(57)【要約】  すくい面（２８）と少なくとも１つの逃げ面（３０）を有し、切れ刃（３２）がそれらの交差部にあるセラミック基材（（４０、４０Ａ、４０Ｂ）を含む、工作物から材料を除去するためのコーティングされたセラミック切削インサート（２０）およびその作製方法。Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約５０ＭＰａ（引張り応力）〜約−２ＧＰａ（圧縮）の範囲のブラストされた応力状態を呈する少なくとも１層の露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）を含む耐摩耗性コーティングスキーム（５０、８２）。露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）は、アルミナ含有ベースコーティング層領域（５０、５０Ａ、５０Ｂ）の表面からチタン含有外側コーティング層（５４、５４Ａ、５４Ｂ）領域をウェットブラストした結果である。
2013522055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物から材料を除去するためのコーティングされたセラミック切削インサート（２０）であって、
窒化ケイ素系セラミックスおよびシリコンアルミニウム酸窒化物系セラミックスからなる群から選択されたセラミック基材（４０、４０Ａ、４０Ｂ）であって、すくい面（２８）と少なくとも１つの逃げ面（３０）、および前記すくい面（２８）と前記逃げ面（３０）との交差部に形成された切れ刃（３２）を有する基材（４０、４０Ａ、４０Ｂ）と、
耐摩耗性コーティングスキーム（５０、８２）であって、前記工作物から材料を除去する間に摩耗を受ける前記セラミック基材（４０、４０Ａ、４０Ｂ）の表面（２８、３０）の実質的に全てに化学蒸着によって堆積され、少なくとも１層の露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）を含むアルミナ含有ベースコーティング層領域（５０、５０Ａ、５０Ｂ）を含む耐摩耗性コーティングスキーム（５０、８２）とを含み、
前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）が、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約５０ＭＰａ（引張り応力）〜約−２ＧＰａ（圧縮応力）の範囲のブラストされた応力状態を呈する、
コーティングされたセラミック切削インサート（２０）。
【請求項２】
前記セラミック基材（４０、４０Ａ、４０Ｂ）が、リートベルト定量分析に基づくＸ線回折によって測定された約９６重量％β−窒化ケイ素〜約１００重量％β−窒化ケイ素の組成を有する窒化ケイ素系セラミックを含む請求項１に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項３】
前記セラミック基材（４０、４０Ａ、４０Ｂ）が、リートベルト定量分析に基づくＸ線回折によって測定された約０重量％〜約６０重量％のα−サイアロンおよび約４０重量％〜約１００重量％のβ−サイアロンを含むα−βサイアロンの組成を有するシリコンアルミニウム酸窒化物系セラミックを含む請求項１に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項４】
前記アルミナ含有ベース層領域（５０、５０Ａ、５０Ｂ）が前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）から本質的になる請求項１に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項５】
前記アルミナ含有ベース層領域（５０Ｂ）が複数のコーティングセット（６４、６６）と前記露出アルミナコーティング層（６２）から本質的になり、各コーティングセット（６４、６６）がアルミナコーティング層（７０、７４）とチタン炭酸窒化物コーティング層（６８、７２）を含む請求項１に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項６】
前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）がα−アルミナを含む請求項１に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項７】
前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）の前記ブラストされた応力状態が前記耐摩耗性コーティングスキーム（５０、８２）をウェットブラストした結果であり、前記ウェットブラストがアルミナ粒子と水を含むスラリーを使用して達成される請求項１に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項８】
前記スラリーが、スラリーの採取および体積置換によって測定された約５体積パーセント〜約３５体積パーセントのアルミナ粒子と、約６５体積パーセント〜約９５体積パーセントの水を含む請求項７に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項９】
前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）の前記ブラストされた応力状態が、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約−５０ＭＰａ（圧縮応力）〜約−８００ＭＰａ（圧縮応力）の範囲にあり、前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）が、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約５０ＭＰａ（引張り応力）〜約８００ＭＰａ（引張り応力）の範囲の初期応力状態を有する請求項１に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項１０】
前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）の前記ブラストされた応力状態が、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約−１００ＭＰａ（圧縮応力）〜約−４００ＭＰａ（圧縮応力）の範囲にあり、前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）が、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約１００ＭＰａ（引張り応力）〜約４５０ＭＰａ（引張り応力）の範囲の初期引張り応力状態を有する請求項１に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項１１】
前記露出アルミナコーティング層が、垂直走査干渉モードを使用した０．３ｍｍ×０．２ｍｍに等しいサンプル領域においてＷＹＫＯによって測定された約０．２マイクロメートル〜約０．８マイクロメートルの表面粗さＲａを呈する、請求項１に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項１２】
前記ブラスト後応力状態が、前記アルミナ含有ベースコーティング層領域（５０、５０Ａ、５０Ｂ）に化学蒸着によって最初に堆積されたチタン含有外側コーティング層領域（５４、５４Ａ、５４Ｂ）をウェットブラストし、それによって、前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）の応力状態を、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約５０ＭＰａ（引張り応力）〜約８００ＭＰａ（引張り応力）の範囲の初期応力状態から変化させることによって達成される、請求項１に記載のコーティングされた切削インサート（２０）。
