特許 7393946 コーティングされた切削工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-29

(45)【発行日】2023-12-07

(54)【発明の名称】コーティングされた切削工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20231130BHJP

   C23C 16/36 20060101ALI20231130BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 A

C23C16/36

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2019554750

(86)(22)【出願日】2018-03-26

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-06-11

(86)【国際出願番号】 EP2018057622

(87)【国際公開番号】W WO2018184887

(87)【国際公開日】2018-10-11

【審査請求日】2021-01-26

(31)【優先権主張番号】17165547.5

(32)【優先日】2017-04-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】507226695

【氏名又は名称】サンドビック インテレクチュアル プロパティー アクティエボラーグ

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】リンダール， エリック

(72)【発明者】

【氏名】フォン フィーアント， リーヌス

【審査官】中川 康文

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－１５８０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０４５９３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／０５４５９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０６５１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１３７５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５３００１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１４４４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３１１５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０５６５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０６８９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２３１１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１６８０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００１－５２１９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５３０１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０４７９９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１３６７８６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／１４４０８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１８－５０１１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５７８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０２１３１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６０２６４６８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】米国特許第５８７１８５０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｂ ２７／００－２９／３４

Ｂ２３Ｂ ５１／００－５１／１４

Ｂ２３Ｃ １／００－９／００

Ｂ２３Ｐ ５／００－１７／０６

Ｂ２３Ｆ １／００－２３／１２

Ｃ２３Ｃ １４／００－１４／５８

Ｃ２３Ｃ １６／００－１６／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

耐摩耗性多層コーティングでコーティングされた基材を備える、コーティングされた切削工具であって、該耐摩耗性多層コーティングは、α－Ａｌ_２Ｏ_３層と、該α－Ａｌ_２Ｏ_３層上に堆積された、炭窒化チタン層Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ（式中、０．８５≦ｘ≦１．３、０．４≦ｙ≦０．８５）とを含むものであり、ここでＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙは、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式：

により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、
ここで、
Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、
Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ．４２－１４８９による標準粉末回折データの標準強度であり、
ｎは、計算で使用される反射の数であり、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１ １ １）、（２ ０ ０）、（２ ２ ０）、（３ １ １）、（３ ３ １）、（４ ２ ０）、及び（４ ２ ２）であり、かつ
ＴＣ（１ １ １）≧３である、
コーティングされた切削工具。

【請求項2】

α－Ａｌ_２Ｏ_３層が、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、ここでＩ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ．００－０１０－０１７３による標準粉末回折データの標準強度であり、ｎは、計算で使用される反射の数であり、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１ ０ ４）、（１ １ ０）、（１ １ ３）、（０ ２ ４）、（１ １ ６）、（２ １ ４）、（３ ０ ０）及び（０ ０ １２）であり、かつＴＣ（０ ０ １２）≧７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】

Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層の厚さが、１～１０μｍである、請求項１又は２に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項4】

α－Ａｌ_２Ｏ_３層の厚さが、０．３～７μｍである、請求項１から３のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項5】

コーティングが、基材とα－Ａｌ_２Ｏ_３層との間に配置された、炭窒化チタンＴｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ（式中、０．８５≦ｕ≦１．３、０．４≦ｖ≦０．８５）のさらなる層を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項6】

Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層の厚さが、３～２０μｍである、請求項５に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項7】

α－Ａｌ_２Ｏ_３層と基材との間に配置されたＴｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層が、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、ここでＩ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ．４２－１４８９による標準強度であり、ｎは、反射の数であり、計算で使用される反射は、（１ １ １）、（２ ０ ０）、（２ ２ ０）、（３ １ １）、（３ ３ １）、（４ ２ ０）及び（４ ２ ２）であり、かつ
ＴＣ（４ ２ ２）≧３である、
請求項５又は６に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項8】

耐摩耗性多層コーティングでコーティングされた基材を備える、コーティングされた切削工具であって、該耐摩耗性多層コーティングは、α－Ａｌ_２Ｏ_３層と、該α－Ａｌ_２Ｏ_３層上に堆積された、炭窒化チタン層Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ（式中、０．８５≦ｘ≦１．３、０．４≦ｙ≦０．８５）とを含むものであり、ここでＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙは、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式：

