被膜付き切削工具および被膜付き切削工具を製造する方法
【課題】鋭い形状および研磨した刃先の上でなくても、スポーリング、フリッタリング、いわゆる刃先スポーリングおよびフレーキングを起こしにくいＰＶＤ被膜を有する被膜付き切削工具およびその製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも２つの非金属機能層または層システムの間に配置された金属中間層を含む被膜を備えた基材を含む被膜付き切削工具に関し、前記金属中間層は、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒまたはこれらの混合物の1種または複数種から選択される金属元素を少なくとも６０at％含み、前記の少なくとも２つの非金属機能層または層システムは、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはそれらの組み合わせの1種または複数種であり、前記の少なくとも２つの非金属機能層または層システムの厚さは前記金属中間層の厚さの３から２００倍である。金属中間層と交互積層した非金属機能層または層システムの数は少なくとも３である。
【解決手段】少なくとも２つの非金属機能層または層システムの間に配置された金属中間層を含む被膜を備えた基材を含む被膜付き切削工具に関し、前記金属中間層は、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒまたはこれらの混合物の1種または複数種から選択される金属元素を少なくとも６０at％含み、前記の少なくとも２つの非金属機能層または層システムは、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはそれらの組み合わせの1種または複数種であり、前記の少なくとも２つの非金属機能層または層システムの厚さは前記金属中間層の厚さの３から２００倍である。金属中間層と交互積層した非金属機能層または層システムの数は少なくとも３である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの非金属機能層または層システムの間に１つまたは複数の金属中間層を含む被膜付き切削工具に関する。本発明の切削工具は、靭性増大により優れた寿命を示し、そのため負荷の変化に耐えるより高い能力を示すであろう。さらに、本発明は、刃先に沿ったスポーリングのおそれなしにより厚いＰＶＤ被膜の堆積を容易にし、このためより高い耐逃げ面摩耗性を持つより厚い被膜を堆積できる。被膜のより靭性のある挙動は、鋭いまたは研磨した刃の上でさえ適度に厚い被膜を容易にする。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、切削工具の寿命は、その表面に被膜が堆積している場合著しく延びる。現在のほとんどの切削工具は、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ａｌ、Ｃｒ）ＮまたはＡｌ２Ｏ３などのＰＶＤまたはＣＶＤ被膜により被覆されている。ＰＶＤ被膜はＣＶＤ被膜に比べ魅力的な性質をいくつか有するが、例えば微細な粒子の被膜および堆積したままの状態での圧縮応力などであり、負荷の変化に耐えるより良い能力を与える。しかし、ＰＶＤ被膜は通常きわめて薄くなければならず、その理由は、より厚いＰＶＤ被膜が、通常刃先の周りで自然に、または機械加工の間に、スポーリング、フリッタリング、いわゆる刃先スポーリングおよびフレーキングを起こすことがあるからである。
【０００３】
スポーリングが起こる前に工具に堆積できる最大被膜厚さは、刃先半径ＥＲ（edge radius）に依存する。小さいＥＲを持つ鋭い刃先および研磨した刃先は、刃先に沿ってスポーリングおよびフレーキングを特に起こしやすく、そのため薄い被膜が通常堆積される。しかし、刃先をそのままにしておけるなら、わずかにより厚い被膜が好ましく、その理由は、より厚い被膜が、より良い耐摩耗性のためほとんどの場合工具寿命の延びにつながるからである。
【０００４】
ＰＶＤ技術による金属層の堆積は、ＰＶＤプロセスにおける確立された技術でもある。基材の表面に金属層を直接堆積してから被膜の残りを堆積すると被膜の粘着を向上させる場合もあることが知られている。
【０００５】
非金属層の間に金属層を堆積させる試みはほとんどなされていない。
【０００６】
特許文献1は、交互積層した金属層およびセラミック層を含む耐摩耗性被膜を記載している。前記被膜は、マイクロラフネスが低い微粒表面を有するであろう。被膜は好ましくは鋼、チタンまたは炭化物、例えばＴｉＣ、好ましくは鋼の基材上に堆積する。基材は好ましくは、歯科用工具、手術用工具または切削工具の形態である。実施例において、鋼の歯石除去器に被膜が備えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】アメリカ合衆国公開特許公報US2002/0102400A
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、鋭い形状および研磨した刃先の上でなくても、スポーリング、フリッタリング、いわゆる刃先スポーリングおよびフレーキングを起こしにくいＰＶＤ被膜を有する被膜付き切削工具を提供し、このため工具寿命の延びた工具を得る方法の提供である。
【０００９】
本発明の目的は、鋭い未被覆刃先半径、ＥＲを持ち、刃先スポーリング、フリッタリング、フレーキングなどの恐れなくより厚いＰＶＤ被膜を有する被膜付き切削工具を提供し、このため工具寿命の延びた工具を得ることである。
【００１０】
本発明の他の目的は、より高い耐逃げ面摩耗性を有する被膜付き切削工具の提供である。
【００１１】
本発明の他の目的は、上記に開示した利点を有する被膜付き切削工具を製造する方法の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
２つの非金属機能層または層システムの間に配置された金属中間層を含む被膜付き切削工具を提供することにより、上記の目的が満たされることが驚くべきことに見いだされた。
【００１３】
本発明は、少なくとも２つの非金属機能層または層システムの間に配置された金属中間層を含む被膜を備えた、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速鋼の基材を含む被膜付き切削工具に関し、
前記金属中間層は、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒの1種または複数種から選択される金属元素を少なくとも６０at％含み、
前記の少なくとも２つの非金属機能層または層システムは、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはそれらの組み合わせの1種または複数種である。
【００１４】
少なくとも２つの非金属機能層または層システムの厚さは、金属中間層の厚さの３から２００倍である。金属中間層と交互積層した非金属機能層または層システムの数は少なくとも３であり、好ましくは３から２０、より好ましくは３から１５、最も好ましくは３から８の非金属機能層または層システムである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、インサートの刃の研磨した断面である。それぞれ基材面に平行および垂直な２つの線が描かれる。これらの２本の線から、２つの参照点が見いだされ、そこからさらに中心が見いだされる。ＥＲは、５つの異なる角度での中心から刃先への平均距離として定義される。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
金属中間層とは、本願において、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒの1種または複数種から選択される金属元素を、少なくとも６０at％、好ましくは少なくとも７０at％、より好ましくは少なくとも８０at％、最も好ましくは少なくとも９０at％含む層を意味する。
【００１７】
金属中間層はより少量の他の元素を含んでもよく、そうではあるが技術的不純物に相当する濃度であり、したがって層の展性に著しい影響を与えない。
【００１８】
本発明の１実施形態において、金属中間層は、金属（複数可）が、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒ、好ましくは、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｖ、ＴａおよびＺｒ、最も好ましくはＴｉ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒまたはこれらの混合物から選択される純粋な金属層であり、これらの元素の１種が純粋な金属層の少なくとも５０at％を構成している。
