JP2013513027A5

JP2013513027A5 - 被覆切削工具および被覆切削工具を作るための方法

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Publication number: JP2013513027A5
Application number: JP2012541619A
Authority: JP
Filing date: 2010-11-21
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2030-11-21

Description

本発明は、硬質層と可塑性微小層とを有する厚いＰＶＤコーティングにて少なくとも一部が被覆され、かつ金属を機械加工するための切削工具に関する。

特許文献１は、少なくとも２つの非金属機能層または層構造の間に位置する金属中間層を有し、この金属中間層がＴi，Ｍo，Ａl，Ｃr，Ｖ，Ｙ，Ｎb，Ｗ，ＴaおよびＺrまたはこれらの混合の１つ以上から選択される金属元素を少なくとも６０原子％具えた切削工具のためのコーティングを記述する。非金属機能層または層構造は、窒化物，酸化物，ホウ化物，炭化物またはこれらの組み合わせの１つ以上である。

本発明の１つの形態によると、少なくとも一部が被覆され、基材とコーティングとを具えた切削工具が提供される。コーティングは、相互に接合した可塑性微小層と硬質層との交互に重なる層を有し、２つの硬質層の間に位置する可塑性微小層を具えた３つの層の少なくとも１つの連続体がある。

可塑性微小層の少なくとも７０原子％が金属元素である。この可塑性微小層がＴi _x Ａg _y ，Ｔi _u Ａl _v Ｃu _t およびＣr _u Ａl _v Ｃu _t （ただしｘ＋ｙ＝１かつｘ≦０.９かつｕ＋ｖ＋ｔ＝１かつｔ≧０.０２）からなるグループから選択される合金層か、Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，ＡuおよびＲuからなるグループから選択される１つ以上の金属元素と、Ｎ，Ｏ，Ｃ，Ｂおよびこれらの組み合わせからなるグループから選択される非金属元素とを具えた亜化学量論的セラミック層の何れかである。可塑性微小層の厚さは１０ｎｍから５０ｎｍまでである。

硬質層は、（Ｍｅ _a Ｘ _1-a ）と（Ｎ _w Ｃ _x Ｂ _y Ｏ _z ）とで構成され、ＭｅはＴi，Ａl，ＣrおよびＺrからなるグループから選択される１つ以上の金属であり、ＸはＳi，Ｔa，Ｖ，ＹおよびＮbからなるグループから選択される１つ以上の元素であり、０.７５＜ａ≦１.０かつｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。この硬質層の厚さは０.１５μｍから２μｍまでである。

いくつかの実施形態において、可塑性微小層は、Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，ＡuおよびＲuからなるグループから選択される１つ以上の金属を０.５原子％から９９.５原子％まで具えた純金属層であり、残りがＡl，Ｙおよび耐熱金属からなるグループから選択される１つ以上の金属を具えている。

本発明の別な形態において、基材とコーティングとを具えた被覆切削工具を作成する方法が提供される。この方法は
ａ）基材を覆う少なくとも１層の硬質層を堆積させるステップであって、この少なくとも１層の硬質層が（Ｍｅ _a Ｘ _1-a ）と（Ｎ _w Ｃ _x Ｂ _y Ｏ _z ）とで構成され、ＭｅがＴi，Ａl，ＣrおよびＺrからなるグループから選択される１つ以上の金属であり、ＸがＳi，Ｔa，Ｖ，Ｙ，Ｎbからなるグループから選択される１つ以上の元素であり、０.７５＜ａ≦１.０かつｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であるステップと、
ｂ）少なくとも１層の可塑性微小層を少なくとも１層の硬質層に堆積させるステップであって、この少なくとも１層の可塑性微小層が少なくとも７０原子％の金属元素を具え、かつ可塑性微小層がＴi _x Ａg _y ，Ｔi _u Ａl _v Ｃu _t およびＣr _u Ａl _v Ｃu _t （ただしｘ＋ｙ＝１かつｘ≦０.９かつｕ＋ｖ＋ｔ＝１かつｔ≧０.０２）からなるグループから選択される合金層か、Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，ＡuおよびＲuからなるグループから選択される少なくとも１つの金属元素と、Ｎ，Ｏ，Ｃ，Ｂおよびその組み合わせからなるグループから選択される非金属元素とを具えた亜化学量論的セラミック層との何れかであるステップと、
ｃ）少なくとも１層の他の硬質層を可塑性微小層に堆積させるステップとを具えている。

