(57)【要約】【課題】多層被膜処理耐摩耗部材およびその製作方法を提供する。【解決手段】被膜処理された耐摩耗部材、並びにその製作方法は、基板および被膜組織を含む。被膜組織は、交互に配置される被膜副層の領域を有する。１つの被膜副層はＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮであり、ここで、４０原子パーセント≦ｘ≦８０原子パーセント、１５原子パーセント≦ｙ≦５５原子パーセント、４原子パーセント≦１００−ｘ−ｙ≦１５原子パーセントである。別の被膜副層はＴｉｐＡｌ１００−ｐＮであり、ここで、４５原子パーセント≦ｐ≦１００原子パーセントである。被膜処理された耐摩耗部材の製作方法は、基板を用意するステップと、交互に配置される被膜副層の領域を堆積するステップとを含む。【選択図】図２
2014055320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面を有する基板と、
交互に配置される被膜副層の領域を含む被膜組織であって、１つの被膜副層はＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮであり、ここで、４０原子パーセント≦ｘ≦８０原子パーセント、１５原子パーセント≦ｙ≦５５原子パーセント、４原子パーセント≦１００−ｘ−ｙ≦１５原子パーセントであり、別の被膜副層はＴｉｐＡｌ１００−ｐＮであり、ここで、４５原子パーセント≦ｐ≦１００原子パーセントである、被膜組織と、
を含む被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項２】
前記１つの被膜副層ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮの組成が、５０原子パーセント≦ｘ≦７０原子パーセント、２０原子パーセント≦ｙ≦４０原子パーセント、７原子パーセント≦１００−ｘ−ｙ≦１０原子パーセントである、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項３】
前記１つの被膜副層ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮの組成が、５５原子パーセント≦ｘ≦６５原子パーセント、２５原子パーセント≦ｙ≦３５原子パーセント、８原子パーセント≦１００−ｘ−ｙ≦９原子パーセントである、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項４】
前記別の被膜副層ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮの組成が４５原子パーセント≦ｐ≦６５原子パーセントである、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項５】
前記別の被膜副層ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮの組成がｐ＝１００原子パーセントである、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項６】
前記被膜組織が、前記基板表面と前記交互配置の被膜副層の領域との媒介体である接合被膜領域をさらに含む、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項７】
前記接合被膜領域が、次の接合被膜領域の選択肢のいずれか、すなわち、（Ａ）ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮの単一接合被膜層、ここで４５原子パーセント≦ｐ≦１００原子パーセントである、あるいは、（Ｂ）複数の接合被膜の組であって、各接合被膜の組は窒化チタンおよびＴｉｐＡｌ１００−ｐＮの交互配置接合被膜副層を含む、複数の接合被膜の組、ここで４５原子パーセント≦ｐ≦１００原子パーセントである、のいずれかを含む、請求項６に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項８】
前記接合被膜領域が、次の接合被膜領域の選択肢のいずれか、すなわち、（Ａ）ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮの単一接合被膜層、ここで４５原子パーセント≦ｐ≦６５原子パーセントである、あるいは、（Ｂ）複数の接合被膜の組であって、各接合被膜の組は窒化チタンおよびＴｉｐＡｌ１００−ｐＮの交互配置接合被膜副層を含む、複数の接合被膜の組、ここで４５原子パーセント≦ｐ≦６５原子パーセントである、のいずれかを含む、請求項６に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項９】
