JP2009160697A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高速条件下の切削においてクレーター摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与することができる被膜を備えた表面被覆切削工具を提供することを目的とする。
【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膜とを備える表面被覆切削工具であって、この被膜は、１層または２層以上の層からなり、少なくとも１層は、化学式Ｈｆ_1-ａＡｌ_aＸ_b（ただし、ａ、ｂはそれぞれ原子比を示し、ａは０＜ａ≦０．２０、ｂは０．１＜ｂ＜２である。またＸは硼素、酸素、炭素および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される第１化合物を含むアルミニウム含有ハフニウム層であり、Ｘ線回折における（１１１）面のピーク強度Ａと（２００）面のピーク強度Ｂとの比Ｂ／Ａが０≦Ｂ／Ａ≦１となる結晶構造を有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具に関する。

種々の被削材を切削加工するのに用いられる表面被覆切削工具は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質の基材に対してその表面の耐摩耗性を改善したり表面保護機能を改善したりすることを目的として、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等の硬質被膜でその表面を被覆することが行なわれてきた。特にＴｉＡｌＮからなる被膜は優れた耐摩耗性を示すことから、チタンの窒化物、炭化物、炭窒化物等からなる被膜に代わってこのような表面被覆切削工具の被膜として広く用いられている。

しかしながら、被削材が多様化していることおよび加工効率を向上させるために高速の切削加工が求められることなどの理由から、以前に比し切削工具の寿命は非常に短くなっている。さらに、最近の切削工具の動向として、地球環境保全の観点から切削油剤を用いない乾式の加工（ドライ加工）が求められる傾向にある。

このため耐摩耗性などの切削工具に要求される特性はますます高度なものとなっており、以って表面被覆切削工具の被膜に対しても種々の高度な特性が要求されている。

このような要求に応える試みとして、例えば特許文献１ではＨｆとＡｌの合金の炭化物、窒化物および炭窒化物の硬質被膜層を設け、耐摩耗性を改善向上させた表面被覆硬質部材が提案されている。また、特許文献２では、母材表面に、ＨｆとＡｌの組成比が母材との界面でのＨｆから母材と反対側の表面でのＨｆＡｌまで連続的または段階的に変化したＨｆ_1-xＡｌ_x（０≦ｘ≦０．５）の炭化物、窒化物または炭窒化物によって、密着性と耐摩耗性の改善する技術が提案されている。しかしながら、両者とも高速条件下での切削において耐摩耗性は十分とは言えなかった。
特開平３−１８０４６４号公報 特開平４−２１７６２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、高速条件下の切削においてクレーター摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与することができる被膜を備えた表面被覆切削工具を提供することにある。

本出願人は上記目的を達成するには、ＨｆとＡｌを特定の範囲とすることで、硬度および耐酸化性能が向上し、より高速域での切削において寿命が長くなることを見出した。

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被膜とを備える表面被覆切削工具であって、この被膜は、１層または２層以上の層からなり、少なくとも１層は、化学式Ｈｆ_1-ａＡｌ_aＸ_b（ただし、ａ、ｂはそれぞれ原子比を示し、ａは０＜ａ≦０．２０、ｂは０．１＜ｂ＜２である。またＸは硼素、酸素、炭素および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される第１化合物を含むアルミニウム含有ハフニウム層であり、Ｘ線回折における（１１１）面のピーク強度Ａと（２００）面のピーク強度Ｂとの比Ｂ／Ａが０≦Ｂ／Ａ≦１となる結晶構造を有することを特徴とする。

上記化学式Ｈｆ_1-ａＡｌ_aＸ_bにおけるａは、０＜ａ≦０．１５であることが好ましく、第１化合物は、その結晶粒径が０．１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。

上記第１化合物は、Ｘ線回折における（１１１）面のピーク位置２θ₍₁₁₁₎が３３°以上３４°以下であり、（２００）面のピーク位置２θ₍₂₀₀₎が３９°以上３９．５°以下である結晶構造を有することが好ましい。

上記アルミニウム含有ハフニウム層は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含むことが好ましい。

また、上記第１化合物は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含むことが好ましい。

上記Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素は、原子比でＨｆに対して０．００５以上０．３以下の割合で含まれることが好ましい。

また、上記アルミニウム含有ハフニウム層は、上記第１化合物を含む第１層と、第２化合物を含む第２層とが交互に１層以上積層されており、第２化合物は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、ＮｂおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含むことが好ましい。

上記第１層はその厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、第２層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。

上記本発明の表面被覆切削工具の被膜は、下地層を含み、この下地層は基材上に形成され、その下地層上にアルミニウム含有ハフニウム層が形成されており、下地層はＴｉと、硼素、酸素、炭素および窒素からなる群の少なくとも１種の元素とを含む第３化合物を含む態様とすることができる。

