JP2012196756A - 耐摩耗性が向上したコーティング - Google Patents
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Abstract
【課題】1つまたは複数の切削用途において耐摩耗性の向上を実証することができる、コーティングされた切削工具を提供する。
【解決手段】コーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層とを含む。
【選択図】図2
【解決手段】コーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層とを含む。
【選択図】図2
Description
本発明は、コーティングに関し、特に、物理気相成長(PVD)によって堆積させるコーティングに関する。
超硬切削工具を含む切削工具は、さまざまな金属および合金を機械加工するためにコーティングされた状態およびコーティングされていない状態の両方で用いられてきた。切削工具の耐摩耗性を向上させかつ寿命を延ばすために、切削工具表面に耐火材の1つまたは複数の層が付与されてきた。超硬基体に、たとえば、TiC、TiCN、TiNおよびAl2O3が化学気相成長(CVD)によって付与されてきた。さらに、所定の切削用途に関連するCVDコーティングのいくつかの欠点を認めた場合、切削工具製造業者はまた、PVDによって付与される耐火性コーティングも提供してきた。たとえば、PVDによって付与されるTiNコーティングは、切削工具界において一般に許容されてきた。
TiNコーティングの1つの不都合は、比較的低温で酸化しやすいということである。たとえば、TiNコーティングは、約550℃での酸化開始を示す。その結果、耐酸化性を向上させるためにTiNコーティングにアルミニウムが添加された。耐酸化性を向上させるために、TiNコーティングにシリコンがさらに添加された。しかしながら、TiNコーティングおよび/またはTiAlNコーティングにシリコンを添加することで、コーティングに著しい応力が引き起こされ、それにより、切削工具表面からの剥離により早期の被覆破損が引き起こされる可能性がある。
(特許文献1)は、コーティングの残留圧縮応力を低減するとともに、耐酸化性を向上させるように、TiNコーティングおよびTiAlNコーティング内にシリコンを組み込む方法を扱っている。(特許文献1)に開示されている合成方法により、相分離したコーティングがもたらされ、そこでは、低シリコン濃度のTiSiNマトリックス相を通して、高シリコン濃度のSi3N4ナノ相が分散している。低シリコン濃度マトリックス相を通して高シリコン濃度Si3N4ナノ相を分散させることにより、TiNコーティングまたはTiAlSiNコーティングにおいてTiをSiに置換することによって引き起こされる格子ひずみを低減することができる。
それにも関らず、こうした相分離したコーティングをもたらすために必要な合成方法は、通常行われておらず、従来のPVD方法および/またはPVD機器の変更を必要とし、それにより、それら方法が一般に普及するのを制限し、コーティングされた工具の製造コストを増大させる可能性がある。
一態様では、本明細書では、いくつかの実施形態において1つまたは複数の切削用途において耐摩耗性の向上を実証することができる、コーティングされた切削工具について記載する。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、外層におけるシリコンの量は内層に向かって低減する。
別の態様では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層とを含む。コーティングの外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングは、残留圧縮応力を示す。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、残留圧縮応力および/または圧縮せん断応力を有する。
別の態様では、本明細書において、コーティングされた切削工具を作製する方法について記載する。いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具を作製する方法は、基体を提供するステップと、物理気相成長により基体上にコーティングの内層を堆積させるステップとを含み、内層は、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む。物理気相成長により内層の上にコーティングの外層が堆積し、外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含み、外層におけるシリコンの量は、内層に向かって低減する。
いくつかの実施形態では、物理気相成長により内層の上に外層が堆積し、外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む。
別の態様では、本明細書において、コーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法について記載する。いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法は、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から内層を製作するステップと、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から外層を製作するステップであって、外層におけるシリコンの量が内層に向かって低減するステップと、により、1つまたは複数のコーティング疲労構造をコーティングの内層および外層の境界面に向けることを含む。
いくつかの実施形態では、前記向けることは、1つまたは複数のコーティング疲労構造をコーティングの内層および外層の境界面において開始することを含む。
これらの実施形態および他の実施形態を、以下の詳細な説明においてより詳細に説明する。
本明細書に記載する実施形態を、以下の詳細な説明および実施例ならびにそれらの先の説明および以下の説明を参照することによってより容易に理解することができる。しかしながら、本明細書に記載する要素、装置および方法は、詳細な説明および実施例に提示した特定の実施形態に限定されない。これらの実施形態は、本発明の原理を単に例示するものであることが理解されるべきである。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多数の変更および適合が当業者には容易に明らかとなろう。
一態様では、本明細書では、いくつかの実施形態において1つまたは複数の切削用途において耐摩耗性の向上を実証することができる、コーティングされた切削工具について記載する。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、基体と基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、外層のシリコンの量は内層に向かって低減する。
別の態様では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、基体と基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層とを含む。コーティングの外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む。
ここで、本明細書に記載するコーティングされた切削工具の構成要素を見ると、本明細書に記載するコーティングされた切削工具は基体を含む。本明細書に記載するコーティングされた切削工具は、本発明の目的とは矛盾しないいかなる基体も含むことができる。いくつかの実施形態では、基体は、超硬合金、カーバイド、セラミック、サーメットまたは鋼を含む。
