JP2024519946A - 被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本発明は、α－Ａｌ_２Ｏ_３層を含む被覆で少なくとも部分的に被覆された基材を含む切削工具であって、前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層が、結合層から１ｐｍ延びる０１部分を含み、前記０１部分が、前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層の断面で電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）により測定したときに配向を示し、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の表面法線が基材表面の表面法線と平行であり、分析された面積の≧８０％が、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の表面法線から１５度以内の＜００１＞方向を有する、切削工具に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材および被覆を含む被覆切削工具であって、被覆がＣＶＤによって堆積され、かつＴｉ（Ｃ，Ｎ）層およびα－Ａｌ_２Ｏ_３層を含む、切削工具に関する。

金属切削工業において、被覆切削工具は該技術分野で周知である。ＣＶＤ被覆切削工具およびＰＶＤ被覆切削工具が最も優勢な２種類の被覆切削工具である。これらの被覆の利点は、化学およびアブレシブ摩耗に対する高耐性であり、これは被覆切削工具の長い工具寿命を達成するのに重要である。アルミナの層と共にＴｉ（Ｃ，Ｎ）の層を含むＣＶＤ被覆は、例えば鋼鉄の旋削またはフライス加工において良い性能を示すことが公知である。

欧州特許出願公開第３０３４６５３号Ａ１には、００１配向したα－Ａｌ_２Ｏ_３の層を含む耐摩耗性被覆を備えた被覆切削工具が開示されている。

本発明の目的は、非常に高い耐摩耗性、特に鋼鉄の金属切削中の逃げ面摩耗およびクレーター摩耗に対する向上した耐性を有する、金属切削用の被覆切削工具を提供することである。

上述の目的のうちの少なくとも１つは、請求項１による切削工具により達成される。好ましい実施形態は、従属請求項において開示される。

本発明は、α－Ａｌ_２Ｏ_３層を含む被覆で少なくとも部分的に被覆された基材を含む切削工具であって、前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層が、結合層から１μｍ延びるＯ１部分を含み、前記Ｏ１部分が、前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層の断面で電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）により測定したときに配向を示し、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の表面法線が基材表面の表面法線と平行であり、分析された面積の≧８０％、好ましくは≧９０％、より好ましくは≧９５％、最も好ましくは≧９７％が、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の表面法線から１５度以内の＜００１＞方向を有する、切削工具に関する。

Ｏ１領域、すなわちα－Ａｌ_２Ｏ_３層の最下部で結合層に隣接する領域におけるα－Ａｌ_２Ｏ_３層のこの高配向は、鋼鉄の旋削における第１および第２の逃げ面摩耗およびまた増加したクレーター摩耗に対する耐性の向上への寄与において予想外に有利であることが示されている。

本発明の一実施形態において、部分的に被覆された基材を含む切削工具であって、被覆が、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）の層、α－Ａｌ_２Ｏ_３の層、およびその間の結合層を含み、３～２５μｍの厚さを有する前記Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層が柱状結晶粒で構成され、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の平均結晶粒度Ｄ_４２２が、ＣｕＫα放射線を用いたＸ線回折により測定したときに２５～５０ｎｍであり、結晶粒度Ｄ_４２２が、シェラーの式

により（４２２）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）から計算され、式中、Ｄ_４２２はＴｉ（Ｃ，Ｎ）の平均結晶粒度であり、Ｋはここで０．９に設定された形状係数であり、λはここで１．５４０５Åに設定されたＣｕＫα放射線の波長であり、Ｂ_４２２は（４２２）反射のＦＷＨＭ値であり、θはブラッグ角であり、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層が、結合層に隣接するＢ１部分を含み、Ｂ１部分のＴｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒の平均結晶粒度が、全Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層における平均結晶粒度Ｄ_４２２よりも大きく、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層のＢ１部分において、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒が、基材表面に平行に延びる平面上の５×５μｍの分析面積でＴＫＤ（透過菊池回折）により測定したときに１３０～１６５ｎｍの平均結晶粒度を有する、切削工具。

本発明の一実施形態において、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）堆積の最後に達成されるα－Ａｌ_２Ｏ_３層の下部でのこの向上した配向は、微細なＴｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒の一部が広がり、より粗い結晶粒のＴｉ（Ｃ，Ｎ）部分が形成されるように堆積プロセス条件を変更する。その後、今度はＴｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒の最適な外表面をもたらすために、プロセス条件が再度変更される。この方法において、α－Ａｌ_２Ｏ_３層への結合層の前に堆積される有望な層として公知である粗い結晶粒のＴｉ（Ｃ，Ｎ）の最外面と類似のＴｉ（Ｃ，Ｎ）の最外面が形成される。Ｂ１部分の平均結晶粒度が小さすぎる場合、続いて堆積されるα－Ａｌ_２Ｏ_３層の接着は向上しない。Ｂ１部分の平均結晶粒度が大きすぎる場合、後続のα－Ａｌ_２Ｏ_３の配向度は低減する。

