JP2008505771A - 切削工具のための高耐酸化性ハードコート - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に摩耗保護を必要とする本体のための、非常に高い耐酸化性を有するハードコートに関する。本発明はさらに、コーティングされた工具、特に高速度鋼、超硬合金または立方晶窒化硼素(CBN)でコーティングされたエンドミルなどの切削工具、ドリルビット、切削インサート、歯切り盤、およびホブに関する。したがって、本発明はさらに、コーティングされた耐摩耗性機械部品、特にポンプ、歯車、ピストンリング、燃料噴射器などの機械的構成部品に関する。
「ハードコートでコーティングされた工具(hard coating coated tool)」と題された文書A(JP2002−337007)は、切削工具に高い耐酸化性を与える、CrAlNコーティングにおける細かいアモルファスのCrAlSiN粒子の存在について記載する。EP 1 422 311 A2である文書Bは、NaCl型結晶構造を有するAlに富んだCrAlSi(NBCO)コーティングに言及する。JP 2002−337005である文書Cは、少なくとも1つの層がCrAlNでできており、別の層が一種のCrSiBNでできている、耐摩耗性のコーティングを備えた工具について記載する。JP
2002−160129である文書Dは、Ti、Cr、SiまたはAlベースの材料でできた中間層を備え、次いでそれがAlCrNベースの硬質膜でコーティングされた工具について記載する。JP 10−025566である文書Eは、高温での耐酸化性の特性を有するCrAlNコーティングに言及する。「表面およびコーティング技術(Surface & Coating Technology)」(2003)のv.174−175、681−686ページにおけるルグシェイダ(Lugscheider)らによる科学記事である文書Fは、切削工具に堆積されるCrAlN+C薄膜コーティングの機械的、摩擦学的特性の研究、特に、切削および穿孔の適用例について有益な効果を有することが報告されている、低摩擦性の摩擦学的性能を有するCrAlN+Cコーティングに言及する。ウールマン(Uhlmann)らによる、第4回の国際会議議事録「製造エンジニアリングにおけるコーティング」(2004)の111−120ページは、高機能切削工具のための新しい展開について報告する(文書G)。この論文は、多層になったCrN/TiAlN、CrMoTiAlNおよびCrAlVNハードコートの堆積に言及する。
本発明は、特に高温になる高速切削の適用例、機械加工が困難な材料の適用例(例えば、工具鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウムおよびチタン合金の機械加工)における、TiCN、TiAlN、AlTiNの低耐摩耗性の層および類似のハードコートを対象とする。高温の適用例において公知のCrAlNコーティングは有益な効果を有するが、特に切断および成形の工具または構成部品、特に内燃機関に用いられる構成部品における、工具を用いる一定の適用例のためのさらに優れた性能を与える代替物を見つける必要がある。
合金AlCrNコーティングは、工業用のバルザース(Balzers)(登録商標)高速コーティングシステム(RCS)機を用いて得られた。この機械は、高い接着強度を促進する、基材の迅速な加熱およびエッチングを可能にする低圧アーク放電構成を含む。この装置はまた、スパッタリング、陰極アークおよびナノ分散アークジェット源から選択し得る6つの堆積源を備える。堆積中、固定バイアス電源またはパルスバイアス電源を用いることにより、基材工具または構成部品に負バイアス電圧を加えることができる。RCS設備の全体的な説明および図面は、米国出願番号US2002/0053322号で見ることができる。
ステムの構成部品、射出ニードル、歯車、ピニオンギヤ、プランジャ、ピストンリングを含む。このリストは終了するわけではなく、本発明のさらなる実施例および適用例が可能であり、当業者はこれらを規定することができる。
ン(図2)とともに生じたものである。図3では、((111)面の回折強度に対する(200)面の回折強度の比として規定される)回折比QIが、AlCrNおよび2つのAlCrMoN組成について示される。B1構造を有するAlCrN中のモリブデン含有量を増加させることで、結果としてより高いQI比を生じた。応力場の形状は適用例によって著しく異なるので、技術的には、保護硬質膜のテクスチャおよび構造の制御が極めて望ましい。さらに、参照文献[B]とは異なり、ここでは好ましい配向は主にコーティングの化学量論によって制御される。本発明で請求される組成によって達成し得る主要な構造構成が、図4に概略的に表わされる。図4(a)では、任意に配向されたクリスタライト6からなる多結晶膜は、超硬合金または鋼基材5の上に成長する。第2の可能性は、テクスチャフィルムが基材5上で成長し、特定の平面8に配向されたクリスタライトの一部であり、配向されないクリスタライト9よりも数因子分大きいことである。第3のあり得る微細構造の構成(図4(c))は、メタロイド(SiまたはBのいずれか)を共析させることにより達成することができ、共有結合した窒化物の形成と、結果としてさらに硬度が増大したクリスタライト11を囲む別個のアモルファスまたは半晶質位相12の生成とをもたらす。
