特表 2025-500333 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】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-09

(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 20060101AFI20241226BHJP

   B23B 27/20 20060101ALI20241226BHJP

   B23P 15/28 20060101ALI20241226BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20241226BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 A

B23B27/20

B23P15/28 A

C23C14/06 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024537318

(86)(22)【出願日】2022-10-10

(85)【翻訳文提出日】2024-08-09

(86)【国際出願番号】 EP2022078060

(87)【国際公開番号】W WO2023117172

(87)【国際公開日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】21216688.8

(32)【優先日】2021-12-21

(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】506297474

【氏名又は名称】ヴァルター アーゲー

(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】エンゲルハート， ヴォルフガング

(72)【発明者】

【氏名】シーア， ファイト

(72)【発明者】

【氏名】クルツァー， コルビニアン

(72)【発明者】

【氏名】セリンデル， トールビョルン

【テーマコード（参考）】

3C046

4K029

【Ｆターム（参考）】

3C046FF02

3C046FF10

3C046FF11

3C046FF20

3C046FF35

3C046FF38

3C046FF40

3C046FF41

3C046FF42

3C046HH06

4K029AA04

4K029BA58

4K029CA06

4K029DC39

(57)【要約】

本発明は、ｉ）立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）と、ＴｉＣ_ｙＮ_１－ｙ（式中、０≦ｙ≦１）を含む結合相とを含む基材であって、結合相が、ｅ）エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で測定される、基材中のＴｉに対するＡｌの正味強度比が０．５０未満として表されるアルミニウム；および／またはｆ）基材中のＴｉに対するＷの正味強度比が０．０３５未満として表されるタングステン；および／またはｇ）ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するＴｉＢ_２（１０１）ピークの正味ピーク高さの比が０．０９未満であるとして表される；および／またはｈ）ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するα－アルミナ（１１６）ピークの正味ピーク高さの比が０．０６未満であるとして表されるα－アルミナ（１１６）の不純物を含む結合相と、ｉｉ）元素の周期律表の第４族、第５族もしくは第６族に属する１つもしくは複数の元素の窒化物、または元素の周期律表の第４族、第５族もしくは第６族に属する１つもしくは複数の元素と一緒Ａｌおよび／もしくはＳｉの窒化物から構成される少なくとも１つの窒化物を含む、基材上に堆積されたコーティングとを含むコーティングされた切削工具に関する。本発明はまた、そのようなコーティングされた切削工具をもたらすための方法に関する。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｉ）立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）と、ＴｉＣ_ｙＮ_１－ｙ（式中、０≦ｙ≦１）を含む結合相とを含む基材であって、結合相が、
ａ）エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で測定される、基材中のＴｉに対するＡｌの正味強度比が０．５０未満として表されるアルミニウム；および／または
ｂ）基材中のＴｉに対するＷの正味強度比が０．０３５未満として表されるタングステン；および／または
ｃ）ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するＴｉＢ_２（１０１）ピークの正味ピーク高さの比が０．０９未満であるとして表されるＴｉＢ_２（１０１）；および／または
ｄ）ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するα－アルミナ（１１６）ピークの正味ピーク高さの比が０．０６未満であるとして表されるα－アルミナ（１１６）
の不純物を含む基材と、
ｉｉ）元素の周期律表の第４族、第５族もしくは第６族に属する１つもしくは複数の元素の窒化物、または元素の周期律表の第４族、第５族もしくは第６族に属する１つもしくは複数の元素と一緒にＡｌおよび／もしくはＳｉの窒化物から構成される少なくとも１つの層を含む、基材上に堆積されたコーティングと
を含むコーティングされた切削工具。

【請求項2】

基材の表面が、交線法で測定される、表面積の少なくとも５５％および９５％未満である立方晶窒化ホウ素の被覆率を有する、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】

基材中の立方晶窒化ホウ素の含有量が、基材の全体積に対して２５～７５体積％の範囲である、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】

コーティングが、前記少なくとも１つの窒化物層上に堆積されたＺｒＮ層をさらに含む、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】

カロテストで測定される、基材に対する窒化物層の接着性ρが＜０．６である、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】

支持体をさらに含み、前記基材および前記コーティングが、支持体に取り付けられた刃先チップを構成する、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】

前記刃先チップが、支持体上のろう付けされたチップとして設けられている、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】

前記刃先チップが、前記支持体と前記基材との間の領域を被覆しているろう付けジョイントを介して前記支持体にろう付けされている、請求項６または７に記載のコーティングされた切削工具。

【請求項9】

コーティングされた切削工具の基材が、ＦＩＢ－ＳＥＭ断面により測定される、山谷間距離Ｒｚ_ｃＢＮが０．６０～３μｍの範囲であるとして表される粗さを有する、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】

結合相が、
ｂ．基材中のＴｉに対するＷの正味強度比が０．０３５未満として表されるタングステン；および
ｄ．ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するα－アルミナ（１１６）ピークの正味ピーク高さの比が０．０６未満であるとして表されるα－アルミナ（１１６）
の不純物を含む、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】

基材上に堆積されたコーティングが、少なくとも１つのＴｉＡｌＮの層を含む、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】

