JP5143571B2 - 切削工具のための高耐摩耗三重被覆 - Google Patents
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Description
耐摩耗性を必要とする切削工具を保護するための極めて高い酸化耐性を備えた硬質被覆である。それぞれの被覆された工具、特に高速度鋼、超硬合金、または、ミル(mill)、ドリルビット(drill bit)、切削インサート(inserts)、ギアカッター(gear cutter)、およびホブ(hob)のような立方ホウ素窒化物（ＣＢＮ）被覆された切削工具である。さらに、被覆されたた耐摩耗部品、特にポンプ、ギア、ピストンリング、燃料噴射器などのような機械部品である。ダイス、パンチ、およびモールドのような耐摩耗性の要求される被覆工具を形成する金属である。
［関連する技術］
特許文献１は、切削工具上の研摩剤と酸化摩耗の割合を減らしたＴｉＮ、ＴｉＣＮ、およびＴｉＡｌＮ被覆に比較して、非常に高い酸化耐性を備えた硬質の陽極のＡｌＣｒベースの被覆に言及している。特許文献２および特許文献３においては、ＡｌＣｒＳｉＮとＣｒＳｉＢＮ層が、酸化に対する微細な耐性だけではなく高い耐摩耗性を提供する増加させた硬度をも提供する。非特許文献１では、ＴｉＡｌＮ層および遷移金属窒化物（ＶＮまたはＣｒＮ）の微細な層をベースとする超格子構造組み合わせが、低い滑り摩耗と研磨摩耗係数を示す。非特許文献２で、その著者は、硬質の炭素表面で被覆されたＣｒＡｌＮを組み合わせることによって、（硬度および増加したヤング率のような）機械的特性と摩擦特性の改善とを報告している。このような組み合わせがドリルおよびミルの用途において成功しうる、ということが主張されている。非特許文献３で、その著者は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、およびＡｇの延性のある中間膜と組み合わせた多層ＴｉＡｌＮに言及している。多層は基板に対する改善された付着を呈するが、硬度は延性層の追加によりかなり減少させられる。
特開平１０−０２５５６６号公報
特開２００２−３３７００７号公報
特開２００２−３３７００５号公報
米国特許出願公開第２００２／００５３３２２号明細書
「陰極アークによって不均衡にされたマグネトロンスパッタリング堆積によって大規模に製造されたＴｉＡｌＮおよびＣｒＮベースの超格子構造被覆の特性(Properties of large-scale fabricated TiAlN- and CrN based superlattice coatings by cathodic arc-unbalanced magnetron sputtering deposition)」，Surface & Coatings Technology, v.25, pp. 269〜277 (2000年)
「切削工具に堆積したＣｒＡｌＮ＋Ｃの薄い被覆の機械的および摩擦学的特性の調査」，（Surface & Coatings Technology, v.174-175, pp. 681〜686 (2003年)
「金属間層を使うＴｉＡｌＮ硬質被覆の改善に向けて(Towards an improvement of TiAlN hard coatings using metal interlayers)」，Mat. Res. Soc. Symp. Proc. V. 750 (2003年)
特許文献１は、切削工具上の研摩剤と酸化摩耗の割合を減らしたＴｉＮ、ＴｉＣＮ、およびＴｉＡｌＮ被覆に比較して、非常に高い酸化耐性を備えた硬質の陽極のＡｌＣｒベースの被覆に言及している。特許文献２および特許文献３においては、ＡｌＣｒＳｉＮとＣｒＳｉＢＮ層が、酸化に対する微細な耐性だけではなく高い耐摩耗性を提供する増加させた硬度をも提供する。非特許文献１では、ＴｉＡｌＮ層および遷移金属窒化物（ＶＮまたはＣｒＮ）の微細な層をベースとする超格子構造組み合わせが、低い滑り摩耗と研磨摩耗係数を示す。非特許文献２で、その著者は、硬質の炭素表面で被覆されたＣｒＡｌＮを組み合わせることによって、（硬度および増加したヤング率のような）機械的特性と摩擦特性の改善とを報告している。このような組み合わせがドリルおよびミルの用途において成功しうる、ということが主張されている。非特許文献３で、その著者は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、およびＡｇの延性のある中間膜と組み合わせた多層ＴｉＡｌＮに言及している。多層は基板に対する改善された付着を呈するが、硬度は延性層の追加によりかなり減少させられる。
