JP2006281362A - 表面被覆部材および切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温下での切削などの過酷な切削に用いても、寸法精度の低下、被削材表面の傷の発生などを起こすことなく、長期間にわたって使用可能な表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】 基体の表面に硬質被覆膜が形成され、該硬質被覆膜は、膜厚方向に組成が徐々に変化する傾斜組成膜を具備し、該傾斜組成膜は、基体側の界面における組成が（Ｔｉ_１−ＡＭ_Ａ）（Ｃ_ＢＮ_１−Ｂ）_ＣＯ_Ｄであり、表面における組成が（Ｔｉ_１−ａＭ_ａ）（Ｃ_ｂＮ_１−ｂ）_ｃＯ_ｄＸ_ｅである。（ＭはＴｉを除く周期律表第４族、第５族、第６族金属元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種または２種以上の元素を示す。Ｘはハロゲン元素を示す。０．１≦Ａ＜０．７５、０≦Ｂ≦１、０．９≦Ｃ＜１．２、０≦Ｄ＜０．３、０．１≦ａ＜０．７５、０≦ｂ≦１、０≦ｃ＜１、０．３≦ｄ＜２、０≦ｅ≦０．３、０．８＜ｃ＋ｄ＋ｅ≦２．５）
【選択図】 なし

Description

本発明は、表面被覆部材および切削工具に関する。

従来から、鋳鉄、炭素鋼、ステンレス鋼などの金属の切削加工には、炭化タングステン基超硬合金、チタン基サーメットなどの硬質合金からなる基体表面に、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタンなどのチタン系化合物からなり、機械的硬度に優れる硬質被覆膜を被着形成してなる表面被覆切削工具が広く用いられる。

しかしながら、切削速度の高速化、難削材と呼ばれる被削材への対応および環境に配慮し切削液を用いない乾式下での切削加工が要求される現状においては、表面被覆切削工具の刃先温度が著しく高くなる。刃先表面の硬質被覆膜は高温に晒されて酸化され、酸化の進行に伴ってその耐摩耗性が低下する。また、切削工具の刃先における被削材の切粉の溶着および脱落が繰り返され、その際の衝撃によって刃先の一部が欠けるチッピングが発生したり、さらには刃先がチッピングよりも大きく欠ける欠損が起こる。その結果、切削加工の寸法精度が低下し、加工面に傷などが発生してしまい、切削工具の寿命が短くなる。したがって、現在の表面被覆切削工具には、耐酸化性に優れて耐摩耗性がよく、かつ、切削材の切粉に対して良好な潤滑性能を有し、切粉の溶着が起こり難い、耐欠損性の良好な工具であることが要求される。

このような要求に鑑み、たとえば、特許文献１には、高速度鋼基体の表面に、炭窒化チタンからなる下部膜と、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎからなる中間膜と、（Ｔｉ，Ａｌ）ＮＯからなる上膜部とからなる硬質被覆膜を形成した表面被覆切削工具が記載され、耐摩耗性が向上することが記載されている。しかしながら、特許文献１の多膜構造からなる硬質被覆膜は、膜中に酸素を含有するか否かで膜の熱膨張係数が大きく変わってしまうために各膜間の密着性が低くなることから、過酷な切削条件では膜間剥離が発生し、工具の長寿命化を図り得ない。

また、特許文献２には、基体の表面に、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ膜とＡｌ_２Ｏ_３膜との順に成膜した硬質被覆膜において、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮＯ膜の酸素量がＡｌ_２Ｏ_３膜に向かって増加する表面被覆切削工具が提案されている。この切削工具おいても、硬質被覆膜が多膜構造であるため、切削時の衝撃でこの膜間での剥離が発生することが多い。

さらに、特許文献３には、基体表面に、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜中に、ＴｉＯ_２微細粒子やＡｌ_２Ｏ_３微細粒子が分散分布した組織の硬質被覆膜を形成した表面被覆切削工具が提案され、硬質被覆膜の耐摩耗性が向上することが記載されている。しかしながら、硬質被覆膜が膜厚方向について均一な組成であるために、耐摩耗性を重視すると基体との密着性が低いという欠点を有し、逆に、基体との密着性を重視した組成とすると、被覆膜の耐摩耗性が低下するという問題があった。

また、特許文献４では、基体表面に、（Ｔｉ_ｐＡｌ_ｑ）（Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ）_Ｒ（ただし、０．１≦Ｚ≦０．２５）膜において、表面から基体側に向かって酸素含有比率が減少する表面被覆切削工具が提案されている。しかしながら、この硬質被覆膜は酸素量がモル比で０．２５以下であるため、耐酸化性、耐溶着性が不充分である。

