JP7107619B2 - 被覆された物体及びこの物体の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、被覆された物体、詳細には基材及びこの基材上に耐摩耗性被覆部を備える切削工具ならびにその製造方法に関する。
鋼及び鋳鉄のような金属及び金属合金の機械加工に使用する切削工具は、通常、本体及びこの本体上に施与された被覆部から構成されており、この被覆部は、窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化チタンアルミ及び／又はアルミナのような硬質材料の層を１つ以上備えることができる。この層は、切削インサートの硬度及び／又は耐摩耗性を高め、切削特性を改善するために用いられる。被覆部を施与するための方法としては、ＣＶＤ法（化学気相成長）やＰＶＤ法（物理気相成長）の両方が使用される。
ＰＶＤ法としては、特にアーク蒸着法（アークＰＶＤ）及び陰極スパッター法（スパッタリング）が知られている。スパッター法では、陰極金属（ターゲット）の原子をプラズマの高エネルギーイオン銃によって照射し、続いてターゲットの近くに配置されている基材上に析出する。反応性ガスが存在することにより、ターゲット原子と反応性ガスの反応生成物が基材上に形成される。プラズマを形成する作用ガスとしては、多くの場合アルゴンなどの希ガスが用いられる。
ＰＶＤ法は、一般的に、窒化チタンと窒化チタンアルミの析出に使用される。アルミニウムの添加は、窒化チタン層の硬度と耐酸化性を向上させる。ＡｌＣｒＮのようなチタンを含まない層の使用も知られており、これらの層はシリコンなどのその他の元素によってドープすることにより、層特性を改善することができる。
硬質のアルミナ層を析出するためのＰＶＤ法は、電圧パルス式陰極を使用することにより、非導電性アルミナによる金属ターゲットの被毒を防止する。アルミナ層を形成するため、アルミニウムターゲットを有する２つのマグネトロンスパッター源を正弦波発生器に接続することができ、両方のスパッター源が２０～１００ｋＨｚのパルス変化周波数でスパッター構成体の陽極及び陰極として交互に作用するようにする。
米国特許第８，７０９，５８３Ｂ２号は、本体とその上に施与された多層被覆部を備える切削工具を開示しており、この被覆部は、第１層が厚さ１～５μｍのＴｉＡｌＮから成り、第２層が厚さ１～４μｍのアルミナから成り、さらにこの被覆部は、第２のアルミナ層の上に交互に重なり合う形で、ｎ個のＴｉＡｌＮ層とアルミナ層を有しており、それぞれの層厚は０．１～０．５μｍである。このとき、ｎは個々の各層に関連し、０から１０までの偶数である。また、被覆部の全体の厚さは２～１６μｍであり、被覆部はＰＶＤ法で形成される。
米国特許出願第２０１４／１９３６３７Ａ１号から、硬質合金、サーメット、鋼又は高速度鋼（ＨＳＳ）から成る基材の上に、ＰＶＤ法で析出した多層被覆部を備える切削工具が知られており、この被覆部は、窒化物又は炭窒化物から成る同一層又は種類の異なる層を１つ以上重ね合わせた基層と、クロム含有の酸化物機能層とを有している。基層の窒化物又は炭窒化物には、少なくともアルミニウム（Ａｌ）と、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｙ、Ｒｕ、Ｍｏから選択したその他の複数の金属が任意で含まれている。
クロム含有の機能層の結合を改善するため、米国特許出願第２０１４／１９３６３７Ａ１号によれば、金属Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ及び／又はＺｒの酸化物又は酸窒化物を１つ以上有する中間層が基層と機能層との間に設けられており、この中間層は立方晶系構造を有している。クロム含有の機能層は、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、クロム窒化物、アルミニウムクロム酸化物（ＡｌＣｒ）２Ｏ３、アルミニウムクロム酸窒化物、もしくはアルミニウムとクロムにその他の金属群Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ、Ｒｕを加えた混合酸化物又は混合酸窒化物から選択されており、菱面体構造を有している。
独国特許出願第１０２０１００５２６８７号は、好ましくはＨＳＳ及び硬質合金などの基材上に立方晶系のＡｌＮ及びＡｌＯＮを有する多層酸窒化物層システムを開示している。この層システムは、層の厚さが０．１～０．５マイクロメートルの、好ましくは元素Ｃｒ、Ａｌ、Ｎから成る第１の接着層と、層の厚さが０．３～２．５マイクロメートルの、好ましくは元素Ｃｒ、Ａｌ、Ｎから成る第２の支持層と、層の厚さが０．３～２．５マイクロメートルの、好ましくは元素Ｃｒ、Ａｌ、Ｏ、Ｎから成る酸素含有の中間層と、層の厚さが０．３～２．５マイクロメートルの、好ましくは元素Ｃｒ、Ａｌ、Ｏ、Ｎから成る酸素含有の酸窒化物層とから構成されている。第２の実施形態では、さらにＴｉＡｌＮなどの硬質合金から成るカバー層が設けられている。
