JP5148965B2 - 被膜付き切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、硬質合金の基材と、この基材表面に物理蒸着（ＰＶＤ）またはプラズマ化学蒸着（プラズマＣＶＤ）により被着した硬質で耐摩耗性の耐熱被膜とを備えた、金属の機械加工用の被膜付き切削工具に関する。

例えば超硬合金切削工具にアルミナ、炭化チタンおよび／または窒化チタンのような薄いセラミクス被膜（１〜２０μｍ）を被着するプロセスは十分に確立された技術であり、この被膜付き切削工具を金属の機械加工に用いると工具寿命が大幅に長くなる。被膜なしの切削工具に対して工具寿命は条件によっては数百パーセントも長くなる。セラミクス被膜は一般に単層構造または多層構造である。新しい市販の切削工具は２層またはそれ以上の多層構造である。被膜の全厚は１〜２０μｍであり、個々の構成層の厚さは数μｍから数百分の１μｍの間である。

このような層を被着する確立した技術としてＣＶＤおよびＰＶＤがある（特許文献１（アメリカ合衆国特許第4,619,866号）および特許文献２（アメリカ合衆国特許第4,346,123号）を参照）。超硬合金または高速度鋼にＰＶＤで被着した市販の工具は通常、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ,Ｎ）または（Ｔｉ,Ａｌ）Ｎの均質組成の単層を備えているか、または、上記の各単相を個々の構成層とする多層被膜を備えている。

切削工具に薄い耐熱被膜を施すことができるＰＶＤ技術は幾つか存在する。最も確立した技術として、イオンプレーティング、マグネトロンスパッタリング、アーク放電蒸着、およびＩＢＡＤ（イオンビーム蒸着）およびこれらの複合技術がある。各技術には各々特徴があって、生成した被着層の固有特性であるミクロ組織、粒径、硬さ、応力状態、凝集強度、基材との密着強度は、どのＰＶＤ法を用いたかによって異なる。したがって、ＰＶＤ被膜付き切削工具の耐摩耗性または刃先性状は、個々の機械加工用途毎に上記の各特性のうち１つまたは幾つかを最適化することによって達成できる。

粒子で強化したセラミクスはバルク形態の構造用材料としては良く知られていたが、ナノコンポジット材料としては最近まで知られていなかった。複数種類のナノ分散粒子を添加したアルミナのバルクセラミクスが、非特許文献１（J.F.Kuntz et al., MRS Bulletin Jan 2004, pp22-27）に開示されている。ジルコニアとチタニアとで強靭化したアルミナＣＶＤ層が、例えば特許文献３（アメリカ合衆国特許第6,660,371号）、特許文献４（アメリカ合衆国特許第4,702,905号、特許文献５（アメリカ合衆国特許第4,701,384号）に開示されている。後者の例では、各層はＣＶＤで被着され、生成したＺｒＯ_２相は熱力学的に安定な相すなわち単斜晶相である。更に、これらのＣＶＤ被着した層は一般に引張応力状態または低レベルの圧縮応力状態にあって、これに対してＰＶＤまたはＰＥＣＶＤで被着した層はこれら被着方法に固有な特性により典型的には高レベルの圧縮応力状態である。特許文献６（アメリカ合衆国特許出願公開第2005／026432号）には、アルミナ＋ジルコニアのＣＶＤ層にブラスト処理を施して圧縮応力を付与している。ブラスト処理は中レベルの圧縮応力を導入することが知られている。

ジルコニアの準安定相である正方晶相または立方晶相は変態強靭化として知られているメカニズムによってバルクセラミクスを改良することが示されている（非特許文献２（Hannik et al, J.Am.Ceram.Soc 83(3)461-87）、非特許文献３（Evans, Am.Ceram.Soc.73(2)187-206(1990)））。上記の準安定相は、安定化元素としてＹまたはＣｅなどを添加したり、あるいは、真空のような酸素欠乏雰囲気とすることで改良することが示されており（非特許文献４（Tomaszewski et al., J.Mater.Sci.Lett 7(1988)778-80））、それには典型的にはＰＶＤ法の適用が必要である。ＰＶＤ法のパラメータを変化させることにより、酸素の化学量論比を変化させると、ジルコニアの準安定相、特に立方晶ジルコニア相が生成することが示されている（非特許文献５（Ben Amor et al, Mater. Sci. Eng. B57 (1998) 28））。

