特許 7101691 金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる硬質材コーティング体、および該物体の製造方法

(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】

(24)【登録日】2022-07-07

(45)【発行日】2022-07-15

(54)【発明の名称】金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる硬質材コーティング体、および該物体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 16/08 20060101AFI20220708BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20220708BHJP

   C23C 16/36 20060101ALI20220708BHJP

【ＦＩ】

C23C16/08

B23B27/14 A

C23C16/36

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019543349

(86)(22)【出願日】2018-02-02

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-03-12

(86)【国際出願番号】 EP2018052635

(87)【国際公開番号】W WO2018146013

(87)【国際公開日】2018-08-16

【審査請求日】2020-11-27

(31)【優先権主張番号】102017102642.8

(32)【優先日】2017-02-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】594102418

【氏名又は名称】フラウンホーファー－ゲゼルシャフト ツル フェルデルング デル アンゲヴァンテン フォルシュング エー ファウ

【氏名又は名称原語表記】Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ－Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｚｕｒ Ｆｏｅｒｄｅｒｕｎｇ ｄｅｒ ａｎｇｅｗａｎｄｔｅｎ Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ ｅ．Ｖ．

【住所又は居所原語表記】Ｈａｎｓａｓｔｒａｓｓｅ ２７ｃ， Ｄ－８０６８６ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】インゴルフ エンドラー

(72)【発明者】

【氏名】マンディ ヘーン

【審査官】宮崎 園子

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１５－５０５９０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ １６／０８

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

Ｃ２３Ｃ １６／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法による一層または多層の層系を有する、金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる硬質材コーティング体であって、前記一層または多層の層系が、総組成（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）（式中、０．７＜ｘ≦０．９９および０．０１≦ｙ＜０．３および０．４＜ａ＜０．９および０．１＜ｂ＜０．６および０．０１＜ｃ≦０．１）を有する少なくとも１つのナノコンポジット層を含有し、前記ナノコンポジット層が、１０ｎｍから２０ｎｍという結晶子サイズを有する立方晶オキシ炭窒化チタンからなる第１のナノ結晶相と、オキシ炭窒化ケイ素またはオキシ炭化ケイ素からなる第２の非晶質相とを有し、かつＴｉ－Ｏ結合およびＳｉ－Ｏ結合が形成されており、かつ前記ナノコンポジット層が、０．００１から１原子％の間の塩素含有量を有する硬質材コーティング体。

【請求項2】

複数のナノコンポジット層が配置されている、請求項１記載の硬質材コーティング体。

【請求項3】

１つまたは複数の前記ナノコンポジット層が、Ｓｉ／Ｔｉ原子比に関して勾配を有する、請求項１記載の硬質材コーティング体。

【請求項4】

少なくとも１つのナノコンポジット層がラメラ構造を有する、請求項１記載の硬質材コーティング体。

【請求項5】

ラメラ構造を有する前記層が、５０ｎｍから５００ｎｍの間の厚さをもつラメラを有する、請求項４記載の硬質材コーティング体。

【請求項6】

ラメラ構造を有する前記層が、Ｓｉ／Ｔｉ原子比が異なるラメラを有する、請求項４記載の硬質材コーティング体。

【請求項7】

前記ナノコンポジット層が、３０００ＨＶから４０００ＨＶの硬さ、有利には３３００ＨＶから３６００ＨＶの硬さを有する、請求項１記載の硬質材コーティング体。

【請求項8】

前記ナノコンポジット層が、１μｍから１０μｍの層厚、有利には４μｍから７μｍの層厚を有する、請求項１記載の硬質材コーティング体。

【請求項9】

１つまたは複数のカバー層および／または結合層が存在する、請求項１記載の硬質材コーティング体。

【請求項10】

前記カバー層および／または結合層が、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｒおよび／またはＡｌの１つまたは複数の窒化物、炭化物、炭窒化物、オキシ窒化物、オキシ炭化物、オキシ炭窒化物、酸化物またはそれらの元素の混合相からなる、請求項９記載の硬質材コーティング体。

