(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結した超硬合金もしくはサーメット、セラミクス；高速度鋼；立方晶窒化ホウ素もしくはダイアモンド；から成る本体であって、少なくとも当該本体の表面の機能部分上に0.5〜20μm厚みの硬質な耐摩耗性被覆を有する本体を備えた切削工具であって、
該切削工具は１層以上の耐熱化合物層の構造を備え、
その内の少なくとも一層は、0.5〜10μmの厚みを備えると共に、時間平均による少なくとも10W/cm２のマグネトロン・ターゲット出力密度を以て反応性の二極性パルス式マグネトロン・スパッタリング技術により蒸着され、
パルス周波数は10〜100kHzであり、且つ、被覆されるべき材料に依存して400〜700℃の範囲の基材温度とされ、
上記層は、0.2μm未満の粒子サイズを有すると共に(Me)ｘAl２O３＋ｘ(0＜x≦1)のナノ結晶質アルミニウム・スピネル化合物から成り、
MeはMg、Zn、Mn、Fe、Co、Ni、CdおよびCuの金属群の内の一種以上から形成され、
上記ナノ結晶質アルミニウム・スピネル層は、(440)および(400)結晶面の少なくとも一方からの大きなX線回折反射を呈すると共に、少なくとも16GPaの硬度および少なくとも1GPaの圧縮性応力を有し、且つ、一切のハロゲン不純物を含まず、
前記スピネル層は[440]方向における好適な成長方位を有すると共に、次式により定義される集合組織化係数TCがTC＞1.5であることを特徴とする切削工具：
TC(hkl)=[I(hkl)/IＯ(hkl)][[1/n]Σ[I(hkl)/ IＯ(hkl)]]−１
式中、
I(hkl)＝(hkl)反射の測定強度；
Iｏ(hkl)＝ASTM標準粉体回折縞データからの標準強度；
n＝計算において使用される反射の個数であり、使用された(hkl)反射は：(111)、(311)、(222)、(400)および(440)である。
【請求項２】
前記スピネル層は完全に、MgAl２O４の組成を有するマグネシウム・アルミニウム・スピネルから成る、請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】
Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、WおよびAlの群から選択された金属元素を有する金属の窒化物もしくは炭化物もしくは炭窒化物から成る0.1〜10μm厚みの、少なくとも一層から成る被膜を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記層はTiC、TiN、TiCNもしくはTiAlNから成ることを特徴とする、請求項３記載の切削工具。
【請求項５】
外層がナノ結晶質アルミニウム・スピネル化合物であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具。
【請求項６】
前記外層はTiNであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具。
【請求項７】
0.5〜10μmの厚みを備えると共に0.2μm未満の粒子サイズを有する(Me)ｘAl２O３＋ｘ(0＜x≦1)のナノ結晶質アルミニウム・スピネル化合物から成る少なくとも一層の耐熱層が反応性の二極性パルス式マグネトロン・スパッタリングにより蒸着された、請求項１に係る被覆切削工具を作製する方法であって、
−プロセス圧力は1〜5μbarに保持され、
−プロセス気体は希ガスおよび反応ガスの混合物であり、
−反応ガスの流れは、マグネトロンの放電のインピーダンスが、酸化物により全体がカバーされた各ターゲット電極間の放電燃焼のインピーダンスの150％〜250％である如き値へと設定され、且つ、
−蒸着は、固定配置された基材に関して少なくとも1nm／秒の速度で生ずる、