【００１９】
本発明の他の実施形態において、金属中間層は、不足当量セラミック、好ましくは窒化物、酸化物、炭化物または硼化物、より好ましくは窒化物ＭｅＮであり、Ｍｅは上述の純粋な金属中間層の場合に含まれる金属の1種または複数種でよい金属である。金属元素の量は、不足当量セラミックの少なくとも６０at％、好ましくは７０at％、より好ましくは少なくとも８０at％、最も好ましくは少なくとも９０at％である。
【００２０】
金属中間層の平均厚さは５ｎｍから５００ｎｍでよく、好ましくは１０ｎｍから２００ｎｍ、最も好ましくは２０ｎｍから７０ｎｍである。
【００２１】
本願における厚さは全て、ターゲットからのまっすぐな視線内にある適度に平坦な表面上で実施される測定値を意味する。堆積の間スティックに載せられているインサートでは、逃げ面の中心で厚さが測定されたことを意味する。例えば、ドリルおよびエンドミル上の表面などの不規則な表面では、本願における厚さは、適度に平坦な表面、または比較的大きな曲率を持ち縁または角から幾分離れた表面で測定された厚さを意味する。例えば、ドリルでは外周上で測定が実施され、エンドミルでは逃げ面で測定が実施された。
【００２２】
非金属機能層または層システムは、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはこれらの組み合わせなど、切削工具に好適などのような組成を持ってもよい。好ましくは、被膜は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、ＴｉＮ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、ＴｉＢ２、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ、ＸがＳｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｃｒ、ＮｂおよびＺｒのうちの1種または複数種である（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒの1種または複数種の酸化物、より好ましくは（Ａｌ、Ｔｉ）Ｎ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、最も好ましくは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎのうちの1種または複数種の１または複数の層を含む。
【００２３】
本発明の非金属機能層または層システムは、切削工具を被覆する分野に常識的な、どのような被膜構造を有してもよい。
【００２４】
前記の少なくとも２層または層システムは、その間に金属中間層が配置されるが、構造および組成に関して互いに同じでも異なっていてもよい。層システムとは、本願では、金属中間層を間に全くはさまずに互いの上に堆積された少なくとも２層を意味する。そのような層システムの１例は、少なくとも５の個別な層を含む多層構造である。しかし、そのような多層構造は、最大で数千の個別な層を含むことがある。
【００２５】
非金属機能層または層システムの平均厚さは０．３〜５μｍでよく、好ましくは０．３〜２μｍ、最も好ましくは０．４〜１．５μｍである。
【００２６】
非金属層または層システムは金属中間層よりも著しく厚く、非金属層または層システムの厚さは、好ましくは金属中間層の厚さの３から２００倍、より好ましくは５から１５０倍、最も好ましくは１０から１００倍厚い。
【００２７】
金属層および非金属層または層システムの両方を含む被膜全体の厚さは０．６から１５μｍでよく、好ましくは１から１０μｍ、最も好ましくは２から９μｍでよい。
【００２８】
本発明に好適な基材は好ましくは切削工具インサート、またはドリル、エンドミルなどの丸い工具である。基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速鋼、より好ましくは超硬合金のいずれかからできている。超硬合金とは、本願において、主に炭化タングステンおよびバインダー相としてのコバルトを含む基材を意味する。基材は、基材の上に直接堆積している内部層により予備被覆されて、基材への良好な粘着を確実にすることができ、内部層は純粋な金属および／または窒化物、好ましくはＴｉおよび／またはＴｉＮを含み、前記層は０．０２〜０．５μｍ、好ましくは０．０５〜０．１μｍである。
【００２９】
インサートの刃は、通常、刃先半径ＥＲと呼ばれる円弧を呈する。ＥＲは、刃先に垂直に切られたインサートの研磨された断面から測定できる。ＥＲは、インサート支持面に平行な線および第１の線に垂直な別の線を書くことにより定義される。これらの直線からインサートの形状が接する、または離れる２カ所の点は、参照点（ＲＰ１およびＲＰ２）と呼ばれる。これらの２つの参照点から、最初の２本の線に平行に、他の２本の線が書かれる（Ｌ１およびＬ２）。参照点を通る２本の線の交点は中心（Ｃ）と呼ばれる。角度０、２２．５、４５、６７．５および９０度（Ｒ１、Ｒ２…Ｒ５）での中心から刃への距離を測り、平均を計算するとＥＲが得られる。この手順を図１に示す。例えばソリッドドリルまたはエンドミル上のように、刃がすくい面でランドを有する場合、または刃が研磨されている場合、２つの研磨した表面の間または研磨した表面と逃げ面の間の二等分線上にある中心を持ち、最小二乗法を利用して円弧に合わせられる円の半径としてＥＲが定義される。
【００３０】
本発明の１実施形態において、被膜の厚さは、刃先半径ＥＲの少なくとも１０％、好ましくは１５％を超え、最も好ましくは２０％を超えるが、刃先半径ＥＲの４５％未満、好ましくは４０％未満、最も好ましくは３５％未満である。
【００３１】
本発明の１実施形態において、基材は３５μｍ未満の未被覆ＥＲを有する切削工具インサートであり、被膜厚さは６から１１μｍである。
【００３２】
本発明の他の実施形態において、基材は２０μｍ未満の未被覆ＥＲを有する切削工具インサートであり、被膜厚さは４から７μｍである。
【００３３】
本発明の他の実施形態において、基材は１５μｍ未満の未被覆ＥＲを持つドリルまたはエンドミルであり、被膜厚さは２から５μｍである。
【００３４】
本発明の１実施形態において、少なくとも２つの非金属層または層システムは、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎであり、０．５から２μｍの厚さを有し、薄い金属中間層は好ましくは厚さが２０から５０ｎｍのＴｉである。
【００３５】
本発明の１実施形態において、金属中間層はＴｉとＡｌの合金である。
【００３６】
本発明のさらに他の実施形態において、金属中間層はＡｌとＣｒの合金である。
【００３７】
本発明は、上記による被膜付き切削工具を製造する方法にも関する。前記方法は、基材を準備する工程、以下の工程を含む被覆プロセスで前記基材を被覆する工程を含む：
ａ）少なくとも１つの非金属機能層または層システムを堆積する工程、
ｂ）少なくとも１つの金属中間層を堆積する工程、
ｃ）前記金属中間層の上への、少なくとも１つの非金属機能層または層システムを堆積する工程。
【００３８】
上述の工程ｂ）およびｃ）は、所望の被膜全厚さが得られるまで、少なくとも１回、好ましくは１から１４回、より好ましくは１から９回、最も好ましくは１から７回繰り返される。
【００３９】
金属中間層とは、本願で、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒの1種または複数種の金属元素を少なくとも６０at％、好ましくは少なくとも７０at％、より好ましくは少なくとも８０at％、最も好ましくは少なくとも９０at％含む層を意味する。
【００４０】
金属中間層は、雰囲気を反応性ガスから不活性ガス、例えばＨｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅまたはこれらのガスの混合物に変えることにより、機能層と同じ被覆プロセス内で堆積させることが好ましい。
【００４１】
