JP2009034781A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、耐摩耗性を高度に向上させ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被覆層とを備えるものであって、該被覆層は、化学蒸着法により形成される１層以上の化学蒸着層と、その化学蒸着層上に物理蒸着法により形成される１層以上の物理蒸着層とを含み、該物理蒸着層は、超多層構造層または変調構造層を含み、該超多層構造層は、特定の化合物によって構成される２種以上の単位層が各々０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みで周期的に繰り返して積層された構造を有し、該変調構造層は、特定の化合物によって構成され、その化合物の組成または組成比が厚み方向において０．２ｎｍ以上４０ｎｍ以下の周期で変化する構造を有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、基材上に被覆層を形成してなる表面被覆切削工具に関する。

切削工具を構成する基材は、耐摩耗性や靭性等の諸特性の更なる向上を目的として、各種の被覆層でその表面を被覆することが行なわれてきた。このような被覆層の形成方法として知られる化学蒸着法は、被覆層形成時において基材と被覆層との間で構成成分の拡散が生じることが知られており、このため基材と被覆層間の密着強度を高めることができるという利点を有している。しかし、その反面、このような化学蒸着法は被覆層形成時に極めて高温となるため、被覆層の形成後室温まで冷却した場合に、基材の熱膨張係数と被覆層の熱膨張係数とが異なることに起因して被覆層に引張残留応力が発生する。このため、切削加工時に被覆層に亀裂が発生した場合、その亀裂の伝播が助長され欠損に至るという問題があった。

この問題を解決するために、化学蒸着法で形成された被覆層に対してショットピーニングやショットブラスト等の処理を施して引張残留応力を解放することが試みられているが、十分な効果を得るには至っていない。

一方、被覆層の形成方法として物理蒸着法を採用すると、被覆層に圧縮残留応力が付与されることが知られており、このため化学蒸着法により形成した被覆層が有していた上記のような問題を解決することができる。しかし、このような物理蒸着法により形成した被覆層は、基材との密着性に劣ることから基材から剥離し易いという問題を有していた。

このように基材上に被覆層を形成する方法としての化学蒸着法と物理蒸着法とは、それぞれ一長一短を有するものと考えられる。このため、これら両者の短所を互いに補完することを目的としてこれら両者を組み合わせて用いることが試みられている。具体的には、基材上にまず化学蒸着法により被覆層を形成し、その上に物理蒸着法によりさらに被覆層を形成することにより、被覆層全体としての応力を調整したり両者の長所を助長させることが試みられている（特許文献１〜４）。

しかしながら、上記のような試みによってある程度の改善は可能であるものの、切削工具に対して高度な耐摩耗性が求められる近年の切削加工現場においては、更なる性能の向上が求められている。
特開昭６４−０３６７６０号公報 特開平０８−３１８４１０号公報 特開平１０−２２５８０５号公報 特開平１１−０６１４３７号公報

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、耐摩耗性を高度に向上させた表面被覆切削工具を提供することにある。

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被覆層とを備えるものであって、該被覆層は、化学蒸着法により形成される１層以上の化学蒸着層と、その化学蒸着層上に物理蒸着法により形成される１層以上の物理蒸着層とを含み、該物理蒸着層は、超多層構造層または変調構造層を含み、該超多層構造層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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種以上の単位層が、各々０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みで周期的に繰り返して積層された構造を有し、該変調構造層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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、その化合物の組成または組成比が厚み方向において０．２ｎｍ以上４０ｎｍ以下の周期で変化する構造を有することを特徴とする。

ここで、上記化学蒸着層は、少なくともその１層が圧縮残留応力を有することが好ましく、上記物理蒸着層は、上記超多層構造層または変調構造層以外に、１層以上の硬質層を含むことができ、上記硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素によって構成されるか、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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ことができる。

また、上記化学蒸着層は、１μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有し、上記物理蒸着層は、０．０１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。

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、ダイヤモンド焼結体、または窒化硅素焼結体のいずれかにより構成されることが好ましく、上記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、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、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用刃先交換型切削チップのいずれかであることが好ましい。

また、本発明は、基材と該基材上に形成された被覆層とを備え、該被覆層は化学蒸着法により形成される１層以上の化学蒸着層と、その化学蒸着層上に物理蒸着法により形成される１層以上の物理蒸着層とを含み、該物理蒸着層は超多層構造層または変調構造層を含む表面被覆切削工具の製造方法に関し、該製造方法は、該基材上に化学蒸着法により１層以上の化学蒸着層を形成する工程と、該化学蒸着層の最表面に対してボンバード処理を行なうとともに物理蒸着法により１層以上の物理蒸着層を形成することにより該化学蒸着層の少なくとも１層に圧縮残留応力を付与する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、耐摩耗性を高度に向上させたものである。

