(57)【要約】      （修正有）【課題】  基材の劣化を伴うことなく、高温環境下での優れた耐摩耗性と耐溶着性を備えた被膜を提供する。【解決手段】  酸化物層を少なくとも１層含む被膜であって、該酸化物層は、γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3（式中、ＭはＹまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｘは０．００１≦Ｘ≦０．３５である）を含有し、該γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3は、上記酸化物層の断面積において５０％以上９９％以下の面積を占めるような比率で含有されていることを特徴とする被膜に関する。【選択図】        図１
2006150530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物層を少なくとも１層含む被膜であって、
前記酸化物層は、γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3（式中、ＭはＹまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｘは０．００１≦Ｘ≦０．３５である）を含有し、
前記γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3は、前記酸化物層の断面積において５０％以上９９％以下の面積を占めるような比率で含有されていることを特徴とする被膜。
【請求項２】
前記被膜は、耐摩耗性被膜であることを特徴とする請求項１記載の被膜。
【請求項３】
前記酸化物層は、０．１μｍ以上１５μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１記載の被膜。
【請求項４】
前記酸化物層は、−０．２ＧＰａ〜−５．０ＧＰａの圧縮応力を有することを特徴とする請求項１記載の被膜。
【請求項５】
前記酸化物層は、物理的蒸着法により５００℃〜７５０℃の温度を適用することにより形成されることを特徴とする請求項１記載の被膜。
【請求項６】
前記γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の結晶粒において、前記Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素は、粒界に偏析していないことを特徴とする請求項１記載の被膜。
【請求項７】
前記酸化物層は、α−Ａｌ2Ｏ3および／またはａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3を含有することを特徴とする請求項１記載の被膜。
【請求項８】
前記α−Ａｌ2Ｏ3および／またはａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3は、Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素を含有することを特徴とする請求項７記載の被膜。
【請求項９】
基材と、該基材上に形成された請求項１〜８のいずれかに記載の被膜とを有することを特徴とする切削工具。
【請求項１０】
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、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合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９記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被膜および切削工具に関し、より詳細には、耐摩耗性等の諸特性に優れる被膜およびそれを基材表面に形成した切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
耐摩耗性や摺動性を向上させることを目的として、種々の基材上に種々の被膜が形成されている。このような被膜として、特にＡｌ2Ｏ3をはじめとする酸化物系の被膜は酸化特性に優れることから高温時においても良好な耐摩耗性を示す等の特性を有しており、このため特に切削工具の分野において近年注目を集めている。
【０００３】
たとえば、酸化アルミニウム膜の結晶粒界にイットリウムを含有させることにより酸化アルミニウムの結晶粒の脱落を防止し、以って耐摩耗性に優れた酸化膜被覆工具が得られるという提案がされている（特許文献１）。また、酸化アルミニウム膜に希土類元素の酸化物を含有させ、耐摩耗性を改善する提案（特許文献２）や、Ｔｉ化合物層とアルミニウム酸化物層とを積層させることにより高温熱伝導性に優れた切削工具が得られるという提案（特許文献３）がなされている。
【０００４】
しかしながら、このような従来の提案における酸化アルミニウム膜やアルミニウム酸化物層を構成する酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）は、全てα型の結晶構造を有しているものやアモルファス状のものであった。
【０００５】