【請求項１３】
コーティングされたセラミック切削インサート（２０）を作製する方法であって、
窒化ケイ素系セラミックスおよびシリコンアルミニウム酸窒化物系セラミックスからなる群から選択されたセラミック基材（４０、４０Ａ、４０Ｂ）であって、すくい面（２８）と少なくとも１つの逃げ面（３０）、および前記すくい面（３０）と前記逃げ面（２８）との間の交差部に形成された切れ刃（３６）を有するセラミック基材（４０、４０Ａ、４０Ｂ）を提供する工程と、
前記セラミック基材（４０、４０Ａ、４０Ｂ）およびブラスト前コーティングスキーム（４６、４６Ａ）を含むブラスト前のコーティングされた部材を形成する工程であって、前記ブラスト前コーティングスキーム（４６、４６Ａ）が以下の工程：
前記セラミック基材（４０、４０Ａ、４０Ｂ）の表面に化学蒸着によって、少なくとも１層の最外アルミナコーティング層（５０、５０Ａ、６２）を含むアルミナ含有ベースコーティング層領域（５０、５０Ａ、５０Ｂ）を堆積する工程と、
前記アルミナ含有ベースコーティング層領域（５０、５０Ａ、５０Ｂ）の上に化学蒸着によって、少なくとも１層のチタン系コーティング層（５４、５４Ａ、５４Ｂ）を含むチタン含有外側コーティング層領域（５４、５４Ａ、５４Ｂ）を堆積する工程と、
によって堆積される工程と、
前記チタン含有外側コーティング層領域（５４、５４Ａ、５４Ｂ）をウェットブラストし、それによって前記最外アルミナコーティング層（５０、６０、６２）を露出させて露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）を形成し、そして前記露出最外アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）の応力状態を、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約５０ＭＰａ（引張り応力）〜約８００ＭＰａ（引張り応力）の範囲の初期応力状態から、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約５０ＭＰａ（引張り応力）〜約−２ＧＰａ（圧縮応力）の範囲のブラストされた応力状態に変化させる工程と
を含む方法。
【請求項１４】
前記アルミナ含有ベース層領域（５０、５０Ａ、５０Ｂ）が前記最外アルミナコーティング層（５０、６０、６２）から本質的になる請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記アルミナ含有ベース層領域（５０Ｂ）が複数のコーティングセット（６４、６６）と前記最外露出アルミナコーティング層（６２）から本質的になり、各コーティングセット（６４、６６）がアルミナコーティング層（７０、７４）とチタン炭酸窒化物コーティング層（６８、７２）を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）がα−アルミナを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記ウェットブラストがアルミナ粒子と水を含むスラリーを使用し、前記スラリーがスラリーの採取および体積置換によって測定された約５体積パーセント〜約３５体積パーセントのアルミナ粒子と、約６５体積パーセント〜約９５体積パーセントの水を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記露出アルミナコーティング層（５０、６０、６２、８２）が、垂直走査干渉モードを使用した０．３ｍｍ×０．２ｍｍに等しいサンプル領域においてＷＹＫＯによって測定された約０．２マイクロメートル〜約０．８マイクロメートルの表面粗さＲａを呈する請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記ウェットブラスト工程が前記チタン含有外側コーティング層領域（５４、５４Ａ、５４Ｂ）のみを除去し、それによって前記アルミナ含有ベースコーティング層領域（５０、５０Ａ、５０Ｂ）の実質的に全てを残す請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記ウェットブラスト工程が、前記アルミナ含有ベースコーティング層領域（５０、５０Ａ、５０Ｂ）の一部に沿って前記チタン含有外側コーティング層領域（５４、５４Ａ、５４Ｂ）を除去する請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工作物からの材料の除去、例えば工作物のチップ形成機械加工に有用なセラミック切削インサートに関する。より詳細には、本発明は工作物からの材料の除去、例えば工作物のチップ形成機械加工に有用なセラミック切削インサートに関し、ここでセラミック切削インサートは、窒化ケイ素系基材またはサイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）（シリコンアルミニウム酸窒化物）系基材を含み、コーティングスキームを上に有する。コーティングスキームは、圧縮応力を呈する露出アルミナコーティング層を含む。
【背景技術】
【０００２】
従来、当業者は工作物からの材料の除去、例えば工作物のチップ形成機械加工にセラミック切削インサートを使用してきた。特許文書はこれらセラミック切削インサートのいくつかの例を提供する。例示的なセラミックスは窒化ケイ素系セラミックスおよびサイアロン系セラミックスを含み得る。
【０００３】
例えば、メロトラ（Ｍｅｈｒｏｔｒａ）らに付与された米国特許第５，５２５，１３４号明細書（ケンナメタル社（Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ  Ｉｎｃ．）に譲渡）は、窒化ケイ素系セラミック切削インサートの使用を開示する。窒化ケイ素系セラミック切削インサートは少なくとも約８５体積パーセントのβ窒化ケイ素および約５体積パーセント未満の粒界相を含む。他の添加物はイットリアおよびマグネシアを含む。窒化ケイ素系セラミック切削インサートは、例えばアルミナ、炭化チタン、または窒化チタンのうちの１つ以上などの耐熱性コーティングを上に有し得る。
【０００４】
メロトラ（Ｍｅｈｒｏｔｒａ）らに付与された米国特許第４，８８０，７５５号明細書（ケンナメタル社（Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ  Ｉｎｃ．）に譲渡）は、サイアロン系セラミック切削インサートの使用を開示する。サイアロン系セラミック切削インサートは、バルク領域と比較して増加したアルミニウムと酸素を有する表面層を有する。この切削インサートを作製するプロセスは、α−プライムサイアロンとβ−プライムサイアロンとを粒界相に沿って含むサイアロンコア組成物を準備する工程を含む。次にこのプロセスはサイアロンコアをＣＶＤ（化学蒸着）によってアルミナコーティングでコーティングする工程を含む。最後にこのプロセスは、アルミナの一部がサイアロンコア中に拡散するまでサイアロン−アルミナコーティング複合体を熱処理する工程を含む。アルミナ層を有するサイアロン系セラミック切削インサートはさらに、耐熱性コーティング層（例えばカーバイド、ニトリド、カルボニトリド、オキシドおよびバナジウム、チタニウム、タンタル、ニオブ、ハフニウム、またはジルコニウムのそれらの混合物）をアルミナ層の上に含み得る。
【０００５】
