特許 6386457 ＴｉＡｌＮ被覆工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6386457

(24)【登録日】2018年8月17日

(45)【発行日】2018年9月5日

(54)【発明の名称】ＴｉＡｌＮ被覆工具

(51)【国際特許分類】

   B23C 5/16 20060101AFI20180827BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20180827BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20180827BHJP

【ＦＩ】

   B23C5/16

   B23B27/14 A

   C23C14/06 P

   C23C14/06 A

【請求項の数】9

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2015-524719(P2015-524719)

(86)(22)【出願日】2013年7月23日

(65)【公表番号】特表2015-529571(P2015-529571A)

(43)【公表日】2015年10月8日

(86)【国際出願番号】EP2013065550

(87)【国際公開番号】WO2014019897

(87)【国際公開日】20140206

【審査請求日】2016年5月17日

(31)【優先権主張番号】102012107129.2

(32)【優先日】2012年8月3日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】510000378

【氏名又は名称】バルター アクチェンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100077517

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 敬

(74)【代理人】

【識別番号】100087413

【弁理士】

【氏名又は名称】古賀 哲次

(74)【代理人】

【識別番号】100128495

【弁理士】

【氏名又は名称】出野 知

(74)【代理人】

【識別番号】100093665

【弁理士】

【氏名又は名称】蛯谷 厚志

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(72)【発明者】

【氏名】ファイト シアー

(72)【発明者】

【氏名】ウルリヒ アルベルス

【審査官】 中川 康文

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５３１９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２１１３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０３０１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５３１７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１６２００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０４１０６３（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開２００２−１１３６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５２８２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５３４１８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

Ｃ２３Ｃ ５／１６

Ｃ２３Ｃ １４／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超硬合金、サーメット、セラミックス、鋼、又は高速度鋼から造られる基体と、それにＰＶＤプロセスで堆積される単層又は多層の耐摩耗保護被膜とを含み、前記耐摩耗保護被膜の少なくとも１層が、窒化チタンアルミニウム層Ｔｉ_xＡｌ_yＮ（ただしｘ＋ｙ＝１）であり、その層が、５重量％までの更なる金属を含有することができる工具であって、
前記Ｔｉ_xＡｌ_yＮ層が、少なくとも４０かつ最高で３００の周期的に交互に存在するＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）（ただしｘ（Ａ）＋ｙ（Ａ）＝１）及びＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）（ただしｘ（Ｂ）＋ｙ（Ｂ）＝１）を有する多被膜副構造体であり、
被膜（Ｂ）中の前記Ａｌ濃度ｙ（Ｂ）が、最高で７０原子％（ｙ（Ｂ）≦０．７０）であり、かつ
被膜（Ｂ）中の前記Ａｌ濃度ｙ（Ｂ）が、被膜（Ａ）中の前記Ａｌ濃度ｙ（Ａ）よりも１０〜２５原子％高く（ｙ（Ｂ）＝（ｙ（Ａ）＋０．１０）〜（ｙ（Ａ）＋０．２５））、
前記Ｔｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）中のＴｉ対Ａｌの濃度比ｘ（Ａ）：ｙ（Ａ）が、０．４０：０．６０〜０．６０：０．４０であり、
前記Ｔｉ_xＡｌ_yＮ層が、２５００〜４０００のビッカース硬さ、長さ１０μｍにわたって測定される、１．０μｍ以下の平均表面粗さＲａ、及び３８０ＧＰａ〜４７０ＧＰａの弾性係数（Ｅ−モジュラス）を有し、かつ、
前記Ｔｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）が、前記Ｔｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）より大きな厚さを有する、
ことを特徴とする、工具。

【請求項2】

前記Ｔｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）が、２〜４０ｎｍの範囲内の厚さを有し、かつ前記Ｔｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）が、１〜２０ｎｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の工具。

【請求項3】

前記Ｔｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）が、前記Ｔｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）の１．５〜３．０倍の厚さを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の工具。

【請求項4】

前記Ｔｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）中のＴｉ対Ａｌの濃度比ｘ（Ａ）：ｙ（Ａ）が、０．４５：０．５５〜０．５５：０．４５であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工具。

【請求項5】

多被膜副構造体を有する前記Ｔｉ_xＡｌ_yＮ層が、前記耐摩耗保護被膜の最外層であり、かつ任意選択で少なくとも一部の領域に０．１〜１．５μｍの厚さを有する、上に重ねられた薄い摩耗検知層を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の工具。

【請求項6】

前記Ｔｉ_xＡｌ_yＮ層が、３０００〜３５００のビッカース硬さを有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の工具。

【請求項7】

前記Ｔｉ_xＡｌ_yＮ層が、長さ１０μｍにわたって測定される、０．５μｍ以下の平均表面粗さＲａを有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の工具。

【請求項8】

前記Ｔｉ_xＡｌ_yＮ層が、４２０ＧＰａ〜４６０ＧＰａの弾性係数（Ｅ−モジュラス）を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の工具。

