(57)【要約】  本発明は加工物のための少なくとも１層を有するコーティングに関し、その少なくとも１層はＡｌｘＣｒ１−ｘで表される金属成分を含み、ｘは０≦ｘ≦０．８４を満たす原子比であり、Ｏ１−ｙＺｙで表される非金属成分をも含み、ＺはＮ、Ｂ、およびＣの群から選択される少なくとも１種の元素であって０≦ｙ≦０．６５で好ましくはｙ≦０．５であり、そのコーティングはＸ線回折パターンがＣｒＮの立方晶相ではない立方晶相の生成を示すようにＣｒと酸化物を含む非ガンマ相を少なくとも部分的に含んでいる。
2012505308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物のための少なくとも１層を有するコーティングであって、前記少なくとも１層はＡｌｘＣｒ１−ｘで表される金属成分を含み、ｘは０≦ｘ≦０．８４を満たす原子比であり、Ｏ１−ｙＺｙで表される非金属成分をも含み、ＺはＮ、Ｂ、およびＣの群から選択される少なくとも１種の元素であって０≦ｙ≦０．６５で好ましくはｙ≦０．５であり、前記コーティングはＸ線回折パターンがＣｒＮの立方晶相ではない立方晶相の生成を示すようにＣｒと酸化物を含む非ガンマ相を少なくとも部分的に含むことを特徴とする加工物のためのコーティング。
【請求項２】
ｘ≧０．５であることを特徴とする請求項１に記載の加工物のためのコーティング。
【請求項３】
２５分間の１０００℃までのアニール後においてＸ線回折パターンがそのアニール前に比べて本質的に変化を示さないことを特徴とする請求項１または２に記載の加工物のためのコーティング。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかのコーティングでコートされた物体。
【請求項５】
付加的な層である好ましくはＴｉＮ層が前記コーティングと前記物体の表面との間に設けられていることを特徴とする請求項４に記載のコートされた物体。
【請求項６】
前記コートされた物体は、好ましくはドリル、エンドミル、インサートとホブ、タップ、および鋸歯の群から選択された工具であることを特徴とする請求項５に記載のコートされた物体。
【請求項７】
物体をコーティングする方法であって、
コートされるべき１または複数の物体を用意し、
ＡｌａＣｒ１−ａの組成であって０≦ａ≦０．８５であるターゲットを有するアーク放電イオンプレーティングコーティング装置内へ前記１または複数の物体を導入し、
少なくとも１つのプロセスステップが５０ｓｃｃｍと４００ｓｃｃｍの間、好ましくは１００ｓｃｃｍと４００ｓｃｃｍの間、より好ましくは１５０ｓｃｃｍと２００ｓｃｃｍの間の酸素流を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのプロセスステップは圧力が３．５Ｐａに調整された窒素流を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
アルゴンがプロセスガスとして付加されていないことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作物のコーティングのための物理的気相堆積（ＰＶＤ）によるコーティングシステムおよび対応するコーティングを形成するための方法に関する。本発明はさらに、前記コーティングシステムでコートされた工作物に関する。
【背景技術】
【０００２】
耐摩耗性コーティングの使用は、工具の寿命を増大させるための周知の方法である。それらのコーティングは、特に、表面硬度や高温硬度の改善に役立つとともに研磨や化学的摩耗に耐えるために役立つ。また、工作物表面の耐酸化性や熱的安定性が顕著に改善され得る。
【０００３】
