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JP3064287U - 複合体、該複合体の製造法及び該複合体の使用法 - Google Patents

複合体、該複合体の製造法及び該複合体の使用法

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JP3064287U JP1999600004U JP60000496U JP3064287U JP 3064287 U JP3064287 U JP 3064287U JP 1999600004 U JP1999600004 U JP 1999600004U JP 60000496 U JP60000496 U JP 60000496U JP 3064287 U JP3064287 U JP 3064287U
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ケーニッヒ ウド
ドライヤー クラウス
ゾットケ フォルクマー
ヴェストファール ハルトムート
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Abstract

(57)【要約】 本考案は、Ti、Zr、Hf、V、Nb及び/又はTa
の炭化物、窒化物、炭化窒化物及び/又はAl2O3又はZ
rO2からなる1つ又は複数の層を有する支持体からなる
複合体、該複合体の製造法及び該複合体の使用に関する
ものである。切削の際又はその他の剥離負荷下での磨滅
特性の改善のために、Zr、Hf、V、Nb、Ta又は
Crの炭化窒化物からなる層を、Al2O3層又はZrO2
の上に直接付着させるか又はZrC又はZrNからなる
最大0.5μm又はTiNからなる最大0.1μmの薄
い中間層上で間接的にAl2O3層又はZrO2層上に付着さ
せることを提案している。

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、Ti、Zr、Hf、V、Nb及び/又は Taの炭化物、窒化物、炭化窒化物及び/又はAl O3又はZrO2からなる1つ又は複数の被覆を有する 支持体に関するものである。
更に、本考案は、硬質金属、サーメット、スチール 又はセラミックからなる基体上又は被覆された基体上 でのCVD又はプラズマ活性されたCVDによる前記 金属の炭化窒素からなる被覆の製造法に関するもので ある。
更に、該複合体の使用が記載されている。
公知技術水準により知られるようになった第一の被 覆は、8μmまでの厚さを有する炭化チタンからなる ものであったが、これにより、自由平面磨滅に対する 改善された磨滅保護作用を達成することができた。更 に、炭化チタン及び窒化チタンからなり、殊に、外側 層としての窒化チタンを有する二層又は多層の被覆は 、公知技術水準に属するものであり、これにより、切 削のために使用したブレードの場合に、少なくされた 甌穴を達成することができた。前記ブレードを更に改 善するためには、層順序TiC、Ti(C,N)−T iNを有する多層被覆も提案されている。セラミック 、例えばAl2O3の性質を制約する脆弱性を、Al2 O3が薄層の形で施与される場合に、最小限に抑える ことができると分かってからは、TiC、Ti(C, N)とAl2O3からなる外側層とからなる多層被覆も 使用されている。特許文献中、例えば特殊な被覆法に 該当する欧州特許第0229282号B1の範囲内で は、元素、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナ ジウム、ニオブ及び/又はタンタルの炭化物、窒化物 及び/又は炭化窒化物が扱われているが、記載された それぞれの実施例は、被覆材料としてのチタン化合物 、一部には酸化アルミニウムとの組合せに限定されて いる。同じことは、ZrO2に関しては、化合物の場 合又は酸化物含有被覆のための代用品としても当ては まる。まず、ドイツ連邦共和国特許出願公開第362 0901号又は内容的に対応する欧州特許出願公開第 0250865号A1中に、ブレードが、炭化チタン 、炭化窒化チタン及び/又は窒化チタンで被覆されて おり、その外側の被覆層は、薄い窒化ジルコン層から なる切断工作部材が記載されている。前記のチタン化 合物よりも劣った磨滅特性を有する窒化ジルコンは、 前記の層の下に位置するベース被覆の、空気中の酸素 による酸化を阻止することになり、それにより、炭化 チタン層、炭化窒化チタン層及び/又は窒化チタン層 の良好な磨滅特性が完全に保持され続けている。そう でなければ、実際には、被覆材料としてのジルコニウ ム化合物は使用されていない。
