JP4970886B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、基材上に被膜を形成してなる表面被覆切削工具に関する。

切削工具を構成する基材は、その表面保護を目的とするとともに耐摩耗性や靭性等の諸特性の更なる向上を目的として、各種の被膜でその表面を被覆することが行なわれてきた。中でも酸化アルミニウムは、高い硬度を有し耐摩耗性に特に優れる効果が発揮されるとともに、基材の表面酸化を防止する効果が期待されることから、上記基材の表面を被覆する被膜として用いる試みが古くから行なわれてきた。

しかし、そのような被膜に含まれる酸化アルミニウムは通常２００ｎｍ以上という大きな結晶組織を有することから（特許文献１）、切削時の衝撃により酸化アルミニウムの結晶粒が容易に被膜から脱落し十分な耐摩耗性を示すことができない場合があった。よって、酸化アルミニウムは本質的に高い硬度を有するにもかかわらず、それを用いた被膜はその効果が十分に発揮し得ないという問題があった。

この問題に対して、被膜に含まれる酸化アルミニウムの結晶粒の大きさを２００ｎｍ未満とする試みが提案されているが（特許文献２、特許文献３）、未だ十分な耐摩耗性の向上は達成されていない。
特開平０７−２１６５４９号公報 特表２００１−５２２７２５号公報 特表２００２−５４３９９２号公報

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、被膜から酸化アルミニウムの結晶粒が容易に脱落することを防止することにより優れた耐摩耗性を有する酸化アルミニウム被膜を備えた表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、上記の従来技術のように被膜に含まれる酸化アルミニウムの結晶粒の大きさを２００ｎｍ未満というように小さく設定しても十分な耐摩耗性が得られないのは、その酸化アルミニウムの結晶構造がγ型の単一結晶構造となっているためではないかという知見を得、この知見に基づき酸化アルミニウム被膜を構成する酸化アルミニウムの結晶構成について、その結晶構造と結晶組織の大きさという２つの局面からさらに検討を重ねることによりついに本発明を完成させるに至ったものである。

すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された１以上の被膜とを備えるものであって、この被膜は、少なくとも酸化アルミニウム被膜を含み、該酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムを含む被膜であって、該酸化アルミニウムは、α型の結晶構造とγ型の結晶構造とを混在して有し、かつその結晶組織の大きさが５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴としている。

上記酸化アルミニウムは、柱状の結晶組織を有することが好ましく、上記酸化アルミニウム被膜は、物理蒸着法により形成されていることが好ましい。

また、上記α型の結晶構造は、α型の結晶構造とγ型の結晶構造との全体に対して１０％以上９０％以下の割合で混在していることが好ましい。

また、上記被膜は、さらに補助酸化物被膜を含み、この補助酸化物被膜は、酸化アルミニウム以外の酸化物を含むことが好ましく、上記酸化アルミニウム被膜に接する下層として形成されていることが好ましい。

また、上記酸化アルミニウム被膜は、−４ＧＰａ以上３ＧＰａ以下の残留応力を有することが好ましく、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃またはＴｉＯ₂の少なくとも１種を含有しているとともに、０．１μｍ以上１０μｍ以下の膜厚を有していることが好ましい。

また、上記被膜は、さらに周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜を含むことが好ましい。

そして特に上記被膜は、さらにＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜を含むことが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されてなる被膜を１以上含むことが好ましい。

また、上記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成されることが好ましい。

本発明の表面被覆切削工具は、上述の通りの構成を有することにより、被膜から酸化アルミニウムの結晶粒が容易に脱落することを防止するとともに酸化アルミニウム被膜中において大規模破壊が生じることを防止することにより優れた耐摩耗性を有する酸化アルミニウム被膜を備えたものである。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された１以上の被膜とを備えるものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップとして極めて有用である。

＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。

なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。

＜被膜＞
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、１以上の被膜が積層されて形成されるものであり、少なくともその一の被膜として酸化アルミニウム被膜を含むものである。なお、この被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、部分的に被膜が形成されていない態様をも含む。

また、このような被膜は、さらに補助酸化物被膜を含むことができ、この補助酸化物被膜は上記酸化アルミニウム被膜に接する下層として形成されていることが好ましい。

さらに、このような被膜は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜を含むことができるとともに、さらに他の組成の被膜を含むこともできる。

