切削工具
本発明は、単層または多層ＰＶＤ被覆されたエッジの鋭い切削工具であって、同時に十分な耐磨耗性及び熱化学耐性、並びにエッジチッピングに対する耐性を示すことができる切削工具を提供することである。切削工具は、エッジ半径Ｒｅ、逃げ面及びすくい面、並びに焼結体表面の少なくとも各部を被覆する少なくとも１つの酸化ＰＶＤ層を含むＰＶＤ被膜から成る単層または多層被膜を有する切削エッジを備えた超硬合金、ＣＢＮ、サーメットまたはセラミック材料から成る焼結体を含む。１実施形態において、エッジ半径Ｒｅは４０μｍより小さく、好ましくは３０μｍと同等かまたはそれより小さい。表面が被覆される部分は、少なくとも焼結体の鋭いエッジのある部分を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも硬質材料とバインダー材料とを包含し、焼結体を形成するための温度及び圧力下で焼結された焼結体から成るかまたは焼結体を含む被覆された鋭いエッジを有する切削工具の分野に関する。切削工具は、例えばフライスのための工具（フライス工具）、旋盤工具、割り出し可能（ｉｎｄｅｘａｂｌｅ）インサート、歯切り工具、ホブ、シャンクタイプ工具、ねじ切り工具、穿孔工具等を含む。
【背景技術】
【０００２】
従来及び現在の粉末冶金の焼結技術では、被覆しない条件並びにＣＶＤ（化学気相成長）及びＰＶＤ（物理気相成長）被覆条件の両方の超硬切削工具が使用されている。ＭＴ−ＣＶＤ（中温ＣＶＤ）被覆加工を含むＣＶＤ被覆加工では高温を必要とし、通常、ＨＴ−ＣＶＤ（高温ＣＶＤ）では９５０℃を超える温度、ＭＴ−ＣＶＤでは８００℃から９００度の温度、及び化学侵食加工雰囲気を必要とする。この方法は特に、切削工具の低エッジ強度及び抗折力（ＴＲＳ）並びに避けることのできない被膜の熱クラックに関する周知の欠点を有する。
【０００３】
以下に、超硬合金の被覆を例としてＨＴ−ＣＶＤの欠点をより詳細に検討する。
ａ）既に述べたように、基板のＴＲＳの低下は、被覆前の表面の状態が正しい研削加工によって引き起こされる有利な残留圧縮応力によるものであるかもしれない。この状態は、この有利な残留圧縮応力を緩和する高温によって変えられる。従って、被覆とは無関係に、高温アニーリングは超硬基板にこの影響を与える。しかしながら、例えば残留引張応力または表面亀裂を残す“乱雑な研削”を施される等、たとえ基板が適切に研削されていないとしても、高温処理は基本的に有利な効果をもたらさない。
ｂ）被覆された切削工具のＴＲＳのさらなる低下は、ＣＶＤの高温からの冷却の際の被膜と基板との間の熱膨張の不一致によって引き起こされる熱クラックの存在に由来する。クラックは被膜の厚さ方向に貫通するため、特定の切削条件の下で疲労破損が生じ得る。
ｃ）ＷＣ−Ｃｏ硬質金属の場合では、約８５０℃以上の温度でコバルトが表面方向へと拡散することが知られており、ＣＶＤ加工の間の脱炭及びイータ相の形成にも関連する。このようなイータ相は、例えば、ＣＶＤによるＡｌ２Ｏ３被膜層の通常の下層であるＴｉＣまたはＴｉＣＮのＣＶＤ第１層の初期形成における基板の外側領域の脱炭によって形成され得る。イータ相領域は、高孔率の脆化層を形成し、被膜剥離傾向だけでなく微小亀裂開始部位をもたらす。少なくともＨＴ−ＣＶＤのこの欠点は、例えば第１ＴｉＣＮ層に約８５０℃で適用することによって、ＭＴ−ＣＶＤで解消されるため、基板のイータ相形成を最小限に抑制する。
【０００４】
従って、このような不利な作用を低減するために別の方法が採用されている。ＵＳ４，６１０，９３１では、外周面近くにバインダー濃縮を有する超硬合金体を使用することが提案されている。ＵＳ５，２６６，３８８及びＵＳ５，２５０，３６７では、前述のバインダー濃縮工具に、残留引張応力状態でＣＶＤ被膜を施し、続いて残留圧縮応力状態でＰＶＤ被膜を施す応用が提案されている。
【０００５】
上記ではＣＶＤ被覆加工の欠点を説明するために超硬合金が使用されたが、焼結体を有するその他の基板でも同様または少なくとも類似した問題が知られている。サーメットもＣｏ、Ｎｉ（及びＭｏ、Ａｌ等のその他金属）バインダーを有し、超硬合金と同様の焼結加工が施される。例えば、ＴｉＣＮベースのサーメットは、基板が被覆ガス種とより高い反応性を有し、界面に不要な反応層が生じるため、容易にＣＶＤ被覆されない。超硬ＣＢＮ工具では、カーバイド及びサーメットで使用されるものとは異なる高温高圧焼結技術が使用される。しかしながら、超硬ＣＢＮ工具もまたＣＶＤ被覆加工の間に高温反応する傾向にあるＣｏ、Ｎｉ等の金属バインダーを有し得る。この基板は、大抵切削エッジの磨耗兆候のための被膜システムまたはＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮでＰＶＤ被覆されることもある。しかしながらこのような被覆は、例えば最先端の旋盤での高速切削によって生じる高温及び高酸化ストレスに対して限られた保護しか提供することができない。
【０００６】
固体Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣまたはバインダーとしてガラス相が組み込まれたＡｌ２Ｏ３−Ｓｉ３Ｎ４（ＳｉＡｌＯＮ）ベースのセラミック工具材料は、電気絶縁性を有するため従来のＰＶＤで被覆することが困難な別の工具タイプである。低圧焼結されるカーバイドとは反対に、これらの材料は、焼結ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）される。このようなセラミックインサートは、高温によってＳｉ３Ｎ４基板の軟化が引き起こされるかまたは非晶ガラス状バインダー層が結晶となることによって靭性が低下するため、ＣＶＤ被覆されない。しかしながら、被覆されていない材料では、金属切削の際に、バインダー相と被加工材料との間で相互作用が起こり得るため、クレーター磨耗が生じやすく、限られた特定の用途に工具の使用が制限される。
【０００７】
従って、工具の靭性への高い要求または形状への特定のニーズを有する多くの作業では、ＰＶＤ被覆は、部分的にまたは完全にＣＶＤ被覆に置き換えられた。これらの工具の例は、フライスまたは特にエッジが鋭いねじ切り及び穿孔工具等の断続切削用途に使用される工具である。しかしながら、顕著な熱化学抵抗性及び高温硬度のために、例えばα‐及び／またはγ‐結晶構造のＡｌ２Ｏ３またはそのような被膜を有する厚い多層の酸化ＣＶＤ被覆は、特にあらゆる種類の材料における粗い媒体の旋盤、分離、及び溝切の用途において、依然として広範囲に使用され、鋳鉄の旋盤ではほぼ独占的に使用されている。このような被膜は、電気絶縁性材料及び特に酸化被膜の主な加工制限のために、最近までＰＶＤ加工では生成することができなかった。
【０００８】
当業者には周知であるように、上記で言及した問題が起こる傾向にあり、より小さいエッジ半径を有する鋭くなっている切削エッジに集中している。従って、ＣＶＤ被覆された工具のエッジチッピングまたは破損を防止するために、切削エッジ及び工具先端のさらなる形状の制限を考慮しなければならない。例えば超硬合金の場合、切削エッジは最小半径４０μｍに制限される。さらに、溝、ウォーターフォール、ワイパー、または任意のその他の特殊形状を遊び側フランク、すくい面、または切削エッジの両面に適用する等の追加の方法が一般的に使用されるが、焼結工具基板の製造にさらに大抵複雑な製造段階を追加することとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４，６１０，９３１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２６６，３８８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２５０，３６７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、単層または多層ＰＶＤ被覆されたエッジの鋭い切削工具であって、同時に十分な耐磨耗性及び熱化学耐性、並びにエッジチッピングに対する耐性を示すことができる切削工具を提供することである。切削工具は、エッジ半径Ｒｅ、逃げ面及びすくい面、並びに焼結体表面の少なくとも各部を被覆する少なくとも１つの酸化ＰＶＤ層を含むＰＶＤ被膜から成る単層または多層被膜を有する切削エッジを備えた超硬合金、ＣＢＮ、サーメットまたはセラミック材料から成る焼結体を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１実施形態において、エッジ半径Ｒｅは４０μｍより小さく、好ましくは３０μｍと同等かまたはそれより小さい。表面が被覆される部分は、少なくとも焼結体の鋭いエッジのある部分を含む。工具を鋭利にした後にホーニング、鈍化、または同様の後処理が施されなければ、２０μｍと同等かまたはそれより小さいエッジ半径Ｒｅは有する焼結体を製造することができる。被覆加工はいかなる有害な影響も有さず、切削エッジの軟化を引き起こさないため、これらの工具を酸化ＰＶＤ被膜で被覆すると有利であり得る。
