(57)【要約】  本発明は、化学蒸着（ＣＶＤ）コーティングでコーティングされた表面を有する基材を備える、金属の切屑形成機械加工のためのコーティングされた切削工具に関する。このコーティングされた切削工具は、α−Ａｌ２Ｏ３の層を含むコーティングでコーティングされた基材を含み、前記α−Ａｌ２Ｏ３層は≧７．２の組織係数ＴＣ（０  ０  １２）を示し、Ｉ（０  ０  １２）／Ｉ（０  １  １４）の比は≧０．８である。該コーティングは、基材とα−Ａｌ２Ｏ３層との間に位置するＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層をさらに含む。ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層は、該コーティングの外面に平行で、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮの外面から１μｍ未満のＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の一部においてＥＢＳＤにより測定した極点図｛２１１｝を示し、該コーティングの外面の法線から０°≦β≦４５°の傾斜角範囲にわたって０．２５°のビンサイズを有する極点図のデータに基づく極プロットは、β≦１５°の傾斜角以内の強度の０°≦β≦４５°の傾斜角以内の強度に対する比が≧４５％であることを示す。【選択図】図１
2019520225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
α−Ａｌ２Ｏ３の層を含むコーティングでコーティングされた基材を備える、コーティングされた切削工具であって、α−Ａｌ２Ｏ３層の厚さは２−４μｍであり、前記α−Ａｌ２Ｏ３層は、ＣｕＫα放射線及びθ−２θスキャンを用いるＸ線回折により測定され、  ハリスの式：
2019520225.tif 000016
［式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、
Ｉ０（ｈｋｌ）は、ＩＣＤＤのＰＤＦカード番号００−０１０−０１７３による標準強度であり、ｎは計算に使用される反射の数であり、用いられる（ｈｋｌ）反射は、（１  ０  ４）、（１  １  ０）、（１  １  ３）、（０  ２  ４）、（１  １  ６）、（２  １  ４）、（３  ０  ０）及び（０  ０  １２）である］
に従って決定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、
ＴＣ（０  ０  １２）は≧７．２であり、Ｉ（０  ０  １２）／Ｉ（０  １  １４）の比は≧０．８であり、前記コーティングが基材とα−Ａｌ２Ｏ３層との間に位置するＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層をさらに含み、前記ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の厚さが２−３μｍであり、前記ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層は、コーティングの外面に平行で、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮの外面から１μｍ未満のＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の一部においてＥＢＳＤにより測定した極点図｛２１１｝を示し、コーティングの外面の法線から０°≦β≦４５°の傾斜角範囲にわたって０．２５°のビンサイズを有する極点図のデータに基づく極プロットは、β≦１５°の傾斜角以内の強度の０°≦β≦４５°の傾斜角以内の強度に対する比が≧４５％であることを示す、
コーティングされた切削工具。
【請求項２】
前記ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層が、請求項１に記載のＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮの同じ部分においてＥＢＳＤで測定した極点図｛１１０｝を示し、コーティングの外面の法線から≦β≦４５°の傾斜角範囲にわたって０．２５°のビンサイズを有する極点図のデータに基づく極プロットが、β≦１５°の傾斜角以内の強度の０°≦β≦４５°の傾斜角以内の強度に対する比が≦３０％であることを示す、請求項１に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項３】
α−Ａｌ２Ｏ３層の厚さが２．５−３．５μｍである、請求項１又は２に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項４】
コーティングが、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の最外側に位置し、かつ、α−Ａｌ２Ｏ３層に隣接する、ＨＴＣＶＤ堆積されたＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ及び／若しくはＴｉＣＯ又はこれらの組み合わせを含む結合層をさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項５】
結合層の厚さが０．５−１μｍである、請求項４に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項６】
基材に隣接する最内側のＴｉＮ層をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項７】
前記ＴｉＮ層の厚さが０．３−０．６μｍである、請求項６に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項８】
基材が超硬合金、サーメット、セラミックである、請求項１から７のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項９】