独国特許出願第１０２０１３００５４３７号から、さらに、金属酸窒化物硬質材料層から成る被覆部を備える切削工具も知られている。金属酸窒化物硬質材料層の金属元素は、少なくとも１つのターゲットから物理的蒸着によって析出され、このターゲットは、金属群Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌの少なくとも１つの金属を有し、好ましくは金属群Ｙ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉの少なくとも１つの元素も有している。このターゲットは異なるプロセスで少なくとも３つの層を析出するために使用されるが、反応性ガスの組成以外は同一のプロセスパラメータが用いられる。第１の基準層は金属窒化物層Ｍｅｐ１Ｏｎ１Ｎｍ１（ｎ１＝０）であり、この層は反応性ガスとして窒素を用いて析出される。第３の基準層は、原子濃度において最大３０％、好ましくは２０～３０％の酸素濃度ｎ３を有する金属酸窒化物層Ｍｅｐ３Ｏｎ３Ｎｍ３である。第２の基準層は、原子濃度において酸素濃度がｎ１よりも大きく、ｎ３よりも小さく、好ましくは５～２０％の範囲にある酸素濃度ｎ２を有する金属酸窒化物層Ｍｅｐ２Ｏｎ２Ｎｍ２であり、この第２の基準層及び第３の基準層は、反応性ガスとして窒素と酸素を使用して析出される。さらに、これらの基準層に対しては、ｐ１＝ｐ３＝ｐ２およびｐ１／（ｍ１＋ｎ１）＝ｐ３／（ｍ３＋ｎ３）＝ｐ２／（ｍ２＋ｎ２）が当てはまる。基準層には酸化物相が含まれるべきではない。
本発明は、さまざまな金属及び金属合金を加工する切削工具の性能を改善し、寿命を延長させるさらなる被覆部を提供するという課題に基づいている。
この課題は、本発明に基づき、基材及びこの基材上に物理的蒸着によって施与された耐摩耗性被覆部を備える被覆された物体によって解決され、この被覆部は基層及びカバー層を有しており、
基材上に施与された基層は、厚さが１～１０μｍ、好ましくは１～５μｍであり、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる窒化物から形成されており、
基層に隣接するカバー層は、厚さが０．１～５μｍ、好ましくは０．１～３μｍであり、酸窒化物層及びこの酸窒化物層の上に配置されている窒化物層から成る少なくとも１つの交番層を備えており、酸窒化物層は、アルミニウムと、その他に任意で、クロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、ケイ素及びそれらの組み合わせから成る金属群の金属とによる酸窒化物から形成されており、窒化物層は、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる窒化物から形成されており、
酸窒化物層は、酸窒化物層中の窒素及び酸素の割合に関して、５０原子濃度よりも少ない窒素含有量を有している。
窒素及び任意でＣｒ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ及び／又はＳｉなどのその他の金属を、酸窒化物層の形成下でアルミナの結晶格子の中に沈積させることにより、驚くべきことに、鋼などの部材、特に錆止めを施していない鋼（ＳＳ）又は高速度鋼（ＨＳＳ）、及び／又は鋳鉄の湿式切削及び／又は乾式切削において、本発明に従って被覆した基材を備える切削工具の寿命は、周知の被覆を備える切削工具に比べて明らかに延長された。酸窒化物層及び窒化物層から成る少なくとも１つの交番層を提供することにより、被覆された切削工具の寿命を短縮することなく、カバー層を全体的により薄く形成することが可能になる。
アルミナの結晶格子内への窒素の沈積によって改質された層は、純粋な酸化物層と比較して、より高い硬度を有していることが判明した。同時に、高温での耐摩耗性も改善している。任意で酸素によりドープした窒化物層と比較すると、本発明に基づく被覆の耐酸化性は改善しており、少なくとも同等の硬度ならびに耐摩耗性を達成している。
本発明に基づき被覆された物体の製造に適した基材は周知である。例えば、硬質合金、サーメット、立方晶系窒化ホウ素（ｐｃＢＮ）、鋼又は高速度鋼から基材を製造することが可能である。
好ましい実施形態では、被覆部の基層がアルミニウムチタン窒化物（ＡｌＴｉＮ）及び／又はアルミニウムチタンケイ素窒化物（ＡｌＴｉＳｉＮ）から構成され、特に好ましくはアルミニウムチタン窒化物から構成されている。アルミニウムチタン窒化物（ＡｌＴｉＮ）は、非常に強靱で硬く、特に金属の切削加工で発生する高温状態においても優れた耐摩耗性を有していることから、基層に適している。
本発明に従って耐摩耗性に被覆された物体の場合、一般的な基層のＡｌ：Ｔｉ原子比率は６０：４０～７０：３０であり、好ましくは６２：３８～６８：３２である。すべての範囲表示には、表示されている最終値も含まれている。
被覆部にある基層に隣接するカバー層は、酸窒化物層及び窒化物層から成る少なくとも１つの交番層の繰り返しを１～１０回、好ましくは３～５回有することができる。酸窒化物層及び窒化物層から成る交番層の厚さは、好ましくは約０．１μｍ～１μｍの範囲にある。酸窒化物層及び窒化物層は、それぞれ０．０５～０．９５μｍの範囲の厚さを有していてよい。