【００１２】
被膜には熱クラックは存在せず、ＣＶＤ加工ガス由来のいかなるハロゲン化物またはその他汚染物質も含まれない。さらに、被膜または少なくとも酸化ＰＶＤ層が、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ及び同様のもの等の不活性元素を含まないことが可能である。これは、純反応ガス雰囲気における真空アーク堆積によって達成することができる。多層被膜の例として、接着層及び／または硬い磨耗保護層の堆積を窒素雰囲気下で開始した後、酸化被膜に向かって傾斜を生成するために酸素フローを増加させると同時にまたはその後窒素フローを減少または停止することを特徴とする加工段階を行うことができる。カソードアークターゲットの表面領域全体に小さな垂直磁場を印加することは、例えば純酸素雰囲気下でのアーク加工によって形成される高絶縁ターゲット表面の場合に有用であり得る。この被覆加工を実施するための詳細な説明は、ＷＯ２００６−０９９７５８、ＷＯ２００６−０９９７６０、ＷＯ２００６−０９９７５４及びＣＨ１１６６／０３に記載されており、これらは参照により全体がここに組み込まれる。
【００１３】
酸化層は、周期表４、５、６族の遷移金属及びＡｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を含む電気絶縁酸化物を含むと好ましい。（Ａｌ１−ｘＣｒｘ）２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３は、そのような材料の２つの重要な例である。これらの酸化物の結晶構造は変化することができ、アルファ（α）、ベータ（β）、ガンマ（γ）、デルタ（δ）相またはスピネル構造等の立方または六方格子を含み得る。例えば、工具に異なる酸化物の膜を含む酸化層を適用することも可能である。多層被膜が、異なる元素または化学量論組成の画定された層間に鋭いまたは傾斜した転移領域（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｚｏｎｅ）を有する上記元素の窒化物、炭窒化物、酸窒化物、ホウ化物及び同様のものを含み得るにもかかわらず、高温及び／または高酸化応力に対する最良の保護は、基本的に純酸化物から成る少なくとも１つの層を含む被膜によってのみ保証される。
【００１４】
熱力学的に安定な相、例えばＡｌ２Ｏ３、（ＡｌＣｒ）２Ｏ３、（ＡｌＶ）２Ｏ３型、またはより一般的に（Ｍｅ１１−ｘＭｅ２ｘ）２Ｏ３型（０．２≦ｘ≦０．９８、Ｍｅ１及びＭｅ２はＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖの群とは異なる元素である）であり得るコランダム型構造の形成は、酸化層の好ましい実施形態である。このようなコランダム型単層または多層構造を形成するための詳細な説明はＣＨ０１６１４／０６に記載されており、参照により全体がここに組み込まれる。
【００１５】
本発明の実施形態において、被膜は、本体表面に直接配置された接着層及び／または本体と酸化層との間または２つ以上の連続した酸化層の間及び／または被膜層の上部に配置された少なくとも１つの硬い磨耗保護層を含む。磨耗保護層及び接着層は、元素周期表４、５、６族の遷移金属及びＡｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ，Ｃｏ、Ｙ、Ｌａの群の少なくとも１つの元素を含むと好ましい。磨耗保護層の化合物は、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂまたはそれらの混合物をさらに含み、Ｎ、Ｃ及びＣＮが好ましい。このような磨耗保護層の例は、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＣｒＮ、ＣｒＣ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＣｒＡｌＮ、及びＴｉＣＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＣｒＡｌＣＮ、ＴｉＣｒＡｌＣＮである。
【００１６】
接着層の化合物は、Ｎ、Ｃ、Ｏまたはそれらの混合物を含んでよく、Ｎ及びＯが好ましい。このような接着層の例は、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＣｒＡｌＮ、またはＴｉＯＮ、ＣｒＯＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＣｒＡｌＯＮ、ＴｉＣｒＡｌＯＮである。接着層の厚さは、好ましくは０．１から１．５μｍの間である。接着層が本体表面に直接配置された薄膜金属層を含む場合、最適な工具−被膜結合のために、金属層の厚さは１０から２００ｎｍの間でなければならない。そのような金属中間層の例は、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴｉＡｌまたはＣｒＡｌである。全体的な被膜の厚さは、２から３０μｍであり、無駄の無い被覆加工のために、ほとんど場合においてむしろ３から１０μｍである。しかしながら、例えば鋳鉄における高速旋盤などの特殊な用途で必要とされるならば、原則として、工具はさらに厚い被膜を有することも可能であることに留意されたい。
【００１７】
本発明の別の実施形態は、例えばＳｉまたはＢ等の結晶構造の相分離を促進する特定の元素の濃度が比較的高い相、及びそのような特定の元素の濃度が比較的低い相を包含する少なくとも１つの組成分離膜を備えた磨耗保護層を含み得る。１実施形態において、特定の元素の濃度が比較的高い相は、非晶または微晶質相を構成する。このような膜は、好ましくはＣｒ及びＳｉまたはＴｉ及びＳｉの組み合わせの窒化物または炭窒化物を含む。
【００１８】
いかなる層も、分離または傾斜層構造を示す被膜を形成する鋭いまたは傾斜した層−層転移領域を有する実際のニーズに応じて堆積され得る。このような構造が特定の用途に好ましい場合、層の厚さは数マイクロメートルから数ナノメートルの間から選択され得る。
【００１９】
酸化ＣＶＤ層を備えた切削工具に対して、このようなＰＶＤ被覆された工具は、焼結体のＴＲＳ（抗折力）へのＣＶＤ加工の悪影響を最小化するためのバインダー濃縮基板を必要としない。ＰＶＤ加工での低い加工温度、及び圧縮応力の状態で被膜またはある層（特に上記磨耗保護層）を適用できる可能性は、亀裂伝播及びエッジチッピングのリスクに対して有用な方法であることが認められている。従って、実際の切削用途の過半数においてバインダー濃縮基板をする必要がなく、これは超硬工具製造を明らかに簡略化する。
【００２０】
しかしながら、例えばより高いフィード力が印加され、より高いＴＲＳが好ましいような切削パラメータが拡張される場合、ある切削条件下では、ＰＶＤ被覆された濃縮カーバイド傾斜も有用である。
【００２１】
このようなＰＶＤ被覆された硬質金属傾斜のＴＲＳが潜在的に高いため、特別な微小工具用途のための非常に小さなエッジ半径を有する切削工具だけでなく、より小さなノーズ半径または点角を有する切削工具も製造することができる。例として、最小０．２ｍｍ（０．００８インチ）から２．４ｍｍ（０．０９４インチ）の一般的なノーズ半径を有する従来の超硬インサートと比較して、０．１５、０．１０、０．０５及び０．０１ｍｍ等の半径でさえ、早期先端チッピングの兆候を呈することなく通常の微小回転条件下で試験及び被覆することができる。
【００２２】
ＰＶＤ加工固有の“幾何学的”特性のために、単に規定された固定システムを使用することによって単純な形状（例えばインサート）の特定の焼結体にさらなる被覆特性を与えることができるため、本体の特定領域をアークまたはスパッタ源からの“直接”イオン及び／または中性子フロー（以下、粒子フローという）に暴露する一方で、その他の領域には基本的に斜入射または間接入射のみが衝突する。ここで“直接”とは、アーク源によって放出される粒子の主要部分または過半数が約９０±１５°の角度で表面に衝突することを意味する。従って、その領域の層成長は、実質的に“間接”粒子フローに暴露される領域の成長よりも速い。この効果は、１ＰＶＤ被覆加工の間に厚さが変化する被膜を適用することに使用することができ、異なる基板／源の位置による形状の影響とは無関係に、全ての表面に均一な厚さの被膜を提供するＣＶＤ加工とは全く異なる。
【００２３】
