JP2012520938A

JP2012520938A - 切削工具

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Publication number: JP2012520938A
Application number: JP2012500258A
Authority: JP
Inventors: アイブルオリファー; シーアファイト; エンゲルハルトボルフガンク
Original assignee: バルターアクチェンゲゼルシャフト
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2012-09-10
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: DE102009001675A1; WO2010106142A1; WO2010106142A8; EP2408945A1; CN102449186B; US20110311805A1; JP5782019B2; CN102449186A; KR20120000084A; US8691378B2; KR101563034B1; EP2408945B1; ES2681527T3

Abstract

本発明は、基板本体とそれに付着された単層または多層コーティングを有する切削工具に関する。コーティングの少なくとも１つの層はＰＶＤ法またはＣＶＤ法において作製された金属酸化物層であり、その金属酸化物層は粒子構造を有し、多数の存在する粒子構造の無秩序内に存在し、その粒子構造の無秩序は、点形状反射が最大格子面間隔ｄ_Grenzまで粒子の電子線回折画像において生じ、そしてｄ_Grenzより大きい格子面間隔では点形状反射は生じないが、アモルファス構造の代表的な強度分布を生じることを特徴とする。

Description

本発明は、基板本体およびそれに付着された単層または多数のコーティングを有する切削工具に関し、コーティングの少なくとも１つの層はＰＶＤ法またはＣＶＤ法で製造される金属酸化物である。

切削工具は、たとえばカーバイド金属（carbide metal）、サーメット、鋼又は高速度鋼で作製された基材本体からなる。耐久性を増加させるために、または切削特性を向上させるために、基材本体に単層又は多層のコーティングを付着させることが多い。このコーティングは、たとえば、超硬合金材料層、酸化物層などを含む。ＣＶＤ法（化学蒸着）、および／またはＰＶＤ法（物理蒸着）がコーティングを付着させるのに使用される。コーティング内の多数の層は、ＣＶＤ法単独、ＰＶＤ法単独、またはこれらの方法の組み合わせで、付着され得る。

ＰＶＤ法に関して、たとえば、マグネトロンスパッタリング、アーク蒸着（ＡｒｃＰＶＤ)、イオンプレーティング、電子線蒸着、およびレーザーアブレーションのような方法において、種々の方法が差別化されている。マグネトロンスパッタリングとアーク蒸着が、工具をコーティングするのにＰＶＤ法の中で最もよく用いられる。各個別のＰＶＤ法の中で種々なものがあり、たとえば、非パルス又はパルスマグネトロンスパッタリング、非パルス又はパルスアーク蒸着のような異なる種類がある。

ＰＶＤ法におけるターゲットは、純金属、または２種以上の金属の組み合わせを含み得る。ターゲットが多数の金属を含む場合、それらの全ての金属は、ＰＶＤ法を行う間に作製されるコーティング層に同時に取り込まれる。作製された層における金属間の量比は、ターゲット中の金属の量比に依存するが、所定の条件下では個別の金属が比較的大量にターゲットから放出され、および／または他の金属よりも大量に基材上に堆積されるので、ＰＶＤ法の条件にも依存する。純金属のほかに、酸化物、窒化物、炭化物形態の金属またはそれらの混合物もターゲットに用いられる。

所定の金属化合物を製造するために、ＰＶＤ法の反応室へ反応ガスが供給され、たとえば、窒化物を製造するために窒素、酸化物を製造するために酸素を、炭化物を製造するために炭素含有化合物を、混合化合物を製造するために炭窒化物、酸炭化物など、対応するガスの混合物、が供給される。

PVD法においては、成長プロセスのために必要な表面エネルギー、および原子の運動性を得るために、コーティングされる基板にいわゆるバイアス電位が印加されるのが通常である。このエネルギーは、成長層で結晶構造を得るために必要である。多くの金属酸化物化合物に適用されるPVD 法を用いて絶縁層を付着させるとき、その層材料の絶縁性のために、層の厚みを増加させる成長プロセスの間に、効果的に印加されるバイアス電位は低減され、層表面の成長条件を悪化させ、最終的には非晶質構造が集中して、または主として成長する結果となる。

