JP7265491B2 - コーティングされた切削工具 - Google Patents

Description

発明の技術分野
本発明は、κ－アルミナの副層及びＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ又はＴｉＣＮＯの副層を有する多層を含む、コーティングされた金属切削工具に関する。

金属切削産業において、コーティングされた切削工具は当該技術分野で周知である。ＣＶＤコーティングされた切削工具及びＰＶＤコーティングされた切削工具は、２つの最も支配的なタイプである。切削工具上のコーティングの利点は、長い工具寿命をもたらすために重要である化学的摩耗及び研摩摩耗に対する耐性の改善などの効果である。

ＴｉＣＮの層とそれに続くアルミナの層を一緒に含むＣＶＤコーティングは、良好に機能することが知られている。いくつかの要求の厳しい作業において、多層ＣＶＤコーティングを施すことが有利であることが示されている。

欧州特許第０４６３０００号（ケナメタル）は、多層がアルミナ副層及び窒化物副層を含む多層コーティング超硬合金切削インサートを開示している。アルミナの副層は＜１．５μｍ、窒化物の副層は＜１μｍである。切削工具は、ＳＳ１６７２鋼における旋削加工において、耐フランク摩耗性及び耐クレータ摩耗性の改善を示した。

欧州特許第１２４５７００号（セコ）は、０．１－３．２μｍのκ－アルミナ及び０．３－１．２μｍのＴｉ（Ｃ、Ｎ）の副層を含む３－３０μｍの多層を備えたコーティングされた切削工具を開示している。切削工具は、ＳＳ１６７２鋼における旋削加工において、耐フランク摩耗性及び耐クレータ摩耗性の改善を示した。

以前に知られている切削工具よりも優れた性能を発揮する切削工具を提供するための努力が続けられている。技術的な解決策は、作業及びワークピースの材料によって異なる。高硬化鋼における旋削加工を目的とした切削工具は、ステンレス鋼におけるフライス加工用には最適化されていない。

本発明の１つの目的は、既知の切削工具と比較して改善された耐摩耗性を有するコーティングされた切削工具を提供することである。本発明のさらなる目的は、硬化鋼及び非合金鋼の旋削加工において改善された特性を有する切削工具を提供することである。本発明のさらなる目的は、旋削作業におけるクレータ摩耗及びフランク摩耗に対する改善された耐性を有する切削工具を提供することである。

これらの目的の少なくとも１つは、請求項１に記載の切削工具を用いて達成される。好ましい実施態様は、従属請求項に記載されている。

本発明は、基材と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し、コーティングは、κ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層とＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ又はＴｉＣＮＯの副層とが交互になったものからなる多層を含み、前記多層は、少なくとも３つのκ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層を含む。前記多層は、１５°－１４０°のθ－２θスキャンにわたってＸＲＤ回折を示し、０ ０ ２回折ピーク（ピーク面積）は、多層のうちのκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層に由来する最も強いピークである。

驚くべきことに、高い「０ ０ ｌ配向」、すなわちκ－Ａｌ_２Ｏ_３多層におけるκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層の０ ０ ｌ面（ｌ＝２、４、６などである）からの反射における高強度は、硬化鋼の旋削加工において非常に有望な耐摩耗性を与えることが見いだされた。

「切削工具」という略語は、本明細書において、フライス加工若しくは旋削加工のための切削インサート又はドリル又はエンドミルを示すことを意図している。切削工具は、金属切削用途に適している。

本発明の一実施態様において、各ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ又はＴｉＣＮＯ副層の平均厚さは１０－５００ｎｍ、好ましくは５０－２００ｎｍである。これらの副層が薄すぎる場合、その層がその下の層を完全に覆っていないというリスクがあり、このことは多層の特性を低下させるであろう。一方、これらの層が厚すぎる場合、層の特性は単層と同等になってしまうであろう。

本発明の一実施態様において、各κ－Ａｌ_２Ｏ_３副層の平均厚さは３０－９００ｎｍ、好ましくは５０－８００ｎｍ、より好ましくは１００－７００ｎｍである。これらの副層が薄すぎる場合、その層がその下の層を完全に覆っていないというリスクがあり、このことは多層の特性を低下させるであろう。一方、これらの層が厚すぎる場合、層の特性は単層と同等になってしまうであろう。

本発明の一実施態様において、コーティングは、基材と多層との間に配置されるα－Ａｌ_２Ｏ_３層をさらに含む。多層の下に配置されるα－Ａｌ_２Ｏ_３層は、それに続く多層の０ ０ ｌ配向を増加させる有望な手段であるという点で有利であることが示されている。