上記アルミニウム含有ハフニウム層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。

上記特定の組成を有するＨｆとＡｌを含む化合物からなる層であって、特定の結晶構造を有する層を切削工具の被膜に含むことで、切削時における逃げ面摩耗だけでなく、クレーター摩耗の抑制効果があり、さらに寿命を延すことができる。

＜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膜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、例えばドリル、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効に用いることができる。そして、本発明の被覆切削工具は、Ｔｉ合金加工用またはインコネル合金等の耐熱合金加工用のドリル、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、タップ等として特に有効に用いることができる。

＜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無く使用することができる。例えば、超硬合金（例えば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。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たりしてもよく、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。

＜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層または２層以上からなる。そして、それらの層のうち少なくとも１の層は、以下で詳述する第１化合物を含むアルミニウム含有ハフニウム層である。本発明における被膜は、このアルミニウム含有ハフニウム層を含む限り、さらに他の層を含んでいても差し支えない。なお、本発明における被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限定されるものではなく、部分的に被膜が形成されていない態様をも含む。

このような被膜の合計厚み（２層以上の層が形成される場合はその総膜厚）は、０．３μｍ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、耐摩耗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を超えると残留応力が大きくなり、基材との密着力が低下する場合がある。なお、膜厚の測定方法としては、切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて観察することによる。

＜アルミニウム含有ハフニウム層＞
本発明におけるアルミニウム含有ハフニウム層は化学式Ｈｆ_1-aＡｌ_aＸ_b（ただし、ａ、ｂはそれぞれ原子比を示し、ａは０＜ａ≦０．２０、ｂは０．１≦ｂ≦２である。またＸは硼素、酸素、炭素および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される第１化合物を含むものである。このような第１化合物はＡｌを含まない構造の化合物に対して高硬度を示す。これは、恐らく第１化合物の結晶格子中において、ＡｌがＮａＣｌ型立方晶であるＨｆＮの特定部位のＨｆに対して侵入型または置換型として混在することにより結晶格子が歪むとともに、結晶粒自体が微細化するためではないかと推測される。

本発明におけるアルミニウム含有ハフニウム層は、不可避不純物を除き第１化合物のみによって構成することができる。しかし、後述のような他の成分（元素）を含むことができるとともに、同じく後述のような第１化合物を含む層と他の化合物を含む層が積層されて形成されたものであってもよい。

なお、このようなアルミニウム含有ハフニウム層は、第１化合物とともに、その第１化合物に起因する（第１化合物の形成時に同時に形成されたり、その形成後に経時的に形成される）副次的化合物を含んでいても差し支えない。そのような副次的化合物は第１化合物に対し少量含まれるものであり、たとえばＨｆと上記化学式中のＸとからなる化合物や、Ａｌと上記化学式中のＸとからなる化合物が上げられる他、Ｈｆ単体やＡｌ単体も挙げることができる。

＜第１化合物層＞
上記アルミニウム含有ハフニウム層に含まれる第１化合物は、化学式Ｈｆ_1-ａＡｌ_aＸ_b（ただし、ａ、ｂはそれぞれ原子比を示し、ａは０＜ａ≦０．２０、ｂは０．１＜ｂ＜２である。またＸは硼素、酸素、炭素および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される化合物である。上記化学式中、原子比ａは、好ましくは０＜ａ≦０．１５であり、その下限が０．００５、さらに好ましくは０．０１である。この原子比ａが０．２０を超えると耐酸化性および硬度が低下し、クレーター摩耗の低減効果が劣るとともに優れた耐摩耗性が示されなくなる。

なお、上記の化学式中、Ｘは硼素、酸素、炭素および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示す。すなわち、Ｘはこれらの元素が各単独で構成されてもよいし、２種以上の元素が組み合わされていても問題ない。２種以上の元素が組み合わされて構成されている場合、各元素の原子比は特に限定されるものではないが、窒素が含まれる場合はこれらの構成元素に占める（すなわち上記化学式中のｂに対する）窒素の原子比を５０％以上とすることが好適である。

また、原子比ｂは０．１≦ｂ≦２である限り特に限定されないが、より好ましくは０．４≦ｂ≦１．８である。ｂが０．１未満の場合には耐摩耗性が低下するため好ましくない。また、ｂが２を超えると、やはり耐摩耗性が低下するため好ましくない。なお、上記のようにＸが２種以上の元素で構成される場合には、原子比ｂはそれらの元素の合計量を示すものとする。

