(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具を生産するためのプロセスであって、
硬質粒子と、結合剤と、を含む、基板の表面の少なくとも一部分上に、少なくとも１つの白金族金属を蒸着させることと、
少なくとも１つの白金族金属を前記結合剤内に拡散させ、前記結合剤内に表面近傍白金族金属濃度勾配を形成するために十分な温度及び時間で、前記基板を加熱することと、
前記基板を加熱し、前記結合剤内に前記表面近傍白金族金属濃度勾配を形成後、前記基板表面上に、耐摩耗塗膜を蒸着することと、
を含む、プロセス。
【請求項２】
前記白金族金属は、レニウム、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記硬質粒子は、少なくとも１つの金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属酸化物、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
前記硬質粒子を含む金属は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項３に記載のプロセス。
【請求項５】
前記結合剤は、コバルト、ニッケル、鉄、任意のそれらの合金、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
前記表面近傍白金族金属濃度勾配は、前記基板表面に、総結合剤重量に基づいて、１０重量％乃至１００重量％の白金族金属を含み、前記基板のバルク領域内に、ゼロ乃至バックグラウンドレベルの白金族金属を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項７】
前記表面近傍白金族金属濃度勾配は、前記基板表面に、総結合剤重量に基づいて、１０重量％乃至１００重量％の白金族金属を含み、深さ方向に、ゼロまたはバックグラウンドレベルの白金族金属にまで減少する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項８】
前記表面近傍白金族金属濃度勾配は、前記基板表面に、総結合剤重量に基づいて、１０重量％乃至１００重量％の白金族金属を含み、深さ方向に、前記基板のバルク領域内のゼロまたはバックグラウンドレベルの白金族金属にまで対数的に減少する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
前記基板の表面の少なくとも一部分上に少なくとも１つの白金族金属を蒸着する前に、前記基板の表面の少なくとも一部分から、前記結合剤の少なくとも一部分を除去することをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記基板の表面の少なくとも一部分上に、少なくとも１つの白金族金属を蒸着する前に、前記基板表面をエッチングし、前記基板の表面の少なくとも一部分から、前記結合剤の少なくとも一部分を除去することを含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記耐摩耗塗膜は、物理蒸着を使用して蒸着される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記耐摩耗塗膜は、化学蒸着を使用して蒸着される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記耐摩耗塗膜は、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、または金属酸化物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記耐摩耗塗膜を含む金属は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、アルミニウム、ホウ素、シリコン、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記基板の加熱後、前記基板表面上に、前記耐摩耗塗膜を蒸着する前に、塗膜前処理によって、前記基板の表面の少なくとも一部分を処理することをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記塗膜前処理は、電解研磨、ショットピーニング、マイクロブラスト、ウェットブラスト、ドライブラスト、研削、ブラッシング、ジェット研磨、圧気ブラスト、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記切削工具は、バリ、エンドミル、ドリル、およびインサートから成る群から選択される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記白金族金属は、レニウム、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１９】
切削工具を生産するためのプロセスであって、
タングステン炭化物を含む硬質粒子と、コバルトを含む結合剤とを含む固結された炭化物基板の表面の少なくとも一部をエッチングすることと、
前記固結された炭化物基板の表面の少なくとも一部分上に、ルテニウムを蒸着させることと、
ルテニウムを前記結合剤内に拡散させ、前記結合剤内に表面近傍ルテニウム濃度勾配を形成するために十分な温度及び時間で、前記基板を加熱することと、
前記基板を加熱し、前記結合剤内に前記表面近傍ルテニウム濃度勾配を形成後、前記基板表面上に、耐摩耗塗膜を蒸着することとを含み、
前記表面近傍ルテニウム濃度勾配は、前記基板表面に、総結合剤重量に基づいて、１０重量％乃至１００重量％のルテニウムを含み、前記基板表面の下で、深さ方向に、バルク領域内のゼロまたはバックグラウンドレベルのルテニウムにまで減少する、前記プロセス。
【請求項２０】
前記表面近傍ルテニウム濃度勾配は、前記基板表面に、総結合剤重量に基づいて、１０重量％乃至１００重量％のルテニウムを含み、前記基板表面の下で、深さ方向に、バルク領域内のゼロまたはバックグラウンドレベルのルテニウムにまで対数的に減少する、請求項１９に記載のプロセス。
【請求項２１】
前記基板の加熱後、前記基板表面上に、前記耐摩耗塗膜を蒸着する前に、塗膜前処理によって、前記基板の表面の少なくとも一部分を処理することをさらに含む、請求項１９に記載のプロセス。
【請求項２２】
塗膜前処理は、電解研磨、ショットピーニング、マイクロブラスト、ウェットブラスト、ドライブラスト、研削、ブラッシング、ジェット研磨、圧気ブラスト、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項２１に記載のプロセス。
【請求項２３】
塗膜前処理は、マイクロブラスト、ウェットブラスト、ドライブラスト、または任意のそれらの組み合わせを含む、請求項２１に記載のプロセス。
【請求項２４】
耐摩耗塗膜は、物理気相蒸着を用いて蒸着される、請求項１９に記載のプロセス。
【請求項２５】
耐摩耗塗膜は、化学気相蒸着を用いて蒸着される、請求項１９に記載のプロセス。
【請求項２６】
前記耐摩耗塗膜は、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属酸化物の少なくとも１つを含む、請求項１９に記載のプロセス。
【請求項２７】
前記金属は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、アルミニウム、ホウ素、ケイ素、または任意のそれらの組み合わせを含む耐摩耗塗膜を含む、請求項２６に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば、基板上に固結された炭化物材料等の塗膜を含む、切削工具等の金属作業工具を対象とする。本開示はまた、基板上に塗膜を含む、切削工具を生産するためのプロセスを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
固結された硬質粒子から成る、切削工具および切削インサートは、例えば、切削、穿穴、拡孔、皿座ぐり、深座ぐり、平削、旋削、溝切、螺削、および切付等の機械加工動作において採用される。本明細書で使用されるように、「固結された硬質粒子」および「固結された硬質粒子材料」とは、比較的に軟質の金属結合剤内に分散され、固結された比較的に硬質の粒子を備える、材料を指す。固結された硬質粒子材料の実施例は、固結された炭化物材料である。また、本明細書で使用されるように、「固結された」物品は、固結された硬質粒子材料を備える、物品である。固結された切削工具を製造するためのプロセスは、冶金粉末（例えば、硬質粒子と金属結合剤粉末との混合物）を固化し、成形体を形成することを伴ってもよい。成形体は、焼結され、固体モノリシック構造を有する工具素材を形成してもよい。焼結後、固結された工具素材は、機械加工され、工具上で所望される特定の切削幾何学形状の１つ以上の切削縁または他の特徴を形成してもよい。
【０００３】
結合剤内に固結された硬質粒子を備える、固結された切削工具は、これらの材料の特色である、引張強度、耐摩耗性、および靱性の組み合わせによって、産業上、重要となる。硬質粒子は、例えば、周期表のＩＩＩＡ、およびＩＶＢからＶＩＢ族内の元素の炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、または酸化物を備えてもよい。実施例は、タングステン炭化物である。結合剤は、金属または金属合金、例えば、コバルト、ニッケル、鉄、またはこれらの金属の合金であってもよい。結合剤は、連続的かつ相互接続された基質内に硬質粒子を固結する。
【０００４】
固結された材料の物理および化学特性は、部分的に、材料を形成するために使用される、冶金粉末の個々の成分に依存する。固結された硬質粒子材料の特性は、例えば、硬質粒子の化学組成、平均粒子サイズ、および硬質粒子の粒子サイズ分布、結合剤の化学組成、および基板内の結合剤と硬質粒子の比率に依存してもよい。
【０００５】
コバルト結合剤内に固結されたタングステン炭化物硬質粒子は、例えば、旋削工具およびインサート、平削工具およびインサート、穿穴工具およびインサート、螺削工具およびインサート、ならびに溝切工具およびインサート（集合的に、「切削工具」）等の金属作業工具において、有用性が見出される、一般的固結された炭化物材料である。本明細書で使用されるように、用語「切削工具」は、モジュール式切削工具のためのモノリシック切削工具およびインサートを含む。
【発明の概要】
