JP2002544379A - Pvd酸化アルミニウムで被覆された切削工具の製造方法 - Google Patents

Pvd酸化アルミニウムで被覆された切削工具の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、被膜及び基体から成る被覆された切削工具を製造するための方法において、10〜100kHzに設定されたパルス周波数の希ガス及び反応性ガスの混合物中でのパルスマグネトロンスパッタリングにより真空中を移動する基体上に反応性マグネトロンスパッタリングを行なうことによって、細粒化された結晶質γ−Al23から成る少なくとも1つの耐熱層が被着させられる方法に関する。被着は、少なくとも10w/cm2に設定された時間平均内のマグネトロン標的出力密度で静止配置された基体を基準にして少なくとも1nm/秒の速度で起こる。基体温度は400〜700℃の範囲内にあり、各々の個々の基体上に衝突する粒子の流束は繰り返し中断される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、金属機械加工用の切削工具上に反応性マグネトロンスパッタリング
技術を用いて少なくとも一層の微結晶質γAl23を被着する改良型方法に関す
る。
【0002】 例えば、金属機械加工において使用される超硬合金切削工具については、周期
律表の第IV,V及びVI群からの遷移金属又はケイ素、ホウ素及びアルミニウムの
いずれかの中から選択された金属を用いた金属の酸化物、炭化物又は窒化物の薄
く硬い表面層を施すことによって、工具の刃の摩耗耐性を著しく増大させること
ができるというのは周知の事実である。被膜の厚みは通常1〜15μmの間で変
動し、かかる被覆を施すための最も広く用いられている技術は、PVD及びCV
D(化学蒸着)である。同様に、金属の炭化物及び窒化物の層の上面にAl23 といったような純粋セラミクス層を塗布することによって切削工具の性能をさら
に改善できるということも知られている(米国特許第5,674,564号及び米
国特許第5,487,625号)。
【0003】 アルミナ層で被覆された超硬合金の切削工具は20年以上にわたり市販されて
きた。通常利用されるCVD技術には、高温に保たれた基体表面上に反応性ガス
の雰囲気から材料を被着させることが関与する。Al23は、酸素原子のhcp
(六方最密)積層を伴って「α−系列」と呼ばれるα(アルファ),κ(カッパ
)及びχ(カイ)といったような複数の異なる相へ、そして酸素原子のfcc(
面心立方)積層を伴って「γ−系列」と呼ばれるγ(ガンマ),θ(シータ),
η(イータ)及びδ(デルタ)へと結晶化する。従来のCVD温度である100
0〜1050℃で強硬合金上に被着されたCVD被覆において最も頻繁に発生す
るAl23相は、安定アルファ及び準安定カッパ相であるが、場合によっては準
安定シータ相も観察された。
【0004】 α−,κ及び/又はθ相のCVD Al23被膜は、0.5〜5μmの範囲内の
粒子サイズ及びファセットが良好な粒子構造をもつ完全に結晶質のものである。 約1000℃という本質的に高い被着温度のため、超硬合金基体上のCVD
Al23被膜内の全応力は引張り応力となり、そのため、全応力は、基体と被膜
との間の熱膨張率の差によりひき起こされる熱応力により支配され、被着プロセ
ス自体に起因し圧縮的なものである固有の応力よりも少ない。引張り応力は、A
23の破断限界を上回り、被膜の広範なひびわれをひき起こしかくして、例え
ば冷却液中の腐食性化学物質が被膜内のひびわれを拡散経路として活用しうる湿
式機械加工における切削刃の性能を劣化させる可能性がある。
【0005】 一般に、CVDで被覆された工具は、乾燥又は湿潤切削条件下でのさまざまな
鋼及び鋳鉄の機械加工の時に非常に優れた性能を示す。しかしながら、例えば鋭
利な切削刃が必要とされる穴あけ、突っ切り及びネジ切りその他の作業の場合の
ようにPVD被覆された工具がより適したものである、切削作業又は機械加工条
件も数多く存在する。このような切削作業は往々にして「PVD被覆された工具
の応用分野」と呼ばれる。
【0006】 プラズマを利用したCVD技術であるPACVDは、熱CVD温度に比較して
低い基体温度で被膜を被着させかくして熱応力の支配を回避することを可能にす
る。ひびわれの無い薄いAl23 PACVDフィルムが450〜700℃とい
う基体温度で超硬合金上に被着されてきた(DE4110005,DE4110