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被覆層とを備えるものである。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、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、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用刃先交換型切削チップ等として極めて有用である。

＜基材＞
本発明の基材を構成する材料としては、このような表面被覆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基超硬合金を含み、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭化物、窒化物、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、または窒化硅素焼結体等を挙げることができる。

また、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、β相富化層またはＣｏ相富化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。また、超硬合金やサーメットの場合、合金組織中の遊離炭素およびε相の存在の有無に関わらず本発明の効果は示される。

＜被覆層＞
本発明の被覆層は、上記の基材上に形成されるものである。この被覆層は、基材の全面を覆うようにして形成されていても良いし、基材の一部分のみを覆うようにして形成されていても良いが、その形成目的が切削工具の諸特性の向上（すなわち切削性能の向上）にあることから、基材の全面を覆うかもしくは一部分を覆う場合であっても切削性能の向上に寄与する部位の少なくとも一部分を覆うことが好ましい。

このような被覆層は、化学蒸着法（ＣＶＤ法）により形成される１層以上の化学蒸着層と、その化学蒸着層上に物理蒸着法（ＰＶＤ法）により形成される１層以上の物理蒸着層とを含み、該物理蒸着層は、超多層構造層または変調構造層を含むことを特徴としている。

このように被覆層が１層以上の化学蒸着層を含むことにより、被覆層全体としての基材への密着性が向上したとともに、１層以上の物理蒸着層を含むことにより靭性が向上したものである。そして、特に、被覆層が化学蒸着層を含み、かつ物理蒸着層として超多層構造層または変調構造層を含むことからこれらの相乗作用により耐摩耗性が飛躍的に向上し、以って耐摩耗性と靭性とを極めて高度に両立させることが可能となったものである。

なお、本発明の被覆層の厚み（全体の厚み）は、１μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。その厚みが１μｍ未満の場合、耐摩耗性等の諸特性の向上作用が十分に示されないためであり、一方、４０μｍを超えてもそれ以上の諸特性の向上が認められないことから経済的に有利ではない。しかし、経済性を無視する限りその厚みは４０μｍ以上としても何等差し支えなく、本発明の効果は示される。このような厚みの測定方法としては、たとえば表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。

＜化学蒸着層＞
本発明の被覆層には、１層以上の化学蒸着層が含まれる。化学蒸着層は、基材と接するようにして基材上に形成されるものであり、化学蒸着法により形成される。このような化学蒸着法としては、従来公知の方法を特に限定することなく使用することができ、条件等が限定されることはない。たとえば、８５０〜１０５０℃程度の成膜温度を採用することができ、使用するガスとしてもニトリル系のガス等従来公知のガスを特に限定することなく使用することができる。

このような化学蒸着層の各層は、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からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素によって構成されるか、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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ことが好ましい。

上記のような元素または化合物としては、たとえばＣｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢ₂、ＴｉＯ₂、ＴｉＢＮ、ＴｉＢＮＯ、ＴｉＣＢＮ、ＺｒＣ、ＺｒＯ₂、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＣＮＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＺｒＮ、ＴｉＡｌＣ、ＮｂＣ、ＮｂＮ、ＮｂＣＮ、Ｍｏ₂Ｃ、ＷＣ、Ｗ₂Ｃ等を挙げることができる。なお、本発明において上記のように化合物を化学式で表わす場合、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「ＴｉＣＮ」と記す場合、「Ｔｉ」と「Ｃ」と「Ｎ」の原子比は５０：２５：２５の場合のみに限られず、また「ＴｉＮ」と記す場合も「Ｔｉ」と「Ｎ」の原子比は５０：５０の場合のみに限られない。これらの原子比としては従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする（以下の物理蒸着層、実施例等において同じ）。

そして、このような化学蒸着層は、少なくともその１層が圧縮残留応力を有していることが特に好ましい。これにより、化学蒸着層の靭性が飛躍的に向上し切削加工時に発生する亀裂の伝播を効果的に防止することが可能になるという極めて優れた効果が示される。このように化学蒸着層の少なくとも１層が圧縮残留応力を有し、かつ物理蒸着層が上記のように超多層構造層または変調構造層を含むことによりこれらが相乗的に作用し極めて高度に耐摩耗性と靭性とを両立させることができる。

ここで、本発明の化学蒸着層に圧縮残留応力を付与する方法としては、後述するように化学蒸着層の最表面（物理蒸着層に接する最上層の表面）に対してボンバード処理を行なう方法が採用される。化学蒸着層は化学蒸着法により形成されることから何等の処理を施さなければ引張残留応力を有することになるが、この引張残留応力を開放するだけではなくさらに圧縮残留応力を付与する方法として、このようなボンバード処理が有効であることは本発明の発明者の研究により初めて明らかとなったものであり本発明の技術的特徴のひとつを構成するものである。

