(57)【要約】  本発明は、物品（１）をコーティングするプロセスに関する。１または複数のコーティング層（３、４、５）を有するコーティング（２）が物品（１）に対して適用される。少なくとも１つのコーティング層（５）が、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から形成される。このコーティング層（５）は、少なくともいくつかの領域において、化学組成が異なる隣接した複数のラメラを有し、少なくとも１つのアルミニウム前駆体および少なくとも１つのチタン前駆体を含む気相から堆積される。本発明に従うと、チタンに対するアルミニウムのモル比を設定することにより、異なる化学組成の複数のラメラが、それぞれ立方晶構造で形成され、立方晶構造を保持しながら、アルミニウムおよびチタンが、その他複数の金属によって部分的に置き換えられること、および、窒素が、酸素および／または炭素によって部分的に置き換えられことが可能である。本発明は、それに応じて生成されるコーティング（２）にもさらに関する。
2018504515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物をコーティングする方法であって、１または複数のコーティング層を有するコーティングが前記対象物に適用され、少なくとも１つのコーティング層が、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から形成され、前記少なくとも１つのコーティング層は、少なくともいくつかの領域において、少なくとも１つのアルミニウム前駆体および少なくとも１つのチタン前駆体を有する気相から堆積され、化学組成が変化し、相互に隣接する複数のラメラを含み、チタンに対するアルミニウムのモル比を調節することにより、化学組成が変化する前記複数のラメラが、それぞれ立方晶構造で形成され、前記立方晶構造を維持しながら、アルミニウムおよびチタンが、その他複数の金属によって部分的に置き換えられることができ、窒素が、酸素および炭素の少なくとも一方によって部分的に置き換えられることができる、方法。
【請求項２】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層の前記堆積のために、前記気相中のモルＡｌ／Ｔｉ比が、少なくとも一時的に、最大３．０まで、好ましくは最大２．０まで、特に最大１．５までに制限される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数のラメラは、２０ｎｍより小さいラメラ周期性、好ましくは３ｎｍから１７ｎｍまで、特に５ｎｍから１５ｎｍまでのラメラ周期性で堆積される、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層は、三塩化アルミニウム、四塩化チタン、およびアンモニアを含有する気相から、平均組成ＡｌｘＴｉ１−ｘＮで堆積される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層は、０．７０≦ｘ≦０．９０、好ましくは０．７５≦ｘ≦０．８５の平均組成ＡｌｘＴｉ１−ｘＮで堆積される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層は、１０ｍｂａｒから８０ｍｂａｒまで、特に２０ｍｂａｒから５０ｍｂａｒまでの圧力において堆積される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層は、約７５０℃から８５０℃までの温度において堆積される、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層は、１μｍから２０μｍまで、特に３μｍから８μｍまでの厚さで堆積される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層はエピタキシャルに堆積される、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
硬質金属から成る対象物、特に、インデックス付きの切削板のような切削インサートが被覆される、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記対象物上に多層コーティングが堆積され、好ましくは１．０μｍよりも小さい厚さを有するＴｉＮの接合層が第１コーティング層として堆積される、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層は、ＴｉＣＮのコーティング層上に堆積される、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
