(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上に硬質の下層、中間層及び上層を物理蒸着法により形成した硬質皮膜被覆工具であって、
(a) 前記下層は、周期律表のIVa、Va及びVIa族の元素、Al及びSiからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属元素と、N、C及びBからなる群から選ばれた少なくとも一種の非金属元素とを含有し、
(b) 前記上層は、一般式：(AlxCry)cOd（ただし、x及びyはAl及びCrの原子比率を表わす数字であり、c及びdはAlCr及びOの原子比率を表わす数字であり、x＝0.1〜0.4、x＋y＝1、c＝1.86〜2.14、及びd＝2.79〜3.21の条件を満たす。）により表される組成を有するととにも、等価X線回折強度比TC(006)が1.3以上のα型結晶構造を有し、
(c) 前記中間層は、金属元素としてAlとCrを必須とする酸窒化物からなり、酸素濃度が前記下層側から前記上層側にかけて増加するとともに窒素濃度が前記下層側から前記上層側にかけて減少する傾斜組成を有し、その平均組成が一般式：(AlsCrt)a(NvOw)b（ただし、s、t、v及びwはそれぞれAl、Cr、N及びOの原子比率を表わす数字であり、a及びbはAlCr及びNOの原子比率を表わす数字であり、下記条件：
s＝0.1〜0.4、
s＋t＝1、
v＝0.1〜0.8、
v＋w＝1、
a＝0.3〜0.5、及び
a＋b＝1を満たす。）により表され、
前記中間層の結晶格子縞と前記上層の結晶格子縞とが両者の界面において少なくとも部分的に連続していることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項２】
請求項1に記載の硬質皮膜被覆工具において、前記中間層の厚さ（Tm）が0.1〜5μmであり、前記上層の厚さ（Tu）が0.2〜8μmであり、Tm≦Tuの関係を満たすことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項３】
請求項1又は2に記載の硬質皮膜被覆工具において、前記下層の厚さが0.5〜10μmであることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項４】
請求項1〜3のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具において、前記中間層の前記傾斜組成における酸素濃度の前記下層側から前記上層側にかけての平均勾配が10〜600原子％／μmであることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項５】
請求項1〜4のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具において、前記中間層の前記傾斜組成における窒素濃度の前記下層側から前記上層側にかけての平均勾配が−650〜−10原子％／μmであることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項６】
基体上に物理蒸着法により形成した硬質の下層、中間層及び上層を有する硬質皮膜被覆工具であって、(a) 前記下層は、周期律表のIVa、Va及びVIa族の元素、Al及びSiからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属元素と、N、C及びBからなる群から選ばれた少なくとも一種の非金属元素とを含有し、(b) 前記上層は、一般式：(AlxCry)cOd（ただし、x及びyはAl及びCrの原子比率を表わす数字であり、c及びdはAlCr及びOの原子比率を表わす数字であり、x＝0.1〜0.4、x＋y＝1、c＝1.86〜2.14、及びd＝2.79〜3.21の条件を満たす。）により表される組成を有するととにも、等価X線回折強度比TC(006)が1.3以上のα型結晶構造を有し、(c) 前記中間層は、金属元素としてAlとCrを必須とする酸窒化物からなり、酸素濃度が前記下層側から前記上層側にかけて増加するとともに窒素濃度が前記下層側から前記上層側にかけて減少する傾斜組成を有し、その平均組成が一般式：(AlsCrt)a(NvOw)b（ただし、s、t、v及びwはそれぞれAl、Cr、N及びOの原子比率を表わす数字であり、a及びbはAlCr及びNOの原子比率を表わす数字であり、s＝0.1〜0.4、s＋t＝1、v＝0.1〜0.8、v＋w＝1、a＝0.3〜0.5、及びa＋b＝1の条件を満たす。）により表され、前記中間層の結晶格子縞と前記上層の結晶格子縞とが両者の界面において少なくとも部分的に連続している硬質皮膜被覆工具を製造する方法であって、
(1) 前記中間層の成膜開始から終了までの間反応ガスとして供給する酸素ガスの流量を600 sccm以下まで増大させるとともに、窒素ガスの流量を減少させ、
(2) 前記上層の成膜中の酸素ガスの流量を100〜600 sccmにして、成膜雰囲気中の酸素分圧を0.3〜2 Paに制御することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項6に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、前記上層成膜中の酸素ガスの流量を300〜500 sccmに制御することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項6又は7により記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、前記中間層の成膜終了時に前記上層用の酸素ガス流量に達していることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理蒸着法により形成された密着性及び耐チッピング性に優れた硬質皮膜を有する硬質皮膜被覆工具、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
α型の(Al, Cr)2O3膜は優れた耐熱性及び耐酸化性を有するために、工具に設ける硬質皮膜の上層に用いられるようになった。α型の(Al, Cr)2O3膜は化学蒸着法及び物理蒸着法により形成することができる。化学蒸着法の場合、優れた密着性を有するα型の(Al, Cr)2O3膜が得られるが、成膜温度が約1000℃と高いので、基体との熱膨張係数の差により膜中に引張り応力が残留し、チッピングが起こり易いという問題がある。【０００３】
これに対して、物理蒸着法では成膜温度が500℃前後と低いので種々の基体に成膜できるだけでなく、得られる皮膜中に圧縮応力が残留するので耐欠損性に優れた皮膜が得られる。しかし、物理蒸着法により形成したα型の(Al, Cr)2O3膜は密着性に劣り、剥離し易いだけでなく、結晶粒の脱落によりチッピングも起こり易いという問題がある。そのため、剥離やチッピングが起こりにくい硬質皮膜を物理蒸着法により形成する技術の開発が求められている。【０００４】