本発明の一実施態様において、前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層の厚さは、０．１－１０μｍ、好ましくは０．１－５μｍ、より好ましくは０．１－３μｍ、最も好ましくは０．３－２μｍである。前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層が薄すぎる場合、それに続くκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層の０ ０ ｌ配向のいかなる増加ももたらさないであろう。α－Ａｌ_２Ｏ_３層が１０μｍを超えるなど厚すぎる場合、コーティングの特性は脆弱となるであろう。

本発明の一実施態様において、コーティングは、基材と多層との間に配置されるＴｉＣＮ層をさらに含む。本発明の一実施態様において、前記ＴｉＣＮ層は、基材とα－Ａｌ_２Ｏ_３層との間に配置される。ＴｉＣＮ層は、好ましくは柱状粒子を含む。ＴｉＣＮ層は、切削工具の耐摩耗性に寄与するという点において有利であり、またＴｉＣＮ層の配向が成長中に発達することができるという点においても寄与し、このことは、それに続く層の配向にとって有利である。

本発明の一実施態様において、前記ＴｉＣＮ層の厚さは２－１５μｍである。ＴｉＣＮ層が薄すぎる場合、高配向性を発達させることによる利点は減少する。ＴｉＣＮ層が厚すぎる場合、コーティングは脆性に悩まされるであろう。

本発明の一実施態様において、ＴｉＣＮ層は、ＣｕＫα線及びθ－２θスキャンを使用するＸ線回折により測定される場合、ハリスの式に従って定義されるテクスチャ係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定強度（ピーク面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）はＩＣＤＤのＰＤＦカード番号４２－１４８９に従った標準強度であり、ｎは反射の数であり、計算に使用される反射は、（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、ＴＣ（４２２）＋ ＴＣ（３１１）＞３、好ましくは＞４である。ハリスの式は以下であり、

式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定強度（ピーク面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）はＰＤＦカードに従った標準強度である。

本発明の一実施態様において、前記多層の厚さは、１－１５μｍ、好ましくは１－１０μｍ、より好ましくは１－５μｍである。多層が１μｍより薄い場合、コーティングされた切削工具の耐摩耗性はあまり大きくないであろう。一方、多層が厚すぎる場合、コーティングは脆弱となり、多層による有利性はあまり顕著ではないであろう。

本発明の一実施態様において、総コーティング厚さは２－９μｍであり、かつ前記κ－Ａｌ_２Ｏ_３多層は、５－７０層のκ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層を含む。この実施態様は、フライス加工又は穿孔加工による金属切削用途に適している。

本発明の一実施態様において、総コーティング厚さは７－２５μｍであり、かつκ－Ａｌ_２Ｏ_３多層は、５－１５０層のκ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層を含む。この実施態様は、旋削加工による金属切削用途に適している。

本発明の一実施態様において、多層は、κ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層とＴｉＮの副層とが交互になったものからなる。ＴｉＮ副層は、好ましくは（１１１）配向され、その結果、それに続く（０ ０ ｌ）配向されたκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層への原子間距離の適切な一致をもたらす。これは、副層の配向及び残留応力に影響を与える。

本発明の一実施態様において、基材は、超硬合金のもの又はサーメットのものである。これらの基材は、本発明のコーティングに適した硬度及び靭性を有する。

本発明の一実施態様において、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、任意選択的に０．１－１０重量％の、周期表のＩＶｂ、Ｖｂ及びＶＩｂ族の金属、好ましくは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ又はそれらの組み合わせの、立方晶炭化物、窒化物又は炭窒化物と、残部ＷＣとを含む超硬合金からなる。

本発明のさらに他の目的及び特徴は、添付の図面と共に考慮される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

サンプルＡによるコーティングの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。 サンプルＢによるコーティングの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。 サンプルＡからのθ－２θＸＲＤディフラクトグラムを示す。強度に対して補正は適用されていない。 サンプルＤからのθ－２θＸＲＤディフラクトグラムを示す。強度に対して補正は適用されていない。

方法
ＸＲＤ試験
多結晶膜のテクスチャを分析する一般的な方法は、ハリスの式と標準強度ＰＤＦカードに基づいてテクスチャ係数（ＴＣ）を計算することである。しかしながら、κ－Ａｌ_２Ｏ_３の結晶構造は対称性が低く、したがってディフラクトグラムに低強度の多数のピークがあるため、κ－Ａｌ_２Ｏ_３多層の面外テクスチャをテクスチャ係数の計算から決定することは困難である。また、多くの重なり合うピークがある。したがって、κ－Ａｌ_２Ｏ_３多層の最高強度のピークが、ここでは層のテクスチャの測定値として選択される。

