JP7107619B2 - 被覆された物体及びこの物体の製造方法 - Google Patents
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Description
基材上に施与された基層は、厚さが1~10μm、好ましくは1~5μmであり、アルミニウムと、その他にTi、Cr、Si、Zr及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも1つの金属とによる窒化物から形成されており、
基層に隣接するカバー層は、厚さが0.1~5μm、好ましくは0.1~3μmであり、酸窒化物層及びこの酸窒化物層の上に配置されている窒化物層から成る少なくとも1つの交番層を備えており、酸窒化物層は、アルミニウムと、その他に任意で、クロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、ケイ素及びそれらの組み合わせから成る金属群の金属とによる酸窒化物から形成されており、窒化物層は、アルミニウムと、その他にTi、Cr、Si、Zr及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも1つの金属とによる窒化物から形成されており、
酸窒化物層は、酸窒化物層中の窒素及び酸素の割合に関して、50原子濃度よりも少ない窒素含有量を有している。
基材を準備する工程と、
厚さが1~10μm、好ましくは1~5μmの基層であり、アルミニウムと、その他にTi、Cr、Si、Zr及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも1つの金属とによる窒化物から物理的蒸着によって形成される基層を基材上に施与する工程と、
アルミニウムと、その他に任意で、クロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、ケイ素及びそれらの組み合わせから成る金属群から選択した金属とによる酸窒化物から物理的蒸着によって形成される少なくとも1つの酸窒化物層を基層の上に施与する工程と、
アルミニウムと、その他にTi、Cr、Si、Zr及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも1つの金属とによる窒化物から物理的蒸着によって形成される窒化物層を酸窒化物層の上に施与する工程と、
任意で、酸窒化物層と窒化物層の施与を繰り返す工程と
を有しており、
基層、酸窒化物層及び窒化物層の蒸着中に窒素を連続的に、かつ調整しながら供給することを特徴としている。
Oerlikon-Balzers社のInnova(商標)タイプのPVD被覆システムにおいて、約10重量%のCoを含むタングステンカーバイト硬質合金製切削工具の基材に、AlTiN基層と、3つの連続する交番層から成るカバー層とをアーク蒸着法によって取り付けた。各交番層にはAlOxN1-x酸窒化物層とAlTiN窒化物層がそれぞれ1つずつ含まれている。
PVD被覆システムにおいて、約10重量%のCoを含むタングステンカーバイト超硬合金製切削工具の基材に、AlTiN基層と、(Al,Cr)OxN1-x酸窒化物層及びAlTiN窒化物層を含む単独の交番層から成るカバー層とをアーク蒸着法によって取り付けた。
PVD被覆システムにおいて、85.5重量%のタングステンカーバイト、2.5重量%の混合炭化物、12重量%のCoから成る切削工具の硬質合金基材に、AlTiN基層と、3つの連続する交番層から成るカバー層を取り付けた。各交番層にはAlOxN1-x酸窒化物層とAlTiN窒化物層がそれぞれ1つずつ含まれている。
81.5重量%のタングステンカーバイト、10.5重量%の立方晶系混合炭化物、8重量%のCoから成る切削工具の硬質合金基材に、PVD被覆システムにおいて、AlTiN基層と、3つの連続する交番層から成るカバー層とを取り付けた。各交番層には(Al,Cr)OxN1-x酸窒化物層とAlTiN窒化物層がそれぞれ1つずつ含まれている。
比較のため、製造例1~4の硬質合金基材に、Oerlikon-Balzers社のInnova(商標)タイプのPVD被覆システムにおいてAlTiN被覆をアーク蒸着法によって取り付けた。Al:Tiの原子比率は約67:33であった。AlTiN被覆は、厚さが約3.3~4.1μmの範囲にあった。
PVD被覆システムにおいて、85.5重量%のタングステンカーバイト、2.5重量%の混合炭化物、12重量%のCoから成る切削工具の硬質合金基材に、AlTiN基層と、(Al,Cr)2O3酸窒化物層及びAlTiN窒化物層を含む単独の交番層から成るカバー層とを取り付けた。酸窒化物層の析出には、Al:Crの原子比率が70:30の陰極を使用した。
