JP4440920B2

JP4440920B2 - 工具、特に切削工具及び基材成形体上に二相の層をｃｖｄ堆積させる方法

Info

Publication number: JP4440920B2
Application number: JP2006504307A
Authority: JP
Inventors: ゾットケフォルクマー; ヴェストファルハルトムート; ファンデンベルクヘンドリクス
Original assignee: Kennametal Widia Produktions GmbH and Co KG
Current assignee: Kennametal Widia Produktions GmbH and Co KG
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: EP1620578A2; JP2006525125A; CA2524643A1; EP1620578B1; MXPA05011197A; WO2004099463A3; WO2004099463A2; CA2524643C

Description

本発明は、少なくとも１つの層がＣＶＤを用いて堆積されている基材成形体からなる工具、特に切削工具に関する。更に、本発明は、基材成形体上に二相の層をＣＶＤ堆積させる方法に関する。

切削エレメントとして使用するための被覆された基材成形体は、原則的に公知である。

例えば、DE 100 17 909 A1には、炭化タングステンと硬質被覆とをベースとする基材成形体が記載されており、前記硬質被覆は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯからなる少なくとも１つの層を有するチタン複合層と、Ａｌ_２Ｏ_３及び／又はＡｌ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２複合層とを有する。後者の場合に、ＺｒＯ_２粒子がＡｌ_２Ｏ_３層中に分散している。更に、場合により付加的な外側のＡｌ_２Ｏ_３層を備えたＴｉＮ−ＴｉＣＮ−ＴｉＮ層の層系も公知である。ＣＶＤ法を用いて堆積されたＡｌ_２Ｏ_３層は、方法条件に応じて、α−、κ−又は非晶質Ａｌ_２Ｏ_３の形で生じることができる。DE 100 17 909 A1はＴｉＣＮ層の製造のためにＣＶＤ法を記載しており、この場合、７００℃〜９５０℃の平均温度範囲で、ＣＨ_３ＣＮを有する反応ガス混合物を使用して作業される。

本発明の課題は、被覆に基づき乾式切削でも湿式切削でも、特に鋳造材料又は調質鋼（ＣＫ４５）の旋削でも、改善された工具寿命を有する、冒頭に記載された種類の改善された工具、特に切削工具を提供することである。

前記課題は、本発明の場合に、唯一の堆積した層又は複数の層の少なくとも１つはＴｉＣＮ相又はＴｉＯＣＮ相又はＴｉＣ相又はＴｉＯＣ相の他にＺｒＯ_２及び／又はＨｆＯ_２からなる他の相を有することを特徴とする請求項１記載の工具により解決される。この多相の層は、唯一の層、中間層又は外側層であることができ、その際、適用事例に応じて前記の層の割合を変えることができ、その際、ＺｒＯ_２割合及び／又はＨｆＯ_２割合の増加と共に該当する層の硬度は低下することを考慮しなければならない。

この工具の他の態様は、引用形式請求項に記載されている。

ＺｒＯ_２及び／又はＨｆＯ_２からなる前記の他の相は単斜晶系及び／又は正方晶系で存在することができる。

請求項１に定義された層上に、他の実施態様の場合に、Ａｌ_２Ｏ_３層も有利に外側層として、更に有利にα−Ａｌ_２Ｏ_３層として堆積されていてもよい。この基材成形体は、硬質金属、サーメット又はセラミックからなることができる。

有利に、ＴｉＣＮ相、ＴｉＯＣＮ相、ＴｉＣ相又はＴｉＯＣ相対ＺｒＯ_２及び／又はＨｆＯ_２からなる他の相の比は４：１〜１：４、有利に２：１〜１：２である。

既に述べたように、例えばＴｉＣＮ又はＴｉＯＣＮからなる第１の相は、ＴｉＣ又はＴｉＯＣにより置き換えることもでき、つまり、Ｃ：Ｎの比は０．５：０．５から１．０：０に設定することができる。

本発明は、ＴｉＣＮ相又はＴｉＯＣＮ相又はＴｉＯＣ相又はＴｉＣ相中でチタンがわずかな割合でＺｒ及び／又はＨｆに置き換えられているような工具も含む。もちろん、ＴｉＣ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ（その際、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）の化合物において、チタンの半分よりも明らかにわずかな量が、有利にチタンの最大２０％、もしくは更に有利に最大１０％がＺｒ又はＨｆに置き換えられる。このような化合物は、例えば、該当する相が堆積されるガス雰囲気が化学量論を下回る酸素含有量を有する場合に生じる。

本発明の他の実施態様の場合には、二相の層は中間層であり、この中間層は２つのＴｉＮ層の間に又はＴｉＣＮとＡｌ_２Ｏ_３との間の中間層として配置されていて、その上に外側にＺｒＣＮ層が堆積されている。

