(57)【要約】  ｃＢＮ粒子を含有する複合体の形の１つ又は複数の層を有する、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子を含有する少なくとも１つのコーティング層を用いて形成される多層コーティングの物理的構成の個々の層の厚さは、ナノメートル領域で薄くすることも、数ミクロンの領域で、さらには最大数十ミクロンまで厚くすることもできる。複合層の化学的構成は、ｃＢＮ粒子に加えて、（ａ）窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）などの窒化物と、（ｂ）炭化チタン（ＴｉＣ）などの炭化物と、（ｃ）酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの酸化物と、又は上記相の任意の組合せの任意の個別の層からなる。コーティング又は膜は独立型であっても、基板上にあってもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．炭化物、セラミックス、多結晶質立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）成形体、ＰＣＢＮ先端、サーメット、炭素及び鋼からなる組から選択される基板材料を含む基板と、
ｂ．立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子と、第２の材料を含む粒子とを含む複合層であって、前記第２の材料が、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される複合層と、
ｃ．前記複合層に隣接するセラミック層であって、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される第３の材料を含むセラミック層とを備える多層被覆基板。
【請求項２】
前記第２の材料が窒化チタン（ＴｉＮ）である、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項３】
前記第２の材料が炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）である、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項４】
前記第２の材料が酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）である、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項５】
前記第２の材料が炭化チタン（ＴｉＣ）である、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項６】
前記第２の材料が窒化ハフニウム（ＨｆＮ）である、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項７】
前記第２の材料が炭窒化ハフニウム（ＨｆＣＮ）である、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項８】
前記第２の材料が窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）である、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項９】
前記第２の材料が炭窒化ジルコニウム（ＺｒＣＮ）である、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項１０】
各々立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子と、第２の材料を含む粒子とを含む第１及び第２の複合層を備え、前記第２の材料が、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択され、前記セラミック層が、前記第１及び第２複合層間に界面層を備える、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項１１】
各々立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子を含む第１及び第２の複合層を備え、前記第１の複合層が、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される第２の材料を含み、前記第２の複合層が、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される第４の材料を含み、さらに前記第１の複合層が前記セラミック層に隣接し、前記第２の複合層が前記第１の複合層に隣接している、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項１２】
前記第１の複合層の前記第２の材料が、前記第２の複合層の前記第４の材料とは異なる、請求項１１に記載の多層被覆基板。
【請求項１３】
前記複合層が、１００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項１４】
前記第２の材料が、前記複合層の２０重量％〜６０重量％を構成する、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項１５】
第１及び第２のセラミック層を備え、前記第１のセラミック層が前記複合層に隣接し、前記第２のセラミック層が前記第１のセラミック層に隣接している、請求項１に記載の多層被覆基板。
【請求項１６】
多層被覆基板を形成する方法であって、
ａ．コーティングプリフォームとしてｃＢＮ粒子を含む第１の材料を基板上に噴霧するステップと、
ｂ．窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される第２の材料を、化学気相浸透（ＣＶＩ）プロセスによって前記第１の材料に浸透させて、複合ｃＢＮ粒子層を生成するステップと、
ｃ．マイクロ波焼結、赤外（ＩＲ）加熱、レーザー放射及びハイブリッドプロセスからなる組から選択される方法によって、前記ｃＢＮ複合層を結合するステップと、
ｄ．窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される少なくとも１種の材料を含む第３の材料を前記ｃＢＮ複合層上に噴霧して、セラミック層を形成するステップとを含む上記方法。
【請求項１７】
ａ．前記セラミック層上に、ｃＢＮ粒子を含む第４の材料を噴霧するステップと、
