(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体および前記本体上の多層被膜を含む切削工具であって、前記本体の直接上の窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化チタンアルミニウムケイ素（ＴｉＡｌＳｉＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロムケイ素（ＡｌＣｒＳｉＮ）および窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）から選択された硬質材料の第１層Ａと、
前記第１層Ａの直接上のアモルファス窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の第２層Ｂと、
前記第２層Ｂの上の層Ａと層Ｂとのさらに周期的に繰り返された少なくとも１つの連続と、
を含み、
前記第１層Ａが、０．５〜４μｍの範囲の層厚を有し、前記第２層Ｂが、０．２〜５μｍの範囲の層厚を有し、そして、
前記層Ａと層Ｂとのさらに周期的に繰り返された連続中の前記層Ａはまた、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化チタンアルミニウムケイ素（ＴｉＡｌＳｉＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロムケイ素（ＡｌＣｒＳｉＮ）および窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）から選択されており前記第１層Ａの前記硬質材料と同じであるかまたは異なり、そして前記層Ｂはアモルファス窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）でできており、
前記層Ａと層Ｂとのさらに周期的に繰り返された連続中の層Ａは０．２〜２μｍの範囲の層厚を有し、
前記層Ａと層Ｂとのさらに周期的に繰り返された連続中の層Ｂは０．２〜５μｍの範囲の層厚を有し、
前記多層被膜は２〜１０μｍの範囲の全層厚を有する、切削工具。
【請求項２】
硬質材料層Ｂの前記窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が、それぞれ２０原子％まで、好ましくは５原子％までの通常のもしくは通常でない不純物またはドーピング元素、好ましくは酸素、炭素、ホウ素、ガリウムおよびヒ素から選択される不純物またはドーピング元素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】
前記第１層Ａの前記硬質材料が、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）であることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項４】
前記層Ａおよび層Ｂ上に酸化アルミニウム、酸化アルミニウムクロム、酸化クロム、窒化ジルコニウム、窒化チタンおよびアルミニウム金属から選択される少なくとも１つのさらなる硬質材料層または金属層を含み、ここですべての前記硬質材料は、１種または２種以上のさらなる元素により任意選択的にドープされることができ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切削工具。
【請求項５】
前記層Ａおよび層Ｂ上の酸化アルミニウムを含む少なくとも１つのさらなる硬質材料層と、その上の窒化ジルコニウム、窒化チタンまたはアルミニウム金属のさらなる層と、を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項６】
前記多層被膜が、３〜６μｍの範囲の全層厚を有す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切削工具。
【請求項７】
前記本体の直接上の前記第１層Ａが、１〜３μｍの範囲の層厚を有し、そして存在するさらなる層Ａが、０．３〜１μｍの範囲の層厚を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項８】
前記層Ｂが、０．３〜３μｍの範囲、好ましくは０．５〜１μｍの範囲の層厚を有す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切削工具。
【請求項９】
