JP2013518987A - AL−Cr−B−N/Ti−Al−N多層被覆を有する切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
Ti−Al−NおよびCr−Al−Nの両者とも十分に確立された耐摩耗性被覆システムである。一方で、Ti−Al−Nはたとえば硬化鋼の機械加工に広く用いられている。これは酸素の存在下で約900℃まで構造的に安定している。しかしながら、Ti−Al−Nは600℃よりも高い温度で著しく硬度を失ってしまう。他方で、Cr−Al−Nは、少なくとも酸素雰囲気中での高温適用例の後で、Ti−Al−Nよりも高い硬度と、より優れた耐酸化性とを有している。Cr−Al−Nは、酸素の存在下で1100℃まで構造的に安定ですらある。しかしながら、他の被覆と比較して、Cr−Al−Nは、硬化鋼を機械加工する際に被覆切削工具の性能を本質的に向上させることはない。
発明者らは、Al−Cr−B−Nの有効に単一の層の被覆が、十分に確立されたAl−Cr−N被覆と比較して、改良された硬度および摩擦挙動を呈することを観察した。しかしながら、さらなる改良の必要性が依然として存在する。Al−Cr−B−N被覆は、それらの興味深い性質にも拘らず、非常に高い残留応力も呈する。これは、これらの有望な被膜で被覆された工具の切削性能を悪化させる。これは、被覆の層間剥離を回避するために被覆中の特に低い残留応力が要件とされる、大きな被覆厚みを要件とする適用例においては特に不利である。
Al−Cr−B−N被覆中で低減された残留応力を達成するため、好ましくは反応性陰極アークイオンプレーティング堆積法を用いて、物理蒸着プロセスによって異なる多層構造を形成した。
元素組成および厚みを異ならせて単純な単層被覆として堆積された異なるAl−Cr−B−N被覆の機械的および摩擦性質を調べると、Al−Cr−B−N単層被覆は、約−1.5GPaの基本的に残留する応力および良好な耐摩耗性により、約43GPaの最大硬度を呈すると判断できた。
−それぞれのAl−Cr−B−N層が、ターゲットの元素組成が等しい同種類の原料ターゲットを用いてかつ同じ被覆パラメータによって堆積され、かつ
−全体被覆厚みがほぼ等しい
Al−Cr−B−N単層被覆とAl−Cr−B−N/Ti−Al−N多層被覆とを関連付けるように用いられる。
特に驚くべきことは、本発明に従って形成された多層被覆が呈する、非常に高い硬度および非常に低い残留応力が同時に組合せて得られていることである。
特に、発明を以下の適用例に用いることができる。
−フライス削り、旋削、または穿孔用の、硬質金属、サーメット、窒化硼素、窒化珪素、または炭化珪素に基づくスローアウェイチップ
−ボールヘッドカッターおよびエンドミルカッターなどのフライス
−ねじ切りフライス
−ホブカッター
−形切断カッター(shape cutter)
−スティックブレード
−ドリル
−雌ねじ切り
−穴あけ機
−型彫り工具
−リーマ
2.成形および打ち抜き工具
−アルミニウム圧力ダイカスト用の型
−プラスチック被覆用の型
−押出成形ダイ
−シート成形用の工具
−金属を打ち抜くための打ち抜き機
−スミスジョー、特に熱間鍛造用
−熱間圧着用の工具
3.特に自動車業界における構成要素および部品
−弁
−キータペット(key tappet)
−ブッシングニードル
−バルブロッカー
−タペット
−ローラスピンドル
−ロッカーフィンガー(rocker finger)
−カムフォロワ
−カムシャフト
−カムシャフト軸受
−弁タペット
−チルトレバー
−ピストンリング
−ピストンピン
−インジェクタおよびインジェクタ部品
−タービン翼
−ポンプ部品
−高圧ポンプ
−ギア
−ギアホイール
−スラストワッシャ
−電気制御および加速システムの構成要素
−ABSシステム中の構成要素
−軸受
−玉軸受
−ころ軸受
−カムシャフト軸受
この特許文献に開示される発明は、本発明に従って前述された多層被覆システムを用いて被覆された固体本体を製造するための方法を含む。
Claims (18)
- 固体本体表面の少なくとも部分の上に堆積され、物理蒸着法によって堆積されたAl−Cr−B−N個別層を多層構造中に含有する多層被覆システムであって、
前記多層被覆システムの全体厚みの少なくとも部分において、前記Al−Cr−B−N個別層がTi−Al−N個別層と組合され、前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層は互いに交互に堆積され、前記Al−Cr−B−N個別層の厚みは前記Ti−Al−N個別層の厚みよりも大きく、これにより前記多層被覆システムの残留応力は対応の類似のAl−Cr−B−N単層被覆システムの残留応力と比較してかなり低く、好ましくは前記多層被覆システムの硬度は対応の類似のAl−Cr−B−N単層被覆の硬度以上であることを特徴とする、多層被覆システム。 - 前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される被覆部分中の前記Ti−Al−N個別層に対する前記Al−Cr−B−N個別層の厚みの比率は、基本的に2:1であることを特徴とする、請求項1に記載の多層被覆システム。
