(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、鋼、又は高速鋼で造られた本体と、ＰＶＤ法によって前記本体上に適用された多層摩耗保護被膜とを有する工具であって、
前記摩耗保護被膜は、
ＴｉａＡｌ（１−ａ）Ｎ（ただし０．３３≦ａ＜１）で厚さが２０ｎｍ〜３μｍである少なくとも１つの層（Ａ）と、
ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎ（ただし０．７０≦ｂ≦０．９８及び０．３≦ｃ≦０．７５）の一連の少なくとも交互に積み重ねられた４つの副層であり、副層の厚さが０．５ｎｍ〜１５ｎｍである少なくとも１つの（Ｂ）層と、
を含み、
前記ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及び前記ＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの面心立方格子の格子定数が、それぞれ異なり、かつ、
前記摩耗保護被膜が、
［Ａ−Ｂ］ｎ  （ただし、１＜ｎ≦１００）、
（ただしｎは１以上の整数）
から選ばれる一連の層であることを特徴とする、工具。
【請求項２】
超硬合金、サーメット、セラミック、鋼、又は高速鋼で造られた本体と、ＰＶＤ法によって前記本体上に適用された多層摩耗保護被膜とを有する工具であって、
前記摩耗保護被膜は、
ＴｉａＡｌ（１−ａ）Ｎ（ただし０．３３≦ａ＜１）で厚さが２０ｎｍ〜３μｍである少なくとも１つの層（Ａ）と、
ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎ（ただし０．７０≦ｂ≦０．９８及び０．３≦ｃ≦０．７５）の一連の少なくとも交互に積み重ねられた４つの副層であり、副層の厚さが０．５ｎｍ〜１５ｎｍである少なくとも１つの（Ｂ）層と、
ＴｉｄＳｉ（１−ｄ）Ｎ（ただし０．７０≦ｄ≦０．９８）を含み、厚さが５０ｎｍ〜１μｍである少なくとも１つの（Ｃ）層
を含み、
前記ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及び前記ＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの面心立方格子の格子定数が、それぞれ異なり、かつ、
前記摩耗保護被膜が、
（［Ａ−Ｂ］ｎ−Ｃ）ｍ  （ただし、１＜ｎ≦１００、１≦ｍ≦２０）、
Ａ−［Ｂ−Ｃ］ｎ  （ただし、１＜ｎ≦３０）、
［Ａ−Ｂ−Ｃ］ｎ  （ただし、２≦ｎ≦３０）、
｛（［Ａ−Ｂ］ｏ−Ｃ）ｑ−（Ａ−［Ｂ−Ｃ］ｐ）ｒ｝ｍ  （ただし、１≦ｏ≦３０、１≦ｐ≦３０、１≦ｑ≦３０、ｐ＋ｑ≧２、（１３ｑ＋２５ｒ）ｍ≦５００）、
（ただしｍ、ｎ、ｏ、ｐ、ｑ、ｒは１以上の整数）
から選ばれる一連の層であることを特徴とする、工具。
【請求項３】
前記（Ａ）及び（Ｂ）層は、さらなる金属、Ｂ、Ｃ、及び／又はＯを１０原子％まで含む、請求項１に記載の工具。
【請求項４】
前記（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）層は、さらなる金属、Ｂ、Ｃ、及び／又はＯを１０原子％まで含む、請求項２に記載の工具。
【請求項５】
前記摩耗保護被膜が、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＡｌＣｒＮ、及びＴｉＣＮの１種以上のさらなる層を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の工具。
【請求項６】
前記（Ｂ）層は、交互に積み重ねられて配置された一連の少なくともＴｉｂＳｉ（１−ｂ）の４つの副層及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの４つの副層であること、及び／又は
前記（Ｂ）層は、交互に積み重ねられて配置された一連の最大でＴｉｂＳｉ（１−ｂ）の１５００の副層及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの１５００の副層であること、
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（Ｂ）層は４０ｎｍ〜３μｍの全厚さであ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】
ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの前記副層は、１．０ｎｍ〜１２ｎｍの厚さであ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】
ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの前記副層が、面心立方結晶構造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。
【請求項１０】
前記摩耗保護被膜は０．５μｍ〜１０μｍの全厚さであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の工具。
【請求項１１】
前記摩耗保護被膜が、
ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＡｌＣｒＮ、又はＴｉＣＮ並びにこれらの組合せのさらなる層を有すること、及び／又は
少なくとも一部領域に、最外層として薄い摩耗認識層を有すること
を特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の工具。
【請求項１２】
前記摩耗保護被膜は、ビッカース硬さが２５００〜４０００であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の工具。
【請求項１３】
前記摩耗保護被膜は、弾性率（Ｅ係数）が３８０ＧＰａよりも大きいことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の工具。
【請求項１４】
割り出し可能なカッター・インサート及び／又はソリッド超硬合金工具であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の工具。
【請求項１５】
前記摩耗保護被膜は、平均表面粗さＲａが、１０μｍの長さにわたっての測定で、１．０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜１４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、鋼、又は高速鋼で造られた本体と、ＰＶＤ法によって、その本体上に適用された単層又は多層の摩耗保護被膜とを有する工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削工具、特に金属除去加工のための工具は、例えば超硬合金、サーメット、セラミック、鋼、又は高速鋼で造られた本体からなる。工具の寿命を長くするため、又は切削特性を向上させるため、硬質材料で造られた単層又は多層の摩耗保護被膜を、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法により本体に適用することがしばしばある。ＰＶＤ法には多くの種類があり、例えばマグネトロン・スパッタリング、アーク蒸着（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・アブレーションなどが挙げられる。マグネトロン・スパッタリングとアーク蒸着が、工具の被覆に最もよく利用されるＰＶＤ法である。さらにＰＶＤ法の種類のそれぞれには、さまざまな改変が含まれ、例えば非パルス式又はパルス式のマグネトロン・スパッタリング、並びに非パルス式又はパルス式のアーク蒸着などがある。
【０００３】
ＰＶＤ法で用いられるターゲットは、純金属又は２種類以上の金属の組み合わせで構成することができる。ターゲットが複数の金属を含んでいる場合、それらの金属はすべて、ＰＶＤプロセスで形成される被膜層に同時に組み込まれる。ターゲットが複数の金属の混合物からなる場合には、形成される層の内部でのそれら金属の量の比は、本質的に、ターゲット中のそれら金属の量の比によって決まる。
【０００４】
所定の金属化合物を製造するには、ＰＶＤ法の反応室に反応性ガスを供給する。反応性ガスは、例えば、窒化物を形成するには窒素、酸化物を形成するには酸素、炭化物を形成するには炭素含有化合物であり、炭窒化物、オキシカーバイド等の混合化合物を形成するにはそれに対応するこれらガスの混合物である。
【０００５】
ＷＯ９６／２３９１１Ａ１には、基板上の摩耗保護被膜が記載されている。この摩耗保護被膜は、基板に直接付着させた硬質材料層からなり、その上にはさらに、厚さ１〜３０ｎｍの個別の金属製硬質材料層と共有結合性硬質材料層を交互に積み重ねた１０〜１０００層からなる一連の層が設けられている。金属製硬質材料と共有結合性硬質材料からなる個別の層の周期的な交互配置は、摩耗保護被膜の機械的性質と化学的性質が向上するように設計されている。
【０００６】
ＷＯ２００６／０４１３６７Ａ１には、超硬合金製の基板と、ＰＶＤ法によって堆積された被膜とからなる被覆切削工具が記載されている。この工具は、厚さが１．５〜５μｍで内部圧縮応力が４〜６ＧＰａよりも大きい、少なくとも１層のＴｉＡｌＮ層を有する。このＴｉＡｌＮ層は、公知の層と比べて基板への接着が改善されるように設計されている。
【０００７】
