JP2010523351A - セラミック被覆を有する切削インサート - Google Patents

Abstract

高い延性を示し、亀裂伝播と剥離との両方について低い傾向を示す、厚く、高質な、α―アルミナコーティングを提供する。基板と、前記基板上に形成されたＣＶＤ−蒸着多層セラミックコーティングとを具え、前記多層セラミックコーティングが、酸化物材料と前記酸化物材料に付着する界面層との交代層を含み、前記界面層が、硬質材料内に酸化物材料の少なくとも１つの成分が溶解した固溶体を含むことを特徴とする、コーティングされた切削インサート。

Description

本発明は、改良されたコーティングシステムに関し、具体的には、新規な圧膜コーティングに限らず、その作製方法に関する。上記コーティングシステムは、適切な基板に適用して、例えば、より長い可使期間のような改良された特性を有する切削工具、インサート及び交換可能な切削ヘッドを提供するためのものである。

切削、旋盤加工、フライス加工、ドリル穿孔等により金属のワークピースを機械加工する際には、切削工具が用いられる。切削工具の長い可使期間を保証しながら、切りくずがワークピースから効率的に除去されることを保証するために、切削工具インサートには、硬質で頑丈であることが要求される。

しかしながら、硬さは脆性と相互に関係する可能性がある。金属マトリックス中の硬質セラミック粒子からなる複合材料を、硬質かつ頑丈なものとすることは、インサートにとってごく一般的な選択である。多数のこのようなセラミック金属混合物又はサーメットは改良されてきた。そのいわゆる硬質金属又は超硬合金、とりわけ、コバルトマトリックス中の炭化タングステン粒子からなるＷＣ−Ｃｏは、多くの用途のための切削工具インサートの製作用の選択材料である。

インサートは切りくずを除去し、ワークピースを成形するが、その過程でインサート自身が摩滅する。切削工具インサートの磨耗は、ワークピースとの接触面で生じ、通常、ワークピースとの、機械的、化学的、及び熱的相互作用に起因する。

インサートを交換する間の工作機械の休止時間は、通常、費用のかかる操作である。数多くの研究が硬質コーティングの出願によってインサートの耐摩耗性を向上させることに指向されている。硬さは、耐塑性変形性の尺度であり、硬さと耐摩耗性とには相互関係がある。コーティングは耐摩耗性を増加させる一方、コーティングは、多くの場合、剥離等の突発破損モードに影響を受けやすい。

コーティングは、ＰＶＤ（物理的気相成長法）又はＣＶＤ（化学的蒸着）として通常分類される様々なコーティング技術によりインサート上に形成することができる。

ＰＶＤは非常に良好な特性を与える。コーティングは単なる視線である。ＰＶＤコーティングは蒸着過程からの圧縮残留応力により特徴付けられる。コーティング厚さが増大するにつれて、剥離による被覆破損の危険のため、ＰＶＤはめっきに通常限られる。

ＣＶＤコーティングは、視線ではない。その上、蒸着温度は、典型的にはＰＶＤ技術の温度よりも幾分高く、このことがコーティングと基板との間の、達成すべき良好な接着を可能する拡散誘起界面の成長を容易にする。実際は、良好な接着は、インサートのコーティングに対して重大な要件の１つである。

さらに、一方又は他方のコーティング技術により実際に役立つ、いくつかの材料及び材料―基板の組み合わせがある。

４０年以上の間、ＣＶＤ（化学蒸着）は、コーティングインサートに使用され、これにより機械加工におけるインサートの性能が改良された。ＴｉＮ、ＴｉＣ、及びＴｉＣＮのコーティングは、四塩化チタンを他のガスと反応させることによって適切な基板上に蒸着させることができ、ガス状の塩化物を除去して、以下のように形成される。

ＴｉＣｌ₄＋Ｎ₂＋Ｈ₂→ＴｉＮ＋塩化物及び他のガス
ＴｉＣｌ₄＋ＣＨ₄＋Ｈ₂→ＴｉＣ＋塩化物及び他のガス
ＴｉＣｌ₄＋Ｎ₂＋ＣＨ₄＋Ｈ₂→ＴｉＣＮ＋塩化物及び他のガス
Ａｌ₂Ｏ₃コーティングは、以下のように、同様の方法で製造することができる。

Ａｌ＋ＨＣｌ＋Ｈ₂→ＡｌＣｌ₃＋Ｈ₂
ＡｌＣｌ₃＋Ｈ₂＋ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｓ→Ａｌ₂Ｏ₃＋塩化物及び他のガス
ここで、Ｈ₂Ｓは触媒としての役割を果たし、蒸着速度及びＡｌ₂Ｏ₃コーティングの厚さ均一性を高める。

長年にわたり、他の化学的蒸着手段が、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ及びＡｌ₂Ｏ₃の蒸着に利用できるようになり、塩化チタン及び塩化アルミニウムを使用する上記手段が、非限定的なほんの一例として示されている。

実際には、様々な炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物、及びこれらの混合物のような、
多種多様の硬質コーティングが、様々なＰＶＤ及び／又はＣＶＤ技術の一方又は他方により蒸着され得る。鋳鉄のような硬質材料の機械加工においては、例えば、高温が生じる。このような高温では、炭化物及び窒化物のような多くのコーティング材料がよく反応し、ワークピース及び／又は冷却用の液及び空気と相互に作用し得る。Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）は、耐化学性が高く、しかも、硬質性が高い。その結果、アルミナは、インサートの寿命を増大させるための一般的なコーティング材料である。

European Patent Number EP1245700 to Ruppi entitled ‘‘Enhanced AL2O3-Ti(C,N) Multi-Coating Deposited at low Temperature’’は、金属切削工具として使用される、超硬合金、サーメット、セラミック、及び／又は高速度鋼のコーティングされた物体に関するものであり、当該物体はＭＴＣＶＤにより塗布することもできるチタン炭窒化物Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）の層が随意的に組み入れられているκ―Ａｌ₂Ｏ₃及び／又はγ―Ａｌ₂Ｏ₃の複数層を有する。

