JP2000508377A

JP2000508377A - ホウ素及び窒素を含む超硬質コーティングを有する基体及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000508377A
Application number: JP53616797A
Authority: JP
Inventors: インスペクター、アーロン
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1996-04-04
Filing date: 1997-01-15
Publication date: 2000-07-04
Also published as: WO1997038151A1; BR9708499A; US5976716A; DE69715186D1; KR20000005021A; AU706148B2; AU1704297A; ATE223517T1; DE69715186T8; ZA971602B; US6117533A; CA2248692A1; DE69715186T2; US6054185A; EP0900287A1; CN1215437A; DE900287T1; EP0900287B1

Abstract

(57)【要約】切削工具は、基体（２８）及び基体（２８）上に被覆されたコーティングを含む。コーティングは、少なくとも一部が基体（２８）上に蒸着されているベース付着層（３８）を含む。ホウ素及び第１の元素を含む第１の中間付着層（４０）がベース付着層（３８）上にある。ホウ素、第１の元素、及び窒素を含む第２の中間付着層（４２）が第１の中間付着層上にある。ホウ素及び窒素を好ましくは立方晶窒化ホウ素の形状で含む外部付着層（４４）が第２の中間付着層（４２）上にある。その最内部層が外部付着層（４４）上にあるように耐摩耗性コーティング機構（３４）がある。

Description

【発明の詳細な説明】ホウ素及び窒素を含む超硬質コーティングを有する基体及びその製造方法発明者：Aharon Inspektor 発明の背景本発明は、超硬質材料の外部層を有する基体とその生成方法に関する。更に詳細には、本発明は、ホウ素及び窒素（主な結晶形態が立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）である窒化ホウ素であると出願人は考える。）を含有する外部付着層を有する切削工具とその製造方法に関する。材料技術が進歩するにつれて、新規の硬質材料を含む多くの新規材料が市販実用化されるようになっている。このような新規の硬質材料は、焼結された超微粉末金属、金属マトリックス複合材料、熱処理化焼入れ鋼（硬度５０〜６５ロックウェルＣ）、及び高温合金を含むがこれらに限られない。これらの新規材料は、例えば、硬度、靭性及び耐摩耗性などの特殊な特性の組み合わせを有し、それにより重工業、宇宙空間、運搬、及び消費者製品への用途において非常に適したものとされている。このような新規硬質材料がその商的能力を最大限に獲得するためには、これらの材料が現存の生産及び加工プロセスに提供する難題を克服しなければならない。このような難題が存在する理由のうちの１つとして、このような材料の掘削、切削、及び形成が非常に困難で、コストがかかることがある。このような難題は、超硬質コーティングを使用した強力な切削工具を用いることにより最も効果的に対処することができる。現在、２つの主な超硬質実用化切削工具として、多結晶質ダイヤモンド（ＰＣＤ）切削工具及び多結晶質立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）切削工具が挙げられる。ダイヤモンドは、約７５ＧＰａ〜約100ＧＰａのヌープ100硬度を有する。立方晶窒化ホウ素は、約４５ＧＰａのヌープ100硬度を有する。ＰＣＢＮ切削工具は、一般的に硬質第一鉄材料の機械加工において用いられる。ＰＣＤ切削工具は、一般的に硬質非第一鉄合金及び難切削複合材料の機械加工に用いられる。一般的な多結晶質（ＰＣＤ又はＰＣＢＮ）切削工具において、切削端は炭化物ブランク(carbide blank)にろう付けされた超硬質チップを有する。チップは、適切なバインダーによって連晶され、焼結炭化物支持体上に接合されるマイクロメーターの大きさのダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）結晶質を有する。結晶質及び形板は、例えば５０kbar、約1500℃のような高圧−高温（ＨＰ−ＨＴ）状況下で合成及び焼成される。ＨＰ−ＨＴ生産法は、このようなチップの加工法とともに、それぞれに高いコストを伴う。その結果、ＰＣＤ切削工具及びＰＣＢＮ切削工具は、非常に高価となる。費用に加えて、このような切削工具はチップが平板状である比較的限定された型を有する単一の付け刃工具を備えているのが一般的である。これらの切削工具が高価であり、比較的型が限られていたとしても、現時点では、切断が困難な新規の硬質材料を経済的に機械加工するためには、これらが最も適した（時には唯一の）切削工具である。ダイヤモンドの低圧蒸着技術の発達により、切削工具の形状寸法に何の特別な制限もなくダイヤモンドの適合層（又はフィルム）を切削工具基体上に蒸着することができるようになった。ダイヤモンドをコーティングした切削工具は、ＰＣＤ切削工具をしのぐ利点を有するが、ダイヤモンドをコーティングした切削工具の用途にはいくつかの重要な制限が残る。ダイヤモンド切削工具（例えば、ＰＣＤ及びダイヤモンドをコーティングした切削工具）の１つの使用上の主な制約には、高温下における作業中にダイヤモンドが二酸化炭素及び一酸化炭素へと酸化することがある。ダイヤモンド切削工具による使用上のもう１つの主な制約には、ある物質とのダイヤモンド（即ち、炭素）の高い化学反応性がある。