JP4480090B2

JP4480090B2 - 被覆工具

Info

Publication number: JP4480090B2
Application number: JP2006073167A
Authority: JP
Inventors: 敏夫石井; 有三福永; 広志植田; 公一澤野
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP2006175596A

Description

本発明は被覆工具に関し、特にジルコニウムを含有する皮膜を被覆した工具に関する。

一般に、被覆工具は超硬質合金、高速度鋼、特殊鋼からなる基体表面に硬質皮膜を化学蒸着法や、物理蒸着法により成膜して作製される。このような被覆工具は皮膜の耐摩耗性と基体の強靭性とを兼ね備えており、広く実用に供されている。一般に、切削液を用いることなく（以下、乾式切削と呼ぶ。）高硬度材を高速で切削する場合、切削工具の刃先温度は１０００℃前後にまで上がる。切削工具は、このような高温環境下において被削材との接触による摩耗や断続切削等による機械的衝撃に耐える必要があり、耐摩耗性と強靭性とを兼ね備えた被覆工具が重宝されている。上記の硬質皮膜には、耐摩耗性と靭性とが優れる周期律表４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物からなる膜と、耐酸化性に優れる酸化アルミニウム膜が単層あるいは多層膜として被覆された被覆工具が一般に用いられている。また、上記の周期律表４、５、６族金属にはチタン、特にその炭化物（ＴｉＣ）、窒化物（ＴｉＮ）、炭窒化物（ＴｉＣＮ）が主に用いられている。このため、以降は、煩雑を避けるため周期律表４、５、６族金属の代表としてチタンを用いて具体的に詳述する。

これらＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ膜は、常温でのビッカース硬度Ｈｖが約３２００、２１００、２７００と非常に硬く、常温での耐摩耗性は優れている。しかし、これらの膜の硬度は温度が上昇するにつれて急激に低下するため、刃先の温度が１０００℃前後に達するような乾式切削では、耐摩耗性が急激に低下するという問題がある。これら硬質膜の耐摩耗性を改善するために、炭窒化チタンジルコニウム等の膜を工具基体上に被覆する方法（特表平１１−５１０８５６号公報）が提案されている。この方法は、少なくとも２種の金属元素を含む炭窒化物膜を、ＣＮ化合物ガスを用いてＣＶＤ法で被覆する方法であるが、本発明者等が該公報記載の技術に従い再現検討した結果では、得られた炭窒化チタンジルコニウム膜は結晶粒径が大きく、工具としての耐摩耗性や耐チッピング性が必ずしも満足できるものではなかった。

特開２００１−９６０４号公報本発明者らは、上記従来技術における被覆工具の欠点を解決するために、鋭意研究した結果、金属成分としてジルコニウムとチタン等を含有する硬質膜、例えば（Ｔｉ、Ｚｒ）ＣＮ膜や（Ｔｉ、Ｚｒ）ＣＮＯ膜等において、特定の条件を満たした場合には、高温においても膜硬度が急激に低下せず、膜の密着性と耐摩耗性が優れた膜を実現できることを見いだし、先に特開２００１−１１６３２号や特開２００１−１７０８０４号、特願２０００−３９４１３７号、特願２０００−３９６５６８号、特願２００１−３０４４号、特願２００１−３０６０号、特願２００１−２３８２１号として出願し、当該技術を開示した。尚、ジルコニウムとチタンの両者を含有する硬質皮膜を被覆した工具として、粒状結晶組織を有する炭窒化チタン結晶粒と炭窒化ジルコニウム結晶粒の混合層を被覆した切削工具（特許文献１）が最近提案されているが、上記混合層ではＴｉＣＮとＺｒＣＮとが個別に結晶粒を形成しておりＴｉ、Ｚｒ、Ｃ、Ｎが一体となった結晶粒からは形成されていない。このためＴｉＣＮ結晶粒の高温での膜硬度低下とＺｒＣＮ結晶粒の常温での膜硬度不足の欠点が解決していないあるいはこれら結晶粒間の結合力が充分でないためか、切削工具として使用時に得られる耐摩耗性や耐チッピング性が必ずしも満足できるものではなかった。

本発明は、本願発明者らが先に提案した上記の発明、すなわち、金属成分としてジルコニウムおよびチタン等を含有する硬質膜に係る発明を更に発展させ、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜内の結晶粒界の強度（双晶）と上層Ｚｒ（ＣＮ）膜との膜密着性（双晶が連続）を高めることにより、従来に比して格段に切削耐久特性が優れる被覆工具を提供することである。