【請求項11】

請求項１から１０までのいずれか１項記載の金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる硬質材コーティング体を製造するための方法であって、プラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法を用いて、ＴｉＣｌ_４、１つまたは複数の塩化ケイ素、ＣＨ_３ＣＮ、Ｈ_２、ＣＯ、および／またはＣＯ_２からなるガス混合物中において、７００℃から９５０℃の間の温度および０．１ｋＰａから０．１ＭＰａの間の圧力において、少なくとも１つの（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層を蒸着させ、ガス相中の塩化ケイ素および塩化チタンの原子比Ｓｉ／Ｔｉが、１を超えるように選択される、前記方法。

【請求項12】

ガス混合物にＮ_２を添加する、請求項１１記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる硬質材コーティング体、ならびに該物体の製造方法に関する。本発明による硬質材層は、例えば、切削工具用の摩耗保護層として、タービンブレード用の保護層として、またはマイクロエレクトロニクスでの拡散バリアとして使用できる。

【0002】

超硬合金工具およびセラミック工具は、今日では、工具の寿命を決定的に高める様々な摩耗保護層を有する。その摩耗保護層の特性、例えば、高硬度ならびに優れた耐酸化性および温度安定性により、工具が保護され、性能が明らかに高まる。

【0003】

従来技術からすでに多数の硬質材層が公知である。それらの硬質材層は、組成、構造、および特性に関して異なる。

【0004】

摩耗保護層としては、例えば、ＴｉＳｉＣＮまたはＴｉＳｉＣＮＯからなる硬質材層が公知であり、その製造にはＰＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法を使用する。

【0005】

特開２００４－０７４３６１号公報（ＪＰ ２００４ ０７４ ３６１ Ａ）からは、基板上に配置された表面コーティングが公知であり、ただし、その表面コーティングは、（Ｍ_ｘＳｉ_ｙ）の窒化物、炭窒化物、オキシ窒化物、またはオキシ炭窒化物からなる。Ｍは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａであり、０．１≦ｙ≦０．８が当てはまり、ただしｘ＋ｙ＝１である。コーティングされた硬質材工具は、基板表面からコーティング表面に向かって連続的または徐々に変化する表面コーティング硬度を有する。

【0006】

特開２００４－１１４２１９号公報（ＪＰ ２００４ １１４ ２１９ Ａ）からは、基板上に配置された表面コーティングが公知であり、ただし、その表面コーティングは、（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）から形成されており、０．１≦ｙ≦０．８（ｘ＋ｙ＝１）、０≦ａ≦０．６および０≦ｂ≦１．０および０≦ｃ≦０．５（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）の組成を有する。表面層中のＣの量は、基板の表面側からコーティングの表面に向かって連続的に上昇する。

【0007】

欧州特許出願公開第１３８２７０９号明細書（ＥＰ １ ３８２ ７０９ Ａ１）からは、ナノコンポジット構造を有する、ＴｉＳｉＣＮ層またはＴｉＳｉＣＮＯ層による単層が形成される多層コーティングが公知である。その層は、結晶子サイズが０．１ｎｍから１０ｎｍの間の立方晶ＴｉＳｉＣＮ相または立方晶ＴｉＳｉＣＮＯ相、ならびにＳｉの非晶質の窒化物、炭化物、炭窒化物、オキシ窒化物、オキシ炭窒化物からなる。すべての層はＰＶＤを用いて製造される。

【0008】

もっとも、ＰＶＤ法を用いて製造したＴｉＳｉＣＮＯ層は、最大限１０ＧＰａという低い硬度を有することが公知である（Zheng, Y等：「Evaluation of mechanical properties of Ti(Cr)Si(O)N coated cermented carbide tools」、真空90（2013）50）。前記の層での硬度が低い理由は、多量の酸素混入（Ｓａｕｅｒｓｔｏｆｆｅｉｎｂａｕ）が結晶質のＴｉＯ化合物および低い硬度をもたらすことに見出される一方で、それにより、良好な生体適合性が達成される。