特許第3323534号は、10〜50原子％のクロムを含有する(Al, Cr)2O3結晶からなる硬質層を形成した切削用工具を開示している。この文献では、アルミニウムにクロムを加えるという非常に簡単な対策によって、高温のCVD法でしか得られない結晶質の硬質層を1000℃未満の成膜温度で得た。しかし、この文献は、(Al, Cr)2O3硬質層と中間層との組合せを全く開示していない。【０００５】
特開2008-168365号は、基材上に少なくとも酸化アルミニウム多層被膜が形成された表面被覆切削工具であって、前記酸化アルミニウム多層被膜は、α型結晶構造を有する酸化アルミニウムを含む第一の層と、γ型結晶構造を有する酸化アルミニウムを含む第二の層とが交互に積層した構造を有し、前記第一及び第二の層の厚さはそれぞれ0.5〜50 nmである表面被覆切削工具を開示している。この文献の表1は、基材上に形成したTiAlN層の上に、厚さ5.0 nmのAlCrN層と厚さ4.0 nmのAlCrNO層とを厚さ1.5μmになるまで交互に積層し、その上に7.5原子％のSiを含有する厚さ2.0 nmのγ-(Al, Si)2O3層と2.4原子％のCrを含有する厚さ3.5 nmのα-(Al, Cr)2O3層とを交互に積層した表面被覆切削工具を示している（実施例5）。この表面被覆切削工具では、AlCrNO層の組成が不明である上に、γ-(Al, Si)2O3層とα-(Al, Cr)2O3層とが混在しており、さらに成膜条件からしてα-(Al, Cr)2O3層は1.3未満のTC(006)を有し、密着力が低いと判断される。【０００６】
特表2010-506049号は、工具等を被覆するPVD皮膜システムであって、(Me11-xMe2x)2O3の組成を有する複酸化物の混合結晶皮膜を少なくとも1つ含み、Me1及びMe2はそれぞれAl，Cr，Fe，Li，Mg，Mn，Nb，Ti，Sb及びVの少なくとも1つの元素であって異なっている皮膜システムにおいて、前記混合結晶皮膜の結晶がコランダム型構造を有する皮膜システムを開示している。この文献は、コランダム型、三酸化二クロム型又は六方晶の結晶構造を有する複酸化物を生成することも可能であると記載している。さらに、この文献の図1A〜図1Cはそれぞれx＝0.75、0.50及び0.30の場合の(Al1-xCrx)2O3皮膜のX線スペクトルを示している。中間皮膜の生成から複酸化物の混合結晶皮膜の生成に移行に関して、この文献は、AlCr (50/50)ターゲットをターンオンした後5分で酸素ガスの導入を開始し、酸素ガスの流量を10分以内に50 sccmから1000 sccmにし、同時にTiAl (50/50)ターゲットをターンオフし、窒素ガスの流量を約100 sccmに戻すと記載している。【０００７】
しかし、図1A〜図1Cに示すX線スペクトルから明らかなように、特表2010-506049号のコランダム型構造の(Al1-xCrx)2O3膜は(202)面に配向している。その上、この(Al1-xCrx)2O3膜は1.3未満の等価X線回折強度比TC(006)を有するので、(006)面への配向が不十分である。そのため、例えば表7に示す実験番号93のように、AlCrONからなる中間皮膜の上に(Al0.5Cr0.5)2O3からなる混合結晶皮膜を形成しても、中間皮膜と混合結晶皮膜との密着性が十分ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って本発明の目的は、基体上に、下層、AlCr酸窒化物中間層及びAlCr酸化物上層からなる硬質皮膜を物理蒸着法により形成してなる硬質皮膜被覆工具であって、中間層と上層との密着性を向上させるとともに、上層の耐チッピング性も向上させることにより寿命を著しく長くした硬質皮膜被覆工具、及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の硬質皮膜被覆工具は、基体上に硬質の下層、中間層及び上層を物理蒸着法により形成したもので、
(a) 前記下層は、周期律表のIVa、Va及びVIa族の元素、Al及びSiからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属元素と、N、C及びBからなる群から選ばれた少なくとも一種の非金属元素とを含有し、
(b) 前記上層は、一般式：(AlxCry)cOd（ただし、x及びyはAl及びCrの原子比率を表わす数字であり、c及びdはAlCr及びOの原子比率を表わす数字であり、x＝0.1〜0.4、x＋y＝1、c＝1.86〜2.14、及びd＝2.79〜3.21の条件を満たす。）により表される組成を有するととにも、等価X線回折強度比TC(006)が1.3以上のα型結晶構造を有し、
(c) 前記中間層は、金属元素としてAlとCrを必須とする酸窒化物からなり、酸素濃度が前記下層側から前記上層側にかけて増加するとともに窒素濃度が前記下層側から前記上層側にかけて減少する傾斜組成を有し、その平均組成が一般式：(AlsCrt)a(NvOw)b（ただし、s、t、v及びwはそれぞれAl、Cr、N及びOの原子比率を表わす数字であり、a及びbはAlCr及びNOの原子比率を表わす数字であり、下記条件：
s＝0.1〜0.4、
s＋t＝1、
v＝0.1〜0.8、
v＋w＝1、
a＝0.3〜0.5、及び
a＋b＝1を満たす。）により表され、
前記中間層の結晶格子縞と前記上層の結晶格子縞とが両者の界面において少なくとも部分的に連続していることを特徴とする。
【００１１】
前記上層の等価X線回折強度比TC(006)は1.8以上が好ましい。【００１２】
前記中間層の厚さ（Tm）は0.1〜5μmで、前記上層の厚さ（Tu）は0.2〜8μmで、Tm≦Tuの関係を満たすのが好ましい。前記下層の厚さは0.5〜10μmが好ましい。【００１３】
前記中間層の前記傾斜組成において、酸素濃度の前記下層側から前記上層側にかけての平均勾配は10〜600原子％／μmであるのが好ましい。【００１４】
前記中間層の前記傾斜組成において、窒素濃度の前記下層側から前記上層側にかけての平均勾配は−650〜−10原子％／μmであるのが好ましい。【００１５】
上記硬質皮膜被覆工具を製造する本発明の方法は、
(1) 前記中間層の成膜開始から終了までの間反応ガスとして供給する酸素ガスの流量を増大させるとともに、窒素ガスの流量を減少させ、
(2) 前記上層の成膜中の酸素ガスの流量を100〜600 sccmにして、成膜雰囲気中の酸素分圧を0.3〜2 Paに制御することを特徴とする。【００１６】
上記方法において、ドロップレットの生成を防止するために、上層成膜中の酸素ガスの流量を300〜500 sccmに制御するのが好ましい。【００１７】
上記方法において、前記中間層の成膜終了時に前記上層用の酸素ガス流量に達しているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