＜第１化合物の結晶構造＞
上記第１化合物は、Ｘ線回折における（１１１）面ピーク強度Ａと（２００）面ピーク強度Ｂとの比（Ｂ／Ａ）が０≦Ｂ／Ａ≦１となる結晶構造を有することを特徴とする。すなわち、このように規定される結晶構造は本発明の第１化合物の配向性が（２００）優先配向ではなく（１１１）優先配向であることを示している。上記比Ｂ／Ａは、より好ましくはその上限が０．８、さらに好ましくは０．５であり、その下限は０となるのが理想である。

このように第１化合物の結晶構造が（１１１）優先配向を示すことにより、極めて高い耐摩耗性を発揮することができることを発見した。本発明では、（１１１）優先配向が（２００）優先配向の場合と比較して極めて高い潤滑性を有していることを見出しており、それによって切削時の耐摩耗性が向上していると考えられる。

また、本発明の第１化合物は、Ｘ線回折における（１１１）面のピーク位置２θ₍₁₁₁₎が３３°以上３４°以下であり、（２００）面のピーク位置２θ₍₂₀₀₎が３９°以上３９．５°以下である結晶構造を有することが好ましい。このようなＸ線回折は、θ−２θ法によることが好ましい。

ＨｆＮの（１１１）面のピーク位置は一般的に３４．３０２°であることが知られており、（２００）面のピーク位置は一般的に３９．８１７°であることが知られている。したがって、上記のようなピーク位置で規定される本発明の第１化合物の結晶構造は（１１１）面および（２００）面においてピーク位置が明らかに低角度側に存在していることを示している。これは、恐らく第１化合物の結晶格子中において、Ａｌが特定部位のＨｆに対して侵入型として存在しているためではないかと推測される。

このように第１化合物の結晶構造において、（１１１）面および（２００）面の面間隔がＨｆＮ単体でのピーク位置よりも低角度側にシフトしていることから、結晶構造中に大きな歪みが存在しているものと考えられる。そして、この歪みによって、被膜の硬度および靱性という機械的特性が向上し、これらの相乗作用により切削性能が飛躍的に向上するものと考えられる。

さらに、本発明における第１化合物は、その結晶粒径が０．１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくはその上限が１００ｎｍ、さらに好ましくはその上限が６０ｎｍである。上記結晶粒径が０．１ｎｍ未満になるとアモルファス状態のものと区別できなくなり、２００ｎｍを超えると切削性能が低下することがある。

このように本発明における第１化合物の結晶粒径は、上記に示した範囲のように微小であることが好ましく、小さくなればなるほど膜組織の緻密化が促進され靱性が向上したものとなり切削性能が向上したものとなる。したがって、その結晶粒径は小さくなればなるほど好ましいが、上記のように０．１ｎｍ未満になると結晶状態を維持できなくなりアモルファス状態となってしまうため、かえって切削性能が低下することになる。

なお、このような結晶粒径は、Ｘ線回折における（１１１）面に起因するピークの半価幅から求めることのできる平均値をいう。

＜アルミニウム含有ハフニウム層に含まれる他の成分＞
本発明におけるアルミニウム含有ハフニウム層は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含むことができる。Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、ＴａおよびＷを含有することにより高硬度化し、耐摩耗性が向上する。また、Ｍｏを添加することにより耐酸化性が向上し、クレーター摩耗をさらに低減することができる。また、Ｗを含有することにより硬度と耐酸化性の両者が向上し、耐摩耗性の向上およびクレーター摩耗の低減を達成することができる。

本発明におけるアルミニウム含有ハフニウム層がＴｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む様態は特に限定されず、上記第１化合物がＴｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含んでいてもよいし、あるいはこのような第１化合物とは独立して含まれるものであってもよい。なお、上記第１化合物がＴｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む場合、これらの元素は該第１化合物中に侵入型または置換型として含有されることが好ましい。

また、上記のように優れた効果を示すＴｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素は、原子比でＡｌに対して０．００５以上０．３以下の割合で含まれることが好ましい。上記原子比が０．００５未満の場合や０．３を超える場合、上記のような優れた効果を示さなくなる場合がある。なお、上記元素が２種類以上含まれる場合、その合計量が上記範囲の原子比に含まれる限り各元素間の原子比は特に限定されない。

＜アルミニウム含有ハフニウム層の積層構造＞
本発明における上記アルミニウム含有ハフニウム層は、上記第１化合物を含む第１層と、第２化合物を含む第２層とが各々１層以上積層されて形成されているものとすることができ、この第２化合物はＳｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、ＮｂおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含むものとすることができる。このような第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、また同じく第２層も、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。

