特表2024-519616 | 知財ポータル「IP Force」

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ エービー　サンドビック　コロマントの特許一覧

特表2024-519616切削工具

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

目に優しい文字サイズ小中大 PDF Top

< >

1
2
3
4
5

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-20

(54)【発明の名称】切削工具

(51)【国際特許分類】

B23B 27/14 20060101AFI20240513BHJP

C23C 16/36 20060101ALI20240513BHJP

C23C 16/40 20060101ALI20240513BHJP

C23C 16/30 20060101ALI20240513BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 A

B23B27/14 B

C23C16/36

C23C16/40

C23C16/30

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023568243

(86)(22)【出願日】2022-05-06

(85)【翻訳文提出日】2023-12-26

(86)【国際出願番号】 EP2022062300

(87)【国際公開番号】W WO2022234095

(87)【国際公開日】2022-11-10

(31)【優先権主張番号】21172624.5

(32)【優先日】2021-05-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520333435

【氏名又は名称】エービーサンドビックコロマント

(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】フォンフィーアント，リーナ

(72)【発明者】

【氏名】リンダール，エリック

(72)【発明者】

【氏名】ブール，キャタリン

【テーマコード（参考）】

3C046

4K030

【Ｆターム（参考）】

3C046FF03

3C046FF10

3C046FF11

3C046FF13

3C046FF16

3C046FF22

3C046FF39

3C046FF40

3C046FF44

3C046FF46

3C046FF48

3C046FF52

3C046FF53

4K030AA03

4K030AA04

4K030AA05

4K030AA09

4K030AA14

4K030AA17

4K030AA18

4K030BA18

4K030BA20

4K030BA38

4K030BA41

4K030BA43

4K030BB01

4K030BB12

4K030CA03

4K030DA03

4K030FA10

4K030JA01

4K030LA22

(57)【要約】

本発明は、コーティングで少なくとも部分的に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に関し、前記基材は、金属結合剤中の硬質構成物質で構成された超硬合金で作製され、前記金属結合剤は、６０重量％超のＮｉを含み、前記コーティングは、２つ以上の層を備え、基材に隣接する層は、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層であり、式中、０．６≦ｘ≦０．８かつ１．１≦ｙ≦１．８であり、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層厚は０．４～７μｍである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コーティングで少なくとも部分的に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、前記基材は、金属結合剤中の硬質構成物質で構成された超硬合金で作製され、前記金属結合剤は、６０重量％超のＮｉを含み、前記コーティングは、２つ以上の層を備え、基材に隣接する層は、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層であり、式中、０．６≦ｘ≦０．８かつ１．１≦ｙ≦１．８、好ましくは０．６７≦ｘ≦０．７２かつ１．１７≦ｙ≦１．７６であり、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層厚は、０．４～７μｍである、コーティングされた切削工具。

【請求項2】

Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層が、六方晶相である、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】

Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層が、柱状の粒で構成される、請求項１または２に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項4】

Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の平均粒幅が、０．１４～０．４０μｍ、好ましくは０．１５～０．３０μｍ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】

Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層が、前記Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の断面に対するＥＢＳＤで測定される配向を示し、分析エリアは幅が１００μｍおよび高さが全Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層厚であり、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の表面法線は、前記層の成長方向に平行であり、分析エリアの７５％以上がＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の表面法線から３０度以内に＜１１－２０＞方向を有し、好ましくは分析エリアの８０％以上がＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の表面法線から３０度以内に＜１１－２０＞方向を有する、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】

金属結合剤が、６５～９０重量％のＮｉ、好ましくは７０～８７重量％のＮｉ、より好ましくは７５～８５重量％のＮｉを含む、請求項１から５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7】

超硬合金中の金属結合剤含有量が、３～２０重量％、好ましくは５～１５重量％、最も好ましくは５～１０重量％である、請求項１から６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8】

コーティングが、ＴｉＣＮ層を備え、好ましくは、ＴｉＣＮ層の厚さは６～１２μｍである、請求項１から７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9】

ＴｉＣＮ層が、ＣｕＫα照射およびθ－２θ走査を使用したＸ線回折により測定される、Ｈａｒｒｉｓの式、

［式中、Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）である］に従って定義される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＩＣＤＤのＰＤＦ－カード番号４２－１４８９に従う標準強度であり、ｎは、反射の数であり、計算に使用される反射は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２０）、（４２２）および（５１１）であり、ＴＣ（４２２）は、≧３．５以上、好ましくは≧４である、請求項８に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項10】

コーティングの全厚が、２～２５μｍである、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】

コーティングが、好ましくは切削工具の最外表面とＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層との間に位置するＡｌ_２Ｏ_３の層をさらに備える、請求項１から１０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12】

Ａｌ_２Ｏ_３層が、α－Ａｌ_２Ｏ_３層である、請求項１１に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項13】

前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層が、ＣｕＫα照射およびθ－２θ走査を使用したＸ線回折により測定される、Ｈａｒｒｉｓの式に従って定義される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、式中、Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＩＣＤＤのＰＤＦ－カード番号００－０１０－０１７３に従う標準強度であり、ｎは、計算に使用される反射の数であり、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）、（２１４）、（３００）および（００１２）であり、ＴＣ（００１２）が≧５、好ましくは６以上、より好ましくは≧７であることを特徴とする、請求項１２に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項14】

