JP2006192565A - 被覆切削インサート - Google Patents

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Abstract

【課題】薄い最外層の干渉色層を備えた被覆切削工具インサートを提供する。
【解決手段】本発明は、超硬合金、サーメットまたはセラミックまたは高速度鋼、或いは立方晶窒化ボロンまたはダイアモンドのような超硬質材料のボディより成る切削インサートに関し、前記ボディが0．5ミクロン未満の厚さで、最外層の非酸化物発色層（周期律表の第一Ｖ，ＶまたはＶ１族の複数金属ＡＩ、Ｓｉ及びＢまたはそれらの混合物）を含む硬質で摩耗性の被膜を備え、それによって前記色は干渉によって作り出される。
【選択図】なし

Description

本発明は、薄い最外層の干渉色層を備えた被覆切削工具インサートに関する。ここで試用する用語「インサート」は、固体炭化物ドリル及び固体炭化物エンドミルにも言及する。
種々のタイプの硬質被膜で被覆された超硬合金切削工具インサートは、数年の間に市販入手が可能になった。このような被膜は、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）及びＡｌ２Ｏ３のような幾つかの硬質層によって多層構造に堆積される。この個々の層の順序と厚みは、種々の切削加工用途と加工物材料とに適応させるために、慎重に選択される。このような被膜は、化学蒸着法（ＣＶＤ）、中温化学蒸着法（ＭＴＣＶＤ）、または物理蒸着法（ＰＶＤ）の技術を使用することによって、非常に頻繁に堆積される。或いは稀には、プラズマ支援化学蒸着法（ＰＡＣＶＤ）が使用されている。
インサートを被覆するために用いるＣＶＤ技術は、かなり高温度の約９００〜１０００℃で実施される。この高蒸着温度、及び蒸着される被膜材料と超硬合金インサートとの間の熱伝導係数のミスマッチとのために、ＣＶＤが冷却割れと引張応力とを有する被膜を作り出す。ＣＶＤ技術では、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ、Ｏ）及びＺｒＯ２のような、多くの硬質で耐摩耗性の被膜材料を堆積することが可能である。この微細組織と、これによる被膜の性質は、蒸着条件を変化させることにより、かなり変えることができる。
ＰＶＤ技術は、著しく低い温度の約４５０〜７００℃で操作され且つ被膜中に高圧縮応力をもたらすイオン衝撃法の下で実施されるが、冷却割れが生じない。これらの種々の処理により、ＣＶＤで被覆したインサートは、さらに脆くてそれによりＰＶＤ被覆インサートに比べて低靭性挙動に処理される。ＰＶＤ被膜は、鋭い切刃を所望するときに通常使用される。
これらの被膜は優れた技術的特性を有するとはいえ、それらはしばしば鈍くて幾分光沢に無い外見を有する。このためにしばしば、薄い装飾的なＴｉＮの層を最外層として堆積させて、魅力的の金色のインサートを与える。もちろん、インサートが、装飾的理由のためだけでなくて、所定の機械加工操作のために適正な等級を選ぶために末端消費者の案内として、種々の色を備えることができるならば興味深いことである。残念ながら、このような目的のために適切な発色化合物の数は限定される。また、この発色層がインサートの性質にマイナスに影響しないことが重要である。さらに、この発色層は、反応装置に対して望ましくない化合物をさらに含ませずに蒸着することを可能にする必要がある。ドリル及びエンドミルのために、予め装飾することなく新しい付加的な耐摩耗性層を再研摩したのちに、ドリル及びエンドミルが容易に再被覆できることが重要である。また、得られた色が使用中及び使用間の双方において一貫することが重要である。
英国特許第１３８９１４０号は、３μより厚くないＴｉＣの層、及びＴｉｎ及び／またはＴｉＣＮの少なくとも１層の外側層でインサートを被覆することによって、焼結硬質金属の切削工具の色符号化を開示する。この被膜は、化学蒸着法によって形成される。
米国特許第５，７００，５６９号は、金属の切削加工の適用に対して、改良された特性を備えるアルミナで被覆した超硬合金インサートを開示する。このアルミナ層の層数を変化させることが、１５層の緑色から３２層の青色まで被覆されたインサートの色を変化させる。
特開平２００１−３４１００５号は、ＴｉＣＮで被覆されたインサートを開示し、被膜は色度が０＜ａ＊＜１０（赤色方向）と０＜ｂ＊＜２０（黄色方向）とにより、且つ明度(brightness)が０＜Ｌ＊＜１００の)によって定義された色を有する。このａ＊、ｂ＊及びＬ＊の座標系は、ＣＩＥ実験室系(CIE Lab. system)の一部の技術として、すなわちこの色が３次元直交座標系の中に位置している均一装置独立色空間(uniform device independent color space)として既知である。３次元は、明度（Ｌ＊）(lightness)と、赤色／緑色（ａ＊）と、黄色／青色（ｂ＊）である。
英国特許第１３８９１４０号 米国特許第５，７００，５６９号 特開平２００１−３４１００５号
本発明の目的は、末端使用者が所定の機械加工作業に対して、正しい品質等級を選ぶための案内として、種々の色を有する切削インサートを提供することである。