特開平７−３２８８１１号公報 特開平９−１９２９０６号公報 特許第３４５１８５７号公報 特許第３１３０７３４号公報

本発明の目的は、耐酸化性、被削材に対する潤滑性が高く、耐摩耗性、耐欠損性に優れる硬質被覆膜を有する表面被覆部材を提供することであり、特に、高温下での切削などの過酷な加工に用いても、寸法精度の低下や被削材表面の傷の発生などを起こすことなく、長期間にわたって使用可能な表面被覆切削工具を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、基体の表面に、従来の表面被覆切削工具よりも酸素含有比率が多く、かつ酸化物成分量が被覆膜の表面から基体側との界面に向けて徐々に減少する傾斜組成を有する酸炭窒化物膜を含む傾斜組成膜を形成することによって、耐酸化性、被削材に対する潤滑性が高く、耐摩耗性、耐欠損性に優れる表面被覆部材が得られることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の表面被覆部材は、以下の構成からなる。
(1) 基体の表面に硬質被覆膜が形成された表面被覆部材であって、前記硬質被覆膜は、膜厚方向に組成が徐々に変化する傾斜組成膜を具備し、該傾斜組成膜は、前記基体側の界面における組成が（Ｔｉ_１−ＡＭ_Ａ）（Ｃ_ＢＮ_１−Ｂ）_ＣＯ_Ｄであり、かつ、表面における組成が（Ｔｉ_１−ａＭ_ａ）（Ｃ_ｂＮ_１−ｂ）_ｃＯ_ｄＸ_ｅであることを特徴とする表面被覆部材。
（式中、ＭはＴｉを除く周期律表第４族金属元素、周期律表第５族金属元素、周期律表第６族金属元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種または２種以上の元素を示す。Ｘはハロゲン元素を示す。０．１≦Ａ＜０．７５、０≦Ｂ≦１、０．９≦Ｃ＜１．２、０≦Ｄ＜０．３、０．１≦ａ＜０．７５、０≦ｂ≦１、０≦ｃ＜１、０．３≦ｄ＜２、０≦ｅ≦０．３、０．８＜ｃ＋ｄ＋ｅ≦２．５）
(2) 前記式中のＤが０である(1)に記載の表面被覆部材。

(3) 前記硬質被覆膜は、前記基体と前記傾斜組成膜との間に、（Ｔｉ_１−ＦＭ_Ｆ）（Ｃ_ＧＮ_１−Ｇ）_Ｈの組成からなる下地硬質膜を有する(2)に記載の表面被覆部材。
（式中ＭはＴｉを除く周期律表第４族金属元素、周期律表第５族金属元素、周期律表第６族金属元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種または２種以上の元素を示す。０．１≦Ｆ＜０．７５、０≦Ｇ≦１、０．９≦Ｈ≦１．２）
(4) 前記硬質被覆膜の膜厚が０．５〜１０μｍである(1)〜(3)のいずれか１つに記載の表面被覆部材。

(5) 前記硬質被覆膜の表面における中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下である(1)〜(4)のいずれか１つに記載の表面被覆部材。
(6) 前記傾斜組成膜は、スパッタ法により成膜されたものである(1)〜(5)のいずれか１つに記載の表面被覆部材。

(7) 前記傾斜組成膜には、該傾斜組成膜の表面からイオン注入法によりハロゲン元素が導入されている(1)〜(6)のいずれか１つに記載の表面被覆部材。
(8) すくい面、逃げ面、および前記すくい面と前記逃げ面との交差稜線部に形成された切刃を有し、該切刃を被切削物に当てて切削加工するための切削工具であって、前記切刃が(1)〜(7)のいずれか１つに記載の表面被覆部材からなる切削工具。

本発明の表面被覆部材は、基体の表面に、Ｔｉ、Ｍ（ＭはＴｉを除く周期律表第４族金属元素、周期律表第５族金属元素、周期律表第６族金属元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種または２種以上の元素を示す。）、Ｃ、Ｎ、Ｏの成分を有し、少なくとも基体側の界面における酸素量（Ｄ）が、０以上で、かつ０．３より小さい範囲（０≦Ｄ＜０．３）とし、基体側界面から外表面側に向かって徐々に増加して、表面における酸素量（ｄ）を０．３以上で、かつ２より小さい範囲（０．３≦ｄ＜２）の傾斜組成膜を形成している。これによって、傾斜組成膜の外表面は酸素含有比率が多いことから非常に高い耐熱性および相手材に対する高い潤滑性を有する。したがって、高温に晒されても酸化の進行による耐摩耗性の低下がほとんど起こらず、かつ高温下に相手材と接触しても溶着が発生することが非常に少ない。また、傾斜組成膜の基体側の界面では酸素含有比率が少ないので、高温下に外部から強い応力が付加される場合でも基体との密着性が非常に高く、膜間剥離がほとんど発生することがない。しかも、組成の異なる膜を多層に積層した多層構造のように層間で剥離することもない。

