(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材および被膜を含み、前記被膜が、金属窒化物の個別層ＸおよびＹが交互積層して成る非周期的な多層構造を有する被覆切削工具であって、前記被膜の平均組成が、（Ｔｉ(1-a-b-c)ＡｌaＣｒbＳｉc）Ｎであり、０．０５＜ａ＜０．４、０．０２＜ｂ＜０．１０、０．０１＜ｃ＜０．１７、ａ＋ｂ＋ｃ＜１であり、
前記個別層の平均厚さが１ｎｍより大で３０ｎｍより小であり、
前記多層構造が交互積層した個別層（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎおよび（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎを含む、
ことを特徴とする被覆切削工具。
【請求項２】
０．２５＜ａ＜０．３であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
０．０２＜ｃ＜０．１０であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
０．０４＜ｃ＜０．０８であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
多層構造中の任意の１０の連続層の和が３００ｎｍより小さいことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被膜が（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎからなる非周期的多層構造を有する被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
工具の最近の開発は、より鋭い切刃に向かってきた。鋭い切刃を維持するためには、より薄い被膜を要するが、それは、被膜が厚いと切削性に不利益なより大きい刃先丸みを生み出すからである。より厚い被膜は、より高い界面剪断力の結果として刃先の剥落（spall off）も起こしやすく、この事実は刃先が鋭いほどより重大になる。より薄い被膜が堆積する場合、工具の耐摩耗性を維持するために、より高い硬度、すなわち耐アブレシブ摩耗性が必要とされる。
【０００３】
薄く硬い被膜を得る一つの方法は、ナノコンポジット多層被膜の使用である。そのようなナノコンポジット多層被膜の通常の被膜組成は、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎである。
【０００４】
ＰＶＤ被膜の硬さおよび耐酸化性などの性質を向上させる他の方法は、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂなどの元素の添加による。
【０００５】
Ａｌ含有窒化物ＰＶＤ被膜では、４０原子％を超えるＡｌ高含有量が、高い逃げ面摩耗および酸化耐性を得るために有利であることが周知である。しかし、アルミニウム含有量が高すぎると、準安定で硬い立方相からより安定で柔らかいＡｌＮの六方相への相変態により、クレータ摩耗の上昇にもつながる。
【０００６】
鋭い刃先は、例えばドリル加工など多くの切削操作に重要である。ドリル加工の際、摩耗は切刃にのみ見いだされるのではない。しばしば、相当な摩耗がドリルの外周にも見いだされる。深刻な外周摩耗は、ドリルが元の状態に戻される、すなわち再研磨および再被覆される時摩耗した領域全体が除去されなければならないため、問題となる。通常、ドリルの再被覆の際、各再被覆に対して全体の被覆厚さが増す。外周での被覆厚さの増加は、角から少し離れた外周での摩耗を増すであろう。また、被覆厚さが増すと刃先の丸みが増すであろう。したがって、より薄く耐摩耗性の高い被覆は大きな利点である。
【０００７】
切削工具上の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ被膜は当分野に公知である。
【０００８】
欧州公開特許ＥＰ１２１９７２３Ａは、０．５＜ａ＜０．８、ｂ＞０．０６、０≦ｃ＜０．１、０≦ｄ＜０．１、０＜ｃ＋ｄ＜０．１および０．５＜ｅ＜１であるＴｉ1-a-b-c-dＡｌaＣｒbＳｉcＢd（Ｃ1-eＮe）から構成される切削工具用の硬質膜を開示している。この硬質膜は、多層構造の形態でもよい。
【０００９】
米国公開特許２００６／０２２２８９３は、少なくとも１層の５０−１５０ｎｍの（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層および／または少なくとも１層の７５−２００ｎｍの（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層および少なくとも１つの（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ＋（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ＋（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ＋（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎの層の積み重ねを含む反復する層の積み重ねを含む多層被膜を開示している。