(57)【要約】【課題】コーティング付き物品及び製造方法の提供。【解決手段】コーティング付き物品（20,100）は、基材（22,102）と、ＰＶＤコーティング領域（110）を有するコーティング組織（24,106）とを有する。ＰＶＤコーティング領域（110）は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。アルミニウム及びイットリウムの含有量の合計は、アルミニウム、イットリウム及び他の元素の合計の約３原子％〜約５５原子％である。イットリウム含有量は、アルミニウム、イットリウム及び他の元素の合計の約０．５原子％〜約５原子％である。基材を用意するステップと、ＰＶＤコーティング領域を含むコーティング組織を堆積させるステップとを含むコーティング物品の製造方法も開示する。【選択図】図９
2013019052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
コーティング組織と、
を含むコーティング付き物品であって、
前記コーティング組織は、物理蒸着で塗布されたＰＶＤコーティング領域を含み、前記コーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含み、
前記アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および他の元素の合計の約３原子％〜約５５原子％であり、前記イットリウムの含有量は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約０．５原子％〜約５原子％である、コーティング付き物品。
【請求項２】
前記アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約２５原子％〜約４５原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３２ＧＰａ以上である、請求項１に記載のコーティング付き物品。
【請求項３】
前記イットリウムの含有量は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約１．５原子％〜約４．５原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３２ＧＰａ以上である、請求項２に記載のコーティング付き物品。
【請求項４】
前記アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約１０原子％〜約１５原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３３ＧＰａ以上である、請求項１に記載のコーティング付き物品。
【請求項５】
前記アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約３２原子％〜約４５原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３４ＧＰａ以上である、請求項１に記載のコーティング付き物品。
【請求項６】
前記イットリウムの含有量は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約２．５原子％〜約４．０原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３４ＧＰａ以上である、請求項５に記載のコーティング付き物品。
【請求項７】
前記他の元素にはチタンが含まれ、前記チタンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約４５原子％〜約９５原子％である、請求項１に記載のコーティング付き物品。
【請求項８】
前記他の元素にはチタンが含まれ、前記チタンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約５５原子％〜約８７原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３４ＧＰａ以上である、請求項１に記載のコーティング付き物品。
【請求項９】
前記他の元素には、クロムまたはシリコンのいずれかがさらに含まれ、前記他の元素がクロムの場合に、前記クロムは、前記アルミニウム、前記イットリウム、前記チタン、および前記クロムの合計の約２５原子％〜約４０原子％であり、前記他の元素がシリコンの場合、前記シリコンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、前記チタン、および前記シリコンの合計の約２原子％〜約５原子％である、請求項７に記載のコーティング付き物品。
【請求項１０】