【請求項9】

ソリッド超硬合金工具又はスローアウェイ切削インサートであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の工具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超硬合金、サーメット、セラミックス、鋼、又は高速度鋼から造られる基体と、それにＰＶＤ法で被覆する単層又は多層の耐摩耗保護被膜とを含み、前記耐摩耗保護被膜の少なくとも１層が、窒化チタンアルミニウム層Ｔｉ_xＡｌ_yＮ（ただしｘ＋ｙ＝１）である工具に関する。

【背景技術】

【0002】

切削工具、特に金属切削工具は、例えば超硬合金、サーメット、セラミックス、鋼、又は高速度鋼から造られる基体からなる。工具寿命を増す又は切削特性を向上させるため、多くの場合、硬質材料から造られる単層又は多層耐摩耗保護被膜がＣＶＤ又はＰＶＤ法によって基体に堆積される。ＰＶＤ法については、マグネトロンスパッタリング、アーク蒸着法（アークＰＶＤ）、イオンプレーティング、電子ビーム蒸着、及びレーザーアブレージョンといった様々な形態の中から選ばれる。マグネトロンスパッタリング及びアーク蒸着法は、工具を被覆するために最も頻繁に使用されるＰＶＤ法の一つに数えられる。これら個々のＰＶＤ法の形態には、更に非パルス又はパルスマグネトロンスパッタリング、あるいは非パルス又はパルスアーク蒸着法などの様々な改良法が存在する。

【0003】

ＰＶＤ法のターゲットは、純金属、又は２種類以上の金属の組合せとすることができる。そのターゲットが複数種の金属を含む場合、それらすべての金属が、ＰＶＤ法で堆積される層中に同時に取り込まれる。形成される層中におけるそれら金属の相互の相対的比率は、ターゲット中の金属の比率に左右されることになるが、幾種類かの金属は、特定の条件下でターゲットから大量に放出され、及び／又は、他の金属と比較して基材上により大量に蒸着されるため、そのＰＶＤ法の条件にもまた左右されることになる。

【0004】

特定の金属化合物を生成するためには、反応ガスをＰＶＤ法（プロセス）の反応チャンバーに供給する。そのような反応ガスは、例えば窒化物を生成するための窒素、酸化物を生成するための酸素、炭化物を生成するための炭素質化合物、又は、該当する混合化合物、例えば炭窒化物及びオキシ炭化物等を生成するためのガス混合物である。

【0005】

国際公開第９６／２３９１１Ａ１号パンフレットは、基材上の耐摩耗保護層について記載している。この層は、基材上に直接被覆する超硬合金の被膜と、それに被覆する一連の１０〜１０００層の更なる個々の被膜とからなり、それは、個々の層の厚さが１〜３０ｎｍの金属硬質材料と共有結合性硬質材料とで交互に構成される。金属硬質材料と共有結合性硬質材料とからなる個々の被膜が周期的に交互に配置されることにより、耐摩耗保護層の機械的及び化学的特性の向上を意図する。

【0006】

国際公開第２００６／０４１３６７Ａ１号パンフレットは、超硬合金の基材と、ＰＶＤ法で堆積される被膜とからなる被覆切削工具について記載しており、この被膜は、１．５〜５μｍの厚さ及び４〜６ＧＰａ超の残留圧縮応力を有するＴｉＡｌＮ被膜を少なくとも１層含む。このＴｉＡｌＮの被膜は、周知の被膜と比較して、基材により効果的に付着するとされる。

【0007】

欧州特許出願公開第２ ２９８ ９５４Ａ１号明細書は、硬質材料の被膜、例えばＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、又はＴｉＡｌＣｒＳｉＮを、堆積中における基材のバイアス電圧を変化させるＰＶＤ法により基材に施す、被覆切削工具の生産方法について記載している。この方法により、耐摩耗性が向上され、寿命の長い工具が得られるとされる。