例えば、三重回転スピンドルを使用して、８ｍｍのスペーサーと交互に、中央に穴の開いた四角の１３×１３×５ｍｍのインサートを固定する。約２±０．５である逃げ面の厚さ（ｄＦｌａｎｋ）とすくい面の厚さ（ｄＲａｋｅ）との比は、市販のＯｅｒｌｉｋｏｎ被覆ユニットＲＣＳ型における約５００ｍｍの基板回転台の全長、または市販のＯｅｒｌｉｋｏｎ ＢＡＩ １２００被覆ユニットにおける約９００ｍｍの長さにわたるインサートに合わせて調整することができる。すくい面の厚さは、逃げ面の中間において、ノーズの点角を画定する切削エッジから２ｍｍ離隔したインサートの２つの対向するノーズを結ぶ二等分線で測定された。
【００２４】
ＱＲ／Ｆ＝ｄＲａｋｅ／ｄＦｌａｎｋ＜１（ここで、ｄＲａｋｅはすくい面の総被膜厚であり、ｄＦｌａｎｋは逃げ面の総被膜厚である）の割合を有するこのようなインサートは、フライス作業の間の衝撃応力のために、逃げ面のＰＶＤ被膜厚がより厚いと有利なフライス工具に特に好都合である。この効果は、基板バイアス、総圧力等の加工パラメータによって制御され得る高い残留応力を有するＰＶＤ被膜によって増強される。
【００２５】
フライス加工とは異なり、旋削作業の耐摩耗性は、通過するチップによって生じる高い摩損及び熱化学磨耗のために、すくい面の被膜厚がより厚いと有利である。従って、この場合、ＱＲ／Ｆの割合は、１より大きくなければならない（ＱＲ／Ｆ＝ｄＲａｋｅ／ｄＦｌａｎｋ＞１）。そのような被膜配分は、アークまたはスパッタ源の直接粒子フローにすくい相を暴露する装置（ｆｉｘｔｕｒｅ）によって生成され得る。例えば、二重回転磁気装置を使用して超硬インサートのすくい面を源に直接暴露することができる。この磁気装置によって、
基板バイアス等の加工パラメータに影響され得、工具性能を向上させるために利用され得る切削エッジのさらなる厚さの増加をもたらす。非鉄切削板では、必要に応じてクランプ装置またはフック装置を使用することができる。さらに、旋盤工具の場合、被膜設計は、特に有効であると証明された酸化層と本体との間に配置されたＴｉＮ、ＴｉＣまたはＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮまたはＴｉＡｌＣＮ、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮから成る磨耗保護層を備える。
【００２６】
本発明による切削工具は、例えば非鉄金属のようなあらゆる種類の金属、特に鉄類、鋳鉄及び同様のもの等、さまざまな異なる被加工物質に適用することができる。このような材料のフライスまたは旋盤用の特殊工具は、上記のように最適化され得る。これによって、特に鋼及び鋳鉄の荒削り及び高速仕上げ等の旋削作業のような現在まで未開発のＣＶＤ分野においても、ＰＶＤ被覆は最新のＣＶＤ被覆の驚異的な競合相手となる。
【００２７】
多くの切削用途において、被膜システムの最外層として酸化層を備えた工具は、最善の解決法と認められている。これは、特に歯切り工具、ホブ、または割り出し可能（ｉｎｄｅｘａｂｌｅ）シャンク型工具を含む異なる種類のシャンク型工具に言及する。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下の例は、特殊な工具及び被膜による本発明の有利な効果を説明することを意図するものであって、そのような特殊な例に本発明の範囲を限定するものではない。例えば、異なる種類の金属材料におけるねじ切り及び掘削など、非鉄材料の乾式及び湿式フライス並びに鋼または超合金へのフライス及び旋盤用途において、ＰＶＤ被覆された工具がＣＶＤ被覆より優れていることが長年認められている周知の用途と比較して、いくつかの試験を実施した。このような鋼フライスでは、最大１００ｍ／ｍｉｎの低速または中速、０．２から０．４ｍｍ／ｔｏｏｔｈまでの高フィード速度を適用した。大抵の場合、本発明による工具は、周知のＴｉＣＮまたはＴｉＡｌＮベースのＰＶＤ被覆された工具と同様またはより優れた性能を示した。しかしながら、本発明の１目的は、例えば鉄、鋼及び硬化材料の高速フライス、並びに鋼、鉄（例えば鋳鉄）、超合金及び硬化材料の旋盤等、高熱化学及び／または摩損の用途におけるＣＶＤ被覆に代わることである。
【００２９】
以下の実験例のＰＶＤ被膜は、カソードアーク加工によって堆積させた。堆積温度は、比較ＴｉＣＮ被膜の５００℃から酸化被膜のための５５０℃までの間である。酸化ＰＶＤ被膜では、基板バイアスにパルスを印加し、３から５０ガウスの垂直成分を有する小さな垂直磁場及び本質的により小さな水平成分を印加した。実験２５、２８、３５、３７では、Ａｌ０．６Ｃｒ０．４（Ａｌ０．６Ｖ０．４）アーク源のＤＣ電流にさらなるパルス信号を重畳した。このようなまたは同様の酸化被覆加工は、ＷＯ ２００６−０９９７５８及び参照によって組み込まれた前述のその他文献に記載されている。基板と上部の酸化層との間のＴｉＮ及びＴｉＣＮ中間層の層厚は、０．５から１．５μｍであった。
比較ＣＶＤ被膜は、堆積温度８５０℃でＭＴ−ＣＶＤによって堆積させた。
［実験例Ａ］
【００３０】
合金鋼ＡＩＳＩ ４１４０（ＤＩＮ １．７２２５）のフライス加工
工具： 割り出し可能フェースミル、１インサート ｚ＝１
工具直径： ｄ＝９８ｍｍ
切削速度： ｖｃ＝１５２ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．２５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝２．５ｍｍ
加工： 冷却下向き削り
インサート型：Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ ＳＥＨＷ １２０４ ＡＦＴＮ、
１２ｗｔ％ Ｃｏ；ＣＶＤ被覆用に非常に小さな４０μｍ半径に面取
り及び研磨され、ＰＶＤ被覆用に面取りされた鋭利な切削エッジ
【００３１】
【表１】
［実験例Ｂ］
【００３２】
合金鋼ＡＩＳＩ ４１４０（ＤＩＮ １．７２２５）のフライス加工
工具： 割り出し可能フェースミル、１インサート ｚ＝１
工具直径： ｄ＝９８ｍｍ
切削速度： ｖｃ＝２１３ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．１８ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝２．５ｍｍ
加工： 下向き削り、冷却なし
インサート型：Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ ＳＥＨＷ １２０４ ＡＦＴＮ、
１２ｗｔ％ Ｃｏ；エッジの調製は実験例Ａ参照
【００３３】
【表２】
［実験例Ｃ］
【００３４】
合金鋼ＡＩＳＩ ４１４０（ＤＩＮ １．７２２５）のフライス加工
工具： 割り出し可能フェースミル、１インサート ｚ＝１
工具直径： ｄ＝９８ｍｍ
切削速度： ｖｃ＝２６０ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．２０ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝３．１２５ｍｍ
加工： 下向き削り
インサート型：Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ ＳＥＨＷ １２０４ ＡＦＴＮ、
実験１３、１５、１７、１９
Ｃｏ ６．０ｗｔ％濃縮カーバイド傾斜
１０．４ｗｔ％立方晶カーバイド
実験１４、１６、１８、２０
Ｃｏ ６．０ｗｔ％非濃縮カーバイド傾斜
１０．４ｗｔ％立方晶カーバイド
エッジの調製は実験例Ａ参照
【００３５】
【表３】
【００３６】
実験例Ｃの実験１４は、非濃縮カーバイド傾斜へのＣＶＤ加工の不利な影響を明確に示しており、この不利な影響は前述の加工の影響に起因する。一方で、Ｃｏ濃縮表面領域の有利な影響は、ＰＶＤ被膜に限って効果を示している。酸化層を含むＰＶＤ被膜の利点は、実験例Ａ及びＢの通りである。
［実験例Ｄ］
【００３７】
合金鋼ＡＩＳＩ ４３０Ｆ（ＤＩＮ １．４１０４）の旋盤加工
切削速度： ｖｃ＝２００ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．２０ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝１．０ｍｍ
加工： 外径の連続回転
インサート型：サーメット傾斜、ＩＳＯ ＶＮＭＧ １６０４０８Ａｌｌ、
ＣＶＤ被覆の前に非常に小さな６０μｍ半径に面取り及び研磨された
ＰＶＤ被覆用の鋭利な切削エッジ
【００３８】
【表４】
【００３９】
被膜の種類及び材料の影響に追加して、酸化ＰＶＤ被膜の層厚の明らかに有利な影響が見られ得る。それにもかかわらず、最も薄い酸化ＰＶＤ被膜でさえも、実験２２の厚いＭＴ−ＣＶＤ被膜よりも優れた性能を示した。