ここで、この第２化合物はＳｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、ＮｂおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を原子比で０．１以上２以下含むことが好ましい。原子比をこの範囲の者とすることにより、以下のような優れた効果が示される。なお、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶのうち異なった元素が２種以上含まれる場合、その合計量が上記範囲の原子比を満たす限り、各元素間の原子比は特に制限されない。同様にして、硼素、酸素、炭素、および窒素のうち異なった元素が２種以上含まれる場合も、各元素間の原子比は特に制限されない。

上記のような積層構造を採用することにより、次のような優れた効果が示される。すなわち、上記第２化合物は耐酸化性に優れているため、クレーター摩耗の低減作用および耐摩耗性の向上作用に加え、アルミニウム含有ハフニウム層全体としての耐摩耗性が示される。また、このように組成の異なる２層を積層させたことにより、被膜の厚み方向に亀裂が進展することを極めて有効に抑制することができ、この亀裂の進展による被膜破壊に起因した摩耗現象を効果的に低減することができることから結果的に耐摩耗性をさらに向上させることができる。

ここで、前述のように各第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、また同じく各第２層も、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。この範囲の厚みを有することにより切削時において特に優れた耐摩耗性が示されるからである。そして、上記第１層および第２層の各厚みは、より好ましくはその上限が１００ｎｍ、さらに好ましくは５０ｎｍであり、その下限は１ｎｍである。０．５ｎｍ未満の厚みで各層を形成することは困難であり、その厚みが２００ｎｍを超えると上記のような優れた効果を示されない場合がある。また、好ましくは上記第１層のみの加算合計厚みが０．３μｍ以上１０μｍ以下となる場合であり、より好ましくは０．７μｍ以上５μｍ以下となる場合である。第１層のみの合計厚みをこれらの範囲とすることにより、上記の効果が最も効果的に発現する。なお、第１層のみの合計厚みがこのような範囲となる限り、第２層のみの合計厚みは特に限定されないが、１μｍ以上１０μｍ以下の厚みとすれば通常は十分である。このように積層される第１層と第２層との各厚みは、概ね等しいものであってもよいし、異なるものであってもよい。

なお、積層構造とは、上記第１層と第２層とが各々１層以上積層されて形成されていることを示すものであるが、より好ましくは上記第１層と第２層とが各々上下交互に複数積層されることが好適である。なお、このような積層構造において最下層および最上層は第1層または第２層のいずれの層によって形成されていても差し支えない。また、積層数は特に限定されるものではないが、各層それぞれ１層以上８０００層以下、好ましくは２０層以上５０００層以下とすることができる。

＜アルミニウム含有ハフニウム層の厚み＞
本発明のアルミニウム含有ハフニウム層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。より好ましくは、その上限が８μｍ、さらに好ましくは６μｍであり、その下限が０．７μｍ、さらに好ましくは１μｍである。

上記厚みが０．３μｍ未満の場合、クレーター摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与するという本発明の効果が示されない場合があるとともに、１０μｍを超えると、該効果が低減される場合がある。上記厚みが１μｍ以上６μｍ以下の場合には特に優れた上記効果が示される。

＜下地層＞
本発明の表面被覆切削工具は、被覆として下地層が基材上に形成され、その下地層上に上記アルミニウム含有ハフニウム層が形成されたものとすることができ、この下地層はＴｉと硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む第３化合物を含むことができる。この第３化合物は基材との密着性に優れ、このため基材上に基材と接するようにしてこの下地層を形成し、この下地層上に上記アルミニウム含有ハフニウム層を形成すれば、これらの被膜が全体として密着力が高く基材上に形成されることになる。

このような第３化合物としては、たとえばＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＷＮ等を挙げることができる。なお、これらの化学式において特に原子比が規定されない場合は、各元素の原子比は必ずしも等比となるものではなく、従来公知の原子比がすべて含まれるものとする。例えばＴｉＮと記載する場合、ＴｉとＮとの原子比は１：１が含まれる他、２：１、１：０．９５、１：０．９等が含まれる（特に断りのない限り、他の化学式の記載において同じ）。すなわち、Ｔｉと硼素、酸素、炭素および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素との原子比（Ｔｉ以外に他の（金属）元素を含む場合はその元素の原子比を含み、硼素、酸素、炭素または窒素を２種類以上含む場合はそれらの各元素間の原子比も含む）は特に限定せず、従来公知の原子比がすべて含まれる。

上記のような下地層は、０．０５μｍ以上２μｍ以下、より好ましくは０．１μｍ以上１μｍ以下の厚みを有していることが好ましい。なお、このような下地層は１の層により構成することができる他、２以上の層により構成することもできる（２以上の層により構成する場合はその合計厚みを上記の範囲のものとする）。