前記被膜組織が、ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮの単一の頂部被膜層をさらに含み、ここで、４０原子パーセント≦ｘ≦８０原子パーセント、１５原子パーセント≦ｙ≦５５原子パーセント、４原子パーセント≦１００−ｘ−ｙ≦１５原子パーセントである、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項１０】
前記接合被膜領域が前記基板表面の上にあり、前記交互配置の被膜副層の領域が前記接合被膜領域の上にあり、前記ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮの頂部被膜層が前記交互配置の被膜副層の領域の上にある、請求項９に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項１１】
前記交互配置の被膜副層の領域について、前記１つのチタン・アルミニウム・ケイ素窒化物の被膜副層が約２ナノメートル〜約５０ナノメートルの厚さを有し、前記別のチタン・アルミニウム窒化物の被膜副層は約２ナノメートル〜約５０ナノメートルの厚さを有する、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項１２】
前記交互配置の被膜副層の領域について、前記１つのチタン・アルミニウム・ケイ素窒化物の被膜副層が、面心立方の結晶構造を呈し、または代替的に、面心立方相と六方稠密相との混合体を呈する、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項１３】
前記耐摩耗部材が切削インサートであり、前記切削インサートはすくい面および逃げ面を有し、前記すくい面および前記逃げ面は切れ刃を形成するように交差する、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項１４】
ＩＳＯ１４５７７−１標準の手順によってナノインデンターを用いて測定した硬度として約３０ＧＰａ〜約３５ＧＰａに等しい硬度と、ＩＳＯ１４５７７−１標準の手順によってナノインデンターを用いて測定したヤング率として約４２０ＧＰａ〜約５５０ＧＰａに等しいヤング率とを有する、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【請求項１５】
被膜処理された耐摩耗部材の製作方法であって、
基板表面を有する基板を用意するステップと、
交互に配置される被膜副層の領域を堆積するステップであって、１つの被膜副層はＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮであり、ここで、４０原子パーセント≦ｘ≦８０原子パーセント、１５原子パーセント≦ｙ≦５５原子パーセント、４原子パーセント≦１００−ｘ−ｙ≦１５原子パーセントであり、別の被膜副層はＴｉｐＡｌ１００−ｐＮであり、ここで、４５原子パーセント≦ｐ≦１００原子パーセントである、ステップと、
を含む製作方法。
【請求項１６】
前記交互配置の被膜副層の領域を堆積するステップに先立って、前記基板表面上に接合被膜領域を堆積するステップをさらに含む、請求項１５に記載の被膜処理された耐摩耗部材の製作方法。
【請求項１７】
前記交互配置の被膜副層の領域を堆積した後に、前記交互配置の被膜副層の領域の上に、頂部のＴｉＡｌＳｉＮ被膜領域を堆積するステップをさらに含む、請求項１５に記載の被膜処理された耐摩耗部材の製作方法。
【請求項１８】
前記交互配置の領域の厚さは１マイクロメートル〜６マイクロメートルの範囲であり、各副層（ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮまたはＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ）の厚さは０．００２マイクロメートル〜０．０５マイクロメートルの範囲である、請求項１に記載の被膜処理された耐摩耗部材。。
【請求項１９】
前記接合被膜領域の厚さは０．２マイクロメートル〜４マイクロメートルの範囲である、請求項７に記載の被膜処理された耐摩耗部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被膜処理された耐摩耗部材と、被膜処理された耐摩耗部材の製作方法とであって、被膜組織が物理蒸着（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）によって被着される耐摩耗部材とその製作方法とに関する。さらに具体的には、本発明は、被膜処理された耐摩耗部材と、被膜処理された耐摩耗部材の製作方法とであって、被膜組織が物理蒸着（ＰＶＤ）によって被着される耐摩耗部材とその製作方法とに関する。この被膜組織は、チタン・アルミニウム・ケイ素窒化物およびチタン・アルミニウム窒化物の副層が交互に配置される領域を含む。
【背景技術】
【０００２】
