(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体表面に周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属から選択される元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物及び炭窒酸化物のいずれか１種の単層皮膜又は２種以上の多層皮膜が形成され、該皮膜の上層に結合膜を介してα型酸化アルミニウム膜が形成されている被覆工具において、
該結合膜と該α型酸化アルミニウム膜との界面における該結合膜の表面形状が樹状突起とこれに連なる枝状突起とからなる樹枝形状を有し、該枝状突起の長さ（ｎｍ）をＬＢとしたとき、５≦ＬＢ≦２００、であり、該枝状突起の格子縞と該α型酸化アルミニウム膜の格子縞との界面は透過電子顕微鏡の観察により連続した格子縞を有してエピタキシャル成長しており、
該結合膜の該樹状突起はＴｉ（ＣＯ）又はＴｉ（ＣＮＯ）であり、該枝状突起は（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）であることを特徴とする被覆工具。
【請求項２】
請求項１記載の被覆工具において、該枝状突起（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）の表面は強酸化状態にされており、該樹状突起の長さ（μｍ）をＬＡとしたとき、０．２≦ＬＡ≦１．５、であることを特徴とする被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、密着性に優れた酸化アルミニウム膜を被覆した被覆工具であり、切削工具等への適用に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜４は、突起形状を有した結合膜を介して酸化アルミニウム膜を被覆する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特許３２５０１３４号公報
【特許文献２】特許３４１８０６６号公報
【特許文献３】特許３５４４４５０号公報
【特許文献４】特許３９６２３００号公報
【特許文献５】特開２００５−２７１１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明は、酸化アルミニウム膜の密着性を高め、皮膜の耐剥離性に優れた被覆工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、基体表面に周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属から選択される元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物及び炭窒酸化物のいずれか１種の単層皮膜又は２種以上の多層皮膜が形成され、該皮膜の上層に結合膜を介してα型酸化アルミニウム膜が形成されている被覆工具において、該結合膜と該α型酸化アルミニウム膜との界面における該結合膜の表面形状が樹状突起とこれに連なる枝状突起とからなる樹枝形状を有し、該枝状突起の長さ（ｎｍ）をＬＢとしたとき、５≦ＬＢ≦２００、であり、該枝状突起の格子縞と該α型酸化アルミニウム膜の格子縞との界面は透過電子顕微鏡の観察により連続した格子縞を有してエピタキシャル成長しており、該結合膜の該樹状突起はＴｉ（ＣＯ）又はＴｉ（ＣＮＯ）であり、該枝状突起は（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）であることを特徴とする被覆工具である。上記の構成を採用することによって、酸化アルミニウム膜の密着性を高め、皮膜の耐剥離性に優れた被覆工具を提供することができる。
【発明の効果】
【０００６】
