(57)【要約】  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被膜とを備えるものであって、該被膜は、１層以上の硬質層と１層以上の酸素リッチ硬質層とを含み、該硬質層は、層全体が結晶質からなるかまたはその一部に非晶質を含む結晶質からなり、該酸素リッチ硬質層は、該硬質層と積層され、かつ該硬質層との界面領域において非晶質となっていることを特徴としている。
2008041402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、１層以上の硬質層と１層以上の酸素リッチ硬質層とを含み、
前記硬質層は、層全体が結晶質からなるかまたはその一部に非晶質を含む結晶質からなり、
前記酸素リッチ硬質層は、前記硬質層と積層され、かつ前記硬質層との界面領域において非晶質となっていることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記酸素リッチ硬質層は、前記界面領域以外の領域において結晶質となっていることを特徴とする請求の範囲１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記界面領域は、前記硬質層との界面から１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みを有して形成されることを特徴とする請求の範囲１記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素とを含む化合物、または周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素と、炭素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物によって構成されることを特徴とする請求の範囲１記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素と、炭素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む前記化合物は、その前記化合物に含まれる周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素とのみを含む化合物が有する結晶構造と同一の結晶構造を有することを特徴とする請求の範囲４記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記酸素リッチ硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素とを含む化合物、または周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素と、炭素、窒素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物によって構成されることを特徴とする請求の範囲１記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素と、炭素、窒素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む前記化合物は、その前記化合物に含まれる周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素とのみを含む化合物が有する結晶構造と同一の結晶構造を前記界面領域以外の領域において有することを特徴とする請求の範囲６記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
前記酸素リッチ硬質層を構成する化合物は、Ａｌを含むことを特徴とする請求の範囲６記載の表面被覆切削工具。
【請求項９】
前記酸素リッチ硬質層を構成する化合物は、Ａｌとともに、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含むことを特徴とする請求の範囲６記載の表面被覆切削工具。
【請求項１０】
前記被膜は、０．１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求の範囲１記載の表面被覆切削工具。
【請求項１１】
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の範囲１記載の表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上に被膜を備えた表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、基材上に被膜を備えた表面被覆切削工具が用いられてきた。このような表面被覆切削工具においては、耐摩耗性や耐欠損性をより向上させるために被膜の改良が種々なされている。【０００３】
たとえば、基材上に形成される被膜として、窒化チタン等の硬質被覆層とＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉの複合酸化物層とを積層させた表面被覆切削工具が提案されている（特開平０９−２４８７０２号公報（特許文献１））。この表面被覆切削工具は、苛酷な条件下でも耐欠損性に優れるとされている。しかし、上記複合酸化物層が非晶質状態で形成されているため、硬度が劣ることから更に耐摩耗性を向上させることが求められる。【０００４】
一方、基材上に形成される被膜として、Ｔｉの窒化物等を含む内層と酸化アルミニウムからなる外層とを積層させた表面被覆切削工具が提案されている（特開２００５−１３８２１０号公報（特許文献２））。この表面被覆切削工具は、外層の一部を非晶質とすることにより、そこで外部衝撃を吸収して耐欠損性を向上させることが意図されている。しかし、外層の非晶質領域を拡大させると上記特許文献１のように耐摩耗性が劣る可能性があることから、この非晶質領域は外層の一部分のみとすることが好ましく、他の領域は結晶質とする必要があるものと考えられる。【０００５】
