(57)【要約】本発明は、切削工具基材上の耐摩耗被膜を堆積する方法を提供する。陰極アーク堆積は、１以上の板状ターゲットおよび少なくとも２００Ａ、好ましくは、少なくとも４００Ａの大きなアーク電流を使用して実行され、これにより基材の前に少なくとも５Ａの大きな総イオン電流が提供される。大きな運動エネルギーで基材に衝突するイオンの悪影響を避けるため、比較的低いバイアス電圧が使用されてもよい。本発明の方法により、切削性能および工具の耐用年数を向上させるため、切削工具基材上に厚い耐摩耗被膜を堆積することが可能である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室内で陰極アーク堆積のためのアノード−カソード構成を形成する板状ターゲットおよびアノード構成を提供するステップと、
前記真空室内に１以上の切削工具基材を提供するステップと、
アーク放電のイオンが前記板状ターゲットから放出されて前記１以上の切削工具基材上での被膜の形成に寄与するように、前記板状ターゲットと前記アノード構成との間に少なくとも２００Ａのアーク電流を印加することにより前記板状ターゲットの表面での１以上のアークスポットとして視認可能な前記アーク放電からプラズマを生成するステップであって、前記ターゲット表面から約１５ｃｍの距離において前記ターゲットを臨むプローブ面を使用して測定される前記ターゲット表面の法線方向に沿った平均イオン電流密度に、前記板状ターゲットの総表面積を乗算すると、少なくとも５Ａであることを特徴とするステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記板状ターゲットは、５００ｃｍ２より大きく、好ましくは、１０００ｃｍ２より大きな表面積をもつ、請求項１の方法。
【請求項３】
イオン電流密度は、６ｍＡ／ｃｍ２より大きく、好ましくは、１０ｍＡ／ｃｍ２より大きく、より好ましくは、６ｍＡ／ｃｍ２から１６ｍＡ／ｃｍ２の間である、請求項１または請求項２の方法。
【請求項４】
前記アノード構成の電位ＶＡに対して負である前記切削工具基材へのバイアス電圧ＶＳと、前記アノード構成の前記電位ＶＡに対して負であるカソード電圧ＶＣと、を印加するステップをさらに含み、
ＶＳ−ＶＡ＞−３０Ｖ
−２０Ｖ＜ＶＣ−ＶＡ＜０Ｖ、および
−１０Ｖ≦ＶＳ−ＶＣ≦１０Ｖである、請求項１から請求項３のいずれかの方法。
【請求項５】
ＶＳ−ＶＣ≦０Ｖである、請求項４の方法。
【請求項６】
−１９Ｖ≦ＶＣ−ＶＡ≦−１５Ｖ、好ましくは、−１８Ｖ≦ＶＣ−ＶＡ≦−１６Ｖである、請求項４または請求項５の方法。
【請求項７】
−３０Ｖ≦ＶＳ−ＶＡ≦−１５Ｖ、好ましくは、−２５Ｖ≦ＶＳ−ＶＡ≦−１５Ｖである、請求項４から請求項６のいずれかの方法。
【請求項８】
前記アーク電流が、≧４００Ａ、好ましくは、４００〜１２００Ａ、より好ましくは、６００〜１２００Ａである、請求項１から請求項７のいずれかの方法。
【請求項９】
前記アーク放電の前記１以上のアークスポットの変位を操作するため、前記ターゲット表面上に横方向磁場を生成するステップ、をさらに含む、請求項１から請求項８のいずれかの方法。
【請求項１０】
前記板状ターゲットおよび前記アノード構成上で測定されるインピーダンスを＜０．１オーム、好ましくは、＜０．０５オームに制御するため前記横方向磁場の大きさを制御するステップ、をさらに含む、請求項９の方法。
【請求項１１】
前記アーク電流によって生じる磁気的な自己場、前記磁場、および前記板状ターゲットの電流結合によって生じる磁場の調和をとるステップ、をさらに含む、請求項９または請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記横方向磁場が、１００ガウス未満、好ましくは、５〜４０ガウスである、請求項９から請求項１１のいずれかの方法。
【請求項１３】
前記板状ターゲット付近の磁場が一様となるように、前記板状ターゲットの電流結合によって生じる磁場の調和をとるため、前記ターゲットの下方に永久磁石の非対称な分布を提供するステップ、をさらに含む、請求項９から請求項１１のいずれかの方法。
【請求項１４】
前記真空室内に反応ガスとして窒素を提供するステップをさらに含み、
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜を形成するため、前記板状ターゲットが主元素としてＴｉおよびＡｌを備える、請求項１から請求項１３のいずれかの方法。
【請求項１５】
被膜の厚さが、少なくとも１０μｍである、請求項１から請求項１４のいずれかの方法。
【請求項１６】
すべての板状ターゲットによって生じる総イオン電流を前記真空室の室内容積で割ると、少なくとも３Ａ／ｍ３である、請求項１から請求項１５のいずれかの方法。
【請求項１７】
ブラスト処理による堆積後の前記被膜の後処理をさらに含む、請求項１から請求項１６のいずれかの方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陰極アーク堆積工程を使用して切削工具基材の被膜を堆積させる方法に関し、特に、被膜付き切削工具を形成するための大電流陰極アーク堆積工程に関する。
【背景技術】
【０００２】
旋削、フライス削り、穴あけ、または他のチップ形成機械加工のための多くの切削工具は、現在、工具の耐用年数の延長および／または生産性の向上のため、化学蒸着（ＣＶＤ：  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または物理蒸着（ＰＶＤ：  ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術を使用して堆積された耐摩耗被膜で被覆されている。一般的に、耐摩耗性を向上させる理由から、比較的厚い被膜が目標とされる。これは、ＣＶＤ被膜であれば容易に実現される。しかし、ＰＶＤ被膜には、ＣＶＤ被膜と比較していくつかの魅力的な特徴があり、特に、ＣＶＤ被膜より高い靭性を与える圧縮応力を被膜にもたらす能力がある。これらの圧縮応力は、本質的には、基材と被膜との熱膨張の違い、および、堆積中の高エネルギーイオンの激しい打ち込みによる高密度化効果によって生じる。イオンの激しい打ち込みによるこの有益な効果は、熱蒸発などのどのようなＰＶＤ技術でもほとんどみられないが、スパッタ堆積では広くみられ、陰極アーク堆積を使用すると、衝突するイオンの大きな運動エネルギーに起因して、圧縮応力が著しく大きくなり得る（多くの場合５ＧＰａより大きい）。基材にバイアス電圧をかけることが、運動エネルギーを増大させる標準的な方法であり、所望の力学的特徴を得るために必要と考えられる硬い被膜のための手段である。高密度化は、通常、硬度の増加、および被膜材料の耐摩耗性の向上につながる。これが、速い堆積速度を実現できる可能性があることと合わさって、陰極アーク堆積技術を切削工具用の被膜の堆積のための興味深い代替技術として位置づける。
【０００３】
