JP2001219307A - 多層耐摩耗性被膜を有する切断工具 - Google Patents
多層耐摩耗性被膜を有する切断工具Info
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Abstract
又は切断板を提供する。 【解決手段】 酸化アルミニウム層を有する切断工具の
被膜に対して、固定層を適用する。当該固定層は、好ま
しくはアルミニウムチタネートから形成され、紙片状の
結晶構造を有する。この固定層は、特にその下方に位置
する窒化チタン、炭化チタン或いは炭化チタン窒化物層
の上で酸化アルミニウム層の付着性を改善する。
Description
板及び積層された耐摩耗性の被膜を備える切断板或いは
切断工具の製造方法に関する。
け、時間とともに摩耗する。摩耗は、切断縁部が発生す
るため、切断面及び自由面の摩滅を含む。高負荷により
高温になると、切断工具の縁部及び面での拡散摩耗及び
酸化摩耗が発生する可能性がある。高い引裂性能を用い
て摩耗を低下させるために、切断工具又は切断板の種々
の被膜が開発されてきた。
り、多層の被膜を備える硬い金属から成る切断板が知ら
れている。その被膜は、3μmから20μmの厚さであ
り、化学的或いは物理的蒸着法(CVD或いはPVD)
により、硬い金属固体上に成長させられる。この被膜
は、非常に微量の塩素分を有する酸化アルミニウム層を
含有する。
を示す。さらに、酸化アルミニウム層は酸化された表面
層として作用し、同時にそれ以下の層の酸化保護層とし
て作用する。そのため摩擦化学的な攻撃を受ける工具に
対して特に適している。酸化アルミニウム層は、拡散と
酸化のような摩擦化学的な摩滅時の保護体として作用
し、また断熱材として作用し、そのため塑性変形の保護
層となる。
工具の多層被膜の外側に位置する層として酸化アルミニ
ウム層を提案している。酸化アルミニウム層と適当な硬
い金属固体との間には、基板として作用する多くの層が
形成されている。酸化アルミニウム層と直接接して下方
に位置する層は、0.1〜2μmの厚さを有する酸化チ
タン炭窒化物層と針状の結晶構造物である。これらの層
の下には、一つ或いは複数の、柱状の結晶構造物を備え
る同一の化学的元素から構成される層が成長している。
重要である。これらの基板は、特に塑性変形及び42C
rMo4V及び56NiCrMoV7のような特に高度
に硬い材料を用いた鋼鉄及び鋳造製素材の断続的切断
(フライス盤、回転盤、ボール盤)により酷使される。
着性の改良に対して、US−PS5958569号は、
外側に配置された酸化アルミニウム層とその下側に配置
された窒化チタンとの間の炭化チタン窒化物固定層を提
案している。固定層は、酸化物被膜と炭化金属窒化物被
膜との間に互いに延びた指状突起物を発達させるようで
ある。
に鑑みてなされ、切断工具、切断板等の酸化物層(特に
酸化アルミニウム層)のその下層との付着性を改善する
ことを目的とする。
め、本発明の第1の観点に係る多層耐摩耗性被膜を有す
る切断工具は、断続的切断及び/又は高い運転温度用の
切断工具(1)であって、耐摩耗性の多層被膜(6)領
域を有する切断部(5)を少なくとも備え、前記被膜は
基板材料(7)の上に形成され、被膜(6)は少なくと
も次の単一或いは多層に形成された基板層(8)と、固
定層(12)と、酸化物層(9)とを有し、基板層
(8)は、化学元素の周期律のIV族、V族或いはVI族の
隣接群の一以上の金属の窒化物(ナイトライド)層、炭
化物(カーバイド)層或いは窒化炭素層であり、固定層
(12)は、隣接群のIV族、V族或いはVI族の一の金属
と、化学元素の周期律の主要群のIII族の元素と、少な
くとも一の非金属とを有し、前記非金属は、炭素、窒
素、酸素のグループに属し、酸化物層(9)は、好まし
くは酸化アルミニウムを含む、ことを特徴とする。
観点に係る多層耐摩耗性被膜を有する切断板は、断続的
切断及び/又は高い運転温度用の切断板(5)であっ