Ａｌ_２Ｏ_３層の厚さが、４～８μｍである、請求項１１から１３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15】

コーティングが、ＣＶＤコーティングである、請求項１から１４のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コーティングされた切削工具に関する。切削工具はＣＶＤコーティングされ、基材は超硬合金であり、超硬合金中の金属結合剤はＮｉを含む。ＣＶＤコーティングは、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙの内側層を備える。

【背景技術】

【0002】

ＣＶＤコーティングされた切削工具は、チップ形成金属切削操作用の切削工具の分野において周知である。コーティングされた切削工具の基材は、通常超硬合金であり、超硬合金は、Ｃｏの金属結合剤中のＷＣで作製される。Ｃｏを含まない、またはＣｏの量が低減された代替の結合剤が開発されているが、市場の製品においてはまだ稀であるか、または存在しない。超硬合金自体の製造だけでなく、超硬合金のコーティングもまた要求が厳しいが、これは、特に高温の反応性ガスを使用して行われる化学気相堆積中に、気相と超硬合金との間で相互作用が生じるためである。

【0003】

代替の金属結合剤のうち、ＮｉおよびＦｅの混合物が有望な候補である。Ｎｉは、例えばＴｉとの高い反応性を示し、超硬合金中の多量のＮｉは、Ｎｉ_３Ｔｉ等の金属間相が超硬合金とコーティングとの間の接触面およびコーティング内にも形成するため、Ｔｉ含有コーティングの化学気相堆積において問題を引き起こす。Ｔｉ含有コーティングの接触面またはより下の部分におけるＮｉ_３Ｔｉ等の金属間相は、コーティング接着を低減し、Ｔｉ含有コーティング上にその後堆積されるコーティングの耐摩耗性に悪影響を及ぼす。

【0004】

Ｎｉ金属基材へのＴｉＮコーティングの堆積中のＮｉ_３Ｔｉの形成の問題は、Ｌ．ｖｏｎＦｉｅａｎｄｔらによる「ＣｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＴｉＮｏｎｔａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ３３４（２０１８）３７３～３８３において分析されている。Ｎｉ_３Ｔｉの形成は、ＣＶＤプロセス中の過剰のＮ_２分圧および低いＨ_２分圧により低減され得ると結論付けられた。

【0005】

本発明の目的は、耐摩耗性ＣＶＤコーティングを有するＮｉ含有超硬合金基材を有する切削工具を提供することである。また、Ｎｉ含有超硬合金基材、特に６０重量％超のＮｉを有する金属結合剤を含有する基材上に、００１配向α－Ａｌ_２Ｏ_３の層を備えるコーティングを堆積させる方法を提供することも、本発明の目的である。

【発明の概要】

【0006】

上述の目的の少なくとも１つは、請求項１に記載の切削工具により達成される。好ましい実施形態は、従属請求項に開示されている。

【0007】

本発明は、コーティングで少なくとも部分的に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に関し、前記基材は、金属結合剤中の硬質構成物質で構成された超硬合金で作製され、前記金属結合剤は、６０重量％超のＮｉを含み、前記コーティングは、２つ以上の層を備え、基材に隣接する層は、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層であり、式中、０．６≦ｘ≦０．８かつ１．１≦ｙ≦１．８、好ましくは０．６７≦ｘ≦０．７２かつ１．１７≦ｙ≦１．７６であり、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層厚は、０．４～７μｍである。

【0008】

超硬合金材料は、高い靭性と組み合わされたその高い硬度および高い耐摩耗性に起因して、極めて要求の厳しい切削工具用途に有用である。超硬合金材料は、粉末冶金法により製造され、出発粉末は、混合され、ミリングされ、素地に成形され、予備焼結され、焼結される。

【0009】

超硬合金材料は、一般に、例えばＣｏまたはＮｉおよびＦｅと組み合わされたＣｏの金属結合剤中のＷＣの硬質構成物質、ならびに任意選択の炭化物および／または窒化物、例えばＴｉＣからなる。本発明において、金属結合剤は、６０重量％超のＮｉを含む。金属結合剤中の高含有量のＮｉは、ＣＶＤ堆積において特に要求が厳しいことが示されている。超硬合金組成、および特に金属結合剤組成は、化学分析により分析され得る。

【0010】

驚くべきことに、前記組成および０．４μｍ以上の厚さを有するＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層は、その後堆積された層に金属結合剤中のＮｉが悪影響を及ぼすことを防止し得ることが判明した。それにより、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層は、拡散バリア層の機能を有し、基材がコーティング品質に影響するのを防止した。したがって、０．４μｍ超の層厚を有するＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層は、ＴｉとＮｉとの間の反応生成物の形成を防止し得る。

【0011】

１．１≦ｙ≦１．８、好ましくは１．１７≦ｙ≦１．７６である本発明のＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層中の多量のＣおよびＮは、通常高圧および高温が示唆される金属切削用途にコーティングが曝露された場合でも、安定な層に寄与すると考えられる。