更に詳細には、鉄、コバルト、又はニッケルのうち１種又はそれ以上を含有する物質が、ダイヤモンド中の炭素原子を溶解する。ダイヤモンド切削工具はある一定の利点を備えてはいるが、このような制約により、超硬質コーティングを有する切削工具を必要としていてもダイヤモンド切削工具の使用が好適でない材料群が存在することがわかる。ダイヤモンドをコーティングした切削工具と共に現存する上記の問題点を克服することができる付着性超硬質コーティングを有する切削工具の提供が必要とされることが、明白である。更に詳細には、高温下での使用中にコーティングが酸化しない付着性超硬質コーティングを有する切削工具を提供するニーズがある。更に、コーティングが鉄、コバルト、又はニッケルのうちいづれか１つ又はそれ以上を含有する加工材料と化学反応しない付着性超硬質コーティングを有する切削工具を提供することもニーズもある。高温で保護酸化物を形成することにより不動態化する１つの超硬質物質は、窒化ホウ素である。更に、窒化ホウ素は通常の金属細工温度下において鉄、ニッケル又はコバルトのうちのいずれか１つ又はそれ以上と化学反応を起こさない。その結果、鉄、コバルト、又はニッケルのうちいずれか１つ又はそれ以上を含有する加工物は、窒化ホウ素を溶解しない。窒化ホウ素の全ての結晶形状が窒化ホウ素のこのような有利な特性を備えている。しかし、高い硬度を示して、超硬質コーティングをもたらす窒化ホウ素のこのような形状は、特に優れた特性と好ましい結晶質形状を有する立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、及びウルツ鉱(wurtzitic) 窒化ホウ素（ｗＢＮ）結晶質の形状をとる窒化ホウ素を含有する。しかしながら、主にｃＢＮであるコーティングが、窒化ホウ素のいくつかの他の結晶質形状（例えば、アモルファス窒化ホウ素（ａＢＮ）及び六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、並びにｈＢＮに含まれるａＢＮ）を有し、尚も優れた硬度、耐化学反応性、及び不動態化特性を示すことが望まれる。従って、窒化ホウ素をコーティングした切削工具、特にｃＢＮをコーティングした切削工具は、切削が困難な新規の硬質材料を高温下で機械加工するために非常に望ましい特性を所有することが明白である。更に、窒化ホウ素をコーティングした切削工具、特にｃＢＮをコーティングした切削工具が、鉄、コバルト、又はニッケルのうちいずれか１つ又はそれ以上を含有する切削が困難な新規の硬質材料の機械加工に非常に望ましい特性を所有することも明白である。文献は、中間層の使用に関連して、基体上へのｃＢＮの薄膜（又は層）の蒸着について表す多数の論文を含む。例えば、Murakawa et al．の"Characteristics of C-BN Film Made by a Reac tive Ion Plating Method(pp.1009-1104)"と題される論文は、基体とｃＢＮ外部コーティングとの間の中間層の使用法についての２つの異なった基本的なアプローチを提案している。このうちの１つのアプローチは、ホウ素と窒素の勾配を示す緩衝中間層のみを用いるというものである。この論文は、このコーティング機構の後処理としてアニールを提案している。もう１つのアプローチとしては、上記の緩衝層と基体との間にチタンの中間層を用いるものである。 ”Preparation and Chatacterization of Cubic Boron Nitride and Meta1 Bo ron Nitride Films，Surface and Interface Analysis，Vol.22，(1994)，pp.13 9-148”と題されるGisslerによる論文では、次にアニール処理を伴うＴｉ／ＢＮの複数層を順次蒸着することを提案している。Gisslerの論文は、更にホウ素及び窒素に対して元素を追加すること（例えば、Ｔｉ−Ｂ−Ｎ化合物を形成するためのチタンの追加等）を提案している。しかしながら、Ｔｉ−Ｂ−Ｎ−Ｃ系内で高い硬度を有するコーティングについてのGisslerの参考文献は、中間層を使用しないＴｉＢ₂コーティングを扱ったものである。この参考文献は、Mitteier et al.，"Sputter Deposition of Ultrahard Coatings Within the System Ti-B- C-N"，Surface and Coatings Technology，41(1990)，pp.351-363である。 "Formation and characterization of cubic boron nitride films by an ar c-like plasma-enhanced ion plating method"，Surface and Coating Technolo gy，50(1991)，pp.33-39と題されるIkeda et al.の論文は、チタンベース層、チタン層に隣接したホウ素リッチ−ＢＮ（ｉＢＮ）組成から外部層に隣接した構成要素ＢＮへと変移する濃度勾配を有するホウ素と窒素との層、及びｃＢＮの外部層、を有するコーティング機構を提案する。Ikeda et al.は、ｉＢＮ層を蒸着するイオンめっき技術の使用を提案する。更に、中間層の使用に関連したｃＢＮ層の基体上への蒸着について論じる多数の特許が、特許文献にも表される。これに関して、Hirano et al．のCUBIC BORO N NITRIDE COATED MATERIAL AND PRODUCING METHOD OF THE SAMEの米国特許第４，７３１，３０３号は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＴ１のうちのどれか１つ又はそれ以上の窒化物又はニトロオキシドの中間層の使用を提案する。