ｂ．窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される第５の材料を、化学気相浸透（ＣＶＩ）プロセスによって前記第４の材料に浸透させて、前記セラミック層に隣接する第２の複合ｃＢＮ粒子層を生成するステップと、
ｃ．マイクロ波焼結、赤外（ＩＲ）加熱、レーザー放射及びハイブリッドプロセスからなる組から選択される方法によって、前記第２のｃＢＮ複合層を結合するステップとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記浸透ステップが、８５０℃〜１１００℃の範囲の温度で行われる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記浸透ステップが、１２０分〜２４００分の継続時間で行われる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
多層被覆基板を形成する方法であって、
ａ．窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物のうちの少なくとも１種を含む第１のセラミック材料を基板上に噴霧して、セラミック層を形成するステップと、
ｂ．前記セラミック層上にｃＢＮ粒子を噴霧するステップと、
ｃ．窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される第２のセラミック材料を前記ｃＢＮ粒子に浸透させるステップであって、化学気相浸透（ＣＶＩ）プロセスによって行われて複合ｃＢＮ粒子層が生成されるステップと、
ｄ．マイクロ波焼結、赤外（ＩＲ）加熱、レーザー放射及びハイブリッドプロセスからなる組から選択される方法によって、前記ｃＢＮ複合層を結合するステップとを含む上記方法。
【請求項２１】
窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物のうちの少なくとも１種を含む第３のセラミック材料を前記ｃＢＮ複合層上に噴霧して、第２のセラミック層を形成するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ａ．前記ｃＢＮ複合層上にｃＢＮ粒子を噴霧するステップと、
ｂ．窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される、前記第２のセラミック材料とは異なる第３のセラミック材料を浸透させるステップであって、化学気相浸透（ＣＶＩ）プロセスによって行われて、前記ｃＢＮ複合層に隣接する第２の複合ｃＢＮ粒子層が生成されるステップと、
ｃ．マイクロ波焼結、赤外（ＩＲ）加熱、レーザー放射及びハイブリッドプロセスからなる組から選択される方法によって、前記第２のｃＢＮ複合層を結合するステップとをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記浸透ステップが、８５０℃〜１１００℃の範囲の温度で行われる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記浸透ステップが、１２０分〜２４００分の継続時間で行われる、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１１年５月２７日に出願された、「立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子からなる多層コーティング及び／又は膜構成（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｌａｙｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｆｉｌｍ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｃｕｂｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  （ｃＢＮ）  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）」という名称の米国仮特許出願第６１／４９０，７３０号の、また同じく２０１１年５月２７日に出願された、「厚膜立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）並びに他のセラミック系コーティング及び膜の作製プロセス（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  Ｔｈｉｃｋ  Ｃｕｂｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  （ｃＢＮ）  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｂａｓｅｄ  Ｃｏａｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｆｉｌｍ）」という名称の米国仮特許出願第６１／４９０，７１９号の優先権を主張する。このような出願は、本明細書中に全体が記載されているかのように参照により援用される。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
該当なし。
【背景技術】
【０００３】
より優れた耐摩耗性及び耐腐食性を実現させるためなど、様々な材料の性能を向上させるためには、コーティングが効果的である。基板材料の耐摩耗性を向上させるために基板にコーティングが適用される一般的な用途として、鋼など硬質材料の切削のための切削工具挿入部が挙げられる。切削工具用の一般的な基板材料としては、たとえば、バインダ材料としてのコバルト又はニッケルの割合が様々で、異なる粒径の硬質金属を挙げることができる。
【０００４】
窒化ホウ素（ＢＮ）は、その熱的及び化学的安定性により、高温用途向け部品の作製において広く使用されている周知の材料である。窒化ホウ素は、非晶質でも、いくつかの結晶形でも存在する。立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）は、その非常に高い硬度の値及び比較的低いコストにより、研磨剤として様々な切削用途において広く使用されている結晶形である。立方晶窒化ホウ素は、高温で鉄、ニッケル及び関連合金に比較的不溶性であるため、鋼の切削及び機械加工用ダイヤモンドの代わりに広く使用されている。
【０００５】