【0012】

本発明の一実施形態において、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層は、六方晶相である。六方晶Ｗ（Ｃ，Ｎ）の熱膨張係数はＷＣの熱膨張係数に類似しているため、これは有利である。これは、コーティングされた切削工具の製造中の熱亀裂の形成を防止し得、また、切削工具は通常、断続切削等の切削における使用中に熱サイクルに曝露されるため、工具の寿命に対する影響を有し得る。六方晶相とは、本明細書において、δ－ＷＣ六方晶相を意味する。

【0013】

本発明の一実施形態において、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層は、柱状の粒で構成される。柱状とは、本明細書において、粒幅に対する粒長のアスペクト比が１超であることを意味する。

【0014】

本発明の一実施形態において、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の平均粒幅は、０．１４～０．４０μｍ、好ましくは０．１５～０．３０μｍである。

【0015】

本発明の一実施形態において、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層は、前記Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の断面に対するＥＢＳＤで測定される配向を示し、分析エリアは幅が１００μｍおよび高さが全Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層厚であり、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の表面法線は、前記層の成長方向に平行であり、分析エリアの７５％以上がＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の表面法線から３０度以内に＜１１－２０＞方向を有し、好ましくは分析エリアの８０％以上が＜１１－２０＞方向から３０度以内である。

【0016】

本発明の一実施形態において、金属結合剤は、６５～９０重量％のＮｉ、好ましくは７０～８７重量％のＮｉ、より好ましくは７５～８５重量％のＮｉを含む。

【0017】

本発明の一実施形態において、金属結合剤は、１０～２０重量％のＦｅ、好ましくは１０～１５重量％のＦｅを含む。

【0018】

本発明の一実施形態において、金属結合剤は、３～８重量％のＣｏ、好ましくは５～６重量％のＣｏを含む。

【0019】

本発明の一実施形態において、金属結合剤は、６５～９０重量％のＮｉ、１０～２０重量％のＦｅおよび３～８重量％のＣｏを含む。一実施形態において、金属結合剤は、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｃｏ合金である。

【0020】

本発明の一実施形態において、超硬合金中の金属結合剤含有量は、３～２０重量％、好ましくは５～１５重量％、最も好ましくは５～１０重量％である。

【0021】

本発明の一実施形態において、コーティングは、ＴｉＮ層を備え、ＴｉＮ層の厚さは、０．３～１μｍである。

【0022】

本発明の一実施形態において、コーティングは、ＴｉＣＮ層を備え、好ましくは、ＴｉＣＮ層の厚さは、６～１２μｍである。

【0023】

本発明の一実施形態において、ＴｉＣＮ層は、ＣｕＫα照射およびθ－２θ走査を使用したＸ線回折により測定される、Ｈａｒｒｉｓの式に従って定義される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、

式中、Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＩＣＤＤのＰＤＦ－カード番号４２－１４８９に従う標準強度であり、ｎは、反射の数であり、計算に使用される反射は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２０）、（４２２）および（５１１）であり、ＴＣ（４２２）は、≧３．５である。

【0024】

本発明の一実施形態において、コーティングの全厚は、２～２５μｍである。

【0025】

本発明の一実施形態において、コーティングは、好ましくは切削工具の最外表面とＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層との間に位置するＡｌ_２Ｏ_３の層をさらに備える。

【0026】

本発明の一実施形態において、Ａｌ_２Ｏ_３層は、α－Ａｌ_２Ｏ_３層である。

【0027】

本発明の一実施形態において、α－Ａｌ_２Ｏ_３層は、ＣｕＫα照射およびθ－２θ走査を使用したＸ線回折により測定される、Ｈａｒｒｉｓの式に従って定義される組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、式中、Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＩＣＤＤのＰＤＦ－カード番号００－０１０－０１７３に従う標準強度であり、ｎは、計算に使用される反射の数であり、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）、（２１４）、（３００）および（００１２）であり、ＴＣ（００１２）が≧７、好ましくは≧７．２であることを特徴とする。

【0028】

本発明の一実施形態において、Ａｌ_２Ｏ_３層の厚さは、４～８μｍである。

【0029】

本発明の一実施形態において、切削工具は、ドリル、フライスインサートまたは旋削用インサート、好ましくは旋削用インサートである。

【0030】

一実施形態において、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層は、ＣＶＤ層である。一実施形態において、ＴｉＣＮ層は、ＣＶＤ層である。一実施形態において、Ａｌ_２Ｏ_３層は、ＣＶＤ層である。本発明の一実施形態において、コーティングは、ＣＶＤコーティングである。

【0031】

本発明のさらに他の目的および特徴は、添付の図面と併せて考慮される以下の定義および例から明らかとなる。

【0032】

方法
Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の組成
表面法線に対して６７．５°の入射角度、および４５°の反跳粒子検出角度で３６ＭｅＶの^１２７Ｉ^８＋ビームを利用して、ＴｏＦ－ＥＲＤＡ（飛行時間型弾性反跳粒子検出分析）によりＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の元素組成を分析した。ガスイオン化チャンバ検出器は、散乱^１２７Ｉ^８＋イオンの数およびエネルギーの両方を検出するが、より重要なことには、試料からの反跳原子もまた検出する。この分析は、エネルギー検出と共に原子質量の計算も可能にする飛行時間型分析器と組み合わされた。それにより、コーティングの元素深さプロファイルが得られた。