また、本発明においては、傾斜組成膜の上記Ｄ値が０である、つまり、傾斜組成膜の基体側界面における組成式において、酸素含有比率に係る係数Ｄが「０」であることによって、傾斜組成膜の基体側界面における基体の表面に対する付着力がさらに向上し、長期間にわたって高温下にて外部から強い応力を付加しても、膜剥離および膜間剥離が非常に起こり難い。

なお、上記Ｄが０である場合には、前記基体と前記傾斜組成膜との間に、組成が（Ｔｉ_１−ＦＭ_Ｆ）（Ｃ_ＧＮ_１−Ｇ）_Ｈ（式中ＭはＴｉを除く周期律表第４族金属元素、周期律表第５族金属元素、周期律表第６族金属元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種または２種以上の元素を示す。０．１≦Ｆ＜０．７５、０≦Ｇ≦１、０．９≦Ｈ≦１．２）である下地硬質膜を形成してもよい。これによって、基体と傾斜組成膜との密着性がより向上し、本発明工具の耐摩耗性がさらに向上して、部材の寿命をより長くできる。

さらに、前記硬質被覆膜の膜厚は好ましくは０．５〜１０μｍになるように形成することによって、硬質被覆膜表面の耐摩耗性および基体側の界面における基体に対する密着性のいずれをも高水準で併せ持つ硬質被覆膜が得られる。

また、本発明では、前記硬質被覆膜の表面、すなわち前記傾斜組成膜の表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下になるように構成することによって、表面は酸素含有比率が多い組成であるにもかかわらず、その耐摩耗性、耐欠損性がさらに向上する。

また、上記傾斜組成膜をスパッタ法により形成すると、傾斜組成膜における膜厚方向の酸素含有比率の傾斜組成を容易に制御できる。また、傾斜組成膜の表面における上記中心線平均粗さ（Ｒａ）を小さくできる。

さらに、本発明によれば、前記傾斜組成膜における表面からイオン注入によってハロゲン元素を導入することによって、硬質被覆膜の外表面において相手材との接触した場合の潤滑性を飛躍的に高め得る。これによって、切削工具として用いた際、切刃における切削抵抗を小さくすることができる。

また、本発明の表面被覆部材は、例えば掘削工具、金型や摺動部材等の耐摩材等の耐摩耗性および耐欠損性が要求される構造材に好適に利用可能である。中でも、すくい面と逃げ面との交差稜線部に形成された切刃を被切削物に当てて切削加工するための切削工具における前記切刃を上記表面被覆部材にて形成することにより、耐酸化性、被削材に対する潤滑性、耐欠損性に優れ、高温下での切削などの過酷な切削に用いても、寸法精度の低下、被削材表面の傷の発生を抑制して、長期間にわたって使用可能な表面被覆切削工具が得られる。

本発明の表面被覆部材は、基体の表面に、硬質被覆膜が形成されたものである。この硬質被覆膜は、その膜厚方向に組成が徐々に変化する傾斜組成膜を有している。この傾斜組成膜は、基体側の界面における組成が（Ｔｉ_１−ＡＭ_Ａ）（Ｃ_ＢＮ_１−Ｂ）_ＣＯ_Ｄであり、かつ、表面（外表面）における組成が（Ｔｉ_１−ａＭ_ａ）（Ｃ_ｂＮ_１−ｂ）_ｃＯ_ｄＸ_ｅであることが大きな特徴である。（式中ＭはＴｉを除く周期律表第４族金属元素、周期律表第５族金属元素、周期律表第６族金属元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種または２種以上の元素を示す。Ｘはハロゲン元素を示す。０．１≦Ａ＜０．７５、０≦Ｂ≦１、０．９≦Ｃ＜１．２、０≦Ｄ＜０．３、０．１≦ａ＜０．７５、０≦ｂ≦１、０≦ｃ＜１、０．３≦ｄ＜２、０≦ｅ≦０．３、０．８＜ｃ＋ｄ＋ｅ≦２．５）

