JPH10500451A - 工具、この工具の製法及び製造装置及びこの工具の使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、超硬合金又はサーメットからの基体及びこの基体上に施こされたチタン及び／又はジルコニウムの炭化物、窒化物及び／又は炭窒化物及び／又は酸化アルミニウムよりなる多層のＣＶＤ−法で施与された表面被覆より成る工具に関する。この使用ＣＶＤ−法を、実質的に一様な高い温度でのプラズマ処理により数回中断し、その際、アルゴン、水素及び／又は窒素からのガス又はガス混合物を１０〜１０００Ｐａの圧力で被覆容器中に導入し、陰極に接続された基体又は部分的に被覆された基体に、２００〜１０００Ｖの負の直流電圧を１〜３０分間印加することによりコロナ放電を保持する。これにより一様な微細粒状の組織が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 工具、この工具の製法及び 製造装置及びこの工具の使用 本発明は、超硬合金又はサーメットからの基体及びこの基体上に施こされたチ タン及び／又はジルコニウムの炭化物、窒化物及び／又は炭窒化物及び／又は酸 化アルミニウムよりなる多層のＣＶＤ−法で施与された表面被覆より成る工具に 関する。 更に、本発明はこの工具の製法及びこの工具の使用に関する。 ドイツ特許出願Ｐ４２３９２３４.９号明細書中には、表面被覆が交互の順序 で熱的ＣＶＤ−法により及びコロナ放電により活性化されたＣＶＤ−法（ＰＣＶ Ｄ）により施与された多層よりなる冒頭に記載の種類の工具が記載されている。 この被覆の全厚は、２〜４０μｍであり、この際、個々の層は０．２μｍより厚 い。 個々の層は、技術的に異なる方法で施与される。（熱的）ＣＶＤ−法では、充 分に高い被覆速度を得るためには、９００℃より高い温度及び１０００Ｐａより 高い圧力を使用すべきである。従って、前記特許出願の１実施例中では、ＴｉＣ ｌ₄ ２.５％、Ｎ₂ ３５％、Ｈ₂ ６２.５％のガス混合物を、９４０℃の温度 及び２５０００Ｐａの圧力で被覆すべき基材上に導いている。その後又は交互に 、これに個々の層をＰＣＶＤ−法により施与し、その際、例えばＴｉＣｌ₄ １. ５％、Ｎ₂ １１.５％、Ａｒ ８％及びＨ₂ ７９％のガス混合物が３００Ｐａの圧 力及び７８０℃の温度で使用されている。ＣＶＤ−及びＰＣＶＤ−層からの多層 被覆は、当該方法で製造された工具に引っ張り作業の際の高い耐久時間を与える 被覆の極めて良好な機械的安定性を示した。このＣＶＤ−及びＰＣＶＤ−法を用 いる交互の被覆の特別な利点は、１被覆装置中で、一貫した方法で中間的な冷却 をすることなしに、かつ被覆すべき物体を取り出すことなしに、被覆を施与する ことができることにある。 冒頭に記載の種類の、その被覆が微細粒状である工具を提供することが本発明 の課題である。更に、その方法を用いてこの被覆を析出することのできる方法を 提供し、この工具の使用を見つけることも本発明の課題である。 この課題は、請求の範囲１に記載の工具により解決される。 この工具においては、ＣＶＤ−被覆が、実質的に一様な高い温度で、プラズマ 処理により数回中断され、いずれにせよ、このプラズマ処理の間にアルゴン、水 素及び／又は窒素からの非反応性ガス混合物が１０〜１００Ｐａの低い圧力で存 在するので、ＣＶＤを用い て施与された最後の層の上には、このプラズマ処理の間に析出はしない。基材に 印加される２００〜１０００Ｖの励起電圧により、最後の被覆層の表面は浸食さ れ、この際、予め平滑であった結晶表面中に僅かな成長活性箇所を有する多くの 欠損箇所が生じる。