(57)【要約】【課題】高い硬度と高い耐酸化性とを有する被膜を提供する。【解決手段】本発明の被膜は、１または２以上の層により構成され、該層のうち少なくとも１層は、ＴｉＮからなる第１単位層と、Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる第２単位層とが交互に積層された多層構造を含み、第１単位層はｆｃｃ型結晶構造を有し、第２単位層はｆｃｃ型結晶構造を有し、Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるＸは、０．６以上０．９以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１または２以上の層により構成され、
前記層のうち少なくとも１層は、ＴｉＮからなる第１単位層と、Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる第２単位層とが交互に積層された多層構造を含み、
前記第１単位層はｆｃｃ型結晶構造を有し、
前記第２単位層はｆｃｃ型結晶構造を有し、前記Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるＸは、０．６以上０．９以下である、被膜。
【請求項２】
前記第２単位層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、（１１１）面または（２００）面由来のピークが最大強度を示す、請求項１に記載の被膜。
【請求項３】
前記多層構造において、前記第２単位層を挟んで隣り合う前記第１単位層間の距離が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の被膜。
【請求項４】
前記第２単位層は、絶対値が２ＧＰａ以下である圧縮残留応力を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の被膜。
【請求項５】
基材と、前記基材を被覆する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の被膜と、を含む切削工具。
【請求項６】
前記基材は、ＷＣ基超硬合金またはサーメットで構成される、請求項５に記載の切削工具。
【請求項７】
基材上に形成される、１または２以上の層により構成される被膜の製造方法であって、
前記層のうちの少なくとも１層を、ＣＶＤ法を用いて形成するＣＶＤ工程を含み、
前記ＣＶＤ工程は、チタンおよびアルミニウムを含む第１ガスと、窒素を含む第２ガスとを、前記基材に向かって噴出する噴出工程と、
前記噴出工程後の前記基材を、５分以上３０分以下の期間、８５０℃以上１０００℃以下の加熱条件でアニール処理するアニール工程と、
前記アニール工程後の前記基材を、７℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、を含む被膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被膜、切削工具および被膜の製造方法に関し、特に、耐酸化性および硬度に優れた被膜、その被膜を含む切削工具およびその被膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超硬合金などからなる切削工具を用いて、鋼、鋳物などの切削加工が行われている。このような切削工具は、切削加工時において、その刃先が高温、高圧などの過酷な環境に曝されるため、刃先が摩耗したり、欠けたりするといった問題が生じる傾向にある。このように、切削工具の切削性能には課題がある。
【０００３】
そこで、切削工具の切削性能の改善を目的として、超硬合金などの基材の表面を被覆する被膜の開発が進められている。なかでも、チタンとアルミニウムとを含む窒化物（以下、「Ｔｉ1-xＡｌxＮ」ともいう。）からなる被膜は、高い硬度を有することができるとともに、Ａｌの含有割合ｘを高めることによって耐酸化性を高めることができる。このような被膜によって切削工具を被覆することにより、切削工具の性能の顕著な改善が可能であるため、当該被膜のさらなる開発が期待されている。
【０００４】
たとえば、特開平７−２０５３６２号公報（特許文献１）には、ＴｉＮ層およびＡｌＮ層を０．４ｎｍ〜５０ｎｍの周期で組成を連続的に変化させた多層構造の被膜が開示されている。該多層構造の周期中にはＴｉ1-xＡｌxＮが存在すると考えられている。しかし、この被膜はＰＶＤ（Physical  Vapor  Deposition)法により形成されているため、Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるｘを０．５５よりも高く設計することはできなかった。このため、この被膜の耐酸化性には限界があり、さらなる改善が求められていた。
【０００５】
これに対し、特表２００８−５４５０６３号公報（特許文献２）には、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition)法によりＴｉ1-xＡｌxＮからなる被膜を作製する技術が開示されている。特許文献２には、Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるｘが０．７５＜ｘ≦０．９３であり、かつ面心立方構造（以下、「ｆｃｃ型結晶構造」ともいう。）を有する被膜が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２０５３６２号公報
【特許文献２】特表２００８−５４５０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に開示される被膜では、ｆｃｃ型結晶構造中に六方細密充填構造（以下、「ｈｃｐ型結晶構造」ともいう。）を有するＡｌＮが析出する場合がある。析出したｈｃｐ型結晶構造のＡｌＮ（以下、「ｈｃｐ−ＡｌＮ」ともいう。）は、被膜中に欠陥として存在することとなり、被膜の硬度、耐酸化性などを低下させる。
【０００８】
すなわち、従来の被膜では、Ｔｉ1-xＡｌxＮが発揮し得る高い硬度と高い耐酸化性との両特性を十分に発揮させることが困難であり、それ故、Ｔｉ1-xＡｌxＮが発揮し得る高い硬度と高い耐酸化性とを有する被膜は実現されておらず、また該被膜による切削工具の性能の改善は達成されていない。
【０００９】
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、Ｔｉ1-xＡｌxＮが発揮し得る高い硬度と高い耐酸化性とを有することができる被膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、１または２以上の層により構成され、該層のうち少なくとも１層は、ＴｉＮからなる第１単位層と、Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる第２単位層とが交互に積層された多層構造を含み、第１単位層はｆｃｃ型結晶構造を有し、第２単位層はｆｃｃ型結晶構造を有し、Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるｘは、０．６以上０．９以下である、被膜である。
【００１１】
また、本発明は、基材と、該基材を被覆する上記被膜と、を含む切削工具である。
また、本発明は、基材上に形成される、１または２以上の層により構成される被膜の製造方法であって、該層のうちの少なくとも１層を、ＣＶＤ法を用いて形成するＣＶＤ工程を含み、ＣＶＤ工程は、チタンおよびアルミニウムを含む第１ガスと、窒素を含む第２ガスとを、基材に向かって噴出する噴出工程と、噴出工程後の基材を、５分以上３０分以下の期間、８５０℃以上１０００℃以下の加熱条件でアニール処理するアニール工程と、アニール処理後の基材を、７℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、を含む被膜の製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明において、Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる第２単位層におけるｘを０．６以上０．９以下という高い数値に維持することができるとともに、第２単位層におけるｈｃｐ−ＡｌＮの析出を抑制することができる。このため、本発明によれば、Ｔｉ1-xＡｌxＮが発揮し得る特性を最大限に発揮させることができ、もって、高い硬度と高い耐酸化性を有する被膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る被膜が基材上に設けられた図であって、該被膜が１つの層からなり、該１つの層が多層構造を含む層である場合に対応するＴＥＭ写真を示す図である。
【図２】図１の要部を拡大したＴＥＭ写真を示す図である。
