切削工具のための高耐酸化性ハードコート
発明の工作物は、その表面の少なくとも部分上に、Ａｌl-a-b-c-dＣｒaＸbＳｉcＢdＺの組成を含む耐摩耗性ハードコートを特徴として有し、ここで、ＸはＮｂ、Ｍｏ、Ｗ、またはＴａからの少なくとも１つの元素であり、ＺはＮ、Ｃ、ＣＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＣＮＯからの１つの元素または化合物であり、かつ、０．２≦ａ≦０．５、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．１、０≦ｄ≦０．１である。このような耐摩耗性コーティングを堆積させるためのＰＶＤプロセスがさらに開示され、少なくとも１つの工作物が真空コーティングシステムに設置され、前記システムは低圧アルゴン雰囲気中で動作し、少なくとも１つの反応ガスの少なくとも一時的な添加とともに、少なくとも２つの金属または合金のターゲットを利用し、基材に負の電圧を加える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野
本発明は、特に摩耗保護を必要とする本体のための、非常に高い耐酸化性を有するハードコートに関する。本発明はさらに、コーティングされた工具、特に高速度鋼、超硬合金または立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）でコーティングされたエンドミルなどの切削工具、ドリルビット、切削インサート、歯切り盤、およびホブに関する。したがって、本発明はさらに、コーティングされた耐摩耗性機械部品、特にポンプ、歯車、ピストンリング、燃料噴射器などの機械的構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術
「ハードコートでコーティングされた工具（hard coating coated tool）」と題された文書Ａ（ＪＰ２００２−３３７００７）は、切削工具に高い耐酸化性を与える、ＣｒＡｌＮコーティングにおける細かいアモルファスのＣｒＡｌＳｉＮ粒子の存在について記載する。ＥＰ １ ４２２ ３１１ Ａ２である文書Ｂは、ＮａＣｌ型結晶構造を有するＡｌに富んだＣｒＡｌＳｉ（ＮＢＣＯ）コーティングに言及する。ＪＰ ２００２−３３７００５である文書Ｃは、少なくとも１つの層がＣｒＡｌＮでできており、別の層が一種のＣｒＳｉＢＮでできている、耐摩耗性のコーティングを備えた工具について記載する。ＪＰ
２００２−１６０１２９である文書Ｄは、Ｔｉ、Ｃｒ、ＳｉまたはＡｌベースの材料でできた中間層を備え、次いでそれがＡｌＣｒＮベースの硬質膜でコーティングされた工具について記載する。ＪＰ １０−０２５５６６である文書Ｅは、高温での耐酸化性の特性を有するＣｒＡｌＮコーティングに言及する。「表面およびコーティング技術（Surface & Coating Technology）」（２００３）のｖ．１７４−１７５、６８１−６８６ページにおけるルグシェイダ（Ｌｕｇｓｃｈｅｉｄｅｒ）らによる科学記事である文書Ｆは、切削工具に堆積されるＣｒＡｌＮ＋Ｃ薄膜コーティングの機械的、摩擦学的特性の研究、特に、切削および穿孔の適用例について有益な効果を有することが報告されている、低摩擦性の摩擦学的性能を有するＣｒＡｌＮ＋Ｃコーティングに言及する。ウールマン（Ｕｈｌｍａｎｎ）らによる、第４回の国際会議議事録「製造エンジニアリングにおけるコーティング」（２００４）の１１１−１２０ページは、高機能切削工具のための新しい展開について報告する（文書Ｇ）。この論文は、多層になったＣｒＮ／ＴｉＡｌＮ、ＣｒＭｏＴｉＡｌＮおよびＣｒＡｌＶＮハードコートの堆積に言及する。
【０００３】
［Ａ］、［Ｂ］および［Ｃ］では、硬質陽極コーティングは、ケイ素または酸素の少なくとも１つを含むＣｒＡｌベースのシステム層からなり、それは硬さの程度の増大および高温での耐酸化性の増大をもたらし、切削工具の研削摩耗および酸化摩耗の速度を減じる。［Ｄ］では、基材はまずＴｉ、Ｃｒ、ＳｉまたはＡｌの層でコーティングされ、ＡｌＣｒＮ硬質層がその上に形成される。バッファ変形吸収層として金属中間層が用いられ、コーティングと工具との熱膨張差によるいかなる変形も均等にする。［Ｅ］では、硬質ＡｌＣｒＮコーティングが、反応性窒素雰囲気中でＡｌおよびＣｒターゲットから物理蒸着法によって形成され、ＡｌＣｒＮシステムの耐熱度は最大１０００℃と報告される。［Ｆ］では、著者は、ＣｒＡｌＮコーティングを硬質炭素表面と組合せることにより、機械的特性（硬度およびヤング率の上昇）ならびに摩擦特性の向上を報告する。このような組合わせは穿孔およびフライス切削の適用例において成功し得ると主張される。［Ｇ］では、著者は、イオンプレーティングプロセスによってクロム、アルミニウムおよびバナジウム金属源を組合せた層として堆積した多層ＣｒＡｌＶＮコーティングに言及する。その結果、堆積したコーティングの加工性能は、標準的なＴｉＡｌＮコーティングによって得られるレベルに達しなかった。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
本発明は、特に高温になる高速切削の適用例、機械加工が困難な材料の適用例（例えば、工具鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウムおよびチタン合金の機械加工）における、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＴｉＮの低耐摩耗性の層および類似のハードコートを対象とする。高温の適用例において公知のＣｒＡｌＮコーティングは有益な効果を有するが、特に切断および成形の工具または構成部品、特に内燃機関に用いられる構成部品における、工具を用いる一定の適用例のためのさらに優れた性能を与える代替物を見つける必要がある。
【０００５】
ニオブ、タンタル、モリブデンおよび／またはタングステンなどの遷移金属の添加によって、ＣｒＡｌＮコーティングの性能が最適化され得る。任意に、ケイ素および／またはホウ素などのメタロイドがさらに添加されて、硬度を増大させ、かつ上述の極端な条件下で動く工具および機械的構成部品の摩耗を減少させることができる。したがって新しい一群のコーティングは、切り屑生成プロセスに影響を与えることにより、工具の耐用年数を延ばし、機械的構成部品を交換するコスト、および／または、高額な切削工具を研ぎ直すコストを減じ、結果として、可能な切削速度が増すことで生産性の増大をもたらすであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
発明の詳細な説明
合金ＡｌＣｒＮコーティングは、工業用のバルザース（Ｂａｌｚｅｒｓ）（登録商標）高速コーティングシステム（ＲＣＳ）機を用いて得られた。この機械は、高い接着強度を促進する、基材の迅速な加熱およびエッチングを可能にする低圧アーク放電構成を含む。この装置はまた、スパッタリング、陰極アークおよびナノ分散アークジェット源から選択し得る６つの堆積源を備える。堆積中、固定バイアス電源またはパルスバイアス電源を用いることにより、基材工具または構成部品に負バイアス電圧を加えることができる。ＲＣＳ設備の全体的な説明および図面は、米国出願番号ＵＳ２００２／００５３３２２号で見ることができる。
