(57)【要約】【課題】本発明の目的は、基材を劣化したり表面粗度を悪化することなく基材表面に酸化アルミニウム被膜を直接形成した表面被覆切削工具を提供することにある。【解決手段】本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された１以上の被膜とを備えるものであって、この被膜は、少なくとも酸化アルミニウム被膜を含み、該酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムを含む被膜であって上記基材上に直接形成されるものであり、かつその酸化アルミニウムの結晶構造がγ型であるか、またはγ型とα型の混在構造となっていることを特徴としている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、該基材上に形成された１以上の被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、少なくとも酸化アルミニウム被膜を含み、
前記酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムを含む被膜であって前記基材上に直接形成されるものであり、かつその酸化アルミニウムの結晶構造がγ型であるか、またはγ型とα型の混在構造となっていることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記酸化アルミニウム被膜は、物理蒸着法により形成されていることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムの結晶組織の大きさが１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記酸化アルミニウム被膜は、−４ＧＰａ以上１ＧＰａ以下の残留応力を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記酸化アルミニウム被膜は、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、Ｂ2Ｏ3またはＴｉＯ2の少なくとも１種を含有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記酸化アルミニウム被膜は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の膜厚を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記被膜は、前記酸化アルミニウム被膜上に、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
前記酸化アルミニウム被膜上に形成される被膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜であることを特徴とする請求項７記載の表面被覆切削工具。
【請求項９】
前記酸化アルミニウム被膜上に形成される被膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されてなる被膜を１以上含むことを特徴とする請求項７または８に記載の表面被覆切削工具。
【請求項１０】
前記基材は、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、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
表面に酸化処理を施していない基材を準備するステップと、
前記基材上に直接酸化アルミニウム被膜を物理蒸着法により形成するステップと、
を含むことを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上に被膜を形成してなる表面被覆切削工具およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削工具を構成する基材は、その表面保護を目的とするとともに耐摩耗性や靭性等の諸特性の更なる向上を目的として、各種の被膜でその表面を被覆することが行なわれてきた。中でも酸化アルミニウムは、耐摩耗性に特に優れる効果が発揮されるとともに、基材の表面酸化を防止する効果が期待されることから、上記基材の表面を直接被覆する被膜として用いる試みが古くから行なわれてきた。
【０００３】
そのような試みの一つとして、酸化アルミニウムを化学蒸着法（ＣＶＤ法）により基材上に直接形成することが提案されている（特許文献１）。しかしながら、この提案によれば酸化アルミニウムを化学蒸着法により形成する際に基材が高温に曝されることから、基材の劣化を招く可能性がある。しかも、このような化学蒸着法で形成される酸化アルミニウムはα型の結晶構造を有するものとなるが、その結晶組織は０．５μｍ以上という大きなものとなり、工具の表面粗度が悪化することから耐摩耗性が低下する等の問題をも有していた。
【０００４】
一方、このような問題を解決する手段として、化学蒸着法に代えて物理蒸着法（ＰＶＤ法）により酸化アルミニウムを基材上に直接形成することが提案されている（特許文献２〜４）。しかしながらこの提案によれば、上記のような化学蒸着法に起因する問題は解決されるものの、この物理蒸着法による形成に先立って基材表面を酸化処理しなければならないという前処理を必須の要件としている。この酸化処理は、酸化アルミニウム被膜の結晶成長を促進するために行なわれるとされているが、この酸化処理により基材が劣化される可能性があるという問題を有していた。