グレード1.4301の鋼製ワークピースに6つの歯を有する平面フライスカッターを使用したフライス削り試験において、インサート形状HNGJ0905ANSN-GDを備える製造例1の切削工具を使用し、比較例1に従って被覆した対応の切削工具と比較した。
グレード1.4301の鋼製ワークピースに6つの歯を有する平面フライスカッターを使用したフライス削り試験において、インサート形状HNGJ0905ANSN-GDを備える製造例2の切削工具を使用し、比較例1に従って被覆した対応の切削工具と比較した。
グレード1.4301の鋼製ワークピースに6つの歯を有する平面フライスカッターを使用したフライス削り試験において、インサート形状XPHT160412を備える製造例3の切削工具を使用し、比較例1及び2による対応の切削工具と比較した。
グレードEN-GJS-700の球状黒鉛製ワークピースに6つの歯を有する平面フライスカッターを使用したフライス削り試験において、インサート形状XPHT160412を備える製造例4の切削工具を使用し、比較例1による対応の切削工具と比較した。
本発明に係る態様は、以下の態様をも含む。
<1> 基材及び該基材上に物理的蒸着によって施与された耐摩耗性の被覆部を備える被覆された物体であって、前記被覆部は基層及びカバー層を有しており、
前記基材上に施与された前記基層は、厚さが1~10μmであり、アルミニウムと、その他にTi、Cr、Si、Zr及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも1つの金属とによる窒化物から形成されており、
前記基層に隣接する前記カバー層は、厚さが0.1~5μmであり、
酸窒化物層及び該酸窒化物層の上に配置されている窒化物層から成る少なくとも1つの交番層を備えており、前記酸窒化物層は、アルミニウムと、その他に任意で、クロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、ケイ素及びそれらの組み合わせから成る金属群から選択した金属とによる酸窒化物から形成されており、前記窒化物層は、アルミニウムと、その他にTi、Cr、Si、Zr及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも1つの金属とによる窒化物から形成されており、
前記酸窒化物層は、該酸窒化物層中の窒素及び酸素の割合に関して、50原子濃度よりも少ない窒素含有量を有している、
被覆された物体。
<2> 前記被覆部の前記基層は、アルミニウムチタン窒化物及び/又はアルミニウムチタンケイ素窒化物から構成され、好ましくはアルミニウムチタン窒化物から構成されていることを特徴とする、<1>に記載の被覆された物体。
<3> 前記基層のAl:Ti原子比率は60:40~70:30の範囲にあり、好ましくは62:38~65:35の範囲にあることを特徴とする、<1>又は<2>に記載の被覆された物体。
<4> 前記被覆部にある前記基層に隣接する前記カバー層は、前記酸窒化物層及び前記窒化物層から成る少なくとも1つの前記交番層の繰り返しを1~10回、好ましくは3~5回有していることを特徴とする、<1>~<3>のいずれか一つに記載の被覆された物体。
<5> 前記酸窒化物層及び前記窒化物層から成る前記交番層の厚さは、約0.1μm~1μmの範囲にあることを特徴とする、<1>~<4>のいずれか一つに記載の被覆された物体。
<6> 少なくとも1つの前記交番層の前記酸窒化物層は、アルミニウムの酸窒化物、好ましくはAlO x N 1-x 、0.5<x≦0.99、又はアルミニウムとクロムの酸窒化物、好ましくは(Al,Cr)O x N 1-x 、0.5<x≦0.99から形成されていることを特徴とする、<1>~<5>のいずれか一つに記載の被覆された物体。
<7> 前記酸窒化物層は、それぞれ1~30原子%の窒素、好ましくは2~15原子%の窒素を含有していることを特徴とする、<1>~<6>のいずれか一つに記載の被覆された物体。
<8> 少なくとも1つの前記交番層にある前記酸窒化物層と前記窒化物層の間に、さらには任意で連続する前記交番層の間に、それぞれ1つの中間層が設けられており、前記中間層は、アルミニウムと、その他にTi、Cr、Si、Zr及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも1つの金属とによる酸窒化物から形成されていることを特徴とする、<1>~<7>のいずれか一つに記載の被覆された物体。
<9> 前記中間層は、アルミニウムとチタンの酸窒化物、好ましくは(Al,Ti)O x N 1-x 、0<x<1から形成されていることを特徴とする、<8>に記載の被覆された物体。
<10> 前記中間層は、さらに前記基層とこれに隣接する少なくとも1つの前記交番層との間にも配置されていることを特徴とする、<8>又は<9>に記載の被覆された物体。