従来、化学蒸着層の表面に対してショットピーニングを施すことは知られていたが（特許文献４）、この処理によっては引張残留応力が開放されるに止まり、圧縮残留応力を付与することはできなかった。ショットピーニングに代えてブラスト等の処理を行なうことも考えられるが、化学蒸着層上に物理蒸着層を形成する場合において、このようなブラスト等の処理を行なうことは極めて作業効率が低減されることになる。これに対して、本発明が採用するボンバード処理は、物理蒸着層を形成する装置内で行なうことができるため、作業効率に優れ以ってその産業上の利用性は極めて大きい。

なお、本発明におけるボンバード処理という表現は、通常のボンバード処理が含まれるとともに、物理蒸着法により物理蒸着層を形成する場合において条件を調整することにより物理蒸着層が形成されず化学蒸着層に圧縮残留応力のみが付与されるようなケースをも含み得ることを意図したものである。

ここで、圧縮残留応力とは、このような被覆層に存する内部応力（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。因みに、引張残留応力とは、被覆層に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「＋」（プラス）の数値で表される応力をいう。なお、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との両者を含むものとする。

そして、このような圧縮残留応力は、その絶対値が０．１ＧＰａ以上の応力であることが好ましく、より好ましくは０．２ＧＰａ以上、さらに好ましくは０．５ＧＰａ以上の応力である。その絶対値が０．１ＧＰａ未満では、十分な靭性を得ることができない場合があり、上記のような優れた効果を得ることができない場合がある。一方、その絶対値は大きくなればなる程靭性の付与という観点からは好ましいが、その絶対値が６ＧＰａを越えると該層自体が破壊したり剥離したりすることがあり好ましくない。

なお、このような圧縮残留応力（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。そしてこのような圧縮残留応力は化学蒸着層中の圧縮残留応力が付与される層に含まれる任意の点（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（複数点で測定する場合の各点は当該層の応力を代表できるように互いに０．１ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい））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。

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。

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。

さらに、上記圧縮残留応力は、放射光を用いて測定することもできる。この場合、被覆層の厚み方向で残留応力の分布を求めることができるというメリットがある。

なお、本発明の化学蒸着層の厚み（２層以上で形成される場合はその全体の厚み）は、１μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは２μｍ以上２０μｍ以下である。その厚みが１μｍ未満の場合、耐摩耗性の向上作用が十分に示されないためであり、一方、３０μｍを超えてもそれ以上の諸特性の向上が認められないことから経済的に有利ではない。しかし、経済性を無視する限りその厚みは３０μｍ以上としても何等差し支えなく、本発明の効果は示される。このような厚みの測定方法としては、たとえば表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。

＜化学蒸着層の好適な構成＞
本発明の化学蒸着層は、アルミナ（酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃））を主体として含む化学蒸着アルミナ層を含むことが好ましい。そして、この化学蒸着アルミナ層は、圧縮残留応力を有していることが好ましい。化学蒸着アルミナ層は、化学蒸着法により形成されるため、上記の通り引張残留応力を有した状態で形成されるが、上記のような処理を施すことにより圧縮残留応力を付与することができる。このように、化学蒸着アルミナ層が圧縮残留応力を有することにより、特に切削工具の刃先において良好な靭性を付与することができる。

このような化学蒸着アルミナ層の厚みは、０．３μｍ以上２０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその下限を０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上、その上限を１５μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下とすることが好適である。化学蒸着アルミナ層の厚みが０．３μｍ未満の場合、耐摩耗性を改善する効果が低減する場合があり、２０μｍを超えても大幅に耐摩耗性を改善することがないため工業的に好ましくない場合がある。

ここで、アルミナを主体として含むとは、アルミナを５０質量％以上含有することを意味し、より好ましくは不可避不純物を除きアルミナのみによって構成されることをいう。なお、アルミナの結晶構造は、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により同定することができる。

このような化学蒸着アルミナ層は、化学蒸着層の最上層（物理蒸着層に接する層）として形成されていることが好ましい。換言すれば、該物理蒸着層は、この化学蒸着アルミナ層上に形成されることが好ましい。このような積層の態様とすることにより、特に耐摩耗性と靭性とを高度に両立させることができる。また、化学蒸着アルミナ層のようにアルミナを主体として含む層は外観色が黒味を帯びる傾向が強いが、このような構成とすることにより物理蒸着層の色彩を淡色のものとすれば切削工具の使用状態を容易に判別することができるという利点もある。