ＣＶＤを介して超硬合金（ｃｏｂａｌｔ  ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ｃａｒｂｉｄｅ）基材に適用されるコーティングスキーム（すなわちコーティング層）は、引張り応力を呈する。引張り応力の存在は、ＣＶＤコーティングスキームの接着に支障がある。これまでは、コーティングスキームの引張り応力を低減するために、または、引張り応力をコーティングスキームの圧縮応力に変えるために、コーティング後ブラスト処理を行うこともあった。１つの例として、ヨシムラ（Ｙｏｓｈｉｍｕｒａ）らに付与された米国特許第５，３７２，８７３号明細書（三菱マテリアル株式会社に譲渡）は、コーティングスキームを選択表面でショットピーニングすることを開示しており、ここで基材は超硬合金（ｃｏｂａｌｔ  ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ｃａｒｂｉｄｅ）であり、コバルトに富む表面層を呈している。ショットピーニングの結果は、コーティングの応力状態の変化である。この点に関して、この特許は、ショットピーニングプロセスが切削工具の一部に、例えばすくい面に局部的に適用され、その結果表面上の第１コーティングの残留引張り応力が、切削工具の逃げ面上の第１コーティングの残留引張り応力よりも低くなり得ることを示している。さらに、この特許はまた、切削工具のすくい面の第１コーティングの残留応力が圧縮であり、逃げ面の第１コーティングの残留応力が引張りであるように適用されるショットピーニング処理を示している。別の例として、ヨシムラ（Ｙｏｓｈｉｍｕｒａ）らに付与された米国特許第５，３７４，４７１号明細書（三菱マテリアル株式会社に譲渡）は、すくい面上のみを処理するのに有効なショットピーニングを基材上のコーティング層に施すことを開示している。基材は、コバルトに富む表面層を呈する超硬合金（ｃｏｂａｌｔ  ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ｃａｒｂｉｄｅ）である。
【０００６】
ＣＶＤを介してサーメット基材に適用されたコーティングスキーム（すなわちコーティング層）は引張り応力を呈する。パーク（Ｐａｒｋ）らへの米国特許出願公開第２００６／０１２７６７１  Ａ１号明細書は、超硬合金（ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｃａｒｂｉｄｅ）基材ならびにサーメット基材上のコーティングのコーティング後処理としてウェットブラストの使用を開示している。ウェットブラストプロセスは、１０〜３００μｍのサイズを有するアルミナ粒子ウェットスラリーを使用する。ウェットブラストにより、外側コーティング層において引張り応力の低減または圧縮応力への転換が見られる。特定のコーティングスキームはアルミナコーティングを含み、アルミナ層の上に炭化チタン／窒化チタン層を有する。
【０００７】
ウェットブラストなどのコーティング後処理の別の結果は、コーティング表面の平滑化である。リュングベルグ（Ｌｊｕｎｇｂｅｒｇ）らへの米国特許出願公開第２００６／０２０４７５７  Ａ１号明細書は、ＴｉＣｘＮｙコーティング層およびα−Ａｌ２Ｏ３コーティング層を含むコーティングスキーム用の２工程ウェットブラストコーティング後処理を開示している。基材は超硬合金（ｃｏｂａｌｔ  ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ｃａｒｂｉｄｅ）材料である。これらの処理は、衝突角度および圧力の変化による影響を示す。この処理の結果、コーティング表面がより平滑になり、そして引張り応力が低減されるかまたは圧縮応力へ転換される。アルミナ上のＴｉＣｘＮｙＯｚ層を開示する（２欄３０〜４３行を参照）レナンダ（Ｌｅｎａｎｄｅｒ）らに付与された米国特許第５，８６１，２１０号明細書は、ブラスティングパラメータを変更して（例１、４欄４８行〜５欄１１行を参照）、異なる結果を達成することが知られていることを開示している。
【０００８】
リテケ（Ｌｉｔｔｅｃｋｅ）らへの米国特許出願公開第２００７／０００９７６３  Ａ１号明細書は、ＴｉＣｘＮｙコーティング層とα−Ａｌ２Ｏ３コーティング層を含むコーティングスキーム用のウェットブラストコーティング後処理を開示している。基材は超硬合金（ｃｏｂａｌｔ  ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ｃａｒｂｉｄｅ）材料である。この処理の結果、コーティング表面がより平滑になり、そして引張り応力が低いＴｉＣｘＮｙコーティング層と平滑なα−Ａｌ２Ｏ３コーティング層とが生成される。
【０００９】
アンダーソン（Ａｎｄｅｒｓｓｏｎ）らへの米国特許出願公開第２００７／０２９８２８１  Ａ１号明細書およびアンダーソン（Ａｎｄｅｒｓｓｏｎ）らへの米国特許出願公開第２００７／０２９８２８２  Ａ１号明細書の各々は、ＴｉＣｘＮｙコーティング層とα−Ａｌ２Ｏ３コーティング層を含むコーティングスキーム用のウェットブラストコーティング後処理を開示している。基材は超硬合金（ｃｏｂａｌｔ  ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ｃａｒｂｉｄｅ）材料である。この処理の結果、引張り応力が低いＴｉＣｘＮｙコーティング層と平滑なα−Ａｌ２Ｏ３コーティング層とが生成される。応力の状態は、すくい面と逃げ面との間で異なる。
【００１０】
ウェットブラストに加えて、コーティングの引張り応力を低減するためにドライブラストを使用することもある。例えば、ウェストファル（Ｗｅｓｔｐｈａｌ）らに付与された米国特許第６，８８４，４９６号明細書は、コーティングされた切削インサートをドライブラストすることの基本的な利点を開示しており、その際、圧縮応力の増加がみられる。２欄４２〜６７行を参照のこと。
【００１１】
ブラスト作業のいくつかは、コーティングのごく一部のみを除去するという認識があろう。例えば、ブルマンダ（Ｂｊｏｒｍａｎｄｅｒ）に付与された米国特許第７，５３１，２１３号明細書は、ポスト処理（好ましくはブラストかブラッシング）がエッジライン上のおよびすくい面上の最も外側のコーティング層のみを除去する、コーティングされた切削工具インサートに関連している。
【００１２】
上述の特許文書のいくつかは、工作物からの材料の除去、例えば工作物のチップ形成機械加工に有用な切削インサートを示し、そのコーティングスキームはコーティング後処理にかけられている。このコーティング後処理の結果、コーティング層における引張り応力の低減、あるいは引張り応力の圧縮応力への転換がみられた。このコーティング後処理の結果、外側コーティング層は平滑化した。
【００１３】
しかしながら、これらの特許文書の多くは超硬合金基材または一例ではサーメット基材を有する切削インサートを示す。これらの特許文書は、コーティング層における引張り応力の低減または引張り応力の圧縮応力への転換、ならびに外側コーティング層の平滑化をもたらす窒化ケイ素系基材またはサイアロン系基材のコーティング後処理の実例を開示していない。
【００１４】
さらに、これらの特許文書のいくつかは、外側コーティング層の一部のみの除去を示している。これらの特許文書は、外側コーティング層の完全な除去をもたらす窒化ケイ素系基材またはサイアロン系基材のコーティング後処理の実例を開示していない。外側コーティング層の完全な除去の結果は、外側コーティング層として残っているコーティング層を含むコーティング層における引張り応力の低減または引張り応力の圧縮応力への転換である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５，５２５，１３４号
【特許文献２】米国特許第４，８８０，７５５号
【特許文献３】米国特許第５，３７２，８７３号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０１２７６７１号
【特許文献５】米国特許出願公開第２００６／０２０４７５７号
【特許文献６】米国特許第５，８６１，２１０号
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／０００９７６３号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００７／０２９８２８１号
【特許文献９】米国特許出願公開第２００７／０２９８２８２号
【特許文献１０】米国特許第６，８８４，４９６号
【特許文献１１】米国特許第７，５３１，２１３号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