て、耐摩耗性の多層被膜(6)の領域を備え、前記被膜
(6)は、基板材料上に形成され、少なくとも次の単一
或いは多層に形成された基板層(8)と、固定層(1
2)と、酸化物層(9)とを有し、基板層(8)は、化
学元素の周期律のIV族、V族或いはVI族の隣接群の一以
上の金属の窒化物(ナイトライド)層、炭化物(カーバ
イド)層或いは窒化炭素層であり、固定層(12)は、
隣接群のIV族、V族或いはVI族の一の金属と、化学元素
の周期律の主要群のIII族の元素と、少なくとも一の非
金属とを有し、前記非金属は、炭素、窒素、酸素のグル
ープに属し、酸化物層(9)は、好ましくは酸化アルミ
ニウムを含む、ことを特徴とする。
観点に係る多層耐摩耗性被膜は、切断工具に対する被膜
(コーティング)であって、前記被膜がアルミニウムチ
タネートを含有する、ことを特徴とする。
観点に係る多層耐摩耗性被膜を有する切断板或いは切断
工具の製造方法は、耐摩耗性被膜(6)を有する切断板
(5)或いは切断工具(1)の製造方法であって、前記
被膜は、二の異なる層(8,9)を有し、TiC及び/
又はTiCN及び他のAl2O3を含有し、基板上の固
定層(12)の二層(8,9)の間に酸化チタンアルミ
ニウム炭窒化物Ti−Al−C−N−Oを形成し、Ti
C−及び/又はTiCN−層の製造を行う場合、一定温
度のCVD法、或いは、例えば900℃から1100℃
の間の温度変化を伴うCVD法で、Ti−Al−C−N
−O固定層を形成し、前駆物質としてハロゲン化アルミ
ニウム化合物並びにハロゲン化アルミニウム化合物の存
在下で、アルカン(飽和脂肪族炭素)又はアルカン化合
物の群から一以上の選択された気体が炭素供与体とし
て、一酸化炭素及び/又は二酸化炭素が酸素供与体とし
て、同様に水素がキャリアガスとして使用される、こと
を特徴とする。
耐摩耗性被膜を有する切断工具について、以下図面を参
照して説明する。
切断板は、酸化アルミニウム層を備え、それを使用し
て、基板層上の固定層は維持される。基板層は、例え
ば、チタン窒化物、チタン炭化物或いは炭化チタン窒化
物層であり、その層中にはチタン以外の、周期律中のI
V、V或いはVI族の隣接群の他の金属が存在し得る。固
定層は、基板層に酸化アルミニウム層を硬く固定し、酸
化アルミニウム層のはげ落ち或いは剥離、損傷或いは破
壊が実際に悪化することを防ぐ。基板層上の酸化アルミ
ニウム層の付着性を改善することにより、切断装置(工
具)或いは切断板の高ひずみ耐久性及び/又は長い寿命
を可能にする。
V、V或いはVI族の金属と、例えば硼素或いはアルミニ
ウムといったIII族の元素と、炭素及び/又は窒素及び
/又は酸素とを含む。隣接群のIV、V或いはVI族の金属
(例えばチタン)の隣の主要群III族の2番目の元素の
存在により、酸化物層の付着性が改良される。特に、固
定層中にチタン及びアルミニウムを付与することが望ま
しい。このとき、チタン部を多く、アルミニウム部はむ
しろ僅かにすべきである。それは、分配比率として理解
される。固定層は、上部に位置する酸化アルミニウム層
の結晶で硬く覆うこと、或いはその中に拡散することが
できる結晶を形成する。従って、酸化アルミニウム層
は、固定層中に定着される。このことは、特に、アルミ
ニウム成分(含有量)が高くとも約4%で、酸素成分
(含有量)が高くても6%の数値になる、TixAly
CuNvOw層の固定層の場合に、達成される。従っ
て、酸化アルミニウム層の良好な付着を可能にするよう
に、チタン酸塩アルミニウム(アルミニウムチタネー
ト)が固定層を貫通し得る。結果的に、固定層はかなり
多量の炭化チタン窒化物を含有することが可能である。
明確に酸化アルミニウム層及びその下層に位置する基板
層より薄い。層厚0.1μm〜3μmが効果的であると
判断される。好ましくは、層厚が1μmである。
るけれども、他の既知の個々の金属或いはチタンを伴う
混合物中の金属も考慮される。
れることができ、例えば、約0.5μmの窒化チタン層
