(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面上に析出され、かつ交互の層ＡおよびＢを備える多層層構造を有する硬質材料層系であって、前記Ａ層が、原子パーセントでＭｅＡｐＡＯｎＡＮｍＡの組成を有し、前記Ｂ層が、原子パーセントでＭｅＢｐＢＯｎＢＮｍＢの組成を有し、
ａ．前記Ａ層の熱伝導度は、前記Ｂ層の熱伝導度より高く、
ｂ．ＭｅＡおよびＭｅＢは、それぞれ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＡｌの群からの少なくとも１つの金属を含んでなり、
ｃ．ｐＡは、ＭｅＡの原子パーセントを示し、ｐＢは、ＭｅＢの原子パーセントを示し、かつｐＡ＝ｐＢが当てはまり、
ｄ．ｎＡは、原子パーセントでの前記Ａ層中の酸素濃度を示し、ｎＢは、原子パーセントでの前記Ｂ層中の酸素濃度を示し、かつｎＡ＜ｎＢが当てはまり、
ｅ．ｍＡは、原子パーセントでの前記Ａ層中の窒素濃度を示し、ｍＢは、原子パーセントでの前記Ｂ層中の窒素濃度を示し、かつｐＡ／（ｎＡ＋ｍＡ）＝ｐＢ／（ｎＢ＋ｍＢ）が当てはまり、
ｆ．ＭｅＡ＝ＭｅＢであり、
ｇ．ｐＡ＋ｎＡ＋ｍＡ＝ｐＢ＋ｎＢ＋ｍＢ＝１００％であるという事実を考慮して、５％≦ｎＢ≦３０％である、硬質材料層系。
【請求項２】
ＭｅＡおよびＭｅＢが、Ｓｉ、Ｂ、Ｗ、Ｎｂ、Ｙ、ＭｏおよびＮｉの群からの少なくとも１つの他の元素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の硬質材料層系。
【請求項３】
ｎＡ＝０％であることを特徴とする、請求項１または２に記載の硬質材料層系。
【請求項４】
層硬度および弾性率に関して、好ましくは、層モルフォロジーおよび／または粒度および／または相インベントリおよび／または構造安定性に関しても、前記Ａ層が前記Ｂ層と有意に異ならないように、ｎＡおよびｎＢが選択され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硬質材料層系。
【請求項５】
前記基板表面に平行である前記硬質材料層系の熱伝導度が、前記基板表面に対して垂直な前記硬質材料層系の熱伝導度より高いことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の硬質材料層系。
【請求項６】
前記硬質材料層系の硬度が、２０ＧＰａより高く、より好ましくは３０ＧＰａより高いことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の硬質材料層系。
【請求項７】
少なくとも前記多層層構造が立方構造を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の硬質材料層系。
【請求項８】
ＭｅＡおよびＭｅＢが、少なくとも主に金属アルミニウムおよび／もしくは金属チタン、または金属アルミニウムおよび／もしくは金属クロムを含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の硬質材料層系。
【請求項９】
アルミニウムに対するチタンの原子パーセントでの濃度比、すなわち、Ｔｉ／Ａｌ、またはアルミニウムに対するクロムの原子パーセントでの濃度比、すなわち、Ｃｒ／Ａｌが１未満であ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硬質材料層系。
【請求項１０】
少なくとも１つのＡ層または１つのＢ層が、グラデュエーションにされた酸素濃度を横切る層厚の少なくとも一部分を含んでなるか、または前記硬質材料層系が、ＭｅｐＯｎＮｍ型（ｎ≧０、Ｍｅ＝ＭｅＡ、およびｐ＝ｐＡまたはＭｅ＝ＭｅＢ、およびｐ＝ｐＢ）の少なくとも１つの追加的な硬質材料層を、好ましくは最上層として有し、それがグラデュエーションにされた酸素濃度を横切る層厚の少なくとも一部分を含んでなることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の硬質材料層系。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の硬質材料層系によってコーティングされた、構成部分またはツール、好ましくは切りくず除去機械加工用切断ツール。