しかしながら、外層の非晶質領域以外の領域を結晶質で構成する場合、内層と外層との界面においては、互いに結晶構造の異なる結晶質が接することとなるため、これら両者間の密着性が劣ることから、層間剥離等の不都合を生じる可能性がある。このため、両者間の密着性を高めるために内層の圧縮応力を低くしたり他の中間層を形成することが必要とされた。しかし、内層の圧縮応力を低くすると、高速切削時に十分な耐摩耗性が得られないという問題があるとともに、他の中間層を形成させることは製造効率を低下させるものであった。
【特許文献１】特開平０９−２４８７０２号公報
【特許文献２】特開２００５−１３８２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、基材上に形成される被膜の各層の密着性に優れ、かつ耐摩耗性と耐欠損性とを高度に両立させた表面被覆切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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被膜とを備えるものであって、該被膜は、１層以上の硬質層と１層以上の酸素リッチ硬質層とを含み、該硬質層は、層全体が結晶質からなるかまたはその一部に非晶質を含む結晶質からなり、該酸素リッチ硬質層は、該硬質層と積層され、かつ該硬質層との界面領域において非晶質となっていることを特徴としている。【０００８】
ここで、上記酸素リッチ硬質層は、上記界面領域以外の領域において結晶質となっていることが好ましく、上記界面領域は、上記硬質層との界面から１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みを有して形成されることが好ましい。【０００９】
また、上記硬質層は、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、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素とを含む化合物、または周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素と、炭素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物によって構成されることが好ましい。【００１０】
また、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素と、炭素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む上記化合物は、その化合物に含まれる周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素とのみを含む化合物が有する結晶構造と同一の結晶構造を有することが好ましい。【００１１】
また、上記酸素リッチ硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素とを含む化合物、または周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素と、炭素、窒素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物によって構成されることが好ましい。【００１２】
また、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素と、炭素、窒素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む上記化合物は、その化合物に含まれる周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素とのみを含む化合物が有する結晶構造と同一の結晶構造を上記界面領域以外の領域において有することが好ましい。【００１３】
また、上記酸素リッチ硬質層を構成する化合物は、Ａｌを含むことが好ましく、さらにＡｌとともに、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含むことが好ましい。【００１４】
また、上記被膜は、０．１μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有することが好ましく、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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、基材上に形成される被膜の各層の密着性に優れ、かつ耐摩耗性と耐欠損性とを高度に両立させたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】成膜装置の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０  成膜装置、１４  保持具、１５  ガス導入口、１６  ヒーター、２０  基材、２１，２２，２３，２４  アーク蒸発源、２５  アンバランスドマグネトロンスパッタ蒸発源。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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被膜とを備えるものである。このような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等として極めて有用に用いることができる。【００１９】
＜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。【００２０】
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。【００２１】
＜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以上の層が積層されて形成されるものである。より具体的には、該被膜は、１層以上の硬質層と１層以上の酸素リッチ硬質層とを含むものである。このような各層を含む限り、さらに他の層を含んでいても差し支えない。なお、本発明の被膜は、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。【００２２】