超硬基体は、いくつかの実施形態では、炭化タングステン(WC)を含む。いくつかの実施形態では、WCは、少なくとも約70重量パーセントの量で基体に存在する。いくつかの実施形態では、WCは、少なくとも約80重量パーセントの量でまたは少なくとも約85重量パーセントの量で基体に存在する。さらに、いくつかの実施形態では、超硬基体のバインダは、コバルトまたはコバルト合金を含む。コバルトは、いくつかの実施形態では、約3重量パーセントから約15重量パーセントの範囲の量で超硬基体に存在する。いくつかの実施形態では、コバルトは、約5重量パーセントから約12重量パーセントまたは約6重量パーセントから約10重量パーセントの範囲の量で超硬基体に存在する。いくつかの実施形態では、超硬基体は、基体の表面で開始しそこから内側に延在する、バインダの濃度が高い領域を示す場合がある。
超硬基体は、いくつかの実施形態では、たとえば以下の元素および/またはそれらの化合物のうちの1種または複数種等の1種または複数種の添加剤をさらに含む。すなわち、チタン、ニオブ、バナジウム、タンタル、クロム、ジルコニウムおよび/またはハフニウムである。いくつかの実施形態では、チタン、ニオブ、バナジウム、タンタル、クロム、ジルコニウムおよび/またはハフニウムは、基体においてWCとともに固溶体カーバイドを形成する。基体は、いくつかの実施形態では、約0.1重量パーセントから約5重量パーセントまでの範囲の量で1種または複数種の固溶体カーバイドを含む。さらに、いくつかの実施形態では、超硬基体は窒素を含む。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングされた切削工具の基体は、基体のすくい面および逃げ面の接合部に形成された1つまたは複数の切削エッジを備えている。図1は、本明細書に記載する一実施形態によるコーティングされた切削工具の基体を示す。図1に示すように、基体(10)は、基体のすくい面(14)および逃げ面(16)の接合部に形成された切削エッジ(12)を有している。
いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具の基体は、インサート、ドリルビット、のこ歯または他の切削装置を含むことができる。
本明細書に記載するように、基体に接着されるコーティングは、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層を含む。本明細書に記載する周期表の族は、CASの指定に従って特定されている。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層の製作時にアルミニウムと結合するために好適な第IVB族、第VB族および第VIB族の1種または複数種の金属元素は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルおよび/またはクロムを含む。さらに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層の製作に用いるために好適な第IIIA族、第IVA族および第VIA族の1種または複数種の非金属元素は、ホウ素、炭素、窒素および/または酸素を含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層は、以下の関係に従う組成を有している。
(AlaZrbHfcVdNbeTafCrgTi1−(a+b+c+d+e+f+g))(OxCyN1−(x+y))、式中、0<a<1、0≦b<1、0≦c<1、0≦d<1、0≦e<1、0≦f<1、0≦g<1、0≦x<1、0≦y<1および(a+b+c+d+e+f+g)<1および(x+y)<1
(AlaZrbHfcVdNbeTafCrgTi1−(a+b+c+d+e+f+g))(OxCyN1−(x+y))、式中、0<a<1、0≦b<1、0≦c<1、0≦d<1、0≦e<1、0≦f<1、0≦g<1、0≦x<1、0≦y<1および(a+b+c+d+e+f+g)<1および(x+y)<1
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層は、以下の関係に従う組成を有している。すなわち、AlaTi1−aN(0<a<1)である。組成AlaTi1−aNを有する内層のいくつかの実施形態では、0.3≦a≦0.8である。いくつかの実施形態では、0.35≦a≦0.75である。いくつかの実施形態では、0.4≦a≦0.7または0.42≦a≦0.65である。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層のAlaTi1−aNは、結晶相である。内層のAlaTi1−aNは、いくつかの実施形態では、立方晶構造を示す。いくつかの実施形態では、内層のAlaTi1−aNの立方晶構造は面心立方格子(fcc)である。いくつかの実施形態では、内層のAlaTi1−aNは、六方晶構造を示す。いくつかの実施形態では、内層のAlaTi1−aNは、立方晶構造および六方晶構造の混合物を示す。
さらに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの内層は、平均結晶子サイズが少なくとも10nmである多結晶質である。いくつかの実施形態では、コーティングの内層は、平均結晶子サイズが少なくとも約20nmまたは少なくとも約50nmである。いくつかの実施形態では、コーティングの内層は、平均結晶子サイズが、約10nmから約100nmまたは約20nmから約80nmの範囲である。コーティングの内層は、いくつかの実施形態では、平均結晶子サイズが約30nmから約70nmの範囲である。いくつかの実施形態では、コーティングの内層は、平均結晶子サイズが100nmを上回る。
本明細書に記載するコーティングの内層は、本発明の目的に矛盾しないいかなる所望の厚さも有することができる。いくつかの実施形態では、コーティングの内層は、厚さが約1μmから約10μmまでの範囲である。いくつかの実施形態では、内層は、厚さが約2μmから約8μmまたは約3μmから約7μmの範囲である。いくつかの実施形態では、内層は、厚さが約1.5μmから約5μmまたは約2μmから約4μmの範囲である。いくつかの実施形態では、コーティングの内層は、厚さが約1μmを下回るかまたは約10μmを上回る。
本明細書にさらに記載するように、コーティングの内層は、いくつかの実施形態では、物理気相成長によって切削工具基体の表面に直接堆積する。別法として、いくつかの実施形態では、内層が基体の表面に直接接触しないように、基体の表面と内層との間に1つまたは複数の追加の層を堆積させてもよい。
本明細書に記載するコーティングはまた、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層を含み、外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含み、外層におけるシリコンの量は内層に向かって低減する。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの外層の製作時にアルミニウムおよびシリコンと結合するために好適な第IVB族、第VB族および第VIB族の1種または複数種の金属元素は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルおよび/またはクロムを含む。さらに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの外層の製作に用いるために好適な第IIIA族、第IVA族および第VIA族の1種または複数種の非金属元素は、ホウ素、炭素、窒素および/または酸素を含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの外層は、以下の関係に従う組成を有している。