006,DE4209975)。Al23を被着させるためのPACVDプロセ
スには、例えばAlCl3といったようなAlハロゲン化物と例えばCO2といっ
た酸素供与体の間の反応が含まれ、この化学反応は不完全であることから、Al 23 被膜内に塩素が捕獲され、その含有率は3.5%にもなり得る。その上、こ
れらのPACVD Al23 被膜は、一般に、結晶質アルファ及び/又はガンマ
Al23相以外に、高含有率のハロゲン不純物と組合わさって前記被膜の化学的
及び機械的特性を両方共劣化させひいては被膜材料を工具材料として最適化され
ていないものにしてしまう実質的な量の非晶質アルミナで構成されている。
【0007】 本発明の分野は、特に、金属機械加工において用いられるPVD Al23
覆された切削工具の技術に関するものである。 耐熱性薄膜を切削工具上に製造する能力をもつPVD技術はいくつか存在する
が、最も確立された方法は、イオンめっき、DC及びRF−マグネトロンスパッ
タリング,アーク放電蒸発、IBAD(イオンビーム被着)及び活性化反応性蒸
発(ARE)である。各方法には独自の長所があり、ミクロ構造/粒子サイズ、
硬度、応力状態、下部基体に対する固有の凝集及び付着といったような生成され
た被膜の固有の物性は、選ばれた特定のPVD方法に応じて変動し得る。400
〜500℃といった標準的PVD温度でAl23をPVD被着する初期の試みは
、切削工具上に適用された場合に摩耗耐性の著しい改善を全く提供しない非晶質
アルミナ層を結果としてもたらした。HFダイオード又はマグネトロンスパッタ
リングによるPVD被着は、基体温度が1000℃という高温に保たれた場合に
のみ結晶質α−Al23を結果としてもたらした(Thornton and Chim, Ceramic
Bulletin, 56(1977)504)。同様にして、Al23を被着させるた
めにARE方法を応用することは、基体温度が1000℃前後である場合にのみ
、充分に密度の高い硬質のAl23被膜を結果としてもたらした(Bunshab and
Schramm, Thin Solid Films, 40(1977)211)。
【0008】 DD252205及びDE19518779で開示されている双極パルスDM
S技術(デュアルマグネトロンスパッタリング)の発明により、Al23といっ
たような断熱層を被着する機会が広い範囲で開かれ、さらに、この方法により5
00°〜800℃の範囲内の基体温度で結晶質Al23層を被着することが可能
となった。双極デュアルマグネトロンシステムにおいては、2つのマグネトロン
が、陽極及び陰極として交互に作用し、従って長いプロセス時間にわたり金属陽
極を保存することができる。充分高い周波数では、断熱層上で考えられる荷電は
抑制され、そうでなければ問題の多い「アーク発生」の現象は制限されることに
なる。従って、DE19518779に従うと、DMSスパッタリング技術は、
800℃未満の基体温度において高品質で充分な付着力をもつ結晶質α−Al2
3薄膜を被着させ生成する能力をもつ。0.2〜2μmの間で変動する標準的α
粒子サイズをもつ「α−Al23層」は、Al23 多形の「γ−系列」からの
ガンマ(γ)相をも部分的に含有することができる。被膜内のγ粒子のサイズは
、α粒子のサイズよりもはるかに小さい。γ−Al23粒子サイズは、標準的に
0.05〜0.1μmの間で変動する。γ及びα相の両方の修正が発見されたAl 23層においては、γ−Al23相は、(440)集合組織で好ましい成長配向
を示した。DE4209975の中で記述されているPACVDといった先行技
術のプラズマ被着技術と比べると、新しいパルスDMS スパッタリング被着方
法は、例えば塩素などのハロゲン原子といった不純物がAl23コーティング内
に全く取込まれていないという、決定的かつ重要な利点を有する。
【0009】 本発明に従うと、旋削(ネジ切り及び突っ切り)、フライス削り及び穴あけと
いったような金属機械のための切削工具上で400〜700℃,好ましくは50
0〜600℃の基体温度でパルスマグネトロンスパッタリングを行なうことによ
り、硬く摩耗耐性のあるγ−Al23を被着させる改良型の方法が提供される。
前記切削工具は、超硬合金,サーメット、セラミクス、高速度鋼といったような
硬質材料又は立方晶窒化ホウ素及び/又はダイヤモンドといったような超硬質材
料の本体を含んで成る。γ−Al23層は、0.1μm未満の粒子サイズをもつ
