JP5654562B2

JP5654562B2 - 高温を生じる金属切削用途のためのコーティングされた切削工具

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Publication number: JP5654562B2
Application number: JP2012503362A
Authority: JP
Inventors: ヨハンソンマッツ; ローグストレ−ムリナ; ヨンソンラーシュ; オデンマグニュス; フルトマンラーシュ
Original assignee: サンドビックインテレクチュアルプロパティーアクティエボラーグ
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2029-06-09
Also published as: KR20120014120A; WO2010114448A1; KR101614979B1; US8741011B2; EP2427592A4; EP2427592A1; US20120114442A1; CN102378831B; JP2012522653A; CN102378831A

Description

本発明は、チップ除去による機械加工のための切削工具インサート及び物理気相成長（ＰＶＤ）、好ましくは陰極アーク蒸発又はマグネトロンスパッタリングによって成長した高Ｚｒ含有量を有する少なくとも１つの（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層を含む耐摩耗性コーティングに関する。このインサートは、高温を生じる金属切削用途、例えば、鋼、ステンレス鋼、及び焼き入れ鋼の機械加工において特に有用である。

Ｚｒ_1-xＡｌ_xＮ（０≦ｘ≦１．０）層は、合金及び又は金属の陰極を用いた陰極アーク蒸発によって合成されている（Ｈ．ＨａｓｅｇａｗａらのＳｕｒｆ．Ｃｏａｔ．Ｔｅｃｈ．２００（２００５））。Ｚｒ_1-xＡｌ_xＮ（ｘ＝０．３７）のピークはＮａＣｌ構造を示し、それはｘ＝０．５０でウルツ鉱型構造に変化した。

欧州特許出願公開第１７８５５０４号明細書では、表面コーティングされた基材と当該基材上に形成された高い硬度のコーティングが開示されている。この高い硬度のコーティングは、主成分としてのＡｌ並びにＺｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選択される少なくとも１つの元素を有する窒化物化合物を含有するコーティング層を含む。

特開平０４−０１７６６４号公報では、Ａｌ濃度が基材との界面から層の表面の方へ連続的又は段階的に変化するＺｒ_xＡｌ_1-x（０．５≦ｘ≦１．０）の炭化物、窒化物及び炭窒化物のうちの少なくとも１種からなる勾配層が開示されている。

欧州特許出願公開第１９３５９９９号明細書では、耐摩耗性コーティングを有する超硬エンドミル加工用工具が開示されている。耐摩耗性コーティングはＰＶＤのＡｌＭｅ窒化物又は炭窒化物の第１層を含み、ここで、ＭｅはＺｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ又はＴｉであり、Ａｌ／Ｍｅの原子分率は１．２０〜１．５０であり、耐摩耗性コーティングはＰＶＤのＡｌＭｅ窒化物又は炭窒化物の第２層をさらに含み、ここで、ＭｅはＺｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ又はＴｉであり、Ａｌ／Ｍｅの原子分率は１．３０〜１．７０である。

環境保護のための乾燥作業プロセス、すなわち切削液（潤滑剤）を使用しない金属切削操作への傾向、及びプロセスの改善とともに加速される機械加工速度により、工具の刃先温度の上昇による工具材料の特性に非常により高い要求が置かれる。とりわけ、高温でのコーティングの安定性、例えば酸化及び摩耗抵抗性が非常により重要となってくる。

本発明の目的は、高温での金属切削用途において改善された性能を有するコーティングされた切削工具インサートを提供することである。

超化学量論組成の（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層においてＺｒ含有量を高くすることで、高温特性が改善され、とりわけ金属切削の際のクレーター摩耗抵抗性が改善されることが見出された。

破壊された（Ａｌ，Ｚｒ）Ｎ層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による顕微鏡写真である。熱処理温度に対するＸ線回折パターンである。熱処理温度及び組成（（Ｚｒ_xＡｌ_1-x）Ｎ中のｘ）に対する硬度である。（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層の高分解能透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面の顕微鏡写真である。