第１コーティング層の前記堆積、および、それに続く追加のコーティング層のそれぞれの堆積において、堆積温度がそれぞれ下げられる、または維持される、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層、好ましくは全てのコーティング層が、ＣＶＤ法により堆積される、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
対象物に適用されるコーティングであって、前記コーティングは１または複数のコーティング層を含み、少なくとも１つのコーティング層が、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から形成され、少なくともいくつかの領域において、化学組成が変化し、相互に隣接する複数のラメラを含み、化学組成が変化する前記複数のラメラが、それぞれ立方晶構造で形成されており、前記立方晶構造を維持しながら、アルミニウムおよびチタンが、その他複数の金属によって部分的に置き換えられることができ、窒素が、酸素および炭素の少なくとも一方によって置き換えられることができる、コーティング。
【請求項１６】
前記複数のラメラは、２０ｎｍより小さいラメラ周期性、好ましくは３ｎｍから１７ｎｍまで、特に５ｎｍから１５ｎｍまでのラメラ周期性で形成されている、請求項１５に記載のコーティング。
【請求項１７】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層は、０．７０≦ｘ≦０．９０、好ましくは０．７５≦ｘ≦０．８５の平均組成ＡｌｘＴｉ１−ｘＮを有する、請求項１５または１６に記載のコーティング。
【請求項１８】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層は、１μｍから２０μｍまで、特に３μｍから８μｍまでの厚さを有する、請求項１５から請求項１７のいずれか１項に記載のコーティング。
【請求項１９】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層はエピタキシャルに成長されている、請求項１５から請求項１８のいずれか１項に記載のコーティング。
【請求項２０】
前記コーティングは多層構造を有する、請求項１５から請求項１９のいずれか１項に記載のコーティング。
【請求項２１】
前記対象物上に第１コーティング層が接合層として提供され、前記第１コーティング層は、好ましくは、１．０μｍよりも小さな厚さを有するＴｉＮから形成されている、請求項２０に記載のコーティング。
【請求項２２】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る前記少なくとも１つのコーティング層は、ＴｉＣＮのコーティング層上に堆積されている、請求項２０または請求項２１に記載のコーティング。
【請求項２３】
請求項１５から請求項２２のいずれか１項に記載のコーティングを有する、特に、切削板のような切断ツールである、対象物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物をコーティングする方法に関する。１または複数のコーティング層を有するコーティングが対象物に対して適用され、少なくとも１つのコーティング層が、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から形成される。このコーティング層は、少なくともいくつかの領域において、化学組成が変化する相互に隣接した複数のラメラを含み、少なくとも１つのアルミニウム前駆体および少なくとも１つのチタン前駆体を有する気相から堆積される。
【０００２】
さらに本発明は、化学蒸着（ＣＶＤ）により対象物に対して適用されるコーティングに関する。このコーティングは、１または複数のコーティング層を含み、少なくとも１つのコーティング層は、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から形成され、少なくともいくつかの領域において、化学組成が変化する相互に隣接した複数のラメラを含む。
【背景技術】
【０００３】
切断用途における耐用年数を増大させるために、複数の切断ツールまたは複数の切削インサートが、チタン、アルミニウム、および窒素から構成された複数のコーティング層によって被覆されることが、従来技術から公知である。この点に関し、一般に、複数のＴｉＡｌＮコーティング層が参照されることが多い。平均的な化学組成は、１または複数の相がこのコーティング層に存在するかどうかにかかわらず、Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮによって特定される。チタンよりもアルミニウムを多く含む複数のコーティング層に対しては、ＡｌＴｉＮ、または、より正確にはＡｌｘＴｉ１−ｘＮという命名法が一般的である。
【０００４】
