(57)【要約】      （修正有）【課題】１つまたは複数の切削用途において耐摩耗性の向上を実証することができる、コーティングされた切削工具を提供する。【解決手段】コーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層とを含む。【選択図】図２
2012196756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体に接着されたコーティングであって、
アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、
前記内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む外層であって、前記外層におけるシリコンの量が前記内層に向かって低減する、外層と、
を含むコーティングと、
を具備するコーティングされた切削工具。
【請求項２】
前記内層が多結晶質である、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】
前記外層が多結晶質である、請求項１に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項４】
前記内層がＡｌａＴｉ１−ａＮを含み、式中０＜ａ＜１である、請求項１に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項５】
０．３５≦ａ≦０．７５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】
前記外層がＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮを含み、式中０＜ｍ＜１および０＜ｚ＜１および（ｍ＋ｚ）＜１である、請求項１に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項７】
０．０５≦ｍ≦０．７および０．０１≦ｚ≦０．３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】
前記ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮが立方晶相を有する、請求項６に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項９】
前記外層がＡｌ１−ｋＳｉｋＮをさらに含み、０≦ｋ＜１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１０】
前記Ａｌ１−ｋＳｉｋＮが六方晶構造を有する、請求項９に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項１１】
前記基体が超硬炭化タングステンを含む、請求項１に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項１２】
前記コーティングが、残留圧縮応力が少なくとも２５００ＭＰａである、請求項１に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項１３】
前記コーティングが、ポストコートブラスト処理された状態で、残留圧縮応力が少なくとも３４００ＭＰａである、請求項１に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項１４】
前記コーティングが、ポストコートブラスト処理された状態で、前記ポストコートブラスト処理された状態における残留圧縮応力のポストコートブラスト処理されていない状態における残留圧縮応力に対する比が、１．２以上である、請求項１に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項１５】
基体と、
前記基体に接着されたコーティングであって、
アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、
前記内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む、外層と、
を含む、コーティングと、
を具備するコーティングされた切削工具。
【請求項１６】
アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる前記相が、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮを含み、式中０＜ｍ＜１および０＜ｚ＜１および（ｍ＋ｚ）＜１である、請求項１５に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項１７】
前記ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮが立方晶構造を有する、請求項１６に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項１８】
前記ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮが、前記外層の５０％を上回る割合を構成する、請求項１６に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項１９】
アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる前記相が、Ａｌ１−ｋＳｉｋＮをさらに含み、０≦ｋ＜１である、請求項１５に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項２０】
前記Ａｌ１−ｋＳｉｋＮが六方晶構造を有する、請求項１９に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項２１】
前記Ａｌ１−ｋＳｉｋＮが、前記外層の１％から３５％を構成する、請求項１９に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項２２】
前記コーティングが、ポストコートブラスト処理された状態で、前記ポストコートブラスト処理された状態における残留圧縮応力の、ポストコートブラスト処理されていない状態における残留圧縮応力に対する比が、１．２以上である、請求項１５に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項２３】
基体と、
前記基体に接着されたコーティングであって、
アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、
前記内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、残留圧縮応力を有する
コーティングと、
を具備するコーティングされた切削工具。
【請求項２４】
前記コーティングが、残留圧縮応力が２５００ＭＰａ以上である、請求項２３に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項２５】
前記コーティングがポストコートブラスト処理された状態である、請求項２３に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項２６】
前記コーティングが、残留圧縮応力が３４００ＭＰａ以上である、請求項２５に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項２７】
前記コーティングが、ポストコートブラスト処理された状態で、前記ポストコートブラスト処理された状態における残留圧縮応力のポストコートブラスト処理されていない状態における残留圧縮応力に対する比が、１．２以上である、請求項２３に記載のコーティングされた切削工具。
【請求項２８】
コーティングされた切削工具を作製する方法であって、
基体を提供するステップと、
物理気相成長により前記基体上にコーティングの内層を堆積させるステップであって、前記内層が、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、ステップと、
