JP2012521300A

JP2012521300A - Ｐｖｄ被覆工具

Info

Publication number: JP2012521300A
Application number: JP2012501271A
Authority: JP
Inventors: シアーファイト; ドロブニーブスキイェルク
Original assignee: バルターアクチェンゲゼルシャフト
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2012-09-13
Also published as: WO2010108893A1; CN102292467A; US8709583B2; DE102009001765A1; EP2411561A1; US20110268514A1; KR20120000087A; EP2411561B1

Abstract

本体とそれに適用された多層コーティングを含む切削工具に関する。櫛状亀裂の形成、摩擦化学摩耗及びに対して高い耐性を示す改良された切削工具を提供するために、本体は硬質金属で作られたものであり、当該硬質金属は、５〜８質量％のＣｏと、０〜２質量％のＴａＣと、０〜１質量％のＮｂＣと、８９〜９５質量％の平均粒径が１〜５μｍであるＷＣを含み、コーティングは、１〜５μｍの層厚を有するＴｉＡｌＮで作られた第１の層、及び１〜４μｍの層厚を有するアルミナで作られた第２の層を有し、前記コーティングは、さらに、アルミナから作られた前記第２の層の上に、ＴｉＡｌＮから作られた層とアルミナから作られた層とのｎ個の交互層を含み、これらの層は互いに重ね合わせて適用されており、それぞれ０．１〜０．５μｍの層厚を有し、ここで、ｎは各個々の層に関係し、０〜１０の偶数であり、コーティングの全層厚は２〜１６μｍであり、コーティングはＰＶＤ法により作製される。

Description

本発明は、本体と、それに適用された多層コーティングとを含む切削工具に関する。

硬質材料、例えば鋼を機械加工するために使用される切削工具は、実用寿命を増加させるため、また、切削特性を改善するために、単層または多層コーティングが適用された本体を一般的に含む。本体に使用される材料は、例えば、金属炭化物、サーメット、鋼又は高速度鋼である。コーティングは、しばしば、窒化物系化合物だけでなく金属硬質材料層、酸化物層などを含む。コーティングを適用するために様々な方法が使用される。それらの方法としては、ＣＶＤ法（化学蒸着）及びＰＶＤ法（物理蒸着）が挙げられる。

特に、例えばクランクシャフトまたはカムシャフトをミーリングするなどの特定の用途のための工具について、工作物の材料特性のために、特に高い要求が課される。クランクシャフトまたはカムシャフトの製造において、鋳造または鍛造シャフトが、一般的に、ミーリングによるさらなる機械加工にかけられる。その状況で、クランクシャフトミーリングカッターまたはカムシャフトミーリングカッターは、高い熱的及び機械的なサイクル負荷にかけられる。その場合、工具の実用寿命は、主に、櫛状亀裂と、櫛状亀裂で始まるその後のクレーターエロージョン摩耗との組み合わせによって限られる。

従来技術では、ＣＶＤ被覆工具鋼は、上記の高い熱的および機械的なサイクル負荷のための工具で知られているが、当該工具は、高いコーティング温度のために、櫛状亀裂耐性の点で欠点がある。その結果、櫛状亀裂で始まるクレーターエロージョン摩耗のために、ＣＶＤ被覆工具鋼のそれ自体の高い耐性は、クレーターエロージョン摩耗との関連で、相対的なものとされる。

周知の工具鋼のＰＶＤコーティングの場合に窒化物系化合物を使用するとき、摩擦化学摩耗によってもたらされるクレーター形成が起こる。摩擦化学摩耗とは、機械加工作業の際に工具と機械加工される材料の間の接触位置で摩擦が生じ、その結果、化学反応を引き起こし、その化学反応の結果として、機械加工された材料と工具鋼とが化学的及び構造的に変化し、それにより工具の摩耗が起こることを意味する。

目的
本発明の目的は、従来技術と比較して改良され、櫛状亀裂、摩擦化学摩耗及びそれによりもたらされるクレーター形成に対する耐性が向上した切削工具を提供することである。

