(57)【要約】【課題】基材と被膜を含む切削工具インサート、ソリッドエンドミル又はドリルを提供する。【解決手段】被膜は、耐火化合物の１つ又は複数の層から構成され、該耐火化合物の少なくとも１つの層は立方晶の（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ相を含み、式中、Ｍｅは元素Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＡｌのうちの１つ又は複数であり、Ｘは元素Ｎ、Ｃ、Ｏ又はＢのうちの１つ又は複数である。ｃ−ＭｅＳｉＸ相の比Ｒ（Ｘの割合／Ｍｅの割合）は０．５〜１．０であり、ＸはＯ＋Ｂを３０原子％よりも少ない量で含む。本発明は、切りくず厚さが小さく、被削材が硬質である金属機械加工用途、例えば、ソリッドエンドミルを用いた倣いフライス削り、インサートフライス又は硬化鋼のボーリングにおいて特に有用である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰｃＢＮ）系材料の基材と被膜を含む切削工具インサート、ソリッドエンドミル又はドリルであって、該被膜が耐火化合物の１つ又は複数の層から構成され、該耐火化合物の少なくとも１つの層が組成Ｍｅ1-aＳｉaＸb（式中、Ｍｅは元素Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ及びＡｌ、好ましくはＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ及びＡｌのうちの１つ又は複数であり、ａは０．０５〜０．４、好ましくは０．１〜０．３であり、Ｘは元素Ｎ、Ｃ、Ｏ及びＢのうちの１つ又は複数であり、ｂは０．５〜１．１、好ましくは０．８〜１．０５であり、ＸはＯ＋Ｂを３０原子％よりも少ない量で含む）で表される（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ相を含むことを特徴とする、切削工具インサート、ソリッドエンドミル又はドリル。
【請求項２】
前記Ｍｅ1-aＳｉaＸbの構造がＮａＣｌ型であることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具インサート。
【請求項３】
結晶立方晶相（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘの層中の存在が、以下の特徴、即ち、
（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（１１１）ピーク
（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（２００）ピーク
（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（２２０）ピーク
のうちの１つ又は複数を示すθ−２θ及び／又は斜入射配置におけるＸ線回折によって検出されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の切削工具インサート。
【請求項４】
前記層からのθ−２θ配置のＸ線回折パターンにおけるＭｅ1-aＳｉaＸb（１１１）ピーク（Ａ（Ｍｅ1-aＳｉaＸb）111）の面積とＭｅ1-aＳｉaＸb（２００）ピーク（Ａ（Ｍｅ1-aＳｉaＸb）200）の面積の比Ｋ、即ち、Ｋ＝Ａ（Ｍｅ1-aＳｉaＸb）111／Ａ（Ｍｅ1-aＳｉaＸb）200）が、０．０〜１．０、好ましくは０．０〜０．３であり、及び／又はＭｅ1-aＳｉaＸb（２００）ピークに関するピークとバックグラウンドの比（最大ピーク高さにおけるカウント数をピーク付近の平均バックグラウンドカウント数で割ったもの）が、２よりも大きく、好ましくは４よりも大きいことを特徴とする、請求項３に記載の切削工具インサート。
【請求項５】
前記層からのθ−２θ配置のＸ線回折パターンにおけるＭｅ1-aＳｉaＸb（１１１）ピークのＦＷＨＭ（半値全幅）値が０．４〜１．５°２θであり、Ｍｅ1-aＳｉaＸb（２００）ピークのＦＷＨＭ値が０．４〜１．５°２θであることを特徴とする、請求項３又は４に記載の切削工具インサート。
【請求項６】