ｉ）立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）と、ＴｉＣ_ｙＮ_１－ｙ（式中、０≦ｙ≦１）を含む結合相とを含む焼結された複合体をイオンエッチングによって、焼結された複合体の少なくとも２００ｎｍの平均表面除去に相当する少なくとも２００ｎｍの平均深さにすることにより、基材を用意することであって、結合相が、
ａ）エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で測定される、基材中のＴｉに対するＡｌの正味強度比が０．５０未満として表されるアルミニウム；および／または
ｂ）エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で測定される、基材中のＴｉに対するＷの正味強度比が０．０３５未満として表されるタングステン；および／または
ｃ）ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するＴｉＢ_２（１０１）ピークの正味ピーク高さの比が０．０９未満であるとして表されるＴｉＢ_２（１０１）；および／または
ｄ）ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するα－アルミナ（１１６）ピークの正味ピーク高さの比が０．０６未満であるとして表されるα－アルミナ（１１６）
の不純物を含む、基材を提供することと、
ｉｉ）元素の周期律表の第４族、第５族もしくは第６族に属する１つもしくは複数の元素の窒化物、または元素の周期律表の第４族、第５族もしくは第６族に属する１つもしくは複数の元素と一緒にＡｌおよび／もしくはＳｉの窒化物から構成される少なくとも１つの層を含む、基材上に堆積されたコーティングと
を含む、コーティングされた切削工具を作製する方法。

【請求項13】

イオンエッチングが、交線法で測定される、立方晶窒化ホウ素の表面被覆率が、表面積の少なくとも５５％になることが得られるまで実施される、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

イオンエッチングが、プラズマイオンエッチングによって実施される、請求項１２または１３に記載の方法。

【請求項15】

エッチングの時間が、６０～１２０分、好ましくは６０～１００分の範囲である、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

焼結された複合体が、４００～１２００ｎｍの平均深さにエッチングされる、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項17】

窒化物層が、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）によって基材上に堆積される、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

結合相が、
ｂ．エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で測定される、基材中のＴｉに対するＷの正味強度比が０．０３５未満として表されるタングステン；および
ｄ．ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するα－アルミナ（１１６）ピークの正味ピーク高さの比が０．０６未満であるとして表されるα－アルミナ（１１６）
の不純物を含む、請求項１２から１７のいずれか一項に記載の方法。

【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（ｃＢＮ）ベースの基材上にコーティングを含むコーティングされた切削工具、およびそれを作製する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特に硬化鋼、例えば硬化された玉軸受鋼を機械加工するための立方晶窒化ホウ素ベースの基材を有するコーティングされた切削工具は、当技術分野で周知である。従来から作製されている工具は、ｃＢＮ粒子が、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）結合相中に分散されているｃＢＮベースの基材を含む。Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）結合相は、一般に、例えば、Ｗ化合物、ＴｉＢ_２およびα－アルミナといった不純物を含む。現在これは、靱性および耐摩耗性の低下をもたらすおそれがあることが見出されている。そのような不純物は、原材料の処理中に非意図的に配合もしくは添加されるか、またはｃＢＮ粒子および結合相が、焼結された複合体を製造するために高圧高温の条件にさらされると、焼結プロセス中に形成されることがある。ｃＢＮベースの基材中にそのような不純物を有する結合相を含有する焼結された複合体のその後の研削は、表面を傷つけ、基材に堆積したコーティングの接着性の低下をもたらすことが多い。

【0003】

ＰＶＤでコーティングされた基材は、コーティングされていない基材と比較して耐摩耗性特性が改善される利点があることが知られている。しかし、ＰＶＤコーティングの接着性は、必ずしも満足できるものではなく、寿命が限られている。当技術分野では、接着性を改善するために、基材と、非金属層、金属層、または相互拡散層を含むコーティングとの間に、中間層を用いることが教示されている。これは、ＰＶＤコーティングは、基材と直接接するようには基材上に堆積されないことを意味する。そのような中間層は、一般に弱く、したがって最適な結合強度にはならない。したがって、基材とコーティングとの間の接着性をさらに改善し、工具寿命を延ばすことが望ましい。このように、本発明の目的は、中間層を用いないコーティング、特にｃＢＮベースの基材上に堆積された（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎコーティング、例えば、ＰＶＤ法で堆積されたコーティングの接着性を改善することである。本発明のさらなる目的は、コーティングされた切削工具に対して、改善された耐摩耗性、耐寿命および靱性を付与することである。さらなる目的は、コーティングへの工作物材料の拡散を低減させることである。

【発明の概要】

【0004】

本発明は、
ｉ）立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）と、ＴｉＣ_ｙＮ_１－ｙ（式中、０≦ｙ≦１）を含む結合相とを含む基材であって、結合相が、
ａ）エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で測定される、基材中のＴｉに対するＡｌの正味強度比が０．５０未満として表されるアルミニウム；および／または
ｂ）基材中のＴｉに対するＷの正味強度比が０．０３５未満として表されるタングステン；および／または
ｃ）ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するＴｉＢ_２（１０１）ピークの正味ピーク高さの比が０．０９未満であるとして表されるＴｉＢ_２；および／または
ｄ）ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するα－アルミナ（１１６）ピークの正味ピーク高さの比が０．０６未満であるとして表されるα－アルミナ
の不純物を含む基材と、
ｉｉ）元素の周期律表の第４族、第５族もしくは第６族に属する１つもしくは複数の元素の窒化物、または元素の周期律表の第４族、第５族もしくは第６族に属する１つもしくは複数の元素と一緒にＡｌおよび／もしくはＳｉの窒化物から構成される少なくとも１つの層を含む、基材上に堆積されたコーティングと
を含むコーティングされた切削工具に関する。