Ａｌ２Ｏ３コーティングは、その顕著な高温安定性と耐化学的磨耗性の理由によって、切削工具表面の保護のために長年用いられてきた。今日では、商業的に利用可能なＡｌ２Ｏ３コーティングは、もっぱら、高温における化学的気相堆積（ＣＶＤ）によって形成され得る。例えばＵＳ２００４２０２８７７によれば、アルファＡｌ２Ｏ３の堆積は、９５０℃から１０５０℃の間の温度を必要とする。高い堆積温度の利用は、基材材料の選択を特殊な炭化物グレードのみに限定させる。このことは、不可避的な濃度の（ハロゲンのような）不所望な分解生成物の付加的な問題を別にしても、ＣＶＤコーティングプロセスの主要な欠点となる。また、ＣＶＤコーティングは、そのプロセスの典型的な高い堆積温度からの冷却中におけるコーティングと基材との異なる熱膨張係数の結果として、通常は引張り応力を受ける。そのような応力は例えば頂部クラックのようなクラック分裂を生じ、コーティングが断続切削のような機械加工に適さないものになる。
【０００４】
代替的に、Ａｌ２Ｏ３コーティングは、下げられた温度において物理的気相堆積（ＰＶＤ）によって形成され得る。
【０００５】
ＥＰ０５１３６６２およびＵＳ５，３１０，６０７（Ｂａｌｚｅｒｓ）は、（Ａｌ，Ｃｒ）２Ｏ３硬質金属層、それでコートされた工具、およびその層を形成するためのプロセスを述べており、低電圧アーク（ＬＶＡ）放電のための陽極として作用する坩堝からＡｌとＣｒの粉末が一緒に蒸発させられてＡｒ／Ｏ２雰囲気中において約６００℃で工具上に堆積させられる。そのコーティングは残留圧縮応力を示して本質的に５％過剰のＣｒ含有量の混合結晶からなり、その熱力学的安定性は高いアルミ含有量によって高められ、その耐摩耗性は増大されたＣｒ濃度によって高められる。その層は改変されたαアルミ酸化物（コランダム）として言及され、クロム含有量を反映する変更を伴っている。しかしながら、その層の絶縁特性のために、述べられたＬＶＡ技術による形成は、連続操業においてプロセス関連の困難性を引起す。
【０００６】
ＷＯ２００８０４３６０６（Ｂａｌｚｅｒｓ）は混合結晶層（Ｍｅ１１−ｘＭｅ２ｘ）２Ｏ３を含む耐摩耗性コーティングの堆積を述べており、Ｍｅ１とＭｅ２の各々は元素Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｂ、またはＶの少なくとも１つを表し、Ｍｅ１とＭｅ２の元素は互いに異なっている。その層はコランダム構造を示す。その層は、陰極アーク蒸発法によって形成される。形成されたコーティングはα−Ａｌ２Ｏ３の特性を引継いでいると信じられており、したがって顕著な耐熱性と耐酸化性を有している。また、利用された堆積過程は、堆積された酸化物層が圧縮応力を受けることを可能にする。さらに、陰極アーク蒸発は、酸化物または非導電性の層を形成するための非常に有用な堆積方法である。
【０００７】
ＪＰ２００８０１８０３Ａ（ＭＭＣ）は、窒化物層と複合酸化物（ＡｌＣｒ）２Ｏ３の上層とからなる２重層構造の堆積を述べている。ＡｌとＣｒの複合酸化物層は特定の複合式：（Ａｌ１−ＱＣｒＱ）２Ｏ３を満たし、α型結晶構造を有している。酸化物層を含むそのコーティング構造は顕著な切削性能を提供すると主張されている。
【０００８】
ＷＯ２００４０９７０６２（ＫＯＢＥ）は、アルミ酸化物結晶の成長がコランダム構造とともに成長するＣｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、（ＡｌＣｒ）２Ｏ３、（ＡｌＦｅ）２Ｏ３のような異なる金属酸化物の薄い酸化物層によって周期的間隔で中断されるか、または少なくともそのような酸化物の周期的分散によって中断される方法を述べている。それらの他の金属酸化物を含む層領域は１０％未満に維持され、好ましくは２％未満に維持されると仮定されている。しかし、それらの層の形成に伴う２μｍのための約５時間の長いコーティング時間は、工業的プロセスとしてほとんど実用的でないように見える。
【０００９】
ＵＳ２００４１２１１４７（ＫＯＢＥ）は、不平衡マグネトロンスパッタリングによるコランダム型のＣｒ２Ｏ３、（ＡｌＣｒ）２Ｏ３および（ＡｌＦｅ）２Ｏ３の堆積を述べている。その著者達は、コランダム型構造の成長のためのエピタキシャル型板の形成を述べている。その型板は、例えば窒化物層ＴｉＡｌＮまたはＡｌＣｒＮの酸化によって実現されている。
【００１０】