基材が、８−１５重量％のＣｏ含有量を有する超硬合金である、請求項１から８のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項１０】
フライスインサートである、請求項１から９のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項１１】
鋼、好ましくは合金鋼、炭素鋼又は靭性のある硬化鋼のフライス作業における、請求項１から１０のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蒸着（ＣＶＤ）コーティングでコーティングされた表面を有する基材を備える、金属の切屑形成機械加工のためのコーティングされた切削工具に関する。本発明によるコーティングされた切削工具は、例えば合金鋼、炭素鋼又は靭性のある硬化鋼などの金属材料のフライス加工、旋削又は穿孔において高い耐摩耗性を要求される用途で特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
超硬合金切削工具での耐摩耗コーティングの化学蒸着（ＣＶＤ）は、長年にわたり産業的に実施されてきた。例えばＴｉＣＮ及びＡｌ２Ｏ３などのコーティングは、多くの異なる材料の切削における切削インサートの耐摩耗性を改善することが示されている。ＴｉＣＮの内側の層とα−Ａｌ２Ｏ３の外側の層との組み合わせは、例えば鋼のフライス加工又は旋削加工用に設計された多くの市販の切削インサートに見出すことができる。
【０００３】
ＥＰ第１９０５８７０号は、＜０  ０  １＞方向に強い成長組織（growth texture）を示す少なくとも１つのα−Ａｌ２Ｏ３層を有するコーティングを含む、コーティングされた切削インサートを開示している。旋削加工時のインサートのエッジ靭性（edge toughness）は、改善された。
【０００４】
発明の目的
本発明の目的は、切削作業において改善された性能を有するアルミナコート切削工具を提供することである。本発明のさらなる目的は、改善された耐摩耗性、例えばクレーター摩耗に対する高い耐性、切れ刃の塑性変形時のコーティングの剥離に対する耐性、潤滑若しくは無潤滑切削における熱亀裂に対する耐性、及び／又は向上したエッジライン靭性（edge line toughness）を有する、コーティングされた切削工具を提供することである。    本発明の別の目的は、フライス加工、例えば鋼、合金鋼、炭素鋼及び靭性のある硬化鋼のフライス加工において高い性能を有する切削工具を提供することである。
【発明の概要】
【０００５】
上記目的の少なくとも１つは、請求項１に記載の切削工具により達成される。好ましい実施態様は、従属請求項に開示される。
【０００６】
本発明の切削工具は、α−Ａｌ２Ｏ３の層を含むコーティングでコーティングされた基材を備え、α−Ａｌ２Ｏ３層の厚さは２−４μｍであり、α−Ａｌ２Ｏ３は、ＣｕＫα放射線及びθ−２θスキャンを用いるＸ線回折により測定され、ハリスの式：
2019520225.tif 000003
［式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、
Ｉ０（ｈｋｌ）は、ＩＣＤＤのＰＤＦカード番号００−０１０−０１７３による標準強度であり、ｎは計算に使用される反射の数であり、用いられる（ｈｋｌ）反射は、（１  ０  ４）、（１  １  ０）、（１  １  ３）、（０  ２  ４）、（１  １  ６）、（２  １  ４）、（３  ０  ０）及び（０  ０  １２）である］
により決定される組織係数（texture coefficient）ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、
ここで、ＴＣ（０  ０  １２）は≧７．２、好ましくは≧７．４、より好ましくは≧７．５、より好ましくは≧７．６、最も好ましくは≧７．７であり、好ましくは≦８であり、
かつ、Ｉ（０  ０  １２））／Ｉ（０  １  １４）の比は≧０．８又は≧１、好ましくは≧１．５、より好ましくは≧１．７、最も好ましくは≧２であり、Ｉ（０  ０  １２）は０  ０  １２反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ（０  １  １４）は０  １  １４反射の測定強度（積分面積）である。
【０００７】
本発明のコーティングは、基材とα−Ａｌ２Ｏ３層との間に位置するＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層をさらに含み、前記ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の厚さは２−３μｍである。ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の粒子は柱状である。
【０００８】
ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層は、コーティングの外面に平行で、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮの外面から１μｍ未満、好ましくは０．５μｍ未満のＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の一部においてＥＢＳＤにより測定した極点図｛２１１｝を示し、コーティングの外面の法線から０°≦β≦４５°の傾斜角範囲にわたって０．２５°のビンサイズを有する極点図のデータに基づく極プロットは、β≦１５°の傾斜角以内の強度の０°≦β≦４５°の傾斜角以内の強度に対する比が≧４５％であることを示す。
【０００９】
一態様において、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層は、上記と同じＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮの一部においてＥＢＳＤにより測定した極点図｛１１０｝を示し、コーティングの外面の法線から０°≦β≦４５°の傾斜角範囲にわたって０．２５°のビンサイズを有する極点図のデータに基づく極プロットは、β≦１５°の傾斜角以内の強度の０°≦β≦４５°の傾斜角以内の強度に対する比が≦３０％であることを示す。