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記希ガスはアルゴンであることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記反応ガスは酸素であることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記(Me)ｘAl２O３＋ｘ層は、全組成(Me)ｘAl２を有する合金化もしくはモザイク状ターゲットの反応性マグネトロン・スパッタリングにより蒸着されることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項１１】
前記(Me)ｘAl２O３＋ｘ層は、ひとつのアルミニウム・ターゲットと、他の金属もしくは該金属とアルミニウムの合金から作成された他のターゲットとを備えたデュアル・マグネトロン・システムを使用した反応性スパッタリングにより蒸着されることを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項１２】
前記基材に対しては二極性パルス式バイアス電圧が印加されることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
−前記基材に印加される二極性パルス式バイアス周波数は、0.1〜10kHzに設定され、
−上記基材の正極性バイアス電圧パルスの存続時間は最長でも負極性バイアス電圧パルスの存続時間と等しく、
−印加された上記二極性バイアス電圧は、電圧レベルおよびパルス存続時間のパラメータの少なくとも一方に関し両極性に対し非対称的であり、
−各パルスにおけるバイアス電圧の最大値は20〜200Vの範囲内に在る、
ことを特徴とする、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
物理蒸着(PVD)プロセスにより、付加的な非スピネル層も蒸着されることを特徴とする、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
全ての層は真空中断なしで同一被覆器内で蒸着されることを特徴とする、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、当該本体の表面の少なくとも機能部分上に硬質・耐摩耗性耐熱被膜を有する本体を備えた金属加工用切削工具に関する。上記被膜は上記本体に付着結合されて当該工具の全ての機能部分をカバーする。上記被膜は一層以上の耐熱化合物層から成るが、その内の少なくとも一層は物理蒸着により蒸着された微結晶アルミニウム・スピネルから成り、且つ、もし存在するならば非スピネル層は、Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、WおよびAlの群から選択された金属元素を有する金属の窒化物および／または炭化物である。
【０００２】
公知であるが、例えば、金属加工で使用される超硬合金(cemented carbide)製切削工具において工具刃部の耐摩耗性は、周期律表のIV、VおよびVI族の遷移金属から選択された、又は、ケイ素、ホウ素およびアルミニウムから選択された金属との酸化物、炭化物もしくは窒化物の薄寸硬質表面層を被覆することにより相当に増大され得る。被膜厚みは通常は1〜15μmの範囲であると共に、斯かる被膜を蒸着(deposit)する最も一般的な技術はPVDおよびCVD(化学蒸着)である。これも公知であるが、金属の炭化物および窒化物の各層の頂部にAl2O3などの純粋なセラミック層を被覆することにより、切削工具の性能の更なる改善が達成され得る(米国特許第5,674,564号および米国特許第5,487,625号)。
【０００３】
アルミニウム層により被覆された超硬合金製切削工具は、20年間に亙り市販されて来た。通常的に採用されるCVD技術では、反応ガス雰囲気からの物質が高温に保持された基材上に蒸着される。
Al2O3は幾つかの異なる相へと結晶化するが、それは、酸素原子のhcp(六方最密充填)積層を有する‘α系列(α-series)’と称されるα(アルファ)、κ(カッパ)およびχ(カイ)相、および、酸素原子のfcc(面心立方)積層を有する‘γ系列’と称されるγ(ガンマ)、θ(シータ)、η(イータ)およびδ(デルタ)相である。従来のCVD温度である1,000℃〜1,050℃で超硬合金上に蒸着されるCVD被膜で最も多く生ずるAl2O3相は安定なα相および準安定なカッパ相であるが、準安定なシータ相が観察されることもある。