本発明の１実施形態において、金属中間層は、金属（複数可）がＴｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒ、好ましくは、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｖ、ＴａおよびＺｒ、最も好ましくはＴｉ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒまたはこれらの混合物から選択される純粋な金属層であり、これら元素の１種が純粋な金属中間層の少なくとも５０at％を構成する。
【００４２】
本発明の他の実施形態において、中間層は、不足当量セラミック、好ましくは窒化物、酸化物、炭化物または硼化物、より好ましくは窒化物ＭｅＮであり、Ｍｅは上述の純粋な金属中間層の場合に含まれる1種または複数種の金属またはその混合物でよい金属である。前記金属元素の量は、不足当量セラミックの少なくとも６０at％、好ましくは少なくとも７０at％、より好ましくは少なくとも８０at％、最も好ましくは少なくとも９０at％である。
【００４３】
金属中間層の平均厚さは好ましくは５ｎｍから５００ｎｍであり、より好ましくは１０ｎｍから２００ｎｍ、最も好ましくは２０ｎｍから７０ｎｍである。
【００４４】
本発明により堆積した非金属機能層または層システムは、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはこれらの組み合わせなど、切削工具に好適などのような組成を持ってもよい。好ましくは、被膜は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、ＴｉＮ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、ＴｉＢ２、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ、ＸがＳｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｃｒ、ＮｂおよびＺｒの1種または複数種でよい（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒの1種または複数種の酸化物、より好ましくは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、最も好ましくは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの1種または複数種の１層または複数の層を含む。
【００４５】
本発明により堆積する非金属機能層または層システムは、切削工具を被覆する分野に常識的などのような被膜構造を持っていてもよい。前記の少なくとも２つの層または層システムは、その間に金属中間層が配置されているが、構造および組成に関して互いに同じでも異なっていてもよい。
【００４６】
非金属機能層または層システムの平均厚さは、０．３〜５μｍ、好ましくは０．３〜２μｍ、最も好ましくは０．４〜１．５μｍでよい。
【００４７】
非金属層または層システムは金属中間層よりも著しく厚く、非金属層または層システムの厚さは、好ましくは金属中間層の厚さの３〜２００倍、より好ましくは５〜１５０倍、最も好ましくは１０〜１００倍厚い。
【００４８】
金属層および非金属層または層システムの両方を含む被膜全体の厚さは、０．５〜１５μｍでよく、好ましくは１〜１０μｍ、最も好ましくは２〜９μｍでよい。
【００４９】
本発明に好適な基材は好ましくは切削工具インサート、またはドリル、エンドミルなどの丸い工具である。基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速鋼、好ましくは超硬合金のいずれかからできている。基材は、基材の上に直接堆積している内部層により予備被覆されて、基材への良好な粘着を確実にすることができ、内部層は純粋な金属および／または窒化物、好ましくはＴｉおよび／またはＴｉＮを含み、前記層は０．０２〜０．５μｍ、好ましくは０．０５〜０．１μｍであり、残りの層と同じ被覆プロセス内で堆積する。
【００５０】
本発明の１実施形態において、被膜の厚さは、刃先半径ＥＲの少なくとも１０％、好ましくは１５％を超え、より好ましくは２０％を超えるが、刃先半径ＥＲの４５％未満、好ましくは４０％未満、最も好ましくは３５％未満である。
【００５１】
本発明の１実施形態において、基材は３５μｍ未満の未被覆ＥＲを有する切削工具インサートであり、被膜厚さは６から１１μｍである。
【００５２】
本発明の１実施形態において、基材は２０μｍ未満の未被覆ＥＲを有する切削工具インサートであり、被膜厚さは４から７μｍである。
【００５３】
本発明の他の実施形態において、基材は１５μｍ未満の未被覆ＥＲを持つドリルまたはエンドミルであり、被膜厚さは２から５μｍである。
【００５４】
切削工具を被覆する場合に通常利用されるどのようなＰＶＤ技術も本発明の方法に利用できる。好ましくはカソードアーク蒸発またはマグネトロンスパッタリングが利用されるが、ＨＩＰＩＭＳ（高出力衝撃マグネトロンスパッタリング）などの新しい技術も利用できる。本発明による被膜が「ＰＶＤ被膜」と称されていたとしても、例えば、従来のＣＶＤ被膜よりもＰＶＤ被膜に近い性質を持つ被膜を生成するＰＥＣＶＤ技術（プラズマエンハンスド化学蒸着）により被膜を堆積させてもよい。
【００５５】
本発明の１実施形態において、堆積した非金属機能層または層システムは０．５〜２μｍの厚さを有する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎであり、堆積した薄い金属中間層は好ましくは厚さが２０〜７０ｎｍであるＴｉである。
【００５６】
本発明の１実施形態において、金属中間層はＴｉとＡｌの合金である。
【００５７】
本発明のさらに他の実施形態において、金属中間層はＡｌとＣｒの合金である。
【実施例】
【００５８】
〔実施例１〕
２種の異なる形状、Ｒ290-12Ｔ308Ｍ-KMおよびＲ390-11Ｔ0308Ｍ-PMの超硬合金フライス加工インサートを使用し、インサートＡには、従来技術により、逃げ面の中心で測定して６μｍの厚さの均質なＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ被膜で被覆した。被膜はＮ２雰囲気中でカソードアーク蒸発により堆積させ、インサートを３重回転基材テーブル上に載せた。（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜は、２組のＴｉ０．３３Ａｌ０．６７ターゲットから堆積させた。
【００５９】
インサートＢは、本発明により被覆した。ある厚さのＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ層を堆積させた後堆積を停止し、リアクターチャンバーをＡｒで満たし、１組のＴｉターゲットに点火し、薄いおよそ３０ｎｍの金属Ｔｉ層を堆積させた以外、インサートＡと同じ堆積条件を利用した。次いで、リアクターをＮ２ガスで満たし、新たなＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ層を堆積させた。Ｔｉ層およびＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ層を堆積させるこの手順を７回繰り返し、被膜の全厚さ６μｍを得た。Ｔｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ層の平均厚さは１μｍであった。
【００６０】
＜実施例２〜５の説明＞
以下の表現／用語は金属切削に通常使用され、以下の表で説明される。
【００６１】
Ｖｃ（ｍ／分） 分当たりのメートルで表す切削速度
ｆｚ（ｍｍ／歯） 歯当たりのミリメートルで表す送り速度
ｚ（数） カッター中の歯の数
ａｅ（ｍｍ） ミリメートルで表す半径方向切込み深さ
ａｐ（ｍｍ） ミリメートルで表す軸方向切込み深さ
Ｄ（ｍｍ） ミリメートルで表すカッター直径
〔実施例２〕
形状がＲ390-11Ｔ0308Ｍ-PMでＥＲが２０μｍの実施例１のインサートを比較した。インサートを、硬鋼の肩部フライス加工で試験した。
【００６２】
被削材 焼入れ鋼Sverker 21（ＨＲｃ＝５９）
Ｖｃ＝ ６０ｍ／分
ｆｚ＝ ０．１２ｍｍ／歯
ａｅ＝ １ｍｍ
ａｚ＝ ４ｍｍ
ｚ＝ １
Ｄ＝ ３２ｍｍ
冷却 乾燥条件
工具寿命の基準は、０．２ｍｍを超える逃げ面摩耗、０．３ｍｍを超えるフリッティングあるいは薄片状破損（slice fracture）またはいずれかの刃の刃破損であった。
【００６３】
インサートＡ（従来技術）は刃先スポーリングがあり、刃の被膜厚さはわずか２〜２．５μｍで、刃から幾分離れた逃げ面の厚さの約半分であった。インサートＢ（本発明）には刃先スポーリングがなく、刃の被膜厚さは逃げ面の厚さよりわずかに大きく、６．５μｍであった。