本発明の被膜は、各層が相乗的に作用することにより、耐摩耗性と耐欠損性とを高度に両立させたものであるが、とりわけ硬質層が耐摩耗性と耐欠損性の向上に直接的に寄与するのに対して、酸素リッチ硬質層は耐酸化性ならびに高温安定性の向上に寄与することにより耐摩耗性と耐欠損性の両立を側面からサポートするものであり、これら両者を積層する意義がある。【００２３】
本発明の被膜は、圧縮応力を有していることが好ましいが、従来技術のように各層の圧縮応力を精密に制御する必要はない。下記に詳述する構成を採用したことにより、圧縮応力を精密に制御しなくても各層が密着性高く積層されるからである。【００２４】
このような被膜の合計厚み（積層される各層の総膜厚）は、０．１μｍ以上２５μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が１５μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ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０．１μｍ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、２５μｍを超えると耐欠損性が低下する場合がある。以下、該被膜についてさらに詳細に説明する。【００２５】
＜硬質層＞
本発明の硬質層は、上記被膜中に１層以上含まれるものであり、層全体が結晶質からなるかまたはその一部に非晶質を含む結晶質からなるものである。ここで、「層全体が結晶質からなる」とは、実質的に層全体が結晶質からなることを示し、製造条件等により異相（純粋な結晶質以外の不純相）が極一部に包含される場合も含まれることを意味する。また、「その一部に非晶質を含む結晶質からなる」とは、たとえば非晶質の母体マトリックス中に結晶粒子が分散したナノコンポジット構造のような構造を示し、該層に結晶質の部分と非晶質の部分とが含まれるような態様を示す。このように本発明の硬質層は、要するに層の少なくとも一部が結晶質となっているものを示し、層全体が非晶質のみからなるものは含まれない。【００２６】
なお、本発明において「結晶質」とは、層を構成する化合物の状態が結晶状態であることをいい、より具体的にはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察で組織の境界が確認できるとともにＴＥＭの回折パターンがハローリングにならないものをいう。また、「非晶質」とは、化合物がアモルファス状態で存在していることをいい、より具体的にはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）の回折パターンがハローリングになるものをいう。【００２７】
このような硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素とを含む化合物、または周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素と、炭素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物によって構成されることが好ましい。このような硬質層は、１種または２種以上の化合物によって構成することができる。【００２８】
硬質層を構成する化合物は、結晶質であることが好ましいが、たとえばＴｉＳｉＮで表される化合物のように非晶質の母体（ＳｉＮ）中に結晶粒子（ＴｉＮ）が分散したナノコンポジット構造のものや、窒素元素と酸素元素とを含む化合物であってその一部に非晶質を含む結晶質化合物等を含むことができる。【００２９】
ここで、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素とを含む化合物としては、たとえばＴｉＮ、ＡｌＮ、ＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＺｒＮ、ＡｌＺｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＡｌＨｆＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＺｒＳｉＮ、ＭｇＮ等を挙げることができる。【００３０】
なお、これらの化学式において、各元素の原子比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）。【００３１】
一方、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素と、炭素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物としては、たとえばＴｉＯＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＡｌＣＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＯＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＺｒＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＢＣＮＯ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＭｇＮＯ、ＡｌＴｉＶＣＮ等を挙げることができる。【００３２】
そして、これらの化合物は、より詳細には下記の一般式（Ｉ）で表わされる化合物が好ましい。【００３３】
Ｍe（ＢaＣbＮcＯd）  ・・・（Ｉ）
上記一般式（Ｉ）中、Ｍは周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示し（２種以上含まれる場合は、その合計数がｅとなる限り各元素の原子比は限定されない）、かつｅ＝１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ＜０．２、０≦ｂ≦０．７、０．３≦ｃ≦１、０≦ｄ＜０．２である。【００３４】