前記シリコンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、前記チタン、および前記シリコンの合計の約３原子％〜約４原子％であり、前記チタンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、前記チタン、および前記シリコンの合計の約６０原子％〜約６５原子％であり、前記イットリウムは、前記アルミニウム、前記イットリウム、前記チタン、および前記シリコンの合計の約２原子％〜約３原子％であり、前記アルミニウムおよびイットリウムの合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、前記チタン、および前記シリコンの合計の約３０原子％〜約３５原子％である、請求項９に記載のコーティング付き物品。
【請求項１１】
前記他の元素にはクロムが含まれ、前記クロムは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約２５原子％〜約４５原子％である、請求項１に記載のコーティング付き物品。
【請求項１２】
前記コーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３０ＧＰａ〜約３５ＧＰａの範囲にあり、前記コーティング付き物品は、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定したヤング率が約４５０ＧＰａ〜約５２５ＧＰａである、請求項１に記載のコーティング付き物品。
【請求項１３】
前記ＰＶＤコーティング領域は、チタン、アルミニウム、イットリウム、および窒素を含む単一コーティング層を含み、前記チタンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約４５原子％〜約９５原子％であり、前記イットリウムは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約０．５原子％〜約４原子％であり、前記アルミニウムおよびイットリウムの合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約７原子％〜約５０原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３２ＧＰａ以上である、請求項１に記載のコーティング付き物品。
【請求項１４】
前記コーティング領域は、チタン、アルミニウム、イットリウム、および窒素を含む複数のコーティング層を含み、前記チタンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約４５原子％〜約９５原子％であり、前記イットリウムは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約０．５原子％〜約４．５原子％であり、前記アルミニウムおよびイットリウムの合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約６原子％〜約４５原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３０ＧＰａ以上である、請求項１に記載のコーティング付き物品。
【請求項１５】
前記コーティング領域は、チタン、アルミニウム、イットリウム、および窒素を含む複数のナノ層を含み、前記チタンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約４５原子％〜約９５原子％であり、前記イットリウムは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約０．５原子％〜約４原子％であり、前記アルミニウムおよびイットリウムの合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約７原子％〜約５０原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約２７ＧＰａ以上である、請求項１に記載のコーティング付き物品。
【請求項１６】
コーティング層を基材に塗布する方法であって、
基材を用意するステップと、
前記基材にコーティング組織を堆積させるステップであって、前記コーティング組織は、物理蒸着により堆積したＰＶＤコーティング領域を含むステップと、
を含み、
前記ＰＶＤコーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含み、前記アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および他の元素の合計の約３原子％以上、かつ前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約５５原子％以下であり、前記イットリウムの含有量は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約０．５原子％以上、かつ前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記他の元素の合計の約５原子％以下である、方法。
【請求項１７】
