JP2012507635A

JP2012507635A - 摩耗保護層およびそれを製造するための方法

Info

Publication number: JP2012507635A
Application number: JP2011535085A
Authority: JP
Inventors: マルクスレヒタラー
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2012-03-29
Also published as: EP2350336A2; US20110271872A1; RU2011122206A; CN102224273A; WO2010052184A3; CN102224273B; WO2010052184A2; RU2528298C2

Abstract

本発明は、フライス、切削インサート、射出成形用金型などのような工具のための摩耗保護層、特に物理的蒸着法を使用して蒸着させた摩耗保護層であって、当該層が、ＡｌＮｂＸの一般的な組成を有し（式中、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、またはＣＮＣＯを表す）、Ｎｂの割合が４０原子％未満であり、かつ／または当該製造プロセスにおいて使用されるアルミニウム粉体が、アルミニウムに対して１０〜５０原子％のジルコニウムと混合されることを特徴とする摩耗保護層に関し、さらに摩耗保護層を製造するための方法にも関する。

Description

本発明は、摩耗保護層およびそれを製造するための方法に関する。

数十年前から知られているＴｉＡｌＮ系に加えて、ＡｌＣｒＮ系もまた従来技術に含まれる。この系は、改良された機械的、熱的、および摩擦特性を特徴としており、そのことが、多くの用途において、被覆された構成要素および工具の性能を向上させている。

米国特許第７２２６６７０号には、少なくとも１種のＡｌ_ｙＣｒ_１−ｙＸ系（ここでＸは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、またはＣＮＣＯを表す）を含むコーティング系を用いて被覆した部品が開示されている。そこに記載された部品は、フライス工具、ホブカッター、ボールエンドミル、プレーナカッター（ｐｌａｎａｒｃｕｔｔｅｒ）もしくはプロファイルカッター、リーミング工具、リーマ、ねじ切りインサート、注型用金型、または射出成形用金型である。

特開２００６−２２５７０３号には、次の組成を有する［（Ｎｂ_１−ｄＴａ_ｄ）_ａＡｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}，Ｓｉ_ｂ，Ｂ_ｃ］（Ｃ_１−ｘＮ_ｘ）層系が開示されている:
０≦ｄ≦１
０．４≦ａ≦０．６
０≦ｂ＋ｃ≦０．１５
０．４≦ｘ≦１。

ＡｌＣｒＮ含有層が極めて高い耐酸化性を示すことが知られている。ＡｌＣｒＮ含有層においては、１１００℃より高い温度範囲で酸化が開始される。しかしながら、その層を使用している条件に依存して、安定な酸化物皮膜の形成が妨害される可能性もある。そのような条件は、真空中または不活性ガス中における赤熱ワイヤ試験（ｇｌｏｗｗｉｒｅｔｅｓｔ）においても存在するだけではなく、刃先が直接外気に暴露されないか、部分的にのみ暴露されるような機械加工においても存在する。このような状況で表される条件は、たとえば、旋盤加工または穿孔加工の場合に存在し得る。

そのような条件下においては、８００℃以上の温度では、ＡｌＣｒＮのＣｒ_２Ｎへの分解が観察される。

ＡｌＮｂＮ含有層は、１１００℃の近傍ではかなりの耐酸化性を示す。さらに、この系は、熱力学的により安定なＮｂ_２Ｎへの分解も特徴としている。しかしながら、この分解は、１１００℃よりも顕著に高い温度でしか起きない。したがって、これらの層は、かなりの耐酸化性を有しながらも、顕著に良好な性能を表すような応用分野において使用することができる。

各種の摩耗機構がさらなる問題である。ＮｂＡｌＮ含有層の好適な、機械的、摩擦的、および熱的性質からは、摩耗保護分野におけるこれらの層の可能性が示されている。

しかしながら、その摩耗機構によっては、摩擦化学的摩耗もまた極端に重要である。したがって、鉄系の材料に接触する状態で使用される場合には、その層の材料の鉄の中への溶解性が、摩擦化学的耐摩耗性の指標である。明瞭な経験則があてはまる、すなわち、鉄系の材料に接触する状態で使用される場合には、鉄の中への溶解性が低いほど、摩擦化学的耐摩耗性が高くなる。