【請求項１２】
難削材料、好ましくは、Ｎｉおよび／またはＴｉをベースとする合金の前記切りくず除去機械加工のための、請求項１１に記載の切りくず除去機械加工用切断ツールの使用法。
【請求項１３】
所定の酸素依存熱伝導度、すなわち、所定の酸素依存熱コンダクタンスを有するＭｅｐＯｎＮｍ型の金属酸窒化物硬質材料層の製造方法であって、
ａ．前記ＭｅｐＯｎＮｍ層が、真空コーティングチャンバー中で、基板温度Ｔｓおよび基板表面上へのコーティング圧力Ｐで、反応性ガス含有雰囲気にて少なくとも１つの標的から物理的気相式析出によって析出され、
ｂ．窒素および酸素が反応性ガスとして使用され、
ｃ．前記標的がＭｅを含有し、
ｄ．Ｍｅが、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＡｌの群からの少なくとも１つの金属であり、かつＭｅが、好ましくは、Ｙ、Ｎｉ、ＢおよびＳｉの群からの少なくとも１つの元素を含む、方法において、
ｅ．前記ＭｅｐＯｎＮｍ層の前記所定の酸素依存熱伝導度が前記層析出の間にセットされるように、相関関係
κ（χ）＝κ０／（１＋α.χ）
によって前もって算出された酸素濃度値が維持されるように、前記ＭｅｐＯｎＮｍ層の前記析出の間、前記真空コーティングチャンバー中の酸素濃度が制御され、式中、
ｉ．κ（χ）は、前記層析出の間の前記真空コーティングチャンバー中の酸素濃度を維持しながら生じる前記ＭｅｐＯｎＮｍ層の前記酸素依存熱伝導度であり、
ｉｉ．χは、前記層析出の間の前記真空コーティングチャンバー中の酸素濃度を示し、
ｉｉｉ．κ０は、ｎ０＝０％である第１の参照層Ｍｅｐ０Ｏｎ０Ｎｍ０の前記熱伝導度であり、Ｍｅｐ０Ｏｎ０Ｎｍ０は、前記ＭｅｐＯｎＮｍの析出に関して前記されたものと同一のプロセスパラメーターを用いて析出されるが、反応性ガスとして酸素を使用せず、代わりに窒素のみが使用され、
ｉｖ．αは、散乱断面積を含むパラメーターであって、少なくとも１つの追加的な第２の参照層Ｍｅｐ１Ｏｎ１Ｎｍ１および少なくとも１つの追加的な第３の参照層Ｍｅｐ２Ｏｎ２Ｎｍ２の実験データへの前記された相関関係の適合によって得られ、Ｍｅｐ１Ｏｎ１Ｎｍ１およびＭｅｐ２Ｏｎ２Ｎｍ２は、前記ＭｅｐＯｎＮｍの析出に関して前記されたものと同一のプロセスパラメーターを用いて析出されるが、前記真空コーティングチャンバー中の異なる酸素濃度を使用し、かつ好ましくは、Ｍｅｐ１Ｏｎ１Ｎｍ１は、層ｎ１中で５〜２０％の原子パーセントでの酸素濃度をもたらす前記真空コーティングチャンバー中の酸素濃度を使用して析出される一方、Ｍｅｐ２Ｏｎ２Ｎｍ２は、層ｎ２中で２０〜３０％の原子パーセントでの酸素濃度をもたらす酸素濃度を使用して析出され、その際、ｐ０＋ｎ０＋ｍ０＝ｐ１＋ｎ１＋ｍ１＝ｐ２＋ｎ２＋ｍ２＝１００％、ｍ１およびｍ２はゼロより大きく、ｐ０＝ｐ１＝ｐ２、かつｐ０／（ｎ０＋ｍ０）＝ｐ１／（ｎ１＋ｍ１）＝ｐ２／（ｎ２＋ｍ２）であるという事実を考慮することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の熱伝導度を有する少なくとも１つの酸窒化物硬質材料層を有する硬質材料層系に関する。また本発明は、選択された熱伝導度を有する酸窒化物硬質材料層の製造方法であって、ニッケルおよび／またはチタンをベースとする合金などの難削材料の切りくず除去機械加工のために特に適切となり得る方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌをベースとする材料、または低合金および非合金鋼と比較して、Ｔｉをベースとする合金は、有意により低い熱伝導度を有する。加えて、Ｔｉをベースとする材料の引張強さは、有意により高い。λ＝４〜１６Ｗ／ｍＫの低い熱伝導度のため、熱放散は、機械加工における切りくず発生プロセスの間に重要な役割を果たす。例えば、Ｔｉをベースとする材料を機械加工する場合、他のプロセスパラメーターが等しい条件でＣＫ４５を機械加工する場合と比較して、約３０％多いエネルギーがツールに使用される。これは切断ツールにおける熱負荷の増加をもたらし、したがって、ツール摩耗を促進する。逆に、Ｔｉをベースとする材料を機械加工する場合、他の材料を機械加工する場合よりも、生産性、したがって、効率が有意に低くなるため、Ｔｉをベースとする材料を機械加工するための技術的パラメーターは低下する。