切削用として金属の窒化物または炭化物から成るＰＶＤによる多層構造が特許文献７（ヨーロッパ特許出願公開第EP0709483号）に記載されており、金属の窒化物および炭化物で対称的に構成した多層構造が用いられており、また特許文献８（アメリカ合衆国特許第6,103,357号）には金属の窒化物および炭化物を非周期的に積層した多層構造が記載されている。

特許文献９（スエーデン特許出願第SE0700867-7号）および特許文献１０（スエーデン特許出願第SE0600104-4号）には、少なくとも表面の機能部分に薄くて密着性のある硬質の耐摩耗性被膜を施した、金属の機械加工用の切削工具インサートが開示されている。この被膜は、２種類の構成相から成り粒径が１〜１００ｎｍである金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層を含んでいる。

アメリカ合衆国特許第4,619,866号 アメリカ合衆国特許第4,346,123号 アメリカ合衆国特許第6,660,371号 アメリカ合衆国特許第4,702,905号 アメリカ合衆国特許第4,701,384号 アメリカ合衆国特許出願公開第2005／026432号 ヨーロッパ特許出願公開第EP0709483号 アメリカ合衆国特許第6,103,357号 スエーデン特許出願第SE0700867-7号 スエーデン特許出願第SE0600104-4号 J.F.Kuntz et al., MRS Bulletin Jan 2004, pp22-27 Hannik et al, J.Am.Ceram.Soc 83(3)461-87 非特許文献３（Evans, Am.Ceram.Soc.73(2)187-206(1990)）） Tomaszewski et al., J.Mater.Sci.Lett 7(1988)778-80） Ben Amor et al, Mater. Sci. Eng. B57 (1998) 28

本発明は、耐摩耗性と、熱起因の破損に対する抵抗力とを共に高めたＰＶＤまたはＰＥＣＶＤによる被膜付き切削工具を提供することを目的とする。

本発明によれば、超硬合金、セラミクス、立方晶窒化硼素、高速度鋼のうちのいずれかの基材、望ましくは超硬合金またはサーメットの基材の表面に積層した多層構造の耐摩耗被膜を施した旋削、フライス、ドリル加工などの機械加工用の切削工具が提供される。この切削工具の形態としては、割付可能なインサート（indexable insert）があるし、ドリル、ミルなどのシャンクタイプ工具もある。

上記の被膜は更に、積層した多層構造の下に、単層または多層の第１内層として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、ＹまたはＳｉのうちから選択した１種以上の金属の炭化物、窒化物または単窒化物から成り、厚さ０．２〜２０μｍの層を付加的に含むことができる。

上記被膜は、基材の全面に施すか、または、刃先、すくい面、逃げ面などの金属切削過程に参画する面などの少なくとも機能表面に施す。

本発明の被膜は、基材に密着性良く接合しており、ＰＶＤまたはＰＥＣＶＤによる複数の金属酸化物層をＭｅ_１Ｘ＋Ｍｅ_２Ｘ＋Ｍｅ_１Ｘ＋Ｍｅ_２Ｘ・・・・という形で交互に積層した多層構造を有し、金属元素Ｍｅ_１およびＭｅ_２はＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、ＹおよびＳｉのうちの１種以上、望ましくはＨｆ、Ｔａ、Ｃｒ、ＺｒおよびＡｌのうちの１種以上、最も望ましくはＺｒおよびＡｌのうちの１種以上であり、Ｍｅ_１ＸおよびＭｅ_２Ｘのうちの少なくとも１種は、金属酸化物マトリクス中に金属酸化物成分が分散したナノコンポジット層であり、以下これを金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジットと呼ぶ。Ｍｅ_１ＸとＭｅ_２Ｘとは組成および／または組織が異なる。個々の層Ｍｅ_１ＸとＭｅ_２Ｘの厚さの並び方は多層構造全体に亘って非周期的であることが望ましい。ここで非周期的とは、個々の層の厚さがその直下の層の厚さに依存せず、その上の層とは関係が無いことを意味する。すなわち、積層した多層構造は個々の層の厚さの並び方に繰返し周期がない。更に、個々の層の厚さは０．４ｎｍより大であるが５０ｎｍより小であり、望ましくは１ｎｍより大であるが３０ｎｍより小であり、最も望ましくは５ｎｍより大であるが２０ｎｍより小である。積層した多層構造全体の厚さは０．２〜２０μｍであり、望ましくは０．５〜５μｍである。

