(57)【要約】  本発明は、ＤＣスパッタリング法によって、超硬材料、サーメット、鋼、またはセラミックで構成される基材を少なくとも１つのＴｉ１−ｘＡｌｘＮ層で被覆する方法に関する。本発明はさらに、上記方法によって被覆された工作物または工具、ならびにその使用に関する。本発明の目的の１つは、スパッタリング法およびアーク法の利点を併せ持つ被膜の形成が可能となる方法、すなわち小さい粗さおよび好ましい（２００）組織を有する被膜を得ることが可能となる方法を提供することである。本発明のさらに別の目的は、上記性質を有する被膜を有する工作物を提供することである。本発明のさらに別の目的は、金属の機械加工に特に適した工具を使用することである。本発明の方法によって実現される目的は、プラズマ密度を増加させるためにイオン化促進が使用されることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣスパッタリング法によって、超硬合金、サーメット、鋼、またはセラミックで構成される基材を少なくとも１つのＴｉ１−ｘＡｌｘＮ層で被覆する方法であって、
プラズマ密度を増加させるためにイオン化促進が使用されることを特徴とする方法。
【請求項２】
ホローカソード効果によって前記プラズマ濃度が増加することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
すべての反応ガスをホローカソードに通過させることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ホローカソード放電が恒久的に作用するＤＣスパッタリング法を特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記プラズマ密度を増加させるために磁界が使用され、磁力線が好ましくは、被覆される前記基材表面に対して垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
超硬合金、サーメット、鋼、またはセラミックの基材と、商Ｑ１＞１（式中、Ｑ１はδ−２θ法を使用した材料のＸ線回折における（２００）格子面および（１１１）格子面にそれぞれ帰属しうるＩ（２００）対Ｉ（１１１）の回折強度比である）を有する少なくとも１つのＴｉ１−ｘＡｌｘＮ層とを有する硬質材料で被覆された工作物または工具であって、
ＤＣスパッタリングによって形成されたこの層が−１ＧＰａ〜−２ＧＰａの内部圧縮応力を有することを特徴とする、硬質材料で被覆された工作物または工具。
【請求項７】
前記Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮ層中、０．５＜ｘ＜０．７であることを特徴とする、請求項６に記載の工作物または工具。
【請求項８】
前記Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮ層の厚さが最大１５μｍ、好ましくは最大１０μｍであることを特徴とする、請求項６または７に記載の工作物または工具。
【請求項９】
請求項６から８までのいずれか一項に記載の工作物または工具を、機械加工、成形、または打ち抜きの工具、好ましくはスローアウェイチップ、シャンクバイト、特にドリルまたはフライス、あるいは摩耗性部品の製造のために用いる使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣスパッタリング法によって、超硬合金、サーメット、鋼、またはセラミックで構成される基材に、少なくとも１つのＴｉ１−ｘＡｌｘＮ層を被覆する方法に関する。本発明は、さらに、上記方法によって被覆された工作物または工具、ならびにその使用にも関する。
【背景技術】
【０００２】
金属を機械加工するために現在製造されているほとんどの超硬合金切削要素は、切削インサートをより硬質にしたり、および／または耐摩耗性を高めたりするために被覆されている。たとえば、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ−Ｃ系からの硬質材料が被膜として選択されている。ＣＶＤ法以外に、ＰＶＤ法も被覆に使用されている。
【０００３】
具体的なＰＶＤ法の１つは、アークＰＶＤとして知られている。トリガーを使用して、アノード（たとえばチャンバー壁）と（金属）被覆材料からなるカソードとの間でアークを発生させる。これによって、カソードにおいて、材料が局所的に溶融し気化するほどの高温が発生する。それによって、アークはカソード全体を移動する。アーク中では、気化した粒子はほぼ完全にイオン化している。アーク−ＰＶＤ法によって、たとえば、好ましい（２００）組織を有するＴｉＡｌＮ層を形成することが可能となる。