ＥＰ１０９９００３３（Ｓａｎｄｖｉｋ）は、ＭｅｘＡｌ２Ｏ３＋ｘ（０≦ｘ≦１）型のスピネル状構造と組成を有する層の堆積のための２重マグネトロンスパッタリングの利用を述べており、ここでＭｅはＭｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、およびＳｎの群の１以上の金属からなっている。そのプロセスのための反応操作のポイントは、合理的な堆積速度を得るように最適化されなければならないことである。また、複数ターゲットの特殊な設計が、多重組成コーティングの堆積のために利用されている。
【００１１】
ＵＳ２００４０１３７２８１Ａ１（ＨＩＴＡＣＨＩ  ＴＯＯＬ  ＥＮＧＩＮＩＥＥＲＩＮＧ，ＬＴＤ）は、金属成分のＡｌ、ＣｒおよびＳｉと非金属成分のＮ、Ｂ、ＣおよびＯを含む保護層の形成のためにアーク放電イオンプレーティング法の利用を述べている。非常に広い範囲の元素濃度とともに化学的組成の多くの組合せが主張されている。しかし、酸素濃度は、非金属成分中で２５％程度に低いと主張されている。
【００１２】
ＷＯ２００７１２１９５４（ＣＥＭＥＣＯＮ  ＡＧ）は、非金属中で３０ａｔ％より多い酸素濃度を有する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）２Ｏ３層の形成のためにマグネトロンスパッタリング法の利用を述べている。その著者達は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）２Ｏ３層がガンマＡｌ２Ｏ３中のＡｌのＣｒによる置換を介して形成されるＦｄ３ｍ空間群の結晶構造を有していると主張している。しかし、Ｘ線分析の示された結果は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）２Ｏ３からなる結晶が得られた情報を与えていない。また、造られた化合物の化学組成が示されておらず、この事実は主張されている層構造の形成を非常に疑問なものにしている。さらに、著者達は、十分な硬度を得るためにコーティング中の酸素の７０％までが窒素で置換されるべきことを述べている。
【００１３】
これらの先行技術によるコーティングは良好な摩耗保護機能を示すが、さらなる改善のための大きな潜在性が存在している。Ａｌ２Ｏ３層は、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＣＮなどの従来の窒化物層に比べて室温において低い硬度を示すことがよく知られている。また、（Ａｌ，Ｃｒ）２Ｏ３層は、Ａｌ２Ｏ３の低い硬度を引継ぐことが予想され得る。さらに、マグネトロンスパッタリング法の利用は、非常に狭いプロセス窓や低い堆積速度との組合せなどによって非常に複雑であり、商業的に実現性がない。他方、陰極アーク蒸着は安定した堆積速度を提供するが、ターゲットからの増大された小滴の放出は顕著に粗いコーティング表面の結果となる。さらに、酸化物層の陰極アーク堆積中においても、その堆積速度は窒化物層の堆積に比べて遅い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、本発明の目的は、穴あけ、ミリング、リーマ仕上げ、回転加工、タッピング、ねじ切り、およびホブ盤加工の応用を含むがそれらに限定されない断続的切削応用を含む非常に広い範囲の応用のために機械加工工具の増大された寿命を有する耐摩耗性コーティングを開示することである。
【００１５】
また、本発明の目的は、鉄および非鉄とともに複合材料のような種々の材料の部品を機械加工するための工作物用コーティングを開示することである。
【００１６】
さらに、本発明の目的は、例えばドライ切削、乳剤と液体冷却材を伴う切削、最少量の潤滑剤（ＭＱＬ）を伴う切削、およびガス状冷却材を伴う切削のように種々の加工条件下で使用され得るコーティングおよび／またはコートされた工作物を開示することである。
【００１７】
