(57)【要約】【課題】α型酸化アルミニウム膜被覆工具の、内層膜との密着強度が高く、結晶粒径がより微細で耐クラック性と耐摩耗性とに優れたα型酸化アルミニウム膜を被覆した酸化アルミニウム被覆工具を実現することである。【解決手段】結合層Ｂに含有されているチタン量に対する酸素量の比ＢＯ／ＢＴが０．００５〜０．０２５であり、且つ、該結合層Ｂに含有されているチタン量に対する窒素量の質量比ＢＮ／ＢＴと、該皮膜Ｉに含有されているチタン量に対する窒素量の質量比ＩＮ／ＩＴとの比、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．７〜２．５であることを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体表面に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒化物のいずれか一種の単層皮膜又は二種以上の多層皮膜からなる内層膜と、結合層Ｂ、及び、少なくとも一層のα型酸化アルミニウム膜がこの順番で形成されており、該内層膜に、少なくともチタンと窒素及び炭素を含有する縦長柱状結晶粒からなり膜厚が２μｍ以上である皮膜Ｉが少なくとも一層形成されており、該結合層Ｂが少なくともチタンと窒素及び酸素元素を含有し、しかも、断面形状が針状である突起がα型酸化アルミニウム膜との界面に形成されている酸化アルミニウム被覆工具において、該結合層Ｂに含有されているチタン量に対する酸素量の比ＢＯ／ＢＴが０．００５〜０．０２５であり、且つ、該結合層Ｂに含有されているチタン量に対する窒素量の質量比ＢＮ／ＢＴと、該皮膜Ｉに含有されているチタン量に対する窒素量の質量比ＩＮ／ＩＴとの比、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．７〜２．５であることを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具。
【請求項２】
請求項１記載の酸化アルミニウム被覆工具において、該結合層Ｂの塩素量が０．２質量％以下であることを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の酸化アルミニウム被覆工具において、該皮膜Ｉの窒素及び／又は炭素の一部が酸素元素に置換されており、該皮膜Ｉに含有されるチタン量ＩＴ質量％に対する窒素量ＩＮ質量％の比ＩＮ／ＩＴが０．０４０〜０．１１０、同炭素量ＩＣ質量％の比ＩＣ／ＩＴが０．１４５〜０．１８０であり、且つ、同酸素量ＩＯ質量％の比ＩＯ／ＩＴが０．０２以下であることを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の酸化アルミニウム被覆工具において、該α型酸化アルミニウム膜の膜厚をＡμｍ、同膜表面の平均結晶粒径をＤμｍとしたとき、Ａ≦２．５μｍの時はＤ≦０．８μｍ、２．５＜Ａ≦４．５μｍの時はＤ≦１．５μｍ、Ａ＞４．５μｍの時はＤ≦２．５μｍであることを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削用及び耐摩耗用の酸化アルミニウム被覆工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
α型酸化アルミニウム膜の間に酸素を含有する結合層を形成し、α型酸化アルミニウム膜を密着性良く成膜して、被覆工具に適用する技術が、下記の特許文献１〜５に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平０６−３１６７５８号公報
【特許文献２】特開平１０−２７３７７８号公報
【特許文献３】特開平１０−１８０３９号公報
【特許文献４】特開平１０−１５６６０６号公報
【特許文献５】特開２００４−１９５５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明が解決しようとする課題は、α型酸化アルミニウム膜被覆工具の、内層膜との密着強度が高く、結晶粒径がより微細で耐クラック性と耐摩耗性とに優れたα型酸化アルミニウム膜を被覆した酸化アルミニウム被覆工具を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明の酸化アルミニウム被覆工具は、基体表面に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒化物のいずれか一種の単層皮膜又は二種以上の多層皮膜からなる内層膜と、結合層Ｂ、及び、少なくとも一層のα型酸化アルミニウム膜がこの順番で形成されており、該内層膜に、少なくともチタンと窒素及び炭素を含有する縦長柱状結晶粒からなり膜厚が２μｍ以上である皮膜Ｉが少なくとも一層形成されており、該結合層Ｂが少なくともチタンと窒素及び酸素元素を含有し、しかも、断面形状が針状である突起がα型酸化アルミニウム膜との界面に形成されている酸化アルミニウム被覆工具において、該結合層Ｂに含有されているチタン量に対する酸素量の比ＢＯ／ＢＴが０．００５〜０．０２５であり、且つ、該結合層Ｂに含有されているチタン量に対する窒素量の質量比ＢＮ／ＢＴと、該皮膜Ｉに含有されているチタン量に対する窒素量の質量比ＩＮ／ＩＴとの比、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．７〜２．５であることを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具である。こうすることにより、緻密で機械強度が高く、しかも、断面形状が針状である突起がその表面に高密度に形成されている結合層Ｂが作製できるようになり、その結果、内層膜、結合層Ｂ、α型酸化アルミニウム膜間に格段に優れた密着強度を有する酸化アルミニウム被覆工具が実現でき、しかも、該針状突起が高密度に形成されていることにより、より微細な結晶粒径を有するα型酸化アルミニウム膜が形成できるようになり、耐クラック性と耐摩耗性が更に優れた酸化アルミニウム被覆工具を実現することができる。
