(57)【要約】  本発明は、硬質合金、サーメット、セラミック、スチール又は高速度鋼のからなる基材と、ＰＶＤ法を用いて適用される、１μｍから２０μｍの全厚を有する多重プライコーティングとを含む工具に関し、前記多重プライコーティングは、接続層と、前記接続層の上に直接堆積される耐摩耗性層とを含む。この工具は、接続層が多重プライ設計を有し、陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）により堆積され、直接重なり合う前記接続層のプライは異なる組成を有し、前記接続層の多重プライの各々は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌｉ及びＢ、並びにそれらの固溶体から選択された少なくとも二つの異なる金属の、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、オキシカーバイド、カルボキシ窒化物から形成され；かつ前記耐摩耗性層が単一又は多重プライ設計を有し、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）により堆積され、耐摩耗性層の前記一又は複数のプライの各々は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌｉ及びＢ、並びにそれらの固溶体から選択される少なくとも二つの異なる金属の、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、オキシカーバイド、カルボキシ窒化物から形成されることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質合金、サーメット、セラミック、スチール又は高速度鋼からなる基材と、ＰＶＤ法を用いて適用される、１μｍから２０μｍの全厚を有する多層コーティングとを含み、多層コーティングが結合層と結合層の上に直接堆積される耐摩耗性保護層とを含む、
工具であって、
結合層が、陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）によって堆積され、多層設計を有し、直接重なり合う結合層の層が互いに異なる組成を有し、結合層の多重層がそれぞれ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌｉ及びＢ、並びにそれらの固溶体から選択される少なくとも二つの異なる金属の、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、オキシカーバイド、カルボキシ窒化物から形成され、
耐摩耗性保護層が、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）によって堆積され、単層又は多層設計を有し、耐摩耗性保護層の一又は複数の層がそれぞれ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌｉ及びＢ、並びにそれらの固溶体から選択される少なくとも二つの異なる金属の、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、オキシカーバイド、カルボキシ窒化物から形成される
ことを特徴とする工具。
【請求項２】
結合層の層がそれぞれ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＣｒから、好ましくはＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、及びＴｉＳｉＮから、特に好ましくはＴｉＡｌＮから選択される少なくとも二つの異なる金属の窒化物又は炭窒化物から形成されることを特徴とする、請求項１に記載の工具。
【請求項３】
多層結合層が、重なり合う少なくとも４、好ましくは少なくとも１０、かつ最大３００、好ましくは最大１００、特に好ましくは最大５０の層を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の工具。
【請求項４】
多層結合層内部において、ビッカース硬さが基材から耐摩耗性保護層に向かって基材表面に垂直に増大し、多層結合層内部のビッカース硬さが１８００ＨＶから３５００ＨＶ、好ましくは２０００ＨＶから３３００ＨＶの範囲であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の工具。
【請求項５】
多層結合層内部において、弾性係数（弾性率／ヤング率）が基材から耐摩耗性保護層に向かって基材表面に垂直に増大し、多層結合層内部の弾性係数（弾性率）の値が３８０ＧＰａから５５０ＧＰａ、好ましくは４２０ＧＰａから５００ＧＰａの範囲であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の工具。
【請求項６】
基材表面に垂直な多層結合層が、０．０１μｍから１μｍ、好ましくは０．０５μｍから０．６μｍ、特に好ましくは０．１μｍから０．４μｍの範囲であり、及び／又は単層又は多層耐摩耗性保護層が、０．４μｍから２０μｍ、好ましくは１μｍから１０μｍ、特に好ましくは１．５μｍから５μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の工具。
【請求項７】
多層結合層の厚さに対する単層又は多層耐摩耗性保護層の厚さの比が、少なくとも２．０、好ましくは少なくとも２．３、特に好ましくは少なくとも３．５、極めて好ましくは少なくとも４．０であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の工具。
【請求項８】