前記本体が硬質金属、陶性合金、スチールまたは高速スチール（ＨＳＳ）ででき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切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本体および本体に適用された多層被膜を含む切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削工具は、例えば、硬質金属、陶性合金、スチールまたは高速スチールでできた本体、および耐用年数を増加させるため、または切削特性を改善するために本体に適用された単層または多層の硬質材料の被膜を含む。ＣＶＤプロセス（化学的蒸着）および／またはＰＶＤプロセス（物理的蒸着）は、硬質材料の被膜を適用するために使用される。
【０００３】
国際公開第９６／２３９１１号パンフレットは、複数の個々の層を含む多層の耐摩耗性被膜を含む切削工具であって、硬質金属材料を含む個々の層が本体に直接適用されており、そしてそれらの上にさらに個々の層が並べられて、３つの異なるそれぞれの個々の層を含む周期的に繰り返された複合物を個々の層が形成しており、個々の層それぞれが、２つの異なる金属性硬質材料層および共有結合性硬質材料層を含む工具を記載する。好ましいとして記載されたある態様では、３層の複合物が窒化チタンおよび炭化チタンの２つの個々の層および共有結合性硬質材料炭化ホウ素を含む個々の層を含む。耐摩耗性被膜は、少なくとも３つの共有結合性硬質材料層部分を含み、したがって少なくとも９の個々の層を含むことがそこに記載されている。好ましくは、スチールまたは硬質金属の本体に良好に接着すると言われているので、本体の上に配置された第１の個々の層は、窒化チタンまたは炭化チタンの層である。特に好ましい炭化ホウ素に加えて、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、サイアロン（ケイ素および酸窒化アルミニウムの混合結晶）、炭素などが、共有結合性硬質材料の個々の層のために特定される。しかし、硬質金属材料窒化チタンおよび炭化チタンを含む記載された個々の層は、摩耗からの保護に関する今日の要求を満たさないことが見いだされた。炭化チタンは確かに硬質であるが、耐摩耗性層としては脆すぎる。窒化チタンは、炭化チタンより軟質でありかつより脆くない。炭化チタンおよびまた窒化チタンの両者は、高温装填を含む使用のための不充分な耐温度性を有する。金属切削の場合、チップおよび切削具への熱放散はまた、不充分である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、本体上の最先端のものと比較して、改善された接着を有する本体および多層被膜、並びに匹敵するかまたは良好な硬度値および改善された耐摩耗性を有するより良好な高温特性を有する切削工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、本体および本体に適用された多層被膜を含む切削工具であって、本体が窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化チタンアルミニウムケイ素（ＴｉＡｌＳｉＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロムケイ素（ＡｌＣｒＳｉＮ）および窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）から選択された硬質材料の第１層Ａを適用されており、そして窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の第２層Ｂが第１層Ａの上に直接適用されている工具によって達成される。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
例えば最先端で知られたＴｉＣまたはＴｉＮのような金属性硬質材料層と比較して、第１の窒化物層Ａは、著しく改善された耐温度性、および同時にＴｉＣの硬度に匹敵するがＴｉＣほど脆くない高度の硬度を有する。窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の第２層は硬質かつ耐摩耗性であり、そして第１の窒化物との組み合わせで、層Ａは、耐摩耗性被膜を通る本体への熱の移送を非常に有効に予防し、したがって切削工具を用いた金属機械加工における改善されたチップへの熱放散および切断を促進する。熱移送の防止は、硬質の耐摩耗性層として非常にしばしば使用される酸化アルミニウムによって生じるのと同じように窒化ケイ素によって同様に有効に生じる。さらに窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の第２層Ｂは、高温においてさえ非常に高い抗酸化性を有する。
【０００７】
本発明の特に好ましい態様において、硬質材料の第１層Ａは本体に直接適用される。特に第１層ＡがＴｉＡｌＮを含む場合、これは、窒化ケイ素と本体との間に特に良好な接着を与える。
【０００８】