物理蒸着（ＰＶＤ）法（単に薄膜法と呼称されることが多い）は、材料を、固体源から蒸発させて、真空または低圧の気体（またはプラズマ）環境中を蒸気の形態においてそれが凝縮する基板に輸送する原子堆積法である。通常、ＰＶＤ法は、数ナノメートル〜数１０００ナノメートルの範囲の厚さの膜を堆積するのに用いられるが、それ以外に、多層被膜、勾配組成堆積、極厚堆積および自立構造の形成にも用いることができる。ＰＶＤ法は、元素および合金の膜を堆積し得ると共に、反応堆積法を用いて化合物を堆積することも可能である。反応堆積法の場合は、化合物は、堆積材料と、窒素のような周囲の気体環境との反応によって形成される（例えば窒化チタン、ＴｉＮ）。（非特許文献１）を参照されたい。
【０００３】
これまで、耐摩耗性が望ましい特性であるような多くに用途において、被膜処理された耐摩耗部材が使用されてきた。通常、被膜処理された耐摩耗部材は、基板と、その基板上の被膜組織とを含む。被膜組織は、単一の被膜層を含むものでもよいが、代替的に、複数の被膜層を含むものであってもよい。多くの例において、被膜組織は耐摩耗特性を提供する。典型的な耐摩耗部材の一例は、加工物から材料（例えば金属）を除去するのに有用な被膜処理された切削工具である。被膜処理切削工具には、被膜処理切削インサート、被膜処理エンドミル、被膜処理ドリル、被膜処理タップ、および被膜処理リーマが限定なしに含まれる。被膜処理された耐摩耗部材のもう１つの用途分野は金属成形である。このような被膜処理耐摩耗コンポーネントの例として被膜処理引き抜きダイなどがある。被膜処理された耐摩耗部材は、例えばバルブ本体、ダイおよびポンチのような他のトライボロジー的な用途も有する。
【０００４】
被膜処理耐摩耗部材の使用が望ましい用途においては、被膜組織が最適レベルの硬度を呈することが有利である。この点に関して、硬度は、被膜処理耐摩耗部材に耐摩耗性を付与する被膜組織の能力を反映している。従って、最適の硬度を呈する被膜組織であって、過度に脆いということなく、耐摩耗特性をもたらすのに十分な硬度を有する被膜組織を用いることが一般的に望ましい。被膜処理耐摩耗部材の使用が望ましい用途においては、被膜組織が、基板に対する許容し得るレベルの付着性を呈することが有利である。この点に関して、通常、被膜組織の基板に対する付着能力によって、被膜処理耐摩耗部材の全体的な稼働寿命の増大がもたらされる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ドナルド  エム．  マトックス（Ｄｏｎａｌｄ  Ｍ．Ｍａｔｔｏｘ）著、「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＶＤ）  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｃｏａｔｅｒｓ、Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ、Ｎｅｗ  Ｍｅｘｉｃｏ（１９９８）、ｐ．３−４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、特定の最適硬度を呈する被膜組織を有する耐摩耗部材を提供することが望ましいであろうことが理解できる。さらに、許容し得るレベルの付着性を呈する被膜組織を有する耐摩耗部材を提供することが望ましいであろうことが理解できる。また、基板への被膜の許容し得るレベルの付着性と組み合わせた特定の最適硬度を呈する耐摩耗部材を提供することが望ましいであろうことも理解できる。全体的な目標は、金属切削、金属成形および他のトライボロジー的用途のような分野において、改良された性能特性を呈する被膜処理耐摩耗部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一態様において、基板表面を有する基板と、被膜組織とを含む被膜処理された耐摩耗部材に関する。この被膜組織は、被膜副層が交互に配置される領域を含み、１つの被膜副層はＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮであって、４０原子パーセント≦ｘ≦８０原子パーセント、１５原子パーセント≦ｙ≦５５原子パーセント、４原子パーセント≦１００−ｘ−ｙ≦１５原子パーセントであり、別の被膜副層はＴｉｐＡｌ１００−ｐＮであって、４５原子パーセント≦ｐ≦１００原子パーセントである。この被膜組織は、所望により、少なくとも１つの接合領域を含んでもよい。
【０００８】
本発明は、もう１つの態様において、被膜処理された耐摩耗部材の製作方法に関する。この方法は、次のステップ、すなわち、基板表面を有する基板を用意するステップと、交互に配置される被膜副層の領域を堆積するステップとを含む。この場合、１つの被膜副層はＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮであって、４０原子パーセント≦ｘ≦８０原子パーセント、１５原子パーセント≦ｙ≦５５原子パーセント、４原子パーセント≦１００−ｘ−ｙ≦１５原子パーセントであり、別の被膜副層はＴｉｐＡｌ１００−ｐＮであって、４５原子パーセント≦ｐ≦１００原子パーセントである。この方法は、さらに、所望により、少なくとも１つの接合領域を堆積するステップを含んでもよい。
【０００９】
