JP6876611B2 - 高強度鋼の冷間金属加工のための高性能コーティング - Google Patents

Description

本発明は、特に、しかし限定的ではなく、高強度鋼の金属シートの冷間加工のために用いられ得る加工工具および加工部材等の、高強度鋼の冷間加工のために用いられるダイスおよびパンチのような、加工工具または加工部材の表面上に塗布されるコーティングに関する。

本発明は、特に、ＣｒＮを備える下層と、ＴｉＣＮを備える上層とを備えるコーティングでコーティングされる基板表面を有する、冷間加工工具および冷間加工部材に関する。前記下層は、前記上層よりも基板表面の近くに堆積される。下層は、好ましい（２００）配向を有する立方晶構造を示す酸素に富んだ窒化クロムからなり、上層３０は水素に富んだ炭窒化チタンからなる。

本発明はさらに、本発明のコーティングを堆積するためのコーティング方法に関する。

従来技術
先進高強度鋼（ＡＨＳＳ）は、〜５５０ＭＰａから１０００ＭＰａを超える範囲の非常に高い引っ張り強度を示し、今日たとえば自動車産業の用途等の多くの産業用途で使用される。

高強度鋼を加工することは、研磨磨耗および凝着摩耗の両方に関する特に高い摩耗耐性、ならびに優れた疲労耐性を示す加工部材または加工工具の使用を要求する。

高強度鋼の冷間加工を改善するために、現在かなりの量の表面処理および／またはコーティング溶液が市販されている。これらの解決策は、たとえば、プラズマまたは低圧窒化プロセスのような異なる窒化方法を用いる表面の硬化と、ＰＶＤ、ＣＶＤおよび他の堆積方法によって製造されるアルミニウムクロムとアルミニウムチタンとの複合合金によるコーティングとを備える。しかしながら、これらの解決策のいずれも、特にＡＨＳＳの冷間加工およびＨＳＬＡ（高強度低合金鋼）の冷間加工のための疲労耐性および摩耗耐性に関する要件を増大させることを伴う、現在の要求を満たさない。

一方で、窒化プロセスを用いる前述の表面硬化方法は、Ｆｅ_2-3Ｃを備える化合物層の形成および層間剥離を頻繁にもたらす。他方では、それらの単独での状況における既知のコーティングの使用は、ＡＨＳＳの加工のために必要なほど十分に優れているわけではない。より賢い解決策は、表面硬化処理（たとえば窒化）および保護コーティング層（たとえばＰＶＤ−、ＣＶＤ−、または類似の製造された層）の組み合わせであり得る。

この点について、Ｅｓｃｈｅｒら（第６回国際工具会議議事録、２００２、カールスタート、ＩＳＢＮ ９１８９４２２８２１、９７８９１８９４２２８２７、７７１頁）は、シート金属加工用途のための主な要件として、低摩擦係数および低表面粗さを有するＰＶＤコーティングを用いることによる凝着摩耗の低減を確認する。Ｅｓｃｈｅｒらによれば、たとえば窒化による、または硬質の保護ＰＶＤコーティングを適用することによる工具の表面硬化は、工具の凝着摩耗に対して有利であると考えられる。Ｅｓｃｈｅｒらは、様々なＣＶＤおよび／またはＰＶＤコーティングで低摩擦および高硬度を達成するためのいくつかの試みを開示する。表面硬化は、ＣＶＤ炭化チタン（ＴｉＣ）層を適用することによってうまく増大される。凝着摩耗はＣＶＤ−ＴｉＣとＣＶＤ−窒化チタン（ＴｉＮ）層とからなる二層コーティングを用いることによって低減されることができる。靱性は、別の方法で堆積されるいくつかのＣＶＤ−ＴｉＣ層とＣＶＤ−ＴｉＮ層とからなる多層コーティングを用いることによって、明確に影響され得る。これらのコーティングは、ＣＶＤコーティングプロセスの間に必要な高温のために、工具鋼上にほとんど適用され得ないので、ＰＶＤの低温プロセスルーチンが評価される。Ｅｓｃｈｅｒらによれば、ＰＶＤ−ＴｉＮコーティングは約２４００ＨＶの不十分な低硬度を示し、約３０００ＨＶの硬度を示すＰＶＤ炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を加工するために炭素の添加によって増大され得る。さらに、Ｅｓｃｈｅｒらは、約２０００〜２２００ＨＶであるＰＶＤ窒化クロム（ＣｒＮ）コーティングの低硬度にもかかわらず、この種類のコーティングが約６〜９μｍの増大されたコーティング厚さを有する工具表面上に堆積する場合、この種類のコーティングは将来有望であると考えられ得る。

しかしながら、Ｅｓｃｈｅｒらによって提案されたものではないコーティングは、今日いくつかの産業用途（たとえば、自動車用途）において用いられる冷間金属加工プロセスの高く求められる要件を満たすことができ、したがって、満足な解決策を提供するコーティングを発展させることは、工具産業にとって最優先である。