前記コーティング組織を堆積させるステップには、ＰＶＤコーティング領域を単一コーティング層の形態で堆積させることがさらに含まれ、前記単一コーティング層は、チタン、アルミニウム、イットリウム、および窒素を含み、前記チタンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約４５原子％〜約９５原子％であり、前記イットリウムは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約０．５原子％〜約４原子％であり、前記アルミニウムおよびイットリウムの合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約７原子％〜約５０原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３２ＧＰａ以上である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記コーティング組織を堆積させるステップには、ＰＶＤコーティング領域を複数のコーティング層の形態で堆積させることがさらに含まれ、前記複数のコーティング層は、チタン、アルミニウム、イットリウム、および窒素を含み、前記チタンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約４５原子％〜約９５原子％であり、前記イットリウムは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約０．５原子％〜約４．５原子％であり、前記アルミニウムおよびイットリウムの合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約６原子％〜約４５原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約３０ＧＰａ以上である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記コーティング組織を堆積させるステップには、ＰＶＤコーティング領域をナノ層の形態で堆積させることがさらに含まれ、前記ナノ層は、チタン、アルミニウム、イットリウム、および窒素を含み、前記チタンは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約４５原子％〜約９５原子％であり、前記イットリウムは、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約０．５原子％〜約４原子％であり、前記アルミニウムおよびイットリウムの合計は、前記アルミニウム、前記イットリウム、および前記チタンの合計の約７原子％〜約５０原子％であり、前記ＰＶＤコーティング領域では、ＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順に従ったナノインデンテーション法により、押し込み深さ０．２５μｍで測定した硬度が約２７ＧＰａ以上である、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーティング付き物品に関し、当該コーティング付き物品は、基材と基材上のコーティング組織とを含む。これらのコーティング付き物品は、非限定的な例として、金属切削用途、塑性加工用途、および摩擦学的用途などの耐摩耗用途において、摩耗部品の有効寿命を延ばすのに有用である。より具体的には、本発明は、コーティング組織がＰＶＤコーティング領域を含むコーティング付き物品に関する。ＰＶＤコーティング領域は、物理蒸着（ＰＶＤ）技術により塗布された１つ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イットリウムを含有する。コーティング層は、約１００ナノメートルを超える厚さを有することができるし、またはコーティング層は、それに限定するのもではないが、厚さが約１００ｎｍ以下であるナノ層とすることもできる。ＰＶＤコーティング領域は、適切な摩擦特性を付与するために高い硬度を有する。
【背景技術】
【０００２】
物理蒸着（ＰＶＤ）プロセス（単に薄膜プロセスと呼ばれることも多い）は、材料が固体源から原子の形態で蒸発し、真空または低圧ガス（またはプラズマ）環境を通して蒸気の形態で基材に移送され、基材で凝縮する原子堆積プロセスである。通常、ＰＶＤプロセスは、数ｎｍから数千ｎｍの範囲の厚さの膜を堆積させるのに使用されるが、多層コーティング、傾斜組成堆積物、非常に厚い堆積物、および自立構造体を形成するのに使用することもできる。ＰＶＤプロセスを使用して元素および合金の膜を、さらには反応性蒸着プロセスを使用して化合物の膜を堆積させることができる。反応性蒸着プロセスでは、蒸着材料を窒素などのガス環境と反応させることで化合物が形成される（例えば、窒化チタン、ＴｉＮ）。非特許文献１を参照されたい。
【０００３】
ＰＶＤ硬質コーティング層を表面に有する市販のコ−ティング付き製品は周知である。下記の表１は、化学組成、硬度、および他の特性を記載している。
【表１】
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表１では、コーティング組織全体の化学組成が、窒素を除いた元素の原子％で示されている。ナノインデンテーション法で測定した硬度およびヤング率が、ＧＰａ（ギガパスカル）で示されている。具体的には、押し込み深さを０．２５μｍに設定した、ＩＳＯ  １４５７７−１標準手順によるナノインデンテーション法を使用して、硬度およびヤング率を求めた。