【０００６】
本明細書に開示される実施形態は、切削工具を対象とする。切削工具は、基板と、基板の少なくとも一部分上の少なくとも１つの耐摩耗塗膜と、を備える。基板は、硬質粒子と、結合剤と、を備える。結合剤は、少なくとも１つの白金族金属および／またはレニウムの表面近傍濃度勾配を備える。
【０００７】
本明細書に開示される他の実施形態は、切削工具を生産するためのプロセスを対象とする。プロセスは、基板の表面の少なくとも一部分上に、少なくとも１つの白金族金属および／またはレニウムを蒸着することを備える。基板は、硬質粒子と、結合剤と、を備える
。その上に蒸着された少なくとも１つの白金族金属を有する基板は、少なくとも１つの白金族金属および／またはレニウムを結合剤内に拡散させるために十分な時間の間、ある温度で加熱される。結合剤内に拡散される少なくとも１つの白金族金属は、結合剤内に表面近傍白金族金属濃度勾配を形成する。
【０００８】
本発明は、本発明の開示に開示される実施形態に限定されないことを理解されたい。本発明は、請求項によってのみ定義される、発明の範囲内にある、修正および他の主題を網羅することが意図される。
【０００９】
開示される非限定的実施形態のある特色は、付随の図面を参照することによって、より理解が得られるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】ＡＳＴＭ／ＩＳＯ規格に従う、切削インサート指定ＸＤＬＷ１２０５０８ＳＲ−Ｄの非限定的実施形態を例証する、図面である。図１Ａは、切削インサートの斜視図である。図１Ｂは、切削インサートの上面図である。図１Ｃは、切削インサートの側面図である。
【図１Ｂ】ＡＳＴＭ／ＩＳＯ規格に従う、切削インサート指定ＸＤＬＷ１２０５０８ＳＲ−Ｄの非限定的実施形態を例証する、図面である。図１Ａは、切削インサートの斜視図である。図１Ｂは、切削インサートの上面図である。図１Ｃは、切削インサートの側面図である。
【図１Ｃ】ＡＳＴＭ／ＩＳＯ規格に従う、切削インサート指定ＸＤＬＷ１２０５０８ＳＲ−Ｄの非限定的実施形態を例証する、図面である。図１Ａは、切削インサートの斜視図である。図１Ｂは、切削インサートの上面図である。図１Ｃは、切削インサートの側面図である。
【図２Ａ】図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃに例証される、切削インサートの断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに例証される、切削インサートの一部分の拡張図であって、また、切削インサート部分の表面近傍領域内の白金族金属濃度勾配を例証する、重畳グラフを含む。
【図２Ｃ】図２Ｂに例証される、切削インサートの部分の代替図であって、また、切削インサート部分の表面近傍領域内の白金族金属濃度勾配を例証する、重畳グラフを含む。
【図３】ＷＣ−１１Ｃｏ基板（１１重量％のコバルト結合剤基材と８７−８９重量％のタングステン炭化物粒子、少量のＴｉＣ／ＴａＣ／ＮｂＣを添加）の表面からの深度の関数としてのグロー放電発光分光分析（ＧＤ−ＯＥＳ）放出の片対数プロット（タングステン、コバルト、炭素、およびルテニウムに対する相対強度値）であって、基板は、４マイクロメートル層のルテニウムによってと塗膜され、１３２５℃および６０分の熱処理サイクルによって加工され、拡散サイクルの結果として、プロット内に示される表面近傍ルテニウム濃度勾配を形成する。
【図４】異なる基板を備え、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースを機械加工する、３種類のＣＶＤ塗膜されたＡＤＫＴ１５０５ＰＤＥＲ−４７切削インサートのための工具摩耗試験の実験結果を比較した棒グラフである。
【図５】異なる基板を備え、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースを機械加工する、３種類のＣＶＤ塗膜されたＡＰＫＴ１６０４ＰＤＥＲ−４３切削インサートのための工具摩耗試験の実験結果を比較した棒グラフである。
【図６】異なる基板を備え、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースを機械加工する、３種類のＣＶＤ塗膜されたＸＤＬＴ１２０５０８ＥＲ−Ｄ４１切削インサートのための工具摩耗試験の実験結果を比較した棒グラフである。
【図７】異なる基板を備え、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースを機械加工する、３種類のＣＶＤ塗膜されたＸＤＬＴ１２０５０８ＥＲ−Ｄ４１切削インサートのための工具摩耗試験の実験結果を比較した棒グラフである。
【図８】異なる基板を備え、４３４０鋼鉄ワークピースを機械加工する、１８種類のＣＶＤ塗膜されたＣＮＭＧ４３２−４Ｔ切削インサートのための工具摩耗試験の実験結果を比較した棒グラフである。
【図９】異なる基板を備え、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースを機械加工する、８種類のＣＶＤ塗膜されたＣＮＭＧ４３２−４Ｅ切削インサートのための工具摩耗試験の実験結果を比較した棒グラフである。
【図１０】異なる基板を備え、１０３６鋼鉄ワークピースの２つの異なる面積を機械加工する、２種類のＣＶＤ塗膜されたＲＣＭＲ９６Ｓ−４Ｍ切削インサートのための工具摩耗試験の実験結果を比較した棒グラフである。
【図１１】異なる基板を備え、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースを機械加工する、６種類のＣＶＤ塗膜されたＡＤＫＴ１５０５ＰＤＥＲ−４７切削インサートのための工具寿命試験の実験結果を比較した棒グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
開示される実施形態のある説明は、明確化の目的のために、他の要素、特徴、および態様を排除して、開示される実施形態の明確な理解に関連して、それらの要素、特徴、および態様を例証するためだけに簡略化されていることを理解されたい。当業者は、開示される実施形態の本説明を検討することによって、他の要素および／または特徴が、開示される実施形態の特定の実装あるいは用途において望ましいであろうことを認識するであろう。しかしながら、そのような他の要素および／または特徴は、開示される実施形態の本説明を検討することによって、当業者によって容易に判明され得、開示される実施形態の完全理解のために必要ではないため、そのような要素および／または特徴の説明は、本明細書では提供されない。したがって、本明細書に記載される説明は、単に、開示される実施形態の例示および例証であって、請求項によってのみ定義される、発明の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。
【００１２】
本開示では、別様に示されない限り、量または特色を表す数字はすべて、全事例において、用語「約」によって前置きされ、修飾されるものと理解されたい。故に、それとは逆に示されない限り、以下の説明に記載の任意の数値パラメータは、本開示による組成および方法において取得することを模索する所望の特性に応じて、変動してもよい。最低限でも、請求項の範囲と同等の教示の用途を限定する試みとしてではなく、本説明に説明される数値パラメータは、少なくとも、報告される有効数字の数に照らして、かつ通常の四捨五入技法を適用することによって、解釈されるべきである。
【００１３】
また、本明細書に列挙される任意の数値範囲は、そこに包含される部分範囲のすべてを含むことが意図される。例えば、範囲「１乃至１０」は、列挙される最小値１と列挙される最大値１０との間（およびそれぞれを含む）の部分範囲のすべてを含むことが意図され、すなわち、最小値１以上および最大値１０以下を有する。本明細書に列挙される任意の最大数値限定は、そこに含有されるすべての下限値を含むことが意図され、本明細書に列挙される任意の最小数値限定は、そこに含有されるすべての上限値を含むことが意図される。故に、出願人は、本明細書に明示的に列挙される範囲内に含有される任意の部分範囲を明示的に列挙するために、請求項を含む、本開示を修正する権利を留保する。そのような範囲はすべて、本質的に、任意のそのような部分範囲を明示的に列挙するための修正が、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２の第１段落および３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１３２（ａ）の要件に準拠するように、本明細書に開示されることが意図される。
【００１４】
文法上の冠詞「ｏｎｅ」、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、本明細書で使用されるように、別様に示されない限り、「少なくとも１つ」または「１つ以上」を含むよう
に意図される。
したがって、冠詞は、本明細書では、冠詞の文法上の目的物の１つまたは２つ以上（すなわち、少なくとも１つ）を指すために使用される。一例として、「成分」は、１つ以上の成分を意味し、したがって、可能性として、２つ以上の成分が想定され、採用または使用されてもよい。
【００１５】
全体的または部分的に、参照することによって本明細書に組み込まれるように言及される、任意の特許、刊行物、または他の開示材料は、組み込まれる材料が、本開示に明示的に記載される既存の定義、記述、または他の開示材料と矛盾しない程度においてのみ、全体として、本明細書に組み込まれる。したがって、かつ必要な程度において、本明細書に記載される表現開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる任意の矛盾材料に優先する。参照することによって本明細書に組み込まれることが言及され、本明細書に記載される既存の定義、記述、または他の開示材料に矛盾しない、任意の材料またはその部分は、組み込まれる材料と既存の開示材料との間に矛盾が生じない程度にのみ組み込まれる。
【００１６】
固結された炭化物は、例えば、コバルト、ニッケル、および／または鉄（あるいは、これらの金属の合金）の結合剤内に分散され、固結された硬質粒子として、遷移金属のうちの１つ以上の炭化物を備える、金属基質合成物である。このように、硬質粒子は、分散相を形成し、結合剤は、連続相を形成する。固結された炭化物は、例えば、旋削インサートおよび平削インサートを含む、切削工具としての使用のための魅力的強度、靱性、および耐摩滅／浸食（すなわち、摩耗）性の組み合わせをもたらす。異なる可能性として考えられる硬質粒子の組み合わせの中でも、硬質粒子としてのタングステン炭化物と、結合剤相としてのコバルトと、を備える、固結された炭化物は、例えば、チタンおよびチタン合金、ニッケルおよびニッケル合金、超合金、ステンレス鋼、ならびに延性鉄等の機械加工するのが困難な材料における、金属作業動作のための切削工具の一般的選択肢である。