混合（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層は多層構造を有し、全てのターゲットを同時に運転することにより得られる。これは、数ナノメートルの範囲の非常に微細な層を持つ被膜を生み出すであろう。（Ａｌ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層は、厚さが２０±１０ｎｍである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、高い耐クレータ摩耗性および高い耐逃げ面摩耗性の両方を持つ被覆切削工具の提供である。
【００１１】
本発明の他の目的は、硬さが向上した被膜の提供である。
【００１２】
本発明の他の目的は、鋭い刃先に好適な被膜の提供である。
【００１３】
本発明の他の目的は、外周で経験する摩耗が少ない被覆ドリルの提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
驚くべきことに、本発明の組成を持つ非周期的な多層被膜で切削工具を被覆することによりこれらの目的が達せられることが見いだされた。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、２００穴をドリル加工した後の、従来技術による（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ被膜により被覆されたドリル上の外周摩耗を示す。
【００１６】
【図２】図２は、２００穴をドリル加工した後の、本発明による（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ被膜により被覆されたドリル上の外周摩耗を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明によると、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化ホウ素または高速度鋼の硬質合金の基材と、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎの組成を持つ金属窒化物の個別層ＸおよびＹが交互積層した非周期的な多層構造を有する被膜とを含む被覆切削工具が提供される。
【００１８】
非周期的とは、多層構造中の特定の個別層の厚さが、その特定の個別層の直下またはその直上の個別層の厚さに全く関係ないことと理解される。多層構造は、少なくとも１０の連続する個別層のシーケンス中に繰り返し周期を全く持たない。
【００１９】
本願での多層構造とは、少なくとも５層の個別層を含む構造を意味する。しかし、それは最高で数千層の個別層を含むことがある。
【００２０】
個別層の平均厚さは０．１ｎｍより大きいが１００ｎｍより小さく、好ましくは０．５ｎｍより大きいが５０ｎｍより小さく、最も好ましくは１ｎｍより大きいが３０ｎｍより小さい。多層構造中の任意の１０の連続層の和は、３００ｎｍより小さい。
【００２１】
被膜全体の総厚さは０．５から２０μｍ、好ましくは１から１０μｍ、最も好ましくは１から５μｍである。
【００２２】
前記多層構造は、基材または予備被覆された基材に密着しているが、個別層ＸおよびＹが交互積層した薄層非周期多層構造を含み、前記個別層ＸおよびＹは、好ましくは、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）またはその混合物から選択される金属元素を含む立方晶構造を持つ金属窒化物、好ましくは多結晶金属窒化物である。個別層ＸおよびＹの化学組成は互いに異なる。
【００２３】
多層構造中の各個別層の組成は、薄いので隣接層の影響なしに測定することは容易でない。測定できるのは、多層構造全体の平均組成である。しかし、各個別層の組成は使用されたターゲットの組成から推定できるが、それは正確な組成を与えない。分析するに十分厚い、より厚い層が堆積した場合、堆積層の組成がターゲット材料の組成に比べ数パーセント異なることがあると示されている。この事実により、本願で以下に記載する本発明の多層構造の個別層の組成はいずれも、堆積の間に使用されたターゲットの組成からの推定値である。
【００２４】
多層構造の平均化学組成は、被膜の断面でＥＤＳ（エネルギー分散分光法）を利用して測定される。本発明の多層構造全体の平均組成は、（Ｔｉ(1-a-b-c)ＡｌaＣｒbＳｉc）Ｎであり、０＜ａ＜０．５、好ましくは０．０５＜ａ＜０．４、最も好ましくは０．２５＜ａ＜０．３であり、０＜ｂ＜０．１５、好ましくは０．０２＜ｂ＜０．１０、最も好ましくは０．０４＜ｂ＜０．０８であり、０．０１＜ｃ＜０．１７、好ましくは０．０２＜ｃ＜０．１０、最も好ましくは０．０４＜ｃ＜０．０８であり、ａ＋ｂ＋ｃ＜１である。
【００２５】
