JP5671042B2 - 工具用被覆材 - Google Patents

Description

本発明は、切削工具のための被覆材、そのような被覆材を備えた切削工具、及び本発明による被覆された切削工具の製造方法に関する。

特に取り替え可能な切削インサートと切削ビットをも含む被覆された切削工具は、基材又は本体と、その上に被着されて特に摩耗から保護する働きをするが装飾的機能と標識機能も有する単層又は多層の被覆材を含む。基材は通常、鋼、金属炭化物又はサーメットを含み、被覆材はＣＶＤ法又はＰＶＤ法を使って適用される。被覆材は、所定の用途向けに工具の切削特性を改善すること及び／又は工具の摩耗を減らすことも目的とする。

装飾的機能及び／又は標識機能を持つ外層を一般に含む切削工具のための被覆材は、当該技術分野で知られている。

ヨーロッパ特許出願公開第１７６２６３８号明細書には、金属炭化物基材と、摩耗から保護するための多層硬質材料の被覆と、ＺｒＮの最外層とを含む切削インサートが記載されており、この最外層は最初にＰＶＤによって１μｍ未満の厚さで適用され、次いですくい面及び刃先からブラッシング又はブラスティング処理により取り除かれる。この最外層の磨損が、工具が既に用いられたかどうか及びどの程度用いられたかの指標となる。ドイツ国特許出願公開第１０２００４０１０２８５号明細書及びドイツ国特許出願公開第１００４８８９９号明細書にも、下にある摩耗保護層と色が異なり使用した工具を未使用の工具と肉眼で識別するのを可能にするコハク色のＴｉＮあるいはまたＴｉＣ、ＨｆＣもしくはＨｆＮの指標カバー層を具備した切削工具が記載されている。

切削インサートに関連して一番よく用いられる外側硬質摩耗保護層は、ＣＶＤ又はＰＶＤ法を使って被着される酸化アルミニウムの層である。その上に、装飾的機能及び／又は指標機能を有する装飾的な層が適用される。ＺｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＨｆＣ又はＨｆＮの既知のカバー層の不利な点は、摩耗保護被覆材を適用するための金属源がないことが多いために、ＰＶＤ法を使ってそれらの層を適用するのには被着させる金属成分のための供給源として追加のターゲットが必要になることである。更に、種類の異なる工具との色による識別を可能にする目的で、ＺｒＮ又はＴｉＮの人目を引くコハク色とは異なる色を、装飾的な指標カバー層として有することが有利であろう。

ヨーロッパ特許出願公開第１７６２６３８号明細書 ドイツ国特許出願公開第１０２００４０１０２８５号明細書 ドイツ国特許出願公開第１００４８８９９号明細書

従って、本発明の目的は、比較的単純であって且つ製造するのに費用がかからない、装飾的機能及び／又は指標機能を備えたカバー層を有する切削工具のための被覆材を提供することである。

本発明によれば、その目的は、相互に重ね合わせた複数の層を含む、切削工具のための被覆材であって、金属アルミニウム又はアルミニウム合金の第１層部分と、その上に配置された酸化アルミニウム又はアルミニウムと少なくとも１種の更なる金属とを含有している混合酸化物の第２層部分とを具備した外側カバー層を有する被覆材によって達成される。

このような被覆材にあっては、アルミニウム又はアルミニウム合金の灰色が、その上に配置されてそれ自体は無色の酸化物層部分を通して現れ、そのため工具はサテン仕上げの薄い灰色表面を有する。酸化アルミニウム又は混合酸化物は、この場合、アルミニウムを完全に覆って、それを外部よりの影響から、特に酸化と、例えば湿分又は手からの発汗による、そのほかの反応から保護して、それにより金属層の変化を防ぐ。

本発明によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属層部分は、通常の不純物は除外しないで純粋な金属又は純粋な金属合金を含む層部分である。この金属層部分が最大で１０Ａｔ％に達する酸素比率を有しそれによってその金属の特性を失わない場合には、それは本発明に従って金属層部分との表現に包含されることが意図される。

摩耗から保護する多くの被覆材は酸化アルミニウム及び／又はアルミニウムと少なくとも１種の更なる金属とを含有している混合酸化物の層部分を有するので、好適なアルミニウムターゲット又はアルミニウムと更なる金属とを含む混合ターゲット、あるいはアルミニウムターゲット及び更なる金属のターゲットは、そのような被覆材を適用するためのＰＶＤ装置に一般に既に存在しており、そのため本発明によるカバー層は、そのＰＶＤ装置の１以上のターゲットを変更する必要なしに摩耗層の上に容易に適用することができる。