［本発明のバックグラウンド］
ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＴｉＮの低耐摩耗性、および類似の硬質被覆、特に高温を含むような高速切削用途における機械材料用途が難しいもの（例えば、工具鋼、オーステナイトステンレス鋼、アルミニウム、およびチタン合金の機械加工）である。既知のＣｒＡｌＮおよびＣｒＡｌＳｉＮ被覆の高温用途での有益な効果にもかかわらず、工具、特に、より大きな生産性とさらなる摩耗の減少とを提供することのできる切削、成形工具および部品、による特定の用途のためのさらなる良好な性能を与えることができる代替案が見いだされるべきである。
ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＴｉＮの低耐摩耗性、および類似の硬質被覆、特に高温を含むような高速切削用途における機械材料用途が難しいもの（例えば、工具鋼、オーステナイトステンレス鋼、アルミニウム、およびチタン合金の機械加工）である。既知のＣｒＡｌＮおよびＣｒＡｌＳｉＮ被覆の高温用途での有益な効果にもかかわらず、工具、特に、より大きな生産性とさらなる摩耗の減少とを提供することのできる切削、成形工具および部品、による特定の用途のためのさらなる良好な性能を与えることができる代替案が見いだされるべきである。
ＣｒＡｌベースの層の切削性能は、機械加工の際に要求されるアルミナベースの表層の形成をもたらすことができる三重被覆形態の使用によって、さらに改善することができる。この被覆のための新しい被覆形態は、工具の有効寿命を増やし、加工製品材料の機械加工性と、さらにその生産性を増やす。本発明で提案された三重のＡｌＣｒＮベースの被覆は、工業的バルツァース(Balzers)急速被覆システム（ＲＣＳ）マシンを使って得られた。このマシンは、急速な加熱と高い付着強さを促進する基板のエッチングとを可能にする低電圧アーク放電配置を含む。この機器には、スパッタリング、陰極アーク、およびナノ拡散アークジェットソースから選択できる６つの堆積ソースも設置されている。堆積の際に、固定状またはパルス状のバイアス電源を使うことによって、ある負のバイアス電圧を基板工具または部品に印加することができる。ＲＣＳ装備の全ての説明および図面は、特許文献４の下で見出すことができる。
［発明の概要］
本発明は、革新的な被覆三層システム、および対応する被覆された工具と部品に関連する。ある表面を有し、該表面の少なくともいくつかの部分が耐摩耗性の硬質被覆で覆われ、その硬質被覆は、外部表面層およびそれに続く第２の埋込層を有し、そして埋込層は表面層と主要層の間に配置され、主要層は直接に、または差し挟む付着層を介して、加工製品上に堆積される。
本発明は、革新的な被覆三層システム、および対応する被覆された工具と部品に関連する。ある表面を有し、該表面の少なくともいくつかの部分が耐摩耗性の硬質被覆で覆われ、その硬質被覆は、外部表面層およびそれに続く第２の埋込層を有し、そして埋込層は表面層と主要層の間に配置され、主要層は直接に、または差し挟む付着層を介して、加工製品上に堆積される。
表面層はＡｌＣｒＺを有し、ここで、Ｚは、０．２μｍ＜ｔ１＜２μｍの厚さ（ｔ１）を持ったＮ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、またはＣＢＮＯを表す。
埋込層は、以下の材料またはそれらの組み合わせのいずれかの１つを有する：金属窒化物、炭化物または炭窒化物（例えば、Ｔｉ（Ｃ）Ｎ、Ｔａ（Ｃ）Ｎ、Ｎｂ（Ｃ）Ｎ、Ｗ（Ｃ）Ｎ、ＷＴａ（Ｃ）Ｎ、ＷＴｉ（Ｃ）Ｎなど）、もしくは金属ケイ素窒化物、炭化物または炭窒化物（例えば、ＴｉＳｉ（Ｃ）Ｎ、ＴａＳｉ（Ｃ）Ｎ、ＷＳｉ（Ｃ）Ｎ、ＴｉＷＳｉ（Ｃ）Ｎ）。ここで、それら少なくとも１つの金属は少なくとも１つのＩＶＢ、ＶＢまたはＶＩＢ族の遷移金属、あるいは少なくとも１つの金属または炭素、好ましくはダイアモンド状（ダイアモンドライク）炭素層、を有する材料の多層、または材料、または材料の組み合わせか多層である。また、埋込層は０．１μｍ＜ｔ２＜１．５μｍの厚さ（ｔ２）を持つ。