前記ＰｃＢＮが、硬化鋼の機械加工に関して３０〜９０ｖｏｌ％、鋳鉄の機械加工に関して８０〜９０ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）含有量を有し、好ましくは、硬化鋼の機械加工に関して、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ＮａＣｌ型の結合剤相中に粒子サイズが０．５〜２μｍのｃＢＮを３５〜６０ｖｏｌ％有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具インサート。
【請求項７】
前記層の単位格子パラメータが、ＮａＣｌ型構造の結合剤相が存在する場合には、その単位格子パラメータの±２％、好ましくは±１％以内にあり、該層が好ましくは前記基材と直接接触しているか又はそれらの間に０．３μｍ未満の１つ又は複数の中間層があることを特徴とする、請求項６に記載の切削工具インサート。
【請求項８】
ＸがＮであり、組成が（Ｍｅ0.9-0.7Ｓｉ0.10-0.30）Ｎであることを特徴とする、請求項７に記載の切削工具インサート。
【請求項９】
ＭｅがＴｉであり、組成が（Ｔｉ0.85-0.75Ｓｉ0.15-0.25）Ｎであることを特徴とする、請求項８に記載の切削工具インサート。
【請求項１０】
ＭｅがＴｉ及びＡｌであり、組成が（Ｔｉ0.6-0.35Ａｌ0.20-0.40Ｓｉ0.15-0.30）Ｎ、好ましくは（Ｔｉ0.6-0.35Ａｌ0.25-0.35Ｓｉ0.15-0.30）Ｎであることを特徴とする、請求項７に記載の切削工具インサート。
【請求項１１】
多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰｃＢＮ）系材料の基材と被膜を含むコーティングされた切削工具インサート、ソリッドエンドミル又はドリルを製造する方法であって、耐火化合物の１つ又は複数の層から構成され、該耐火化合物の少なくとも１つの層が組成Ｍｅ1-aＳｉaＸb（式中、Ｍｅは元素Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＡｌのうちの１つ又は複数であり、ａは０．０５〜０．４、好ましくは０．１〜０．３であり、Ｘは元素Ｎ、Ｃ、Ｏ及びＢのうちの１つ又は複数であり、ｂは０．５〜１．１、好ましくは０．８〜１．０５であり、ＸはＯ＋Ｂを３０原子％よりも少ない量で含む）で表されるＭｅ1-aＳｉaＸb相を含む被膜が、アーク蒸着法により蒸着電流５０〜２００Ａ、基材バイアス−１０〜−１５０Ｖ、温度４００〜７００℃、全圧０．５〜９Ｐａで堆積され、コーティングされるべき表面が、ｃＢＮの体積分率と比べてｃＢＮ相のより低い露出表面積分率を有する表面を得るようにＶs＜−５００Ｖの基材バイアスで始まってＶs＞−１５０Ｖで終わる２つ以上の一連の工程で行われるＡｒイオンエッチングにより前処理され、ｃＢＮの露出表面積分率ＡcBNをｃＢＮの体積分率ＶcBNで割ったものとして規定される比Ｌ（Ｌ＝ＡcBN／ＶcBN）が、堆積前において１．１５未満、好ましくは１．０未満であることを特徴とする、コーティングされた切削工具インサート、ソリッドエンドミル又はドリルを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立方晶窒化ホウ素系材料の基材と硬質でかつ耐摩耗性の耐火被膜とからなり、該耐火被膜の少なくとも１つの層が、堆積の際に単相として形成されるか又は他の相とともに若しくは同じ相を異なる化学組成で共堆積することによって形成されるＭｅ−Ｓｉ−Ｘ相を含む、切りくずを取り除くことによって機械加工するための切削工具に関する。本発明による工具は、切りくず厚さが小さく、被削材が硬質である金属切削用途、例えば、硬化鋼の仕上げにおいて特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
立方晶窒化ホウ素ｃＢＮは、ダイヤモンドに次ぐ硬さと熱伝導性を有し、鉄金属との反応性がダイヤモンドよりも低いような優れた特性を有する。多結晶立方晶窒化ホウ素ＰｃＢＮを用いた切削工具、例えば、ｃＢＮを含有する焼結体は、硬化鋼、鋳鉄及びニッケル系合金を機械加工するときに、作業効率を改善するため、超硬合金又はサーメットからなる工具の代わりに用いられる。
【０００３】
切削工具のためのＰｃＢＮ焼結体はｃＢＮ粒子と結合剤を含む。それらは以下の２つのグループに一般に分類される。
・主としてＴｉタイプのセラミック、例えば、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）などからなる結合剤によって結合された３０〜８０ｖｏｌ％のｃＢＮ粒子を含む、硬化鋼に関して主として用いられる耐摩耗性及び強度においてバランスのとれた焼結体
