(57)【要約】【課題】基材と被膜との密着性に優れ、過酷な切削条件にも耐え得る表面被覆工具を提供すること。【解決手段】表面被覆工具は、基材と、基材上に形成された被膜とを備える。基材は、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有しＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含む。被膜は、基材と接する密着層と、密着層上に形成された上部層とを含む。密着層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。密着層は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、基材を構成する元素から選択される１種以上の元素と、上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素と、を含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を含有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材上に形成された被膜とを備え、
前記基材は、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有し前記ＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含み、
前記被膜は、前記基材と接する密着層と、前記密着層上に形成された上部層とを含み、
前記密着層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、
前記密着層は、
Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、
前記基材を構成する元素から選択される１種以上の元素と、
前記上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素と、を含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を含有する、表面被覆工具。
【請求項２】
前記上部層は、周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＳｉおよびＡｌから選択される１種以上の元素と、Ｃ、ＮおよびＯから選択される１種以上の元素とを含む、請求項１に記載の表面被覆工具。
【請求項３】
前記密着層は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、Ｗと、ＡｌおよびＳｉから選択される１種以上の元素と、を含む炭窒化物を含有する、請求項１または請求項２に記載の表面被覆工具。
【請求項４】
前記基材のうち前記密着層と接する部分における前記ＷＣ粒子の占有率は、８０％以上である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の表面被覆工具。
【請求項５】
前記被膜の厚さ方向において、
前記密着層に含まれるＣの組成比が、前記上部層側から前記基材側に向かって連続的に増加し前記基材との界面で最大となり、
前記密着層に含まれるＮの組成比が、前記基材側から前記上部層側に向かって連続的に増加し前記上部層との界面で最大となる、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の表面被覆工具。
【請求項６】
前記ＷＣ粒子の平均粒径は、２μｍ以下であり、
前記基材におけるＣｏの含有量は、１０質量％以下である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の表面被覆工具。
【請求項７】
ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有し前記ＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含む基材を準備する工程と、
前記基材上に被膜を形成する工程と、を備え、
前記被膜を形成する工程は、
前記基材の表面にＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を付着させる工程と、
前記基材上に密着層を形成する工程と、
前記密着層上に上部層を形成する工程と、を含み、
前記密着層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、
前記密着層を形成する工程は、
前記付着させる工程後の前記表面上に、前記上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素を堆積させることにより、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、前記基材を構成する元素から選択される１種以上の元素と、前記上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素とを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を生成させる工程を含む、表面被覆工具の製造方法。
【請求項８】
前記付着させる工程は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素のイオンを用いたイオンボンバードメント処理によって前記表面を洗浄する工程を含む、請求項７に記載の表面被覆工具の製造方法。
【請求項９】
前記被膜を形成する工程は、前記付着させる工程の前に、Ａｒイオンを用いたイオンボンバードメント処理によって、前記基材の前記表面に表出した前記結合相の少なくとも一部を除去する工程を、さらに含む、請求項７または請求項８に記載の表面被覆工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面被覆工具およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材の表面に被膜を形成して、耐摩耗性をはじめとする諸特性を向上させた切削工具（表面被覆工具）が知られている〔たとえば特開平７−３１０１７４号公報（特許文献１）、国際公開第２００６／０７０７３０号公報（特許文献２）、特開平８−１２７８６２号公報（特許文献３）、特開２００７−３１７７９号公報（特許文献４）を参照〕。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３１０１７４号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０７０７３０号公報
【特許文献３】特開平８−１２７８６２号公報
【特許文献４】特開２００７−３１７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ステンレス鋼、インコネル（登録商標）、チタン合金といった、いわゆる「難削材」が工業製品に多用されている。難削材は機械的、熱的性質に優れる素材であることから、今後もその利用範囲は拡大を続けるものと予想されている。しかしこれらの難削材は、文字通り、削り難い素材でもある。一般に難削材は熱伝導率が低く、加えて切削工具との反応性（親和性）も高い。そのため難削材の切削では、工具温度の上昇によって切削工具の摩耗が促進されると共に、工具刃先に難削材が溶着して溶着欠損が生じる場合もある。
【０００５】
従来、難削材の加工において切削工具の長寿命化を実現すべく様々な提案がなされている。たとえば特許文献１では、広く知られた被膜組成であるＴｉＡｌＮに、Ｓｉを加えた窒化物または炭窒化物からなる被膜が提案されている。しかしこの被膜は単一組成であることから、結晶粒が粗大となる傾向にあり、被膜中に亀裂が発生すると結晶粒界に沿って亀裂が急速に進展し、欠損に至る場合があった。
【０００６】
これに対して特許文献２では、Ｃｒを含むＡｌＣｒＮ層とＴｉＡｌＮ層とを交互に積層した交互層を含む被膜が提案されている。特許文献２によれば、単一組成ではなく異種材料からなる単位層を交互に積層し、かつ各単位層の厚さを０．００５μｍ以上２μｍ以下とすることにより、亀裂の伝播を抑制できるとされている。しかしながら、こうした交互層にも改善の余地が残されている。すなわち、交互層において隣り合う単位層が異種材料から構成されているために、単位層の境界付近には転位が蓄積しやすく、切削中に層間剥離を来す場合もあった。
【０００７】
以上の課題に鑑みて、安定した長寿命を示す表面被覆工具を提供することを第１の目的とする。
【０００８】
また特許文献１および２に開示される技術では基材と被膜との密着性が十分でないことから、たとえばステンレス鋼のように、工具素材との親和性が高い材料を切削した場合、工具刃先に被削材が溶着し被膜が基材から剥離する、いわゆる溶着欠損が起こり、工具寿命が短命となる場合があった。
【０００９】
基材と被膜との密着性に関し、特許文献３では、基材と被膜との間に、被膜と連続した格子を有する中間層を設けることが提案されている。この技術によれば被膜と中間層との間では良好な密着性が保たれる。しかし基材と中間層との密着性は、必ずしも十分とはいえず、この点において改善の余地が残されている。
【００１０】
基材と被膜との密着性を向上させるため、特許文献４では、基材（焼結合金）の表面に平均高さＨが０．０５μｍ＜Ｈ＜０．５０μｍの範囲にある略三角形状をなす凸状結合相を形成することが提案されている。しかし焼結合金において結合相の占める割合はせいぜい１０％程度に留まることから、仮に基材の表面に露出する結合相の全てを被膜と接合させることができたとしても、それによる密着作用には限界がある。さらに基材がＷＣ−Ｃｏ系超硬合金のような複合材料の場合、被膜と基材とが接する界面には多くの異なる材料が混在しており、それら全てを理想的に密着させることは容易ではなかった。
【００１１】
以上の通り、従来技術では基材と被膜との密着性が未だ十分とはいえず、たとえばステンレス鋼、インコネル等といった難削材を被削材とする、過酷な切削条件下では工具寿命が短命となっている。
【００１２】
こうした現状に鑑みて、基材と被膜との密着性に優れ、過酷な切削条件にも耐え得る表面被覆工具を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様に係る表面被覆工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該被膜は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、該Ａ層の厚さおよび該Ｂ層の厚さは、それぞれ２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、該Ａ層の平均組成は、ＴｉaＡｌbＳｉcＮ（ただし、０．５＜ａ＜０．８、０．２＜ｂ＜０．４、０．０１＜ｃ＜０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表され、該Ｂ層の平均組成は、ＴｉdＡｌeＳｉfＮ（ただし、０．４＜ｄ＜０．６、０．３＜ｅ＜０．７、０．０１＜ｆ＜０．１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）で表され、０．０５＜ａ−ｄ≦０．２かつ０．０５＜ｅ−ｂ≦０．２を満たす。
【００１４】