物理気相成長により前記内層の上に前記コーティングの外層を堆積させるステップであって、前記外層が、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含み、前記外層におけるシリコンの量が前記内層に向かって低減する、ステップと、
を含む方法。
【請求項２９】
前記外層に対してポストコートブラスト処理を施すステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
コーティングされた切削工具を作製する方法であって、
基体を提供するステップと、
物理気相成長により前記基体上にコーティングの内層を堆積させるステップであって、前記内層が、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、ステップと、
物理気相成長により前記内層の上に前記コーティングの外層を堆積させるステップであって、前記外層が、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む、ステップと、
を含む方法。
【請求項３１】
アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる前記相が、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮを含み、式中０＜ｍ＜１および０＜ｚ＜１および（ｍ＋ｚ）＜１である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる前記相が、Ａｌ１−ｋＳｉｋＮをさらに含み、０≦ｋ＜１である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
コーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法であって、
アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から内層を製作するステップと、
アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から外層を製作するステップであって、前記外層におけるシリコンの量が前記内層に向かって低減するステップと、
により、１つまたは複数のコーティング疲労構造をコーティングの前記内層および外層の境界面に向けることを含む方法。
【請求項３４】
前記１つまたは複数のコーティング疲労構造が亀裂伝播を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記１つまたは複数のコーティング疲労構造がコーティング剥離を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記向けることが、１つまたは複数のコーティング疲労構造を前記コーティングの前記内層および外層の前記境界面において開始することを含む、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーティングに関し、特に、物理気相成長（ＰＶＤ）によって堆積させるコーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
超硬切削工具を含む切削工具は、さまざまな金属および合金を機械加工するためにコーティングされた状態およびコーティングされていない状態の両方で用いられてきた。切削工具の耐摩耗性を向上させかつ寿命を延ばすために、切削工具表面に耐火材の１つまたは複数の層が付与されてきた。超硬基体に、たとえば、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮおよびＡｌ２Ｏ３が化学気相成長（ＣＶＤ）によって付与されてきた。さらに、所定の切削用途に関連するＣＶＤコーティングのいくつかの欠点を認めた場合、切削工具製造業者はまた、ＰＶＤによって付与される耐火性コーティングも提供してきた。たとえば、ＰＶＤによって付与されるＴｉＮコーティングは、切削工具界において一般に許容されてきた。
【０００３】
ＴｉＮコーティングの１つの不都合は、比較的低温で酸化しやすいということである。たとえば、ＴｉＮコーティングは、約５５０℃での酸化開始を示す。その結果、耐酸化性を向上させるためにＴｉＮコーティングにアルミニウムが添加された。耐酸化性を向上させるために、ＴｉＮコーティングにシリコンがさらに添加された。しかしながら、ＴｉＮコーティングおよび／またはＴｉＡｌＮコーティングにシリコンを添加することで、コーティングに著しい応力が引き起こされ、それにより、切削工具表面からの剥離により早期の被覆破損が引き起こされる可能性がある。
【０００４】
（特許文献１）は、コーティングの残留圧縮応力を低減するとともに、耐酸化性を向上させるように、ＴｉＮコーティングおよびＴｉＡｌＮコーティング内にシリコンを組み込む方法を扱っている。（特許文献１）に開示されている合成方法により、相分離したコーティングがもたらされ、そこでは、低シリコン濃度のＴｉＳｉＮマトリックス相を通して、高シリコン濃度のＳｉ３Ｎ４ナノ相が分散している。低シリコン濃度マトリックス相を通して高シリコン濃度Ｓｉ３Ｎ４ナノ相を分散させることにより、ＴｉＮコーティングまたはＴｉＡｌＳｉＮコーティングにおいてＴｉをＳｉに置換することによって引き起こされる格子ひずみを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，５８６，１２２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それにも関らず、こうした相分離したコーティングをもたらすために必要な合成方法は、通常行われておらず、従来のＰＶＤ方法および／またはＰＶＤ機器の変更を必要とし、それにより、それら方法が一般に普及するのを制限し、コーティングされた工具の製造コストを増大させる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様では、本明細書では、いくつかの実施形態において１つまたは複数の切削用途において耐摩耗性の向上を実証することができる、コーティングされた切削工具について記載する。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、外層におけるシリコンの量は内層に向かって低減する。
【０００８】
別の態様では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層とを含む。コーティングの外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングは、残留圧縮応力を示す。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、残留圧縮応力および／または圧縮せん断応力を有する。
【００１０】
別の態様では、本明細書において、コーティングされた切削工具を作製する方法について記載する。いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具を作製する方法は、基体を提供するステップと、物理気相成長により基体上にコーティングの内層を堆積させるステップとを含み、内層は、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む。物理気相成長により内層の上にコーティングの外層が堆積し、外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含み、外層におけるシリコンの量は、内層に向かって低減する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、物理気相成長により内層の上に外層が堆積し、外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む。
【００１２】
別の態様では、本明細書において、コーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法について記載する。いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法は、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から内層を製作するステップと、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から外層を製作するステップであって、外層におけるシリコンの量が内層に向かって低減するステップと、により、１つまたは複数のコーティング疲労構造をコーティングの内層および外層の境界面に向けることを含む。
