JP2007532783A - 窒化アルミニウムベースの硬い耐摩耗性コーティング - Google Patents
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Abstract
組成ＡｌxＳｉyＭｅzＮの窒化アルミニウムベースの硬い耐摩耗性コーティングが提案される。ｘ、ｙおよびｚは原子分率を表し、その和は０．９５から１．０５であり、Ｍｅは、ＩＩＩからＶＩＩＩ族およびＩｂ族の遷移金属の金属ドーパントまたはこれらの組合せである。この金属は、コーティングプロセス中に、金属ドーピングのないコーティングよりも高い固有導電率（intrinsic electrical conductivity）を提供する。ケイ素含量は０．０１≦ｙ≦０．４であり、１つまたは複数の金属ドーパントＭｅの含量は、０．００１≦ｚ≦０．０８、好ましくは０．０１≦ｚ≦０．０５、最も好ましくは０．０１５≦ｚ≦０．０４５である。
Description
発明の分野
本発明は、窒化アルミニウムを基礎とする（窒化アルミニウムベース）の硬い耐摩耗性被膜（コーティング）、該コーティングでコーティングされた物品および該コーティングを生成するための方法に関する。
本発明は、窒化アルミニウムを基礎とする（窒化アルミニウムベース）の硬い耐摩耗性被膜（コーティング）、該コーティングでコーティングされた物品および該コーティングを生成するための方法に関する。
発明の背景
従来技術の説明
Ａｌ1-xＴｉxＮに基づく層またはＡｌ1-xＴｉxＳｉyＮに基づく層は一般に、最高硬さに近いＴｉ／Ａｌ化学量論組成範囲で使用される。ＴｉＡｌＮの場合、この化学量論組成はほぼＡｌ0.65Ｔｉ0.35Ｎに相当する。この条件を超えるＡｌ割合が選択される場合、例えば７５から８５原子％のＡｌ割合が選択される場合には、硬さ（hardness)と耐摩耗性（wear resistance）の両方が急激に低下することが知られている。Ａｌ1-xＣｒxＮおよび同種の硬い材料に関しても本質的に同じ性質が予想され、またそうであることが知られている。
従来技術の説明
Ａｌ1-xＴｉxＮに基づく層またはＡｌ1-xＴｉxＳｉyＮに基づく層は一般に、最高硬さに近いＴｉ／Ａｌ化学量論組成範囲で使用される。ＴｉＡｌＮの場合、この化学量論組成はほぼＡｌ0.65Ｔｉ0.35Ｎに相当する。この条件を超えるＡｌ割合が選択される場合、例えば７５から８５原子％のＡｌ割合が選択される場合には、硬さ（hardness)と耐摩耗性（wear resistance）の両方が急激に低下することが知られている。Ａｌ1-xＣｒxＮおよび同種の硬い材料に関しても本質的に同じ性質が予想され、またそうであることが知られている。
この軟化についての現在までの知識は、Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｙ．Ｍａｋｉｎｏ，Ｍ．Ｓａｍａｎｄｉ ａｎｄ Ｓ．Ｍｉｙａｋｅ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．３５（２０００），４１９３およびＡ．Ｈｏｒｌｉｎｇ，Ｌ．Ｈｕｌｔｍａｎ，Ｍ．Ｏｄｅｎ，Ｊ．Ｓｊｏｌｅｎ，Ｌ．Ｋａｒｌｓｓｏｎ，Ｓｕｒｆ．Ｃｏａｔ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９１（２００５）３８４、ならびにこれらの文献に引用されている参考文献に記載されている。
一般的なコーティングはＪＰ−Ａ−２００３／２２５８０９からも知られている。
発明の概要
発明の目的
したがって第１に本発明の目的は、カソードアーク蒸着技術（cathodic arc evaporation technology）またはマグネトロンスパッタリング技術あるいはこれらの組合せを使用して容易に生成することができる硬いコーティングを提供することにある。
発明の目的
したがって第１に本発明の目的は、カソードアーク蒸着技術（cathodic arc evaporation technology）またはマグネトロンスパッタリング技術あるいはこれらの組合せを使用して容易に生成することができる硬いコーティングを提供することにある。
発明の説明