その上更に、米国特許第3854991号(又はス イス国特許出願公開第585273号)中には、被覆 が、HfCN及びZrCNからなり、HfCN及びH fCNとZrCNとからなる混合物の場合には、4. 570〜4.630▲の間であり、ZrCNの場合に は、4.6〜4.62▲の間であるX線回折格子定数 を有していることになる被覆された焼結硬質金属製品 が記載されている。ZrCNの場合には、C/N比は 、明らかに1を下回っている。前記の炭化窒化ハフニ ウム又は炭化窒化ジルコニウムの製造には、ハロゲン 化ハフニウム及び/又はハロゲン化ジルコニウムを、 水素、窒素及び炭化水素と一緒に、1000〜130 0℃の温度で支持体上に導入している。
特公昭61−19777号公報には、Al2O3及び /又はZrO2からなる中間層、支持体に隣接した、 チタン、ジルコン又はハフニウムの炭化物及び/又は 炭化窒化物からなる内側層及びハフニウム又はジルコ ンの窒化物及び/又は炭化窒化物からなる外側層を有 する多層被覆を有する複合体及び硬質金属支持体が記 載されている。しかしながら、Al2O3層の層厚は、 1μmであるにすぎないとのことであるので、前記の 層は、エピタキシー中断に関連してのみ有効であるこ ともあるが、しかし、摩滅を最小限にする作用を示す ものではない。
本考案の課題は、磨滅特性が切削の際又はそれ以外 の剥離負荷下で、延長された可使時間に関して改善さ れている複数の被覆を施された支持体からなる複合体 を製造することである。前記課題は、請求項1による 複合体によって解決されるが、該複合体は、1つの層 がZr、Hf、V、Nb、Ta又はCrの炭化窒化物 からなり、前記の層がAl2O3層又はZrO2層上に 直接付着しているか又はZrC又はZrNからなる最 大0.5μmの薄い中間層又はTiNからなる最大0 .1μmの薄い中間層上でAl2O3層又はZrO2層 上に間接的に付着していることによって特徴付けられ る。前記の炭化窒化層は、有利に少なくとも2μmな いし最大6μmの厚さを有しており、及び/又はAl2 O3層又はZrO2層は、2μm、有利に3μm以上 の厚さを有している。当該の厚さは、ブレードとして 形成されている複合体の場合、ブレードエッジに沿っ て存在していなければならない。外側層が前記の炭化 窒化物、殊にZrCN又はHfCNからなり、前記の 炭化窒化物層上に1つ又は複数の外側層が施与されて いることも可能であるが、この場合、前記の1つ又は 複数の外側層の厚さ又は全体の厚さは、2μm、有利 に1μmを上回ってはならない。換言すれば、本考案 の範囲内では、前記の炭化窒化物層に極端に薄い別の 層が上塗りされる場合にのみ、同等の良好な解決が得 られる。
有利に、一方でAl2O3及び/又はZrO2及び他 方で前記の炭化窒化物からなる2つの層の全体の厚さ は、少なくとも5μmであるが、しかし有利には最大 10μmである。
一方でAl2O3及び/又はZrO2及びZr、Hf 、V、Nb、Ta又はCrの炭化窒化物からなる2つ の層の下方には、周期律表の第IVa族又は第Va族 の元素の窒化物、炭化窒化物又は炭化物、有利にチタ ン、ジルコニウム及び/又はハフニウムの炭化物、窒 化物及び/又は炭化窒化物からなる1つ又は複数の層 が配置されていてもよい。炭化物、窒化物又は炭化窒 化物の当該の層順序は、任意に選択できるが、しかし 、内側から外側に向かって、TiN、TiCN、Al2 O3及びZrCNとなっているのが更に有利である。
有利に、回転用のブレードとして使用される複合体の 場合、以下の層厚:TiN:0.5〜2μm;TiC N:9〜13μm;Al2O3:2〜4.5μm及びZ rCN:2〜4μmのものが使用される。フライス用 の相応するブレードの場合、有利に以下のような層厚 :TiN:0.5〜2μm;TiCN:9〜13μm ;Al2O3及びZrCN:4〜6μmが選択されるが 、この場合、Al2O3及びZrCNの層厚のいずれか は、少なくとも1μmの厚さである。
支持体は、本考案のもう1つの実施態様によれば、 殊にSi3N4をベースとする硬質金属、スチール、サ ーメット又はセラミックからなる。有利な硬質金属支 持体は、バインダーとしてのCo5.5〜8.5質量 %、有利にCo5.5〜6.5質量%、残りがWCで ある。また、支持体は、TiC1〜3質量%、Tac 2〜5質量%、NbC1〜3質量%、Co5.5〜8 .5質量%、残りがWCを有していてもよい。
