JPH10503553A - 磨耗保護膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、支持体上に直接施与されている金属性硬質物質からなる第一単層および第一単層の上に施与された周期的に繰り返されて連続している金属性硬質物質および別の硬質物質からなる他の単層を有する多数の単層からなる磨耗保護膜に関する。本発明の課題は、多数の交互に並んだ単層からなる冒頭で挙げられた種類のもう１つの磨耗保護膜を記載することであり、この場合金属性硬質物質の機械的性質、物理的性質および化学的性質と別の硬質物質の機械的性質、物理的性質および化学的性質とが組み合わされている。前記課題は、別の硬質物質が共有結合の硬質物質であり、かつ単層が３つの単層からなる複合物の周期的に繰り返された連続であり、この場合、複合物は、２つの異なる金属性硬質物質の２つの単層および共有結合の硬質物質からなる１つの単層からなることによって解決される。

Description

【発明の詳細な説明】 磨耗保護膜 本発明は、請求項１の上位概念に記載の磨耗保護膜に関する。 この種の磨耗保護膜は、ドイツ連邦共和国特許第２９１７３４８号明細書の記 載から公知である。前記刊行物には、母体物質並びに１つもしくは複数の多種多 様に構成された複合金属を含有しないそれぞれ１〜５０μｍの厚さの硬質物質膜 からなる複合体が記載されている。硬質物質膜の１つは、それぞれ０．０２〜０ ．１μｍ（２０〜１００ｎｍ）の厚さの極めて多くの薄い単膜から構成されてお り、この場合、各単膜の硬質物質組成物は、２つの隣接した単膜の硬質物質組成 物と異なっている。磨耗保護膜の１つの有利な実施態様は、母体物質の上に載置 されている炭化チタンからなる第一膜があり、該第一膜に、一方では金属性硬質 物質、炭化チタン、窒化チタンまたはカルボ窒化チタンおよび他方では異極性硬 質物質、酸化アルミニウムまたは酸化ジルコンからなる多数の膜が交互に並んで 続いている。最後の外側の膜は、僅かな窒素含量を有する酸化アルミニウムから なっていることができる。 もう１つの磨耗保護膜は、ドイツ連邦共和国特許第３５１２９８６号Ａ１明細 書の記載から公知である。 金属性硬質物質からなる個々の層は、以下の金属性硬質物質の組合せ物からなっ ていることができる：Ｔｉ／ＴｉＮ、ＴｉＣ／ＴｉＢ₂、ＴｉＮ／ＴｉＢ₂、Ｔｉ Ｂ₂／ＷＣ、ＴｉＢ₂／Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）、ＴｉＢ₂／（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ、ＴｉＢ₂／（ Ｔｉ、Ｗ）Ｃ、（Ｔｉ、Ｖ）Ｂ₂／（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ、（Ｔｉ、Ｎｂ）Ｂ₂／（Ｔｉ 、Ｎｂ）Ｃ、ＶＢ₂／ＴｉＮ、ＶＢ₂／ＷＣ、ＨｆＢ₂／ＴａＣ、ＺｒＢ₂／ＴａＣ またはＺｒＢ₂／ＮｂＣ。本質的に、多数の界面が全膜中に存在している。これ から、無張力で、靭性で、支持体の上に良好に付着しており、かつ耐摩耗性であ る保護膜が得られる。前記の磨耗保護膜は、殊に金属の機械加工用原料の被覆に 適している。磨耗保護膜は、陰極スパッタリングの方法を用いて製造することが でき、この場合、種々の金属性硬質物質からなる複数の陰極が使用され、かつ支 持体が、回転盤を用いで周期的に陰極の析出領域を穿孔している。 欧州特許第０００６５３４号Ａ２号明細書の記載から、少なくとも２つが異な る組成である少なくとも５つ、有利に１０を上回る単層からなる磨耗保護膜は公 知であり、この場合、支持体上に存在する第一層は炭化物からなり、最後の外側 の層は硼化物または炭化物からなり、かつ中間層は炭化物、窒化物、酸化物、硼 化物またはこれらの混合物からなる。