JP2001517156A - 多層被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、焼結した超硬合金又はサーメット、セラミックス又は高速度鋼の本体(1)を含み、前記本体上の少なくとも前記本体の表面の機能する部分に、薄い付着性の硬質かつ耐摩耗性の被膜(2)が施されている切削工具に関する。上記被膜は(MX/NX)λ/(MX/NX)λ/(MX/NX)λ/(MX/NX)λ/...なる多結晶の繰り返しの形式で耐熱化合物の層状の多層構造を含み、ここで交互の層MX(3)及びNX(4)はTi、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr及びWから選択した金属元素を有する金属窒化物又は炭化物からなるものである。繰り返し周期λ(5)は多層構造の全体に渡り本質的に一定であり、３nmより大きく、100nmより小さく、好ましくは25nmより小さい。上記多層被膜の全体の厚みは0.5μmより大きく、20μmより小さい。

Description

【発明の詳細な説明】 多層被覆切削工具 本発明は、超硬合金、サーメット、セラミックス、又は高速度鋼の基板を有し 、また上記基板の表面上に硬質で耐摩耗性の耐熱被膜を物理蒸着法(PVD)又は化 学蒸着法(CVD)で堆積させた金属機械加工用の切削工具に関する。被膜は基板に 付着接合し、またナノメーター領域(nm)の繰り返し周期を有する金属窒化物又は 炭化物の層状の多層構造からなるものであり、窒化物又は炭化物の金属元素はTi 、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、又はWから選択したものである。 本発明は特にPVD被覆した炭化物、又はサーメット、セラミックス及び高速度 鋼などの同様の硬質な材料の技術に関する。例えば超硬合金切削工具上に、アル ミナ(Al₂O₃)、チタン炭化物(TiC)及び／又はチタン窒化物(TiN)のような材料の 薄い耐熱被膜(1〜20μm)を堆積させる方法は十分に確立した技術であり、被覆し た切削工具の工具寿命は、金属機械加工に使用する際著しく長くなっている。工 具の耐用期間の長期化はある条件下では、数100％に達するまで長くなっている 。従来技術における上記耐熱被膜は、単層又は多層の組合せのどちらかを含む。 最新の市販されている切削工具は、２層又は多層の構造を有する複数の層の組合 せにより特徴づけられる。全被膜厚みは１〜20μmの間で変化し、従来技術にお いて多層構造はマイクロメーター領域(μm)で特徴づけられ、すなわち個々の細 分層(sublayer)の厚みは数ミクロンから数十ミクロンの間で変化する。 そのような被膜を堆積するのに確立した技術はCVD（化学蒸着法）及びPVDであ る（例えばUS 4,619,866及びUS 4,346,123参照）。 超硬合金又は高速度鋼のPVD被覆した市販切削工具は通常TiN、TiCN又はTiAlNの 単一の被膜を有するが、それらを組合せたものも存在する。 切削工具上に耐熱性の薄膜を作ることが可能なPVD技術がいくつかある。最も 確立されている方法はイオンプレーティング(ion plating)、マグネトロンスパ ッタリング(magnetron sputtering)、アーク放電蒸着(arc discharge evaporati on)及びIBAD（イオンビーム堆積(Ion Beam Assisted Deposition)）である。各 々の方法は独特の長所を持ち、微細組織／結晶粒サイズ、硬さ、応力状態、下部 にある基板との粘着性及び付着性などの製造した被膜の固有の特性は、選択した 特定のPVD法に依存して変化するであろう。特定の機械加工作業に使用するPVD被 覆切削工具の耐摩耗性又は刃部の完全性(edge integrity)の改良は、従って上述 の特性の１種類又は数種類を最適化することにより達成できる。その上、存在す るPVD技術の新規な開発により、例えば反応スパッタリングに不平衡マグネトロ ン(unbalanced magnetron in reactive sputtering)を導入すること(S．Kadlec ，J．Musil and W.-D．Munz in J．Vac．Sci．Techn．A8(3)，(1990)，1318.)、 又は陰極アーク堆積(cathodic arc deposition)に指向性及び／又はフィルタリ ングしたアーク(steered and/or filtered arc)を適用すること(H．