(57)【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、
ＡｌＮ層を含み、
前記ＡｌＮ層は金属粒子が分散した構造であり、
前記金属粒子は、周期表のIVａ族元素、Ｖａ族元素、VIａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属を含み、
前記金属粒子の粒子サイズは１０ｎｍ〜２５０ｎｍ
であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記金属粒子が、ＡｌＮ層中、Ａｌに対して０．０１〜２０．００ａｔ％含有されることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記ＡｌＮ層が、（Ａｌ1-xＭｅx）Ｎ（但し、ＭｅはＡｌＮに固溶しており、ＭｅはＶ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ、Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｂ，Ｓｉの少なくとも１種であり、ｘ＝０〜０．２０である。）層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記ＡｌＮ層が、（Ａｌ1-xＭｅx）Ｎ（但し、ＭｅはＡｌＮに固溶しており、ＭｅはＶ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ、Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｂ，Ｓｉの少なくとも１種であり、ｘ＝０．００１〜０．２０である。）層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記被膜が、前記（Ａｌ1-xＭｅx）Ｎにおいてｘ＝０のＡｌＮ層と、ｘ＝０．００１〜０．２０のＡｌＮ層とを含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記被膜は、ＡｌＮ層以外に、周期表のIVａ族元素、Ｖａ族元素、VIａ族元素、Ａｌ，及びＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素からなる金属、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、及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硬質被膜層を、少なくとも１層有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記硬質被膜層は、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の元素からなる金属、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ことを特徴とする請求項６に記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
前記被膜は、ＡｌＮ層以外に、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の元素からなる金属、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硬質被膜層を２種以上、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして積層されてなる積層被膜を１以上有しており、該積層被膜において２種以上の各硬質被膜層が周期的に積層されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の表面被覆切削工具。
【請求項９】
前記基材が、超硬合金、サーメット、ｃＢＮ、高速度鋼、セラミックス、またはダイヤモンド焼結体により構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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ＡｌＮ層は、その潤滑作用により耐摩耗性の向上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行なわれてきた。
【０００３】
一般的にＡｌＮは熱伝導性が良いことから放熱材料として広く用いられており、ＴｉＡｌＮ層などの窒化物の上にＡｌＮ層を設けた構造の工具が知られている。しかしながらＡｌＮ層は工具に用いられる他の材質に比べて靭性に劣る。窒化物の靭性を向上することを目的として窒化物層に金属成分を添加する方法が知られている。
たとえば、基材上に形成された窒化物層と、該窒化物層上に形成された複合耐摩耗層と、該複合耐摩耗層上に形成されたＡｌＮ層とを含む表面被覆切削工具が特許文献１に開示されている。前記ＡｌＮ層は、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｂ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含んでもよく、ＡｌＮ層はパルス化スパッタリング法により形成されるが、前記元素を含有させる場合は、被膜の原料となるターゲット中に前記元素を包含させることにより、ＡｌＮ層を構成する化合物中に含有させている。この方法では、前記元素は金属元素としてＡｌＮ層中に固溶する。
このように、被膜の最表面にＡｌＮ層を形成すると、そのＡｌＮ層による耐摩耗性の向上が期待されるものの、かかる被膜に衝撃が加わると被膜が剥離するとともにチッピングや欠損を生じ靭性に劣るという問題点を有していた。近年における加工の高速化や、加工材の難削化においては靭性が不十分である。
【０００４】