ＡｌＴｉＮ系において立方晶構造を有する複数の単相のコーティング層の生成が、国際公開第０３／０８５１５２Ａ２号から公知である。この場合、６７モルパーセント（ｍｏｌ％）までの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の相対含有量で、ＡｌＴｉＮの立方晶構造が得られている。７５ｍｏｌ％までの、より高いＡｌＮ含有量においては、立方晶ＡｌＴｉＮと六方晶ＡｌＮの混合物が生成され、７５ｍｏｌ％よりも高いＡｌＮ含有量においては、独占的に六方晶ＡｌＮおよび立方晶窒化チタン（ＴｉＮ）が生成される。引用される文献に従うと、説明される複数のＡｌＴｉＮコーティング層は、物理蒸着（ＰＶＤ）により堆積される。ＰＶＤ法の場合、ＡｌＮの最大相対含有量は、その結果、事実上６７ｍｏｌ％までに制限される。さもなくば、六方晶ＡｌＮの形でアルミニウムだけを含む複数の相への変化が可能だからである。しかしながら、専門家の見解に従うと、立方晶ＡｌＮのより高い相対含有量が、最大限可能な程度まで耐摩耗性を最大化するために所望される。
【０００５】
ＰＶＤ法の代わりに化学蒸着（ＣＶＤ）を使用することもまた、この従来技術から公知である。複数の立方晶ＡｌＴｉＮコーティング層は、例えば、この種のコーティング層の準安定構造に起因して、≧１０００℃の温度においては生成され得ないので、７００℃から９００℃までの温度領域内の比較的低い温度においてＣＶＤ法が行われることになる。必要であれば、米国特許第６，２３８，７３９Ｂ１号明細書に従うと、さらに一層低い温度、すなわち、５５０℃から６５０℃までの温度領域内にすることもまたできる。この場合、コーティング層中の高い塩素含有量が容認されるべきである。しかしながら、これは、応用事例に対して不都合なことが判明している。従って、上記の複数の方法を用いて、コーティング層の高いアルミニウム含有量および立方晶構造を有する複数のＡｌＴｉＮコーティング層が生成され得るような、ＣＶＤ法を最適化するための複数の試みが成されてきた（I. Endler et al., Proceedings Euro PM 2006, Ghent, Belgium, 23 to 25 October 2006, Vol. 1, 219）。たとえこれらのコーティング層が高い微小硬度を有していたとしても、従って、使用時の高い耐摩耗性にとって根本的に有利な性質を有しているとしても、この種のコーティング層の接着強度が、あまりにも低くなり過ぎてしまい得ることが示されてきた。従って、この観点から、独国特許出願公開第１０  ２００７  ０００  ５１２  Ｂ３号明細書においては、位相勾配層として形成され、六方晶ＡｌＮ、ＴｉＮ、および立方晶ＡｌＴｉＮの位相混合から構成される１μｍ厚のコーティング層が、３μｍ厚の立方晶ＡｌＴｉＮコーティング層の下方に提供されることが提案されている。この場合、立方晶ＡｌＴｉＮの含有量が、（独占的）立方晶ＡｌＴｉＮコーティング層から外へ向かって、または立方晶ＡｌＴｉＮコーティング層に向かって割合が増大する。そのような態様で被覆された複数の切削板が、ミルのスチールに使用された。しかしながら、この場合、ＰＶＤ法により生成された複数のコーティング層と比べて、耐摩耗性のわずかな改善が達成されただけだった。
【０００６】
耐摩耗性におけるわずかに過ぎない改善に加えて、独国特許出願公開第１０  ２００７  ０００  ５１２  Ｂ３号明細書に従った接合層のさらなる欠点は、実験室規模の実験においてさえも、接合層または位相勾配層が、極めて急速に成長することである（I. Endler et al., Proceedings Euro PM 2006, Ghent, Belgium, 23 to 25 October 2006, Vol. 1, 219）。複数の切削板の工業的コーティングに対して設計された、より大きな反応器中での生成の場合、これは、最終的に意図される立方晶ＡｌＴｉＮコーティング層を形成するための温度が下げられねばならいので、十分な時間を必要とするために、提供されるコーティングプロセスにおいて接合層または位相勾配層が極めて厚くなることにつながる。しかしながら、工業的反応器においては高速の冷却が可能ではないので、プロセス温度のこの低下の間、接合層または位相勾配層の厚さが急激に増大する。より長い期間にわたってコーティングプロセスを中断すること、または、冷却を中断することが考えられるだろうが、これは、費用効率が高くない。
【０００７】
国際公開第２０１３／１３４７９６Ａ１号から、被覆された物体および物体をコーティングする方法が公知となっている。この場合、ＡｌｘＴｉ１−ｘＮの特別なコーティング層が、個々の領域においてラメラ構造を有するように形成されている。このラメラ構造は、Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮ（金属として大部分がＴｉ）の交互ラメラ、およびこれと交互のＡｌｘＴｉ１−ｘＮ（金属として大部分がＡｌ）から構成される。このＴｉ１−ｘＡｌｘＮは立方晶相として存在し、これに対して、ＡｌｘＴｉ１−ｘＮは六方晶構造を有する。上記の説明に従うと、六方晶ＡｌＮまたはＡｌｘＴｉ１−ｘＮそれ自体は所望されないとしても、立方晶ＴｉＮまたはＴｉ１−ｘＡｌｘＮとの交互の実施形態における六方晶ＡｌＮまたはＡｌｘＴｉ１−ｘＮは、この特別な構造において有利であることが判明している。これは、ナノメートルスケールでの複数のラメラの形成に起因するものである。
