JP2007526135A

JP2007526135A - 切削工具のためのコーティングとその製造方法

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Publication number: JP2007526135A
Application number: JP2007501147A
Authority: JP
Inventors: ファイトシーアー
Original assignee: ヴァルターアーゲー
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2025-02-17
Also published as: KR20060130196A; EP1721027A1; BRPI0507772A; WO2005085499A1; CN1926261A; KR101190528B1; US7758975B2; CN1926261B; JP4914825B2; EP1721027B1; ES2545767T3; US20080028684A1; DE102004010285A1

Abstract

単純な方法で二色の接触工具を作ることを許容する単一のＰＶＤコーティングプロセスで製造されるコーティング、特に切削工具のためのコーティングが、提供される。違う色の二つの金属硬質材料の間に、他の層と同様に同一のＰＶＤコーティングプロセスで設けられる分離層１１が設けられる。分離層（１１）は、非常に短い剥離期間において、サンドブラスト、ブラッシング等によって上層の剥離を可能にする。

Description

本発明は、特に切削工具のために適合させたコーティングと、そのようなコーティングを設けられた切削工具に加え、そのコーティングをなすための製造方法とに関する。

DE 10048899 A1 DE 19924422 C2

切削工具は、通例、それらのチップ除去能力を増強するために、それらの耐用寿命を延ばすために、又は、所望の特性を得るための他の理由のために、コーティングを設けられる。例えば、特許文献１は、切削インサートとしての切削工具を開示し、当該切削インサートは、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層によって構成される磨耗軽減コーティングを有する。磨耗軽減コーティングは、レーキ面（rake surfaces）にわたってだけでなく切削工具の逃げ面（clearance surfaces）にわたって広がる。逃げ面上に、インジケータコーティングが例えば上層として設けられ、その色は、磨耗保護層の色とは著しく異なる。逃げ面で発生する装飾層の剥離は、かくして、それぞれ隣接する切刃の実施された使用の確かな表示となる。層は、ＣＶＤプロセスで全面に設けられる一方で、装飾層は、レーキ面から剥離される。これは、ブラッシングプロセス等によってもたらされる。レーキ面からの装飾層の機械的な除去においては、良好な選択性を達成することに注意を払わねばならない。磨耗保護層へのダメージは、許容できない。

概して、ＰＶＤプロセスによって作られた切削インサートは、ＴｉＡｌＮ層のような硬質材料の金属層を有する。この種の切削インサートは、例えば特許文献２から知られている。磨耗保護層に適用されるＴｉＢ_２層等のような上層は、磨耗保護層のように、金属結晶構造（metallic-crystalline structure）を有する。そのような上層と磨耗保護層との間の接合は強固である。したがって、装飾層として用いられる場合は、上層のトライボロジー特性（tribological properties）が考慮されなければならない。また、それらは、磨耗インジケータとしては適合しない。

互いに対する層の強固な接合のために、上層は、その摩擦特性と金属チップ形成の間に影響を及ぼす他の特性とに関して、磨耗にさらされることに調整された特性を保有する必要がある。

したがって、本発明の目的は、ＰＶＤプロセスで作られ、且つ、磨耗インジケータとして用いるのに適合する上層を有するコーティングを提供することにある。

本発明にしたがうコーティングは、磨耗保護層として金属硬質物質層を備えて成り、当該層は、外側を上層によって覆われる。上層は、磨耗保護層と低減された接合を有するか、又は、分離層を用いて磨耗保護層と制限された接合を有する。上層は、金属硬質材料層の表面の一部分だけを覆う。すなわち、金属硬質材料層の一部分は、露出させられる。上層と金属硬質材料層との間に、分離層が配置され、当該分離層は、上層と磨耗保護層との間の金属結晶結合を分裂するか又は弱める。したがって、分離層は、接合を妨げるか又は低減させ、且つ、他の層の金属結晶構造を分離するか又は少なくとも阻害する層である。

分離層は、磨耗保護層として用いられる金属硬質材料層上の上層との接合を小さな値に低減する。接合は、切削工具がその意図された操作に用いられ、チップ成形プロセスを実施するとすぐに、それ自身が又は重ねられた層が剥離される程度に好ましくは弱い。適用の仕方次第で、剥離は、表面全てにわたって発生するか、又は、一部分にとどまる。このように、上層は、比較的容易に剥離される。これは、上層を装飾層としての美的観点から純粋に構成することを可能にし、トライボロジ特性に加えて磨耗特性には、なんらの役割も果たさない。上層は、切削工具が操作に入るとすぐに剥離される。このように、磨耗インジケータ層として上層を用いる可能性も提供される。これは、磨耗保護層として用いられる金属硬質材料層と上層とが、色において著しく異なる場合に特に当てはまる。

