JP5640004B2 - コーティングシステム、コーティングされたワークピースおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、コーティングされたワークピースおよびその製造の分野に関する。より詳細には、本発明は、摩耗保護コーティングによるワークピースの摩耗保護およびこのようなコーティングの堆積に関する。

ＴｉＡｌＮコーティングは、摩耗保護適用のための物理蒸着（ＰＶＤ）コーティングとして広く用いられている。ＡｌＣｒＮシステムは、優れた適用寿命のコーティングされた部品を結果としてもたらす、硬度および高温硬度、熱的およびトライボロジー特性などの優れた機械的特性を示すことが報告されている。当該分野において一般に理解されているように、化学量論指数は、ＡｌＣｒＮが、より正確には、（Ａｌ_ｙＣｒ_１−ｙ）Ｎ（０＜ｙ＜１）を表すなど、明確には引用されていない。

米国特許第７２２６６７０号には、（Ａｌ_ｙＣｒ_１−ｙ）Ｘ（式中、Ｘ＝Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＯＮＯ、ＢＮＯまたはＢＮＣＯである）からなる少なくとも１つのフィルムを含むフィルム層システムでコーティングされたワークピースであって、ミリング工具、ホブ、ボールノーズミル、平面切削工具もしくは型取り切削工具（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ ｃｕｔｔｅｒ）、除去工具（ｃｌｅａｒｉｎｇ ｔｏｏｌ）、リーマー、旋削用およびミリング用インサート、ダイまたは射出金型であり、優れた摩耗保護性能を示す上記ワークピースが開示されている。

米国特許第７３４８０７４号には、１０個の層パケットを含む多層構造からなるコーティング概念が開示されている。これらの概念は、ドリル加工適用において良好な保護性能を示す。

米国特許出願公開第２００８／０２２９８９１号には、材料として（ＴｉＡｌ）Ｘ（式中、Ｘ＝Ｎ、ＣＮ、ＣＮＯまたはＮＯである）を含む、または（ＡｌＣｒ）Ｘ（式中、Ｘ＝Ｎ、ＣＮ、ＣＮＯまたはＮＯである）からなる少なくとも１つの層Ａと、（ＡｌＣｒＳｉＭｅ）Ｘ（式中、Ｘ＝Ｎ、ＣＮ、ＣＮＯまたはＮＯであり、Ｍｅは、Ｎｂ、Ｍｏ、ＴａまたはＷを表す）を有する少なくとも１つの層Ｂとを含む多層化コーティングが開示されている。

さらに、上記米国特許出願公開第２００８／０２２９８９１号には、上記少なくとも１つの層Ｂの層構造が、少なくとも２つの異なる結晶相からなるように設計されていることが開示されている。これは、例えば、立方晶および六方晶相部分であり得る。

上記米国特許出願公開第２００８／０２２９８９１号において、層Ａと層Ｂとの間の厚さ比は、層Ａ対層Ｂの厚さ比が１を超えるコーティングは劣った性能を示すと思われるという点において重要な論点であるということがさらに開示されている。

これらの従来技術のコーティングは、全て、多かれ少なかれ特定の適用においては良好な摩耗保護性能を示す。したがって、広範な種々の適用のための摩耗保護コーティングを提供することが依然として必要とされている。

米国特許第７２２６６７０号 米国特許第７３４８０７４号 米国特許出願公開第２００８／０２２９８９１号

したがって、本発明の目的は、先に言及した不利点を有さないコーティングシステムを作り出すことである。特に、広範な種々の適用に用いることができるコーティングシステムが提供されることとなる。さらに、それぞれのコーティングされたワークピースおよびこのようなワークピースを製造するための対応する方法が提供されることとなる。

本発明の別の目的は、改善された摩耗保護特性および／または耐摩耗特性を提供するコーティングシステム、それに応じてコーティングされたワークピース、およびこのようなワークピースを製造する方法を提供することである。

本発明の別の目的は、非常に広範な適用のために増大した工具寿命を提供する、ワークピースをコーティングするためのコーティングシステム、それに応じてコーティングされたワークピースおよびこのようなワークピースを製造する方法を提供することである。ここで、上記適用は、限定されないが、ドリル加工、ミリング、リーマー仕上げ、旋削、タップ切り、ねじ切りおよびホブ切り適用を含めた連続および断続切削適用を含むことができる。

本発明の別の目的は、ワークピースをコーティングするためのコーティングシステム、それに応じてコーティングされたワークピースおよびこのようなワークピースを製造する方法であって、上記ワークピースが、例えば、鉄を含む金属および非鉄金属、ならびに複合材料などの種々の材料からできていてよい機械加工部品用ワークピースであるものを提供することである。

本発明の別の目的は、ワークピースをコーティングするためのコーティングシステム、それに応じてコーティングされたワークピースおよびこのようなワークピースを製造する方法であって、上記ワークピースが、例えば、乾燥切削、エマルジョンおよび／または液体冷却剤を用いた切削、極微量潤滑（ＭＱＬ）による切削ならびにガス冷却剤を用いた切削などの種々の作業条件下で用いられ得るものを提供することである。

