(57)【要約】【課題】硬質合金鋼の高速連続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】  工具基体の表面に、下部層、中間層及び上部層からなる硬質被覆層を被覆形成した表面被覆切削工具であって、（ａ）下部層は窒化物層からなり、層中の金属成分に占めるＡｌ成分の含有割合は４０原子％以上であり、（ｂ）中間層は、ＡｌとＳｉ（ただし、Ａｌの一部を、Ｔｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素で置換可）の窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層からなり、該中間層におけるＡｌ成分およびＳｉ成分の含有比率は、下部層側ではＡｌの含有比率が高く、Ｓｉの含有比率が低く、一方、上部層側では、Ａｌの含有比率が低く、Ｓｉの含有比率が高い層厚方向に沿って含有比率が連続的に変化する組成傾斜構造を有し、（ｃ）上部層は、表面側でＮ含有比率が高くなる非晶質酸窒化シリコン層からなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、下部層、中間層及び上部層からなる硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
（ａ）下部層は、０．８〜８．０μｍの平均層厚を有する窒化物層からなり、該層中の金属成分に占めるＡｌ成分の含有割合は４０原子％以上であり、
（ｂ）中間層は、０．０５〜０．２μｍの平均層厚を有し、ＡｌとＳｉの窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層からなり、該中間層におけるＡｌ成分の含有比率は、上部層側に比して、下部層側でのＡｌの含有比率が高く、一方、該中間層におけるＳｉ成分の含有比率は、下部層側に比して、上部層側でのＳｉの含有比率が高くなる層厚方向に沿って含有比率が連続的に変化する組成傾斜構造を有し、
（ｃ）上部層は、０．２〜３．０μｍの平均層厚を有し、表面側から層厚方向に向かってＮ成分の含有比率が連続的に減少する非晶質酸窒化シリコン層Ｓｉ（ＯＸ、Ｎ１−Ｘ）２[ただし、原子比率で、０．５＜Ｘ＜０．８]からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
上記中間層の組成傾斜構造において、下部層と中間層との界面より中間層側に０．０２μｍの領域では、中間層の金属成分に占めるＡｌの含有比率は６０原子％以上であり、また、上部層と中間層の界面より中間層側に０．０２μｍの領域では、中間層の金属成分に占めるＳｉの含有比率は６０原子％以上であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
上記中間層の組成において、Ａｌの一部をＭ（ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素）で置換したことを特徴とする請求項１または２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】
この発明は、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの硬質合金鋼等の高速連続切削加工において、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具（以下、「被覆工具」という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、工具基体表面に、炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等からなる硬質皮膜を、化学蒸着法または物理蒸着法で被覆形成した被覆工具が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すように、工具基体表面に、化学蒸着法により、下部層としてＴｉ化合物層、上部層として上部内周層と上部外周層とを被覆形成し、さらに、上部内周層はＡｌとＣｒの複合酸化物層で構成し、また、上部外周層は、酸化シリコン層とＡｌとＣｒの複合酸化物層との交互積層で構成した被覆工具が提案されており、この被覆工具によれば、皮膜が潤滑性を有することから、難削材の重切削加工ですぐれた耐チッピング性を発揮することが知られている。
【０００４】
特許文献１に示すものは、化学蒸着法により酸化シリコン層を形成するものであるが、酸化シリコン層の他の成膜手段としては、ゾル−ゲル法による成膜も知られている。
【０００５】
例えば、特許文献２に示すように、アークイオンプレーティング法による形成した窒化膜の高温環境下で発生する酸化鉄の発生を抑え、耐熱性と耐摩耗性を強化するために、アークイオンプレーティング法で形成した窒化膜上に、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、または、ＺｒＯ２からなる酸化膜を形成したのち、ＴｉＡｌＮ膜を形成し、更にその上にゾル−ゲル法でシリケート膜を形成することが知られている。
【０００６】