また、本発明の化学蒸着層は、低温度の化学蒸着法で形成されたＴｉＣＮを含む層を含むことが好ましい。熱の適用による基材のダメージを低減させつつ、耐摩耗性に優れる炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を含む層を形成させることができるからである。

このようなＴｉＣＮを含む層の厚みは、０．３μｍ以上２０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその下限を０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上、その上限を１５μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下とすることが好適である。この層の厚みが０．３μｍ未満の場合、十分に耐摩耗性を向上させることができない場合があり、２０μｍを超えても大幅に耐摩耗性を改善することがないため工業的に好ましくない場合がある。

ここで、低温度の化学蒸着法とは、上記で説明したような通常の化学蒸着法が約９５０〜１０５０℃で成膜が行なわれることが多いのに対して、約８３０〜９５０℃という比較的低温で行なう方法をいい、ＭＴ−ＣＶＤ（ｍｅｄｉｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＣＶＤ）法と呼ばれることもある。この方法は、成膜の際加熱による基材のダメージを低減することができるため好ましい。また、この場合、成膜の際に使用するガスは、ニトリル系のガス、特にアセトニトリル（ＣＨ₃ＣＮ）を用いると量産性に優れて好ましい。

なお、本発明の化学蒸着層は、上記のようなＭＴ−ＣＶＤ法により形成される層と、ＨＴ−ＣＶＤ法（ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＣＶＤ、上記でいう通常条件の化学蒸着法）により形成される層とを積層させた複層構造のものとすることにより、これらの各層間の密着力が向上する場合があり、好ましい場合がある。

＜物理蒸着層＞
本発明の物理蒸着層は、上記の化学蒸着層上に物理蒸着法により形成されるものであって、１層以上の層からなるものである。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いずれも採用することができ特に限定されることはない。このような物理蒸着法としては、たとえばマグネトロンスパッタリング法、アーク式イオンプレーティング法、ホロカソード法、イオンビーム法、電子ビーム法、バランストマグネトロンスパッタリング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法、デュアルマグネトロンスパッタリング法等を挙げることができる。

上記に例示した方法の中でも、特にアーク式イオンプレーティング法を採用することが好ましい。物理蒸着層に対して極めて有効に圧縮残留応力を付与することができるからである。なお、物理蒸着法を実行する装置としては、上記のような方法に用いられる各イオン源を併設したものを採用することが好ましい。

本発明の物理蒸着層は、物理蒸着法により形成されることから圧縮残留応力を有したものとなる。これにより、上記のような優れた効果を示すことができる。なお、このような圧縮残留応力の測定は、上記と同様の方法により行なうことができる。

そして、このような圧縮残留応力は、その絶対値が０．１ＧＰａ以上の応力であることが好ましく、より好ましくは０．２ＧＰａ以上、さらに好ましくは０．５ＧＰａ以上の応力である。その絶対値が０．１ＧＰａ未満では、十分な靭性を得ることができない場合があり、上記のような優れた効果を得ることができない場合がある。一方、その絶対値は大きくなればなる程靭性の付与という観点からは好ましいが、その絶対値が６ＧＰａを越えると該層自体が破壊したり剥離したりすることがあり好ましくない。

なお、本発明の物理蒸着層の厚み（全体の厚み）は、０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上８μｍ以下である。その厚みが０．０１μｍ未満の場合、外観の色調に斑が生じる場合があり、一方、１０μｍを超えると該層自体が自己破壊したり剥離したりするため、切削工具の刃先の靭性が低下し好ましくない。

そして、本発明の物理蒸着層は、超多層構造層または変調構造層を含む。以下、これらについて説明する。

＜超多層構造層＞
本発明の超多層構造層は、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からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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種以上の単位層が、各々０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みで周期的に繰り返して積層された構造を有する。このように物理蒸着層として超多層構造層を形成することにより、上記の化学蒸着層（特に圧縮残留応力を有する化学蒸着層）の形成と相俟って、極めて優れた耐摩耗性を付与することができる。

ここで、周期的に繰り返して積層させるとは、たとえば２種の単位層を上下交互に積層させる場合や、３種の単位層を上中下と繰り返して積層させる場合など、一定の周期性をもって積層させることをいう。なお、各単位層の厚みが０．２ｎｍ未満となる場合や２０ｎｍを超える場合には、超多層構造層による耐摩耗性の向上効果が示されない場合がある。各単位層の厚みは、それを構成する組成や成膜条件により適宜調整することができる。なお、各単位層は、実質的に同じ厚みを有していても良いし、異なる厚みを有していても良い。