【０００３】
ＩｎｃｏｎｅｌなどのＮｉをベースとする材料は、高熱安定性を有し、したがって、特にタービン構造において使用されることが多い。加えて、この材料は、極めて高い温度でさえ十分な強度を有する。
【０００４】
ＴｉおよびＮｉをベースとする材料を機械加工する場合、切りくず除去機械加工プロセスの一般に高い必要条件のため、技術的パラメーターは比較的低く、したがって、生産性および効率も低い。
【０００５】
加えて、切りくず除去機械加工プロセスにおいて得られる高い熱負荷は、櫛状の端縁亀裂形成および／またはクレーター摩耗をもたらし、これは、機械加工ツールの活性表面上の研磨摩耗機構をさらに促進する。材料次第で、切断された材料の凝着摩耗および塑性変形が観察される。
【０００６】
加えて、電流試験によって、純粋にＡｌＣｒＮをベースとする層系および純粋にＡｌＴｉＮをベースとする層系は、摩耗機構を受け、これは、未コーティング基板の表面と同様であり、その結果、２つの層系のいずれも有意な利点を達成しないことが示される。
【０００７】
それにもかかわらず、従来技術によると、いくつかの酸窒化物をベースとする硬質の材料層は、難削材料の切りくず除去機械加工のために適切であると考えられる。
【０００８】
例えば、特許文献１は、切りくず除去機械加工のためのコーティングされた切断ツールを開示しており、そのコーティングによって、チタンをベースとする合金などの難削材料の湿潤切りくず除去機械加工におけるより高い性能が可能となっている。このコーティングは、内部層および外部層から構成され、内部層は、０．５〜３．４μｍの層厚を有する、チタンおよびアルミニウムから構成される酸窒化物層であり、外部層は、０．８〜４．０μｍの層厚を有する、チタンおよびアルミニウムから構成される窒化物層である。酸窒化物層は、層厚を横切って分配され、かつ０．１〜１．５μｍの直径を有する微小孔を有する。加えて、そのような酸化物層の組成は、原子パーセントで、（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ１−ｙＯｙ（式中、ｘは０．４〜０．７５であり、かつｙは０．１〜０．４である）の式に相当する。
【０００９】
特許文献２も、酸窒化物端縁層に関する。この場合、酸窒化物端縁層は、基板の陽極酸化によって、５〜３０μｍの層厚で製造される。これは、過度の内部圧縮応力のため、層スポーリングのリスクも低下させる。そのような層の組成は、原子パーセントで、（Ｍｅ１−ａＸａ）α（Ｎ１−ｘ−ｙＣｘＯｙ）（式中、Ｍｅは、周期表の第４ａ、５ａおよび６ａ族元素の中から選択される１つまたは複数の元素であり、Ｘは、群Ａｌ、Ｓｉ、ＢおよびＳの中から選択される１つまたは複数の元素であり、０．１０≦ａ≦０．６５、０≦ｘ≦１０、０≦ｙ≦１０、かつ０．８５≦α≦１．２５である）の式によって定義される。加えて、この種類の端縁層は、面心立方構造を有さなければならない。
【００１０】
しかしながら、従来技術は、所定の熱伝導度を有するＰＶＤ酸窒化物硬質材料層を製造することができる方法を開示していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１２−１９２５１３号公報
【特許文献２】特開２００９−１６７４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、所定の熱伝導度を有する酸窒化物硬質材料層の製造方法を提供することである。本発明の別の目的は、そのような酸窒化物硬質材料層を含む硬質材料層系を提供することである。好ましくは、これらの酸窒化物硬質材料層は、これらの硬質材料層が難削材料の切りくず除去機械加工に特に適切となることができるように、特に高温でより高い耐摩耗性を有さなければならない。
【００１３】