物理蒸着法により形成した本発明の硬質皮膜被覆工具は、(111)配向を有する下層と(006)配向を有する上層との間に傾斜組成を有する中間層を有するので、層間密着性及び耐チッピング性に優れており、特に断続切削等に好適である。また本発明の方法によれば、中間層成膜時に酸素ガス及び窒素ガスの流量を変化させるとともに、上層成膜中の酸素ガスの流量及び成膜雰囲気中の酸素分圧を制御することにより、上記特徴を有する硬質皮膜被覆工具を安定的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に使用し得るAIP装置の一例を示す概略図である。
【図２】実施例1における中間層の成膜工程において、酸素ガス及び窒素ガスの流量変化を示すグラフである。
【図３】実施例1の上層のX線回折パターンを示すグラフである。
【図４】実施例1の中間層における酸素濃度分布及び窒素濃度分布を示すグラフである。
【図５（ａ）】実施例1の硬質皮膜被覆工具における中間層と上層の界面領域を示す透過型電子顕微鏡写真（200万倍）である。
【図５（ｂ）】図5(a) の模式図である。
【図６】実施例9における中間層の成膜工程において、酸素ガス及び窒素ガスの流量変化を示すグラフである。
【図７】比較例1における中間層の成膜工程において、酸素ガス及び窒素ガスの流量変化を示すグラフである。
【図８】比較例1の中間層における酸素濃度分布及び窒素濃度分布を示すグラフである。
【図９】実施例及び比較例の硬質皮膜被覆工具のTC(006)と寿命との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
[1] 硬質皮膜被覆工具
(A) 基体
本発明の硬質皮膜被覆工具の基体用材料として、超硬合金、立方晶窒化ホウ素（CBN）、高速度鋼、工具鋼、サーメット、セラミックス等が好適であり，特に超硬合金が好適である。
【００２１】
(B) 下層
物理蒸着法により基体上に形成する下層は、周期律表のIVa、Va及びVIa族の元素、Al及びSiからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属元素と、N、C及びBからなる群から選ばれた少なくとも一種の非金属元素とからなる硬質皮膜である。非金属元素としては、Nが必須であるのが好ましい。下層組成の具体例としては、TiAlN、TiAlNbN、TiAlCrN、AlCrSiN、CrSiBN等が挙げられる。中間層との密着性を良好にするために、Al又はCrを含有するのが好ましい。これらの下層はfcc構造を有し、(111)面に配向している。下層の膜厚は0.5〜10μmが好ましく、1〜5μmがより好ましく、2〜4μmが最も好ましい。
【００２２】
(C) 中間層
(1) 平均組成
物理蒸着法により下層上に形成する中間層は、金属元素としてAl及びCrを必須とする酸窒化物の硬質皮膜である。中間層の平均組成は、一般式：(AlsCrt)a(NvOw)b（ただし、s、t、v及びwはそれぞれAl、Cr、N及びOの原子比率を表わす数字であり、a及びbはAlCr及びNOの原子比率を表わす数字であり、それぞれ
s＝0.1〜0.4、
s＋t＝1、
v＝0.1〜0.8、
v＋w＝1、
a＝0.3〜0.5、及び
a＋b＝1
の条件を満たす。）により表わされる。平均組成として、中間層の厚さ方向中央における組成を用いることができる。この組成により中間層は下層と同様に(111)面に配向したfcc構造を有し、下層との密着性が高い。
【００２３】
Alの原子比率sとCrの原子比率tの合計（s＋t）は1である。sは0.1〜0.4であり、好ましくは0.15〜0.38であり、最も好ましくは0.2〜0.3である。tは0.9〜0.6であり、好ましくは0.85〜0.62であり、最も好ましくは0.8〜0.7である。sが0.1未満では中間層におけるCrの含有量が過多であり、中間層の硬度及び機械強度が低く、下層及び上層との密着性が低い。またsが0.4超では中間層におけるAlの含有量が過多であり、六方晶系結晶構造を有するため、やはり中間層の硬度及び機械強度が低く、下層及び上層との密着性が低い。
【００２４】
窒素(N)の原子比率vと酸素（O）の原子比率wの合計（v＋w）は1である。vは0.1〜0.8であり、好ましくは0.2〜0.7であり、最も好ましくは0.3〜0.6である。wは0.9〜0.2であり、好ましくは0.8〜0.3であり、最も好ましくは0.7〜0.4である。vが0.1〜0.8であると、中間層を構成するfcc構造のAlCr酸窒化物は(111)面が表面に現れるように配向し、その結晶格子縞が上層のAlCr酸化物の結晶格子縞と少なくとも部分的に連続する（エピタキシャル成長する）ので、中間層と上層の密着性が高い。vが0.1未満であると、中間層は酸素過剰のため脆いだけでなく、上層との密着性に劣る。一方、vが0.8超であると、中間層の格子定数が過大であり、上層のAlCr酸化物との整合性が悪く、上層との密着性に劣る。
【００２５】
AlCrの原子比率aは(s＋t)／[(s＋t)＋(v＋w)]に相当し、NOの原子比率bは(v＋w)／[(s＋t)＋(v＋w)]に相当する。a＋bは1である。aは0.3〜0.5であり、好ましくは0.38〜0.47であり、最も好ましくは0.4〜0.45である。bは0.7〜0.5であり、好ましくは0.62〜0.53であり、最も好ましくは0.6〜0.55である。aが0.3未満であると中間層における金属成分(Al, Cr)が少なすぎ、硬さが不十分である。aが0.5超であると金属成分が多過ぎ、金属成分と非金属成分のバランスが均一な中間層が得られず、機械強度が劣る。
【００２６】
(2) 傾斜組成
下層及び上層と中間層とは残留応力が異なり、下層と中間層、及び中間層と上層との間で大きな応力差があると層間剥離が生じるおそれがある。これに対し、中間層が、酸素濃度が下層側から上層側にかけて増加するとともに窒素濃度が下層側から上層側にかけて減少する傾斜組成を有することにより、残留応力の急激な変化を抑制し、層間剥離を抑制できることがわかった。
【００２７】
図4に示すように、中間層における酸素濃度及び窒素濃度は実質的に直線的に変化するのが好ましい。この場合、中間層の格子定数が直線的に変化するので、残留応力の急激な変化及び層間剥離がいっそう抑制される。勿論、中間層における酸素濃度及び窒素濃度が下層側から上層側にかけて直線的に変化しなくても（例えば断続的に変化する領域があっても）、下層側から上層側にかけて酸素濃度が増加するとともに窒素濃度が減少していれば、残留応力の急激な変化が抑制され、層間剥離が抑制される。
【００２８】
中間層の傾斜組成において、酸素濃度の平均勾配は膜厚に依存するが、一般に10〜600原子％／μmであり、20〜300原子％／μmが好ましく、30〜200原子％／μmがより好ましく、特に60〜150原子％／μmが最も好ましい。中間層が厚くなるに従って酸素濃度の平均勾配が小さくなるので、酸素濃度の平均勾配が10原子％／μm未満では中間層が厚すぎることになり、かえって硬質皮膜の耐チッピング性等が低下する。また酸素濃度の平均勾配を600原子％／μm超であると、酸素濃度変化が急激であり、傾斜組成の中間層を設けた意味が失われる。