【０００６】
本願発明の酸化アルミニウム被覆工具は、結合層Ｂの塩素量が０．２質量％以下であることが好ましい。また、皮膜Ｉの窒素及び／又は炭素の一部が酸素元素に置換されており、該皮膜Ｉに含有されるチタン量ＩＴ質量％に対する窒素量ＩＮ質量％の比ＩＮ／ＩＴが０．０４０〜０．１１０、同炭素量ＩＣ質量％の比ＩＣ／ＩＴが０．１４５〜０．１８０であり、且つ、同酸素量ＩＯ質量％の比ＩＯ／ＩＴが０．０２以下であることが好ましい。また、α型酸化アルミニウム膜の膜厚をＡμｍ、同膜表面の平均結晶粒径をＤμｍとしたとき、Ａ≦２．５μｍの時はＤ≦０．８μｍ、２．５＜Ａ≦４．５μｍの時はＤ≦１．５μｍ、Ａ＞４．５μｍの時はＤ≦２．５μｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明により、内層膜とα型酸化アルミニウム膜間の密着性が高く、膜厚に比してα型酸化アルミニウム膜表面の結晶粒径がより微細であり、耐クラック性と耐摩耗性が更に優れた酸化アルミニウム被覆工具を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本願発明の酸化アルミニウム被覆工具は、内層膜内に、少なくともチタンと窒素及び炭素を含有する縦長柱状結晶粒からなり膜厚が２μｍ以上である皮膜Ｉが少なくとも一層形成されており、結合層Ｂに含有されているチタン量に対する酸素量の比ＢＯ／ＢＴが０．００５〜０．０２５であり、且つ、該結合層Ｂに含有されているチタン量に対する窒素量の質量比ＢＮ／ＢＴと、該皮膜Ｉに含有されているチタン量に対する窒素量の質量比ＩＮ／ＩＴとの比、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．７〜２．５であることにより、内層膜とα型酸化アルミニウム膜間の密着性が更に高められるとともに、α型酸化アルミニウム膜の結晶粒径がより微細で耐クラック性と耐摩耗性とに優れた酸化アルミニウム被覆工具を実現することができる。その理由は、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）を１．７〜２．５に制御し、且つ、ＢＯ／ＢＴを０．００５〜０．０２５に制御することにより、結合層Ｂ中に含有される窒素量と酸素量の両者をより精密に制御でき、緻密で機械強度が高く、しかも、断面形状が針状である突起がその表面に高密度に形成されている結合層Ｂが作製できるためである。結合層Ｂ中の窒素含有量を精密に制御することにより、結合層Ｂ中に含有される酸素量の許容範囲が拡がるとともに、より精密に酸素含有量も制御できるようになる。元来、窒素、炭素、酸素のような軽元素の含有量を、結合層Ｂのようにその膜厚が数１００ｎｍ以下と薄い薄層中で定量分析することは困難であり、特に、窒素元素は、特性Ｘ線の波長がチタン元素の波長に重なるため、定量分析することが困難である。しかし、本願発明は、より波長分解能の高い電子プローブマイクロ分析機（以下、ＥＰＭＡと記す。）を用い、結合層Ｂ中の窒素含有量とチタン含有量の比（ＢＮ／ＢＴ）を測定するとともに、これを、膜厚が２μｍ以上と厚い皮膜Ｉの窒素含有量とチタン含有量の比（ＩＮ／ＩＴ）で割り、比較することにより、結合層Ｂ中の窒素含有量をより精密に制御できる。その理由は、結合層Ｂ近傍にあり、膜厚が２μｍ以上と厚い皮膜Ｉの（ＩＮ／ＩＴ）を測定し、これを基準にして、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）を１．７〜２．５に制御することにより、ＥＰＭＡ分析時の、窒素元素とチタン元素の特性Ｘ線の波長の重なりや、信号のベースの変動、ノイズ等の影響が相殺され、結合層Ｂ中の窒素含有量をより精密に測定できるためである。酸素原子の特性Ｘ線のピークは他の元素と重ならないため、比較的精密に測定できるが、結合層Ｂのチタン含有量に対する酸素含有量の比ＢＯ／ＢＴを測定し、これを０．００５〜０．０２５に制御することにより、ＥＰＭＡ分析時の、信号のベースの変動やノイズの影響を軽減でき、結合層Ｂ中の酸素含有量をより精密に制御できる。
このように、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）を１．７〜２．５に制御することにより、最適な酸素量を含有する結合層Ｂを成膜するために許容される、ＣＶＤ反応炉内の酸化ポテンシャルの範囲が拡がり、酸化ポテンシャルを比較的高くしても、結合層Ｂ中にＴｉ２Ｏ３やＴｉ３Ｏ５、ＴｉＯ２等が形成され難くなり、より安定して緻密で機械強度の高い結合層Ｂが形成できるようになる。しかも、ＢＯ／ＢＴを測定し、これを０．００５〜０．０２５に制御することにより、結合層Ｂ表面に存在する酸素原子と針状突起とがより多く、高密度に、且つ、均一に分布するようになり、これらを核にして、結合層Ｂの表面に形成されるα型酸化アルミニウムの結晶粒が、より高密度に、且つ、分散して形成されるため、α型酸化アルミニウム膜全体の結晶粒径がより微細になり、膜表面の平滑性がより高まると共に、膜自体の耐クラック性と耐摩耗性とが高くなる。
