コーティング付き基材および同基材を作製する方法
【課題】コーティング付き基材および同基材を作製する方法を提供する。
【解決手段】コーティングは、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの少なくとも１つの層を含み、該層は、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が約０．０１〜約０．０９の範囲内、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が約０〜約０．１の範囲内にある。コーティングは、硬度のヤング率に対する比率が少なくとも０．０６である。基材は切削インサートとすることができる。上記コーティング付き基材を作製する方法も開示され、その方法では、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含むコーティング層は、ガスの混合物を使用して、約７５０℃〜約９５０℃で基材に中温化学蒸着（ＭＴ−ＣＶＤ）により堆積され、水素ガスの窒素ガスに対する比率は５を超える。
【解決手段】コーティングは、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの少なくとも１つの層を含み、該層は、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が約０．０１〜約０．０９の範囲内、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が約０〜約０．１の範囲内にある。コーティングは、硬度のヤング率に対する比率が少なくとも０．０６である。基材は切削インサートとすることができる。上記コーティング付き基材を作製する方法も開示され、その方法では、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含むコーティング層は、ガスの混合物を使用して、約７５０℃〜約９５０℃で基材に中温化学蒸着（ＭＴ−ＣＶＤ）により堆積され、水素ガスの窒素ガスに対する比率は５を超える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタンオキシカーボナイトライドおよび／またはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含む、基材用の耐摩耗性コーティング、ならびにそのようなコーティングを有する基材に関し、より詳細には、そのようなコーティングを有する切削インサートに関する。上記コーティングは、特に基材が切削インサートの場合に、基材の耐摩耗性を改善するのに有用である。本発明はまた、そのようなコーティングを基材に適用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コーティング付き基材、例えば、コーティング付き切削インサートは、材料除去用途に使用される。コーティング層は通常、耐摩耗特性を示す硬質耐熱性（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ）材料を含む。切削インサートをそのようにコーティングする目的の１つは、切削インサートの有効寿命を延ばすことである。
【０００３】
コーティング層の材料として、またはコーティング層の構成の一部として有用であると判明している硬質耐熱性材料の１つは、一般式Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）によって示されることもあるチタンオキシカーボナイトライドである。別の材料としては、一般式（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）で示されることもあるチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドがある。これらの材料の少なくとも１つを含むコーティングの例は、ゲイツ・ジュニア（Ｇａｔｅｓ，Ｊｒ．）による特許文献１、ルピ（Ｒｕｐｐｉ）による特許文献２、キリヤマ（Ｋｉｒｉｙａｍａ）による特許文献３、ホルツシュ（Ｈｏｌｚｓｃｈｕｈ）による特許文献４、ルピ（Ｒｕｐｐｉ）らによる特許文献５、ルピ（Ｒｕｐｐｉ）らによる特許文献６、ルピ（Ｒｕｐｐｉ）による特許文献７、ゲイツ・ジュニア（Ｇａｔｅｓ，Ｊｒ．）らによる特許文献８、マクナニ（ＭｃＮｅｒｎｙ）らによる特許文献９に見ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４，７１４，６６０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７００，５６９号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２８４，３５６号明細書
【特許文献４】米国特許第６，４３６，５１９号明細書
【特許文献５】米国特許第６，４７２，０６０号明細書
【特許文献６】米国特許第６，６２０，４９８号明細書
【特許文献７】米国特許第７，７１８，２２６号明細書
【特許文献８】米国特許第７，７８５，６６５号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００７／０２９８２３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
チタンオキシカーボナイトライドおよび／またはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含むコーティングの有用性は実証されているが、それらがもたらす耐摩耗性の点でまだ改良が必要である。本発明はこの必要性に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基材用の高い耐摩耗性のコーティングを提供する。本発明のコーティングは、チタンオキシカーボナイトライドおよびチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドからなる群から選択される化合物の少なくとも１つの層を含み、上記化合物は、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が約０．０１〜約０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が約０〜約０．１の範囲内にある。コーティングは、その硬度値（ギガパスカル）のそのヤング率値（ギガパスカル）に対する比率が０．０６以上である。上記基材は、所望する任意の形状とすることができ、超硬合金（例えば、炭化タングステン−コバルト材料）、セラミック（例えば、窒化ケイ素系セラミック、ＳｉＡｌＯＮ系セラミック、炭窒化チタン系セラミック、二ホウ化チタン系セラミック、およびアルミナ系セラミック）、サーメット（例えば、ニッケル−コバルト結合剤および高レベルのチタンを有し、炭化タングステンおよび炭化チタンをさらに含むことができるサーメット）、鋼、または、例えば、多結晶立方窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）などの超硬質材料とすることができる。基材は、切削インサートの形態であるのが好ましい。
【０００７】
本発明はまた、そのようなコーティングを有するコーティング付き基材、例えば、そのようなコーティングを有する切削インサートを含む。
【０００８】
本発明はまた、そのようなコーティング付き基材を作製する方法を含む。かかる方法では、チタンオキシカーボナイトライドおよび／またはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含むコーティング層は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、例えばアセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）などの炭素源、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、及び、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、または一酸化窒素（ＮＯ）などの酸素源を含み、かつ、上記層がチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含む場合には三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）も含むガスの混合物を使用して、約７５０℃〜約９５０℃の温度範囲内で、中温化学蒸着（ＭＴ−ＣＶＤ）により基材に堆積され、水素ガスの窒素ガスに対する比率、すなわちＨ２／Ｎ２比は５を超える。
【０００９】
以下に、本発明の実施形態を記載するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜１＞ 基材およびコーティングを含むコーティング付き基材であって、
前記コーティングは、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかからなる少なくとも１つの層を含み、
前記層は、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が約０．０１〜約０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が約０〜約０．１の範囲内にあり、