Ｔｉをベースにした層とＡｌ₂Ｏ₃層との両方を含む、他の既知の多層構造のコーティングは、次の文献において見られる。

ＪＰ１１２６９６５０Ａ２ ＪＰ２０００１１９８５５Ａ２ ＪＰ２０００１０７９０９Ａ２ ＪＰ０３１２２２８０Ａ２ ＪＰ２００００９６２３５Ａ２ ＪＰ２００００９６２３４Ａ２ ＪＰ１１３４７８０６Ａ２ ＪＰ１１３１０８７８Ａ２ ＪＰ２００２１４４１０９Ａ２ ＪＰ２００１０６２６０４Ａ２ ＪＰ２０００１５８２０８Ａ２ ＪＰ２０００１５８２０７Ａ２ ＥＰ０５９４８７５Ａ１ ＪＰ５９０２５９７０Ａ２ ＪＰ２００５２４６５９６Ａ２ ＪＰ２００４１８８５７７Ａ２ ＵＳ６６８９４５０ ＪＰ２００４２９９０２３Ａ２ ＪＰ２００４２９９０２１Ａ２ ＪＰ２００４１８８５７６Ａ２ ＪＰ２００４１８８５７５Ａ２ ＪＰ２００００５２１３０Ａ２ ＪＰ１１２５４２０８Ａ２ ＪＰ１１０９０７３７Ａ２ ＪＰ１１０００８０４Ａ２ ＪＰ１０３１０８７８Ａ２ ＪＰ１０３１０８７７Ａ２ ＵＳ２００２０１７６７５５Ａ

European Patent Number EP1245700 to Ruppi entitled ‘‘Enhanced AL2O3-Ti(C,N) Multi-Coating Deposited at low Temperature’’ ‘‘Nanoindentation Hardness, Microstructure and Wear Resistance of CVD α-Alumina and κ-Alumina Coatings’’ by Ruppi, Laarsson and Flink Prengel et al. Surface Coatings Technology, 68-69, 217 (1994) Krylov et al. Appl. Phys, A 80 1657 (2004) Ph.D. thesis, ‘‘Controlling the Formation and Stability of Alimina Phases’’ by Jon Martin Andersson, Linkoping Universitet, Institite of Technology, Linkoping 2005 ‘‘Microstructure and Deposition Characteristics of κ-Al2O3’’ S. Ruppi ＆ A.larsson Journal de physique IV France 8 (1999), EuroCVD 12, Part 8 350-355 ‘‘MOCVD of Aluminum Oxide barrier coating’’ by Jun C. Nable at al. J. Phys. IV France 12(2002) Pr4-139 ‘‘Diketonates as Precursors MOCVD of Aluminum Oxide Films Using Alminum’’, by A. Devi, S.A. Shivashankar and A.G. Samuelson Tungsten Properties, chemistry, Technology of the Element, Alloys, and Chemical Compounds, published by kluwer Academic/Plenum Publishers

アルミナは、いくつかの形式で存在する。γ―アルミナ及びκ―アルミナは準安定性の相である。旋盤上で旋廻が中断される場合や、冷却液なしで旋廻する場合のような、多くの機械加工における状況では、例えば、α―アルミナでコーティングされたインサートはγ―アルミナ又はκ―アルミナでコーティングされたインサートよりも良好に機能することが知られている。

アルミナの状態図から、標準気圧下１０５０℃を超える温度で、γ―アルミナ及びκ―アルミナは安定したα―アルミナ同素体（コランダム）に置き換わる。アルミナの低い熱分散特性と、機械加工において生じる高温のため、傾斜角表面は、いくつかの切削処理中、特には乾式機械加工による処理中では、１０５０℃に達すると考えられ、また、インサートの傾斜角面で生じる非常に高い圧力下では、相変態はより低い温度で生じると考えられる。機械加工処理中のインサートのアルミナ表面の再結晶は、促進磨耗を導く可能性がある。

切削処理中インサートにより生じる高温―圧力条件では、１０００℃の温度はまれでなく、スリップ、双晶形成、粒界すべり、及び場合によっては拡散クリープのような様々なメカニズムがα―Ａｌ₂Ｏ₃に関与し、これが十分な延性をもたらし脆性破壊を防止することも可能である。‘‘Nanoindentation Hardness, Microstructure and Wear Resistance of CVD α-Alumina and κ-Alumina Coatings’’ by Ruppi, Laarsson and Flinkを参照されたい。

蒸着された層の成長過程、構造、及び特性は、基板の特質及び温度、並びにガスフラックスの量及び運動エネルギーのような、蒸着条件により支配される。安定同位体であって様々な多形体のうち最も硬質な菱面体晶のα―アルミナ相は、通常、１０００〜１１００℃の蒸着温度で得られる。５８０℃での蒸着はプラズマ支援ＣＶＤによって実現するが、例えば、Prengel et al. Surface Coatings Technology, 68-69, 217 (1994)を参照されたい。例えば、Krylov et al. Appl. Phys, A 80 1657 (2004)を参照されたい。適切なテンプレート（即ち、好適な基板）を用いて、具体的には、クロミア、アンダーソン(Chromia, Andersson)は、反応性マグネトロンスパッタリングにより２８０℃という低い温度でα―アルミナの蒸着を実現した。Ph.D. thesis, ‘‘Controlling the Formation and Stability of Alimina Phases‘‘ by Jon Martin Andersson, Linkoping Universitet, Institite of Technology, Linkoping 2005を参照されたい。

α―アルミナの比較的厚いコーティングは、ＣＶＤ技術を用いて蒸着することができる。しかしながら、このようなコーティングは、通常、コーティング厚さにより、方向を持った粒成長を見せ、その結果、亀裂伝播に幾分影響を受ける円柱状の微細構造が得られる。