より最近は、Ｊａｎｏｓｓらは、ＷＯ２０１４／０６５８９２において、ＡＨＳＳ合金の加工のために用いられる金属加工部材の性能を向上させるための保護コーティングシステムの使用を提案する。提案されたコーティングシステムは、疲労耐性、摩耗耐性、摩擦耐性に関する前述の特性を組み合わせることが期待される。コーティングシステムは、少なくとも１つのドーパントでドープされた窒化クロムを備える金属加工部材上に配置される第一層と、低合金鋼に対して測定されるときに０．２以下の摩擦係数を有する潤滑性材料を備える第一層の上に配置される第二層とを備える。ドーパントは、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｏ、ＭｏおよびＴａのうちの１つ以上からなる群から選択されることができる。第二層はＴｉＣＮからなり得る。ＷＯ２０１４／０６５８９２に従うドープされたＣｒＮコーティングは、ドープされたＣｒＮの亀裂耐性の要因であると考えられる多数の配向の非柱状構造を有することを期待される。ドープされていないＣｒＮがＸＲＤパターンにおいて強い好ましい（２２０）配向を示す一方、ドープされたＣｒＮ膜は、多数の検出された配向、すなわち、わずかに好ましい（２２０）配向とともに、（１１１）、（２００）および（２２０）を有すると確認された。ドーパントは、１〜１０原子パーセントの範囲、好ましくは３〜７ａｔ．％の範囲、より好ましくは５ａｔ．％のドーパント含有量で存在し得る。コーティングシステムの全体の硬度は、約３６００〜３８００ＨＶでなければならない。

低合金鋼に対して測定されるときに０．２以下の摩擦係数を達成することは容易ではなく、コーティングパラメータおよび／またはコーティング技術の選択に関する望ましくない制限を伴う。

これらの理由から、ＡＨＳＳおよびＨＳＬＡの冷間加工作業の間のより高い摩耗耐性および疲労耐性を達成するために、冷間加工工具の性能を改善することを可能にする新しいコーティングを開発する必要が依然としてある。

本発明の目的
本発明の目的は、特にＡＨＳＳおよびＨＳＬＡに関する上述の高強度鋼の冷間加工によって用いられる加工工具または加工部材の、研磨摩耗および凝着摩耗に対する満足な耐性ならびに疲労に対する満足な耐性を提供することができるコーティングを提供することである。さらに、本発明に従うコーティングは、上述された従来技術において明示されるように、低合金鋼に対して測定されるときに０．２以下の値を有するコーティング表面における摩擦係数を示すことによっては制限されないことが望ましい。

本発明の説明
本発明の目的は、酸窒化クロム（ＣｒＯＮまたはＣｒＮＯ）を備える少なくとも１つの下層２０と、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を備える少なくとも１つの上層３０とを備え、少なくとも１つの下層２０と少なくとも１つの上層３０との間に提供される３つの中間層４１，４２，４３を備えることによって特徴付けられ、第一中間層４１は下層２０の最も近くに設けられて窒化クロム（ＣｒＮ）を備え、第二中間層４２は第一中間層４１上に設けられて窒化チタンクロム（ＴｉＣｒＮ）を備え、第三中間層４３は第二中間層４２上に設けられて炭窒化チタンクロム（ＴｉＣｒＣＮ）を備える、コーティング１０を提供することによって達成される。

本発明および本発明の好ましい実施形態は、以下に説明され、図面によって模式的に支持される。以下の説明および例示は、本発明を限定することを意図されないが、本発明を理解することを助け、本発明が実施され得る方法を示すことのみを意図される。

下部機能層２０ＣｒＮ_yＯ_xと、続いて下部機能層２０とＴｉＣＮ：Ｈからなる上部機能層３０との間に配置される３つの中間層４１，４２，４３とを備える、コーティング１０を含む本発明のコーティング構造の概略図である。 基板表面上に堆積されてＣｒＮからなる接着層と、接着層の表面上に堆積されるＣｒＮ_yＯ_xからなる下部機能層２０と、続いて機能下層２０とＴｉＣＮ：Ｈからなる上層３０との間に配置される３つの中間層４１，４２，４３とを備える、コーティング１０を含む、本発明のコーティング構造のＳＥＭ破断断面図である。さらなる詳細のためには実験的な詳細を参照。 本発明のコーティングの中間層部分の代表的に強調する図であって、コーティング２０の柱形状の性質、ならびに３つの中間層４１，４２，４３および上層３０がはっきりと見られることができる図である。 説明に従う、下部機能層２０として用いられることができる、ＷＣ基板上の単一のＣｒＮ_yＯ_x層のＸＲＤパターンを図示する図である。 説明に従う、上部機能層３０として用いられることができる、ＷＣ基板上の単一のＴｉＣＮ：Ｈ層のＸＲＤパターンを図示する図である。 下層２０および上層３０とを伴う、本発明のコーティング１０の中央部分の、下部中間ＣｒＮ層４１と、ＴｉＮおよびＣｒＮナノ層４２の中央中間層と、水素を含み得るＴｉＣＮおよびＣｒＣｒＮの上部中間層４３とからなる、中間層システムを代表的に強調する図である。 衝撃摺動テスト後に得られる、ＴｉＣｒＮおよびＴｉＡｌＮを基礎とするコーティングと比較される、本発明のコーティングのより高い疲労耐性を図示する図である。

本発明の好ましい実施形態の概略図は、図１に示される。このコーティング１０は、５つの層２０，３０，４１，４２，４３を備える。下層２０は基板１の表面上に直接設けられ、上層３０は最外層として設けられる。これら２つの層２０，３０は、機能層として数えられる。３つの中間層４１，４２，４３は、主として機能層２０，３０間の接着を強化するために設けられる。

図１に示されるような中間層４１，４２，４３の全体の厚さは、たとえばコーティング１０の全体の厚さの約５〜２０％であり得る。これは、たとえばコーティング１０の全体の厚さ（図１のコーティングシステム１０に存在する全ての層の厚さの合計、すなわち、下層２０の厚さ＋第一中間層４１の厚さ＋第二中間層４２の厚さ＋第三中間層４３の厚さ＋上層３０の厚さ）が約１０μｍである場合、中間層４１，４２，４３の厚さの合計は約１μｍであり得る。しかしながら、この例は本発明の限定として見られるべきではない。

