JP4966580B2

JP4966580B2 - 被覆工具

Info

Publication number: JP4966580B2
Application number: JP2006117814A
Authority: JP
Inventors: カトラインマルチン; ミショットクロード; ポルチクペーター
Original assignee: セラティチットオーストリアゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2026-04-21
Also published as: JP2006305721A; EP1726687B1; EP1726687A2; AT8346U1; CN1853832A; CN1853832B; KR20060113410A; EP1726687A3; US20060246320A1; KR101278385B1; PL1726687T3; US7521132B2; ES2426190T3

Description

本発明は、超硬合金、サーメット、硬質材料、および特殊鋼からなる群から選択されたる基材と、２つ以上の層を備えると共に全被覆厚が０．５〜１５μｍで且つ１つの被覆層の厚さが０．０００３〜５．０μｍである被覆とからなる工具に関する。

超硬合金、サーメット、硬質材料および特殊鋼は、高い摩耗応力に晒される工具に使用される。超硬合金なる用語は、硬質材料相と金属結合剤とからなる複合材料を意味する。サーメット群の材料は、１又は複数のセラミック相と１又は複数の金属相とからなる全ての材料を含む。硬質材料は、硬度が１０００ＨＶを超える全材料を網羅する。これらは、炭素、窒素、硼素、又は珪素の元素を有する周期系のＩＶａ族〜ＶＩａ族元素からなる化合物を含む。この族の材料で最も重要なものは、ダイヤモンド、立方晶系窒化硼素、炭化珪素、サイアロン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよび窒化珪素である。ＤＩＮ１７３００に係る特殊鋼は、工具としての用途により規定される鋼である。

摩耗耐性を高めるため、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物および酸化物に基づく耐摩耗性硬質材料被覆を基材に付与する。該被覆は、１又は複数の層を備え、通常は１５００〜４０００ＨＶの範囲の硬度を持つ。例えば窒化チタン、チタンカーボンナイトライド、チタン窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムからなる単層又は多層被覆を挙げ得る。

負荷の下では、摩擦システムは、工具に加えて、摩耗および摩擦、介在材料、活性な力、一連の動きおよび環境的な影響を引き起こす対向物体も備える。特に、活性な力および工具と対向物体との間の相対速度が大きい場合には、摩耗部品と対向物体との間の表面境界領域でかなりの温度上昇が生じる。例えば１０００℃、ある場合にはそれ以上の温度が加工工具の表面で測定される。この原因は、剪断域における変形・分離作用や、逃げ面でのワークピースの摩擦である。

ＴｉＡｌＮ系の硬質材料被覆は、工具の摩耗特性を向上させるべく広範に使用されている。Ａｌ含有量の違いが耐摩耗・酸化性に及ぼす影響と、更なる元素が特にＰＶＤプロセスを使用して製造した窒化チタン被覆の耐摩耗性に対し及ぼす影響とが研究されてきた。

例えば非特許文献１は、４５０℃のＡｒプラズマ中で形成したＴｉＡｌＢＮ層を開示している。しかしドライ機械加工中の耐摩耗性の著しい向上は達成不可能であった。

非特許文献２は、陰極アーク蒸発により製造され且つ３．８〜８．２原子％のＳｉを含むＴｉＡｌＳｉＮ被覆を開示する。この場合は、３５〜４５ＧＰａの硬度値が得られた。

またＴｉＡｌＮ被覆では、ＴｉをＣｒ、Ｈｆ、Ｚｒ、又はＮｂで置換できる。

例えば特許文献１は、摩耗特性が向上したＡｌＣｒＮ被覆について記載している。

特許文献２は、窒化チタン中のＴｉを元素Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｒ又はＮｂで部分的に或いは完全に置換することについて記載している。この種の硬質材料被覆は、Ｎｂ又はＴａからなる金属中間層により基材に結合される。

特許文献３は、耐摩耗性のＭｅＡｌＣｒＶＣＮ被覆について記述している。この場合、元素Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ又はMoの内の少なくとも１つがＭｅとして使用される。