κ－Ａｌ_２Ｏ_３副層の配向の分析においては、通常、副層の線形吸収を考慮に入れるために、データを薄膜補正する必要がある。理想的な事例では、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯの副層における吸収についてもデータを補正する必要がある。しかしながら、副層の厚さが薄く、かつ副層の数が多いと、これらの補正が面倒なものとなる。本発明のκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層は非常に強い０ ０ ｌ配向をもたらし、かつそのような補正の影響が制限されるため、そのような補正はＸＲＤデータに対して適用されない。本発明のκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層のテクスチャは、補正されていないデータに基づいて設定され、すなわち、多層のうちのκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層内の吸収に対して、又は、多層のＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯ副層内の吸収に対して補償は行われない。その意味で、多層は１つの単層として扱われる。しかしながら、バックグラウンド散乱及び重なり合うピークは、当業者に周知のように補正される。

多層よりも下にある任意の層の配向の分析において、層の線形吸収係数を考慮して、薄膜補正がピーク強度に対して適用されるべきである。多層における吸収は、同一組成の副層の厚さを単層にまとめ、これらの厚さとそれらの吸収に基づいて計算することにより一般化することができる。

たとえば多層よりも上にある可能性のあるさらなる層が、多層に進入しかつコーティング全体を出るＸ線強度に影響を及ぼし得るので、層内のそれぞれの化合物の線形吸収係数を考慮して、これらについて補正を行う必要がある。代わりに、多層よりも上にある、ＴｉＮなどの任意のさらなる層を、ＸＲＤ測定結果に実質的に影響を与えない方法、例えば化学エッチングにより除去することができる。

本発明は、基材と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し、コーティングは、κ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層とＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ又はＴｉＣＮＯの副層とが交互になったものからなる多層を含み、前記多層は、少なくとも３つのκ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層を含む。前記多層は、１５°－１４０°のθ－２θスキャンにわたってＸＲＤ回折を示し、０ ０ ２回折ピーク（ピーク面積）は、多層のうちのκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層に由来する最も強いピークである。

驚くべきことに、高い「０ ０ ｌ配向」、すなわちκ－Ａｌ_２Ｏ_３多層におけるκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層の０ ０ ｌ面（ｌ＝２、４、６などである）からの反射における高強度は、硬化鋼の旋削加工において非常に有望な耐摩耗性を与えることが見いだされた。「切削工具」という略語は、本明細書において、フライス加工若しくは旋削加工のための切削インサート又はドリル又はエンドミルを示すことを意図している。切削工具は、金属切削用途に適している。

本発明の一実施態様において、各ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ又はＴｉＣＮＯ副層の平均厚さは１０－５００ｎｍ、好ましくは５０－２００ｎｍである。これらの副層が薄すぎる場合、その層がその下の層を完全に覆っていないとうリスクがあり、このことは多層の特性を低下させるであろう。一方、これらの層が厚すぎる場合、層の特性は単層に匹敵するであろう。

本発明の一実施態様において、各κ－Ａｌ_２Ｏ_３副層の平均厚さは３０－９００ｎｍ、好ましくは５０－８００ｎｍ、より好ましくは１００－７００ｎｍである。これらの副層が薄すぎる場合、その層がその下の層を完全に覆っていないというリスクがあり、このことは多層の特性を低下させるであろう。一方、これらの層が厚すぎる場合、層の特性は単層に匹敵するであろう。

本発明の一実施態様において、コーティングは、基材と多層との間に配置されるα－Ａｌ_２Ｏ_３層をさらに含む。多層の下に配置されるα－Ａｌ_２Ｏ_３層は、それに続く多層の０ ０ ｌ配向を増加させる有望な手段であるという点で有利であることが示されている。

本発明の一実施態様において、前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層の厚さは、０．１－１０μｍ、好ましくは０．１－５μｍ、より好ましくは０．１－３μｍ、最も好ましくは０．３－２μｍである。前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層が薄すぎる場合、それに続くκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層の０ ０ ｌ配向のいかなる増加ももたらさないであろう。α－Ａｌ_２Ｏ_３層が１０μｍを超えるなど厚すぎる場合、コーティングの特性は脆弱となるであろう。

本発明の一実施態様において、コーティングは、基材と多層との間に配置されるＴｉＣＮ層をさらに含む。本発明の一実施態様において、前記ＴｉＣＮ層は、基材とα－Ａｌ_２Ｏ_３層との間に配置される。ＴｉＣＮ層は、好ましくは柱状粒子を含む。ＴｉＣＮ層は、切削工具の耐摩耗性に寄与するという点において有利であり、またＴｉＣＮ層の配向が成長中に発達することができるという点においても寄与し、このことは、それに続く層の配向にとって有利である。