その一形態において、本発明は工作物から材料を除去するためのコーティングされたセラミック切削インサートである。コーティングされたセラミック切削インサートは、窒化ケイ素系セラミックスおよびシリコンアルミニウム酸窒化物系セラミックスの群から選択されたセラミック基材を含む。基材はすくい面と少なくとも１つの逃げ面を有し、すくい面と逃げ面の交差部に切れ刃がある。コーティングされたセラミック切削はさらに、工作物から材料を除去する間摩耗を受けるセラミック基材の実質的に全ての表面に化学蒸着によって堆積されたアルミナ含有ベースコーティング層領域を含む。アルミナ含有ベース層領域は少なくとも１層の露出アルミナコーティング層を有する。露出アルミナコーティング層は、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約５０ＭＰａ（引張り応力）〜約−２ＧＰａ（圧縮応力）の範囲のブラスト後応力状態を呈する。
【００１７】
その別の形態において、本発明はコーティングされたセラミック切削インサートの作製方法であり、方法は、窒化ケイ素系セラミックスおよびシリコンアルミニウム酸窒化物系セラミックスからなる群から選択され、すくい面と少なくとも１つの逃げ面、およびすくい面と逃げ面の交差部に形成された切れ刃を有するセラミック基材を提供する工程と、セラミック基材およびブラスト前コーティングスキームを含むブラスト前のコーティングされた部材を形成する工程とを含み、ブラスト前コーティングスキームが以下の工程：セラミック基材の表面に化学蒸着によって少なくとも１層の最外アルミナコーティング層を含むアルミナ含有ベースコーティング層を堆積する工程、アルミナ含有ベースコーティング層領域に化学蒸着によって少なくとも１層のチタン系コーティング層を含むチタン含有外側コーティング層領域を堆積する工程、およびチタン含有外側コーティング層領域をウェットブラストする工程であって、それによって露出アルミナコーティング層を形成するために最外アルミナコーティング層を露出させ、露出した最外アルミナコーティング層の応力状態を、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約５０ＭＰａ（引張り応力）〜約８００ＭＰａ（引張り応力）の範囲の初期応力状態から、Ｐｓｉ傾斜法およびアルミナの（０２４）反射を使用したＸＲＤによって測定された約５０ＭＰａ（引張り応力）〜約−２ＧＰａ（圧縮応力）の範囲のブラスト後応力状態へ変化させる工程によって堆積される。
【００１８】
以下は本特許出願の一部をなす図面の簡単な説明である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】コーティングされたセラミック切削インサートがブラスト後状態である本発明のコーティングされたセラミック切削インサートの特定実施形態の等測図である。
【図２】図１のもののようなコーティングされたセラミック切削インサートの上側領域の断面図であるがブラスト前状態にあり、セラミック基材が化学蒸着によって上に以下のコーティング領域、すなわちアルミナ含有ベースコーティング層領域と、アルミナ含有ベースコーティング層領域上のチタン含有外側コーティング層領域を堆積している。
【図２Ａ】図１のもののようなコーティングされたセラミック切削インサートの上側領域の断面図であり、アルミナ含有ベースコーティング層領域が単一（すなわち最外）アルミナコーティング層を含むように示されている。
【図２Ｂ】図１のもののようなコーティングされたセラミック切削インサートの上側領域の断面図であり、アルミナ含有ベースコーティング層領域が２つのコーティングセットおよび最外アルミナコーティング層を有するように示されている。
【図３Ａ】図１のもののようなコーティングされたセラミック切削インサートの断面図であり、ブラスト後状態の１つの選択肢のコーティングされたセラミック切削インサートを示し、チタン含有外側コーティング領域の実質的に全てが除去されかつアルミナ含有ベースコーティング領域の実質的に全てが残っている、すなわちブラストされていない。
【図３Ｂ】図１のもののようなコーティングされたセラミック切削インサートの断面図であり、ブラスト後状態の別の選択肢のコーティングされたセラミック切削インサートを示し、チタン含有外側コーティング領域の実質的に全てが除去されかつアルミナ含有ベースコーティング領域のいくらかがウェットブラストによって除去されている。
【図４】Ｐｓｉ傾斜法に基づくＸ線回折（ＸＲＤ）によるコーティング層の応力状態の測定における様々な傾斜および回転角度間の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図面を参照すると、図１が、工作物からの材料の除去、例えば工作物のチップ形成機械加工に有用な、２０で概ね示されるコーティングされたセラミック切削インサートの特定実施形態を示す。チップ形成機械加工作業に関して、材料除去作業が、工作物材料のチップを生成する。機械加工に関する出版物が、この事実を証明する。例えば、モルトレッチ（Ｍｏｌｔｒｅｃｈｔ）による書物「機械販売店における実践（Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｓｈｏｐ  Ｐｒａｃｔｉｃｅ）」（インダストリアルプレス社（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｐｒｅｓｓ  Ｉｎｃ．））（ニューヨーク州ニューヨーク（Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）（１９８１））が、１９９〜２０４ページにおいて、とりわけ、チップ形成ならびに様々な種類のチップ（すなわち、連続チップ、不連続チップ、部分的チップ）の説明を提示する。モルトレッチ（Ｍｏｌｔｒｅｃｈｔ）は、１９９〜２００ページにおいて（部分的に）記載する：
切削工具がまず金属と接触すると、切れ刃の先の金属を圧縮する。工具が前進すると、切れ刃の先の金属は、内側にせん断される点に応力をかけられ、粒状の金属が分解し、せん断面と呼ばれる面に沿って可塑的に流れる・・・切削される金属のタイプが、鋼など延性である場合、チップは連続リボンになる・・・
【００２１】
Ｍｏｌｔｒｅｃｈｔは不連続チップおよび部分的チップの形成について説明を続ける。別の例として、「ＡＳＴＥ工具エンジニアハンドブック（ＡＳＴＥ  Ｔｏｏｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」（マグローヒル出版（ＭｃＧｒａｗ  Ｈｉｌｌ  Ｂｏｏｋ  Ｃｏ．）（ニューヨーク州ニューヨーク（Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，ＮｅｗＹｏｒｋ））（１９４９））の３０２〜３１５ページに見出される文章は、金属切削プロセスにおけるチップ形成について長い説明をしている。３０３ページにおいて、「ＡＳＴＥハンドブック（ＡＳＴＥ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」は、チップ形成と、旋削、フライス削り、穴あけなどの機械加工とを解りやすく関係させている。
【００２２】
コーティングされたセラミック切削インサート２０は、「切削工具−割り出し可能インサート−識別システムに関するアメリカ国家規格（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  ｆｏｒ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  Ｔｏｏｌｓ−Ｉｎｄｅｘａｂｌｅ  Ｉｎｓｅｒｔｓ−Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）」と題されたＡＮＳＩ規格Ｂ−２１２．４−２００２によるＳＮＧＡ４３３Ｔ０８２０の幾何学的形状を提示している。本発明の範囲はセラミック切削インサート２０の特定実施形態またはセラミック切削インサート２０の特定幾何学的形状に限定されないことは認識されよう。請求項が本発明の範囲を定義し、出願人は本発明の範囲を特定実施形態によって制限することを意図しない。コーティングされたセラミック切削インサート２０はすくい面２８と少なくとも１つの逃げ面３０を有する。切れ刃３２がすくい面２８と逃げ面３０の交差部にある。コーティングされたセラミック切削インサート２０はさらに、コーティングされたセラミック切削インサート２０の切削工具ホルダへの連結を補助する中央開口部２４を含む。コーティングされたセラミック切削インサート２０は基材を含むが、図１はコーティングスキームがセラミック基材を覆っているため基材を示していない。コーティングが基材の全表面を覆わない実施形態があってもよいことは認識されよう。例えば図２などの断面図は基材４０を示している。