特に、その目的は、高い熱安定性、低下した熱伝導度、増加した熱伝導度の異方性、従って、延長された実用寿命を有するコーティングを製造することが可能となる方法、したがって、難削材料の切りくず除去機械加工における生産性を増加させることが可能となる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的は、請求項１に記載されるような所定の熱伝導度を有する酸窒化物硬質材料層の製造方法がもたらされることで達成される。本発明は、請求項２〜１０に係る硬質材料層系の製造、請求項１１に係るコーティングされたツールの提供、および請求項１２に係るその使用にも関する。
【００１５】
本発明によると、所定の熱伝導度を有する硬質酸窒化物層は、特に、ＰＶＤ技術を使用して製造することができる。ＰＶＤ技術という用語は、コーティング材料が気相を通してコーティングされる基板表面に輸送される表面仕上げ法を含む。ほとんどの場合、個々の方法は、導入されるエネルギーの種類に応じて、蒸発、スパッタリングおよびイオンめっきに分けられる。これらの方法は、次に、特定のサブメソッドおよび変形に分類することができる。導電管スパッターおよび／またはアーク蒸発などのＰＶＤ方法は、コーティング成分、および使用中に強力なトライボロジー的応力を受けるツールの表面に関して十分に確立されている。
【００１６】
本発明によると、硬質材料層の熱伝導度は、層析出プロセス間の酸素の添加によって影響されて、したがって、所望の通りに調節される。
【００１７】
基本的関係を、２つの層系、酸窒化チタン（ＴｉａＯｃＮｂ−ｃ）および酸窒化クロム（ＣｒｄＯｆＮｅ−ｆ）に関連して一例として以下に記載するが、これは以下で詳細に研究される。
【００１８】
純粋な窒化チタン（ＴｉａＮｂ）または純粋なもしくは窒化クロム（ＣｒｄＮｅ）から開始して、酸素の制御された添加を通して、立方相、および原子パーセントでの層中の非金属元素のパーセントに対する金属元素のパーセント（金属／非金属）の両方を保持することが可能である。これは、格子中、酸素が１：１の比率で窒素と交換されるために可能である。ＥＤＸおよびＸＲＤ測定を用いることによって、この関係を証明することが可能であった。
【００１９】
酸素の添加は、酸窒化物層の酸素のパーセントが、所望の熱伝導度が達成されるまで、連続的に増加するように、従来のフロー制御装置によって制御された。
【００２０】
本発明によると、酸窒化物層の酸素パーセントは、好ましくは、３０原子％の値より高くなるべきではない。
【００２１】
Ｒｏｃｋｗｅｌｌ押込み、マイクロ押込み、ラスター電子顕微鏡検査法（ＲＥＭ）、およびＸ線回折法（ＸＲＤ、試験は室温および高温の両方で実行される）によって、層特性が、層接着性、層硬度、弾性率、層モルフォロジー、粒度、相分布および構造安定性に関して有意に変化しなかったこと、すなわち、「セット」ポジティブ（性能関連）層特性が、０〜３０原子％の層組成範囲において、Ｏ２の添加によって有意に変更されないことを実証することができた。試験された層の熱伝導度は、Ｃａｈｉｌｌ法を使用して決定した。
【００２２】
０〜３０原子％のＯ２の層組成範囲のＯ２の添加は、層の熱伝導度に対する有意な影響を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、層系Ｔｉ−Ｏ−Ｎに関して、層中の酸素含有量と、（層表面から測定される）層の熱伝導度との関係を例示する。
【図２】図２は、層系Ｃｒ−Ｏ−Ｎに関して、層中の酸素含有量と、（層表面から測定される）層の熱伝導度との関係を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１および図２は、層系Ｔｉ−Ｏ−ＮおよびＣｒ−Ｏ−Ｎに関して、層中の酸素含有量と、（層表面から測定される）層の熱伝導度との関係を例示する。
【００２５】
これらの実験に関して、層は、アーク蒸発ＰＶＤ技術を使用して析出された。コーティングプロセスの間の基板温度とコーティングチャンバー中の全圧力は、適合して、約４５０℃、２Ｐａで一定に保持された。窒化物および酸窒化物層の析出に関して反応性ガスとして窒素および酸素が適合して使用された。
【００２６】
両系に関して、この関係は、図１および図２で実証されるような「一定散乱モデル」によって数学的に記載されることができる。これは、この関係の一般的な適用性の指標である。この場合、Ｏ２の添加は散乱断面積を変化させ、すなわち、Ｏ２の添加によって、増加した格子欠陥が生じ、これは格子振動（フォノン）の伝播に干渉する。