Zr、Hf、V、Nb、Ta又はCrからなる炭化 窒化物層の製造のためには、第一の選択肢によれば、 反応性ガス雰囲気が、調整された反応温度で水素、ア ルゴン、前記金属の塩化物とともに、三重結合を有す るイオン化された及び/又はイオン化されていない炭 素−窒素供与体を含有し、この場合、炭素と窒素との 間の結合の間隔が、室温で、0.114〜0.118 nmの間である、プラズマ活性されたCVD法が行わ れる。殊に、イオン化されたC−N供与体及びイオン 化されていないC−N供与体は、400℃〜700℃ の間の温度及び100〜1000Paの圧力でプラズ マ活性を用いる、シアニド基(CN−三重結合)を有 するガスのイオン化及び高熱分解によって製造される 。反応温度でシアン基(−CN)を遊離することがで きる適当な物質は、シアン水素、シアンアミド、シア ノーゲン、シアノアセチレン及びアセトニトリルのよ うな有機化合物である。付着の際に、支持体は、プラ ズマ活性のためにカソードとして接続されていてもよ く、該カソードに接して、パルス化された直流電圧が 接続している。この種の方法の実施は、例えばドイツ 連邦共和国特許第3841731号C1中に記載され ている。
また、炭化窒化物からなる前記の硬質物質層をCV Dを用いて施与することも可能であるが、この場合、 ガス相は、700℃〜1100℃の間の反応温度及び 有利に5kPa〜100kPaの間の圧力で、H及 び/又はAr並びに前記の金属の塩化物とともに、C −N分子群を有する炭素供与体及び窒素供与体を含有 している。これは、室温での間隔が0.114〜0. 118nmである炭素と窒素との間に三重結合を有す るシアニド基である。前記化合物は、シアン水素、シ アンアミド、シアノーゲン、シアノアセチレン又はア セトニトリルである。選択的に又は部分的に、炭素と 窒素との間に1つの単結合を有するCN分子群を有す るガス状の化合物を使用することもできる。C−N単 結合を有する分子は、メチルアミン及びエチレンジア ミンを有している。本考案の範囲内では、シアニド基 を有するそれぞれの物質を用いることができる;前記 の種類の化合物は、原理的に、公知技術水準により知 られており、かつ例えばドイツ連邦共和国特許出願公 開第2505009号中に記載されている。当該のシ アン基を反応温度で形成する状態にある別のガス状媒 体を反応容器の中に送り込むこともできる。
本考案による複合体の有利な使用は、この場合殊に 回転又はフライス用の剥離的に酷使された磨滅部材と してのブレード又は切削用ブレードである。
1つの詳細な実施例の場合、Co6質量%、残りが WCである金属支持体は、内側から外側に向かって続 く層順序で、記載した厚さ:TiN1μm、TiCN 10μm、Al2O34μm及びZrCN3μmで被覆 されている。外側の窒化ジルコン層は、完全に緊密で 、ひび割れがなく、プラスの固有電圧を有していた。
C/N比は約1であった。
フライス、穿孔又は回転の際の前記のブレードの切 削ブレードは、切削条件に応じて、公知技術水準によ り知られており、かつ例えば層順序TiN、Al2O3 又は最も外側の層としてのZrNを有する多重被覆さ れた複合体を用いて達成することができた可使時間よ りも1.2〜4倍長い可使時間につながった。
良好な可使時間特性は、外側のZrCN被覆層の代 わりに、更に例えばTiNからなる別の薄層を施与し た場合であっても保持することができた。同様に、ど れだけ多くの層が層組合せ物Al2O3/ZrCNの下 方に配置されていたか及び前記の層が、Al2O3/Z rCN層順序でどれだけの厚さを有していたかという ことは重要ではなかった。従って、全層厚が26μm までであった被覆を、より良好な可使時間で使用する ことができた。同じことは、炭化窒化物層中のジルコ ニウムが、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタ ル又はクロムによって完全にか又は部分的に代替えさ れていた場合にも当てはまる。
良好な可使時間挙動は、層順序Al2O3/ZrCN の間に、更に、TiNからなる最大0.1μmの1つ の薄い中間層又はZrC又はZrNからなる次第0. 5μmの1つの薄い中間層が存在していた場合であっ ても、実現することができた。
図1は、ブレード10を示しており、線分A−Bに 沿った切断面でのブレードエッジ11は、図2中もし くは選択的な実施態様の場合には図3中で略図的に記 載してある。