特許文献４は、低合金鋼又は軟鋼の機械加工に使用され且つＴｉＡｌＴａＮ又はＴｉＡｌＴａＣＮおよびＴｉＡｌＮ又はＴｉＡｌＣＮを含む多層被覆の組み合わせを有する高速度鋼により形成された歯切り工具について論じている。２つの層の組み合わせにより、耐用年数が長くなると共に、チップ固着が生じ難くなる。

例えば合金鋼のドライフライス作業等で工具に大きな応力が生じる場合には、例えば主面および逃げ面等の工具接触域で非常に高い表面温度に達する。同様に、例えば形削り工具の入口領域では高い応力も生じる。前述した周知の被覆システムの耐摩耗性は、従来、特に冷却液が使用されない場合には、これらの用途では不十分であった。
国際公開第２００４／０５９０３０号パンフレット欧州特許第０５５８０６１号明細書特開平１５−０３４８５９号公報欧州特許第１２０１７７６号明細書「Thin Solid Films，343（1999）pp．242-145」「Surf．Coat．Technol．，133-134（2000）145-151」

従って本発明の目的は、高い熱応力下で高い耐摩耗性を示すと共に、摩耗物体との接触時における摩擦係数が可能な限り低い工具を提供することである。

本発明によれば、この目的は請求項１によって達成される。

本発明に係る被覆は、少なくとも２つの被覆層を備える。第１の被覆層は（Ｔｉ_aＡｌ_bＴａ_c）Ｎの組成を有する。ここで、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．３≦ｂ≦０．７５、および０．００１≦ｃ≦０．３０である。以下の本文では、この被覆層をＡと称する。

第２の被覆層は（Ｔｉ_dＡｌ_eＴａ_fＭ_g）Ｎの組成を持つ。ここで、ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１、０．５０≦ｅ≦０．７０および０≦ｆ≦０．２５である。Ｍは、珪素、バナジウムおよび硼素からなる群から選択した１又は複数の元素を表す。珪素含有量は０．０５〜１０原子％、バナジウム含有量は０．１〜２５原子％、硼素含有量は０．００５〜１原子％である。以下の本文では、この被覆層をＢと称する。

被覆層Ａの合金にタンタルを添加すると、熱硬度がかなり高まる。タンタルは面心立方固溶体を約８００℃の非常に高い温度迄安定させることが分かった。高温では相分解が生じ、その結果立方晶系窒化アルミニウム領域の析出が生じるが、この析出により、約９００℃で硬度が更に約１０％高まる。１１００℃でさえも、真空中でのアニーリング試験の後、開始状態の被覆硬度範囲の硬度値が依然として測定された。従って、被覆層Ａの構成要素としてのタンタルは、特に非冷却形削りプロセスの場合に被覆面と摩耗物体との間の接触域で生じる温度範囲の熱硬度を増大させる。従って、合金にタンタルを添加すると、７００〜１１００℃の関連する温度範囲で、磨耗から最適に保護される。これは、自己適応形態で達成される。しかしＴｉＡｌＮ中のタンタルにより、７００℃以上の温度で摩擦係数が増大してしまう。これは、不活性なアルミニウム酸化物球およびオーステナイト鋼の両方に対し検出される。また、被覆層Ａの延性は多くの場合に不十分であり、例えばフライス作業や高速切削等で問題を生じ得る。被覆層Ｂは、珪素、バナジウムおよび硼素からなる群から選択した少なくとも１つの元素を含む。珪素、バナジウムおよび硼素は高温で摩擦低減効果を示す。また、被覆層Ｂは、被覆層Ａより少量のタンタルを含むとよく、その結果、被覆層Ｂは被覆層Ａより延性が大きい。微小構造の延性は、一連の被覆層ＡとＢを使用して設定できる。この延性は、例えばフライス作業の際に剥離に対する十分な被覆安定性を確保できるような、良い影響を与える。耐摩耗性は、タンタル含有量とＴｉ／Ａｌ比率の両方で設定できる。これに関連して、０．１〜３０原子％のタンタル含有量に応じ、Ａｌ含有量を３０〜７５原子％に設定できることが分かってきた。被覆層Ｂにおいても、同様に、請求項１に記載された内容に従い、０〜２５原子％の範囲内のタンタル含有量に応じ、広い範囲でＴｉ／Ａｌ比率を選択できる。被覆層Ａ中のアルミニウムの好ましい範囲は４５〜６６原子％である。タンタルの含有量が０．１原子％を下回ると、硬度が十分に増大しない。含有量が３０原子％を越えると、被覆層Ａの脆化が過度になる。被覆層Ａ中のタンタルの好ましい範囲は１〜２５原子％である。それに対応し、更に延性が高い被覆層Ｂでは更に低いタンタル含有量を選択でき、０〜２５原子％、好適には０．２〜１０原子％の含有量が使用される。被覆層Ｂ中の珪素は、耐酸化性に好影響を及ぼす。この点で十分な効果を得るには、０．１原子％の珪素含有量が適する。珪素含有量が１０原子％を越えると、多くの用途で脆化が許容できない程に高くなる。好適な上限は３原子％である。０．１〜３原子％のこれらの有利な珪素含有量は、工具と対向物体との間の摩擦を十分に減少させる。バナジウムにより生じる強度増大は珪素よりもかなり低く、従ってバナジウムは層の破壊靱性をそれ程大きく高めない。そのため、バナジウム含有量は、被覆層Ｂ中の珪素含有量よりも高くなるように選択できる。