本発明による工具の製造のために、焼結された基材成形体上に前記多相の層をＣＶＤ堆積させる目的で、ガス雰囲気中にＴｉＣｌ_４、ＨｆＣｌ_４及び／又はＺｒＣｌ_４及びＣＯ_２の他にＣＨ_３ＣＮ（アセトニトリル）又はＣ_５Ｈ_５Ｎ（ピリジン）又はＣ_６Ｈ_６（ベンゼン）、残りＨ_２及び／又はＡｒを使用することを特徴とする、請求項７記載の方法により作業することが提案される。アセトニトリルを使用する場合に、気相中で次の同時の反応が進行する：
２ＴｉＣｌ_４＋ＣＨ_３ＣＮ＋４．５Ｈ_２ → ２ＴｉＣ_０．５Ｎ_０．５＋ＣＨ_４＋８ＨＣｌ
ＺｒＣｌ_４＋２ＣＯ_２＋２Ｈ_２ → ＺｒＯ_２＋２ＣＯ＋４ＨＣｌ
又は
２ＴｉＣｌ_４＋ＣＨ_３ＣＮ＋４．５Ｈ_２ → ２ＴｉＣ_０．５Ｎ_０．５＋ＣＨ_４＋８ＨＣｌ
ＨｆＣｌ_４＋２ＣＯ_２＋２Ｈ_２ → ＨｆＯ_２＋２ＣＯ＋４ＨＣｌ
アセトンに代わってピリジンを使用した場合にも相応する反応が行われ、反応生成物として同様にＴｉＣ_ｘＮ_ｙ相が生じる。もちろん、ピリジンをガス相中で使用する場合に、Ｃ：Ｎ比は０．５：０．５から０．７：０．３に変化し、ベンゼンについては１．０：０に変化し、つまり、第１の相中にはよりわずかな窒素が含まれるかもしくは窒素が含まれない。

有利に次のガス成分が使用される：
ＴｉＣｌ_４：１〜４体積％、有利に１〜２体積％
ＺｒＣｌ_４及び／又はＨｆＣｌ_４：０．３〜４体積％、有利に０．５〜２体積％
Ｃ_５Ｈ_５Ｎ又はＣＨ_３ＣＮ又はＣ_６Ｈ_６：０．２〜２体積％、有利に０．５〜１体積％
ＣＯ_２：０．１〜３体積％、有利に０．３〜２体積％、残りＡｒ及び／又はＨ_２。

堆積温度は本発明の有利な適用によると、８００℃〜１０００℃、ガス雰囲気圧は５×１０^３Ｐａ〜６×１０^４Ｐａである。

具体的な実施例において、ＷＣからなる硬質相と、Ｃｏ６質量％とを有する硬質金属基材成形体上に、層系ＴｉＮ−ＴｉＣＮ／ＨｆＯ_２−ＴｉＮを堆積させ、その際、前記の中間層の堆積のために次のガス組成を選択した：
ＴｉＣｌ_４１．４体積％、ＨｆＣｌ_４１．４体積％、ＣＨ_３ＣＮ０．８体積％、ＣＯ_２０．５体積％、残りＨ_２。

それぞれのＴｉＮ層は、通常のＣＶＤ被覆法を使用して製造された。

相応する方法で、硬質金属基材成形体上に、層系ＴｉＮ−ＴｉＣＮ−ＴｉＣＮ／ＨｆＯ_２−α−Ａｌ_２Ｏ_３も堆積され、その際、意外にも、本発明による多相の中間層ＴｉＣＮ／ＨｆＯ_２上にＣＶＤ法を用いて安定なα−Ａｌ_２Ｏ_３が作成されることが確認された。

次に説明する本発明の利点は、図面から明らかである。図１〜３は、それぞれ測定された工具寿命を対比する棒グラフを表す。

前記したように、ＳＮＵＮ１２０４０８タイプの切削プレートの形を有する硬質金属基材成形体上に、第１の場合に、本発明による層系のＴｉＮ−ＴｉＣＮ／ＨｆＯ_２−ＴｉＮを設けた。この中間層は、従って二相、つまり一方でＴｉＣＮ及び他方でＨｆＯ_２を有する。

これとの比較で、同じ組成でかつ同じタイプの基材成形体に三層の被覆ＴｉＮ−ＴｉＣＮ−ＴｉＮを設けた。パラメータｖ_ｃ＝２００ｍ／ｍｉｎ、ａ_ｐ＝２．０ｍｍ及びｆ＝０．４ｍｍ／ＵでのＣＫ４５Ｎの種類の鋼の乾式切削における旋削の際に、本発明による被覆により、約１５ｍｉｎの工具寿命が達成できたが、それに対して先行技術による比較成形体の工具寿命は１２ｍｉｎよりも短かった。