［実験例Ｅ］
【００４０】
ねずみ鋳鉄の旋盤加工
切削速度： ｖｃ＝５５０ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．６５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝５．０ｍｍ
加工： 外径の連続回転
インサート型：セラミック、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ ２０％、
ＩＳＯ ＲＮＧＮ １２０４００Ｔ、
ＣＶＤ被覆の前に小さな５０μｍ半径に面取り及び研磨された
ＰＶＤ被覆用の鋭利な切削エッジ
【００４１】
【表５】
［実験例Ｆ］
【００４２】
鍛造鋼＿ＡＩＳＩ ４１３７Ｈ（ＤＩＮ １．７２２５）の旋盤加工
切削速度： ｖｃ＝１００ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．８０ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝５〜１５ｍｍ
加工： 外径の連続回転
インサート型：超硬合金、６％非濃縮、ＩＳＯ ＴＮＭＧ ３３０９２４
ＣＶＤ被覆の前に小さな５０μｍ半径に面取り及び研磨された
ＰＶＤ被覆用の鋭利な切削エッジ
【００４３】
【表６】
【００４４】
ＰＶＤ被覆加工によってエッジが鋭利な工具に酸化被膜が有利に適用されたことが、実験例ＡからＦによって実証された。小さな切削力、低い工具チップ温度、精密な被加工表面処理、工具寿命の向上をもたらすことから鋭利なエッジは望ましい。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも硬質材料とバインダー材料とを包含し、焼結体を形成するための温度及び圧力下で焼結された焼結体から成るかまたは焼結体を含む被覆された鋭いエッジを有する切削工具の分野に関する。切削工具は、例えばフライスのための工具（フライス工具）、旋盤工具、割り出し可能（ｉｎｄｅｘａｂｌｅ）インサート、歯切り工具、ホブ、シャンクタイプ工具、ねじ切り工具、穿孔工具等を含む。
【背景技術】
【０００２】
従来及び現在の粉末冶金の焼結技術では、被覆しない条件並びにＣＶＤ（化学気相成長）及びＰＶＤ（物理気相成長）被覆条件の両方の超硬切削工具が使用されている。ＭＴ−ＣＶＤ（中温ＣＶＤ）被覆加工を含むＣＶＤ被覆加工では高温を必要とし、通常、ＨＴ−ＣＶＤ（高温ＣＶＤ）では９５０℃を超える温度、ＭＴ−ＣＶＤでは８００℃から９００度の温度、及び化学侵食加工雰囲気を必要とする。この方法は特に、切削工具の低エッジ強度及び抗折力（ＴＲＳ）並びに避けることのできない被膜の熱クラックに関する周知の欠点を有する。
【０００３】
以下に、超硬合金の被覆を例としてＨＴ−ＣＶＤの欠点をより詳細に検討する。
ａ）既に述べたように、基板のＴＲＳの低下は、被覆前の表面の状態が正しい研削加工によって引き起こされる有利な残留圧縮応力によるものであるかもしれない。この状態は、この有利な残留圧縮応力を緩和する高温によって変えられる。従って、被覆とは無関係に、高温アニーリングは超硬基板にこの影響を与える。しかしながら、例えば残留引張応力または表面亀裂を残す“乱雑な研削”を施される等、たとえ基板が適切に研削されていないとしても、高温処理は基本的に有利な効果をもたらさない。
ｂ）被覆された切削工具のＴＲＳのさらなる低下は、ＣＶＤの高温からの冷却の際の被膜と基板との間の熱膨張の不一致によって引き起こされる熱クラックの存在に由来する。クラックは被膜の厚さ方向に貫通するため、特定の切削条件の下で疲労破損が生じ得る。
ｃ）ＷＣ−Ｃｏ硬質金属の場合では、約８５０℃以上の温度でコバルトが表面方向へと拡散することが知られており、ＣＶＤ加工の間の脱炭及びイータ相の形成にも関連する。このようなイータ相は、例えば、ＣＶＤによるＡｌ２Ｏ３被膜層の通常の下層であるＴｉＣまたはＴｉＣＮのＣＶＤ第１層の初期形成における基板の外側領域の脱炭によって形成され得る。イータ相領域は、高孔率の脆化層を形成し、被膜剥離傾向だけでなく微小亀裂開始部位をもたらす。少なくともＨＴ−ＣＶＤのこの欠点は、例えば第１ＴｉＣＮ層に約８５０℃で適用することによって、ＭＴ−ＣＶＤで解消されるため、基板のイータ相形成を最小限に抑制する。
【０００４】
従って、このような不利な作用を低減するために別の方法が採用されている。ＵＳ４，６１０，９３１では、外周面近くにバインダー濃縮を有する超硬合金体を使用することが提案されている。ＵＳ５，２６６，３８８及びＵＳ５，２５０，３６７では、前述のバインダー濃縮工具に、残留引張応力状態でＣＶＤ被膜を施し、続いて残留圧縮応力状態でＰＶＤ被膜を施す応用が提案されている。
【０００５】
上記ではＣＶＤ被覆加工の欠点を説明するために超硬合金が使用されたが、焼結体を有するその他の基板でも同様または少なくとも類似した問題が知られている。サーメットもＣｏ、Ｎｉ（及びＭｏ、Ａｌ等のその他金属）バインダーを有し、超硬合金と同様の焼結加工が施される。例えば、ＴｉＣＮベースのサーメットは、基板が被覆ガス種とより高い反応性を有し、界面に不要な反応層が生じるため、容易にＣＶＤ被覆されない。超硬ＣＢＮ工具では、カーバイド及びサーメットで使用されるものとは異なる高温高圧焼結技術が使用される。しかしながら、超硬ＣＢＮ工具もまたＣＶＤ被覆加工の間に高温反応する傾向にあるＣｏ、Ｎｉ等の金属バインダーを有し得る。この基板は、大抵切削エッジの磨耗兆候のための被膜システムまたはＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮでＰＶＤ被覆されることもある。しかしながらこのような被覆は、例えば最先端の旋盤での高速切削によって生じる高温及び高酸化ストレスに対して限られた保護しか提供することができない。
【０００６】
固体Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣまたはバインダーとしてガラス相が組み込まれたＡｌ２Ｏ３−Ｓｉ３Ｎ４（ＳｉＡｌＯＮ）ベースのセラミック工具材料は、電気絶縁性を有するため従来のＰＶＤで被覆することが困難な別の工具タイプである。低圧焼結されるカーバイドとは反対に、これらの材料は、焼結ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）される。このようなセラミックインサートは、高温によってＳｉ３Ｎ４基板の軟化が引き起こされるかまたは非晶ガラス状バインダー層が結晶となることによって靭性が低下するため、ＣＶＤ被覆されない。しかしながら、被覆されていない材料では、金属切削の際に、バインダー相と被加工材料との間で相互作用が起こり得るため、クレーター磨耗が生じやすく、限られた特定の用途に工具の使用が制限される。
【０００７】
従って、工具の靭性への高い要求または形状への特定のニーズを有する多くの作業では、ＰＶＤ被覆は、部分的にまたは完全にＣＶＤ被覆に置き換えられた。これらの工具の例は、フライスまたは特にエッジが鋭いねじ切り及び穿孔工具等の断続切削用途に使用される工具である。しかしながら、顕著な熱化学抵抗性及び高温硬度のために、例えばα‐及び／またはγ‐結晶構造のＡｌ２Ｏ３またはそのような被膜を有する厚い多層の酸化ＣＶＤ被覆は、特にあらゆる種類の材料における粗い媒体の旋盤、分離、及び溝切の用途において、依然として広範囲に使用され、鋳鉄の旋盤ではほぼ独占的に使用されている。このような被膜は、電気絶縁性材料及び特に酸化被膜の主な加工制限のために、最近までＰＶＤ加工では生成することができなかった。
【０００８】