このような単位層を構成する周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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、たとえばＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢ₂、ＴｉＯ₂、ＴｉＢＮ、ＴｉＢＮＯ、ＴｉＣＢＮ、ＺｒＣ、ＺｒＯ₂、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＣｒＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＣＮＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＺｒＮ、ＴｉＡｌＣ、ＮｂＣ、ＮｂＮ、ＮｂＣＮ、Ｍｏ₂Ｃ、ＷＣ、Ｗ₂Ｃ等を挙げることができる。

なお、超多層構造層を構成する単位層の積層数（合計積層数）は、特に限定されるものではないが通常１０層以上５０００層以下とすることが好ましい。１０層未満の場合は、各単位層における結晶粒が粗大化することから被覆層の硬度が低下する場合があり、５０００層を超えると各単位層が薄くなり過ぎ各層が混合する傾向を示すためである。

このような超多層構造層は、従来公知の物理蒸着法により形成されその製造方法は特に限定されない。以下、物理蒸着法としてアークイオンプレーティング法を採用する場合を例示する。

まず、アークイオンプレーティング成膜装置において、形成する単位層の種類に対応する複数の蒸発源にターゲットをセットする。そして、該装置のチャンバー内の基材ホルダーに基材をセットし、この基材ホルダーを上記蒸発源に対向するように回転させながら該蒸発源のターゲットを蒸発、イオン化させることにより超多層構造層を形成する。より具体的な条件の一例は以下の通りである。

すなわち、チャンバー内に設置されているヒーターにより基材を加熱する。その後、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を１〜１０Ｐａに維持しつつ、基材にバイアス電圧を印加することにより、アルゴンイオンによる基材表面のクリーニング処理を１〜１２０分間行なう。

続いて、チャンバー内のアルゴンガスを排出した後、反応ガスを導入し、チャンバー内の圧力を２〜１０Ｐａに維持しつつ、基材をセットした基材ホルダーを回転させながら基材にバイアス電圧（−２０〜−２００Ｖ）を印加することにより、蒸発源にセットしたターゲットをイオン化させ単位層を逐次周期的に積層することにより超多層構造層を形成することができる。

＜変調構造層＞
本発明の変調構造層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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、その化合物の組成または組成比が厚み方向において０．２ｎｍ以上４０ｎｍ以下の周期で変化する構造を有する。このように物理蒸着層として変調構造層を形成することにより、上記の化学蒸着層（特に圧縮残留応力を有する化学蒸着層）の形成と相俟って、極めて優れた耐摩耗性を付与することができる。

ここで、化合物の組成または組成比が厚み方向において０．２ｎｍ以上４０ｎｍ以下の周期で変化するとは、たとえば図１に示したように構成元素が同一でその組成比が異なるＡ、Ｂ２種の状態を例にとると、変調構造層の基材側から表面側への厚み方向において、まず地点Ｘで状態Ａであったものが、徐々に変化して地点Ｙで状態Ｂとなり、再度徐々に変化して地点Ｚにおいて状態Ａとなる場合、地点ＸとＺの距離が周期（０．２ｎｍ以上４０ｎｍ以下）となり（この場合地点Ｙは地点ＸとＺとのほぼ中点に位置する）、かつこのような状態Ａ−Ｂ−Ａの変化が同様の周期で繰り返されることをいう。なお、上記周期が０．２ｎｍ未満となる場合や４０ｎｍを超える場合には、変調構造層による耐摩耗性の向上効果が示されない場合がある。上記周期のより好ましい範囲は、その上限が３５ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下であり、その下限が０．５ｎｍ以上、さらに好ましくは１ｎｍ以上である。

このような変調構造層を構成する周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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、上記超多層構造層において例示した化合物と同様の化合物を挙げることができる。

なお、このような変調構造層は、上記で説明した超多層構造層の製造方法と同様の製造方法により形成することができ、特に組成比が厚み方向において変化する構造の変調構造層の場合は、組成比の異なるターゲットを蒸発源にセットし、基材ホルダーの回転数等を制御することにより形成することができる。

また、組成が厚み方向において変化する場合は、この変調構造層と上記超多層構造層との間で明確な差異が存在しない場合があるが、そのような差異を明確に区別する必要はなくいずれのものも本発明の範囲を逸脱するものではない。

＜硬質層＞
本発明の物理蒸着層は、上記の超多層構造層または変調構造層以外に、１層以上の硬質層を含むことができる。このような硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素によって構成されるか、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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することができる。

このような硬質層は、上記の超多層構造層または変調構造層の上（すなわち被覆層の表面側）に形成することが好ましく、これにより被覆層の外観色を安定させたり、耐溶着性や放熱性が向上するという作用を付与することができる。また、該硬質層は、化学蒸着層上に形成することもできる。これにより、化学蒸着層と物理蒸着層との密着性を向上することができるという作用を付与することができる。このように、該硬質層は、物理蒸着層中の任意の積層位置に形成することができる。

