特許 6249452 機械加工作業による摩耗の減少を呈する被膜システム及び高性能ツール、並びに、その被膜システムによる被覆方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6249452

(24)【登録日】2017年12月1日

(45)【発行日】2017年12月20日

(54)【発明の名称】機械加工作業による摩耗の減少を呈する被膜システム及び高性能ツール、並びに、その被膜システムによる被覆方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/06 20060101AFI20171211BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20171211BHJP

   B23F 21/16 20060101ALI20171211BHJP

   C23C 14/02 20060101ALI20171211BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20171211BHJP

   C23C 14/32 20060101ALI20171211BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/06 A

   B23B27/14 A

   B23F21/16

   C23C14/02 Z

   C23C14/06 P

   C23C14/34 A

   C23C14/32 A

【請求項の数】14

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-506114(P2015-506114)

(86)(22)【出願日】2013年4月15日

(65)【公表番号】特表2015-514870(P2015-514870A)

(43)【公表日】2015年5月21日

(86)【国際出願番号】EP2013001098

(87)【国際公開番号】WO2013156131

(87)【国際公開日】20131024

【審査請求日】2016年4月13日

(31)【優先権主張番号】61/624,487

(32)【優先日】2012年4月16日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】598051691

【氏名又は名称】エリコン・サーフェス・ソリューションズ・アクチェンゲゼルシャフト，プフェフィコーン

【氏名又は名称原語表記】ＯＥＲＬＩＫＯＮ ＳＵＲＦＡＣＥ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ ＡＧ， ＰＦＡＥＦＦＩＫＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】アルント，ミリヤム

(72)【発明者】

【氏名】レクタレル，マルクス

(72)【発明者】

【氏名】シュタイン，セバスティアン

(72)【発明者】

【氏名】エリクソン，アンデルス・オロフ

【審査官】 山田 頼通

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／０５８６３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−２２４２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８７５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５２１５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０９８４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０５６５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１０１４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１５３１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５０４４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１３３８１４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １４／００−１４／５８

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

Ｂ２３Ｆ ２１／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材の表面上に堆積された被膜システムであって、互いに重なって堆積された交互になったＡナノ層およびＢナノ層から形成された少なくとも１つの多層膜を含み、Ａナノ層はアルミニウムクロムホウ素窒化物からなり、Ｂナノ層はアルミニウムクロム窒化物を含有するものの、ホウ素を含有しておらず、
− Ａナノ層の元素組成、または、Ａナノ層のホウ素含有量が最も多い領域が与えられる場合にはその領域における元素組成は、本質的に式（Ａｌ_ｘＣｒ_{１−ｘ−ｚ}Ｂ_ｚ）Ｎによって定義され、式中、
・ 元素Ａｌ、ＣｒおよびＢのみが計算のために考えられる場合、ｘおよびｚはそれぞれ、原子パーセントでのＡｌの濃度およびＢの濃度であり、
・ ｘ＝５０〜８０原子％、およびｚ＝３〜３０原子％、およびｘ＋ｚ≦９０原子％であり、
および／または
− Ｂナノ層の元素組成は、本質的に式（Ａｌ_ｙＣｒ_１−ｙ）Ｎによって定義され、式中、
・ 元素ＡｌおよびＣｒのみが計算のために考えられる場合、ｙは、原子パーセントでのＡｌの濃度であり、
・ ｙ＝５０〜８０原子％であることを特徴とする、被膜システム。

【請求項2】

被膜システムは、３．０Ｗ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率係数を呈することを特徴とする、請求項１に記載の被膜システム。

【請求項3】

多層膜において互いに重なって堆積された１つのＡナノ層の厚さと１つのＢナノ層の厚さとの合計は、２００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜２の少なくとも１項に記載の被膜システム。

【請求項4】

多層膜において互いに重なって堆積された１つのＡナノ層の厚さに対する１つのＢナノ層の厚さの比率は、２以下であることを特徴とする、請求項１〜３の少なくとも１項に記載の被膜システム。