前記コーティングは、ＧＰａで表した硬度のＧＰａで表したヤング率に対する比率が少なくとも０．０６である、コーティング付き基材。
＜２＞ 前記コーティングは複数の層を含む、＜１＞に記載のコーティング付き基材。
＜３＞ 前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が、窒化チタン、炭窒化チタン、酸化アルミニウム、窒化ジルコニウム、および炭窒化ジルコニウムからなる群から選択される材料を含む、＜２＞に記載のコーティング付き基材。
＜４＞ 前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が接着層である、＜２＞又は＜３＞に記載のコーティング付き基材。
＜５＞ 前記コーティングの厚さが約１μｍ〜約２５μｍの範囲内にある、＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載のコーティング付き基材。
＜６＞ チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドからなる前記少なくとも１つの層の厚さが約１μｍ〜約２０μｍの範囲内にある、＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載のコーティング付き基材。
＜７＞ 前記基材が切削インサートである、＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載のコーティング付き基材。
＜８＞ 前記基材が、超硬合金、セラミック、サーメット、および鋼からなる群から選択される材料を含む、＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載のコーティング付き基材。
＜９＞ コーティング付き基材を作製する方法であって、
ａ）基材表面を有する基材を用意する工程と、
ｂ）コーティングを前記基板表面に堆積させる工程と、
を含み、
前記堆積させる工程が、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかからなる少なくとも１つの層を、約７５０℃〜約９５０℃の範囲内の基材温度で、かつ水素ガスの窒素ガスに対する比率が少なくとも５である雰囲気内において、ＭＶ−ＣＶＤにより堆積させることを含み、
前記層が、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が約０．０１〜約０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が約０〜約０．１の範囲内にあり、
前記コーティングは、ＧＰａで表した硬度のＧＰａで表したヤング率に対する比率が少なくとも０．０６である、前記方法。
＜１０＞ チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかの少なくとも１つの層をＭＴ−ＣＶＤにより堆積させる前記工程が、四塩化チタン、炭素源ガス、および酸素源ガスを含む雰囲気を使用することを含む、＜９＞に記載の方法。
＜１１＞ 前記炭素源ガスがアセトニトリルである、＜１０＞に記載の方法。
＜１２＞ 前記酸素源ガスが、一酸化炭素、亜酸化窒素、および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも１つである、＜１０＞又は＜１１＞に記載の方法。
＜１３＞ 前記雰囲気が、三塩化アルミニウムをさらに含む、＜９＞〜＜１２＞のいずれか１つに記載の方法。
＜１４＞ 前記コーティングの厚さが約２μｍ〜約２５μｍの範囲内にある、＜９＞〜＜１３＞のいずれか１つに記載の方法。
＜１５＞ チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドからなる前記少なくとも１つの層の厚さが約１μｍ〜約２０μｍの範囲内にある、＜９＞〜＜１４＞のいずれか１つに記載の方法。
＜１６＞ 前記基材が切削インサートである、＜９＞〜＜１５＞のいずれか１つに記載の方法。
＜１７＞ 前記基材が、超硬合金、セラミック、サーメット、および鋼からなる群から選択される材料を含む、＜９＞〜＜１６＞のいずれか１つに記載の方法。
【００１０】
本発明の特徴およびメリットの重要性が、添付の図面を参照してより深く理解されるであろう。また一方で、図面は、例示目的のためだけに作図され、本発明の範囲を限定するものではないのは当然のことである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一部分を切り取った、本発明の一実施形態によるコーティング付き切削インサートの斜視図である。切り取った部分では、切削インサートの基材を示すために、コーティングの一部が除去されている。
【図２】本発明の一実施形態によるコーティング付き基材の単層コーティングの断面を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態によるコーティング付き基材のコーティングの断面を示す概略図であり、上記コーティングは、接着層と、チタンオキシカーボナイトライド、またはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかの層とから構成されている。
【図４】本発明の一実施形態によるコーティング付き基材のコーティングの断面を示す概略図であり、上記コーティングは、接着層、複数の中間層、および外側層から構成されている。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
この節では、当業者が本発明を実施するのに十分な詳細さで、本発明のいくつかの好ましい実施形態について説明する。一方、当然のことながら、限られた件数の好ましい実施形態しか本明細書で説明しないことから、添付の特許請求の範囲に記載した本発明の範囲が限定されることは全くない。
【００１３】
本発明の実施形態の特徴を加減するのに、「およそ」又は「約」という用語が本明細書または添付の特許請求の範囲で使用される場合、その「およそ」又は「約」という用語は、常に、関連する特徴の規定、および／または測定にかかわる一般的な許容差を指すと解釈すべきである。本発明の実施形態の特徴について説明するのに、範囲が本明細書または添付の特許請求の範囲で使用される場合、その範囲は、常に、範囲の規定される両端点およびその間のすべての点を含むと解釈すべきである。「本発明のチタンオキシカーボナイトライド」および「本発明のチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド」というフレーズは、それぞれ、その化合物が、約０．０１〜約０．０９の範囲内にある酸素原子のチタン原子に対するパーセント比を有し、約０〜約０．１の範囲内にあるアルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比を有するチタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを意味すると解釈すべきである。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態によるコーティング２２を有するコーティング付き切削インサート２０を示している。図１では、下にある基材２４を示すためにコーティング２２の一部が切り取られている。コーティング付き切削インサート２０は、逃げ面２６およびすくい面２８を有する。逃げ面２６およびすくい面２８は交差して、それらの合わせ目で切刃３０を形成している。当然のことながら、本発明のコーティング付き切削インサートは、図１に示すコーティング付き切削インサート２０の形状とは異なる形状をとることができる。例えば、本発明の別の実施形態によるコーティング付き切削インサートは、コーティング付き切削インサートをバイトホルダなどに取り付けるために使用される中心開孔を含むことができる。
【００１５】
図２〜図４は、本発明の実施形態によるコーティング付き切削インサートの、コーティングと基材との境界部における断面の一部を示している。当然のことながら、これらの図面における層の厚さの表示は縮尺が一定でなく、単に層と基材との概略的な空間関係を示すことを意図されている。図２を参照すると、本発明による、基材４２と、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの単層からなるコーティング４４とを有するコーティング付き切削インサート基材４０が示されている。コーティング４４は、所望する任意の厚さを有することができるが、１μｍ〜２５μｍの範囲内の厚さを有することが好ましい。
【００１６】
図３を参照すると、本発明による、基材５２と、接着層５６およびチタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの層５８からなるコーティング５４と、を有するコーティング付き切削インサート基材５０が示されている。接着層５６は、基材５２に対する層５８の接着性を高めるように選択され、窒化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選択される１つであるのが好ましい。接着層５６の厚さは、０．２μｍ〜３μｍの範囲内にあるのが好ましい。コーティング５４は、所望する任意の厚さを有することができるが、１μｍ〜２５μｍの範囲内の厚さを有するのが好ましい。
