JP4874947B2 - 切削工具 - Google Patents

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Description

本発明は、超硬合金、サーメット、セラミックス、高速度鋼または立方晶窒化ホウ素の基材および、前記基材の表面上に物理蒸着（ＰＶＤ）により堆積した硬質で耐摩耗性の耐熱被膜を含んでなる金属機械加工のための切削工具に関する。前記被覆は基材に密着しており、不規則な構造および１−１７原子％の平均Ｓｉ含量を有する、個々の層として金属窒化物、金属炭化物または金属炭窒化物が交互になっている層状の多層構造を含んでなる。
例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化ホウ素または高速度鋼の切削工具の上に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、炭化チタン（ＴｉＣ）および／または窒化チタン（ＴｉＮ）などの材料の薄い耐熱被膜（１−２０μｍ）を堆積させる方法は確立された技術であり、金属機械加工に使用される場合、被覆切削工具の工具寿命は著しく長い。工具の長い使用期間は、ある条件下では、数百パーセントに延びることがある。最新の市販切削工具は、二重または多層構造を有する複数の層の組み合わせという特徴がある。全被覆厚さは、１〜２０マイクロメートル（μｍ）の間で変わり、従来技術では、多層構造は、ナノメートル（ｎｍ）および／またはマイクロメートル（μｍ）の範囲で特徴づけられ、すなわち個々の層の厚さは、数ナノメートルと数百ナノメートルの間で変わる。
切削工具上に耐熱薄層を製造するＰＶＤ技術がいくつか存在し、最も確立された方法はイオンプレーティング、マグネトロンスパッタリング、アーク放電蒸発およびＩＢＡＤ（イオンビームアシスト蒸着）である。各方法にはその利点があり、ミクロ構造／粒径、硬さ、応力の状態、下にある基材への凝集および密着など、製造される被膜の固有の性質は、選択されるＰＶＤ法により変わることがある。特定の金属機械加工に使用されるＰＶＤ被覆切削工具の耐摩耗性または刃の完全性の向上は、上述の性質の１つまたは複数を最適化して達成される。
ナノコンポジット窒化物、炭化物または炭窒化物硬質被覆材料では、各窒化物、炭化物または炭窒化物層の厚さがナノメートルの範囲、通常１００ｎｍ未満である多層被覆が理解される。
工具の最近の発展は、より鋭い刃先に向かってきた。これには、鋭い刃先を維持するためにより薄い被膜が必要となる。被膜が厚すぎると刃先は容易に丸い形状になる。より薄い被膜が堆積すると、耐摩耗性を維持するために硬度の増加が必要となる。薄くて硬い被膜を得る１方法は、多層ナノコンポジット被膜の利用である。従来技術では、このナノコンポジット被膜は、通常、均一な耐摩耗性層の上に堆積していた。
特許文献１（ＥＰ１６９０９５９Ａ）は、厚さが２〜６μｍのＴｉＡｌＳｉＮの単相構造最下層および全厚さが０．５−１．５μｍのＴｉ1-(A+B)ＡｌAＳｉBＮ／Ｔｉ1-(C+D)ＡｌCＳｉDＮの多層構造の最上層を含んでなる耐摩耗性被膜を開示している。多層構造の組成は、０．０１−０．０６の範囲のＡ、０．２５−０．３５の範囲のＢ、０．３０−０．４５の範囲のＣおよび０．１−０．１５の範囲のＤと共に記載されている。
特許文献２（ＥＰ１７０２９９７Ａ）は、０．５＜ａ＜０．８、ｂ＞０．０６、ｃが０−０．１、０＜ｄ＜０．１および０．５＜ｅ＜１である、Ｔｉ1-a-b-c-dＡｌaＣｒbＳｉcＢd（Ｃ1-eＮe）から構成される切削工具用の硬質膜を開示している。硬質膜は多層構造の形態になることができる。
しかし、鋭利な刃先を持ちながら向上した耐摩耗性を有する被膜を提供できるため、多層被膜のさらなる発展が未だに必要とされる。
ヨーロッパ公開特許公報ＥＰ１６９０９５９Ａ ヨーロッパ公開特許公報ＥＰ１７０２９９７Ａ
本発明の目的は、耐摩耗性被膜を有する切削工具を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、硬さが増した被膜を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、鋭利な刃先に好適な被膜を提供することである。
