JP2014531328A - クロム含有機能層を有する工具 - Google Patents

Abstract

本発明は、超硬質合金、サーメット、スチール、若しくはハイスピードスチール（ＨＳＳ）の基材と、少なくともアルミニウム（Ａｌ）、及び所望に応じて含有してよいＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｙ、Ｒｕ、及びＭｏから選択される１つ以上のさらなる金属を含有する窒化物又は炭窒化物の順に重ねて配置された１つ以上の同一又は異なる層によるベース層、並びにクロム含有酸化物機能層（chromium-containing oxidic functional layer）を含んでなる、ＰＶＤプロセスによって基材上に成膜された多層コーティングと、を有する切削工具に関する。クロム含有機能層の接着性を改善する目的で、本発明によると、金属Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、及び／若しくはＺｒの酸化物又は酸化硝酸塩の１つ以上による中間層が、ベース層と機能層との間に提供され、ここで、中間層は、立方晶構造を有し、及びここで、クロム含有機能層は、酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3）、酸窒化クロム、酸化アルミニウム‐クロム（ＡｌＣｒ）2Ｏ3、酸窒化アルミニウム‐クロム、又はアルミニウム、クロム、及びさらなる金属の混合酸化物若しくは混合酸窒化物である（ＡｌＣｒＭｅ1，Ｍｅn）2酸化物若しくは（ＡｌＣｒＭｅ1，Ｍｅn）2酸窒化物から選択され、この場合、Ｍｅ．．．Ｍｅnは、Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、及びＲｕから選択される１つ以上のさらなる金属を意味し、及びここで、機能層は、菱面体晶構造を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、硬質金属炭化物、サーメット、スチール、若しくはハイスピードスチール（ＨＳＳ）の基材と、少なくともアルミニウム（Ａｌ）、及び所望に応じて含有してよいＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｙ、Ｒｕ、及びＭｏから選択される１つ以上のさらなる金属を含有する窒化物又は炭窒化物から成る、順に重ねて配置された１つ以上の同一又は異なる層によるベース層を含んでなり、並びにクロム含有酸化物機能層（chromium-containing oxidic functional layer）を含んでなる、ＰＶＤプロセスによって基材上に成膜された多層コーティングと、を有する切削工具に関する。

例えば金属除去、金属機械加工に用いられる切削工具は、一般に、硬質金属物質及び酸化物層などによる耐摩耗性単一層又は多層コーティングを有する硬質金属炭化物、サーメット、スチール、又はハイスピードスチールのベース（基材）から成る。そのようなコーティングは、ＣＶＤ（化学蒸着）プロセス及び／又はＰＶＤ（物理蒸着）プロセスを用いて適用される。

特許文献１より、ＰＶＤプロセスを用いて硬質金属炭化物基材上に成膜されるＴｉＡｌＮのベース層及び酸化アルミニウム又は酸化アルミニウム‐クロムの機能層を有する多層コーティングが知られている。ここでは、酸化アルミニウムは、シングルマグネトロンプロセスを用いて成膜され、その過程にて、ガンマ酸化アルミニウムが主として生成される。酸化アルミニウム‐クロムは、アークＰＶＤプロセスを用いて成膜され、これは、安定なアルファ酸化アルミニウム‐クロムを生成するものの、下にあるＴｉＡｌＮベース層との結合が弱く、及びプロセスによっては、大量のマクロ粒子、いわゆるドロップレットが形成され、これは機能層の品質を著しく損なってしまう。

特許文献２は、酸化アルミニウム‐クロムの混合晶層を成膜するためのハイブリッドＰＶＤプロセスについて記載しており、ここでは、カソード霧化及びアーク蒸着ＰＶＤプロセスが同時に用いられる。酸化アルミニウム‐クロムの混合晶層は、主に安定なアルファ相として得られ、これは、本質的にマクロ粒子（ドロップレット）を含有しない。

現行技術を代表する公知のプロセスによると、酸化アルミニウム、アルミニウム‐クロム混合酸化物、又はさらなる合金元素との混合酸化物を、安定なアルファ改質物（stable alpha modification）として生成することが可能である。しかし、これらの層は、ＴｉＡｌＮ層などの窒化物ベース層（nitridic base layer）を例とする下地基材との弱い結合を特徴とする。基材の面上に直接成膜された酸化物層は、摩耗防止層として機能するには脆弱過ぎる場合が多いことから、そのようなベース層を提供することが望ましい。