【００２３】
セラミック基材（図２の４０）の組成を参照すると、セラミック基材は、窒化ケイ素系セラミックまたはサイアロン系セラミックのどちらかを含んでもよい。セラミック基材としての使用に好適な窒化ケイ素系セラミック材料の１つの特定の組成は、約９８重量パーセント〜約１００重量パーセントのβ−窒化ケイ素すなわち窒化ケイ素のβ相の組成を有する。他の成分は、それらが窒化ケイ素系セラミック基材に好適である限り、ガラス質のまたは結晶質の粒界相および金属相を含む。例えば、結晶質の粒界相は、以下のＹｂ４ＳｉＡｌＯ８Ｎ、ＹｂＡＧ、Ｙ２Ｓｉ３Ｏ３Ｏ４、Ｙ−Ｈｆ−Ｏ、Ｍｇ−Ｓｉ−Ｏのいずれか１つ以上を含んでもよく、金属相は以下のＳｉおよびＦｅのいずれか１つ以上を含んでもよい。窒化ケイ素系セラミック基材の好ましい組成は９８重量パーセントのβ−窒化ケイ素を含み、残りが２重量パーセントの金属相であり、これら金属相はＳｉおよびＦｅを含む。
【００２４】
より広い組成範囲において、窒化ケイ素系セラミック基材は約９６重量パーセント〜約１００重量パーセントのβ−窒化ケイ素、すなわち窒化ケイ素のβ相の組成を有する。他の成分が、それらがより広い組成範囲の窒化ケイ素系セラミック基材に好適である限り、上述のようなガラス質のまたは結晶質の粒界相、および上述のような金属相を含む。さらに別の組成範囲において、窒化ケイ素系セラミック基材は約９４重量パーセント〜約１００重量パーセントのβ−窒化ケイ素、すなわち窒化ケイ素のβ相の組成を有し、上述のような窒化ケイ素系セラミックの他の成分の可能性を有する。さらに別の組成範囲において、窒化ケイ素系セラミック基材は約９０重量パーセント〜約１００重量パーセントのβ−窒化ケイ素、すなわち窒化ケイ素のβ相の組成を有し、上述のような窒化ケイ素系セラミックの他の成分の可能性を有する。
【００２５】
セラミック基材に好適なサイアロンの１つの特定の組成は、α−βサイアロンセラミック材料であり、α−サイアロン相はセラミック基材の約０重量パーセント超〜約６０重量パーセントを構成し、β−サイアロン相はサイアロンセラミック基材の約４０重量パーセント〜約１００重量パーセント未満を構成する。出願人は、α−βサイアロンのある組成において、グループＹＡＧ、Ｎ−ＹＡＭ、Ｙ−Ｎ−α−ウォルストナイト、Ｂ−相、Ｎ−アパタイト、Ｎ−メリライトおよびガラスを含み得る粒界相が存在するであろうと考えている。サイアロン系セラミック基材の好ましい組成は、セラミック基材の約１８重量パーセントを構成するα−サイアロン相と、サイアロンセラミック基材の約８２重量パーセントを構成するβ−サイアロン相とを含む。
【００２６】
１つの組成範囲において、シリコンアルミニウム酸化窒素系セラミック基材はα−βサイアロンセラミック材料であり、α−サイアロン相がセラミック基材の約２５重量パーセント〜約４５重量パーセントを構成し、β−サイアロン相がサイアロンセラミック基材の約７５重量パーセント〜約５５重量パーセントを構成する。別の組成範囲において、シリコンアルミニウム酸化窒素系セラミック基材はα−βサイアロンセラミック材料であり、α−サイアロン相がセラミック基材の約２５重量パーセント〜約４０重量パーセントを構成し、β−サイアロン相がサイアロンセラミック基材の約６０重量パーセント〜約７５重量パーセントを構成する。さらに別の組成範囲において、シリコンアルミニウム酸化窒素系セラミック基材はα−βサイアロンセラミック材料であり、α−サイアロン相がセラミック基材の約１０重量パーセント〜約２２重量パーセントを構成し、β−サイアロン相がサイアロンセラミック基材の約９０重量パーセント〜約７８重量パーセントを構成する。上のサイアロン系組成の全てについて、出願人はα−βサイアロンセラミックのいくつかの組成において上述の粒界相が存在し得ると考えている。
【００２７】
窒化ケイ素系セラミックまたはサイアロン系セラミックの組成の決定に関して、成分の重量パーセントを決定する技法はＸ線回折である。本明細書に記載の特定例に関して、Ｘ線回折技法のパラメータはリートベルト（Ｒｉｅｔｖｅｌｄ）定量分析に基づく。リートベルト精密化方法は、Ｘ線粉末回折データが固定光学素子フォーマット内にあることを必要とする。粉末回折データが、プログラム可能な光学素子を使用して集められた場合、データは最初に固定光学素子データに変換されなければならない。固定光学素子データは、任意の公知のサンプル変位について補正される。結晶構造データは、試料内に存在する結晶相の各々について入力される。リートベルト精密化は、入力された構造データを使用して完了される。典型的なリートベルト精密化パラメータ設定は以下のものである：
バックグラウンド計算法      多項式
サンプル幾何学的形状      平板
線吸収係数      平均試料組成から計算
重み付けスキーム      ロブ（ｌｏｂｓ）に対抗
プロファイル関数      疑似フォークト（Ｐｓｅｕｄｏ−Ｖｏｉｇｈｔ）
プロファイルベース幅      ８．０
最小二乗の型      ニュートン・ラフソン（Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ）
偏光係数      １．０
全てのリートベルト相分析結果は、重量パーセント値で報告される。結晶構造データが存在しない結晶相がセラミック基材に存在する場合、シンプルなピーク高さ比が測定される。これらのピーク高さ比に関して、バックグラウンドプロファイルが、集められたデータにフィッティングされる。結晶相の最も強いピークが決定され、プロファイルピーク高さが測定される。プロファイルピーク高さは、粉末回折パターンの最も強いピークについて決定される。相対的ピーク比（ＲＩ）は以下の式を使用して結晶相について決定される。
【数１】
2013522055.tif 000003
【００２８】
本明細書で上に述べたようにかつ図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、コーティングされたセラミック切削インサートは、ブラスト後コーティングスキーム（５０、８２）を上に有するセラミック基材４０を含む。ブラスト後コーティングスキームは、セラミック基材４０上のブラスト前コーティングスキーム４６（図２参照）をウェットブラストした結果である。図２はブラスト前コーティングスキーム４６の一般的なコーティング構造を示す。図２Ａおよび図２Ｂを参照して明らかなように、代替のコーティング構造がブラスト前コーティングスキーム４６の部分に存在する。
【００２９】
図２のブラスト前コーティングスキーム４６を参照すると、ブラスト前コーティングスキーム４６は化学蒸着によってセラミック基材４０の表面４２に堆積されたアルミナ含有ベースコーティング層領域５０を含む。アルミナ含有ベースコーティング層領域５０はセラミック基材の全表面にあることができる。代替的に、アルミナ含有ベースコーティング層領域５０は、工作物から材料を除去する間、摩耗を受ける基材表面の領域の実質的に全ての上にあることができる。通常そのような摩耗は、切れ刃でおよび切れ刃近くのすくい面でおよび切れ刃近くの逃げ面で発生する。アルミナ含有ベースコーティング層領域５０は少なくとも１層の最外（すなわち、セラミック基材の表面から最も離れたコーティング層）アルミナコーティング層を含み、この最外アルミナコーティング層はα−アルミナ、すなわちアルミナのα結晶相を含んでもよい。しかしながら、最外アルミナコーティング層は代替的には他のアルミナ結晶相、例えばκ−アルミナ単独、またはκ−アルミナとα−アルミナの混合、ならびに他のアルミナ結晶相などを含んでもよいことは理解されよう。