少なくとも１つの交番層にある酸窒化物層は、好ましくはアルミニウムの酸窒化物、特にＡｌＯｘＮ１－ｘ、又はアルミニウムとクロムの酸窒化物、特に（Ａｌ，Ｃｒ）ＯｘＮ１－ｘから形成されており、特に好ましくはアルミニウム酸窒化物から形成され、このときｘはそれぞれ０．５＜ｘ≦０．９９である。アルミニウムとクロムの酸窒化物中のクロム含有量は、アルミニウム含有量よりも多くてもよいが、同等もしくは少なくすることもできる。好ましくは、アルミニウムとクロムの酸窒化物はアルミナＡｌ２Ｏ３から派生し、クロムによってドープされた酸窒化物である。
特に好ましくは、酸窒化物層がそれぞれ１～３０原子％の窒素、有利には２～１５原子％の窒素を含有している。この酸窒化物層中の窒素含有量により、窒化物層及び／又は基層への結合が改善することから、被覆の耐摩耗性が向上する。
さらに好ましくは、少なくとも１つの交番層にある酸窒化物層と窒化物層の間に、さらには任意で連続する交番層の間に、それぞれ１つの中間層が設けられており、この中間層は、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる酸窒化物から形成されており、好ましくは、アルミニウムとチタンの酸窒化物、特に（Ａｌ，Ｔｉ）ＯｘＮ１－ｘ、０＜ｘ＜１から形成される。このとき、ｘ及び／又はＡｌ／Ｔｉの比は、中間層の厚さによって変化してもよい。中間層は、好ましくは酸素勾配を有し、中間層の酸素含有量はそれぞれ酸窒化物層方向に増加し、及び／又は窒化物層方向に減少する。
一方で、交番層内では酸窒化物層とその上にある窒化物層との間に中間層を配置し、他方で、交番層の外側の窒化物層とこの交番層に続く次の交番換層の酸窒化物層との間に中間層を配置することにより、酸窒化物層と窒化物層の相互の結合をさらに改善することができる。これにより、被覆の耐摩耗性をより一層改善することができる。
これに加え、基層とこれに隣接する少なくとも１つの交番層との間にも中間層を設けてよい。従って、中間層は基層上に直接施与されており、この中間層のすぐ上に少なくとも１つの交番層がある。この場合も、中間層は、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる酸窒化物から形成されており、好ましくはアルミニウムとチタンの酸窒化物、特に（Ａｌ，Ｔｉ）ＯｘＮ１－ｘ、０＜ｘ＜１から形成されている。基層上の中間層は、酸窒化物層方向に増加する酸素勾配及び／又は中間層の厚さに応じた可変Ａｌ／Ｔｉ比を有していてよい。
好ましくは、中間層の厚さは１μｍよりも小さく、好ましくは０．５μｍよりも小さく、特に好ましくは０．２μｍよりも小さい。例えば、中間層の層厚が５～１００ｎｍの範囲では特に良好な結果が得られた。
最後に、装飾目的の被覆部及び／又は使用上の指示としての被覆部は、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＣｒＮ又はＡｌＣｒＮ、あるいはこれらの化合物を混ぜた、金色から銀色に見える混合物から成る最外層を有していてもよい。この最外層により、この最外層を施した切削工具の切刃の使用を肉眼で識別することが可能になる。
本発明に従って耐摩耗性に被覆された物体の製造方法では、例えば硬質合金、サーメット、ｐｃＢＮ、鋼又は高速度鋼から成る基材の上に、物理的蒸着によって、厚さが１～１０μｍ、好ましくは１～５μｍ、特に好ましくは３～４．５μｍの基層と、厚さが０．１～５μｍ、好ましくは０．１～３μｍのカバー層とを備える被覆部が施与される。
基層及びカバー層は、酸窒化物層と窒化物層から成る少なくとも２つの交番層及び任意の中間層も含めて、主にそれぞれに適したＰＶＤ法によって析出することができる。しかしながら、マグネトロンスパッタリング、反応性マグネトロンスパッタリング、デュアルマグネトロンスパッタリング、高出力パルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）、又は陰極スパッタリング（スパッター析出）とアーク蒸着（Ａｒｃ－ＰＶＤ）の同時使用が好ましい。被覆部のすべての層をアーク蒸着（Ａｒｃ－ＰＶＤ）によって析出することは、これによって特に硬質かつ高密度の層を析出できるため、特に好ましい。さらに、Ａｒｃ－ＰＶＤの製造工程で生成された液滴は良好に後処理可能であることから、この仕方によって、本発明に基づく被覆部を析出するための安定的かつフレキシブルな製造方式が提供されることも確認された。
本発明にとって重要なのは、本発明に従って耐摩耗性に被覆された物体の製造方法において、基材上に被覆部を施与するためのＰＶＤプロセス中に窒素を連続的に供給し、さらに被覆部のそれぞれの層の望ましい組成に応じて窒素を調整することである。
従って、本発明の対象は、耐摩耗性に被覆された物体の製造方法も含まれ、この方法は、
基材を準備する工程と、
厚さが１～１０μｍ、好ましくは１～５μｍの基層であり、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる窒化物から物理的蒸着によって形成される基層を基材上に施与する工程と、
アルミニウムと、その他に任意で、クロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、ケイ素及びそれらの組み合わせから成る金属群から選択した金属とによる酸窒化物から物理的蒸着によって形成される少なくとも１つの酸窒化物層を基層の上に施与する工程と、
アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる窒化物から物理的蒸着によって形成される窒化物層を酸窒化物層の上に施与する工程と、
任意で、酸窒化物層と窒化物層の施与を繰り返す工程と
を有しており、
基層、酸窒化物層及び窒化物層の蒸着中に窒素を連続的に、かつ調整しながら供給することを特徴としている。
好ましくは、基層及び／又はカバー層の少なくとも１つの交番層の窒化物層の施与中に、１～８Ｐａ、好ましくは２～５Ｐａ及びさらに好ましくは３～４Ｐａの範囲でＮ２分圧が存在している。
陰極としては、特に混合Ａｌ／Ｔｉ陰極を使用し、任意でＣｒ、Ｓｉ及び／又はＺｒでドープすることができる。Ａｌ／Ｔｉ陰極の原子比率は、好ましくは６０：４０～７０：３０の範囲にある。陰極電流は、この方法工程の場合、好ましくは１５０～２５０Ａの範囲に、さらに好ましくは１８０～２２０Ａの範囲にある。
酸窒化物層の蒸着工程では、酸素を１０～１００標準立法センチメートル／分（ｓｃｃｍ）、好ましくは４０～６０ｓｃｃｍの量で供給する。このとき、本発明に基づき、さらに、窒素分圧を１～８Ｐａ、好ましくは２～５Ｐａ、さらに好ましくは３～４Ｐａの範囲で維持しながら窒素を供給する。特に、酸窒化物層の蒸着中の窒素分圧は、基層又は交番層の窒化物層の蒸着時よりも低く調整してもよい。特に好ましくは、酸窒化物層施与中の窒素分圧は、窒化物層施与中の分圧の約７０～９０％である。
酸窒化物層蒸着の陰極としては、特に、アルミニウム陰極を使用し、任意でクロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム及び／又はケイ素でドープすることができ、特にＡｌ／Ｃｒハイブリッド陰極を使用してもよい。酸窒化物層施与中の陰極電流は、好ましくは１００～１４０Ａの範囲にある。
酸窒化物層の蒸着中は、供給する酸素量を一定に保つことが好ましい。
酸窒化物層の施与前及び／又は施与後に中間層を形成するため、上昇ランプ又は下降ランプの形で質量流量を増加又は減少させて酸素供給を行ってもよい。特に、窒化物層の析出後の酸素供給は、次の酸化物層方向へ質量流量を段階的又は常時増加させながら行い、酸窒化物層の析出後の酸素供給は、次の窒化物層方向へ質量流量を段階的又は常時低下させながら行うことができる。
好ましくは、中間層の形成中に供給される酸素の質量流量は、酸窒化物層の施与中に供給され質量流量の約５０％～１００％の範囲で変動する。基層又は窒化物層から酸窒化物層への移行時には、酸素の質量流量を、好ましくは上昇ランプの形で調整する。酸窒化物層から隣接する窒化物層への移行時には、酸素の質量流量を、好ましくは下降ランプの形で調整する。
中間層の形成中の窒素分圧は、好ましくは１～８Ｐａ、特に好ましくは２～５Ｐａの範囲に維持する。特に、中間層施与中の窒素分圧は、窒化物層施与時よりも低くなるように調整する。特に好ましくは、中間層施与中の窒素分圧は、窒化物層蒸着中の分圧の約７０～９０％である。
中間層を施与するため、好ましくは、基層及び窒化物層の施与に使用される陰極を別のアルミニウム陰極と一緒に使用する。好ましくは、中間層施与中のアルミニウム陰極への陰極電流は１００～１４０Ａの範囲にあり、Ａｌ／Ｔｉ陰極への陰極電流は１２０～１８０Ａ、好ましくは約１２０～１６０Ａの範囲にある。
本発明のその他の特徴及び利点は、以下の好ましい実施形態の説明に示されている。しかし、以下に記載する例は本発明の説明にのみ用いるものであり、制限する意味に理解されるべきではない。
製造例１
Ｏｅｒｌｉｋｏｎ－Ｂａｌｚｅｒｓ社のＩｎｎｏｖａ（商標）タイプのＰＶＤ被覆システムにおいて、約１０重量％のＣｏを含むタングステンカーバイト硬質合金製切削工具の基材に、ＡｌＴｉＮ基層と、３つの連続する交番層から成るカバー層とをアーク蒸着法によって取り付けた。各交番層にはＡｌＯｘＮ１－ｘ酸窒化物層とＡｌＴｉＮ窒化物層がそれぞれ１つずつ含まれている。
基層と第１の交番層の酸窒化物層との間、各交番層の酸窒化物層と窒化物層との間、互いに隣接する交番層との間には、それぞれ、酸素勾配を備えるＡｌＴｉＯｘＮ１－ｘ中間層を析出した。
チタン含有層の析出には、組成がＡｌ６７Ｔｉ３３（原子％）の陰極を使用した。窒素分圧は、被覆の全継続時間にかけて３．０～３．５Ｐａの範囲で調整を行った。酸窒化物層及び中間層の析出中には、酸素を３０～５０ｓｓｃｍの質量流量で供給した。
ＡｌＴｉＮ基層の厚さは３．７μｍであった。カバー層の全厚は１．９μｍであるため、被覆の全厚は５．６μｍとなった。
基材上に析出された被覆のその他のパラメータを、以下の表１に示す。
Figure 0007107619000001
製造例２
ＰＶＤ被覆システムにおいて、約１０重量％のＣｏを含むタングステンカーバイト超硬合金製切削工具の基材に、ＡｌＴｉＮ基層と、（Ａｌ，Ｃｒ）ＯｘＮ１－ｘ酸窒化物層及びＡｌＴｉＮ窒化物層を含む単独の交番層から成るカバー層とをアーク蒸着法によって取り付けた。
基層と交番層の酸窒化物層との間、交番層の酸窒化物層と窒化物層との間には、それぞれ、酸素勾配を備える（Ａｌ，Ｃｒ）ＴｉＯｘＮ１－ｘ中間層を析出した。