なお、このような被膜の合計厚み（総膜厚）は、０．５μｍ以上１５μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が１０μｍ以下、さらに好ましくは７μｍ以下、その下限が１μｍ以上、さらに好ましくは２μｍ以上である。その厚みが０．５μｍ未満の場合、耐摩耗性や耐酸化性等の諸特性の向上作用が十分に示されない場合があり、１５μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない。なお、本発明の被膜には、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどが耐摩耗性を低下させない程度に１０原子％以下含有する場合を含む。以下、これらの被膜についてさらに詳細に説明する。

＜酸化アルミニウム被膜＞
本発明の酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を含む被膜であって、該酸化アルミニウムは、α型の結晶構造とγ型の結晶構造とを混在して有し、かつその結晶組織の大きさが５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴としている。

このように酸化アルミニウム被膜に含まれる酸化アルミニウムの結晶構造をα型（このような結晶構造を有する酸化アルミニウムを以下単にα−Ａｌ₂Ｏ₃と記すこともある）とγ型（このような結晶構造を有する酸化アルミニウムを以下単にγ−Ａｌ₂Ｏ₃と記すこともある）が混在して存在する構造としたことにより、従来のγ型単独のものに比べ酸化アルミニウム自体の硬度および熱安定性をさらに向上させたとともに、異質の組織が混在することから発生したクラック等の伝播を効果的に抑制することができ酸化アルミニウム被膜の大規模破壊（たとえば酸化アルミニウム被膜の上面から下面にまで達するような破壊）を防止することができる。しかも、その結晶組織の大きさを５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下という微小な特定範囲のものとしたことにより、被膜から酸化アルミニウムが脱落することによる大きな欠損を有効に防止し、以ってこのような結晶構造の高硬度化、大規模破壊の防止、および脱落防止等の作用が相乗的に作用することにより、工具の耐摩耗性を飛躍的に向上させることに成功したものである。そして、さらに当該被膜により以下のような更なる優れた効果も示され得る。

すなわち、結晶組織の大きさを上記のように微小な範囲のものとしたことにより、被膜の靭性が大幅に向上し以って切削工具の耐欠損性が飛躍的に向上したとともに、工具表面を極めて平滑なものとすることが可能となったことにより被削材の溶着現象が抑制され更なる耐欠損性および耐被膜剥離性の向上による工具寿命の長期化が達成された。また、このような切削工具自体のメリットばかりではなく、この工具により加工された被削材は、その仕上り面が極めて美麗なものになるという優れた効果が示される。

そして、このような酸化アルミニウムは、柱状の結晶組織を有していることが特に好ましい。各結晶組織間の密着性（結合力）が向上し、被膜からの脱落をより一層低減することができるからである。なお、柱状の結晶組織とは、結晶がある方位に優先的に成長して柱状の組織となったものをいう。

ここで、本発明における酸化アルミニウムを含む被膜とは、酸化アルミニウムを主成分として含む被膜を意味し、不可避不純物が包含されていても差し支えない。また、α型の結晶構造とは結晶学的にコランダム型の結晶構造を有するものであり、γ型の結晶構造とは結晶学的にスピネル型の結晶構造を有するものである。これらは、いずれもＸ線回折法（ＸＲＤ）により同定することができる。

また、α型の結晶構造とγ型の結晶構造とが混在するとは、Ｘ線回折法で上記α型とγ型の双方に起因する回折スペクトルを有するものをいう。そして、このようなα型の結晶構造は、α型の結晶構造とγ型の結晶構造との全体に対して１０％以上９０％以下の割合で混在していることが特に好ましい。このような割合の混在組織とすることにより、上記大規模破壊の防止効果が特に向上するためである。上記割合は、より好ましくはその上限が８５％以下、さらに好ましくは７５％以下であり、その下限が１５％以上、さらに好ましくは２５％以上である。上記割合が１０％未満の場合や９０％を超える場合は、大規模破壊の防止効果を十分に達成することができない場合がある。

なお、上記のような混在の割合（％）は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて酸化アルミニウム被膜の基材に対する垂直方向の断面を観察し、その断面におけるα型の結晶構造とγ型の結晶構造との全面積に対するα型の結晶構造の面積比を求めることにより、それを当該混在の割合（％）とする。より具体的には、このＴＥＭ観察による測定視野を、基材の表面に対する水平方向に０．１５〜０．５μｍおよび同垂直方向に０．１５〜０．５μｍの各直線によって囲まれる範囲とし、任意の３視野を測定することによりその平均を求め、その平均値を当該混在の割合（％）とする。