【００１３】
いくつかの実施形態では、前記向けることは、１つまたは複数のコーティング疲労構造をコーティングの内層および外層の境界面において開始することを含む。
【００１４】
これらの実施形態および他の実施形態を、以下の詳細な説明においてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本明細書に記載する一実施形態によるコーティングされた切削工具の基体を示す。
【図２】本明細書に記載する一実施形態によるコーティングされた切削工具のグロー放電スペクトルを示す。
【図３】図２のグロー放電スペクトルの部分図を示す。
【図４】本明細書に記載する一実施形態によるコーティングのエネルギー分散スペクトルを示す。
【図５】本明細書に記載する一実施形態によるコーティングされた切削工具のＸ線ディフラクトグラムを示す。
【図６】本明細書に記載する一実施形態によるポストコート処理された切削工具のグロー放電スペクトルを示す。
【図７】図６のグロー放電スペクトルの部分図である。
【図８】本明細書に記載する一実施形態によるポストコート処理されたコーティングのエネルギー分散スペクトルである。
【図９】本明細書に記載する一実施形態によるポストコート処理された切削工具のＸ線ディフラクトグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書に記載する実施形態を、以下の詳細な説明および実施例ならびにそれらの先の説明および以下の説明を参照することによってより容易に理解することができる。しかしながら、本明細書に記載する要素、装置および方法は、詳細な説明および実施例に提示した特定の実施形態に限定されない。これらの実施形態は、本発明の原理を単に例示するものであることが理解されるべきである。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多数の変更および適合が当業者には容易に明らかとなろう。
【００１７】
一態様では、本明細書では、いくつかの実施形態において１つまたは複数の切削用途において耐摩耗性の向上を実証することができる、コーティングされた切削工具について記載する。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、基体と基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、外層のシリコンの量は内層に向かって低減する。
【００１８】
別の態様では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、基体と基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層とを含む。コーティングの外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む。
【００１９】
ここで、本明細書に記載するコーティングされた切削工具の構成要素を見ると、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は基体を含む。本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、本発明の目的とは矛盾しないいかなる基体も含むことができる。いくつかの実施形態では、基体は、超硬合金、カーバイド、セラミック、サーメットまたは鋼を含む。
【００２０】
超硬基体は、いくつかの実施形態では、炭化タングステン（ＷＣ）を含む。いくつかの実施形態では、ＷＣは、少なくとも約７０重量パーセントの量で基体に存在する。いくつかの実施形態では、ＷＣは、少なくとも約８０重量パーセントの量でまたは少なくとも約８５重量パーセントの量で基体に存在する。さらに、いくつかの実施形態では、超硬基体のバインダは、コバルトまたはコバルト合金を含む。コバルトは、いくつかの実施形態では、約３重量パーセントから約１５重量パーセントの範囲の量で超硬基体に存在する。いくつかの実施形態では、コバルトは、約５重量パーセントから約１２重量パーセントまたは約６重量パーセントから約１０重量パーセントの範囲の量で超硬基体に存在する。いくつかの実施形態では、超硬基体は、基体の表面で開始しそこから内側に延在する、バインダの濃度が高い領域を示す場合がある。
【００２１】
超硬基体は、いくつかの実施形態では、たとえば以下の元素および／またはそれらの化合物のうちの１種または複数種等の１種または複数種の添加剤をさらに含む。すなわち、チタン、ニオブ、バナジウム、タンタル、クロム、ジルコニウムおよび／またはハフニウムである。いくつかの実施形態では、チタン、ニオブ、バナジウム、タンタル、クロム、ジルコニウムおよび／またはハフニウムは、基体においてＷＣとともに固溶体カーバイドを形成する。基体は、いくつかの実施形態では、約０．１重量パーセントから約５重量パーセントまでの範囲の量で１種または複数種の固溶体カーバイドを含む。さらに、いくつかの実施形態では、超硬基体は窒素を含む。
【００２２】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具の基体は、基体のすくい面および逃げ面の接合部に形成された１つまたは複数の切削エッジを備えている。図１は、本明細書に記載する一実施形態によるコーティングされた切削工具の基体を示す。図１に示すように、基体（１０）は、基体のすくい面（１４）および逃げ面（１６）の接合部に形成された切削エッジ（１２）を有している。
【００２３】
いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具の基体は、インサート、ドリルビット、のこ歯または他の切削装置を含むことができる。
【００２４】
本明細書に記載するように、基体に接着されるコーティングは、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層を含む。本明細書に記載する周期表の族は、ＣＡＳの指定に従って特定されている。
【００２５】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層の製作時にアルミニウムと結合するために好適な第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の１種または複数種の金属元素は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルおよび／またはクロムを含む。さらに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層の製作に用いるために好適な第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の１種または複数種の非金属元素は、ホウ素、炭素、窒素および／または酸素を含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層は、以下の関係に従う組成を有している。
（ＡｌａＺｒｂＨｆｃＶｄＮｂｅＴａｆＣｒｇＴｉ１−（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ））（ＯｘＣｙＮ１−（ｘ＋ｙ））、式中、０＜ａ＜１、０≦ｂ＜１、０≦ｃ＜１、０≦ｄ＜１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ＜１、０≦ｇ＜１、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１および（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ）＜１および（ｘ＋ｙ）＜１
【００２６】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層は、以下の関係に従う組成を有している。すなわち、ＡｌａＴｉ１−ａＮ（０＜ａ＜１）である。組成ＡｌａＴｉ１−ａＮを有する内層のいくつかの実施形態では、０．３≦ａ≦０．８である。いくつかの実施形態では、０．３５≦ａ≦０．７５である。いくつかの実施形態では、０．４≦ａ≦０．７または０．４２≦ａ≦０．６５である。