【0033】

データ分析は、Ｐｏｔｋｕソフトウェアを使用して行った。試料表面から約３０～２００ｎｍの深さプロファイルを積分することにより、２５０×１０^１５～２０００×１０^１５原子／ｃｍ^２の濃度が計算された。

【0034】

Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の相分析
Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層内の粒の相組成を分析するために、斜入射Ｘ線回折（ＧＩ－ＸＲＤ）測定を行った。１°の入射角度を使用した。ＧＩ－ＸＲＤ測定は、ＣｕＫα源および平行入射ビームを形成するＧｏｂｅｌミラーを有するＰｈｉｌｉｐｓＭＲＤＸ’Ｐｅｒｔ回折計を使用して行った。１．４ｍｍビームを許容するミラースリットを使用し、一次ビーム側に０．０４ｒａｄソーラスリットを設置した。二次ビームは０．２７°コリメータで平行化し、強度は比例検出器で記録した。試料高さおよび０－傾斜は、直接ビームを使用してｚ－、ω－および微細ｚ－走査を適用することによりアラインした。アラインメント中のビーム強度は、Ｃｕ／Ｎｉ手動ビーム減衰器により低減し、ミラースリットもまた、０．０９ｍｍのビームサイズを得るために低減した。アラインメントのための二次ビームコリメータの単一チャネルを選択するために、平行板コリメータ受光スリットを挿入した。

【0035】

Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の粒幅および配向
電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）分析を使用して、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の粒幅および配向または組織構造を分析した。

【0036】

ＡＫＡＳＥＬ製の黒色導電性フェノール樹脂にＣＮＭＧ１２０４０８－ＰＭインサートのそれぞれを埋め込み、これをその後約１ｍｍまで粉砕し、次いでダイヤモンドスラリー溶液を使用して粗研磨（９μｍ）および微細研磨（１μｍ）の２つのステップで研磨することにより、研磨断面の調製を行った。コロイド状シリカ溶液を使用した最終研磨を適用した。全ての試料を７０°の角度のプレチルトホルダに装着し、最大データ収集効率を確実にした。データ分析の間、顕微鏡内での位置ずれを補正するために座標系をアラインした。

【0037】

全てのＥＢＳＤ測定において、収集されたデータが全てＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙコーティングに由来することを確実にするために、ＷＣ－Ｃｏ基材からの粒をデータから除外した。幅が少なくとも１００μｍで高さが全層厚である領域を、５０ｎｍのステップサイズで分析し、速度１ビニングモード（６２２×５１２ｐｉｘ）を全てのＥＢＳＤ調査に使用した。粒幅測定において、各粒幅の決定に少なくとも７００個の粒を使用した。

【0038】

Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の配向は、設定された軸からのある特定の角度変位内にある分析試料中のＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙの（％）での量として決定した。表面法線に平行な方向として、＜１１－２０＞Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ方向を選択した。Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の配向は、＜１１－２０＞Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ方向から３０°以内の変位であった分析エリアの量として計算した。１回の自動クリーンアップステップを使用して、データのノイズレベルを緩やかに低減した。次いで、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の配向を、前記Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の断面に対するＥＢＳＤ結果から定義し、分析エリアは幅が１００μｍおよび高さが全Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層厚であり、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の表面法線は、前記層の成長方向に平行であり、分析エリアの７５％以上がＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の表面法線から３０度以内に＜１１－２０＞方向を有し、好ましくは分析エリアの８０％以上がＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の表面法線から３０度以内に＜１１－２０＞方向を有する。

【0039】

前のセクションで言及したのと同じ測定エリアのＥＢＳＤを使用することにより、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙの平均粒幅を分析した。粒幅測定は、フィッティングされた楕円短径による粒サイズ決定を用いるＡｚｔｅｃＣｒｙｓｔａｌｖ．２．０ソフトウェアパッケージを使用して行った。楕円が各粒にフィッティングされ、各楕円の短径が粒幅として決定される。１回の自動クリーンアップステップを使用して、データのノイズレベルを緩やかに低減し、５ピクセル未満の面積を有する全ての粒を破棄して、測定ノイズが含まれないことを確実にし、そのようにして測定の精度を増加させた。粒閾値は１０°に設定した。

【0040】

ＷＣ、ＡｃｔａＣｒｙｓｔａｌｌｏｇｒ、［ＡＣＣＲＡ９］、１９６１、第１４巻、２００～２０１頁の基準パターンを、ＥＢＳＤ測定のＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙに使用し、５３のリフレクタを測定に使用した。

【0041】

ＯｘｆｏｒｄＳｙｍｍｅｔｒｙＥＢＳＤ検出器を備えたＺｅｉｓｓＳｕｐｒａ５５ＶＰを全てのＥＢＳＤ測定に使用した。加速電圧を２０ｋＶに設定し、１０～３０ｎＡのプローブ電流を使用した。