層系ＴｉＮ−ＴｉＣＮ−κ−Ａｌ_２Ｏ_３の先行技術による公知の被覆を有する切削成形体と、本発明による被覆ＴｉＮ−ＴｉＣＮ−ＴｉＣＮ／ＨｆＯ_２−α−Ａｌ_２Ｏ_３を有する切削成形体とを比較した場合でも、旋削の際に連続する切削において、冷却潤滑剤を使用して、つまり湿式切削で、明らかに工具寿命の改善を達成することができた。先行技術による公知の層系において、中間のＴｉＣＮ層は８００℃〜１０００℃の堆積温度で設けられ、その上に気相からκ−Ａｌ_２Ｏ_３が堆積され、６ｍｉｎの工具寿命が達成できるにすぎないが、ＴｉＣＮ層とＡｌ_２Ｏ_３層との間にＴｉＣＮとＨｆＯ_２とからなる二相の中間層を挿入した層系の場合には、工具寿命が向上した。この中間層は、同じ方法条件下でもα−Ａｌ_２Ｏ_３の堆積を可能にする。９ｍｉｎの得られた工具寿命は、５０％の改善率を示す。比較試験において、被加工品はＧＧ２５の種類の鋳造成形体からなり、これをタイプＣＮＭＧ１２０４１２−５の切削成形体を用いて加工した。使用した旋削パラメータは：
ｖ_ｃ＝４５０ｍ／ｍｉｎ、ａ_ｐ＝２．５ｍｍ及びｆ＝０．３１５ｍｍ／Ｕであった。

図３から明らかなように、本発明による被覆は、湿式旋削の場合でも連続的切削で工具寿命の著しい改善を提供することができた。タイプＣＮＭＧ１２０４１２−５の同じ組成の基材成形体上に、第１の場合に、ＴｉＮ−ＴｉＣＮ（ＭＴ）−ＴｉＣＮ／ＨｆＯ_２−α−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｒＣＮの組成の本発明による層系を、第２の場合にＴｉＮ−ＴｉＣＮ（ＭＴ）−κ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｒＣＮの組成の層系を設けた。両方の切削チップは、種類ＧＧ２５の鋳造成形体の旋削加工のために使用され、その際、次の方法パラメータが使用された：
ｖ_ｃ＝４００ｍ／ｍｉｎ、ａ_ｐ＝２．５ｍｍ及びｆ＝０．３１５ｍｍ／Ｕ。

二相の中間層ＴｉＣＮ／ＨｆＯ_２が挿入された本発明による層組成の工具寿命は１２．５ｍｉｎであったが、それに対して、先行技術による公知の被覆を有する切削チップを用いて達成された工具寿命は１０．２ｍｉｎであった。

前記に議論された試験結果は、明らかに、乾式切削における旋削時でも、湿式切削における旋削時でも工具寿命の明らかな改善が達成できることを示す。

乾式旋削でそれぞれ測定された工具寿命を対比する棒グラフ。湿式旋削でそれぞれ測定された工具寿命を対比する棒グラフ。湿式旋削でそれぞれ測定された工具寿命を対比する棒グラフ。

Claims

ＣＶＤによって少なくとも１つの二相の層が堆積された基材成形体からなる工具、特に切削工具において、唯一の堆積された層又は複数の層の少なくとも１つがＴｉＣＮ相又はＴｉＯＣＮ相又はＴｉＯＣ相又はＴｉＣ相の他にＺｒＯ₂ 又はＨｆＯ₂からなる他の相を有することを特徴とする、工具。
他の相が単斜晶系及び／又は正方晶系で存在することを特徴とする、請求項１記載の工具。
他の相としてＺｒＯ₂ 又はＨｆＯ₂を含有する層上に、Ａｌ₂Ｏ₃ を堆積させることを特徴とする、請求項１又は２記載の工具。
他の相としてＺｒＯ ₂ 又はＨｆＯ ₂ を含有する層上に、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ を外側層として堆積させることを特徴とする、請求項３記載の工具。
他の相としてＺｒＯ ₂ 又はＨｆＯ ₂ を含有する層上に、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ をα−Ａｌ ₂ Ｏ ₃ として堆積させることを特徴とする、請求項３又は４記載の工具。
基材成形体は硬質金属、サーメット又はセラミックからなることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の工具。
ＴｉＣＮ相、ＴｉＯＣＮ相、ＴｉＣ相又はＴｉＯＣ相対他の相の比は、４：１〜１：４であることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の工具。
ＴｉＣＮ相、ＴｉＯＣＮ相、ＴｉＣ相又はＴｉＯＣ相対他の相の比は、２：１〜１：２であることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の工具。
ＴｉＣＮ相又はＴｉＯＣＮ相又はＴｉＯＣ相又はＴｉＣ相中でチタンはわずかな割合でＺｒ又はＨｆに置き換えられていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の工具。
二相の層は２つのＴｉＮ層の間の中間層であることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の工具。