JP2001170804A

JP2001170804A - ジルコニウム含有膜被覆工具

Info

Publication number: JP2001170804A
Application number: JP35500499A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ishii; 敏夫石井; Masayuki Gonda; 正幸権田; Yuzo Fukunaga; 有三福永; Shiro Okayama; 史郎岡山
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2001-06-26

Abstract

(57)【要約】【目的】高温においても膜硬度が急激に低下せず、膜の
密着性と耐摩耗性とが優れた被覆工具を実現し、切削耐
久特性の優れるジルコニウム含有膜被覆工具を提供す
る。【構成】工具基体表面に周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩ
ａ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設け、前記皮
膜の少なくとも一層がジルコニウムを含有し且つＸ線回
折ピーク最強度面が、（４２２）面または（３１１）面
として構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジルコニウム含有
膜被覆工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、被覆工具は超硬合金、高速度
鋼、特殊鋼等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。特に、高速で切削する
場合や切削液を用いずに旋削加工する場合には、切削工
具の刃先の温度が１０００℃前後まで達するため、高温
環境下における被削材との接触による摩耗や断続切削等
の機械的衝撃に耐える必要があり、耐摩耗性と靭性の両
者が優れた被覆工具が重宝されている。

【０００３】一般の被覆工具用硬質皮膜には、耐摩耗性
と靭性とが優れる、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金
属の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる非酸化膜や、耐
酸化性に優れる酸化アルミニウム膜が単層膜あるいは複
層膜として用いられている。

【０００４】これら硬質皮膜は、化学蒸着（ＣＶＤ）法
あるいは物理蒸着（ＰＶＤ）法により成膜されている。
ＰＶＤ法の特長は、多数の元素を含有する膜を比較的容
易に成膜できることであり、欠点は、ＣＶＤ膜に比べて
基体と膜の間の密着性が劣ることである。これに対し
て、ＣＶＤ法の欠点は、化学反応を用いて成膜するため
に、多数の元素を含有する膜を成膜することが困難なこ
とであり、長所は、６００〜１０５０℃と高温で成膜す
るため膜の密着性が高いことと、より高温で使用しても
膜特性の劣化が少ないことである。このため、切削加工
時に刃先が１０００℃前後まで昇温する旋削工具にはＣ
ＶＤ法で成膜されたＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ２
Ｏ３膜のみが実用化されているのが現状である。

【０００５】このようにＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ膜
は、常温で測定したビッカース硬度Ｈｖが約３２００、
２１００、２７００と硬く、耐摩耗性が優れているた
め、旋削用工具に多用されているが、これらの膜の硬度
は高温で急激に低下し、乾式切削等により刃先の温度が
１０００℃前後に達すると、耐摩耗性が急激に低下する
欠点を有している。

【０００６】また、これらＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ膜
の特性を改善するため（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎや（Ｔｉ，Ｚ
ｒ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ膜等、二種類以上の金属成分
を含有した膜が検討されている。このうち（Ｔｉ，Ａ
ｌ）Ｎ膜は実用化されているが、これらはいずれも、ス
ッパタ法やイオンプレーティング法等のＰＶＤ法、また
はプラズマＣＶＤ法で成膜したものであり、成膜温度が
低く、当該膜が圧縮応力を有しており膜の密着性が低
い、あるいは膜中に塩素が残留しており膜の硬度が低
く、耐摩耗性が劣る欠点がある。

【０００７】引っ張り残留応力を有するＺｒ含有膜を熱
ＣＶＤ法で成膜する例は特開平１−２５２３０５、特開
平５−１７７４１２、特開平５−１７７４１３で開示さ
れている。しかし、これらはいずれもＺｒＣ、ＺｒＮ、
ＺｒＣＮ、ＺｒＣＯ、ＺｒＣＮＯと、金属成分がＺｒの
みからなるＣＶＤ膜を用いており、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ、
（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ等、Ｚｒと他の
金属成分との混合膜は検討していない。ＺｒＣ膜等、Ｚ
ｒ単独からなる膜の硬度は室温における膜硬度が低く、
湿式切削や低速で切削し刃先温度が高温にならないとき
に、耐摩耗性が劣る欠点がある。