により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、
ここで、
Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、
Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ．４２－１４８９による標準粉末回折データの標準強度であり、
ｎは、計算で使用される反射の数であり、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１ １ １）、（２ ０ ０）、（２ ２ ０）、（３ １ １）、（３ ３ １）、（４ ２ ０）、及び（４ ２ ２）であり、かつ
ＴＣ（１ １ １）≧３であり、
コーティングが、基材とα－Ａｌ_２Ｏ_３層との間に配置された、炭窒化チタンＴｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ（式中、０．８５≦ｕ≦１．３、０．４≦ｖ≦０．８５）のさらなる層を備え、
Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層が、Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層よりも高い平均硬さを示す、コーティングされた切削工具。

【請求項9】

コーティングが、４～３２μｍの合計厚さを有する、請求項１から８のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項10】

基材が、超硬合金、サーメット、セラミック、鋼、又は立方晶窒化ホウ素から選択される、請求項１から９のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項11】

基材を有するコーティングされた切削工具の製造方法であって、以下の工程：
ａ）基材上に、６００～９００℃の温度でＭＴＣＶＤにより、Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層を堆積させる工程、
ｂ）Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層の上に、８００～１２００℃の温度でＣＶＤにより、α－Ａｌ_２Ｏ_３層を堆積させる工程、
ｃ）Ａｌ_２Ｏ_３層の上に、６００～９００℃の温度でＭＴＣＶＤにより、ＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、Ｎ_２及びＨ_２を含有するとともに、Ｈ_２を３～１３体積％の量で、かつＮ_２を８３～９４体積％の量で含有する雰囲気中で、炭窒化チタン層Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層を堆積させる工程、
を含み、
Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙは、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式：

により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、
ここで
Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、
Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ．４２－１４８９による標準粉末回折データの標準強度であり、
ｎは、計算で使用される反射の数であり、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１ １ １）、（２ ０ ０）、（２ ２ ０）、（３ １ １）、（３ ３ １）、（４ ２ ０）、及び（４ ２ ２）であり、かつ
ＴＣ（１ １ １）≧３である、
製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、金属の機械加工を行うチップのための、コーティングされた切削工具に関し、より具体的には、酸化アルミニウム層と炭窒化チタン層とを含む耐摩耗性多層コーティングを備える基材を有する、コーティングされた切削工具に関する。本開示による切削工具は、研磨による耐摩耗性に対する要求が高い用途で、例えば、金属材料（例えば合金化された鋼、炭素鋼又は強靭鋼）の旋盤加工、フライス加工又は穿孔において、特に有用である。

【背景技術】

【0002】

ここ数十年来、切削工具に薄い耐火性コーティングを堆積させることは、機械加工産業において広く行われている。コーティング（例えばＴｉＣＮ及びＡｌ_２Ｏ_３）は、多くの様々な材料を切削する際の切削インサートにおいて耐摩耗性を改善させることが、実証されている。ＴｉＣＮの内部層と、α－Ａｌ_２Ｏ_３の外部層との組み合わせが、例えば鋼を旋盤加工又はフライス加工するために設計された多くの商業的な工具で、見出されている。しかしながら、技術が進歩するにつれて、切削工具に対してより高度の要求が課されるようになっている。よって、金属切削作業における耐摩耗性が改善されている、コーティングされた切削工具に対する必要性が存在する。

【発明の概要】

【0003】

本開示は、切削作業において性能が改善されている、コーティングされた切削工具、特に、耐摩耗性が改善されている（例えばクレータ摩耗及びフランク摩耗に対するより高い耐性）、コーティングされた切削工具を提供する。本開示はさらに、上記特性を有するコーティングされた切削工具の製造方法を提供する。

【0004】

ここに説明する態様によれば、耐摩耗性多層コーティングでコーティングされた基材を備える、コーティングされた切削工具が提供され、該耐摩耗性多層コーティングは、α－Ａｌ_２Ｏ_３層と、該α－Ａｌ_２Ｏ_３層上に堆積された、炭窒化チタン層Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ（式中、０．８５≦ｘ≦１．３、好ましくは１．１≦ｘ≦１．３、０．４≦ｙ≦０．８５）とを含むものであり、ここでＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙは、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式：