【０００７】
様々な工作物上で発明のコーティングを堆積させるために、前もって洗浄された工作物が、その直径に合わせて、２回転基材キャリヤ、または直径５０ｍｍ未満であれば３回転基材キャリヤに取付けられた。コーティングシステムに設置された放射暖房器が工作物を約５００℃の温度にまで加熱し、−１００Ｖから−２００Ｖのバイアス電圧が０．２Ｐａの圧力でアルゴン雰囲気において加えられると、工作物表面はＡｒイオンでエッチング研磨を受けた。コーティングシステムは低圧アルゴン雰囲気中で動作し、少なくとも１つの反応ガスの少なくとも一時的な添加とともに、少なくとも２つの金属または合金のターゲットを利用し、基材に負の電圧を加える。
【０００８】
本発明の目的のために、工作物は、鋼、高速度鋼、ハードメタル、超硬合金または他の適切な金属またはセラミックスからできた本体を有するように規定される。工作物の例は、高温および／または乾燥したツーリング動作のための工具であってもよい。工具の例は、切削工具、ドリル、リーマ、ブローチ、インサート、ホブ、ミル、エンドミル、ボールノーズミル（ball nose mill）、総形バイト、ダイカスト型、射出型、絞り加工工具、深絞り工具、鍛造型（forging die）である。本発明は、工具に加えて、例えば過酷な条件、高温条件、潤滑が不十分かつ／または乾燥した運転条件のための構成部品に適用することができる。このような構成部品は、タペット、弁機構の構成部品、バケットタペット、弁レバー、ロッカアーム、ピン、ピストンピン、ローラ従動子ピン、ボルト、燃料噴射シ
ステムの構成部品、射出ニードル、歯車、ピニオンギヤ、プランジャ、ピストンリングを含む。このリストは終了するわけではなく、本発明のさらなる実施例および適用例が可能であり、当業者はこれらを規定することができる。
【０００９】
本発明に関連した実験では６つの堆積源のうち２つが用いられ、延性のＴｉＮ接着層（厚み約０．３μｍ）が含まれた。実験のうちのいくつかは、Ｔｉ、ＣｒおよびＣｒＮなどの種々の接着層を用いて繰り返され、類似した性能が得られた。残り４つの源は、カスタマイズされた焼結されたアルミニウム−クロム−遷移金属ターゲットおよびイオンプレーティング堆積プロセスを用いて主要な機能層を堆積させるために利用された。さらに、いくつかの実験では、主要な機能層は、遷移金属と合金になったＡｌＣｒ、および、ケイ素またはホウ素を含むＡｌＣｒを組合せることにより共析された。堆積中、源は３．５ｋＷの電力で動く一方、窒素ガスの分圧は約３．５Ｐａに維持された。さらに、基材上のイオンボンバードメント処理を強化するため、堆積中、−１００Ｖの基材バイアスが与えられた。堆積時間は、すべての異なるコーティング組成について機能層の厚みが約４μｍであるように常に調整された。焼結されたターゲットのために合計１０のカスタマイズされた組成が準備された。すべての組成のすべてのターゲットについてアルミニウム原子含有率は７０％で固定した。１つのカスタマイズされた組成は３０原子％のＣｒから、８つのカスタマイズされた組成は２５原子％のＣｒとそれぞれ５原子％のＴｉ、Ｙ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、ＳｉおよびＢとから、ならびに１つの組成は２０原子％のＣｒと１０原子％のＭｏとから構成される。コーティングの組成は、（実施例１から４において示されるように）用いられたターゲットの組成分析に比例して相関した。
【００１０】
少量の合金元素を包含するＡｌＣｒＮコーティング用の望ましい立方結晶構造が図１に表わされる。純粋なＡｌＣｒＮコーティングでは、ＮａＣｌ（Ｂ１）結晶構造は、利用可能な陽イオン位置を争う、陰イオン窒素原子１ならびにアルミニウム原子２およびクロム原子３からなる。理論上は、少量の異なる遷移金属（ＴＭ）４を添加すると、格子構造は、原子サイズおよび電気陰性度の差によってわずかに歪むはずである。さらに、ほとんどの遷移金属は、大量のアルミニウム原子が存在する状態でＢ１構造を安定化する能力がクロムよりもはるかに低いので、固溶体の固溶量は限定される。溶質ＴＭ原子の溶解度に影響する別の要因はＴＭおよびアルミニウムおよびクロムの原子半径差であって、これは真の固溶体の強化を達成するには１５％を超えてはならない。実際、利用される遷移金属合金の性質に依存して、溶質原子は、結果として生じる格子のひずみ効果による転位運動を制限したりしなかったりする。
【００１１】
様々なＡｌＣｒ−ＴＭ−ＮコーティングのＸ線回折パターンおよび測定された格子定数が図２に示される。ＡｌＣｒＹＮを除き、コーティングは立方晶ＡｌＣｒＮについて予期されたものに類似した明瞭なＢ１構造を示した。この事実は、溶質ＴＭ原子の溶解度のみならず結晶構造全体の構造的位相安定性についての、合金元素の原子半径および電気陰性度の重要性を強調する。したがって、測定された格子定数の差は、遷移金属ドーピングの構造的効果について確かに一意の情報をもたらし得る。ＸＲＤ実験は、ＡｌＣｒＴｉＮおよびＡｌＣｒＶＮの場合には、格子定数はわずかに大きいが純粋なＡｌＣｒＮに類似することを示す。しかしながら、ＡｌＣｒＮｂＮおよびＡｌＣｒＭｏＮの場合には、Ｂ１結晶構造を維持しつつ格子がわずかに（約０．０２オングストロ−ム）拡大した。しかしながら、ＡｌＣｒＹＮ、ＡｌＣｒＨｆＮおよびＡｌＣｒＺｒＮの場合には、ＴＭは、その原子サイズが比較的大きいため、極めて小さな溶解度を有すると予想される。この場合、ＡｌＣｒＹＮについて図２に示されるように、結果として微細構造が非晶質化される。
【００１２】
ＡｌＣｒＮ Ｂ１構造への遷移金属ドーピングの別の効果は、膜成長中に（２００）テクスチャが生成されることであり得る。これは例えば、純粋なＡｌＣｒＮが示すさらに多結晶性の構造と比較して（２００）の好ましい配向を示すＡｌＣｒＮｂＮのＸＲＤパター
ン（図２）とともに生じたものである。図３では、（（１１１）面の回折強度に対する（２００）面の回折強度の比として規定される）回折比ＱＩが、ＡｌＣｒＮおよび２つのＡｌＣｒＭｏＮ組成について示される。Ｂ１構造を有するＡｌＣｒＮ中のモリブデン含有量を増加させることで、結果としてより高いＱＩ比を生じた。応力場の形状は適用例によって著しく異なるので、技術的には、保護硬質膜のテクスチャおよび構造の制御が極めて望ましい。さらに、参照文献［Ｂ］とは異なり、ここでは好ましい配向は主にコーティングの化学量論によって制御される。本発明で請求される組成によって達成し得る主要な構造構成が、図４に概略的に表わされる。図４（ａ）では、任意に配向されたクリスタライト６からなる多結晶膜は、超硬合金または鋼基材５の上に成長する。第２の可能性は、テクスチャフィルムが基材５上で成長し、特定の平面８に配向されたクリスタライトの一部であり、配向されないクリスタライト９よりも数因子分大きいことである。第３のあり得る微細構造の構成（図４（ｃ））は、メタロイド（ＳｉまたはＢのいずれか）を共析させることにより達成することができ、共有結合した窒化物の形成と、結果としてさらに硬度が増大したクリスタライト１１を囲む別個のアモルファスまたは半晶質位相１２の生成とをもたらす。
【００１３】