本発明の一実施態様において、前記ＴｉＣＮ層の厚さは２－１５μｍである。ＴｉＣＮ層が薄すぎる場合、高配向性を発達させることによる利点は減少する。ＴｉＣＮ層が厚すぎる場合、コーティングは脆性に悩まされるであろう。

本発明の一実施態様において、ＴｉＣＮ層は、ＣｕＫα線及びθ－２θスキャンを使用するＸ線回折により測定される場合、ハリスの式に従って定義されるテクスチャ係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定強度（ピーク面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）はＩＣＤＤのＰＤＦカード番号４２－１４８９に従った標準強度であり、ｎは反射の数であり、計算に使用される反射は、（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、ＴＣ（４２２）＋ＴＣ（３１１）＞３、好ましくは＞４である。

本発明の一実施態様において、前記多層の厚さは、１－１５μｍ、好ましくは１－１０μｍ、より好ましくは１－５μｍである。多層が１μｍより薄い場合、コーティングされた切削工具の耐摩耗性はあまり大きくないであろう。一方、多層が厚すぎる場合、コーティングは脆弱となり、多層による有利性はあまり顕著ではないであろう。

本発明の一実施態様において、総コーティング厚さは２－９μｍであり、かつ前記κ－Ａｌ_２Ｏ_３多層は、５－７０層のκ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層を含む。この実施態様は、フライス加工又は穿孔加工による金属切削用途に適している。

本発明の一実施態様において、総コーティング厚さは７－２５μｍであり、かつκ－Ａｌ_２Ｏ_３多層は、５－１５０層のκ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層を含む。この実施態様は、旋削加工による金属切削用途に適している。

本発明の一実施態様において、多層は、κ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層とＴｉＮの副層とが交互になったものからなる。ＴｉＮ副層は、好ましくは（１１１）配向され、その結果、それに続く（０ ０ ｌ）配向されたκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層への原子間距離の適切な一致をもたらす。これは、副層の配向及び残留応力に影響を与える。

本発明の一実施態様において、基材は、超硬合金のもの又はサーメットのものである。これらの基材は、本発明のコーティングに適した硬度及び靭性を有する。

本発明の一実施態様において、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、任意選択的に０．１－１０重量％の、周期表のＩＶｂ、Ｖｂ及びＶＩｂ族の金属、好ましくは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ又はそれらの組み合わせの、立方晶炭化物、窒化物又は炭窒化物と、残部ＷＣとを含む超硬合金からなる。

本発明の一実施態様において、基材は、バインダー相富化表面ゾーンを有する超硬合金からなる。バインダー相富化表面ゾーンの厚さは、基材の表面から基材のコアに向かって測定される場合、好ましくは５－３５μｍである。バインダー相富化ゾーンは、基材のコア中のバインダー相含有量よりも少なくとも５０％高いバインダー相含有量を平均して有する。バインダー相富化表面ゾーンは、基材の靱性を高める。高い靱性を有する基材は、鋼の旋削加工などの切削作業において好ましい。

本発明の一実施態様において、基材は、立方晶炭化物を本質的に含まない表面ゾーンを有する超硬合金からなる。立方晶炭化物を本質的に含まない表面ゾーンの厚さは、基材の表面から基材のコアに向かって測定される場合、好ましくは５－３５μｍである。「本質的に含まない」とは、光光学顕微鏡（ｌｉｇｈｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）における断面の目視分析において、立方晶炭化物が見えないことを意味する。

本発明の一実施態様において、基材は、上記に開示されるような立方晶炭化物を本質的に含まない表面ゾーンと組み合わせた、上記に開示されるようなバインダー相富化表面ゾーンを有する超硬合金からなる。

本発明の一実施態様において、κ－Ａｌ_２Ｏ_３層がコーティングの最外層である。あるいは、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３及び／又はそれらの組み合わせの層など、１つ又は複数のさらなる層が多層を覆うことができる。本発明の一実施態様において、多層を覆う１つ又は複数のさらなる層は、逃げ面又はすくい面又は切れ刃又はそれらの組み合わせから除去される。

本発明の一実施態様において、コーティングは、ＣＶＤコーティングされた層の引張り応力を解放し、表面粗さを低減するために、ブラスト処理又はブラッシングによって後処理される。