により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、
ここで
Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、
Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ．４２－１４８９による標準粉末回折データの標準強度であり、
ｎは、計算で使用される反射の数であり、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１ １ １）、（２ ０ ０）、（２ ２ ０）、（３ １ １）、（３ ３ １）、（４ ２ ０）、及び（４ ２ ２）であり、かつ
ＴＣ（１ １ １）≧３である。

【0005】

意外なことに、本開示による切削工具のＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層は、予測できないほど高い硬さを示す。コーティング層の硬さ向上は通常、耐摩耗性（例えばクレータ摩耗及びフランク摩耗に対する耐性）の改善と関連している。本明細書で使用するように、切削工具という用語には、切削工具インサート、インデキサブル切削工具インサートが含まれるが、これに限定されず、ソリッド切削工具も含まれる。

【0006】

本開示は、α－Ａｌ_２Ｏ_３層と、該α－Ａｌ_２Ｏ_３層上に堆積された、炭窒化チタン層Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙとを含むコーティングによって、切削工具をコーティングすることに基づいて実現され、ここでＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙは、特定の選択方位を有し、切削工具は、硬さが改善された炭窒化チタン層を有し、これによって機械加工用途における耐摩耗性の改善が達成できる。より具体的には、このような特性は、α－Ａｌ_２Ｏ_３層と炭窒化チタン層Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙとを含むコーティングを有する切削工具によって達成でき、ここで形状的に等価なＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙの結晶平面｛１１１｝は、基材に対して平行な選択方位（組織係数として表現するとＴＣ（１ １ １）≧３）であることが判明している。

【0007】

Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙは通常、中程度の温度の化学蒸着（ＭＴＣＶＤ）により、６００～９００℃の温度で堆積される。α－Ａｌ_２Ｏ_３は通常、化学蒸着（ＣＶＤ）により、８００～１２００℃の温度で堆積される。Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層は通常、Ａｌ_２Ｏ_３層のすぐ上に、中間層無しで堆積される。しかしながら本開示の範囲は、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙと、α－Ａｌ_２Ｏ_３との間に存在する薄い中間相を含む態様も、包含する。堆積されたＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ及びα－Ａｌ_２Ｏ_３の結晶粒は好ましくは、柱状である。

【0008】

本開示によるコーティングはさらに、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層と、その下にある層との間で、優れた接着性をもたらす。

【0009】

多層コーティングは、切削作業における切削に関わる切削工具の領域を少なくともカバーし、またクレータ摩耗及び／又はフランク摩耗にさらされる領域を、少なくともカバーする。或いは切削工具全体が、本開示の多層コーティングによってコーティングされていてよい。

【0010】

本開示の幾つかの実施態様において、α－Ａｌ_２Ｏ_３層は、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、ここでＩ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ．００－０１０－０１７３による標準粉末回折データの標準強度であり、ｎは、計算で使用される反射の数であり、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１ ０ ４）、（１ １ ０）、（１ １ ３）、（０ ２ ４）、（１ １ ６）、（２ １ ４）、（３ ０ ０）及び（０ ０ １２）であり、かつＴＣ（０ ０ １２）≧７、好ましくはＴＣ（０ ０ １２）≧７．２である。（０ ０ １２）反射からの高い強度は、後続のＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層の強い＜１ １ １＞組織を促進させる１つの方策であるという点で有利なことが、判明している。

【0011】

幾つかの実施態様において、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層の厚さは、１～１０μｍ、好ましくは１～５μｍ、より好ましくは１～３μｍ、最も好ましくは１～２μｍである。α－Ａｌ_２Ｏ_３層の厚さは、０．１～７μｍ、好ましくは０．１～５μｍ、又は０．１～２μｍ、又は０．３～１μｍである。

【0012】

幾つかの実施態様においてコーティングは、基材とα－Ａｌ_２Ｏ_３層との間に配置された、炭窒化チタンのさらなる層Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ（式中、０．８５≦ｕ≦１．３、好ましくは１．１≦ｕ≦１．３、０．４≦ｖ≦０．８５）を有する。Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層は、基材のすぐ上に堆積することができる。しかしながら、本開示の範囲は、基材とＴｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層（例えばＴｉＮ層）との間に薄い中間層を含む態様も、包含する。Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖは好ましくは、ＭＴＣＶＤにより、６００～９００℃の温度で堆積される。Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層の厚さは、通常３～２０μｍ、好ましくは３～１０μｍ、又は３～７μｍ、又は３～５μｍである。

