JP4937914B2 - 酸化物被覆を有する切断刃 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも一の酸化物層を有する層構造が設けられた切断刃に関する。

安定性を増加するため、あるいはまた、切断特性を改良するため、切断刃を、例えば、金属硬質材層、酸化物層等から構成される層構造で被覆することが知られている。化学気相蒸着（ＣＶＤ）処理、並びに物理気相蒸着（ＰＶＤ）処理は、被覆のために使用される。また、存在する組み合わせ処理は、使用可能である。ＣＶＤ処理は、実質的に、表面被膜を生成する所望の化合物の安定相の蒸着に制限される。化合物の準安定相は、また、ＰＶＤ処理または組み合わせ処理の使用により、蒸着可能である。

独国特許出願公開第１９６５１５９２号明細書は、多層層構造で被覆された切断刃を開示する。種々の例示の実施形態で言及された層構造は、特に、少なくとも一の酸化アルミニウム層、及び金属硬質材層を有する。金属硬質材層、例えばＴｉＡｌＮ被膜は、ＰＶＤ処理により蒸着される。また、例えば、その上に直接被覆される酸化アルミニウム層は、ＰＶＤ処理により蒸着される。

酸化アルミニウム層は、実際の用途で良好な結果を発生した二元酸化物層である。しかし、これらを改良することが試みられてきた。欧州特許出願公開第１２５３２１５号明細書は、ＰＶＤ処理により酸化アルミニウムが被覆された切断刃を開示し、この場合、他の層、例えばＴｉＮ被膜が存在する可能性がある。

また、この場合、Ａｌ_２Ｏ_３被膜の特性の改良は、実現されるべきものである。

独国特許出願公開第１９９４２３０３号明細書は、複数相の酸化アルミニウム層を有する切断インサート部を開示する。この層は、ＣＶＤ処理により生成されており、Ａｌ_２Ｏ_３（複数相酸化アルミニウム層）を有する。ＣＶＤにより生成された層は、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、並びに、チタンの酸化物、炭化オキソード、亜硝酸塩オキソード、または炭窒化オキソードから構成される第３の細かく分散された相を有する。

独国特許出願公開第１９７３７４７０号明細書は、少なくとも一の複数相被膜を有する被覆を有する切断部を開示する。ＣＶＤ処理により生成される層は、例えば、炭窒化ジルコニウム被膜（方形ＺｒＣＮ）、及び、単斜晶及び／又は正方晶形態のＺｒＯ_２を有する。

結晶性ＺｒＣＮ地は、硬質の被覆として作用する一方、埋め込まれたＺｒＯ_２は、乾性の潤滑剤として作用する。

同様に、文献ＤＥ１９６４１４６８Ａ１は、また、複合部材、例えば、複数相被覆を有する切断刃を開示する。層構造は、薄層のＡｌ_２Ｏ_３被膜及び／又はＺｒＯ_２被膜を有する。

文献ＤＥ１９５１８９２７は、ＣＶＤ処理により生成される複数相の層構造を有する切断インサート部を開示する。切断インサート部には、連続の金属酸化物層及び不連続の金属酸化物層を有する所謂セラミック複合被覆が提供される。結果的に、これは、二相の金属酸化物層であり、この層は、例えば、そこに離間したＺｒＯ_２粒子またはＹ_２Ｏ_３粒子が埋め込まれた連続のＡｌ_２Ｏ_３相から構成される。