上記ｃが０．３未満の場合、硬質層の硬度が劣り、耐摩耗性が低下する場合がある。これは、その化合物の結晶構造が、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を上記のようにＭで表した場合に、ＭeＮc（ｅ＝ｃ＝１）で表わされる化合物（窒化物）の結晶構造と同一の結晶構造を有することができないためではないかと考えられる。この点、この硬質層を構成する化合物は、ＭeＮc（ｅ＝ｃ＝１）で表わされる化合物（窒化物）の結晶構造と同一の結晶構造を有することが好ましく、これにより特に優れた硬度を有することとなる。【００３５】
このため、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素と、炭素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む上記化合物は、その化合物に含まれる周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素とのみを含む化合物（ただし前者の元素と窒素元素との原子比は１：１に限るものではない）が有する結晶構造と同一の結晶構造を有することが好ましい。【００３６】
なお、上記一般式（Ｉ）において、ｃ以外のａ、ｂ、ｄは上記の条件を満たす限り、特に限定されるものではない。【００３７】
このような硬質層の厚み（２層以上の複数層として形成される場合はその合計厚み）は、０．１μｍ以上２０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が１５μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ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０．１μｍ未満の場合、耐摩耗性の向上作用が十分に示されない場合があり、２０μｍ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。【００３８】
＜酸素リッチ硬質層＞
本発明の酸素リッチ硬質層は、上記被膜中に１層以上含まれるものであり、該硬質層と積層され、かつ該硬質層との界面領域において非晶質となっていることを特徴としている。このように、該硬質層との界面領域を非晶質としたことにより、化学組成ならびに結晶構造の異なる硬質層との密着性が飛躍的に向上し、硬質層との間で層間剥離を生じることを極めて有効に防止することができる。これにより、この酸素リッチ硬質層と硬質層とが相乗的に作用することから耐摩耗性と耐欠損性とを高度に両立させることが可能となった。このように、本発明においては、従来技術のように各層の圧縮応力を精密に制御することなく各層の密着性を向上できるという顕著な効果を有しており、圧縮応力を制御することにより耐摩耗性と耐欠損性との両立が妨げられるという問題を一掃したものである。【００３９】
なお、この酸素リッチ硬質層は、これを構成する化合物が少なくとも酸素元素を含む（より好ましくは、硬質層を構成する化合物よりも酸素元素の含有割合が高い）ことから、酸素リッチという名称を用いたものである。【００４０】
また、この酸素リッチ硬質層は、上記界面領域以外の領域において結晶質となっていることが好ましい。これにより、硬質層との密着性を保持したまま、酸素リッチ硬質層の硬度低下を防止することができ、以って酸素リッチ硬質層自体の耐摩耗性の低下を防止することができる。【００４１】
また、上記界面領域は、上記硬質層との界面から１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みを有して形成されることが好ましい。その厚みが１ｎｍ未満では、非晶質状態を安定化させることができず、また５００ｎｍを超えると層全体の硬度が低下する場合がある。この界面領域は、より好ましくはその下限が５０ｎｍ以上、さらに好ましくは１００ｎｍ以上である。【００４２】
なお、本発明の被膜において、上記の界面領域（すなわち硬質層と酸素リッチ硬質層との界面）が複数存在する場合、全ての界面領域において酸素リッチ硬質層が非晶質となっていることが好ましいが、いずれか１以上の界面領域においてこのような非晶質とならず結晶質となっていても本発明の範囲を逸脱するものではない。【００４３】
このような酸素リッチ硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素とを含む化合物、または周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素と、炭素、窒素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物によって構成されることが好ましい。このような酸素リッチ硬質層は、１種または２種以上の化合物によって構成することができる。【００４４】
ここで周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素とを含む化合物としては、たとえばＡｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、Ｃｒ2Ｏ3、Ｔｉ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＡｌＢＯＮ、Ｖ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＷＯ3等を挙げることができる。【００４５】
また、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素と、炭素、窒素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物としては、たとえばＴｉＯＮ、ＴｉＣＮＯ、ＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＢＣＮＯ、ＺｒＳｉＯＮ、ＡｌＹＯＮ、ＡｌＭｇＯＮ、ＡｌＶＯＮ等を挙げることができる。【００４６】
そして、これらの化合物は、より詳細には下記の一般式（ＩＩ）で表わされる化合物が好ましい。【００４７】
Ｍ’w（ＢsＣtＮuＯv）  ・・・（ＩＩ）
上記一般式（ＩＩ）中、Ｍ’は周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示し（２種以上含まれる場合は、その合計数がｗとなる限り各元素の原子比は限定されない）、ｗ＝１、ｓ＋ｔ＋ｕ＋ｖ＝１．５、０≦ｓ＋ｔ＋ｕ≦０．７、０．８≦ｖ≦１．５である。【００４８】
