【００６８】
このようなエアロゾル化室４は振動を加えるための加振機５上に載置される。エアロゾル化室４はエアロゾル搬送ライン６によりノズル７に接続されており、ノズル７は成膜室を構成するチャンバ１３内において基材９と向かい合う。基材９が円柱形状を基本とする摩擦攪拌接合用工具の場合、図５に示されるように、基材９には回転軸が挿入できるような穴が開いている。
【００６９】
以下においては、図４を参照して図５の摩擦攪拌接合用工具の製造方法を説明する。基材９は基板ステージ１０によって保持されている。基材９は、加熱機構を併せ持つ回転機構１５の回転軸８により回転させられる。基材９を回転すると同時に回転軸８が加熱され、この熱が基材９に伝わって基材９を加熱することができる。なお、回転軸８はクリップ１６により回転機構１５に固定されている。このクリップには、通常Ｍ６程度のイモネジを用いる。
【００７０】
ノズル７からはエアロゾル粒１２が基材９に向かって噴出する。基板ステージ１０は矢印１４で示す方向に移動可能であり、これに伴い、基材９も基板ステージ１０とともに移動する。チャンバ１３は真空ポンプ１１に接続されており、真空ポンプ１１がチャンバ１３内の圧力を調整することができる。
【００７１】
このような成膜装置において、真空ポンプ１１を稼働させ、成膜室としてのチャンバ１３およびエアロゾル化室４の圧力を１Ｐａ程度となるまで減圧する。搬送ガスボンベ１をあけて、ガスを流量０．１ｓｌｍ（標準状態（２５℃）での１分間当たりの流量が０．１ｌ）から１５ｓｌｍ（標準状態（２５℃）において１分間当たりの流量が１５ｌ）でエアロゾル化室４にガスを送り込み、原料３であるｃＢＮ粉末とセラミックス粉末と金属粉末とガスとが適当な比率で混合されたエアロゾルを発生させる。
【００７２】
この際、エアロゾルは微小開口を有するノズル７を通じてチャンバ１３に流れ込むため、エアロゾル化室４とチャンバ１３との間には１０3Ｐａ程度の圧力差が生じる。このエアロゾルを、エアロゾル搬送ライン６を通じて加速させ、ノズル７により基材９に向けて噴射する。
【００７３】
基板ステージ１０を駆動させることによりエアロゾルの衝突位置を変化させながらｃＢＮ粉末（ｃＢＮ粉末に加えセラミックス粉末または金属粉末のいずれか一方もしくは両方を含む場合もある）との衝突により基材９上に本発明の被膜が焼結状態で形成される。ノズル７と基材９を相対的に移動させることにより、必要部位に成膜する。摩擦攪拌接合用工具を作製する場合、図５に示すように、ショルダー部２２とプローブ部２３との両方に被膜２１を製膜する必要があるため、ノズルはマルチノズルを用いる。このようにして、図５に示されるように、被覆体２０のショルダー部２２およびプローブ部２３に被膜２１を形成することができる。
【００７４】
上記において、被膜形成用の原料として用いるｃＢＮ粉末とセラミックス粉末と金属粉末とはそれぞれ、平均粒子径が１ｎｍ以上１μｍ以下のものを用いることが好ましい。より好ましくは、ｃＢＮ粉末の平均粒子径は１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、セラミックス粉末の平均粒子径は１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下であり、金属粉末の平均粒子径は５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。そして、特に好ましくは、ｃＢＮ粉末の平均粒子径をセラミックス粉末の平均粒子径より１００ｎｍ以上小さくすることが好適である。これにより３種の粉末をより緻密に混合することができるとともに良好な分散状態を得ることができる。上記平均粒径が１ｎｍ未満の場合、緻密な被膜が得られない場合がある。一方、１μｍを超えると被膜の成長速度が遅くなり生産性が劣る場合がある。なお、セラミックス粉末として２種以上の化合物の粉末を使用すると、それに対応して２種以上のセラミックス微粒子を形成することができる。
【００７５】
なお、ここでいうｃＢＮ粉末およびセラミックス粉末の平均粒子径とは、累積質量５０質量％（一般にＤ50で表わされる）の粒子径をいう。このような粒子径は市販の粒度分布測定装置を用いて簡単に測定することができる。
【００７６】