欧州特許第１ ２５３ ２１５号 ドイツ特許第１０ ２０１０ ０２８ ５５８号

本発明の目的は、従って、多層コーティングを有する基材から成る切削工具において、窒化物又は炭窒化物を含有する硬質物質のベース層上のクロム含有機能層の結合を改善することである。

本発明によると、この目的は、硬質金属炭化物、サーメット、スチール、若しくはハイスピードスチール（ＨＳＳ）の基材と、ＰＶＤプロセスを用いてその上に成膜され、基材側から出発して以下の一連の層：
ａ）少なくともアルミニウム（Ａｌ）、及び所望に応じて含有してよいＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｙ、Ｒｕ、及びＭｏから選択される１つ以上のさらなる金属を含有する窒化物又は炭窒化物による、順に重ねて配置された１つ以上の同一又は異なる層から成るベース層、
ｂ）ベース層上に配置され、金属Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、及び／若しくはＺｒの酸化物又は酸窒化物の１つ以上から成る中間層であって、その中間層は、立方晶構造を示す、中間層、
ｃ）中間層上に配置され、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、酸窒化クロム、酸化アルミニウム‐クロム（ＡｌＣｒ）₂Ｏ₃、酸窒化アルミニウム‐クロム、又はアルミニウム、クロム、及びさらなる金属の混合酸化物若しくは混合酸窒化物である（ＡｌＣｒＭｅ₁，・・・．Ｍｅ_n）₂酸化物若しくは（ＡｌＣｒＭｅ₁，・・・．Ｍｅ_n）₂酸窒化物から選択されるクロム含有機能層であって、ここで、Ｍｅ，・・・．Ｍｅ_nは、Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、及びＲｕから選択される１つ以上のさらなる金属を意味し、この機能層は、菱面体晶構造を示し、ｎは、混合酸化物又は混合酸窒化物中に存在するアルミニウム及びクロム以外のさらなる金属の数に対応する整数である、クロム含有機能層、
を含んでなる多層コーティングと、を有する切削工具によって達成される。

（原文に記載なし。）

本発明の実施形態の１つの好ましい形態では、切削工具のコーティングにおいて、ベース層は、窒化チタン‐アルミニウム（ＴｉＡｌＮ）又は窒化チタン‐アルミニウム‐ケイ素（ＴｉＡｌＳｉＮ）から成り、特に窒化チタン‐アルミニウム（ＴｉＡｌＮ）が好ましい。窒化チタン‐アルミニウム（ＴｉＡｌＮ）は、非常に強靭かつ硬質であり、非常に優れた摩耗特性を、特に、金属機械加工時に発生する高温にて有することから、ベース層として非常に適している。

ＴｉＡｌＮから成ることが好ましい本発明に従うベース層の上に本発明に従う中間層を提供することにより、その上に配置されるクロム含有機能層の結合及び接着性が大きく改善されることが示された。硬質金属炭化物基材、本発明に従うベース層、立方晶酸化物又は酸窒化物、好ましくは立方晶ガンマ酸化アルミニウムから成る本発明に従う中間層、及び菱面体晶構造を有する本発明に従う機能層、例えば酸化アルミニウム‐クロムの層、から成る切削工具を用いた機械加工試験において、中間層を持たない対応する切削工具と比較して、工具の摩耗が、中間層を有する本発明に従うコーティングによって大きく低減された。

本発明によると、クロム含有機能層は、菱面体結晶構造を示す。機能層は、純酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、酸窒化クロム、酸化アルミニウム‐クロム（ＡｌＣｒ）₂Ｏ₃、酸窒化アルミニウム‐クロム、又はＨｆ、Ｙ、Ｚｒ、及びＲｕから選択されるさらなる金属とのアルミニウム‐クロム混合酸化物若しくは混合酸窒化物であってよい。特に好ましくは、クロム含有機能層は、完全に、又は少なくとも９０体積％の程度までの、菱面体結晶構造を有する酸化アルミニウム‐クロム、すなわちアルファ改質物としての酸化アルミニウム‐クロムから成る。本明細書にて酸化アルミニウム‐クロム（ＡｌＣｒ）₂Ｏ₃と言う場合、これは、アルミニウム及びクロムの元素が同じ化学量論比で存在することを必ずしも意味するものではない。酸化アルミニウム‐クロム層において、クロムの比率は、アルミニウムの比率より高くても、又は低くてもよい。

本発明の実施形態の１つの好ましい形態では、機能層の金属元素の中でのクロムの比率は、少なくとも７０原子％Ｃｒである。実施形態のさらなる形態では、クロムの比率は、少なくとも８５原子％Ｃｒ又は少なくとも９５原子％Ｃｒである。機能層中のクロムの比率が高いことは、機能層の所望される菱面体晶構造への成長が促進されるという利点を有する。