【0009】

国際公開第２００８／１２９５２８号（ＷＯ ２００８ １２９ ５２８ Ａ２）からは、クロム、バナジウム、およびケイ素のリストからの少なくとも１つの合金元素で合金化されたチタンベース硬質材からなる少なくとも１つの層を有する、コーティングされた金属基板が公知である。合金元素の全量は、金属含有量の１％から５０％の間にあり、ただし、その層は、一般式（Ｔｉ_{１００－ａ－ｂ－ｃ}Ｃｒ_ａＶ_ｂＳｉ_ｃ）Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚを有する。この層はＣＶＤ法を用いて製造される。記載されるＣＶＤ法は、合金元素Ｃｒ、Ｖ、Ｓｉが常に低い量で添加される中温域工程である。さらに、塩化ケイ素の分圧が、金属塩化物ＴｉＣｌ_４の分圧の０．１％から３０％であると記載されている。

【0010】

独国特許出願公開第１０２０１１０８７７１５号明細書（ＤＥ １０ ２０１１ ０８７ ７１５ Ａ１）からは、ＴｉＳｉＣＮコンポジット層、または少なくとも１つのＴｉＳｉＣＮコンポジット層を含有する多層層系でコーティングされた、金属、超硬合金、サーメットまたはセラミックスからなる硬質材コーティング体が公知であり、ただし、ＴｉＳｉＣＮコンポジット層は、ＴｉＣ_ｘＮ_１－ｘからなるナノ結晶相と非晶質ＳｉＣ_ｘＮ_ｙからなる第２の相とを含有し、付加的なプラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法を用いて製造されている。さらに、かかる金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる硬質材コーティング体を製造するための方法が記載されており、その方法では、１つまたは複数のハロゲン化チタン、１つまたは複数の含ケイ素前駆体、水素、ならびに炭素原子および窒素原子を含む反応性化合物、および／または窒素化合物、および／または炭化水素、および／または不活性希ガスを含有するガス混合物中において、７００℃から１１００℃の間の温度および１０Ｐａから１０１．３ｋＰａの間の圧力における、付加的なプラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法を用いて、物体上にＴｉＳｉＣＮコンポジット層を蒸着させる。

【0011】

公知の解決策での不利点は、ＴｉＳｉＣＮ層への酸素混入が、硬度および耐酸化性の低下をもたらすため、不十分な耐摩耗性をもたらし、かつ硬質材層を生み出すための方法に労力とコストがかかることである。さらに、従来のＣＶＤ法では、酸素混入が無制御に起こる。

【0012】

本発明の課題は、高硬度および耐酸化性に加えて、抜群の耐摩耗性を有する硬質材層を提供することである。この課題に含まれるのは、工業条件下でもかかる硬質材層の製造を低コストで可能にする方法の提供である。

【0013】

この課題は、特許請求項の特徴によって解決され、ただし、本発明は、個々の従属特許請求項が互いを排除しない限り、ＡＮＤ組み合わせ（ＵＮＤ－Ｖｅｒｋｎｕｅｐｆｕｎｇ）の趣旨での個々の従属特許請求項の組み合わせも含む。

【0014】

本発明によると、プラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法により一層または多層の層系でコーティングされている、金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる硬質材コーティング体が提供され、ただし、その一層または多層の層系は、総組成（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）（式中、０．７＜ｘ≦０．９９および０．０１≦ｙ＜０．３および０．４＜ａ＜０．９および０．１＜ｂ＜０．６および０．０１＜ｃ≦０．１）を有する少なくとも１つのナノコンポジット層を含有し、ただし、そのナノコンポジット層は、１０ｎｍから１００ｎｍという結晶子サイズを有する立方晶オキシ炭窒化チタンからなる第１のナノ結晶相と、オキシ炭窒化ケイ素またはオキシ炭化ケイ素からなる第２の非晶質相とを有し、ただし、ナノコンポジット層が、０．００１から１原子％の間の塩素含有量を有する。

【0015】

有利には、複数のナノコンポジット層が配置されている。

【0016】

硬質材コーティング体において、その、１つまたは複数のナノコンポジット層が、Ｓｉ／Ｔｉ原子比に関して勾配を有すると同じく有利である。

【0017】

有利な一実施形態では、少なくとも１つのナノコンポジット層がラメラ構造を有し、ただし、有利には、ラメラ構造を有する層が、５０ｎｍから５００ｎｍの間の厚さをもつラメラを有する。ラメラ構造を有する層が、Ｓｉ／Ｔｉ原子比が異なるラメラを有する場合も有利である。