本発明は、請求項１に記載のコーティングによってこの目的を達する。本発明の方策の結果、第１に、プロセスが実行される室の追加の操作なしで、カソードアーク蒸着技術を使用した本発明に基づく硬いコーティングによって物品をコーティングすることができる。さらにこのコーティングはパラメータに関して驚くほど硬い。
本発明は、請求項１に記載のコーティングによってこの目的を達する。本発明の方策の結果、第１に、プロセスが実行される室の追加の操作なしで、カソードアーク蒸着技術を使用した本発明に基づく硬いコーティングによって物品をコーティングすることができる。さらにこのコーティングはパラメータに関して驚くほど硬い。
本発明に基づくこの解決法は、Ａｌ1-xＭｅxＮ系のＡｌ含量を、最高硬さを与えるとしてこれまで知られている組成を大幅に上回る、窒素を除いた他の元素全体の約９０原子％超まで増大させると、硬さが意外にも再び上昇することが分かったことに基づく。さらに、この傾向はケイ素の存在下で強まることが分かった。しかし、純粋なＡｌＮまたはＡｌ1-yＳｉｙＮに非常に近いと、層の硬さは再び低下する。このことは、堆積中のイオン衝撃（イオンボンバードメント：ion bombardment）を抑制する非導電層（non-conductive layer）の蓄積によって説明することができる。
本発明の目的の追加の詳細、特徴および利点は、例えば本発明に基づく方法がその中で説明された関連図面の以下の説明から得られる。
本発明の目的の追加の詳細、特徴および利点は、例えば本発明に基づく方法がその中で説明された関連図面の以下の説明から得られる。
図面の簡単な説明
図面は以下のとおりである。
図面の簡単な説明
図面は以下のとおりである。
図１は、本発明に基づく第１の例による室内のターゲットの配置を概略的に示す図である。図２は、本発明に基づく第２の例による室内のターゲットの配置を概略的に示す図である。図３は、イオン衝撃の不足に起因する望ましくない弱い柱状（columner）のコーティング材料の形成を示す、Ａｌ0.91Ｓｉ0.09Ｎ層の断面図である。図４は、少量の金属（このケースではＣｒ）のドーピングによりコーティングの導電率を維持することで達成された均質でかつむらのない微細な構造を示す、Ａｌ0.86Ｓｉ0.09Ｃｒ0.05Ｎ層の断面図である。図５は、Ａｌ1-xＣｒxＳｉ((1-x)/10)Ｎ系について、硬さがコーティングの化学量論組成によって変化する様子を示す図である。すでに知られている硬さの主要な極大の他に、非常に高い（Ａｌ＋Ｓｉ）含量において予想外の第２の極大が観察された。ケイ素が加えられていない比較系Ａｌ1-xＣｒxＮの第２の曲線（本発明ではない）も同様の性質を示すが、硬さは全体に小さい。
図６は、Ａｌ1-xＺｒxＳｉ((1-x)/5)Ｎ系について、硬さがコーティングの化学量論組成によって変化する様子を示す図である。この曲線は、ドーパントの添加が８原子％未満の領域でさえこの系の全体的な硬さが得られることを示している。図７は、直径５ｍｍのむく超硬ドリルを使用した金属穴あけ試験の図である。試験条件は以下のとおり：焼きなました軟かい状態の冷間加工鋼Ｘ１５５ＣｒＶＭｏ１２−１（ＤＩＮ１．２３７９）に止まり穴（blind hole）をあける。穴の深さ１５ｍｍ、ｖｃ＝７０ｍ／分、送り＝０．１６ｍｍ／ｒｅｖ、内部冷却乳剤７％。図８は、堆積後および窒素雰囲気での８００℃、１時間の熱処理後における、本発明に基づく組成Ａｌ0.834Ｓｉ0.123Ｃｒ0.044Ｎ0.944の代表的なコーティングの斜入射Ｘ線回折図（grazing incidence X-ray diffraction diagram）である。この図は、この系に六方(hexagonal)相と立方（cubic）相が共存していることを示している。このナノコンポジット結晶構造の熱安定性は、高温での焼なましの前と後に観察された回折ピークの類似性によって証明される。
発明の実施形態の詳細な説明
層は主にアーク蒸着技術によって堆積形成した。ＡｌＮベースの層（ＡＮ−based layers）は、単一のターゲットから、または独立した複数のターゲットから調製することができる。至適な層はＡｌ1-xＭｅxＳｉyＮであり、至適なＭｅ含量は１から３原子％、Ｓｉ含量は３から１０原子％である（これはｘ＝０．０２〜０．０６、ｙ＝０．０６〜０．２０に相当する）。