【００３０】
図２を参照すると、アルミナ含有ベースコーティング層領域５０の厚さは厚さ「Ｂ」である。アルミナ含有ベースコーティング層領域５０の厚さ「Ｂ」は１つの選択肢において約２マイクロメートル（μｍ）〜約２５マイクロメートル（μｍ）の範囲をとることができる。厚さ「Ｂ」の別の選択肢は約２マイクロメートル（μｍ）〜約１５マイクロメートル（μｍ）の間を含む。厚さ「Ｂ」のさらに別の選択肢は約４マイクロメートル（μｍ）〜約１２マイクロメートル（μｍ）の間を含む。
【００３１】
図２のブラスト前コーティングスキーム４６はさらにアルミナベースコーティング層領域５０の表面５５上にあるチタン含有外側コーティング層領域５４を含む。チタン含有外側コーティング層領域５４は、化学蒸着によってアルミナ含有ベースコーティング層領域５０に適用された窒化チタンおよび／またはチタン炭窒化物のコーティング層の１つ以上を含む。チタン含有外側コーティング領域５４は外表面５８を有する。チタン含有外側コーティング層領域を５４の厚さは厚さ「Ｃ」である。チタン系外側コーティング層領域５４の厚さ「Ｃ」は１つの選択肢において約０．５マイクロメートル（μｍ）〜約５マイクロメートル（μｍ）の範囲をとることができる。厚さ「Ｃ」の別の選択的範囲は約０．５マイクロメートル（μｍ）〜約３マイクロメートル（μｍ）の間を含む。しかし、厚さ「Ｃ」の別の選択的範囲は約０．５マイクロメートル（μｍ）〜約１．５マイクロメートル（μｍ）の間を含む。
【００３２】
ブラスト前コーティングスキーム４６の全コーティング厚さは厚さ「Ｄ」である。ブラスト前コーティングスキームの厚さ「Ｄ」は１つの選択肢において約２．５マイクロメートル（μｍ）〜約３０マイクロメートル（μｍ）の範囲をとることができる。厚さ「Ｄ」の別の選択的範囲は約２．５マイクロメートル（μｍ）〜約１８マイクロメートル（μｍ）の間を含む。厚さ「Ｄ」のさらに別の選択的範囲は約４．５マイクロメートル（μｍ）〜約１３．５マイクロメートル（μｍ）の間を含む。
【００３３】
アルミナ含有ベースコーティング層領域５０に戻って参照すると、この領域５０はコーティング構造の複数の選択肢を提示してもよい。図２Ａはアルミナ含有ベース層領域５０Ａとして１つのそのような選択肢を示す。図２Ａにおいて、アルミナ含有ベース層領域５０Ａは、セラミック基材４０Ａの表面４２Ａにある最外アルミナコーティング層６０から実質的になる。換言すると、アルミナ含有ベース層領域５０Ａ全体は１つの最外アルミナコーティング層６０を含む。ブラスト前コーティングスキーム４６Ａはさらに、外表面５８Ａを有するチタン含有外側コーティング層領域５４Ａを含む。
【００３４】
図２Ｂはアルミナ含有ベース層領域５０の別の選択肢を示す。図２Ｂは、アルミナ含有ベース層領域５０Ｂが複数のコーティングセット（６４、６６）と最外アルミナコーティング層６２とを含むことを示す。この選択肢において、コーティングセット６４はアルミナコーティング層７４とチタン炭酸窒化物コーティング層７２とを含んでもよく、コーティングセット６６はアルミナコーティング層７０とチタン炭酸窒化物コーティング層６８とを含んでもよい。チタン炭酸窒化物コーティング層６８は基材４０Ｂの表面４２Ｂ上にある。ブラスト前コーティングスキーム４６Ｂはさらに外表面５８Ｂを有するチタン含有外側コーティング層領域５４Ｂを含む。
【００３５】
アルミナコーティング層（７０、７４）の厚さは１つの選択肢において約０．１マイクロメートル（μｍ）〜約３マイクロメートル（μｍ）の範囲をとることができる。アルミナコーティング層（７０、７４）の厚さの別の選択的範囲は約０．２マイクロメートル（μｍ）〜約２マイクロメートル（μｍ）の間を含む。しかし、アルミナコーティング層（７０、７４）の厚さの別の選択的範囲は約０．５マイクロメートル（μｍ）〜約１マイクロメートル（μｍ）の間を含む。チタン炭酸窒化物コーティング層（６８、７２）の厚さは１つの選択肢において約０．１マイクロメートル（μｍ）〜約２マイクロメートル（μｍ）の範囲をとることができる。チタン炭酸窒化物コーティング層（６８、７２）の厚さの別の選択的範囲は約０．２マイクロメートル（μｍ）〜約１マイクロメートル（μｍ）の間を含む。しかし、チタン炭酸窒化物コーティング層（６８、７２）の厚さの別の選択的範囲は約０．２マイクロメートル（μｍ）〜約０．５マイクロメートル（μｍ）の間を含む。
【００３６】
アルミナコーティング層（７０、７４）およびチタン炭酸窒化物コーティング層（６８、７２）の組み合わせの厚さは１つの選択肢において約０．２マイクロメートル（μｍ）〜約５マイクロメートル（μｍ）の範囲をとることができる。アルミナコーティング層（７０、７４）およびチタン炭酸窒化物コーティング層（６８、７２）の組み合わせの厚さの別の選択的範囲は１つの選択肢において約０．２マイクロメートル（μｍ）〜約３マイクロメートル（μｍ）の範囲をとることができる。しかし、アルミナコーティング層（７０、７４）およびチタン炭酸窒化物コーティング層（６８、７２）の組み合わせの厚さの別の選択的範囲は１つの選択肢において約０．２マイクロメートル（μｍ）〜約２マイクロメートル（μｍ）の範囲をとることができる。
【００３７】
出願人は、他のコーティング層（それがコーティング層構造であろうとコーティング層の構成であろうと）が、アルミナ含有ベース層領域５０を構成してもよく、上の特定実施形態が請求項の範囲の限定でないと考えている。しかしながら、アルミナ含有ベース層領域の１つの態様は、その最外コーティング層がアルミナコーティング層であるというものである。
【００３８】
以降の記載から明らかになるように、ブラスト後コーティングスキームを生成するプロセスは、コーティング後ウェットブラスト工程を含む。通常、コーティング後ウェットブラスト工程は、液体（例えば水）スラリー中のアルミナ粒子を空気圧により発射して、ブラスト前コーティングスキームの全表面に衝突することを含む。このコーティング後ウェットブラスト工程では、ウェットブラストすることにより、全表面から実質的に全てのチタン含有外側コーティング層領域５４を除去する。ウェットブラスト工程の１つの選択肢において、実質的に全てのアルミナ含有ベースコーティング層領域が残る。図３Ａはこの選択肢のブラスト後コーティングスキームを示す。ウェットブラスト工程の別の選択肢において、アルミナ含有ベースコーティング領域のいくらかがウェットブラストによって除去される。図３Ｂはこの選択肢のブラスト後コーティングスキームを示す。
【００３９】
ウェットブラストの１つの結果は、アルミナ含有ベース層領域の、下層の堆積時のままの最外アルミナコーティング層の露出であり、ブラスト後コーティングスキームの露出アルミナコーティング層を形成する。コーティング後ウェットブラスト工程はさらに、露出アルミナコーティング層の引張り応力をより低い引張り応力へ低減するか、あるいは引張り応力を圧縮応力へと変換する。コーティング後ウェットブラスト工程はまた、露出アルミナコーティング層の表面を平滑化する。ウェットブラスト工程が、露出アルミナコーティング層の応力状態の低減、および、露出アルミナコーティング層の表面の平滑化、の両方をすることは明らかである。
【００４０】
図３Ａに示されているような第１の選択肢を参照すると、コーティング後ウェットブラスト工程は実質的に全てのチタン含有外側コーティング層領域５４を除去するが、表面８６を有するアルミナ含有ベースコーティング領域５０の実質的に全てを残す。従って、アルミナ含有ベースコーティング領域５０の厚さ「Ｂ」は実質的に変化しないまま残っている。アルミナコーティング層領域５０の厚さ「Ｂ」は１つの選択肢において約２マイクロメートル（μｍ）〜約２５マイクロメートル（μｍ）の範囲をとることができる。厚さ「Ｂ」の別の選択的範囲は約２マイクロメートル（μｍ）〜約１５マイクロメートル（μｍ）の間を含む。厚さ「Ｂ」のさらに別の選択的範囲は約４マイクロメートル（μｍ）〜約１２マイクロメートル（μｍ）の間を含む。
【００４１】