(AlmZrnHfoVpNbqTarCrsTi1−(m+n+o+p+q+r+s+z)Siz)(OvCwN1−(v+w))、式中、0<m<1、0≦n<1、0≦o<1、0≦p<1、0≦q<1、0≦r<1、0≦s<1、0<z<1、0≦v<1、0≦w<1および(m+n+o+p+q+r+s+z)<1および(v+w)<1
(AlmZrnHfoVpNbqTarCrsTi1−(m+n+o+p+q+r+s+z)Siz)(OvCwN1−(v+w))、式中、0<m<1、0≦n<1、0≦o<1、0≦p<1、0≦q<1、0≦r<1、0≦s<1、0<z<1、0≦v<1、0≦w<1および(m+n+o+p+q+r+s+z)<1および(v+w)<1
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの外層は、AlmTi1−(m+z)SizNからなる相を含み、式中、0<m<1および0<z<1および(m+z)<1である。いくつかの実施形態では、AlmTi1−(m+z)SizN相のシリコン含有量は、コーティングの内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、0.05≦m≦0.75である。いくつかの実施形態では、0.1≦m≦0.65である。いくつかの実施形態では、0.15≦m≦0.60である。いくつかの実施形態では、0.01≦z≦0.3である。いくつかの実施形態では、0.02≦z≦0.25である。
AlmTi1−(m+z)SizNからなる外層相のいくつかの実施形態では、0.05≦m≦0.75および0.01≦z≦0.3または0.05≦m≦0.75および0.02≦z≦0.25である。いくつかの実施形態では、0.1m≦0.65および0.01≦z≦0.3または0.1≦m≦0.65および0.02≦z≦0.25である。いくつかの実施形態では、0.15m≦0.60および0.01≦z≦0.3または0.15≦m≦0.60および0.02≦z≦0.25である。
いくつかの実施形態では、AlmTi1−(m+z)SizNからなる相を含む、本明細書に記載するコーティングの外層は、Al1−kSikN(0≦k<1)からなる追加の相をさらに含む。いくつかの実施形態では、Al1−kSikN相のシリコン含有量は、内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、Al1−kSikN相のシリコン含有量は、内層に向かって低減しない。
いくつかの実施形態では、AlmTi1−(m+z)SizNからなる相を含む、本明細書に記載するコーティングの外層は、1種または複数種のケイ化チタン、TihSilからなる追加の相をさらに含み、式中、hは1から5の範囲の整数であり、lは1から4の範囲の整数である。いくつかの実施形態では、たとえば、外層のケイ化チタンは、TiSi、TiSi2、Ti5Si3、Ti5Si4またはTi3Siである。
外層にAl1−kSikNおよび/またはケイ化チタンの追加の相が存在するいくつかの実施形態では、AlmTi1−(m+z)SizNからなる相は、外層の50%を上回る割合を構成する外層の主相である。いくつかの実施形態では、AlmTi1−(m+z)SizNは、外層の60%を上回るかまたは70%を上回る割合を構成する。いくつかの実施形態では、Al1−kSikNの追加の相は、外層の最大約35%を構成する。Al1−kSikNの追加の相は、いくつかの実施形態では、外層の約1%から約30%を構成する。いくつかの実施形態では、Al1−kSikNの追加の相は、外層の約5%から約25%または約10%から約20%を構成する。いくつかの実施形態では、ケイ化チタンの追加の相は、外層の約1%から約20%または約5%から約15%を構成する。
本明細書に記載する外層の相の組成の割合を、X線回折(XRD)技法およびリートベルト精密化(Rietveld refinement)法を用いて確定することができる。リートベルト法は、全パターンフィッティング法である。測定された試料プロファイルと計算されたプロファイルとが比較される。当業者には既知であるいくつかのパラメータの変動により、2つのプロファイル間の差が最小化される。適切なリートベルト精密化を行うために、外層に存在するすべての相が考慮される。
本明細書に記載するコーティングを含む切削工具を、平坦面を必要とする斜入射(glazing incidence)技法を用いてXRDに従って解析することができる。切削工具のすくい面および逃げ面を、切削工具の形状に従って解析することができる。本明細書に記載するコーティングされた切削工具の組成的な相解析のために、オイラー(Eulerean)クレードルが取り付けられたパナリティカルエクスパート(PANalytical Xpert)MRD回折系が使用された。X線回折解析は、銅製のX線管が取り付けられた平行ビーム光学系を用いて完了された。動作パラメータは45KVおよび40MAであった。斜入射解析用の通常の光学系は、1/16度の散乱防止(antiscatter)スリットおよび0.04ラジアンのソーラースリットを有するX線ミラーを含んでいた。受光光学系は、フラットグラファイトモノクロメータ、平行板コリメータおよび封入型比例係数管を含んでいた。
X線回折データは、コーティングピーク強度を最大化し、基体からの干渉ピークを最小化するかまたはなくすように選択されるグレージング角で収集された。計数時間および走査速度は、リートベルト解析に最適なデータを提供するように選択される。斜入射データの収集の前に、試料高さが、X線ビームスプリッティングを用いて設定された。
バックグラウンドプロファイルがフィッティングされ、試料データに対してピークサーチが実行されることにより、すべてのピーク位置およびピーク強度が特定された。ピーク位置および強度データを用いて、市販の結晶の相データベースを使用して試料コーティングの結晶相組成が特定された。
試料に存在する結晶相の各々に対して、結晶構造データが入力された。通常のリートベルト精密化パラメータ設定は以下の通りである。
バックグラウンド計算方法:多項式
サンプル形状:平板
線形吸収係数:平均試料組成から計算
重み付け方式:Iobs(観測強度)に対して
プロファイル関数:疑フォークト(Pseudo−Voight)
プロファイルベース幅:試料毎に選択される
最小二乗タイプ:ニュートン−ラフソン(Newton−Raphson)法
分極係数:1.0
バックグラウンド計算方法:多項式
サンプル形状:平板
線形吸収係数:平均試料組成から計算
重み付け方式:Iobs(観測強度)に対して
プロファイル関数:疑フォークト(Pseudo−Voight)
プロファイルベース幅:試料毎に選択される
最小二乗タイプ:ニュートン−ラフソン(Newton−Raphson)法
分極係数:1.0
リートベルト精密化は、通常以下を含む。
試料変位:X線アライメントからの試料のシフト
バックグラウンドプロファイル:回折データのバックグラウンドプロファイルを最もよく記述するように選択される
スケール関数:各相のスケール関数
B全体(overall):相におけるすべての原子に付与される変位パラメータ
セルパラメータ:a、b、cならびにアルファ、ベータおよびガンマ
Wパラメータ:ピークFWHMを記述する
フィッティングの許容可能な適合度を達成する任意の追加のパラメータ
リートベルト相解析結果はすべて重量パーセント値で報告される。
試料変位:X線アライメントからの試料のシフト
バックグラウンドプロファイル:回折データのバックグラウンドプロファイルを最もよく記述するように選択される
スケール関数:各相のスケール関数
B全体(overall):相におけるすべての原子に付与される変位パラメータ
セルパラメータ:a、b、cならびにアルファ、ベータおよびガンマ
Wパラメータ:ピークFWHMを記述する
フィッティングの許容可能な適合度を達成する任意の追加のパラメータ
