JPH05508441A - 耐摩耗性被覆物品 - 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】 発明の背景 本発明は耐摩耗性被覆物品に間する。

金属の切削と他の摩耗応用分野では、特殊な表面と内部的性質をもった切削工具 及び研摩材が要求されている。工具表面は化学的に不活性であり、また機械的摩 耗に対する抵抗性をもたねばならない。一方では、内部的材質は亀裂の発生及び 拡大に対する抵抗性と同様に強靭であることと塑性変形に対する抵抗性をもたね ばならない。これ等の要求は基板及び適用される被覆の最適化によって満足され て来た。

チタンとその合金は、切削工具の設計において特殊の試みを行う可能性を提供す る。チタンは低謝云導度、低比熱と高融点によって特徴づけられている。これ等 の性質を有するために、中程度の切削速度においてさえ、高切削温度を生じる。

さらに、チタンは高化学反応性を示し、今までのところは、チタンの機械加工を うまく遂行出来る被覆切削工具はなかった。近年、チタンの機械加工に対しても っとも利用されている工具材料は、極端に低い切削速度においてのみ形状保全が 維持出来る、炭化タングステン・コバルト超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ）である。切削 工具はチタン及び高速度及び高送り速度において機械加工が困難なその他の材料 の機械加工が可能であることが要求される。

発−肌一史一概一！ 本発明は、減摩用途用に、耐火性金属炭化物・結合剤複合被膜、積層被膜及び耐 火性金属炭化物結合剤複合層を含む積層被膜が施された基板を含む被覆物品を提 供している。

その幾つかの場面において、本発明は記述を簡便にするため分類できる被覆物品 を提供している。耐火性の金属の炭化物、窒化物、又は炭窒化物と結合剤との複 合被膜が施された基板から一般的になる物品をタイプ１とする。“結合剤”の用 語は炭化タングステン（ＷＣ）のような炭化物、窒化物又は炭窒化物の相と共に 接合されるような金属又は金属合金を示す。複合材は結合剤で相互に結合して種 々の形状、すなわち球状、丸棒、円板又はボイスカー状の形態をもつことが可能 な粒子からなる材料である。切削工具の基板には接合炭化物、工具鋼又はＡｌｒ Ｏｘ、窒化珪素、炭化珪素若しくはＺｒＯ□を基体とするセラミックとすること が可能である。

本発明の一実施例では、炭化タングステン−コバルト（ＷＣ−ＣＯ）でＷＩＦｉ ！すれたＷＣ−Ｃｏ−γ基板からなる被覆物品が提供される。

本発明の他の幾つかの実施例は、層を交互に積層させた被膜であって、そのうち 少なくとも一層は耐火性金属炭化物層、耐火性金属窒化物層又は耐火性金属炭窒 化物の層であり、かつ少なくとも一層は結合剤層である、被膜が施された基板を 含む物品を提供している。我々はこれ等の物品をタイプ２の物品とする。

本発明の他の実施例では、減摩及び切削用途用の物品が少なくとも一層が耐火性 金属炭化物結合剤複合層であり、かつ、少なくとも一層が非−純ニッケル結合剤 層である、積重層で被覆されたＳｉＣや５ｉｓＮｎのようなセラミック製の基板 を包む。我々はこれ等の物品をタイプ３の物品とする。

本発明の一つの実施例では、炭化タングステン−コバルト複合基板が少なくとも 一層が炭化タングステン−コバルト複合層であり、かつ少なくとも一層がコバル ト又はコバルト合金層である積層によって被覆されている。本発明の他の一つの 実施例は、炭化タングステン−コバルト材料が少なくとも一層が炭化タングステ ン層であり、かつ、少なくとも一層がコバルト又はコバルト合金層である積層に よって被覆されている。

タイプ１，２及び３の物品の好適な実施例においては、耐火性金属はチタン、バ ナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル 又はタングステンでよい。他の好適な実施例においては、基板はチタン、バナジ ウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル又は タングステンの炭化物のような接合炭化物、及び、ニッケル、コバルト、タング ステン、モリブデン及びこれ等の元素の合金のような結合剤で接合されたこれ等 の元素の結合体であってもよい。他の実施例においては、基板は窒化珪素、酸化 アルミニウム、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）、あるいは変態強靭化ジルコニ ア（ＴＴＺ）のようなモノリス型又は複合型セラミック複合体でもよい。また工 具網のような金属基板も使用可能である。更に、他の実施例においては、単一層 の複合被膜の厚さは５−１０８ｍの範囲が好適であり、そして積層被膜の個々の 層の厚さは１０人〜０．５μｍの範囲にある。