以下は図面の簡単な説明であるが、この図面は本願の一部を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＣＮＭＧ４３２−ＭＰ型式の被膜処理切削インサートの斜視図である。
【図２】基板上の被膜組織の特定の一実施形態の概略図である。この実施形態においては、被膜組織が、１つの接合被膜領域と、交互に配置される被膜副層の領域であるであるチタン・アルミニウム・ケイ素窒化物およびチタン・アルミニウム窒化物の交互配置副層を含む複数の被膜の組とを含む。
【図３】基板上の被膜組織の別の特定の一実施形態の概略図である。この実施形態においては、被膜組織が、チタン・アルミニウム窒化物の接合層と、交互に配置される被膜副層の領域であるであるチタン・アルミニウム・ケイ素窒化物およびチタン・アルミニウム窒化物の交互配置副層を含む複数の被膜の組と、チタン・アルミニウム・ケイ素窒化物の単一層の頂部被膜領域とを含む。
【図４】Ｎｏ．２ＴｉＡｌＳｉＮ被膜組織の一部分の、透過電子顕微鏡法（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＥＭ）による２００ナノメートル（ｎｍ）のスケールのＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図５】Ｎｏ．２ＴｉＡｌＳｉＮ被膜組織の制限視野回折図形（ｓｅｌｅｃｔｅｄ  ａｒｅａ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｐａｔｔｅｒｎ：ＳＡＤＰ）である。この場合、ｆ．ｃ．ｃ．構造に対する計算格子状数は０．４２２±０．００１ナノメートルである。
【図６】Ｎｏ．４ＴｉＡｌＳｉＮ被膜組織の断面の、５μｍのスケールのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図７】Ｎｏ．６ＴｉＡｌＳｉＮ被膜組織の部分の、透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）による２０ナノメートル（ｎｍ）のスケールのＴＥＭ顕微鏡写真である。
【図８】Ｎｏ．６ＴｉＡｌＳｉＮ被膜組織の制限視野回折図形（ＳＡＤＰ）である。
【図９】先行技術による市販の切削インサートと、本発明による切削インサートとの金属切削試験結果を示す棒グラフである。
【図１０】先行技術による市販のＴｉ５６Ａｌ４４Ｎ被膜の断面の、５μｍのスケールの顕微鏡写真である。この市販のＴｉ５６Ａｌ４４Ｎ被膜層は２８．７ＧＰａに等しい硬度を有する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、被膜処理切削インサートの特定の一実施形態が、全体として符号５０を付して斜視図で示されている。被膜処理切削インサート５０は、すくい面５２と、逃げ面５４と、すくい面５２および逃げ面５４の交差部における切れ刃５６とを有する。また、被膜処理切削インサート５０は、切削インサート５０の工具ホルダへの装着を可能にする中心開口５８を有する。被膜処理切削インサート５０はＡＮＳＩ標準によるＣＮＭＧ４３２−ＭＰの形状を示している。
【００１２】
被膜処理切削インサート５０は被膜組織６０および基板６２を含む。図１は、基板６２を示すために一部が取り除かれた被膜組織６０を示している。基板６２は多くの材料の任意の１つを含むことができる。基板６２用の典型的な材料としては、限定なしに、超硬合金（例えばコバルト焼結炭化タングステン）、サーメット、高速度鋼、セラミック、多結晶の立方晶窒化ホウ素（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｃｕｂｉｃ  ｂｏｒｏｎ  ｎｉｔｒｉｄｅ：ＰｃＢＮ）および多結晶ダイヤモンド（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｄａｉａｍｏｎｄ：ＰＣＤ）が含まれる。被膜層は物理蒸着（ＰＶＤ）法によって堆積される。本発明による被膜組織のいくつかの特定の実施例は陰極アーク蒸着ＰＶＤ技術を使用しているが、本発明による被膜組織を被着するために他のＰＶＤ技術も適している。
【００１３】
図２は、全体として符号１００で示される別の被膜処理切削インサートの概略図である。被膜処理切削インサート１００は、表面１０４を有する基板１０２と、括弧１０６で示される被膜組織とを含む。被膜組織１０６は基板１０２の表面１０４の上に被着される。被膜組織１０６は、括弧１０８で示される接合被膜領域と、括弧１１０で示される交互配置の被膜副層の領域とを含む。以下に明らかになるように、交互配置の被膜副層の領域は、交互配置の被膜副層を含む複数の被膜の組を含む。接合被膜領域１０８は、基板表面と交互配置の被膜副層１１０との媒介体である。交互配置の被膜副層の領域１１０は、接合被膜領域１０８の頂面に被着される。特定の実施形態においては、接合被膜領域１０８は、以下に述べるように２つの選択肢のどちらにすることも可能である。
【００１４】