BODY COATED WITH CUBIC BORON NITRIDE & METHOD FOR MANUFACTURING THE SAMEについてのWatana be et al．の米国特許第４，８９２，７９１号及び米国特許第５，１３７，７７２号は、それぞれ、ＩＶｂ族、ＩＩＩｂ族、Ｖｂ族，ＩＶａ族、Ｖａ族、及びＶＩａ族の元素の窒化物又はホウ化物を含有する中間層を用いることを示している。上記の文書は、ホウ素及び窒素を含有した超硬質コーティングの蒸着についての様々なアプローチを示している。しかしながら、十分な厚みを有し、そのため切削工具及び耐摩耗性製品として有用であるコーティングを蒸着するためのアプローチを提供するニーズが依然存在する。従って、付着性の超硬質コーティングを有する切削工具を提供することに加え、好ましくはホウ素及び窒素を含有し、更に好ましくはｃＢＮを含有し、該コーティングが十分な厚みを有するため適切な耐用寿命を備える、付着性超硬質コーティングを有する切削工具を提供することが望まれるであろう。要旨本発明の主要目的は、好ましくはホウ素及び窒素、更に好ましくはｃＢＮを含有し、コーティングが十分な厚みを有し、そのため適切な耐用寿命を備えた超硬材料の付着性コーティングを有する基体を提供することである。本発明のもう１つの目的は、好ましくはホウ素及び窒素、更に好ましくはｃＢＮを含有し、コーティングが十分な厚みを有するため適切な耐用寿命を備えた超硬材料の付着性コーティングを有する切削工具を提供することである。その１つの形態として、本発明は、すくい面(race face)及び逃げ面(flank fa ce)を有し、すくい面と逃げ面が交差して切削端を形成する基体を有してなる切削工具である。基体上にはコーティングが施される。コーティングは、基体の少なくとも一部にベース付着層と、ベース付着層上にホウ素及び第１の元素を含む第１の中間付着層と、第１の中間付着層上にホウ素、第１の元素、及び窒素を含む第２の中間付着層と、第２の中間付着層上にホウ素及び窒素を含む外部付着層と、その最内部層が外部付着層上にある耐摩耗性コーティング機構(wear coat ing scheme)、とを有する。その他の形態として、本発明は、基体を備えた切削工具上へのコーティング機構の蒸着方法であって、その方法が、基体上にベース付着層を蒸着する工程と、ベース付着層上にホウ素及び第１の元素を含む第１の中間付着層を蒸着する工程と、第１の中間付着層上にホウ素、第１の元素、及び窒素を含む第２の中間付着層を蒸着する工程と、第２の中間付着層上にホウ素及び窒素を含む外部付着層を蒸着する工程と、耐摩耗性コーティング機構の最内部層を外部付着層上に蒸着する工程、とを有する。更に他の形態として、本発明は、少なくともその一部にコーティングを施された基体である。コーティングは、少なくとも基体の一部上に蒸着されたベース付着層と、ベース付着層上にあるホウ素及び第１の元素を含む第１の中間付着層と、第１の中間付着層上にあるホウ素、第１の元素、及び窒素を含む第２の中間付着層と、第２の中間付着層上にあるホウ素及び窒素を含む外部付着層と、その最内部層が外部付着層上にある耐摩耗性コーティング機構、とを有する。図面の簡単な説明本特許明細書の一部を構成する図面の簡単な説明を以下に示す。図１は、本発明の切削工具の特有の実施形態の等角図である。図２は、図１の２−２の線に沿った切削工具の断面図であり、この第１の特有の実施形態のコーティング機構を図示する。図３は、本発明の方法を実用化する装置の機構上の略図である。発明の実施の形態図面を参照して、図１及び図２は、本発明の第１の特有の実施形態である切削工具（一般的に２０として示される）を図示する。切削工具２０は、交差して切削端２６を形成するすくい面２２及び逃げ面２４を表す。第１の特有の実施形態（２０）は、例えば、下記に示す実験番号１などの実際の作業の一部であったサンプルを全般的に表示する。切削工具２０は、更に、大括弧３０の中に図示される複数層のコーティング機構をその上部に有する基体２８を備える。実験番号１で使用した全てのサンプルは、コバルト焼結炭化タングステン(cobalt cemented tungsten carbide)の基体を有した。しかしながら、実験番号２で使用したサンプルが示すように、実際の作業ではセラミックスの基体も含まれた。基体材料のタイプに関して、基体は、金属、セラミックス、ポリマー、それらの組み合わせによる複合材料、及び複合材料の組み合わせを有する。金属は、元素、合金、及び／又は金属間化合物でありうる。金属として、ＩＵＰＡＣの２〜１４族の元素が挙げられる。セラミックスとして、硼化物、炭化物、窒化物、酸化物、その混合物、その固溶体、及びそれらの組み合わせが挙げられる。ポリマーとして、コーティング機構がその一部に付加された後、所望される機械的特性及び／又は物理的特性を保持する有機及び／又は無機ベースのポリマーが挙げられる。複合材料として、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）、ポリマーマトリックス複合材料（ＰＭＣ）、及びそれらの組み合わせが挙げられる。好ましい複合材料として、サーメット、焼結炭化物(cemented carbide(s))、及び特にコバルト焼結炭化タングステンが挙げられる。複合材料は、ダイヤモンドの先端部を有する基体又はダイヤモンドをコーティングした基体、ＰＣＢＮ、又はＰＣＤを含んでもよい。他の一般的な材料として、単なる炭化物として又は固溶体中に存在する他の炭化物（例えば、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＴｉＣ、ＶＣ）を有する、炭化タングステンベースの材料が挙げられる。焼結炭化物の場合、コバルトバインダーの量は、約０．２重量％〜約２０重量％の範囲内であるが、より一般的には、約５重量％〜約１６重量％の範囲内である。他のバインダーの使用もまた適切であることが理解されるべきである。