すなわち本発明は、基体表面に周期律表の４、５、６族並びにアルミニウムの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上の多層皮膜を有し、前記皮膜の少なくとも一層がジルコニウムおよびチタンを含有し、該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜は、下層にチタンの炭窒化膜、上層にＺｒ（ＣＮ）膜が被覆され、該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜、該Ｚｒ（ＣＮ）膜が双晶構造を持った結晶粒を含有し、該Ｚｒ（ＣＮ）膜の双晶境界部が該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜の双晶境界部から連続していることを特徴とする被覆工具である。本発明の被覆工具は、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜が双晶構造を持っているため結晶粒界の強度が高く、良好な切削耐久特性が実現されている。

上述のように、本発明を適用することにより、ジルコニウム含有膜の結晶粒界の強度や上層膜との密着性が優れ、優れた切削耐久特性を持つ有用なジルコニウム含有膜被覆工具を実現することができる。

本発明の被覆工具は、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜の上層Ｚｒ（ＣＮ）膜に双晶構造を持った結晶粒を含有する層が形成されていることが好ましい。上層Ｚｒ（ＣＮ）が双晶構造を持った結晶粒を含有することにより上層内の粒界強度が高くなり、更に優れた切削耐久特性が実現される。また、本発明の被覆工具は、上層Ｚｒ（ＣＮ）層の双晶境界部が前記ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜の双晶境界部から連続していることが好ましい。双晶境界部が連続していることにより、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜とその上に形成されているＺｒ（ＣＮ）層との間が結晶格子面レベルで連続的に成膜されており両層間に高い密着性が実現されるとともに、両層が双晶構造を有しているため各層自身の結晶粒界の強度も高く、更に優れた切削耐久特性が実現される。この効果は特に、二層以上のジルコニウ含有膜が多層膜状で形成されているときに強く現れる。
本発明の被覆工具は、前記双晶構造を構成する双晶境界部（双晶面）が｛１１１｝面から成っていることが好ましい。前記双晶構造を構成する双晶境界部が格子点の多い｛１１１｝面から成っていることにより、双晶境界部が緻密に形成され、双晶境界部を境にして接する結晶粒間の粒界強度が更に高められ、更に優れた切削耐久特性が得られるものと判断される。

また、本発明の被覆工具は、Ｚｒ（ＣＮ）膜がジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜からエピタキシャルに成長していることが好ましい。こうすることにより両層間に優れた密着性が得られ、更に優れた切削耐久特性が得られる。本発明の被覆工具において、チタンは周期律表の４、５、６族金属の代表として表記したものであり、他の同族金属、例えばＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかであっても略同様の効果が得られる。また、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜はＴｉＺｒＣＮやＴｉＺｒＣＮＯ膜に限るものではなくＴｉＺｒＣ、ＴｉＺｒＣＯ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＺｒＮＯ膜でも良い。また、ＴｉＺｒＣＮ膜やＴｉＺｒＣＮＯ膜はＣＨ_３ＣＮとＴｉＣｌ_４或いはＣＨ_３ＣＮとＴｉＣｌ_４と酸化ガス（例えば、ＣＯ_２あるいはＣＯの単独ガス、または、ＣＯ_２とＣＯの混合ガス）を反応させて成膜するものに限るものではなく、ＣＨ_４、Ｎ_２、ＴｉＣｌ_４やＣＨ_４、Ｎ_２、ＴｉＣｌ_４と酸化ガスとを反応させて成膜するＴｉＺｒＣＮ膜やＴｉＺｒＣＮＯ膜でもよい。また、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜は上記の膜に限るものではなく、上記の膜に例えばＣｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｙ、Ｓｉ、Ｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓの一種または二種以上を０．３〜１０質量％添加した膜でも良い。０．３質量％未満ではこれらを添加する効果が現れず、１０質量％を超えると上記膜の耐摩耗や高靭性の効果が低くなる欠点が現れる。