個々の金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層は、組成および組織が異なる２種類の成分から成る。各成分は、１種類の金属の１相の酸化物であるか、または、２種類以上の金属酸化物の固溶体である。本発明材料のミクロ組織の特徴として、平均粒径１〜１００ｎｍ、望ましくは１〜７０ｎｍ、最も望ましくは１〜２０ｎｍの粒状または柱状の成分Ａを成分Ｂが取り巻いている。成分Ｂの平均直線切片は０．５〜２００ｎｍ、望ましくは０．５〜５０ｎｍ、最も望ましくは０．５〜２０ｎｍである。

金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層は、酸素含有量が化学量論的な量を下回っており、化学量論上の金属：酸素の原子比に対して、金属：酸素の原子比は８５〜９９％、望ましくは９０〜９７％である。成分Ａおよび成分Ｂの体積含有量はそれぞれ４０〜９５％および５〜６０％である。

本発明の一実施形態においては、Ｍｅ_１Ｘは粒状または柱状の成分Ａとして望ましくは正方晶または立方晶のジルコニアと、これを取り巻く成分Ｂとして望ましくは非晶質または結晶質のアルミナであってα相および／またはγ相とを含む金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層であり、Ｍｅ_２ＸはＡｌ_２Ｏ_３層であって望ましくはα相および／またはγ相である。

本発明の他の実施形態においては、Ｍｅ_１Ｘは粒状または柱状の成分ＡとしてＨｆの酸化物と、これを取り巻く成分Ｂとして非晶質または結晶質のアルミナであってα相および／またはγ相とを含む金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層であり、Ｍｅ_２Ｘはアルミナ層であって望ましくはα相および／またはγ層である。

本発明の他の実施形態においては、Ｍｅ_１Ｘは粒状または柱状の成分Ａとこれを取り巻く成分Ｂとを含む金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層であり、Ｍｅ_２Ｘは粒状または柱状の成分Ａとこれを取り巻く成分Ｂとを含む金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層であり、Ｍｅ_１Ｘの成分Ａの金属元素はＭｅ_２Ｘの成分Ａの金属元素とは異なり、かつ／または、Ｍｅ_１Ｘの成分Ｂの金属元素はＭｅ_２Ｘの成分Ｂの金属元素とは異なる。

本発明の他の実施形態においては、Ｍｅ_１Ｘは粒状または柱状の成分Ａとして正方晶または立方晶のジルコニアとこれを取り囲む成分Ｂとして非晶質または結晶質のアルミナとを含む金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層であり、Ｍｅ_２Ｘは粒状または柱状の成分Ａとして正方晶または立方晶のジルコニアとこれを取り囲む成分Ｂとして非晶質または結晶質のアルミナとを含む金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層であり、Ｍｅ_１Ｘ中の成分Ａの体積含有量はＭｅ_２Ｘ中の成分Ａの体積含有量より大であり、望ましくは絶対単位でＭｅ_１Ｘ中の成分Ａの体積含有量はＭｅ_２Ｘ中の成分Ａの体積含有量よりも５％以上大である。

積層した多層構造は、生成方法に起因する残留応力が、２００〜５０００ＭＰａ、望ましくは１０００〜３０００ＭＰａの圧縮応力である。

本発明の被膜は更に、積層した多層構造の上に、単層または多層の外側被膜として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、ＹおよびＳｉから選択した１種以上の金属の炭化物、窒化物または炭窒化物から成り、厚さ０．２〜５μｍの層を付加的に含むことができる。

本発明の被膜は、ＰＶＤ法、ＰＥＣＶＤ法、またはこれらを組み合わせた方法により形成する。具体例として、ＲＦ（ラジオ周波数）マグネトロンスパッタリング、ＤＣマグネトロンスパッタリング、およびパルス式２重マグネトロンスパッタリング（ＤＭＳ：dual magnetron sputtering）がある。被膜の形成は基材温度２００〜８５０℃で行なう。

用いるＰＶＤ法のタイプで可能であれば、金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層を、複合酸化物ターゲット材料を用いて製膜する。金属ターゲットを用い反応性ガス雰囲気中で行なう反応性プロセスは、もう１つの製膜方法である。マグネトロンスパッタリング法により金属酸化物層を形成する場合、単体金属のターゲットを２個以上用い、ターゲットの切り替えにより金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット組成を制御することができる。望ましい方法においては、望みの層組成を反映した組成の化合物をターゲットとして用いる。ラジオ周波数（ＲＦ）スパッタリングの場合、個々のターゲットに照射する出力レベルを個々に制御することで層組成を制御する。