本発明の一態様に係る表面被覆工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該基材は、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有し該ＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含み、該被膜は、該基材と接する密着層と、該密着層上に形成された上部層とを含み、該密着層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、該密着層は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、該基材を構成する元素から選択される１種以上の元素と、該上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素と、を含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を含有する。
【００１５】
本発明の一態様に係る表面被覆工具の製造方法は、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有し該ＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含む基材を準備する工程と、該基材上に被膜を形成する工程と、を備え、該被膜を形成する工程は、該基材の表面にＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を付着させる工程と、該基材上に密着層を形成する工程と、該密着層上に上部層を形成する工程と、を含み、該密着層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、該密着層を形成する工程は、該付着させる工程後の該表面上に、該上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素を堆積させることにより、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、該基材を構成する元素から選択される１種以上の元素と、該上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素とを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を生成させる工程を含む。
【発明の効果】
【００１６】
上記によれば、安定した長寿命を示す表面被覆工具が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る表面被覆工具の構成の一例を示す模式的な部分断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る交互層の一例を示す断面ＴＥＭ像である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る成膜装置の構成の一例を示す模式的な側面透視図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係る成膜装置の構成の一例を示す模式的な平面透視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る表面被覆工具の構成の一例を示す模式的な部分断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る基材と被膜との界面の一例を示す断面ＴＥＭ像である。
【図７】図６における密着層の拡大図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係る成膜装置の構成の一例を示す模式的な側面透視図である。
【図９】本発明の第２の実施例に係る成膜装置の構成の一例を示す模式的な平面透視図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る表面被覆工具の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。下記〔１〕〜〔４〕によれば、主に上記第１の目的が達成される。下記〔５〕〜〔１３〕によれば、主に上記第２の目的が達成される。
【００１９】
〔１〕本発明の一態様に係る表面被覆工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該被膜は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、該Ａ層の厚さおよび該Ｂ層の厚さは、それぞれ２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、該Ａ層の平均組成は、ＴｉaＡｌbＳｉcＮ（ただし、０．５＜ａ＜０．８、０．２＜ｂ＜０．４、０．０１＜ｃ＜０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表され、該Ｂ層の平均組成は、ＴｉdＡｌeＳｉfＮ（ただし、０．４＜ｄ＜０．６、０．３＜ｅ＜０．７、０．０１＜ｆ＜０．１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）で表され、０．０５＜ａ−ｄ≦０．２かつ０．０５＜ｅ−ｂ≦０．２を満たす。
【００２０】
先ず上記の表面被覆工具では、交互層全体の平均組成としてＡｌ（アルミニウム）よりもＴｉ（チタン）が多い組成を採用している。これによりクレータ摩耗の発達を抑制することができる。また交互層は少量のＳｉ（シリコン）を含むため耐酸化性も有している。
【００２１】
さらに上記の表面被覆工具では、従来技術と異なり、あえて組成を近づけた２つの単位層（Ａ層およびＢ層）を交互にそれぞれ１層以上積層した交互層を採用している。上記の如くＡ層とＢ層とでは構成元素が共通し組成比も近いことから、巨視的には交互層全体はあたかも単一組成を有するかのように観察される。しかしＡ層およびＢ層の平均組成は０．０５＜ａ−ｄ≦０．２かつ０．０５＜ｅ−ｂ≦０．２となる関係を満たしている。そのため微視的にはＡ層とＢ層との間に、それぞれを別の層として区別し得る境界（転位に至らないまでの僅かな歪み）が存在している。その結果、巨視的にはあたかも単一組成を有する被膜でありながら、被膜中で亀裂が発生した場合にはＡ層とＢ層との境界において亀裂の伝播を抑制することができる。なおかつＡ層とＢ層との平均組成が近いことから、Ａ層とＢ層との間で結晶格子が連続することができ、Ａ層とＢ層との密着性を確保することができる。
【００２２】
加えてＡ層およびＢ層の厚さは２ｎｍ以上１００ｎｍ以下に規制されている。これにより各Ａ層および各Ｂ層を構成する結晶粒が微細になり、粒界面積が増加して、粒界において塑性変形および亀裂の進展を阻止する作用が高められる。
【００２３】
以上の作用が相俟って上記の表面被覆工具は安定した長寿命を示す。ここでＡ層およびＢ層の「平均組成」は、透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分析（ＴＥＭ−ＥＤＸ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  −  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法によって測定することができる。すなわち被膜の断面をＴＥＭで観察しながら、Ａ層またはＢ層内の任意の５点において、スポット径１ｎｍのＴＥＭ−ＥＤＸ分析を行い、当該５点で得られた各元素の組成比の算術平均値を求めることにより、平均組成を定めることができる。
【００２４】
〔２〕上記〔１〕においてＡ層の厚さをλAとし、Ｂ層の厚さをλBとするとき、１≦λA／λB＜５を満たすことが好ましい。交互層の耐クレータ摩耗性が向上し、亀裂の伝播を阻止できるからである。
【００２５】
〔３〕上記〔１〕または〔２〕において被膜は、基材と接する部分に密着層をさらに含み、該密着層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、該密着層は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、該基材を構成する元素から選択される１種以上の元素と、ＡｌおよびＳｉから選択される１種以上の元素と、を含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を含有することが好ましい。
【００２６】
被膜が、基材を構成する元素と、被膜を構成する元素との両方を含み、さらにＣｒ（クロム）、Ｔｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）およびＮｂ（ニオブ）から選択される１種以上の元素を含む密着層を備えることにより、基材と被膜とが強固に接合され、工具寿命がいっそう長くなるからである。
【００２７】
密着層は、たとえば次のような方法で形成することができる。先ず基材の表面に対してＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素のイオンを用いたイオンボンバードメント処理を行い、基材の表面を洗浄すると共に、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を基材の表面に付着させた後、該表面上にアークイオンプレーティング法等で交互層を構成する元素（Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎ）を蒸着することにより、被膜の最下層（被膜を構成する層のうち最も基材側の層）として、密着層を形成させることができる。こうした方法で密着層を形成することにより、厚さが０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下という極めて薄い層であるにもかかわらず、被膜が基材から剥離することを防止することができる。
【００２８】
〔４〕上記〔３〕において基材は、ＷＣを含有する硬質粒子と、Ｃｏを含有し該硬質粒子同士を互いに結合する結合相とを含み、密着層は、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉを含む窒化物を含有することが好ましい。
【００２９】
基材が上記のようなＷＣ（炭化タングステン）−Ｃｏ（コバルト）系超硬合金を含むことにより、工具の耐摩耗性が向上する。さらにこのとき、密着層がＷ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉを含む窒化物を含有すれば、密着層と基材および交互層の双方との化学的親和性が高まり、基材と交互層とを強固に接合させることができる。
【００３０】
〔５〕本発明の一態様に係る表面被覆工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該基材は、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有し該ＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含み、該被膜は、該基材と接する密着層と、該密着層上に形成された上部層とを含み、該密着層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、該密着層は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、該基材を構成する元素から選択される１種以上の元素と、該上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素と、を含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を含有する。
【００３１】