また、特許文献３に示すように、耐溶出性を改善し、基材の腐食等を防止するために、アークイオンプレーティング法で形成した窒化膜上に、あるいは、この上に形成した酸化膜上に、ゾル−ゲル法で酸化珪素膜を形成することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１３０７４１号公報
【特許文献２】特開２０００−５４１１４号公報
【特許文献３】特開２０００−５４１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の被覆工具（例えば、特許文献１記載の物）において、ゾルーゲル法で酸化シリコン層を形成した場合には、膜界面での密着性が十分でないために、これを、例えば、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に高負荷が作用する合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの硬質合金鋼の高速連続切削加工に用いた場合には、層剥離が発生しやすく、これが原因となり、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性を発揮し得ないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明者等は、工具基体表面に、ゾル−ゲル法により密着性、剥離強度にすぐれた酸化シリコン系膜を形成すべく鋭意検討したところ、工具基体表面にＡｌ成分を含有する窒化物層を下部層として形成するとともに、上部層として酸素と窒素が組成傾斜構造を有する非晶質酸窒化シリコン層を形成し、さらに、下部層と上部層との間に、Ａｌ成分とＳｉ成分が組成傾斜構造を有する中間層を介在形成することにより、ゾル−ゲル法により非晶質酸窒化シリコン層からなる上部層を形成した場合であっても、非晶質酸窒化シリコン層の密着性が改善されるとともに、切削加工に際しての耐摩耗性と潤滑性が向上するため、高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に高負荷が作用する硬質合金鋼の高速連続切削加工において、チッピング、欠損等の異常損傷を発生することなくすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆工具を得られることを見出したのである。
【００１０】
即ち、この発明では、下部層と上部層との間に、ＡｌとＳｉ（ただし、Ａｌの一部を、Ｔｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素で置換することができる。）の窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層を介在形成し、しかも、該中間層におけるＡｌ成分およびＳｉ成分の含有比率について、下部層側ではＡｌの含有比率が高く、Ｓｉの含有比率が低く、一方、上部層側では、Ａｌの含有比率が低く、Ｓｉの含有比率が高い、層厚方向に沿ってＡｌとＳｉの含有比率が連続的に変化する組成傾斜構造を有する中間層を介在形成し、また、表面側へ行くほどＮ含有比率が高くなり、一方、中間層側へ行くほど酸素含有比率が高くなる非晶質酸窒化シリコン層を上部層として形成することによって、下部層、中間層および上部層の密着性を向上させ得ることを見出したのである。
【００１１】
そして、本発明の被覆工具は、硬質被覆層の上部層が密着性にすぐれ、且つ、潤滑性にすぐれ、さらに、下部層がすぐれた耐摩耗性を備えることから高熱発生を伴い、かつ、切れ刃に高負荷が作用する硬質合金鋼の高速連続切削加工において、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。
【００１２】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）  炭化タングステン基超硬合金、炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体の表面に、下部層、中間層及び上部層からなる硬質被覆層を被覆形成してなる表面被覆切削工具において、
（ａ）下部層は、０．８〜８．０μｍの平均層厚を有する窒化物層からなり、該層中の金属成分に占めるＡｌ成分の含有割合は４０原子％以上であり、
（ｂ）中間層は、０．０５〜０．２μｍの平均層厚を有し、ＡｌとＳｉの窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層からなり、該中間層におけるＡｌ成分の含有比率は、上部層側に比して、下部層側でのＡｌの含有比率が高く、一方、該中間層におけるＳｉ成分の含有比率は、下部層側に比して、上部層側でのＳｉの含有比率が高くなる層厚方向に沿って含有比率が連続的に変化する組成傾斜構造を有し、
（ｃ）上部層は、０．２〜３．０μｍの平均層厚を有し、表面側から層厚方向に向かってＮ成分の含有比率が連続的に減少する非晶質酸窒化シリコン層Ｓｉ（ＯＸ、Ｎ１−Ｘ）２[ただし、原子比率で、０．５＜Ｘ＜０．８]からなることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）  上記中間層の組成傾斜構造において、下部層と中間層との界面より中間層側に０．０２μｍの領域では、中間層の金属成分に占めるＡｌの含有比率は６０原子％以上であり、また、上部層と中間層の界面より中間層側に０．０２μｍの領域では、中間層の金属成分に占めるＳｉの含有比率は６０原子％以上であることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆切削工具。