この技術には、切削工具及び切断機用挿入部などの部品を、ｃＢＮ層でコーティングする様々な方法も含まれている。使用するプロセスは、複合相ではない、純粋なｃＢＮの適用となっている。この蒸着による純粋なｃＢＮ層の適用は、コーティング厚さを約２〜３ミクロン未満に限定して行われる。しかしながら、このようなコーティング構成には、靱性、熱的安定性及び耐摩耗性など複数の機能的要件をもたらすには限界があることがわかっている。これらのパラメータは、切削工具挿入部用コーティングにおいてなど、特定の用途においては非常に重要であり、このため、靱性、熱的安定性及び耐摩耗性がより優れている改良されたコーティング材料が望まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、純粋な形ではなく複合体で立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子を含有する少なくとも１つのコーティング層を用いて形成される多層コーティングの物理的構成に関する。具体的には、コーティングは、ｃＢＮ粒子を含有する複合体の形の１つ又は複数の層を有する積層構造（ある層の上に別の層）となっている。様々な実施形態において、層数は、２以上の任意の整数でよい。個々の層の厚さは、ナノメートル領域で薄くすることも、数ミクロンの領域で、さらには最大数十ミクロンまで厚くすることもできるがこれらに限定されない。複合層の化学的構成は、ｃＢＮ粒子に加えて、（ａ）窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）などの窒化物と、（ｂ）炭化チタン（ＴｉＣ）などの炭化物と、（ｃ）酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの酸化物と、又は上記相の任意の組合せの任意の個別の層からなる。コーティング又は膜は独立型であっても、関心のある（１つ又は複数の）基板上にあってもよい。
【０００７】
このコーティング構成により、優れた熱的安定性、靱性及び耐摩耗性を含めた組合せの機能がもたらされる。このコーティングにより、進歩した製造、耐摩耗性工具及び他の用途の機会が与えられる。
【０００８】
第１の態様において、本発明は、セラミックス、多結晶質立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）成形体、ＰＣＢＮ先端、サーメット及び鋼からなる組から選択される基板材料と、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子及び第２の材料を含む粒子を含む複合層とを備える多層被覆基板を対象とし、第２の材料は、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択され、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される第３の材料を含むセラミック層が複合層に隣接している。
【０００９】
第２の態様において、本発明は、多層被覆基板を形成する方法を対象とし、この方法は、コーティングプリフォームとしてｃＢＮ粒子を含む第１の材料を基板上に噴霧するステップと、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される第２の材料を、化学気相浸透（ＣＶＩ）プロセスによって第１の材料に浸透させて、複合ｃＢＮ粒子層を生成するステップと、マイクロ波焼結、赤外（ＩＲ）加熱、レーザー放射及びハイブリッドプロセスからなる組から選択される方法によって、ｃＢＮ複合層を結合するステップと、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される少なくとも１種の材料を含む第３の材料をｃＢＮ複合層上に噴霧して、セラミック層を形成するステップとを含む。
【００１０】
第３の態様において、本発明は、多層被覆基板を形成する方法を対象とし、この方法は、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物のうちの少なくとも１種を含む第１のセラミック材料を基板上に噴霧して、セラミック層を形成するステップと、セラミック層上にｃＢＮ粒子を噴霧するステップと、窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、炭素及び酸化物からなる組から選択される第２のセラミック材料をｃＢＮ粒子に浸透させるステップであって、化学気相浸透（ＣＶＩ）プロセスによって行われて複合ｃＢＮ粒子層が生成されるステップと、マイクロ波焼結、赤外（ＩＲ）加熱、レーザー放射及びハイブリッドプロセスからなる組から選択される方法によって、ｃＢＮ複合層を結合するステップとを含む。
【００１１】
本発明のこれらの、また他の特徴、目的及び利点は、以下に説明する図面に関連する好ましい諸実施形態及び添付の特許請求の範囲についての、以下の詳細な説明の考察からよりよく理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による被覆基板の第１の好ましい実施形態による多層コーティングを有する基板の図である。
【００１３】
【図２】本発明による被覆基板の第２の好ましい実施形態による多層コーティングを有する基板の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
被覆基板に関連して使用される本発明の様々な実施形態によれば、コーティング構成は、（１）セラミック層を界面層とする繰返し単位におけるｃＢＮ系複合コーティングであっても、（２）複合コーティング上に異なるバインダ層が層状に積層されているｃＢＮ系複合コーティングであっても、（３）個々の又は組合せのセラミック相の他の層を伴うｃＢＮ系複合コーティングであってもよい。いずれの場合にも、結果的に得られる被覆基板により、特に鋼を切削するために使用される工具など、コーティング材料としてｃＢＮを組み込んだこれまでの被覆基板と比較して、耐摩耗性及び工具寿命に関して性能が強化されることを本発明者らが見出した。
【００１５】
図１を参照して、切削工具挿入部に関連して使用するための本発明の第１の好ましい実施形態について説明することができる。基板１０は、セラミック材料、炭化物、ＰＣＢＮ成形体又は先端、サーメット、鋼など、その用途にとって適切な任意の材料であってよい。炭化物では、バインダとして２％〜１４％のＣｏ又はＮｉを有する粒径がナノサイズからマイクロサイズの範囲である任意の基板でよい。さらに、炭化物として、ＴａＣやＴｉＣなど合金相を有する任意の基板が挙げられる。セラミックスでは、アルファ及びベータ相のＳｉ３Ｎ４などの窒化物、ＴｉＣの有無にかかわらないＡｌ２Ｏ３などの酸化物、ＳｉＣウイスカなどの増強剤でよい。基板１０上の第１のコーティング層は層１２であり、この層は、ナノメートルからミクロンまでの範囲に及ぶ、好ましくは１００ｎｍ〜４０００ｎｍの範囲のｃＢＮ粒子を含む複合層である。複合体は、ｃＢＮ粒子に加え、様々な窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物及び酸化物を、用途に応じて２０％から６０％までの範囲に及ぶ材料比率で含むことができる。層１４が第１の積層セラミック層であり、この層は、窒化物、炭化物、炭窒化物、酸化物又はこれらの材料の任意の組合せから形成することができる。層１６が第２の積層セラミック層である。様々な実施形態において、単一の積層セラミック層のみが存在していても、又はこれらの層が３層以上存在していてもよいことを理解されたい。さらに、本発明には、他の諸実施形態における、この構造の繰返しも含まれ、たとえば、各グループが複合ｃＢＮ層１２と第１及び第２の積層セラミック層を備え、各層の厚さが２００ｎｍから１０ミクロンの範囲に及ぶ、ある層の上に他の層という２つの層グループなどである。