上記の表面被覆工具は、基材と被膜との密着性に優れ、過酷な切削条件下でも安定した長寿命を示すことができる。上記構成において上部層は、主に摩耗に対する耐性を高めるために形成される層である。密着層は、基材と上部層との界面に形成され、基材を構成する元素および上部層を構成する元素の双方を含むものである。したがって密着層は、基材および上部層の双方に対して化学的親和性を示すことができる。ここで密着層は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素をさらに含む。これにより厚さが０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下という極めて薄い密着層でありながら、基材と上部層とを強固に接合することができる。こうした作用が発現する機序の詳細は不明であるが、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂが、基材に含まれるＷＣ粒子と強い結合を作りやすいことが影響しているものと考えられる。
【００３２】
〔６〕上記〔５〕において上部層は、周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＳｉおよびＡｌから選択される１種以上の元素と、Ｃ、ＮおよびＯから選択される１種以上の元素とを含むことが好ましい。上部層がこれらの元素を含むことにより、被膜の耐摩耗性が向上するからである。
【００３３】
〔７〕上記〔５〕または〔６〕において密着層は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、Ｗと、ＡｌおよびＳｉから選択される１種以上の元素と、を含む炭窒化物を含有することが好ましい。
【００３４】
密着層がこれらの元素を含む炭窒化物であることにより、基材と被膜との密着性がいっそう向上するからである。
【００３５】
〔８〕上記〔５〕〜〔７〕において、基材のうち密着層と接する部分におけるＷＣ粒子の占有率は、８０％以上であることが好ましい。
【００３６】
軟質な結合相よりも、硬質なＷＣ粒子上に密着層を形成することにより、基材と被膜との密着強度が高まるからである。
【００３７】
〔９〕上記〔５〕〜〔８〕では、被膜の厚さ方向において、密着層に含まれるＣの組成比が、上部層側から基材側に向かって連続的に増加し基材との界面で最大となり、密着層に含まれるＮの組成比が、基材側から上部層側に向かって連続的に増加し上部層との界面で最大となることが好ましい。
【００３８】
これにより密着層と、基材ならびに上部層との化学的親和性が更に高まり、密着性がいっそう向上するからである。
【００３９】
〔１０〕上記〔５〕〜〔９〕においてＷＣ粒子の平均粒径は、２μｍ以下であり、基材におけるＣｏの含有量は、１０質量％以下であることが好ましい。
【００４０】
こうした基材の表面に、たとえば後述するイオンボンバードメント処理を施すと、軟質な結合相が除去されてＷＣ粒子の粒界が表出する。この上に被膜を形成すると、ＷＣ粒子の粒界に起因する微細な凹凸において、いわゆるアンカー効果が得られ、基材と被膜との密着性が向上する。
【００４１】
〔１１〕本発明の一態様は表面被覆工具の製造方法にも係り、当該製造方法は、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有し該ＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含む基材を準備する工程と、該基材上に被膜を形成する工程と、を備え、該被膜を形成する工程は、該基材の表面にＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を付着させる工程と、該基材上に密着層を形成する工程と、該密着層上に上部層を形成する工程と、を含み、該密着層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、該密着層を形成する工程は、該付着させる工程後の該表面上に、該上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素を堆積させることにより、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、該基材を構成する元素から選択される１種以上の元素と、該上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素とを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を生成させる工程を含む。
【００４２】
これらの工程を経ることにより、基材と被膜との密着性に優れ、過酷な切削条件下でも安定した長寿命を示す表面被覆工具を製造することができる。
【００４３】
〔１２〕上記〔１１〕において付着させる工程は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素のイオンを用いたイオンボンバードメント処理によって、基材の表面を洗浄する工程を含むことが好ましい。
【００４４】
これにより基材の表面を洗浄しながら、簡便にＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を基材の表面に付着させることができる。
【００４５】
〔１３〕上記〔１１〕または〔１２〕において被膜を形成する工程は、付着させる工程の前に、Ａｒイオンを用いたイオンボンバードメント処理によって、基材の表面に表出した結合相の少なくとも一部を除去する工程を、さらに含むことが好ましい。
【００４６】
予めＡｒ（アルゴン）イオンを用いたイオンボンバードメント処理を実行することにより、表面から結合相が除去される。その後にＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素のイオンを用いたイオンボンバードメント処理を実行することにより、これらの元素とＷＣ粒子とを強固に結合させることができる。これにより基材と被膜との密着性を向上させることができる。
【００４７】
[本発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の実施形態（以下「本実施形態」とも記す）について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。以下では図面を参照しながら説明するが、本明細書および図面では、同一または対応する要素に同一の符号を付すものとし、それらについて同じ説明は繰り返さない。
【００４８】
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態によれば、主に上記第１の目的が達成される。
【００４９】
＜表面被覆工具＞
図１は本実施形態の表面被覆工具の構成の一例を示す模式的な部分断面図である。図１を参照して表面被覆工具１００は、基材１０１と、基材１０１上に形成された被膜１１０とを備えている。被膜１１０は、Ａ層１１２ａとＢ層１１２ｂとが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層１１２を含んでいる。さらに被膜１１０は、交互層１１２と基材１０１との間に密着層１１１を含んでいる。
【００５０】
表面被覆工具１００は典型的には切削工具である。表面被覆工具１００は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用もしく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の切削工具であり得る。ただし表面被覆工具１００は切削工具に制限されず、たとえば金型、軸受、耐摩工具等の耐摩耗性が要求される工具あるいは部品等に広く適用可能である。以下、表面被覆工具１００を構成する各要素について説明する。
【００５１】
＜基材＞
基材１０１は、たとえば超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等から構成される。これらのうち超硬合金は、耐摩耗性ならびに被膜との密着性の観点から特に好ましい。すなわち基材１０１は、ＷＣを含有する硬質粒子と、Ｃｏを含有し該硬質粒子同士を互いに結合する結合相とを含むことが好ましい。こうしたＷＣ−Ｃｏ系超硬合金基材はＷＣとＣｏとを含む限り、これらの他に任意の成分を含むことができる。たとえばＷＣとＣｏの他にＴｉ、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ等の炭窒化物等が添加されていてもよいし、製造時に不可避的に混入する不純物を含んでいてもよい。さらに組織中に遊離炭素もしくは「η層」と呼ばれる異常層が含まれていても構わない。基材１０１は、その表面が改質されたものであってもよい。たとえば基材１０１の表面に脱β層等が形成されていてもよい。
【００５２】
ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金における硬質粒子（ＷＣ粒子）の粒径は０．２μｍ以上２μｍ以下が好ましく、Ｃｏの含有量は４．０質量％以上１３．０質量％以下が好ましい。結合相（Ｃｏ）はＷＣ粒子に比べて軟質であるため、基材１０１の表面に後述するイオンボンバードメント処理を施すと、結合相が除去されてＷＣ粒子が表面に露出する。このとき超硬合金組織における硬質粒子の粒径およびＣｏの含有量が上記範囲を占めることにより、基材１０１の表面にＷＣ粒子の粒界に起因する微細な凹凸が形成される。こうした表面に被膜１１０を形成することにより、いわゆるアンカー効果によって被膜１１０と基材１０１との密着性を向上させることができる。ここで硬質粒子の粒径は、後述する被膜の厚さの測定方法と同様に、表面被覆工具を切断し、その切断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）またはＴＥＭによって観察して求めるものとする。このとき観察視野中において、硬質粒子に外接する円の直径（外接円相当径）を硬質粒子の直径とみなすものとする。ここで硬質粒子の粒径は１．５μｍ以下がより好ましい。またＣｏの含有量は１１．０質量％以下がより好ましく、１０．０質量％以下が特に好ましい。
【００５３】
＜被膜＞
被膜１１０は、Ａ層１１２ａとＢ層１１２ｂとが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層１１２を含む。さらに被膜１１０は交互層１１２と基材１０１との間に密着層１１１を含んでいる。ここで被膜１１０は少なくとも切れ刃部分に設けられていればよく、必ずしも基材１０１の全面を一様に被覆するものでなくてもよい。すなわち、基材１０１において部分的に被膜が形成されていない態様、あるいは部分的に被膜の積層構造が異なっている態様も本実施形態に包含される。被膜１１０は交互層１１２および密着層１１１の他に、さらに別の層を含むこともあり得る。たとえば被膜１１０は、最表面にＴｉＮ等から構成される色付け層を含むこともある。
【００５４】
被膜１１０全体の厚さは０．５μｍ以上１５μｍ以下が好ましい。厚さが０．５μｍよりも薄いと被膜が薄すぎて工具寿命が短くなる場合があり、厚さが１５μｍを超えると切削初期にチッピングが起こり易くなって、工具寿命が短くなる場合もあるからである。被膜１１０全体の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下がより好ましく、１．０μｍ以上５．０μｍ以下が特に好ましい。また被膜１１０を構成する結晶粒は立方晶であることが望ましい。被膜全体もしくは一部分に非晶質が含まれると、被膜の硬度が低下して工具寿命が短くなる場合もあるからである。
【００５５】
