(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質材料がコーティングされた部材を作るための方法であって、
ＰＶＤコーティング・ユニットにより前記部材に硬質材料の層を形成するステップと、
前記硬質材料の層の外面を構造的に追加処理するステップとを含み、
前記構造的な追加処理では、前記層の表面が、この表面を滑らかにするためにブラスティング装置の中でブラストされ、粒子サイズが１μｍ〜１００μｍの無機ブラスティング剤が使用され、
前記ブラスティング剤の粒子形状が鋭く尖っていることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、使用される前記ブラスティング剤がＡｌ2Ｏ3またはＳｉＣであることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２のうちの１つに記載の方法において、前記ブラスティング剤の前記粒子サイズが１〜５０μｍの範囲内にあることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のうちの１つに記載の方法において、前記ブラストが圧縮空気によるブラスティングの方式で実行されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちの１つに記載の方法において、前記ブラストが１〜１０×１０5Ｐａの範囲内のブラスティング圧において実行されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、前記ブラスティング圧が２×１０5Ｐａであることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のうちの１つに記載の方法において、ブラスティング装置のノズル開口の断面が４〜１５ｍｍの範囲内にある場合、ノズルと部材との間の距離が２００ｍｍ以下の範囲内にあることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、ノズルの断面が１１ｍｍである場合、ノズルと部材との間の距離が３０〜１００ｍｍの範囲内にあることを特徴とする方法。
【請求項９】
特に工具用にＰＶＤコーティングされ、後処理された部材であって、基板および所定の厚さの硬質材料の層を有し、前記硬質材料はＰＶＤプロセスで前記基板に形成され、
前記硬質材料の層の厚さが少なくとも２．５μｍであり、少なくとも４μｍであることが好ましく、
前記後処理の前後での前記硬質材料の層の露出された面の、Ｒzとして測定された粗さの比が１．２より大きく、好適には、２より大きいことを特徴とする部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、硬質材料がコーティングされた部材を作るための方法に関し、以下のステップ、すなわち、
ＰＶＤコーティング・ユニットの中で、その部材に硬質材料の層を形成するステップと、
硬質材料の層の外面を構造的に追加処理するステップとを含む。
【０００２】
本発明は、またそのプロセス、特に硬質材料がコーティングされていて、表面が後処理されている工具にも関する。
【０００３】
部材に硬質材料の層を形成するために多くのＰＶＤコーティング・プロセスがこの分野の技術において周知である。これらのプロセスは陰極スパッタリング・プロセスおよびアーク放電プロセスの両方を含む。ＰＶＤコーティング・プロセスの間に形成される硬質材料の層は、すべてのタイプの部材または工具の表面上に凝縮する。特にＰＶＤ層が機能的コーティングとして、あるいは装飾的コーティングとしても使用される。ほとんどの用途において、それらは、例えば、ツイスト・ドリル、または使い捨て切削用インサートなどコーティングされた工具の磨耗特性を改善する。そのようなＰＶＤ層の例は、非常に広い範囲の金属の窒化物、酸化物、炭化物、炭化窒化物、およびホウ化物である。挙げることができる特定の例は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、炭化窒化チタン（ＴｉＣＮ）、二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）および酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）である。
【０００４】
コーティングされることが意図されている部材および工具は、焼結カーバイドから構成され、工具の場合には、工具鋼から構成することもできる。
【０００５】
