(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップ形成材料除去工程で使用される被覆切削インサートであって、
前記被覆切削インサートは基板と耐摩耗被覆方式とを含み、
前記耐摩耗被覆方式は、チタン、アルミニウム、クロムおよび窒素を含有する中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を含み、
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は複数の組の交互層配置を含み、
前記交互層配置のそれぞれは、チタン、アルミニウムおよび窒素を含むベース層と、複数の組の交互ナノレイヤを含むナノレイヤ領域とを含み、
前記交互ナノレイヤのそれぞれの組はアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む１つのナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む別のナノレイヤとを含み、
前記ベース層はベース層厚さを有し、前記ナノレイヤ領域はナノレイヤ領域厚さを有し、前記ベース層厚さは前記ナノレイヤ領域厚さより小さい、被覆切削インサート。
【請求項２】
前記ベース層は（ＴｉyＡｌ1-y）Ｎ（ただし０．２≦ｙ≦０．６５）を含み、
前記ナノレイヤ領域内の前記交互ナノレイヤの組の１つのナノレイヤは（ＴｉyＣｒxＡｌ1-(x+y)）Ｎ（ただし０＜ｘ≦０．１５、０．２≦ｙ≦０．６５）を含み、前記ナノレイヤ領域内の前記交互ナノレイヤの組の他のナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）Ｎ（ただし０．２≦ｐ≦０．６５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１）を含む、請求項１に記載の被覆切削インサート。
【請求項３】
前記耐摩耗被覆方式は、
アルミニウム、クロム、および窒素を含有する下層と、
アルミニウム、クロム、窒素を含有する最上層と、
複数の組の交互下部遷移ナノレイヤを含む下部遷移被覆領域であって、前記交互下部遷移ナノレイヤの各組は、アルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む１つの下部遷移ナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む別の下部遷移ナノレイヤとを含み、前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式と前記下層との間の遷移を与える下部遷移被覆領域と、
複数の組の交互上部遷移ナノレイヤを含む上部遷移被覆領域であって、前記交互ナノレイヤのそれぞれの組は、アルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む１つの上部遷移ナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む別の上部遷移ナノレイヤとを含み、前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式と前記最上層との間の遷移を与える上部遷移被覆領域と、
をさらに含み、
前記下層は前記最上層より基板に近く、
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は、前記下部遷移被覆領域と前記上部遷移被覆領域との中間に位置する、請求項１または請求項２に記載の被覆切削インサート。
【請求項４】
前記下層は（ＡｌaＣｒ1-a）Ｎ（ただし０．２≦ａ≦０．７）を含み、
前記最上層は（ＡｌaＣｒ1-a）Ｎ（ただし０．２≦ａ≦０．７）を含み、
前記１つの上部遷移ナノレイヤは（ＴｉyＣｒxＡｌ1-(x+y)）Ｎ（ただし０＜ｘ≦０．
１５、０．２≦ｙ≦０．６５）を含み、前記別の上部遷移ナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q））Ｎ（ただし０．２≦ｐ≦０．５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１）を含み、
前記１つの下部遷移ナノレイヤは（ＴｉyＣｒxＡｌ1-(x+y)）Ｎ（ただし０＜ｘ≦０．
１５、０．２≦ｙ≦０．６５）を含み、前記別の下部遷移ナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）Ｎ（ただし０．２≦ｐ≦０．５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１）
を含む、請求項３に記載の被覆切削インサート。
【請求項５】
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は炭素をさらに含み、前記ベース層は（ＴｉyＡ
ｌ1-y）ＣsＮt（ただし０．２≦ｙ０．６５、ｓ＋ｔ＝１）を含み、前記ナノレイヤ領域
内の前記交互ナノレイヤの組の１つのナノレイヤは（ＴｉyＣｒxＡｌ1-(x+y)）ＣsＮt（ただし０＜ｘ≦０．１５、０．２≦ｙ≦０．６５、ｓ＋ｔ＝１）を含み、前記ナノレイヤ領域内の前記交互ナノレイヤの組の他のナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）ＣsＮt（ただし０．２≦ｐ≦０．５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１、ｓ＋ｔ＝１）を含む、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の被覆切削インサート。
【請求項６】
前記耐摩耗被覆方式は、
式（ＡｌaＣｒ1-a）ＣsＮt（ただし０．２≦ａ≦０．７、ｓ＋ｔ＝１）に従うアルミニウム、クロム、窒素および炭素を含む下層と、
式（ＡｌaＣｒ1-a）ＣsＮt（ただし０．２≦ａ≦０．７、ｓ＋ｔ＝１）に従うアルミニウム、クロム、窒素および炭素を含む最上層と、
複数の組の交互下部遷移ナノレイヤを含む下部遷移被覆領域であって、前記交互下部遷移ナノレイヤの各組は、アルミニウム、クロム、チタン、窒素および炭素を含む１つの下部遷移ナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタン、窒素および炭素を含む別の下部遷移ナノレイヤとを含み、前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式と前記下層との間の遷移を与える下部遷移被覆領域と、
複数の組の交互上部遷移ナノレイヤを含む上部遷移被覆領域であって、前記交互ナノレイヤのそれぞれの組は、アルミニウム、クロム、チタン、窒素および炭素を含む１つの上部遷移ナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタン、窒素および炭素を含む別の上部遷移ナノレイヤとを含み、前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式と前記最上層との間の遷移を与える上部遷移被覆領域とをさらに含み、
前記下層は前記最上層より基板に近く、
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は、前記下部遷移被覆領域と前記上部遷移被覆領域との中間に位置する、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の被覆切削インサート。
【請求項７】
前記被覆切削インサートは、すくい面および逃げ面を有し、前記すくい面は前記逃げ面と交差してその交点に切断刃を形成する、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の被覆切削インサート。
【請求項８】
前記基板は、高速度鋼、コバルトタングステン炭化物を含む超硬合金、サイアロン、アルミナおよび窒化ケイ素を含むセラミック、炭化チタンベースの材料を含むサーメット、および焼結立方晶窒化ホウ素と焼結ダイヤとを含む超硬物質のうちの１つを含む、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の被覆切削インサート。