被覆材における本発明によるカバー層の更なる利点は、それを機械的な摩耗処理、例えば特定のブラスティング剤を用いてのブラスティング処理又はブラッシングにより、簡単に除去できることである。

本発明の好ましい実施形態では、カバー層において、アルミニウム又はアルミニウム合金の第１層部分は層の厚さが１０〜５００ｎｍ、好ましくは２０〜７０ｎｍのものである。アルミニウム酸化物又はアルミニウムと少なくとも１種の更なる金属とを含有している混合酸化物の第２層部分は、好ましくは、層の厚さが５〜１００ｎｍ、特に好ましくは１０〜５０ｎｍのものである。例えば、カバー層は金属アルミニウムの厚さ５０ｎｍの第１層部分、続いて酸化アルミニウムの厚さ２０ｎｍの第２層部分を含むのが好ましい。

更に好ましくは、カバー層の下の被覆材は、摩耗保護層として少なくとも１つの金属性硬質材料層、好ましくは酸化アルミニウムの硬質材料層を有する。金属成分としてアルミニウムのみを含有している３層被覆材を、被覆材の全ての層部分のために単一のターゲットを使用しＰＶＤ法を利用して、費用をかけずに製造することができる。本発明の更なる実施形態においては、被覆材は摩耗保護層として更なる硬質材料層部分を含む。好ましい硬質材料層部分は、例えば、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、又はこれらの混合物、そしてまたＳｉを含有いているそれらの層部分である。好ましい実施形態では、摩耗保護層として設けられた硬質材料層部分は、層の厚さが０．５〜１０μｍ、好ましくは１．０〜５μｍ、特に好ましくは約３μｍのものである。この場合、例えば、その上に厚さが例えば１μｍの酸化アルミニウム層を配置し、続いて金属アルミニウム又はアルミニウム合金の第１層部分とその上に配置された酸化アルミニウム又はアルミニウムと少なくとも１種の更なる金属とを含有している混合酸化物の第２層部分とを含む本発明によるカバー層を配置することができる。

本発明による被覆材において特に好ましくは、外側カバー層の第１層部分は金属アルミニウムを含み、及び／又はその上に配置される第２層部分は酸化アルミニウムを含む。この一連の層は、ＰＶＤ法を使用して１つのアルミニウムターゲットだけで都合よく製造することができる。

本発明による被覆材の別の実施形態では、外側カバー層の第１層部分はアルミニウム−クロム合金を含み、及び／又はその上に配置される第２層部分は酸化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒ）₂Ｏ₃を含む。当業者はアルミニウムを他の金属とともに含む更なる合金及び混合酸化物を容易に製造することができ、それらは本発明の範囲に含まれるものである。

被覆材に関する本発明の一実施形態では、外側カバー層は、金属アルミニウム又はアルミニウム合金の第１層部分とその上に配置された酸化アルミニウム又はアルミニウムと少なくとも１種の更なる金属とを含有している混合酸化物の第２層部分とを含む一連の層部分を、少なくとも２回、好ましくは複数回相互に重ねた関係でもって有する。従ってこの実施形態においては、カバー層は金属層部分と酸化物層部分とが連続したものを複数含んでいる。

被覆材に関する本発明の更なる実施形態では、酸化アルミニウム又は混合酸化物の一番外側の酸化物層部分を覆う外側カバー層は、金属アルミニウム又はアルミニウム合金の更なる層部分を有する。このような外側金属層部分は主に、それが耐摩耗性ではないので、装飾的な又は摩耗標識の層部分として働く。切削工具の使用時に、それは工作物と接触すると急速に摩滅する。

本発明はまた、基材又は本体と、その上に被着された本発明による単層又は多層被覆材とを含む切削工具を包含する。基材又は本体は、金属炭化物、サーメット、セラミック又は鋼を含むのが好ましい。

本発明による切削工具の実施形態では、外側カバー層は被覆材のうちの工具の選択された領域のみに存在する。カバー層のこのような配置は、工具の選択された領域のみにカバー層を適用することによって作り出すことができるが、しかし通常のＰＶＤ被着法を使ってそうするのは難しい。外側カバー層を完全に適用して、工具の選択された領域への適用後に被覆材から除去するのが好ましい。

金属工作物のための切削ビットなどの切削工具は、すくい面及び逃げ面に隣接する刃先を有する。前述の種類の本発明による切削工具の特に好ましい実施形態では、被覆材にはすくい面及び／又は刃先上の外側カバー層が少なくとも部分的に、好ましくは完全にない。このように、切削工具の特に機械的な応力を受けそして工作物と接触する部分には、装飾的機能及び／又は標識機能を持ったカバー層がない。カバー層は、機械的な負荷に対応して非常に急速に摩滅する。その上、すくい面のそしてまた場合により刃先のカバー層は、不所望の摩擦及び潤滑効果を及ぼしかねない。それとは対照的に、切削工具の低レベルの機械的負荷にさらされあるいは機械的負荷にさらされない部分は、カバー層によって侵食から保護される。しかもそれらの部分において、カバー層は装飾的機能及び／又は標識機能を有しており、そして低負荷であってもカバー層は、例えば刃先近傍の逃げ面の領域などに、摩耗痕を既に示しているときに、切削工具が使用されたことを指示する。