連続の相の結晶構成は、層特性を規定し、このため、通常、非常に硬質であるが脆い被膜を発生させる。

このことに基づいて、切断工具を改良することが、本発明の目的である。

この目的は、請求項１の特徴により実現される。

本発明に係る切断刃は、それに少なくとも単相、準安定の三元酸化物層が用いられる層構造が提供される本体部を有する。酸素に加えて、三元酸化物層は、少なくとも２つの他の化学元素、例えばアルミニウム及びクロムを含有する。他の改良を参照して、酸化物は、アルミニウム及びジルコニウムを含有する。元素の一つ、例えばアルミニウムは、主部成分として参照され、他のもの、例えばクロムまたはジルコニウムは、副部成分として参照される。少なくとも、２つの元素は、元素の周期律表の第４、５、及び６亜族に属する群から選択される。さらに、アルミニウム及び珪素は、この群に属する。例えば、本発明の三元酸化物層は、結晶層として酸化アルミニウムの結晶構造を有する酸化アルミニウム−ジルコニウム層であり、ここで、アルミニウム結晶格子点のうちの少数部は、ジルコニウム原子により占められる。しかし、そのようにするとき、層の構成は、酸化物が単一、準安定の相で存在し、すなわち二元酸化物結晶は酸化物層に全く埋め込まれない。個別のアルミニウム格子点がジルコニウムにより占められる事実は、前記酸化物の著しい硬化という意義を有することが可能である酸化物の結晶格子の歪に帰結する。結果的に、請求項１の特徴の組み合わせは、より大きい硬さを示す酸化物層への道を開く。

主部成分及び副部成分の選択に応じて、格子は、正の圧縮応力または負の引張り応力により歪むことが可能である。アルミニウムが主部成分であり、ジルコニウムが副部成分である場合、このことは、結晶格子内の圧縮応力の発生に導く。しかし、ジルコニウムが主部成分であり、アルミニウムが副部成分である場合、このことは、引張り応力の発生に導く。そのようにするとき、主部成分及び副部成分の含有量（原子百分率における）の選択は、それぞれ使用される元素の関数として決定され、その結果、酸化物層が単一相で存在し、このため二つの相が互いに隣接することを回避する。そのような準安定の層は、望ましくは、ＰＶＤ処理により蒸着可能である。

主部成分、副部成分、及び酸素に加えて、請求項２に対応する酸化物層は、他の化学元素、例えば、前述した群から選択される元素を有することができる。例えば、（Ａｌ，Ｚｒ）_２Ｏ_３）の場合、クロムは、さらなる副部成分として機能することが可能であり、このため（Ａｌ，Ｚｒ，Ｃｒ）_２Ｏ_３）層の形成に帰結する。この層の形成は、混合ターゲットまたは別異のターゲットを用いるＰＶＤ処理により可能である。そのようにするとき、硬さ、並びに、少なくともある範囲までの、酸化層の脆さの軽減に関するさらなる改良は、特に、実現可能である。

酸化物層は、望ましくは、単結晶または多結晶の形態の混成置換結晶である。適切に処理を実行することにより、主部成分の副部成分に対する比は、層内で、層に垂直な方向に変更可能である。例えば、層の一方の側から層の他方の側に向かう副部成分の明確な勾配は、所望可能であり、実現可能である。このため、例えばその底部においてその上側と異なる応力状態を示す被膜が生成可能である。また、層を、例えばそこで副部成分の量比率が１回以上−層の底側から上側に向かって変更される副次層に区分することが可能である。この結果として、粘り及び強靭さに関する特別の特性は、実現可能である。

副部成分は、酸化層の全原子数の１以上の原子百分率の含有量を算出する。この副部成分は、混合物質を表わすだけでない。

準安定の三元酸化物層の代替物として、切断刃には、また、二相の層が提供可能であり、このとき、一の相は非晶性地の層であり、第２の相は酸化物から構成される。非晶性の相の酸化物結晶層との組み合わせは、特に、高い粘りと組み合わせた高い硬さの点で、特別の特性への扉を開く。

望ましくは、酸化物は、元素の周期律表の第４、５又は６亜族、アルミニウム、または珪素のうちの１以上の元素の酸化物である。この酸化物は、前述した群から選択された一つの物質のみを有する二元酸化物であることが可能である。しかし、望ましくは、三元またはより複数の酸化物を使用することが同様に可能である。そのとき、これらは、例えば、結晶子の非晶性の相に埋め込まれた混成置換結晶を形成する。三元酸化物が使用される場合、含まれる元素は、望ましくは、前述した群のものであり、このとき、それらは異なる割合で存在する。しかし、また、代替的に、２つの二元酸化物は、結晶子として非晶性の相に互いに隣接して埋め込み可能である。

望ましくは、非晶性の相は、共有結合被膜である。それは、専ら炭素及び窒素から構成されるＣＮ被膜、酸化物被膜、またはセラミック被膜であることが可能である。セラミック被膜は、例えば、炭化珪素である。その代わりに、硬質の金属材料被膜は、非晶性の相として使用可能である。