【0013】

幾つかの実施態様では、α－Ａｌ_２Ｏ_３層と基材との間に配置されたＴｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層が、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、ここでＩ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ． ４２－１４８９による標準強度であり、ｎは、反射の数であり、計算で使用される反射は、（１ １ １）、（２ ０ ０）、（２ ２ ０）、（３ １ １）、（３ ３ １）、（４ ２ ０）及び（４ ２ ２）であり、かつＴＣ（４ ２ ２）≧３、好ましくはＴＣ（４ ２ ２）≧３．５である。１つの実施態様においてＴｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層は、ＴＣ（３ １ １）＋ＴＣ（４ ２ ２）が、≧４、≧５、≧６又は≧７である。Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖの（４ ２ ２）反射からの高い強度は、後続のα－Ａｌ_２Ｏ_３層の強い＜０ ０ １＞組織を促進させる１つの方策であるという点で有利なことが、判明している。

【0014】

幾つかの実施態様において、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層は、Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層よりも高い平均硬さを示す。硬さは好ましくは、ナノインデンテーションによりBerkovich圧子を用いて測定し、硬さＨは、Ｈ＝（Ｐ／２４．５ｈ_ｃ ^２）と規定され、式中でＰは、コーティング層で圧子により示される最大接触圧力であり、ｈ_ｃは、圧子により形成されるインデンテーションの深さである。硬さ測定は、層の平らな表面において、層の外部表面に対して垂直方向で行われる。インデンテーションは好ましくは、３０００μＮ／分の一定負荷で、ｈ_ｃ＝１１０ｎｍの深さまで行う。

【0015】

幾つかの実施態様において、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層は、２５ＧＰａ超、好ましくは２６ＧＰａ超、より好ましくは２７ＧＰａ超、さらにより好ましくは３０ＧＰａ超の平均硬さを示す。硬さは好ましくは、ナノインデンテーションによりBerkovich圧子を用いて測定し、硬さＨは、Ｈ＝（Ｐ／２４．５ｈ_ｃ ^２）と規定され、式中でＰは、コーティング層で圧子により示される最大接触圧力であり、ｈ_ｃは、圧子により形成されるインデンテーションの深さである。インデンテーションは好ましくは、３０００μＮ／分の一定負荷で、ｈ_ｃ＝１１０ｎｍの深さまで行う。当該分野で既知のその他の圧子も、考慮することができる。Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙの高い硬さは、耐摩耗性が改善されている、コーティングされた切削工具をもたらすという点で、有利であり得る。

【0016】

幾つかの実施態様において、コーティングは、合計厚さが４～３２μｍ、好ましくは４．５～２０μｍ、又は５～１５μｍである。

【0017】

幾つかの実施態様において、基材は、超硬合金、サーメット、セラミック、鋼、又は立方晶窒化ホウ素から選択される。これらの基材は、本開示のコーティングに相応しい硬さ及び靭性を有する。

【0018】

幾つかの実施態様において、コーティングされた切削工具の基材は、４～１２重量％のＣｏ（好ましくは６～８重量％のＣｏ）と、任意で０．１～１０重量％の、周期表のＩＶｂ族、Ｖｂ族及びＶＩｂ族の金属（好ましくはＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ若しくはこれらの組み合わせ）の立方晶炭化物、窒化物、若しくは炭窒化物とを含む超硬合金、及び残部のＷＣから成る。

【0019】

幾つかの実施態様において、基材は、バインダ相を増加させた表面ゾーンを有する超硬合金である。バインダ相を増加させたゾーンの厚さは好ましくは、基材の表面から基材の中心部へと測定して、５～３５μｍである。バインダ相を増加させたゾーンは、バインダ相含有量が、基材の中心部におけるバインダ相含有量よりも、平均で少なくとも５０％高い。バインダ相を増加させた表面ゾーンにより、基材の靭性が強化される。靭性が高い基材は、切削作業（例えば鋼の旋盤加工）において好ましい。