κ−アルミナの柱状成長を回避するための既知の技術は、異なる材料の薄層を蒸着することによりκ―アルミナの蒸着を周期的に中断し、その後κ―アルミナの蒸着が再び開始される技術である。ＴｉＮはκ―アルミナの成長を中断するのに用いられてきた材料の１つである。‘‘Microstructure and Deposition Characteristics of κ-Al₂O₃’’ S. Ruppi ＆ A.larsson Journal de physique IV France 8 (1999), EuroCVD 12, Part 8 350-355を参照されたい。ＴｉＮの薄層（０．１μｍ〜１μｍ）を周期的に導入することにより、κ―アルミナの結晶成長は停止され、アルミナの新たな層が核となる。その結果として得られるκ―アルミナは、ほぼ等軸性であり、ＣＶＤκ―アルミナに特有の柱状微細構造よりむしろ、亀裂伝播に対する著しく良好な耐性を示す。

κ―アルミナ−ＴｉＮ層は、比較的接着性が低いためコーティングが剥離し、促進磨耗をもたらすので、不運にも、この技術は、切削インサート等に対して良好な結果をもたらさない。

従って、高い延性を示し、亀裂伝播と剥離との両方について低い傾向を示す、厚く、高質な、α―アルミナコーティングに対する要求が未だ存在し、本発明は、この要求に対処する。

本発明の目的は、新規な基板−コーティングの組み合わせによる、改良された切削工具及び切削工具用のインサートを提供することにある。以下では、インサートは、金属の機械加工、ヘッドの切削、固体カーバイドエンドミル、及びカートリッジにろう付けできるプレートの切削に用いられる、交換式のインサート、チップ、又はビットを含む。

本発明の第１の態様に従って、以下のようなインサート用のセラミックコーティングが提供される。当該セラミックコーティングは層状構造であり、当該構造は、酸化物材料の副層と当該酸化物材料との良好な接着性を有する第２材料の界面層とが交互に配置された副層の形態を含む。このコーティングは、化学蒸着により蒸着される。次いで蒸着された各界面層は、前もって蒸着された酸化物材料の副層を終端させる役割を果たし、次の酸化物材料の副層の蒸着用の表面としての役割を果たす。第２材料の界面層は、硬質材料内に酸化物材料層の成分の少なくとも１つが溶解した固溶体を含む。

典型的には、界面層は、ＴｉＮ、ＴｉＣ、及びＴｉＣＮからなる群から選択される硬質材料内に酸化物材料が溶解した固溶体を含む。

好適には、酸化物材料はアルミナであり、界面層の第２材料は、ＴｉＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＯＣ、及びＴｉＡｌＣＯＮを含む群から選択される。

好適には、酸化物材料はＡｌ₂Ｏ₃であり、界面層はＴｉＡｌＣＯＮである。

最も好適には、酸化物材料はα―Ａｌ₂Ｏ₃である。

本発明の好適なコーティング構造の具体的な特徴は、酸化物材料の副層の各層の成長が、柱状構造が成長する前に界面層の蒸着によって停止することである。

本発明のもう１つの態様に従って、多層コーティングは、請求項１のセラミックコーティングと当該セラミック層の前に形成される第１硬質材料の下地層とを含む。

典型的には、第１硬質材料の下地層は、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、及びＴｉＮからなる群から選択される。

典型的には、下地層は、２μｍ〜１５μｍの範囲の厚さを有する。

典型的には、接着層は、下地層と成層構造との間に設けられる。

随意的には、接着層は、（ａ）ＴｉＯＣＮの層、（ｂ）ＴｉＡｌＯＣＮの層、（ｃ）ＴｉＯＣＮの層、及びこれに続くＴｉＡｌＯＣＮの層、並びに（ｄ）ＴｉＯＣＮの第１層、これに続くＴｉＡｌＯＣＮの層、及びこれ続くＴｉＯＣＮの第２層を含むサンドイッチ構造の１つを含む。

第１硬質材料の下地層は、タングステン超硬合金の基板に蒸着されたＴｉＣＮを含み、好適には、ＴｉＮのような基層が下地層の蒸着前に基板の表面に蒸着され、基板表面の脱炭が防止される。

典型的には、基層は０．１μｍ〜１．５μｍの厚さを有する。

セラミックコーティングは、典型的には、硬質金属、サーメット、高速度鋼、及びセラミックからなる群から選択される基板上に蒸着される。

随意的には、ＴｉＮの外層は、セラミックコーティング上に設けられる。

随意的には、ＴｉＮの外層は、傾斜角面から選択的に除去される。

本発明の第２の態様に従って、以下の切削工具インサートが提供される。当該インサートは、タングステン超硬合金の基板と、多層コーティングを含み、多層コーティングは、ＴｉＮの基層、（ｂ）ＴｉＣＮの下地層、（ｃ）ＴｉＯＣＮ、ＴｉＡｌＯＣＮ、及びＴｉＯＣＮのサンドイッチ構造を含む接着層、及び（ｄ）α―Ａｌ₂Ｏ₃の副層とＴｉＡｌＯＣＮの界面層とが交互に配置された層状構造を有するセラミックコーティングを含む。

随意的には、ＴｉＮの他の層がインサートの外表面上に設けられる。

本発明の第３の態様に従って、ＴｉＮ、ＴｉＣ、及びＴｉＣＮからなる群から選択される第１硬質材料の下地層上にα―Ａｌ₂Ｏ₃のＣＶＤ層の接着を支援するための接着層が提供される。当該接着層は、（ａ）ＴｉＯＣＮ、（ｂ）ＴｉＡｌＯＣＮ、（ｃ）ＴｉＯＣＮ、及びこれに続くＴｉＡｌＯＣＮを含む二重層、並びに（ｄ）ＴｉＯＣＮ、ＴｉＡｌＯＣＮ、及びＴｉＯＣＮのサンドイッチ構造からなる群から選択される。

本発明によれば、また、基板を有する切削インサートの上にＣＶＤ−蒸着多層セラミックコーティングを形成する方法が提供される。当該方法は、前記基板の上に、酸化物材料と前記基板の上の前記酸化物材料に付着する界面層との交代層を蒸着する工程を含み、前記界面層が、硬質材料内に酸化物材料の少なくとも１つの成分が溶解した固溶体を含む。