本発明による被膜を用いることにより、刃先の耐アブレシブ摩耗性の向上につながる硬度増加により、鋭利な刃先を維持することが可能になることが、驚くべきことに見いだされた。硬く薄い被膜が、従来技術で記載されている均一な最下層なしに得られることも見いだされた。得られる構造は、粒子の境界に空隙が全く、またはほとんどなく、きめが細かい。高倍率断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）は不規則な構造を示している。
図１は、本発明による多層窒化物構造のＴＥＭ写真を示している。個々の層の厚さのシーケンスは、多層被膜全体を通して基本的に不規則である。
図２は、個々の金属窒化物層がＸおよびＹであり例の各層の厚さが３である層状多層窒化物被膜２が被覆した基材１の概略図である。
本発明によると、炭化物、サーメット、セラミックス、立方晶窒化ホウ素または高速度鋼の硬い合金の基材を含んでなり、その上に耐摩耗性多層被膜が堆積している切削工具が提供されている。前記基材には、厚さが０．１−１μｍの間、好ましくは０．０５−０．５μｍのＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮまたは（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの薄い単層または多層が予備被覆していてもよい。
基材または予備被覆した基材に密着する前記多層被膜は、層状の多層構造Ｘ＋Ｙ＋Ｘ＋Ｙ＋…を含んでなるが（図１および２を参照）、前記の交互の層ＸおよびＹは、金属窒化物、金属炭化物または金属炭窒化物、好ましくは多結晶窒化物を含んでなり、好ましくは立方晶構造を有し、金属元素は、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）またはタングステン（Ｗ）およびこれらの混合物から選択される。層Ｘの化学組成はＹの化学組成とは異なる。
多層構造中の個々の層それぞれの組成は、その薄さのため隣接する層からの寄与無しには測定できない。測定可能なものは、多層構造全体の平均組成である。しかし、個々の層のそれぞれの組成は、使用したターゲットの組成から推定できるが、正確な組成を与えない。分析できるほど厚い、より厚い層が堆積する場合、堆積した層の組成が、ターゲット物質の組成に比べ数パーセント違うことが示されている。これにより、本願中で以下に述べる本発明による多層構造の個々の層の組成は、堆積中に使用するターゲットの組成からの推定である。
多層構造中の平均化学組成は、被膜の断面にわたりＥＤＳ（エネルギー分散分光法）を利用して測定される。本発明による多層構造全体の平均組成は、好ましくは、ＡｌaＴｉbＳｉcＣｒd（ＣeＮ1-e）であり、前式において０＜ａ＜０．５、好ましくは０．０５＜ａ＜０．４、前式において０．１＜ｂ＜０．９、好ましくは０．３＜ｂ＜０．９、前式において０．０１＜ｃ＜０．１７、好ましくは０．０２＜ｃ＜０．１、前式において０≦ｄ＜０．０６であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１であって、０≦ｅ≦１、好ましくは０≦ｅ＜０．２である。各層の組成、すなわちターゲットの組成は、多層構造全体の平均組成が上述の制限内でも、上記制限を外れることがある。
多層構造は、多層構造全体にわたり基本的に不規則な個々の厚さを有する、交互のＸおよびＹ層のシーケンスを有する。個々の層の厚さは、０．１ｎｍを超え１００ｎｍ未満、好ましくは１ｎｍを超え５０ｎｍ未満、最も好ましくは２ｎｍを超え３０ｎｍ未満である。多層構造中のどのような連続する１０層の合計も３００ｎｍより小さい。
不規則とは、多層構造中の特定の個々の層の厚さが、そのすぐ下の個々の層の厚さに依存せず、特定の個々の層の上にある個々の層と何も関係を持たないと理解される。したがって、多層構造は、個々の層の厚さのシーケンスにどのような繰り返し周期も持たない。多層構造の全厚さは、０．５〜２０μｍ、好ましくは１〜１０μｍ、最も好ましくは１〜５μｍである。