【0020】

幾つかの実施形態では、基材が、表面ゾーンが立方晶炭化物を実質的に含まない超硬合金である。立方晶炭化物を実質的に含まない表面ゾーンの厚さは好ましくは、基材の表面から基材の中心部へと測定して、５～３５μｍである。「実質的に含まない」とは、立方晶炭化物が、光学顕微鏡で断面において視覚的な分析によっては見えないことを意味する。

【0021】

幾つかの実施態様において、基材は、立方晶炭化物を実質的に含まない前述の表面ゾーンと組み合わされた、バインダ相を増加させた前述の表面ゾーンを有する超硬合金である。

【0022】

本明細書で説明するその他の態様によれば、基材を有するコーティングされた切削工具の製造方法も提供され、この製造方法は、以下の工程：
ａ）基材上に、６００～９００℃の温度でＭＴＣＶＤにより、Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層を堆積させる工程、
ｂ）Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層の上に、８００～１２００℃の温度でＣＶＤにより、α－Ａｌ_２Ｏ_３層を堆積させる工程、
ｃ）Ａｌ_２Ｏ_３層の上に、６００～９００℃の温度でＭＴＣＶＤにより、ＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、Ｎ_２及びＨ_２を含有するとともに、３～１３体積％のＨ_２、及び８３～９４体積％のＮ_２（好ましくは３～１０体積％のＨ_２、及び８５～９３体積％のＮ_２）という分圧で含有する雰囲気中で、炭窒化チタン層Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層を堆積させる工程、
を含み、
ここでＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙは、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式：

により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、
ここで
Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、
Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ．４２－１４８９による標準粉末回折データの標準強度であり、
ｎは、計算で使用される反射の数であり、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１ １ １）、（２ ０ ０）、（２ ２ ０）、（３ １ １）、（３ ３ １）、（４ ２ ０）、及び（４ ２ ２）であり、かつ
ＴＣ（１ １ １）≧３である。

【0023】

意外なことに、ＣＶＤ反応器において少量のＨ_２を使用することにより、本開示による組織を有するＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙが得られることが判明した。本開示によれば、少量のＨ_２とは、３～１３体積％の範囲の量、好ましくは３～１０体積％の範囲の量を表すと考えられる。さらに、多量のＮ_２（例えば８３～９４体積％の範囲、好ましくは８５～９３体積％の範囲）が有利であり得る。反応器内の合計ガス圧は好ましくは、およそ８０ｍｂａｒである。

【0024】

本方法に従って製造される、コーティングされた切削工具はさらに、本発明によりコーティングされた切削工具を参照して上述のように規定することができる。特に、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙコーティング層の厚さは、１～１０μｍ、好ましくは１～５μｍ、より好ましくは１～３μｍ、最も好ましくは１～２μｍであり得る。

【0025】

幾つかの実施態様において、本方法のα－Ａｌ_２Ｏ_３層は好ましくは、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、ここでＩ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ．００－０１０－０１７３による標準粉末回折データの標準強度であり、ｎは、計算で使用される反射の数であり、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１ ０ ４）、（１ １ ０）、（１ １ ３）、（０ ２ ４）、（１ １ ６）、（２ １ ４）、（３ ０ ０）及び（０ ０ １２）であり、かつＴＣ（０ ０ １２）≧７、好ましくはＴＣ（０ ０ １２）≧７．２である。

【0026】

本方法の幾つかの実施態様において、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の厚さは、好ましくは０．１～７μｍ、好ましくは０．３～５μｍ、又は０．３～２μｍ、又は０．３～１μｍである。

【0027】

本方法の幾つかの実施態様において、Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層の厚さは、３～２０μｍ、好ましくは３～１０μｍ、又は３～７μｍ、又は３～５μｍである。

【0028】

本方法の幾つかの実施態様では、α－Ａｌ_２Ｏ_３層と基材との間に配置されたＴｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層が、Ｘ線回折によりＣｕＫα線及びθ～２θスキャンを用いて測定して、ハリス式により規定される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、ここでＩ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＪＣＰＤＳ ｃａｒｄ ｎｏ．４２－１４８９による標準強度であり、ｎは、反射の数であり、計算で使用される反射は、（１ １ １）、（２ ０ ０）、（２ ２ ０）、（３ １ １）、（３ ３ １）、（４ ２ ０）及び（４ ２ ２）であり、かつＴＣ（４ ２ ２）≧３である。