好適な金属バインダーとしては、コバルト及びコバルト合金に加え、ニッケル、ニッケル合金、鉄、鉄合金、及び前述の物質のあらゆる組み合わせ（例えば、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、及び／又は鉄合金）が挙げられる。更に、PREFERENTIALLY BINDER ENRICHED CEMENTE D CARBIDE BODIES AND METHOD OF MANUFACTUREについてNemeth et al．の米国再発行特許第３４，１８０号（本特許明細書の譲受人に譲渡された）に開示されている基体の表面付近のバインダー（コバルト）リッチ領域を有する基体がコーティング機構での処理に適していることが理解されるべきである。複数層コーティング機構３０は、大括弧３２で図示される付着コーティング機構と、大括弧３４で図示される耐摩耗性コーティング機構を含む。複数層コーティング機構の全体の厚みは、約１マイクロメーター（μｍ）〜５μｍ又はそれ以上の範囲内であり、更に好ましくは約３μｍ〜約５μｍの範囲内である。図１及び２の特有のコーティング機構を参照して、付着コーティング機構３２は、基体２８の表面に隣接したベース付着層３８を有する。ベース付着層３８は、チタン金属を有する。しかしながら、ベース付着層がアルミニウム、マグネシウム、ジルコニウム、又はハフニウムを有してもよい（又は前述の材料から成る）ことを理解すべきである。ベース層３８の厚さは、約１０オングストローム（ Å）〜約10,000Åの範囲内で、その典型的な厚さは約1,000Åである。第１の中間付着層４０がベース層３８の上にある。第１の中間付着層４０は、ホウ素及び炭素を含有する。ホウ素原子と炭素原子の原子比率（Ｂ：Ｃ）は、約２．７〜約３．３である。第１の中間層４０の厚さは、約１０オングストローム（Å）〜約10,000Åの範囲内で、その典型的な厚さは約2,000Åである。第１の中間付着層４０の上に第２の中間付着層４２がある。第２の中間付着層４２は、ホウ素、炭素、及び窒素を含有する。ホウ素と窒素の原子比率（Ｂ：Ｎ）は、２９：７１〜５４：４６（好ましくは２９：７１〜４１：５９）の範囲内で、炭素の原子％は、約１１％〜約２６％の範囲内である。つまり、ホウ素の原子％が約２９％〜約５４％である場合、窒素の炭素に対する原子比率（Ｎ：Ｃ）は約７４：２６〜約８９：１１の範囲内である。第２の中間層４２の厚さは、約１０オングストローム（Å）〜約10,000Åの範囲内で、その典型的な厚さは約2, 000Åである。第２の中間付着層４２の上部には、外部付着層４４がある。外部付着層４４は、約０．６〜約５．７の原子比率のホウ素と窒素（例えば、ホウ素の原子％は約３８％〜約８５％である）を有する。外部付着層４４の厚さは、約1,000オングストローム（Å）〜約20,000Åの範囲内で、その典型的な厚さは約10，000Åである。付着コーティング機構３２の上に複数層の耐摩耗性コーティング機構３４がある。この特有の実施形態では、基本的耐摩耗性コーティング機構のある順序が用いられる。しかしながら、出願人は、基本的な耐摩耗性コーティング機構は、ある一定の用途で扱われるために様々な順序で蒸着されることができると考える。耐摩耗性コーティング機構の複数の順序による蒸着により、全体的なコーティングの厚さはほぼ所望の厚さにまで増加する。耐摩耗性コーティング機構３４を参照して、外部付着層４４上に耐摩耗性ベース層４８がある。耐摩耗性ベース層４８は、ホウ素、炭素、及び窒素を含有する。ホウ素と窒素の原子比率（Ｂ：Ｎ）は、２９：７１〜５４：４６（好ましくは２９：７１〜４１：５９）の範囲内で、炭素の原子％は約１１％〜約２６％の範囲内である。つまり、ホウ素の原子％は約２９％〜約５４％の範囲内である場合、窒素の炭素に対する原子比率（Ｎ：Ｃ）は約７４：２６〜８９：１１の範囲内である。耐摩耗性ベース層４８の厚さは、約１０オングストローム（Å）〜約10 ,000Åの範囲内で、その典型的な厚さは約2,000Åである。耐摩耗性外部層５０は、約０．６〜約５．の原子比率のホウ素と窒素（例えば、ホウ素の原子％は約３８％〜約８５％である）を有してなる。耐摩耗性層５０の厚さは、約1,000オングストローム（Å）〜約20,000Åの範囲内で、その典型的な厚さは約10,000Åである。本コーティング機構によって少なくとも一部をコーティングされた切削工具は、研削に置き換えられるいわゆる“硬質旋削(hard turning)”又は“硬質切削(h ard machining)”において有益に用いられる。硬質旋削は、スチールなどの第一鉄合金を含む硬質合金を最終形状又は仕上げ形状に切削する工程を含みうる。硬質合金は、少なくとも約±0.0127mm（0.0005インチ）、好ましくは±約0.0O76mm （0.0003インチ）の正確性で切削され、ラス(lath)又は旋回中心部上を約２０マイクロメーターrmsよりも高速で加工される。切削の速度、送り量、及び深度（ＤＯＣ）は、所望の結果を達成するのに相応しいあらゆる数値を含む。切削速度は、約50〜300ｍ／分、好ましくは約75〜200ｍ／分、更に好ましくは約80〜15 0ｍ／分の範囲内である。同様に、送り量は約0.05〜１mm／回転、好ましくは０．１〜０．６mm／回転、更に好ましくは約０．３〜０．６mm／回転の範囲内である。更に、ＤＯＣは、約0.05〜１mm、好ましくは約０．１〜0.25mm、更に好ましくは約０．１〜０．３mmの範囲内である。上記の切断パラメータは、切断又は冷却流体と共に又は切断又は冷却流体なしで使用されることができる。複数層コーティング機構３０の全体の概ねの厚さは、約１マイクロメーター（ μｍ）〜約５μｍ又はそれ以上（好ましくは、約３μｍ〜約５μｍ）の範囲内であるべきである。理解されているように、耐摩耗性コーティング機構が複数の順序によって蒸着される能力は、選択された全体の厚さを有するコーティングを蒸着することを可能にする。