【図３】本実施形態の製造方法におけるＣＶＤ工程に用いられるＣＶＤ装置の概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施形態の概要について説明する。
【００１５】
本発明者らは、Ｔｉ1-xＡｌxＮの高い硬度と、そのＡｌの含有割合ｘを高めることによる高い耐酸化性との両特性を十分に発揮できる被膜を実現すべく、各種検討を重ねた。
【００１６】
具体的には、まず、本発明者らは、ＰＶＤ法では実質的に含有割合ｘを０．５５よりも高い数値に設計することが困難であることから、ＣＶＤ法を用いて目的とするＴｉ1-xＡｌxＮからなる被膜の作製を試みた。そして、各種検討により、ｘが大きくなるにつれてｈｃｐ−ＡｌＮの析出の頻度が高まること、なかでも、ｘが０．７以上の場合にｈｃｐ−ＡｌＮの析出が顕著であることが分かった。
【００１７】
このようなＡｌＮの析出は、ｆｃｃ型結晶構造のＴｉ1-xＡｌxＮ（以下、「ｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮ」ともいう。）におけるｘが大きく、特に０．７以上になると、結晶構造に大きな歪みが生じることが原因と考えられる。すなわち、ｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮにおいて、その結晶構造をより安定な結晶構造とするための相転移がおこり、これによりｆｃｃ型結晶構造のＴｉＮ（以下、「ｆｃｃ−ＴｉＮ」ともいう。）とともにｈｃｐ−ＡｌＮが析出すると考えられる。析出したｈｃｐ−ＡｌＮは、前述のように被膜中の欠陥として存在することとなり、被膜の硬度、耐酸化性を低下させる要因となる。
【００１８】
そこで、本発明者らは、Ｔｉ1-xＡｌxＮの相転移を抑制すべく鋭意検討を重ねた。そして、被膜中において、ｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮを単に１つの単一層として存在させるのではなく、ｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる層を、その厚み方向においてｆｃｃ−ＴｉＮからなる層で挟み込む構造とにすることにより、上記の相転移を抑制できることを知見し、本発明に係る被膜、これを有する切削工具を完成させた。また、上記被膜は、ＣＶＤ法において、従来とは全く異なった条件を採用した本発明に係る製造方法を用いることによって、初めて製造することができたものである。
【００１９】
（１）すなわち、本実施形態に係る被膜は、１または２以上の層により構成され、該層のうち少なくとも１層は、ＴｉＮからなる第１単位層と、Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる第２単位層とが交互に積層された多層構造を含み、第１単位層はｆｃｃ型結晶構造を有し、第２単位層はｆｃｃ型結晶構造を有し、Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるｘは、０．６以上０．９以下である、被膜である。
【００２０】
本実施形態に係る被膜によれば、Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる第２単位層が、ＴｉＮからなる第１単位層と交互に積層されているため、第２単位層をその厚み方向において第１単位層によって挟み込むことができる。これにより、第２単位層において、Ｔｉ1-xＡｌxＮのｘを０．６以上０．９以下という高い数値に維持することができるとともに、第２単位層におけるｈｃｐ−ＡｌＮの析出を抑制することができる。したがって、本実施形態に係る被膜は、高い硬度と高い耐酸化性とを有することができる。
【００２１】
（２）本実施形態に係る被膜において好ましくは、第２単位層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、（１１１）面または（２００）面由来のピークが最大強度を示す。（２００）面由来のピークが最大強度を示す場合、第２単位層の表面は他の場合に比して特に平滑となり、これにより、被膜の耐溶着性が向上する。一方、（１１１）面由来のピークが最大強度を示す場合、第２単位層の表面は他の場合に比して特に安定な結晶面となり、これにより、被膜の硬度が向上する。
【００２２】
（３）本実施形態に係る被膜において好ましくは、多層構造において、第２単位層を挟んで隣り合う第１単位層間の距離が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。この場合、被膜は特に高い硬度を有することができ、さらに、高い靱性を有することができる。
【００２３】
（４）本実施形態に係る被膜において好ましくは、第２単位層は、絶対値が２ＧＰａ以下である圧縮残留応力を有する。これにより、被膜は高い耐欠損性を有することができる。
【００２４】
（５）本実施形態に係る切削工具は、基材と、基材を被覆する上記被膜と、を含む切削工具である。
【００２５】
本実施形態に係る切削工具によれば、上記の高い硬度と高い耐酸化性とを有する被膜によって基材が被覆されているため、切削加工時において、高い硬度と高い耐酸化性とを発揮することができ、もって切削性能に優れる。
【００２６】
（６）本実施形態に係る切削工具において好ましくは、基材は、ＷＣ基超硬合金またはサーメットで構成される。これにより、より高い硬度と高い耐酸化性とを発揮することができる。
【００２７】
（７）本実施形態に係る製造方法は、基材上に形成される、１または２以上の層により構成される被膜の製造方法であって、層のうちの少なくとも１層を、ＣＶＤ法を用いて形成するＣＶＤ工程を含む。当該ＣＶＤ工程は、チタンおよびアルミニウムを含む第１ガスと、窒素を含む第２ガスとを、基材の表面に向かって噴出する噴出工程と、噴出工程後の基材を、５分以上３０分以下の期間、８５０℃以上１０００℃以下の加熱条件でアニール処理するアニール工程と、アニール工程後の基材を、７℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、を含む。
【００２８】
本実施形態に係る製造方法によれば、噴出工程後の基材を上記条件でアニール処理し、その後の基材を上記冷却速度で冷却することにより、噴出工程により形成されたチタン、アルミニウム、窒素を含む１つの層を第１単位層と第２単位層とに相転位（分離析出）させることができ、上記多層構造を有する層を形成させることができる。したがって、本実施形態によれば、上記の高い硬度と高い耐酸化性とを有する被膜を製造することができる。
【００２９】
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また、本明細書において、硬質被膜を構成する各層の組成を「ＴｉＡｌＮ」、「ＴｉＮ」などの化学式を用いて表わす場合、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のみに限定されるものではない。たとえば、単に「ＴｉＮ」と記す場合、「Ｔｉ」と「Ｎ」の原子比は５０：５０（１：１）の場合のみに限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。
【００３０】
≪被膜≫
本実施形態に係る被膜は、１または２以上の層により構成され、層のうち少なくとも１層は、ＴｉＮからなる第１単位層と、Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる第２単位層とが交互に積層された多層構造を含む。また、後述するように、第１単位層はｆｃｃ型結晶構造を有し、第２単位層はｆｃｃ型結晶構造を含み、Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるｘは０．６以上０．９以下である。なお、「Ｔｉ1-xＡｌxＮ」の「Ｔｉ1-xＡｌx」と「Ｎ」との原子比は上記と同様に５０：５０（１：１）の場合のみに限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。
【００３１】
本実施形態の被膜によれば、多層構造を含む層（以下、「多層構造含有層」ともいう。）において、Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる第２単位層が、ＴｉＮからなる第１単位層と交互に積層されているため、第２単位層をその厚み方向において第１単位層によって挟み込むことができる。これにより、第２単位層において、Ｔｉ1-xＡｌxＮのｘを０．６以上０．９以下という高い数値に維持できているにもかかわらず、第２単位層におけるｈｃｐ−ＡｌＮの析出を抑制することができる。したがって、本実施形態に係る被膜によれば、Ｔｉ1-xＡｌxＮの特性を最大限に発揮することができ、もって、高い硬度と高い耐酸化性とを有することができる。