【００２７】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層のＡｌａＴｉ１−ａＮは、結晶相である。内層のＡｌａＴｉ１−ａＮは、いくつかの実施形態では、立方晶構造を示す。いくつかの実施形態では、内層のＡｌａＴｉ１−ａＮの立方晶構造は面心立方格子（ｆｃｃ）である。いくつかの実施形態では、内層のＡｌａＴｉ１−ａＮは、六方晶構造を示す。いくつかの実施形態では、内層のＡｌａＴｉ１−ａＮは、立方晶構造および六方晶構造の混合物を示す。
【００２８】
さらに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層は、平均結晶子サイズが少なくとも１０ｎｍである多結晶質である。いくつかの実施形態では、コーティングの内層は、平均結晶子サイズが少なくとも約２０ｎｍまたは少なくとも約５０ｎｍである。いくつかの実施形態では、コーティングの内層は、平均結晶子サイズが、約１０ｎｍから約１００ｎｍまたは約２０ｎｍから約８０ｎｍの範囲である。コーティングの内層は、いくつかの実施形態では、平均結晶子サイズが約３０ｎｍから約７０ｎｍの範囲である。いくつかの実施形態では、コーティングの内層は、平均結晶子サイズが１００ｎｍを上回る。
【００２９】
本明細書に記載するコーティングの内層は、本発明の目的に矛盾しないいかなる所望の厚さも有することができる。いくつかの実施形態では、コーティングの内層は、厚さが約１μｍから約１０μｍまでの範囲である。いくつかの実施形態では、内層は、厚さが約２μｍから約８μｍまたは約３μｍから約７μｍの範囲である。いくつかの実施形態では、内層は、厚さが約１．５μｍから約５μｍまたは約２μｍから約４μｍの範囲である。いくつかの実施形態では、コーティングの内層は、厚さが約１μｍを下回るかまたは約１０μｍを上回る。
【００３０】
本明細書にさらに記載するように、コーティングの内層は、いくつかの実施形態では、物理気相成長によって切削工具基体の表面に直接堆積する。別法として、いくつかの実施形態では、内層が基体の表面に直接接触しないように、基体の表面と内層との間に１つまたは複数の追加の層を堆積させてもよい。
【００３１】
本明細書に記載するコーティングはまた、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層を含み、外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含み、外層におけるシリコンの量は内層に向かって低減する。
【００３２】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの外層の製作時にアルミニウムおよびシリコンと結合するために好適な第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の１種または複数種の金属元素は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルおよび／またはクロムを含む。さらに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの外層の製作に用いるために好適な第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の１種または複数種の非金属元素は、ホウ素、炭素、窒素および／または酸素を含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの外層は、以下の関係に従う組成を有している。
（ＡｌｍＺｒｎＨｆｏＶｐＮｂｑＴａｒＣｒｓＴｉ１−（ｍ＋ｎ＋ｏ＋ｐ＋ｑ＋ｒ＋ｓ＋ｚ）Ｓｉｚ）（ＯｖＣｗＮ１−（ｖ＋ｗ））、式中、０＜ｍ＜１、０≦ｎ＜１、０≦ｏ＜１、０≦ｐ＜１、０≦ｑ＜１、０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１、０＜ｚ＜１、０≦ｖ＜１、０≦ｗ＜１および（ｍ＋ｎ＋ｏ＋ｐ＋ｑ＋ｒ＋ｓ＋ｚ）＜１および（ｖ＋ｗ）＜１
【００３３】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの外層は、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮからなる相を含み、式中、０＜ｍ＜１および０＜ｚ＜１および（ｍ＋ｚ）＜１である。いくつかの実施形態では、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮ相のシリコン含有量は、コーティングの内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、０．０５≦ｍ≦０．７５である。いくつかの実施形態では、０．１≦ｍ≦０．６５である。いくつかの実施形態では、０．１５≦ｍ≦０．６０である。いくつかの実施形態では、０．０１≦ｚ≦０．３である。いくつかの実施形態では、０．０２≦ｚ≦０．２５である。
【００３４】
ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮからなる外層相のいくつかの実施形態では、０．０５≦ｍ≦０．７５および０．０１≦ｚ≦０．３または０．０５≦ｍ≦０．７５および０．０２≦ｚ≦０．２５である。いくつかの実施形態では、０．１ｍ≦０．６５および０．０１≦ｚ≦０．３または０．１≦ｍ≦０．６５および０．０２≦ｚ≦０．２５である。いくつかの実施形態では、０．１５ｍ≦０．６０および０．０１≦ｚ≦０．３または０．１５≦ｍ≦０．６０および０．０２≦ｚ≦０．２５である。
【００３５】
いくつかの実施形態では、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮからなる相を含む、本明細書に記載するコーティングの外層は、Ａｌ１−ｋＳｉｋＮ（０≦ｋ＜１）からなる追加の相をさらに含む。いくつかの実施形態では、Ａｌ１−ｋＳｉｋＮ相のシリコン含有量は、内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、Ａｌ１−ｋＳｉｋＮ相のシリコン含有量は、内層に向かって低減しない。
【００３６】
いくつかの実施形態では、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮからなる相を含む、本明細書に記載するコーティングの外層は、１種または複数種のケイ化チタン、ＴｉｈＳｉｌからなる追加の相をさらに含み、式中、ｈは１から５の範囲の整数であり、ｌは１から４の範囲の整数である。いくつかの実施形態では、たとえば、外層のケイ化チタンは、ＴｉＳｉ、ＴｉＳｉ２、Ｔｉ５Ｓｉ３、Ｔｉ５Ｓｉ４またはＴｉ３Ｓｉである。
【００３７】
外層にＡｌ１−ｋＳｉｋＮおよび／またはケイ化チタンの追加の相が存在するいくつかの実施形態では、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮからなる相は、外層の５０％を上回る割合を構成する外層の主相である。いくつかの実施形態では、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮは、外層の６０％を上回るかまたは７０％を上回る割合を構成する。いくつかの実施形態では、Ａｌ１−ｋＳｉｋＮの追加の相は、外層の最大約３５％を構成する。Ａｌ１−ｋＳｉｋＮの追加の相は、いくつかの実施形態では、外層の約１％から約３０％を構成する。いくつかの実施形態では、Ａｌ１−ｋＳｉｋＮの追加の相は、外層の約５％から約２５％または約１０％から約２０％を構成する。いくつかの実施形態では、ケイ化チタンの追加の相は、外層の約１％から約２０％または約５％から約１５％を構成する。
【００３８】
本明細書に記載する外層の相の組成の割合を、Ｘ線回折（ＸＲＤ）技法およびリートベルト精密化（Ｒｉｅｔｖｅｌｄ  ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ）法を用いて確定することができる。リートベルト法は、全パターンフィッティング法である。測定された試料プロファイルと計算されたプロファイルとが比較される。当業者には既知であるいくつかのパラメータの変動により、２つのプロファイル間の差が最小化される。適切なリートベルト精密化を行うために、外層に存在するすべての相が考慮される。