【００１７】
固結された炭化物切削工具における故障の形態のうちの２つは、機械的衝撃による亀裂および熱衝撃による亀裂である。これらの故障形態は、例えば、旋削インサートおよび平削インサートにおいて遭遇する。機械的衝撃は、一般的に、平削用途、断続切削を伴う旋削用途、および機械またはワークピース（例えば、タービン翼機械加工）に最適剛性未満が存在する場合の任意の機械加工用途において遭遇する。熱衝撃は、一般的に、低熱伝導性および高降伏応力値を伴う、高生産性機械加工プロセスならびに機械加工材料等、困難な機械加工動作において遭遇する。切削工具の熱変形を回避するための冷却剤の使用は、熱衝撃の量を増加させる望ましくない影響を有し得る。
【００１８】
平削用途では、切削工具は、平削カッター本体の各回転の際、熱循環を被る。インサートが、各回転において、作業材料に入刃し、そこから出刃するのに伴って、インサートは、材料を切削する時、加熱され、材料を切削しない時、冷却される。平削動作の際の冷却剤の使用は、熱衝撃の規模を増幅させる。熱循環の際のより大きな温度遷移熱衝撃の増加は、熱疲労を通して、インサートの故障につながり得る。インサートの熱循環の際、インサートの異なる部品間の熱膨張の差異は、基板に亀裂を形成させ、その連続的伝播を生じさせる。
【００１９】
切削工具における故障の他の形態のうちの２つは、熱変形および磨損である。切削インサートの切削縁の温度は、１０００℃を超え得るため、結合剤は、その強度を損ない、切削動作の際、変形を開始し得る。耐摩耗塗膜は、高温から基板を熱的に遮断するのに有用となり得る。しかしながら、基板は、依然として、結合剤材料の硬度の欠如のために変形を開始するほどの温度に到達し得る。より高い溶融温度元素または合金を結合剤に添加することは、その高温硬度を増加させ、熱変形を回避するのに有用となり得る。高温硬度の
増加はまた、耐摩耗塗膜が浸食され、基板を曝露する場合、磨損を最小限にするのに有用となり得る。
【００２０】
固結された硬質粒子材料の結合剤における少なくとも１つの白金族元素および／またはレニウムの使用は、固結された切削工具の性能を改良し得る。白金族元素（元素の周期表のＶＩＩＩＢ族）およびレニウム（ＶＩＩＢ族）は、比較的に高い溶融点を有する、硬度があって、白みがかった金属である。白金族元素は、他の元素と非常に低い反応性を呈し、室温で変色しないため、時として、「貴金属」と称される。白金族元素およびレニウムはまた、耐腐食性であって、固体溶液内に炭化物を容易に形成しない。これらの特色によって、白金族元素およびレニウムは、基板内の炭素平衡に干渉せず、例えば、固結された炭化物基板等の固結された硬質粒子基板内の結合剤相を修飾可能となる。固体溶液強化は、少なくとも１つの白金族元素および／またはレニウムの固結された炭化物の結合剤への添加によって生じ、それによって、固結された基板の破砕靭性および強度を改良してもよい。
【００２１】
白金族元素およびレニウムは、固結された硬質粒子材料の典型的結合剤の基材のものを優に上回る溶融点温度を有する。白金族元素および／またはレニウム添加を伴う結合剤は、耐熱変形性の増加を呈し得る。ある白金族元素、レニウム、および典型的結合剤基材の選択された特性は、表１に提示される。
【００２２】
【表１】
0005636052.tif 000002
本明細書に開示される非限定的実施形態は塗膜された基板を備える、切削工具を対象とする。基板は、硬質粒子と、結合剤と、を含む、固結された硬質粒子材料を備えてもよい。結合剤は、基材と、基材内に拡散された少なくとも１つの白金族金属の表面近傍濃度勾配と、を備えてもよい。
【００２３】
本明細書で使用されるように、用語「白金族金属」（および、頭字語「ＰＧＭ」）は、元素の周期表のＶＩＩＢおよびＶＩＩＩＢ族内の金属を含む。ＰＧＭは、例えば、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、これらの金属のいずれかの固体溶液、およびこれらの金属のいずれかの合金を含む。加えて、本説明を簡略化するために、本明細書で使用されるように、用語「白金族金属」および頭字語「ＰＧＭ」はまた、ＶＩＩＢ族金属レニウム、レニウムの固体溶液、ならびにレニウムの合金を含む。
【００２４】
本明細書で使用されるように、用語「基材」は、結合剤内に分散され、固結された硬質粒子を備える、基板の結合剤相のバルクを形成する、金属または合金を指す。このように、本開示に説明される種々の実施形態は、結合剤を備える基板を備えてもよく、結合剤は、基材と、結合剤基材内に形成される表面近傍ＰＧＭ濃度勾配と、を備える。
【００２５】
種々の非限定的実施形態では、結合剤の基材は、例えば、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、鉄合金、またはこれらの材料のいずれかの組み合わせを備えてもよい。例えば、結合剤の基材は、本質的に、それぞれ、コバルト、ニッケル、または鉄から成ってもよい。代替として、結合剤の基材は、コバルト合金、ニッケル合金、または鉄合金から形成されてもよい。合金から形成される基材を備える実施形態では、基材は、例えば、コバルト、ニッケル、鉄、タングステン、クロム、チタン、タンタル、バナジウム、モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、炭素、銅、マンガン、銀、アルミニウム、または任意のそれらの組み合わせを含んでもよい。
【００２６】
種々の非限定的実施形態では、結合剤のバルク組成は、本質的に、基材から成ってもよい。結合剤の表面近傍組成は、結合剤の基材内に拡散され、最大ＰＧＭ濃度が、基板表面における結合剤内で生じ、表面下の深度に伴って減少することを特色とする、少なくとも１つのＰＧＭの濃度勾配を備えてもよい。種々の非限定的実施形態では、ＰＧＭ濃度勾配は、勾配を形成するＰＧＭ濃度未満の結合剤の内部バルク組成内のある点において、バルクＰＧＭ濃度まで減少してもよい。種々の非限定的実施形態では、ＰＧＭ濃度勾配は、結合剤の内部バルク組成内のある点における偶発レベル未満まで減少してもよい。
【００２７】
本明細書で使用されるように、用語「硬質粒子」は、結合剤によって、モノリシック固結された硬質粒子材料基板内に固結される、硬質無機粒子を指す。硬質粒子は、例えば、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属酸化物、これらの材料のいずれかの固体溶液、またはこれらの材料のいずれかの組み合わせを備えてもよい。これらの材料内の金属は、周期表のＩＨＡ族およびＩＶＢからＶＩＢ族からの１つ以上の元素であってもよい。例えば、金属は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、これらの金属のいずれかの固体溶液、およびこれらの金属のいずれかの組み合わせから選択されてもよい。本開示による、種々の実施形態の基板は、結合剤内に分散および固結され、結合剤が、基板の少なくとも一部分内に表面近傍ＰＧＭ濃度勾配を備えることを特色とする、硬質粒子を備えてもよい。
【００２８】
種々の非限定的実施形態では、表面近傍濃度勾配を形成するＰＧＭは、レニウム、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、またはこれらの金属のいずれかの組み合わせを備えてもよい。ＰＧＭは、基板の少なくとも一部分内の結合剤の基材に拡散されてもよい。結合剤の基材は、コバルト、ニッケル、鉄、これらの金属のいずれかの合金、およびこれらの金属および／または合金のいずれかの組み合わせを備えてもよい。ＰＧＭは、基板表面における基板内に最大ＰＧＭ濃度を備え、基板の内部バルク部分内の基材において、ＰＧＭの偶発またはバルクレベルまで連続的または漸次的に減少する、下降濃度勾配内に存在してもよい。
【００２９】
少なくとも１つの塗膜は、本開示による、基板の表面の少なくとも一部分上に存在してもよい。種々の非限定的実施形態では、少なくとも１つの塗膜は、耐摩耗塗膜を備えてもよい。少なくとも１つの塗膜は、例えば、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属酸化物、またはこれらの材料のいずれかの組み合わせを備えてもよい。これらの特定の材料内の金属は、例えば、周期表のＩＩＩＡ、ＩＶＡ、およびＩＶＢからＶＩＢ族からの１つ以上の元素を備えてもよい。例えば、金属は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、タング
ステン、アルミニウム、ホウ素、シリコン、これらの材料のいずれかの固体溶液、またはこれらの材料のいずれかの組み合わせを備えてもよい。当業者は、切削工具上に従来含まれる種々の塗膜が、例えば、耐熱、耐摩耗、および／または耐衝撃を改良することを認知し、任意のそのような塗膜は、基板と適合性がある場合、本開示に従って、切削工具上に含まれてもよい。
【００３０】
図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃは、切削インサート１０の非限定的実施形態を例証する。図１Ａは、切削インサート１０の斜視図である。図１Ｂは、切削インサート１０の上面図である。図１Ｃは、切削インサート１０の側面図である。切削インサート１０は、ＸＤＬＷ１２０５０８ＳＲ−Ｄとして、ＡＳＴＭ／ＩＳＯ規格に従って、説明されてもよい。切削インサートを説明するためのＡＳＴＭ／ＩＳＯ規格は、切削工具技術における当業者によって理解され、したがって、インサートの幾何学形状のさらなる説明は、ここでは必要ではない。切削インサート１０の実施形態は、切削縁１１と、上表面１２、側壁１３と、突出角１４と、を含む。切削インサート１０は、典型的には、高送り速度を伴う、重平削動作のために使用される、設計を有する。
【００３１】