また、上記３種の粉末のうち、ｃＢＮ粉末とセラミックス粉末とは、ともに基材（中間層が形成される場合は基材と中間層との両者）の硬度よりも高い硬度を有していることが好ましい。これにより、アンカー部を容易に形成することができるからである。ここで、ｃＢＮ粉末の硬度およびセラミックス粉末の硬度としては、ｃＢＮの文献値および当該セラミックスの焼結体の文献値を採用することができる。また、基材および中間層の硬度としても、それぞれ文献値を参考にすることが好ましい。なお、金属粉末の硬度は高いことが好ましいが、必ずしも硬度が高くある必要はない。
【００７７】
一方、本発明において中間層を形成する場合は、そのような中間層は従来公知のＰＶＤ法により形成することができる。特にそのようなＰＶＤ法として、アーク式イオンプレーティング法やスパッタリング法を採用することが好ましい。
【００７８】
このように基材上に中間層を形成する場合は、中間層上に上記のエアロゾルデポジション法により被膜を形成することにより、被膜を構成するｃＢＮ微粒子およびセラミックス微粒子が中間層まで浸入することによりアンカー部を形成することができる。
【００７９】
＜用途＞
本発明の被覆体は、切削工具または摺動部材として好適に用いることができる。ここで、切削工具としては、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等を例示することができる。また、摺動部材としては、たとえば摩擦攪拌接合用工具、エンジン部品、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）、ＨＤＤヘッド、キャプスタン、ウェハーチャック、半導体搬送用アーム、自動車駆動系部品、カメラ用ズームレンズシールリング等を例示することができる。これらの用途の中でも、鋼同士を接合するための摩擦攪拌接合用工具として用いることが好ましい。
【実施例】
【００８０】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、厚み、平均粒子径、体積％等の測定は、それぞれ上記に記載した方法により行なった。
【００８１】
＜基材＞
図４のようなエアロゾルデポジション法を用い、基材上に被膜を成膜した。図６は、本実施例の被覆体に用いられる基材の外形の一例を示す模式的な断面図である。図６に示される外形の基材を用いて各実施例および各比較例の被覆体を作製した。本発明の被覆体は、摩擦攪拌接合用工具に好適に用いられるものである。図６における各寸法は、ａ1＝３０ｍｍ、ａ2＝４ｍｍ、ａ3＝３．０ｍｍ、ａ4＝８ｍｍである。また、摩擦撹拌接合工具に好適に用いられる基材として、９０質量％のＷＣと１０質量％のＣｏとを含む超硬合金を準備し、表１に示した各実施例および各比較例の被覆体を形成した。以下においては、本実施例の被覆体の製造方法を示す。
【００８２】
＜実施例１〜１８＞
前述の基材に対して以下のようにして中間層（ただし表１に記載のあるもののみ）および被膜を形成することにより、被覆体を製造した。
【００８３】
＜中間層の形成＞
表１中、製法の欄に「アーク」とあるものはアーク式イオンプレーティング法により、表１に記載の材質と厚みを有する中間層を形成した。
【００８４】
【表１】
【００８５】
アーク式イオンプレーティング法は、基材温度を３５０〜６５０℃に設定し、反応ガスとして窒素を導入させながら１．０〜８．０Ｐａの圧力下、バイアス電圧を−２５〜−７００Ｖとして実行した。蒸発源は、表１中の材質の欄に「ＴｉＮ」とあるものは「Ｔｉ」をセットした。なお、表１中の材質の欄に「ＴｉＣＮ」とあるものは、反応ガスとして窒素とメタンとを導入することにより形成したものである。
【００８６】
なお、表１中の「空欄（−）」は、該当する中間層が形成されなかったことを示す。
＜被膜の形成＞
実施例１では、ｃＢＮ微粒子のみからなる第１被膜を基材上に、図４の成膜装置を用いて以下の条件でエアロゾルデポジション法により形成した。また、実施例２〜１８ではｃＢＮ微粒子と、セラミックス微粒子または金属バインダのうちのいずれか一方もしくは両方とを表１に記載したように含む第２被膜を、基材上または上記で形成した中間層上に実施例１と同様の条件で形成した。
【００８７】