【特許文献１】特開昭４８−１７４８０号公報
【特許文献２】特開２００４−３３２００３号公報
【特許文献３】特開２００４−３３２００５号公報
【特許文献４】特開２００４−３３２００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、基材を劣化したり表面粗度を悪化することなく基材表面に酸化アルミニウム被膜を直接形成した表面被覆切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、基材上に直接酸化アルミニウム被膜を物理蒸着法により形成するに際し、形成される酸化アルミニウムの結晶構造を調整すれば、基材を酸化処理するという前処理を行なうことなく基材上に直接酸化アルミニウム被膜を形成することができるのではないかという知見を得、この知見に基づきさらに検討を重ねることにより、ついに本発明を完成させるに至ったものである。
【０００７】
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された１以上の被膜とを備えるものであって、この被膜は、少なくとも酸化アルミニウム被膜を含み、該酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムを含む被膜であって上記基材上に直接形成されるものであり、かつその酸化アルミニウムの結晶構造がγ型であるか、またはγ型とα型の混在構造となっていることを特徴としている。
【０００８】
また、上記酸化アルミニウム被膜は、物理蒸着法により形成されていることが好ましく、酸化アルミニウムの結晶組織の大きさが１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
また、上記酸化アルミニウム被膜は、−４ＧＰａ以上１ＧＰａ以下の残留応力を有することが好ましく、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、Ｂ2Ｏ3またはＴｉＯ2の少なくとも１種を含有していることが好ましく、０．１μｍ以上１０μｍ以下の膜厚を有していることが好ましい。
【００１０】
また、上記被膜は、上記酸化アルミニウム被膜上に、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜が形成されていることが好ましい。
【００１１】
そして特にこの酸化アルミニウム被膜上に形成される被膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜であることが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されてなる被膜を１以上含むことが好ましい。
【００１２】
また、上記基材は、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、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成されることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の表面被覆切削工具の製造方法は、上記のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、表面に酸化処理を施していない基材を準備するステップと、この基材上に直接酸化アルミニウム被膜を物理蒸着法により形成するステップと、を含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の表面被覆切削工具は、上述の通りの構成を有することにより、基材を劣化したり表面粗度を悪化することなく基材表面に酸化アルミニウム被膜を直接形成したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された１以上の被膜とを備えるものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用また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として極めて有用である。
【００１６】
＜基材＞
本発明の表面被覆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知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
【００１７】
なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。
【００１８】
そして、本発明の基材は、後述の酸化アルミニウム被膜が形成される前にその表面が酸化処理されていないことを特徴とするものである。本発明は、このように酸化処理を施していない基材を用いるものであるため、従来技術のように基材が劣化するという問題を根本的に解決したものである。
【００１９】
＜被膜＞
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、１以上の被膜が積層されて形成されるものであり、少なくともその一の被膜として酸化アルミニウム被膜を含むものである。なお、この被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、部分的に被膜が形成されていない態様をも含む。
【００２０】