本発明の次の目的は、技術的性能にマイナスの影響を与えない発色層を有する切削インサートを提供することである。
本発明のさらに次の目的は、容易に堆積できる発色層を有する切削インサートを提供することである。
本発明の別の目的は、先に堆積させること無く再研削した後に、容易に再被覆することできる発色層を有するドリルまたはエンドミルを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、装入物中に並びに装入物の間に形成される色を有する切削インサートを提供することである。
本発明にしたがって、切削ボディは、薄い最外層の透明な非酸化物層によって発色され、好ましくは非酸化物層が、周期律表の第ＩＶ、ＶまたはＶＩ族の群、Ａｌ、Ｓｉ及びＢまたはそれらの混合物からなる群からの金属、好ましくはＴｉ及び／またはＡｌの炭化物、窒化物、または炭窒化物である。この厚みは、干渉によって発色されるように、すなわち、０．５μｍ未満、好ましくは０．０５〜０．３μｍ、最も好ましく０．０５〜０．２μｍ未満の厚みである。このボディは、焼結された超硬合金、サーメット、セラミック、高速度鋼、工具鋼または立方晶窒化ボロン或いはダイアモンドのような超硬質材料から成る。このボディは、インサート、ドリル、エンドミル、交換可能な刃先(tip)等の形状である。
前記色層は、耐摩耗性の付加的な被膜の頂部である。好ましくはこの色層は、ＴｉＮ層に接触し、０．１〜０．５μｍの厚みを有する。
また、この色層は、単一層にすることができる。
好ましい実施態様において前記色層は、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎであり、さらに具体的には０．１＜ｘ＜０．９好ましくは０．４＜ｘ＜０．７最も好ましくは０．４＜ｘ＜０．６のＴｉｘＡｌ１−ｘＮである。
好ましくは前記層が、−２０＜ａ＊＜０、−４０＜ｂ＊＜０及び０＜Ｌ＊＜９５を有する青色である。一つの好ましい実施態様においては、−２０＜ａ＊＜−１０である。別の好ましい実施態様においては、−４０＜ｂ＊＜−２０である。
さらに好ましい実施態様において、前記インサートは、固体炭化物ドリルまたは固体炭化物エンドミルである。
この層は、ＰＶＤ技術、好ましくはマグネトロン−スパッタリングまたは陰極アーク蒸着によって堆積される。前記層は、付加的な耐摩耗性層に対して使用されるような、同様に準備したその場の製造寸法の装置において容易に堆積される。
また、前記色層はＰＡＣＶＤで堆積することができる。
実施例１
固体炭化物ドリルは、スパッタリング工程によって、青色外側被膜が備えられた。円筒形状の２０×２０の大きさの箔が同時に被覆された。ドリルと箔の双方が、３折り畳み回転(3-fold rotation)に課せられた。Ａｒ、Ｋｒ、及びＮ２の流れが、それぞれ１５０、８５、及び７０ｓｃｃｍに制御された。１００Ｖの陰極基材バイアスが付加された。先ず、約０．２μｍのＴｉＮが堆積された。このＴｉＮ層の頂部に、（Ｔｉ０．５Ａｌ０．５）Ｎ層が、金属ソースとしての二つのＴｉ０．５Ａｌ０．５のターゲットを使用して堆積された。各Ｔｉ０．５Ａｌ０．５のターゲットに３．２ｋＷの陰極出力で２３分間の間（Ｔｉ０．５Ａｌ０．５）Ｎ層を堆積することによって、素晴らしい青色の色が得られた。Ｌ＊、ａ＊、及びｂ＊の値は、ミノルタの分光高度計を使用して、次の設定でもって箔上で測定された。
マスク／光沢 Ｍ／ＳＣＴ
ＵＶ設定 ＵＶ１００％
観察者 １０°
表示 微分及び絶対値関数
次の結果、ａ＊＝−１６、ｂ＊＝−３０、及びＬ＊＝３９が得られた。
実施例２
実施例１を繰り返されたが、各Ｔｉ０．５Ａｌ０．５のターゲットに３．７ｋＷの陰極出力で２３分間の間（ＴｉＡｌ）Ｎを堆積した。青色の色が得られ、次の結果、ａ＊＝−１８、ｂ＊＝−２３、及びＬ＊＝４６を備えた。
実施例３
実施例１を繰り返されたが、各Ｔｉ０．５Ａｌ０．５のターゲットに５．７ｋＷの陰極出力で２３分間の間（ＴｉＡｌ）Ｎを堆積した。緑色の色が達成され、次の結果、ａ＊＝−１４、ｂ＊＝−７、及びＬ＊＝５６を備えた。
実施例４
実施例１を繰り返されたが、Ａｒ、Ｋｒ、及びＮ２の流れが、それぞれ２５０、１５０、及び７０ｓｃｃｍに制御され、且つ各Ｔｉ０．５Ａｌ０．５のターゲットに３．２ｋＷの陰極出力で２３分間の間（ＴｉＡｌ）Ｎを堆積した。濃い緑色の色が達成され、次の結果、ａ＊＝−３、ｂ＊＝−３９、及びＬ＊＝２９を備えた。
実施例５
実施例４が、少し後にその全体を繰り返した。再び、濃い緑色が達成され、次の結果、ａ＊＝−５、ｂ＊＝−３７、及びＬ＊＝３１を備えた。
実施例６
内部に４μｍ厚みの耐摩耗層ＴｉＮ＋（ＴｉＡｌ）Ｎを被覆した固体炭化物ドリルは、実施例１にしたがって青色層が被覆された。このドリルは、次の切削資料で、ＳＳ２５４１の色層のないドリルと比較された。
Ｖｃ＝１００ｍ／分
送り＝０．１５ｍｍ／回転
穴の深さ＝２０ｍｍ（止まり穴）
冷却剤＝可
試料 工具寿命
標準ドリル １２００個の穴
標準ドリル＋青色外側層 １３００個の穴
実施例７
実施例６で使用されたドリルの切刃が研磨された。その後、このドリルは、４μｍの（ＴｉＡｌ）Ｎで再被覆され、且つ実施例６に記載するような同様の切削試験において試験された。
試料 工具寿命
再被覆標準ドリル １１００個の穴
再被覆青色ドリル １０００個の穴