・直接結合された８０〜９０ｖｏｌ％のｃＢＮ粒子を含み、残りが一般にＡｌ化合物又はＣｏ化合物からなる結合剤である、鋳鉄に関して主として用いられる熱伝導性及び強度において優れた焼結体
【０００４】
しかしながら、ｃＢＮ粒子は、鉄金属に関するそれらの親和性がＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）結合剤よりも大きいという不利を有する。したがって、ｃＢＮを用いる切削工具は、熱摩耗によって寿命が短くなることがあり、最終的には工具のエッジが破損する。ＰｃＢＮ工具の耐摩耗性と破壊強度をさらに改善するために、例えば、米国特許第５，８５３，８７３号明細書（特許文献１）及び同第６，７３７，１７８号明細書（特許文献２）においてＰｃＢＮ工具をＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎなどの層でコーティングすることが提案されている。
【０００５】
しかしながら、コーティングされたＰｃＢＮ工具は、思いも寄らない層の剥離が生じる場合があるという問題を有する。
【０００６】
特開平１−９６０８３号公報（特許文献３）又は特開平１−９６０８４号公報（特許文献４）は、０．０５〜０．３μｍの平均厚さを有する金属質のＴｉ層を介してチタンの窒化物、炭化物又は炭窒化物からなる層でコーティングされたＰｃＢＮ工具の接着強度を改善することを開示している。
【０００７】
米国特許第５，５８３，８７３号明細書（特許文献１）は、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜をｃＢＮ基材に高い接着強度で以って結合するための、ｃＢＮ基材と（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ被膜間の中間層としてＴｉＮ層を開示している。
【０００８】
米国特許第６，７３７，１７８号明細書（特許文献２）は、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＨｆＮ、ＨｆＣ及びＨｆ（Ｃ，Ｎ）の層を開示している。
【０００９】
米国特許第６，６２０，４９１号明細書（特許文献５）は、硬質のコーティング層と、周期表の４ａ、５ａ及び６ａ族から選択される少なくとも１つの元素からなる中間層とを有し、最大１μｍの厚さを有する表面被覆窒化ホウ素工具を開示している。この硬質被膜は、４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ及びＹからなる群より選択される少なくとも１つの元素と、Ｃ、Ｎ及びＯからなる群より選択される少なくとも１つの元素とを含有し、厚さが０．５〜１０μｍの少なくとも１つの層を含む。中間層は、元素Ｃｒ、Ｚｒ及びＶのうち少なくとも１つを含有する。
【００１０】
米国特許第６，８１１，５８０号明細書（特許文献６）及び同第６，３８２，９５１号明細書（特許文献７）は、Ａｌ2Ｏ3でコーティングされた立方晶窒化ホウ素インサートを開示している。
【特許文献１】米国特許第５，８５３，８７３号明細書
【特許文献２】米国特許第６，７３７，１７８号明細書
【特許文献３】特開平１−９６０８３号公報
【特許文献４】特開平１−９６０８４号公報
【特許文献５】米国特許第６，６２０，４９１号明細書
【特許文献６】米国特許第６，８１１，５８０号明細書
【特許文献７】米国特許第６，３８２，９５１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、硬化鋼又は鋳鉄の切りくずを取り除くことによって機械加工するための接着強度の優れた被膜を有するｃＢＮなどの高圧相タイプの窒化ホウ素を含む焼結体に基づく改善された切削工具を提供することである。
【００１２】
本発明の更なる目的は、硬化鋼又は鋳鉄の切りくずを取り除くことによって機械加工するための接着強度の優れたＰｃＢＮに基づく切削工具上に被膜を堆積するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
