JP5863241B2 - 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複数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。

超硬合金、サーメット、または基材本体の上の層の摩耗抵抗性および耐酸化性とは別に、被膜の熱安定性が、特に高切削速度での切削機械加工におけるこの材料の使用において非常に重要となる。硬質の工作物の旋削中に切削インサートの切刃の領域内で１０００℃よりはるかに高い温度が発生する。このような温度では、個別の層の間の複数の基材の膨張係数が異なることで、重大な結果が生じる。個別の層の間に応力が発生し、外層から基材本体への熱伝導によって高温が輸送されると、最も望ましくない場合には、被膜の剥離が生じ、そのため切削インサートが使用できなくなる。

したがって、本発明の課題は、硬質材料で被覆された物体であって、その被膜が、個別の層の選択の結果として、熱輸送に関してより良い断熱効果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。この硬質材料で被覆された物体は、複数の層を有し、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層および／またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層および／またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層（式中、ｘは０．６５〜０．９５である）の上に外層としてＡｌ_２Ｏ_３層が配置されている。

従来技術において一般に使用されているＴｉＣＮ層の代わりにＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層、またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層を使用すると、Ａｌ_２Ｏ_３層の下に配置された層の熱伝導率は約８０％低いため、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層、または−ＣＮ層によって、基材本体に対してはるかに優れた断熱性が得られるという利点が得られる。外部のＡｌ_２Ｏ_３層は、ＴｉＣＮ外層と比較してより耐酸化性であり、約５０％硬質でもあるため、より高い耐摩耗性が得られる。

さらに、意外なことに、中間層としてのＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層、または−ＣＮ層は、ＴｉＮまたはＴｉＣＮの中間層と比較するとクラックの問題が生じる傾向がないため、従来技術により得られる不都合で典型的なクラックの網目が形成されないことが分かった。特に断続切削の場合、改善された亀裂抵抗性のために、動作寿命が延長される。

Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層、またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ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、立方晶の主相に加えてウルツ鉱構造を有する、および／またはＴｉＮで構成されるさらに別の層を有することもできる。非晶質層成分が最大３０質量％で存在することができる。塩素含有率は０．０１〜３原子％の範囲内である。

本発明のさらに別の一実施形態においては、ＴｉＮ相および／またはＴｉＣＮ層は、超硬合金、サーメット、またはセラミックからなる基体本体への接合層として使用することができ、それによって内側から外側への層の順序は、ＴｉＮ−またはＴｉＣＮ−ＴｉＡｌＣ（Ｎ）−Ａｌ_２Ｏ_３となる。

本発明の目的のためには、ＴｉＣＮ層は、Ａｌ_２Ｏ_３外層と、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層、またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層との間に存在することもできる。

金属として計算したアルミニウムの比率は、好ましくは７０％〜９０％である。Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層、またはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層の厚さは２μｍ〜１０μｍの範囲内、好ましくは３μｍ〜７μｍの範囲内で変動させることができる。上記層は、２５％以下の比率の六方晶窒化アルミニウムを含有することもできる。

本発明の目的のためには、１つの中間層の代わりに、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ）_ｎ（式中、ｎは自然数である）の種類の１つ以上の二重層または三重層で構成される多層中間層を有することも可能である。次に、ＴｉＡｌＮ／ＴｉＡｌＣＮ／ＴｉＡｌＣが交互に配置された層は、１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内である個別の層のそれぞれの厚さの合計で与えられる全体の厚さを有する。全体の厚さは、好ましくは１μｍ〜５μｍとなるべきである。最も単純な場合では、わずか数ｎｍの厚さを有するＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮまたはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮまたはＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣの薄い個別の層が、１μｍ〜５μｍの範囲内の所望の全体厚さが達成されるまで連続して塗布される。しかし、上記組成で構成される交互層系を有し、外側に向かう方向でＣの比率が減少または増加する勾配を有する副層を有する層を含むことも可能である。

ＴｉＡｌＮ層、ＴｉＡｌＣ層、またはＴｉＡｌＣＮ層は、最大３０％の非晶質成分を含有することができ、最大３原子％の塩素含有率を有することができる。

被覆された物体を製造するために、超硬合金、サーメット、またはセラミックからなる基体本体は、６５０℃〜９００℃の範囲内の被覆温度においてＣＶＤ被覆が行われ、塩化チタンおよび塩化アルミニウム、ならびにアンモニアもガス雰囲気中に導入されることで、ＴｉＡｌＮ層が形成される。２μｍ〜１０μｍの範囲内、好ましくは３μｍ〜７μｍの範囲内の厚さを有する第１の層が形成された後、少なくとも２μｍであり１０μｍ以下の厚さを有するＡｌ_２Ｏ_３層が、ＣＶＤ法によって従来の方法で塗布される。

Claims (7)

1. 硬質材料で被覆され、複数のＣＶＤ層を有する物体であって、
   ０．７≦ｘ≦０．９であるＣＶＤ Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層および／またはＣＶＤ Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ層および／またはＣＶＤ Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層の上にＣＶＤ Ａｌ_２Ｏ_３層が外層として配置され、ＣＶＤ ＴｉＮ層および／またはＣＶＤ ＴｉＣＮ層は、超硬合金、サーメット、またはセラミックからなる基体本体に対する接合層であり、前記ＣＶＤ Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層および／または前記ＣＶＤ Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層が六方晶ＡｌＮを含有し、前記六方晶ＡｌＮが２５％以下で存在する、硬質材料で被覆された物体。
2. 前記ＣＶＤ Ａｌ_２Ｏ_３外層と、前記ＣＶＤ Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層または前記ＣＶＤ Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層との間にＴｉＣＮ層が配置されている、請求項１に記載の硬質材料で被覆された物体。
3. （Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ、Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣ）_ｎの群からの１つ以上の二重層または三重層で構成される多層中間層が前記ＣＶＤ Ａｌ_２Ｏ_３層の下に配置されている、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. 前記外層の厚さが１μｍ以上５μｍ以下の範囲内であり、前記ＣＶＤ Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ層または前記ＣＶＤ Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＣＮ層の厚さが１μｍ以上５μｍ以下である、請求項１〜３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ＣＶＤ Ｔｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ Ｎ層または前記ＣＶＤ Ｔｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ ＣＮ層が、クラックの網目を含まない、請求項１〜４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、またはセラミックからなる基体本体上に、ＴｉＮ層および／またはＴｉＣＮ層をＣＶＤ被覆により形成すること、
   前記ＴｉＮ層および／またはＴｉＣＮ層上に、０．７≦ｘ≦０．９であるＴｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ Ｎ層および／またはＴｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ Ｃ層および／またはＴｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ ＣＮ層をＣＶＤ被覆により形成すること、及び、
   前記Ｔｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ Ｎ層および／またはＴｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ Ｃ層および／またはＴｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ ＣＮ層上に、Ａｌ _２ Ｏ _３ 層をＣＶＤ被覆により形成すること、を含み、
   前記Ｔｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ Ｎ層および／またはＴｉ _１−ｘ Ａｌ _ｘ ＣＮ層が六方晶ＡｌＮを含有し、前記六方晶ＡｌＮが２５％以下で存在する、
   硬質材料で被覆された物体の製造方法。
7. 前記硬質材料で被覆された物体が、請求項２〜５のいずれか一項に記載の物体である、請求項６に記載の製造方法。