しかし、過度に激しいイオンの打ち込みに起因して欠陥が生じる可能性があり、過度に大きな圧縮応力は、特に厚い被膜の場合、いずれ、自然に、または機械加工中に被膜に作用する力に起因して、被膜の剥離をもたらすことになる。従って、被膜内の応力の大きさは、通常、被膜の密着性を過度に損なうことなく、可能な限り大きな圧縮応力を得るように制御される。特に、被膜付き切削工具インサートのへりに沿った剥離は、よく知られた問題である。例えば、米国特許第７，８３８，１３２号明細書は、−４０Ｖ〜−２００Ｖの範囲の様々な基材バイアスで２００Ａのアーク電流を使用する、超硬合金基材上の厚さ約３μｍの（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜の陰極アーク堆積を開示し、大きな圧縮応力（すなわち４ＧＰａを上回る）を達成しながら良好な密着性を達成可能な約−７０Ｖに最適条件がある、と結論づけている。
【０００４】
この理由により、従来技術の陰極アーク堆積工程は、耐摩耗性において重要な被膜の厚さと、機械的性質（特に靭性）に関連する被膜の質との間で、トレードオフに悩まされる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の目的の１つは、密着性または剥離耐性などの他の性質を損なわずに耐摩耗性を高めるため、切削工具（超硬合金、サーメット、高速度鋼、立方晶窒化ホウ素、および多結晶ダイヤモンドから作られた被膜付き切削工具インサートなど）上の厚いＰＶＤ被膜を可能にする陰極アーク堆積工程を提供することである。これは、独立請求項により定義される方法により実現される。
【０００６】
本発明の一実施形態に係る、真空室内での切削工具基材上の被膜の陰極アーク堆積方法は、カソードとして機能する板状ターゲットとアノード構成との間に少なくとも２００Ａのアーク電流を印加することにより、板状ターゲットの表面に１以上のアークスポットとして視認可能なアーク放電からプラズマを生成し、その結果、アーク放電のイオンが板状ターゲットから放出されて切削工具基材に被膜を形成することを含む。
【０００７】
本発明の一実施形態により、被膜を付けようとする基材の表面におけるイオン電流密度が、被膜の性質にとって極めて重要なことがわかった。イオン電流密度の尺度の１つが、１以上の板状ターゲットにより生成される総イオン電流である。総イオン電流は、アノード構成の電位に対して負にバイアスされてターゲット表面から１５ｃｍの距離において板状ターゲットを臨むプローブ面を使用してイオン電流密度を測定し、測定されたイオン電流密度に板状ターゲットの総表面積を乗算することにより推定されてもよい。好ましくは、板状ターゲットの中心におけるターゲット表面の法線方向に沿った平均イオン電流密度として決定され、ターゲット表面から１５ｃｍの距離においてターゲットを臨むプローブ面を使用して測定され、板状ターゲットの総表面積で乗算されたイオン電流は、少なくとも５Ａである。
【０００８】
小さなターゲットを使用すると、このような高い総イオン電流密度は容易には実現されない。通常、アークの出力密度が過度に高くなり、ターゲット材料の気化を効果的に制御できず、その結果、被膜の質に有害な、許容できない数の飛沫がターゲット表面から放出されるからである。比較的大きなターゲット表面積を使用することにより、大きな総イオン電流を提供しながら、ターゲット上の電流密度および局所的熱負荷が適度な大きさに維持され得る。
【０００９】
本発明の一実施形態では、板状ターゲットの表面積が、５００ｃｍ２より大きく、好ましくは１０００ｃｍ２より大きい。それにより、実質的にターゲットの全表面積にわたって分散した多数のアークスポットへの、アーク放電の分岐が可能である。分岐は、大きなアーク電流により促進される。分岐の利点の１つは、それが、ターゲットの全表面積にわたるプラズマ中に、比較的一様なイオン電流密度をもたらすことである。これは、堆積中、ターゲット表面の実質的に一様な照明として観測され得る。分岐の別の利点は、それが、ターゲット利用の改善を可能にすることである。さらに別の利点は、真空室内全体で一様な堆積状態を得ることが可能であり、その結果、被膜を付けようとする基材の束において一様な被膜の厚さおよび性質を得ることが可能なことである。
【００１０】
本発明の一実施形態では、電流の飽和条件で測定されるイオン電流密度は、切削工具基材において大きな総イオン電流を得るため、および大きなイオン束を得るため６ｍＡ／ｃｍ２より大きく、好ましくは１０ｍＡ／ｃｍ２より大きく、より好ましくは６ｍＡ／ｃｍ２から１６ｍＡ／ｃｍ２の間である。例えば、形成されるプラズマに供給されるイオン電流をさらに大きくするため、または様々な組成の板状ターゲットを提供するため、付加的な板状ターゲットが提供されてもよい。
【００１１】
本発明の一実施形態に係る方法において、本方法は、基材と板状ターゲットとの間に電位差を与えること、すなわち、切削工具基材へのバイアス電圧ＶＳをアノード構成の電位ＶＡに対して負とすることと、カソード電圧ＶＣをアノード構成の電位ＶＡに対して負とすることとを更に含む。上述のとおり、これは、被膜の応力状態に影響を与えることが知られており、大きな圧縮応力を得るため、一般に高いバイアス電圧レベルが使用される。しかし、本発明の一実施形態によると、基材が比較的低いバイアス電圧レベルでバイアスされると、本発明の目的が実現され得ることがわかった。好ましくは、電圧差は、ＶＳ−ＶＡ＞−３０Ｖ、−２０Ｖ＜ＶＣ−ＶＡ＜０Ｖ、および−１０Ｖ≦ＶＳ−ＶＣ≦１０Ｖである。本出願の目的において、バイアス電圧ＶＳは、ピーク電圧であることを意図される。
【００１２】
イオンの動きやすさを高め、その結果として機械的性質を向上させるため、上記のようにイオンの運動エネルギーを大きくすることを一般的に追求することとは対照的に、切削工具基材に衝突するイオンは、基材の比較的低電圧のバイアスに起因して、適度な運動エネルギーを有することとなる。しかし、高いイオン電流密度に起因して、切削工具基材の表面に大きなイオン束が提供され、その結果、基材表面に到達するイオンから伝達される総エネルギーは依然高く保たれ、それにより、表面におけるイオンの動きやすさを高め、この動きやすさが、被膜内に有害な程度の応力および／または欠陥をもたらさずに機械的性質を向上させる。それにより、被膜内の応力状態は、効果的に制御され得る。
【００１３】
アーク電流大きくすることにより、総イオン電流が大きくなり、堆積速度が速くなる。電流の増大は、また、アーク放電の分岐を促進する。好ましくは、アークプラズマを生成するアーク電流は、板状ターゲットあたり少なくとも４００Ａである。本発明の一実施形態では、アーク電流は、少なくとも８００Ａである。別の実施形態では、アーク電流は、４００〜１２００Ａである。
【００１４】