図２Ａは、図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃに例証される、切削インサート１０の断面図である。図２Ａは、切削縁１１の一部分と、上面１２の一部分と、を含む、切削インサート１０の部分２０を示す。図２Ｂは、切削インサート１０の部分２０の拡張図であって、図２Ａに識別される。部分２０を参照して例証されるように、切削インサート１０は、基板２２上に塗膜２１を備える。塗膜２１は、例えば、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属酸化物、あるいはこれらの材料のいずれかの組み合わせまたは多層配列を備えてもよい。これらの材料内の金属は、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、ホウ素、シリコン、またはこれらの材料のいずれかの組み合わせを備えてもよい。基板２２は、結合剤内に分散および固結された硬質粒子を備える、固結された硬質粒子材料であってもよい。例えば、制限ではないが、硬質粒子は、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、および／または金属酸化物を備えてもよく、結合剤は、コバルト、ニッケル、鉄、および／またはこれらの金属の合金を備えてもよい。
【００３２】
塗膜２１および基板２２は、界面２３によって分離される。界面２３は、塗膜２１が蒸着される基板の表面を含む。基板２２は、表面近傍領域２４と、バルク領域２５と、を備える。表面近傍領域２４は、基板表面／塗膜界面２３から基板内への深度によって画定されてもよい。バルク領域２５は、表面／塗膜界面２３から同一方向に測定される、表面近傍領域２４を越えた基板内への深度によって画定されてもよい。
【００３３】
表面近傍領域２４内の結合剤は、基材と、拡散技法または任意の他の好適な技法によって、基材内に導入され得る、少なくとも１つのＰＧＭの表面近傍濃度勾配と、を備えてもよい。バルク領域２５内の結合剤は、基材と、ゼロまたはバックグラウンドレベルのＰＧＭを備えてもよい。本明細書で使用されるように、材料の「バックグラウンド」レベルまたは濃度は、偶発的である、材料内の不純物を通して発生する、または別様に材料の特性に有意に影響を及ぼさない、レベルを意味する。表面近傍領域２４内の結合剤の組成は、最大ＰＧＭ濃度が、基板表面／塗膜界面２３における結合剤内に生じ、表面近傍領域２４を通して、バルク領域２５内のバックグラウンドレベルまで減少することを特色としてもよい（例えば、図２Ｃ参照）。代替として、最大ＰＧＭ濃度は、基板表面／塗膜界面２３における結合剤内に生じ、表面近傍領域２４を通して、バルク領域２５内のバルクＰＧＭ濃度まで減少する。バルク領域内のバルクＰＧＭ濃度は、バックグラウンドＰＧＭレベルを超えるが、表面近傍領域２４内に勾配を形成するＰＧＭ濃度未満である。
【００３４】
表面近傍領域２４内の結合剤の組成は、レニウム、ルテニウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、およびこれらの金属のいずれかの組み合わせから成る群から選択される、ＰＧＭを備えてもよい。ＰＧＭは、コバルト、ニッケル、鉄、これらの金属のいずれかの合金、ならびにこれらの金属および合金のいずれかの組み合わせから成る群から選択される、基材内に溶解されてもよい。バルク領域２５内の結合剤の組成は、実質的に、ＰＧＭが存在しなくてもよく、すなわち、バルク結合剤組成は、ＰＧＭのゼロまたはバックグラウンドレベルを備えてもよい。代替として、バルク領域２５内の結合剤の組成は、表面近傍領域２４内に勾配を形成するＰＧＭ濃度未満のバルクＰＧＭ濃度を備えてもよい。
【００３５】
本開示に説明される切削工具の種々の非限定的実施形態では、基板は、粉末冶金技法を使用して形成されてもよい。例えば、硬質粒子と、結合剤金属粉末と、を備える、冶金粉末混合物は、当技術分野において周知の技法を使用して、切削工具または他の物品の一般的形状に成形体を形成するように固化されてもよい。結合剤金属粉末は、例えば、粉末形態のコバルト、ニッケル、および／または鉄を含んでもよい。結合剤金属粉末はまた、例えば、粉末形態のタングステン、クロム、チタン、タンタル、バナジウム、モリブデン、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、および炭素を含んでもよい。種々の元素は、単相結合剤が、後続焼結の際に形成されるように、結合剤の基材（例えば、コバルト、ニッケル、鉄、それらの合金、またはそれらの組み合わせ）内にその溶解限度まで存在してもよい。加えて、結合剤金属粉末は、焼結される単相結合剤の総重量に基づいて、例えば、５重量％までのレベルにおいて、銅、マンガン、銀、およびアルミニウムを含有してもよい。当業者は、固結された硬質粒子基板の組成の一部または全部が、元素形態、化合物、および／または母合金として導入されてもよいことを認識するであろう。
【００３６】
種々の非限定的実施形態では、混合、固化、および焼結段階の際、ＰＧＭの有意なレベルは、冶金粉末または成形体に意図的に添加されない。種々の他の非限定的実施形態では、ＰＧＭは、成形体を形成する冶金粉末内に意図的に添加されてもよい。このように、バルクＰＧＭ濃度は、結合剤内に形成されてもよいが、しかしながら、バルクＰＧＭ濃度は、拡散または他の好適な機構（後述）を通して、表面近傍ＰＧＭ濃度勾配の後続形成を可能にするために十分に低い。
【００３７】
成形体は、当技術分野において周知の技法を使用して、固体モノリシック構造を有する完成部品または素材を形成するように焼結されてもよい。このように、部品または素材は、固結された硬質粒子基板を備える。基板は、基板の総重量に対する重量に基づいて、例えば、７０％乃至９７％の硬質粒子と、３％乃至３０％の結合剤と、を備えてもよい。焼結後、素材は、切削工具上で所望の特定の幾何学形状の少なくとも１つの切削縁および／または他の特徴を形成するように機械加工されてもよい。本段階では、基板は、結合剤の連続相内に分散および固結された硬質粒子を備え、結合剤は、例えば、コバルト、ニッケル、鉄、これらの金属の合金、またはこれらの金属および合金の組み合わせを備える。種々の実施形態では、焼結された基板は、有意なレベルのＰＧＭの任意の意図的添加を備えず、本点における基板内の任意のＰＧＭ％は、バックグラウンドレベルにおいてのみ存在する。種々の他の実施形態では、焼結された基板は、表面近傍ＰＧＭ濃度勾配の後続形成を防止するであろう、バルク濃度のＰＧＭを備える。
【００３８】
表面近傍ＰＧＭ濃度勾配は、焼結された基板の少なくとも１つの表面の少なくとも一部分上に少なくとも１つのＰＧＭを備える、層を蒸着することによって形成されてもよい。少なくとも１つのＰＧＭを備える層は、基板の表面の一部分、基板の表面全体、または基板の全表面に塗布されてもよい。例えば、層は、すくい面、歯末面、切削縁、および／または切削工具基板の他の表面／縁のうちの任意の１つに塗布されてもよい。
【００３９】
種々の非限定的実施形態では、蒸着されたＰＧＭ層の厚さは、層の塗布のために使用される方法に依存してもよい。例えば、本質的に、指向性であり得る、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスが、ＰＧＭ層を蒸着するために使用されてもよい。種々の実施形態では、ＰＶＤプロセスによって塗布されるＰＧＭ層は、厚さ２乃至２５ミクロン、いくつかの実施形態では、２乃至１０ミクロンを有してもよい。例えば、電気めっきおよび電鋳等の非指向性方法によって蒸着されたＰＧＭ層は、厚さ最大２５０ミクロンのＰＧＭ層を有してもよい。水または揮発性担体中に分散され、スプレーまたははけ塗りによって塗布されるＰＧＭは、使用されるＰＧＭ塗膜密度および方法に応じて、厚さ２５０ミクロン乃至７６５ミクロン（約０．０１０インチ乃至０．０３０インチ）のＰＧＭ層を有してもよい。種々の方法を利用することによって、このように、ＰＧＭは、例えば、切削縁、歯末面、すくい面、および／または摩耗および／または故障を受けやすい切削工具の他の表面等、基板の所定の表面上のみに選択的に蒸着されてもよい。これは、固結された切削工具の特定の領域を標的とし得るため、工具性能を改良するために必要とされるＰＧＭの量を低減させ得る。種々の実施形態では、例えば、リソグラフィまたは他の好適なマスキング技法が、基板の表面のある領域にのみ、層の蒸着を制限するために使用され得る。
【００４０】
少なくとも１つのＰＧＭの層が、固結された硬質粒子基板上に蒸着された後、熱処理ステップを使用して、基板内に塗布されるＰＧＭを拡散させてもよい。熱処理サイクルの時間および温度は、ＰＧＭの拡散から生じる濃度勾配および拡散の深度が、これらのパラメータに直接依存し得るため、かつ切削工具の結果として生じる性能改良が、勾配および拡散の深度に依存するため、重要となり得る。例えば、コバルト内のＰＧＭまたはＰＧＭの組み合わせの拡散は、通常焼結温度（〜１４００℃）では、比較的に高速である。結合剤基材内へのＰＧＭの拡散が、早過ぎる場合、濃度勾配は、適切に形成され得ない。したがって、種々の実施形態では、その上に蒸着されたＰＧＭを有する基板は、１４００℃未満の温度で処理されてもよい。種々の実施形態では、その上に蒸着されたＰＧＭを有する基板は１３２５℃乃至１３７５℃の範囲の温度で処理されてもよい。他の実施形態では、その上に蒸着されたＰＧＭを有する基板は、１３２５℃以下の温度で処理されてもよい。種々の実施形態では、その上に蒸着されたＰＧＭを有する基板は、結合剤基材内へのＰＧＭの拡散によって、所望の表面近傍濃度勾配を取得するための温度において、６０分間、１３２５℃の温度で処理されてもよい。
【００４１】
種々の実施形態では、ＰＧＭ蒸着ステップおよび後続熱処理ステップは、１回以上反復されてもよい。ＰＧＭ蒸着および熱処理の反復は、そうでなければ、コバルト等の結合剤基材内のＰＧＭの比較的に高速の拡散のため不可能であり得る、表面近傍ＰＧＭ濃度勾配の深度を延在させ得る。このように、種々の連続蒸着および熱処理サイクルが、種々の表面近傍ＰＧＭ濃度勾配を形成するために採用されてもよい。
【００４２】
種々の実施形態では、成形体を焼結後、少なくとも１つのＰＧＭを備える層を蒸着する前に、結合剤の一部分が、基板の表面の少なくとも一部分から除去されてもよい。例えば、基板の表面は、ＰＧＭを表面のその部分上に蒸着するために、基板の表面の少なくとも一部分から、結合剤の一部分を除去するようにエッチングされてもよい。エッチング動作は、固結された基質から結合剤を浸出させ、それによって、基板表面に硬質粒子粒を曝露させてもよい。種々の実施形態では、結合剤は、２乃至１００ミクロンの深度までエッチングされてもよい。他の実施形態では、結合剤は、２乃至２５ミクロンの深度までエッチングされてもよい。エッチングされる結合剤の深度は、エッチング液の化学強度および温度ならびにエッチング液と基板との間の接触時間を制御することによって、制御されてもよい板。