これによって、傾斜組成膜の表面、すなわち硬質被覆膜の表面は酸素含有比率が多いことから非常に高い耐熱性および相手材に対する高い潤滑性を有する。したがって、高温に晒されても酸化の進行による耐摩耗性の低下がほとんど起こらず、高温下に相手材と接触しても溶着が発生することが非常に少ない。また、傾斜組成膜の基体側界面は酸素含有比率が少ないので、基体との密着性が非常に高い。さらに、本発明の傾斜組成膜は膜全体として表面側から基体側界面への膜厚方向に、酸素が徐々に減少する傾斜組成を有しているので、傾斜組成膜の基体側界面と基体間における熱膨張係数の差を小さくし熱応力差を小さくできる。これにより、高温下にて外部から強い応力が付加される場合でも膜間剥離がほとんど発生することがない。

ここで、Ｍで示される元素としては、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉなどが好ましく、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｓｉが耐摩耗性向上の点で特に好ましい。前記傾斜組成膜は、Ｔｉとともに、これら元素の１種または２種以上を含む。好ましい組合せとしては、たとえば、耐摩耗性と耐熱性の点で、ＴｉとＡｌ、ＴｉとＣｒ、ＴｉとＳｉ、ＴｉとＡｌとＳｉ、ＴｉとＡｌとＣｒ、ＴｉとＡｌとＮｂ、ＴｉとＡｌとＮｂとＳｉが好適に使用可能である。なお、上記に記載した元素Ｍは、以下単にＭと略す。

前記硬質被覆膜において、外表面は、従来の切削工具用硬質被覆膜では見られない多量の酸素を含有することを特徴とする。具体的には、表面の酸素含有比率を示す係数ｄの値は、０．３以上、２未満（０．３≦ｄ＜２）である。なお、ｄの好ましい範囲は、耐熱性と潤滑性の点で０．５〜１．９（０．５≦ｄ≦１．９）である。０．３未満（ｄ＜０．３）では、高温に晒される場合に耐摩耗性が低下する恐れがある。一方、２以上（ｄ≧２）では、耐摩耗性、耐欠損性などが不充分になる恐れがある。

なお、硬質被覆膜の表面においては、上記（Ｔｉ_１−ａＭ_ａ）（Ｃ_ｂＮ_１−ｂ）_ｃＯ_ｄＸ_ｅの組成からなる均一な組織であってもよいが、膜中にＴｉＯ_ｙ微粒子やＭＯ微粒子のような酸化物微粒子が分散した組織をなしていることが、硬質被覆膜の硬度を高めることができる点で望ましい。

また、前記傾斜組成膜は、表面から基体側界面への膜厚方向において、傾斜組成を有し、表面の組成がハロゲン元素を含む場合は、ハロゲン元素含有比率が徐々に減少する傾斜組成を有する。これによって、傾斜組成膜の表面における摺動性および耐溶着性が向上する。

前記傾斜組成膜の表面における組成式において、Ｔｉと元素Ｍとの含有比率を示す係数ａの値は、通常は０．１以上、０．７５未満（０．１≦ａ＜０．７５）であり、好ましくは０．４〜０．６（０．４≦ａ≦０．６）である。すなわち、ａが０．１より小さいと耐摩耗性が不十分となり、逆に、ａが０．７５以上であると、耐摩耗性が低下する。

また、上記組成式において、炭素と窒素の含有比率を示す係数ｂの値は０〜１（０≦ｂ≦１）であり、好ましくは０〜０．６（０≦ｂ≦０．６）である。さらに、前記Ｔｉと元素Ｍの金属元素の総量に対する炭素および窒素の含有比率を示す係数ｃの値は、通常は０以上、１未満（０≦ｃ＜１）であり、好ましくは０〜０．７（０≦ｃ≦０．７）である。

さらに、ハロゲン元素の含有比率を示す係数ｅの値は、０〜０．３である。０＜ｅ≦０．３の範囲内であれば、傾斜組成膜の表面における摺動性、耐溶着性が向上する。ハロゲン元素の含有比率ｅの望ましい範囲は０．０５〜０．２（０．０５≦ｅ≦０．２）である。

さらには、ｃ、ｄおよびｅの和は、０．８を超え、２．５以下（０．８＜ｃ＋ｄ＋ｅ≦２．５）であり、好ましくは１．０〜２．２（１．０≦ｃ＋ｄ＋ｅ≦２．２）である。すなわち、（ｃ＋ｄ＋ｅ）が０．８以下の場合および（ｃ＋ｄ＋ｅ）が２．５を超える場合には、耐摩耗性が低下するという不具合がある。