ＷＣ−Ｃｏ又はＷＣ−Ｃｏ及び立方晶炭化物（ＷＣ−Ｃｏ−７）のような特殊な 工業的に利用される基板上におけるＷＣ−Ｃｏ被膜の蒸着に関する本発明の実施 例は、高機械加工速度及び高温における良好な形状保持及び化学的に不活性な表 面に加えて、改善された高温安定性、工具鼻劣化や摩耗に対する抵抗性をもった 切削工具の製作に利用することができることである０本発明の複合及び多層被膜 で被覆された特殊な基板の異った特性を選択的に調査することによって、特殊な 機械加工作業の要求に適合した切削工具を設計することが可能である。

凹皿Φ簡垂犀説朋 図において： 図１は炭化タングステン−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）複合被覆炭化タングステン− コバルト及び立方晶炭化物（ＷＣ−Ｃｏ−ｒ）複合物品を示す。

図２は複合中間層を含む積層体を被覆された炭化タングステン−コバルト及び立 方晶炭化物（ＷＣ−Ｃｏ−７）物品を示す。

図３は積層被覆炭化タングステンーコハル）（ＷＣ−Ｃｏ）物品を示す。

吐通ス叉施斑Ω説朋 基板材料と施される被膜の注意深い選択は、チタン及び他の切削困難な材料の機 械加工に有用な高度に耐摩耗性の物品の設計において助けとなる。

好適な実施例、図１において、耐摩耗性物品１０は炭化タングステン−コバルト 及び立方晶炭化物（ＷＣ−Ｃｏ−ｒ）基板１２と炭化タングステン炭化物−コバ ルト（ＷＣ−Ｃｏ）複合被膜１４とより構成されている。別に、モノリス型又は 適当な焼結助剤を含む複合型のセラミック体は基板として利用出来る。炭化タン グステン−コバルト複合被膜はまた立方晶炭化物あるいはセラし、り析出物を含 むことが出来る。基板１２は高温形状・安定性を提供し、一方、被膜１４は耐摩 耗性で化学高に安定な性質を提供し；切削工具として適した耐摩耗性被覆物品を 生み出す、このような工具はチタンのような機械加工が困難な材料を高速度及び 高送り速度で機械加工する間、その形状保持と化学安定性を維持する。

本発明の他の好適な実施例においては、種々の機械加工用途用に設計された耐摩 耗性被覆物品がある。これ等の好適な実施例においては、基板１２はモノリス型 又は複合型の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎａ）、酸化アルミニウム酸化物（Ａ１．０ｆｆ ）、又はイツトリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）でもよい。応用分野と切削さる べき材料によって基板と被膜の組合せを最適なものとする。

図２と３は積層被覆された耐摩耗性物品２０と３０を示す、積層被覆された物品 ２０は、ＷＣ−Ｃｏ−ｒ基Ｆ１．２６、炭化タングステン−コバルト複合層２２ 、コバルト層２４の順に構成されている。耐摩耗性被覆物品３０は炭化タングス テン−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）基板３２、炭化タングステン（ＷＣ）層３４及び コバルト層３６から構成される。ＷＣ−Ｃｏ−γはまた物品３０のための基板と しても利用出来る。

他の好適な実施例においては、ＷＣ−Ｃｏ−γ２６と３２以外の基板は、耐火性 の金属炭化物、金属窒化物若しくは金属炭窒化物の層、耐火性の金属炭化物、金 属窒化物、若しくは金属炭窒化物と結合剤の複合層及びコバルト、コバルト合金 及びニッケル合金のような結合剤層との種々の組合せから構成されている積層被 膜を被覆することが出来る。

好適な実施例では、耐火性の金属炭化物、金属窒化物及び金属炭窒化物と結合剤 との複合被膜の製造のため化学蒸着（ＣＶＤ）工程が提供される。

耐火性金属炭化物・結合剤複合体のための化学蒸着工程においては、水素と共に 、耐火性金属、炭素及び結合剤のガス源が、加熱された基板上で反応し、耐火性 金属炭化物・結合剤複合被膜を蒸着させる。好適な炭素源はメタンとプロパンで ある。