切削工具３０上に所望される全体の厚さのコーティングを施すことにより、切削工具３０の耐用寿命が満足のいくものとなることが大幅に見込まれる。このようなコーティング層を付加する方法に関して、多数の蒸着技術が適切な結果をもたらすことが期待できる。ｃＢＮコーティングの付加についての典型的な工程は、イオンビーム助成ＰＶＤ技術、窒素イオン注入、プラズマ化学輸送、無線周波スパッタリング、イオンめっき、ｒｆプラズマＣＶＤ、及び電子サイクロトロン共鳴ＣＶＤを含む。出願人は、更に不平衡マグネトロン（ＵＢＮ）スパッタリング技術も好適な結果をもたらすと考える。ＣＶＤ・ｃＢＮ合成について表す技術として、例えば、"Deposition of cubic BN on Diamond Interlayers"NASA Tech Briefs，Vol.18，No.8 p.53；Z.Song， F.Zhang，Y.Guo，& G.Chin，"TEXTURED GROWTH OF CUBIC BORON NITRIDE FILM O N NICKEL SUBSTRATES"Applied Physics Letter"，Vol.65，No.21,1994，pp.2669 -2671;及びM.Kuhr，S.Reinke，& W Kulisch，"DEPOSITION OF CUBIC BORON NITR IDE WITH AN INDUCTIVELY COUPLE PLASMA"Surface and Coating Technology，V ol.74-75，1995，pp.806-812;及びMurakawa & S．Watanabe，”THE SYNT HESIS OF CUBIC BN FILMS USING A HOT CATHODE PLASMA DISCHARGE IN A PARALLEL MAG NETIC FIELD,”Coating Technology，Vol.43，1990，pp.128-136；に記述されているものが挙げられる。ＰＶＤ・ｃＢＮ合成について表す技術として、例えば、M．Mieno & T.Yoshida ，"PREPARATION OF CUBIC BORON NITRIDE FILMS BY SPUTTERING，"Japanese Jou rnal Of Applied Physics，Vol.29，No.7，July 1990，pp.L1175-L117;Kester e ｔａｌ.，"PHASE CONTROL OF CUBIC BORON NITRIDE THIN FILMS"，Journal of A pplied Physics，Vol.72，No.2(July 1990);Wada et al.，"FORMATION OF CBN F ILMS BY ION BEAM ASSISTED DEPOSITION"，Journal of Vacuum Science Technol ogy A.，Vol.10，No.3(May/June 1992);Ikeda et al.，"FORMATION OF CUBIC B ORON NITRIDE FILMS BY ARC-LIKE PLASMA-INDUCED ION PLATING METHOD"，Journ al of Vacuum Science Technology，Vol.8，No.4(July/August 1990);及びT.Ike da，T.Satou，& H.Stoh，"FORMATION AND CHARACTERIZATION OF CUBIC BORON NI TRIDE FILMS BY AN ARC-LIKE PLASMA-ENHANCED ION PLATING METHOD，"Surface and Coating Technology，Vol.50，1991，pp.33-39；に記述されるものが挙げられる。実験番号１及び２に用いられる特有の工程は、イオンビームを援用して窒素含有層を形成する電子ビームＰＶＤプロセスであった。ＰＶＤ技術は、Aharon Ins pektor（本特許明細書の出願人）によって本特許明細書と同日に提出され、本特許明細書の譲渡人でもあるケンナメタル社(Kennameta1 Inc.)に譲渡されたBORON AND NITROGEN CONTAINING COATING AND METHOD FOR MAKINGと題される米国特許明細書に示されている。Aharon Inspektorによって作成され、BORON AND NITROG EN CONTAINING COATING AND METHOD FOR MAKINGと題される上記の特許明細書は、本明細書に参照として取り入れられる。実際の実験、例えば、実験番号１及び２を行うために用いられた特有の装置及び工程についての説明を下記に示す。好適な装置とは、４−ポケットｅ−ビームガンと共に装備され、２０℃の水が冷却された高真空度チャンバを有するＡＩＲＣＯテメスカルＦＣ１８００ (AIRCO TEMESCAL FC 1800)高速サイクル電子ビーム（ｅ−ビーム）エバポレーター装置であり、また、無線周波（ＲＦ）にバイアスをかけられた基体ホルダーを用いた。装置は、更に残存ガスアナライザー（インファイコン(Inficon)製のＩＱ２００）、チャンバ加熱のための石英水銀灯、イオン供給源としてコモンウェールズ科学社(Commonwealth Scientific Corp．of Alexandria，Virginia)製のマークＩグリッドレスエンドーホール型(Mark I gridless end-Hall type)のイオン銃、ファラデーカップ（インファイコン製のＩＱ６０００にインターフェースされている）、及び基体加熱を捕捉するためのフィラメント（又は追加の石英水銀灯）も備える。