図２ａおよび図２ｂは、図１に概略的に示されるような層構造を有するコーティングのＳＥＭマイクログラフを示す。

下部機能層２０は、加工工具または加工部材の表面上に直接設けられ得、好ましくはＣｒＮＯ_x（０．２０＜ｘ＜０．４５）の一般式に対応する化学組成を有する、好ましくは酸素がドープされた窒化クロム層（本発明の文脈においてＣｒＯＮ層とも呼ばれる）である。ここでｘは、原子パーセントにおける非金属コーティング成分であるＮおよびＯの含有量の合計が１００ａｔ．％であると考えた場合における、原子パーセントにおける酸素の割合である。これは、たとえば、酸素に富んだ窒化クロムからなる下部機能層２０の原子パーセントにおいて測定される組成の全体の濃度が、４３ａｔ．％のクロム、４２ａｔ．％の窒素および１５ａｔ．％の酸素である場合に、ｘは０．２６３であることを意味する。

本発明の文脈において、酸素がドープされた層または水素がドープされた層の用語は、酸素に富んだ層または水素に富んだ層の用語と同様の意味を有する。これは、たとえば、本発明の文脈において、酸素がドープされた窒化クロム層は酸素に富んだ窒化クロム層であり、酸素に富んだ窒化クロム層は窒化クロムを大部分として備えるが酸素も備える層であると理解されるべきであることを意味する。同様に、これは、たとえば、本発明の文脈において、水素がドープされた炭窒化チタン層は水素に富んだ炭窒化チタン層であり、水素に富んだ炭窒化チタン層は炭窒化チタン層を大部分として備えるが水素も備える層であると理解されるべきであることを意味する。

上部機能層３０は、好ましくは、チタン、炭素、窒素またはより好ましくは、チタン、炭素、窒素および水素を備える。最後の場合、その化学組成は、好ましくは一般式ＴｉＣ_pＮ_q：Ｈ_z（０．６≦ｐ＋ｑ≦０．８、０．３３≦ｐ／ｑ≦４および０．２≦ｚ≦０．４）を満たす。ここで、ｐ、ｑおよびｚは、非金属コーティング組成を意味し、それらの合計は金属組成チタンに対して１００％に標準化される。

好ましくは、上部機能層３０の炭素含有量および窒素含有量は、層の底部から上部に向かって変化する。より具体的には、炭素含有量は底部から上部に向かって増加し、一方、窒素含有量は上層３０内の底部から上部に向かって減少する。

好ましくは、第一中間層４１、第二中間層４２および第三中間層４３は、それぞれ、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化チタンクロム（ＴｉＣｒＮ）、および炭窒化チタンクロム（ＴｉＣｒＣＮ）または水素に富んだ炭窒化チタンクロム化合物からなる。

好ましくは、第二中間層および第三中間層のクロム含有量は、第二中間層４２の底部から第三中間層４３の上部に向かう厚さにわたって減少し、好ましくは５０ａｔ．％の濃度〜ゼロの濃度であり、全ての非金属元素および非金属元素の測定された濃度を考慮する。

好ましくは、第二中間層および第三中間層のチタン含有量は、第二中間層４２の底部から第三中間層４３の上部に向かう厚さにわたって増加し、好ましくはゼロの濃度〜４０ａｔ．％の濃度であり、全ての金属および非金属元素を考慮する原子パーセントで測定される濃度である。

本発明のさらに好ましい実施形態に従えば、コーティング１０は、少なくとも１つ以上の窒化クロム（ＣｒＮ）層、好ましくは、基板１と下部機能層２０との間に中間層として堆積される、化学量論的なＣｒＮを備える。

本発明のコーティングは、好ましくは、たとえばマグネトロンスパッタリングおよび／またはＨＩＰＩＭＳおよび／またはアークＰＶＤの、物理蒸着（ＰＶＤ）法によって堆積されることができる。

特定の例では、本発明に従うコーティングは、ＣｒおよびＴｉからなる元素金属ターゲットを備えるアーク源を用いることによって製造された。下部機能層２０を堆積するために、１つ以上のＣｒターゲットが、酸素に富んだＣｒＮを形成するための反応性ガスとして本質的に酸素と窒素とを備えるコーティング室で、アーク蒸着された。第一中間層４１を堆積するために、窒素流のみがコーティング室の中に反応性ガスとしてさらに導入され、酸素流はＣｒＮを形成するために導入されなかった。さらに第二中間層４２を堆積するために、１つ以上のＴｉターゲットがＴｉＣｒＮを形成するために窒素反応性雰囲気でアーク蒸着された。第三中間層を堆積するために、炭素包含ガス、この場合はアセチレン流がＴｉＣｒＣＮを形成するためにコーティング室に導入された。上部機能層３０を堆積するために、窒素流は徐々に減少され、アセチレン流はＴｉＣＮを形成するために徐々に増加された。

本発明に従う他のコーティングは、上記に説明されたような類似のコーティングプロセスを用いることによって堆積された。しかし、その中で、第三中間層４３の堆積を備えるステップの間に既に、窒素流は徐々に減少された。

発明者は、驚くことに、上記に説明されたような本発明のコーティングを製造することによって、水素に富んだＴｉＣＮ層が堆積され、冷間加工工具および冷間加工部材の性能を保護し向上するための特別に優れた特性を示したことを観察した。特にＡＨＳＳ金属シートの加工によって観察した。上記に説明されたように堆積される炭素包含層で検出される水素含有量は、これらの層を合成するための炭素包含ガスとして用いられるアセチレンガスから生じると考えられる。

発明者は、負の基板バイアスがコーティングプロセスの間に印加されるときに、特に有利なコーティング特性が達成されることができ、特にこのような方法では、第一機能層２０を堆積する場合、負の基板バイアスが上部機能層３０を堆積する場合よりも低い絶対値で調整されるということを観察した。