【0018】

ナノコンポジット層が、３０００ＨＶから４０００ＨＶの硬度、とりわけ有利には３３００ＨＶから３６００ＨＶの硬度を有する場合も同じく有利である。

【0019】

さらに、ナノ結晶相が１０ｎｍから２０ｎｍの結晶子サイズを有する場合が有利である。

【0020】

硬質材コーティング体の有利な一実施形態では、ナノコンポジット層が、１μｍから１０μｍの層厚、とりわけ有利には４μｍから７μｍの層厚を有する。

【0021】

１つまたは複数のカバー層および／または結合層が存在する場合も有利であり、ただし、有利には、カバー層および／または結合層が、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｒおよび／またはＡｌの１つまたは複数の窒化物、炭化物、炭窒化物、オキシ窒化物、オキシ炭化物、オキシ炭窒化物、酸化物またはそれらの元素の混合相からなる。

【0022】

本発明によると、金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる硬質材コーティング体を製造するための、プラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法を用いて、ＴｉＣｌ４、１つまたは複数の塩化ケイ素、ＣＨ_３ＣＮ、Ｈ_２、ＣＯ、および／またはＣＯ_２からなるガス混合物中において、７００℃から９５０℃の間の温度および０．１ｋＰａから０．１ＭＰａの間の圧力において、少なくとも１つの（ＴｉｘＳｉｙ）（ＣａＮｂＯｃ）ナノコンポジット層を蒸着させる方法が提供され、ただし、ガス相中の塩化ケイ素および塩化チタンの原子比Ｓｉ／Ｔｉが、１を超えるように選択される。

【0023】

有利には、ガス混合物にＮ_２を添加する。

【0024】

本発明による解決策を用いると、金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる物体用の、高硬度および耐酸化性に加えて抜群の耐摩耗性を有する硬質材コーティングが提供される。本発明による硬質材コーティングは、プラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法を用いて製造されるため、工業条件下でもかかる硬質材コーティング体の製造が低コストで可能になる。

【0025】

プラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法により、金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる物体上に、一層または多層の層系を蒸着させ、ただし、その一層または多層の層系は、総組成（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）（式中、０．７＜ｘ≦０．９９および０．０１≦ｙ＜０．３および０．４＜ａ＜０．９および０．１＜ｂ＜０．６および０．０１＜ｃ≦０．１）を有する少なくとも１つのナノコンポジット層を有する。

【0026】

そのナノコンポジット層は、立方晶オキシ炭窒化チタンからなる第１のナノ結晶相を有し、ただし、その結晶子は、１０ｎｍから１００ｎｍというサイズで存在する。さらに、本発明によるナノコンポジット層は、オキシ炭窒化ケイ素またはオキシ炭化ケイ素からなる第２の非晶質相を有する。

【0027】

ナノコンポジット層中に２つの異なる相、つまり立方晶オキシ炭窒化チタンからなるナノ結晶相とオキシ炭窒化ケイ素またはオキシ炭化ケイ素からなる第２の非晶質相とが存在することにより、耐摩耗性および耐酸化性に関して特に優れた特性が達成される。

【0028】

この二相ナノコンポジット構造が、ナノコンポジット層の特に高い硬度値をもたらすのに対して、オキシ炭窒化ケイ素またはオキシ炭化ケイ素からなる非晶質相の存在により、本質的に改善された耐酸化性が達成される。

【0029】

さらに、ナノコンポジット層中における、０．００１から１原子％の間の低い塩素含有量に基づき、ナノコンポジット層の分解が回避される。

【0030】

有利には、硬質材コーティング体が、複数のナノコンポジット層を有することも可能であり、ただし、個々のナノコンポジット層のうちの１つのみが、それだけで、Ｓｉ／Ｔｉ原子比に関して勾配を有することが可能である。しかしながら、複数の個々のナノコンポジット層からなり得るナノコンポジット層全体が、Ｓｉ／Ｔｉ原子比に関して勾配を有することも可能である。少なくとも１つのナノコンポジット層中においてＳｉ／Ｔｉ原子比に関する勾配を考慮することにより、硬質材コーティング体の摩耗特性が個別に調整され、それにより、例えば、硬質材コーティング体の寿命が本質的に改善されることが達成される。