また、このような被膜は、酸化アルミニウム被膜上に、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜をさらに含むことができる。
【００２１】
なお、このような被膜の合計厚み（総膜厚）は、０．５μｍ以上１５μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が１０μｍ以下、さらに好ましくは７μｍ以下、その下限が１μｍ以上、さらに好ましくは２μｍ以上である。その厚みが０．５μｍ未満の場合、耐摩耗性や耐酸化性等の諸特性の向上作用が十分に示されない場合があり、１５μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない。なお、本発明の被膜には、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどが耐摩耗性を低下させない程度に１０原子％以下含有する場合を含む。以下、これらの被膜についてさらに詳細に説明する。
【００２２】
＜酸化アルミニウム被膜＞
本発明の酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を含む被膜であって上記基材上に直接形成されるものであり、かつその酸化アルミニウムの結晶構造がγ型であるか、またはγ型とα型の混在構造となっていることを特徴としている。そして、このような酸化アルミニウム被膜は、物理蒸着法により特に好適に形成される。
【００２３】
なお、本願では酸化アルミニウムの結晶構造がγ型であるものを単にγ−Ａｌ2Ｏ3、α型であるものを単にα−Ａｌ2Ｏ3、γ型とα型の混在構造であるものを単にγ，α−Ａｌ2Ｏ3、とそれぞれ記す場合がある。また、結晶構造がγ型とは、結晶学的にスピネル型の結晶構造を有するものであり、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により同定することができる。同じく、結晶構造がα型とは、結晶学的にコランダム型の結晶構造を有するものであり、Ｘ線回折法により同定することができる。また、γ型とα型の混在構造とはＸ線回折法で上記γ型とα型の双方に起因する回折スペクトルを有するものをいう。
【００２４】
このように酸化アルミニウム被膜を構成する酸化アルミニウムの結晶構造をγ型、またはγ型とα型の混在構造としたことにより、基材に対して酸化処理という前処理を何等行なうことなく基材上に物理蒸着法により酸化アルミニウム被膜を直接形成することが可能となったものである。これは、詳細なメカニズムは未だ不明ながら、酸化アルミニウム自体と基材（それを構成する金属や金属化合物）とはそもそも諸特性が全く異なるものであるため、恐らく相対的に結晶組織の微細なγ型、またはγ型とα型の混在構造の酸化アルミニウムが選択的に有利に基材上で結晶成長するためではないかと推測される。これにより、基材を劣化したり表面粗度を悪化することなく基材表面に酸化アルミニウム被膜を直接形成することが可能となった。なお、本願において酸化アルミニウム被膜を基材上に直接形成するとは、基材と酸化アルミニウム被膜とが他の被膜を介することなく直接接して形成されることをいう。
【００２５】
ここで、上記において酸化アルミニウムを含む被膜とは、酸化アルミニウムを主成分として含む被膜を意味し、不可避不純物が包含されていても差し支えない。また、このような酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウム以外の成分としてさらにＺｒＯ2、ＨｆＯ2、Ｂ2Ｏ3またはＴｉＯ2の少なくとも１種を含んでいても差し支えない。これらの成分は、酸化アルミニウムに対して０．１質量％以上４０質量％以下の配合比で包含されることができる。またさらに、該酸化アルミニウム被膜は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｙ、Ｙｂ等の金属を２０原子％以下含有することができる。このように酸化アルミニウム以外の上記各成分を含むことにより、酸化アルミニウムの微細化が促進され高硬度化や断熱性の向上という特性を付与することができる。なお、酸化アルミニウム被膜が上記のような他の成分を含む場合、これらの他の成分は酸化アルミニウムの結晶格子の正規の位置に置換型として入る場合、該結晶格子間に侵入型として入る場合、金属間化合物を形成する場合、非晶質として存在する場合等、いずれの場合も含まれる。
【００２６】
このように本発明の酸化アルミニウム被膜は、酸化アルミニウムの結晶組織の大きさが１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、被膜の表面粗度が平滑化され、被削材の溶着を極めて有効に防止することができるため、被削材の加工面を極めて良好な状態に仕上げることができるとともに、工具自体の耐摩耗性も飛躍的に向上させることができる。
【００２７】
なお、ここで結晶組織の大きさとは平均値を表すものであり、該結晶が柱状組織の場合には結晶の成長方向と垂直な方向の幅の平均値を示し、該結晶が粒状組織の場合には長径（個々の結晶中最大となる粒子径）の平均値を示すものとする。この大きさが５００ｎｍを超えると、上記のような表面粗度の平滑化が得られなくなる場合があり、その大きさが１ｎｍ未満になると、十分な基材の保護効果や耐摩耗性等の諸特性の向上作用が示されなくなる場合がある。より好ましくは、その上限が２００ｎｍ以下、さらに好ましくは１００ｎｍ以下であり、一方その下限が１ｎｍ以上であるものが好ましい。
【００２８】