また、硬質被膜層に金属粒子を含有させる方法としては、アークイオンプレーティング法がある。しかし、アークイオンプレーティング法で発生するドロップレットと呼ばれる金属粒子は粒径が約１．０μｍと非常に大きいため、ドロップレット周囲に空隙が生じる。特許文献２では、アークイオンプレーティング法で発生するドロップレットと呼ばれる金属粒子を部分的に除去することで、工具部位におけるドロップレットの面積比を制御しているが、近年における高速切削や難削材加工などの膜への付加が高い加工においては靭性が不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１４２９３２号公報
【特許文献２】特開２００７−１１８１２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、ＡｌＮ層による耐摩耗性の向上効果を十分に維持しつつ、高速加工やステンレス、インコネル、チタンなどの難削材加工において、非常に優れた靭性を有する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】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、ＡｌＮ層に特定の金属粒子を含有させることにより上記課題が解決されることを見出し本発明に至った。
即ち、本発明は以下のとおりである。
（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、
ＡｌＮ層を含み、
前記ＡｌＮ層は金属粒子が分散した構造であり、
前記金属粒子は、周期表のIVａ族元素、Ｖａ族元素、VIａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属を含み、
前記金属粒子の粒子サイズは１０ｎｍ〜２５０ｎｍ
であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記金属粒子が、ＡｌＮ層中、Ａｌに対して０．０１〜２０．００ａｔ％含有されることを特徴とする前記（１）記載の表面被覆切削工具。
（３）前記ＡｌＮ層が、（Ａｌ1-xＭｅx）Ｎ（但し、ＭｅはＡｌＮに固溶しており、ＭｅはＶ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ、Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｂ，Ｓｉの少なくとも１種であり、ｘ＝０〜０．２０である。）層であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の表面被覆切削工具。
（４）前記ＡｌＮ層が、（Ａｌ1-xＭｅx）Ｎ（但し、ＭｅはＡｌＮに固溶しており、ＭｅはＶ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ、Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｂ，Ｓｉの少なくとも１種であり、ｘ＝０．００１〜０．２０である。）層であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
（５）前記被膜が、前記（Ａｌ1-xＭｅx）Ｎにおいてｘ＝０のＡｌＮ層と、ｘ＝０．００１〜０．２０のＡｌＮ層とを含むことを特徴とする前記（３）又は（４）に記載の表面被覆切削工具。
（６）前記被膜は、ＡｌＮ層以外に、周期表のIVａ族元素、Ｖａ族元素、VIａ族元素、Ａｌ，及びＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素からなる金属、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、及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硬質被膜層を、少なくとも１層有することを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
（７）前記硬質被膜層は、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の元素からなる金属、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ことを特徴とする前記（６）に記載の表面被覆切削工具。
（８）前記被膜は、ＡｌＮ層以外に、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の元素からなる金属、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硬質被膜層を２種以上、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして積層されてなる積層被膜を１以上有しており、該積層被膜において２種以上の各硬質被膜層が周期的に積層されていることを特徴とする前記（６）又は（７）に記載の表面被覆切削工具。
（９）前記基材が、超硬合金、サーメット、ｃＢＮ、高速度鋼、セラミックス、またはダイヤモンド焼結体により構成されることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の表面被覆切削工具は、高速加工やステンレス、インコネル、チタンなどの難削材加工において、非常に優れた靭性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明におけるＡｌＮ層成膜装置の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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表面被覆切削工具であって、前記被膜は、
ＡｌＮ層を含み、
該ＡｌＮ層は金属粒子が分散した構造であり、