堆積した硬質層の硬度試験は、深さ感知式微小硬度機器フィッシャスコープ（Fisherscope）Ｈ１００で５０ｍＮの試験荷重を用いて行われた。さらに残留応力は、堆積の前後の三点曲げ試験によって薄い平面鋼基材の曲率を測定することにより計算された。図５のプロットは、様々なＡｌＣｒＸＮ組成について得られた値を示す。図５の結果は、低量のＮｂ、ＭｏおよびＷが、コーティングの残留応力がそれ以上増加しない状態でＡｌＣｒＮと合金になるときの有益な強化効果を示す。この驚異的な機械挙動は、固溶体硬化の機構と、上述の我々の実験で観察された、これらの元素のＢ１−ＡｌＣｒＮへの溶解度とによって部分的に説明される。
【００１４】
高速切削または高速送り切削の適用例ならびにオーステナイト系ステンレス鋼およびチタンニッケル合金の機械加工における、コーティングの別の重要な特性は、高温での酸化に対するコーティングの抵抗と切削中にコーティングと工作物材料との間に成形する第３の本体層の性質とであって、切り屑生成プロセスに影響を及ぼし得る。合金ＡｌＣｒＮコーティングの酸化挙動を調査するために、９００℃で１時間、気流において焼なまし実験が行なわれた。これらの実験に続き、酸化した表面層の２次イオン質量分析計の深さプロファイル分析が行われた。図６（ａ）は、酸化クロムおよび酸化アルミニウムの両方の形成を伴う標準的なＡｌＣｒＮコーティングの、典型的な酸化挙動の深さプロファイルを示す。非合金ＡｌＣｒＮコーティングのみならず、ＡｌＣｒＴｉＮコーティングも同様にこの典型的な挙動を示した。しかしながら、合金ＡｌＣｒＸＮコーティングのうちのいくつかは、図６（ｂ）から推論し得るように、ほぼ酸化クロムのみを形成する傾向を有していた。一般に酸化クロムは酸化アルミニウムよりも侵食に弱く抵抗力がないので、これは不十分な耐酸化挙動を示し、そのため、それらは切断および／または成形過程で容易に除去することができる。この酸化挙動はＡｌＣｒＹＮコーティングおよびＡｌＣｒＶＮコーティングで観察された。他方、ＡｌＣｒＮｂＮ、ＡｌＣｒＭｏＮおよびＡｌＣｒＷＮコーティングはより最適な酸化挙動（図６（ｃ）に示される）を示し、外側の酸化層中のアルミニウムの量は、酸化していない部分のアルミニウム含有量と同様であった。これは、多くの切削の適用例において非常に望ましくなり得る、硬質の受動的な酸化アルミニウムの形成を示す。
【００１５】
新しい向上したＡｌＣｒＸＮコーティングを適用する際の温度が高いことが意図されるので、堆積した層の耐摩耗性は、高温で硬質アルミナボールの対向面を用いたボールオンディスクテストを利用し、所定のサイクル数終了後にコーティングの摩耗を測定することにより調査された。図７では、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＴｉＮおよびＡｌＣｒＮとの比較において様々なＡｌＣｒＸＮコーティングの摩耗率が示される。この結果もまた、ＡｌＣｒＷＮ
が集合中で最小の摩耗を有し、それは純粋なＡｌＣｒＮコーティングに対応するものよりさらに小さいことを示す。
【００１６】
先ほど示された機械テスト結果に基づいて、ＡｌＣｒベースのコーティングの挙動はさらに、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷまたはＴａを合金化することによって向上することができる。換言すれば、クロムより重いＶｂおよびＶＩｂのグループからの遷移金属を含むことによる。これらの元素の原子濃度が金属部分の２パーセントから１０パーセントである場合に最良の結果に到達することができるが、原子濃度は１パーセントにまで低く、２０パーセントにまで高くなり得るであろう。これらの合金元素の存在により、究極的には、溶解度が優れ、硬度が向上し、かつ高温での酸化挙動が最適となるのが確実である。これにより、コーティングされた機械的構成部品および切削工具の高温での研磨、拡散および酸化による摩耗を減じる。同様の結果は、ケイ素および／またはホウ素などのメタロイドを少量添加することによっても達成された。また類似の合金炭化物および炭窒化物、酸化炭素などによっても達成されるはずである。したがって、実際の本発明は、下記の全体的な組成：
Ａｌ1-a-b-c-dＣｒaＸbＳｉcＢdＺ
のコーティングを有する、新規なコーティングおよび対応するコーティングされた工具および構成部品に言及し、
ここで、
Ｘは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、またはＴａからの少なくとも１つの元素であり、
Ｚは、Ｎ、Ｃ、ＣＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＣＮＯを意味し、
０．２≦ａ≦０．５
０．０１≦ｂ≦０．２
０≦ｃ≦０．１
０≦ｄ≦０．１
である。
【００１７】
異なるＡｌ／Ｃｒ比を有する２種類のターゲットを用いることにより、または、ＣｒおよびＣｒおよびまたはＣｒ／Ｎ接着層から始め、ＣｒおよびＡｌＣｒターゲットの両方を備えたコーティングチャンバの対応するターゲット出力を例えば連続的にまたは段階的に調整することで層組成に漸進的変化をもたらすことにより、例えば表面に向かってＡｌ容量が増大するような傾斜コーティングを堆積することがさらに可能である。この種のコーティングを産業上適用する際の重要な要因は、実質的にコーティングプロセスの全進行および膜厚全体にわたって、再生産可能なようにプロセスパラメータを調整する能力である。層の厚さの部分または全部にわたってナノ構造を生成するため、すなわちナノまたはマイクロメートル範囲の積層のために、例えば１回転または複数回転する回転基材キャリヤ上で生じる小さな組成変動をさらに利用することができる。
【００１８】
実施例１：工具鋼のフライス切削−荒仕上げ
切削工具：エンドミルＨＳＳ荒削り、直径Ｄ＝１０ｍｍ、歯数ｚ＝４
工作物：工具鋼、Ｘ ４０ ＣｒＭｏＶ ５ １、ＤＩＮ １．２３４４（３６ＨＲＣ）切削パラメータ：
切削速度ｖc＝６０ｍ／分（Ｓ＝１５９２ １／分）
送り速度ｆz＝０．０５ｍｍ／Ｕ（ｆ＝３１８．４ｍｍ／分）
径方向切込み深さａe＝３ｍｍ
軸方向切込み深さａp＝５ｍｍ
冷却：乳濁液５％
プロセス：下向き削り
工具寿命基準：運動量の遮断（フランク摩耗ランド幅ＶＢ＞０．３ｍｍと相関）
【００１９】
【表１】
【００２０】
実施例１は、産業上用いられるＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮおよびＡｌＴｉＮコーティングと比較して増大したＡｌＣｒＮベースのコーティングの工具寿命をメートルで示す。ＡｌＣｒＮｂＮ、ＡｌＣｒＷＮおよびＡｌＣｒＭｏＮは高い硬度および適切な接着を有する表面を与えるので、これらが高速度鋼などの延性型の基材に適用されると極めて有益になり得る。
【００２１】
実施例２：穿孔工具鋼
切削工具：ドリルＨＳＳ（Ｓ ６−５−２）、直径Ｄ＝６ｍｍ
工作物：工具鋼 Ｘ ２１０ Ｃｒ １２、ＤＩＮ １．２０８０（２３０ＨＢ）
切削パラメータ：
切削速度ｖc＝３５ｍ／分
送り速度ｆ＝０．１２ｍｍ
ドリル穴深さｚ＝１５ｍｍ、盲穴
冷却：乳濁液５％
工具寿命規準：運動量の遮断（エッジ摩耗幅ＶＢｃ＞０．３ｍｍと相関）
【００２２】
【表２】
