JP3901477B2 - 酸化アルミニウム被覆工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、切削用及び耐摩耗用の酸化アルミニウム被覆工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、被覆工具は超硬質合金、高速度鋼、特殊鋼より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することにより作製される。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、高硬度材を高速で切削する場合に、切削工具の刃先温度は１０００℃前後まで上がるとともに、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、耐摩耗性と強靭性とを兼ね備えた被覆工具が重宝されている。
【０００３】
硬質皮膜には、耐摩耗性と靭性に優れた周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる内層膜（下地膜）や耐酸化性に優れた酸化膜が単層あるいは多層膜として用いられる。内層膜では例えばＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮが利用され、酸化膜では特にα型酸化アルミニウムやκ型酸化アルミニウム等が利用されている。炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる非酸化膜の欠点は酸化され易いことであり、この欠点を補うため、内層膜上に耐酸化性に優れた酸化アルミニウム等の酸化膜を形成する多層膜構造を持たせることにより内層膜の酸化を防止することが行われている。
【０００４】
この内層膜／酸化膜の多層膜構造の欠点は内層膜と酸化膜との間の密着性が低いこと、あるいは高温で機械強度が安定しないことである。前記酸化膜としてκ型酸化アルミニウム膜を用いた場合、このκ型酸化アルミニウムは前記内層膜との密着性は比較的良好でありしかも１０００〜１０２０℃と比較的低温で成膜できる長所はあるものの、準安定状態のアルミナであるため高温での使用時にα型酸化アルミニウムに変態するため体積が変化し、膜中にクラックが入り、膜が剥がれるという欠点がある。これに対して、前記酸化膜としてα型酸化アルミニウムを用いた場合、このα型酸化アルミニウムは高温でも安定なアルミナ膜であり高温特性に優れる長所があるものの、内層膜の上に直接成膜するためには高温で成膜する必要があり、α型酸化アルミニウムの結晶粒径が大きくなり機械特性が低下する欠点がある。
【０００５】
このため従来より、前記内層膜の表面を酸化させ酸化膜生成の基点を形成した後に酸化アルミニウムを形成することにより１０００〜１０２０℃と比較的低温でα型酸化アルミニウムを得る手法が常用されている。図４はこのような内層膜と酸化膜の界面近傍を模式的に示したものであり、基体側に形成された内層膜３とα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１との間に結合層２が表記されている。上記のように結合層２は一般に内層膜３の表面を酸化させることにより作製され、その厚さは１μｍ以下と薄い。このため、一見内層膜３の上に直接酸化膜１が形成されているように見えるが、本発明では内層膜３上に形成された酸化層をその機能と特性を明確にするためその製法に関わらず全て結合層２として表記する。
【０００６】
上記のように結合層２を内層膜３表面の酸化により形成した後成膜したα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１は密着強度が充分ではなく、切削時に酸化膜１がその下地である内層膜３から早期に剥がれる事故が発生することがある。このためα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１と基体側に形成された内層膜３との間の密着強度を高めるために結合層２の形成方法に種々の工夫がなされてきた。例えば、特開平０６−３１６７５８号では鋳鉄に対する切削性能を向上させるため、下地（内層）にＴｉＣＮ層（図４の３）を形成した後、酸化ポテンシャルがＨ２Ｏの２０ｐｐｍ未満の濃度であるＨ２キャリアガスを用い、ＣＯ２、ＣＯ及びＡｌＣｌ３の順序に反応ガスを順次供給することによりアルミナの核形成を開始させ、核形成時の温度を約１０００℃にしてα−アルミナ膜を形成することにより、（０１２）面からの等価Ｘ線強度ＴＣ（０１２）が１．３より大きいアルミナ層を提案している。この場合、ＴｉＣＮ層（図４の３）の表面にまず酸化ポテンシャルがＨ２Ｏの２０ｐｐｍ未満の濃度であるＨ２キャリアガスおよびＣＯ２ガス、ＣＯガスを流すことによりＴｉＣＮ層表面が酸化されることにより結合層（図４中の２）が形成され、その後、更にＡｌＣｌ３を加えて流すことによりα−アルミナ膜が形成されているものと考えられる。
【０００７】
また、酸化アルミニウム自体の耐摩耗性および耐欠損性を高めるために、アルミナの成膜時にＨ2ＳガスおよびＳＯ2ガスを添加した反応ガスを用いたり（特開平０６−３１５０３号）あるいはＨ2ＳガスおよびＳＯ2ガスに加えて更に２０〜３０ｖｏｌ％のＣＯ2を用いることにより（特開平０７−１０８４０５号）、主ピークである（０３０）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ（０３０）と（１０４）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ（１０４）との比がＩ（０３０）／Ｉ（１０４）＞１、あるいはこれに加えて更に（０１２）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ（０１２）がＩ（０１２）／Ｉ（０３０）＞１なる関係にあるα型結晶を主体にした結晶構造の酸化アルミニウムを提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は超硬等の基板上にα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜を含む多層膜を形成して作製した切削工具を切削テストし、その破損部を詳細に評価した結果、上記のようにα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１が下地である内層膜３との界面の結合層部分（図４中の２）から剥がれたり、酸化膜自体にクラックが入り結晶粒が脱落したりしていることがわかった。