非周期的な層構造は、大規模なＰＶＤまたはＰＥＣＶＤプロセスにおいて、複数の基材を多重ローテーションすることで形成してもよい。

〔実施例１〕
金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジットＡｌ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２層とＡｌ_２Ｏ_３層とが交互に積層した非周期的な多層構造を、ＲＦスパッタリングＰＶＤ法により基材表面に堆積させた。

上記のナノコンポジット層は、高純度酸化物ターゲットを用い、プロセス条件として温度およびジルコニア／アルミナ比を種々に変えて堆積させた。形成したナノコンポジット層中の２種類の酸化物の含有量は、あるレベルの出力をジルコニアターゲットに照射し、これとは異なるレベルの出力をアルミナターゲットに照射することにより制御した。準安定ＺｒＯ_２相を有する複合材料を形成する目的で、ジルコニアのフラックス（流束）にアルミナを添加した。この場合のターゲット出力レベルは各酸化物ターゲットについて８０Ｗであった。スパッタリングレートの調節により、アルミナの２倍のジルコニアａ％を得た。酸素：金属の原子比は化学量論的な酸素：金属の原子比の９４％であった。

Ａｌ_２Ｏ_３層は、アルミナターゲットを用い、アルゴン雰囲気中で堆積させた。

得られた各層をＸＲＤとＴＥＭで解析した。ＸＲＤ解析の結果、ナノコンポジット層中には結晶質のアルミナの痕跡は全く見当たらず、Ａｌ_２Ｏ_３層は主としてγＡｌ_２Ｏ_３で構成されていた。

ＴＥＭ観察の結果、堆積した被膜は、平均粒径４ｎｍの粒子（成分Ａ）が直線切片２ｎｍの非晶質層（成分Ｂ）に取り囲まれた金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層と、γＡｌ_２Ｏ_３層とが交互に積層した多層構造であった。ナノコンポジット層の粒子は立方晶ＺｒＯ_２であり、これを取り囲む相はアルミニウム含有量が高かった。個々の層の厚さは６〜２０ｎｍの範囲内であり、多層構造全体の厚さは約１μｍであった。

成分Ａと成分Ｂの２成分の相対的な体積含有量はそれぞれ概略で７０％と３０％であった。これはＥＲＤＡ解析とＴＥＭ像のＥＤＳラインスキャンとによって求めた。

〔実施例２〕
金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジットＡｌ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２層とγＡｌ_２Ｏ_３層とが交互に積層した多層構造被膜を、高純度のＡｌターゲットおよびＺｒターゲットを用いアルゴンと酸素の混合雰囲気中で反応性ＲＦスパッタリングＰＶＤ法により基材表面に堆積させた。形成したナノコンポジット層中の２種類の酸化物の含有量は、あるレベルの出力をＺｒターゲットに照射し、これとは異なるレベルの出力をＡｌターゲットに照射することにより制御した。アルミナに対して１〜２倍のジルコニアat％の複合材料を形成する目的で、スパッタリングレートを調節した。Ａｌ_２Ｏ_３層は、アルミニウムターゲットを用い、アルゴンと酸素の混合雰囲気中で堆積させた。

ＸＲＤ解析の結果、ナノコンポジット層中に準安定ＺｒＯ_２相が存在することが分かった。ＴＥＭ観察の結果、堆積した被膜は、平均粒径６ｎｍの粒子（成分Ａ）が直線切片３ｎｍの非晶質層（成分Ｂ）に取り囲まれた金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層と、γＡｌ_２Ｏ_３層とが交互に積層した多層構造であった。ナノコンポジット層の粒子はジルコニウム含有量が高く、これを取り囲む相はアルミニウム含有量が高かった。個々の層の厚さは１０〜２０ｎｍの範囲内であり、多層構造全体の合計厚さは約３μｍであった。

成分Ａと成分Ｂの２成分の相対的な体積含有量は概略で７５％と２５％であった。これはＥＲＤＡ解析とＴＥＭ像のＥＤＳラインスキャンとによって求めた。

〔実施例３〕
金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジットＡｌ_２Ｏ_３＋ＺｒＯ_２層が２種類交互に積層した多層構造被膜を、高純度のＡｌ＋Ｚｒ複合ターゲットを用いアルゴンと酸素の混合雰囲気中で２重マグネトロンスパッタリングＰＶＤ法により基材表面に堆積させた。形成した２種類のナノコンポジット層中の２種類の酸化物の含有量は、Ａｌ＋Ｚｒ複合ターゲット中の両成分の相対量によって制御した。基材取り付けテーブル全体の回転と、個々の基材を取り付けたピン毎のホルダーの回転と、個々のピンの回転とによる３重の回転を基材に行なった。

