JP6383333B2 - 工作物およびその加工方法 - Google Patents
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- C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
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Description
・1または一連の複数の異なるアルミニウム窒化クロムあるいは窒化炭素の層を有する硬質材料コーティング工作物、
・アルミニウム窒化クロムあるいは窒化炭素の層を有する工具、特に切削工具および成型工具(穴あけ機、フライス、スローアウェイチップ、ねじタップ、ねじ型込め機、ホブ盤、父型、母型、引っ張り父型など)およびこれら工具の使用、
・AlCrNあるいはAlCrCNの層を有する部品、特に機械工学分野における部品、たとえば歯車、ポンプ、カップタペット、ピストンリング、注入針、一揃いの軸受組またはこれらの個々の構成部分およびこれら部品の使用、
・規定された層構造を有するアルミニウム窒化クロムあるいは窒化炭素の層の製造方法。
(Multicomponent hard thin films…)」、薄膜(Thin films)(第4回国際薄膜トレンドおよび新用途シンポジウム(int. Sympos. Trends & New Applications of Thin Films)、1993年、の記録)、DGM情報協会(Info. gesellschaft)、オーバーウルゼル(Oberursel)、1993年、第73頁、において、穴あけ実験の際、TiAlNコーテ
ィング穴あけ機における2倍の耐用期間を達成するCrAlN層を記載している。層の析出はホロー陰極プロセスで行なわれているが、しかしながらこれは、非連続的な蒸発プロセスのため、(CrAl)N層におけるクロム/アルミニウム分布についての大きな揺れを引き起こすものである。
グ技術(Surf. & Coat. Tech.)、第165巻、2、(2003年)、第163〜167
頁、において、Cr1-xAlxN層であって、高いAl含有量およびウルツ鉱構造において、従来のTiAlN層に対して向上した耐酸化性を有するものについて述べている。
ー(Lackner)は、「切削工具上に堆積させたCrAlN+C薄膜コーティングの機械的
および摩擦学的特性の調査(Investigations of Mechanical & Tribol Properties of CrAlN + C Thin Coatings Deposited on Cutting Tools)」において、アーク処理されたCrAlN層と、追加的にさらにより硬質の炭素含有のカバー層を設けたCrAlN層とを比較している。すべての層は、急速に高い値に上昇する摩擦係数を有する。
のための部品、ならびに工作物上にこのような層を析出するための方法を提供し、その際先行技術にあった問題を回避することである。
ィング装置、たとえばEP1186681において図3〜6、明細書第12頁第26行目から第14頁第9行目に記載されたものなどにおいて、異なるアルミニウム含有量を有するCr層を析出させた。上記の文献はここに本願の一体的な部分であると宣言される。これのために、洗浄した工作物を、直径に応じて、ダブル回転あるいは直径50mm未満に
ついてはトリプル回転の基板支持体に固定し、異なるAlCr合金からなる2つのチタンおよび4つの粉末冶金製造のターゲットを、コーティング装置の壁に取付けた6つの陰極アーク源に取付けた。
表面コーティング技術、第163〜164巻(2003年)第547頁、第1欄および図1に記載されている。上記の文献はここに本願の一体的な部分であると宣言される。
表1および図1から見て取れるように、またカワテ、「Cr1-xAlxN膜の微小硬度および格子パラメータ(Micro-hardness and lattice parameter of Cr1-xAlxN films)」、真空科学技術報(J. Vac. Sci. Technol.)、A20(2)、2002年3月/4
月、第569〜571頁、から公知のように、層中の金属含有量に対する割合にして70割合%(At%)超のAl濃度については六方晶系(B4)の層構造を確認することができ
、それより小さいAl濃度については立方晶系(B1)の層構造を確認することができた。六方晶系の層については、約2100HV0.03のHV値を測定することができ、これに
