JP2015508716A - 被覆された切削工具 - Google Patents

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Abstract

本発明は、基材及び複層(Ti、Al)N被覆を含む、被覆された切削工具に関する。該被覆は3つの領域、すなわち、基材に最も近い第1の領域(A)、該第1の領域と隣接している第2の領域(B)、及び最も外側の第3の領域(C)を含む。3つの領域全てはそれぞれ(Ti、Al)Nの複層非周期構造を含み、各領域についての平均組成は互いに異なり、領域Cの厚さと領域Bの厚さとの比は1.3〜2.2であり、z領域C>z領域B(式中、zは各領域についての平均組成の比z=Ti/Alである)である。該被覆は低い残留応力を有する。

Description

本発明は、基材及びPVD被覆を含む被覆された切削工具であって、(Ti、Al)N被覆が非周期の複層被覆構造を有する、被覆された切削工具に関する。
切削工具上の(Ti、Al)N PVD被覆は、当技術分野において広く知られている。均一な被覆及び複数の薄層を含む被覆はいずれも、当技術分野において記載されている。
欧州特許出願公開第983393号明細書は、交互の窒化物層、例えばTiN/TiAlN複層の非周期の複層構造を記載している。
欧州特許出願公開第1795628号明細書は、被覆された切削工具インサートであって、交互のAlxTi1-xN及びTiyAl1-yN層(式中、x=0.4〜0.7及びy=0.6〜1)の非周期の複層構造を含み、1つのA+B副層の平均の厚さの範囲が30〜300nm、好ましくは60〜120nmの範囲内であるPVD被覆を有する、被覆された切削工具インサートを記載している。
複層(Ti、Al)N PVD被覆は、通常は被覆の厚さと共に上昇する圧縮残留応力を有する。圧縮残留応力が高くなりすぎた場合、被覆は、特に切刃の付近でひびが入る。他方、より厚い被覆はより高い耐摩耗性を有し、これにより工具寿命が延びる。
複層(Ti、Al)N PVD被覆の性能を向上させようとする努力が続いており、低い圧縮応力を有するより厚い被覆を得る目的が常に存在する。
それゆえ、本発明の目的は、より低い圧縮残留応力を有する複層(Ti、Al)N PVD被覆を提供することである。
本発明の別の目的は、亀裂が入ることなく上昇した厚さを有することができる複層(Ti、Al)N PVD被覆を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、複層(Ti、Al)N PVD被覆を製造する方法を提供することである。
以下で説明するように、今回、上記の目的は本発明により達成できることが見出された。
本発明による被覆の模式図である。図中、A、B及びCは、3つの異なる領域A、B及びCを示し、Dは基材を示す。 本発明による被覆のXRDディフラクトグラムを示す。I(111)、I(200)及びI(220)のピークの顕著な強度がはっきりと見られる。 例3(比較例1)による被覆のXRDディフラクトグラムを示す。図1(本発明)と比較して、I(111)及びI(200)のピークは顕著でない。 例2(先行技術)による被覆のXRDディフラクトグラムを示す。図1(本発明)と比較して、I(111)及びI(200)のピークは顕著でない。
本発明は、基材及び複層(Ti、Al)N被覆を含む、被覆された切削工具に関する。被覆は、3つの領域、すなわち、基材に最も近い第1の領域(A)、該第1の領域と隣接している第2の領域(B)、及び最も外側の第3の領域(C)を含む。領域B及びCはそれぞれ、交互の(Ti、Al)N独立層X及びYの複層非周期構造を含み、独立層Xは、独立層Yよりも高いTi含有量の組成を有する。各領域についての平均組成は互いに異なり、領域Cの厚さと領域Bの厚さとの比は1.3〜2.2、好ましくは1.4〜1.9であり、z領域C>z領域B(式中、zは各領域についての平均組成の比z=Ti/Alである)である。
適切には、領域Aは、TiaAl1-aN(式中、70≦a≦90、好ましくは70≦a≦80である)の組成を有する均一な(Ti、Al)N層である。領域Aの厚さは適切には0.05〜0.5μm、好ましくは0.075〜0.2μmである。
本発明の1つの実施態様において、領域B及びCはそれぞれ交互の(Ti、Al)N独立層X及びYの複層非周期構造から成り、すなわち領域B及びCにはいかなる他の層も堆積されていない。