さらに、上記酸化アルミニウム被膜は、−４ＧＰａ以上１ＧＰａ以下の残留応力を有することが好ましい。これにより、極めて優れた靭性を付与することができる。
【００２９】
ここで、上記残留応力とは、被膜に残留する内部応力（固有ひずみ）であって、圧縮残留応力と引張残留応力の両者を含む概念である。本発明において単に残留応力という場合は、圧縮残留応力と引張残留応力の両者を含むものとする（なお、引張残留応力が解放されて応力が０ＧＰａになった状態も便宜的に含むものとする）。
【００３０】
また、上記圧縮残留応力とは「−」（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。なお、数値を使わずに圧縮残留応力の大小を表現する場合は、上記数値の絶対値が大きくなる程、圧縮残留応力が大きいと表現し、また上記数値の絶対値が小さくなる程、圧縮残留応力が小さいと表現するものとする。一般に、圧縮残留応力が大きくなる程高い靭性を示す。また、引張残留応力とは、「＋」（プラス）の数値（単位：本発明では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。
【００３１】
なお、このような残留応力は、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、工具のすくい面または逃げ面の平坦部に位置する任意の点３点（これらの各点は当該部位の応力を代表できるように互いに０．５ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい）以上の応力を該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。
【００３２】
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５４〜６６頁に詳細に説明されている方法を用いれば良い。
【００３３】
このような酸化アルミニウム被膜の残留応力は、より好ましくはその上限が０．２ＧＰａ以下、さらに好ましくは０．１ＧＰａ以下、その下限が−３．５ＧＰａ以上、さらに好ましくは−３ＧＰａ以上の範囲とすることが好適である。なお、１ＧＰａを超える残留応力（引張残留応力）を有する場合には、靭性が劣る（耐欠損性が劣る）場合がある一方、残留応力が−４ＧＰａ未満になると大きな圧縮応力を有することから被膜の自己破壊を生じる場合がある。
【００３４】
また、このような酸化アルミニウム被膜は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有することが好ましく、より好ましくはその上限が６μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以下、その下限が０．２μｍ以上、さらに好ましくは０．３μｍ以上である。その厚みが０．１μｍ未満の場合、高温時に十分な耐酸化性が示されなくなるとともに十分な耐摩耗性を示さなくなる場合があり、１０μｍを超えると耐欠損性が低下するため好ましくない場合がある。
【００３５】
上記のような優れた特性を有する本発明の酸化アルミニウム被膜は、物理蒸着法により形成することが最適である。このような物理蒸着法としては、従来公知の物理蒸着法を採用することができるが、非導電性材料である酸化アルミニウムを被覆するためにはスパッタリング法が好ましい。中でも、カソードにパルス電源を用いたマグネトロンスパッタリング法を採用することが好ましい。また、スパッタリング法とアークイオンプレーティング法との組み合せや酸化アルミニウム中に導電性物質を分散させて導電性を付与し、アークイオンプレーティング法で成膜する方法も採用できる。
【００３６】
そして、その酸化アルミニウムの結晶構造をγ型、またはγ型とα型の混在構造に調整するためには、上記の各方法において、基材表面が酸化されていない状態、すなわち基材上に酸化化合物が存在しない状態で直接酸化アルミニウム被膜を形成することが望まれる。これは、恐らく基材表面が酸化された状態ではα型の酸化アルミニウムが優先的に形成されるためであると推測される。
【００３７】
＜酸化アルミニウム被膜以外の被膜＞
本発明の被膜は、上記酸化アルミニウム被膜上に、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜が形成されていることが好ましい。
【００３８】
そして特にこの酸化アルミニウム被膜上に形成される被膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜であることが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されてなる被膜を１以上含むことが好ましい。
【００３９】
以下、このような酸化アルミニウム被膜上に形成される酸化アルミニウム被膜以外の被膜を、便宜上、外層被膜と記すことにする。
【００４０】
このような外層被膜は、高硬度で耐摩耗性に優れるとともに、極めて優れた靭性を示すものである。特に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜は、耐酸化性および耐熱性に優れていることから特に優れた耐摩耗性が示されるとともに、酸化アルミニウム被膜との密着性に優れるため極めて優れた耐剥離性が示される。これらの好適な諸特性は、酸化アルミニウム被膜が高い断熱性を示すことに起因して酸化アルミニウム被膜上に形成される他の被膜に切削熱が蓄積することによりもたらされる種々の問題を解消するのに極めて有効である。