該金属粒子は、周期表のIVａ族元素、Ｖａ族元素、VIａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属を含み、
該金属粒子の粒子サイズは１０ｎｍ〜２５０ｎｍ
である。
【００１１】
＜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。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、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である。
【００１２】
＜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。
【００１３】
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。
【００１４】
＜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、少なくとも１層の特定のＡｌＮ層を含むものである。
また、このような被膜は、さらに硬質被膜を含むことができ、この硬質皮膜は、周期表のIVａ族元素、Ｖａ族元素、VIａ族元素、Ａｌ、及びＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素からなる金属、または、該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、及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硬質被膜層を、少なくとも１層有する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。
【００１５】
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、靭性の向上作用が十分に示されない場合があり、１５μｍを超えると靭性が低下するため好ましくない。
【００１６】
＜ＡｌＮ層＞
本発明の被膜は、少なくとも１層のＡｌＮ層含み、該ＡｌＮ層は金属粒子が分散した構造であり、該金属粒子は、周期表のIVａ族元素、Ｖａ族元素、VIａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属を含み、該金属粒子の粒子サイズは１０ｎｍ〜２５０ｎｍである。
金属粒子の粒子サイズは１０〜２５０ｎｍであることが重要であり、３０〜１５０ｎｍが好ましく、５０〜１００ｎｍがより好ましい。１０ｎｍ未満では成膜中にＡｌＮ結晶との界面において金属粒子とＡｌＮ結晶間での反応が起こり、靭性向上効果が得られない。２５０ｎｍを超えるとＡｌＮ結晶との界面において空隙が発生し、被膜硬度が低下するとともに空隙から結晶粒子が脱落してしまい靭性が低下する。
金属粒子の粒子サイズは、膜断面をＴＥＭで観察し、任意の３μｍ長さの線分上で金属粒子のサイズを測定した。３線分における金属粒子のサイズを測定し、平均を粒子サイズとした。
尚、本発明においては、Ｓｉは構造によらず金属とする。
【００１７】
前記周期表の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、Ｓｉ、及びＹからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属としては、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｃｒ、Ｓｉ、Ｙ等が好ましい。
また、ＡｌＮ層における金属粒子の割合は、ＡｌＮのＡｌに対して０．０１〜２０．００ａｔ％含有されることが好ましく、１．０〜１６ａｔ％がより好ましく、４〜１３ａｔ％が特に好ましい。０．０１ａｔ％未満では金属粒子による靭性向上効果が不十分であり、２０．００ａｔ％を超えると金属粒子同士が隣接して粗大化してしまうという事象が発生してしまい靭性が低下する。
ＡｌＮ層における金属粒子の割合は、ＸＰＳで測定することにより求めることができる。
【００１８】
また、前記ＡｌＮ層は、（Ａｌ1-xＭｅx）Ｎ（Ｍｅ＝Ｖ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ、Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｂ，Ｓｉの少なくとも１種、ｘ＝０〜０．２０）層であることが好ましく、前記ｘ＝０．００１〜０．２０であることがより好ましい。このＭｅはＡｌＮ層中に固溶している。
前記ＡｌＮ層がＭｅを上記の含有量で含有することによって、硬度・耐熱性・高温安定性・潤滑性が向上する。また、Ｍｅ含有量を上記範囲内にすることで金属粒子の粗大化を防ぐことができる。金属粒子はマトリックスのＡｌＮに比べて硬度が低いため、大きな金属粒子が存在すると耐摩耗性が低下してしまう。
また、前記被膜は、前記（Ａｌ1-xＭｅx）Ｎにおいてｘ＝０のＡｌＮ層（Ｍｅ含有しないＡｌＮ層）と、ｘ＝０．００１〜０．２０のＡｌＮ層（Ｍｅを含有するＡｌＮ層）とを有していてもよい。
ＡｌＮの結晶構造は六方晶、アモルファス、またはそれらが混在してもよい。
【００１９】
ＡｌＮ層の膜厚は０．１〜１０．０μｍが好ましく、０．５〜７．５μｍがより好ましく、１．０〜４．０μｍが特に好ましい。０．１μｍ以上であることによりＡｌＮ層の効果が十分に発揮され、１０．０μｍ以下であることによりＡｌＮ層が内部応力による自己破壊を伴うことがなく、効果を十分に発揮することができる。
前記膜厚は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてＡｌＮ層の基材に対する垂直方向の断面を観察し、測定することができる。
【００２０】
上記のような優れた特性を有するＡｌＮ層は、被膜の大規模破壊や自己剥離が防止されるとともに靭性と耐摩耗性とを高度に両立させることにより優れた工具寿命を提供することができる。