【００３９】
本明細書に記載するコーティングを含む切削工具を、平坦面を必要とする斜入射（ｇｌａｚｉｎｇ  ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）技法を用いてＸＲＤに従って解析することができる。切削工具のすくい面および逃げ面を、切削工具の形状に従って解析することができる。本明細書に記載するコーティングされた切削工具の組成的な相解析のために、オイラー（Ｅｕｌｅｒｅａｎ）クレードルが取り付けられたパナリティカルエクスパート（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ  Ｘｐｅｒｔ）ＭＲＤ回折系が使用された。Ｘ線回折解析は、銅製のＸ線管が取り付けられた平行ビーム光学系を用いて完了された。動作パラメータは４５ＫＶおよび４０ＭＡであった。斜入射解析用の通常の光学系は、１／１６度の散乱防止（ａｎｔｉｓｃａｔｔｅｒ）スリットおよび０．０４ラジアンのソーラースリットを有するＸ線ミラーを含んでいた。受光光学系は、フラットグラファイトモノクロメータ、平行板コリメータおよび封入型比例係数管を含んでいた。
【００４０】
Ｘ線回折データは、コーティングピーク強度を最大化し、基体からの干渉ピークを最小化するかまたはなくすように選択されるグレージング角で収集された。計数時間および走査速度は、リートベルト解析に最適なデータを提供するように選択される。斜入射データの収集の前に、試料高さが、Ｘ線ビームスプリッティングを用いて設定された。
【００４１】
バックグラウンドプロファイルがフィッティングされ、試料データに対してピークサーチが実行されることにより、すべてのピーク位置およびピーク強度が特定された。ピーク位置および強度データを用いて、市販の結晶の相データベースを使用して試料コーティングの結晶相組成が特定された。
【００４２】
試料に存在する結晶相の各々に対して、結晶構造データが入力された。通常のリートベルト精密化パラメータ設定は以下の通りである。
バックグラウンド計算方法：多項式
サンプル形状：平板
線形吸収係数：平均試料組成から計算
重み付け方式：Ｉｏｂｓ（観測強度）に対して
プロファイル関数：疑フォークト（Ｐｓｅｕｄｏ−Ｖｏｉｇｈｔ）
プロファイルベース幅：試料毎に選択される
最小二乗タイプ：ニュートン−ラフソン（Ｎｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ）法
分極係数：１．０
【００４３】
リートベルト精密化は、通常以下を含む。
試料変位：Ｘ線アライメントからの試料のシフト
バックグラウンドプロファイル：回折データのバックグラウンドプロファイルを最もよく記述するように選択される
スケール関数：各相のスケール関数
Ｂ全体（ｏｖｅｒａｌｌ）：相におけるすべての原子に付与される変位パラメータ
セルパラメータ：ａ、ｂ、ｃならびにアルファ、ベータおよびガンマ
Ｗパラメータ：ピークＦＷＨＭを記述する
フィッティングの許容可能な適合度を達成する任意の追加のパラメータ
リートベルト相解析結果はすべて重量パーセント値で報告される。
【００４４】
いくつかの実施形態においてＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮならびにＡｌ１−ｋＳｉｋＮおよび／またはケイ化チタン相を含む場合、本明細書に記載のコーティングの外層は、シリコンが、アルミニウムおよび／または周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の１種または複数種の金属元素から分離された相を含まない。いくつかの実施形態では、たとえば、本明細書に記載するコーティングの外層は、Ｓｉ３Ｎ４を含む窒化ケイ素相を含まないかまたは実質的に含まない。
【００４５】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のコーティングの外層の１つまたは複数の相は結晶質である。いくつかの実施形態では、たとえば、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮからなる外層の相は結晶質である。いくつかの実施形態では、外層の結晶ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮ相は、立方晶構造を示す。いくつかの実施形態では、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮ相の立方晶構造はｆｃｃである。
【００４６】
いくつかの実施形態では、Ａｌ１−ｋＳｉｋＮからなる外層の追加の相は結晶質である。いくつかの実施形態では、外層の結晶相Ａｌ１−ｋＳｉｋＮ相は六方晶構造を示す。いくつかの実施形態では、Ａｌ１−ｋＳｉｋＮ相の六方晶構造はウルツ鉱である。いくつかの実施形態では、ケイ化チタンからなる外層の追加の相は結晶質である。いくつかの実施形態では、たとえば、Ｔｉ５Ｓｉ３相は六方晶構造を示す。
【００４７】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のコーティングの外層は、多結晶質である。いくつかの実施形態では、たとえば、多結晶外層は、平均結晶子サイズが少なくとも約１０ｎｍである。外層は、いくつかの実施形態では、平均結晶子サイズが少なくとも約２０ｎｍである。いくつかの実施形態では、外層は、平均結晶子サイズが約１０ｎｍから約１００ｎｍの範囲である。いくつかの実施形態では、外層は、平均結晶サイズが約２０ｎｍから約８０ｎｍまたは約３０ｎｍから約７０ｎｍの範囲である。いくつかの実施形態では、コーティングの外層は、平均結晶サイズが１００ｎｍを上回る。
【００４８】
いくつかの実施形態では、外層の１つまたは複数の結晶相は、本明細書に記載する平均結晶子サイズを有する多結晶質である。いくつかの実施形態では、たとえば、ＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮからなる外層の相は、本明細書に列挙した平均結晶子サイズを有する多結晶質である。いくつかの実施形態では、外層に存在するＡｌ１−ｋＳｉｋＮの追加の相は、本明細書に列挙した平均結晶子サイズを有する多結晶質である。いくつかの実施形態では、外層の２つ以上の多結晶相は、平均結晶子サイズが同じかまたは実質的に同じである。いくつかの実施形態では、外層の２つ以上の多結晶相は、平均結晶子サイズが異なる。
【００４９】
本明細書に記載するコーティングの外層は、本発明の目的と矛盾しないいかなる厚さを有することも可能である。いくつかの実施形態では、外層は、厚さが約０．１μｍから約１０μｍの範囲である。いくつかの実施形態では、外層は、厚さが約０．２μｍから約５μｍの範囲である。外層は、いくつかの実施形態では、厚さが約０．５μｍから約５μｍまたは約１μｍから約４μｍの範囲である。
【００５０】
本明細書に記載するように、外層におけるシリコンの量は、いくつかの実施形態では、内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、外層におけるシリコンの量は、少なくとも約７原子パーセント／μｍの割合で内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、外層におけるシリコンの量は、少なくとも約８原子パーセント／μｍまたは少なくとも約８．５原子パーセント／μｍの割合で内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、外層におけるシリコンの量は、少なくとも約９原子パーセント／μｍまたは少なくとも約９．５原子パーセント／μｍの割合で内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、外層におけるシリコンの量は、約５原子パーセント／μｍから約１５原子パーセント／μｍの範囲の割合で内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、外層におけるシリコンの量は、約７原子パーセント／μｍから約１１原子パーセント／μｍの範囲の割合で内層に向かって低減する。