【００１７】
ここで図４を参照すると、基材６２と、接着層６６、複数の中間層６８（すなわち、中間層７０、７２、７４、７６、７８、８０）、および外側層８２からなるコーティング６４と、を有するコーティング付き切削インサート基材６０が示されている。接着層６６の組成は、基材６２と第１の中間層７０との間の接着性を高めるように選択される。複数の中間層６８の少なくとも１つおよび／または外側層８２は、本発明によるチタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの層であるように選択される。複数の中間層６８の残りの中間層および／または外側層８２は、所望する任意のコーティング材料とすることができるが、そのような各層は、窒化チタン、炭窒化チタン、酸化アルミニウム、窒化ジルコニウム、および炭窒化ジルコニウムからなる群から選択される材料を含むことが好ましい。複数の中間層６８の残りの中間層および／または外側層８２は、それぞれ、本発明のチタンオキシカーボナイトライドまたは本発明のチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド以外であるチタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド層を含むこともできる。チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの層の少なくとも一方は、加工層、すなわち、厚さが１μｍ〜２０μｍの範囲内にある層である。複数の中間層６８の残りの中間層および／または外側層８２は、加工層であってもよく、または接着層、すなわち、厚さが１μｍ〜２０μｍの範囲内にある層であってもよい。
【００１８】
本発明の実施形態の基材に適した材料には、それらに限定するものではないが、超硬合金（例えば、炭化タングステン−コバルト材料）、セラミック（例えば、窒化ケイ素系セラミック、ＳｉＡｌＯＮ系セラミック、炭窒化チタン系セラミック、二ホウ化チタン系セラミック、およびアルミナ系セラミック）、サーメット（例えば、ニッケル−コバルト結合剤および高レベルのチタンを有し、炭化タングステンおよび炭化チタンをさらに含むことができるサーメット）、および鋼がある。
【００１９】
本発明はまた、基材が、特に、結合剤濃度、炭窒化物濃度、および炭化物濃度において、傾斜（ｇｒａｄｉｅｎｔ）組成を示すことができることを企図している。例示的な基材には、結合剤豊富な表面領域を有する超硬合金（ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ）基材と、結合剤が欠乏したかつ／または固溶炭化物が豊富な表面領域を示す超硬合金基材とがある。
【００２０】
他の例示的な基材材料には、多結晶立方窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）（例示的なＰＣＢＮ材料は、セラミック結合剤または金属結合剤を一緒に含む）および他の超硬質材料がある。
【００２１】
１つの好ましい基材材料には、約０．１重量％〜約２０重量％のコバルトと、残り分の炭化タングステンとを含む、コバルト結合炭化タングステンを基にしたものがある。そのようなコバルト結合炭化タングステンは、チタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、およびクロムのいずれか１つ、または任意の組み合わせを含むことができ、これらの元素は、炭化物、および／または窒化物、および／または炭窒化物の形態とすることができる。
【００２２】
基材には、コーティング済みのコア基材を含めることができて、現存コーティングの一部またはすべてを覆って本発明のコーティングが施されることも本発明が企図する範囲内である。現存コーティングが、本発明のコーティング、および本発明のコーティングのチタンオキシカーボナイトライド層またはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド層を塗布するのに使用されるＭＴ−ＣＶＤ堆積プロセスと両立できる限り、それらに限定されるものではないが、化学蒸着（ＣＶＤ）（低温、中温、または高温ＣＶＤとすることができる）、物理蒸着（ＰＶＤ）、ならびにプラズマ支援を使用する変形版を含むそれらの組み合わせおよび変形版などが含まれる任意で公知のコーティング方法により、コーティング済みコア基材の現存コーティングを施すことができる。
【００２３】
当然のことながら、本明細書および添付の特許請求の範囲の中で、「基材表面」という用語は、基材の環境との基材の境界面として働く基材の最外部分を指す。したがって、未コーティング材料で構成される基材の場合、基材表面はその材料の外側面であり、それに対して、コーティング済みコア基材の基材表面は、その現存コーティングの最外面である。
【００２４】
当然のことながら、本発明のコーティングを堆積させる前に、基材に対するコーティングの接着性を改善するように基材表面を処理することができる。例示的な前処理には、基材表面から結合剤を除去する、または結合剤の量を減らすプロセスがある。コバルト結合炭化タングステン基材の場合、そのような前処理は、基材表面からコバルトを除去するか、またはコーティングの接着性を改善するように基材表面を処理する。他の例示的な前処理には、コーティングの接着性を高めるために、基材表面を粗面化するように基材表面を機械的に加工するプロセスがある。
【００２５】
本発明のコーティングのチタンオキシカーボナイトライド層およびチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド層は、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が約０．０１〜約０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が約０〜約０．１の範囲内にある。当該コーティングは、（ギガパスカルで表した）その硬度値の（ギガパスカルで表した）そのヤング率値に対する比率が０．０６以上である。
【００２６】
本発明のコーティングのチタンオキシカーボナイトライド層およびチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド層は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、例えばアセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）などの炭素源、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、及び、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）などの酸素源を含むガスの混合物、又は、該層がチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含む場合は三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）をさらに含むガスの混合物を使用して、約７５０℃〜約９５０℃の範囲内の基材温度でＭＴ−ＣＶＤにより基材に塗布されるが、ここで、水素ガスの窒素ガスに対する比率、すなわちＨ２／Ｎ２比は５を超える。これらの層は、好ましくは８００℃〜９５０℃の基材温度範囲内で、より好ましくは８３０℃〜９２０℃の基材温度範囲内で塗布される。本発明のコーティングの他の層は、他の蒸着技術により堆積してもよいが、同様にＭＴ−ＣＶＤにより塗布されるのが好ましい。チタンオキシカーボナイトライド層およびチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド層以外の本発明の様々なコーティング層に使用される堆積技術とは無関係に、１つまたは複数のコーティング層の劣化または汚染を防止するために、基材は、コーティングの最内層の堆積の開始から、コーティングの最外層の堆積の終了まで、保護雰囲気下に維持されるのが好ましい。
【００２７】
本発明のコーティング層の厚さは、各層の堆積時間および／または堆積速度を調整することにより制御することができる。当然のことながら、所与の堆積速度において堆積時間が長くなるほど層は厚くなり、所与の堆積時間に対して堆積速度が速いほど層は厚くなる。
【００２８】
本発明の一部の実施形態では、本発明のコーティングの表面は、コーティング表面の平滑性および／または接着性を制御するために、堆積後処理を受ける。表面処理は通常、コーティング内の引張り応力を低減するか、または圧縮応力を増大させる。そのような処理の例が、ウィディア有限責任会社（Ｗｉｄｉａ ＧｍｂＨ）による国際公開第０２／０７７３１２号パンフレットに記載されており、この国際公開は、外側コーティング層の内部圧縮応力を増大させるか、または内部引張り応力を低減する、コーティングへのショットブラストを開示している。１つの例示的な処理は、応力の高い部分を減らすか、または最小限にするために、コーティングの表面から凹凸を除去することである。別の例示的な処理は、コーティング付き切削インサートの選択された領域からコーティング（またはコーティング層の一部）を優先的に除去することである。
【００２９】