また、硬質層の厚み（２層以上形成される場合は合計厚み）は、０．０５μｍ以上５μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が３μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下であり、その下限が０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．１５μｍ以上である。なお、その厚みが０．０５μｍ未満となる場合は耐摩耗性を向上させる効果が発揮されない場合があり、５μｍを超える場合には、硬質層がチッピングしやすくなり工具寿命が短くなる場合がある。

このような硬質層を構成する元素または化合物としては、たとえばＣｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢ₂、ＴｉＯ₂、ＴｉＢＮ、ＴｉＢＮＯ、ＴｉＣＢＮ、ＺｒＣ、ＺｒＯ₂、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＣＮＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＺｒＮ、ＴｉＡｌＣ、ＮｂＣ、ＮｂＮ、ＮｂＣＮ、Ｍｏ₂Ｃ、ＷＣ、Ｗ₂Ｃ等を挙げることができる。

このような硬質層は、従来公知の物理蒸着法により形成されその製造方法は特に限定されない。

＜製造方法＞
上記で各説明したような構成の本発明の表面被覆切削工具は、次のような製造方法により製造することができる。すなわち、かかる製造方法は、基材上に化学蒸着法により１層以上の化学蒸着層を形成する工程と、該化学蒸着層の最表面に対してボンバード処理を行なうことにより該化学蒸着層の少なくとも１層に圧縮残留応力を付与する工程と、該ボンバード処理を行なった該化学蒸着層上に物理蒸着法により１層以上の物理蒸着層を形成する工程と、を含む。該製造方法は、上記のような工程が含まれる限り、他の工程が含まれていても差し支えない。

なお、上記において、圧縮残留応力を付与する工程と物理蒸着層を形成する工程とは、該化学蒸着層の最表面に対してボンバード処理を行なうとともに物理蒸着法により１層以上の物理蒸着層を形成することにより該化学蒸着層の少なくとも１層に圧縮残留応力を付与する工程というように一工程として扱うこともできる。

ここで、化学蒸着層を形成する工程において採用される化学蒸着法は、上述の通り従来公知の化学蒸着法であればいずれの条件のものも採用することができる。

また、化学蒸着層の少なくとも１層に圧縮残留応力を付与する工程において採用されるボンバード処理も、従来公知のいずれの条件のものも採用することができる。たとえば、アルゴンガス等を用いるガスボンバードを採用することもできるし、Ｔｉ、ＴｉＡｌ、ＴｉＳｉ、ＡｌＣｒ等の金属を用いるメタルボンバードを採用することもできる。また、メタルボンバードを採用する場合、真空下（減圧下）で行なっても良いし、窒素等の気体の共存下で行なっても良い。そして、圧縮残留応力を付与する上で特に好適な条件としては、たとえば物理蒸着層を形成するときのバイアス電圧よりも高いバイアス電圧を採用することが好ましい。

また、物理蒸着層を形成する工程において採用される物理蒸着法は、上述の通り従来公知の物理蒸着法であればいずれの条件のものも採用することができる。そして、物理蒸着層に含まれる超多層構造層または変調構造層は、上記で説明した製造方法により形成することができる。

なお、上記のような製造方法において、化学蒸着層の形成後に行なわれるボンバード処理および物理蒸着層の形成は、基材上に化学蒸着層を形成した後、これを一旦大気中に取り出した後に行なっても良いし、同一の装置内で連続的に行なっても良い。

なお、上記のボンバード処理と物理蒸着層の形成は、同一の装置内で連続的に行なうことができるため、極めて製造効率が高いという利点を有する。

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。

＜実施例１＞
１．２質量％のＴａＣ、１．０質量％のＴｉＣ、７．１質量％のＣｏおよび残部ＷＣからなる組成（ただし不可避不純物を含む）の超硬合金粉末をプレスし、続けて真空雰囲気中で１４４０℃、１時間焼結し、その後平面研削処理および刃先稜線に対してＳｉＣブラシによる刃先処理（すくい面側から見て０．０６ｍｍ幅のホーニングを施す）を行なうことにより、ＪＩＳ Ｂ４１２０（１９９８改）規定の切削チップＣＮＭＡ１２０４０４と同形状の超硬合金製チップを作製し、これを基材とした。この基材は、表面に脱β層が１３．５μｍ形成されていた。

次いで、この基材を複数準備し、個々の基材上に以下の表１に記載した化学蒸着層を形成し、その上に以下の表２または表３に記載した物理蒸着層を形成した（たとえばＮｏ．１０１の表面被覆切削工具は基材上に表１の化学蒸着層を形成し、次いでボンバード処理を施した後、表２の物理蒸着層を形成したことを示している）。具体的な形成方法は以下の通りである。