【0031】

少なくとも１つのナノコンポジット層がラメラ構造を有する場合に、さらに改善された機械特性が達成され、ただし、そのラメラは、５０ｎｍから５００ｎｍの厚さおよび異なるＳｉ／Ｔｉ原子比を有する。

【0032】

少なくとも１つのナノコンポジット層中におけるかかるラメラ構造の利点は、そのナノコンポジット層内での亀裂伝播が阻まれることにある。それにより、例えば、摩耗保護層および工具の寿命が本質的に改善される。

【0033】

本発明による、硬質材層のナノ結晶構造、ならびにＣＯおよび／またはＣＯ_２の適切な使用により、３０００ＨＶ［０．０１］から４０００ＨＶ［０．０１］、特に３３００ＨＶ［０．０１］から３６００ＨＶ［０．０１］という特に高い硬度値が達成される。さらに、特別な含酸素前駆体の使用、および本発明による、プラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法の使用により、有利な一形態では、立方晶オキシ炭窒化チタンからなるナノ結晶相が、１０ｎｍから２０ｎｍの結晶子サイズを有することが達成できた。

【0034】

ナノコンポジット層は、有利には、１μｍから１０μｍの層厚、特に有利な一実施形態では４μｍから７μｍの層厚を有する。本発明による、プラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法、およびそれに伴う、金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる物体をコーティングする際のプロセスパラメータにより、そのような有利な、各使用範囲および用途に対して個別に調整される層厚を製造することが可能である。さらに、本発明の方法により、複雑な形状、アンダーカット、穿孔、および物体の接近しにくい領域も、本発明によるナノコンポジット層でコーティングすることが可能であり、その結果、本質的に幅広い使用範囲が可能になる。

【0035】

コーティングされる物体と本発明によるナノコンポジット層との間に１つまたは複数の結合層が存在し、かつ／またはナノコンポジット層上に１つまたは複数のカバー層が塗布されている場合が特に有利である。１つまたは複数の結合層の使用により、特に、金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる物体上での本発明によるナノコンポジット層の本質的にさらに良好な付着が実現される。１つまたは複数のカバー層の塗布は、耐酸化性のさらなる上昇、または層と加工材料との間の摩擦の低下を可能にし、その結果、例えば、摩耗保護層の本質的に改善された寿命が達成される。有利には、カバー層および／または結合層が、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｒおよび／またはＡｌの１つまたは複数の窒化物、炭化物、炭窒化物、オキシ窒化物、オキシ炭化物、オキシ炭窒化物、酸化物またはそれらの元素の混合相からなる。

【0036】

本発明によると、金属、超硬合金、サーメット、またはセラミックスからなる物体上のＴｉＳｉＣＮＯナノコンポジット層が提供され、それにより、その物体は特に有利な特性を有する。それは、本発明による、プラズマ励起を伴わない熱ＣＶＤ法によって達成され、その方法では、ＴｉＣｌ_４、１つまたは複数の塩化ケイ素、ＣＨ_３ＣＮ、Ｈ_２、ＣＯ、および／またはＣＯ_２からなるガス混合物中において、７００℃から９５０℃の間の温度および０．１ｋＰａから０．１ＭＰａの間の圧力において、少なくとも１つの（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層を蒸着させ、ただし、ガス相中の塩化ケイ素および塩化チタンの原子比Ｓｉ／Ｔｉが、１を超えるように選択する。
公知のＴｉＳｉＣＮナノコンポジット層と比べて、ＣＯおよび／またはＣＯ_２からなるガス添加物の使用下での適切な酸素混入により、立方晶炭窒化チタン相の粒径が低下すると同時にオキシ炭窒化チタンへの変換が達成される。