【0005】

一実施形態によれば、結合相は、上述のように少なくともｂ）およびｄ）の不純物を含む。

【0006】

一実施形態によれば、基材中に含まれている立方晶窒化ホウ素は、基材の全体積に対して、２０～７５、例えば２５～７０または３０～７０、好ましくは４０～７０、最も好ましくは５０～７０または５５～７０体積％の範囲の量で存在する。本明細書で使用される用語ＴｉＣＮ（２００）ピークは、ＴｉＣＮが、ＴｉＣ_０．７Ｎ_０．３であるとみなす。

【0007】

一実施形態によれば、基材中に含まれている少なくとも７０体積％、好ましくは少なくとも８０体積％、最も好ましくは少なくとも９０体積％、または少なくとも９５体積％またはすべての硬質材料は、立方晶窒化炭素（ｃＢＮ）である。

【0008】

好ましくは、結合相は、ＴｉＣ_ｙＮ_１－ｙを主成分とし、（式中、例えば、０．４≦ｙ≦０．９または０．６≦ｙ≦０．８）遷移金属炭化物、窒化物または炭窒化物の添加の可能性がある。一実施形態によれば、結合相は、８０～１００、より好ましくは９０～９５体積％のＴｉＣ_ｙＮ_１－ｙを含む（式中、ｙ＜１）。

【0009】

他の実施形態によれば、結合相は、８０～１００、より好ましくは９０～９５体積％のＴｉＣを含む。

【0010】

一実施形態によれば、結合相は、８０～１００、より好ましくは９０～９５体積％のＴｉＮを含む。

【0011】

一実施形態によれば、結合相中のｃＢＮの粒子は、それぞれ、０．１～１．２μｍおよび２～６μｍ、好ましくは０．２から０．６μｍおよび３～５μｍの範囲の平均粒子径の双峰性の粒度分布を有する。規定範囲の双峰性の粒度分布を用いて、靱性の向上が得られることがある。

【0012】

多くの従来の基材において、処理装置からのＷおよび大気からのＯまたは混合する液体を含む不純物は、原材料処理および複合体の焼結中に取り込まれ、少量のＡｌは、焼結助剤として通常添加される。このことは、焼結中の高温高圧条件にさらされると、不純物を含有するＷ、ならびに結合相中に形成される特にＴｉＢ_２およびα－Ａｌ_２Ｏ_３の形成の原因となる。

【0013】

詳細には、一定レベルのこれらの不純物は、基材に対するコーティングの接着性、ひいてはコーティングされた切削工具の工具寿命にも悪影響があることが見出された。

【0014】

一実施形態によれば、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で測定される、基材中のＴｉに対するＯの正味強度比として表される不純物の酸素は、０．０３６未満であり、または０．０３０未満であり、または実質的に０であり、または０．００５を上回り、または０．０１０を上回る、とはいえ本明細書で規定される任意の上限を下回る。

【0015】

一実施形態によれば、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で測定される、基材中のＴｉに対するＷの正味強度比として表される不純物のタングステンは、０．０３０未満であり、または０．０２０未満であり、または０．０１０未満であり、例えば０．００５未満であり、または０．００２８未満であり、または０．００２６未満であり、または実質的に０であり、または０．００１０を上回る、または０．００１５を上回る、とはいえ本明細書で規定される任意の上限を下回る。

【0016】

一実施形態によれば、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で測定される、基材中のＴｉに対するＡｌの正味強度比として表される不純物のアルミニウムは、０．４９未満であり、または０．４８未満であり、または０．４７未満であり、または０．４６未満であり、または実質的に０であり、または０．０５を上回る、または０．２０を上回る、または０．３０を上回る、とはいえ本明細書で規定される任意の上限を下回る。

【0017】

本発明による基材のＸＲＤ測定は、事実上ＴｉＢ_２の反射がなく、α－アルミナからの回折が弱いことは、焼結された複合体に対して起こり、焼結された複合体はＴｉＢ_２の含有量がない、または実質的にＴｉＢ_２の含有量がない、かつα－アルミナの含有量がわずかであることを意味することを示した。

【0018】

一実施形態によれば、ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するＴｉＢ_２（１０１）ピークの正味ピーク高さの比として表されるＴｉＢ_２は、０．０７未満、または０．０５未満または０．０３未満であり、またはより好ましくは０．０２未満であり、または実質的に０であり、または０．００５を上回るが、本明細書で規定される任意の上限を下回る。

【0019】

一実施形態によれば、ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するα－アルミナ（１１６）ピークの正味ピーク高さの比として表されるα－アルミナは、０．０５６未満または０．０５５未満または０．０５４未満または０．０５３未満または０．０５２未満または０．０５１未満または０．０５０未満または０．０４０未満であり、または実質的に０であり、または０．０１を上回り、または０．０２を上回るが、本明細書で規定される任意の上限を下回る。

【0020】

一実施形態によれば、ＦＩＢ－ＳＥＭ断面により山谷間高さ測定（Ｐｅａｋ－ｔｏ－Ｖａｌｌｅｙ ｈｅｉｇｈｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）によって測定される、基材の表面粗さＲｚ_ｃＢＮは、０．６０μｍ～３μｍ、好ましくは０．６０μｍ～１．５μｍ、最も好ましくは０．７５μｍ～１．００μｍの範囲である。