分解能が限定されているため、ＳＥＭで非常に微細な結晶粒のＴｉ（Ｃ，Ｎ）の結晶粒度を調べることは難しい。本明細書において、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の微細な結晶粒の部分の平均結晶粒度は、ＸＲＤおよびシェラーの式によって代わりに規定する。ＸＲＤからのシグナルは、より粗い結晶粒のＴｉ（Ｃ，Ｎ）Ｂ１部分からの情報も含むが、この寄与は限定されていると考えられる。

他方で、粗い結晶粒のＢ１部分の結晶粒度を調べることには、それがＴｉ（Ｃ，Ｎ）層の一部分にすぎず、したがって非常に高い精度を有する方法を選択する必要があるという難題があった。得られた情報が、結晶粒度についての情報と、また非常に局所的なスケールでのＴｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒の配向についての情報の両方を含んだので、ＴＫＤによる平面の調査が選択された。

本発明の一実施形態において、層であって、前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層が、ＣｕＫα放射線およびθ－２θスキャンを使用したＸ線回折により測定したときに、Ｈａｒｒｉｓの式：

により規定される組織係数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、Ｉ０（ｈｋｌ）はＩＣＤＤのＰＤＦカード番号００－０１０－０１７３による標準強度であり、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≧７．５、好ましくは≧７．７、より好ましくは≧７．８であることを特徴とする、層。

本発明の一実施形態において、層であって、前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層が、≦０．２、好ましくは≦０．１のＴＣ（１１０）を示す、層。

本発明の一実施形態において、Ａｌ_２Ｏ_３層は、好ましくはα－Ａｌ_２Ｏ_３層の平均厚さが１μｍ～１５μｍ、好ましくは３～１０μｍである、α－Ａｌ_２Ｏ_３層である。

本発明の一実施形態において、前記Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層のＢ１部分におけるＴｉ（Ｃ，Ｎ）層は、基材表面に平行に延びる前記Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の平面においてＴＫＤにより測定したときに、かつ少なくとも５×５μｍの面積で測定したときに配向を示し、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の表面法線が基材表面の表面法線と平行であり、分析された面積の≧９３％、好ましくは≧９５％が、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の表面法線から１５度以内の＜２１１＞方向を有する。

結合層に最も近い、したがってまたα－Ａｌ_２Ｏ_３層に最も近い、＜２１１＞に沿った高配向の部分を有するＴｉ（Ｃ，Ｎ）層は、高度に００１配向したα－Ａｌ_２Ｏ_３層を堆積させようとすることにおいて有利であると考えられる。分析された面積が、９３％未満の、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の表面法線から１５度以内の＜２１１＞方向を有する場合、後続のα－Ａｌ_２Ｏ_３層の００１配向は明白さがより低くなる。

本発明の一実施形態において、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層のＢ１部分の厚さは、被覆の成長方向で測定したときに、０．５～１．５μｍ、好ましくは０．６～０．９μｍ、最も好ましくは、０．６～０．８μｍである。

微細な結晶粒のＴｉ（Ｃ，Ｎ）は、耐摩耗性層として有利であり、これはその多量の結晶粒界または層のより平滑もしくは一様な厚さに起因しうる。したがって、微細な結晶粒であるＴｉＣＮ層の部分は、比較的厚くすべきである。接着の増加および配向の増加に寄与する粗い結晶粒の部分は比較的限定され、Ｂ１部分の厚さが好ましくは０．５～１．５μｍ、より好ましくは０．６～０．９μｍ、最も好ましくは０．６～０．８μｍとなる。Ｂ１部分が薄すぎると、接着および／または配向は向上しない。

本発明の一実施形態において、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層は、ＣｕＫα放射線およびθ－２θスキャンを使用して測定したときにＸ線回折パターンを示し、ＴＣ（ｈｋｌ）はＨａｒｒｉｓの式により規定され、式中、Ｉ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）反射の測定強度（積分面積）であり、Ｉ０（ｈｋｌ）はＩＣＤＤのＰＤＦカード番号４２－１４８９による標準強度であり、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）、および（４２２）であり、ＴＣ（４２２）は≧３、好ましくは≧４である。

本発明の一実施形態において、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）の結晶粒度Ｄ_４２２は２５～４０ｎｍ、好ましくは２５～３５ｎｍである。微細な結晶粒のＴｉ（Ｃ，Ｎ）とα－Ａｌ_２Ｏ_３層の間の接着の増加は、非常に微細な結晶粒を有するＴｉ（Ｃ，Ｎ）層、例えばＴｉ（Ｃ，Ｎ）の結晶粒度Ｄ_４２２が２５～４０ｎｍ、またはさらには２５～３５ｎｍである場合に特に有利である。

本発明の一実施形態において、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の平均厚さは４～２０μｍ、好ましくは５～１５μｍである。