【００４３】
ＰＧＭを蒸着する前に、基板の表面から結合剤を除去することは、固結された硬質粒子基質内の結合剤基材中のＰＧＭの濃度勾配を改良することによって、切削工具の性能を改
良し得る。例えば、本プロセスによって、ＰＧＭを備える蒸着された層は、曝露された硬質粒子粒の湿潤および硬質粒子の表面に沿った毛細管作用によって、最初に、固結された硬質粒子基質内に進入可能となり得る。拡散プロセスの初期段階では、競合する置換拡散（例えば、ＰＧＭは、基材内に拡散し、基材は、蒸着されたＰＧＭ層内に同時拡散する）が、蒸着されたＰＧＭ層と結合剤基材との間の空隙によって、低減され得る。拡散プロセスが継続し、空隙が拡散材料によって充填されるのに伴って、結合剤基材は、エッチングされた体積内へ逆拡散し、拡散されたＰＧＭと合金化し始めてもよい。
【００４４】
結合剤エッチング動作はまた、結合剤基材を欠き、代わりに、ＰＧＭを備える蒸着された層内に、少なくとも部分的に固結された硬質粒子を備える、表面領域を生成するために使用されてもよい。種々の実施形態では、濃度勾配は、基板表面では、本質的に、１００％のＰＧＭから開始し、徐々に、基板のバルク領域内へと、結合剤基材によって希釈されてもよい。基板のバルク領域は、本質的に、１００％の結合剤基材を備えてもよい。このように、濃度勾配は、本質的に、ＰＧＭから成り、本質的に、基材から成るバルク結合剤組成まで減少する、表面結合剤組成を備えてもよい。種々の実施形態では、濃度勾配は、本質的に、ＰＧＭから成り、基材と、勾配を形成するＰＧＭ濃度未満の濃度で存在するＰＧＭと、を備える、バルク結合剤組成まで減少する、表面結合剤組成を備えてもよい。
【００４５】
本質的に、最大１００％のＰＧＭを備える、基板表面における結合剤組成は、ＰＧＭおよび基材の同時拡散の開始に先立って、ＰＧＭによって曝露された硬質粒子粒の湿潤によって達成されてもよい。結果として勾配は、ＰＧＭ含有量が検出不能であって、結合剤基材のみ基板のバルク領域内に存在するようになるまで、表面から基板内へと延在してもよい。代替として、結果として生じる勾配は、ＰＧＭ含有量が基板のバルク領域内のバルク濃度になるまで、表面から基板内へと延在してもよい。
【００４６】
故に、硬質粒子と、結合剤（表面近傍白金族金属濃度勾配を備える結合剤）と、を備える、基板を形成するために採用される特定の処理ステップは、基板の化学および／または構造に直接影響を及ぼし得る。
【００４７】
種々の実施形態では、ＰＧＭおよび基材の即時同時拡散を伴わずに、硬質粒子粒の初期湿潤を可能にするために十分な量が、基板表面から除去されることが重要となり得る。しかしながら、また、濃度勾配は、ＰＧＭおよび下層の結合剤を備える、蒸着された層間の開放体積が大き過ぎる場合、形成され得ないため、あまりに多くの結合剤の除去を防止するために重要となり得る。コバルト結合剤内に固結されたタングステン炭化物硬質粒子を備える、種々の実施形態では、２乃至１００マイクロメートルの深度までのコバルト結合剤のエッチングは、最適ＰＧＭ濃度勾配の形成を可能にし得る。コバルト結合剤内に固結されたタングステン炭化物硬質粒子を備える、種々の実施形態では、２乃至２５マイクロメートルの深度までのコバルト結合剤のエッチングは、最適ＰＧＭ濃度勾配の形成を可能にし得る。
【００４８】
ＴｉＣ、ＴａＣ、および／またはＮｂＣを含有する、固結されたＷＣ−Ｃｏ基板は、好適なＰＧＭ濃度勾配を形成するために、異なる熱処理サイクル（例えば、上昇温度およびより長い曝露時間）を要求してもよい。これは、Ｔｉ、Ｔａ、およびＮｂの存在から生じる、結合剤基材内の置換拡散パラメータの差異によるものと考えられる。
【００４９】
多くの種類の化学エッチング液は、ＰＧＭを含む層を蒸着する前に、結合剤の一部分がエッチングされる、本開示による、方法の実施形態において有用性が見出され得る。コバルト結合剤内に分散および固結されたタングステン炭化物粒子を備える、焼結された基板からコバルトを除去するための一好適かつ効果的エッチング液の実施例は、リン酸の体積あたり５％（８５％）および過酸化水素の体積あたり１％（３０％）の水溶液を備える。
５分間の基板と本溶液との間の接触は、基板表面から測定して、約１０マイクロメートルの深度まで除去するであろう。時間が延長されるほど、６０分未満の時間の間、略線形に、浸出プロセスをＷＣ−Ｃｏ基板内にさらに浸透させる。
【００５０】
非常に鋭利な縁を要求する、切削工具（例えば、バリ、エンドミル、ドリル、およびインサート等）の場合、固結された基板表面からの結合剤基材の部分的除去後のＰＧＭの蒸着および拡散は、そうでなければ、最初に、ある量の結合剤を除去させずに、基板表面上に蒸着される場合、生じ得る、望ましくない粒成長および縁円唇化を低減させ得る。しかしながら、表面近傍ＰＧＭ濃度勾配は、依然として、固結された基板からの先行する結合剤除去を伴わずに、開示される実施形態に従って、生産され得る。
【００５１】
種々の実施形態では、特有の表面近傍ＰＧＭ濃度勾配は、向上された性能レベルを達成する、工具の効果的生産に重要となり得る。表面条件および化学組成の差異は、置換拡散の速度を改変し得るため、勾配を形成するために使用される、特有の熱処理加工サイクルの観点から、濃度工場を測定するために重要となり得る。故に、例えば、グロー放電発光分光分析（ＧＤ−ＯＥＳ）等の深度依存濃度プロファイリング技法を使用して、基板表面からの深度の関数として、化学組成を測定してもよい。このように、固結された硬質粒子基板の表面近傍ＰＧＭ濃度勾配は、例えば、硬質粒子、結合剤基材、ＰＧＭ、結合剤除去動作、および熱処理の種々の組み合わせのために特色化されてもよい。
【００５２】
ＧＤ−ＯＥＳを使用して、例えば、本開示による、ある非限定的実施形態では、耐摩耗性を改良するために好適なＰＧＭ濃度勾配は、ＷＣ−１１Ｃｏ基板（１１重量％のコバルト結合剤基材と８７−８９重量％のタングステン炭化物粒子、少量のＴｉＣ／ＴａＣ／ＮｂＣを添加）の表面に、最大約２重量％のルテニウムを備えるように決定された。２重量％の濃度のルテニウムは、表面における基板の総重量（ルテニウム、コバルト、および炭化物粒子の総重量）に基づいた。図３に示されるように、処理されたＷＣ−１１Ｃｏ基板のルテニウム濃度勾配は、基板表面から約１２５マイクロメートル内において、２重量％からバックグラウンドレベルまで対数的に減少した。勾配は、基板表面における総結合剤重量（すなわち、基板表面におけるルテニウムおよびコバルト基材の総重量）に基づいて、約２０重量％のルテニウムに対応する。本勾配は、ＰＶＤプロセスを使用して、４マイクロメートル厚の層のルテニウムを塗布し、１３２５℃で、６０分間、基板を熱処理し、ＰＧＭを基板内の結合剤の表面近傍領域中に拡散させることによって、形成された。
【００５３】
種々の実施形態では、基板表面における結合剤は、総結合剤重量（すなわち、ＰＧＭおよび基材の総重量）に基づいて、重量あたり、５％乃至１００％のＰＧＭと、ゼロ％乃至９５％の基材と、を備えてもよい。種々の実施形態では、基板表面における結合剤は、総結合剤重量に基づいて、重量あたり、１０％乃至１００％のＰＧＭと、ゼロ％乃至９０％基材と、を備えてもよい。種々の実施形態では、基板表面における結合剤は、総結合剤重量に基づいて、重量あたり、２０％乃至１００％のＰＧＭと、ゼロ％乃至８０％基材と、を備えてもよい。
【００５４】
種々の実施形態では、基板のバルク領域内の結合剤は、総結合剤重量に基づいて、重量あたり、ゼロ％乃至６０％のＰＧＭと、４０％乃至１００％の基材と、を備えてもよい。バルク領域内の結合剤が、ゼロ％乃至６０％のＰＧＭを備える実施形態では、結合剤は、最初に、例えば、コバルト粉末およびＰＧＭ粉末等の２つ以上の冶金粉末を使用して形成されてもよい。２つ以上の冶金粉末は、本明細書に説明されるように、混合および加工され、ＰＧＭを備えるバルク結合剤材料を形成してもよい。次いで、表面近傍ＰＧＭ濃度勾配が、本明細書に説明されるように形成されてもよく、バルク結合剤材料内のＰＧＭおよび表面近傍濃度勾配を形成するＰＧＭは、同一ＰＧＭまたは異なるＰＧＭである。２つ以上の冶金粉末を使用して、バルク結合剤材料を形成する実施形態では、基板のバルク領域
内の結合剤および基板の表面近傍領域内の結合剤は両方とも、同一または異なるＰＧＭを備えてもよいが、表面近傍領域内のＰＧＭは、ＰＧＭ濃度勾配を形成する。
【００５５】
種々の実施形態では、表面近傍ＰＧＭ濃度勾配を形成するための熱処理後、塗膜は、基板表面上に蒸着されてもよい。塗膜は、耐摩耗塗膜を備えてもよい。塗膜は、１つの層または複数の層を備えてもよく、層は、同一または異なる組成を備え得ることを特色とする。種々の実施形態では、塗膜は、例えば、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属酸化物、またはこれらの材料のいずれかの組み合わせのうちの少なくとも１つを備えてもよい。金属は、アルミニウム、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、タングステン、ホウ素、シリコン、これらの材料のいずれかの固体溶液、およびこれらの材料のいずれかの組み合わせから成る群から選択されてもよい。
【００５６】
例えば、塗膜は、チタン炭化物（ＴｉＣ）、チタン窒化物（ＴｉＮ）、チタン炭窒化物（ＴｉＣＮ）、チタンアルミニウム窒化物（ＴｉＡＩＮ）、チタンアルミニウム窒化物と炭素（ＴｉＡＩＮ＋Ｃ）、チタンアルミニウム窒化物とタングステン炭化物／炭素（ＴｉＡＩ  Ｎ＋ＷＣ／Ｃ）、アルミニウムチタン窒化物（ＡＩＴｉＮ）、アルミニウムチタン窒化物と炭素（ＡＩＴｉＮ＋Ｃ）、アルミニウムチタン窒化物とタングステン炭化物／炭素（ＡＩＴｉＮ＋ＷＣ／Ｃ）、アルミニウム酸化物（ＡＩ２Ｏ３）、チタン二ホウ化物（ＴｉＢ２）、タングステン炭化物炭素（ＷＣ／Ｃ）、クロム窒化物（ＣｒＮ）、アルミニウムクロム窒化物（ＡＩＣｒＮ）、ジルコニウム窒化物（ＺｒＮ）、ジルコニウム炭素窒化物（ＺｒＣＮ）、ホウ素窒化物（ＢＮ）、ホウ素炭素窒化物（ＢＣＮ）ハフニウム窒化物（ＨｆＮ）、またはハフニウム炭素窒化物（ＨｆＣＮ）のうちの少なくとも１つを備えてもよい。
【００５７】
種々の実施形態では、塗膜は、ＰＶＤプロセスによって塗布されてもよい。開示されるプロセスにおいて有用性が見出され得る、ＰＶＤプロセスの実施例として、例えば、蒸発プロセス、活性化反応性蒸発、アーク放電蒸発、レーザアブレーション、イオンめっき、スパッタリング、およびイオンビーム支援蒸着が挙げられる。本開示による、表面近傍ＰＧＭ濃度勾配を有する、結合剤内に分散および固結された硬質粒子を備える、基板上に塗布されるあるＰＶＤ塗膜は、薄く、強度を有し、均質に平滑であって、化学的に安定し、非常に密集した構造を有するものとして特色化されてもよい。