【0021】

一実施形態によれば、基材の表面は、交線法（ｌｉｎｅ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）で測定される、表面積の少なくとも５５％および９５％未満である立方晶窒化ホウ素の被覆率を有する。

【0022】

一実施形態によれば、基材の表面は、交線法で測定される、表面積の多くても９５％、例えば多くても９０％または多くても８５％または多くても８０％または多くても７５％である立方晶窒化ホウ素の被覆率を有する。

【0023】

一実施形態によれば、基材表面の硬度は、２，２００～３，０００、好ましくは２，５００～２，８００、最も好ましくは２，６００～２，７００ビッカースの範囲である。硬度は、基材の刃先に沿って、最大荷重が２ｍＮで１００回測定することで算出される。

【0024】

一実施形態によれば、押し込み係数（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ）ＥＩＴは、５００～７００ＧＰａ、好ましくは５３０～６００ＧＰａの範囲である。

【0025】

一実施形態によれば、結合相の含有量は、基材の全体積に対して２５～７５体積％の範囲である。

【0026】

一実施形態によれば、コーティングされた切削工具は、コーティングされた支持体をさらに備え、本明細書で規定される基材およびコーティングは、支持体に取り付けられた刃先チップを構成する。

【0027】

一実施形態によれば、刃先チップは、支持体上のろう付けされたチップとして設けられている。

【0028】

一実施形態によれば、刃先チップは、上記支持体と上記基材との間の領域を被覆しているろう付けジョイントを介して上記支持体にろう付けされている。

【0029】

本明細書で使用される用語「焼結された複合体」は、ＴｉＣ_ｙＮ_１－ｙを含む結合相および少なくとも立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の硬質材料から構成される任意の焼結体を含むものとする。好ましくは、「焼結された複合体」は、精密に研削され、例えば、当技術分野で周知のようにデジタル制御された精密な研削機を用いるダイヤモンド研削砥石、または基材を形成する他の既知の方法、例えばレーザ製造によって、基材を形成する。基材を形成する研削プロセスまたは他の方法において、ｃＢＮの焼結された複合体の表面は、ｃＢＮ粒子のチッピングで、または結合相のスミアリングで、例えば靱性またはコーティング密着性が損失するまで損傷を受けることが度々ある。

【0030】

好ましい一実施形態において、基材は、研削前に、ろう付けまたは焼結によって支持体に取り付けられる。一実施形態によれば、支持体は、１つまたは複数のさらなる硬質な材料、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）を含んでもよい。

【0031】

焼結された複合体の状況での用語「表面」は、堆積されたコーティングと接触する表面から焼結された複合体のバルクに対して垂直に延在しているゾーンを含むものとする。ゾーンの厚みは、研磨材料の粒子径と比較され得、例えば、最大で約３，０００ｎｍもしくは１，５００ｎｍ、例えば最大で１，２００ｎｍもしくは５００ｎｍまたは最大で２００ｎｍになることがある。

【0032】

一実施形態によれば、上記少なくとも１つの窒化物層は、好ましくはＣｒＮ、ＴｉＮ、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ、ＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、より好ましくはＣｒＮ、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ、ＮｂＮ、およびＴｉＳｉＮ、ならびに最も好ましくはＴｉＡｌＮまたはＴｉ_ｘＡｌ_１－ｘＮとして表されることが望ましい（式中、ｘは、０．３から０．７の範囲である）。

【0033】

一実施形態によれば、コーティングは、上記少なくとも１つの窒化物層上に堆積されたＺｒＮ層をさらに含む。

【0034】

一実施形態によれば、カロテストで測定される、基材に対する上記少なくとも１つの窒化物層の接着性ρは、＜０．６、好ましくは＜０．５または＜０．３５または＜０．２である。

【0035】

一実施形態によれば、上記少なくとも１つの窒化物、例えば（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の粒子は、柱状粒子の平均幅を有し、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の下側接触面から最大で２μｍ、すなわち基材表面から２μｍ、８０～２５０ｎｍ、好ましくは８０～１７５ｎｍ、最も好ましくは１００～１５０ｎｍの距離で測定される。

【0036】

一実施形態によれば、上記少なくとも１つの窒化物、例えば（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎは、０．１～１５μｍ、例えば０．５～１０μｍ、好ましくは１～６μｍ、最も好ましくは２～４μｍまたは２～３μｍの厚みを有する。

【0037】

一実施形態によれば、上記少なくとも１つの窒化物の多層中の副層タイプ、例えば多層中の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ副層タイプは、好ましくは、１～１００ｎｍ、好ましくは１．５～５０ｎｍ、最も好ましくは２～２０ｎｍの平均厚みを有する。

【0038】

一実施形態によれば、異なる窒化物副層タイプ、例えば（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ副層タイプにおいて、異なる（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ副層タイプ間の平均厚みの比は、０．５～２、好ましくは０．７５から１．５である。