【００３２】
被膜全体の厚さは、好ましくは３μｍ以上３０μｍ以下である。被膜全体の厚さが３μｍ以上であることにより、被膜全体の厚さが薄いことに起因する硬度の低下を防止することができる。また、被膜全体の厚さが３０μｍ以下であることにより、被膜全体の厚さが厚いことに起因する被膜のチッピングを防止することができる。被膜全体の厚さは、より好ましくは５以上２０μｍ以下であり、さらに好ましくは７μｍ以上１５μｍ以下である。
【００３３】
このような被膜全体の厚さは、たとえば、被膜を任意の基材上に形成し、これを任意の位置で切断して、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning  Electron  Microscope）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission  Electron  Microscope）で観察することにより測定することができる。なお、断面観察用のサンプルは、たとえば、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：Focused  Ion  Beam  system）、クロスセクションポリッシャー装置（ＣＰ：Cross  section  Polisher）などを用いて作製することができる。
【００３４】
本実施形態に係る被膜は、上述の多層構造含有層を少なくとも１層含む限り、これ以外の他の層を含むことができ、他の層を含んでいたとしても、上述の顕著な効果を奏することができる。他の層としては、たとえば、多層構造含有層と基材との間に設けられる下地層、多層構造含有層上に設けられる表面保護層などを挙げることができる。
【００３５】
＜多層構造含有層＞
以下、上述の被膜に含まれる多層構造含有層について詳述する。
【００３６】
図１は、本実施形態に係る被膜が基材上に設けられた図であって、該被膜が１つの層からなり、該１つの層が上記多層構造含有層である場合に対応するＴＥＭ写真を示す図である。また、図２は、図１の要部を拡大したＴＥＭ写真を示す図である。
【００３７】
図１および図２を参照し、基材１１の表面を被覆する被膜１０を構成する多層構造含有層は、第１単位層１２（図２に示される多層構造中の淡色部分）および第２単位層１３（図２に示される多層構造中の濃色の部分）が交互に積層された多層構造を含む。第１単位層１２はｆｃｃ−ＴｉＮからなり、第２単位層１３はｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮからなり、Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるｘは０．６以上０．９以下である。
【００３８】
被膜１０を構成する多層構造含有層の組成は、たとえば、ＳＥＭまたはＴＥＭ付帯のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Energy  Dispersive  X-ray  spectroscopy）装置により測定することができる。また、各層の結晶構造は、たとえば、Ｘ線回折（ＸＲＤ：X-ray  diffraction）装置により測定することができる。本実施形態では被膜１０が１つの層からなる場合を例示しているが、被膜１０が２以上の層からなる場合であっても、同様の方法により、被膜１０を構成する各層の組成を測定することができる。なお、多層構造含有層は、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）などの不可避不純物を含んでいてもよい。
【００３９】
多層構造含有層全体の厚さｄは、好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下である。多層構造含有層全体の厚さｄが１μｍ以上であることにより、多層構造含有層の特性に由来する被膜１０の顕著な特性の向上が可能となる。また、多層構造含有層全体の厚さｄが２０μｍを超えた場合には、多層構造含有層の特性に由来する被膜１０の特性の向上に大きな変化が見られないことから、経済的に有利でない。多層構造含有層全体の厚さｄは、より好ましくは２μｍ以上１５μｍ以下であり、さらに好ましくは５μｍ以上１０μｍ以下である。
【００４０】
図１および図２に示されるように、多層構造含有層は柱状晶領域を有しており、該柱状晶領域において、柱状結晶の長軸方向（図１および図２の各矢印が示す方向）に対し第１単位層１２および第２単位層１３が交互に積層された構成となっている。多層構造含有層はその全体が柱状晶領域のみから構成されてもよく、柱状晶領域の他、他の結晶領域を有していていもよい。ただし、多層構造の存在による被膜１０の優位な特性を効果的に発揮するためには、多層構造を有する柱状晶領域は、好ましくは多層構造含有層の５０体積％以上を占め、より好ましくは７０体積％以上を占める。
【００４１】
ここで、柱状晶領域とは、柱状結晶で構成される領域をいい、このような柱状結晶は基材１１の面方向（図１中の左右方向）よりも、基材１１の表面の法線方向（図１中の上下方向）に近似した方向、換言すれば、多層構造含有層の厚み方向に成長する。このような柱状結晶は、たとえば幅（径）が５０〜５００ｎｍであり、成長方向に関する長さが１０００〜１００００ｎｍの形状を有する。
【００４２】
上記柱状晶領域に構成される多層構造は、第２単位層１３を第１単位層１２で挟み込むように、第１単位層１２および第２単位層１３が周期的に繰り返して積層された多層構造である。ここで、周期的に繰り返して積層されるとは、第１単位層１２と第２単位層１３とが上下交互に積層する場合はもちろん、第１単位層１２と、第２単位層１３とに加えて他の第３単位層とが上中下と交互に繰り返して積層する場合も含む。第３単位層としては、たとえば、ｆｃｃ型結晶構造のＡｌＮ（以下、「ｆｃｃ−ＡｌＮ」ともいう。）からなる層を挙げることができる。
【００４３】
第１単位層１２は、上述のようにｆｃｃ−ＴｉＮからなる。ｆｃｃ−ＴｉＮは安定な結晶構造であり、また、高い熱安定性を有する。また、第２単位層１３をその厚み方向において第１単位層１２によって挟み込むことにより、第２単位層１３におけるｈｃｐ−ＡｌＮの析出を抑制することができることから、多層構造の厚み方向の両端に位置する層は、第１単位層１２であることが好ましい。これにより、全ての第２単位層１３を第１単位層１２によって挟み込むことができる。
【００４４】
第２単位層１３は、上述のようにｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮからなり、Ｔｉ1-xＡｌxＮのｘは０．６以上０．９以下である。ｘがこのように高い数値であるｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮは、たとえば、ｘが０．５５以下のｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮと比して特に高い耐酸化性を有する。ここで、Ｔｉ1-xＡｌxＮのｘが０．６以上０．９以下であるとは、Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるＡｌ含有割合の平均値が０．６以上０．９以下であることを意味する。したがって、たとえば、多層構造は、第２単位層１３のうち第１単位層１２と接する領域のＴｉ1-xＡｌxＮのｘが０．６未満の場合もあり、また、たとえば第２単位層１３のうち近隣する第１単位層１２から最も離れた領域、すなわち第２単位層１３の厚み方向に対する中間領域のＴｉ1-xＡｌxＮのｘが０．９を超える場合もある。
【００４５】
Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるＡｌ含有割合の平均値は、たとえば、次のようにして算出することができる。すなわち、まず、第２単位層１３の厚み方向および面内方向に異なる任意の複数領域（たとえば、厚み方向において１ｎｍ、面内方向において０．５μｍ互いに離れた少なくとも５地点）に関し、ＥＤＸにより領域内の組成を分析する。これにより、第２単位層中の複数個所に位置する領域内の組成情報が得られる。そして、各組成情報から得られる複数のＡｌの含有割合を平均化することにより、Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるＡｌ含有割合の平均値ｘを算出することができる。
【００４６】
第２単位層１３に関し、第２単位層１３のＸ線回折スペクトルにおいて、（１１１）面または（２００）面由来のピークが最大強度を示すことが好ましい。
【００４７】
第２単位層１３がＴｉ1-xＡｌxＮの（２００）面を成長面として成長した場合、そのＸ線回折スペクトルにおいて（２００）面由来のピークが最大強度となる。この場合、第２単位層１３の表面は、（２００）面を成長面とせずに成長した場合と比して特に平滑となる傾向にある。第２単位層１３の表面が平滑であることにより、多層構造の各面、ひいては多層構造含有層自体が平滑となるため、多層構造含有層は高い耐溶着性を有することができる。
