(57)【要約】【課題】新規の切削体、その製造方法およびその使用を提供する。【解決手段】研削体のための被覆としてＴｉＮとＴｉＢ２とからなる混合相であるＴｉＢＮ膜を施与する。その際、該膜のホウ素含有率は６原子％以上であり、析出速度はＴｉＮ層およびＴｉＢ２層それぞれの析出速度よりも速い。【効果】３５００ＨＶ〜５０００ＨＶの硬度が得られる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削体において、被覆を有する支持体を有し、その際、該被覆はホウ素含有率６原子％以上を有するＴｉＢＮ膜を少なくとも１つ有することを特徴とする切削体。
【請求項２】
ＴｉＢＮ膜は、ＴｉＮとＴｉＢ２とからなる混合相の膜である、請求項１記載の切削体。
【請求項３】
混合相の膜のＴｉＢ２含有率は、５０質量％〜６０質量％である、請求項２記載の切削体。
【請求項４】
ＴｉＢＮ膜は、埋め込まれたＴｉＢ２結晶を有するＴｉＮ膜である、請求項２記載の切削体。
【請求項５】
ＴｉＢＮ膜は、埋め込まれたＴｉＮ結晶を有するＴｉＢ２膜である、請求項２記載の切削体。
【請求項６】
ＴｉＢＮ膜は、ＣＶＤ法で析出されしている、請求項１記載の切削体。
【請求項７】
ＴｉＢＮ膜は、ＷＣ支持材料上に施与されている、請求項１記載の切削体。
【請求項８】
ＴｉＢＮ膜は、膜構造のカバー材料として設けられている、請求項１記載の切削体。
【請求項９】
ＴｉＢＮ膜は、Ａｌ２Ｏ３膜上に施与されている、請求項１記載の切削体。
【請求項１０】
多層の被覆を有する支持体は、次の層順序：ＴｉＮ−ＴｉＣＮ−ＴｉＡｌＣＮＯ−α−Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＢＮで構成されている、請求項１記載の切削体。
【請求項１１】
ＴｉＢＮ膜は、カバー膜である、請求項８記載の切削体。
【請求項１２】
ＴｉＢＮ膜は、そのなかでＴｉＮ膜とＴｉＢＮ膜とが交互になっている多層膜である、請求項１記載の切削体。
【請求項１３】
ＴｉＢＮ膜の全厚さは、最大で１２μｍである、請求項１２記載の切削体。
【請求項１４】
多層膜のＴｉＮ層は、ＴｉＢＮ層よりも薄い、請求項１記載の切削工具。
【請求項１５】
ＴｉＮ層の厚さは、最大でＴｉＢＮ層の厚さの半分である、請求項３記載の切削体。
【請求項１６】
多層膜は、少なくとも２０の層を有する、請求項１記載の切削体。
【請求項１７】
硬質材料膜の製造方法において、被覆すべきボディをプロセス圧力６０〜９５０ミリバールおよび温度７００℃〜１０５０℃で反応器内に位置決めし、その際、プロセス雰囲気はチタンおよびホウ素のための前駆物質ならびに窒素および／または窒素化合物を含有することを特徴とする、硬質材料膜の製造方法。
【請求項１８】
プロセス温度は、７００℃〜９５０℃である、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
プロセス温度は、８５０℃を下回る、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
プロセス雰囲気は、水素（Ｈ２）を含有する、請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
チタンのための前駆物質は、ＴｉＣｌ４である、請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
ホウ素のための前駆物質は、ＢＣｌ３である、請求項１７記載の方法。
【請求項２３】
プロセス雰囲気におけるＴｉＣｌ４の割合は、０．９体積％〜１．５体積％である、請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
プロセス雰囲気におけるＢＣｌ３の割合は、０．０５体積％〜５体積％である、請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
プロセス雰囲気におけるＢＣｌ３の割合は、０．０９体積％〜２．５体積％である、請求項２２記載の方法。
【請求項２６】
プロセス雰囲気の窒素含有率は、１４体積％〜１７体積％である、請求項１７記載の方法。
【請求項２７】
鋼材料を切削するための請求項１記載の切削体の使用。
【請求項２８】