Ramm, J. et al., Pulse enhanced electron emission (P3e：商標) arc evaporation and the synthesis of wear resistant Al-Cr-O coatings in corundum structure, Surface & Coatings Technology 202 (2007), 876-883頁には、パルスアーク蒸着（アークPVD）による酸化アルミニウム−酸化クロム層の堆積が記載されている。この堆積層は、まず混合結晶構造を示す。

Teixeira, V. et al., Deposition of composite and nanolaminate ceramic coatings by sputtering, Vacuum 67 (2002), 477-483頁には、マグネトロンスパッタリングによるナノメーター範囲の薄い酸化ジルコニウム／酸化アルミニウム層の堆積が記載されている。その層は酸化ジルコニウムの結晶成分を示すが、酸化アルミニウムはアモルファス成分のみである。

Trinh, D. H. et al., Radio frequency dual magnetron sputtering deposition and characterization of nanocomposite Al203 - ZrO2 thin films, J. Vac. Sc. Techn. A 24(2), March/April 2006, 309-316頁には、マグネトロンスパッタリングによるナノメーター範囲の非常に薄い酸化ジルコニウム／酸化アルミニウム層の堆積が記載されている。これは正方晶酸化ジルコニウムの結晶成分を示すが、酸化アルミニウムはアモルファス成分のみを示す。

ＷＯ−Ａ−２００７/１２１９５４は、マグネトロンスパッタリングにより基板上に硬い物質層を作製するのを記載し、その硬い物質層は金属元素Ａｌ，ＣｒおよびＳｉ，ならびにＢ，Ｃ，ＮおよびＯの群からの非金属元素を含む。非金属元素における酸素の原子％は、３０％より大きい。硬い物質層はＡｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｏ系における結晶相および/または混合相を含む。空間群Ｆｄ３ｍの立方晶相および空間群Ｒ−３Ｃの六方晶相が形成され得る。

ＥＰ−Ａ−１０２９１０５およびＥＰ−Ａ−１２５３２１５は、カーバイド金属、サーメットまたはセラミック体および硬く、耐摩耗性、耐熱性で、ＤＭＳ（デュアルマグネトロンスパッタリング）−ＰＶＤ法を用いて堆積された、コーティングを有する金属加工用の切削工具について記載する。そこでは、少なくとも１つの層および好ましくは最外層はＡｌ２Ｏ３を含み、存在するとすれば、さらなる層は工具本体とＡｌ_２Ｏ_３の間に、金属元素Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｖ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｗおよび/またはＡｌの金属窒化物および/または炭化物から作製される。Ａｌ_２Ｏ_３層は、密な、微粒子の、結晶性γ−Ａｌ_２Ｏ_３を含み、γ−系列からの他の相を含み得る。

このように、純粋に結晶性および純粋にアモルファス系、ならびにアモルファスマトリックス中に結晶粒子を有する系は、現在の技術水準から知られている。結晶性相は公知の結晶系の２元系または混合結晶を含む。

Ｘ線および電子線回折は、結晶構造において発生する格子面間隔（ｄ−値）を決定しおよび/またはアモルファス構造を示すために金属酸化物相を調べる方法として用いられる。この点で電子線回折は、１０〜５０ｎｍの粒径を含む無秩序粒子を調べるために比較的低波長のためにＸ線回折よりも有利である。

本発明の目的は、現在の技術水準に比べて改良された、コーティングされた切削工具を提供することであり、特に、同様のコーティング構造を含む切削工具と比較して、もっと高いレベルの硬さ、改良された摩耗特性および/または改良された（低減した）熱伝導度を有する。

本発明による目的は、基板本体とそれに付着された単層または多層コーティングを有する切削工具により達成され、そこではコーティングの少なくとも１つの層はＰＶＤ法またはＣＶＤ法において作製された金属酸化物層であり、その金属酸化物層は粒子構造を有し、多数の存在する粒子構造の無秩序内に存在し、粒子構造の無秩序は、点形状反射が最大格子面間隔ｄ_Grenzまで粒子の電子線回折画像において生じ、そしてｄ_Grenzより大きい格子面間隔では点形状反射は生じないが、アモルファス構造の代表的な強度分布を生じることを特徴とする。