＜その他の層など＞
本発明における被膜は、上記のようなアルミニウム含有ハフニウム層や下地層以外の他の層をさらに１以上含むことができる。たとえばそのような他の層は、下地層とアルミニウム含有ハフニウム層の間に形成したり、アルミニウム含有ハフニウム層の上に形成したりすることができる。このような他の層を形成することにより、逃げ面摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与するという本発明の効果がさらに向上したり、あるいは潤滑性を付与したり、被削材との凝着を抑制したりすることができるという効果を達成することもできる。

このような他の層を形成する化合物としては、例えばＡｌ₂Ｏ₃等の酸化物、ＴｉＳｉＮ等のケイ窒化物、ＴｉＣＮ等の炭窒化物等を挙げることができる。なお、このような他の層は、０．０５μｍ以上５μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以上２μｍ以下の厚みを有していることが好ましい。

＜製造方法＞
本発明における被膜とりわけアルミニウム含有ハフニウム層は、上記のとおり結晶性の高い化合物で構成されている必要があるため、本発明における被膜はそのような結晶性の高い化合物で構成されるような成膜プロセスにより形成されていることが好ましい。したがって、本発明における被膜は特に物理蒸着法（ＰＶＤ法）により形成されることが望ましい。このような物理蒸着法としては、たとえば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、アークイオンプレーティング法、これらを各組み合わせた方法等を挙げることができる。なお、アルミニウム含有ハフニウム層が上記のような積層構造で形成されている場合であっても、これらの物理蒸着法の下、従来公知の手法により形成することができる。

そして、特に上記のようなアルミニウム含有ハフニウム層を好適に形成する具体的な条件を挙げると以下のとおりとなる。すなわち、アークイオンプレーティング法を採用する場合、所望の構造の第１化合物が得られるように適切な配合比で各対応する元素を含んだターゲットをアーク式蒸発源にセットし、基板（基材）温度を４００〜７００℃および該装置内の反応ガス圧を２．０〜６．０Ｐａに設定し、反応ガスとしてたとえば窒素、メタン、酸素等のうちから１以上のガスを選択することによりこれを導入する。そして、基板（負）バイアス電圧を−６０Ｖ〜−２００Ｖに維持したまま、カソード電極に５０〜１２０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによりアルミニウム含有ハフニウム層を形成することができる。

また、アンバランストマグネトロンスパッタリング法を採用する場合、基板（基材）温度を４００〜６００℃および該装置内の反応ガス圧を３００ｍＰａ〜８００ｍＰａに設定し、所望の第１化合物に対応する反応ガスとしてたとえば窒素、メタン、アセチレン、酸素のうちから１以上のガスを選択することによりこれを導入する（なお、反応ガスの導入に際しては、希ガス／反応ガスの体積比を１〜５に設定することが好ましい）。そして、基板（負）バイアス電圧を０Ｖ〜−９０Ｖに維持したまま（このバイアス電圧は負側に高くする程第１化合物の結晶構造の配向性は向上する傾向を示す）、ターゲットに０．１２〜０．３Ｗ／ｍｍ²の電力密度を発生させることによりアルミニウム含有ハフニウム層を形成することができる。

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。なお、以下の各被膜を構成する各層の化学組成（化合物の組成）は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付帯のエネルギー分散型蛍光Ｘ線分光計（ＳＥＭ−ＥＤＸ）により確認し、各層の厚みは被膜の断面をＳＥＭにより観察することにより確認した。

本実施例において基材上に形成される被膜は、以下のように陰極式アークイオンプレーティング法またはスパッタリング法により形成した。

＜陰極式アークイオンプレーティング法＞
まず、基材として、グレードがＰ３０（ＪＩＳ−Ｂ−４０５３、１９９８）の超硬合金であり、形状がＳＮＧＮ１２０４０８（ＪＩＳ−Ｂ−４１２１、１９９８）である切削チップを準備し、これを洗浄した後、陰極式アークイオンプレーティング装置（成膜装置）内の基板取り付け位置にセットした。

なお、このような成膜装置としては従来公知の構成のものを特に制限なく使用することができる。そして、真空ポンプにより該装置内を１×１０^-4Ｐａ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により上記基材の温度を６５０℃に加熱し、１時間保持した。

次に、アルゴンガスを導入して該装置内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板（基材）バイアス電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖ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。