【００５８】
種々の他の実施形態では、塗膜は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって塗布されてもよい。開示されるプロセスにおいて有用性を見出され得る、ＣＶＤプロセスの実施例として、例えば、熱ＣＶＤおよびプラズマ支援ＣＶＤが挙げられる。
【００５９】
本開示による、切削工具は、表面近傍ＰＧＭ濃度勾配を含む、結合剤内に固結された硬質粒子を備える、基板を備えてもよい。開示される切削工具はまた、基板上に、ＣＶＤおよび／またはＰＶＤ塗膜を備えてもよい。開示される切削工具は、硬度の向上、摩擦の低減、化学安定性、耐摩耗性の向上、耐熱亀裂性の向上、および工具寿命の延長を呈し得る。
【００６０】
ＰＶＤ塗膜およびＣＶＤ塗膜はそれぞれ、それぞれのプロセスによって蒸着された塗膜のマイクロ構造ならびに残留応力のある一意的に差異によって特色化されてもよい。例えば、ＰＶＤ塗膜は、典型的には、細粒および高残留圧縮応力を有し、ＰＶＤ塗膜を備える切削工具の強度および靭性を改良する傾向にある。故に、ＰＶＤ塗膜は、切削工具に塗布されると、ＣＶＤ塗膜に勝るある性能利点をもたらし得る。
【００６１】
結合剤として、コバルトを含む、固結された硬質粒子基板は、焼結プロセスの際、コバ
ルトが成形体の表面に溶融および浸透し、それによって、焼結された基板の表面上にコバルト構造を形成する傾向を呈し得る。本現象は、コバルトキャッピングと称され得る。基板表面上のコバルトキャップは、無作為に分布され、したがって、基板の表面上に、隆線のある粗面を生成し得る。基板の表面におけるコバルト結合剤内のＰＧＭの存在は、コバルトキャップの高さおよび頻度を増加させ得る。いくつかの表面処理技法が、ある程度まで、コバルトキャッピング効果を低減させるために行われてもよいが、コバルト結合剤内にＰＧＭを含有する焼結された固結硬質粒子基板上に均一表面を一貫して生産することは困難であり得る。故に、塗膜がＰＶＤおよび／またはＣＶＤプロセスを使用して塗布される実施形態では、基板表面は、塗膜表面前処理を行ってもよい。
【００６２】
塗膜表面前処理は、例えば、電解研磨（例えば、米国特許第５，６６５，４３１号、参照することによって本明細書に組み込まれる）、ショットピーニング、マイクロブラスト、ドライブラスト、ウェットブラスト（例えば、米国特許第５，６３５，２４７号および第５，８６３，６４０号、参照することによって本明細書に組み込まれる）、研削（例えば、米国特許第６，２１７，９９２号、参照することによって本明細書に組み込まれる）、ブラッシング（例えば、米国特許第５，８６３，６４０号、参照することによって本明細書に組み込まれる）、ジェット研磨、または圧気ブラスト等の少なくとも１つの動作を備えてもよい。塗膜表面前処理は、固結された基板表面上のコバルトキャッピング効果による、表面不規則性を低減させ、固結された基板表面に塗布されたＣＶＤおよび／またはＰＶＤ塗膜の接着を向上させ得る。
【００６３】
種々の非限定的実施形態では、塗膜は、１乃至３０マイクロメートル厚であってもよい。種々の非限定的実施形態では、塗膜は、１乃至３０マイクロメートル厚であってもよい。他の非限定的実施形態では、塗膜は、１０乃至３０マイクロメートル厚超であってもよい。種々の他の非限定的実施形態では、塗膜は、２乃至６マイクロメートル厚または３乃至５マイクロメートル厚であってもよい。
【００６４】
種々の非限定的実施形態では、塗膜は、ＰＶＤ動作によって蒸着された１乃至１０マイクロメートル厚のＴｉＡＩＮ層を備えてもよい。他の非限定的実施形態では、塗膜は、連続化学気相蒸着（ＣＶＤ）動作によって蒸着された１乃至１０マイクロメートル厚のＴｉＮ−ＴｉＣ−ＴｉＮ３層塗膜を備えてもよい。種々の他の非限定的実施形態では、塗膜は、ＰＶＤ動作を使用して蒸着された少なくとも１つの層と、ＣＶＤ動作を使用して蒸着された少なくとも１つの層と、を備えてもよい。
【００６５】
ＣＶＤおよび／またはＰＶＤ塗膜が、本明細書に開示されるプロセスに従って塗布されると、固結された基板の上部の金属層の存在は、性能問題を生じさせ得る。問題は、比較的に硬度のある耐摩耗塗膜下の金属層の軟化から生じ得る。金属層は、硬質粒子粒の基質を含有しないため、金属層は、下層の固結された基板に効果的に係留し得ない。比較的に硬質の塗膜層の下層にあるそのような比較的に軟質の金属層が機械加工の際に発生した熱によって、軟化すると、硬質塗膜層は、工具のすくい面に対して、チップの摩擦力によって、剪断され得る。硬質塗膜層が剪断する場合、下層の基板は、もはや保護されず、過度のクレータ形成および破滅的工具故障が生じ得る。基板表面から任意の金属層を除去する、塗膜表面前処理は、塗膜故障の発生を低減させ得る。
【００６６】
金属層の機械的除去は、例えば、ＡＩ２Ｏ３等の適切なブラスティング媒体を伴う、ドライまたはウェットブラストによって、達成されてもよい。金属層の化学除去もまた、可能であってもよい。しかしながら、表面近傍ＰＧＭの存在による結合剤の耐腐食性の増加によって、化学除去は、機械的除去より実施および制御が困難であり得る。
【００６７】
種々の実施形態では、塗膜は、塗膜表面後処理を行ってもよい。塗膜表面後処理はさら
に、塗膜の表面の質を改良し得る。例えば、ショットピーニング等の塗膜された切削工具表面の後処理のためのいくつかの方法が存在する。参照することによって本明細書に組み込まれる、特許広報第０２２５４１４４号は、１０−２０００マイクロメートルの範囲内の粒径を伴う、球状粒形状を有する、小金属粒子の注入を使用したショットピーニングプロセスについて説明している。塗膜表面後処理の別の実施例は、圧気ブラスティングである。参照することによって本明細書に組み込まれる、米国特許第６，８６９，３３４号は、１乃至１００マイクロメートルの範囲の非常に細かい粒径を有する、ＡＩ２Ｏ３等の無機ブラスティング剤を使用したブラスティングプロセスについて説明している。塗膜表面後処理の別の実施例は、ブラッシングである。参照することによって本明細書に組み込まれる、米国特許第６，６３８，６０９号は、ＳｉＣ粒を含有する、ナイロン製ストローブラシを使用したブラッシングプロセスについて説明している。ウェットブラストもまた、米国特許第６，６３８，６０９号に説明されるように、塗膜表面後処理として使用され、平滑塗膜層を生成し得る。
【００６８】
開示されるプロセスは、硬質粒子と、結合剤と、を備える、基板上に耐摩耗塗膜を備える、切削工具を生産するために使用されてもよく、表面近傍結合剤の組成は、ＰＧＭ濃度勾配を備えることを特色とする。開示されるプロセスは、粉末冶金技法を使用する、切削工具の生産の固化および焼結段階において、ＰＧＭを含む必要性を排除または低減させる。粉末冶金プロセスにおいて、ＰＧＭの添加を排除または低減させることによって、有意な収率損失および結果として生じるコストが、削減または排除される。ＰＧＭは、比較的に高価な材料であるため、開示されるプロセスは、ＰＧＭを含有する切削工具を生産する際、有意なコスト節約を促進し得る。加えて、開示されるプロセスは、固化または焼結段階の際、ＰＧＭのバルク添加ではなく、ＰＧＭの切削工具の特定の部分への選択的かつ標的添加を可能にするため、開示されるプロセスは、ＰＧＭ含有切削工具の全体的性能の有意な改良をもたらし得る。
【００６９】
開示される切削工具は、機械加工動作の際、切削工具における摩耗の低減、例えば、側面摩耗の低減を呈し得る。これは、工具寿命の延長をもたらし得る。加えて、開示される切削工具は、工具寿命を犠牲にすることなく、機械加工速度、送り速度、および／または切削深度を増加させることを可能にすることによって、金属除去率の増加を呈し得る。所与の時間周期において除去される材料の量を増加させる能力は、商業的機械加工事業または運営の財政的成功に有意な影響を有し得る。金属除去率（ＭＲＲ）の増加は、特に、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金、超合金、ステンレス鋼、および延性鉄等の機械加工が困難な材料を機械加工する時に、重要となり得る。
【００７０】
例えば、チタン合金は、比較的に低熱伝導性を有する傾向にある。チタン合金の熱特性は、過度の熱発生および後続工具故障の傾向によって、機械加工動作を低速で行うことを要求する。開示される切削工具は、例えば、所与の時間において除去される材料の量を増加させる一方、また、工具コストを削減することによって、チタン合金を機械加工する収益性を改良し得る。これは、例えば、チタン機械加工用途のためのより高いＭＲＲおよびより長い工具寿命を通して達成され得る。
【００７１】
表面近傍ＰＧＭ濃度勾配は、硬度、破砕靱性、熱抵抗、および耐摩耗性を強化する固体溶液を改良することによって、開示される切削工具の有用性および可用性を増加させる。多くのＰＧＭおよび関連合金の高溶融温度は、例えば、高温硬度等の固結された基板の高温特性を改良し、即時変形および後続故障を伴うことなく、工具の切削縁において、非常に高い動作温度を可能にする。加えて、表面近傍ＰＧＭ濃度勾配は、切削縁において、ＰＧＭのより高い濃度を達成することによって、基板特性を改良し、順に、例えば、ＣＶＤ、ＰＶＤ、または他の方法によって塗布される耐摩耗塗膜のための土台を改良する。拡散および後続固体溶液強化による基板の強化は、基板の耐熱変形性および破砕靭性を増加さ
せる。これらの改良された特性は、耐摩耗塗膜のためのより優れた基盤をもたらす。その結果、より高いＭＲＲが、同一またはより長い工具寿命のために達成され得る。故に、耐摩耗塗膜と組み合わせられた表面近傍ＰＧＭ濃度勾配の効果は、相互に相補し、実質的に改良された切削工具を提供する。
【００７２】
以下の例証的かつ非限定的実施例は、その範囲を制限することなく、本明細書に提示される実施形態をさらに説明することを意図する。当業者は、実施例の変形例が、請求項によってのみ定義される発明の範囲内で可能であることを理解するであろう。すべての部品および割合は、別様に示されない限り、重量あたりである。
【実施例】
【００７３】
実施例１
種々の本明細書に開示される実施形態による、塗膜された切削インサートを調製した。切削インサートは、粉末冶金技法を使用して、公称化学組成および以下の表２に提示される選択特性を有するように調製された基板を備えた。基板は、コバルト結合剤内に分散および固結されたタングステン炭化物硬質粒子を備えた。ある基板はまた、チタン、タンタル、およびニオブの小濃度の炭化物を備えた。ある基板はまた、バルク結合剤組成内にルテニウムを備えた。