ＥＰ２２９８９５４Ａ１には、被覆切削工具の製造方法として、硬質材料（例えばＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、又はＴｉＡｌＣｒＳｉＮ）の被膜を、堆積中に基板のバイアス電圧を変化させるＰＶＤ法によって基板に付着させる方法が記載されている。この方法は、工具の耐摩耗性が向上するとともに、寿命がより長くなるように設計されている。
【０００８】
ＥＰ１９９２７１７には、ＰＶＤ法によって硬質材料層を堆積させるためのターゲットとして、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、及びＮをさまざまな範囲の量で含むことができるターゲットが記載されている。
【０００９】
ＥＰ１１７４５２８には、第１の硬質材料層と第２の硬質材料層を含む多層摩耗保護被膜を有する切削工具が記載されている。第１の硬質材料層は、Ｔｉ、Ａｌ、及びＣｒの金属うちの１種類以上と、Ｎ、Ｂ、Ｃ、及びＯの非金属うちの１種類以上を含んでおり、第２の硬質材料層は、Ｓｉと、周期表の４ａ族、５ａ族、及び６ａ族の金属並びにＡｌのうちの１種類以上と、Ｎ、Ｂ、Ｃ、及びＯの非金属うちの１種類以上を含んでいる。
【００１０】
特に要求が厳しいのは、フライス加工及び旋削加工などの特定の金属加工操作のための工具である。このような工具にとって重要なパラメータは、高温での安定性、高い硬度、高い破壊靭性、及び高い弾性率（Ｅ係数、ヤング率）である。
【００１１】
切削工具とその摩耗保護被膜は、通常は、所定の用途のために設計されており、上記のすべての特性が特定の用途にとって非常に重要であっても、所望特性をすべて同時に最適化することはできないため、それらの特性について、妥協を強いられることが一般的である。そのため、特定の用途で重要な被膜特性を、一層改善することが必要である。
【００１２】
摩耗保護被膜中の公知のＴｉ８５Ｓｉ１５Ｎ層は、例えば、硬度が非常に高くかつＥ係数が非常に高いが、高温での摩擦化学特性は比較的低い。Ａｌ７０Ｃｒ３０Ｎ層もほぼ同様である。それとは対照的に、Ｔｉ５０Ａｌ５０Ｎ層は、高温での摩擦化学的挙動がより優れているが、Ｅ係数は低い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、材料、特に鋼を除去する加工、特に、鋼のフライス加工、旋削加工、及び穿孔加工のための工具として、先行技術と比べて改善されていて、硬度が高く、破壊靭性が高く、弾性率が高く、そして、高温での安定性が優れた被膜を有する工具を提供することである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
この目的は、超硬合金、サーメット、セラミック、鋼、又は高速鋼で造られた本体と、ＰＶＤ法によって前記本体上に適用された多層摩耗保護被膜とを有する工具によって達成される。
前記摩耗保護被膜は、
ＴｉａＡｌ（１−ａ）Ｎ（ただし０．３３≦ａ≦１）で厚さが２０ｎｍ〜３μｍである少なくとも１つの（Ａ）層と、
ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎ（ただし０．７０≦ｂ≦０．９８及び０．３≦ｃ≦０．７５）の一連の少なくとも交互に積み重ねられた４つの副層であり、副層の厚さが０．５ｎｍ〜１５ｎｍである少なくとも１つの（Ｂ）層と、
任意に追加される、ＴｉｄＳｉ（１−ｄ）Ｎ（ただし０．７０≦ｄ≦０．９８）で厚さが５０ｎｍ〜１μｍである少なくとも１つの（Ｃ）層と、
を含んでいて、
前記摩耗保護被膜は、硬質材料のさらなる層を備えることができ、かつ、
前記（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）層は、方法に応じ、層ごとに、さらなる金属、Ｂ、Ｃ、及び／又はＯを１０原子％まで含むことができる。
【００１５】
驚くべきことに、この新たな摩耗保護被膜により、本発明に係るこの種の工具は、先行技術による公知の工具と比べて切削結果が改善され、摩耗がより少なくなることがわかった。本発明の摩耗保護被膜は、硬度が高く、破壊靭性が高く、弾性率が高く、そして、高温での安定性が優れているため、特に鋼のフライス加工、穿孔加工、及び旋削加工において有利である。
【００１６】
本発明の摩耗保護被膜は、ＴｉＡｌＮの（Ａ）層と、ＴｉＳｉＮ及びＡｌＣｒＮの副層が交互に積み重ねられた（Ｂ）層と、任意で追加されるＴｉＳｉＮの（Ｃ）層との組み合わせを有し、刃先での被膜のチッピングが特に少ないことによって得られる、より高い耐摩耗性とより長い工具寿命によって特徴づけられる。
【００１７】
これに関し、理論に拘束されないが、発明者らは、次のように考えている。（Ｂ）層中において、数ナノメートルの薄さで積み重ねられたＴｉＳｉＮ及びＡｌＣｒＮの副層の組成に変化があると、数ナノメートルの薄さであり面心立方格子である格子中の格子定数の差異により、（Ｂ）層の内部応力条件が変化し、本発明の摩耗保護被膜の特性を有利なものとする。