図３Ｂに示されているような第２の選択肢を参照すると、コーティング後ウェットブラスト工程は全てのチタン含有外側コーティング層領域５４とアルミナ含有ベースコーティング領域５０のいくらかを除去する。アルミナ含有ベースコーティング領域５０の厚さは低減して、表面８４を有するアルミナ含有ベースコーティング領域８２を形成する。アルミナ含有ベースコーティング領域８２は厚さ「Ｆ」を有する。厚さ「Ｆ」の大きさは厚さ「Ｂ」の大きさ未満である。厚さ「Ｆ」は１つの選択肢において約１マイクロメートル（μｍ）〜約２３マイクロメートル（μｍ）の範囲をとることができる。厚さ「Ｆ」の別の選択的範囲は約１マイクロメートル（μｍ）〜約１３マイクロメートル（μｍ）の間を含む。厚さ「Ｆ」のさらに別の選択的範囲は約２マイクロメートル（μｍ）〜約１０マイクロメートル（μｍ）の間を含む。
【００４２】
（堆積時のままの）最外アルミナコーティング層は引張り応力を有する。コーティング後ウェットブラスト工程は、引張り応力の大きさを、ブラスト前引張り応力レベルからブラスト後引張り応力レベルへ低減する。ブラスト前引張り応力レベルは、ブラスト後引張り応力レベルより大きい。コーティング後ウェットブラスト工程はまた、引張り応力を圧縮応力に変換し得る。これはブラスト前引張り応力レベルからブラスト後圧縮応力レベルへの変化である。この結果、堆積時のままの最外アルミナコーティング層の引張り応力未満の値を有する低減引張り応力を呈するか、または圧縮応力を呈する露出アルミナコーティング層がもたらされる。
【００４３】
コーティング後ウェットブラスト工程はまた、露出アルミナコーティング層の平滑化をもたらす。１つの選択肢において、露出アルミナコーティング層は、ＷＹＫＯ測定技法を用いて約０．２μｍ〜約０．８μｍの表面粗さＲａを呈する。別の選択肢において、露出アルミナコーティング層は、ＷＹＫＯ測定技法を用いて約０．２μｍ〜約０．６μｍの表面粗さＲａを呈する。さらに別の選択肢において、露出アルミナコーティング層は、ＷＹＫＯ測定技法を用いて約０．２μｍ〜約０．５μｍの表面粗さＲａを呈する。ＷＹＫＯ技法に関して、０．３ｍｍ×０．２ｍｍのサンプル領域が、垂直走査干渉モードの下でのＷＹＫＯ測定に選択された。
【００４４】
耐摩耗性コーティングスキームの１つの選択肢において、アルミナ含有ベース層領域の堆積時のままの最外アルミナコーティング層（ウェットブラスト後、露出アルミナコーティング層になる）は、約５０ＭＰａ〜約８００ＭＰａに等しいブラスト前（すなわち堆積時のままの）引張り応力状態を呈する。ウェットブラストの完了後、露出アルミナコーティング層は５０ＭＰａ（引張り応力）〜約−２ＧＰａ（圧縮応力）の応力状態を有する。
【００４５】
耐摩耗性コーティングスキームの別の選択肢において、アルミナ含有ベース層領域の堆積時のままの最外アルミナコーティング層（ウェットブラスト後、露出アルミナコーティング層になる）は、約１００ＭＰａ〜約６００ＭＰａに等しいブラスト前（すなわち堆積時のままの）引張り応力状態を呈する。ウェットブラストの完了後、露出アルミナコーティング層は−５０ＭＰａ（圧縮応力）〜約−８００ＭＰａ（圧縮応力）の応力状態を有する。
【００４６】
耐摩耗性コーティングスキームの別の選択肢において、アルミナ含有ベース層領域の堆積時のままの最外アルミナコーティング層（ウェットブラスト後、露出アルミナコーティング層になる）は、約１００ＭＰａ〜約４５０ＭＰａに等しいブラスト前（すなわち堆積時のままの）引張り応力状態を呈する。ウェットブラストの完了後、露出アルミナコーティング層は−１００ＭＰａ（圧縮応力）〜約−４００ＭＰａ（圧縮応力）の応力状態を有する。
【００４７】
応力の測定技法に関して、技法はＸ線回折（ＸＲＤ）技法である。ＸＲＤ応力測定はＰｓｉ傾斜法に基づき、Ａｌ２Ｏ３コーティング層の反射（０２４）が測定に選択された。０度、３３．９度、５２．１度および７５度のＰｓｉ傾斜が、残留応力レベルの測定に選択された。正のおよび負のＰｓｉ傾斜が、可能性のあるせん断応力を決定するのに必要とされるデータを供給するために選択された。さらに、３つのＰｈｉ回転角度が、材料の二軸応力状態を決定するのに必要とされるデータを提供するために選択された（０度、４５度、および９０度）。
【００４８】
二軸応力計算は以下の等式を使用して行われた。
【数２】
2013522055.tif 000004
式中、Ｓ１および１／２Ｓ２は、Ｘ線弾性係数である
ｄφψ  Ｐｓｉ傾斜およびＰｈｉ回転の測定されたピークｄスペーシング
ｄ０  回折された反射の応力フリーピークｄスペーシング
σ１およびσ２は主応力である
σφ＝σ１ｃｏｓ２φ＋σ２ｓｉｎ２φ
この方法におけるさまざまな傾斜および回転角度の関係が図５に示される。Ａｌ２Ｏ３コーティングの応力計算について、ヤング率（Ｅ）は４０１ＧＰａが使用され、ポアソン比（ν）は０．２２が使用され、Ｘ線弾性係数（Ｓ１およびＳ２）は−０．５３×１０６ｍｍ２／Ｎおよび２．９４×１０６ｍｍ２／Ｎがそれぞれ使用される。
【００４９】
ウェットブラストは、アルミナ粒子と水を含むスラリーを使用して達成される。アルミナ粒子と水のスラリーは、空気圧によって表面に発射され基材の表面に衝突する。
【００５０】
アルミナ−水スラリーの基本パラメータは、体積パーセントの粗粒（すなわち、アルミナ粒子）濃度、およびマイクロメートル（μｍ）のアルミナ粒径である。１つの選択肢において、スラリーは約５体積パーセント〜約３５体積パーセントのアルミナ粒子を残りの水と共に含む。別の選択肢において、スラリーは約８体積パーセント〜約２５体積パーセントのアルミナ粒子を残りの水と共に含む。さらに別の選択肢において、スラリーは約１０体積パーセント〜約２０体積パーセントのアルミナ粒子を残りの水と共に含む。粒径に関して、１つの選択肢において、アルミナ粒子は約２０μｍ〜約１００μｍの粒径範囲をとることができる。別の選択肢において、アルミナ粒子は約３５μｍ〜約７５μｍの粒径範囲をとることができる。さらに別の選択肢において、アルミナ粒子は約４５μｍ〜約５０μｍの粒径範囲をとることができる。
【００５１】
ウェットブラスト工程の操作パラメータは、圧力、衝突の角度、および期間である。この出願では、衝突角度は約９０度であり、すなわち粒子は両面を９０度の角度で衝突する。１つの選択肢において、圧力は、平方インチあたり約３５ポンド（ｐｓｉ）〜約５５ｐｓｉの範囲をとる。別の選択肢において、圧力は、平方インチあたり約４０ポンド（ｐｓｉ）〜約５０ｐｓｉの範囲をとる。ウェットブラストの期間は、特定のウェットブラスト操作により変動し、ここで、目標は、チタン含有外側コーティング層領域の完全な（または実質的に完全な）除去を達成することである。例示的な期間は約６秒〜約４５秒の間を含む。期間の１つの幅は約９秒〜約３０秒である。さらに別の期間の幅は、約１２秒〜約２１秒である。
【００５２】
コーティングされたセラミック切削インサートの作製方法に関して、基本工程は以下の工程を含む。
【００５３】
第１工程は、窒化ケイ素系セラミックスおよびシリコンアルミニウム酸化窒素系セラミックスからなる群から選択されたセラミック基材を提供することを含む。セラミック基材を形成する典型的な技術は粉末混合物の圧密を含む。圧密は通常、圧力および／または熱の下で起きる。セラミック基材はすくい面と少なくとも１つの逃げ面を有する。切れ刃がすくい面と逃げ面の交差部にある。セラミック基材は次に、コーティングの準備のため基材表面を平滑化するためにコーティング前処理として機械的研磨にかけられる。
【００５４】
プロセスの次の目的は、セラミック基材とブラスト前コーティングスキームとを含むブラスト前のコーティングされたセラミック部材を形成することである。２つの基本工程が使用されこの目的を達成する。これら３つの工程の第１は、セラミック基材の表面に、少なくとも１層の最外アルミナコーティング層を含むアルミナ含有ベースコーティング層領域を堆積することである。これらの工程の第２は、アルミナ含有ベースコーティング層領域に、化学蒸着によってチタン含有外側コーティング層領域を堆積することである。
【００５５】