【0008】

フライス加工及び旋削加工のような金属加工工程においては、特に厳しい負荷が工具に課される。この種の工具において、重要なパラメータは、高い硬度、高い弾性係数（Ｅモジュラス、ヤング率）、及び低い表面粗さである。前述した用途のための周知の切削工具は、ＰＶＤ法で堆積される被膜、典型的には、４００ＧＰａ未満の弾性係数及び３５００ＨＶまでのビッカース硬さを有するＴｉＡｌＮの被膜を備える。この種のＴｉＡｌＮ層をアーク法で堆積する場合、アルミニウムの低い融点により、層上及び層内に、いわゆる溶滴を形成する傾向があり、これは被膜の性能に悪影響を与える。堆積工程のパラメータを適切に選択することにより、ＰＶＤ法において、硬さ及び弾性係数を増加させることができるが、これは、層中に約３ＧＰａを超える高い残留圧縮応力を生じさせ、切れ刃の安定性に悪影響を与える。高応力下において、切れ刃が早い段階でチッピングを起こしやすく、それにより、工具の急激な摩耗が引き起こす。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の目的は、高い硬度と高い弾性係数を有し、それと同時に、残留応力が許容範囲であり、かつ及び切れ刃の安定性が向上した、従来技術よりも優れた被膜を備える工具を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この目的は、超硬合金、サーメット、セラミックス、鋼、又は高速度鋼から造られる基体と、それにＰＶＤプロセス（ＰＶＤ法）で堆積される単層又は多層耐摩耗保護被膜とを含む工具によって達成される。前記耐摩耗保護被膜の少なくとも１層は、窒化チタンアルミニウム層Ｔｉ_xＡｌ_yＮ（ただしｘ＋ｙ＝１）であり、その層は、このプロセス（方法）により、５重量％までの更なる金属を含有することができる。このＴｉ_xＡｌ_yＮ層は、複数の周期的に交互に存在するＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）（ただしｘ（Ａ）＋ｙ（Ａ）＝１）及びＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）（ただしｘ（Ｂ）＋ｙ（Ｂ）＝１）を有する多被膜副構造体であり、その被膜（Ｂ）中のＡｌ濃度ｙ（Ｂ）は、被膜（Ａ）中のＡｌ濃度ｙ（Ａ）よりも１０〜２５原子％高い（ｙ（Ｂ）＝（ｙ（Ａ）＋０．１０）〜（ｙ（Ａ）＋０．２５））。

【0011】

それにより、被膜（Ｂ）中のＴｉ濃度ｘ（Ｂ）は、被膜（Ａ）中のＴｉ濃度ｘ（Ａ）よりも１０〜２５原子％低い（ｘ（Ｂ）＝（ｘ（Ａ）−０．１０）〜（ｘ（Ａ）−０．２５））。

【発明を実施するための形態】

【0012】

驚くべきことに、本発明のようなＴｉＡｌＮ層、すなわち、Ｔｉ対Ａｌの濃度比が異なるＴｉＡｌＮ被膜を周期的に交互に重ねた被膜は、濃度比が交互に変化しない従来のＴｉＡｌＮの被膜よりも高い硬度及び高い弾性係数を有し、その際、周知のＴｉＡｌＮ層において観察されるような、層中の残留圧縮応力を大幅に増加させることはないことを見出した。

【0013】

被膜（Ｂ）中の最高Ａｌ濃度ｙ（Ｂ）は７０原子％である。被膜（Ｂ）中の最高Ａｌ濃度ｙ（Ｂ）が、被膜（Ａ）中のＡｌ濃度ｙ（Ａ）よりも１０〜２５原子％高いため、窒化チタンアルミニウム（Ｔｉ_xＡｌ_yＮ）層全体のＡｌ濃度は、７０原子％未満である。Ａｌの濃度が高すぎると、比較的軟質な相が形成され、不都合である。

【0014】

本発明者らは一つの理論に拘束されることを望むものではないが、被膜（Ａ）よりも被膜（Ｂ）中のアルミニウムの濃度が高いことは、アルミニウムの方がチタンよりもサイズが小さいことにより、その面心立方格子において、より小さい格子定数となり、それによって、残留応力比の変動を生じると考えられる。これは、濃度比を交互に変化させることなく堆積される従来のＴｉＡｌＮ被膜よりも残留圧縮応力が低いことから明らかである。本発明による工具は、耐摩耗性がより高く、かつ寿命がより長いことによって区別され、特に、切れ刃における被膜のチッピングがより少ないことによって区別される。

【0015】

ＴｉＡｌＮ層における本発明の被膜構造の有利な効果は、Ｔｉ対Ａｌの濃度比が異なるＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）とＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）とを、周期的に交互に少ない層数で存在させた場合にも認められる。本発明のより好ましい実施形態では、耐摩耗保護被膜中の少なくとも１層のＴｉ_xＡｌ_yＮ層は、少なくとも４０の周期的に交互に存在するＴｉＡｌＮ被膜（Ａ）とＴｉＡｌＮ被膜（Ｂ）を有する。したがって、この実施形態においては、ＴｉＡｌＮ層全体は、少なくとも４０のＴｉＡｌＮ被膜（Ａ）と少なくとも４０のＴｉＡｌＮ被膜（Ｂ）を含む。すなわち、全部で少なくとも８０のＴｉＡｌＮ被膜を含む。周期的に交互に存在するＴｉＡｌＮ被膜（Ａ）とＴｉＡｌＮ被膜（Ｂ）を４０未満とすることは、従来技術よりも、高い硬度と弾性係数が得られるという、本発明の利点を享受できない。