【００４１】
なお、該外層被膜は、物理蒸着法により形成されることが好ましく、圧縮残留応力を有していることが好ましい。
【００４２】
このような外層被膜を物理蒸着法により形成することが好適である理由は、第一に外層被膜に圧縮残留応力を付与するためであり、第二に酸化アルミニウム被膜が物理蒸着法により形成される場合においてこの酸化アルミニウム被膜と同じ成膜方法を採用することにより製造効率を向上させるためである。このような物理蒸着法は、上記の酸化アルミニウム被膜について述べたのと同様の方法を採用することができ、特に酸化アルミニウム被膜と同一の方法を採用することが好適である。
【００４３】
そして、このような外層被膜を構成する金属または化合物としては、たとえば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＴｉＡｌ、ＴｉＳｉ、ＡｌＣｒ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＯＮ、ＣｒＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、Ｃｒ2Ｏ3、Ｔｉ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＴｉＡｌＯＮ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＡｌＺｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ2、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＢＣＮＯ等を挙げることができる。
【００４４】
とりわけ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＮＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＮＯ、ＴｉＳｉＣＮＯ、ＣｒＴｉＮ、ＣｒＴｉＮＯ、ＣｒＴｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＣＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＣＮＯ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ等を挙げることができ、特にＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ等が好適である。
【００４５】
なお、この外層被膜は、これらの金属または化合物を単層または多層として形成することができ、多層の場合はこれらの金属または化合物からなる層を５ｎｍ〜５μｍの厚みで積層する場合も含む。そして、特にＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層されてなる被膜を１以上含むことが好ましい。このように上記各層を周期的に積層させることにより、耐酸化性および耐熱性がさらに向上し極めて優れた耐摩耗性が示される。ここで、周期的に積層させるとは、たとえば２種の層を上下交互に積層させるなど、一定の周期性をもって積層させることをいう。なお、各層の厚みが１ｎｍ未満となる場合や１００ｎｍを超える場合には積層による耐摩耗性の向上効果が示されない場合があるが、その場合であってもこれらの金属や化合物によってもたらされる固有の耐摩耗性の向上効果は示される。各層の厚みはより好ましくは５ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。
【００４６】
さらに本発明の外層被膜は、圧縮残留応力を有することが好ましく、これにより高い靭性を示すものとなる。ここで、圧縮残留応力とは、上記の酸化アルミニウム被膜について既に説明した通りの内部応力であって、好ましくは−１０ＧＰａ以上−１ＧＰａ以下、さらに好ましくはその上限が−１．５ＧＰａ以下、さらに好ましくは−２ＧＰａ以下、その下限が−８ＧＰａ以上、さらに好ましくは−７ＧＰａ以上の範囲の応力とすることが好適である。−１ＧＰａを超える残留応力を有する場合には、靭性が劣る（耐欠損性が劣る）ことになり、一方、残留応力が−１０ＧＰａ未満になると圧縮応力が大きくなり過ぎて被膜の自己破壊による剥離を生じる場合がある。なお、このような圧縮残留応力は、酸化アルミニウム被膜で説明したｓｉｎ2ψ法を用いた同様の方法により測定することができる。また、外層被膜が多層で形成される場合には、最大の圧縮応力（その絶対値が最大となる圧縮応力）を有する層の応力を外層被膜の圧縮残留応力とするものとする。
【００４７】
このような外層被膜は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚み（多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が７μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、その下限が０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。その厚みが０．３μｍ未満の場合には、十分な耐摩耗性が示されなくなるとともに十分な靭性を示さなくなる場合があり、１０μｍを超えると耐欠損性が低下することがあるため好ましくない。
【００４８】
＜表面被覆切削工具の製造方法＞