上記傾斜組成膜の組成式おいて、総合的に上述したこれらの数値範囲を採ることによって、耐熱性、耐酸化性および表面潤滑性に優れた硬質被覆膜が得られる。

また、上記傾斜組成膜において、酸素含有比率は表面（外表面）から基体側界面への膜厚方向に徐々に減少する。そして、基体側界面では、基体側界面の組成式における酸素含有比率（Ｄ）は、通常は０以上、０．３未満（０≦Ｄ＜０．３）であり、好ましくは０〜０．２（０≦Ｄ≦０．２）であり、さらに好ましくはＤ＝０である。すなわち、基体側の界面においては、酸素含有比率ができるだけ少ないこと、望ましくは酸素を含まないことが、基体側の界面と基体または下地被覆膜の表面との密着性を向上させる上で好ましい。

ここで、上記傾斜組成膜における基体側の界面の組成式において、ＴｉとＭ元素との含有比率を示す係数Ａの値は、通常は０．１以上、０．７５未満（０．１≦Ａ＜０．７５）であり、好ましくは０．４〜０．６（０．４≦Ａ≦０．６）である。また、炭素と窒素の含有比率を示す係数Ｂの値は、通常は０〜１（０≦Ｂ≦１）であり、好ましくは０〜０．６（０≦Ｂ≦０．６）である。さらに、炭素および窒素の含有比率を示す係数Ｃの値は、０．９〜１．２（０．９≦Ｃ≦１．２）であり、好ましくは０．９〜１．１（０．９≦Ｃ≦１．１）である。これらの数値範囲を採ることによって、所望の特性を有する硬質被覆膜が得られる。

なお、上記傾斜組成膜の上記組成においてＤ＝０の場合には、上記傾斜組成膜のほかに、傾斜組成膜と基体との間に、組成（Ｔｉ_１−ＦＭ_Ｆ）（Ｃ_ＧＮ_１−Ｇ）_Ｈ（式中Ｍ、Ｆ、ＧおよびＨは前記に同じ。）を有する下地硬質膜を形成することが、傾斜組成膜の密着性を損なうことなく、耐摩耗性をさらに向上する点で好ましい。

本発明の硬質被覆膜の膜厚は、たとえば、該硬質被覆膜に含まれる元素の種類、該硬質被覆膜中の傾斜組成、該硬質被覆膜を被着させる無機成形体（基体）の組成および形状、該硬質被覆膜を被着させる無機成形体（基体）の用途などの各種条件に応じて適宜選択できるが、好ましくは平均膜厚として０．５〜１０μｍ、さらに好ましくは１〜５μｍである。これによって、耐摩耗性の高い外表面および無機成形体に対する密着性に優れる基体側界面を有する硬質被覆膜が得られ、強い応力を付加しても膜剥離が非常に起こり難い。なお、上記硬質被覆膜の膜厚は、前記傾斜組成膜の膜厚と前記下地硬質膜の膜厚とを合わせた膜厚を指す。

また、前記傾斜組成膜において、表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）は、０．２μｍ以下であることが好ましい。これによって、表面の酸素含有比率が従来の硬質被覆膜よりも多いにもかかわらず、表面の耐摩耗性がさらに向上する。

本発明の硬質被覆膜は、たとえば、イオンプレーティング法、スパッタ法等の物理蒸着法や、気相成長（ＣＶＤ）法の薄膜形成法により製造できる。その中でも、本発明の硬質被覆膜の膜厚方向における酸素含有比率の傾斜組成の制御性、得られる硬質被覆膜の表面における中心線平均粗さ（Ｒａ）値などを考慮すると、イオンプレーティング法、スパッタ法などが好ましく、中でもスパッタ法が特に好ましい。

また、上記ハロゲン元素は、傾斜組成膜の表面からイオン注入法により導入されたものであることが、ハロゲン元素の傾斜組成を容易に制御できる点で望ましい。

次に、本発明の表面被覆部材の製造方法について説明する。
基本的に、本発明の表面被覆部材は、基体表面に硬質被覆膜を形成することによって製造できる。ここで使用する基体は、公知の方法に従い、たとえば、原料混合物を所望の形状に成形して焼成することによって製造できる。

得られる基体の表面には、必要に応じて、研磨加工、切刃部のホーニング加工などが施される。さらに必要に応じて、基体の切れ刃およびすくい面の表面に凹部を付与するために、ブラスト、ラッピング、バフ、ポリッシュ、バレル、研削などの機械的加工、酸およびアルカリによるエッチングなどの化学的加工、機械的加工および化学的加工を組合せた加工などが施される。その際、すくい面における算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１〜１．５μｍ、逃げ面における算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５〜３．０μｍとなるように加工を制御するのが好ましい。