【０００４】
たとえば独国特許出願公開第１０  ２００５  ０２１  ９２７  Ａ１号明細書に一般に記載されているような被覆材料を気化させる別のＰＶＤ法は、スパッタリング（カソードスパッタリング）として知られている。この場合、被覆材料からなるターゲットに高エネルギーイオンを当てると、それによって原子が固体物体から引き離され気相中に移動する。スパッタリングによって、優れた表面品質を形成することができ、特に粗さの小さい表面を得ることができる。
【０００５】
具体的なスパッタリング法の１つは、高出力インパルス−マグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）であり、これは、カソードとして機能するターゲットに電力がパルスで供給されることが異なる（これに関しては、独国特許出願公開第１０  ２００６  ０１７  ３８２  Ａ１号明細書、米国特許第６，２９６，７４２号明細書が参照される）。この場合に供給される出力密度は非常に高いために、既に発生しているグロー放電はアーク放電の特徴を有する。ＨＩＰＩＭＳの場合、非常に高い電圧が使用される。ターゲットがカソードとして使用されるため、この方法では、再スパッタリング効果が増加し、そのため堆積速度が小さくなる。これに伴って成長速度が比較的小さくなる。
【０００６】
欧州特許第１０  １７８７０  Ｂ１号明細書には、保護層系を有する工具が開示されている。この工具はＭｅＸ被膜を有し、式中、Ｍｅはチタンおよびアルミニウムを含み、Ｘは窒素または炭素の少なくとも１つである。（２００）面の（１１１）面に対する回折強度の比Ｑ１は１を超える。層内部の圧縮応力σは、１ＧＰａ≦σ≦６ＧＰａとなる。アーク蒸着または反応性スパッタリングによる蒸着が被覆方法として選択される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、スパッタリング法およびアーク法の利点を併せ持つ被膜を形成可能な方法、すなわち小さい粗さおよび好ましい（２００）組織を有する被膜を得ることが可能な方法を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに別の課題は、上記の性質を有する被膜を有する工作物を提供することである。
【０００９】
本発明のさらに別の課題は、金属の機械加工に特に好適となる工具を使用することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題は、請求項１に記載の方法によって、請求項６に記載の硬質材料で被覆された工作物によって、および請求項９に記載のその使用によって解決される。
【００１１】
請求項１に記載の方法の場合、プラズマ密度を増加させるためにイオン化促進が使用される。
【００１２】
本発明による方法の好ましい一実施形態では、ホローカソード効果によってプラズマ密度が増加する。ホローカソード効果は、グロー放電中の特定の前提条件下で観察することができる。グロー放電中、陰極降下またはグローシーム（ｇｌｏｗ  ｓｅａｍ）と呼ばれる領域がカソード表面上に形成される。隣接するカソード表面が互いに接近してこれらの領域が重なり合うと、プラズマの準中性が破れ、これらの表面を流れていくガスのイオン化がより多くなる。本発明のさらなる改良形態によると、すべての反応ガスがホローカソードに通される。好ましくは、本発明によるＤＣスパッタリング法の場合、ホローカソード放電を恒久的に作用させる。
【００１３】
本発明の方法の別の好ましい改良形態は、プラズマ密度を増加させるために磁界が使用されることであり、この磁力線は好ましくは、被覆される基材表面に対して垂直である。磁界に対して速度ｖで移動する荷電粒子の移動方向に対して垂直方向にローレンツ力が作用する。均一磁界の場合、粒子は円軌道上を移動し、それによってプラズマ密度が増加する。
【００１４】
請求項１に記載の方法によって製造される工作物の好ましい改良形態の１つは、Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮ層中で、ｘが０．５≦ｘ≦０．７を満たすことである。
【００１５】
さらに別の好ましい改良形態は、Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮ層の厚さが最大１５μｍ、好ましくは最大１０μｍとなることである。
【００１６】
請求項１に記載の方法によって製造される請求項４に記載の工作物は、機械加工、成形、または打ち抜きの工具、好ましくはスローアウェイチップ、シャンクバイト、特にドリルまたはフライス、あるいは摩耗性部品の製造に特に適している。
【００１７】