本発明の一実施形態において、結合層は、チタンカルボキシド（ｔｉｔａｎｉｕｍ ｃａｒｂｏｘｉｄｅ）、酸窒化チタン、およびチタンカルボキシニトリド（ｔｉｔａｎｉｕｍ ｃａｒｂｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）からなる群から選択される少なくとも１種の化合物を含む。

チタンカルボキシド、酸窒化チタン、またはチタンカルボキシニトリドの結合層は、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層とα－Ａｌ_２Ｏ_３層の間にエピタキシャル関係をもたらすことができるという点で有利である。

本発明の一実施形態において、結合層の平均厚さは０．２５～２．５μｍ、好ましくは０．５～２．０μｍである。

本発明の一実施形態において、被覆の平均厚さは５．０μｍ～３０．０μｍ、好ましくは１０～２０μｍである。

本発明の一実施形態において、前記基材は超硬合金、サーメット、またはセラミックの基材である。

本発明のＴｉ（Ｃ，Ｎ）層中に含有される炭素と窒素の合計に対する炭素の原子比率（Ｃ／（Ｃ＋Ｎ））は、電子マイクロプローブ分析により測定したときに、好ましくは０．５０～０．６５、より好ましくは０．５５～０．６２である。

本発明のさらなる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実施例から明らかとなる。

定義
本明細書において「切削工具」という用語は、金属切削用途に好適な切削工具、例えばインサート、エンドミル、またはドリルを示すことを意図する。適用領域は、例えば、鋼鉄などの金属の旋削、フライス加工、またはドリル加工でありうる。

方法
Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の平均結晶粒度、Ｄ_４２２
Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層のＴｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒の平均結晶粒度を調査するために、ＰＩＸｃｅｌ検出器を備えたＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ ＣｕｂｉＸ３回折計を使用して、逃げ面でＸ線回折（ＸＲＤ）を行った。被覆切削工具を試料ホルダーに取り付けて、試料の逃げ面が試料ホルダーの基準面に平行であり、さらに逃げ面が適切な高さにあることを確実にした。Ｃｕ－Ｋα放射線を測定に使用し、電圧は４５ｋＶ、および電流は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。被覆切削工具からの回折強度は、２０°～１４０°の２θの範囲、すなわち１０～７０°入射角θの範囲にわたって測定した。データのバックグラウンドフィッティング、Ｃｕ－Ｋα_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は、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌのＸ’Ｐｅｒｔ ＨｉｇｈＳｃｏｒｅ Ｐｌｕｓソフトウェアを使用して行った。

ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌのＸ’Ｐｅｒｔ ＨｉｇｈＳｃｏｒｅ Ｐｌｕｓソフトウェアから得られたプロファイルフィッティングされた曲線の積分ピークの半値全幅を使用して、シェラー式（式１）により層の結晶粒度を計算した（Ｂｉｒｋｈｏｌｚ、２００６）。

平均結晶粒度Ｄ_４２２は、シェラーの式：

により（４２２）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）から計算し、式中、Ｄ_４２２はＴｉ（Ｃ，Ｎ）の平均結晶粒度であり、Ｋはここで０．９に設定された形状係数であり、λはここで１．５４０５Åに設定されたＣｕＫα_１放射線の波長であり、Ｂ_４２２は（４２２）反射のＦＷＨＭ値であり、θはブラッグ角、すなわち入射角である。

測定から得られたＦＷＨＭは、機器によるブロードニングと、小さな結晶粒度によって生じるブロードニングの両方を含む。これを補償するため、ガウス近似を使用した（Ｂｉｒｋｈｏｌｚ、２００６）。Ｂ_４２２は、機器のブロードニング（０，００１７４５３３ラジアン）を差し引いた後のＦＷＨＭでの線幅ブロードニング（ラジアン単位）であり、式（２）：

で定義され、式中、Ｂ_４２２は結晶粒度の計算に使用されるブロードニング（ラジアン単位）であり、ＦＷＨＭ_ｏｂｓは測定されたブロードニング（ラジアン単位）であり、ＦＷＨＭ_ｉｎｓは機器のブロードニング（ラジアン単位）である。

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の上にありうるさらなる層は、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層に入り被覆全体から出るＸ線強度に影響を及ぼすため、層中のそれぞれの化合物の線吸収係数を考慮して、これらに対する補正を行う必要がある。あるいは、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）単層の上のさらなる層を、ＸＲＤ測定の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って除去することができる。

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）のＢ１部分の結晶粒度および配向
Ａｌ_２Ｏ_３層をＴｉ（Ｃ，Ｎ）層に結合する結合層の最も近くに位置する、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の最上部領域のＢ１領域において、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）の結晶粒を拡大させて接着を改良する。この領域におけるＴｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒の平均結晶粒度は、Ｂ１領域の平面を介して分析する。この平面は、基材の表面と平行な面内で延び、よって柱状結晶粒の幅を、例えば重なった結晶粒によるいずれの妨害も受けずに調べることができる。