【請求項5】

被膜システムは、基材表面と多層膜との間に堆積されたベース層を含み、ベース層の元素組成は、本質的に式（Ａｌ_ｗＣｒ_１−ｗ）Ｎによって定義され、式中、
− 元素ＡｌおよびＣｒのみが計算のために考えられる場合、ｗは、原子パーセントでのＡｌの濃度であり、
− ｗ＝５０〜８０原子％であることを特徴とする、請求項１〜４の少なくとも１項に記載の被膜システム。

【請求項6】

基材の表面上に堆積された被膜システムであって、互いに重なって堆積された交互になったＡナノ層およびＢナノ層から形成された少なくとも１つの多層膜を含み、Ａナノ層はアルミニウムクロムホウ素窒化物からなり、Ｂナノ層はアルミニウムクロム窒化物を含有するものの、ホウ素を含有しておらず、被膜システムは、基材表面と多層膜との間に堆積されたベース層を含み、
被膜システムは、ベース層上に堆積された多層構造膜を含み、多層構造膜は、互いに交互に重なって堆積されたＣ層およびＤ層によって形成され、Ｃ層はホウ素を含有していないＡｌＣｒＮ層であり、Ｄ層は、交互になったＡナノ層およびＢナノ層から形成された多層膜であり、
− Ａナノ層の元素組成、または、Ａナノ層のホウ素含有量が最も多い領域が与えられる場合にはその領域における元素組成は、本質的に式（Ａｌ_ｘＣｒ_{１−ｘ−ｚ}Ｂ_ｚ）Ｎによって定義され、式中、
・ 元素Ａｌ、ＣｒおよびＢのみが計算のために考えられる場合、ｘおよびｚはそれぞれ、原子パーセントでのＡｌの濃度およびＢの濃度であり、
・ ｘ＝５０〜８０原子％、およびｚ＝３〜３０原子％、およびｘ＋ｚ≦９０原子％であり、
および／または
− Ｂナノ層の元素組成は、本質的に式（Ａｌ_ｙＣｒ_１−ｙ）Ｎによって定義され、式中、
・ 元素ＡｌおよびＣｒのみが計算のために考えられる場合、ｙは、原子パーセントでのＡｌの濃度であり、
・ ｙ＝５０〜８０原子％であることを特徴とする、被膜システム。

【請求項7】

被膜システムは、ベース層上に堆積された多層構造膜を含み、多層構造膜は、互いに交互に重なって堆積されたＣ層およびＤ層によって形成され、Ｃ層はホウ素を含有していないＡｌＣｒＮ層であり、Ｄ層は、交互になったＡナノ層およびＢナノ層から形成された多層膜であることを特徴とする、請求項５に記載の被膜システム。

【請求項8】

少なくとも多層膜の厚さに沿って、または、ベース層が与えられている場合には少なくともベース層の厚さに沿って、クロム含有量に対するアルミニウム含有量の比率が一定であることを特徴とする、請求項１〜７の少なくとも１項に記載の被膜システム。

【請求項9】

請求項１〜８の少なくとも１項に記載の被膜システムで被覆された基材であって、基材は、被膜システムとの界面に、窒素が豊富な拡散ゾーンを含むことを特徴とする、被覆された基材。

【請求項10】

請求項１〜８の少なくとも１項に記載の被膜システムで基材の表面を被覆するための方法であって、
少なくとも多層膜は、陰極アーク手法、および／またはマグネトロンスパッタリング手法、高電力インパルス・マグネトロンスパッタリング手法といった、物理的気相成長手法によって堆積され、
多層膜を形成するための材料は、Ａナノ層を生成するための、アルミニウム、クロムおよびホウ素を含有する少なくとも１つのターゲット、ならびに、Ｂナノ層を生成するための、アルミニウムおよびクロムを含有する少なくとも１つのターゲットの、窒素含有雰囲気における陰極アークイオンプレーティング蒸着によって提供され、
絶対値で７０Ｖ以上の負のバイアス電圧を基材に印加して、少なくともＢ含有層を堆積させることを特徴とする、方法。