ここで本明細書において、被膜の厚さ、および被膜を構成する各層の厚さは、表面被覆工具を切断し、その切断面をＳＥＭまたはＴＥＭを用いて観察することにより測定するものとする。観察に際して、該切断面には集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）あるいはクロスセクションポリッシャ装置（ＣＰ：Ｃｒｏｓｓ  ｓｅｃｔｉｏｎ  Ｐｏｌｉｓｈｅｒ）等による表面加工が施されていることが望ましい。さらにＴＥＭに付帯するエネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いて、同切断面においてＴＥＭ−ＥＤＸ分析を行うことにより、各層の平均組成を求めることもできる。
【００５６】
＜交互層＞
交互層１１２は、Ａ層１１２ａとＢ層１１２ｂとが交互にそれぞれ１層以上積層されてなる。Ａ層１１２ａおよびＢ層１１２ｂは、ともにＴｉ、ＡｌおよびＳｉの窒化物であるが、少なくともＴｉおよびＡｌの組成比が異なっており、これによりＡ層とＢ層との境界に僅かな歪みが生じて亀裂の伝播を阻止する作用が発現する。さらにＡ層１１２ａとＢ層１１２ｂとでは、構成元素が共通することから層間の密着性も高い。
【００５７】
交互層１１２において、Ａ層１１２ａとＢ層１１２ｂとが交互にそれぞれ１層以上積層されている限り、その積層数（Ａ層およびＢ層の総数）は特に制限されない。積層数は、たとえば１０〜１００００程度であり、好ましくは１０〜５０００程度、より好ましくは２０〜５００程度である。また交互層１１２が、こうした積層構造を有する限り、交互層１１２の最表層はＡ層１１２ａおよびＢ層１１２ｂのいずれであってもよく、同様に交互層１１２の最下層（交互層を構成する層のうち最も基材側の層）はＡ層１１２ａおよびＢ層１１２ｂのいずれであってもよい。
【００５８】
図２は本実施形態の交互層１１２の断面ＴＥＭ像（倍率：１２０００００倍）である。図２は暗視野像であり、原子量が大きい元素（図２ではＴｉ）の組成比が高い部分ほど白く映し出されている。図２中の矢印は交互層１１２の積層方向（厚さ方向）を示している。図２では、Ｔｉの組成比が高い部分（Ａ層）と、Ａ層に比べてＴｉの組成比が低い部分（Ｂ層）とが交互に積層されている様子が確認できる。
【００５９】
＜Ａ層＞
Ａ層１１２ａの平均組成は、ＴｉaＡｌbＳｉcＮ（ただし、０．５＜ａ＜０．８、０．２＜ｂ＜０．４、０．０１＜ｃ＜０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表される。このようにＴｉがＡｌに比べて多い組成を採用する点において、本実施形態は従来技術と思想を異にしている。なぜなら従来、ＴｉＡｌＮ系の被膜ではＡｌの組成比が高い方が、硬度が高まり工具寿命を長くできるとされてきたからである。しかし本発明者が、難削材（ステンレス鋼、インコネル等）の切削加工における刃先の損傷形態を詳細に解析したところ、Ｔｉの組成比を高めることによりクレータ摩耗に対する耐性が向上し、工具寿命はむしろ長くなることが見出された。ここで本発明者の研究によれば、Ｔｉの組成比は０．５５≦ａ≦０．６５を満たし、Ａｌの組成比は０．２５≦ｂ＜０．４０を満たすことがより好ましい。工具寿命がいっそう長くなるからである。
【００６０】
加えて本実施形態では少量のＳｉを含む組成を採用する。これにより被膜に耐酸化性を付与することができる。Ｓｉの組成比を０．１未満に制限したのは、０．１以上になると結晶格子の歪みが大きくなり、その結果、残留応力が大きくなってＡ層１１２ａとＢ層１１２ｂとの密着性が低下するからである。さらにＳｉの組成比が０．１以上になると被膜１１０内に非晶質のＳｉＮxが生成し、硬度が低下する場合もあるからである。
【００６１】
＜Ｂ層＞
Ｂ層１１２ｂの平均組成は、ＴｉdＡｌeＳｉfＮ（ただし、０．４＜ｄ＜０．６、０．３＜ｅ＜０．７、０．０１＜ｆ＜０．１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）で表される。Ａ層１１２ａとＢ層１１２ｂとが同一元素から構成されることにより、これらの化学的親和性が高まり、両者の密着性が確保される。さらに本実施形態では、上記のＡ層１１２ａの組成との間で、０．０５＜ａ−ｄ≦０．２かつ０．０５＜ｅ−ｂ≦０．２となる関係が満たされている。こうした差異を設けることにより、Ａ層１１２ａとＢ層１１２ｂとの境界において、転位（欠陥）に至らないまでの歪みが生じて、亀裂の伝播を阻止することができる。「ａ−ｄ」および「ｅ−ｂ」が０．０５以下になると、Ａ層１１２ａとＢ層１１２ｂの組成が近づき過ぎて、従来の単一組成を有する被膜の如く、亀裂の伝播が抑えられなくなる。他方「ａ−ｄ」および「ｅ−ｂ」が０．２を超えると、組成が離れすぎてＡ層１１２ａとＢ層１１２ｂとの密着性が低下することとなる。本発明者の研究によれば、「ａ−ｄ」および「ｅ−ｂ」は、０．０５＜ａ−ｄ≦０．１かつ０．０５＜ｅ−ｂ≦０．１となる関係を満たすことがより好ましい。亀裂伝播の抑制作用ならびに層間の密着性がよりいっそう向上するからである。
【００６２】
Ａ層１１２ａおよびＢ層１１２ｂの平均組成は、前述のＴＥＭ−ＥＤＸ分析によって測定することができる。ここで複数のＡ層１１２ａの各平均組成は、上記関係（元素組成比）を満たす限り、それぞれ異なっていてもよく、全てが同一の組成を有するとは限らない。それぞれ異なっていたとしても同様の作用が得られるからである。これはＢ層１１２ｂについても同様である。
【００６３】
さらにＡ層１１２ａおよびＢ層１１２ｂの平均組成が上記関係を満たす限り、各Ａ層１１２ａ内および各Ｂ層１１２ｂ内において、各元素の組成比が、被膜の厚さ方向に連続的あるいは段階的に変化することもあり得る。特にＡ層１１２ａ中のＴｉの組成比「ａ」と、Ｂ層１１２ｂ中のＴｉの組成比「ｄ」は、被膜の厚さ方向に連続的あるいは段階的に変化することがあり得る。「ａ」および「ｄ」を連続的に変化させることにより、Ａ層１１２ａとＢ層１１２ｂとの密着性を高めることができる。また「ａ」および「ｄ」を段階的に変化させることにより、交互層１１２において亀裂の進展を阻止する作用を高めることができる。よっていずれの場合においても工具寿命を長くすることができる。
【００６４】
＜Ａ層およびＢ層の厚さ＞
Ａ層１１２ａおよびＢ層１１２ｂの厚さは、それぞれ２ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。厚さが２ｎｍよりも薄いと、隣り合うＡ層とＢ層とが混ざり合って、Ａ層とＢ層との間で亀裂の伝播を阻止する作用が弱まり、厚さが１００ｎｍよりも厚いとＡ層とＢ層との密着性が低下するからである。各層の厚さが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であれば、被膜１１０の表面で発生した亀裂の伝播を抑制し、かつ各層間の密着性を高めることができる。各層の厚さは、より好ましくは２ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは２ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、特に好ましくは２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、最も好ましくは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。各層の厚さを上記範囲に規制することにより、結晶粒が微細になって粒界面積が増加し、粒界において塑性変形および亀裂の進展を阻止する作用が高められるからである。
【００６５】
交互層１１２において各Ａ層１１２ａの厚さは、それぞれ異なっていてもよいし、実質的にすべて同じであってもよい。同様に、交互層１１２において各Ｂ層１１２ｂの厚さは、それぞれ異なっていてもよいし、実質的にすべて同じであってもよい。
【００６６】
ここでＡ層１１２ａの厚さを「λA」とし、Ｂ層１１２ｂの厚さを「λB」とするとき、Ａ層１１２ａとＢ層１１２ｂとの厚さの比である「λA／λB」は、１≦λA／λB＜５を満たすことが好ましい。これにより交互層１１２の耐クレータ摩耗性が向上し、亀裂の伝播を効率的に抑制できるからである。「λA／λB」は、より好ましくは１≦λA／λB≦２を満たす。これらの作用をいっそう高められるからである。
【００６７】
交互層１１２全体としてのＴｉの組成比は０．５以上０．７以下が好ましく、０．５５以上０．６５以下がより好ましい。交互層１１２全体においてＴｉの組成比が０．５を超えることにより、耐クレータ摩耗性が向上するからである。ここで交互層１１２全体としてのＴｉの組成比は次式：
（交互層全体としてのＴｉの組成比）＝（ａ×λA＋ｄ×λB）／（λA＋λB）
によって算出するものとする。
【００６８】
同様の観点から、交互層１１２全体としてのＡｌの組成比は０．２５以上０．５未満が好ましく、０．３０以上０．４０以下がより好ましい。ここで交互層１１２全体としてのＡｌの組成比は次式：
（交互層全体としてのＡｌの組成比）＝（ｂ×λA＋ｅ×λB）／（λA＋λB）
によって算出するものとする。
【００６９】
＜密着層＞
被膜１１０は、基材１０１と接する部分に密着層１１１をさらに含むことができる。被膜１１０が密着層１１１を含むことにより、被膜１１０の剥離が防止され、工具寿命がいっそう安定化する。密着層１１１は、交互層１１２および基材１０１の双方と化学的親和性を有することが望ましい。したがって密着層１１１は、基材１０１を構成する元素（超硬合金の場合はＷ、Ｃ等）と、交互層１１２を構成する元素（Ａｌ、Ｓｉ、Ｎ）とを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物であることが望ましい。さらに本発明者が行った実験から、こうした炭化物、窒化物もしくは炭窒化物がＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を含むことにより、密着性が顕著に向上することが見出されている。
【００７０】
ここで密着層１１１がこれらの元素を含むことも、前述のＡ層１１２ａおよびＢ層１１２ｂの平均組成と同じ要領でＴＥＭ−ＥＤＸ分析によって確認することができる。本発明者の分析結果によれば、こうした組成を有する密着層１１１を形成した場合、交互層１１２と密着層１１１との界面、および密着層１１１と基材１０１との界面のそれぞれにおいて結晶格子が連続しており、それにより密着性が向上していることが示唆されている。これについては後述の第２の実施形態において詳しく説明する。
【００７１】
密着層１１１を構成する炭化物、窒化物もしくは炭窒化物の具体例としては、たとえば、次の〔ａ〕〜〔ｊ〕を挙げることができる。密着層１１１はこれらの化合物のうち１種以上を含むことができる。
〔ａ〕Ｔｉ、Ｗを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物（たとえばＷＴｉＣ、ＷＴｉＮ、ＷＴｉＣＮ等）
〔ｂ〕Ｃｒ、Ｗを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物（たとえばＷＣｒＣ、ＷＣｒＮ、ＷＣｒＣＮ等）
〔ｃ〕Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物（たとえばＷＣｒＴｉＣ、ＷＣｒＴｉＮ、ＷＣｒＴｉＣＮ等）
〔ｄ〕Ｔｉ、Ａｌ、Ｗを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物（たとえばＷＴｉＡｌＣ、ＷＴｉＡｌＮ、ＷＴｉＡｌＣＮ等）
〔ｅ〕Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物（たとえばＷＴｉＳｉＣ、ＷＴｉＳｉＮ、ＷＴｉＳｉＣＮ等）