【0016】

本発明は次の理論に拘束されるものではないが、本発明の利点は、とりわけ、局所的にきわめて限定された高い残留応力が、ＴｉＡｌＮ被膜（Ａ）とＴｉＡｌＮ被膜（Ｂ）が交互に存在する部分に沿って、その境界面に集中するものの、外見上は測定することができず、かつ被膜の基材との接着に影響を及ぼさないことに基づくものである考えられる。周期的に交互に存在するＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）とＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）の層の数が少なすぎると、被膜が交互に配列するによって得られる効果を得ることができない。

【0017】

本発明のさらに好ましい実施形態では、耐摩耗保護被膜中の少なくとも１層のＴｉ_xＡｌ_yＮ層が、多くとも３００の周期的に交互に存在するＴｉＡｌＮ被膜（Ａ）とＴｉＡｌＮ被膜（Ｂ）を有する。したがって、この実施形態ではＴｉＡｌＮ層全体は、多くとも３００のＴｉＡｌＮ被膜（Ａ）と多くとも３００のＴｉＡｌＮ被膜（Ｂ）、すなわち、全部で多くとも６００のＴｉＡｌＮ被膜を含む。周期的に交互に存在するＴｉＡｌＮ被膜（Ａ）とＴｉＡｌＮ被膜（Ｂ）を３００超とすることは、きわめて高い経費と、関連する高いコストをかけなければ生産できない点で不利である。

【0018】

本発明のさらに好ましい実施形態では、Ｔｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）が２〜４０ｎｍ、好ましくは４〜１５ｎｍの範囲内の厚さを有し、かつＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）が１〜２０ｎｍ、好ましくは２〜７ｎｍの範囲内の厚さを有する。このＴｉＡｌＮ被膜（Ａ）は、好都合にはＴｉＡｌＮ被膜（Ｂ）の１．５〜３．０倍の厚さ、好ましくは約２倍の厚さを有する。したがって、高いアルミニウム含量を有する、より薄いＴｉＡｌＮ被膜（Ｂ）は、高いアルミニウムの含有を伴い、より厚いＴｉＡｌＮ被膜（Ａ）に続く。

【0019】

本発明は次の理論に拘束されるものではないが、本発明の利点は、とりわけ、より厚いＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）が、より薄いＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）における相の安定化を生み出すことに基づくものと考えられる。Ａｌをより多く含むＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）においては、立方晶ＴｉＡｌＮに加えて、それよりもかなり低い硬さ及び強度を有する六方晶ＡｌＮも生成される危険性がある。これらの層が、上述した範囲のような薄い状態である場合、隣接しているＴｉをより多く含むより厚いＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）が、Ａｌをより多く含むより薄いＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）における立方晶ＴｉＡｌＮ相を安定化する。

【0020】

本発明による、Ｔｉ対Ａｌの濃度比が異なり、周期的に交互に存在するＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）とＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）は、それらの薄さにもかかわらず透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって検出することができる。この手法は、当分野における当業者に十分によく知られている。

【0021】

本発明のさらに好ましい実施形態では、Ｔｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）中のＴｉ対Ａｌの濃度比ｘ（Ａ）：ｙ（Ａ）は、０．４０：０．６０〜０．６０：０．４０である。より好ましくは、濃度比ｘ（Ａ）：ｙ（Ａ）は、０．４５：０．５５〜０．５５：０．４５であり、特に好ましくは、ｘ（Ａ）：ｙ（Ａ）は、約０．５０：０．５０である。Ｔｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）におけるＡｌの比率が低すぎると、例えば、高温での金属加工の間又は温度変化の間における被膜の熱安定性、すなわち工具の耐久性に悪影響を与える。しかしながら、Ｔｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）における過度に高いＡｌ比率は、被膜の硬さ及び弾性係数に悪影響を与える。

【0022】

本発明によるＴｉＡｌＮ層は、次に述べるＰＶＤ法の１つ又は複数により堆積される。堆積される被膜中のアルミニウム濃度の変化は、好都合には、Ｔｉ対Ａｌの異なる濃度比を有する様々なＴｉＡｌ混合ターゲットをＰＶＤ装置中に配置し、周期的に基材をそれら様々な混合ターゲットに対向して導入することにより達成することができる。好ましくは、このようなＴｉＡｌ混合ターゲットを用いる被膜は、アーク蒸着法、マグネトロン法、デュアルマグネトロン法、又はＨＩＰＩＭＳ法によって堆積される。好適な混合ターゲットは、被膜（Ａ）については、例えばＴｉ及びＡｌを５０：５０の比で、また、被膜（Ｂ）については、例えばＴｉ及びＡｌを３３：６７の比で含有する。混合ターゲットの濃度比を変えることにより、当然のことながら、堆積される被膜中のＴｉ及びＡｌの濃度比を様々に変えることができる。別法では、アルミニウム含有量を増加させた混合ターゲットの代わりに、純アルミニウムターゲット又は高濃度アルミニウムターゲットもまた、マグネトロン法、デュアルマグネトロン法、又はＨＩＰＩＭＳ法において使用することができる。アーク蒸着法において、純アルミニウムターゲット又は高濃度アルミニウムターゲットが不利であるのは、このＰＶＤ法は、低融点であるアルミを液滴にしてしまう危険性があるためである。