【請求項11】

Ａナノ層を形成するための少なくとも１つのターゲットは、式（Ａｌ_ｉＣｒ_１−ｉ）_１−ｊＢ_ｊによって与えられる原子パーセントでの元素組成を有しており、Ｂナノ層を形成するための少なくとも１つのターゲットは、式（Ａｌ_ｉＣｒ_１−ｉ）によって与えられる原子パーセントでの元素組成を有しており、式中、
− ｉは５０原子％以上８０原子％以下であり、
− ｊは２原子％以上および３０原子％以下であることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

請求項５〜８の少なくとも１項に記載の被膜システムで基材の表面を被覆するための、請求項１０〜１１の少なくとも１項に記載の方法であって、
ベース層は、物理的気相成長手法によって堆積されることを特徴とする、方法。

【請求項13】

ベース層の堆積中に印加される負のバイアス電圧は、堆積中に変更され、最低値ＵＢｉａｓ＿ｌｏｗｅｓｔから最高値ＵＢｉａｓ＿ｈｉｇｈｅｓｔへと増加されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

請求項９に記載の被覆された基材を生成するための、請求項１０〜１３の少なくとも１項に記載の方法であって、
拡散ゾーンは、被膜堆積の前に、窒素雰囲気、または窒素／水素雰囲気、または窒素／水素／アルゴン雰囲気で実行させるプラズマエッチングステップを遂行することによって生成されることを特徴とする、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、機械加工作業による切削工具のクレータ摩耗を減少させるための被膜システムであって、ホブ切りなどの乾式機械加工作業で特に有益であり、複雑でない被膜除去プロセスを用いて切削工具から除去可能である、被膜システムに関する。また、この発明は、この発明に従った被膜システムで表面を被覆するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

切削工具は、乾式または湿式機械加工作業によって使用される場合、非常に異なる摩耗条件にさらされる。

【0003】

たとえば、クレータ摩耗が、速い切削速度での乾式機械加工作業による摩耗の第１の兆候としてしばしば観察される。特にホブ切りによって、クレータ摩耗が切削工具の寿命を大幅に制限することが、観察されてきた。

【0004】

ＡｌＣｒＮ系被膜は現在、乾式機械加工作業によって使用される切削工具の切削性能および寿命を向上させるための確立された被膜システムである。

【0005】

しかしながら、従来技術に従ったＡｌＣｒＮ系被膜を使用することによって達成された現在の改良にもかかわらず、満たす必要がある新たな増加した要件が毎日生じている。

【0006】

ＡｌＣｒＮ系被膜の別の利点は、たとえばＡｌＴｉＮ系被膜を除去するために使用しなければならないプロセスに比べ、より容易で、より安価で、かつ切削工具表面にとってしばしばそれほど有害でない、複雑でない被膜除去プロセスによって、切削工具から除去されるその能力にある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

この発明の目的は、従来技術と比較して、クレータ摩耗、ひいてはフランク摩耗の著しい減少を可能にし、したがって、乾式機械加工作業において、特にホブ切りによって使用される切削工具の切削性能および寿命を著しく向上させる、ＡｌＣｒＮ系被膜システムを提供することである。また、この発明に従って提供される被膜システムは、複雑でない被膜除去プロセスによって切削工具から除去できるはずである。さらに、この発明の目的は、切削工具の被覆に適用できるはずである、この発明に従った被膜システムの生成のための方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この発明の目的は、アルミニウムクロムホウ素窒化物（Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ）ナノ層およびアルミニウムクロム窒化物（Ａｌ−Ｃｒ−Ｎ）ナノ層から形成された多層膜を含み、多層膜は、低い熱伝導率係数、低い研磨摩耗係数、高い硬度、および優れた接着強度のある特定の組合せを呈している、被膜システムを提供することによって達成された。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【発明を実施するための形態】