上記ｖが０．８未満の場合、層全体が非晶質となりやすく、硬度が劣ることから耐摩耗性が低下する場合がある。なお、上記一般式（ＩＩ）において、ｖ以外のｓ、ｔ、ｕは上記の条件を満たす限り、特に限定されるものではない。【００４９】
一方、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素と、炭素、窒素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む上記化合物は、その化合物に含まれる周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と酸素元素とのみを含む化合物が有する結晶構造と同一の結晶構造を上記界面領域以外の領域において有することが好ましい。高い硬度を得ることができ、耐摩耗性の向上に寄与するためである。【００５０】
これは、その化合物の結晶構造が、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ、Ｂ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を上記一般式（ＩＩ）のようにＭ’で表した場合に、Ｍ’wＯv（ｗ＝１、ｖ＝１．５）で表わされる化合物（酸化物）の結晶構造と同一の結晶構造を有する場合に、硬度が最も高くなるためではないかと考えられる。すなわち、この酸素リッチ硬質層を構成する化合物は、Ｍ’wＯv（ｗ＝１、ｖ＝１．５）で表わされる化合物（酸化物）の結晶構造と同一の結晶構造を有することが好ましく、これにより特に優れた硬度を有することとなる。【００５１】
なお、上記のような酸素リッチ硬質層を構成する化合物は、Ａｌを含むことが特に好ましく、さらにＡｌとともに、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含むことがより好ましい。Ａｌを含むことにより特に高い硬度が得られるとともに、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素をさらに含むことにより結晶組織が小さくなりさらに高い硬度が得られるからである。したがって、酸素リッチ硬質層を構成する化合物としてはＡｌ2Ｏ3（酸化物とすることにより耐酸化性も同時に向上する）が特に好ましく、このＡｌ2Ｏ3にＺｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素がさらに含まれることがより好ましい。【００５２】
なお、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素が該化合物に含まれる態様は特に限定されることはなく、たとえば該化合物の結晶格子の正規の位置に置換型として入る場合、該結晶格子間に浸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。なお、このようなＺｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素は、該化合物中に０．０１原子％以上１０原子％以下含まれることが好ましい。より好ましくはその下限が０．５原子％以上である。その含有量が０．０１原子％未満の場合、硬度の向上作用が十分に示されない場合があり、１０原子％を超えると非晶質以外の領域での結晶性が低下し、硬度が低下する場合があるため好ましくない。【００５３】
なお、Ａｌ2Ｏ3がＺｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む場合、その結晶構造はそれを含まない場合の結晶構造と同一となることが好ましい。【００５４】
このような酸素リッチ硬質層の厚み（２層以上の複数層として形成される場合はその合計厚み）は、０．１μｍ以上２０μｍ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、その下限が０．５μｍ以上である。その厚みが０．１μｍ未満の場合、耐摩耗性や耐酸化性の向上作用が十分に示されない場合があり、２０μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない。【００５５】
＜被膜の積層の態様＞
上記硬質層と酸素リッチ硬質層との積層の態様は、特に限定されることはなく任意に積層させることができる。たとえば、基材と接するようにして基材の直上に形成される層は、硬質層であってもよいし酸素リッチ硬質層であってもよい。また、２層以上を積層させる場合、異種の層を１層ずつ交互に積層させてもよいし、同種の層を２層以上重ねて積層してもよい。さらに被膜の最上層として表面を構成する層も、硬質層または酸素リッチ硬質層のいずれであっても差し支えない。さらに、上記の通り、硬質層および酸素リッチ硬質層以外の他の層を含んでいても差し支えない。【００５６】
＜製造方法＞
本発明の表面被覆切削工具の製造方法は、上記基材上に被膜の各層を物理蒸着法または化学蒸着法により形成する方法が挙げられる。しかし、化学蒸着法は被膜に引張応力が付与される傾向を示し、耐衝撃性が劣る場合があるため、被膜各層は物理蒸着法により形成することが特に好ましい。【００５７】
ここで、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。しかし、非導電性の化合物（たとえばＡｌ2Ｏ3）で被覆する場合は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非導電性の化合物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。【００５８】
なお、酸素リッチ硬質層において硬質層との界面領域を非晶質とする条件は、以下の通りである。すなわち、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（反応性スパッタ法）を採用する場合を例にとると、たとえばバイアス電圧を印加させず、基板（基材）温度を結晶質を得る条件と同等にし酸素ガスの流量を結晶質の化合物を得るための流量の５０％以下とし、さらにパルスＤＣ電力値が結晶質の化合物を得るための同電力値の３５％以下となるように放電電圧を制御することにより、非晶質とすることができる。【００５９】