当業者には周知であるように、上記で言及した問題が起こる傾向にあり、より小さいエッジ半径を有する鋭くなっている切削エッジに集中している。従って、ＣＶＤ被覆された工具のエッジチッピングまたは破損を防止するために、切削エッジ及び工具先端のさらなる形状の制限を考慮しなければならない。例えば超硬合金の場合、切削エッジは最小半径４０μｍに制限される。さらに、溝、ウォーターフォール、ワイパー、または任意のその他の特殊形状を遊び側フランク、すくい面、または切削エッジの両面に適用する等の追加の方法が一般的に使用されるが、焼結工具基板の製造にさらに大抵複雑な製造段階を追加することとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４，６１０，９３１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２６６，３８８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２５０，３６７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、単層または多層ＰＶＤ被覆されたエッジの鋭い切削工具であって、同時に十分な耐磨耗性及び熱化学耐性、並びにエッジチッピングに対する耐性を示すことができる切削工具を提供することである。切削工具は、エッジ半径Ｒｅ、逃げ面及びすくい面、並びに焼結体表面の少なくとも各部を被覆する少なくとも１つの酸化ＰＶＤ層を含むＰＶＤ被膜から成る単層または多層被膜を有する切削エッジを備えた超硬合金、ＣＢＮ、サーメットまたはセラミック材料から成る焼結体を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１実施形態において、エッジ半径Ｒｅは４０μｍより小さく、好ましくは３０μｍと同等かまたはそれより小さい。表面が被覆される部分は、少なくとも焼結体の鋭いエッジのある部分を含む。工具を鋭利にした後にホーニング、鈍化、または同様の後処理が施されなければ、２０μｍと同等かまたはそれより小さいエッジ半径Ｒｅは有する焼結体を製造することができる。被覆加工はいかなる有害な影響も有さず、切削エッジの軟化を引き起こさないため、これらの工具を酸化ＰＶＤ被膜で被覆すると有利であり得る。
【００１２】
被膜には熱クラックは存在せず、ＣＶＤ加工ガス由来のいかなるハロゲン化物またはその他汚染物質も含まれない。さらに、被膜または少なくとも酸化ＰＶＤ層が、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ及び同様のもの等の不活性元素を含まないことが可能である。これは、純反応ガス雰囲気における真空アーク堆積によって達成することができる。多層被膜の例として、接着層及び／または硬い磨耗保護層の堆積を窒素雰囲気下で開始した後、酸化被膜に向かって傾斜を生成するために酸素フローを増加させると同時にまたはその後窒素フローを減少または停止することを特徴とする加工段階を行うことができる。カソードアークターゲットの表面領域全体に小さな垂直磁場を印加することは、例えば純酸素雰囲気下でのアーク加工によって形成される高絶縁ターゲット表面の場合に有用であり得る。この被覆加工を実施するための詳細な説明は、ＷＯ２００６−０９９７５８、ＷＯ２００６−０９９７６０、ＷＯ２００６−０９９７５４及びＣＨ１１６６／０３に記載されており、これらは参照により全体がここに組み込まれる。
【００１３】
酸化層は、周期表４、５、６族の遷移金属及びＡｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を含む電気絶縁酸化物を含むと好ましい。（Ａｌ１−ｘＣｒｘ）２Ｏ３及びＡｌ２Ｏ３は、そのような材料の２つの重要な例である。これらの酸化物の結晶構造は変化することができ、アルファ（α）、ベータ（β）、ガンマ（γ）、デルタ（δ）相またはスピネル構造等の立方または六方格子を含み得る。例えば、工具に異なる酸化物の膜を含む酸化層を適用することも可能である。多層被膜が、異なる元素または化学量論組成の画定された層間に鋭いまたは傾斜した転移領域（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｚｏｎｅ）を有する上記元素の窒化物、炭窒化物、酸窒化物、ホウ化物及び同様のものを含み得るにもかかわらず、高温及び／または高酸化応力に対する最良の保護は、基本的に純酸化物から成る少なくとも１つの層を含む被膜によってのみ保証される。
【００１４】
熱力学的に安定な相、例えばＡｌ２Ｏ３、（ＡｌＣｒ）２Ｏ３、（ＡｌＶ）２Ｏ３型、またはより一般的に（Ｍｅ１１−ｘＭｅ２ｘ）２Ｏ３型（０．２≦ｘ≦０．９８、Ｍｅ１及びＭｅ２はＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖの群とは異なる元素である）であり得るコランダム型構造の形成は、酸化層の好ましい実施形態である。このようなコランダム型単層または多層構造を形成するための詳細な説明はＣＨ０１６１４／０６に記載されており、参照により全体がここに組み込まれる。
【００１５】
本発明の実施形態において、被膜は、本体表面に直接配置された接着層及び／または本体と酸化層との間または２つ以上の連続した酸化層の間及び／または被膜層の上部に配置された少なくとも１つの硬い磨耗保護層を含む。磨耗保護層及び接着層は、元素周期表４、５、６族の遷移金属及びＡｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ，Ｃｏ、Ｙ、Ｌａの群の少なくとも１つの元素を含むと好ましい。磨耗保護層の化合物は、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂまたはそれらの混合物をさらに含み、Ｎ、Ｃ及びＣＮが好ましい。このような磨耗保護層の例は、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＣｒＮ、ＣｒＣ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＣｒＡｌＮ、及びＴｉＣＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＣｒＡｌＣＮ、ＴｉＣｒＡｌＣＮである。
【００１６】
接着層の化合物は、Ｎ、Ｃ、Ｏまたはそれらの混合物を含んでよく、Ｎ及びＯが好ましい。このような接着層の例は、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＣｒＡｌＮ、またはＴｉＯＮ、ＣｒＯＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＣｒＡｌＯＮ、ＴｉＣｒＡｌＯＮである。接着層の厚さは、好ましくは０．１から１．５μｍの間である。接着層が本体表面に直接配置された薄膜金属層を含む場合、最適な工具−被膜結合のために、金属層の厚さは１０から２００ｎｍの間でなければならない。そのような金属中間層の例は、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴｉＡｌまたはＣｒＡｌである。全体的な被膜の厚さは、２から３０μｍであり、無駄の無い被覆加工のために、ほとんど場合においてむしろ３から１０μｍである。しかしながら、例えば鋳鉄における高速旋盤などの特殊な用途で必要とされるならば、原則として、工具はさらに厚い被膜を有することも可能であることに留意されたい。
【００１７】
本発明の別の実施形態は、例えばＳｉまたはＢ等の結晶構造の相分離を促進する特定の元素の濃度が比較的高い相、及びそのような特定の元素の濃度が比較的低い相を包含する少なくとも１つの組成分離膜を備えた磨耗保護層を含み得る。１実施形態において、特定の元素の濃度が比較的高い相は、非晶または微晶質相を構成する。このような膜は、好ましくはＣｒ及びＳｉまたはＴｉ及びＳｉの組み合わせの窒化物または炭窒化物を含む。
【００１８】
いかなる層も、分離または傾斜層構造を示す被膜を形成する鋭いまたは傾斜した層−層転移領域を有する実際のニーズに応じて堆積され得る。このような構造が特定の用途に好ましい場合、層の厚さは数マイクロメートルから数ナノメートルの間から選択され得る。
【００１９】
酸化ＣＶＤ層を備えた切削工具に対して、このようなＰＶＤ被覆された工具は、焼結体のＴＲＳ（抗折力）へのＣＶＤ加工の悪影響を最小化するためのバインダー濃縮基板を必要としない。ＰＶＤ加工での低い加工温度、及び圧縮応力の状態で被膜またはある層（特に上記磨耗保護層）を適用できる可能性は、亀裂伝播及びエッジチッピングのリスクに対して有用な方法であることが認められている。従って、実際の切削用途の過半数においてバインダー濃縮基板をする必要がなく、これは超硬工具製造を明らかに簡略化する。
【００２０】
しかしながら、例えばより高いフィード力が印加され、より高いＴＲＳが好ましいような切削パラメータが拡張される場合、ある切削条件下では、ＰＶＤ被覆された濃縮カーバイド傾斜も有用である。
【００２１】
このようなＰＶＤ被覆された硬質金属傾斜のＴＲＳが潜在的に高いため、特別な微小工具用途のための非常に小さなエッジ半径を有する切削工具だけでなく、より小さなノーズ半径または点角を有する切削工具も製造することができる。例として、最小０．２ｍｍ（０．００８インチ）から２．４ｍｍ（０．０９４インチ）の一般的なノーズ半径を有する従来の超硬インサートと比較して、０．１５、０．１０、０．０５及び０．０１ｍｍ等の半径でさえ、早期先端チッピングの兆候を呈することなく通常の微小回転条件下で試験及び被覆することができる。
【００２２】