多層結合層の層が、異なる組成を有するチタンアルミニウム窒化物の交互層を含み、（３０〜３６）：（７０〜６４）のＴｉ：Ａｌの比の層が、（４０〜６０）：（６０〜４０）、好ましくは（４７〜５３）：（５３〜４７）のＴｉ：Ａｌの比を有する層と交互になっていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の工具。
【請求項９】
耐摩耗性保護コーティングが、多層であり、重なり合う少なくとも２、４又は１０、かつ重なり合う最大５０、１００又は３００の層を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の工具。
【請求項１０】
好ましくはＴｉＮ又は金属Ｔｉの、少なくとも一つのさらなる硬質材料層が、基材と結合層の間に設けられていること、及び／又は少なくとも一つのさらなる硬質材料層、好ましくは一又は複数のＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮの装飾層が、耐摩耗性保護コーティングの上に設けられていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の工具。
【請求項１１】
コーティングされた工具の製造方法であって、
−硬質合金、サーメット、セラミック、スチール又は高速度鋼の基体に、結合層とその上に直接堆積された耐摩耗性保護層とを含む、１μｍから２０μｍの全厚を有する多層コーティングをＰＶＤ法により適用する工程
を含み、
結合層が、反応性又は非反応性陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）により堆積されて多層設計を有し、結合層の直接重なり合う二つの層が互いに異なる組成を有し、結合層の多重層が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌｉ及びＢ、並びにそれらの固溶体から選択される少なくとも二つの異なる金属の、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、オキシカーバイド、カルボキシ窒化物から形成され、かつ
耐摩耗性保護層が、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）により堆積されて単層又は多層設計を有し、耐摩耗性保護層の一又は複数の層がそれぞれ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌｉ及びＢ、並びにそれらの固溶体から選択される少なくとも二つの異なる金属の、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、オキシカーバイド、カルボキシ窒化物から形成される、方法。
【請求項１２】
結合層の層がそれぞれ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＣｒから、好ましくはＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、及びＴｉＳｉＮから、特に好ましくはＴｉＡｌＮから選択される少なくとも二つの異なる金属の窒化物又は炭窒化物から形成されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
多層結合層が、重なり合う少なくとも４、好ましくは少なくとも１０、かつ最大３００、好ましくは最大１００、特に好ましくは最大５０の層を有することを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
多層結合層の堆積についての堆積パラメータを、多層結合層内部においてビッカース硬さが基材から耐摩耗性保護層に向かって基材表面に垂直に増大し、多層結合層内部のビッカース硬さが１８００ＨＶから３５００ＨＶ、好ましくは２０００ＨＶから３３００ＨＶの範囲となるように、変化させ、
多層結合層の堆積の間に変化させる堆積パラメータが少なくともバイアス電位を含むこと
を特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質合金サーメット、セラミック、スチール又は高速度鋼の基材と、ＰＶＤ法においてそれに適用される、１μｍから２０μｍの全厚を有する多層コーティングとを含む工具に関し、多層コーティングは、陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）により堆積される結合層と、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）によりその上に堆積される耐摩耗性保護層とを含む。本発明はさらに、そのような工具の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば屑取金属加工に使用されるものなどの切削工具は一般に、ＣＶＤ法（化学蒸着）又はＰＶＤ法（物理蒸着）により上に堆積された金属製硬質材料の層からなる耐摩耗性の単層又は多層コーティングを有する硬質合金、サーメット、スチール又は高速度鋼の基材（基体）からなる。ＰＶＤ法は、例えば陰極スパッタリング（スパッタリング蒸着）、陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）、イオンめっき、電子ビーム蒸着及びレーザーアブレーションといった異なる変形法に分けられる。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及び高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）といった陰極スパッタリングとアーク蒸着とは、切削工具のコーティングに最も頻繁に使用されるＰＶＤ法に属する。