【００１０】
ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の極点図と極プロットは、α−Ａｌ２Ｏ３層に近い層の一部のものである。極点図と極プロットは、α−Ａｌ２Ｏ３層に近いＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の外面から１μｍ以内、好ましくは０．５μｍ未満のものである。
【００１１】
このＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層は、下記に提示するフライス切削試験で示されたように、最終的な切削工具の耐摩耗性を複数の面で改善することができるという利点を示した。本発明の切削工具は、高い耐クレーター摩耗性、切れ刃の塑性変形時のコーティングの剥離に対する高い耐性、潤滑及び無潤滑切削における熱亀裂に対する高い耐性、及び向上したエッジライン靭性を示した。ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の外側部分の組織は切削工具の工具寿命にとって非常に重要であることと、層全体からの情報を提示するＸＲＤによる組織測定が本発明のＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の改善された特性を開示するには不十分であることが分かっている。代わりに、α−Ａｌ２Ｏ３層に近いＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層コーティングの一部におけるＥＢＳＤ測定値が示される。
【００１２】
α−Ａｌ２Ｏ３層は典型的には、熱ＣＶＤによって堆積される。あるいは、他のＣＶＤ堆積法を用いてもよい。これは、下記に開示するコーティングのさらなる層についても当てはまる。本明細書では、ＨＴＣＶＤは９５０−１０５０℃の温度範囲内の、ＭＴＣＶＤは８００−９５０℃の範囲内でのＣＶＤ法であると定義される。
【００１３】
α−Ａｌ２Ｏ３層は、少なくとも、クレーター摩耗及び／又は逃げ面摩耗のために露出された領域に覆う、切削工具の、切削作業において少なくとも切削に関与する領域を覆っている。あるいは、切削工具全体が、α−Ａｌ２Ｏ３層及び／又はコーティングのさらなる層でコーティングされてもよい。
【００１４】
強い組織＜０  ０  １＞とは、本明細書では、基材表面に平行なα−Ａｌ２Ｏ３（０  ０  １）結晶面による、基材表面に平行な他の結晶面によるよりもさらに頻繁な、統計的に好ましい成長を意味する。好ましい組織を表現する手段は、それぞれの試料上で測定されたＸＲＤ反射の規定された組に基づきハリスの式（上記の式（１））を用いて計算された組織係数ＴＣ（ｈ  ｋ  ｌ）を計算することである。ＸＲＤ反射の強度は、同じ材料（例えばα‐Ａｌ２Ｏ３）だが（例えば材料の粉末中などで）不規則配向を有するＸＲＤ反射の強度を示すＪＣＰＤＦカードを用いて標準化される。結晶性材料の層の１より大きい組織係数ＴＣ（ｈ  ｋ  ｌ）は、結晶性材料の粒子が、不規則分布よりも頻繁に、その［ｈ  ｋ  ｌ］結晶面を基材表面に平行に配向されることの指標である。組織係数ＴＣ（０  ０  １２）は、本明細書では、結晶方位＜０  ０  １＞に沿った好ましい結晶成長を示すために使用される。結晶面（０  ０  １）は、α‐Ａｌ２Ｏ３結晶系内の結晶面（０  ０  ６）及び（０  ０  １２）に対して平行である。
【００１５】
本発明の一実施態様では、α−Ａｌ２Ｏ３層の厚さは、２−４μｍ、好ましくは２．５−３．５μｍである。
【００１６】
本明細書においてＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮとは、Ｔｉ（Ｃｘ，Ｎ１−ｘ）［式中、０．２≦ｘ≦０．８、好ましくは０．３≦ｘ≦０．７、より好ましくは０．４≦ｘ≦０．６］を意味する。ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮのＣ／（Ｃ＋Ｎ）比は、例えば電子顕微分析で測定することができる。
【００１７】
本発明の一実施態様では、コーティングは、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の最外側に位置し、かつ、α−Ａｌ２Ｏ３層に隣接する、ＨＴＣＶＤ堆積されたＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ及び／若しくはＴｉＣＯ又はこれらの組み合わせ、好ましくはＨＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ及びＴｉＣＮＯを含む結合層をさらに含む。結合層は、ＴｉＣＮ層とα−Ａｌ２Ｏ３層との接着を高めるためのものである。結合層は、α−Ａｌ２Ｏ３層の堆積に先立って、好ましくは酸化される。結合層は、非柱状の粒子、例えば等軸状（equally axed）粒子を含む。前記結合層の厚さは、好ましくは０．５−２μｍ、０．５−１．５又は０．５−１μｍである。結合層の厚さは、例えば、コーティングの断面のＳＥＭ画像から測定することができる。
【００１８】
本発明の一実施態様では、コーティングは、２−３μｍのＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮと２−４μｍのα−Ａｌ２Ｏ３層とを含む。本態様の結合層は、好ましくは０．５−１μｍである。
【００１９】
本発明の一実施態様では、コーティングは、好ましくは厚さ０．３−０．６μｍの、最内側のＴｉＮ層を含む。該ＴｉＮ層は、好ましくは基材に隣接して位置する。
【００２０】
本発明の一実施態様では、基材は、超硬合金、サーメット又はセラミックである。これらの基材は、本発明のコーティングに適した硬度及び靭性を有する。
【００２１】
本発明の一実施態様では、コーティングされた切削工具の基材は、８−１５重量％のＣｏ、好ましくは８．５−１４．５４重量％のＣｏと、任意選択的に、０．５−３重量％の、周期表のＩＶｂ、Ｖｂ及びＶＩｂ族の金属の立方晶炭化物、窒化物又は窒化炭素、好ましくはＮｂ、Ｔａ、Ｃｒ又はこれらの組み合わせと、残部ＷＣとを含む超硬合金からなる。本実施態様は、フライスインサートであってもよい。