鋳鉄材料およびねずみ鋳鉄材料を切削するための請求項１記載の切削体の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に切削加工用部品のための切削インサートまたは切削工具、ならびに該切削工具に設けるべき被覆の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩耗を低減するため、摩擦を低減するため、または類似の目的のための硬質材料膜は、種々の組成および製造方法で公知である。特に窒化ホウ素チタン（Ｔｉｔａｎｉｕｍ−ｂｏｒｏｎ　ｎｉｔｒｉｄｅ）膜（ＴｉＢＮ膜）が公知である。ＤＥ４３４３３５４Ａ１はこのために、ＰＶＤ法でのＴｉＢＮ膜の製造を開示している。ＴｉＢＮ膜はホウ化チタンを約２００℃の被覆温度でＰＶＤ蒸着することにより生じる。窒化チタンの析出は、被覆プラズマから行う。
【０００３】
ＴｉＢＮ膜のＰＶＤ発生を、その他の膜はＣＶＤ法で生じるプロセスに組み込むことは困難である。
【０００４】
ＥＰ０７３２４２３Ｂ１から、ＴｉＢＮ膜を有する層構造が公知である。ＴｉＢＮ膜は付着性改善のためのその他の膜の間に中間膜として備えられている。該膜は析出温度１０００℃でＣＶＤ法によって生じる。
【０００５】
さらにＢａｒｔｓｃｈ、Ｌｅｏｎｈａｒｄｔ、Ｗｏｌｆ、”Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　Ｈａｒｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｌａｙｅｒｓ　Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｐｈａｃｅ”、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｄｅ　Ｐｈｙｓｉｑｕｅ　ＩＶ、Ｃｏｌｌｏｑｕｅ　Ｃ２、Ｓｕｐｐｌ．　ａｕ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｄｅ　Ｐｈｙｓｉｑｕｅ　ＩＩ、第１巻（１９９１年９月）から、層状に重ねられた成分ＴｉＮｘとＴｉＢ２とからなるＴｉＢＮ膜の製造が公知である。この振動膜を製造するために冷却壁反応器中、１３００Ｋ（約１０００℃）でＣＶＤ法により被覆を行う。
【０００６】
【特許文献１】
ＤＥ４３４３３５４Ａ１
【特許文献２】
ＥＰ０７３２４２３Ｂ１
【非特許文献１】
Ｂａｒｔｓｃｈ、Ｌｅｏｎｈａｒｄｔ、Ｗｏｌｆ、”Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　Ｈａｒｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｌａｙｅｒｓ　Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｐｈａｃｅ”、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｄｅ　Ｐｈｙｓｉｑｕｅ　ＩＶ、Ｃｏｌｌｏｑｕｅ
Ｃ２、Ｓｕｐｐｌ．　ａｕ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｄｅ　Ｐｈｙｓｉｑｕｅ　ＩＩ、第１巻（１９９１年９月）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、極めて硬質の被覆を備えている切削体を提供することである。さらに本発明の課題は、このような硬質膜を製造するための方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題は本発明により、被覆された支持体を有し、その際、該被覆は６原子％以上のホウ素含有率を有するＴｉＢＮ膜を有する切削体、ならびに被覆すべきボディをプロセス圧力６０〜９５０ミリバールおよび温度７００℃〜１０５０℃で反応器内に位置決めし、その際、プロセス雰囲気はチタンおよびホウ素のための前駆物質ならびに窒素および／または窒素化合物を含有する硬質材料膜の製造方法により解決される。
【０００９】
本発明による切削体は、被覆された支持体を有し、該被覆はＴｉＢＮ膜により形成されているか、または６原子％以上のホウ素含有率を有する膜を有する。このような膜は４５００　ＨＶ１００を上回る硬度を達成することができる。さらに該膜は、炭素を含有する支持材料、たとえば炭化タングステン、または支持材料からの炭素が浸透することができるその他の膜の上でも良好に付着することが判明した。従って最良の切削性を有する切削インサートまたは切削工具を製造することができる。
【００１０】