一方、本発明でいう結晶組織とは、個々の結晶粒を意味するものであるが、上記のように結晶組織が柱状となる場合には個々の柱状晶をも含む概念である。そして、その結晶組織の大きさとは、平均値を表わすものであるが、該結晶が柱状の結晶組織の場合には結晶の成長方向に対する垂直方向の幅の平均値を示し、該結晶が粒状の結晶組織の場合には結晶成長の方向性に関係のない単なる各粒径の平均値を示すものとする。そして、このような平均値は結晶組織の種類に拘わらず、透過型電子顕微鏡を用いて酸化アルミニウム被膜の断面（基材の表面に対する垂直方向の任意の断面）中における基材表面と平行な所定の長さの任意の線分上に存在する酸化アルミニウムの結晶粒（柱状晶）の個数を測定することにより求められ、その所定長さをその結晶粒（柱状晶）の個数で除した値を結晶組織の大きさとする。そして、測定精度の向上を目的として、上記の任意の線分として３本の線分について同様の測定を行なうことにより、その平均値を本発明における結晶組織の大きさとする。当該線分の所定長さは、０．１５〜０．５μｍ程度とすることが好ましく、より好ましくは０．３〜０．５μｍ程度とするのが好適である。測定誤差を排除し、酸化アルミニウム被膜全体を代表する結晶組織の大きさを決定するのに十分なものであると考えられるからである。

ここで、上記結晶組織の大きさが１５０ｎｍを超えると、切削加工時において被膜から酸化アルミニウムが容易に脱落するとともに、被膜の表面粗度の平滑化が得られなくなり工具寿命が大幅に低下する。しかも、被削材加工面の美麗さも劣ることになる。一方、その大きさが５０ｎｍ未満になると、α−Ａｌ₂Ｏ₃またはγ−Ａｌ₂Ｏ₃のいずれかの結晶構造が優先的に成長し、上記のようなα−Ａｌ₂Ｏ₃とγ−Ａｌ₂Ｏ₃との混在構造が形成されなくなり、これまた工具寿命が低下することになる。

このような結晶組織の大きさは、より好ましくはその上限が１３０ｎｍ以下、さらに好ましくは１００ｎｍ以下であり、その下限が５５ｎｍ以上、さらに好ましくは６５ｎｍ以上である。

このような酸化アルミニウム被膜は、上記の酸化アルミニウム以外の成分としてさらにＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃またはＴｉＯ₂の少なくとも１種を含有していても差し支えない。これらの成分は、酸化アルミニウムに対して０．１質量％以上４０質量％以下の配合比で包含されることができる。またさらに、該酸化アルミニウム被膜は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｙ、Ｙｂ等の元素を２０原子％以下含有することができる。

このように酸化アルミニウム以外の上記各成分を含むことにより、酸化アルミニウムの微細化が促進され高硬度化や断熱性の向上という特性を付与することができる。なお、酸化アルミニウム被膜が上記のような他の成分を含む場合、これらの他の成分は酸化アルミニウムの結晶格子の正規の位置に置換型として入る場合、該結晶格子間に侵入型として入る場合、金属間化合物を形成する場合、非晶質として存在する場合等、いずれの場合も含まれる。

さらに、上記酸化アルミニウム被膜は、−４ＧＰａ以上３ＧＰａ以下の残留応力を有することが好ましい。これにより、基材または他の被膜との良好な密着性を確保することができるとともに、被覆による効果を十分に得ることができる。

ここで、上記残留応力とは、被膜に残留する内部応力（固有ひずみ）であって、圧縮残留応力と引張残留応力の両者を含む概念である。本発明において単に残留応力という場合は、圧縮残留応力と引張残留応力の両者を含むものとする（なお、残留応力が解放されて応力が０ＧＰａになった状態も便宜的に含むものとする）。

また、上記圧縮残留応力とは「−」（マイナス）の数値（単位：本発明では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。なお、数値を使わずに圧縮残留応力の大小を表現する場合は、上記数値の絶対値が大きくなる程、圧縮残留応力が大きいと表現し、また上記数値の絶対値が小さくなる程、圧縮残留応力が小さいと表現するものとする。一般に、圧縮残留応力が大きくなる程高い靭性を示す。また、引張残留応力とは、「＋」（プラス）の数値（単位：本発明では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。

なお、このような残留応力は、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ²ψ法により測定することができ、工具のすくい面または逃げ面の平坦部に位置する任意の点３点（これらの各点は当該部位の応力を代表できるように互いに０．５ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい）以上の応力を該ｓｉｎ²ψ法により測定し、その平均値を求めることにより測定することができる。

このようなＸ線を用いたｓｉｎ²ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられているものであり、たとえば「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４〜６７頁に詳細に説明されている方法を用いれば良い。

