JP5832748B2 - 硬質材料で被覆された物体 - Google Patents

Description

本発明は、硬質材料で被覆され、ＣＶＤによって塗布された少なくとも１つの硬質材料層を有する物体に関する。

切削機械加工に使用される切削工具は、特に、高切削速度における旋削による焼き戻しまたは焼き入れされた鋼などの硬質または強靱な材料の切削機械加工において、安定性および強度に関して厳しい要求に適合させる必要がある。切削工具の材料は、特に、摩耗抵抗性であるべきであり、そのため従来は、超硬合金またはサーメット基材の本体に、最初にチタンの炭化物、窒化物、または炭窒化物、その後で酸化アルミニウム層をも摩耗保護被膜として使用する表面被膜が設けられていた。異なる硬質材料で構成される多層摩耗保護被膜も公知である。たとえば、炭窒化チタンまたは窒化チタンなどの１つ以上の中間層上に配置された酸化アルミニウム層が、摩耗軽減被膜として公知である。

国際公開第０３／０８５１５２Ａ２号パンフレットには、ＰＶＤによって最大６０％のアルミニウム含有率を有する単相層として製造可能なＴｉ−Ａｌ−Ｎ層の使用が開示されている。しかし、より高いアルミニウム含有率では、立方晶および六方晶のＴｉＡｌＮの混合物が形成され、さらに高いアルミニウム含有率では、より軟質であり耐摩耗性ではない六方晶ウルツ鉱構造が形成される。

プラズマＣＶＤによって、ｘ＝０．９である単相Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ−Ｎ硬質材料層を製造可能であることも公知である。しかし、層の組成の不十分な均一性、および層の比較的高い塩素含有率が欠点である。

Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ硬質材料層の製造にＰＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法が使用される場合、これらの層の使用は７００℃未満の温度に制限される。複雑な部材形状の被膜によって問題が生じることが欠点の１つである。ＰＶＤは、複雑な形状が不規則に被覆される指向性のあるプロセスである。プラズマＣＶＤでは、プラズマ出力密度が層のＴｉ／Ａｌ原子比に直接影響を与えるため、高いプラズマ均一性が必要となる。工業的に使用されるＰＶＤ法によって高アルミニウム含有率の単相立方晶Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ−Ｎ層を製造することは不可能である。

１０００℃を超える温度における従来のＣＶＤ法によるＴｉＡｌの堆積もまた、このような高温では準安定状態のＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮは分解してＴｉＮおよび六法晶ＡｌＮになるため、不可能である。

最後に、プラズマ補助を使用せずに５５０℃〜６５０℃の範囲内の温度における熱ＣＶＤ法によってｘが０．１〜０．６の範囲内であるＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層を製造するための米国特許第６，２３８，７３９Ｂ１号明細書に記載される方法では、ｘ≦０．６の比較的低いアルミニウム含有率に制限されることが示されている。この文献に記載の方法では、塩化アルミニウムおよび塩化チタン、ならびにＮＨ_３およびＨ_２も気体混合物として使用される。この被膜の場合もまた、最大１２原子％の高塩素含有率を許容する必要がある。

耐摩耗性および耐酸化性を改善するために、国際公開第２００７／００３６４８Ａ１号パンフレットでは、ＣＶＤによって、硬質材料で被覆され、少なくとも１つのＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ硬質材料層を含有する単層または多層の被膜系を有する物体の製造が提案されており、その目的は、反応器中、プラズマ励起を使用せずにＣＶＤによって、７００℃〜９００℃の温度で物体を被覆し、高温で混合されるハロゲン化チタン、ハロゲン化アルミニウム、および反応性窒素化合物を前駆体として使用することである。これによって、立方晶ＮａＣｌ構造および０．７５より高く０．９３までの化学量論係数ｘを有する単相Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ硬質材料層を有する物体、あるいは、主相として立方晶ＮａＣｌ構造および０．７５より高く０．９３までの化学量論係数ｘを有するＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮと、さらに別の相としてウルツ鉱構造および／またはＴｉＮ_ｘＮａＣｌ構造とを含む多相層を有する物体が得られる。塩素含有率は０．０５〜０．９原子％の範囲内である。この文献から、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ硬質材料の１つ以上の層が、最大３０質量％の非晶質層成分を含有できることも知られている。得られる層の硬度は２５００ＨＶ〜３８００ＨＶの範囲内である。

