(57)【要約】【課題】  切削工具等の耐摩耗性、耐熱性、特に、高温における耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させる被膜およびこの被膜を被覆した工具を提供すること。【解決手段】  本発明の耐摩耗性被膜は、Ｃｒ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選択される金属元素と、Ｃ、ＮまたはＯのいずれか１つ以上の元素とからなり、さらに、０．００１原子％以上５原子％未満のＡｒ原子を含む化合物から構成される層を一層以上含む耐摩耗性被膜であって、該耐摩耗性被膜の表面に、直径１μｍ以上であり、高さが１μｍ以上である突起が、前記耐摩耗性被膜の表面における１００μｍ×１００μｍの範囲内に平均１０個未満で存在することを特徴とする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選択される金属元素と、Ｃ、ＮまたはＯのいずれか１つ以上の元素とからなり、さらに、０．００１原子％以上５原子％未満のＡｒ原子を含む化合物から構成される層を一層以上含む耐摩耗性被膜であって、該耐摩耗性被膜の表面に、直径１μｍ以上であり、高さが１μｍ以上である突起が、前記耐摩耗性被膜の表面における１００μｍ×１００μｍの範囲内に平均１０個未満で存在することを特徴とする、耐摩耗性被膜。
【請求項２】
前記化合物から構成される層のうち、Ａｒ原子を除く元素の組成が、（Ｃｒ１−ｘ−ｙＡｌｘＳｉｙ）（ＣｕＮ１−ｕ−ｖＯｖ）（ただし、０．２≦ｘ≦０．７５、０≦ｙ≦０．２、ｘ＋ｙ≦０．７５、０≦ｕ≦０．５、０≦ｖ≦０．２、ｕ＋ｖ≦０．６）であることを特徴とする、請求項１に記載の耐摩耗性被膜。
【請求項３】
前記化合物から構成される層の結晶構造が、ＮａＣｌ型結晶構造であることを特徴とする、請求項１または２に記載の耐摩耗性被膜。
【請求項４】
前記化合物から構成される層の結晶構造が、ＮａＣｌ型結晶構造と非晶質構造とを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の耐摩耗性被膜。
【請求項５】
前記化合物から構成される層において、一層あたりの層厚が０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の耐摩耗性被膜。
【請求項６】
前記化合物から構成される層の全層厚において、該全層厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをｈｍａｘとし、荷重除荷後の押し込み深さをｈｆとした場合、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．２以上０．７以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の耐摩耗性被膜。
【請求項７】
前記化合物から構成される層の全層厚において、該全層厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、該硬さが２０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の耐摩耗性被膜。
【請求項８】
残留圧縮応力が、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の耐摩耗性被膜。
【請求項９】
基材表面上に、請求項１〜８のいずれかに記載の耐摩耗性被膜を被覆したことを特徴とする、表面被覆切削工具。
【請求項１０】
前記基材は、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からなる基材のいずれかであることを特徴とする、請求項９に記載の表面被覆切削工具。
【請求項１１】
前記耐摩耗性被膜は、前記基材表面上に、物理的蒸着法を用いて形成されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の表面被覆切削工具。
【請求項１２】
前記物理的蒸着法が、アンバランストマグネトロンスパッタ法であり、該方法は、前記基材に負のバイアス電圧を印加する工程を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削工具、耐摩工具、機械部品、摺動部品、電気・電子部品などに用いる耐摩耗性被膜およびこれを用いた表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の切削工具の動向として、地球環境保全の観点からゼロエミッション加工となるドライ加工が志向されていること、耐熱合金やＰｂレス合金など被削材が多様化していること、加工能率を一層向上させるため切削速度や送り速度がより高速になってきていること、などから、工具刃先温度はますます高温になる傾向であり、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。