このような酸化アルミニウム被膜の残留応力は、より好ましくはその上限が２．５ＧＰａ以下、さらに好ましくは２ＧＰａ以下、その下限が−３．５ＧＰａ以上、さらに好ましくは−３ＧＰａ以上の範囲とすることが好適である。なお、３ＧＰａを超える残留応力（引張残留応力）を有する場合には、他の被膜や基材との密着性（接合力）が劣る場合がある一方、残留応力が−４ＧＰａ未満になると大きな圧縮応力を有することから被膜の自己破壊を生じる場合がある。

また、このような酸化アルミニウム被膜は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚み（多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が６μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以下、その下限が０．２μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上である。その厚みが０．１μｍ未満の場合、高温時に十分な耐酸化性が示されなくなるとともに十分な耐摩耗性を示さなくなる場合があり、１０μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない場合がある。

上記のような優れた特性を有する本発明の酸化アルミニウム被膜は、物理蒸着法により形成することが最適である。基材を劣化させることなく有利に酸化アルミニウム被膜を形成することができるためである。特に、イオンプレーティング法またはスパッタリング法を採用することが好ましい。イオンプレーティング法は比較的低温における処理であるにもかかわらず緻密な被膜を容易に得ることができ、とりわけアークイオンプレーティング法はさらに成膜速度が速く高い生産効率を得ることができるという利点を有する。また、スパッタリング法は、表面平滑な被膜を容易に作成することができ、被削材に対する耐溶着性に優れた被膜となり、同時に被削材の仕上げ面粗度が良好になるという利点を有する。

このような物理蒸着法としては、従来公知の物理蒸着法をいずれも採用することができるが、非導電性材料である酸化アルミニウムを被覆するためには上述のスパッタリング法が好ましい。中でも、カソードにパルス電源を用いたマグネトロンスパッタリング法を採用することが好ましい。また、スパッタリング法とアークイオンプレーティング法との組み合せや酸化アルミニウム中に導電性物質を分散させて導電性を付与し、アークイオンプレーティング法で成膜する方法も採用できる。

そして、上記のようにα型の結晶構造とγ型の結晶構造とを混在して有し、かつその結晶組織の大きさが５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である酸化アルミニウムを含む酸化アルミニウム被膜をこのような物理蒸着法により形成するためには、特に以下のような条件を採用することが好ましい。すなわち、スパッタリング法として反応性スパッタリング法を採用し、不活性ガスに対する酸素ガスの圧力比を段階的に調整するとともに、基材に印加するバイアス電圧を通常より大きくし、特に大略−５００Ｖ〜−５０Ｖの範囲のバイアス電圧を段階的に印加することが好ましい。

本発明の被膜は、このような酸化アルミニウム被膜を１または２以上含むことができる。

＜補助酸化物被膜＞
本発明の被膜は、上記の酸化アルミニウム被膜以外にさらに補助酸化物被膜を含むことができる。そして、このような補助酸化物被膜は、酸化アルミニウム以外の酸化物を含むものであり、上記酸化アルミニウム被膜に接する下層として形成されていることが好ましい。ここで、酸化アルミニウム以外の酸化物を含むとは、そのような酸化物を主成分として含むことを意味し、不可避不純物が包含されていても差し支えない。

このように補助酸化物被膜を上記酸化アルミニウム被膜に接する下層として形成することにより、上記のような物理蒸着法の採用と相俟って、本発明の酸化アルミニウム被膜を極めて有利に形成することができる。これは恐らく、酸化アルミニウムと親和性の高い酸化物でこの補助酸化物被膜を形成することにより、補助酸化物被膜上にα−Ａｌ₂Ｏ₃とγ−Ａｌ₂Ｏ₃との結晶核（シード）を極めて高密度に形成することができ、しかもそのように形成された結晶核を極めて均一に成長させることができるためではないかと考えられる。

したがって、このような補助酸化物被膜に含まれる酸化物としては、酸化アルミニウムと親和性の高い酸化物を用いることが好ましく、たとえばＣｒ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ、ＨｆＯ₂等を挙げることができる。

このような補助酸化物被膜は、上記の酸化アルミニウム被膜と同様に物理蒸着法により形成することが好適である。その理由は、酸化アルミニウム被膜が物理蒸着法により形成される場合においてこの酸化アルミニウム被膜と同じ成膜方法を採用することにより製造効率を向上させるためである。このような物理蒸着法は、上記の酸化アルミニウム被膜について述べたのと同様の方法を採用することができ、特に酸化アルミニウム被膜と同一の方法を採用することが好適である。