この特有の装置では単一のイオン銃を用いたが、出願人は２つのイオン銃の使用がコーティング機構の蒸着に好適でありえると考える。図４は、基体ホルダー100、材料供給源104から蒸気を生成するための電子ビーム102、ファラデーカップ106、及びイオン供給源108を図示する。角度は、基体ホルダーの平面(112)と、蒸気供給源の表面に対して垂直で蒸気供給源からの照準ラインに実質的に平行であるラインとの間を測定した。角度βは、基体保持具 106の平面(112)と、イオン供給源108の照準ライン(110)との間を測定した。材料供給源104の表面と基体の平面(112)との間の距離は、“ｄ₁”として認識される。イオン供給源108と基体ホルダ−100の平面(112)との間の距離は、“ｄ₂”として認識される。図４に図示される装置の設定に着目すると、その動作パラメータは、角度約４５°〜約７５°、角度β約６５°〜約８０°、距離ｄ₁444mm、距離ｄ₂約90mm〜約165mm、を有する。実験番号１は、全部で８つの切削工具サンプルを有した。その切削工具のうちの４つは、以下の組成及びその基本的な特性を備えたコバルト焼結炭化タングステン（ＷＣ−Ｃｏ）基体（例えば、組成Ｎｏ．１）を有した。組成は、コバルト約５．４〜約５．９重量％、タンタル約１．４〜約２．４重量％、チタン０．２重量％以下、ニオブ約０．３重量％以下、及びバランスとして炭化タングステンであった。組成Ｎｏ．１について、炭化タングステンの平均粒度は約１〜４μｍ、比重は約14.80〜約15.10ｇ／cm³（gm／cc）、ロックウェルＡ硬度は約92．4〜約93.0、磁気飽和は約８５〜約９８％（100％は約202マイクロテスラ立方メートル／コバルトのキログラム（μTm³/kg）（約160ガウス立方センチメートル／コバルトのグラム（ガウス−cm³/gm））に等しい）、また保磁力は約230〜約300エルステッドである。残りの４つの切削工具は、以下の組成と基本的な特性を備えたコバルト焼結炭化タングステン基体（例えば、組成Ｎｏ．２）を有した。組成はコバルト約５．７〜６．３重量％、タンタル約０．１重量％以下、チタン０．１重量％以下、ニオブ約０．１重量％、クロム約０．３〜約０．５重量％、及びバランスとして炭化タングステンであった。組成Ｎｏ．１については、炭化タングステンの平均粒度は約１〜５μｍで、比重は約14.80〜約15.00gm/cc、ロックウェルＡ硬度は約9 2.6〜約93.4であり、磁気飽和は約８３〜約９５％（100％は約202マイクロテスラ立方メートル／コバルトのキログラム(μTm³/kg)（約160ガウス立方センチメートル／コバルトのグラム（ガウス−cm³/gm））に等しい）、また保磁力は約25 0〜約350エルステッドである。実験番号２のサンプルは、全部で１０個の切削工具を有してなり、その切削工具のうちの２つは組成Ｎｏ．１のコバルト焼結炭化タングステン（ＷＣ−Ｃｏ）基体を有した。切削工具のうちの６個は、組成Ｎｏ．２のコバルト焼結炭化タングステン基体を有した。切削工具のうちの２つは、SiALONセラミック基体を有した。SiALONセラミック基体は、二重シリコンアルミニウムオキシニトライド相α−SiALON及びβ−SiAL ONセラミック（米国特許第４，５６３，４３３号の方法で実質的に生成される）を有し、密度約3.26ｇ／cm³、約１８GPaのヌープ硬度200g、破壊靭性（Ｋ_IC）約６．５MPa ｍ^1/2、弾性係数約304GPa、剪断弾性係数約119GPa、体積弾性係数約2 27GPa、ポアソン比約0.27、引張強さ約450MPa、横破断強さ約745MPa、及び極限圧縮強さ約3.75GPaを有した。実験番号１及び２の第１の工程は、基体クリーニングエ程であった。この工程の目的は、関連する環境（基体表面近くの体積を含む）及び基体表面を清掃することであった。表Ｉ〜XIIIで用いた測定装置に着目すると、ガスの流れは標準立方センチメートル毎分（sccm）で、圧力はパスカル（Pa）で測定し、温度は摂氏温度（℃）、イオンビームエネルギーは電子ボルト（eV）、電子ビーム設定は最大パワー設定のパーセンテージ（％）で測定し、蒸発速度を蒸発源の平面と基体ホルダーとの間（蒸発源の表面から約254mmの位置及び蒸発源の中心部から約165mm離れた位置）においてナノメーター毎分（nm／sec）で測定した。実験番号１及び２のクリーニング工程のパラメータを下記の表Ｉに示す。表Ｉ基体クリーニングのパラメータ実験番号１及び２の次に続く工程はチタン金属の薄層を基体表面上に直接蒸着することであった。この工程の目的は、後続層の蒸着のために、基体の表面を調製（又は調節）することであった。チタンはいわゆる“ゲッター”と呼ばれる反応性合金である。つまり、チタンはチャンバ内又は基体表面上の酸素及び他の汚染物と反応してチタン化合物を形成し、それにより、汚染物を除去する。出願人は、例えば、マグネシウム、アルミニウム、ジルコニウム又はハフニウムなどの他の合金も、コーティングの蒸着に備えた基体の調製に機能するであろうと考える。下記の表IIは、このチタンのベース付着層の蒸着についてのパラメータを示す。表II チタンベース付着層の蒸着のパラメータ実験番号１及び２について、チタンベース付着層を蒸着した後、付着コーティング機構の蒸着における次の工程は、ホウ素及び炭素を含有する第１の中間付着層のチタン層上に蒸着することであった。これに関して、第１の中間付着層の蒸着のパラメータを、下記の表IIIに示す。表III ホウ素−炭素第１の中間付着層の蒸着のパラメータ実験番号１及び２について、第１の中間付着層（ホウ素及び炭素を含有する）の蒸着後の次の工程は、ホウ素、窒素、及び炭素を含有する第２の中間付着層を第１の中間付着層上に蒸着することであった。これに関し、下記の表IVは実験番号１及び２を介する第２の中間付着層の蒸着のパラメータを示す。