【００６４】
インサートＡ（従来技術）はこの用途に１９分耐えたが、インサートＢ（本発明）は２５分耐えた。工具寿命を延ばすための摩耗タイプの決定的な違いは、より少ないフリッティングであった。
【００６５】
〔実施例３〕
形状がＲ290-12Ｔ308Ｍ-KMで未被覆の刃先半径が３０μｍの実施例１のインサートＡ（従来技術）およびＢ（本発明）をフライス操作で試験し比較した。
【００６６】
被削材 ＣＧＩ（コンパクト黒鉛鋳鉄）Sintercast
Ｖｃ＝ ３００ｍ／分
ｆｚ＝ ０．１５ｍｍ／歯
ａｅ＝ ５０ｍｍ
ａｐ＝ ３ｍｍ
ｚ＝ ３
Ｄ＝ ６３ｍｍ
備考 乾燥条件
工具寿命の基準は、３つの刃の平均として０．３ｍｍを超える逃げ面摩耗、０．４ｍｍを超えるフリッティング、薄片状破損またはいずれかの刃の刃破損であった。
【００６７】
インサートＡ（従来技術）はこの用途に９分耐えたが、インサートＢ（本発明）は１９分耐えた。工具寿命を延ばすための摩耗タイプの決定的な違いは、より少ないフリッティングであった。
【００６８】
〔実施例４〕
形状がＲ390-11Ｔ0308Ｍ-PMでＥＲ＝３５μｍの実施例１のインサートＡ（従来技術）およびＢ（本発明）を、以下の切削条件の間にフライス操作で試験した。
【００６９】
被削材 低合金鋼、SS2244
Ｖｃ＝ １５０、２００ｍ／分
ｆｚ＝ ０．１５ｍｍ／歯
ａｅ＝ ２５ｍｍ
ａｐ＝ ３ｍｍ
ｚ＝ ２
Ｄ＝ ２５ｍｍ
冷却剤 エマルション
工具寿命の基準は、０．２ｍｍを超える逃げ面摩耗または０．３ｍｍを超えるフリッティングであった。
【００７０】
インサートＡ（従来技術）はこの用途に３０分耐えたが、インサートＢ（本発明）は３９分耐えた。
【００７１】
増加したＶｃ＝２００ｍ／分で、インサートＡ（従来技術）は２０分耐えたが、インサートＢ（本発明）は３７分耐えた。
【００７２】
工具寿命を延ばすための摩耗タイプの決定的な違いは、より少ない逃げ面摩耗と組み合わされたより少ない刃先のチッピングであった。面白いことに、インサートＢ（本発明）はゆっくりとした一様な摩耗の増加を示したが、インサートＡ（従来技術）はより壊滅的な破損を起こした。
【００７３】
〔実施例５〕
形状がＲ390-11Ｔ0308Ｍ-PMでＥＲ＝３５μｍの実施例１のインサートＡ（従来技術）およびＢ（本発明）を、以下の切削条件の間にフライス操作で試験した。
【００７４】
被削材 焼入れ鋼Sverker 21（ＨＲｃ＝５９）
Ｖｃ＝ ４０ｍ／分
ｆｚ＝ ０．１２ｍｍ／歯
ａｅ＝ ２ｍｍ
ａｐ＝ ４ｍｍ
ｚ＝ １
Ｄ＝ ３２ｍｍ
冷却剤 エマルション
工具寿命の基準は、０．２ｍｍを超える逃げ面摩耗または０．３ｍｍを超えるフリッティングであった。
【００７５】
インサートＡ（従来技術）はこの用途に１０．５分耐えたが、インサートＢ（本発明）は１４分耐えた。
【００７６】
工具寿命を延ばすための摩耗タイプの決定的な違いは、より少ない逃げ面摩耗と組み合わされたより少ない刃先のチッピングであった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの非金属機能層または層システムの間に１つまたは複数の金属中間層を含む被膜付き切削工具に関する。本発明の切削工具は、靭性増大により優れた寿命を示し、そのため負荷の変化に耐えるより高い能力を示すであろう。さらに、本発明は、刃先に沿ったスポーリングのおそれなしにより厚いＰＶＤ被膜の堆積を容易にし、このためより高い耐逃げ面摩耗性を持つより厚い被膜を堆積できる。被膜のより靭性のある挙動は、鋭いまたは研磨した刃の上でさえ適度に厚い被膜を容易にする。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、切削工具の寿命は、その表面に被膜が堆積している場合著しく延びる。現在のほとんどの切削工具は、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ａｌ、Ｃｒ）ＮまたはＡｌ２Ｏ３などのＰＶＤまたはＣＶＤ被膜により被覆されている。ＰＶＤ被膜はＣＶＤ被膜に比べ魅力的な性質をいくつか有するが、例えば微細な粒子の被膜および堆積したままの状態での圧縮応力などであり、負荷の変化に耐えるより良い能力を与える。しかし、ＰＶＤ被膜は通常きわめて薄くなければならず、その理由は、より厚いＰＶＤ被膜が、通常刃先の周りで自然に、または機械加工の間に、スポーリング、フリッタリング、いわゆる刃先スポーリングおよびフレーキングを起こすことがあるからである。
【０００３】
スポーリングが起こる前に工具に堆積できる最大被膜厚さは、刃先半径ＥＲ（edge radius）に依存する。小さいＥＲを持つ鋭い刃先および研磨した刃先は、刃先に沿ってスポーリングおよびフレーキングを特に起こしやすく、そのため薄い被膜が通常堆積される。しかし、刃先をそのままにしておけるなら、わずかにより厚い被膜が好ましく、その理由は、より厚い被膜が、より良い耐摩耗性のためほとんどの場合工具寿命の延びにつながるからである。
【０００４】
ＰＶＤ技術による金属層の堆積は、ＰＶＤプロセスにおける確立された技術でもある。基材の表面に金属層を直接堆積してから被膜の残りを堆積すると被膜の粘着を向上させる場合もあることが知られている。
【０００５】
非金属層の間に金属層を堆積させる試みはほとんどなされていない。
【０００６】
特許文献1は、交互積層した金属層およびセラミック層を含む耐摩耗性被膜を記載している。前記被膜は、マイクロラフネスが低い微粒表面を有するであろう。被膜は好ましくは鋼、チタンまたは炭化物、例えばＴｉＣ、好ましくは鋼の基材上に堆積する。基材は好ましくは、歯科用工具、手術用工具または切削工具の形態である。実施例において、鋼の歯石除去器に被膜が備えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】アメリカ合衆国公開特許公報US2002/0102400A
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、鋭い形状および研磨した刃先の上でなくても、スポーリング、フリッタリング、いわゆる刃先スポーリングおよびフレーキングを起こしにくいＰＶＤ被膜を有する被膜付き切削工具を提供し、このため工具寿命の延びた工具を得る方法の提供である。
【０００９】
本発明の目的は、鋭い未被覆刃先半径、ＥＲを持ち、刃先スポーリング、フリッタリング、フレーキングなどの恐れなくより厚いＰＶＤ被膜を有する被膜付き切削工具を提供し、このため工具寿命の延びた工具を得ることである。
【００１０】
本発明の他の目的は、より高い耐逃げ面摩耗性を有する被膜付き切削工具の提供である。
【００１１】
本発明の他の目的は、上記に開示した利点を有する被膜付き切削工具を製造する方法の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
２つの非金属機能層または層システムの間に配置された金属中間層を含む被膜付き切削工具を提供することにより、上記の目的が満たされることが驚くべきことに見いだされた。
【００１３】
本発明は、少なくとも２つの非金属機能層または層システムの間に配置された金属中間層を含む被膜を備えた、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速鋼の基材を含む被膜付き切削工具に関し、
前記金属中間層は、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒの1種または複数種から選択される金属元素を少なくとも６０at％含み、
前記の少なくとも２つの非金属機能層または層システムは、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはそれらの組み合わせの1種または複数種である。
【００１４】
少なくとも２つの非金属機能層または層システムの厚さは、金属中間層の厚さの３から２００倍である。金属中間層と交互積層した非金属機能層または層システムの数は少なくとも３であり、好ましくは３から２０、より好ましくは３から１５、最も好ましくは３から８の非金属機能層または層システムである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、インサートの刃の研磨した断面である。それぞれ基材面に平行および垂直な２つの線が描かれる。これらの２本の線から、２つの参照点が見いだされ、そこからさらに中心が見いだされる。ＥＲは、５つの異なる角度での中心から刃先への平均距離として定義される。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