高品質で高密度の細粒化された結晶質Al23から成り、これらは事実上ひびわ
れ及びハロゲン不純物を含んでいない。
【0010】 γ−Al23層は、単数又は複数の耐熱化合物層から成る摩耗耐性ある被膜の
中に内含されていてよく、ここでγ−Al23−層は好ましくは最も外側の層で
あり、工具本体とAl23層の間に最も内側の層が存在する場合にはそれは、T
i,Nb,Hf,V,Ta,Mo,Tr,Zr,Cr,W及びAlの中から選択
された金属元素を用いた金属の窒化物、炭窒化物及び/又は炭化物で構成されて
いる。
【0011】 当該技術分野の現状とは対照的に、本発明に従ったγ−Al23−層はさらに
、きわめて平滑な表面仕上げを工具の切削刃に与え、これは先行技術のα−Al
2O3 被覆された工具と比べて、同じく機械加工中の工作物の表面仕上げの改善
という結果ももたらす。非常に平滑な表面仕上げは、被膜の非常に細かい結晶度
のためであるとすることができる。「γ−Al23」−層は同様に、θ,δ及び
ηといったような「γ−系列」からのその他の相をも部分的に含むことができる
【0012】 本発明に従った結晶質γ−Al23は〔440〕の方向で、強い集合組織をも
つ。集合組織係数TCは以下の式で定義づけできる: TC(hkl)=[I(hkl)/Io(hkl)][[1/n]Σ[I(hkl)/Io(hkl)]} なお式中、I(hkl)=(hkl)反射の測定上の強度であり;I0(hkl
)=ASTM標準粉末パターン回折データからの標準強度であり;n=計算に用
いられた反射回数である。
【0013】 使用された(hkl)反射は(111),(311),(222),(400
)及び(440)であり、TC(hkl)>1である場合にはつねに〔hkl〕
方向に集合組織がある。TC(hkl)の値が大きくなればなるほど、集合組織
はより顕著なものとなる。本発明に従うと、(440)結晶面の1群についての
TCは1.5よりも大きい。
【0014】 本発明に従った非常に細粒化されたγ−Al23で被覆された超硬合金切削工
具を鋼又は鋳鉄の機械加工で使用した場合、先行技術に比べいくつかの重要な改
良が見られた。驚くべきことに、より粗で熱動力学的に安定したα−Al23
の部分を全く含まないPVD γ−Al23は、或る種の金属機械加工作業にお
いて、1000℃前後の温度で被着されたより粗なCVD α−Al23被膜内
でみられる摩耗耐性に等しい摩耗耐性を示す。さらに、細粒化されたPVD γ
−Al23被膜は、先行技術のPVD被膜に比べはるかにすぐれた摩耗耐性を示
す。これらの観察事実は、切削性能を著しく改善しPVD被覆された工具の工具
寿命を延ばす可能性を開くものである。低い被着温度は同様に、高速度鋼工具上
でPVD γ−Al23 被膜を被着することも可能にする。
【0015】 切削性能におけるさらなる改善は、本発明に従ったγ−Al23で被覆された
切削工具の刃が、US5,861,210で開示されたようにSiCに基づくよう
なブラシでの刃ブラシがけ又は穏やかなウェットブラスト法により処理される場
合に予測できる。 本発明に従った合計被膜厚みは、非Al23層の厚みが0.1〜10μm好ま
しくは、0.5〜5μmの間で変動している状態で、0.5〜20μm好ましくは
1〜15μmの間で変動する。細粒化されたγ−Al23 被膜は同様に、切削
工具基体上に直接被着させることもでき、前記γ−Al23の厚みはそのとき0
.5〜15μm好ましくは1〜10μmの間で変動する。同様にして、Al23
層の上面には、Ti,Nb,Hf,V,Ta,Mo,Zr,Cr,W及びAlの
中から選択された金属元素との金属窒化物及び/又は炭化物のさらなる層も被着
できる。
【0016】 本発明に従ったγ−Al23層は、好ましくはアルゴン及び酸素である少なく
とも1つの反応性ガスと少なくとも1つの希ガスの混合物及びアルミニウム標的
を用いて、400〜700℃,好ましくは500〜600℃の基体温度でパルス
マグネトロンスパッタリングによって被着される。パルスマグネトロンスパッタ
リングプロセスを実施するための好ましい1つの解決法は、デュアルマグネトロ
ンスパッタリング(DMS)の利用である。さらに、本発明に従った方法は、各
々の個々の基体上に衝突する粒子の流束の繰り返し中断をその特徴としている。
この流束は、中性原子、イオン、電子、光子などで構成される。これらの中断は
再核形成プロセスをひき起こし、その結果、γ−Al23層のひじょうに細粒化