本願発明により、酸化アルミニウム膜の密着性を高め、皮膜の耐剥離性に優れた被覆工具を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本願発明の被覆工具は、結合膜とα型酸化アルミニウム膜との界面における結合膜の表面形状が樹状突起と、これに連なる枝状突起からなる樹枝形状を有していることを特徴とする被覆工具である。結合膜の表面形状が樹状突起と枝状突起とを併せ持つことによって、結合膜とα型酸化アルミニウム膜との界面における密着強度の改善に大きく寄与して皮膜の耐剥離性に優れた被覆工具を得ることができる。この理由は、結合膜における樹枝形状の突起がα型酸化アルミニウム膜へ食い込み、アンカー効果により密着性が格段に改善されるからである。樹状突起と、これに連なる枝状突起の複数の突起は、より好ましくは、先端形状が鋭角形状を有することであり、このような場合にα型酸化アルミニウム膜へ突起が鋭く食い込むことからアンカー効果が効果的に作用して密着強度は最大となる。また、本願発明における樹枝形状を有した結合膜において、樹状突起に連なる枝状突起のＬＢ値（ｎｍ）は、５≦ＬＢ≦２００、である。より好ましくは、枝状突起の先端形状が鋭角形状を有することであり、これによって結合膜とα型酸化アルミニウム膜との密着性が優れる。ＬＢ値が５ｎｍ以上であることにより、アンカー効果が有効に作用し、また、２００ｎｍ以下であることにより、α型酸化アルミニウム膜表面の凹凸を減少させることができ、皮膜の結晶粒径の粗大化を回避して優れた密着性を得ることができる。この理由は、α型酸化アルミニウム膜が枝状突起を起点として成長するためである。枝状突起のＬＢ値が２００ｎｍを超えて大きいと、α型酸化アルミニウム膜の表面凹凸が大きくなってしまう。
更に、本願発明における樹枝形状を有した結合膜において、樹状突起に連なる枝状突起の格子縞とα型酸化アルミニウム膜の格子縞との界面は、透過電子顕微鏡の観察により連続した格子縞を有してエピタキシャル成長しており、該結合膜の該樹状突起はＴｉ（ＣＯ）又はＴｉ（ＣＮＯ）であり、該枝状突起は（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）である。両者の格子縞を連続させることにより、結合膜とα型酸化アルミニウム膜との密着性及び耐剥離性に優れる。
【０００８】
本願発明の被覆工具の結合膜において、樹状突起はＴｉ（ＣＯ）又はＴｉ（ＣＮＯ）であり、また枝状突起は（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）であることが必要である。上記の組成を有することによって樹状突起や枝状突起の先端部が針状や棒状の鋭角突起となる。また、本願発明における樹枝形状を有した結合膜の樹状突起のＬＡ値（μｍ）は、０．２≦ＬＡ≦１．５、であることが好ましい。ＬＡ値が０．２μｍ以上であることにより、樹状突起に連なる枝状突起を多数形成することに好都合となり、α型酸化アルミニウム膜との密着性向上に有効である。また、ＬＡ値が１．５μｍ以下であることにより、α型酸化アルミニウム膜の結晶粒子の粗大化を回避することに好適となり、高硬度、高密度で優れた皮膜を得ることができる。
【０００９】
本願発明における樹状突起の長さＬＡ値と、枝状突起の長さＬＢ値は、次のように測定した。図１、２にＬＡ値を求める時の模式図を示す。図１、２の様に、樹状突起の成長基点Ｐ１から樹状突起の先端Ｐ２までを結んだ中心線を描き、この距離をＬＡ値とした。ここで樹状突起の成長基点Ｐ１は、樹状突起と下地の膜や基体とが接した点Ｐ３、Ｐ４を結んだ線の中間点とする。次に、図３にＬＢ値を求める時の模式図を示す。図３の様に、樹状突起と枝状突起との接点Ｐ５、Ｐ６を結んだ線の中間点である枝状突起の成長基点Ｐ７を求め、このＰ７と枝状突起の先端Ｐ８とを結んだ線を樹状突起の中心線と交わるまで延長させ、この交点Ｐ９を求めた。このＰ９と枝状突起先端Ｐ８との距離をＬＢ値とした。上記の測定方法により、各試料毎に任意に選んだ１０本の樹状突起を対象にしてＬＡ値（μｍ）を測定した。そして、０．２≦ＬＡ≦１．５の範囲内であるかどうかを確認した。また、ＬＡ値を測定した樹状突起を対象に、枝状突起のＬＢ値（ｎｍ）を測定した。そして、５≦ＬＢ≦２００の範囲内であるかどうかを確認した。
【００１０】
本願発明の結合膜は、化学蒸着法（以下、ＣＶＤ法と記す。）により成膜することができる。結合膜の成膜条件を制御することにより、表面形状が樹状突起とこれに連なる枝状突起とからなる樹枝形状を得る。また、ＬＡ値、ＬＢ値を制御して、枝状突起の格子縞とα型酸化アルミニウム膜の格子縞との界面が透過電子顕微鏡の観察により連続した格子縞となるようにする。