各領域は、各領域内において不規則な複層非周期構造を含み、すなわち、複層構造中の特定の独立層の厚さは、当該特定の独立層の直下の独立層の厚さとも直上の独立層の厚さとも関係がない。複層構造は、少なくとも10個の連続した独立層の連なりにおいて、いかなる反復周期も有しない。独立層の平均の厚さは0.1nm超100nm未満であり、好ましくは0.5nm超50nm未満であり、最も好ましくは1nm超30nm未満である。複層構造における任意の10個の連続した層の合計は、300nm未満である。
領域B及びCの各範囲内において、層厚みの構造により、複層非周期構造の組成を不規則に変化させることもできる。特定の位置において測定した場合には組成は異なるが、少なくとも100個の独立層にわたって測定した平均組成は、それぞれ領域B及び領域C全体を通して同一となる。このことは、全体の領域内において、非周期層構造に起因する不規則なばらつきを除いては、異なる組成勾配も他の制御された組成のパターンも存在しないことを意味する。
複層構造中の各独立層の組成は、その薄い厚さのために、隣接する層の寄与なしには容易に測定することはできない。測定することができるものは、より多い数の独立層にわたる、好ましくは複層構造全体にわたる平均組成である。しかし、各独立層の組成は、使用したターゲットの組成から推定することができるが、それは正確な組成を与えるものではない。より厚い層が堆積され、分析するのに十分な厚さである場合、堆積された層の組成はターゲット材料の組成と比較して数パーセント異なる可能性があることがわかっている。この事実のために、以下に記載する本発明による複層構造の独立層の全ての組成は、堆積中に使用したターゲットの組成から推定したものである。
複層構造とは、ここでは少なくとも5個の独立層を含む構造を意味する。しかしながら、複層構造は独立層を数千個まで含むことができる。領域B及びCにおける複層構造は、互いに異なる組成を有する(Ti、Al)Nの交互の独立層X及びYを有する。
本発明の1つの実施態様において、独立層XはTiaAl1-aN(式中、70≦a≦90、好ましくは70≦a≦80である)の組成を有し、独立層YはTibAl1-bN(式中、33≦b≦40、好ましくは34≦b≦39である)の組成を有する。
本発明による被覆は、適切には−0.5〜−1.5GPa、好ましくは−0.75〜−1.25GPaの残留圧縮応力を有する。残留応力は、周知のsin2ψ法を使用するX線回折測定により評価しており、sin2ψ法は、I.C.Noyan,J.B.CohenによりResidual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation,Springer−Verlag,New York,1987(pp117−130)に記載されている。この測定法は、(Ti、Al)N(200)反射についてCuKα放射線を使用して実施する。選択されたsin2ψ範囲内の等距離の6〜11個、好ましくは8個のψ角度を有するサイド傾斜技術(ψ幾何学)を使用している。90°のΦ扇形の範囲内でのΦ角度の等距離分布が好ましい。2軸応力状態を確認するため、サンプルは、Φ=0°及び90°回転させながらΨ傾斜させる必要がある。せん断応力の存在可能性を調査することが推奨され、したがって、負及び正のΨ角度の双方を測定する必要がある。オイラー角1/4クレドールの場合、これは、異なるΨ角度に対してΦ=180°及び270°でもサンプルを測定することによって成し遂げられる。測定は、可能な限り平坦な表面、好ましくはインサートの逃げ面で実施する必要がある。残留応力値を計算するためには、ポアソン比ν=0.20及びヤング率E=450Gpaの値を使用すべきである。データは、商業的に入手可能なソフトウェア、例えばBruker−AXS社からのDIFFRACPlusStress32v.1.04を使用し、好ましくはPseudo−Voigt−Fit関数により(200)反射を位置決めして評価する。2軸応力状態の場合、この全応力は得られた2軸応力の平均値として計算する。
本発明による被覆は、XRDにより測定した場合、適切にはI(111)、I(200)及びI(220)の顕著な強度を有する。111及び200のピークの強度の比は、適切には0.7〜1.5、好ましくは0.8〜1.4、最も好ましくは0.9〜1.35である。111及び220のピークの強度の比は、適切には1〜7、好ましくは2〜6である。