【0039】

一実施形態によれば、窒化物層、例えば（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層は、≧３０００ＨＶ（１５ｍＮ荷重）、好ましくは３，５００～４，２００ＨＶ（１５ｍＮ荷重）のビッカース硬度を有する。硬度測定は、１５ｍＮの最大荷重でビッカースピラミッドを用いる、硬度測定装置ＰＩＣＯＤＥＮＴＯＲ（商標登録）ＨＭ５００（ＨｅｌｍｕｔＦｉｓｃｈｅｒＧｍｂＨ、Ｓｉｎｄｅｌｆｉｎｇｅｎ－Ｍａｉｃｈｉｎｇｅｎ、Ｇｅｒｍａｎｙ）によって、２０秒の負荷持続時間および負荷軽減持続時間ならびに５秒の荷重保持持続時間で実施された。測定の評価は、オリバー・ファー法（Ｏｌｉｖｅｒ－Ｐｈａｒｒ ｍｅｔｈｏｄ）に従って行われた。

【0040】

一実施形態によれば、コーティングは、単一のモノリシック層、または、例えば、１～１００ｎｍの範囲である平均厚みを有することがある副層のそれらの組成物が異なる２つ以上の交互の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ副層タイプの多層のどちらか一方である（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を含む。

【0041】

一実施形態によれば、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの粒子は、柱状であり、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層の増加する厚みのある増加する（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの粒子幅を有することが好ましい。

【0042】

本発明は、
ｉ）立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）と、ＴｉＣ_ｙＮ_１－ｙを含む結合相とを含む焼結された複合体をイオンエッチングによって、焼結された複合体の少なくとも２００ｎｍの平均表面除去に相当する少なくとも２００ｎｍの平均深さにすることにより、基材を用意することであって、結合相が、
ａ）エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で測定される、基材中のＴｉに対するＡｌの正味強度比が０．５０未満として表されるアルミニウム；および／または
ｂ）基材中のＴｉに対するＷの正味強度比が０．０３５未満として表されるタングステン；および／または
ｃ）ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するＴｉＢ_２（１０１）ピークの正味ピーク高さの比が０．０９未満であるとして表されるＴｉＢ_２；および／または
ｄ）ＸＲＤで測定される、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さに対するα－アルミナ（１１６）ピークの正味ピーク高さの比が０．０６未満であるとして表されるα－アルミナ
の不純物を含む、基材を用意することと、
ｉｉ）元素の周期律表の第４族、第５族もしくは第６族に属する１つもしくは複数の元素の窒化物、または元素の周期律表の第４族、第５族もしくは第６族に属する１つもしくは複数の元素と一緒にＡｌおよび／もしくはＳｉの窒化物から構成される少なくとも１つの層を含む、基材上に堆積されたコーティングと
を含む、コーティングされた切削工具を作製する方法に関する。

【0043】

一実施形態によれば、結合相は、ｂ）およびｄ）の不純物を含む。

【0044】

一実施形態によれば、交線法で測定される、立方晶窒化ホウ素の表面被覆率は、表面積の少なくとも５５％、例えば、少なくとも６５％または少なくとも７５％である。

【0045】

一実施形態によれば、交線法で測定される、基材の表面は、立方晶窒化ホウ素の被覆率が、依然として表面積の多くても９５％、例えば多くても９０％または多くても８５％または多くても８０％または多くても７５％であるような程度に、イオンエッチングされている。

【0046】

一実施形態によれば、イオンエッチングは、プラズマイオンエッチングによって実施される。

【0047】

一実施形態によれば、イオンエッチングの時間は、３０～３００分、例えば６０分～２００分または６０～１５０分または９０～１５０分の範囲である。一実施形態によれば、エッチングの時間は、６０～１２０分の範囲である。

【0048】

一実施形態によれば、焼結された複合体は、平均深さ＞２００ｎｍ、好ましくは２００～１，５００ｎｍ、より好ましくは４００～１，２００ｎｍ、最も好ましくは６００～１，０００ｎｍ、例えば７００～９００ｎｍにエッチングされている。

【0049】

一実施形態によれば、上記窒化物から構成される少なくとも１つの層は、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）によって基材上に堆積されている。

【0050】

一実施形態によれば、コーティングは、ＰＶＤ法、例えば陰極スパッタリング（スパッタ堆積）、陰極の真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）、イオンプレーティング、電子ビーム蒸着およびレーザアブレーションで基材上に堆積されている。陰極スパッタリング、例えばマグネトロンスパッタリング、反応性マグネトロンスパッタリングおよび高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）ならびにアーク蒸着堆積は、コーティングの堆積用に使用され得る切削工具のコーティングのための最も高い頻度で使用されるＰＶＤプロセスの一部である。一実施形態によれば、コーティングは、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）によって堆積されることが好ましい。

【0051】

高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）において、マグネトロンは、パルスモードにおいて高い電流密度で操作され、さらに密な層の形で、詳細にはスパッタリングされた材料の改善されたイオン化に起因して、改善された層構造をもたらす。ＨＩＰＩＭＳプロセスにおける標的の電流密度は、通常、標準的なＤＣ－ＭＳの電流密度を上回る。材料に応じて、ＨＩＰＩＭＳによってスパッタリングされた粒子の最大で１００％のイオン化は、達成され得る。同時に、標的に作用する短期高電力および放電電流密度は、それぞれ、成長メカニズムおよび下の材料に対する層の結合を変化させ得るイオン化の程度の向上を付与し、その結果、層特性への影響力を有する。

【0052】

ＨＩＰＩＭＳプロセスにおける、微細な結晶さらには柱状の結晶層構造も実現され得、ＤＣ－ＭＳ層と比較して、それに関連した改善された摩耗挙動およびより長い耐用年数で特徴付けられる。