さらに、本発明の目的は、前記発明的コーティングでコートされた加工物片を開示することである。前記加工物片の機械加工工具は、ドリル、エンドミル、インサート、およびホブである。加工物片の基材は、高速度鋼を含むがそれに限定されない鋼、超硬合金、立方晶窒化ホウ素、サーメット、またはセラミック材料であり得る。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述のような目的に合致するように、我々は、そのような改善された特性を有するコーティングを提案する。前記コーティングはＡｌｘＣｒ１−ｘで表される金属成分を含み、ｘは０≦ｘ≦１を満たす原子比であり、Ｏ１−ｙ（Ｎ，Ｂ，Ｃ）ｙで表される非金属成分をも含み、０≦ｙ≦０．５である。その層は、立方晶構造および／または立方晶と六方晶の混合を含む混合結晶の層の結晶格子を特徴としている。前記耐磨耗性は、特に高い耐磨耗性、熱的安定性、耐酸化性、硬度、および高温硬度によって特徴付けられる。前記耐磨耗性コーティングは、０．１μｍより大きくて３０μｍより小さな厚さを有している。
【００１９】
ＡｌｘＣｒ１−ｘＯの混合結晶層に加えて、その層システムは１以上の中間層を含んでもよく、具体的には接合層および／または硬質金属層を含んでもよい。この中間層は、工作物と混合結晶層との間に配置される。カバー層が混合結晶層上に堆積されてもよい。中間層とカバー層は、好ましくは、周期律表のサブグループＩＶ、ＶおよびＶＩの金属および／またはＡｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｌａまたはそれらの混合を含む。硬質金属層および／またはカバー層の金属は、好ましくは、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂの少なくとも１つまたはそれらの混合と化合させられ、特にＮまたはＣＮとの化合が好ましい。
【００２０】
さらに、例えば以下の変形例が可能である。
‐立方晶ＡｌＣｒＯナノ層内のＡｌ／Ｃｒ比の調節は、回転台によって実現され得る。
‐ＡｌＣｒＯ／窒化物多重層は直接または支持層上に堆積され得る。
‐立方晶ＡｌＣｒＯと六方晶ＡｌＣｒＯとの混合。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、この層組合せが分離された複数の堆積プロセスのみならず１つの堆積プロセス内で合成され得るＰＶＤプロセスを開示することである。そのようなプロセス中に、好ましくは６５０℃未満でより好ましくは５５０℃未満の堆積温度が用いられ、もっぱら希釈するガスＮと反応ガスＯを含みかつ０．５Ｐａと１０Ｐａの間に設定された総ガス圧を有するガス雰囲気が用いられ、そして４０Ｖと２００Ｖの間のバイアス電圧が用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】Ｃｒターゲットおよび異なる酸素流を用いて堆積されたコーティング＃１．１−＃１．６のＸ線回折パターンである。
【図２】ＡｌＣｒ（５０／５０）ターゲットおよび異なる酸素流を用いて堆積されたコーティング＃２．１−＃２．６のＸ線回折パターンである。
【図３】ＡｌＣｒ（７０／３０）ターゲットおよび異なる酸素流を用いて堆積されたコーティング＃３．１−＃３．６のＸ線回折パターンである。
【図４】ＡｌＣｒ（８５／１５）ターゲットおよび異なる酸素流を用いて堆積されたコーティング＃４．１−＃４．５のＸ線回折パターンである。
【図５】（ａ）コーティング＃２．３および（ｂ）コーティング＃２．６の断面ＳＥＭ写真である。
【図６】（ａ）Ｎ２雰囲気中で１０００℃における６０分間アニール後のコーティング＃２．４および（ｂ）堆積したままのコーティング＃２．４のＸ線回折パターンである。
【図７】（ａ）Ｎ２雰囲気中で１０００℃における６０分間アニール後のコーティング＃３．３および（ｂ）堆積したままのコーティング＃３．３のＸ線回折パターンである。
【図８】（ａ）Ｎ２雰囲気中で１０００℃における６０分間アニール後のコーティング＃４．５、（ｂ）堆積したままのコーティング＃４．５、（ｃ）Ｎ２雰囲気中で１０００℃における６０分間アニール後のコーティング＃４．２、および（ｂ）堆積したままのコーティング＃４．２のＸ線回折パターンである。