本発明による酸化アルミニウム層の回折画像を示す。

電子線回折の好適な方法は、透過電子顕微鏡（TEM）であるが、電子線回折画像を得る他の方法も公知であり、適切である。

アモルファス構造の代表的な強度分布は拡散といわれる。本発明による構造を有し、多数存在する粒子について言及すると、それは同一相における他の粒子に対して優勢な数を意味し、好適には５０％超、特に好適には７０％超、そしてもっと特に好適には９０％超である。

金属酸化物における本発明の粒子構造の電子線回折像は、ｄ‐値（格子面間隔）について、そして無秩序を含む本発明の結晶構造に関して金属酸化物層の粒子について評価された。点形状反射は、所定のｄ−値（ｄ_Grenz）までのみに生じ、ｄ_Grenzを超える、もっと大きな格子面間隔ｄ（比較的低い散乱角度）については環状に配置される点形状反射は観察されなかったが、散乱電子に関しては、アモルファス構造でみられるような、強度分布があることがわかった。

実験的に得られたｄ−値を期待され得るｄ−値（各化合物について表の形で利用し得る（たとえばICSDデータベース））と比較して、ｄ_Grenzよりも多いｄ−値を有するべきである反射が欠けていることが確認された。

ｄ_Grenzよりも大きい格子面間隔で、少なくとも同一化合物の秩序構造で期待され、または見出される、少なくとも１つの反射は本発明による構造の回折画像において欠けていた。

本発明の金属酸化物層の結晶構造を代表する回折画像は、酸化アルミニウム層について図１に示される。そのｄ−値ｄ_Grenzはプロットされ、環上に配置された点形状反射は、ｄ−値がｄ＜ｃについてのみ観察される。回折画像において、ｄ−値は環の中央点またはディスク形状反射のほうへ生じる。

表１はγ−酸化アルミニウムについて期待されるｄ−値と比較して実験的に測定されたｄ−値を下に示す。この場合、ｄ_Grenzは０．２ｎｍであり、γ−酸化アルミニウム結晶構造について生ずべき、格子面間隔＞０．２ｎｍを有する反射は観察されなかった。

限界値ｄ_Grenzは、電子顕微鏡回折画像から正確に測定され得、金属酸化物層における結晶構造の無秩序を定量化することを可能にする。金属酸化物層における粒子が実際に長範囲の秩序（long-range order）を欠く構造を含むことの証拠は、環上に配置された点形状反射が回折画像（ｄ＜ｄ_Grenz）の領域で生じ、アモルファス構造の代表的な強度プロフィールが補足的画像領域（ｄ＞ｄ_Grenz）で生じること、さらには粒子は回折画像の画像領域で粒子容積に比較して強度分布を与えることにより提供される後者はTEMにおける暗視野画像により示された。

本発明による工具のコーティングに存在する金属酸化物層は新規な構造を有し、電子線回折、好ましくは透過電子顕微鏡（TEM）、ならびにX線回折（XRD）とのの組み合わせにより検出されるのが最良である。新規な構造の粒子構造内に構造無秩序が存在することを見ることができるが、それにもかかわらずある種の長い範囲の秩序または結晶性であり得る。あるいはさらに、新規な構造は、X線回折（XRD）および硬さ測定の組み合わせにより示され得る。XRDにおいて、新規構造はほとんど示さないが、幅広い反射および非常に高レベルのバックグラウンド強度を示す。同一組成の純粋にアモルファス構造よりも著しく大きな硬さである。しかし、請求項の記載のとおり、新規構造は電子回折データにより規定される。

電子線回折の結果に関して、本発明による金属酸化物層の規定は、純粋に結晶または多結晶の構造から、アモルファス構造から、またはアモルファスマトリックス中の多結晶成分を有する構造から、本発明による金属酸化物層の粒子と区別する。本発明による金属酸化物層または金属酸化物層中の粒子構造の電子線回折画像は、前述の構造のものと対応しないが、アモルファスマトリックス中の多結晶成分を有する構造におそらく類似する。しかし、このような構造の場合において、結晶成分がアモルファス領域内に、またはアモルファス領域の側に、埋め込まれていることが注目される。このような構造の電子線回折画像は、ここで特徴において、本発明の構造の電子線回折画像と異なるので、当業者には明確な区別が容易に可能である。