本発明のコーティング層の接着性を改善するために、各コーティング層の間に微視的な粗界面を形成することができるのも当然のことである。これらの微視的な粗界面は、コーティング層の高い成長速度を促進するように、層堆積パラメータを制御することで形成することができる。比較的高い堆積温度および／または比較的高い圧力を使用して、ＣＶＤおよびＭＴ−ＣＶＤプロセスでの高い成長速度を達成することができる。コーティング層間の接着性を改善する別の方法は、堆積時に層の組成を漸進的に変えることにより、隣接するコーティング層間にある急勾配の組成界面の存在を少なくすることである。
【実施例】
【００３０】
実施例１〜５
チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの単層を基材に堆積させることにより、本発明の実施形態によるコーティング付き基材（実施例１〜５）を作製した。基材は、ＷＣ−６％Ｃｏの超硬合金製切削インサートであった。コーティングの組成が表１に示されている。電流５．００ｍＡおよび電圧ＤＣ６００Ｖで、２ｍｍのバーン（ｂｕｒｎ）領域を使用するＬＥＣＯグロー放電スペクトル（ＧＤＳ）８５０Ａ計器により組成を測定した。データ収集速度は１２５点毎秒であり、総バーン時間は約６００秒であった。表２に示したガスの組み合わせを使用して、基材温度８５０℃で１２０分にわたりＭＴ−ＣＶＤを行うことによりコーティングを堆積させて、２μｍのコーティング厚さを得た。
比較サンプル
表１に記したサンプル比較例１、２用の組成を有するコーティング付き基材を、実施例１〜５に対して上記したものと同じタイプの基材を使用して作製した。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】
実施例１〜５および比較例１〜２の特性
実施例１〜５および比較例１〜２のコーティングの硬度およびヤング率が表３に記されている。ビッカース圧子を使用するＩＳＯ標準規格１４５７７に準拠したフィッシャスコープＨＭ２０００（Ｆｉｓｃｈｅｒｓｃｏｐｅ ＨＭ２０００）を用いて硬度およびヤング率を測定した。押し込み深さは０．２５μｍに設定した。
【００３４】
【表３】
【００３５】
本発明によるコーティングを有するコーティング付き切削インサートを従来のコーティングを有するものと比較するために切削試験を行った。いずれの場合にも、基材は、米国規格協会（ＡＮＳＩ）ＣＮＭＧ４３２ＲＰの幾何形状を有するＷＣ−９．５重量％Ｃｏ切削インサートとした。実施例５に相当するコーティングを有する本発明の２つのコーティングインサートを上記の態様で作製した。比較のために、比較例２に相当するコーティングを有する２つのコーティングインサートを上記の態様で作製した。切削において、切込み角４５°およびリード角−５°としたコーティング付きインサートを使用して、送り速度０．３ｍｍ／回転（０．０１２インチ／回転）および切込み深さ２．０３ｍｍ（０．０８インチ）として、大量の冷却液のもとに１９８ｍ／分（５０ｓｆｍ（ｓｕｒｆａｃｅ ｆｅｅｔ／ｍｉｎｕｔｅ））で３０４ステンレス鋼を切削した。寿命の終わり条件は、次の条件、すなわち、（ａ）０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）の均一な摩耗、（ｂ）０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）の最大摩耗、（ｃ）０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）のノーズ摩耗、（ｄ）０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）のノッチ深さ、または（ｅ）０．１０２ｍｍ（０．００４インチ）のクレータ摩耗、のうちの１つが最初に発生したときとした。本発明のコーティング付き切削インサートは、ノッチ深さ限度に達することで終わる、１１．９分および１３．９分の切削寿命を有した。それに対して、従来のコーティング付き切削インサートは、最大ノーズ摩耗基準に達することで終わる、わずか８．９分および１１．０分の切削寿命を有した。これらの試験により、本発明のコーティングが、先行技術のコーティングに勝る大幅に改良された耐摩耗性を有すると実証された。
【００３６】
本発明の数件の実施形態のみが示され、説明されたが、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に対して多数の変更および修正を行うことができることが、当業者には明らかであろう。本明細書で参照したすべての特許出願、特許、および他のすべての出版物は、法で許可された最大範囲でそれら全体を本明細書に援用される。
【符号の説明】
【００３７】
２０ コーティング付き切削インサート
２２ コーティング
２４ 基材
２６ 逃げ面
２８ すくい面
３０ 切刃
４０ コーティング付き切削インサート基材
４２ 基材
４４ コーティング
５２ 基材
５４ コーティング
５６ 接着層
５８ チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの層
６０ コーティング付き切削インサート基材
６２ 基材
６４ コーティング
６６ 接着層
６８、７０，７２，７４，７６，７８，８０ 中間層
８２ 外側層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタンオキシカーボナイトライドおよび／またはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含む、基材用の耐摩耗性コーティング、ならびにそのようなコーティングを有する基材に関し、より詳細には、そのようなコーティングを有する切削インサートに関する。上記コーティングは、特に基材が切削インサートの場合に、基材の耐摩耗性を改善するのに有用である。本発明はまた、そのようなコーティングを基材に適用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コーティング付き基材、例えば、コーティング付き切削インサートは、材料除去用途に使用される。コーティング層は通常、耐摩耗特性を示す硬質耐熱性（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ）材料を含む。切削インサートをそのようにコーティングする目的の１つは、切削インサートの有効寿命を延ばすことである。
【０００３】
コーティング層の材料として、またはコーティング層の構成の一部として有用であると判明している硬質耐熱性材料の１つは、一般式Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）によって示されることもあるチタンオキシカーボナイトライドである。別の材料としては、一般式（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）で示されることもあるチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドがある。これらの材料の少なくとも１つを含むコーティングの例は、ゲイツ・ジュニア（Ｇａｔｅｓ，Ｊｒ．）による特許文献１、ルピ（Ｒｕｐｐｉ）による特許文献２、キリヤマ（Ｋｉｒｉｙａｍａ）による特許文献３、ホルツシュ（Ｈｏｌｚｓｃｈｕｈ）による特許文献４、ルピ（Ｒｕｐｐｉ）らによる特許文献５、ルピ（Ｒｕｐｐｉ）らによる特許文献６、ルピ（Ｒｕｐｐｉ）による特許文献７、ゲイツ・ジュニア（Ｇａｔｅｓ，Ｊｒ．）らによる特許文献８、マクナニ（ＭｃＮｅｒｎｙ）らによる特許文献９に見ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４，７１４，６６０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７００，５６９号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２８４，３５６号明細書
【特許文献４】米国特許第６，４３６，５１９号明細書
【特許文献５】米国特許第６，４７２，０６０号明細書
【特許文献６】米国特許第６，６２０，４９８号明細書
【特許文献７】米国特許第７，７１８，２２６号明細書
【特許文献８】米国特許第７，７８５，６６５号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００７／０２９８２３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
チタンオキシカーボナイトライドおよび／またはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含むコーティングの有用性は実証されているが、それらがもたらす耐摩耗性の点でまだ改良が必要である。本発明はこの必要性に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基材用の高い耐摩耗性のコーティングを提供する。本発明のコーティングは、チタンオキシカーボナイトライドおよびチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドからなる群から選択される化合物の少なくとも１つの層を含み、上記化合物は、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が約０．０１〜約０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が約０〜約０．１の範囲内にある。コーティングは、その硬度値（ギガパスカル）のそのヤング率値（ギガパスカル）に対する比率が０．０６以上である。上記基材は、所望する任意の形状とすることができ、超硬合金（例えば、炭化タングステン−コバルト材料）、セラミック（例えば、窒化ケイ素系セラミック、ＳｉＡｌＯＮ系セラミック、炭窒化チタン系セラミック、二ホウ化チタン系セラミック、およびアルミナ系セラミック）、サーメット（例えば、ニッケル−コバルト結合剤および高レベルのチタンを有し、炭化タングステンおよび炭化チタンをさらに含むことができるサーメット）、鋼、または、例えば、多結晶立方窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）などの超硬質材料とすることができる。基材は、切削インサートの形態であるのが好ましい。