なお、このような補助酸化物被膜は、直接酸化物を形成して被膜とすることができるとともに、一旦金属窒化物等を形成しそれを酸化することにより当該被膜とすることもできる。

また、この補助酸化物被膜は、残留応力を有することが好ましく、これにより基材または他の被膜（特に酸化アルミニウム被膜）と高い密着性を示すものとなる。ここで、残留応力とは、上記の酸化アルミニウム被膜について既に説明した通りの内部応力であって、好ましくは−４ＧＰａ以上３ＧＰａ以下、さらに好ましくはその上限が２ＧＰａ以下、さらに好ましくは１ＧＰａ以下、その下限が−３ＧＰａ以上、さらに好ましくは−２ＧＰａ以上の範囲の応力とすることが好適である。３ＧＰａを超える残留応力を有する場合には、靭性が劣る（耐欠損性が劣る）ことになり、一方、残留応力が−４ＧＰａ未満になると圧縮応力が大きくなり過ぎて被膜の自己破壊による剥離を生じる場合がある。なお、このような残留応力は、酸化アルミニウム被膜で説明したｓｉｎ²ψ法を用いた同様の方法により測定することができる。

また、このような補助酸化物被膜は、０．０５μｍ以上５μｍ以下の厚みを有することが好ましく、より好ましくはその上限が３μｍ以下、さらに好ましくは２μｍ以下であり、その下限が０．１μｍ以上である。その厚みが０．０５μｍ未満の場合には、好適な酸化アルミニウム被膜を形成できない場合があり、５μｍを超えると耐欠損性が低下することがあるため好ましくない。

なお、本発明の補助酸化物被膜は、酸化アルミニウム被膜に接する下層として形成される以外の積層配置で形成することもでき、また２以上の層に分けて形成することもできる。２以上の層に分けて形成される場合、１の層を酸化アルミニウム被膜に接する下層として形成し、他の層はそれ以外の積層配置として形成することができる。

＜第３被膜＞
本発明の被膜は、上記で説明した各被膜以外に、さらに周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜を含むことができる。本発明では、このような被膜を、便宜的に第３被膜と記すことにする。

そして、このような第３被膜としては、特にＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜を含むことが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されてなる被膜を１以上含むことが好ましい。

このような第３被膜は、高硬度で耐摩耗性に優れるとともに、極めて優れた靭性を示すものが好ましい。特に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜は、耐酸化性および耐熱性に優れていることから特に優れた耐摩耗性が示されるため極めて有効である。なお、該第３被膜は、物理蒸着法により形成されることが好ましく、圧縮残留応力を有していることが好ましい。

このような第３被膜を物理蒸着法により形成することが好適である理由は、第一に第３被膜に圧縮残留応力を付与するためであり、第二に上記の各被膜が物理蒸着法により形成される場合においてこれらの被膜と同じ成膜方法を採用することにより製造効率を向上させるためである。このような物理蒸着法は、上記の酸化アルミニウム被膜について述べたのと同様の方法を採用することができる。

そして、このような第３被膜を構成する元素または化合物としては、たとえば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＴｉＡｌ、ＴｉＳｉ、ＡｌＣｒ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＯＮ、ＣｒＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、Ｔｉ₂Ｏ₃、ＴｉＡｌＯＮ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＡｌＺｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ₂、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＢＣＮＯ等を挙げることができる。

とりわけ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＮＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＮＯ、ＴｉＳｉＣＮＯ、ＣｒＴｉＮ、ＣｒＴｉＮＯ、ＣｒＴｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＣＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＣＮＯ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＢＮＯ等を挙げることができ、特にＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＢＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ等が好適である。

なお、上記の化学式において、各元素の原子比が特に記載されていないものは必ずしも等比となるものではなく、従来公知の原子比が全て含まれるものとする。たとえば単にＴｉＮと記す場合、ＴｉとＮとの原子比は１：１が含まれる他、２：１、１：０．９５、１：０．９等が含まれる（特に断りのない限り、以下において同じ）。