【0023】

本発明による工具の好ましい実施形態では、多層被膜構造を有するＴｉＡｌＮ層は、耐摩耗保護被膜の最も外側の層であり、金属加工中に、被加工物と接触する。別法では、このＴｉＡｌＮ層の上に、さらに、硬質材料の層を設けることもできる。

【0024】

さらに別の実施形態では、ＴｉＡｌＮ層上の少なくとも一部の領域に、薄い摩耗検知層、好ましくは０．１〜１．５μｍの厚さを有するＴｉＮ又はＣｒＮ層が設けられる。前述した類いの摩耗検知層は、それ自体、周知であり、主として装飾的な層として機能し、さらに/あるいは、工具がすでに使用されているか、どの程度使用されているか、使用中に生じた摩耗の程度を示す。この薄い摩耗検知層は、工具の使用中に検知可能に摩耗し、比較的激しい摩耗があった場合、その下にある、一般的には色が異なる耐摩耗保護層が現れる。

【0025】

本発明による工具の更なる好ましい実施形態では、ＴｉＡｌＮ層は、ビッカース硬さ２５００〜４０００ＨＶ（０．０１５）、好ましくは３０００〜３５００ＨＶ（０．０１５）を有する。幾何学的に画定された切れ刃を用いる切削工程のうち、旋削及びフライス加工は、硬さ、靱性、耐摩耗性、及び熱安定性に関し、その工具材に課される最も厳しい要求を有するものであるので、本発明によるＴｉＡｌＮ層の高い硬さは、金属加工、とりわけ旋削及びフライス加工において際立った利点を有する。低すぎる硬さは、被膜の耐摩耗性が下がるという欠点を有する。高すぎる硬さは、被膜の靱性が低下し、かつ被膜が脆くなるという欠点を有する。

【0026】

本発明による工具の更なる好ましい実施形態では、ＴｉＡｌＮ層は、３８０ＧＰａ〜４７０ＧＰａ、好ましくは４２０ＧＰａ〜４６０ＧＰａの弾性係数を有する。機械加工中に外部から工具に応力が加わる場合、層及び基材中に機械的応力が生じ、その弾性係数を超える前記応力の程度は、導入される弾性変形と関係がある。層の弾性係数が低すぎる場合、使用中の工具の機械的変形時に、層の内部に低い応力が生じ、それにより、層が切削力のうちの僅かな割合しか吸収できないという欠点につながる。しかしながら、高すぎる弾性係数は、機械的変形を生じた際、過度に高い力が層全体に伝わり、その結果、層が早期に破損するおそれがある。

【0027】

すでに述べたように、特定の金属加工用途、特に旋削及びフライス加工、とりわけ断続切削による金属加工用途の場合、高い硬さと高い弾性係数の組合せは特に有利である。高い硬さは、高い耐摩耗性を保証する。しかしながら、高い硬さは、一般的に脆性の増大を伴う。高い弾性係数は、同時にその材料が比較的低い脆性を有すること、例えば断続切削中に断続的に発生する高い機械的応力を、よりよく補うことを保証する。本発明によるＴｉＡｌＮ層は、これらの有利な特性を有する工具の耐摩耗保護被膜として提供される。

【0028】

硬さ及びＥ−モジュラス（より正確には、いわゆる減少Ｅ−モジュラス（ｒｅｄｕｃｅｄ Ｅ−ｍｏｄｕｌｕｓ）は、ナノインデンテーションによって測定される。この測定法では、Ｖｉｃｋｅｒｓによるダイヤモンド圧子を層中に押し込み、測定中の荷重−変位曲線（ｆｏｒｃｅ−ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ）を記録する。次いで、この曲線から試験体の機械的特性、とりわけ硬さ及び（減少）Ｅ−モジュラスを計算することができる。本発明による層の硬さ及びＥ−モジュラスを求めるに際し、Ｈｅｌｍｕｔ Ｆｉｓｃｈｅｒ ＧｍｂＨ，Ｓｉｎｄｅｌｆｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ製のＦｉｓｃｈｅｒｓｃｏｐｅ（登録商標）Ｈ１００ ＸＹｐを使用した。くぼみの深さは層の厚さの１０％を超えてはならない。そうでないと、基材の特性が測定値に誤差を生じさせるおそれがある。

【0029】

本発明の層における残留応力は、Ｘ線回折によって測定することができる。この点については、一次、二次、及び三次の残留応力に分けることができ、これら応力は、それらの範囲内、すなわち層の付着に与える影響の範囲内で異なる。それは、層中の一次及び二次残留応力が過度にならない、すなわち、せいぜい−５ＧＰａ（圧縮応力）であれば、層が工具に付着することにとって有利であることを示す。