炭化物および窒化物としては、殊に元素Ｈ ｆ、Ｚｒ、Ｔａおよびチタ ンの相応する化合物、従って、金属性硬質物質が該当する。硼化物は、有利にＨ ｆ、Ｔａ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮの相応する化合物からなる。酸化物としては、異 極性硬質物質、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコン、酸化ベリリ ウムおよび酸化チタンが提案される。 ドイツ連邦共和国特許第３１５２７４２号Ｃ２明細書の記載から、多層状の被 覆を有する機械加工用原料は公知である。被膜は、周期律表の第ＩＶ（副）族の 金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）の窒化物または炭化物および第ＶＩ（副）族の金属（ Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）の窒化物、炭化物、硼化物または珪化物からなる。前記化合物 は、金属性硬質物質の群の元素である。膜は、多数が互いに順次続いており、こ の場合、第ＩＶ族の金属の化合物の膜厚は０．０５〜０．５μｍであり、かつ第 ＶＩ族の金属の化合物の膜厚は第ＩＶ族の金属の化合物の膜厚の１５〜４０％で ある。被覆は、５００までの単膜からなる。 本発明の課題は、金属性硬質物質の機械的性質、物理的性質および化学的性質 と、別の硬質物質の機械的性質、物理的性質および化学的性質とを組合せされる ような冒頭で挙げられた種類の多数の交互に並んだ単層からなる別の磨耗保護膜 を記載することである。磨耗保護膜は、セラミック性摩擦成分および金属性摩擦 成分に対して極めて低い摩擦係数および４０００ＨＶ ０．０５を上回る硬度を示さなければならない。 前記課題は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴部に挙げられた特徴によ って解決される。本発明の有利な実施態様は、他の請求項の対象である。 金属性硬質物質の群には、遷移金属の硼化物、炭化物および窒化物、殊に窒化 チタンおよび炭化チタン並びにこれらの混合結晶体がある。共有結合の硬質物質 には、アルミニウム、珪素および硼素の硼化物、炭化物および窒化物並びにダイ ヤモンドがある。 膜中の金属性硬質物質および共有結合の硬質物質の組合せ物は、前記硬質物質 の異なる機械的性質、物理的性質および化学的性質の利用を可能にする。前記硬 質物質からなる単層の周期的に交互に並んだ配置によって、多層膜の機械的性質 （硬度、粘性、付着）および化学的挙動（熱腐食、拡散、酸化）は最適化される 。 共有結合の硬質物質は、該硬質物質が金属性支持体上に良好には付着せず、脆 くかつ内力を有するので、それ自体が金属性支持体上の単層膜としては金属加工 に適していないし、共有結合物の高い含量の結果、物質組成として実現できるも のではない。共有結合の硬質物質層の本発明による配置の場合、前記のマイナス の性質は解消される。内力は、共有結合の硬質物質からなる単層の僅かな厚さに よって著しく減少され、このことによって、該硬質物質の機械的安定性および付 着は著しく改善される。共有結合の硬質物質からなる単層の厚さは、金属性硬質 物質からなる単層の厚さの多くとも半分、より良好には５分の１を下回り、かつ 有利に１〜３０ｎｍ、より良好には１〜５ｎｍの間である。金属性硬質物質から なる単層は、５００ｎｍまでの厚さであってもよい。共有結合の硬質物質が周期 的に配置された単層は、その相対的に僅かな厚さにもかかわらず、全磨耗保護層 は著しく硬度を増大させる。 磨耗保護膜の支持体上に存在する第一単層は、金属性硬質物質、有利にＴｉＮ またはＴｉＣからなる。前記硬質物質は、原料に使用された鋼および硬質金属の 上に特に良好に付着する。第一単層には、金属性硬質物質および共有結合の硬質 物質の他の単層が連続して接続している。