先ず始めに、ＣＶＤ法においてキャリアーガスであるＨ２ガスと結合膜の原料ガスであるＴｉＣｌ４ガス、ＣＨ４ガス、Ｎ２ガスとＣＯガスを成膜容器内に流し、Ｔｉ（ＣＮＯ）の結合膜と針状、棒状の突起形状を有した樹状突起を形成する。針状、棒状の突起形状やＬＡ値は、ＣＨ４ガス、ＣＯガス流量、成膜温度や成膜圧力によって制御する。
次に、成膜ガスであるキャリアーガス以外の原料ガスを止め、成膜容器内圧力を高圧にし樹状突起表面に、枝状突起を形成するための起点を形成する。枝状突起の起点を形成するガスは、ＴｉＣｌ４ガス、Ｎ２ガス、ＣＯガスとＨ２キャリアーガスに、Ｃ量を多く含んだガスを使用する。Ｃ量を多く含んだガスとは、ＣＨ４ガスの代わりに、例えば組成はＣｘＨ（２ｘ＋２）のガス、但しｘ≧２、やＣＨ３ＣＨ２ＣＮを使用することができる。ＣＨ３ＣＨ２ＣＮガスはＣＨ４ガスと比べＣ量が多く、Ｔｉ（ＣＮＯ）の樹状突起表面に、枝状突起の起点を複数形成することができる。
次に、この起点から先端が鋭角形状の枝状突起を形成するために、ＡｌＣｌ３ガスを追加する。また、ＴｉＣｌ４ガス、ＣＨ３ＣＨ２ＣＮガスとＮ２ガスを徐々に少なくしてゆき、一方、ＣＯガスを徐々に多くしてゆくことで先端が鋭角形状となる枝状突起を形成することができる。この枝状突起の組成は（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）である。そして、Ｔｉ（ＣＮＯ）の樹状突起と、これに連なる枝状突起の（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）が成長する。また、ＬＢ値はガス流量、成膜温度や成膜時間によって制御することができる。その後、原料ガスにＣＯ２とＣＯガスの混合ガスを加え、（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）の表面を強酸化状態にする。
次に、ＴｉＣｌ４ガス、ＣＨ３ＣＨ２ＣＮガスとＮ２ガスを止め、α型酸化アルミニウム膜を形成する。このとき、（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）膜は強酸化状態であることから、α型酸化アルミニウム膜と格子縞が連続したエピタキシャル成長が可能となる。
【００１１】
本願発明の被覆工具は、皮膜にＷ、Ｃｏ等の不可避の不純物を含んでいても良い。これはＣＶＤ法の場合では成膜温度が高いことから皮膜中に基体成分であるＷやＣｏを含有するためである。また、３％以下のＢ、Ｈｆ、Ｃｒ等を含有していても良く、これは皮膜の原料であるＺｒに微量のＨｆが含まれることや、更に、３％以下のＢ、Ｈｆ、Ｃｒの添加により、結晶粒径を制御することができるためである。またα型酸化アルミニウムは、必ずしも最外層である必要はない。この上層に、４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭窒化物、炭窒酸化物、酸化物を被覆することができる。
【実施例】
【００１２】
（実施例１）
質量％で、Ｃｏ：７％、Ｃｒ：０．６％、Ｚｒ：２．２％、Ｔａ：３．３％、Ｎｂ：０．２％、残ＷＣ及び不可避不純物からなる超硬合金製基体を、ＣＶＤ成膜装置内にセットした。基体は切削工具用インサート、工具形状はＣＮＭＧ１２０４０８を使用した。基体表面に１．５μｍ厚さのＴｉＮ膜を形成した。成膜条件は、Ｈ２キャリアーガス、ＴｉＣｌ４ガスとＮ２ガスとを用い、９２０℃、１２０Ｔｏｒｒであった。次に、７μｍ厚さのＴｉ（ＣＮ）膜を形成した。成膜条件は、Ｈ２キャリアーガス、ＴｉＣｌ４ガスとＣＨ３ＣＮガスとを原料ガスに用い、８５０℃、８０Ｔｏｒｒであった。次に、結合膜としてＴｉ（ＣＮＯ）膜を形成した。Ｔｉ（ＣＮＯ）膜の表面には針状、棒状の突起形状を有する樹状突起を形成した。成膜条件は、Ｈ２キャリヤーガス、ＴｉＣｌ４ガス、ＣＨ４ガス、Ｎ２ガスとＣＯガスを用い、１０００℃、８０Ｔｏｒｒであった。所定膜厚を形成した後、一旦、Ｈ２キャリアーガス以外の原料ガスを流すのをやめ、成膜装置内を１０００℃に保持したまま、圧力を５００Ｔｏｒｒにした。次に、ＴｉＣｌ４ガス、Ｎ２ガス、ＣＯガス、Ｈ２キャリアーガス、ＣＨ３ＣＨ２ＣＮガスを使用して、樹状突起表面に枝状突起を形成するための起点を形成した。続いてＡｌ金属小片を詰め３５０℃に保温した小筒中にＨ２ガスを流量３００ｍｌ／分とＨＣｌガス８０ｍｌ／分とを流すことにより発生させたＡｌＣｌ３ガスを追加して流した。