本発明の１実施形態において、基材は、厚さが０．１−１μｍ、好ましくは０．０５−０．５μｍのＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮまたは（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの薄い単層被膜または多層被膜により予備被覆される。
【００２６】
本発明の１実施形態において、個別層ＸおよびＹの組成は、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、ＴｉＮ、（Ａｌ，Ｓｉ）Ｎおよび（Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎのいずれかでよい。
【００２７】
本発明の１実施形態において、被膜は、個別層（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎおよび（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎが交互積層した多層構造を含む。
【００２８】
本発明の１実施形態において、基材は超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化ホウ素の切削工具インサートである。
【００２９】
本発明の１実施形態において、基材は超硬合金または高速度鋼のドリルまたはエンドミルである。
【００３０】
本発明は、被覆切削工具を製造する方法にも関する。この方法は、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化ホウ素または高速度鋼の硬質合金の基材を準備する工程、前記基材上に、非周期的な多層構造を有する被膜をＰＶＤ技術により堆積させる工程を含む。
【００３１】
被膜は、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）またはそれらの合金から選択される元素のターゲットを利用し、Ｎ2または混合Ｎ2＋Ａｒガス雰囲気中で堆積できる。
【００３２】
ターゲット中の金属元素の組成は多層構造全体における金属元素の平均組成とは異なることがあるが、それでも本発明の範囲内の被膜を形成する。
【００３３】
本発明の１実施形態において、ターゲットは、（Ａｌ，Ｃｒ）、（Ｔｉ，Ｓｉ）、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）、Ｔｉ、（Ａｌ，Ｓｉ）、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｓｉ）のいずれかである。
【００３４】
本発明の１実施形態において、ターゲットは（Ａｌ，Ｃｒ）および（Ｔｉ，Ｓｉ）である。
【００３５】
多層構造を有する被膜は、種々のＰＶＤ技術および交互に形成する種々の個別層により堆積できる。個別層厚さの非周期的シーケンスは、個別層ターゲットのシャッターをランダムに開放および閉鎖して、または前記ターゲットのスイッチをランダムに入り切りしてつくることができる。他に考えられる方法は、前記ターゲットの前で被覆すべき基材をランダムに回転または移動させることである。これは好ましくは、非周期的な構造を得るために配置された３重回転式基材テーブル（3-fold rotating substrate table）に基材を載せることにより実施される。３重回転は、回転速度および回転方向、時計回りまたは反時計回りに関して調整可能である。
【００３６】
多層構造は、個別層の平均厚さが、０．１ｎｍより大きいが１００ｎｍより小さく、好ましくは０．５ｎｍより大きいが５０ｎｍより小さく、最も好ましくは１ｎｍより大きいが３０ｎｍより小さいように堆積される。多層構造中の任意の１０層の連続した層の和は３００ｎｍより小さい。
【００３７】
被膜全体の厚さは０．５から２０μｍ、好ましくは１から１０μｍ、最も好ましくは１から５μｍである。
【００３８】
本発明の方法により製造された多層構造全体の平均組成は、（Ｔｉ(1-a-b-c)ＡｌaＣｒbＳｉc）Ｎであり、０＜ａ＜０．５、好ましくは０．０５＜ａ＜０．４、最も好ましくは０．２５＜ａ＜０．３であり、０＜ｂ＜０．１５、好ましくは０．０２＜ｂ＜０．１０、最も好ましくは０．０４＜ｂ＜０．０８であり、０．０１＜ｃ＜０．１７、好ましくは０．０２＜ｃ＜０．１０、最も好ましくは０．０４＜ｃ＜０．０８であり、ａ＋ｂ＋ｃ＜１である。
【００３９】
ほとんどのＰＶＤ技術が本発明の方法に利用できるが、好ましくは電子線蒸着、マグネトロンスパッタリングまたは陰極アーク蒸着あるいはこれらの組み合わせが利用される。
【００４０】
本発明の１実施形態において、前記方法に使用される基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化ホウ素の切削工具インサートである。
【００４１】
本発明の１実施形態において、前記方法に使用される基材は超硬合金または高速度鋼のドリルまたはエンドミルである。
【実施例】
【００４２】
実施例１（本発明）