Curtins in Surface and Coatings Technology，76/77，(1995)，632及びK．Akari et al in Surface and Coatings Technology，43/44，(1990)，312.)により、被覆方法の 制御が向上し、被膜材料の固有の特性を更に改善する結果となっている。 超硬合金のような従来の切削工具材料は、少なくとも１種類の硬質な金属化合 物、及び通常コバルト(Co)の結合剤からなり、ここで硬質化合物、例えばタング ステン炭化物(WC)の結晶粒サイズは１〜 ５μmの範囲である。最近の開発により、原料としてナノ構造のWC-Co粉末を使用 することによる超微粒微細組織に基づく工具材料を適用することで、耐摩耗性、 衝撃強さ、高温硬さの工具特性が改善されると予測されてきた(L．E．McCandlis h，B．H．Kear and B．K．Kim，in NanoSTRUCTURED Materials VOL．1 pp．119- 124，1992)。同様の予測は、セラミック工具材料に対しては、例えばシリコンの 窒化物／炭化物(Si₃N₄/SiC)を基に作成したナノ複合材セラミックス、及びAl₂O₃ を基に作成したセラミックスに対しては、アルミナを基に作成した同等のナノ複 合材を適用することでなされてきた。 ナノ複合材の窒化物又は炭化物の硬質被膜材料に関して、各々の個々の窒化物 （又は炭化物）の層の厚みが３〜100nm、又は好ましくは３〜20nmのナノメータ ー領域にある多層被膜であると理解されている。例えば金属窒化物薄膜の連続に 一定の周期性又は繰り返しの周期を求めているため、これらのナノスケールの多 層被膜は「超格子」薄膜という総称が与えられている。繰り返しの周期は、すな わち細分層に異なる金属元素を有する２つの隣接した金属窒化物層の厚みである 。単結晶及び多結晶基板上に成長した、Ti、Nb、V及びTaから選択した金属元素 を有する金属窒化物超格子被膜のいくつかの種類のものは、通常３〜10nmの範囲 の特定の繰り返し周期で硬さが高まることが示されている。 本発明によると、超硬合金、サーメット、セラミックス又は高速度鋼の硬質合 金の本体を含み、その上に耐摩耗性の多層被膜を堆積させた切削工具を提供する 。より明確には、被覆工具は焼結した超硬合金又はサーメット、好ましくは金属 結合相中に少なくとも１種類の金属炭化物、又はセラミックの基板を含む。基板 はまた高速度鋼合金を含んでも良い。上記基板はまた従来技術に従ってマイクロ メーター領域の厚みを有するTiN、TiC、TiCN又はTiAlNの薄い単層又は多層で予 備被覆しても良い。本発明による被覆切削工具は、鋼又は鋳鉄、及び特にステン レス鋼の機械加工用として使用する際に、従来技術の工具と比較して耐摩耗性及 び靭性特性が改善されていることが分かる。基板に付着接合した上記被膜は、金 属窒化物又は炭化物、好ましくは２種類の多結晶(binary polycrystalline)窒化 物の層状多層構造を含み、0.5〜20μm、好ましくは１〜10μm、最も好ましくは ２〜６μmの厚みを有する。(MX/NX)λ/(MX/NX)λ/(MX/NX)λ/(MX/NX)λ/....... ..なる２種類の多層被膜構造（図１参照）において、交互の層MX及びNXは、チタ ン(Ti)、ニオブ(Nb)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、タンタル(Ta)、モリブ デン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、クロム(Cr)、又はタングステン(W)から選択した 金属元素のM及びNを有する金属窒化物又は金属炭化物を含み、(MX/NX)λにおけ る繰り返し周期λは多層構造の全体に渡り本質的に一定であり（すなわち、20％ 程度までで変化する）、３nmより大きく、100nmより小さく、好ましくは50nmよ り小さく、最も好ましくは25nmより小さい。繰り返し周期はMX＋NX層、すなわち 異なる金属元素を有する２つの隣接した層の厚みである。上述の「超格子」被膜 の好ましい実施例は、TiN/NbN/TiN/NbN...．、TiN/TaN/TiN/TaN...．、及びTiN/ VN/TiN/VN...．である。 図１を参照すると、MX３及びNX４である個々の２種類の金属窒化物（又は炭化 物）層を有する層状多層窒化物又は炭化物被膜２で被覆した基板１を示してあり 、ここで２種類の層MX＋NXの厚みである繰り返し周期λ５は多層被膜の全体に渡 り本質的に一定である。 