本発明者は、理論に拘束されることを望まないが、本発明の構造の特異性は、電子線回折画像の結果のとおり、個々の粒子は結晶構造の代表的な電子線回折反射、ならびに非結晶構造の代表的な電子線回折反射の両方を示す事実に見られる。それは粒子における「構造的無秩序」として、理解され、言及される。そうでないと結晶性に見える。

驚くべきことに、本発明による構造は、基板本体のコーティング、したがって工具全体、に関して少なくとも２つの有利な特性を含む。本発明の金属酸化物層のコーティングは、同じまたは類似の組成と厚さを有するが、特徴的な構造無秩序を有しない、結晶金属酸化物層よりもかなり高レベルの硬さ（ビッカース硬さ）を含み得、または特徴的な電子線回折結果を与え得る。本発明の好適な態様において、少なくとも１つの金属酸化物層は、同じ組成と厚さの、純粋に結晶性の金属酸化物層と比較して、１０％、好ましくは２０％、さらに好ましくは４０％、特に好ましくは７０％も高いビッカース硬さを有する。

たとえば、１７００ＨＶのビッカース硬さは、ＣＶＤにより堆積された、粗結晶性の酸化アルミニウム（厚さ３μｍ；本発明によらない）について測定された。比較のために、本発明による、同一の厚さ（３μｍ）の酸化アルミニウム層がデュアルマグネトロンＰＶＤ法により堆積され、２３００ＨＶのビッカース硬さが測定された。本発明による酸化アルミニウム−クロム層の場合には、混合ターゲット（Ａｌ７０原子％およびＣｒ３０原子％）を用いて、デュアルマグネトロンＰＶＤ法により堆積され、３８００ＨＶのビッカース硬さが測定された。

電子線回折画像において、本発明による構造は、同一の化学組成と層厚さを有するが本発明によらない構造から明確に区別され得、対応する結晶性または粗結晶性の構造と比較して、著しい硬さの増加を示す。

理論に拘束されることを望まないが、本発明による層の硬さの特別な増加を、現在の技術水準による結晶性層またはアモルファスマトリックス中に結晶を有する層と比べて、格子面の相対的なすべり性の変化とともに説明する。本発明による結晶系において、塑性変形は互いの結晶格子面の滑りにより生じ、そこでは最密充填構造における格子面は特に好適な滑り面である。重大な無秩序による格子構造の崩壊は、格子面の滑り運動が生じさせること、その結果、変形能力を減少させて硬さを増加させること、をもっと困難にする。

さらに、本発明による層は、純粋に結晶性の系と比べてもっと低い度合いの熱伝導度を示し、工具の耐久性についてかなりの利点を与え得る。電子拡散およびＸＲＤ測定の結果に関して、発明者は対応する純結晶性の系と比較して、熱伝導度の低減を説明する。粒子における構造無秩序は、乱された構造中の減少した自由行路長さのために、増加したフォノン散乱をもたらす。測定は、本発明によるAl₂O₃層がCVD法を用いて堆積された粗結晶性Al₂O₃層よりも約１０％低い、熱伝導度を有することを示した。したがって、本発明の好適な態様において、少なくとも１つの金属酸化物層は、同一の組成と厚さの純結晶性金属酸化物層と比較して、少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％、特に好ましくは少なくとも１５％低い、熱伝導度を有していた。

さらに、本発明の有利な態様は以下に示される。

１つの態様において、金属酸化物層は、酸化アルミニウム、酸化アルミニウム−クロム、酸化アルミニウム−クロム−ケイ素、酸化クロム、酸化ケイ素、酸化イットリウム−ジルコニウム、酸化イットリウム−ジルコニウム−クロム；もしくはAl,Cr,Y,V,W,Ni,Ta,Mo,Zr,Hfおよび/またはSi金属の混合（mixed）酸化物；の粒子を含み、または金属酸化物層は、これらの物質の粒子からなる。

本発明のさらなる態様において、金属酸化物層は、さらに不可避の不純物および/または製造に起因する残渣、好適にはアルゴン（Aｒ）、窒素（N₂）および/またはヘリウム（He）を含む。