図１〜３は、二成分系のＦｅ−Ｔｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、およびＦｅ−Ｎｂの状態図を示している。斜線を入れた領域は、２種の金属がギャップフリーで混和している（gap-free miscibility）ことを表している。これら３種の二成分系を比較すると、ＡｌＣｒＮ含有層のＣｒが、鉄の中への最大の溶解性を示している。Ｔｉ含有層のチタンは、Ｃｒよりも顕著に低い溶解性を示しているが、多くの摩耗保護用途の応用分野において起きるタイプの高温では、それらの溶解性も同様に顕著に高くなっている。ＮｂＡｌＮ含有層の中に存在しているＮｂの場合においては、高温であってさえも、この溶解性が極めて低い。１０００℃になっても、それはまだ１原子％未満である。したがって、この系は、鉄ベースの材料との摩耗誘導性接触において改良された摩擦化学的耐摩耗性を得るために使用することができる。それは、たとえば部品と技術的構成要素との間で摩擦的接触にありながらも、たとえば材料を除去または成形するような、鋼を機械加工するプロセスの場合である。

そのような層の典型的な製造法としては、ＰＶＤ（物理的蒸着法）プロセスが挙げられる。特にアーク蒸発法プロセスが好ましいが、このプロセスでは、蒸着速度が高く、イオン化のレベルが高いので、高品質の高硬度膜を低コストで蒸着させることが可能となる。このプロセスは、アークがターゲット表面を物理的に蒸発させる点に特徴がある。この蒸発プロセスは、部分的に蒸発された粒子、いわゆるスパッターがターゲット表面から放出され、このスパッターが次いで、層の中でいわゆる微少液滴の形態で見出され得るということを意味している。高品質蒸発プロセスは、スパッターの量が可能な限り少なく保持されることを特徴とする。

しかしながら、Ｎｂのパーセントが高すぎる場合には、恐らくは融点の差（Ａｌの融点＝６６０℃、Ｎｂの融点＝２，４６７℃）のために、結局は金属のＮｂスパッターが層の中に取り込まれることになる。とりわけ、このことが表面をより粗くし、そのために耐摩耗性が急激に低下する。スパッターはさらに、硬度、弾性などのような機械的性質を、応用するには望ましくない方向へと変化させる。

特開２００６−２２５７０３号公報特開２００７−１１９７９５号公報特開２００７−２９１４７１号公報米国特許出願公開第２００５／０１７０１６２号明細書米国特許第７，２２６，６７０号明細書国際公開第２００９／０１６９３８号パンフレット

本発明の目的は、極めて良好な摩擦化学的性質を有しながらも、改良された機械的性質を有する、改良された摩耗保護層を作り出すことである。

その目的は、請求項１に規定される特性を有する摩耗保護層を用いることによって達成される。

有利な変更態様が、従属請求項に開示されている。

本発明のまた別な目的は、極めて良好な摩擦化学的性質と改良された機械的性質とを有する摩耗保護層を作製することを可能とする、改良された摩耗保護層を製造するための方法を作り出すことである。

この目的は、請求項６に規定される特性を用いて達成される。

有利な変更態様は、それに従属する請求項の中に開示されている。

本発明においては、その目的は、摩耗保護層の手段によって達成されるが、その手段においては、そのＮｂ含量が完全に排除されている訳ではないにもかかわらず、Ｎｂスパッターを有していないか、あるいは少なくとも、従来技術に比較して顕著に抑制されたＮｂスパッター量しか有していないが、この手段では、従来技術におけるターゲットの設計を修正して、ＡｌとＮｂの融解挙動が、少なくとも相互に近づくようになっている。

一方では、Ｎｂの割合を下げることによって、このことを達成することが可能となることがわかった。パーセント基準のＮｂの割合が４０％未満から始めると、スパッターの量が劇的に減少することが明らかとなった。他方では、ターゲットにジルコニウムを添加することによってスパッターの量を顕著に抑制することが可能となることもわかった。この場合、Ａｌ粉体の中にＺｒを、好ましくは１０〜５０原子％の間の割合で混合する。さらなる限定においては、その範囲は２０〜３０原子％の間に存在し、理想的には金属間化合物相のＡｌ３Ｚｒを使用するが、このものは、７５原子％のＡｌと２５原子％のＺｒの原子比を有している。

たとえば、本発明による摩耗保護層は、次の組成を有している。
Ｎｂ_{１−ａ−ｂ}Ａｌ_ａ（Ｓｉ_ｂ）Ｘ
［上記式中、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、およびＣＮＣＯの群からの少なくとも一つの成分であり、そして
ａおよびｂの範囲は次のとおりである:
０．６＜ａ≦０．９
０≦ｂ≦０．２
ここで、ａ＞０．６ということは、添え字ａを備えた物質が、６０原子パーセントよりも大きい割合で存在しているということを意味している。添え字ｂについても、同様のことがあてはまる。］

また別な有利な実施態様においては、その摩耗保護層が次の組成を有している。
Ｎｂ_{１−ａ−ｂ}（Ａｌ_１−ｃＺｒ_ｃ）_ａ（Ｓｉ_ｂ）Ｘ
［式中、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、またはＣＮＣＯを表し、そして
０．３＜ａ≦０．９
０≦ｂ≦０．２
０．１＜ｃ≦０．５
ここで、ａ＞０．３ということは、添え字ａを備えた物質が、３０原子パーセントよりも大きい割合で存在しているということを意味している。添え字ｂおよびｃについても、同様のことがあてはまる。］

