(57)【要約】  本発明は、本体と単層膜または多層膜とからなる工具または耐摩耗性部品であって、膜の少なくとも１層がホウ酸アルミニウムからなり、またはホウ酸アルミニウム相成分を含有しているものに関する。本発明により被覆された工具または耐摩耗性部品は著しく改善された耐摩耗性と、高い靭性および耐酸化性と、摩耗体と接触して低い摩擦係数とを有し、そのことから工具寿命挙動が著しく改善される。
2007532776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金、サーメット、硬質材料またはその他の耐摩耗性材料からなる硬さ＞７００ＨＶの本体と単層膜または多層膜とからなる工具または耐摩耗性部品において、膜の少なくとも１層がホウ酸アルミニウムからなり、またはホウ酸アルミニウム相成分を含有していることを特徴とする工具または耐摩耗性部品。
【請求項２】
膜の少なくとも１層がホウ酸アルミニウムと、酸化アルミニウム、酸化ホウ素および酸化チタンの群からなる単数または複数の相成分、および選択的に元素Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｎおよび／またはＨとを、溶存態様でまたは化合物として含有していることを特徴とする、請求項１記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項３】
膜の少なくとも１層が１０〜９９．９９体積％のホウ酸アルミニウムと、０．０１〜９０体積％の酸化アルミニウムと、０〜２０体積％の酸化チタンと、０〜４０体積％の酸化ホウ素と、０〜１０体積％のＣｌ、Ｓ、Ｃ、Ｎおよび／またはＨ含有相とからなることを特徴とする、請求項１または２記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項４】
膜の少なくとも１層が７０〜９９．９体積％のホウ酸アルミニウムと、０．１〜３０体積％の酸化アルミニウムと、０〜１０体積％の酸化チタンと、０〜２０体積％の酸化ホウ素と、０〜５体積％のＣｌ、Ｓ、Ｃ、Ｎおよび／またはＨ含有相とからなることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項５】
酸化アルミニウムがκ‐Ａｌ2Ｏ3の構造を有することを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項６】
膜の少なくとも１層が５０〜９９．９９体積％のホウ酸アルミニウムと、０．０１〜５０体積％の酸化ホウ素とからなることを特徴とする、請求項１または２記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項７】
ホウ酸アルミニウムがＡｌ4Ｂ2Ｏ9またはＡｌ9Ｂ4Ｏ33の構造式を有することを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項８】
膜の少なくとも１層がＣｌ、Ｓ、Ｃ、Ｎおよび／またはＨを溶存態様で含有していることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項９】
膜の少なくとも１層がＣｌ、Ｓ、Ｃ、Ｎおよび／またはＨを微細分布元素態様で含有していることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項１０】
ホウ酸アルミニウムからなる膜層またはホウ酸アルミニウム相成分を含有する膜層が０．１〜３０μｍの厚さを有することを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項１１】
ホウ酸アルミニウムからなる膜層またはホウ酸アルミニウム相成分を含有する膜層が０．５〜５μｍの厚さを有することを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項１２】
膜が多層であることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項１３】
膜の単層または多層が主としてホウ酸アルミニウムおよび／または酸化アルミニウムを含有していることを特徴とする、請求項１２記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項１４】
膜の単層または多層が、選択的にＯおよび／またはＢを添加した窒化チタン、炭化チタンまたはカルボ窒化チタンからなることを特徴とする、請求項１２記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項１５】
本体とホウ酸アルミニウムおよび／または酸化アルミニウムを含有した膜との間に、選択的にＯおよび／またはＢを添加した窒化チタン、炭化チタンまたはカルボ窒化チタンからなる膜が取付けられていることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項１６】