【００２９】
窒素濃度の平均勾配は−650〜−10原子％／μmが好ましく、−330〜−22原子％／μmがより好ましく、−220〜−33原子％／μmが最も好ましく、−160〜−70原子％／μmが特に好ましい。窒素濃度の平均勾配における−の記号は、窒素濃度が下層側から上層側にかけて減少することを意味する。窒素濃度の平均勾配の絶対値が10原子％／μm未満では中間層が厚すぎることになり、かえって硬質皮膜の耐チッピング性等が低下する。また窒素濃度の平均勾配の絶対値が650原子％／μm超であると、窒素濃度変化が急激であり、傾斜組成の中間層を設けた意味が失われる。酸素濃度及び窒素濃度は、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた局所領域の電子エネルギー損失分光法（EELS）により測定できる。
【００３０】
(3) 厚さ
下層及び上層との高い密着性とともに高い耐衝撃性を有するために、中間層の膜厚（Tm）は0.1〜5μmが好ましく、0.2〜3μmがより好ましく、0.3〜2μmが最も好ましく、0.3〜1μmが特に好ましい。
【００３１】
(D) 上層
(1) 組成
物理蒸着法により中間層上に形成する上層は、金属元素としてAl及びCrを必須とする酸化物の硬質皮膜である。上層の組成は、一般式：(AlxCry)cOd（ただし、x及びyはAl及びCrの原子比率を表わす数字であり、c及びdはAlCr及びOの原子比率を表わす数字であり、x＝0.1〜0.4、x＋y＝1、c＝1.86〜2.14、及びd＝2.79〜3.21の条件を満たす。）により表される。Alの原子比率xとCrの原子比率yの合計（x＋y）は1である。xは0.1〜0.4であり、好ましくは0.15〜0.38であり、最も好ましくは0.2〜0.35である。yは0.9〜0.6であり、好ましくは0.85〜0.62であり、最も好ましくは0.8〜0.65である。0.1〜0.4のxにより上層はα型結晶構造を有する。xが0.1未満であるとCrが過多になり、上層の硬さ及び機械強度が低く中間層との密着性に劣るだけでなく、Cr2O3が過多になるため耐熱性も劣る。xが0.4を超えると低融点のAlが過多になり、成膜時に正常にイオン化されない原子数が増すので、未反応の金属や異常に反応した生成物がドロップレットとして上層中又は表面に存在し、層密度が低下し、密着性及び耐チッピング性が悪化する。
【００３２】
上層は化学量論値である(AlCr)2O3を基本組成とするが、物理蒸着法で形成される組成は必ずしも化学量論値にはならない。従って、c及びdは2及び3を中止とする範囲内の値であり、具体的にはcは1.86〜2.14であり、好ましくは1.9〜2.1であり、より好ましくは1.93〜2.06であり、最も好ましくは1.94〜2.06である。またdは2.79〜3.21であり、好ましくは2.85〜3.15であり、より好ましくは2.90〜3.10であり、最も好ましくは2.91〜3.09である。
【００３３】
(2) 結晶構造
硬質皮膜被覆工具の刃先は800℃以上の切削熱に曝されるので、酸化物上層は優れた耐熱性を有する必要がある。ところが、酸化物上層がγ型、κ型又はδ型等のα型以外の結晶形態の場合、高温でα型に変態するとともに収縮が発生する。また物理蒸着法により形成された硬質皮膜中には圧縮応力が残留するので、結晶形態の変態による収縮の影響が大きい。そのため、酸化物上層は中間層から剥離したり、チッピングしたりする。しかし、本発明の上層はα型結晶構造を有するので、中間層との密着性に優れており、耐剥離性及び耐チッピング性に優れた硬質皮膜被覆工具が得られる。
【００３４】
物理蒸着法により形成したAlCr酸化物は化学蒸着法により形成したAlCr酸化物より密度が低いので、密着力に劣るものであった。この問題を解決するため、本発明では、(a) AlCr酸化物上層の結晶構造を、立方晶（fcc）構造を有するAlCrNO中間層中の結晶粒の(111)面と整合性が良い(006)面に配向した六方晶とするとともに、(b) (111)面に配向したAlCr酸窒化物中間層上に、(006)面に配向したAlCr酸化物上層を形成することにより、AlCr酸化物上層をAlCr酸窒化物中間層上にエピタキシャル成長させた。上層中に中間層からエピタキシャル成長した部分が多いために、上層は中間層に対して高い密着力を有し、工具寿命が長くなる。
【００３５】
AlCr酸化物上層の(006)面の配向度は、等価X線回折強度比TC(006)により評価する。上層中のAlCr酸化物結晶粒の主たる結晶面は、(012)面、(104)面、(110)面、(006)面、(113)面、(202)面、(024)面及び(116)面であるので、全ての結晶面に対する(006)面の割合を表す等価X線回折強度比TC(006)は下記の式により表される。
TC(006)＝[I(006)/I0(006)]／Σ[I(hkl)／8I0(hkl)]
（ただし、(hkl)は(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)及び(116)である。）
【００３６】
I(hkl)は上層の(hkl)面からの実測X線回折強度であり、I0(hkl)はASTMファイル番号381479に記載されているα型酸化クロムの標準X線回折強度である。I0(hkl)は、等方的に配向したα型酸化クロム粉末粒子の(hkl)面からのX線回折強度を表す。TC(006)は実測X線回折ピークの相対強度を示し、TC(006)が大きいほど(006)面からのX線回折ピーク強度が強い。これは、(006)面が膜厚方向に対して垂直に配向していることを示す。
【００３７】
TC(006)は1.3以上であり、1.5〜3が好ましく、1.8〜2.5がより好ましく、2〜2.3が最も好ましい。TC(006)が大きいことは、AlCr酸化物結晶粒が(006)面（基体表面に対して垂直）に強く配向していること、即ち、AlCr酸化物結晶粒が[006]方向に優先的に成長し、縦長の微細結晶粒になったことを示す。α型の(006)面はAlCr酸化物の結晶格子のc軸に対して垂直である。その結果、上層の(006)面の格子縞は中間層の(111)面の格子縞と連続的に連なり、縦長に成長する。このように成長したAlCr酸化物結晶粒からなる上層は密度が高く、耐チッピング性に優れている。TC(006)が1.8以上である場合、微細な結晶粒がより縦長に成長したので、密着性及び耐チッピング性が非常に高い。しかしTC(006)が2.5を超えると、工具寿命はかえって短くなる傾向がある。
【００３８】
(3) 厚さ