特に優れたコーティング性能は、ＣｒＯＮからなる下部機能層２０の堆積の間に４０〜１００Ｖの間、特に５０〜８０Ｖの間の絶対値を有する負の基板バイアスを印加することによって、および水素に富んだＴｉＣＮから本質的になる上部機能層３０を堆積するために絶対値で７０〜１５０Ｖの間、特に８０〜１２０Ｖの間のレベルまで負の基板バイアスが増加することによって、達成された。

また、有利なコーティング性能は、下部機能層２０を堆積するために用いられる低いバイアスレベルから上部機能層３０を堆積するために用いられるより高いバイアスレベルまで、徐々に負の基板バイアスを増加することによって得られた。

本発明に従うコーティングを堆積するための方法の好ましい実施形態は、下部機能層２０を堆積するために用いられる低いバイアスレベルから上部機能層３０を堆積するために用いられるより高いバイアスレベルまで、負のバイアス電圧を増加することを備える。この方法では、増加は第二中間ＴｉＣｒＮ層４２の堆積にわたって行なわれる。バイアス電圧のこの増加は、たとえば徐々に行なわれることができる。

工具の性能のさらなる向上を達成するために、いくつかの冷間工具は、本発明に従うコーティングの堆積の前に窒化プロセスを用いることによって硬化された。

窒化工程および冷間プロセス工程の両方は、同じコーティング機で実施される。しかしながら、先行する窒化機における窒化工程、続いてＰＶＤコーティングプロセスのために適合される別個のコーティング機におけるコーティング工程を実施することによって、それを行なうことも可能である。

本発明の範囲内で製造され、検査され、テストされるコーティングの大部分は、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ Ｂａｌｚｅｒｓ社のタイプＩｎｎｏｖａのコーティング機で製造された。しかしながら、本発明に従うコーティングはあらゆる種類のコーティング機、特に反応性ＰＶＤコーティングプロセスの実行を可能にするあらゆる種類のコーティング機で堆積されることができるため、これは本発明の範囲の制限として理解されるべきではない。発明のコーティングは、たとえば、同社のタイプＢＡＩ１２００およびＢＡＩ１２００ＸＬのコーティング機でも堆積されることができた。

本発明のショーケースとして、以下に説明されるような特性を有するいくつかの発明のコーティングが、製造され、検査され、テストされた。しかしながら、これらの特性は、本発明の範囲に対する制限としては決して理解されない。

ＣｒＮの下部機能層２０の厚さは、４〜５．５μｍの範囲であった。機械的特性の観点から、この層は、それぞれ約３０±２ＧＰａおよび２９２±９ＧＰａの、硬度（ＨＩＴ）および弾性率（ＥＩＴ）を示し、約１０〜１５ｎｍの粒径（ＸＲＤ検査を用いることによって測定された）を有する粒子を備える微粒子構造を示した。

水素を包含するＴｉＣＮの上部機能層３０の厚さは、２．８〜３．２μｍの範囲であった。この層の硬度（ＨＩＴ）および弾性率（ＥＩＴ）は、底部から表面に向かって変化し、それぞれ３３〜５５ＧＰａおよび３３０〜４２０ＧＰａの範囲であった。非研磨状態のかつ１００Ｃｒ６鋼に対する摩擦係数（ＣＯＦ）が決定され、得られる値は約０．５±０．１であった。このＣＯＦ値は、１００Ｃｒ６鋼球および通常の負荷１０Ｎおよび３０ｃｍ／秒の線速度を用いて室温で実行される、ピン・オン・ディスクテスト（pin-on-the-disc test）において決定された。

中間層４１，４２，４３の総厚さ（第一層、第二層および第三層の厚さの合計）は、０．７〜１μｍの間で変化した。中間層の各層の厚さも変化した。第一中間層４１の厚さと第三中間層４３の厚さとが類似で、第二中間層４２の厚さがより厚いとき、いくつかの場合で特に優れた結果が得られた。しかしながら、この観察は、本発明の制限として理解されるべきではない。

図３は、本発明に従い堆積される、酸素に富んだＣｒＮ膜（本発明の文脈においてＣｒＯＮ膜またはＣｒＯＮ層としても呼ばれる）のシータ／２シータ解析パターンを示す。酸素に富んだＣｒＮ膜は、好ましくは下部機能層２０として堆積されることができる。コーティングは立方晶構造を有し、（１１１）反射に対する（２００）のピーク強度比は２４〜４０で変化する。基板ピークは、ＣｒＯＮ膜に対応するピークとの区別を容易にするために、矩形とともに図３に示される。

摩耗および疲労に対する総コーティングの耐性は、衝撃摺動テスト（impact-sliding test）を用いてテストされた。衝撃摺動テストでは、１０ｍｍ径を有するＳＡＥ５２１００鋼球がぶつかり、規定された機構でコーティングの表面上で摺動する。球は、２００〜４００Ｎの衝撃負荷でコーティング表面にぶつかり、次に０．１秒の時間枠で約３〜４ｍｍ下側に摺動する。衝撃は、テストされるべきコーティングされた表面に対して垂直方向の動きを描くように、またはテストされるべきコーティングされた表面に対して斜めの角度の動きを有するように製造され得る。衝撃は、３０００または５０００サイクル繰り返され得る。より厳しいテスト条件では、衝撃負荷は、３００〜６００Ｎまで増加され得る。このテストの方法を用いて、疲労亀裂、凝着摩耗、コーティング剥離および完全な層間剥離等のいくつかのコーティング不良機構が確認され得る。