対して立方晶系の層構造については、より高い約2800〜3100HV0.03のHV値を測定することができた(表1を参照)。より高いCr含有量(試験D)においては、約2300HV0.03の硬度が確認された。この組成においては、図2Aに示すような高アルミニウム含有層のAlN格子とは異なり、図2DにおけるようなCrN格子が存在した。
0.8m3m-1N-11015の極めて小さな磨耗レートが測定された。同様のことが、異な
るAl/Cr組成の、この発明に従うすなわち立方晶系の層にも当てはまり、ここでは1.5m3m-1N-110-15を上回る磨耗レートは測定されなかった。しかしながら、フローティングの、高い基板電圧で析出された層の耐磨耗性もまた、公知の、磨耗係数が明らかにより高いTiAlN層の耐磨耗性よりも、はるかに大きいことに注目すべきである。たとえば、AlCrN層と類似に析出されたTiAlN層(実験2、Al47割合%、Ti53割合%)の場合、3.47m3m-1N-110-15の磨耗レートが測定された。
たる工作物にコーティングすることが有利に可能である。その例としては、切削工具たとえばフライス、ホブ盤、球頭フライス、プレーナフライス、プロファイルフライス、ならびに穴あけ機、ねじタップ、ブローチ、リーマおよび回転/フライス加工用のスローアウェイチップ、あるいは成型工具たとえば父型、母型、引っ張りリング、噴出中子(Auswurfkerne)またはねじ型込め機がある。また、たとえば金属射出成型合金、合成樹脂または熱可塑性プラスチック用の射出成型工具、特にプラスチック成型部品あるいはデータ担体たとえばCD、DVDなどの製造に使用されるような射出成型工具もまた、上記のような層によって保護することが有利に可能である。さらに他の応用分野として、耐摩耗性に対して高い要求が、場合により高い耐酸化性とともに課されるような部品がある。そのポンプあるいは原動機の製造における例としては、パッキンリング、ピストン、ラム、歯車および弁ギア、たとえばカップタペットおよびロッカー、あるいは注入ノズル用の針、コンプレッサシャフト、ポンプスピンドル、あるいは、1つ以上の歯車要素が取付けられた多くの部品がある。
もよく、ここで上記金属は、IVb、Vbおよび/またはVIb族の金属および/またはケイ素である。たとえば、優れたなじみ特性を有する、1000〜1500HVで設定可能な硬度を有するWC/Cカバー層が特に好適である。また、CrC/C層も類似の挙動を呈するが、摩擦係数はいくらか高くなる。
くい面において優れたなじみ平滑化を確認することができた。これは従来は、手間のかかる機械加工によってのみ達成可能であったものである。このような特性は、すべり、摩擦あるいは転がり負荷を伴う部品用途に対しても、特に潤滑剤不足または乾式動作の際に、または同時にコーティングされていない対向物体の保護を図るときに興味深いものである。
工具:エンドミル硬質金属
直径D=8mm、歯数z=3
工作材料:建設用鋼Ck45、DIN 1.1191
フライスパラメータ:
切削速度vc=200/400m/分
送り速度vf=2388/4776mm/分
径方向の作用幅ae=0.5mm
軸方向の作用幅ap=10mm
冷却:エマルジョン5%
プロセス:下向き削り
磨耗基準: 自由表面磨耗VB=0.12mm
分)の範囲でまさに、AlCrNコーティングにおける極めて良好な耐酸化性が顕著となる。さらにまた、この試験においては、B1からB4構造への結晶格子の転移において、磨耗挙動が劣化する(実験3および4と比較)ことが確認される。
工具:硬質金属のエンドミル
直径D=8mm、歯数z=3
工作材料:オーステナイト鋼X 6 CrNiMoTi 17 12 2、DIN 1.4571
フライスパラメータ:
切削速度vc=240m/分
歯送りfz=0.08mm
径方向の作用幅ae=0.5mm
軸方向の作用幅ap=10mm
冷却:エマルジョン5%
プロセス:下向き削り
磨耗基準:自由表面磨耗VB=0.1mm
工具:硬質金属の球頭フライス
直径D=10mm、歯数z=2
工作材料:K340(62HRC)であって、C1.1%、Si0.9%、Mn0.4%、Cr8.3%、Mo2.1%、Mo2.1%、V0.5%に対応
フライスパラメータ:
切削速度vc=0〜120m/分
歯送りfz=0.1mm
径方向の作用幅ae=0.2mm
軸方向の作用幅ap=0.2mm
冷却:乾燥
プロセス:下向きおよび上向き削り、仕上げ削り
磨耗基準:自由表面磨耗VB=0.3mm
工具:硬質金属のエンドミル
直径D=10mm、歯数z=4
工作材料:工具鋼X 38 CrMoV 5 1、DIN 1.2343(50HRC)
フライスパラメータ:
切削速度vc=60m/分