【請求項９】
チップ形成材料除去工程で使用される被覆切削インサートであって、
前記被覆切削インサートは基板と耐摩耗被覆方式とを含み、
前記耐摩耗被覆方式は、チタン、アルミニウム、クロムおよびＸを含む中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を含み、
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は、複数の組の交互層配置を含み、前記交互層配置のそれぞれは、チタン、アルミニウムおよびＸを含むベース層と複数の組の交互ナノレイヤを含むナノレイヤ領域とを含み、前記交互ナノレイヤのそれぞれの組はアルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む１つのナノレイヤとアルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む別のナノレイヤとを含み、
Ｘは、窒素、炭素、ホウ素、炭素と窒素、ホウ素と窒素、炭素とホウ素と窒素、窒素と酸素、炭素と酸素、ホウ素と酸素、炭素と窒素と酸素、ホウ素と窒素と酸素、および炭素とホウ素と窒素と酸素のうちの任意の１つを含み、
前記ベース層はベース層厚さを有し、前記ナノレイヤ領域はナノレイヤ領域厚さを有し、前記ベース層厚さは前記ナノレイヤ領域厚さより小さい、
被覆切削インサート。
【請求項１０】
前記耐摩耗被覆方式は、
アルミニウム、クロムおよびＸを含有する下層と、
アルミニウム、クロムおよびＸを含有する最上層と、
複数の組の交互下部遷移ナノレイヤを含む下部遷移被覆領域であって、前記交互下部遷移ナノレイヤの各組は、アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む１つの下部遷移ナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む別の下部遷移ナノレイヤとを含み、前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式と前記下層との間の遷移を与える下部遷移被覆領域と、
複数の組の交互上部遷移ナノレイヤを含む上部遷移被覆領域であって、前記交互上部遷移ナノレイヤの各組は、アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む１つの上部遷移ナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む別の上部遷移ナノレイヤとを含み、前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式と前記最上層との間の遷移を与える上部遷移被覆領域とをさらに含み、
前記下層は前記最上層より基板に近く、
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は、前記下部遷移被覆領域と前記上部遷移被覆領域との中間に位置する、請求項９に記載の被覆切削インサート。
【請求項１１】
Ｘは、窒素を含む、請求項１０に記載の被覆切削インサート。
【請求項１２】
耐摩耗被覆方式を適用する方法であって、前記方法は、
チタン、アルミニウム、クロムおよびＸを含有する中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を適用する工程を含み、
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を適用する工程は、複数の組の交互層配置を適用する工程を含み、各交互層配置を適用する工程は、
チタン、アルミニウムおよびＸを含むベース層を付着する工程と、
ナノレイヤ領域を付着する工程と、を含み、
前記ナノレイヤ領域を付着する工程は、複数の組の交互ナノレイヤを付着する工程を含み、
前記交互ナノレイヤを付着する工程は、
チタン、アルミニウム、クロムおよびＸを含む１つのナノレイヤを付着する工程と、    アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む別のナノレイヤを付着する工程と、を含み、前記Ｘが、窒素、炭素、ホウ素、炭素と窒素、ホウ素と窒素、炭素とホウ素と窒素、窒素と酸素、炭素と酸素、ホウ素と酸素、炭素と窒素と酸素、ホウ素と窒素と酸素、および炭素とホウ素と窒素と酸素のうちの任意の１つを含む、方法。
【請求項１３】
被覆切削インサートの基板を設ける工程と、
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を付着する前に、前記基板に最も近くなるようにアルミニウム、クロムおよびＸを含有する下層を付着する工程であって、前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を付着する工程は、前記下層に前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を適用する工程をさらに含む、工程と、
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式にアルミニウム、クロムおよびＸを含有する最上層を適用する工程と、
をさらに含む、請求項１２に記載の耐摩耗被覆方式を適用する方法。
【請求項１４】
前記耐摩耗被覆方式は、
複数の組の交互下部遷移ナノレイヤを含む下部遷移被覆領域であって、前記交互下部遷移ナノレイヤの各組は、アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む１つの下部遷移ナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む別の下部遷移ナノレイヤとを含み、前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式と前記下層との間の遷移を与える下部遷移被覆領域と、
複数の組の交互上部遷移ナノレイヤを含む上部遷移被覆領域であって、前記交互上部遷移ナノレイヤのそれぞれの組は、アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む１つの上部遷移ナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む別の上部遷移ナノレイヤとを含み、前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式と前記最上層との間の遷移を与える上部遷移被覆領域と、
をさらに含み、
前記下層は前記最上層より基板に近く、
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は、前記下部遷移被覆領域と前記上部遷移被覆領域との中間に位置する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記下部遷移被覆領域は下部遷移厚さを有し、前記上部遷移被覆領域は上部遷移厚さを有し、前記下部遷移厚さは前記ナノレイヤ領域の厚さより小さく、前記上部遷移厚さは前記ナノレイヤ領域の厚さより小さい、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記下層は約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲の下層厚さであり、前記最上層は約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの範囲の最上層厚さであり、前記交互層配置の各組は約２００ｎｍ〜約１４００ｎｍの範囲の厚さであり、前記交互ナノレイヤの組は約２ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲の周期を有する、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記下層は下層熱伝導率を有し、前記ベース層はベース層熱伝導率を有し、前記下層熱伝導率は前記ベース層熱伝導率より小さく、前記最上層は最上層熱伝導率を有し、前記最上層熱伝導率は前記ベース層熱伝導率より小さい、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記下層、前記最上層、前記上部遷移被覆領域、前記下部遷移被覆領域および前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式はそれぞれ、周期表の第ＩＶｂ、Ｖｂ、ＶＩｂ族の１つまたは複数の金属と、アルミニウムと、シリコンとをさらに含む、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記下層、前記最上層、前記上部遷移被覆領域、前記下部遷移被覆領域、および前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式はそれぞれ物理気相蒸着により付着される、請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記下層を付着後でかつ前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を適用する前に、複数の組の交互下部遷移ナノレイヤを含む下部遷移層を付着する工程であって、