〔ｆ〕Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｗを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物（たとえばＷＣｒＴｉＡｌＣ、ＷＣｒＴｉＡｌＮ、ＷＣｒＴｉＡｌＣＮ等）
〔ｇ〕Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物（たとえばＷＣｒＴｉＳｉＣ、ＷＣｒＴｉＳｉＮ、ＷＣｒＴｉＳｉＣＮ等）
〔ｈ〕Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｗを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物（たとえばＷＴｉＡｌＳｉＣ、ＷＴｉＡｌＳｉＮ、ＷＴｉＡｌＳｉＣＮ等）
〔ｉ〕Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｗを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物（たとえばＷＣｒＴｉＡｌＳｉＣ、ＷＣｒＴｉＡｌＳｉＮ、ＷＣｒＴｉＡｌＳｉＣＮ等）
〔ｊ〕上記の〔ａ〕〜〔ｉ〕においてＣｒの全部または一部をＴｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と置き換えたもの。
【００７２】
ここで本明細書において上記のように化合物を化学式で表わすとき、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のものに限定されない。たとえば「ＷＴｉＣＮ」と記す場合、「Ｗ」と「Ｔｉ」と「Ｃ」と「Ｎ」の原子比は２５：２５：２５：２５に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。
【００７３】
密着層１１１の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。厚さが０．５ｎｍ未満であると所望の密着作用が得られない場合があり、厚さが２０ｎｍを超えると密着層１１１内の残留応力が大きくなって、かえって剥離しやすくなる場合もあるからである。密着層１１１の厚さは、より好ましくは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、特に好ましくは２ｎｍ以上６ｎｍ以下である。
【００７４】
＜密着層の非金属組成＞
基材１０１が超硬合金であり、密着層１１１が炭窒化物である場合、密着層１１１の厚さ方向において、密着層１１１に含まれる炭素（Ｃ）の組成比が、交互層１１２側から基材１０１側に向かって連続的に増加し基材１０１との界面で最大となり、かつ密着層１１１に含まれる窒素（Ｎ）の組成比が、基材１０１側から交互層１１２側に向かって連続的に増加し交互層１１２との界面で最大となることが望ましい。本実施形態では、超硬合金は炭化物（ＷＣ）を含み、交互層１１２は窒化物（ＴｉＡｌＳｉＮ）を含むことから、密着層１１１内でＣおよびＮの組成比率が上記のように変化することにより、基材１０１および交互層１１２の双方との化学的親和性がよりいっそう向上する。こうした組成比の変化は、たとえば後述するカソードアークイオンプレーティング法において、Ｎの原料ガスとＣの原料ガスとの流量比を連続的に変化させながら成膜を行うことにより実現できる。
【００７５】
＜密着層と基材との界面における硬質粒子の占有率＞
密着層１１１と基材１０１とが接する部分において硬質粒子（ＷＣ粒子）の占有率は８０％以上であることが好ましい。密着層１１１と基材１０１との界面に軟質な結合相（Ｃｏ等）が存在しないほど、密着層１１１と基材１０１との密着力が高まるからである。ここで当該占有率は、本来、界面における面積占有率であるが、本明細書では次のように表面被覆工具の断面において定義される。すなわち表面被覆工具１００をその表面に対する法線を含む平面で切断し、得られた切断面中の密着層１１１と基材１０１との界面において長さが３μｍの基準線を設定し、該基準線上において密着層１１１と硬質粒子とが接触している部分の合計長さを測定し、該合計長さを基準線の長さ（３μｍ）で除した値の百分率をＷＣ粒子の占有率と定義するものとする。かかる占有率は大きいほど好ましく理想的には１００％であるが、生産性を考慮すると、その上限値はたとえば９９％程度である。
【００７６】
＜表面被覆工具の製造方法＞
以上に説明した本実施形態の表面被覆工具は、次のような方法によって製造することができる。当該製造方法は、少なくとも基材を準備する工程と、被膜を形成する工程とを備える。
【００７７】
＜基材を準備する工程＞
この工程では基材１０１が準備される。たとえば、基材１０１として超硬合金基材が準備される。超硬合金基材は、一般的な粉末冶金法によって準備され得る。たとえばボールミル等によってＷＣ粉末とＣｏ粉末等とを混合して混合粉末を得、該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得、さらに該成形体を焼結することにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金（焼結体）が得られる。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理等の所定の刃先加工を施すことにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金からなる基材１０１を準備することができる。
【００７８】
＜被膜を形成する工程＞
被膜１１０を難削材の切削における高温にも耐え得る膜とするためには、被膜１１０を結晶性の高い化合物から構成することが望ましい。本発明者がそのような被膜を開発すべく、各種成膜技術を検討したところ、物理蒸着法が好ましいことが見出された。物理蒸着法とは、物理的な作用を利用して原料（蒸発源、ターゲットともいう）を気化させ、気化した原料を基材上に付着せしめる蒸着方法である。そうした物理蒸着法としては、たとえばカソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法等がある。
【００７９】
ここで「カソードアークイオンプレーティング法」とは、たとえば成膜装置内に基材とターゲットとを配置し、ターゲットに高電流を印可してアーク放電を生じさせることにより、ターゲットを構成する元素をイオン化させて、これを負のバイアス電圧を印可した基材上に堆積させる蒸着方法である。
【００８０】
また「バランスドマグネトロンスパッタリング法」とは、平衡な磁場を形成する磁石を有するマグネトロン電極上にターゲットを配置し、基材とマグネトロン電極との間に高周波電力を印可してガスプラズマを発生させ、このガスプラズマの作用により生じたガスのイオンをターゲットに衝突させ、さらにターゲットから放出された原子をイオン化させ、基材上に堆積させる蒸着方法である。「アンバランスドマグネトロンスパッタリング法」とは、このマグネトロン電極により発生する磁場を非平衡にして蒸着を行う方法である。
【００８１】
＜基材の表面を洗浄する工程＞
これらの物理蒸着法のうちカソードアークイオンプレーティング法が、原料のイオン化率が高く特に好適である。さらに成膜方法としてカソードアークイオンプレーティング法を採用することにより、被膜１１０を形成する前に、基材１０１の表面に対してイオンボンバードメント処理を施すことができる。これにより基材１０１の表面から軟質な結合相を除去することができ、この後に密着層１１１を形成することにより、前述した密着層１１１と基材１０１とが接する部分における硬質粒子の占有率を高めることができる。
【００８２】
＜密着層を形成する工程＞
さらにイオンボンバードメント処理において、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を含むターゲットを使用することにより、基材１０１の表面を洗浄しながら、これらの元素を基材１０１の表面に付着させることができる。これらの元素が付着した表面上に交互層１１２を形成することにより、密着力に優れる密着層１１１を形成することができる。ここでイオンボンバードメント処理に使用され、かつ密着層１１１に含まれる元素には、少なくともＣｒが含まれることが望ましい。Ｃｒは昇華性の元素であるため、イオンボンバードメント処理の際に溶融粒子（ドロップレット）の発生が少なく、基材１０１の表面荒れを防止できるからである。
【００８３】
＜交互層を形成する工程＞
Ａ層１１２ａとＢ層１１２ｂとが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層１１２を形成する方法としては、各種の方法が考えられる。たとえば、Ｔｉ、ＡｌおよびＳｉの粒径をそれぞれ変化させた焼結合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とするかあるいはガス流量を変化させる方法、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転周期を調整する方法等が考えられる。もちろんこれらの操作を組み合わせて交互層を形成することもできる。
【００８４】
交互層１１２を形成した後、被膜１１０に圧縮残留応力を付与してもよい。被膜１１０の靭性が向上するからである。圧縮残留応力は、たとえばブラスト法、ブラシ法、バレル法およびイオン注入法等によって付与することができる。
【００８５】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態によれば、主に上記第２の目的が達成される。
【００８６】
＜表面被覆工具＞
図５は第２の実施形態の表面被覆工具の構成の一例を示す模式的な部分断面図である。図５を参照して表面被覆工具２００は、基材２０１と、基材２０１上に形成された被膜２１０とを備えている。被膜２１０は、基材２０１と接する密着層２１１と、密着層２１１上に形成された上部層２１２とを含んでいる。
【００８７】
表面被覆工具２００は典型的には切削工具である。表面被覆工具２００は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用もしく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の切削工具であり得る。ただし表面被覆工具２００は切削工具に制限されず、たとえば金型、軸受、耐摩工具等の耐摩耗性が要求される工具あるいは部品等に広く適用可能である。以下、表面被覆工具２００を構成する各要素について説明する。
【００８８】
＜基材＞
基材２０１はＷＣ−Ｃｏ系超硬合金であり、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有しＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含む。基材２０１は、これらを含む限り、これらの他に任意の成分を含むことができる。たとえばＷＣ粒子とＣｏの他にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等が添加されていてもよいし、製造時に不可避的に混入する不純物を含んでいてもよい。さらに組織中に遊離炭素もしくは「η層」と呼ばれる異常層が含まれていても構わない。基材２０１は、その表面が改質されたものであってもよい。たとえば基材２０１の表面に脱β層が形成されていてもよい。
【００８９】