【００２３】
実施例２は、ＨＳＳコーティングドリルにおける様々なＡｌＣｒＸＮコーティングの比較を示す。主要な工具寿命の規準は、予め定められた最大運動量に達するまでに、コーティング厚さにわたって穿設された孔の基準の個数である。Ｎｂ、ＷおよびＭｏ合金のＡｌＣｒベースのコーティングが最良の性能の係数を示した。
【００２４】
実施例３：−低合金鋼のフライス切削−中仕上げ
切削工具：エンドミルカーバイド、直径Ｄ＝８ｍｍ、歯数ｚ＝３
工作物：炭素鋼Ｃｋ４５、ＤＩＮ １．１１９１
切削パラメータ：
切削速度ｖc＝４００ｍ／分
送り速度ｖf＝４７７６ｍｍ／分
径方向切込み深さａe＝０．５ｍｍ
軸方向切込み深さａp＝１０ｍｍ
冷却：乳濁液５％
プロセス：下向き削り
工具寿命基準：フランク摩耗ランド幅ＶＢ＝０．１２ｍｍ
【００２５】
【表３】
【００２６】
実施例３は、平坦な炭素鋼の仕上げ中のコーティングされた超硬合金エンドミルの工具寿命の比較を示す。ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮおよびＡｌＴｉＮコーティングなどの標準的な産業上用いられる層システムが、ｌｆ＝１５０ｍの工具寿命の後に高いフランク摩耗を示す一方で、Ａｌ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ Ｃｒａ Ｘｂ ＳｉｃＺの公式に基づくコーティングの組合わせでコーティングされた工具は著しく低い摩耗を示した。これらの結果は、Ａｌ1-a-b-c-dＣｒaＸbＳｉcＺコーティングが高速機械加工プロセスで引起こされた高い熱衝撃に十分に抵抗できることを示す。
【００２７】
実施例４：−オーステナイト系ステンレス鋼のフライス切削−荒仕上げ
切削工具：エンドミルカーバイド、直径Ｄ＝１０ｍｍ、歯数ｚ＝４
工作物：オーステナイト系ステンレス鋼 Ｘ ６ ＣｒＮｉＭｏＴｉ １７ １２ ２、ＤＩＮ １．４５７１
切削パラメータ：
切削速度ｖc＝６７ｍ／分
送り速度ｆz＝０．０３３ｍｍ
径方向切込み深さａe＝６ｍｍ
軸方向切込み深さａp＝９ｍｍ
冷却：乳濁液５％
プロセス：下向き削り
工具寿命基準：フランク摩耗ランド幅ＶＢ＝０．２ｍｍ
【００２８】
【表４】
【００２９】
実施例４では、産業上用いられる４つの硬質層システムのステンレス鋼に対する、コーティングされた超硬合金エンドミルの工具寿命の比較を示す。ステンレス鋼の機械加工は、この材料の靭性が高く、作業中に硬化し工具に付着する傾向のために、非常に困難なプロセスである。工具寿命の面からは、ＡｌＣｒＮｂＮ、ＡｌＣｒＭｏＮおよびＡｌＣｒＷＮコーティングを用いると最良の結果に達した。この工具寿命の増大は、Ｎｂ、ＭｏまたはＷを合金したＡｌＣｒＮシステムを用いることで示された、高温での硬度の増大および良好な酸化挙動の両方に関連し得、それが結果として耐摩耗性を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】アルミニウム−クロム−遷移金属窒化物の結晶構造の図である。
【図２】アルミニウム−クロム−遷移金属窒化物のＸ線回折パターンおよび格子定数の図である。
【図３】アルミニウム−クロム−モリブデン窒化物のＸ線回折パターンおよびテクスチャ係数の図である。
【図４】アルミニウム−クロム−遷移金属窒化物によって達成可能な微細構造の図である：（ａ）多結晶（ｂ）テクスチャ化されている（ｃ）ナノ合成物。
【図５】アルミニウム−クロム−遷移金属窒化物の硬度および残留応力の測定値の図である。
【図６】２次イオン質量分析計の深さプロファイル：（ａ）典型的な酸化した表面（ｂ）酸化が不十分な表面（ｃ）最適に酸化した表面。
【図７】アルミニウム−クロム−遷移金属窒化物に対する高温での耐摩耗性のボールオンフラットテストの図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野
本発明は、特に摩耗保護を必要とする本体のための、非常に高い耐酸化性を有するハードコートに関する。本発明はさらに、コーティングされた工具、特に高速度鋼、超硬合金または立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）でコーティングされたエンドミルなどの切削工具、ドリルビット、切削インサート、歯切り盤、およびホブに関する。したがって、本発明はさらに、コーティングされた耐摩耗性機械部品、特にポンプ、歯車、ピストンリング、燃料噴射器などの機械的構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術
「ハードコートでコーティングされた工具（hard coating coated tool）」と題された文書Ａ（ＪＰ２００２−３３７００７）は、切削工具に高い耐酸化性を与える、ＣｒＡｌＮコーティングにおける細かいアモルファスのＣｒＡｌＳｉＮ粒子の存在について記載する。ＥＰ １ ４２２ ３１１ Ａ２である文書Ｂは、ＮａＣｌ型結晶構造を有するＡｌに富んだＣｒＡｌＳｉ（ＮＢＣＯ）コーティングに言及する。ＪＰ ２００２−３３７００５である文書Ｃは、少なくとも１つの層がＣｒＡｌＮでできており、別の層が一種のＣｒＳｉＢＮでできている、耐摩耗性のコーティングを備えた工具について記載する。ＪＰ
２００２−１６０１２９である文書Ｄは、Ｔｉ、Ｃｒ、ＳｉまたはＡｌベースの材料でできた中間層を備え、次いでそれがＡｌＣｒＮベースの硬質膜でコーティングされた工具について記載する。ＪＰ １０−０２５５６６である文書Ｅは、高温での耐酸化性の特性を有するＣｒＡｌＮコーティングに言及する。「表面およびコーティング技術（Surface & Coating Technology）」（２００３）のｖ．１７４−１７５、６８１−６８６ページにおけるルグシェイダ（Ｌｕｇｓｃｈｅｉｄｅｒ）らによる科学記事である文書Ｆは、切削工具に堆積されるＣｒＡｌＮ＋Ｃ薄膜コーティングの機械的、摩擦学的特性の研究、特に、切削および穿孔の適用例について有益な効果を有することが報告されている、低摩擦性の摩擦学的性能を有するＣｒＡｌＮ＋Ｃコーティングに言及する。ウールマン（Ｕｈｌｍａｎｎ）らによる、第４回の国際会議議事録「製造エンジニアリングにおけるコーティング」（２００４）の１１１−１２０ページは、高機能切削工具のための新しい展開について報告する（文書Ｇ）。この論文は、多層になったＣｒＮ／ＴｉＡｌＮ、ＣｒＭｏＴｉＡｌＮおよびＣｒＡｌＶＮハードコートの堆積に言及する。
【０００３】
［Ａ］、［Ｂ］および［Ｃ］では、硬質陽極コーティングは、ケイ素または酸素の少なくとも１つを含むＣｒＡｌベースのシステム層からなり、それは硬さの程度の増大および高温での耐酸化性の増大をもたらし、切削工具の研削摩耗および酸化摩耗の速度を減じる。［Ｄ］では、基材はまずＴｉ、Ｃｒ、ＳｉまたはＡｌの層でコーティングされ、ＡｌＣｒＮ硬質層がその上に形成される。バッファ変形吸収層として金属中間層が用いられ、コーティングと工具との熱膨張差によるいかなる変形も均等にする。［Ｅ］では、硬質ＡｌＣｒＮコーティングが、反応性窒素雰囲気中でＡｌおよびＣｒターゲットから物理蒸着法によって形成され、ＡｌＣｒＮシステムの耐熱度は最大１０００℃と報告される。［Ｆ］では、著者は、ＣｒＡｌＮコーティングを硬質炭素表面と組合せることにより、機械的特性（硬度およびヤング率の上昇）ならびに摩擦特性の向上を報告する。このような組合わせは穿孔およびフライス切削の適用例において成功し得ると主張される。［Ｇ］では、著者は、イオンプレーティングプロセスによってクロム、アルミニウムおよびバナジウム金属源を組合せた層として堆積した多層ＣｒＡｌＶＮコーティングに言及する。その結果、堆積したコーティングの加工性能は、標準的なＴｉＡｌＮコーティングによって得られるレベルに達しなかった。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