第１の選択肢においては、接合被膜領域がＴｉｐＡｌ１００−ｐＮの単一層である。ここで４５≦ｐ≦１００である。この組成の別の選択肢として、組成を、ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ、ここで４５≦ｐ≦６５とすることも可能である。ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮの単一層の厚さに関しては、チタン・アルミニウム窒化物の単一被膜層の厚さを約０．０５マイクロメートル〜約４マイクロメートルの範囲にすることができる。代替的に、ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮの単一層の厚さを約０．２マイクロメートル〜約４マイクロメートルの範囲にすることも可能である。
【００１５】
第２の選択肢においては、接合被膜領域が複数の接合被膜の組を含む。この場合、各接合被膜の組は、交互配置されるＴｉＮおよびＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ（すなわちＴｉＮ／ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ）の接合被膜副層を含む。ここで４５≦ｐ≦１００である。このチタン・アルミニウム窒化物の組成の別の選択肢として、組成を、ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ、ここで４５≦ｐ≦６５とすることも可能である。
【００１６】
接合被膜領域の第２の選択肢の場合の厚さのパラメータに関しては、窒化チタンの被膜層の厚さを約０．００２マイクロメートル〜約０．０５マイクロメートルの範囲にすることができる。代替的に、窒化チタンの被膜層の厚さを約０．００２マイクロメートル〜約０．０２５マイクロメートルの範囲にすることも可能である。チタン・アルミニウム窒化物の被膜層の厚さは、約０．００２マイクロメートル〜約０．０５マイクロメートルの範囲にすることができる。代替的に、チタン・アルミニウム窒化物の被膜層の厚さを約０．００２マイクロメートル〜約０．０２５マイクロメートルの範囲にすることも可能である。各被膜の組（ＴｉＮ／ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ）の厚さは、約０．００４マイクロメートル〜約０．１マイクロメートルの範囲にすることができる。代替的に、被膜の組（ＴｉＮ／ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ）の厚さを約０．００４マイクロメートル〜約０．０５マイクロメートルの範囲にすることも可能である。ＴｉＮ／ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮの接合領域の合計厚さは、約ゼロマイクロメートルより大きい厚さ〜約４マイクロメートルの範囲にすることができる。
【００１７】
交互配置の被膜副層（ＴｉＡｌＳｉＮ／ＴｉＡｌＮ）の領域１１０は複数の被膜の組（１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ）を含み、各被膜の組は、チタン・アルミニウム・ケイ素窒化物（ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮ、４０≦ｘ≦８０、１５≦ｙ≦５５、４≦１００−ｘ−ｙ≦１５）の副層（１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ）と、チタン・アルミニウム窒化物（ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ、４５≦ｐ≦１００）の副層（１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ）とを含む。この場合、被膜の組成は原子パーセントで規定される。チタン・アルミニウム・ケイ素窒化物の被膜層の組成に関してはいくつもの選択肢があり、チタン・アルミニウム窒化物の被膜層の組成に関してもいくつもの選択肢がある。この交互配置のＴｉＡｌＳｉＮ／ＴｉＡｌＮ被膜領域１１０の合計被膜厚さは、１マイクロメートル〜６マイクロメートルの範囲である。
【００１８】
チタン・アルミニウム・ケイ素窒化物（ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮ）の被膜層の組成に関して、１つの選択肢は、（ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮにおいて）５０原子パーセント≦ｘ≦７０原子パーセント、２０原子パーセント≦ｙ≦４０原子パーセント、７原子パーセント≦１００−ｘ−ｙ≦１０原子パーセントであり、第２の選択肢は、（ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮにおいて）５５原子パーセント≦ｘ≦６５原子パーセント、２５原子パーセント≦ｙ≦３５原子パーセント、８原子パーセント≦１００−ｘ−ｙ≦９原子パーセントである。チタン・アルミニウム窒化物（ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ、４５≦ｐ≦１００）の被膜層の組成に関しては、１つの選択肢は、ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ、ここで４５原子パーセント≦ｐ≦６５原子パーセントであり、もう１つの選択肢は、ＴｉｐＡｌ１００−ｐＮ、ここでｐ＝１００原子パーセントである。