本発明の別の目的は、ワークピースをコーティングするためのコーティングシステム、それに応じてコーティングされたワークピースおよびこのようなワークピースを製造する方法であって、上記ワークピースが、ドリル、エンドミル、インサート、またはホブであるものを提供することである。

本発明の別の目的は、ワークピースをコーティングするためのコーティングシステム、それに応じてコーティングされたワークピースおよびこのようなワークピースを製造する方法であって、上記ワークピース基材が、鋼、特に高速鋼、超硬合金、立方晶窒化ホウ素、サーメットまたはセラミック材料から実質的にできているものを提供することである。

本発明の別の目的は、ワークピースをコーティングするためのコーティングシステム、それに応じてコーティングされたワークピースおよびこのようなワークピースを製造する方法であって、上記ワークピースが、鉄を含む材料および非鉄材料、好ましくは硬化鋼、焼鈍鋼、合金鋼、低炭素鋼、ステンレス鋼、チタン系合金、ニッケル系合金および複合材料のうち少なくとも１種、好ましくは大部分の機械加工における適用に好適であるものを提供することである。

本発明の別の目的は、ワークピースをコーティングするためのコーティングシステム、それに応じてコーティングされたワークピースおよびこのようなワークピースを製造する方法であって、コーティングが、特に硬度、高温硬度および耐酸化性に関する優れた機械的および熱的特性を有することとなるものを提供することである。

本発明の別の目的は、ワークピースをコーティングするためのコーティングシステム、それに応じてコーティングされたワークピースおよびこのようなワークピースを製造する方法であって、コーティングが、低温および高温適用条件において優れたワークピース保護を提供することとなるものを提供することである。

本発明の別の目的は、特に時間的に効率良く実施され得る、コーティングされたワークピース、特に、先に言及したワークピースを製造する方法を提供することである。

本発明の別の目的は、実施することが特に簡単である、コーティングされたワークピース、特に、先に言及したワークピースを製造する方法を提供することである。

さらなる目的は、以下の詳細な説明および実施形態から顕在化される。

これらの目的の少なくとも１つは、特許請求の範囲に記載のコーティングシステム、ワークピースおよび／または方法によって少なくとも部分的に達成される。

コーティングシステムは、（Ａｌ_ｙＣｒ_１−ｙ）Ｘ（式中、Ｘ＝Ｎ、ＣＮ、ＢＮ、ＮＯ、ＣＮＯ、ＣＢＮ、ＢＮＯまたはＣＮＢＯであり、ｙは、金属相部分の化学量論組成を記載する）から本質的になる少なくとも１つの層Ａを含む多層コーティングである。上記多層コーティングは、（Ａｌ_ｕＣｒ_{１−ｕ−ｖ−ｗ}Ｓｉ_ｖＭｅ_ｗ）Ｘ（式中、Ｘ＝Ｎ、ＣＮ、ＢＮ、ＮＯ、ＣＮＯ、ＣＢＮ、ＢＮＯまたはＣＮＢＯであり、Ｍｅ＝Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａまたはこれらの混合物であり、ｕ、ｖ、ｗは、金属相部分の化学量論組成を記載する）から本質的になる少なくとも１つの層Ｂを含むことがさらに提案されている。これにより、広範な種々の適用に用いることができる摩耗保護コーティングシステムを提供することができる。

指数ｙは、より正確には、当該分野にて合意のように、０＜ｙ＜１の数を表し、また、より正確には、当該分野にて合意のように、ｕは、０＜ｕ＜１の数であり、ｖは、０＜ｖ＜１の数であり、ｗは、０＜ｗ＜１の数であり、ここで、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１である。さらに、より正確には、当該分野にて合意のように、Ｘの化学量論値は常に１であり、すなわち、Ｘが１を超える化学元素を含む場合には、これらの元素の化学量論指数の合計は、１である。例えば、Ｘ＝ＢＮＯである場合、Ｘは、Ｂ_{１−ａ−ｂ}Ｎ_ａＯ_ｂ（ならびに０＜ａ＜１および０＜ｂ＜１）を表す。

一実施形態において、１を超える、より好ましくは約１．５を超える、層Ａ対層Ｂの厚さ比が実現される。これにより、特に良好な摩耗保護を達成することができる。より厚いタイプＡ層と、より薄いタイプＢ層とを組み合わせることで、非常に優れた結果を生じる。

先に記述した実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい一実施形態において、上記少なくとも１つのタイプＢ層は、少なくとも２つの結晶相を含むように設計され、より詳細には、上記少なくとも１つのタイプＢ層は、正確には２つの結晶相を実質的に含む。

この実施形態において、上記少なくとも１つのタイプＢ層の第１の結晶相は、立方晶相であり、上記少なくとも１つのタイプＢ層の第２の結晶相は、六方晶相である。

この場合、特定の実施形態において、六方晶相の含有量は、上記少なくとも１つのタイプＢ層の層体積の＜５０％であり、より詳細には５％から４０％の間の量である。

先に記述した実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい一実施形態において、上記少なくとも１つのタイプＡ層は、本質的に立方晶構造である。