本発明によると、その目的は、
本体とそれに適用された多層コーティングを含む切削工具であって、
前記本体は硬質金属を含んで成り、当該硬質金属は、５〜８質量％のＣｏと、０〜２質量％のＴａＣと、０〜１質量％のＮｂＣと、８９〜９５質量％の平均粒径が１〜５μｍであるＷＣを含み、
前記コーティングは、
１〜５μｍの層厚を有するＴｉＡｌＮの第１の層、及び
１〜４μｍの層厚を有する酸化アルミニウムの第２の層、
を有し、前記コーティングは、さらに、酸化アルミニウムの前記第２の層の上に、それぞれ０．１〜０．５μｍの層厚を有するＴｉＡｌＮ層と酸化アルミニウム層との交互に互いに重ね合わせて適用されたｎ個の層を含み、ここで、ｎは各個々の層に関係し、０〜１０の偶数であり、
前記コーティングは、さらに、必要に応じて、０．１〜１μｍの層厚を有する外側ＺｒＮ層を有し、
コーティングの全層厚が２〜１６μｍであり、コーティングがＰＶＤ法で作製されること、
を特徴とする切削工具により達成される。

上記の特定の粒径は炭化タングステン（ＷＣ）に関する。
驚くべきことに、その点において、Ｃｏ、ＴａＣ及びＮｂＣについて本発明に係る含有量を有する硬質金属と、少なくともＴｉＡｌＮ及び酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）の各層を含むコーティング（必要に応じてさらなる層が適用され、当該さらなる層も交互にＴｉＡｌＮと酸化アルミニウムからなる）との組み合わせが、櫛状亀裂及びそれに起因して高い熱的及び機械的サイクル負荷で生じるクレーター摩耗に対して特に耐性があることが見出された。

請求項１に記載の本体とコーティングとの本発明に係る組み合わせにおいて、本体中のコバルトの割合がより大きいと、切削工具が軟らかくなり過ぎるということが見出された。５質量％未満のコバルトの割合は、より低い機械的負荷に耐えることができる切削工具をもたらす。

ＮｂＣ及びＴａＣの割合は、構造と、硬度と靱性の望ましい比とを調節する助けとなる。

上記のさらなる層に関し、当然のことながら、酸化アルミニウムの第２の層に適用される層はＴｉＡｌＮを含んで成る。従って、偶数のさらなる層の交互適用は、最後に適用されるさらなる層が酸化アルミニウムから成ることを意味する。

外側ＺｒＮ層の利点は、その層が、本体及びＴｉＡｌＮと酸化アルミニウムのコーティングと比較して異なる色合いを有し、その切削面を使用した場合に、その上側のＺｒＮ層の部分的摩耗のために、逃げ面に摩耗跡が付くということである。かくして肉眼で切削エッジがすでに使用されたかどうかを確認することができる。

特に好ましい実施態様において、本体は、６〜８質量％のＣｏと、１〜２質量％のＴａＣと、０．２〜０．３質量％のＮｂＣと、残りとしてＷＣを有する硬質金属を含んで成る。この組成は、本発明に係るコーティングとの組み合わせで、高い熱的及び機械的サイクル負荷に対して特に適する。本体はさらなる硬質物質を含まない。

本発明に係る切削工具において炭化タングステン（ＷＣ）が２〜３μｍの平均粒径を有する場合がさらに好ましい。ＷＣの平均粒径は硬度と靱性の比に影響を及ぼす。より大きい粒径は確かにより高い硬度をもたらすが、同時に、靱性が大幅に低下する。より小さい粒径は確かにより高い靱性をもたらすが、硬度の僅かな損失ももたらす。

別の好ましい実施態様において、ＴｉＡｌＮの第１の層は２〜４μｍの層厚を有し、及び／又は酸化アルミニウムの第２の層は１〜２μｍの層厚を有する。硬度と靱性の望ましい比は、特定の層厚を有するＴｉＡｌＮ層により決まる。特定の層厚を有する酸化アルミニウム層は、耐熱性及び耐酸化性を支配し、摩擦化学摩耗耐性をもたらす。