ＸＲＤ解析の結果、各層中に準安定ＺｒＯ_２層が存在することが分かった。ＴＥＭ観察の結果、堆積した被膜は、金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層が２種類交互に積層した多層構造であり、平均粒径６ｎｍの粒子（成分Ａ）を含んで構成されていた。各層の粒子はジルコニウム含有量が高く、これを取り囲む相はアルミニウム含有量が高かった。個々の層の厚さは１０〜２０ｎｍの範囲内であり、多層構造全体の合計厚さは約３μｍであった。

ＥＲＤＡ解析とＴＥＭ像のＥＤＳラインスキャンの結果、交互に積層して多層構造を構成する２層は、第１タイプの層は体積含有量が成分Ａ約７０％と成分Ｂ約３０％であり、第２タイプの層は体積含有量が成分Ａ約５０％と成分Ｂ約５０％であった。

本発明の被膜付き切削工具の断面を模式的に示しており、基材（１）に非周期的に積層された多層構造（２）を備え、多層構造（２）を構成する個々の金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層であるＭｅ_１Ｘ（３）とＭｅ_２Ｘ（４）は個々に層厚（５）を持つ。個々の層の厚さの並び方は多層構造全体に亘って非周期的である。

Claims (7)

1. 超硬合金、サーメット、セラミクス、立方晶窒化硼素、高速度鋼のうちのいずれかの基材の表面の少なくとも機能部分に薄くて密着性があり硬質の耐摩耗被膜を施した切削工具において、上記被膜は、ＰＶＤまたはＰＥＣＶＤによる複数の金属酸化物層をＭｅ_１Ｘ＋Ｍｅ_２Ｘ＋Ｍｅ_１Ｘ＋Ｍｅ_２Ｘ・・・・という形で交互に積層した多層構造を有し、金属元素Ｍｅ_１およびＭｅ_２はＴｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、ＹおよびＳｉのうちの１種以上であり、Ｍｅ_１ＸおよびＭｅ_２Ｘのうちの少なくとも１種は、組成および組織が異なる２成分である成分Ａおよび成分Ｂから成る金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層であり、これら成分は各々が１種類の金属元素の単一の酸化物相または２種類以上の金属酸化物の固溶体であり、Ｍｅ_１Ｘ層およびＭｅ_２Ｘ層は組成および組織の一方または両方が異なり、個々の層の厚さは０．４ｎｍより大で５０ｎｍより小、これらが交互に積層した多層構造の上記被膜の合計厚さは０．２〜２０μｍであり、
   上記成分Ａは正方晶または立方晶のジルコニアを含み、上記成分Ｂは非晶質または結晶質のアルミナであり、該アルミナはα相およびγ相の一方または両方であり、
   上記成分Ａおよび上記成分Ｂの体積含有量がそれぞれ４０〜９５％および５〜６０％であることを特徴とする切削工具。
2. 請求項１において、上記Ｍｅ_１Ｘ層およびＭｅ_２Ｘ層の個々の厚さが１ｎｍより大で３０ｎｍより小であることを特徴とする切削工具。
3. 請求項１または２において、上記被膜が、単層または多層の第１内層として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、ＹまたはＳｉのうちから選択した１種以上の金属の炭化物、窒化物または炭窒化物から成り、厚さ０．２〜２０μｍの層を付加的に含むことを特徴とする切削工具。
4. 請求項１から３までのいずれか１項において、上記多層構造の上に、単層または多層の外側被膜として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｔａ、ＹまたはＳｉのうちから選択した１種以上の金属の炭化物、窒化物または炭窒化物から成り、厚さ０．２〜５μｍの層を付加的に含むことを特徴とする切削工具。
5. 請求項１から４までのいずれか１項において、上記成分Ａは、平均粒径が１〜１００ｎｍであることを特徴とする切削工具。
6. 請求項１から５までのいずれか１項において、上記成分Ｂは、平均直線切片が０．５〜２００ｎｍであることを特徴とする切削工具。
7. 請求項１から６までのいずれか１項において、Ｍｅ_１Ｘは金属酸化物＋金属酸化物のナノコンポジット層であり、Ｍｅ_２Ｘはα相およびγ相の一方または両方の結晶質アルミナ層であることを特徴とする切削工具。

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