【図９】支持窒化物層および窒化物／酸化物多重層を含むコーティング構造の例である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明によるコーティングを造るために、加工物は適切に設けられた２重または３重の回転可能ホルダー内に配置される。それらのホルダーは真空処理室内に配置されており、その真空室は約１０−４ｍｂａｒの圧力へポンプ引きされている。
【００２４】
プロセス温度を生じるために輻射ヒータでサポートされ、ホット陽極を収容してバッフル分離された陰極室とアルゴン水素雰囲気中の陽極加工物との間に低電圧アーク（ＬＶＡ）プラズマが生じさせられる。
【００２５】
次の加熱パラメータが選択された。
放電電流（ＬＶＡ）    ２５０Ａ
アルゴン流            ５０ｓｃｃｍ
水素流                ３００ｓｃｃｍ
プロセス圧力          １．４Ｐａ
基材温度            約５５０℃
プロセス時間          ４５分
当業者は可能な変更に通じているであろう。好ましい事項として、基材は低電圧アークのための陽極として接続され、好ましくは単極または双極の様式でパルス印加される。
【００２６】
次のプロセス段階として、フィラメントと予備陽極との間で低電圧アークを活性化することによって、エッチングが開始される。ここでも、ＤＣ、パルスＤＣ、またはＡＣ駆動されるＭＦまたはＲＦ電源が、加工物とフレーム接地との間に接続される。しかし、好ましくは、負のバイアス電圧が加工物に印加される。
【００２７】
次のエッチングパラメータが選択された。
アルゴン流          ６０ｓｃｃｍ
プロセス圧力        ０．２４Ｐａ
放電電流、ＬＶＡ    １５０Ａ
基材温度          約５５０℃
プロセス時間        １０−６０分
バイアス            ２００−２５０Ｖ
次のプロセス段階は、ＴｉＮ界面層で基材をコーティングすることからなる。
【００２８】
ＴｉＮ界面層の堆積のために、次のパラメータが選択された。
アルゴン流            ０ｓｃｃｍ（アルゴン不添加）
窒素流                ０．８Ｐａに圧力調節
プロセス圧力          ０．８Ｐａ
ＤＣソース電流、Ｔｉ  １６０Ａ
ソースのコイル電流    １Ａ
ＤＣ基材バイアス      Ｕ＝−１００Ｖ
基材温度            約５５０℃
プロセス時間          １０分
より高いイオン化が必要ならば、全てのコーティングプロセスが低電圧アークプラズマによってアシストされ得る。
【００２９】
実際の機能的な層を備えた基材のコーティングは、純窒素または窒素と酸素の混合物によって生じる。酸化物コーティングは絶縁層として構成するので、パルス化されたまたはＡＣのバイアス源が用いられる。
【００３０】
鍵となる機能層パラメータは次のように選択された。
酸素流                      ０−６００ｓｃｃｍ
窒素流                      ３．５Ｐａに圧力調整
プロセス圧力                ３．５Ｐａ
ＤＣソース電流、Ａｌ−Ｃｒ  １８０−２００Ａ
ソースのコイル電流          ０．５−１Ａ
基材バイアス                Ｕ＝６０Ｖ（双極性、３６μｓ負、４μｓ正）
基材温度                  約５５０℃
プロセス時間                １５０ｍｉｎ
表１に示されたテスト例＃１．１から＃４．５は本発明による単純な層システムに言及しており、各々が組成範囲０≦ｘ≦０．８５内で造られた（Ａｌ１−ｘＣｒｘ）Ｏ型の酸化物層からなり、ＴｉＮ層上にコートされている。残りのパラメータは、機能層を造るために上述されたパラメータと同じである。
【００３１】