＜実施例＞
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（化合物の組成）はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）によって確認し、結晶質および非晶質の同定はＴＥＭによって確認した。また、残留応力（圧縮応力）はＸ線応力測定装置を用いたｓｉｎ2ψ法により切削工具表面平坦部の任意の点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した）の平均値を求めることによって算出した（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）。【００６０】
また、以下では被膜の各層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。【００６１】
＜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２種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。【００６２】
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２１、２２、２３、２４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）２５を配置し、中心点Ｃを中心とし蒸発源２１〜２５に各対向するようにして回転する保持具１４に上記基材２０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。【００６３】
本実施例では、アーク蒸発源２１、２２、２３、２４のうち１以上に所定の金属原料（例えば、ＴｉＡｌやＴｉなど）をセットし、ＵＢＭスパッタ源２５にたとえばＡｌ（Ｚｒ、Ｈｆ、Ｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、Ｓｉ等を含む場合もある）をセットする。すなわち、基材上に被膜として、ＵＢＭスパッタ源により酸素リッチ硬質層を形成し、アーク蒸発源により硬質層を形成することになる。【００６４】
そして、真空ポンプにより該装置内を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。【００６５】
次に、アルゴンガスを導入して該装置内の圧力を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。【００６６】
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、圧縮応力）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のような各ターゲットを各々セットした。Ｎｏ．１〜１８の工具の酸素リッチ硬質層については、基材（基板）温度５００〜８００℃に設定し、アルゴンガスとともに酸素ガスを流しつつＵＢＭスパッタ源にパルスＤＣ電力を加えながら反応性スパッタ法で形成した。【００６７】
この場合、成膜初期および／または成膜終期において、バイアス電圧を印加させず、酸素ガスの流量を成膜初期および／または成膜終期以外（すなわち結晶質の化合物を得る条件）の流量の５０％以下とし、さらにパルスＤＣ電力値が成膜初期および／または成膜終期以外の同電力値の３５％以下となるように放電電圧を制御することにより、硬質層との界面領域を非晶質とし、同界面領域以外の領域を結晶質とした。【００６８】
また硬質層については、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（炭素源として）、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形成した。【００６９】
なお、表１および表２中、被膜として第１層を基材の直上に形成するものとし、その第１層上に順次第２層以降のものを形成するものとする。空欄になっている部分は、該当の層が形成されないことを示している。また実施例中、化合物の項に「＊」を付したものが酸素リッチ硬質層であり、それ以外のものが硬質層である。酸素リッチ硬質層において、「ａｍｏ」とは非晶質を示し括弧内の数値（ｎｍ）は非晶質の厚み（すなわち硬質層との界面領域の厚み）を表わしている。また、「α」や「γ」は結晶質であることを示している（「α」はα型の結晶構造であることを示し、「γ」はγ型の結晶構造であることを示し、「α、γ」はα型の結晶構造とγ型の結晶構造が共存することを示す）。【００７０】
たとえば、表１のＮｏ．１の第３層の酸素リッチ硬質層は、それを構成する化合物がＡｌ2Ｏ3であることを示し、「ａｍｏ（８０）−γ−ａｍｏ（２００）」という表記は、第２層の硬質層（ＴｉＡｌＮ）との界面領域において厚み８０ｎｍ（硬質層との界面からの厚みが８０ｎｍ）の非晶質のＡｌ2Ｏ3が形成され、第４層の硬質層（ＴｉＣＮ）との界面領域において厚み２００ｎｍ（硬質層との界面からの厚みが２００ｎｍ）の非晶質のＡｌ2Ｏ3が形成され、かつこれらの界面領域以外の領域（すなわち厚み方向の中央領域）において結晶質（γ型結晶構造）のＡｌ2Ｏ3が厚み１．２２μｍ（酸素リッチ硬質層全体の厚みである１．５μｍから、非晶質の領域の合計厚み（８０ｎｍ＋２００ｎｍ）を差し引いた残余の厚み）で形成されていることを示している。【００７１】
一方、硬質層において、「ａｍｏ」の表示のあるものはその一部に非晶質を含む結晶質からなること（その一部に非晶質を含む結晶質の化合物で構成されること）を示し（表１中、Ｎｏ．９の「ａｍｏ−ＴｉＳｉＮ」に関しては非晶質の母体（ＳｉＮ）中に結晶粒子（ＴｉＮ）が分散したナノコンポジット構造を示す）、「ａｍｏ」の表示のないものは層全体が結晶質であること（結晶質の化合物で構成されること）を示す。【００７２】
また、表１および表２において、酸素リッチ硬質層において括弧書きで示されている元素記号と％表示（原子％を示す）は酸素リッチ硬質層を構成する化合物にその元素がその％表示で示された数量含まれていることを示す。すなわち、たとえばＮｏ．３の第３層の場合、Ａｌ2Ｏ3にＨｆが８原子％含まれていることを示している。ただし、このように他の元素が含まれる場合であっても、結晶質の結晶構造はＡｌ2Ｏ3の結晶構造と同一になることを確認した。【００７３】