上層の特性を効果的に発揮するために、上層の膜厚（Tu）は0.2〜8μmが好ましく、0.2〜5μmがより好ましく、0.3〜3μmが最も好ましく、0.3〜2μmが特に好ましい。高性能化のために、上層と中間層との膜厚比（Tu／Tm）は1以上が好ましく、1〜100がより好ましく、2〜50が最も好ましく、3〜10が特に好ましい。膜厚比（Tu／Tm）が1未満又は100超であると、中間層と上層との密着力の低い。
【００３９】
[2] 成膜装置
物理蒸着法の成膜装置として、アークイオンプレーティング（AIP）装置、フィルター方式アークイオンプレーティング装置、スパッタリング装置等が好適である。図1は本発明に使用し得るAIP装置1の一例を示す。このAIP装置1は、基体ホルダー11と、下層形成用のソース（ターゲット）12及びそのシャッター22と、中間層形成用のソース（ターゲット）13及びそのシャッター23と、上層形成用のソース（ターゲット）14，15及びそれらのシャッター24，25と、反応ガス供給パイプ16と、基体にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源17とを具備する。なお上層の金属成分が中間層と同じ場合にはソース14，15及びそれらのシャッター24，25を省略しても良い。
【００４０】
[3] 製造方法
(A) 下層の形成
基体のクリーニング後、ソース12のシャッター22を開き、450〜600℃の温度で基体上に下層を形成する。下層の成膜温度が450℃未満では密着力が低く、また600℃を超えると加熱効果が飽和する。
【００４１】
成膜雰囲気は下層の組成に依存する。下層が窒化物の場合窒素雰囲気を用い、炭窒化物の場合炭化水素（アセチレン、メタン等）ガスと窒素ガスとの混合雰囲気を用いる。成膜時に供給する雰囲気ガスの流量は400〜1500 sccmが好ましい。400 sccm未満では窒化物又は炭窒化物の生成が不十分であり、また1500 sccm超としても雰囲気ガスの効果が飽和する。図2は反応ガスとして供給する窒素ガスの流量の一例を示す。点Aは下層の成膜開始時点を示し、点Bは下層の成膜終了時点を示す。
【００４２】
下層の成膜時に基体に印加するDCバイアス電圧は−400 V〜−10 Vが好ましい。DCバイアス電圧が−400 V未満では残留応力が大きすぎ、下層の剥離のおそれがある。また−10 V超では下層が形成されない。パルスバイアス電圧の場合、周波数は0.1〜300 kHzの範囲が好ましい。周波数が0.1 kHz未満では下層が形成されず、300 kHz超ではパルスバイアス電圧の印加効果が飽和する。
【００４３】
(B) 中間層の形成
下層形成用ソース12のシャッター22を閉じて中間層形成用ソース13のシャッター23を開く。中間層の成膜温度は450〜580℃が好ましく、470〜570℃がより好ましい。成膜温度が450℃未満では中間層の残留応力が高くなり密着性が低下する。また成膜温度が580℃を超えると残留応力が大きく低下し、皮膜の硬度及び機械強度が低下する。
【００４４】
(1) 成膜雰囲気
中間層の成膜雰囲気に窒素ガス及び酸素ガスの混合ガス（反応ガス）を用いる。混合ガスはArガスを含有しても良い。この場合、Arガスの割合は混合ガスの70体積％以下が好ましく、50体積％以下がより好ましい。成膜雰囲気の圧力は0.3〜3 Paが好ましく、0.5〜2 Paがより好ましい。成膜雰囲気圧力が上記範囲外であると、中間層の形成が困難になる。
【００４５】
(2) 反応ガスの流量変化
中間層に、酸素濃度が下層側から上層側にかけて増加するとともに窒素濃度が下層側から上層側にかけて減少する傾斜組成を与えるために、中間層の成膜時に供給する酸素ガスの流量を徐々に増大させるとともに、窒素ガスの流量を徐々に減少させる。図2は中間層成膜用の酸素ガス及び窒素ガスの流量変化の一例を示す。点T1は中間層の成膜開始時点を示し、点T2は中間層の成膜終了時点を示す。
【００４６】
図2において、酸素ガスの流量変化のパターンは点E，F，Gで表される。中間層の成膜工程前半での酸化を抑制するために、成膜開始時点Eにおける酸素ガス流量は100 sccm以下が好ましく、50 sccm以下がより好ましく、10 sccm以下が最も好ましい。中間層から上層へのエピタキシャル成長を得るためには、成膜終了時点Fでの酸素ガス流量が600 sccm以下である必要があることが分った。酸素ガス流量が600 sccm超であるとドロップレットの生成が多く、密着性及び平滑性に優れた硬質皮膜が得られない上、上層の形成が早すぎ、中間層から上層へのエピタキシャル成長が得られない。成膜終了時点Fでの酸素ガス流量は600 sccm以下が好ましく、300〜500 sccmがより好ましい。中間層の成膜終了と同時に上層の成膜が開始するので、中間層の成膜終了時の酸素ガス流量は上層成膜用の酸素ガス流量に達しているのが好ましいが、両者は完全に一致していなくても良い。中間層成膜終了時の酸素ガス流量と上層成膜用の酸素ガス流量との差は50 sccm以内が好ましく、10 sccm以内がより好ましい。
【００４７】
中間層における酸素濃度分布は正の勾配を有する（下層側から上層側にかけて増加する）ので、点Eから点Fの間で酸素ガスの流量変化は正の傾斜を有する。点Eから点Fまでの期間（T1〜T2）における酸素ガス流量の平均勾配は20〜400 sccm／分が好ましく、40〜300 sccm／分がより好ましく、60〜200 sccm／分が最も好ましく、80〜150 sccm／分が特に好ましい。酸素ガス流量は直線的に増加させるのが理想的であるが、段階的に増加させても良い。酸素ガス流量の平均勾配が20 sccm／分未満では酸化が不十分であり、400 sccm／分超ではエピタキシャル成長が得られない。
【００４８】
中間層の成膜開始時点Bにおける窒素ガス流量は好ましくは400〜1500 sccmである。上層の成膜開始時点Dでは窒素ガス流量は0 sccmであるが、中間層の成膜終了時点Cでの窒素ガス流量を完全に0 sccmとする必要はなく、400 sccm以下が好ましく、100 sccm以下がより好ましく、50 sccm以下が最も好ましい。中間層における窒素濃度分布は負の勾配を有する（下層側から上層側にかけて減少する）ので、点Bから点Cまでの期間（T1〜T2）で窒素ガスの流量変化は負の傾斜を有する。期間（T1〜T2）での窒素ガス流量は平均勾配は−900 sccm／分〜−30 sccm／分が好ましく、−500 sccm／分〜−60 sccm／分がより好ましく、−300 sccm／分〜−80 sccm／分が最も好ましく、−200 sccm／分〜−100 sccm／分が特に好ましい。窒素ガス流量は直線的に減少するのが理想的であるが、段階的に減少しても良い。窒素ガス流量の平均勾配が−900 sccm／分未満では中間層における窒素濃度勾配が急激すぎ、また−30 sccm／分超では十分な傾斜組成が得られない。
【００４９】
図2では中間層の成膜期間（T1〜T2）は5分間であるが、特に限定されない。AlCr酸窒化物中間層の形成を十分に行うために、一般に成膜期間（T1〜T2）は1〜30分が好ましく、3〜10分がより好ましい。
【００５０】
(3) バイアス電圧