【０００９】
（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．７未満であると、結合層Ｂ中の窒素量が少なく、より容易に、且つ、急激に結合層Ｂが酸化されるため、結合層Ｂの機械強度が急激に低下する欠点が現れ、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が２．５を超えて大きいと、結合層Ｂ表面に存在する酸素原子と針状突起の密度が小さく、しかも、針状突起の長さが短くなり、α型酸化アルミニウムが形成されずκ型酸化アルミニウムが形成され易くなるとともに、例え、α型酸化アルミニウムが形成されても、結合層Ｂとの密着性が急激に低下するとともに、膜厚に比して結晶粒径の大きなα型酸化アルミニウムが形成される欠点が現れる。
ＢＯ／ＢＴが０．００５未満であると、結合層Ｂ中の酸素量が少なく、α型酸化アルミニウムが形成される基点となる酸素原子と針状突起とが結合層Ｂ表面に少ないため、α型酸化アルミニウムが形成され難くκ型酸化アルミニウムが形成され易く、例え、α型酸化アルミニウムが形成されても、結晶粒径が大きくなる欠点が現れる。一方、ＢＯ／ＢＴが０．０２５を超えて大きいと、結合層Ｂ内にＴｉ２Ｏ３やＴｉ３Ｏ５、ＴｉＯ２等が形成され易く、例え、形成されなくても、結合層Ｂ自体の機械強度が低くなり、結合層Ｂが破断し、皮膜が剥がれ易くなる欠点が現れる。
皮膜Ｉの膜厚が２μｍ未満であると、皮膜Ｉが縦長柱状結晶粒からなり、耐摩耗性と機械強度の両者が優れている効果が得られなくなり、工具寿命が短くなる欠点があらわれる。また、縦長柱状結晶粒からなる皮膜Ｉにかえて、粒状結晶粒からなる皮膜を用いた場合は、機械強度又は耐摩耗性のいずれかが大きく低下し、工具寿命が短くなる欠点が現れる。例えば、縦長柱状結晶粒からなるＴｉＣＮ膜にかえて、粒状結晶粒からなるＴｉＮ膜を用いると耐摩耗性が大きく低下し、同ＴｉＣ膜を用いると耐酸化性が低下することにより、耐摩耗性が大きく低下する。また、ＣＨ３ＣＮガスを用いずにＣＨ４ガスを用いて成膜した、縦長柱状結晶粒に比べて粗大な粒状結晶粒が多く含まれるＴｉＣＮ膜を用いると、耐摩耗性は若干優れるものの、機械強度が大きく低下し、工具として用いたときに、皮膜にチッピングや欠損が著しく生じやすくなり、工具寿命が大きく低下する欠点が現れる。
【００１０】
本願発明の結合層Ｂは、例えば、ＣＶＤ装置の反応炉内に流すＨ２キャリヤーガス、ＴｉＣｌ４、ＣＨ４、Ｎ２、及び、ＣＯ２とＣＯの混合ガス、の各ガス流量を好適化し、α型酸化アルミニウム膜を成膜する温度近傍で反応させることにより成膜できる。これに対して、例えば、９５０℃以下で成膜すると、結合層Ｂの表面に断面が針状や棒状である突起が形成され難く、しかも、結合層Ｂを成膜した後に、α型酸化アルミニウム膜を成膜する略１０００℃以上まで昇温する過程で、結合層Ｂ表面の劣化が進むため、α型酸化アルミニウム膜の密着強度が大きく低下する欠点が現れる。このように、α型酸化アルミニウム膜を成膜する温度近傍で、結合層Ｂを成膜することが望ましいという意味で、本願発明の酸化アルミニウム被覆工具は、結合層Ｂ中に含有される塩素含有量が０．２質量％以下であることが好ましい。９５０℃以下で成膜すると、結合層Ｂ中に含有される塩素含有量が０．２質量％を超えて多くなり、結合層Ｂ自体の機械強度、及び、α型酸化アルミニウム膜の密着強度が低下する傾向が現れる。
【００１１】
内層膜に、少なくともチタンと窒素及び炭素を含有する縦長柱状結晶粒からなり膜厚が２μｍ以上である皮膜Ｉが少なくとも一層形成されていることにより、内層膜自体の耐摩耗性と機械強度の両者がともに高まると共に、結合層Ｂの結晶粒径、及び、その上に成膜されるα型酸化アルミニウム膜の結晶粒径もより微細になる。内層膜中に、形成されている皮膜Ｉの膜厚が２μｍ未満であると、内層膜の厚さに比して結晶粒径が大きくなり、内層膜全体の機械強度が劣ると共に、その上に形成した結合層Ｂとα型酸化アルミニウム膜の結晶粒径も粗大になり、機械強度が大きく低下する欠点が現れる。ここで、縦長柱状結晶粒とは、基体表面に平行な結晶粒径に比べて、膜厚方向の結晶粒径が１．５倍以上大きく、膜厚方向に細長い結晶粒を云う。縦長柱状結晶粒からなる皮膜Ｉは、例えば、ＣＨ３ＣＮガスを用いて成膜する所謂ＭＴ−ＣＶＤ法により成膜できる。
以上の理由により、本願発明の酸化アルミニウム被覆工具を、基体表面に、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒化物のいずれか一種の単層皮膜又は二種以上の多層皮膜からなる内層膜と、結合層Ｂ、及び、少なくとも一層のα型酸化アルミニウム膜がこの順番で形成されており、該内層膜に、少なくともチタンと窒素及び炭素を含有する縦長柱状結晶粒からなり膜厚が２μｍ以上である皮膜Ｉが少なくとも一層形成されており、該結合層Ｂが少なくともチタンと窒素及び酸素元素を含有し、しかも、断面形状が針状である突起がα型酸化アルミニウム膜との界面に形成されている酸化アルミニウム被覆工具において、該結合層Ｂに含有されているチタン量に対する酸素量の比ＢＯ／ＢＴが０．００５〜０．０２５であり、且つ、該結合層Ｂに含有されているチタン量に対する窒素量の質量比ＢＮ／ＢＴと、該皮膜Ｉに含有されているチタン量に対する窒素量の質量比ＩＮ／ＩＴとの比、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．７〜２．５であることを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具とする。