【０００４】
金属切削用途および他のすべての等価物に関して、通常、コーティング層の硬度を高くするほど、コーティング付き切削インサートの有効工具寿命が長くなり、通常、硬度が低いほど、コーティング付き切削インサートの有効工具寿命が短くなる。この相関関係は、塑性加工用途および摩擦学的用途（例えば、摩耗部品）に対しても当てはまると思われる。
【０００５】
ムエンツ（Ｍｕｅｎｚ）らによる（特許文献１）は、切削工具で使用する、特に、金型鋼またはアルミニウム合金などの金属の、冷却液不要、および潤滑油不要の機械加工で使用する硬質材料に関する。ムエンツらによれば、イットリウムを０．１原子％〜４．０原子％の範囲、好ましくは、１．５原子％〜２．０原子％の範囲で三元ＴｉＡｌＮ合金、または以下の多層コーティング、すなわち、ＴｉＡｌＮ／ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ／ＺｒＮ、ＴｉＡｌＮ／ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ／ＭｏＮ、およびＴｉＡｌＮ／ＷＮに添加する。目標を達成するために、ムエンツらによれば、イットリウムは、コーティングの成長方向に、硬質材料層全体にわたって不均一に分布しなければならない。ムエンツらが「好ましい蒸着条件」と称するものを使用する場合、窒化物コーティングの組成は、チタンが４０原子％、アルミニウムが５６原子％、イットリウムが２原子％、クロムが２原子％である。
【０００６】
ジョアンソン（Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ）らによる特許文献２は、コーティング付き切削工具に関し、コーティングは、（Ｔｉ１−（ｘ＋ｚ）ＳｉＸＭｅｚ）Ｎからなる少なくとも１つの立方晶系構造層を含み、この場合に、０．０４＜ｘ＜０．２０、および０＜ｚ＜０．１０であり、Ｍｅは、Ｙ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、およびＺｎ、好ましくはＹ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＦｅのうちの１つまたは複数である。ワキ（Ｗａｋｉ）らによる（特許文献３）は、第１の層および第２の層を有するコーティング層に関する。第１の層は、Ｔｉ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄＡｌａＷｂＳｉｃＭｄ（Ｃ１−ｘＮ）を含み、この場合に、Ｍは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、およびＹから選択される１つである。第２の層は、Ｔｉ１−ｅ−ｆ−ｇＡｌｅＳｉｆＭ’g（Ｃ１−ｘＮ）を含み、この場合に、Ｍ’は、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、およびＹから選択される１つである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，０３３，７６８号明細書
【特許文献２】国際公開第２００９／１１０８２９号パンフレット
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０１２９１６８（Ａ１）号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ドナルド・Ｍ／マトクス著、物理蒸着（ＰＶＤ）処理ハンドブック、真空コーター協会、ニューメキシコ州アルバカーキ、（１９９８年）３〜４頁（Ｄｏｎａｌｄ  Ｍ．  Ｍａｔｔｏｘ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  （ＰＶＤ）  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｃｏａｔｅｒｓ、Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ、Ｎｅｗ  Ｍｅｘｉｃｏ（１９９８）、ｐｐ．３−４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
改善された特性を示す硬質コーティングを有するコーティング付き物品を提供することがきわめて望ましく、このコーティング付き物品は、例えば、金属切削用途、塑性加工用途、および摩擦学的用途などの耐摩耗用途において、摩耗部品の有効寿命を延ばすのに有用である。さらに、そのように改善された特性を示す、物理蒸着によって塗布された硬質コーティングを有するかかるコーティング付き物品を提供することがきわめて望ましい。
【００１０】