（３）  上記中間層の組成において、Ａｌの一部をＭ（ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素）で置換したことを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１３】
以下、本発明について、詳細に説明する。
この発明の被覆工具は、図１に示すように工具基体の表面に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を有し、下部層は、Ａｌ成分の含有割合が４０原子％以上である窒化物層から構成され、中間層は、ＡｌとＳｉの組成傾斜構造を有するＡｌとＳｉ（ただし、Ａｌの一部を、Ｔｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素で置換することができる。）の窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層から構成され、上部層は、ＮとＯの組成傾斜構造を有する非晶質酸窒化シリコン層で構成される。
【００１４】
この発明の被覆工具の下部層は、０．８〜８．０μｍの平均層厚を有する窒化物層からなり、かつ、該窒化物層中の金属成分に占めるＡｌ成分の含有割合が４０原子％以上である窒化物層を、物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法等により形成している。
ここで、下部層の平均層厚を、０．８〜８．０μｍとしたのは、その平均層厚が０．８μｍ未満であると長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、その平均層厚が８．０μｍを超えると、チッピングを発生しやすくなるという理由による。
【００１５】
また、窒化物層からなる下部層中の金属成分に占めるＡｌ成分の含有割合を４０原子％以上としたのは、下部層中の金属成分に占めるＡｌの含有割合が４０原子％以上の窒化物層であると、窒化物層中のＡｌが非晶質酸窒化シリコン層に十分拡散されることで、窒化物皮膜と非晶質酸窒化シリコン層を強固に付着する作用を有するという理由によるが、具体例としては、Ａｌ成分の含有割合が４０原子％以上であるＣｒＡｌＮ層、ＴｉＡｌＮ層、ＣｒＡｌＳｉＮ層、ＴｉＡｌＳｉＮ層等を上げることができる。
また、上記窒化膜のＡｌ成分の含有割合の上限値は、Ａｌ濃度が高くなると、十分な硬さを有さない六方晶構造窒化物が形成し、所望の高温靭性、高温強度が得られないために８０％とすることが望ましい。
【００１６】
また、この発明の被覆工具は、上記下部層と上部層との間に、中間層を介在形成することにより、上部層の密着性を改善し、切削加工時における上部層の剥離を防止している。
上記中間層は、０．０５〜０．２μｍの平均層厚を有し、該中間層におけるＡｌ成分およびＳｉ成分の含有比率は、下部層側ではＡｌの含有比率が高く、Ｓｉの含有比率が低く、一方、上部層側では、Ａｌの含有比率が低く、Ｓｉの含有比率が高い層厚方向に沿って含有比率が連続的に変化する組成傾斜構造を有する。
そして、中間層を、ＡｌとＳｉとＭの窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層と表現した場合、Ｍは、Ｔｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素であって、これらの元素によって、Ａｌの一部を置換することができる。
中間層の平均層厚が０．０５μｍ未満では、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、その平均層厚が０．２μｍを超えると、チッピングを発生しやすくなることから、中間層の平均層厚は、０．０５〜０．２μｍと定めた。
【００１７】
中間層は、ＡｌとＳｉとＭ（ただし、必要に応じ、Ａｌの一部をＭ（即ち、Ｔｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素）で置換可）の窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層として構成するが、中間層におけるＡｌ成分は、主として層の高温硬さを維持するという作用を有する。
中間層全体におけるＡｌ成分の含有割合（原子比による、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍ）×１００）が２０原子％未満では、Ａｌ成分による高温硬さが維持されず、中間層と下部層の熱特性及び機械特性が大きくかけ離れることになり、切削時のクラックなどを誘発してしまうため、下部層との十分な密着力を得ることが難しく、一方、６０原子％を超えると中間層と上層の熱特性、機械特性がかけ離れることとなるために、上部層との十分な密着力が得られなくなるから、中間層全体におけるＡｌ成分の含有割合は２０〜６０原子％であることが望ましい。