ベース層の上に直接配置される本発明に従う中間層は、金属Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、及び／若しくはＺｒの酸化物又は酸窒化物から成り、立方晶構造を示す。本発明の実施形態の１つの好ましい形態では、中間層は、立方晶ガンマ酸化アルミニウム（γ‐Ａｌ₂Ｏ₃）から成る。

立方晶構造を有する本発明に従う中間層の提供によって、ベース層に対する機能層の接着性及び結合が改善されることは、驚くべきことであった。現在までのところ、そのような立方晶中間層のみで、ベース層への機能層の接着性及び結合がこのような形で改善される理由についての立証された説明は存在しない。本出願の発明者らは、本発明に従う層（ベース層、中間層、及び機能層）に対して、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析）測定を実施した。本発明に従う中間層を有するコーティングの機能層に対するＸＰＳ測定から、本発明に従う中間層無しのコーティングと比較して、機能層の中間層に面する面上のクロムの金属比が上昇していることが明らかとなった。この理論に束縛されるものではないが、発明者らは、立方晶中間層と菱面体晶機能層との間に金属結合の比率のより高い移行ゾーンが形成されることが、機能層の結合の改善に寄与、又はそれを誘発し得るものと推定する。

本発明に従うコーティングの中間層は、本質的に、適切ないかなるＰＶＤプロセスを用いて成膜されてもよい。しかし、マグネトロンスパッタリング、反応性マグネトロンスパッタリング、デュアルマグネトロンスパッタリング、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、又はハイブリッドＰＶＤプロセスとも称されるカソード霧化（スパッタリング成膜）及びアーク蒸着（アークＰＶＤ）の同時適用が好ましい。

機能層もまた、適切ないかなるＰＶＤプロセスを用いて成膜されてもよい。アーク蒸着（アークＰＶＤ）、マグネトロンスパッタリング、反応性マグネトロンスパッタリング、デュアルマグネトロンスパッタリング、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＭＳ）、又はカソード霧化（スパッタリング成膜）及びアーク蒸着（アークＰＶＤ）の同時適用若しくはハイブリッドＰＶＤプロセスが好ましい。

本発明に従う切削工具の実施形態の１つの好ましい形態では、ベース層は、５０ｎｍから８μｍ、好ましくは５００ｎｍから５μｍ、特に好ましくは２μｍから４μｍのコーティング厚さを有する。

本発明に従う切削工具の実施形態のさらなる形態では、中間層は、１ｎｍから２μｍ、好ましくは５ｎｍから７５０ｎｍ、特に好ましくは１０ｎｍから５０ｎｍのコーティング厚さを有する。

本発明に従う切削工具の実施形態のさらなる好ましい形態では、機能層は、１００ｎｍから１０μｍ、好ましくは５００ｎｍから５μｍ、特に好ましくは７５０ｎｍから２μｍのコーティング厚さを有する。

本発明に従う切削工具の実施形態のさらなる好ましい形態では、機能層は、２ＧＰａ未満、好ましくは１ＧＰａ未満の面における圧力負荷を示す。驚くべきことに、機能層のコーティング厚さが大きいほど、面における圧力負荷２ＧＰａ未満の場合に、剥離の危険性が低下することが見出された。面における圧力負荷１ＧＰａ未満にて、さらなる改善が見られた。

本発明に従う切削工具の実施形態のさらなる好ましい形態では、中間層は、０．１から５原子％、好ましくは０．５から４原子％、特に好ましくは１．０から３原子％のアルゴンを含有する。このアルゴン部分は、ＰＶＤ成膜の反応性ガスから来るものであり、数は少ないがいくつかのケースでは、機能層の下地中間層への結合に有利な効果を有する。

本発明を、実施例及び関連する図面を参照してここからさらに説明する。

１． 中間層有り及び無しでの切削工具の作製
平均結晶粒径が約１μｍ及びＣｏ含有量が約１０重量％である硬質金属炭化物基材を、まず、以下のパラメータを適用したアーク蒸着（アークＰＶＤ）により、厚さ４．６μｍのＴｉＡｌＮベース層で被覆した：
ベース層
ターゲット（アークＰＶＤ）： ＴｉＡｌ（３３原子％／６７原子％）金属
ターゲット径［ｍｍ］： ６３
Ｕ_バイアス［−Ｖ］： ４０（ＤＣ）
Ｎ₂分圧［Ｐａ］： ３．２
Ｉ_アークPVD［Ａ］： ６５