本発明の被覆工具を構成可能なジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜や、炭化チタン層、炭窒化チタン層、炭酸化チタン層、酸化アルミニウム膜は必ずしも最外層である必要はない。例えばさらにその上に少なくとも一層のチタンやジルコニウム、ハフニウムの化合物（例えばＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣＮ層、ＺｒＣＮ、ＨｆＣＮあるいはこれらを組み合わせた多層膜等）を被覆してもよい。また、上記膜には本発明の被覆工具の切削耐久特性を劣化させない範囲で不可避の添加物、不純物を例えば数質量％程度まで含むことが許容される。本発明の被覆工具の製作は既知の成膜方法を採用できる。例えば、通常の化学蒸着法（熱ＣＶＤ）、プラズマを付加した化学蒸着法（ＰＡＣＶＤ）、イオンプレーティング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、硬質皮膜を被覆した耐摩耗材や金型、溶湯部品等でもよい。次に、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明するが、それら実施例により本発明が限定されるものではない。

（実施例１）
ＷＣ：８０質量％、ＴｉＣ：５質量％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ：６質量％、Ｃｏ：９質量％の組成よりなる超硬合金製スローアウェイチップ上に、熱ＣＶＤ法により成膜温度９００℃で厚さ０．４μｍの窒化チタン膜をまず形成した。続いて、成膜温度８５０℃、原料ガスをＴｉＣｌ４ガス：１．５ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガス：１．０ｖｏｌ％、Ｎ２ガス：４５ｖｏｌ％、残りＨ２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分６０００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、成膜圧力：５．０ｋＰａで厚さ１μｍの炭窒化チタン膜を成膜した。次に、ＴｉＣｌ４ガス１．５ｖｏｌ％、ＺｒＣｌ４ガス１．５ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガス１ｖｏｌ％、ＣＯガスを１ｖｏｌ％、Ｎ２ガス４５ｖｏｌ％、残Ｈ２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分６０００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、成膜圧力５ｋＰａ、成膜温度８５０℃で反応させることによりＴｉとＺｒ、Ｃ、Ｎ、Ｏからなる炭窒酸化チタンジルコニウム膜を成膜した。続いて、ＺｒＣｌ４ガス：１．５ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガス：１．０ｖｏｌ％、Ｎ２ガス：４５ｖｏｌ％、残りＨ２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分６０００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、上記と同じ成膜温度８５０℃、成膜圧力５ｋＰａで炭窒化ジルコニウム層を成膜した。この炭窒酸化チタンジルコニウム層と炭窒化ジルコニウム層とを一組とする複層構造を単位層として、１６組の複層構造単位層を積層することにより炭窒酸化チタンジルコニウム層と炭窒化ジルコニウム層とからなる全厚が９μｍの多層膜を成膜した。

このようにして作製した本発明例１の多層膜の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、日立製作所製、Ｈ−８００、２００ｋＶ）により撮影した写真を図１に示す。図２は、図１中の中央右上部近傍の暗ＳＴＥＭ像である。これは透過した散乱電子を像化したもので、原子番号効果が強調され通常のＳＥＭ像と同様の像が撮影されている。即ち、明るい縞模様に撮影されている層がＺｒＣＮ膜、その上下で暗く撮影されている縞模様層がＴｉＺｒＣＮＯ膜である。図３は図２近傍の領域に於けるＴｉの分布、図４はＺｒの分布を分析したものである。この元素マップはＴＥＭ装置に内蔵したエネルギー分散形Ｘ線分析装置（ＥＤＸ、ＮＯＲＡＮ社製）により分析した。図１〜４より、ＴｉＺｒＣＮＯ膜とＺｒＣＮ膜とが多層膜状に高密度に成膜されていることがわかる。各膜間や結晶粒間に空孔は観察されていない。また、例えば図２の右下から左上にかけてのように、多数の結晶粒界が一直線に多層膜間を貫通していることがわかる。尚、図１において、特に暗く撮影されている部分が数箇所存在するが、これは、この部分の結晶の格子面が電子線の入射に整合しブラッグ反射のため電子線が回折されたため、入射電子線の透過能が低くなったためである。膜中にクラックや空孔があるためではない。