【００１８】
本発明の（Ｂ）層中における、数ナノメートルの薄さで積み重ねられたＴｉＳｉＮ及びＡｌＣｒＮの副層は、異なる組成を有し、これらの副層は、非常に薄いにもかかわらず、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で検出され、識別される。この技術は、当業者に従前から周知である。
【００１９】
本発明の好ましい一実施態様では、（Ｂ）層は、交互に積み重ねられて配置された一連の少なくともＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎの４つの副層及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの４つの副層である。したがってこの実施態様では、ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの副層の合計数は少なくとも８つである。ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの副層の数が少なすぎると、先行技術よりも高い硬度と大きなＥ係数が得られても、（Ｂ）層の厚さが不十分なことにより、被膜全体の耐摩耗性に好ましくない影響がある。
【００２０】
本発明の別の好ましい一実施態様では、（Ｂ）層は、交互に積み重ねられて配置された一連の最大でＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎの１５００の副層及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの１５００の副層である。したがってこの実施態様では、ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの副層の合計数は最大で３０００である。ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの副層の数が多すぎると、摩耗保護被膜の全厚さが過剰になる結果、被膜が刃先の領域でより早く剥離する。
【００２１】
本発明の別の好ましい一実施態様では、（Ｂ）層は、４０ｎｍ〜３μｍの全厚さである。（Ｂ）層の全厚さが薄すぎると、（Ｂ）層は有利な機械的性質を失う。（Ｂ）層の全厚さが厚すぎると、摩耗保護被膜の全厚さが過剰になる結果、被膜が刃先の領域でより早く剥離する。
【００２２】
本発明の別の好ましい一実施態様では、摩耗保護被膜は、次のような一連の層のうちの１つである（ただしｍ、ｎ、ｏ、ｐ、ｑ、及びｒは０を超える整数）：
［Ａ-Ｂ］ｎ  ただし、１≦ｎ≦１００、好ましくは１≦ｎ≦２０、
（［Ａ-Ｂ］ｎ-Ｃ）ｍ  ただし、１≦ｎ≦１００、好ましくは１≦ｎ≦２０、１≦ｍ≦２０、好ましくは１≦ｍ≦５
Ａ-［Ｂ-Ｃ］ｎ  ただし、１≦ｎ≦３０
［Ａ-Ｂ-Ｃ］ｎ  ただし、２≦ｎ≦３０
｛（［Ａ-Ｂ］ｏ-Ｃ）ｑ-（Ａ-［Ｂ-Ｃ］ｐ）ｒ｝ｍ  ただし、１≦ｏ≦３０、１≦ｐ≦３０、１≦ｑ≦３０、ｐ＋ｑ≧２、（１３ｑ＋２５ｒ）ｍ≦５００。
【００２３】
好ましくは、ＴｉＡｌＮの（Ａ）層は摩耗保護被膜の最内層であり、基板の表面と直接接触している。ＴｉＡｌＮの（Ａ）層は、基板の表面への摩耗保護被膜の非常に優れた付着に寄与し、摩耗保護被膜のチッピング又は剥離の危険性が減少する。
【００２４】
本発明の別の好ましい一実施態様では、ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの副層は、１．０ｎｍ〜１２ｎｍ、特に好ましくは３．０ｎｍ〜９．０ｎｍの厚さである。
【００２５】
本発明の（Ｂ）層中のＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎ（ただし０．７０≦ｂ≦０．９８及び０．３≦ｃ≦０．７５）の副層は、面心立方結晶構造であることが好都合である。
【００２６】
ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎの副層中のＳｉ含有量が多すぎると、この層がアモルファスになる危険性がある。するとＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎの副層は、本発明の目的にとって硬度が不十分になると考えられる。ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎの副層の硬度は、Ｓｉ含有量が約１５原子％、すなわちｂ＞０．８５になるまで増大し、その後は硬度が低下することが見いだされた。ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎの副層は、本発明の濃度範囲では、高い硬度と大きなＥ係数を示す。
