JP4885859B2 - 耐摩耗性被膜を備えた切削工具及びその製造方法 - Google Patents

耐摩耗性被膜を備えた切削工具及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、基材及び多層状の構成物を含む耐摩耗性被膜より成る金属切削工具に関し、且つこのような工具を製造するためのPVD双極パルス・デュアルマグネトロン・スパッタリング技術より成る方法に関する。
金属の機械加工を行う最近の高生産性のあるチップは、高い摩耗性、良好な靭性特性及び塑性変形に対する優れた抵抗力を備えた信頼性のある工具を必要とする。
このことは適切な被膜を工具基材の表面に塗布することにより達成されている。その結果、この工具はかなりの高切削速度及び送りで使用することができる。この被膜は、好ましくは硬くて耐摩耗性であり且つ高温度で安定である。工具基材は、一般的に工具ホルダーに締結されるインサートの形状であるが、しかしながら、中実のドリルまたはフライスカッターの形状にもすることができる。
1980年の中頃以来物理蒸着(PVD)法が開発され、これは、TiN及びTi(C、N)のような安定な被膜化合物を成長させることができるだけでなく、例えば、準安定なTiN/AlN/TiN/AlNの構成物にも適用でき、本質的には、高硬度、高耐酸性及び高温硬さなどのような独特な性質を提供する。
多層状のMX/LX/MX/LXの構成物を堆積するPVD法は、交互の層MX及びLXがTi、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、Al、Si及びWから成る群から選択される元素M及びLを有する炭化物または窒化物であり、アーク蒸発またはマグネトロン・スパッタリングのような真空技術からなる。ターゲットからの金属の蒸発は、窒素または炭素を含む反応ガスの電気的アーク及びイオン衝撃によって達成される。ターゲットは、ほとんどが最終層と同一の金属組成を有する。被膜の全体に亘って周期的で一定の下部層厚みを有する、多層アーク被膜ついては、その平均的な組成は二つのターゲットの組成に依存し、且つこの層厚み方向/成長方向において測定する個々の下部層の厚みに影響される。
マグネトロン・スパッタリングは、アーク蒸着より著しく少ない表面欠陥を有する層を生じるが、しかしながら、AlNのような材料を積した場合、被膜が絶縁材である限り問題が生じる。これらの問題は、アーク蒸着法を使用したときは、それほど顕著ではない。マグネトロンでスパッターした多層は、導体である個々の下部層被膜からなる。絶縁AlNが表面に形成されるので、基本的にAlターゲットの使用に問題がある。平均被膜組成は、それぞれのターゲットからの相対的な蒸発速度とターゲットの組成によって決められ、ターゲットの組成は得られる被膜組成のために限される。
Al含有量が56at%を超えて増加すると、TiAlN層の硬さ及び酸化温度が改善し続けることが、特開平08−209333号から既知である。また、それは、Alの組成を臨界数値の略75at%以上に増加させる、得られた層が六方晶AlNの形成のために再度軟化することを開示する。
欧州特許出願第592986A号は、十分に小さな繰返し周期を有する立方晶のTiN及びAlNを周期的に繰返す一連の層に堆積することにより、純AlNであっても、並外れた良好な特性の被膜が与えられる立方晶の形で安定化することができることを開示する。
米国特許第6,103,357号は、多結晶で繰返しでない形状の耐熱性化合物の多層状の構成物、MX/LX/MX/LXを含む被膜を開示する。この交互の層MX及びLXは、Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、Al及びWから選択される金属元素M及びLを有する窒化物または炭化物である。
基材と耐熱性被膜を含む金属機械加工用の切削工具を提供することが本発明の目的であり、この被膜は交互に並ぶ窒化物または炭化物の層またはそれらの混合物の多層状の構成物を構成し、それらの少なくとも一つが電気的に絶縁されている。
窒化物または炭化物の層またはそれらの混合物からなる耐熱性の多層を堆積させ、それらの少なくとも一つが電気的に絶縁されていることを含む切削工具の製造方法を提供することが、さらに本発明の目的である。
