JP2011020194A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、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、１以上の層を含み、該層のうち少なくとも１の層は、化学式Ｔｉ_1-XＺｒ_XＭ_αＺ_β（ただし、ＭはＹおよびＳｉの少なくとも一方、Ｘ、α、βはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．２≦Ｘ≦０．６であり、αは０．０２≦α≦０．２、βは０．１≦β≦２である。また、Ｚは酸素、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Ｙ／Ｓｉ添加チタンジルコニウム層であり、上記第１化合物は、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、たとえば（Ｔｉ_aＡｌ_bＺｒ_c）の窒化物、炭窒化物からなる硬質被膜が提案されている（式中、０＜ａ≦０．５、０＜ｂ≦０．５、０．０１≦ｃ≦０．５（ａ、ｂ、ｃはそれぞれＴｉ、Ａｌ、Ｚｒの原子比を示す。）（特許文献１）。この提案においては、被膜の成分としてＴｉとＡｌに対してＺｒを混在させたことにより、膜の残留応力を低減でき、膜の厚さを増加させることができるとされている。

しかしながら、この提案においては、被膜としてＡｌを必須の構成成分として含むものであるため、Ａｌに起因するクレーター摩耗（すくい面の摩耗現象）を防止することは困難であった。

特開平９−３２３２０４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、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。

本発明の表面被覆切削工具は、１以上の層を含み、該層のうち少なくとも１の層は、化学式Ｔｉ_1-XＺｒ_XＭ_αＺ_β（ただし、ＭはＹおよびＳｉの少なくとも一方、Ｘ、α、βはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．２≦Ｘ≦０．６であり、αは０．０２≦α≦０．２、βは０．１≦β≦２である。また、Ｚは酸素、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Ｙ／Ｓｉ添加チタンジルコニウム層であり、上記第１化合物は、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Ｔｉ_1-XＺｒ_XＭ_αＺ_βにおけるＸは、０．３５≦Ｘ≦０．５であることが好ましい。

上記第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Ｙ／Ｓｉ添加チタンジルコニウム層は、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おり、上記第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、上記第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。

本発明の表面被覆切削工具は、被膜として下地層が基材上に形成され、その下地層上にＹ／Ｓｉ添加チタンジルコニウム層が形成されており、上記下地層は、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好ましい。

上記Ｙ／Ｓｉ添加チタンジルコニウム層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。

本発明の表面被覆切削工具は、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。

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。そして、本発明の表面被覆切削工具は、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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層である。本発明の被膜は、このＹ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層を含む限り、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る態様を含む。

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、０．３μｍ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６μｍ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。

＜Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層＞
本発明のＹ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層は、化学式Ｔｉ_1-XＺｒ_XＭ_αＺ_β（ただし、ＭはＹおよびＳｉの少なくとも一方、Ｘ、α、βはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．２≦Ｘ≦０．６であり、αは０．０２≦α≦０．２、βは０．１≦β≦２である。また、Ｚは酸素、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、Ｚｒを含まない構造の化合物に比し高い硬度を示す。これは恐らく、第１化合物の結晶格子中において、Ｚｒが特定部位のＴｉ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。

また、Ｙ（イットリウム）およびＳｉの少なくとも一方を添加することにより、Ｚｒの酸化層の相変態を抑制し、高温でも安定な酸化層を形成することで、切削時の耐摩耗性を向上させることができる。Ｚｒの酸化物は、温度によって結晶構造が可逆的に変化することが知られており、熱疲労が発生するとともに結晶構造の変化による体積膨張、または収縮により酸化層の剥離も発生する為に耐摩耗性が低かった。Ｙ（イットリウム）およびＳｉの少なくとも一方を添加することによりこの結晶構造変化を抑制でき、耐摩耗性を向上させることができる。

本発明のＹ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層は、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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層は、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Ｔｉと上記化学式中のＺとからなる化合物や、Ｚｒと上記化学式中のＺとからなる化合物が挙げられる他、Ｔｉ単体やＺｒ単体も挙げることができる。

＜第１化合物＞
上記Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層に含まれる第１化合物は、化学式Ｔｉ_1-XＺｒ_XＭ_αＺ_β（ただし、Ｙ（イットリウム）およびＳｉの少なくとも一方、Ｘ、α、βはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．２≦Ｘ≦０．６であり、αは０．０２≦α≦０．２、βは０．１≦β≦２である。また、Ｚは酸素、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Ｘは、好ましくは０．３５≦Ｘ≦０．５であり、Ｘの下限はより好ましくは０．４、さらに好ましくは０．４４であり、その上限はより好ましくは０．４９、さらに好ましくは０．４７である。この原子比Ｘが０．６を超えると優れた耐摩耗性が示されなくなる。