さらに、改善された特性（例えば、より高い硬度）を示すＰＶＤコーティング領域を有するかかるコーティング付き物品を提供することがきわめて望ましく、ＰＶＤコーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。さらに、改善された特性（例えば、より小さい結晶粒径）を示すＰＶＤコーティング領域を有するかかるコーティング付き物品を提供することがきわめて望ましく、ＰＶＤコーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。さらに、改善された特性を示すＰＶＤコーティング領域を有するかかるコーティング付き物品を提供することがきわめて望ましく、ＰＶＤコーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、一形態では、基材およびコーティング組織を含むコーティング付き物品である。コーティング組織は、物理蒸着で塗布されたＰＶＤコーティング領域を含み、コーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、アルミニウム、イットリウム、および他の元素の合計の約３原子％〜約５５原子％である。イットリウムの含有量は、アルミニウム、イットリウム、および他の元素の合計の約０．５原子％〜約５原子％である。
【００１２】
本発明は、さらに別の形態では、基材を用意するステップと、その基材にコーティング組織を堆積するステップであって、コーティング組織は、物理蒸着により堆積したＰＶＤコーティング領域を含むステップとを含む、基材にコーティング層を塗布する方法である。ＰＶＤコーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、アルミニウム、イットリウム、および他の元素の合計の約３原子％以上、かつアルミニウム、イットリウム、および他の元素の合計の約５５原子％以下である。イットリウムの含有量は、アルミニウム、イットリウム、および他の元素の合計の約０．５原子％以上、かつアルミニウム、イットリウム、および他の元素の合計の約５原子％以下である。
【００１３】
以下は、本特許出願の一部を形成する図面の簡単な説明である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ＳＮＭＡ切削工具形状であり、本発明のコーティング組織が表面に堆積した切削インサートの特定の実施形態の等角図である。
【図２】（Ｔｉ５７．３原子％、Ａｌ３８．３原子％、Ｙ４．４原子％）Ｎコーティング層の破断面の（５μｍのスケール付きの）断面顕微鏡写真であり、Ｔｉ−Ａｌ−Ｙ−Ｎコーティング層と基材との間には窒化チタン結合層がある。
【図３】本発明のコーティング組織ではない（Ｔｉ５５原子％、Ａｌ４５原子％）Ｎコーティング層の破断面の（５μｍのスケール付きの）断面顕微鏡写真である。
【図４】（Ｔｉ３３．２原子％、Ａｌ５９原子％、Ｙ７．８原子％）Ｎコーティング層のコーティングおよび基材を示すｘ線回折（ＸＲＤ）スペクトルであり、このコーティング層は非晶質構造を有する。
【図５】１５ｎｍの推定結晶粒径を有する（Ｔｉ３７原子％、Ａｌ６３原子％）Ｎコーティング層のコーティングおよび基材を示すｘ線回折（ＸＲＤ）スペクトルであり、このコーティングは、本発明のコーティングではない。
【図６】Ｔｉ−Ａｌ−Ｙ−Ｎコーティング層の硬度（ＧＰａ）と、（窒素を除いた元素の原子％で表した）アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計とを示すグラフである。
【図７】本発明のＴｉＮ／ＴｉＡｌＹＮコーティング付き切削工具のクレータ摩耗を示す写真である。
【図８】ＴｉＮ／ＴｉＡｌＮコーティング付き切削工具のクレータ摩耗を示す写真であり、このコーティング組織は、本発明のコーティングではない。
【図９】試料ＩＮ＃６７のコーティング組織の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、コーティング付き物品に関し、当該コーティング付き物品は、基材およびコーティング組織を含む。そのようなコーティング付き物品は、非限定的な例として、金属切削用途、塑性加工用途、および摩擦学的用途などの耐摩耗用途において、摩耗部品の有効寿命を延ばすのに有用である。本発明の中で、コーティング組織は、物理蒸着（ＰＶＤ）技術により塗布された１つまたは複数のコーティング層を有するＰＶＤコーティング領域を含む。ＰＶＤコーティング領域は、適切な摩耗特性を付与するために高い硬度を有する。ＰＶＤコーティング領域内のコーティング層は、約１００ｎｍより大きく、約１０μｍ以下の厚さを有することができる。コーティング層はまた、これに限定するものではないが、各層の厚さが約１００ｎｍ未満のナノ層を有することができる。
【００１６】
より具体的には、本発明は、基材およびコーティング組織を含むコーティング付き物品に関する。コーティング組織は、物理蒸着で塗布されたＰＶＤコーティング領域を含み、コーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素を除いた他の元素との合計の約３原子％〜約５５原子％である。イットリウムの含有量は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素を除いた他の元素との合計の約０．５原子％〜約５原子％である。