そして、基体の表面に、イオンプレーティング法、スパッタ法等の物理蒸着法、気相成長（ＣＶＤ）法の薄膜形成法にて下地硬質膜および傾斜組成膜を成膜する。

スパッタ法による本発明の硬質被覆膜の成膜は、たとえば、アルゴンガス中におけるグロー放電によりアルゴンイオンを生成させ、このアルゴンイオンによるターゲットスパッタで、ターゲットであるＴｉ_１−ｘＭ_ｘ合金（式中Ｍは前記に同じ。ｘは０．１〜０．７５の数を示す。）からチタンイオンおよび符合Ｍで示される元素のイオンを発生させ、これらのイオンと反応系内に供給される窒素イオン、炭素イオンおよび必要に応じて酸素イオンを反応させることにより、本発明の硬質被覆膜が形成される。なお、上記ターゲットは、必ずしも１つである必要はなく、２つ以上のマルチターゲットとすることもできる。この場合には、Ｔｉ_１−ｙＭ_ｙ合金（式中Ｍは前記に同じ。ｙは０〜１の数を示し、Ｔｉ金属ターゲット、Ｍ金属ターゲットも含む。）を組み合わせて用いることができる。

イオンプレーティング法による本発明の硬質被覆膜の成膜は、たとえば、アークイオンプレーティング法によれば、Ｔｉ_１−ｘＭ_ｘ合金（式中Ｍおよびｘは上記に同じ。）をターゲットに用い、アーク放電によりターゲットからＴｉイオンおよびＭ元素のイオンを発生させ、これらのイオンと反応系内に供給される窒素イオン、炭素イオンおよび必要に応じて酸素イオンを反応させることにより、本発明の硬質被覆膜が形成される。

ここで使用される窒素源としては、窒素などが挙げられる。炭素源としては、たとえば、メタン、アセチレン、エチレン、プロパンなどが挙げられる。酸素源としては、たとえば、酸素が挙げられる。窒素源、炭素源および酸素源は、いずれも１種または２種以上を使用できる。これらがガス化され、反応系内に供給される。

成膜開始時の窒素源ガスおよび炭素源ガスの流量は、得ようとする硬質被覆膜の基体側界面の組成に応じて決定される。そして、成膜開始から終了までの間に、窒素源ガスおよび炭素源ガスの流量を所望の比率の勾配を持たせて徐々に減らし、最終的には窒素源ガスおよび炭素源ガスの反応系内への供給を停止させてもよい。これによって、成膜終了後の硬質被覆膜の表面、すなわち外表面は基体側界面よりも窒素含有比率および炭素含有比率の少ない組成を有することになる。一方、酸素源ガスの流量は、成膜開始から終了までの間に、所望の比率の勾配を持たせて徐々に増やすように調整される。たとえば、成膜開始時に酸素源ガス流量を０ｓｃｃｍとし、成膜の進行とともに徐々に増加させ、終了時に所定の最大流量とすればよい。これによって、外表面は基体側界面よりも酸素含有比率の多い組成を有することになる。

また、本発明の硬質被覆膜（傾斜組成膜）の外表面にハロゲン元素を含有させるには、上記成膜時にハロゲンガスを流して供給することもできるが、容易に製造できてハロゲン元素の組成制御が可能な点で、プラズマイオン注入法が好適に採用できる。プラズマイオン注入法には、たとえば、プラズマイマージョンイオン注入（Plasma Immersion Ion
Implantation（PIII））法が知られている。プラズマイマージョンイオン注入法は、たとえば、Conrad J.R.,“Sheath Thickness and Potential Profiles of Ion Matrix
Sheaths for Cyclindrical and Spherical Electrodes”,Journal of Applied
Physics, Vol 62(1987a)777に報告されている。プラズマイオン注入法によれば、本発明の硬質被覆膜に全方位からハロゲン元素をイオン注入することが可能であり、しかもハロゲン元素の含有比率を所望の値に調整できる。さらに、プラズマイオン注入法によれば、硬質被覆膜が複雑な形状を有する基体の表面に形成される場合でも、何ら支障なくハロゲン元素をイオン注入できるので、ドリル、エンドミルなどの複雑な形状の工具の表面に本発明の硬質被覆膜をした後でも、硬質被覆膜表面、すなわち硬質被覆膜の外表面にハロゲン元素をイオン注入できる。