主要層は、埋込層の熱伝導率（ＴｃＢ）の７０％より小さいかあるいはそれに等しい熱伝導率（ＴｃＭ）を持った、窒化物、炭化物または炭窒化物、もしくは窒化物、炭化物または炭窒化物材料の多層を有する。主要層は、好ましくは、ＩＶＢ、ＶＢまたはＶＩＢ族の遷移金属うちの少なくとも１つ、Ａｌ、ＳｉまたはＢのうちの少なくとも１つの元素、および、Ｏ、ＣおよびＮのうちの少なくとも１つ、を有する。その層は１μｍ＜ｔ３＜１０μｍの厚さ（ｔ３）を持つ。主要層は、直接または差し挟む付着層によって加工製品上に堆積させることができる。その付着層は、上述のような遷移金属または金属窒化物、好ましくはＡｌＣｒ、ＡｌＴｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＴｉＮ、ＴｉＮまたはＣｒＮが可能である。
本発明に関連する実験において、６つの堆積ソースのうちの２つがＴｉＳｉＮまたはＴｉＮ埋込層（約０．３μｍ厚さ）を含めるために使われたが、一方で、残りの４つのソースは、焼結されたアルミニウム−クロムターゲット（７０Ａｌ:３０Ｃｒ）およびイオンプレーティング堆積プロセスを使う第１および第３のＡｌＣｒＮ層を堆積するために利用された。
Ａｌ−Ｃｒ系をベースとする窒化物、炭化物、および炭窒化物被覆は酸化に対する優れた保護を提供することができ、これは、広い見地から、クロムの高い耐食性に因るものであり、アルミニウムと混合されたものが、酸化に対する強い保護層と被覆中への酸素の分散を形成する薄い保護アルミニウム酸化物の薄い表面層を形成することができる。Ｔｉ−Ａｌ系をベースとする窒化物、炭化物、および炭窒化物に比較して、ＡｌＣｒＸ（Ｘ＝Ｎ、Ｃ、ＣＮ）タイプの被覆は、クロムとアルミニウムの両方が高温においてさえも安定な酸化物を形成しないで、透過性のルチル(rutile)タイプのチタン酸化物層を形成することができない。アルミナとクロミア(chromia)の表面層の両方は、被覆とそれに続く工具に高い保護を提供できるが、アルミナは、拡散に対するバリアとしてより良好に働くことができ、耐久性の増加を与える機械加工の際にはより低い摩擦係数を持つことができるので、２つのうちで最も望ましいものである。
他方で、結晶性の二成分遷移金属窒化物、炭化物、および炭窒化物は、一般に、それらが酸化および拡散摩耗に対するより低い耐性を提供し、またより高い熱伝導率を持つので、アルミニウムを含んだ準安定な系ほどに望ましい機械的および物理的特性を持たない。本発明では、表面近くに位置する高い熱伝導層により、埋込層の構想に関して飛躍的に進歩した被覆設計が存在する。それは、主要層を提供する他の金属元素の拡散阻止に因るアルミナ表面層の形成のために必要な条件を提供し、そして、被覆／チップ界面において熱と熱伝導率を増やすことができるが、工具に対する耐熱性を維持する。保護層は、形成される酸化物層に保護を提供するために硬く、そして高温において安定でなければならないが、表面付近温度を上げて適切な表面酸化物を形成する可能性を備える。
図１は基板（１）を示し、それは何らかの既知の工具バルク材料（例えば高速度鋼、工具鋼、炭化物、超硬合金、ＣＢＮサーメット(cermet；陶性合金)、セラミックスなど．．．）から作ることができ、その材料は埋込層より低い熱伝導率および良好な硬度を持つ主要被覆層（３）で覆われる（例えば、少なくとも遷移金属と、さらにＡｌ、Ｓｉ、またはＢのうちの少なくとも１つの元素を含む炭化物、炭窒化物、または窒化物被覆）。主要被覆層（３）と基板（１）の間には、任意選択的に、薄い付着層（２）を、主要層（３）をさらに良好に保護し、そして基板（１）の熱膨張と主要層（３）の熱膨張との間の緩やかな移り変わりを提供するために配置することができる。付着層は純粋な金属（Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、またはＺｒのような）、または窒化物（ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＶＮなど．．．