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。
【００２１】
一方、本発明におけるＡｌＮ層とは、ＡｌＮを主成分として含む層を意味し、不可避不純物が包含されていても差し支えない。
このようなＡｌＮ層を構成するＡｌＮは、ＡｌとＮの原子比が１：１のもののみに限られるものではなく、従来公知の組成のものを特に限定することなく用いることができる。したがって、Ａｌが１に対してＮが０．９〜１．１である原子比のものも含まれる。なお、このようなＡｌＮ層は、塩素を含まないことが好ましい。塩素を含むと、結晶性が悪くなり耐摩耗性が劣るためである。
【００２２】
上記のような優れた特性を有する本発明のＡｌＮ層は、物理蒸着法により形成することが最適である。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。このような物理的蒸着法としては、たとえばスパッタリング法、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、電子イオンビーム蒸着法等を挙げることができる。原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法もしくはスパッタリング法を用いると、被膜を形成する前に基材表面に対して金属またはガスイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜と基材との密着性が格段に向上するので好ましい。特に、非導電性材料であるＡｌＮを被覆するためにはスパッタリング法が好ましい。
さらに、ＡｌＮ層は六方晶型の結晶構造を含む（すなわちＸＲＤ（Ｘ線回折）による（１０２）面の半価幅が０．４〜０．７°）ことにより摩耗はより一層均一なものとなる。これは、その詳細なメカニズムは未だ解明されていないものの、ＡｌＮ層中に六方晶型の結晶構造を含む結晶質成分と結晶構造を含まない非晶質成分とが微小サイズで混在することにより、切削加工時の摩耗単位が微小化するためではないかと考えられる。
【００２３】
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。また、基材を劣化させることなく有利にＡｌＮ層を形成することができる。また、金属粒子はイオンクラスタービーム（ＩＣＢ）法を用いて含有させることが、ＡｌＮ層中に好適なサイズの金属粒子を分散させることができ、好ましい。特に、パルス化スパッタ法とイオンクラスタービーム法を併用し、パルススパッタ法でＡｌＮマトリクス、イオンクラスタービーム法で金属成分を添加することが好ましい。
【００２４】
具体的には、図１に示すように、Ａｌ、前記Ｍｅ等のＡｌＮマトリクス組成の原料をスパッタ源、添加金属原料をＩＣＢ源にセットし、成膜温度４５０〜７００℃、スパッタ内のガスはアルゴン等の希ガスと窒素、ＩＣＢ内はアルゴン等の希ガス、を投入し成膜することが好ましい。
金属添加量はスパッタ出力とＩＣＢ法の出力との比で制御することができる。
また、ＡｌＮマトリクス、金属粒子の添加は、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、ＡｌＮマトリクスは、スパッタリング法としてパルス化スパッタ法を採用し、圧力は０．１〜１．０Ｐａ、単位面積あたりのスパッタ出力を３．０〜１０．０Ｗ／ｃｍ2、スパッタ周波数を５０〜３５０ｋＨｚ、基材へのバイアス電圧を２０〜１２０Ｖ、バイアス周波数を３０〜１００ｋＨｚの条件で成膜することが好ましい。
金属粒子は、イオンクラスタービーム法において、圧力０．０１〜０．１Ｐａ、加速電圧０．１〜１ｋＶ、エミッション電流１００〜５００ｍＡの条件で添加することが好ましい。
【００２５】
＜硬質被膜＞
本発明の被膜は、上記で説明したＡｌＮ層以外に、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種の元素からなる金属、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硬質被膜層を、少なくとも１層含むことができる。
【００２６】
そして、このような硬質被膜層としては、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種の元素からなる金属、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硬質被膜層が好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素からなる金属、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硬質被膜層を２種以上、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして積層されてなる積層被膜を有し、該積層被膜において、各硬質被膜層が周期的に積層されてなる積層被膜を１以上含むことが好ましい。
【００２７】
このような硬質被膜層は、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種の元素からなる金属、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層以上の硬質被膜層は、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、該硬質被膜層は、物理蒸着法により形成されることが好ましく、圧縮応力を有していることが好ましい。
【００２８】
このような硬質被膜層を物理蒸着法により形成することが好適である理由は、第一に硬質被膜層に圧縮応力を付与するためであり、第二に上記のＡｌＮ層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ＡｌＮ層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。