歯送りfz=0.02mm
径方向の作用幅ae=2mm
軸方向の作用幅ap=10mm
冷却:乾燥
プロセス:下向き削り、粗削り
磨耗基準:自由表面磨耗VB=0.1mm
工具:穴あけ機HSS(S 6−5−2)、直径D=6mm
工作材料:工具鋼X 210 Cr 12、DIN 1.2080(230HB)
穴あけパラメータ:
切削速度vc=35m/分
送りf=0.12mm
穿孔深さz=15mm、底つき穴
冷却:エマルジョン5%
磨耗基準:回転モーメント停止(≧0.3mmの角磨耗に対応)
工具:硬質金属の穴あけ機、直径D=6.8mm
工作材料:建設用鋼1.1191(Ck45)
穴あけパラメータ:
切削速度vc=120m/分
送りf=0.2mm
穿孔深さz=34mm、底つき穴
冷却:エマルジョン5%
磨耗基準:角磨耗VB=0.3mm
工具:ねじタップHSS、ねじ寸法M8
工作材料:オーステナイト鋼1.4571(X6CrNiMoTi17/12/2)
切削パラメータ:
切削速度vc=3m/分
ねじ深さ:2xD
ねじの種類:止まり穴
ねじ数:64
冷却:エマルジョン5%
磨耗基準:ねじ数にわたる回転モーメントの走り方(Verlauf)、64のねじの後の視
覚的磨耗判定
Ti含有のMoS2層が設けられ、ここでもまた、他では同じ試験条件下で、加工された
工作材料における耐用期間の向上および表面品質の向上を達成することができた。
工具:ホブ盤
材料:DIN S6−7−7−10(ASP60)
直径D=80mm、長さL=240mm、モジュールm=1.5
チップ溝25本
作用角度α=20°
基準プロファイル2、歯数50、動きの幅(Gangbreite)25mm
工作材料:Cr−Mo鋼 DIN 34CrMo4
切削パラメータ:
切削速度vc=260m/分
送り2mm/回転
個数:300
冷却:乾式切削、圧縮空気による鉋屑の除去
工具:PM HSS
直径D=80mm、長さL=240mm
工作材料:16 Mn Cr 5
切削速度:180m/分、乾燥
(Al0.42Ti0.58)N、バリニット(Balinit)NANO:1809個
(Al0.63Ti0.37)N、バリニットX.CEED:2985個
(Al0.66Cr0.34)N:5370個
実験番号32:ホブ盤削り
工具:硬質金属(HM)
直径D=60mm、長さL=245mm
モジュール:1.5
作用角度□=20°
工作材料:42 CrMo4
切削速度:350m/分、乾燥
(Al0.41Ti0.59)N、バリニットX.TREME:1722個
(Al0.63Ti0.37)N、バリニットX.CEED:2791個
(Al0.66Cr0.34)N:>3400個
実験番号33:ホブ盤削り
工具:PM HSS
モジュール:2.5
工作材料:16MnCr5
切削速度:140m/分、エマルジョン
TICN、バリニットB:1406個
(Al0.42Ti0.58)N、バリニットNANO:1331個
(Al0.66Cr0.34)N:1969個
その他ここでは詳細には説明しない実験においては、vc=450m/分までのさらに
高い切削速度範囲でも良好な安定性が得られた。また、コーティングされた硬質金属ホブ盤の耐用期間も、湿式加工においても、特にまた乾式加工においても明らかに上昇させることができた。
工具:エンドミルHSS
直径D=10mm、歯数z=4
工作材料:工具鋼X 40 CrMoV 5 1、DIN 1.2344(36HRC)
フライスパラメータ:
切削速度vc=60m/分
歯送りfz=0.05mm
径方向の作用幅ae=3mm
軸方向の作用幅ap=5mm
冷却:エマルジョン5%
プロセス:下向き削り、粗削り
磨耗基準:自由表面磨耗VP=0.1mm
工具:はんだ付されたCBN浸炭鋼のバイト
工作材料:浸炭鋼16 MnCr 5、DIN 1.7131(49−62HRC)
回転パラメータ:断続切削および部分的に厚みの小さい壁強度を有する硬・軟加工
冷却:乾燥
磨耗基準:VB=0.1mmの自由表面磨耗に到達するまでの個数
実験番号43:
工具:HSS M9ねじ型込め機
工作材料:DC01、DIN 1.0330に対応、St 12 ZE
コア穴直径:8.34mm
切削パラメータ:55m/秒
切削回転数:2000回/分
戻し回転数:3600回/分
潤滑剤:S26 CA
TiN:3200ねじ
TiCN:3200ねじ
TiAlN:3500ねじ
(Al0.66Cr0.34)N:8800ねじ