本発明に従い、旋削加工、フライス加工及び穿孔加工のような金属機械加工用の切削工具を提供する。この切削工具は例えばサーメット、セラミック、超硬合金及び立方晶窒化ボロンの基材を含み、この基材の上の硬質で耐摩耗性の耐熱性被膜がPVD技術によって蒸着される。この耐摩耗性の被膜は、1層以上の耐熱性化合物から構成され、こ少なくとも1層がMX/LX/MX/LX積層の多層状の構成物からなり、交互の層MX及びLXがTi、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、Al、SiまたはW及びそれらの混合物からなる群から選択された元素M及びLを含みPVD技術によって堆積された炭化物または窒化物であり、交互の層のMXまたはLXの少なくとも1層が電気的に絶縁され、且つ公知の耐摩耗性の窒化物、炭化物、酸化物及び/または炭窒化物を構成するその他の層を任意に含む。一連の個々のMX及びLXの層が、多層の構成物の全体に亘って非周期的な厚みを有する。さらにその上に、この個々の層の最小厚みは0.1nmより大きいが、この構成物中のいずれの10連続層の合計が300nmより小さい。一つの個々の層の厚みは、直下の個々の層の厚みに依存しないだけでなく、この個々の層の直上の個々の層に関していずれの依存もしない。故に、本発明の非周期的な多層はいずれの繰返し周期を持たない。多層の合計厚みは、0.5〜20μm好ましくは1〜10μm最も好ましくは2〜6μmである。
本発明の一つの典型的な実施例において、多層状の構成物は、MX及びLX層の平均厚みの関係中の変化のために、元素M及びL中に濃度勾配を有する。平均M含有量は、例えば、多層の最内層部分において0パーセント近傍にしても良く、すなわち、MX層の平均厚みは0に近くて、したがって、平均L含有量は100%に近い。平均M含有量は、多層の最外層部に向かって平均MX層厚みを次第に増加することによって、多層の最外層部に向かって略100%含有量に増加しても良い。
本発明の一つの典型的な実施例において、TiN/AlN/TiN/AlN・・・を有する構造物の多層は、Ti1−xAlNの形で記載したとき、0.10<X<0.85の平均Al含有量と約50at%の窒素含有量を有する。この典型的な多層は、さらに、I200/(I111+I200+I220)>0.33の回折ピーク[200]の強度比、またはI111/(I111+I200+I220)>0.33の回折ピーク[111]の強度比、またはそれらの混合物でI200/(I111+I200+I220)>0.33及びI111/(I111+I200+I220)>0.33の双方の回折ピーク[111]の強度比を有し、且つCuのΚα照射及びIhkl/(I111+I200+I220)として計算された強度比を備えるXRDを使用することにより決定される。この多層の硬さは23〜32GPaの範囲にある。
上記のTiN/AlN/TiN/AlN・・・の構造を形成する多層の別の典型的な実施例において、この多層は、XRDでは非晶質である。
アルミニウム酸化物層堆積するために特に適切である上記のTiN/AlN/TiN/AlN・・・の構造を形成する多層のさらに典型的な実施例において、多層は、平均Al含有量その最内層から多層の最外層に向かって増加するようにAl含有量勾配を有する。
上記のTiN/AlN/TiN/AlN・・・の構造を形成する多層のさらに典型的な実施例において、Al含有量は0.10<x<0.30であり、これは、多層の非常に高い硬さのために、耐研磨摩損性について高い要求がされる適用において得に有益である切削工具をもたらす。
上記のTiN/AlN/TiN/AlN・・・の構造を形成する多層のさらに典型的な実施例において、Al含有量は0.40<x<0.55であり、これは、高い硬さと及び高温特性を組み合わせ多用途の切削工具をもたらす。
上記のTiN/AlN/TiN/AlN・・・の構造を形成する多層のさらに典型的な実施例において、Al含有量は0.60<x<0.80であり、これは、クレータ磨耗に対して特に高い耐性を備える切削工具をもたらす。