【０００３】
陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）の実施において、ターゲット材を溶解及び蒸発させるアークがチャンバとターゲットの間で燃焼している。この方法では、蒸発した材料の大部分はイオン化されて、基材、負の電位（バイアス電位）を有する基材に向かって加速し、基材表面に堆積される。陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）は、高い堆積速度、蒸発した材料の高いイオン化による密な層構造、並びに方法の安定性によって特徴づけられる。しかしながら、実質的欠点は、小さな金属飛沫の放出により生じるミクロ粒子（ドロップレット）の方法依存性の堆積であり、これを回避することは極めて複雑である。ドロップレットは、堆積された層の望ましくない高い表面粗さに繋がる。
【０００４】
陰極スパッタリング（スパッタリング）では、原子又は分子が、高エネルギーイオンの照射によりターゲットから除去され、気相へと移され、その後そこから基材上に、直接又は反応ガスとの反応後に堆積される。マグネトロンによって支持されている陰極スパッタリングは、二つの基本的変形法、即ち従来のＤＣマグネトロンスパッタリング（ＤＣ−ＭＳ）及びＨＩＰＩＭＳ法を含む。マグネトロンスパッタリングでは、陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）におけるドロップレットの望ましくない形成は起こらない。しかしながら、従来のＤＣ−ＭＳでは、コーティング速度は比較的低く、これは方法に時間がかかることを意味し、したがって経済的に不利である。
【０００５】
高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）を使用するとき、マグネトロンは高い電流密度でのパルスモードで操作され、その結果、特にスパッタリングされた材料のイオン化が向上することに起因して層構造が向上してさらに密な層となる。ＨＩＰＩＭＳでは、ターゲットの電流密度は典型的には従来のＤＣ−ＭＳの電流密度を上回る。
【０００６】
ＤＣ−ＭＳ及びＨＩＰＩＭＳにより堆積された層は、多くの場合大きな構造差を呈する。ＤＣ−ＭＳ層は通常、基材上において柱状構造に成長する。対照的に、ＨＩＰＩＭＳ法では、ＤＣ−ＭＳ層との比較においてそれに関連付けられる摩耗挙動の改善と耐用年数の延長を特徴とする、微結晶質層構造が得られる。ＨＩＰＩＭＳ層は、通常柱状ＤＣ−ＭＳ層より硬度が高いが、多くの基材に対する粘着性能に関して欠点を示す。
【０００７】
ＥＰ２６５３５８３は、基本的に三層からなる層系を堆積させるためのＰＶＤによるコーティング手順について記載しており、この層系は、重なり合って配置される、蒸発材料（ターゲット）Ｍ１から陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）により堆積された接触層Ｓ１、ディスチャージ材料（ターゲット）Ｍ２からＨＩＰＩＭＳにより堆積され被覆層Ｓ３、及び蒸発材料Ｍ１並びにディスチャージ材料Ｍ２のアークＰＶＤとＨＩＰＩＭＳの並行操作によりその間に堆積された中間層Ｓ２を含む。この層系では、基本的に同じ化学組成を有する比較対象コーティングと比較して低い表面粗さを得ることが意図されている。
【０００８】
国際公開第２０１３／０６８０８０号には、ＨＩＰＩＭＳによる層系の製造方法が記載されており、長いパルス期間と短いパルス期間とを交互に適用することにより細かい粒度と粗い粒度を交互に有するＨＩＰＩＭＳ層が堆積される。このような交互層の系は、良好な摩耗特性を有するはずである。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の目的は、既知の層系の利点、特にＨＩＰＩＭＳ法において堆積される層の利点を有すると共に、先行技術に既知の欠点、特に不十分な粘着性能を克服する、耐摩耗性保護コーティングを有する工具、並びにその製造方法を提供することであった。
【００１０】
この目的は、本発明により、硬質合金、サーメット、セラミック、スチール又は高速度鋼の基材と、ＰＶＤ法においてそれに堆積される、１μｍから２０μｍの全厚を有する多層コーティングとを有し、多層コーティングが接触層とその上に直接堆積された耐摩耗性保護層とを含む工具であって、
−結合層が、陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）によって堆積され、多層設計を有し、直接重なり合う結合層の層が異なる組成を有し、結合層の多重層がそれぞれ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌｉ及びＢ、並びにそれらの固溶体から選択される少なくとも二つの異なる金属の、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、オキシカーバイド、カルボキシ窒化物から形成され、
−耐摩耗性保護層が、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）により堆積されて単層又は多層設計を有し、耐摩耗性保護層の一又は複数の層がそれぞれ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌｉ及びＢ、並びにそれらの固溶体から選択される少なくとも二つの異なる金属の、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、オキシカーバイド、カルボキシ窒化物から形成される、