基材２０１においてＷＣ粒子の粒径は０．２μｍ以上２．０μｍ以下が好ましく、Ｃｏの含有量は４．０質量％以上１３．０質量％以下が好ましい。結合相（Ｃｏ）はＷＣ粒子に比べて軟質であるため、基材２０１の表面にイオンボンバードメント処理を施すと、結合相が除去されてＷＣ粒子が表面に露出する。このとき超硬合金組織におけるＷＣ粒子の粒径およびＣｏの含有量が上記範囲を占めることにより、基材２０１の表面にＷＣ粒子の粒界に起因する微細な凹凸が形成される。こうした表面に被膜２１０を形成することにより、いわゆるアンカー効果によって被膜２１０と基材２０１との密着性を向上させることができる。ここでＷＣ粒子の粒径は１．５μｍ以下がより好ましい。またＣｏの含有量は１１．０質量％以下がより好ましく、１０．０質量％以下が特に好ましい。
【００９０】
＜被膜＞
被膜２１０は、基材２０１と接する密着層２１１と、密着層２１１上に形成された上部層２１２とを含む。被膜２１０は少なくとも切れ刃部分に設けられていればよく、必ずしも基材２０１の全面を一様に被覆するものでなくてもよい。すなわち、基材２０１において部分的に被膜が形成されていない態様、あるいは部分的に被膜の積層構造が異なっている態様も本実施形態に包含される。被膜２１０は密着層２１１および上部層２１２の他に、さらに別の層を含むこともあり得る。たとえば被膜２１０は、最表面にＴｉＮ等から構成される色付け層を含むこともある。
【００９１】
被膜２１０全体の厚さは０．５μｍ以上１５μｍ以下が好ましい。厚さが０．５μｍよりも薄いと被膜が薄すぎて工具寿命が短くなる場合があり、厚さが１５μｍを超えると切削初期にチッピングが起こり易くなって、工具寿命が短くなる場合もあるからである。被膜２１０全体の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下がより好ましく、１．０μｍ以上５．０μｍ以下が特に好ましい。また被膜２１０を構成する結晶粒は立方晶であることが望ましい。被膜全体もしくは一部分に非晶質が含まれると、被膜の硬度が低下して工具寿命が短くなる場合もあるからである。
【００９２】
＜上部層＞
上部層２１２は、単一層であってもよいし複数の層が積層されたものであってもよい。また上部層２１２は、その全部または一部に、層を構成する化合物の組成が厚さ方向において周期的に変化する変調構造、もしくは組成の異なる２種以上の単位層がそれぞれ０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さで周期的に繰り返し積層された超多層構造等を含んでいてもよい。上部層２１２は、第１の実施形態において説明した交互層であってもよい。
【００９３】
被膜に含まれる各層の組成は、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析またはＴＥＭ−ＥＤＸ分析により求めることができる。
【００９４】
上部層２１２は、周期表の第４族元素〔Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ（ハフニウム）等〕、第５族元素〔Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ、Ｔａ等〕および第６族元素〔Ｃｒ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ等〕ならびにＳｉおよびＡｌから選択される１種以上の元素と、Ｃ、ＮおよびＯ（酸素）から選択される１種以上の元素とを含むことが好ましい。これにより被膜２１０の耐摩耗性が向上するからである。
【００９５】
上部層２１２を構成する化合物の具体例としては、たとえばＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＯ2、ＴｉＮＯ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＣｒＶＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＮ、ＺｒＯ2、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＨｆＣＮ、ＮｂＣ、ＮｂＣＮ、ＮｂＮ、Ｍｏ2Ｃ、ＷＣ、Ｗ2Ｃ等を挙げることができる。これらの化合物には、さらに他の元素が微量にドープされていることもあり得る。
【００９６】
前述のように本明細書では、たとえば「ＴｉＣＮ」と記す場合、「Ｔｉ」と「Ｃ」と「Ｎ」の原子比は５０：２５：２５に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。
【００９７】
＜密着層＞
密着層２１１は基材２０１と接する部分に形成されている。表面被覆工具２００が密着層２１１を備えることにより、被膜２１０の剥離が抑制され、従来に比し工具寿命が延長される。密着層２１１の厚さは０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。厚さが０．５ｎｍ未満であると所望の密着作用が得られない場合があり、厚さが２０ｎｍを超えると密着層２１１内の残留応力が大きくなって、かえって剥離しやすくなる場合もあるからである。密着層２１１の厚さは、より好ましくは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、特に好ましくは２ｎｍ以上６ｎｍ以下である。
【００９８】
密着層２１１は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、基材２０１を構成する元素（Ｗ、Ｃ等）から選択される１種以上の元素と、上部層２１２を構成する元素（Ａｌ、Ｓｉ、Ｎ等）から選択される１種以上の元素と、を含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を含有している。密着層２１１は、基材２０１および上部層２１２の構成元素を含むため、基材２０１および上部層２１２の双方に対して高い化学的親和性を示すことができる。さらにＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素がＷＣ粒子に含まれる炭素と強い結合を作り、剥離に対する耐性が向上する。
【００９９】
本発明者の研究によれば、当該組成を有する密着層を形成した場合、基材２０１と密着層２１１、密着層２１１と上部層２１２のそれぞれの界面で結晶格子が連続し、これにより密着性が向上していることが示唆されている。図６は本実施形態の表面被覆工具２００の切断面において、基材２０１と被膜２１０と界面を撮影したＴＥＭ像（倍率：１００００００倍）である。図６から、基材２０１（ＷＣ粒子）と上部層２１２との界面に、厚さが０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の密着層２１１が形成されていることが分かる。図７は図６において密着層２１１に係る部分を拡大し、コントラストを調整した部分拡大図である。図７から、基材２０１と密着層２１１との界面において結晶格子が連続し、さらに密着層２１１と上部層２１２との界面においても結晶格子が連続している様子が確認できる。このように本実施形態では、それぞれの界面で結晶格子が連続することにより、密着性が向上していると考えられる。
【０１００】
密着層２１１を構成する炭化物、窒化物もしくは炭窒化物の具体例としては、たとえば、第１の実施形態において前述した〔ａ〕〜〔ｊ〕の化合物を挙げることができる。密着層２１１はこれらの化合物のうち１種以上を含むことができる。
【０１０１】
本発明者の研究によれば、これらのうちＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、Ｗと、ＡｌおよびＳｉから選択される１種以上の元素と、を含む炭窒化物において特に高い密着性が発現することが分かっている。そこでＣｒ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を「Ｍ」とするとき、密着層２１１を構成する化合物の組成は、次式：
ＭaＴｉbＡｌcＳｉdＷeＣＮ（ただし、０＜ａ≦０．３０、０≦ｂ≦０．８０、０≦ｃ≦０．６０、０≦ｄ≦０．１０、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）
で表されることが望ましい。
【０１０２】
＜密着層の非金属組成＞
上部層２１２が窒化物であり、密着層２１１が炭窒化物である場合、密着層２１１の厚さ方向において、密着層２１１に含まれるＣの組成比が、上部層２１２側から基材２０１側に向かって連続的に増加し基材２０１との界面で最大となり、かつ密着層２１１に含まれるＮの組成比が、基材２０１側から上部層２１２側に向かって連続的に増加し上部層２１２との界面で最大となることが望ましい。基材２０１は炭化物（ＷＣ）を含み、上部層２１２は窒化物（ＴｉＡｌＳｉＮ等）を含むことから、密着層２１１内でＣおよびＮの組成比率が上記のように変化することにより、基材２０１および上部層２１２の双方との化学的親和性がよりいっそう向上する。こうした組成比の変化は、たとえばカソードアークイオンプレーティング法において、Ｎの原料ガスとＣの原料ガスとの流量比を連続的に変化させながら成膜を行うことにより実現できる。
【０１０３】
＜密着層と基材との界面におけるＷＣ粒子の占有率＞
密着層２１１と基材２０１とが接する部分においてＷＣ粒子の占有率は８０％以上が好ましく、９０％以上がより好ましい。密着層２１１と基材２０１との界面に軟質な結合相（Ｃｏ等）が存在しないほど、密着層２１１と基材２０１との密着力が高まるからである。ここで当該占有率は、第１の実施形態で説明したように表面被覆工具の断面において定義される。占有率は大きいほど好ましく理想的には１００％であるが、生産性を考慮すると、その上限値はたとえば９９％程度である。
【０１０４】
＜表面被覆工具の製造方法＞
以上に説明した本実施形態の表面被覆工具は、次のような方法によって製造することができる。図１０は本実施形態に係る表面被覆工具の製造方法の概略を示すフローチャートである。図１０を参照して当該製造方法は、基材を準備する工程（Ｓ１００）と、被膜を形成する工程（Ｓ２００）とを備えており、被膜を形成する工程（Ｓ２００）は、基材の表面にＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を付着させる工程（Ｓ２２０）と、密着層を形成する工程（Ｓ２３０）と、上部層を形成する工程（Ｓ２４０）とを含んでいる。以下、各工程について説明する。
【０１０５】
＜基材を準備する工程（Ｓ１００）＞
この工程では、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有しＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含む基材２０１を準備する。こうしたＷＣ−Ｃｏ系超硬合金基材は、一般的な粉末冶金法によって準備することができる。たとえばボールミルによってＷＣ粉末とＣｏ粉末等とを混合して混合粉末を得、該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得、さらに該成形体を焼結することにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金（焼結体）が得られる。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理等の所定の刃先加工を施すことにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金からなる基材２０１を準備することができる。
【０１０６】
＜被膜を形成する工程（Ｓ２００）＞
被膜２１０を難削材の切削における高温にも耐え得る膜とするためには、被膜２１０を結晶性の高い化合物から構成することが望ましい。本発明者がそのような被膜を開発すべく、各種成膜技術を検討したところ、物理蒸着法が好ましいことが見出された。物理蒸着法とは、物理的な作用を利用して原料（蒸発源、ターゲットともいう）を気化させ、気化した原料を基材上に付着せしめる蒸着方法である。そうした物理蒸着法としては、たとえばカソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法等がある。