当該方法は、直近の先行する酸化物層内に柱状構造が成長する前に、前記酸化物層上に前記界面層を蒸着する工程を含むことができる。

必要に応じて、直近の先行する酸化物層上への界面層の蒸着は、次の酸化物層の蒸着のための表面としての役割を果たす。

当該方法は、
前記基板上に基層を蒸着する工程、
前記基層上に下地層を蒸着する工程であって、前記下地層が硬質材料を含む工程、及び
前記下地層の上であって、酸化物材料と界面層との前記交代層の下方に接着層を蒸着する工程
をさらに含むことができる。

当該方法のいくつかの実施形態に従って、
前記基層がＴｉＮを含み、
前記下地層がＴｉＣ、ＴｉＣＮ、及びＴｉＮからなる群から選択され、前記接着層がＴｉＯＣＮ、ＴｉＡｌＯＣＮ、及びＴｉＯＣＮのサンドイッチ構造を含み、
前記酸化物材料が、α―Ａｌ₂Ｏ₃を含み、並びに
前記界面層が、ＴｉＡｌＣＯＮを含む。

必要に応じて、当該方法は、前記多層セラミックコーティング上にＴｉＮの外層を蒸着する工程をさらに含む。

また、必要に応じて、当該方法は、
前記切削インサートの傾斜角面からＴｉＮの前記外層を選択的に除去する工程をさらに含む。

また、以下の方法が提供される。当該方法は、α―Ａｌ₂Ｏ₃の層の次のＣＶＤ蒸着に向けて、硬質材料を含む下地層を有する切削インサートを処理する方法であって、
前記α―Ａｌ₂Ｏ₃のＣＶＤ蒸着の前に下地層上に接着層を形成する工程を含み、前記接着層が、
（ａ）ＴｉＯＣＮの層、
（ｂ）ＴｉＡｌＯＣＮの層、
（ｃ）ＴｉＯＣＮの層、及びこれに続くＴｉＡｌＯＣＮの層、並びに
（ｄ）ＴｉＯＣＮの第１層、これに続くＴｉＡｌＯＣＮの層、及びこれ続くＴｉＯＣＮの第２層を含むサンドイッチ構造
からなる群からの１つである、方法である。

いくつかの実施形態に従って、当該方法は、
ＴｉＯＣＮ、ＴｉＡｌＯＣＮ、及びＴｉＯＣＮのサンドイッチ構造を形成する工程を含む。

必要に応じて、当該方法は、
ＣＶＤにより前記接着層を形成して、前記接着層が０．１μｍ〜１．０μｍの全厚さを有するようにする工程を含む。

ここでＴｉＡｌＯＣＮ又はＴｉＡｌＣＯＮとして言及されている材料は、ＴｉＣＮの中にＡｌ及びＯ原子が溶解した固溶体である。同様に、ここでＴｉＡｌＯＮ及びＴｉＡｌＯＣとして言及されている材料は、ＴｉＮ及びＴｉＣのそれぞれの中にＡｌ及びＯ原子が溶解した固溶体である。

ここでＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ等として記載されている材料が必ずしも化学量論的でないことが判るだろう。実際、下付文字が例えばＡｌ₂Ｏ₃に付されているだけで、相対的比率が示されているとみなすことができる。

ＴｉＯＣＮは、酸素、炭素、及び窒素の割合が大きく異なる材料のジェネリックファミリーに関する。

また、ＴｉＡｌＯＣＮは、酸素、炭素、及び窒素の割合が大きく異なる材料のジェネリックファミリーに関する。また、アルミニウム量は大幅に変化させることができる。さらに、コーティングの微細構造は十分な特徴事項ではなく、結晶構造内又は粒界に沿って第２層である介在物を含めることができる。

本発明をより良好に理解するため、またどのように実行に移すことができるか示すために、参照が添付図面に、単に実施例によってなされる。

図面への詳細な具体的言及により、示された明細が実施例によるものであり、本発明のみの好適な実施形態の説明に役立つ詳解を目的としたものであり、また、本発明の原理及び概念的見地を最も有益かつ容易に理解する記載であると考えられるものを提供するために提示されるものであることが強調される。この点については、本発明の基本的な理解に必要であるよりも詳細に、本発明の構造細部を示すために行われる試みはない。図面により解釈される記載は、当業者に対し本発明のいくつかの態様が実際どのように具体化され得るかを明らかにする。添付図面においては、
図１は、本発明の一実施形態によるインサートのコーティング層の概略断面図であり、 図１Ａは、全体形状を有するコーティングされた切削インサートを表現したものであり、当該コーティングは、本発明に従うものであり、 図２は、本発明に従う試行的なコーティングを貫通する断面図を示すＳＥＭマイクロ写真であり、及び 図３は、コーティング内で特定される結晶相を示すＸ線回折スペクトルである。

表
表１は、図２に示す試行的コーティングの蒸着中の、温度、圧力、及びガス相組成の要約である。

（酸化アルミニウム、コランダム、及びアルミナとしても知られている）Ａｌ₂Ｏ₃を蒸着するために利用できる多くのＣＶＤ技術がある。

Ａｌ₂Ｏ₃を蒸着するに際し、気相は、典型的には、基板上で化学的に反応する揮発性ガスを含み、他の反応生成物は運び出されるガス相の化学製品である。従来の熱的ＣＶＤを用いると、Ａｌ₂Ｏ₃はその蒸着について１０００℃を超える温度を必要とする。プラズマＣＶＤによれば、このようなコーティングの９００℃未満の温度での蒸着が可能となる。この処理において、化合物は、プラズマ放電及び加熱を用いて分解し及び共に反応する。その結果、非常に純度の高いアルミナ膜を基板表面に生じさせることができる。Ａｌ₂Ｏ₃に従来使用されているＣＶＤ処理は、腐食性の反応物質であるＡｌＣｌ₃を含む。低圧でＡｌＣｌ₃／ＣＯ₂／Ｈ₂のガス混合物を用いると、等軸コーティングよりはむしろ柱状成長が得られる傾向にある。大気圧でＡｌＣｌ₃／ＣＯ₂／Ｈ₂のガス混合物を用いると、大粒の成長を導く可能性がある。