【００１８】
また、Ｓｉ成分も同様に、Ｓｉ成分の含有割合（原子比による、Ｓｉ／（Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍ）×１００）が２０原子％未満では、上部層との熱特性、機械特性に差が出るため、密着力が弱くなり、剥離しやすく、一方、４０原子％を超えると、Ａｌ成分の高温硬さなどが十分でなくなり、中間層自体の強度が不足するために剥離しやすくなることから、中間層全体におけるＳｉ成分の含有割合は２０〜４０原子％であることが望ましい。
【００１９】
さらに、中間層の構成成分であるＭ成分は、下部層に含有される元素を後述する熱処理により、中間層へ拡散させ、各種性能向上へ寄与させるものであるが、該Ｍ成分はＴｉ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素からなり、Ｍ成分のうち、Ｔｉは、高温硬さはＡｌ成分に劣るものの、高い耐摩耗性を付与することができるために、中間層の強度を改善することができることから、５〜１５原子％含有することが望ましい。
一方、Ｃｒに関しても、高温硬さはＡｌ成分に劣るものの、高い耐酸化性と鉄との低い親和性による優れた摩擦特性を有する酸化物を形成することから、５〜１０原子％含有することが望ましい。
また、中間層としての強度を維持するためＡｌ成分は十分確保されることが望ましいが、Ｍ成分としての合計含有量は、上記、Ｓｉ、Ｍ成分を所定割合含有することで、耐摩耗性の向上に寄与することができるため、５〜４０原子％含有することが望ましい。
いずれにしても、中間層の窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層中に、Ａｌ成分とＳｉ成分とＭ成分とが含有されることによって、中間層の強度、潤滑性が高まることから、結果として被覆工具の耐摩耗性が向上する。
【００２０】
また、上記中間層において、層中のＡｌ成分、Ｓｉ成分は、組成傾斜構造を形成するように含有させることが必要である。
即ち、中間層におけるＡｌ成分およびＳｉ成分の含有比率は、下部層側ではＡｌの含有比率が高く、Ｓｉの含有比率が低く、一方、上部層側では、Ａｌの含有比率が低く、Ｓｉの含有比率が高い層厚方向に沿って含有比率が連続的に変化する組成傾斜構造を形成している。
まず、Ａｌについて言えば、下部層側において、上部層側よりもＡｌの含有比率を高くしているのは、中間層全体としての高温硬さを維持することによって、長期の使用に亘る耐摩耗性を確保するという理由による。そして、このような観点から、特に、下部層と中間層との界面から中間層側に０．０２μｍの中間層領域では、中間層の金属成分に占めるＡｌの含有比率は６０原子％以上とすることが望ましい。
また、Ｓｉについて、上部層側において、下部層側よりもＳｉの含有比率を高くしているのは、切削加工時における潤滑性を高め、溶着発生を防止するとともに切り屑排出性を高めるという理由による。そして、このような観点から、特に、上部層と中間層の界面から中間層側に０．０２μｍの中間層領域では、中間層の金属成分に占めるＳｉの含有比率は６０原子％以上とすることが望ましい。
【００２１】
ＡｌとＳｉの組成傾斜構造を有する上記の中間層は、具体的には、例えば、以下のようにして形成することができる。
下部層としてＡｌ０．７Ｃｒ０．３Ｎ層が形成され、その上に上部層として非晶質酸窒化シリコン層を成膜する場合、ゾル−ゲル法で以下のように形成する。
アルミナ-シリカ複合ゾルの調整：
まず、シリコンのアルコキシド（例えば、テトラエトキシシラン）とアルミニウムのアルコキシド（例えば、セカンダリアルミニウムブトキシド）を混合し、そこにアルコール（例えば、１−ブタノール）を添加し、さらに、所定濃度の酸（例えば、塩酸）を添加した後、２０〜４０℃以下の温度範囲にて１〜５時間攪拌することによってアルミナ−シリカ複合ゾルを調製する。この際、ＡｌとＳｉの濃度比を少しずつ変更したゾルを複数用意することとする。
アルミナ−シリカ複合ゾルの保持：
次いで、上記アルミナ−シリカ複合ゾルについて、ゾル中で起きている加水分解・縮合反応が平衡状態に至るまで待つ目的で２０〜８０℃の温度範囲にて１２時間以上保持する。
乾燥・焼成：
下部層を被覆形成した工具基体に、上記アルミナ−シリカ複合ゾルを塗布し、１００〜４００℃での乾燥処理を行い、前記塗布と乾燥処理を、所望の組成傾斜構造と層厚になるまで繰り返し行い、次いで、通常の電気炉で大気中６００〜９００℃の温度範囲で焼成処理を行って、０．０５〜０．２μｍの平均層厚を有する中間層を成膜、形成する。この方法では、ＡｌとＳｉがそれぞれ異なる有限の厚みをもった層を階段状に形成させたのち、上記焼成を行うことで、連続的な、所望の傾斜構造を得ることができる。一回の塗布で成膜できる層厚は、塗布の際の条件によっても異なるが、０．０１〜０．１μｍである。
【００２２】
本発明の被覆工具は、中間層の上部に、上部層として、例えば、ゾル−ゲル法により成膜した平均厚さ０．２〜３．０μｍの非晶質酸窒化シリコン層を構成する。