【０１０７】
原料のイオン化率が高いことから、これらの物理蒸着法のうちカソードアークイオンプレーティング法が特に好適である。さらにカソードアークイオンプレーティング法を採用することにより、同じ成膜装置内においてイオンボンバードメント処理による基材の洗浄を行うことができるため、製造工程の簡略化、生産性の向上に寄与できる。
【０１０８】
＜基材の表面に元素を付着させる工程（Ｓ２２０）＞
本実施形態では、被膜２１０を形成する前に、密着層２１１の一部となるべき元素（Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上）を基材２０１の表面に付着させる。たとえば、基材２０１の表面に対して、これらの元素をターゲットとするイオンボンバードメント処理を施すことにより、基材２０１の表面を洗浄すると共に、これらの元素を基材２０１の表面に付着させることができる。すなわち付着させる工程（Ｓ２２０）は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素のイオンを用いたイオンボンバードメント処理によって基材２０１の表面を洗浄する工程（Ｓ２２１）を含むことができる。これにより、基材２０１の表面から軟質な結合相を除去して、表面におけるＷＣ粒子の占有率を高めることができ、その結果、前述した密着層２１１と基材２０１とが接する部分におけるＷＣ粒子の占有率を高めることができる。ＷＣ粒子の占有率は、たとえばイオンボンバードメント処理の処理時間によって調整することができる。
【０１０９】
イオンボンバードメント処理に用いる元素には、少なくともＣｒが含まれることが望ましい。Ｃｒは昇華性の元素であるため、イオンボンバードメント処理の際に溶融粒子の発生が少なく、基材２０１の表面荒れを防止できるからである。
【０１１０】
本実施形態では、付着させる工程（Ｓ２２０）の前に、Ａｒイオンを用いたイオンボンバードメント処理によって、基材２０１の表面に表出した結合相の少なくとも一部を除去する工程（Ｓ２１０）を実行することもできる。これにより、表面におけるＷＣ粒子の占有率を更に高めることができる。その上で、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を基材２０１の表面に付着させることにより、これらの元素とＷＣ粒子とが強固に結合しやすくなり、密着層２１１の密着作用がいっそう向上する。
【０１１１】
＜密着層を形成する工程（Ｓ２３０）＞
本実施形態では、基材２０１の表面にＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を付着させた後、当該表面上に密着層２１１を形成する。密着層２１１の形成は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素が付着した表面上に、たとえばカソードアークイオンプレーティング法によって上部層を構成する元素を堆積させることにより行う。これにより基材２０１上にＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、基材２０１を構成する元素から選択される１種以上の元素と、上部層２１２を構成する元素から選択される１種以上の元素とを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を生成させることができる。
【０１１２】
＜上部層を形成する工程（Ｓ２４０）＞
その後、引き続きカソードアークイオンプレーティング法によって、上部層２１２を構成する元素を密着層２１１上に堆積することによって上部層２１２を形成することができる。
【０１１３】
上部層２１２を形成した後、被膜２１０に圧縮残留応力を付与してもよい。被膜２１０の靭性が向上するからである。圧縮残留応力は、たとえばブラスト法、ブラシ法、バレル法およびイオン注入法等によって付与することができる。
【０１１４】
以上の工程を経ることにより本実施形態の表面被覆工具を容易に製造することができる。
【実施例】
【０１１５】
以下、実施例を用いて本実施形態を更に詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
【０１１６】
＜第１の実施例＞
第１の実施例は、上記第１の実施形態に対応するものである。
【０１１７】
＜試料Ｎｏ．１−１〜１−８ならびに試料Ｎｏ．１−１１〜１−１４の製造＞
以下のように表面被覆工具（試料Ｎｏ．１−１〜１−８ならびに試料Ｎｏ．１−１１〜１−１４）を製造し、切削試験を実施して工具寿命を評価した。ここでは試料Ｎｏ．１−１〜１−８が実施例に相当し、試料Ｎｏ．１−１１〜１−１４が比較例に相当する。
【０１１８】
＜基材を準備する工程＞
先ず基材１０１として、材質が「ＩＳＯ  Ｐ３０グレード」であり、形状が「ＳＦＫＮ１２Ｔ３ＡＺＴＮ」である超硬合金基材を準備した。この超硬合金基材は、ＷＣを含有する硬質粒子と、Ｃｏを含有し該硬質粒子同士を互いに結合する結合相とを含むものである。またこの超硬合金基材において、ＷＣ粒子の粒径は２μｍであり、Ｃｏの含有量は１０質量％である。
【０１１９】
＜被膜を形成する工程＞
図３は被膜の形成に使用した成膜装置（カソードアークイオンプレーティング装置）の模式的な側面透視図であり、図４は同装置の模式的な平面透視図（上方から見たもの）である。図３を参照して、成膜装置１は、チャンバ２と、チャンバ２に原料ガスを導入するためのガス導入口１３と、原料ガスを外部に排出するためのガス排出口１２とを備える。チャンバ２は真空ポンプ（図示せず）に接続されており、ガス排出口１２を通じてチャンバ２内の圧力を調整できるように構成されている。
【０１２０】
チャンバ２内には、回転テーブル３が設けられており、回転テーブル３には基材１０１を保持するための基材ホルダ１１が取り付けられている。基材ホルダ１１は、バイアス電源８の負極に電気的に接続されている。バイアス電源８の正極はアースされ、かつチャンバ２と電気的に接続されている。図４を参照してチャンバ２の側壁には、被膜の金属原料となるターゲット（アーク式蒸発源５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）が取り付けられている。再び図３を参照してアーク式蒸発源はそれぞれ、可変電源である直流電源７ａ，７ｂの負極に接続されている。直流電源７ａ，７ｂの正極はアースされている。
【０１２１】
＜試料Ｎｏ．１−１〜１−４ならびに１−１４＞
先ず成膜装置１内の基材ホルダ１１に基材１０１を設置した。次いで真空ポンプによってチャンバ２内の圧力を１．０×１０-4Ｐａまで減圧した。さらに回転テーブル３を回転させながら、成膜装置１内に設置されたヒータ（図示せず）によって基材１０１を５００℃に加熱した。
【０１２２】
ガス導入口１３からＡｒ（アルゴン）ガスを導入し、チャンバ２内の圧力を３．０Ｐａに保持しながら、バイアス電源８の電圧を−１０００Ｖまで徐々に上げ、Ａｒイオンを用いたイオンボンバードメント処理により基材１０１の表面を洗浄した。
【０１２３】
次いで交互層１１２を形成した。表１に示す組成の交互層を与えるアーク式蒸発源（焼結合金ターゲット）をセットし、チャンバ２内に反応ガスとして窒素ガスを導入し、回転テーブル３を回転させながら、各種条件を次の範囲内で変化させながら成膜を行った。
【０１２４】
ここで表１に示す各層の組成は、成膜後にＴＥＭ−ＥＤＸ分析を実施して確認したものである。表１中「ａの変化」または「ｄの変化」の欄における「連続」とは、各層内のＴｉの組成比「ａ」または「ｄ」が被膜の厚さ方向に、連続的に増加もしくは減少していたことを示し、「段階」とは同組成比が被膜の厚さ方向に、段階的に増加もしくは減少していたことを示している。
【０１２５】
交互層１１２におけるＡ層１１２ａおよびＢ層１１２ｂのそれぞれの厚さ、ならびに積層数は基材１０１の回転速度によって調整し、交互層１１２の厚さが表１に示す値となったところでカソードへの電流供給を停止した。
【０１２６】
＜交互層の成膜条件＞
基材の温度：５００℃（一定）
反応ガス圧：０．５〜１０Ｐａ（一定あるいは連続的に変化）
バイアス電圧：−３０Ｖ〜−８００Ｖ（一定あるいは連続的に変化）
アーク電流：１００Ａ（一定）
ここで「一定あるいは連続的に変化」とは、たとえば「０．５〜１０Ｐａ」の範囲内のある一定値に維持するか、あるいは「０．５〜１０Ｐａ」の範囲内で連続的に増加もしくは減少させることを意味している。
【０１２７】
【表１】
2019069514.tif 000003
【０１２８】
＜試料Ｎｏ．１−５〜１−８＞
表１に示すように、試料Ｎｏ．１−５〜１−８では交互層に加え密着層を形成した。すなわち上記と同様に、Ａｒイオンを用いたイオンボンバードメント処理により基材１０１の表面を洗浄した後、さらにＣｒイオンを用いたイオンボンバードメント処理を実施し、基材１０１の表面にＣｒイオンを付着させた。その上で表１に示す交互層を形成した。成膜後、ＴＥＭ−ＥＤＸ分析を実施したところ、交互層と基材との界面に表１に示す組成の密着層が形成されていた。
【０１２９】
＜試料Ｎｏ．１−１１〜１−１３＞
表１に示すように、試料Ｎｏ．１−１１〜１−１３では単一組成の被膜を形成した。表１中、これらの工具における被膜組成は便宜上Ａ層の欄に記載している。
【０１３０】
＜工具寿命の評価＞
上記で作製した各試料を使用し、乾式の断続切削試験を行って工具寿命を評価した。切削条件は次の通りとし、工具寿命に至るまでの切削距離を測定した。結果を表１に示す。表１中、切削距離が長いほど工具寿命が長いことを示している。
【０１３１】
＜切削条件＞
被削材：ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．２ｍｍ／刃
切り込み量ａｐ：２．０ｍｍ
切り込み量ａｅ：５０ｍｍ
ここで「切り込み量ａｐ」は軸方向の切り込み量を、「切り込み量ａｅ」は半径方向の切り込み量をそれぞれ示している。
【０１３２】
表１から、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該被膜は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、該Ａ層の厚さおよび該Ｂ層の厚さは、それぞれ２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、該Ａ層の平均組成は、ＴｉaＡｌbＳｉcＮ（ただし、０．５＜ａ＜０．８、０．２＜ｂ＜０．４、０．０１＜ｃ＜０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表され、該Ｂ層の平均組成は、ＴｉdＡｌeＳｉfＮ（ただし、０．４＜ｄ＜０．６、０．３＜ｅ＜０．７、０．０１＜ｆ＜０．１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）で表され、０．０５＜ａ−ｄ≦０．２かつ０．０５＜ｅ−ｂ≦０．２を満たす、表面被覆工具（試料Ｎｏ．１−１〜１−８）は、当該条件を満たさない表面被覆工具（試料Ｎｏ．１−１１〜１−１４）と比較して、安定した長寿命を示すことが分かる。
【０１３３】
こうした結果が得られた理由は、試料Ｎｏ．１−１〜１−８ではＡ層とＢ層とが同一元素から構成されていることにより層間の密着性が高く、なおかつＡ層とＢ層との組成比の違いにより、これらの間で亀裂の伝播を抑制できたからであると考えられる。
【０１３４】