アルミニウムトリ−イソプロポキシドは、α―アルミナを蒸着するために用いることができる別の前駆体である。別の手段は、アルゴン−酸素プラズマ中でのアルミニウムターゲットの反応性スパッタリングを含む。

アルミニウムアセチルアセトネートは、大気圧でアルミナの有機金属化学蒸着用の前駆体としても使用されており、‘‘MOCVD of Aluminum Oxide barrier coating’’ by Jun C. Nable at al. J. Phys. IV France 12(2002) Pr4-139を参照されたい。

アルミニウムトリス−テトラメチル−ヘプタンジオネート［Ａｌ（thd）３］及びアルミニウムトリス−アセチルアセトネート［Ａｌ（acac）３］は、Ａｌ₂Ｏ₃膜のＣＶＤにも使用されてきた。‘‘Diketonates as Precursors MOCVD of Aluminum Oxide Films Using Alminum’’, by A. Devi, S.A. Shivashankar and A.G. Samuelsonを参照されたい。

さらに別の手段は、比較的低い温度、即ち４３５〜５５０℃で実施して、アルミナの薄膜を蒸着できる、アルミニウムアセチルアセトナートの前駆体の熱分解である。

高温では、粒成長が核生成よりも優勢であり、ＣＶＤ処理によるα―アルミナの蒸着により、近接した結晶間のはっきりとした境界及び脆弱な結晶間の接着により特徴付けられる比較的粗い柱状粒子構造が得られる傾向にある。その結果として、このようなα―アルミナコーティングは、コーティング厚さのために亀裂伝播に影響を受けやすい傾向にある。蒸着温度は、粒成長及び核形成速度に影響を及ぼす単なるパラメータではなく、反応物の分圧、基板温度、Ｈ₂Ｓ又は他の触媒の用途等の他のパラメータは結果として得られる微細構造に影響を及ぼすおそれがあり、それらの取り扱いは、このようにして形成されるコーティングの特性を制御する手段をもたらす。

後述のとおり本発明の好適な実施形態の具体的な特長は、良好に接着され、厚く、多層化された、等軸粒の微細な微細構造を有するα―アルミナコーティングである。これは、アルミナ副層又は階層と、例えばそれぞれＴｉＯＣＮ、ＴｉＯＮ、又はＴｉＯＣ内にアルミニウムが溶解した固溶体であると考えられるＴｉＡｌＯＣＮ、ＴｉＡｌＯＮ、又はＴｉＡｌＯＣのようなα―アルミナ副層に対して良好な接着性を有する第２材料の界面層と、を交互に蒸着することにより得られる。第２層は、ＴｉＣｌ₄、ＡｌＣｌ₃、Ｎ₂、ＣＨ₄、Ｈ₂、ＣＯ₂、及びＨ₂Ｓの混合物から化学蒸着により蒸着される。このように、α―アルミナの蒸着は、前層のα―アルミナ粒成長を中断させるとともに新たな層内でのフレッシュなα―アルミナ結晶の核生成のための場所を提供する、第２材料の非常に薄い層の蒸着により周期的に中断され、多層化されたα−アルミナ構造が構築される。従って、第２材料の界面層は、直近の先行するα−アルミナ酸化層内で柱状構造が成長する前に、このようなα−アルミナ酸化層上に形成される。厚く、方向性を有する柱状のα−アルミナの成長は、これにより妨げられ、セラミックコーティングが亀裂伝播に影響を受けることが著しく低減する。

ＵＳ２００２０１７６７５５Ａ１に記載されたシステム及びそれ以外のアルミナ耐摩耗性コーティングの殆どとは違い、好適な実施形態のコーティングシステムはα―アルミナに関するものであり、κ―Ａｌ₂Ｏ₃又はγ―Ａｌ₂Ｏ₃に関するものではないことに留意されたい。安定同位体であることに加えて、α―アルミナは最も緻密な同位体であること（他の同位体の密度が約３．６〜３．８ｇｃｍ／ｍ³であるのに対して、約４ｇｃｍ／ｍ³の密度である）も認識されている。機械加工操作中に直面する圧力−温度形態においては、α―アルミナが他の同位体よりも強靭であることが分かっており、塑性変形することができるので、応力が緩和される。加えて、第２材料の界面層は、アルミナとの良好な界面接着を確実にする助けになることが知られてきており、高いコーティング品位をもたらす。第２材料の界面層は、新しいＡｌ₂Ｏ₃結晶の核生成のための高密度な場所を提供し、これにより、多くの小結晶が得られると考えられている。第２材料の中間層内のＡｌ及びＯの両方の存在により、Ａｌ₂Ｏ₃内にＡｌ及びＯへの化学的な接着がもたらされ、また小粒の成長を促進するアルミナ粒子の高密度化を助長する核形成部位が提供されることも考えられる。

図１を参照すると、インサート１０のコーティング層の概略断面図が示されている。図１Ａに示すように、インサート１０は、コーティングされていないボディ又は基板１２と、多層コーティング１４とからなる。ボディ１２は、鉄及び炭素に加えて、例えばクロム、タングステン、モリブデン、及びチタンのような耐熱性の金属の各種量を含む、高速度鋼合金から作製することができる。或いはまた、ボディ１２はＳｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃／ＴｉＣ、ＳｉＡｌＯＮ、及びＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＣウィスカ混合物等のようなセラミックを含むことができる。より一般的には、ボディ１２は、例えば金属バインダー内にＴｉＣ又はＴｉＮが存在するサーメットタイプの混合物である。しかしながら、最も一般的には、ボディ１２は、炭化タングステン（ＷＣ）のようないわゆる硬質金属超硬合金タイプの複合材料、及び金属マトリックス、大抵の場合コバルト（Ｃｏ）により固結された他の炭化物であり、以下ではタングステン超硬合金と称される。超硬合金は、Tungsten Properties, chemistry, Technology of the Element, Alloys, and Chemical Compounds, published by kluwer Academic/Plenum Publishersの３２１頁に記載されている。下地層１２は、上記の既知の組成物のいずれかとすることができ、以下では基板１２と称されることとなる。