全ての単層は、第一の複合物には、他 の複合物が接続し、かつこの複合物には、３つの単層からなる少なくとも更に１ つの複合物が接続しているような３つの単層が数回繰り返された複合物である。 ３つの単層からなる複合物は、２つの異なる金属性硬質物質、例えばＴｉＮおよ びＴｉＣの２つの単層と共有結合の硬質物質からなる１つの単層から構成されて いる。共有結合の硬質物質層の数は、少なくとも３つでなければならず；従って 、磨耗保護膜は、少なくとも９つの単層からなることになる。共有結合の硬質物 質からなる単層には、化合物Ｂ₄Ｃ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄ 、ＢＮ、サイアロン（混合結晶体（ＳｉＡｌ）₃（Ｎ、Ｏ）₄）、炭素、ＣＢ_xＮ_y 、ＣＮ_xおよびこれらの混合物が、それぞれ重ねて、金属添加剤と一緒にかまた は金属添加剤なしに使用される。 共有結合の硬質物質からなる単層の組込みによって、結晶の成長ひいては金属 性硬質物質層のエピタキシーが中断され、このことによって、界面の数が増大す る。共有結合の硬質物質層は、１０００℃前後でのその高い高度および化学的安 定性によって顕著である。従って、前記の硬質物質層は、多層状の磨耗保護膜の 内部で、拡散隔壁および金属性硬質物質の酸化に対する効果的な保護を形成して いる。 最終的な一番上の単層としては、使用分野に応じて、金属性硬質物質もしくは 共有結合の硬質物質からなる層を備えさせることができる。一番上の単層として は、Ｓｉ₃Ｎ₄、サイアロン、炭素、ＢＮまたは金属性硬質物質からなる膜が有利 である。 単層全体の数は、有利に１０〜１０００の間である。品質的に高価な磨耗保護 膜は、約１５０の単層から達成される。金属性硬質物質層の厚さは、有利に３０ 〜５０ｎｍであり、他方、既に記載されたように、共有結合の硬質物質層の厚さ は、本質的により少なく、有利に１〜３０ｎｍ、より良好には１〜５ｎｍである 。良好な結果は、１ｎｍの厚さの共有結合の硬質物質層により達成される。磨耗 保護膜の全厚は、１〜１０ μｍであってもよい。 本発明による磨耗保護膜は、公知の方法で、ＰＶＤ法の場合、支持体の上のそ れぞれ望ましい膜材料からなる複数の陰極から反応性または非反応性で除塵され 、この場合、支持体は、例えば回転盤の上で、陰極の下で周期的に穿孔するよう にして製造できる。支持体としては、殊に全ての原料鋼並びに硬質金属（族：Ｋ 、Ｐ、Ｍ）が適している。 本発明は、以下に、６つの図面に基づき詳説される。 図１ 略図による本発明による磨耗保護膜の４つの異なる実施態様（ａ）、（ｂ ）、（ｃ）および（ｄ）； 図２ 本発明による磨耗保護膜の１つの実施態様の可使時間と比較したＴｉＣお よびＴｉＮからなる磨耗保護膜の可使時間； 図３ 公知の硬質物質膜と比較した本発明による磨耗保護膜の１つの実施態様の 付着； 図５ 公知の硬質物質膜と比較した本発明による磨耗保護膜の１つの実施態様の 微小硬度； 図６ 本発明による磨耗保護膜の１つの実施態様のＴＥＭ写真。 図１は、支持体１上の本発明による磨耗保護膜の４つの実施態様を略図的に示 している。この図は、３つの単層からなる複合物２が全磨耗保護膜を通して周期 的に繰り返されている方法で備え付けられている。全ての場合に、ＴｉＣおよび ＴｉＮからなるそれぞれ２つの単層が、Ｂ₄Ｃからなる２つの単層によって包囲 されている。２つの実施態様（ａ）および（ｃ）の場合、第一単層並びに最終単 層は、ＴｉＮもしくはＴｉＣからなる。２つの実施態様（ｂ）および（ｄ）の場 合、第一単層はＴｉＮもしくはＴｉＣからなり、最終層はＢ₄Ｃからなる。記載 された実施態様の場合の層の全体数は、１５０である。金属性硬質物質の厚さは 、通常３０〜５０ｎｍであり、他方、Ｂ₄Ｃからなる層は、４つの全ての実施態 様の場合に１〜３ｎｍの厚さである。４つの実施態様の全厚は、２〜５μｍであ る。 