【0010】

この発明に従った被膜システムの好ましい一実施形態は、３．０Ｗ／ｍ・Ｋ未満、好ましくは２．５Ｗ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率係数を呈することによって特徴づけられる。

【0011】

この発明に従った被膜システムの好ましい一実施形態では、多層膜は、互いに交互に重なって堆積されたＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎナノ層およびＡｌ−Ｃｒ−Ｎナノ層から形成されている。Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎナノ層は、元素組成（Ａｌ_ｘＣｒ_{１−ｘ−ｚ}Ｂ_ｚ）ＮＮを有し、式中、ｘ＝５０〜８０原子％、およびｚ＝５〜３０原子％、およびｘ＋ｚ≦９０原子％、好ましくはｘ＝５０〜７０原子％、およびｚ＝１０〜２０原子％、およびｘ＋ｚ≦８０原子％であり、各Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎナノ層に存在するＡｌ、ＣｒおよびＢの原子の総量が１００原子パーセントであると考えられる場合、ｘおよびｚはそれぞれ、原子パーセントでのＡｌの濃度およびＢの濃度である。Ａｌ−Ｃｒ−Ｎナノ層は、元素組成（Ａｌ_ｙＣｒ_１−ｙ）Ｎを有し、式中、ｙ＝５０〜８０原子％、好ましくは６０〜７０原子％であり、各Ａｌ−Ｃｒ−Ｎナノ層に存在するＡｌおよびＣｒの原子の総量が１００原子パーセントであると考えられる場合、ｙは、原子パーセントでのＡｌの濃度である。

【0012】

この発明に従った被膜システムのさらに好ましい一実施形態では、多層膜におけるＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎナノ層の厚さに対するＡｌ−Ｃｒ−Ｎナノ層の厚さの比率（ＡｌＣｒＮ厚さ／ＡｌＣｒＢＮ厚さ）は、≦２であり、好ましくは約１である。

【0013】

この発明に従った被膜システムのさらに好ましい一実施形態では、多層膜における、２つの互いに重なって堆積されたＡｌ−Ｃｒ−Ｎナノ層およびＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎナノ層の厚さ（ＡｌＣｒＮ厚さ＋ＡｌＣｒＢＮ厚さ）は、≦２００ｎｍ、好ましくは≦１００ｎｍ、より好ましくは≦５０ｎｍ、特に約１０〜３０ｎｍである。

【0014】

この発明に従った被膜システムのより好ましい一実施形態は、多層膜の下にベース層を含み、ベース層は元素組成（Ａｌ_ｗＣｒ_１−ｗ）Ｎを有し、式中、ｗ＝５０〜８０原子％、好ましくは６０〜７０原子％であり、ベース層に存在するＡｌおよびＣｒの原子の総量が１００原子パーセントであると考えられる場合、ｗは、原子パーセントでのＡｌの濃度である。多層膜の厚さに対するベース層の厚さの比率（ベース層厚さ／多層膜厚さ）は、好ましくは２〜５、より好ましくは約３〜４である。

【0015】

この発明に従った被膜システムは、物理的気相成長（physical vapour deposition：ＰＶＤ）法によって特に良好に生成可能である。

【0016】

この発明に従った被膜システムの生成にとって、アークイオンプレーティング（arc ion plating：ＡＩＰ）堆積法が特に有利である。

【0017】

この発明に従った被膜システムの生成のための被覆方法の好ましい一実施形態は、基材表面上に被膜を形成するための材料が、窒素雰囲気におけるＡｌ−ＣｒターゲットおよびＡｌ−Ｃｒ−Ｂターゲットのアーク蒸着によって提供される、アークイオンプレーティング法である。

【0018】

この発明に従った被膜システムの生成のための被覆方法のさらに好ましい一実施形態は、被膜堆積の前に、基材に拡散ゾーンを作り出すために、窒素雰囲気、または窒素／水素雰囲気、または窒素／水素／アルゴン雰囲気で実行されるプラズマエッチングステップを含む。