【００１７】
方法に関しては、本発明は、基材を用意するステップと、基材上にコーティング組織を堆積させるステップであって、コーティング組織は、物理蒸着によって堆積したＰＶＤコーティング領域を含むステップとを含み、ＰＶＤコーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含み、アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、アルミニウム、イットリウム、および他の元素の合計の約３原子％以上、かつアルミニウム、イットリウム、窒素を除いた他の元素の合計の約５５原子％以下であり、イットリウムの含有量は、アルミニウム、イットリウム、および他の元素の合計の約０．５原子％以上、かつアルミニウムと、イットリウム、および窒素を除いた他の元素の合計の約５原子％以下である、コーティング層を基材に塗布する方法に関する。
【００１８】
図を参照すると、図１は、全体として２０で示したコーティング付き切削インサートを示している。コーティング付き切削インサート２０はＳＮＭＡ形状であるが、コーティング付き切削インサートは任意の適切な形状をとることができる。コーティング付き切削インサート２０は、基材２２およびコーティング組織２４を有する。コーティング付き切削インサート２０は、逃げ面２８およびすくい面３０を有し、切刃３２は、逃げ面２８およびすくい面３０の合流部にある。
【００１９】
本明細書で説明したように、ＰＶＤコーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。コーティングにイットリウムを追加することで、ＰＶＤコーティング領域の結晶粒径が小さくなる。通常、コーティング層の結晶粒径を縮小化することで、ホール−ペッチの関係により硬度が高くなる。ただし、注意点として、アルミニウム含有量が高い、すなわち、アルミニウム含有量が、窒素を除いた他の元素の約６０原子％より大きく、約６５原子％以下であるコーティングにイットリウムを加えることで、非晶質ミクロ組織を含むコーティングが得られる可能性がある。
【００２０】
図２は、（Ｔｉ５７．３原子％、Ａｌ３８．３原子％、Ｙ４．４原子％）Ｎコーティング層の破断面の（５μｍのスケール付きの）断面顕微鏡写真であり、Ｔｉ−Ａｌ−Ｙ−Ｎコーティング層と基材との間には窒化チタン結合層がある。Ｔｉ−Ａｌ−Ｙ−Ｎコーティング層の結晶粒径が小さいことがこの顕微鏡写真から明らかである。結晶粒径の縮小化により、硬度が高くなり、これは、摩耗用途にとって望ましい特性である。もちろん、同様に、摩耗部品の有効寿命を延ばすためには、塑性加工用途および摩擦力学的用途にとっても、より高い硬度が望ましいのは当然である。
【００２１】
図２に示す結晶粒径は、図３に示すＴｉ−Ａｌ−Ｎコーティング層の結晶粒径と対照的である。この点について、図３は、（Ｔｉ５５原子％、Ａｌ４５原子％）Ｎコーティング層の破断面の（５μｍのスケール付きの）断面顕微鏡写真である。図３のＴｉ−Ａｌ−Ｎコーティング層の結晶粒径は、図２のＴｉ−Ａｌ−Ｙ−Ｎコーティング層の結晶粒径よりも大きい。図３のＰＶＤコーティング領域内のより大きい結晶粒径が、図２に示すコーティング内のより小さい結晶粒径と同程度に高い硬度をもたらすとは考えられない。
【００２２】
上記のように、アルミニウム含有量が高い、すなわち、アルミニウム含有量が、窒素を除いた他の元素の約６０原子％より大きく、約６５％以下であるコーティングにイットリウムを加えることで、非晶質ミクロ組織を得ることができる。この点について、図４は、（Ｔｉ３３．２原子％、Ａｌ５９原子％、Ｙ７．８原子％）Ｎコーティング層のコーティングおよび基材を示すＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルであり、このコーティング層は非晶質構造を有する。図４では、基材は超硬合金である。これは、図５に示すようなＴｉ−Ａｌ−Ｎコーティング層の結晶粒径と対照的である。図５は、１５ｎｍの推定結晶粒径を有する（Ｔｉ３７原子％、Ａｌ６３原子％）Ｎコーティング層のコーティングおよび基材を示すＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルである。図５では、基材はコバルト結合剤を含む炭化タングステンである。
【００２３】
ＰＶＤ技術を使用して、ＰＶＤコーティング領域をコーティング組織の一部として基材に塗布し、複数の試料を用意した。以下のパラメータの範囲内で、陰極アークプラズマアシストＰＶＤ法を使用して、ＰＶＤコーティング領域を堆積させた。蒸着温度は、約４００℃〜約６００℃の範囲であった。窒素雰囲気内でＰＶＤコーティング領域を塗布し、窒素の圧力は、約１Ｅ−２〜５Ｅ−２（１×１０−２〜５×１０−２）ｍｂａｒ（ミリバール）の範囲であった。基材のバイアス電圧は、約−４０Ｖ（ボルト）〜約−１００Ｖ（ボルト）の範囲であった。
【００２４】