【００２７】
窒化物中の酸素による窒素の置換は、異なる半径、異なる原子価電子の数、およびより高い電子陰性度のため、材料構造の有意な乱れ（著しい乱れ）を生じる。可能性のある欠陥には、空の格子の位置、占有された間隙の位置、格子の転位および格子の歪曲が含まれる。これらの欠陥の全ては、結晶構造におけるフォノンの伝播に悪影響を有し、したがって、材料の熱伝導度を潜在的に低下させる。全体として、酸素原子が平均して生じる熱伝導度に及ぼす全ての欠陥の影響は、酸素のフォノン散乱横断面と呼ばれる。材料の結晶構造が基本的に変化せず、かつ追加的な酸化物相が窒化物に加えて製造されない限り、（酸素含有量と無関係に）一定である散乱断面積の存在を仮定することが可能である。これによって、酸素含有量によって熱伝導度を調節することが可能となる。関数関係は、以下の方程式によって記載される。
κ（χ）＝κ０／（１＋α.χ）
式中、κ（χ）は、材料の酸素依存熱伝導度であり、κ０は、無酸素材料の熱伝導度であり、χは、酸素濃度を示し、かつαは、散乱断面積を含むパラメーターである。パラメーターαを求めるため、異なる酸素含有量を有する一連の試料を製造し、そして熱伝導度を測定しなければならない。データへの関数κ（χ）の適合によってαが得られる。
【００２８】
具体的には、本発明は、Ｓｉ、Ｂ、Ｗ、Ｎｂ、Ｙ、Ｍｏ、Ｎｉなどの他の合金元素との組み合わせを考慮して、ＴｉおよびＮｉをベースとする合金の切りくず除去機械加工のために、好ましくは０〜３０原子％のＯ２の範囲で、特に好ましくは３〜２５原子％のＯ２の範囲で、制御されたＯ２含有量を有するＡｌリッチＡｌＴｉＮおよびＡｌＣｒＮをベースとするコーティングを使用することを提案する。
【００２９】
Ｏ２の制御された添加は、層内で選択された熱伝導度挙動を生じさせることによって、特定の用途にこれらの層系を最適化するために使用される。好ましくは、層に対して垂直な熱伝導度は、最小化され（可能な限り低くされ）、かつ層に平行の熱伝導度は、最大化され（可能な限り高くされ）、すなわち、熱伝導度の異方性は、最大化される。
【００３０】
Ｏ２濃度は、層系の機械的、化学的および構造的特性が著しく変化するか、または悪影響を受けるほど高くなるべきではない。
【００３１】
好ましくは２０ＧＰａを超え、さらに好ましくは３０ＧＰａを超える層系の硬度が達成される。
【００３２】
本発明の一実施形態は、層内の酸素濃度が層厚の方向でグラデュエーション（段階的）にされた、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ−ＯまたはＣｒ−Ａｌ−Ｎ−Ｏから構成される層系である。
【００３３】
本発明の別の実施形態は、高濃度および低濃度の酸素濃度を有するいくつかの層が多層構造として交互に析出された層系である。
【００３４】
グラデュエーションの使用は、以下の通りに理解することができる：Ｏ２含有量は、必要条件に従って、基板表面に対して垂直に変化する。
【００３５】
多層系の使用は、以下の通りに理解することができる：Ｏ２リッチＡｌＴｉＮ層が、Ｏ２のないＡｌＴｉＮ層に続き、したがって、基板と平行に熱伝導度が選択的に増加し、基板に垂直に熱伝導度が減少する。その結果は、切りくず中へ、すなわち、層／基板系の外側への最適化された熱放散である。
【００３６】
多層系の使用は、以下の通りに理解することもできる：Ｓｉ、Ｂ、Ｗ、Ｎｂ、Ｙ、ＭｏおよびＮｉなどの他の合金元素との組み合わせを考慮しながら、上記の説明に従って熱伝導度における異方性を最適化するため、それぞれＯ２の有無にかかわらず、ＡｌＣｒＮおよびＡｌＴｉＮの交互の配列。
【００３７】
特に、本発明は、真空チャンバー中においてＰＶＤ技術により金属酸窒化物硬質材料層を製造する方法であって、硬質材料層が、原子パーセントでＭｅｐＯｎＮｍ（式中、ｐ＋ｎ＋ｍ＝１００％である）の組成を有し、かつ所定の熱伝導度を有する方法に関する。本発明に係る１つの方法は、以下の通りに実行することができる。
【００３８】