【０００３】
特に工具材料の要求特性として、高温での被膜の安定性（耐酸化特性や被膜の密着性）はもちろんのこと、切削工具寿命に関係する耐摩耗性、すなわち被膜の高温における硬度の向上や潤滑油剤に変わる被膜の潤滑特性が一段と重要となっている。
【０００４】
従来、工具、金型および摺動部品などにおいては、耐摩耗性、耐熱性および潤滑性を向上させるために、基材表面にＰＶＤ法やＣＶＤ法により、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮおよびＡｌ２Ｏ３などからなる化合物の層を１層または複数層形成して、上記工具等の表面に被覆することが一般化している。
【０００５】
上記のうち、耐摩耗性被膜としては、ＴｉＮおよびＴｉＣＮが主として用いられているが、これらを用いた耐摩耗性被膜は耐酸化性に劣るため、摺動面が高温にさらされる環境においては耐摩耗性被膜の酸化摩耗が進み問題である。
【０００６】
この問題を解決するために、より耐酸化性に優れたＴｉＡｌＮやＴｉＳｉＮ材料からなる被膜が開発され、これにより高温での環境における使用や寿命の延長が可能となった。しかし、当該被膜は、被膜中にＴｉを含んでいるので、切削等の際にＴＩ成分が酸化し、１０００℃付近での使用には問題である。
【０００７】
また、Ａｌ２Ｏ３を用いた被膜は、一般的に広く用いられ耐熱性にも優れているが、被膜の形成の際に１０００℃以上の温度にする必要があり、この環境に適用可能な基材が限定されてしまう。
【０００８】
これらの問題を解決するために、下記特許文献１には、ＡｌＣｒＮ材料を用いた複合被膜が開示され、また、下記特許文献２には、ＡｌＣｒＳｉＮ材料からなる被膜が開示されている。これらの被膜は、高硬度であり、また優れた耐摩耗性と１０００℃以上での耐酸化性を有することから高温環境の酸化摩耗の抑制に有効である。
【０００９】
しかしながら、下記特許文献１および２に記載の被膜においては、耐溶着性および耐欠損性に問題がある。特に、切削工具においては、近年の高速／高能率加工の要求により、工具刃先はより高温となり、被削材との摺動環境は厳しいため、切り粉の溶着は激しくなり、また刃先にかかる負担も大きくなることから刃先の欠損も大きな問題となっている。
【特許文献１】特開平１０−２５５６６号公報
【特許文献２】特開２００３−３２１７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、切削工具等の耐摩耗性、耐熱性、特に、高温における耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させる被膜およびこの被膜を被覆した工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、Ｃｒ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選択される金属元素と、Ｃ、ＮまたはＯのいずれか１つ以上の元素とからなり、さらに、０．００１原子％以上５原子％未満のＡｒ原子を含む化合物から構成される層を一層以上含む耐摩耗性被膜であって、該耐摩耗性被膜の表面に、直径１μｍ以上であり、高さが１μｍ以上である突起が、前記耐摩耗性被膜の表面における１００μｍ×１００μｍの範囲内に平均１０個未満で存在することを特徴とする耐摩耗性被膜を提供する。
【００１２】
好ましくは、前記化合物から構成される層のうち、Ａｒ原子を除く元素の組成が、（Ｃｒ１−ｘ−ｙＡｌｘＳｉｙ）（ＣｕＮ１−ｕ−ｖＯｖ）（ただし、０．２≦ｘ≦０．７５、０≦ｙ≦０．２、ｘ＋ｙ≦０．７５、０≦ｕ≦０．５、０≦ｖ≦０．２、ｕ＋ｖ≦０．６）である。
【００１３】
好ましくは、前記化合物から構成される層の結晶構造が、ＮａＣｌ型結晶構造である。
【００１４】
好ましくは、前記化合物から構成される層の結晶構造が、ＮａＣｌ型結晶構造と非晶質構造とを含む。
【００１５】
好ましくは、前記化合物から構成される層において、一層あたりの層厚が０．１μｍ以上１０μｍ以下である。
【００１６】