及び/又は1μmから16μmの炭化チタン窒化物層を
含有することが可能である。結果的に、不純物として、
例えば炭素及び/又は酸素が存在し、例えば、基板材料
或いはそれ以外の源(ソース)に由来する。基板層は、
特に平均温度法で形成される層である。固定層は、これ
らの平均温度層(基板層)と酸化アルミニウム層との硬
い結合を許容する。酸化アルミニウム層は、α−酸化ア
ルミニウム層として、或いはκ−酸化アルミニウム層と
して、或いは酸化物層として形成可能であり、さらに改
良したものも含有する。
を示している。固定層の紙片状の結晶は、間隔が空いて
おり、その中に酸化アルミニウム層が成長して入ること
ができ、その層の中で固定層のアルミニウム含有量によ
って、成長する酸化アルミニウム層のための結晶生成核
が既に存在する。そのため、酸化アルミニウム層と固定
層との間、即ち酸化アルミニウム層と基板層との間に密
接な結合が発達し得る。酸化アルミニウム層の解離の際
の反応気体混合物の酸化ポテンシャルは、核となる相の
前面或いはその間では、過度に少なく含有されるべきで
はない。水及び他の酸化物(オキシダント)の含有量
は、酸化アルミニウム層に対する結晶生成核を既に含有
する固定層により、重要ではない。
する或いは、その構造とともに多数の結晶生成核のよう
に作用する。この結晶生成核は、引き続くAl2O3層
の解離の際に、同様に非常に微細結晶の発達を惹起す
る。約6μmの層厚の場合、約1から1.5μmまでの
範囲のみの粒子幅が達成される。
的に分かり易く示されている。切断装置1は、運転中は
回転軸3の回りに回転する工具胴体部2を備える手動フ
ライス盤である。この手動フライス盤は、その前方の端
部に、その周囲に切断板(切断プレート)5が形成され
るプレート台座(プラテンシート)4を備える。この切
断板5は、例えば、硬金属製の切断板、例えばタングス
テンカーバイド/コバルト製の硬い金属切断板である。
別の基板材料としては、例えばHSSのように、浸炭セ
ラミック又はサーメット(セラミックスと金属の複合材
料)、硬い金属カーバイド又は混合カーバイド等も同様
に使用可能である。硬金属製の切断板5は、図7で図解
的に分かり易く示されているように、摩耗を減少させる
(耐摩耗性の)被膜6を備える。被膜6は、硬い金属の
基盤部7に付着し、切断角と同様に機能的に定まる面、
例えば切削片面と保護されていない面の周囲も被覆す
る。
平均温度法でその大部分が分離される単層或いは多層に
形成された基板層8を有する。例えば、基板層8は本質
的に柱状の結晶構造と1μmから16μmの厚さとを備
える炭化チタン窒化物層(TiCN)である。炭化チタ
ン窒化物層と基板材料のタングステンカーバイド(W
C)との間に、約0.1μmから1μmの、好ましくは
0.5μmの厚さの窒化チタン(TiN)を配置するこ
とができる。回転盤或いはフライス盤を使用する際に発
生するような酸化的かつ拡散的な摩耗に対して、それ自
体が硬く耐摩耗性のある炭化チタン窒化物層を保護する
ために、摩耗を減少させる被膜6は、基板層8の上に酸
化アルミニウム層9を有する。酸化アルミニウム層9
は、κ−酸化アルミニウム、α−酸化アルミニウム、或
いは領域的に異なる(酸化アルミニウム)によって、形
成されている。酸化アルミニウム層9は、単層或いは多
層に形成された表面層11を備え、例えば、IV、V又は
VI族の隣接群(Hf、Zr、Ti)の元素と炭素、窒素
及び/又は硼素との組み合わせ(化合物)、或いはに酸
化亜鉛、酸化アルミニウム、窒化ボロン、ボロンカーバ
イド、窒化チタン、チタンカーバイド或いは炭化チタン
窒化物或いは他の表面層から形成される。
例えば酸素のように、基板材料に由来する可能性のあ
る、或いは処理気体に付着する、避けるべき不純物とし
て、炭素及び窒素を、殆ど含有しない。基板材料に由来
する可能性のある、例えばコバルトによる汚染は、粒界
に沿って優先的に拡散するので、基板材料から基板層8
全体に浸透する可能性がある。それにもかかわらず、全