本発明による被覆は、適切には25〜45GPa、好ましくは30〜40GPaの硬度を有する。被覆はまた、450〜650GPa、好ましくは500〜600GPaの弾性係数を有する。硬度及び弾性係数は、50mNでのナノインデンテーションを使用して評価している。
被覆全体の厚さの合計は、適切には0.5〜15μm、好ましくは1〜10μm、最も好ましくは3〜6μmである。ここで与える全ての厚さは、ターゲットから見て直線上にある、適度に平坦な表面について実施された測定値を言うものである。インサートについては、堆積中にはピンスティックに取り付けられており、これはターゲットに直接面している側の中央で厚さを測定していることを意味する。不規則な表面、例えばドリル及びエンドミルの表面等については、ここで与える厚さは任意の適度に平坦な表面又は比較的大きな曲率を有しかつ任意の縁又は角部から幾らか離れた位置の表面について測定された厚さを言うものである。例えば、ドリルについては外縁で測定を行っており、エンドミルについては逃げ面で測定を行っている。測定は、ここでは研磨された断面上で行っている。
複層構造中の平均化学組成は、EDS(エネルギー分散分光法)を使用して、被覆のトップビューについて測定する。
切削工具とは、ここではインサート、ドリル、エンドミル又は交換可能なドリル先端を意味する。
本発明の1つの実施態様において、基材は超硬合金、サーメット、セラミック又は立方晶窒化ホウ素の切削工具インサートである。
本発明の1つの実施態様において、基材は超硬合金又は高速度鋼のドリル又はエンドミルである。
本発明は、カソードアーク蒸着を使用する上記による被覆された切削工具の製造方法にも関する。堆積チャンバーは6つのフランジを含み、フランジはそれぞれ少なくとも1つの(Ti、Al)ターゲットを含む。フランジのうちの3つは組成Xを有するターゲットを含み、他方の3つのフランジは組成Yを有するターゲットを含み、該組成Xは該組成Yよりも高いTi含有量を有する。方法は更に、
−組成Xを有するターゲットが稼働中である、窒素ガスの存在下でかつ100〜200V、好ましくは125〜175Vのバイアスでの第1の堆積工程と、
−6つのフランジ全てのターゲットが稼働中である、窒素ガスの存在下でかつ30〜60V、好ましくは35〜50Vのバイアスでの第2の堆積工程と、
−組成Yを有するターゲットを含むフランジのうちの1つを停止させて残りのターゲットを稼働中としている、N2ガスの存在下でかつ30〜60V、好ましくは35〜50Vのバイアスでの第3の堆積工程と
を含む。
本発明の1つの実施態様において、堆積は連続的である。連続的であるとは、ここでは異なる堆積工程の間での変更が中断することなく行われること、すなわち、少なくとも3つのフランジが常に稼働中であることを意味する。
各フランジは少なくとも1つのターゲット、好ましくは1〜6つのターゲット、より好ましくは3〜5つのターゲット、最も好ましくは4つのターゲットを含む。適切には1つのフランジ内の全てのターゲットは全て同一の組成を有する。ターゲットをそのような方法で堆積チャンバーに設置して、組成Xを有するターゲットを含むフランジが常に組成Yを有するターゲットを含むフランジの隣にあるようにする。
本発明の1つの実施態様において、ターゲットと被覆すべき工具との間の距離は<200mmである。
本発明の1つの実施態様において、ターゲット組成Xは、TiaAl1-aN(式中、70≦a≦90、好ましくは70≦a≦80である)の組成を有し、ターゲット組成YはTibAl1-bN(式中、33≦b≦40、好ましくは34≦b≦39である)の組成を有する。
独立層の非周期の連なりの厚さは上記のターゲットの前で被覆すべき基材を不規則に回転させること又は動かすことにより生成される。好ましくは非周期構造を得るように配列された3重回転基材テーブルの上に基材を設置することによりこれを行う。3重回転は、回転速度及び回転方向(時計回り又は反時計回り)に関して調整することができる。
本発明の1つの実施態様において、堆積は欧州特許出願公開第2037000号明細書に記載されている堆積チャンバーで実施する。
本発明の方法は、異なる前処理工程又は後処理工程を更に含むことができる。
本発明の1つの実施態様において、方法は、基材をブラストにかけること、好ましくは基材の角を丸くする第1の乾式ブラスト工程、引き続き乾式ブラスト工程からの残留物を除去する第2の湿式ブラスト工程を含む2工程ブラスト操作にかけることを含む前処理を含む。しかしながら、ブラストは乾式ブラスト又は湿式ブラストのいずれかによっても同様に実施することができる。前処理ブラストについてのパラメーターは変更することができ、当業者によく知られている。