典型的には、硬質層のそれぞれの厚さは０.１５μｍから２μｍまでであり、可塑性微小層の厚さは１０ｎｍから５０ｎｍまでである。

図１に関し、本発明は基材１１０とコーティング２００とを含む切削工具１００に関し、基材の少なくとも一部が相互に接合される可塑性微小層１３０ａ，１３０ｂと硬質層１２０，１４０ａとを交互に重ねた層を持つコーティングで覆われている。このコーティングは、３つの層、すわなち金属質可塑性微小層１３０ａが２つの硬質層１２０，１４０ａの間に位置する少なくとも１つの連続体１８０を有する。この「連続体」という用語は、上述した意味でこの明細書全体を通して用いられよう。金属質可塑性微小層の少なくとも７０原子％は１つ以上の金属元素である。この金属元素は任意の金属であってよく、好ましくはＡl，Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，Ａu，Ｒu，耐熱金属またはこれらの混合物である。可塑性微小層の少なくとも０.５原子％がＦe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，ＡuおよびＲuからなるグループの１つ以上の金属から選択される。Ｆe，Ｃr，ＮiまたはＨfを含む合金の金属質微小層は耐酸化性を改善する。Ｎiを含む合金は接合性を改善するのに対し、Ｈfを含む合金は耐熱性を改善する。Ｃu，ＡgおよびＡuを含む合金は、可塑性層の延性および濡れ性を増大させて硬質層に対するその接合力を改善する。

硬質層は、切削工具に適当な窒化物，酸化物，ホウ化物，炭化物またはこれらの組み合わせの如き任意の組成を有することができる。この硬質層は、構造および組成に関して相互に同じか、または異なることが可能である。随意的に、硬質層を（Ｍｅ_aＸ_1-a）（Ｎ_wＣ_xＢ_yＯ_z）で構成することができ、ここでＭｅはＴi，Ａl，ＣrおよびＺrから選択される１つ以上の金属であり、ＸはＳi，Ｔa，Ｖ，ＹおよびＮbから選択される１つ以上の元素である（０.７５＜ａ≦１.０かつｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）。例として、この硬質層は(Ａl，Ｔi)Ｎ，ＴiＮ，(Ａl，Ｃr)Ｎ，ＣrＮ，ＺrＮ，Ｔi(Ｂ，Ｎ)，ＴiＢ2または(Ｚr，Ａl)Ｎの何れか１つであってよい。

本発明による硬質層は、任意のコーティング構造を有することができる。このコーティングの任意の連続体の硬質層は、構造および組成に関して相互に同様であってよく、または相違することができる。異なる連続体の硬質層が構造および組成に関して相互に相違していてもよい。

被覆切削工具は、むくの一体型切削工具か、インサートホルダーとこれに固定される切削インサートとからなる切削工具か、インサートホルダーか、あるいは切削インサートであってよい。

切削工具の基材は、超硬合金と、サーメットと、高速度鋼と、酸化物，炭化物，窒化物またはホウ化物セラミックと、超研磨材（ＰｃＢＮまたはＰＣＤ）と、炭素鋼と、低合金鋼と、オーステナイト系，フェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼と、熱間加工工具鋼と、冷間加工工具鋼と、５１０００鋼と、ニッケル・コバルト超合金とから作ることができる。

本発明の別な実施形態において、可塑性微小層が純金属微小層であり、その金属の少なくとも０.５原子％がＦe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，ＡuおよびＲuおよびこれらの混合物から選択される。

本発明の別な実施形態において、可塑性微小層は、Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，Ａu，Ｒuから選択される１つ以上の金属を少なくとも０.５原子％具え、残りがＡl，Ｙおよび耐熱金属から選択される１つ以上の金属を具えた純金属微小層である。

本発明の別な実施形態において、可塑性微小層が亜化学量論的セラミックであり、その非金属元素の１つ以上がＮ，Ｏ，ＣまたはＢであり、その金属はＦe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，Ａu，Ｒuおよびこれらの混合物からなるグループから選択される。随意的に、可塑性微小層は窒化物である。この亜化学量論的セラミック中の金属元素の量は、亜化学量論的セラミックの少なくとも７０原子％、好ましくは８０原子％、より好ましくは少なくとも９０原子％である。

本発明の別な実施形態において、可塑性微小層が亜化学量論的セラミックであり、その非金属元素の１つ以上がＮ，Ｏ，ＣまたはＢであって、その金属の少なくとも０.５原子％がＦe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，Ａu，Ｒuおよびこれらの混合物からなるグループから選択される。随意的に、可塑性微小層は窒化物である。この亜化学量論的セラミック中の金属元素の量は、亜化学量論的セラミックの少なくとも７０原子％、好ましくは８０原子％、より好ましくは少なくとも９０原子％である。