耐火性金属窒化物・結合剤複合体の化学蒸着工程は水素と共に耐火性金属、窒素 及び結合側含有ガスを供給し、加熱された基板上で反応し、耐火性金属窒化物複 合体の被膜を蒸着させる。好適な窒素源はアンモニアと窒素である。

耐火性金属炭窒化物・結合剤複合体の化学１着工程においては、耐火性金属、窒 素、炭素及び結合側含有ガスを含む反応性ガスは加熱された基板上で反応し、基 板上に耐火性金属炭窒化物・結合剤材料被膜を蒸着させる。好適な窒素又は炭素 含有ガスはそれぞれアンモニア及び窒素又はメタン及びプロパンである。

ガス状の耐火性金属源は耐火性金属のハロゲン化合物であり、ガス状結合剤源は 結合剤のハロゲン化合物である。メタンは炭素を含むガスとして用いることが出 来る。蒸着反応は６００−１５００℃の範囲の温度に加熱された基板上で、大気 圧と５トルの間の範囲の圧力下で行なうことが可能である０反応温度は基板の性 質と基板が耐え得る最大温度に基づいて選択される。

特定の基板被膜特性の発現のために必要とされる接着性を促進させるために、界 面層を基板と被膜の間あるいは積層被膜の層の間に蒸着させることが出来る。

蒸着後の工程を行って粒子寸法やアスペクト比を含む被膜形態を最適化すること も可能である。

憲−施一例−１ 好適な化学蒸着工程においては、炭化タングステン−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ−Ｔ ）複合被膜を炭化タングステン−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）ｊＩＥ板上に蒸着させ る。

ＷＣｌ、、ＣＨ４，ＨＥ及びＣｏ　１．は以下の同時反応によってＷＣ−Ｃｏあ るいはＷＣ−Ｃｏ−ｒ複合被膜を大気圧と５トルの間の範囲の圧力下において、 ６００−１２００℃の範囲内で加熱された基板上において共に蒸着させる。

ＷＣｌ６　＋ＣＨ４＋Ｈｚ　→　ＷＣ＋６ＨＣＩＣｏ　Ｉｔ　＋Ｈ，−＊　Ｃｏ ＋２Ｈ１叉−施一例一１ 本発明の別の好適な化学蒸着工程においては、ぶつ化タングステンは水素と反応 してタングステン層を蒸着させ、その後水素メタン混合気中において炭化する。

コバルトはヨウ化コバルトと水素との反応によって蒸着する。大気圧と５トルと の間の圧力下で、６００−１２００℃の間の温度で加熱された基板上で起る化学 反応は次の式によって与えられるものである：ＷＦ＆十ＣＨ４＋Ｈ２−４ＷＣ＋ ６ＨＦＣｏ　Ｉｔ　＋１（、−＋　Ｃｏ＋２ＨＩ丈−施一伝−ｌ 好適な脈動（ｐｕｌｓａｔｉｏｎ）化学蒸着工程においては、炭化タングステン 層とコバルト層との交互相を蒸着被膜の厚さが２−１０人の範囲で、２−３０分 の間隔のサイクルでもって１着させる。炭化性ガスと共にＷＦ、を反応室に導入 することによって、次の反応に従って１０分間でタングステン層が蒸着する：Ｗ Ｆ＆　＋ｃ＋ｉ４？Ｈ２→　ＷＣ＝−６ＨＦその後、サイクルの間に５分間ある いは反応容器の形状によって決定される適当な時間だけ、アルゴンのような不活 性ガスを導入して反応容器を清浄にする。

反応容器の清掃が終った後、以下の反応に従って水素と反応するＣｏ　１．を導 入することによってコバルト層を蒸着する：Ｃｏ　Ｉｔ　十Ｈ２−＊　Ｃｏ＋２ ＨＩ大気圧と５トルとの間の圧力下で、７００１５００℃の範囲で加熱されたＳ ｉＮ基材料のようなセラミック基板においてこれ等の化学反応が起こる。

丈−施一斑一互 他の好適な実施例においては、スパッタリング又はレーザアブレイシランのよう な慣用の物理蒸着工程が用いられる。その工程においては、耐火性の金属炭化物 、金属窒化物又は金属炭窒化物と結合剤との複合被膜が耐火性の金属炭化物、金 属窒化物又は金属炭窒化物のターゲット、結合剤含有ターゲット、及びこれ等の ターゲットを反応性スパッタリング若しくはアブレイトするイオンあるいはレー ガ源の供給によって蒸着する。耐火性の金属炭化物、金属窒化物又は金属炭窒化 物と結合剤は共に蒸着して金属炭化物、金属窒化物又は金属炭窒化物と結合剤と の複合被膜を形成する。