金属中間層とは、本願において、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒの1種または複数種から選択される金属元素を、少なくとも６０at％、好ましくは少なくとも７０at％、より好ましくは少なくとも８０at％、最も好ましくは少なくとも９０at％含む層を意味する。
【００１７】
金属中間層はより少量の他の元素を含んでもよく、そうではあるが技術的不純物に相当する濃度であり、したがって層の展性に著しい影響を与えない。
【００１８】
本発明の１実施形態において、金属中間層は、金属（複数可）が、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒ、好ましくは、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｖ、ＴａおよびＺｒ、最も好ましくはＴｉ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒまたはこれらの混合物から選択される純粋な金属層であり、これらの元素の１種が純粋な金属層の少なくとも５０at％を構成している。
【００１９】
本発明の他の実施形態において、金属中間層は、不足当量セラミック、好ましくは窒化物、酸化物、炭化物または硼化物、より好ましくは窒化物ＭｅＮであり、Ｍｅは上述の純粋な金属中間層の場合に含まれる金属の1種または複数種でよい金属である。金属元素の量は、不足当量セラミックの少なくとも６０at％、好ましくは７０at％、より好ましくは少なくとも８０at％、最も好ましくは少なくとも９０at％である。
【００２０】
金属中間層の平均厚さは５ｎｍから５００ｎｍでよく、好ましくは１０ｎｍから２００ｎｍ、最も好ましくは２０ｎｍから７０ｎｍである。
【００２１】
本願における厚さは全て、ターゲットからのまっすぐな視線内にある適度に平坦な表面上で実施される測定値を意味する。堆積の間スティックに載せられているインサートでは、逃げ面の中心で厚さが測定されたことを意味する。例えば、ドリルおよびエンドミル上の表面などの不規則な表面では、本願における厚さは、適度に平坦な表面、または比較的大きな曲率を持ち縁または角から幾分離れた表面で測定された厚さを意味する。例えば、ドリルでは外周上で測定が実施され、エンドミルでは逃げ面で測定が実施された。
【００２２】
非金属機能層または層システムは、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはこれらの組み合わせなど、切削工具に好適などのような組成を持ってもよい。好ましくは、被膜は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、ＴｉＮ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、ＴｉＢ２、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ、ＸがＳｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｃｒ、ＮｂおよびＺｒのうちの1種または複数種である（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒの1種または複数種の酸化物、より好ましくは（Ａｌ、Ｔｉ）Ｎ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、最も好ましくは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎのうちの1種または複数種の１または複数の層を含む。
【００２３】
本発明の非金属機能層または層システムは、切削工具を被覆する分野に常識的な、どのような被膜構造を有してもよい。
【００２４】
前記の少なくとも２層または層システムは、その間に金属中間層が配置されるが、構造および組成に関して互いに同じでも異なっていてもよい。層システムとは、本願では、金属中間層を間に全くはさまずに互いの上に堆積された少なくとも２層を意味する。そのような層システムの１例は、少なくとも５の個別な層を含む多層構造である。しかし、そのような多層構造は、最大で数千の個別な層を含むことがある。
【００２５】
非金属機能層または層システムの平均厚さは０．３〜５μｍでよく、好ましくは０．３〜２μｍ、最も好ましくは０．４〜１．５μｍである。
【００２６】
非金属層または層システムは金属中間層よりも著しく厚く、非金属層または層システムの厚さは、好ましくは金属中間層の厚さの３から２００倍、より好ましくは５から１５０倍、最も好ましくは１０から１００倍厚い。
【００２７】
金属層および非金属層または層システムの両方を含む被膜全体の厚さは０．６から１５μｍでよく、好ましくは１から１０μｍ、最も好ましくは２から９μｍでよい。
【００２８】
本発明に好適な基材は好ましくは切削工具インサート、またはドリル、エンドミルなどの丸い工具である。基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速鋼、より好ましくは超硬合金のいずれかからできている。超硬合金とは、本願において、主に炭化タングステンおよびバインダー相としてのコバルトを含む基材を意味する。基材は、基材の上に直接堆積している内部層により予備被覆されて、基材への良好な粘着を確実にすることができ、内部層は純粋な金属および／または窒化物、好ましくはＴｉおよび／またはＴｉＮを含み、前記層は０．０２〜０．５μｍ、好ましくは０．０５〜０．１μｍである。
【００２９】
インサートの刃は、通常、刃先半径ＥＲと呼ばれる円弧を呈する。ＥＲは、刃先に垂直に切られたインサートの研磨された断面から測定できる。ＥＲは、インサート支持面に平行な線および第１の線に垂直な別の線を書くことにより定義される。これらの直線からインサートの形状が接する、または離れる２カ所の点は、参照点（ＲＰ１およびＲＰ２）と呼ばれる。これらの２つの参照点から、最初の２本の線に平行に、他の２本の線が書かれる（Ｌ１およびＬ２）。参照点を通る２本の線の交点は中心（Ｃ）と呼ばれる。角度０、２２．５、４５、６７．５および９０度（Ｒ１、Ｒ２…Ｒ５）での中心から刃への距離を測り、平均を計算するとＥＲが得られる。この手順を図１に示す。例えばソリッドドリルまたはエンドミル上のように、刃がすくい面でランドを有する場合、または刃が研磨されている場合、２つの研磨した表面の間または研磨した表面と逃げ面の間の二等分線上にある中心を持ち、最小二乗法を利用して円弧に合わせられる円の半径としてＥＲが定義される。
【００３０】
本発明の１実施形態において、被膜の厚さは、刃先半径ＥＲの少なくとも１０％、好ましくは１５％を超え、最も好ましくは２０％を超えるが、刃先半径ＥＲの４５％未満、好ましくは４０％未満、最も好ましくは３５％未満である。
【００３１】
本発明の１実施形態において、基材は３５μｍ未満の未被覆ＥＲを有する切削工具インサートであり、被膜厚さは６から１１μｍである。
【００３２】
本発明の他の実施形態において、基材は２０μｍ未満の未被覆ＥＲを有する切削工具インサートであり、被膜厚さは４から７μｍである。
【００３３】
本発明の他の実施形態において、基材は１５μｍ未満の未被覆ＥＲを持つドリルまたはエンドミルであり、被膜厚さは２から５μｍである。
【００３４】
本発明の１実施形態において、少なくとも２つの非金属層または層システムは、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎであり、０．５から２μｍの厚さを有し、薄い金属中間層は好ましくは厚さが２０から５０ｎｍのＴｉである。
【００３５】
本発明の１実施形態において、金属中間層はＴｉとＡｌの合金である。
【００３６】
本発明のさらに他の実施形態において、金属中間層はＡｌとＣｒの合金である。
【００３７】
本発明は、上記による被膜付き切削工具を製造する方法にも関する。前記方法は、基材を準備する工程、以下の工程を含む被覆プロセスで前記基材を被覆する工程を含む：
ａ）少なくとも１つの非金属機能層または層システムを堆積する工程、
ｂ）少なくとも１つの金属中間層を堆積する工程、
ｃ）前記金属中間層の上への、少なくとも１つの非金属機能層または層システムを堆積する工程。
【００３８】
上述の工程ｂ）およびｃ）は、所望の被膜全厚さが得られるまで、少なくとも１回、好ましくは１から１４回、より好ましくは１から９回、最も好ましくは１から７回繰り返される。
【００３９】