このようにして得られる本発明の表面被覆部材は切削工具として使用でき、その具体例としては、たとえば、旋削加工具、転削加工具、穴あけ加工具などが挙げられる。旋削加工具としては、たとえば、外丸削りバイト、突っ切り／溝削りバイト、面削りバイトなどの外径旋削バイト、内径旋削バイト、外径ホルダ、内径ホルダ、スモールツールホルダ、溝入れホルダなどのホルダなどが挙げられる。転削加工具としては、たとえば、平フライス、正面フライス、側フライス、溝切りフライスなどフライス、１枚刃エンドミル、複数刃エンドミル、テーパ刃エンドミル、ボールエンドミルなどのエンドミルなどが挙げられる。穴あけ加工具としては、たとえば、ツイストドリル、スローアウェイ式ドリル、コアドリル、センタ穴ドリルなどのドリル、深穴工具などが挙げられる。それ以外にも、スリッターなどの切断刃、裁断刃、ダイスなどの型工具、ノズルなどの耐摩耗工具にも使用できる。もちろん、スローアウェイ工具としても使用できる。

以下に実施例および比較例を挙げ、本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
ＣＮＭＧ１２０４０８のスローアウェイチップ形状の超硬合金基体を用い、この基体をスパッタ装置内に設置し、真空引きを行い、装置内温度を５００℃まで上昇させて成膜した。具体的な成膜条件は、アルゴンガスを導入して放電により生成するアルゴンイオンによりチタン−アルミニウム合金をスパッタリングし、それと同時に窒素、メタンガスおよび酸素を装置内に供給した。ターゲットにはチタン−アルミニウム合金（組成：Ｔｉ_０．５Ａｌ_０．５）を用い、成膜条件はターゲットスパッタ電力２００Ｗ、アルゴン、窒素とメタンガスと酸素の総圧力１．０Ｐａ、パルスバイアス電圧−３０Ｖとした。

成膜に際しては、まず、窒素ガス、メタンガス、酸素ガスの流量を一定として、表１の組成（Ｔｉ_０．５５Ａｌ_０．４５）（Ｃ_０．５Ｎ_０．５）_１．０からなる下地被覆膜を１μｍ膜厚で成膜した。

続いて、傾斜組成膜を成膜した。成膜条件として、窒素流量は、成膜開始時５００ｓｃｃｍ、成膜終了時０ｓｃｃｍであり、２０ｓｃｃｍ／分（又は秒）の割合で連続的に減少させた。メタンガス流量は、成膜開始時２５０ｓｃｃｍ、成膜終了時０ｓｃｃｍであり、１０ｓｃｃｍ／分の割合で減少させた。酸素流量は、成膜開始時０ｓｃｃｍ、成膜終了時７００ｓｃｃｍであり、２８ｓｃｃｍ／分の割合で連続的に増加させた。

これにより、超硬合金基体の表面に、下地硬質膜（１μｍ）および傾斜組成膜（２．５μｍ）からなる膜厚３．５μｍの硬質被覆膜を形成し、本発明の表面被覆切削工具である、形状がＣＮＭＧ１２０４０８のスローアウェイチップを製造した。

上記硬質被覆膜の表面（外表面）における面粗度を、レーザー顕微鏡を用いてＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１に準拠して測定した結果、Ｒａが０．０５μｍであった。また、該硬質被覆膜を、Ｘ線光電子分光分析法（X-ray photoelectron spectroscopy：ＸＰＳ）（分析条件は下記に示す）にて分析したところ、組成が徐々に変化する傾斜組成を有することが確認された。すなわち、傾斜組成膜の膜厚方向において、基体に接する面（基体側界面に相当、以後「基体側界面」と称す）から表面（外表面）に向けて、酸素含有比率は最小値から最大値に徐々に増加し、傾斜組成であることが確認された。結果を表１に示す（試料Ｎｏ．１参照）。

（ＸＰＳ分析条件）
Ｘ線源 モノクロＡｌ Ｋα（出力１０Ｗ、加速電圧１５ｋＶ）
測定領域 約５０μｍφ
パスエネルギー ５８．７０ｅＶ
ステップサイズ ０．１２５ｅＶ

