特表 2024-538214 被覆切削工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-18

(54)【発明の名称】被覆切削工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20241010BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20241010BHJP

   B23C 5/16 20060101ALI20241010BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 A

C23C14/06 A

C23C14/06 P

B23C5/16

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024523842

(86)(22)【出願日】2022-10-17

(85)【翻訳文提出日】2024-05-31

(86)【国際出願番号】 EP2022078779

(87)【国際公開番号】W WO2023066840

(87)【国際公開日】2023-04-27

(31)【優先権主張番号】21203745.1

(32)【優先日】2021-10-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520333435

【氏名又は名称】エービー サンドビック コロマント

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ジョンソン， ラース

(72)【発明者】

【氏名】サライヴァ， マルタ

【テーマコード（参考）】

3C046

4K029

【Ｆターム（参考）】

3C046FF02

3C046FF03

3C046FF04

3C046FF05

3C046FF10

3C046FF11

3C046FF13

3C046FF16

3C046FF19

3C046FF25

4K029AA02

4K029AA21

4K029BA03

4K029BA07

4K029BA11

4K029BA16

4K029BA17

4K029BA35

4K029BA58

4K029BB02

4K029BC02

4K029BD05

4K029CA03

4K029DD06

4K029EA01

(57)【要約】

本発明は、交互の第１および第２の層スタックを含むナノ層コーティングに関し、第１および第２の層スタックにおける平均層周期厚さは、互いに異なる。ナノ層コーティングは、改善されたエッジライン靭性ならびに逃げ面摩耗および櫛状クラックに対する改善された耐性を示す。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材およびナノ多層コーティングを含む被覆切削工具であって、コーティングが、
第１の層スタックと、スタックが少なくとも２回交互になっている第２の層とを含み、
第１の層スタックが、交互のナノ層ＡおよびＢを含み、Ａ＋Ｂの平均層周期厚さが１５～５０ｎｍであり、
第２の層スタックが、交互のナノ層ＡおよびＢを含み、層Ａ＋Ｂの平均厚さが２～１０ｎｍであり、
ナノ層Ａの組成が、（Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ）Ｎであり、式中、０．５≦ａ≦０．７５、０≦ｂ≦０．１０であり、Ｍは、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＶから選択される１つ以上の元素であり、
ナノ層Ｂの組成が、（Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄ）Ｎであり、式中、０．１０≦ｃ≦０．２５、０≦ｄ≦０．１０であり、Ｍは、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＶから選択される１つ以上の元素である、被覆切削工具。

【請求項2】

第１の層スタックにおいて、Ａ＋Ｂの平均層周期厚さが１８～３５ｎｍである、請求項１に記載の被覆切削工具。

【請求項3】

第２の層スタックにおいて、Ａ＋Ｂの平均層周期厚さが３～８ｎｍである、請求項１から２のいずれか一項に記載の被覆切削工具。

【請求項4】

第１のナノ層Ａ（Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ）Ｎについて、０．５５≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．１０であり、ＭがＣｒである、請求項１から３のいずれか一項に記載の被覆切削工具。

【請求項5】

第１のナノ層Ｂ（Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄ）Ｎについて、０．１５≦ｃ≦０．２２、０≦ｄ≦０．１０であり、ＭがＣｒである、請求項１から４のいずれか一項に記載の被覆切削工具。

【請求項6】

第１のナノ層Ａ（Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ）Ｎについて、０．５５≦ａ≦０．７であり、ｂ＝０である、請求項１から５のいずれか一項に記載の被覆切削工具。

【請求項7】

第１のナノ層Ｂ（Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄ）Ｎについて、０．１５≦ｃ≦０．２２であり、ｄ＝０である、請求項１から６のいずれか一項に記載の被覆切削工具。

【請求項8】

交互のスタックの数、すなわち第１および第２の層スタックの両方の総計が、少なくとも４、好ましくは６～５０である、請求項１から７のいずれか一項に記載の被覆切削工具。

【請求項9】

コーティングが、前記基材と交互の第１および第２の層スタックとの間に、０．２～２μｍの厚さを有する出発層を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の被覆切削工具。

【請求項10】

コーティングの総厚さが１～１０μｍである、請求項１から９のいずれか一項に記載の被覆切削工具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｍ）Ｎおよび（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎのナノ多層を含む被覆切削工具に関する。

【背景技術】

【0002】

ナノ多層コーティングは、金属機械加工用の切削工具の分野で一般的に使用されている。これらのコーティングでは、ある点で異なる少なくとも２つの層が交互になってナノ層のコーティングを形成する。