図５は図２中央部の高分解能像（日立製作所製ＨＦ−２１００、２００ｋＶを使用）である。図５上半分にＺｒＣＮ膜、下半分にＴｉＺｒＣＮＯ膜が撮影され、右下から左上にかけて結晶粒界ａ−ｂが撮影されている。図５より、結晶粒界ａ−ｂと平行にＴｉＺｒＣＮＯ膜とＺｒＣＮ膜の両格子縞が一直線に連続して形成されており、しかも結晶粒界ａ−ｂを境界にして左右に対称であることがわかる。すなわち、ＴｉＺｒＣＮＯ膜とＺｒＣＮ膜の両者が双晶構造を有しており結晶粒界ａ−ｂが双晶面であること、しかもこの双晶面がＴｉＺｒＣＮＯ膜からＺｒＣＮ膜まで一直線に連続していることがわかる。図５の格子像をフーリエ変換した結果、ＺｒＣＮ膜とＴｉＺｒＣＮＯ膜とはともに結晶格子が面心立方晶であり、格子縞ａ−ｂは｛１１１｝面であることが判明した。また、図５において、ＴｉＺｒＣＮＯ膜とＺｒＣＮ膜の格子縞が界面（図５中央部付近にある）を越えて一直線に連続していることから両者がエピタキシャルに成長していることがわかる。

尚、図１〜５の透過型電子顕微鏡写真は成膜面の断面を厚さ２０μｍ以下に研磨した後、更にイオンミリングにより厚さを薄くした膜断面の微少領域に、電子線を透過させて撮影したものである。このため、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜やその上に成膜されている層に含有されている双晶部分が実際に観察される確率は低いと考えられる。したがって、図５のように、微少領域のＴＥＮ写真中に双晶部分が観測されるということはかなりの頻度でジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜やその上層膜中に双晶部分が存在していると判断できる。また、観察試料の膜厚が厚い等、試料の条件が悪い時には、電子線回折像では双晶関係が確認されないことがある。この場合も試料を再加工し格子像を観察することにより、上記のような双晶関係が確認されることがあるので注意を要する。

本発明例１の条件で製作した切削工具５個を以下の条件で断続切削し、刃先先端の欠け状況を倍率５０倍の実体顕微鏡で観察し、刃先にチッピングや膜剥離が生じるまでの断続切削回数を求めた。
被削材：ＳＣＭ４３５材（四つ溝入）
工具形状：ＣＮＭＧ４３３
切削条件：２００ｍ／分
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削液：使用せず（乾式切削）
その結果、本発明品は８０００回迄断続切削後も刃先が健全でチッピングや剥離が見られず、膜の結晶粒界強度と膜間の密着性が優れており、切削工具として断続切削時の耐久性が優れていることがわかった。

（実施例２）
比較例２として、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜に双晶構造が存在する場合としない場合の切削特性への影響を明確にするために、以下の比較例２を作製した。実施例１と同様の組成を持つ超硬合金製基板の表面に実施例１と同様の方法によりＴｉＮとＴｉＣＮＯ膜とを成膜した後、次に、ＴｉＣｌ_４ガス１．５ｖｏｌ％、ＺｒＣｌ_４ガス１ｖｏｌ％、ＣＨ_３ＣＮガス０．５ｖｏｌ％、ＣＯ_２ガス１ｖｏｌ％、Ｎ_２ガス４５ｖｏｌ％、残Ｈ_２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分６０００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、成膜圧力１０ｋＰａ、成膜温度７５０℃でＴｉとＺｒ、Ｃ、Ｎ、Ｏからなる炭窒酸化チタンジルコニウム膜を成膜した。続いて、原料ガスをＺｒＣｌ_４ガス：１．５ｖｏｌ％、ＣＨ_３ＣＮガス：０．５ｖｏｌ％、Ｎ_２ガス：４５ｖｏｌ％、残りＨ_２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分６０００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、成膜温度９５０℃、成膜圧力１０ｋＰａで炭窒化ジルコニウム層を成膜した。この炭窒酸化チタンジルコニウム層と炭窒化ジルコニウム層とを一組とする複層構造を単位層として、１６組の複層構造単位層を積層することにより炭窒酸化チタンジルコニウム層と炭窒化ジルコニウム層とからなる全厚が９μｍの多層膜を成膜することにより、比較例２を作製した。

この比較例２のジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜近傍を実施例１と同様にして透過型電子顕微鏡で観察したが、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜に双晶構造部は見られなかった。次に、比較例２の条件で作製した切削工具５個を用いて実施例１と同一の条件で断続切削試験を行い、刃先先端の欠け状況を倍率５０倍の実体顕微鏡で観察した結果、５０００回衝撃切削後にいずれにも刃先にチッピングが発生し切削工具として劣っていることが判明した。また、この断続切削試験で膜剥離や欠けを発生した部分をミクロ観察したところ、膜剥離がジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜から発生しており、これが原因でチッピングが発生していることがわかった。