工具を提供することにより達成される。
【００１１】
ＨＩＰＩＭＳ法により堆積された耐摩耗性保護層は、特に金属加工において、本発明による工具の性能に大きく貢献する。ＨＩＰＩＭＳ法により堆積されたコーティングは、その微細な層構造、及びそれに関連付けられる高い硬度と弾性係数（弾性率／ヤング率）とを特徴とする。ＨＩＰＩＭＳにより堆積された層、例えばＴｉＡｌＮ層のビッカース硬さは、例えば３０００から４５００ＨＶの範囲でありうる。このような層の弾性率は、４００から５００ＧＰａの範囲でありうる。対照的に、硬質合金基材は、例えば１３００から２４００ＨＶのオーダーのビッカース硬さを呈する。さらに、ＨＩＰＩＭＳによって堆積された層は、アークＰＶＤにより堆積された層より有意に滑らかな表面を有し、例えば屑取りに関し、金属加工において利点を有する。
【００１２】
基材からコーティングへの変わり目、又は一つの層からその上に直接配置された次の層への変わり目における硬度の大きな変化は、基材に対する層の粘着性能を低下させ、コーティングの早期剥離、工具の早期摩耗すなわち耐用年数の短縮に繋がる。
【００１３】
基材への耐摩耗性保護層の粘着性能を向上させるために結合層を設けることが一般に知られている。多くの場合、結合層は、その上と下に配置される材料の構成要素を有して一つの層を形成し、この層は、組成及び微細構造の観点から、上に配置される層と下に配置される層との間に位置することにより粘着性能を付与する。
【００１４】
驚くべきことに、ＨＩＰＩＭＳにより堆積された本発明による耐摩耗性保護層は、陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）により堆積されて多層設計を有する、本発明により形成された結合層と共に、特に粘着性能に関して特定の利点を有することが見出された。この場合、両層は互いに直接重ね合わされ、異なる組成を示す。
【００１５】
先述のように、ＨＩＰＩＭＳによって堆積された耐摩耗性保護層は、一般に、例えば従来のＷＣ−Ｃｏ硬質合金基材より有意に高いビッカース硬さを示す。硬度に関する大きな違いは、基材又は硬度の低い別の層の上に直接堆積されたＨＩＰＩＭＳ層の粘着性能を低下させる場合があり、耐摩耗性保護層の早期剥離及び工具の早期摩耗を生じさせうる。ＨＩＰＩＭＳ法では、堆積された耐摩耗性層の硬度を、この粘着性能の問題を緩和するために基材又は下に配置されるいずれかの他の層の硬度に自由に合わせることができない。耐摩耗性保護層の硬度の低下も、耐摩耗性保護層の高い硬度は多くの金属加工法において有利であるため、望ましくないことが多い。
【００１６】
ＨＩＰＩＭＳ法において堆積される耐摩耗性保護層自体は、単層でも多重層でもよい。多層ＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層は、層が、結合層表面への結合エリアにおいて結合層と類似の硬度を有し、ＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層の表面に向かって硬度がさらに上昇するように、ＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層内部の硬度に勾配を持たせるために、層の組成を変化させることにより、及び／又は堆積パラメータを変化させることにより形成される。特に高い硬度を有しながら良好な結合を有するＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層は、このようにして製造することができる。本発明の特に好ましい実施態様では、したがって、アークＰＶＤ結合層だけでなくＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層も多層設計を有する。
【００１７】
ＨＩＰＩＭＳによって堆積される本発明による耐摩耗性保護層を、本発明による多層結合層と組み合わせることにおいて、驚くべきことに、先行技術に既知の欠点、特にＨＩＰＩＭＳ層の不十分な粘着性能が克服され、工具の耐用年数が延長されうる。
【００１８】
本発明の一実施態様では、結合層の層はそれぞれ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＣｒから選択される少なくとも二つの異なる金属の窒化物又は炭窒化物から形成される。ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、及びＴｉＳｉＮの層が好ましく、ＴｉＡｌＮが極めて好ましい。
【００１９】
結合層の層のこれら組成は、ＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層の結合の向上に関して特定の利点を示した。これは、すべてが類似の面心立方構造、高硬度及び高い弾性率を有するこれら硬質材料によるものと考えられる。
【００２０】
多層結合層は、互いに異なる組成を有する重ね合わされた少なくとも二つの層を有し、本発明の意味において、同じ元素、例えばＴｉ、Ａｌ及びＮを有するが、異なる化学量論的組成を有する層は、「異なる組成を有する層」とも定義される（例えば重ね合わされたＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎの層とＴｉ０．５Ａｌ０．５Ｎの層）。本発明の好ましい実施態様では、多層結合層は、重ね合わされた少なくとも４層、好ましくは重ね合わされた少なくとも１０層を有する。驚くべきことに、個別層の数を増加させることにより、基材表面に向かって垂直方向の変化及び硬度がそれぞれ改善し、結合層内部の硬度プロファイルのより少ない勾配を達成することが示された。同時に、金属処理用途において、結合層の耐亀裂性が上昇する。これは、断裂のエネルギーが分散しうる層の境界の数が増えることにより、亀裂の伝播が効果的に防止されることに起因していると思われる。さらに好ましくは、結合層は、重なり合う最大３００、好ましくは最大１００、特に好ましくは最大５０の層を有する。結合層の総数が、有利には約１μｍ以下であるべき所定の厚さの結合層について多すぎる場合、個別層が数原子の層となるまで極めて薄くなり、その結果所望の層境がそれ以上規定できなくなり、耐亀裂性に悪影響を与える。