本発明のさらに好ましい態様において、層Ａおよび層Ｂの少なくとも１つのさらに周期的に繰り返された連続が第２層Ｂの上に適用され、層Ａおよび層Ｂの周期的に繰り返された連続中の層Ａはまた、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化チタンアルミニウムケイ素（ＴｉＡｌＳｉＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロムケイ素（ＡｌＣｒＳｉＮ）および窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）から選択されるが、第１層Ａの硬質材料と異なることができる。好ましくは、層Ａは、それぞれの窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）であり、そして層Ｂはそれぞれ窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）である。
【０００９】
本発明のさらに好ましい態様において、硬質材料層Ｂの窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）はアモルファスである。アモルファス窒化ケイ素は、驚くほど良好な耐摩耗特性および良好な耐温度性、同時に高いレベルの硬度を有する。
【００１０】
硬質材料層Ｂの窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）は、それぞれ２０原子％まで、好ましくは５原子％までの通常のもしくは通常でない不純物またはドーピング元素を含むことができる。これらの通常のもしくは通常でない不純物またはドーピング元素は、好ましくは、酸素、炭素、ホウ素、ガリウムおよびヒ素から選択される。
【００１１】
本発明のかなり特に好ましい態様において、第１層Ａの硬質材料は窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）である。ＴｉＡｌＮは、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の第２層Ｂとの組み合わせに特に好都合であることが証明された。ＴｉＡｌＮは、ＴｉＡｌＮ層中に５ｗｔ％の量までまた含まれることができるＴｉＡｌＳｉＮのように面心立方体の結晶格子を有する。
【００１２】
本発明のさらなる態様では、さらなる硬質材料層または酸化アルミニウム、酸化アルミニウムクロム、酸化クロム、窒化ジルコニウム、窒化チタンおよびアルミニウム金属から選択される金属層の少なくとも１層が、層Ａおよび層Ｂまたは層Ａおよび層Ｂの周期的に繰り返された複合物の上に適用されており、すべての前記の硬質材料は、１種または２種以上のさらなる元素で任意選択的にドープされていることができる。
【００１３】
本発明の変化形において、酸化アルミニウムを含む少なくとも１層のさらなる硬質材料層が層Ａおよび層Ｂの上に適用されており、そして窒化ジルコニウム、窒化チタンまたはアルミニウム金属のさらなる層がその上に適用されている。
【００１４】
層Ａおよび層Ｂの上に適用されることができるさらなる層は、基本的に公知である。酸化アルミニウムは、例えば、非常に硬質かつ良好な耐摩耗性層であり、そして酸化アルミニウムクロムおよび酸化クロムも同様である。それに引き替え、窒化ジルコニウム、窒化チタンおよびアルミニウム金属は、切削工具を着色するために、および最も外側の層の形態で切削工具での使用のためのインジケーター層として通常適用される。
【００１５】
望ましくは、本発明による多層被膜は、２〜１０μｍ、好ましくは３〜６μｍの範囲の全層厚を有する。望ましくは、本体に好ましくは直接適用される第１層Ａは、０．５〜４μｍ、好ましくは１〜３μｍの範囲の層厚を有する。任意選択的に存在するさらなる層Ａの層厚は、それと比較すると、望ましくは０．２〜２μｍ、好ましくは０．３〜１μｍの範囲である。望ましくは、層Ｂは、０．２〜５μｍ、好ましくは０．３〜３μｍの範囲、特に好ましくは０．５〜１μｍの範囲の層厚を有する。過度の大きい層厚では、層中の過度に高い機械的な応力により、通常、破砕のリスクがある。過度に小さい層厚では、それぞれの個々の層がそこから欲しい機能を果たさないか、または機能を充分に果たせない危険性がある。
【００１６】
好ましくは本発明による被膜中の層Ａおよび層Ｂは、ＰＶＤプロセスによって本体に適用された層であり、層Ａは、特に好ましくはアーク蒸着（ａｒｃ  ＰＶＤ）によって適用され、そして層Ｂは、特に好ましくはマグネトロンスパッタリング、特にデュアルマグネトロンスパッタリングまたはＨＩＰＩＭＳ（高出力インパクトマグネトロンスパッタリング）によって適用される。
【００１７】
本発明による切削工具の本体は、好ましくは硬質金属、陶性合金、スチールまたは高速スチール（ＨＳＳ）から生産されている。
【００１８】