α型の結晶構造を有する酸化アルミニウム（以下、α−Ａｌ2Ｏ3と記す）は、高い硬度を有するとともに高温での安定性にも優れることから切削工具等の被膜において優れた素材となる可能性がある。しかし、α−Ａｌ2Ｏ3を形成するためには、化学的蒸着法（ＣＶＤ法）においては１０００℃以上、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）においても７５０℃以上という非常に高い形成温度を必要とし、このため基材の靭性等の特性を劣化させるという問題があった。また、α−Ａｌ2Ｏ3の結晶は、大きな粒状組織または柱状組織として成長するため被膜表面の平滑性に劣ることから被削材に対する耐溶着性に劣るとともに結晶粒の脱落を生じやすいという問題もあった。
【０００６】
これに対してアモルファス状の酸化アルミニウム（以下、ａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3と記す）は、ＰＶＤ法によって５００℃未満の形成温度で形成することができ、上記のように基材の劣化を伴うことがない。また、結晶粒を含まないことから被膜表面の平滑性にも優れ、被削材に対する良好な耐溶着性が示される。しかしその反面、α−Ａｌ2Ｏ3に比し硬度が低く耐摩耗性に劣るとともに、高温の環境下で使用されるとα−Ａｌ2Ｏ3や他の結晶系への変態が生じ、それに伴う体積変化が発生することから組織が脆化し、耐摩耗性が一層低下するという問題があった。すなわち、ａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3は特に高温環境下では使用できないという問題を有していた。
【０００７】
近年の切削工具においては、高速で高能率の加工が要求されているとともに、環境的配慮からドライ加工に対する要求も高く、これらの要求はいずれも切削工具の刃先温度をより高温側にシフトさせる傾向にある。したがって、製造時の高温の適用を避け基材を劣化させないという条件を備えるとともに、より高温環境下での優れた耐摩耗性と耐溶着性を備えた被膜の開発が望まれている。
【特許文献１】特開２００４−１１５４号公報
【特許文献２】特開２００３−２３６７０５号公報
【特許文献３】特開２０００−２４６５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、基材の劣化を伴うことなく、高温環境下での優れた耐摩耗性と耐溶着性を備えた被膜を提供することにある。また、本発明の別の目的は、そのような被膜を備えた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】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねたところ、酸化物としてγ−Ａｌ2Ｏ3を用いれば、α−Ａｌ2Ｏ3およびａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3が有する上記のような短所を相補しつつ、両者が各々有する長所を享受できるのではないかという知見を得、この知見に基づき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。
【００１０】
すなわち本発明は、酸化物層を少なくとも１層含む被膜であって、該酸化物層は、γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3（式中、ＭはＹまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｘは０．００１≦Ｘ≦０．３５である）を含有し、該γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3は、上記酸化物層の断面積において５０％以上９９％以下の面積を占めるような比率で含有されていることを特徴とする被膜に関するものである。
【００１１】
また、上記被膜は、耐摩耗性被膜とすることができ、上記酸化物層は、０．１μｍ以上１５μｍ以下の厚みを有し、また−０．５ＧＰａ〜−５．０ＧＰａの圧縮応力を有することができる。
【００１２】
また、上記酸化物層は、物理的蒸着法により５００℃〜７５０℃の温度を適用することにより形成することができる。
【００１３】
また、上記γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の結晶粒において、上記Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素は、粒界に偏析していないことが好ましい。
【００１４】
また、上記酸化物層は、α−Ａｌ2Ｏ3および／またはａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3を含有することができ、該α−Ａｌ2Ｏ3および／またはａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3は、Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素を含有することができる。
【００１５】
