JP2009208156A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、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。
【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ものであって、該被膜は、１以上の層を含み、該層のうち少なくとも１の層は、結晶構造が正方晶型である化学式Ｖ_XＮｂ_1-XＺ_Y（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．５≦Ｘ≦０．６５であり、Ｙは０．１≦Ｙ≦２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される第１化合物を含むニオブ含有バナジウム層であ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。

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。したがって、表面被覆切削工具には従来にも増して諸特性の向上が求められており、特に耐摩耗性を向上させることが強く求められている。

このような状況下、基材に対してＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ等の改質物質を添加する試みが提案されているが（特許文献１）、この提案により基材自体の耐摩耗性が向上したとしてもそれを被覆する被膜の耐摩耗性が十分でないと全体としての耐摩耗性の向上が図れないものと考えられる。

これに対して、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ等の金属の窒化物または炭窒化物からなる層を含む被膜により基材を被覆する試みが提案されているが（特許文献２）、当該被膜は表面に非晶質炭素膜を形成することを前提としており、この非晶質炭素膜が剥離することによる耐摩耗性の低下が危惧される。また、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ等の金属からなる中間層を含む被膜により基材を被覆する試みも提案されているが（特許文献３）、このような中間層はその上に形成される酸化アルミニウム被膜のエピタキシャル成長を促進させるために形成されるものであって、そのような中間層自体が耐摩耗性の向上した被膜となるものではなかった。

一方、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等の金属でダイヤモンド粒子の表面を被覆し、この被覆粒子を切削工具に用いることが提案されているが（特許文献４）、このような被覆粒子を用いたとしても基材上に形成される被膜自体の耐摩耗性を向上させることにはならない。
特開２０００−３３６４５１号公報 特開２００７−２９１４８４号公報 特開平０７−２１６５５９号公報 特開平１１−１８９４９２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。

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ものであって、該被膜は、１以上の層を含み、該層のうち少なくとも１の層は、結晶構造が正方晶型である化学式Ｖ_XＮｂ_1-XＺ_Y（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．５≦Ｘ≦０．６５であり、Ｙは０．１≦Ｙ≦２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される第１化合物を含むニオブ含有バナジウム層であることを特徴とする。

ここで、上記ニオブ含有バナジウム層は、０．１μｍ以上２０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。また、上記ニオブ含有バナジウム層は、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おり、該第２化合物は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より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より選ばれる少なくとも１種の元素とを含む化合物であることが好ましい。この場合、該第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、該第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。

また、上記被膜は、上記ニオブ含有バナジウム層以外に、さらに周期律表の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、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１層以上の硬質被膜層を含むことが好ましい。

この硬質被膜層は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、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層であることが好ましい。また、この硬質被膜層は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、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２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層される超多層であることが好ましい。

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、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成されることが好ましい。

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、高度な耐摩耗性を付与することができる被膜を備えたことを特徴とする。

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、たとえばドリル、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等として極めて有用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、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。

＜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以上の層を含むものである。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化合物を含むニオブ含有バナジウム層である。本発明の被膜は、このニオブ含有バナジウム層を含む限り、さらに他の層を含んでいても差し支えない。なお、本発明の被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、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以上の層が形成される場合はその総膜厚）は、０．１μｍ以上３０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が２５μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ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０．１μｍ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場合があり、３０μｍを超えると残留応力が大きくなり基材との密着性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）を用いて観察することにより求めることができる。以下、該被膜についてさらに詳細に説明する。

＜ニオブ含有バナジウム層＞
本発明のニオブ含有バナジウム層は、結晶構造が正方晶型である化学式Ｖ_XＮｂ_1-XＺ_Y（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．５≦Ｘ≦０．６５であり、Ｙは０．１≦Ｙ≦２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より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化合物を含むことにより、ニオブ含有バナジウム層は極めて耐摩耗性に優れたものとなり、被膜全体の耐摩耗性が飛躍的に向上したものとなる。

本発明のニオブ含有バナジウム層は、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とが積層されて形成されたものであっても良い。

なお、このようなニオブ含有バナジウム層は、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Ｖと上記化学式中のＺとからなる化合物や、Ｎｂと上記化学式中のＺとからなる化合物が挙げられる他、Ｖ単体やＮｂ単体も挙げることができる。

このような本発明のニオブ含有バナジウム層は、０．１μｍ以上２０μｍ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１８μｍ、さらに好ましくは１０μｍであり、その下限が０．３μｍ、さらに好ましくは０．５μｍである。