【００２１】
本発明のさらに好ましい実施態様では、多層結合層は、層内部において、ビッカース硬さが基材から耐摩耗性保護層に向かって基材表面に垂直に増大し、多層結合層内部のビッカース硬さが１８００ＨＶから３５００ＨＶ、好ましくは２０００ＨＶから３３００ＨＶの範囲となるように形成される。硬度の増大は、線形、非線形、又は段階的に走る結合層の全厚にわたり勾配を描く。
【００２２】
基材又は結合層の下層から結合層への変わり目において、及び結合層からＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層への変わり目において、それぞれ硬度間の差異をできる限り小さくすることが有利である。本発明による多層結合層は層内部における硬度値の調節を可能にし、これを単層の結合層で多層結合層と同じ程度に行うことは不可能である。
【００２３】
本発明により結合層内部のビッカース硬さを基材から耐摩耗性保護層に向かって増大させることにより、基材又は結合層の下層とＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層との間の硬度の大きな差異を、有利に補償することができる。したがって、ＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層の粘着性能の向上が達成され、それにより工具の耐用年数が延びる。
【００２４】
堆積法の間にコーティングパラメータを変化させることは、結合層内部の硬度を変化させる一つの手段であり、この場合特に堆積法の間にバイアス電位を変化させることである。堆積中にバイアス電位を上昇させることは、一般に硬度を上昇させる。
【００２５】
しかしながら、単層結合層の堆積の間にバイアス電位を変化させるだけでは、約１３００から１４００ＨＶの範囲のビッカース硬さを有する従来の硬質合金基板と、約３０００から４５００ＨＶの範囲のＨＩＰＩＭＳにより堆積された層、例えばＴｉＡｌＮ層の硬度との間に硬度の差異をもたらす層内部の硬度勾配を提供するために通常十分ではない。バイアス電位を変化させることにより、推定上約２００から３００ＨＶ以下の単層結合層内部の硬度の変化が得られるであろう。堆積パラメータ、特にバイアス電位の修正と、重なり合う結合層の層が異なる組成を有することを特徴とする本発明による多層結合層の設計との組み合わせだけが、結合層内部において、例えば基材とＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層との間に、広範な硬度差にわたる硬度勾配の形成を可能にする。
【００２６】
本発明のさらに好ましい実施態様では、多層結合層は、多層結合層内部において、弾性係数（弾性率）が基材から耐摩耗性保護層に向かって基材表面に垂直に増大し、多層結合層内部の弾性係数（弾性率）の値が３８０ＧＰａから５５０Ｇｐａ、好ましくは４２０ＧＰａから５００ＧＰａの範囲となるように設計される。
【００２７】
多層結合層は、有利には、基材表面に垂直に、０．０１μから１μｍ、好ましくは０．０５μｍから０．６μｍ、特に好ましくは０．１μｍから０．４μｍの範囲の厚さを有する。結合層が薄すぎる場合、結合層の下に配置される表面の十分な被覆が得られず、したがってＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層の粘着性能の十分な向上が得られない。
【００２８】
アークＰＶＤ結合層の表面粗さは、一般にその厚さと共に増大する。ＨＩＰＩＭＳ法における耐摩耗性保護層の堆積は、少なくとも部分的にアークＰＶＤ結合層の表面粗さを補償することにより、滑らかな表面を提供することを意図している。しかしながら、結合層が薄すぎる場合、その粗さはアークＰＶＤ結合層及びＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層の積層体全体の表面に高度に影響を及ぼし、その結果ＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層の表面粗さが望ましくない程高くなる。
【００２９】
結合層全体を形成する個別層の厚さは、個別層がほぼ同じ厚さを有する場合には、結合層の厚さを個別層の数で除した商に相当する。典型的には、結合層の個別層は、２０から２００ｎｍの範囲の厚さを有する。
【００３０】
本発明の範囲は、結合層内部の個別層の厚さの変化も包含する。例えば、これは、多層結合層の堆積の間に蒸発器の電流を変化させることにより達成することができる。これにより、結合層内部の硬度を上昇させることもできる。結合層内部において重なり合う異なる組成の層が異なる硬度も有する場合、硬度の高い材料の個別層の厚さの増大及び／又は硬度の低い材料の個別層の厚さの低減は、結合層内部の硬度勾配を上昇させるか又は同勾配の上昇に寄与しうる。一般に、ＴｉＡｌ（５０：５０）ターゲットに基づいて堆積されたＴｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ材料は、ＴｉＡｌ（３３：６７）ターゲットに基づいて堆積されたＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ材料より軟らかい。したがって、ＴｉＡｌＮ結合層内部の硬度は、堆積の間にそれぞれのターゲットとする蒸発器電流を適宜変化させることにより、Ｔｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ材料の層の厚さを増大させることにより及び／又はＴｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ材料の層の厚さを低減することにより、上昇させることができる。