先に記述した実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい一実施形態において、上記少なくとも１つのタイプＡ層の金属部分の化学量論組成は、０．５＜ｙ＜０．７であることを特徴とする。

先に記述した実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい一実施形態において、上記少なくとも１つのタイプＢ層の金属部分の化学量論組成は、０．５＜ｕ＜０．７、０．０１＜ｖ＜０．１５および０．００２＜ｗ＜０．１であり、より詳細にはｗ＜０．０５であることを特徴とする。

先に記述した実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい一実施形態において、タイプＢ層は、タイプＡ層上に直接堆積されている。

先に記述した実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい一実施形態において、タイプＢ層は、第１のタイプＡ層と第２のタイプＡ層との間に挟持されている。

先に記述した実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい一実施形態において、タイプＡ層およびタイプＢ層は、周期を形成し、上記コーティングシステムは、複数のこのような周期を含むコーティングシステムである。

先に記述した実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい一実施形態において、上記コーティングシステムは、別の層、特に、機能層を形成する上記別の層を含む。例えば、上記別の層は、接着層であり、より詳細には基材上に直接堆積され、特に第１のタイプＡ層の直ぐ下にあるか、または、例えば、上記別の層は、仕上げ層である、すなわち、この層は、最終層として堆積され、特に装飾仕上げ層である。

本発明によるワークピースは、本発明によるコーティングシステムを含む。ワークピースは、同様に、コーティングシステムの利点による利益を享受する。

一実施形態において（実際には、種々の可能な実施形態の列挙である）、上記ワークピースは、工具、機械加工工具、ミリング工具、切削工具、旋削工具、タップ切り工具、ねじ切り工具、リーマー、エンドミル、ドリル、切削インサート、ギア切削工具、インサート、ホブ、除去工具、旋削用およびミリング用インサートからなる群の少なくとも１種である。

先に記述した実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい（かつ実際には、種々の可能な実施形態の列挙である）一実施形態において、上記ワークピースは、鉄を含む金属、非鉄金属、複合材料、超硬合金、サーメット、立方晶窒化ホウ素、セラミック材料、鋼、高速鋼からなる群の少なくとも１種から実質的にできている本体を有する。

一態様において、本発明は、コーティングされたワークピースを製造する方法、より詳細には、コーティングシステム、より詳細には、別個の堆積プロセスにおいてだけでなく１つの堆積プロセス内での本発明によるコーティングシステムの合成を可能にするＰＶＤ（物理蒸着）法を含む。

コーティングされたワークピースを製造する方法は、
ａ）上記ワークピースに少なくとも１つのタイプＡ層を堆積するステップと、
ｂ）上記ワークピースに上記タイプＡと異なる少なくとも１つのタイプＢ層を堆積するステップと
を含み、
− 上記少なくとも１つのタイプＡ層は、タイプＸのｎ_ｘターゲットを用いて堆積され、
− 上記少なくとも１つのタイプＢ層は、上記タイプＸと異なるタイプＹのｎ_ｙターゲットを用いると同時に上記タイプＸのｎ_ｘｙターゲットを用いて堆積され、
ここで、ｎ_ｘ、ｎ_ｙ、およびｎ_ｘｙは、≧１の整数であり、上記タイプＸの上記ターゲットの少なくとも１つは、ステップａ）およびステップｂ）の両方の間活性である。このように、大幅に低減された堆積回数が実現され得る。１つまたは複数のターゲットが、タイプＢ層の堆積およびタイプＡ層の堆積の両方の間活性であり得る。このことは、プロセス安定性の点においても有利であり得る。堆積は、僅かな時間で実施することができ、堆積ステップは、同じ真空室において真空を破壊することなく実施することができる。

一実施形態において、ｎ_ｘ≧ｎ_ｘｙが適用される。

一実施形態において、ｎ_ｘ＝ｎ_ｘｙが適用される。この場合、上記少なくとも１つのタイプＡ層の堆積の間活性であるタイプＸの全てのターゲットはまた、上記少なくとも１つのタイプＢ層の堆積の間にも活性である。

先に記述した方法の実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい方法の一実施形態において、タイプＡ層は、（Ａｌ_ｙＣｒ_１−ｙ）Ｘ（式中、Ｘは、Ｎ、ＣＮ、ＢＮ、ＮＯ、ＣＮＯ、ＣＢＮ、ＢＮＯおよびＣＮＢＯからなる群の１種を表し、ｙは、金属相部分の化学量論組成を記載する）から実質的になり、タイプＢ層は、（Ａｌ_ｕＣｒ_{１−ｕ−ｖ−ｗ}Ｓｉ_ｖＭｅ_ｗ）Ｘ（式中、Ｘは、Ｎ、ＣＮ、ＢＮ、ＮＯ、ＣＮＯ、ＣＢＮ、ＢＮＯおよびＣＮＢＯからなる群の１種を表し、Ｍｅは、Ｗ、Ｎｂ、ＭｏおよびＴａからなる群の少なくとも１種または該群の構成要素の２種以上の混合物を表し、ｕ、ｖおよびｗは、金属相部分の化学量論組成を記載する）から実質的になる。