【0037】

驚くべきことに、例えば、特別なプロセス条件と関連づけた、含酸素前駆体ＣＯおよび／またはＣＯ_２の特別な選択により、第２の非晶質相への適切な酸素混入が達成され、それにより、ナノコンポジット層の構造が本質的に影響を受けるということが認められた。それにより、わずかなＳｉ含有量ですでに、ナノ結晶相の結晶子サイズが本質的に小さくなり、それが、摩耗保護層の、特に微細な構造および著しく改善された機械特性をもたらす。

【0038】

それを示すのが、模範的に表中で描写される、ＣＶＤ法を用いて行ったコーティングおよび実験の結果である。

【0039】

【表1】

【0040】

そのように複雑なガス混合物を用いたＣＶＤ法では、含酸素前駆体ＣＯないしはＣＯ_２を使用する際に、多相ナノコンポジット層へのＯの混入がどのように起こるか予測できないことから、結合比を特定するために分光分析を行った。

【0041】

Ｔｉ－Ｏ結合およびＳｉ－Ｏ結合の形成は、ＸＰＳ分光法を用いて、Ｏ１ｓスペクトルおよびＳｉ２ｐスペクトルの分析により検出できた。本発明による（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層の場合、驚くべきことに、定められた酸素混入において、ナノコンポジット層中における酸素限界値ｃ＝０．１を超えない限り、ビッカース圧子を用いて、４０００ＨＶ［０．０１］までの非常に高い硬さが達成されることが分かった。

【0042】

驚くべきことに、含酸素前駆体ＣＯおよび／またはＣＯ２を使用した際、ＳｉＣｌ４／ＴｉＣｌ４比を４から７の間に調整すると、ラメラ構造が生じることが判明した。

【0043】

以下、例示的実施形態および図を用いて本発明をさらに詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】プラズマ励起を伴わないＣＶＤ法により製造された、例示的実施形態１による（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層のＸ線回折図を示す。

【図2】例示的実施形態１の（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層に関する、Ｓｉ２ｐピークを分解したＸＰＳスペクトルを示す。

【図3】ＣＶＤ法により製造された、例示的実施形態２による（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層のＸ線回折図を示す。

【図4】例示的実施形態２の（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層に関する、Ｏ１ｓピークを含むＸＰＳスペクトルを示す。

【図5】例示的実施形態３による、ラメラ構造を有する（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層（Ｂ）およびその下側に位置するＴｉＮ層（Ａ）のＴＥＭ写真を示す。

【図6】例示的実施形態４の（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層に関する、Ｓｉ２ｐピークを分解したＸＰＳスペクトルを示す。

【0045】

例示的実施形態１
５μｍ厚のＴｉＮ／ＴｉＣＮ／ＴｉＮ層系でプレコーティングされたＷＣ／Ｃｏ超硬合金スローアウェイチップ上に、熱ＣＶＤ法を用いて、高ケイ素の（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層をカバー層として蒸着させる。コーティングプロセスは、内径が７５ｍｍのホットウォールＣＶＤ反応器中で行う。ＣＶＤコーティングは、０．０９体積％のＴｉＣｌ_４、０．５８体積％のＳｉＣｌ_４、０．２３体積％のＣＨ_３ＣＮ、０．３１体積％のＣＯ、および９８．７９体積％のＨ_２からなるガス混合物を用いて行う。蒸着温度は８５０℃であり、プロセス圧は６ｋＰａである。９０分間のコーティング時間後に、４．５μｍ厚の（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）層が得られる。

【0046】

図１のＸ線回折図から、斜入射で行った薄膜Ｘ線分析では、立方晶ＴｉＣ_ｘＮ_１－ｘ相しか検出されないことが分かる。ＸＰＳ検査の結果、その立方晶ＴｉＣ_ｘＮ_１－ｘ相はオキシ炭窒化チタンからなることが判明した。Ｏ１ｓスペクトルは、５２９ｅＶから５３３ｅＶの間に、ＴｉＯ結合同様にＳｉＯ結合にも起因する幅広いピークを有する。このナノコンポジット層は、さらなる相として、非晶質のオキシ炭窒化ケイ素を含有し、それは、図２に示すＸＰＳ分析によって検出された。

