JPS6070179A - 積層硬金属体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、コバルトならびにタングステン炭化物含有硬
金属基体及び結合金属なしの硬い物質層より成る積層硬
金属体に関する。ここで硬（３） い物質層は、硬い酸化物から又は硬い酸化物と硬い窒化
物の混合物から又は硬い酸化物と硬い窒化物の混晶から
構される。本発明はさらに、この積層硬金属体の製造法
に関する。

西独特許公開２．２３３．６９９号明細書から、少くと
も一つの硬い耐熱性化合物から成る５０μｍまでの厚さ
のコーティングを持つ硬金属品が知られている。耐熱性
化合物として、硬い酸化物とくに酸化マグネシウム、酸
化ハフニウム、酸化クロム＠）及び／又は酸化アルミニ
ウム、硬い窒化物とくに窒化ケイ素、窒化バナジウム、
窒化ニオブ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化チタ
ン、窒化ジルコニウム、窒化タンタル及び／又は−化ハ
フニウム、ならびに硬いホウ化物とくにニホウ化チタン
、ニホウ化タンタル又はニホウ化ハフニウムを用いるこ
とができる。

この西独特許公開２．２３＆６９９号明細書に従えば、
硬金属品のコーティングは上述の硬い物質の混合物又は
混晶から成ることもできる。この西独特許公開で提案さ
れたコーティングされ（４） た硬金属品の硬金属基体は、結合金属、ならびに炭化タ
ングステン、炭化チタン、炭化タンタル及び／又は炭化
ニオブから成る硬金属から成る。

酸素含有の硬い物質層、とくに酸化物から成る硬い物質
層は硬金属に対して不十分な接着力しか持たず、比較的
小さな歪みででもひび割れすることが知られていた。従
って酸素含有の硬い物質層の接着性を敗勢する研究がな
かった訳ではない。

西独特許２．２５５．７４５号明細書において、硬金属
基体、中間層及び、酸化アルミニウム及び／又は酸化ジ
ルコニウムから成る−又は複数の極度に耐磨耗性の沈積
物から成る結合金属不含の表面層から成る切削具が提案
されており、ここで中間層はチタン、ジルコニウム、ノ
・フニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム。

モリブデン、タングステン、ケイ素及び／又はホウ素元
素の炭化物及び／又は窒化物の−又は複数から放り、結
合金属を含まない。結合金属（５） 不含の、炭化物及び／又は窒化物から成る硬い物質の中
間層によって、硬金属基体への酸化表面層の良好な結合
が達成されなければならない。

西独特許公開２．５２５．１８５号明細書に、硬金属基
体、−又は複数のホウ化物の中間層、及び酸化アルミニ
ウム及び／又は酸化ジルコニウムの外層から成る耐磨耗
性の成形体が提案されている。とくにはチタン、ジルコ
ニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、
クロム、モリブデン及びタングステン元素のニホウ化物
から構成されるホウ化物中間層はやはり、極度に耐磨耗
性の外側の酸化硬物質の接着性を改善する。最後に米国
特許５．２６１．６７３号明細書から、炭化タングステ
ン硬金属体上にまずニッケル層を施与し、次に酸化アル
ミニウム層を飛散させることが知られており、その際ニ
ッケル中間層によって酸化アルミニウム層の接着の改善
ならびに複合物体の耐熱及び耐腐蝕性の改善が達成され
る。

本発明は、硬金属物体への結合金属不含の、（６） 酸素含有の硬い物質層の接着強度を改善するという課題
に基礎を置き、ここで別途の数μｍ厚さの中間層の施与
は避けられなければならない。

なぜなら、中間層の形成は、積層硬金属体の製造を複雑
にし、かつ高価にするからである。

本発明の課題は、硬金属基体が、硬金属成分の他に相０
ｏＷＢ　ｆ含むＬＬ２〜２０μｍ厚さのゾーンをその表
面に有することによって解決される。酸素含有の硬い物
質層の異常に良好な接着性が硬金属基体の表面での相０
ｏＷＢの存在によって達成されることは驚ろくべきこと
である。