本発明は、特に高温になる高速切削の適用例、機械加工が困難な材料の適用例（例えば、工具鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウムおよびチタン合金の機械加工）における、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＴｉＮの低耐摩耗性の層および類似のハードコートを対象とする。高温の適用例において公知のＣｒＡｌＮコーティングは有益な効果を有するが、特に切断および成形の工具または構成部品、特に内燃機関に用いられる構成部品における、工具を用いる一定の適用例のためのさらに優れた性能を与える代替物を見つける必要がある。
【０００５】
ニオブ、タンタル、モリブデンおよび／またはタングステンなどの遷移金属の添加によって、ＣｒＡｌＮコーティングの性能が最適化され得る。任意に、ケイ素および／またはホウ素などのメタロイドがさらに添加されて、硬度を増大させ、かつ上述の極端な条件下で動く工具および機械的構成部品の摩耗を減少させることができる。したがって新しい一群のコーティングは、切り屑生成プロセスに影響を与えることにより、工具の耐用年数を延ばし、機械的構成部品を交換するコスト、および／または、高額な切削工具を研ぎ直すコストを減じ、結果として、可能な切削速度が増すことで生産性の増大をもたらすであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
発明の詳細な説明
合金ＡｌＣｒＮコーティングは、工業用のバルザース（Ｂａｌｚｅｒｓ）（登録商標）高速コーティングシステム（ＲＣＳ）機を用いて得られた。この機械は、高い接着強度を促進する、基材の迅速な加熱およびエッチングを可能にする低圧アーク放電構成を含む。この装置はまた、スパッタリング、陰極アークおよびナノ分散アークジェット源から選択し得る６つの堆積源を備える。堆積中、固定バイアス電源またはパルスバイアス電源を用いることにより、基材工具または構成部品に負バイアス電圧を加えることができる。ＲＣＳ設備の全体的な説明および図面は、米国出願番号ＵＳ２００２／００５３３２２号で見ることができる。
【０００７】
様々な工作物上で発明のコーティングを堆積させるために、前もって洗浄された工作物が、その直径に合わせて、２回転基材キャリヤ、または直径５０ｍｍ未満であれば３回転基材キャリヤに取付けられた。コーティングシステムに設置された放射暖房器が工作物を約５００℃の温度にまで加熱し、−１００Ｖから−２００Ｖのバイアス電圧が０．２Ｐａの圧力でアルゴン雰囲気において加えられると、工作物表面はＡｒイオンでエッチング研磨を受けた。コーティングシステムは低圧アルゴン雰囲気中で動作し、少なくとも１つの反応ガスの少なくとも一時的な添加とともに、少なくとも２つの金属または合金のターゲットを利用し、基材に負の電圧を加える。
【０００８】
本発明の目的のために、工作物は、鋼、高速度鋼、ハードメタル、超硬合金または他の適切な金属またはセラミックスからできた本体を有するように規定される。工作物の例は、高温および／または乾燥したツーリング動作のための工具であってもよい。工具の例は、切削工具、ドリル、リーマ、ブローチ、インサート、ホブ、ミル、エンドミル、ボールノーズミル（ball nose mill）、総形バイト、ダイカスト型、射出型、絞り加工工具、深絞り工具、鍛造型（forging die）である。本発明は、工具に加えて、例えば過酷な条件、高温条件、潤滑が不十分かつ／または乾燥した運転条件のための構成部品に適用することができる。このような構成部品は、タペット、弁機構の構成部品、バケットタペット、弁レバー、ロッカアーム、ピン、ピストンピン、ローラ従動子ピン、ボルト、燃料噴射シ
ステムの構成部品、射出ニードル、歯車、ピニオンギヤ、プランジャ、ピストンリングを含む。このリストは終了するわけではなく、本発明のさらなる実施例および適用例が可能であり、当業者はこれらを規定することができる。
【０００９】
本発明に関連した実験では６つの堆積源のうち２つが用いられ、延性のＴｉＮ接着層（厚み約０．３μｍ）が含まれた。実験のうちのいくつかは、Ｔｉ、ＣｒおよびＣｒＮなどの種々の接着層を用いて繰り返され、類似した性能が得られた。残り４つの源は、カスタマイズされた焼結されたアルミニウム−クロム−遷移金属ターゲットおよびイオンプレーティング堆積プロセスを用いて主要な機能層を堆積させるために利用された。さらに、いくつかの実験では、主要な機能層は、遷移金属と合金になったＡｌＣｒ、および、ケイ素またはホウ素を含むＡｌＣｒを組合せることにより共析された。堆積中、源は３．５ｋＷの電力で動く一方、窒素ガスの分圧は約３．５Ｐａに維持された。さらに、基材上のイオンボンバードメント処理を強化するため、堆積中、−１００Ｖの基材バイアスが与えられた。堆積時間は、すべての異なるコーティング組成について機能層の厚みが約４μｍであるように常に調整された。焼結されたターゲットのために合計１０のカスタマイズされた組成が準備された。すべての組成のすべてのターゲットについてアルミニウム原子含有率は７０％で固定した。１つのカスタマイズされた組成は３０原子％のＣｒから、８つのカスタマイズされた組成は２５原子％のＣｒとそれぞれ５原子％のＴｉ、Ｙ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、ＳｉおよびＢとから、ならびに１つの組成は２０原子％のＣｒと１０原子％のＭｏとから構成される。コーティングの組成は、（実施例１から４において示されるように）用いられたターゲットの組成分析に比例して相関した。
【００１０】
少量の合金元素を包含するＡｌＣｒＮコーティング用の望ましい立方結晶構造が図１に表わされる。純粋なＡｌＣｒＮコーティングでは、ＮａＣｌ（Ｂ１）結晶構造は、利用可能な陽イオン位置を争う、陰イオン窒素原子１ならびにアルミニウム原子２およびクロム原子３からなる。理論上は、少量の異なる遷移金属（ＴＭ）４を添加すると、格子構造は、原子サイズおよび電気陰性度の差によってわずかに歪むはずである。さらに、ほとんどの遷移金属は、大量のアルミニウム原子が存在する状態でＢ１構造を安定化する能力がクロムよりもはるかに低いので、固溶体の固溶量は限定される。溶質ＴＭ原子の溶解度に影響する別の要因はＴＭおよびアルミニウムおよびクロムの原子半径差であって、これは真の固溶体の強化を達成するには１５％を超えてはならない。実際、利用される遷移金属合金の性質に依存して、溶質原子は、結果として生じる格子のひずみ効果による転位運動を制限したりしなかったりする。