さらに、本発明の切削工具は、基材と、該基材上に形成された上記被膜とを有するものであり、該基材は、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、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体のいずれかにより構成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の被膜は、上記の通りの構成を有することにより、実質的な基材の劣化を伴うことなく、高温環境下での優れた耐摩耗性と耐溶着性を備えたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
【００１８】
＜被膜＞
本発明の被膜は、酸化物層を少なくとも１層含む構成を有している。すなわち、本発明の被膜が単層である場合には、酸化物層のみによって構成されることになるが、本発明の被膜は通常複数の層を含み、その少なくとも１層が酸化物層であることを要する。なお、ここで酸化物層以外の層としては、後述のような層を挙げることができる。このような本発明の被膜は、特に耐摩耗性の被膜となることが好ましい。
【００１９】
＜酸化物層＞
本発明の酸化物層は、γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3（式中、ＭはＹまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｘは０．００１≦Ｘ≦０．３５である）を含有することを特徴としている。
【００２０】
γ−Ａｌ2Ｏ3の結晶組織は、細い柱状晶（直径：約５０〜３００ｎｍ、高さ：約０．１〜１５μｍ）からなる極めて緻密な組織を有するものである。このため、γ−Ａｌ2Ｏ3の結晶で構成される酸化物層の表面は、極めて平滑性に優れたものとなり、耐摩耗性、耐溶着性および密着性（基材または他の層に対する）に優れたものとなる。また、γ−Ａｌ2Ｏ3は、α−Ａｌ2Ｏ3の形成に必要な高温を適用することなく形成することができる一方、ａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3よりも高温安定性に優れるという特性を有している。したがって、γ−Ａｌ2Ｏ3は、α−Ａｌ2Ｏ3の有する問題点と、ａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3の有する問題点を解消するとともに、これら両者が有する優れた特性を併せ持つという非常に優れた特性を有しているものと考えられる。なお、γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造とは、このようなγ−Ａｌ2Ｏ3が有する結晶構造をいうものとする。
【００２１】
そして、本発明者の研究によれば、このγ−Ａｌ2Ｏ3にＹまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素を添加すると、その硬度がさらに高くなるとともにその結晶組織がさらに微細化されることが明らかとなった。すなわち、γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3（式中、ＭはＹまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素を示し、Ｘは０．００１≦Ｘ≦０．３５である）は、γ−Ａｌ2Ｏ3に比しその硬度がさらに高められ、また結晶組織もさらに微細化（たとえば柱状晶の直径が約２０〜２５０ｎｍとなる）されたものとなる。これにより、層表面の平滑性がより平滑なものとなり、高められた硬度と相俟って耐摩耗性、耐溶着性および密着性がさらに向上したものとなる。
【００２２】
さらに、このγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3は、γ−Ａｌ2Ｏ3の結晶構造自体を安定化する作用があり、１０００℃を超える高温においてもα−Ａｌ2Ｏ3への相変態を生じることがなく、体積変化を伴わずに上記のような緻密な結晶組織を保持することができる。このため、耐摩耗性等の優れた諸特性が１０００℃を超える高温においても発揮され、極めて高温安定性に優れたものとなる。
【００２３】
このような（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3において、Ｘが０．００１未満になると、Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素の添加によってもたらされる上記のような優れた特性が示されなくなる。また、Ｘが０．３５を超えると、硬度が大きく低下し耐摩耗性が劣化するとともに、結晶構造が不安定となりアモルファス化しやすくなり、緻密な柱状組織が得られなくなる。上記Ｘは、好ましくはその下限が０．００５、より好ましくは０．０１、さらに好ましくは０．０３、その上限が０．３、より好ましくは０．１５、さらに好ましくは０．０７である。
【００２４】
また、上記（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3において、ＭはＹまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素である。ここでランタノイドとは、原子番号５７〜７１の元素をいう。上記Ｍとして特に好ましくはＹ（イットリウム）であり、これを単独で用いることが好ましい。少量の添加量で上記のような優れた効果が得られ、γ−Ａｌ2Ｏ3の特性を損なうことなく高温安定性を向上させることができるからである。