【００７４】
表２に示される冶金粉末（重量％）を混合した。ボールミル粉砕器内で各冶金粉末（Ａ−Ｚ）のウェットブラストを行った。
【００７５】
【表２】
0005636052.tif 000003
乾燥後、混合および混成された組成を、１０トン／ｉｎ２（１４０ＭＰａ）の圧力下、指定された切削インサートの素地に圧縮した。次に、タングステン炭化物切削インサートのコンパクトにされた素地を炉内で真空焼結し、素地の孔を閉鎖し、硬質粒子間の接合を構築し、強度および硬度を増加させた。真空焼結プロセスは、脱ろうサイクル、焼結前サイクル、および高温焼結サイクルを含んだ。
【００７６】
焼結手順は、主要加工ステップの際、以下のパラメータを使用して行った。
（ｉ）脱ろうサイクルを室温から開始し、３７５℃の温度に到達するまで、２℃／分の上昇速度で、次いで、約９０分間、本温度に保持した。
（ｉｉ）Ｃｏ、Ｗ、Ｃ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の酸化物を分解する、焼結前サイクルを、１，２００℃の温度に到達するまで、４℃／分の上昇温度で開始し、次いで、６０分間、本温度に保持した。
（ｉｉｉ）高温焼結サイクルを、１，２００℃から１，４００℃／１，４５０℃（すなわち、焼結温度）の温度上昇で開始し、焼結温度に約１２０分間保持後、終了し、その間、焼結された基板は、非多孔性となり、所望の焼結サイズに縮小した。
（ｉｖ）冷却サイクルを行い、炉内にある間、焼結された固結炭化物切削インサート基板を室温まで冷却させた。
【００７７】
焼結プロセス後、ＰＧＭの層を、ＰＶＤプロセスを使用して、インサート基板の切削縁
表面上に蒸着した。ルテニウムの４マイクロメートルのＰＶＤ塗膜を、各固結された炭化物基板を備える、インサートのそれぞれ上に蒸着した。加えて、基板Ａを備え、ＡＤＫＴ１５０５ＰＤＥＲ−４７幾何学形状を有する、インサートを、ルテニウム、レニウム、イリジウム、オスミウム、または白金のいずれかの層によって塗装した。各切削インサート基板を、１３２５℃の６０分間熱処理サイクルに従って加工し、ＰＧＭを基板の結合剤層内に拡散させ、対数的表面近傍ＰＧＭ濃度勾配を生産した。
【００７８】
次に、固結されたタングステン炭化物切削インサートに、アルミナ砂粒によってドライブラストを行い、研磨し、縁砥磨し、特定のインサート幾何学形状の形状を完成させた。表３は、表２に提示された各基板のための調製された特定のインサート幾何学形状（ＡＳＴＭ／ＩＳＯ規格設計）を表す。
【００７９】
【表３】
0005636052.tif 000004
図３は、ルテニウムの４マイクロメートル層によって塗膜され、１３２５℃の６０分間熱処理サイクルに従って加工され、グラフに示される表面近傍ルテニウム濃度勾配を形成する、基板Ａのサンプルの表面からの深度の関数としてのＧＤ−ＯＥＳ放出（タングステン、コバルト、炭素、およびルテニウムに対する相対強度値）の片対数プロットである。グラフによって示されるように、タングステンおよび炭素の濃度は、サンプリング深度を通して比較的に一定であって、基板全体を通して、タングステン炭化物粒子の均質分布を示す。基板の表面近傍領域内への深度の増加に伴う、コバルト濃度の若干の増加およびルテニウム濃度の減少は、同時拡散プロセスがルテニウム濃度勾配を確立したことを示す。ルテニウム濃度は、基板表面において最大約２％であって、総基板重量に基づいて、基板表面から約１２５マイクロメートル内において、バックグラウンドレベル（約０．１％）まで対数的に減少する（総結合剤重量に基づいて、基板表面における約２０％のルテニウムに対応する）。
【００８０】
次に、切削インサート基板（表面近傍ＰＧＭ濃度勾配を伴うものと伴わないもの）を、耐摩耗塗膜によって塗膜した。表４は、表３に提示される各幾何学形状／基板組み合わせのために、切削インサートに塗布される特定の塗膜を表す。
【００８１】
【表４】
0005636052.tif 000005
実施例２〜８は、前述のように、生産された切削インサートの性能試験を表す。実験結果は、切削インサートの切削縁における摩耗の影響の分析を含み、図４から１０に示される。図に示される総機械加工時間は、切削インサートが、工具寿命を超える時、または機械加工プロセスの際に破壊される時のいずれかを示す。実施例９もまた、前述のように生産された切削インサートの性能試験を表す。しかしながら、実験結果は、工具寿命の分析を含み、図１１に示される。表５は、以下の実施例のそれぞれにおいて使用されたワークピース材料および切削条件を要約したものである。
【００８２】
【表５】
0005636052.tif 000006
実施例２
それぞれ、規格幾何学形状設計ＡＤＫＴ１５０５ＰＤＥＲ−４７を有する、３つの異なる群のＴｉＮ−ＴｉＣ−ＴｉＮ  ＣＶＤ塗膜された平削インサートを、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースの平削を伴う、工具摩耗試験のために使用した。平削条件は、表５に示される。工具摩耗試験を行うために使用された３つの群のＡＤＫＴ１５０５ＰＤＥＲ−４７平削インサートはそれぞれ、（ｉ）ＧＸ２０（商標）基板（ＡＴＩ  Ｓｔｅｌｌｒａｍ、Ａｌｌｅｇｈｅｎｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ、ＬａＶｅｒｇｎｅ、ＴＮ、３７０８６、ＵＳＡ）、（ｉｉ）表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴わない基板Ａ、および（ｉｉｉ）前述のように、表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う基板Ａを備えた。
【００８３】
基板Ａは、ＩＳＯ規格に従って、Ｐ４５／Ｋ３５材料を機械加工するために使用され得る、高靭性グレードの固結された炭化物粉末から生産した。基板Ａの公称化学組成およびある特性は、表２に示される。ＡＴＩ  Ｓｔｅｌｌｒａｍから市販のＧＸ２０（商標）粉末は、表６に提示される公称化学組成およびある特性を有する、固結された炭化物粉末である。
【００８４】
【表６】
0005636052.tif 000007
塗膜されたＧＸ２０（商標）固結炭化物平削インサートを、実施例１に前述のものと類似の粉末冶金技を使用して調製した。ＧＸ２０（商標）平削インサートを使用して、基板Ａ平削インサート（Ｒｕ勾配を伴うものと、伴わないもの）の摩耗特性と比較するために、基礎摩耗特性を提供した。
【００８５】
摩耗試験の結果は、図４に提示される。各変形例（ＧＸ２０（商標）材料基板、Ｒｕを伴わない基板Ａ、Ｒｕを伴う基板Ａ）に対して、３つの複製平削インサートを使用して、ワークピース上で３つの複製平削動作を行った。各変形例に対する３つの摩耗測定の平均は、図４に提示される。基礎ＧＸ２０（商標）材料変形例から作製された平削インサートは、平均側面摩耗０．００７３インチを呈した。ルテニウム含有量を伴わない基板Ａを備える、平削インサートは、平均摩耗０．０１４３インチを呈した。基板Ａを備え、固結された炭化物基板の結合剤内に拡散された表面近傍ルテニウム濃度勾配を有する、切削インサートは、平均摩耗０．００６５インチを呈した。ルテニウム勾配を伴う基板Ａを備える、切削インサートは、ルテニウム含有量を伴わない基板Ａを備える切削インサートと比較して、耐摩耗性５４．５％の向上を呈した。ルテニウム勾配を伴う基板Ａを備える、切削インサートは、ＧＸ２０（商標）材料を備える切削インサートと比較して、耐摩耗性１０．９％の向上を呈した。
実施例３
それぞれ、規格幾何学形状設計ＡＰＫＴ１６０４ＰＤＥＲ−４３を有する、３つの異なる群のＴｉＮ−ＴｉＣ−ＴｉＮ  ＣＶＤ塗膜された平削インサートを、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースの平削を伴う、工具摩耗試験のために使用した。平削条件は、表５に示される。工具摩耗試験を行うために使用された３つの群のＡＰＫＴ１６０４ＰＤＥＲ−４３平削インサートはそれぞれ、（ｉ）ＧＸ２０（商標）材料基板、（ｉｉ）表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴わない基板Ｂ、および（ｉｉｉ）表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う基板Ｂを備えた。
【００８６】
基板Ｂは、ＩＳＯ規格に従って、Ｐ４５／Ｋ３５材料を機械加工するために使用され得る、高靭性グレードの固結された炭化物粉末から生産した。基板Ｂの公称化学組成およびある特性は、表２に示される。ＧＸ２０（商標）固結炭化物平削インサートを、実施例１に前述のものと類似する方法を使用して調製した。
【００８７】
摩耗試験の結果は、図５に提示される。各変形例（ＧＸ２０（商標）材料基板、Ｒｕを伴わない基板Ｂ、Ｒｕを伴う基板Ｂ）に対して、３つの複製平削インサートを使用して、
ワークピース上で３つの複製平削動作を行った。各変形例の３つの摩耗測定の平均は、図５に提示される。基礎ＧＸ２０（商標）材料変形例を備える、平削インサートは、平均側面摩耗０．０１２インチを呈した。ルテニウム含有量を伴わない基板Ｂを備える、平削インサートは、平均摩耗０．０３０インチを呈した。基板Ｂを備え、固結された炭化物基板の結合剤内に拡散された表面近傍ルテニウム濃度勾配を有する、切削インサートは、平均摩耗０．０２２インチを呈した。ルテニウム勾配を伴う基板Ｂを備える、切削インサートは、ルテニウム含有量を伴わない基板Ｂを備える切削インサートと比較して、耐摩耗性２６．７％の向上を呈した。
実施例４
それぞれ、規格幾何学形状設計ＸＤＬＴ１２０５０８ＥＲ−Ｄ４１を有する、３つの異なる群のＴｉＮ−ＴｉＣ−ＴｉＮ  ＣＶＤ塗膜された平削インサートを、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースの平削を伴う工具摩耗試験のために使用した。平削条件は、表５に示される。工具摩耗試験を行うために使用された３つの群のＸＤＬＴ１２０５０８ＥＲ−Ｄ４１平削インサートはそれぞれ、（ｉ）ＧＸ２０（商標）材料基板、（ｉｉ）表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴わない基板Ｃ、および（ｉｉｉ）表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う基板Ｃを備えた。
【００８８】
基板Ｃは、ＩＳＯ規格に従って、Ｐ４５／Ｋ３５材料を機械加工するために使用され得る、高靭性グレードの固結された炭化物粉末から生産した。基板Ｃの公称化学組成およびある特性は、表２に示される。ＧＸ２０（商標）固結炭化物平削インサートを、実施例１に前述のものと類似する方法を使用して調製した。