また、ＴｉＣｌ４ガス、ＣＨ３ＣＨ２ＣＮガスとＮ２ガスを徐々に少なくし、一方、ＣＯガスを徐々に多くすることで（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）の枝状突起を複数形成した。その後、原料ガスにＣＯ２とＣＯの混合ガスを追加し、（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）を１０００℃と１００Ｔｏｒｒで形成するとともに、（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）表面を強酸化状態にした。次に、ＣＯ２ガスを徐々に多くし、ＴｉＣｌ４ガス、ＣＨ３ＣＨ２ＣＮガスとＮ２ガスを止めた。その後、５μｍ厚さのα型酸化アルミニウム膜を形成した。成膜条件は、Ｈ２キャリアーガス、ＡｌＣｌ３ガス、ＣＯガス、ＣＯ２ガスとＨ２Ｓガスとを用い、１０００℃、５０Ｔｏｒｒであった。また、１μｍ厚さのＴｉ（ＣＮ）膜を形成した。成膜には、Ｈ２キャリアーガス、ＴｉＣｌ４ガス、ＣＨ４ガスとＮ２ガスを用いた。更に、１．５μｍ厚さのＴｉＮ膜形成し、本発明例１を作製した。成膜には、Ｈ２キャリアーガスとＴｉＣｌ４ガスとＮ２ガスを使用した。
【００１３】
一方、結合膜が樹枝状形状であることの効果を明らかにするため比較例４を作製した。比較例４は、結合膜の形成において樹状突起の形成工程は施したが、枝状突起の形成工程は行わなかった。即ち、比較例４は、本発明例１と同様の成膜条件をもちいて結合膜の針状や棒状の突起形状のＴｉ（ＣＮＯ）を形成した後、（ＴｉＡｌ）（ＣＮＯ）を形成することなく、α型酸化アルミニウム膜、Ｔｉ（ＣＮ）膜、ＴｉＮ膜を形成した。
【００１４】
本発明例１、比較例４の皮膜断面を日本電子製ＪＥＭ−２０１０Ｆ型の電界放射型透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと記す。）により加速電圧２００ｋＶの条件で観察した。図４は本発明例１の皮膜構成の模式図を示している。基体１から表面側に向かって、ＴｉＮ膜２、Ｔｉ（ＣＮ）膜３、結合膜４、α型酸化アルミニウム膜５、Ｔｉ（ＣＮ）膜６、ＴｉＮ膜７である。図５は、図４における結合膜４の観察写真であり、倍率２００ｋ倍で観察したＴＥＭ像である。また図６は、図５における樹状突起８の先端拡大図であり、倍率１６００ｋ倍で観察したＴＥＭ像である。図５、図６より、結合膜４とα型酸化アルミニウム膜５との界面における結合膜の表面形状が樹状突起８と、これに連なる枝状突起９とからなる樹枝形状を有していることがわかった。図７、８、９は、夫々図６における分析スポット１、２、３の極微電子回折像である。図７より分析スポット１はα型酸化アルミニウムの結晶構造であり、図８、９より、分析スポット２、３は面心立方構造であることがわかった。図１０、図１１は、図６におけるスポット４、５を倍率４０００ｋ倍で観察したＴＥＭ像である。図１０、図１１より、枝状突起とα型酸化アルミニウム膜との界面は、透過電子顕微鏡の観察により連続した格子縞を有することがわかった。一方、図１２は、比較例４の結合膜４を倍率２００ｋ倍で観察したＴＥＭ像である。また図１３は、図１２における樹状突起８の先端拡大図であり、倍率１６００ｋ倍で観察したＴＥＭ像である。図１２、図１３より、比較例４の結合膜は針形状をした樹状突起はあるが、この樹状突起とこれに連なる枝状突起とからなる樹枝形状は観察されなかった。
【００１５】
本発明例１から３、比較例４のＬＡ値μｍ、ＬＢ値ｎｍの評価を行った。本発明例１は、測定対象にした１０本の樹状突起のＬＡ値μｍは全て、０．２≦ＬＡ≦１．５の範囲内であり、また、測定対象にした樹状突起に連なる複数の枝状突起のＬＢ値ｎｍは全て、５≦ＬＢ≦２００の範囲内であった。次に、ＬＡ値の影響効果を明らかにするため準備した本発明例２、３の評価を行った。本発明例２、３は、本発明例１と同じ基体と皮膜構成であり、本発明例２は、樹状突起となるＴｉ（ＣＮＯ）の成膜時間を本発明例１の０．２倍に、本発明例３は、成膜時間を３倍にした。その後、本発明例１と同様に枝状突起の形成工程を施し、次にα型酸化アルミニウム膜、Ｔｉ（ＣＮ）膜とＴｉＮ膜を成膜した。本発明例２のＬＡ値は、成膜時間を反映して、最大値のものでも０．１μｍ程度と短いものであり、本発明例３は、最小値のものでも１．６μｍ程度と長いものであった。本発明例２、３における枝状突起とα型酸化アルミニウム膜との界面も、透過電子顕微鏡の観察により連続した格子縞を有することを確認した。