ＰＶＤ加工固有の“幾何学的”特性のために、単に規定された固定システムを使用することによって単純な形状（例えばインサート）の特定の焼結体にさらなる被覆特性を与えることができるため、本体の特定領域をアークまたはスパッタ源からの“直接”イオン及び／または中性子フロー（以下、粒子フローという）に暴露する一方で、その他の領域には基本的に斜入射または間接入射のみが衝突する。ここで“直接”とは、アーク源によって放出される粒子の主要部分または過半数が約９０±１５°の角度で表面に衝突することを意味する。従って、その領域の層成長は、実質的に“間接”粒子フローに暴露される領域の成長よりも速い。この効果は、１ＰＶＤ被覆加工の間に厚さが変化する被膜を適用することに使用することができ、異なる基板／源の位置による形状の影響とは無関係に、全ての表面に均一な厚さの被膜を提供するＣＶＤ加工とは全く異なる。
【００２３】
例えば、三重回転スピンドルを使用して、８ｍｍのスペーサーと交互に、中央に穴の開いた四角の１３×１３×５ｍｍのインサートを固定する。約２±０．５である逃げ面の厚さ（ｄＦｌａｎｋ）とすくい面の厚さ（ｄＲａｋｅ）との比は、市販のＯｅｒｌｉｋｏｎ被覆ユニットＲＣＳ型における約５００ｍｍの基板回転台の全長、または市販のＯｅｒｌｉｋｏｎ ＢＡＩ １２００被覆ユニットにおける約９００ｍｍの長さにわたるインサートに合わせて調整することができる。すくい面の厚さは、逃げ面の中間において、ノーズの点角を画定する切削エッジから２ｍｍ離隔したインサートの２つの対向するノーズを結ぶ二等分線で測定された。
【００２４】
ＱＲ／Ｆ＝ｄＲａｋｅ／ｄＦｌａｎｋ＜１（ここで、ｄＲａｋｅはすくい面の総被膜厚であり、ｄＦｌａｎｋは逃げ面の総被膜厚である）の割合を有するこのようなインサートは、フライス作業の間の衝撃応力のために、逃げ面のＰＶＤ被膜厚がより厚いと有利なフライス工具に特に好都合である。この効果は、基板バイアス、総圧力等の加工パラメータによって制御され得る高い残留応力を有するＰＶＤ被膜によって増強される。
【００２５】
フライス加工とは異なり、旋削作業の耐摩耗性は、通過するチップによって生じる高い摩損及び熱化学磨耗のために、すくい面の被膜厚がより厚いと有利である。従って、この場合、ＱＲ／Ｆの割合は、１より大きくなければならない（ＱＲ／Ｆ＝ｄＲａｋｅ／ｄＦｌａｎｋ＞１）。そのような被膜配分は、アークまたはスパッタ源の直接粒子フローにすくい相を暴露する装置（ｆｉｘｔｕｒｅ）によって生成され得る。例えば、二重回転磁気装置を使用して超硬インサートのすくい面を源に直接暴露することができる。この磁気装置によって、
基板バイアス等の加工パラメータに影響され得、工具性能を向上させるために利用され得る切削エッジのさらなる厚さの増加をもたらす。非鉄切削板では、必要に応じてクランプ装置またはフック装置を使用することができる。さらに、旋盤工具の場合、被膜設計は、特に有効であると証明された酸化層と本体との間に配置されたＴｉＮ、ＴｉＣまたはＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮまたはＴｉＡｌＣＮ、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮから成る磨耗保護層を備える。
【００２６】
本発明による切削工具は、例えば非鉄金属のようなあらゆる種類の金属、特に鉄類、鋳鉄及び同様のもの等、さまざまな異なる被加工物質に適用することができる。このような材料のフライスまたは旋盤用の特殊工具は、上記のように最適化され得る。これによって、特に鋼及び鋳鉄の荒削り及び高速仕上げ等の旋削作業のような現在まで未開発のＣＶＤ分野においても、ＰＶＤ被覆は最新のＣＶＤ被覆の驚異的な競合相手となる。
【００２７】
多くの切削用途において、被膜システムの最外層として酸化層を備えた工具は、最善の解決法と認められている。これは、特に歯切り工具、ホブ、または割り出し可能（ｉｎｄｅｘａｂｌｅ）シャンク型工具を含む異なる種類のシャンク型工具に言及する。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下の例は、特殊な工具及び被膜による本発明の有利な効果を説明することを意図するものであって、そのような特殊な例に本発明の範囲を限定するものではない。例えば、異なる種類の金属材料におけるねじ切り及び掘削など、非鉄材料の乾式及び湿式フライス並びに鋼または超合金へのフライス及び旋盤用途において、ＰＶＤ被覆された工具がＣＶＤ被覆より優れていることが長年認められている周知の用途と比較して、いくつかの試験を実施した。このような鋼フライスでは、最大１００ｍ／ｍｉｎの低速または中速、０．２から０．４ｍｍ／ｔｏｏｔｈまでの高フィード速度を適用した。大抵の場合、本発明による工具は、周知のＴｉＣＮまたはＴｉＡｌＮベースのＰＶＤ被覆された工具と同様またはより優れた性能を示した。しかしながら、本発明の１目的は、例えば鉄、鋼及び硬化材料の高速フライス、並びに鋼、鉄（例えば鋳鉄）、超合金及び硬化材料の旋盤等、高熱化学及び／または摩損の用途におけるＣＶＤ被覆に代わることである。
【００２９】
以下の実験例のＰＶＤ被膜は、カソードアーク加工によって堆積させた。堆積温度は、比較ＴｉＣＮ被膜の５００℃から酸化被膜のための５５０℃までの間である。酸化ＰＶＤ被膜では、基板バイアスにパルスを印加し、３から５０ガウスの垂直成分を有する小さな垂直磁場及び本質的により小さな水平成分を印加した。実験２５、２８、３５、３７では、Ａｌ０．６Ｃｒ０．４（Ａｌ０．６Ｖ０．４）アーク源のＤＣ電流にさらなるパルス信号を重畳した。このようなまたは同様の酸化被覆加工は、ＷＯ ２００６−０９９７５８及び参照によって組み込まれた前述のその他文献に記載されている。基板と上部の酸化層との間のＴｉＮ及びＴｉＣＮ中間層の層厚は、０．５から１．５μｍであった。
比較ＣＶＤ被膜は、堆積温度８５０℃でＭＴ−ＣＶＤによって堆積させた。
［実験例Ａ］
【００３０】
合金鋼ＡＩＳＩ ４１４０（ＤＩＮ １．７２２５）のフライス加工
工具： 割り出し可能フェースミル、１インサート ｚ＝１
工具直径： ｄ＝９８ｍｍ
切削速度： ｖｃ＝１５２ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．２５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝２．５ｍｍ
加工： 冷却下向き削り
インサート型：Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ ＳＥＨＷ １２０４ ＡＦＴＮ、
１２ｗｔ％ Ｃｏ；ＣＶＤ被覆用に非常に小さな４０μｍ半径に面取
り及び研磨され、ＰＶＤ被覆用に面取りされた鋭利な切削エッジ
【００３１】
【表１】
［実験例Ｂ］
【００３２】
合金鋼ＡＩＳＩ ４１４０（ＤＩＮ １．７２２５）のフライス加工
工具： 割り出し可能フェースミル、１インサート ｚ＝１
工具直径： ｄ＝９８ｍｍ
切削速度： ｖｃ＝２１３ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．１８ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝２．５ｍｍ
加工： 下向き削り、冷却なし
インサート型：Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ ＳＥＨＷ １２０４ ＡＦＴＮ、
１２ｗｔ％ Ｃｏ；エッジの調製は実験例Ａ参照
【００３３】
【表２】
［実験例Ｃ］
【００３４】
合金鋼ＡＩＳＩ ４１４０（ＤＩＮ １．７２２５）のフライス加工
工具： 割り出し可能フェースミル、１インサート ｚ＝１
工具直径： ｄ＝９８ｍｍ
切削速度： ｖｃ＝２６０ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．２０ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝３．１２５ｍｍ
加工： 下向き削り
インサート型：Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ ＳＥＨＷ １２０４ ＡＦＴＮ、
実験１３、１５、１７、１９
Ｃｏ ６．０ｗｔ％濃縮カーバイド傾斜
１０．４ｗｔ％立方晶カーバイド
実験１４、１６、１８、２０
Ｃｏ ６．０ｗｔ％非濃縮カーバイド傾斜
１０．４ｗｔ％立方晶カーバイド
エッジの調製は実験例Ａ参照
【００３５】
【表３】
【００３６】
実験例Ｃの実験１４は、非濃縮カーバイド傾斜へのＣＶＤ加工の不利な影響を明確に示しており、この不利な影響は前述の加工の影響に起因する。一方で、Ｃｏ濃縮表面領域の有利な影響は、ＰＶＤ被膜に限って効果を示している。酸化層を含むＰＶＤ被膜の利点は、実験例Ａ及びＢの通りである。
［実験例Ｄ］
【００３７】