【０００７】
本発明はまた、そのようなコーティングを有するコーティング付き基材、例えば、そのようなコーティングを有する切削インサートを含む。
【０００８】
本発明はまた、そのようなコーティング付き基材を作製する方法を含む。かかる方法では、チタンオキシカーボナイトライドおよび／またはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含むコーティング層は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、例えばアセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）などの炭素源、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、及び、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、または一酸化窒素（ＮＯ）などの酸素源を含み、かつ、上記層がチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含む場合には三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）も含むガスの混合物を使用して、約７５０℃〜約９５０℃の温度範囲内で、中温化学蒸着（ＭＴ−ＣＶＤ）により基材に堆積され、水素ガスの窒素ガスに対する比率、すなわちＨ２／Ｎ２比は５を超える。
【０００９】
以下に、本発明の実施形態を記載するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜１＞ 基材およびコーティングを含むコーティング付き基材であって、
前記コーティングは、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかからなる少なくとも１つの層を含み、
前記層は、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が約０．０１〜約０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が約０〜約０．１の範囲内にあり、
前記コーティングは、ＧＰａで表した硬度のＧＰａで表したヤング率に対する比率が少なくとも０．０６である、コーティング付き基材。
＜２＞ 前記コーティングは複数の層を含む、＜１＞に記載のコーティング付き基材。
＜３＞ 前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が、窒化チタン、炭窒化チタン、酸化アルミニウム、窒化ジルコニウム、および炭窒化ジルコニウムからなる群から選択される材料を含む、＜２＞に記載のコーティング付き基材。
＜４＞ 前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が接着層である、＜２＞又は＜３＞に記載のコーティング付き基材。
＜５＞ 前記コーティングの厚さが約１μｍ〜約２５μｍの範囲内にある、＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載のコーティング付き基材。
＜６＞ チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドからなる前記少なくとも１つの層の厚さが約１μｍ〜約２０μｍの範囲内にある、＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載のコーティング付き基材。
＜７＞ 前記基材が切削インサートである、＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載のコーティング付き基材。
＜８＞ 前記基材が、超硬合金、セラミック、サーメット、および鋼からなる群から選択される材料を含む、＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載のコーティング付き基材。
＜９＞ コーティング付き基材を作製する方法であって、
ａ）基材表面を有する基材を用意する工程と、
ｂ）コーティングを前記基板表面に堆積させる工程と、
を含み、
前記堆積させる工程が、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかからなる少なくとも１つの層を、約７５０℃〜約９５０℃の範囲内の基材温度で、かつ水素ガスの窒素ガスに対する比率が少なくとも５である雰囲気内において、ＭＶ−ＣＶＤにより堆積させることを含み、
前記層が、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が約０．０１〜約０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が約０〜約０．１の範囲内にあり、
前記コーティングは、ＧＰａで表した硬度のＧＰａで表したヤング率に対する比率が少なくとも０．０６である、前記方法。
＜１０＞ チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかの少なくとも１つの層をＭＴ−ＣＶＤにより堆積させる前記工程が、四塩化チタン、炭素源ガス、および酸素源ガスを含む雰囲気を使用することを含む、＜９＞に記載の方法。
＜１１＞ 前記炭素源ガスがアセトニトリルである、＜１０＞に記載の方法。
＜１２＞ 前記酸素源ガスが、一酸化炭素、亜酸化窒素、および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも１つである、＜１０＞又は＜１１＞に記載の方法。
＜１３＞ 前記雰囲気が、三塩化アルミニウムをさらに含む、＜９＞〜＜１２＞のいずれか１つに記載の方法。
＜１４＞ 前記コーティングの厚さが約２μｍ〜約２５μｍの範囲内にある、＜９＞〜＜１３＞のいずれか１つに記載の方法。
＜１５＞ チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドからなる前記少なくとも１つの層の厚さが約１μｍ〜約２０μｍの範囲内にある、＜９＞〜＜１４＞のいずれか１つに記載の方法。
＜１６＞ 前記基材が切削インサートである、＜９＞〜＜１５＞のいずれか１つに記載の方法。
＜１７＞ 前記基材が、超硬合金、セラミック、サーメット、および鋼からなる群から選択される材料を含む、＜９＞〜＜１６＞のいずれか１つに記載の方法。
【００１０】
本発明の特徴およびメリットの重要性が、添付の図面を参照してより深く理解されるであろう。また一方で、図面は、例示目的のためだけに作図され、本発明の範囲を限定するものではないのは当然のことである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一部分を切り取った、本発明の一実施形態によるコーティング付き切削インサートの斜視図である。切り取った部分では、切削インサートの基材を示すために、コーティングの一部が除去されている。
【図２】本発明の一実施形態によるコーティング付き基材の単層コーティングの断面を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態によるコーティング付き基材のコーティングの断面を示す概略図であり、上記コーティングは、接着層と、チタンオキシカーボナイトライド、またはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかの層とから構成されている。
【図４】本発明の一実施形態によるコーティング付き基材のコーティングの断面を示す概略図であり、上記コーティングは、接着層、複数の中間層、および外側層から構成されている。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
この節では、当業者が本発明を実施するのに十分な詳細さで、本発明のいくつかの好ましい実施形態について説明する。一方、当然のことながら、限られた件数の好ましい実施形態しか本明細書で説明しないことから、添付の特許請求の範囲に記載した本発明の範囲が限定されることは全くない。
【００１３】