リートベルト相解析結果はすべて重量パーセント値で報告される。
いくつかの実施形態においてAlmTi1−(m+z)SizNならびにAl1−kSikNおよび/またはケイ化チタン相を含む場合、本明細書に記載のコーティングの外層は、シリコンが、アルミニウムおよび/または周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の1種または複数種の金属元素から分離された相を含まない。いくつかの実施形態では、たとえば、本明細書に記載するコーティングの外層は、Si3N4を含む窒化ケイ素相を含まないかまたは実質的に含まない。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のコーティングの外層の1つまたは複数の相は結晶質である。いくつかの実施形態では、たとえば、AlmTi1−(m+z)SizNからなる外層の相は結晶質である。いくつかの実施形態では、外層の結晶AlmTi1−(m+z)SizN相は、立方晶構造を示す。いくつかの実施形態では、AlmTi1−(m+z)SizN相の立方晶構造はfccである。
いくつかの実施形態では、Al1−kSikNからなる外層の追加の相は結晶質である。いくつかの実施形態では、外層の結晶相Al1−kSikN相は六方晶構造を示す。いくつかの実施形態では、Al1−kSikN相の六方晶構造はウルツ鉱である。いくつかの実施形態では、ケイ化チタンからなる外層の追加の相は結晶質である。いくつかの実施形態では、たとえば、Ti5Si3相は六方晶構造を示す。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のコーティングの外層は、多結晶質である。いくつかの実施形態では、たとえば、多結晶外層は、平均結晶子サイズが少なくとも約10nmである。外層は、いくつかの実施形態では、平均結晶子サイズが少なくとも約20nmである。いくつかの実施形態では、外層は、平均結晶子サイズが約10nmから約100nmの範囲である。いくつかの実施形態では、外層は、平均結晶サイズが約20nmから約80nmまたは約30nmから約70nmの範囲である。いくつかの実施形態では、コーティングの外層は、平均結晶サイズが100nmを上回る。
いくつかの実施形態では、外層の1つまたは複数の結晶相は、本明細書に記載する平均結晶子サイズを有する多結晶質である。いくつかの実施形態では、たとえば、AlmTi1−(m+z)SizNからなる外層の相は、本明細書に列挙した平均結晶子サイズを有する多結晶質である。いくつかの実施形態では、外層に存在するAl1−kSikNの追加の相は、本明細書に列挙した平均結晶子サイズを有する多結晶質である。いくつかの実施形態では、外層の2つ以上の多結晶相は、平均結晶子サイズが同じかまたは実質的に同じである。いくつかの実施形態では、外層の2つ以上の多結晶相は、平均結晶子サイズが異なる。
本明細書に記載するコーティングの外層は、本発明の目的と矛盾しないいかなる厚さを有することも可能である。いくつかの実施形態では、外層は、厚さが約0.1μmから約10μmの範囲である。いくつかの実施形態では、外層は、厚さが約0.2μmから約5μmの範囲である。外層は、いくつかの実施形態では、厚さが約0.5μmから約5μmまたは約1μmから約4μmの範囲である。
本明細書に記載するように、外層におけるシリコンの量は、いくつかの実施形態では、内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、外層におけるシリコンの量は、少なくとも約7原子パーセント/μmの割合で内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、外層におけるシリコンの量は、少なくとも約8原子パーセント/μmまたは少なくとも約8.5原子パーセント/μmの割合で内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、外層におけるシリコンの量は、少なくとも約9原子パーセント/μmまたは少なくとも約9.5原子パーセント/μmの割合で内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、外層におけるシリコンの量は、約5原子パーセント/μmから約15原子パーセント/μmの範囲の割合で内層に向かって低減する。いくつかの実施形態では、外層におけるシリコンの量は、約7原子パーセント/μmから約11原子パーセント/μmの範囲の割合で内層に向かって低減する。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングの外層は、物理気相成長によって内層の表面に直接堆積する。別法として、いくつかの実施形態では、内層と外層との間に1つまたは複数の追加の層を堆積させてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、外層は、コーティングの最外層である。いくつかの実施形態では、外層は、コーティングの最外層ではない。いくつかの実施形態では、たとえば、コーティングを完成するために、1つまたは複数の追加の層を外層に付与することができる。
本明細書に記載するコーティングは、いくつかの実施形態では、ロックウェル(Rockwell)A押込み接着荷重試験によって測定される粘着性が60kg以上である。いくつかの実施形態では、コーティングは、ロックウェルA押込み接着荷重試験によって測定される粘着性が100kg以上である。コーティングの基体に対する粘着性を測定する際、ロックウェルAスケールブレール(Brale)円錐状ダイヤモンド圧子を備えたロックウェル硬度テスタが、60kgおよび100kgの選択される荷重で使用された。粘着強度は、コーティングが剥離した最小荷重として定義される。本明細書に列挙する60kg以上のコーティング粘着性は、60kgの荷重ではコーティングの剥離が観察されなかったことを示した。同様に、本明細書に列挙する100kg以上のコーティング粘着性は、100kgの荷重においてコーティングの剥離が観察されなかったことを示した。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングは、残留圧縮応力を示す。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のコーティングされた切削工具は、基体と、基体に接着されたコーティングとを備え、コーティングは、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、残留圧縮応力および/または圧縮せん断応力を有する。
いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力が少なくとも約2500MPaである。いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力は、少なくとも約2700MPaまたは少なくとも約2800MPaである。内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力が、約2500MPaから約3000MPaまたは約2600MPaから約2900MPaの範囲である。
いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の前の圧縮せん断応力が少なくとも約20MPaである。いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の前の圧縮せん断応力が、少なくとも約50MPaまたは少なくとも約70MPaである。内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理の前の圧縮せん断応力は、約20MPaから約130MPaまたは約30MPaから約100MPaの範囲である。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理された状態にある。外層が最外層であるいくつかの実施形態では、外層がポストコートブラスト処理を受ける。いくつかの実施形態では、本明細書に記載する外層は、無機ブラスト剤によってブラスト処理される。いくつかの実施形態では、たとえば、外層は、Al2O3粒子でブラスト処理される。