【実施例】

【0019】

この発明に従って、ホブ切りツールを、アークイオンプレーティング被覆機械で被覆した。基材を被覆チャンバに導入し、被覆チャンバを０．４Ｐａ未満まで減圧し、基材をアルゴン雰囲気またはアルゴン／水素雰囲気でそれぞれ加熱し、エッチングして、この発明に従ったベース層と多層膜とからなる被膜システムを基材上に堆積させた。被膜堆積のために、たとえば原子パーセントで以下の元素組成：Ａｌ_５２Ｃｒ_２８Ｂ_２０およびＡｌ_５０Ｃｒ_５０、またはＡｌ_５２Ｃｒ_２８Ｂ_２０およびＡｌ_７０Ｃｒ_３０、またはＡｌ_７０Ｃｒ_２０Ｂ_１０およびＡｌ_５０Ｃｒ_５０、またはＡｌ_７０Ｃｒ_２０Ｂ_１０およびＡｌ_７０Ｃｒ_３０をそれぞれ有するＡｌ−Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットおよびＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットを使用した。いくつかの場合では、まずＡｌ−Ｃｒ−Ｎベース層を堆積させた後、多層Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ膜を堆積させ、他の場合では、多層Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ膜のみを堆積させた。ベース層の堆積のために、Ａｌ−Ｃｒターゲットからの材料のみを蒸着させた。被覆チャンバ内での基材の回転運動によってＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎナノ層およびＡｌ−Ｃｒ−Ｎナノ層それぞれを互いに交互に重なって堆積させるために、Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットおよびＡｌ−Ｃｒ合金ターゲットを、被覆機械内に戦略的に配置した。それに応じて、最も効率的なプロセスと、異なる層および／またはそれぞれのナノ層に関する所望の厚さ関係と、同時に適切な機械的特性とを得るために、Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−ＮターゲットおよびＡｌ−Ｃｒ−Ｎターゲットの蒸着のためのアーク電流を選択した。

【0020】

発明者らは、Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ被膜はＡｌ−Ｃｒ−Ｎ被膜よりも低い圧縮応力を呈すること、およびＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ被膜はある程度多孔質であることを発見した。さらに、Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ被膜におけるホウ素含有量を増加させることにより、圧縮応力の減少が観察された。しかしながら、低すぎる圧縮応力は、機械加工作業における用途にとって不利になる場合もある。この理由により、発明者らは、膜における圧縮応力を増加させるために、基材にバイアス電圧を印加した。驚くべきことに、発明者らは、Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ層の堆積中に少なくとも７０Ｖの、好ましくは７０Ｖよりも大きい基材バイアス電圧を印加することによって、特に高い密度（多孔性を回避）、並外れて低い熱伝導率係数、および好適な圧縮応力を同時に有する、特に興味深いＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ層を生成できることを発見した。したがって、発明者らは、バイアス電圧およびホウ素含有量を調節することによって、密度、熱係数、および圧縮応力に関し、規定された用途にとって最も好適な特性を有するＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ層を堆積できた。このため、たとえば、約２．０Ｗ／ｍ・Ｋという非常に低い熱伝導率係数を呈するＡｌ_５２Ｃｒ_２８Ｂ_２０ターゲットから、Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ層を堆積できた。

【0021】

発明者らはまた、この発明に従ったＡｌ−Ｃｒ−Ｎベース層を堆積させることによって、基材バイアス電圧をより低い値Ｕ_{Ｂｉａｓ＿ｌｏｗ}からより高い値Ｕ_{Ｂｉａｓ＿ｈｉｇｈ}へと変更することにより、特に良好な被膜の機械的特性および接着強度が得られることを発見した。基材バイアス電圧は、連続的にまたは段階的に増加可能である。

【0022】

この発明に従った被膜システムを堆積させるための被覆方法のさらなる一実施形態は、堆積中に基材バイアス電圧をより低いバイアス電圧からより高いバイアス電圧へと徐々にまたは段階的に、たとえば少なくとも２段階で変更する、ベース層の堆積を伴う。好ましくは、Ｕ_{Ｂｉａｓ＿ｌｏｗｅｓｔ}≦４・Ｕ_{Ｂｉａｓ＿ｈｉｇｈｅｓｔ}である。