【0053】

一実施形態によれば、ＺｒＮ層は、上記の少なくとも１つの窒化物層、例えば（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層上に堆積されてもよく、ＺｒＮの単層または重なり合って配置された複数の層からなってもよい。しかしながら、被覆層が、重なり合って配置されたＺｒＮの複数の層からなる場合、これらは、１つまたは複数のＺｒ標的から堆積されるが、異なる堆積パラメータを有するＨＩＰＩＭＳプロセスの複数の工程において堆積される。

【0054】

一実施形態によれば、１ｎｍ～７００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ～３００ｎｍの全厚を有するＺｒＮの１つまたは複数の層は、窒化物から構成される少なくとも１つの上記層、例えば（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層上に堆積される。

【0055】

ＺｒＮ層は、装飾機能を有することがあるが、摩耗検出としても機能することがあり、したがって、その摩耗度で工具が、すでに使用されたかどうか、使用されたときのその摩耗度を示す。Ｚｒ層上に配置される層がこれ以上ない場合、ＺｒＮ被覆層は、工具を黄金色にし、この色は、ＨＩＰＩＭＳプロセスパラメータの調整により異なる色合いの間で変化させられ得る。例えば、黄金色の色合いの輝度は、ＨＩＰＩＭＳプロセスにおける窒素分圧をそれぞれ調整することで変化させられ得る。ＨＩＰＩＭＳプロセスにおけるＺｒＮ層の堆積は、ＴｉＡｌＮ層と同様、被覆層に対する機能層の堆積に由来するプロセス制御の観点から利点を有する。さらに、ＺｒＮ層の提供は、詳細には、例えば航空宇宙産業および機械加工のステンレス鋼において使用されているチタン合金の機械加工において摩擦化学的利点を有する。ＺｒＮ層の堆積のために、ＺｒＮ層のために堆積される材料からなるスパッタリング標的に印加する必要がない。

【0056】

好ましくは、ＴｉＡｌＮは、プロセスの第１の部分および第２の部分の間に窒素ガスの分圧を変えることで堆積され、それにより窒素は、プロセスの第２の部分の間はより高分圧を有し、かつプロセスの第１の部分の間はより低分圧を有する。ＷＯ２０１６／１２８５０４は、ＴｉＡｌＮがどのように堆積されることができるのか、本発明において適用されることもできるのかというプロセス条件をさらに開示する。

【0057】

一実施形態によれば、任意のコーティング層の堆積は、＞０．２ｋＷ／ｃｍ^２、好ましくは＞０．４ｋＷ／ｃｍ^２、最も好ましくは＞０．７ｋＷ／ｃｍ^２のピーク電力密度、好ましくは＞０．２Ａ／ｃｍ^２、より好ましくは＞０．３Ａ／ｃｍ^２、最も好ましくは＞０．４Ａ／ｃｍ^２のピーク電流密度；ならびに好ましくは≧１，０００Ｖからの最大ピーク電圧で実施される。

【0058】

一実施形態によれば、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および任意選択で任意の追加層は、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）によって堆積され、電気パルスは、堆積される材料からなるそれぞれのスパッタリング標的にコーティングチャンバー内で印加され、電気パルスは、≧１，０００Ｗ／ｃｍ^２のパルスにおいて最大出力密度を上回るエネルギーの量をスパッタリング標的に伝達する。

【0059】

さらなる実施形態では、窒化物層例えば（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および任意のさらなる（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層上に堆積された層は、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）によって印加され、それにより電気パルスは、堆積される材料からなるそれぞれのスパッタリング標的に、コーティングチャンバー内で印加され、電気パルスは、≧１Ａ／ｃｍ^２、好ましくは≧３Ａ／ｃｍ^２のパルスの放電電流密度を有する。

【0060】

一実施形態によれば、最大ピーク電圧は、１，０００～３，０００Ｖ、好ましくは１，５００～２，５００Ｖの範囲である。

【0061】

一実施形態によれば、マグネトロンスパッタリング中の基材温度は、３５０～６００℃、または４００～５００℃であることが好ましい。

【0062】

一実施形態によれば、ＨＩＰＩＭＳプロセスに用いられるＤＣバイアス電圧は、２０～１５０Ｖ、好ましくは３０～１００Ｖである。

【0063】

一実施形態によれば、ＨＩＰＩＭＳプロセスにおける平均出力密度は、２０～１００Ｗ・ｃｍ^－２、好ましくは３０～７５Ｗ・ｃｍ^－２の範囲である。

【0064】

一実施形態によれば、ＨＩＰＩＭＳプロセスに用いられるパルス長は、２μｓ～２００ｍｓ、好ましくは１０μｓ～１００ｍｓ、より好ましくは２０μｓ～２０ｍｓ、最も好ましくは４０μｓ～１ｍｓの範囲である。

【0065】

一実施形態によれば、切削工具は、インサート、ドリルまたはエンドミルである。

【0066】

本発明はまた、硬化鋼、例えば、玉軸受鋼または４０ＨＲｃよりも高い、好ましくは５５ＨＲｃよりも高い、最も好ましくは５９ＨＲｃよりも高い硬度を有する他の硬化鋼を機械加工するためのコーティングされた切削工具の使用に関する。

【図面の簡単な説明】

【0067】

【図1】カロテストの模式図である。

【図2】カロテスト後の基材とコーティングとの間の境界線を表す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0068】