【0042】

ＳＥＭ調査：
ＺｅｉｓｓＳｕｐｒａ５５ＶＰ顕微鏡でＳＥＭ調査を行った。加速電圧は３ｋＶであり、プローブ電流は３００ｐＡであった。

【0043】

ＴｉＣＮおよびα－Ａｌ_２Ｏ_３層の配向
ＴｉＣＮおよびアルミナ層の配向を調査するために、ＰＩＸｃｅｌ検出器を備えたＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌＣｕｂｉＸ３回折計を使用して、切削工具インサートの逃げ面に対してＸ線回折を行った。コーティングされた切削工具インサートを試料ホルダに装着し、切削工具インサートの逃げ面が試料ホルダの基準表面に平行になり、また逃げ面が適切な高さになることを確実にした。ＣｕＫα照射を測定に使用し、電圧は４５ｋＶ、電流は４０ｍＡであった。１／２度の散乱防止スリットおよび１／４度の発散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、２０°～１４０° ２θの範囲、すなわち１０～７０°の入射角度θ範囲にわたり測定した。

【0044】

ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌのＸ’ＰｅｒｔＨｉｇｈＳｃｏｒｅＰｌｕｓソフトウェアを使用して、データのバックグラウンド除去、ＣｕＫα_２ストリッピングおよびプロファイルフィッティングを含むデータ分析を行った。フィッティングの概説を以下に示す。次いで、このプログラムからの出力（プロファイルフィッティング曲線の積分ピーク面積）を使用して、上で開示されたＨａｒｒｉｓの式（１）を用いて特定の層（例えばＴｉＣＮまたはα－Ａｌ_２Ｏ_３の層）のＰＤＦ－カードによる標準強度データに対する測定強度データの比率を比較することにより、層の組織係数を計算した。層は有限の厚さを有するため、異なる２θ角におけるピークの対の相対強度は、層を通る経路長の差に起因して、バルク試料に対するものとは異なる。したがって、ＴＣ値を計算する際に、層の線吸収係数もまた考慮して、プロファイルフィッティング曲線の抽出された積分ピーク面積強度に薄膜補正を適用した。例えばα－Ａｌ_２Ｏ_３層の上方の可能なさらなる層は、α－Ａｌ_２Ｏ_３層に入りコーティング全体から出るＸ線強度に影響するため、これらに対しても同様に、層内のそれぞれの化合物の線吸収係数を考慮して補正を行う必要がある。ＴｉＣＮ層が例えばα－Ａｌ_２Ｏ_３層の下に位置する場合も、同様の処理がＴｉＣＮ層のＸ線回折測定に適用される。代替として、アルミナ層の上方のＴｉＮ等のさらなる層は、ＸＲＤ測定結果に実質的に影響しない方法、例えば化学エッチングにより除去され得る。

【0045】

ＴｉＣＮ層の柱状粒の異なる成長方向に対する組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を、Ｈａｒｒｉｓの式に従って計算した。

式中、Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射の測定（積分面積）強度であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は、ＩＣＤＤのＰＤＦ－カード番号４２－１４８９に従う標準強度であり、ｎは、計算に使用される反射の数である。この場合、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２０）、（４２２）および（５１１）である。

【0046】

α－Ａｌ_２Ｏ_３層の組織構造を調査するために、ＣｕＫα照射を使用してＸ線回折を行い、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の柱状粒の異なる成長方向に対する組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）をＨａｒｒｉｓの式に従って計算したが、式中、Ｉ（ｈｋｌ）＝（ｈｋｌ）反射の測定（積分面積）強度、Ｉ_０（ｈｋｌ）＝ＩＣＤＤのＰＤＦ－カード番号００－０１０－０１７３に従う標準強度、ｎ＝計算に使用される反射の数である。この場合、使用される（ｈｋｌ）反射は、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）、（２１４）、（３００）および（００１２）である。測定積分ピーク面積を薄膜補正し、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の上方（すなわちその上）の任意のさらなる層に対して補正してから、前記組織係数を計算する。

【0047】

ピークの重複は、例えばいくつかの結晶層を含むコーティング、および／または結晶相を含む基材上に堆積されたコーティングのＸ線回折分析において生じ得る現象であり、これを考慮および補償する必要があることに留意されたい。α－Ａｌ_２Ｏ_３層からのピークとＴｉＣＮ層からのピークとの重複は測定に影響し得るため、考慮する必要がある。また、例えば基材中のＷＣおよびコーティング中のＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙもまた、測定に影響し得る回折ピークを有し得るため、考慮する必要があることに留意されたい。

【0048】

本発明の実施形態は、付属の図面を参照して説明される。

【図面の簡単な説明】

【0049】

【図1】Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層（１）、基材（２）、ＴｉＣＮ層（３）およびα－Ａｌ_２Ｏ_３層が示された、本発明の一実施形態によるコーティングされた切削工具（試料Ｅ１）のＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層を示す断面ＳＥＭ顕微鏡写真である。

【図2】Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層（１）、基材（２）、ＴｉＣＮ層（３）およびα－Ａｌ_２Ｏ_３層が示された、図１に示されるコーティングされた切削工具のＥＢＳＤバンドコントラスト顕微鏡写真である。