本願発明の酸化アルミニウム被覆工具は、ＢＯ／ＢＴが０．０１０〜０．０２０であり、且つ、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．９〜２．３であることにより、更に、密着性が高く、結晶粒径の微細な酸化アルミニウム被覆工具が実現でき、好ましい。
従来は、結合層Ｂを成膜するときの酸素量のみを注目し、酸素量を制御することにより、結合層Ｂの特性を制御しようとしてきたが、十分に制御できず、優れた機械強度と密着強度とを有する結合層Ｂが実現出来ず、その結果、内層膜との密着強度が高く、結晶粒径がより微細で耐クラック性と耐摩耗性に優れたα型酸化アルミニウム膜を被覆した酸化アルミニウム被覆工具を安定して実現できなかった。
【００１２】
本願発明の酸化アルミニウム被覆工具は、結合層Ｂの塩素量が０．２質量％以下であることにより、結合層Ｂの機械強度が高く、しかも、結合層Ｂ表面に形成される断面が針状である突起がより高強度、且つ、高密度に形成されるため、α型酸化アルミニウム膜の密着強度が更に高くなり、更に優れた酸化アルミニウム被覆工具が実現でき、好ましい。結合層Ｂの塩素量が０．２質量％を超えて大きいと、０．２質量％以下の時よりも、結合層Ｂの機械強度が低下し、しかも、結合層Ｂ表面に形成される断面が針状である突起の機会強度が低下し、且つ、高密度に形成されない、α型酸化アルミニウム膜の密着強度が低下する傾向が現れる。
本願発明の酸化アルミニウム被覆工具は、皮膜Ｉの窒素及び／又は炭素の一部が酸素元素に置換されており、該皮膜Ｉに含有されるチタン量ＩＴ質量％に対する窒素量ＩＮ質量％の比ＩＮ／ＩＴが０．０４０〜０．１１０、同炭素量ＩＣ質量％の比ＩＣ／ＩＴが０．１４５〜０．１８０であり、且つ、同酸素量ＩＯ質量％の比ＩＯ／ＩＴが０．０２以下であることにより、皮膜Ｉの機械強度が更に高まるとともに、更に結晶粒径が微細なα型酸化アルミニウム膜が得られ、更に長寿命の優れた被覆工具が得られ、好ましい。皮膜Ｉに含有されるチタン量ＩＴ質量％に対する窒素量ＩＮ質量％の比ＩＮ／ＩＴが０．０４０〜０．１１０、同炭素量ＩＣ質量％の比ＩＣ／ＩＴが０．１４５〜０．１８０、の範囲外であると、同範囲内に比べて、皮膜Ｉの機械強度が低下するとともに、α型酸化アルミニウム膜の結晶粒径が大きくなり、工具寿命が短くなる傾向が現れる。
本願発明の酸化アルミニウム被覆工具は、α型酸化アルミニウム膜の膜厚をＡμｍ、同膜表面の平均結晶粒径をＤμｍとしたとき、Ａ≦２．５μｍの時はＤ≦０．８μｍ、２．５＜Ａ≦４．５μｍの時はＤ≦１．５μｍ、Ａ＞４．５μｍの時はＤ≦２．５μｍであることにより、更に優れた機械強度と摺動性を有する酸化アルミニウム膜が得られ、更に長寿命の優れた被覆工具が得られ、好ましい。α型酸化アルミニウム膜の膜厚と平均結晶粒径が上記範囲がであると、上記範囲内であるときに比べて、酸化アルミニウム膜の機械強度と摺動性とが低下し、工具寿命が短くなる傾向が現れる。
【００１３】
本願発明のα型酸化アルミニウム膜は、必ずしも最外層である必要はなく、その上に更に少なくとも一層のチタン化合物、例えばＴｉＮ層等、やジルコニウム化合物、例えばＺｒＮ層等、を被覆しても良い。その場合、α型酸化アルミニウム膜の外層をショットブラスト、研磨等により除去した後、α型酸化アルミニウム膜表面の平均結晶粒径を測定する。また、α型酸化アルミニウム膜表面の結晶粒界が明確でない場合は、α型酸化アルミニウム膜表面を後述の電子プローブマイクロ分析機等により、結晶粒界を同定して、平均結晶粒径を求めても良い。また、弗化水素酸、又は、払酸と硝酸の混合液により、α型酸化アルミニウム膜表面をエッチングして、結晶粒界をより明確にして、測定してもよい。
【００１４】
本願発明における被覆方法には既知の成膜方法を適用することが可能である。例えば、通常の熱化学蒸着法である熱ＣＶＤ法、プラズマを付加した化学蒸着法であるＰＡＣＶＤ法等を用いることができる。用途は切削工具に限るものではなく、耐摩耗材や金型、溶湯部品等でも良い。本願発明のα型酸化アルミニウム膜はα型酸化アルミニウム単相に限るものではなく、α型酸化アルミニウムを８０ｖｏｌ％以上含む膜を云い、他の酸化物、例えばα型酸化アルミニウムとκ型酸化アルミニウムとの混合膜やγ型酸化アルミニウム、θ型酸化アルミニウム、δ型酸化アルミニウム、χ型酸化アルミニウム等、他の酸化アルミニウムとの混合膜、あるいは、α型酸化アルミニウムと酸化ジルコニウム等他の酸化物との混合膜であっても同様の効果が得られる。また、本願発明のα型酸化アルミニウム膜は、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓ、Ｗ等の添加物や、不可避の元素が含有されていても良い。
次に本発明による被覆工具を実施例によって具体的に説明する。