また、表１において、Ｎｏ．６の第１層の酸素リッチ硬質層を構成するＡｌ2（ＮＯ）3は、上記一般式（ＩＩ）に基づいて表わすと（すなわちｗ＝１、ｓ＋ｔ＋ｕ＋ｖ＝１．５に換算して表わすと）、ｓ＝０、ｔ＝０、ｕ＝０．１、ｖ＝１．４となる化合物を用いている。また、Ｎｏ．８の第３層の酸素リッチ硬質層を構成するＡｌ2（ＢＣＯ）3は、上記と同様にして表わすと、ｓ＝０．０５、ｔ＝０．１、ｕ＝０、ｖ＝１．３５となる化合物を用いている。なお、これらのＡｌ2（ＮＯ）3およびＡｌ2（ＢＣＯ）3は、非晶質以外の領域においてＡｌ2Ｏ3と同一のγ型結晶構造を有していた。【００７４】
また、表１および表２における硬質層を構成する化合物の組成は、従来公知の組成を採用し、その結晶構造はその化合物（ただし結晶質のもの）に含まれる周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｍｇ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と窒素元素とのみを含む化合物が有する結晶構造と同一の結晶構造を有することを確認した。【００７５】
なお、表１のＮｏ．８およびＮｏ．９の第３層の酸素リッチ硬質層は、第４層のＴｉＮとの界面領域において非晶質の領域が形成されていないことから、第４層のＴｉＮは硬質層ではなく他の層という位置付けとして考えることもできる。また同様に、Ｎｏ．１０およびＮｏ．１１の第２層の酸素リッチ硬質層は、第１層のＴｉＮとの界面領域において非晶質の領域が形成されていないことから、第１層のＴｉＮは硬質層ではなく他の層という位置付けとして考えることもできる。【００７６】
このようにして、表１および表２に示した、基材上に被膜を備えるＮｏ．１〜２３の表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．１〜１８が本発明の実施例であり、Ｎｏ．１９〜２３は比較例である。【００７７】
なお、比較例の各被膜のうち、実施例の硬質層に相当する層（「ａｍｏ」や「α」の表記のないもの）は、実施例と同様の条件で形成した。また、比較例中、実施例の酸素リッチ硬質層と同様に「ａｍｏ」や「α」の表記のあるものは、上記実施例における酸素リッチ硬質層の形成条件と同様の条件をそれぞれの表記に対応するようにして適用させて形成した。なお、比較例における表記方法自体は実施例と同一である。たとえば、Ｎｏ．２２の第２層の「γ−ａｍｏ（２２０）−γ」という表記は、第１層のＴｉＮとの界面領域において結晶質（γ型結晶構造）のＡｌ2Ｏ3が形成され、第３層のＴｉＳｉＢＣＮＯとの界面領域においても結晶質のＡｌ2Ｏ3が形成され、かつこれらの界面領域以外の領域（すなわち厚み方向の中央領域）において非晶質のＡｌ2Ｏ3が厚み２２０ｎｍで形成されていることを示し、また「（Ｂ  ２％）」という表記はＡｌ2Ｏ3がＢを２原子％含んでいること示している。【００７８】
【表１】
2008041402.tif 000003
【００７９】
【表２】
2008041402.tif 000004
【００８０】
そして、これらの表面被覆切削工具について、切削試験として、下記の条件により耐摩耗性試験（２種）と断続試験とを行なった。その結果を以下の表３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す。また、断続試験では、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に優れていることを示す。【００８１】
＜耐摩耗性試験−１＞
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
＜耐摩耗性試験−２＞
被削材：ＦＣＤ４５０丸棒
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
＜断続試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３８０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式【００８２】
【表３】
2008041402.tif 000005
【００８３】
上記表３から明らかなように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１８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と耐欠損性とを有するものであった。すなわち、これらの実施例の表面被覆切削工具においては、被膜を構成する各層が互いに密着性に優れることから各層が相乗的に作用し高度に耐摩耗性と耐欠損性が両立されたものと考えられる。【００８４】
これに対して、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２３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密着性が劣ることより、耐摩耗性も耐欠損性も劣っていた。故に、本発明の表面被覆切削工具の構成が優れていることが確認できた。【００８５】
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。【００８６】
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。【００８７】
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請求の範囲によって示され、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。
【図１】
2008041402.tif 000006
【国際調査報告】
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2008041402.tif 000008
2008041402.tif 000009
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