本発明の一実施態様において、コーティングは、基材の表面に平行な００ｌ面で高度に配向されたα－Ａｌ_２Ｏ_３層を含む。一実施態様において、α－Ａｌ_２Ｏ_３層は、ＣｕＫα線及びθ－２θスキャンを使用するＸ線回折により測定される場合、ハリスの式に従って定義されるテクスチャ係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、

式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定強度（ピーク面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）はＩＣＤＤのＰＤＦカード番号００－０１０－０１７３に従った標準強度であり、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、（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、ＴＣ（０ ０ １２）≧２、好ましくは＞４、より好ましくは＞５である。

本発明の実施態様は、以下の実施例に関連してより詳細に開示されるであろう。実施例は、例示的であり、実施態様を限定するものではないと考えられるべきである。以下の実施例では、コーティングされた切削工具（インサート）が製造され、切削試験において分析され、評価された。

６種類のコーティングが、１００００個のハーフインチサイズの切削インサートを収容することができるラジアルイオン結合型（ｒａｄｉａｌ Ｉｏｎｂｏｎｄ ｔｙｐｅ）ＣＶＤ反応器（５３０サイズ）の中で堆積された。４種類のサンプルのうち、サンプルＡ及びＢは本発明の例であり、サンプルＣ及びＤは参照例である。サンプルは、ＩＳＯ型形状ＣＮＭＧ １２０４０８－ＰＭを有するインサートであった。

サンプルＡ－Ｄの基材の組成は、７．２重量％のＣｏ、２．９重量％のＴａＣ、０．５重量％のＮｂＣ、１．９重量％のＴｉＣ、０．４重量％のＴｉＮ及び残部ＷＣからなる。

層の厚さを、光光学顕微鏡（ｌｉｇｈｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）において、各コーティングの断面を１０００倍の倍率で調べることにより分析した。層の厚さを表１に示す。
表１．層の厚さ

ＣＶＤ堆積
約０．４μｍのＴｉＮの最初の最も内側のコーティングが、４００ｍｂａｒ及び８８５℃でのプロセスにおいてすべての基材上に堆積された。４８．８体積％のＨ_２、４８．８体積％のＮ_２、及び２．４体積％のＴｉＣｌ_４のガス混合物を使用した。

その後、約２μｍ（サンプルＢ）又は約８μｍ（サンプルＡ、Ｃ、Ｄ）の厚さのＭＴＣＶＤ ＴｉＣＮを、内側のＴｉＣＮ及び外側のＴｉＣＮの二工程において堆積させた。

内側のＴｉＣＮは、３．０体積％のＴｉＣｌ_４、０．４５体積％のＣＨ_３ＣＮ、３７．６体積％のＮ_２、及び残部Ｈ_２のガス混合物中、５５ｍｂａｒで８８５℃にて約１０分間堆積させた。

外側のＴｉＣＮは、７．８体積％のＮ_２、７．８体積％のＨＣｌ、２．４体積％のＴｉＣｌ_４、０．６５体積％のＣＨ_３ＣＮ、及び残部Ｈ_２のガス混合物中、５５ｍｂａｒで８８５℃にて堆積させた。

ＭＴＣＶＤ ＴｉＣＮ層の上には、４つの別々の反応工程からなるプロセスにより、約１μｍの厚さのボンディング層を１０００℃で堆積させた。

最初に、１．５体積％のＴｉＣｌ_４、３．４体積％のＣＨ_４、１．７％のＨＣｌ、２５．５体積％のＮ_２、及び６７．９体積％のＨ_２のガス混合物を使用して、ＨＴＣＶＤ ＴｉＣＮを４００ｍｂａｒで堆積させた。

次の三工程はすべて７０ｍｂａｒで堆積させた。最初の（ＴｉＣＮＯ－１）では、１．５体積％のＴｉＣｌ_４、０．４０体積％のＣＨ_３ＣＮ、１．２体積％のＣＯ、１．２体積％のＨＣｌ、１２．０体積％のＮ_２、及び残部Ｈ_２のガス混合物を使用した。次の工程（ＴｉＣＮＯ－２）では、３．１体積％のＴｉＣｌ_４、０．６３体積％のＣＨ_３ＣＮ、４．６体積％のＣＯ、３０．６体積％のＮ_２、及び残部Ｈ_２のガス混合物を使用した。最後のボンディング層の工程（ＴｉＮ）では、３．２体積％のＴｉＣｌ_４、３２．３％体積％のＮ_２、及び６４．５体積％のＨ_２のガス混合物を使用した。

後続のＡｌ_２Ｏ_３核生成の開始に先だって、サンプルＡ、Ｂ、及びＣのボンディング層は、ＣＯ_２、ＣＯ、Ｎ_２、及びＨ_２の混合物中で４分間酸化された。サンプルＤでは、酸化は行われなかった。