次いで、上記基材表面に形成される被膜（すなわち第１化合物からなるアルミニウム含有ハフニウム層）として、その化学組成が以下の表１に示したものとなるように各対応する元素を含んだ各ターゲットを原料蒸発源（アーク式蒸発源）にセットした。基板（基材）温度を５５０〜６５０℃および該装置内の反応ガス圧を４．０Ｐａに設定し、表１に示した化学組成に対応する反応ガスとして、窒素、メタン、酸素のうちから１以上のガスを選択することによりこれを導入した。そして、基板バイアス電圧を−８０Ｖに維持したまま、カソード電極に５０〜１２０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させアルミニウム含有ハフニウム層を形成した。すなわち、アーク式蒸発源から発生した金属イオン、金属元素、またはクラスター等がプラズマ雰囲気中で上記反応ガスと反応することにより、基材上にアルミニウム含有ハフニウム層（すなわち第１化合物）が形成（析出）されることになる。

なお、反応ガスとしては、最終生成物（第１化合物）が窒化物の場合は窒素を選択し、炭化物の場合はメタン（メタンのみに限られずアセチレン等の炭化水素ガスを特に限定なく使用することができる）と雰囲気ガス（反応ガス分圧制御用）としてアルゴンガスを選択し、酸化物の場合は酸素と雰囲気ガス（反応ガス分圧制御用）としてアルゴンガスを選択することができる。また、その他の炭窒化物や窒酸化物等の場合は、上記の例に基づき２種以上の反応ガスを選択して用いた。化学組成に硼素が含まれる場合はターゲットに予め硼素元素を所望量含有させたものを用いた。

そして、表１に記載した厚みとなったところでアーク式蒸発源に供給する電流を停止し、冷却後該装置内を大気に開放した後、被膜が基材上に形成された表面被覆切削工具を装置から取り出すことにより、本発明の表面被覆切削工具を製造した。なお、表１の「製法」の項において、この陰極式アークイオンプレーティング法により製造された表面被覆切削工具は「Ａ」と表記した。

＜スパッタリング法＞
まず、基材として、上記の陰極式アークイオンプレーティング法で用いたのと同じ基材を準備し、これを洗浄した後、スパッタリング装置（成膜装置）内の基板取り付け位置にセットした。次いで、上記基材表面に形成される被膜（すなわち第１化合物からなるアルミニウム含有ハフニウム層）として、その化学組成が以下の表１に示したものとなるように各対応する元素を含んだ各ターゲットをセットした。該ターゲットは、合金ターゲットでもよいし、金属単体のターゲットを上記化学組成となるように分割して用いることもできる。なお、このような成膜装置としては従来公知の構成のものを特に制限なく使用することができる。

そして、真空ポンプにより該装置内を１×１０^-4Ｐａ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により上記基材の温度を５００℃以上に加熱し、１時間保持した。

次に、アルゴンガスを導入して該装置内の圧力を５００ｍＰａ〜６５０ｍＰａに保持し、基板（基材）バイアス電圧を徐々に上げながら−６００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを３０分間行なった。続いて、基板バイアス電圧を−３５０Ｖとし、ホロカソード型ガス活性化源を用いて基材表面のクリーニングをさらに６０分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。

次いで、基板（基材）温度を５００〜６００℃および該装置内の反応ガス圧を５００ｍＰａ〜６５０ｍＰａに設定し、表１に示した化学組成に対応する反応ガスとして、窒素、アセチレン、酸素のうちから１以上のガスを選択することによりこれを導入した。

そして、基板バイアス電圧を−９０Ｖに維持したまま、ターゲットに０．１２〜０．３Ｗ／ｍｍ²の電力密度を発生させることにより、基材上に被膜（すなわち第１化合物からなるアルミニウム含有ハフニウム層）を形成した。なお、ターゲットに供給する電力密度は被膜が表１記載の厚みとなったところで停止した。

なお、上記の基板バイアス電源およびターゲット供給用電源としては、直流パルス方式を用いた。基板バイアス電源では３５０ｋＨｚの周波数で正と負の電圧を供給し、１周期当りの正電圧を供給する時間は５００ｎｓとした。またターゲット供給用電源の周波数は５０ｋＨｚで１周期当りの正負電圧の供給時間は各々半分ずつとした。

なお、上記反応ガスには必ず希ガス（アルゴンが好ましいがこれのみに限定されない）を希ガス／反応ガスの体積比を１〜５に設定し混在させた。反応ガスの選択基準は上記陰極式アークイオンプレーティング法と同様である。化学組成に硼素が含まれる場合はターゲットに予め硼素元素を所望量含有させたものを用いた。

このようにして本発明の表面被覆切削工具を製造した。なお、表１の「製法」の項において、このスパッタリング法（アンバランストマグネトロンスパッタリング法）により製造された表面被覆切削工具は「Ｓ」と表記した。