図2から明らかなように、バインダーとしてのCo 6%を有するWC硬質金属からなる支持体12上には 、TiNからなる厚さ1μmの第一層13、はTiC Nからなる厚さ10μmの第二層14、次のAl2O3 からなる厚さ4μmの層15、ZrCNからなる厚さ 3μmの外側被覆層16が施与されている。
図3による実施態様は、図2による前記実施態様と は異なっている。ZrCNからなる層16とAl2O3 からなる層15の間に、厚さ0.1μmのTiNから なる層17が配置されている。付加的に、厚さ0.1 μmの外側のTiN層18が、外側被覆層として設け られている。
以下の切削結果から明らかなように、(回転ブレー ド板タイプにかかわらず)本考案により記載された回 転ブレード板は、公知技術水準により知られた回転ブ レード板に比して明らかに長い可使時間を有している 。
例 1. 工作部材:ボールベアリング152φ×36 工作部材材料:スチール 100Cr6 切断速度:280m/分 送り:0.8mm/回転 切断深度:1.0mm 回転ブレード板 例 2. 工作部材:軸頚40φ×100 工作部材材料:スチール C55 切断速度:200m/分 送り:0.7mm/回転 切断深度:2.5mm〜3.0mm 回転ブレード板 例 3. 工作部材:自由輪 工作部材材料:スチール Ck45 切断速度:220m/分 送り:0.25mm/回転 切断深度:2mm 回転ブレード板 例 4. 工作部材:ドライブシャフト50φ×310 工作部材材料:スチール 16MnCr5 切断速度:260m/分 送り:0.4mm/回転 切断深度:2mm〜3mm 回転ブレード板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 クラウス ドライヤー ドイツ連邦共和国 エッセン ミヒャエル シュトラーセ 22 (72)考案者 フォルクマー ゾットケ ドイツ連邦共和国 ミュールハイム グリ ューネック 6 (72)考案者 ハルトムート ヴェストファール ドイツ連邦共和国 デルムバッハ シュー ルシュトラーセ 16

Claims (18)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】一方の側がTi、Zr、Hf、V、Nb及
    び/又はTaの炭化物、窒化物及び/又は炭化窒化物か
    らなり、他方の側がAl2O3又はZrO2からなる多層被覆
    (13〜16)を有する、支持体(12)からなる複合
    体において、 少なくとも2μmの厚さのAl2O3層又はZrO2層上に、
    Zr、Hf、V、Nb、Ta又はCrの炭化窒化物から
    なる層(16)を付着させるか又は少なくとも2μmの
    厚さのAl2O3層又はZrO2層上に、薄い中間層を付着さ
    せ、その上にZr、Hf、V、Nb、Ta又はCrの炭
    化窒化物からなる層(16)を付着させるが、この場
    合、中間層は、0.5μmの最大厚を有するZrC又は
    ZrNからなるか又は0.1μmの最大厚を有するTi
    Nからなることを特徴とする、複合体。
  2. 【請求項2】Zr、Hf、V、Nb、Ta又はCrの炭
    化窒化物からなる層(16)が、少なくとも2μmない
    し最大6μmの厚さを有する及び/又はAl2O3層又はZ
    rO2層が、少なくとも3μm以上の厚さを有する、請求
    項1に記載の複合体。
  3. 【請求項3】Zr、Hf、V、Nb、Ta又はCrの炭
    化窒化物からなる層(16)の上に、1つ又はそれ以上
    の外側層が施与されており、この場合、前記の1つ又は
    それ以上の層の厚さ又は全体の厚さが2μm、有利に1
    μmを上回らない、請求項1又は2に記載の複合体。
  4. 【請求項4】一方の側がAl2O3及び/又はZrO2からな
    り、他方の側がZr、Hf、V、Nb、Ta又はCrの
    炭化窒化物からなる2つの層の全体の厚さが、少なくと
    も5μm及び有利に最大10μmである、請求項1から
    3までのいずれか1項に記載の複合体。
  5. 【請求項5】一方の側が、Al2O3及び/又はZrO2から
    なり、他方の側が、Zr、Hf、V、Nb、Ta又はC
    rの炭化窒化物からなる2つの層の下側に、周期律表の
    第IVa族又は第Va族の元素の炭化物、窒化物、炭化