本発明に従う切削工具を作製するために、この上に、厚さ１４ｎｍのガンマ酸化アルミニウムの中間層を、以下のパラメータを用いたデュアルマグネトロンスパッタリング（ＤＭＳ）によって成膜した：
中間層
ターゲット（ＤＭＳ）： ２×Ａｌ金属
ターゲットサイズ［ｍｍ×ｍｍ］ １６０×８２０
出力（ＤＭＳ）［ｋＷ］： ２０
Ｕ_バイアス［Ｖ］： ６０（単極パルス、７０Ｈｚ）
継続時間［分］： ６
Ａｒ分圧［Ｐａ］： ０．５

この後、厚さ１．５μｍの菱面体晶アルファ酸化アルミニウム‐クロムコーティングを、本発明に従う中間層有り（本発明）及び中間層無し（比較例）にて、以下のパラメータを用いてデュアルマグネトロンスパッタリング（ＤＭＳ）及びアーク蒸着（アークＰＶＤ）を同時に適用するハイブリッドＰＶＤプロセスによって工具上に成膜した：
機能層
ターゲット（ＤＭＳ）： ２×Ａｌ金属
ターゲットサイズ［ｍｍ×ｍｍ］： １６０×８２０
出力（ＤＭＳ）［ｋＷ］： ２０
ターゲット（アークＰＶＤ）： ８×Ｃｒ金属
Ｉ_アークPVD［Ａ］： ６５
Ｕ_バイアス［−Ｖ］： ６０（単極パルス、７０Ｈｚ）
継続時間［分］： ６

２． 機械加工試験
１に記載のようにしてここまでに作製した中間層有り及び無しの切削工具を、切削スピードＶ_c＝２３５ｍ／分及びフィード速度ｆ_z＝０．２ｍｍにて、４２ ＣｒＭｏ４から成るワークの切削に用いた。結果を図１に示すグラフで表し、ここでは、種々の切削距離［ｍｍ］に対する摩耗［ｍｍ］を示している。この結果から、中間層有りで作製された切削工具の摩耗は、中間層無しの切削工具の摩耗よりも非常に少ないことが分かる。８００ｍｍの切削距離の場合、中間層有りの本発明に従う切削工具では、まったく摩耗が見られなかった。１６００ｍｍの切削距離の場合、中間層無しの切削工具の摩耗は、本発明に従う中間層有りの本発明に従う切削工具の摩耗の２倍を超えていた。

機能層の接着性及び結合が著しく改善されたことにより、摩耗が大きく低減され、従って従来までのものよりも非常に長い工具寿命を有する切削工具が得られる。このことは、切削工具の節約、切削工具の取替え頻度の減少、従って、不良及び機械ダウンタイムの減少、生産性の向上、並びにコストの低減を意味する。

３． 中間層有り及び無しの切削工具の光学顕微鏡観察
本発明に従う中間層有り及び無しにて１に記載のようにして作製した切削工具のコーティングに、帽子形状の（calotte-shaped）凹み部を研削処理によって形成し、次に、ボールを用いて中央部の硬質金属炭化物基材まで延びる窪み部を作った。これによって、硬質金属炭化物基材、ＴｉＡｌＮベース層、及び酸化アルミニウム‐クロム層を光学顕微鏡下で見ることができるようになった。数ナノメートルの厚さである中間層は光学顕微鏡下では解像されないため、個別の層としては示されない。研削処理した切削工具の光学顕微鏡イメージを図２に示す。

本発明に従う中間層無しの切削工具では、ＴｉＡｌＮベース層と酸化アルミニウム‐クロム機能層との間の接合部に、いわゆるスポーリング（spalling）と称される特徴的な暗色のほつれたような（frayed）中間の環部が現れており、これは、これらの２つ層間でのコーティングの結合が弱いことを示唆するものである。これら２つの層間の接合部がはっきりした端部を示す場合、２つの層間の接着性は良好である。これは、本発明に従う立方晶中間層を有する本発明に従う切削工具の場合、明らかに視認されている。

４． 本発明に従う中間層有り及び無しの切削工具の機能層のＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析）
中間層有り及び無しにて１に記載のようにして作製した切削工具の機能層の基材に面する側のＸＰＳスペクトルから、本発明に従う中間層有りの切削工具の機能層が、本発明に従う中間層無しの切削工具よりも高い界面でのクロムの金属比率を示すことが分かる。既述のように、発明者らは、機能層の結合の改善は、立方晶中間層と菱面体晶機能層との間での金属結合の比率がより高い移行ゾーンの形成に起因するのではないかと考えている。