本発明の一実施形態に係る堆積システムは、その縁に沿って横方向に延在する、板状ターゲットを臨んで各板状ターゲットと同心に配置されたアノード面を有するアノード部材を備えるアノード構成を備える。ターゲットの近くに広いアノード面が提供され、さらに、アノード面積が板状ターゲットの全長に沿ってほぼ一定であることにより、真空室内の別の場所の状態に関わらず、全長に沿って一様なプラズマ状態を提供する。アノード部材は、アノード面の形状および大きさを調整するため、好ましくは、その端部で板状ターゲットの各側面におけるターゲットの幅に少なくとも部分的に沿って延在する、縁部におけるある区域で実質的に遮られ、その結果、端部でもプラズマ状態が一様となる。本発明の一実施形態では、アノード部材は、アノード部材が板状ターゲットからその法線方向に離れるように延在するのに沿って、外向きに傾斜しているアノード面を更に備える。
【００１５】
アノード部材は、板状ターゲット全体上の調和のとれた電磁場に寄与するようにさらに機能し得る。この全電磁場は、さらに、アーク電流によって生じる磁気的な自己場、磁場を生成する手段によって生じる磁場、および板状ターゲットの電流結合によって生じる磁場による影響を受ける。調和のとれた電磁場に伴う利点の１つは、従来の堆積システムと比較して、板状ターゲットの浸食がより一様となり、ターゲットの利用性が向上することであり、特に２００Ａを上回る大きなアーク電流の場合にあてはまる。
【００１６】
本発明の一実施形態では、堆積システムが、ターゲット表面上に横方向磁場を生成する手段を備える。この横方向磁場は、アークプラズマのアークスポット（単数または複数）の変位を操作するために使用され得る。好ましくは、磁場を生成する手段によって生じる磁場は、適度であり、好ましくは１００ガウス未満、より好ましくは５〜４０ガウスである。これは、板状ターゲット付近でのアーク放電の弱い操作、すなわちアーク放電の分岐をもたらす。
【００１７】
本発明の方法の一実施形態では、アノード構成および板状ターゲットに及ぶ平均電圧およびアーク電流を測定することにより決定されるインピーダンスは、堆積中、所定の範囲内、好ましくは０．１オーム未満、より好ましくは０．０５オーム未満となるように制御される。これは、強い磁場が使用されるアーク操作技術とは異なり、少なくとも部分的に、アーク放電を操作するため比較的弱い横方向磁場を使用することにより実現される。これらのアーク操作技術は、アーク電流をわずかに増やす従来の手法の１つであるが、飛沫形成の増加により被膜の性質を損なうことなく２００Ａを上回るのは容易ではない。同様に、本発明のアノード−カソード構成および低インピーダンスアプローチを使用すると、被膜の性質を損なうことなく速い堆積速度をもたらすように、アーク電流を大きくして効果的なアーク放電の多分岐および高密度プラズマをもたらし得る。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、弱い磁気的操作およびアノードとカソードとの間の明確に定義された電場は、それがランダムアークおよび従来のアーク操作技術に関連する問題を防ぐことから、ターゲットの利用性を向上させる。例えば、後者に比べて、ターゲット表面にわたるアークスポットの一様な分布およびアークの効果的な分岐のおかげで、ターゲット内によくみられるレーストラックが抑えられる。
【００１９】
弱い磁気的操作を、ターゲットの近くに広いアノード面を有するアノード部材と組み合わせること、並びに、ターゲット付近および特に板状ターゲットの端部でのカソード面およびアノード面の幾何学的配置と磁場の観点からの一様なプラズマ状態とを提供することにより、ターゲット付近のアノード電流密度が一定に維持され得、これが、ターゲット付近でのより大きな電流および一様な浸食を可能にする。
【００２０】
アーク電流によって生じる磁気的な自己場、磁場を生成する手段によって生じる磁場、および板状ターゲットの全面にわたるターゲットの電流結合によって生じる磁場、の観点から磁場の調和をとることにより、板状ターゲットの浸食が、板状ターゲット付近のトラックに向けて横断的に、より一様である。そのため、本発明により、ターゲットの利用性を向上させることが可能である。
【００２１】
本発明の一実施形態では、本方法は、厚い被膜が形成されるまで堆積を続けることを含む。本出願の目的において、厚い被膜は、少なくとも４μｍ、好ましくは少なくとも６μｍ、より好ましくは少なくとも１０μｍ、さらにより好ましくは少なくとも２０μｍを意味する。当業者に理解されるように、単層または多層被膜を実現するため、多様な堆積工程を使用してもよい。本明細書において、多層構造は、個々の層、すなわち、少なくとも５から数千までの個々の層の積み重ね、好ましくは、（例えば組成の観点から）異なる性質を有する少なくとも２つの繰り返し交互に配置された個々の層を備える積み重ねを意味する。繰り返しは、周期的であってもよく、または、非周期的であってもよい。多層構造とは異なり、単層は、単層の厚さ全体で実質的に同じ性質をもつ。多層構造は、従来知られている方法、例えば組成の異なる複数のターゲットと、被膜を付けようとする基材をターゲットの前で回転させることと、によって実現され得る。この目的において、厚さは、最も厚い被膜を有する被膜付き切削工具の側面、すなわち逃げ面またはすくい面における厚さを意味する。厚さは、好ましくは、研磨された断面において稜線から０．２ｍｍの位置で、光学顕微鏡により測定される。凹凸のある面、例えば、ドリルおよびエンドミル上の凹凸のある面などの場合、本明細書に示される厚さは、任意の適度に平らな面または相対的に大きな曲率を有する面において、任意のへりまたは角からある距離だけ離れた位置で測定される厚さを指す。例えば、ドリルでは、測定は周辺部で実施されなければならない。厚さは、ＰＶＤにより生成される最新の被膜付き切削工具の被膜の厚さを越え、それにより優れたクレータ摩耗耐性をもたらす一方で、依然、逃げ面摩耗および剥離の観点から良好またはより良好に機能する。
【００２２】
本発明の方法は、様々な前処理または後処理ステップを更に含んでいてもよい。
【００２３】
本発明の一実施形態では、本方法は、基材にブラスト処理を施すこと、好ましくは、基材のへりの面取りを施す第１段階のドライブラスト処理ステップと、その後の、ドライブラスト処理ステップの残渣を除去する第２段階のウェットブラスト処理ステップとを含む２ステップブラスト処理操作を含む前処理を含む。しかし、ブラスト処理は、同様に、ドライブラスト処理またはウェットブラスト処理のいずれかを使用して施されてもよい。前処理のブラスト処理のパラメータは様々であってよく、当業者によく知られている。
【００２４】
一実施形態では、上述のステップの１以上によって形成される被膜は、ブラスト処理（またはショットピーニングなど）を含む後処理を施される。一態様では、ブラスト処理がより滑らかな表面をもたらしてもよい。別の態様では、ブラスト処理が被膜内の応力状態を変えてもよい（例えば被膜内の圧縮応力を大きくする）。両方の態様が、特に厚い被膜の場合、本発明の実施形態に係る堆積によって形成される被膜付き切削工具の性能向上に寄与してもよい。圧力、イオン電流密度およびバイアス電圧などの堆積パラメータを使用して応力状態を制御することと、後処理のブラスト処理との組合せにより、被膜の応力状態の制御性が改善され得、これが、被膜付き切削工具の想定以上の良好な性能をもたらす。