なお、この第３被膜は、これらの元素または化合物を単層または多層として形成することができ、多層の場合はこれらの元素または化合物からなる層を５ｎｍ〜５μｍの厚みで積層する場合も含む。そして、特にＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されてなる被膜を１以上含むことが好ましい。このように上記各層を周期的に積層させることにより、耐酸化性および耐熱性がさらに向上し極めて優れた耐摩耗性が示される。ここで、周期的に積層させるとは、たとえば２種の層を上下交互に積層させるなど、一定の周期性をもって積層させることをいう。なお、各層の厚みが１ｎｍ未満となる場合や１００ｎｍを超える場合には積層による耐摩耗性の向上効果が示されない場合があるが、その場合であってもこれらの元素や化合物によってもたらされる固有の耐摩耗性の向上効果は示される。各層の厚みはより好ましくは５ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。

さらに本発明の第３被膜は、上記のように圧縮残留応力を有することが好ましく、これにより高い靭性を示すものとなる。ここで、圧縮残留応力とは、上記の酸化アルミニウム被膜について既に説明した通りの内部応力であって、好ましくは−１０ＧＰａ以上−１ＧＰａ以下、さらに好ましくはその上限が−１．５ＧＰａ以下、さらに好ましくは−２ＧＰａ以下、その下限が−８ＧＰａ以上、さらに好ましくは−７ＧＰａ以上の範囲の応力とすることが好適である。−１ＧＰａを超える残留応力を有する場合には、靭性が劣る（耐欠損性が劣る）ことになり、一方、残留応力が−１０ＧＰａ未満になると圧縮応力が大きくなり過ぎて被膜の自己破壊による剥離を生じる場合がある。なお、このような圧縮残留応力は、酸化アルミニウム被膜で説明したｓｉｎ²ψ法を用いた同様の方法により測定することができる。また、第３被膜が多層で形成される場合には、最大の圧縮応力（その絶対値が最大となる圧縮応力）を有する層の応力を第３被膜の圧縮残留応力とするものとする。

また、このような第３被膜は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚み（多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が７μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、その下限が０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。その厚みが０．３μｍ未満の場合には、十分な耐摩耗性が示されなくなるとともに十分な靭性を示さなくなる場合があり、１０μｍを超えると耐欠損性が低下することがあるため好ましくない。

なお、このような第３被膜は、基材と酸化アルミニウム被膜（あるいは補助酸化物被膜）との間に形成することができるとともに、酸化アルミニウム被膜上に形成することもでき、その積層配置は特に限定されない。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の各被膜の化学組成はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）によって確認し、残留応力は上記に説明したｓｉｎ²ψ法により３点の平均値を求めることによって算出した。また、以下では被膜を物理蒸着法であるアンバランスドマグネトロンスパッタリング法とカソードアークイオンプレーティング法の組み合わせにより形成しているが、公知の他の物理蒸着法によって成膜した場合も含む。

＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、基材として次の２種を準備した。すなわち、グレードがＪＩＳ規格Ｍ２０のＷＣ基超硬合金であって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８であるもの（後述の耐摩耗性試験に使用するもの）およびグレードがＪＩＳ規格Ｐ２０のＷＣ基超硬合金であって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格ＳＤＥＸ４２ＭＴであるもの（後述の断続切削試験に使用するもの）を準備した（上記のＪＩＳ規格は１９９８年度版のものである）。そして、それぞれの基材に対して以下のような方法により同様にして被膜を形成した。

すなわち、まず上記基材をカソードにパルスＤＣ電源を用いたアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置（成膜装置）に装着した。図１は、その成膜装置１０の概略構成を示す模式図である。図１に示す成膜装置１０内に複数のアーク蒸発源１１、１２およびアンバランスドマグネトロンスパッタ蒸発源（以下、ＵＢＭスパッタ源と呼ぶ）１３、１４を配置し、中心点Ｃを中心とし蒸発源１１〜１４に各対向するようにして回転する保持具１７に基材２０である上記切削チップを装着した。なお、必要なガスは、ガス導入口１５から成膜装置１０内へ導入される。また、成膜装置１０内にはヒーター１６が備えられている。

本実施例では、アーク蒸発源１１、１２に所定の原料（例えば、ＴｉＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒなど）をセットし、ＵＢＭスパッタ源１３、１４にも所定の原料（例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉなど）をセットした。すなわち、ＵＢＭスパッタ源により酸化アルミニウム被膜を形成し、アーク蒸発源により第３被膜を形成するものである。なお、補助酸化物被膜に関しては、その組成によりセットする蒸発源および原料の種類を変更させた。すなわち、後述の表１および表２に示したように補助酸化物被膜がＣｒ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂の場合はＡｌがセットされていない方のＵＢＭスパッタ源にＣｒまたはＴｉをセットし、一旦ＣｒＮを生成するもの（Ｎｏ．１１）については第３被膜用の原料がセットされない方のアーク蒸発源にＣｒをセットした。