方法
ＥＤＸ：ｃＢＮ基材の結合相中のアルミニウム、酸素、およびタングステンの含有量は、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）分析で、チタン含有量に対する正味強度比として推定され、示された。結合相分析は、１５ｋｅＶの電子エネルギーを用いる走査型電子顕微鏡、およびＯｃｔａｎｅＰｌｕｓＸ線検出器（ＭｎＫピークでのエネルギー分解能１３０ｅＶ、検出エリア１０ｍｍ^２、ペルチェ冷却）が付いたＥＤＡＸ分析システムを用いることで、金属組織用の研磨片で行われた。Ｗ_Ｍ、Ｏ_ＫおよびＡｌ_Ｋの正味の積分されたそれぞれのピーク強度は、チタン含有量に対する正味強度比としてそれぞれの元素Ｗ、ＯおよびＡｌの含有量を示すために、正味の積分されたＴｉ_Ｋピークと分離された。

【0069】

ＸＲＤ（ＳｅｉｆｅｒｔＧＥ３００３ＰＴＳ、ＣｕＸ線源、ポリキャピラリーピンホール（ｐｏｌｙｃａｐｉｌｌａｒｙ ｐｉｎｈｏｌｅ）１ｍｍ、平行平板コリメーター０．４°、エネルギー分散型検出器Ｍｅｔｅｏｒ０Ｄ）；ＴｉＣＮ結合相中の不純物相Ａｌ_２Ｏ_３およびＴｉＢ_２の含有量を推定するために、Ｘ線回折データは、Ｂｒａｇｇ－Ｂｒｅｎｔａｎｏジオメトリで記録された。α－アルミナ（１１６）ピークおよびＴｉＢ_２（１０１）ピークの正味ピーク高さは、ＴｉＣＮ（２００）ピークの正味ピーク高さで除算され、結合相の不純物相含有量の測定として不純物相の相対ピーク高さ比を得た。

【0070】

カロ分析：
カロテストは、図１に示されているように、回転金属小球（３）による研削によってコーティングに研削痕（＝カロ）を作ることによって実施された。カロから光学顕微鏡像を入手する。金属小球（３）は、磁石で固定されたインサートと軸との間に位置する。軸の回転により小球（３）が回転し、１μｍのダイヤモンドサスペンションを用いて研削によってコーティングに穴が作られる。軸の回転速度および研削時間は、基材（１）が、カロの中心に露出するようになるまでコーティングを貫通する穴が生じるように選択される。基材（１）とコーティング（２）との間の鮮明な境界線は、良好な接着性を示す。コーティング（２）と基材（１）との間のズタズタな境界線は、不良な接着性を示す。

【0071】

目に見える最も深い基材の直径は、約ｄ＝２００μｍ～４５０μｍの範囲内であった。測定は、コーナーに近い、それぞれのエッジから約１ｍｍ離れたところで実施された。接着性の品質を判定するとき、半径ｒ１およびｒ２は、測定された。ｒ１は、半径ｒ２の、基材とコーティングとの接触面から距離ｔにあるコーティングの半径に対応する。ｒ１およびｒ２の測定、ならびに回転する小球Ｒの半径（本発明の実施例では１．５ｃｍ）を知ることで、半径ｒ２から半径ｒ１までの、基材とコーティングの接触面から垂直に延在している厚みｔは、式（１）に従って計算され得る（図１および２を参照）。
ｔ＝ｓｑｒｔ（Ｒ^２－ｒ１^２）－ｓｑｒｔ（Ｒ^２－ｒ２^２） （１）

【0072】

半径ｒ２は、半径ｒ１およびｒ２によって囲まれているように、剥がれた材料の面積を実測することで算出された。

【0073】

全コーティングの全厚みは、半径ｒ３とｒ２の差に対応し、すなわち以下のとおりである。
ｔ_{ｔｏｔａｌ ｃｏａｔｉｎｇ}＝ｒ３－ｒ２ （２）

【0074】

形成されたカロ円のサイズと無関係である比ρは、コーティングのｒ３に対応する全厚みで除算したｒ２のコーティング厚みとして定義され、すなわち以下のとおりである。
ρ＝ｔ／ｔ_{全コーティング} （３）

【0075】

ρの値が低いほど、接着性は良い。

【0076】

交線法：
コーティングされていない基材上のｃＢＮ粒子の表面被覆率は、走査型電子顕微鏡写真の適切な倍率、例えば２，０００倍で、長さを測定する６０μｍの線を引くこと、およびその後にｃＢＮ粒子を二等分するすべての線分をマーキングすることで推定された。次に、これらのすべての線分の組み合わされた長さは、加算され、全線長さで除算され、ｃＢＮ被覆率数が得られた。合計５つの線が引かれ、ｃＢＮ粒子の表面被覆率は、５つのｃＢＮ被覆率数の平均として計算された。

【0077】

断面分析：
Ｚｅｉｓｓ Ｃｒｏｓｓｂｅａｍ ５４０ ＦＩＢ（集束イオンビーム分析）装置は、Ｇａイオンを用いるイオンビームミリングでｃＢＮ基材の断面を製造するために使用された。基材の表面粗さは、２５．３μｍの測定長さを超える断面における基材表面と垂直な山谷間距離Ｒｚ_ｃＢＮの測定で算出された。測定（高さ測定）のために使用される山および谷は、測定された長さの中でそれぞれ最も高い山および最も低い谷に相当する。