【００５１】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの外層は、物理気相成長によって内層の表面に直接堆積する。別法として、いくつかの実施形態では、内層と外層との間に１つまたは複数の追加の層を堆積させてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、外層は、コーティングの最外層である。いくつかの実施形態では、外層は、コーティングの最外層ではない。いくつかの実施形態では、たとえば、コーティングを完成するために、１つまたは複数の追加の層を外層に付与することができる。
【００５２】
本明細書に記載するコーティングは、いくつかの実施形態では、ロックウェル（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ）Ａ押込み接着荷重試験によって測定される粘着性が６０ｋｇ以上である。いくつかの実施形態では、コーティングは、ロックウェルＡ押込み接着荷重試験によって測定される粘着性が１００ｋｇ以上である。コーティングの基体に対する粘着性を測定する際、ロックウェルＡスケールブレール（Ｂｒａｌｅ）円錐状ダイヤモンド圧子を備えたロックウェル硬度テスタが、６０ｋｇおよび１００ｋｇの選択される荷重で使用された。粘着強度は、コーティングが剥離した最小荷重として定義される。本明細書に列挙する６０ｋｇ以上のコーティング粘着性は、６０ｋｇの荷重ではコーティングの剥離が観察されなかったことを示した。同様に、本明細書に列挙する１００ｋｇ以上のコーティング粘着性は、１００ｋｇの荷重においてコーティングの剥離が観察されなかったことを示した。
【００５３】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングは、残留圧縮応力を示す。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のコーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、残留圧縮応力および／または圧縮せん断応力を有する。
【００５４】
いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力が少なくとも約２５００ＭＰａである。いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力は、少なくとも約２７００ＭＰａまたは少なくとも約２８００ＭＰａである。内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力が、約２５００ＭＰａから約３０００ＭＰａまたは約２６００ＭＰａから約２９００ＭＰａの範囲である。
【００５５】
いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の前の圧縮せん断応力が少なくとも約２０ＭＰａである。いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の前の圧縮せん断応力が、少なくとも約５０ＭＰａまたは少なくとも約７０ＭＰａである。内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理の前の圧縮せん断応力は、約２０ＭＰａから約１３０ＭＰａまたは約３０ＭＰａから約１００ＭＰａの範囲である。
【００５６】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理された状態にある。外層が最外層であるいくつかの実施形態では、外層がポストコートブラスト処理を受ける。いくつかの実施形態では、本明細書に記載する外層は、無機ブラスト剤によってブラスト処理される。いくつかの実施形態では、たとえば、外層は、Ａｌ２Ｏ３粒子でブラスト処理される。
【００５７】
ポストコートブラスト処理は、いくつかの実施形態では、コーティングの残留圧縮応力を増大させることができる。いくつかの実施形態では、たとえば、本明細書に記載するコーティングのポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力の、コーティングのポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力に対する比は、少なくとも１．２である。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングのポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力の、ポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力に対する比は、少なくとも１．３または少なくとも１．５である。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングのポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力の、コーティングのポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力に対する比は、約１．１から約３または約１．２から約２の範囲である。
【００５８】
いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力は少なくとも約３４００ＭＰａである。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力は少なくとも約３５００ＭＰａまたは少なくとも約３６００ＭＰａである。内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力は、約３４００ＭＰａから約４０００ＭＰａまたは約３５００ＭＰａから約３８００ＭＰａの範囲である。
【００５９】
いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の後の圧縮せん断応力が少なくとも約４０ＭＰａである。いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の後の圧縮せん断応力が、少なくとも約５０ＭＰａまたは少なくとも約６０ＭＰａである。内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理の後の圧縮せん断応力が、約２０ＭＰａから約１００ＭＰａまたは約３０ＭＰａから約７０ＭＰａの範囲である。
【００６０】
本明細書に記載するコーティングの残留応力およびせん断応力は、ＡｌＴｉＳｉＮ結晶相に対する（２００）反射に関してＳｉｎ２ψ法を用いて確定された。残留応力確定に用いる器具は、試料を扱うためのオイラー（Ｅｕｌｅｒｉａｎ）クレードルが取り付けられたパナリティカルエクスパートプロ（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ  Ｘｐｅｒｔ  Ｐｒｏ）ＭＲＤであった。Ｘ線源は、４５ＫＶおよび４０ＭＡで動作する銅製のロングファインフォーカスＸ線管であった。器具は、コーティングにおける応力を確定するために平行ビーム光学系を備えるように構成された。入射光学系は、クロススリットコリメータを備えたポリキャピラリレンズ８ｍｍを含んでいた。受光光学系は、０．２７度の平行板コリメータ、フラットグラファイトモノクロメータおよび封入型比例係数管を含んでいた。
【００６１】
残留応力レベルを測定するために、０、２８．８８、４３．０８、５６．７７、７５．０、−２８．８８、−４３．０８、−５６．７７および−７５．０のカイ軸の傾き（ｃｈｉ  ｔｉｌｔ）を選択した。ステップサイズおよび係数時間に対するデータ収集パラメータは、各傾き角に対して、ピーク位置を正確に確定するために適切なピーク強度を得るように調整された。
【００６２】
そして、ピークデータは、以下の式を用いて吸収および透過に対して補正された。
吸収補正
【数１】
2012196756.tif 000003
透過補正
【数２】
2012196756.tif 000004
式中、
ｔ＝層の厚さ
μ＝線形吸収係数（ｃｍ−１）
θ＝２シータ／２（度）
（ω−θ）＝オメガオフセット角（度）
ψ＝傾斜角（Ｐｓｉ応力）（度）
τ＝情報深さ（ミクロン）