【図3】図１に示されるコーティングされた切削工具のＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の拡大図である。

【図4】基準（試料Ｃ）に従うコーティングされた切削工具の薄すぎるＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層を示す断面ＳＥＭ顕微鏡写真である。

【図5】試料Ｅ１の斜入射Ｘ線回折図である。破線は、δ－ＷＣ基準のピーク位置（Ｚ．Ａｎｏｒｇ．Ａｌｌｇ．Ｃｈｅｍ．、１９２６、第１５６巻、２７～３６頁）を示し、数字は、ピークが属する結晶面を示す。より低い強度のピークを目立たせるために、強度の目盛りは対数である。回折図は、六方晶δ－ＷＣ相のみがコーティングに存在することを示している。

【実施例】

【0050】

本発明の実施形態は、以下の実施例に関連してより詳細に開示される。実施例は例示であり、実施形態を制限しないと解釈されるべきである。以下の実施例において、コーティングされた切削工具（インサート）は、切削試験で製造、分析および評価された。

【0051】

基材
本明細書においてＮｉＦｅＣｏ結合剤と呼ばれる代替の結合剤を有する超硬合金基材を、約８０．７重量％のＮｉ、１３．７重量％のＦｅおよび５．６重量％のＣｏを含む結合剤を用いて製造した。超硬合金中の結合剤含有量は、約７重量％であった。代替の結合剤を有する超硬合金基材を、約６．０９重量％のＮｉ、１．０２重量％のＦｅ、０．０３９重量％のＣｏ、１．８０重量％のＴｉ、２．６９重量％のＴａ、０．４１重量％のＮｂ、０．０９重量％のＮおよび残りのＷＣの組成を有する粉末混合物から製造した。粉末混合物をミリングし、乾燥させ、圧縮して１４５０℃で焼結した。焼結超硬合金基材は、基材表面から、光学顕微鏡で測定される立方晶炭化物を本質的に含まない本体内への約３０μｍの深さまでの結合剤に富む表面ゾーンを備えていた。粉末中の炭素量は約６．０７重量％であったが、焼結超硬合金の化学分析において測定された炭素量は約５．８７重量％であった。焼結超硬合金は、約０．４重量％のＣｏ、１．０重量％のＦｅおよび５．９重量％のＮｉを含んでいた。Ｃｏは主に、ミリングステップ中に摩耗するミリング体に由来した。超硬合金基材の断面のＳＥＭ顕微鏡写真では、遊離グラファイトまたはイータ相は観察されなかった。

【0052】

基準として、本明細書においてＣｏ結合剤と呼ばれる金属結合剤中のＣｏを有する超硬合金基材を、約７．２０重量％のＣｏ、１．８０重量％のＴｉ、２．６９重量％のＴａ、０．４１重量％のＮｂ、０．０９重量％のＮおよび残りのＷＣの組成を有する粉末混合物から製造した。粉末混合物をミリングし、乾燥させ、圧縮して１４５０℃で焼結した。焼結超硬合金基材は、基材表面から、光学顕微鏡で測定される立方晶炭化物を本質的に含まない本体内への約２３μｍの深さまでのＣｏに富む表面ゾーンを備えていた。焼結超硬合金基材は、約７．２重量％のＣｏを含んでいた。超硬合金基材の断面のＳＥＭ顕微鏡写真では、遊離グラファイトまたはイータ相は観察されなかった。これらの基材は、ここでは基準として含まれ、Ｎｉ拡散に関連した問題はなかった。

【0053】

超硬合金基材の形状は、旋削用のＩＳＯ型ＣＮＭＧ１２０４０８の形状であった。

【0054】

コーティングの堆積
２つの超硬合金組成物上にＣＶＤコーティングを堆積させた。コーティングの堆積前に、全ての基材を穏やかなブラストステップで清浄化して、表面から最外金属を除去した。堆積の少し前に、基材をエタノール浴中で３０分間清浄化した。

【0055】

Ｊ．ＧｅｒｄｉｎＨｕｌｋｋｏ、ＭｕｓｐｅｌおよびＳｕｒｔｒ：ＣＶＤｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍｆｏｒＷＦ_６ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｌｉｃｅｎｔｉａｔｅｔｈｅｓｉｓ、Ｍｏｎｏｇｒａｐｈ、ＵｐｐｓａｌａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２０１９において詳細に説明されているホットウォール横型管状炉反応器内で、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層を堆積させた。ここで、反応器システムの主な特性を説明する。管は、Ｋａｎｔｈａｌからのフェライト鉄－クロム－アルミニウム合金で作製されたものである。等方性黒鉛で作製された内側管は、外側管の広範囲のエッチングを防止し、４７ｍｍの内径を有する。管は、炉に到達する前に長さ１７５ｍｍの低温ゾーンを有する。炉は、１３０ｍｍの非加熱ゾーンに続いて、２５０ｍｍ、５００ｍｍ、２５０ｍｍの３つの別個の加熱ゾーン、そして最後に１３０ｍｍの非加熱ゾーンを有する。加熱ゾーン内の温度は、Ｅｕｒｏｔｈｅｒｍ３２１６ＰＩＤコントローラにより制御され、Ｋ型熱電対が反応器管の外側および炉の内側の各ゾーンの中央に設置される。中央ゾーンの内側温度は、３ｍｍのＯリング封止ポートを通して挿入されたＫ型熱電対を用いて較正された。プロセス中、３つの加熱ゾーンは同じ温度に維持された。