された構造が観察されることになったと思われる。流束の前記繰り返し中断を実
現する1つの容易な方法は、マグネトロンの前で回転する円筒形バスケット上に
基体を固定し、かくして基体がプラズマ被着ゾーン内及びそれから外へと移動す
るようにすることにある。かかる繰り返し中断の頻度は1分あたり0.1〜10
回である。衝突粒子の流束の中断の持続時間は、全周期の持続時間の少なくとも
10%である。代替的には、衝撃粒子の流束の繰り返し中断は、非同期的に起こ
る。この方法のさらなる特徴は、マグネトロン放電のインピーダンスが完全に酸
化物被覆された標的電極の間の放電焼成のインピーダンスの150%〜250%
の間にくるような値に、反応性ガスの流量を設定するという点にある。標的のこ
の完全に酸化物被覆された状態は、大幅に減少した被着速度及びプラズマの発光
スペクトル内の酸素ラインの存在によって表わされる。さらに、γ−Al23
のミクロ構造及び相組成の改善は、被着中に基体に対し双極パルスバイアス電圧
を印加することによって達成されることになる。この双極バイアス電圧は好まし
くは、電圧レベル及びパルス持続時間というパラメータのうちの少なくとも1つ
に関して両方の極性について非対称的である。こうして、成長する断熱層の循環
的放電に必要なイオン及び電子の交互の流束が導かれる。好まれるのは、1〜5
kHzの範囲内の周波数で20〜200,好ましくは50〜100Vの間のバイア
ス電圧レベルである。被着配置の幾何学的条件に応じて、電圧レベル及びパルス
持続時間というパラメータに関する非対称的バイアスパルス発生が有用でありう
る。この場合には、正の極性の持続時間は負の極性の持続時間よりも著しく短か
いか又は多くともそれに等しいものでなくてはならない。好ましくは、パルスバ
イアス周波数は、100Hz〜10kHz好ましくは1kHz〜5kHzの範囲内にあり
、基体の正の極性の持続時間は、負の極性の持続時間の好ましくは5分の1〜2
0分の1以下である。
【0017】 Ti,Nb,Hf,V,Ta,Mo,Zr,Cr,W及びAlの中から選択さ
れた金属元素を用いた金属窒化物及び/又は炭化物及び/又は窒炭化物を含む、
本発明に記述した層(単複)は、PVD技術、CVD及び/又はMTCVD技術
(中温化学蒸着)によって被着させることができる。 実施例1 A) イオンめっき技術により約2μmのTiN層が被覆された10重量%の
Coと残りの部分WCの組成をもつR166.OG−16MM01−150型式
の市販の超硬合金ネジ切り用インサート。
【0018】 B) A)からのTiNのコーティングを受けた工具に、パルスマグネトロン
スパッタリング技術を用いた別の実験において1μmの細粒化γ−Al23層で
被覆を施した。被着温度は650℃に設定した。アルゴンと酸素から成る気体混
合物の合計圧力は1.5μbar に設定した。反応性マグネトロン放電の作用点は
、放電のインピーダンスが、使用されたDMSの完全に酸化物被覆された標的電
極を用いて測定されたインピーダンスの200%に設定されるような要領で、酸
素流量により制御した。各々の個々の基体に向かっての粒子流束の繰り返し中断
は、被着中DMSの前で基体とシールドの配置を回転させることによって実現し
た。被着プロセス中、両方の極性について50Vの矩形双極パルスバイアス電圧
及び5kHzの周波数を、基体に対し加えた。
【手続補正書】特許協力条約第19条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年9月18日(2000.9.18)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲーディッケ,クラウス ドイツ連邦共和国,デー−01307 ドレス デン,プファイファーハンスシュトラーセ 78 (72)発明者 フィーツケ,フレット ドイツ連邦共和国,デー−01127 ドレス デン,ライスニーガー シュトラーセ 63 (72)発明者 ツィビツキ,オラフ ドイツ連邦共和国,デー−09599 フライ ベルク,ヨット.−エス.−バッハ−シュ トラーセ 6 (72)発明者 ショーストランド,マッツ スウェーデン国,エス−164 78 キスタ, イマトラガタン 328 (72)発明者 リュンベルイ,ビョールン スウェーデン国,エス−122 44 エンス ケデ,クルストータルベーゲン 96 Fターム(参考) 3C046 FF02 FF13 FF20 FF22 FF23 FF24 4K029 AA02 AA04 BA44 BB08 BD05 CA06 CA13 DC03 DC16 DC29 EA08 EA09 FA07