＜混合元素＞
表１の「混合元素」の項において記載されている元素は、アルミニウム含有ハフニウム層に含まれる他の元素を示す。「混合元素の原子比」の項における原子比は、アルミニウム含有ハフニウム層に含まれるＨｆに対するその「混合元素」の原子比を示す。なお、表１の「混合元素」の項において「※」の符号を付したものは、その混合元素が第１化合物に含まれることを示す（「※」の符号を有さないものは第１化合物とは独立して含まれることを示す）。

表１においてこのような混合元素を含む実施例は、上記の各製法において用いたターゲットに該当元素が含まれるものを用いることにより製造することができる。そのターゲット中の原子比は大略上記混合元素の原子比の項に記載されている原子比のものを採用した。

＜積層構造＞
表１の「積層構造」の項において、アルミニウム含有ハフニウム層が前述の第１層と第２層とが積層されて形成されている場合は「有」と表記し、そのような積層構造とはなっていない場合（すなわち単層の場合）は「無」と表記した。

なお、このような積層構造を陰極式アークイオンプレーティング法により形成する場合は、第１層を形成するためのターゲット１（組成は表１記載の第１化合物が得られる組成とした）と第２層を形成するためのターゲット２（組成は表２記載の第２化合物が得られる組成とした）とを装置内側壁に同じ高さでセットし、両ターゲットの中間点（装置のほぼ中心部）に基材をセットした。そして、これらのターゲット１とターゲット２とをともに蒸発させながら基材を回転させることにより、基材がターゲット１の正面に位置するときには第１層が形成され、ターゲット２の正面に位置するときには第２層が形成されるようにした。このようにして積層構造を形成することができるが、ターゲットを蒸発させる条件はアルミニウム含有ハフニウム層を形成する上記条件と同様の条件を採用した。

また、このような積層構造をスパッタリング法により形成する場合は、上記の陰極式アークイオンプレーティング法の場合と同様にして基材とターゲット１およびターゲット２とを装置内に配置させ、かつアルミニウム含有ハフニウム層を形成する上記スパッタリング条件と同様の条件を採用することにより積層構造を形成することができた。

このようにして得られた積層構造の詳細を表２に示す。表２中、第１層は表１記載の第１化合物により構成され、第２層は表２記載の第２化合物により構成される。そして各層を表２に記載した厚みで上下交互に積層し、表１に記載された厚みのアルミニウム含有ハフニウム層を形成した。なお、各積層構造の最下層は第１層とし最上層は第２層とした。

以上のようにして、表１および表２に記載した構成の実施例１〜２１の表面被覆切削工具を製造した。これら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膜とを備えるものであって、この被膜は化学式Ｈｆ_1-ａＡｌ_aＸ_b（ただし、ａ、ｂはそれぞれ原子比を示し、ａは０＜ａ≦０．２０、ｂは０．１≦ｂ≦２である。またＸは硼素、酸素、炭素および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される第１化合物を含むアルミニウム含有ハフニウム層であり、この第１化合物は、以下で確認するようにＸ線回折における（１１１）面のピーク強度Ａと（２００）面のピーク強度Ｂとの比Ｂ／Ａが０≦Ｂ／Ａ≦１となる結晶構造を有することを特徴とするものであった。

＜結晶構造の確認＞
以上のようにして製造された実施例１〜２１の表面被覆切削工具について、θ−２θ法によるＸ線回折を行ない、アルミニウム含有ハフニウム層（すなわち第１化合物）の結晶構造、すなわち（１１１）面のピーク強度Ａと（２００）面のピーク強度Ｂとの比Ｂ／Ａと、結晶粒径およびピーク位置を求めた。Ｘ線はＣｕＫα線とし、結晶粒径（すなわち第１化合物の結晶粒径）は（１１１）面の半価幅より算出した。これらの結果を以下の表３に示す。

＜比較例１〜６＞
比較例１として、第１化合物においてＡｌを含まない化合物（すなわち具体的にはＨｆＮ）による被膜を基材上に形成した表面被覆切削工具を製造した。また、比較例２として、第１化合物において上記化学式における原子比ａが０．２０を超えた被膜を基材上に形成した表面被覆切削工具を製造した。また、比較例３は、実施例２の第１化合物と同じ組成の化合物からなる被膜を形成したものであるが、成膜時のバイアス電圧を変更することにより（１１１）面のピーク強度Ａと（２００）面のピーク強度Ｂとの比Ｂ／Ａが１．１５となる点において実施例２とは異なる表面被覆切削工具である。