Ｂ１領域の結晶粒領域分析用の試料は、ＦＩＢ ｉｎ－ｓｉｔｕリフトアウト技術（Ｌａｎｇｆｏｒｄ＆Ｃｌｉｎｔｏｎ、２００４）により、対象の領域の平面薄箔標本を製造することによって作製した。試料は、研磨した断面から取り出した。試料の作製には、Ｇａ＋イオン源を用いたＨｅｌｉｏｓ Ｎａｎｏｌａｂ ６５０を使用した。

対象の領域は、７９ｐＡのイオン電流および３０ｋＶの加速電圧を使用して表面にエッチングした十字で端部に印付けし、対象の正確な領域が標本の中心にあることを確実にした。続いて、４３０ｐＡのイオン電流および３０ｋＶの加速電圧を使用して堆積した厚さ約２μｍの保護Ｐｔ層で領域を被覆した。保護Ｐｔ堆積後、周知のｉｎ－ｓｉｔｕリフトアウト技術（Ｌａｎｇｆｏｒｄ＆Ｃｌｉｎｔｏｎ、２００４）を用いて試料を作製した。

標本は、厚さ＜２００ｎｍまで薄くして、電子透過性を確保した。

Ｂ１領域の結晶粒度は、Ｏｘｆｏｒｄ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ＥＢＳＤ検出器を備えたＨｅｌｉｏｓ Ｎａｎｏｌａｂ ６５０において透過菊池回折（ＴＫＤ）を用いて分析した。２０ｋＶの加速電圧および１３～２６ｎＡのビーム電流を使用した。少なくとも５×５μｍの領域（少なくとも６４０個の結晶粒）を１０ｎｍのステップサイズで分析し、Ｓｐｅｅｄ １ビニングモードを使用した（６２２×５１２ｐｉｘ）。平均結晶粒度（相当円）は、Ａｚｔｅｃ Ｃｒｙｓｔａｌソフトウェアパッケージ（ｖ２．０）を使用して分析し、穏やかなノイズ低減のために、Ａｚｔｅｃ Ｃｒｙｓｔａｌソフトウェア（ｖ２．０）を使用した１回の自動クリーンアップを適用した。試料は、標本の表面が基材表面に平行になるように分析し、したがって被覆の面外配向が試料法線に平行であることを確保した。結晶粒検出の閾値を１０°および少なくとも４０ピクセルの面積に設定した。

配向は、設定軸からのある特定の角度偏差内にある分析領域の量（％）として決定する。Ｂ１領域では、表面法線に平行な方向として＜２１１＞Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）方向を選んだ。配向は、＜２１１＞Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）方向から≦１５°の偏差であった分析領域の量として計算した。配向の決定にはＡｚｔｅｃ Ｃｒｙｓｔａｌソフトウェア（ｖ２．０）を使用した。

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）の測定には、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．［ＪＥＳＯＡＮ］、（１９５０）、９７巻、２９９～３０４頁の基準パターンを使用し、測定には８９個の反射器を使用した。

最下部Ａｌ_２Ｏ_３－Ｏ１部分の配向
結合層に近いＡｌ_２Ｏ_３層の部分は、本発明において非常に高度に配向している。この領域を分析するため、被覆の断面を作製し、結合層から高さ１μｍ延びるＯ１部分のＡｌ_２Ｏ_３結晶粒をＥＢＳＤで詳細に調べた。研磨した断面の作製は、ＣＮＭＧ１２０４０８－ＰＭインサートの各々をＡＫＡＳＥＬ製の黒色導電性フェノール樹脂に取り付け、その後これを約１ｍｍに粉砕し、次いでダイヤモンドスラリー溶液を使用した粗研磨（９μｍ）および微細研磨（１μｍ）の２工程で研磨した。コロイダルシリカ溶液を使用した最終研磨を施した。

Ａｌ_２Ｏ_３の最下部部分の配向は、設定軸からのある特定の角度偏差内にある分析領域の量（％）として決定する。Ｏ１部分では、表面法線に平行な方向として＜００１＞Ａｌ_２Ｏ_３方向を選んだ。配向は、＜００１＞Ａｌ_２Ｏ_３方向から≦１５°の偏差であった分析領域の量として計算した。

少なくとも８０μｍ幅の領域を５０ｎｍのステップサイズで分析し、Ｓｐｅｅｄ １ビニングモードを使用した（６２２×５１２ｐｉｘ）。Ｏ１の配向を分析するため、Ｏ１の４つの長方形形状の切片を接触面に沿って幅１０μｍおよび高さ１μｍのサイズで無作為に選んだ。配向は、４つの長方形形状の切片の平均として計算した。１回の自動クリーンアップ工程、および５つの最隣接レベルを使用した１回のゼロソリューション除去をデータに適用した。配向の決定にはＡｚｔｅｃ Ｃｒｙｓｔａｌソフトウェア（ｖ２．０）を使用した。