【００１９】
被膜層１１８Ａ〜Ｃおよび１２０Ａ〜Ｃに対する厚さパラメータに関しては、チタン・アルミニウム・ケイ素窒化物の被膜層の厚さを約０．００２マイクロメートル〜約０．０５マイクロメートルの範囲にすることができる。代替的に、チタン・アルミニウム・ケイ素窒化物の被膜層の厚さを約０．００２マイクロメートル〜約０．０２５マイクロメートルの範囲にすることも可能である。チタン・アルミニウム窒化物の被膜層の厚さは、約０．００２マイクロメートル〜約０．０５マイクロメートルの範囲にすることができる。代替的に、チタン・アルミニウム窒化物の被膜層の厚さを約０．００２マイクロメートル〜約０．０２５マイクロメートルの範囲にすることも可能である。被膜の組（１１４Ａ〜１１４Ｃ）の厚さに関しては、１つの被膜の組の厚さを約０．００４マイクロメートル〜約０．０５マイクロメートルの範囲にすることができる。代替的に、１つの被膜の組の厚さを約０．００４マイクロメートル〜約０．０２５マイクロメートルの範囲にすることも可能である。
【００２０】
チタン・アルミニウム・ケイ素・窒素の被膜については、被膜の結晶構造は、面心立方（ｆ．ｃ．ｃ．）、あるいは、ｆ．ｃ．ｃ．と六方稠密相（ｈ．ｃ．ｐ．相）との混合体である。相の構成は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折図形（ＳＡＤＰ）によって決定される。
【００２１】
図３は、全体として符号１３０で示されるさらに別の被膜処理切削インサートの概略図である。被膜処理切削インサート１３０は、表面１３４を有する基板１３２と、括弧１３６で示される全体被膜組織とを含む。被膜組織１３６は基板１３２の表面１３４の上に被着される。被膜組織１３６は、括弧１３７で示される被膜組織であって、図２の実施形態の全体被膜組織１０６と本質的に同じである被膜組織を含む。図２の対応する被膜領域に関する記述が、図３における対応する被膜領域の記述にも適用される。被膜組織１３７は、括弧１３８で示される接合被膜領域と、括弧１４０で示される交互配置の被膜副層の領域とを含む。全体被膜組織１３６は、さらに、括弧１４２で示される頂部被膜領域を含む。接合被膜領域は、基板表面と交互配置の被膜副層領域との媒介体である。交互配置の被膜副層の領域は、接合被膜領域の上に被着される。
【００２２】
頂部の被膜領域１４２に関しては、被膜層は、チタン・アルミニウム・ケイ素窒化物（ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮ、４０≦ｘ≦８０、１５≦ｙ≦５５、４≦１００−ｘ−ｙ≦１５）を含む。このチタン・アルミニウム・ケイ素窒化物（ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮ）の被膜層の組成に関して、１つの選択肢は（ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮにおいて）５０≦ｘ≦７０、２０≦ｙ≦４０、７≦１００−ｘ−ｙ≦１０であり、第２の選択肢は（ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮにおいて）５５≦ｘ≦６５、２５≦ｙ≦３５、８≦１００−ｘ−ｙ≦９である。チタン・アルミニウム・ケイ素・窒素被膜については、被膜の結晶構造は、面心立方（ｆ．ｃ．ｃ．）、あるいは、ｆ．ｃ．ｃ．と六方稠密相（ｈ．ｃ．ｐ．相）との混合体である。相の構成は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折図形（ＳＡＤＰ）によって決定される。チタン・アルミニウム・ケイ素窒化物の被膜層の厚さは、約ゼロマイクロメートルより大きい厚さ〜約３マイクロメートルの範囲にすることができる。代替的に、チタン・アルミニウム・ケイ素窒化物の被膜層の厚さを約０．２マイクロメートル〜約２マイクロメートルの範囲にすることも可能である。
【００２３】
本発明の作業においては、被膜の堆積に陰極アーク蒸着法を用いる。被膜処理チャンバを約１×１０−３Ｐａに等しい圧力までポンプ吸引した。続いて、部品、すなわち被膜処理するべき基板を、放射ヒータによって約５５０℃に等しい温度まで加熱した。以下の実施例において、基板は、約６％のコバルトおよび約０．４％のクロムを含有する炭化タングステンから構成されるものであった。各基板の表面は、約０．２Ｐａに等しい圧力において、約−５０ボルト〜−２００ボルトのＤＣ電圧を用いたアルゴンエッチングによって清浄化した。