【0030】

本発明による工具の更なる好ましい実施形態では、ＴｉＡｌＮ層は、、１．０μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の平均表面粗さＲａを有し、そのＲａは長さ１０μｍにわたって測定される。ＰＶＤ法の堆積パラメータを適切に選択すると、堆積されるＴｉＡｌＮ被膜が溶滴になる頻度を顕著に減少させることができ、その結果、堆積層の平均表面粗さＲａは小さくなる。したがって、後続する表面平滑化工程にかける手間を顕著に軽減しても、コーティング後に機械加工の最適条件を充分に達成できる。それにより、硬質で微細な材料による周知の噴射加工法、すなわち、研削又はブラシ研磨法が、層を堆積した後の工具の表面を平滑化するのに適している。

【0031】

工具の表面を平滑化するのに適した方法は、例えば直径７０〜１１０μｍのガラスビーズ５０％及び直径４０〜７０μｍのガラスビーズ５０％からなるブラスト処理媒体を用いて、約２．５バールの圧力で行う、ガラスビーズによるウェットブラストである。その適切な噴射時間は、所望の表面平滑度を調べることによって決められる。フライス加工用の直径１０ｍｍのソリッド超硬合金工具において、噴射時間は、例えば、約１０秒である。

【0032】

工具の表面を平滑化する更なる好適な方法は、ドラッグフィニッシングである。好適な研磨材は、例えばヤシ殻の粒状材料であり、研磨材としての微粒ダイヤモンド粉末と粘着性の油を含む。

【0033】

ウェットブラストは、後処理に特に適しており、例えば、粒度が２８０／３２０のコランダムを液体に溶かし、濃度を１８％にした研磨材を用いる。ここで、噴射圧力は、約１．５〜２バールとするのが好都合であり、その噴射方向及び角度は、工具の種類及びサイズにより設定される。

【0034】

表面粗さについては、スローアウェイ切削インサートを、ＨＯＭＭＥＬ−ＥＴＡＭＩＣ ＧｍｂＨ，Ｓｃｈｗｅｎｎｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ製の測定装置Ｈｏｍｍｅｌ−ＥＴＡＭＩＣ ＴＵＲＢＯ ＷＡＶＥ Ｖ７．３２で測定した（プローブ：ＴＫＵ３００−９６６２５＿ＴＫＵ３００／ＴＳ１、測定範囲：８０μｍ、測定長：４．８ｍｍ、速度：０．５ｍｍ／秒）。

【0035】

本発明の更なる好ましい実施形態では、工具は、３〜１０μｍの範囲内、好ましくは５〜７μｍの範囲内の刃半径を有する丸切れ刃を備える。切れ刃の半径が小さすぎると、刃がすぐに欠ける危険性がある。切れ刃の半径が大きすぎると、切削力が高くなりすぎ、工具寿命及びチップ形状に悪影響を与える。

【0036】

本発明による工具は、被覆ソリッド超硬合金工具として、又は被覆スローアウェイ切削インサートとして構成され得る。

【0037】

さらに、本発明の利点、特徴、及び実施形態を、次の実施例に基づいてより詳細に説明する。

【実施例】

【0038】

（実施例１：シャンク工具）
この実施例では、ソリッド超硬合金（ＳＨＭ）エンドミル（いわゆる「Ｔｏｕｇｈ Ｇｕｙｓ」）に、本発明による被膜を、また、従来技術による比較用の被膜を施し、それらの被覆された工具を切削試験で比較した。

【0039】

１）ソリッド超硬合金（ＳＨＭ）エンドミルの仕様
直径：１０ｍｍ
切れ刃の数：４
切れ刃の長さ：直径の２００％
ねじれ角：５０^o
横断切れ刃のレーキ角：１３．５^o
主切れ刃のレーキ角：１０．５^o
基材：平均粒度が０．８μｍのＷＣと１０重量％のＣｏ粘結剤を含む微粒子超硬合金

【0040】

被覆前に、先ず、ガラスビーズによるウェットブラストを基材に施して切れ刃を丸め、Ｒを７μｍにした。

【0041】

２）本発明の被膜の生成
先ず、基材表面に、Ｔｉ−Ａｌ混合ターゲット（Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０）を用いたア−ク蒸着法により、厚さ０．２μｍのＴｉＡｌＮ中間被膜を堆積した（バイアス：１００Ｖ、４Ｐａの窒素、０．８Ａ／ｃｍ²の電流密度、蒸着温度：５５０℃）。その上に、本発明の耐摩耗保護被膜を、合計２μｍの層厚で、これもまたアーク蒸着法によって堆積した。Ｔｉ：Ａｌが５０：５０である４個のＴｉ−Ａｌ混合ターゲットと、Ｔｉ：Ａｌが３３：６７である２個のＴｉ−Ａｌ混合ターゲットを同時に用いて堆積した（バイアス：６０Ｖ、４．５Ｐａの窒素、両方の種類のターゲットに対して０．８Ａ／ｃｍ²の電流密度、蒸着温度：５５０℃）。基材は回転テーブル上に導かれ、異なる種類のターゲットに対向させた。全体で、９０層のＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）（ただしＴｉ：Ａｌ＝５０：５０）及び９０層のＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）（ただしＴｉ：Ａｌ＝３３：６７）が、周期的に交互に堆積され、これらＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）は、それぞれ約１５〜１９ｎｍの厚さを有し、またこれらＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）は、それぞれ約３〜６ｎｍの厚さを有した。その後、最後に、最も外側の被膜を、Ｔｉ：Ａｌが３３：６７であるＴｉ−Ａｌ混合ターゲットを用いて、アーク蒸着法によって層厚０．１μｍで堆積した（バイアス：４０Ｖ、３．０Ｐａの窒素、０．８Ａ／ｃｍ²の電流密度、蒸着温度：５５０℃）。