（実施例３）
本発明例３として、ＷＣ：８０質量％、ＴｉＣ：５質量％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ：６質量％、Ｃｏ：９質量％の組成よりなる超硬合金製スローアウェイチップ上に、実施例１と同じ条件で厚さ０．４μｍの窒化チタン膜と厚さ１μｍの炭窒化チタン膜を成膜した。次に、ＴｉＣｌ４ガス１．５ｖｏｌ％、ＺｒＣｌ４ガス１．５ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガス２．０ｖｏｌ％、Ｎ２ガス４５ｖｏｌ％、残Ｈ２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分６０００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、成膜圧力５ｋＰａ、成膜温度８５０℃で反応させることによりＴｉとＺｒ、Ｃ、Ｎからなる炭窒化チタンジルコニウム膜を成膜した。続いて、ＺｒＣｌ４ガス１．５ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガス１．０ｖｏｌ％、Ｎ２ガス４５ｖｏｌ％、残Ｈ２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分６０００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、上記と同じ成膜温度８５０℃、成膜圧力：５ｋＰａで炭窒化ジルコニウム層を成膜した。この炭窒化チタンジルコニウム層と炭窒化ジルコニウム層とを一組とする複層構造を単位層として、１２組の複層構造単位層を積層することにより炭窒化チタンジルコニウム層と炭窒化ジルコニウム層とからなる全厚が７μｍの多層膜を成膜した。その後、ＴｉＣｌ４ガスとＣＨ４ガスとＨ２キャリヤーガスで構成された原料ガス２、２００ｍｌ／分を３０分間流し、そのまま連続して本構成の原料ガスにさらに２０ｍｌ／分のＣＯ２ガスを追加して３０分間流すことにより、成膜温度９５０℃で、チタンの炭化物とチタンの炭酸化物からなる層（結合膜）を作製した。続いてＡｌ金属小片を詰め３５０℃に保温した小筒中にＨ２ガス３１０ｍｌ／分とＨＣｌガス１３０ｍｌ／分とを流すことにより発生させたＡｌＣｌ３ガスとＨ２ガス２ｌ／分とＣＯ２ガス１００ｍｌ／分とをＣＶＤ炉内に流し、１０１０℃で反応させることにより２μｍ厚さのα型酸化アルミニウム膜を成膜した後、更に成膜温度１０１０℃で厚さ０．８μｍの窒化チタン膜することにより本発明例３の被覆工具を得た。

本発明例３を理学電気（株）製のＸ線回折装置（ＲＵ−２００ＢＨ）でＸ線源にＣｕＫα１線（λ＝０．１５４０５ｎｍ）を用いて２θ−θ走査法によりＸ線回折図形を測定した後、実施例１と同様に、本発明品の多層膜の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、日立製作所製、Ｈ−８００、２００ｋＶ）とエネルギー分散形Ｘ線分析装置（ＥＤＸ、ＮＯＲＡＮ社製）によりミクロ解析した結果、超硬合金製基体の表面にＴｉＮとＴｉＣＮ膜を経てＴｉＺｒＣＮとＺｒＣＮとから成る多層膜が高密度に成膜されており、その上に結合膜を経てα型酸化アルミニウムとＴｉＮ膜が成膜されていることが確認された。そして、多層膜部分にはＴｉＺｒＣＮ結晶粒とＺｒＣＮ結晶粒の両者が双晶構造を有しており、しかも両結晶粒間で双晶面が直線的に連続していることが確認された。

上記のようにして得られた本発明の被覆工具を用いて、以下の条件で断続切削を行い、刃先の損傷状況を倍率５０倍の工具顕微鏡で観察した。
被削材：ＳＣＭ４３５（四つ溝入り）
工具形状：ＣＮＭＧ４３３
切削速度：２２０ｍ／分
送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削液：使用せず（乾式切削）
この切削テストの結果、本発明品は、いずれも、断続切削回数が７０００回迄断続切削後も刃先にジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜やアルミナ膜にチッピングや剥離が見られず、本発明例３の膜の結晶粒界強度と膜間の密着性が優れており、工具寿命が長いことが判明した。