【００１６】
ここで図２を参照すると、層の順序を変更した本発明の第２の好ましい実施形態について説明することができる。この実施形態においては、複合ｃＢＮ層１２が、第１及び第２のセラミック層１４及び１６間に堆積されている。したがって、複合ｃＢＮ層１２は、第１及び第２のセラミック層１４及び１６間の界面層として働く。コーティングの化学的性質に応じて、このコーティング構成では、工具摩耗プロファイルを修正することができる。
【００１７】
（Ａ）コーティングプリフォームとしてのｃＢＮ粒子の噴霧堆積、その後に続く（１つ又は複数の）セラミック相の化学気相浸透の後、堆積及び浸透プロセスの繰返し、（Ｂ）セラミック相の層を生成するための気相堆積（物理気相堆積と化学気相堆積とのいずれか一方又は両方）の後、ｃＢＮ粒子の噴霧又は堆積、その後に続く（１つ又は複数の）セラミック相の化学気相浸透、並びに（Ｃ）高圧−高温（ＨＰ−ＨＴ）条件における成形又は圧縮法が含まれるが、これらに限定されない逐次プロセスによって、コーティング構成フォームを生成することができる。１００ｎｍ〜５０００ｎｍのｃＢＮ粒子の噴霧堆積では、コーティングプリフォーム厚さが最大数十ミクロンとなり得る。化学気相浸透において、温度は８５０℃〜１１００℃の範囲で、浸透時間は１２０分〜２４００分である。マイクロ波焼結、赤外（ＩＲ）加熱、レーザー放射又は上記の任意の組合せによって、各層を結合することができる。
【００１８】
本発明は、図示し本明細書中で説明した通り、切削工具及び機械に使用される挿入部用など、切削工具に使用することができる。しかしながら、本発明は、耐摩耗性、浸食防止或いは腐食防止、又は熱保護が所望の性質である他の用途にも適用することができる。
【００１９】
本発明で使用する「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」は、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」又は「特徴とする（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ  ｂｙ）」と同義で、包括的又はオープンエンドであるが、追加の列挙されていない要素又は方法ステップを排除しない。本明細書中で使用する「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」は、請求項要素に特定されていない要素、ステップ又は成分を排除する。本明細書中で使用する「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」は、請求項の基本的及び新規の特徴に実質的には影響を及ぼさない材料又はステップを排除しない。特に、ある組成物の成分についての記述における、又はデバイスの要素についての記述における用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」の本明細書中の任意の列挙は、列挙されている成分又は要素からなる、また列挙されている成分又は要素から本質的になるそれら組成物及び方法を包含すると理解される。本明細書中に適切に実例として記載されている本発明は、本明細書中に具体的に開示されていない１つ又は複数の要素、１つ又は複数の限定がない場合でも実施することができる。
【００２０】
マーカッシュ群又は他のグループ分けを本明細書中で使用する場合、その群の個々の要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）すべて、またその群から可能なコンビネーション（ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）及びサブコンビネーション（ｓｕｂｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）すべてが個々に本開示に含まれるものとする。
【００２１】
採用されている用語及び表現は、限定ではなく説明の用語として使用され、このような用語及び表現の使用において、図示し説明する特徴又はそれらの一部の均等物を排除する意図はなく、請求項に記載されている本発明の範囲内で様々な変更が可能であることが認識される。したがって、好ましい諸実施形態及び任意選択の特徴により本発明を具体的に開示してきたが、本明細書中に開示されている概念の変更及び変形が当業者により用いることができること、またこのような変形及び変更は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内にあると見なされることを理解されたい。したがって、追加の諸実施形態は本発明の範囲内、且つ下記特許請求の範囲内である。
【００２２】
一般に、本明細書中で使用する用語及び語句は、それらの当該技術分野において承認されている（ａｒｔ−ｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄ）意味を有し、それらの意味は、当業者に公知である標準的なテキスト、ジャーナルの参考文献及び文脈を参照することにより探し出すことができる。前述の定義は、本発明に照らしてそれらの特定使用を明確にするために規定されている。
【００２３】
本明細書中に言及されている特許及び出版物はすべて、本発明に関連する当業者の技術水準を示すものである。本明細書中で引用される参考文献はすべて、本明細書の開示と矛盾しない範囲で参照により本明細書中に援用される。
【００２４】
単なる例示であって、添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の全範囲を限定するものではない一部の好ましい諸実施形態及び代替の諸実施形態に関して、本発明を説明している。
【図１】
2014520204.tif 000003
【図２】
2014520204.tif 000004
【国際調査報告】
2014520204.tif 000005
2014520204.tif 000006