そして、該上部層は表面から中間層側へ行くにしたがってＮ成分の含有比率が減少し、一方、表面から中間層側へ行くにしたがってＯ成分の含有比率が増大する組成傾斜構造を有し、上部層全体の平均酸素含有量をＸとした場合、原子比率で、０．５＜Ｘ＜０．８の範囲にある組成式：Ｓｉ（ＯＸ、Ｎ１−Ｘ）２膜が形成されることが必要である。
これは、次のような理由による。
酸化シリコンは摩擦抵抗が小さく、優れた潤滑性を示すが、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの硬質合金鋼等の切削においては、耐摩耗性に乏しいために、切削初期で磨滅してしまい、潤滑性向上効果を十分に発揮できないが、酸化シリコンの酸素サイトをＮで置換することで、格子歪に起因する硬さが向上するため、硬質合金鋼の切削においても磨滅しにくくなるために、長時間にわたって十分な潤滑性を発揮することができる。また、その際には、表面から中間層に行くに従い、Ｎ成分が減少するとともにＯ成分が増大する組成傾斜構造を備えることで、該非晶質酸窒化シリコン層には剥離や破壊の起点となるような、膜厚方向に急激に機械特性、熱特性の異なる界面が存在しなくなるため、長時間にわたり優れた潤滑性を示すことができる。また、Ｏ成分の含有比率Ｘが０．５以下であるとＳｉ酸化物特有の潤滑性を発揮することができず、０．８以上であるとＮ置換による硬さ向上効果が十分でなく、非晶質酸窒化シリコン層が切削初期に磨滅してしまい、優れた潤滑性を長時間にわたって発揮できない。
また、非晶質酸窒化シリコン層からなる上部層は、耐摩耗性と潤滑性にすぐれるが、その平均層厚が０．２μｍ未満であると、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、平均層厚が３．０μｍを超えると、チッピング、剥離が発生しやすくなるため、非晶質酸窒化シリコン層の平均層厚は０．２〜３．０μｍと定めた。
【００２３】
非晶質酸窒化シリコン層は、例えば、以下に示すゾル−ゲル法によって形成することができる。
【００２４】
シリカゾルの調製： 
まず、シリコンのアルコキシド（例えば、テトラエトキシシラン）にアルコール（例えば、１−ブタノール）を添加し、さらに、所定濃度の酸（例えば、塩酸）を添加した後、２０〜４０℃以下の温度範囲にて１〜３時間攪拌することによってシリカゾルを調製する。
シリカゾルの保持：
次いで、上記シリカゾルについて、ゾル中で起きている加水分解・縮合反応が平衡状態に至るまで待つ目的で２０〜８０℃の温度範囲にて１２時間以上保持する。
乾燥・焼成：
下部層のみを被覆形成した工具基体に、ゾル−ゲル法によってＡｌとＳｉの酸化物からなる中間層を形成したのち、上記シリカゾルを塗布し、１００〜４００℃の乾燥処理を行い、前記塗布と乾燥処理を、所望の層厚になるまで繰り返し行い、次いで、電気炉にて、窒素雰囲気６００〜９００℃の温度範囲で焼成処理を行って、０．２〜３．０μｍの平均層厚を有する非晶質酸窒化シリコン層を成膜する。
なお、非晶質酸窒化シリコン層中の窒素は、窒素中でのプラズマ表面窒化処理によっても含有させることが可能であるが、窒素雰囲気での焼成処理を行う方が非晶質酸化シリコン層中に均一に窒素を固溶させやすい。また、非晶質酸窒化シリコン層中の窒素量は焼成時間と昇温中速度によって左右され、焼成時間が長い方が層中に含有される窒素量は多くなる。また、焼結する前の乾燥後のゲルの方が、層中の間隙や残存する有機分を介して非晶質酸窒化シリコン層に入り込みやすいために、低温での焼成時間が長い方、つまり、昇温速度が遅い方が、層中に含有される窒素量は多くなる。
【００２５】
ゾル−ゲル法による非晶質酸窒化シリコン層の上記形成工程において、乾燥処理の温度範囲を１００〜４００℃としているのは、１００℃未満では溶媒が蒸発せず、十分な乾燥が行えず、４００℃を超えるとゲルの体積収縮が急激に進行してクラック等を発生し、皮膜が剥離等を生じやすくなるためであり、また、焼成温度については、６００℃未満では、非晶質酸窒化シリコン層の焼結が十分に進まないため、耐摩耗性が劣り、一方、９００℃を越える温度で焼成した場合、下部層と非晶質酸窒化シリコン層の熱膨張差に起因する剥離が生じやすくなる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の被覆工具は、工具基体の最表面に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を形成し、特に、上記中間層として、ＡｌとＳｉ（とＭ）の窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層からなり、該中間層におけるＡｌ成分の含有比率は、上部層側に比して、下部層側でのＡｌの含有比率が高く、一方、該中間層におけるＳｉ成分の含有比率は、下部層側に比して、上部層側でのＳｉの含有比率が高くなる層厚方向に沿って含有比率が連続的に変化する組成傾斜構造を有する層を介在形成し、さらに、上部層として、表面から中間層側へ行くにしたがってＮ成分の含有比率が減少し、一方、表面から中間層側へ行くにしたがってＯ成分の含有比率が増大する組成傾斜構造を有する非晶質酸窒化シリコン層を形成していることから、上部層である非晶質酸窒化シリコン層の密着性を高め、剥離を防止することができ、さらに、該非晶質酸窒化シリコン層が潤滑性と耐摩耗性を長期にわたって発揮できるために、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に高負荷が作用する合金工具鋼、軸受鋼の焼入れ材などの硬質合金鋼等の高速連続切削加工において、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の被覆工具の硬質被覆層の概略縦断面模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