【０００８】
国際公開第２０１３／１３４７９６Ａ１号に従ったＡｌｘＴｉ１−ｘＮコーティング層が優れた複数の性質を既に示しているものの、硬度の観点において、より一層良好な複数のコーティング層を提供できることが好ましいだろう。これが、本発明が対処する目的であり、冒頭で挙げた種類の方法を特定することを意図し、これによって、対応するコーティング層を用いた複数のコーティングが生成され得る。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、高い硬度を有するＡｌｘＴｉ１−ｘＮコーティング層を含む、冒頭で挙げた種類のコーティングを特定することである。
【発明の概要】
【００１０】
冒頭で挙げた種類の方法において、チタンに対するアルミニウムのモル比を調節することによって、化学組成が変化する複数のラメラがそれぞれ立方晶構造で形成される場合、この方法に関連した目的が達成される。この場合、結晶系を維持しながら、その他複数の金属によってアルミニウムとチタンが部分的に置き換えられることができ、酸素および／または炭素によって窒素が部分的に置き換えられることができる。
【００１１】
本発明に従った方法により達成される１つの利点は、少なくとも１つのアルミニウム前駆体および少なくとも１つのチタン前駆体の対応する導入によってチタンに対するアルミニウムのモル比を調節することにより、複数のラメラにおける複数の結晶系が、立方晶構造または立方晶相の方向に目標とされる態様で調節され得るということに見ることができる。先行技術と比較してチタン含有量が比較的高く維持される場合、交互に存在する態様でＴｉ１−ｘＡｌｘＮおよび立方晶ＡｌｘＴｉ１−ｘＮを含む複数のラメラを形成する。交互な複数のラメラのうちの一方にはＴｉＮに近付く組成が存在し、他方にはＡｌＮに近付く組成が存在する。たとえ六方晶相が原理的には予測されるとしても、２つのラメラの構造が立方晶である場合、比例的に高いチタン前駆体の導入により、隣接する複数のＡｌｘＴｉ１−ｘＮラメラに対して立方晶構造を強制する、複数の立方晶Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮラメラをもたらすことができる。
【００１２】
交互な複数のラメラのそれぞれの立方晶構造が、対応するコーティング層の優れた硬度をもたらす点で有利である。しかしながら、さらに、先行技術と比較して低減されたアルミニウム含有量にもかかわらず、優れた耐酸化性が提供されることもまた示されてきた。原理上は、低減されたアルミニウム含有量の場合、より乏しい耐酸化性が予測されるものの、これは、化学組成が変化する複数の立方晶ラメラによる複数のラメラ系においては観測され得なかった。明らかに、複数のラメラの設定された並びが、より高いチタン含有量に依拠したより高い硬度につながるだけでなく、高い耐酸化性にもまたつながる。
【００１３】
結晶系が維持される限り、アルミニウムとチタンは、その他複数の金属によって部分的に置き換えられ得る。具体的にケイ素がそのために使用され得る。複数のラメラの初期形成を過剰に妨げることを避けるために、ケイ素のような、それらの置換金属の含有量は、例えば、２０％まで、好ましくは１０％まで、特に７．５％までに制限され得る。他方、クロムのような複数の置換金属の低含有量における使用は、目標とされる態様での複数の使用要件に対して、コーティング層の複数の性質を微調整する可能性をもたらす。
【００１４】
やはりまた結晶系が維持されるという条件下で、酸素および／または炭素によって窒素が部分的に置き換えられることも同様に可能である。例えば、酸素による窒素の少量の置換は、いくつかの機械加工用途にとって有利であり得る。酸素および／または炭素による窒素の部分的置換を通じて、複数のラメラにおいて設定される結晶系が維持されることが、やはりまた必要である。それにより、窒素の可能な置換に対する閾値の上限が生じる。
【００１５】
特に、少なくともコーティング層の個々の領域において立方晶構造を有する複数のラメラの形成にとっては、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層の堆積に対し、気相中のモルＡｌ／Ｔｉ比が、少なくとも一時的に、最大３．０まで、好ましくは最大２．０まで、特に、最大１．５までに制限されることが好都合である。より高いチタンのモル含有量においては、複数の立方晶Ｔｉ１−ｘＡｌｘＮラメラ（Ａｌ含有量より高いＴｉ含有量を有する）の形成が容易になり、複数のラメラは複数のＡｌｘＴｉ１−ｘＮラメラ（Ｔｉ含有量より高いＡｌ含有量を有する）と交互に存在する態様で成長する。この場合、第１のタイプの複数のラメラが立方晶で形成され、第２のタイプの複数のラメラに対してこの立方晶構造または結晶系を強制する。