ての条件の下で、基板層8の上に酸化アルミニウム層9
の良好な付着を達成するために、固定層12が両者の間
に配置され、固定層の厚さは、運転中に必要に応じて
0.1μmから3μmまで定めることができる。ここ
で、固定層は、炭窒化チタンアルミニウム酸化物層Ti
−Al−C−N−Oであり、その構成は図3から図6よ
り明らかになる。図3に示されるように、基板層8上
で、柱状の構造を備えるTi−Al−C−N−O層12
が成長し、それに対してに、酸化アルミニウム層が、一
番外側の割れ目のある表面上に外側を向いて形成されて
いる。Ti−Al−C−N−O層12の表面構造は、図
5及び図6に具体的に示されている。これらの図は、紙
片状の結晶構造を示し、それには個々の結晶の欠陥と空
隙とが存在する。これらの結晶構造中で、酸化アルミニ
ウム層の結晶成長は、酸化アルミニウム層のさらなる広
がりにより開始し、それによって優れた付着性が確保さ
れる。
面層11は、例えば、多層に形成され、Ti−N層、κ
−酸化アルミニウム層そして再度Ti−N層を有する。
従って、次の層構成となる。 1.TiN、0.1μmから2μm 2.(MT)−(Ti、C、N)−基板層、1μmから
16μm 3.固定層 Ti−Al−C−N−O、0.1μmから
3μm 4.α−又はκ−酸化アルミニウム層Al2O3、0.
5μmから12μm 5.TiN,0.1μmから2μm 6.場合によっては、全部で0.1から2μmの厚さの
さらなる層、TiN−κ−Al2O3−TiN、TiC
N/TiN、Ti−B−C−N、HfN、HfCN、或
いは類似のもの
1に、適当な基板材料上に700℃から1000℃の解
離温度を適用し、例えばタングステンカーバイド或いは
任意の他の基板層8の浸炭材料を形成する。例えば、炭
素及び窒素供与体として、アセトニトリル又は、窒素及
びアルカン(飽和脂肪族炭素)の混合物が使用される。
基板層は、通常は柱状の結晶構造を伴って成長する。
そのためには、切断工具例えば切断板5は、900℃か
ら1100℃の間(好ましくは1000℃)の温度で、
アルミニウムとチタンの前駆物質を含む雰囲気を必要と
する。これらの前駆物質は、四塩化チタン及び三塩化ア
ルミニウムであることが可能である。炭素供与体とし
て、気相メタン或いは他のアルカン或いはアセトニトリ
ル(CH3CN)或いは他のニトリルが含まれる。さら
に、気体の分子状窒素中で、例えば一酸化炭素或いは二
酸化炭素のような酸素供与体が存在する。キャリアガス
として、水素が使用される。
添加され、その一方で四塩化チタンは、比較的多量に存
在する。それによって、固定層12が、図5及び図6で
具体的に示される構造を伴って成長する。図4では、使
用済みの回転切断板の斜めの研磨面が描かれている。こ
の図は、研磨面の表面に広がる海綿状態を示し、さら
に、固定層の薄く(削り取られた)細孔のある構造を示
している。使用済みの回転切断板のX線分光顕微鏡によ
る観察は、図7中でその結果が描かれているように、基
板材料であるタングステンカーバイド(WC−Co)並
びに存在する炭化チタン窒化物(Ti、C、N)及びア
ルミニウムチタネート(Al2TiO5)を示してい
る。これにより、アルミニウムチタネート(Al2Ti
O5)が存在し、炭化チタン窒化物(TiCxNy;x
+y=1;x=0...1)が同時に肉眼で見える構造
として存在することがわかる。固定層は、好ましくは、
立方形状の格子を伴う炭化チタン窒化物及び全ての炭素
位置の3分の1の上の酸素から構成されている。この
(結晶)格子は、酸素フリーである。そのため、酸素
は、アルミニウムチタネートの結晶中で完全に結合され
る。この結晶は、擬チタン石として存在する。
された酸化チタン(TiO2)は、アルミニウム原子に
よって、若干チタン原子が交換されている。両金属原子
種は、酸素原子により偏った八面体的に囲まれるので、
酸化チタン結晶と酸化アルミニウム結晶の肉眼で見える
混合物には、好ましくは、純粋なチタン石から導出され