【００２７】
ＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの副層中のＡｌ含有量が多すぎる、すなわち７５原子％を超えると、この層が六方結晶構造となる危険性がある。この構造は、本発明の目的にとって硬度が不十分であり、高温で安定ではない。
【００２８】
本発明の別の好ましい一実施態様では、摩耗保護被膜は、０．５μｍ〜１０μｍの全厚さである。０．７μｍ〜５μｍが好ましく、１．０μｍ〜３．０μｍが特に好ましく、１．５μｍ〜２．５μｍが極めて好ましい。摩耗保護被膜の全厚さが薄すぎると、アブレッシブ摩耗及び／又はトライボケミカル摩耗により、それに加えて／あるいは、過熱で基板が破損することにより、刃先で早すぎる摩耗が起こる。摩耗保護被膜の全厚さが厚すぎると、刃先の領域で被膜の全圧縮応力が大きくなりすぎ、摩耗保護被膜の接着破損又は凝集破損が起こるか、基板の機械的破損が起こる。これは、特に超硬合金製基板の場合に起こる。
【００２９】
別の一実施態様では、本発明の工具摩耗保護被膜は、硬質材料のさらなる層を有することができる。硬質材料の追加層、又はその組み合わせ（例えばＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＣＮ等）は、基板と本発明の一連の層の間に存在することができる。一連の層は、（Ａ）層及び（Ｂ）層と、任意に（Ｃ）層を備える。さらに、摩耗表示層が形成される外側の層、純金属、例えばＡｌ、Ｚｒ、若しくはＮｂの層、又は金属酸化物、例えばＡｌ２Ｏ３、［ＡｌＣｒ］２Ｏ３、ＺｒＯ２、若しくはＣｒ２Ｏ３の層が、本発明の一連の層の上に存在してもよい。ただし、これらの追加層が本発明の工具の特性を顕著に損ってはならない。
【００３０】
好ましい一実施態様では、本発明の摩耗保護被膜は、少なくとも一部の領域に、最外層として薄い摩耗認識層を有する。この摩耗認識層は、ＴｉＮ層又はＺｒＮ層であることが好ましく、その厚さは０．１〜１．５μｍである。このように名付けた摩耗認識層は公知であり、主に、装飾層として用いられる、及び／又は、工具がすでに使用されたかどうか、そして使用中の摩耗がどの程度でどれほど激しいかを示すのに用いられる。薄い摩耗認識又は表示層は、工具が使用されると摩耗したことが目視でわかり、摩耗が進行すると、その下に存在し通常は異なる色の摩耗保護被膜が見えるようになる。
【００３１】
本発明の摩耗保護被膜は、ビッカース硬さがＨＶ２５００〜４０００であることが好都合であり、３０００〜３５００が好ましい。本発明の摩耗保護被膜が非常に硬いことは、金属を加工するとき、特に旋削加工及びフライス加工のときに特に有利である。なぜなら、幾何学的に決められた形のカッターを用いて金属を除去する方法のうちで、これらの金属加工法は、硬度、靭性、耐摩耗性、及び高温安定性に関してカッター材料に対する要求が最も厳しい方法だからである。硬度が不十分だと、被膜の耐摩耗性が低下するという問題がある。硬度が過剰だと、被膜に付随する圧縮応力が増大し、刃先で被膜が剥離しやすい。当業者は、本発明の知識があれば、層の組成及び／又は層の配列及び／又は層の厚さを変えることによって、摩耗保護被膜に適した硬度の値を直ちに決めることができる。
【００３２】
それに加え、本発明の摩耗保護被膜は、弾性率（Ｅ係数）が３８０ＧＰａよりも大きいことが好都合であり、４００ＧＰａよりも大きいことが好ましい。工具が切削作業中に外部負荷を受けるとき、機械的応力が被膜と基板の内部に発生する。その応力のレベルは、弾性率を通じ、加えられる弾性変形と結び付いている。被膜の弾性率が小さすぎると、使用中に工具が機械的に変形するときに、小さな応力が被膜の内部に発生する。これは、被膜が切削力のわずかな割合のみを受け取るという欠点と関係している。しかし、弾性率が大きすぎると、機械的変形が起こるとき、過剰な力が被膜を通じて導かれる欠点があり、これにより、早すぎる破壊につながる可能性がある。
【００３３】
すでに述べたように、高い硬度と大きな弾性率の組み合わせは、特定の金属加工、特に旋削加工とフライス加工の用途において、特に断続切削伴う金属加工操作において、ことさら有利である。硬度が高いと、大きな耐摩耗性が保証される。しかし、硬度が高いと脆さが増大することが通常である。同時に弾性率が大きいと、材料の脆さが軽減され、例えば断続切削中に生じる機械的負荷の急激な変化を補償することができる。工具の摩耗保護被膜は、本発明の一連の層により、これらの有利な特性を示す。
【００３４】
本発明の好ましい実施態様に関し、上に示した硬度と弾性率の値は、本発明の摩耗保護膜で測定される。最外層として任意に設けられる摩耗表示層については、これがない状態で測定される。摩耗表示層は、上述のように、摩耗保護被膜の層とは異なる機能を果たすことができるため、より軟らかくすること、及び／又は異なる弾性率にすることができる。したがって摩耗保護被膜の硬度と弾性率の値の測定は、その上に配置される摩耗表示層の厚さ及び／又は組成により、測定結果に大きな影響を与えることが予想されるのであれば、摩耗表示層なしで実施すべきである。