【００２５】
一実施形態では、被膜は、約２０〜３００ｍｍ、好ましくは、４０〜２００ｍｍの距離、および、基材のすくい面に対して約０〜９０°、好ましくは、３５〜６５°の角度に配置されたノズルと、１００〜８００メッシュ、好ましくは、３００〜５００メッシュの粒子とを使用して、約０．１〜０．６ＭＰａの圧力において、ウェットブラスト処理を施される。被膜のウェットブラスト処理の継続期間は、好ましくは、０．５〜１分である。使用に適切した粒子は、アルミナ、炭化ケイ素、およびジルコニアを含むが、これに限定されない。
【００２６】
ブラスト処理において、アルミナ粒子などのブラスト材は、通常、研磨する形態で、高速で基材に衝突する。上述のとおり、ブラスト処理は、ドライ条件下（すなわち、粉体としての粒子などを使用して）、または、ウェット条件下（すなわち、流体中に懸濁させた粒子などを使用して）のいずれかで実施されてもよい。ブラスト材、圧力、角度、および継続期間の観点からのブラスト処理条件に応じて、ブラスト処理の効果は異なることとなる。ブラスト処理工程は、例えば、基材の滑らかなまたは粗い表面を得るように調節されてもよい。上述のとおり、ブラスト処理は、さらに、堆積後の被膜の応力状態を変更し得る。当業者に理解されるように、この変更は、例えば、特定のブラスト材、継続期間、角度、圧力などを選択することにより調整され得る。
【００２７】
当業者に理解されるように、堆積工程は、複合層またはその個々の層の堆積前、堆積中または堆積後に、種々のプラズマエッチングステップを含んでいてもよい。本発明に係る方法によって形成される被膜は、第４族、第５族、第６族（ＩＵＰＡＣ）、Ｓｉ、ＡｌおよびＹから選択される少なくとも１の第１の元素と、Ｎ、Ｂ、ＯおよびＣから選択される少なくとも１の第２の元素とを備える、好ましくは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｖａ、Ｈｆ、Ｙ、Ｃｒの群から選択される第１の元素、より好ましくは、その少なくとも１の第１の元素またはその組合せの窒化物を備える、好ましくは、硬質耐摩耗被膜をもたらし、特に良好な研磨摩耗耐性をもつ（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎの群から選択される組成をもつ複合層を少なくとも備える。
【００２８】
本発明の方法の一実施形態では、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜は、少なくとも、堆積中の真空室内における反応ガスとしての窒素と、それぞれが主元素としてＴｉおよびＡｌを備える１以上の板状ターゲットとを使用して生成される。本発明の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜をつけた切削工具は、特に厚い被膜の場合、より高い耐摩耗性および剥離耐性により、より高い性能を示す。
【００２９】
本発明の他の目的、利点、および新しい特徴が、添付図面および請求項をあわせて考慮することにより、以下の本発明の詳細な説明から明らかとなる。
【００３０】
本発明の実施形態が、以下、添付図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る堆積システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜付き切削工具（例１）の、鋼中での旋削後の走査電子顕微鏡像である。
【図３】図３は、従来技術に係る（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜付き切削工具（例９）の、鋼中での旋削後の走査電子顕微鏡像である。
【図４ａ】図４ａは、イオン電流密度を測定するために使用されるプラズマプローブの写真である。
【図４ｂ】図４ｂは、プラズマプローブ測定により計測される、本発明の板状ターゲットの前、および従来技術の円形ターゲットの前での総イオン電流を概略的に示す。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に従って堆積された厚い（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜の断面図である。
【図６】図６は、（ａ）従来技術に係る、および（ｂ）本発明の一実施形態に係る、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜付き切削工具インサートの、ステンレス鋼中での旋削後の走査電子顕微鏡像である。
【図７】図７は、（ａ）従来技術に係るおよび（ｂ）本発明の一実施形態に係る、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜付き切削工具インサートの、鋼中でのフライス削り後の光学的画像である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１ａは、本発明の一実施形態に係る陰極アーク堆積のための堆積システムの一例を概略的に示す。図１ｂは、板状ターゲット１およびアノード部材２の正面図および上面図を示す。以下の説明はこの非限定的な例を参照するが、当業者に理解されるように、堆積システムは種々の手法で変更され得る。他のＰＶＤ堆積システムと同様に、被膜の堆積は、真空室３内の圧力を制御する真空ポンプ（図示せず）に接続された真空室３内で実行される。堆積工程において被膜材料の供給源として機能する１以上の板状ターゲット１が、真空室３の壁中または壁上に提供され、それらのターゲット表面が真空室３の内側を臨む。板状ターゲット１および好ましくはアノード部材２を含むアノード構成が、アーク電源（図示せず）に接続され、それぞれ、堆積システムのカソードおよびアノードを形成する。ターゲット材料を気化させるためにアーク放電が使用される。アーク放電は、始動装置（図示せず）により始動させられる。被膜を付けようとする切削工具基材５は、真空室３内において、板状ターゲット１からの見通し線上に固定具６により支持される。切削工具基材５のすべての側面を一様に被覆するため、固定具は回転可能である。切削工具基材５は、固定具６を介してバイアス電圧源に接続されている。堆積は、気化したターゲット材料とガス注入口から真空室３に供給される反応ガスとが反応して複合被膜を形成するように、反応性雰囲気で実行される。
【００３３】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る切削工具基材上の被膜の陰極アーク堆積方法は、次のステップを含む：
−  真空室３内の陰極アーク堆積のためのアノード−カソード構成を形成する、アノード構成２と板状ターゲット１を提供すること；
−  １以上の切削工具基材５を真空室３内に提供すること；および