ホウ酸アルミニウムを含有した膜および／または酸化アルミニウムを含有した膜の間に、選択的にＯおよび／またはＢを添加した窒化チタン、炭化チタンまたはカルボ窒化チタンからなる膜が取付けられていることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項１７】
ホウ酸アルミニウムからなる膜層またはホウ酸アルミニウム相成分を含有する膜層が最上層を形成することを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項１８】
単層膜または多層膜がＣＶＤによって製造されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項１９】
単層膜または多層膜がＰＡ‐ＣＶＤによって製造されていることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【請求項２０】
単層膜または多層膜がＰＶＤによって製造されていることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項記載の工具または耐摩耗性部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超硬合金、サーメット、硬質材料またはその他の耐摩耗性材料からなる硬さ＞７００ＨＶの本体と単層膜または多層膜とからなる工具または耐摩耗性部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬さ＞７００ＨＶの超硬合金、サーメット、硬質材料およびその他の材料は、強い摩耗荷重に曝される工具および耐摩耗性部品用に使用される。超硬合金とは、硬質材料相と金属結合剤とで構成される複合材料のことである。サーメットの材料群は、単数または複数のセラミック相と単数または複数の金属相とで構成されるすべての材料を含む。硬質材料の材料群は、炭素、窒素、ホウ素またはケイ素の元素を有する周期表ＩＶａ〜ＶＩａ族の元素の特殊な化合物に含まれ、さらにはダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、サイアロン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素を最重要なものとして挙げることができる。
【０００３】
耐摩耗性を高めるために、硬さ＞７００ＨＶの超硬合金、サーメット、硬質材料およびその他の材料に特に炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物および酸化物を基とする高耐摩耗性硬質材料膜が被着される。これらの膜は硬さがふつう１５００ＨＶ〜４０００ＨＶの範囲内である。荷重を受ける場合、摩擦学系はこれらの摩耗体（工具もしくは耐摩耗性部品）と並んで、摩耗および摩擦の原因となる相手体、場合によっては中間物、作用する諸力、運動経過および環境影響を含む。特に、作用する諸力や摩耗体と相手体との間の相対速度が高い場合、摩耗体／相手体の境界領域で著しく温度が上昇する。例えば切削工具の表面では１０００℃以上の温度が測定される。その原因は剪断域での変形・分離仕事、すくい面での切屑の摩擦、そして逃げ面での工作物の摩擦である。工具全体の熱負荷は、平滑な表面と低い摩擦係数と僅かな熱伝導率とを有する膜によって著しく減らすことができる。耐摩耗性部品上の硬質材料膜の耐摩耗性向上作用は長年来商業的に利用されている。その後に摩耗保護に使用される多くの硬質材料相のうち、一方で炭化物および窒化炭素または窒化物の群からなる硬質材料、他方で酸化物の群からなる硬質材料が特別実証されたのであり、今日ではさまざまに補足的保護膜として大抵は成層膜系列で利用される。その際一般に、付着、靭性および低摩耗に関する多種多様な要求に対応するためにさまざまな硬質材料からなる多数の個別層の態様に膜が実施される。例示的に、炭化チタン、窒化チタン、カルボ窒化チタンまたは酸化アルミニウムからなる単層膜または多層膜を指摘しておく。純硬質材料膜に比べて改良された摩擦学的性質を有する被覆に対する要求は、過去においてさまざまな仕方で対応されてきた。Ｂの添加によってＡｌ2Ｏ3膜の性質を改善する糸口もある。例えば欧州特許出願公開第１２３１２９５号明細書に述べられた微晶性混合酸化物膜は主にＡｌ2Ｏ3からなり、特定割合の酸化チタンおよび酸化ホウ素に溶かされ、または均一に微細分散されており、０．１〜＜３重量％のＴｉＯ2と０．０１〜０．５重量％のＢ2Ｏ3との添加物を含有しておくことができる。ホウ酸塩の生成はこの文書で触れられていない。
【０００４】
さらに、摩擦係数を減らす多くの努力もなされている。荷重事例の場合に供給される潤滑剤もしくは切削油剤の他に、いわゆる乾式固体潤滑膜を摩耗体上に析出する解決が公知である。この固体潤滑剤は大抵、結合力が方向に強く依存した結晶構造を有する。その例が黒鉛、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデンである。摩擦係数の効果的減少は比較的低い温度でのみ観察される。それに加えてこれらの膜はきわめて軟らかく、迅速に摩滅する。