望ましくは、本発明による金属酸化物層の粒子は２ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲の平均粒径を有し、好ましくは５ｎｍ〜２０００ｎｍ、さらに好ましくは１０ｎｍ〜１０００ｎｍ、特に好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍである。

有利には、本発明による少なくとも１つの金属酸化物層は、次のパラメータを有するデュアルマグネトロンＰＶＤ法により堆積され得る：
基板温度３００〜８００℃、好ましくは４５０〜６５０℃、特に好ましくは約５５０℃
基板バイアス −３００〜０Ｖ、好ましくは約−１５０Ｖ
電力５〜５０ＫＷ、好ましくは約２０ＫＷ
酸素流５０〜３００sccm、好ましくは１５０sccm（Ａｒガス０．２〜０．６Ｐａ）
本発明のさらなる態様において、少なくとも１つの金属酸化物層の厚さは、０．２〜２０μｍの範囲、好ましくは０．５〜１０μｍの範囲、特に好ましくは１〜５μｍの範囲である。

本発明による、少なくとも１つの金属酸化物層は、ＰＶＤプロセスにより製造されるのが好適であり、特に好ましくは高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、反応マグネトロンスパッタリング（ｒＭＳ）, アーク蒸着（アークＰＶＤ）, イオンプレーティング, 電子ビーム蒸着, およびレーザーアブレーションから選択される。

本発明のさらなる態様において、少なくとも１つの金属酸化物層のほかに、コーティングは、元素周期系のIVaからVIIa族の元素および／またはアルミニウムおよび／またはケイ素の元素の、カーバイド, 窒化物, 酸化物, 炭窒化物, オキシ窒化物, オキシカーバイド, オキシ炭窒化物, ホウ化物, ホウ素窒化物, ホウ素カーバイド,ホウ素炭窒化物, ホウ素オキシ窒化物, ホウ素オキソカーバイド, ホウ素オキソ炭窒化物, およびオキソホウ素窒化物、ならびに前記化合物の混合金属相の相混合物から選択された層をさらに含む。

本発明のさらなる態様において、基板本体は、カーバイド金属、サーメット、スチールまたは高速度鋼 (ＨＳＳ)から製造される。

測定法
１．電子線回折（ＴＥＭ）
ここで電子線回折について言及されるとき、次の条件、測定パラメータ、装置等で実行された。
透過型電子顕微鏡：
ａ）Zeis 912 Omega
Source LaB6
電子線回折用微細領域絞り：７５０ｎｍ、または
ｂ）Jeol 2000FXＩＩ
Source LaB6
電子線回折用微細領域絞り：２００ｎｍ
試料調製：平行な表面
コーティングされた基板本体を用いて、堆積層を有する厚さ３００μｍの試料が製造され、基板表面に平行に、１００μｍまで薄くし、超音波コアホール穴あけで形状に切削し、研磨ホルダー上にコーティング面を密着した。ついで、試料は、基板側が種々の粒径（５０μｍ、２５μｍ、９μｍ、および３μｍ）で、ダイアモンド膜上で研磨することにより２０μｍに手作業で薄くした。Al環が密着され、試料は、アルゴンイオンで基板側から４ＫＶ、２５ｍＡでイオンエッチング装置（Baltec RES 100）内でエッチングされ、電子透過性となるまで薄くされた。
試料調製：断面
コーティングされた基板本体を用いて、堆積されたコーティングを有し、残り厚さ１ｍｍの試料が基板表面に平行な基板材料を分離することにより製造された。１ｍｍ厚さの、２つの残り部分が表面（コーティングの外側；対向して）で一緒に密着され、小さな細片部分はサンドイッチから切り出され、その細片部分は小さな管部分に埋め込まれる。管部分はディスク状に切り出され、そのディスクはダイアモンド膜で両側から研磨され、両側が凹む。エッチングは４ＫＶ、２５ｍＡでイオンエッチング装置ＰＩＰＳを用いて両側から作用される。
２．ＸＲＤ
ここでＸＲＤ測定について言及されるとき、次の条件、測定パラメータ、装置等で実行された。