続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を１×１０^-3Ｐａ以下に減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーター１６により上記基材２０の温度を６５０℃に加熱し、１時間保持した。

次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。

次いで、上記基材表面に形成される被膜として、化学組成および積層構成（膜厚、残留応力等）が以下の表１および表２に示したものとなるように上記蒸発源に上記原料（すなわちターゲット）を各々セットした。Ｎｏ．１〜２０の工具の酸化アルミニウム被膜については、基材（基板）温度を５００〜８５０℃に設定し、酸素ガスを流しながらＵＢＭスパッタ源にパルスＤＣ電力を加えつつ、不活性ガスに対する酸素ガスの圧力比を２〜２０％の範囲内で段階的に制御するとともに基材バイアス電圧を−５００Ｖ〜−５０Ｖまで段階的に制御して反応性スパッタリング法で形成した。また第３被膜については、基材（基板）温度４００〜６００℃に設定し、真空もしくは反応ガスとして窒素、メタン（炭素源）、酸素のいずれか１以上のガスを導入させながら、アークイオンプレーティング法で上記基材表面に各構成の被膜を形成した。なお、Ｃｒ₂Ｏ₃またはＴｉＯ₂の補助酸化物被膜に関しては、上記の酸化アルミニウム被膜と同様の条件（ただし酸素ガスの圧力比を段階的に制御することは行なわない）を採用することにより形成し、Ｎｏ．１１の補助酸化物被膜は上記の第３被膜と同様の条件により一旦ＣｒＮを形成し、続いて雰囲気ガスを一旦排気した後酸素ガスを１時間供給することによりＣｒ₂Ｏ₃を形成した。

このようにして、表１および表２に示したＮｏ．１〜２４の被膜をそれぞれの基材上に形成した表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．１〜２０が本発明の実施例であり、Ｎｏ．２１〜２４は比較例である。

また、Ｎｏ．１４の酸化アルミニウム被膜は、上記のＵＢＭスパッタ源のターゲットにＨｆを９質量％添加することにより、ＨｆＯ₂が８質量％含まれるようにして形成した。同じく、Ｎｏ．１５の酸化アルミニウム被膜は、上記のＵＢＭスパッタ源のターゲットにＴｉを１７質量％添加することにより、ＴｉＯ₂が１５質量％含まれるようにして形成した。また、Ｎｏ．１６の酸化アルミニウム被膜は、上記のＵＢＭスパッタ源のターゲットにＺｒを６質量％添加することにより、ＺｒＯ₂が４質量％含まれるようにして形成した。また、Ｎｏ．１８の酸化アルミニウム被膜は、上記のＵＢＭスパッタ源のターゲットにＢを４質量％添加することにより、Ｂ₂Ｏ₃が２質量％含まれるようにして形成した。

なお、比較例の酸化アルミニウム被膜は、各実施例の酸化アルミニウム被膜の形成条件に代えて、従来公知のプラズマＣＶＤ法（成膜温度１０００℃）を採用することにより形成させた。

上記表１および表２において、被膜の積層構成は、左のものから順に基材上に積層させたことを示している（表１および表２中において空欄となっているところは、該当する被膜が形成されないことを示している）。また、上記表１が実施例であり、表２は比較例である。

なお、Ｎｏ．１８〜２０の第３被膜（Ｎｏ．２０のＴｉＮは除く）は、２種の層が周期的に積層されてなる被膜であることを示している。たとえば、Ｎｏ．１８は、厚み１０ｎｍのＡｌＣｒＣＮＯからなる層と厚み１３ｎｍのＴｉＡｌＮＯからなる層とが周期的に積層（上下交互に積層）して厚み２．０μｍの被膜（各層のうち最大の圧縮残留応力が−２．５ＧＰａとなる）が形成されていることを示す（基材上にはまずＡｌＣｒＣＮＯからなる層が形成されることを示す）。Ｎｏ．１９および２０についてもＮｏ．１８と同様の内容を示す。このような周期的な積層は、上記成膜装置１０において保持具１７の回転速度を調節したり、または半回転毎に反応ガスの種類や流量を調節することにより形成することができる。

なお、実施例の酸化アルミニウム被膜においては、酸化アルミニウムの結晶組織が柱状であることを、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察することにより確認した。また、酸化アルミニウム被膜の酸化アルミニウムの結晶組織の大きさは、線分の所定長さを０．５μｍとして上述のようにして測定した。また、酸化アルミニウム被膜におけるα型の結晶構造とγ型の結晶構造との混在の割合は、基材表面に対する水平方向の長さを０．４μｍ、垂直方向の長さを０．４μｍとする測定視野により上記のようにして測定した。