【００３１】
単層又は多層耐摩耗性保護層は、有利には、０．４μｍから２０μｍ、好ましくは１μｍから１０μｍ、特に好ましくは１．５μｍから５μｍの範囲の厚さを有する。
【００３２】
本発明のさらなる実施態様では、多層結合層の厚さに対する単層又は多層耐摩耗性保護層の厚さの比は、少なくとも２．０、好ましくは少なくとも２．３、特に好ましくは少なくとも３．５、極めて好ましくは少なくとも４．０である。アークＰＶＤ結合層がＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層に対して厚すぎると、アークＰＶＤ結合層とＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層の層積層体全体は、上記に説明したように、望ましくない高い表面粗さを得る。
【００３３】
本発明のさらなる実施態様では、多層結合層の層が、異なる組成を有するチタンアルミニウム窒化物の交互層を含み、（３０〜３６）：（７０〜６４）のＴｉ：Ａｌの比を有する層が、（４０〜６０）：（６０〜４０）、好ましくは（４７〜５３）：（５３：４７）のＴｉ：Ａｌの比を有する層と交互になっている。層の間のＡｌ含有量の差異は、有利には少なくとも５原子％Ａｌでなければならない。
【００３４】
ＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層は単層設計を有しても、又は多層設計を有してもよい。本発明の好ましい実施態様では、耐摩耗性保護コーティングは、多層であり、重なり合う少なくとも２、４又は１０、かつ最大５０、１００又は３００の層を有する。上記に示したように、多層ＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層は、結合層の表面への結合の領域内の層が、結合層の一つと類似の硬度を有し、硬度がＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層の表面に向かってさらに上昇するように、層の組成及び／又は堆積パラメータを変化させることにより、ＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層内部に硬度勾配を有するように形成される。このようにして、特に高い硬度を有しながらも良好な結合を有するＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層が製造可能である。
【００３５】
本発明による結合層と耐摩耗性保護層の組み合わせは、工具のコーティング全体を形成することができる。しかしながら、本発明は、基材と結合層の間に一又は複数のさらなる硬質材料層及び／又は金属層、好ましくはＴｉＮ又は金属Ｔｉが設けられた工具も包含する。さらに、一又は複数のさらなる層、好ましくは装飾層に既知であるＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮ又は他の硬質材料からなる一又は複数の装飾層を、耐摩耗性保護層の上に設けてもよい。このような装飾層は極めて薄く、通常０．２から１μｍであり、また一般的に、装飾的機能を有することとは別に、装飾層の摩耗として、工具が消耗したか、及び適切である場合にはどの程度まで消耗したかを示すインジケータとしても機能する。有利には、例えばチッピング金属加工において屑取りの改善を可能にする、低摩擦表面を有するさらなる層、例えばダイヤモンド様又は黒鉛状炭素層を設けてもよい。トライボケミカル摩耗を低減することのできる、例えば酸化アルミニウム又はアルミニウムクロム酸化物といった酸化物も、最も外側の層として適用することができる。
【００３６】
本発明は、コーティングされた工具の製造方法も包含し、この方法は、
−硬質合金、サーメット、セラミック、スチール又は高速度鋼の基体に、結合層とその上に直接堆積された耐摩耗性保護層とを含む、１μｍから２０μｍの全厚を有する多層コーティングをＰＶＤ法により適用する工程
を含み、結合層が、反応性又は非反応性の陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）により堆積されて多層設計を有し、結合層の互いに直接重なり合う二つの層がそれぞれ異なる組成を有し、結合層の多重層が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌｉ及びＢ、並びにそれらの固溶体から選択される少なくとも二つの異なる金属の、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、オキシカーバイド、カルボキシ窒化物から形成され、かつ
耐摩耗性保護層が、高出力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）により堆積されて単層又は多層設計を有し、耐摩耗性保護層の一又は複数の層がそれぞれ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｌｉ及びＢ、並びにそれらの固溶体から選択される少なくとも二つの異なる金属の、炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、オキシカーバイド、カルボキシ窒化物から形成される。