物理蒸着工程は、それぞれイオンやレーガ源によってスパッタリングされ若しく はアブレイトされる炭化タングステンターゲットやコバルト含有ターゲットを用 いて、炭化タングステン・コバルトの複合被膜を蒸着して、その結果としてコバ ルト基板上に炭化タングステンとコバルトを共に蒸着する。

実−施一例−１ 本発明の他の実施例は、耐火性の金属炭化物、金属窒化物及び金属炭窒化物と結 合剤との積層被膜を形成するための物理蒸着工程を提供することで、そこでは耐 火性金属を含有するターゲットと結合剤を含有するもう一つのターゲットが炭素 、窒素、又は炭素及び窒素を含有するガス雰囲気の中に提供される。それらはス パッタリング又はレーザアブレイトされて耐火性の金属炭化物、金属窒化物若し くは金属炭窒化物の層と結合剤の層との交互になっている層、又は耐火性の金属 炭化物、金属窒化物、若しくは金属炭窒化物・結合剤との複合体の層と結合剤の 層が交互になっている層を基板上りこ引続き蒸着させる。好適な窒素及び炭素を 含有するガスはそれぞれアンモニア若しくは窒素、メタン若しくはプロパンであ る。

炭化タングステン・コバルト複合体の層とコバルト結合剤の層が交互になってい る層を製造するための物理蒸着工程においては、タングステン含有ターゲット及 びコバルト含有ターゲットが炭素を含むガス雰囲気中に提供さ演そこでそれ等は 引続きスパッタリングされ、炭化タングステン・コバルト基板上に炭化タングス テン・コバルト複合体の層及びコバルト結合剤の層を交互に蒸着させる。

ＦＩＧ、　１ 七し−−紅一二１ 本発明は、耐火性の金属炭化物、金属窒化物又は金属炭窒化物で被覆されたセラ ミンクあるいは接合炭化物の基板を含む無気孔で稠密な耐火性金属・結合剤の複 合積層被覆物品を提供する。炭化タングステン・コバルト複合体の被覆された炭 化タングステン・コバルト物品が提供される。耐火性の金属炭化物、金属窒化物 及び金属窒化物と結合剤との複合層及び／又は、耐火性の金属炭化物、金属窒化 物及び金属炭窒化物の層は、結合剤層でもって結合されて積層被覆物品となる。

そのような積層被覆物品は炭化タングステン・コバルト基板上に炭化タングステ ン・コバルト複合体を少なくとも一層、そしてコバルトの層を少なくとも一層含 む構造となっている。