バナジウム含有量は０．１〜２５原子％であるとよく、最適には２〜２０原子％であることが広範囲の試験で明らかになった。バナジウムは、マグネリ相の形成に起因するかなりの摩擦低減効果を示す。被覆層Ｂ中の硼素の好ましい範囲は０．００１〜０．５原子％である。硼素は、更なる元素における拡散率を減少させることで被覆の耐酸化性を増大させる。硼素含有量が１原子％を越えると、硬度が減少する。これは、六方晶系相成分の形成に起因している。多層被覆を使用することで、被覆の微小構造を理想的に設定でき、従って破壊靱性も理想的に設定できる。被覆層の数は、約１０個から最大で１００００個以上の範囲であってよい。必要とされる特性に応じ、個々の被覆層の順序を周期的に交互に配置することが、より容易になる。従って、２つの異なる被覆層の場合には、順序はＡ、Ｂ、Ａ、Ｂ・・・となる。第３の被覆層Ｃが使用する場合には、結果的に、順序はＡ、Ｂ、Ｃ、Ａ、Ｂ、Ｃ・・・となる。

相当する順序は、組成が異なる４つ以上の被覆層の場合にも当てはまる。組成が異なる被覆層も異なる核生成率又は異なる核生成成長速度を有する。従って、個々の被覆層も一般に異なる厚さを有する。個々の被覆層が立方構造を持つ場合には、最適な破壊靱性／硬度の比率を設定できる。これは、立方相が六方相よりも大きな耐摩耗構造だからである。例えば立方晶系構成要素間に配置された放射線的に非晶質な微小構造構成要素の比率が小さいと、層の破壊靱性が増大する。被覆結合を高めるためには、基材と接触する被覆層が窒化チタンからなるとよい。

被覆と基材の最も有利な組み合わせは、超硬合金を基材として用いた際に得られる。

優れた耐用年数は、被覆工具を切削工具として使用した場合に得られる。これに関連して切削工具としての一般的な用途は、ソリッド超硬合金フライス工具および使い捨て可能な切削工具チップである。しかし本発明の利点は、形削り工具においても実現できる。

被覆剤を塗布すべく様々な被覆プロセスを使用できる。１つの好適な処理法は、単一成分又は多成分ターゲットを用いたアーク蒸発法又はスパッタリング法によるＰＶＤプロセスである。この際に被覆層Ａを形成すべく使用するターゲットは、３０〜７５原子％のアルミニウム、０．１〜３０原子％のタンタルおよび残部のチタンからなる。