つぎに、この発明を実施例により具体的に説明する。
以下では、炭化タングステン基超硬合金を工具基体とする場合について説明するが、炭窒化チタン基サーメットを工具基体として用いることも当然に可能である。
【実施例１】
【００２９】
（ａ）  原料粉末として、平均粒径０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、平均粒径２〜３μｍの中粒ＷＣ粉末といずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示す所定の配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１４００℃の温度にて１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０５ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ，Ｂ，Ｃ（超硬基体Ａ，Ｂ，Ｃという）を製造した。
【００３０】
（ｂ）  ついで、上記超硬基体Ａを物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、目標層厚かつ目標Ａｌ含有割合のＴｉＡｌＮ層からなる下部層を物理蒸着により被覆形成した。
上記超硬基体Ｂについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、目標層厚かつ目標Ａｌ含有割合のＡｌＣｒＮ層からなる下部層を物理蒸着により被覆形成した。
また、上記超硬基体Ｃについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、目標層厚かつ目標Ａｌ含有割合のＴｉＡｌＣｒＮ層からなる下部層を物理蒸着により被覆形成した。
【００３１】
（ｃ）  ついで、ＡｌとＳｉが組成傾斜構造を有し、ＡｌとＳｉ（とＭ）の窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層からなる中間層を形成すべく、表３に示す目標組成傾斜構造を有する中間層を、以下の手順で被覆形成した。
アルミナ-シリカ複合ゾルの調整：
まず、表２に示す条件にて、シリカゾル：表５の種別ａ（上部層形成用に調製するものとし、後述する）とアルミナゾルを表２に示す所定の濃度割合で混合し、アルミナ−シリカ複合ゾルを調製する。
アルミナゾルの調製方法は以下の通りとする。
まず、反応原料における各成分の溶液組成はモル比で、
（アルミニウムセカンダリブトキシド）：（水）：（１−ブタノール）：（塩酸）
＝１：５０：２０：０．８
になるように添加し、２０℃の温度範囲にて１２時間攪拌、５０℃の温度で２４時間保持することによって調製する。
乾燥・焼成：
引き続き、下部層を被覆形成した工具基体に、上記アルミナ−シリカ複合ゾルを塗布し、表２に示す１００〜４００℃での乾燥処理を行い、前記塗布と乾燥処理を、所望の組成傾斜構造と層厚になるまで繰り返し行い、次いで、通常の電気炉で大気中６００〜９００℃の温度範囲で焼成処理を行って、０．０５〜０．２μｍの平均層厚を有する中間層を成膜、形成する。
【００３２】
（ｄ）  ついで、硬質被覆層の上部層としての非晶質酸窒化シリコン層を目標層厚となるようにゾル−ゲル法で被覆形成した。
ここで、シリカゾルの調製は、次のように行った。
まず、反応原料における各成分の溶液組成はモル比で、
（テトラエトキシシラン）：（水）：（１−ブタノール）：（塩酸）
＝１：５０〜２００：５〜１０：０．１〜０．５
になるよう添加して、表５に示す条件で恒温槽中で攪拌し・保持することで、シリカゾルを調製した。
次いで、下部層を形成した上記超硬基体Ａ，Ｂ，Ｃに対して、上記シリカゾルを塗布し、表５に示す条件で大気中で乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、表５に示す条件で窒素雰囲気中焼成処理を行うことにより、上部層が同じく表５に示す目標酸素含有量の組成傾斜構造を有する非晶質酸窒化シリコン層で構成された表６に示す本発明の被覆工具１〜１２（本発明工具１〜１２という）を製造した。
【００３３】
上記本発明工具１〜１２について、各層の層厚については以下の手法により測定した。
まず、成膜された試料を表面に対して１０°傾斜した面で研磨加工を行い、オージェ電子分光の分析装置内に装入し、研磨面の表面部分の吸着分子をＡｒイオンビームによりスパッタリングによる除去を行った後に、硬質被覆層表面近傍を分析の始点とした上で、基体と硬質被覆層の界面までライン分析を実施し、上部層として酸素と窒素が組成傾斜構造を有する非晶質酸窒化シリコン層であること、さらに、下部層と上部層との間に、Ａｌ成分とＳｉ成分が組成傾斜構造を有する中間層を介在形成されていることを確認するとともに、上部層と中間層の界面をＡｌが１原子％以上検出され始める箇所、下部層と中間層の界面をＳｉが１原子％以上検出できなくなる箇所として、それぞれ層の境界を定め、各層の層厚を求めた。