高耐摩耗性においてＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ硬質材料層の付着を改善するために、先行公報ではない独国特許第１０ ２００７ ０００ ５１２号明細書においても、基材本体に塗布される層系が、本体に塗布される窒化チタン、炭窒化チタン、または炭化チタンの接合層、続いて相勾配層、最後に単相または多相のＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ硬質材料層の外層を含むことが提案されている。相勾配層は、その接合層に面する側において、ＴｉＮ／ｈ−ＡｌＮ相混合物を含み、層厚さが増加するとともに、ｆｃｃ−ＴｉＡｌＮ相の比率が５０％を超える比率で増加し、これと関連して、同時にＴｉＮ相およびｈ−ＡｌＮ相の比率が減少する。

上述の被膜の欠点の１つは、特に切削中に冷却潤滑剤が使用される場合の切削中断で、フライス加工、旋削、およびドリル加工などの切削が中断される場合に、動作寿命が短いことである。

したがって、本発明の課題は、硬質材料で被覆され、改善された耐熱性およびサイクル疲労強度を有する物体を提供することである。

前記課題は、請求項１に記載の硬質材料で被覆された物体によって解決される。この物体は、外層が、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ、および／またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ（式中、０．６５≦ｘ≦０．９、好ましくは０．７≦ｘ≦０．９）を含み、この外層が、１００〜１１００ＭＰａの範囲内、好ましくは４００〜８００ＭＰａの範囲内の圧縮応力を有し、ＴｉＣＮ相またはＡｌ_２Ｏ_３層がこの外層の下に配置されていることを特徴とする。

ＣＶＤによって塗布されるＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ、またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮの層は、従来技術において公知であり使用されている他の被膜の場合に発生するようなクラック形成およびクラック成長に対して、優れた抵抗性を示すことが分かった。基材本体として使用される超硬合金、サーメット、またはセラミックスは、ＴｉＣＮおよびＡｌ_２Ｏ_３よりも低い膨張係数を有し、その結果、ＴｉＣＮの場合で約９００℃およびＡｌ_２Ｏ_３の場合で約１０００℃の被覆温度から冷却すると、これらの硬質材料層の中で引張応力が生じる。これらの引張応力は、クラック構造が形成されることによって部分的に緩和される。立方晶窒化チタンアルミニウムまたは炭窒化チタンアルミニウムは、準安定結晶系として、被覆温度から冷却した後で１００〜１１００ＭＰａの範囲内、好ましくは４００〜８００ＭＰａの範囲内の圧縮応力を有し、クラック構造は形成せず、全体的には、請求項１に記載のこの層の組み合わせによって、耐摩耗性が非常に高くなることが分かる。周知のＴｉＣＮの高い耐摩耗性ならびにＡｌ_２Ｏ_３の低い熱伝導性および高い耐酸化性と、圧縮残留応力を有する外層として、同様に非常に高い摩耗抵抗性および耐酸化性の窒化チタンアルミニウムまたは炭窒化物チタンアルミニウムの被覆とを組み合わせることで、大きな負荷の変化および大きな温度変化を伴う用途において切削耐久性が大きく改善される。例としては、特に冷却潤滑剤を使用する場合の、中断または切削断面の変更を伴う、フライス加工、さらには旋削およびドリル加工が挙げられる。

本発明の実施形態は、従属請求項に記載されている。

たとえば、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層、またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層は、単相からなり立方晶構造を有することができるし、あるいは、複数の相からなり、立方晶の主相とともに、ウルツ鉱構造を有する、および／またはＮａＣｌ構造のＴｉＮを有するさらに別の相を含むこともできる。

上記の窒化チタンアルミニウム層または炭窒化チタンアルミニウム層は、最大３０質量％の非晶質層成分を有することができる。窒化チタンアルミニウム層または炭窒化チタンアルミニウム層の塩素含有率は、好ましくは０．０１〜３原子％の範囲内である。

本発明のさらなる一実施形態においては、各層が１ｎｍ〜５ｎｍの厚さを有し、同一または異なる組成、好ましくは交互に変化する組成を有する複数の層からなる多層被覆もまた外層として使用することができる。被覆中の個別の層は、炭窒化物チタンアルミニウム層および窒化チタンアルミニウム層であり、最外被膜を形成するこれらの層の全体の厚さは１μｍ〜５μｍの範囲内となる。