好ましくは、前記化合物から構成される層の全層厚において、該全層厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをｈｍａｘとし、荷重除荷後の押し込み深さをｈｆとした場合、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．２以上０．７以下である。
【００１７】
好ましくは、前記化合物から構成される層の全層厚において、該全層厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、該硬さが２０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下である。
【００１８】
好ましくは、残留圧縮応力が、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下である。
【００１９】
本発明はまた、基材表面上に、上記の耐摩耗性被膜を被覆したことを特徴とする表面被覆切削工具を提供する。
【００２０】
好ましくは、前記基材は、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からなる基材のいずれかである。
【００２１】
好ましくは、前記耐摩耗性被膜は、前記基材表面上に、物理的蒸着法を用いて形成される。
【００２２】
好ましくは、前記物理的蒸着法が、アンバランストマグネトロンスパッタ法であり、該方法は、前記基材に負のバイアス電圧を印加する工程を含む。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の耐摩耗性部材およびこれを用いた表面被覆切削工具によれば、優れた耐溶着性、耐摩耗性、耐熱性、耐剥離性および耐欠損性を有するため、長期にわたり良好な特性を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の耐摩耗性被膜によれば、Ｃｒ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選択される金属元素と、Ｃ、ＮまたはＯのいずれか１つ以上の元素とからなり、さらに、０．００１原子％以上５原子％未満のＡｒ原子を含む化合物から構成される層を一層以上含む耐摩耗性被膜であって、該耐摩耗性被膜の表面に、直径１μｍ以上であり、高さが１μｍ以上である突起が、前記耐摩耗性被膜の表面における１００μｍ×１００μｍの範囲内に平均１０個未満で存在することを特徴とする。
【００２５】
上記従来の技術において述べたとおり、ＣｒＡｌまたはＣｒＡｌＳｉの窒化物は、耐酸化性および耐摩耗性に優れた化合物であるが、高温環境において、摺動性に劣るため、相手材（切削加工等の対象とする材料）が被膜表面に溶着し、この溶着した相手材が脱落する際に被膜も同時に脱落するため、これが起点となって摩耗が進行する。また、切削工具の刃先においては、相手材である被削材の溶着が膜に留まらず基材の一部まで脱落させてしまうこともある。
【００２６】
このような溶着に起因する被膜および／または基材の脱落を、上記本発明の耐摩耗性被膜により抑制することができる。本発明の耐摩耗性被膜によれば、被膜の表面において１００μｍ×１００μｍの範囲内における、直径１μｍ以上であり高さ１μｍ以上の突起が平均１０個未満であるので、上記の脱落を防止することができ、工具の寿命を延ばすことができる。これは、相手材の溶着が被膜表面の鋭い突起物に優先的に発生することから、被膜表面をより平滑にすることにより、このような溶着を抑制するものである。
【００２７】
本発明において、上記突起は可能な限り少ないことが好ましいが、被覆表面を完全に平滑にすることは製造コストの面から合理的でない場合もあるので、数個程度存在してもよい。一方、上記突起が平均１０個以上であると、耐溶着性能は非常に低下するので好ましくない。より好ましくは、被膜の表面において１００μｍ×１００μｍの範囲内における、直径１μｍ以上であり高さ１μｍ以上の突起が平均５個未満である。
【００２８】
本発明において、耐摩耗性被膜を構成する、化合物から構成される層において、当該化合物は、Ｃｒ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選択される金属元素と、Ｃ、ＮまたはＯのいずれか１つ以上の元素とからなる。このように、Ｃ、ＮまたはＯのいずれか１つ以上の元素を含むことで、単純な窒化物にする場合に比べて、化合物の性能を向上させることができる。具体的には、Ｃ（炭素）を含むことにより、摩擦係数および摺動性を良好にすることができ、さらに、膜硬度および耐摩耗性も向上させることができる。また、酸素（Ｏ）を含むことにより、耐酸化性をさらに向上させ、化学的安定性が増大することから化学反応による相手材との溶着が低減され、耐溶着性が向上する。