特定の試料と特性の一部が、次の表Ａ〜表Ｃで下記に示されている。組成は、窒素を除いたＰＶＤコーティング領域に存在する元素の原子％で示されている。表Ａでは、硬度およびヤング率がＧＰａ（ギガパスカル）で示されており、「金属材料−硬度および材料パラメータに対する計装押し込み試験−パート１試験法（Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  −  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ  Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｔｅｓｔ  ｆｏｒ  Ｈａｒｄｎｅｓｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  −  Ｐａｒｔ  １  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）」と題したＩＳＯ  １４５７７−１：２００２標準手順によるナノインデンテーション法で硬度およびヤング率を測定した。押し込み深さは０．２５μｍに設定した。
【表２】
2013019052.tif 000004
【００２５】
表Ａは、試料に関するデータを示しており、ＰＶＤコーティング領域は単一コーティング層を含む。
【表３】
2013019052.tif 000005
【００２６】
表Ｂは、試料に関するデータを示しており、ＰＶＤコーティング領域は複数のコーティング層を含む。図９を参照して、この図面は、表Ｂの試料ＩＮ＃６７として示されたコーティング付き切削インサートのコーティング組織を示す概略的な図面である。切削インサートは全体として１００で示されている。切削インサート１００は、表面１０４を有する基材１０２と、表面１０４上のコーティング組織（括弧１０６）とを有する。コーティング組織１０６は、窒化チタンからなるベースコーティング層１０８を有する。括弧１１０で示すコーティング領域は、ベースコーティング層１０８の上にある。コーティング領域１１０は、１４セットの交互に重なるコーティング層を含む（各セットについては括弧１１４を参照のこと）。各セット１１４は、チタン−アルミニウム−イットリウム、および窒素からなる第１のコーティング層１１８と、チタン−アルミニウム−イットリウム、および窒素からなる第２のコーティング層１２０とを含み、第２のコーティング層の方がチタン含有量が多い。コーティング領域１１０の残りの部分（括弧１２４を参照のこと）は、１３セットの交互に重なるコーティング層（１１８、１２０）を含む。コーティング組織１０６は、チタン−アルミニウム−イットリウム、および窒素を含む上部コーティング層１２６を有し、上部コーティング層は、コーティング領域１１０の最外コーティング層にある。
【表４】
2013019052.tif 000006
【００２７】
表Ｃは、試料に関するデータを示しており、ＰＶＤコーティング領域はナノ層を含む。
【００２８】
図６は、Ｔｉ−Ａｌ−Ｙ−Ｎコーティング層の硬度（ＧＰａ）と、アルミニウムおよびイットリウム含有量の合計（原子％）とを示すグラフである。グラフから明らかなように、コーティングの硬度が最大化されるＡｌ＋Ｙの割合の範囲が存在する。
【００２９】
イットリウム含有コーティング層を含むコーティング組織を有するコーティング付き切削インサートの切削性能を評価するために切削試験を行った。ＴｉＮ／ＴｉＡｌＹＮを含有するコーティング組織を有する本発明のコーティング付き切削インサートを、ＴｉＮ／ＴｉＡｌＮコーティング組織を有する従来のコーティング付き切削インサートと比較した。従来のコーティング付き切削インサートは、多層ＴｉＮ−ＴｉＡｌＮコーティング組織を有し、このコーティング組織は、品名「ＶＦ」でペンシルベニア州ラトローブ（Ｌａｔｒｏｂｅ）１５６５０に所在のケナメタル社（Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ  Ｉｎｃ．）から供給される標準コーティング組織であった。切削条件／パラメータは以下の通りである。すなわち、機械工作は旋削加工であり、切削インサートのスタイルはＳＮＭＡ１２０４０８であり、加工物の材料は４１４０鋼であり、速度は６００ｓｆｍ（表面フィート／分）［２０１．１７表面ｍ／分］であり、インチ／回転（ｉｐｒ）で表した送りは０．０１２ｉｐｒ［０．０３１ｃｍ／回転］であり、切削深さは０．０６インチ（１．５ｍｍ）であった。旋削加工の故障モードは、０．００４インチ（０．１ｍｍ）のクレータ摩耗とした。
【００３０】
結果に関しては、ＴｉＮ／ＴｉＡｌＮコーティング組織を有する従来のコーティング付き切削インサートの工具寿命は１６．８分であった。ＴｉＮ／ＴｉＡｌＹＮコーティング組織を有する本発明のコーティング付き切削インサートの工具寿命は２６．６分であった。図７は、ＴｉＮ／ＴｉＡｌＹＮコーティング付き切削インサートのクレータ摩耗を示す写真である。図８は、ＴｉＮ／ＴｉＡｌＮコーティング付き切削インサートのクレータ摩耗を示す写真である。本発明のＴｉＮ／ＴｉＡｌＹＮコーティング付き切削インサートが、従来のＴｉＮ／ＴｉＡｌＮコーティング付き切削インサートよりもクレータ摩耗が少ないのは、図７および図８に対する目視検査から明らかである。
【００３１】