- 前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される被覆部分中に含有されるAl−Cr−B−N層の層組成はAlaCrbBcNdであり、ここでa+b+c=1、a=9/5・y、0.1≦z0.3であり、a、b、およびcは、Al、Cr、およびBという元素のみを元素バランスについて考慮した元素分析後に判断された原子分率であることを特徴とする、請求項1または2に記載の多層被覆システム。
- 前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される被覆部分は、少なくとも2つのTi−Al−Nおよび2つのAl−Cr−B−N個別層、より好ましくは少なくとも3つのTi−Al−Nおよび3つのAl−Cr−B−N個別層を含有することを特徴とする、請求項1−3に記載の多層被覆システム。
- 前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される被覆部分中の前記Ti−Al−NおよびAl−Cr−B−N個別層の厚みは一定のままであることを特徴とする、請求項1−4に記載の多層被覆システム。
- 前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される被覆部分中の前記Al−Cr−B−N個別層の元素組成は一定のままであることを特徴とする、請求項1−5に記載の多層被覆システム。
- 前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される被覆部分中の前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層はナノ層であり、その対応の個別厚みは各々1つ≦100nmであり、好ましくは、1つのAl−Cr−B−Nおよび1つのTi−Al−N個別ナノ層に対応する厚みの和として規定される2層周期は≦100nmであり、好ましくは2層周期は75から15nmの間であることを特徴とする、請求項1−6に記載の多層被覆システム。
- 前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される被覆部分と基板表面との間に付加的なTi−Al−N個別層が堆積され、その厚みおよび元素濃度の値は、前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される被覆部分中に含有される前記Ti−Al−N個別層の対応する値に等しいかまたはこれとは異なることを特徴とする、請求項1−7に記載の多層被覆システム。
- 前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される被覆部分と被覆表面との間に付加的なAl−Cr−B−N個別層が堆積され、その厚みおよび元素濃度の値は、前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される被覆部分中に含有される前記Al−Cr−B−N個別層の対応する値に等しいかまたはこれとは異なることを特徴とする、請求項1−8に記載の多層被覆システム。
- 前記付加的なTi−Al−N個別層は基板表面上に直接に堆積され、および/または前記付加的なAl−Cr−B−N個別層は最外層として堆積されることを特徴とする、請求項8−9に記載の多層被覆システム。
- Ti−Al−Nからならない付加的な接着層が基板表面上に直接に堆積されて基板に対する被覆接着を改良し、および/またはAl−Cr−B−Nからならない付加的な最外層が頂面層として被覆表面上に堆積され、この層は、たとえば薄い装飾層またはなじみ層であり得ることを特徴とする、請求項1−9に記載の多層被覆システム。
- 前記多層被覆システムの全体被覆厚みは3μm以上、好ましくは5μm以上であることを特徴とする、請求項1−11に記載の多層被覆システム。
- 前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される少なくとも被覆部分は反応性陰極アーク蒸発によって形成され、アーク蒸発を用いた堆積により、ターゲットからの金属性材料の大きな粒子が被覆中に存在し、これらの大きな粒子は弾性を加えることによって全体被覆耐久強さを改良するのに寄与し、それらはAl−Cr−B−N/Ti−Al−N多層被覆の機械的、熱的、化学的、および摩擦性質を悪化させないことを特徴とする、請求項1−12に記載の多層被覆システム。
- 前記Al−Cr−B−NおよびTi−Al−N個別層が互いに交互に堆積される少なくとも被覆部分は、アズデポ状態で面心立方構造を呈することを特徴とする、請求項1−13に記載の多層被覆システム。
- 最外層はBxNyの形成を呈するAl−Cr−B−N層であることを特徴とする、請求項1−10または12−14に記載の多層被覆システム。
- 請求項1−15に記載の多層被覆システムで少なくとも部分的に被覆される固体本体。
- 前記固体本体は、切削工具もしくは成形工具もしくは打ち抜き工具、または車両の構成要素もしくは部品、または自動車産業もしくは航空宇宙産業で用いられる構成要素もしくは部品であり、最後の場合たとえばこれはタービン構成要素であることを特徴とする、請求項16に記載の固体本体。
- 請求項16−17に記載の固体本体を製造するための方法。
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