【００２９】
ここで、化合物から構成される層を一層以上含むとは、当該化合物の組成が異なる層が一層以上積層されて、耐摩耗性被膜の一部または全部を構成するという意味である。なお、一層のみの場合は、一種類の組成の化合物からなる層により耐摩耗性被膜の一部または全部とされることとなる。
【００３０】
本発明の耐摩耗性被膜において、化合物から構成される層において、当該化合物中にＡｒ原子を、一層あたりの化合物の層全体に対して、原子％で０．００１％以上５％未満の範囲で含ませることが好ましい。Ａｒ原子を含むことにより、被膜の靭性が大幅に向上し、被膜の欠損により脱落を防ぐことができるからである。特に、上記範囲内で存在する微量な突起に相手材が溶着した場合においても、被膜および／または基材の脱落を抑制することができ、耐溶着性との相乗効果により寿命を大幅に延ばすことができる。
【００３１】
上記Ａｒ原子において、原子％で０．００１％未満であると、十分な被膜の靭性を得ることができず被膜の欠損性の防止の効果を得ることができない虞がある。また、５原子％を超えると、膜硬度などの化合物の特性を劣化させてしまう虞がある。より好ましくは、原子％で０．０１％以上、１％未満である。
【００３２】
また、本発明において、化合物から構成される層において、Ａｒを除く原子組成は、（Ｃｒ１−ｘ−ｙＡｌｘＳｉｙ）（ＣｕＮ１−ｕ−ｖＯｖ）（ただし、０．２≦ｘ≦０．７５、０≦ｙ≦０．２、ｘ＋ｙ≦０．７５、０≦ｕ≦０．５、０≦ｖ≦０．２、ｕ＋ｖ≦０．６）であることが好ましい。Ａｌの組成が０．２未満、すなわちｘが０．２未満であると、所望の耐熱性および硬度を得ることが難しい。一方、Ａｌの組成が０．７５を超える、すなわちｘが０．７５を超えると、硬度が低下するために、耐摩耗性が劣化するおそれがある。より好ましくは、０．５５≦ｘ≦０．７５である。
【００３３】
また上記化合物から構成される層において、シリコン（Ｓｉ）を含有することにより、化合物からなる層の組織が緻密になり、かつ耐酸化性が向上するので好ましい。当該Ｓｉは、組成比で０以上０．２以下の範囲で含有することが好ましい。０．２を超えると化学的な安定性が失われ、高温において相手材と反応して化学的な摩耗を増大させる傾向が強くなってしまう虞があるので好ましくない。より好ましくは、０．０５以上０．１５以下である。
【００３４】
また上記化合物から構成される層において、クロム（Ｃｒ）を含有することにより、耐熱性および摺動性が向上する点で好ましい。当該Ｃｒは、組成比で０．２５以上の範囲で含有することが好ましい。０．２５未満であると、被膜の硬度を確保することが難しく、耐摩耗性が劣化してしまう虞があるので好ましくない。
【００３５】
また上記化合物から構成される層において、Ｃは、組成比で０以上０．５以下の範囲で含有することが好ましい。０．５を超えると、被膜の硬度が増大する一方で、靭性が失われ欠損しやすくなってしまう。より好ましくは、０以上０．３以下である。
【００３６】
また上記化合物から構成される層において、Ｏは、組成比で０以上０．２以下の範囲で含有することが好ましい。０．２を超えると、被膜の硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する虞がある。より好ましくは、０以上０．１以下である。
【００３７】
また上記化合物から構成される層において、Ｎは、組成比で０．４以上の範囲で含有することが好ましい。０．４未満であると、耐摩耗性および化学的安定性のバランスを欠き、結果として耐摩耗性部材の適用範囲が狭くなる虞がある。より好ましくは、０．５以上である。
【００３８】
本発明において、上述のように化合物から構成される層において、原子組成および形成条件を制御することより、結晶構造を制御することが可能である。ここで、被膜や工具等の刃先の靭性を確保する観点では、機械的特性に優れたＮａＣｌ型結晶構造にすることが好ましい。
【００３９】
また、耐摩耗性と耐酸化性とを確保する観点では、化合物の結晶構造をＮａＣｌ型結晶構造と非晶質構造とが混在した構造であることが好ましい。特に、ＮａＣｌ型の結晶化部分がＣｒ，Ａｌを主成分とする化合物のナノサイズの微細結晶であり、Ｓｉを主成分とする非晶質部分と混在するとさらに優れた効果を得ることができる。このような被膜の組織にすることにより、耐溶着性はさらに向上する。
【００４０】
本発明において、化合物から構成される層の１つあたりの層厚は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲であることが好ましい。０．１μｍ未満では、所望の耐摩耗性を達成することが難しく、１０μｍを超えると被膜の耐剥離性が低下する。より好ましくは、０．５μｍ以上５μｍ以下である。