    窒化物からなる1つ又はそれ以上の層(13〜15)、
    有利にチタン、ジルコニウム及び/又はハフニウムの炭
    化物、窒化物及び/又は炭化窒化物が配置されている、
    請求項1から4までのいずれか1項に記載の複合体。
  6. 【請求項6】支持体(12)の上に内側から外側に向か
    って施与されたTiN、TiCN、Al2O3及びZrCN
    からなる層順序(13〜16)を特徴とする、請求項1
    から5までのいずれか1項に記載の複合体。
  7. 【請求項7】以下の層厚:TiN:0.5〜2μm;T
    iCN:9〜13μm;Al2O3:2〜4.5μm及びZ
    rCN:2〜4μmである、請求項1から6までのいず
    れか1項に記載の複合体。
  8. 【請求項8】以下の層厚:TiN:0.5〜2μm;T
    iCN:9〜13μm;Al2O3及びZrCN:4〜6μ
    m、この場合、Al2O3及びZrCN層の1つは、少なく
    とも1μmの厚さである、請求項1から6までのいずれ
    か1項に記載の複合体。
  9. 【請求項9】支持体(12)が、硬質金属、スチール、
    サーメット又はセラミックからなり、殊にSi3N4を基礎
    とする、請求項1から8までのいずれか1項に記載の複
    合体。
  10. 【請求項10】硬質金属が、バインダーとしてのCo
    5.5〜8.5質量%、有利にCo5.5〜6.5質量
    %を有するWC又はTiC1〜3質量%、TaC2〜5
    質量%、NbC1〜3質量%、Co5.5〜8.5質量
    %、残りがWCからなる、請求項9に記載の複合体。
  11. 【請求項11】反応性ガス雰囲気が、調節された反応温
    度で、水素、アルゴン、下記の金属の塩化物とともに、
    三重結合を有するイオン化された炭素−窒素供与体及び
    /又はイオン化されていない炭素−窒素供与体を含有す
    るが、この場合、炭素と窒素の間の結合の間隔は、室温
    で、0.114〜0.118nmである、硬質金属、サ
    ーメット、スチール又はセラミックからなる基体上又は
    被覆された基体上でのプラズマ活性されたCVDによる
    Zr、Hf、V、Nb、Ta又はCrの炭化窒化物から
    なる被覆の製造のための方法において、イオン化された
    C−N供与体及びイオン化されていないC−N供与体
    を、400℃〜700℃の間の温度及び100〜100
    0Paの圧力でプラズマ活性を用いる、シアニド基を有
    するガスのイオン化及び高熱分解によって製造すること
    を特徴とする、被覆の製造法。
  12. 【請求項12】プラズマ活性を、カソードとして接続し
    た支持体に接して、パルス化された直流電圧を用いて実
    施する、請求項11に記載の方法。
  13. 【請求項13】ガス相が、700℃〜1100℃の間の
    反応温度で、H2及び/又はAr並びに下記の金属の塩化
    物とともに、C−N分子群を有する炭素供与体及び窒素
    供与体も含有しており、5kPa〜100kPaの間の
    ガス相の圧力によって特徴付けられるCVDを用いて硬
    質物質被覆が施与される、硬質金属、サーメット、スチ
    ール又はセラミックからなる基体上又は被覆された基体
    上にZr、Hf、V、Nb、Ta又はCrの炭化窒化物
    からなる被覆を製造するための方法。
  14. 【請求項14】C−N分子群が、有利にアセトニトリル
    の使用下に、間隔が室温で0.114〜0.118nm
    の間である、炭素と窒素との間に1つの三重結合を有す
    るシアニド基−CNを有する、請求項13に記載の方
    法。
  15. 【請求項15】CN−分子群が炭素と窒素との間に1つ
    の単結合を有する分子群を有する、請求項11から14
    までのいずれか1項に記載の方法。
  16. 【請求項16】切削用のブレード又は剥離的に負荷され
    た磨滅部材としての、請求項1かた10までのいずれか
    1項に記載の複合体の使用。
  17. 【請求項17】回転による切削用のブレードとしての、
    請求項7に記載の複合体の使用。
  18. 【請求項18】フライスによる切削用のブレードとして
    の、請求項8に記載の複合体の使用。
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