本発明に従い、化合物を含む硬質で耐摩耗性の耐熱性被膜を堆積することを含む金属切削工具を製造するための方法を提供する。この被膜の少なくとも1層がMX/LX/MX/LXの積層の多層状の構成物を構成し、交互の層MX及びLXがTi、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、Al、SiまたはW及びそれらの混合物からなる群から選択された元素M及びLを含む炭化物または窒化物であり、交互の層のMXまたはLXの少なくとも1層が電気的に絶縁され、公知の耐摩耗性の窒化物、炭化物、酸化物及び/または炭窒化物をするその他の層を任意に含む、(被覆が、)PVD双極パルス・デュアルマグネトロン・スパッタリング技術(BPDMS)により、例えば、サーメット、セラミック、超硬合金または立方晶窒化ボロンの基材上に、堆積される。BPDMS過程において、マグネトロン・ペアが用いられ、M元素のターゲット及びL元素のターゲットのいずれかを備え、好ましくは二つマグネトロン・ペアを用い、或いは同一元素の二つのターゲットを備えるマグネトロン−ペアを用い、マグネトロン・ペアの一つのターゲットを陽極として作用させるように且つもう一つのターゲットを陰極として作用させるように配置するか、またはその逆に配置する。400〜1000Vの電圧が各々の双極スイッチにかけられ、且つ電源出力は2×10〜2×70KWに制限される。堆積前の基本圧力は<2mPaにすべきであり、且つArスパッタガス圧力は0.1〜1Paの範囲にする。堆積過程は、300〜700℃の間の基材温度で実施する。好ましくは20〜100Vの双極パルス・バイアス(バイアスは被膜の強度比に影響を及ぼすことが既知であり、したがって、異なるバイアス値を選択することにより異なる強度比を達成することが可能である)及び4〜30Aの電流が、対向電極として壁を用いて前記基材にかけられる。3倍の基材回転が、均一な被膜堆積を確実にするために用いられる。M(t)とL(t)とのスパッタ・パルス時間が2〜100μsの範囲に設定され、且つMとLとのスパッタ・パルスの間のパルス・オフ時間(toff)が2〜10μsの範囲に設定される。Nまたはメタン、または他の窒素或いは炭素を含有するガスのような反応性ガスが、通常の入り口を通って導入され、且つ反応性ガス圧力は好ましくは0.01〜0.25Paの範囲にする。
反応性ガス圧力を変化することにより、MとLのターゲットの間のスパッタリング出力を変化することが可能であり、したがって、ターゲットの間の電流関係が変わり、それによって多層の化学組成が変化し、すなわち、平均MX及びLX層のそれぞれの厚みを変化させる。
この蒸着過程において、t+t+2×tOFFとして定義される負荷パルス列中のスパッタリング・パルス時間を変化させることにより、また、多層の化学組成を変化すること、すなわち、それぞれの平均MX及びLX層厚みを変化させることが可能である。
実施例1
Ti1−XAlNを意味するTiN/AlN/TiN/AlN・・・の多層が、二つのマグネトロン・ペアを用いるBPDMSを使用して超硬合金基材に堆積され、このペアの各々は、Tiが陰極であるときAlが陽極として作用するように及びその反対に作用するように配置したそれぞれ一つのAlのターゲットとTiのターゲットからなる。900Vの電圧が、各々の双極スイッチに負荷され、且つ電源出力は2×35KWに制限された。堆積前の基本圧力は<2mPaであり、且つArスパッタリングガス圧力は0.4Paであった。堆積された被膜は、以下の表1の特有の過程因子とともに存在した。全ての被膜は500℃の基材温度で堆積された。所定の反応ガス圧力は、圧力フィード・バック制御を用いて維持した。40Vの双極パルス・バイアスと約15Aの電流が、対向電極としての壁を使用して基材に負荷した。変化させた因子は、Ti(tTi)ターゲット及びAl(tAl)ターゲットのそれぞれのスパッタリング・パルス時間並びにN圧力であった。このNは、普通の拡散入り口を通って導入された。TiとAlのスパッタリング・パルスの間のパルス・オフ時間は、全ての実験のときに5μsに維持され、且つパルス列はtAl/tTiのように記載され、例えば7/30μsであった。研究された3つの異なるパルス条件は、7/30μs(47μsの合計パルス列長さ)、12/25μs(47μsの合計パルス列長さ)、及び10/10μs(30μsの合計パルス列長さ)である。TiとAlのターゲットのスパッタリング電流は、それぞれのスパッタリング・パルスの際の分流を測定することにより決定される。窒素の流れだけでなく個々のTiとAlのスパッタリング電流も設定したN圧力とともに変化させた。7/30μsのスパッタリング・パルスの間、Alスパッタリング電流は、低圧力でのゼロに近い値から、高圧力でのTiスパッタリング電流のそれに近い大きさまで増加した。超硬合金切削工具の均質被膜堆積を確実にするために3倍の基材回転を使用し、且つ堆積時間は120分に設定された。