典型的には、基板１２は、その上に多層コーティング１４を蒸着する前に、脱脂処理し、サンドブラスト処理し、超音波浴中で洗浄することにより用意することとなる。

多層コーティング１４は、第１硬質材料の比較的厚い下地層１６を含む。下地層１６は典型的には４μｍ〜１５μｍ厚さであり、側部及び突出部の耐磨耗性に関して特に良好である。薄い（０．１μｍ〜１．５μｍ）任意の基層１８、典型的にはＴｉＮは、通常、下地層１６の前に蒸着される。基層１８は、基板１２の脱炭処理をせずに下地層１６の蒸着に必要である比較的厳しいＣＶＤ条件にインサート１０がさらされることを可能とし、これにより、基板の表面付近に形成される、不所望である脆弱なη層（Ｍ₁₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ（ＭはＣｏ及びＷ））の形成を最小限にすることができる。

薄い接着層２０（０．１μｍ〜１μｍ）は、下地層１６上に蒸着される。接着層２０は、それぞれＴｉＯＣＮ２４，２６の下部接着層及び上部接着層と、これらの間に挟み込まれたＴｉＡｌＯＣＮ２２の内部接着層とからなるサンドイッチ構造とすることができる。

ＴｉＯＣＮは、多くの手段により蒸着することができる。例えば、ＴｉＣｌ₄＋Ｎ₂＋Ｈ₂＋ＣＨ₄＋ＣＯ₂→ＴｉＣＯＮ＋塩化物及び他のガス により蒸着できる。

ＴｉＡｌＣＯＮも、多くの手段により蒸着することができる。例えば、ＴｉＣｌ₄＋Ｎ₂＋Ｈ₂＋ＣＨ₄＋ＣＯ₂＋ＡｌＣｌ₃→ＴｉＡｌＣＯＮ＋塩化物及び他のガス により蒸着できる。

厚いセラミックコーティング２８は、接着層２０上に蒸着することができる。セラミックコーティング２８は、α―Ａｌ₂Ｏ₃の酸化物層３０と界面層３２との層状構造を有する。第１に、第１酸化物層３０Ａが蒸着される。ＴｉＯＣＮの上部接着層２６のおかげで、酸化物層３０Ａは高い粒子密度、従って小さな粒径で蒸着され、接着層２０に良好に接着されると考えられる。

界面層３２は、ＴｉＣＮ、ＴＩＣ、又はＴｉＮのマトリックス内に酸素及びアルミニウムが溶解した固溶体である第２材料である。酸化物層３０と界面層３２との優れた接着は、
より適切な格子面間隔をもたらすとともに、その上に酸化物層３０の核生成のためにより相溶性のある化学的接着性をもたらす界面層３２により、界面層３２及び酸化物層３０内のＡｌ及びＯの相互作用に起因する。

妨げられない成長が許される範囲で、酸化物層３０の粒子は典型的には大きくかつ柱状である。場合によっては、これらの粒子は好適な配向性を有することもある。しかしながら、本発明の実施形態においては、例えば、ＴｉＡｌＣＯＮの非常に薄い第１界面層３２Ａは、第１酸化物層３０Ａ上に蒸着される。第１界面層３２Ａは、第１酸化物層３０Ａの粒成長を終結させ、その上に第２酸化物層３０Ｂが蒸着できる核生成及び粒成長のためのフレッシュな場所を提供すると考えられる。その結果、第２の非常に薄い界面層３２Ｂはその上に蒸着することができる。

酸化物層３０と界面層３２とを交互に形成することによって、小さな等軸粒径を有する厚いセラミックコーティング２８はＣＶＤによって成長させることができる。各界面層３２は、前の酸化物層３０の粒成長を停止させ、場合によっては、その上にフレッシュなセラミック結晶の核生成のための高密度な場所を提供することもある。

大部分の材料の硬さ及び耐磨耗性に関する改良は、ホールパッチ効果による粒径の減少により見られると認識される。加えてまたより有意には、連続的な再核生成は、厚く、配向した柱状結晶の成長を妨げ、これにより、このようにして形成されるセラミックコーティングの亀裂伝播の影響を有意に低減させる。

セラミックコーティング２８内の好適な酸化物層３０及び界面層３２の多くは、それぞれの特定目的に対する設計基準に依存する。ある程度は、界面層３２の組成、具体的には固溶体界面層３２内のＡｌ及びＯの量が、粒径を決定すると考えられる。界面層３２の組成は反応種の分圧に影響されるが、単純な方法においてはそれによって決定されず、コーティング内の種々の成分の密度が反応性ガス内のそれらの密度とは常に異なることに留意されたい。

好適な実施例においては、基板１２はタングステン超硬合金であり、下地層１６の第１硬質材料は側面磨耗及びクレータ磨耗に関して特に良好なＴｉＣＮである。ＴｉＣＮ下地層１６の蒸着のために必要な厳しい処理条件により脆弱なη相の形成を導く基板１２の脱炭を回避するために、好適には、基層１８は下地層１６の下に設けられる。ＴｉＮは、このために基層１８用の適当な選択肢であると考えられており、当該分野において相当に定着している。

接着層２０は、ＴｉＣＮ下地層１６とセラミックコーティング２８との間に蒸着され、セラミックコーティング２８は、α―Ａｌ₂Ｏ₃の酸化物層３０とＴｉＡｌＣＯＮの界面層３２とが順に交互に配置されて形成されている（３０Ａ、３２Ａ、３０Ｂ、３２Ｂ、３０Ｃ、３２Ｃ．．．）。

界面層３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ．．．にＴｉＡｌＣＯＮを使用することにより、その上に形成されるα―Ａｌ₂Ｏ₃の酸化物層３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ．．．の核生成が促成される。交互に形成されるα―Ａｌ₂Ｏ₃の酸化物層３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ．．．と、ＴｉＡｌＣＯＮの界面層３２Ａ、３２Ｂ．．．とは、優れた接着性を有すると考えられている。