採用される特定のＰＶＤコーティング・プロセスに依存して、ＰＶＤ層は、密集的に充填された（ｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄ）層構造ないし柱状（ｃｏｌｕｍｎａｒ）の層構造を有している。さらに、コーティングされる部材表面の加工等級は、それぞれの状態／粗さに関して、研磨された状態から研削された状態、放電加工された状態、焼結された状態、またはマイクロブラストされた状態までの範囲に及ぶ。
【０００６】
様々な加工等級の表面に蒸着されるＰＶＤ層は、コーティングされる部材の表面に生ずる粗さの他に、マイクロトポグラフィ／マイクロラフネスを呈する。これらの表面の特徴は、プロセス関連の層成長特性（例えば、ドロップレット）、層成長の欠陥（ピンホール／キャニバル）、層の不完全性（スパングル、塵埃）および層の構造（柱状性）によって決定される。ＰＶＤ層におけるこれらの望ましくない層の表面現象は、これらの層の厚さが増加するにつれてさらに強調されてくる。これは特にマイクロラフネス、および成長の欠陥を生じる可能性のある柱状の層構造に対しても明らかである。結果として、ＰＶＤ層の厚さの増加は表面品質における劣化に一般的に関連付けられる。
【０００７】
しかし、できるだけ厚いＰＶＤ層が部材に形成されることが望ましい。何故なら、特にコーティングされた工具および部材が機械加工のために使用されるとき、それらは磨耗する量が大きくなり、したがって、例えば、工具の使用寿命をかなり延ばすからである。
【０００８】
柱状に成長したＰＶＤ層、あるいは密集して充填されたＰＶＤ層の表面品質を改善するために、そのコーティングされた部材をさらに処理することが既に試みられてきた。この追加の処理はしばしば手作業でＰＶＤ層の表面を研磨する方式で実行されてきた。しかし、そのような研磨は時間が掛かり、ＰＶＤ層の表面特性が一様であることを十分には確保できない。
【０００９】
ＪＰ０２２５４１４４は、コーティングされた切削工具を製造するための方法を記述している。その切削工具は、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などを使用して、例えば、タングステンの炭化物、窒化物、炭化窒化物、酸化物、酸素炭化物、酸素窒化物、および酸素炭化窒化物などの硬い物質の単独層でコーティングされる。コーティングされた層の表面が１０〜２０００μｍの直径の粒子で、２０〜１２０ｍ／秒の照射速度で、そして３０度以上の照射角でショット・ピーニング処理を受ける。そのショット・ピーニング物質は、鉄粉、鋳物鋼粉、ＷＣ粉またはセラミック粉であり、それらはそれぞれ球状の粒子形状を有している。
日本特許アブストラクト１６巻１９４番（Ｃ−０９３８）１９９２年５月１１日、及びＪＰ０４０２８８５４Ａ、１９９２年１月３１日（東芝タンガロイ株式会社）は、コーティングツールの基材に対する表面処理を開示している。基材の表面は、ブラスティング材料としてＡｌ２Ｏ３を用いてブラストされる。このブラスティング材料は、粒径が５００メッシュ以下で、鉄材、非鉄材、焼結硬合金、サーメット、焼結セラミックなどからなる基材から、汚れ、付着物、バインダなどを取り除く役割が有る。コーティングされたツールの後処理のためのプロセスは開示されていない。
【００１０】
これらをベースにして、本発明は、特に工具において、ＰＶＤ層が形成される部材に対する製造プロセスを提供することを目的としており、そのプロセスは、特に、機械加工の目的のために、ＰＶＤ層の満足できる表面構造を提供する比較的大きい厚さおよび／または柱状構造のＰＶＤコーティングされた部材を作るために使用することができる。さらに、特に工具において、既知の部材と比較してＰＶＤ層の露出された表面上の粗さの特性がかなり改善されている後処理されたＰＶＤコーティング部材を提供することが意図されている。
【００１１】
そのプロセスに対して、その目的は以下のステップを含む硬質材料がコーティングされた部材を作るための方法によって達成される。
ＰＶＤコーティング・ユニットの中で、部材に硬質材料の層を形成するステップ、および
硬質材料の層の外面を構造的に追加処理するステップ。
本プロセスにおいて、
前記構造的な追加処理では、上記層の表面が、この表面を改善するためにブラスティング装置においてブラストされ、粒子サイズが１μｍ〜１００μｍの範囲にある無機ブラスティング剤が使用される。
【００１２】