それぞれの層の析出は、製造例１で示されたパラメータに従って行われた。酸窒化物層ならびに中間層の析出には、アルミニウム陰極の代わりに、組成がＡｌ７０Ｃｒ３０（原子％）の陰極を使用した。基層及び窒化物層の析出は、それぞれＡｌＴｉ陰極を使用して行った。
ＡｌＴｉＮ基層の厚さは３．６μｍであった。カバー層の全厚は０．８μｍであるため、被覆の全厚は４．４μｍとなった。
製造例３
ＰＶＤ被覆システムにおいて、８５．５重量％のタングステンカーバイト、２．５重量％の混合炭化物、１２重量％のＣｏから成る切削工具の硬質合金基材に、ＡｌＴｉＮ基層と、３つの連続する交番層から成るカバー層を取り付けた。各交番層にはＡｌＯｘＮ１－ｘ酸窒化物層とＡｌＴｉＮ窒化物層がそれぞれ１つずつ含まれている。
基層と第１の交番層の酸窒化物層との間、各交番層の酸窒化物層と窒化物層との間、互いに隣接する交番層との間には、それぞれ、酸素勾配を備えるＡｌＴｉＯｘＮ１－ｘ中間層を析出した。その他の被覆パラメータは製造例１と同じである。
ＡｌＴｉＮ基層の厚さは３．５μｍであった。カバー層の全厚は１．８μｍであるため、被覆の全厚は５．３μｍとなった。
製造例４
８１．５重量％のタングステンカーバイト、１０．５重量％の立方晶系混合炭化物、８重量％のＣｏから成る切削工具の硬質合金基材に、ＰＶＤ被覆システムにおいて、ＡｌＴｉＮ基層と、３つの連続する交番層から成るカバー層とを取り付けた。各交番層には（Ａｌ，Ｃｒ）ＯｘＮ１－ｘ酸窒化物層とＡｌＴｉＮ窒化物層がそれぞれ１つずつ含まれている。
基層と交番層の酸窒化物層との間、交番層の酸窒化物層と窒化物層との間には、それぞれ、酸素勾配を備える（Ａｌ，Ｃｒ）ＴｉＯｘＮ１－ｘ中間層を析出した。
それぞれの層の析出は、製造例１で示されたパラメータに従って行われた。酸窒化物層ならびに中間層の析出には、アルミニウム陰極の代わりに、組成がＡｌ８５Ｃｒ１５（原子％）の陰極を使用した。
ＡｌＴｉＮ基層の厚さは３．１μｍであった。カバー層の全厚は１．８μｍであるため、被覆の全厚は４．９μｍとなった。
比較例１
比較のため、製造例１～４の硬質合金基材に、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ－Ｂａｌｚｅｒｓ社のＩｎｎｏｖａ（商標）タイプのＰＶＤ被覆システムにおいてＡｌＴｉＮ被覆をアーク蒸着法によって取り付けた。Ａｌ：Ｔｉの原子比率は約６７：３３であった。ＡｌＴｉＮ被覆は、厚さが約３．３～４．１μｍの範囲にあった。
比較例２
ＰＶＤ被覆システムにおいて、８５．５重量％のタングステンカーバイト、２．５重量％の混合炭化物、１２重量％のＣｏから成る切削工具の硬質合金基材に、ＡｌＴｉＮ基層と、（Ａｌ，Ｃｒ）２Ｏ３酸窒化物層及びＡｌＴｉＮ窒化物層を含む単独の交番層から成るカバー層とを取り付けた。酸窒化物層の析出には、Ａｌ：Ｃｒの原子比率が７０：３０の陰極を使用した。
ＡｌＴｉＮ基層の厚さは２．８μｍであった。カバー層の全厚は２．０μｍであるため、被覆の全厚は４．８μｍとなった。
切削試験１
グレード１．４３０１の鋼製ワークピースに６つの歯を有する平面フライスカッターを使用したフライス削り試験において、インサート形状ＨＮＧＪ０９０５ＡＮＳＮ－ＧＤを備える製造例１の切削工具を使用し、比較例１に従って被覆した対応の切削工具と比較した。
このフライスカッターを、シングルポイント方式（Ｅｉｎｚａｈｎｖｅｒｓｕｃｈ）において、切削速度（ｖｃ）１２０ｍ／分、切削深さ（ａｐ）１ｍｍ、接触幅５５ｍｍで作動させた。歯のピッチは０．２５ｍｍであった。フライス加工は、冷却なしの乾式で行った。
工具寿命の終了は、逃げ面摩耗＞０．２ｍｍ又は切刃の破損によって定義された。
本発明に従って被覆された切削工具により、フライス削り長さ７．５ｍの寿命を達成することができた。比較例１に従って被覆した切削工具の寿命は僅か４．５ｍであった。
切削試験２
グレード１．４３０１の鋼製ワークピースに６つの歯を有する平面フライスカッターを使用したフライス削り試験において、インサート形状ＨＮＧＪ０９０５ＡＮＳＮ－ＧＤを備える製造例２の切削工具を使用し、比較例１に従って被覆した対応の切削工具と比較した。
このフライスカッターを、シングルポイント方式（Ｅｉｎｚａｈｎｖｅｒｓｕｃｈ）において、切削速度（ｖｃ）１００ｍ／分、切削深さ（ａｐ）１ｍｍ、接触幅５０ｍｍで作動させた。歯のピッチは０．２５ｍｍであった。フライス加工はエマルジョン冷却で行った。
工具寿命の終了は、逃げ面摩耗＞０．２ｍｍ又は切刃の破損によって定義された。
本発明に従って被覆された切削工具により、フライス削り長さ２．４ｍの寿命を達成することができた。比較例１に従って被覆した切削工具の寿命は僅か１．８ｍであった。
切削試験３
グレード１．４３０１の鋼製ワークピースに６つの歯を有する平面フライスカッターを使用したフライス削り試験において、インサート形状ＸＰＨＴ１６０４１２を備える製造例３の切削工具を使用し、比較例１及び２による対応の切削工具と比較した。
このフライスカッターを、シングルポイント方式（Einzahnversuch）において、切削速度（ｖｃ）２５０ｍ／分、切削深さ（ａｐ）２．５ｍｍ、接触幅２４ｍｍで作動させた。歯のピッチは０．１５ｍｍであった。フライス加工は冷却なしで行った。
工具寿命の終了は、逃げ面摩耗＞０．３ｍｍまたは切削エッジの破損によって定義された。