【０００４】
α−、κ−および／またはθ−相のCVD Al2O3被膜は、0.5〜5μmの範囲の粒子サイズを有すると共に良好にファセット化(facetted)された粒子構造を備えた完全な結晶質である。
蒸着温度は約1,000℃と本質的に高いので超硬合金基材上のCVD Al2O3被膜の全応力は張力となり、故に全応力は、基材と被膜との間の熱膨張係数の差により引き起こされる熱応力により支配されることになり、蒸着プロセス自体に由来すると共に固有圧縮応力(compressive intrinsic stress)により支配されることは少ない。引張応力はAl2O3の破断基準限界値を超えることもあり、被膜を相当に裂開することから、冷却液中の腐食性化学薬品が被膜における裂開を拡散経路として利用し得るという湿式加工などにおいて切削刃の性能は劣化する。
【０００５】
CVDにより蒸着される硬質被膜としては、Al2O3に加え、他の酸化物、スピネル型の酸化物もしくは化合物の混合物もしくは組合せが、提案されている(GB 1 408 294)。しかし、それらは実用的には認められていない。
概略的にCVD被膜工具は、乾式もしくは湿式の切削条件下で種々の鋼鉄および鋳鉄を加工する場合に極めて良好に機能する。しかし乍ら、例えば穿孔、突っ切り加工およびネジ切り加工、ならびに、鋭利な切削刃が要求される他の作業などにおいて、PVD被膜工具が更に適切であるという多数の切削作業もしくは加工条件が存在する。斯かる切削作業は、“PVD被膜工具応用分野’と称されることが多い。
【０００６】
プラズマ補助式CVD技術すなわちPACVDによれば、加熱式CVD温度と比較して低い基材温度にて被膜を蒸着し得ることから、熱応力の支配を回避し得る。超硬合金上には450〜700℃の基材温度にて、裂開の無い薄寸のAl2O3 PACVD膜が蒸着された(DE 41 10 005、DE 41 10 006、DE 42 05 975)。Al2O3を蒸着するPACVDプロセスは、例えばAlCl3などのAlハロゲン化物と、例えばCO2などの酸素供与体との間における反応を含むが、この化学反応の不完全性の故に、Al2O3被膜内には塩素が捕捉されるとともに、塩素の含有量は3.5％にも上り得る。更に、これらのPACVD Al2O3被膜は概略的に、結晶質のα−および／またはγ−Al2O3相に加えて相当量の非晶質アルミナを含むが、この非晶質アルミナは高含有量のハロゲン不純物と組合されて上記被膜の化学的および機械的特性を劣化することから、被膜材料を工具用材料として最適化するものでない。
【０００７】
本発明の分野は特にPVD Al2O3により被覆された切削工具の技術に関するが、該切削工具は、炭化物製の切削工具、または、サーメット、セラミクスなどの同様の硬質材料；高速度鋼；或いは、立方晶窒化ホウ素もしくはダイアモンドなどの超硬材料；製の切削工具である。
切削工具上に耐熱性薄寸膜を生成し得る幾つかのPVD技術が在るが、最も確立された方法は、イオンめっき、DCおよびRFマグネトロン・スパッタリング、アーク放電蒸着法、IBAD(イオン・ビーム補助式蒸着法)および活性化反応性蒸着法(ARE)である。各方法は特有の長所を有すると共に、ミクロ構造／粒子サイズ、硬度、応力の状態、下側の基材に対する本質的な凝集(cohesion)および付着(adhesion)などの、生成された被膜の本質的特性は、選択された特定のPVDに依存して変化し得る。以前においては400〜500℃の典型的PVD温度にてAl2O3のPVD蒸着が試行されたが、非晶質アルミナ層となり、これは、切削工具に適用された場合に耐摩耗性において何らの顕著な改善を提供しなかった。また、HFダイオードもしくはマグネトロン・スパッタリングによりPVD蒸着が行われたが、基材温度が1,000℃もの高温に保持されたときにのみ結晶質α-Al2O3が得られた(ThorntonおよびChin、セラミクス会報56(1977)504)。同様に、Al2O3を蒸着する上記ARE方法を適用したが、約1,000℃近傍の基材温度にて完全に稠密で硬質なAl2O3被膜に帰着した(BunshahおよびSchramm、薄寸固体膜40(1977)211)。
【０００８】