本発明の表面被覆切削工具の製造方法は、表面に酸化処理を施していない基材を準備するステップと、この基材上に直接酸化アルミニウム被膜を物理蒸着法により形成するステップと、を含むことができる。そして酸化アルミニウム被膜上にさらに外層被膜を形成する場合は、この酸化アルミニウム被膜上に外層被膜を物理蒸着法により形成するステップをさらに含むものとなる。なお、物理蒸着法としては、上記で説明した方法が採用される。
【００４９】
ここで、表面に酸化処理を施していない基材を準備するステップとは、基材表面に対して酸化処理するという前処理を施さないということを意味するものである。このように酸化処理を施していない基材を用いるものであるため、従来技術のように基材が劣化するという問題を根本的に解決したものである。
【００５０】
このように本発明の表面被覆切削工具の被膜は、全て物理蒸着法により形成することが好ましい。これにより、極めて高い製造効率を得ることができるからである。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の各被膜の化学組成はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）によって確認し、残留応力は上記に説明したｓｉｎ2ψ法により３点の平均値を求めることによって算出した。また、以下では被膜を物理蒸着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カソードアークイオンプレーティング法の組み合わせにより形成しているが、公知の他の物理蒸着法によって成膜した場合も含む。
【００５２】
＜実施例１＞
＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、基材として、グレードがＪＩＳ規格Ｍ２０のＷＣ基超硬合金であって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８であるものを使用し、これをカソードにパルスＤＣ電源を用いたアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置（成膜装置）に装着した。
【００５３】
図１は、その成膜装置１０の概略構成を示す模式図である。図１に示す成膜装置１０内に複数のアーク蒸発源１１、１２およびアンバランスドマグネトロンスパッタ蒸発源（以下、ＵＢＭスパッタ源と呼ぶ）１３を配置し、中心点Ｃを中心とし蒸発源１１〜１３に各対向するようにして回転する保持具１４に基材２０である上記切削チップを装着した。なお、必要なガスは、ガス導入口１５から成膜装置１０内へ導入される。また、成膜装置１０内にはヒーター１６が備えられている。
【００５４】
本実施例では、アーク蒸発源１１、１２に所定の金属原料（例えば、ＴｉＡｌやＴｉなど）をセットし、ＵＢＭスパッタ源にＡｌ（Ｈｆ、Ｚｒ、Ｂ等を含む場合もある）をセットした。すなわち、ＵＢＭスパッタ源により酸化アルミニウム被膜を形成し、アーク蒸発源により外層被膜を形成するものである。
【００５５】
続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を１×１０-3Ｐａ以下に減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーター１６により上記基材２０の温度を６５０℃に加熱し、１時間保持した。
【００５６】
次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。なお、このアルゴンガスによる処理は酸素を伴わず、酸化処理ではない。
【００５７】
次いで、上記基材表面に形成される被膜として、化学組成および積層構成（膜厚、残留応力）が以下の表１に示したものとなるように上記金属蒸発源に上記ターゲットを各々セットした。Ｎｏ．１〜１１の工具の酸化アルミニウム被膜については、基材（基板）温度５００〜８００℃に設定し、酸素ガスを流しながらＵＢＭスパッタ源にパルスＤＣ電力を加えながら反応性スパッタ法で形成した。また外層被膜については、基材（基板）温度４００〜６００℃に設定し、真空もしくは反応ガスとして窒素、メタン（炭素源として）、酸素のいずれか１以上のガスを導入させながら、アークイオンプレーティング法で上記基材表面に各構成の被膜を形成した。なお、表１中、２以上の外層被膜が形成されるものについては、左側のものから順に酸化アルミニウム被膜上に形成したことを示している。
【００５８】
このようにして、表１に示したＮｏ．１〜１６の表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．１〜１１が本発明の実施例であって基材上に酸化アルミニウム被膜が直接形成されており、Ｎｏ．１２〜１６は比較例であって基材の直上に酸化アルミニウム被膜以外の被膜等が形成されたものである。なお、比較例の各被膜のうち下記被膜については以下の成膜方法を採用した。
【００５９】
すなわち、Ｎｏ．１４、１５の比較例は、被膜として酸化アルミニウム被膜を含んでいるが、この酸化アルミニウム被膜はＣＶＤ法（被覆温度１０００℃）により形成されており、酸化アルミニウムの結晶構造がα型を示し、０．４ＧＰａの引張残留応力を有するものであった。また、Ｎｏ．１６の比較例は、被膜を形成する前に基材を、酸素を含有する雰囲気下１０００℃で１時間熱処理することにより、基材表面を酸化した状態で各被膜を物理蒸着法により形成したものである（このため酸化アルミニウム被膜の結晶型はα型を示した）。なお、これ以外の各比較例の被膜は、実施例のものと同様に物理蒸着法により成膜した。