【００２２】
本発明の一実施態様では、α−Ａｌ２Ｏ３層は、コーティングの最外側の層である。あるいは、例えばＴｉＮ、ＴｉＣ、Ａｌ２Ｏ３及び／又はこれらの組み合わせの層など、１つ以上のさらなる層がα−Ａｌ２Ｏ３層を覆ってもよい。本発明の一実施態様では、α−Ａｌ２Ｏ３層を覆う１つ以上のさらなる層は、逃げ面又はすくい面又は切れ刃又はこれらの組み合わせから取り除かれる。
【００２３】
本発明の一実施態様では、コーティングは、ＣＶＤコーティングされた層の引張応力を解放し、表面粗さを減少させるためにブラスト又はブラッシングによって後処理される。
【００２４】
本発明の一実施態様では、切削工具はフライスインサートである。
【００２５】
本発明はまた、例えば鋼の、好ましくは合金鋼、炭素鋼又は靭性のある硬化鋼．のフライス作業における、本明細書に開示のコーティングされた切削工具の使用にも関する。前記切削工具は、クレーター摩耗及び逃げ面摩耗が要求される作業において、切れ刃の塑性変形時の剥離に対する耐性及び熱亀裂の形成に対する耐性における特に向上した性能を示した。
【００２６】
方法
［ＣＶＤコーティング堆積］
下記の実施例におけるＣＶＤコーティングは、１００００個の１／２インチサイズの切削インサートを収容することができる半径方向のイオン結合型ＣＶＤ装置５３０サイズ内で堆積された。
【００２７】
［Ｘ線回折測定］
層の組織を調べるために、ＰＩＸｃｅｌｌ検出器を備えたＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ  ＣｕｂｉＸ３回折計を用いて、逃げ面上でＸ線回折を行った。コーティングされた切削工具を、試料ホルダーに取り付け、試料の逃げ面が試料ホルダーの基準面に平行で、かつ、逃げ面も適切な高さにあることを確認した。測定にはＣｕ−Ｋα線を用い、電圧は４５ｋＶ、電流は４０ｍＡとした。１／２度の散乱防止スリットと１／４度の発散スリットを用いた。コーティングされた切削工具からの回折強度を、２０°〜１４０°の２θの範囲、すなわち１０°〜７０°の入射角θの範囲にわたって測定した。
【００２８】
データのバックグラウンド除去、Ｃｕ−Ｋα２ストリッピング及びプロファイルフィッティングを含むデータ分析は、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社のＸ’Ｐｅｒｔ  ＨｉｇｈＳｃｏｒｅ  Ｐｌｕｓソフトウェアを使用して行われた。次いで、このプログラムからの出力（プロファイル近似曲線の積分ピーク面積）を用い、上記のハリスの式（１）を使用して、特定の層（例えばＴｉＣＮ又はα−Ａｌ２Ｏ３の層）のＰＤＦカードによる標準強度データに対する測定された強度データの比を比較することによって、層の組織係数を計算した。層が有限の厚さをもつ膜であったため、層を通る経路長の差により、異なる２θ角での一対のピークの相対強度が、バルク試料に対する相対強度と異なる。したがって、ＴＣ値を計算する際に、層の線形吸収係数も考慮に入れて、プロファイル近似曲線の抽出された積分ピーク面積強度に薄膜補正を適用した。考えられる上記のさらなる層（例えばα−Ａｌ２Ｏ３層）はα−Ａｌ２Ｏ３層に入ってコーティング全体から出るＸ線強度に影響を及ぼすため、このような層にも、層内のそれぞれの化合物の線形吸収係数を考慮に入れて補正を行う必要がある。ＴｉＣＮ層が例えばα−Ａｌ２Ｏ３層の下方に位置する場合、ＴｉＣＮ層のＸ線回折測定にも同じことが当てはまる。あるいは、アルミナ層上方のさらなる層、例えばＴｉＮは、ＸＲＤ測定結果に実質的に影響しない方法、例えば化学エッチングによって取り除くことができる。
【００２９】
α−Ａｌ２Ｏ３層の組織を調べるために、ＣｕＫα線を用いてＸ線回折を実施し、異なる成長方向に対するα−Ａｌ２Ｏ３層の柱状粒子の組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を、上に開示のハリスの式（１）［式中、Ｉ（ｈｋｌ）＝（ｈｋｌ）反射の測定された（積分面積）強度、Ｉ０（ｈｋｌ）＝ＩＣＤＤのＰＤＦカード番号００−０１０−０１７３による標準強度、ｎ＝計算で使用される反射の数］に従って計算した。この場合、用いられた（ｈｋｌ）反射は、（１  ０  ４）、（１  １  ０）、（１  １  ３）、（０  ２  ４）、（１  １  ６）、（２  １  ４）、（３  ０  ０）、及び（０  ０  １２）である。比Ｉ（０  ０  １２）／Ｉ（０  １  １４）の計算において、（０  ０  １２）ピーク及び（０  １  １４）ピークの積分ピーク面積強度は、ＰＤＦカードとは無関係に分けられた。測定された積分ピーク面積は薄膜補正されており、α−Ａｌ２Ｏ３層の上方（すなわち最上部）のさらなる層についても、前記比が計算される前に補正される。
【００３０】
異なる成長方向に対するＴｉＣＮ層の柱状粒子の組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）は、先に開示のハリスの式（１）に従って計算され、式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定された（積分面積）強度であり、Ｉ０（ｈｋｌ）はＩＣＤＤのＰＤＦカード番号４２−１４８９による標準強度であり、ｎは、計算で使用される反射の数である。この場合、用いられた（ｈｋｌ）反射は、（１  １  １）、（２  ０  ０）、（２  ２  ０）、（３  １  １）、（３  ３  １）、（４  ２  ０）、及び（４  ２  ２）である。
【００３１】
ピーク重なりは、例えばいくつかの結晶層を含み、かつ／又は結晶相を含む基板上に堆積されるコーティングのＸ線回折分析において起こり得る現象であることに留意するべきであり、当業者はこれを考慮し、補う必要がある。α−Ａｌ２Ｏ３層のピークとＴｉＣＮ層のピークとのピーク重なりは、測定値に影響しかねず、考慮する必要がある。例えば、基材中のＷＣは、本発明の関連するピークに近い回折ピークを有しうることにも留意されたい。
【００３２】
［ＥＢＳＤ測定］