上記第１化合物の構成元素Ｍは、ＹおよびＳｉの少なくとも一方である。すなわち、これらの元素の両方（ＹおよびＳｉ）、または単独（ＹまたはＳｉ）を膜内に添加する。上記αはこれらの元素を足し合わせた原子量のＴｉおよびＺｒの合計原子量に対する原子比を示し、０．０２≦α≦０．２である。その下限が、より好ましくは０．０３、さらに好ましくは０．０４であり、その上限がより好ましくは０．１５、さらに望ましくは０．１２である。ＹおよびＳｉの少なくとも一方を上記原子比で添加する場合は、Ｚｒ酸化物の結晶変態を抑制し、Ｚｒの酸化層の相変態を抑制し、高温でも安定な酸化層を形成することで、切削時の耐摩耗性を向上させることができる。Ｚｒの酸化物は、温度によって結晶構造が可逆的に変化することが知られており、熱疲労が発生するとともに結晶構造の変化による体積膨張、または収縮により酸化層の剥離も発生するために耐摩耗性が低かった。Ｙ（イットリウム）およびＳｉの少なくとも一方を添加することにより、この結晶構造変化を抑制でき、耐摩耗性を向上させることができる。

本発明の第１化合物は、上記のような化学式で示されることから明らかなように、構成元素として原則的にＡｌを含むものではないため、クレーター摩耗を極めて有効に低減することができる。しかも、Ｚｒを上記のような原子比で含んだことにより、被膜硬度が大幅に増加し、これらが相乗的に作用することによりクレーター摩耗を飛躍的に低減することができるようになったものと考えられる。

なお、上記の化学式中、Ｚは酸素、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、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β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βは、０．１≦β≦２である限り特に限定されないが、より好ましくは０．４≦β≦１．８である。β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β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βはそれらの元素の合計量のＴｉおよびＺｒの合計原子量に対する原子比を示すものとする。

＜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。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。この事実は、無配向であるＴｉＮ粉末の上記比Ｂ／Ａが１．３となり、同じく無配向であるＣｒＮ粉末の上記比Ｂ／Ａが１．２５となることからも裏付けられる。なぜなら、本発明の第１化合物がもし無配向ならば当然上記比Ｂ／Ａは１．２５〜１．３の範囲内の数値を示すことが予想されるからである。

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が示される。本発明では、（１１１）優先配向が（２００）優先配向の場合に比し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。

さらに、本発明の第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。

このように本発明の第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、小さくなればなる程緻密化が促進され靭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程好ましいが、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、却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ができる平均値をいう。

＜Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層の積層構造＞
本発明の上記Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層は、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種の元素に対して、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、Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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。

＜Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層の厚み＞
本発明のＹ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層は、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以下、さらに好ましくは７μｍ以下、特に好ましくは６μｍ以下であり、その下限が０．７μｍ以上であることがより好ましく、さらに好ましくは１μｍ以上である。

上記厚みが０．３μｍ以上の場合、クレーター摩耗をより低減することができる。従来、切削工具の膜厚は、厚いほうが耐摩耗性が向上することは知られている。しかし、刃先形状の追従性などを考慮した結果、上記好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは７μｍ以下で耐摩耗性と共に靭性に優れる被膜を得られることがわかった。上記厚みが、１μｍ以上６μｍ以下の場合に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、被膜として下地層が基材上に形成され、その下地層上に上記Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層を形成すればこれらの被膜が全体として密着力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、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＣｒＮＯ、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全て含まれるものとする。たとえば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、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）は特に限定されず、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＞
本発明の被膜は、上記のようなＹ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層との間に形成したり、Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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、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、被削材との溶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構成する化合物としては、たとえば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、より好ましくは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＞
本発明の被膜とりわけＹ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層は、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、これらを各組み合わせた方法等を挙げることができる。なお、Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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、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（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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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）は二次電子顕微鏡に付帯のエネルギー分散型ケイ光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二次電子顕微鏡（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（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（すなわち第１化合物からなるＹ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層）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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層を形成した。

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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層（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。

実施例１および実施例２については、金属源としてＴｉ−Ｚｒ−Ｙの合金ターゲットを用いた。実施例３、実施例４、実施例１７および実施例１８については、金属源としてＴｉ−Ｚｒ−Ｙ₂Ｏ₃合金ターゲットを用いた。実施例３、実施例４、実施例１７および実施例１８については窒素雰囲気で成膜を行ったが、膜中にはＹ₂Ｏ₃起因の酸素が含まれていた。実施例５および実施例６についてはＴｉ−Ｚｒ−Ｓｉ合金ターゲットを用いた。実施例７および実施例８ついてはＴｉ−Ｚｒ−Ｙ₂Ｏ₃−Ｓｉ合金ターゲットを用いた。