【実施例】
【００１５】
（実施例１）
Ｃｏ：７質量％、Ｃｒ：０．６質量％、Ｚｒ：２．２質量％、Ｔａ：３．３質量％、Ｎｂ：０．２質量％、残ＷＣ及び不可避不純物の組成よりなる所定形状の切削工具用超硬合金基体をＣＶＤ装置の反応炉内に設置し、基体の表面に、化学蒸着法によりＨ２キャリヤーガスとＴｉＣｌ４ガスとＮ２ガスとを原料ガスに用いて０．３μｍ厚さのＴｉＮを９００℃でまず形成した。続いて、ＴｉＣｌ４ガスを１ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガスを２ｖｏｌ％、Ｎ２ガスを４５ｖｏｌ％、ＣＯガスを０．８ｖｏｌ％、残Ｈ２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分５５００ｍｌだけＣＶＤ装置の反応炉内に流し、成膜温度８５０℃、成膜圧力６．６ｋＰａの条件で６μｍ厚さのＴｉＣＮＯ膜を皮膜Ｉとして成膜した。その後、成膜温度を１０００℃に高め、成膜圧力６．６ｋＰａの条件で、ＴｉＣｌ４ガスを１ｖｏｌ％、ＣＨ４ガスを２ｖｏｌ％、Ｎ２ガスを６０ｖｏｌ％、残Ｈ２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分５５００ｍｌで、２０分間ＣＶＤ装置の反応炉内に流すことにより、結合層Ｂの前半を形成した後、そのまま、同じ流量のＴｉＣｌ４、ＣＨ４、Ｎ２、Ｈ２のガスに加えて、更に、ＣＯ２とＣＯの混合ガスを７ｖｏｌ％追加して２０分間流すことにより結合層Ｂの後半を形成し、トータル厚さ０．１μｍの結合層Ｂを形成した。その後、１００５℃で、Ｈ２キャリヤーガス、ＡｌＣｌ３ガス、ＣＯ２とＣＯの混合ガス、および、Ｈ２Ｓガスを２７０分間、ＣＶＤ装置の反応炉内に流すことによりＡｌ２Ｏ３膜を成膜することにより、本発明例１を作製した。
そして、本発明例１と大略同じ基体と、皮膜構成、成膜方法を用いて、一部の皮膜の種類、又は成膜条件のみを変化させて以下の本発明例２〜２０と比較例２１〜２７を作製した。特に断らないかぎり、それらの基体と、皮膜構成、成膜方法は本発明例１と大略同じである。各試料の成膜条件の変更点を表１にまとめて示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
まず、結合層Ｂ中に含有されているチタン量に対する窒素量比と、同酸素量比の影響を明らかにするため、結合層Ｂ前半に流すＣＨ４ガス量を１、１．５、２．５、３ｖｏｌ％、Ｎ２ガス量を５０、５５、６５、７０ｖｏｌ％に変更するとともに、結合層Ｂ後半に追加するＣＯ２とＣＯの混合ガス量を４、５、９、１０ｖｏｌ％に変更することにより、本発明例２〜５を作製した。また、結合層Ｂ中に含有される塩素量の効果を明らかにするため、内層膜を成膜した後、基体の温度を９６０℃に高めた後、結合層Ｂの前半と後半の両者を９６０℃で成膜した後、Ａｌ２Ｏ３膜を成膜することにより、本発明例６を作製した。
皮膜Ｉ、即ち、ＴｉＣＮＯ膜中に含有されているチタン量に対する含有窒素量比と、同炭素量比、及び、同酸素量比の影響を明らかにするため、本発明例として、ＴｉＣＮＯ膜の成膜温度を９３０、８９０、８１０、７８０℃、成膜時に流すＮ２ガス流量を３０、４０、５０、６０ｖｏｌ％、同ＣＯガス流量を２．０、１．５、０．２、０．１ｖｏｌ％に変更することにより、本発明例７〜１０を作製した。
Ａｌ２Ｏ３の各膜厚に於ける結晶粒径の影響を明らかにするため、成膜温度１００５℃で、Ａｌ２Ｏ３をそれぞれ１８０、２２５、４０５、４５０、７２０分間成膜することにより、Ａｌ２Ｏ３の結晶粒径がより微細である本発明例１１、１２、１４、１６、１８を作製するとともに、同成膜温度１０２０℃で、Ａｌ２Ｏ３をそれぞれ２２５、４０５、４５０分間成膜することにより、Ａｌ２Ｏ３の結晶粒径が若干大きい本発明例１３、１５、１７を作製した。
皮膜Ｉの膜厚の影響を明らかにするため、皮膜Ｉの成膜時間のみを短くし、皮膜Ｉの膜厚をそれぞれ４μｍ、２μｍと薄くした以外は、他の皮膜構成と成膜条件は本発明例１と同じである本発明例１９、２０を作製した。
【００１８】
内層膜とα型酸化アルミニウム膜との間に、結合層Ｂが形成されている効果を明らかにするため、比較例として、内層膜を成膜し、基体の温度を１０００℃に高めた後、結合層Ｂを成膜せずに、直接、Ｈ２キャリヤーガスにＣＯ２、ＣＯ、ＡｌＣｌ３ガスをこの順序で、１５分間で加えていった後、Ａｌ２Ｏ３膜を成膜することにより、比較例２１を作製した。
結合層ＢのＢＯ／ＢＴ値の効果を明らかにするため、比較例として、結合層Ｂ後半を成膜するときに加えるＣＯ２とＣＯの混合ガス量をそれぞれ２ｖｏｌ％と１２ｖｏｌ％に変更して成膜した比較例２２と２３とを作製した。
結合層Ｂと皮膜Ｉ間の（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）値の効果を明らかにするため、比較例として、結合層Ｂ前半と後半の両者を成膜するときにもちいる、ＣＨ４ガス量とＮ２ガス量とをそれぞれ０．５と４０ｖｏｌ％に変更して成膜することにより、比較例２４を作製した。また、同、ＣＨ４ガス量とＮ２ガス量とをそれぞれ４と８０ｖｏｌ％に変更して成膜することにより、比較例２５を作製した。
皮膜Ｉの膜厚の影響を明らかにするため、比較例として、皮膜Ｉの成膜時間のみを短くし、皮膜Ｉの膜厚を１μｍと薄くした以外は、他の皮膜構成と成膜条件は本発明例１と同じである比較例２６を作製した。