表IV ホウ素−炭素−窒素第２の中間付着層の蒸着のパラメータ実験番号１及び２について、第２の中間付着層の蒸着後、付着コーティング機構の蒸着における次の工程はホウ素及び窒素を含有する外部付着層（ｃＢＮの形状であることが最も好ましい）の蒸着であった。これに関し、表Ｖは、以下に実験番号１及び２に基づいたこの層の蒸着についてのパラメータを示す。表Ｖホウ素−窒素外部付着層の蒸着のパラメータ実験番号１及び２について、付着コーティング機構は外部付着層の蒸着によって完了した。付着コーティング機構に着目すると、上記の作業は、第１の中間付着層と第２の中間付着層とが共通の２つの元素、即ち、ホウ素及び炭素を有することを示す。しかしながら、出願人は、本発明の範囲をこのような共通の元素に限定する意図はない。第１の中間付着層と第２の中間付着層は、共通する元素を２つ有するが、出願人は、これらの層に共通の元素が少なくとも１つだけ存在するのが一般的であると考える。出願人は、更に、第１及び第２の中間付着層間で他の元素や複数の元素が共通であってもよいと考える。例えば、第１の中間付着層は、第２の中間付着層の構成要素に共通する３つの元素（ホウ素及び炭素以外）を含有することもある。特有の実験サンプルは、更に、第２の中間付着層と外部付着層が２つの共通元素、即ちホウ素及び窒素を有することも表す。しかしながら、出願人は本発明の範囲をこれらの共通の元素に限定する意図はない。第２の中間付着層と外部付着層は、共通する元素を２つ有するが、出願人は、２つのこれらの層の間に共通元素が少なくとも１つだけ存在すると考える。更に、出願人は、第２の中間付着層と外部付着層に共通する他の元素や複数の元素が存在してもよいと考える。例えば、第２の中間付着層は、外部付着層の構成要素に共通する３つの元素（ホウ素及び窒素以外）を含有することができる。第１の中間付着層、第２の中間付着層、及び外部付着層の特有の実施形態は、３層全てに共通する１つの元素、即ちホウ素が存在することを示す。出願人は、本発明の範囲をその全ての層（例えば、第１の中間付着層、第２の中間付着層、及び外部付着層）に共通の１つの元素が存在するコーティング機構に限定する意図はない。更に、出願人は本発明の範囲をホウ素のみが共通の元素であるコーティング機構に限定する意図はない。出願人は、第１の中間付着層、第２の中間付着層、及び外部付着層に共通する元素（ホウ素以外）が１つ又はそれ以上存在してもよいと考える。複数層の耐摩耗性コーティング機構の蒸着に着目すると、このコーティング機構は、付着性コーティング機構の完了後、次に続く工程であった。複数層の耐摩耗性コーティング機構は各作業によって様々であるため、理解しやすくするために、それぞれの作業の複数層の耐摩耗性コーティング機構を下記に示す。実験番号１の複数層の耐摩耗性コーティング機構実験番号１の複数層の耐摩耗性コーティングを参照すると、耐摩耗性ベース層は、ホウ素、炭素、及び窒素を含有した。この層の蒸着のパラメータを表VIに示す。表VI ホウ素−炭素−窒素耐摩耗性ベース層の蒸着の実験番号１のパラメータ耐摩耗性ベース層の蒸着後、次の工程は耐摩耗性外部層の蒸着であった。耐摩耗性外部層は、ホウ素及び窒素を含有した。この層の蒸着についてのパラメータを下記の表VIIに示す。表VII ホウ素−窒素耐摩耗性外部層の蒸着の実験番号１のパラメータ耐摩耗性外部層の蒸着によって実験番号１のコーティング機構の全体の蒸着は完了した。従って、実験番号１のサンプルの全体のコーティング機構は、付着コーティング機構及び耐摩耗性コーティング機構から構成された。付着性コーティング機構は、Ｔｉ／Ｂ−Ｃ／Ｂ−Ｃ−Ｎ／Ｂ−Ｎの層を有していた。耐摩耗性コーティング機構は、Ｂ−Ｃ−Ｎ及びＢ−Ｎの層を有していた。実験番号２の複数層耐摩耗性コーティング実験番号２に基づいて作られたサンプルによると、耐摩耗性ベース層は、チタン、ホウ素、及び窒素を有していた。この層の蒸着についてのパラメータを下記表VIIIに示す。表VIII チタン−ホウ素−窒素耐摩耗性ベース層の蒸着の実験番号２のパラメータ次の工程は、ホウ素と窒素を含有する耐摩耗性外部層の蒸着を有していた。この層の蒸着のパラメータを、表IXに示す。表IX ホウ素−窒素耐摩耗性外部層の蒸着の実験番号２のパラメータ耐摩耗性外部層の蒸着により、実験番号２のコーティング機構の全体が完了した。全体のコーティング機構は、４層（Ｔｉ／Ｂ−Ｃ／Ｂ−Ｃ−Ｎ／Ｂ−Ｎ）を有する付着コーティングと、チタン、ホウ素、及び窒素を有するベース層を有する耐摩耗性コーティング機構と、ホウ素及び窒素を含有する外部層とを有していた。蒸着の様々な工程の間に用いられる蒸気源材料は、チタン、炭化ホウ素、チタンホウ化物（ＴｉＢ₂）、及びホウ素を含む。チタン及び炭化ホウ素はそれぞれ、市販材料の99.9重量％（ｗｔ％）有する一方、ホウ素及びチタンホウ化物は市販材料の99.5ｗｔ％を有する。実験番号１及び２のサンプルは、外部付着層と耐摩耗性ベース層に共通する２つの元素が存在することを表す。実験番号１のサンプルでは、この共通の元素はホウ素及び窒素である。実験番号２のサンプルでも、共通の元素はホウ素及び窒素である。これはコーティング機構の必要条件ではないが、出願人は、好ましいコーティング機構では外部付着層と耐摩耗性ベース層に共通する元素が少なくとも１つ存在すると考える。実験番号１及び２のサンプルは、耐摩耗性外部層と耐摩耗性ベース層に共通する元素が２つあることも示す。実験番号１及び２の両サンプルにおいて、これらの層に共通する元素はホウ素及び窒素である。これはコーティング機構の必要条件ではないが、出願人は、コーティング機構において外部付着層と耐摩耗性ベース層に共通する元素が少なくとも１つ存在するのが好ましいと考える。実験番号１及び２のサンプルは耐摩耗性ベース層と外部層との間の中間層の存在を表示しないが、出願人は１つ又はそれ以上の中間層の蒸着が有用であると考える。更に、実験番号１及び２のサンプルは反復可能な耐摩耗性コーティング機構を表示しないが、耐摩耗性コーティング機構を１度又はそれ以上繰り返すことが可能なため、全体的に十分な厚さのコーティングを施すことができると出願人は考える。