−  板状ターゲット１とアノード構成２との間に少なくとも２００Ａのアーク電流を印加することにより、板状ターゲット１の表面上で１以上のアークスポットとして視認可能なアーク放電からプラズマを生成し、その結果、板状ターゲットからアーク放電のイオンが放出されて基材上に被膜を形成し、板状ターゲット１の中心でのターゲット表面の法線方向に沿ったイオン電流密度（イオン電流密度はプラズマプローブ７を使用して測定され、その際、プローブ面８がターゲット表面から約１５ｃｍの距離において板状ターゲット１を臨む。）に板状ターゲット１の総表面積を乗算すると少なくとも５Ａとなる。
【００３４】
イオン電流密度は、アノード構成２の電位に対して−７０Ｖにバイアスされたプラズマプローブ面８を使用して測定される。この高電圧では、イオン電流密度に、電圧にともなう著しい変化がなく、すなわち、イオン電流は実質的に飽和している。イオン電流密度の測定は、例１４との関連においてさらに説明される。
【００３５】
本発明の一実施形態に係る基材上の被膜の陰極アーク堆積方法は、次のステップを含む：
−  堆積システムの一部である真空室３内に陰極アーク堆積のためのアノード−カソード構成を形成するアノード構成２および板状ターゲット１を提供すること；
−  真空室３内に１以上の切削工具基材５を提供すること；
−  板状ターゲット１とアノード構成との間で少なくとも２００Ａのアーク電流を印加することにより、板状ターゲット１の表面上で１以上のアークスポットとして視認可能なアーク放電からプラズマを生成し、その結果、板状ターゲットからアーク放電のイオンが放出されて、基材に被膜を形成することに寄与すること；および
−  アノード構成２の電位ＶＡに対して負である切削工具基材５へのバイアス電圧ＶＳと、アノード構成２の電位ＶＡに対して負であるカソード電圧ＶＣと、を印加することであって、
ＶＳ−ＶＡ＞−３０Ｖ，
−２０Ｖ＜ＶＣ−ＶＡ＜０Ｖ，および
−１０Ｖ≦ＶＳ−ＶＣ≦１０Ｖ
であること。
【００３６】
この実施形態は、上記実施形態と組み合わされ得、すなわち、本方法は、適度なバイアス電圧レベルにおける大きな総イオン電流を含む。
【００３７】
本出願の目的において、バイアス電圧ＶＳは、ピーク電圧レベルであることを意図される。バイアス電圧は、バイアス電圧源により供給され得る。バイアス電圧は、直流電圧またはパルス電圧であってもよい。本発明の一実施形態に係るパルスバイアス電圧に適応された堆積システムにおいて、バイアス電圧源は、パルス生成装置を備える。バイアス電圧源は、好ましくは、堆積中にバイアス電圧源からのバイアス電圧出力を監視し、所望のバイアス電圧レベルを得るために電源を調節する制御ユニットに接続される。
【００３８】
本発明の一実施形態では、ＶＳ−ＶＣ≦０Ｖである。本発明の別の実施形態では、−１９Ｖ≦ＶＣ−ＶＡ≦−１５Ｖ、好ましくは、−１８Ｖ≦ＶＣ−ＶＡ≦−１６Ｖである。本発明のさらに別の実施形態では、−３０Ｖ≦ＶＳ−ＶＡ≦−１５Ｖ、好ましくは、−２５Ｖ≦ＶＳ−ＶＡ≦−１５Ｖである。
【００３９】
アーク放電は、プラズマにイオンを供給する。プラズマに供給されるイオンの量の尺度の１つが、上記定義のとおりの板状ターゲットからの総イオン電流である。板状ターゲットが複数の場合、イオンの供給量は、各板状ターゲットからの総イオン電流を合計することにより測定され得る。本発明の一実施形態では、各板状ターゲットからの総イオン電流の合計を真空室の容積で割ると、少なくとも３Ａ／ｍ３となる。
【００４０】
好ましくは、アーク電流は、堆積システムに接続された電源により供給される直流電流である。直流電流は、経時的に必ずしも一定ではない。持続時間の短いアーク放電からの個々の寄与に起因して、アーク電流が堆積中に大幅な変動を示してもよいが、この直流電流はパルス堆積技術と組み合わされてはならない。従来技術の堆積工程と同じ理由で、パルス堆積が使用され得る。
【００４１】
本発明の方法の一実施形態では、アノード構成および板状ターゲットに及ぶ平均電圧およびアーク電流を測定することにより決定されるインピーダンスは、堆積中、所定の範囲内、好ましくは０．１オーム未満、より好ましくは０．０５オーム未満となるように制御され、その結果、アークプラズマはほぼ制御されない。これは、強い磁場が使用されるアーク操作技術とは異なり、少なくとも部分的に、アーク放電を操作するため比較的弱い横方向磁場を使用することにより実現される。これらのアーク操作技術は、飛沫形成の増加により被膜の性質を損なうことなくアーク電流を増大させる従来の手法の１つである。本発明のアノード−カソード構成およびこの実施形態の低インピーダンスアプローチを使用すると、速い堆積速度をもたらすように、および被膜の性質を損なうことなく、アーク電流が大きくされて、効果的なアーク放電の多分岐および高密度プラズマをもたらし得る。しかし、インピーダンスは、印加される磁場だけでなく、また例えば、アノード配置、アノード設計、ガス圧、カソード設計などの他のパラメータによっても決定されることが理解される。従って、インピーダンスを制限する場合、すべてのパラメータを考慮しなければならない。
【００４２】
インピーダンス制御を実現するため、堆積システムは、制御装置およびインピーダンス監視装置を備えていてもよく、インピーダンス制御装置によるアノードと板状ターゲットとの間でのインピーダンスの測定に基づいて、制御装置が横方向磁場を生成する手段により生成される横方向磁場の大きさを調節してインピーダンスを所定の範囲内に維持するように、制御装置およびインピーダンス監視装置が配置される。制御装置は、自動または手動で制御されてもよい。
【００４３】
一実施形態では、本方法は、アーク電流によって生じる磁気的な自己場、磁場を生成する手段によって生じる磁場、およびターゲットの電流結合によって生じる磁場の調和をとることを更に含む。調和をとることは、好ましくは、板状ターゲットの全面にわたるアークスポットの一様な分布の実現を目指す経験的な反復工程により実行される。
【００４４】
電流結合によって生じる一様でない磁場の調和をとることは、板状ターゲットの下における永久磁石の非対称な分布を提供することによって実現され得る。例えば、本発明に係る堆積システムのカソード構成は、導電性背板上に配置された板状ターゲットを備えていてもよい。背板は、その長手方向に沿って延在する少なくとも２つの電流棒を備える。これらの電流棒は、板状ターゲットおよび電流の両端部においてアーク電源に接続されている。その結果、アーク電流が、板状ターゲットの両端部から電流棒に流れ込み、電流棒および導電性背板を通って板状ターゲットに広がる。この構成では、各電流棒の電流密度は、電流棒への電流入力近くでより大きく、反対側の端部に向かって減少する。この理由により、電流棒を通る電流結合によって生じる磁場もまた、電流棒に沿って減少している。この効果は、板状ターゲット付近の磁場が一様となるように配置される、非対称的に分布した永久磁石を使用して調和をとられてもよい。
【００４５】