金属中間層とは、本願で、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒの1種または複数種の金属元素を少なくとも６０at％、好ましくは少なくとも７０at％、より好ましくは少なくとも８０at％、最も好ましくは少なくとも９０at％含む層を意味する。
【００４０】
金属中間層は、雰囲気を反応性ガスから不活性ガス、例えばＨｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅまたはこれらのガスの混合物に変えることにより、機能層と同じ被覆プロセス内で堆積させることが好ましい。
【００４１】
本発明の１実施形態において、金属中間層は、金属（複数可）がＴｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒ、好ましくは、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｖ、ＴａおよびＺｒ、最も好ましくはＴｉ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒまたはこれらの混合物から選択される純粋な金属層であり、これら元素の１種が純粋な金属中間層の少なくとも５０at％を構成する。
【００４２】
本発明の他の実施形態において、中間層は、不足当量セラミック、好ましくは窒化物、酸化物、炭化物または硼化物、より好ましくは窒化物ＭｅＮであり、Ｍｅは上述の純粋な金属中間層の場合に含まれる1種または複数種の金属またはその混合物でよい金属である。前記金属元素の量は、不足当量セラミックの少なくとも６０at％、好ましくは少なくとも７０at％、より好ましくは少なくとも８０at％、最も好ましくは少なくとも９０at％である。
【００４３】
金属中間層の平均厚さは好ましくは５ｎｍから５００ｎｍであり、より好ましくは１０ｎｍから２００ｎｍ、最も好ましくは２０ｎｍから７０ｎｍである。
【００４４】
本発明により堆積した非金属機能層または層システムは、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはこれらの組み合わせなど、切削工具に好適などのような組成を持ってもよい。好ましくは、被膜は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、ＴｉＮ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、ＴｉＢ２、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ、ＸがＳｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｃｒ、ＮｂおよびＺｒの1種または複数種でよい（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒの1種または複数種の酸化物、より好ましくは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、最も好ましくは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎの1種または複数種の１層または複数の層を含む。
【００４５】
本発明により堆積する非金属機能層または層システムは、切削工具を被覆する分野に常識的などのような被膜構造を持っていてもよい。前記の少なくとも２つの層または層システムは、その間に金属中間層が配置されているが、構造および組成に関して互いに同じでも異なっていてもよい。
【００４６】
非金属機能層または層システムの平均厚さは、０．３〜５μｍ、好ましくは０．３〜２μｍ、最も好ましくは０．４〜１．５μｍでよい。
【００４７】
非金属層または層システムは金属中間層よりも著しく厚く、非金属層または層システムの厚さは、好ましくは金属中間層の厚さの３〜２００倍、より好ましくは５〜１５０倍、最も好ましくは１０〜１００倍厚い。
【００４８】
金属層および非金属層または層システムの両方を含む被膜全体の厚さは、０．５〜１５μｍでよく、好ましくは１〜１０μｍ、最も好ましくは２〜９μｍでよい。
【００４９】
本発明に好適な基材は好ましくは切削工具インサート、またはドリル、エンドミルなどの丸い工具である。基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速鋼、好ましくは超硬合金のいずれかからできている。基材は、基材の上に直接堆積している内部層により予備被覆されて、基材への良好な粘着を確実にすることができ、内部層は純粋な金属および／または窒化物、好ましくはＴｉおよび／またはＴｉＮを含み、前記層は０．０２〜０．５μｍ、好ましくは０．０５〜０．１μｍであり、残りの層と同じ被覆プロセス内で堆積する。
【００５０】
本発明の１実施形態において、被膜の厚さは、刃先半径ＥＲの少なくとも１０％、好ましくは１５％を超え、より好ましくは２０％を超えるが、刃先半径ＥＲの４５％未満、好ましくは４０％未満、最も好ましくは３５％未満である。
【００５１】
本発明の１実施形態において、基材は３５μｍ未満の未被覆ＥＲを有する切削工具インサートであり、被膜厚さは６から１１μｍである。
【００５２】
本発明の１実施形態において、基材は２０μｍ未満の未被覆ＥＲを有する切削工具インサートであり、被膜厚さは４から７μｍである。
【００５３】
本発明の他の実施形態において、基材は１５μｍ未満の未被覆ＥＲを持つドリルまたはエンドミルであり、被膜厚さは２から５μｍである。
【００５４】
切削工具を被覆する場合に通常利用されるどのようなＰＶＤ技術も本発明の方法に利用できる。好ましくはカソードアーク蒸発またはマグネトロンスパッタリングが利用されるが、ＨＩＰＩＭＳ（高出力衝撃マグネトロンスパッタリング）などの新しい技術も利用できる。本発明による被膜が「ＰＶＤ被膜」と称されていたとしても、例えば、従来のＣＶＤ被膜よりもＰＶＤ被膜に近い性質を持つ被膜を生成するＰＥＣＶＤ技術（プラズマエンハンスド化学蒸着）により被膜を堆積させてもよい。
【００５５】
本発明の１実施形態において、堆積した非金属機能層または層システムは０．５〜２μｍの厚さを有する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎであり、堆積した薄い金属中間層は好ましくは厚さが２０〜７０ｎｍであるＴｉである。
【００５６】
本発明の１実施形態において、金属中間層はＴｉとＡｌの合金である。
【００５７】
本発明のさらに他の実施形態において、金属中間層はＡｌとＣｒの合金である。
【実施例】
【００５８】
〔実施例１〕
２種の異なる形状、Ｒ290-12Ｔ308Ｍ-KMおよびＲ390-11Ｔ0308Ｍ-PMの超硬合金フライス加工インサートを使用し、インサートＡには、従来技術により、逃げ面の中心で測定して６μｍの厚さの均質なＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ被膜で被覆した。被膜はＮ２雰囲気中でカソードアーク蒸発により堆積させ、インサートを３重回転基材テーブル上に載せた。（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜は、２組のＴｉ０．３３Ａｌ０．６７ターゲットから堆積させた。
【００５９】
インサートＢは、本発明により被覆した。ある厚さのＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ層を堆積させた後堆積を停止し、リアクターチャンバーをＡｒで満たし、１組のＴｉターゲットに点火し、薄いおよそ３０ｎｍの金属Ｔｉ層を堆積させた以外、インサートＡと同じ堆積条件を利用した。次いで、リアクターをＮ２ガスで満たし、新たなＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ層を堆積させた。Ｔｉ層およびＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ層を堆積させるこの手順を７回繰り返し、被膜の全厚さ６μｍを得た。Ｔｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ層の平均厚さは１μｍであった。
【００６０】
＜実施例２〜５の説明＞
以下の表現／用語は金属切削に通常使用され、以下の表で説明される。
【００６１】
Ｖｃ（ｍ／分） 分当たりのメートルで表す切削速度
ｆｚ（ｍｍ／歯） 歯当たりのミリメートルで表す送り速度
ｚ（数） カッター中の歯の数