【0042】

３）比較被膜の生成
単層ＴｉＡｌＮ耐摩耗保護被膜を、基材表面に、Ｔｉ：Ａｌが３３：６７であるＴｉ−Ａｌ混合ターゲットを用いて、アーク蒸着法によって合計２．５μｍの層厚で堆積した（バイアス：８０Ｖ、１．５Ｐａの窒素、蒸着温度：５５０℃、２Ａ／ｃｍ²の電流密度）。

【0043】

４）切削試験１
これらの被覆工具をフライス加工試験で比較し、平均逃げ面摩耗Ｖ_b及び最大逃げ面摩耗Ｖ_bmaxを、各ケースの２回の試験からの平均として求めた。試験の結果を次の表１に示す。

【0044】

被加工物：１．７２２５／４２ＣｒＭｏ４鋼（焼入れ、焼戻しにより約８５０Ｎ／ｍｍ²）
切削条件：刃送りｆ_z＝０．０７ｍｍ
切削速度ｖ_c＝１７０ｍ／分
切削幅ａ_e＝４ｍｍ
切削深さａ_p＝８ｍｍ
ＣＬ５％による冷却（＝冷却用潤滑油５％を含むエマルション）

【0045】

平均逃げ面摩耗Ｖ_b＞０．２ｍｍ又は最大逃げ面摩耗Ｖ_bmax＞０．２５ｍｍにおいて機械加工は中断され、その時の結果は（．／．）によって表した。

【0046】

【表1】

【0047】

（実施例２：シャンク工具）
この実施例では、実施例１の場合と同様、ソリッド超硬合金（ＳＨＭ）エンドミル（いわゆる「Ｔｏｕｇｈ Ｇｕｙｓ」）に、本発明による被膜を、また、従来技術による比較用の被覆を施し、それらの被覆された工具を切削試験で比較した。被覆されたエンドミルは、実施例１と比較して、形状を異なるものとした。

【0048】

被覆前に、先ず、ガラスビーズによるウェットブラストを基材にかけて切り刃を丸め、Ｒを７μｍにした。

【0049】

１）ソリッド超硬合金（ＳＨＭ）エンドミルの仕様
直径：３ｍｍ
切れ刃の数：３
切れ刃の長さ：直径の２００％
ねじれ角：５０^o
横断切れ刃のレーキ角：１３．５^o
主切れ刃のレーキ角：１０．５^o
基材：平均粒度が０．８μｍのＷＣと１０重量％のＣｏ粘結剤を含む微粒子超硬合金

【0050】

２）切削試験２
これらの被覆工具をフライス加工試験で比較し、平均逃げ面摩耗Ｖ_b及び最大逃げ面摩耗Ｖ_bmaxを、各ケースの２回の試験からの平均として求めた。試験の結果を次の表２に示す。

【0051】

工作物：１．０５０３／Ｃ４５鋼、強度約６００Ｎ／ｍｍ²
切削条件：刃送りｆ_z＝０．０２ｍｍ
切削速度ｖ_c＝１４１ｍ／分
切削幅ａ_e＝１．２ｍｍ
切削深さａ_p＝２．４ｍｍ
ＣＬ５％による冷却（＝冷却用潤滑油５％を含むエマルション）

【0052】

平均逃げ面摩耗Ｖ_b＞０．２ｍｍ又は最大逃げ面摩耗Ｖ_bmax＞０．２５ｍｍにおいて機械加工は中断され、その時の結果は（．／．）によって表した。

【0053】

【表2】

【0054】

（実施例３：シャンク工具）
この実施例では、被覆される工具基材は、実施例１の場合と同一である。同様に、先ず、基材表面に、Ｔｉ−Ａｌ混合ターゲット（Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０）を用いたからアーク蒸着法により、厚さ０．２μｍのＴｉＡｌＮ中間被膜を堆積した（バイアス：１００Ｖ、４Ｐａの窒素、０．８Ａ／ｃｍ²の電流密度、蒸着温度：５５０℃）。