【０００８】ＴｉとＺｒの両者を含有するＣＶＤ膜とし
ては、特開平３−２６７３６１によってＴｉ−Ｚｒ−Ｎ
膜が開示されているが、プラズマＣＶＤ法を用いてお
り、膜中に塩素が残留するため、膜硬度が低く、工具と
して耐摩耗性が劣る欠点がある。また、基板にアルミナ
板を用いており、基板自体の靭性が低いため、工具とし
て使用時に欠落を生じ易く、切削耐久特性が劣る欠点が
ある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは上記の
従来膜被覆工具の欠点を解決するため、鋭意研究してき
た結果、ジルコニウム含有膜、例えば、（Ｔｉ，Ｚｒ）
Ｎ、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ膜等が高温
においても膜硬度が急激に低下せず、膜の密着性と耐摩
耗性とが優れることを見いだし、先に特願平１１−１８
２６２２を出願した。本発明が解決しようとする課題
は、上記発明を更に改善し、耐摩耗性と高温耐久特性と
が更に優れたジルコニウム含有膜被覆工具を提供するこ
とである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の特
願平１１−１８２６２２の発明内容に加えて、ジルコニ
ウム含有膜の結晶配向や結晶形状等を更に制御すること
により、更に優れた切削耐久特性を持つ工具を実現でき
ることを見出し、本発明に想到した。

【００１１】すなわち本発明は、基体表面に周期律表の
ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ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
を含有し且つＸ線回折ピーク最強度面が、（４２２）面
または（３１１）面であることを特徴とするジルコニウ
ム含有膜被覆工具、である。

【００１２】同時に、前記ジルコニウム含有膜が膜厚方
向に細長い柱状の結晶粒から構成されている場合、前記
ジルコニウム含有膜の下層がチタンの炭窒化物膜または
チタンの炭窒酸化物膜である場合、前記ジルコニウム含
有膜中にジルコニウムが０．３〜５０質量％含有されて
いる場合、前記ジルコニウム含有膜が引張り残留応力を
有するととも、膜中の塩素量が２質量％以下である場
合、前記ジルコニウム含有膜に含まれるジルコニウム以
外の主たる金属成分はチタンである場合、前記ジルコニ
ウム含有膜が原料ガスとして少なくとも有機ＣＮ化合物
ガスを用い、温度７５０〜９５０℃で熱化学蒸着法によ
り成膜されている場合も同様に、夫々本発明の優れた実
施形態である。

【００１３】

【作用】ジルコニウム含有膜のＸ線回折ピーク最強度面
が、（４２２）面または（３１１）面であることによ
り、ジルコニウム含有膜が高い結晶性と粒界強度を持つ
とともに、被覆する膜厚を増加させても膜表面の結晶粒
幅が粗大化せず、局所的な突起が形成されないことによ
り、耐摩耗性と靱性とが優れる良好な切削耐久特性が実
現されていると判断される。

【００１４】本発明の被覆工具において、前記ジルコニ
ウム含有膜が膜厚方向に細長い柱状の結晶粒から構成さ
れていることが好ましい。ジルコニウム含有膜が膜厚方
向に細長い柱状の結晶粒から構成されていることによ
り、結晶粒径を粗大化させることなく膜厚を厚くできる
とともに、膜表面の凹凸を小さく出来、膜表面の摺動性
を高めるとともに、膜の靱性を高めることが出来、優れ
た切削耐久特性が実現されていると判断される。

【００１５】また、本発明の被覆工具において、前記ジ
ルコニウム含有膜の下層がチタンの炭窒化物膜またはチ
タンの炭窒酸化物膜であることが好ましい。下層がチタ
ンの炭窒化物膜またはチタンの炭窒酸化物膜であること
により、ジルコニウム含有膜のＸ線回折最強度面が（４
２２）面または（３１１）に成りやすく、前記の理由に
より良好な切削耐久特性が実現されていると判断され
る。

【００１６】また、本発明の被覆工具において、前記ジ
ルコニウム含有膜中に、ジルコニウムが０．３〜５０質
量％含まれていることが好ましい。また、１〜４０質量
％含まれていることが更に好ましく、５〜３０質量％含
有されていることが最も好ましい。膜中に、ジルコニウ
ムが０．３〜５０質量％含有されていることにより、ジ
ルコニウム含有膜の良好な耐熱特性や高温での高硬度性
の特長が実現されていると判断される。０．３質量％以
下ではジルコニウム含有の効果が小さく、５０質量％を
越えるとＴｉＣやＴｉＣＮ膜に比べて常温での膜硬度が
低下し、結果的に切削耐久特性が低下する傾向があらわ
れる。また、ジルコニウムが１〜４０質量％含有されて
いる場合は、ジルコニウム含有膜の良好な耐熱特性や高
温高硬度の特長が顕著に実現されていると判断される。
また、ジルコニウムが５〜３０質量％含有されているこ
とにより、ジルコニウム含有膜の良好な耐熱特性や高温
高硬度の特長が最も顕著にあらわれ、最も良好な切削耐
久特性が実現されていると判断される。