コーティングされた工具の潤滑特性は、最適化された特性を有する被膜を適用してＰｃＢＮ系切削工具の上に処理することによって有意に改善できることが見出された。化学組成、熱エネルギーの量、及び成長の際のイオン誘起表面活性の度合いをバランスさせることにより、（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ相を含む層を得ることができ、この層は、従来技術と比べて、硬化鋼の金属切削において向上した性能を示す。層の接着は、最適化された前処理及び堆積条件のために優れている。１つ又は複数の層は、他の相の粒子の共存に関係なく（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘの粒子を含む。１つ又は複数の層は、ＰＶＤ法、好ましくはアーク蒸着によって堆積される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、耐摩耗性被膜が堆積される多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰｃＢＮ）系材料体を含む切りくずを取り除くことによって機械加工するための切削工具を提供する。この被膜は、好ましくは物理気相成長（ＰＶＤ）によって成長された（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ相の結晶からなる少なくとも１つの層を含む耐火化合物の１つ又は複数の層から構成される。追加の層は、周期表の４〜６族からの窒化物、炭化物及び／又は酸化物から構成される。本発明による工具は、機械加工された部分の表面粗さによって工具寿命が制限される場合がある硬化鋼又はねずみ鋳鉄の仕上げの金属切削用途において特に有用である。
【００１５】
１つ又は複数の（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ層は、Ｍｅ1-aＳｉaＸb相の結晶であって、式中、Ｍｅが元素Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ及びＡｌ、好ましくはＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ及びＡｌのうちの１つ又は複数であり、ａが０．０５〜０．４、好ましくは０．１〜０．３であり、ＸがＮ、Ｃ、Ｏ及びＢのうちの１つ又は複数であり、ｂが０．５〜１．１、好ましくは０．８〜１．０５である結晶を含む。
【００１６】
結晶性のＭｅ1-aＳｉaＸb相の存在は、θ−２θ及び／又は斜入射配置におけるＣｕＫα線を用いたＸ線回折（ＸＲＤ）によって検出され、以下の特徴のうち１つ又は複数を示す。
・約３６°２θにおけるＴｉ1-xＳｉxＮに関する（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（１１１）ピーク
・約４２°２θにおけるＴｉ1-xＳｉxＮに関する（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（２００）ピーク
・約６１°２θにおけるＴｉ1-xＳｉxＮに関する（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（２２０）ピーク
・ＭｅがＴｉでないか又はＭｅとＳｉの相対量が異なる場合には、ピーク位置がシフトする場合がある。
・（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘの構造はＮａＣｌ型であることが好ましい。
・θ−２θ配置のＸ線回折パターンにおけるＭｅ1-aＳｉaＸb（１１１）ピーク（Ａ（Ｍｅ1-aＳｉaＸb）111）の面積とＭｅ1-aＳｉaＸb（２００）ピーク（Ａ（Ｍｅ1-aＳｉaＸb）200）の面積の比Ｋ、即ち、Ｋ＝Ａ（Ｍｅ1-aＳｉaＸb）111／Ａ（Ｍｅ1-aＳｉaＸb）200）として規定される性質は、０．０〜１．０、好ましくは０．０〜０．３であり、及び／又はＭｅ1-aＳｉaＸb（２００）ピークに関するピークとバックグラウンドの比（ピーク最大値におけるカウント数をピーク付近の平均バックグラウンドカウント数で割ったもの）は、２よりも大きく、好ましくは４よりも大きい。
・この層のピークの広がりのＦＷＨＭ（半値全幅）値は、主としてその小さい粒子サイズの効果である（計器からの寄与は２θ＝０．０５°程度であるため、これらの計算においては無視することができる）。
・（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（１１１）ピークのＦＷＨＭは、０．４〜１．５°２θであり、及び／又は
・（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（２００）ピークのＦＷＨＭは、０．４〜１．５°２θである。