中間層の成膜時に基体に印加するバイアス電圧は−100 V〜−50 Vが好ましい。−100 V未満では残留応力が大きすぎ、−50 V超では下層に中間層が付かない。基体に入射するイオンのエネルギーを、例えば−90 V〜−60 Vと低くすると、平滑な中間層が得られる。パルスバイアス電圧を使用する場合、中間層の密着性を大きくするため周波数は10〜80 kHzが好ましい。パルスバイアス電圧は、バイアス電圧が正負に振幅するバイポーラパルスが好ましい。正バイアス値は5〜10 Vの間で十分である。
【００５１】
(4) アーク電流
中間層は低融点のAlを含むので、急激な蒸発や異常なイオン化によりドロップレットが生成されやすい。これを抑制するために、放電電流である成膜アーク電流を100〜150 Aと低いの範囲に保つのが好ましい。アーク電流が100 A未満では安定した放電が維持されず、また150 A超では急激なAlの蒸発のために平滑な中間層が得られない。
【００５２】
(C) 上層の形成
中間層の形成後に上層形成用ソース14，15のシャッター24，25を開き、上層を形成する。上層の金属成分が中間層のものと同じ場合には、中間層用ソース13をそのまま用いても良い。
【００５３】
(1) 成膜温度
上層の成膜温度は450〜580℃が好ましく、470〜570℃がより好ましい。成膜温度が450℃未満では上層は非晶質になり、580℃超ではTC(006)を1.3以上にするのが困難である。
【００５４】
(2) 成膜雰囲気
上層成膜用の反応ガスとして酸素ガスを用いる。ドロップレットが基体に到達するのを防ぐために、成膜雰囲気中の酸素分圧は0.3〜2 Paが好ましく、0.4〜1.8 Paがより好ましく、0.5〜1.6 Paが最も好ましく、0.8〜1.4 Paが特に好ましい。酸素分圧が0.3 Pa未満又は2 Pa超であると、1.3以上のTC(006)が得られない。成膜雰囲気がArガスを含有する場合、Arガスの含有量は成膜雰囲気の50体積％以下が好ましく、30体積％以下がより好ましい。
【００５５】
(3) 酸素ガス流量
上層成膜時の酸素ガス流量は一般に100〜600 sccm である必要がある。酸素ガス流量が100 sccm未満では上層を十分に形成できず、また600 sccmを超えると上層が緻密化せず、また中間層からのエピタキシャル成長も得られない。上層成膜時の酸素ガス流量は好ましくは200〜500 sccmであり、より好ましくは250〜500 sccmであり、最も好ましくは300〜450 sccmである。図2において上層の成膜開始時点Fと上層の成膜終了時点Gとの時間は例えば60分であるが、特に限定されない。酸化を十分に行うために、上層の成膜時間は30〜100分が好ましく、40〜80分がより好ましい。
【００５６】
(4) バイアス電圧
上層成膜時に基体に印加するバイアス電圧は−100 V〜−50 Vが好ましく、−90 V〜−60 Vがより好ましい。この範囲のバイアス電圧により上層の生成が促進され、α型酸化物層の結晶配向は(006)優位となり、TC(006)が高くなる。またパルスバイアス電圧を使用する場合、バイアス電圧を正負に振幅させたバイポーラパルスが好ましい。正バイアスは5〜10 Vの間とすることが好ましい。パルスバイアスの周波数は10〜80 kHzが好ましい。
【００５７】
(5) アーク電流
上層は低融点のAlを含むので、Alの急激な蒸発や異常なイオン化によりドロップレットが生成されやすい。これを抑制するために、放電電流である成膜アーク電流を100〜150 Aと低く設定するのが好ましい。アーク電流が100 A未満では成膜が不可能となる。また150 A超では急激なAlの蒸発が促進されるため、平滑な上層を成膜できない。アーク電流値を低くすることにより、ドロップレットの少ない平滑な(006)面に配向した［TC(006)が1.3以上］耐チッピング性及び耐欠損性に優れた上層が得られる。
【００５８】
上記成膜条件により、α型Cr酸化物の生成よりα型Al酸化物の生成が促進されるので、上層を構成するα型結晶構造のAlCr酸化物は、α型Al酸化物にCrが固溶した固溶体である。α型結晶構造のAlCr系酸化物結晶粒が(006)面に優先的に配向し、等価X線回折強度比TC(006)が顕著に高くなり、高い平滑性を有する上層が得られる。
【００５９】
[4] 刃先処理
上層の結晶粒の脱落を減少させ、密着性を更に高めるために、上層をブラシ、バフ又はブラスト等により平滑にしても良い。また上層の上に、周期律表IVa、Va、VIa族、Al及びSiからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属元素と、C、N及びOから選択される少なくとも1種の非金属元素とを必須とする硬質保護膜を形成しても良い。
【００６０】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。各実施例及び比較例において、各層の厚さは、走査型電子顕微鏡（SEM）の2万倍の断面写真における任意の5箇所の膜厚を測定し、平均することにより求めた。また中間層の膜厚方向中心における組成を中間層の平均組成とした。
【００６１】
実施例1
(1) 下層の形成
6.0質量％のCo及び0.5質量％のTaCを含有し、残部WC及び不可避的不純物からなるの切削工具用超硬合金製基体（SNGA120408）を図1に示すAIP装置1内のホルダー11にセットし、TiAlターゲット及び1200 sccm のN2ガスを使用し、550℃で基体上に(Ti0.5Al0.5)Nの組成（原子比率）を有する厚さ3.0μmの硬質の下層を形成した。
【００６２】
(2) 中間層の形成
AlCrターゲットを使用し、成膜温度550℃、バイアス電圧−60 V、及びパルスバイアス周波数20 kHzの条件で、図2に示すようにN2ガスの流量を5分間で1200 sccmから300 sccmまで徐々に（実質的に直線的に）下げ、またO2ガスの流量を5分間で10 sccmから500 sccmまで徐々に（実質的に直線的に）上げ、(Al0.27Cr0.73)0.38(O0.5N0.5)0.62（原子比率）の平均組成を有する厚さ0.5μmの硬質酸窒化物中間層を形成した。中間層の成膜終了時点Bでの雰囲気圧力（酸素分圧）は3.0 Paであった。
【００６３】
(3) 上層の形成
中間層の形成から連続してAlCrターゲットを使用し、成膜温度550℃、バイアス電圧−60 V、及びパルス周波数20 kHzの条件で、O2ガスの流量を500 sccmに約1時間維持し、(Al0.27Cr0.73)1.9O3.1（原子比率）の組成を有する厚さ2.0μmの硬質酸化物上層を形成した。上層成膜時の雰囲気圧力（酸素分圧）は1.2 Paであった。
【００６４】
(4) 上層の結晶構造の分析
得られた硬質被膜被覆工具の上層の結晶構造を同定するため、理学電気（株）製のX線回折装置（RU-200BH）を用いて下記の条件でX線回折測定を行った。上層のX線回折パターンを図3に示す。
X線源：CuKα1線（波長λ：0.15405 nm）