チタン、アルミニウム、クロムおよびＸを含む１つの下部遷移ナノレイヤを付着する工程と、
アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む別の下部遷移ナノレイヤを付着する工程と、
を含む工程と、
前記中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を付着した後に、複数の組の交互上部遷移ナノレイヤを含む上部遷移層を付着する工程であって、
複数の組の交互上部遷移ナノレイヤを付着する工程
を含み、前記複数の組の交互上部遷移ナノレイヤを付着する工程は、
チタン、アルミニウム、クロムおよびＸを含む１つの上部遷移ナノレイヤを付着する工程と、
アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む別の上部遷移ナノレイヤを付着する工程と、
を含む工程とをさらに含む、請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の被覆方式を付着する方法。
【請求項２１】
Ｘは、窒素を含む、請求項１２〜２０のいずれか１項に記載の被覆方式を付着する方法。
【請求項２２】
基板と耐摩耗被覆方式とを含む被覆物であって、請求項１２〜２１のいずれか１項に記載の方法を用いて得られる被覆物。
【請求項２３】
前記基板は、高速度鋼、コバルトタングステン炭化物を含む超硬合金、サイアロン、アルミナおよび窒化ケイ素を含むセラミック、炭化チタンベースの材料を含むサーメット、および焼結立方晶窒化ホウ素と焼結ダイヤとを含む超硬物質のうちの１つを含む、請求項２２に記載の被覆物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被覆物とその被覆方式を適用する方法とに関する。より具体的には、本発明は、被覆方式がアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含有するナノレイヤを含む被覆物と、この被覆方式を適用する方法とに関する。例示的な被覆物としては、限定するものではないが、切削インサートと摩耗部品が挙げられる。
【背景技術】
【０００２】
被覆物の一例として被覆切削インサートを参照すると、被覆切削インサートは、通常、被覆方式をその上に備えた基板を含む。切削インサートは、通常、すくい面と逃げ面を有するとともにすくい面と逃げ面の交点（または接合点）に刃先が存在するような幾何構造を示す。一般的な被覆切削インサートでは、多様な技術のうちの任意の技術が基板に被覆方式を適用することができる。これらの技術としては化学気相蒸着法（ＣＶＤ）と物理気相蒸着法（ＰＶＤ）を挙げることができる。
【０００３】
被覆切削インサートはチップ形成材料除去工程における材料の除去に有用である。チップ形成材料除去工程としては、限定するものではないが、粉砕、回転、穿孔、掘削などの工程が挙げられ、切削インサートは加工物を切削インサートと係合させて相対運動させる。被加工物と切削インサートとの係合点または係合面（すなわち切削インサート−チップ界面）には大量の熱が存在し得る。切削−チップ界面における熱が基板内へおよび被覆方式と基板との界面（すなわち被膜−基板界面）へ移動すると、切削インサート性能に有害となる可能性がある。より具体的には、熱が基板および被膜−基板界面へ移動すると被膜の早期過剰摩耗を引き起こす。被覆方式のこのような過剰摩耗は、通常、被覆切削インサートの耐用年数を短くする。
【０００４】
被覆方式は、通常、切削インサート−チップ界面から基板および被膜−基板界面への熱移動の程度に影響を及ぼす。被覆方式の熱伝導はこのような熱移動の程度に大きな影響を及ぼし得る特性である。全体的に低い熱伝導率を示す被覆方式は、通常、基板内および被膜−基板界面における熱量を低減する。このような熱移動の低減の結果として、通常、熱移動の低減を示さない被覆切削インサートと比較して切削インサートの有効工具寿命が長くなる。
【０００５】
従来、被覆切削インサートは様々な被覆方式を示してきた。例えば、石川の米国特許出願公開第２００６／０２６９７８８Ａ１号明細書では、層間で様々な組成を有するＡｌＣｒＴｉＮの交互層を開示していると思われる。英語版要約によると、夏樹らの特開２００３−３４０６０８Ａ２号公報および秀充らの特開２００４−１０６１０８Ａ２号公報はそれぞれ、ＴｉＡｌＣｒＮの交互層を含むと思われる開示を示すが、各被覆層内には常にクロムが存在する。
【０００６】
Ｅｎｄｒｉｎｏ（Ｕｎｉａｘｉｓ  Ｂａｌｚｅｒ  ＡＧに譲渡）の国際公開第２００６／０８４４０４Ａ１号パンフレットは、ＡｌＣｒＮ内部被覆層とＡｌＣｒＮ外部被覆層との利用を開示していると思われる。英語版要約によると、安彦の特開２００４−０５０３８１Ａ２号公報は、明らかにＡｌＣｒＮの表面層を開示している。Ｄｅｒｆｌｉｎｇｅｒら（ＯＣ  Ｏｅｒｌｉｋｏｎ  Ｂａｌｚｅｒｓ  ＡＧに譲渡）の米国特許第７，２２６，６７０Ｂ２号明細書は、ＡｌＣｒＮは有益な被覆剤であることを教示していると思われる。
【０００７】
山本らの米国特許出願公開第２００５／０１７０１６２号明細書は、明らかに交互被覆方式の（Ｔｉ  Ａｌ  Ｃｒ）Ｎ被覆層を開示する。Ｖｅｔｔｅｒらの米国特許第６，７３０，３９２Ｂ２号明細書は、各層が異なる窒素／酸素比だけでなく異なる含有量のアルミニウム、チタン、クロムを有する交互被覆方式を開示していると思われる。戸井原の米国特許第７，００８，６８８Ｂ２号明細書は、ＴｉＡｌＮとＣｒＮとを使用する交互被覆層配置を示していると思われる。さらに、Ｓｅｌｉｎｄｅｒらの米国特許第６，１０３，３５７号明細書、Ｈｏｒｌｉｎｇらの米国特許第７，０５６，６０２号明細書、Ｈｏｒｌｉｎｇらの米国特許第７，０８３，８６８号明細書、Ａｓｔｒａｎｄらの国際公開第２００６／０４１３６６Ａ１号明細書は交互被覆層を有する様々な被覆方式を示しているように思われる。
【０００８】
明らかに、山本らの米国特許第６，８２４，６０１Ｂ２号明細書、山本らの米国特許第６，９１９，２８８Ｂ２号明細書、山本らの米国特許第７，１８６，３２４Ｂ２号明細書は（Ｔｉ  Ａｌ  Ｃｒ）Ｎ膜の有用性を示す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一形態では、本発明はチップ形成材料除去工程で使用される被覆切削インサートである。切削インサートは基板と耐摩耗被覆方式とを含む。耐摩耗被覆方式はチタン、アルミニウム、クロムおよび窒素を含有する中間多周期性ナノレイヤ被覆方式（ｍｅｄｉａｔｅ  ｍｕｌｔｉ−ｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙ  ｎａｎｏｌａｙｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ  ｓｃｈｅｍｅ）を含む。中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は複数の組の交互層配置を含み、交互層配置のそれぞれはチタン、アルミニウムおよび窒素を含むベース層と、複数の組の交互ナノレイヤを含むナノレイヤ領域とを含む。交互ナノレイヤのそれぞれの組は、アルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む１つのナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む別のナノレイヤとを含む。ベース層はベース層厚さを有し、ナノレイヤ領域はナノレイヤ領域厚さを有し、ベース層厚さはナノレイヤ領域厚さより小さい。