さらなる好ましい実施態様において、切削工具はコーティングを含み、当該コーティングにおいて、ＴｉＡｌＮと酸化アルミニウムの交互層から成る必要に応じて用いられるさらなる層はそれぞれ０．１〜０．３μｍの層厚を有し、及び／又は、必要に応じて用いられる外側ＺｒＮ層は０．１〜０．６μｍの層厚を有する。これらのさらなる層によって、コーティングはより多くの境界面を有し、これは、硬度ではなく靱性の増加をもたらす。

ＴｉＡｌＮ層と酸化アルミニウム層との上記のさらなる交互層について、ｎが６以下であることがさらに好ましい。ｎが２であるか又はｎが４であることが特に好ましい。層数がより多くなると確かに靱性の増加がもたらされるであろう。一方、これらの層は、一般的に、圧縮応力を伴う。従って、より多数の層は、剥落する不安定なコーティングをもたらす恐れがある。さらに、ＰＶＤ法でＴｉＡｌＮ層と酸化アルミニウム層の交互層を多数適用することはプロセスエンジニアリングの点で非常に複雑で費用がかかるため、大規模な技術的状況が制限されている。

特に好ましくは、コーティングの全層厚は２〜８μｍであり、特に好ましくは３〜６μｍである。より薄いコーティングは、良好な摩耗保護を示すのに適切な数の原子層を持たないこととなる。個々の層の圧縮応力のために、より薄いコーティングはより安定性が低く、おそらく、剥落、特にエッジで剥落するであろう。

好ましくは、コーティングは、外側ＺｒＮ層の下に亜当量的なＺｒＮ_1-xの層（ここで、ｘは０．０１〜０．１である）を有し、その層の層厚は０．００１〜０．１μｍである。亜当量的なＺｒＮ_1-xの層は、ＺｒＮに対するよりも上部酸化アルミニウム層に対する接着性が低いため、隣接するＺｒＮ_1-x層とともにＺｒＮ層を除去することが単純化される。その結果、摩耗跡は、切削工具の最初の使用によって生じ、これは当該工具が未使用でないことを示すことになる。

切削工具は、すくい面、切削エッジ及び逃げ面を有する。本発明に従うと、好ましくは、逃げ面にあるコーティングのみが外側ＺｒＮ層を有し、必要に応じて、当該外側ＺｒＮ層の下に亜当量的ＺｒＮ_1-x層を有する。

異なるコーティングは、まず、切削工具全体をＺｒＮでコーティングし、次に、ブラッシング及び／又は（クリーニング）ジェッティングによって、すくい面から及び一般的には切削エッジからもＺｒＮ層を完全に除去するという方法により作られる。ＺｒＮ層が切削工具のすくい面に残ると、取り除かれていく切りくずに悪影響を及ぼし得る。外側ＺｒＮ層の下に亜当量的ＺｒＮ_1-x層を適用することによって、亜当量的ＺｒＮ_1-x層は外側ＺｒＮ層よりも酸化アルミニウム層に対する接着性が低いために、除去も単純化される。

ＴｉＡｌＮを含んで成る層におけるＡｌとＴｉの比が６０：４０〜７０：３０、好ましくは６７：３３である切削工具がさらに好ましい。これは原子数比（％）である。この比は、ＴｉＡｌＮ層に対する酸化アルミニウム層の良好な接着を支配し、それにより長い実用寿命が得られる。

上記目的は、さらに、クランクシャフトミーリングカッター又はカムシャフトミーリングカッターにおける切削インサート又は特殊なスローアウェイ（indexable）切削インサートのための上記特性を有する切削工具の使用により達成される。

クランクシャフトをミーリングする場合に、機械負荷が特に高いために、切削工具は高温及び高速にさらされる。切削工具は、櫛状亀裂に対する高い耐性を含む、切削工具の温度の急激なサイクル変化に対して特に高い耐性を必要とする。