表1
試料 tAL/tTitotN2 ΓN2TiAl
[μs] [Pa] [Pa] [sccm] [A] [A]
7/30-1.2 7/30 0.52 0.12 184 31 26
12/25-0.5 12/25 0.45 0.05 153 22 10
12/25-0.7 12/25 0.47 0.07 154 19 18
12/25-0.8 12/25 0.48 0.08 166 21 28
12/25-0.9 12/25 0.49 0.09 158 17 35
10/10-0.3 10/10 0.43 0.03 71 6 5
10/10-0.6 10/10 0.46 0.06 108 5 20
全ての被膜は、日立のS−4300型式で10KVの電解放出銃付き走査型電子顕微鏡(FEG−SEM)、及び相分析を可能にするためにJOEL2010型式の選択領域電子線回折(SAED)付き透過型電子顕微鏡(TEM)を使用して研究された。化学組成は、10KVの加速電圧と10nAのプローブ電流でJEOL−JXA−8900Rを使用して電子プローブーマイクロアナライス法(EPMA)によって決定された。TiとAlは、それらのX線強度によって分析され、一方Nの化学量論は、被膜X線強度と金属試料の強度との相違によって見積もられた。この層の化学組成は、CuのΚα照射を備えるX線回折を使用して決定された。この強度比は、Ihkl/(I111+I200+I220)として計算された。CSEMナノ硬度計が、この被膜の硬さを決定するために使用された。25mNの荷重を使用することにより、基材からの寄与は、全ての被膜に対して非常に小さいか或いは無視できると見なされる。
この試験結果は、以下の表2に要約されている。
12/25μsのパルス列を使用して蒸着した被膜を比較した場合、成長速度は0.05Paの最も低いN圧力に対して最も高いことが分かった。これは、低いNの圧力でのスパッタリングは、より金属様式でのスパッタリングに等しいことのためである。0.07〜0.09Paでの堆積は、反応領域における堆積であった。N圧力が増加する堆積において、堆積速度は約18nm/分に等しかった。
7/30μsのパルスに対する被膜金属組成はTi0.84Al0.16に相当し、12/25μsのパルス列に対するXは0.36〜0.58の範囲にあり、且つ10/10μsのパルス列に対するXは0.72〜0.84の間で変化した。これは、0.08PAr≦Pnitrogen≦0.3PArとしてN圧力の変動と組み合わせてこの範囲内でパルス時間を変化することによって、Ti1−xAlNのXが、0.16〜0.84の範囲で制御できることを意味する。この窒素の化学組成は約50at%まで計算された。
X≦0.49の低Al含有量の被膜は柱状晶であり、且つその表面はカリフラワー状であった。X≦0.58の高Al含有量の被膜はさらにガラス状の組織構造を示した。この柱状晶の被膜はブロンズのような色を示し、一方ガラス状の被膜は青または均一な透明な色を示した。
XRDから、強度比は、低Al含有量を有する被膜に対する[200]タイプから、高Al含有量を有する被膜に対する[111]タイプまで変化することがわかった。
表2
試料 r tC 色 Ti1-XAlXN XRD XRD XRD NH25mN
[nm/min] [μm] 中のX I111/Itot* I200/Itot* I220/Itot* [GPa]
7/30-1.2 12 1.4 茶− 0.16 0.17 0.73 0.10 31.0
ブロンズ
12/25-0.5 23 2.8 紫− 0.36 0.58 0.30 0.12 23.0
ブロンズ
12/25-0.7 18 2.1 紫− 0.41 0.68 0.29 0.03 30.9
ブロンズ
12/25-0.8 18 2.1 紫− 0.49 0.85 0.13 0.03 31.6

12/25-0.9 17 2.0 青 0.58 -** -** -** 28.7
10/10-0.3 9 1.1 透明 0.72 -** -** -** 25.6
10/10-0.6 13 1.5 透明 0.84 -** -** -** 25.2