【００１７】また、ジルコニウム含有膜中の他の主な金
属成分がチタンであることが好ましい。ジルコニウム含
有膜中の他の主な金属成分がチタンであることにより、
チタン含有膜（例えば、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ膜等）の常温
での膜硬度が高い特長とジルコニウム含有膜の高温での
膜硬度が高い特長の、両特長が得られ、優れた耐摩耗性
を持ち、良好な切削耐久特性が実現されていると判断さ
れる。また、ジルコニウム含有膜がチタンとの炭窒化物
膜または炭窒酸化物膜であることが好ましい。ジルコニ
ウム含有膜がチタンとの炭窒化物膜または炭窒酸化物膜
であることにより、ジルコニウム含有膜のＸ線回折ピー
ク最強度面が、（４２２）面または（３１１）面に成り
やすく、膜厚方向に細長い柱状の結晶粒から構成され易
くなり、切削耐久特性の優れたジルコニウム含有膜被覆
工具をより実現しやすくなる。

【００１８】また、本発明の被覆工具において、前記ジ
ルコニウム含有膜が引っ張り残留応力を有するととも、
膜中の塩素量が２質量％以下であることが好ましく、塩
素量が１質量％以下であることが更に好ましい。ジルコ
ニウム含有膜が引っ張り残留応力を有することにより膜
の緻密性が高まるとともに、基体乃至は下地膜との間に
優れた密着性を得ることが出来、膜中の塩素量が２質量
％以下、好ましくは１質量％以下であることにより、膜
の硬度が高く、優れた切削耐久特性を持つ被覆工具が実
現されていると判断される。ジルコニウム含有膜が引っ
張り残留応力を有しないと膜の緻密性が低く、基体や下
地膜との密着性が劣る欠点が現れ、塩素量が２質量％を
越えると膜硬度が低下し、耐摩耗性が悪くなる。

【００１９】また、本発明の被覆工具において、周期律
表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭
窒化物のうちの少なくとも一種以上とＦｅ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒのうちの少なくとも一種以上とより
なる超硬合金を基体とすることが好ましい。上記の超硬
合金を基体とすることにより本発明の被覆工具全体の靭
性、硬度、耐熱性がバランス良く高まり、被覆工具とし
て良好な切削耐久特性が実現されていると判断される。

【００２０】また、本発明の被覆工具において、前記ジ
ルコニウム含有膜が、原料ガスとして少なくとも有機Ｃ
Ｎ化合物を用い、温度７５０〜９５０℃で熱化学蒸着法
により成膜されていることが好ましい。また、有機ＣＮ
ガスとしてＣＨ３ＣＮガスを用いていることが更に好ま
しく、更にジルコニウムのガス源としてジルコニウムの
ハロゲン化ガスを用いていることが最も好ましい。ま
た、温度８００〜９００℃で熱化学蒸着法により成膜さ
れていることが更に好ましい。ジルコニウム含有膜が、
原料ガスとして少なくとも有機ＣＮ化合物ガスを用い
て、温度７５０〜９５０℃で熱化学蒸着法により成膜さ
れていることにより、（４２２）または（３１１）面の
Ｘ線回折強度が高く、結晶粒径が小さく、緻密で膜間の
密着性が優れたジルコニウム含有膜が得られ、優れた切
削耐久特性が実現されていると判断される。また、有機
ＣＮガスとしてＣＨ３ＣＮガスを用いることにより（４
２２）または（３１１）面のＸ線回折強度が更に高くな
り、ジルコニウム含有膜の特長が顕著に実現されている
と判断される。また、更にジルコニウムのガス源として
ジルコニウムのハロゲン化ガスを用いていることによ
り、より安価にジルコニユムを供給出来ると共に、（４
２２）または（３１１）面のＸ線回折強度が高いジルコ
ニウム含有膜がより安定して実現されていると判断され
る。温度７５０〜９５０℃以上で熱化学蒸着法により成
膜されることにより、（４２２）または（３１１）面の
Ｘ線回折強度が更に強くなり、優れた切削耐久特性が実
現されていると判断される。特に８００〜９００℃以上
で熱化学蒸着法により成膜されることにより（４２２）
または（３１１）面のＸ線回折強度が更に強くなり、更
に優れた切削耐久特性が実現されていると判断される。
温度７５０℃未満で熱化学蒸着法により成膜されると、
ジルコニウム含有膜の成膜速度が極端に低下し、経済的
では無く、９５０℃を越えて成膜するとジルコニウム含
有膜の結晶粒径が大きくなり、膜の靱性や切削耐久特性
が低下する欠点が現れる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明におけるジルコニ
ウム含有膜の代表例である炭窒化チタン・ジルコニウム
（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮに則って、本発明をより具体的に詳
説する。本発明の被覆工具において、炭窒化チタン・ジ
ルコニウム膜のＸ線回折ピークの同定は、ＪＣＰＤＳフ
ァイル（ＰｏｗｄｅｒＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎＦｉ
ｌｅＰｕｂｌｉｓｈｅｄｂｙＪＣＰＤＳＩｎｔ
ｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｅｎｔｅｒｆｏｒＤｉｆｆ
ｒａｃｔｉｏｎＤａｔａ）に記載がないため、ＴｉＣ
とＴｉＮのＸ線回折データ（ＡＳＴＭファイルＮｏ．２
９−１３６１とＮｏ．３８−１４２０）および本発明品
を実測して得たＸ線回折パターンから求めた表１の数値
を用いて行った。