多くの酸化物層３０及び界面層３２は、所望のセラミックコーティング２８の厚さに依存して変化する。通常、処理ガスの動作温度及び／又は分圧、並びに、基層１８特にはその上面の活量を変化させることにより、酸化物３０の核生成が粒成長よりも優勢になり、より小さい粒径が得られる。また、α―Ａｌ₂Ｏ₃の酸化物層３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは殆ど完全な等軸性であり、即ちとにかく極めて配向性に乏しく、連続ＣＶＤα―Ａｌ₂Ｏ₃の成長から柱状結晶成長がもたらされると考えられる。

実用的には、魅力的な仕上げを提供するため、外層３４は上述のコーティング層１４上に蒸着できる。ＴｉＮは、このために使用でき、これにより、既知のように、魅力的な黄金の仕上げがもたらされる。随意的には、ＴｉＮの外層３４はインサートの少なくとも１つの傾斜角面で除去できる。

概念実証の目的のために、図２を参照すると、本発明の好適な実施形態に従う基板１１２及び多層コーティング１１４を含むインサート１００の断面のマイクロ写真が示されている。当該画像の下部には、固結された炭化タングステンの基板１１２が示されている。炭化タングステンの配向性結晶は約１μｍの平均粒径を有する。多層コーティング１１４は、約１μｍのＴｉＮ１１８の薄いベースコーティングを含む。ＴｉＮベースコーティング１１８の上には、比較的厚い約７μｍの下地の柱状ＴｉＣＮ下地層１１６を蒸着した。接着層１２０は、その上に蒸着される。接着層系１２０は、実際には、ＴｉＯＣＮ、ＴｉＡｌＯＣＮ、及びＴｉＯＣＮのサンドイッチ構造であるが、相互拡散により、コントラストが低く、異なる副層がＳＥＭマイクロ写真において解像されていない。

厚さ約１μｍのα―Ａｌ₂Ｏ₃の酸化物層１３０Ａ、１３０Ｂ、及び１３０Ｃの副層と、厚さ約０．１μｍのＴｉＡｌＣＯＮの界面層１３２Ａ、１３２Ｂ、及び１３２Ｃとを交互に積層した、層状の厚いセラミックコーティング１２８が示されている。このように、界面層の厚さに対する酸化物層の厚さの比はおよそ１０である。この比は、他の値とすることがきるが、好適には、７〜１５である。厚さ約０．５μｍのＴｉＮ１３４の外層もまた見られる。

化学的蒸着に用いられるガスの温度、圧力、及び流量は、表
１に示されている。これらの詳細により、本発明の好適な実施形態の創作を完全に有効にする記載が提供される。

図２に示すコーティングを、Ｃｕ−Ｋα源からのＸ線を用いたＸ線回折（ＸＲＤ）により観察した。図３において、Ｘ線回折スペクトルを示す。当該分野で知られているように、縦軸は、Ｘ線検出器により受信された光子の１秒当たりのカウント数であり、横軸（２θ）は、回折角（その角に検出器をセットした）であり、ここでθはＸ線の入射角である。全ての主要なピークは以下のとおり分類される：１はα―Ａｌ₂Ｏ₃、２はＴｉＮ、３はＴｉＣＮ（ＭＴ）、及び４はＷＣ。明確に示されたように、酸化物層は確かにα―Ａｌ₂Ｏ₃であり、他の同位体ではない。また、ピークの鋭さ及び比較的低いバックグランドノイズから、そのコーティングは１００ｎｍを超える結晶サイズを有する結晶構造のみを有することが理解されよう。

実施例２〜４は、グレードＢインサート（即ち、既知の先行技術のコーティングによりコーティングされたインサート）とともに同一の条件で試験された、グレードＡインサート（即ち、開示に従いコートされたインサート）の利点を実証する。外層に最も遠い層からの、グレードＢ先行技術インサートコーティングの詳細は、以下のとおりである：厚さ約０．６μｍの最も遠いＴｉＮ層、これに続き、ＭＴＣＶＤ技術を使用した柱状粒子を有する厚さ約６μｍの第２の厚い層ＴｉＣＮ ＭＴ。第３層は厚さ約０．１５μｍのＴｉＮであり、第４層は厚さ約０．３μｍのＴｉＣである。第５層は厚さ約０．１μｍのＴｉＯＣＮであり、第６層は厚さ約３μｍの厚い層であるα―Ａｌ₂Ｏ₃である。最上の外層は厚さ約０．８μｍの厚いＴｉＮである。

これらの実施例を、表の形式で要約する。

実施例２

実施例３

実施例４

好適な実施形態の材料の組み合わせは上述したとおりであるが、他の材料及び組み合わせが可能であり、さらに合金化元素を置き換えることができる。

従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により明らかとなり、当業者が上述の記載を読んだ場合に想到する、上述した様々な発明特定事項のコンビネーション及びサブコンビネーション、並びにそれらのバリエーション及び改良を含む。

特許請求の範囲において、文言「含む（comprise）」、及びそのバリエーションである「含む（comprises）」、「含む（comprising）」等は、記載された成分が含まれるが、通常、他の成分を除外する意味ではない。

Claims (30)