ａ．金属酸窒化物硬質材料層の金属元素は、少なくとも１つの標的から物理的気相式析出によって析出され、該標的はＭｅを含有し、かつＭｅは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＡｌの群からの少なくとも１つの金属であり、好ましくは、Ｍｅは、Ｙ、Ｎｉ、ＢおよびＳｉの群からの少なくとも１つの元素も含み、そして標的は、様々なプロセスを使用して、少なくとも３層の析出のために使用されるが、反応性ガスの組成を除いて、同一プロセスパラメーターを使用する。
【００３９】
ｂ．Ｏ２−ｃｏｎｃ１＝ｎ１＝０の原子パーセントでの酸素濃度を有する金属窒化物層Ｍｅｐ１Ｏｎ１Ｎｍ１である第１の参照層の析出のための反応性ガスとして窒素が使用され、第１の参照層は、一定の基板温度Ｔｓおよび一定の全コーティング圧力Ｐで析出される。
【００４０】
ｃ．少なくとも３０％のＯ２−ｃｏｎｃ３＝ｎ３、好ましくはＯ２−ｃｏｎｃ３＝２０〜３０％の原子パーセントでの酸素濃度を有する金属酸窒化物層Ｍｅｐ３Ｏｎ３Ｎｍ３である第３の参照層の析出のための反応性ガスとして窒素および酸素が使用され、第３の参照層は、第１の参照層と同一の一定基板温度Ｔｓおよび同一の一定全コーティング圧力Ｐで析出され、かつｐ１＝ｐ３およびｐ１／（ｍ１＋ｎ１）＝ｐ３／（ｍ３＋ｎ３）である。
【００４１】
ｄ．Ｏ２−ｃｏｎｃ１より高く、かつＯ２−ｃｏｎｃ３未満であり、好ましくはＯ２−ｃｏｎｃ１が５〜２０％であるＯ２−ｃｏｎｃ２＝ｎ２の原子パーセントでの酸素濃度を有する金属酸窒化物層Ｍｅｐ２Ｏｎ２Ｎｍ２である第２の参照層の析出のための反応性ガスとして窒素および酸素が使用され、第２の参照層は、第１および第３の参照層と同一の一定基板温度Ｔｓおよび同一の一定全コーティング圧力Ｐで析出され、かつｐ１＝ｐ３＝ｐ２およびｐ１／（ｍ１＋ｎ１）＝ｐ３／（ｍ３＋ｎ３）＝ｐ２／（ｍ２＋ｎ２）である。
【００４２】
ｅ．第１、第２および第３の参照層の熱伝導度は、それぞれの層の層表面から出発して測定される。
【００４３】
ｆ．第１、第２および第３の参照層の熱伝導度および酸素濃度の測定値は、以下の形態で相関を確立するために使用される。
κ（χ）＝κ０／（１＋α.χ）
（式中、
κ（χ）は、硬質材料層系Ｍｅ−Ｏ−Ｎの酸素依存熱伝導度であり、
κ０は、第１の参照層の熱伝導度であり、
χは、酸素濃度を示し、かつ
αは、散乱断面積を含むパラメーターであって、データへの関数κ（χ）の適用によって得られる。）
【００４４】
ｇ．相関関係は、所定の熱伝導度が達成されるＭｅｐＯｎＮｍ硬質材料層における酸素濃度を算出するために使用され、計算は、コーティングプロセスがステップｈで実行されなければならない反応性ガスの酸素濃度に関して実行される。
【００４５】
ｈ．所定の熱伝導度を有するＭｅｐＯｎＮｍ硬質材料層は、最初にステップｇで決定された値に従って適応されなければならない反応性ガスの酸素濃度を除いて、参照層と同一のプロセスパラメーターを用いて析出される。
【００４６】
本発明はまた、基板表面に析出され、かつ上記方法によって製造される少なくとも１つのＭｅｐＯｎＮｍ硬質材料層を含有する硬質材料層系に関する。
【００４７】
好ましくは、本発明に係る硬質材料層系のＭｅｐＯｎＮｍ硬質材料層は立方構造を含み、かつ好ましくは、Ｍｅは、少なくとも主にチタンおよびアルミニウムまたはクロムおよびアルミニウムを含む。
【００４８】
好ましくは、Ａｌに対するＴｉの原子パーセントでの濃度比、すなわち、Ｔｉ／Ａｌ、またはＡｌに対するＣｒの原子パーセントでの濃度比、すなわち、Ｃｒ／Ａｌは、１未満である。
【００４９】
本発明に係る硬質材料層系の特定の実施形態は、層厚の少なくとも一部分を横切ってグラデュエーションにされた酸素濃度を有する。
【００５０】
本発明に係る硬質材料層系の特に好ましい実施形態は、組成ＭｅＡｐＡＯｎＡＮｍＡを有するＡ層と組成ＭｅＢｐＢＯｎＢＮｍＢを有するＢ層の交互の層（式中、ＭｅＡ＝ＭｅＢ、ｐＡ＝ｐＢ、ｎＡ＜ｎＢおよびｐＡ／（ｎＡ＋ｍＡ）＝ｐＢ／（ｎＢ＋ｍＢ）である）を有する多層構造を横切る層厚の少なくとも一部分を有する。
【００５１】
硬質材料層系の上記の実施形態の好ましい変形例は、ｎａ＝０であるＡ層を特徴とする。
【００５２】