【００４１】
また、本発明において、化合物から構成される層の全体の層厚は、０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲であることが好ましい。０．１μｍ未満では、所望の耐摩耗性が得られないおそれがあり、２０μｍを超えると、膜の靭性が低いため、膜が欠けやすくなるという問題が生じる虞があるためである。より好ましくは、０．７μｍ以上７μｍ以下である。
【００４２】
本発明の耐摩耗性被膜において、上述の化合物から構成される層の他に、該化合物の層と基材との密着力を向上させる観点から、該化合物の層と基材との間に中間層を設けることが好ましい。当該中間層は、ＴｉＮ、ＴｉＣｒＮおよびＴｉＡｌＮなどから構成されることが好ましい。また、当該中間層の層厚は０．１μｍ以上５μｍ以下の範囲であることが好ましい。０．１μｍ未満であると、効果が得られないおそれがある。また、５μｍを超えると、膜全体における中間層の比率が大きくなるため、膜全体としての耐摩耗性や溶着性が劣化するという問題が生じる虞があるためである。
【００４３】
本発明の耐摩耗性被膜において、化合物の層から構成される一層以上の層の外側または内側に表面層を設けてもよい。上記中間層が存在する場合、化合物の層の内側にある表面層は、中間層と化合物の層との間に設けられることになる。当該表面層を設けることにより、耐摩耗性をさらに向上させることができる。
【００４４】
当該表面層は、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮおよびＴｉＣＮなどから構成されることが好ましい。当該表面層の層厚は、０．１μｍ以上５μｍ以下の範囲であることが好ましい。０．１μｍ未満であると、効果が十分に得られない虞があるためである。また、５μｍを超えると、膜全体における中間層の比率が大きくなるため、膜全体としての耐摩耗性や溶着性が劣化するという問題が生じる虞があるためである。
【００４５】
さらに、本発明の耐摩耗性被膜において、低温での湿潤性を向上させる観点から、当該被膜の最外表面に、最外表面層をさらに設けてもよい。当該最外表面層はＴｉＣＮまたはＣｒＮなどから構成されてもよいし、化合物の層と上記表面層とを交互に繰り返して配置してもよい。このようにすることにより、耐摩耗性と耐溶着性とのバランスを向上させることができ、耐摩耗性被膜の靭性を向上させることができる。
【００４６】
本発明の耐摩耗性被膜は、その被膜の膜厚の１／１０以下の押し込み深さになるように制御された押し込み荷重を負荷して実行されるナノインデンテーション法による硬さ試験において、最大押し込み深さをｈｍａｘ、荷重除荷後の押し込み深さ（圧痕深さ）をｈｆとした場合、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘが０．２以上０．７以下の数値を示すものとすることが好ましい。０．２未満であると所望の耐摩耗性を得ることが難しく、０．７を超えると靭性に劣るため好ましくない。
【００４７】
また、本発明の耐摩耗性被膜において、ナノインデンターによる被膜の厚さ方向の硬度が２０ＧＰａ以上５０Ｇｐａ以下の範囲で変化させることが好ましい。２０Ｇｐａ未満であると耐摩耗性に問題があり、５０Ｇｐａを超えると、靭性が悪くなり衝撃に対して欠損性が劣化する虞があるので好ましくない。
【００４８】
ここで、ナノインデンテーション法は文献「トライボロジスト，第４７巻，第３号，（２００２）ｐ１７７〜１８３」に詳しく説明されているように、硬さ試験の一種であるが、従来のヌープ硬度測定やビッカース硬度測定といった押し込み後の圧痕形状から硬度を求める手法は異なり、圧子の押し込み時の荷重と深さの関係から硬さやヤング率を求める方法である。
【００４９】
また、本発明の耐摩耗性被膜において、残留圧縮応力は、−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の範囲であることが好ましい。−６Ｇｐａ未満となると、耐剥離性が低下するため好ましくない。また０Ｇｐａを超えると、膜の応力は引っ張りとなって、膜に亀裂が入って切削時にその亀裂が基材に進展して欠損性が損なわれたり、幕の靭性が劣化するため好ましくない。この内部圧縮応力については、Ｘ線を用いた方法（侵入深さ一定法）により測定可能である。
【００５０】