本発明の実施形態の特徴を加減するのに、「およそ」又は「約」という用語が本明細書または添付の特許請求の範囲で使用される場合、その「およそ」又は「約」という用語は、常に、関連する特徴の規定、および／または測定にかかわる一般的な許容差を指すと解釈すべきである。本発明の実施形態の特徴について説明するのに、範囲が本明細書または添付の特許請求の範囲で使用される場合、その範囲は、常に、範囲の規定される両端点およびその間のすべての点を含むと解釈すべきである。「本発明のチタンオキシカーボナイトライド」および「本発明のチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド」というフレーズは、それぞれ、その化合物が、約０．０１〜約０．０９の範囲内にある酸素原子のチタン原子に対するパーセント比を有し、約０〜約０．１の範囲内にあるアルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比を有するチタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを意味すると解釈すべきである。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態によるコーティング２２を有するコーティング付き切削インサート２０を示している。図１では、下にある基材２４を示すためにコーティング２２の一部が切り取られている。コーティング付き切削インサート２０は、逃げ面２６およびすくい面２８を有する。逃げ面２６およびすくい面２８は交差して、それらの合わせ目で切刃３０を形成している。当然のことながら、本発明のコーティング付き切削インサートは、図１に示すコーティング付き切削インサート２０の形状とは異なる形状をとることができる。例えば、本発明の別の実施形態によるコーティング付き切削インサートは、コーティング付き切削インサートをバイトホルダなどに取り付けるために使用される中心開孔を含むことができる。
【００１５】
図２〜図４は、本発明の実施形態によるコーティング付き切削インサートの、コーティングと基材との境界部における断面の一部を示している。当然のことながら、これらの図面における層の厚さの表示は縮尺が一定でなく、単に層と基材との概略的な空間関係を示すことを意図されている。図２を参照すると、本発明による、基材４２と、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの単層からなるコーティング４４とを有するコーティング付き切削インサート基材４０が示されている。コーティング４４は、所望する任意の厚さを有することができるが、１μｍ〜２５μｍの範囲内の厚さを有することが好ましい。
【００１６】
図３を参照すると、本発明による、基材５２と、接着層５６およびチタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの層５８からなるコーティング５４と、を有するコーティング付き切削インサート基材５０が示されている。接着層５６は、基材５２に対する層５８の接着性を高めるように選択され、窒化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選択される１つであるのが好ましい。接着層５６の厚さは、０．２μｍ〜３μｍの範囲内にあるのが好ましい。コーティング５４は、所望する任意の厚さを有することができるが、１μｍ〜２５μｍの範囲内の厚さを有するのが好ましい。
【００１７】
ここで図４を参照すると、基材６２と、接着層６６、複数の中間層６８（すなわち、中間層７０、７２、７４、７６、７８、８０）、および外側層８２からなるコーティング６４と、を有するコーティング付き切削インサート基材６０が示されている。接着層６６の組成は、基材６２と第１の中間層７０との間の接着性を高めるように選択される。複数の中間層６８の少なくとも１つおよび／または外側層８２は、本発明によるチタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの層であるように選択される。複数の中間層６８の残りの中間層および／または外側層８２は、所望する任意のコーティング材料とすることができるが、そのような各層は、窒化チタン、炭窒化チタン、酸化アルミニウム、窒化ジルコニウム、および炭窒化ジルコニウムからなる群から選択される材料を含むことが好ましい。複数の中間層６８の残りの中間層および／または外側層８２は、それぞれ、本発明のチタンオキシカーボナイトライドまたは本発明のチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド以外であるチタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド層を含むこともできる。チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの層の少なくとも一方は、加工層、すなわち、厚さが１μｍ〜２０μｍの範囲内にある層である。複数の中間層６８の残りの中間層および／または外側層８２は、加工層であってもよく、または接着層、すなわち、厚さが１μｍ〜２０μｍの範囲内にある層であってもよい。
【００１８】
本発明の実施形態の基材に適した材料には、それらに限定するものではないが、超硬合金（例えば、炭化タングステン−コバルト材料）、セラミック（例えば、窒化ケイ素系セラミック、ＳｉＡｌＯＮ系セラミック、炭窒化チタン系セラミック、二ホウ化チタン系セラミック、およびアルミナ系セラミック）、サーメット（例えば、ニッケル−コバルト結合剤および高レベルのチタンを有し、炭化タングステンおよび炭化チタンをさらに含むことができるサーメット）、および鋼がある。
【００１９】
本発明はまた、基材が、特に、結合剤濃度、炭窒化物濃度、および炭化物濃度において、傾斜（ｇｒａｄｉｅｎｔ）組成を示すことができることを企図している。例示的な基材には、結合剤豊富な表面領域を有する超硬合金（ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ）基材と、結合剤が欠乏したかつ／または固溶炭化物が豊富な表面領域を示す超硬合金基材とがある。
【００２０】
他の例示的な基材材料には、多結晶立方窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）（例示的なＰＣＢＮ材料は、セラミック結合剤または金属結合剤を一緒に含む）および他の超硬質材料がある。
【００２１】
１つの好ましい基材材料には、約０．１重量％〜約２０重量％のコバルトと、残り分の炭化タングステンとを含む、コバルト結合炭化タングステンを基にしたものがある。そのようなコバルト結合炭化タングステンは、チタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、およびクロムのいずれか１つ、または任意の組み合わせを含むことができ、これらの元素は、炭化物、および／または窒化物、および／または炭窒化物の形態とすることができる。
【００２２】
基材には、コーティング済みのコア基材を含めることができて、現存コーティングの一部またはすべてを覆って本発明のコーティングが施されることも本発明が企図する範囲内である。現存コーティングが、本発明のコーティング、および本発明のコーティングのチタンオキシカーボナイトライド層またはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド層を塗布するのに使用されるＭＴ−ＣＶＤ堆積プロセスと両立できる限り、それらに限定されるものではないが、化学蒸着（ＣＶＤ）（低温、中温、または高温ＣＶＤとすることができる）、物理蒸着（ＰＶＤ）、ならびにプラズマ支援を使用する変形版を含むそれらの組み合わせおよび変形版などが含まれる任意で公知のコーティング方法により、コーティング済みコア基材の現存コーティングを施すことができる。
【００２３】
当然のことながら、本明細書および添付の特許請求の範囲の中で、「基材表面」という用語は、基材の環境との基材の境界面として働く基材の最外部分を指す。したがって、未コーティング材料で構成される基材の場合、基材表面はその材料の外側面であり、それに対して、コーティング済みコア基材の基材表面は、その現存コーティングの最外面である。
【００２４】
当然のことながら、本発明のコーティングを堆積させる前に、基材に対するコーティングの接着性を改善するように基材表面を処理することができる。例示的な前処理には、基材表面から結合剤を除去する、または結合剤の量を減らすプロセスがある。コバルト結合炭化タングステン基材の場合、そのような前処理は、基材表面からコバルトを除去するか、またはコーティングの接着性を改善するように基材表面を処理する。他の例示的な前処理には、コーティングの接着性を高めるために、基材表面を粗面化するように基材表面を機械的に加工するプロセスがある。
【００２５】
本発明のコーティングのチタンオキシカーボナイトライド層およびチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド層は、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が約０．０１〜約０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が約０〜約０．１の範囲内にある。当該コーティングは、（ギガパスカルで表した）その硬度値の（ギガパスカルで表した）そのヤング率値に対する比率が０．０６以上である。
【００２６】