【0029】

本方法の幾つかの実施態様において、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層は、Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層よりも高い平均硬さを示す。

【0030】

本方法の幾つかの実施態様において、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層は、２５ＧＰａ超、好ましくは２６ＧＰａ超又は２７ＧＰａ超の平均硬さを示す。

【0031】

本方法の幾つかの実施態様において、コーティングは、合計厚さが４～３２μｍ、好ましくは４．５～２０μｍ、又は５～１５μｍである。

【0032】

本方法の幾つかの実施態様において、基材は、超硬合金、サーメット、セラミック、鋼、又は立方晶窒化ホウ素から選択される。

【0033】

実施例
以下、本開示によりコーティングされた切削工具及びその方法について、非限定的な例を用いてより詳細に説明する。

【0034】

定義及び方法
ＣＶＤコーティング
ＣＶＤコーティングは、放射状流（radial flow）反応器（Bernex BPX 325S型、高さ１２５０ｍｍ、直径３２５ｍｍ）で調製した。

【0035】

組織係数（ＴＣ）
結晶の結晶面は、ミラー指数ｈ、ｋ、ｌによって規定した。優先成長（すなわち、形状的に等価の結晶面｛ｈ ｋ ｌ｝の１つのセットが、基材に対して平行な選択配向であることが判明したもの）を表現するための手段は、各試料について測定したＸＲＤ反射の既定のセットに基づき、ハリス式を用いて計算した組織係数ＴＣ（ｈ ｋ ｌ）である。ＸＲＤ反射の強度は、例えば材料の粉末における、同じ材料（例えばＴｉＣＮ、ただしランダム配向）についてのＸＲＤ反射の強度を示すＪＣＰＤＳのカードを用いて、標準化する。結晶材料の層について組織係数ＴＣ（ｈ ｋ ｌ）＞１とは、結晶材料の結晶粒が、少なくとも組織係数ＴＣを特定するためにハリス式で使用されるＸＲＤ反射と比較して、ランダム分布よりは頻繁に、基材表面に対して平行な｛ｈ ｋ ｌ｝結晶平面で配向していることを示す。

【0036】

本明細書において「柱状」という用語は、層の底部から層の外部表面に向かって成長するとともに、通常はこの方向へ延びる結晶粒を表すことが、意図されている。柱状の結晶粒は、等軸結晶粒が層成長の間に連続的に何度も核形成する点で、等軸結晶粒とは異なる。

【0037】

Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定
薄膜の結晶構造解析、相の組成、及び平面を逸脱する配向（out-of-plane orientations）は、θ～２θのＸ線回折により、Ｐｈｉｌｉｐｓ ＭＲＤ－ＸＰＥＲＴ回折装置（メインのハイブリッドモノクロメータ及びサブのＸ線ミラー付き）を用いて評価した。Ｃｕ－Ｋα線は測定のために、電圧４５ｋＶ、電流４０ｍＡで使用した。１／２度の散乱防止スリット、及び０．３ｍｍの受光スリットを使用した。コーティングされた切削工具からの回折強度は、３０°～１４０°２θの範囲で、すなわち１５～７０°の範囲の入射角θにわたって、測定した。

【0038】

データ分析（背景差分、及びデータのプロファイルフィッティング含む）は、ソフトウェアの「PANalytical’s X’Pert HighScore Plus」を用いて行った。その後、このプラグラムからのアウトプット（プロファイルフィッティングした曲線についての積分ピーク面積）を、測定された強度データの、特定の層（例えばＴｉＣＮ又はα－Ａｌ_２Ｏ_３の層）のＪＣＰＤＳカードによる標準強度データに対する比率を比較することによって、前述のハリス式により層の組織係数を計算するために使用した。