ポストコートブラスト処理は、いくつかの実施形態では、コーティングの残留圧縮応力を増大させることができる。いくつかの実施形態では、たとえば、本明細書に記載するコーティングのポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力の、コーティングのポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力に対する比は、少なくとも1.2である。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングのポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力の、ポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力に対する比は、少なくとも1.3または少なくとも1.5である。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングのポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力の、コーティングのポストコートブラスト処理の前の残留圧縮応力に対する比は、約1.1から約3または約1.2から約2の範囲である。
いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力は少なくとも約3400MPaである。いくつかの実施形態では、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力は少なくとも約3500MPaまたは少なくとも約3600MPaである。内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理の後の残留圧縮応力は、約3400MPaから約4000MPaまたは約3500MPaから約3800MPaの範囲である。
いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の後の圧縮せん断応力が少なくとも約40MPaである。いくつかの実施形態では、内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、ポストコートブラスト処理の後の圧縮せん断応力が、少なくとも約50MPaまたは少なくとも約60MPaである。内層と内層の上に堆積する外層とを備える、本明細書に記載するコーティングは、いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理の後の圧縮せん断応力が、約20MPaから約100MPaまたは約30MPaから約70MPaの範囲である。
本明細書に記載するコーティングの残留応力およびせん断応力は、AlTiSiN結晶相に対する(200)反射に関してSin2ψ法を用いて確定された。残留応力確定に用いる器具は、試料を扱うためのオイラー(Eulerian)クレードルが取り付けられたパナリティカルエクスパートプロ(PANalytical Xpert Pro)MRDであった。X線源は、45KVおよび40MAで動作する銅製のロングファインフォーカスX線管であった。器具は、コーティングにおける応力を確定するために平行ビーム光学系を備えるように構成された。入射光学系は、クロススリットコリメータを備えたポリキャピラリレンズ8mmを含んでいた。受光光学系は、0.27度の平行板コリメータ、フラットグラファイトモノクロメータおよび封入型比例係数管を含んでいた。
残留応力レベルを測定するために、0、28.88、43.08、56.77、75.0、−28.88、−43.08、−56.77および−75.0のカイ軸の傾き(chi tilt)を選択した。ステップサイズおよび係数時間に対するデータ収集パラメータは、各傾き角に対して、ピーク位置を正確に確定するために適切なピーク強度を得るように調整された。
そして、ピークデータは、以下の式を用いて吸収および透過に対して補正された。
吸収補正
透過補正
式中、
t=層の厚さ
μ=線形吸収係数(cm−1)
θ=2シータ/2(度)
(ω−θ)=オメガオフセット角(度)
ψ=傾斜角(Psi応力)(度)
τ=情報深さ(ミクロン)
R=ゴニオメータの半径(mm)
吸収補正
透過補正
式中、
t=層の厚さ
μ=線形吸収係数(cm−1)
θ=2シータ/2(度)
(ω−θ)=オメガオフセット角(度)
ψ=傾斜角(Psi応力)(度)
τ=情報深さ(ミクロン)
R=ゴニオメータの半径(mm)
ピークデータは、以下の式を用いてローレンツ偏光に対して補正された。
偏光補正
2θmon=グラファイトモノクロメータの回折角
Kα2ピークはラデル(Ladell)モデルを用いて除去された。ピーク位置は、修正ローレンツ形状プロファイル関数を用いて精密化された。
偏光補正
2θmon=グラファイトモノクロメータの回折角
Kα2ピークはラデル(Ladell)モデルを用いて除去された。ピーク位置は、修正ローレンツ形状プロファイル関数を用いて精密化された。
コーティング残留応力は、以下の一般式から計算された。
本解析では、ポアソン比(ν)は0.20に設定され、弾性率(GPa単位でのE)は、ビッカーズ(Vikers)圧子を用いてISO標準規格14577に従ってフィッシャースコープ(Fischerscope)HM2000によって行なわれたナノインデンテーション分析から確定された。押込み深さは0.25μmmに設定された。内層に対する弾性率を確定するために、AlTiNコーティングされた切削工具基体に対してナノインデンテーションが行われた。AlTiSiN外層に対する弾性率もまた、本明細書に記載する実施形態に従って調製されたコーティングされた切削工具に対するナノインデンテーション試験によって確定された。本明細書に記載するコーティングの残留応力に対する計算で用いられる弾性率(E)値は、AlTiN内層に対して確定された個々の弾性率値とAlTiSiN外層に対して確定された個々の弾性率値との重み付き平均であり、重み付き平均は、コーティングの内層および外層の厚さに基づいていた。複数のdφψおよびsin2ψデータにより、線形回帰線をデータにフィッティングすることができた。結果として線の傾きはσφに等しい。線交点は、d0の歪みのない格子を近似する。
いくつかの実施形態では、コーティングは、ポストコートブラスト処理の前に、粘着性を含む、本明細書で列挙する機械的特性のうちの1つまたは複数を有することができる。いくつかの実施形態では、コーティングは、ポストコートブラスト処理の後に、粘着性を含む、本明細書で列挙する機械的特性のうちの1つまたは複数を有することができる。
別の態様では、本明細書では、コーティングされた切削工具を作製する方法を記載する。いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具を作製する方法は、切削工具基体を提供するステップと、物理気相成長により基体上にコーティングの内層を堆積させるステップとを含み、内層は、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む。コーティングの外層は、内層の上に物理気相成長によって堆積し、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、外層におけるシリコンの量は内層に向かって低減する。