なぜなら、この相Ｆｉｆｉ業界の従来の知識によれば硬
物質をコーティングした硬金属体の特性を悪化させるは
ずであるからである。

従って、プラン湖セミナールの報告（Ｖｏｒｔ−ｒ’ａ
ｇｅ　ｌｅｅ　Ｐｌａｎｓｅｅ−８ｅｍｉｎａｒｓ　）
１９８１　、第４４３〜４５７頁のＺｅｍａｎ　、　Ｍ
ａｙｅｒｈｏｆｅｒ　及びＫｕ’１ｍｂｕｒｇ　の発表
において、ホウ素は硬金属のコバルト結合相と優先的に
反応して０ｏＷＢ相を形成するので、基体物質中へのホ
ウ素の拡散に（７） よシ脆い相が形成されると述べられている。従って０ｏ
ＷＢ形成を避けるために、硬金属体上へのニホウ化チタ
ン硬物質層の析出前に壕ず炭化チタン中間層を析出する
ことを著者は提案している。これに対して、本発明に従
う積層された硬金属体の製造においては、硬い酸化物か
ら又は硬い酸化物と硬い窒化物の混合物から又は硬い酸
化物と硬い窒化物の混晶から構成される硬物質層の接着
力ｆ　０ｏＷＢ相が著しく改善し、従って接着力を必要
とする別途の中間層の施与全やめることができることが
判・りた。本発明に従う積層硬金属体は、極めて良好な
磨耗特性を持つ。

本発明に従いさらに、硬物質層はａ２〜２０μｍの厚さ
を持ち、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム又はオキ
シ窒化アルミニウムから成り、ここでオキシ窒化アルミ
ニウムの窒素含量は１１〜１０原子係であることが提案
される。

驚ろくべきことに、酸化物含有硬物質層のうち、酸化ア
ルミニウム、酸化ジルコニウム又はオキ（８） シ窒化アルミニウムから成る硬物質層が、ＣｏＷＢ含有
ゾーンを持つ硬金属基体への極めて良好な接着性を持つ
ことが判った。

本発明に従いまた、結合金属不含の硬物質層上に、アル
ミニウム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、ハフニウム
、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブテン
、タングステン及び／又はイツトリウム元紫の硬い炭化
物、窒化物、ホウ化物及び／又は酸化物から成る少くと
も一つの別の結合金属不含硬物質層が施与され、ここで
全硬物質層の厚さは１５〜３０μｍであることが提案さ
れる。結合金属不含の硬物質層上に少くとも一つの別の
結合金属不含の硬物質層が施与されると、本発明の硬金
属体の特性が更に改善されうろことが判った。その際、
複数の異る組成の硬物質層から構成されるサンドイッチ
積層が特に有効である。

本発明の基礎の課題はさらに、積層硬金属体の製造法に
より解決され、該方法において硬金属基体１０ｏＷＢ含
有ゾーンの形成のために３〜（９） ６０分間８００〜１２００℃好ましくは９５０〜１０５
０℃で５０００〜１０００００パスカルの圧力で三塩化
ホウ素と水素の混合物により処理し、その際三塩化ホウ
素の分圧は圧力の１〜１０％であり、続いて結合金属不
含の硬物質層及び場合によりその後別の結合金属不含の
硬物質層を公知のやシ方でＯＶＤ法に従い気相から析出
させる。本来の硬物質析出の前の硬金属基体表面のホウ
化によって、硬金属の他の成分と共に表面ゾーンに存在
する０ｏＷＢ相を、硬金属に含まれるコバルト及びタン
グステン炭化物とホウ素との反応によってゾーンにおい
て形成することが有利なやり方で達成される。０ｏＷＢ
含有ゾーンにおいて、結合金属の残留含量はなお検出で
き、一方、炭化ホウ素はそこで同定されない。０ｏＷＢ
含有ゾーンにおいて、硬金属基体のコバルト含量の６６
％までがホウ素との反応により０ｏＷＢ相中で転化し、
その際もちろんゾーン内の外側から内側に０ｏＷＢ相の
濃度の降下が生じる。０ｏＷＢ含有ゾーンは、０．３〜
３重（１０） 量チ好ましくはＩ１５〜２重量係のホウ素含量を持つ。