1つの実施態様において、上記の工程の1つ又は複数により形成された被覆を、ブラスト、代替的にはショットピーニング等を含む後処理にかける。1つの側面において、ブラストはより滑らかな表面を与えることができる。
[例1(本発明)]
超硬合金製の交換可能なドリル先端の形をした切削工具を、欧州特許出願公開第2037000号明細書に記載されているPVD被覆チャンバーに設置した。堆積はアーク蒸着により実施した。堆積チャンバーはそれぞれ4つのターゲットを有する6つのフランジを含んでいた。フランジのうちの3つはAl0.25Ti0.75合金のターゲットを含んでおり、他方の3つのフランジはAl0.67Ti0.33合金のターゲットを含んでいた。
(Ti、Al)N接着層(層A)を、Al0.25Ti0.75ターゲットを使用して窒素雰囲気中で8μbarの圧力で堆積させた。上記接着層の厚さは約0.15μmであった。第2の層(層B)を、窒素雰囲気中で20μbarの圧力で、全てのフランジを稼働中にさせて堆積させた。非周期層状構造は、工具の3重回転により堆積チャンバーの内部で得られた。第2の層の厚さは1.9μmであった。この層の平均組成はSEM−EDSにより決定してAl0.42Ti0.58であった。第3の層(層C)を、窒素雰囲気中で20μbarの圧力で、6つのフランジのうちの5つを使用して堆積させ、ターゲット組成Al0.67Ti0.33を有する1つのフランジを停止させ、稼働中のAl0.67Ti0.33合金ターゲットの量が稼働中のAl0.25Ti0.75合金ターゲットの量の2/3となるようにした。
非周期層状構造は工具の3重回転により堆積チャンバーの内部で得られた。第3の層の厚さは3μmであった。第3の層の平均ターゲット組成は、SEM−EDSにより決定してAl0.38Ti0.62であった。適用した被覆の厚さの合計は5μmであった。トップビューでSEM−EDSにより測定した被覆全体の組成はAl0.40Ti0.60であった。
[例2(先行技術)]
例1と同様のサイズ、形状及び組成を有する交換可能なドリル先端の形をした切削工具を、Oerlikon BalzersからのRCSと称されるPVD被覆チャンバーに設置し、堆積をアーク蒸着により実施した。TiN接着層を、Tiターゲットを使用して窒素及びアルゴン雰囲気中で堆積させた。TiN接着層の被覆の厚さは0.15μmであった。第2の層を、N2雰囲気中で32μbarの圧力でAl0.50Ti0.50及びTiの合金から成るターゲットを使用して堆積させた。非周期層状構造は、工具の3重回転により堆積チャンバーの内部で得られた。第2の層の厚さは3.2μmであった。この被覆の平均組成はSEM−EDSにより決定してAl0.15Ti0.85であった。第3の外層を、窒素及びアルゴン雰囲気中でAl0.16Ti0.84合金から成るターゲットを使用して堆積させた。非周期層状構造は、工具の3重回転により堆積チャンバーの内部で得られた。第3の層の厚さは0.3μmであった。第3の層の平均組成はSEM−EDSにより決定してAl0.16Ti0.84であった。適用した被覆の厚さの合計は3.7μmであった。
[例3(比較例1)]
比較例として、層A、B及びCを含む被覆を、例1と同様の原理を使用して堆積させたが、層Bの厚さと層Cの厚さとの比が1であったという違いがあった。すなわち、両方の層は同じ厚さを有していた。被覆の厚さの合計は3.2μmであった。この被覆を比較例1と称する。
[例4(比較例2)]
別の比較例として、層A及びBのみを含む被覆を堆積させた。被覆は、例1と同様の原理を使用して堆積させた。この被覆を比較例2と称する。
[例5(残留応力)]
残留応力を、例1〜5において堆積させた被覆について測定した。測定は、本明細書中に記載したものを使用してXRDにより実施した。結果を表1に示す。
Figure 2015508716
[例6]
例1及び2からの工具を掘削で試験した。
操作:掘削
ワークピース材料:SS2541
切削速度:80m/分
供給:0.3mm/回転
冷却剤あり
工具寿命の基準は切刃に沿った破損及び角部の摩耗であった。工具寿命の基準を満足するまでに空けられた穴の数で工具寿命を測定した。結果を表2に示す。
Figure 2015508716
[例7]
例1、2及び3(比較例1)からの工具を掘削で試験した。
操作:掘削
ワークピース材料:SS2541