これにより次のことが達成される： 技術水準により公知の（熱的）ＣＶＤ−法で、例えばＴｉＣ及び／又はＴｉＮを 析出させると、差し当たり微細粒状の層が生じるが、これは引き続く方法過程で 、結晶成長のために好適である面の優先により、上に行くにつれて粗粒状になる 。基体から最後の被覆層に至る平均粒径の増加により、最外被覆層の粗面も生じ る。研磨のため又は光学的外観のために不適当な粗面は、従来は、析出時の温度 −及び／又は圧力低下によっても又は種々異なる硬物質からの薄い個々の層での 多層構造によっても避けることができなかった。従って、本発明による工具にお いては、差し当たり、慣用のＣＶＤ−法で、比較的微細粒状である約０．２〜０ ．４μｍ厚の、例えばＴｉＮの１層を析出させる。このＣＶＤ−法を中断し、か つ低圧及び僅かなガス通過率で非反応性の混合物の調節により、引き続くプラズ マ処理の際に、差し当たり平滑であった結晶面中に僅かな成長活性箇所を有する 多くの欠損箇所を生じる。このプラズマ処理の終了及び当初ＣＶＤ−被覆パラメ ータの新たな調節の後に、欠損箇所の多い表面上に多 くの芽を形成することができ、その上に新たに微結晶成長が得られる。その高い 表面活性に基づき、この成長は、予想される成長に比べて、ＣＶＤ−工程をプラ ズマ処理により中断することなしで促進される。即ち、中間的なプラズマ処理の 結果で生じる時間損失は、高められた析出速度により少なくとも部分的に補償さ れる。この交互のＣＶＤ−被覆とプラズマ処理とを、所望の層厚に達するまで繰 り返す。このようにして製造された工具は、全体として、他の慣用のＣＶＤ−法 により可能であるよりもより微細粒状の被覆を有する。 この工具の更なる態様は、請求の範囲２から４に記載されている。 ＣＶＤ−法の間の温度とプラズマ処理の間の温度との差は、最高で２００℃だ け異なっているようにして被覆を施与するのが有利である。更に、前記のような 多層の基層及び連続的な慣用のＣＶＤ−法で施与された外側のカバー層を基体上 に設けるのが有利である。この多層基層は、例えばＴｉ（Ｃ、Ｎ）から成ってい てよく、外側カバー層はＡｌ₂Ｏ₃から成っていてよい。 更に、冒頭に記載の課題は、請求の範囲５に記載の方法で解決される。この場 合に、このＣＶＤ−法を、実質的に一様な高い温度で数回中断し、この際、この 中断の間に、アルゴン、ヘリウム及び／又は窒素から のガス混合物を１０〜１０００Ｐａの圧力でこの容器中に導入する。陰極に接続 された基体に、コロナ放電を得るために、２００Ｖ〜１０００Ｖの負の直流電圧 を１〜３０分間保持する。 この方法の更なる態様は、請求の範囲６から１２に記載されている。 ドイツ特許出願Ｐ４２３９２３４.９号明細書に記載の方法と違って、プラズ マ処理は、非反応性のガス混合物（即ち例えば塩化物なしで）を用いて実施され るので、著しい装置技術的簡略化が可能である。プラズマ処理相の間の真空は、 金属塩化物及び塩化水素の中和のための前接続される装置なしで、簡単な回転す べり弁ポンプにより得ることができる。コロナ放電プラズマを得るための電圧供 給源の装置にも、例えばドイツ特許（ＤＥ）３８４１７３１Ａ１に記載のプラズ マ−ＣＶＤ−被覆の実施の際に必要であるよりも著しく低い要件が科せられうる 。プラズマ被覆法では、一様な被覆を得るためには正確に規定された温度、電圧 及び電流密度を保持しなければならないが、本発明の方法では、特定の最小電圧 （２００Ｖ）及び最小電流密度（５ｍＡ／ｃｍ²）を保持するだけでよい。