・Ｘは、３０原子％未満のＯ及び／又はＢと、残りがＮ及び／又はＣとからなる。窒化物が炭窒化物及び炭化物よりも好ましい。（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ中のＸは１５原子％未満がＣである。１〜１０原子％のＯを加えると、微粒子構造の成長が促進され、耐酸化性が改善されるが、これによって、非導電性被膜のチャンバーになる危険性が高くなり、それによって生産上の問題が生じる。
・アモルファス相は、２θ＝３６°〜３８°に位置するブロードピーク（ＦＷＨＭ＝４°〜６°）として同定される。アモルファスピークの屈折強度Ａaと結晶（２００）ピークの強度Ａcを評価するアモルファス相と結晶相の比は、典型的には０≦Ａa／Ａc＜０．２０である。
【００１７】
（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘを含む層は、ＮａＣｌ型のＴｉ1-yＡｌyＮ構造の立方晶単相の層と比べて相当に向上した硬さを有する。系Ｔｉ1-xＳｉxＮ及びＴｉ1-yＡｌyＮによって示される例１を参照されたい。
【００１８】
本発明による１つ又は複数の（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ含有層が１つ又は複数の他の層と組み合わせられた場合に、被膜の合計厚さは０．１〜５μｍ、好ましくは０．１〜３μｍであり、１つ又は複数の（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ含有層以外の厚さは０．１〜３μｍである。仕上げ用途に関しては、被膜の厚さは２μｍ未満、好ましくは１．２μｍ未満である。
【００１９】
１つの実施態様においては、０．１〜２μｍ厚さの１つ又は複数の（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ含有層は、個々に２〜１００、好ましくは５〜５０の層からなる０．５〜５μｍ厚さの多層被膜における最大５つの異なる材料のうちの１つである。
【００２０】
１つの好ましい実施態様においては、ＭｅはＴｉであり、組成は（Ｔｉ0.9-0.7Ｓｉ0.10-0.30）Ｎ、最も好ましくは（Ｔｉ0.85-0.75Ｓｉ0.15-0.25）Ｎである。
【００２１】
別の好ましい実施態様においては、ＭｅはＴｉ及びＡｌであり、組成は（Ｔｉ0.6-0.35Ａｌ0.20-0.40Ｓｉ0.15-0.30）Ｎ、最も好ましくは（Ｔｉ0.6-0.35Ａｌ0.25-0.35Ｓｉ0.15-0.30）Ｎである。
【００２２】
さらに好ましい実施態様においては、ＴｉＮ及び／又はＣｒＮ及び／又はＺｒＮ又はそれらの混合物の上層が最も外側に堆積される。
【００２３】
ＰｃＢＮは、硬化鋼の機械加工に関して３０〜８０ｖｏｌ％、鋳鉄の機械加工に関して８０〜９０ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）含有量を有し、好ましくは、硬化鋼の機械加工に関して、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ＮａＣｌ型の結合剤相中に粒子サイズが０．５〜２μｍのｃＢＮを３５〜６０ｖｏｌ％有する。
【００２４】
本発明による層の組成は、その単位格子パラメータが、エピタキシャル成長の量を増大させかつ最大の接着強度を得るために、ＮａＣｌ相構造の結合剤相の単位格子パラメータの±２％、最も好ましくは±１％以内にあるようにすることが好ましい。ＮａＣｌ構造の結合剤相の単位格子パラメータは、試料の研磨断面に関してＸ線回折を用いて測定される。層の単位格子パラメータは、コーティングされた試料に関してＸ線回折を用いて測定される。この層は、基材と直接接触していることが好ましい。このような単位格子が適合した組成物の例は、（Ｔｉ0.85-0.75Ｓｉ0.15-0.25）Ｎ及び（Ｔｉ0.37Ａｌ0.25Ｚｒ0.18Ｓｉ0.20）Ｎである。あるいはまた、それらの間に、単位格子が適合していない０．３μｍ未満の１つ又は複数の中間層があってもよい。
【００２５】
本発明はまた、ＰｃＢＮ基材上に（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ相を含む層を成長させる方法に関する。
【００２６】