【実施例】

【0078】

実施例１
以下で規定するとおり、市販の基材、Ｅｌｅｍｅｎｔ ＳｉｘからのＤＨＡ６５０およびＩｌｊｉｎ ＤｉａｍｏｎｄからのＳＢＳ６００は、イオンエッチング、およびその次に表６に記載されているプロセス条件でのコーティング工程によって処理した。イオンエッチングを、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ Ｂａｌｚｅｒｓ Ｉｎｇｅｎｉａシステムで実施した。イオンエッチング速度は、エッチングしたすべての試料で７．５ｎｍ／ｍｉｎとした。
装置タイプ： Ｂａｌｚｅｒｓ Ｉｎｇｅｎｉａ Ｓ３Ｐ
温度： ４３０℃
バイアス電圧：２００Ｖ
基材回転： ５０％
アルゴン： ５７０ｓｃｃｍ
出力： ２×１５ｋＷ
Ｔパルス： ０．０５ｍ秒

【0079】

基材：
ＤＨＡ６５０：６５体積％のｃＢＮならびに３５体積％のＴｉＣＮベースの結合相（ＴｉＣ_０．７Ｎ_０．３）および不可避的不純物を組み合わせたもの。ＥＤＸで測定される、不純物のＴｉに対する不純物正味強度比は、次のとおりであった：

【0080】

ＸＲＤで測定される、不純物相相対ピーク高さは、次のとおりであった：

【0081】

および、ｃＢＮ粒子の表面被覆率は、線交差法（ｌｉｎｅ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）で、次のとおり測定された（結果％単位）：

【0082】

ＳＢＳ６００（参照の基材）：６０体積％のｃＢＮならびに４０体積％のＴｉＣＮベースの結合相および不可避的不純物を組み合わせたもの。Ｔｉに対する不純物正味強度比は、次のとおりであった：

【0083】

ＸＲＤで測定される、不純物相相対ピーク高さは、次のとおりであった：

【0084】

コーティング：
Ｗ：（Ｔｉ_４０Ａｌ_６０）Ｎ／ＺｒＮ
Ｔ：（Ｔｉ_４０Ａｌ_６０）Ｎ／（Ｔｉ_７５Ｓｉ_２５）Ｎ

【0085】

６２ＨＲｃまで通し焼き入れされた１００ＣｒＭｏ７－３スチールの連続回転中に、コーティングされた切削工具の性能を評価した。切削速度は２２０ｍ／分、切り込み深さは０．２ｍｍ、送り量０．１５ｍｍ／ｒｅｖであった。逃げ面の摩耗痕を測定し、工具寿命の終期を、逃げ面摩耗がｖ_ｂ＝０．２０ｍｍに達したときと設定した。

【0086】

表１で言及され得るように、本発明ＤＨＡ６５０／Ｗ（イオンエッチング時間７０分）の工具寿命は、１９分の工具寿命を有するＤＨＡ６５０／Ｔ（イオンエッチング時間１５分）と比較し得る２８分であった。ＴおよびＷのコーティングの両方とも、基材ＤＨＡ６５０上に堆積された同じＴｉ_４０Ａｌ_６０Ｎ層を有しているので、ＷおよびＴのコーティングは、十分に同等であった。その結果、処理された基材と直接接触するＴｉ_４０Ａｌ_６０Ｎ層を有するＷおよびＴのコーティングの両方にとって、同じ処理で同じ接着性が得られることとなった。したがって、９分のより長い工具寿命の差（４７％の増加）を、１５分の指定されたイオンエッチング速度ではなく（１１２．５ｎｍ平均エッチング深さ）、７０分（５２５ｎｍの平均エッチング深さに対応する）でＤＨＡ６５０基材をイオンエッチングすることで得た。より長いイオンエッチング時間で基材を露光するとき、向上した接着性を得たことに起因して工具寿命の延長を実現した。

【0087】

さらに上記の効果は、比較例のＳＢＳ６００基材／Ｔコーティング（参照）よりも、ＤＨＡ６５０基材／Ｗコーティング（発明）に生じたフレーキングが少ないことであった。

【0088】

カロテストにおいて、参照のＳＢＳ６００／Ｔでは測定ρ値が２／３であったこととは対照的に、ＤＨＡ６５０／Ｗ（本発明による）では１／６の測定ρ値が得られ、接着の改善が認められた。当業者であれば、ＴｉＣＮ結合相、すなわち増強されたｃＢＮ被覆率を有する基材表面上で得られた接着性と比較して、ｃＢＮ材料上に堆積されたコーティングの接着性が弱いことを予測したであろうから、エッチング深さの向上（一定のエッチング速度でのより長いエッチング時間の直接の影響として）に続き、かつ本発明のより高いｃＢＮ表面被覆率に付随した、より長い工具寿命および改善された接着性は、驚くべきことであった。

【0089】

刃先に沿っての最大荷重が２ｍＮの測定を１００回行うことで得られたエッチングされた基材表面の硬度は、以下のとおりであった：
１５分エッチング ＥＩＴ＝４５６ＧＰａ ＨＶ＝２，１４５ビッカース
１０５分エッチング ＥＩＴ＝５６０ＧＰａ ＨＶ＝２，６５０ビッカース

【0090】

エッチング効果は、逃げ面、レーキおよびエッジで均一であった。

【図1】

【図2】

【国際調査報告】