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「ＡＩＰ」と表記した。

＜スパッタリング（ＳＰ）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も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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層）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（実施例９〜１６）。該ターゲットは、合金ターゲットでも良いし、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。なお、反応ガスの導入に際しては、希ガス／反応ガスの流量比を１〜５に設定した。

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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層）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「ＳＰ」と表記した。実施例９および実施例１０については、金属源としてＴｉ−Ｚｒ−Ｙの合金ターゲットを用いた。実施例１１および実施例１２については、金属源としてＴｉ−Ｚｒ−Ｙ₂Ｏ₃合金ターゲットを用いた。実施例１１および実施例１２については窒素雰囲気で成膜を行ったが、膜中にはＹ₂Ｏ₃起因の酸素が含まれていた。実施例１３および実施例１４についてはＴｉ−Ｚｒ−Ｓｉ合金ターゲットを用いた。実施例１５および実施例１６についてはＴｉ−Ｚｒ−Ｙ₂Ｏ₃−Ｓｉ合金ターゲットを用いた。

＜積層構造＞
表１の「積層構造」の項において、Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層が前述の第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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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３に示す。表３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３記載の第２化合物により構成される。そして各層を表３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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層を形成した。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３に記載した構成の実施例１〜１８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Ｔｉ_1-XＺｒ_XＭ_αＺ_β（ただし、ＭはＹおよびＳｉの少なくとも一方、Ｘ、α、βはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．２≦Ｘ≦０．６であり、αは０．０２≦α≦０．２、βは０．１≦β≦２である。また、Ｚは酸素、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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層であり、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１〜１８の表面被覆切削工具について、θ−２θ法によるＸ線回折を行なうことにより、Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン層（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、結晶粒径と、（１１１）面の面間隔と、（２００）面の面間隔を求めた。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、面間隔はピーク強度が最大になる点の２θ角度から算出した。これらの結果を以下の表４に示す。

＜比較例１〜１１＞
比較例１として、第１化合物においてＺｒを含まない化合物（すなわち具体的にはＴｉＮ）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、ＴｉＡｌＮからな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０Ｖに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１．１３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、第１化合物において上記化学式における原子比Ｘが０．６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。比較例５は、上記化学式における原子比Ｘが０．２を下回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、上記化学式における原子比αが０．２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。比較例７は、上記化学式における原子比αが０．０４を下回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８は、第１化合物において上記化学式における原子比βが０．２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９は、第１化合物において上記化学式における原子比β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。また、比較例１０および１１は、膜厚が異なることを除き他は比較例４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２および表４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１〜１８の表面被覆切削工具および比較例１〜１１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８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５に示す。

（切削条件）
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３５０ｍ／ｍｉｎ
切込み：１．５ｍｍ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：湿式

上記表１および表２中、「Ｘ」、「α」、「β」、「Ｚ」とは第１化合物である化学式Ｔｉ_1-XＺｒ_XＭ_αＺ_β中のＸ、α，β、Ｚをそれぞれ示す。また、上記表３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、クレーター摩耗の低減化および耐摩耗性の向上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。また、切削試験の耐摩耗性は膜厚の影響を受け、膜厚が大きくなると摩耗量は小さくなることが分かる。すなわち、実施例３、１７および１８を比較することにより、本発明における第１化合物を含むＹ／Ｓｉ添加チタンジルコニウム層を備える場合は、膜厚が大きくなると摩耗量をより低減することができることがわかる。そして、実施例１７と比較例１０との対比、実施例１８と比較例１１との対比により、膜厚が１μｍまたは１０μｍの場合においても本発明の優位性を確認することができる。

なお、上記した実施例においては、基材上に被膜としてＹ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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Ｙ／Ｓｉ添加ジルコニウムチタン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 (7)

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、化学式Ｔｉ_1-XＺｒ_XＭ_αＺ_β（ただし、ＭはＹおよびＳｉの少なくとも一方、Ｘ、α、βはそれぞれ原子比を示し、Ｘは０．２≦Ｘ≦０．６であり、αは０．０２≦α≦０．２、βは０．１≦β≦２である。また、Ｚは酸素、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Ｙ／Ｓｉ添加チタンジルコニウム層であり、
   前記第１化合物は、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表面被覆切削工具。
2. 前記化学式Ｔｉ_1-XＺｒ_XＭ_αＺ_βにおける前記Ｘは、０．３５≦Ｘ≦０．５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Ｙ／Ｓｉ添加チタンジルコニウム層は、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１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
5. 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４記載の表面被覆切削工具。
6. 前記表面被覆切削工具は、前記被膜として下地層が前記基材上に形成され、その下地層上に前記Ｙ／Ｓｉ添加チタンジルコ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Ｙ／Ｓｉ添加チタンジルコニウム層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有する請求項１〜６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。