驚くべきことに、５〜８質量％のＣｏと、０〜２質量％のＴａＣと、０〜１質量％のＮｂＣと、８９〜９５質量％のＷＣを含み、ＷＣの平均粒径が１〜５μｍである硬質金属を含む本体と、１〜５μｍの層厚を有するＴｉＡｌＮの第１の層及び１〜４μｍの層厚を有する酸化アルミニウムの第２の層を少なくとも有するコーティングとの本発明に係る組み合わせが、クランクシャフトおよびカムシャフトをミーリングするときに生じる熱及び機械的サイクル負荷に対して特に良好な耐性を有することが見出された。ここで、さらに、前記コーティングは、酸化アルミニウムの第２の層の上に、それぞれ０．１〜０．５μｍの層厚を有するＴｉＡｌＮ層と酸化アルミニウム層との交互に互いに重ね合わせて適用されたｎ個の層を含み、ここで、ｎは各個々の層に関係し、０〜１０の偶数であり、コーティングの全層厚は２〜１６μｍであり、コーティングはＰＶＤ法で作製される。

本発明のさらなる利点、特徴及び実施態様を以下の実施例を参照して記載する。

例１：
ＰＶＤコーティング装置ＨａｕｚｅｒＨＴＣ１０００で、８質量％のＣｏ、１．１５質量％のＴａＣ、０．２７質量％のＮｂＣ及び９０．５８質量％のＷＣを含む切削工具に７層コーティングを付与した。
１．層厚３μｍのＴｉＡｌＮ（Ｔｉ：Ａｌ比が原子数％で３３：６７）を、アークを使用して堆積させた。
２．層厚０．６μｍの酸化アルミニウムを反応性マグネトロンにおいて堆積させた。
３．層厚０．３μｍのＴｉＡｌＮ（Ｔｉ：Ａｌ比が原子数％で３３：６７）をアークで堆積させた。
４．層厚０．１μｍの酸化アルミニウムを反応性マグネトロンにおいて堆積させた。
５．層厚０．３μｍのＴｉＡｌＮ（Ｔｉ：Ａｌ比が原子数％で３３：６７）をアークで堆積させた。
６．層厚０．１μｍの酸化アルミニウムを反応性マグネトロンにおいて堆積させた。
７．層厚０．２μｍのＺｒＮをアークで堆積させた。
コーティング作業の前に、基材をアルコール中で清浄にし、そして真空チャンバ内で層を堆積させる前にさらにＡｒイオン衝撃によりさらに清浄にした、

層の堆積：
第１、第３及び第５の層：
３Ｐａの窒素、ＤＣモードで４０Ｖのバイアス電圧及び約５５０℃の温度で、ソース当り６５Ａのベーパライザー電流を使用して、アークでＴｉＡｌＮの堆積を行った。
第２、第４及び第６の層
反応性ガス（流量約８０ｓｓｃｍ）として０．５ＰａのＡｒ及び酸素、１５０Ｖのバイポーラーパルスバイアス電圧（７０ｋＨｚ）及び約５５０℃の温度で、約７Ｗ／ｃｍ²の特定のカソード出力を使用して、反応性マグネトロンで酸化アルミニウムの堆積を行った。
第７の層
３Ｐａの窒素、ＤＣモードで４０Ｖのバイアス電圧及び約５５０℃の温度で、ソース当り６５Ａのベーパライザー電流を使用して、アーク中でＺｒＮの堆積を行った。

例２−比較例
比較のために例１の基材に従来のＣＶＤコーティングを適用した。このコーティングは以下の層で構成された。
１．ｍｔＣＶＤ法で適用された層厚５μｍのＴｉＣＮ。
２．１０００℃を超える温度で高温ＣＶＤ法で適用された層厚４μｍのαＡｌ₂Ｏ₃。
適用は、熱ＣＶＤに関する標準的なプロトコールに従って行った。これは、現時点で商業的に入手可能なクランクシャフト及びカムシャフトミーリング用の切削工具を使用する。