【００１６】
実施例２
本発明例１から３、比較例４を次の切削試験条件で評価した。切削加工は直径１６０ｍｍ、長さ６００ｍｍの丸棒材を連続加工し、工具刃先の酸化アルミニウム膜が剥離した時を工具寿命と判定した。刃先は倍率１００倍の光学顕微鏡で観察した。
試験条件
被削材：ＦＣＤ８００
加工方法：長手方向連続切削
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：１５０ｍ／分
送り量：０．４０ｍｍ／回転
切込み量：３．０ｍｍ
切削液：湿式加工
【００１７】
本発明例１から３は、夫々工具寿命が１６分、１２分、８分であった。これに対し、比較例４は４分であったことから、本発明例は比較例に対して工具寿命が２倍以上長く優れていた。これは、本発明例のＬＢ値が５≦ＬＢ≦２００を満たし、結合膜の表面形状が樹状突起と、これに連なる枝状突起とからなる樹枝形状を有していることから、酸化アルミニウム膜への突起が強く食い込み、アンカー効果が最大となって皮膜の密着性が優れていたためである。また枝状突起とα型酸化アルミニウム膜との界面は、連続した格子縞を有していることから、エピタキシャル成長により結晶サイズでも格子間の密着性が最大となっているためである。上記によって、切削時に酸化アルミニウム膜の密着性が高くなり、結晶粒の脱落も無く優れた工具寿命が得られた。
本発明例１から３を比較すると、ＬＡ値が０．２≦ＬＡ≦１を満たす本発明例１は、本発明例２と比較して、工具寿命が１．５倍以上長く優れていた。これは、本発明例１の樹枝形状、特にＬＡ値が十分な大きさを持ち、酸化アルミニウム膜へのアンカー効果が高く、密着性が優れていたためである。また、本発明例１は本発明例３と比較して、工具寿命が２倍以上長く優れていた。これは、本発明例１の酸化アルミニウム膜の結晶粒が粗大化することなく、結晶粒の脱落も無かったためである。比較例４は、４分間連続切削した時に酸化アルミニウム膜が剥離し工具寿命に至った。これは、比較例４の結合膜は針状や棒状の突起であったものの樹枝形状を有していないため、酸化アルミニウムの密着性が劣ったためである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、枝状突起模式図を示す。
【図２】図２は、枝状突起模式図を示す。
【図３】図３は、枝状突起模式図を示す。
【図４】図４は、本発明例１の皮膜構成の模式図を示す。
【図５】図５は、図４の拡大図であり皮膜断面の観察写真を示す。
【図６】図６は、図５の拡大図であり皮膜断面の観察写真を示す。
【図７】図７は、図６の分析スポット１の極微電子回折像を示す。
【図８】図８は、図６の分析スポット２の極微電子回折像を示す。
【図９】図９は、図６の分析スポット３の極微電子回折像を示す。
【図１０】図１０は、図６のスポット４の拡大図であり皮膜断面の観察写真を示す。
【図１１】図１１は、図６のスポット５の拡大図であり皮膜断面の観察写真を示す。
【図１２】図１２は、比較例４の皮膜断面の観察写真を示す。
【図１３】図１３は、図１２の拡大図であり皮膜断面の観察写真を示す。
【符号の説明】
【００１９】
１：基体
２：ＴｉＮ膜
３：Ｔｉ（ＣＮ）膜
４：結合膜
５：α型酸化アルミニウム膜
６：Ｔｉ（ＣＮ）膜
７：ＴｉＮ膜
８：樹状突起
９：枝状突起
Ｐ１：樹状突起の成長基点
Ｐ２：樹状突起の先端
Ｐ３：樹状突起と下地膜との接点
Ｐ４：樹状突起と下地膜との接点
Ｐ５：樹状突起と枝状突起との接点
Ｐ６：樹状突起と枝状突起との接点
Ｐ７：枝状突起の成長基点
Ｐ８：枝状突起の先端
Ｐ９：Ｐ７とＰ８とを結んだ線と樹状突起中心線との交点
【図１】
0005303732.tif 000002
【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】
0005303732.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005303732.tif 000011
【図１１】
0005303732.tif 000012
【図１２】
0005303732.tif 000013
【図１３】
0005303732.tif 000014