コーティングされたインサートの表面は、後方電子散乱回折（ＥＢＳＤ）キャラクタリゼーションのために、ガタン社製ディンプルグラインダーモデル６５６（２０ｍｍのフェルトホイール付き）を使用し、２０グラムの重量を適用して、さらにビューラー製「マスターポリッシュ２」という研磨懸濁液を使用してコーティング表面を研磨することにより調製された。研磨は、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮコーティングの十分に大きく平滑な表面が得られるまで実施され、それにより、キャラクタリゼーションした領域がＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮコーティングの上部から確実に得られるようにした。表面を直ちに洗浄して残留研磨懸濁液を除去し、清浄な空気噴霧で乾燥させた。
【００３３】
調製した試料を試料ホルダーに載せ、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に挿入した。試料を水平面に対して７０°傾けてＥＢＳＤ検出器に向けた。キャラクタリゼーションに使用したＳＥＭは、「高電流」モードを適用し、６０μｍの対物口径を使用し、１５ｋＶで操作され、ＳＥＭチャンバー圧力０．１２８トルで圧力可変（ＶＰ）モードで操作されるＺｅｉｓｓ  Ｓｕｐｒａ  ５５  ＶＰであった。使用したＥＢＳＤ検出器は、オックスフォード゛・インストゥルメンツの「Ａｚｔｅｃ」ソフトウェア  バージョン３．１を使用して操作されるオックスフォード゛・インストゥルメンツのＮｏｒｄｌｙｓＭａｘ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒであった。ＥＢＳＤデータ取得は、研磨された表面に集束電子ビームを当て、５００ｘ３００（ＸｘＹ）測定点に対して０．０５μｍのステップサイズを用いて、ＥＢＳＤデータを順次取得することにより行われた。データ取得のために「Ａｚｔｅｃ」ソフトウェアによって使用された基準位相は、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．［ＪＥＳＯＡＮ］，（１９５０），ｖｏｌ．９７，ｐａｇｅｓ２９９−３０４」であり、「ＡＺｔｅｃ」ソフトウェアにおいては「Ｔｉ２  Ｃ  Ｎ」と呼ばれる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるコーティングＣ０１の断面のＳＥＭ画像。コーティングは、ＴｉＮ層（Ｅ）、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層（Ｄ）、結合層（Ｂ）、及び最外側のα−アルミナ層（Ａ）を含む。ＥＢＳＤ極プロットを示す、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮの部分（Ｃ）をこの図に示す。
【図２】コーティングＣ０１からの極点図｛２１１｝及び｛１１０｝の輪郭バージョンである。最大強度は、ラベルに示すように、３に設定される。
【図３】０°≦β≦４５°の傾斜角範囲にわたって０．２５°のビンサイズを有するコーティングＣ０１のＥＢＳＤ極点図データからの極プロット｛２１１｝。
【図４】０°≦β≦４５°の傾斜角範囲にわたって０．２５°のビンサイズを有するコーティングＣ０１のＥＢＳＤ極点図データからの極プロット｛１１０｝。
【図５】コーティングＣ０６からの極点図｛２１１｝及び｛１１０｝の輪郭バージョン。最大強度は、ラベルに示すように、３に設定される。
【図６】０°≦β≦４５°の傾斜角範囲にわたって０．２５°のビンサイズを有するコーティングＣ０６のＥＢＳＤ極点図データからの極プロット｛２１１｝。
【図７】０°≦β≦４５°の傾斜角範囲にわたって０．２５°のビンサイズを有するコーティングＣ０６のＥＢＳＤ極点図データからの極プロット｛１１０｝。
【実施例】
【００３５】
本発明の例示的な実施態様を、より詳細に開示し、参照実施態様と比較する。コーティングされた切削工具（インサート）を製造し、分析し、切削試験で評価した。
【００３６】
実施例１  −  コーティング調製
［コーティングＣ０１］
コロマント  Ｒ３９０−１１Ｔ３０８Ｍ−ＰＭ、コロマント  Ｒ２４５−１２Ｔ３  Ｍ−ＰＭ１、及びＩＳＯ  ＳＮＭＡ  １２０４０８ジオメトリタイプを備えた各インサートを、ＴｉＣｌ４、ＣＨ３ＣＮ、Ｎ２、ＨＣｌ及びＨ２を８８５℃で用いる、よく知られているＭＴＣＶＤ技術により、最初に薄さ約０．４μｍのＴｉＮ層で、その後約２．５μｍのＴｉＣＮ層でコーティングした。ＴｉＮ及びＴｉＣＮ堆積の詳細を表１に示す。
2019520225.tif 000004
【００３７】
ＴｉＣＮ内側とＴｉＣＮ外側の堆積時間は、それぞれ１０分、６５分であった。ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の最上部には、４つの別々の反応工程からなるプロセスによって１０００℃で堆積された０，５−１μｍの結合層があった。第１のＨＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ工程はＴｉＣｌ４、ＣＨ４、Ｎ２、ＨＣｌ及びＨ２を４００ｍｂａｒで使用し、続く第２の工程（ＴｉＣＮＯ−１）はＴｉＣｌ４、ＣＨ３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ２及びＨ２を７０ｍｂａｒで使用し、続く第３の工程（ＴｉＣＮＯ−２）はＴｉＣｌ４、ＣＨ３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ２及びＨ２を７０ｍｂａｒで使用し、最後に第４の工程（ＴｉＣＮＯ−３）はＴｉＣｌ４、ＣＯ、Ｎ２及びＨ２をａｔ  ７０ｍｂａｒで使用する。第３及び第４の堆積工程中に、いくつかの気体は、表２の第１の開始レベル及び第２の停止レベルによって示されるように継続的に変化した。その後のＡｌ２Ｏ３の核形成の開始前に、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２及びＨ２の混合物中で４分間結合層を酸化した。結合層堆積の詳細は、表２に示されている。