図１は、Ｃｒターゲットを用いて堆積されたコーティング＃１．１−１．６のＸ線回折パターンを示している。純窒素雰囲気中で堆積されたコーティング＃１．１は、ＣｒＮ構造を示していることが分かる。付加的に、基材反射が確認できる。いくらかの酸素が付加されれば、約４３．６°にある反射が少し低角度へシフトされる。これは、酸素が格子内へ導入されたときの内部応力に関係しているのであろう。反応ガスへ酸素の付加を伴って堆積されたコーティング＃１．２−＃１．４は組織変化をも示し、約４３．６°の２θ位置の反射が主として顕著になる。反射の位置を確認するために、最大値の両側の半値が直線で結ばれる。この直線の中央が、反射の位置と考えられ得る。＃１．２から＃１．４の図から、約４３．６°における反射は酸素濃度の増大に伴って高い角度位置へのシフトを示している。＃１．５と＃１．６の図から分かるように、約４３．６°における反射は完全に消失し、そのスペクトルは顕著な組織を伴う明瞭なエスコライト（escolite）構造を示している。コーティング＃１．１−＃１．６に関するラザフォード後方散乱スペクトル分析法（ＲＢＳ）で測定された化学組成が、表１に示されている。コーティング＃１．１は化学量論的ＣｒＮの明瞭な形成を示している。コーティング＃１．２−＃１．４は、コーティング組成における酸素による窒素の連続的置換を示している。１３０ｓｃｃｍの酸素流で堆積されたコーティング＃１．４は、酸素リッチ組成の形成を示している。コーティング＃１．４は、酸素に比べてほぼ１／３の窒素を含んでいる。コーティング＃１．４は低い窒素濃度と高い酸素濃度を示しているので、Ｘ線回折パターンはより多くの窒素が酸素で置換されれば立方晶ＣｒＯの方向にシフトする立方晶の形成を示しており、我々は少なくとも部分的に立方晶ＣｒＯが形成されていると結論した。
【００３２】
図２は、ＡｌＣｒ（５０／５０）ターゲットと０ｓｃｃｍから４００ｓｃｃｍまで変化させられた酸素流とを用いて堆積されたコーティング＃２．１−＃２．６に関するＸ線回折パターンを示している。図２に示された全てのＸ線回折パターンが、ＷＣ基材とＴｉＮ中間層を示している。純窒素雰囲気中で堆積されたコーティング＃２．１は、立方晶ＡｌＣｒＮの形成を示している。立方晶ＡｌＣｒＮは、約３７．５°と４３．６°の２θ位置における２つの立方晶ＣｒＮ反射によって認識され得る。高い２θ角への少しのピークシフトは、立方晶ＣｒＮ格子内へのＡｌの導入に関係付けられ得る。これは、表１に表示されたＲＢＳ測定の結果と一致しており、そこではコーティング内で窒素のみが測定されて酸素は測定されていない。コーティング＃２．２−＃２．５は、１００ｓｃｃｍ（＃２．２）から２００ｓｃｃｍ（＃２．５）まで増大された酸素流で堆積された。それぞれのコーティングが、約４３．６°の２θ位置で非常に顕著な反射を示している。その反射は、酸素流が１００ｓｃｃｍから１５０ｓｃｃｍに増大するときに、より顕著になっている。酸素流が１５０ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍへさらに増大すれば、その反射強度は減少している。また、酸素流が増大すれば、反射位置が立方晶ＡｌＣｒＮから立方晶ＣｒＯへ連続的に変化している。表１から分かるように、酸素流１５０ｓｃｃｍで堆積されたコーティング＃２．３は、高い酸素含有量と低い窒素含有量を有している。さらに、コーティング＃２．４と＃２．５は、非金属部分として酸素の存在のみを示している。Ｘ線回折と組合された化学的分析の結果は、立方晶構造の酸化物の形成を確認している。六方晶型構造のＣｒ２Ｏ３の少なくとも５つの反射が、４００ｓｃｃｍの酸素流で堆積されたコーティング＃２．６のＸ線回折パターンで認識され得る。この結果は、非金属成分において酸素のみが検知されたコーティングの化学的組成とよい相互関係を示している。
【００３３】
図３は、ＡｌＣｒ（７０／３０）ターゲットと０ｓｃｃｍから６００ｓｃｃｍまで変化させられた酸素流を用いて堆積されたコーティング＃３．１−＃３．６に関するＸ線回折パターンを示している。図３に示された全てのＸ線回折パターンが、ＷＣ基材とＴｉＮ中間層の反射を示している。純窒素中で堆積されたコーティング＃３．１は、立方晶ＡｌＣｒＮの形成を示している。既に議論したように、立方晶ＡｌＣｒＮは、約３７．５°と４３．６°の２θ位置における２つの立方晶ＣｒＮ反射によって認識され得る。高い２θ角への少しのピークシフトは、立方ＣｒＮ格子内へのＡｌの導入に関係付けられ得る。反応ガス雰囲気内への酸素の導入は、立方晶構造のコーティング＃３．２−＃３．４の形成の結果となっている。４００ｓｃｃｍと６００ｓｃｃｍの酸素流において、酸化物層＃３．５と＃３．６は、六方晶構造を示している。また、＃３．５と＃３．６の回折パターンは約４５°と６７°の２θ位置において弱い反射を示し、それはガンマＡｌ２Ｏ３に属するであろう。