すなわち、まずエアロゾル化室４に原料として予め用意しておいたｃＢＮ粉末、もしくはｃＢＮ粉末とセラミックス粉末または金属粉末のうちのいずれか一方もしくは両方とを充填した。また、セラミックス粉末は、表１のセラミックス微粒子の化合物の欄に示されている化合物の粉末を用い、その平均粒子径は、表１のセラミックス微粒子の平均粒子径の欄に示している。また、金属粒子の平均粒子径は、表１の金属粒子の平均粒子径の欄に示している。
【００８８】
そして、搬送ガスとしてはヘリウムを用い、その流量を０．１ｓｌｍ〜１５ｓｌｍの範囲で調節した。また、エアロゾル化室４の圧力が１０〜２０ｋＰａとなり、チャンバ１３の圧力が５〜３０００Ｐａとなるように真空ポンプ１１で圧力を調整した。
【００８９】
また、基板ステージ１０に上記基材９をセットし、ノズル７の開口サイズは２〜４ｍｍ2の範囲で調整し、ノズル７と基材９との距離は４〜１５ｍｍの範囲で調整した。さらに基板ステージ１０の移動速度を０．１〜３ｍｍ／ｓの範囲で調整した。回転軸８の回転速度は、１ｒｐｍとした。このようにして、表１に記載した被膜を基材上または中間層上に形成した。このようにして、本発明の実施例１〜１８の被覆体を製造した。
【００９０】
このようにして得られた本発明の実施例１の被覆体は、基材上に第１被膜が形成されたものであって、該第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、該立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、該基材は、第１被膜が形成される側の表面において、立方晶窒化硼素微粒子が基材に浸入するアンカー部を有するものであった。
【００９１】
一方、本発明の実施例２〜１６の被覆体は、基材上に第２被膜が形成されたものであって、該第２被膜は、１０体積％以上１００体積％未満の立方晶窒化硼素微粒子と、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方とを含み、立方晶窒化硼素微粒子とセラミックス微粒子とは、それぞれ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、基材は、第２被膜が形成される側の表面において、立方晶窒化硼素微粒子およびセラミックス微粒子が基材に浸入したアンカー部を有するものであった。
【００９２】
＜比較例１＞
実施例１で用いた基材を被覆することなく、以下の摩擦攪拌接合試験に用いた。なお、以下においては便宜的に比較例１の基材も「被覆体」と記するものとする。
【００９３】
＜比較例２＞
実施例１で用いた基材に対し、厚み１１μｍのＴｉＣＮからなる被膜をＣＶＤ法によりコーティングした被覆体を作製した。
【００９４】
＜比較例３＞
ｃＢＮ微粒子とセラミックス微粒子との比が表１のように異なる他は、実施例２と同様の方法により、被覆体を作製した。このようにして得られた本発明の各実施例の被覆体および各比較例の被覆体について、摩擦攪拌接合加工試験を行なった。その結果を以下の表２に示す。
【００９５】
＜摩擦攪拌接合加工試験の条件＞
摩擦攪拌接合加工試験では、各実施例の被覆体および各比較例の被覆体を用いて、２００ｍｍ×５００ｍｍであって、厚さ０．９ｍｍの鋼板を２枚重ねたものに対し、以下の条件で１０００スポットの摩擦攪拌接合を行なった。
【００９６】
鋼板種 ：ＳＰＣ２７０(引張強度：２７０ＭＰａ)
工具の挿入深さ：１．２ｍｍ(プローブ先端の浸入深さ)
挿入速度 ：０．５ｍｍ/秒
接合時間 ：２秒
回転速度 ：２０００ｒｐｍ
負荷加重 ：５００ｋｇ
＜被覆体の性能評価＞
上記の各実施例および各比較例に対し、摩擦攪拌接合加工試験の前後の被覆体のプローブ部の直径をレーザー顕微鏡で測定することにより、摩擦攪拌接合加工試験により摩耗したプローブ部の摩耗幅を算出した。なお、摩擦攪拌接合加工試験前のプローブ部の直径から、摩擦攪拌接合加工試験後のプローブ部の直径を引いて、その値を２で割ったものを「プローブ部の摩耗量」として表２中に記載した。プローブ部の摩耗幅が小さいほど耐摩耗性に優れていることを示している。
【００９７】
また、摩擦攪拌接合加工試験後の被覆体のプローブ部をレーザー顕微鏡で観察したときに、ショルダー面の外周近傍にチッピングが発生しているかを確認し、以下の評価基準に基づいてＡ〜Ｄの４段階で評価した。
【００９８】
Ａ：チッピングが見られない
Ｂ：チッピングが１〜２箇所見られる
Ｃ：チッピングが２箇所以上５箇所以下見られる