サンプルＡ、Ｂ、Ｃでは、約１μｍのα－Ａｌ_２Ｏ_３層を、二工程において１０００℃及び５５ｍｂａｒでボンディング層の上に堆積させた。第１の工程は、１．２体積％のＡｌＣｌ_３、４．７体積％のＣＯ_２、１．８体積％のＨＣｌ、及び残部Ｈ_２のガス混合物を含んでおり、第２の工程は、１．２体積％のＡｌＣｌ_３、４．７体積％のＣＯ_２、２．９体積％のＨＣｌ、０．５８体積％のＨ_２Ｓ、及び残部Ｈ_２のガス混合物を含んでいた。

サンプルＣでは、約０．１μｍのＴｉＮ層を、５７．５体積％のＨ_２、４１．１体積％のＮ_２、及び１．４体積％のＴｉＣｌ_４のガス混合物中、１０００℃及び５５ｍｂａｒで、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の上に堆積させた。このＴｉＮ層の上に、κ－Ａｌ_２Ｏ_３層を、１０００℃及び５５ｍｂａｒでの二工程において堆積させた。第１の工程は、２．３体積％のＡｌＣｌ_３、４．６体積％のＣＯ_２、１．７体積％のＨＣｌ、及び残部Ｈ_２のガス混合物を含んでおり、第２の工程は、２．２体積％のＡｌＣｌ_３、４．４体積％のＣＯ_２、５．５体積％のＨＣｌ、０．３３体積％のＨ_２Ｓ、及び残部Ｈ_２のガス混合物を含んでいた。第１のκ－Ａｌ_２Ｏ_３プロセス工程は１０分間実行され、第２の工程は、総κ－Ａｌ_２Ｏ_３層厚さが４．０μｍになるように調整された。

サンプルＡ及びＢでは、上記の３つのプロセス工程（ＴｉＮ、第１のκ－Ａｌ_２Ｏ_３プロセス、第２のκ－Ａｌ_２Ｏ_３プロセス）を６回繰り返して、ＴｉＮ／κ－Ａｌ_２Ｏ_３多層を形成した。両方のサンプルにおいて、ＴｉＮ副層について、サンプルＣにおけるものと同じ厚さを使用した（約０．１μｍ）。κ－Ａｌ_２Ｏ_３多層については、サンプルＣに対するものと同じプロセス時間（１０分）が、繰り返される工程の第１のκ－Ａｌ_２Ｏ_３プロセス工程に使用された。第２の工程のプロセス時間は、ＴｉＮ／κ－Ａｌ_２Ｏ_３多層の総厚さがそれぞれ４．６μｍ（サンプルＡ）及び２．８μｍ（サンプルＢ）となるように調整された。

サンプルＤでは、４．８μｍのκ－Ａｌ_２Ｏ_３を、ボンディング層上に直接堆積させた。κ－Ａｌ_２Ｏ_３は、サンプルＡ、Ｂ、及びＣについて記載したのと同じガス混合物を使用して２つのプロセス工程において堆積させた。第１の工程は１０分間実行され、第２の工程は総κ－Ａｌ_２Ｏ_３厚さが４．８μｍとなるように調整された。

ＸＲＤ分析
κ－Ａｌ_２Ｏ_３多層のテクスチャを調査するために、Ｘ線回折を、ＰＩＸｃｅｌ検出器を備えたパナリティカル（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ）のＣｕｂｉＸ^３回折計を使用して、逃げ面上で行った。コーティングされた切削工具をサンプルホルダー内に取り付けて、サンプルの逃げ面がサンプルホルダーの基準面に対して平行であること、及び逃げ面が適切な高さにあることを確実にした。Ｃｕ－Ｋα線を、４５ｋＶの電圧及び４０ｍＡの電流で測定に使用した。１／２度の散乱線除去スリット及び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を、１５°から１４０°までの２θの範囲内で、すなわち７．５°から７０°までの入射角θの範囲にわたって測定した。