層構造は、請求項１に対応する層と同じ構成を有するさらなる層を有することが可能である。その代わりにまたは追加的に、さらなる層、例えば請求項６に対応する硬質の金属材料層、または請求項７に対応する層構造が、提供可能である。望ましくは、本発明の層、そしてさらに望ましくは、すべての層構造は、ＰＶＤ処理により生成される。

図面は、本発明の例示の実施形態を示す。

図１は、切断刃の例として、切断板部材１を示す。切断板部材１は、その断面図が図２により提供され、例えば、コバルトの結合した焼結炭化タングステンからなる本体部２を有する。本体部２は、ＰＶＤ処理により付着された層構造で被覆される。望ましくは、この本体部は、５μｍと３０μｍの間の厚さを有する。望ましくは、層構造は、異なる構成を有することが可能である多数の別個の層４、５、６、７から構成される。例えば、本体部に固着する下側の層４、５は、それらが窒化チタンまたは炭窒化チタン等から構成されるような、チタンを主体にされるものである。代替的に、層５は、重ねられる酸化層６のための分与接着層であることが可能である。酸化層６は、準安定相の三元酸化物から構成される。例えば、それは、（Ａｌ，Ｚｒ）_２Ｏ_３）、すなわち酸化アルミニウムであり、ここで、僅かのアルミニウム原子は、ジルコニウム原子と置換される。アルミニウムは主部成分であり、ジルコニウムは副部成分である。ジルコニウムは、１０ａｔ％より小さい、望ましくは、金属含有量の３ａｔ％乃至４ａｔ％のみを算出する。それは、単一の相で存在する混成の置換結晶である。Ａｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２の結晶子は、存在しない（すなわちスピネル構造はない）。ジルコニウム含有量は、確実に１原子百分率より上であり、このとき、この含有量は、層６が所望の強靭さを与えられるように決定される。

層６は、反応性ＰＶＤ処理により、例えばＡｌＺｒ混合ターゲットを用いたＰＶＤ被覆装置において、生成される。そのようなターゲットは、例えば、アルミニウムから実質的に構成され、概略２原子百分率のジルコニウムを含有することが可能である。ＰＶＤ装置の閉止磁場配置で、プラズマ雰囲気は、例えば、０．８Ｐａの低圧で生成される。この雰囲気は、実質的に、アルゴン、並びに酸素から構成される。その場合アルゴンプラズマがターゲットの前方に点火されるＰＶＤマグネトロン処理が使用される。高出力陰極スパッタリング（パルスＤＣマグネトロンスパッタリング）が発生する。マグネトロンスパッタリングにおけるパルス周波数は、例えば、８０％のオン時間（４対１のパルス／停止比）が９０ｋＨｚに固定可能である。７０ｋＨｚのパルス周波数において−２００Ｖのパルス基板バイアス電圧（バイアス）が有利である。基板温度は、６５０℃に維持可能である。ターゲット近傍で概略６Ｗ／ｃｍ^２の比ターゲット出力でこのように生成されたアルミニウム気化物またはジルコニウム気化物は、反応性の気体として酸素の添加により、層６の形態の単相、準安定の混成結晶として蒸着する。ジルコニウム原子は、γ−アルミニウム酸化物層に（アルミニウム酸化物格子点に）埋め込まれ、Ａｌ_２Ｏ_３結晶内の格子歪を発生させる。この歪は、層を硬化する。結果として生じる被膜は、０．５乃至１０μｍ、望ましくは２乃至４μｍの厚さを有する。所望の層厚さに依存して、蒸着の継続時間は、３０分乃至６時間である。

しかし、また、別異のアルミニウムターゲット及びジルコニウムターゲットを使用することは、可能である。このことは、各ターゲットについて陰極スパッタリングを制御することにより、アルミニウム（主部成分）のジルコニウム（副部成分）に対する混合比は、所望されるように調整可能であり、または、一の層内で一様に変更可能であるという利点を有する。また、結果として生じる概略三元の酸化物層は、多層被覆として構成可能である。例えば、このことは、ターゲット衝撃の周期的変動または例えば時間毎に最小限の量の窒素が注入される点での処理雰囲気の構成の周期的変動により実現可能である。結果物は、そこに酸窒化物層が組み込まれた三元酸化物多層被膜である。また、二元酸化物の層は、三元酸化物層に埋め込み可能である。