のような）を有することができる。表面近くでは、埋込まれた保護層（４）が、Ａｌ−Ｃｒ−Ｘ−Ｃ−０−Ｎ系をベースとする外部表面層（５）の酸化挙動の変化を誘発するＣｒＡｌＮよりも大きな熱容量を持つ。ここに、Ｘは遷移金属、または遷移金属の組み合わせである。最適化されない被覆設計の酸化を、比較の理由から図２に示す。環境雰囲気で３時間酸化させた後、比較のサンプル＃５のみがクロムをベースとする表面酸化物層を生成した反面、比較のサンプル＃６はアルミニウムをベースとする薄い酸化物層を生成したがクロム酸化物で覆われた。一方、同じ処理条件下のＡｌＣｒＮ−ＴｉＮ−ＡｌＣｒＮの最適化された厚さの層で構成した三重被覆は、図３に示すようなＡｌＯｘとＡｌＣｒＯｘ層の形成をもたらす。図２および図３における、グロー放電光学発光分光（glow discharge optical emission spectroscopy；ＧＤＯＥＳ）によって得られた深さ方向分布は、表面中へのクロム拡散が埋込層の後から開始することを示し、それはクロムの表面への濃縮を減らすことになり、従ってＡｌ／Ｃｒの比率を増やし、そしてＡｌＯｘとＡｌＣｒＯｘの交互層を形成する。これら薄い表層は、それらの接触面の好ましい摩擦化学に起因して、工具とチップとの間の潤滑層の役割を果たすことができる。埋込層は表面への遷移金属原子の拡散を減らすだけでなく、結局は保護層を薄く離層しうるような界面への酸素原子の流れを防止することもする。様々な埋込み深さにおける三重ＡｌＣｒＮ−ＴｉＮ−ＡｌＣｒＮ層の酸化試験結果を図４に示す。その結果は、１．５マイクロメートル未満だけ表面から離れて埋込まれたＴｉＮの層が、まさに耐酸化性を改善した、ということを示している。
［いくつかの通常の被覆材料の熱伝導率と拡散バリア特性］
一方、埋込層は、通常、外部および第３の（主要）層よりも高い熱伝導率を持つであろう。上記の表は、通常の被覆材料に対する拡散バリア特性と熱伝導率の概要を提供する。外部および主要層に対する埋込層の高い熱伝導率は、表面近くのチップに向かう縦方向の熱流の改善を促進するが、それによって工具中への横方向の熱流は、第３の主要被覆層の低い熱伝導率に起因して減少する。その結果が、減少した研摩剤、拡散、および酸化摩耗特性を備えた機構部品と切削工具のための保護被覆システムである。
［実験結果］
［例１］：
工具鋼のミリング加工(Milling)−荒削り
切削工具：エンドミル(End Mill)超硬合金荒削り
直径Ｄ＝１０ｍｍ、歯数ｚ＝４
試片：工具鋼，Ｘ４０ＣｒＭｏＶ５１，ＤＩＮ１．２３４４（３６ＨＲＣ）
切削パラメータ：切削速度ｖｃ＝１２０ｍ／ｍｉｎ（Ｓ＝３８２０ １／ｍｉｎ）
搬送速度ｆｚ＝０．０９０ｍｍ／Ｕ（ｆ＝１３７５ｍｍ／ｍｉｎ）
切削径方向深さａｅ＝２．５ｍｍ
切削軸方向深さａｐ＝５．５ｍｍ
冷却：エマルジョン６％
プロセス：ダウン・ミリング(down milling)
工具寿命判定基準：側面摩耗ランド幅ＶＢ＞０．１０ｍｍ
［例１］：
工具鋼のミリング加工(Milling)−荒削り
切削工具：エンドミル(End Mill)超硬合金荒削り
直径Ｄ＝１０ｍｍ、歯数ｚ＝４
試片：工具鋼，Ｘ４０ＣｒＭｏＶ５１，ＤＩＮ１．２３４４（３６ＨＲＣ）
切削パラメータ：切削速度ｖｃ＝１２０ｍ／ｍｉｎ（Ｓ＝３８２０ １／ｍｉｎ）
搬送速度ｆｚ＝０．０９０ｍｍ／Ｕ（ｆ＝１３７５ｍｍ／ｍｉｎ）
切削径方向深さａｅ＝２．５ｍｍ
切削軸方向深さａｐ＝５．５ｍｍ
冷却：エマルジョン６％
プロセス：ダウン・ミリング(down milling)
工具寿命判定基準：側面摩耗ランド幅ＶＢ＞０．１０ｍｍ
例１は、標準的なＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ単一層およびＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ多層と比較した、最適化された新規な三重被覆の増加した工具寿命を呈する。
［例２］：
硬化鋼のミリング加工(Milling)
切削工具：ボールノーズエンドミル(Ball nose end mill)超硬合金
直径Ｄ＝１０ｍｍ、歯数ｚ＝２