以下の試験結果は、図１（ａ）中に略図的に記載されたＴｉＮ／ＴｉＣ／Ｂ₄ Ｃからなる磨耗保護膜並びにＴｉＮ／ＴｉＣ／ＢＮ、ＴｉＮ／ＴｉＣ／ＡｌＮ、 ＴｉＮ／ＴｉＣ／ＳｉＣまたはＴｉＮ／ＴｉＣ／Ｔｉ（Ｂ、Ｃ）からなる複合物 が約２ｎｍの厚さで周期的に連続している共有結合の単層および約５μｍの全厚 からなる磨耗保護膜に関するものである。磨耗保護膜は、それぞれ硬質金属から なる支持体上に施与されている。 図２は、連続回転試験の場合の［分］での種々の硬質物質膜の場合の可使時間 の比較を示している。切断 速度は毎分２５０ｍであり、送りは１回転当たり０．３２ｍｍであり、かつ切り 込み深さは２ｍｍであった。回転試験を、平板が損なわれるまで実施した。磨耗 保護膜ＴｉＮ／ＴｉＣ／Ｂ₄Ｃを用いた場合に、硬質金属からなる支持体上のＴ ｉＣまたはＴｉＮからなる５μｍの厚さの単層からなる磨耗保護膜のほぼ２倍の 可使時間が達成されることを示している。他の磨耗保護膜は、同様の可使時間を 示している。 図３には、種々の硬質物質膜の摩擦係数［μ］が記載されている。対象体（Ge genkoerper）は、１００Ｃｒ６からなる球体からなる。磨耗保護膜ＴｉＮ／Ｔｉ Ｃ／Ｂ₄Ｃの摩擦係数は、単層の５μｍの厚さのＴｉＮ膜もしくはＴｉＣ膜の摩 擦係数の一部にすぎない。磨耗保護膜ＴｉＮ／ＴｉＣ／Ｂ₄Ｃの一番上の層がＴ ｉＣからなるとしても、該磨耗保護膜の摩擦係数は、本質的に５μの厚さのＴｉ Ｃ膜の摩擦係数よりも少ない。極僅かに高い摩擦係数は、他の磨耗保護膜を用い た場合に生じる。 図４は、硬質金属Ｋ１０〜２０からなる支持体上の硬質物質膜の付着を示して いる（スクラッチテスト、［Ｎ］での限界荷重Ｌ_c）。磨耗保護膜ＴｉＮ／Ｔｉ Ｃ／Ｂ₄Ｃ、ＴｉＮ／ＴｉＣ／ＢｎおよびＴｉＮ／ＴｉＣ／Ｔｉ（Ｂ、Ｃ）の付 着は、この磨耗保護膜の場 合には、第一単層がＴｉＮからなるけれども、純粋なＴｉＮ膜の付着よりも明ら かに良好である。他の磨耗保護膜の付着は、純粋なＴｉＮ膜の付着と比べて若干 低下している。 図５には、種々の硬質物質膜の微小硬度ＨＶ０．０５（ビカー硬度）の比較が 記載されている。磨耗保護膜ＴｉＮ／ＴｉＣ／Ｂ₄ＣおよびＴｉＮ／ＴｉＣ／Ｔ ｉ（Ｂ、Ｃ）の硬度は、Ｂ₄Ｃの硬度に近く、ＴｉＮ膜もしくはＴｉＣ膜の硬度 を著しく上回っている。 図６は、磨耗保護膜ＴｉＮ／ＴｉＣ／Ｂ₄ＣのＴＥＭ写真を示している。これ により、ＴｉＮ／ＴｉＣ単層のエピタキシーがＢ₄Ｃ単層によって中断されてい ることが明白に認識される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．支持体上に直接施与されている金属性硬質物質からなる第一単層および第一 単層の上に施与された周期的に繰り返されて連続している金属性硬質物質および 別の硬質物質からなる他の単層を有する多数の単層からなる磨耗保護膜において 、別の硬質物質が共有結合の硬質物質であり、３つの単層からなる複合物が周期 的に繰り返されて連続するように単層が構成されており、この場合、複合物は、 ２つの異なる金属性硬質物質の２つの単層および共有結合の硬質物質からなる１ つの単層からなることを特徴とする、磨耗保護膜。 ２．複合物が窒化チタンおよび炭化チタンからなる２つの単層および共有結合の 硬質物質炭化硼素からなる１つの単層から構成されている、請求項１に記載の磨 耗保護膜。 ３．単層の数が１０〜１０００である、請求項１または２に記載の磨耗保護膜。 ４．共有結合の硬質物質からなる単層の厚さが、多くとも、金属性硬質物質から なる単層の厚さの半分である、請求項１から３までのいずれか１項に記載の磨耗 保護膜。 ５．共有結合の硬質物質からなる単層の厚さが１〜３０ｎｍである、請求項１か ら４までのいずれか１項 に記載の磨耗保護膜。 ６．全体の厚さが１〜１０μｍである、請求項１から５までのいずれか１項に記 載の磨耗保護膜。