このテストを用いることによって、発明者は、従来技術に属し、現在ＡＨＳＳ金属の冷間金属加工のために用いられている他のコーティングと比較して、本発明のコーティングの優位性を決定した。

本発明のコーティングの優位性は、ストリップ絞り加工テスト（strip-drawing test）によっても実証された。

冷間加工鋼１．２３７９からなる冷間加工工具および冷間加工部材上の本発明に従い堆積されるコーティングは、初期実験において、ＴｉＣｒＮ系のコーティングおよびＣｒＮ系のコーティングと比べて約〜３０％より優れた性能を示した。比較工業テストでは、上記に述べられた比較のコーティングを用いることによっては５００００部品しか製造されることができなかった一方、本発明のコーティングは、疲労を示すことなく６４０００部品の製造を可能にする。

本発明のさらなる詳細および好ましい実施形態
本発明の一つの好ましい実施形態に従えば、下部機能層２０は、ＣｒＮ_yＯ_xの一般式によって与えられる化学組成を有する。ｘおよびｙはそれぞれ、０．２０≦ｘ≦０．４５および０．５５≦ｙ≦０．８の条件を満たし、ここでｘおよびｙは、非金属コーティング成分である酸素および窒素の原子の割合をそれぞれ意味し、これらの原子の割合は金属コーティング成分であるクロムに対してＯおよびＮの原子含有量の合計が１に標準化されるとき得られる。

前述の文献が、好ましい（２２０）配向を得るために１０ａｔ．％未満のドーパントレベルを有するドープされたＣｒＮを目指すことを報告する一方、発明者は驚くべきことに、ドープされたＣｒＮ層における全体の元素組成を考慮して、１０ａｔ．％よりも多いレベルでドーパント元素として酸素を用いることによって、そのことを見出した。したがって、特に酸素がドープされた層が化学式ＣｒＮ_yＯ_x層（０．２０≦ｘ≦０．４５）によって記載されるような組成を有するとき、図３に見られることができる、好ましい（２２０）配向の形成をもたらすことができる。これは、思いがけず、加工工具作業のための非常に安定した下部機能層としての要件を満たす。（２００）／（１１１）反射の好ましいピーク強度比は、１０〜５０、より好ましくは２４〜４０で変化する。

好ましくは、ＣｒＮ_yＯ_xは、下部機能層２０の厚さの全体の範囲にわたって化学量論的である。窒素に対する酸素の比率が下部機能層２０内で一定である場合、特に優れた結果が得られ得ることが見出された。これは、たとえばＣｒＮ_yＯ_x層の堆積の間に固定された比率における酸素に対する窒素のガス流を調整することによって、達成されることができる。

本発明の別の好ましい実施形態では、ＣｒＮ_yＯ_x層２０は、図３における（２００）反射のピークフィッティングから得られるような、８〜１６ｎｍ、より好ましくは１０〜１２ｎｍの間の粒径を示す。この粒径の範囲では、特に優れた機械的特性が得られた。

本発明の好ましい実施形態に従えば、ドーパントのないＣｒＮ中間層は、基板１と下部機能層ＣｒＮ_yＯ_x２０との間に堆積され、工具基板の意図されない酸化を回避し、機能層の接着を著しく向上することができる。

本発明の好ましい実施形態に従えば、下部機能層２０の厚さは全体のコーティング厚さの約４９〜５９％である。下部機能層の部分は、６μｍより大きい総厚さの相対的に厚いコーティングの成長の間に、本発明のコーティングの亀裂耐性および圧力制御の向上を可能にする。

本発明のさらに好ましい実施形態に従えば、中間層４１，４２，４３の厚さの合計は全体のコーティング厚さの約１１〜１８％である。中間層４１，４２，４３の詳細は、図５のＳＥＭマイクログラフにおいて示される。それは、中央のＴｉＣｒＮ化合物層４２が、下にあるＣｒＮ層４１および上にあるＴｉＣｒＣＮ層４３の厚さのほぼ２倍を有することを示す。底層のＣｒＯＮ層２０から上層のＴｉＣＮ：Ｈ層３０までの滑らかな遷移を有するために、チタンおよび炭素の含有量が増加する一方でクロムおよび窒素の含有量は減少する。クロムおよび窒素の含有量は、層４３のより薄いＣｒＣＮナノ層に対する、層４２のより厚いＣｒＮナノ層の相対的な比較によって、概略的に再現される。チタンおよび炭素の含有量は、４２のより薄いＴｉＮナノ層に対する、層４３のより厚いＴｉＣＮナノ層の相対的な比較によって概略的に再現され、水素を備えることができる。この精巧な中間層の概念は、水素がドープされたＴｉＣＮ：Ｈ層３０の最適化された接着を可能にし、加工工具用途におけるコーティングの全体の性能の向上を可能とする。

本発明のさらに好ましい実施形態に従えば、上部機能層ＴｉＣＮ：Ｈ層３０の厚さは全体のコーティング厚さの約２７〜３６％である。本発明のコーティングの性能の著しい改善は、コーティングの上層が総コーティング厚さの５０％未満、好ましくは２７〜３６％の間である場合に、達成されることができる。

本発明のさらに好ましい実施形態に従えば、上部機能ＴｉＣＮ：Ｈ層３０は、立方晶構造と、１０〜２０の（２００）反射に対する（１１１）のピーク強度比とを有する。これは、図４において、シータ／２シータのＸ線回折パターンで見られることができる。強度値は、バックグラウンド信号の削減後のピークフィッティングによって得られた。優れた機械的特性は、０．８の形状因子でシェラーの式（Sherrer equation）を用いて、（２００）反射からの前述されたピーク評価によって得られるような、粒径が５〜３０ｎｍ、より好ましくは５〜２０ｎｍの間、最も好ましくは５〜８ｎｍの間の範囲であるとき、上層３０から得られる。