従っ て、殊に調節可能なパルス−及び間隔時間で正確にパルス化された直流電圧を得 るための経費のかかる発電装置を省略でき、平滑化なしで必要な電圧を得るため に、簡単な直流電圧発生装置又は整流された交流電 圧で充分である。 被覆室中のガス分散用のシステムも簡略化できる。その低い方法圧を用いるプ ラズマ−ＣＶＤ−法では、ガス混合物が被覆室を通る経路上で迅速にＴｉＣｌ₄ が少なくなり、さもなければこの室内で層厚が不所望に分配するので、特別なガ ス導入システムが必要であるが、本発明のプラズマ処理の場合には、非反応性の ガス混合物が部分的にも１成分が少なくされ得ないので、慣用のＣＶＤ−装置の ガス供給システムを変更せずに転用することができる。 本発明の工具の製造のために、又は前記の方法を実施するために、技術水準に より公知の装置に比べて基体を収容するための少なくとも１個の電気的に絶縁さ れた架台（Ｇｅｓｔｅｌｌ）、基体用の室中への電圧引き込み線及びに外からの 電圧供給源によって異なっている装置が使用される。場合によっては、それを用 いてＣＶＤ−被覆からプラズマ処理への切り換えをすることのできる自動切り換 え装置を備えていてもよい。 記載の工具又はこの方法で製造された物体は、本発明のもう一つの実施態様に よれば、丸削り、フライス削り、穿孔及びねじ切り用の切断子として使用される 。 次に本発明の実施例を記載する。 １０５０℃の温度及び６０００Ｐａまでの真空圧で のＣＶＤ−被覆のために調節された、技術水準で公知のＣＶＤ−被覆装置中に、 電気的に絶縁された装入架台（Ｃｈａｒｇｉｅｒｇｅｓｔｅｌｌ）及び真空密な 電流引き込みを取り付けた。これに、コロナ放電プラズマを得るための直流電流 供給源装置を接続した。この装置は、ショート−迅速遮断回路をいつでも使用で き、かつプラズマの点火のための一時的過剰電圧ピークを発生させた。最大の調 節可能な負の電圧は、８Ａの電流強度で、−７５０Ｖであった。 この使用装入架台は、エッジの長さ１２．４ｍｍを有する超硬合金製の使い捨 て旋削バイト（Ｗｅｎｄｅｓｃｈｎｅｉｄｐｌａｔｔｅ）７００個までを収納で きた。ＣＶＤ−被覆時に調節される例えば３００００Ｐａの真空圧の取得は、そ のポンプ媒体が、真空発生と並んで同時に、例えば未使用の金属塩化物及び塩化 水素を含有する被覆工程の排ガスの中和のために役立つ弱塩基性のＮａＯＨ−溶 液である液体リングポンプを用いて行う。この装置は、更に、ＣＶＤ−装置中で 当初は被覆室の真空度を試験するためにのみ備えられていたが、今やプラズマ処 理のためにも使用できる回転すべり弁−真空ポンプを備えている。ＣＶＤ−装置 には、この被覆法に必要であるチタン、ジルコン及び／又はアルミニウムの塩化 物及び水素、窒素、メタン、二酸化炭素及び／又はアルゴンからのガス混合物の 製造のための技術水準で公知のシステムがこれに属す る。このシステムを用いて、記載のプラズマ処理のためのガス混合物も調製でき る。 本発明による工具の製造のために、装入架台に、超硬合金（Ｃｏ ６％、Ｔｉ Ｃ ２％、ＴａＣ ４％、残りはＷＣよりなる）製のＣＮＭＧ１２０４１２（ＤＩ Ｎ４９８７による名称）型の使い捨て旋削バイト２５０個を積載した。この被覆 室（Ｋａｍｍｅｒ）を真空化させ、水素を充填した。この室の上を覆っている炉 により９８０℃の温度に加熱の後に、３００００Ｐａの圧力に調節した。この条 件下に、次の工程でＴｉＣｌ₄ １.５％、ＣＨ₄ ３.２％、Ｎ₂ １２％及びＨ₂ ８ ３.