本発明のコーティングのチタンオキシカーボナイトライド層およびチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド層は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、例えばアセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）などの炭素源、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、及び、例えば一酸化炭素（ＣＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）などの酸素源を含むガスの混合物、又は、該層がチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドを含む場合は三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）をさらに含むガスの混合物を使用して、約７５０℃〜約９５０℃の範囲内の基材温度でＭＴ−ＣＶＤにより基材に塗布されるが、ここで、水素ガスの窒素ガスに対する比率、すなわちＨ２／Ｎ２比は５を超える。これらの層は、好ましくは８００℃〜９５０℃の基材温度範囲内で、より好ましくは８３０℃〜９２０℃の基材温度範囲内で塗布される。本発明のコーティングの他の層は、他の蒸着技術により堆積してもよいが、同様にＭＴ−ＣＶＤにより塗布されるのが好ましい。チタンオキシカーボナイトライド層およびチタンアルミニウムオキシカーボナイトライド層以外の本発明の様々なコーティング層に使用される堆積技術とは無関係に、１つまたは複数のコーティング層の劣化または汚染を防止するために、基材は、コーティングの最内層の堆積の開始から、コーティングの最外層の堆積の終了まで、保護雰囲気下に維持されるのが好ましい。
【００２７】
本発明のコーティング層の厚さは、各層の堆積時間および／または堆積速度を調整することにより制御することができる。当然のことながら、所与の堆積速度において堆積時間が長くなるほど層は厚くなり、所与の堆積時間に対して堆積速度が速いほど層は厚くなる。
【００２８】
本発明の一部の実施形態では、本発明のコーティングの表面は、コーティング表面の平滑性および／または接着性を制御するために、堆積後処理を受ける。表面処理は通常、コーティング内の引張り応力を低減するか、または圧縮応力を増大させる。そのような処理の例が、ウィディア有限責任会社（Ｗｉｄｉａ ＧｍｂＨ）による国際公開第０２／０７７３１２号パンフレットに記載されており、この国際公開は、外側コーティング層の内部圧縮応力を増大させるか、または内部引張り応力を低減する、コーティングへのショットブラストを開示している。１つの例示的な処理は、応力の高い部分を減らすか、または最小限にするために、コーティングの表面から凹凸を除去することである。別の例示的な処理は、コーティング付き切削インサートの選択された領域からコーティング（またはコーティング層の一部）を優先的に除去することである。
【００２９】
本発明のコーティング層の接着性を改善するために、各コーティング層の間に微視的な粗界面を形成することができるのも当然のことである。これらの微視的な粗界面は、コーティング層の高い成長速度を促進するように、層堆積パラメータを制御することで形成することができる。比較的高い堆積温度および／または比較的高い圧力を使用して、ＣＶＤおよびＭＴ−ＣＶＤプロセスでの高い成長速度を達成することができる。コーティング層間の接着性を改善する別の方法は、堆積時に層の組成を漸進的に変えることにより、隣接するコーティング層間にある急勾配の組成界面の存在を少なくすることである。
【実施例】
【００３０】
実施例１〜５
チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの単層を基材に堆積させることにより、本発明の実施形態によるコーティング付き基材（実施例１〜５）を作製した。基材は、ＷＣ−６％Ｃｏの超硬合金製切削インサートであった。コーティングの組成が表１に示されている。電流５．００ｍＡおよび電圧ＤＣ６００Ｖで、２ｍｍのバーン（ｂｕｒｎ）領域を使用するＬＥＣＯグロー放電スペクトル（ＧＤＳ）８５０Ａ計器により組成を測定した。データ収集速度は１２５点毎秒であり、総バーン時間は約６００秒であった。表２に示したガスの組み合わせを使用して、基材温度８５０℃で１２０分にわたりＭＴ−ＣＶＤを行うことによりコーティングを堆積させて、２μｍのコーティング厚さを得た。
比較サンプル
表１に記したサンプル比較例１、２用の組成を有するコーティング付き基材を、実施例１〜５に対して上記したものと同じタイプの基材を使用して作製した。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】
実施例１〜５および比較例１〜２の特性
実施例１〜５および比較例１〜２のコーティングの硬度およびヤング率が表３に記されている。ビッカース圧子を使用するＩＳＯ標準規格１４５７７に準拠したフィッシャスコープＨＭ２０００（Ｆｉｓｃｈｅｒｓｃｏｐｅ ＨＭ２０００）を用いて硬度およびヤング率を測定した。押し込み深さは０．２５μｍに設定した。
【００３４】
【表３】
【００３５】
本発明によるコーティングを有するコーティング付き切削インサートを従来のコーティングを有するものと比較するために切削試験を行った。いずれの場合にも、基材は、米国規格協会（ＡＮＳＩ）ＣＮＭＧ４３２ＲＰの幾何形状を有するＷＣ−９．５重量％Ｃｏ切削インサートとした。実施例５に相当するコーティングを有する本発明の２つのコーティングインサートを上記の態様で作製した。比較のために、比較例２に相当するコーティングを有する２つのコーティングインサートを上記の態様で作製した。切削において、切込み角４５°およびリード角−５°としたコーティング付きインサートを使用して、送り速度０．３ｍｍ／回転（０．０１２インチ／回転）および切込み深さ２．０３ｍｍ（０．０８インチ）として、大量の冷却液のもとに１９８ｍ／分（５０ｓｆｍ（ｓｕｒｆａｃｅ ｆｅｅｔ／ｍｉｎｕｔｅ））で３０４ステンレス鋼を切削した。寿命の終わり条件は、次の条件、すなわち、（ａ）０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）の均一な摩耗、（ｂ）０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）の最大摩耗、（ｃ）０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）のノーズ摩耗、（ｄ）０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）のノッチ深さ、または（ｅ）０．１０２ｍｍ（０．００４インチ）のクレータ摩耗、のうちの１つが最初に発生したときとした。本発明のコーティング付き切削インサートは、ノッチ深さ限度に達することで終わる、１１．９分および１３．９分の切削寿命を有した。それに対して、従来のコーティング付き切削インサートは、最大ノーズ摩耗基準に達することで終わる、わずか８．９分および１１．０分の切削寿命を有した。これらの試験により、本発明のコーティングが、先行技術のコーティングに勝る大幅に改良された耐摩耗性を有すると実証された。
【００３６】
本発明の数件の実施形態のみが示され、説明されたが、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に対して多数の変更および修正を行うことができることが、当業者には明らかであろう。本明細書で参照したすべての特許出願、特許、および他のすべての出版物は、法で許可された最大範囲でそれら全体を本明細書に援用される。
【符号の説明】
【００３７】
２０ コーティング付き切削インサート
２２ コーティング
２４ 基材
２６ 逃げ面
２８ すくい面
３０ 切刃
４０ コーティング付き切削インサート基材
４２ 基材
４４ コーティング
５２ 基材
５４ コーティング
５６ 接着層
５８ チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドの層
６０ コーティング付き切削インサート基材
６２ 基材
６４ コーティング
６６ 接着層
６８、７０，７２，７４，７６，７８，８０ 中間層
８２ 外側層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材およびコーティングを含むコーティング付き基材であって、
前記コーティングは、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかからなる少なくとも１つの層を含み、
前記層は、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が０．０１〜０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が０〜０．１の範囲内にあり、
前記コーティングは、ＧＰａで表した硬度のＧＰａで表したヤング率に対する比率が少なくとも０．０６である、コーティング付き基材。
【請求項２】
前記コーティングは複数の層を含む、請求項１に記載のコーティング付き基材。
【請求項３】
前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が、窒化チタン、炭窒化チタン、酸化アルミニウム、窒化ジルコニウム、および炭窒化ジルコニウムからなる群から選択される材料を含む、請求項２に記載のコーティング付き基材。
【請求項４】
前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が接着層である、請求項２に記載のコーティング付き基材。
【請求項５】
前記コーティングの厚さが１μｍ〜２５μｍの範囲内にある、請求項１に記載のコーティング付き基材。
【請求項６】
チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドからなる前記少なくとも１つの層の厚さが１μｍ〜２０μｍの範囲内にある、請求項１に記載のコーティング付き基材。
【請求項７】
前記基材が切削インサートである、請求項１に記載のコーティング付き基材。
【請求項８】
前記基材が、超硬合金、セラミック、サーメット、および鋼からなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載のコーティング付き基材。
【請求項９】
コーティング付き基材を作製する方法であって、
ａ）基材表面を有する基材を用意する工程と、
ｂ）コーティングを前記基板表面に堆積させる工程と、
を含み、
前記堆積させる工程が、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかからなる少なくとも１つの層を、７５０℃〜９５０℃の範囲内の基材温度で、かつ水素ガスの窒素ガスに対する比率が少なくとも５である雰囲気内において、ＭＶ−ＣＶＤにより堆積させることを含み、
前記層が、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が０．０１〜０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が０〜０．１の範囲内にあり、
前記コーティングは、ＧＰａで表した硬度のＧＰａで表したヤング率に対する比率が少なくとも０．０６である、前記方法。
【請求項１０】
チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかの少なくとも１つの層をＭＴ−ＣＶＤにより堆積させる前記工程が、四塩化チタン、炭素源ガス、および酸素源ガスを含む雰囲気を使用することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記炭素源ガスがアセトニトリルである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸素源ガスが、一酸化炭素、亜酸化窒素、および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも１つである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記雰囲気が、三塩化アルミニウムをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記コーティングの厚さが２μｍ〜２５μｍの範囲内にある、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドからなる前記少なくとも１つの層の厚さが１μｍ〜２０μｍの範囲内にある、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記基材が切削インサートである、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
前記基材が、超硬合金、セラミック、サーメット、および鋼からなる群から選択される材料を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１】
基材およびコーティングを含むコーティング付き基材であって、
前記コーティングは、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかからなる少なくとも１つの層を含み、
前記層は、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が０．０１〜０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が０〜０．１の範囲内にあり、
前記コーティングは、ＧＰａで表した硬度のＧＰａで表したヤング率に対する比率が少なくとも０．０６である、コーティング付き基材。
【請求項２】
前記コーティングは複数の層を含む、請求項１に記載のコーティング付き基材。
【請求項３】
前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が、窒化チタン、炭窒化チタン、酸化アルミニウム、窒化ジルコニウム、および炭窒化ジルコニウムからなる群から選択される材料を含む、請求項２に記載のコーティング付き基材。
【請求項４】
前記複数の層のうちの少なくとも１つの層が接着層である、請求項２に記載のコーティング付き基材。
【請求項５】
前記コーティングの厚さが１μｍ〜２５μｍの範囲内にある、請求項１に記載のコーティング付き基材。
【請求項６】
チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドからなる前記少なくとも１つの層の厚さが１μｍ〜２０μｍの範囲内にある、請求項１に記載のコーティング付き基材。
【請求項７】
前記基材が切削インサートである、請求項１に記載のコーティング付き基材。
【請求項８】
前記基材が、超硬合金、セラミック、サーメット、および鋼からなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載のコーティング付き基材。
【請求項９】
コーティング付き基材を作製する方法であって、
ａ）基材表面を有する基材を用意する工程と、
ｂ）コーティングを前記基板表面に堆積させる工程と、
を含み、
前記堆積させる工程が、チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかからなる少なくとも１つの層を、７５０℃〜９５０℃の範囲内の基材温度で、かつ水素ガスの窒素ガスに対する比率が少なくとも５である雰囲気内において、ＭＶ−ＣＶＤにより堆積させることを含み、
前記層が、酸素原子のチタン原子に対するパーセント比が０．０１〜０．０９の範囲内にあり、アルミニウム原子のチタン原子に対するパーセント比が０〜０．１の範囲内にあり、
前記コーティングは、ＧＰａで表した硬度のＧＰａで表したヤング率に対する比率が少なくとも０．０６である、前記方法。
【請求項１０】
チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドのいずれかの少なくとも１つの層をＭＴ−ＣＶＤにより堆積させる前記工程が、四塩化チタン、炭素源ガス、および酸素源ガスを含む雰囲気を使用することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記炭素源ガスがアセトニトリルである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸素源ガスが、一酸化炭素、亜酸化窒素、および一酸化窒素からなる群から選択される少なくとも１つである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記雰囲気が、三塩化アルミニウムをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記コーティングの厚さが２μｍ〜２５μｍの範囲内にある、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
チタンオキシカーボナイトライドまたはチタンアルミニウムオキシカーボナイトライドからなる前記少なくとも１つの層の厚さが１μｍ〜２０μｍの範囲内にある、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記基材が切削インサートである、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
前記基材が、超硬合金、セラミック、サーメット、および鋼からなる群から選択される材料を含む、請求項９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１８３６３５（Ｐ２０１２−１８３６３５Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−４６１３６（Ｐ２０１２−４６１３６）
【出願日】平成２４年３月２日（２０１２．３．２）
【出願人】（３９９０３１０７８）ケンナメタル インコーポレイテッド (182)
【氏名又は名称原語表記】Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】１６００ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｗａｙ Ｌａｔｒｏｂｅ ＰＡ １５６５０−０２３１， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月２日（２０１２．３．２）
【出願人】（３９９０３１０７８）ケンナメタル インコーポレイテッド (182)
【氏名又は名称原語表記】Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】１６００ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｗａｙ Ｌａｔｒｏｂｅ ＰＡ １５６５０−０２３１， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
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