本発明の別な実施形態において、可塑性微小層は本質的にＣu，ＴiおよびＡlからなる合金であって、Ｃuが少なくとも２原子％である。

本発明のまた別な実施形態において、可塑性微小層は本質的にＣu，ＡlおよびＣrからなる合金であって、Ｃuが少なくとも２原子％である。

本発明はまた、上のすべての実施形態にて記述した被覆切削工具を製造する方法にも関する。この方法は、
ａ）基材を覆う少なくとも１層の硬質層を堆積させるステップと、
ｂ）可塑性微小層を少なくとも１層の前記硬質層に堆積させるステップと、
ｃ）少なくとも１層の他の硬質層を前記可塑性微小層に堆積させるステップと
を具える。

第１の補助層は、基材と第１の硬質層との間の接合層として機能する。第２の補助層は、コーティングの最も外側の表面層として機能する。補助層は、存在するすべての場合において、その少なくとも６０原子％がＨf，Ａl，Ｙ，Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｓi，Ａg，Ａu，Ｒuおよび耐熱金属からなるグループから選択される１つ以上の元素である。この補助層の厚さは、２ｎｍから１００ｎｍまでである。

切削工具をコーティングする場合に一般的に用いられる任意のＰＶＤ法を本発明の方法にて用いることができる。好ましくは、陰極アーク蒸着またはマグネトロンスパッターリングが用いられるけれども、ＨＩＰＩＭＳ（高出力衝撃マグネトロンスパッターリング）の如き新参技術もまた利用することができる。本発明によるコーティングが「ＰＶＤコーティング」として呼称されるとしても、このコーティングはまた、例えば従来のＣＶＤコーティングよりもＰＶＤコーティングのそれにより近い特性を持ったコーティングを作り出すＰＥＣＶＤ法（プラズマ促進化学気相蒸着）にて堆積させることも可能である。