本発明の１実施形態において、被膜は、均一な層と繰り返し交互になっている、少なくとも２の、好ましくは少なくとも５の多層構造を含んでなる。多層構造は、個々の層の厚さおよび化学組成に関して上述のとおりである。均一な層は、好ましくはＴｉxＡｌyＳｉz（ＣwＮ1-w）を含んでなり、前式において０＜ｘ＜０．７、好ましくは０．０５＜ｘ＜０．６、前式において０．１＜ｙ＜０．９、好ましくは０．３＜ｙ＜０．９、前式において０．０１＜ｚ＜０．１７、好ましくは０．０２＜ｚ＜０．１であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、前式において０≦ｗ＜１、好ましくは０≦ｗ＜０．２である。均一な層の厚さは、好ましくは２５〜１５０、より好ましくは５０〜７５ｎｍである。被膜全体の平均組成は、ＡｌaＴｉbＳｉcＣｒd（ＣeＮ1-e）であり、前式において０＜ａ＜０．５、好ましくは０．０５＜ａ＜０．４、前式において０．１＜ｂ＜０．９、好ましくは０．３＜ｂ＜０．９、前式において０．０１＜ｃ＜０．１７、好ましくは０．０２＜ｃ＜０．１、前式において０≦ｄ＜０．０６であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１であって、０≦ｅ≦１、好ましくは０≦ｅ＜０．２である。多層構造が均一の層と繰り返し交互になっている被膜の全厚さは、好ましくは０．５−２０、より好ましくは０．５−１０、最も好ましくは１−５μｍである。
被膜は全て、Ｂｒａｇｇ−Ｂｒｅｎｔａｎｏ Ｘ線回折を利用して測定し、著しい（２００）テクスチャー（ｔｅｘｔｕｒｅ）とともに立方晶ＮａＣｌ構造を示す。多層被膜は全て、均一な被膜よりも強いＸＲＤピークを示す。多層被膜は、多層構造を有する被膜交互均一層よりもより著しい（２００）テクスチャーを示した。
多層被膜が堆積する切削工具は、例えば、超硬合金、サーメット、セラミック、立方晶ホウ臭化物または高速度鋼からつくられる、エンドミル、ドリル、切削工具インサートである。
多層構造を含んでなる被膜は、異なるＰＶＤ技術および交互に個々の層を形成することにより基材に堆積できる。個々の層の厚さの不規則なシーケンスは、各層の源のシャッターをランダムに開閉し、または前記源のスイッチをランダムに入切りすることによりつくられる。他に想像できる方法は、前記源の前に、被覆すべき基材をランダムに回転または動かすことによる。これは、好ましくは、不規則構造を得るために配置した３重回転式基材テーブル（3-fold rotating substrate table）上に基材をおくことにより実施される。３重回転は、回転スピードと回転方向、時計回りまたは半時計回りに関して調整可能である。
電子ビーム蒸着、マグネトロンスパッタリングまたは陰極アーク蒸着あるいはこれらの組み合わせは、被膜の堆積に好ましいＰＶＤ法である。
アーク源は、金属の異なる組み合わせからなってよく、各源の組成は多層構造全体の平均組成とは異なってよく、それでも本発明の範囲内の被膜を形成する。源の数は少なくとも２つである。
本発明の１実施形態において、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ＋（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ＋（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ＋（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎまたは（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ＋（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎを含んでなる多層被膜が、高速度鋼の基材、好ましくはドリルまたはエンドミル上に堆積する。