本発明の新規な被膜は、切削工具の耐摩耗性、耐用年数および切削特性を改善する、そして／または適合させるための広範な可能性のある選択肢を与える。切削工具への被膜の耐摩耗性、安定性および切削特性は、例えば、切削工具の本体の材料、継承（ｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎ）、被膜中の層の性質および組成、種々の層の厚さおよび特に切削工具を用いて行われる切断作業の性質等の種々の因子に依存する。加工される加工対象物の性質、それぞれの機械加工工程および例えば、高温の発生または腐食性冷却流体の使用等の機械加工作業の間のさらなる条件に依存して、全く同一の切削工具において、異なるレベルの耐摩耗性が与えられることができる。さらにそれぞれの機械加工作業によって多かれ少なかれ、道具の使用期間、つまりその耐用年数に影響する場合がある種々の摩耗の種類の間において大きな違いがある。したがってどの道具特性が改善されるべきか、そして最先端のものと比較して匹敵する条件下にあると評価されるべきかを考慮して、切削工具のさらなる開発および切削工具の改善が常に考慮されている。
【００１９】
本発明による本体および多層被膜を用いた本発明による切削工具における実質的な改善は、最先端のものより改善されている本体上への被膜の接着、より良好な高温特性、より良好な硬度値および改善された耐摩耗性である。
【００２０】
本発明による被膜を用いて観察されたさらに驚くべき効果は、被膜全体の熱伝導度の減少である。被膜の熱伝導度において驚くほど達成された減少は、切削金属および複合材料におけるそうした切削工具の使用において非常に有益な効果を有する。減少した熱伝導度は、改善された熱衝撃抵抗、したがって本体の材料、特に硬質金属の増加したコームクラッキング（ｃｏｍｂ  ｃｒａｃｋｉｎｇ）強度となる。
【００２１】
すべての個々の特徴は本発明によるある態様のために、本明細書中に記載されているので、これが技術的に有意であり、そして可能である限り、本発明による態様のすべての他の記載された特徴と組み合わせることができ、そしてそうした組み合わせが、本明細書内に開示されているものと見なされることが自明である。すべての可能な組み合わせの個々の名前が本明細書中において省略されるのは、より読みやすいという理由のみによる。
【００２２】
本発明のさらなる利点、特徴および態様が、以下の例によって記載される。
【実施例】
【００２３】
ＰＶＤ被膜設備（Ｆｌｅｘｉｃｏａｔ；Ｈａｕｚｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏ  Ｃｏａｔｉｎｇ）中で、硬質金属本体に多層ＰＶＤ被膜を提供した。本体の形状は（ＤＩＮ−ＩＳＯ１８３２による）ＳＥＨＷ１２０４０８またはＡＤＭＴ１６０６０８−Ｆ５６であった。層の堆積の前に設備を１ｘ１０−５ｍｂａｒに排気し、そして硬質金属表面を１７０Ｖのバイアス電圧においてアルゴンイオンを用いてエッチングによりクリーニングした。
【００２４】
例１
層Ａ：ＴｉＡｌＮ
ＰＶＤ−工程：アーク蒸着（Ａｒｃ−ＰＶＤ）
ターゲット：Ｔｉ／Ａｌ（３３／６７原子％）、円形源（ｒｏｕｎｄ  ｓｏｕｒｃｅ）（６３ｍｍ直径）
堆積：温度：５００℃；蒸気化電流：６５アンペア；
３．２Ｐａ  Ｎ２圧力、５０ボルトの基材バイアス電圧
【００２５】
層Ｂ：Ｓｉ３Ｎ４
ＰＶＤ工程：  デュアルマグネトロンスパッタリング
ターゲット：  長方形Ｓｉ源（８０ｃｍｘ２０ｃｍ）
堆積：温度：５００℃；６Ｗ／ｃｍ２；２００ｓｃｃｍ  Ｎ２；
０．５Ｐａ  Ａｒ圧力、９０ボルトの基材バイアス電圧
構造  Ｘ線アモルファス
結合の特徴：ＸＰＳにより共有結合性
層の継承：本体／２．５μｍ  ＴｉＡｌＮ／０．６μｍ  Ｓｉ３Ｎ４．
【００２６】
比較例１
３．３μｍ厚のＴｉＡｌＮ層の堆積、さもなければ、例１の堆積パラメーターでのＴｉＡｌＮ層の堆積であるがさらなる窒化ケイ素層Ｂの堆積なし。
【００２７】
４２ＣｒＭｏ４−スチール（強度：９５０ＭＰａ）を含む加工対象物上のミリング試験中で、例１および比較例１の切削工具を比較した。速度ｖｃ＝２３５ｍ／分の切断速度およびｆ２＝０．２ｍｍの歯前進（ｔｏｏｔｈ  ａｄｖａｎｃｅ）で滑剤を冷却することなくダウンミリングを行った。４８００ｍｍのミリングトラベル後に、（主刃先において）平均摩耗マーク幅（ｗｅａｒ  ｍａｒｋ  ｗｉｄｔｈｓ）ＶＢｍｍとしてレリーフ（ｒｅｌｉｅｆ）表面上で摩耗を測定した。
以下の摩耗マーク幅ＶＢが見いだされた：
【００２８】
表１
摩耗マーク幅ＶＢ
例１：      ０．０６ｍｍ
比較例１：  ０．１０ｍｍ
【００２９】
例２
ＴｉＡｌＮの層およびＳｉ３Ｎ４の層Ｂを、同じＰＶＤプロセスおよび同じ例１中のパラメーターで堆積させた。
層の継承：本体／２．５μｍ  ＴｉＡｌＮ／０．６μｍ  Ｓｉ３Ｎ４／０．３μｍ  ＴｉＡｌＮ／０．１μｍ  Ｓｉ３Ｎ４／０．３μｍ  ＴｉＡｌＮ／０．１μｍ  Ｓｉ３Ｎ４．
【００３０】
比較例２
比較例１のようであるが、４．０μｍ厚のＴｉＡｌＮ層の堆積を有する。