かくして、切削工具のコーティングは、金属結晶構造を有する磨耗保護層、磨耗保護層と制限された接合を有する上層、及び／又は、磨耗保護層の少なくとも一部に適用され、磨耗保護層に対する上層の接合を制限するために上層と磨耗保護層との間に配置される分離層、を備えて成る。金属結晶構造を有する層に関しては、この文脈では、広くいきわたった金属結合を有する層を意味する。例えば、ＴｉＡｌＣＮ層、ＡｌＣｒＮ層、ＴｉＣ層等の場合である。

磨耗保護層は、好ましくはＰＶＤプロセスで作られる層である。分離層と上層ともまた、ＰＶＤプロセスで作られ、単一のＰＶＤコーティングステップでコーティングの製造が可能となる。好ましくは分離層を含む上層は、機械的な後処理ステップで剥離される。後処理操作は、ブラッシング、サンドブラスト等によって実施される。分離層のおかげで、剥離期間は数秒未満で十分である。例えば、わすか１バールの圧力で且つわずか２秒のブラスト期間の間、酸化アルミニウム（ハイグレードコランダム）でサンドブラストすることによって、上側表面の１０倍の拡大でさえ上層のいかなる残留物をも光学上認識することのできないほど、例えば０．２μｍのＴｉＮ上層の完全な剥離が得られる。磨耗保護層（金属硬質材料層）は、この種のわずかな期間の変形乃至負荷の間にほとんど影響を受けない。

それにもかかわらず、上層の接合は、上層を傷つけることの無い切削工具の安全乃至確かな取扱いを保証するのに十分である。しかしながら、切削工具の最初の使用を、上層の部分的な剥離によって直ちに認識できる。そのような場合、上層は、切削工具の最初の使用に反応する初期使用インジケータとして用いられる。

上層にとって、例えば窒化チタン層に加え二酸化チタンのような酸化物（異極）層は、適している。同様に、第４若しくは第５サイドグループ乃至属（fourth or fifth side group）の金属の他の酸化物、炭化物又は窒化物も適している。金属結晶構造を有する上層が好ましい。対照的に、分離層は、例えば、金属結晶構造を全く有さない。これは、分離層として、好ましくは第４又は第５サイドグループのサイドグループ金属の酸化物層を用いることで達成される。極度に柔らかく、低い摩擦係数を有する、例えば約０．１μｍの二酸化チタン層又は他のＣＮ層の薄い層は、好結果をもたらす。好結果は、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）又は極度に非化学量論的な層（non-stoichiometrical layers）でも得られる。例えば、極度に応力を加えられた層も、上層と磨耗保護層との間の接合を制限する。応力を加えられた窒化チタン（ＴｉＮ）層又はＤＬＣ（ダイヤモンド様炭素）層もまた、用いられうる。手近な用途のための適した分離層の選択は、完全なコーティングを作るためのＰＶＤプロセスにおいて、できる限りいかなる付加的な支出なしに、それを完全なものとする実現可能性によって決定される。分離層は、特定の寸法まで、その上に重ねられる任意の層のための「所望の破砕位置」を構成する。

最も単純な場合、磨耗保護層（金属硬質材料層）は、単一層構造を有する。必要に応じて、多層構造も利用することができる。

既述のコーティングは、実質的な支出なしにＰＶＤプロセスで製造され、析出させられた上層は、引き続いて機械的に容易に取り除かれる。このように、多色の切削工具の製造が、単純且つ合理的に実現可能である。切削工具に関して、この文脈では、硬質金属ドリル、フライス工具等に加え、単なる切削インサート、可逆切削インサート、切削ビット等のような、切削工具一式が意味される。

更に、本発明の更なる特徴の有利な詳細が、図面、明細書、又は、請求項に含まれる。図面に、本発明の実施形態が図解される。

図１は、切削工具としての切削インサート１、又は、少なくともそれの実質的な部分を図解する。切削インサート１は、レーキ面２を構成する上面に加え、逃げ面３、４を構成する側面を有する。この呼称は、切削インサート１の放射状の据付に適応する。接線方向又は横方向の据付の場合、側面はレーキ面として利用され、一方で、上面は逃げ面として利用される。レーキ面２と逃げ面３、４の間で、切刃５、６が形成される。