（実施例４）
比較例４として、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜が双晶構造を有する場合と有しない場合との差を明確にするために以下の比較例４を作製した。実施例３と同様の組成を持つ超硬合金製基板の表面に実施例３と同様の方法によりＴｉＮとＴｉＣＮ膜とを成膜した後、次に、ＴｉＣｌ_４ガス１．５ｖｏｌ％、ＺｒＣｌ_４ガス０．５ｖｏｌ％、ＣＨ_３ＣＮガス０．５ｖｏｌ％、Ｎ_２ガス４５ｖｏｌ％、残Ｈ_２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分６０００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、成膜圧力１５ｋＰａ、成膜温度７５０℃でＴｉとＺｒ、Ｃ、Ｎ、からなる炭窒化チタンジルコニウム膜を成膜した。続いて、成膜温度９５０℃、原料ガスをＺｒＣｌ_４ガス：１．５ｖｏｌ％、ＣＨ_３ＣＮガス：０．５ｖｏｌ％、Ｎ_２ガス：４５ｖｏｌ％、残りＨ_２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分６０００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、成膜圧力：１５ｋＰａで炭窒化ジルコニウム層を成膜した。この炭窒化チタンジルコニウム層と炭窒化ジルコニウム層とを一組とする複層構造を単位層として、１２組の複層構造単位層を積層することにより炭窒化チタンジルコニウム層と炭窒化ジルコニウム層とからなる全厚が７μｍの多層膜を成膜した。そして更に、実施例２と同じ条件でチタンの炭化物とチタンの炭酸化物からなる層（結合膜）を作製し、更に厚さ２μｍのα型酸化アルミニウム膜と厚さ０．８μｍの窒化チタン膜を成膜することにより比較例４の被覆工具を作製した。

比較例４のジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜近傍を実施例３と同様にして透過型電子顕微鏡で観察したが、ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜に双晶構造部は見られなかった。次に、比較例４の条件で作製した切削工具５個を用いて実施例３と同じ条件で断続切削試験を行い、刃先先端のチッピング発生状況を倍率５０倍の実体顕微鏡で観察した結果、４５００回衝撃切削後にいずれにもチッピングや膜剥離が発生しており切削工具として劣っていることが判明した。また、この断続切削試験で膜剥離や欠けを発生した部分をミクロ観察したところ、チッピングや膜剥離がジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜中で発生しており、これが原因で欠けが発生していると考えられることがわかった。

図１は、本発明例の被覆工具の多層膜の断面を透過型電子顕微鏡で観察した組織写真を示す。図２は、図１中の中央右上部近傍の暗ＳＴＥＭ像を示す。図３は、図２近傍の領域に於けるＴｉの分布を示す。図４は、図２近傍の領域におけるＺｒの分布を示す。図５は、図２の中央部の高分解能像で、図５上半分にＺｒＣＮ膜、下半分にＴｉＺｒＣＮＯ膜が撮影され、右下から左上にかけて結晶粒界ａ−ｂを撮影したＳＴＥＭ像を示す。

Claims

基体表面に周期律表の４、５、６族並びにアルミニウムの炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか一種の単層皮膜または二種以上の多層皮膜を有し、前記皮膜の少なくとも一層がジルコニウムおよびチタンを含有し、該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜は、下層にチタンの炭窒化膜、上層にＺｒ（ＣＮ）膜が被覆され、該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜、該Ｚｒ（ＣＮ）膜が双晶構造を持った結晶粒を含有し、該Ｚｒ（ＣＮ）膜の双晶境界部が該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜の双晶境界部から連続していることを特徴とする被覆工具。
請求項１記載の被覆工具において、該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜と該Ｚｒ（ＣＮ）膜とを１組の単位層として積層したことを特徴とする被覆工具。
請求項２記載の被覆工具において、該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜と該Ｚｒ（ＣＮ）膜の積層は、１２組〜１６組であることを特徴とする被覆工具。
請求項１乃至３何れかに記載の被覆工具において、該双晶構造を構成する双晶境界部が｛１１１｝面から成っていることを特徴とする被覆工具。
請求項１乃至４何れかに記載の被覆工具において、該Ｚｒ（ＣＮ）膜が、該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜の上にエピタキシャルに成長していることを特徴とする被覆工具。
請求項１乃至５何れかに記載の被覆工具において、該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜がＴｉ、Ｚｒ、Ｃ、Ｎから成ることを特徴とする被覆工具。
請求項１乃至６何れかに記載の被覆工具において、該ジルコニウムおよびチタンを含有する皮膜がＴｉ、Ｚｒ、Ｃ、Ｎ、Ｏから成ることを特徴とする被覆工具。