ＸＲＤ測定は、コバルトカソード、アノード電圧３０ｋＶ，アノード電流３０ｍＡ、グラファイトプライマリーモノクロメーターで照射源を用いて、Brukerから入手したマイクロ回折計で実施された（Ｃｏ−Ｋα照射のみが照射源から使用される）。検出器はBruker XAS D8-GADDS Discovery Detectorであった。Ｘ線は、モノキャピラリーで、３００μｍ径にフォーカスされた。

測定の構造：斜め入射（入射角一定、ブラッグ角は変動）
３．ビッカース硬さの測定
ここでビッカース硬さ測定について言及されるとき、次の条件、測定パラメータ、装置等で実行された。

硬さ測定は、負荷時間1分（負荷速度＝１５ｍN/分）で、試験負荷１５ｍNで、Fischerscope H100 （Helmut Fischer GmbH, Sindelfingen,ドイツ国）を用いて実施された。ビッカースピラミッドは、試験チップとして使用された。浸透深さの解像度は±２ｎｍであり、負荷の解像度は±0.04ｍNであった。測定の前に、試料は表面粗さのため研磨され、そして消磁された。
４．熱伝導度の測定
ここで熱伝導度測定について言及されるとき、次の条件、測定パラメータ、装置等で実行された。

熱伝導度測定のために、コーティングを有する基板は、表面の1つを８１℃に均一加熱される。ついで、加熱は終了し、基板は良好な熱伝導体である大きな金属部分にコーティングされた側で付着される。基板は測定操作時に熱槽として作用する。良好な熱伝導体である、大きな金属部分は、金属加熱温度未満、好ましくは大気温度である、大略一定温度で加熱浴として作用する。熱流は、コーティングを通って熱槽から熱浴に流れ、それにより基板は冷却される。測定値は、時間の関数として、コーティングから離れる基板側についての基板温度である。熱伝導定数は冷却曲線から決定される。実験は、比較されるべき種々の層について同一条件下で実施された。

本発明の新規なコーティングは、切削工具の耐摩耗性、耐用年数、および/または切削性能を改良し、および/または適用することが可能な、幅広いスペクトルを示す。

切削工具のコーティングの耐磨耗性、耐用年数および切削性能は、例えば切削工具本体の材料、コーティング層の順序、性質および組成物、様々な層の厚さ、およびその切削工具で実施される切削操作の性質、のような種々の要因に依存する。異なるレベルの耐摩耗性が、１つで同一の切削工具から生じ、加工されるべき工作物の性質、それぞれの加工プロセス、およびたとえば高温の発生または腐食性冷却液の使用のような加工操作時のさらなる条件、に依存する。さらに、工具の使用期間に影響し得る、異なる種類の磨耗、すなわち耐用年数、の間で差別が付けられ、多かれ少なかれ、加工操作に依存する。したがって、切削工具のさらなる開発と改良は、どの工具特性が改良されるべきか、そして現在の技術水準に関して比較し得る条件下で評価されるべきか、に関連していつも考慮されるべきである。

切削工具の基本的特性は、コーティングの硬さであり、同じ材料のコーティングを有する、現在の技術水準と比較して、本発明によるコーティングにより改良される。本発明によるコーティングの著しく高い硬さは、独特の構造特性により、ＴＥＭ測定にしたがって、本発明によるコーティングについて見出される。

金属酸化物層および通常、それとともに層全体の、熱伝導度の低減は、驚くべきことに本発明によるコーティングにより達成され、金属および複合材料の切削加工における切削工具の使用に非常にポジティブな作用をもたらす。低減した熱伝導度は、改良された耐熱衝撃性、ひいては増大した、くし状クラックに対する耐性をもたらす。

本発明による実施態様についてここで記載された全ての個々の特徴は、技術的に意味があり実施可能であるかぎり、本発明による実施態様の記載されている他の全ての特徴と組み合わせることができ、そのような組み合わせが記載の文脈中に開示されているとみなすことは、自明である。したがって、全ての可能な組み合わせのそれぞれを確認することは、読みやすくするという理由から省略されているにすぎない。