ガス雰囲気を変化させながら被覆を進行させることによって、個別の層中で勾配を生じさせることも可能であり、その結果、小領域中の内側から外側に向かって連続的に、炭素含有率が増加または減少する。超硬合金、サーメット、またはセラミックで構成される基材本体に塗布されるすべての層の全体の厚さは、５μｍ〜２５μｍの範囲内となるべきである。

本発明の目的では、窒化チタンアルミニウム層または炭窒化チタンアルミニウム層は、最大２５％の六方晶ＡｌＮを含有することができる。

本発明による硬質材料で被覆された物体を製造するために、超硬合金またはサーメットの物体を、７００℃〜９００℃の範囲内の被覆温度において、キャリアガスに加えて、ＴｉＣＮの塗布の場合には塩化チタン、メタン、およびアンモニアを含有し、または酸化アルミニウムの塗布の場合には塩化アルミニウムおよび二酸化炭素を含有するガス雰囲気中に導入する。上記基材またはＴｉＣＮベース層の一方の上に接合層を形成した後、その上にＡｌ_２Ｏ_３層を塗布し、塩化アルミニウム、塩化チタン、アンモニア、およびエテンをガス雰囲気中に導入して、最外層を塗布する。好ましい層厚さは２〜５μｍの範囲内である。すべての層の層厚さは２〜１０μｍ、好ましくは３〜７μｍである。

Claims (11)

1. 硬質材料で被覆され、ＣＶＤによって塗布された複数の層を有する物体であって、
   外層が、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ、およびＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ（式中、０．６５≦ｘ≦０．９）の少なくとも１つからなり、この外層が４００〜８００ＭＰａの範囲内の圧縮応力を有し、ＴｉＣＮ層またはＡｌ_２Ｏ_３層がこの外層の下に配置されていることを特徴とする、硬質材料で被覆された物体。
2. 前記Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層、前記Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層、または前記Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層が、単層からなり立方晶構造を有するか、あるいは複数の層からなり、立方晶の主相とともにウルツ鉱構造を有する、および／またはＴｉＮを含むさらなる層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の硬質材料で被覆された物体。
3. 最大３０質量％の非晶質層成分が前記外層中に存在することを特徴とする、請求項１または２に記載の硬質材料で被覆された物体。
4. 前記外層の塩素含有量が０．０１〜３原子％の範囲内であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の硬質材料で被覆された物体。
5. 前記外層が複数の層を含み、その各層が１〜５ｎｍの厚さを有し、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ、およびＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮから選択される同一のまたは変化する組成を有し、この外層の全体の厚さが１μｍ〜５μｍであることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の硬質材料で被覆された物体。
6. 超硬合金、サーメット、またはセラミックで構成される基体本体に塗布されているすべての層の全体の厚さが５μｍ〜２５μｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の硬質材料で被覆された物体。
7. 前記Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層、前記Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層、または前記Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層が最大２５％の六方晶ＡｌＮを含有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の硬質材料で被覆された物体。
8. 前記外層の組成式中のｘが０．７≦ｘ≦０．９であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の硬質材料で被覆された物体。
9. 前記外層の層は交互に変化する組成を有することを特徴とする、請求項５に記載の硬質材料で被覆された物体。
10. 硬質材料で被覆され、ＣＶＤによって塗布された複数の層を有する物体であって、
    外層が複数の層を含み、その各層が１〜５ｎｍの厚さを有し、Ｔｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ Ｎ、Ｔｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ Ｃ、およびＴｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ ＣＮ（式中、０．６５≦ｘ≦０．９）から選択される同一のまたは変化する組成を有し、この外層の全体の厚さが１μｍ〜５μｍであり、この外層が１００〜１１００ＭＰａの範囲内の圧縮応力を有し、ＴｉＣＮ層またはＡｌ _２ Ｏ _３ 層がこの外層の下に配置されていることを特徴とする、硬質材料で被覆された物体。
11. 前記外層の層は交互に変化する組成を有することを特徴とする、請求項１０に記載の硬質材料で被覆された物体。