【００１１】
様々なＡｌＣｒ−ＴＭ−ＮコーティングのＸ線回折パターンおよび測定された格子定数が図２に示される。ＡｌＣｒＹＮを除き、コーティングは立方晶ＡｌＣｒＮについて予期されたものに類似した明瞭なＢ１構造を示した。この事実は、溶質ＴＭ原子の溶解度のみならず結晶構造全体の構造的位相安定性についての、合金元素の原子半径および電気陰性度の重要性を強調する。したがって、測定された格子定数の差は、遷移金属ドーピングの構造的効果について確かに一意の情報をもたらし得る。ＸＲＤ実験は、ＡｌＣｒＴｉＮおよびＡｌＣｒＶＮの場合には、格子定数はわずかに大きいが純粋なＡｌＣｒＮに類似することを示す。しかしながら、ＡｌＣｒＮｂＮおよびＡｌＣｒＭｏＮの場合には、Ｂ１結晶構造を維持しつつ格子がわずかに（約０．０２オングストロ−ム）拡大した。しかしながら、ＡｌＣｒＹＮ、ＡｌＣｒＨｆＮおよびＡｌＣｒＺｒＮの場合には、ＴＭは、その原子サイズが比較的大きいため、極めて小さな溶解度を有すると予想される。この場合、ＡｌＣｒＹＮについて図２に示されるように、結果として微細構造が非晶質化される。
【００１２】
ＡｌＣｒＮ Ｂ１構造への遷移金属ドーピングの別の効果は、膜成長中に（２００）テクスチャが生成されることであり得る。これは例えば、純粋なＡｌＣｒＮが示すさらに多結晶性の構造と比較して（２００）の好ましい配向を示すＡｌＣｒＮｂＮのＸＲＤパター
ン（図２）とともに生じたものである。図３では、（（１１１）面の回折強度に対する（２００）面の回折強度の比として規定される）回折比ＱＩが、ＡｌＣｒＮおよび２つのＡｌＣｒＭｏＮ組成について示される。Ｂ１構造を有するＡｌＣｒＮ中のモリブデン含有量を増加させることで、結果としてより高いＱＩ比を生じた。応力場の形状は適用例によって著しく異なるので、技術的には、保護硬質膜のテクスチャおよび構造の制御が極めて望ましい。さらに、参照文献［Ｂ］とは異なり、ここでは好ましい配向は主にコーティングの化学量論によって制御される。本発明で請求される組成によって達成し得る主要な構造構成が、図４に概略的に表わされる。図４（ａ）では、任意に配向されたクリスタライト６からなる多結晶膜は、超硬合金または鋼基材５の上に成長する。第２の可能性は、テクスチャフィルムが基材５上で成長し、特定の平面８に配向されたクリスタライトの一部であり、配向されないクリスタライト９よりも数因子分大きいことである。第３のあり得る微細構造の構成（図４（ｃ））は、メタロイド（ＳｉまたはＢのいずれか）を共析させることにより達成することができ、共有結合した窒化物の形成と、結果としてさらに硬度が増大したクリスタライト１１を囲む別個のアモルファスまたは半晶質位相１２の生成とをもたらす。
【００１３】
堆積した硬質層の硬度試験は、深さ感知式微小硬度機器フィッシャスコープ（Fisherscope）Ｈ１００で５０ｍＮの試験荷重を用いて行われた。さらに残留応力は、堆積の前後の三点曲げ試験によって薄い平面鋼基材の曲率を測定することにより計算された。図５のプロットは、様々なＡｌＣｒＸＮ組成について得られた値を示す。図５の結果は、低量のＮｂ、ＭｏおよびＷが、コーティングの残留応力がそれ以上増加しない状態でＡｌＣｒＮと合金になるときの有益な強化効果を示す。この驚異的な機械挙動は、固溶体硬化の機構と、上述の我々の実験で観察された、これらの元素のＢ１−ＡｌＣｒＮへの溶解度とによって部分的に説明される。
【００１４】
高速切削または高速送り切削の適用例ならびにオーステナイト系ステンレス鋼およびチタンニッケル合金の機械加工における、コーティングの別の重要な特性は、高温での酸化に対するコーティングの抵抗と切削中にコーティングと工作物材料との間に成形する第３の本体層の性質とであって、切り屑生成プロセスに影響を及ぼし得る。合金ＡｌＣｒＮコーティングの酸化挙動を調査するために、９００℃で１時間、気流において焼なまし実験が行なわれた。これらの実験に続き、酸化した表面層の２次イオン質量分析計の深さプロファイル分析が行われた。図６（ａ）は、酸化クロムおよび酸化アルミニウムの両方の形成を伴う標準的なＡｌＣｒＮコーティングの、典型的な酸化挙動の深さプロファイルを示す。非合金ＡｌＣｒＮコーティングのみならず、ＡｌＣｒＴｉＮコーティングも同様にこの典型的な挙動を示した。しかしながら、合金ＡｌＣｒＸＮコーティングのうちのいくつかは、図６（ｂ）から推論し得るように、ほぼ酸化クロムのみを形成する傾向を有していた。一般に酸化クロムは酸化アルミニウムよりも侵食に弱く抵抗力がないので、これは不十分な耐酸化挙動を示し、そのため、それらは切断および／または成形過程で容易に除去することができる。この酸化挙動はＡｌＣｒＹＮコーティングおよびＡｌＣｒＶＮコーティングで観察された。他方、ＡｌＣｒＮｂＮ、ＡｌＣｒＭｏＮおよびＡｌＣｒＷＮコーティングはより最適な酸化挙動（図６（ｃ）に示される）を示し、外側の酸化層中のアルミニウムの量は、酸化していない部分のアルミニウム含有量と同様であった。これは、多くの切削の適用例において非常に望ましくなり得る、硬質の受動的な酸化アルミニウムの形成を示す。
【００１５】
新しい向上したＡｌＣｒＸＮコーティングを適用する際の温度が高いことが意図されるので、堆積した層の耐摩耗性は、高温で硬質アルミナボールの対向面を用いたボールオンディスクテストを利用し、所定のサイクル数終了後にコーティングの摩耗を測定することにより調査された。図７では、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＴｉＮおよびＡｌＣｒＮとの比較において様々なＡｌＣｒＸＮコーティングの摩耗率が示される。この結果もまた、ＡｌＣｒＷＮ
が集合中で最小の摩耗を有し、それは純粋なＡｌＣｒＮコーティングに対応するものよりさらに小さいことを示す。
【００１６】
先ほど示された機械テスト結果に基づいて、ＡｌＣｒベースのコーティングの挙動はさらに、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷまたはＴａを合金化することによって向上することができる。換言すれば、クロムより重いＶｂおよびＶＩｂのグループからの遷移金属を含むことによる。これらの元素の原子濃度が金属部分の２パーセントから１０パーセントである場合に最良の結果に到達することができるが、原子濃度は１パーセントにまで低く、２０パーセントにまで高くなり得るであろう。これらの合金元素の存在により、究極的には、溶解度が優れ、硬度が向上し、かつ高温での酸化挙動が最適となるのが確実である。これにより、コーティングされた機械的構成部品および切削工具の高温での研磨、拡散および酸化による摩耗を減じる。同様の結果は、ケイ素および／またはホウ素などのメタロイドを少量添加することによっても達成された。また類似の合金炭化物および炭窒化物、酸化炭素などによっても達成されるはずである。したがって、実際の本発明は、下記の全体的な組成：
Ａｌ1-a-b-c-dＣｒaＸbＳｉcＢdＺ
のコーティングを有する、新規なコーティングおよび対応するコーティングされた工具および構成部品に言及し、
ここで、
Ｘは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、またはＴａからの少なくとも１つの元素であり、