本発明によれば、仕上げたコーティング部材は、従来のブラスティング・プロセスに比べて非常に小さい粒子サイズで無機ブラスティング剤を使用してブラストされる。実験によると、少なくとも２．５μｍの厚さのＰＶＤ層又はコーティングの表面構造は、柱状に成長したものが均質化されて滑らかにされていることを示した。また、同じ利点が密集して充填されたＰＶＤ層に対しても得られ、特に、４μｍより大きい厚さの場合でも結果は同じであった。柱状に成長するＰＶＤ層の材料の例としてＴｉＢ2を挙げることがでる。一方、硬質材料のＴｉＡｌＮは、適切なＰＶＤコーティング・プロセスによって密集して充填された構造を与えることができる。しかし、原理的に、本プロセスを硬質材料からなるすべてのＰＶＤ層に対して適用し、これらの層の表面品質を改善することができ、特に、それらの層の粗さを減らし、それらを特に機械加工のプロセスに対して使用できるようにすることができる。
【００１３】
ブラスティング剤は、Ａｌ2Ｏ3（結晶鋼玉）およびＳｉＣによる場合のように、エッジの鋭い粒子形状を有している。
【００１４】
原理的に、上で定義されたブラスティング剤の粒子サイズおよび形状に適合する、通常固体であるすべての天然無機物および合成無機物のブラスティング剤を考慮することができる。さらに、砕石、スラグ、砕かれたガラスおよび珪砂も例として挙げることができる。ブラスティング剤の粒子サイズは、好適には、１〜５０μｍの範囲内にあることが好ましく、特に好適には、１０〜１５μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００１５】
特に、ＰＶＤコーティングされた部材のブラスティングを任意の所望の方法で実行することができる。ショット・ブラスティングおよび圧力ブラスティングの両方が可能であり、圧力ブラスティングはＰＶＤ層の表面を改善するために非常に良い結果を提供する。ここで、明示的に参照するが、ＤＩＮ標準Ｎｏ．８２００の中でリストされ且つ説明されている圧縮空気ブラスティング、ウェット圧縮空気ブラスティング、スラリー・ブラスティング、圧力化液体ブラスティングおよび蒸気ブラスティングは、圧力ブラスティングの例である。
【００１６】
部材上に蒸着されたＰＶＤ層の表面を改善するために圧縮空気ブラスティングが使用される場合、このブラスティング・プロセスにおいて慣習的に使用されるノズル後背のブラスティング圧を１〜１０×１０5Ｐａの範囲内にすることができ、好適には、２×１０5Ｐａであることが好ましい。
【００１７】
ノズルのアパーチャの断面が４〜１５ｍｍの範囲内にある場合、ノズルとコーティングされる部材との間の距離は、好適には、２００ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
【００１８】
ノズルの断面が１１ｍｍであり、ノズルと部材との間の距離が３０〜１００ｍｍの範囲内にあることが特に適していることが分かっている。
【００１９】
また、本発明は、基板およびＰＶＤプロセスにより該基板に形成される所定の厚さの硬質材料の層を有している特定の工具の中のＰＶＤコーティングされ且つ後処理された部材にも関し、その部材において、
硬質材料の層の厚さは、少なくとも２．５μｍであり、好適には、少なくとも４μｍであることが好ましく、
後処理の前後での硬質材料の層の露出した表面の粗さの比は１．２より大きく、好適には、２より大きいことが好ましい。
【００２０】
このタイプのＰＶＤコーティングされ且つ後処理された部材の表面品質は、既知の部材に比較して改善されている。工具が機械加工のために使用される場合、その改善された表面品質は比較的良好なエントリ状態につながる。また、既知の工具に比較してＰＶＤ層の表面がより滑らかであることによって、コーティングされた工具のスティッキングの可能性も減少する。スティッキング現象は機械加工される被加工物にＰＶＤ層からの物質が付着することにつながる。
【００２１】
特定の工具において既知のＰＶＤコーティングされた部材に比較して改善された表面品質が、柱状で成長したＰＶＤの硬質材料層構造の厚さとは無関係に提供される。
【００２２】
本発明の実施形態を以下の図面を参照しながら以下にさらに詳しく説明する。
図１は、コーティングされたツイスト・ドリルＳがホルダ２によって取り付けられている基板テーブル１を有するブラスティング装置を示している。ホルダ２は互いに平行に配置されていて、基板テーブル１の表面に対して垂直に並んでいる。基板テーブル１は回転可能なように装着されていて、一方、基板テーブル１上のホルダ２も回転可能なように装着されている。ホルダ２および基板テーブル１の回転軸は、互いに平行に走っている。したがって、ブラスティング装置が動作しているとき、ホルダ２は基板テーブル１の回転軸の回りに回転し、同時に、それぞれ自身の回転軸の回りに回転する。