本発明による方法の好ましい改良形態について、図面を参照しながら以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１ａ】ホローカソード効果の発生を示している。
【図１ｂ】ホローカソード効果の発生を示している。
【図１ｃ】ホローカソードを通過するガスの流れを示している。
【図２】追加の磁界によって生じるプラズマ密度の増加を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
グロー放電中、陰極降下またはグローシーム２がカソード１において発生する。カソード１が、矢印３の方向に十分に隔てて互いに向かって移動すると、これによってグローシームが重なり合う領域４が形成される。この領域内ではプラズマの準中性が破れる。中性ガス５が領域４を通過すると、ガスの流れ７がイオン化され、プラズマ６が発生する。
【００２０】
プラズマ密度を増加させる別の可能性を図２に示す。被覆される基材１０を、磁力線１１を有する垂直に配置された磁界が貫通する。ローレンツ力の作用によって、荷電粒子１３は円軌道上１２を移動し、それによってプラズマ密度が増加する。
【００２１】
本発明による方法の使用によって、および本発明による方法によって被覆された切削インサートの使用によって、比較試験における以下の利点を求めることができた。
【実施例】
【００２２】
実施例１
４２Ｃｒ  Ｍｏ  ４Ｖのコーナーフライス加工（一枚歯試験（ｓｉｎｇｌｅ−ｔｏｏｔｈ  ｔｅｓｔ））
フライス加工工具の種類：Ｍ６８０  Ｄ６３  Ｚ１
スローアウェイチップの型：ＸＰＨＴ１６０４１２
切削速度Ｖｃ＝２２０ｍ／分
一歯当たりの送り量ｆｚ＝０．２５ｍｍ
切削深さａｐ＝２．５ｍｍ
接触幅ａｅ＝３８ｍｍ
組織係数がＱＩ＝０．４の標準被膜によって４０００ｍｍの工具寿命（ｔｏｏｌ  ｌｉｆｅ  ｔｒａｖｅｌ）が達成された。対照的に、ＱＩ＝１．８の組織係数および−１．６ＧＰａの内部圧縮応力を有する本発明による一実施形態によって７０００ｍｍの工具寿命が達成された。
【００２３】
実施例２
Ｘ  ５ＣｒＮｉ  １８−１０のコーナーフライス加工（一枚歯試験）
フライス加工工具の種類：Ｍ６８０  Ｄ６３  Ｚ１
スローアウェイチップの型：ＸＰＨＴ１６０４１２
調整角：９０°
切削速度Ｖｃ＝１００ｍ／分
一歯当たりの送り量ｆｚ＝０．１１ｍｍ
切削深さａｐ＝２．５ｍｍ
接触幅ａｅ＝３５ｍｍ
組織係数がＱＩ＝０．８の標準被膜によって１７００ｍｍの工具寿命が達成された。組織係数ＱＩ＝２．６７および−１．８ＧＰａの内部圧縮応力を有する本発明による被膜を使用すると、２８００ｍｍの工具寿命が達成された。
【００２４】
実施例３
Ｘ  ５ＣｒＮｉ  １８−１０のコーナーフライス加工（一枚歯試験）
フライス加工工具の種類：Ｍ６８０  Ｄ８０  Ｚ１
スローアウェイチップの型：ＸＰＨＴ１６０４１２
調整角：９０°
切削速度Ｖｃ＝２５０ｍ／分
一歯当たりの送り量ｆｚ＝０．１５ｍｍ
切削深さａｐ＝２．５ｍｍ
接触幅ａｅ＝２４ｍｍ
組織係数がＱＩ＝０．６の標準被膜によって２４００ｍｍの工具寿命が達成された。組織係数ＱＩ＝２．５および−１．６ＧＰａの内部圧縮応力を有する本発明による一実施形態によって３６００ｍｍの工具寿命が達成された。
【００２５】
実施例４
ＣＫ  ４５のコーナーフライス加工（一枚歯試験）
フライス加工工具の種類：Ｍ６８０  Ｄ８０  Ｚ１
スローアウェイチップの型：ＸＰＨＴ１６０４１２
調整角：９０°
切削速度Ｖｃ＝２８０ｍ／分
一歯当たりの送り量ｆｚ＝０．２５ｍｍ
切削深さａｐ＝２．５ｍｍ
接触幅ａｅ＝４４ｍｍ
組織係数がＱＩ＝０．６の標準被膜によって５４００ｍｍの工具寿命が達成された。組織係数ＱＩ＝２．５および−１．５ＧＰａの内部圧縮応力を有する本発明による一実施形態によって７４００ｍｍの工具寿命が達成された。
【符号の説明】
【００２６】
１  カソード、  ２  グローシーム、  ３  矢印、  ４  領域、  ５  中性ガス、  ６  プラズマ、  ７  ガスの流れ、  １０  基材、  １１  磁力線、  １２  円軌道、  １３  荷電粒子
【図１ａ】
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【図１ｂ】
2011517733.tif 000004
【図１ｃ】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2011517733.tif 000008
2011517733.tif 000009
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