【００１０】
さらに別の形態では、本発明はチップ形成材料除去工程で使用される被覆切削インサートである。切削インサートは基板と耐摩耗被覆方式とを含む。耐摩耗被覆方式は、チタン、アルミニウム、クロムおよびＸを含む中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を含む。中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は複数の組の交互層配置を含み、交互層配置はそれぞれ、チタン、アルミニウムおよびＸを含むベース層と、複数の組の交互ナノレイヤを含むナノレイヤ領域とを含む。交互ナノレイヤのそれぞれの組は、アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む１つのナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む別のナノレイヤとを含む。Ｘは、窒素、炭素、ホウ素、炭素と窒素、ホウ素と窒素、炭素とホウ素と窒素、窒素と酸素、炭素と酸素、ホウ素と酸素、炭素と窒素と酸素、ホウ素と窒素と酸素、および炭素とホウ素と窒素と酸素のうちの任意の１つを含む。ベース層はベース層厚さを有し、ナノレイヤ領域はナノレイヤ領域厚さを有し、ベース層厚さはナノレイヤ領域厚さより小さい。
【００１１】
さらに別の形態では、被覆方式を適用する方法であって、本方法は、チタン、アルミニウム、クロムおよびＸを含む中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を適用する工程を含み、中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を適用する工程は、複数の組の交互層配置を適用する工程を含み、各交互層配置を適用する工程は、チタン、アルミニウムおよびＸを含むベース層を付着する工程と、ナノレイヤ領域を付着する工程とを含み、ナノレイヤ領域を付着する工程は、複数の組の交互ナノレイヤを付着する工程を含み、交互ナノレイヤを付着する工程は、チタン、アルミニウム、クロムおよびＸを含む１つのナノレイヤを付着する工程と、アルミニウム、クロム、チタンおよびＸを含む別のナノレイヤを付着する工程と、を含む。
【００１２】
さらに別の形態では、本発明は被覆物である。本被覆物は基板と耐摩耗被覆方式とを含む。耐摩耗被覆方式は、チタン、アルミニウム、クロムおよび窒素を含有する中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を含む。中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は複数の組の交互層配置を含み、交互層配置のそれぞれは、チタン、アルミニウムおよび窒素を含むベース層と複数の組の交互ナノレイヤを含むナノレイヤ領域とを含む。交互ナノレイヤのそれぞれの組は、アルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む１つのナノレイヤと、アルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む別のナノレイヤとを含む。ベース層はベース層厚さを有し、ナノレイヤ領域はナノレイヤ領域厚さを有し、ベース層厚さはナノレイヤ領域厚さより小さい。
【００１３】
以下は、本特許出願の一部をなす添付図面の簡単な説明である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の被覆切削インサートの等角投影図であり、被覆切削インサートは基板と耐摩耗被覆方式とを含み、被膜の一部は基板を露出させるために除去されている。
【図２】本発明の耐摩耗被覆方式の特定の実施形態の概略図である。
【図２Ａ】図２の耐摩耗被覆方式のナノレイヤ被覆領域の拡大概略図である。
【図３】被覆切削インサートの角部刃先を示す本発明の被覆方式の断面の特定の実施形態の光学顕微鏡により撮影された顕微鏡写真（１０μｍスケール）である。
【図４】本発明の被覆方式の特定の実施形態のナノレイヤ被覆領域の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により撮影された顕微鏡写真（１０ｎｍのスケール）である。
【図４Ａ】耐摩耗被覆方式の特定の実施形態の面心立方（ＦＣＣ：ｆａｃｅ  ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｃｕｂｉｃ）結晶構造を示すＴＥＭにより撮影された回折パターンである。
【図５】図５による２つの面心立方（ＦＣＣ）結晶構造（すなわち図５による格子定数＝０．４１５１ｎｍを有するＦｍ−３ｍ構造と格子定数＝０．４３６８ｎｍを有するＦ−４３ｍ構造）の存在を示す耐摩耗被覆方式のＸ線回折グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、概して参照符号２０で示す本発明の被覆切削インサートの等角投影図である。被覆切削インサート２０は基板２２と被覆方式２４とを含む。被膜２４の一部は基板２２を露出するために除去されている。被覆方式２４は切削インサート基板２２の表面上に存在する。被覆切削インサート２０は逃げ面２６とすくい面２８とを示す。刃先３０は逃げ面２６とすくい面２８との交点に存在する。基板２２は、限定するものではないが、以下の材料、すなわち高速度鋼、コバルトタングステン炭化物を含む超硬合金、サイアロン、アルミナおよび窒化ケイ素を含むセラミック、炭化チタンベースの材料を含むサーメット、および焼結立方晶窒化ホウ素と焼結ダイヤとを含む超硬物質、を含む切削インサートとして使用するための基板として好適な多くの材料のうちの任意の１つであってよい。
【００１６】
切削インサート２０などの被覆切削インサートは、チップ形成材料除去工程での材料の除去に有用である。チップ形成材料除去工程としては、限定するものではないが、粉砕、回転、穿孔、掘削などの工程が挙げられ、切削インサートは加工物を切削インサートと係合させて相対運動させる。加工物と切削インサートとの係合点または係合面（すなわち切削インサート−チップ界面）には大量の熱が存在し得る。切削インサート−チップ界面における熱が基板内および被覆方式と基板との界面（すなわち被膜−基板界面）へ移動すると、切削インサート性能に有害となる可能性がある。より具体的には、基板および被膜−基板界面へ熱が移動すると、基板に対する被膜の接着性を弱め、被膜の早期過剰摩耗を引き起こす。被覆方式のこのような過剰摩耗は、通常、被覆切削インサートの耐用年数を短くする。
【００１７】
被覆方式は、通常、切削インサートチップ界面から基板および被膜−基板界面への熱移動の程度に影響を及ぼす。基板および被膜−基板界面への熱（特には、過度の熱）の移動は被膜の完全性に有害であるので、このような熱移動を低減する全体熱伝導特性を示す被覆方式は有利である。この理由は、このような熱移動の低減は、通常、熱移動の低減を示さない被覆切削インサートと比較して切削インサートの有効工具寿命を長くするからである。本実施形態では、選択された被覆系列を使用することにより、全体被覆方式は、切削インサート−チップ界面（または接触領域チップ−被覆面）から基板および被膜−基板界面への熱移動の程度を最小化する全体的熱伝導特性を示す。
【００１８】
特定の被覆方式は、アルミニウム、クロムおよび窒素（例えば窒化アルミニウムクロム）を含む１つまたは複数の被覆層（低熱伝導率を有する）と、チタン、アルミニウムおよび窒素（例えば窒化チタンアルミニウム）を含む１つまたは複数の層（高熱伝導率を有する）と、を含む多層構造を有する。特定の配置（または構造）においてこれらの２つの被覆層（すなわち窒化アルミニウムクロムと窒化チタンアルミニウムと）を使用することにより、切削インサート−チップ界面から基板および被膜−基板界面への熱移動が低減（または最小化）される。