【００２５】
また、上記Ｍは２以上の元素を添加することができる。この場合、その添加量はそれらの元素の合計量が上記Ｘの範囲内のものとする必要があるが、各々の配合比は特に限定されるものではない。このように、Ｍとして２以上の元素を用いる場合、その１種をＹとすることが特に好ましい。
【００２６】
そして上記γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3は、これを含む酸化物層の断面積において５０％以上９９％以下の面積を占めるような比率で含有されていることを特徴とする。このような比率で含有されることにより、上記のようなγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の優れた効果が酸化物層の効果として発現されるようになる。上記比率が５０％未満の場合、そのような優れた効果は示されなくなる。また上記比率が９９％を超えると酸化物層全体が均質な層となるため、強い衝撃が加えられた際にクラックが伝搬しやすく被膜が容易に割れて剥離するという不都合を生じる。上記比率は、好ましくはその下限が７５％、より好ましくは９０％、さらに好ましくは９５％、その上限が９８％、より好ましくは９７％である。
【００２７】
なお、上記比率は、酸化物層の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察することにより算出することができる。この場合、酸化物層の全体に亘ってその断面を観察することが好ましいが、その操作は煩雑となることが多くまた酸化物層の端部領域においては誤差を多く含む可能性もあるため、該被膜の使用部分（切削に関与する部分）に位置する酸化物層において、該酸化物層の断面に対して垂直方向に少なくとも２０μｍの距離を隔てて存在する互いに異なる３つの断面を選択し、その３つの断面それぞれについて透過電子顕微鏡を用いてγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の断面積に占める面積比率を求め、そのようにして求められた面積比率３点の平均値を算出することによりその平均値を該比率とすることが好適である。
【００２８】
また、酸化物層に含まれる上記γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3以外の成分としては、α−Ａｌ2Ｏ3および／またはａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3を含むことが好ましい。すなわち、本発明の酸化物層は、α−Ａｌ2Ｏ3および／またはａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3を含有することができるものである。
【００２９】
該酸化物層がα−Ａｌ2Ｏ3を含むことにより、上記γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3単独で構成する場合に比し、より硬度が高く熱安定性の良好な酸化物層を得ることができる。しかし、このα−Ａｌ2Ｏ3が酸化物層の断面積において５０％以上を占める比率で含有されると緻密な結晶構造が得られなくなることから酸化物層の表面の平滑性が劣化し、良好な耐溶着性が得られなくなる。
【００３０】
これに対して、該酸化物層がａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3を含むことにより、上記γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3単独で構成する場合に比し、より表面平滑性に優れた酸化物層を得ることができる。しかし、このａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3が酸化物層の断面積において５０％以上を占める比率で含有されると硬度が低下し、熱安定性も劣化してしまうことから、耐摩耗性および耐熱性に優れた酸化物層が得られなくなる。
【００３１】
このように本発明の酸化物層は、α−Ａｌ2Ｏ3およびａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3を、各単独であるいは両者を併用して含有することができる。なお、このように含有されるα−Ａｌ2Ｏ3およびａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3は、上記Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素を含有することができ、その含有量も上記Ｘと同様の割合とすることができる。
【００３２】
本発明の酸化物層は、０．１μｍ以上１５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。０．１μｍ未満では、耐摩耗性をはじめとする上記のような優れた諸特性が示されなくなり、１５μｍを超えると酸化物層自体が剥離することがある。酸化物層の厚みとしてより好ましくは、その下限が０．２μｍ、さらに好ましくは０．３μｍ、その上限が５μｍ、さらに好ましくは３μｍである。
【００３３】