【００４８】
一方、第２単位層１３がＴｉ1-xＡｌxＮの（１１１）面を成長面として成長した場合、そのＸ線回折スペクトルにおいて（１１１）面由来のピークが最大強度となる。この場合、第２単位層１３の表面は、（１１１）面を成長とせずに成長した場合と比して特に安定な結晶面となる傾向にある。第２単位層１３の表面が安定な結晶面であることにより、多層構造の各面、ひいては多層構造含有層自体が安定となるため、多層構造含有層は高い耐摩耗性を有することができる。
【００４９】
したがって、本実施形態の被膜１０に関し、第２単位層１３のＸ線回折スペクトルにおいて、（２００）面由来のピークが最大強度を示す場合、被膜１０の耐溶着性を特に向上させることができ、（１１１）面由来のピークが最大強度を示す場合、被膜１０の特に耐摩耗性を向上させることができる。
【００５０】
また、第２単位層１３において、圧縮残留応力の絶対値は２ＧＰａ以下であることが好ましい。ここで、「圧縮残留応力」とは、被膜１０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：本発明では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。このため、圧縮残留応力が大きいという概念は、上記数値の絶対値が大きくなることを示し、また、圧縮残留応力が小さいという概念は、上記数値の絶対値が小さくなることを示す。すなわち、圧縮残留応力の絶対値が２ＧＰａ以下であるとは、第２単位層１３に関する好ましい圧縮残留応力が−２ＧＰａ以上０ＧＰａ未満であることを意味する。
【００５１】
第２単位層１３の圧縮残留応力の絶対値が２ＧＰａ以下であることにより、多層構造含有層内に適切な大きさの歪が維持され、これにより、被膜１０の耐欠損性が向上する。第２単位層１３の圧縮残留応力の絶対値はより好ましくは１ＧＰａ以下であり、さらに好ましくは０．２ＧＰａ以上０．８ＧＰａ以下であり、さらに好ましくは０．４ＧＰａ以上０．８ＧＰａ以下である。
【００５２】
第２単位層１３の圧縮残留応力の絶対値が２ＧＰａ以下に設定可能であるのは、第２単位層１３を構成するＴｉ1-xＡｌxＮのｘが０．６以上０．９以下であり、かつ第２単位層１３が第１単位層１２によって挟み込まれているためと考えられる。たとえば、ｘが０．６未満である場合、第２単位層１３は引張残留応力を有し易い傾向にある。また、ｘが０．９を超える場合、第２単位層１３が有する圧縮残留応力が大きくなる傾向にある。
【００５３】
このような圧縮残留応力は、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ2ψ法により測定することができる。具体的には、このような圧縮残留応力は被膜１０中の圧縮残留応力を有する第２単位層１３に含まれる任意の点の応力を該ｓｉｎ2ψ法により測定し、その平均値を求めることにより測定することができる。なお、上記任意の点は、１点、好ましくは２点、より好ましくは３〜５点、さらに好ましくは１０点またはこれ以上であり、複数点で測定する場合の各点は第２単位層１３の応力を代表できるように互いに面内方向において０．１ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい。また、上下方向に多数存在する第２単位層１３に関し、１層ではなく、２層の各圧縮残留応力を測定することが好ましく、３〜５層の各圧縮残留応力を測定することがより好ましく、１０層またはこれ以上の各層の圧縮残留応力を測定することが好ましい。
【００５４】
このようなＸ線を用いたｓｉｎ2ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられているものであり、たとえば、「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４〜６７頁に詳細に説明されている方法を用いれば良い。
【００５５】
また、上記圧縮残留応力は、ラマン分光法を用いた方法を利用することにより測定することも可能である。このようなラマン分光法は、狭い範囲、たとえばスポット径１μｍといった局所的な測定ができるというメリットを有している。このようなラマン分光法を用いた残留応力の測定は、一般的なものであるが、たとえば、「薄膜の力学的特性評価技術」（サイぺック（現在リアライズ理工センターに社名変更）、１９９２年発行）の２６４〜２７１頁に記載の方法を採用することができる。
【００５６】
第１単位層１２、第２単位層１３の各厚さは、好ましくは３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。各層の厚さが３０ｎｍ以下であることにより、各層が積層された多層構造は、各層が周期的に多数繰り返して積層された超多層構造となる。これにより、多層構造含有層における硬度および耐酸化性のより顕著な向上が可能となり、もって被膜１０の硬度および耐酸化性のより顕著な向上が可能となる。また、各層の厚さが３ｎｍ以上であることにより、多層構造に由来する多層構造含有層の特性の顕著な向上が可能となる。第１単位層１２、第２単位層１３の各厚さは、より好ましくは５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００５７】
また、多層構造がｆｃｃ−ＡｌＮなどの他の層を有する場合、他の層の厚みは、多層構造が不均一となることによって多層構造の特性が発揮されなくなることを抑制する点から、第１単位層１２および第２単位層１３と同様に、１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５８】
各層の厚さは、上記の被膜全体の厚さと同様に、ＳＥＭ、ＴＥＭなどにより測定することができる。また、各単位層は、同じ厚さであってもよく異なっていていもよい。すなわち、たとえば、複数の第１単位層１２は、それぞれ同じ厚さであっても異なる厚さであってもよく、第１単位層１２と第２単位層１３とが同じ厚さであっても異なる厚さであってもよい。
【００５９】
そして、第２単位層１３を挟んで隣り合う第１単位層１２間の距離は、好ましくは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。これにより、ｈｃｐ−ＡｌＮの析出をより顕著に抑制することができるため、被膜はさらに高い硬度を有することができる。また、この場合、被膜は薄い複数の層からなる超多層構造を有することができるため、高い靱性を有することができる。ここで、第２単位層１３を挟んで隣り合う第１単位層１２間の距離とは、１つの第２単位層１３を挟んで隣り合う２つの第１単位層１２間の厚さ方向の距離であって、１つの第１単位層１２の厚さ方向中間から他の１つの第１単位層１２の厚さ方向の中間までの最短距離をいう。
【００６０】
したがって、たとえば、第１単位層１２と第２単位層１３とが上下交互に積層された多層構造においては、上記距離は、１つの第１単位層１２の厚さの半分に相当する距離と、該１つの第１単位層１２上に隣接する第２単位層１３の厚さに相当する距離と、該第２単位層１３上に隣接する他の１つの第１単位層１２の厚さの半分に相当する距離とを足した値となる。また、多層構造がさらに第３単位層を含む場合、たとえば、第１単位層１２、第２単位層１３、ｆｃｃ−ＡｌＮからなる第３単位層とが上中下と交互に繰り返して積層されている場合、上記距離は、１つの第１単位層１２の厚さの半分に相当する距離と、該１つの第１単位層１２上に隣接する第２単位層１３の厚さに相当する距離と、該第２単位層１３上に隣接する第３単位層の厚さに相当する距離と、該第３単位層上に隣接する他の１つの第１単位層１２の厚さの半分に相当する距離とを足した値となる。
【００６１】
＜他の層＞
本実施形態に係る被膜は、上述の多層構造含有層を少なくとも１層含む限り、これ以外の他の層を含むことができる。他の層は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）およびハフニウム（Ｈｆ）からなる群より選ばれる１種以上の元素と、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）からなる群より選ばれる１種以上の元素との化合物からなる層であることが好ましい。この場合、他の層もまた、比較的高い硬度を有することができるため、被膜全体の硬度をさらに高めることができる。このような化合物としては、たとえば、ＴｉＮ、ＴｉＢ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＯ、ＴｉＢＮＯ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＣＮＯ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＮ、ＺｒＯ2、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＨｆＣＮなどを挙げることができる。なお、上記の化合物に対し、他の元素が微量にドープされたものであってもよい。