本発明が解決しようとする課題はα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１とその下地（基体側の膜）である内層膜３との間にあり両膜に直接接触する結合層２の両界面の密着性あるいは結合層２自体の機械強度やα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１自体の機械強度を高めることにより、切削特性等の品質が安定した酸化アルミニウム被覆工具を提供することである。
【０００９】
一般に、前記結合層２はＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ膜等より成る内層膜３の表面をＨ２ＯとＣＯ２との混合ガスにより酸化することにより作製しているが次のように品質の良いα型酸化アルミニウムを主とした酸化膜被覆工具を安定して生産することは困難である。即ち、結合層２の成膜時に、ＣＯ２等による酸化性ガスの濃度が高いと主にＴｉ２Ｏ３（Ｘ線パターンはＡＳＴＭＮｏ．１０−６３参照）やＴｉ３Ｏ５（ＡＳＴＭＮｏ．１１−２１７）あるいはＴｉＯ２（ＡＳＴＭファイルＮｏ．２１−１２７６）が形成され、下地との密着強度が低く、酸化層（結合層）自体がもろく機械強度が低くなる欠点が生じる。一方、ＣＯ２等による酸化性ガスの濃度を下げてＴｉ２Ｏ３、Ｔｉ３Ｏ５、ＴｉＯ２が形成されないように内層膜３の酸化を行うと下地であるＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の内層膜３表面の酸化が不十分になり、酸化アルミニウムの成膜温度が１０２０℃以下ではκ型酸化アルミニウムが形成されα型酸化アルミニウムが安定して形成されず、一方酸化アルミニウムの成膜温度を１０３０℃以上にするとα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１の粒径が粗大化するとともに、中心線平均面粗さＲａや最大面粗さＲｍａｘも荒くなり被覆工具の特性が低下する欠点が生じる。
【００１０】
また、上記のように下地である内層膜３を酸化させて結合層２を作製するのではなく、内層膜３の上にＴｉＣＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ等の結合層２を新たに成膜させる方法として次のものが提案されている。特開昭６３−１９５２６８号ではアルミナ膜の内層として０．５μｍ厚さのＴｉＣＮＯ膜を図４の結合層２として１１００℃や１０３０℃で成膜し、その後アルミナ膜１をそれぞれ９６０℃と１０００℃で成膜しており、特開平０２−３０４０６号では膜厚１μｍのＴｉＣＯ膜やＴｉＣＮＯ膜を図４の結合層２として成膜した後にアルミナ膜１を形成している。また、特開平０５−３４５９７６号では膜厚０．５μｍと３μｍで粒径０．２〜１．５μｍのＴｉＣＮＯ膜やＴｉＣＯ膜をＴｉＣｌ４やＣＯ、Ｈ２、Ｎ２ガスを用いて結合層２として１０００℃で成膜した後、アルミナ膜１を１０００℃で成膜している。これら結合層２を別個に成膜する従来例の特徴はそれぞれ結合層２の成膜温度がアルミナ膜の成膜温度よりも高いこと（特開昭６３−１９５２６８号）、結合層２の膜厚が１μｍと厚いこと（特開平０２−３０４０６号）、結合層２の成膜時にＣＯガスを用いていること（特開平０５−３４５９７６号）である。結合層２の成膜時に、ＣＯ２やＨ２Ｏ等の酸化性ガスが多すぎたり成膜温度が高すぎたりすると結合層２中の酸素の含有量が多くなりすぎ上記と同様に下地の内層膜３との密着性が低下するとともに、結合層２自体の機械強度が低くなる欠点が現れ、結合層２の膜厚が１μｍと厚いと結合層を構成する酸化膜自体の機械強度が低いため結合層内で破断する欠点が現れ、ＣＯ２ガスの代わりにＣＯガスを用いると結合層２中の含有酸素量が不十分になりα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１が安定して形成されなくなる欠点が現れた。上記のように、本発明の課題は下地の内層膜３と酸化膜１とを結合する膜厚の薄い結合層２の密着性と機械強度特性とを改善することにより、内層膜３との密着性が良いとともに、粒径が小さく機械強度の優れたα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１を持つ、長寿命の酸化アルミニウム被覆工具を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記知見に基づき鋭意検討した結果、下地であるＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の内層膜３とα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１との間に形成する薄い結合層２を改質し、該結合層２と該酸化膜１間の界面において、該酸化膜の格子縞と該結合層の格子縞とを連続させることにより、内層膜３およびα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１との密着性を改善し、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１の（１１０）面のＸ線ピーク強度を強くするとともに、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１の結晶粒径を微細化することにより機械特性が改善されて前記の問題点が解消することことを見出し、本発明に想到した。