硬金属基体のホウ素化は小分間のみ必要であり、一方、
数μｍ厚さの硬物質中間層の施与は数時間を要するので
、本発明の方法によりエネルギー及び空間の節約による
注目すべき利点が得られる。

０ｏＷＢ含有ゾーンを備えられる硬金属基体は、結合金
属相及び硬物質相から成る。結合金属相はコパル）１−
含まねばならず、硬物質相は炭化タングステンを含まね
ばならない。結合金属相はコバルトの他に結合金属鉄及
び／又はニッケルを含むことができ、硬物質相は炭化タ
ングステンの他に硬物質炭化チタン、炭化タンタル及び
／又は炭化ニオブを有することができる。硬金属基体の
表面ホウ素化によって、寸法は変らない：従ってホウ素
化の際にホウ素含有中間層は成長しない。積層した硬金
属体の良好な磨耗特性の故に、それは本発明に従い金属
工作材料とくに鋳鋼の切削加工のための切削工具として
用いられる。なぜならそれは、この目的のため（１１） に特に適しており、このことは対応するテストにより実
証された。

本発明の対象を以下で実施態様に基づいてより詳しく説
明する。

（１２） 実施例ｌ ＣＶＤ反応器に、５．５重量％のコバルト及び９４．５
重量％の炭化タングステンから成るＩＳＯ屑出し加工適
用群ＫＩＯの硬金属の回転刃板を入れる。この回転切削
板を１０１０℃の温度に加熱後に、１０分間１．３％の
三塩化ホウ素と９８．７　％の水素から成るガス混合物
を４００００パスカルの圧力で反応器に導く。続いて同
じ温度で、２．７チの三塩化アルミニウム、４．３％の
二酸化炭素、２．６チの塩化水素及び９０．４　％の水
素から成るガス混合物を総圧力６０００パスカルで導入
することによシ酸化アルミニウムの２〜３ｊｑ７Ｌ厚す
の層を析出させる。二つのガス混合物中の個々の物質の
パーセント割合は体積パーセントでちゃ、かつ同時に全
圧に対する個々の物質の分圧の割合を与える。

水素流中で冷却後に回転刃板を取り出し、種々のテスト
を行う。

金相学的な横断研磨の後に、ホウ素化ゾーン及び施与さ
れた酸化アルミニウム層を顕微鏡で調べた。それは硬物
質層の割れを全く示さない。炭化タングステン粒及び結
合金属コバルトから成る硬金属は、隣接する酸化アルミ
＋＝−ウム層まで組織像における変化を示さない。走査
型電子顕微鏡による組織の観察は、同じ結果を与える。

電子線微小ゾンデによる微小領域分析によって、硬金属
の表面ゾーンはコバルト、タングステン及び炭素元素の
他に更に約０．８重量％のホウ素を含み、ホウ素の濃度
は外側から内側へと減少することが確認された。

ＣｏＷＢ含有ゾーンは、約３〜５μｍの厚さを持つ。積
層した板のいくつかをＸ線回折法で調べたその際、基体
及び硬物質層Ｋｉ！１すれる物質コバルト、炭化タング
ステン及び酸化アルミニウムの回折線の他に、池数の別
の回折線が観察され、これは総て既知の相Ｃｏ　Ｗ　Ｂ
に帰すことができる（　Ａｃ−ｔａ　Ｃｒｙｓｔａｌｌ
ｏｇｒａｐｈｊｃａ　、　Ｂ　２４巻、　１９６８゜第
９３０〜９３４頁、参照）。