本発明の一実施形態では、本方法は、該１以上の板状ターゲットの周りに同心に配置されたアノード部材を備えるアノード構成を提供することを更に含む。図１ａは、アノード部材の側面図を概略的に示す。図１ｂは、アノード部材および板状ターゲットの正面図および上面図を概略的に示す。アノード部材は、好ましくは、板状ターゲットの両端部分における板状ターゲットの幅に少なくとも部分的に沿って延在する区域において、実質的に遮られる。この実施形態の一変形例では、アノード部材は、アノード部材が板状ターゲットからその法線方向に離れるように延在するのに沿って、外向きに傾斜しているアノード面を更に備える。従来の多くのシステムでは、真空室の壁が単独でアノードとして使用され、本発明のアノード部材は、このような構成と組合せて使用され得る。アノード部材は、好ましくは、残りのアノード構成と同じ電位であり、通常は接地されるが、これに限定されない。
【００４６】
本発明の方法の一実施形態では、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜は、堆積中の真空室内における反応ガスとしての窒素と、主元素としてＴｉおよびＡｌを備える１以上の板状ターゲットと、を使用して切削工具基材上に堆積される。様々な被膜の性質を得るように、板状ターゲットの組成すなわち板状ターゲットの組成は多様であってもよい。例えば、４０ａｔ％のＴｉおよび６０ａｔ％のＡｌからなるターゲットが、Ｔｉ４０Ａｌ６０Ｎ被膜を形成するために使用され得、または、６０ａｔ％のＴｉおよび４０ａｔ％のＡｌからなるターゲットが、Ｔｉ６０Ａｌ４０Ｎ被膜を形成するために使用され得る。被膜内でのＴｉとＡｌとの間の関係は、ターゲット内での関係とわずかに異なっていてもよい。従って、上記の４０／６０の関係は、近似的な数である。
【００４７】
以下の例では、被膜付き切削工具は、本発明の実施形態に従って、および最新技術に従って製造され、クレータ摩耗、逃げ面摩耗、および剥離の観点から比較される。
【００４８】
実施例１〜３並びに１０ｂおよび１０ｄの被膜は、図１を参照した上述の１以上の比較的大きな板状ターゲットを備える陰極アーク堆積システムを使用して堆積された。被膜を付けようとする基材５は、板状ターゲット１からの見通し線上に、固定具６により支持される。基材５のすべての側面を一様に被覆するため、固定具が回転可能である。基材５は、固定具６を介してバイアス電圧源に接続されている。堆積は、反応性雰囲気中で実行され、その結果、気化したターゲット材料とガス注入口から真空室３内に供給される反応ガスとが反応して複合被膜を形成する。
【００４９】
実施例で使用される基材は、３つの異なる組成をもち、以下、それぞれを基材Ｓ１、Ｓ２およびＳ３と称する。これらの基材は、表１で指定される。
【００５０】
【表１】
2014525984.tif 000002
【００５１】
保磁力の値Ｈｅは、ＤＩＮ  ＩＥＣ  ６０４０４−７に従ってＦｏｅｒｓｔｅｒ  Ｋｏｅｒｚｉｍａｔ  ＣＳ１．０９６を使用して測定された。
【実施例１】
【００５２】
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜は、４０ａｔ％のＴｉと６０ａｔ％のＡｌとからなる１つの板状ターゲットを使用して窒素雰囲気中で基材Ｓ１上に堆積された。
【００５３】
基材を堆積システム内に投入する前に、基材にドライブラスト処理を施してへりの半径が３０〜６０μｍになるまで研ぎ上げた後、ウェットブラスト処理により基材からドライブラスト処理ステップの残渣を除去した。ドライブラスト処理は、１５０ｍｍ離れて基材のすくい面に対して４５°の角度で配置された直径１０ｍｍのノズルと、１００メッシュのアルミナ粒子とを使用して、圧力０．４〜０．６ＭＰａにおいて実行された（すなわち、粒子が４５°の角度で基材のすくい面に衝突した）。ウェットブラスト処理は、１５０ｍｍ離れて基材のすくい面に対して４５°の角度で配置された直径９．５ｍｍのノズルと、３６０メッシュのアルミナ粒子とを使用して、圧力０．４ＭＰａにおいて実行された。基材のウェットブラスト処理の継続期間は、０．５〜１分とした。
【００５４】
基材は、堆積システム内で３軸回転を可能にする固定具上に垂直に、すなわち、すくい面が板状ターゲットを臨むように配置された。堆積前、堆積システム内で基材にＣｒイオンを激しく打ち込むことにより、基材がプラズマエッチングされた。
【００５５】
被膜は、以下の堆積条件を使用して堆積された。すなわち、温度４５０℃、窒素圧２．５Ｐａ、アーク電流４００Ａ、アノード電圧０Ｖ、バイアス電圧１９Ｖ（直流）、アノード電圧０Ｖ、およびカソード電圧１７．５Ｖである。
【００５６】
堆積後、被膜は、５０ｍｍ離れて基材のすくい面に対して４５°の角度で配置された直径１２．５ｍｍのノズルと、５００メッシュのアルミナ粒子とを使用して、圧力０．４ＭＰａにおいて０．５分間ウェットブラスト処理を受けた。
【００５７】
被膜の厚さは、逃げ面において２１μｍであり、すくい面において２４μｍであった。硬度は、２７ＧＰａであった。被膜のウェットブラスト処理後の内部応力は、＋９０ＭＰａであった。
【実施例２】
【００５８】
多層（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ被膜は、１００ａｔ％Ｃｒを備える板状ターゲットと共に動作する５つの板状ターゲット（５つの板状ターゲットのそれぞれが４０ａｔ％のＴｉと６０ａｔ％のＡｌとからなる）を使用して窒素雰囲気中で基材Ｓ１上に堆積された。
【００５９】
堆積前、基材は、実施例１に従って前処理を施されてプラズマエッチングされたが、基材は水平に、すなわち、それらの逃げ面が板状ターゲットを臨むように構成された。
【００６０】
被膜は、以下の堆積条件、すなわち、温度４５０℃、窒素圧２．５Ｐａ、（Ｔｉ，Ａｌ）ターゲットに対するアーク電流４００Ａ、Ｃｒターゲットに対するアーク電流１００Ａ、アノード電圧０Ｖ、バイアス電圧１９Ｖ（直流）、およびカソード電圧１７．５Ｖを使用して堆積された。堆積後、被膜は、１５０ｍｍ離れて基材のすくい面に対して４５°の角度で配置された直径９．５ｍｍのノズルと、３６０メッシュのアルミナ粒子とを使用して、圧力０．４ＭＰａにおいてウェットブラスト処理を受けた。被膜のウェットブラスト処理の継続期間は、０．５〜１分とした。
【００６１】
被膜の厚さは、逃げ面で１６μｍであり、すくい面で１１μｍであった。硬度は、３１ＧＰａであった。被膜のウェットブラスト処理後の内部応力は、−１３４０ＭＰａであった。
【実施例３】
【００６２】
ＴｉＡｌＮ被膜は、３つの板状ターゲットを使用して窒素雰囲気中で基材Ｓ３上に堆積され、該３つの板状ターゲットのそれぞれが、６０ａｔ％のＴｉおよび４０ａｔ％のＡｌからなる。
【００６３】
基材を堆積システム内に投入する前に、基材にドライブラスト処理を施してへりの半径が３０〜６０μｍになるまで研ぎ上げた後、ウェットブラスト処理により基材からドライブラスト処理ステップの残渣を除去した。ドライブラスト処理は、１５０ｍｍ離れて基材のすくい面に対して４５°の角度で配置された直径１０ｍｍのノズルと、１００メッシュのアルミナ粒子とを使用して、圧力約０．４〜０．６ＭＰａにおいて実行された。ウェットブラスト処理は、５０ｍｍ離れて基材のすくい面に対して４５°の角度で配置された直径１２．５ｍｍのノズルと、５００メッシュのアルミナ粒子とを使用して、圧力約０．４ＭＰａにおいて０．５分間実行された。