次の工程の目的は、ブラスト前のコーティングされたセラミック部材を、ブラスト後コーティングスキームを上に有するセラミック基材を含む（ブラスト後の）コーティングされたセラミック切削インサートに変化させることである。この工程はチタン含有外側コーティング層領域（およびおそらくはアルミナコーティングのいくらか）をウェットブラストすることを含み、それによって最外アルミナコーティング層を露出させかつ露出した最外アルミナコーティング層の応力状態を変化させ、および露出アルミナコーティング層を平滑化する。
【００５６】
発明的なコーティングされたセラミック切削インサートおよびその比較試験は以下に記載される。１つの比較試験は、発明的なコーティングされたセラミック切削インサートの分単位での工具寿命を、ウェットブラストにかけられてないコーティングされたセラミック切削インサートの分単位の工具寿命に対して測定した。他の比較試験は発明的なコーティングされたセラミック切削インサートの刃先チッピングの割合を、ウェットブラストにかけられてないコーティングされたセラミック切削インサートの分単位の工具寿命に対して測定した。
【００５７】
表１は発明的なセラミック切削インサートの特定例としてアルミナ含有ベースコーティング領域とチタン含有外側コーティング領域を堆積するのに使用された基本プロセスパラメータを記載する。これに関して、表１のパラメータのプロセスは、コーティングスキームをセラミック基材の表面に適用するのに使用された工程を示す。
【表１】
2013522055.tif 000005
上の工程はパージング工程で始まりＴｉＮを適用する工程まで連続的に起こる。
【００５８】
表１の上の工程に関して、パージング工程の目的は反応器を接合層の堆積のために準備することであった。実際の例では、次の工程は接合層のセラミック基材表面への堆積であった。接合層は非常に薄く顕微鏡的に検出できない。少なくとも本説明の目的のために、接合層をアルミナコーティング層の一部であると考えることができる。接合層の組成はアルミナである。次の工程はアルミナコーティング層の堆積である。特定の例では、アルミナコーティングは約１１μｍに等しい厚さを有し、接合層の薄さのため、接合層とアルミナ層の組み合わせの厚さは約１１μｍである。１つの選択肢において、アルミナ（および接合）コーティング層の厚さは約２μｍ〜約２５μｍの間である。別の選択的範囲において、アルミナ（および接合）コーティング層の厚さは約２μｍ〜約１５μｍの間である。さらに別の選択的範囲において、アルミナ（および接合）コーティング層の厚さは約４μｍ〜約１２μｍの間である。
【００５９】
次の工程はチタン炭窒化物コーティング層の堆積およびその後の窒化チタンコーティング層の堆積である。特定の例では、チタン炭窒化物コーティング層と窒化チタンコーティング層の合計厚さは約１μｍである。１つの選択肢として、チタン炭窒化物コーティング層と窒化チタンコーティング層の厚さは約０．５μｍ〜約５μｍの間である。別の選択的範囲において、チタン炭窒化物コーティング層と窒化チタンコーティング層の厚さは約０．５μｍ〜約３μｍの間である。さらに別の選択的範囲において、チタン炭窒化物コーティング層と窒化チタンコーティング層の厚さは約０．５μｍ〜約１．５μｍの間である。チタン炭窒化物コーティング層の組み合わせおよびその後の窒化チタンコーティング層の堆積はチタン含有外側コーティング領域に相互に関連がある。
【００６０】
比較試験に使用した従来技術はＡｌ２Ｏ３／ＴｉＣＮ交互コーティング層を含むコーティングスキームを有していた。各Ａｌ２Ｏ３コーティング層の厚さは１．５μｍに等しく、各ＴｉＣＮコーティング層の厚さは０．５μｍに等しかった。コーティングスキームの厚さは４．０μｍに等しく、コーティング後のさらなる処理はなかった。比較試験に使用された発明的なセラミック切削インサートは、ウェットブラスト手順にかけられた従来技術のコーティングされたセラミック切削インサートを含んでいた。ウェットブラスト手順ではウェットガラススクリーンがチタン含有外側コーティング領域を除去した。このウェットブラスト手順は下の表２に記載される。
【表２】
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【００６１】
従来技術のコーティングされたセラミック切削インサートおよび発明的なコーティングされたセラミック切削インサートの両方に関して、切削インサートの型はＡＮＳＩ規格ＳＮＧＡ４３３Ｔ０８２０であった。比較試験に使用した特定のコーティングされたセラミック切削インサートのパラメータが下の表３に記載される。
【表３】
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【００６２】
工具寿命を測定する比較試験について、パラメータは以下の通りであった。工作物材料：クラス３０ねずみ鋳鉄管（クリーンＯＤ）；１分あたり２０００表面フィート（ｓｆｍ）（１分あたり６１０表面メートル）に等しい速度；１回転あたり０．０１２インチ（０．３ミリメートル）（ｉｐｒ）に等しい送り速度；０．０６０インチ（１．５２ミリメートル）に等しい切削深さ（ｄｏｃ）；１５度に等しいアプローチ角；切削油剤：乾燥。破損判定基準は以下の通りだった：０．０１２インチ（０．３ミリメートル）最大に等しいＵＮＦ；０．０１２インチ（０．３ミリメートル）に等しいノーズ摩耗（ＮＷ）；０．０１２インチ（０．３ミリメートル）に等しい切欠き深さ（ＤＯＣＮ）；０．００４インチ（０．１ミリメートル）に等しいＣＲ；０．０１２インチ（０．３ミリメートル）に等しいＴＷ。
【００６３】
比較試験において、６個のサンプル、すなわち３個の従来技術のコーティングされたセラミック切削インサートと３個の発明的なコーティングされたセラミック切削インサートが試験された。比較試験の結果は下の表４に記載される。
【表４】
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これらの結果は、従来技術の切削インサートの耐摩耗性と比較して、耐摩耗性において発明的な切削インサートの寿命期間（工具寿命）が平均１３０％改善されたことを示す。
【００６４】
刃先チッピングを測定する比較試験に関して、湿潤回転サイクル断続切削作業が以下のパラメータで使用された。工作物材料：８０−５５−０６ダクタイル鉄；１分あたり１２００表面フィート（ｓｆｍ）（１分あたり３６６表面メートル）に等しい速度；１回転あたり０．００８インチ（０．２ミリメートル）に等しい送り速度；０．０８インチ（２ミリメートル）に等しい切削深さ；−５度に等しいアプローチ角。従来技術のコーティングされたセラミック切削インサートおよび発明的なコーティングされたセラミック切削インサートは、３６回のパス後、刃先チッピングを試験された。以下の表５が従来技術のコーティングされたセラミック切削インサートおよび発明的なコーティングされたセラミック切削インサートの刃先チッピングの比較の結果を記載する。刃先チッピングの測定は光学顕微鏡を３０倍の拡大倍率で使用して行われた。
【表５】
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発明的な切削インサートは従来技術のインサートと比較して刃先チッピングの低減を呈した。
【００６５】
表４および５の比較試験結果の分析は、発明的な切削インサートが、向上した耐摩耗性、ならびに改善された強靭性を呈したことを示す。それは従来技術の切削インサートと比較した場合、刃先チッピングに対する耐性の増加（すなわち刃先チッピングのより少ない割合）によって示される。
【００６６】
本特許ならびに本明細書中で特定された他の文書は、本明細書中に参照することによってその全てが本明細書に援用される。本発明の他の実施形態は、本明細書または本明細書に開示された本発明の実施を考慮することから当業者に明らかになろう。本明細書および例は例示のみを目的とし、本発明の範囲を限定しないことが意図される。以下の請求項が本発明の真の範囲および精神を示す。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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