先に記述した方法の実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい方法の一実施形態において、上記タイプＡ層対上記タイプＢ層の厚さ比は、１を超え、特に約１．５を超える。換言すると、ステップａ）およびｂ）は、タイプＡ層の厚さがより厚くなるように、特にタイプＢ層の厚さに比べて約１．５倍を超えて厚くなるように実施される。

先に記述した方法の実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい方法の一実施形態において、上記タイプＸのターゲットは、ＡｌおよびＣｒを含み、タイプＹのターゲットは、上記タイプＢ層に設けられているＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉおよび上記Ｍｅを含む。

先に記述した方法の実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい方法の一実施形態において、ステップａ）およびｂ）は、物理蒸着法、特に陰極アーク蒸発法を用いて実施される。

先に記述した方法の実施形態の１つまたは複数と組み合わされてよい方法の一実施形態において、堆積プロセスは、＜６５０℃、好ましくは約５００℃以下の堆積温度、ならびに／または主にＮを含みかつ／もしくは全ガス圧が０．５から１０Ｐａの間、好ましくは＞２Ｐａの状況にある反応性ガス雰囲気、ならびに／または４０から２００Ｖの間のバイアス電圧および／または多層化構造において上記少なくとも１つのタイプＡ層の堆積の間のバイアス電圧が上記少なくとも１つのタイプＢ層の堆積の間よりも低いことを特徴とする。

本発明は、本発明による対応するコーティングシステムおよびワークピースの特徴を有する方法を含み、その逆も然りである。

本方法の利点は、対応するコーティングシステムおよびワークピースの利点に対応し、その逆も然りである。

さらなる実施形態および利点は、従属請求項および図から顕在化される。

以下に、本発明を例および含まれる図面によってさらに詳細に記載する。

本発明の実施形態によるコーティングの構造を示すＳＥＭ（走査電子顕微鏡法）画像を示す。 タイプＡおよびタイプＢの単一層のＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンをそれぞれ示す。 例となる構成された真空蒸着室の模式的詳細を上面図に示す。 例となる構成された真空蒸着室の模式的詳細を上面図に示す。 コーティングシステムの層構造を示す。 コーティングシステムの層構造を示す。 コーティングシステムの層構造を示す。 例となる構成された真空蒸着室の模式的詳細を上面図に示す。 図８に示すように構成された真空蒸着室において堆積することができる、追加の仕上げ層（例えば、装飾仕上げ層）を含むコーティングシステムの層構造を示す。

図で用いる参照符号およびその意味は、参照符号のリストにおいて概説する。記載する実施形態は、例として意図され、本発明を限定するものではない。

以下、本発明をいくつかの適用例と併せてより詳しく説明する。

先に言及したように、本発明の１つの可能な目的は、非常に広範囲の適用に非常に優れた保護的耐摩耗性を示すコーティングシステム（または簡潔には「コーティング」）を提示することである。本発明によるコーティングの従来技術のコーティングに対する優位性を実証するために、本発明者らは、いくつかの従来技術のコーティングを、いくつかの異なる本発明によるコーティングと共に、これらがどのように作製されるかを記載することによってまず紹介する。

次いで、本発明者らは、かなり様々な機械加工条件による種々の適用例を、例えば、軟質、焼鈍または硬質材料のドリル加工またはミリングなどの適用を示して議論し、また、従来技術のコーティングと比較して本発明によるコーティングの性能を議論する。

以下のコーティングは全て、アーク蒸発装置において陰極アーク蒸発を用いて合成した。ワークピースを好適なアーク蒸発装置の室（真空室）内に置く。このようなコーティング装置において、ターゲットとして、Ｔａｂｌｅ １（表１）に示すものを用いる。

Ｔａｂｌｅ １（表１）は、６つのサンプル（コーティング）それぞれについて、用いたターゲットの元素組成（原子パーセントで）およびそれぞれ堆積した層の元素組成を示す。最後に、Ｔａｂｌｅ １（表１）は、４つの異なる適用（適用１から適用４）についての適用試験結果を示す。

層厚さは、摩耗保護コーティングの通常の厚さ範囲にある。コーティングシステム全体の厚さは、約２０μｍを通常は超えない。

サンプル番号１、２および３は、当該技術分野において公知のコーティングである。

従来技術のコーティング番号１は、Ｔａｂｌｅ １（表１）に示すように、７０％のＡｌおよび３０％のＣｒの組成を有する６つの同等のＡｌＣｒターゲットを用いて堆積されたＡｌＣｒＮ単層を記載する。堆積は、純粋なＮ_２雰囲気下、３．５Ｐａのガス圧および−４０から−１００Ｖのバイアス電圧にて５００℃で基材において行った。