【００８９】
摩耗試験の結果は、図６に提示される。各変形例（ＧＸ２０（商標）材料基板、Ｒｕを伴わない基板Ｃ、Ｒｕを伴う基板Ｃ）に対して、３つの複製平削インサートを使用して、ワークピース上で３つの複製平削動作を行った。各変形例の３つの摩耗測定の平均は、図６に提示される。基礎ＧＸ２０（商標）材料変形例を備える、平削インサートは、平均側面摩耗０．０１０４インチを呈した。ルテニウム含有量を伴わない基板Ｃを備える、平削インサートは、平均摩耗０．０１５９インチを呈した。基板Ｃを備え、固結された炭化物基板の結合剤内に拡散される表面近傍ルテニウム濃度勾配を有する、切削インサートは、平均摩耗０．０１１８インチを呈した。ルテニウム勾配を伴う基板Ｃを備える、切削インサートは、ルテニウム含有量を伴わない基板Ｃを備える切削インサートと比較して、耐摩耗性２５．８％の向上を呈した。
実施例５
それぞれ、規格幾何学形状設計ＸＤＬＴ１２０５０８ＥＲ−Ｄ４１を有する、３つの異なる群のＴｉＮ−ＴｉＣ−ＴｉＮ  ＣＶＤ塗膜された平削インサートを、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースの平削を伴う工具摩耗試験のために使用した。平削条件は、表５に示される。工具摩耗試験を行うために使用された３つの群のＸＤＬＴ１２０５０８ＥＲ−Ｄ４１平削インサートはそれぞれ、（ｉ）ＧＸ２０（商標）材料基板、（ｉｉ）表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴わない基板Ｄ、および（ｉｉｉ）表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う基板Ｄを備えた。
【００９０】
基板Ｄは、ＩＳＯ規格に従って、Ｐ４５／Ｋ３５材料を機械加工するために使用され得る、高靭性グレードの固結された炭化物粉末から生産した。基板Ｄの公称化学組成およびある特性は、表２に示される。ＧＸ２０（商標）固結された炭化物平削インサートを、実施例１に前述のものと類似する方法を使用して調製した。
【００９１】
摩耗試験の結果は、図７に提示される。各変形例（ＧＸ２０（商標）材料基板、Ｒｕを伴わない基板Ｄ、Ｒｕを伴う基板Ｄ）に対して、３つの複製平削インサートを使用して、ワークピース上で３つの複製平削動作を行った。各変形例の３つの摩耗測定の平均は、図７に提示される。基礎ＧＸ２０（商標）材料変形例を備える、平削インサートは、平均側
面摩耗０．０１０２インチを呈した。ルテニウム含有量を伴わない基板Ｄを備える、平削インサートは、平均摩耗０．０１５３インチを呈した。基板Ｄを備え、固結された炭化物基板の結合剤内に拡散される表面近傍ルテニウム濃度勾配を有する、切削インサートは、平均摩耗０．０１３２インチを呈した。ルテニウム勾配を伴う基板Ｄを備える、切削インサートは、ルテニウム含有量を伴わない基板Ｄを備える切削インサートと比較して、耐摩耗性１３．７％の向上を呈した。
実施例６
それぞれ、規格幾何学形状設計ＣＮＭＧ４３２−４Ｔを有する、１８の異なる群のＴｉＮ−ＴｉＣＮ−Ａｉ２Ｏ３−ＴｉＮ  ＣＶＤ塗膜された旋削インサートを、４３４０鋼鉄ワークピースの旋削を伴う工具摩耗試験のために使用した。旋削条件は、表５に示される。工具摩耗試験を行うために使用された１８の群のCＮＭＧ４３２−４Ｔ旋削インサート
はそれぞれ、９つの基板Ｆ〜Ｎのうちの１つを備え、第１のセットは、ルテニウム勾配を伴わず、第２のセットは、表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う。
【００９２】
基板Ｆ〜Ｎは、ＩＳＯ規格に従って、Ｐ０５／Ｋ０５からＰ４０／Ｋ４０材料を機械加工する際に使用するための広範囲のグレードを調製するために使用され得る、固結された炭化物粉末を備える。基板Ｆ〜Ｎの公称化学組成およびある特性は、表２に示される。
【００９３】
摩耗試験の結果は、図８に提示される。各変形例（Ｒｕ勾配を伴うものと、伴わない、基板Ｆ〜Ｎ）に対して、１つの旋削動作をワークピース上で行った。表面近傍ルテニウム勾配を有し、基板Ｆ、Ｇ、およびＪ〜Ｎを備える、旋削インサートは、ルテニウム含有量を伴わない基板を備える旋削インサートと比較して、耐摩耗性の向上を呈した。基板Ｆ、Ｇ、およびＪ〜Ｎならびにルテニウム勾配を備えるインサートによって呈された側面摩耗の平均減少は、約３０％であった。
実施例７
それぞれ、規格幾何学形状設計ＣＮＭＧ４３２−４Ｅを有する、８つの異なる群のＴｉＡＩＮ  ＰＶＤ塗膜された旋削インサートを、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースの旋削を伴う工具摩耗試験のために使用した。旋削条件は、表５に示される。工具摩耗試験を行うために使用された８つの群のＣＮＭＧ４３２−４Ｅ旋削インサートはそれぞれ、４つの基板１〜４のうちの１つを備え、第１のセットは、ルテニウム含有量を伴わず、第２のセットは、表面近傍ルテニウム濃度勾配を伴う。
【００９４】
基板１〜４は、機械加工ＩＳＯ規格に従って、Ｐ０１／Ｋ０５／Ｓ０１からＰ１５／Ｋ２５／Ｓ１０材料を機械加工する際に使用するための広範囲のグレードを調製するために使用され得る、固結された炭化物粉末から作製した。基板１−４の公称化学組成およびある特性は、表２に示される。
【００９５】
摩耗試験の結果は、図９に提示される。各変形例（Ｒｕ勾配を伴うものと、伴わない、基板１〜４）に対して、３つの複製旋削インサートを使用して、３つの複製旋削動作をワークピース上で行った。各変形例の３つの摩耗測定の平均は、図９に提示される。表面近傍ルテニウム勾配および基板２〜４を有する、旋削インサートは、ルテニウム含有量を伴わない基板を備える旋削インサートと比較して、耐摩耗性の向上を呈した。基板２〜４およびルテニウム勾配を備えるインサートによって呈された側面摩耗の平均減少は、約１０％であった。
実施例８
それぞれ、規格幾何学形状設計ＲＣＭＲ９６−４Ｍを有する、２つの異なる群のＴｉＮ−ＴｉＣＮ−ＯＡＩ２Ｏ３−ＴｉＣＮ−ＴｉＮ  ＣＶＤ塗膜された旋削インサートを、鍛造炭素鋼鉄鉄道車輪の旋削を伴う工具摩耗試験のために使用した。旋削条件は、表５に示される。工具摩耗試験を行うために使用された２つの群のＲＣＭＲ９６−４Ｍ旋削インサートはそれぞれ、（ｉ）ルテニウム含有量を伴わない基板Ｚ、および（ｉｉ）表面近傍ル
テニウム濃度勾配を伴う基板Ｚを備えた。
【００９６】
基板Ｚは、優れた耐高温変形性を要求する重機械加工において使用するための低コバルトグレードを調製するために使用され得る、固結された炭化物粉末から作製した。基板Ｚの公称化学組成およびある特性は、表２に示される。
【００９７】
摩耗試験の結果は、図１０に提示される。各変形例（Ｒｕ勾配を伴うものと、伴わない、基板Ｚ）に対して、１つのインサートを使用して、旋削動作を車輪上で行った。各変形例に対する摩耗測定は、図１０に提示される。加えて、各変形例に対して、車輪上の２つの異なる位置（２および３）を使用して、２つの試験を行った。位置２は、車輪のフランジであって、位置３は、車輪の後方リム面であった。ルテニウム含有量を伴わない基板Ｚを備える、旋削インサートは、それぞれ、位置２および３における１時間の総機械加工時間の間、平均摩耗０．００７５インチおよび０．０１４８インチを呈した。固結された炭化物基板の結合剤内に拡散される表面近傍ルテニウム濃度勾配を有する基板Ｚを備える、切削インサートは、それぞれ、位置２および３における７５分ならびに１１５分の総機械加工時間の間、平均摩耗０．００５８インチおよび０．０１３５インチを呈した。
【００９８】
工具寿命の差異のため、摩耗測定は、直接比較不可能である。しかしながら、線形補間を使用して、同一工具寿命の間の摩耗の同等量を判定すると、ルテニウム勾配を伴う基板Ｚを備える、切削インサートは、それぞれ、位置２および３において、ルテニウム含有量を伴わない基板Ｚを備える切削インサートと比較して、耐摩耗性約６２％ならびに６７％の向上を呈した。
実施例９
それぞれ、規格幾何学形状設計ＡＤＫＴ１５０５ＰＤＥＲ−４７を有する、６つの異なる群のＴｉＮ−ＴｉＣ−ＴｉＮ  ＣＶＤ塗膜された平削インサートを、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖワークピースの平削を伴う工具寿命試験のために使用した。ワークピース材料および平削条件は、表５に示される。工具寿命試験を行うために使用された６つの群のＡＤＫＴ１５０５ＰＤＥＲ−４７平削インサートはそれぞれ、基板Ａを備え、１つのセットは、ＰＧＭ含有量を伴わず、５つの他のセットは、それぞれ、ルテニウム、レニウム、イリジウム、オスミウム、および白金の表面近傍濃度勾配を備える。
【００９９】
工具寿命試験の結果は、図１１に提示される。各変形例に対して、１つの平削動作を行った。任意のＰＧＭを伴わない基板Ａを備える、平削インサートは、約４．１分後、故障した。表面近傍イリジウム、オスミウム、および白金濃度勾配を有する基板Ａを備える、平削インサートは、６分を超える工具寿命を呈した。表面近傍ルテニウム濃度勾配を有する基板Ａを備える、平削インサートは、５分を超える工具寿命を呈した。表面近傍レニウム濃度勾配を有する基板Ａを備える、平削インサートは、任意のＰＧＭを伴わない基板Ａを備える平削インサートと略同一工具寿命を呈した。
【０１００】
本開示は、種々の例示的、例証的、かつ非限定的実施形態を参照して記載されている。しかしながら、当業者によって、種々の代用、修飾、あるいは開示される実施形態（または、その部分）のいずれかの組み合わせが、請求項によってのみ定義される、本発明の範囲から逸脱することなく、成されてもよいことを認識されるであろう。したがって、本開示は、本明細書に明示的に記載されていない付加的実施形態も網羅するものと想定および理解される。そのような実施形態は、例えば、本明細書に説明される実施形態の開示されるステップ、原料、組成、成分、要素、特徴、態様等のいずれかを組み合わせる、修飾する、または再構成することによって、取得されてもよい。したがって、本開示は、例示的かつ例証的実施形態の説明によって制限されず、請求項によってのみ制限される。このように、出願人は、出願の際、請求項を修正し、本明細書に多様に説明される特徴として追加する権利を留保する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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