【００３５】
本発明の工具は、ソリッド超硬合金工具の形態、又は割り出し可能なカッター・インサートの形態にできるが、割り出し可能なカッター・インサートであることが好ましい。本発明の工具は、鋼のハード・ミリングのための倣い平滑化又は仕上げカッターとして用いると、極めて驚くべき特性を示す。
【００３６】
本発明の工具の別の好ましい一実施態様では、摩耗保護被膜は、平均表面粗さＲａが、１０μｍの長さにわたっての測定で、１．０μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下である。
【００３７】
被膜の堆積後に工具の表面を滑らかにするのに適した方法として、公知のブラスト処理法、研磨、又はブラシングが挙げられ、これらは、相応の硬くて細かい材料を伴う。工具の表面を滑らかにするのに適した１つの方法は、例えば、グラスビーズを伴う湿式ブラストであり、これは、約２．５バールの圧力で行われ、直径が７０〜１１０μｍのガラス・ビーズを５０％と、直径が４０〜７０μｍのガラス・ビーズを５０％の構成にしたブラスト処理媒体を用いる。ブラスト処理の適切な時間は、所望の表面仕上げ又は滑らかさについて試験を行って決めるべきである。
【００３８】
工具の表面を滑らかにするのに適した別の方法は、ドラッグ仕上げである。適切な研磨剤は、例えば、研磨剤としての細かいダイヤモンド粉末と粘性油を伴う、粉砕したココナツの殻である。グリットのサイズが例えば２８０／３２０のコランダムと、液体中の濃度が約１８％のブラスト処理媒体とを用いた湿式ブラスト処理が、後処理に特に適している。そのとき、工具の形式と寸法に応じたブラスト処理方向とブラスト処理角を設定し、約１．５〜２バールのブラスト処理圧を用いることが好都合である。
【００３９】
本発明の目的のため、表面粗さは、ＨＯＭＭＥＬ−ＥＴＡＭＩＣ  ＧｍｂＨ社、シュヴェンニンゲン、ドイツ国のＨＯＭＭＥＬ−ＥＴＡＭＩＣ  ＴＵＲＢＯ  ＷＡＶＥ  Ｖ７．３２測定装置（センサー：ＴＫＵ３００−９６６２５＿ＴＫＵ３００／ＴＳ１；測定範囲：８０μｍ；試験距離：４．８ｍｍ；速度：０．５ｍｍ／秒）を用い、研磨した試験用インサート上で測定した。
【００４０】
＜本発明の摩耗保護被膜の作製＞
本発明の硬質材料層は、ＰＶＤ法で作製した。ＰＶＤ法は、アーク蒸着法、マグネトロン法、二重マグネトロン法、又はＨＩＰＩＭＳ法の中から選択するか、これらの方法の組み合わせを利用することができる。本発明の硬質材料層の堆積には、回転する基板キャリアを有するＢａｌｚｅｒｓ社のＩｎｎｎｏｖａタイプの被覆装置を用いた。ターゲットについては、（Ａ）層の形成には溶融冶金法又は粉末冶金法で製造したＴｉ−Ａｌターゲットを用い、（Ｂ）層の形成にはＴｉ−ＳｉターゲットとＡｌ−Ｃｒターゲットを用い、そして、（Ｃ）層の形成にはＴｉ−Ｓｉターゲットを用い、それぞれの場合について、それぞれの金属の配合を適切にした。
【００４１】
個々の層の厚さは、種々の条件の中で、堆積パラメータ、例えば温度、バイアス電圧、導入するガスの分圧等の設定値と、ターゲットの配置と、被覆装置内での基板の運動及び回転それぞれとの影響を受け得る。しかし、当業者であれば、装置のタイプに応じてそれに対応する設定を実現する方法を知っているであろう。基板は、被覆する前に、Ａｒイオンを用いたエッチクリーニングに供される。当業者は、この方法にも熟知しているであろう。
【００４２】
硬度及びＥ係数（より正確には、いわゆる相当Ｅ係数）は、ナノインデンテーションによって測定する。ここでは、ビッカース・ダイヤモンド試験機を被膜の中に押し込み、測定中に荷重−変位曲線をプロットする。すると、この曲線を用いて試験片の機械的性質の種々の特性のうち、硬度及び（相当）Ｅ係数を計算することができる。本発明の被膜の硬度及びＥ係数は、Ｈｅｌｍｕｔ  Ｆｉｓｃｈｅｒ  ＧｍｂＨ社、ジンデルフィンゲン、ドイツ国のＦｉｓｃｈｅｒｓｃｏｐｅ（登録商標）Ｈ１００  ＸＹｐを用いて求めた。インデンテーションの深さは、被膜の厚さの１０％を超えるべきではないことに注意するべきである。そうでないと、基板の特性が誤って測定され得るためである。
【００４３】
本発明の被膜の内部応力は、Ｘ線回折によって調べることができる。この方法により、１次、２次、及び３次の内部応力を区別することが可能になる。これらの内部応力は範囲が異なるため、被膜の付着への効果が異なる。基板への摩耗保護被膜の付着に関し、１次と２次の順で内部応力が被膜内で大きくなりすぎない、好都合には−５ＧＰａ（圧縮応力）を超えない場合に有利であることがわかった。
【００４４】