ａｅ（ｍｍ） ミリメートルで表す半径方向切込み深さ
ａｐ（ｍｍ） ミリメートルで表す軸方向切込み深さ
Ｄ（ｍｍ） ミリメートルで表すカッター直径
〔実施例２〕
形状がＲ390-11Ｔ0308Ｍ-PMでＥＲが２０μｍの実施例１のインサートを比較した。インサートを、硬鋼の肩部フライス加工で試験した。
【００６２】
被削材 焼入れ鋼Sverker 21（ＨＲｃ＝５９）
Ｖｃ＝ ６０ｍ／分
ｆｚ＝ ０．１２ｍｍ／歯
ａｅ＝ １ｍｍ
ａｚ＝ ４ｍｍ
ｚ＝ １
Ｄ＝ ３２ｍｍ
冷却 乾燥条件
工具寿命の基準は、０．２ｍｍを超える逃げ面摩耗、０．３ｍｍを超えるフリッティングあるいは薄片状破損（slice fracture）またはいずれかの刃の刃破損であった。
【００６３】
インサートＡ（従来技術）は刃先スポーリングがあり、刃の被膜厚さはわずか２〜２．５μｍで、刃から幾分離れた逃げ面の厚さの約半分であった。インサートＢ（本発明）には刃先スポーリングがなく、刃の被膜厚さは逃げ面の厚さよりわずかに大きく、６．５μｍであった。
【００６４】
インサートＡ（従来技術）はこの用途に１９分耐えたが、インサートＢ（本発明）は２５分耐えた。工具寿命を延ばすための摩耗タイプの決定的な違いは、より少ないフリッティングであった。
【００６５】
〔実施例３〕
形状がＲ290-12Ｔ308Ｍ-KMで未被覆の刃先半径が３０μｍの実施例１のインサートＡ（従来技術）およびＢ（本発明）をフライス操作で試験し比較した。
【００６６】
被削材 ＣＧＩ（コンパクト黒鉛鋳鉄）Sintercast
Ｖｃ＝ ３００ｍ／分
ｆｚ＝ ０．１５ｍｍ／歯
ａｅ＝ ５０ｍｍ
ａｐ＝ ３ｍｍ
ｚ＝ ３
Ｄ＝ ６３ｍｍ
備考 乾燥条件
工具寿命の基準は、３つの刃の平均として０．３ｍｍを超える逃げ面摩耗、０．４ｍｍを超えるフリッティング、薄片状破損またはいずれかの刃の刃破損であった。
【００６７】
インサートＡ（従来技術）はこの用途に９分耐えたが、インサートＢ（本発明）は１９分耐えた。工具寿命を延ばすための摩耗タイプの決定的な違いは、より少ないフリッティングであった。
【００６８】
〔実施例４〕
形状がＲ390-11Ｔ0308Ｍ-PMでＥＲ＝３５μｍの実施例１のインサートＡ（従来技術）およびＢ（本発明）を、以下の切削条件の間にフライス操作で試験した。
【００６９】
被削材 低合金鋼、SS2244
Ｖｃ＝ １５０、２００ｍ／分
ｆｚ＝ ０．１５ｍｍ／歯
ａｅ＝ ２５ｍｍ
ａｐ＝ ３ｍｍ
ｚ＝ ２
Ｄ＝ ２５ｍｍ
冷却剤 エマルション
工具寿命の基準は、０．２ｍｍを超える逃げ面摩耗または０．３ｍｍを超えるフリッティングであった。
【００７０】
インサートＡ（従来技術）はこの用途に３０分耐えたが、インサートＢ（本発明）は３９分耐えた。
【００７１】
増加したＶｃ＝２００ｍ／分で、インサートＡ（従来技術）は２０分耐えたが、インサートＢ（本発明）は３７分耐えた。
【００７２】
工具寿命を延ばすための摩耗タイプの決定的な違いは、より少ない逃げ面摩耗と組み合わされたより少ない刃先のチッピングであった。面白いことに、インサートＢ（本発明）はゆっくりとした一様な摩耗の増加を示したが、インサートＡ（従来技術）はより壊滅的な破損を起こした。
【００７３】
〔実施例５〕
形状がＲ390-11Ｔ0308Ｍ-PMでＥＲ＝３５μｍの実施例１のインサートＡ（従来技術）およびＢ（本発明）を、以下の切削条件の間にフライス操作で試験した。
【００７４】
被削材 焼入れ鋼Sverker 21（ＨＲｃ＝５９）
Ｖｃ＝ ４０ｍ／分
ｆｚ＝ ０．１２ｍｍ／歯
ａｅ＝ ２ｍｍ
ａｐ＝ ４ｍｍ
ｚ＝ １
Ｄ＝ ３２ｍｍ
冷却剤 エマルション
工具寿命の基準は、０．２ｍｍを超える逃げ面摩耗または０．３ｍｍを超えるフリッティングであった。
【００７５】
インサートＡ（従来技術）はこの用途に１０．５分耐えたが、インサートＢ（本発明）は１４分耐えた。
【００７６】
工具寿命を延ばすための摩耗タイプの決定的な違いは、より少ない逃げ面摩耗と組み合わされたより少ない刃先のチッピングであった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの非金属機能層または層システムの間に配置された金属中間層を含む被膜を備えた超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速鋼の基材を含み、
前記金属中間層が、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒの1種または複数種から選択される金属元素を少なくとも６０at％含み、
前記の少なくとも２つの非金属機能層または層システムが、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはそれらの組み合わせの1種または複数種である被膜付き切削工具であって、
前記の少なくとも２つの非金属機能層または層システムの厚さが前記金属中間層の厚さの３から２００倍であり、金属中間層と交互積層した非金属機能層または層システムの数が少なくとも３であることを特徴とする被膜付き切削工具。
【請求項２】
前記非金属機能層または層システムの組成が、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、ＴｉＮ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、ＴｉＢ２、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ、ＸがＳｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｃｒ、ＮｂおよびＺｒのうちの1種または複数種である（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒの1種または複数種の酸化物の1種または複数種であることを特徴とする、請求項１に記載の被膜付き切削工具。
【請求項３】
前記金属中間層が、金属（複数可）が、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒまたはこれらの混合物から選択される純粋な金属層であることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の被膜付き切削工具。
【請求項４】
前記被膜の厚さが、基材の未被覆刃先半径ＥＲの少なくとも１０％であるが４５％未満であることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の被膜付き切削工具。
【請求項５】
前記金属中間層の厚さが５ｎｍから５００ｎｍであることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の被膜付き切削工具。
【請求項６】
全被膜厚さが０．５から１５μｍであることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の被膜付き切削工具。
【請求項７】
被膜付き切削工具を製造する方法であって、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速鋼の基材を準備する工程および前記基材を以下の工程：
ａ）窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはこれらの組み合わせを含む、少なくとも１つの非金属機能層または層システムを堆積する工程、
ｂ）Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒの1種または複数種から選択される金属元素を少なくとも６０at％含む、少なくとも１つの金属中間層を堆積する工程、
ｃ）前記金属中間層の上への、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはこれらの組み合わせを含む、少なくとも１つの非金属機能層または層システムを堆積する工程
を含む被覆プロセスで被覆する方法を含み、
工程ｂ）およびｃ）が少なくとも１回繰り返され、
前記の非金属機能層または層システムの厚さが前記金属中間層の厚さの３から２００倍であり、金属中間層と交互積層した非金属機能層または層システムの数が少なくとも３であることを特徴とする、被膜付き切削工具を製造する方法。
【請求項８】