また、本発明の酸化物層は、−０．２ＧＰａ〜−５．０ＧＰａの圧縮応力を有することが好ましい。このような圧縮応力を有することにより、この酸化物層を含む被膜が切削工具に被覆される場合において刃先の耐欠損性が大幅に向上する。この圧縮応力が−０．２ＧＰａより大きな数値を有すると、衝撃に弱く靭性が劣る場合がある。また、−５．０ＧＰａより小さな数値を有すると、酸化物層自体が剥離することがある。圧縮応力としてより好ましくは、その上限が−０．５ＧＰａ、さらに好ましくは−１ＧＰａ、その下限が−３ＧＰａ、さらに好ましくは−２ＧＰａである。
【００３４】
また、本発明の酸化物層に含有される上記γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の結晶粒において、上記Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素は、粒界に偏析していないことが好ましい。ここで、「粒界」とは、結晶粒子において結晶の表面から粒子径（最大径）の１０％に相当する幅を有する表面領域をいうものとする。また、「粒界に偏析」するとは、上記Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素の濃度が、粒界において結晶粒内部の濃度よりも高くなることをいう。
【００３５】
したがって、上記Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素の濃度は、粒界において結晶粒内部の濃度よりも低いかあるいは同じになっていることが好ましい。これは、上記Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素が粒界に偏析すると、その部分における該元素の濃度が高くなることから硬度が著しく低下し、耐摩耗性が劣化するからである。よって、上記Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素の濃度は、結晶粒子全体に亘って（延いては酸化物層の全体に亘って）均一であることが好ましい。
【００３６】
＜酸化物層の形成方法＞
本発明の酸化物層は、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により５００℃〜７５０℃の温度を適用することにより形成されることが好ましい。このような物理蒸着法としては、たとえばスパッタリング法を挙げることができ、特にアルミニウムと、Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素とからなるターゲットを用い、酸素を含む雰囲気中で形成される反応性のアンバランストマグネトロンスパッタリング法（ＵＢＭＳ法）により形成されるのが好ましい。ＵＢＭＳ法によれば、γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を容易に形成することができ、しかもＹまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素を容易にγ−Ａｌ2Ｏ3に添加することができるからである。
【００３７】
また、酸化物層の形成時に適用される温度が、５００℃未満であるとγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造が得られずアモルファスになる場合があり、７５０℃を超えるとα−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造の生成が支配的となるとともに、Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素が結晶の粒界に偏析する傾向を示す場合があり、基材の劣化が生じるとともに酸化物層の靭性が低下する等の特性劣化を生じる可能性がある。
【００３８】
なお、この方法によれば、酸化物層において、γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3以外の成分としてα−Ａｌ2Ｏ3および／またはａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3を容易に含有することができる。
【００３９】
一方、本発明の酸化物層は、熱ＣＶＤ法により形成することも可能である。しかし、この方法によれば、適用される温度（基板温度）が高温になるとともに、Ｙまたはランタノイドから選ばれる少なくとも１種の元素が結晶の粒界に偏析する傾向を示す場合がある。このため、上記ＰＶＤ法を採用することがより好ましい。
【００４０】
＜酸化物層以外の層＞
本発明の被膜は、上記の酸化物層以外に任意の層を１以上含むことができる。たとえばそのような他の層としては、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＡｌＮ層、ＴｉＳｉＮ層、ＡｌＣｒＮ層等を挙げることができる。
【００４１】
ＴｉＮ層を含むと、密着性と耐摩耗性が優れたものとなる。ＴｉＣＮ層を含むと、低温環境下での耐摩耗性と摺動性が優れたものとなる。ＴｉＡｌＮ層を含むと、高温環境下での耐摩耗性をさらに向上させることができる。ＴｉＳｉＮ層を含むと、高温安定性がさらに優れるとともに、被膜の組織が緻密かつ微細化し、耐剥離性と靭性が向上する。ＡｌＣｒＮ層を含むと、高温環境下での摺動性および耐溶着性を向上させることができる。
【００４２】