上記厚みが０．１μｍ未満の場合、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、２０μｍを超えると、該効果が低減される場合がある。

なお、このようなニオブ含有バナジウム層の組成は、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱分析）法により同定することができる。

＜第１化合物＞
上記ニオブ含有バナジウム層に含まれる第１化合物は、結晶構造が正方晶型である化学式Ｖ_XＮｂ_1-XＺ_Y（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．５≦Ｘ≦０．６５であり、Ｙは０．１≦Ｙ≦２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より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Ｘが０．５≦Ｘ≦０．６５の範囲となる限り、結晶構造は正方晶型を示す。

ここで、上記化学式中、原子比Ｘは、より好ましくは０．５２≦Ｘ≦０．６３であり、その上限がさらに好ましくは０．６０、その下限がさらに好ましくは０．５５である。この原子比Ｘが０．５未満の場合、硬度が低下するため耐摩耗性を向上することができない。また、この原始比Ｘが０．６５を超えるとＮｂの添加による耐摩耗性の向上効果が示されなくなる。

なお、上記の化学式中、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。すなわち、Ｚは、これらの元素が各単独で構成されていても良いし、２以上の元素が組み合わされて構成されていても良い。２以上の元素が組み合わされて構成される場合、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Ｙ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Ｙは、０．１≦Ｙ≦２である限り特に限定されないが、より好ましくは０．４≦Ｙ≦１．８である。Ｙが０．１未満の場合、耐摩耗性が低下するため好ましくない。またＹ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Ｚが２種以上の元素で構成される場合は、原子比Ｙはそれらの元素の合計量を示すものとする。

なお、原子比Ｙは、その測定方法により数値が大きく変動することがあるため、±１０％前後の誤差を含み得ることを考慮する必要がある。

＜ニオブ含有バナジウム層の積層構造＞
本発明のニオブ含有バナジウム層は、上記の第１化合物を含む単一の層で構成することができるが、次のような積層構造とすることもできる。

すなわち、本発明のニオブ含有バナジウム層は、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からなる群より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より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からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素に対して、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より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ものとすることにより、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、ニオブ含有バナジウム層全体として優れた耐酸化性が示される。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、その下限はより好ましくは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が示されない場合がある。そして、特に好ましくは上記第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良いし、異なるものであっても良い。

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、より好ましくは２０層以上５０００層以下とすることができる。

＜硬質被膜層＞
本発明の被膜は、上記ニオブ含有バナジウム層以外に、さらに周期律表の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、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１層以上の硬質被膜層を含むことができる。

そして、このような硬質被膜層としては、特にＴｉ、Ｃｒ、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、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層であることが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、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、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２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層される超多層であることが好ましい。

このような硬質被膜層は、高硬度で耐摩耗性に優れるとともに、極めて優れた靭性を示すものが好ましい。特に、Ｔｉ、Ｃｒ、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、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１層以上の層は、耐酸化性および耐熱性に優れていることから特に優れた耐摩耗性が示されるため極めて有効である。なお、該硬質被膜層は、物理蒸着法により形成されることが好ましく、圧縮応力を有していることが好ましい。

このような硬質被膜層を物理蒸着法により形成することが好適である理由は、第一に硬質被膜層に圧縮応力を付与するためであり、第二にニオブ含有バナジウム層が物理蒸着法により形成される場合においてこれらの被膜と同じ成膜方法を採用することにより製造効率を向上させるためである。このような物理蒸着法の詳細は後述する。

そして、このような硬質被膜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、ＴｉＡｌ、ＴｉＳｉ、ＡｌＣｒ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＯＮ、ＣｒＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、Ｔｉ₂Ｏ₃、ＴｉＡｌＯＮ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＡｌＺｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ₂、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＢＣＮＯ等を挙げることができる。

とりわけ、Ｔｉ、Ｃｒ、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、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としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＮＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＮＯ、ＴｉＳｉＣＮＯ、ＣｒＴｉＮ、ＣｒＴｉＮＯ、ＣｒＴｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＣＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＣＮＯ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＢＮＯ等を挙げることができ、特にＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＢＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ等が好適である。

なお、上記の化学式において、各元素の原子比が特に記載されていないもの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全て含まれるものとする。たとえば単にＴｉＮと記す場合、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、以下において同じ）。