本発明によれば、超硬、サーメット、セラミックス、高速度鋼（ＨＳＳ）、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）又は多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）、好ましくは超硬及びサーメットの硬質合金の本体を含み、その上に、少なくとも１つの（Ｚｒ_xＡｌ_1-x）Ｎ_y層であって、例えば、ＥＤＳ又はＷＤＳ技術によって測定した場合に、０．４５＜ｘ＜０．８５、好ましくは０．５０＜ｘ＜０．７５であり、０．９０≦ｙ＜１．３０、好ましくは１．００＜ｙ＜１．２５、より好ましくは１．００＜ｙ＜１．２０であり、Ｘ線回折によって測定した場合に、単一立方晶相若しくは単一六方晶相又はそれらの混合物、好ましくは主として立方晶相を含む立方晶相と六方晶相の混合物からなる少なくとも１つの（Ｚｒ_xＡｌ_1-x）Ｎ_y層を含む耐摩耗性コーティングが堆積された、チップ除去による機械加工のための切削工具が提供される。元素組成ｘ及びｙは測定精度内にあり、好ましくは層全体にわたって１０％未満の変動である。組成の変動は、堆積の際の通常のプロセス変動、例えば堆積の際のインサートホルダーの回転によって生じることもある。

前記層は、０．５〜１０μｍ、好ましくは０．５〜５μｍの厚さであり、層の中間領域、すなわち、成長方向における厚さの３０〜７０％の領域を高分解能断面透過型電子顕微鏡によって測定した場合に、１００ｎｍ未満、好ましくは５０ｎｍ未満、最も好ましくは２５ｎｍ未満の平均結晶サイズのナノ結晶微細構造を有する。この平均結晶サイズは少なくとも１０個の隣接する結晶のサイズを測定することからの平均である。

ナノ結晶構造を有する堆積されたままの（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層は２３Ｇａ超、好ましくは３５ＧＰａ超の硬度を有する。

本体は、内側の単一層及び／又は多層コーティング、好ましくはＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）又は（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、最も好ましくはＴｉＮ又は（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの内側の単一層及び／又は多層コーティング、並びに／或いは外側の単一層及び／又は多層コーティング、好ましくはＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ又は酸化物、最も好ましくはＴｉＮ又は（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの外側の単一層及び／又は多層コーティングで、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層を含む合計のコーティング厚さであって、０．７〜２０μｍ、好ましくは１〜１０μｍ、最も好ましくは２〜７μｍの合計のコーティング厚さまでさらにコーティングすることができる。

１つの実施態様では、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層は、所望の層組成をもたらす陰極からの陰極アーク蒸発によって堆積され、好ましくは合金化された陰極の蒸発により、以下の条件、すなわち、５０〜２００Ａの蒸発電流、０〜−３００Ｖ、好ましくは−１０〜−１５０Ｖのバイアス、及び２００〜８００℃、好ましくは３００〜６００℃の温度で、Ａｒ＋Ｎ₂の混合雰囲気中、好ましくは純粋なＮ₂中、１．０〜７．０Ｐａ、好ましくは１．５〜４．０Ｐａの合計圧力において堆積される。

第２の実施態様では、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層は、所望の層組成をもたらすターゲットからのマグネトロンスパッタリングによって堆積され、好ましくは合金化された又は複合体のターゲットからのスパッタリングにより、以下の条件、すなわち、０．５〜１５Ｗ／ｃｍ²、好ましくは１〜５Ｗ／ｃｍ²のスパッタ陰極に適用される電力密度、０〜−３００Ｖ、好ましくは−１０〜−１５０Ｖのバイアス、及び２００〜８００℃、好ましくは３００〜６００℃の温度で、Ａｒ＋Ｎ₂の混合雰囲気中又は純粋なＮ₂雰囲気中、０．１〜７．０Ｐａ、好ましくは０．１〜２．５Ｐａの合計圧力において堆積される。

本発明はまた、５０〜５００ｍ／分、好ましくは７５〜４００ｍ／分の切削速度で、フライス加工の場合には、切削速度及びインサート形状に応じて、０．０８〜０．５ｍｍ、好ましくは０．１〜０．４ｍｍの一刃あたりの平均フィードで、鋼、ステンレス鋼、及び焼き入れ鋼を機械加工するための上記による切削工具インサートの使用に関する。