最後に５００００倍率での透照顕微鏡による調査は、表
面近傍にある炭化タングステン粒は部分的に相ＣｏＷＢ
に転化していることを示す０まとめるとこの研究の結果
として、本発明に従う方法により、炭化タングステン及
びコバルトがら成膜その表面に少しの相ＣｏＷＢを有す
る硬金属基体及びそれに固く接着する酸化アルミニウム
層から成る複合体が得られたことが判りた。

タイプ５ＮＵＮ１２０４０８（ＩＳＯ基準による）の本
発明の積層回転刃板を刃先保持テストに付した＠その際
、旋盤上で特に磨滅作用をする鋳鋼ＧＧＧ２６０ＲＢ及
びタル鋳物ＧＨ５００を加工した。

比較のために、同じ大きさの市販の回転刃板をテストし
た。これは公知の方法で炭化チタン及び酸化アルミニウ
ムの二重層を積層されている。

テスト条件及び結果を以下の表に示す。

加工材料　：　鼠銑　ＧＧＧ２６０ＨＢ切削速度　：９
０ｍ／分 切削深さ　：１．５１゜ 送　シ　：　０．２ｍｍ／回転 切削時間　：　８分間 （１ｇ） 加工材料　：　チル鋳物ＧＨ５００ 切削速度　：３０ｍ／分 切削深さ　：１．５ｆｎ席 送　Ｆ）　：　０．２ｔｎｔｎ／回転 切削時間　＝　８分間 （１６） 磨耗の大きさは、公知のや）方で凹穴深さ及び磨耗マー
ク幅の測定によυ決められた。

それによると、本発明の複合物体は、硬物質層の総厚さ
が小さいにも拘らず極めて少しの磨耗しか示さない。

実施例２ ＩＳＯ屑出し加工適用群Ｍ１５の回転刃板を用いた。こ
れは、結合金属コバルト及び硬物質炭化タングステンの
他に更に格子定数ａ＝０．４３６の組成（Ｗ、ＴＩ　、
Ｔａ、Ｎｂ）Ｃの立方混晶を含む。

先の実施例で行ったような処理に因んで三塩化ホウ素−
水素ガス混合物中で公知のやり方で約１μｍ厚さの硬物
質層を析出させた。これは、主成分アルミニウム及び酸
素の他に更に約１重ル：俤のホウ素を含む。

次にオキシ窒化アルζニウム層の上に公知のやシ方で約
０．２５μ情厚さの１窒化チタン層を析出させた。続い
てこの上に直接に、交互に各々三つの更に約１μｍ厚さ
のオキシ窒化アルミニウム層と約０．２５μ情厚さの酸
化チタン層を析出させた。

従って、下記の層構造を持つ複合体が得られた。

ホウ素化ゾーンを持つ硬金属−オキシ窒化アルミニウム
ー窒化チタン−オキシ窒化アルミニウムー窒化チタンー
オ午シ望化アルミニウムー窒化チタン−オキシ窒化アル
ばニウム−窒化チタン。硬物質層の総厚さは約４〜５μ
ｍであり、ＣｏＷＢ含有ゾーンは３〜５μｍの深さであ
る。

この回転刃板を、実施例１記載と同じ方法でテストした
。硬金属の辺縁ゾーンにおいてやはシＣｏＷＢ相が見ら
れた。Ｘ線回折図は、コバルト、炭化タングステン、混
合炭化物、ＣｏＷＢ、オキシ窒化アルミニウム及び窒化
チタン相の回折線を示した。電子線回折によって更に、
極めて少割合のＷ、Ｃｏ□Ｂ、相が確認され、これはた
ぶんＣｏＷＢ相形成の際の中間段階で生じたのであろう
。他の相たとえば炭化ホウ素、ニホウ化チタン及び炭化
チタンは見い出されなかった。従って分析によると、こ
の複合体は、表面近傍に存在するＣｏＷＢ成分を持つ混
合炭化物含有硬金属、及び四つの相前後する、各々一つ
の薄いチタン層でへだてられた又は外部に隔離されたオ
キシ窒化アルミニウム層より成る。ホウ素化硬金属に隣
接する層は、オキシ窒化アルミニウム層である。