いくつかの実施形態では、外層は物理気相成長によって内層の上に堆積し、外層は、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む外層とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む。
本明細書に記載するコーティングの内層および外層を、真空蒸着、スパッタ蒸着、アーク蒸着またはイオンプレーティングを含む従来のPVD技法によって堆積させることができる。さらに、本明細書に記載する方法に従って堆積した内層および外層は、内層および外層に対して上述した組成特性、化学特性および/または物理特性のうちのいずれを含むことも可能である。
いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具を作製する方法は、内層および外層を含むPVD堆積コーティングをポストコートブラスト処理するステップをさらに含む。ポストコートブラスト処理を、任意の所望の方法で施すことができる。いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理はショットブラスト処理を含む。いくつかの実施形態では、ポストコートブラスト処理は、圧力ブラスト処理を含む。圧力ブラスト処理を、圧縮空気ブラスト処理、ウェット圧縮空気ブラスト処理、加圧液体ブラスト処理、ウェットブラスト処理、加圧液体ブラスト処理および蒸気ブラスト処理を含む種々の形態で施すことができる。
本明細書に記載するコーティングされた切削工具を作製する方法のいくつかの実施形態では、ウェットブラスト処理は、無機粒子および水のスラリーを用いて達成される。いくつかの実施形態では、無機粒子はアルミナ粒子を含む。アルミナ粒子および水のスラリーは、いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具本体の表面において、コーティングの表面に衝突するように空気圧式に発射される。
アルミナ−水スラリーの基本パラメータは、容量パーセント単位のグリット(すなわちアルミナ粒子)濃度およびマイクロメートル(μm)単位のアルミナ粒子サイズである。いくつかの実施形態では、スラリーは、バランス水とともに約5容量パーセントと約35容量パーセントとの間のアルミナ粒子を含む。いくつかの実施形態では、スラリーは、バランス水とともに約8容量パーセントと約25容量パーセントとの間のアルミナ粒子を含む。いくつかの実施形態では、スラリーは、バランス水とともに約10容量パーセントと約15容量パーセントとの間のアルミナ粒子を含む。
いくつかの実施形態では、アルミナ粒子は、サイズが約20μmと約100μmとの間の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、アルミナ粒子は、サイズが約35μmと約75μmとの間の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、アルミナ粒子は、サイズが約45μmと約50μmとの間の範囲であり得る。
ウェットブラスト処理ステップの場合の動作パラメータは、圧力、衝突の角度、部品表面までの距離および持続時間である。この用途では、衝突の角度を、約45度から約90度の範囲とすることができ、すなわち、粒子は、約45度から約90度の範囲の角度でコーティング面に衝突する。
いくつかの実施形態では、圧力は、約30ポンド/平方インチ(psi)と約55psiとの間の範囲である。いくつかの実施形態では、圧力は、約35psiと約50psiとの間の範囲である。いくつかの実施形態では、ブラストノズルの部品表面までの距離は、約1インチから約6インチの範囲である。ブラストノズルと部品表面との間の距離は、いくつかの実施形態では、約3インチから約4インチの範囲である。さらに、いくつかの実施形態では、切削工具のコーティングを、本明細書に記載する組成を有する外層が、完全に除去されないかまたは実質的に完全に除去されないという条件付きで、任意の所望の時間ブラスト処理することができる。いくつかの実施形態では、ポストコートブラストの持続時間は、約1秒間から約10秒間の範囲である。ポストコートブラストの持続時間は、いくつかの実施形態では、約2秒間から約8秒間または約3秒間から約7秒間の範囲である。
いくつかの実施形態では、開示内容がすべて参照により本明細書に援用される米国特許第6,869,334号明細書の開示に従って、本明細書に記載するコーティングされた切削工具に対してポストコートブラスト処理を施すことができる。いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具本体に対してポストコートブラスト処理を施すことにより、本明細書で定義するAlmTi1−(m+z)SizNの外層における残留圧縮応力を増大させることができる。
別の態様では、本明細書において、コーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法について記載する。いくつかの実施形態では、コーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法は、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から内層を製作するステップと、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から外層を製作するステップであって、外層におけるシリコンの量が内層に向かって低減するステップと、により、1つまたは複数のコーティング疲労構造をコーティングの内層および外層の境界面に向けることを含む。
本明細書に記載されるコーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法による内層および外層は、内層および外層に対して本明細書において上述した組成特性、化学特性および/または物理測定のうちの任意のものを含むことができる。
いくつかの実施形態では、前記向けることは、1つまたは複数のコーティング疲労構造をコーティングの内層および外層の境界面において開始することを含む。いくつかの実施形態では、コーティング疲労構造は、亀裂、剥離、小はがれまたはそれらの組合せを含む。
これらの実施形態および他の実施形態を、以下の限定しない実施例によってさらに例示する。
実施例1
コーティングされた切削工具本体
ドイツ、ベルギシュ−グラットバッハのメタプラス・アイオノン・オベルフレヒェンフェレデルンクシュテヒニック・ゲーエムベーハー(Metaplas Ionon Oberflaechentechnik GmbH(Bergisch−Gladback、Germany))から販売されているMP323PVD装置内に、コバルトバインダを有する超硬炭化タングステン(WC)切削インサート基体を配置することにより、本明細書に記載するコーティングされた切削工具本体を製作した。WC基体を、530℃の温度まで加熱し、5E−2ミリバールの圧力で反応ガスとしてN2を供給しながら、67%Alおよび33%Tiの組成を有する一続きの陰極から、内層のアルミニウム成分およびチタン成分を蒸発させて、WC基体の上に結晶質のAlTiN内層を堆積させた。内層は、厚さが約2μmであった。
コーティングされた切削工具本体
ドイツ、ベルギシュ−グラットバッハのメタプラス・アイオノン・オベルフレヒェンフェレデルンクシュテヒニック・ゲーエムベーハー(Metaplas Ionon Oberflaechentechnik GmbH(Bergisch−Gladback、Germany))から販売されているMP323PVD装置内に、コバルトバインダを有する超硬炭化タングステン(WC)切削インサート基体を配置することにより、本明細書に記載するコーティングされた切削工具本体を製作した。WC基体を、530℃の温度まで加熱し、5E−2ミリバールの圧力で反応ガスとしてN2を供給しながら、67%Alおよび33%Tiの組成を有する一続きの陰極から、内層のアルミニウム成分およびチタン成分を蒸発させて、WC基体の上に結晶質のAlTiN内層を堆積させた。内層は、厚さが約2μmであった。