なお、この硬質被膜層は、これらの元素または化合物を単層または多層として形成することができ、多層の場合はこれらの元素または化合物からなる層を４ｎｍ〜５μｍの厚みで積層する場合も含む。そして、特にＴｉ、Ｃｒ、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、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２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層される超多層を１以上含むことが好ましい。このように上記各層を周期的に積層させることにより、耐酸化性および耐熱性がさらに向上し極めて優れた耐摩耗性が示される。ここで、周期的に積層させるとは、たとえば２種の層を上下交互に積層させるなど、一定の周期性をもって積層させることをいう。なお、各層の厚みが１ｎｍ未満となる場合や１００ｎｍを超える場合には積層による耐摩耗性の向上効果が示されない場合があるが、その場合であってもこれらの元素や化合物によってもたらされる固有の耐摩耗性の向上効果は示される。各層の厚みはより好ましくは４ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。

また、このような硬質被膜層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚み（超多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が７μｍ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未満の場合には、十分な耐摩耗性が示されなくなるとともに十分な靭性を示さなくなる場合があり、１０μｍを超えると耐欠損性が低下することがあるため好ましくない。

なお、このような硬質被膜層は、基材とニオブ含有バナジウム層との間に形成することができるとともに、ニオブ含有バナジウム層上に形成することもでき、その積層配置は特に限定されない。

＜製造方法＞
本発明の被膜とりわけニオブ含有バナジウム層は、上記の通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、本発明の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、本発明の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、これらを各組み合せた方法等を挙げることができる。なお、ニオブ含有バナジウム層や硬質被膜層が上記のような積層構造（超多層）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、特に上記のようなニオブ含有バナジ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通りとなる。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（焼結ターゲットまたは溶成ターゲット）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クロム含有チタン層を形成することができる。なお、上記基板温度を高くする程、第１化合物の結晶性が高くなる傾向を示す。

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４００〜７００℃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、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／反応ガスの比を１〜５に設定することが好ましい）。そして、基板温度を高くする程、第１化合物の結晶性は高くなる傾向を示し、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ニオブ含有バナジ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ＲＢＳにより確認し、各層の厚みは被膜の断面を二次電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察することにより確認し、また結晶構造はＸＲＤ（Ｘ線回折）θ／２θ法により確認した。

本実施例において基材上に形成される被膜の構成を以下の表１に示す。被膜（その合計厚みを表１の最右欄に記載した）は、第１層、第２層および第３層を含み、基材上に第１層から順に形成した。ただし、表１中空欄になっている層は形成されなかったことを示す。たとえば実施例１〜１６は被膜として第１層のみを形成したことを示す。

また、表１中、「ＶＮｂ層」という表記はニオブ含有バナジウム層を示し、「ＶＮｂ層（積）」という表記はニオブ含有バナジウム層が第１層と第２層とを積層した構造であることを示している。表１中、「ＶＮｂ層」および「ＶＮｂ層（積）」以外に記載されている化学式は、硬質被膜層がその化学式で示される化合物によって構成されていることを示す。ただし、実施例１９のように「ＴｉＡｌＮ（５ｎｍ）／ＡｌＣｒＮ（４ｎｍ）」という表記は、硬質被膜層が厚み５ｎｍのＴｉＡｌＮ層と厚み４ｎｍのＡｌＣｒＮ層とを上下交互に積層した超多層（合計厚み２．０μｍ）により構成されることを示している。ここで、ＴｉとＡｌとＮの原子比は０．４４／０．５６／１．０であり、ＡｌとＣｒとＮの原子比は０．６８／０．３２／１．０である。なお、実施例１８の「ＴｉＳｉＮ」の原子比は０．８２／０．１８／１．０であり、実施例２０の「ＡｌＣｒＮＯ」の原子比は０．６８／０．３２／０．７４／０．２６であり、実施例２３の「ＴｉＡｌＮ」の原子比は０．４２／０．６／０．９８である。また、実施例１７の「ＴｉＮ」の原子比は１．０／１．０であり、実施例２１、２２の「ＴｉＣＮ」の原子比は１．０／０．１５／０．８５である。