続いてタイプ５ＮＵＮ１２０４０８のこの回転刃板を用
いて旋盤テストを行った。下記の結果が得られた： （１９ジ 加工材料　：　焼入れ鋼　Ｃ６ＯＮ 切削速度　：　２４０？７Ｌ／分 切削深さ　：　Ｌ５ｍｍ 送　υ　：　０．２８　ｍｍ１回転 切削時間　：　１０分間 （２０） 従来の市販の回転刃板は、本発明の刃板よりも著しく厚
い合計層厚さを持っていても、本発明の刃板の方が著し
く小さな凹穴磨耗を示した。

）Ｉ〜理友　江　崎　光　好 Ａへ埋入　江　崎　光　史 第１頁の続き ■発明者　ノルベルト−ライチル　ドイセ、 ソ連邦共和国、メットマン、フンスリュツクストラー９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　コバルトならびにタングステン炭化物を含有する
   硬金属基体及び結合金属不含硬物質層から成り、該硬物
   質層が硬い酸化物から又は硬い酸化物と硬い窒化物の混
   合物から又は硬い酸化物と硬い窒化物の混晶から構成さ
   れている積層した硬金属体において、硬金属基体が硬金
   属成分の他にｃｏｗｐ＠ヲ含む０．２〜２０μｍ厚さの
   ゾーンをその表面に倫えることを特徴とする硬金属体。 ２　硬物質層が０．２〜２０μｍの厚さ全持ち、かつ酸
   化アルミニウム、酸化ジルコニウム又はオキシ窒化アル
   ミニウムから成り、但しオキシ窒化アルミニウムの窒素
   含量は１１〜１０原子チである特許請求の範囲第１項記
   載の硬金属体。 五　結合金属不含の硬物質層の上に、アルミニ（１） ラム、ケイ素、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バ
   ナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タ
   ングステン及び／又はイツトリウム元素の硬い炭化物、
   窒化物、ホウ化物及び／又は酸化物から成る少くとも一
   つの別の結合金属不含硬物質層が施与され、硬物質層総
   ての厚さが［Ｌ５〜３０μｍである特許請求の範囲第１
   項又は第２項記載の硬金属体。 ４、　コバルトならびにタングステン炭化物を含有する
   硬金属基体及び結合金属不含硬物質層から成り、該硬物
   質層が硬い酸化物から又は硬い酸化物と硬い窒化物の混
   合物から又は硬い酸化物と硬い窒化物の混晶から構成さ
   れている積層した硬金属体であって、硬金属基体が硬金
   属成分の他にａｏｗＢ＠ｅ含む０．２〜２０μｍ厚さの
   ゾーンをその表面に備える硬金属体を作る方法において
   、硬金属基体を０ｏＷＢ含有ゾーンの形成のために、３
   〜６０分間８００〜１２００℃、５０００〜１００００
   ０（２） パスカルの圧力で三塩化ホウ素と水素の混合物により処
   理し、その際三塩化ホウ素の分圧は圧力の１〜１０チで
   あること、続いて結合金属不含硬物質層及び場合により
   次に更に別の結合金属不含硬物質層’１ＯＶＤ法に従い
   気相から析出させることを特徴とする方法。 ５　コバルトならびにタングステン炭化物を含有する硬
   金属基体及び結合金属不含硬物質層から成υ、該硬物質
   層が硬い酸化物から又は硬い酸化物と硬い窒化物の混合
   物から又は硬い酸化物と硬い窒化物の混晶から構成され
   ている積層した硬金属体であって、硬金属基体が硬金属
   成分の他に０ｏＷＢ相ケ含む０．２〜２０μｍ厚さのゾ
   ーンをその表面に備える硬金属体から構成される、金属
   材料の切削加工用の切削工具。