2019520225.tif 000005
【００３８】
結合層の最上部に、α−Ａｌ２Ｏ３層が堆積された。α−Ａｌ２Ｏ３層は、１０００℃及び５５ｍｂａｒで、２工程で堆積された。１．２体積％のＡｌＣｌ３、４．７体積％のＣＯ２、１．８体積％のＨＣｌ及び残部のＨ２を用いる第１の工程では約０．１μｍのα−Ａｌ２Ｏ３を得、１．２％のＡｌＣｌ３、４．７％のＣＯ２、２．９％のＨＣｌ、０．５８％のＨ２Ｓ及び残部のＨ２を用いる第２の工程では合計で約３μｍの厚さのα−Ａｌ２Ｏ３層を得た。
【００３９】
ブラストコーティングＣ０１の断面のＳＥＭｔ画像を図１に示す。基材から分かるように、コーティングＣ０１は、ＴｉＮ層、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層、すなわちＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮの内側及び外側、結合層、すなわちＨＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ−１、ＴｉＣＮＯ−２、ＴｉＣＮＯ−３、並びに最外側のα−Ａｌ２Ｏ３層を含む。これらの層の厚さは、例えばＳＥＭ画像で観察することができる。
【００４０】
［コーティングＣ０２］
コーティングＣ０１で使用したのと同じジオメトリタイプが、ＴｉＣｌ４、ＣＨ３ＣＮ、Ｎ２、ＨＣｌ及びＨ２を８８５℃で使用する、よく知られているＭＴＣＶＤ技術を用いることにより、最初に薄さ約０．４μｍのＴｉＮ層で、その後約１．５μｍのＴｉＣＮ層でコーティングされた。ＴｉＣＮ層のＭＴＣＶＤ堆積の初期部分でのＴｉＣｌ４／ＣＨ３ＣＮの体積比は６．６であり、３．７のＴｉＣｌ４／ＣＨ３ＣＮ比を用いる段階がその後に続いた。ＴｉＮ及びＴｉＣＮ堆積の詳細は、表１に示されている。
【００４１】
ＴｉＣＮ内側とＴｉＣＮ外側の堆積時間は、それぞれ３０分、１０分であった。ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の最上部には、４つの別々の反応工程からなるプロセスによって１０００℃で堆積された１−２μｍの結合層があった。第１のＨＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ工程はＴｉＣｌ４、ＣＨ４、Ｎ２、ＨＣｌ及びＨ２を４００ｍｂａｒで使用し、続く第２の工程（ＴｉＣＮＯ−１）はＴｉＣｌ４、ＣＨ３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ２及びＨ２を７０ｍｂａｒで使用し、続く第３の工程（ＴｉＣＮＯ−２）はＴｉＣｌ４、ＣＨ３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ２及びＨ２を７０ｍｂａｒで使用し、最後に第４の工程（ＴｉＣＮＯ−３）はＴｉＣｌ４、ＣＯ、Ｎ２及びＨ２を７０ｍｂａｒで使用する。第３及び第４の堆積工程中に、いくつかの気体は、表２の第１の開始レベル及び第２の停止レベルによって示されるように継続的に変化した。結合層の成長工程の時間は、コーティングＣ０１と比較して倍増した。その後のＡｌ２Ｏ３の核形成の開始前に、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２及びＨ２の混合物中で４分間結合層を酸化した。結合層堆積の詳細は、表２に示されている。
【００４２】
結合層の最上部に、α−Ａｌ２Ｏ３層が堆積された。α−Ａｌ２Ｏ３層は、１０００℃及び５５ｍｂａｒで、２工程で堆積された。１．２体積％のＡｌＣｌ３、４．７体積％のＣＯ２、１．８体積％のＨＣｌ及び残部のＨ２を用いる第１の工程では約０．１μｍのα−Ａｌ２Ｏ３を得、１．２％のＡｌＣｌ３、４．７％のＣＯ２、２．９％のＨＣｌ、０．５８％のＨ２Ｓ及び残部のＨ２を用いる第２の工程では合計で約３μｍの厚さのα−Ａｌ２Ｏ３層を得た。
【００４３】
［コーティングＣ０３］
コーティングＣ０３はコーティングＣ０１に対応するが、外側のＴｉＣＮが６５分ではなく１０５分間堆積され、α−Ａｌ２Ｏ３層の厚みが約２μｍまで堆積されたという違いがある。
【００４４】
［コーティングＣ０４］
コーティングＣ０４はコーティングＣ０１に対応するが、外側のＴｉＣＮが６５分ではなく２５分間堆積され、Ａｌ２Ｏ３層の厚みが約４μｍまで堆積されたという違いがある。
【００４５】
［コーティングＣ０５］
前述のコーティングの場合と同じジオメトリタイプが、ＴｉＣｌ４、ＣＨ３ＣＮ、Ｎ２、ＨＣｌ及びＨ２を８８５℃で使用する、よく知られているＭＴＣＶＤ技術を用いることにより、最初に薄さ約０．４μｍのＴｉＮ層で、その後約１．５μｍのＴｉＣＮ層でコーティングされた。ＴｉＣＮ層のＭＴＣＶＤ堆積におけるＴｉＣｌ４／ＣＨ３ＣＮの体積比は、２．２であった。ＴｉＮ及びＴｉＣＮ堆積の詳細は、表３に示されている。
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【００４６】
ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の最上部には、３．０３体積％のＴｉＣｌ４、６．０６体積％のＣＯ及び９０．１体積％のＨ２を５５ｍｂａｒで使用し、１０１０°で堆積された０，５−１μｍの結合層があった。その後のＡｌ２Ｏ３核形成の開始前に、Ｈ２、ＣＯ２及びＨＣｌの混合物中で結合層を２分間酸化した。
【００４７】
結合層の最上部に、α−Ａｌ２Ｏ３層が堆積された。α−Ａｌ２Ｏ３層は、１０１０℃及び５５ｍｂａｒで、２工程で堆積された。２．３体積％のＡｌＣｌ３、４．６体積％のＣＯ２、１．７体積％のＨＣｌ及び残部のＨ２を用いる第１の工程では約０．１μｍのα−Ａｌ２Ｏ３を得、２．２％のＡｌＣｌ３、４．４％のＣＯ２、５．５％のＨＣｌ、０．３３％のＨ２Ｓ及び残部のＨ２を用いる第２の工程では合計で約２．７μｍの厚さのα−Ａｌ２Ｏ３層を得た。
【００４８】
［コーティングＣ０６］
コーティングＣ０６はコーティングＣ０２に対応するが、外側のＴｉＣＮが１０分ではなく４０分間堆積され、この工程後に堆積プロセスが停止されたという違いがある。
【００４９】