ＴｉＢＮ膜は有利にはＴｉＮとＴｉＢ２とからなる混合相の膜である。たとえば混合相の膜は立方晶のＴｉＮベース格子からなり、ここにＴｉＢ２結晶が埋め込まれている。このことにより硬質金属、たとえば炭化タングステンから被覆への炭素の拡散の結果として生じる付着の問題は防止される。ホウ素が析出膜から硬質金属へと拡散し、かつこのことがＣｏＷＢの形成につながる場合、付着の問題を生じることなしに遊離する炭素を立方晶ＴｉＮ格子に取り込むことができる。
【００１１】
ＴｉＢＮ膜は埋め込まれたＴｉＮ結晶を有するＴｉＢ２膜であるような高いホウ素含有率を有していてもよい。この場合、特に高い硬度を達成することができる。
【００１２】
有利にはＴｉＢＮ膜は、混合相部分の半分または半分よりわずかに多くがＴｉＢ２として存在し、その一方で残りの部分はＴｉＮとして存在するような組成である。ＴｉＮ割合は比較的高い被覆温度で移動する拡散炭素に対する良好な不感受性を保証する。
【００１３】
膜は有利にはＣＶＤ法で析出させる。従ってＴｉＢＮ膜は全体的にＣＶＤ法で生じる膜構成に統合することができる。従来のＣＶＤ装置を適用することができる。プラズマ発生またはターゲット気化のための手段は不要である。ＴｉＢＮ膜は直接炭化タングステン支持材料上に施与することができる。炭素の拡散は、施与される膜が立方晶のＴｉＮ格子を有している場合には付着の妨げにならない。ＴｉＢＮ膜はさらに酸化アルミニウム膜上に施与されていてもよい。該膜はここではカバー膜として用いられる。試験により、鋳造品切削のための回転工具の場合、α−酸化アルミニウム上のカバー膜ＴｉＢＮを有する層構造は、ＴｉＢＮ被覆を有していない、ＴｉＮで被覆されたα−酸化アルミニウム膜を有する切削工具に対して寿命が２０％延びることが判明した。プロセスガスの変化により、薄いＴｉＮ層とＴｉＢＮ層とが交互に存在している多層被覆が得られる。これらの膜は優れた切削特性を示す。特にこのような膜は熱亀裂を生じる傾向がほとんどない。このことは比較的軟質のＴｉＮ層と比較的硬質のＴｉＢＮ層とが交互であることに起因する。膜厚１μｍあたり５０層までが備えられていてもよい。
【００１４】
本発明による方法は、７００℃〜１０５０℃の低いプロセス温度を適用するＣＶＤ法である。有利にはプロセス温度は９５０℃以下、たとえば８５０℃である。プロセス雰囲気はチタンとホウ素のための前駆物質ならびに窒素および／または窒素化合物を含有している。窒化ホウ素チタンの析出速度はこの場合、窒化チタンもしくはホウ化チタンそれぞれ自体の析出速度よりも速い。このことにより比較的低い温度でのＣＶＤ析出が可能である。低い温度は炭素拡散速度を遅らせるのみであり、このことによりなめらかで魅力的な膜の外観が生じる。
【００１５】
チタンのための前駆物質として有利にはＴｉＣｌ４が考えられる。ホウ素のための前駆物質として有利にはＢＣｌ３を適用する。プロセス雰囲気における割合として有利にはＴｉＣｌ４０．９〜１．５体積％およびＢＣｌ３０．０９〜２．５体積％を設定する。プロセス雰囲気の窒素含有率は有利には１４〜１７体積％である。プロセス雰囲気の残りの割合は有利には水素である。
【００１６】
本発明の有利な実施態様のその他の詳細は、以下の記載ならびに従属請求項から明らかになる。特に有利な実施態様は添付の図面に記載されている。
【００１７】
【実施例】
例１：
炭化タングステンからなる切削体上にまず、ＣＶＤ法でたとえば厚さ０．５μｍのＴｉＮ膜を施与する。このために切削体をＣＶＤ反応器に導入し、かつ相応するＣＶＤプロセスを実施する。ＴｉＮ膜の析出後、反応器を析出温度８５０℃で、ＴｉＣｌ４１体積％、Ｎ２１６体積％、　ＢＣｌ３０．１体積％および残分Ｈ２を含有する雰囲気で充填する。１００ミリバールのプロセス圧力を調整する。プロセス時間１５時間後に、メタリックな真鍮様の黄色を有する、厚さ６μｍのＴｉＢＮ膜が析出する。ＴｉＢＮ膜は、ＴｉＢ２微結晶が埋め込まれているＴｉＢＮマトリックスである。微小硬度は４５００ＨＶを越えていてもよい。
【００１８】
例２：
プロセス雰囲気のＢＣｌ３含有率を増大することにより、ＴｉＢＮ膜のホウ素含有率を上昇させることができる。たとえばＣＶＤ反応器およびＣＶＤ法においてまず切削体に厚さ０．５μｍのＴｉＮ層を設ける。その後、プロセス雰囲気をＴｉＣｌ４１体積％、Ｎ２１６体積％、ＢＣｌ３２．５体積％および残分が水素となるように調整し、かつプロセス圧力１００ミリバールおよび析出温度８５０℃で被覆プロセスを実施する。３時間後、銀色の外観を有するＴｉＢＮ膜が厚さ６μｍに成長している。該膜はＴｉＮ結晶または微結晶が埋め込まれたＴｉＢ２マトリックスからなる。ＴｉＢＮ膜への炭素の拡散を低く維持することができる場合、高い硬度および耐摩耗性を達成することができる。