【0003】

金属機械加工作業には、例えば、旋削加工、フライス加工、およびドリル加工が含まれる。

【0004】

長い工具寿命を提供するために、インサートなどの被覆切削工具は、異なる種類の摩耗に対する高い耐性、例えば、耐逃げ面摩耗性、耐すくい面摩耗性、耐チッピング性および耐剥離性を有するべきである。

【0005】

異なる金属機械加工作業は、異なる様式で被覆切削工具に影響を及ぼす。例えば、旋削加工は連続的な金属機械加工作業であるが、フライス加工は本質的により断続的である。フライス加工では、熱的および機械的負荷が経時的に変化する。

【0006】

現在市販されている切削工具よりも優れた特性を有する切削工具を提供するために、耐逃げ面摩耗性、耐すくい面摩耗性、エッジライン靭性、耐櫛状クラック性、耐剥離性などの点でコーティングが優れた特性を有する被覆切削工具が引き続き求められている。上述の特性の１つ以上が改善される場合、より長い工具寿命が提供される。

【0007】

欧州特許第２８８３６３７号明細書は、交互の層スタックを有するナノ層コーティングを開示しており、６０～５００ｎｍの平均層周期厚さを有する第１の層スタックが、２～６０ｎｍの平均層周期厚さを有する第２の層スタックと交互になっている。

【0008】

本発明の目的は、少なくとも、逃げ面摩耗および櫛状クラックに対する高い耐性を示し、かつ高いエッジライン靭性も示す被覆切削工具を提供することである。

【0009】

定義
「平均層周期厚さ」という用語は、ナノ多層Ａ－Ｂ－Ａ－Ｂ－Ａ．．．における第１のナノ層Ａおよび第２のナノ層Ｂのナノ多層コーティングにおける組合せＡ－Ｂの平均厚さを意味する。平均層周期厚さを決定するために、少なくとも２００ｎｍの長さにわたる連続するＡ－Ｂナノ層の組合せの数をカウントし、平均値を計算するナノ多層の断面のＴＥＭ分析から計算を行うことができる。場合によっては、堆積方法が既知である場合、計算は、ナノ多層の総厚さをＡ－Ｂ堆積の数で割ることによって行われ得る。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、ナノ多層コーティングの概略図であり、１および２は交互の第１の層および第２の層スタックを示し、３は出発層であり、４はナノ層コーティングであり、５は基材である。

【図2】図２は、本発明によるコーティングの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示し、１および２は交互の第１の層および第２の層スタックを示し、３は出発層であり、４はナノ層コーティングであり、５は基材である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明は、改善された耐逃げ面摩耗性、優れたエッジライン靭性、およびまた高い耐櫛状クラック性を有する交互の（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｍ）Ｎ層および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ層のナノ多層コーティングを提供してきた。

【0012】

本発明は、基材およびナノ多層コーティングを含む被覆切削工具であって、コーティングが、
第１の層スタックと、少なくとも２回交互になっている第２の層スタックとを含み、
第１の層スタックが、交互のナノ層ＡおよびＢを含み、Ａ＋Ｂの平均層周期厚さが１５～５０ｎｍであり、
第２の層スタックが、交互のナノ層ＡおよびＢを含み、Ａ＋Ｂの平均層周期厚さが２～１０ｎｍであり、
ナノ層Ａの組成が、（Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ）Ｎであり、式中、０．５≦ａ≦０．７５、０≦ｂ≦０．１０であり、Ｍは、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＶから選択される１つ以上の元素であり、
ナノ層Ｂの組成が、（Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄ）Ｎであり、式中、０．１０≦ｃ≦０．２５、０≦ｄ≦０．１０であり、Ｍは、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＶから選択される１つ以上の元素である、被覆切削工具に関する。

【0013】

交互のナノ層ＡおよびＢを含む第１の層スタックでは、Ａ＋Ｂの平均層周期厚さは１５～５０ｎｍ、好ましくは１８～３５ｎｍである。

【0014】

交互のナノ層ＡおよびＢを含む第２の層スタックでは、Ａ＋Ｂの平均層周期厚さは２～１０ｎｍ、好ましくは３～８ｎｍである。

【0015】

第１および第２の層スタックの厚さは、同じであり得るか、または互いに異なり得る。ナノ多層コーティング中の異なる第１の層スタックの厚さは、すべての第１の層スタックについて同じであり得るか、または異なり得る。同じことが、これも同じであり得るか、または異なり得る異なる第２の層スタックの厚さに当てはまる。好適には、厚さは５０～１０００ｎｍ、好ましくは１００～５００ｎｍである。交互のスタックの総数、すなわち第１および第２の層スタックの両方の総計は、少なくとも４、好ましくは６～５０、より好ましくは８～３０である。