【００６０】
【表１】
2007196364.tif 000002
【００６１】
上記表１において、被膜の積層構成は、左のものから順に基材上に積層させたことを示している（表１中において空欄となっているところは、該当する被膜が形成されないことを示している）。また、上記表１において、「＊」の記号を付したものが比較例である。
【００６２】
なお、Ｎｏ．９〜１１の外層被膜は、２種の層が周期的に積層されてなる被膜であることを示している。たとえば、Ｎｏ．９は、厚み１５ｎｍのＴｉＡｌＮからなる層と厚み１５ｎｍのＡｌＣｒＮＯからなる層とが周期的に積層（上下交互に積層）して厚み２．０μｍの外層被膜（各層のうち最大の圧縮残留応力が−２．５ＧＰａとなる）が形成されていることを示す（酸化アルミニウム被膜上にはまずＴｉＡｌＮからなる層が形成されることを示す）。Ｎｏ．１０および１１についてもＮｏ．９と同様の内容を示す。このような周期的な積層は、上記成膜装置１０において保持具１４の回転速度を調節したり、または半回転毎に反応ガスの種類や流量を調節することにより形成することができる。
【００６３】
そして、これらの表面被覆切削工具について、下記の条件により、耐摩耗性試験と断続切削試験を行なった。その結果を以下の表２に示す。耐摩耗性試験では、逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍとなる時間を測定し、その時間が長いもの程耐摩耗性に優れていることを示している。また、断続切削試験では、工具が欠損するまでの時間を測定し、その時間が長いもの程靭性に優れていることを示している。
【００６４】
＜耐摩耗性試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５丸棒
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
＜断続切削試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
【００６５】
【表２】
2007196364.tif 000003
【００６６】
上記表２において、「＊」の記号を付したものが比較例である。表２から明らかなように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１の本発明の実施例の表面被覆切削工具は、いずれも優れた耐摩耗性と靭性とを有するものであった。すなわち、酸化アルミニウム被膜の表面粗度が平滑なためにこれが工具の表面粗度の平滑性に寄与し、以って優れた耐摩耗性を示したものと考えられるとともに、基材の劣化が防止されたために優れた靭性を示したものと考えられる。なお、外層被膜としてＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層を周期的に積層させた被膜を形成したＮｏ．９〜１１において、特に優れた耐摩耗性が示されたことにより、これらの被膜が優れた耐酸化性および耐熱性を有していることが確認できた。
【００６７】
これに対して、Ｎｏ．１２〜Ｎｏ．１６の比較例の表面被覆切削工具は、上記実施例のものに比し耐摩耗性も靭性（耐欠損性）も劣っていた。
【００６８】
なお、本実施例では、基材としてチップブレーカを有するものを用いたが、チップブレーカを有していないものや、切削工具の上下面全面が研磨されたような工具（チップ）でも本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
＜実施例２＞
＜表面被覆切削工具の作製＞
基材として、実施例１で用いた基材に代えて、組成がＪＩＳ規格Ｐ３０のサーメットであって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８であるものを基材として使用することを除き、他は全て実施例１と同様にして被膜を形成し、表３に示したＮｏ．１０１〜１２０の表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．１０１〜１１５が本発明の実施例であって基材上に酸化アルミニウム被膜が直接形成されており、Ｎｏ．１１６〜１２０は比較例であって基材の直上に酸化アルミニウム被膜以外の被膜等が形成されたものである。なお、上記実施例および比較例の各被膜は、いずれも実施例１と同様の条件により物理蒸着法（ただしＮｏ．１１９のみＣＶＤ法）により成膜し、またＮｏ．１２０は実施例１のＮｏ．１６と同様に基材を酸化処理した後、酸化アルミニウム被膜を物理蒸着法により形成したものである。
【００７０】
【表３】
2007196364.tif 000004
【００７１】
上記表３において、「＊」の記号を付したものが比較例であり、被膜の積層構成は実施例１と同様、左のものから順に基材上に積層させたことを示している（表３中において空欄となっているところは、該当する被膜が形成されないことを示し、Ｎｏ．１１３〜１１５は、実施例１のＮｏ．９〜１１と同様に外層被膜が周期的に積層された多層被膜として形成されていることを示している）。
【００７２】
そして、これらの表面被覆切削工具について、下記の条件により、耐摩耗性試験と断続切削試験を行なった。その結果を以下の表４に示す。耐摩耗性試験では、逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍとなる時間を測定し、その時間が長いもの程耐摩耗性に優れていることを示している。また、断続切削試験では、工具が欠損するまでの時間を測定し、その時間が長いもの程靭性に優れていることを示している。