管電圧：120 kV
管電流：40 mA
X線入射角：5°
X線入射スリット：0.4 mm
2θ：20〜70°。
【００６５】
図3に示す上層のX線回折パターンには、(012)面、(104)面、(110)面、(006)面、(113)面、(024)面及び(116)面のピークがあるが、（202）面のピークは現れなかった。（012）面のピークが1つであることから、α型酸化アルミニウムのピークとα型酸化クロムのピークとが分離していないことが分かる。図3のX線回折パターンから求めた上層の実測面間距離ｄを表1に示す。またα型酸化アルミニウム（ASTMファイル番号100173）及びα型酸化クロム（ASTMファイル番号381479）の面間距離ｄ、標準X線回折強度I0及び2θをそれぞれ表2及び表3に示す。面間距離ｄの実測値から、上層の組成はα型酸化アルミニウムよりα型酸化クロムに近いことが分かる。
【００６６】
【表１】
0005614405.tif 000002
【００６７】
【表２】
0005614405.tif 000003
【００６８】
【表３】
0005614405.tif 000004
【００６９】
下記の等価X線回折強度比TC(006)を用いて、上層の(006)面の配向度を定量した。
TC(006)＝[I(006)/I0(006)]／Σ[I(hkl)／8I0(hkl)]
（ただし、(hkl)は(012)、(104)、(110)、(006)、(113)、(202)、(024)及び(116)であり、I0(hkl)はα型酸化クロムの標準X線回折強度である。）その結果、実施例1の上層のTC(006)は2.08であった。
【００７０】
(5) 組成分析
電子プローブマイクロ分析装置（EPMA、日本電子株式会社製JXA-8500F）を用いて、加速電圧10 kV、照射電流1.0 uA及びプローブ径0.01μmの条件で、中間層の厚さ方向中央部の組成を測定し、平均組成とした。中間層の平均組成は、10.4原子％のAl、27.9原子％のCr、31.9原子％のN及び29.8原子％のOであった。また上層の組成は、10.1原子％のAl、27.9原子％のCr及び62.0原子％のOであった。X線回折の結果、上層はα型の結晶構造を有することが分った。
【００７１】
(6) 中間層内の酸素濃度勾配及び窒素濃度勾配の測定
電子ビーム径が0.1 nmの電子エネルギー損失分光器（EELS、Gatan社製のENFINA1000）を用いて、中間層と下層との界面及び中間層と上層との界面を含む厚さ方向領域における酸素及び窒素の濃度分布を測定した。測定結果を図4に示す。酸素濃度は下層側から上層側まで実質的に直線的に増加しており、窒素濃度は下層側から上層側まで実質的に直線的に減少していた。酸素濃度及び窒素濃度のプロットから最小二乗法により平均勾配を求めた。
【００７２】
(7) エピタキシャル成長の分析
中間層と上層との界面を含む領域を透過型電子顕微鏡（TEM）により観察した。TEM写真（200万倍）を図5(a) に示し、TEM写真の模式図を図5(b) に示す。図5(a) から明らかなように、中間層と上層との界面領域の少なくとも一部では、中間層の結晶格子縞と上層の結晶格子縞とが連続しており、エピタキシャル成長が認められた。
【００７３】
(8) 工具寿命の測定
硬質皮膜被覆工具に対して下記の条件で切削試験を行った後、工具の刃先を倍率100倍の光学顕微鏡で観察し、刃先の上層が剥離又はチッピングするまで時間を工具寿命と判定した。上層の剥離はEPMAによる面分析により判断した。
被削材  ：FC250（角型）
切削方法：断続的な旋削
工具形状：SNGA120408
切削速度：300 m／分
送り    ：0.25 mm/rev
切り込み：1.0 mm
切削液  ：無し（乾式加工）
【００７４】
実施例2〜7
上層におけるAl及びCrの含有量の影響を調べるために、上層の成膜に異なる組成のAlCrターゲットを使用した以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、実施例1と同じ測定を行った。
【００７５】
実施例8〜13
中間層におけるN及びOの含有量の影響を調べるために、N2ガス及びO2ガスの流量を変化させた以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、実施例1と同じ測定を行った。図6に、実施例9における中間層成膜時の酸素ガス及び窒素ガスの流量変化を示す。図6から明らかなように、90 sccm／分の酸素ガス流量勾配を得るために、酸素ガス流量を中間層成膜開始時点Eで50 sccmとし、中間層成膜終了時点Fで500 sccmとし、また−90 sccm／分の窒素ガス流量勾配を得るために、窒素ガス流量を中間層成膜開始時点Bで500 sccmとし、中間層成膜終了時点Cで50 sccmとした。実施例8〜13のガス流量を表4に示す。
【００７６】
【表４】
0005614405.tif 000005
【００７７】
実施例14〜19
中間層におけるAl及びCrの含有量の影響を調べるために、中間層の成膜に用いるAlCrターゲットの組成を変えた以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、実施例1と同じ測定を行った。
【００７８】
実施例20〜42
中間層成膜用のAlCrターゲットの組成を変更して中間層の組成(AlsCrt)a(NvOw)bにおけるa及びbを変更した以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、実施例1と同じ測定を行った。
【００７９】
実施例22
中間層成膜開始時点における酸素ガス流量及び窒素ガス流量をそれぞれ0 sccm及び1000 sccmとし、中間層成膜終了時点における酸素ガス流量及び窒素ガス流量をそれぞれ500 sccm及び200 sccmとし、バイアス電圧を−100 Vとし、中間層成膜時間を10分とした実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、実施例1と同じ測定を行った。得られた硬質皮膜被覆工具中の中間層の厚さは1.0μmであった。
【００８０】
比較例1
図7に示すように、中間層の成膜工程において酸素ガス流量及び窒素ガス流量をそれぞれ500 sccmと一定にした以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、実施例1と同じ測定を行った。EELS法により中間層と下層との界面及び中間層と上層との界面を含む厚さ方向領域における酸素及び窒素の濃度分布を測定した。測定結果を図8に示す。酸素濃度は下層側から上層側まで実質的に同じであった。
【００８１】
比較例2
実施例1と同じ基体上に、化学蒸着法によりTi(CN)下層、Ti(NO)中間層及びα型Al2O3層を形成することにより、硬質皮膜被覆工具を作製し、実施例1と同じ測定を行った。
【００８２】