さらなる本発明の利点、特徴および実施態様は、以下の実施例により記載される。

例
カーバイド金属基板が、ＰＶＤコーティング装置（Flexicoat; Hauzer Techno Coating BV, Venlo,オランダ国）を用いてデュアルマグネトロンプロセスで単層コーティングされた。基板の形態はSEHW 120408またはADMT 160608-F56 (DIN-ISO 1832による)であった。層の堆積の前に、装置は１×１０^−５mbarに排気され、カーバイド金属表面は１７０Ｖバイアス電圧でアルゴンイオンエッチングにより洗浄された。
例１
金属酸化物：Al₂O₃
−PVDプロセス：デュアルマグネトロン
−ターゲット：Al長方形ターゲット（８１ｃｍ×１６ｃｍ）
−堆積：基板温度：５５０℃
基板バイアス電圧：−１５０ボルト（DCパルス１００KHｚ、２μｓオフタイム）
電力：２０ＫＷ
酸素流：１５０sccm（Ａｒガス０．６Pa）
層厚さ：２．１μｍ
比較例１
金属酸化物：Al₂O₃
−PVDプロセス：シングルマグネトロン
−ターゲット：Al長方形ターゲット（８１ｃｍ×１６ｃｍ）
−堆積：基板温度：５５０℃
基板バイアス電圧：−１２０ボルト
電力：１０ＫＷ
酸素流：１５０sccm（Ａｒガス０．６Pa）
層厚さ：１．９μｍ
例２
金属酸化物：（Al,Cr）₂O₃
−PVDプロセス：デュアルマグネトロン
−ターゲット：Al/Cr−(70/30 原子％)長方形ターゲット（８１ｃｍ×１６ｃｍ）
−堆積：基板温度：５５０℃
基板バイアス電圧：−１００ボルト（DCパルス７０KHｚ、４μｓオフタイム）
電力：２０ＫＷ
酸素流：１５０sccm（Ａｒガス０．２Pa）
層厚さ：３．３μｍ
比較例２
金属酸化物：（Al,Cr）₂O₃
−PVDプロセス：アーク蒸着
−ターゲット：Al/Cr−(70/30 原子％)円形ソース（径１６ｃｍ）
−堆積：基板温度：５５０℃
蒸発器電流：２×１６０Ａ
バイアス電圧：−６０ボルト（双極）
酸素流：５００sccm（Ａｒガスなし）
層厚さ：２．５μｍ
ＴＥＭ測定の結果は、例１および２によるAl₂O₃および（Al,Cr）₂O₃の層は、本発明による構造を有し、そこでは大部分の粒子内で構造的無秩序があることを示すが、それにもかかわらず長範囲の秩序または結晶性がある。ＸＲＤにおいて、コーティングは、ほとんどないがブロードな反射を示し、そしてバックグラウンドに関して非常に高いレベルの強度を示す。

それに対して、ＴＥＭおよびＸＲＤ測定の結果は、比較例１によるAl₂O₃層が完全にアモルファスであり、比較例２による（Al,Cr）₂O₃層は結晶性であることをさらに示した。

例および比較例による層のビッカース硬さを測定する操作は、本発明による構造が同一組成のアモルファス構造よりも著しく高レベルの硬さを有することを示した（表２参照）。

熱伝導度
上述の方法にしたがって、層厚さに関して、例１によるAl₂O₃コーティングの熱伝導度はＣＶＤプロセスで堆積された粗結晶性のα−Al₂O₃コーティング（層厚さ：５μｍ）と比較された。例１による本発明のAl₂O₃コーティングの熱伝導度は、ＣＶＤプロセスを用いたコーティングの熱伝導度よりも約１０％低かった。
ミル加工試験
42CrMoV4 スチール (1.7226；強度: 850 MPa)を含む工作物のミル加工試験において、例および比較例の切削工具が試験された。これらの試験において、ミル加工は、ダウンカットモードで、冷却潤滑剤なしに、切削速度Vc = 235m/分、刃送りf_ｚ = 0.2 mm／刃および切削深さ３mmで行った。工具径は125mm、切削幅は98mm、張り出しは５mm、傾斜角κは４５度、そして前方傾斜角は０度であった。磨耗は、逃げ面で、（主切刃における）平均磨耗マークの幅VB mmとして、800mm、1600mm、2400mm、3200mm、4000mm、および4800 mmの距離のミル加工後に、測定された。以下の磨耗マークの幅V_Bmaxが見られた（表３）。