が集合中で最小の摩耗を有し、それは純粋なAlCrNコーティングに対応するものよりさらに小さいことを示す。
Al1-a-b-c-dCraXbSicBdZ
のコーティングを有する、新規なコーティングおよび対応するコーティングされた工具および構成部品に言及し、
ここで、
Xは、Nb、Mo、W、またはTaからの少なくとも1つの元素であり、
Zは、N、C、CN、NO、CO、CNOを意味し、
0.2≦a≦0.5
0.01≦b≦0.2
0≦c≦0.1
0≦d≦0.1
である。
切削工具:エンドミルHSS荒削り、直径D=10mm、歯数z=4
工作物:工具鋼、X 40 CrMoV 5 1、DIN 1.2344(36HRC)切削パラメータ:
切削速度vc=60m/分(S=1592 1/分)
送り速度fz=0.05mm/U(f=318.4mm/分)
径方向切込み深さae=3mm
軸方向切込み深さap=5mm
冷却:乳濁液5%
プロセス:下向き削り
工具寿命基準:運動量の遮断(フランク摩耗ランド幅VB>0.3mmと相関)
切削工具:ドリルHSS(S 6−5−2)、直径D=6mm
工作物:工具鋼 X 210 Cr 12、DIN 1.2080(230HB)
切削パラメータ:
切削速度vc=35m/分
送り速度f=0.12mm
ドリル穴深さz=15mm、盲穴
冷却:乳濁液5%
工具寿命規準:運動量の遮断(エッジ摩耗幅VBc>0.3mmと相関)
切削工具:エンドミルカーバイド、直径D=8mm、歯数z=3
工作物:炭素鋼Ck45、DIN 1.1191
切削パラメータ:
切削速度vc=400m/分
送り速度vf=4776mm/分
径方向切込み深さae=0.5mm
軸方向切込み深さap=10mm
冷却:乳濁液5%
プロセス:下向き削り
工具寿命基準:フランク摩耗ランド幅VB=0.12mm
切削工具:エンドミルカーバイド、直径D=10mm、歯数z=4
工作物:オーステナイト系ステンレス鋼 X 6 CrNiMoTi 17 12 2、DIN 1.4571
切削パラメータ:
切削速度vc=67m/分
送り速度fz=0.033mm
径方向切込み深さae=6mm
軸方向切込み深さap=9mm
冷却:乳濁液5%
プロセス:下向き削り
工具寿命基準:フランク摩耗ランド幅VB=0.2mm
Claims (10)
- 表面を有する工作物であって、前記表面の少なくとも部分が、
Al1-a-b-c-dCraXbSicBdZの組成のコーティングを含む耐摩耗性のハードコートでコーティングされ、ここで、
Xは、Nb、Mo、W、またはTaからの少なくとも1つの元素であり、
Zは、N、C、CN、NO、CO、CNOからの1つの元素または化合物であり、かつ、
0.2≦a≦0.5、
0.01≦b≦0.2、
0≦c≦0.1、
0≦d≦0.1、
である工作物。 - 鋼、高速度鋼、ハードメタル、超硬合金、または他の金属もしくはセラミックスでできた本体を有する、請求項1に記載の工作物。
- 工作物は、高温および/または乾燥したツーリング動作用工具である、請求項1に記載の工作物。
- 工作物は、工具、切削工具、ドリル、リーマ、ブローチ、インサート、ホブ、ミル、エンドミル、ボールノーズミル、総形バイト、ダイカスト型、射出型、絞り加工工具、深絞り工具、鍛造型である、請求項1に記載の工作物。
- 工作物は、過酷な、高温の、潤滑が不十分な、かつ/または乾燥した運転条件のための構成部品である、請求項1に記載の工作物。
- 工作物は、構成部品、タペット、弁機構の構成部品、タペット、バケットタペット、弁レバー、ロッカアーム、ピン、ピストンピン、ローラ従動子ピン、ボルト、燃料噴射装置の構成部品、射出ニードル、歯車、ピニオンギヤ、プランジャ、ピストンリングである、請求項1に記載の工作物。
- 工作物上に少なくとも1つのAl1-a-b-c-dCraXbSicBdZ膜を堆積させるためのPVDプロセスであって、ここでXはNb、Mo、WまたはTaからの少なくとも1つの元素であり、ZはN、C、CN、NO、CO、CNOからの1つの元素または化合物であり、かつ、0.2≦a≦0.5、0.01≦b≦0.2、0≦c≦0.1、0≦d≦0.1であって、少なくとも1つの工作物は真空コーティングシステムに設置され、前記システムは低圧アルゴン雰囲気中で動作し、少なくとも1つの反応ガスの少なくとも一時的な添加とともに、少なくとも2つの金属または合金のターゲットを利用し、基材に負の電圧を加える、PVDプロセス。
- 反応ガスは、分圧が約3.5Paの窒素である、請求項7に記載のPVDプロセス。
- 基材電圧は−100Vである、請求項7または8のいずれかに記載のPVDプロセス。
- 少なくとも2つのターゲットはAlおよびCrを含む、請求項7から9のいずれかに記載のPVDプロセス。
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