【００１２】
すなわち本発明は、基体表面に周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒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からなる内層膜、並びに少なくとも一層のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が形成されている酸化アルミニウム被覆工具において、該内層膜と該酸化膜との間に酸素を含有した結合層を設けるとともに、該酸化膜の格子縞と該結合層の格子縞とが界面において連続しており、前記酸化膜のＸ線回折の（１１０）面による等価ピーク強度ＰＲ（１１０）が１．５以上であり、且つ、Ｘ線回折最強ピーク面が（１１０）面でないことを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具である。また、前記α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときの酸化膜の平均粒径が２μｍ以下であり、その膜厚が２．５μｍ以上のときの平均粒径が４μｍ以下であることを特徴とするものである。また、前記α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の中心線平均面粗さＲａが０．６μｍ以下好ましくは０．５μｍ以下であることを特徴とするものであり、また、前記酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときのその酸化膜の最大面粗さＲｍａｘが２μｍ以下であり、前記膜厚が２．５μｍ以上のときの最大面粗さＲｍａｘが３μｍ以下であることを特徴とするものである。また、前記各膜間の密着性が高まるように、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜（図４中の１）の格子縞と、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜と直接接触する結合層（図４中の２）の格子縞とが界面において連続していることを特徴とするものである。ここで、格子縞とは、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で結晶を高倍率で観察したときに得られる格子像の縞模様の縞のことを云う。二つ以上の相接する膜（結晶）の格子像を撮影しようとした時、これらの膜の結晶方位が共に透過電子顕微鏡の入射ビームと大略平行な時にのみ両者の結晶の格子像が同時に観察される。α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１の格子縞と結合層２の各格子縞とが界面において連続しているということは即ち両結晶の結晶方位が共に入射ビームに大略平行であり、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１と結合層２の両者がエピタキシャルの関係にあることを示している。両膜の結晶方位が平行でなく片一方の結晶方位のみが透過電子顕微鏡の入射ビームに平行なときは、その結晶のみの格子像が得られ、平行でないもう片一方の結晶の格子像は得られない。また、両結晶の結晶方位が平行であっても両結晶が直接接触しておらず他の物質が介在している場合には、両結晶の格子像は得られるものの間にある介在物により格子縞が途中で中断し両者の格子縞は連続しない。また、本発明はα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の表面にチタンの窒化膜が形成されていることを特徴とするものである。また、本発明は周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の一種以上とＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの一種以上とよりなる超硬質合金を基体とすることを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具である。
【００１３】
また、本発明品の製造方法として、基体表面に周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒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からなる内層膜を成膜し、次いで、該内層膜の上に、周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか一種または二種以上からなる非酸化層と、前記非酸化層の成膜時に用いたガス構成を主として更に０．１〜５ｖｏｌ％好ましくは０．５〜３ｖｏｌ％の酸化性ガスを加え成膜温度９５０〜１０２０℃で成膜した周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒化物のいずれか一種または二種以上からなる薄層との組み合わせからなる酸素を含有した結合層を成膜し、その上にα型酸化アルミニウム主とする酸化膜を成膜することができる。
【００１４】