好ましくは、化学組成ＴｉＣ_pＮ_qＨ_zを有する上部機能層３０における非金属コーティング成分であるＣ，ＮおよびＨの濃度に対応する構造係数の合計は、条件ｐ＋ｑ＋ｚ＝１を満たす。さらに、最外層３０は、上部機能層３０の最外表面に向かって増加する炭素および減少する窒素を有する、炭素および窒素の勾配を有し得る。発明者は、コーティングの表面に向かって、増加する炭素含有量、わずかに減少する窒素含有量が、ＴｉＣ_pＮ_qＨ_z層の硬度（ＨＩＴ）および弾性率（ＥＩＴ）を増加させることを見出した。驚くべきことに、１００Ｃｒ６鋼に対する非研磨状態におけるＴｉＣ_pＮ_qＨ_z層の摩擦係数は、約０．５±０．１であった。

衝撃摺動テストからの結果は上記に述べられ、疲労亀裂、凝着摩耗、コーティング剥離および完全な層間剥離等の潜在的なコーティング不良機構が評価された。発明のコーティングのいくつかの例は、従来技術のＴｉＡｌＮおよびＴｉＣｒＮ系のコーティングに対してテストされた。いくつかの結果は図６に提示される。市販のコーティングがはるかに少ない数のサイクルにおいて既に不良となった一方、発明のコーティングの実施例は最多の衝撃摺動のためのテストに耐えることができたことが明確に見られることができる。

本発明に従うコーティングのいくつかは、さらに、ＴｉＣｒＮ系の参照のコーティングでコーティングされた工具と比較して、１１８０ＭＰａの二層ＡＨＨＳシート金属の加工において用いられる工具寿命の数回の顕著な増加を示す。類似のテストは現在、市販のＴｉＣｒＮコーティングならびに競合のコーティングでコーティングされた工具の工具寿命に対して、２００〜４００％の範囲で増加された工具寿命の結果を用いて実施されている。

本発明に関するコーティングが、たとえば深絞り（deep drawing）、パンチ（punching）、圧縮（pressing）、アイロン（ironing）、縁取り（trimming）、曲げ（bending）、スタンプ（stamping）またはこのようなものによる、たとえば金属箔、シート、プレートまたはブロックの加工等の、特に高強度鋼の冷間加工作業のための加工工具または加工工具部材状に塗布されることができる。

本発明は具体的に以下を開示する。
−金属加工工具または金属加工部材のための発明のコーティングであって、特に高強度鋼の冷間加工のために用いられることができ、コーティングはＣｒＮを備える下層２０とＴｉＣＮを備える上層３０とを備え、前記下層２０は前記上層３０よりも金属加工工具１の基板表面近くに堆積され、
下層２０は、好ましい（２００）配向を有する立方晶構造を示す、酸素に富んだ窒化クロムからなり、
上層３０は、水素に富んだ炭窒化チタンからなる、コーティング。

−上述された本発明のコーティングの好ましい実施形態であって、下層２０は化学式ＣｒＮ_yＯ_xに対応する化学組成を有し、０．２０≦ｘ≦０．４５および０．５５≦ｙ≦０．８であり、ｘおよびｙは、原子パーセントにおける非金属コーティング成分であるＮおよびＯの含有量の合計が１００ａｔ．％、したがってｘ＋ｙ＝１であると考えられる場合における、原子パーセントにおける酸素および窒素の割合である、好ましい実施形態。

−上述された本発明のコーティングのさらなる好ましい実施形態であって、下層２０は化学式ＣｒＮ_yＯ_xに対応する化学組成を有し、０．２０≦ｘ≦０．４５、好ましくは０．２５＜ｘ＜０．４０であり、原子パーセントにおける非金属コーティング組成のＮおよびＯの含有量の合計が１００ａｔ．％、したがってｘ＋ｙ＝１であると考えられる場合における、ｘおよびｙは原子パーセントにおける酸素および窒素の割合である、さらなる好ましい実施形態。

−上述された本発明のコーティングのいずれかに従うコーティングであって、上層３０は式ＴｉＣ_pＮ_qＨ_zを満たす化学組成を有し、０．６≦ｐ＋ｑ≦０．８、０．３３≦ｐ／ｑ≦４、および０．２≦ｚ≦０．４であり、ｐ、ｑおよびｚは非金属コーティング成分を意味し、それらの合計は金属成分チタンに対して１００％に標準化される、コーティング。

−上述された本発明のコーティングのいずれかに従うコーティングであって、上層３０はそれの層厚さに沿って様々な化学組成を示し、前記上層３０の最外表面の方向における窒素含有量の減少および炭素含有量の増加を示すことを特徴とする、コーティング。

−上記に直接的に説明された本発明のコーティングの好ましい実施形態であって、上層３０は炭素および窒素の勾配濃度を示し、層の最外層に向かって炭素含有量は増加し窒素含有量は減少し、水素含有量は０．２≦ｚ≦４内のままである、好ましい実施形態。

−上述された本発明のコーティングのいずれかに従うコーティングであって、中間層は下層２０と上層３０との間に設けられ、中間層は、下層２０上にＣｒＮ層として設けられる第一中間層４１と、第一中間層４１上にＴｉＣｒＮ層として設けられる第二中間層４２とを備え、前記第二中間層４２は互いに一層ずつ交互に堆積されたＴｉＮナノ層およびＣｒＮナノ層を含み、前記中間層は、第二中間層４２上にＴｉＣｒＣＮ層として設けられる第三中間層４３を備え、前記第三中間層４３は互いに１層ずつ交互に堆積されたＴｉＣＮナノ層およびＣｒＣＮ層を含む、多層システムである、コーティング。