【００１９】
必要な場合にはプロセス圧力を６０〜９５０ミリバールに調整することができる。温度は析出速度に影響を与える。原則として７００℃〜１０５０℃の温度を利用することができる。プロセス雰囲気のＢＣｌ３含有率は０．０５〜５体積％に調整する。
【００２０】
例３：
切削体、たとえば鋼切削体を製造するためにこれをＣＶＤ反応器中でまず厚さ０．５μｍのＴｉＮ膜で被覆する。第二工程で中温を厚さ８μｍのＴｉＣＮ膜に適用する（プロセス温度＝７００〜９００℃）。このプロセスは同一の反応器中で進行する。第三工程で同一の反応器中でＣＶＤ法において厚さ０．８μｍのＴｉＡｌＣＮＯ膜を施与する。該膜は第四工程でその上に積層させる、厚さ６μｍのＡｌ２Ｏ３膜のための結合層として利用される。これらの４つのＣＶＤ被覆工程が終了した後、同一の反応器中で第五工程で厚さ２μｍのＴｉＢＮ層を施与する。プロセス圧力３００ミリバール、析出温度８５０℃およびプロセス雰囲気組成ＴｉＣｌ４１体積％、Ｎ２１６体積％、ＢＣｌ３０．１体積％および残分Ｈ２で、厚さ２μｍの膜が２７０分で成長する。該膜は埋め込まれたＴｉＢ２結晶を有する窒化チタンマトリックスである。該膜は金属光沢を有する真鍮のような黄色の外観を示す。
【００２１】
例４：
前記の実施例と同様に切削体をまず厚さ０．５μｍのＴｉＮ膜、厚さ８μｍのＮＴ−ＴｉＣＮ膜、厚さ８μｍの結合層、たとえばＴｉＡｌＣＮＯおよび厚さ６μｍの酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３）により被覆する。次いで同一の反応器中で厚さ２μｍのＴｉＢＮ膜を施与する。プロセス圧力６００ミリバールおよび析出温度９００℃、ならびにＴｉＣｌ４１．４体積％、Ｎ２１５体積％、ＢＣｌ３０．１５体積％および残分Ｈ２のプロセス雰囲気で、被覆時間１５０分後に厚さ２μｍの膜が生じる。該膜は金属光沢を持つ明るい黄色の色調を有していた。
【００２２】
プロセス圧力は６０〜９５０ミリバールの間で確定されていてもよい。析出温度は７００℃〜１０５０℃の範囲で確定されていてもよい。プロセス雰囲気のＢＣｌ３含有率は０．０５体積％〜５体積％である。
【００２３】
特に切削体のための被覆としてＴｉＮとＴｉＢ２とからなる混合相であるＴｉＢＮ膜が備えられている。ホウ素含有率は６原子％以上である。析出速度はＴｉＮ膜の析出速度より速く、かつまたＴｉＢ２膜の析出速度よりも速い。４０００ＨＶを越える硬度が得られる。
【００２４】
図面では、万能ボールジョイント（ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　ｂａｌｌ　ｊｏｉｎｔ）の形の研削工具によりその表面が研削された切削板の断面図を示す。図面中で研削された部分は右側下方で中心の灰色の領域１を示しており、ここで支持材料（たとえば炭化タングステン）が露出している。乱されていない領域２（左側上方）ではＴｉＢＮからなる損傷されていない表面が認識される。厚さ約１μｍを有するＴｉＮ膜３が、支持体に直接結合して存在する。その上に存在する多層のカバー膜４は、約６μｍの厚さを有する。これは約３０の層からなり、その際、比較的薄いＴｉＮ層５の上に、そのつど約３〜５倍の厚さのＴｉＢＮ層６が存在する。ＴｉＢＮ層６は、有利にはＴｉＮとＴｉＢ２とからなる混合相の膜である。混合相の５０％〜６０％は、二ホウ化チタン（ＴｉＢ２）として存在する。ＴｉＮ層５は、相互に有利には同じ厚さである。同様にＴｉＢＮ層６は有利には同じ厚さである。図面において厚さが異なって見えるとすれば、これは球形の研削によるものである。
【００２５】
この多層被覆を製造する際に、支持体温度を９００℃未満に維持することができる。多層膜４は優れた付着性および極めて平滑な表面を有する。個々の層の数は５０より多くてもよい。硬度はＴｉＢＮ膜の硬度に相応し、かつ約３８００ＨＶである。膜の内部応力は小さく、かつ特に硬質および靭性の鋼を切削する際の熱亀裂の傾向が低減している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による切削体の断面を示す図。
【符号の説明】
１　ベース材料、　２　ＴｉＢＮ膜、　３　ＴｉＮ膜、　４　多層カバー膜、
５　ＴｉＮ膜、　６　ＴｉＢＮ膜
【図１】
2004001215.tif 000003