（実施例２〜６）
硬質被覆膜における表面および基体側界面の組成が表１に示す組成になるように、ターゲットであるチタン合金の種類、ならびに窒素、メタンガスおよび酸素の流量を調整する以外は、実施例１と同様にして、形状がＣＮＭＧ１２０４０８のスローアウェイチップを製造した
（実施例７〜８）
下地被覆膜、硬質被覆膜における表面、基体側界面の組成が表１に示す組成になるように、ターゲットであるチタン合金の種類、ならびに窒素、メタンガスおよび酸素の流量を調整する以外は、実施例１と同様にして、硬質被覆膜を形成した。

この硬質被覆膜に、プラズマイマージョンイオン注入装置によりパルスバイアス電圧５０ｋＶで、表面組成が表１に示す値になるように、フッ素イオン（実施例７）または塩素イオン（実施例８）を注入し、形状がＣＮＭＧ１２０４０８のスローアウェイチップを製造した。

（比較例１〜４）
下地被覆膜、硬質被覆膜における表面、基体側界面の組成が表１に示す組成になるように、ターゲットであるチタン合金の種類、ならびに窒素、メタンガスおよび酸素の流量を調整する以外は、実施例１と同様にして、比較品である、形状がＣＮＭＧ１２０４０８のスローアウェイチップを製造した。

実施例１〜８および比較例１〜４で得られるスローアウェイチップの、下地被覆膜、硬質被覆膜における表面、基体側界面の組成、膜厚ならびに中心線平均粗さ（Ｒａ）を表１に示す。

また、実施例１〜８および比較例１〜４で得られたスローアウェイチップを用い、以下の切削条件で切削試験を３０分間行い、切削屑の硬質被覆膜表面への溶着およびチッピングの有無を顕微鏡観察により判定し、フランク摩耗幅および先端摩耗幅を測定した。結果を表２に示す。
切削方法：旋削
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：２５０ｍ／分
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２．０ｍｍ
切削状態：乾式

表２から、本発明の表面被覆切削工具が、切削屑の溶着およびチッピングを起こし難く、被削材に対して高い潤滑性を有し、耐摩耗性にも優れることが明らかである。

Claims (8)

1. 基体の表面に硬質被覆膜が形成された表面被覆部材であって、
   前記硬質被覆膜は、膜厚方向に組成が徐々に変化する傾斜組成膜を具備し、
   該傾斜組成膜は、前記基体側の界面における組成が（Ｔｉ_１−ＡＭ_Ａ）（Ｃ_ＢＮ_１−Ｂ）_ＣＯ_Ｄであり、かつ、表面における組成が（Ｔｉ_１−ａＭ_ａ）（Ｃ_ｂＮ_１−ｂ）_ｃＯ_ｄＸ_ｅであることを特徴とする表面被覆部材。
   （式中、ＭはＴｉを除く周期律表第４族金属元素、周期律表第５族金属元素、周期律表第６族金属元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種または２種以上の元素を示す。Ｘはハロゲン元素を示す。０．１≦Ａ＜０．７５、０≦Ｂ≦１、０．９≦Ｃ＜１．２、０≦Ｄ＜０．３、０．１≦ａ＜０．７５、０≦ｂ≦１、０≦ｃ＜１、０．３≦ｄ＜２、０≦ｅ≦０．３、０．８＜ｃ＋ｄ＋ｅ≦２．５）
2. 前記式中のＤが０である請求項１記載の表面被覆部材。
3. 前記硬質被覆膜は、前記基体と前記傾斜組成膜との間に、（Ｔｉ_１−ＦＭ_Ｆ）（Ｃ_ＧＮ_１−Ｇ）_Ｈの組成からなる下地硬質膜を有する請求項２に記載の表面被覆部材。
   （式中ＭはＴｉを除く周期律表第４族金属元素、周期律表第５族金属元素、周期律表第６族金属元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種または２種以上の元素を示す。０．１≦Ｆ＜０．７５、０≦Ｇ≦１、０．９≦Ｈ≦１．２）
4. 前記硬質被覆膜の膜厚が０．５〜１０μｍである請求項１〜３のいずれか１つに記載の表面被覆部材。
5. 前記硬質被覆膜の表面における中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の表面被覆部材。
6. 前記傾斜組成膜は、スパッタ法により成膜されたものである請求項１〜５のいずれか１つに記載の表面被覆部材。
7. 前記傾斜組成膜には、該傾斜組成膜の表面からイオン注入法によりハロゲン元素が導入されている請求項１〜６のいずれか１つに記載の表面被覆部材。
8. すくい面、逃げ面、および前記すくい面と前記逃げ面との交差稜線部に形成された切刃を有し、該切刃を被切削物に当てて切削加工するための切削工具であって、前記切刃が請求項１〜７のいずれか１つに記載の表面被覆部材からなる切削工具。