前記被膜がＰＶＤ技術により堆積する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記の堆積した被膜の厚さが、基材の未被覆刃先半径ＥＲの少なくとも１０％であるが４５％未満であることを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記の堆積した非金属層または層システムが、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、ＴｉＮ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、ＴｉＢ２、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ、ＸがＳｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｃｒ、ＮｂおよびＺｒのうちの1種または複数種である（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒの1種または複数種の酸化物の1種または複数種であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記の堆積した金属中間層が、金属（複数可）が、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒまたはこれらの混合物から選択される純粋な金属層であることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記金属中間層の厚さが５ｎｍから５００ｎｍであることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１】
少なくとも２つの非金属機能層または層システムの間に配置された金属中間層を含む被膜を備えた超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速鋼の基材を含み、
前記金属中間層が、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒの1種または複数種から選択される金属元素を少なくとも６０at％含み、
前記の少なくとも２つの非金属機能層または層システムが、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはそれらの組み合わせの1種または複数種である被膜付き切削工具であって、
前記の少なくとも２つの非金属機能層または層システムの厚さが前記金属中間層の厚さの３から２００倍であり、金属中間層と交互積層した非金属機能層または層システムの数が少なくとも３であることを特徴とする被膜付き切削工具。
【請求項２】
前記非金属機能層または層システムの組成が、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、ＴｉＮ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、ＴｉＢ２、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ、ＸがＳｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｃｒ、ＮｂおよびＺｒのうちの1種または複数種である（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒの1種または複数種の酸化物の1種または複数種であることを特徴とする、請求項１に記載の被膜付き切削工具。
【請求項３】
前記金属中間層が、金属（複数可）が、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒまたはこれらの混合物から選択される純粋な金属層であることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の被膜付き切削工具。
【請求項４】
前記被膜の厚さが、基材の未被覆刃先半径ＥＲの少なくとも１０％であるが４５％未満であることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載の被膜付き切削工具。
【請求項５】
前記金属中間層の厚さが５ｎｍから５００ｎｍであることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の被膜付き切削工具。
【請求項６】
全被膜厚さが０．５から１５μｍであることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の被膜付き切削工具。
【請求項７】
被膜付き切削工具を製造する方法であって、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素または高速鋼の基材を準備する工程および前記基材を以下の工程：
ａ）窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはこれらの組み合わせを含む、少なくとも１つの非金属機能層または層システムを堆積する工程、
ｂ）Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒの1種または複数種から選択される金属元素を少なくとも６０at％含む、少なくとも１つの金属中間層を堆積する工程、
ｃ）前記金属中間層の上への、窒化物、酸化物、硼化物、炭化物またはこれらの組み合わせを含む、少なくとも１つの非金属機能層または層システムを堆積する工程
を含む被覆プロセスで被覆する方法を含み、
工程ｂ）およびｃ）が少なくとも１回繰り返され、
前記の非金属機能層または層システムの厚さが前記金属中間層の厚さの３から２００倍であり、金属中間層と交互積層した非金属機能層または層システムの数が少なくとも３であることを特徴とする、被膜付き切削工具を製造する方法。
【請求項８】
前記被膜がＰＶＤ技術により堆積する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記の堆積した被膜の厚さが、基材の未被覆刃先半径ＥＲの少なくとも１０％であるが４５％未満であることを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記の堆積した非金属層または層システムが、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ、ＴｉＮ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、ＴｉＢ２、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ、ＸがＳｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｙ、Ｃｒ、ＮｂおよびＺｒのうちの1種または複数種である（Ｔｉ，Ｘ）Ｎ、Ａｌ、ＺｒおよびＣｒの1種または複数種の酸化物の1種または複数種であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記の堆積した金属中間層が、金属（複数可）が、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＺｒまたはこれらの混合物から選択される純粋な金属層であることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記金属中間層の厚さが５ｎｍから５００ｎｍであることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれかに記載の方法。
【図１】
【公開番号】特開２００９−１５４２８７（Ｐ２００９−１５４２８７Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００８−３２２５６１（Ｐ２００８−３２２５６１）
【出願日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（５０５２７７５２１）サンドビック インテレクチュアル プロパティー アクティエボラーグ (284)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２２５６１（Ｐ２００８−３２２５６１）
【出願日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（５０５２７７５２１）サンドビック インテレクチュアル プロパティー アクティエボラーグ (284)
【Ｆターム（参考）】
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