る得る均一な結晶構造が存在しない。両層の相対的に大
きい領域は、その結晶構造中で、均一な炭化チタン窒化
物から構成され得る。そのため、酸化アルミニウム層と
炭化チタン窒化物との間でほぼ最適な交換が生じる。ア
ルミニウムチタネート領域は、相対的に小さくても良
く、その際の望ましい効果は、既に2%以下のアルミニ
ウム含有量で発揮される。固定層は、基板層とAl2O
3層との間のエピタキシ結合を発生させる。固定層は、
基板層とAl2O3層との間に発生するエピタキシ結合
を妨害しない。
工具を用いた引裂試験と付着試験とを実行した。発明に
ふさわしい層は、層付着強度試験(スクラッチ試験)を
受け、発明にふさわしい層構造の顕著に改善された付着
固定性を示し、また改善された付着性に関して、酸化ア
ルミニウム層を摩耗させるものも示した。引裂試験は、
工具の改善された安定性と同様に、κ−そしてα−酸化
アルミニウム層に対する改善された酸化アルミニウム層
付着性とを示した。
用いた切断工具の被膜(コーティング)に対して、固定
層が形成され、それは好ましくは、アルミニウムチタネ
ートによって形成され、紙片状の結晶構造を示す。この
固定層は、特にその下方に位置する窒化チタン、チタン
カーバイド、炭化チタン窒化物層の上の酸化アルミニウ
ム層の付着性を改善する。
側面図である。
造の拡大切断図である。
である。
光学顕微鏡写真である。
拡大した上面図である。
電子顕微鏡写真である。
m)までに配列された固定層の連続層のX線分光スペク
トルである。
Claims (20)
- 【請求項1】断続的切断及び/又は高い運転温度用の切
断工具(1)であって、 耐摩耗性の多層被膜(6)領域を有する切断部(5)を
少なくとも備え、前記被膜は基板材料(7)の上に形成
され、被膜(6)は少なくとも次の単一或いは多層に形
成された基板層(8)と、固定層(12)と、酸化物層
(9)とを有し、 基板層(8)は、化学元素の周期律のIV族、V族或いは
VI族の隣接群の一以上の金属の窒化物(ナイトライド)
層、炭化物(カーバイド)層或いは窒化炭素層であり、 固定層(12)は、IV族、V族或いはVI族の隣接群の一
の金属と、化学元素の周期律の主要群のIII族の元素
と、少なくとも一の非金属とを有し、前記非金属は、炭
素、窒素、酸素のグループに属し、 酸化物層(9)は、好ましくは酸化アルミニウムを含
む、 ことを特徴とする切断工具。 - 【請求項2】断続的切断及び/又は高い運転温度用の切
断板(5)であって、 耐摩耗性の多層被膜(6)の領域を備え、前記被膜
(6)は、基板材料上に形成され、少なくとも次の単一
或いは多層に形成された基板層(8)と、固定層(1
2)と、酸化物層(9)とを有し、 基板層(8)は、化学元素の周期律のIV族、V族或いは
VI族の隣接群の一以上の金属の窒化物(ナイトライド)
層、炭化物(カーバイド)層或いは窒化炭素層から構成
され、 固定層(12)は、隣接群のIV族、V族或いはVI族の一
の金属と、化学元素の周期律の主要群のIII族の元素
と、少なくとも一の非金属とを有し、前記非金属は、炭
素、窒素、酸素のグループに属し、 酸化物層(9)は、好ましくは酸化アルミニウムを含
む、 ことを特徴とする切断板。 - 【請求項3】固定層(12)が、紙片状の結晶を有する
結晶構造を備える、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項4】固定層(12)中の周期律III族の主要群
(IIIa)の元素がアルミニウム(Al)である、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項5】固定層(12)がTixAlyCuNvO
w層を備え、x+y=1かつu+v+w=1であって、
y≦0.04かつw≦0.04、より好ましくは、y≦
0.02かつw≦0.03である、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項6】固定層(12)がアルミニウムチタネート