好ましくは、本発明に係る硬質材料層系は、基板表面と平行の熱伝導度が、基板表面に対して垂直な熱伝導度より大きくなるように製造される。
【００５３】
特定の用途のために、例えば、或る材料の形成および切りくず除去機械加工のために、本発明に係る硬質材料層系の使用は、それが少なくとも２０ＧＰａより高く、好ましくは３０ＧＰａより高い硬度を有する場合、特に有利となる。いずれの構成部分およびツールも、本発明に係る硬質材料層系によって提供されることができる。特に、本発明に係るコーティングによってコーティングされた切りくず除去機械加工ツールは、ＮｉおよびＴｉをベースとする合金などの難削材料の切りくず除去機械加工のために非常に有望である。
【００５４】
特に、本発明は以下に関する。
【００５５】
−  基板表面上に析出され、かつ交互に並ぶ層ＡおよびＢを含んでなる多層層構造を有する硬質材料層系であって、Ａ層は、原子パーセントでＭｅＡｐＡＯｎＡＮｍＡの組成を有し、かつＢ層は、原子パーセントでＭｅＢｐＢＯｎＢＮｍＢの組成を有し、
ａ．Ａ層の熱伝導度は、Ｂ層の熱伝導度より高く、
ｂ．ＭｅＡおよびＭｅＢは、それぞれ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＡｌの群からの少なくとも１つの金属を含んでなり、
ｃ．ｐＡは、ＭｅＡの原子パーセントを示し、かつｐＢは、ＭｅＢの原子パーセントを示し、かつｐＡ＝ｐＢが当てはまり、
ｄ．ｎＡは、原子パーセントでのＡ層中の酸素濃度を示し、かつｎＢは、原子パーセントでのＢ層中の酸素濃度を示し、かつｎＡ＜ｎＢが当てはまり、
ｅ．ｍＡは、原子パーセントでのＡ層中の窒素濃度を示し、かつｍＢは、原子パーセントでのＢ層中の窒素濃度を示し、かつｐＡ／（ｎＡ＋ｍＡ）＝ｐＢ／（ｎＢ＋ｍＢ）が当てはまる、硬質材料層系。
【００５６】
−  ＭｅＡおよび／またはＭｅＢが、Ｓｉ、Ｂ、Ｗ、Ｎｂ、Ｙ、ＭｏおよびＮｉの群からの少なくとも１つの他の元素を含む、上記実施形態に係る硬質材料層系。
【００５７】
−  ＭｅＡ＝ＭｅＢである、上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系。
【００５８】
−  ｐＡ＋ｎＡ＋ｍＡ＝ｐＢ＋ｎＢ＋ｍＢ＝１００％であるという事実を考慮して、５％≦ｎＢ≦３０％である、上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系。
【００５９】
−  ｎＡ＝０％である、上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系。
【００６０】
−  層硬度および弾性率に関して、好ましくは、層モルフォロジー（形態と構造）および／または粒度および／または相分布（相インベントリ）および／または構造安定性に関しても、Ａ層がＢ層と有意に（著しく）異ならないように、ｎＡおよびｎＢが選択される、上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系。
【００６１】
−  基板表面に平行である硬質材料層系の熱伝導度が、基板表面に対して垂直な硬質材料層系の熱伝導度より高い、上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系。好ましくは、硬質材料層系の硬度は２０ＧＰａより高く、より好ましくは３０ＧＰａより高い。
【００６２】
−  少なくとも多層層構造が立方構造を有する、上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系。
【００６３】
−  ＭｅＡおよび／またはＭｅＢが、少なくとも主に金属アルミニウムおよび／もしくはチタン、または金属アルミニウムおよび／もしくはクロムを含む、上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系。
【００６４】
−  アルミニウムに対するチタンの原子パーセントでの濃度比、すなわち、Ｔｉ／Ａｌ、またはアルミニウムに対するクロムの原子パーセントでの濃度比、すなわち、Ｃｒ／Ａｌが１未満である、上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系。