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被膜及び基体から成る被覆された切削工具を製造するための
    方法において、10〜100kHz,好ましくは20〜50kHzに設定されたパル
    ス周波数で希ガス及び反応性ガスの混合物中でのパルスマグネトロンスパッタリ
    ングにより真空中を移動する基体上に反応性マグネトロンスパッタリングを行な
    うことによって、細粒化された結晶質γ−Al23から成る少なくとも1つの耐
    熱層が被着させられ、かくして、被覆中の工具本体の材料に応じて400〜70
    0℃好ましくは500〜600℃の範囲内に設定された基体温度及び少なくとも
    10w/cm2に設定された時間平均内のマグネトロン標的出力密度で静止配置され
    た基体を基準にして少なくとも1nm/秒の速度で被着が起こり、各々の個々の
    基体上に衝突する粒子の流束は繰り返し中断されることを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 希ガスがアルゴンであることを特徴とする請求項1に記載の
    方法。
  3. 【請求項3】 反応性ガスが酸素であることを特徴とする請求項1に記載の
    方法。
  4. 【請求項4】 衝突粒子の流束の繰り返し中断が、毎分0.1〜10の範囲
    内の頻度で周期的に発生することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】 衝突粒子の流束の中断持続時間が全周期の持続時間の少なく
    とも10%であることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  6. 【請求項6】 衝突粒子の流束の繰り返し中断が非周期的に起こることを特
    徴とする請求項1に記載の方法。
  7. 【請求項7】 双極パルスバイアス電圧が基体に印加されることを特徴とす
    る請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 【請求項8】 印加された双極バイアス電圧が、電圧レベル及びパルス持続
    時間といったパラメータのうちの少なくとも1つに関して両方の極性について非
    対称であることを特徴とする請求項7に記載の方法。
  9. 【請求項9】 各パルス内のバイアス電圧の最大値が、20V〜200Vの
    範囲内、好ましくは50V〜100Vの範囲内にあることを特徴とする請求項7
    及び8に記載の方法。
  10. 【請求項10】 パルスバイアス周波数が、100Hz〜10kHzの範囲内、
    好ましくは1kHz〜5kHzの範囲内にあり、基体の正の極性の持続時間が好まし
    くは負の極性の持続時間の5分の1から20分の1以下であることを特徴とする
    請求項7に記載の方法。
  11. 【請求項11】 反応性ガスの流量は、マグネトロン放電のインピーダンス
    が、完全に酸化物被覆された標的電極の間の放電焼成のインピーダンスの150
    %〜250%の間にくるような値に設定されることを特徴とする請求項1に記載
    の方法。
  12. 【請求項12】 Al23層が、マグネトロンスパッタリング器具の陰極及
    び陽極として交互に切換えられるAl標的を用いて2つのマグネトロンをスパッ
    タリングすることにより、Al23層が被着させられることを特徴とする請求項
    1に記載の方法。
  13. 【請求項13】 付加的な非Al23層が同様に、PVD(物理的蒸着)プ
    ロセス特にパルスマグネトロンスパッタリングにより被着させられることを特徴
    とする請求項9〜10の少なくとも1項に記載の方法。
  14. 【請求項14】 全ての層すなわちAl23及び非Al23層が、真空の中
    断なく同じコーティング器具内で被着させられることを特徴とする請求項11に
    記載の方法。
  15. 【請求項15】 付加的な非Al23層がCVDプロセス(化学蒸着)によ
    り適用されることを特徴とする請求項9〜10の少なくとも1項に記載の方法。
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