【００１９】
より具体的には、窒化アルミニウムクロムの最上部被覆層を使用することで、窒化アルミニウムクロムの低熱伝導率により、切削インサート−チップ界面から基板および被膜−基板界面への熱の移動を妨ぐのを助ける。その結果、熱の一部はチップ内に残留し、被膜中に移行せず、被膜を通過せず、基板および被膜−基板界面中に移行しない。こうして、低熱伝導率を有する最上部被膜の使用は利点を提供することが認識されるが、このような層自体の使用により刃先での工具故障をもたらす刃先における熱の過度の集中のために有害となる可能性がある。
【００２０】
低熱伝導率を有する最上部被覆層による刃先における過度の熱の存在を克服するために、被覆方式は、窒化アルミニウムクロム層下に窒化チタンアルミニウム（高熱伝導率を有する）の被覆下層を有することができる。被覆下層は、熱が窒化チタンアルミニウム被覆層内の全方向に（例えば、表面に対して垂直な方向および平行な方向に）広がるように最上部被覆層内の熱を放散する役目を果たす。このような熱放散（または熱の空間的分散）により刃先における熱の過度の集中が防がれる。
【００２１】
熱移動が最上部被覆層から最も内側の被覆層へ順次進むにつれて、多層ナノレイヤ被覆系列（または被膜構造）内の被覆層は窒化アルミニウムクロム被覆層が熱移動を妨害または阻止し窒化チタンアルミニウム被覆層が熱を放散または分散するようにする。熱移動を阻止するかあるいは熱を放散する被膜機能は結果として、基板内のおよび被膜−基板界面における熱の低減をもたらす。さらに、基板とベース層間における低熱伝導率を有する別の窒化アルミニウムクロムベースの被覆層の存在は、基板および被膜−基板界面の熱移動を防止するのに役立つ。基板および被膜−基板界面への熱移動の低減は、基板内の熱亀裂形成の低減（または最小化）または遅延をもたらす。基板の熱亀裂の遅延または低減は、通常、切削インサートの耐用年数を増加する。
【００２２】
図２は、本発明の、概して参照符号４０で示す耐摩耗被覆方式の特定の実施形態を断面形式で示す。物理気相蒸着法（ＰＶＤ）は被覆方式４０を付着するために使用される技術である。耐摩耗被覆方式４０はアルミニウム、クロムおよび窒素を含有する下層４２を含む。被覆方式４０はさらに、アルミニウム、クロムおよび窒素を含有する最上層４６を含む。下層４２および最上層４６はそれぞれ上述したように低熱伝導性を示す。被覆方式４０はまた、チタン、アルミニウム、クロムおよび窒素を含有する中間多周期性ナノレイヤ被覆方式（括弧４４を参照）を含む。耐摩耗被覆方式４０は約１５００ｎｍ〜約１５，０００ｎｍに等しい被膜厚さＡを有する。中間多周期性ナノレイヤ被覆方式における異なる被覆層は異なる熱伝導率を有する、異なる組成のものであってよい。中間多周期性ナノレイヤ被覆方式の被覆層を選択的に配置することにより、熱移動を阻止するかあるいは熱を放散するように機能する被膜構造であって、基板内および被膜−基板界面における熱の低減をもたらす被膜構造を実現する。
【００２３】
被覆方式はまた、下層４２の上に存在する下部遷移被覆層４３を含む。下部遷移被覆層４３は下層４２と中間多周期性ナノレイヤ被覆方式４４間の遷移を与える。中間多周期性ナノレイヤ被覆方式４４と最上層４６間の遷移を与える上部遷移被覆層４５が存在する。
【００２４】
この特定の実施形態では、下層４２は基板に最も近く、最上層４６は基板から最も遠い。中間多周期性ナノレイヤ被覆方式４４は下部遷移被覆層４３と上部遷移被覆層４５との中間に位置する。他の下層（または複数の被覆層）が下層４２と基板の表面との間に位置し得ることを認識すべきである。最上部被覆層（または複数の被覆層の最上部被覆層方式）が最上層４６の上部に存在し得ることも認識すべきである。
【００２５】
下層４２は約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲の下層厚さＢを示す。最上層４６は約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの範囲の最上層厚さＤを示す。より好適には、最上層４６の厚さは最適熱障壁を実現するために５００ｎｍより大きい。下層４２は（ＡｌaＣｒ1-a）Ｎ（ただし０．２≦ａ≦０．７、好ましくは０．５≦ａ≦０．６９）の組成を含む。最上層４６は（ＡｌaＣｒ1-a）Ｎ（ただし０．２≦ａ≦０．７、好ましくは０．５≦ａ≦０．６９）の組成を含む。
【００２６】
中間多周期性ナノレイヤ被覆方式４４を参照すると、中間多周期性ナノレイヤ被覆方式４４は複数の組の交互層配置を含む（括弧５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２を参照）。括弧５０のような交互層配置の数は、切削インサートの特定の用途に応じて変化し得ることを認識すべきである。他の交互層配置を表す交互層配置５０を参照すると、配置５０はチタン、アルミニウムおよび窒素を含むベース層６４を含む。交互層配置５０はさらにナノレイヤ領域（括弧６６を参照）を含む。
【００２７】
図２Ａを参照すると、ナノレイヤ領域６６は複数の組の交互ナノレイヤ（６８、７０、７２、７４、７６、７８）を含む。１つのナノレイヤ８２はアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含み、別のナノレイヤ８４はアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む。１つのナノレイヤ８２中のアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素（通常はこれら元素のうちの少なくとも１つ）の含有量は他のナノレイヤ８４中のアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素の含有量と異なってよい。場合によっては、１つのナノレイヤ中のクロム含有量はほぼ零か、あるいは零に等しい。このような場合、１つのナノレイヤは（ＴｉyＡｌ1-y）Ｎ（ただし０．２≦ｙ≦０．６５）の組成を含む。他のナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）Ｎ（ただし０．２≦ｐ≦０．５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１、より好適には０．３≦ｐ≦０．５、０．２≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１）の組成を含む。両方のナノレイヤ中にクロムが存在する場合、ナノレイヤ領域の交互ナノレイヤ組の１つのナノレイヤは（ＴｉyＣｒxＡｌ1-(x+y)）Ｎ（ただし０＜ｘ≦０．１５、０．２≦ｙ≦０．６５）を含む。ナノレイヤ領域内の交互ナノレイヤ組の他のナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）Ｎ（ただし０．２≦ｐ≦０．６５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１）を含む。
【００２８】
ナノレイヤ領域６６は約１００ｎｍ〜約９００ｎｍに等しいナノレイヤ領域厚さＦを有する。さらに、交互ナノレイヤ（６８、７０、７２、７４、７６、７８）のそれぞれの組では、その中の交互ナノレイヤ（８２、８４）は約２ｎｍ〜約５０ｎｍの周期を有する。ベース層６４は約１００ｎｍ〜約５００ｎｍのベース層厚さＧを有する。ベース層６４は（ＴｉyＡｌ1-y）Ｎ（ただし０．２≦ｙ≦０．６５、より好適には０．３≦ｙ≦０．６）の組成を含む。ベース層厚さＧはナノレイヤ領域厚さＦより小さい。
【００２９】