【００２２】

【表１】

【００２３】本発明の被覆工具において、結晶粒の形状
は膜の破断面を走査電子顕微鏡で観察する事により測定
した。また、ジルコニウム含有膜の組成は膜断面を研磨
し、研磨面をエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）
により分析することにより測定した。

【００２４】膜の残留応力σは、Ｘ線応力測定法による
並傾法を用いて、次式に示す応力計算式により求めた。 σ=-(1/2)｛E/(1+ν)｝cotθ0｛∂(2θ)/∂(sin²Ψ)｝ …（１）ここで、Ｅは弾性定数、νはポアソン比、θ0は無歪み
の格子面からの標準ブラッグ回折角、Ψは回折格子面法
線と試料面法線との傾き、θは測定試料の角度がΨの時
のブラッグ回折角である。式（１）より、膜応力の符号
（±）の決定には２θ−ｓｉｎ^２Ψ線図の勾配のみが必
要とされ、弾性定数Ｅやポアソン比ν、ｃｏｔθ0（常
に＋）の正確な値は必要としないことがわかる。

【００２５】本発明の被覆工具を製作するためには、熱
化学蒸着法（熱ＣＶＤ）以外でも、種々の既知の成膜方
法、例えば、プラズマを付加した化学蒸着法（ＰＡＣＶ
Ｄ）、アークイオンプレーティング法、スッパタ法等を
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、ジルコニウム含有膜を含む単層あるいは複層や多層
の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。

【００２６】本発明の被覆工具において、ジルコニウム
含有膜は例えば（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｎ、
（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＯ、（Ｔｉ，Ｚ
ｒ）ＮＯ、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮＯ等に限るものではな
い。これらの成分に例えばＣｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｍ
ｇ、Ｙ、Ｓｉ、Ｂを単独または複数組み合わせて各元素
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％
を超えるとジルコニウム含有膜の高温高硬度の効果が低
くなる欠点が現れる。また、上記膜には本発明の効果を
消失し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。

【００２７】本発明の被覆工具において、有機ＣＮガス
はＣＨ３ＣＮに限るものではなく、（ＣＨ３）３Ｎ、Ｃ
Ｈ３（ＮＨ）２ＣＨ３等でも良い。また、Ｚｒ供給用の
ガスはＺｒＣｌ４、ＺｒＣｌ３、ＺｒＣｌ２ガス等の塩
化ジルコニウムに限るものではなく、他のハロゲン化ジ
ルコニウムやＺｒ（ｔ−ＯＣ４Ｈ９）等の有機金属ガス
を用いてもよい。

【００２８】本発明の被覆工具に被覆することができる
酸化アルミニウム膜としてκ型酸化アルミニウム単相ま
たはα型酸化アルミニウム単相の膜を用いることができ
る。また、κ型酸化アルミニウムとα型酸化アルミニウ
ムとの混合膜でもよい。また、κ型酸化アルミニウムお
よび／またはα型酸化アルミニウムと、γ型酸化アルミ
ニウム、θ型酸化アルミニウム、δ型酸化アルミニウ
ム、χ型酸化アルミニウムの少なくとも一種以上とから
なる混合膜でもよい。また、酸化アルミニウムと酸化ジ
ルコニウム等に代表される他の酸化物との混合膜でもよ
い。

【００２９】また、本発明の被覆工具において、酸化ア
ルミニウム膜、酸化ジルコニウム膜、または酸化アルミ
ニウムと酸化ジルコニウムからなる複合膜の上に、例え
ばさらにその上に少なくとも一膜のチタン化合物（例え
ばＴｉＮ膜やＴｉＣＮ膜およびその多層膜等）やジルコ
ニウム化合物（例えばＺｒＮ膜やＺｒＣＮ膜およびその
多層膜等）を被覆してもよい。