Ｄ：チッピングが６箇所以上散見される
【００９９】
【表２】
【０１００】
表２から明らかなように、本発明の実施例の被覆体は、アンカー部が形成されていないか本発明の範囲外となる平均粒子径の微粒子により被膜を形成した比較例の被覆体に比し優れた耐摩耗性が示された。これは、本発明の実施例の被覆体において、被膜が適切な平均粒子径の微粒子を含み、かつ基材と被膜との界面（中間層が形成される場合は中間層と被膜との界面）においてアンカー部が形成されたことにより被膜の剥離が防止され、以って優れた耐摩耗性が達成されたことを示している。
【０１０１】
また、実施例１１〜１４の被覆体と、実施例１〜１０の被覆体とを対比すると、実施例１１〜１４の被覆体の方がチッピングを生じにくい。これは、ｃＢＮ微粒子とともに金属バインダを含むことにより、被覆体の耐チッピング性が高められたことによるものと考えられる。
【０１０２】
よって、本発明の被覆体を用いて摩擦攪拌接合加工をすると、耐摩耗性が高く、かつ耐チッピング性にも優れることがわかる。
【０１０３】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【０１０４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明は、一般構造用鋼材、建築用構造用鋼材および自動車用鋼板などの鉄鋼材料をはじめとする鉄系金属、およびアルミニウム、マグネシウム等の鉄以外の金属からなる被接合物を接合するための摩擦撹拌接合用工具に関する。
【符号の説明】
【０１０６】
１ 搬送ガスボンベ、２ ガス搬送ライン、３ 原料、４ エアロゾル化室、５ 加振機、６ エアロゾル搬送ライン、７ ノズル、８ 回転軸、９ 基材、１０ 基板ステージ、１１ 真空ポンプ、１２ エアロゾル粒、１３ チャンバ、１４ 矢印、１５ 回転機構、１６ クリップ、２０ 被覆体、２１ 被膜、２２ ショルダー部、２３ プローブ部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に第１被膜が形成された被覆体であって、
前記第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、
前記立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、
前記基材と前記第１被膜との界面には、前記立方晶窒化硼素微粒子が前記基材に浸入したアンカー部を有する、被覆体。
【請求項２】
基材上に中間層が形成され、その中間層上に第１被膜が形成された被覆体であって、
前記第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、
前記立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、
前記中間層と前記第１被膜との界面には、前記立方晶窒化硼素微粒子が前記中間層に浸入したアンカー部を有する、被覆体。
【請求項３】
基材上に第２被膜が形成された被覆体であって、
前記第２被膜は、１０体積％以上１００体積％未満の立方晶窒化硼素微粒子と、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方とを含み、
前記立方晶窒化硼素微粒子と前記セラミックス微粒子とは、それぞれ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、
前記基材と前記第２被膜との界面には、前記立方晶窒化硼素微粒子および前記セラミックス微粒子が前記基材に浸入したアンカー部を有する、被覆体。
【請求項４】
基材上に中間層が形成され、その中間層上に第２被膜が形成された被覆体であって、
前記第２被膜は、１０体積％以上１００体積％未満の立方晶窒化硼素微粒子と、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方とを含み、
前記立方晶窒化硼素微粒子と前記セラミックス微粒子とは、それぞれ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、
前記中間層と前記第２被膜との界面には、前記立方晶窒化硼素微粒子および前記セラミックス微粒子が前記中間層に浸入したアンカー部を有する、被覆体。