【0023】

この発明に従った被膜システムを用いて達成可能な、切削工具寿命の非常に印象的な向上を、例示的な切削試験の結果を提示することによってさらに示す。

【0024】

例示的な切削試験：
係数ｍ_ｎ＝２．５５７ｍｍ、圧力角α_ｎ０＝１７．５°、および直径ｄ_ａ０＝１１０ｍｍを有する同期フライス加工用のＰＭ−ＨＳＳホブ ｓ３９０ ボーラー（Bohler）を、以下の３つの異なる被膜システムで被覆した：
− 比較被膜１：基本的に（Ａｌ_７０Ｃｒ_３０）Ｎからなる、従来技術に従った被膜システム；
− 比較被膜２：（Ａｌ_７０Ｃｒ_３０）Ｎ層およびＡｌ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｗ−Ｎ層を含有する多層被膜からなる、従来技術に従った被膜システム；ならびに
− この発明の被膜：本質的に窒素を含む雰囲気でＡｌ_７０Ｃｒ_３０ターゲットから堆積された本質的にＡｌ−Ｃｒ−Ｎのベース層と、本質的に互いに交互に重なって堆積されたＡｌ−Ｃｒ−Ｎナノ層およびＡｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎナノ層から形成された多層膜とを有し、Ａｌ−Ｃｒ−Ｎナノ層はＡｌ_７０Ｃｒ_３０ターゲットから堆積され、Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎナノ層は、Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎナノ層の堆積のために、本質的に窒素を含む雰囲気でＡｌ_７０Ｃｒ_２０Ｂ_１０ターゲットから堆積された、この発明に従った被膜システム。Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎナノ層の堆積のために、７０Ｖよりも大きいバイアス電圧を基材に印加した。

【0025】

上述の比較被膜１、比較被膜２、およびこの発明の被膜で被覆された切削工具を、以下の切削条件による１６ＭｎＣｒ５（硬度：１６０ＨＢ）のフライホブ切りによって試験した：
− 乾式
− Ｖ_ｃ＝２４０ｍ／分
− ｆ_ａ＝４．８ｍｍ
− Ｈ_{ＣＵ，ｍａｘ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ＳＰＡＲＴＡ}＝０．２５ｍｍ
− 工具寿命基準：クレータ摩耗深さ（ＫＴ）またはフランク摩耗ＶＢ_ｍａｘ≧１５０μｍ。

【0026】

図１に示すように、この発明に従った被膜を使用することにより、確立された従来技術の被膜と比較して、切削性能を著しく向上させること、および工具寿命の恐るべき増大を達成することが可能である。

【0027】

熱伝導率、研磨摩耗抵抗、および硬度：
デービッド Ｇ．カーヒル（David G. Cahill）教授が、Rev. Sci. Instrum. 75, 5119 (2004)で発表した「時間領域熱反射のための層状構造における熱流の分析」（Analysis of heat flow in layered structures for time-domain thermoreflectance）という題の自身の論文で提案し、記載した測定手法によって、この発明の範囲内で、異なる被膜層の熱伝導率係数を測定した。

【0028】

加えて、ＤＩＮ Ｖ ＥＮＶ １０７１に従ったタイプｋａｌｏＭＡＸ ＮＴの研磨摩耗試験器を用いて、同じ被膜層の研磨摩耗係数を求めた。この方法によれば、ボールが、ゴム車輪を有するシャフトによって駆動され、試料に沿って滑動する。水平軸に対する試料ホルダーの角度とボールのサイズとが、ボールと試料表面との間の印加された負荷を決定する。スラリーがボールの中心に供給されて接触領域へと動かされ、ボールは試料にクレーターを研削する。クレーターの直径を測定することにより、除去された材料の量を計算し、また、負荷、摺動距離、および摩耗クレーターの体積から、摩耗係数を計算する。この測定手法は湿度および温度に極めて依存するため、室温２０℃、湿度３９％の気候制御室で、直径３０ｍｍのボール、粒径１μｍの酸化アルミニウム粒子を含有するスラリーを使用して、１００ｒｐｍの滑動速度で、試験を行なった。