下部遷移被覆層４３を参照すると、この被覆層４３は複数の組の交互ナノレイヤ状領域６６を含む。１つの下部遷移ナノレイヤはアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含み、別の下部遷移ナノレイヤはアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む。１つの下部遷移ナノレイヤ中のアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素（通常はこれら元素のうちの少なくとも１つ）の含有量は他の下部遷移ナノレイヤ中のアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素の含有量と異なってよい。場合によっては、１つの下部遷移ナノレイヤ中のクロム含有量はほぼ零か、あるいは零に等しい。このような場合、１つの下部遷移ナノレイヤは（ＴｉyＡｌ1-y）Ｎ（ただし０．２≦ｙ≦０．６５）の組成を含む。他の下部遷移ナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）Ｎ（ただし０．２≦ｐ≦０．５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１、より好適には０．３≦ｐ≦０．５、０．２≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１）の組成を含む。両方の下部遷移ナノレイヤ中にクロムが存在する場合、１つの下部遷移ナノレイヤは（ＴｉyＣｒxＡｌ1-(x+y)）Ｎ（ただし０＜ｘ≦０．１５、０．２≦ｙ≦０．６５）を含む。他の下部遷移ナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）Ｎ（ただし０．２≦ｐ≦０．６５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１）を含む。下部遷移被覆層領域の厚さは約５０ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲である。さらに、交互ナノレイヤのそれぞれの組では、その中の交互ナノレイヤは約２ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲の周期を有する。
【００３０】
上部遷移被覆層４５を参照すると、この被覆層４５は複数の組の交互上層遷移ナノレイヤ状領域６６を含む。１つの上部遷移ナノレイヤはアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含み、別のナノレイヤはアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む。１つの上部遷移ナノレイヤ中のアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素（通常はこれら元素のうちの少なくとも１つ）の含有量は他の上部遷移ナノレイヤ中のアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素の含有量とは異なってよい。場合によっては、１つの上部遷移ナノレイヤ中のクロム含有量はほぼ零か、あるいはは零に等しい。このような場合、１つの上部遷移ナノレイヤは（ＴｉyＡｌ1-y）Ｎ（ただし０．２≦ｙ≦０．６５）の組成を含む。他の上部遷移ナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）Ｎ（ただし０．２≦ｐ≦０．５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１、より好適には０．３≦ｐ≦０．５、０．２≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１）の組成を含む。両方の上部遷移ナノレイヤ中にクロムが存在する場合、１つの上部遷移ナノレイヤは（ＴｉyＣｒxＡｌ1-(x+y)）Ｎ（ただし０＜ｘ≦０．１５、０．２≦ｙ≦０．６５）を含む。他の上部遷移ナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）Ｎ（ただし０．２≦ｐ≦０．６５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１）を含む。上部遷移被覆層領域の厚さは約５０ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲である。さらに、交互ナノレイヤのそれぞれの組では、その中の交互ナノレイヤは約２ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲の周期を有する。
【００３１】
下層４２は下層熱伝導率を有する。ベース層６４はベース層熱伝導率を有する。下層熱伝導率はベース層熱伝導率より小さい。最上層４６は最上層熱伝導率を有し、最上層熱伝導率はベース層熱伝導率より小さい。
【００３２】
耐摩耗被覆方式の組成に関して、下層、最上層および中間多周期性ナノレイヤ被覆方式のうちの任意の１つまたは複数はそれぞれ、上述した金属元素に加えまたはその代わりに、シリコンおよび周期表第ＩＶｂ、Ｖｂ、ＶＩｂ族の１つまたは複数の金属をさらに含む。より具体的には、下層および最上層並びに中間多周期性ナノレイヤ被覆方式のうちの任意の１つまたは複数はそれぞれ、チタン、クロムおよびアルミニウムに加えまたはその代わりに、タングステン、バナジウム、モリブデン、ニオブおよびシリコンのうちの１つまたは複数をさらに含む。
【００３３】
下層、最上層および中間多周期性ナノレイヤ被覆方式の上記組成における窒素に炭素を追加することができるということを認識すべきである。このような状況では、下層は（ＡｌaＣｒ1-a）ＣsＮt（ただし０．２≦ａ≦０．７（より好適には、０．５≦ａ≦０．６９）、ｓ＋ｔ＝１）の組成を有する。最上層は（ＡｌaＣｒ1-a）ＣsＮt（ただし０．２≦ａ≦０．７（より好適には、０．５≦ａ≦０．６９）、ｓ＋ｔ＝１）の組成を有する。交互層配置（例えば参照符号５０）の組を参照すると、ベース層は（ＴｉyＡｌ1-y）ＣsＮt（ただし０．２≦ｙ≦０．６５（より好適には、０．３≦ｙ≦０．６）、ｓ＋ｔ＝１）の組成を有する。１つのナノレイヤ（例えば、組６８のナノレイヤ８２）がクロムを含有せず、他のナノレイヤ（例えば、組８４のナノレイヤ６８）がクロムを含有する状況では、１つのナノレイヤは（ＴｉyＡｌ1-y）ＣsＮt（ただし０．２≦ｙ≦０．６５（より好適には、０．３≦ｙ≦０．６）、ｓ＋ｔ＝１）の組成を有し、他のナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）ＣsＮt（ただし０．２≦ｐ≦０．５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１、（より好適には、０．３≦ｐ≦０．５、０．２≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１）、ｓ＋ｔ＝１）の組成を有する。両方のナノレイヤがクロムを含有する別の状況では、ナノレイヤ領域内の交互ナノレイヤ組の１つのナノレイヤは、（ＴｉyＣｒxＡｌ1-(x+y)）ＣsＮt（ただし０＜ｘ≦０．１５、０．２≦ｙ≦０．６５、ｓ＋ｔ＝１）を含み、ナノレイヤ領域内の交互ナノレイヤ組の他のナノレイヤは（ＴｉpＡｌqＣｒ1-(p+q)）ＣsＮt（ただし０．２≦ｐ≦０．５、０．０１≦ｑ≦０．６５、（ｐ＋ｑ）＜１、ｓ＋ｔ＝１）を含む。他の状況では、２つのナノレイヤ間でクロムが異なってもよいということを認識すべきである。
【００３４】
耐摩耗被覆方式は、炭素および／または窒素以外の非金属成分を含むことができるということを認識すべきである。この点に関して、耐摩耗被覆方式は、アルミニウム、クロムおよびＸを含有する下層とアルミニウム、クロムおよびＸを含有する最上層とを含む。下層は基板に最も近く、最上層は基板から最も遠い。耐摩耗被覆方式はさらに、下層と最上層の中間に位置する中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を含む。
【００３５】
さらに、耐摩耗被覆方式が炭素および／または窒素以外の非金属成分を含有することができる状況では、中間多周期性ナノレイヤ被覆方式はチタン、アルミニウム、クロムおよびＸを含有する。中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は、複数の交互層配置（交互層配置のそれぞれはチタン、アルミニウムおよびＸを含むベース層を含む）と、交互ナノレイヤ（１つのナノレイヤはチタン、アルミニウム、クロムおよびＸを含み、別のナノレイヤはアルミニウム、クロム、チタン、Ｘを含む）を含むナノレイヤ領域と、を含む。この被膜配置において、そして被覆層のすべてについて、Ｘは、窒素、炭素、ホウ素、炭素と窒素、ホウ素と窒素、炭素とホウ素と窒素、窒素と酸素、炭素と酸素、ホウ素と酸素、炭素と窒素と酸素、ホウ素と窒素と酸素、および炭素とホウ素と窒素と酸素のうちの任意の１つを含む。