【０００５】
固体潤滑剤としての酸化物も調べられた。例えば、酸素含有量に関して亜当量的組成を有する酸化バナジウム、酸化タングステンが提案された。これらの酸化物はいわゆるマグネリ相を形成し、酸化性環境のもとで高温に至るまで安定している。しかし、荷重集合体が強く、摩耗体と相手体との間の相対速度が高い場合、摩擦低減作用は十分でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の課題は、高い耐摩耗性と、特に耐摩耗性の高い靭性と、耐酸化性と、摩耗体と接触して低い摩擦係数とを有する工具または耐摩耗性部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１記載の工具または耐摩耗性部品によって解決される。
【０００８】
工具または耐摩耗性部品は単層膜または多層膜を備えており、膜の少なくとも１層はホウ酸アルミニウムからなり、またはホウ酸アルミニウム相成分を含有している。
【０００９】
ところで意外なことに、好ましくは構造式Ａｌ4Ｂ2Ｏ9またはＡｌ9Ｂ4Ｏ33のホウ酸アルミニウムを含有する被覆は実施例にも記録されているように著しく改善された耐久性挙動を有することが判明した。ホウ酸アルミニウムは今日に至るまで工具または耐摩耗性部品用には使用されなかった。ホウ酸アルミニウムは例えば繊維材料として使用されており、そのことは欧州特許出願公開第０８５６４９７号明細書、特開平０７‐０４１３１６号公報、特開平０５‐０８６４２４号公報、特開平０５‐０８５７２１号公報または特開平０５‐３３０９９７号公報に記録されているとおりである。その蛍光特性も利用される（韓国特許第９３１２０１４号明細書、韓国特許第９３１２０１３号明細書）。
【００１０】
ホウ酸アルミニウムを含有した膜は単層または多層に実施しておくことができ、多層膜は著しく改善された靭性挙動を示す。多層膜の場合、ホウ酸アルミニウムを含有した膜層が、作動時に相手体と接触する表層（最上層）を形成すると有利である。しかし、ちなみにＡｌ2Ｏ3を含有した多膜系の場合でもそうであるように、ホウ酸アルミニウムを含有した膜層上に、例えばＴｉＮ、ＴｉＣＮからなる単数または複数の他の膜層、または多成分系Ｔｉ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂの膜層を被着することも可能である。さらに、ホウ酸アルミニウムからなる多層またはホウ酸アルミニウム相成分を有する膜層を被着し、個別層を別の組成、例えばＴｉＮ、ＴｉＣＮの膜層または多成分系Ｔｉ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂの膜層によって分離しておくことも可能である。さらに、有利な効果が有効となるのは膜もしくは膜層（単・複）の広い組成範囲内、つまり１０〜９９．９９体積％のホウ酸アルミニウムと、０．０１〜９０体積％の酸化アルミニウムと、０〜２０体積％の酸化チタンと、０〜４０体積％の酸化ホウ素と、０〜１０体積％のＣｌ、Ｓ、Ｃ、ＮまたはＨ含有相においてであることも判明した。ホウ酸アルミニウムが摩擦係数を低下させ、良好な耐酸化性を有すると前提することができる。摩擦係数の低下は、膜もしくは膜層に少なくとも１０体積％のホウ酸アルミニウムが含有されているとき十分な程度に達成される。最適な工具寿命は膜もしくは膜層に７０体積％超のホウ酸アルミニウムが含有されているとき達成することができる。摩擦係数を低下させる硬いホウ酸アルミニウムの組織成分の他に、なお他の酸化物硬質材料相、好ましくはＡｌ2Ｏ3とここではやはり好ましくは変態のκ‐Ａｌ2Ｏ3またはＴｉＯ2を膜もしくは膜層に含有させておくことができる。しかし例えばＨｆＯ2またはＺｒＯ2等の他の安定な酸化物も可能である。酸化ホウ素も、膜もしくは膜層に最大４０体積％まで存在することができる。割合をさらに高めると、膜硬さが許容外に低下し、耐熱性が劣化する。Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｎおよび／またはＨを化学的に結合され元素または溶存した形で最大１０、好ましくは５体積％までの濃度範囲内で挿入することによって膜性質のさらなる改善を達成することができる。さらにこれらの元素は、ＣＶＤによって膜を析出する場合、析出速度を高める。ホウ酸アルミニウム膜もしくはホウ酸アルミニウム含有膜層の好ましい厚さは０．１〜３０μｍであり、最適値は利用分野に依存する。多くの用途、例えば旋削または穴明けにとって実証されるのは０．５〜５μｍの範囲である。多膜系の場合同様に、既にＡｌ2Ｏ3含有膜系において実証された膜系列に頼ることができる。超硬合金またはサーメットからなる本体とのプライマーとしてのホウ酸アルミニウムの場合でも、多成分系Ｔｉ、Ａｌ、Ｃ、Ｎ、Ｂ、Ｏからなる膜が適している。さらに、多くの薄いホウ酸アルミニウム膜もしくはホウ酸アルミニウム含有膜を被着し、多成分系Ｔｉ、Ｃ、Ｎ、Ｂ、Ｏからなる膜によって個々の膜を分離しておくと有利な場合がある。