本発明の他の実施形態において、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ＋（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ＋（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ＋（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎまたは（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ＋（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎを含んでなる多層被膜が、超硬合金の基材上に堆積する。
上述の被膜の他に、本発明による被膜は、耐熱性を向上させる層および摩耗の識別を容易にする層などの１つまたは複数の最上層を含んでもよい。
本発明による多層構造は、鋭利な刃先を有する工具形状に特に好適である。本発明による被覆切削工具は、鋼材またはステンレス鋼材の機械加工に使用される場合、従来技術工具に比べ、向上した耐摩耗性を示す。
〔実施例１〕
１０重量％のＣｏおよび残部ＷＣの組成を持つ超硬合金旋削インサート上に、反応性ＰＶＤアーク放電蒸着により不規則多層構造を堆積して、被覆インサートを作成した。不規則構造を得るために配置した３重回転式基材テーブル上にインサートを載せた状態で、２つのアーク源から多層構造を堆積した。アーク蒸着は、Ａｒ＋Ｎ2雰囲気中で実施した。得られた全被膜厚さは約２μｍであった。異なる３種の不規則多層構造を堆積した。２つのアーク源の組成および不規則多層構造の平均化学組成を表１に示す。多層構造は、不規則、すなわち繰り返さない厚さを有する個々の層のシーケンスを有していた。断面走査電子顕微鏡の観察では、個々の窒化物層の厚さは２〜３０ｎｍの範囲であり、層の総数は１００を超えることが分かった。
〔実施例２〕
１０重量％のＣｏおよび残部ＷＣの組成を持つ旋削インサート上に、繰り返し交互の均一層および不規則多層構造からなる被膜を、反応性ＰＶＤアーク放電蒸着により堆積した。不規則構造を得るために配置した３重回転式基材テーブル上にインサートを載せた状態で、２つのアーク源から多層構造を堆積した。蒸着は、Ａｒ＋Ｎ2ガス混合物で実施した。得られた全被膜厚さは約２μｍであった。多層構造は、不規則、すなわち繰り返さない厚さを有する個々の層のシーケンスを有していた。断面走査電子顕微鏡の調査では、個々の窒化物層の厚さは２〜３０ｎｍの範囲であることが分かった。均一層の厚さは２５〜１５０ｎｍであった。アーク源の組成および被膜全体の平均化学組成を表２に示す。均一層は、表２のアーク源２から形成した。
〔実施例３〕
以下の切削条件での旋削加工で逃げ面摩耗を試験した。
被加工材 ＳＳ０７３７、厚い壁の付いたリング
加工 連続的な面旋削
切削速度、ｍ／分 ２００
送り、ｍｍ／回転 ０．１０
深さ、ｍｍ ２
注 乾燥条件
外径全体に旋削加工を施すまで機械加工を続けた。その後、インサートを目視で分析し、不良、中、良好に分類した。
均一なＴｉ0.9Ｓｉ0.1Ｎ、均一なＡｌ0.51Ｔｉ0.45Ｓｉ0.05Ｎ、均一なＡｌ0.56Ｔｉ0.34Ｓｉ0.10Ｎの被膜および最下層Ａｌ0.50Ｔｉ0.50Ｎと最上層Ａｌ0.9Ｓｉ0.1Ｎからなる被膜と多層構造を比較した。全被膜は、多層として同じ全厚さを有した。結果を表３に示す。
〔実施例４〕
本発明による多層被膜１、２および３を、以下の切削条件でステンレス鋼での旋削加工で耐フレーキング性を試験した。
被加工材 ３０４Ｌ、Ｓａｎｍａｃ
加工 面旋削、切り込み深さ可変
切削速度、ｍ／分 １００／１４０
送り、ｍｍ／回転 ０．３５
深さ、ｍｍ ４−０−４
注 湿潤条件
フレーキングをＳＥＭ（走査電子顕微鏡）での観察により測定した。
均一なＴｉ0.9Ｓｉ0.1Ｎ、均一なＡｌ0.51Ｔｉ0.45Ｓｉ0.05Ｎ、均一なＡｌ0.56Ｔｉ0.34Ｓｉ0.10Ｎの被膜および最下層Ａｌ0.50Ｔｉ0.50Ｎと最上層Ａｌ0.9Ｓｉ0.1Ｎからなる被膜と多層構造を比較した。全被膜は、多層として同じ全厚さを有した。結果を表４に示す。
〔実施例５〕
本発明による多層構造１−５で被覆された工具の工具寿命を、以下の切削条件で、鋼材の旋削加工で試験した。