また、中間層の縦断面における平均組成、組成傾斜構造を、以下の手法により、測定した。
まず、上記同様に成膜された試料を表面に対して１０°傾斜した面で研磨加工を行い、オージェ電子分光の分析装置内に装入し、中間層領域において０．２×０．２μｍの面分析範囲にて、５回測定し、その平均組成を求めた。また、下部層と中間層との界面より中間層側に膜厚方向の縦断面換算で０．０２μｍの箇所での組成を下部層側組成、また、上部層と中間層の界面より中間層側に０．０２μｍの箇所での組成を上部層側組成とし、それぞれの組成を各箇所にて５点、点分析を行った平均値として組成傾斜構造を測定した。
さらに、上記中間層と同様に、上部層においても、１０°傾斜した面において該上部層領域において０．２×０．２μｍの分析視野範囲にて、５視野測定し、その平均組成酸素含有量Ｘを求めるとともに、中間層と上部層の界面より上部層側に膜厚方向の縦断面換算０．０２μｍの箇所での酸素含有量を中間層側の酸素含有量、表面より中間層側に０．０２μｍの箇所での酸素含有量を表面側の酸素含有量として、それぞれの組成を各箇所にて５点、点分析を行った平均値として組成傾斜構造を測定した。
表６に測定結果を示す。
【００３４】
[比較例１]
比較のため、以下の製造方法で被覆工具を製造した。
【００３５】
上記実施例１（ａ）で製造した超硬基体Ａ，Ｂ，Ｃに対して、実施例１（ｂ）と同様にして、下部層を物理蒸着で被覆形成した。
ついで、表４に示す目標組成傾斜構造を有する中間層を、実施例１（ｃ）と同様にして被覆形成した。
ついで、上記で形成された中間層（あるいは下部層）表面に、実施例１（ｄ）と同様にして、シリカゾルを塗布することにより、上部層が非晶質酸窒化シリコン層で構成された表７に示す比較例の被覆工具１〜１２（比較例工具１〜１２という）を製造した。
【００３６】
比較例工具１〜１２についても、中間層の縦断面および上部層の縦断面における平均組成、組成傾斜構造を、以下の手法により、測定した。
表７に、その結果を示す。
【００３７】
【表１】
2014140928.tif 000003
【００３８】
【表２】
2014140928.tif 000004
【００３９】
【表３】
2014140928.tif 000005
【００４０】
【表４】
2014140928.tif 000006
【００４１】
【表５】
2014140928.tif 000007
【００４２】
【表６】
2014140928.tif 000008
【００４３】
【表７】
2014140928.tif 000009
【００４４】
つぎに、上記本発明工具１〜１２および比較例工具１〜１２について、次の切削条件で、硬質合金鋼の高速連続切削加工試験を行った。
【００４５】
≪切削条件≫
被削材：  ＳＣＭ４４０（ＨＢ２３０）の丸棒、
切削速度： ２６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．８ｍｍ、
送り： ０．２４ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は、１４０ｍ／ｍｉｎ．）を行い、それぞれの工具の損傷状態について観察を行うとともに、逃げ面摩耗量の測定を行った。
これらの結果を表８に示す。
【００４６】
【表８】
2014140928.tif 000010
【実施例２】
【００４７】
原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、Ｍｏ2Ｃ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびＮｉ粉末を用意し、これらを表９に示す所定の配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５４０℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、切刃部分にＲ：０．０７ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ規格・ＣＮＭＧ１２０４１２のチップ形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｄ，Ｅ，Ｆ（工具基体Ｄ，Ｅ，Ｆという）を製造した。
【００４８】
【表９】
2014140928.tif 000011
【００４９】
ついで、上記工具基体Ｄ，Ｅ，Ｆに対して、下層を形成した。
なお、上記超硬基体Ｄを物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング装置に装入し、目標層厚かつ目標Ａｌ含有割合のＴｉＡｌＮ層からなる下部層を物理蒸着により被覆形成した。上記超硬基体Ｅについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、目標層厚かつ目標Ａｌ含有割合のＡｌＣｒＮ層からなる下部層を物理蒸着により被覆形成した。一方、上記工具基体Ｆについては、同じくアークイオンプレーティング装置に装入し、目標層厚かつ目標Ａｌ含有割合のＴｉＡｌＣｒＮ層からなる下部層を物理蒸着により被覆形成した。