皮膜Ｉが縦長柱状結晶粒からなる効果を明らかにするため、皮膜Ｉを、ＴｉＣｌ４ガスを３ｖｏｌ％、ＣＨ４ガスを２ｖｏｌ％、Ｎ２ガスを３０ｖｏｌ％、ＣＯガスを２ｖｏｌ％、残Ｈ２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分５５００ｍｌだけＣＶＤ装置の反応炉内に流し、成膜温度１０００℃、成膜圧力７．９ｋＰａの条件で６μｍ厚さのＴｉＣＮＯ膜を皮膜Ｉとして成膜した以外は、他の皮膜構成と成膜条件は本発明例１と同じである本発明例２７を作製した。
【００１９】
作製した膜のＸ線回折を理学電気（株）製のＸ線回折装置（ＲＵ−３００Ｒ）で、ＣｕのＫα１線（波長０．１５４０５ｎｍ）を用いて、２θ−θ法により２θが２０〜９０°の範囲内で測定した結果、いずれのＡｌ２Ｏ３膜も、ＪＣＰＤＳファイル番号１０−１７３記載の２θ値の±０．２５の範囲内にピークが現れ、α型酸化アルミニウム膜が形成されていることが確認された。
各試料を基体に垂直に破断し、その破断面を（株）日立製作所製の走査電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと記す。）Ｓ−４２００型を用いて、１万倍で観察し、膜厚方向に細長い縦長柱状結晶粒からなる皮膜Ｉの、基体側から膜表面側までの領域を決定した。また、酸化アルミニウムの膜厚を測定した。
ＳＥＭを用いて、酸化アルミニウム膜の表面を倍率５、０００倍で観察し、これを０．８倍して、寸法８５ｍｍ×１１０ｍｍの大きさに印刷したＳＥＭ写真の表面に、上から２１ｍｍ、４２．５ｍｍ、６４ｍｍの各位置に横線を引くとともに更に対角線を２本、計５本を引き、各直線内にある結晶粒の数を求めて、化１により、酸化アルミニウム膜の平均粒径Ｄを求めた。測定した本発明例と比較例の酸化アルミニウム膜の膜厚と、酸化アルミニウム膜の平均結晶粒径を表２にまとめて示す。
【００２０】
【化１】
2008173737.tif 000003
【００２１】
【表２】
2008173737.tif 000004
【００２２】
各試料の断面を鏡面研磨し、日本電子（株）製のＥＰＭＡ装置であるＪＸＡ−８５００Ｆを用いて、加速電圧８ｋＶ、スポット径１０ｎｍで、皮膜の断面を分析することにより、皮膜Ｉに含有されるチタン、炭素、酸素の各元素量を測定し、皮膜ＩのＩＣ／ＩＴとＩＯ／ＩＴを求めた。これらを表２に併せて示す。
【００２３】
上記の研磨面に炭素を略１０ｎｍ厚だけ蒸着した後、皮膜Ｉに含有されるチタン量と窒素量を測定し、ＩＮ／ＩＴを求めた。そして、結合層Ｂに含有されるチタン、窒素、酸素、及び、塩素の各元素量を測定し、各試料のＢＯ／ＢＴ、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）、及び、塩素量を求めた。それらの結果を表２にあわせて示す。なお、上記の炭素は、結合層Ｂの直上にある酸化アルミニウム膜が分析時に帯電する事を避けるために、蒸着した。
【００２４】
炭素を蒸着した上記研磨面の反射電子組成像を撮影し、本発明例と比較例の、結合層Ｂの針状突起長さを測定した。針状突起の長さは、倍率１０，０００で撮影した画面上で、結合層Ｂと酸化アルミニウム膜間の界面の長さが９５ｍｍの範囲内で１〜２本観察されるような異常な長さの突起は、針状突起長さの測定対象からはずし、他の針状突起長さの平均値を求めた。その結果、本発明例１〜２０と比較例２６、２７の結合層Ｂの、α型酸化アルミニウム膜側の界面に、特許文献３と同様の、断面が針状で長さが０．５μｍ以下である突起が多数形成されていが、比較例２１〜２５には針状突起が形成されていなかった。しかも、比較例２１、２３、２４の結合層Ｂはポアの多いチタン酸化物の層が形成されていた。
【００２５】
次に、作製した本発明例と比較例の切削工具各５個を用いて、以下の切削条件１で被削材を連続切削し、逃げ面の摩耗量が０．２ｍｍに達した時点を工具寿命と判定した。逃げ面の摩耗量は光学顕微鏡を用いて倍率３５倍で観察した。
（切削条件１）
被削材：ＦＣ２５、硬さ、ＨＢ２３０
工具形状：ＣＮＭＡ１２０４１２
切削速度：３３０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．３ｍｍ／回転
切り込み：２．０ｍｍ
切削液：水溶性切削油使用
上記の本発明例と比較例の切削工具各５個を以下の切削条件２で断続切削し、欠損に至るまでの断続切削可能回数を評価した。刃先先端の欠け状況は倍率５０倍の実体顕微鏡で観察した。
（切削条件２）
被削材：Ｓ５３Ｃ溝入材、硬さ、ＨＳ３８
切削速度：１９０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削液：使用せず（乾式切削）
上記の方法で評価した、本発明例と比較例の工具寿命を、表２に併せて示す。
【００２６】
表２より、皮膜Ｉの膜厚が６μｍ、酸化アルミニウムの膜厚が３μｍであり、結合層Ｂが形成されていない比較例２１の連続切削工具寿命が５０分であるのに対して、皮膜Ｉの膜厚が６μｍ、酸化アルミニウム膜厚が３μｍと同じであるが、針状突起を有する結合層Ｂが形成されている本発明例１〜１０の連続切削工具寿命は１３０分以上と、２．６倍以上長く格段に優れている。その理由は、結合層Ｂを形成することなく、内層膜の表面を酸化した後、α型酸化アルミニウム膜を成膜すると、内層膜の表面に針状突起を有する結合層Ｂが形成されず、しかも、内層膜の表面部分の機械強度が低下したため、内層膜とα型酸化アルミニウム膜間の密着強度が極端に低くなったためである。