【００６４】
堆積前、基材は水平に配置され、実施例１に従ってプラズマエッチングされた。被膜は、以下の堆積条件を使用して堆積された。すなわち、温度４５０℃、窒素圧３．５Ｐａ、アーク電流４００Ａ、アノード電圧０Ｖ、バイアス電圧２０．５Ｖ（パルスバイアス、デューティ比８０％）およびカソード電圧１７．５Ｖとした。
【００６５】
堆積後、は、５０ｍｍ離れて基材のすくい面に対して４５°の角度で配置された直径１２．５ｍｍのノズルと、５００メッシュのアルミナ粒子とを使用して、圧力０．４ＭＰａにおいて０．５分間ウェットブラスト処理を受けた。
【００６６】
被膜の厚さは、逃げ面で２３μｍとし、すくい面で１５μｍであった。内部応力は、堆積後のブラスト処理前において＋９００ＭＰａであった。被膜のブラスト処理後の内部応力は、−１５８５ＭＰａであった。被膜の硬度は、２６ＧＰａであった。
【実施例４】
【００６７】
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの単層は、組成Ｔｉ０．３３Ａｌ０．６７のターゲットを使用して、窒素雰囲気中において、Ｂａｌｚｅｒｓ高速コーティングシステムの陰極アーク堆積により、基材Ｓ２上に堆積された。被膜の厚さは、３μｍであった。
【実施例５】
【００６８】
ＴｉＮ／（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ多層構造を（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ単層と繰り返し交互に配設したＴｉＡｌＮ多層被膜は、窒素雰囲気中において、Ｂａｌｚｅｒｓ高速コーティングシステムによる陰極アーク堆積を使用して、基材Ｓ２上に堆積された。ＴｉＮ／（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ多層構造は、ＴｉおよびＴｉ０．５Ａｌ０．５ターゲットを使用して堆積され、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ単層は、Ｔｉ０．５Ａｌ０．５ターゲットを使用して堆積された。被膜の厚さは、４μｍであった。
【実施例６】
【００６９】
超硬合金基材およびＭＴ−ＴｉＣＮ＋α−Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＮ被膜を使用した旋削用途向けに市販されている最新のＣＶＤ被膜付き切削工具が、比較のため使用された。
【実施例７】
【００７０】
実施例１〜６のインサートは、軸受鋼（Ｏｖａｋｏ  ８２５Ｂ、Ｔｉｂｎｏｒ）への旋削により、クレータ摩耗の観点で試験された。結果は、表２に示されている。工具の耐用年数（Tool life）の基準は、０．５ｍｍ２を上回るクレータ摩耗とした。
【００７１】
【表２】
2014525984.tif 000003
【実施例８】
【００７２】
実施例２〜６のインサートは、工具鋼（Ｓｖｅｒｋｅｒ２１、Ｕｄｄｅｈｏｌｍ）への縦方向旋削により、逃げ面摩耗の観点で試験された。結果は、表３に示されている。工具の耐用年数の基準は、０．２ｍｍを上回る逃げ面摩耗とした。
【００７３】
【表３】
2014525984.tif 000004
【実施例９】
【００７４】
上記実施例のインサートは、オーステナイト系ステンレス鋼（３０４Ｌ、Ｓａｎｄｖｉｋ）への旋削により、剥離の観点で試験された。
【００７５】
剥離の程度は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して定性的に測定された。図２および図３は、それぞれ、実施例１および実施例５のインサートのＳＥＭ像である。本発明に係る実施例１のインサートは、基材まで及ぶ剥離が一切見られない。従来技術に係る実施例５のインサートは、切り刃に沿って著しい剥離が見られるが、実施例１より大幅に薄い被膜を有する。
【００７６】
上記実施例に示されているクレータ摩耗、逃げ面摩耗、および剥離の観点での本発明に係る被膜付き切削工具の性能は、本発明に従って製造された被膜および被膜付き切削工具が優れた靭性および耐摩耗性を有することを明確に示している。特に、このような厚い被膜の剥離耐性は、予想以上に良好である。
【実施例１０】
【００７７】
本発明に従って板状ターゲットにより生成される総イオン電流を求めるため、プラズマプローブを使用して板状ターゲットの前でイオン電流密度を測定した。図４ａの写真に示されるように、プラズマプローブ７は、ステンレス鋼の円筒部を備え、円筒部は、一端でケーブルに接続され、直径１ｃｍの円形のセンサ面８をもつステンレス鋼製の内部センサ素子により他端において平面に切断されている。センサ面８は、円筒部から分離されており、その結果、１方向からのみイオンを集める。円筒部の反対側の端部のケーブルは、ケーブルをオシロスコープおよび電源に接続する。測定を行うため、プラズマプローブ７は、センサ面８をターゲット表面の中心から１５ｃｍの距離において板状ターゲット１を臨むように、板状ターゲットの前に置かれ、センサ面８は、ケーブルを介して−７０Ｖのバイアス電圧がかけられた。イオン電流は、−７０Ｖで飽和し、バイアス電圧を変えてもあまり変化しないと考えられる。アーク放電を発生させ、様々なアーク電流に対してイオン電流密度が測定された。この測定は、従来の堆積システム（Ｂａｌｚｅｒｓ高速コーティングシステム）において直径１６ｃｍのＴｉ４０Ａｌ６０板状ターゲットを使用し、さらに、８０、１００、１２０、１４０、１６０、１８０および２００Ａのアーク電流を使用して実行され（以下、実施例１０ａと称する）、本発明に係る堆積システムにおいて、７４ｘ１９ｃｍ２のＴｉ４０Ａｌ６０板状ターゲットを使用し、さらに、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００および８００Ａのアーク電流を使用して実行された（以下、実施例１０ｂと称する）。測定は、窒素雰囲気中において、圧力５Ｐａ並びに温度２５０℃および４００℃でそれぞれ実行された。図４ｂは、測定されたイオン電流密度にターゲットの大きさを乗算して導出された総イオン電流を概略的に示す。より大型の板状ターゲットを使用した堆積システムのイオン電流は、従来の堆積システムの場合より著しく大きい。１８０Ａのアーク電流の場合、従来技術の堆積システムの総イオン電流は３．３ｋＡであり、本発明に係る堆積システムのアーク電流は８．７ｋＡである。
【実施例１１】
【００７８】
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜は、従来の方法（以下、実施例１１ａおよび実施例１１ｃと称する）、および、本発明の実施形態に係る方法（以下、実施例１１ｂおよび実施例１１ｄと称する）を使用して、微粒子超硬合金切削工具インサート基材上に堆積された。
【００７９】