実施例２  −  組織分析
１０００倍の倍率で各コーティングの断面を観察することによって、層の厚さを光学顕微鏡で分析した。厚さは、ＳＥＭ画像でも観察することができる。結果を表４に示す。
【００５０】
ＸＲＤを使用して、上に開示された方法に従って、α−Ａｌ２Ｏ３及びＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮのＴＣ値を分析した。組織分析は、コーティングされたＩＳＯ  ＳＮＭＡ１２０４０８タイプ超硬合金基材で行われた。ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮのＴＣ（３１１）はＷＣピークにより妨害されており、表５に示すように、ＴＣ（２２０）及びＴＣ（４２２）計算時には補正されていないことに留意されたい。
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【００５１】
高いＴＣ（０  ０  １２）は、高い耐クレーター摩耗性を提供する点で有利である。α−Ａｌ２Ｏ３層の組織は、堆積中のプロセスパラメーターによって制御され、α−Ａｌ２Ｏ３層の層厚さの増加とともに成長する。α−Ａｌ２Ｏ３層の組織は、先行するＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の組織によっても影響される。α−Ａｌ２Ｏ３層が薄すぎると、その配向はあまり顕著にならない。以下に示すように、Ｃ０１及びＣ０４は、非常に高いＴＣ（０  ０  １２）を有し、耐クレーター摩耗性が最も高い。Ｃ０３は、この非常に高いＴＣ（０  ０  １２）値を与えるには薄すぎるであろう。基準Ｃ０２及びＣ０５は、異なるＴｉＣＮ上に異なるα−Ａｌ２Ｏ３  ＣＶＤプロセスで堆積され、高いＴＣ（０  ０  １２）値を示さない。
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【００５２】
ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮのＴＣ値から、ＴＣ（４２２）とＴＣ（２２０）の双方が比較的低いことが特筆できる。対応するＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮプロセスにより堆積されたＣ０４（１．７μｍ）、Ｃ０１（２μｍ）及びＣ０３（３．３μｍ）を比較した場合、ＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮが厚いほどＴＣ（４２２）が高く、かつ、ＴＣ（２２０）値が低いことも特筆できる。
【００５３】
極点図は、コーティングＣ０１、Ｃ０２、Ｃ０３、Ｃ０４及びＣ０６の外面に平行かつ該コーティングのＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮの外面から１μｍ未満のＭＴＣＶＤ  ＴｉＣＮ層の一部においてＥＢＳＤにより測定された。この測定のために、コーティングＣ０１及びＣ０６には最外層であるＭＴＣＶＤ層が設けられ、一方、コーティングＣ０２、Ｃ０３及びＣ０４の外側の層は、前記ディンプルグラインダーで測定前に、上で開示したように研磨することによって取り除かれた。当業者であれば、ＥＢＳＤ分析前に、例えば研削及び研磨によって外側の層を取り除くことができる。
【００５４】
取得したＥＢＳＤデータの結晶方位データ抽出は、オックスフォード゛・インストゥルメンツの「ＨＫＬ  Ｔａｎｇｏ」ソフトウェア  バージョン５．１２．６０．０（６４ビット）及びオックスフォード゛・インストゥルメンツの「ＨＫＬ  Ｍａｍｂｏ」ソフトウェア  バージョン５．１２．６０．０（６４ビット）を使用して行われた。「ＨＫＬ  Ｍａｍｂｏ」ソフトウェアを使用して、取得したＥＢＳＤデータから等面積投影及び半球投影を用いた極点図を取り出した。取り出した極点図は、Ｚ方向がコーティングの外面に対して垂直である｛２１１｝と｛１１０｝両極のものであった。極プロットのビンサイズ及びβ＝０°からβ≦４５°の角度測定範囲βについて、クラス幅０．２５°を用いて｛２１１｝及び｛１１０｝両極点図の極プロットを抽出した。β＝０からβ≦１５°の範囲の極プロットの強度は、β＝０°からβ≦４５°の範囲の極プロットにおける全強度と関連していた。コーティングＣ０１の｛２１１｝及び１１０｝の極プロットは、それぞれ図３、図４に示されている。コーティングＣ０６の｛２１１｝及び１１０｝の極プロットは、それぞれ図６、図７に示されている。コーティングＣ０１、Ｃ０２、Ｃ０３、Ｃ０４及びＣ０６について、β＝０°からβ≦４５°の範囲の極プロットにおける全シグナルに関連するβ＝０からβ≦１５°の範囲の極プロットにおけるシグナルを表６に示す。
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【００５５】
極点図の輪郭バージョンは、組織を示すために１０．０°の半幅及び５．０°のデータクラスタリングを使用して計算された。コーティングＣ０１の輪郭バージョンの極点図｛２１１｝及び｛１１０｝は図２に、コーティングＣ０６のものは図５に示されている。これらの輪郭バージョン極点図では、最大強度、いわゆるグローバル強度が３ＭＵＤに設定されている。
【００５６】
実施例３  −  切削試験
切削摩耗試験の前に、インサートは、ウェットブラスト装置内で、水中のアルミナのスラリーを用いて、すくい面上がブラスト処理され、切削インサートのすくい面とブラスタースラリーの方向との間の角度は約９０°であった。アルミナ粒子はＦ２２０、ガンに対するスラリーの圧力は１．８ｂａｒ、ガンに対する空気の圧力は２．０ｂａｒ、面積単位当たりのブラスト平均時間は５秒、ガンノズルからインサートの表面までの距離は約１３７ｍｍであった。ブラストの目的は、コーティング中の残留応力及び表面粗さに影響を与え、それにより、その後の摩耗試験におけるインサートの特性を向上させることである。
【００５７】
コーティングＣ０１−Ｃ０５を、５つの別々の切削試験で評価した。
【００５８】
［切削試験１］