本発明の耐摩耗性被膜は、基材の表面に被覆して切削工具等として用いることができる。当該基材には、その用途によって最適なものを選択することができるが、切削工具に用いる場合は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス（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、酸化アルミニウムと炭化チタンからなる基材のいずれかであることが好ましい。中でも特に、ＷＣ基超硬合金、サーメット、立方晶型窒化ホウ素焼結体を基材として用いるのが好適である。これらの基材を用いることにより、切削工具としての寿命を大幅に延長することができる。
【００５１】
本発明の耐摩耗性被膜の形成方法は、特に限定されるものではないが、物理的蒸着法、特に、基材にバイアス電圧を印加するイオンプレーティング法が好ましく、さらに好ましくは、スパッタ法、アンバランストマグネトロンスパッタ法が好ましい。特に、アンバランストマグネトロンスパッタ法において負のバイアス電圧を印加する手法が好ましい。これらの方法により、基材の特性を損ねることなく、また耐摩耗性部材として要求される特性である、密着性や靭性を得ることができる。特に、アンバランストマグネトロンスパッタ法の場合、その形成時に形成条件やターゲットのクリーニング処理を制御することにより、鋭利な突起の少ない耐摩耗性被膜を形成することができる。
【００５２】
本発明の耐摩耗性被膜を製造するための装置の一例について図１を用いて説明する。図１は、本発明に用いることができる成膜装置の模式図である。図１において、チャンバ１内に、基材ホルダ４と、アーク式蒸発源６，８と、アンバランスト型スパッタ蒸発源７とを備える。当該アーク式蒸発源６，８およびスパッタ蒸発源７には、それぞれアーク電源９，１１およびスパッタ電源１０が接続されている。
【００５３】
チャンバ１は、図示されない真空ポンプと連結されており、チャンバ１に設けられた排気口３を通してチャンバ１内の圧力を変化させることが可能である。チャンバ１内の基材５は、基材ホルダ４に保持されている。基材ホルダ４には、基材バイアス用の直流電源１２の負の電極と電気的に接続されている。
【００５４】
チャンバ１にガスを供給するためのガス導入口２が設けられ、当該ガス導入口２には図示していないマスフローコントローラを介して様々なガスを導入することができる。当該ガスの例としては、アルゴン等の不活性ガス、反応性ガスとして窒素ガス、酸素ガス、また、メタン、アセチレン、ベンゼンなどの炭化水素ガス、一酸化炭素、二酸化炭素、窒化酸素などが挙げられる。
【００５５】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されることを意図しない。
【実施例】
【００５６】
（実施例１）
１．表面被覆切削工具の作製
【００５７】
まず、基材としてＳＤＫＮ４２形状のＩＳＯ  Ｐ３０超硬合金製工具を準備した。次いで、上述の成膜装置を用いて本発明の耐摩耗性被膜を上記基材表面に被覆した。
【００５８】
具体的に、まず、蒸発源６に５０原子％Ｔｉ−５０原子％Ａｌターゲットを設置し、蒸発源７に６５原子％Ａｌ−３５原子％Ｃｒターゲットを設置し、蒸発源８にＴｉターゲットを設置し、基材５を基材ホルダ４に保持して、蒸発源６に正対するようにセットした後、真空ポンプによりチャンバ１内を減圧するとともに、ヒータ１３により基材５を温度５５０℃に加熱し、チャンバ１内の圧力が２．０×１０−４Ｐａとなるまで真空引きを行った。
【００５９】
次に、ガス導入口２からＡｒガスを導入してチャンバ内の圧力を６．０Ｐａに保持し、基材バイアス電源１２の電圧を−１０００Ｖとし、基材５の表面のクリーニングを３０分間行った。その後、Ａｒガスを排気した。
【００６０】
次に、基材バイアス電源１２の電圧を−１０００Ｖに維持したまま、チャンバ１内にガス導入口２を通して１００ｓｃｃｍのアルゴンと窒素との混合ガスを導入した。アーク電源１１から１００Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源８を放電させて、金属イオンを１０分間発生させた。これにより、金属イオンが基材５の表面を金属イオンクリーニングし、基材５の表面の強固な汚れや酸化膜を除去した。
【００６１】
その後、同様に蒸発源６を８０Ａで放電させながら、チャンバ１内の圧力が４．０Ｐａになるようにガス導入口２から窒素ガスを導入し、基材バイアス電源１２の電圧を−２００Ｖとし、基材５の表面にＴｉＡｌＮ層を形成した。ＴｉＡｌＮ層が所定の厚みに（２．５μｍ）に達するまでこの状態を維持した。これにより、中間層としてのＴｉＡｌＮ膜を形成した。
【００６２】