【0016】

本発明の一実施形態では、ナノ層Ａの組成（Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ）Ｎは、好ましくは０．５５≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．１０である。

【0017】

本発明の一実施形態では、第１のナノ層Ａの組成（Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ）Ｎは、好ましくは０．５５≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．０５である。

【0018】

本発明の一実施形態では、ナノ層Ａ中の元素Ｍは、Ｃｒである。

【0019】

本発明の一実施形態では、第１のナノ層Ａの組成（Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ）Ｎは、好ましくは０．５５≦ａ≦０．７およびｂ＝０である。

【0020】

本発明の一実施形態では、ナノ層Ｂの組成（Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄ）Ｎは、好ましくは０．１５≦ｃ≦０．２２および０≦ｄ≦０．１０である。

【0021】

本発明の一実施形態では、ナノ層Ｂの組成（Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄ）Ｎは、好ましくは０．１５≦ｃ≦０．２２および０≦ｄ≦０．０５である。

【0022】

本発明の一実施形態では、ナノ層Ｂ中の元素Ｍは、Ｃｒである。

【0023】

本発明の一実施形態では、ナノ層Ｂの組成（Ｔｉ_{１－ｃ－ｄ}Ｓｉ_ｃＭ_ｄ）Ｎは、好ましくは０．１５≦ｃ≦０．２２およびｄ＝０である。

【0024】

本発明の一実施形態では、ナノ多層コーティングは、前記基材と交互の第１および第２の層スタックとの間に出発層を含む。出発層は、０．２～２μｍ、好ましくは０．５～１．５μｍの厚さを有する。組成は（Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ）Ｎであり、式中、０．５≦ａ≦０．７５、０≦ｂ≦０．１０であり、Ｍは、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａおよびＶから選択される１つ以上の元素である。好ましくは０．５５≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．１０であり、より好ましくは０．５５≦ａ≦０．７およびｂ＝０である。

【0025】

本発明の一実施形態では、出発層の組成は、ナノ層Ａの組成と同じである。

【0026】

コーティングの総厚さは、１～１０μｍ、好ましくは１～７μｍ、より好ましくは２～４μｍである。

【0027】

ナノ多層コーティングは、ＰＶＤ方法、好ましくは陰極アークエバポレーション、マグネトロンスパッタリングまたはＨＩＰＩＭＳ、より好ましくは陰極アークエバポレーションのいずれかを使用して好適に堆積される。

【0028】

被覆切削工具の基材は、超硬合金、サーメット、セラミック、立方晶窒化ホウ素および高速度鋼の群から選択され得る。一実施形態では、基材は、５～１８重量％のＣｏと、元素の周期表における第４族～第５族の１つ以上の元素の０～１０重量％の炭化物、窒化物または炭窒化物とを含む超硬合金である。

【0029】

超硬合金基材にはＣｒのようなさらなる成分が可能である。

【0030】

被覆切削工具は、好適には、金属機械加工用の切削工具インサート、ドリル、またはソリッドエンドミルである。切削工具インサートは、例えば、旋削加工用インサートまたはフライス加工用インサートである。

【実施例】

【0031】

実施例１（本発明例）
形状ＣＮＭＧ１２０４０８ＭＭおよびＲ３９０－１１の焼結超硬合金切削工具インサートブランク上に、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎおよび（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの異なるナノ多層を堆積させた。超硬合金の組成は、１０重量％のＣｏ、０．４重量％のＣｒ、残部ＷＣとした。超硬合金ブランクを、４つのアークフランジを備える真空チャンバ内で陰極アークエバポレーションによって被覆した。Ｔｉ－Ｓｉのターゲットを、互いに対向する２つのフランジに取り付けた。Ｔｉ－Ａｌのターゲットを、互いに対向する２つの残りのフランジに取り付けた。ターゲットは円形で平面であり、直径は１００ｍｍであり、公開市場で入手可能であった。アークエバポレーションに好適なターゲット技術パッケージは、ＩＨＩ Ｈａｕｚｅｒ Ｔｅｃｈｎｏ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｂ．Ｖ．、Ｋｏｂｅｌｃｏ（株式会社神戸製鋼所）およびＯｅｒｌｉｋｏｎ Ｂａｌｚｅｒｓなどの市場の供給業者から入手可能である。

【0032】

被覆されていないブランクを、ＰＶＤチャンバ内で３倍の回転を受けるピンに取り付けた。

【0033】

チャンバを高真空（１０^－２Ｐａ未満）にポンプダウンし、チャンバ内に配置されたヒータによって４５０～５５０℃に加熱した。次いで、ブランクをＡｒプラズマ中で６０分間エッチングした。