この試験は、切削工具のすくい面におけるクレーター摩耗に対する耐性を評価するためのものである。クレーター摩耗試験では、コーティングＣ０１−Ｃ０５を、約９．１４重量％のＣｏ、１．１５重量％のＴａ、０．２７重量％のＮｂ、５．５５重量％のＣ及び残りのＷの組成を有する超硬合金基材上に堆積させた。
【００５９】
ブラスト加工済みの、コロマントＲ３９０１１−Ｔ３０８Ｍ−ＰＭタイプのコーティングされた切削工具を、以下の切削データを使用して、被削材Ｔｏｏｌｏｘ  ３３の下向き削りで試験した。
2019520225.tif 000010
切削油は使用しなかった。
【００６０】
クレーター摩耗を分析する際には、光光学顕微鏡を使用して露出した面積を測定した。各切削工具の摩耗を、４回の切削、すなわち８分間の切削後に評価した。コーティングの各タイプについて、３回の平行試験を行った。その結果の平均値を表７に示す。
【００６１】
［切削試験２］
この試験は、エッジラインのチッピングに対する耐性を評価するためのものである。エッジライン靭性摩耗試験では、コーティングＣ０１−Ｃ０５を、約１３．５重量％のＣｏ、０．５７重量％のＣｒ、５．１９重量％のＣ及び残りのＷの組成を有する超硬合金基材上に堆積させた。
【００６２】
ブラスト加工済みの、コロマントＲ３９０１１−Ｔ３０８Ｍ−ＰＭタイプのコーティングされた切削工具を、以下の切削データを使用して、未硬化の被削材Ｄｉｅｖａｒへのいくつかの切り口（number of cut entrances）で試験した。
2019520225.tif 000011
切削油は使用しなかった。
【００６３】
エッジライン靭性を分析する際、カットオフ基準に達するまで切り口の数を調べた。試験におけるカットオフ基準は、逃げ面又はすくい面のいずれかにおいて、少なくとも０．５ｍｍのエッジライン又は０．２の測定深さでのチッピングであった。光光学顕微鏡を使用して、チッピングを観察した。コーティングの各タイプについて、８から１０回の平行試験を行った。結果は、平均値として表７に示す。
【００６４】
［切削試験３］
塑性変形耐性摩耗試験では、切れ刃が押されたときの切れ刃の塑性変形に対する摩耗試験を評価した。コーティングＣ０１−Ｃ０５を、約９．１４重量％のＣｏ、１．１５重量％のＴａ、０．２７重量％のＮｂ、５．５５重量％のＣ及び残りのＷの組成を有する超硬合金基材上に堆積させた。
【００６５】
ブラスト加工済みの、コロマントＲ３９０１１−Ｔ３０８Ｍ−ＰＭタイプのコーティングされた切削工具を、以下の切削データを使用して、被削材Ｔｏｏｌｏｘ  ３３の下向き削りで試験した。
2019520225.tif 000012
切削油は使用しなかった。
【００６６】
エッジラインが押されたときの塑性変形に対する耐性を分析する際に、光光学顕微鏡を用いて露出した基材の面積を測定した。工具寿命基準は、露出した基材の幅が０．２ｍｍ以上である場合に設定される。コーティングの各タイプについて、３回の平行試験を行った。結果の平均値を表７に示す。
【００６７】
［切削試験４］
耐熱亀裂性試験は、熱亀裂形成及び、その結果としてのチッピングに対する耐性の試験である。この試験では、コーティングＣ０１−Ｃ０５を、約１３．５重量％のＣｏ、０．５７重量％のＣｒ、５．１９重量％のＣ及び残りのＷの組成を有する超硬合金基材上に堆積させた。
【００６８】
ブラスト加工済みの、コロマントＲ３９０１１−Ｔ３０８Ｍ−ＰＭタイプのコーティングされた切削工具を、以下の切削データを使用して、被削材Ｔｏｏｌｏｘ  ３３の上向き削りで試験した。
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切削油を使用した。
【００６９】
摩耗を分析する際には、光光学顕微鏡を使用して、コーティングのチッピングを観察した。寿命時間の基準は、０．３ｍｍ以上のチッピング深さ又は１．０ｍｍ以上のチッピング幅に設定された。コーティングの各タイプについて、２から５回の平行試験を行った。その結果を平均値として表７に示す。
【００７０】
［切削試験５］
この試験は、ドライ加工における熱亀裂に対する耐性を評価する。熱亀裂が形成されると、エッジは塑性変形を受ける。この摩耗試験では、コーティングＣ０１−Ｃ０５を、約９．１４重量％のＣｏ、１．１５重量％のＴａ、０．２７重量％のＮｂ、５．５５重量％のＣ及び残りのＷの組成を有する超硬合金基材上に堆積させた。
【００７１】
ブラスト加工済みの、コロマントＲ２４５−１２Ｔ３Ｍ−ＰＭタイプのコーティングされた切削工具を、以下の切削データを使用して、被削材Ｔｏｏｌｏｘ  ３３の下向き削りで試験した。
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切削油は使用しなかった。
【００７２】
クレーター摩耗を分析する際には、光光学顕微鏡を使用して露出した面積を測定した。工具寿命基準は、露出した基材の０．２５ｍｍ超の幅に設定される。コーティングの各タイプについて、２回の平行試験を行った。結果の平均値を表７に示す。
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【００７３】
Ｃ０１が最も性能の良いコーティングであると結論付けることができる。コーティングの層の特定の厚さ及び配向の選択が、予想外の最適な特性を与える。本発明のコーティングされた切削工具は、要求の厳しい金属切削用途の広い範囲において最良の性能を発揮する。
【００７４】
種々の例示的な実施態様との関連で本発明を説明したが、本発明は、開示された例示的な実施態様に限定されるものではなく、様々な修正及び均等な構成も添付の特許請求の範囲内に包含されることを意図するものと理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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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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【国際調査報告】
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