JP3386484B2 - コーティングされた高耐摩耗性工具および高耐摩耗性工具に物理的にコーティングを施す方法 - Google Patents

コーティングされた高耐摩耗性工具および高耐摩耗性工具に物理的にコーティングを施す方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は請求項1の冒頭に記載さ
れたようなコーティングされた高耐摩耗性工具に関し、
また請求項の冒頭に記載されたような高耐摩耗性工具
に物理的にコーティングを施すコーティング方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】例えば、DE-PS 35 12 968 には、耐摩耗
性コーティングを施した工具が開示されている。この公
知の工具においては、陰極スパッタリングあるいは他の
PVD(Physical vapor deposition)法によって金属表面に
0.002 から0.1 μm の層厚を有する複数の個別層が設け
られる。このような層を形成するために工具基体の表面
は全コーティング期間中に陰極として異なった硬い材料
からなる少なくとも2つのスパッタリング陰極に対して
移動させられる。
【0003】スパッタリング陰極としては、TiC とTi
B2、TiN とTiB2、TiC とTiN 、TiC とTiN とTiB2、TiB2
とWC、TiB2とTi(C, N)TiB2と(Ti, V)CTiB2 と(Ti, W)
C、(Ti,V)B2 と(Ti, V)C、(TI, Nb)B2と(Ti, Nb)C、VB
2 とTiN 、VB2 とWC、HfB2とTaC 、ZrB2とTaC あるいは
ZrB2とNbC 等が用いられ、層内に非常に多数の内的な界
面を形成することに重点が置かれている。上述の工具の
耐久力は、高速の断続切削の場合にも変わらないことが
望ましい。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高速
の断続切削の場合でも満足のできる結果を示す高耐摩耗
性コーティングを持つ工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】この課題は、工具に関し
ては請求項1の記載事項によって解決され、工具にコー
ティングを施す方法については請求項の記載事項によ
って解決される。工具の好ましい実施態様については請
求項2からに記載され、コーティング方法の好ましい
実施態様については請求項10から14に記載されてい
る。
【0005】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明による工具の
製造の一例について説明する。図1には、本発明による
高耐摩耗性コーティング、すなわち材料濃度が変化する
コーティングを施すための蒸着装置の具体例が概略的に
図示される。蒸着装置には、排気装置20を有する真空
室19と、絶縁保持された穿孔マスク26によって真空
室19から電気的に分離された熱陰極22を有する熱陰
極室21とが設けられる。熱陰極22は電流供給装置2
7から給電される。穿孔マスク26の下方の、真空室1
9の底部29の上方には、高さ調節可能で冷却可能な坩
堝30が配置され、坩堝30には蒸発材料としてチタン
が配置されている。図1において坩堝30は坩堝の一番
下の位置から距離dだけ離れて点線で示されている。坩
堝30の高さ調節は、高さ調節可能な移動装置28を介
して行われる。移動装置はスピンドルガイドを有し互い
に入り組んで移動可能な3つのシリンダから形成され
る。坩堝30内にあるチタン31は移動可能なマスク3
3によって覆うことができる。真空室19内には長手軸
を中心に回転可能な導電性の6つの支持体35が設けら
れており、図2にはそのうちの4つが示され、支持体の
それぞれのホルダ36には高速度鋼S 6-5-2 からなるコ
ーティングすべき工作物の基体1が保持されている。支
持体35はその軸を中心に回転可能に回転板37上に配
置され、かつこの回転板によって互いに電気的に接続さ
れている。回転板37は真空室19の底部29と壁に対
して電気的に絶縁されている。ホルダ36は支持体35
と電気的に導電接続されている。ホルダ36に保持され
た基体1は図1と図2に概略図示するマスク34によっ