Ｒ＝ゴニオメータの半径（ｍｍ）
【００６３】
ピークデータは、以下の式を用いてローレンツ偏光に対して補正された。
偏光補正
【数３】
2012196756.tif 000005
２θｍｏｎ＝グラファイトモノクロメータの回折角
Ｋα２ピークはラデル（Ｌａｄｅｌｌ）モデルを用いて除去された。ピーク位置は、修正ローレンツ形状プロファイル関数を用いて精密化された。
【００６４】
コーティング残留応力は、以下の一般式から計算された。
【数４】
2012196756.tif 000006
【００６５】
本解析では、ポアソン比（ν）は０．２０に設定され、弾性率（ＧＰａ単位でのＥ）は、ビッカーズ（Ｖｉｋｅｒｓ）圧子を用いてＩＳＯ標準規格１４５７７に従ってフィッシャースコープ（Ｆｉｓｃｈｅｒｓｃｏｐｅ）ＨＭ２０００によって行なわれたナノインデンテーション分析から確定された。押込み深さは０．２５μｍｍに設定された。内層に対する弾性率を確定するために、ＡｌＴｉＮコーティングされた切削工具基体に対してナノインデンテーションが行われた。ＡｌＴｉＳｉＮ外層に対する弾性率もまた、本明細書に記載する実施形態に従って調製されたコーティングされた切削工具に対するナノインデンテーション試験によって確定された。本明細書に記載するコーティングの残留応力に対する計算で用いられる弾性率（Ｅ）値は、ＡｌＴｉＮ内層に対して確定された個々の弾性率値とＡｌＴｉＳｉＮ外層に対して確定された個々の弾性率値との重み付き平均であり、重み付き平均は、コーティングの内層および外層の厚さに基づいていた。複数のｄφψおよびｓｉｎ２ψデータにより、線形回帰線をデータにフィッティングすることができた。結果として線の傾きはσφに等しい。線交点は、ｄ０の歪みのない格子を近似する。
【００６６】
いくつかの実施形態では、コーティングは、ポストコートブラスト処理の前に、粘着性を含む、本明細書で列挙する機械的特性のうちの１つまたは複数を有することができる。いくつかの実施形態では、コーティングは、ポストコートブラスト処理の後に、粘着性を含む、本明細書で列挙する機械的特性のうちの１つまたは複数を有することができる。
【００６７】
別の態様では、本明細書では、コーティングされた切削工具を作製する方法を記載する。いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具を作製する方法は、切削工具基体を提供するステップと、物理気相成長により基体上にコーティングの内層を堆積させるステップとを含み、内層は、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む。コーティングの外層は、内層の上に物理気相成長によって堆積し、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、外層におけるシリコンの量は内層に向かって低減する。
【００６８】
いくつかの実施形態では、外層は物理気相成長によって内層の上に堆積し、外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む外層とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む。
【００６９】
本明細書に記載するコーティングの内層および外層を、真空蒸着、スパッタ蒸着、アーク蒸着またはイオンプレーティングを含む従来のＰＶＤ技法によって堆積させることができる。さらに、本明細書に記載する方法に従って堆積した内層および外層は、内層および外層に対して上述した組成特性、化学特性および／または物理特性のうちのいずれを含むことも可能である。
【００７０】
いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具を作製する方法は、内層および外層を含むＰＶＤ堆積コーティングをポストコートブラスト処理するステップをさらに含む。ポストコートブラスト処理を、任意の所望の方法で施すことができる。いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理はショットブラスト処理を含む。いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理は、圧力ブラスト処理を含む。圧力ブラスト処理を、圧縮空気ブラスト処理、ウェット圧縮空気ブラスト処理、加圧液体ブラスト処理、ウェットブラスト処理、加圧液体ブラスト処理および蒸気ブラスト処理を含む種々の形態で施すことができる。
【００７１】
本明細書に記載するコーティングされた切削工具を作製する方法のいくつかの実施形態では、ウェットブラスト処理は、無機粒子および水のスラリーを用いて達成される。いくつかの実施形態では、無機粒子はアルミナ粒子を含む。アルミナ粒子および水のスラリーは、いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具本体の表面において、コーティングの表面に衝突するように空気圧式に発射される。
【００７２】
アルミナ−水スラリーの基本パラメータは、容量パーセント単位のグリット（すなわちアルミナ粒子）濃度およびマイクロメートル（μｍ）単位のアルミナ粒子サイズである。いくつかの実施形態では、スラリーは、バランス水とともに約５容量パーセントと約３５容量パーセントとの間のアルミナ粒子を含む。いくつかの実施形態では、スラリーは、バランス水とともに約８容量パーセントと約２５容量パーセントとの間のアルミナ粒子を含む。いくつかの実施形態では、スラリーは、バランス水とともに約１０容量パーセントと約１５容量パーセントとの間のアルミナ粒子を含む。
【００７３】
いくつかの実施形態では、アルミナ粒子は、サイズが約２０μｍと約１００μｍとの間の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、アルミナ粒子は、サイズが約３５μｍと約７５μｍとの間の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、アルミナ粒子は、サイズが約４５μｍと約５０μｍとの間の範囲であり得る。
【００７４】
ウェットブラスト処理ステップの場合の動作パラメータは、圧力、衝突の角度、部品表面までの距離および持続時間である。この用途では、衝突の角度を、約４５度から約９０度の範囲とすることができ、すなわち、粒子は、約４５度から約９０度の範囲の角度でコーティング面に衝突する。
【００７５】
いくつかの実施形態では、圧力は、約３０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）と約５５ｐｓｉとの間の範囲である。いくつかの実施形態では、圧力は、約３５ｐｓｉと約５０ｐｓｉとの間の範囲である。いくつかの実施形態では、ブラストノズルの部品表面までの距離は、約１インチから約６インチの範囲である。ブラストノズルと部品表面との間の距離は、いくつかの実施形態では、約３インチから約４インチの範囲である。さらに、いくつかの実施形態では、切削工具のコーティングを、本明細書に記載する組成を有する外層が、完全に除去されないかまたは実質的に完全に除去されないという条件付きで、任意の所望の時間ブラスト処理することができる。いくつかの実施形態では、ポストコートブラストの持続時間は、約１秒間から約１０秒間の範囲である。ポストコートブラストの持続時間は、いくつかの実施形態では、約２秒間から約８秒間または約３秒間から約７秒間の範囲である。
【００７６】
いくつかの実施形態では、開示内容がすべて参照により本明細書に援用される米国特許第６，８６９，３３４号明細書の開示に従って、本明細書に記載するコーティングされた切削工具に対してポストコートブラスト処理を施すことができる。いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具本体に対してポストコートブラスト処理を施すことにより、本明細書で定義するＡｌｍＴｉ１−（ｍ＋ｚ）ＳｉｚＮの外層における残留圧縮応力を増大させることができる。
【００７７】