切削インサート１は、超硬合金切削インサート（hard metal cutting insert）である。図２は、切削インサートの大きく拡大された部分断面図を示す。見て取れるように、切削インサート１は基体７を有し、その上側表面は、切削インサート１上に設けられるコーティング８のためのサブストレートを形成する。コーティング８は、ＰＶＤプロセスで適用される。サブストレートに直接接合する内部層として、磨耗保護層９が設けられ、当該磨耗保護層は、金属特性を有するＴｉＡｌＮ（チタニウムアルミニウムナイトライド）層のような金属硬質材料層ＭＨである。それは、コバルト含有タングステンカーバイドのような超硬合金である基体７にしっかりと接合する。ＴｉＡｌＮ層の厚さは、対象とする用途にしたがって設定される。本実施形態において、その厚さは、おそよ４μｍである。チタニウムとアルミニウムの比率は、３３：６７である。

分離層１１が磨耗保護層９に適用され、当該分離層は、重ね合わせる上層１２との金属性の接合を妨げる。上層１２もまた、好ましくはＴｉＮのような金属結晶構造の層であり、その厚さは、例えば０．２μｍである。そのような場合、上層１２は、金色の色合いの純粋な装飾層である。この種の色は、異なって色付けされた磨耗保護層９の色とは著しく異なる。

分離層１１は、例えば、比較的薄く（例えば、０．１μｍの厚さで十分である）選択された二酸化チタン（ＴｉＯ_２）である。この酸化物層は、なんらの金属特性をも有さず、かくして、磨耗保護層９に対する上層１２の接合を制限する。既述のコーティング８は、一度に一つの連続プロセスで作られ、且つ、ＰＶＤコーティングユニットの同一反応器で、磨耗保護層９、分離層１１及び上層１２を順次析出することによって作られる。

上述のように、分離層１１と上層１２とは、化学的に及び／又は構造的に異なる層である。しかしながら、それらを化合させて分離・上層とすることもまた好都合であり、その特有の特性は、磨耗保護層９に対する制限された接合にある。そのような場合、分離層１１は上層を同時に構成する。

製造は、以下のとおりである。

基体７が適当なＰＶＤコーティングユニットに導入され、そこで、最初に磨耗保護層９を、次に分離層１１を、その後上層１２を、基体７上に沈着乃至析出する。このように得られたコーティング８は、第一に基体７の露出した全ての表面に、すなわち少なくともレーキ面２及び逃げ面３、４に設けられる。切削インサート１は、この状態でＰＶＤ反応器から取り出される。

逃げ面３、４上の色とは異なる色を切削インサートのレーキ面２上に有する二色の切削インサートが、たびたび望まれる。そのような切削インサートを作り出すために、上層１２は、異なって色付けされるべき他の表面、この場合はレーキ面２から取り除かれる。これは、図３に示されるように、サンドブラストジェット１４によってなされうる。サンドブラスト粒子として、酸化アルミニウム（３２０メッシュサイズのハイグレードコランダム）が用いられうる。例えば２秒の短い期間の適用の間に、上層１２だけでなく分離層１１をも、図４に見られるように可視残留物無しにレーキ面２から取り除かれる。しかしながら、０．１μｍの厚さを有する先に指摘したＴｉＯ_２層は、ジェット１４によって直接に影響を受けない位置においては、上層１２が無傷のままであるような接合と強度とを有する。

更なる実施形態において、切削インサート１は、別の磨耗保護層９と別の上層１２とを有する。しかしながら、いずれの場合にも、磨耗保護層９は、ＰＶＤプロセスで製造される金属硬質材料層である。酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）のような金属構造無しの硬質材料の層は、磨耗保護層９の金属硬質材料に含まれない。上層として、先に指摘したＴｉＮ層だけでなく、ＴｉＣ層、ＣｒＮ層、ＨｆＮ層等のような任意の別の金属上層も用途を見出されうる。分離層１１として、任意の、好ましくは非金属層が用いられ、当該層は、上層１２と磨耗保護層９との間の接合を制限する。先の実施形態で確認したＴｉＯ_２層は別にして、ＰＶＤプロセスで析出され、全く金属結合を有さない別の酸化物層が用いられうる。特に、第４及び第５サイドグループの金属の酸化物が利用されうる。ＭＣＮ層のような主に共有結合した別の層は、用途を見出されうる。ここでＭは、任意の金属、好ましくは第４又は第５サイドグループの金属を示す。ＭｏＳ_２（硫化モリブデン）層又は炭素層（ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ））のような別の共有結合した層が用いられうる。しかしながら、窒化チタン層のような金属結合された分離層を設けることも意図される。後者において接合の制限を達成するために、それらは、極度に応力を加えられる。応力を加えることは、例えば化学量論的関係の実質的な偏移乃至ずれによって達成されうる。これに関して、図５は、例示的な事例に関する磨耗保護層９、分離層１１及び上層１２における応力の経過を図解し、ここでは、磨耗保護層９と上層１２とに対して逆方向に向けて分離層１１の応力を加えることによって、接合の制限が得られる。コーティングにおいて広がっている応力は、曲線１５として示される。かくして、磨耗保護層９、分離層１１及び上層１２における応力は、例えば、以下のようである。
磨耗保護層９ −２ＧＰａ（ギガパスカル＝１０^９パスカル）に相当する２ＧＰａ（ギガパスカル＝１０^９パスカル）までの圧縮応力
分離層１１０．８ＧＰａ（ギガパスカル＝１０^９パスカル）に相当するおよそ０．８ＧＰａ（ギガパスカル＝１０^９パスカル）の引張り応力
上層１２ −１ＧＰａ（ギガパスカル＝１０^９パスカル）に相当するおよそ１ＧＰａ（ギガパスカル＝１０^９パスカル）の圧縮応力