Ｏ１部分の配向は、Ｚｅｉｓｓ Ｓｕｐｒａ ５５およびＨｅｌｉｏｓ Ｎａｎｏｌａｂ ６５０を使用して分析し、これらは両方ともＯｘｆｏｒｄ－ｓｙｍｍｅｔｒｙ ＥＢＳＤ検出器を備えた。２０ｋＶの加速電圧および１３～２６ｎＡのビーム電流を使用した。試料を７０°に予め傾斜した試料ホルダーに取り付けて、最大収集効率を確保した。

Ａｌ_２Ｏ_３の測定には、アルミナ（アルファ）、Ａｃｔａ Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒ、Ｓｅｃ Ｂ［ＡＣＢＣＡＲ］、４９Ｂ巻９７３～９８０頁の基準パターンを使用し、測定には８９個の反射器を使用した。

ＳＥＭ調査
研磨した断面および試料頂面のＳＥＭ調査は、３ｋＶの加速電圧で作動させたＣａｒｌ Ｚｅｉｓｓ ＡＧ－Ｓｕｐｒａ ４０型で、３０μｍのアパーチャサイズを用いて行った。画像は二次電子検出器を使用して取得した。

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）およびＡｌ_２Ｏ_３のＸ線回折測定
層全体の組織を調査するため、ＰＩＸｃｅｌ検出器を備えたＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ ＣｕｂｉＸ３回折計を使用して、切削工具インサートの逃げ面でＸ線回折を行った。被覆切削工具インサートを試料ホルダーに取り付けて、切削工具インサートの逃げ面が試料ホルダーの基準面に平行であり、さらに逃げ面が適切な高さにあることを確実にした。Ｃｕ－Ｋα放射線を測定に使用し、電圧は４５ｋＶ、および電流は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。被覆切削工具からの回折強度は、２０°～１４０°の２θの範囲、すなわち１０～７０°入射角θの範囲にわたって測定した。

データのバックグラウンド差引、Ｃｕ－Ｋ_α２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は、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌのＸ’Ｐｅｒｔ ＨｉｇｈＳｃｏｒｅ Ｐｌｕｓソフトウェアを使用して行った。フィッティングの一般的な説明は以下に行う。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した曲線の積分ピーク面積）を使用して、下記で開示するＨａｒｒｉｓの式（３）を使用して、特定の層（例えば、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）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。層は有限の厚さであるので、層を通る経路長の差に起因して、異なる２θ角での一対のピークの相対強度は、バルク試料に対するものと異なる。したがって、ＴＣ値を計算するとき、層の線吸収係数も考慮して、プロファイルフィッティングした曲線の抽出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層の上にありうるさらなる層は、α－Ａｌ_２Ｏ_３層に入り被覆全体から出るＸ線強度に影響を及ぼすため、層中のそれぞれの化合物の線吸収係数を考慮して、これらに対する補正も行う必要がある。Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層が例えばα－Ａｌ_２Ｏ_３層の下に位置する場合、同じことがＴｉ（Ｃ，Ｎ）層のＸ線回折測定に当てはまる。あるいは、アルミナ層の上のさらなる層、例えばＴｉＮを、ＸＲＤ測定の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って除去することができる。

α－Ａｌ_２Ｏ_３層の組織を調査するため、ＣｕＫ_α放射線を使用してＸ線回折を行い、Ｈａｒｒｉｓの式（３）：

によりα－Ａｌ_２Ｏ_３層の柱状結晶粒の異なる成長方向の組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）を計算し、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による標準強度、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は薄膜補正し、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の上の（すなわち、その頂部上の）任意のさらなる層について補正した後、前記比を計算する。

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の柱状結晶粒の異なる成長方向の組織係数ＴＣ（ｈｋｌ）は、先に開示したＨａｒｒｉｓの式（３）により計算し、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による標準強度であり、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）、および（４２２）である。

ピークの重なりは、例えばいくつかの結晶性層を含み、および／または結晶性相を含む基材上に堆積された被覆のＸ線回折分析において起こりうる現象であり、これは考慮および補償されなければならないことに留意されたい。Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層からのピークとα－Ａｌ_２Ｏ_３層からのピークの重なりは測定に影響することがあり、考慮する必要がある。例えば、基材中のＷＣは、本発明の関連するピークに近い回折ピークを有しうることにも留意されたい。