<11> 前記被覆部は、TiN、ZrN、CrN及び/又はAlCrNから成る最外層を有していることを特徴とする、<1>~<10>のいずれか一つに記載の被覆された物体。
<12> <1>~<11>のいずれか一つに記載の耐摩耗性に被覆された物体の製造方法であって、
基材を準備する工程と、
厚さが1~5μmの基層であり、アルミニウムと、その他にTi、Cr、Si、Zr及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも1つの金属とによる窒化物から物理的蒸着によって形成される前記基層を前記基材上に施与する工程と、
アルミニウムと、その他に任意で、クロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、ケイ素及びそれらの組み合わせから成る金属群から選択した金属とから成る酸窒化物から物理的蒸着によって形成される少なくとも1つの酸窒化物層を基層の上に施与する工程と、
アルミニウムと、その他にTi、Cr、Si、Zr及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも1つの金属とによる窒化物から物理的蒸着によって形成される窒化物層を酸窒化物層の上に施与する工程と、
任意で、酸窒化物層と窒化物層の施与を繰り返す工程と
を有しており、
基層、酸窒化物層及び窒化物層の蒸着中に窒素を連続的に、かつ調整しながら供給することを特徴とする、製造方法。
<13> 前記基層及び/又は前記窒化物層の施与中の窒素分圧は、1~8Paの範囲、好ましくは2~5Paの範囲にあることを特徴とする、<12>に記載の方法。
<14> 陰極として、Al/Tiハイブリッド陰極を使用し、任意でCr、Si及び/又はZrでドープすることを特徴とする、<13>に記載の方法。
<15> 前記酸窒化物層の施与のため、酸素を10~100sccm、好ましくは40~60sccmの量で供給することを特徴とする、<12>又は<13>に記載の方法。
<16> 前記酸窒化物の施与中の窒素分圧は、1~8Paの範囲、好ましくは2~5Paの範囲に維持されることを特徴とする、<12>~<15>のいずれか一つに記載の方法。
<17> 前記酸窒化物層の蒸着中の窒素分圧は、前記窒化物層の施与時よりも低く調整されることを特徴とする、<12>~<16>のいずれか一つに記載の方法。
<18> 前記酸窒化物層の物理的蒸着の陰極として、アルミニウム陰極を使用し、任意でクロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム及び/又はケイ素でドープすることを特徴とする、<12>~<17>のいずれか一つに記載の方法。
<19> 前記基層の施与後、前記酸窒化物層の施与後、前記窒化物層の施与後に、それぞれ1つの中間層を物理的蒸着によって施与し、前記中間層は、アルミニウムと、その他にTi、Cr、Si、Zr及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも1つの金属とによる酸窒化物から形成されることを特徴とする、<12>~<18>のいずれか一つに記載の方法。
<20> 前記中間層の施与中に、酸素を、質量流量を増加又は減少しながら供給することを特徴とする、<19>に記載の方法。
<21> 酸素の前記質量流量は、前記酸窒化物層の施与中に供給される酸素の質量流量の約50%~100%の範囲で変動することを特徴とする、<19>に記載の方法。
<22> 前記中間層の施与中の窒素分圧は、1~8Paの範囲、好ましくは2~5Paの範囲に維持されることを特徴とする、<19>~<21>のいずれか一つに記載の方法。
<23> 前記中間層の施与中の前記窒素分圧は、窒化物層の施与時よりも低いことを特徴とする、<22>に記載の方法。
Claims (19)
- 基材及び該基材上に物理的蒸着によって施与された耐摩耗性の被覆部を備える被覆された物体であって、前記被覆部は基層及びカバー層を有しており、
前記基材上に施与された前記基層は、厚さが3.1~3.7μmであり、アルミニウムとTiとによる窒化物から形成されており、
前記基層に隣接する前記カバー層は、厚さが0.8~1.9μmであり、
酸窒化物層、アルミニウムと、その他にTi、Cr及びそれらの組み合わせから成る群のうち少なくとも1つの金属とによる酸窒化物から形成される中間層、及び該酸窒化物層及び該中間層の上に配置されている窒化物層から成る少なくとも1つの交番層を備えており、前記酸窒化物層は、アルミニウムと、その他に任意でクロムとによる酸窒化物から形成されており、前記窒化物層は、アルミニウムとTiとによる窒化物から形成されており、
前記酸窒化物層は、該酸窒化物層中の窒素及び酸素の割合に関して、50原子%よりも少ない窒素含有量を有している、
被覆された物体。 - 前記基層のAl:Ti原子比率は60:40~70:30の範囲にあり、好ましくは62:38~65:35の範囲にあることを特徴とする、請求項1に記載の被覆された物体。