【0056】

前駆体流量は、ＷＦ_６（５．５純度）、Ｈ_２（５．６純度）およびＡｒ（６．０純度）についてはＭＫＳＧＭ５０Ａマスフローコントローラにより制御され、ＣＨ_３ＣＮ（＞９９．９％純度）については４０℃の温度に維持されたＭＫＳ１１５２Ｃマスフローコントローラにより制御される。ＣＨ_３ＣＮエバポレーターシリンダは２５℃に維持され、シリンダとマスフローコントローラとの間のパイプは４５℃に維持される。他の全てのガスは、シリンダ内で室温に維持される。ガスは３１６ステンレススチールパイプ内で運搬され、接続部には銀めっきＶＣＲまたは銅ガスケットが使用される。バルクガス（Ａｒで希釈されたＨ_２）は、反応器正面で直接反応器管に進入する。他の２つの前駆体（Ａｒを含むＷＦ_６およびＡｒを含むＣＨ_３ＣＮ）は、別個のＩｎｃｏｎｅｌ６００パイプ内で第１の加熱ゾーンを通して運搬され、反応器管に中央加熱ゾーンの２５ｍｍ内側に進入する。ＥｂａｒａｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓからのＳ２０Ｎルーツポンプ（最大容量１００ｍ^３／時、最終圧力３．７５×１０^－２Ｔｏｒｒ）により低圧が維持される。ガス流量はＯリング封止バタフライ弁（ＭＫＳ１５３Ｄ）によりスロットル調整され、ＰＩＤ真空制御システム（ＭＫＳ９４６）により調節される。圧力測定には、１Ｔｏｒｒフルレンジ温度安定化キャパシタンスマノメータ（ＭＫＳ６２７Ｂ）が使用される。圧力の読み出しは、ターボ分子ポンプによりシステムを高真空範囲までポンピングすることにより較正された。

【0057】

堆積ゾーンはガス混合点から９０～２３０ｍｍの間であり、均一な厚さ、同じ結晶相および同じ支配的組織構造のコーティングを得ることができた。

【0058】

Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙは、１．８体積％のＷＦ_６、１．２体積％のＣＨ_３ＣＮ、２５体積％のＨ_２および残りのＡｒを使用して、７１５℃および１３３Ｐａの圧力で堆積させた。全ガス流量は３５０ｓｃｃｍに設定し、堆積速度は約０．５μｍ毎時であった。

【0059】

その後、試料Ｃ、Ｄ、Ｅ１、Ｅ２、ＦおよびＧを、１００００個の半インチサイズ切削インサートを収納可能なラジアルＩｏｎｂｏｎｄＢｅｒｎｅｘＴＭ型ＣＶＤ機器５３０サイズでの追加層の堆積のために移した。

【0060】

まず、基材を８８５℃でＴｉＣｌ_４、Ｎ_２およびＨ_２を使用してＴｉＮ層でコーティングした。ＴｉＮ堆積時間は、０．４μｍの全ＴｉＮ層厚が達成されるように適合させた。

【0061】

その後、周知のＭＴＣＶＤ技術を用い、８８５℃でＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、Ｎ_２、ＨＣｌおよびＨ_２を使用して、約８μｍのＴｉＣＮ層を堆積させた。ＴｉＣＮ層のＭＴＣＶＤ堆積の初期部分におけるＴｉＣｌ_４／ＣＨ_３ＣＮの体積比率は６．６であり、後続の期間は３．７のＴｉＣｌ_４／ＣＨ_３ＣＮの比率を使用した。ＴｉＮおよびＴｉＣＮ堆積の詳細を表１に示す。

【0062】

ＴｉＣＮ外層の堆積後、７５体積％のＨ_２および２５体積％のＮ_２の雰囲気中で、温度を８８５℃から１０００℃に上昇させた。

【0063】

４つの別個の反応ステップからなるプロセスにより、０．７～２μｍの厚さの結合層をＭＴＣＶＤＴｉＣＮ層の上に１０００℃で堆積させた。第１のＨＴＣＶＤＴｉＣＮステップは４００ｍｂａｒのＴｉＣｌ_４、ＣＨ_４、Ｎ_２、ＨＣｌおよびＨ_２を使用し、次いで第２のステップ（ＴｉＣＮＯ－１）は７０ｍｂａｒのＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ_２およびＨ_２を使用し、次いで第３のステップ（ＴｉＣＮＯ－２）は７０ｍｂａｒのＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ_２およびＨ_２を使用し、最後に第４のステップ（ＴｉＮ－３）は７０ｍｂａｒのＴｉＣｌ_４、Ｎ_２およびＨ_２を使用した。第３の堆積ステップ中、ＣＯガス流量を、表２に示されるように開始値から停止値まで連続して直線的に増加させた。他の全てのガス流量は一定に維持したが、そのため全体的なガス流量は増加する。全てのガスの濃度はこれによって幾分影響を受ける。その後のＡｌ_２Ｏ_３核形成の開始前に、結合層をＣＯ_２、ＣＯ、Ｎ_２およびＨ_２の混合物中で４分間酸化させた。