本発明の別の好ましい一実施態様では、工具はさらに、刃の半径が３〜１０μｍ、好ましくは５〜７μｍの丸い刃先を有する。刃先の半径が小さすぎると、刃先が早期に破断する危険性がある。刃先の半径が大きすぎると、非常に大きな切削力が発生し、工具の寿命とチップの形状に好ましくない影響がある。
本明細書に開示される発明は、以下の実施形態を含む。
（１）超硬合金、サーメット、セラミック、鋼、又は高速鋼で造られた本体と、ＰＶＤ法によって前記本体上に適用された多層摩耗保護被膜とを有する工具であって、
前記摩耗保護被膜は、
ＴｉａＡｌ（１−ａ）Ｎ（ただし０．３３≦ａ≦１）で厚さが２０ｎｍ〜３μｍである少なくとも１つの層（Ａ）と、
ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎ（ただし０．７０≦ｂ≦０．９８及び０．３≦ｃ≦０．７５）の一連の少なくとも交互に積み重ねられた４つの副層であり、副層の厚さが０．５ｎｍ〜１５ｎｍである少なくとも１つの（Ｂ）層と、
任意に追加される、ＴｉｄＳｉ（１−ｄ）Ｎ（ただし０．７０≦ｄ≦０．９８）で厚さが５０ｎｍ〜１μｍである少なくとも１つの層（Ｃ）と、
を含んでいて、
前記摩耗保護被膜は、硬質材料のさらなる層を備えることができ、かつ、
前記（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）層は、方法に応じ、層ごとに、さらなる金属、Ｂ、Ｃ、及び／又はＯを１０原子％まで含むことができる、
ことを特徴とする、工具。
（２）前記（Ｂ）層は、交互に積み重ねられて配置された一連の少なくともＴｉｂＳｉ（１−ｂ）の４つの副層及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの４つの副層がであること、及び／又は
前記（Ｂ）層は、交互に積み重ねられて配置された一連の最大でＴｉｂＳｉ（１−ｂ）の１５００の副層及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの１５００の副層であること、
を特徴とする、（１）項に記載の工具。
（３）前記（Ｂ）層は４０ｎｍ〜３μｍの全厚さであることを特徴とする、（１）又は（２）項に記載の工具。
（４）前記摩耗保護被膜が、次のような一連の層のうちの１つであることを特徴とする工具（ただしｍ、ｎ、ｏ、ｐ、ｑ、ｒは１以上の整数）：
［Ａ−Ｂ］ｎ  ただし、１≦ｎ≦１００、好ましくは１≦ｎ≦２０、
（［Ａ−Ｂ］ｎ−Ｃ）ｍ  ただし、１≦ｎ≦１００、好ましくは１≦ｎ≦２０、１≦ｍ≦２０、好ましくは１≦ｍ≦５
Ａ−［Ｂ−Ｃ］ｎ  ただし、１≦ｎ≦３０
［Ａ−Ｂ−Ｃ］ｎ  ただし、２≦ｎ≦３０
｛（［Ａ−Ｂ］ｏ−Ｃ）ｑ−（Ａ−［Ｂ−Ｃ］ｐ）ｒ｝ｍ  ただし、１≦ｏ≦３０、１≦ｐ≦３０、１≦ｑ≦３０、ｐ＋ｑ≧２、（１３ｑ＋２５ｒ）ｍ≦５００。
（５）ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの前記副層は、１．０ｎｍ〜１２ｎｍ、好ましくは３．０ｎｍ〜９．０ｎｍの厚さであることを特徴とする、（１）〜（４）項のいずれか１項に記載の工具。
（６）ＴｉｂＳｉ（１−ｂ）Ｎ及びＡｌｃＣｒ（１−ｃ）Ｎの前記副層が、面心立方結晶構造であることを特徴とする、（１）〜（５）項のいずれか１項に記載の工具。
（７）前記摩耗保護被膜は０．５μｍ〜１０μｍ、好ましくは０．７μｍ〜５μｍ、特に好ましくは１．０μｍ〜３．０μｍ、極めて好ましくは１．５μｍ〜２．５μｍの全厚さであることを特徴とする、（１）〜（６）項のいずれか１項に記載の工具。
（８）前記摩耗保護被膜が、
硬質材料のさらなる層を有すること、及び／又は
少なくとも一部領域に、最外層として薄い摩耗認識層を有し、前記摩耗認識層が好ましくはＴｉＮ層又はＺｒＮ層であり、０．１〜１．５μｍの厚さであること、
を特徴とする、（１）〜（７）項のいずれか１項に記載の工具。
（９）前記摩耗保護被膜は、ビッカース硬さが２５００〜４０００、好ましくは３０００〜３５００であることを特徴とする、（１）〜（８）項のいずれか１項に記載の工具。
（１０）前記摩耗保護被膜は、弾性率（Ｅ係数）が３８０ＧＰａよりも大きいこと、好ましくは４００ＧＰａよりも大きいことを特徴とする、（１）〜（９）項のいずれか１項に記載の工具。
（１１）割り出し可能なカッター・インサート、好ましくは鋼のハード・ミリングのための倣い平滑化又は仕上げカッターであること、及び／又はソリッド超硬合金工具であることを特徴とする、（１）〜（１０）項のいずれか１項に記載の工具。
（１２）前記摩耗保護被膜は、平均表面粗さＲａが、１０μｍの長さにわたっての測定で、１．０μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下であることを特徴とする、（１）〜（１１）項のいずれか１項に記載の工具。