試験の実施：
２５ＭｎＣｒＳｉＶＢ６スチールを含んで成る工作物に対してミーリング試験を行うことで、例１の切削工具を例２の切削工具と比較した。２５ＭｎＣｒＳｉＶＢ６スチールを含んで成る工作物を用いてクランクシャフトを作製した。
１４６ｍ/分の切削速度ｖ_cで、０．１２ｍｍ〜０．１８ｍｍの一刃送り量ｆ_zでミーリングを行った。ミーリング機械加工作業は乾式で行った。

実用寿命：
比較例の工具を使用した場合よりも例１の本発明に係る切削工具を使用した場合に、実用寿命の終わりまで、より多くのクランクシャフトをミーリングすることができた。実用寿命の終わりは、ここでは、コンポーネント及び切りくず形成の寸法精度を維持することに基づいて定義する。実用寿命の終わりは、コンポーネントの望ましい寸法からの所定のずれに達したときである。

Claims

本体とそれに適用された多層コーティングを含む切削工具であって、
前記本体は硬質金属を含んで成り、当該硬質金属は、５〜８質量％のＣｏと、０〜２質量％のＴａＣと、０〜１質量％のＮｂＣと、８９〜９５質量％の平均粒径が１〜５μｍであるＷＣを含み、
前記コーティングは、
１〜５μｍの層厚を有するＴｉＡｌＮの第１の層、及び
１〜４μｍの層厚を有する酸化アルミニウムの第２の層、
を有し、前記コーティングは、さらに、酸化アルミニウムの前記第２の層の上に、それぞれ０．１〜０．５μｍの層厚を有するＴｉＡｌＮ層と酸化アルミニウム層との交互に互いに重ね合わせて適用されたｎ個の層を含み、ここで、ｎは各個々の層に関係し、０〜１０の偶数であり、
前記コーティングは、さらに、必要に応じて、０．１〜１μｍの層厚を有する外側ＺｒＮ層を有し、
コーティングの全層厚が２〜１６μｍであり、コーティングがＰＶＤ法で作製されること、
を特徴とする切削工具。
前記本体が、６〜８質量％のＣｏと、１〜２質量％のＴａＣと、０．２〜０．３質量％のＮｂＣと、その他に０．２〜０．３質量％のＮｂＣ、及び残りとしてＷＣを含むことを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
前記本体が、２〜３μｍの平均粒径を有するＷＣを含むことを特徴とする、請求項１及び２のいずれか一項に記載の切削工具。
ＴｉＡｌＮの第１の層が２〜４μｍの層厚を有し、及び／又は、酸化アルミニウムの第２の層が１〜２μｍの層厚を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の切削工具。
交互に互いに重ね合わせて適用されたＴｉＡｌＮ層及び酸化アルミニウム層が０．１〜０．３μｍの層厚を有し、及び／又は、任意の外側ＺｒＮ層が０．１〜０．６μｍの層厚を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の切削工具。
ｎが６以下であり、好ましくはｎが２であるか又はｎが４である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の切削工具。
コーティングの全厚が２〜８μｍ、好ましくは３〜６μｍであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の切削工具。
コーティングが、外側ＺｒＮ層の下に、亜当量的ＺｒＮ_1-x（式中、ｘは０．０１〜０．１である）の層を有し、当該層の層厚が０．００１〜０．１μｍであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の切削工具。
前記切削工具がすくい面、切削エッジ及び逃げ面を有し、前記逃げ面にあるコーティングのみが外側ＺｒＮ層を有し、必要に応じて当該外側ＺｒＮ層の下に亜当量的ＺｒＮ_1-xの層を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の切削工具。
ＴｉＡｌＮを含んで成る層中のＡｌとＴｉの比が６０：４０〜７０：３０、好ましくは６７：３３であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の切削工具。
クランクシャフトミーリングカッター又はカムシャフトミーリングカッターにおける切削インサート又は特殊なスローアウェイ切削インサートとしての請求項１〜１０のいずれか一項に記載の切削工具の使用。