［例１］
ＷＣ９４ｗｔ％−Ｃｏ６ｗｔ％の組成を有する超硬インサート（微粒子）を使用した。

堆積前に、インサートを標準的な方法に従って洗浄した。システムを０．０８Ｐａ未満の圧力まで排気し、その後、インサートをＡｒイオンでスパッタ洗浄した。単一の（Ｚｒ_xＡｌ_1-x）Ｎ_y層を、合金化された（Ｚｒ，Ａｌ）陰極を用いた陰極アーク蒸発によって成長させた。層は４００℃で純粋Ｎ₂雰囲気中２．５Ｐａの合計圧力において−１００Ｖのバイアス及び１００Ａ〜２００Ａの蒸発電流により３μｍの合計厚さまで成長させ、表１による層組成を得た。

図１は、ナノ結晶構造に共通のガラス質の外観を有する本発明による（破壊された）断面における典型的な層のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。

（ＺｒｘＡｌ１−ｘ）Ｎｙ層の金属組成ｘは、ＴｈｅｒｍｏＮｏｒａｎＥＤＳを備えたＬＥＯＵｌｔｒａ５５の走査型電子顕微鏡を用いてエネルギー分散分光（ＥＤＳ）の分析領域によって得た。産業基準及びＺＡＦ補正を定量分析のために用い、ＮｏｒａｎＳｙｓｔｅｍＳｉｘ（ＮＳＳバージョン２）ソフトウェアを用いて評価した（表１を参照）。

窒素含有量ｙを、幾つかの（ＺｒｘＡｌ１−ｘ）Ｎｙ層について、入射４０ＭｅＶヨウ素イオンビームを用いた飛行時間弾性反跳検出分析（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔＥｌａｓｔｉｃＲｅｃｏｉｌＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓ）（ＥＲＤＡ）によって得た。得られた元素の深さプロファイルから、ｙの値を層中３００ｎｍの深さまでのデータを用いて算出した（表１を参照）。

時効硬化、すなわち、時間とともに増大するコーティングの硬化作用をシミュレーションするために、加速された試験条件を用いて、不活性Ａｒ雰囲気中最大１２００℃で１２分間のインサートの制御された等温熱処理を実行した。また、これは金属機械加工の際のインサートの刃先付近の典型的な温度である。

堆積されたままの層と熱処理された層のＸＲＤパターンを、ＣｕＫα放射線及びθ−２θ構成を用いて得た。層のピークは、典型的にはナノ結晶構造に特有のかなりブロードなものである。さらに、立方晶相の割合が熱処理温度の上昇とともに増加し、より明確に画定された回折ピークによって観測される。例として、図２は、熱処理温度の関数としての（Ｚｒ_0.67Ａｌ_0.33）Ｎ層に関するＸＲＤの結果を示し、立方晶相は（１１１）及び（２００）で示され、インサートが（Ｓ）で示され、六方晶相が点線で示される。この図から明らかなように、堆積されたままの層（２５℃とマークされた）は、ナノ結晶の六方晶及び立方晶構造の（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎの混合物を示す。

硬度のデータは、Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈダイヤモンドチップを備え、最大のチップ負荷が２５ｍＮのＵＭＩＳナノインデンテーションシステムを用いて層のナノインデンテーション技術により評価した。インデンテーションは研磨された表面上で行った。図３は、熱処理温度及び組成ｘの関数としての（Ｚｒ_xＡｌ_1-x）Ｎ層の硬度（Ｈ）を示す。ｘ＞０．５０の場合に、時効硬化の予想外の向上が得られている。具体的には、ｘ＝０．６７に関する硬度の増加は２５％を超え、すなわちその値は２５ＧＰａから３３ＧＰａである。

断面高分解能透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用い、ＦＥＩＴｅｃｈｎａｉＧ² ＴＦ２０ＵＴを２００ｋＶで操作して層の微細構造を調べた。試料の調製は、標準的な機械研削／研磨とイオンビームスパッタリングを含むものであった。図４は、層が２５ｎｍ未満の平均結晶サイズを有するナノ結晶微細構造を有することを示している。