合金鋼ＡＩＳＩ ４３０Ｆ（ＤＩＮ １．４１０４）の旋盤加工
切削速度： ｖｃ＝２００ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．２０ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝１．０ｍｍ
加工： 外径の連続回転
インサート型：サーメット傾斜、ＩＳＯ ＶＮＭＧ １６０４０８Ａｌｌ、
ＣＶＤ被覆の前に非常に小さな６０μｍ半径に面取り及び研磨された
ＰＶＤ被覆用の鋭利な切削エッジ
【００３８】
【表４】
【００３９】
被膜の種類及び材料の影響に追加して、酸化ＰＶＤ被膜の層厚の明らかに有利な影響が見られ得る。それにもかかわらず、最も薄い酸化ＰＶＤ被膜でさえも、実験２２の厚いＭＴ−ＣＶＤ被膜よりも優れた性能を示した。
［実験例Ｅ］
【００４０】
ねずみ鋳鉄の旋盤加工
切削速度： ｖｃ＝５５０ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．６５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝５．０ｍｍ
加工： 外径の連続回転
インサート型：セラミック、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ ２０％、
ＩＳＯ ＲＮＧＮ １２０４００Ｔ、
ＣＶＤ被覆の前に小さな５０μｍ半径に面取り及び研磨された
ＰＶＤ被覆用の鋭利な切削エッジ
【００４１】
【表５】
［実験例Ｆ］
【００４２】
鍛造鋼＿ＡＩＳＩ ４１３７Ｈ（ＤＩＮ １．７２２５）の旋盤加工
切削速度： ｖｃ＝１００ｍ／ｍｉｎ
フィード速度：ｆｚ＝０．８０ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削深さ： ｄｃ＝５〜１５ｍｍ
加工： 外径の連続回転
インサート型：超硬合金、６％非濃縮、ＩＳＯ ＴＮＭＧ ３３０９２４
ＣＶＤ被覆の前に小さな５０μｍ半径に面取り及び研磨された
ＰＶＤ被覆用の鋭利な切削エッジ
【００４３】
【表６】
【００４４】
ＰＶＤ被覆加工によってエッジが鋭利な工具に酸化被膜が有利に適用されたことが、実験例ＡからＦによって実証された。小さな切削力、低い工具チップ温度、精密な被加工表面処理、工具寿命の向上をもたらすことから鋭利なエッジは望ましい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッジ半径Ｒｅと、逃げ面と、すくい面とを備えた切削エッジを有する超硬合金、ＣＢＮ、サーメットまたはセラミック焼結体と、
前記焼結体の表面の少なくとも一部分を被覆し、少なくとも１つの酸化層を含む単層または多層ＰＶＤ被膜と、を備えた切削工具であって、
前記エッジ半径Ｒｅが、４０μｍより小さく、好ましくは３０μｍと同等またはそれより小さいことを特徴とする切削工具。
【請求項２】
前記ＰＶＤ被膜が、熱クラックを有さない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ＰＶＤ被膜が、ハロゲン化物を有さないことを特徴とする請求項１または２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記酸化層が、周期表４、５、６族の遷移金属及びＡｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を含む電気絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項５】
前記酸化層が、立方または六方結晶構造を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項６】
前記酸化層が、（Ａｌ１-ｘＣｒｘ）２Ｏ３化合物を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項７】
前記酸化層が、コランダム型構造を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項８】
前記コランダム型構造が、コランダムまたは以下の組成を有する複酸化物であることを特徴とする請求項７に記載の切削工具：
（Ｍｅ１１-ｘＭｅ２ｘ）２Ｏ３、 ０．２≦ｘ≦０．９８
ここで、Ｍｅ１及びＭｅ２はＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖの群とは異なる元素である。
【請求項９】
前記コランダム型構造が、（ＡｌＣｒ）２Ｏ３または（ＡｌＶ）２Ｏ３であることを特徴とする請求項７または８に記載の切削工具。
【請求項１０】
前記ＰＶＤ被膜が、多層であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項１１】
前記酸化層が、異なる酸化物の膜を含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の切削工具。
【請求項１２】
前記ＰＶＤ被膜が、
前記焼結体上に直接配置された接着層及び／または、
前記焼結体と前記酸化層との間、または２またはそれ以上の連続酸化層の間に配置され、且つ／または前記ＰＶＤ被膜の最外層である少なくとも１つの硬磨耗保護層を含む切削工具であって、
前記接着層及び前記硬磨耗保護層がそれぞれ、好ましくは周期表の４、５、６族の遷移金属及びＡｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１１に記載の切削工具。
【請求項１３】
前記硬磨耗保護層の前記少なくとも１つの元素が、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂまたはそれらの混合とともに化合物中に含まれており、Ｎ、Ｃ及びＣＮが好ましいことを特徴とする請求項１２に記載の切削工具。
【請求項１４】
少なくとも１つの磨耗保護層が、少なくとも１つの組成分離膜を含むことを特徴とする請求項１２または１３に記載の切削工具。
【請求項１５】
前記接着層の前記少なくとも１つの元素が、Ｎ、Ｃ、Ｏまたはそれらの混合とともに化合物中に含まれており、Ｎ及びＯが好ましいことを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項１６】
前記接着層が、０．１から１．５μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項１７】
前記接着層が、前記焼結体上に直接配置された薄膜金属層を含むことを特徴とする請求項１２から１６のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項１８】
総被膜厚が、２から３０μｍ、好ましくは３から１０μｍであることを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項１９】
前記焼結体が、バインダー濃縮されていないことを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２０】
前記焼結体が、バインダー濃縮されていることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２１】
前記逃げ面の被膜厚が、前記すくい面の被膜厚と異なることを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２２】
前記工具がフライス工具であって、
ＱＲ／Ｆ＝ｄＲａｋｅ／ｄＦｌａｎｋ＜１
を満たし、ｄＲａｋｅが前記すくい面の総被膜厚であり、ｄＦｌａｎｋが前記逃げ面の総被膜厚であることを特徴とする請求項２１に記載の切削工具。
【請求項２３】
前記工具が旋盤工具であって、
ＱＲ／Ｆ＝ｄＲａｋｅ／ｄＦｌａｎｋ＞１
を満たし、ｄＲａｋｅが前記すくい面の総被膜厚であり、ｄＦｌａｎｋが前記逃げ面の総被膜厚であることを特徴とする請求項２１に記載の切削工具。
【請求項２４】
前記工具が、割り出し可能インサートを含むかまたは割り出し可能インサートであることを特徴とする請求項１から２１のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２５】
前記工具が、以下の被加工材料：金属、非鉄金属、鉄金属、鋳鉄の少なくとも１つを加工するための工具であることを特徴とする請求項１から２４のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２６】
前記工具が、被膜システムの最外層として酸化層を含む歯切り工具またはホブまたはシャンク型工具であることを特徴とする請求項１２から１７のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２７】