【００３０】

【実施例】次に本発明の被覆工具を実施例によって具体
的に説明するが、これら実施例により本発明が限定され
るものでない。（実施例１）ＷＣ：７２質量％、ＴｉＣ：８質量％、
（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ：１１質量％、Ｃｏ：９質量％の組成
よりなるスローアウェイインサートＣＮＭＧ１２０４０
８の切削工具用超硬合金基体をＣＶＤ炉内にセットし、
その表面に、熱化学蒸着法により、Ｈ２キャリヤーガス
とＴｉＣｌ４ガスとＮ２ガスとを原料ガスに用い０．３
μｍ厚さのＴｉＮ膜を９００℃でまず形成した。次い
で、ＴｉＣｌ４ガスを０．５〜２．５ｖｏｌ％、ＣＨ３
ＣＮガスを０．５〜２．５ｖｏｌ％、Ｎ２ガスを２５〜
４５ｖｏｌ％、残Ｈ２キャリヤーガスで構成された原料
ガスを毎分５５００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、圧力
６．６ｋＰａ、成膜温度９００℃の条件で、１μｍ厚さ
のＴｉＣＮ膜を成膜した。さらに続いて、ＴｉＣｌ４ガ
ス０．３〜２．５ｖｏｌ％、ＺｒＣｌ４ガス０．３〜
２．５ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガス０．６〜５ｖｏｌ％、
Ｎ２ガス２５〜４５ｖｏｌ％、残Ｈ２キャリヤーガスで
構成された原料ガスを毎分５５００ｍｌだけＣＶＤ炉内
に流し、成膜圧力２．７ｋ〜１３．３ｋＰａ、成膜温度
７５０〜９５０℃で、ＴｉとＺｒ、Ｃ、Ｎからなる（Ｔ
ｉ，Ｚｒ）ＣＮ膜を１３μｍ厚さ成膜した。

【００３１】図１は実施例１の条件で作製した本発明品
の代表的なＸ線回折パターンである。工具表面平坦部の
皮膜部分を試料面にして、理学電気（株）製のＸ線回折
装置（ＲＵ−２００ＢＨ）により、Ｘ線源にＣｕＫα１
線（λ＝０．１５４０５ｎｍ）を用いて２θ−θ走査法
により測定した。２θの測定範囲は１０〜１４５度で、
ノイズ（バックグランド）は装置に内蔵されたソフトに
より除去した。図１のＸ線回折パターンから求めた、本
発明品のＺｒ含有膜（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮの各ピークの２
θ値とＸ線回折強度および各２θ値から求めた格子定数
を表２にまとめて示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】表２より、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮの結晶構造
が立方晶であり格子定数が０．４２９ｎｍであるとして
計算した各ピークの２θ値と本発明品の実測値とが良く
一致することがわかる。表２中に、各ピークの立方晶で
の面指数を記した。なお、（１１１）面の回折ピーク位
置は２θが低角度のため測定誤差が大きく、（４００）
面は回折ピーク強度が弱く読み取りが困難であり、（５
１１）面は回折ピーク強度が低く、ピーク幅も広いた
め、２θ値の読み取りが困難である。このため、上記の
格子定数の計算では、（１１１）面、（４００）面、
（５１１）面の値を用いずに計算した。図１と表２か
ら、本発明品の、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮのＸ線回折強度Ｉ
（ｈｋｌ）は（４２２）面が最も強く、次が（３１１）
面、その次に（１１１）面の強度が強いことがわかる。

【００３４】図２は、本発明の代表的な被覆工具の皮膜
部の破断面を走査電子顕微鏡装置（Ｓ―４２００）によ
り撮影したものである。ジルコニウム含有膜が膜厚方向
に細長い柱状の結晶粒から構成され、膜厚に比べて結晶
粒径が小さく、膜表面の凹凸も小さくなっていることが
わかる。

【００３５】表３は、同様にして測定した、実施例１で
作製した代表的な本発明品の（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮのＸ線
回折最強度面と膜中のジルコニユム含有量と塩素量（質
量％）をまとめて示したものである。表３中には、後述
の、連続切削時の工具寿命も合わせて示した。

【００３６】

【表３】

【００３７】表３において、７５０〜９５０℃の範囲で
成膜温度を高めるにつれてジルコニウム含有膜の（４２
２）と（３１１）への配向が強くなり、膜中の塩素ガス
量も減少した。特に、成膜温度が８００〜９００℃の範
囲で（４２２）と（３１１）への配向が強く、膜中の塩
素ガス量が１質量％以下であるジルコニウム含有膜を安
定して成膜する事が出来た。また、ＺｒＣｌ４ガス量を
高めＴｉＣｌ４やＣＨ４ＣＮガス量を下げるにつれて、
ジルコニウム含有膜中のＺｒ含有量が増加した。