直径８ｍｍのドリル、直径１０ｍｍのボールソリッドエンドミルおよびインデキサブルインサート（indexable insert）を、１０重量％のＣｏおよび残部ＷＣの組成を持つ超硬合金から作製した。これら３の異なる種類の工具を、陰極アーク蒸着を利用して非周期的な多層（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ被膜で被覆した。被膜の厚さは、特定の工具およびその用途に合わせて調整した。多層構造は、非周期的構造を得るために配置された３重回転式基材テーブルに工具を載せて、２種の異なる化学組成を持つ２組のアークターゲットから堆積させた。アーク蒸着はＡｒ＋Ｎ2雰囲気中で実施した。堆積の後、ドリル表面の被膜にウェットブラスト処理を施した。
【００４３】
アークターゲットの組成、被膜断面でＥＤＳにより測定した被膜の平均組成ならびにドリルおよびエンドミルの周縁部およびインサートの逃げ面での光学顕微鏡観察（light optical microscopy）で測定した各工具の被膜厚さを表１に示す。
【００４４】
多層構造は、非周期的な、すなわち反復性でない厚さを有する個別層のシーケンスを有していた。断面透過型電子顕微鏡による観察から、個別の窒化物層の厚さが１から３０ｎｍであり、各層システム中の層の総数が１００を超えることが明らかになった。
【表１】
0005406041.tif 000002
【００４５】
実施例２（比較）
比較のため、実施例１と同じ形状および組成を持つ基材を、種々の市販の被膜で被覆した。
【表２】
0005406041.tif 000003
【００４６】
実施例３
実施例１により作製したドリルを、実施例２により作製したドリルと比較した。各ドリルタイプの２つのドリルを、以下の切削条件の間に、底穴ドリル加工で試験した。
被加工材：                   ＳＳ２５４１−０３（３４ＣｒＮｉＭｏ６）
操作：                      ドリル加工
Ｖc（ｍ／分）               １００
送り（ｍｍ／ｒｅｖ）         ０．１５
ａ、穴の深さ（ｍｍ）      ２０
内部冷却剤                   あり
【００４７】
結果は以下から分かる。結果は２回の試験の平均数である。工具寿命の基準は、ｖb＝０．３ｍｍの逃げ面摩耗、ｋb＝０．５ｍｍのすくい面摩耗／チッピング、破損または長いチップである。
【表３】
0005406041.tif 000004
【００４８】
実施例４
実施例１により作製したドリルを、実施例２により作製したドリルと比較した。各ドリルタイプの３つのドリルを、以下の切削条件の間に、貫通穴ドリル加工で試験した。
被加工材：                   ＳＳ２２４４−０５（４２ＣｒＭｏ４）
操作：                      ドリル加工
Ｖc（ｍ／分）               ７０
送り（ｍｍ／ｒｅｖ）         ０．１５
ａ、穴の深さ（ｍｍ）      １８
内部冷却剤                   あり
【００４９】
結果は以下から分かる。結果は３回の試験の平均数である。工具寿命の基準は、ｖb＝０．３ｍｍの逃げ面摩耗、ｋb＝０．５ｍｍのすくい面摩耗またはチッピング、破損または長いチップである。
【表４】
0005406041.tif 000005
【００５０】
実施例５
実施例１により作製した、焼入れ硬化鋼を加工するための直径１０ｍｍのボールソリッドエンドミルを、実施例２により作製したボールソリッドエンドミルと比較した。各タイプの２つのエンドミルを、以下の切削条件の間にフライス加工操作で試験した。
被加工材：                   １．２３７９  ５２ＨＲＣ、焼入れ硬化鋼
操作：                      輪郭試験（contour test）フライス加工
ａe（ｍｍ）：               ０．２
ａp（ｍｍ）：               ０．２
Ｖc（ｍ／分）               １９６
ｆｚ、（ｍｍ／歯）           ０．１２７
冷却剤                      圧縮空気
【００５１】
結果は以下から分かる。工具寿命の基準は、０．１５の平均逃げ面摩耗ｖbまたは０．２０ｍｍの最大逃げ面摩耗Ｖb,maxであった。
【表５】
0005406041.tif 000006
【００５２】
実施例６
実施例１により作製したインデキサブルインサートを、実施例２によるインデキサブルインサートと比較した。各タイプの２つのインデキサブルインサートを、以下の切削条件の間にフライス操作で試験した。
被加工材：                   Ｄｉｅｖａｒ  ４７ＨＲＣ、焼入れ硬化鋼
操作：                      フライス加工
Ｖc（ｍ／分）               １２０
ａe（ｍｍ）：               ２．０
ａp（ｍｍ）：               ４．０
ｆｚ、（ｍｍ／歯）           ０．１２
【００５３】
結果は以下から分かる。結果は２回の試験の平均数である。工具寿命の基準は、０．２ｍｍのｖbまたはチッピングまたは０．３ｍｍの境界摩耗であった。
【表６】
0005406041.tif 000007
【図１】
0005406041.tif 000008
【図２】
0005406041.tif 000009