本発明に従って被覆された切削工具により、フライス削り長さ２．１ｍの寿命を達成することができた。比較例１及び２に従って被覆した切削工具の寿命は僅か１．２ｍであった。
切削試験４
グレードＥＮ－ＧＪＳ－７００の球状黒鉛製ワークピースに６つの歯を有する平面フライスカッターを使用したフライス削り試験において、インサート形状ＸＰＨＴ１６０４１２を備える製造例４の切削工具を使用し、比較例１による対応の切削工具と比較した。
このフライスカッターを、シングルポイント方式（Einzahnversuch）において、切削速度（ｖｃ）２５０ｍ／分、切削深さ（ａｐ）１ｍｍ、接触幅２０ｍｍで作動させた。歯のピッチは０．２５ｍｍであった。フライス加工は冷却なしで行った。
工具寿命の終了は、逃げ面摩耗＞０．１ｍｍまたは切削エッジの破損によって定義された。
本発明に従って被覆された切削工具により、フライス削り長さ１２．８ｍの寿命を達成することができた。比較例１に従って被覆した切削工具の寿命は僅か９．０ｍであった。
従って、本発明に基づく被覆により、切削工具の寿命を３０％以上、部分的には７０％以上も顕著に延長することが可能である。
本発明に係る態様は、以下の態様をも含む。
＜１＞ 基材及び該基材上に物理的蒸着によって施与された耐摩耗性の被覆部を備える被覆された物体であって、前記被覆部は基層及びカバー層を有しており、
前記基材上に施与された前記基層は、厚さが１～１０μｍであり、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる窒化物から形成されており、
前記基層に隣接する前記カバー層は、厚さが０．１～５μｍであり、
酸窒化物層及び該酸窒化物層の上に配置されている窒化物層から成る少なくとも１つの交番層を備えており、前記酸窒化物層は、アルミニウムと、その他に任意で、クロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、ケイ素及びそれらの組み合わせから成る金属群から選択した金属とによる酸窒化物から形成されており、前記窒化物層は、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる窒化物から形成されており、
前記酸窒化物層は、該酸窒化物層中の窒素及び酸素の割合に関して、５０原子濃度よりも少ない窒素含有量を有している、
被覆された物体。
＜２＞ 前記被覆部の前記基層は、アルミニウムチタン窒化物及び／又はアルミニウムチタンケイ素窒化物から構成され、好ましくはアルミニウムチタン窒化物から構成されていることを特徴とする、＜１＞に記載の被覆された物体。
＜３＞ 前記基層のＡｌ：Ｔｉ原子比率は６０：４０～７０：３０の範囲にあり、好ましくは６２：３８～６５：３５の範囲にあることを特徴とする、＜１＞又は＜２＞に記載の被覆された物体。
＜４＞ 前記被覆部にある前記基層に隣接する前記カバー層は、前記酸窒化物層及び前記窒化物層から成る少なくとも１つの前記交番層の繰り返しを１～１０回、好ましくは３～５回有していることを特徴とする、＜１＞～＜３＞のいずれか一つに記載の被覆された物体。
＜５＞ 前記酸窒化物層及び前記窒化物層から成る前記交番層の厚さは、約０．１μｍ～１μｍの範囲にあることを特徴とする、＜１＞～＜４＞のいずれか一つに記載の被覆された物体。
＜６＞ 少なくとも１つの前記交番層の前記酸窒化物層は、アルミニウムの酸窒化物、好ましくはＡｌＯ ｘ Ｎ １－ｘ 、０．５＜ｘ≦０．９９、又はアルミニウムとクロムの酸窒化物、好ましくは（Ａｌ，Ｃｒ）Ｏ ｘ Ｎ １－ｘ 、０．５＜ｘ≦０．９９から形成されていることを特徴とする、＜１＞～＜５＞のいずれか一つに記載の被覆された物体。
＜７＞ 前記酸窒化物層は、それぞれ１～３０原子％の窒素、好ましくは２～１５原子％の窒素を含有していることを特徴とする、＜１＞～＜６＞のいずれか一つに記載の被覆された物体。
＜８＞ 少なくとも１つの前記交番層にある前記酸窒化物層と前記窒化物層の間に、さらには任意で連続する前記交番層の間に、それぞれ１つの中間層が設けられており、前記中間層は、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる酸窒化物から形成されていることを特徴とする、＜１＞～＜７＞のいずれか一つに記載の被覆された物体。
＜９＞ 前記中間層は、アルミニウムとチタンの酸窒化物、好ましくは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｏ ｘ Ｎ １－ｘ 、０＜ｘ＜１から形成されていることを特徴とする、＜８＞に記載の被覆された物体。
＜１０＞ 前記中間層は、さらに前記基層とこれに隣接する少なくとも１つの前記交番層との間にも配置されていることを特徴とする、＜８＞又は＜９＞に記載の被覆された物体。
＜１１＞ 前記被覆部は、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＣｒＮ及び／又はＡｌＣｒＮから成る最外層を有していることを特徴とする、＜１＞～＜１０＞のいずれか一つに記載の被覆された物体。
＜１２＞ ＜１＞～＜１１＞のいずれか一つに記載の耐摩耗性に被覆された物体の製造方法であって、