本発明例１と同じ膜厚の皮膜Ｉと酸化アルミニウムが形成されているものの、結合層ＢのＢＯ／ＢＴが０．００３と小さい比較例２２の連続切削工具寿命が５０分であるのに対して、ＢＯ／ＢＴが０．００５である本発明例２の連続切削工具寿命は１７０分と、３倍以上長く格段に優れている。また、結合層ＢのＢＯ／ＢＴが０．０２８と大きい比較例２３の連続切削工具寿命が４０分であるのに対して、ＢＯ／ＢＴが０．０２５である本発明例５の連続切削工具寿命は１６０分と、４倍以上長く格段に優れている。その理由は、結合層ＢのＢＯ／ＢＴが０．００５未満だと、結合層Ｂ表面に形成される突起数が少ないため、α型酸化アルミニウム膜の密着強度が低く、しかも、結晶粒径が大きくなるためであり、０．０２５を超えて多いと、結合層Ｂ表面に形成される突起数が少なくなるとともに、結合層Ｂ自体の機械強度も低下し、結合層Ｂの内部からも破断し易くなり、その結果、α型酸化アルミニウム膜の密着強度が大幅に低下するためである。そこで、本願発明の結合層ＢのＢＯ／ＢＴを０．００５〜０．０２５とした。
本発明例１と同じ膜厚の皮膜Ｉと酸化アルミニウムが形成されており、結合層ＢのＢＯ／ＢＴが０．０１５であるものの、結合層Ｂと皮膜Ｉ間の（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．５と小さい比較例２４の連続切削工具寿命が５０分であるのに対して、同（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）比が１．７である本発明例２の連続切削工具寿命は１７０分と、３倍以上長く格段に優れている。また、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が２．７と大きい比較例２５の連続切削工具寿命が３０分であるのに対して、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）比が２．５である本発明例５の連続切削工具寿命は１６０分と５倍以上長く格段に優れている。その理由は、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）比が１．７未満であると、結合層Ｂ自体の機械強度が低くなり、結合層Ｂ自体の機械強度が低下し、結合層Ｂ内から破断し易くなると共に、結合層Ｂ表面に形成される針状突起数も少なくなるため、α型酸化アルミニウム膜の密着強度が低下するためである。また、針状突起数も少なくなるため、α型酸化アルミニウム膜の結晶粒径が大きくなるためでもある。一方、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）比が２．５を超えて大きくなると、結合層Ｂ表面に形成される針状突起数が少なくなり、α型酸化アルミニウム膜の密着強度が低くなるとともに、その結晶粒径が大きくなるためである。そこで、本願発明の（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）を１．７〜２．５とした。
本発明例１とほぼ同じ成膜条件で、ほぼ同じ皮膜が形成されているものの、皮膜Ｉの膜厚が１μｍと薄い比較例２６の連続切削工具寿命が８０分であるのに対して、皮膜Ｉの膜厚が２μｍ以上である本発明例１、１９、２０の連続切削工具寿命は１８０分以上と、２倍以上長く格段に優れている。その理由は、内層膜の一部を構成している縦長柱状結晶粒からなる皮膜Ｉの膜厚が２μｍ未満であると、内層膜の耐摩耗性が極端に低くなり、工具寿命が大きく低下するためである。そこで、本願発明の皮膜Ｉの膜厚を２μｍ以上とした。
本発明例１とほぼ同じ成膜条件、皮膜構成、膜厚が形成されているものの、皮膜Ｉの成膜に用いたガスの種類と成膜温度とが異なり、皮膜Ｉを形成する結晶粒が縦長柱状組織でない比較例２７の断続切削寿命は５００回と極端に短いのに対して、皮膜Ｉを形成する結晶粒が縦長柱状組織である本発明例１の断続切削寿命は１２００回と２倍以上長く格段に優れている。その理由は、内層膜の一部を構成している皮膜Ｉが縦長柱状結晶粒からなっていないと、内層膜の機械強度が極端に低下し、膜がチッピング又は破断しやすくなり、工具寿命が大きく低下するためである。そこで、本願発明の内層膜の一部を形成する皮膜Ｉを、少なくともチタンと窒素及び炭素を含有する縦長柱状結晶粒からなるとした。
【００２７】
本発明例内においても、本発明例１と同じ膜厚の皮膜Ｉと酸化アルミニウムが形成されており、結合層ＢのＢＯ／ＢＴが０．００５で（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．７である本発明例２の連続切削工具寿命が１７０分であるのに対して、ＢＯ／ＢＴが０．０１０で、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．９である本発明例３の連続切削工具寿命が２３０分と１．３倍以上長く更に優れている。また、ＢＯ／ＢＴ比が０．０２５で、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が２．５である本発明例５の連続切削工具寿命が１６０分であるのに対して、ＢＯ／ＢＴが０．