本発明の被膜は、上記に例示した被膜を酸化物層以外の他の層として含むことができるが、このような他の層はこれらのみに限定されるものではない。なお、本発明の被膜において、酸化物層と他の層との積層の構成は特に限定されるものではなく、他の層は酸化物層の上に積層されていても良いし、下に積層されていても良い。
【００４３】
＜切削工具＞
本発明の切削工具は、基材と、該基材上に形成された上記被膜とを有する構造を有するものである。このような切削工具としては、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チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップおよびクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等を挙げることができる。
【００４４】
＜基材＞
本発明の切削工具を構成する上記基材は、このような切削工具の本体（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、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、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体等を挙げることができる。
【００４５】
また、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。
【実施例】
【００４６】
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。
【００４７】
＜実施例１＞
組成がＪＩＳ規格Ｐ３０であり、形状がＪＩＳ規格ＳＮＧ４３２である超硬合金製切削チップを基材として用い、その基材上に、図１にその概略図を示した装置を用いて冷陰極アーク式イオンプレーティング法およびアンバランストマグネトロンスパッタリング法により表１および表２に記載した構成の被膜を形成し、基材と該基材上に形成された被膜とを有する切削工具を製造した。以下、被膜の形成方法を具体的に説明する。
【００４８】
まず、図１に示した装置１は、第１アーク蒸発源３および第２アーク蒸発源５という２つのアーク蒸発源を有するとともに、第１アンバランストマグネトロンスパッタ源４および第２アンバランストマグネトロンスパッタ源６という２つのアンバランストマグネトロンスパッタ源を有している。そして、これらの４つの蒸発源の中心点を中心として回転する回転保持具８に上記基材２をセットした。なお、装置１は、ヒーター７も備えている。
【００４９】
上記第１アーク蒸発源３にはＴｉ金属ターゲットをセットし、第２アーク蒸発源５にはＴｉ（８０原子％）−Ｓｉ（２０原子％）ターゲットをセットした。また、上記第１アンバランストマグネトロンスパッタ源４と第２アンバランストマグネトロンスパッタ源６には、それぞれに同組成のＡｌ−Ｙターゲットをセットした。
【００５０】
この場合、Ａｌ−ＹターゲットのＡｌとＹの組成比は、形成しようとする酸化物層のγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3のＸに応じて、適宜調整した。なお、比較例として、Ｙを含まないものはＡｌのみのターゲットとした。
【００５１】
そして、まず装置１内の真空度を７×１０-4Ｐａ以下とし、アルゴンガスを導入した後、その真空度を３Ｐａに維持しながら基材２を６５０℃まで加熱し１時間保持した。その後、基材に−１０００Ｖの電圧をかけてアルゴンガス中でグロー放電を発生させることにより、アルゴンイオンによる基材表面のクリーニング処理を行なった後、該アルゴンガスを排気した。
【００５２】
続いて、基材温度を６５０℃に保持したまま、ＣＨ4（メタンガス）およびＮ2（窒素ガス）を装置１内に導入し、第２アーク蒸発源５を放電させて基材上に冷陰極アーク式イオンプレーティング法により第１層を形成した。
【００５３】
次いで、アルゴンガスおよびＯ2（酸素ガス）を装置１内に導入し、基材の温度を６５０℃に維持したまま、第１アンバランストマグネトロンスパッタ源４と第２アンバランストマグネトロンスパッタ源６を放電させることにより、上記第１層上に酸化物層である第２層をアンバランストマグネトロンスパッタリング法により形成した。この場合、成膜圧力（０．１〜５Ｐａ）、基材温度（５００〜７５０℃）、スパッタ電力（３００〜３０００Ｗ）、酸素流量（３〜２００ｃｃ／分）は、結晶構造がγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造となり、しかも酸化物層の断面積においてγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の占める面積比率が表１に示した比率となるように上記の範囲において適宜調節した。
【００５４】
続いて、Ｎ2（窒素ガス）を装置１内に導入し、第１アーク蒸発源３を放電させて上記第２層上に冷陰極アーク式イオンプレーティング法により第３層を形成した。なお、上記第１層および第３層は、放電時間（０．１〜１時間）、放電電流（５０〜２００Ａ）を適宜調節することにより、表１および表２に記載した膜厚を形成した。また、各蒸発源の成膜条件は、成膜圧力（０．１〜５Ｐａ）、基材温度（３００〜７５０℃）、電力（３００〜３０００Ｗ）を、表１および表２に記載した各層に応じて適宜調節した。