【請求項５】
前記第１被膜は、立方晶窒化硼素粉末を原料とし、該原料を高速気流中で基板に衝突させることにより形成される、請求項１または２に記載の被覆体。
【請求項６】
前記立方晶窒化硼素粉末は、１ｎｍ以上１μｍ以下の平均粒子径を有する、請求項５に記載の被覆体。
【請求項７】
前記第１被膜は、エアロゾルデポジション法で形成される、請求項１、２、５または６に記載の被覆体。
【請求項８】
前記第２被膜は、立方晶窒化硼素粉末と、金属粉末またはセラミックス粉末のいずれか一方もしくは両方とを原料とし、該原料を高速気流中で基板に衝突させることにより形成される、請求項３または４に記載の被覆体。
【請求項９】
前記立方晶窒化硼素粉末、前記金属粉末、および前記セラミックス粉末は、それぞれ１ｎｍ以上１μｍ以下の平均粒子径を有する、請求項８に記載の被覆体。
【請求項１０】
前記第２被膜は、エアロゾルデポジション法で形成される、請求項３、４、８または９に記載の被覆体。
【請求項１１】
前記第２被膜は、５０体積％以上９２体積％以下の立方晶窒化硼素微粒子を含有する、請求項３、４、８、９または１０に記載の被覆体。
【請求項１２】
前記セラミックス微粒子は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、ＣｏおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の微粒子である、請求項３、４、８、９、１０または１１に記載の被覆体。
【請求項１３】
前記セラミックス微粒子は、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＡｌＳｉＮＯ、ＳｉＣ、ＴａＣ、Ｂ4Ｃ、ＢＮ、ＳｉＮ、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、およびＭｇＯからなる群より選択された１種以上を含む微粒子である、請求項３、４、８、９、１０、１１または１２に記載の被覆体。
【請求項１４】
前記金属バインダは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒからなる群より選択される１種以上の金属からなる、請求項３、４、８、９、１０、１１、１２または１３に記載の被覆体。
【請求項１５】
前記アンカー部は、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みである、請求項１〜１４のいずれかに記載の被覆体。
【請求項１６】
前記第１被膜または前記第２被膜は、１μｍ以上１００μｍ以下の厚みを有する、請求項１〜１５のいずれかに記載の被覆体。
【請求項１７】
前記被覆体は、切削工具である、請求項１〜４のいずれかに記載の被覆体。
【請求項１８】
前記被覆体は、摩擦攪拌接合用工具である、請求項１〜４のいずれかに記載の被覆体。
【請求項１】
基材上に第１被膜が形成された被覆体であって、
前記第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、
前記立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、
前記基材と前記第１被膜との界面には、前記立方晶窒化硼素微粒子が前記基材に浸入したアンカー部を有する、被覆体。
【請求項２】
基材上に中間層が形成され、その中間層上に第１被膜が形成された被覆体であって、
前記第１被膜は、立方晶窒化硼素微粒子からなり、
前記立方晶窒化硼素微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、
前記中間層と前記第１被膜との界面には、前記立方晶窒化硼素微粒子が前記中間層に浸入したアンカー部を有する、被覆体。
【請求項３】
基材上に第２被膜が形成された被覆体であって、
前記第２被膜は、１０体積％以上１００体積％未満の立方晶窒化硼素微粒子と、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方とを含み、
前記立方晶窒化硼素微粒子と前記セラミックス微粒子とは、それぞれ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、