０２０で、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が２．３である本発明例４の連続切削工具寿命が２２０分と１．３倍以上、長く更に優れている。そこで、本願発明は、結合層ＢのＢＯ／ＢＴが０．０１０〜０．０２０であり、且つ、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．９〜２．３であることが好ましい。その理由は、結合層ＢのＢＯ／ＢＴが０．０１０〜０．０２０であり、且つ、（ＢＮ／ＢＴ）／（ＩＮ／ＩＴ）が１．９〜２．３であることにより、結合層Ｂの、α型酸化アルミニウム膜側の表面に、針状突起がより多く形成されα型酸化アルミニウム膜の密着強度がより高くなるとともに、結合層Ｂ自体の機械強度もより高くなり、結合層Ｂ内部から更に破断し難くなり、内層膜〜α型酸化アルミニウム膜間の密着強度がより強くなり、より工具寿命の長い、更に優れたα型酸化アルミニウム被覆工具が得られるためである。
【００２８】
次に、結合層Ｂの塩素量が異なる本発明例６と本発明例１とを比較する。結合層Ｂの塩素量が０．４質量％と多い本発明例６の連続切削工具寿命が１５０分であるのに対して、結合層Ｂの塩素量が０．２質量％と少ない本発明例１の連続切削工具寿命は２４０分と、１．６倍以上長く、更に優れていた。そこで、本願発明は、結合層Ｂの塩素量が０．２質量％以下であることが好ましい。その理由は、層中の塩素量が０．２質量％を超えて多くなると結合層Ｂの硬度が低くなるとともに、結合層Ｂ表面に形成される針状突起数が少なくなるため、内層膜〜α型酸化アルミニウム膜間の密着強度が低くなるためである。
【００２９】
皮膜Ｉに含有されているチタン量ＩＴ、窒素量ＩＮ、炭素量ＩＣ、及び、酸素量ＩＯ、が異なっている本発明例１、及び、７〜９内を比較する。皮膜ＩのＩＮ／ＩＴが０．０３９、ＩＣ／ＩＴが０．１８１、ＩＯ／ＩＴが０．０４０である本発明例７の連続切削工具寿命が１３０分であるのに対して、ＩＮ／ＩＴが０．０４０、ＩＣ／ＩＴが０．１８０、ＩＯ／ＩＴが０．０２０である本発明例８の連続切削工具寿命は２２０分と、１．６倍以上長く、更に優れている。また、ＩＮ／ＩＴが０．１１１、ＩＣ／ＩＴが０．１４４、ＩＯ／ＩＴが０．００１である本発明例１０の連続切削工具寿命が１４０分であるのに対して、ＩＮ／ＩＴが０．１１０、ＩＣ／ＩＴが０．１４５、ＩＯ／ＩＴが０．０１０である本発明例９の連続切削工具寿命は１４０分と、１．６倍以上長く、更に優れている。そこで、本願発明は、皮膜ＩのＩＮ／ＩＴが０．０４０〜０．１１０、ＩＣ／ＩＴが０．１４５〜０．１８０であり、ＩＯ／ＩＴが０．０２以下であることが好ましい。その理由は、皮膜ＩのＩＮ／ＩＴが０．０４０〜０．１１０、ＩＣ／ＩＴが０．１４５〜０．１８０であり、ＩＯ／ＩＴが０．０２以下であることにより、硬度と耐摩耗性、及び、機械強度がバランス良く優れている皮膜Ｉが得られ、より工具寿命の長い酸化アルミニウム被覆工具が得られるためである。皮膜ＩのＩＮ／ＩＴが０．０４０未満、ＩＣ／ＩＴとＩＯ／ＩＴとがそれぞれ０．１８０と０．０２を超えて多くなると、本発明例７のように皮膜Ｉの機械強度が低下する傾向が現れ、ＩＮ／ＩＴが０．１１０を超えて多く、ＩＣ／ＩＴが０．１４５未満になると、本発明例１０のように皮膜Ｉの硬度と耐摩耗性とが低下する傾向が現れる。
【００３０】
α型酸化アルミニウムの膜厚と、同膜表面の平均結晶粒径が異なっている本発明例１１〜１８内を比較する。α型酸化アルミニウムの膜厚がともに２．５μｍであるものの、同膜表面の平均結晶粒径が１．０μｍである本発明例１３の連続切削工具寿命が１２０分であるのに対して、同膜表面の平均結晶粒径が０．８μｍと小さい本発明例１２の連続切削工具寿命は１９０分と、１．６倍長く、更に優れている。そこで、本願発明は、α型酸化アルミニウムの膜厚が２．５μｍ以下の時は、同膜表面の平均結晶粒径が０．８μｍ以下であることが好ましい。同膜厚がともに４．５μｍであるものの、平均結晶粒径が１．７μｍである本発明例１５の連続切削工具寿命が２２０分であるのに対して、平均結晶粒径が１．５μｍと小さい本発明例１４の連続切削工具寿命は３５０分と、１．６倍長く、更に優れている。そこで、本願発明は、α型酸化アルミニウムの膜厚が２．５μｍを超えて４．５μｍ以下の時は、同膜表面の平均結晶粒径が１．５μｍ以下であることが好ましい。同膜厚がともに５μｍであるものの、平均結晶粒径が２．７μｍである本発明例１７の連続切削工具寿命が２４０分であるのに対して、平均結晶粒径が１．７μｍと小さい本発明例１６の連続切削工具寿命は３８０分と、１．６倍長く、更に優れている。そこで、本願発明は、α型酸化アルミニウムの膜厚が４．５μｍを超えて大きい時は、同膜表面の平均結晶粒径が２．５μｍ以下であることが好ましい。
そこで、本願発明は、α型酸化アルミニウム膜の膜厚をＡμｍ、同膜表面の平均結晶粒径をＤμｍとしたとき、Ａ≦２．５μｍの時はＤ≦０．８μｍ、２．５＜Ａ≦４．５μｍの時はＤ≦１．５μｍ、Ａ＞４．５μｍの時はＤ≦２．５μｍであることが好ましい。これは、α型酸化アルミニウム膜の各膜厚Ａに対して、同膜表面の平均結晶粒径Ｄがより微細であることにより、α型酸化アルミニウム膜の機械強度が高まり耐クラック性が高まると共に、膜表面がより平滑になることにより摺動性が高まり、更に切削抵抗が小さくなるため、より工具寿命が長くなるためである。