【００６２】
また、他の層は、より好ましくはα−アルミナ（α−Ａｌ2Ｏ3）からなる層またはκ−アルミナ（κ−Ａｌ2Ｏ3）からなる層である。このようなアルミナからなる層は、高い耐酸化性を有するため、被膜の耐酸化性をさらに高めることができる。なかでも、アルミナからなる層を表面保護層とすることにより、被膜はより耐酸化性に優れることができる。
【００６３】
≪切削工具≫
本実施形態に係る切削工具は、基材と、該基材を被覆する上記被膜と、を含む切削工具である。本実施形態に係る切削工具は、高い硬度と高い耐酸化性とを有する上記被膜を有するため、その硬度および耐酸化性が飛躍的に向上したものであり、もって優れた切削性能を有することができる。
【００６４】
上記被膜による特性を効果的に発揮できる切削工具としては、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、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、タップなどを挙げることができる。
【００６５】
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従来公知のものを特に限定なく用いることができる。そのような基材としては、たとえば、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体などを挙げることができる。なかでも、硬度および靱性のバランスの観点から、基材は、ＷＣ基超硬合金またはサーメットであることが好ましい。
【００６６】
切削工具の被膜は、必ずしも基材の表面の全てを被覆する必要はなく、表面の少なくとも一部、たとえばすくい面および逃げ面の少なくとも一部に形成されていればよい。これらの面の一部に形成されることにより、切削工具を用いて被加工物を加工する際に、その高い硬度および高い耐酸化性による有益な効果を発揮することができる。なお、本実施形態に係る切削工具が有する被膜の詳細は上述と同様なので、その説明は繰り返さない。
【００６７】
≪製造方法≫
上記被膜は、本実施形態に係る製造方法によって製造することができる。すなわち、本実施形態に係る製造方法によって製造される被膜は、高い硬度と高い耐酸化性とを有することができる。また、当該被膜を切削工具用の基材に設けることにより、上記切削工具を製造することができる。
【００６８】
ここで、上述の被膜が、多層構造含有層以外の他の層を有する場合、これらの他の層は、従来公知のＣＶＤ法を好適に用いることができる。一方、上述の被膜が有する多層構造含有層は、従来公知のＣＶＤ法では製造することができず、以下の特異的なＣＶＤ工程によって初めて製造することができる層である。
【００６９】
すなわち、本実施形態に係る製造方法は、基材上に形成される、１または２以上の層により構成される被膜の製造方法であって、該層のうちの少なくとも１層を、ＣＶＤ法を用いて形成するＣＶＤ工程を含み、ＣＶＤ工程は、チタンおよびアルミニウムを含む第１ガスと、窒素を含む第２ガスとを、基材に向かって噴出する噴出工程と、噴出工程後の基材を、５分以上３０分以下の期間、８５０℃以上１０００℃以下の加熱条件でアニール処理するアニール工程と、アニール工程後の基材を、７℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却する冷却工程と、を含む被膜の製造方法である。以下、多層構造含有層を製造するための上記ＣＶＤ工程について詳述する。
【００７０】
＜ＣＶＤ工程＞
上記ＣＶＤ工程は、上述の被膜を構成する層のうちの少なくとも１層である多層構造含有層をＣＶＤ法により形成する工程である。このＣＶＤ工程においては、図３に示すＣＶＤ装置を用いることができる。
【００７１】
図３を参照し、ＣＶＤ装置２１内には、基材１１を保持するための基材セット治具２２を複数設置することができ、これらは耐熱合金鋼製の反応容器２３でカバーされる。また、反応容器２３の周囲には調温装置２４が配置されており、この調温装置２４により、反応容器２３内の温度を制御することができる。
【００７２】
反応容器２３内には、２つの導入口２５、２６を有する導入管２７が配置されている。導入管２７は、基材セット治具２２が配置される領域を貫通するように配置されており、基材セット治具２２近傍の部分には複数の貫通孔が形成されている。導入管２７において、導入口２５、２６から管内に導入された各ガスは、導入管２７内において混合されることなく、それぞれ異なる貫通孔を経て、反応容器２３内に導入される。この導入管２７は、その軸を中心軸として回転することができる。また、ＣＶＤ装置２１には排気管２８が配置されており、排気ガスは排気口２９から外部へ排出することができる。なお、反応容器２３内の治具類等は、通常黒鉛により構成される。後述する各工程に関し、図３を用いながら説明する。
【００７３】
＜噴出工程＞
本工程では、チタンおよびアルミニウムを含む第１ガスと、窒素を含む第２ガスとを、基材に向かって噴出する。なお、本工程を実施するに先だって、ＣＶＤ装置２１の反応容器２３内の基材セット治具２２には、被膜形成部位が反応容器２３内に露出するように、基材１１が配置される。また、反応容器２３内は、高温減圧環境に維持される。
【００７４】
図３を参照し、本工程において、第１ガスが導入口２５から導入管２７内に導入され、第２ガスが導入口２６から導入管２７内に導入される。また、このときの導入管２７は、不図示の駆動部により、図中回転矢印で示すようにその軸を中心として回転する。
【００７５】
導入管２７の一端側（図中上側）には複数の貫通孔が開いているため、導入された第１ガスおよび第２ガスは、それぞれ異なる複数の貫通孔から反応容器２３内に噴出される。また、導入管２７が回転しているため、反応容器２３内には、第１ガスと第２ガスとが混合された状態となる。したがって、本工程においては、基材セット治具２２に設置された基材１１の表面に、第１ガスと第２ガスとが混合された混合ガスが噴出されることになる。これにより、基材１１の露出する表面に混合ガスが到達し、この混合ガスに含まれる元素を組成成分とした成長層として、ＴｉＡｌＮ層が形成される。
【００７６】
チタンおよびアルミニウムを含む第１ガスとしては、ＴｉＣｌ4ガス、ＡｌＣl3ガスを含むガスを挙げることができる。窒素を含む第２ガスとしては、ＮＨ3を含むガスを挙げることができる。また、第１ガスとともに導入口２５からキャリアガスを導入してもよく、第２ガスとともに導入口２６からキャリアガスを導入してもよい。なお、キャリアガスとしては、Ｈ2ガス、Ｎ2ガス、Ａｒガスなどを挙げることができる。
【００７７】
また、本工程において、反応容器２３内の温度は、好ましくは７００℃以上９００℃以下であり、反応容器２３内の圧力は、好ましくは０．１ｋＰａ以上１３ｋＰａ以下に維持される。これにより、ＴｉＡｌＮ層の効率的な形成が可能となる。
【００７８】
また、本工程の実施時間を調整することにより、上記成長層の厚みを制御することができる。たとえば、噴出工程の実施時間を短くすることによって成長層の厚みを小さくすることができ、長くすることによって成長層の厚みを大きくすることができる。また、成長層の組成は、第１ガス中のチタンを含むガスとアルミニウムを含むガスとの混合割合を調整することによって制御することができる。たとえば、第１ガスにおけるＴｉＣｌ4ガスの混合割合を大きくすることによって成長層中のＴｉの含有割合を高めることができ、逆に第１ガスにおけるＡｌＣｌ3ガスの混合割合を大きくすることによって成長層中のＡｌの含有割合を高めることができる。
【００７９】
また、本工程の第１ガス中のチタンを含むガスとアルミニウムを含むガスとのモル比率を調整することにより、第２単位層１３の成長面を（２００）面または（１１１）面のいずれかに設定することができる。具体的には、第１ガス中におけるＡｌＣｌ3とＴｉＣｌ4とのモル比率（ＡｌＣｌ3／ＴｉＣｌ4）を３．０未満に調整することにより、第２単位層１３の成長面を（２００）面にすることができる。このような第２単位層１３は、前述のように、そのＸ線回折スペクトルにおいて（２００）面由来のピークが最大強度となる。また、ＡｌＣｌ3とＴｉＣｌ4とのモル比率（ＡｌＣｌ3／ＴｉＣｌ4）を３．０以上に調整することにより、第２単位層１３の成長面を（１１１）面にすることができる。このような第２単位層１３は、前述のように、そのＸ線回折スペクトルにおいて（１１１）面由来のピークが最大強度となる。
【００８０】