上述の層状被膜は、結晶粒界で空孔を含まないか又は非常に少ない状態で柱状 成長(columnar growth)の態様を示す。被膜はまた、基板の表面粗さに起因して 細分層に本質的な起伏をもつ。高倍率の 透過型電子顕微鏡(TEM)により、鮮明な界面を有する非常に秩序だった超格子構 造が示され、その上被膜の超格子構造のＸ線回折もまた局所的な構造が秩序だっ ているという観察結果を支持している。Ｘ線回折像の超格子反射にも関わらず、 超硬合金、サーメット、セラミックス又は高速度鋼の基板上の被膜は決して単結 晶ではなく、局所的な構造において比較的無秩序の程度が高いため、従って超格 子というよりも多層又は「薄層状被膜」として見なすべきである。 金属機械加工に使用する切削工具に関して、超硬合金、サーメット及びセラミ ックスなどの硬質な耐熱材料の基板上に堆積したナノ構造の薄層状被膜を有する 本発明により、いくつかの利点が提供される。例えば超硬合金上の(MX/NX)λ/(M X/NX)λ/...．なる２種類の窒化物薄層状被膜において、被膜の硬さは、層の厚 みがマイクロメートル規模のMX及び／又はNXの個々の単一層のものより通常増大 していて、それは同時に固有の応力の絶対値が小さいためである。被膜の硬さの 増大という第一の観点は、切れ刃の耐アブレシブ摩耗性を増加させる結果となり 、被膜中の固有応力が絶対値として減少するという第二の観点は、機械加工作業 時に切れ刃に作用する応力が吸収される能力を高めることをもたらす。 層状ナノ構造被膜は、炭化物、サーメット、セラミックス又は高速度鋼基板上 に、CVD又はPVD技術で、好ましくはPVD技術で、真空チャンバにおいて蒸着する ことで個々の細分層を連続的に形成することにより、堆積させることができる。 電子線蒸着(electron beam evaporation)、マグネトロンスパッタリング、又は 陰極アーク堆積、又はそれらの組合せは、ナノ構造被膜を堆積するのに好ましい PVD法である。 実施例１ 多層TiN/NbN被膜を、正面フライス用に設計したISOインサートSEKN 1204型の 超硬合金(WC/9w％Co)切削インサート上に堆積させた。インサートをPVD真空チャ ンバ内の回転試料ホルダに据え付け、10rpmで基板テーブルを回転させTiN及びNb Nを同時に堆積させることで、TiN/NbN薄層状被膜を堆積させた。チタンはるつぼ からＥ型電子銃(e-gun)蒸着し、Nbはマグネトロンターゲットからスパッタリン グした。窒素を反応ガスとして真空チャンバに添加した。結果として生じた全被 膜厚みは約４μmで、被膜の逃げ面とすくい面の間での変化は20％以下であった 。従って、異なる工具表面での「超格子」の繰り返し周期はわずかな変動しか示 さなかった。薄層状の厚みである細分層の個々の厚みは、TiN層について約７nm 、NbN層について約５nmで、すなわち繰り返し周期λは約12nmであった。TiN/NbN 薄層状被膜の微小硬さ(microhardness)は3200HVで、残留固有応力は-0.5GPaであ った。 多層ナノ構造TiN/NbN被覆切削インサートを、同様のインサートSEKN 1204型で WC/Co組成がWC/9w％CoであるPVD TiCN(厚み４μm)単層被覆超硬合金インサート と比較して、オーステナイト系ステンレス鋼(AISI/SAE 303/304)の正面フライス の機械加工作業でテストした。従って、機械加工の結果において基板組成又はイ ンサート形状の効果は除外されている。切削テストは、加工部材の中央に合わせ たφ100mmのフライスカッターでの１枚の刃の正面フライス加工作業において、 乾式切削条件にて行った。加工部材材料は幅50mm、長さ600mmの棒状の形状で、 工具の機械加工性能は600mm進行後の切れ刃における平均の逃げ面摩耗を測定す ることにより評価した。 切削データ 切削速度 166m/min 送り速度 0.12mm/刃(tooth) 切削深さ ４mm 以下の結果は長さ3000mmのフライス加工後の切削工具の平均逃げ面摩耗(mm)と して表してある。実施例２ 多層TiN/TaN被膜を、実施例１に記載した被覆技術を使用して、ISOインサート SEKN 1204型の超硬合金(WC/9w％Co)切削インサート上に堆積させた。個々の細分 層の厚みは、TiN層について約７nm、TaN層について約４nmで、11nmの繰り返し周 期λを生じた。 多層ナノ構造TiN/TaN被覆切削インサートを、同様のインサートSEKN 1204型で WC/Co組成がWC/9w％Coである単層PVD TiCN(厚み４μm)及び単層PVD TaN(厚み４ μm)の被覆超硬合金インサートと比較して、オーステナイト系ステンレス鋼(AIS I/SAE 303/304)の正面フライス機械加工作業でテストした。