【００３８】膜中のジルコニユム含有量と塩素量とは、
本発明品の膜断面を研摩し、（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ断面の
研摩面中の５点に含まれるジルコニユム量と塩素量とを
電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ、日本電
子（株）製ＪＸＡ−８９００Ｒ）を用い、加速電圧１５
ＫＶ、試料電流０．２μＡで分析した。

【００３９】また、膜の残留応力を理学電気（株）製の
Ｘ線回折装置（ＲＵ−２００ＢＨ）と応力測定用ソフト
（ＭａｎｕａｌＮｏ．ＭＪ１３０２６Ａ０１）を用い
て、並傾法（Ｘ線の走査面と応力の測定方向面とが平
行）とΨ一定法（θ−２θ連動スキャン）により測定し
た結果、表３中試料の膜の残留応力はいずれも＋であ
り、引っ張り残留応力を有していることがわかった。

【００４０】表３より、本発明品の（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ
のＸ線回折強度最強面は（３１１）面または（４２２）
面であることがわかる。

【００４１】表３の「膜特性」欄から、本発明品の、ジ
ルコニウム含有膜は、Ｚｒが０．１〜９０質量％、塩素
量は０．１〜２．５質量％含有されていることがわか
る。金属成分の内、ジルコニウム以外の大部分はＴｉで
あり、他には、ＷあるいはＣｏが数％以下検出されるだ
けであった。

【００４２】表３の「連続切削寿命」欄に、本発明品の
切削寿命特性の評価結果を示した。実施例１の条件で作
製した発明品各３個を用いて、下記の条件で被削材を連
続切削し、平均逃げ面摩耗量が０．４ｍｍ、クレーター
摩耗が０．１ｍｍのどちらかに達した時間を測定し、３
個の平均値を「連続切削寿命」とした。被削材ＦＣ２５０（ＨＢ２３０）切削速度３００ｍ／分送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ切り込み１．０ｍｍ水溶性切削油使用

【００４３】表３より、本発明品は、いずれも連続切削
寿命が２５分以上と長く優れていることがわかる。ま
た、ジルコニウム含有膜中のジルコニウム含有量が０．
３〜５０質量％（試料Ｎｏ．２〜１９）の時、連続切削
寿命が６５分以上と長く優れた工具特性が得られ、１〜
４０質量％（試料Ｎｏ．４〜１７）の時は連続切削寿命
が７５分以上と更に長くなり更に優れた工具特性が得ら
れ、５〜３０質量％（試料Ｎｏ．５〜１５）では９０分
以上と最も長くなっており最も優れた工具特性が得られ
ることがわかる。また、試料Ｎｏ．７〜１２より、ジル
コニウム含有膜中の塩素量が０．１〜２質量％の時に連
続切削寿命が９５分以上と長くなり、塩素量が１質量％
以下の時には、連続切削寿命が１００分以上と更に長く
なり、切削耐久特性が更に優れていることがわかる。

【００４４】（比較例１）ジルコニウム含有膜における
Ｘ線回折ピーク最強度面の相違による切削耐久特性への
影響を明らかにするために、本発明品と同一の組成と形
状よりなる切削工具用超硬合金基板をＣＶＤ炉内にセッ
トし、その表面に、実施例１と同一の条件でＴｉＮ膜を
形成した。さらに続いて、ＴｉＣｌ４ガスを０．２ｖｏ
ｌ％、ＺｒＣｌ４ガスを０．２ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガ
スを０．４ｖｏｌ％、Ｎ２ガスを４５ｖｏｌ％、残Ｈ２
キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分５５００ｍ
ｌだけＣＶＤ炉内に流し、成膜圧力２．７ｋＰａ、成膜
温度７９０℃で、ＴｉとＺｒ、Ｃ、Ｎからなる（Ｔｉ，
Ｚｒ）ＣＮ膜を１４〜１８μｍ厚さ成膜することによ
り、比較品を作製した。この場合、ＴｉＮ膜と（Ｔｉ，
Ｚｒ）ＣＮ膜との間にＴｉＣＮ膜は成膜しなかった。

【００４５】作製した比較例１の（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ膜
の代表的なＸ線回折測定結果を図３に示す。図３に示す
ように、比較例１のＸ線回折強度は、いずれも（２２
０）面が最強であった。

【００４６】図４は、比較例１の皮膜部の破断面をＳＥ
Ｍにより撮影したものである。ジルコニウム含有膜の膜
厚が厚くなるにつれて、急激に結晶粒が粗大化してお
り、膜表面の凹凸も大きくなっていることがわかる。