ＸＲＤディフラクトグラムにおけるピーク強度が与えられた。サンプルＡ及びサンプルＤからのディフラクトグラム（補正の適用なし）をそれぞれ図３及び図４に示す。図３において、｛０ ０ ｌ｝面に由来するピークは、（０ ０ ２）、（０ ０ ４）、及び（０ ０ ６）面に対してそれぞれ２θ＝１９．８５°、４０．３３°、及び６２．２４°で強い強度を示している。ＩＣＤＤのＰＤＦカード番号００－０５２－０８０３と比較して、これらのピークは、（０ ０ ２）、（０ ０ ４）、及び（０ ０ ６）面でそれぞれ１１％、８％、及び７％の強度を有すると予想される。ＰＤＦカード００－０５２－０８０３に従うと最も強いピークは（１ １ ２）であり、これは図３においてほとんど観察できない。ＰＤＦカード００－０５２－０８０３において２番目に強いピークは（０ １ ３）であり、これは図３において弱いピークとして観察することができる。サンプルＡのκ－Ａｌ_２Ｏ_３多層は、表面と平行な｛０ ０ ｌ｝面による強いテクスチャを示している。図４において、（１ １ ２）面及び（０ １ ３）からの反射がはっきりと見える。サンプルのκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層のテクスチャ及びこれらのピークの強度を決定するために使用されたκ－Ａｌ_２Ｏ_３ピークの２θ値を表２に示す。
表２．κ－Ａｌ_２Ｏ_３のＸＲＤディフラクトグラムからのピーク強度（ピーク面積）。最強のκ－Ａｌ_２Ｏ_３ピークが強度１００．０に設定されるように正規化されている。

ＴｉＣＮ層及びα－Ａｌ_２Ｏ_３層のテクスチャも調査した。テクスチャ係数ＴＣ（ｈｋｌ）は、ＣｕＫα線及びθ－２θスキャンを使用したＸ線回折によって測定された。ハリスの式

が計算に使用され、式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定強度（ピーク面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）は標準強度であり、ｎは計算に使用される反射の数であり、（ｈｋｌ）は使用される反射である。ＴｉＣＮ層及びα－Ａｌ_２Ｏ_３層のテクスチャ解析において、薄膜補正及び被覆層における吸収の補正について補正された。多層における吸収に起因する補正は、ＴｉＮの６つの副層とκ－Ａｌ_２Ｏ_３の６つの副層の厚さをまとめることによって一般化され、あたかも１つのＴｉＮ層と１つのκ－Ａｌ_２Ｏ_３層だけが調査の層を覆っているかのように計算された。

ＴｉＣＮ層について、ＩＣＤＤのＰＤＦカード番号４２－１４８９が使用され、反射の数は７であり、使用された（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）であった。ＴｉＣＮ層に対して薄膜補正が適用され、上側の層、すなわちα－Ａｌ_２Ｏ_３層、κ－Ａｌ_２Ｏ_３副層、及びＴｉＮ副層における吸収についてデータが補正された。結果を表３に示す。

α－Ａｌ_２Ｏ_３層について、ＩＣＤＤのＰＤＦカード番号００－０１０－０１７３が使用され、反射の数は８であり、使用された（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）であった。α－Ａｌ_２Ｏ_３層に対して薄膜補正が適用され、上側の層、すなわちκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層及びＴｉＮ副層における吸収についてデータが補正された。結果を表４に示す。
表３．ＴｉＣＮのテクスチャ係数。

表４．α－Ａｌ_２Ｏ_３のテクスチャ係数。

摩耗試験
ＩＳＯ型ＣＮＭＧ１２０４０８のコーティングされた切削インサートの耐クレータ摩耗性を、以下の切削データを使用して、軸受鋼（Ｏｖａｋｏ ８２５Ｂ）における長手方向旋削において評価した。
切削速度、ｖ_ｃ：２２０ｍ／分
切削送り、ｆ：０．３ｍｍ／回転
切削深さ、ａ_ｐ：２ｍｍ

冷却用に水混和性の金属加工油剤を使用した。

各インサートは２分間隔で試験され、クレータ摩耗はブレークごとに測定された。コーティングの下の基材が最初に露出したときに、インサートの寿命に達したと見なされた。２つの試験の寿命を表５に示す。
表５．摩耗の結果

試験２におけるサンプルＡについて、基材は露出していないが４４分後に試験が終了したため、寿命は＞４４分と示されている。

切削試験から、００ｌ配向されたサンプルＡ及びサンプルＣは、軸受鋼における長手方向旋削において、サンプルＤよりも高い耐クレータ摩耗性を示すと結論付けることができる。サンプルＡ及びサンプルＣのコーティングにおける１μｍのα－Ａｌ_２Ｏ_３層だけでは、サンプルＤと比較して耐摩耗性における大きな違いを説明することはできない。したがって、κ－Ａｌ_２Ｏ_３の高い００ｌ配向は有利であると考えられる。サンプルＡはサンプルＣよりも性能が優れており、これらのコーティング間の違いは、サンプルＡはκ－Ａｌ_２Ｏ_３多層を有し、一方サンプルＣは単一のκ－Ａｌ_２Ｏ_３層を有することである。したがって、良好に配向された００ｌ－κ－Ａｌ_２Ｏ_３多層を有するサンプルＡは、試験において最高の性能を発揮するサンプルである。