【００３４】
図４は、ＡｌＣｒ（８５／１５）ターゲットと０ｓｃｃｍから４００ｓｃｃｍまで変化させられた酸素流とを用いて堆積されたコーティング＃４．１−＃４．５に関するＸ線回折パターンを示している。図４に示された全てのＸ線回折パターンが、ＷＣ基材とＴｉＮ中間層の反射を示している。純窒素雰囲気中で堆積されたコーティング＃４．１は、機能層からの何らの反射もない非晶質構造を示している。主として同じ構造が、１００ｓｃｃｍの酸素流で堆積されたコーティング＃４．２に関して観察され得る。４００ｓｃｃｍの酸素流においては、ガンマＡｌ２Ｏ３の形成のみが観察され得る。
【００３５】
上記で表示された結果は、或る酸素流で非常に広い組成的範囲内においてガンマＡｌ２Ｏ３のようでなくて立方晶構造状ＣｒＯの酸化物コーティングの形成を確認している。立方晶構造の酸化物コーティングは、六方晶の成長が可能でない高いＡｌ含有量においても造られ得る。
【００３６】
図５は、立方晶構造のコーティング＃２．３（図５（ａ））と六方晶構造のコーティング＃２．６（図５（ｂ））のＳＥＭ断面写真を示している。コーティング＃２．３（図５（ａ））は顕著な小滴のない密な構造を有しているが、コーティング＃２．６（図５（ｂ））は（矢印で示された）多くの粗い小滴を示していることが観察され得る。コーティング＃２．６内に取込まれた小滴は、コーティング＃２．３に比べて、粗い表面を生じる。これは、立方晶構造の酸化物コーティングを造ることが有利であることの理由のひとつである。
【００３７】
コーティングの熱的安定性を調べるために、アニール実験が行われた。サンプルは、オーブン内で２５分間に１０００℃まで加熱され、そして６０分間保持された。加熱とアニールは、窒素雰囲気内で行われた。アニールによる構造変化はＸ線回折によって検知され、図８（ａ）と図８（ｂ）はアニール後（ａ）とアニール前（ｂ）のコーティング＃４．５のＸ線回折パターンを示している。そこで分かるように、アニール後の回折パターンにおいて劇的な変化が存在している。我々の説明は、アニール前の（立方晶）ガンマ構造のコーティング＃４．５がアニール後に六方晶相の形成を示していることである。これは、非常に驚くべきことである。なぜならば、ガンマ相構造はアニール条件下でアルファ相構造へ変化すると知られているからである。
【００３８】
図８（ｃ）と図８（ｄ）は、アニール後（ｃ）とアニール前（ｄ）のコーティング＃４．２のＸ線回折パターンを示している。立方晶構造のコーティング＃４．２は、Ｘ線回折パターンが本質的に変化していないので、考慮すべき変化を示していない。結論として、＃４．２の主たる立方晶構造はガンマ相構造ではない。図６と図７に示された他の全てのコーティングに関しても、同様な挙動が観察された。
【００３９】
表２において、ＡｌＣｒＯＮコーティングに関する堆積速度が、酸素流の関数として表示されている。最も早い堆積速度は、ターゲット組成にかかわらず、立方晶構造の酸化物層の形成に対応する酸素流で達成され得ることが明瞭に分かる。非ガンマ相立方晶構造の酸化物層の高い堆積速度は、減少された時間消費としたがって増大された生産性とによって、工業的生産プロセスに関して極めて有利である。
【００４０】
非ガンマ相立方晶構造のＡｌＣｒＯＮコーティングの硬度は、六方晶またはガンマ状構造のコーティングに比べて高い（表２参照）。また、立方晶構造の酸化物コーティングの高度は、窒化物コーティングと比べても高くまたは同等である。
【００４１】
ＡｌＣｒＯＮコーティングの切削テストの結果が、表２においてまとめられている。
切削条件：