従って、機械加工の 結果において基板組成又はインサート形状の効果は除外されている。切削テスト は、加工部材の中央に合わせたφ100mmのフライスカッターでの１枚の刃の正面 フライス作業において、乾式切削条件にて行った。加工部材材料は幅50mm、長さ 600mmの棒状の形状で、工具の耐用期間は工具損傷までのフライス加工長さを測 定することにより確定し、工具損傷は欠けが発生したとき又は逃げ面摩耗が0.50 mmまで進展したときとした。 切削データ 切削速度 172m/min 送り速度 0.12mm/刃 切削深さ ４mm 以下の結果は切削工具損傷までのフライス加工長さとして表してある。実施例３ 多層TiN/NbN被膜を３種類の異なる組成の超硬合金インサート上に堆積させた 。インサートはエンドミルカッタ用に設計され、３種類のWC/Co炭化物組成は、W C/6w％Co、WC/9w％Co、及びWC/12w％Coであった。実施例１と同様の被覆技術を 使用し、個々の細分層の厚み及び繰り返し周期も実施例１と同様であった。 TiN/NbN多層被覆切削インサートを、上述したものと同様の組成を有する単層P VD TIN(厚み４μm)被覆超硬合金インサートと比較して、オーステナイト系ステ ンレス鋼(AISA/SAE 303/304)のエンドミル機械加工(end mill machining)作業で テストした。切削テストは側面削り作業においてφ16mmのインサートを有するエ ンドミルで乾式切削条件にて行った。加工部材材料は長さ500mmの棒状の形状で あった。工具の耐用期間は工具損傷までのエンドミル加工長さを測定することに より確定し、工具損傷は欠けが発生したとき又は平均逃げ面摩耗が0.50mmまで進 展したときとした。 切削データ 切削速度 150m/min 送り速度 0.14mm/刃 切削深さ／切削幅 4.0/8.0mm 以下の結果は切削工具損傷までのエンドミル加工長さとして表してある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ノルディン，マリア スウェーデン国，エス―753 30 ウップ サラ，サラベーゲン 15セー (72)発明者 ラルソン，マッツ スウェーデン国，エス―754 26 ウップ サラ，ベルマンスガタン 144 (72)発明者 ホグマルク，ステュレ スウェーデン国，エス―753 37 ウップ サラ，ハンガルガタン ４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．焼結した超硬合金又はサーメット、セラミックス又は高速度鋼の本体を含 み、前記本体上の少なくとも前記本体の表面の機能する部分に、薄い付着性の硬 質かつ耐摩耗性の被膜が施されている切削工具において、上記被膜が(MX/NX)λ/ (MX/NX)λ/(MX/NX)λ/(MX/NX)λ/.....．なる多結晶の繰り返しの形式で耐熱化 合物の層状の多層構造を含み、ここで交互の層MX及びNXはTi、Nb、Hf、V、Ta、M o、Zr、Cr及びWから選択した金属元素を有する金属窒化物又は炭化物からなり、 上記被膜において、繰り返し周期λは多層構造の全体に渡り本質的に一定であり 、ここで上記繰り返し周期は３nmより大きく、100nmより小さく、好ましくは25n mより小さく、かつ上記多層被膜の全体の厚みは0.5μmより大きく、20μmより小 さいことを特徴とする切削工具。 ２．前記交互の層MX及びNXが金属窒化物からなることを特徴とする請求項１記 載の切削工具。 ３．前記交互の層MX及びNXが金属炭化物からなることを特徴とする請求項１記 載の切削工具。 ４．前記交互の層MX及びNXの前記金属元素がそれぞれTi、Nbであることを特徴 とする請求項１から３のいずれかに記載の切削工具。 ５．前記交互の層MX及びNXの前記金属元素がそれぞれTi、Taであることを特徴 とする請求項１から３のいずれかに記載の切削工具。 ６．前記繰り返し周期λが３〜50nm、好ましくは３〜25nmの範囲であることを 特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の切削工具。 ７．上記被膜が１〜10μm、好ましくは２〜６μmの全厚みを有することを特徴 とする請求項１から６のいずれかに記載の切削工具 。 ８．上記本体が超硬合金又はサーメットであることを特徴とする請求項１から ７のいずれかに記載の切削工具。