第一に、最適化された表面状態は、好ましくは弱いＡｒイオンエッチングを適用することによって得られ、選択的なスパッタリングによって結合剤相の表面含有量を減少させることなく、ｃＢＮ粒子及び結合剤相の良好なエッチング及び洗浄を可能にする。結合剤相の表面含有量は、バルクと等しいか又はそれよりも多い。ＡｒイオンエッチングはＡｒ雰囲気又はＡｒとＨ2の混合ガス中で行われ、ＡｒとＨ2の混合ガスの場合には、物理的なスパッタリングと化学的なエッチングの複合効果が、衝突イオンの平均エネルギーがＶs＜−５００Ｖの基材バイアスで始まって連続的に減少し、Ｖs＞−１５０Ｖで終わる２つ以上の一連の工程で達成される。もしあれば、１つ又は複数の中間の工程は、−５００Ｖ＜Ｖs＜−１５０ＶのＶsを使用する。最も好ましくは、印加される基材バイアスは、５ｋＨｚを超える周波数でパルスされ、バイポーラ電圧が印加される。負パルスは好ましくは８０％よりも大きく、正の放電パルスが続く。
【００２７】
図３は、コーティング前の通常のイオンエッチング後のＮａＣｌ型構造の結合剤相を有するＰｃＢＮ材料の構造を示すＳＥＭ写真であり、図４は、コーティング前の本発明によるイオンエッチング後のものである。図３と図４を比較するとわかるように、通常のイオンエッチングによって、かなりの結合剤相が除去され、したがってｃＢＮ粒子が露出している。ｃＢＮの露出表面積分率ＡcBNをｃＢＮの体積分率ＶcBNで割ったものとして規定される比Ｌ（Ｌ＝ＡcBN／ＶcBN）は、堆積前において１．１５未満、好ましくは１．０未満である。図３におけるｃＢＮの表面含有量は５９％（Ｌ＝１．１８）であり、図４ではバルクの体積分率５０％と比べて４９％（Ｌ＝０．９８）である。
【００２８】
最適な表面は、堆積の前に及び／又は堆積系におけるその場プロセスと組み合わせて、化学的な処理及び／又は機械的な処理、例えば、光ブラストによって得ることもできる。
【００２９】
本発明による層の好ましい構造を得るためには、幾つかの堆積パラメータを微調整しなければならない。堆積に影響する因子は、衝突イオンのエネルギーと相関する温度であり、それは、基材バイアス、陰極と基材の距離、及びＮ2分圧ＰN2によって変化させることができる。
【００３０】
本明細書で系Ｔｉ1-xＳｉxＮによって例示される本発明の（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ相を含む層を成長させるのに用いられる方法は、以下の条件下における合金陰極又は複合陰極のアーク蒸着に基づいている。
【００３１】
Ｔｉ＋Ｓｉ陰極の組成は、Ｔｉが６０〜９０原子％、好ましくは７０〜９０原子％であり、残りがＳｉである。
【００３２】
蒸着電流は、陰極のサイズ及び材料に応じて５０Ａ〜２００Ａである。直径６３ｍｍの陰極を使用する場合には、蒸着電流は、６０Ａ〜１２０Ａであることが好ましい。
【００３３】
基材バイアスは、−１０Ｖ〜−１５０Ｖ、好ましくは−４０Ｖ〜−７０Ｖである。
【００３４】
堆積温度は、４００℃〜７００℃、好ましくは５００℃〜７００℃である。
【００３５】
（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（式中、ＸはＮである）を含有する１つ又は複数の層を成長させる場合には、０．５Ｐａ〜９．０Ｐａ、好ましくは１．５Ｐａ〜５．０Ｐａの全圧で０〜５０ｖｏｌ％、好ましくは０〜２０ｖｏｌ％のＡｒからなるＡｒ＋Ｎ2雰囲気が用いられる。
【００３６】
（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（式中、ＸはＣ及びＯを含む）を成長させるためには、Ｃ及び／又はＯ含有ガスが、Ｎ2及び／又はＡｒ＋Ｎ2雰囲気に添加されなければならない（例えば、Ｃ2Ｈ2、ＣＨ4、ＣＯ、ＣＯ2、Ｏ2）。ＸがＢも含む場合には、ターゲットをＢと合金化するか又はＢ含有ガスをその雰囲気に添加することによってＢを加えることができる。
【００３７】
正確なプロセスパラメータは、用いられるコーティング装置の設計及び条件に依存している。必要な構造が得られたか否かを決定すること、及び本明細書に従った堆積条件を変更することは当業者の能力の範囲内である。
【００３８】
（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ相を含有する１つ又は複数の層を成長させると、鋭い刃先が用いられる場合及び／又は良好な接着に関する要求が最も重要である場合には、圧縮残留応力が非常に高くなり、機械加工用途において性能に負の影響を及ぼす恐れがある。残留応力は、Ａｒ及び／又はＮ2雰囲気中６００℃〜１１００℃の温度で２０〜６００分間アニーリングすることによって低減することができる。
【００３９】