【0039】

層の膜厚は限定的なので、異なる２θ角度でのピークペアについての相対的な強度は、層を通じた経路長さが異なるため、バルク試料のものとは異なる。このため、プロファイルフィッティング曲線について抽出された積分ピーク面積強度に、薄膜修正を適用した（ＴＣ値を計算する際には、層の線吸収係数も考慮）。例えばＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層の上にあり得るさらなる層は、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層に入ってコーティング全体から出るＸ線強度に影響を与えることになるため、これらについても同様に修正を行う必要がある（層における各化合物についての線吸収係数も考慮）。α－Ａｌ_２Ｏ_３層が、例えばＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層の下にある場合には、α－Ａｌ_２Ｏ_３層のＸ線回折測定についても、同じことが当てはまる。或いは、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層の上にあるさらなる層（例えばＴｉＮ）は、ＸＲＤ測定結果に実質的に影響を与えない方法（例えば化学的なエッチング、又は機械的な研磨）によって、除去しなければならない。α－Ａｌ_２Ｏ_３層と基材との間に配置されたＴｉ_ｕＣｖＮ_１－ｖ下部層を含む実施態様では、Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ外部層は、Ｔｉ_ｕＣｖＮ_１－ｖ下部層をＸ線回折測定する前に、除去しなければならない。

【0040】

硬さ測定
炭窒化チタン層の硬さは、ナノインデンテーションにより測定した。ナノインデンテーションは、CSM UNHTナノインデンタにより、Berkovich型のダイヤモンドチップ圧子で行った。インデンテーションは、３０００μＮ／分の一定負荷で、ｈ_ｃ＝１１０ｎｍの深さまで行った。硬さは、平らな外部表面で、又は表面粗さを低下させるために（６μｍのダイヤモンドスラリーにより）優しく表面を研磨した後の層で、測定した。装置参照測定は、最適な圧子性能を確実にするために、フューズドシリカで行った。硬さＨは、Ｈ＝（Ｐ／２４．５ｈ_ｃ ^２）と規定され、式中でＰは、コーティング層で圧子により示される最大接触圧力であり、ｈ_ｃは、圧子により形成されるインデンテーションの深さである。インデンテーションは、層の表面に対して垂直な方向で行った。あらゆる外部層は、例えば化学的なエッチング又は機械的な研磨により、硬さ測定を行う前に除去する必要がある。

【0041】

実施例１：サファイア上のＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ
試料の調製及び分析
Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙは、研磨済みの単結晶ｃサファイア（００１）基板上に、Bernex 325のホットウォール型ＣＶＤ反応器（高さ１２５０ｍｍ、直径３２５ｍｍ）内にて、８３０℃の温度で成長させた。

【0042】

本開示によるコーティング（試料１及び２）、並びに比較例（試料３）を堆積させるための実験条件は、表１に示してある。これらのコーティングは、約１．５μｍの厚さに成長させた。

【0043】

【0044】

Ｘ線回折（ＸＲＤ測定）、及び組織係数
コーティングのＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層は、ＸＲＤにより分析し、ＴｉＣＮの（ｈ ｋ ｌ）反射（（１ １ １）、（２ ０ ０）、（２ ２ ０）、（３ １ １）、（３ ３ １）、（４ ２ ０）及び（４ ２ ２））の組織係数は、本明細書に記載のように特定した。薄膜修正を、ＸＲＤ生データに適用した。その結果が、表２に示されている。

【0045】

【0046】

硬さ測定
Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層の硬さは、ナノインデンテーションにより測定し、CSM UNHTナノインデンタを用いて、Berkovich型のダイヤモンド圧子により行い、本明細書で先に記載した通りに計算した。３６回のインデンテーション後の平均硬さを、コーティング硬さとした。その結果が、表３に示されている。

【0047】

【0048】

実施例２：超硬合金上のＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ
試料の調製及び分析
旋盤加工用のＩＳＯ型CNMG120408の超硬合金基材を、７．２重量％のＣｏ、２．７重量％のＴａ、１．８重量％のＴｉ、０．４重量％のＮｂ、０．１重量％のＮ、及び残部のＷＣから作製し、この基材は、立方晶炭化物を実質的に含まない、Ｃｏを増加させた表面ゾーンを、基材表面から本体への深さで約２５μｍ、有するものであった。よって超硬合金の組成は、およそ７．２重量％のＣｏ、２．９重量％のＴａＣ、１．９重量％のＴｉＣ、０．４重量％のＴｉＮ、０．４重量％のＮｂＣ、及び８６．９重量％のＷＣである。