【００１６】
複数のラメラの厚さは、チタンに対するアルミニウムのモル比を調節することによってもまた変更され得る。複数のラメラが、２０ｎｍより小さなラメラ周期性、好ましくは３ｎｍから１７ｎｍまで、特に５ｎｍから１５ｎｍまでのラメラ周期性で堆積されることが好ましい。特に、約８ｎｍから１３ｎｍまでの範囲内では、コーティング層の少なくともいくつかの領域において、独占的に立方晶で形成された複数のラメラを有する、優れた複数のコーティング層をもたらす。
【００１７】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層が、三塩化アルミニウム、四塩化チタン、およびアンモニアを含む気相から、ＡｌｘＴｉ１−ｘＮの平均組成で堆積されることが好ましい。もちろん、窒素および／または水素のような複数のキャリアガスもまた使用され得る。原理的には、アルミニウムに対して１つの前駆体およびチタンに対して１つの前駆体がそれぞれ協働することが可能であるものの、必要であれば、個々の金属に対して多数の前駆体もまた使用され得ることが理解される。特に、アルミニウムおよび／またはチタンがその他複数の金属によってわずかに置換されるべき場合は、コーティング層の複数の性質を細かく調節すべく、追加の複数の前駆体を混合することもまた可能である。例えば、コーティング層にクロムまたはケイ素を組み込むために、それぞれ、複数のクロム化合物および／または複数のケイ素化合物が反応性ガスに混合され得る。例えば、５％までのクロムおよび／または５％までのケイ素が、アルミニウムおよび／またはチタンを置換するために提供され得る。
【００１８】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層が、０．７０≦ｘ≦０．９０、好ましくは０．７５≦ｘ≦０．８５を有するＡｌｘＴｉ１−ｘＮの平均組成で堆積されることもまた好ましい。耐酸化性を最大化すべく可能な限り最も高いアルミニウム含有量を有する一般式ＡｌｘＴｉ１−ｘＮの複数の立方晶構造の生成にその目的が存在した従来技術と比べて、本発明によれば、耐酸化性を不都合に下げることなく、幾分か低い相対含有量のアルミニウムが意図的にコーティング層に提供され得る。
【００１９】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成るこの少なくとも１つのコーティング層はＣＶＤ法で堆積される。この場合、１０ｍｂａｒから８０ｍｂａｒまで、特に２０ｍｂａｒから５０ｍｂａｒまでの圧力が設定され得る。圧力のこの設定は、複数のキャリアガスを伴う、複数の反応性ガスまたは複数の前駆体の対応する導入により生じる。
【００２０】
ＣＶＤ法での堆積に対しては、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層が、約７５０℃から８５０℃までの温度で堆積されるように、温度制御が選択される。この温度領域内では、反応性ガス中のアルミニウムとチタンのモル分率を変化させることにより、困難なく、立方晶構造をした複数のラメラの所望の形成が設定され得る。
【００２１】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層は、通常、１μｍから２０μｍまで、特に３μｍから８μｍまでの厚さで堆積される。
【００２２】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層が、サファイアのような適切な基板上に堆積される場合、エピタキシャルな堆積が起こり得る。
【００２３】
本発明に開示される方法に従うと、あらゆる所望の対象物が被覆され得るとしても、この方法は、硬質金属から成る対象物、特に、インデックス付きの切削板のような切削インサートをコーティングする場合に、好ましく使用される。
【００２４】
本発明に従った方法においては、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成るコーティング層が、対象物に対して適用される唯一のコーティング層であることができる。しかしながら、特に切削板または切削ブレードのような切削インサートのコーティングに対しては、多層コーティングを堆積することが好都合である。第１コーティング層として、好ましくは０．１μｍよりも小さな厚さを有するＴｉＮの接合層が堆積され得る。