【００４５】
本発明の実施態様のさらなる利点、特徴、及び形態を、以下の実施例を参照してより詳しく説明する。
【実施例】
【００４６】
＜実施例１−倣い平滑化又は仕上げフライス加工のための割り出し可能なインサート＞
倣い平滑化又は仕上げフライス加工カッターのための割り出し可能なインサートは、Ｗａｌｔｅｒ  ＡＧ社、チュービンゲン、ドイツ国のカッター形式番号としてＰ３２０４−Ｄ１６が付されており、７重量％のＣｏと粒径が約１μｍのＷＣを含む微細化超硬合金でできており、かつ、本発明の被膜と先行技術の比較用被膜とが設けられている。これらの被覆工具を切削試験で比較した。混合ターゲットの組成は、含まれる金属の原子％の比として表される。
【００４７】
＜実施例１ａ（本発明）＞
一連の層：［Ａ-Ｂ］１
製造：
【００４８】
（Ａ）層：  アーク蒸着；Ｔｉ−Ａｌ混合ターゲット（Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０）；バイアス：直流１２０Ｖ；４ＰａのＮ２；エバポレータの電流１６０Ａ；蒸着温度：５５０℃；層の厚さ：１５０ｎｍ
【００４９】
（Ｂ）層：  アーク蒸着；Ｔｉ−Ｓｉ混合ターゲット（Ｔｉ：Ｓｉ＝８５：１５）及びＡｌ−Ｃｒ混合ターゲット（Ａｌ：Ｃｒ＝７０：３０）；バイアス：直流１２０Ｖ；４ＰａのＮ２；エバポレータの電流１６０Ａ；蒸着温度：５５０℃；回転する基板キャリア
層の厚さ：１．８５μｍ
ＴｉＳｉＮ及びＡｌＣｒＮの副層それぞれの厚さ：約７ｎｍ
ＴｉＳｉＮ及びＡｌＣｒＮの副層それぞれの数：それぞれ約１３２
【００５０】
摩耗保護被膜の全厚さ：２μｍ
硬度：３７００ＨＶ
Ｅ係数：４２０ＧＰａ
【００５１】
＜実施例１ｂ（本発明）＞
一連の層：［Ａ−Ｂ］２０
製造：
【００５２】
（Ａ）層：  アーク蒸着；Ｔｉ−Ａｌ混合ターゲット（Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０）；バイアス：直流１２０Ｖ；４ＰａのＮ２；エバポレータの電流１６０Ａ；蒸着温度：５５０℃；層の厚さ：５０ｎｍ
【００５３】
（Ｂ）層：  アーク蒸着；Ｔｉ−Ｓｉ混合ターゲット（Ｔｉ：Ｓｉ＝８５：１５）及びＡｌ−Ｃｒ混合ターゲット（Ａｌ：Ｃｒ＝７０：３０）；バイアス：直流１２０Ｖ；４ＰａのＮ２；エバポレータの電流１６０Ａ；蒸着温度：５５０℃；回転する基板キャリア
層の厚さ：５６ｎｍ
ＴｉＳｉＮ及びＡｌＣｒＮの副層それぞれの厚さ：約７ｎｍ
ＴｉＳｉＮ及びＡｌＣｒＮの副層それぞれの数：それぞれ約４
【００５４】
摩耗保護被膜の全厚さ：２．２μｍ
硬度：３４５０ＨＶ
Ｅ係数：４２０ＧＰａ
【００５５】
＜実施例１ｃ（本発明）＞
一連の層：［Ａ−Ｂ］１０−Ｃ
製造：
【００５６】
（Ａ）層：  アーク蒸着；Ｔｉ−Ａｌ混合ターゲット（Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０）；バイアス：直流１２０Ｖ；４ＰａのＮ２；エバポレータの電流１６０Ａ；蒸着温度：５５０℃；層の厚さ：５０ｎｍ
【００５７】
（Ｂ）層：  アーク蒸着；Ｔｉ−Ｓｉ混合ターゲット（Ｔｉ：Ｓｉ＝８５：１５）及びＡｌ−Ｃｒ混合ターゲット（Ａｌ：Ｃｒ＝７０：３０）；バイアス：直流１２０Ｖ；４ＰａのＮ２；エバポレータの電流１６０Ａ；蒸着温度：５５０℃；回転する基板キャリア
層の厚さ：５６ｎｍ
ＴｉＳｉＮ及びＡｌＣｒＮの副層それぞれの厚さ：約７ｎｍ
ＴｉＳｉＮ及びＡｌＣｒＮの副層それぞれの数：それぞれ約４
【００５８】
（Ｃ）層：  アーク蒸着；Ｔｉ−Ｓｉ混合ターゲット（Ｔｉ：Ｓｉ＝８５：１５）；バイアス：振動（０．００４Ｈｚ）６０Ｖと直流１２０Ｖ；４ＰａのＮ２；エバポレータの電流１６０Ａ；蒸着温度：５５０℃；回転する基板キャリア
層の厚さ：１．０μｍ
【００５９】
摩耗保護被膜の全厚さ：２．１μｍ
硬度：３９００ＨＶ
Ｅ係数：４３０ＧＰａ
【００６０】
＜実施例１ｄ（比較例）＞
製造：
ＴｉＡｌＮ層：  アーク蒸着；Ｔｉ−Ａｌ混合ターゲット（Ｔｉ：Ａｌ＝３３：６７）；バイアス：直流１２０Ｖ；４ＰａのＮ２；エバポレータの電流１６０Ａ；蒸着温度：５５０℃
層の厚さ：２．３μｍ
硬度：３４００ＨＶ
Ｅ係数：３８０ＧＰａ
【００６１】
切削試験
被覆工具をフライス加工試験で比較し、湾曲した被加工材の表面を１〜８回通過させて工具側面の最大摩耗Ｖｂｍａｘを求めた。以下の表１に示した結果は、各工具について２回試験した結果を、各通過数毎に、それぞれまとめたものである。
【００６２】
被加工材：      鋼６０ＨＲＣ
切削条件：      切削速度ｖｃ＝２５０ｍ／分
刃送りｆｚ＝０．１ｍｍ
作業深度ａｐ＝０．５ｍｍ
作業深度ａｅ＝０．５ｍｍ
突起ｘｓ＝１４７．４４ｍｍ
冷却せずにフライス加工する
【００６３】
【表１】
0006687390.tif 000002