(Al2TiO5)を含有する、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項7】固定層(12)が炭化チタン窒化物(Ti
CN)を含有する、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項8】固定層(12)の厚さが0.1μmから3
μmの範囲であり、好ましくは、1μmである、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項9】基板層(8)の金属がチタン(Ti)であ
る、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項10】基板層(8)が多層に形成され、Ti−
N層を有し、当該Ti−N層の厚さは、0.5μmを越
えることなく、 当該Ti−N層は、極く僅かの、例えば、炭素(C)及
び/又は酸素(O)の不純物を含有する、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項11】基板層(8)が多層に形成され、TiC
N層を有し、当該TiCN層の厚さは、好ましくは1か
ら16μmの範囲にあり、 当該TiCN層は、極く僅かの、酸素(O)の不純物を
含有する、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項12】基板層(12)には、平均温度法により
層或いは連続層が形成されている、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項13】酸化物層(9)がα−酸化アルミニウム
を含有する、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項14】酸化物層(9)がκ−酸化アルミニウム
を含有する、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項15】酸化物層(9)の上に、1つ以上層(1
1)が形成されている、 ことを特徴とする請求項1又は2に記載の切断工具又は
切断板。 - 【請求項16】前記層(11)は、TiN層、κ−酸化
アルミニウム層及びTiN層から形成されている、 ことを特徴とする請求項15に記載の切断工具。 - 【請求項17】切断工具(1)が少なくとも1つの請求
項2の切断板(5)を備える、 ことを特徴とする請求項1に記載の切断工具。 - 【請求項18】切断工具に対する被膜(コーティング)
であって、 前記被膜がアルミニウムチタネートを含有する、 ことを特徴とする被膜。 - 【請求項19】耐摩耗性被膜(6)を有する切断板
(5)或いは切断工具(1)の製造方法であって、 前記被膜は、2つの異なる層(8,9)を有し、TiC
及び/又はTiCN及び他のAl2O3を含有し、 基板上の固定層(12)の二層(8,9)の間に酸化チ
タンアルミニウム炭窒化物Ti−Al−C−N−Oを形
成し、 TiC−及び/又はTiCN−層の製造を行う場合、一
定温度のCVD法、或いは、例えば900℃から110
0℃の間の温度変化を伴うCVD法で、Ti−Al−C
−N−O固定層を形成し、 前駆物質としてハロゲン化アルミニウム化合物並びにハ
ロゲン化アルミニウム化合物の存在下で、アルカン(飽
和脂肪族炭素)又はアルカン化合物の群から一以上の選
択された気体が炭素供与体として、一酸化炭素及び/又
は二酸化炭素が酸素供与体として、同様に水素がキャリ
アガスとして使用される、 ことを特徴とする切断板或いは切断工具の製造方法。 - 【請求項20】補助的な炭素及び窒素供与体として、或
いはアルカン又はアルカン化合物の代わりとして、ニト
リル化合物の窒素が使用される、 ことを特徴とする請求項19に記載の切断板或いは切断
工具の製造方法。
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