−上記に直接説明された本発明のコーティングの好ましい実施形態であって、第三中間層４３は水素を包含する、好ましい実施形態。

−上記に説明されたような多層システムとして堆積される中間層を備える上記の本発明のコーティングのいずれかの好ましい実施形態であって、炭素含有量は中間層４３から上層３０の最外表面まで徐々に増加する、好ましい実施形態。

−ＣｒＮ_yＯ_xの下層２０を備える上述された発明のコーティングのいずれかに従うコーティングであって、前記下部機能層２０は１０〜５０の範囲における、好ましくは２４〜４０のサブ範囲における（２００）／（１１１）のＸＲＤ強度比を示す、コーティング。

−ＴｉＣ_pＮ_q：Ｈ_zの上層３０を備える上述された発明のコーティングのいずれかに従うコーティングであって、上部機能ＴｉＣ_pＮ_q：Ｈ_z層３０は好ましい（１１１）配向を有する立方晶構造を示し、好ましくは５〜２０の範囲における、より好ましくは１１〜１５のサブ範囲における（１１１）／（２００）のＸＲＤ強度比を特徴とする、コーティング。

−上述された発明のコーティングのいずれかによるコーティングであって、下部機能層２０は５〜３０ｎｍの範囲における、好ましくは８〜２０ｎｍのサブ範囲における、より好ましくは１０〜１５ｎｍのサブ範囲における、（２００）反射からの粒径を示す、コーティング。

−上述された本発明のコーティングのいずれかに従うコーティングであって、上部機能層は５〜３０ｎｍ、より好ましくは５〜２０ｎｍの間、最も好ましくは５〜８ｎｍの間の（２００）反射からのＸＲＤ粒径を示す、コーティング。

−上述された本発明のコーティングのいずれかに従うコーティングであって、総コーティング総厚さは４〜４０μｍ、好ましくは６〜３０μｍの間である、コーティング。

−上記に説明された本発明のコーティングの好ましい実施形態であって、下部２０の厚さがコーティングの総層厚さの４９〜５９％に対応する値である、好ましい実施形態。

−上記に説明された本発明のコーティングの好ましい実施形態であって、下層２０と上層３０との間の中間層として用いられる多層システムを形成する中間層４１，４２，４３の厚さの合計は、コーティング総層厚さの１１〜１８％に対応する値である、好ましい実施形態。

−上記に説明された本発明のコーティングの好ましい実施形態であって、上層３０の厚さはコーティングの総層厚さの２７〜３６％に対応する値である、好ましい実施形態。

−上記に説明された本発明のコーティングの好ましい実施形態であって、コーティングは、窒化クロムの中間層、好ましくは、下層２０下に配置され、コーティングの接着を向上させるために金属加工工具１の基板表面と下部機能層２０との間に堆積されることとなる、量子論的なＣｒＮをさらに備える、好ましい実施形態。

−上述された発明のコーティングのいずれかに従うコーティングでコーティングされる、発明の金属加工工具または金属加工部材。

−発明の金属加工工具または金属加工部材の好ましい実施形態であって、コーティングが堆積される加工工具１の基板表面は窒化された鋼表面である、好ましい実施形態。

−上述された発明のコーティングのいずれかに従うコーティングを形成するための発明の堆積方法であって、金属加工のために用いられる金属加工工具または加工部材の基板表面はＰＶＤプロセスを用いることによってコーティングされ、堆積方法はガス抜きと、加熱Ａｒイオンエッチングと、ＣｒＮ_yＯ_xの下部機能層２０の堆積と、多層システム４１，４２，４３としての中間層の堆積と、水素に富んだＴｉＣ_pＮ_q：Ｈ_zの上部機能層３０の堆積とを備える、堆積方法。

−上述された発明のコーティング方法の好ましい実施形態であって、前記ＰＶＤプロセスは陰極アーク蒸着またはスパッタリングまたはＨＩＰＩＭＳプロセス、またはそれらの組み合わせである、好ましい実施形態。

−上記に直接的に説明された本発明のコーティング方法の好ましい実施形態であって、負のバイアス電圧は、コーティングされるべき基板において印加され、下部機能層２０の堆積の間に−４０Ｖ〜−１００Ｖの間で一定の第一レベルで保たれ、負のバイアス電圧はその後−７０Ｖ〜−１５０Ｖの間で第二レベルまで絶対値を増加させ、上部機能層３０の堆積のためのこの第二レベルで一定に保たれ、第二レベルは第一レベルよりも高い、好ましい実施形態。

−上記に直接的に説明された本発明のコーティング方法の好ましい実施形態であって、負のバイアス電圧は第二中間層（４２）内から徐々に絶対値を増加させる、好ましい実施形態。

−上記に説明された本発明のコーティング方法のいずれかの好ましい実施形態であって、コーティングされるべき基板表面の窒化プロセスはＡｒイオン基板エッチングの前に行なわれる、好ましい実施形態。

−上記に説明された本発明のコーティング方法のいずれかの好ましい実施形態であって、プロセスガスは中間層４３および／または上部機能層３０を堆積するためのＰＶＤプロセスを実施するために用いられ、用いられたプロセスガスはアセチレンを含む、好ましい実施形態。

−上記に直接説明された本発明のコーティング方法の好ましい実施形態であって、アセチレン流は中間層４３の堆積から上部機能層３０の最外表面の堆積に向かって徐々に増加される、好ましい実施形態。

Claims (15)