【００２３】
合計４個のノズル３、４、５、６が基板テーブル１からある距離に配置されている。各ノズル３、４、５、６は、シャフト７上に配置されており、各々一本のアームによって、基板テーブル１の回転軸に対して平行に並んでいる。ノズル３、４、５、６は、シャフト７に沿って配置することができ、したがって、特に所定のサイクル周波数においてドライブ（図示せず）によって基板テーブルの回転軸に対して平行に移動することができる。シャフト７はツイスト・ドリルＳの全長に渡ってノズル３、４、５、６を移動可能に配置することができるように十分に長い。結果として、ブラスティング装置が動作している時、ノズル３、４、５、６はツイスト・ドリルＳに沿って基板テーブルの表面からホルダ２の上端まで、そしてその逆に、ブラスティング・プロセスが終了するまで移動する。
【００２４】
ノズル３、４、５、６は、２つのペア、すなわち、ノズル３、４のトップ・ペアと、ノズル５、６のボトム・ペアに分割され、それは図２と組み合わせて図１から見ることができ、すべて基板テーブル１の回転軸上の共通点に向けられている。
【００２５】
さらに、ノズル３、４、５、６は、ブラスティング装置の対称軸Ａに関して２つの異なる角度で配置されており、対称軸Ａは基板テーブルの回転軸およびノズル３、４、５、６が配置されているシャフト７の両方と垂直に交差する。ノズル３、４のノズル出口の軸は、ノズル５、６のノズル出口の軸より対称軸Ａとの水平の角度がより小さくなっている。したがって、ノズル３および５はそれぞれ４および６に対して、対称軸Ａに対して対称に配置されている。
【００２６】
基板テーブル１に関してノズル３、４、５、６のうちの１つの角度を次の方法で設定することができる。着目したノズルの水平方向の成分は、分度器によって設定される。ノズルはその角度を設定することができるようにアームに取り付けられている。この設定は、必要に応じて実行される。ノズルの垂直方向の角度は、特にその分度器と交差する垂直面において分度器に関して４５°とすることができる。
【００２７】
基板テーブル１の端からノズル出口の端までの距離も、アーム上でのノズルの局所的な調整によって固定することができる。
【００２８】
基板テーブル１の表面に対するノズル３、４、５、６の角度は、０〜９０°であってよく、好適には、０〜４５°であることが好ましい。ブラスティング・ノズル３、４、５、６の上昇速度は０〜５００ｍｍ／分の範囲内にすることができ、好適には、５０〜１００ｍｍ／分の間であることが好ましい。基板テーブル１の回転軸の回りのホルダ２の回転速度は、０〜１００ｒｐｍの範囲内とすることができるが、好適には、７０ｒｐｍが好ましい。
【００２９】
ブラスティング・プロセスを実行するためのパラメータのセットの例を以下に示す。
【００３０】
ａ）ＰＶＤ層：  ＴｉＡｌＮ（密集充填型構造）
ブラスティング剤：  Ａｌ2Ｏ3（結晶鋼玉）
ブラスティング剤の粒子サイズ：  １２．３±１．０μｍ／Ｆ５００
ブラスティング圧：  ２×１０5Ｐａ
基板テーブルの回転速度に対するノズルの上昇速度の比率：  ０．００２
ブラスティングの持続時間：  ９００〜１８００秒
ブラスティング・プロセスが終わった後、ＴｉＡｌＮ層の表面粗さＲzは１．８４であった。一方、ブラスティング処理の前のこの層の表面粗さＲzは２．６７であった。
【００３１】
ｂ）ＰＶＤ層：  ＴｉＡｌＮ（密集充填型構造）
層の厚さ：  ４．７μｍ
コーティング前の基板の粗さＲz：  ０．６７（研削された状態）
ブラスティング処理前の層の粗さＲz：  ３．０１
ブラスティング処理後の層の粗さＲz：  １．００
（ブラスティング処理の前の層の粗さ）／（ブラスティング処理後の層の粗さ）：  ３．０１
ブラスティングの持続時間：  ２００〜１２００秒
ブラスティング剤、ブラスティング剤の粒子サイズ、ブラスティングの圧力は例ａ）と同様。
【００３２】
ｃ）ＰＶＤ層：  ＴｉＡｌＮ（密集充填型構造）
層の厚さ：  ４．７μｍ
コーティング前の基板の粗さＲz：  ０．０７（研磨された状態）
ブラスティング処理前の層の粗さＲz：  ２．２１
ブラスティング処理後の層の粗さＲz：  ０．７１
（ブラスティング処理の前の層の粗さ）／（ブラスティング処理後の層の粗さ）：  ３．１１
ブラスティングの持続時間：  ２００〜１２００秒
ブラスティング剤、ブラスティング剤の粒子サイズ、ブラスティングの圧力は例ａ）と同様。
【００３３】
ｄ）ＰＶＤ層：  ＴｉＡｌＮ（密集充填型構造）
層の厚さ：  ４．７μｍ
コーティング前の基板の粗さＲz：  ０．８７（マイクロブラストされた状態）