切削速度:100m/分
供給:0.4mm/回転
冷却剤あり
工具寿命の基準は切刃に沿った破損及び角部の摩耗であった。工具寿命の基準を満足するまでに空けられた穴の数で工具寿命を測定した。結果を表3に示す。
Figure 2015508716

Claims (11)

  1. 基材及び複層(Ti、Al)N被覆を含む、被覆された切削工具であって、該被覆が3つの領域、すなわち、
    基材に最も近い第1の領域(A)、
    該第1の領域と隣接している第2の領域(B)、及び
    最も外側の第3の領域(C)
    を含み、領域B及びCがそれぞれ交互の(Ti、Al)N独立層X及びYの複層非周期構造を含み、該独立層Xが該独立層Yよりも高いTi含有量の組成を有し、各領域についての平均組成が互いに異なり、かつ、
    領域Cの厚さと領域Bの厚さとの比が1.3〜2.2であり、z領域C>z領域B(式中、zは各領域についての平均組成の比z=Ti/Alである)であることを特徴とする、
    被覆された切削工具。
  2. 前記独立層XがTiaAl1-aN(式中、70≦a≦90である)の組成を有し、前記独立層YがTibAl1-bN(式中、33≦b≦40である)の組成を有することを特徴とする、請求項1に記載の被覆された切削工具。
  3. 前記独立層XがTiaAl1-aN(式中、70≦a≦80である)の組成を有し、前記独立層YがTibAl1-bN(式中、34≦b≦39である)の組成を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の被覆された切削工具。
  4. 前記非周期構造における10個の連続した独立層の厚さの合計が、300nm未満であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の被覆された切削工具。
  5. 圧縮残留応力が−0.5〜−1.5GPaであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の被覆された切削工具。
  6. 前記領域Cの厚さと領域Bの厚さとの比が1.4〜1.9であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の被覆された切削工具。
  7. 前記領域Aが、TiaAl1-aN(式中、70≦a≦90である)の組成を有する均一な(Ti、Al)N層であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の被覆された切削工具。
  8. 被覆すべき基材を提供する工程と、それぞれ少なくとも1つの(Ti、Al)ターゲットを含む合計6つのフランジを含む堆積チャンバーに該基材を設置する工程とを含み、3つのフランジが組成Xを有するターゲットを含み、他方の3つのフランジが組成Yを有するターゲットを含み、該組成Xが該組成Yよりも高いTi含有量を有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の被覆された切削工具の製造方法であって、次の工程、すなわち、
    −組成Xを有するターゲットが稼働中である、窒素ガスの存在下でかつ100〜200Vのバイアスでの第1の堆積工程と、
    −6つのフランジ全てのターゲットが稼働中である、窒素ガスの存在下でかつ30〜60Vのバイアスでの第2の堆積工程と、
    −組成Yを有するターゲットを含むフランジのうちの1つを停止させて残りのターゲットを稼働中としている、窒素ガスの存在下でかつ30〜60Vのバイアスでの第3の堆積工程と
    を含む、被覆された切削工具の製造方法。
  9. ターゲットXがTiaAl1-aN(式中、70≦a≦90である)の組成を有し、ターゲットYがTibAl1-bN(式中、33≦b≦40である)の組成を有することを特徴とする、請求項8に記載の被覆された切削工具の製造方法。
  10. ターゲットXがTiaAl1-aN(式中、70≦a≦80である)の組成を有し、ターゲットYがTibAl1-bN(式中、34≦b≦39である)の組成を有することを特徴とする、請求項8又は9に記載の被覆された切削工具の製造方法。
  11. 堆積が連続的であることを特徴とする、請求項8〜10のいずれか1項に記載の被覆された切削工具の製造方法。
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