被加工材 Ｏｖａｋｏ ８２５Ｂ
加工 長手方向に沿った旋削
切削速度、ｍ／分 １６０
送り、ｍｍ／回転 ０．３５
深さ、ｍｍ ２
注 湿潤条件
工具寿命は、メートルで示す旋削加工の距離で測定した。工具寿命の基準は工具の破損であった。
均一なＴｉ0.90Ｓｉ0.10Ｎ、均一なＡｌ0.51Ｔｉ0.45Ｓｉ0.05Ｎおよび均一なＡｌ0.56Ｔｉ0.34Ｓｉ0.10Ｎの被膜と多層構造を比較した。全被膜は、多層として同じ全厚さを有した。結果を表５に示す。
図１は、本発明による多層窒化物構造のＴＥＭ写真を示している。個々の層の厚さのシーケンスは、多層被膜全体を通して基本的に不規則である。 図２は、個々の金属窒化物層がＸおよびＹであり例の各層の厚さが３である層状多層窒化物被膜２が被覆した基材１の概略図である。

Claims (5)

  1. 薄くて密着性がある硬質の耐摩耗性被膜を備え、焼結超硬合金またはサーメット、セラミック、立方晶窒化ホウ素または高速度鋼の基材を含んでなる切削工具であって、前記被膜が、非繰り返し形態の耐熱化合物の交互の層の層状多層構造、Ｘ＋Ｙ＋Ｘ＋Ｙ＋Ｘ…を含んでなり、前記の交互の層ＸおよびＹが、金属窒化物、金属炭化物または金属炭窒化物から構成されており、前記被膜中で、個々の層の厚さのシーケンスが繰り返し周期を持たず、多層構造全体にわたって基本的に不規則である切削工具において、
    前記の個々のＸまたはＹの層の厚さが０．１ｎｍを超えて１００ｎｍ未満であり、基本的にランダムに変動することおよび前記多層被膜の全厚さが０．５μｍ〜２０μｍであり、前記多層構造Ｘ＋Ｙ＋Ｘ＋Ｙ＋Ｘ…が、以下の組み合わせ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ＋（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎまたは（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ＋（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎであり、前記多層構造の平均化学組成が、ＡｌaＴｉbＳｉcＣｒd（ＣeＮ1-e）であり、前式において０＜ａ＜０．５、前式において０．１＜ｂ＜０．９、前式において０．０１＜ｃ＜０．１７、前式において０＜ｄ＜０．０６であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１であって、０≦ｅ≦１であることを特徴とする切削工具。
  2. 前記被膜が、多層構造と均一層とが繰り返し交互積層しており、前記均一層が金属窒化物、金属炭化物または金属炭窒化物あるいはこれらの混合物を含んでなり、被膜の平均化学組成が、ＡｌaＴｉbＳｉcＣｒd（ＣeＮ1-e）であり、前式において０＜ａ＜０．５、好ましくは０．０５＜ａ＜０．４、前式において０．１＜ｂ＜０．９、前式において０．０１＜ｃ＜０．１７、前式において０＜ｄ＜０．０６であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１であって、０≦ｅ≦１であることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
  3. 前記均一層が、ＴｉxＡｌyＳｉz（ＣwＮ1-w）を含んでなり、前式において０＜ｘ＜０．７、前式において０．１＜ｙ＜０．９、前式において０．０１＜ｚ＜０．１７、であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、前式において０≦ｗ＜１であることを特徴とする、請求項２に記載の切削工具。
  4. 前記均一層が、２５〜１５０ｎｍの平均厚さを有することを特徴とする、請求項２または３のいずれかに記載の切削工具。
  5. 多層構造と繰り返し交互である均一層の全厚さが、０．５μｍ〜２０μｍであることを特徴とする、請求項２、３または４のいずれかに記載の切削工具。
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