DD 252 205およびDE 195 18 779に開示されたパルス式マグネトロン・スパッタリングの発明に依れば、特に二極性パルス式DMS(デュアル・マグネトロン・スパッタリング)技術のモードにおいては、Al2O3および他の酸化物などの耐熱層(insulating layer)の蒸着およびその方法に対する広範囲な可能性により、500〜800℃の基材温度にて例えば結晶質Al2O3層を蒸着することが可能とされた。上記二極性デュアル・マグネトロン・システムにおいて、二個のマグネトロンは交互に陽極および陰極として作用することから、長いプロセス時間に亙り金属陽極を持続している。十分に高い周波数において、耐熱層上の可能な電荷は抑制されると共に、他の場合なら問題となる‘アーク発生’の現象が制限される。故に上記DE 195 18 779に依れば、800℃未満の基材温度にて、高品質で良好に付着する結晶質α-Al2O3薄寸膜を蒸着かつ生成し得る。0．2〜2μmで変化する典型的なサイズを有する‘α-Al2O3層’はまた、Al2O3多形体(polymorph)の‘γ-系列”からのガンマ(γ)相も部分的に含むこともある。被膜におけるγ-粒子のサイズは、α-粒子のサイズよりも相当に小さい。γ-Al2O3粒子サイズは典型的に、0.05〜0.1μmで変化する。γ-およびα-相の両方の変態が見られたAl2O3層において、γ-Al2O3相は(440)-集合組織(texture)を備えた好適な成長方位を呈した。DE 42 05 975に記述されたPACVDなどの先行技術のプラズマ補助式CVD技術と比較した場合、上記の新規なパルス式DMSスパッタリング蒸着方法は、例えば塩素などのハロゲン原子の如き不純物がAl2O3被膜内には含まれない、という決定的で重要な利点を有する。α-相を含む膜の不都合は、比較的に粗い表面の微細構成(topography)である。α-Al2O3を含む膜以外のポリタイプの主な不都合は、化学的不安定性が低くなりやすいことである。極めて高い切削温度にては、α-相への相変態が生ずる。これらの相変態は体積収縮に帰着し、各膜の裂開および層裂を引き起こす。
【０００９】
本発明に依れば、旋削(ネジ切りおよび突っ切り加工)、フライス削りおよび穿孔などの金属加工用の切削工具が提供されるが、該切削工具は、当該工具本体の特定材料に依存して400〜700℃、好適には500〜600℃の基材温度にてパルス式マグネトロン・スパッタリングにより硬質／耐摩耗性耐熱被膜が蒸着される、超硬合金、サーメット、セラミクスなどの硬質合金製の、または、高速度鋼製の、または、立方晶窒化ホウ素もしくはダイアモンドなどの超硬材料製の本体を備え、且つ、上記耐摩耗性被膜は１層以上の耐熱化合物から成るが、その内の少なくとも一層、好適には最外層は、(Me)xAl2O3+x(0＜x≦1)、好適には(0.01＜x≦1)、最も好適には(0.05＜x≦1)であるタイプのナノ結晶質アルミニウム・スピネル化合物から成り、Meは、Mg、Zn、Mn、Fe、Co、Ni、Cd、Cu、Cr、Snの金属群の内の一種以上であり、且つ、もし存在するならば、工具本体とアルミニウム・スピネル化合物層との間の最内層はTi、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、WおよびAlの群から選択された金属元素を有する金属の窒化物および／または炭化物から成る。上記技術状況とは対照的に、上記アルミニウム・スピネル化合物層は、0.2μm未満の粒子サイズを有する高品質で稠密な微粒子結晶質アルミニウム・スピネル化合物から成る。上記スピネルは好適には、10〜200nmの横伸び(lateral extension)を有する微結晶(crystallite)の形態である。更に、上記アルミニウム・スピネル化合物層は事実上、裂開およびハロゲン不純物が無い。
【００１０】
本発明に係るアルミニウム・スピネル化合物層は更に、工具の切削刃に対して極めて滑らか(smooth)な表面仕上を与えるが、これは、先行技術のα-Al2O3被膜工具と比較して、加工されつつある被加工品の表面仕上も改善することになる。この極めて滑らかな表面仕上は、上記被膜の極めて微細な結晶化度に起因し得るものである。本発明に係るアルミニウム・スピネル化合物層の識別は好適には、エネルギ分散方式分光測定(EDS)と組合されたX線回折により行われる。(400)および(440)格子面の少なくとも一方の強い反射(reflex)が識別され得る。アルミニウム・スピネル化合物の(111)、(220)、(311)、(222)および(511)格子面からの反射が識別され得ることもある。純粋なMeO相の反射は生じない。