さらに表１から、基材を構成する元素（Ｗ）と、交互層を構成する元素（Ｔｉ、Ａｌ、ＳｉおよびＮ）と、Ｃｒとを含む密着層を形成した試料Ｎｏ．１−５〜１−８では、密着層がない試料Ｎｏ．１−１〜１−４と比較して、工具寿命が長くなることが分かる。これは密着層の存在により、被膜自体の剥離が防止され、工具寿命が延びたからであると考えられる。
【０１３５】
＜第２の実施例＞
＜試料Ｎｏ．２−１〜２−２５ならびに試料Ｎｏ．２−１０１〜２−１０５の製造＞
以下のように表面被覆工具（試料Ｎｏ．２−１〜２−２５ならびに試料Ｎｏ．２−１０１〜２−１０５）を製造し、切削試験を実施して工具寿命を評価した。ここでは試料Ｎｏ．２−１〜２−２３が実施例に相当し、試料Ｎｏ．２−２４および２−２５ならびにＮｏ．２−１０１〜２−１０５が比較例に相当する。
【０１３６】
＜基材を準備する工程（Ｓ１００）＞
先ず基材２０１として、材質が「ＩＳＯ  Ｐ３０グレード」であり、形状が「ＳＦＫＮ１２Ｔ３ＡＺＴＮ」である超硬合金基材を準備した。この超硬合金基材は、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有しＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含むものである。各試料におけるＷＣ粒子の粒径および結合相の含有量を表２に示す。
【０１３７】
【表２】
2019069514.tif 000004
【０１３８】
＜被膜を形成する工程（Ｓ２００）＞
図８は被膜の形成に使用した成膜装置（カソードアークイオンプレーティング装置）の模式的な側面透視図であり、図９は同装置の模式的な平面透視図（上方から見たもの）である。
【０１３９】
図９を参照して、成膜装置２１は、チャンバ２２内に被膜の金属原料となるターゲット（アーク式蒸発源２５ａ、アーク式蒸発源２５ｂ、アーク式蒸発源２５ｃ）と、基材２０１を設置するための回転式の基材ホルダ３１とが取り付けられている。図８を参照して、アーク式蒸発源２５ａには直流電源２７ａが取り付けられ、アーク式蒸発源２５ｂには直流電源２７ｂが取り付けられ、基材ホルダ３１にはバイアス電源２８が取り付けられている。直流電源２７ａおよび直流電源２７ｂは可変電源であり、アーク式蒸発源２５ａおよびアーク式蒸発源２５ｂはそれぞれ、各直流電源の負極に接続されている。基材ホルダ３１は、バイアス電源２８の負極に電気的に接続されている。バイアス電源２８の正極はアースされつつ、チャンバ２２と電気的に接続されている。
【０１４０】
チャンバ２２には、原料ガスを導入するためのガス導入口３３と、ガス排出口３２とが設けられている。チャンバ２２内の圧力は、ガス排出口３２から真空ポンプ（図示せず）によってガスを吸引することにより調整することができる。
【０１４１】
先ず成膜装置２１内の基材ホルダ３１に基材２０１を設置した。次いで真空ポンプによってチャンバ２２内の圧力を１．０×１０-4Ｐａまで減圧した。さらに基材ホルダ３１を回転させながら、成膜装置２１内に設置されたヒータ（図示せず）によって基材２０１を５００℃に加熱した。
【０１４２】
＜除去する工程（Ｓ２１０）＞
ガス導入口３３からＡｒガスを導入し、チャンバ２２内の圧力を３．０Ｐａに保持しながら、バイアス電源２８の電圧を−１０００Ｖまで徐々に上げ、Ａｒイオンを用いたイオンボンバードメント処理により基材２０１の表面を１５分間に亘って洗浄した。これにより基材２０１の表面に表出した結合相を除去した。
【０１４３】
＜付着させる工程（Ｓ２２０）＞
アーク式蒸発源２５ｃ（表３に示す金属ターゲット）に１００Ａのアーク電流を印可し、基材２０１の表面に対して、イオンボンバードメント処理を施すことにより、基材２０１の表面を更に洗浄すると共に、表３に示す元素を表面に付着させた。このとき処理時間は表３に示す時間とした。表３に示す通り、試料Ｎｏ．２−１０１ならびに２−１０３〜２−１０５では同処理を実施していない。
【０１４４】
【表３】
2019069514.tif 000005
【０１４５】
＜密着層および上部層を形成する工程（Ｓ２３０，Ｓ２４０）＞
次いで密着層２１１を形成した。アーク式蒸発源２５ａおよびアーク式蒸発源２５ｂとして、表２に示す組成の密着層２１１および上部層２１２を与える焼結合金ターゲットをセットし、チャンバ２２内に反応ガスとして窒素ガスおよびメタンガスを導入し、基材ホルダ３１を回転させながら、次の条件で成膜を行い、上部層２１２の厚さが表２に示す値となったところでカソードへの電流供給を停止した。ここで表２に示す各層の組成は、成膜後に試料を切断して、切断面においてＴＥＭ−ＥＤＸ分析を実施して確認したものである。表２中、密着層が無い試料（Ｎｏ．２−１０１ならびに２−１０３〜２−１０５）では、便宜上、被膜全体の組成および厚さを上部層の欄に記載している。
【０１４６】
＜成膜条件＞
基材の温度：５００℃（一定）
反応ガス圧：２．０Ｐａ（一定）
バイアス電圧：−３０Ｖ〜−８００Ｖ（一定あるいは連続的に変化）
アーク電流：１００Ａ（一定）
ここで「一定あるいは連続的に変化」とは、たとえば「−３０Ｖ〜−８００Ｖ」の範囲内のある一定値に維持するか、あるいは「−３０Ｖ〜−８００Ｖ」の範囲内で連続的に増加もしくは減少させることを意味している。
【０１４７】
＜被膜の評価＞
各試料を切断して、切断面をＴＥＭで観察して密着層２１１の厚さを求めた。結果を表２に示す。さらに基材２０１と密着層２１１との界面、ならびに密着層２１１と上部層２１２との界面において結晶格子が連続しているか否かをＴＥＭにより確認した。結果を表４に示す。表４中「結晶格子の連続性」の欄における「連続」とは、基材２０１と密着層２１１との界面、ならびに密着層２１１と上部層２１２との界面の双方において結晶格子が連続していたことを示し、「不連続」とは少なくともいずれか一方の界面で結晶格子が連続していなかったことを示している。
【０１４８】
同切断面においてＴＥＭ−ＥＤＸ分析を実施し、密着層２１１の組成を確認すると共に、密着層の厚さ方向においてＣおよびＮの組成比が連続的に変化しているか否かを確認した。結果を表４に示す。表４中「厚さ方向におけるＣ、Ｎの変化」の欄における「有」とは、密着層２１１に含まれるＣの組成比が、上部層２１２側から基材２０１側に向かって連続的に増加し基材２０１との界面で最大となり、かつ密着層２１１に含まれるＮの組成比が、基材２０１側から上部層２１２側に向かって連続的に増加し上部層２１２との界面で最大となっていたことを示し、「無」とはそのような組成比の変化がないことを示している。
【０１４９】
また同切断面において、前述の方法に従って長さが３μｍの基準線を設定し、基材２０１のうち密着層２１１と接する部分におけるＷＣ粒子の占有率を求めた。結果を表４に示す。
【０１５０】
【表４】
2019069514.tif 000006
【０１５１】
＜工具寿命の評価＞
上記で作製した各試料を使用し、乾式の断続切削試験を行って工具寿命を評価した。切削条件は次の通りとし、工具寿命に至るまでの切削距離を測定した。結果を表５に示す。表５中、切削距離が長いほど工具寿命が長いことを示している。
【０１５２】
＜切削条件＞
被削材：ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．２ｍｍ／刃
切り込み量ａｐ：２．０ｍｍ
切り込み量ａｅ：５０ｍｍ
ここで「切り込み量ａｐ」は軸方向の切り込み量を、「切り込み量ａｅ」は半径方向の切り込み量をそれぞれ示している。
【０１５３】
【表５】
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【０１５４】
表２および表５から、基材と、該基材上に形成された被膜とを備え、該基材は、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有し該ＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含み、該被膜は、該基材と接する密着層と、該密着層上に形成された上部層とを含み、該密着層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、該密着層は、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、該基材を構成する元素から選択される１種以上の元素と、該上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素と、を含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を含有する、表面被覆工具（試料Ｎｏ．２−１〜２−２３）は、当該条件を満たさない表面被覆工具（試料Ｎｏ．２−２４および２−２５ならびにＮｏ．２−１０１〜２−１０５）と比較して、安定した長寿命を示すことが分かる。
【０１５５】
こうした結果が得られた理由は、上記特定の組成を有する密着層の存在によって、被膜と基材との密着性が向上し、被膜の剥離が抑制されたからであると考えられる。
【０１５６】
また以上の実施例を通して、ＷＣ粒子と、Ｃｏを含有し該ＷＣ粒子同士を互いに結合する結合相とを含む基材を準備する工程と、該基材上に被膜を形成する工程と、を備え、該被膜を形成する工程は、該基材の表面にＣｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素を付着させる工程と、該基材上に密着層を形成する工程と、該密着層上に上部層を形成する工程と、を含み、該密着層の厚さは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、該密着層を形成する工程は、該付着させる工程後の該表面上に、該上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素を堆積させることにより、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｒおよびＮｂから選択される１種以上の元素と、該基材を構成する元素から選択される１種以上の元素と、該上部層を構成する元素から選択される１種以上の元素とを含む炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を生成させる工程を含む、製造方法によって得られた表面被覆工具は、基材と被膜との密着性に優れ、過酷な切削条件にも耐え得る工具であることを実証することができたといえる。
【０１５７】
今回開示された実施形態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実施形態ではなく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。
【符号の説明】
【０１５８】
１，２１  成膜装置、２，２２  チャンバ、３  回転テーブル、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ  アーク式蒸発源、７ａ，７ｂ，２７ａ，２７ｂ  直流電源、８，２８  バイアス電源、１１，３１  基材ホルダ、１２，３２  ガス排出口、１３，３３  ガス導入口、１００，２００  表面被覆工具、１０１，２０１  基材、１１０，２１０  被膜、１１１，２１１  密着層、１１２  交互層、１１２ａ  Ａ層、１１２ｂ  Ｂ層、２１２  上部層。
【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】
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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１０】
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