実施例１０ａの参考用の被膜は、従来のＰＶＤ製造装置（Ｂａｌｚｅｒｓ高速コーティングシステム）を使用して陰極アーク堆積によりＣＮＭＧ１２０４０８−ＭＭの基材Ｓ３上に堆積された。組成Ｔｉ３３Ａｌ６７Ｎの直径１６ｃｍの板状ターゲットが、カソードとして使用された。真空室の壁は、接地されてアノードとして機能した。堆積は、窒素雰囲気中において、温度６００℃、圧力１．０Ｐａ、アノードに対する平均カソード電圧約−２２Ｖおよび直流バイアス電圧−１００Ｖ、並びにアーク電流約１５０Ａで実行された。被膜付き切削工具インサートの逃げ面で測定された被膜の厚さは、３．５μｍであった。
【００８０】
実施例１１ｂの被膜は、陰極アーク堆積システムにおける陰極アーク堆積により、カソードとして組成Ｔｉ４０Ａｌ６０Ｎの７４ｘ１９ｃｍ２の板状ターゲットを使用して、ＣＮＭＧ１２０４０８のＳ１インサート上に堆積された。真空室の壁と、板状ターゲット付近に同心に配置されたアノード部材とが、接地されてアノードとして機能した。堆積は、窒素雰囲気中において、温度４５０℃、圧力３．０Ｐａ、アノード電圧に対するカソード電圧−１５Ｖおよびバイアス電圧−２０Ｖ、並びにアーク電流４００Ａで実行された。被膜付き切削工具インサートの逃げ面で測定された被膜の厚さは、１７μｍであった。堆積後、被膜は、ウェットサンドブラスト処理により後処理された。図５は、実施例１１ｂに係る被膜の断面における走査電子顕微鏡写真を示す。
【００８１】
実施例２ｃの参考用の被膜は、実施例１１ａと同じ堆積およびアノード−カソード構成を使用して、陰極アーク堆積によりＲ３９０−１１の基材Ｓ３上に堆積されたが、それぞれ組成Ｔｉ３３Ａｌ６７および組成Ｔｉ８４Ａｌ１６の２つのターゲットを使用して、堆積中、ターゲットの前で切削工具基材を回転させることにより多層被膜が形成された。堆積は、窒素雰囲気中において、温度６００℃、圧力２．５Ｐａ、アノードに対するカソード電圧約−２２Ｖ（Ｔｉ３３Ａｌ６７ターゲットの場合）およびカソード電圧約−２５Ｖ（Ｔｉ８４Ａｌ１６ターゲットの場合）並びに基材バイアス電圧−６０Ｖ、並びにアーク電流約１５０Ａで実行された。被膜付き切削工具インサートの逃げ面で測定された被膜の厚さは、３μｍであった。
【００８２】
実施例１１ｄの被膜は、実施例１１ｂと同じ堆積およびアノード−カソード構成を使用して、同じターゲット組成で、陰極アーク堆積によりＲ２４５−１２の基材Ｓ３上に堆積された。堆積は、窒素雰囲気中において、温度４５０℃、圧力３．５Ｐａ、アノードに対するカソード電圧−１７Ｖおよび基材バイアス電圧−２６Ｖ、並びにアーク電流４００Ａで実行された。被膜付き切削工具インサートの逃げ面で測定された被膜の厚さは、６μｍであった。
【実施例１２】
【００８３】
実施例１１ａおよび１１ｂの被膜は、冷却剤を使用して、ステンレス鋼（３０４Ｌ）への旋削により試験された。図６ａは、試験後の、実施例１１ａの被膜付き切削工具の走査電子顕微鏡像である。図６ｂは、試験およびエッチング後の、実施例１１ｂの被膜付き切削工具の走査電子顕微鏡像である。像に示されるように、実施例１１ｂの被膜は、ほとんど影響を受けておらず、特に、剥離耐性の観点から顕著な改善がみられる。
【実施例１３】
【００８４】
実施例２ｃおよび実施例２ｄの被膜は、冷却剤を使用せず、鋼（ＩＳＯ−Ｐ）への正面フライス削りを使用して試験された。図７ａは、試験後の、実施例１１ｃの被膜付き切削工具の光学的画像である。図７ｂは、試験後の、実施例１１ｄの被膜付き切削工具の光学的画像である。櫛歯亀裂耐性は、実施例１１ｃの場合より実施例１１ｄの場合のほうが著しく良好である。
【００８５】
堆積された被膜の厚さは、研磨された断面において光学顕微鏡により測定された。インサートは、逃げ面が板状ターゲットを臨むように搭載されていたため、一般的に、被膜付き切削工具の逃げ面における被膜の厚さは、すくい面より大きい。そのため、厚さは、この差を反映させるように、逃げ面およびすくい面のそれぞれにおいて稜線から０．２ｍｍの場所で測定された。凹凸のある面、例えば、ドリルおよびエンドミル上の凹凸のある面などの場合、本明細書に示される厚さは、任意の適度に平らな面または相対的に大きな曲率を有する面において、任意のへりまたは角からある距離だけ離れた位置で測定された厚さを指す。例えば、ドリルでは、測定は周辺部で実施されなければならない。
【００８６】
ＥＤＳなどを使用した組成の測定に加えて、個々の層それぞれの組成は、ターゲットの組成から推定されてもよい。分析に十分な厚さで、より厚い層が堆積されている場合、その堆積された層の組成が、ターゲット材料の組成と比較して何パーセントか異なり得ることがわかっている。そのため、被膜の組成は、所与の上記実施例のすべてにおいて得られていない。
【００８７】
被膜の内部応力は、被膜付き切削工具の逃げ面の中央で測定され、より具体的には、レーザ映像位置決め、オイラー１／４架台、Ｘ線源（Ｃｕｋα線）としての回転アノード、およびエリアディテクタ（Ｈｉ−ｓｔａｒ）を装備したＸ線回折計Ｂｒｕｋｅｒ  Ｄ８  Ｄｉｓｃｏｖｅｒ−ＧＡＤＤＳにおいて、Ψ配置を使用してＸ線回折により測定された。大きさ０．５ｍｍのコリメータを使用して、ビームの焦点を合わせた。分析は、２θ＝５０°、ω＝２５°およびΦ＝０°、９０°、１８０°、２７０°の測角器設定を使用して、ＴｉＡｌＮ（２００）反射に対して実行された。０°〜７０°の範囲にわたる８つのチルト角Ψが、各角度Φに対して実行された。本方法を使用し、Ｂｒｕｋｅｒ  ＡＸＳ社製ソフトウェアＤＩＦＦＲＡＣｐｌｕｓ  Ｓｔｒｅｓｓ３２  ｖ．  １．０４を使用して、一定のヤング率Ｅ＝４５０ＧＰａおよびポアソン比ν＝０．２０で、疑似フォークトフィット関数を使用して反射の位置を特定することにより内部応力を評価した。
【００８８】
被膜の硬度は、ナノインデンテーションを使用して測定された。
【００８９】
横に、前、上、〜の前、長さ、幅、水平に、などの用語は、例示的な目的でのみ使用され、本発明を特定の向きに限定することは意図されていない。
【００９０】
本発明は、切削工具インサートに関して説明されているが、本方法は、回転刃およびドリルなどの丸型工具にも同様に適用され得ることが理解されるべきである。
【００９１】
本発明は、現在、最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものとの関連において説明されているが、本発明は、開示されている実施形態に限定されるべきではないと理解されるべきであり、むしろ、付属の請求項において、様々な変形および同等な構成を包含することが意図される。
【図１】
2014525984.tif 000005
【図４ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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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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