宝紛謹杏磐失 ｌｅｍｔａ１ｍｍ輌−１１＊、　ＰＣＴ／［１８９１１０４９２３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．無気孔で稠密な耐火性金属・結合剤複合被膜が施された基板を含む減摩用途 用の被覆物品。 ２．無気孔で稠密な非酸化物積層被膜が施された基板を含む減摩用途用被履物３ ．積層被膜が耐火性金属・結合剤複合層を含む請求の範囲２に記載の物品。 ４．耐火性金属炭化物・結合剤複合被膜が施されている接合炭化物基板を含む被 覆物品。 ５．耐火性金属炭化物・結合剤被膜が施されているセラミック基板を含む被覆物 品。 ６．耐火性金属窒化物・結合剤接合被膜が施されている接合炭化物基板を含む被 覆物品。 ７．耐火性金属窒化物・結合剤複合被膜が施されているセラミック基板を含む被 覆物品。 ８．耐火性金属炭窒化物・結合剤複合被膜が施されている接合炭化物基板を含む 被覆物品。 ９．耐火性金属炭窒化物・結合剤複合被膜が施されているセラミック基板を含む 被覆物品。 １０．炭化タングステン−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）被膜が施されている炭化タン グステン−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ−Ｔ）基板を含む被覆物品。 １１．二層以上からなる層であって、少なくとも一層が耐火性金属炭化物・結合 剤複合体であり、かつ少なくとも一層が結合剤材料である層が施された基板を含 む被覆物品。 １２．二層以上からなる層であって、少なくとも一層が耐火性金石炭化物層であ り、かつ少なくとも一層が非ニッケル結合剤層である層が施されている非珪素基 板を含む被覆物品。 １３．二層以上からなる層であって、少なくとも層が耐火性金属窒化物結合剤・ 複合層であり、かつ少なくとも一層が結合剤層である層が施されている基板を含 む被覆物品。 １４．二層以上からなる層であって、少なくとも一層が耐火性金属窒化物層であ り、かつ少なくとも一層が結合剤層である層が施されている基板を含む被覆物品 。 １５．二層以上からなる層であって、少なくとも一層が耐火性金属炭窒化物層で あり、かつ少なくとも一層が結合剤層である層が施されている基板を含む被置物 １６．二層以上からなる層であって、少なくとも一層が耐火性金属炭窒化物・結 合剤複合層であり、かつ少なくとも一層が結合剤層である層が施されている基板 を含む被覆物品。 １７．二層以上からなる層であって、少なくとも一層が炭化タングステン層であ り、かつ少なくとも一層がコバルト又はコバルト合金層である層が施されている 非珪素基板を含む被覆物品。 １８．二層以上の層であって、少なくとも一層が炭化タングステン−コバルト複 合層であり、かつ少なくとも、一層がコバルト又はコバルト合金層である層が施 されている基板を含む被覆物品。 １９．炭化タングステン−コバルトの化学組成が９９−７５重量％のＷＣ、及び １−２５重量％のＣｏである請求の範囲１０又は１８に記載の物品。 ２０．耐火性金属がチタン，バナジウム，クロム，ジルコニウム、ニオブ，モリ プデン，ハフニウム，タンタル及びタングステンから放る群から選択された一つ あるいはそれ以上の耐火性金属である請求の範囲１，３，４，５，６，７，８， ９，１１，１２，１３．１４，１５又は１６に記載の物品。 ２１．前記接合炭化物基板が接合剤材料で接合された一種又はそれ以上の立方晶 炭化物又は炭化タングステンから放る群から選択された接合炭化物である請求の 範囲４，６又は８に記載の物品。 ２２．前記立方晶炭化物が一つ又はそれ以上のチタン、バナジウム、クロム、ジ ルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム又はタンタル立方晶炭化物からな る群から選択された立方晶炭化物である請求の範囲２１に記載の物品。 ２３．前記結合剤がニッケル、コバルト、タングステン又はモリブデン、及びそ れらの合金から成る群から選択された結合剤とされている請求の範囲１，３，４ ，５，６，７，８，９、１１，１２，１３，１４，１５又は１６に記載の物品。 ２４．セラミック基板が窒化珪素、酸化アルミニウム、部分安定化ジルコニア（ ＰＳＺ）、と変態強靱化ジルコニア（ＴＴＺ）から成る群から選択されている請 求の範囲５，７又は９に記載の物品。 ２５．基板が接合炭化物、セラミック、又は金属である請求の範囲１１，１２， １３，１４，１５，１６，１７又は１８に記載の物品。 ２６．接合炭化物基板が結合剤で接合された一種又はそれ以上の立方晶炭化物及 び炭化タングステンから成る群から選択された接合炭化物である請求の範囲２５ に記載の物品。 ２７．前記立方晶炭化物が一種又はそれ以上のチタン、バナジウム、クロム、ジ ルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム又はタンタルの立方晶炭化物から なる群から選択された立方晶炭化物であると請求の範囲２６に記載の物品。 ２８．前記結合剤がニッケル、コバルト、タングステン及びモリブデン並びにそ れらの合金から成る群から選択される請求の範囲２６に記載の物品。 ２９．セラミック基板が窒化珪素、酸化アルミニウム、部分的安定化ジルコニア （ＰＳＺ）又は変態強靱化ジルコニウム（ＴＴＺ）から成る群から選択されたセ ラミック基板である請求の範囲２５に記載の物品。 ３０．前記金属基板が工具鋼である請求の範囲２５に記載の物品。 ３１．前記被膜の厚さが１−２５μｍの範囲、好ましくは５〜１５μｍの範囲に ある請求の範囲１，４，５，６，７，８，９又は１０に記載の物品。 ３２．前記の層の厚さが１０Å−１．５μｍの範囲である請求の範囲１１，１２ ，１３，１４，１５，１６，１７又は１８に記載の物品。