前記基材と前記第２被膜との界面には、前記立方晶窒化硼素微粒子および前記セラミックス微粒子が前記基材に浸入したアンカー部を有する、被覆体。
【請求項４】
基材上に中間層が形成され、その中間層上に第２被膜が形成された被覆体であって、
前記第２被膜は、１０体積％以上１００体積％未満の立方晶窒化硼素微粒子と、金属バインダまたはセラミックス微粒子のいずれか一方もしくは両方とを含み、
前記立方晶窒化硼素微粒子と前記セラミックス微粒子とは、それぞれ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の平均粒子径を有し、
前記中間層と前記第２被膜との界面には、前記立方晶窒化硼素微粒子および前記セラミックス微粒子が前記中間層に浸入したアンカー部を有する、被覆体。
【請求項５】
前記第１被膜は、立方晶窒化硼素粉末を原料とし、該原料を高速気流中で基板に衝突させることにより形成される、請求項１または２に記載の被覆体。
【請求項６】
前記立方晶窒化硼素粉末は、１ｎｍ以上１μｍ以下の平均粒子径を有する、請求項５に記載の被覆体。
【請求項７】
前記第１被膜は、エアロゾルデポジション法で形成される、請求項１、２、５または６に記載の被覆体。
【請求項８】
前記第２被膜は、立方晶窒化硼素粉末と、金属粉末またはセラミックス粉末のいずれか一方もしくは両方とを原料とし、該原料を高速気流中で基板に衝突させることにより形成される、請求項３または４に記載の被覆体。
【請求項９】
前記立方晶窒化硼素粉末、前記金属粉末、および前記セラミックス粉末は、それぞれ１ｎｍ以上１μｍ以下の平均粒子径を有する、請求項８に記載の被覆体。
【請求項１０】
前記第２被膜は、エアロゾルデポジション法で形成される、請求項３、４、８または９に記載の被覆体。
【請求項１１】
前記第２被膜は、５０体積％以上９２体積％以下の立方晶窒化硼素微粒子を含有する、請求項３、４、８、９または１０に記載の被覆体。
【請求項１２】
前記セラミックス微粒子は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、ＣｏおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の微粒子である、請求項３、４、８、９、１０または１１に記載の被覆体。
【請求項１３】
前記セラミックス微粒子は、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＡｌＳｉＮＯ、ＳｉＣ、ＴａＣ、Ｂ4Ｃ、ＢＮ、ＳｉＮ、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、およびＭｇＯからなる群より選択された１種以上を含む微粒子である、請求項３、４、８、９、１０、１１または１２に記載の被覆体。
【請求項１４】
前記金属バインダは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒからなる群より選択される１種以上の金属からなる、請求項３、４、８、９、１０、１１、１２または１３に記載の被覆体。
【請求項１５】
前記アンカー部は、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みである、請求項１〜１４のいずれかに記載の被覆体。
【請求項１６】
前記第１被膜または前記第２被膜は、１μｍ以上１００μｍ以下の厚みを有する、請求項１〜１５のいずれかに記載の被覆体。
【請求項１７】
前記被覆体は、切削工具である、請求項１〜４のいずれかに記載の被覆体。
【請求項１８】
前記被覆体は、摩擦攪拌接合用工具である、請求項１〜４のいずれかに記載の被覆体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−８７３４１（Ｐ２０１２−８７３４１Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３３４７９（Ｐ２０１０−２３３４７９）
【出願日】平成２２年１０月１８日（２０１０．１０．１８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１８日（２０１０．１０．１８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]