すなわち、上記各々の基材上に化学蒸着法により以下の表１に記載した１層以上の化学蒸着層を形成した（各層を形成する具体的条件は表６に記載されており、表１記載の積層構成に応じて各条件を逐次採用して形成した）。次いで、このようにして形成された化学蒸着層の最表面に対して以下の表１に記載したボンバード処理（各ボンバード処理の種類に応じた具体的条件は表７に記載）を行なうことにより、この化学蒸着層の少なくとも１層に圧縮残留応力を付与した。続いて、このようにボンバード処理を行なった化学蒸着層上に物理蒸着法であるアーク式イオンプレーティング法またはアンバランストマグネトロンスパッタリング法（各層を形成する具体的条件は表８〜表１２に記載されており（表中「アーク蒸発源」との記載がされているものはアーク式イオンプレーティング法により形成したことを示し、「スパッタ蒸発源」との記載がされているものはアンバランストマグネトロンスパッタリング法により形成したことを示す）、表２または表３記載の積層構成に応じて各条件を逐次採用して形成した）により以下の表２または表３に記載した１層以上の物理蒸着層を形成することにより表面被覆切削工具を製造した。なお、上記の処理は、全て１つの成膜装置内で連続して行なった（図２参照）。すなわち、図２に示すように成膜装置１０は、基材１を支持する基材テーブル１１と、複数のヒーター１２と、第１蒸発源１３と、第２蒸発源１４と、第３蒸発源１５と、ガス導入口１６とを備える。第３蒸発源１５は、使用する場合と使用しない場合とがある。

なお、比較用として、表４に記載した構成の表面被覆切削工具も製造した。
すなわち、以下の表１〜表３のＮｏ．１０１〜１１０は本発明の実施例の表面被覆切削工具であり、表４のＮｏ．１１１〜１１７は比較例の表面被覆切削工具である。本発明の実施例の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被覆層とを備えるものであって、該被覆層は、化学蒸着法により形成される１層以上の化学蒸着層と、その化学蒸着層上に物理蒸着法により形成される１層以上の物理蒸着層とを含み、該物理蒸着層は、超多層構造層または変調構造層を含み、化学蒸着層の少なくとも１層（化学蒸着アルミナ層）は圧縮残留応力を有するものであった。

また、Ｎｏ．１１１の比較例の表面被覆切削工具は、Ｎｏ．１０１の実施例の表面被覆切削工具の化学蒸着層と同構成の化学蒸着層を有し、同様に、比較例Ｎｏ．１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７の表面被覆切削工具は、それぞれ実施例Ｎｏ．１０４、１０５、１０６、１０７、１０９、１１０の表面被覆切削工具の化学蒸着層と同構成の化学蒸着層を有していた。

下記表１および表４中、化学蒸着層の欄の化学式は化学蒸着層を構成する各層の組成を示し、同欄の数値は「厚み（μｍ）」（α−Ａｌ₂Ｏ₃またはκ−Ａｌ₂Ｏ₃で表される層（すなわち化学蒸着アルミナ層）については「残留応力（ＧＰａ）／厚み（μｍ）」）を示す（残留応力のマイナスの数値は圧縮残留応力であることを示し、プラスの数値（マイナスの表記のないもの）は引張残留応力であること示す）。なお、化学式で示される各層は、左側のもの（２段以上のものは上段の左側のもの）から順に基材上に形成したことを示し、「ＭＴ−ＴｉＣＮ」とはＴｉＣＮからなる層を上記のＭＴ−ＣＶＤ法により形成したことを示し、「ＨＴ−ＴｉＣＮ」とはＴｉＣＮからなる層を上記のＨＴ−ＣＶＤ法により形成したことを示す（単に「ＴｉＣＮ」と記載されている層はＭＴ−ＣＶＤ法により形成したことを示す）。また、α−Ａｌ₂Ｏ₃およびκ−Ａｌ₂Ｏ₃（αは結晶構造がα型であることを示し、κは結晶構造がκ型であることを示す）はそれらを主体とする化学蒸着アルミナ層であることを示す。なお、残留応力は、表面被覆切削工具を製造後において上記の方法（ｓｉｎ²ψ法）によって測定した。

また、下記表１中、ボンバード処理の欄は、ボンバード処理の種類を示す（時間はボンバード処理を実施した時間を示し、ＴｉボンバードとはＴｉ（チタン）によるメタルボンバードを示し、ガスボンバードはアルゴンガスを用いたことを示し、これらの具体的条件は表７に示されている）。