各実施例及び比較例の成膜方法、下層及び中間層の種類及び厚さ、並びにOの連続的増加の有無を表5に示し、中間層の組成を表6に示し、中間層の成膜条件及び傾斜組成を表7に示し、上層の組成を表8に示し、上層の成膜方法、種類、厚さ、結晶構造及び等価X線回折強度比TC(006)、並びに工具寿命を表9に示す。ただし、表9では上記組成を(AlCr)2O3と略記している。
【００８３】
【表５】
0005614405.tif 000006
【００８４】
【表６】
0005614405.tif 000007
【００８５】
【表７】
0005614405.tif 000008
【００８６】
表7（続き）
0005614405.tif 000009
【００８７】
【表８】
0005614405.tif 000010
【００８８】
【表９】
0005614405.tif 000011
【００８９】
実施例23〜28、比較例3及び4
上層の成膜温度を表10に示すように変更した以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、上層の結晶構造及びTC(006)、並びに工具寿命を測定した。測定結果を成膜温度とともに表10に示す。
【００９０】
【表１０】
0005614405.tif 000012
【００９１】
実施例29〜33、比較例5及び6
上層成膜時のバイアス電圧を表11に示すように変更した以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、上層の結晶構造及びTC(006)、並びに工具寿命を測定した。測定結果をバイアス電圧とともに表11に示す。
【００９２】
【表１１】
0005614405.tif 000013
【００９３】
実施例34〜36、比較例7及び8
上層成膜時の雰囲気圧力（酸素ガスの分圧）を表12に示すように変更した以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、上層の結晶構造及びTC(006)、並びに工具寿命を測定した。測定結果を雰囲気圧力とともに表12に示す。
【００９４】
【表１２】
0005614405.tif 000014
【００９５】
実施例37〜40、比較例9及び10
上層成膜用の酸素ガスの流量を表13に示すように変更した以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、上層の結晶構造及びTC(006)、並びに工具寿命を測定した。測定結果を酸素ガスの流量とともに表13に示す。表13から明らかなように、酸素ガスの流量が300〜500 sccmの範囲で大きなTC(006)及び長い工具寿命が得られた。特に酸素ガスの流量が300〜400 sccmの範囲で工具寿命が長かったので、その原因を調べるために、上層の表面粗さを測定した。表面粗さの測定には、曲率半径5μmのダイヤモンド触針を有する小坂研究所株式会社製の粗さ測定器（サーフコーダSE-30D）を使用し、上層の任意の5箇所を測定して、平均した。その結果、酸素ガスの流量が300 sccm及び400 sccmの実施例39及び40では、上層の平均表面粗さRaは0.4μmであり、酸素ガスの流量が500 sccmの実施例1では、上層の平均表面粗さRaは0.5μmであった。上層の表面粗さの主な原因はドロップレットであるので、酸素ガスの流量が300〜500 sccmの範囲、特に300〜400 sccmの範囲でドロップレットの生成が少ないことが分った。
【００９６】
【表１３】
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【００９７】
実施例及び比較例の硬質皮膜被覆工具のTC(006)と寿命との関係を図9に示す。図中、黒丸（●）は実施例であり、白抜きの三角（△）は比較例である。実施例1〜61の硬質皮膜被覆工具の寿命はいずれも4分以上であり、比較例1〜14の工具寿命の約2倍以上も長かった。これは、(006)面に強く配向した上層が微細なAlCr酸化物結晶粒により形成されており、結晶粒の脱落が少なく、高い密着性を有し、耐チッピング性に優れているためである。TC(006)が1.8〜2.5では、非常に長い工具寿命が得られた。特にTC(006)が2〜2.3の範囲ではほとんどの工具の寿命が10分以上であった。
【００９８】
実施例41〜46、比較例11及び12
中間層又は上層の成膜時間を変化させることにより中間層の厚さ及び上層の厚さを変更した以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、上層の結晶構造及びTC(006)、並びに工具寿命を測定した。結果を表14に示す。なお上層の組成を(AlCr)2O3と略記したが、厳密には(Al0.27Cr0.73)1.9O3.1である。
【００９９】
【表１４】
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【０１００】
中間層の厚さ（Tm）が0.1〜5μmで、上層の厚さ（Tu）が0.3〜6μmの実施例41〜46の硬質皮膜被覆工具はいずれも寿命が長かった。ただし、Tm＞Tuである実施例46の硬質皮膜被覆工具は、Tm≦Tuを満たす実施例41〜45の硬質皮膜被覆工具より寿命が短かった。比較例11の硬質皮膜被覆工具は、上層が0.02μmと薄いために磨耗により寿命が短かった。比較例12の硬質皮膜被覆工具は、中間層が0.04μmと薄いために、中間層と上層との間で剥離が発生し、寿命が短かった。
【０１０１】
実施例47〜57
下層の成膜に使用するターゲット及び反応ガスを表15に示すように変更した以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製した。下層の成膜に用いた反応ガスの流量は100〜1500 sccmの範囲内であり、実施例52〜57では、アセチレンガスの流量を100 sccmとし、窒素ガスの流量を500 sccmとした。各硬質皮膜被覆工具の寿命、及び上層のTC(006)を実施例1と同様にして測定した。結果を表15に示す。実施例47〜57の硬質皮膜被覆工具はいずれも、下層の種類を変えても比較例の硬質皮膜被覆工具より十分に寿命が長かった。
【０１０２】
【表１５】
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【０１０３】
実施例58〜62、比較例13及び14
下層の成膜時間を変更して下層の膜厚を変化させた以外実施例1と同様にして硬質皮膜被覆工具を作製し、上層のTC(006)及び工具寿命を測定した。結果を表16に示す。表16より、下層の厚さが0.5〜10μmの場合に工具寿命が長いことが分かる。
【０１０４】
【表１６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図５（ａ）】
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