層は主にアーク蒸着技術によって堆積形成した。ＡｌＮベースの層（ＡＮ−based layers）は、単一のターゲットから、または独立した複数のターゲットから調製することができる。至適な層はＡｌ1-xＭｅxＳｉyＮであり、至適なＭｅ含量は１から３原子％、Ｓｉ含量は３から１０原子％である（これはｘ＝０．０２〜０．０６、ｙ＝０．０６〜０．２０に相当する）。
単一カソード技術の一例を図１によって説明する。Ａｌ0.885Ｓｉ0.10Ｃｒ0.015ターゲット１０は主層の生成のために使用され、純粋なＣｒターゲット２０は、単独でまたはターゲット１０と組み合わせて、洗浄プロセスならびに接着用として、更に、任意に基礎層形成用として、使用される。
２つのカソードシステムを図２に示す。電極３０はＡｌＳｉ合金または純粋なＡｌからなり、金属電極４０は、イオン洗浄のため、任意選択のベース層の形成のために使用され、この電極は、主層Ａｌ1-xＭｅxＳｉyＮを生成するプロセス中に、ＡｌＳｉ（Ａｌ）とともに使用される。
（１原子％を大幅に下回る）あまりに低い金属ドーパント含量を選択するとプロセスは不安定になる。ＡｌまたはＡｌＳｉ金属の純度が最低でも９９．５重量％であり、示された不純物が主にＦｅである純粋なＡｌＮまたはＡｌＳｉＮ層の場合、窒素圧力２Ｐａ、アーク電流１００Ａにおけるアーク電圧は、このプロセスの間に３０Ｖから４０Ｖ超に増大し、このことはプロセス安定性とコーティング品質の両方に影響する。導電性窒化物または金属導電材料あるいはその両方の追加は、窒素雰囲気または窒素ベースの気体混合物雰囲気において、ＡｌＳｉまたはＡｌ材料の蒸着プロセスを安定させる。図３および図４に、純粋なＡｌ1-yＳｉyＮ層の断面を、Ａｌ1-xＣｒxＳｉyＮ層との比較において示す。この差は、プロセス中のこの層の不十分な導電率に起因すると考えられる。イオン衝撃が維持されず、このことが膜成長中の粗粒化を引き起こし、その結果、機械特性が不良になる。Ａｌ中にＣｒが１原子パーセント存在するＣｒＡｌターゲットの場合、プロセス中のアーク電圧の増大は１Ｖ以下と測定された。３原子パーセントのＣｒが存在すると、この材料は付着中に重大な電圧の増大を示さず、その結果、構造が均質になり、それによって、コーティングの使用にとって重要な良好な機械特性、すなわち耐摩耗性が得られる。
図５は、Ａｌ1-xＣｒxＳｉyＮまたはＡｌ1-xＣｒxＮ系について、硬さがコーティングの化学量論組成によって変化する様子を示し、図６（Ａｌ1-xＺｒxＳｉyＮ）は、他のドーパントの可能性およびより高いケイ素含量を示す。
表１に示すように、これらのコーティングの硬さが、堆積温度よりも高い温度で焼きなました後も安定しており、硬さが増大する場合さえあることは注目すべき発見である。
この安定性は、ＡｌＮ六方相と他の立方相の両方を含む（図８）この材料の２相構造によって説明することができる。このナノコンポジット（ナノ複合：nanoconposite）系は、不活性雰囲気での８００℃、１時間の焼なまし後も事実上変化しない。このことは、切れ刃のところが高温になる工具細工応用向けのコーティングとしてこのような化合物を使用するための進歩を意味する。
上記の４つの実施例のプロセスパラメータを以下の表に示す。
なお、本発明を実行するための実験条件は全般的に、同じ出願人によるＷＯ−Ａ−０２／５０８６５およびＥＰ−Ａ−１３５７５７７に開示されている。上記の文献は参照によって本出願の開示に包含される。
Claims (20)
- ＡｌxＳｉyＭｅzＮで表される組成の窒化アルミニウムを基礎とする硬い耐摩耗性被膜であって、ｘ、ｙおよびｚが原子分率を表し、その和が０．９５から１．０５であり、Ｍｅが、ＩＩＩからＶＩＩＩ族およびＩｂ族の遷移金属の構成員、及びこれらの構成員のうちの２つ以上の組合せからなる群の金属ドーパントであり、前記構成員が、前記金属ドーピングのない被膜よりも高い固有導電率を提供し、ケイ素含量が０．０１≦ｙ≦０．４であり、前記１つまたは複数の金属ドーパントＭｅの含量が、０．００１≦ｚ≦０．０８、好ましくは０．０１≦ｚ≦０．０５、最も好ましくは０．０１５≦ｚ≦０．０４５である被膜。
- 前記金属ドーパントまたは金属ドーパントの組合せＭｅが、ＩＩＩからＶＩ族の遷移金属およびＣｅの構成員である、請求項１に記載の窒化アルミニウムを基礎とする硬い被膜。