【００２５】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層が、ＴｉＣＮから成るコーティング層上に堆積されることが有利ということが分かる。ＴｉＣＮから成るコーティング層は、従来技術から公知であるように、好ましくは、中程度の温度のＴｉＣＮ（ＭＴ−ＴｉＣＮ）コーティング層である。この種のＴｉＣＮコーティング層は、基板の表面から離れるように垂直に延びる尖った構造を含む。この種のコーティング層上では、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成り、化学組成は変化するが、それぞれが立方晶構造を有する複数のラメラを有するコーティング層が、非常に良好に、且つ、高い接着強度を有するように堆積され得る。これは、複数の応用目的にとって最適である。
【００２６】
第１コーティング層の堆積およびこれに続く各追加のコーティング層の堆積において、堆積温度がそれぞれ下げられる、または維持される場合、本発明に従った方法が特に効率的に管理され得る。従って、その上にコーティングが形成される基板または対象物が、最初に所望される特定の温度にされ、その後、多数のコーティング層を有するコーティングの堆積が開始され得る。第１コーティング層の堆積後にさらに加熱する必要が無いので、多数のコーティング層を有するコーティングの適用が、比較的急速に、従って高い費用効率で起こり得る。特に、ＴｉＮから成る接合層、次にＭＴ−ＴｉＣＮコーティング層、そして最後に、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成り、このコーティング層内にラメラ構造を有するコーティング層が提供される場合、全てのコーティング層が、７５０℃から９００℃までの温度領域内で堆積され得る。全てのコーティング層の堆積に対する温度領域が既に比較的狭いので、そして、それ故に、次のコーティング層を形成するための冷却に必要な、短い期間だけ待機すればよいので、もしくは、場合によってはまた同じ温度で作業が実行され得るので、多数のコーティング層を有するコーティングの極めて迅速な生成をもたらす。
【００２７】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層は、ＣＶＤ法により堆積される。複数の追加のコーティング層が提供される場合、これらもまた、ＣＶＤ法により有利に堆積される。
【００２８】
本発明の他の目的は、冒頭で挙げた種類のコーティングにより達成される。この場合、化学組成が変化する複数のラメラが、それぞれ立方晶構造で形成される。この場合、立方晶構造を維持しながら、アルミニウムおよびチタンが、その他複数の金属によって部分的に置き換えられることができ、窒素が、酸素および／または炭素によって置き換えられることができる。
【００２９】
本発明に従ったコーティングは、化学組成は変化するが、異なる複数のラメラ内で同一の結晶系であり、それら自身がこのコーティング層の成分である複数のラメラを有する構造のため、このコーティングが優れた性質を生じさせるということによって、特に特徴付けられる。特に、それぞれが立方晶構造を有する複数のラメラの構造においては、これら複数のラメラを有するコーティング層に対して、高い硬度と、これと同時に耐酸化性をもたらす。
【００３０】
複数のラメラは、好ましくは、２０ｎｍより小さいラメラ周期性、好ましくは３ｎｍから１７ｎｍまで、特に５ｎｍから１５ｎｍまでのラメラ周期性で形成される。その結果、ラメラ周期性は、一定のアルミニウム前駆体含有量とともに導入されるチタン前駆体の含有量を変更することにより、生成する間に調節され得る。特に、ラメラ周期性として５ｎｍから１５ｎｍまでの範囲、好ましくは、約８ｎｍから１３ｎｍまでの範囲が、高い硬度のためにとりわけ有利なことが判明してきた。透過型電子顕微鏡において見られるように、化学組成が変化する２つのラメラの並びの厚さがラメラ周期性とみなされる。
【００３１】
高い硬度と同時に高い耐酸化性を有する最適条件を得るために、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層は、０．７０≦ｘ≦０．９０、好ましくは０．７５≦ｘ≦０．８５を有する平均組成のＡｌｘＴｉ１−ｘＮによって形成され得る。
【００３２】
本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層は、１μｍから２０μｍまで、特に３μｍから８μｍまでの厚さを有することができる。
【００３３】
サファイアのような適切な基板が提供される場合、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る少なくとも１つのコーティング層において、エピタキシャル成長が可能である。
【００３４】