例１のよう行ったが、切断速度ｖ＝２８３ｍ／分および歯前進ｆ２＝０．３ｍｍのミリング試験において、以下の摩耗マーク幅ＶＢが見いだされた：
【００３１】
表２
摩耗マーク幅ＶＢ
例２： ０．１０ｍｍ
比較例２： ０．３０ｍｍ
（態様）
（態様１）
本体および前記本体に適用された多層被膜を含む切削工具であって、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化チタンアルミニウムケイ素（ＴｉＡｌＳｉＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロムケイ素（ＡｌＣｒＳｉＮ）および窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）から選択された硬質材料の第１層Ａが前記本体に適用されており、そして、
窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の第２層Ｂが、前記第１層Ａの上に直接適用されている、工具。
（態様２）
層Ａおよび層Ｂの少なくとも１つのさらに周期的に繰り返された連続が、前記第２層Ｂの上に適用されており、ここで前記層Ａおよび層Ｂの周期的に繰り返された連続中の前記層Ａはまた、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、窒化チタンアルミニウムケイ素（ＴｉＡｌＳｉＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロム（ＡｌＣｒＮ）、窒化アルミニウムクロムケイ素（ＡｌＣｒＳｉＮ）および窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）から選択されているが、前記第１層Ａの前記硬質材料と異なることができることを特徴とする、態様１に記載の切削工具。
（態様３）
前記硬質材料層Ｂの前記窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）がアモルファスであることを特徴とする、態様１および２のいずれか一項に記載の切削工具。
（態様４）
硬質材料層Ｂの前記窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が、それぞれ２０原子％まで、好ましくは５原子％までの通常のもしくは通常でない不純物またはドーピング元素、好ましくは酸素、炭素、ホウ素、ガリウムおよびヒ素から選択される不純物またはドーピング元素を含むことを特徴とする、態様１〜３のいずれか一項に記載の切削工具。
（態様５）
前記第１層Ａの前記硬質材料が、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）であることを特徴とする、態様１〜４のいずれか一項に記載の切削工具。
（態様６）
硬質材料を含む第１層Ａが前記本体に直接適用され、そして／または酸化アルミニウム、酸化アルミニウムクロム、酸化クロム、窒化ジルコニウム、窒化チタンおよびアルミニウム金属から選択される少なくとも１つのさらなる硬質材料層または金属層が、前記層Ａおよび層Ｂの上に適用され、ここですべての前記硬質材料は、１種または２種以上のさらなる元素により任意選択的にドープされることができることを特徴とする、態様１〜５のいずれか一項に記載の切削工具。
（態様７）
酸化アルミニウムを含む少なくとも１つのさらなる硬質材料層が前記層Ａおよび層Ｂの上に適用され、そして窒化ジルコニウム、窒化チタンまたはアルミニウム金属のさらなる層がさらにそこに適用されていることを特徴とする、態様１〜６のいずれか一項に記載の切削工具。
（態様８）
前記多層被膜が、２〜１０μｍ、好ましくは３〜６μｍの範囲の全層厚を有することを特徴とする、態様１〜７のいずれか一項に記載の切削工具。
（態様９）
前記本体に直接適用された前記第１層Ａが、０．５〜４μｍ、好ましくは１〜３μｍの範囲の層厚を有し、そして任意選択的に存在するさらなる層Ａが、０．２〜２μｍ、好ましくは０．３〜１μｍの範囲の層厚を有することを特徴とする、態様１〜８のいずれか一項に記載の切削工具。
（態様１０）
前記層Ｂが、０．２〜５μｍ、好ましくは０．３〜３μｍの範囲、特に好ましくは０．５〜１μｍの範囲の層厚を有することを特徴とする、態様１〜９のいずれか一項に記載の切削工具。
（態様１１）
前記層Ａおよび層ＢがＰＶＤプロセスによって前記本体に適用された層であり、前記層Ａが好ましくはアーク蒸着（ａｒｃ ＰＶＤ）によって適用されており、そして／または前記層Ｂがマグネトロンスパッタリング、好ましくはデュアルマグネトロンスパッタリングまたはＨＩＰＩＭＳによって適用されていることを特徴とする、態様１〜１０のいずれか一項に記載の切削工具。
（態様１２）
前記本体が硬質金属、陶性合金、スチールまたは高速スチール（ＨＳＳ）から生産されていることを特徴とする、態様１〜１１のいずれか一項に記載の切削工具。