本発明をさまざまな例示的実施態様に関連して記載したが、本発明は開示された例示的実施態様に限定されるものではなく、それどころか、添付の特許請求の範囲内のさまざまな修正及び均等な構成を網羅することを意図していることを理解されるべきである。さらに、本発明の任意の開示された形態又は実施態様は、設計上の選択の一般的事項として、任意の他の、開示され又は記載され又は提案された形態又は実施態様に組み込むことができることを認識されるべきである。したがって、本明細書に添付された添付の特許請求の範囲によって示されるようにのみ制限されるべきであることを意図している。

Claims (17)

1. 基材とコーティングとを含むコーティングされた切削工具であって、
   コーティングが、κ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層とＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ又はＴｉＣＮＯの副層とが交互になったものからなる多層を含み、前記多層が少なくとも３つのκ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層を含み、
   前記多層が、１５°－１４０°のθ－２θスキャンにわたってＸＲＤ回折を示し、
   ０ ０ ２回折ピーク（ピーク面積）が、多層のうちのκ－Ａｌ_２Ｏ_３副層に由来する最も強いピークであり、
   前記コーティングが、基材と多層との間に配置される０．１－１０μｍの厚さのα－Ａｌ_２Ｏ_３層をさらに含み、
   前記α－Ａｌ _２ Ｏ _３ 層が、前記多層に直接接触することを特徴とする、コーティングされた切削工具。
2. 各ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯ又はＴｉＣＮＯ副層の平均厚さが、１０－５００ｎｍである、請求項１に記載のコーティングされた切削工具。
3. 各κ－Ａｌ_２Ｏ_３副層の平均厚さが、３０－９００ｎｍ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。
4. 各κ－Ａｌ_２Ｏ_３副層の平均厚さが、５０－８００ｎｍ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。
5. 前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層の厚さが、０．１－５μｍ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。
6. 前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層の厚さが、０．１－３μｍである、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。
7. 基材とα－Ａｌ _２ Ｏ _３ 層との間に配置されるＴｉＣＮ層をさらに含む、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。
8. 前記ＴｉＣＮ層の厚さが２－１５μｍである、請求項７に記載のコーティングされた切削工具。
9. ＴｉＣＮ層が、ＣｕＫα線及びθ－２θスキャンを使用するＸ線回折により測定される場合、ハリスの式に従って定義されるテクスチャ係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定強度（ピーク面積）であり、Ｉ_０（ｈｋｌ）はＩＣＤＤのＰＤＦカード番号４２－１４８９に従った標準強度であり、ｎは反射の数であり、計算に使用される反射は、（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、ＴＣ（４２２）＋ ＴＣ（３１１）＞３である、請求項７又は８に記載のコーティングされた切削工具。
10. ＴｉＣＮ層が、ＣｕＫα線及びθ－２θスキャンを使用するＸ線回折により測定される場合、ハリスの式に従って定義されるテクスチャ係数ＴＣ（ｈｋｌ）を示し、式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定強度（ピーク面積）であり、Ｉ _０ （ｈｋｌ）はＩＣＤＤのＰＤＦカード番号４２－１４８９に従った標準強度であり、ｎは反射の数であり、計算に使用される反射は、（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、ＴＣ（４２２）＋ ＴＣ（３１１）＞４である、請求項７又は８に記載のコーティングされた切削工具。
11. 前記多層の厚さが１－１５μｍである、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。
12. 総コーティング厚さが２－９μｍであり、かつ前記多層が、５－７０層のκ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。
13. 総コーティング厚さが７－２５μｍであり、かつ前記多層が、５－１５０層のκ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。
14. 多層が、κ－Ａｌ_２Ｏ_３の副層とＴｉＮの副層とが交互になったものからなる、請求項１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。
15. 基材が、超硬合金のもの又はサーメットのものである、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。
16. 基材が、４－１２重量％のＣｏ、０．１－１０重量％の、周期表のＩＶｂ、Ｖｂ及びＶＩｂ族の金属又はそれらの組み合わせの、立方晶炭化物、窒化物又は炭窒化物と、残部ＷＣとを含む組成物を有する超硬合金のものである、請求項１から１５のいずれか一項に記載のコーティングされた切削工具。
17. 超硬合金が、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ又はそれらの組み合わせの、立方晶炭化物、窒化物又は炭窒化物を含む、請求項１６に記載のコーティングされた切削工具。

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