異なる様々な切断用途に対してコーティングプロファイルを微調整するために、このコーティングが多層構造を有することが好都合となり得る。切削インサートが硬質金属の場合、第１コーティング層としての接合層が好都合となり得るが、その他複数の場合にもまた好都合となり得る。複数の硬質金属に対しては、この点に関し、好ましくは１．０μｍよりも小さい厚さのＴｉＮから成る第１コーティング層を提供することが有利なことが判明している。この第１コーティング層または接合層上に、多数の追加のコーティング層がその後堆積され得る。本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成るコーティング層に対しては、その結果、この層が、ＴｉＣＮから成るコーティング層、典型的にはＭＴ−ＴｉＣＮ上に堆積されることが好都合なことが判明している。その結果、ＴｉＣＮから成るコーティング層が、ＴｉＮから成るコーティング層上に直接堆積されることが可能である。しかしながら、多数の追加の層がそれらの間に堆積されることもまた可能である。本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から成る多数のコーティング層が、その他複数のコーティング層と交互に存在する態様で堆積されること、および／または、例えば、ＴｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、またはダイヤモンドから成り、コーティングを仕上げる外側のコーティング層が提供されることもまた可能である。
【００３５】
示される複数の利点に従うと、切削板のような切断ツールが、本発明に従ったコーティングを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
本発明の複数の追加の特徴、利点、および効果が、下記に説明される例示的な複数の実施形態から得られる。これに関して参照される複数の図面は以下を示す。
【図１】対象物上のコーティングの基本的な構造である。
【図２】透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用して撮られた画像である。
【図３】図２に従った画像に対する回折パターンである。
【図４】Ｘ線ディフラクトグラムである。
【図５】硬度および弾性係数のグラフである。
【図６】ＴＥＭ画像である。
【図７】極点図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１において、本発明に従った対象物１が概略的に示される。対象物１は、典型的には、焼結された硬質金属から形成される。これは、タングステン、チタン、ニオブ、またはその他複数の金属の炭化物および／または炭窒化物、並びに、コバルト、ニッケル、および／または鉄を含む群から選択されるバインダ金属から構成される。これに関して、バインダ金属の含有量は、通常、１０ｗｔ％までである。典型的には、対象物１は１０ｗｔ％までのコバルトおよび／またはその他複数のバインダ金属で構成され、残りは、炭化タングステン、および、５ｗｔ％までのその他の炭化物および／またはその他複数の金属の炭窒化物である。
【００３８】
接合層として機能するＴｉＮのコーティング層３が、対象物１上に堆積される。コーティング層３は、通常、２μｍよりも小さな厚さ、好ましくは０．４から１．２μｍまでの厚さを有する。コーティング層３上に、中間層として機能するＴｉＣＮのコーティング層４が堆積される。このコーティング層４はＭＴ−ＴｉＣＮコーティング層である。この種のコーティング層４は、通常、本質的には対象物１上の表面法線と平行に整列された、尖った結晶の柱状構造を有する。最後に、追加のコーティング層５がコーティング層４上に堆積される。コーティング層５は、本質的にアルミニウム、チタン、および窒素から形成され、ＣＶＤ法により堆積される。プロセス管理または使用される複数の気体に応じて、より小さな含有量の塩素および酸素もまた、コーティング層５に存在することができる。その他のコーティング層３、４もまた、ＣＶＤ法を使用して堆積され得る。
【００３９】
対象物１は、具体的に、インデックス付きの切削板のような切削インサートであることができる。この切削板に被覆するため、または、コーティング２を形成するために、ＴｉＮの接合層またはコーティング層３が、第１ステップにおいて、８８０℃から９００℃までのプロセス温度で、窒素、水素、および四塩化チタンを含有する、またはこれらから構成される気体から堆積される。その後温度が下げられ、例えば８２０℃から８４０℃までの温度で、ＭＴ−ＴｉＣＮから形成されるコーティング層４が、２μｍから５μｍまでの厚さで堆積される。その結果、窒素、水素、アセトニトリル、および四塩化チタンから構成される気体から堆積が起こる。対応するプロセス温度、および、炭素または窒素源としてのアセトニトリルの使用が、ＴｉＣＮの柱状の成長または尖った結晶を有する中間層の形成を保証する。その結果、ＴｉＣＮコーティング層が、断面において、対象物１の表面法線に対し、好ましくは平行だが、少なくとも大部分が±３０°の角度で延びる、縦方向に延在する複数の結晶を含む。対応するＴｉＣＮコーティング層により、平均組成ＡｌｘＴｉ１−ｘＮを有し、続いて堆積されるコーティング層５の適切な接合をもたらす。この点に関し、ＴｉＣＮコーティング層は、ａが０．３から０．８まで、特に０．４から０．６までの範囲にある、ＴｉＣａＮ１−ａの平均組成を有することが好都合である。