基材を準備する工程と、
厚さが１～５μｍの基層であり、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる窒化物から物理的蒸着によって形成される前記基層を前記基材上に施与する工程と、
アルミニウムと、その他に任意で、クロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、ケイ素及びそれらの組み合わせから成る金属群から選択した金属とから成る酸窒化物から物理的蒸着によって形成される少なくとも１つの酸窒化物層を基層の上に施与する工程と、
アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる窒化物から物理的蒸着によって形成される窒化物層を酸窒化物層の上に施与する工程と、
任意で、酸窒化物層と窒化物層の施与を繰り返す工程と
を有しており、
基層、酸窒化物層及び窒化物層の蒸着中に窒素を連続的に、かつ調整しながら供給することを特徴とする、製造方法。
＜１３＞ 前記基層及び／又は前記窒化物層の施与中の窒素分圧は、１～８Ｐａの範囲、好ましくは２～５Ｐａの範囲にあることを特徴とする、＜１２＞に記載の方法。
＜１４＞ 陰極として、Ａｌ／Ｔｉハイブリッド陰極を使用し、任意でＣｒ、Ｓｉ及び／又はＺｒでドープすることを特徴とする、＜１３＞に記載の方法。
＜１５＞ 前記酸窒化物層の施与のため、酸素を１０～１００ｓｃｃｍ、好ましくは４０～６０ｓｃｃｍの量で供給することを特徴とする、＜１２＞又は＜１３＞に記載の方法。
＜１６＞ 前記酸窒化物の施与中の窒素分圧は、１～８Ｐａの範囲、好ましくは２～５Ｐａの範囲に維持されることを特徴とする、＜１２＞～＜１５＞のいずれか一つに記載の方法。
＜１７＞ 前記酸窒化物層の蒸着中の窒素分圧は、前記窒化物層の施与時よりも低く調整されることを特徴とする、＜１２＞～＜１６＞のいずれか一つに記載の方法。
＜１８＞ 前記酸窒化物層の物理的蒸着の陰極として、アルミニウム陰極を使用し、任意でクロム、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム及び／又はケイ素でドープすることを特徴とする、＜１２＞～＜１７＞のいずれか一つに記載の方法。
＜１９＞ 前記基層の施与後、前記酸窒化物層の施与後、前記窒化物層の施与後に、それぞれ１つの中間層を物理的蒸着によって施与し、前記中間層は、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ及びそれらの組み合わせから成る金属群のうち少なくとも１つの金属とによる酸窒化物から形成されることを特徴とする、＜１２＞～＜１８＞のいずれか一つに記載の方法。
＜２０＞ 前記中間層の施与中に、酸素を、質量流量を増加又は減少しながら供給することを特徴とする、＜１９＞に記載の方法。
＜２１＞ 酸素の前記質量流量は、前記酸窒化物層の施与中に供給される酸素の質量流量の約５０％～１００％の範囲で変動することを特徴とする、＜１９＞に記載の方法。
＜２２＞ 前記中間層の施与中の窒素分圧は、１～８Ｐａの範囲、好ましくは２～５Ｐａの範囲に維持されることを特徴とする、＜１９＞～＜２１＞のいずれか一つに記載の方法。
＜２３＞ 前記中間層の施与中の前記窒素分圧は、窒化物層の施与時よりも低いことを特徴とする、＜２２＞に記載の方法。


Claims (19)

  1. 基材及び該基材上に物理的蒸着によって施与された耐摩耗性の被覆部を備える被覆された物体であって、前記被覆部は基層及びカバー層を有しており、
    前記基材上に施与された前記基層は、厚さが３．１～３．７μｍであり、アルミニウムとＴｉとによる窒化物から形成されており、
    前記基層に隣接する前記カバー層は、厚さが０．８～１．９μｍであり、
    酸窒化物層、アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ及びそれらの組み合わせから成る群のうち少なくとも１つの金属とによる酸窒化物から形成される中間層、及び該酸窒化物層及び該中間層の上に配置されている窒化物層から成る少なくとも１つの交番層を備えており、前記酸窒化物層は、アルミニウムと、その他に任意でクロムとによる酸窒化物から形成されており、前記窒化物層は、アルミニウムとＴｉとによる窒化物から形成されており、
    前記酸窒化物層は、該酸窒化物層中の窒素及び酸素の割合に関して、５０原子％よりも少ない窒素含有量を有している、
    被覆された物体。
  2. 前記基層のＡｌ：Ｔｉ原子比率は６０：４０～７０：３０の範囲にあり、好ましくは６２：３８～６５：３５の範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の被覆された物体。
  3. 前記被覆部にある前記基層に隣接する前記カバー層は、前記酸窒化物層、前記中間層及び前記窒化物層から成る少なくとも１つの前記交番層の繰り返しを１～１０回、好ましくは３～５回有していることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の被覆された物体。