図４は、層６の複数相構造の例を示す。層６は、互いから区別可能な副次層６．１から６．ｎまでに副次区分される。これらの副次層６．１から６．ｎまでのうちの少なくとも一つは、単相、準安定の、少なくとも三元の酸化物層である。残る層の少なくとも一つは、その化学組成及び／又は構造により、この酸化物層と異なる。また、この層は、異なる化学組成、または含まれる元素の単に異なる原子百分率数を有する単相の三元酸化物層であることが可能である。例えば、副次層６．１は（Ａｌ，Ｚｒ）_２Ｏ_３層であることが可能であり、副次層６．２はＡｌ_２Ｏ_３であることが可能である。このように、三元の（またはより高次の）一の酸化物層は、それぞれ、二元酸化物層と交互にされることが可能である。しかし、少なくとも三元の酸化物層の間に挿入される層は、また、これらを三元酸化物層と区別する他の特徴を表すことが可能である。例えば、それらは複数相であることが可能であり、または、それらは、他の化学元素をさらに有することが可能であり、または同等に、準安定の三元酸化物層の元素を含まない可能性がある。このように、複数相構造の個別の層は、機械特性に特定の態様で影響を及ぼすため、互いに関して歪むことが可能である。

ターゲットバイアスは、望ましくは、１０乃至１００ｋＨｚにてパルスにされる。望ましくは、それは、二極方式にパルスにされ、このとき、負電圧は、−２００及び−４００Ｖｏｌｔの間の範囲にあり、正電圧は、望ましくは、概略＋１００Ｖｏｌｔにある。望ましくは、プッシュプルパルスが使用される。例えば、９７at%対３at%の構成比を有する２つのＡｌ−Ｚｒ混合ターゲットは、使用可能である。これらは、二重マグネトロンで、二極パルスをかけられる。６００℃またはこれ以上の処理温度、及び−８０Ｖｏｌｔの基板バイアス電圧は、処理のために、使用可能である。処理圧力は、例えば、０．７Ｐａアルゴンであることが可能である。酸素は、反応性気体として注入される。

以下の条件を用いて、クロムを酸化アルミニウムに埋め込む結果として、同様に、歪んでおり、このため硬化された（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３被膜を生成することが可能である。
−パルスＤＣマグネトロンスパッタリング（例えば、二極、８０ｋＨｚ、オン時間８０％）；
−圧力：０．８Ｐａ；
−パルス基板バイアス電圧（バイアス）：−１５０Ｖ（二極、７０ｋＨｚ）；
−温度：６００℃；
−ターゲット：１乃至６ａｔ％Ｃｒを有するアルミニウム−クロム混合ターゲット；
−比ターゲット出力：概略６Ｗ／ｃｍ^２；
−閉止磁場配置；
−蒸着継続時間：所望の層厚さに依存して、３０分乃至６時間；
−層厚さ：０．５乃至１０μｍ、望ましくは２乃至４μｍ。

アルミニウムは主部成分を形成し、クロムは副部成分である。クロムは、望ましくは、１０ａｔ％より小さい、より望ましくは金属含有量の３乃至４ａｔ％のみと考えられる。

層７は、例えば、装飾被膜として層６に付着可能である。この被膜は、着色されること、磨耗表示部として機能すること、または摩擦特性を変更することが可能である。また、層構造３は、異なる態様に構成可能である。例えば、さらなる層は、それらの層が例えば金属硬質材層であることが可能である層４及び層６の間に挿入可能である。これらは、ＴｉＡｌＮ被膜、ＴｉＣＮ被膜、ＡｌＣｒ（Ｏ，Ｎ）被膜、元素の周期律表の第４、５、または６亜族の１以上の金属の窒化物、炭化物、炭窒化物、またはオキソ炭窒化物被膜であることが可能である。さらに、構成（Ｍｅ１，Ｍｅ２，．．．）ｘ（Ｏ，Ｂ，Ｃ，Ｎ）を有し、非金属における顕著な酸素含有量を有する１以上のさらなる層は、提供可能であり、このとき、含まれる金属（Ｍｅ１，Ｍｅ２，．．．）は、元素の周期律表の第４、５、または６亜族、並びにアルミニウム及び珪素を含む群から選択される。この場合、これは、三元またはより複数の概略酸化物の層である。