【００７３】
＜耐摩耗性試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５丸棒
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
＜断続切削試験＞
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
【００７４】
【表４】
2007196364.tif 000005
【００７５】
上記表４において、「＊」の記号を付したものが比較例である。表４から明らかなように、Ｎｏ．１０１〜Ｎｏ．１１５の本発明の実施例の表面被覆切削工具は、いずれも優れた耐摩耗性および靭性を有するものであった。すなわち、酸化アルミニウム被膜の表面粗度が平滑なためにこれが工具の表面粗度の平滑性に寄与し、以って優れた耐摩耗性を示したものと考えられるとともに、基材の劣化が防止されたために優れた靭性を示したものと考えられる。なお、外層被膜としてＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層を周期的に積層させた被膜を形成したＮｏ．１１３〜１１５において、特に優れた耐摩耗性が示されたことにより、これらの被膜が優れた耐酸化性および耐熱性を有していることが確認できた。
【００７６】
これに対して、Ｎｏ．１１６〜Ｎｏ．１２０の比較例の表面被覆切削工具は、上記実施例のものに比し耐摩耗性も靭性（耐欠損性）も劣っていた。
【００７７】
なお、本実施例では、基材としてチップブレーカを有するものを用いたが、チップブレーカを有していないものや、切削工具の上下面全面が研磨されたような工具（チップ）でも本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７８】
＜実施例３＞
＜表面被覆切削工具の作製＞
基材として、実施例１で用いた基材に代えて、立方晶型窒化硼素の含有率が３０〜９５％である市販の立方晶型窒化硼素焼結体であって、切削チップとしての形状がＪＩＳ規格ＳＮＧＮ１２０４０８であるものを基材として使用することを除き、他は全て実施例１と同様にして被膜を形成し、表５に示したＮｏ．２０１〜２１０の表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．２０１〜２０５が本発明の実施例であって基材上に酸化アルミニウム被膜が直接形成されており、Ｎｏ．２０６〜２１０は比較例であって基材の直上に酸化アルミニウム被膜以外の被膜等が形成されたものである。なお、上記実施例および比較例の各被膜は、いずれも実施例１と同様の条件により物理蒸着法（ただしＮｏ．２０８およびＮｏ．２０９の酸化アルミニウム被膜のみＣＶＤ法）により成膜し、またＮｏ．２１０は実施例１のＮｏ．１６と同様に基材を酸化処理した後、酸化アルミニウム被膜を物理蒸着法により形成したものである。
【００７９】
【表５】
2007196364.tif 000006
【００８０】
上記表５において、「＊」の記号を付したものが比較例であり、被膜の積層構成は実施例１と同様、左のものから順に基材上に積層させたことを示している（表５中において空欄となっているところは、該当する被膜が形成されないことを示している）。
【００８１】
そして、これらの表面被覆切削工具について、下記の条件により、耐摩耗性試験を行なった。その結果を以下の表６に示す。耐摩耗性試験では、逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍとなる時間を測定し、その時間が長いもの程耐摩耗性に優れていることを示している。
【００８２】
＜耐摩耗性試験＞
被削材：ＳＣＭ４１５
切削速度：４００ｍ／ｍｉｎ
切込み：０．４ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
【００８３】
【表６】
2007196364.tif 000007
【００８４】
上記表６において、「＊」の記号を付したものが比較例である。表６から明らかなように、Ｎｏ．２０１〜Ｎｏ．２０５の本発明の実施例の表面被覆切削工具は、いずれも優れた耐摩耗性を有するものであった。すなわち、酸化アルミニウム被膜の表面粗度が平滑なためにこれが工具の表面粗度の平滑性に寄与し、以って優れた耐摩耗性を示したものと考えられる。
【００８５】
これに対して、Ｎｏ．２０６〜Ｎｏ．２１０の比較例の表面被覆切削工具は、上記実施例のものに比し耐摩耗性が劣っていた。
【００８６】
なお、本実施例では、基材としてチップブレーカを有するものを用いたが、チップブレーカを有していないものや、切削工具の上下面全面が研磨されたような工具（チップ）でも本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００８７】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００８８】
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】
【００８９】
【図１】成膜装置の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０  成膜装置、１１，１２  アーク蒸発源、１３  アンバランスドマグネトロンスパッタ蒸発源、１４  保持具、１５  ガス導入口、１６  ヒーター、２０  基材。
【図１】
2007196364.tif 000008