【００４０】
硬度を増大させるために４０ｍｏｌ％までチタンがアルミニウムによって置き換えられ得るＴｉＣＮの中間層上に、アルミニウム、チタン、および窒素を有するコーティング層５が最後に適用され、これに対しては、約８００℃から８３０℃まで温度が下げられる。最も外側のコーティング層であるコーティング層５は（必ずしも最も外側でなければいけないというものではないが）、三塩化アルミニウム、窒素、水素、塩化チタン、および個別に導入されたアンモニアと窒素の混合物を含有する気体から形成される。従って、中間層を生成するための第２ステップにおいて、および、コーティング層５を生成するための第３ステップにおいて、それぞれに対するプロセス温度が下げられる。これは、極めて費用効率が高く、切削インサート上でのコーティング２の迅速な形成を可能にする。コーティング層５は、好ましくは、２０ｍｂａｒから８０ｍｂａｒまで、特に２５ｍｂａｒから５５ｍｂａｒまでの圧力で堆積される。この場合、圧力は、導入される複数の気体の体積流量率によって制御される。
【００４１】
以下の表１および表２中に、典型的なプロセスパラメータおよび組成が提供される。
【表１】
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【表２】
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【００４２】
図２にはコーティング構造のＴＥＭ画像が示される。この構造においては、硬質金属に対してＡｌＴｉＮ勾配層が適用されている。この層は、チタン前駆体の含有量が徐々に増大され、アルミニウム前駆体の含有量が一定に維持されていたものの、本質的には上記にて説明されたように適用された層である。勾配層はＡｌ９０Ｔｉ１０Ｎで始まり、Ａｌ７０Ｔｉ３０Ｎで終わる。それらの間の範囲においては、チタン前駆体の含有量が依然として低い間に、国際公開第２０１３／１３４７９６Ａ１号から公知である、六方晶構造と立方晶構造の複数のラメラが交互に存在する構造が最初にできる。その後、より高い含有量においては、立方晶相だけが依然として存在する構造ができる。これは、図３に従う。従って、複数の前駆体の比率を変化させることにより、この構造は、ナノメートルスケールで目標とされる態様に設定され得る。ラメラ周期性は約９ｎｍである。
【００４３】
図４には、コーティング層５に対するＸ線ディフラクトグラムが見られ、ここから、コーティング層５は立方晶構造で形成され、六方晶相は検出され得ないという評価へと続く。これは、勾配層に対する図３の結果を裏付けている。
【００４４】
驚くべきことに、コーティング層５は、高い硬度だけでなく、適切な靱性もまた示す。図２に従う勾配層について図５に示される計測結果が示すように、勾配層は、独占的に立方晶構造となる範囲において、硬度および靱性の両方に対して最大に到達する。
【００４５】
図６には、コーティング層５の高解像度ＴＥＭ画像が示される。この層は、上記にて説明されたように生成された。この画像においては、数ナノメートルのラメラ周期性を有して形成された複数のラメラが見られる。Ｔｉ含有量より高いＡｌ含有量を有するＡｌｘＴｉ１−ｘＮの組成および立方晶構造を有する複数のラメラが、Ａｌ含有量より高いＴｉ含有量を有し、これもまた立方晶構造を有するＴｉ１−ｘＡｌｘＮの複数のラメラと、連続して交互に存在する。この特別なナノ構造が、コーティング層５の優れた複数の性質、特に高い硬度および強度の原因であると仮定される。コーティング層５は、特に、酸化に安定で、高い硬度および強度を有するものとして具現化されるだけでなく、熱的に非常に安定なものとしてもまた具現化される。１時間にわたる９５０℃から１０５０℃までの連続的な熱負荷は、複数の硬質金属基板において１０００℃でクラックが生じ始めるのに対し、複数の硬質金属部品に同時に生じる離脱は別として、コーティング層５がこの熱負荷に耐えることを示した。
【００４６】
サファイアのような適切な基板上にコーティング層５が堆積される場合、エピタキシャル成長もまた起こり得る。これは、サファイア上に直接堆積されたコーティング層５に基づいた、図７の複数の極点図から導かれ得る。
【００４７】
場合によっては追加のコーティング層３、４ともまた一緒であり得るコーティング層５は、インデックス付きの切削板のような複数の切削インサートに好ましく使用されるとしても、使用時に高い温度および機械的応力にさらされ、そしてその結果、高い耐酸化性もまた示さなければならない、所望されるその他のあらゆる切断ツールもまたもちろん被覆され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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