【0055】

実施例１とは異なり、本発明の耐摩耗保護被膜を、Ｔｉ：Ａｌが５０：５０である２個の混合ターゲットを用いて、アーク蒸着法によって合計２μｍの層厚で堆積し（電流密度２Ａ／ｃｍ²）、また、ＴｉＡｌＮ被膜（Ａ）と周期的に交互に存在するＴｉＡｌＮ被膜（Ｂ）中のアルミニウム含有量を、２個のＡｌターゲットを用いて、デュアルマグネトロンスパッターリング（比出力１３Ｗ／ｃｍ²）によって増加させた（バイアス：８０Ｖ、１．５Ｐａの窒素、蒸着温度：５５０℃）。実施例２と同様に、９０層のＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）（ただしＴｉ：Ａｌ＝５０：５０）及び９０層のＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）（ただしＴｉ：Ａｌ＝３３：６７）が、周期的に交互に堆積され、これらＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）は、それぞれ約１５〜１９ｎｍの厚さを有し、またこれらＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）は、それぞれ約３〜６ｎｍの厚さを有した。

【0056】

（実施例４：スローアウェイ切削インサート）
この実施例では、強度が８８０Ｎ／ｍｍ²である４２ＣｒＭｏ４鋼からなる四角形の基礎形状を有するスローアウェイ切削インサートＰ２８０８に、本発明による被膜を、また、従来技術による比較用の被膜を施し、それらの被覆された工具を切削試験で比較した。

【0057】

被覆前に、先ず、コランダムによるウェットブラストを基材に施して切れ刃を丸め、Ｒを３０μｍにした。

【0058】

１）本発明による被膜の生成
先ず、基材表面に、Ｔｉ−Ａｌ混合ターゲット（Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０）を用いたアーク蒸着法により、厚さ０．２μｍのＴｉＡｌＮ中間被膜を堆積した（バイアス：１００Ｖ、４Ｐａの窒素、１．０Ａ／ｃｍ²の電流密度、蒸着温度：５５０℃）。その上に、本発明の耐摩耗保護被膜を合計２μｍの層厚で、これもまたアーク蒸着法によって堆積した。Ｔｉ：Ａｌが５０：５０である４個のＴｉ−Ａｌ混合ターゲットと、Ｔｉ：Ａｌが３３：６７である２個のＴｉ−Ａｌ混合ターゲットを同時用いて堆積した（バイアス：６０Ｖ、４Ｐａの窒素、両方のターゲットに対して１．０Ａ／ｃｍ²の電流密度、蒸着温度：５５０℃）。基材は回転テーブル上に導かれ、それら異なる種類のターゲットに対向させた。全体で、９０層のＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）（ただしＴｉ：Ａｌ＝５０：５０）及び９０層のＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）（ただしＴｉ：Ａｌ＝３３：６７）が、周期的に交互に堆積され、これらＴｉ_x(A)Ａｌ_y(A)Ｎ被膜（Ａ）は、それぞれ約１５〜１９ｎｍの厚さを有し、またこれらＴｉ_x(B)Ａｌ_y(B)Ｎ被膜（Ｂ）は、それぞれ約３〜６ｎｍの厚さを有した。その後、最後に、最も外側の被膜を、Ｔｉ：Ａｌが３３：６７であるＴｉ−Ａｌ混合ターゲットを用いて、アーク蒸着法により、層厚０．１μｍで堆積した（バイアス：４０Ｖ、３．０Ｐａの窒素、０．８Ａ／ｃｍ²の電流密度、蒸着温度：５５０℃）。

【0059】

２）比較被膜の生成
多層被膜（６０層の被膜）のＴｉＡｌＮ耐摩耗保護被膜を、基材表面に、Ｔｉ：Ａｌが３３：６７であるＴｉ−Ａｌ混合ターゲットを用いて、アーク蒸着法によって合計４．０μｍの層厚で堆積した（蒸着温度：４５０℃、０．８Ａ／ｃｍ²の電流密度）。圧力及びバイアスは、３０Ｖ及び窒素５Ｐａから６０Ｖ及び窒素２Ｐａまで変化させた。次いで、厚さ０．１μｍのＴｉＮ装飾被膜を、Ｔｉターゲットを用いて、０．８Ｐａの窒素、０．８Ａ／ｃｍ²の電流密度、及び１００Ｖのバイアスで堆積した。

【0060】

３）切削試験３
これらの被覆工具をフライス加工試験で比較し、最大逃げ面摩耗Ｖ_bmaxを各ケースの２回の試験からの平均として求めた。試験の結果を次の表３に示す。

【0061】

被加工物：１．７２２５／４２ＣｒＭｏ４鋼（焼入れ、焼き戻により約８５０Ｎ／ｍｍ²）
切削条件：送りｖ_f＝１２０ｍｍ／分
刃送りｆ_z＝０．２ｍｍ
切削速度ｖ_c＝２３５ｍ／分
フライス加工軌跡 ６×８００ｍｍ
フライス加工は冷却なし

【0062】

【表3】