【００１１】
本発明に係る硬質材料膜を被着するのに適しているのは、ＰＶＤ、標準圧条件下および負圧条件下でのＣＶＤ、ＰＡ‐ＣＶＤ法等の公知の被覆法である。以下、本発明は実施例によって詳しく説明され、ここではＣＶＤによって製造が行われる。
（発明を実施するための最良の形態）
【実施例１】
【００１２】
旋削、穴明け、端面加工用の超硬合金（９．５重量％ＷＣ、８．５重量％Ｃｏの複炭化物）からなる多機能工具がＣＶＤによって標準圧下で被覆された。超硬合金本体から出発して膜系列ＴｉＮ／ＴｉＣＮ／Ａｌ2Ｏ3／ＴｉＣＮＯ／ホウ酸アルミニウムが選択された。個々の層の膜厚は同じ順序において１μｍ、２μｍ、１．２μｍ、０．１５μｍ、１．２μｍであった。ホウ酸アルミニウム膜は他のプロセスガス元素を微量有していた。被覆製造用の反応ガスは市販されているガスに一致しており、ガス混合室を介して調量して反応室に導入され、反応室は管形炉によって加熱された。析出温度は７５０〜８５０℃、主に７９０〜８３０℃であった。使用されたガスは実質的に以下の混合比で施用された：４５体積％Ａｒ、４５体積％Ｎ2、１．６体積％ＣＯ2、１．２体積％ＡｌＣｌ3、０．１体積％ＴｉＣｌ4、０．１体積％ＢＣｌ3、０．０５体積％Ｈ2Ｓ、残りＨ2。図１は本発明に係る超微晶性平滑ホウ酸アルミニウムカバー膜の構造外観を示す。ホウ酸アルミニウム膜の個別微結晶は平均粒径が０．１μｍ前後の範囲内である。公知技術に相当する膜系も同様に析出された。ホウ酸アルミニウムカバー膜がＡｌ2Ｏ3膜に取り替えられた。これは、図２に示すように顕著に粗い表面構造を有する。これらの試料で切削実験が行われた。Ｃｋ６０（１．１２２１）部品がそれぞれ切削油剤を添加しながら穴明け、旋削、端面加工操作を施され、以下の切削パラメータが適用された：
穴明け：  ｖc ＝１５０ｍ／分
ｆ  ＝０．１０ｍｍ／Ｕ
ａp ＝（２５ｍｍ）
旋削：    ｖc＝２００ｍ／分
ｆ ＝０．１５ｍｍ／Ｕ
ａp＝３．０ｍｍ
端面加工：ｖc＝２００ｍ／分
ｆ ＝０．１５ｍｍ／Ｕ
ａp＝２．５ｍｍ
【００１３】
図３に示す製造部品個数別に逃げ面摩耗幅が測定された。本発明に係るホウ酸アルミニウム膜を備えた工具は公知技術と比較して４０％高い工具寿命を示した。
【実施例２】
【００１４】
超硬合金（１１重量％ＷＣ、１２重量％Ｃｏの複炭化物）からなる突切バイトがＣＶＤによって標準圧下で被覆された。超硬合金本体から出発して膜系列ＴｉＮ／ＴｉＣＮ／Ａｌ2Ｏ3／ＴｉＣＮＯ／（５０体積％ホウ酸アルミニウム‐５０体積％酸化アルミニウム）が選択された。個々の層の膜厚は同じ順序において１μｍ、２μｍ、１．２μｍ、０．１５μｍ、１．２μｍであった。ホウ酸アルミニウム／酸化アルミニウム膜は他のプロセスガス元素を微量有していた。被覆製造用の反応ガスは市販されているガスに一致しており、ガス混合室を介して調量して反応室に導入され、反応室は管形炉によって加熱された。析出温度は８５０〜９２０℃、主に８６５〜８９０℃であった。使用されたガスは実質的に以下の混合比で施用された：３５体積％Ａｒ、５５体積％Ｎ2、１．６体積％ＣＯ2、１．２体積％ＡｌＣｌ3、０．１体積％ＴｉＣｌ4、０．１体積％ＢＣｌ3、０．０５体積％Ｈ2Ｓ、残りＨ2。公知技術に相当する膜系も同様に析出された。ホウ酸アルミニウム／酸化アルミニウム膜が酸化アルミニウム膜に取り替えられた。
【００１５】
これらの試料で切削実験が行われた。Ｃｋ６０（１．１２２１）部品がそれぞれ切削油剤を添加しながら溝切り操作を施され、以下の切削パラメータが適用された：
ｖc＝１６０ｍ／分
ｆ ＝０．１５ｍｍ／Ｕ
（ａp＝３．１ｍｍ）
【００１６】
図４に示す製造部品個数別に逃げ面摩耗幅が測定された。本発明に係る工具は公知技術と比較して平均して２０％高い工具寿命を示した。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る超微晶性平滑ホウ酸アルミニウムカバー膜の構造外観を示す。
【図２】公知技術による膜系の表面構造を有す。
【図３】逃げ面摩耗幅と製造部品個数との関係を示すグラフである。
【図４】逃げ面摩耗幅と製造部品個数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１８】
ＡＡ  最大逃げ面摩耗幅［ｍｍ］
ＢＢ  公知技術
ＣＣ  本発明
ＤＤ  製造部品
【図１】
2007532776.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2007532776.tif 000007
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2007532776.tif 000009
2007532776.tif 000010
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