被覆層Ｂの形成に使用するターゲットは、５０〜７０原子％のアルミニウムと、０〜２５原子％のタンタルと、珪素、バナジウム、硼素からなる群から選択した少なくとも１つの元素とからなり、残部はチタンである。そして、珪素の場合には含有量が０．０５〜１０原子％、バナジウムの場合には含有量が０．１〜２５原子％、硼素の場合には含有量が０．００５〜１原子％である。

本発明を実施するためには、ＰＶＤプロセスに代わる手段として、様々なＣＶＤプロセスも使用できる。例えば、本発明に係る被覆は、プラズマＣＶＤプロセスや有機金属前駆物質を使用したＣＶＤプロセス（ＭＯＣＶＤ）で形成できる。

以下、典型的な実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。

Ｎ₂−Ａｒ雰囲気中で粉末冶金によって形成されたターゲットのアーク蒸発を伴う従来の工業用ＰＶＤ設備を使用して、超硬合金からなる使い捨て可能な切削工具チップに対して２層ＴｉＡｌＴａＮ／ＴｉＡｌＴａＭｅＮ被覆剤を被着した。このプロセスにおける層中の合金元素含有量は、採用された処理を考慮して、使用されるターゲット中の元素の含有量とよく一致させた。表１〜５は、被覆製造プロセスに使用されたターゲットの組成を示す。４つのソース又はターゲット位置を使用した。各場合に、組成が同じターゲットを含む２つの対向する垂直にオフセットした位置を用いた。比較のため、従来技術に対応する基準試料の製造においても、同一の被覆プログラムを使用した。試料設備およびプロセスチャンバの占有率は、全ての試料において同一になるように設定した。

匹敵する耐用年数試験においては、以下のパラメータを使用した。
使い捨て可能な切削工具チップ：Ｓ４０ＴからなるＳＥＫＮ１２０３ＡＦＳＮ
機械加工材料：４２ＣｒＭｏ４
機械加工条件：ドライ機械加工
機械加工パラメータ：Ｖ_c＝２３０ｍ／分、ｆ＝０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、ａ_p＝２．０ｍｍ、ａ_e＝９６ｍｍ。

実施例１では、第１の被覆層（１ａ、１ｂ）中のＡｌ／Ｔｉ比率が一定（Ａｌ／Ｔｉ＝２）で且つ各場合に第２の被覆層中の組成が一定の状態におけるタンタル含有量の変動の影響を示すべく、周期的に順序を交互にする被覆１と２（試料Ｂ２ａ）および被覆１ｂと２（試料Ｂ２ｂ）を備える４層被覆を使用した（表１参照）。

基準試料と比べると、被覆Ｂ２ａを使用したものの耐用年数の向上は７８％である。被覆Ｂ２ｂを使用すると、耐用年数を倍にすることができた。

実施例２は、第１の被覆層中のタンタル含有量が一定で且つ各場合において第２の被覆層中の組成が同じ場合の、Ａｌ／Ｔｉ比率（Ａｌ／Ｔｉ＝１．５；Ａｌ／Ｔｉ＝２）の影響を示すため、周期的に順序を交互にする被覆１ｂと２（試料Ｂ３ａ）および被覆１ｃと２（試料Ｂ２ｂ）を備える４層被覆を使用した（表２参照）。

このようにすると、被覆Ｂ３ａおよびＢ２ｂの両方に関し、基準試料と比べ耐用年数の向上を達成できた。この向上は、Ｂ３ａの場合に８４％である。また、これらの試験は、タンタル含有量が一定の場合におけるＡｌ／Ｔｉ比率の影響を示している。