工作物：    ＤＩＮ１．７２２０（２００−２２０ＨＢ）
切削工具：  超硬合金切削インサートＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：  ２００ｍ／分
送り速度：  ０．１５ｍｍ／回転
切削深さ：  ３ｍｍ
冷却剤：    ドライ
切削操作：  外側回転
寿命終期：  切削１分後の摩耗測定：寿命終期の基準ＶＢｍａｘ＞２００μｍ
表２の最後の第４欄から分かるように、発明のコーティングは、六方晶またはガンマ構造の酸化物層のみならず純窒化物層と比べても、顕著に高い切削性能を示している。
【００４２】
発明的層の応用範囲拡大の目的のために、そのコーティング構造は例えば支持層を含んでもよく、立方晶の酸化物や窒化物の層を含む多層構造を含んでもよいことを述べなければならない。その例が図９に示されている。
【００４３】
工作物のためのコーティングは少なくとも１層で開示され、その少なくとも１層はＡｌｘＣｒ１−ｘで表される金属成分を含み、ｘは０≦ｘ≦０．８４を満たす原子比であり、Ｏ１−ｙＺｙで表される非金属成分をも含み、ＺはＮ、Ｂ、およびＣの群から選択される少なくとも１種の元素であって０≦ｙ≦０．６５で好ましくはｙ≦０．５であり、そのコーティングはＸ線回折パターンがＣｒＮの立方晶相ではない立方晶相の生成を示すようにＣｒと酸化物を含む非ガンマ相を少なくとも部分的に含んでいる。
【００４４】
上記の工作物のためのコーティングは、好ましくはｘ≧０．５で特徴付けられる。
それらのＸ回折パターンは、２５分の間の１０００℃までのアニール後において、アニール前に比べて本質的に変化を示さない。
【００４５】
上述のコーティングによるコーティングでコートされた物体が開示された。好ましくは、このコートされた物体のために、付加的な層で好ましくはＴｉＮ層がその物体の表面とコーティングとの間に設けられる。
【００４６】
上述のコートされた物体は、好ましくはドリル、エンドミル、インサートとホブ、タップ、および鋸歯の群から選択された工具であり得る。
【００４７】
物体をコーティングする方法が開示され、前記方法は、
‐コートされるべき１または複数の物体を用意し、
‐ＡｌａＣｒ１−ａの組成であって０≦ａ≦０．８５であるターゲットを有するアーク放電イオンプレーティングコーティング装置内へその１または複数の物体を導入し、
‐少なくとも１つのプロセスステップが５０ｓｃｃｍと４００ｓｃｃｍの間、好ましくは１００ｓｃｃｍと４００ｓｃｃｍの間、より好ましくは１５０ｓｃｃｍと２００ｓｃｃｍの間の酸素流を含む。
【００４８】
好ましくは、上記方法における少なくとも１つのプロセスステップは、圧力が３．５Ｐａに調整された窒素流を含む。
【００４９】
好ましくは、プロセスガスとしてアルゴンが付加されない。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
【表２】
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【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５ａ）】
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【図５ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年4月20日(2011.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
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【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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【国際調査報告】
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