【0047】

リートベルト解析を用いて、ナノ結晶オキシ炭窒化チタン相に対して、１８．３±１．８ｎｍという結晶子サイズを算出した。

【0048】

ＷＤＸによる元素分析は、以下の元素含有量をもたらした：
３９．５原子％Ｔｉ、
９．７原子％Ｓｉ、
２７．２原子％Ｃ、
２１．０原子％Ｎ、
２．１原子％Ｏ、
０．５原子％Ｃｌ。

【0049】

この（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層に関しては、ｙ＝Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）に応じて原子％濃度から算出される０．２というｙ値が得られる。ＷＤＸ元素分析からは、Ｃ、Ｎ、Ｏに関する総組成（ａ＝０．５４、ｂ＝０．４２、およびｃ＝０．０４）がもたらされる。ビッカース圧子を用いて、３５９０ＨＶ［０．０１］という微小硬さを測定した。

【0050】

例示的実施形態２
５μｍ厚のＴｉＮ／ＴｉＣＮ／ＴｉＮ層系でプレコーティングされたＷＣ／Ｃｏ超硬合金スローアウェイチップ上に、熱ＣＶＤ法を用いて、低ケイ素の（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層をカバー層として蒸着させる。コーティングプロセスは、内径が７５ｍｍのホットウォールＣＶＤ反応器中で行う。ＣＶＤコーティングは、０．１８体積％のＴｉＣｌ_４、０．５７体積％のＳｉＣｌ_４、０．２２体積％のＣＨ_３ＣＮ、０．７８体積％のＣＯ、７１．３８体積％のＨ_２、および２６．８７体積％のＮ_２からなるガス混合物を用いて行う。蒸着温度は８５０℃であり、プロセス圧は６ｋＰａである。９０分間のコーティング時間後に、６．９μｍ厚の（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）層が得られる。

【0051】

図３で描写するＸ線回折図が示すように、斜入射で行った薄膜Ｘ線分析では、立方晶ＴｉＣ_ｘＮ_１－ｘ相しか検出されない。ＸＰＳ検査の結果、その立方晶ＴｉＣ_ｘＮ_１－ｘ相はオキシ炭窒化チタンからなることが判明した。Ｏ１ｓスペクトルは、図４によると、５２９ｅＶから５３３ｅＶの間に、層のケイ素含有量が低いことから、主にはＴｉＯ結合に起因するものの、Ｔｉ－Ｎ－Ｏ結合ないしはＴｉ－Ｃ－Ｏ結合にも起因する幅広いピークを有する。

【0052】

このナノコンポジット層は、さらなる相として、非晶質のオキシ炭窒化ケイ素を含有し、それも同じくＸＰＳ分析によって検出された。リートベルト解析を用いて、ナノ結晶オキシ炭窒化チタン相に対して、１６．８±２．１ｎｍという結晶子サイズを算出した。

【0053】

ＷＤＸによる元素分析は、以下の元素含有量をもたらした：
４３．２原子％Ｔｉ、
１．７原子％Ｓｉ、
２６．０原子％Ｃ、
２５．４原子％Ｎ、
３．４原子％Ｏ、
０．３原子％Ｃｌ。

【0054】

この（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層に関しては、ｙ＝Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）に応じて原子％濃度から算出される０．０４というｙ値が得られる。ＷＤＸ元素分析からは、Ｃ、Ｎ、Ｏに関する総組成（ａ＝０．４７、ｂ＝０．４６、およびｃ＝０．０６）がもたらされる。ビッカース圧子を用いて、３３３０ＨＶ［０．０１］という微小硬さを測定した。

【0055】

例示的実施形態３
５μｍ厚のＴｉＮ／ＴｉＣＮ／ＴｉＮ層系でプレコーティングされたＷＣ／Ｃｏ超硬合金スローアウェイチップ上に、本発明による熱ＣＶＤ法を用いて、（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層をカバー層として蒸着させる。コーティングプロセスは、内径が７５ｍｍのホットウォールＣＶＤ反応器中で行う。ＣＶＤコーティングは、０．０９体積％のＴｉＣｌ_４、０．５８体積％のＳｉＣｌ_４、０．２２体積％のＣＨ_３ＣＮ、０．３１体積％のＣＯ、７１．５体積％のＨ_２、および２７．３体積％のＮ_２からなるガス混合物を用いて行う。蒸着温度は８５０℃であり、プロセス圧は６ｋＰａである。