そして、これらの表面被覆切削工具について、下記の条件により、耐摩耗性試験と断続切削試験を行なった。その結果を以下の表３および表４に示す。耐摩耗性試験では、逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍとなる時間を測定し、その時間が長いもの程耐摩耗性に優れていることを示している。また、断続切削試験では、工具が欠損するまでの時間を測定し、その時間が長いもの程耐欠損性（靭性）に優れていることを示している。

＜耐摩耗性試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５丸棒
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
＜断続切削試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式

上記表３は実施例の結果であり、表４は比較例の結果である。表３および表４から明らかなように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２０の本発明の実施例の表面被覆切削工具は、いずれも優れた耐摩耗性を有するとともに耐欠損性（靭性）をも兼ね備えるものであった。すなわち、これらの実施例の表面被覆切削工具は、酸化アルミニウム被膜が高硬度を有するα−Ａｌ₂Ｏ₃とγ−Ａｌ₂Ｏ₃とを混在して構成され、かつその結晶組織の大きさが小さいことから、大規模破壊が防止されるとともにその酸化アルミニウムの結晶粒の脱落が防止され、かつ被膜の表面粗度が平滑なため、これらが相乗的に作用して優れた耐摩耗性ならびに耐欠損性（靭性）を示したものと考えられる。また、このように靭性が向上したことに加えて、表面粗度が平滑なものとなったことから被削材の溶着現象が防止され、以ってこれらの相乗作用により耐欠損性が向上したものと考えられる。

なお、Ｎｏ．２〜５と、Ｎｏ．７〜１０とを比較すると明らかなように、酸化アルミニウム被膜の下層として補助酸化物被膜を形成すると、耐摩耗性および耐欠損性がさらに向上することを示している。また、第３被膜としてＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層を周期的に積層させた被膜を含むＮｏ．１８〜２０において、特に優れた耐摩耗性が示されたことにより、これらの被膜が優れた耐酸化性および耐熱性を有していることが確認できた。

これに対して、Ｎｏ．２１〜Ｎｏ．２４の比較例の表面被覆切削工具は、上記実施例のものに比し耐摩耗性も靭性（耐欠損性）も劣っていた。すなわち、酸化アルミニウム被膜が、本発明の要件を備えていなければ大規模破壊が発生したり、酸化アルミニウムの結晶粒が容易に被膜から脱落したり、あるいは表面粗度が劣ったりすることにより、耐摩耗性および耐欠損性が劣ることを示している。

なお、本実施例では、基材としてチップブレーカを有するものを用いたが、チップブレーカを有していないものや、切削工具の上下面全面が研磨されたような工具（チップ）でも本実施例と同様の効果を得ることができる。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

成膜装置の概略構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 成膜装置、１１，１２ アーク蒸発源、１３，１４ アンバランスドマグネトロンスパッタ蒸発源、１５ ガス導入口、１６ ヒーター、１７ 保持具、２０ 基材。

Claims (12)

1. 基材と、該基材上に形成された１以上の被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被膜は、少なくとも酸化アルミニウム被膜を含み、
   前記酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムを含む被膜であって、
   前記酸化アルミニウムは、α型の結晶構造とγ型の結晶構造とを混在して有し、かつその結晶組織の大きさが５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である柱状の結晶組織を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記α型の結晶構造は、前記α型の結晶構造と前記γ型の結晶構造との全体に対して１０％以上９０％以下の割合で混在していることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
3. 前記酸化アルミニウム被膜は、物理蒸着法により形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
4. 前記被膜は、さらに補助酸化物被膜を含み、
   前記補助酸化物被膜は、酸化アルミニウム以外の酸化物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
5. 前記補助酸化物被膜は、前記酸化アルミニウム被膜に接する下層として形成されていることを特徴とする請求項４記載の表面被覆切削工具。
6. 前記酸化アルミニウム被膜は、−４ＧＰａ以上３ＧＰａ以下の残留応力を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
7. 前記酸化アルミニウム被膜は、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃またはＴｉＯ₂の少なくとも
   １種を含有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
8. 前記酸化アルミニウム被膜は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の膜厚を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
9. 前記被膜は、さらに周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
10. 前記被膜は、さらにＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
11. 前記被膜は、さらにＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層
    が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されてなる被膜を１以上含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
12. 前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の表面被覆切削工具。

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