さらなる金属切削試験を行い、本発明のコーティング付き切削インサートを従来のコーティング付き切削インサートと比較した。従来のコーティング付き切削インサートは、多層ＴｉＮ−ＴｉＡｌＮコーティング組織を有し、このコーティング組織は、品名「ＶＦ」でペンシルベニア州ラトローブ（Ｌａｔｒｏｂｅ）１５６５０に所在のケナメタル社（Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ  Ｉｎｃ．）から供給される標準コーティング組織であった。切削条件／パラメータは以下の通りである。すなわち、機械工作は旋削加工であり、切削インサートのスタイルはＳＮＭＡ１２０４０８であり、加工物の材料は４１４０鋼であり、速度は６６０ｓｆｍ（表面フィート／分）［２０１．１７表面ｍ／分］であり、インチ／回転（ｉｐｒ）で表した送りは０．０１２ｉｐｒ［０．０３１ｃｍ／回転］であり、切削深さは０．０６インチ（１．５ｍｍ）であった。旋削加工の故障モードは、０．００４インチ（０．１ｍｍ）のクレータ摩耗とした。
【００３２】
下記の表Ｄは試験結果を示している。
【表５】
2013019052.tif 000007
【表６】
2013019052.tif 000008
【００３３】
試料ＩＮ＃１３４〜ＩＮ＃１３７のコーティングの組成物は、チタン、アルミニウム、イットリウム、および窒素を含有する。チタン、アルミニウム、およびイットリウムの含有量の合計は１００原子％である。アルミニウムおよびイットリウムの（原子％での）含有量の合計は、アルミニウム、イットリウム、およびチタンの（原子％での）含有量の合計の約３原子％〜約５５原子％である。イットリウムの（原子％での）含有量は、アルミニウム、イットリウム、およびチタンの（原子％での）含有量の合計の約０．５原子％〜約５原子％である。
【００３４】
イットリウムを含有するコーティングを有する本発明のコーティング付き切削インサートのほとんどは、イットリウムを含有しないコーティングを有する従来のコーティング付き切削インサートに比べて、劇的に改善された工具寿命を示すことが表Ｄを参照することで分かる。
【００３５】
本発明が、改善された特性を示す硬質コーティングを有するコーティング付き物品を提供し、これらのコーティング付き物品が、例えば、金属切削用途、塑性加工用途、および摩擦学的用途などの耐摩耗用途において、摩耗部品の有効寿命を延ばすのに有用であるのは上記から明らかである。本発明が、そのように改善された特性を示す、物理蒸着で塗布された硬質コーティングを有するかかるコーティング付き物品を提供することは上記から明らかである。
【００３６】
本発明が、改善された特性（例えば、より高い硬度）を示すＰＶＤコーティング領域を有するかかるコーティング付き物品を提供することは上記から明らかであり、ＰＶＤコーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。本発明が、改善された特性（例えば、より小さい結晶粒径）を示すＰＶＤコーティング領域を有するかかるコーティング付き物品を提供することは上記から明らかであり、ＰＶＤコーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。本発明が、改善された特性を示すＰＶＤコーティング領域を有するかかるコーティング付き物品を提供することは上記から明らかであり、ＰＶＤコーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。
【００３７】
本明細書で示した特許および他の文献は、参照により本明細書に援用するものとする。本明細書で開示した本発明の仕様または実施を検討することで、本発明の他の実施形態が当業者に明らかになるであろう。仕様および実施例は単なる例示であり、本発明の範囲を限定することを目的としないことが意図される。本発明の真の範囲および趣旨は、添付の特許請求の範囲よって示される。
【符号の説明】
【００３８】
２０  コーティング付き切削インサート
２２  基材
２４  コーティング組織
２８  逃げ面
３０  すくい面
３２  切刃
１００  切削インサート
１０２  基材
１０４  表面
１０６  コーティング組織
１０８  ベースコーティング層
１１０  コーティング領域
１１４  セット
１１８  チタン−アルミニウム−イットリウム、および窒素からなる第１のコーティング層
１２０  チタン−アルミニウム−イットリウム、および窒素からなる第２のコーティング層
１２４  コーティング領域１１０の残りの部分
１２６  上部コーティング層
【図１】
2013019052.tif 000009
【図９】
2013019052.tif 000010
【図２】
2013019052.tif 000011
【図３】
2013019052.tif 000012
【図４】
2013019052.tif 000013
【図５】
2013019052.tif 000014
【図６】
2013019052.tif 000015
【図７】
2013019052.tif 000016
【図８】
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