なお、噴出工程の実施時間および成長層中のＴｉとＡｌの含有割合は、後述するアニール工程、冷却工程を経て形成される多層構造含有層の構成にも影響する。たとえば、成長層の厚みが大きくなった場合、第１単位層および第２単位層による積層周期の数も増える傾向にある。また、成長層中のＴｉの含有割合が大きい場合、第１単位層の厚みが大きくなったり、第２単位層におけるＴｉの含有割合が大きくなる傾向にある。反対に、成長層中のＡｌの含有割合が大きい場合、第２単位層の厚みが大きくなったり、第２単位層におけるＡｌの含有割合が高くなる傾向にある。
【００８１】
＜アニール工程＞
本工程では、噴出工程後の基材を、５分以上３０分以下の期間、８５０℃以上１０００℃以下の加熱条件でアニール処理する。具体的には、本工程において、導入管２７からの第１ガスおよび第２ガスの導入を行わず、キャリアガスのみを導入し続けながら、噴出工程後の基材１１が反応容器２３内に配置されたままの状態で、５分以上３０分以下の期間、反応容器２３内を８５０℃以上１０００℃以下に加熱する。これにより、成長層が形成された基材１１がアニール処理される。
【００８２】
＜冷却工程＞
本工程では、アニール工程後の基材を、７℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却する。具体的には、アニール工程後の基材１１が配置される反応容器２３内を、基材１１の温度が７℃／ｍｉｎ以上の速度で低下するように冷却する。なお、噴出工程後の基材１１を自然放置により冷却させた場合、その冷却速度は３℃／ｍｉｎ〜４℃／ｍｉｎ程度であり、５℃／ｍｉｎを超えることはない。
【００８３】
上述のようなＣＶＤ工程を行うことによって、上述の多層構造含有層が形成される理由の詳細は不明であるが、種々の検討結果を踏まえ、本発明者らは、次のように推察する。
【００８４】
噴出工程によって形成された成長層はＴｉＡｌＮからなるが、このＡｌの含有割合が高い場合、ＴｉＡｌＮの結晶構造は不安定である。このような不安定な結晶構造を有する成長層に対して引き続きアニール処理が行われることにより、ＴｉＡｌＮがスピノーダル分解することによって成長層内で相分離が発生する。
【００８５】
上記相分離は、ｆｃｃ−ＴｉＡｌＮからなる成長層が、ｆｃｃ−ＡｌＮからなる層、ｆｃｃ−ＴｉＡｌＮからなる層、ｆｃｃ−ＴｉＮからなる層の３層構造となった後、アルミニウムおよびチタンの各元素が各々分散することにより、ｆｃｃ−ＡｌＮからなる層とｆｃｃ−ＴｉＮからなる層が薄くなっていくとともにｆｃｃ−ＴｉＡｌＮからなる層が厚くなっていく。なお、３層構造の初期の段階では、ｆｃｃ−ＴｉＡｌＮからなる層はｆｃｃ−ＡｌＮからなる層やｆｃｃ−ＴｉＮからなる層と比して極めて薄いと考えられる。
【００８６】
ｆｃｃ−ＡｌＮからなる層とｆｃｃ−ＴｉＮからなる層はそれぞれ薄くなっていくが、アルミニウムの分散速度がチタンの分散速度よりも早いために、ｆｃｃ−ＡｌＮからなる層が先に消滅する傾向にある。したがって、上述のようにアニール処理の温度および期間を適切に設定することにより、ｆｃｃ−ＴｉＮからなる層は消滅することなく、ｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる層とｆｃｃ−ＴｉＮからなる層が交互に積層された構造となり、かつＡｌが十分に分散していることにより、Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる層のｘが０．６以上０．９以下という高い数値を有することができる。
【００８７】
しかし、相分離の過程において、ｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる層とｆｃｃ−ＴｉＮからなる層が交互に積層された構造が形成されたとしても、その後、この被膜が自然放置のような遅い速度で冷却された場合、あるいはアニール処理時間が上記期間よりも長く設定された場合には、最終的に多層構造含有層を形成することはできない。これは、相分離の過程で存在するＴｉＡｌＮからなる層が、より安定な結晶構造となるべく、ｈｃｐ−ＡｌＮとｆｃｃ−ＴｉＮとに相分離してしまうためと考えられる。
【００８８】
これに対し、本実施形態の製造方法においては、成長層は、適切なアニール処理後、直ちに７℃／ｍｉｎ以上の高い冷却速度で冷却される。このため、相分離は上述の段階で停止し、結果的に、ｆｃｃ−ＴｉＮからなる第１単位層と、ｆｃｃ−Ｔｉ1-xＡｌxＮからなる第２単位層とが交互に積層された多層構造を含む多層構造含有層が形成されるものと考えられる。
【実施例】
【００８９】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。なお、以下の説明において、各層の厚みは、前述のように被膜の断面をＳＥＭ観察またはＴＥＭ観察することにより測定したものであり、Ｔｉ1-xＡｌxＮにおけるＡｌの含有割合ｘは、前述のようにＥＤＸを用いて測定したものであり、圧縮残留応力は、前述のようにｓｉｎ2ψ法により測定したものである。
【００９０】
＜基材＞
まず、被膜を形成させる対象となる基材として、以下の表１に示す基材Ｌおよび基材Ｍを準備した。具体的には、まず、表１に記載の配合組成から成る原料粉末を均一に混合した。表１中の「残り」とは、ＷＣが配合組成（質量％）の残部を占めることを示している。次に、この混合粉末を所定の形状に加圧成形した後、１３００〜１５００℃で１〜２時間焼結して、形状がＣＮＭＧ１２０４０８ＮＧＵの超硬合金製の基材を得た。なお、この形状は住友電工ハードメタル社製のものであり、旋削用の刃先交換型切削チップの形状である。
【００９１】
【表１】
2015052133.tif 000003
【００９２】
＜被膜＞
作製した基材の表面に表２に示す構造の被膜（Ｎｏ．１〜２１）を作製した。これにより、基材上に被膜が形成された切削工具（Ｎｏ．１〜２１）を得た。
【００９３】
【表２】
2015052133.tif 000004
【００９４】
表２において、下地層は被膜の最内層であって基材の表面と直接接する層であり、中間層は下地層上に形成された層であり、表面層は中間層上に形成された層である。なお、１つの欄内に２層が記載されている場合、左側の層が下層であることを意味し、「−」のみで示される欄は、該当する層を有さないことを意味する。
【００９５】
たとえば、表２のＮｏ．１５の切削工具は、基材Ｍの表面上に１．０μｍの厚みのＴｉＮ層および３．０μｍの厚みのＴｉＣＮ層からなる下地層が形成され、その上に形成条件ｂで形成された２．５μｍの厚みの中間層が形成され、さらにその上に０．５μｍの厚みのＴｉＢＮ層および１．０μｍの厚みのＡｌ2Ｏ3層からなる表面層が形成された構成であり、各層からなる被膜全体の厚みが８．０μｍであることを示す。
【００９６】
上記表２に示す下地層および表面層は、従来公知のＣＶＤ法によって形成された層であり、その形成条件は表３に示す通りである。たとえば、表３の「ＴｉＮ（下地層）」の行には、下地層としてのＴｉＮ層の形成条件が示されている。表３を参照し、ＴｉＮ層は、ＣＶＤ装置の反応容器内（容器内の環境は６．７ｋＰａ、９１５℃）に基材を配置し、該反応容器内に２容量％のＴｉＣｌ4ガス、３９．７容量％のＮ2ガスおよび残り５８．３容量％のＨ2ガスからなる混合ガスを６３．８Ｌ／ｍｉｎの流量で噴出することにより形成された。なお、表３に示される他の層についても、これと同様の記載となっている。
【００９７】
【表３】
2015052133.tif 000005
【００９８】
一方、上記表２に示す中間層のうち、Ｎｏ．１〜１５の被膜が有する中間層は前述の多層構造含有層に該当し、形成条件ａ〜ｇのいずれかによって形成されている。また、Ｎｏ．１６〜１８の被膜が有する中間層は前述の特許文献１に開示されるＴｉ1-xＡｌxＮ層に該当し、形成条件ｘによって形成されている。また、Ｎｏ．１９〜２１の被膜が有する中間層は前述の特許文献２に開示されるＴｉＮ層およびＡｌＮ層を０．４ｎｍ〜５０ｎｍの周期で組成を連続的に変化させた多層構造からなる層に該当し、形成条件ｙによって形成されている。形成条件ａ〜ｇの詳細を表４および表５に示す。
【００９９】
【表４】
2015052133.tif 000006
【０１００】
【表５】
2015052133.tif 000007
【０１０１】
表４および５を参照しながら、形成条件ａについて具体的に説明する。形成条件ａにおいて、多層構造含有層である中間層は、次のようにして形成された。すなわち、まず、噴出工程として、基材が配置された図３に示すＣＶＤ装置の反応容器内に、ＡｌＣｌ3ガス、ＴｉＣｌ4ガスからなる第１ガスと、ＮＨ3ガスからなる第２ガスを異なる導入口より各々導入させた。このとき、ＡｌＣｌ3ガスおよびＴｉＣｌ4ガスの各流量は０．０６５ｍｏｌ／ｍｉｎおよび０．０２５ｍｏｌ／ｍｉｎとなるように調整され、ＮＨ3ガスの流量は０．０９ｍｏｌ／ｍｉｎとなるように調整された。
【０１０２】