【0064】

結合層堆積の詳細を、表２に示す。

【0065】

結合層の上に、α－Ａｌ_２Ｏ_３層を堆積させた。α－Ａｌ_２Ｏ_３層は全て、２つのステップで１０００℃および５５ｍｂａｒで堆積させた。第１のステップは１．２体積％のＡｌＣｌ_３、４．７体積％のＣＯ_２、１．８体積％のＨＣｌおよび残りのＨ_２を使用して約０．１μｍのα－Ａｌ_２Ｏ_３を生成し、以下に開示される第２のステップは約５μｍの全α－Ａｌ_２Ｏ_３層厚を生成した。α－Ａｌ_２Ｏ_３層の第２のステップは、１．１６％のＡｌＣｌ_３、４．６５％のＣＯ_２、２．９１％のＨＣｌ、０．５８％のＨ_２Ｓおよび残りのＨ_２を使用して堆積された。

【0066】

試料ＦおよびＧにはまた、ＴｉＮの最外摩耗指示層を設けた。

【0067】

試料の概要を表３に示す。

【0068】

コーティングの分析
ＥＲＤＡにより、基準試料に対してＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の組成は４３．７ａｔ％のＷ、３９．２ａｔ％のＣおよび１７．１ａｔ％のＮと決定されたが、これは化学式Ｗ（Ｃ_０．７Ｎ_０．３）_１．３に対応する。

【0069】

斜入射Ｘ線回折を使用して、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の相を分析した。回折図は、コーティング中に六方晶相のみが存在したことを示しており、立方晶ＷＣ_１－ｘまたはＷＮ_ｙ（０．５≦ｙ≦２）反射は特定されず、またタングステンに富むＷ_２Ｃ相（六方最密充填Ｗ副格子および八面体空隙の半分におけるＣ原子）の反射は特定されなかった。基準反射は、Ｚ．Ａｎｏｒｇ．Ａｌｌｇ．Ｃｈｅｍ．、１９２６、第１５６巻、２７～３６頁から計算される。

【0070】

Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層をＳＥＭで精査すると、Ｗ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ粒が柱状であることが分かった。基材とＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層との間の接触面またはＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層内にはイータ相は見られなかった。イータ相は、基準試料Ｂ１およびＢ２の基材への接触面、ならびにＴｉＮおよびＴｉＣＮ層内に見られた。

【0071】

平均粒幅およびＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層の配向をＥＢＳＤで分析した。結果を表４に示す。

【0072】

六方晶δ－ＷＣ相の対称性に起因して、結果は以下のように解釈され得る。±３０°の角度範囲内に、＜０００１＞方向に垂直な全ての可能な結晶学的方向が含まれる。選択された間隔はまた、粒内の＜０００１＞方向が基材表面平面から３０°の最大角度だけずれることを意味する。したがって、コーティングの組織構造は、＜０００１＞方向が優先的に基材表面に平行に、またはそこから若干傾いている六角柱として説明され得る。

【0073】

ＴｉＣＮ層およびα－Ａｌ_２Ｏ_３層の組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を、上で開示されたように、ＣｕＫα照射およびθ－２θ走査を使用したＸ線回折により分析した。ＴＣ（００１２）およびＴＣ（４２２）を表５に示す。

【0074】

Ｘ線回折分析および組織係数から、約２５０ｎｍのＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層が設けられた基準試料Ｃは、約６４０ｎｍのＷ（Ｃ_ｘＮ_１－ｘ）_ｙ層が設けられた本発明の試料Ｄと比較して、より低いＴＣ（４２２）およびより低いＴＣ（００１２）を示すと結論付けることができる。

【0075】

切削試験
ＩＳＯ型ＣＮＭＧ１２０４０８のコーティングされた切削工具を、以下の切削データを使用した軸受鋼（１００ＣｒＭｏ７－３）での縦方向旋削において試験した。
切削速度ｖ_ｃ：２２０ｍ／分
切削送り量、ｆ：０．３ｍｍ／回転
切削深さ、ａ_ｐ：２ｍｍ

【0076】

水に混和性の金属加工流体を使用した。

【0077】

切削工具当たり１つの切削刃を評価した。

【0078】

クレーター摩耗の分析において、光学顕微鏡を使用して露出基材の面積を測定した。露出基材の表面積が０．２ｍｍ^２を超えた場合、工具が寿命に達したと見なした。各切削工具の摩耗を、２分の切削後に光学顕微鏡で評価した。次いで、工具寿命尺度に達するまで、切削プロセスおよび各２分間の作業後の測定を継続した。クレーター面積のサイズが０．２ｍｍ^２を超えた場合、工具寿命尺度が満たされるまでの時間を、最後の２回の測定間の想定一定摩耗速度に基づいて推定した。クレーター摩耗の他に、逃げ面摩耗もまた監視した。各種のコーティングに対して３つの並行試験を行った。平均工具寿命として示される結果を表６に示す。