て、坩堝30内にあるチタン31に対して覆うことがで
きる。
【0006】熱陰極室21にガス導入部39が接続さ
れ、ガス導入部は穿孔マスク26の孔を介して真空室と
連通される。概略図示するそれぞれの磁気コイル43は
真空室19の底部29の真上、かつカバー部分45に接
して配置され、ほぼ平行な垂直の磁場を発生する。回転
板37は電気的な導線47と閉成可能なスイッチ46を
介して調節可能な電圧発生器48と接続され、電圧発生
器の他の極はアースされている。
【0007】真空室19の垂直の壁内には、陰極スパッ
タリングを行う3つの陰極スパッタリング装置49aと
3つの陰極スパッタリング装置49bが交互に配置さ
れ、そのうちの3つが図2に示されている。それぞれの
陰極スパッタリング装置49aと49bには不図示の冷
却用の熱交換機が設けられている。陰極スパッタリング
装置49aないし49bのリング50aないし50bの
内部には、25原子パーセントのチタンを含むチタン−ア
ルミニウム合金を有するターゲット51aないし51b
がリングによって絶縁されて配置されており、ターゲッ
トは制御可能な電圧源53の負の極と接続されている。
電圧源53の正の極は真空室19の壁及びリング50a
と50bと接続されている。熱陰極22と坩堝30は電
気的な導線を介して制御可能な電源装置32と接続され
ている。6つの陰極スパッタリング装置49aと49b
は、それぞれ図1と2に概略図示するマスク54によっ
てホルダ36上の基体1に対して被覆可能である。
【0008】切削加工用の工具、例えばドリルあるいは
フライス等のコーティングを行うために、工具の基体1
が支持体35のホルダ36に固定され、チタン31が坩
堝30に装入され、上述の25原子パーセントのチタン−
アルミニウム合金を有する上述のターゲット51aと5
1bが陰極スパッタリング装置49aないし49bに装
入される。次に真空室19が閉鎖され、排気されて、基
体1のコーティングすべき表面がDE-OS 34 06 953 ない
しCH-PS 658 545 に記載の方法に従って、熱陰極22か
ら坩堝30へ燃焼される低ボルトアーク52によって加
熱され、CH-PS631 743 に記載の方法に従って浄化され
る。その間坩堝30内のチタン31はマスク33によっ
て覆われている。
【0009】基体1のコーティングすべき表面を加熱
し、かつ浄化した後に、例えばDE-OS28 23 876 に記載
のようにイオンプレーティングによって基体1上にチタ
ンの下地層が形成される。真空室19内にガス供給導管
39を介して0.2 Paの分圧に達するまでアルゴンが装入
される。基体1は電気的に浮動している。回転板35
は、その上で回転する支持体35と共に約6回転/分で
回転する。コーティングすべき基体1は回転しながらタ
ーゲット51aと51bを通過する。マスク33がチタ
ン31から、マスク34が基体1から除去されて、基体
1上に十数ないし数十ナノメーターのチタンの極く薄い
層5が形成される。
【0010】次に分当り120 標準立方センチメートルの
窒素がガス供給導管39を通して真空室19内に装入さ
れ、窒素流が安定化されたら、陰極スパッタリング装置
49aと49bに電圧が印加され、約50ボルトの負の電
圧が回転板37に印加される。次に窒素流が分当り250
標準立方センチメートルに増大され、それによって真空
室19内の全圧力が0.3 Paに上昇する。
【0011】低ボルトアークの電流が電源装置32によ
って制御されて200 A に上昇され、ターゲット出力が電
圧源53によって10 kW に上昇される。低ボルトアーク
52によって坩堝30から蒸発されて陰極スパッタリン
グによって一部遊離したチタンとアルミニウムの蒸気流
が真空室19内の窒素と一体化し、チタン及びアルミニ
ウム窒化物として基体1上に沈積する。全コーティング
工程の間アーク電流は約29 A/minの勾配で200Aから160A
の間、陰極スパッタリングの出力は約2.5 kW/minの勾配
で10 kW から15 kW の間でアーク電流に対して逆相でほ
ぼ三角形状にほぼ連続的に変化される。40分後に基体1
の表面7上には図3に示すように、チタン化合物濃度ピ
ーク11を有する4μm 厚さの層9が形成され、その際
に沈積された層のチタンアルミニウム比は75対25パーセ
ントと50対50パーセントの間で連続的に変化し、すなわ