【００１１】
アルミニウム・スピネル化合物相を識別する第2の方法は、再びEDSと組合された透過電子顕微鏡(TEM)における電子回折、又は、化学的分析法に基づくものである。回折縞(diffraction pattern)は、多結晶質アルミニウム・スピネルからのリングを示す。
本発明に係るナノ結晶質アルミニウム・スピネル化合物は、[440]方向において強く集合組織化(textured)される。集合組織化係数(Texture Coefficient)は次式により決定され得る：
TC(hkl)=[I(hkl)/IO(hkl)][[1/n]Σ[I(hkl)/ IO(hkl)]]-1
式中、
I(hkl)＝(hkl)反射の測定強度；
Io(hkl)＝ASTM標準粉体回折縞データからの標準強度；
n＝計算において使用される反射の個数であり、使用された(hkl)反射は(111)、(311)、(222)、(400)および(440)である。
【００１２】
TC(hkl)＞1である場合は常に、[hkl]-方向に集合組織が在る。TC(hkl)が大きいほど、集合組織は更に顕著である。本発明に依れば、(440)結晶面の群に対するTCはTC≧1.5である。
本発明に係るナノ結晶質アルミニウム・スピネル化合物により被覆された超硬合金製切削工具が鋼鉄もしくは鋳鉄の加工に使用される場合、先行技術と比較して幾つかの重要な改善が観察されたが、これは以下における実施例で例証される。驚くべきことに、一層粗くて熱力学的に安定なα-Al2O3相の一切の部分を含まないPVDアルミニウム・スピネル化合物は、一定の金属加工作業において、約1,000℃の温度で蒸着された更に粗いCVD α-Al2O3被膜で見られた耐摩耗性に等しい耐摩耗性を示す。この挙動の理由は、特殊なナノ結晶質微細組織により引き起こされた少なくとも16GPaの比較的に高い硬度と組合されて1,000℃までの高温にても大きなスピネル化合物の化学的安定性であると確信される。更に、微細粒子とされたPVDアルミニウム・スピネル化合物被膜は、先行技術のPVD被膜よりも相当に優れた耐摩耗性を示す。これらの観察結果が与える可能性は、切削性能を相当に改善し、且つ、被覆されたPVD工具の工具寿命を延ばすことである。また、蒸着温度が低いことから、高速度鋼工具、または、立方晶窒化ホウ素およびダイアモンドなどの超硬材料工具上にPVDアルミニウム・スピネル化合物被膜を蒸着することが可能となる。
【００１３】
もし、本発明に係るアルミニウム・スピネル化合物被膜切削工具が、例えば米国特許第5,861,210号に開示された如きSiCに基づく穏やかな湿式ブラスチング・プロセスにより又はブラシによる刃部用ブラシ研磨により処理されたなら、更なる切削性能の改善が期待され得る。本発明に係るスピネル化合物を使用することの別の利点は、スピネルの本質的性質の故に、又は、Fe、Cu、CoもしくはCrなどの他の陽イオンを少量だけ取り入れることによる、着色層の蒸着の可能性である。着色は、被覆された切削工具の摩耗状態の視覚的評価に関して実用上は非常に重要である。
【００１４】
本発明に係る被膜全厚は0.5〜20μm、好適には1および15μmの間で変化し、非アルミニウム・スピネル層は0.1〜10μm、好適には0.5〜5μmの間で変化する。上記微細粒子化アルミニウム・スピネル化合物はまた、超硬合金、サーメット、セラミクス、高速度鋼もしくは超硬材料製の切削工具基材上に直接的に蒸着され得ると共に、その場合に上記アルミニウム・スピネル化合物の厚みは0.5〜15μm、好適には1〜10μmで変化する。同様に、Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、WおよびAlの群から選択された金属元素を有する金属の窒化物および／または炭化物の被膜、特にTiN、Ti(CN)、TiNもしくは(Ti,Al)Nから成る外層が、アルミニウム・スピネル化合物層の頂部に蒸着され得る。