【0034】

すべてのマルチナノ層について同じである、厚さ１μｍのＴｉ_０．３３Ａｌ_０．６７Ｎ出発層を、１０Ｐａおよび３００Ｖで堆積させた。

【0035】

次いで、出発層の上に、約２μｍの厚さを有するナノ多層コーティングを堆積させた。

【0036】

チャンバ圧（反応圧）を４ＰａのＮ_２ガスに設定し、－５０Ｖ（チャンバ壁に対して）のＤＣバイアス電圧をブランクアセンブリに印加した。カソードを、１５０Ａ（それぞれ）の電流で７５分間（４つのフランジ）、アーク放電モードで作動させた。

【0037】

Ｔｉ_０．８０Ｓｉ_０．２０であるＴｉ－Ｓｉターゲットを用いて堆積を行い、Ｔｉ_０．３３Ａｌ_０．６７であるＴｉ－Ａｌターゲットを本発明例１ならびに比較例１および２に使用した。比較例３については、Ｔｉ_０．３３Ａｌ_０．６７およびＴｉ_０．５０Ａｌ_０．５０を使用した。回転速度は、一定の周期厚さに相関する。ナノ多層における異なる周期厚さを有する交互の第１および第２の層スタックの効果を検討するために、異なるテーブル回転速度を使用してブランクの一連の堆積を行った。

【0038】

回転速度、推定平均ナノ層周期厚さおよび層スタック厚さを表１に示す。

【0039】

すくい面および逃げ面上のナノ多層コーティングの総厚さを、光学顕微鏡（ＬＯＭ）を使用して、刃先から約２００μｍのインサートの研磨断面で測定した。結果を表２に示す。
表１

表２

【0040】

実施例２（データの裏付けのある実施例）
エッジライン靭性に対する耐性に関して異なるコーティングを検討するための切削試験を、以下の設定で行った：

【0041】

作業：肩削りフライス加工
ワークピース材質：Ｄｉｅｖａｒ未硬化、Ｐ３．０．Ｚ．ＡＮ
刃数：ｚ＝１
切削速度：Ｖ_ｃ＝２１５ｍ／ｍｉｎ
送り量：ｆ_ｚ＝０．１５ｍｍ
半径方向エンゲージメント：ａ_ｅ＝１２ｍｍ
切削深さ：ａ_ｐ＝３．０
切削長さ＝１２ｍｍ
切削油なし

【0042】

カットオフ基準は、エッジラインの少なくとも０．５ｍｍのチッピング、または逃げ相もしくはすくい相のいずれかで０．２ｍｍの測定深さである。工具寿命は、これらの基準を達成するための切削入口の数として提示される。

【0043】

結果を表３に示し、各結果は８回の試験の平均である。
表３

【0044】

実施例３（データの裏付けのある実施例）
逃げ面摩耗に対する耐性に関して異なるコーティングを検討するための切削試験を、以下の設定で行った：

【0045】

作業：縦旋削加工
ワークピース材質：Ｓｖｅｒｋｅｒ ２１（工具鋼）、硬度約２１０ＨＢ、Ｄ＝１８０、Ｌ＝７００ｍｍ
切削速度：Ｖ_ｃ＝１２５ｍ／ｍｉｎ
送り量：ｆ_ｎ＝０．０７２ｍｍ／ｒｅｖ
切削深さ：ａ_ｐ＝２ｍｍ
切削油なし

【0046】

工具寿命のカットオフ基準は、０．１５ｍｍの逃げ面摩耗ＶＢである。

【0047】

結果を表４に示し、各結果は２回の試験の平均である。
表４

【0048】

実施例４（データの裏付けのある実施例）
櫛状クラックに対する耐性に関して異なるコーティングを検討するための切削試験を、以下の設定で行った：

【0049】

作業：肩削りフライス加工
工具ホルダ：Ｒ３９０－１１、２５ｍｍ
ワークピース材質：Ｔｏｏｌｏｘ ３３（工具鋼）、Ｌ＝６００ｍｍ、Ｉ＝２００ｍｍ、ｈ＝１００ｍｍ
インサートの種類：Ｒ３９０－１１
切削速度：Ｖ_ｃ＝２７５ｍ／ｍｉｎ
送り量：ｆ_ｚ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ
１刃当たりの送り量ｚ＝１
切削深さ：ａ_ｐ＝３ｍｍ
半径方向エンゲージメント：ａ_ｅ＝１２．５ｍｍ
切削油あり

【0050】

工具寿命終了の基準は、最大チッピング高さＶＢ＞０．３ｍｍである。

【0051】

結果を表５に示し、各結果は４回の試験の平均である。
表５

【図1】

【図2】

【国際調査報告】