Ｚは、Ｎ、Ｃ、ＣＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＣＮＯを意味し、
０．２≦ａ≦０．５
０．０１≦ｂ≦０．２
０≦ｃ≦０．１
０≦ｄ≦０．１
である。
【００１７】
異なるＡｌ／Ｃｒ比を有する２種類のターゲットを用いることにより、または、ＣｒおよびＣｒおよびまたはＣｒ／Ｎ接着層から始め、ＣｒおよびＡｌＣｒターゲットの両方を備えたコーティングチャンバの対応するターゲット出力を例えば連続的にまたは段階的に調整することで層組成に漸進的変化をもたらすことにより、例えば表面に向かってＡｌ容量が増大するような傾斜コーティングを堆積することがさらに可能である。この種のコーティングを産業上適用する際の重要な要因は、実質的にコーティングプロセスの全進行および膜厚全体にわたって、再生産可能なようにプロセスパラメータを調整する能力である。層の厚さの部分または全部にわたってナノ構造を生成するため、すなわちナノまたはマイクロメートル範囲の積層のために、例えば１回転または複数回転する回転基材キャリヤ上で生じる小さな組成変動をさらに利用することができる。
【００１８】
実施例１：工具鋼のフライス切削−荒仕上げ
切削工具：エンドミルＨＳＳ荒削り、直径Ｄ＝１０ｍｍ、歯数ｚ＝４
工作物：工具鋼、Ｘ ４０ ＣｒＭｏＶ ５ １、ＤＩＮ １．２３４４（３６ＨＲＣ）切削パラメータ：
切削速度ｖc＝６０ｍ／分（Ｓ＝１５９２ １／分）
送り速度ｆz＝０．０５ｍｍ／Ｕ（ｆ＝３１８．４ｍｍ／分）
径方向切込み深さａe＝３ｍｍ
軸方向切込み深さａp＝５ｍｍ
冷却：乳濁液５％
プロセス：下向き削り
工具寿命基準：運動量の遮断（フランク摩耗ランド幅ＶＢ＞０．３ｍｍと相関）
【００１９】
【表１】
【００２０】
実施例１は、産業上用いられるＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮおよびＡｌＴｉＮコーティングと比較して増大したＡｌＣｒＮベースのコーティングの工具寿命をメートルで示す。ＡｌＣｒＮｂＮ、ＡｌＣｒＷＮおよびＡｌＣｒＭｏＮは高い硬度および適切な接着を有する表面を与えるので、これらが高速度鋼などの延性型の基材に適用されると極めて有益になり得る。
【００２１】
実施例２：穿孔工具鋼
切削工具：ドリルＨＳＳ（Ｓ ６−５−２）、直径Ｄ＝６ｍｍ
工作物：工具鋼 Ｘ ２１０ Ｃｒ １２、ＤＩＮ １．２０８０（２３０ＨＢ）
切削パラメータ：
切削速度ｖc＝３５ｍ／分
送り速度ｆ＝０．１２ｍｍ
ドリル穴深さｚ＝１５ｍｍ、盲穴
冷却：乳濁液５％
工具寿命規準：運動量の遮断（エッジ摩耗幅ＶＢｃ＞０．３ｍｍと相関）
【００２２】
【表２】
【００２３】
実施例２は、ＨＳＳコーティングドリルにおける様々なＡｌＣｒＸＮコーティングの比較を示す。主要な工具寿命の規準は、予め定められた最大運動量に達するまでに、コーティング厚さにわたって穿設された孔の基準の個数である。Ｎｂ、ＷおよびＭｏ合金のＡｌＣｒベースのコーティングが最良の性能の係数を示した。
【００２４】
実施例３：−低合金鋼のフライス切削−中仕上げ
切削工具：エンドミルカーバイド、直径Ｄ＝８ｍｍ、歯数ｚ＝３
工作物：炭素鋼Ｃｋ４５、ＤＩＮ １．１１９１
切削パラメータ：
切削速度ｖc＝４００ｍ／分
送り速度ｖf＝４７７６ｍｍ／分
径方向切込み深さａe＝０．５ｍｍ
軸方向切込み深さａp＝１０ｍｍ
冷却：乳濁液５％
プロセス：下向き削り
工具寿命基準：フランク摩耗ランド幅ＶＢ＝０．１２ｍｍ
【００２５】
【表３】
【００２６】
実施例３は、平坦な炭素鋼の仕上げ中のコーティングされた超硬合金エンドミルの工具寿命の比較を示す。ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮおよびＡｌＴｉＮコーティングなどの標準的な産業上用いられる層システムが、ｌｆ＝１５０ｍの工具寿命の後に高いフランク摩耗を示す一方で、Ａｌ１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ Ｃｒａ Ｘｂ ＳｉｃＺの公式に基づくコーティングの組合わせでコーティングされた工具は著しく低い摩耗を示した。これらの結果は、Ａｌ1-a-b-c-dＣｒaＸbＳｉcＺコーティングが高速機械加工プロセスで引起こされた高い熱衝撃に十分に抵抗できることを示す。
【００２７】
実施例４：−オーステナイト系ステンレス鋼のフライス切削−荒仕上げ
切削工具：エンドミルカーバイド、直径Ｄ＝１０ｍｍ、歯数ｚ＝４
工作物：オーステナイト系ステンレス鋼 Ｘ ６ ＣｒＮｉＭｏＴｉ １７ １２ ２、ＤＩＮ １．４５７１
切削パラメータ：
切削速度ｖc＝６７ｍ／分
送り速度ｆz＝０．０３３ｍｍ
径方向切込み深さａe＝６ｍｍ
軸方向切込み深さａp＝９ｍｍ
冷却：乳濁液５％
プロセス：下向き削り
工具寿命基準：フランク摩耗ランド幅ＶＢ＝０．２ｍｍ
【００２８】
【表４】
【００２９】
実施例４では、産業上用いられる４つの硬質層システムのステンレス鋼に対する、コーティングされた超硬合金エンドミルの工具寿命の比較を示す。ステンレス鋼の機械加工は、この材料の靭性が高く、作業中に硬化し工具に付着する傾向のために、非常に困難なプロセスである。工具寿命の面からは、ＡｌＣｒＮｂＮ、ＡｌＣｒＭｏＮおよびＡｌＣｒＷＮコーティングを用いると最良の結果に達した。この工具寿命の増大は、Ｎｂ、ＭｏまたはＷを合金したＡｌＣｒＮシステムを用いることで示された、高温での硬度の増大および良好な酸化挙動の両方に関連し得、それが結果として耐摩耗性を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】アルミニウム−クロム−遷移金属窒化物の結晶構造の図である。
【図２】アルミニウム−クロム−遷移金属窒化物のＸ線回折パターンおよび格子定数の図である。
【図３】アルミニウム−クロム−モリブデン窒化物のＸ線回折パターンおよびテクスチャ係数の図である。
【図４】アルミニウム−クロム−遷移金属窒化物によって達成可能な微細構造の図である：（ａ）多結晶（ｂ）テクスチャ化されている（ｃ）ナノ合成物。
【図５】アルミニウム−クロム−遷移金属窒化物の硬度および残留応力の測定値の図である。
【図６】２次イオン質量分析計の深さプロファイル：（ａ）典型的な酸化した表面（ｂ）酸化が不十分な表面（ｃ）最適に酸化した表面。
【図７】アルミニウム−クロム−遷移金属窒化物に対する高温での耐摩耗性のボールオンフラットテストの図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有する工作物であって、前記表面の少なくとも部分が、
Ａｌ1-a-b-c-dＣｒaＸbＳｉcＢdＺの組成のコーティングを含む耐摩耗性のハードコートでコーティングされ、ここで、
Ｘは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、またはＴａからの少なくとも１つの元素であり、
Ｚは、Ｎ、Ｃ、ＣＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＣＮＯからの１つの元素または化合物であり、かつ、