WC基体の表面上に内層を形成した後、8E−3ミリバールの圧力で反応ガスとしてN2ガスを供給しながら、Al、TiおよびSiの元素成分の陰極蒸着によって、外層を堆積させた。外層は、AlTiN内層に接着し、AlTiSiN結晶相およびAlSiN結晶相を含んでいた。外層の堆積の一部に対して、AlTiSi陰極とともにAlTi陰極を用いた。AlTiSiN/AlSiN外層は、厚さが約0.5μmであった。
図2は、コーティングされた切削工具のグロー放電(GDS)スペクトルを示す。スペクトルに示すように、外層のシリコン含有量は、TiAlN内層に向かって低減し、それにより、AlTiSiN/AlSiN外層にシリコン勾配が提供される。図3は、図2のグロー放電スペクトルの部分図であり、AlTiSiN/AlSiN外層のシリコン勾配をさらに示す。
図4は、製作されたコーティングのエネルギー分散(EDS)スペクトルを示す。GDSと同様に、EDSもまた、外層にシリコン勾配を示し、シリコン含有量はAlTiN内層に向かって低減した。
図5は、コーティングのX線ディフラクトグラムを示す。図5のディフラクトグラムは、WC基体と、AlTiN内層と、立方AlTiSiNの相および六方AlSiNの相を含む外層とに関連する反射を提供する。
コーティングされた切削工具本体に対し、その後、本明細書で上述したポストコートブラスト処理パラメータと一貫するアルミナスラリーを用いてポストコート処理を施した。図6は、ポストコート処理の後のコーティングされた切削工具のGDSを示す。図6のGDSは、ポストコート処理により、外層におけるシリコン勾配を含む、コーティングの組成パラメータが変化しなかったことを示す。図7は、図6のGDSの部分図であり、ポストコート処理の後の、コーティングの静的な組成的特質をさらに示す。図8もまた、ポストコート処理の後のコーティングの組成パラメータに実質的に変化がないことを論証する、コーティングのEDSである。
さらに、図9は、ポストコート処理の後のコーティングのX線ディフラクトグラムを示す。図9に示すように、外層の結晶質AlTiSiN相およびAlSiN相は、ポストコート処理後に残った。
実施例2
切削工具寿命
本明細書に記載するコーティングされた切削工具に対し、従来技術によるコーティングされた切削工具と比較して切削寿命試験を施した。本発明のコーティングされた切削工具の限定しない実施形態A、B、CおよびDを、上記実施例1に従って製作した。切削工具A、B、CおよびDおよび従来技術の切削工具EおよびFの組成パラメータを表1に提供する。
切削工具寿命
本明細書に記載するコーティングされた切削工具に対し、従来技術によるコーティングされた切削工具と比較して切削寿命試験を施した。本発明のコーティングされた切削工具の限定しない実施形態A、B、CおよびDを、上記実施例1に従って製作した。切削工具A、B、CおよびDおよび従来技術の切削工具EおよびFの組成パラメータを表1に提供する。
コーティングされた切削工具A〜Fに対し、304ステンレス鋼外径(OD)旋削試験において切削寿命試験を施した。切削条件は以下の通りであった。
切削速度−91m/分
送り量−0.41mm/回転
切削の深さ−2.03mm
加工物材料−304SS
クーラント−フラッド
切削寿命試験の結果を表IIに提供する。
切削速度−91m/分
送り量−0.41mm/回転
切削の深さ−2.03mm
加工物材料−304SS
クーラント−フラッド
切削寿命試験の結果を表IIに提供する。
表IIに提供するように、上述したコーティングアーキテクチャを有する切削工具(A〜D)は、従来技術による切削工具(E、F)に比較して切削寿命の著しい延長を論証した。
実施例3
切削工具寿命
本明細書に記載するコーティングされた切削工具に対して、従来技術によるコーティングされた切削工具に比較して切削寿命試験を施した。本発明のコーティングされた切削工具の限定しない実施形態JおよびKを、上記実施例1に従って製作した。コーティングされた切削工具JおよびKならびに従来技術によるコーティングされた切削工具LおよびMの組成パラメータを表IIIに提供する。
切削工具寿命
本明細書に記載するコーティングされた切削工具に対して、従来技術によるコーティングされた切削工具に比較して切削寿命試験を施した。本発明のコーティングされた切削工具の限定しない実施形態JおよびKを、上記実施例1に従って製作した。コーティングされた切削工具JおよびKならびに従来技術によるコーティングされた切削工具LおよびMの組成パラメータを表IIIに提供する。
コーティングされた切削工具J〜Mに対して、インコネル(Inconel)718外径(OD)旋削試験において切削寿命試験を施した。切削条件は以下の通りであった。
切削速度−91m/分
送り量−0.15mm/回転
切削の深さ−0.25mm
加工物材料−IN718
クーラント−フラッド
切削寿命試験の結果を表IVに提供する。
切削速度−91m/分
送り量−0.15mm/回転
切削の深さ−0.25mm
加工物材料−IN718
クーラント−フラッド
切削寿命試験の結果を表IVに提供する。
表IVに提供するように、本明細書に記載するコーティングアーキテクチャを有する切削工具(J、K)は、従来技術によるコーティングされた切削工具(L、M)に比較して切削寿命の延長を論証した。
本発明のさまざまな実施形態を、本発明のさまざまな目的の実現において説明した。これらの実施形態が、本発明の原理の単なる例示的なものであることが理解されるべきである。その多数の変更および適合は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者には容易に明らかとなろう。
10 基体
12 切削エッジ
14 すくい面
16 逃げ面
12 切削エッジ
14 すくい面
16 逃げ面
Claims (36)
- 基体と、
前記基体に接着されたコーティングであって、
アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、
前記内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む外層であって、前記外層におけるシリコンの量が前記内層に向かって低減する、外層と、
を含むコーティングと、
を具備するコーティングされた切削工具。 - 前記内層が多結晶質である、請求項1に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記外層が多結晶質である、請求項1に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記内層がAlaTi1−aNを含み、式中0<a<1である、請求項1に記載のコーティングされた切削工具。
- 0.35≦a≦0.75である、請求項4に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記外層がAlmTi1−(m+z)SizNを含み、式中0<m<1および0<z<1および(m+z)<1である、請求項1に記載のコーティングされた切削工具。