従来技術のコーティング番号２は、例番号１とは違って、４つのＡｌＣｒターゲットおよび２つのＴｉＳｉターゲットを用いて行った。ターゲットの組成をＴａｂｌｅ １（表１）に示す。蒸発は、純粋なＮ_２雰囲気下、３．５Ｐａの圧力および−４０Ｖのバイアス電圧にて約５００℃で基材において行った。従来技術のコーティング番号２は、ＡｌＣｒＮの最下層、続いて１０個の層パッケージ（ＡｌＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＴｉＳｉＮ）およびＴｉＳｉＮ仕上げ層を有する多層化コーティングとして合成された。

従来技術のコーティング番号３は、４つのＡｌＣｒＳｉＷターゲットおよび２つのＴｉＡｌターゲットを用いてＴａｂｌｅ １（表１）の対応する列において言及した組成で堆積させた。まず、ＴｉＡｌＮ支持層を堆積させ、ＡｌＣｒＳｉＷＮ主要層を続けた。主要層と支持層との間の厚さ関係は、１：２．５の範囲内である。蒸発は、純粋なＮ_２雰囲気下、３．５Ｐａで行い、バイアス電圧は、基材において約６００℃で−４０Ｖから−１００Ｖの間に調整した。

コーティング番号４、５および６の堆積は、５００℃の堆積温度および４Ｐａの全圧にて窒素雰囲気下、Ｔａｂｌｅ １（表１）に示すそれぞれのターゲット組成を用いて実施した。３つのコーティングは、全て、第１の層（「層Ｉ」またはタイプＡ層または層Ａとも称される）および第２の層（「層ＩＩ」またはタイプＢ層または層Ｂとも称される）を含む。

コーティング番号４は、本発明の第１の実施形態によるコーティングである。ここで、第１の層については、Ｔａｂｌｅ １（表１）に示すようにＸターゲット欄における組成を有する４つのＡｌＣｒターゲットを用いたが、−４０Ｖから−１００Ｖの低いバイアス電圧をサンプルに印加した。これは、一定であっても、変動してもよい。第２の層については、Ｔａｂｌｅ １（表１）に示すようにＹターゲット欄における組成を有する４つのＡｌＣｒターゲット、さらに２つのＡｌＣｒＳｉＷターゲットを用いたが、−１００Ｖから−２００Ｖの間のより高いバイアス電圧をサンプルに印加した。第２の層の堆積の間のバイアス電圧の絶対値は、第１の層の堆積の間のバイアス電圧よりも少なくとも５０Ｖ、好ましくは１００Ｖ高かった。得られたＡｌ濃度は、選択されたバイアスと一緒になって、第２の層に六方晶相部分をもたらし、このことは、本発明の特定の実施形態について先に記載されており、第２の層（層Ｂ、より正確にはタイプＢ層）は、少なくとも２つの結晶相（通常は立方晶および六方晶）を含む。

コーティング５は、本発明の第２の実施形態によるコーティングである。これは、コーティング番号４と比較して、より高いタングステン含有量を有するが、アルミニウム含有量は、劇的には減少せず、依然として６０％を優に超えた状態である（Ｔａｂｌｅ １（表１）を参照）。

これとは対照的に、コーティング番号６は、６０％以下のアルミニウム割合を示す。タングステンを用いなかった、すなわち、ターゲットはタングステンを含有しなかった（Ｔａｂｌｅ １（表１）を参照）。この構成においては、六方晶部分が実現されなかった。

Ｔａｂｌｅ １（表１）の最後の４つの欄は、種々の適用試験の結果を示す。

適用試験番号１（「適用１」）を以下のように定義する：
ミリング条件：
ワークピース（ミリング対象）：ＤＩＮ１．２３４４（４５ＨＲＣ）
切削工具：４溝付きエンドミル、φ１０ｍｍ、マイクログレインカーバイドグレード
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ
供給量：０．１ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削の半径方向深さ：０．５ｍｍ
切削の軸方向深さ：１０ｍｍ
冷却剤：潤滑油６％エマルジョン
ミリング操作：サイドミリング
単一通過の長さ：１５ｍ
寿命の終わり：それぞれの単一通過の後に摩耗測定：寿命の終わりの基準：単一通過の端部においてＶ_ｂｍａｘ＞１２０μｍ

適用試験番号２（「適用２」）を以下のように定義する：
ミリング条件：
ワークピース（ミリング対象）：ＤＩＮ１．１１９１（１９０ＨＢ）
切削工具（コーティングされている）：４溝付きエンドミル、φ１０ｍｍ、マイクログレインカーバイドグレード
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ
供給量：０．２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削の半径方向深さ：０．５ｍｍ
切削の軸方向深さ：１０ｍｍ
冷却剤：乾燥切削
ミリング操作：サイドミリング
単一通過の長さ：５０ｍ
寿命の終わり：それぞれの単一通過の後に摩耗測定：寿命の終わりの基準：単一通過の端部においてＶ_ｂｍａｘ＞１２０μｍ