実施例３は、耐用年数特性に対する硼素の影響を示す（表３参照）。

基準試料と比べ、被覆Ｂ４を使用した耐用年数の向上は４２％である。

実施例４は、耐用年数特性に対する珪素の影響を示す（表４参照）。

基準試料と比べ、被覆Ｂ５を使用した耐用年数の向上は９１％である。

実施例５は、耐用年数特性に対するバナジウムの影響を示す（表５参照）。

基準試料と比べ、被覆Ｂ６を使用した耐用年数の向上は２５０％である。

Claims

超硬合金、サーメット、硬質材料、および特殊鋼からなる群から選択される基材と、２つ以上の層を備えると共に全被覆厚が０．５μｍ〜１５μｍで且つ１つの被覆層の厚さが０．０００３〜５．０μｍである被覆とからなる工具であって、
少なくとも１つの被覆層は（Ｔｉ_aＡｌ_bＴａ_c）Ｎの組成を有し、ここに
ａ＋ｂ＋ｃ＝１、
０．３≦ｂ≦０．７５、
０．００１≦ｃ≦０．３０
であり、
かつ少なくとも１つの更なる被覆層は（Ｔｉ_dＡｌ_eＴａ_fＭ_g）Ｎの組成を有し、ここに
ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１；
０．５０≦ｅ≦０．７０；
０≦ｆ≦０．２５；
であり、
Ｍは、Ｓｉ、Ｖ、Ｂからなる群から選択される１又は複数の元素であり、
Ｓｉの場合：０．０００５≦ｇ≦０．１０；
Ｖの場合：０．００１≦ｇ≦０．２５、および
Ｂの場合：０．００００５≦ｇ≦０．０１
であることを特徴とする工具。
ｆ＜ｃであることを特徴とする請求項１記載の工具。
０．０１≦ｃ≦０．２５であることを特徴とする請求項１又は２記載の工具。
０．００１≦ｆ≦０．２０であることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の工具。
０．００２≦ｆ≦０．１０であることを特徴とする請求項４記載の工具。
Ｍが珪素であり、０．００１≦ｇ≦０．０３であることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の工具。
Ｍがバナジウムであり、０．１０≦ｇ≦０．２０であることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の工具。
Ｍが硼素であり、０．０００１≦ｇ≦０．００５であることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の工具。
組成が異なる被覆層が周期的に交互に配置されたことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の工具。
個々の被覆層が異なる厚さを有することを特徴とする請求項１から９の１つに記載の工具。
個々の被覆層が立方構造を有することを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の工具。
放射線的に非晶質な微小構造構成要素が少量存在することを特徴とする請求項１１記載の工具。
基材と接触する被覆層が窒化チタンであることを特徴とする請求項１から１２の１つに記載の工具。
最上層が摩擦低減成分としてＣを含むことを特徴とする請求項１から１３の１つに記載の工具。
最上層が金属層であることを特徴とする請求項１から１４の１つに記載の工具。
最上層が酸化物層であることを特徴とする請求項１から１４の１つに記載の工具。
基材が超硬合金であることを特徴とする請求項１から１６の１つに記載の工具。
工具が切削工具であることを特徴とする請求項１から１７の１つに記載の工具。
前記切削工具が使い捨ての切削工具チップであることを特徴とする請求項１８記載の工具。
工具が形削り工具であることを特徴とする請求項１から１７の１つに記載の工具。
被覆がＣＶＤプロセスによリ設けられたことを特徴とする請求項１から２０の１つに記載の工具。
被覆がＰＶＤプロセスで設けられたことを特徴とする請求項１から２０の１つに記載の工具。
３０〜７５原子％のＡｌと、０．１〜３０原子％のＴａと、残りのＴｉとからなるスパッタリングターゲットにより製造されたことを特徴とする請求項２２記載の工具。
５０〜７０原子％のＡｌと、０〜２５原子％のＴａと、Ｓｉ、Ｖ、Ｂからなる群から選択された少なくとも１つの元素と、残りのＴｉとからなり、Ｓｉの場合に含有量が０．０５〜１０原子％、Ｖの場合に含有量が０．１〜２５原子％、Ｂの場合に含有量が０．００５〜１原子％であるスパッタリングターゲットにより製造されたことを特徴とする請求項２２に記載の工具。