これに関して、コーティングの全体の厚さ（例えば、付着コーティング機構と耐摩耗性コーティング機構が組み合わされた厚さなど）は約１μｍ〜約５μｍ又はそれ以上の範囲内（更に好ましくは、コーティングの概ねの厚さは約３μｍ〜約５μｍの範囲内）であるべきである。本発明の上記に説明された態様は、ホウ素及び窒素、好ましくはｃＢＮの使用を許容し、例えば、孔あけ、旋削、磨砕、及び／又は硬質で難切削材料を成形するためのチップ形成切削インサート、及び他の表示される工具や表示されない工具などの工具に被覆されるコーティングを含有するなどの多くの利点を有する。更に、この工具を用いて金属、セラミックス、ポリマー、それら組み合わせによる複合材料、複合材料の組み合わせを機械加工することができる。特に、この工具を用いて、ダイヤモンドと不適合な材料、例えば、鉄ベース合金、ニッケルベース合金、コバルトベース合金、チタンベース合金、焼き入れ鋼、硬質鋳造鉄、軟質鋳造鉄、及び焼結鉄などを切削、孔あけ、及び成形することができる。本発明をその特定の好ましい態様を参照しながらかなり詳細にわたって説明してきたが、他の態様も可能である。その例として、電子的用途、ダイ、及びパンチ用のＴＡＢバインダー等の用途に用いられる耐摩耗性部品へのコーティング；採鉱工具、建設工具、穴掘工具、及び削岩工具の炭化物チップへのコーティング；磁気抵抗（ＭＲ）コンピューターディスクドライブに用いられるスライダーへの薄いコーティング；及びバースキャナコードスキャナウィンドウへの透過性コーティングが挙げられる。本明細書において認識される全ての特許及び他の文書は、参照として本明細書に取り入れられる。本発明の他の実施形態は、本明細書に開示した本発明の仕様又は実用を考慮することにより、当業者にとって明白であろう。本明細書に記述した仕様と実際の実験は単に例示であることを意図しており、本発明の本来の範囲及び精神は以下の請求の範囲によって示されることを意図している。

Claims

【特許請求の範囲】 1. すくい面及び逃げ面とが交差して切削端を形成するすくい面及び逃げ面を有する基体と、該基体上にコーティングとを有する切削工具であって、前記コーティングが、基体の少なくとも一部の上にあるベース付着層と、該ベース付着層上にある、ホウ素及び第１の元素を含む第１の中間付着層と、該第１の中間付着層上にあるホウ素、第１の元素、及び窒素を含む第２の中間付着層と、該第２の中間付着層上にあるホウ素及び窒素を含む外部付着層と、耐摩耗性コーティング機構の最内部層が前記外部付着層上にある耐摩耗性コーティング機構と、を有する、上記切削工具。 2. 前記ベース付着層が、反応性金属を含み、該反応性金属がチタン、ジルコニウム、ハフニウム、マグネシウム、及びアルミニウムから成る群から選択される請求項１記載の切削工具。 3. 前記第１の元素が炭素である請求項１記載の切削工具。 4. 前記耐摩耗性コーティング機構が外部付着層上に耐摩耗性ベース層を有する、請求項１記載の切削工具。 5. 前記耐摩耗性コーティング機構が、更に、耐摩耗性ベース層上に耐摩耗性外部層を含む請求項４記載の切削工具。 6. 前記第１の元素が炭素であり、耐摩耗性ベース層がホウ素、窒素、及び炭素を有し、耐摩耗性外部層がホウ素及び窒素を有する請求項５記載の切削工具。 7. 前記第１の中間付着層と第２の中間付着層とが共通する元素を少なくとも１つ有する請求項１記載の切削工具。 8. 前記第２の中間付着層と外部付着層とが共通する元素を少なくとも１つ有する請求項１記載の切削工具。 9. 前記第１の中間付着層と第２の中間付着層とが、及び外部付着層が共通する元素を少なくとも１つ有する請求項１記載の切削工具。１０．基体を備えた切削工具上へのコーティング機構の蒸着方法であって、基体上にベース付着層を蒸着する工程と、前記ベース付着層上にホウ素及び第１の元素を含む第１の中間付着層を蒸着する工程と、前記第１の中間付着層上にホウ素、第１の元素、及び窒素を含む第２の中間付着層を蒸着する工程と、前記第２の中間付着層上にホウ素及び窒素を含む外部付着層を蒸着する工程と、前記外部付着層上に耐摩耗性コーティング機構の最内部層を蒸着する工程と、を有する、上記方法。１１．前記ベース付着層が反応性金属を含み、前記反応性金属がチタン、ジルコニウム、ハフニウム、マグネシウム、及びアルミニウムから成る群から選択される請求項１０記載の方法。１２．前記第１の元素が炭素である請求項１０記載の方法。１３．耐摩耗性コーティング機構を蒸着する工程が、外部付着層上への耐摩耗性ベース層の蒸着を含む請求項１０記載の方法。１４．前記耐摩耗性コーティング機構の蒸着が、更に、耐摩耗性ベース層上への耐摩耗性外部層の蒸着を含む請求項１３記載の方法。１５．前記耐摩耗性ベース層がホウ素、窒素、及び炭素を有し、前記耐摩耗性外部層がホウ素及び窒素を有する請求項１４記載の方法。１６．少なくともその一部にコーティングを有する基体であって、該コーティングが、基体の少なくとも一部上にあるベース付着層と、前記ベース付着層上にある、ホウ素及び第１の元素を含む第１の中間付着層と、前記第１の中間付着層上にある、ホウ素、第１の元素、及び窒素を含む第２の中間付着層と、前記第２の中間付着層上にある、ホウ素及び窒素を含む外部付着層と、耐摩耗性コーティング機構の最内部層が前記外部付着層上にある耐摩耗性コーティング機構と、を有する、上記基体。１７．前記ベース付着層が反応性金属を含み、前記反応性金属がチタン、ジルコニウム、ハフニウム、マグネシウム及びアルミニウムから成る群から選択され、且つ、第１の元素が炭素である請求項１６記載の基体。１８．前記耐摩耗性コーティング機構が、外部付着層上の耐摩耗性ベース層を有する請求項１６記載の基体。１９．前記耐摩耗性コーティング機構が、更に、前記耐摩耗性ベース層上の前記耐摩耗性外部層を有する請求項１８記載の基体。