【００５５】
このようにして、表１に記載した試料１〜１２の被膜を基材上に形成した。なお、表１および表２の試料１３〜３４の被膜については各蒸発源にセットするターゲットと導入ガスを下記のものとする以外、試料１〜１２と同様にして基材上に形成した。なお、第１アンバランストマグネトロンスパッタ源および第２アンバランストマグネトロンスパッタ源には同組成のＡｌ−Ｙターゲットを各々セットし、試料１〜１２の被膜の形成と同様に、そのＡｌ−ＹターゲットのＡｌとＹの組成比は、形成しようとする酸化物層のγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3のＸに応じて、適宜調整した。
【００５６】
（試料１３〜１８）
第１アーク蒸発源：Ｔｉ
第２アーク蒸発源：Ｔｉ（５０原子％）−Ａｌ（５０原子％）
導入ガス：窒素（第１層）、酸素／アルゴン（第２層）、窒素／メタン（第３層）
（試料１９〜２１）
第１アーク蒸発源：Ｔｉ
第２アーク蒸発源：Ｔｉ（３０原子％）−Ａｌ（７０原子％）
導入ガス：窒素／メタン（第１層、第３層）、酸素／アルゴン（第２層）
（試料２２〜２６）
第１アーク蒸発源：Ｔｉ（８５原子％）−Ｓｉ（１５原子％）
第２アーク蒸発源：Ｔｉ（８５原子％）−Ｓｉ（１５原子％）
導入ガス：窒素（第１層）、酸素／アルゴン（第２層）、窒素／メタン（第３層）
（試料２７〜３４）
第１アーク蒸発源：Ｔｉ
第２アーク蒸発源：Ａｌ（７０原子％）−Ｃｒ（３０原子％）
導入ガス：窒素／メタン（第１層、第３層）、酸素／アルゴン（第２層）
なお、表２中の試料３５は、上記基材上に各層を従来公知の熱ＣＶＤ法により形成した。また試料３６は、上記基材上に各層を従来公知の冷陰極アーク式イオンプレーティング法により形成した。
【００５７】
【表１】
2006150530.tif 000003
【００５８】
【表２】
2006150530.tif 000004
【００５９】
なお、表１および表２中、試料１〜３４の「第２層」が酸化物層であり、「Ｘ」と「Ｍ」はそれぞれ上記（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3のＸとＭである。また、「比率」とは、酸化物層の断面積においてγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の占める面積比率を示す。また、「他の成分」とは、酸化物層に含有される、γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3以外の成分であり、「α」とはα−Ａｌ2Ｏ3を示し、「ａｍｏ」とはａｍｏ−Ａｌ2Ｏ3を示す。また、備考欄に「比較例」と記載したものは比較例であり、備考欄に比較例と記載されていないものが本発明の実施例に該当する。すなわち、本発明の実施例は、基材と該基材上に形成された被膜とを有する切削工具であり、該被膜は第１層、第２層および第３層を含み、該第２層は酸化物層であってγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3を所定の比率で含有するものであった。
【００６０】
表１および２において、酸化物層の結晶構造は、Ｘ線回折装置を用いて、Ｘ線入射角を所定の角度に固定した薄膜法によりＸ線回折パターンを得ることにより同定した。また、上記（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3中のＸの数値をはじめ各層の組成は、各層を同条件で作製した単層膜をラザホード後方散乱法（ＲＢＳ法）を用いて測定することにより求めた。
【００６１】
また、酸化物層に含まれるＹは、（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の結晶粒の粒界に偏析することなく酸化物層（（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の結晶粒）全体に亘ってほぼ均一に分散していることを透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた組成分析により確認した。
【００６２】
また、酸化物層の断面積においてγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の占める面積比率は、透過電子顕微鏡を用いて上記の方法により平均値として算出した。
【００６３】
そして、表１および表２に記載した試料１〜３６の各切削工具を用いて、表３に示した切削条件により連続切削試験および断続切削試験を行ない、切れ刃の逃げ面摩耗幅を測定した。その結果を表４および表５に示す。逃げ面摩耗幅は、数値が小さいもの程、耐摩耗性に優れていることを示している。
【００６４】
【表３】
2006150530.tif 000005
【００６５】
【表４】
2006150530.tif 000006
【００６６】
【表５】
2006150530.tif 000007
【００６７】
表４および表５より明らかなように、本発明の実施例にかかる切削工具は、比較例の切削工具に比し、逃げ面摩耗幅の数値がいずれも小さく極めて優れた耐摩耗性を示した。このように本発明の実施例にかかる切削工具は、実質的な基材の劣化を伴うことなく、また被削材の溶着現象も生じず、高温環境下での優れた耐摩耗性と耐溶着性を備えたものであった。なお、試料３４については、断続切削試験において剥離したものの、連続切削試験においては優れた耐摩耗性を示した。