【００２４】
チタン・アルミニウム・ケイ素およびチタン・アルミニウムの粉末冶金ターゲットは、チタン・アルミニウム・ケイ素・窒素被膜層およびチタン・アルミニウム・窒素被膜層を堆積するために、窒素（または不活性ガス中の窒素）の反応雰囲気中において使用した。被膜層の化学すなわち組成は、異なる組成のチタン・アルミニウム・ケイ素およびチタン・アルミニウムのターゲットを用いることによって調整した。各被膜層を堆積するための作用圧力は約０．５Ｐａ〜約６Ｐａの範囲内であった。
【００２５】
６つの異なる被膜組成のチタン・アルミニウム・ケイ素・窒素被膜を対象とした。各被膜の基板は、約６％のコバルトおよび約０．４％のクロムを含有する焼結炭化タングステンとした。次の表１は６つの被膜のそれぞれにおけるチタン、アルミニウムおよびケイ素成分の含有量を表している。全被膜は、（原子パーセントにおける）次式の組成、すなわち、ＴｉｘＡｌｙＳｉ１００−ｘ−ｙＮであってｘおよびｙはチタン、アルミニウムおよびケイ素含有量の合計の原子パーセントである、組成を有する。被膜層の組成は、ＳＥＭを用いたＥＤＳ技法で測定した。
【表１】
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【００２６】
次の表２は、被膜Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６のそれぞれの特性を示す。用語の「ｆ．ｃ．ｃ．」は面心立方（ｆａｃｅ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｃｕｂｉｃ）を意味し、「ｈ．ｃ．ｐ．」は六方稠密（ｈｅｘａｇｏｎａｌ  ｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄ）を意味する。
【表２】
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【００２７】
硬度およびヤング率はギガパスカル（ＧＰａ）の単位で表現されている。これは、ＩＳＯ１４５７７−１標準の手順によってナノインデンターを用いて測定した。結晶構造も記載されているが、これは透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって決定した。
【００２８】
被膜Ｎｏ．２の組成および特性が上記の表１および表２に示されている。図４は、被膜Ｎｏ．２の一部分の透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）による顕微鏡写真である。図５は、被膜Ｎｏ．２の制限視野回折図形（ＳＡＤＰ）であり、これは、この被膜が面心立方（ｆ．ｃ．ｃ．）の結晶構造の単一相から構成されていることを表している。
【００２９】
被膜Ｎｏ．４の組成および特性が上記の表１および表２に示されている。図６は、被膜Ｎｏ．４の断面のＳＥＭ顕微鏡写真である。被膜Ｎｏ．４（Ｔｉ５７．９Ａｌ３３．５Ｓｉ８．６Ｎ）（図６参照）を、図１０に示す先行技術による上記のＴｉ５６Ａｌ４４Ｎ被膜と比較すると、ケイ素の添加によって被膜の結晶粒径が微細化されていることが分かる。先行技術のＴｉ５６Ａｌ４４Ｎ被膜の硬度は２８．７ＧＰａに等しい。被膜の結晶粒径の低減によって、Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈの関係による被膜硬度の増大がもたらされている。
【００３０】
被膜Ｎｏ．６の組成および特性が上記の表１および表２に示されている。図７は、被膜Ｎｏ．６の一部分の透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）による顕微鏡写真である。図８は被膜Ｎｏ．６の制限視野回折図形（ＳＡＤＰ）である。図８は、アルミニウムおよびシリコンの含有量が高いと六方相が存在することを示している。
【００３１】
被膜Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６は優れた硬度を有するが、これらの被膜は単一層として堆積すると、鋭い切れ刃上において薄片に剥離する可能性がある。被膜の付着性は次の方策によって改善できる。すなわち、（１）ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮのようなＳｉを含有しない接合層および/またはＴｉＮ／ＴｉＡｌＮの混合層の追加、および、（２）ＴｉＡｌＳｉＮ被膜およびＴｉＡｌＮ被膜の交互配置、である。表３を参照すると、被膜Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１３は、少なくとも１つの接合領域と、交互配置のＴｉＡｌＳｉＮ／ＴｉＡｌＮ被膜領域とを有する被膜を示す。被膜Ｎｏ．７は、旋盤およびフライス加工用として現在用いられている先行技術の市販のＡｌＴｉＮ被膜である。被膜Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１３は、市販の（先行技術の）被膜Ｎｏ．７より高い硬度を示している。表３においては、硬度およびヤング率はギガパスカル（ＧＰａ）の単位で表現されているが、これは、ＩＳＯ１４５７７−１標準の手順によってナノインデンターを用いて測定した。