本発明はまた、ここに記載した被覆された切削工具を製造するための方法であって、ここに記載した種類の多層被覆材を基材又は本体にＣＶＤ及び／又はＰＶＤ法によって適用して、金属アルミニウム又はアルミニウム合金の第１層部分と、その上に配置された酸化アルミニウム又はアルミニウムと少なくとも１種の更なる金属とを含有している混合酸化物の第２層部分とを含む外側カバー層を、少なくとも１つのアルミニウム含有ターゲットを用いるＰＶＤ法でもって適用する製造方法にも関する。

実質的に全ての既知のＰＶＤ法、例えばデュアルマグネトロンスパッタリング、反応性マグネトロンスパッタリング、アーク蒸着（ＡＲＣ）、パルスアーク蒸着（ＡＲＣ）又はＨＩＰＩＭＳ（ハイパワーインパルスマグネトロンスパッタリング（ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｉｍｐｕｌｓｅ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ））などを、カバー層を適用するのに使用することができる。

ＰＶＤ法は、不活性ガス雰囲気中で、好ましくはアルゴン中で実施するのが望ましく、酸化アルミニウムを被着する間は反応ガスとして酸素が付加される。

本発明の更に好ましい実施形態では、その後の処理工程において、アルミニウム又はアルミニウム合金の第１層部分と、その上に配置された酸化アルミニウム又はアルミニウムと少なくとも１種の更なる金属とを含有している混合酸化物の第２層部分とを含む外側層を、切削工具の選ばれた表面領域から機械的な摩滅処理によって除去する。特にその処理工程では、切削工具のすくい面及び／又は刃先から外側カバー層を除去する。

好ましくは、機械的な摩滅処理はブラッシング処理又は、粒状のブラスティング剤、例えばケイ砂又はコランダムを用いる摩滅ブラスティング処理である。

本発明の更なる利点、特徴及び可能性のある用途は、図面及び好ましい実施形態の以下の説明から明らかとなる。

本発明による被覆材を備えた切削工具の、大きく拡大し一定比率ではない模式切断断面図である。

基材又は本体２０に被覆材１０が適用されている。この実施形態では、被覆材１０は、１以上の層部分を含むことができる摩耗保護層１１を含む。特に、摩耗保護層は、例えば交互に適用される、異なる材料の複数の層部分を含むことができる。

摩耗保護層１１の上に配置されているのは、基材側から、金属アルミニウムの第１層部分３と、第１層部分の上に配置された酸化アルミニウムの第２層部分２とを含むカバー層１である。金属アルミニウムの第１層部分３は摩耗保護層１１に密着しているが、うまく除去することができる。酸化アルミニウムの第２層部分２は、金属アルミニウムの第１層部分によく密着しており、それを侵食から保護している。

ＰＶＤ被覆装置（Ｈａｕｚｅｒ Ｔｅｃｈｎｏ Ｃｏａｔｉｎｇ社のＦｌｅｘｉｃｏａｔ）を使用して、Ａｌ₂Ｏ₃の最外層部分を含む摩耗保護被覆材を有する金属炭化物基材に２層カバー層を設ける。層部分を被着する前に、装置を１×１０^-5ｍｂａｒに排気した。

２つの層部分を含むカバー層の被着を、次の条件下で行った。

〔第１層部分（金属アルミニウム、Ａｌ）〕
・ＰＶＤ法： 非反応性マグネトロンスパッタリング
・ターゲット： 長方形のＡｌ源（８０ｃｍ×２０ｃｍ）
・被着： 比カソード出力約７Ｗ／ｃｍ²、
Ａｒ圧力０．５Ｐａ、
基材バイアス電圧３０Ｖ、７０ｋＨｚでバイポーラパルス化
・温度： ５５０℃
・層厚さ： ５０ｎｍ

〔第２層部分（酸化アルミニウム、Ａｌ₂Ｏ₃）〕
・ＰＶＤ法： 反応性マグネトロンスパッタリング
・ターゲット： 長方形のＡｌ源（８０ｃｍ×２０ｃｍ）
・被着： 比カソード出力約７Ｗ／ｃｍ²、
Ａｒ圧力０．５Ｐａ、約８０ｓｃｃｍ Ｏ₂（反応性ガスとして）、
基材バイアス電圧１５０Ｖ、７０ｋＨｚでバイポーラパルス化
・温度： ５５０℃
・層厚さ： ２０ｎｍ