【００２９】
そして、このような硬質被膜層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。
【００３０】
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種の元素からなる金属、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。
【００３１】
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）。
【００３２】
なお、これらの元素からなる金属または化合物によって構成される硬質被膜層は、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からなる金属または化合物からなる硬質被膜層を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種の元素からなる金属、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硬質被膜層を２種以上、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして積層されてなる積層被膜を有し、該積層被膜において、各硬質被膜層が周期的に積層されてなる積層被膜を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、たとえば組成が異なる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。
【００３３】
さらに本発明の硬質被膜層は、上記のように圧縮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、圧縮応力とは、被膜に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「−」（マイナス）の数値（単位：ＧＰａ）で表されるものである。このため、数値を用いずに圧縮応力（内部応力）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ものを「圧縮応力が大きい」と表現し、上記数値の絶対値が小さくなるものを「圧縮応力が小さい」と表現する場合がある。一般に、圧縮応力が大きくなる程高い靭性を示す。硬質被膜層の圧縮応力は、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、このような圧縮応力は、ｓｉｎ2ψ法を用いた方法により測定することができる。また、硬質被膜層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硬質被膜層の圧縮応力とするものとする。
【００３４】
また、このような硬質被膜層は、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。
【００３５】
なお、このような硬質被膜層は、基材とＡｌＮ層との間に形成することができるとともに、ＡｌＮ層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。
【実施例】
【００３６】
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）によって確認した。
【００３７】
実施例１
＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、以下の基材を準備した。
すなわち、グレードがＪＩＳ規格Ｍ１０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Ｋ２０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）。
【００３８】
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電源を用いたパルス化スパッタリング装置（成膜装置）に装着した。図１は、その成膜装置の概略構成を示す模式図である。図１に示す成膜装置内にパルススパッタ源とイオンクラスタービーム源を配置し、中心点Ｃを中心とし上記スパッタ源およびＩＣＢ源に各対向するようにして回転する基材テーブルに基材である上記切削チップを装着した。なお、スパッタ内にはアルゴン等の希ガスと窒素を、ＩＣＢ内にはアルゴン等の希ガスを投入した。
本実施例では、スパッタ源に表１のＡｌＮ層の組成の欄の金属組成をもつ焼結ターゲット又は溶成ターゲットをセットし、ＩＣＢ源に金属組成の欄の原料（例えばＳｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｙ、Ｚｒなど）をセットした。すなわち、スパッタ源によりＡｌＮマトリックスを形成し、ＩＣＢにより金属粒子を添加した。
また、硬質被覆層は、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置を用いて成膜した。
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、金属サイズ、添加量等）が以下の表１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。成膜の順序は、表１において左側に記載されているものから順に基材上に形成した。
【００３９】
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により上記基材の温度を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１．０Ｐａ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。成膜の順序は、表１において左側に記載されているものから順に基材上に形成した。