- 前記被覆部にある前記基層に隣接する前記カバー層は、前記酸窒化物層、前記中間層及び前記窒化物層から成る少なくとも1つの前記交番層の繰り返しを1~10回、好ましくは3~5回有していることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の被覆された物体。
- 前記酸窒化物層、前記中間層及び前記窒化物層から成る前記交番層の厚さは、約0.1μm~1μmの範囲にあることを特徴とする、請求項1~3のいずれか一項に記載の被覆された物体。
- 少なくとも1つの前記交番層の前記酸窒化物層は、アルミニウムの酸窒化物、好ましくはAlO x N 1-x 、0.5<x≦0.99、又はアルミニウムとクロムの酸窒化物、好ましくは(Al,Cr)O x N 1-x 、0.5<x≦0.99から形成されていることを特徴とする、請求項1~4のいずれか一項に記載の被覆された物体。
- 前記酸窒化物層は、それぞれ1~30原子%の窒素、好ましくは2~15原子%の窒素を含有していることを特徴とする、請求項1~5のいずれか一項に記載の被覆された物体。
- 前記中間層は、アルミニウムとチタンの酸窒化物、好ましくは(Al,Ti)O x N 1-x 、0<x<1から形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の被覆された物体。
- 前記中間層は、さらに前記基層とこれに隣接する少なくとも1つの前記交番層との間にも配置されていることを特徴とする、請求項1~7のいずれか一項に記載の被覆された物体。
- 前記被覆部は、TiN、ZrN、CrN及び/又はAlCrNから成る最外層を有していることを特徴とする、請求項1~8のいずれか一項に記載の被覆された物体。
- 請求項1~9のいずれか一項に記載の耐摩耗性に被覆された物体の製造方法であって、
基材を準備する工程と、
厚さが3.1~3.7μmの基層であり、アルミニウムと、Tiとによる窒化物から物理的蒸着によって形成される前記基層を前記基材上に施与する工程と、
アルミニウムと、その他に任意で、クロムとから成る酸窒化物から物理的蒸着によって形成される少なくとも1つの酸窒化物層を基層の上に施与する工程と、
アルミニウムと、その他にTi、Cr及びそれらの組み合わせから成る群のうち少なくとも1つの金属とによる酸窒化物から形成される中間層を、前記酸窒化物層の上に施与する工程と、
アルミニウムと、Tiとによる窒化物から物理的蒸着によって形成される窒化物層を前記中間層の上に施与する工程と、
任意で、酸窒化物層、中間層と窒化物層の施与を繰り返す工程と
を有しており、
基層、酸窒化物層及び窒化物層の蒸着中に窒素を連続的に、かつ調整しながら供給することを特徴とする、製造方法。 - 前記基層、前記中間層及び/又は前記窒化物層の施与中の窒素分圧は、1~8Paの範囲、好ましくは2~5Paの範囲にあることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記酸窒化物層の施与のため、酸素を10~100sccm、好ましくは40~60sccmの量で供給することを特徴とする、請求項10又は11に記載の方法。
- 前記酸窒化物の施与中の窒素分圧は、1~8Paの範囲、好ましくは2~5Paの範囲に維持されることを特徴とする、請求項10~12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記酸窒化物層の蒸着中の窒素分圧は、前記窒化物層の施与時よりも低く調整されることを特徴とする、請求項10~13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記酸窒化物層の物理的蒸着の陰極として、アルミニウム陰極を使用し、任意でクロムでドープすることを特徴とする、請求項10~14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中間層の施与中に、酸素を、質量流量を増加又は減少しながら供給することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 酸素の前記質量流量は、前記酸窒化物層の施与中に供給される酸素の質量流量の50%~100%の範囲で変動することを特徴とする、請求項16に記載の方法。
- 前記中間層の施与中の窒素分圧は、1~8Paの範囲、好ましくは2~5Paの範囲に維持されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記中間層の施与中の前記窒素分圧は、窒化物層の施与時よりも低いことを特徴とする、請求項18に記載の方法。
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