本発明を、図面と併せて実例により説明する。

鉄−チタン系の状態図である。斜線を入れた領域は、鉄の中へのチタンの溶解性を表している。この溶解性は、材料組成物の摩擦化学的耐摩耗性の指標であり、溶解性が低いほど、その摩擦化学的耐摩耗性が高い。鉄−クロム系の状態図である。斜線を入れた領域は、鉄の中へのクロムの溶解性を表している。鉄−ニオブ系の状態図である。斜線を入れた領域は、鉄の中へのニオブの溶解性を表している。チタンおよびクロムの場合とは対照的に、ニオブは、この用途では起きるタイプの、極めて高い温度（１，０００℃）でも鉄の中へは、実質的に不溶性である。アルミニウム−ジルコニウム系の状態図である。この状態図は、アルミニウムにジルコニウムを添加すると融点が上昇することを明らかに示している。相の含量を７５原子％のＡｌと２５原子％のＺｒとにすると、高融点の金属間化合物相が生成し、その直後に、１５９５℃から高融点の共融混合物の生成が始まる。連続のアルミニウムマトリックス５（斜線部）の中のニオブの結晶粒７を示す模式図である。この相混合物は、高アルミニウム含量（＞６０％）で存在する。アルミニウムおよびＡｌＺｒ９（斜線部）に混合されているニオブの結晶粒１１を示す模式図である。この配座は、低アルミニウム含量（＜６０％）で存在する。この場合においては、連続のＡｌマトリックスは存在しない。このことによって、ターゲット中に特定の多孔性が生じることとなり、ニオブとＡｌＺｒの融点を調節することによる、調整された条件下においてのみ、スパッターの生成が可能となる。

本願発明者らが解明したところでは、Ｎｂ含量が高いと、摩擦化学的摩耗性能は、実際のところ、Ｎｂを含まない系に比較して改良されるが、その機械的摩耗性能が、受容不能な程度にまで劣化する。このことは、層の中に取り込まれている金属Ｎｂのためであろうと考えられる。

本発明によれば、アーク蒸発法の手段によって製造した層においては、（本発明の第一の実施態様によって）Ｎｂの割合を４０％未満、さらには１０％程度にまで下げるならば、摩擦化学的摩耗保護に関連する利点を失うことなく、スパッターの問題が顕著に抑制されるということがわかった。Ｎｂの割合をさらに低くしても、純ＡｌＮと比較した場合の、摩擦化学的摩耗保護における認識可能なさらなる改良は実質的に存在しない。

本発明の第二の実施態様においては、被覆のために使用するターゲットの中に、ある程度の割合のジルコニウムを混合する。別の言い方をすれば、ターゲット中のアルミニウムの一部をジルコニウムで置き換える。ジルコニウムのアルミニウムに対するパーセントの割合が１０％未満であると、スパッターの量を顕著に抑制することが可能となることがわかった。このことは、金属間化合物のＡｌＺｒ相が形成され、それに伴って融点が上昇するためであろうと考えられる。このように融点が上昇することで、Ｎｂと、金属間化合物のＡｌＺｒ相との混合物の融点が調整されることとなる。それによって、約１８００℃近くもあるアルミニウムとニオブとの間の融点の差を、アルミニウム−ジルコニウムとニオブとの間の融点の差８５０℃にまで近づけることが可能となる。このように融点を調整することによって、顕著に安定性が高く、スパッターを抑制した蒸発プロセスが得られる。

専門家にとってはＡｌＺｒの状態図からも明瞭にわかるように、アルミニウムに対して数パーセントのジルコニウムを添加することによって、２相の微細構造すなわち、高融点のアルミニウム−ジルコニウム相と低融点のアルミニウム混合結晶との構造が生じる。この高融点のアルミニウム−ジルコニウム相の割合は、ジルコニウム含量を増やすにつれて増大し、最終的には２５％のジルコニウムと７５％のアルミニウムの比率のところで、単一相の金属間化合物相が生じる。ジルコニウム含量をさらに増やせば、他の同様の金属間化合物相も生成する。理想的には、そのような金属間化合物相を、ニオブ粉体と混合する。

本発明による上述の摩耗保護層は、部品および工具を好適に被覆するために使用することができる。したがって、本発明の主題には、そのように被覆された構成要素もまた含まれる。そのようなものとしてはとりわけ、フライス工具、ホブカッター、ボールエンドミル、プレーナカッターもしくはプロファイルカッター、リーミング工具、リーマ、ねじ切りインサート、注型用金型、または射出成形用金型などを挙げることができる。