【００３６】
表１に、図２、図２Ａで説明した被覆方式の通常の寸法を記載する。
【表１】
0005546014.tif 000002
【００３７】
図３は、被覆切削インサートの角部刃先を示す本発明（本発明の試料番号１）の被覆方式の特定の実施形態の光学顕微鏡により撮影された顕微鏡写真（１０μｍスケール）である。基板は、約１０．５重量％コバルト、約６．３重量％タンタル、約５．４重量％チタン、約３．１重量％ニオブの組成を有し、残部は炭化タングステン粒である超硬タングステン（コバルト）合金を含む。基板は次の特性、すなわち、１立方センチ当たり約１２．３グラムに等しい密度（ＡＳＴＭ  Ｂ３１１の手順に従って測定された）、約１８０エルステッドに等しい保磁力（ＨC）（ＡＳＴＭ  Ｂ８８７に従って測定された）、約１〜６μｍに等しい粒度（ＡＳＴＭ  Ｂ３９０の比較表を参照することにより確定された）、および約９１．５Ｒｏｃｋｗｅｌｌ  Ａに等しい硬さを有する。図３は、耐摩耗被覆方式が約２００ｎｍに等しい厚さの下層を含み、アルミニウムとクロムと窒素との組成を有することを示す。耐摩耗被覆方式はまた、約６００ｎｍに等しい厚さの最上層を有し、かつアルミニウムとクロムと窒素との組成を有する。
【００３８】
さらに図３を参照すると、耐摩耗被覆方式はまた、上部遷移層と下部遷移層との中間に位置する中間多周期性ナノレイヤ被覆方式を有する。中間多周期性ナノレイヤ被覆方式は複数の交互層配置を含み、交互層配置のそれぞれは、チタン、アルミニウムおよび窒素を含むベース層と、交互ナノレイヤを含むナノレイヤ領域とを含み、１つの遷移ナノレイヤはアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含み、別のナノレイヤはアルミニウム、クロム、チタンおよび窒素を含む。
【００３９】
各交互層配置（８個ある）に関しては、ベース層は約１７０ｎｍの厚さを有し、ナノレイヤ領域は約３５０ｎｍに等しい厚さを有する。耐摩耗被覆方式の合計厚さは、約５１２０ｎｍ（すなわち２００ｎｍ＋８０ｎｍ＋８×（１７０ｎｍ＋３５０ｎｍ）＋８０ｎｍ＋６００ｎｍ）に等しい。ナノレイヤ領域では、ＴｉＡｌＣｒＮ領域（Ｃｒが乏しい）とＡｌＣｒＴｉＮ領域（Ｃｒが豊富）との合計厚さが約４ｎｍに等しくなるように、交互ナノレイヤのそれぞれの組の合計厚さは約４ｎｍに等しい。ＴｉＡｌＣｒＮ領域（Ｃｒが乏しい）とＡｌＣｒＴｉＮ領域（Ｃｒが豊富）との厚さの比（すなわち、ＴｉＡｌＣｒＮ領域（Ｃｒが乏しい）：ＡｌＣｒＴｉＮ領域（Ｃｒが豊富））は約２：１である。
【００４０】
図４は、本発明の試料番号１のナノレイヤ領域において透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により撮影された顕微鏡写真（１０ｎｍスケール）である。本発明の試料番号１のナノレイヤ領域の化学的性質を表２に示す。
【表２】
0005546014.tif 000003
【００４１】
図４Ａは、耐摩耗被覆方式の本発明の試料番号１の面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を示すＴＥＭにより撮影された制限視野回折パターンである。これは、回折パターンのリングの特徴的な相対直径から明らかである。
【００４２】
図５は、２つの面心立方（ＦＣＣ）結晶構造の存在を示す、本発明の試料番号１の耐摩耗被覆方式のＸ線回折パターンである。計数は縦軸に沿って記載され、位置（２θ）は水平軸に沿って示される。
【００４３】
被覆方式の用途に有用な１つの好ましい被覆装置は、Ｓｅｅｌｉらの米国特許第７，０２５，８６３号明細書だけでなく欧州特許第１１８６６８１号明細書に記載されている。これらの特許文献のそれぞれを参照により本明細書に援用する。
【００４４】
上に参照されたＰＶＤシステム（多層のＡｌの蒸着）による本発明の耐摩耗被覆方式の特定の実施形態のアプリケーションに関しては、多層Ｔｉ−Ａｌ−（Ｘ）−Ｎ／Ａｌ−Ｃｒ−（Ｘ）−Ｎ−被膜の蒸着はＯｅｒｌｉｋｏｎ  Ｂａｌｚｅｒｓ  Ｃｏａｔｉｎｇ社の工業用被覆システム（Ｔｙｐｅ  ＲＣＳ，ＩＮＮＯＶＡ）を使用して行われた。この被覆システムの説明は欧州特許第１１８６６８１号明細書中の第７段１８行目〜第９段２５行目の明細と図３〜６に記載され、上記欧州特許を参照により本明細書に援用する。上記欧州特許に相当する米国のものはＳｅｅｌｉらの米国特許第７，０２５，８６３号明細書であり、対応する文章は第６段２２行目〜第７段５４行目にあり、上記米国特許を参照により本明細書に援用する。
【００４５】
これらの被膜を製造するために、それらの直径に関係する洗浄部品（特に超硬インサート）は、基板回転搬送装置上に２重または３重に取り付けられ、溶融冶金製造された４つのＴｉ−Ａｌターゲットおよび粉末冶金製造された２つのＡｌ−Ｃｒ−（Ｘ）ターゲットは塗布チャンバの側壁上の６つの陰極アーク光源内に置かれた。ターゲットの配置の形状は主として、ＲＣＳ（Ｏｅｒｌｉｋｏｎ  Ｂａｌｚｅｒｓ）被覆システムの八角形レイアウト（互いに対向されて配置された２つの加熱セグメントが連続配置された３つのアーク陰極を有する２つのセグメントグループを分離するレイアウト）により画定される。本実験に関しては、Ａｌ−Ｃｒターゲットは１セグメントの各中央位置に対向して取り付けられたが、原理上、様々なターゲット配置をこの種の被膜の蒸着に用いることができる。これらの被膜を蒸着するためには、幾何学的に等価位置の少なくとも２つのアーク陰極を使用しなければならない。
【００４６】
その後、（被覆すべき）部品は、被覆システム内に恒久的に取り付けられた輻射ヒータを使用することにより５００℃程度まで加熱された。加熱工程後、部品の表面は、０．２Ｐａ圧力のアルゴン雰囲気中で−１００〜−２５０Ｖの直流バイアス電圧を使用しアルゴンエッチングにより洗浄された。
【００４７】
その後、１８分間程、３ｋＷの電力、−４０Ｖの基板バイアス電圧により２つのＡｌ−Ｃｒソースを使用して、０．２μｍ程の厚さを有するＡｌ−Ｃｒ−Ｎ下層を形成した。次に、下部Ｔｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎ遷移層を蒸着するために２つのＡｌ−Ｃｒターゲットと４つのＴｉ−Ａｌターゲットとを２分間使用した。その後、最初に４つのＴｉ−Ａｌソースが約５ｋＷの電力で５分程使用され、次にＴｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎ層が形成された運転中の４つのＴｉ−Ａｌソースに加えさらに２つのＡｌ−Ｃｒソースがスイッチオンされて、交互層配置被膜が蒸着された。６つのソースはすべて約７分間運転された。本実施形態については、完成中間多周期性ナノレイヤの所与の被膜厚を得るためにこの層パッケージは数回繰り返された。次に、上部Ｔｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎ遷移層を蒸着するために２つのＡｌ−Ｃｒターゲットと４つのＴｉ−Ａｌターゲットとが２分間使用された。最後に、再び、下層と同じパラメータを使用し６０分程の被覆時間により０．６μｍの厚さを有するＡｌ−Ｃｒ−Ｎ最上層を蒸着した。すべての被膜は、約３Ｐａの圧力の窒素雰囲気内で約−４０Ｖのバイアス電圧で蒸着された。一般には、単層毎の作動圧力は０．５〜８Ｐａの範囲であってよいが、０．８〜５Ｐａの範囲が好ましい。窒化物の蒸着については、純窒素雰囲気または窒素とアルゴンのような貴ガスとの混合物を用いることができ、一方、炭窒化物の蒸着のためには窒素と炭素含有気体との混合物を使用することができる。さらに、酸素またはホウ素含有膜の製造については、酸素またはホウ素含有気体を被覆処理に混合することができる。
【００４８】
次の実施例では、本発明の耐摩耗被覆方式だけでなく被覆切削インサートの有用性および性能を実証する。
【実施例】