1. 高強度鋼の冷間加工のための金属加工工具または金属加工部材の基板表面上に堆積されるコーティングであって、前記コーティングは、ＣｒＮを備える下層（２０）とＴｉＣＮを備える上層（３０）とを備え、前記下層（２０）は前記上層（３０）よりも前記基板（１）近くに堆積され、
   前記下層（２０）は、好ましい（２００）配向を有する立方晶構造を示す、酸素に富んだ窒化クロムからなり、
   前記上層（３０）は、水素に富んだ炭窒化チタンからなり、
   前記下層（２０）は式ＣｒＮ_yＯ_xに対応する化学組成を有し、前記式において、０．２０≦ｘ≦０．４５および０．５５≦ｙ≦０．８であり、ｘおよびｙは、原子パーセントにおける非金属コーティング成分であるＮおよびＯの含有量の合計が１００ａｔ．％、したがってｘ＋ｙ＝１であると考えられる場合における、原子パーセントにおける酸素および窒素の割合であることを特徴とする、コーティング。
2. 前記式において、０．２５＜ｘ＜０．４０および０．６０≦ｙ≦０．７５であることを特徴とする、請求項１に記載のコーティング。
3. 前記上層（３０）の化学組成は式ＴｉＣ_pＮ_qＨ_zを満たし、前記式において、０．６≦ｐ＋ｑ≦０．８、０．３３≦ｐ／ｑ≦４および０．２≦ｚ≦０．４であり、ｐ、ｑおよびｚは非金属コーティング成分を意味し、それらの合計は金属成分であるチタンに対して１００％に標準化されることを特徴とする、前述の請求項１または請求項２のいずれかに記載のコーティング。
4. 前記上層（３０）はそれの層厚さに沿った様々な化学組成を示し、前記上層（３０）の最外表面の方向において、窒素含有量は減少し炭素含有量の増加することを特徴とする、前述の請求項１〜請求項３のいずれかに記載のコーティング。
5. 中間層は前記下層（２０）と前記上層（３０）との間に設けられ、前記中間層は、前記下層（２０）上にＣｒＮ層として設けられる第一中間層（４１）と、前記第一中間層（４１）上にＴｉＣｒＮ層として設けられる第二中間層（４２）と、前記第二中間層（４２）上にＴｉＣｒＣＮ層として設けられる第三中間層（４３）とを備える、多層システムであることを特徴とする、前述の請求項１〜請求項４のいずれかに記載のコーティング。
6. 前記第二中間層（４２）は互いに交互に１層ずつ堆積されるＴｉＮおよびＣｒＮのナノ層を備える多層システムとして形成され、および／または、前記第三中間層（４３）は互いに交互に１層ずつ堆積されるＴｉＣＮおよびＣｒＣＮのナノ層を備える多層システムとして形成されることを特徴とする、請求項５に記載のコーティング。
7. 前記第三中間層（４３）は水素を包含することを特徴とする、先行する請求項５または請求項６のいずれかに記載のコーティング。
8. 炭素含有量は前記第三中間層（４３）から前記上層（３０）の最外表面まで徐々に増加することを特徴とする、先行する請求項５〜請求項７のいずれかに記載のコーティング。
9. 前記下層（２０）は１０〜５０の範囲における、好ましくは２４〜４０の範囲間隔における（２００）／（１１１）のＸＲＤ強度比を示し、および／または、前記上層（３０）は好ましい（１１１）配向を有する立方晶構造を示し、５〜２０の範囲における、より好ましくは１１〜１５の範囲間隔における（１１１）／（２００）のＸＲＤ強度比を示す、先行する請求項１〜請求項８のいずれかに記載のコーティング。
10. 前記下層（２０）は５〜３０ｎｍ、好ましくは８〜２０ｎｍの間、より好ましくは１０〜１５ｎｍの間の範囲における（２００）反射からの粒径を示し、および／または、
    前記上層は５〜３０ｎｍ、好ましくは５〜２０ｎｍの間、より好ましくは５〜８ｎｍの間の範囲の（２００）反射からのＸＲＤ粒径を示す、先行する請求項１〜請求項９のいずれかに記載のコーティング。
11. 前記下層（２０）、前記中間層（４１）＋（４２）＋（４３）の合計、および前記上層（３０）のそれぞれに、総コーティング厚さの２９〜５９％、１１〜１８％および２７〜３６％の相対的な厚さを示す、先行する請求項のいずれかに記載のコーティング。
12. 先行する請求項のいずれかに記載のコーティングを有する、加工工具または加工部材の基板表面をコーティングするための方法であって、
    真空コーティング室の中にコーティングされるべき工具または部材を導入することと、
    前記コーティング室をガス抜きすることと、
    コーティングされるべき基板の表面を加熱しＡｒイオンエッチングすることと、
    コーティング層を堆積するためにＰＶＤプロセスを用いることとを備え、
    前記ＰＶＤプロセスは陰極アーク蒸着および／またはスパッタリングおよび／またはＨＩＰＩＭＳプロセスまたはそれらの組み合わせであり、負のバイアス電圧は前記コーティングされるべき基板に印加され、前記負のバイアス電圧は下層（２０）の堆積の間に−４０Ｖ〜−１００Ｖの間の第一の値で一定に保たれ、前記負のバイアス電圧は−７０Ｖ〜−１５０Ｖの間の第二の値まで増加され、上層（３０）を堆積するために一定に保たれ、前記第二の値は前記第一の値よりも高いことを特徴とする、方法。
13. 前記負のバイアス電圧は第二中間層（４２）内から徐々に増加されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. アセチレンを含むプロセスガスは中間層（４３）および／または前記上層（３０）を形成するために用いられる、先行する請求項１２および請求項１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記アセチレンの流れは、前記中間層（４３）の堆積から前記上層（３０）の最外表面の堆積に向かって徐々に増加される、請求項１４に記載の方法。

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