３％よりなるガス混合物を２０分間にわたり試料の上に、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）− 層の析出のために導いた。その後、ＴｉＣｌ₄及びＣＨ₄を導入し、Ｎ₂ １０％、 Ｈ₂ １０％及びＡｒ ８０％の新たなガス混合物をこの反応器中に導入した。一 定温度で回転すべり弁−真空ポンプを有するポンプシステムに切り換え、圧力を ２００Ｐａまで低下させた。その後、装入架台に−６００Ｖの直流電圧を印加し た。放電電流の測定により、間接的にコロナ放電の発生及びプラズマ処理の開始 を推測することができた。５分の経過後に電圧及び回転すべり弁ポンプを切断し 、圧力を３００００Ｐａまで高め、メインポンプシステムに接続し、改めて前記 の反応性ガス混合物をこの室に通した。これらの記載の２方法工程を数回繰り返 して、合計１０ のＣＶＤ−被覆工程及び９のプラズマ処理工程を実施した。このチャージの冷却 は、最初に水素中で、後に窒素中で行った。 本発明の工具と慣用のＣＶＤ−法で被覆された工具とを比較するために、ＣＶ Ｄ−相の前記のパラメータの調整下に基体（プラズマ処理の省略下に）を被覆し た。このＣＶＤ−被覆の時間は、１５０分であった。 双方の実験から、冷却及び解放後に装入架台の上部、中間部及び下部からの試 料を取り出し、形成された層をカロッテンシュリッフ（Ｋａｌｏｔｔｅｎｓｃｈ ｌｉｆｆ）法を用いて金属組織学的に検査した。顕微鏡下で、双方の被覆で、基 材超硬合金と被覆との間での移行部での裂け目を示さず、一様な藤−青色を有す ることが観察できた。中間的プラズマ処理工程を行なった試料は、僅かに暗く見 えるが、これは、ダイアモンド研磨剤に基づく違いに帰因することもあり得る。 多層被覆におけると類似の構造は、上方の試料でのみやっと認識された。層厚の 測定は次の結果を示した： プラズマ処理工程を行った試料の層厚は、比較実験のそれよりも約３０％厚い 層厚を有することが判る。この結果は、それぞれ１処理工程の実施の後の高めら れた層成長速度を示している。 いくつかの試料を破断し、付着層を有する破断片を、ラスター電子顕微鏡を用 いて６０００倍の拡大率で検査した。この層の結晶の大きさの正確な測定が不可 能である場合にも、本発明の試料では、全体の層の下部から上部まで一様に構成 されている明確に微細な層組織を認めることができた。これに反して、比較実験 の試料は、層の外側部分に明らかに粗大な結晶を有した。このことは、破断され なかった試料での外側層表面の観察の際にも明らかであった。比較実験の試料は 、とがった上縁プリズムを有する砕石様の粗い表面を有し、本発明の試料は、平 滑で、僅かに波うった表面構造を示した。最後にレントゲン回析検査でも、同様 に本発明の試料の著しく微細な組織構造を立証している線状拡がりが観察された 。 使用特性の試験のために、双方の実験のチャージから、層厚の違いの影響を排 除するために、１０〜１１μｍの範囲の層厚を有する試料を選び出した。これら の使い捨て旋削バイトを、工業的仕上げの実際で、工 具４２ＣｒＭｏ４Ｖ製の最大直径２４６ｍｍ及び長さ３１０ｍｍを有する軸ピン の回転で試験した。この切断速度は、７５ｍ／ｍｉｎから１８０ｍ／ｍｉｎまで の直径の先細りに基づき変化した。切断深さは４〜６ｍｍであり、送りは０．１ ８ｍｍ／回転であった。本発明の被覆を有するものでは、１切断エッジ当たり１ ２〜１５加工片を加工できたが、比較のための慣用の方法で被覆された使い捨て 旋削バイトを用いると、同じ層厚にも関わらず６〜８加工片のみを仕上げること ができた。