ちチタン化合物濃度ピーク11でコーティングはTi0.75
Al0.25N と、Ti0.5Al0.5N から形成される。図3にはチ
タン濃度のカーブは実線で示され、アルミニウム濃度の
カーブは点線で示されている。層9の自由表面は符号1
3で示されている。
【0012】低ボルトアーク52の電流が上述の値より
高い値を中心に揺動すると、チタン窒化物の割合は90パ
ーセントまで上昇する(Ti0.9Al0.1N)。同様にして平均
のアーク電流が低くなることによって30パーセントまで
減少する(Ti0.3Al0.7N) 。低ボルトアーク52と陰極ス
パッタリング装置49a及び49bの出力を変化させる
代わりに、200 A の一定のアーク電流で、分当り1回坩
堝30を移動装置によって上下移動させることも可能で
ある。また、コーティング工程の間低ボルトアーク52
の出力と陰極スパッタリング装置49a及び49bの出
力を変化させ、かつ坩堝30を上下移動させることも可
能である。チタン−アルミニウム合金を有するターゲッ
ト51aと51bを使用する代わりに、チタンからなる
3つのターゲット51aとアルミニウムからなる3つの
ターゲット51bを使用することもでき、その場合には
上述の出力より低い値を使用しなければならない。
【0013】反応性の窒素雰囲気だけを使用する代わり
に、炭素を有する窒素−酸素混合気を放出するガス、例
えばエチレンやエタンなどを使用することもでき、その
場合には酸素の含有量は混合気の30体積パーセント以下
でなければならない。その場合に、上述の25対75原子パ
ーセントのチタンアルミニウム合金で低ボルトアーク5
2と陰極スパッタリング装置49a及び49bの出力を
それぞれ調節した後に、コーティングはTi1-X AlX N U
C V O W となり、その場合にu+v+w=1およびw<
0.3 である。u=0.7 、v=0.3 およびw=0を有する
窒化炭素層を形成する場合には、窒素流を160 標準立方
センチメートルまで減少させ、さらに100 標準立方セン
チメートルのエチレン流を装入する。プロセスパラメー
タはそれに適合される。
【0014】コーティング全体におけるチタン化合物濃
度ピークの数と層厚と、マイクロメートル層厚当りのチ
タン化合物濃度ピークは、コーティングすべき工具の使
用目的に従い、その場合に激しい衝撃荷重を有する断続
切断に使用される工具においては、非常に多数の最大が
選択され、主として連続切断に用いられる工具の場合に
は少ない数の最大が選択される。チタン化合物濃度ピー
クの間隔がコーティングの自由表面に向かって大きくな
る場合には、摩耗に対する抵抗が増大し、その場合に主
として連続的な切断に工具を使用する際に摩耗が激しい
材料の場合には自由表面から最後の最大までの距離は0.
5 μm が良いことが明らかにされている。
【0015】冒頭で述べた上述の本発明方法によってコ
ーティングされたHSS 螺旋ドリルによる耐久時間試験
は、下記の表においては標示番号“4”で示されてい
る。この螺旋ドリルはS 6-5-2 からなり6 mmの直径を有
する。その基体は0.029%の硫黄含量を有し、1050 N/mm2
の強度で焼き入れされている。このドリルが本発明でな
いドリルと共に開けた孔の特性数を検出する耐久性試験
を受けた。孔は42CrMo4 に形成された。標示番号“1”
は、本発明でない窒化チタンコーティングを有する工具
であって、低ボルトアークだけてコーティングされてい
る。最初の3分間に80 Aの電流でチタンが蒸発し、窒素
は真空室19に装入されなかった。基体1上に数ナノメ
ーター厚さのチタン付着層が形成された後に、低ボルト
アークの電流が200 A まで上昇され、傾斜機能によって
窒素が分圧4・10-4 mbar になるまで真空室内に装入さ
れた。60分のコーティング時間の後に基体上には4μm
の窒化チタン層が形成された。
【0016】標示番号“2”は、本発明でないチタンア
ルミニウム窒化物コーティングを有する工具を示すもの
であって、コーティングは“1”に示すコーティング方
法の他にチタンとアルミニウムを蒸着することによって
形成された。ターゲット組成としては25% のチタンと75
% のアルミニウムが選択された。同様にしてチタン付着
層が形成された。このチタン付着層の上に5分以内に0.