０．２≦ａ≦０．５、
０．０１≦ｂ≦０．２、
０≦ｃ≦０．１、
０≦ｄ≦０．１、
である工作物。
【請求項２】
鋼、高速度鋼、ハードメタル、超硬合金、または他の金属もしくはセラミックスでできた本体を有する、請求項１に記載の工作物。
【請求項３】
工作物は、高温および／または乾燥したツーリング動作用工具である、請求項１に記載の工作物。
【請求項４】
工作物は、工具、切削工具、ドリル、リーマ、ブローチ、インサート、ホブ、ミル、エンドミル、ボールノーズミル、総形バイト、ダイカスト型、射出型、絞り加工工具、深絞り工具、鍛造型である、請求項１に記載の工作物。
【請求項５】
工作物は、過酷な、高温の、潤滑が不十分な、かつ／または乾燥した運転条件のための構成部品である、請求項１に記載の工作物。
【請求項６】
工作物は、構成部品、タペット、弁機構の構成部品、タペット、バケットタペット、弁レバー、ロッカアーム、ピン、ピストンピン、ローラ従動子ピン、ボルト、燃料噴射装置の構成部品、射出ニードル、歯車、ピニオンギヤ、プランジャ、ピストンリングである、請求項１に記載の工作物。
【請求項７】
工作物上に少なくとも１つのＡｌ1-a-b-c-dＣｒaＸbＳｉcＢdＺ膜を堆積させるためのＰＶＤプロセスであって、ここでＸはＮｂ、Ｍｏ、ＷまたはＴａからの少なくとも１つの元素であり、ＺはＮ、Ｃ、ＣＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＣＮＯからの１つの元素または化合物であり、かつ、０．２≦ａ≦０．５、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．１、０≦ｄ≦０．１であって、少なくとも１つの工作物は真空コーティングシステムに設置され、前記システムは低圧アルゴン雰囲気中で動作し、少なくとも１つの反応ガスの少なくとも一時的な添加とともに、少なくとも２つの金属または合金のターゲットを利用し、基材に負の電圧を加える、ＰＶＤプロセス。
【請求項８】
反応ガスは、分圧が約３．５Ｐａの窒素である、請求項７に記載のＰＶＤプロセス。
【請求項９】
基材電圧は−１００Ｖである、請求項７または８のいずれかに記載のＰＶＤプロセス。
【請求項１０】
少なくとも２つのターゲットはＡｌおよびＣｒを含む、請求項７から９のいずれかに記載のＰＶＤプロセス。
【請求項１】
表面を有する工作物であって、前記表面の少なくとも部分が、
Ａｌ1-a-b-c-dＣｒaＸbＳｉcＢdＺの組成のコーティングを含む耐摩耗性のハードコートでコーティングされ、ここで、
Ｘは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、またはＴａからの少なくとも１つの元素であり、
Ｚは、Ｎ、Ｃ、ＣＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＣＮＯからの１つの元素または化合物であり、かつ、
０．２≦ａ≦０．５、
０．０１≦ｂ≦０．２、
０≦ｃ≦０．１、
０≦ｄ≦０．１、
である工作物。
【請求項２】
鋼、高速度鋼、ハードメタル、超硬合金、または他の金属もしくはセラミックスでできた本体を有する、請求項１に記載の工作物。
【請求項３】
工作物は、高温および／または乾燥したツーリング動作用工具である、請求項１に記載の工作物。
【請求項４】
工作物は、工具、切削工具、ドリル、リーマ、ブローチ、インサート、ホブ、ミル、エンドミル、ボールノーズミル、総形バイト、ダイカスト型、射出型、絞り加工工具、深絞り工具、鍛造型である、請求項１に記載の工作物。
【請求項５】
工作物は、過酷な、高温の、潤滑が不十分な、かつ／または乾燥した運転条件のための構成部品である、請求項１に記載の工作物。
【請求項６】
工作物は、構成部品、タペット、弁機構の構成部品、タペット、バケットタペット、弁レバー、ロッカアーム、ピン、ピストンピン、ローラ従動子ピン、ボルト、燃料噴射装置の構成部品、射出ニードル、歯車、ピニオンギヤ、プランジャ、ピストンリングである、請求項１に記載の工作物。
【請求項７】
工作物上に少なくとも１つのＡｌ1-a-b-c-dＣｒaＸbＳｉcＢdＺ膜を堆積させるためのＰＶＤプロセスであって、ここでＸはＮｂ、Ｍｏ、ＷまたはＴａからの少なくとも１つの元素であり、ＺはＮ、Ｃ、ＣＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＣＮＯからの１つの元素または化合物であり、かつ、０．２≦ａ≦０．５、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．１、０≦ｄ≦０．１であって、少なくとも１つの工作物は真空コーティングシステムに設置され、前記システムは低圧アルゴン雰囲気中で動作し、少なくとも１つの反応ガスの少なくとも一時的な添加とともに、少なくとも２つの金属または合金のターゲットを利用し、基材に負の電圧を加える、ＰＶＤプロセス。
【請求項８】
反応ガスは、分圧が約３．５Ｐａの窒素である、請求項７に記載のＰＶＤプロセス。
【請求項９】
基材電圧は−１００Ｖである、請求項７または８のいずれかに記載のＰＶＤプロセス。
【請求項１０】
少なくとも２つのターゲットはＡｌおよびＣｒを含む、請求項７から９のいずれかに記載のＰＶＤプロセス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００８−５０５７７１（Ｐ２００８−５０５７７１Ａ）
【公表日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５２０６４３（Ｐ２００７−５２０６４３）
【出願日】平成１７年７月１４日（２００５．７．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＨ２００５／０００４０４
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００５２１７
【国際公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【出願人】（５９６０１３５０１）オー・ツェー・エリコン・バルザース・アクチェンゲゼルシャフト (55)
【氏名又は名称原語表記】ＯＣ Ｏｅｒｌｉｋｏｎ Ｂａｌｚｅｒｓ ＡＧ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１４日（２００５．７．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＨ２００５／０００４０４
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００５２１７
【国際公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【出願人】（５９６０１３５０１）オー・ツェー・エリコン・バルザース・アクチェンゲゼルシャフト (55)
【氏名又は名称原語表記】ＯＣ Ｏｅｒｌｉｋｏｎ Ｂａｌｚｅｒｓ ＡＧ
【Ｆターム（参考）】
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