  4. 前記酸窒化物層、前記中間層及び前記窒化物層から成る前記交番層の厚さは、約０．１μｍ～１μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の被覆された物体。
  5. 少なくとも１つの前記交番層の前記酸窒化物層は、アルミニウムの酸窒化物、好ましくはＡｌＯ ｘ Ｎ １－ｘ 、０．５＜ｘ≦０．９９、又はアルミニウムとクロムの酸窒化物、好ましくは（Ａｌ，Ｃｒ）Ｏ ｘ Ｎ １－ｘ 、０．５＜ｘ≦０．９９から形成されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の被覆された物体。
  6. 前記酸窒化物層は、それぞれ１～３０原子％の窒素、好ましくは２～１５原子％の窒素を含有していることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の被覆された物体。
  7. 前記中間層は、アルミニウムとチタンの酸窒化物、好ましくは（Ａｌ，Ｔｉ）Ｏ ｘ Ｎ １－ｘ 、０＜ｘ＜１から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の被覆された物体。
  8. 前記中間層は、さらに前記基層とこれに隣接する少なくとも１つの前記交番層との間にも配置されていることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の被覆された物体。
  9. 前記被覆部は、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＣｒＮ及び／又はＡｌＣｒＮから成る最外層を有していることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の被覆された物体。
  10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の耐摩耗性に被覆された物体の製造方法であって、
    基材を準備する工程と、
    厚さが３．１～３．７μｍの基層であり、アルミニウムと、Ｔｉとによる窒化物から物理的蒸着によって形成される前記基層を前記基材上に施与する工程と、
    アルミニウムと、その他に任意で、クロムとから成る酸窒化物から物理的蒸着によって形成される少なくとも１つの酸窒化物層を基層の上に施与する工程と、
    アルミニウムと、その他にＴｉ、Ｃｒ及びそれらの組み合わせから成る群のうち少なくとも１つの金属とによる酸窒化物から形成される中間層を、前記酸窒化物層の上に施与する工程と、
    アルミニウムと、Ｔｉとによる窒化物から物理的蒸着によって形成される窒化物層を前記中間層の上に施与する工程と、
    任意で、酸窒化物層、中間層と窒化物層の施与を繰り返す工程と
    を有しており、
    基層、酸窒化物層及び窒化物層の蒸着中に窒素を連続的に、かつ調整しながら供給することを特徴とする、製造方法。
  11. 前記基層、前記中間層及び／又は前記窒化物層の施与中の窒素分圧は、１～８Ｐａの範囲、好ましくは２～５Ｐａの範囲にあることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記酸窒化物層の施与のため、酸素を１０～１００ｓｃｃｍ、好ましくは４０～６０ｓｃｃｍの量で供給することを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の方法。
  13. 前記酸窒化物の施与中の窒素分圧は、１～８Ｐａの範囲、好ましくは２～５Ｐａの範囲に維持されることを特徴とする、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記酸窒化物層の蒸着中の窒素分圧は、前記窒化物層の施与時よりも低く調整されることを特徴とする、請求項１０～１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記酸窒化物層の物理的蒸着の陰極として、アルミニウム陰極を使用し、任意でクロムでドープすることを特徴とする、請求項１０～１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記中間層の施与中に、酸素を、質量流量を増加又は減少しながら供給することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
  17. 酸素の前記質量流量は、前記酸窒化物層の施与中に供給される酸素の質量流量の５０％～１００％の範囲で変動することを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記中間層の施与中の窒素分圧は、１～８Ｐａの範囲、好ましくは２～５Ｐａの範囲に維持されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
  19. 前記中間層の施与中の前記窒素分圧は、窒化物層の施与時よりも低いことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。

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