ブラスティング処理前の層の粗さＲz：  ３．４８
ブラスティング処理後の層の粗さＲz：  １．４０
（ブラスティング処理の前の層の粗さ）／（ブラスティング処理後の層の粗さ）：  ２．４９
ブラスティングの持続時間：  ２００〜１２００秒
ブラスティング剤、ブラスティング剤の粒子サイズ、ブラスティングの圧力は例ａ）と同様。
【００３４】
ｅ）ＰＶＤ層：  ＴｉＢ2（柱状構造）
層の厚さ：  ２．８μｍ
コーティング前の基板の粗さＲz：  ０．６７（研削された状態）
ブラスティング処理前の層の粗さＲz：  １．３７
ブラスティング処理後の層の粗さＲz：  ０．８１
（ブラスティング処理の前の層の粗さ）／（ブラスティング処理後の層の粗さ）：  １．７０
ブラスティングの持続時間：  ３００〜６００秒
ブラスティング剤、ブラスティング剤の粒子サイズ、ブラスティングの圧力は例ａ）と同様。
【００３５】
ｆ）ＰＶＤ層：  ＴｉＢ2（柱状構造）
層の厚さ：  ２．８μｍ
コーティング前の基板の粗さＲz：  ０．０７（研磨された状態）
ブラスティング処理前の層の粗さＲz：  ０．８４
ブラスティング処理後の層の粗さＲz：  ０．４７
（ブラスティング処理の前の層の粗さ）／（ブラスティング処理後の層の粗さ）：  １．８１
ブラスティングの持続時間：  ３００〜６００秒
ブラスティング剤、ブラスティング剤の粒子サイズ、ブラスティングの圧力は例ａ）と同様。
【００３６】
ｇ）ＰＶＤ層：  ＴｉＢ2（柱状構造）
層の厚さ：  ２．８μｍ
コーティング前の基板の粗さＲz：  ０．８７（マイクロブラストされた状態）
ブラスティング処理前の層の粗さＲz：  １．０１
ブラスティング処理後の層の粗さＲz：  ０．８２
（ブラスティング処理の前の層の粗さ）／（ブラスティング処理後の層の粗さ）：  １．２３
ブラスティングの持続時間：  ３００〜６００秒
ブラスティング剤、ブラスティング剤の粒子サイズ、ブラスティングの圧力は例ａ）と同様。
【００３７】
ｈ）ＰＶＤ層：  ＴｉＡｌＮ（密集充填型構造）
層の厚さ：  ７．６μｍ
コーティング前の基板の粗さＲz：  ０．６７（研削された状態）
ブラスティング処理前の層の粗さＲz：  ２．４０
ブラスティング処理後の層の粗さＲz：  １．５２
（ブラスティング処理の前の層の粗さ）／（ブラスティング処理後の層の粗さ）：  １．５８
ブラスティングの持続時間：  ９００〜１８００秒
ブラスティング剤、ブラスティング剤の粒子サイズ、ブラスティングの圧力は例ａ）と同様。
【００３８】
ｉ）ＰＶＤ層：  ＴｉＡｌＮ（密集充填型構造）
層の厚さ：  ７．６μｍ
コーティング前の基板の粗さＲz：  ０．０７（研磨された状態）
ブラスティング処理前の層の粗さＲz：  ２．８２
ブラスティング処理後の層の粗さＲz：  １．２３
（ブラスティング処理の前の層の粗さ）／（ブラスティング処理後の層の粗さ）：  ２．３０
ブラスティングの持続時間：  ９００〜１８００秒
ブラスティング剤、ブラスティング剤の粒子サイズ、ブラスティングの圧力は例ａ）と同様。
【００３９】
ｊ）ＰＶＤ層：  ＴｉＡｌＮ（密集充填型構造）
層の厚さ：  ７．６μｍ
コーティング前の基板の粗さＲz：  ０．８７（マイクロブラストされた状態）
ブラスティング処理前の層の粗さＲz：  ２．６５
ブラスティング処理後の層の粗さＲz：  １．７９
（ブラスティング処理の前の層の粗さ）／（ブラスティング処理後の層の粗さ）：  １．４８
ブラスティングの持続時間：  ９００〜１８００秒
ブラスティング剤、ブラスティング剤の粒子サイズ、ブラスティングの圧力は例ａ）と同様。
【００４０】
例ａ）の中のＲzの値は平均値である。例ｂ）〜ｊ）の中のＲzの値は、それぞれサンプル当たり３回の粗さの測定値のある２つのサンプルに基づいた平均値である。
【００４１】
上記のプロセス・パラメータは、部材または工具に形成されている他のＰＶＤ層に対しては異なる可能性がある。特に、コーティングされた部材または工具の意図された用途によってその値が部分的に決定される。すなわち、特定の用途が、必要な後処理ブラスティングを決定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  複数のブラスティング・ノズルおよび基板ホルダで後処理のブラスティング・プロセスを実行するためのブラスティング装置の略側面図を示す。
【図２】  図１に示されているブラスティング装置の略平面図を示す。
【図１】
0004778650.tif 000002
【図２】
0004778650.tif 000003