図３は、層構造３の変形された実施形態を示す。それは、二相の層として構成される少なくとも一の層８を有する。前記層の上方または下方に、一のさらなる層４が、設けられることが可能であり、前記層は、例えばＴｉＮ被膜としてまたはその他の被膜として構成される。

二相の層８は、例えば、共有結合被膜、すなわち非金属または実質的に金属のないＣＮ被膜から構成される非晶性地９を有する。結晶子１１は、この共有結合した非晶性地に埋め込まれ、前記結晶は酸化物である。これらの結晶は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、または他の二元酸化物から構成される。酸化金属は、望ましくは、元素の周期律表の第４、５、６亜族から選択され、または前記金属は、アルミニウムまたは珪素である。これらの結晶子１１は、第２の相を形成する。さらなる相、すなわち、他の酸化物からなるまたは他の物質からなる第３、４、または５の相等が提供可能である。さらに、結晶子１１は、層６に関して上述したように、三元酸化物から形成可能である。非晶性地の相と第２の酸化物の相の間の相互作用は、硬質、並びに粘りのある被覆を形成することが可能である。埋め込まれた結晶子は、上述した型の三元酸化物であることが可能である。

ＰＶＤ処理の使用により、切断刃には、単相の三元またはより複数の酸化物である被覆が設けられる。含まれる主部成分及び副部成分の含有量を原子百分率について適切に規定することにより、結果として生じる酸化物の歪みは、特定の方法で制御され、前記酸化物の特性に影響を及ぼすために使用可能である。その代わりに、層は、非晶性地の相及びそこに埋め込まれた酸化物結晶子を有することが可能である。これらの酸化物結晶子は、二元、三元またはより複数であることが可能である。１以上の異なる結晶子型は、互いに隣接して存在可能である。

図１は、切断刃の斜視模式図を示す。 図２は、図１に従う切断刃の断面図の詳細を示す。 図３は、図１に従う切断刃の代替の実施形態の断面図の詳細を示す。 図４は、図１に従う切断刃の層構造の代替の実施形態を示す。

Claims (7)

1. 物理気相蒸着（ＰＶＤ）処理により生成された混成置換結晶である少なくとも一の単相、準安定の少なくとも三元の酸化物層（６）を有する層構造（３）を支持する本体部（２）を備え、
   前記酸化物層（６）は、含有量の多数部を構成する主部成分と、含有量の少数部であって１原子％以上４原子％以下の含有量を有する副部成分を備え、
   前記主部成分はアルミニウムであり、前記副部成分は少なくともクロム又はジルコニウムを含み、
   前記酸化物層（６）は、γ−アルミニウム酸化物層構造を有する、ことを特徴とする切断刃（１）。
2. 前記酸化物層（６）は、他の化学元素を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の切断刃。
3. 前記切断刃は、少なくとも二つの請求項１による層を有し、その間に少なくとも一のさらなる層が配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の切断刃。
4. 前記さらなる層は、同様に、請求項１により構成されるが、隣接する層と異なる構成を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の切断刃。
5. 前記層構造（３）は、さらなる層を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の切断刃。
6. 前記層構造（３）は、ＴｉＡｌＮ被膜、ＡｌＣｒ被膜、元素の周期律表の亜族ＩＶ，ＶまたはＶＩの１以上の金属の窒化物、炭化物、炭窒化物またはオキソ炭窒化物被膜である少なくとも一の金属硬質材層を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の切断刃。
7. 前記層構造（３）は、構成（Ｍｅ１，Ｍｅ２，．．．）ｘ（Ｏ，Ｂ，Ｃ，Ｎ）を有し、非金属における顕著な酸素含有量を有する三元またはより複数の金属酸化物からなる少なくとも一の層であり、前記含まれる金属（Ｍｅ１，Ｍｅ２，．．．）は、元素の周期律表の亜族ＩＶ，ＶまたはＶＩ、アルミニウム及び珪素に属する群から選択される、ことを特徴とする請求項５に記載の切断刃。

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