なお、第１ガスを導入する導入口からは、キャリアガスとしてＨ2ガス（流量：２．９ｍｏｌ／ｍｉｎ）およびＮ2ガス（流量：１．０ｍｏｌ／ｍｉｎ）が導入され、第２ガスを導入する導入口からは、キャリアガスとしてＮ2ガス（流量：０．９ｍｏｌ／ｍｉｎ）が導入された。
【０１０３】
上記噴出工程において、反応容器内の圧力および温度は２．２ｋＰａ、８００℃に維持され、また、第１ガスおよび第２ガスを導入する導入管はその軸を中心に回転していた。この噴出工程を２時間継続させた後、反応容器内への第１ガスおよび第２ガスの導入を停止した。
【０１０４】
次に、アニール工程として、噴出工程後の反応容器内の温度を９００℃に上昇させてからこの状態を１０分間継続し、反応容器内の基材をアニール処理した。なお、このときの反応容器内の圧力は１００ｋＰａに維持されていた。
【０１０５】
次に、冷却工程として、アニール工程後の基材を含む反応容器内を強制的に冷却することにより、１５℃／ｍｉｎの冷却速度で基材の温度を低下させ、形成された被膜を冷却させた。以上の工程を経ることにより、多層構造含有層である中間層が形成された。同様に、他の形成条件ｂ〜ｇにおいても、表４および表５に記載される条件に従って多層構造含有層である中間層が形成された。
【０１０６】
また、形成条件ｘに関し、中間層は特許文献１に開示されるＰＶＤ法を利用して形成された。具体的には、まず、ＰＶＤ法に用いられる蒸着装置の炉内の一方にＴｉターゲットを設置し、その向かい側にＡｌターゲットを設置し、各ターゲット間の中央のターンテーブル上に基材を配置した。そして、該ターンテーブルを５０ｒｐｍ／分で回転させながら、炉内にＮ2ガスを３０００ｃｃ／ｍｉｎで導入し、真空アーク放電によりＴｉターゲットおよびＡｌターゲットを蒸発、イオン化させた。なお、このときの炉内の圧力および温度は、それぞれ１×１０-2Ｔｏｒｒおよび５００℃となるように維持させた。この条件でのＰＶＤ処理を６００分間行うことにより、９．０μｍの厚みの中間層が形成され、同ＰＶＤ処理を３４０分間行うことにより、５．０μｍの厚みの中間層が形成された。
【０１０７】
また、形成条件ｙに関し、中間層は特許文献２に開示される従来のＣＶＤ法を用いて形成された。具体的には、まず、噴出工程として、基材が配置された図３に示すＣＶＤ装置の反応容器内に、ＡｌＣｌ3ガス、ＴｉＣｌ4ガスからなる第１ガスと、ＮＨ3ガスからなる第２ガスを異なる導入口より各々導入させた。このとき、ＡｌＣｌ3ガスおよびＴｉＣｌ4ガスの各流量は０．０００９ｍｏｌ／ｍｉｎおよび０．０００１５ｍｏｌ／ｍｉｎとなるように調整され、ＮＨ3ガスの流量は０．０９ｍｏｌ／ｍｉｎとなるように調整された。なお、第１ガスを導入する導入口からは、キャリアガスとしてＨ2ガス（流量：２．９ｍｏｌ／ｍｉｎ）およびＮ2ガス（流量：１．０ｍｏｌ／ｍｉｎ）が導入され、第２ガスを導入する導入口からは、キャリアガスとしてＮ2ガス（流量：０．９ｍｏｌ／ｍｉｎ）が導入された。
【０１０８】
上記噴出工程において、反応容器内の圧力および温度は１．０ｋＰａ、８００℃に維持され、また、第１ガスおよび第２ガスを導入する導入管はその軸を中心に回転していた。この噴出工程を所定時間継続させた後、反応容器内への第１ガスおよび第２ガスの導入を停止した。
【０１０９】
そして、上記噴出工程後、形成条件ａ〜ｇとは異なり、噴出工程後の基材に対しアニール処理を実施することはなく、かつ基材を強制的に冷却させることなく自然放置によって冷却させた。なお、自然放置による基材の冷却速度は３．５℃／ｍｉｎであった。また、上記噴出工程を５時間継続させた場合には５μｍの厚みの中間層が形成され、１０時間継続させた場合には１０μｍの厚みの中間層が形成された。
【０１１０】
【表６】
2015052133.tif 000008
【０１１１】
表６に、各形成条件ａ〜ｇ、ｘおよびｙによって形成された中間層の詳しい構成を示す。表６を参照し、各形成条件ａ〜ｇにより形成された多層構造含有層において、各多層構造含有層におけるＴｉＮ層およびＴｉ1-xＡｌxＮ層のそれぞれの厚みは表６に示すように同等であった。また、Ｔｉ1-xＡｌxＮ層におけるＡｌの含有割合ｘは表６に示すように０．６以上０．９以下であった。また、多層構造含有層に関し、積層構造内の層数は表６に示す通りであり、その層数は１００以上であった。すなわち、この多層構造含有層が有する積層構造は超多層構造に分類される。なお、多層構造含有層が柱状晶領域を有すること、該柱状晶領域に多層構造が構成されていることについても、ＴＥＭ観察により確認された。
また、形成条件ｘによって形成された中間層は、４ｎｍの厚みのＴｉＮ層と４ｎｍの厚みのＡｌＮ層とが交互に積層された積層構造からなる層（ＡｌＮ／ＴｉＮ層）であり、形成条件ｙよって形成された中間層は、Ｔｉ0.1Ａｌ0.9Ｎの組成を主とする単層からなる層（Ｔｉ0.1Ａｌ0.9Ｎ層）であった。
【０１１２】
＜多層構造含有層の特性＞
多層構造含有層の特性として、形成条件ａ〜ｇで形成された中間層に含まれるＴｉ1-xＡｌxＮ層のＸ線回折スペクトルを観察し、その最大強度を示すピークがいずれの面に由来するのかを確認し、さらに、Ｘ線を用いたｓｉｎ2ψ法によりＴｉ1-xＡｌxＮ層の圧縮残留応力を測定した。その結果を表７に示す。なお、試料Ｎｏ．１〜１５の各被膜の中間層に含まれるＴｉ1-xＡｌxＮ層について上記の特性を確認したところ、上記特性は形成条件毎に一致したため、表７においては試料Ｎｏ毎ではなく、形成条件毎の結果を示す。
【０１１３】
【表７】
2015052133.tif 000009
【０１１４】
表７を参照し、形成条件ａ〜ｅに従って形成された中間層に含まれるＴｉ1-xＡｌxＮ層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて（２００）面由来のピークが最大強度を示し、形成条件ｆおよびｇに従って形成された中間層に含まれるＴｉ1-xＡｌxＮ層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて（１１１）面由来のピークが最大強度を示すことが確認された。また、いずれの形成条件によって形成された中間層においても、Ｔｉ1-xＡｌxＮ層の圧縮残留応力の絶対値は２．０ＧＰａ以下であることが確認された。
【０１１５】
＜切削性能評価＞
製造されたＮｏ．１〜２１の各切削工具を用いて、以下の切削試験１〜５の切削試験を行い、各切削工具の切削性能を評価した。
【０１１６】
＜切削試験１＞
以下の表８に示すＮｏ．の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量（Ｖｂ）が０．２０ｍｍとなるまでの切削時間を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表７に示す。切削時間が長いもの程、耐摩耗性に優れていることを示す。また、最終損傷形態が正常摩耗に近いもの程、耐溶着性に優れていることを示す。
【０１１７】
＜切削条件＞
被削材：ＳＵＳ３１６丸棒外周切削
周速：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み量：１．０ｍｍ
切削液：あり
【０１１８】
【表８】
2015052133.tif 000010
【０１１９】
表８より明らかなように、Ｎｏ．１、３、７、９の各切削工具は、Ｎｏ．１６、１７、１９の各切削工具に比し、耐摩耗性に優れていた。なお、表８の最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態（平滑な摩耗面を有する）を意味する。この結果から、多層構造含有層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１、３、７、９）は、ＡｌＮ／ＴｉＮ層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１６、１７）およびＴｉ0.1Ａｌ0.9Ｎ層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１９）よりも耐摩耗性に優れており、もって切削性能に優れることが確認された。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他の被膜と比して、高い硬度と高い耐酸化性とを有するためと考えられる。
【０１２０】
＜切削試験２＞
以下の表９に示すＮｏ．の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量（Ｖｂ）が０．２０ｍｍとなるまでの切削時間を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表９に示す。切削時間が長いもの程、耐摩耗性に優れていることを示す。また、最終損傷形態が正常摩耗に近いもの程、耐溶着性に優れていることを示す。
【０１２１】
＜切削条件＞
被削材：ＳＵＳ３０４丸棒外周切削