適用試験番号３（「適用３」）を以下のように定義する：
ミリング条件：
ワークピース（ミリング対象）：ＤＩＮ ＧＧＧ５０
切削工具（コーティングされている）：２溝付きドリル、φ６ｍｍ、マイクログレインカーバイドグレード
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ
供給量：０．２５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削の深さ：６×直径
冷却剤：内部冷却−潤滑油６％エマルジョン
ミリング操作：ドリル加工
単一通過の長さ：２００穴
寿命の終わり：それぞれの単一通過の後に摩耗測定：寿命の終わりの基準：単一通過の端部においてＶ_ｂｍａｘ＞２５０μｍ

適用試験番号４（「適用４」）を以下に定義する：
ミリング条件：
ワークピース（ミリング対象）：ＤＩＮ１．２３４４（５２ＨＲＣ）
切削工具（コーティングされている）：２溝付きボールノーズエンドミル、φ１０ｍｍ、マイクログレインカーバイドグレード
切削速度：１４７ｍ／ｍｉｎ
供給量：０．１５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削の半径方向深さ：４ｍｍ
切削の軸方向深さ：０．８ｍｍ
冷却剤：圧縮空気
ミリング操作：サイドミリング
単一通過の長さ：１５ｍ
寿命の終わり：それぞれの単一通過の後に摩耗測定：寿命の終わりの基準：単一通過の端部においてＶ_ｂｍａｘ＞２００μｍ

Ｖ_ｂｍａｘは、当該分野において一般的なように、最大許容逃げ面摩耗を表す。

Ｔａｂｌｅ １（表１）の最後の４つの欄から分かるように、コーティング４および５は、４つの全ての適用試験において最も良い結果および２番目に良い結果を示す。したがって、これらのコーティングは、広範囲の適用に適用可能であるだけでなく、様々なワークピースにも堆積され得る。

さらに、第１の適用試験、第３の試験および第４の試験に関するＴａｂｌｅ １（表１）の欄から分かるように、従来技術によらないコーティングは、従来技術のコーティングに比べて有意に良好な結果を与える。

コーティング番号４および５を調製するのに必要なコーティング時間（すなわち２７０分）は、コーティング番号２を調製するのに必要な時間（３４０分）および番号３を調製するのに必要な時間（４１０分）を有意に下回り、かつ十分に、コーティング番号１のコーティング時間（すなわち２４０分）の範囲内であることに注意されたい。これは、第２の層（層Ｂ、Ｔａｂｌｅ １（表１）においては層ＩＩとも称される）について行ったように異なるターゲットを同時使用することに基本的には起因する。ターゲットＸは、全堆積プロセスの間活性であり得る（少なくとも、層Ｉ（層Ａ）または層ＩＩ（層Ｂ）が堆積される限り）が、ターゲットＹは、層ＩＩ（層Ｂ）が堆積されるときのみ（ターゲットＸに加えて）活性化される。

図１は、本発明の実施形態によるコーティングの構造を示すＳＥＭ（走査電子顕微鏡法）画像を示す。図から分かるように、図１のコーティングシステムの全体の厚さは約３μｍであり、層Ａ対層Ｂの厚さ比は約２である。

図２は、タイプＡおよびタイプＢの単一層のＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンをそれぞれ示す。六方晶相は、強度はより低いが平均がより高いピークを示しており、これは、六方晶系結晶粒の粒径がより小さいことを示唆している。

図３は、例となる構成された真空蒸着室の模式的詳細を上面図に示す。２つのタイプＹおよび４つのタイプＸの６つのターゲットが示唆されている。コーティング対象のワークピースが、円および円形矢印によって印されたサンプル回転トレイに設置されている。６つのワークピースが矩形で模式的に示されている。このような構成は、先で議論したコーティング番号４、５または６などのコーティングを製造するのに好適である。

図４は、図３と同様に、例となる構成された真空蒸着室の模式的詳細を上面図に示す。

図５は、コーティングシステムの層構造を示す。コーティングシステムは、先に議論したコーティング番号４、５、および６の場合（Ｔａｂｌｅ １（表１）を参照）のように、基材に堆積したタイプＡ層（図５の破線）および上記タイプＡ層に堆積したタイプＢ層からなる。層Ａが層Ｂよりも厚いことにも注意されたい。層Ａを堆積するために、タイプＸのターゲットが活性化され、層Ｂを堆積するために、タイプＸの上記ターゲット、さらにタイプＹのターゲットが活性化される。図３および４も参照のこと。さらに、２つのターゲットタイプＸおよびＹが用いられるとき、単に１つまたは複数のタイプＹのターゲットを用いて堆積される第３のタイプの層、すなわちタイプＣ層を堆積することもできる。このような層は、例えば、層Ａと基材との間に配置されて、例えば接着層を形成することができ、または、層Ｂの上部に堆積されて、仕上げ層、例えば、装飾仕上げ層を形成することができる。