本発明にしたがう切削工具の概略的な斜視図である。図１にしたがう切削工具を横切った部分断面図である。連続的なＰＶＤコーティングプロセスの後の切削工具をノンスケールで示した概略的な断面図である。上層及びその下の分離層の部分的な剥離の直後の図３にしたがう切削工具の概略的な断面図である。各種層に広がる応力に関する例示的な応力曲線を図解している線図である。

符号の説明

１切削インサート
２レーキ面
３逃げ面
４逃げ面
５切刃
６切刃
７基体
８コーティング
９磨耗保護層
１１分離層
１２上層
１４サンドブラストジェット
１５応力曲線

Claims

特に切削工具のためのコーティング（８）であって、
金属結晶構造を有する磨耗保護層（９）、
磨耗保護層（９）と制限された接合を有する上層（１２）、及び／又は、
磨耗保護層（９）の少なくとも一部分に適用され、磨耗保護層（９）と上層（１２）との間に配置される分離層（１１）であって、当該分離層（１１）は、磨耗保護層（９）に対する上層（１２）の接合を制限する分離層（１１）、
を備えてなるコーティング。
分離層（１１）上に、好ましくは装飾層である上層（１２）が配置されることを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
上層（１２）が、磨耗保護層（９）の色とは知覚できるほどに異なった色を有することを特徴とする請求項２に記載のコーティング。
上層（１２）が、ＺｒＣ、ＣｒＣ、ＺｒＮ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＨｆＣ、又は、ＨｆＮ層であることを特徴とする請求項２に記載のコーティング。
上層（１２）が、金属結晶構造を有することを特徴とする請求項２に記載のコーティング。
分離層（１１）が、金属結晶ではない構造を有することを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
分離層（１１）が、化学的な元素周期系の少なくとも１つのサイドグループ金属を含有する酸化層であることを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
金属（Ｍ）が、第４サイドグループの元素であり、好ましくはチタニウム、又は、ジルコニウムであることを特徴とする請求項７に記載のコーティング。
金属（Ｍ）が、第５サイドグループの元素であることを特徴とする請求項７に記載のコーティング。
分離層（１１）が、主に共有結合を備えた化合物であるか又はそれを含有することを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
分離層（１１）が、強度に非化学量論的に構成されることを特徴とする請求項１に記載のコーティング
分離層（１１）が、強度に応力を加えられる層であることを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
分離層（１１）が、磨耗保護層と上層（１２）との内部応力とは著しく異なる内部応力を有することを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
分離層が、ダイアモンド様炭素層であることを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
分離層が、ＭｏＳ_２層であることを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
磨耗保護層（９）が、ＴｉＡｌＮ層、又は、ＣｒＡｌＮ層であることを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
磨耗保護層（９）が、単一層構造を有することを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
磨耗保護層（９）が、多層構造を有することを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
硬質材料から作られる基体（７）を備えて成る切削工具上に、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のコーティングを使用する方法。
磨耗保護層（９）が、少なくとも逃げ面（３）上と、少なくともレーキ面（４）上とに設けられる一方で、上層（１２）が、逃げ面（３）及び／又はレーキ面（４）を被覆しないか又は部分的にだけ被覆することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
切削工具を作る方法であって、最初に、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の層配列で基体（７）にコーティングをＰＶＤコーティングプロセスで適用し、引き続いて、機械的な剥離プロセスによって、選択された上側表面部分から上層（１２）を取り除く方法。
上層（１２）が、サンドブラストプロセスによって取り除かれることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
全てのコーティング層（８）が、単一のＰＶＤプロセスで適用されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。