周速：２００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み量：１．０ｍｍ
切削液：あり
【０１２２】
【表９】
2015052133.tif 000011
【０１２３】
表９より明らかなように、Ｎｏ．１、４、５、８の各切削工具は、Ｎｏ．１７、１９の各切削工具に比し、耐摩耗性および溶着性に優れていた。なお、表９の最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態（平滑な摩耗面を有する）を意味し、「欠損」とは切れ刃部に生じた大きな欠けを意味し、「チッピング」とは仕上げ面を生成する切れ刃部に生じた微小な欠けを意味する。この結果から、多層構造含有層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１、４、５、８）は、ＡｌＮ／ＴｉＮ層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１７）およびＴｉ0.1Ａｌ0.9Ｎ層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１９）よりも耐摩耗性および耐溶着性に優れており、もって切削性能に優れることが確認された。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他の被膜と比して、高い硬度と高い耐酸化性とを有するためと考えられる。
【０１２４】
＜切削試験３＞
以下の表１０に示すＮｏ．の切削工具について、以下の切削条件により工具刃先部において欠損またはチッピングが発生するまでの切削時間（分）を測定した。その結果を表１０に示す。切削時間が長いものほど、耐疲労靭性に優れていることを示している。
【０１２５】
＜切削条件＞
被削材：ＳＣＭ４３５溝材
周速：３５０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．１５ｍｍ／ｓ
切込み量：１．０ｍｍ
切削液：あり
【０１２６】
【表１０】
2015052133.tif 000012
【０１２７】
表１０より明らかなように、Ｎｏ．１、２、３、５、６の各切削工具は、Ｎｏ．１７、１９、２０の各切削工具に比し、耐疲労靭性に優れていた。この結果から、多層構造含有層を含む被膜で被覆された切削工具（、Ｎｏ．１、２、３、５、６）は、ＡｌＮ／ＴｉＮ層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１７）およびＴｉ0.1Ａｌ0.9Ｎ層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１９、２０）よりも耐疲労靱性に優れており、もって切削性能に優れることが確認された。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他の被膜と比して、高い硬度と高い耐酸化性とを有するためと考えられる。
【０１２８】
＜切削試験４＞
以下の表１１に記載したＮｏ．の切削工具について、以下の切削条件により欠損または逃げ面摩耗量（Ｖｂ）が０．２０ｍｍになるまでのパス回数および切削距離を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表１１に示す。パス回数が多いもの程（すなわち切削距離が長いもの程）、耐摩耗性に優れていることを示す。また、最終損傷形態が正常摩耗に近いもの程、耐衝撃性に優れていることを示す。
【０１２９】
なお、パス回数とは、下記被削材（形状：３００ｍｍ×１００ｍｍ×８０ｍｍのブロック状）の一側面（３００ｍｍ×８０ｍｍの面）の一方端から他方端までを、切削工具（刃先交換型切削チップ）を１枚取付けたカッタにより転削する操作を繰り返し、その繰り返し回数をパス回数とした（パス回数に少数点以下の数値を伴うものは、一方端から他方端までの途中で上記の条件に達したことを示す）。切削距離とは、上記の条件に達するまでに切削加工された被削材の合計距離を意味し、パス回数と上記側面の長さ（３００ｍｍ）との積に相当する。
【０１３０】
＜切削条件＞
被削材：ＦＣＤ７００ブロック材
周速：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．２ｍｍ／ｓ
切込み量：２．０ｍｍ
切削液：なし
カッタ：ＷＥＸ３０３２Ｅ（住友電工ハードメタル社製）
チップ：ＡＸＭＴ１７０５０８ＰＥＥＲ−Ｇ１枚刃（住友電工ハードメタル社製）
【０１３１】
【表１１】
2015052133.tif 000013
【０１３２】
表１１より明らかなように、Ｎｏ．１０、１１、１３、１５の各切削工具は、Ｎｏ．１８、２１の切削工具に比し、耐摩耗性に優れていた。なお、表１１の最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態（平滑な摩耗面を有する）を意味する。この結果から、多層構造含有層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１０、１１、１３、１５）は、ＡｌＮ／ＴｉＮ層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１８）およびＴｉ0.1Ａｌ0.9Ｎ層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．２１）よりも耐摩耗性に優れており、もって切削性能に優れることが確認された。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他の被膜と比して、高い硬度と高い耐酸化性とを有するためと考えられる。
【０１３３】
＜切削試験５＞
以下の表１２に記載したＮｏ．の切削工具について、以下の切削条件により欠損または逃げ面摩耗量（Ｖｂ）が０．２０ｍｍになるまでのパス回数および切削距離を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察した。その結果を表１２に示す。パス回数が多いもの程（すなわち切削距離が長いもの程）、耐摩耗性に優れていることを示す。また、最終損傷形態が正常摩耗に近いもの程、耐衝撃性に優れていることを示す。
【０１３４】
＜切削条件＞
被削材：ＳＵＳ３０４ブロック材
周速：２００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．２ｍｍ／ｓ
切込み量：２．０ｍｍ
切削液：なし
カッタ：ＷＥＸ３０３２Ｅ（住友電工ハードメタル社製）
チップ：ＡＸＭＴ１７０５０８ＰＥＥＲ−Ｇ１枚刃（住友電工ハードメタル社製）
【０１３５】
【表１２】
2015052133.tif 000014
【０１３６】
表１２より明らかなように、Ｎｏ．１０、１２、１３、１４の各切削工具は、Ｎｏ．１８、２１の切削工具に比し、耐摩耗性および耐衝撃性の両者に優れていた。なお、表１２の最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態（平滑な摩耗面を有する）を意味し、「チッピング」とは切れ刃部に生じた小さな欠けを意味する。この結果から、多層構造含有層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１０、１２、１３、１４）は、ＡｌＮ／ＴｉＮ層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．１８）およびＴｉ0.1Ａｌ0.9Ｎ層を含む被膜で被覆された切削工具（Ｎｏ．２１）よりも耐摩耗性に優れており、もって切削性能に優れることが確認された。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他の被膜と比して、高い硬度と高い耐酸化性とを有するためと考えられる。
【０１３７】
以上の切削試験１〜５から明らかなように、本実施の形態に係る多層構造含有層を含む被膜を備えた各切削工具（Ｎｏ．１〜１５）は、他の切削工具（Ｎｏ．１６〜２１）と比して、切削性能に優れていた。これは、多層構造含有層を含む被膜が、他のＴｉＮ／ＡｌＮ層やＴｉ0.1Ａｌ0.9Ｎ層と比して高い硬度を有し、かつ高い耐酸化性を有するためと考えられる。
【０１３８】
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。
【符号の説明】
【０１３９】
１０  多層構造含有層
１１  基材
１２  第１単位層
１３  第３単位層
２１  ＣＶＤ装置
２２  基材セット治具
２３  反応容器
２４  調温装置
２５，２６  導入口
２７  導入管
２８  排気管
２９  排気口。
【図３】
2015052133.tif 000015
【図１】
2015052133.tif 000016
【図２】
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