図６は、コーティングシステムの層構造を示す。この場合、コーティングシステムは、３つの、タイプＡ層およびタイプＢ層の対からなる６つの層を含む多層システムであり、各対が、１つの層Ａと１つの層Ｂとが繰り返し生じる１つの層周期を形成している。図６に示すように、各層周期において、層Ａの厚さが層Ｂの厚さよりも厚いものを与えることができる。

図７は、コーティングシステムの層構造を示す。この場合、基材上に３つの層が設けられている。２つの層Ａの間に１つの層Ｂが挟持されている。

図８は、図３および４と同様に、例となる構成された真空蒸着室の模式的詳細を上面図に示す。この場合、３つのタイプのターゲットが設けられている：タイプＸ、タイプＹ、タイプＺ。これにより、３つの異なる層タイプ、または２つもしくは３つ全てのターゲットタイプを少なくとも部分的に同時に用いるときにはまさに４つの異なる層を堆積することを可能にする。各ターゲットタイプを単独で用いることも考慮すると、最大で７つの異なる層タイプを堆積することができ、１つまたは複数の同じターゲットタイプを活性化および不活性化することを考慮すると、さらにより多くの異なる層タイプを堆積することができる。

簡単な場合には、図８に示すような構成を用いて、図９に示すようなコーティングシステムを堆積することができる。

図９は、図８に示すように構成された真空蒸着室において堆積することができる、追加の仕上げ層（例えば、装飾仕上げ層）を含むコーティングシステムの層構造を示す。例えば、層Ａを堆積するために、ターゲットＸのみが活性化され、層Ｂを堆積するために、ターゲットＸ、さらにターゲットＹが活性化され、層Ｄを堆積するために、例えば、ターゲットＺのみが活性化されるか、または、ターゲットＺと、１つまたは両方の他のターゲットタイプの１つまたは複数のターゲットとが任意に組み合わされる。

Claims (29)