コーティングされたCBN(立方晶系の窒化ホウ素)あるいはサーメット工具での実験:30〜99体積%のCBN含有量を有し残りが結合剤であるさまざまなCBN焼結工作材料からなるスローアウェイチップを、一方では実験8に従い公知のTiAlN層でコーティングし、他方では実験3、5および6に従いこの発明に従うAlCrN層でコーティングした。しかしながら、CBN焼結工作材料の非伝導性という性質から、エッチングおよびコーティングのプロセスについては、中周波領域、好ましくは20〜250kHzの周波数領域で、パルス化した基板バイアスを印加した。
工具:鍛造グリップ4 St、220×43×300mm、ベーラー(Boehler)W3
60、硬度54 HRC、同時に4つの工具が作用状態
工作物:球状材料、直径22mm、材料42CrMo4
工程:温度 成型前の工作物 1050℃
プレス力 57t/グリップあたり
冷却:モリコート+グラファイト
工具:HMフロードリル、直径10mm
工作物:1.0338
工程:工具は、約2800回/分、3000Nの回転で工作物に対して押圧された。運動力学的エネルギーによって、工作物は赤熱状態に、すなわち約1000℃にされて成型された。
工具:1.2379、長穴父型20mm×10mm
工作物:TRIP 700、厚み1.2mm
工程:剪断、切断間隙10%、500往復/分、切断力20kN
Claims (18)
- 組成(AlyCr1-y)Xの少なくとも1つの膜を含む層システムを有する工作物であって、X=Nであり、かつ、0.66≦y≦0.695であり、
前記(AlyCr1-y)X膜内の組成は、前記(AlyCr1-y)X膜の厚さにわたって連続的に変化し、
前記(AlyCr1-y)X膜は、立方晶結晶構造を有し、
前記工作物は、フライス、ブローチ、回転/フライス加工用スローアウェイチップの工具、および型込めまたは射出成型工具のうちの1つを構成し、
前記工作物と前記(Al y Cr 1-y )X層との間に固着層が塗布され、
少なくとも1つの(Al y Cr 1-y )X層は、追加的にすべり層でコーティングされ、
前記すべり層は、分散炭素を有する少なくとも1の金属の炭化物、MeがIVb,Vb,VIb金属およびシリコンの群から選択される金属であるMeC/C、Siあるいは金属含有のダイヤモンド様の炭素層、MoS x 、WS x またはチタン含有のMoS x あるいは
MoW x 層を含む、工作物。 - 前記(AlyCr1-y)X層において、y=0.66である、請求項1に記載の工作物。
- 前記(AlyCr1-y)X層において、y=0.695である、請求項1に記載の工作物。
- 前記工具は、父型、母型、引っ張りリング、噴出中子またはねじ型込め機の成型工具である、請求項1に記載の工作物。
- 前記工具は、プラスチック成型部品またはデータ記憶媒体を製造するための射出成型工具である、請求項1に記載の工作物。
- 前記工具は、CBN製またはサーメット製工具、あるいは、CBN製またはサーメット製スローアウェイチップである、請求項1に記載の工作物。
- 前記(AlyCr1-y)X膜のビッカース硬度が2300〜3100である、請求項1に記載の工作物。
- 前記(AlyCr1-y)X層の層構造が微晶質であり、平均粒径が20〜120nmである、請求項1に記載の工作物。
- 前記固着層は、IV、VまたはVI亜族の金属のうちの少なくとも1つ、あるいはアルミニウムを含む、請求項1に記載の工作物。
- 前記固着層は、IV、VまたはVI亜族における1つまたは複数の金属の、少なくとも1つの窒化物、炭化物あるいは窒化炭素を含む、請求項1に記載の工作物。
- 請求項1に記載の工作物で構成される工具で材料を加工するステップを含む方法であって、
前記工具を用いる加工は、潤滑剤または冷却剤を添加することなしに行なわれる、方法。 - 前記工具は、硬質金属またはHSSホブ盤であり、切削速度が60〜450m/分である、請求項11に記載の方法。
- 前記工具は、エンドミル、(球頭)ボールノーズミル、または粗削りカッタである、請求項11に記載の方法。
- 前記フライスは、ホブ盤または(球頭)ボールノーズミルである、請求項1に記載の工作物。
- 前記ブローチは、プレーナフライス、プロファイルフライス、またはリーマである、請求項1に記載の工作物。
- 前記工具は、引き抜きダイスの成型工具である、請求項1に記載の工作物。
- 前記(AlyCr1-y)Xで構成された1つの膜は、前記1つの膜の厚さの一部またはすべてにわたって変化する組成の薄膜状のナノ構造を含む、請求項1に記載の工作物。
- 上記(AlyCr1-y)X層の磨耗レートが、1.5×10-15m3m-1N-1以下である、請求項1に記載の工作物。
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