また、比較例４は、文献特許２に記載のＨｆとＡｌの組成比が母材との界面でのＨｆから母材と反対側の表面でのＨｆＡｌまで連続的または段階的に変化したＨｆ_1-xＡｌ_x（０≦ｘ≦０．５）の窒化物を基材上に形成した表面被覆切削工具を製造した（表１のｘの記載は、組成が連続的または段階的に変化した最終組成を示す）。比較例５は、第１化合物において上記化学式における原子比ｂが０．１未満となることを除き他は実施例２と同様にして得られる表面被覆切削工具である。

比較例６は、第１化合物において上記化学式における原子比ｂが２を超えることを除き他は実施例２と同様にして得られる表面被覆切削工具である。これらの比較例の表面被覆切削工具の物性等を表１〜３に記載した。

＜切削試験＞
上記のようにして製造された実施例１〜２１の表面被覆切削工具および比較例１〜６の表面被覆切削工具について、以下の切削条件により連続旋削試験を１０分間実施することにより、逃げ面摩耗量とクレーター摩耗量とを測定した。逃げ面摩耗量が小さいもの程耐摩耗性に優れていることを示し、クレーター摩耗量が小さいもの程クレーター摩耗が低減されていることを示す。その結果を以下の表４に示す。

（切削条件）
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切込み：１．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式

上記表１中、「ａ」、「ｂ」、「Ｘ」とは第１化合物である化学式Ｈｆ_1-ａＡｌ_aＸ_b中のａ、ｂ、Ｘをそれぞれ示す。「混合元素」とは前述のとおり第１化合物に含まれるＨｆ、Ａｌおよび上記化学式のＸ以外の元素を示す。なお、「Ｘ」の項に記載されている数値は原子比を示す（それらの数値の合計は「ｂ」に記載された数値となる）。「混合元素の原子比」は前述のとおり第１化合物に含まれるＨｆに対する原子比を示す。「厚み」とはアルミニウム含有ハフニウム層またはそれに相当する層の厚みを示す。また、上記表２中、「第２化合物」の項に記載されている数値は原子比を示す。

表４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べ、高速条件下での切削における耐摩耗性の向上およびクレーター摩耗の低減化の両者において優れた結果を示していることは明らかである。したがって、本発明の表面被覆切削工具は優れた切削性能を有したものである。

なお、上記した実施例においては、基材上に被膜としてアルミニウム含有ハフニウム層のみを形成した構造であるが、基材上に前述のような下地層を形成し、その下地層上にアルミニウム含有ハフニウム層を形成することもでき、基材と被膜との密着性をさらに向上させることができる。

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。

Claims (11)

1. 基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、 前記被膜は、１層または２層以上の層からなり、前記層のうち少なくとも１層は、化学式Ｈｆ_1-ａＡｌ_aＸ_b（ただし、ａ、ｂはそれぞれ原子比を示し、ａは０＜ａ≦０．２０、ｂは０．１＜ｂ＜２である。またＸは硼素、酸素、炭素および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される第１化合物を含むアルミニウム含有ハフニウム層であり、Ｘ線回折における（１１１）面のピーク強度Ａと（２００）面のピーク強度Ｂとの比Ｂ／Ａが０≦Ｂ／Ａ≦１となる結晶構造を有する表面被覆切削工具。
2. 前記化学式Ｈｆ_1-ａＡｌ_aＸ_bにおけるａは、０＜ａ≦０．１５である請求項１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記第１化合物は、その結晶粒径が０．１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記第１化合物は、Ｘ線回折における（１１１）面のピーク位置２θ₍₁₁₁₎が３３°以上３４°以下であり、（２００）面のピーク位置２θ₍₂₀₀₎が３９°以上３９．５°以下である結晶構造を有する請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
5. 前記アルミニウム含有ハフニウム層は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
6. 前記第１化合物は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
7. 前記Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、ＴａおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素は、原子比でＨｆに対して０．００５以上０．３以下の割合で含まれる請求項５または６に記載の表面被覆切削工具。
8. 前記アルミニウム含有ハフニウム層は、前記第１化合物を含む第１層と、第２化合物を含む第２層とが交互に１層以上積層されており、前記第２化合物は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、ＮｂおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素および窒素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とを含む請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
9. 前記第１層はその厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、前記第２層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項８に記載の表面被覆切削工具。
10. 前記被膜は、下地層を含み、前記下地層は前記基材上に形成され、その下地層上に前記アルミニウム含有ハフニウム層が形成されており、前記下地層はＴｉと、硼素、酸素、炭素および窒素からなる群の少なくとも１種の元素とを含む第３化合物を含む請求項１〜９のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
11. 前記アルミニウム含有ハフニウム層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有する請求項１〜１０のいずれかに記載の表面被覆切削工具。