【００４０】
まず、第１層、第２層については、基材（基板）温度を５５０℃に設定し、反応ガスとして窒素を導入させながら、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。
表１中のＮｏ．１〜２１のＡｌＮ層については、成膜初期（膜厚が０．１μｍ以下の範囲）において基材温度を５５０℃とし、さらに成膜中期（膜厚が０．１〜０．３μｍの範囲）においては基材温度を徐々に４００℃まで下げる。反応ガスとしてパルススパッタ内にはＡｒと窒素、ＩＣＢ内にはＡｒガスを導入させながら成膜した。
スパッタカソードに印加するパルス周波数を１００ｋＨｚ以下と３００ｋＨｚ以上を交互に印加した（２０〜７０ｎｍ成膜毎）。交互に印加することでターゲットから飛来する粒子のエネルギーを調整し、結晶の成長を制御できる。更に基材に印加するバイアス周波数、電圧を調整することで被膜の緻密さを制御できる。
３００ｋＨｚ以上のパルスを印加する割合を高くすると結晶成長が促進され、結晶が３次元的に成長し（＝結晶粒子径が大きく）結晶性が高くなる。逆に１００ｋＨｚ以下のパルスを印加する割合を高くすると結晶性が悪くなる。適切に制御することで結晶性を高くたもったまま結晶成長を抑制でき、粒子径が均一なＡｌＮ被膜を得ることができる。
更にカソードのパルス周波数を３００ｋＨｚ以上にする間に、基材に印加するバイアスを周波数５０ｋＨｚ以下、且つ電圧５０Ｖより小さく、カソードのパルス周波数を１００ｋＨｚ以下にする間に基材に印加するバイアスを周波数５０ｋＨｚ以上、５０Ｖ以上とすることで被膜を緻密にすることができる。
【００４１】
金属粒子は、イオンクラスタービーム法において、圧力０．０１〜０．１Ｐａ、加速電圧０．１〜１ｋＶ、エミッション電流１００〜５００ｍＡの条件で添加した。
【００４２】
なお、Ｎｏ．１３のＡｌＮ層は、上記のスパッタ源のターゲットにＺｒを４原子％添加（ターゲット中の全原子に対して）することにより、ＡｌＮ層において、Ｚｒが５原子％含まれる（前記ｘ＝０．０５）ようにして形成した。同じく、Ｎｏ．１５のＡｌＮ層は、上記のスパッタ源のターゲットにＹを１０原子％添加（ターゲット中の全原子に対して）することにより、ＡｌＮ層において、Ｙが８原子％含まれる（前記ｘ＝０．０８）ようにして形成した。同じく、Ｎｏ．１９のＡｌＮ層は、上記のスパッタ源のターゲットにＣｒを１０原子％添加（ターゲット中の全原子に対して）することにより、ＡｌＮ層において、Ｃｒが１０原子％含まれる（前記ｘ＝０．１０）ようにして形成した。
また、Ｎｏ．２０、２１の第２層は、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。このような周期的な積層は、上記成膜装置において基材テーブルの回転速度を調節することにより形成することができる。
【００４３】
このようにして、表１に示したＮｏ．１〜２５の表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．１〜２１が本発明の実施例であり、Ｎｏ．２２〜２５は比較例である。
なお、比較例のＮｏ．２４は、金属粒子となるＡｌＳｉをＡｌＳｉ合金ターゲットを用いてスパッタ成膜した。ＴＥＭ観察では、ＡｌＮ層中に７５０ｎｍサイズのＡｌＳｉドロップレットを確認した。
また、比較例のＮｏ．２５のＡｌＮ層は、ＡｌＮ粉末と金属Ｃｒ粉末混合ターゲットを用いてＡｒ雰囲気中でスパッタで成膜した。ＴＥＭ観察では、ＡｌＮ層中にＣｒ金属粒子は確認できなかった。
【００４４】
【表１】
0005417649.tif 000002
【００４５】
得られた表面被覆切削工具について、下記の条件により、靱性の評価を行なった。
ＳＵＳ３１６丸棒旋削加工においては、逃げ面摩耗量０．２ｍｍとなる、又は工具が欠損するまでの時間を測定し、ＳＣＭ４３５断続加工においては、工具が欠損するまでの時間を測定した。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。
その結果を以下の表２および３に示す。
【００４６】
ＳＵＳ３１６丸棒旋削加工
＜加工条件＞
材質        ＳＵＳ３１６丸棒
切削チップ  ＪＩＳ  Ｋ１０超硬  ＣＮＭＧ１２０４０８
速度        ２００ｍ／ｍｉｎ
送り        ０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み    １．５ｍｍ
寿命判定    逃げ面摩耗量０．２ｍｍ  ｏｒ  欠損まで
【００４７】
【表２】
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【００４８】
ＳＣＭ４３５断続加工
＜加工条件＞
材質          ＳＣＭ４３５Ｖ型溝付き丸棒
切削チップ    ＪＩＳ  Ｋ２０超硬  ＣＮＭＧ１２０４０８
速度          １５０ｍ／ｍｉｎ
送り          ０．２２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み      １．５ｍｍ
寿命判定      欠損までの時間
【００４９】
【表３】
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【００５０】
表２及び３より明らかなように、実施例のＮｏ．１〜２１の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例のＮｏ．２２〜２５の表面被覆切削工具に比し、優れた靱性を示し、工具寿命が向上していることが確認できた。
【図１】
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