本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。

本発明の被覆の一例である試料Ｄの断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層（１）のＢ１部分、結合層（２）、およびα－Ａｌ_２Ｏ_３層（３）のＯ１部分が示されている。 基準被覆の一例である試料Ａの断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、最上部Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）（１）、結合層（２）、および最下部α－Ａｌ_２Ｏ_３（３）が見られる。 比較被覆の一例である試料Ｇの断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層（１）のＢ１部分、結合層（２）、およびα－Ａｌ_２Ｏ_３層（３）のＯ１部分が示されている。 基準被覆の一例である試料Ｂの断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、最上部Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）（１）、結合層（２）、および最下部α－Ａｌ_２Ｏ_３（３）が見られる。 試料ＤのＴｉ（Ｃ，Ｎ）に相当するＴｉ（Ｃ，Ｎ）層を備えた試料のＢ１部分の頂面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、Ｂ１部分の最外面のモルフォロジーが見られる。 試料ＢのＴｉ（Ｃ，Ｎ）に相当するＴｉ（Ｃ，Ｎ）層を備えた試料のＴｉ（Ｃ，Ｎ）層の頂面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、非常に微細な結晶粒のＴｉ（Ｃ，Ｎ）の最外面のモルフォロジーが見られる。 基準試料ＡのＴｉ（Ｃ，Ｎ）に相当するＴｉ（Ｃ，Ｎ）層を備えた試料のＴｉ（Ｃ，Ｎ）層の頂面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、粗い結晶粒のＴｉ（Ｃ，Ｎ）の最外面のモルフォロジーが見られる。 本発明の層および部分であるＴｉ（Ｃ，Ｎ）層（１）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層（１）のＢ１部分、結合層（２）、α－Ａｌ_２Ｏ_３層（３）、α－Ａｌ_２Ｏ_３層（３）のＯ１部分、および基材（４）の位置を示す概略的概観である。 試料Ｄの平面のバンドコントラストＴＫＤ画像であり、Ｂ１部分のＴｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒が見られる。

これより本発明の例示的な実施形態をより詳細に開示し、基準実施形態と比較する。被覆切削工具（インサート）を製造し、分析し、切削試験で試験した。

フライス加工、混合、噴霧乾燥、プレス加工、および焼結を含む従来のプロセスを利用して、超硬合金基材を製造した。超硬合金基材（インサート）のＩＳＯ型形状は、ＣＮＭＧ－１２０４０８－ＰＭであった。超硬合金の組成は、Ｃｏ ７．２ｗｔ％、ＴａＣ ２．９ｗｔ％、ＮｂＣ ０．５ｗｔ％、ＴｉＣ １．９ｗｔ％、ＴｉＮ ０．４ｗｔ％、および残部のＷＣであった。

被覆の堆積前に、基材を穏やかなブラスト処理に曝して、基材表面上の焼結プロセスからのあらゆる残留物を除去した。

ＣＶＤ堆積
１／２インチのサイズの切削インサート１０．０００個を収容することができる、Ｉｏｎｂｏｎｄのサイズ５３０型の放射状ＣＶＤ反応器において、焼結した基材をＣＶＤ被覆した。さらに試験および分析する試料は、チャンバーの中央から、プレートの半径の半分に沿ってプレートの中心と周囲の間の位置で選択した。マスフローコントローラーは、例えばＣＨ_３ＣＮの高流量を設定することができるように選んだ。

約０．２μｍのＴｉＮの第１の最内被覆を、４００ｍｂａｒおよび８８５℃のプロセスで全ての基材に堆積させた。Ｈ_２ ４８．８ｖｏｌ％、Ｎ_２ ４８．８ｖｏｌ％、およびＴｉＣｌ_４ ２．４ｖｏｌ％のガス混合物を使用した。

その後、続いてＴｉ（Ｃ，Ｎ）層を堆積させ、全試料Ａ～Ｇに、以下に従って異なるＴｉ（Ｃ，Ｎ）を堆積させた。基準試料Ａは、表１に示すプロセス工程ＶおよびＷで堆積させた。試料Ｂ～Ｇでプロセス工程Ｘから開始する前の８８５℃から８７０℃への温度調整は、５０ｖｏｌ％のＨ_２および５０ｖｏｌ％のＮ_２中で、８０ｍｂａｒで行った。基準試料ＢのＴｉ（Ｃ，Ｎ）層は、表１に示すプロセス工程Ｘで堆積させた。試料Ｃ～Ｇにおいて、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層は、表１および表２に示す堆積時間を用い、プロセス工程Ｘ、Ｙ、およびＺで堆積させた。プロセス時間は、全試料でほぼ同じＴｉ（Ｃ，Ｎ）層の合計厚さに達するように調整した。

４つの別個の反応工程からなるプロセスにより、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の頂部上に０．７～０．９μｍの厚さの結合層を１０００℃で堆積させた。まず４００ｍｂａｒでＴｉＣｌ_４、ＣＨ_４、Ｎ_２、ＨＣｌ、およびＨ_２を用いた８分のＨＴＣＶＤ Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）工程、次に７０ｍｂａｒでＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ_２、およびＨ_２を用いた７分間の第２の工程（Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）－１）、次に７０ｍｂａｒでＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＣＮ、ＣＯ、Ｎ_２、およびＨ_２を用いた５分間の第３の工程（Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）－２）を行い、ならびに最後に７０ｍｂａｒでＴｉＣｌ_４、Ｎ_２、およびＨ_２を用いた６分間の第４の工程（ＴｉＮ）。第３の堆積工程の間、ＣＯガス流量を、表３に示す開始値から停止値まで連続的に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、全体のガス流量が増加するので、全てのガスの濃度はこれに起因していくらか影響を受けた。後続のＡｌ_２Ｏ_３核形成を開始する前に、ＣＯ_２、ＣＯ、Ｎ_２、およびＨ_２の混合物中で、結合層を４分間酸化させた。