【００６８】
＜実施例２＞
実施例１で用いた基材に代えて、形状をＳＮＧＮ１２０４０８（ＪＩＳ−Ｂ−４１２１−１９８５）とし、その組成をサーメットおよび立方晶型窒化硼素焼結体とする、表７に示した２種の基材を用意した。
【００６９】
そして、それぞれの基材に対して、下記の蒸発源を用いることを除き他は全て実施例１と同様にして被膜を形成し、基材上に表６に記載した試料３７〜４５の被膜を形成した切削工具を製造した。
第１アーク蒸発源：Ｔｉ金属
第２アーク蒸発源：ＴｉＡｌターゲット
第１アンバランストマグネトロンスパッタ源：所定の添加元素を含んだＡｌターゲット
第２アンバランストマグネトロンスパッタ源：第１アンバランストマグネトロンスパッタ源と同じターゲット
導入ガス：窒素（第１層、第２層）、酸素／アルゴン（第３層）、窒素／メタン（第４層）
なお、第１アンバランストマグネトロンスパッタ源と第２アンバランストマグネトロンスパッタ源にセットされるＬａ等の所定の添加元素（表６中の第３層のＭ）を含んだＡｌターゲットにおいて、各添加元素の添加量は形成しようとする酸化物層のγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3のＸに応じて、適宜調整した。
【００７０】
また、試料４６および試料４７の被膜は、各々実施例１の試料３５および試料３６と同じ構成のものであり、これらの被膜を基材上に形成した切削工具も合わせて製造した。
【００７１】
【表６】
2006150530.tif 000008
【００７２】
なお、表６中、試料３７〜４５の「第３層」が酸化物層であり、「Ｘ」と「Ｍ」はそれぞれ上記（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3のＸとＭである。また、「比率」とは、酸化物層の断面積においてγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の占める面積比率を示す。また、「他の成分」とは、酸化物層に含有される、γ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3以外の成分であり、「α」とはα−Ａｌ2Ｏ3を示す。また、備考欄に「比較例」と記載したものは比較例であり、備考欄に比較例と記載されていないものが本発明の実施例に該当する。すなわち、本発明の実施例は、基材と該基材上に形成された被膜とを有する切削工具であり、該被膜は第１層、第２層、第３層および第４層を含み、該第３層は酸化物層であってγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3を所定の比率で含有するものであった。
【００７３】
なお、酸化物層の結晶構造や各層の組成は、実施例１と同様にして測定した。また、酸化物層に含まれる上記Ｍは、（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の結晶粒の粒界に偏析することなく酸化物層（（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の結晶粒）全体に亘ってほぼ均一に分散していることを透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた組成分析により確認した。また、酸化物層の断面積においてγ−Ａｌ2Ｏ3型の結晶構造を有する（Ａｌ1-XＭX）2Ｏ3の占める面積比率は、実施例１と同様にして算出した。
【００７４】
そして、表６に記載した試料３７〜４７の被膜を２種類の基材上に各々形成した各切削工具を用いて、表７に示した切削条件により連続切削試験および溝を有する丸棒切削試験をそれぞれ行ない、１分毎に切れ刃の逃げ面摩耗幅を測定し、逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍを超えた時間を寿命とすることにより、各切削工具の寿命を測定した。その結果を表８に示す。寿命の時間が長いもの程、耐摩耗性および靭性に優れていることを示している。
【００７５】
【表７】
2006150530.tif 000009
【００７６】
【表８】
2006150530.tif 000010
【００７７】
表８より明らかなように、本発明の実施例にかかる切削工具は、比較例の切削工具に比し、いずれも寿命が長く極めて優れた耐摩耗性および靭性を示した。このように本発明の実施例にかかる切削工具は、実質的な基材の劣化を伴うことなく、また被削材の溶着現象も生じず、高温環境下での優れた耐摩耗性と耐溶着性を備えたものであった。
【００７８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】製造装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  装置、２  基材、３  第１アーク蒸発源、４  第１アンバランストマグネトロンスパッタ源、５  第２アーク蒸発源、６  第２アンバランストマグネトロンスパッタ源、７  ヒーター、８  回転保持具。
【図１】
2006150530.tif 000011