別の態様では、本明細書において、コーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法について記載する。いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法は、アルミニウムと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から内層を製作するステップと、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第ＩＶＢ族、第ＶＢ族および第ＶＩＢ族の金属元素からなる群から選択される１種または複数種の金属元素と、周期表の第ＩＩＩＡ族、第ＩＶＡ族および第ＶＩＡ族の非金属元素からなる群から選択される１種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から外層を製作するステップであって、外層におけるシリコンの量が内層に向かって低減するステップと、により、１つまたは複数のコーティング疲労構造をコーティングの内層および外層の境界面に向けることを含む。
【００７８】
本明細書に記載されるコーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法による内層および外層は、内層および外層に対して本明細書において上述した組成特性、化学特性および／または物理測定のうちの任意のものを含むことができる。
【００７９】
いくつかの実施形態では、前記向けることは、１つまたは複数のコーティング疲労構造をコーティングの内層および外層の境界面において開始することを含む。いくつかの実施形態では、コーティング疲労構造は、亀裂、剥離、小はがれまたはそれらの組合せを含む。
【００８０】
これらの実施形態および他の実施形態を、以下の限定しない実施例によってさらに例示する。
【実施例】
【００８１】
実施例１
コーティングされた切削工具本体
ドイツ、ベルギシュ−グラットバッハのメタプラス・アイオノン・オベルフレヒェンフェレデルンクシュテヒニック・ゲーエムベーハー（Ｍｅｔａｐｌａｓ  Ｉｏｎｏｎ  Ｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅｎｔｅｃｈｎｉｋ  ＧｍｂＨ（Ｂｅｒｇｉｓｃｈ−Ｇｌａｄｂａｃｋ、Ｇｅｒｍａｎｙ））から販売されているＭＰ３２３ＰＶＤ装置内に、コバルトバインダを有する超硬炭化タングステン（ＷＣ）切削インサート基体を配置することにより、本明細書に記載するコーティングされた切削工具本体を製作した。ＷＣ基体を、５３０℃の温度まで加熱し、５Ｅ−２ミリバールの圧力で反応ガスとしてＮ２を供給しながら、６７％Ａｌおよび３３％Ｔｉの組成を有する一続きの陰極から、内層のアルミニウム成分およびチタン成分を蒸発させて、ＷＣ基体の上に結晶質のＡｌＴｉＮ内層を堆積させた。内層は、厚さが約２μｍであった。
【００８２】
ＷＣ基体の表面上に内層を形成した後、８Ｅ−３ミリバールの圧力で反応ガスとしてＮ２ガスを供給しながら、Ａｌ、ＴｉおよびＳｉの元素成分の陰極蒸着によって、外層を堆積させた。外層は、ＡｌＴｉＮ内層に接着し、ＡｌＴｉＳｉＮ結晶相およびＡｌＳｉＮ結晶相を含んでいた。外層の堆積の一部に対して、ＡｌＴｉＳｉ陰極とともにＡｌＴｉ陰極を用いた。ＡｌＴｉＳｉＮ／ＡｌＳｉＮ外層は、厚さが約０．５μｍであった。
【００８３】
図２は、コーティングされた切削工具のグロー放電（ＧＤＳ）スペクトルを示す。スペクトルに示すように、外層のシリコン含有量は、ＴｉＡｌＮ内層に向かって低減し、それにより、ＡｌＴｉＳｉＮ／ＡｌＳｉＮ外層にシリコン勾配が提供される。図３は、図２のグロー放電スペクトルの部分図であり、ＡｌＴｉＳｉＮ／ＡｌＳｉＮ外層のシリコン勾配をさらに示す。
【００８４】
図４は、製作されたコーティングのエネルギー分散（ＥＤＳ）スペクトルを示す。ＧＤＳと同様に、ＥＤＳもまた、外層にシリコン勾配を示し、シリコン含有量はＡｌＴｉＮ内層に向かって低減した。
【００８５】
図５は、コーティングのＸ線ディフラクトグラムを示す。図５のディフラクトグラムは、ＷＣ基体と、ＡｌＴｉＮ内層と、立方ＡｌＴｉＳｉＮの相および六方ＡｌＳｉＮの相を含む外層とに関連する反射を提供する。
【００８６】
コーティングされた切削工具本体に対し、その後、本明細書で上述したポストコートブラスト処理パラメータと一貫するアルミナスラリーを用いてポストコート処理を施した。図６は、ポストコート処理の後のコーティングされた切削工具のＧＤＳを示す。図６のＧＤＳは、ポストコート処理により、外層におけるシリコン勾配を含む、コーティングの組成パラメータが変化しなかったことを示す。図７は、図６のＧＤＳの部分図であり、ポストコート処理の後の、コーティングの静的な組成的特質をさらに示す。図８もまた、ポストコート処理の後のコーティングの組成パラメータに実質的に変化がないことを論証する、コーティングのＥＤＳである。
【００８７】
さらに、図９は、ポストコート処理の後のコーティングのＸ線ディフラクトグラムを示す。図９に示すように、外層の結晶質ＡｌＴｉＳｉＮ相およびＡｌＳｉＮ相は、ポストコート処理後に残った。
【００８８】
実施例２
切削工具寿命
本明細書に記載するコーティングされた切削工具に対し、従来技術によるコーティングされた切削工具と比較して切削寿命試験を施した。本発明のコーティングされた切削工具の限定しない実施形態Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを、上記実施例１に従って製作した。切削工具Ａ、Ｂ、ＣおよびＤおよび従来技術の切削工具ＥおよびＦの組成パラメータを表１に提供する。
【００８９】
【表１】
2012196756.tif 000007
【００９０】
コーティングされた切削工具Ａ〜Ｆに対し、３０４ステンレス鋼外径（ＯＤ）旋削試験において切削寿命試験を施した。切削条件は以下の通りであった。
切削速度−９１ｍ／分
送り量−０．４１ｍｍ／回転
切削の深さ−２．０３ｍｍ
加工物材料−３０４ＳＳ
クーラント−フラッド
切削寿命試験の結果を表ＩＩに提供する。
【００９１】
【表２】
2012196756.tif 000008
【００９２】
表ＩＩに提供するように、上述したコーティングアーキテクチャを有する切削工具（Ａ〜Ｄ）は、従来技術による切削工具（Ｅ、Ｆ）に比較して切削寿命の著しい延長を論証した。
【００９３】
実施例３
切削工具寿命
本明細書に記載するコーティングされた切削工具に対して、従来技術によるコーティングされた切削工具に比較して切削寿命試験を施した。本発明のコーティングされた切削工具の限定しない実施形態ＪおよびＫを、上記実施例１に従って製作した。コーティングされた切削工具ＪおよびＫならびに従来技術によるコーティングされた切削工具ＬおよびＭの組成パラメータを表ＩＩＩに提供する。
【００９４】
【表３】
2012196756.tif 000009
【００９５】
コーティングされた切削工具Ｊ〜Ｍに対して、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）７１８外径（ＯＤ）旋削試験において切削寿命試験を施した。切削条件は以下の通りであった。
切削速度−９１ｍ／分
送り量−０．１５ｍｍ／回転
切削の深さ−０．２５ｍｍ
加工物材料−ＩＮ７１８
クーラント−フラッド
切削寿命試験の結果を表ＩＶに提供する。
【００９６】
【表４】
2012196756.tif 000010
【００９７】
表ＩＶに提供するように、本明細書に記載するコーティングアーキテクチャを有する切削工具（Ｊ、Ｋ）は、従来技術によるコーティングされた切削工具（Ｌ、Ｍ）に比較して切削寿命の延長を論証した。
【００９８】
本発明のさまざまな実施形態を、本発明のさまざまな目的の実現において説明した。これらの実施形態が、本発明の原理の単なる例示的なものであることが理解されるべきである。その多数の変更および適合は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者には容易に明らかとなろう。
【符号の説明】
【００９９】
１０  基体
１２  切削エッジ
１４  すくい面
１６  逃げ面
【図１】
2012196756.tif 000011
【図５】
2012196756.tif 000012
【図９】
2012196756.tif 000013
【図２】
2012196756.tif 000014
【図３】
2012196756.tif 000015
【図４】
2012196756.tif 000016
【図６】
2012196756.tif 000017
【図７】
2012196756.tif 000018
【図８】
2012196756.tif 000019