【００６５】
−  少なくとも１つのＡ層または１つのＢ層が、グラデュエーションにされた酸素濃度を横切る層厚の少なくとも一部分を含んでなるか、または硬質材料層系が、ＭｅｐＯｎＮｍ型（ｎ≧０、Ｍｅ＝ＭｅＡ、およびｐ＝ｐＡまたはＭｅ＝ＭｅＢ、およびｐ＝ｐＢ）の少なくとも１つの追加的な硬質材料層を、好ましくは最上層として有し、それがグラデュエーションにされた酸素濃度を横切る層厚の少なくとも一部分を含んでなる、上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系。
【００６６】
−  上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系によってコーティングされた、構成部分またはツール、好ましくは切りくず除去機械加工ツール。
【００６７】
−  Ｎｉおよび／またはＴｉをベースとする合金などの難削材料の切りくず除去機械加工のための、上記複数の実施形態の１つに係る硬質材料層系を有する、コーティングされた切りくず除去機械加工のための切断ツールの使用。
【００６８】
−  所定の酸素依存熱伝導度、すなわち、所定の酸素依存熱コンダクタンス（電気伝導度）を有するＭｅｐＯｎＮｍ型の金属酸窒化物硬質材料層の製造方法であって、
ａ．ＭｅｐＯｎＮｍ層が、真空コーティングチャンバー中で、基板温度Ｔｓおよび基板表面上へのコーティング圧力Ｐで、反応性ガス含有雰囲気において少なくとも１つの標的から物理的気相式析出によって析出され、
ｂ．窒素および酸素が反応性ガスとして使用され、
ｃ．標的がＭｅを含有し、
ｄ．Ｍｅが、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＡｌの群からの少なくとも１つの金属であり、かつＭｅが、好ましくは、Ｙ、Ｎｉ、ＢおよびＳｉの群からの少なくとも１つの元素を含み、
ｅ．ＭｅｐＯｎＮｍ層の所定の酸素依存熱伝導度が層析出の間にセットされるように、相関関係
κ（χ）＝κ０／（１＋α.χ）
によって前もって算出された酸素濃度値が維持されるように、ＭｅｐＯｎＮｍ層の析出の間、真空コーティングチャンバー中の酸素濃度が制御され、式中、
ｉ．κ（χ）は、層析出の間の真空コーティングチャンバー中の酸素濃度を維持しながら生じるＭｅｐＯｎＮｍ層の酸素依存熱伝導度であり、
ii．χは、層析出の間の真空コーティングチャンバー中の酸素濃度を示し、
iii．κ０は、ｎ０＝０％である第１の参照層Ｍｅｐ０Ｏｎ０Ｎｍ０の熱伝導度であり、Ｍｅｐ０Ｏｎ０Ｎｍ０は、ＭｅｐＯｎＮｍの析出に関して上記されたものと同一のプロセスパラメーターを用いて析出されるが、反応性ガスとして酸素を使用せず、代わりに窒素のみが使用され、
iv．αは、散乱断面積を含むパラメーターであって、少なくとも１つの追加的な第２の参照層Ｍｅｐ１Ｏｎ１Ｎｍ１および少なくとも１つの追加的な第３の参照層Ｍｅｐ２Ｏｎ２Ｎｍ２の実験データへの上記で示された相関関係の適合によって得られ、Ｍｅｐ１Ｏｎ１Ｎｍ１およびＭｅｐ２Ｏｎ２Ｎｍ２は、ＭｅｐＯｎＮｍの析出に関して上記されたものと同一のプロセスパラメーターを用いて析出されるが、異なる真空コーティングチャンバー中酸素濃度を使用し、かつ好ましくは、Ｍｅｐ１Ｏｎ１Ｎｍ１は、層ｎ１中で５〜２０％の原子パーセントでの酸素濃度をもたらす真空コーティングチャンバー中酸素濃度を使用して析出される一方、Ｍｅｐ２Ｏｎ２Ｎｍ２は、層ｎ２中で２０〜３０％の原子パーセントでの酸素濃度をもたらす真空コーティングチャンバー中酸素濃度を使用して析出され、ｐ０＋ｎ０＋ｍ０＝ｐ１＋ｎ１＋ｍ１＝ｐ２＋ｎ２＋ｍ２＝１００％、ｍ１およびｍ２はゼロより大きく、ｐ０＝ｐ１＝ｐ２、かつｐ０／（ｎ０＋ｍ０）＝ｐ１／（ｎ１＋ｍ１）＝ｐ２／（ｎ２＋ｍ２）であるという事実を考慮する、方法。
【００６９】
好ましくは、真空コーティングチャンバー中酸素濃度は、特にＭｅｐＯｎＮｍ層の析出の間に酸素フローを調節することによって制御される。
【図１】
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【図２】
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