【表３】
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被膜Ｎｏ．７〜Ｎｏ．１３については、頂部のＴｉＡｌＳｉＮ被膜領域はない。
【００３２】
３０４ステンレス鋼の連続旋盤加工における第１比較試験において、市販のＡｌ６１Ｔｉ３９Ｎの被膜層と被膜層Ｎｏ．８とを比較した。切削条件は次のとおりである。すなわち、速度＝２５０メートル／分、送り量＝０．２５ミリメートル／回転、切り込み深さ＝２．０３ｍｍ  ｄｏｃ、インサート型式ＣＮＭＧ４３２−ＭＰ、リード角度＝−５°、切削液＝噴流、である。寿命終端基準は、切削インサート逃げ面における摩耗が０．３ｍｍとした。図９は、先行技術による市販の切削インサートと、本発明による切削インサートの実施形態との金属切削試験結果を示す棒グラフである。この棒グラフ（図９）から分かるように、被膜層Ｎｏ．８を使用すると、Ａｌ６１Ｔｉ３９Ｎ被膜を用いた市販の切削インサートに比べて工具寿命が３７パーセント増大する。
【００３３】
３０４ステンレス鋼の連続旋盤加工における第２比較試験において、市販のＡｌ６１Ｔｉ３９Ｎの被膜層と被膜層Ｎｏ．８とを比較した。切削条件は次のとおりである。すなわち、速度＝１９８メートル／分、送り量＝０．２ミリメートル／回転、切り込み深さ＝２．０３ｍｍ  ｄｏｃ、インサート型式ＣＮＭＧ４３２−ＭＰ、リード角度＝−５°、切削液＝噴流、である。寿命終端基準は、切削インサート逃げ面における摩耗が０．３ｍｍとした。市販の被膜Ｎｏ．７は１８．４分後に機能不全に至った。被膜Ｎｏ．１１は２６．２分の切削後に機能不全に至ったが、被膜Ｎｏ．９、Ｎｏ．１０およびＮｏ．１２は、３０分間の切削後にも機能不全基準に達しない。
【００３４】
３０４ステンレス鋼の連続旋盤加工における第３比較試験において、市販のＡｌ６１Ｔｉ３９Ｎの被膜層と被膜層Ｎｏ．１３とを比較した。切削条件は次のとおりである。すなわち、速度＝２５０メートル／分、送り量＝０．２５ミリメートル／回転、切り込み深さ＝２．０３ｍｍ  ｄｏｃ、インサート型式ＣＮＭＧ４３２−ＭＰ、リード角度＝−５°、切削液＝噴流、である。寿命終端基準は、切削インサート逃げ面における摩耗が０．３ｍｍとした。市販の被膜Ａｌ６１Ｔｉ３９Ｎは８分の切削後に機能不全に至ったが、被膜Ｎｏ．１３は１３．１分間持続する。
【００３５】
以上の記述から、本発明による被膜層は、特定の最適硬度を呈する耐摩耗部材を提供することが明らかである。さらに、本発明による被膜層は、許容し得るレベルの付着性を呈する被膜を有する耐摩耗部材を提供することが分かる。また、本発明による被膜層は、基板への被膜の許容し得るレベルの付着性と組み合わせた特定の最適硬度を呈する耐摩耗部材を提供することも分かる。本発明による被膜層は、改良された性能特性を呈する被膜処理された耐摩耗部材を提供するという全体的な目標を達成する耐摩耗部材を提供することが明らかである。
【００３６】
本明細書においては、具体的な耐摩耗部材は被膜処理された切削インサートである。しかし、改良された特性は他の種類の耐摩耗部材（例えば、ポンチ、ダイおよび型）にも存在すればいいと期待されていることが理解されるべきである。
【００３７】
本明細書において言及された特許および他の文献資料は、その全体が参照によって本願に組み込まれる。当業者には、本明細書に開示した本発明の詳細または実践を考慮することによって、本発明の他の実施形態が明らかになるであろう。本明細書に記述した詳細説明および実施例は、単に事例的なものであって、本発明の範囲を制限するものではないことが意図されている。以下の特許請求の範囲が本発明の真の範囲および本質を示している。
【符号の説明】
【００３８】
５０    切削インサート
５２    すくい面
５４    逃げ面
５６    切れ刃
５８    中心開口
６０    被膜組織
６２    基板
１００  切削インサート
１０２  基板
１０４  表面
１０６  被膜組織
１０８  接合被膜領域
１１０  交互配置の被膜副層
１１４Ａ、Ｂ、Ｃ  被膜の組
１１８Ａ、Ｂ、Ｃ  副層
１２０Ａ、Ｂ、Ｃ  副層
１３０  切削インサート
１３２  基板
１３４  表面
１３６  被膜組織
１３７  被膜組織
１３８  接合被膜領域
１４０  交互配置の被膜副層
１４２  頂部被膜領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図９】
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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１０】
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