また、下記表２中、Ｎｏ．１０１〜１０５において、各超多層構造層を構成する２種の単位層はそれぞれ同じ厚みを有しているが、本発明において各単位層間の厚みは必ずしも同じものだけに限られるものではなく、厚みが異なっていても本発明の効果は示される。

また、下記表３中、Ｎｏ．１０６の物理蒸着層である変調構造層を上記の図１を用いて説明すると次の通りである。すなわち、変調構造層の厚み方向の任意の地点Ｘにおいて仮にＴｉ／Ａｌ（原子比）が１．１５（すなわち状態Ａ）であるとすると、地点ＹにおいてＴｉ／Ａｌは０．８５（すなわち状態Ｂ）となり、また地点ＺにおいてＴｉ／Ａｌは１．１５（すなわち状態Ａ）となる。この場合、地点Ｘと地点Ｚの距離が２５ｎｍであり、これが周期となる。そして、このような状態Ａ−Ｂ−Ａの変化が繰り返されて変調構造層の厚みが１．８μｍになることを示している。

また、下記表４中、空欄（「−」）は該当する処理および層が実施／形成されなかったことを示す。

そして、上記で得られた表面被覆切削工具について、下記条件で耐摩耗性試験を行なうことにより逃げ面平均摩耗幅（Ｖ_B）を測定した。その結果を以下の表５に示す。なお、逃げ面平均摩耗幅（Ｖ_B）は、小さい数値のもの程、耐摩耗性に優れていることを示す。

＜耐摩耗性試験の条件＞
使用ホルダ：ＰＣＬＮＲ２５２５−４３（住友電工ハードメタル社製）
被削材：ＳＣＭ４３５（ＨＢ＝２４６）丸棒
切削速度：２７３ｍ／ｍｉｎ.
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ.
切込み：２ｍｍ
湿式／乾式：湿式（水溶性油）
切削時間：６分
表５より明らかなように、本発明の実施例の表面被覆切削工具は、比較例の表面被覆切削工具に比し、耐摩耗性が高度に向上したものであることは明らかである。

なお、本実施例の表面被覆切削工具の基材は、チップブレーカを有するものではないが、チップブレーカを有するものについても本発明の効果は発揮される。また、本実施例は、切削チップとしてネガチップを用いて旋削を行なった事例を示すものであるが、ポジチップでの旋削や、ネガチップまたはポジチップによるフライスの事例においても本発明の効果は発揮される。また、本実施例の基材は、脱β層が形成されているが、脱β層が形成されていなくても本発明の効果は発揮される。

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。

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。

物理蒸着層に含まれる変調構造層の構造を概念的に図示したグラフである。 成膜装置の概略図である。

符号の説明

１ 基材、１０ 成膜装置、１１ 基材テーブル、１２ ヒーター、１３ 第１蒸発源、１４ 第２蒸発源、１５ 第３蒸発源、１６ ガス導入口。

Claims (7)

1. 基材と、該基材上に形成された被覆層とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被覆層は、化学蒸着法により形成される１層以上の化学蒸着層と、その化学蒸着層上に物理蒸着法により形成される１層以上の物理蒸着層とを含み、
   前記物理蒸着層は、超多層構造層または変調構造層を含み、
   前記超多層構造層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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種以上の単位層が、各々０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みで周期的に繰り返して積層された構造を有し、
   前記変調構造層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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、その化合物の組成または組成比が厚み方向において０．２ｎｍ以上４０ｎｍ以下の周期で変化する構造を有する表面被覆切削工具。
2. 前記化学蒸着層は、少なくともその１層が圧縮残留応力を有する請求項１記載の表面被覆切削工具。
3. 前記物理蒸着層は、前記超多層構造層または変調構造層以外に、１層以上の硬質層を含み、
   前記硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素によって構成されるか、または該元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より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請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記化学蒸着層は、１μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有し、前記物理蒸着層は、０．０１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有する請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
5. 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、ダイヤモンド焼結体、または窒化硅素焼結体のいずれかにより構成される請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
6. 前記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、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、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用刃先交換型切削チップのいずれかである請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
7. 基材と該基材上に形成された被覆層とを備え、前記被覆層は化学蒸着法により形成される１層以上の化学蒸着層と、その化学蒸着層上に物理蒸着法により形成される１層以上の物理蒸着層とを含み、前記物理蒸着層は超多層構造層または変調構造層を含む表面被覆切削工具の製造方法であって、
   前記基材上に化学蒸着法により１層以上の前記化学蒸着層を形成する工程と、
   前記化学蒸着層の最表面に対してボンバード処理を行なうとともに物理蒸着法により１層以上の前記物理蒸着層を形成することにより前記化学蒸着層の少なくとも１層に圧縮残留応力を付与する工程と、を含む表面被覆切削工具の製造方法。

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