さらには、刃先の表面粗さを改善する後処理を追加することによって強化される。これは湿式ブラストによって行うことができる。さらには、砥粒を埋め込んだナイロンブラシを使用することもできる。別の方法は、コーティングされたＰｃＢＮ工具を研磨媒体に通して移動させること、例えば、タンブリング又は引きずり仕上げ（dragfinishing）である。
【００４０】
本発明は、アーク蒸着を用いて堆積された（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ相を含有する１つ又は複数の層に関して説明された。（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ相を含有する１つ又は複数の層がまた、他のＰＶＤ法、例えば、マグネトロンスパッタリングを用いて製造できることは明らかである。
【実施例】
【００４１】
［例１］
１μｍの平均粒子サイズを有する体積分率５０％のｃＢＮと、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）からなる結合剤相とを有するタイプＲＣＧＮ０８０３Ｍ０Ｓの多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰｃＢＮ）インサートを、アルカリ溶液とアルコールを用いた超音波浴において洗浄し、続いて、３倍回転の固定具を用いたＰＶＤ系に置いた。陰極と基材の最短距離は１６０ｍｍであった。系を２．０×１０-3Ｐａ未満の圧力に排気した後、インサートをＡｒイオンでスパッタ洗浄した。バイポーラパルスプロセスを使用し、２０ｋＨｚの周波数で以ってある期間にわたり基材バイアスを−Ｖs（８０％）〜＋５０Ｖ（２０％）の間で変化させた。Ｖｓは、プロセスの開始では−５５０Ｖであり、続いて段階的に下げられて最後に−１２０Ｖとなった。図４はこのプロセスを用いたエッチング後のＰｃＢＮ表面の外観を示している。
【００４２】
直径６３ｍｍのＴｉ0.75Ｓｉ0.25陰極のアーク蒸着により変形体Ａを成長させ、Ｔｉ0.80Ｓｉ0.20陰極を用いて変形体Ｂを成長させた。堆積は、９９．９９５％の純粋なＮ2雰囲気中、基材バイアス−１１０Ｖによって全圧４．０Ｐａで６０分間実施した。堆積温度は約５３０℃であった。堆積後直ちにチャンバーを乾燥したＮ2でベントした。参照標準として、最先端のコーティングＴｉ0.34Ａｌ0.66Ｎを使用し、コーティングしていない変形体を使用した。
【００４３】
堆積されたままのＴｉ1-xＳｉxＮ層＋ＴｉＮ層のＸ線回折パターンを図１と図２に示す。ＰｃＢＮ基材に対応するピークを除いて、見られるピークは、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（２２２）、（４００）、（３３１）、（４２０）、（４２２）及び（５１１）ピークの同定により確認される立方晶ＮａＣｌ型Ｔｉ1-xＳｉxＮ相と立方晶ＮａＣｌ型ＴｉＮ相に対応するピークだけである。（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（１１１）ピークの面積と（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（２００）ピークの面積の比（Ｋ）として規定される性質は、この変形体に関して０．２８である。（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（１１１）ピークのＦＷＨＭは１．３０°２θであり、（Ｍｅ，Ｓｉ）Ｘ（２００）ピークのＦＷＨＭは１．４４°２θである。
【００４４】
堆積されたままの状態のＴｉ1-xＳｉxＮ相の同定は、被膜に由来するピークを増幅するために、一次ビームと試料表面の間で１°の一定の斜入射角を用いて検出器を走査するＸ線回折により行った。図２を参照されたい。Ｔｉ1-xＳｉxＮの存在は、ＮａＣｌ型構造における回折パターンの指標付けによって確認される。
【００４５】
Ｔｉ1-xＳｉxＮ（２００）ピークに関するピークとバックグラウンドの比は２４であった。
【００４６】
刃先の厚さは、断面に関して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用してＴｉ1-xＳｉxＮ層が１．０μｍであった。
【００４７】
（Ｔｉ0.77Ｓｉ0.23）Ｎの単位格子パラメータは４．２９Åであり、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）相からなるＰｃＢＮ結合剤相が４．３０Å、Ｔｉ0.34Ａｌ0.66Ｎが４．１４Åであった。