結合層の堆積の詳細を表３に示す。

結合層の頂部上にα－Ａｌ_２Ｏ_３層を堆積させた。全てのα－Ａｌ_２Ｏ_３層を１０００℃および５５ｍｂａｒで、２工程で堆積させた。１．２ｖｏｌ％のＡｌＣｌ_３、４．７ｖｏｌ％のＣＯ_２、１．８ｖｏｌ％のＨＣｌ、および残余のＨ_２を使用し、約０．１μｍのα－Ａｌ_２Ｏ_３を生成する第１の工程、および下記で開示され、約５μｍのα－Ａｌ_２Ｏ_３層の合計厚さを生成する第２の工程。α－Ａｌ_２Ｏ_３層の第２の工程は、１．１６％のＡｌＣｌ_３、４．６５％のＣＯ_２、２．９１％のＨＣｌ、０．５８％のＨ_２Ｓ、および残余のＨ_２を使用して堆積させた。

被覆分析
層の厚さは、走査型電子顕微鏡を使用して、切削工具試料のすくい面上で測定した。試料Ａ～Ｇの被覆の層の厚さを表４に示す。

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の結晶粒度は、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層全体および結合層に近いＢ１部分の平均値として、両方で分析した。結果を表５に示す。

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層のＢ１部分のＴｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒の配向およびα－Ａｌ_２Ｏ_３層のＯ１部分のα－Ａｌ_２Ｏ_３結晶粒の配向を分析した。結果を表５に示す。

基準試料ＡのＴｉ（Ｃ，Ｎ）層の結晶粒度は、ＸＲＤで分析するには大きすぎ、シェラーの式は約０．２μｍより大きい結晶粒度には有効でないと考えられる。この層の平均結晶粒度は、断面ＳＥＭ画像で測定したときに２００ｎｍよりも大きい。

(n.a.=分析せず)

Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）およびα－Ａｌ_２Ｏ_３層の組織係数を、Ｘ線回折を用いて分析し、結果を表６および表７に示す。

性能試験
被覆されたままの切削工具を、高合金鋼鉄であるワークピース材料Ｏｖａｋｏ８２５Ｂ（１００ＣｒＭｏ７－３）での長手方向旋削操作における２つの並列切削試験、切削試験１および切削試験２で試験した。切削速度Ｖｃは２２０ｍ／分であり、送りｆｎは０．３ｍｍ／回転であり、切り込み深さは２ｍｍであり、水混和性切削液を使用した。機械加工は寿命終了基準に到達するまで続けた。切削工具１つ当たり１つの切刃を評価した。

工具寿命基準は、第１または第２の逃げ面摩耗が＞０．３ｍｍであったとき、またはクレーター面積（露出した基材）が＞０．２ｍｍ^２であったときに到達したとみなした。これらの基準のいずれかが満たされたらすぐに、試料の寿命に達したとみなした。切削試験の結果を表８および表９に示す。

表８でわかるように、本発明の試料ＤおよびＥは全て高い耐摩耗性を示したのに対し、試料Ａ、Ｆ、およびＧは、Ｏ１部分での配向度がより低い結果として、形成クレーターを示している。表９に示されているように、本発明の試料ＤおよびＥは、鋼鉄の金属切削において逃げ面とクレーターの両方の摩耗に対する高い耐性を示し、また、非常に高い性能の基準試料である基準試料Ａに匹敵した。

切削工具はまた、研磨材ウェットブラストに曝すことによって評価した。ブラストは切削工具のすくい面に行った。ブラスタースラリーは水中２０ｖｏｌ％のアルミナからなり、切削インサートのすくい面とブラスタースラリーの方向の間の角度は９０°であった。ガンノズルとインサートの表面の間の距離は約１４５ｍｍであった。ガンへのスラリーの圧力は全ての試料で１．８ｂａｒであり、ガンへの空気の圧力は２．２ｂａｒであった。アルミナグリットはＦ２３０メッシュ（ＦＥＰＡ４２－２：２００６）であった。面積単位当たりのブラストの平均時間は４．４秒であった。試料ＢおよびＣはウェットブラストに耐えることができず、試料Ｂの被覆は著しいフレーキングを示し、試料Ｃは点状フレーキングを示した。他の試料は全て、被覆を破壊することなくウェットブラストに耐えた。