【００３７】
本発明による方法の好ましい一実施態様では、結合層の層がそれぞれ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＣｒから、好ましくはＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、及びＴｉＳｉＮから、特に好ましくはＴｉＡｌＮから選択される少なくとも二つの異なる金属の窒化物又は炭窒化物から形成される。
【００３８】
先述したように、基材又は結合層の下層から結合層への変わり目において、及び結合層からＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層への変わり目において、機械特性の差異、特に硬度（ビッカース硬さ）間の差異をできる限り小さくすることが有利である。結合層に対するＨＩＰＩＭＳ耐摩耗性保護層の粘着性能を向上させるために、多層結合層の堆積の過程で、特にバイアス電位を変化させることによって堆積パラメータを変化させることにより、結合層内部の硬度を広い範囲にわたって変化させることができる。単層結合層では、これを本発明の程度に行うことは不可能であろう。
【００３９】
したがって、本発明による方法の好ましい一実施態様では、多層結合層内部において、基材から耐摩耗性保護層方向への基材表面に垂直なビッカース硬さが上昇し、かつ多層結合層内部のビッカース硬さが１８００ＨＶから３５００ＨＶ、好ましくは２０００ＨＶから３３００ＨＶの範囲となるように、多層結合層の堆積のための堆積パラメータを変化させ、それにより多層結合層の堆積の間に変化させる堆積パラメータは少なくともバイアス電位を含む。
【実施例】
【００４０】
本発明によるコーティングを、６フランジＰＶＤ装置ＨＴＣ１０００（Ｈａｕｚｅｒ，Ｖｅｎｌｏ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）で生成した。基材を回転テーブル上で回転させた。ＨＩＰＩＭＳ法のために、Ｚｐｕｌｓｅｒ  ＬＬＣ，Ｍａｎｓｆｉｅｌｄ，ＵＳＡによるプラズマ発生器を使用した。実施例において示されるコーティング厚及び層厚と、硬度値及び弾性率の値は、いずれもコーティングされた工具の逃げ面上で測定した。
【００４１】
ＨＩＰＩＭＳ法（パルスファイル６０）においてここで適用されるパルスシーケンスは、以下のサブシーケンスを含む：
１．  ５ｘ  ３４μｓ／６μｓ（オン／オフ）
２．  ３ｘ  ２４μｓ／６μｓ（オン／オフ）
３．  ４ｘ  １４μｓ／８μｓ（オン／オフ）
４．  ５０ｘ  １０μｓ／１２μｓ（オン／オフ）
【００４２】
実施例１：
基材：
硬質合金：           ＷＣ（微粒子）-  １０  ｗｔ．％  Ｃｏ
ビッカース硬さ：     ２０００ＨＶ
弾性率：             ５００ＧＰａ
【００４３】
結合層（多層）：
2018501408.tif 000002
【００４４】
耐摩耗性保護層（単層）：
2018501408.tif 000003
【００４５】
基材テーブルの移動に伴いプラズマ条件は絶え間なく変化するため、示される値は平均値である。
【００４６】
堆積された結合層は、０．２μｍの全厚を有し、交互に異なる組成Ｔｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ及びＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ（使用したターゲットの組成に対応）を有する約６のＴｉＡｌＮの個別層からなっていた。したがって、結合層の個別層は、それぞれ約３３ｎｍの厚さを有していた。層の堆積の間のバイアス電位の徐変（増大）により、堆積された結合層のビッカース硬さは、基材から外側へ向かって、４０Ｖのバイアス電位における２２００ＨＶから６０Ｖのバイアス電位における２９００ＨＶまで増大した。結合層内部の弾性率は、４０Ｖのバイアス電位における４５０ＧＰａから６０Ｖのバイアス電位における４８０ＧＰａまで増大した。このようにして生成された層上において硬度及び弾性率の特性を測定したが、ビッカース硬さ及び弾性率の測定はわずか数ナノメートルの薄層領域については不可能であるため、その堆積の間の本明細書における変動パラメータは、一定に、例えば４０Ｖの一定のバイアス電位に保たれた。
【００４７】
ＨＩＰＩＭＳ法において堆積させた耐摩耗性保護層は、２μｍの全厚を有し、Ｔｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ（使用したターゲットの組成に対応）からなっていた。耐摩耗性保護層のビッカース硬さは３３００ＨＶであり、弾性率は４８０ＧＰａであった。
【００４８】
実施例２：
この実施例では、実施例１と同じ基材を使用した。多層結合層のために、まず約５０ｎｍの厚さを有するＴｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ層を、第１の工程１においてバイアス電位７０Ｖで堆積させ、続いて第２の工程２において、交互に異なる組成Ｔｉ０．５Ａｌｏ．５Ｎ及びＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎを有する約６のＴｉＡｌＮ個別層（個別層の厚さ約３３ｎｍ）からなる約０．２μｍの厚さを有する層シーケンスを、バイアス電位１００Ｖで堆積させた。
【００４９】
結合層（多層）：
2018501408.tif 000004
【００５０】
工程１
2018501408.tif 000005
【００５１】
工程２
2018501408.tif 000006
【００５２】
耐摩耗性保護層（多層）：