【0056】

９０分間のコーティング時間後に、４．１μｍ厚の（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層が得られる。

【0057】

図５は、ＳｉＣｌ_４／ＴｉＣｌ_４比を４から７の間に調整すると生じるラメラ構造を有する（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層の横断切片（Ｑｕｅｒｓｃｈｌｉｆｆ）のＴＥＭ写真を示す。ラメラ中には、ＥＤＸラインスキャンによって検出可能である異なるＳｉ／Ｔｉ原子比が存在する。斜入射で行った薄膜Ｘ線分析では、立方晶ＴｉＣ_ｘＮ_１－ｘ相しか検出されない。ケイ素は、第２の非晶質オキシ炭窒化ケイ素相に含有されている。リートベルト解析を用いて、ナノ結晶オキシ炭窒化チタン相に対して、１７．０±２．７ｎｍという結晶子サイズを算出した。

【0058】

ＷＤＸによる元素分析は、以下の元素含有量をもたらした：
４２．１原子％Ｔｉ、
４．７原子％Ｓｉ、
２６．７原子％Ｃ、
２３．７原子％Ｎ、
２．７原子％Ｏ、
０．１原子％Ｃｌ。

【0059】

この（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層に関しては、ｙ＝Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）に応じて原子％濃度から算出される０．１というｙ値が得られる。ＷＤＸ元素分析からは、Ｃ、Ｎ、Ｏに関する総組成（ａ＝０．５０、ｂ＝０．４５、およびｃ＝０．０５）がもたらされる。ビッカース圧子を用いて、３４１０ＨＶ［０．０１］という微小硬さを測定した。

【0060】

例示的実施形態４
５μｍ厚のＴｉＮ／ＴｉＣＮ／ＴｉＮ層系でプレコーティングされたＷＣ／Ｃｏ超硬合金スローアウェイチップ上に、熱ＣＶＤ法を用いて、（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層をカバー層として蒸着させる。コーティングプロセスは、内径が７５ｍｍのホットウォールＣＶＤ反応器中で行う。ＣＶＤコーティングは、０．１２体積％のＴｉＣｌ_４、０．５８体積％のＳｉＣｌ_４、０．２２体積％のＣＨ_３ＣＮ、０．５９体積％のＣＯ、７１．３６体積％のＨ_２、および２７．１３体積％のＮ_２からなるガス混合物を用いて行う。蒸着温度は８５０℃であり、プロセス圧は６ｋＰａである。９０分間のコーティング時間後に、４．４μｍ厚の（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）層が得られる。

【0061】

斜入射で行った薄膜Ｘ線分析では、立方晶ＴｉＣ_ｘＮ_１－ｘ相しか検出されない。ＸＰＳ検査の結果、その立方晶ＴｉＣ_ｘＮ_１－ｘ相はオキシ炭窒化チタンからなることが判明した。このナノコンポジット層は、さらなる相として、非晶質のオキシ炭化ケイ素を含有し、それは、図６に示すＸＰＳ分析によって検出された。リートベルト解析を用いて、ナノ結晶オキシ炭窒化チタン相に対して、１４．０±２．１ｎｍという結晶子サイズを算出した。

【0062】

ＷＤＸによる元素分析は、以下の元素含有量をもたらした：
４２．５原子％Ｔｉ、
２．７原子％Ｓｉ、
２５．５原子％Ｃ、
２６．２原子％Ｎ、
２．９原子％Ｏ、
０．２原子％Ｃｌ。

【0063】

この（Ｔｉ_ｘＳｉ_ｙ）（Ｃ_ａＮ_ｂＯ_ｃ）ナノコンポジット層に関しては、ｙ＝Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）に応じて原子％濃度から算出される０．０６というｙ値が得られる。ＷＤＸ元素分析からは、Ｃ、Ｎ、Ｏに関する総組成（ａ＝０．４７、ｂ＝０．４８、およびｃ＝０．０５）がもたらされる。ビッカース圧子を用いて、３４１０ＨＶ［０．０１］という微小硬さを測定した。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】