【0029】

表１に、比較被膜１、比較被膜２、この発明の被膜、単層Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ被膜、および単層Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ被膜の熱伝導率係数、ビッカース硬度値、および研磨摩耗係数を示す。単層Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ被膜は、本質的に窒素を含む雰囲気で、７０Ｖよりも大きいバイアス電圧を用いて、原子パーセントでの元素組成が５２：２８：２０であるＡｌ−Ｃｒ−Ｂターゲットから堆積された。単層Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ被膜は、本質的に窒素を含む雰囲気で、原子パーセントでの元素組成が５０：５０であるＴｉ−Ａｌターゲットから堆積された。

【0030】

表１で観察できるように、この発明の被膜は、膜特性の非常に良好な組合せを呈しており、それらの膜特性は、被膜構成が異なるにもかかわらず、単層Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ被膜の膜特性に驚くほどよく似ている。

【0031】

にもかかわらず、多層Ａｌ−Ｃｒ−Ｎ／Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ膜を含む、および／または多層Ｃｒ−Ａｌ−Ｎ／Ｃｒ−Ａｌ−Ｂ−Ｎ膜とＣｒ−Ａｌ−Ｎベース層とを含む、この発明に従って堆積された被膜は、単層Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ被膜よりも良好な切削性能を呈する。

【0032】

【表1】

【0033】

この発明の文脈では、個々のナノ層ＡおよびＢの厚さは、好ましくは２００ｎｍ以下、より好ましくは１００ｎｍ以下である。

【0034】

できるだけ低い熱伝導率係数を有するホウ素含有層を生成するために、この発明に従った（Ａｌ_ｘＣｒ_{１−ｘ−ｚ}Ｂ_ｚ）Ｎ層における最も高いホウ素濃度は、５原子％未満であってもよいが、好ましくは２原子％以上であってもよい。この発明に従った低い熱伝導率係数を有する被膜は、速い切削速度（Ｖｃ＞２００ｍ／分）での切削プロセス中の結果である高温にさらされる切削工具における熱負荷を減少させるために非常に有利である。この発明に従って生成された被膜のこの属性は、ＨＳＳホブなどの高速度鋼で作られた切削工具におけるクレータ摩耗を減少させるために特に有益である。なぜなら、クレータ摩耗は基本的に、高すぎる熱負荷に起因して、これらの種類の切削工具に生じるためである。

【0035】

この発明の文脈では、アルミニウムクロムホウ素窒化物（Ａｌ−Ｃｒ−Ｂ−Ｎ）ナノ層はＡナノ層と呼ばれ、アルミニウムクロム窒化物（Ａｌ−Ｃｒ−Ｎ）ナノ層はＢナノ層と呼ばれる。Ａナノ層およびＢナノ層はそれぞれ、アルミニウム、クロム、ホウ素および窒素、または、アルミニウム、クロムおよび窒素を本質的に含有している。しかしながら、Ａナノ層およびＢナノ層は少量の他の元素を含んでいてもよいが、これらのＡ層およびＢ層における少量の他の元素は、Ａ層ではアルミニウム、クロムおよびホウ素の合計の、Ｂ層ではアルミニウムおよびクロムの合計の、原子パーセントでの総濃度の５％を上回ってはならない。