基材においても層においても材質の組成に違いが存在しないので、使 用特性のこの改善は、本発明による特別な被覆法で得られた微細粒状の組織構造 のみによるものと言うべきである。 得られた緻密で、微細粒状の、全層厚にわたり一様な組織は、平滑な表面及び 粒子界面の大きい数に基づく基材の熱膨張により生ぜしめられる張力への良好な 適応をもたらす。従って、施与された層は、破壊を起こしうる微細亀裂の形成の 危険が小さい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．超硬合金又はサーメットからの基体及びこの基体上に施こされたチタン及び ／又はジルコニウムの炭化物、窒化物及び／又は炭窒化物及び／又は酸化アルミ ニウムよりなる多層のＣＶＤ−法で施与された表面被覆より成る工具において、 少なくとも１層は、ＣＶＤ−析出を、１〜３０分の時間にわたり、反応ガスの供 給を調節し、アルゴン、水素及び／又は窒素からの非反応性ガス混合物を１０〜 １０００Ｐａの圧力で被覆容器中に導入し、かつ基体又は部分的に被覆された基 体に、この時間の間に負の２００〜１０００Ｖの直流電圧を印加することにより 、数回中断する方法で製造されていることを特徴とする、工具。 ２．ＣＶＤ−被覆の間及び中断期間の間の温度の差は最高２００℃だけ異なって いる、請求項１に記載の工具。 ３．多層の基層及び連続的なＣＶＤ−法で施与された外側カバー層を有する、請 求項１又は２に記載の工具。 ４．多層の基層は、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）から、かつ外側カバー層はＡｌ₂Ｏ₃からなっ ている、請求項３に記載の工具。 ５．超硬合金又はサーメットからなる基体を、チタン 及び／又はジルコニウムの炭化物、窒化物及び／又は炭窒化物及び／又は酸化ア ルミニウムよりなる複数の層で、個々の層の連結のために必要な反応ガスを被覆 容器中に導入するＣＶＤ−析出法を用いて被覆する方法において、ＣＶＤ−析出 を、１〜３０分間にわたって、反応ガスの供給を調節し、アルゴン、水素及び／ 又は窒素からなる非反応性ガス混合物を１０〜１０００Ｐａの圧力で被覆容器中 に導入し、基体又は部分的に被覆された基体にこの時間の間に２００Ｖ〜１００ ０Ｖの負の直流電圧を印加することにより、中断することを特徴とする、超硬合 金又はサーメットからなる基体をチタン及び/又はジルコニウムの炭化物、窒化 物及び/又は炭窒化物及び/又は酸化アルミニウムよりなる複数の層で被覆する方 法。 ６．ＣＶＤ−被覆の間の温度と中断期間の間の温度との差を最高２００℃だけ異 なるようにする、請求項５に記載の方法。 ７．中断期間の間の負の直流電圧は４００Ｖ〜８００Ｖである、請求項５又は６ に記載の方法。 ８．中断期間の間の圧力は１００〜５００ｐａ、有利に２００Ｐａである、請求 項５から７のいずれかに記載の方法。 ９．個々のＣＶＤ−析出相は、それぞれ５〜６０分、有利に１０〜３０分である 、請求項５から８のいず れかに記載の方法。 １０．個々のＣＶＤ−相と個々のプラズマ処理相との時間的割合は２：１〜１０ ：１である、請求項５〜９のいずれかに記載の方法。 １１．中断期間の間の負の直流電圧は、定電圧、パルスであるか又は高い振動数 の交流電圧を重ねて整流された交流電圧である、請求項５から１０のいずれかに 記載の方法。 １２．外側の相の析出の後に、水素及び／又は窒素の下で冷却し、有利に先ず水 素下に、引き続き窒素下に冷却する、請求項１１に記載の方法。 １３．丸削り、フライス削り、穿孔又はねじ切りのために請求項１から１２のい ずれかに記載の工具を使用すること。