試片：Ｋ３４０（６２ＨＲＣ）Ｃ１．１％，Ｓｉ０．９％，Ｍｎ０,４％，Ｃｒ８．３％，Ｍｏ２．１％，Ｍｏ２．１％，Ｖ０．５％
切削パラメータ：切削速度ｖｃ＝０〜１２０ｍ／ｍｉｎ
搬送速度ｆｚ＝０．１０ｍｍ／Ｕ
切削径方向深さａｅ＝０．２ｍｍ
切削軸方向深さａｐ＝０．２ｍｍ
冷却：乾燥
プロセス：フィニッシング(Finishing)
工具寿命判定基準：側面摩耗ランド幅ＶＢ＞０．３０ｍｍ
硬化鋼のミリング加工(Milling)
切削工具：ボールノーズエンドミル(Ball nose end mill)超硬合金
直径Ｄ＝１０ｍｍ、歯数ｚ＝２
試片：Ｋ３４０（６２ＨＲＣ）Ｃ１．１％，Ｓｉ０．９％，Ｍｎ０,４％，Ｃｒ８．３％，Ｍｏ２．１％，Ｍｏ２．１％，Ｖ０．５％
切削パラメータ：切削速度ｖｃ＝０〜１２０ｍ／ｍｉｎ
搬送速度ｆｚ＝０．１０ｍｍ／Ｕ
切削径方向深さａｅ＝０．２ｍｍ
切削軸方向深さａｐ＝０．２ｍｍ
冷却：乾燥
プロセス：フィニッシング(Finishing)
工具寿命判定基準：側面摩耗ランド幅ＶＢ＞０．３０ｍｍ
例２は、最適化された両方の新規な三重被覆に対して９３ｍの工具寿命を呈する。最も近い状況の当技術の層ＡｌＴｉＮのみが８３ｍの寿命を有していた。
１ 基板
２ 薄い付着層
３ 主要被覆層（主要層）
４ 保護層
５ 外部表面層
２ 薄い付着層
３ 主要被覆層（主要層）
４ 保護層
５ 外部表面層
Claims (9)
- 基板（１）の表面上の少なくとも主要層（３）、埋込層（４）、および外部表面層（５）を有する硬質被覆層システムであって、表面層（５）はＡｌＣｒＺを有し、ここで、ＺはＮ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、またはＣＢＮＯを表し、
前記表面層（５）は０．２μｍ＜ｔ１＜１．５μｍの厚さｔ１を持ち、
前記埋込層（４）はダイアモンド状炭素層であり、
前記主要層（３）は、埋込層（４）の熱伝導率ＴｃＢの７０％より小さいかあるいはそれに等しい熱伝導率ＴｃＭを持った、窒化物、炭化物または炭窒化物、もしくは窒化物、炭化物または炭窒化物材料の多層を有することを特徴とする硬質被覆層システム。 - 前記主要層（３）と前記基板（１）の表面の間に付着層（２）が配置されることを特徴とする請求項１に記載の硬質被覆層システム。
- 前記埋込層（４）は０．１μｍ＜ｔ２＜１．５μｍの厚さｔ２を持つことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被覆層システム。
- 前記主要層（３）は１μｍ＜ｔ３＜１０μｍの厚さｔ３を持つことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の硬質被覆層システム。
- 前記主要層は、ＩＶＢ、ＶＢまたはＶＩＢ族の遷移金属うちの少なくとも１つ、Ａｌ、ＳｉまたはＢのうちの少なくとも１つの元素、および、Ｏ、ＣおよびＮのうちの少なくとも１つ、を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の硬質被覆層システム。
- 前記付着層（２）は、ＩＶＢ、ＶＢ、ＶＩＢ族の遷移金属、または金属窒化物のうちの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の硬質被覆層システム。
- 前記付着層（２）は、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｚｒ、ＡｌＣｒ、ＡｌＴｉ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＴｉＮ、ＴｉＮ、ＶＮまたはＣｒＮを有することを特徴とする請求項６に記載の硬質被覆層システム。
- 前記基板（１）は、高速度鋼、工具鋼、超硬合金、ＣＢＮサーメット、またはセラミックスを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の硬質被覆層システム。
- 前記表面の少なくとも一部が請求項１から８のいずれか１項に記載の耐摩耗硬質被覆によって被覆された表面（１）を持つ、工具または部品。
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