【0036】

多層膜を形成するＡナノ層およびＢナノ層が、Ａナノ層およびＢナノ層をそれぞれ生成するために、被覆される基材表面が被膜チャンバ内で、表面がＡｌＣｒＢ含有ターゲットおよびＡｌＣｒ含有ターゲットに交互にさらされるような態様で回転されるように実行されたＰＶＤ反応性プロセスによって生成される場合、以下の事項が理解される：
− 前述のように本質的に式（Ａｌ_ｘＣｒ_{１−ｘ−ｚ}Ｂ_ｚ）Ｎおよび（Ａｌ_ｙＣｒ_１−ｙ）Ｎに対応する元素濃度を有するＡナノ層とＢナノ層との間には、アルミニウムクロムホウ素および窒素を含有するものの、ホウ素濃度がより低い領域があるかもしれず、十中八九、これらの領域におけるホウ素濃度は段階的である。この領域では、ホウ素濃度は３原子％未満であってもよい。しかしながら、この場合、式（Ａｌ_ｘＣｒ_{１−ｘ−ｚ}Ｂ_ｚ）Ｎにおけるｚ≧３％、好ましくはｚ≧５％という条件は、Ａナノ層のホウ素含有量が最も多い領域で参照される。

【0037】

この発明に従った被膜システムのさらに好ましい一実施形態では、原子パーセントでのクロム含有量に対するアルミニウム含有量の比率は、アルミニウムクロムホウ素窒化物およびアルミニウムクロム窒化物をそれぞれ本質的に含有する、交互になったＡナノ層およびＢナノ層から形成された多層膜の厚さに沿って、一定に維持される。この発明の本実施形態に従った被膜システムが、同様にアルミニウムおよびクロムを含むベース層も含む場合、ベース層は、クロム含有量に対するアルミニウム含有量の比率が多層膜での比率と同じとなるように生成される。

【0038】

いくつかの切削作業にとっては、多層膜の厚さに対するベース層の厚さの比率（ベース層厚さ／多層膜厚さ）が約０．２５以上、好ましくは約０．５以上であるこの発明に従った被膜システムで被覆された切削工具を使用することによって、非常に良好な切削性能も達成可能である。

【0039】

この発明に従った被膜システムのさらに好ましい一実施形態は、被膜システムの総厚に沿って、Ａナノ層およびＢナノ層で作られた２つ以上の多層膜を含む。

【0040】

２つ以上の多層膜を含むこの好ましい実施形態の好ましい一変形例では、被膜システムは切削工具の表面上に堆積され、被膜システムは、基材表面上に堆積されたアルミニウムクロム窒化物で作られたベース層と、ベース層上に堆積された多層構造膜とを含み、多層構造膜は、互いに交互に重なって堆積されたＣ層およびＤ層によって形成され、Ｃ層はホウ素を含有していないＡｌＣｒＮ層であり、Ｄ層は、交互になったＡナノ層およびＢナノ層で作られた多層膜である。

【0041】

この好ましい実施形態のもう１つの好ましい変形例では、被膜システムが堆積される切削工具の表面は、窒素が豊富なゾーンである。

【0042】

この発明に従った、被覆されるべき工具基材表面における窒素が豊富なゾーンの生成は、工具クレータ摩耗を減少させるために著しく寄与する。

【0043】

この発明に従った被膜システムを生成するための好ましい一方法はＰＶＤ法であり、ＰＶＤ法では、Ａナノ層およびＢナノ層の生成のための元素であるアルミニウム、クロムおよびホウ素が、（Ａｌ_ｉＣｒ_１−ｉ）_１−ｊＢ_ｊおよび（Ａｌ_ｉＣｒ_１−ｉ）という原子パーセントでの元素組成をそれぞれ有するターゲットから生じ、式中、
− ｉは好ましくは５０原子％以上８０原子％以下であり、より好ましくはｉは７０原子％であり、
− ｊは好ましくは２原子％以上３０原子％以下である。

【0044】

この発明に従った被膜システムで基材を被覆するには、特に高電力インパルス・マグネトロンスパッタリング（high power impulse magnetron sputtering ：ＨＩＰＩＭＳ）手法を含むマグネトロンスパッタリングプロセスも好適である。

【0045】

さらに、粉末冶金によって作られたターゲットが、この発明に従った被膜システムの生成にとって特に好適である。

【0046】

特に、この発明に従った被膜システム、被覆された基材、被膜システムで基材を被覆するための方法の最も好ましい実施形態は、請求項１〜１５に記載されている。

【図1】