【００１５】
好適実施例においては、Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、WおよびAlの群から選択された金属元素を有する金属の窒化物もしくは炭化物または炭窒化物(carbonitride)から成る0.1〜10μm、好適には0.5〜5μmの全厚を有する少なくとも一層の第1被膜が蒸着される。好適には、上記第1被膜はTiC、Ti(CN)、TiNもしくは(Ti,Al)Nから成る。
【００１６】
本発明に係る工具の更なる好適実施例において、上記第1被膜および／または外層は、TiC、TiCN、TiNもしくはTiAlNから選択された少なくとも２種の異なる層の周期的もしくは非周期的に連続なする多層部分から成る。
本発明に係るアルミニウム・スピネル層は、金属の元素ターゲットもしくは合金化ターゲット、および、好適にはアルゴンおよび酸素である希ガスおよび反応ガスの混合物を使用して、400〜700℃、好適には500〜600℃の基材温度にてパルス式マグネトロン・スパッタリングにより蒸着される。上記パルス式マグネトロン・スパッタリングを実行する好適な解決策は、デュアル・マグネトロン・システム(DMS)を使用することである。これに加え、本発明に係るプロセスは、各個別基材に衝突する粒子フラックスの繰り返し中断により特徴付けられる。このフラックスは、中性粒子(neutral)、イオン、電子、光子などから成る。これらの中断により、再核形成プロセス(renucleation process)は、観察されたスピネル層の極めて微細な粒子構造に帰着すると思われる。上記中断を実現する簡単な手法は、基材を揺動もしくは回転して、蒸着領域を周期的に離脱せしめることである。上記プロセスの更なる特性は、マグネトロンの放電のインピーダンスが、酸化物により全体がカバーされた各ターゲット電極間の放電燃焼(discharge burning)のインピーダンスの150％〜250％である如き値へと、反応ガスの流れを設定する点にある。酸化物により全体的にカバーされたターゲットのこの状態は、劇的に減少した蒸着速度と、プラズマの光学発光スペクトルにおける酸素ラインとにより示される。スピネル層の微細組織および相構成の更なる改善は、蒸着の間に各基材に対して二極性パルス式バイアス電圧を印加することにより達成される。これは、成長する耐熱層の周期的放電に対して必要なイオンおよび電子の交互フラックスに帰着する。1〜5kHzの範囲の周波数における20〜200V、好適には50〜100Vのバイアス電圧レベルが好適である。蒸着の配置構成の幾何学的条件に依存し、電圧レベルおよびパルス存続時間などの各パラメータに関して非対称的なバイアス・パルスが有用であり得る。この場合、正極性の存続時間は、負極性の存続時間よりも相当に少なくまたは最大でも負極性の存続時間と等しくせねばならない。
【００１７】
金属の窒化物および／または炭化物および／または炭窒化物から成ると共に、Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、WおよびAlから選択された金属元素を備える、本発明で記述された層は、PVD技術、CVDおよび／またはMTCVD技術(中温化学蒸着)により蒸着され得る。
先行技術のPVD被膜と比較した、本発明に係る微細粒子化アルミニウム・スピネル化合物PVD層の優位性は、実施例１において例証される。実施例２は、κ-Al2O3およびα-Al2O3から成る従来のCVD層と比較した上記微細粒子化アルミニウム・スピネル化合物層の驚異的に優れた耐摩耗特性を例証する。
【００１８】
実施例１
A)10重量％のCoおよび残部がWCである超硬合金組成を有する約3μmの被膜厚みを備えたLCMX 040308-53型である、市販のPVD-TiN被膜超硬合金製穿孔用インサート。