中間層の形成が終了すると、この状態のままアーク式蒸発源６の放電を停止し、次にスパッタ蒸発源７に５００Ｗの電力を供給し、放電を発生させた。バイアス電圧を−１００Ｖとした。蒸発源７を構成するＡｌ，Ｃｒの蒸気が前方方向に蒸発して基材５の表面に厚さ１．１μｍの（Ａｌ０．６５Ｃｒ０．３５）Ｎの組成を有する化合物からなる層を形成した。
【００６３】
さらに、蒸発源７を停止し、次に、アーク式蒸発源８にアーク電流８０Ａを供給してアーク放電を発生させ、基材を蒸発源８に正対させ、導入口２から窒素ガスに加えてメタンガスを同量導入し、バイアス電圧を−１００Ｖとし、膜厚０．１μｍのＴｉＣＮ層を最外表面層として得た。
【００６４】
２．特性評価
【００６５】
このようにして得た表面被覆切削工具について以下の特性を測定した。まず、表面被覆切削工具の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により表面の形態を観察した。１０００倍の倍率で、上記表面における１００μｍ×１００μｍの範囲内の直径１μｍ以上、高さが１μｍ以上の突起数を数えた。当該１００μｍ×１００μｍの範囲を任意の５箇所を測定し、得られた突起数の数を平均すると、３．２個であった。
【００６６】
得られた表面被覆切削工具の耐摩耗性被膜中の化合物からなる層におけるＡｒ含有量を、ラザフォード後方散乱測定（ＲＢＳ）法を用いて測定した。ＲＢＳの結果、ＣｒＡｌＮ化合物層中のＡｒ量は０．０２原子％であった。
【００６７】
また、得られた表面被覆切削工具の耐摩耗性被膜に対して、ナノインデンテーション法を用いて、最大押し込み深さが０．３μｍになるように硬さ試験を行った。最大押し込み深さをｈｍａｘ，荷重除苛後の押し込み深さ（圧痕深さ）をｈｆとして、（ｈｍａｘ−ｈｆ）／ｈｍａｘは０．５であった。また、硬さは３５ＧＰａであった。
【００６８】
また、耐摩耗性被膜において、化合物から構成される層の結晶構造を、Ｘ線回折によって評価した結果、ＮａＣｌ型結晶構造であった。
【００６９】
これらの結果について、組成、膜厚およびＡｒの量については表１および２に示し、ナノインデンテーション法による試験、残留応力、突起の平均個数については表３に示した。
【００７０】
（実施例２〜１４）
【００７１】
耐摩耗性被膜の各層の組成比を、各蒸発源に設置するターゲット材料の組成比および層形成時に導入するガスの種類と流量比とを調整して、表１に示す実施例２〜１２および表２に示す実施例１３，１４の組成比にした以外は、実施例１と同様に表面被覆切削工具を作製した。実施例１４においては、化合物からなる層１および２を交互に１５回積層した。なお、Ａｒの含有量は、化合物の層の形成時におけるＡｒの分圧および基材温度、形成時のバイアス電圧を変化させることで調整した。また、表面突起の数は、化合物の層の形成時の成膜圧力とバイアス電圧、金属イオンクリーニングの条件と時間とで調整した。結果を表１〜３に示す。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【００７２】
（比較例１〜３）
【００７３】
被膜の組成を変更した以外は実施例１と同様に切削工具を作製したものを比較例１とし、化合物を形成する際に基材温度を９５０℃とし、Ａｒ含有量を０．００７原子％未満とした以外は実施例１と同様に切削工具を作製したものを比較例２とし、直径１μｍ以上、高さ１μｍ以上の突起の数が１０以上とした以外は実施例１と同様に切削工具を作製したものを比較例３とし、これら比較例１〜３についての結果を表１および３に示す。
【００７４】
３．切削試験
【００７５】
上記実施例１〜１４および比較例１〜３の切削工具について、表３に示す加工条件で切削試験を行い、逃げ面摩耗幅の評価を行った。逃げ面摩耗幅が小さい程、切削工具の寿命が延長される効果があるので、表３の結果より、本発明の表面被覆切削工具は、比較例の切削工具と比べて摩耗が小さく寿命が長いことがわかる。
【００７６】
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】
【００７７】
【図１】本発明の耐摩耗性被膜の成膜に用いる装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７８】
１  チャンバ、２  ガス導入口、３  排気口、４  基材ホルダ、５  基材、６  アーク式蒸発源、７  アンバランスト型スパッタ蒸発源、８  アーク式蒸発源またはアンバランスト型スパッタ蒸発源、９  アーク電源、１０  スパッタ電源、１１  アーク電源またはスパッタ電源、１２  基材バイアス電源、１３  基材加熱ヒータ。
【図１】
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