Claims (9)

  1. 超硬合金、サーメット、セラミック、高速度鋼、工具鋼、または立方晶窒化ボロン或いはダイアモンドのような超硬質材料のボディより成り、且つ薄くて最外層の非酸化物発色層を含んでいる硬質摩耗性被膜を有する切削インサートであって、
    前記色が、干渉によって作り出されることを特徴とする切削インサート。
  2. 前記発色層が、０．５μｍ未満の厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の切削インサート。
  3. 前記発色層が、周期律表の第ＩＶ、ＶまたはＶＩ族の複数金属、Ａｌ、Ｓｉ及びＢまたはＡｌ、Ｓｉ及びＢの混合物からなる群からの金属の炭化物、窒化物、または炭窒化物であることを特徴とする請求項１に記載の切削インサート。
  4. 前記金属が、Ｔｉ及び／またはＡｌであることを特徴とする請求項３に記載の切削インサート。
  5. 前記層が、ＴｉｘＡｌ１−ｘＮであることを特徴とする請求項４に記載の切削インサート。
  6. ０．１＜ｘ＜０．９、好ましくは０．４＜ｘ＜０．７、最も好ましくは０．４＜ｘ＜０．６であることを特徴とする請求項５に記載の切削インサート。
  7. 前記層が、−２０＜ａ＊＜０、−４０＜ｂ＊＜０及び０＜Ｌ＊＜９５を有する青色であることを特徴とする請求項１に記載の切削インサート。
  8. 前記層が、ＴｉＮ層の頂部に堆積され、好ましくは０．１〜５μｍの厚みであることを特徴とする請求項５に記載の切削インサート。
  9. 前記インサートが、固体炭化物ドリル、または固体炭化物エンドミルであることを特徴とする請求項１に記載の切削インサート。
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