［例２］
例１からのインサートを以下に従って試験した。
形状ＣＮＭＡ１２０４０８−ＫＲ
アプリケーション長手旋削
ワークピース材料ＳＳ１６７２
切削速度２４０ｍ／分
フィード０．２ｍｍ／回転
切削深さ２ｍｍ

以下の結果とともに、クレーター摩耗を旋削の５分後にクレーター面積（ｍｍ²）として測定した。

選択された切削データに関する０．１未満のクレーター摩耗は満足のいくものである。

Claims

超硬、サーメット、セラミックス、高速度鋼（ＨＳＳ）、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）又は多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）の本体を含み、硬質でかつ耐摩耗性のコーティングが適用され、該コーティングが少なくとも１つの層を含む切削工具インサートであって、前記層が（Ｚｒ_xＡｌ_1-x）Ｎ_yであって、０．５０＜ｘ＜０．７５及び０．９０≦ｙ＜１．３０であり、０．５〜１０μｍの厚さを有し、単一立方晶相又は六方晶相と立方晶相の混合物からなるナノ結晶微細構造を有する（Ｚｒ_xＡｌ_1-x）Ｎ_yからなり、前記ナノ結晶微細構造が、成長方向における厚さの３０〜７０％の領域である前記層の中間領域を高分解能断面透過型電子顕微鏡によって測定した場合に１００ｎｍ未満の平均結晶サイズを有する構造であり、前記平均結晶サイズが少なくとも１０個の隣接する結晶のサイズを測定することからの平均であることを特徴とする、切削工具インサート。
（Ｚｒ_xＡｌ_1-x）Ｎ_y層の厚さが０．５〜５μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具インサート。
前記平均結晶サイズが５０ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１又は２のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
１．００＜ｙ＜１．２５であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
１．００＜ｙ＜１．２０であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
元素組成ｘ及びｙが層全体にわたって１０％未満の変動であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
前記層が２３ＧＰａ超の硬度を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
前記本体が、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）若しくは（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの内側のコーティング、及び／又はＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ若しくは酸化物の外側のコーティングを有し、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層を含む合計のコーティング厚さが、０．７〜２０μｍであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
前記本体が、ＴｉＮ若しくは（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの内側のコーティング、及び／又はＴｉＮ若しくは（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの外側のコーティングを有することを特徴とする、請求項８に記載の切削工具インサート。
前記合計のコーティング厚さが２〜７μｍであることを特徴とする、請求項８又は９に記載の切削工具インサート。
（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層が、所望の層組成をもたらす陰極からの陰極アーク蒸発によって、以下の条件、すなわち、５０〜２００Ａの蒸発電流、０〜−３００Ｖのバイアス、及び２００〜８００℃の温度で、Ａｒ＋Ｎ₂の混合雰囲気中、１．０〜７．０Ｐａの合計圧力において堆積されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の切削工具インサートを製造する方法。
（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層が、所望の層組成をもたらす陰極からの陰極アーク蒸発によって、以下の条件、すなわち、５０〜２００Ａの蒸発電流、０〜−３００Ｖのバイアス、及び２００〜８００℃の温度で、純粋なＮ₂中、１．０〜７．０Ｐａの合計圧力において堆積されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の切削工具インサートを製造する方法。
（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ層が、所望の層組成をもたらすターゲットからのマグネトロンスパッタリングによって、以下の条件、すなわち、０．５〜１５Ｗ／ｃｍ²のスパッタ陰極に適用される電力密度、０〜−３００Ｖのバイアス、及び２００〜８００℃の温度で、Ａｒ＋Ｎ₂の混合雰囲気中又は純粋なＮ₂雰囲気中、０．１〜７．０Ｐａの合計圧力において堆積されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の切削工具インサートを製造する方法。
５０〜５００ｍ／分の切削速度での、フライス加工の場合には、切削速度及びインサート形状に応じて、０．０８〜０．５ｍｍの一刃あたりの平均フィードでの、鋼、ステンレス鋼、及び焼き入れ鋼における金属切削用途のための、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の切削工具インサートの使用。