被覆された切削工具は、サンドブラスティングで除去するのが容易なくすんだ灰色の表面を有する。

当初の開示の目的のために、本明細書と特許請求の範囲から当業者が理解することができる全ての特徴は、それらが特定のその他の特徴に関してのみ具体的に記載されているとは言え、明白に除外されていない限り、あるいは組み合わせるのが技術的見地から不可能又は無意味でない限りは、個別に組み合わせることができ、あるいはここに開示された特徴のうちのその他のものと又は一群の特徴のうちのその他のものと任意に組み合わせることができることが指摘される。考えられる特徴の全ての組み合わせの包括的な明白な説明は、単に説明の簡潔さと読みやすさのために、ここでは省かれている。

Claims (9)

1. 超硬合金、サーメット又はセラミックの基材又は本体（２０）を含み、相互に重ね合わせた複数の層部分を含む多層被覆材（１０）がその上に被着している、金属工作物のための切削工具であって、
   前記被覆材は金属アルミニウム又はアルミニウム−クロム合金の、厚さ１０〜５００ｎｍの第１層部分（３）と、その上に配置された酸化アルミニウム又は酸化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒ） ₂ Ｏ ₃ の、厚さ５〜１００ｎｍの第２層部分（２）とを含む外側カバー層（１）を有し、
   前記外側カバー層の下の被覆材が、摩耗保護層（１１）として酸化アルミニウムの少なくとも１つの金属性硬質材料層部分を有し、
   金属アルミニウム又はアルミニウム−クロム合金の第１層部分（３）と、その上に配置された酸化アルミニウム又は酸化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒ） ₂ Ｏ ₃ の第２層部分（２）とを含む前記外側カバー層（１）が、少なくとも１つのアルミニウム含有ターゲットを用いるＰＶＤ法で作製されている、
   金属工作物のための切削工具。
2. アルミニウム又はアルミニウム合金の第１層部分（３）が層の厚さが２０〜７０ｎｍのものであり、酸化アルミニウム又は酸化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒ） ₂ Ｏ ₃ の第２層部分（２）が層の厚さが１０〜５０ｎｍのものであることを特徴とする、請求項１記載の切削工具。
3. 前記外側カバー層（１）が、金属アルミニウム又はアルミニウム−クロム合金の第１層部分とその上に配置された酸化アルミニウム又は酸化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒ） ₂ Ｏ ₃ の第２層部分とを含む一連の層部分を、少なくとも２回、好ましくは複数回相互に重ねた関係でもって有することを特徴とする、請求項１又は２記載の切削工具。
4. 酸化アルミニウム又は酸化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒ） ₂ Ｏ ₃ の一番外側の酸化物層部分を覆う前記外側カバー層（１）が、金属アルミニウム又はアルミニウム合金の更なる層部分を有することを特徴とする、請求項１〜３の一つに記載の切削工具。
5. 前記外側カバー層（１）が前記被覆材（１０）のうちの当該工具の選択された領域のみに存在し、及び／又は前記外側カバー層（１）が当該工具の選択された領域への適用後に当該被覆材（１０）から除去されていることを特徴とする、請求項１〜４の一つに記載の切削工具。
6. 前記被覆材（１０）がすくい面及び／又は刃先に外側カバー層（１）を少なくとも部分的に又は完全に含まないことを特徴とする、請求項１〜５の一つに記載の切削工具。
7. 被覆された切削工具の製造方法であり、請求項１〜６の一つに記載の多層被覆材（１０）を基材又は本体（２０）にＣＶＤ及び／又はＰＶＤ法によって適用する方法であって、金属アルミニウム又はアルミニウム−クロム合金の第１層部分（３）と、その上に配置された酸化アルミニウム又は酸化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒ） ₂ Ｏ ₃ の第２層部分（２）とを含む外側カバー層（１）を、少なくとも１つのアルミニウム含有ターゲットを用いるＰＶＤ法でもって適用することを特徴とする、被覆された切削工具の製造方法。
8. その後の処理工程において、金属アルミニウム又はアルミニウム−クロム合金の第１層部分（３）と、その上に配置された酸化アルミニウム又は酸化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒ） ₂ Ｏ ₃ の第２層部分（２）とを含む外側カバー層（１）を、切削工具の選ばれた表面領域から機械的な摩滅処理によって除去することを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. 前記機械的な摩滅処理がブラッシング処理又は粒状のブラスティング剤を用いる摩滅ブラスティング処理であることを特徴とする、請求項８記載の方法。

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