Claims

基板本体とそれに付着された単層または多層コーティングを有する切削工具であり、コーティングの少なくとも１つの層はＰＶＤ法またはＣＶＤ法において作製された金属酸化物層であり、その金属酸化物層は粒子構造を有し、多数の存在する粒子構造の無秩序内に存在し、
その粒子構造の無秩序は、点形状反射が最大格子面間隔ｄ_Grenzまで粒子の電子線回折画像において生じ、そしてｄ_Grenzより大きい格子面間隔では点形状反射は生じないが、アモルファス構造の代表的な強度分布を生じることを特徴とする、切削工具。
点形状反射が粒子の電子線回折画像において生じる最大格子面間隔ｄ_Grenzが０．１ｎｍ〜０．６ｎｍの範囲、好ましくは０．１５ｎｍ〜０．４０ｎｍの範囲である請求項１に記載の切削工具。
少なくとも１つの金属酸化物層が、同一の組成と厚さの、純結晶性金属酸化物層と比較して、少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％、特に好ましくは少なくとも１５％低い、熱伝導度を有する請求項１または２に記載の切削工具。
少なくとも１つの金属酸化物層が、同じ組成と厚さの、純結晶性金属酸化物層と比較して、１０％、好ましくは２０％、さらに好ましくは４０％、特に好ましくは７０％高いビッカース硬さを有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削工具。
金属酸化物層が、酸化アルミニウム、酸化アルミニウム−クロム、酸化アルミニウム−クロム−ケイ素、酸化クロム、酸化ケイ素、酸化イットリウム−ジルコニウム、酸化イットリウム−ジルコニウム−クロム；もしくはAl,Cr,Y,V,W,Ni,Ta,Mo,Zr,Hfおよび/またはSi金属の混合酸化物；の粒子を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具。
金属酸化物層は、さらに不可避の不純物および/または製造に起因する残渣、好適にはアルゴン（Aｒ）、窒素（N₂）および/またはヘリウム（He）を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の切削工具。
金属酸化物層の粒子は、２ｎｍ〜５０００ｎｍ、好ましくは５ｎｍ〜２０００ｎｍ、さらに好ましくは１０ｎｍ〜１０００ｎｍ、特に好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の平均粒径を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の切削工具。
少なくとも１つの金属酸化物層は、次のパラメータを有するデュアルマグネトロンＰＶＤ法により堆積され得る請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削工具。
基板温度４５０〜６５０℃、好ましくは約５５０℃
基板バイアス −３００〜０Ｖ、好ましくは約−１５０Ｖ
電力５〜５０ＫＷ、好ましくは約２０ＫＷ
酸素流５０〜３００sccm、好ましくは１５０sccm（Ａｒガス０．２〜０．６Ｐａ）
少なくとも１つの金属酸化物層の厚さは、０．２〜２０μｍの範囲、好ましくは０．５〜１０μｍの範囲、特に好ましくは１〜５μｍの範囲である請求項１〜８のいずれか１項に記載の切削工具。
少なくとも１つの金属酸化物層は、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、反応マグネトロンスパッタリング（ｒＭＳ）, アーク蒸着（アークＰＶＤ）, イオンプレーティング, 電子ビーム蒸着, およびレーザーアブレーションから選択されるＰＶＤプロセスにより製造される請求項１〜９のいずれか１項に記載の切削工具。
少なくとも１つの金属酸化物層のほかに、コーティングは、元素周期系のIVaからVIIa族の元素および／またはアルミニウムおよび／またはケイ素の元素の、カーバイド, 窒化物, 酸化物, 炭窒化物, オキシ窒化物, オキシカーバイド, オキシ炭窒化物, ホウ化物, ホウ素窒化物, ホウ素カーバイド,ホウ素炭窒化物, ホウ素オキシ窒化物, ホウ素オキソカーバイド, ホウ素オキソ炭窒化物, およびオキソホウ素窒化物、ならびに前記化合物の混合金属相の相混合物から選択された層をさらに含む請求項１〜１０のいずれか１項に記載の切削工具。
基板本体は、カーバイド金属、サーメット、スチールまたは高速度鋼 (ＨＳＳ)から製造される請求項１〜１１のいずれか１項に記載の切削工具。