【0049】

インサート（試料４）を、まず約０．４μｍのＴｉＮ層でコーティングし、それから約１２μｍのＴｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層で、よく知られたＭＴＣＶＤ技術により、ＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、Ｎ_２、ＨＣｌ及びＨ_２を用いて８８５℃でコーティングした。Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層のＭＴＣＶＤ堆積の当初部材におけるＴｉＣｌ_４／ＣＨ_３ＣＮの体積比率は、６．６であり、その後、３．７のＴｉＣｌ_４／ＣＨ_３ＣＮ比率を用いる期間が続いた。ＴｉＮ及びＴｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ堆積の詳細については、表４に示されている。

【0050】

【0051】

ＭＴＣＶＤによるＴｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ層の上に、厚さ１～２μｍの接合層を１０００℃で、４つの別個の反応工程から成るプロセスにより堆積させた。第一に、ＨＴＣＶＤ Ｔｉ_ｕＣ_ｖＮ_１－ｖ工程は、ＴｉＣｌ_４、ＣＨ_４、Ｎ_２、ＨＣｌ及びＨ_２を用いて４００ｍｂａｒで、それから第二工程（ＴｉＣＮＯ－１）は、ＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ_２及びＨ_２を用いて７０ｍｂａｒで、それから第三工程（ＴｉＣＮＯ－２）は、ＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ_２及びＨ_２を用いて７０ｍｂａｒで、最後に第四工程（ＴｉＣＮＯ－３）は、ＴｉＣｌ_４、ＣＯ、Ｎ_２及びＨ_２を用いて７０ｍｂａｒで、行った。第三及び第四の堆積工程の間に、表５に示した第一の出発水準及び第二の停止水準に従って、幾つかのガスを連続的に変えた。後続のＡｌ_２Ｏ_３核形成が始まる前に、接合層を５５ｍｂａｒで４分、ＣＯ_２、ＣＯ、Ｎ_２及びＨ_２の混合物中で酸化させた。接合層堆積の詳細については、表５に示されている。

【0052】

【0053】

接合層の上に、α－Ａｌ_２Ｏ_３層をＣＶＤにより堆積させた。全てのα－Ａｌ_２Ｏ_３は、１０００℃及び５５ｍｂａｒで、２工程で堆積させた。１．２体積％のＡｌＣｌ_３、４．７体積％のＣＯ_２、１．８体積％のＨＣｌ、及び残部のＨ_２を用いる第一の工程により、約０．１μｍのα－Ａｌ_２Ｏ_３が得られ、以下に開示する第二の工程により、合計厚さが約１０μｍのα－Ａｌ_２Ｏ_３層が得られる。

【0054】

α－Ａｌ_２Ｏ_３層の第二の工程は、１．２％のＡｌＣｌ_３、４．７％のＣＯ_２、２．９％のＨＣｌ、０．５８％のＨ_２Ｓ、及び残部のＨ_２を用いて堆積させた（表６参照）。

【0055】

【0056】

α－Ａｌ_２Ｏ_３層の上に、厚さ１．７μｍのＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層を、ＭＴＣＶＤにより堆積させた。Ｔｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層は、８３０℃、８０ｍｂａｒで、３．３体積％のＴｉＣｌ_４、０．５体積％のＣＨ_３ＣＮ、８．７５体積％のＨ_２、及び残部のＮ_２を用いて堆積させた（表７参照）。

【0057】

【0058】

Ｘ線回折（ＸＲＤ測定）、及び組織係数
コーティングについて、最も外側のＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層、内部のＴｉ_ｕＣｖＮ_１－ｖ層、及びα－Ａｌ_２Ｏ_３層をＸＲＤにより分析し、（ｈ ｋ ｌ）反射の組織係数を、本明細書に記載するように特定した。薄膜修正を、ＸＲＤ生データに適用した。その結果が、表８～１０に示されている。

【0059】

【0060】

【0061】

【0062】

硬さ測定
最も外側のＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層の硬さは、ナノインデンテーションにより測定し、CSM UNHTナノインデンタを用いて、Berkovich型のダイヤモンド圧子により行い、本明細書で先に記載した通りに計算した。１５回のインデンテーション後の平均硬さを、最も外側のＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層の硬さとした。最も外側のＴｉ_ｘＣ_ｙＮ_１－ｙ層の平均硬さは、２６．７ＧＰａと測定された。