【００４７】比較例１の条件で作製した切削工具各３個
を用いて実施例１と同一の条件で切削耐久特性を評価し
た結果、切削中に、膜中にクラックが発生するとともに
結晶粒の脱落等により急激に摩耗が進んだ。その結果、
１０分で工具寿命に達し、本発明品よりも切削耐久特性
が劣ることがわかった。

【００４８】（実施例２）ＷＣ：７２質量％、ＴｉＣ：
８質量％、（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ：１１質量％、Ｃｏ：９質
量％の組成よりなるスローアウェイインサートＣＮＭＧ
１２０４０８の切削工具用超硬合金基板をＣＶＤ炉内に
セットし、その表面に、熱化学蒸着法により、Ｈ２キャ
リヤーガスとＴｉＣｌ４ガスとＮ２ガスとを原料ガスに
用い０．３μｍ厚さのＴｉＮ膜を９００℃でまず形成し
た。次いで、ＴｉＣｌ４ガスを０．５〜２．５ｖｏｌ
％、ＣＨ３ＣＮガスを０．５〜２．５ｖｏｌ％、Ｎ２ガ
スを２５〜４５ｖｏｌ％、ＣＯガス０．５〜１０ｖｏｌ
％、残Ｈ２キャリヤーガスで構成された原料ガスを毎分
５５００ｍｌだけＣＶＤ炉内に流し、圧力６．６ｋＰ
ａ、温度８５０℃の条件で、１μｍ厚さのＴｉＣＮＯ膜
を成膜した。さらに続いて、７５０〜９５０℃でＴｉＣ
ｌ４ガスを０．３〜２．５ｖｏｌ％、ＺｒＣｌ４ガスを
０．３〜２．５ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガスを０．６〜５
ｖｏｌ％、Ｎ２ガスを２５〜４５ｖｏｌ％、残Ｈ２キャ
リヤーガスで構成された原料ガスを毎分５５００ｍｌだ
けＣＶＤ炉内に流し、成膜圧力２．７ｋ〜１３．３ｋＰ
ａ、成膜温度７５０〜９５０℃で、ＴｉとＺｒ、Ｃ、Ｎ
からなる（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ膜を６μｍ厚さ成膜した。
そして、トータル２，２００ｍｌ／分だけのＴｉＣｌ４
ガス、ＣＨ４ガス、Ｈ２キャリヤーガスを流して、温度
９５０〜１０２０℃でチタンの炭化物膜を１５分間成膜
した後、そのまま連続して本構成ガスにさらに２．２〜
５５０ｍｌ／分のＣＯ２とＣＯの混合ガスを追加して１
５分間成膜することによりチタンの炭酸化物膜を作製し
た。続いてＡｌＣｌ３ガスとＨ２ガス２ｌ／分とＣＯ２
とＣＯの混合ガス５００ｍｌ／分とをＣＶＤ炉内に流
し、１０１０〜１０２０℃で１２０分間反応させること
により酸化アルミニウム膜を成膜した。この酸化アルミ
ニウムの表面に、更に、Ｈ２キャリヤーガスとＺｒＣｌ
４ガスとＮ２ガスとにより０．５μｍ厚さのＺｒＮ膜を
１０００℃で成膜することにより、本発明品を作製し
た。

【００４９】本発明品の（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ膜のＸ線回
折強度を実施例１と同じ方法で測定した結果、いずれも
最強度面は（４２２）面または（３１１）面であった。
なお、ピークの同定は、表１に示したピーク位置を中心
にして、その前後のＷＣのピーク（ＪＣＰＤＳファイル
Ｎｏ．２５−１０４７）、ＴｉＣのピーク（同Ｎｏ．３
２−１３８３）、ＴｉＮのピーク（同Ｎｏ．３８−１４
２０）、κ型酸化アルミニウムのピーク（同Ｎｏ．４−
８７８）、α型酸化アルミニウム（同Ｎｏ．１０−１７
３）のピーク等との位置関係も考慮して決定した。

【００５０】（比較例２）ジルコニウム含有膜における
Ｘ線回折ピーク最強度面の相違による切削耐久特性への
影響を明らかにするために、本発明品と同一の組成と形
状よりなる切削工具用超硬合金基板をＣＶＤ炉内にセッ
トし、その表面に、実施例２と同一の条件でＴｉＮ膜を
形成した。続いて、ＴｉＣｌ４ガスを０．２ｖｏｌ％、
ＺｒＣｌ４ガスを０．２ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガスを
０．４ｖｏｌ％、Ｎ２ガスを４５ｖｏｌ％、残Ｈ２キャ
リヤーガスで構成された原料ガスを毎分５５００ｍｌだ
けＣＶＤ炉内に流し、成膜圧力２．７ｋＰａ、成膜温度
７９０℃で、ＴｉとＺｒ、Ｃ、Ｎからなる（Ｔｉ，Ｚ
ｒ）ＣＮ膜を７μｍ厚さ成膜した。ＴｉＮ膜と（Ｔｉ，
Ｚｒ）ＣＮ膜との間にＴｉＣＮやＴｉＣＮＯ膜は成膜し
なかった。その後更に、実施例２と同じ条件でチタンの
炭化物および炭酸化物からなる膜、酸化アルミニウム
膜、ＺｒＮ膜を成膜することにより、比較品を作製し
た。