一方、表２は、表１に示されたニオブ含有バナジウム層に含まれる第１化合物の組成を示している。すなわち、表２中「Ｘ」、「Ｙ」、「Ｚ」とは第１化合物である化学式Ｖ_XＮｂ_1-XＺ_Y中のＸ、Ｙ、Ｚをそれぞれ示す（「Ｚ」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「Ｙ」に記載された数値となる）。なお、表２に示された第１化合物の結晶構造が正方晶型であることはＸＲＤ θ／２θ法により確認した。

また、表３は、表１において「ＶＮｂ層（積）」と示されたものについて、その第２化合物の組成（第１化合物の組成は上記の表２に示されている）と、第１層および第２層の１層当りの厚みを示している。たとえば、実施例１１のニオブ含有バナジウム層は、第１化合物として「Ｖ_0.57Ｎｂ_0.43Ｎ_1.0」を含む第１層（厚み６ｎｍ）と第２化合物としてＡｌＣｒＮ（原子比は０．７／０．３／１．０）を含む第２層（厚み８ｎｍ）とを合計厚みが４．０μｍとなるように上下交互に積層した構造を有していることを示している。

また、表４は、比較例を示しており、本発明の規定範囲外となる第１化合物を含むニオブ含有バナジウム層のみが基材上に形成されたことを示している。

なお、上記のような各被膜は、全て以下の陰極式アークイオンプレーティ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（ＡＩＰ）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を、その化学組成が表１および表２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（ただし積層構造を有する層の形成については後述する）。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および表２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ることにより被膜（第１層〜第３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、基材上に被膜（第１層〜第３層）が形成（析出）されることになる。なお、反応ガスとしては、最終生成物が窒化物の場合は窒素を選択し、その他の炭窒化物や窒酸化物等の場合は、２種以上の反応ガスを選択して用いた（適宜アルゴン等の雰囲気ガスを併用した）。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（２以上の層を形成する場合は順次次の層を形成した後に停止させ）、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。

＜積層構造＞
表１において「ＶＮｂ層（積）」と記載されている層も、上記と同様に陰極式アークイオンプレーティング法により形成した。すなわち、第１層を形成するためのターゲット１（組成は表２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３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上記で既に記載した条件と同様の条件を採用した。

なお、表１において硬質被膜層として「ＴｉＡｌＮ（５ｎｍ）／ＡｌＣｒＮ（４ｎｍ）」と記載されている層も、上記と同様の条件を採用することにより形成することができる。

以上のようにして、表１〜表３に記載した構成の実施例１〜２３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１以上の層を含み、該層のうち少なくとも１の層は、結晶構造が正方晶型である化学式Ｖ_XＮｂ_1-XＺ_Y（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．５≦Ｘ≦０．６５であり、Ｙは０．１≦Ｙ≦２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す）で示される第１化合物を含むニオブ含有バナジウム層であることを特徴とする。なお、上記の実施例の表面被覆切削工具と同様にして比較例１〜２の表面被覆切削工具も製造した。

＜耐摩耗性試験＞
上記のようにして製造された実施例１〜２３の表面被覆切削工具および比較例１〜２の表面被覆切削工具について、以下の切削条件により耐摩耗性試験を実施し、逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍとなる時間を測定した。その時間が長いもの程、耐摩耗性に優れていることを示す。その結果を以下の表５に示す。

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

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、優れた耐摩耗性を示した。

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 (8)

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以上の層を含み、
   前記層のうち少なくとも１の層は、結晶構造が正方晶型である化学式Ｖ_XＮｂ_1-XＺ_Y（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．５≦Ｘ≦０．６５であり、Ｙは０．１≦Ｙ≦２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される第１化合物を含むニオブ含有バナジウム層である表面被覆切削工具。
2. 前記ニオブ含有バナジウム層は、０．１μｍ以上２０μｍ以下の厚みを有する請求項１記載の表面被覆切削工具。
3. 前記ニオブ含有バナジウム層は、前記第１化合物を含む第１層と、第２化合物を含む第２層とが各々１層以上積層されて形成されており、
   前記第２化合物は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より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より選ばれる少なくとも１種の元素とを含む請求項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３記載の表面被覆切削工具。
5. 前記被膜は、前記ニオブ含有バナジウム層以外に、さらに周期律表の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、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１層以上の硬質被膜層を含む請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
6. 前記硬質被膜層は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、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層である請求項５記載の表面被覆切削工具。
7. 前記硬質被膜層は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、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２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みとして周期的に積層される超多層である請求項５または６に記載の表面被覆切削工具。
8. 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、またはダイヤモンド焼結体のいずれかにより構成される請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。