Claims (12)

1. 硬質金属炭化物、サーメット、スチール、若しくはハイスピードスチール（ＨＳＳ）の基材と、
   ＰＶＤプロセスによって前記基材上に成膜され、前記基材から出発して以下の一連の層：
   ａ）少なくともアルミニウム（Ａｌ）、及び所望に応じて含有してよいＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｙ、Ｒｕ、及びＭｏから選択される１つ以上のさらなる金属を含有する窒化物又は炭窒化物による、順に重ねて配置された１つ以上の同一又は異なる層から成るベース層、
   ｂ）前記ベース層上に配置され、金属Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、及び／若しくはＺｒの酸化物又は酸窒化物の１つ以上から成る中間層であって、立方晶構造を示す、中間層、
   ｃ）前記中間層上に配置され、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、酸窒化クロム、酸化アルミニウム‐クロム（ＡｌＣｒ）₂Ｏ₃、酸窒化アルミニウム‐クロム、又はアルミニウム、クロム、及びさらなる金属の混合酸化物若しくは混合酸窒化物である（ＡｌＣｒＭｅ₁，．．．Ｍｅ_n）₂酸化物若しくは（ＡｌＣｒＭｅ₁，．．．Ｍｅ_n）₂酸窒化物から選択されるクロム含有機能層であって、ここで、Ｍｅ，．．．Ｍｅ_nは、Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、及びＲｕから選択される１つ以上のさらなる金属を意味し、菱面体晶構造を示す、クロム含有機能層、
   を含んでなる多層コーティングと、を有する切削工具。
2. 前記中間層が、立方晶酸化アルミニウム、好ましくは立方晶ガンマ酸化アルミニウム（γ‐Ａｌ₂Ｏ₃）から成ることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記クロム含有機能層が、完全に、又は少なくとも９０体積％の程度までの、菱面体晶酸化アルミニウム‐クロム、（ＡｌＣｒ）₂Ｏ₃、から成ることを特徴とする、請求項１又は２の何れか一項に記載の切削工具。
4. 前記機能層の金属元素の中でのクロムの比率が、少なくとも７０原子％Ｃｒ、又は少なくとも８５原子％Ｃｒ、又は少なくとも９５原子％Ｃｒであることを特徴とする、請求項１から３の何れか一項に記載の切削工具。
5. 前記中間層が、マグネトロンスパッタリング、反応性マグネトロンスパッタリング、デュアルマグネトロンスパッタリング、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、又はカソード霧化（スパッタリング成膜）及びアーク蒸着（アークＰＶＤ）の同時適用、によって成膜されることを特徴とする、請求項１から４の何れか一項に記載の切削工具。
6. 前記機能層が、アーク蒸着（アークＰＶＤ）、マグネトロンスパッタリング、反応性マグネトロンスパッタリング、デュアルマグネトロンスパッタリング、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、又はカソード霧化（スパッタリング成膜）及びアーク蒸着（アークＰＶＤ）の同時適用、によって成膜されることを特徴とする、請求項１から５の何れか一項に記載の切削工具。
7. 前記ベース層が、５０ｎｍから８μｍ、好ましくは５００ｎｍから５μｍ、特に好ましくは２μｍから４μｍのコーティング厚さを示すことを特徴とする、請求項１から６の何れか一項に記載の切削工具。
8. 前記中間層が、１ｎｍから２μｍ、好ましくは５ｎｍから７５０ｎｍ、特に好ましくは１０ｎｍから５０ｎｍのコーティング厚さを示すことを特徴とする、請求項１から７の何れか一項に記載の切削工具。
9. 前記機能層が、１００ｎｍから１０μｍ、好ましくは５００ｎｍから５μｍ、特に好ましくは７５０ｎｍから２μｍのコーティング厚さを示すことを特徴とする、請求項１から８の何れか一項に記載の切削工具。
10. 前記機能層が、２ＧＰａ未満、好ましくは１ＧＰａ未満の面における圧力負荷を示すことを特徴とする、請求項１から９の何れか一項に記載の切削工具。
11. 前記ベース層が、窒化チタン‐アルミニウム（ＴｉＡｌＮ）又は窒化チタン‐アルミニウム‐ケイ素（ＴｉＡｌＳｉＮ）から成ることを特徴とする、請求項１から１０の何れか一項に記載の切削工具。
12. 前記中間層が、０．１から５原子％、好ましくは０．５から４原子％、特に好ましくは１．０から３原子％のアルゴンを含有することを特徴とする、請求項１から１１の何れか一項に記載の切削工具。