Claims

少なくとも部分的に被覆され、基材とコーティングとを具えた切削工具であって、
前記コーティングは、相互に接合する硬質層と可塑性微小層とが交互に重なる層を具え、２つの硬質層の間に位置する可塑性微小層を具えた３つの層の少なくとも１つの連続体があり、
前記可塑性微小層は少なくとも７０原子％の金属元素を具え、この可塑性微小層は、
i．Ｔi_xＡg_y，Ｔi_uＡl_vＣu_tおよびＣr_uＡl_vＣu_t（ただしｘ＋ｙ＝１かつｘ≦０.９かつｕ＋ｖ＋ｔ＝１かつｔ≧０.０２）からなるグループから選択される合金層か、
ii．Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，ＡuおよびＲuからなるグループから選択される少なくとも１つの金属元素と、Ｎ，Ｏ，Ｃ，Ｂおよびこれらの組み合わせからなるグループから選択される非金属元素とを具えた亜化学量論的セラミック層
の何れかであり、
前記硬質層が（Ｍｅ _a Ｘ _1-a ）と（Ｎ _w Ｃ _x Ｂ _y Ｏ _z ）とで構成され、
ＭｅはＴi，Ａl，ＣrおよびＺrからなるグループから選択される１つ以上の金属であり、
ＸはＳi，Ｔa，Ｖ，ＹおよびＮbからなるグループから選択される１つ以上の元素であり、
０.７５＜ａ≦１.０かつ
ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、
前記硬質層の厚さが０.１５μｍから２μｍまでであり、
前記可塑性微小層の厚さが１０ｎｍから５０ｎｍまでであることを特徴とする被覆工具。
前記コーティングは、このような連続体を３つから３０まで具えたことを特徴とする請求項１に記載の被覆工具。
相互に異なる組成を持つ少なくとも２つの可塑性微小層を具えたことを特徴とする請求項２に記載の被覆工具。
前記コーティングは、前記基材に隣接し、かつ前記基材と前記硬質層との間の接合層として機能する補助層をさらに具え、
この補助層は、Ｈf，Ａl，Ｙ，Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｓi，Ａg，Ａu，Ｒu，耐熱金属およびこれらの混合物からなるグループから選択される元素を少なくとも６０％具え、
当該補助層の厚さが２ｎｍから１００ｎｍまでであることを特徴とする請求項１に記載の被覆工具。
前記コーティングは、最も外側の硬質層に隣接し、かつこのコーティングの最も外側の表面層として機能する補助層をさらに具え、
この補助層は、Ｈf，Ａl，Ｙ，Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｓi，Ａg，Ａu，Ｒu，耐熱金属およびこれらの混合物からなるグループから選択される元素を少なくとも６０％具え、
当該補助層の厚さが２ｎｍから１００ｎｍまでであることを特徴とする請求項１に記載の被覆工具。
前記コーティングは、
前記基材に隣接し、かつ前記基材と前記硬質層との間の接合層として機能する第１の補助層と、
最も外側の硬質層に隣接し、かつこのコーティングの最も外側の表面層として機能する第２の補助層と
をさらに具え、
これら第１および第２の補助層は、Ｈf，Ａl，Ｙ，Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｓi，Ａg，Ａu，Ｒu，耐熱金属およびこれらの混合物からなるグループから選択される元素をそれぞれ少なくとも６０％具え、
当該補助層のそれぞれの厚さが２ｎｍから１００ｎｍまでであることを特徴とする請求項１に記載の被覆工具。
前記コーティングの厚さが０.５μｍから２０μｍまでであることを特徴とする請求項１に記載の被覆工具。
基材とコーティングとを具えた被覆切削工具を製造する方法であって、
ａ）前記基材を覆う少なくとも１層の硬質層を堆積させるステップであって、前記少なくとも１層の硬質層が（Ｍｅ _a Ｘ _1-a ）と（Ｎ _w Ｃ _x Ｂ _y Ｏ _z ）とで構成され、
ＭｅがＴi，Ａl，ＣrおよびＺrからなるグループから選択される１つ以上の金属であり、
ＸがＳi，Ｔa，Ｖ，Ｙ，Ｎbからなるグループから選択される１つ以上の元素であり、
０.７５＜ａ≦１.０かつ
ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
であるステップと、
ｂ）少なくとも１層の可塑性微小層を前記少なくとも１層の硬質層に堆積させるステップであって、この少なくとも１層の可塑性微小層が少なくとも７０原子％の金属元素を具え、かつ当該可塑性微小層が
ｉ．Ｔi_xＡg_y，Ｔi_uＡl_vＣu_tおよびＣr_uＡl_vＣu_t（ただしｘ＋ｙ＝１かつｘ≦０.９かつｕ＋ｖ＋ｔ＝１かつｔ≧０.０２）からなるグループから選択される合金層か、
ii．Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｈf，Ａg，ＡuおよびＲuからなるグループから選択される少なくとも１つの金属元素と、Ｎ，Ｏ，Ｃ，Ｂおよびこれらの組み合わせからなるグループから選択される非金属元素とを具えた亜化学量論的セラミック層
の何れかであるステップと、
ｃ）少なくとも１層の他の硬質層を前記可塑性微小層に堆積させるステップと
を具え、前記硬質層のそれぞれの厚さが０.１５μｍから２μｍまでであり、
前記少なくとも１層の可塑性微小層の厚さが１０ｎｍから５０ｎｍまでであることを特徴とする方法。
前記コーティングをＰＶＤ法にて堆積させることを特徴とする請求項８に記載の方法。
ステップｂ)およびステップｃ）が交互に３回から３０回の間行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
ステップｂ）を実行する前に前記基材に補助層を堆積させるステップをさらに具え、
この補助層がＨf，Ａl，Ｙ，Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｓi，Ａg，Ａu，Ｒu，耐熱金属およびこれらの混合物からなるグループから選択される元素を少なくとも６０％具え、
当該補助層の厚さが２ｎｍから１００ｎｍまでであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
最も外側の硬質層に補助層を堆積させ、それによってこの補助層をコーティングの表面層として機能させるステップをさらに具え、
当該補助層はＨf，Ａl，Ｙ，Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｓi，Ａg，Ａu，Ｒu，耐熱金属およびこれらの混合物からなるグループから選択される元素を少なくとも６０％具え、
該補助層の厚さが２ｎｍから１００ｎｍまでであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
ステップｂ）を実行する前に前記基材に第１の補助層を堆積させるステップと、
最外硬質層に第２の補助層を堆積させ、それによってこの第２の補助層をコーティングの最外層として機能させるステップと
をさらに具え、これら第１および第２の補助層がＨf，Ａl，Ｙ，Ｆe，Ｃo，Ｎi，Ｃu，Ｓi，Ａg，Ａu，Ｒu，耐熱金属およびこれらの混合物からなるグループから選択される元素をそれぞれ少なくとも６０％具え、
これら補助層の厚さがそれぞれ２ｎｍから１００ｎｍまでであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
ステップｂ）およびステップｃ)が物理的気相蒸着を用いて同じコーティングチャンバー内で交互に３回から３０回の間行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。