【００５１】作製した比較例の（Ｔｉ，Ｚｒ）ＣＮ膜の
Ｘ線回折強度は、いずれも（２２０）面が最強であっ
た。

【００５２】実施例２の本発明品と比較例２の従来品の
切削寿命特性は、切削工具各３個を用いて、下記の条件
で被削材を連続切削し、平均逃げ面摩耗量が０．４ｍ
ｍ、クレーター摩耗が０．１ｍｍのどちらかに達する時
間を測定し、これらの平均値を連続切削寿命時間とし
た。被削材Ｓ５３Ｃ（ＨＳ３５）切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ送り０．２ｍｍ／ｒｅｖ切り込み１．５ｍｍ水溶性切削油使用

【００５３】切削テストの結果、比較例２の比較品は、
切削中に膜中にクラックが発生するとともに結晶粒の脱
落等により急激に摩耗が進み、２０分以内で切削寿命に
達したのに対して、実施例２で作製した本発明はいずれ
も３０分以上切削でき、優れた切削耐久特性を示すこと
が判明した。

【００５４】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、高温で
の膜硬度が高く、しかも、膜厚が厚くなるに連れても膜
表面付近の結晶粒の幅が粗大化せず、膜表面に局所的な
突起が形成され難いジルコニウム含有膜が形成されてお
り、良好な耐摩耗性と靱性を有しており、優れた切削耐
久特性を示すジルコニウム含有膜被覆工具を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のジルコニウム含有膜被覆工具
のＸ線回折パターンの一例を示す。

【図２】図２は、本発明のジルコニウム含有膜被覆工具
のセラミック材料の組織を示す顕微鏡写真の一例を示
す。

【図３】図３は、比較例のＸ線回折パターンの一例を示
す。

【図４】図４は、比較例のセラミック材料の組織を示す
顕微鏡写真の一例を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡山史郎千葉県成田市新泉13番地の２日立ツール株式会社成田工場内Ｆターム(参考） 3C046 FF11 FF16 FF20 FF22 FF24 4K030 AA03 AA09 AA18 BA02 BA18 BA22 BA35 BA36 BA38 BA41 BA42 BA43 BA46 BA53 BA56 BA57 BB01 BB03 BB12 CA03 FA10 JA06 JA10 LA21 LA22 4K044 AA09 AB10 BA12 BA13 BA18 BB02 BC01 BC05 BC11 CA13 CA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体表面に周期律表のＩＶａ、Ｖａ、Ｖ
Ｉａ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を含有し且つＸ線
回折ピーク最強度面が、（４２２）面または（３１１）
面であることを特徴とするジルコニウム含有膜被覆工
具。
【請求項２】請求項１に記載のジルコニウム含有膜被
覆工具において、前記ジルコニウム含有膜が膜厚方向に
細長い柱状の結晶粒から構成されていることを特徴とす
るジルコニウム含有膜被覆工具。
【請求項３】請求項１または２に記載のジルコニウム
含有膜被覆工具において、前記ジルコニウム含有膜の下
層がチタンの炭窒化物膜またはチタンの炭窒酸化物膜で
あることを特徴とするジルコニウム含有膜被覆工具。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載のジル
コニウム含有膜被覆工具において、前記ジルコニウム含
有膜中にジルコニウムが０．３〜５０質量％含有されて
いることを特徴とするジルコニウム含有膜被覆工具。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載のジル
コニウム含有膜被覆工具において、前記ジルコニウム含
有膜に含まれるジルコニウム以外の主たる金属成分はチ
タンであることを特徴とするジルコニウム含有膜被覆工
具。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載のジル
コニウム含有膜被覆工具において、前記ジルコニウム含
有膜が引張り残留応力を有するととも、膜中の塩素量が
２質量％以下であることを特徴とするジルコニウム含有
膜被覆工具。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載のジル
コニウム含有膜被覆工具において、前記ジルコニウム含
有膜が、原料ガスとして少なくとも有機ＣＮ化合物ガス
を用い、温度７５０〜９５０℃で熱化学蒸着法により成
膜されていることを特徴とするジルコニウム含有膜被覆
工具。