2018501408.tif 000007
【００５３】
基材テーブルの移動に伴いプラズマ条件は絶え間なく変化するため、示される値は平均値である。
【００５４】
工程２において堆積された結合層の層シーケンスのビッカース硬さは３０００ＨＶであり、弾性率は４８０ＧＰａであった。
【００５５】
工程１においてバイアス電位７０Ｖで堆積されたＴｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ層のビッカース硬さを、対応して生成されたもっと大きな厚さを有する層上で測定した。それは２９００ＨＶであり、弾性率は４７０ＧＰａであった。
【００５６】
それにより、基材の硬度から工程２において堆積された交互層積層体のより高い硬度への、段階的移行が得られた。
【００５７】
ＨＩＰＩＭＳ法において堆積された耐摩耗性保護層は、２．７μｍの全体の層厚を有し、交互に異なる組成Ｔｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ及びＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ（使用したターゲットの組成に対応）を有する約７６０のＴｉＡｌＮ個別層からなっていた。したがって、耐摩耗性保護層の個別層は、それぞれ約３．５ｎｍの厚さを有していた。耐摩耗性保護層のビッカース硬さは３３００ＨＶであり、弾性率は４８０ＧＰａであった。
【００５８】
実施例３：
この実施例では、実施例１と同じ基材を使用した。多層結合層は、実施例２と同様に堆積された。
【００５９】
多層耐摩耗性保護層のために、まず約１０ｎｍの厚さを有するＴｉ０．４Ａｌ０．６Ｎ層を第１の工程１において堆積させ、第２の工程２において、交互に異なる組成Ｔｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ及びＴｉ０．４Ａｌ０．６Ｎを有し、かつ約０．１６μｍの厚さを有する約８のＴｉＡｌＮの個別層（個別層の厚さ約２０ｎｍ）からなる層シーケンスを堆積させ、第３の工程３において、交互に異なる組成Ｔｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ及びＴｉ０．４Ａｌ０．６Ｎを有し、かつ約１．９μｍの厚さを有する約２４のＴｉＡｌＮの個別層（個別層の厚さ約８０ｎｍ）を堆積させた。最後に、８０ｎｍの厚さを有する装飾層をＨＩＰＩＭＳ法において適用した。
【００６０】
耐摩耗性保護層（多層）：
2018501408.tif 000008
【００６１】
工程１
2018501408.tif 000009
【００６２】
工程２
2018501408.tif 000010
【００６３】
工程３
2018501408.tif 000011
【００６４】
装飾層
2018501408.tif 000012
【００６５】
ＨＩＰＩＭＳ法において堆積された多層耐摩耗性保護層の硬度は３７００ＨＶであり、弾性率は５１０ＧＰａであった。
【００６６】
比較実施例１：
この比較実施例では、ＴｉＡｌＮの単層耐摩耗性保護層をＨＩＰＩＭＳにより実施例１と同じ基材上に堆積させた。
【００６７】
耐摩耗性保護層：
2018501408.tif 000013
【００６８】
基材テーブルの移動に伴いプラズマ条件は絶え間なく変化するため、示される値は平均値である。
【００６９】
ＨＩＰＩＭＳ法において堆積された単層のＴｉＡｌＮ層は、２．２μｍの全体の層厚及び組成Ｔｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎ（使用したターゲットの組成に対応）を有していた。耐摩耗性保護層のビッカース硬さは３３００ＨＶであり、弾性率は４８０ＧＰａであった。ＨＩＰＩＭＳ層は、極めて低い表面粗さを呈したが、基材上への貧弱な粘度特性に起因して短い耐用年数も呈した。
【００７０】
比較実施例２：
この比較実施例では、まず０．６μｍの厚さを有するＴｉＡｌＮの単層結合層を、アークＰＶＤにより適用し、２μｍの厚さを有するＴｉＡｌＮの耐摩耗性保護層をその上に、比較実施例１と同様にＨＩＰＩＭＳにより堆積させた。
【００７１】
結合層：
2018501408.tif 000014
【００７２】
耐摩耗性保護層：
2018501408.tif 000015
【００７３】
基材テーブルの移動に伴いプラズマ条件は絶え間なく変化するため、示される値は平均値である。
【００７４】
結合層のビッカース硬さは２４００ＨＶであり、弾性率は４５０ＧＰａであった。ＨＩＰＩＭＳ法において堆積される単層のＴｉＡｌＮ層は、比較実施例１による同層に対応する。比較実施例２によるコーティングは、本発明によるコーティングに匹敵する表面粗さを有していたが、耐用年数は本発明より有意に短かった。
【００７５】
比較実施例３：
この比較実施例では、交互に異なる組成Ｔｉ０．５Ａｌ０．５Ｎ及びＴｉ０．３３Ａｌ０．６７Ｎを有する約５００のＴｉＡｌＮの個別層（個別層の厚さ約５ｎｍ）からなる、約２．５μｍの厚さを有する層の多層シーケンスが、アークＰＶＤにより堆積されたが、これはその上にさらなる層を有さなかった。上記の実施例及び比較実施例とは異なり、陰極真空アーク蒸着（アークＰＶＤ）のためだけに設計された設備、Ｉｎｎｏｖａ（Ｂａｌｚｅｒｓ、Ｂａｌｚｅｒｓ、Ｌｉｅｃｈｔｅｎｓｔｅｉｎ）が使用された。
【００７６】
層：
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【００７７】
多層の層のビッカース硬さは３２００ＨＶであり、弾性率は４６０ＧＰａであった。層の表面粗さは極めて高かった。
【国際調査報告】
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