前記磨耗保護層が、ＴｉＮ、ＴｉＣまたはＴｉＣＮ；ＴｉＡｌＮまたはＴｉＡｌＣＮ；ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮ型層であり、前記焼結体と前記酸化層との間に配置されていることを特徴とする請求項２６に記載の切削工具。
【請求項１】
エッジ半径Ｒｅと、逃げ面と、すくい面とを備えた切削エッジを有する超硬合金、ＣＢＮ、サーメットまたはセラミック焼結体と、
前記焼結体の表面の少なくとも一部分を被覆し、少なくとも１つの酸化層を含む単層または多層ＰＶＤ被膜と、を備えた切削工具であって、
前記エッジ半径Ｒｅが、４０μｍより小さく、好ましくは３０μｍと同等またはそれより小さいことを特徴とする切削工具。
【請求項２】
前記ＰＶＤ被膜が、熱クラックを有さない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ＰＶＤ被膜が、ハロゲン化物を有さないことを特徴とする請求項１または２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記酸化層が、周期表４、５、６族の遷移金属及びＡｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を含む電気絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項５】
前記酸化層が、立方または六方結晶構造を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項６】
前記酸化層が、（Ａｌ１-ｘＣｒｘ）２Ｏ３化合物を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項７】
前記酸化層が、コランダム型構造を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項８】
前記コランダム型構造が、コランダムまたは以下の組成を有する複酸化物であることを特徴とする請求項７に記載の切削工具：
（Ｍｅ１１-ｘＭｅ２ｘ）２Ｏ３、 ０．２≦ｘ≦０．９８
ここで、Ｍｅ１及びＭｅ２はＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｂ、Ｖの群とは異なる元素である。
【請求項９】
前記コランダム型構造が、（ＡｌＣｒ）２Ｏ３または（ＡｌＶ）２Ｏ３であることを特徴とする請求項７または８に記載の切削工具。
【請求項１０】
前記ＰＶＤ被膜が、多層であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項１１】
前記酸化層が、異なる酸化物の膜を含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の切削工具。
【請求項１２】
前記ＰＶＤ被膜が、
前記焼結体上に直接配置された接着層及び／または、
前記焼結体と前記酸化層との間、または２またはそれ以上の連続酸化層の間に配置され、且つ／または前記ＰＶＤ被膜の最外層である少なくとも１つの硬磨耗保護層を含む切削工具であって、
前記接着層及び前記硬磨耗保護層がそれぞれ、好ましくは周期表の４、５、６族の遷移金属及びＡｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１１に記載の切削工具。
【請求項１３】
前記硬磨耗保護層の前記少なくとも１つの元素が、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂまたはそれらの混合とともに化合物中に含まれており、Ｎ、Ｃ及びＣＮが好ましいことを特徴とする請求項１２に記載の切削工具。
【請求項１４】
少なくとも１つの磨耗保護層が、少なくとも１つの組成分離膜を含むことを特徴とする請求項１２または１３に記載の切削工具。
【請求項１５】
前記接着層の前記少なくとも１つの元素が、Ｎ、Ｃ、Ｏまたはそれらの混合とともに化合物中に含まれており、Ｎ及びＯが好ましいことを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項１６】
前記接着層が、０．１から１．５μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項１７】
前記接着層が、前記焼結体上に直接配置された薄膜金属層を含むことを特徴とする請求項１２から１６のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項１８】
総被膜厚が、２から３０μｍ、好ましくは３から１０μｍであることを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項１９】
前記焼結体が、バインダー濃縮されていないことを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２０】
前記焼結体が、バインダー濃縮されていることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２１】
前記逃げ面の被膜厚が、前記すくい面の被膜厚と異なることを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２２】
前記工具がフライス工具であって、
ＱＲ／Ｆ＝ｄＲａｋｅ／ｄＦｌａｎｋ＜１
を満たし、ｄＲａｋｅが前記すくい面の総被膜厚であり、ｄＦｌａｎｋが前記逃げ面の総被膜厚であることを特徴とする請求項２１に記載の切削工具。
【請求項２３】
前記工具が旋盤工具であって、
ＱＲ／Ｆ＝ｄＲａｋｅ／ｄＦｌａｎｋ＞１
を満たし、ｄＲａｋｅが前記すくい面の総被膜厚であり、ｄＦｌａｎｋが前記逃げ面の総被膜厚であることを特徴とする請求項２１に記載の切削工具。
【請求項２４】
前記工具が、割り出し可能インサートを含むかまたは割り出し可能インサートであることを特徴とする請求項１から２１のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２５】
前記工具が、以下の被加工材料：金属、非鉄金属、鉄金属、鋳鉄の少なくとも１つを加工するための工具であることを特徴とする請求項１から２４のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２６】
前記工具が、被膜システムの最外層として酸化層を含む歯切り工具またはホブまたはシャンク型工具であることを特徴とする請求項１２から１７のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項２７】
前記磨耗保護層が、ＴｉＮ、ＴｉＣまたはＴｉＣＮ；ＴｉＡｌＮまたはＴｉＡｌＣＮ；ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮ型層であり、前記焼結体と前記酸化層との間に配置されていることを特徴とする請求項２６に記載の切削工具。
【公表番号】特表２０１０−５２６６８０（Ｐ２０１０−５２６６８０Ａ）
【公表日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０７８８２（Ｐ２０１０−５０７８８２）
【出願日】平成２０年５月５日（２００８．５．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０５５４５５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１３８７８９
【国際公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【出願人】（５０７２６９６８１）エーリコン・トレイディング・アーゲー・トリューバッハ (13)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月５日（２００８．５．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０５５４５５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１３８７８９
【国際公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【出願人】（５０７２６９６８１）エーリコン・トレイディング・アーゲー・トリューバッハ (13)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]