B)酸素およびアルゴン混合気において50kHzで作動すると共にひとつのマグネシウム・ターゲットおよびひとつのアルミニウム・ターゲットを備えたDMSシステムを使用して上記パルス式マグネトロン・スパッタリング技術により別個の実験において2μmの微細粒子化アルミニウム・マグネシウム・スピネル(MgAl2O4)により被覆された、上記AからのTiN被膜工具。時間平均の出力密度は、アルミニウム・ターゲットに関しては24W/cm2およびマグネシウム・ターゲットに関しては14W/cm2に設定された。蒸着の間、全てのインサートは回転ドラムに固定されると共に、入射角はDMSの周囲のシールドにより±30°に制限された。蒸着温度は600℃であった。各基材に対しては、80Vの対称的な二極性パルス式バイアス電圧が3kHzの周波数で印加された。放電の反応動作点は、酸化物により全体がカバーされた各ターゲット電極に対して測定されたインピーダンスの200％のインピーダンスにて安定化された。
【００１９】
B)からのアルミニウム・マグネシウム・スピネル被膜は乳白色を呈すると共に、極めて滑らか表面を有した。断面をSEMにより解析したところ、割れ口は多孔性でなくガラス状であった。TEMで分析したところ、粒子サイズは50nm〜100nmであった。また、EDS測定では、式MgAl2O4に従う略々化学量論的な化合物の存在が示され、アルゴン含有量は0.3重量％であった。XRDで分析したところ、反射(220)、(311)、(400)および(440)により立方晶スピネル構造が明確に識別された。(440)に対して計算された集合組織化係数は2.5に上った。
【００２０】
A)およびB)からの被膜工具インサートは次に、低合金化非硬質化鋼鉄SS2541の被加工品材料における穿孔操作で試験された。
各切削刃上では、逃げ面(flank)および凹所(crater)の両方にて摩耗が進展した。逃げ面の摩耗の度合いは、切削工具の寿命を決定した。切削試験の結果、本発明に係るスピネル層により被覆されたインサートは更に多数の孔を穿孔し得ること、および、A)と比較して逃げ面摩耗が少ないことが示された。
【００２１】
実施例２
C)6重量％のCoおよび残部がWCである組成を有するCNMA 120412-KR型である超硬合金インサートであって、8μmのTiCNの第1層により被覆された後、4μmのκ-およびα-Al2O3の頂部層により被覆された超硬合金インサート。両層ともに、従来のCVD技術により蒸着された。κ-およびα-相の粒子サイズは、0.5〜1.2μmであった。
【００２２】
D)C)におけるのと同一の型および組成の超硬合金インサートが、先ず約3μm厚さのTiCN層により被覆された後、3重量％のMgをFeにより部分的置換した2.5μm厚みの微細粒子化マグネシウム・アルミニウム・スピネルにより被覆された。両層ともに、真空中断(vacuum interruption)無しでDMSスパッタリング・プロセスにより蒸着された。FeによりMgを部分的に置換すべく、鉄挿入物(iron plug)を備えたモザイク状マグネシウム・ターゲットが使用された。基材温度は550℃であった。他の全てのパラメータは、B)で検討されたパラメータに対応していた。
【００２３】
D)からの被膜は青色を呈すると共に、極めて滑らかな表面を示した。SEM分析では、孔性は示されなかった。粒子サイズは、TEM分析に依れば50nm未満と評価された。
EDS測定によれば、組成は以下の如くであった：
アルミニウム：27at％
マグネシウム：13at％
鉄：〜0.5at％
アルゴン：0.2at％
酸素：残部。
【００２４】
電子回折縞は、ナノ結晶質の立方晶スピネル構造の各リングを示した。ナノ結晶質アルミニウム・マグネシウム・スピネルの硬度は20GPaに達し、且つ、固有応力は3GPa圧縮性であった。
次に、C)およびD)からの各被膜インサートが、ボールベアリング鋼(Ovako 825)内での連続的な回転操作で試験された。切削刃の凹所の摩耗は、光学顕微鏡で測定された。頂部層が完全に摩耗されるまでの加工時間が記録された(すなわち、内部のTiCNがまさに視認可能となったとき)。
【００２５】
冷却液を使用し、200m/分の切削速度で0.25mm／回転の送りかつ2mmの切削深度にて、本発明に従い蒸着されたインサートの加工時間は、先行技術の被膜インサートと比較して1.5の係数だけ速かった。この改善は、CVDアルミニウム層と比較して、マグネシウム・アルミニウム・スピネル層の化学的安定性が高いことにより説明され得る。これに加え、上記スピネル被膜は青色なので、インサートの耐用期間の終了が高精度で容易に検出され得る。