3 μm 厚さの窒化チタン中間層が形成された。その後陰
極スパッタリング装置の出力を10kWに、低電圧アークの
アーク電流を200 A の増大させた。この駆動データが35
分間維持され、75対25のチタン対アルミニウムパーセン
ト比を有するチタンアルミニウム窒化物層の4μm 厚さ
のコーティングが形成された。
【0017】標示番号“3”で示すものは、本発明でな
いチタンアルミニウム窒化物コーティングを有するドリ
ルであって、このコーティングは標示番号“2”を有す
るドリルと同様に形成された。ただ、低ボルトアークの
アーク電流は160 A で陰極スパッタリング装置の出力は
15kWが使用され、その後45分のコーティング時間でチタ
ン対アルミニウムパーセント比が50対50の4μm 厚さの
コーティングが得られた。耐久性試験の切断条件として
は次のものが選択された: 切断速度 47 m/min 送り 0.125 mm/U 冷却 3% エマルジョン 透孔の深さ 15 mm テスト孔の数 10 耐久性の終了 ブランク制動 特性孔数において65% の欠落確率が発生した。 標示番号 特性孔数 “1” 550 “2” 670 “3” 630 “4” 1010
【0018】上述のドリルと同様に、HSS からなる回転
切断プレートでも耐久性試験が行われた。方法に従って
コーティング厚さは切削面で5μm 、自由面で4μm で
あった。プレート幾何学配置はSCFT 120508 FNである。
回転プレートを用いて普通炭素鋼CK60の軸の切削が行わ
れた。耐久性試験の縦方向回転条件として次のものが選
択された: 切断速度 55 m/min 送り 0.2 mm/ 回転 切断深さ 2mm 冷却 3% エマルジョン 分における特性耐久時間として100 μm のクレーター深
さに達することが用いられた。 標示番号 特性耐久時間 “1” 8 分 “2” 11 分 “3” 13.5 分 “4” 17 分
【0019】S 6-5-2-10からなる直径10 mm の4切断シ
ャフトフライスにおける特性耐久距離による他の試験に
おいては、上述の窒化炭素コーティングTi1-X AlX N U
C V(u= 0.7、v=0.3 (w=0))を用いてマイク
ロメートルの層厚当りのチタン化合物濃度ピークの数の
違いによる影響の試験が行われた。下記の表において、
標示番号“5”のシャフトフライスはチタンとアルミニ
ウム原子比が一定の本発明でないコーティングで形成さ
れており、チタンとアルミニウムの原子比は75対25と50
対50の間で選択された。実験を行った結果、上述の枠内
のチタンとアルミニウム原子比の違いは特性耐久距離に
は及ばないことが明らかにされた。
【0020】標示番号“6”は10のチタン化合物濃度ピ
ークを有する本発明によりコーティングされたシャフト
フライスであって、標示番号“7”は4μm 当り100 の
チタン化合物濃度ピークによってコーティングされてお
り、コーティングにおけるチタンとアルミニウム原子パ
ーセント比は75対25と50対50の間で変化された。上述の
シャフトフライスの特性耐久距離を決定するために、下
記の条件が選択された: 切削された工作物 GC 25 切断速度 60 m/min 送り 0.125 mm/ 回転 切断深さ 3 mm 冷却なし 特性耐久距離としては、摩耗マーク幅が200 μm に達し
たことが用いられる。 標示番号 特性耐久距離 “5” 7.5 m “6” 11 m “7” 13 m
【0021】下記の他の表には、突き刺し工具で行った
他の試験が示されている。標示番号“8”を有する突き
刺し工具は、コーティングなしの種類M15の超硬合金
から形成されている。標示番号“9”を有する工具には
一定のチタン対アルミニウム原子比を有する本発明でな
いコーティングが設けられ、ここでもチタン対アルミニ
ウム原子比の値は影響しない。標示番号“10”と“11”
においては、上述の標示番号“6”と“7”を有するシ
ャフトフライスと同様に本発明によりコーティングされ
た突き刺し工具が記載されている。
【0022】突き刺し工具の特性耐久量を決定するため
に、X2NiCrMo 18 10からなる軸に下記の条件で2.5 mm深
さの溝が形成され、この場合に耐久量というのは次の条
件下で穿設された溝の数である。 軸の外径における切断速度 160 m/min 送り 0.05 mm/ 回転 切断深さ 3 mm 冷却 特性耐久性の判断基準としては、溝の表面の粗さがRz >
1.5μm に達したこが用いられる。 標示番号 穿設された溝の数 “8” 50 “9” 80 “10” 90 “11” 130 連続的に変化する金属化合物濃度を有する上述の本発明
の酸化炭素窒化物コーティングを用いることによって、
この種の工具の耐久性が向上した。本発明によりコーテ
ィングされた工具によって得られる孔の数の増大、耐久
時間の増大、耐久距離の増大及び耐久量の増大は、上述
の実施例から一義的に明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】蒸着装置の概略断面図である。
【図2】図1に示す蒸着装置のI−I線に沿う部分断面
図であって、対称であるために蒸着装置の半分のみを示
す図である。
【図3】蒸着装置によって基体上に形成された層内のチ
タンとアルミニウムの濃度の推移を示すグラフある。
【符号の説明】