* Itot=(I111+I200+I220
** XRD非晶質
図1は、本発明にしたがう典型的な耐熱性被膜の透過型電子顕微鏡写真を示し、AはTiNであり、且つBはAlNである。 図2は、本発明にしたがう典型的なTiN/AlN/TiN/AlN多層の走査型電子顕微鏡の像を示し、Sは基材であり、且つLは多層である。 図3は、本発明にしたがうBPDMS装置の典型的なターゲット形態を模式的に示し、aはチタンターゲット、bはアルミニウムターゲット、cはエッチング/ バイアス電源である。

Claims (10)

  1. 化合物を含む硬質で耐摩耗性の耐熱性被膜を基材に堆積することを含む金属切削工具の製造方法であって、
    前記被膜の少なくとも1層がMX/LX/MX/LXの積層の多層状の構成物から成り、交互の層MX及びLXがTi、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、Al、SiまたはW及びそれらの混合物からなる群から選択された元素M及びLを含む炭化物または窒化物であり、
    交互の層のMXまたはLXの少なくとも1層が電気的に絶縁され、
    且つ公知の耐摩耗性の窒化物、炭化物、酸化物及び/または炭窒化物を有するその他の層を任意に含む、金属切削工具の製造方法であって、
    PVD双極パルス・デュアルマグネトロン・スパッタリング技術(BPDMS)を用いること、
    一つのM元素のターゲット及び一つのL元素のターゲットのいずれかを備えるマグネトロン・ペアを用いること、或いは同一元素の二つのターゲットを備えるマグネトロン・ペアを用いること、且つ前記マグネトロン・ペアの一つのターゲットを陽極として作用させるように且つもう一つのターゲットを陰極として作用させるように配置するか、またはその逆に配置すること、
    各々の双極スイッチに400〜1000Vの電圧を負荷し且つ2×10〜2×70KWに電源出力を制限すること、
    <2mPaの堆積前の基本圧力と、0.1〜1Paの範囲のArスパッタガス圧力と、300〜700℃の基材温度を使用して
    3倍の基材回転を使用して、M(t)とL(t)との前記ターゲットのスパッタ・パルス時間を2〜100μs範囲に、且つMとLとのスパッタ・パルスの間のパルス・オフ時間を2〜10μs範囲に、設定すること、及び
    0.01〜0.25Paの反応性ガス圧力を使用すること
    を特徴とする金属切削工具の製造方法。
  2. M(t)とL(t)とのターゲットのスパッタ・パルス時間の関係を変化することにより、前記多層の化学組成を変化させることを特徴とする請求項に記載の製造方法。
  3. 前記反応性ガス圧力を変化することにより、前記多層の化学組成を変化させることを特徴とする請求項またはに記載の製造方法。
  4. 堆積過程の際、前記反応性ガス圧力を変化させることを特徴とする請求項に記載の製造方法。
  5. 堆積過程の際、M(t)とL(t)とのターゲットのスパッタ・パルス時間の関係を変化させることを特徴とする請求項のいずれか1項に記載の製造方法。
  6. 請求項1に記載の方法により製造された、基材及び硬質で耐摩耗性の耐熱性被膜を含む切削工具であって個々のMX及びLXの層の厚みが0.1nmより大きいが、前記構成物中のいずれの10連続層の合計が300nmより小さく、
    前記多層状の構成物は合計厚みが、0.5μmより大きいが20μmより小さく
    且つ耐摩耗性の窒化物、炭化物、酸化物及び/または炭窒化物を有するその他の層を任意に含む、切削工具であることを特徴とする切削工具。
  7. 前記交互の層MX及びLXが、窒化物であることを特徴とする請求項記載の切削工具。
  8. 前記多層が、前記多層の最内部分から前記層の最外部分に向かって化学組成勾配を有することを特徴とする請求項またはに記載の切削工具。
  9. 前記交互の層MX及びLX中のM及びLが、それぞれTiとAlであることを特徴とする請求項のいずれか1項に記載の切削工具。
  10. Ti1−XAlNの形で表したとき、前記多層の構成物中のアルミニウム含有量が、0.10<X<0.85であることを特徴とする請求項に記載の切削工具。
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