本発明を種々の例示的実施形態に関連して記載したが、本発明は、開示された例示的実施形態に限定されるものではなく、対照的に、添付の特許請求の範囲内の種々の改変および均等な構成を包含することを意図することが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または実施形態は、設計上選択される一般的事項として、任意の他の開示もしくは記載もしくは提案された形態または実施形態に組み込まれてもよいことが認識されるべきである。したがって、本明細書に添付される、添付の特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されることが意図される。

Claims (14)

1. α－Ａｌ_２Ｏ_３層を含む被覆で少なくとも部分的に被覆された基材を含む切削工具であって、前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層が、結合層から１μｍ延びるＯ１部分を含み、前記Ｏ１部分が、前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層の断面で電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）により測定したときに配向を示し、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の表面法線が基材表面の表面法線と平行であり、分析された面積の≧８０％、好ましくは≧９０％、より好ましくは≧９５％、最も好ましくは≧９７％が、α－Ａｌ_２Ｏ_３層の表面法線から１５度以内の＜００１＞方向を有する、切削工具。
2. 前記被覆が、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）の層、α－Ａｌ_２Ｏ_３の層、およびその間の結合層を含み、３～２５μｍの厚さを有する前記Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層が柱状結晶粒で構成され、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の平均結晶粒度Ｄ_４２２が、ＣｕＫα放射線を用いたＸ線回折により測定したときに２５～５０ｎｍであり、結晶粒度Ｄ_４２２が、シェラーの式
   

   

   により（４２２）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）から計算され、式中、Ｄ_４２２はＴｉ（Ｃ，Ｎ）の平均結晶粒度であり、Ｋはここで０．９に設定された形状係数であり、λはここで１．５４０５Åに設定されたＣｕＫα放射線の波長であり、Ｂ_４２２は（４２２）反射のＦＷＨＭ値であり、θはブラッグ角であり、
   Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層が、結合層に隣接するＢ１部分を含み、Ｂ１部分のＴｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒の平均結晶粒度が、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の全厚さにわたる平均結晶粒度Ｄ_４２２よりも大きく、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層のＢ１部分において、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）結晶粒が、基材表面に平行に延びるＴｉ（Ｃ，Ｎ）層のＢ１部分の平面において透過菊池回折（ＴＫＤ）により測定したときに１３０ｎｍ～１６５ｎｍの平均結晶粒度を有する、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層が、ＣｕＫα放射線およびθ－２θスキャンを使用したＸ線回折により測定したときに、Ｈａｒｒｉｓの式
   

   

   により規定される組織係数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による標準強度であり、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≧７．５、好ましくは≧７．７、より好ましくは≧７．８であることを特徴とする、請求項１または２に記載の切削工具。
4. 前記α－Ａｌ_２Ｏ_３層が、≦０．２、好ましくは≦０．１の組織係数ＴＣ（１１０）を示す、請求項１から３のいずれか一項に記載の切削工具。
5. α－Ａｌ_２Ｏ_３層の平均厚さが１μｍ～１５μｍ、好ましくは３～１０μｍである、請求項１から４のいずれか一項に記載の切削工具。
6. 前記Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層のＢ１部分におけるＴｉ（Ｃ，Ｎ）層が、基材表面に平行に延びる平面において透過菊池回折（ＴＫＤ）により測定したときに配向を示し、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の表面法線が基材表面の表面法線と平行であり、分析された面積の≧９３％、好ましくは≧９５％が、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の表面法線から１５度以内の＜２１１＞方向を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の切削工具。
7. Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層のＢ１部分の厚さが０．５～１．５μｍ、好ましくは０．６～０．９μｍ、最も好ましくは０．６～０．８μｍである、請求項１から６のいずれか一項に記載の切削工具。
8. Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層が、ＣｕＫα放射線およびθ－２θスキャンを使用して測定したときにＸ線回折パターンを示し、ＴＣ（ｈｋｌ）がＨａｒｒｉｓの式により規定され、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による標準強度であり、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）、および（４２２）であり、ＴＣ（４２２）が≧３、好ましくは≧４である、請求項１から７のいずれか一項に記載の切削工具。
9. Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）の結晶粒度Ｄ_４２２が２５～４０ｎｍ、好ましくは２５～３５ｎｍである、請求項１から８のいずれか一項に記載の切削工具。
10. Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層の平均厚さが４～２０μｍ、好ましくは５～１５μｍである、請求項１から９のいずれか一項に記載の切削工具。
11. 結合層が、チタンカルボキシド、酸窒化チタン、およびチタンカルボキシニトリドの群から選択される少なくとも１種の化合物を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の切削工具。
12. 結合層の平均厚さが０．２５～２．５μｍ、好ましくは０．５～２．０μｍである、請求項１から１１のいずれか一項に記載の切削工具。
13. 被覆の平均厚さが５μｍ～３０μｍ、好ましくは１０～２０μｍである、請求項１から１２のいずれか一項に記載の切削工具。
14. 前記基材が超硬合金、サーメット、またはセラミックである、請求項１から１３のいずれか一項に記載の切削工具。
    

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