- 前記金属ドーパントまたは金属ドーパントの組合せＭｅが、ＶＩＩ、ＶＩＩＩまたはＩｂ族の遷移金属の構成員であり、好ましくはこれらの族の第１列（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ）およびＡｇの構成要素である、請求項１に記載の窒化アルミニウムを基礎とする硬い被膜。
- 前記金属ドーパントまたは金属ドーパントの組合せＭｅが前記被膜中に原子として分布した、請求項１から３のいずれかに記載の窒化アルミニウムを基礎とする硬い被膜。
- 前記金属ドーパントまたは金属ドーパントの組合せＭｅが窒化物の形態で前記被膜中に含まれる、請求項１から４のいずれかに記載の窒化アルミニウムを基礎とした硬い被膜。
- 前記金属ドーパントまたは金属ドーパントの組合せＭｅが金属の形態で前記被膜中に含まれる、請求項１から４のいずれかに記載の窒化アルミニウムを基礎とする硬い被膜。
- ケイ素含量が０．０５≦ｙ≦０．２０であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の窒化アルミニウムを基礎とする硬い被膜。
- ホウ素元素、炭素元素または酸素元素のうちの１つまたは複数の元素の２０原子％までの添加を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の被膜。
- 前記層の組成が、含まれる元素の少なくとも１つに関して、その厚方向にわたって化学的に徐々に変化することを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の窒化アルミニウムを基礎とする硬い被膜。
- 全体として多層構造またはナノ積層構造を形成する化学的に異なる一連の層からなることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の窒化アルミニウムベースの硬い被膜。
- 前記層の少なくとも一部が、少なくとも２つの相を含むナノコンポジット構造を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の窒化アルミニウムを基礎とする硬い被膜。
- 請求項１から１１のいずれかに記載の窒化アルミニウムを基礎とする硬い被膜を有する物品であって、前記被膜が、冷間加工鋼あるいはＨＳＳ工具鋼、超硬合金（ＷＣ／Ｃｏ）、サーメット、立方晶窒化ホウ素、ＰＣＤ、エンジニアリングセラミックなどの基板上に形成されており、ドリルでの穴あけ（drilling)、フライス削り（milling)、旋削（削り加工：turning)、リーマ加工（reaming)、ねじ切り（thread forming)、ホブ加工（hobbing)などの工具細工（tooling application）に適した物品。
- 前記被膜を付着させる前に前記層に接着境界層が形成され、前記基板がイオン衝撃洗浄によって前処理されることを特徴とする、請求項１２に記載の物品。
- 本発明の窒化アルミニウムベースの硬い被膜の付着の前に、遷移金属の窒化物、炭窒化物または酸窒化物を含む従来の硬い材料の基礎層が形成されることを特徴とする、請求項１２および１３のいずれかに記載の物品。
- 前記ベース層の厚さが少なくとも０．３μｍであり、前記ベース層の組成が、前記成分の少なくとも１つに関して化学的に徐々に変化することを特徴とする、請求項１４に記載の物品。
- 請求項１から１１のいずれかに記載の被膜を形成する方法であって、前記被膜がカソードアーク蒸着技術を使用して形成されることを特徴とする方法。
- 請求項１から１１のいずれかに記載の被膜を形成する方法であって、前記被膜がマグネトロンスパッタリング技術を使用して堆積形成されることを特徴とする方法。
- 請求項１から１１のいずれかに記載の被膜を形成する方法であって、前記被膜が、カソードアーク蒸着技術とマグネトロンスパッタリング技術の組合せを使用して形成されることを特徴とする方法。
- 前記付着が、少なくとも１つの円筒形カソードが内部に配置された真空付着室内で行われる、請求項１６から１８のいずれかに記載の方法。
- 前記被膜プロセス中に、被膜が形成される前記基板に、ＤＣまたは単極パルスＤＣの負バイアス電圧が印加され、前記基板、アノードおよび付着室の内壁の表面が、被膜プロセス期間の全体を通じて本質的に導電性を維持する、請求項１６から１９のいずれかに記載の方法。
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