- 0.05≦m≦0.7および0.01≦z≦0.3である、請求項6に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記AlmTi1−(m+z)SizNが立方晶相を有する、請求項6に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記外層がAl1−kSikNをさらに含み、0≦k<1である、請求項6に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記Al1−kSikNが六方晶構造を有する、請求項9に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記基体が超硬炭化タングステンを含む、請求項1に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記コーティングが、残留圧縮応力が少なくとも2500MPaである、請求項1に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記コーティングが、ポストコートブラスト処理された状態で、残留圧縮応力が少なくとも3400MPaである、請求項1に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記コーティングが、ポストコートブラスト処理された状態で、前記ポストコートブラスト処理された状態における残留圧縮応力のポストコートブラスト処理されていない状態における残留圧縮応力に対する比が、1.2以上である、請求項1に記載のコーティングされた切削工具。
- 基体と、
前記基体に接着されたコーティングであって、
アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、
前記内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む、外層と、
を含む、コーティングと、
を具備するコーティングされた切削工具。 - アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる前記相が、AlmTi1−(m+z)SizNを含み、式中0<m<1および0<z<1および(m+z)<1である、請求項15に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記AlmTi1−(m+z)SizNが立方晶構造を有する、請求項16に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記AlmTi1−(m+z)SizNが、前記外層の50%を上回る割合を構成する、請求項16に記載のコーティングされた切削工具。
- アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる前記相が、Al1−kSikNをさらに含み、0≦k<1である、請求項15に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記Al1−kSikNが六方晶構造を有する、請求項19に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記Al1−kSikNが、前記外層の1%から35%を構成する、請求項19に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記コーティングが、ポストコートブラスト処理された状態で、前記ポストコートブラスト処理された状態における残留圧縮応力の、ポストコートブラスト処理されていない状態における残留圧縮応力に対する比が、1.2以上である、請求項15に記載のコーティングされた切削工具。
- 基体と、
前記基体に接着されたコーティングであって、
アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した内層と、
前記内層の上に物理気相成長によって堆積した外層であって、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む外層とを含み、残留圧縮応力を有する
コーティングと、
を具備するコーティングされた切削工具。 - 前記コーティングが、残留圧縮応力が2500MPa以上である、請求項23に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記コーティングがポストコートブラスト処理された状態である、請求項23に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記コーティングが、残留圧縮応力が3400MPa以上である、請求項25に記載のコーティングされた切削工具。
- 前記コーティングが、ポストコートブラスト処理された状態で、前記ポストコートブラスト処理された状態における残留圧縮応力のポストコートブラスト処理されていない状態における残留圧縮応力に対する比が、1.2以上である、請求項23に記載のコーティングされた切削工具。
- コーティングされた切削工具を作製する方法であって、
基体を提供するステップと、
物理気相成長により前記基体上にコーティングの内層を堆積させるステップであって、前記内層が、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、ステップと、
物理気相成長により前記内層の上に前記コーティングの外層を堆積させるステップであって、前記外層が、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含み、前記外層におけるシリコンの量が前記内層に向かって低減する、ステップと、
を含む方法。 - 前記外層に対してポストコートブラスト処理を施すステップをさらに含む、請求項28に記載の方法。
- コーティングされた切削工具を作製する方法であって、
基体を提供するステップと、
物理気相成長により前記基体上にコーティングの内層を堆積させるステップであって、前記内層が、アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、ステップと、
物理気相成長により前記内層の上に前記コーティングの外層を堆積させるステップであって、前記外層が、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相と、アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる相とを含む、ステップと、
を含む方法。 - アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる前記相が、AlmTi1−(m+z)SizNを含み、式中0<m<1および0<z<1および(m+z)<1である、請求項30に記載の方法。
- アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とからなる前記相が、Al1−kSikNをさらに含み、0≦k<1である、請求項30に記載の方法。
- コーティングされた切削工具の切削寿命を延長する方法であって、
アルミニウムと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から内層を製作するステップと、
アルミニウムと、シリコンと、周期表の第IVB族、第VB族および第VIB族の金属元素からなる群から選択される1種または複数種の金属元素と、周期表の第IIIA族、第IVA族および第VIA族の非金属元素からなる群から選択される1種または複数種の非金属元素とを含む、物理気相成長によって堆積した組成物から外層を製作するステップであって、前記外層におけるシリコンの量が前記内層に向かって低減するステップと、
により、1つまたは複数のコーティング疲労構造をコーティングの前記内層および外層の境界面に向けることを含む方法。 - 前記1つまたは複数のコーティング疲労構造が亀裂伝播を含む、請求項33に記載の方法。
- 前記1つまたは複数のコーティング疲労構造がコーティング剥離を含む、請求項33に記載の方法。
- 前記向けることが、1つまたは複数のコーティング疲労構造を前記コーティングの前記内層および外層の前記境界面において開始することを含む、請求項33に記載の方法。
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