1. （Ａｌ_ｙＣｒ_１−ｙ）Ｘ（式中、Ｘは、Ｎ、ＣＮ、ＢＮ、ＮＯ、ＣＮＯ、ＣＢＮ、ＢＮＯおよびＣＮＢＯからなる群の１種を表し、ｙは、金属相部分の化学量論組成を記載し、０＜ｙ＜１なる値を有する）から実質的になる少なくとも１つのタイプＡ層と、
   （Ａｌ_ｕＣｒ_{１−ｕ−ｖ−ｗ}Ｓｉ_ｖＭｅ_ｗ）Ｘ（式中、Ｘは、Ｎ、ＣＮ、ＢＮ、ＮＯ、ＣＮＯ、ＣＢＮ、ＢＮＯおよびＣＮＢＯからなる群の１種を表し、Ｍｅは、Ｗ、Ｎｂ、ＭｏおよびＴａからなる群の１種または該群の構成要素の２種以上の混合物を表し、ｕ、ｖおよびｗは、金属相部分の化学量論組成を記載し、０＜ｕ＜１、かつ０＜ｖ＜１、かつ０＜ｗ＜１なる値を有する）から実質的になる少なくとも１つのタイプＢ層と
   を含むコーティングシステムであって、前記タイプＡ層対前記タイプＢ層の厚さ比が１を超えるコーティングシステム。
2. 前記厚さ比が１．５を超える、請求項１に記載のコーティングシステム。
3. 前記少なくとも１つのタイプＢ層が、少なくとも２つの結晶相を含む、請求項１または請求項２に記載のコーティングシステム。
4. 前記少なくとも１つのタイプＢ層が、立方晶相および六方晶相を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のコーティングシステム。
5. 前記少なくとも１つのタイプＢ層の前記六方晶相の含有量が、前記少なくとも１つのタイプＢ層の＜５０体積％である、請求項４に記載のコーティングシステム。
6. 前記少なくとも１つのタイプＢ層の前記六方晶相の含有量が、前記少なくとも１つのタイプＢ層の＞５体積％かつ前記少なくとも１つのタイプＢ層の＜４０体積％である、請求項４または請求項５に記載のコーティングシステム。
7. 前記少なくとも１つのタイプＡ層が、立方晶構造から実質的になる、請求項１から６のいずれか一項に記載のコーティングシステム。
8. ０．５＜ｙ＜０．７である、請求項１から７のいずれか一項に記載のコーティングシステム。
9. ０．５＜ｕ＜０．７かつ０．０１＜ｖ＜０．１５かつ０．００２＜ｗ＜０．１である、請求項１から８のいずれか一項に記載のコーティングシステム。
10. ｗ＜０．０５である、請求項９に記載のコーティングシステム。
11. 前記少なくとも１つのタイプＢ層が、前記少なくとも１つのタイプＡ層上に直接堆積されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載のコーティングシステム。
12. 第１のタイプＡ層と第２のタイプＡ層との間に挟持されているタイプＢ層を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のコーティングシステム。
13. 複数の層周期を含み、１つのこのような層周期が、１つのタイプＡ層および１つのタイプＢ層によって形成されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載のコーティングシステム。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載のコーティングシステムを含むワークピース。
15. −工具、
    −機械加工工具、
    −ミリング工具、
    −切削工具、
    −旋削工具、
    −タップ切り工具、
    −ねじ切り工具、
    −リーマー、
    −エンドミル、
    −ドリル、
    −切削インサート、
    −ギア切削工具、
    −インサート、
    −ホブ、
    −除去工具、
    −旋削用およびミリング用インサート
    からなる群の少なくとも１種である、請求項１４に記載のワークピース。
16. −鉄を含む金属、
    −非鉄金属、
    −複合材料、
    −超硬合金、
    −サーメット、
    −立方晶窒化ホウ素、
    −セラミック材料、
    −鋼、
    −高速度鋼
    からなる群の少なくとも１種から実質的にできている本体を有する、請求項１４または請求項１５に記載のワークピース。
17. コーティングされたワークピースを製造する方法であって、
    ａ）前記ワークピースに少なくとも１つのタイプＡ層を堆積するステップと、
    ｂ）前記ワークピースに前記タイプＡと異なる少なくとも１つのタイプＢ層を堆積するステップと
    を含み、
    −前記少なくとも１つのタイプＡ層は、タイプＸのｎ_ｘターゲットを用いて堆積され、
    −前記少なくとも１つのタイプＢ層は、前記タイプＸと異なるタイプＹのｎ_ｙターゲットを用いると同時に前記タイプＸのｎ_ｘｙターゲットを用いて堆積され、
    ここで、ｎ_ｘ、ｎ_ｙ、およびｎ_ｘｙは、≧１の整数であり、前記タイプＸの前記ターゲットの少なくとも１つは、ステップａ）およびステップｂ）の両方の間活性であり、
    −タイプＡ層が、（Ａｌ _ｙ Ｃｒ _１−ｙ ）Ｘ（式中、Ｘは、Ｎ、ＣＮ、ＢＮ、ＮＯ、ＣＮＯ、ＣＢＮ、ＢＮＯおよびＣＮＢＯからなる群の１種を表し、ｙは、金属相部分の化学量論組成を記載し、０＜ｙ＜１なる値を有する）から実質的になり、
    −タイプＢ層が、（Ａｌ _ｕ Ｃｒ _{１−ｕ−ｖ−ｗ} Ｓｉ _ｖ Ｍｅ _ｗ ）Ｘ（式中、Ｘは、Ｎ、ＣＮ、ＢＮ、ＮＯ、ＣＮＯ、ＣＢＮ、ＢＮＯおよびＣＮＢＯからなる群の１種を表し、Ｍｅは、Ｗ、Ｎｂ、ＭｏおよびＴａからなる群の１種または該群の構成要素の２種以上の混合物を表し、ｕ、ｖおよびｗは、金属相部分の化学量論組成を記載し、０＜ｕ＜１、かつ０＜ｖ＜１、かつ０＜ｗ＜１なる値を有する）から実質的になる、方法。
18. 前記タイプＡ層対前記タイプＢ層の厚さ比が、１を超える、請求項１７に記載の方法。
19. 前記タイプＡ層対前記タイプＢ層の厚さ比が、１．５を超える、請求項１８に記載の方法。
20. 前記タイプＸのターゲットが、ＡｌおよびＣｒを含み、タイプＹのターゲットが、前記タイプＢ層に設けられているＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉおよび前記Ｍｅを含む、請求項１７から１９のいずれか１項に記載の方法。
21. ステップａ）およびｂ）が、物理蒸着法を用いて実施される、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. ステップａ）およびｂ）が、陰極アーク蒸発法を用いて実施される、請求項２１に記載の方法。
23. ステップａ）およびｂ）を実施する間、前記ワークピースを６５０℃未満の温度に保持するステップを含む、請求項１７から２２のいずれか一項に記載の方法。
24. ステップａ）およびｂ）を実施する間、前記ワークピースを５００℃以下の温度に保持するステップを含む、請求項２３に記載の方法。
25. ステップａ）およびｂ）を実施する間、前記ワークピースを全ガス圧が０．５Ｐａから１０Ｐａの間である反応性ガス雰囲気に曝すステップを含む、請求項１７から２４のいずれか一項に記載の方法。
26. ステップａ）およびｂ）を実施する間、前記ワークピースを全ガス圧が＞２Ｐａである反応性ガス雰囲気に曝すステップを含む、請求項２５に記載の方法。
27. 前記反応性ガス雰囲気が主にＮを含む、請求項２５または２６に記載の方法。
28. ステップａ）およびｂ）を実施する間、４０Ｖから２００Ｖの間のバイアス電圧を前記ワークピースに印加するステップを含む、請求項１７から２７のいずれか一項に記載の方法。
29. ステップａ）を実施する間、バイアス電圧を前記ワークピースに印加するステップ、およびステップｂ）を実施する間、より高いバイアス電圧を前記ワークピースに印加するステップを含む、請求項１７から２８のいずれか一項に記載の方法。

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