1…基体 19…真空室 22…熱陰極 30…坩堝 31…チタン 37…回転板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エーリッヒ ベルクマン スイス国,ツェーハー−8887 メルス, サルガンセルシュトラーセ 58 (56)参考文献 特開 昭63−255358(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/00 - 16/56 B23B 27/00 - 29/34 B23P 15/28 C23C 24/00 - 30/00

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コーティングされた高耐摩耗性工具であ
    って、Me1 1-x・(α2Me2・α3Me3・…αnMen)xNuCvOw
    コーティングが施され、該コーティングでの(α2Me2
    α3Me3・…αnMen)に対するMe1濃度の比が層厚全体に亘
    ってマイクロメータ層厚当たり最小値と最大値の間で2
    ないし50回連続的に変化し、このときMe1は周期律の
    化学グループIVbの金属であり、Me2、Me3、…Menは同一
    の化学グループの他の金属あるいは他の化学グループの
    金属であり、α2、α3、…αnはそれぞれの金属の混合
    割合を示し、u、v、wおよびxは1と零の間にあり、
    かつu+v+w=1であり、前記xが0.1と0.7と
    の間にあることを特徴とする高耐摩耗性工具。
  2. 【請求項2】 前記vおよびwのいずれか一方もしくは
    双方が零に近いことを特徴とする請求項1記載の高耐磨
    耗性工具。
  3. 【請求項3】 w<0.3であることを特徴とする請求項
    1または2記載の高耐磨耗性工具。
  4. 【請求項4】 前記金属Me2、Me3、…Menが周期律の化
    学グループIVbの他の金属、バナジウムおよびアルミニ
    ウムとされるか、もしくはそれらのいずれか1つあるい
    は2つとされることを特徴とする請求項1〜3のいずれ
    か1項に記載の高耐磨耗性工具。
  5. 【請求項5】 マイクロメートル層厚当りのコーティン
    グに、8ないし15回の相対的なチタン化合物濃度ピーク
    が存在することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1
    項に記載の高耐磨耗性工具。
  6. 【請求項6】 相対的なMe1濃度ピークの間隔がコーテ
    ィングの自由表面に向かって増加することを特徴とする
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の高耐磨耗性工具。
  7. 【請求項7】 コーティングの層厚が1ないし7μm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
    載の高耐磨耗性工具。
  8. 【請求項8】 Me1濃度変化特性がコーティング層厚全
    体に亘って少なくともほぼ連続した関数であることを特
    徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の高耐磨耗
    性工具。
  9. 【請求項9】 請求項1〜のいずれか1項に記載の高
    耐摩耗性工具に物理的にコーティングを施すコーティン
    グ方法であって、 高耐磨耗性工具の基体(1)に供給される少なくとも2
    つの異なる金属の蒸気流の比を変化させ、この変化が該
    基体(1)上でマイクロメータ層厚当たり最小と最大で
    2ないし50連続的に交互に変化する材料濃度を持つコ
    ーティングを維持させるように行われることを特徴とす
    るコーティング方法。
  10. 【請求項10】 前記蒸気流を変化させるために、前記
    基体(1)と少なくとも1つの蒸気源との相対距離が変
    化されることを特徴とする請求項記載のコーティング
    方法。
  11. 【請求項11】 前記少なくとも1つの蒸気流がアーク
    放電によって発生させられることを特徴とする請求項
    または10に記載のコーティング方法。
  12. 【請求項12】 前記基体(1)上に沈積すべき所定の
    材料濃度変化に従って前記アーク放電の出力がコーティ
    ング期間中に好ましくは約20%ほぼ連続的に変化させ
    られることを特徴とする請求項11に記載のコーティン
    グ方法。
  13. 【請求項13】 前記少なくとも1つの蒸気流がスパッ
    タリングによって発生され、前記基体(1)上で沈積す
    べき所定の材料濃度変化に従って前記スプレイスパッタ
    リングの出力がコーティング期間中に好ましくは約30
    %ほぼ連続的に変化させられることを特徴とする請求項
    11または12に記載のコーティング方法。
  14. 【請求項14】 前記少なくとも1つの蒸気流が合金の
    蒸発によって発生させられることを特徴とする請求項
    13のいずれか1項に記載のコーティング方法。
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