【００４８】
層のビッカース硬さは、約２００ｎｍの最大侵入深さが得られる２５ｍＮの最大荷重を用いて、研磨したテーパ断面に関してＮａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ（商標）ＩＩ計器を用いたナノインデンテーションによって測定した。硬さは表１に報告される。Ｔｉ1-yＡｌyＮの変形体と比べてＳｉが層中に存在すると、硬さが劇的に向上することを表１から知ることができる。
【００４９】
【表１】
2007001007.tif 000003
【００５０】
［例２］
タイプＲＣＧＮ０８０３Ｍ０Ｓの多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰｃＢＮ）インサートからなる例１からのコーティングされた切削工具インサートを、硬化したギアホイールの場合に関する仕上げ操作において試験した。使用した切削データは以下のとおりであった。
・材料：ＳＡＥ ５１２０（２０ＭｎＣｒ５）、５９−６１ ＨＲＣ
・ｖf＝１９０ｍ／分
・ａp＝０．１０ｍｍ
・ｆn＝０．０７ｍｍ／回転
【００５１】
工具寿命の基準は、機械加工された部品に関して７５％の最小浮力レベルを与える機械加工されたギアホイールの数であった。結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
2007001007.tif 000004
【００５３】
この試験は、変形体Ａ及びＢ（本発明）が最も多くの部品を機械加工でき、変形体Ｃがその後に続くことを示している。
【００５４】
［例３］
タイプＣＮＧＡ１２０４０８Ｓ−Ｌ１−ＷＺの多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰｃＢＮ）インサートからなる例１の場合と同様にコーティングされたワイパー型の切削工具インサートを、硬化したギアシャフトの場合の仕上げ操作において試験した。使用した切削データは以下のとおりであった。
・材料：ＳＡＥ ５１１５（１６ＭｎＣｒＳ５）、５８ ＨＲＣ
・ｖf＝１９０ｍ／分
・ａp＝０．１５／０．３５ｍｍ
・ｆn＝０．３ｍｍ／回転
【００５５】
工具寿命の基準は、最大表面粗さを与える機械加工されたギアシャフトの数であった。結果を表３に示す。
【００５６】
【表３】
2007001007.tif 000005
【００５７】
この試験は、変形体Ａ（本発明）が最も多くの部品を機械加工できることを示している。
【００５８】
［例４］
タイプＣＮＧＡ１２０４０８Ｓ−Ｌ０−Ｂの多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰｃＢＮ）インサートからなる例１の場合と同様にコーティングされた切削工具インサートを、硬化したソケットに関して試験した。使用した切削データは以下のとおりであった。
・材料：ＳＡＥ ５２１００（１００Ｃｒ６）、６３ ＨＲＣ
・ｖf＝２２０ｍ／分
・ａp＝０．１１／０．１５ｍｍ
・ｆn＝０．３ｍｍ／回転
【００５９】
工具寿命の基準は、最大表面粗さを与える機械加工されたソケットの数であった。結果を表４に示す。
【００６０】
【表４】
2007001007.tif 000006
【００６１】
この試験は、変形体Ｂ（本発明）が最も多くの部品を機械加工できることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明によるＰｃＢＮ基材上の堆積されたままのＴｉ0.77Ｓｉ0.23Ｎ層から得られるθ−２θ配置におけるＣｕＫαＸ線回折パターンであり、図の指標は、ＮａＣｌ型構造の被膜、即ち、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎを示す。
【図２】本発明によるＰｃＢＮ基材上の堆積されたままのＴｉ0.77Ｓｉ0.23Ｎ層からの一次ビームと試料表面の間で１°の一定の斜入射角を用いたＣｕＫαＸ線回折パターンであり、図の指標は、ＮａＣｌ型構造の被膜、即ち、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎを示す。
【図３】コーティング前の通常のイオンエッチング後のＰｃＢＮ材料の構造を示すＳＥＭ写真である。
【図４】コーティング前の本発明によるイオンエッチング後のＰｃＢＮ材料の構造を示すＳＥＭ写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
2007001007000001.pdf