以下の実施例において、２種の応用例を示すが、そこでは、可能な機械加工距離を規準にして使用寿命を表している。この場合の化学量論量は原子パーセントで表している。

実施例１:

実施例２:

Claims

フライス、切削インサート、射出成形用金型などのような工具のための摩耗保護層、特に物理的蒸着法（ＰＶＤ）を使用して蒸着させた摩耗保護層であって、前記層が、ＡｌＮｂＸの一般的な組成を有し（式中、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、またはＣＮＣＯを表す）、Ｎｂの割合が４０原子％未満であり、かつ／または前記製造プロセスにおいて使用されるアルミニウム粉体が、アルミニウムに対して１０〜５０原子％のジルコニウムと混合されることを特徴とする摩耗保護層。
前記摩耗保護層が次の組成を有することを特徴とする、請求項１に記載の摩耗保護層。
Ｎｂ_{１−ａ−ｂ}Ａｌ_ａ（Ｓｉ_ｂ）Ｘ
［式中、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、およびＣＮＣＯの群からの少なくとも一つの成分を表しており、そして
ａおよびｂの範囲は次のとおりである:
０．６＜ａ≦０．９
０≦ｂ≦０．２］
前記摩耗保護層が次の組成を有することを特徴とする、請求項１に記載の摩耗保護層。
Ｎｂ_{１−ａ−ｂ}（Ａｌ_１−ｃＺｒ_ｃ）_ａ（Ｓｉ_ｂ）Ｘ
［式中、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、またはＣＮＣＯを表し、そして
０．３＜ａ≦０．９
０≦ｂ≦０．２
０．１＜ｃ≦０．５である］
２０〜３０原子％のジルコニウムを前記アルミニウム粉体に添加することを特徴とする、請求項１および／または３に記載の摩耗保護層。
２５原子％のジルコニウムを前記アルミニウム粉体の中に添加して、７５原子％のアルミニウムと２５原子％のジルコニウムの原子比を有する金属間化合物相Ａｌ_３Ｚｒを形成させることが可能となるようにすることを特徴とする、請求項４に記載の摩耗保護層。
先行請求項のいずれか一つに記載の摩耗保護層を製造するための方法であって、
工具の上に前記層を蒸着させるために、ターゲットアークを蒸発させ、前記ターゲットが実質的にＡｌＮｂターゲットであって、それが反応性ガス雰囲気中で蒸発され、Ｎｂ対Ａｌの比率を設定して、前記層の中のＮｂ含量が１０〜４０％の中に入る様にし、かつ／または前記ターゲットを製造するために、１０〜５０原子％の間のＺｒの量でＡｌ粉体の中に混合することを特徴とする、方法。
２０〜３０原子％の間のＺｒを、前記アルミニウム粉体に混合することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
アルミニウム対ジルコニウムの原子比が、７５原子％対２５原子％であることを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
前記ターゲットを混合して、アーク蒸発法によって蒸着される前記摩耗保護層が次の組成を有するようにすることを特徴とする、請求項６から８のいずれか１項に記載の方法。
Ｎｂ_{１−ａ−ｂ}Ａｌ_ａ（Ｓｉ_ｂ）Ｘ
［式中、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、およびＣＮＣＯの群からの少なくとも一つの成分であり、そして
ａおよびｂの範囲は次のとおりである:
０．６＜ａ≦０．９
０≦ｂ≦０．２］
前記ターゲットを混合して、アーク蒸発法によって蒸着される前記摩耗保護層が次の組成を有するようにすることを特徴とする、請求項６から９のいずれか１項に記載の方法。
Ｎｂ_{１−ａ−ｂ}（Ａｌ_１−ｃＺｒ_ｃ）_ａ（Ｓｉ_ｂ）Ｘ
［式中、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、またはＣＮＣＯを表し、そして
０．３＜ａ≦０．９
０≦ｂ≦０．２
０．１＜ｃ≦０．５である］
前記Ｎｂおよび前記アルミニウムの融点を調整するために、最初に、１０〜１５原子％の間のジルコニウム、好ましくは２０〜３０原子％の間のジルコニウム、特に好ましくは２５原子％のジルコニウムの、ジルコニウム含量を有する金属間化合物のアルミニウム−ジルコニウム相混合物を製造することを特徴とする、請求項６から１０のいずれか１項に記載の方法。
ホブカッター、ボールエンドミル、プレーナカッターもしくはプロファイルカッター、リーミング工具、リーマ、ねじ切りインサート、注型用金型、または射出成形用金型のようなフライス工具のための、請求項６から１１のいずれか１項に記載の方法を用いて製造された、請求項１から５のいずれか１項に記載の摩耗保護層の使用。