【００４９】
試験１は、実験１〜６とラベルが付けられた６つの被覆切削インサートの試験を含む。実験１〜５は、商業市場における実際の従来技術の被覆切削インサートを表す。実験６は本発明の被覆切削インサートである。試験１では、形状ＳＤＰＴ１２０４ＰＤＳＲＧＢ２の超硬合金インサートを使用した、合金鋼の高速正面切削の性能を比較する。被加工材料は合金鋼４１４０（ＤＩＮ１．７２２５（４２ＣｒＭｏ４））である。切削パラメータは以下の通りである。切削速度ｖc＝３００ｍ／ｍｉｎ、送り速度ｆz＝０．２ｍｍ／歯、切削深さａp＝４ｍｍ、切削幅ａe＝６１ｍｍ、パス長ｌ＝６１０ｍｍ、冷却液：乾式、摩耗基準：ｖb,max＝０．３ｍｍ。試験結果を以下の表３に示す。
【表３】
0005546014.tif 000004
試験１は、高速切削用途における被覆超硬合金インサートの寿命の比較を示す。これらの結果は、本発明の被覆切削インサート（すなわち実験６）が商業工具ベンチマークである実験１に比較して２倍を超える寿命増加を示すことを示す。
【００５０】
試験２は５つの被覆切削インサート（実験７〜１１）の試験を含む。ただし実験番号７は本発明の被覆切削インサートである。実験８〜１１は、他の被覆方式がその上に存在する被覆切削インサートを表す。実験７〜１１のターゲット組成、被膜、厚さ、付着性と微小硬度を表４に示す。ターゲット電力、基板バイアス電圧、作動圧力および蒸着温度などのプロセスパラメータを表５に示す。試験２は、形状ＳＤＰＴ１２０４ＰＤＳＲＧＢ２の超硬合金インサートを使用した合金鋼の高速正面切削を含む。被加工材料は合金鋼４１４０（ＤＩＮ  １．７２２５（４２ＣｒＭｏ４））である。切削パラメータは以下の通りである。切削速度ｖc＝３００ｍ／ｍｉｎ、送り速度ｆz＝０．２ｍｍ／歯、切削深ａp＝４ｍｍ、切削幅ａe＝６１ｍｍ、パス長ｌ＝６１０ｍｍ、冷却液：乾式、摩耗基準：ｖb,max＝０．３ｍｍ。試験２の試験結果を以下の表６に示す。
【表４】
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【表５】
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【表６】
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実験７〜１１では、異なる種類の多層被膜を蒸着するために様々なターゲット材料が使用されたことは明らかである。既に、ベンチマーク被膜（例１の実験１を参照）との比較における改善を観測することができたが、被膜（本発明（実験７）で説明される）は最も有望な性能を示した。
【００５１】
試験３は、炭素鋼の正面切削における２つの被覆切削インサート（すなわち実験１２と１３）の試験を含む。被覆切削インサートは形状ＳＤＭＴ１２０５ＰＤＲ−ＨＱＭを有した超硬合金インサートであった。被加工材料は炭素鋼１０４５（ＤＩＮ  １．１１９１（Ｃｋ４５））であった。切削パラメータは以下の通りであった。切削速度ｖc＝３５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度ｆz＝０．２ｍｍ／歯、切削深さａp＝４ｍｍ、冷却液：乾式、摩耗基準：ｖb,max＝０．３ｍｍ。表７に試験結果を示す。
【表７】
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試験３では、本発明の被覆切削インサート（実験１２）は従来技術の被覆切削インサート（実験１３）に対し試験された。この切削試験では、２．６倍もの著しい寿命の増加を観測することができた。最大摩耗は工具側面上にノッチ摩耗として見出された。
【００５２】
試験４は、形状ＳＤＭＴ１２０５ＰＤＲ−ＨＱＭの超硬合金インサートを使用した合金鋼の正面切削における３つの被覆切削インサートの試験（実験１４〜１６）を含む。被加工材料は合金鋼４１４０（ＤＩＮ  １．７２２５（４２ＣｒＭｏ４））である。切削パラメータは以下の通りである。切削速度ｖc＝１８０ｍ／ｍｉｎ、送り速度ｆz＝０．２ｍｍ／歯、切削深さａp＝４ｍｍ、冷却液：乾式、摩耗基準：ｖb,max＝０．３ｍｍ。表８には、試験４の結果を示す。
【表８】
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試験４の結果は、再び、市場（実験１５、１６）におけるこの種のインサートで標準的に入手可能な被膜に対する本発明の被覆切削インサート（すなわち実験１４）の比較を示す。この試験は中程度の切削速度で行われた。実験１６と比較し、８９％の性能増加が認められた。この試験では、最大摩耗は切削工具の角部に観測された。
【００５３】
試験５は、ＫＳＥＭ型モジュール超硬合金掘削インサートを使用した灰鋳鉄における中高速掘削の４つの被覆切削インサートの試験を含む。被加工材料はクラス４０灰鋳鉄（約２５０ＢＨＮ）であった。切削パラメータは以下の通りであった。切削速度ｖc＝１９８ｍ／ｍｉｎ、送り速度ｆz＝０．３５ｍｍ／歯、直径＝１２．５ｍｍ、穴深さ＝６２ｍｍ、冷却液：Ｃａｓｔｒｏｌ  Ｓｙｎｔｉｌｏ合成乳剤（圧力１５ｂａｒ、刃物冷却アダプタ（ｔｏｏｌ  ｃｏｏｌｉｎｇ）による供給方式）。摩耗基準はｖb,max＝０．３８ｍｍであった。結果を以下の表９に示す。
【表９】
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試験５の結果は再び、市場（実験１８〜２０）におけるこの種の掘削用モジュールインサートで標準的に入手可能な被膜に対する本発明の被覆切削インサート（実験１７）の比較を示す。この試験は中間高レベル切削速度で行われた。６３％近くの性能増加が認められた。この試験では、最大摩耗は切削工具の角部に観測された。
【００５４】
本発明の耐摩耗被覆方式が以前の被覆方式に勝る利点を示すことは明白である。特に、本発明の耐摩耗被覆方式は、選択された被覆系列と被覆組成物とを使用することにより低熱伝導率を発揮する。このようなパラメータは被膜全体の熱伝導率に影響を与え、したがって切削インサート−チップ界面（または接触領域チップ−被覆面）から基板および被膜−基板界面への熱移動の程度に影響を与える。基板および被膜−基板界面への熱移動の低減は、基板内の熱亀裂形成の低減（または最小化）または遅延をもたらす。基板の熱亀裂の遅延または低減は、通常、切削インサートの耐用年数を増加する。
【００５５】
より具体的には、窒化アルミニウムクロム最上部被覆層の使用により、切削インサート−チップ界面から基板および被膜−基板界面への著しい熱量の移動を妨げるのを助けることは明白である。１つの結果は、熱の大半がチップ内に残るということである。別の結果は、熱移動が全方向に（例えば、表面に垂直な方向および平行な方向に）発生するので最上部被覆層内に移動する熱が窒化チタンアルミニウム被覆層内の全方向に広がるということである。これは、刃先近くの最上部被膜−チップ接触領域で発生する熱の集中を低減させ、より大きな表面領域にわたって熱を放散し、最上部被膜から基板−被膜界面までの温度を低下させる。ベース層内の多層ナノレイヤ被覆系列において被覆層を組み合わせることは、熱移動が阻止されるかあるいは基板から分散されるということである。最後に、基板とベース層間の別の窒化アルミニウムクロム被覆層の存在は、基板と被膜−基板界面を熱移動から保護するに役立つ。
【００５６】
特定の実施形態の上記説明の主な強調点は、チップ形成材料除去工程において被覆切削インサートを使用することにある。しかしながら、被覆切削インサートは本発明の被覆物の特定の一実施形態に過ぎないということを理解すべきである。被覆物は例えば摩耗部品などの他の被覆物を包含するということが想定される。
【００５７】
本明細書で特定された特許および他の文献を参照により本明細書に援用する。本発明の他の実施形態は、本明細書の検討またはここに開示した本発明の実施から当業者にとっては明白となる。本明細書と実例は、例示的に過ぎず、本発明の範囲を限定しないように意図されている。本発明の真の範囲と趣旨は以下の特許請求の範囲により示される。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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