【００５０】
ついで、下地層を形成した上記工具基体Ｄ，ＥおよびＦのいずれに対しても、実施例１と同様に表２の調製条件にてアルミナ−シリカ複合ゾルを、表５に示す条件でシリカゾルを調製し、表５に示す条件で大気中にて乾燥処理を行い、さらに塗布と乾燥を所定層厚になるまで繰り返した後、表５に示す条件で窒素雰囲気中焼成処理を行うことにより、表３に示す目標組成傾斜構造を有する中間層、上部層が同じく表５に示す目標組成傾斜構造を有する非晶質酸窒化シリコン層で構成された表１０に示す本発明の被覆工具１３〜２４（本発明工具１３〜２４という）を製造した。
【００５１】
本発明工具１３〜２４について実施例１と同様に中間層の縦断面および上部層の縦断面における平均組成、組成傾斜構造を、実施例１と同様の手法により、測定した。
表１０に、その結果を示す。
【００５２】
【表１０】
2014140928.tif 000012
【００５３】
[比較例２]
前記実施例２で用いたのと同じ工具基体Ｄ，Ｅ，Ｆを用いて、実施例２と同様に、ゾル−ゲル法により、表１１に示す所定目標層厚になるまで酸化シリコン主体層を成膜し、ついで、表５に示す条件で窒素雰囲気中焼成処理を行うことにより、表４に示す目標組成傾斜構造を有する中間層を形成した表１１に示す比較例の被覆工具１３〜２４（比較例工具２０〜２４という）を製造した。
【００５４】
中間層の縦断面および上部層の縦断面における平均組成、組成傾斜構造を表１１に示す。
【００５５】
【表１１】
2014140928.tif 000013
【００５６】
つぎに、上記本発明工具１３〜２４、比較例工具１３〜２４について、次の条件で切削加工試験を行った。
≪切削条件≫
被削材：  ＳＵＪ２（ＨＢ２２０）の丸棒、
切削速度： ２８０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： １．６ｍｍ、
送り：     ０．２２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５分、
の条件での  軸受鋼の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は、１２０ｍ／ｍｉｎ．）を行い、  切削加工試験後の、それぞれの工具の損傷状態について観察を行うとともに、逃げ面摩耗量の測定を行った。
これらの結果を表１２に示す。
【００５７】
【表１２】
2014140928.tif 000014
【００５８】
表６〜表８、表１０〜表１２に示される結果から、この発明の被覆工具１〜２４は、工具基体の最表面に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層が形成され、特に、中間層として、ＡｌとＳｉ（とＭ）の窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層からなり、該中間層におけるＡｌ成分の含有比率は、上部層側に比して、下部層側でのＡｌの含有比率が高く、一方、該中間層におけるＳｉ成分の含有比率は、下部層側に比して、上部層でのＳｉの含有比率が高くなる層厚方向に沿って含有比率が連続的に変化する組成傾斜構造を有し、さらに、上部層として、表面から中間層側へ行くにしたがってＮ成分の含有比率が減少し、一方、表面から中間層側へ行くにしたがってＯ成分の含有比率が増大する組成傾斜構造を有する非晶質酸窒化シリコン層を形成していることから、これを、高熱発生を伴うとともに、切れ刃に高負荷が作用する合金工具鋼、軸受鋼の焼入れ材などの硬質合金鋼等の高速連続切削加工に用いた場合でも、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。
【００５９】
これに対して、比較例工具１〜２４は、中間層の層構造が、少なくとも、該層中でＡｌ成分とＳｉ成分が所定の組成傾斜構造を有するものでないため、あるいは、上部層がＮ成分とＯ成分が所定の組成傾斜構造を有するものでないため、硬質合金鋼等の高速連続切削加工においては、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷の発生を招いたり、あるいは、耐摩耗性が劣るものであるため、短時間で工具寿命に至ることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
上部層として、非晶質酸窒化シリコン層を被覆形成したこの発明の被覆工具において、上記上部層と下部層との間に、中間層として、ＡｌとＳｉが組成傾斜構造を有するＡｌとＳｉ（とＭ）の窒化物層、酸化物層あるいは酸窒化物層を介在形成し、また、上部層もＮ成分とＯ成分が所定の組成傾斜構造を有していることによって、上部層との密着性を高めることができるばかりか、下部層の耐摩耗性、上部層の潤滑性をも相併せ備えることから、硬質合金鋼等の高速連続切削加工において、長期の使用に亘って、チッピング、欠損、剥離等の耐異常損傷性を示すとともに、すぐれた耐摩耗性を発揮し、工具寿命の長寿命化を図る上で、実用上の効果が大である。
【図１】
2014140928.tif 000015