1. 基板と、前記基板上に形成されたＣＶＤ−蒸着多層セラミックコーティングとを具えるコーティングされた切削インサートであって、前記多層セラミックコーティングが、酸化物材料と前記酸化物材料に付着する界面層との交代層を含み、
   前記界面層が、硬質材料内に酸化物材料の少なくとも１つの成分が溶解した固溶体を含むことを特徴とする、コーティングされた切削インサート。
2. 前記多層セラミックコーティングが、前記酸化物材料の３層と前記界面層の３層とを交互に含む少なくとも６層を具えることを特徴とする、請求項１に記載のコーティングされた切削インサート。
3. 前記硬質材料が、ＴｉＮ、ＴｉＣ、及びＴｉＣＮからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載のコーティングされた切削インサート。
4. 前記酸化物材料が、α―Ａｌ₂Ｏ₃であることを特徴とする、請求項１に記載のコーティングされた切削インサート。
5. 前記界面層が、ＴｉＡｌＣＯＮであることを特徴とする、請求項４に記載のコーティングされた切削インサート。
6. 前記酸化物材料がアルミナであり、
   前記界面層が、ＴｉＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＯＣ、及びＴｉＡｌＣＯＮからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載のコーティングされた切削インサート。
7. 界面層の厚さに対する酸化物材料層の厚さの比が、７〜１５であることを特徴とする、請求項１に記載のコーティングされた切削インサート。
8. 前記基板と前記セラミックコーティングとの間に下地層をさらに含み、前記下地層が硬質材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載のコーティングされた切削インサート。
9. 前記下地層の前記硬質材料が、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、及びＴｉＮからなる群から選択されることを特徴とする、請求項８に記載のコーティングされた切削インサート。
10. 前記下地層が、２μｍ〜１５μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項９に記載のコーティングされた切削インサート。
11. 前記下地層と前記セラミックコーティングとの間に接着層をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載のコーティングされた切削インサート。
12. 前記接着層が、
    （ａ）ＴｉＯＣＮの層、
    （ｂ）ＴｉＡｌＯＣＮの層、
    （ｃ）ＴｉＯＣＮの層、及びこれに続くＴｉＡｌＯＣＮの層、並びに
    （ｄ）ＴｉＯＣＮの第１層、これに続くＴｉＡｌＯＣＮの層、及びこれ続くＴｉＯＣＮの第２層を含むサンドイッチ構造
    からなる群からの１つであることを特徴とする、請求項１１に記載のコーティングされた切削インサート。
13. 前記基板と前記下地層との間に基層をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載のコーティングされた切削インサート。
14. 前記基層がＴｉＮを含むことを特徴とする、請求項１３に記載のコーティングされた切削インサート。
15. 前記基層が、０．１μｍ〜１．５μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１４に記載のコーティングされた切削インサート。
16. 前記多層セラミックコーティングの上方に、ＴｉＮの外層をさらに含むことを特徴とする、請求項１３に記載のコーティングされた切削インサート。
17. ＴｉＮの前記外層は、切削インサートの傾斜角面がないことを特徴とする、請求項１６に記載のコーティングされた切削インサート。
18. 前記基板の上方に形成された基層、
    前記基層の上方に形成され、硬質材料を含む下地層、及び
    前記下地層の上方であって、前記多層セラミックコーティングの下方に形成された接着層
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のコーティングされた切削インサート。
19. 前記多層セラミックコーティングの上方に形成されたＴｉＮの外層をさらに含むことを特徴とする、請求項１８に記載のコーティングされた切削インサート。
20. 前記基層がＴｉＮを含み、
    前記下地層がＴｉＣ、ＴｉＣＮ，及びＴｉＮからなる群から選択され、
    前記接着層がＴｉＯＣＮ、ＴｉＡｌＯＣＮ、及びＴｉＯＣＮのサンドイッチ構造を含み、
    前記酸化物材料がα―Ａｌ₂Ｏ₃を含み、並びに
    前記界面層がＴｉＡｌＣＯＮを含むことを特徴とする、請求項１８に記載のコーティングされた切削インサート。
21. 基板を有する切削インサートの上にＣＶＤ−蒸着多層セラミックコーティングを形成する方法であって、
    前記基板の上に、酸化物材料と前記基板の上の前記酸化物材料に付着する界面層との交代層を蒸着する工程を含み、前記界面層が、硬質材料内に酸化物材料の少なくとも１つの成分が溶解した固溶体を含むことを特徴とする、方法。
22. 直近の先行する酸化物層内に柱状構造が成長する前に、前記酸化物層上に前記界面層を蒸着する工程を含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
23. 直近の先行する酸化物層上に前記界面層を蒸着する工程が、次の酸化物層の蒸着用の表面としての役割を果たすことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
24. 前記基板上に基層を蒸着する工程、
    前記基層上に下地層を蒸着する工程であって、前記下地層が硬質材料を含む工程、及び
    前記下地層の上であって、酸化物材料と界面層との交代層の下方に接着層を蒸着する工程
    をさらに含むことを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
25. 前記基層がＴｉＮを含み、
    前記下地層がＴｉＣ、ＴｉＣＮ、及びＴｉＮからなる群から選択され、
    前記接着層がＴｉＯＣＮ、ＴｉＡｌＯＣＮ、及びＴｉＯＣＮのサンドイッチ構造を含み、
    前記酸化物材料が、α―Ａｌ₂Ｏ₃を含み、並びに
    前記界面層が、ＴｉＡｌＣＯＮを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
26. 前記多層セラミックコーティング上にＴｉＮの外層を蒸着する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
27. 前記切削インサートの傾斜角面からＴｉＮの前記外層を選択的に除去する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
28. α―Ａｌ₂Ｏ₃の層の次のＣＶＤ蒸着に向けて、硬質材料を含む下地層を有する切削インサートを処理する方法であって、
    前記α―Ａｌ₂Ｏ₃のＣＶＤ蒸着の前に下地層上に接着層を形成する工程を含み、前記接着層が、
    （ａ）ＴｉＯＣＮの層、
    （ｂ）ＴｉＡｌＯＣＮの層、
    （ｃ）ＴｉＯＣＮの層、及びこれに続くＴｉＡｌＯＣＮの層、並びに
    （ｄ）ＴｉＯＣＮの第１層、これに続くＴｉＡｌＯＣＮの層、及びこれ続くＴｉＯＣＮの第２層を含むサンドイッチ構造
    からなる群からの１つであることを特徴とする、方法。
29. ＴｉＯＣＮ、ＴｉＡｌＯＣＮ、及びＴｉＯＣＮのサンドイッチ構造を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
30. ＣＶＤにより前記接着層を形成して、前記接着層が０．１μｍ〜１．０μｍの全厚さを有するようにする工程を含むことを特徴とする、請求項２８に記載の方法。

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