図１は酸化アルミニウム被覆工具の皮膜部分を試料面にして２θ−θ走査法によりＸ線回折パターンを測定したときの一例を示したものである。Ｘ線源にはＣｕのＫα１（波長λ＝１．５４０５Ａ）を用いた。本品は、従来品と同様に基体表面にＴｉＮとＴｉＣＮを成膜した後、ＴｉＣ層を薄く成膜しそのまま連続してＴｉＣの成膜に用いた構成ガスにさらにＣＯ２ガスを追加して反応させてＴｉＣＯ層を成膜することによりＴｉＣ層／ＴｉＣＯ層よりなる結合層を作製した後、その表面上にα型酸化アルミニウムを成膜したものである。図中にはα−Ａｌ２Ｏ３のＸ線ピークのみピーク面を表記し、他の形成化合物によるピーク（例えばＴｉＣＮ等。）のピーク名は表記していない。図１より、本品はα−Ａｌ２Ｏ３のＸ線ピークの（１１０）面が他のピークに比べ強いピークを示し、（０１２）ピークや（０３０）ピークの強度は弱く、（１１０）のピーク強度を越えないことがわかる。α−Ａｌ２Ｏ３の（ｈｋｌ）面からのＸ線ピーク強度を定量的に評価するために次式により（ｈｋｌ）面による等価ピーク強度ＰＲ（ｈｋｌ）とＴＣ（ｈｋｌ）とを定義した。ここでＩ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）面による実測時のＸ線回折強度を表し、Ｉ０（ｈｋｌ）はＡＳＴＭファイルＮｏ．１０−１７３（Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｆｉｌｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＪＣＰＤＳ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄａｔａ）に記載されているＸ線回折強度であり、配向が等方的である粉末粒子の（ｈｋｌ）面からのＸ線回折強度を表している。ＴＣ（ｈｋｌ）は特開平０６ー３１６７５８号中の定義と同一であり、ＰＲ（ｈｋｌ）は更に（１２４）、（０３０）のピークまで含めて同様の定義を行ったものである。ＰＲ（ｈｋｌ）、ＴＣ（ｈｋｌ）はともに、ＡＳＴＭのデータに記載された等方粒子のＸ線ピーク強度に対する、Ｘ線回折で実測した皮膜の（ｈｋｌ）面からのＸ線回折ピーク強度の相対強度を示しており、ＰＲ（ｈｋｌ）、ＴＣ（ｈｋｌ）の値が大きい程（ｈｋｌ）面からのＸ線ピーク強度が他のピーク強度よりも強く、（ｈｋｌ）方向に測定サンプルが配向していることを示す。
ＰＲ（ｈｋｌ）＝｛Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ０（ｈｋｌ）｝／［Σ｛Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ０（ｈｋｌ）｝／８］ 但し、（ｈｋｌ）＝（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）、（１２４）、（０３０）
ＴＣ（ｈｋｌ）＝｛Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ０（ｈｋｌ）｝／［Σ｛Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ０（ｈｋｌ）｝／６］ 但し、（ｈｋｌ）＝（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）
具体的には、図１のＰＲ（１１０）は５．０４であり、図１の（１１０）のＸ線ピーク強度が粉末粒子が示す（１１０）Ｘ線ピーク強度よりも５．０４倍強いことを示している。なお、２θが２０〜８０°の範囲内には上記の８ピーク以外に（００６）、（２０２）、（２１１）、（１２２）、（０１８）ピークも存在するがこれらのピーク強度はＩ０が１０以下でありピーク強度Ｉの少しの変化でＩ／Ｉ０が大きく変動するためＰＲ（ｈｋｌ）、ＴＣ（ｈｋｌ）の計算には含めなかった。
【００１５】
本発明品の酸化膜表面の平均結晶粒径は（株）日立製作所製の走査電子顕微鏡（Ｓ−２３００）の写真により測定し、膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下であり、膜厚が２．５μｍ以上のときは４μｍ以下であった。また、中心線平均面粗さＲａは０．６μｍ以下であり、また、最大面粗さＲｍａｘは酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下であり、膜厚が２．５μｍ以上のときは３μｍ以下であった。
【００１６】
また、本発明品の一例であるα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜と本酸化膜に直接接触しているＴｉＣ／ＴｉＣＯ結合層及びその下のＴｉＣＮ膜との界面近傍を（株）日立製作所製の透過電子顕微鏡（Ｈ−９０００ＵＨＲ）により観測したところ、後述の図３のように膜間の各界面において格子縞が連続していることが確認された。図５にこの格子縞の連続状況を模式的に示す。図５はあくまで以下に述べる原子レベルでの膜の成膜状況を説明するために示すものであり、各界面における格子縞の連続性は、格子縞間にわずかのずれ（不整合性）が許容され、格子縞の連続状況、格子縞間隔、個数等は図５に限定されるものでないことは言うまでもないことである。
【００１７】
本発明品のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の密着性や機械特性が優れる理由は明確ではないが次のことが考えられる。本発明品のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜は、Ｘ線回折時の（１１０）面ピーク強度が強く、α型酸化アルミニウムの（１１０）面が母材と平行方向に強く配向しているものである。本発明品のように作製すると、下地の内層膜（図４中の３）や結合層（図４中の２）およびα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜（図４中の１）の間にエピタキシャルの関係が成立し、即ち各膜が界面において連続的に形成（格子縞が連続的に形成）されるため、α型酸化アルミニウムの（１１０）面が面内に強く配向し、同時に、下地の内層膜３や結合層２と酸化膜１との界面に空孔や、大きな欠陥が非常に生じにくく、膜相互の密着性が高くなるものと考えられる。このような意味で、前記格子縞の連続性（エピタキシャルの関係）はすべての界面で成立する必要はなく、透過電子顕微鏡により結合層近傍を５万倍で観察したときに上記格子縞の連続性（エピタキシャルの関係）が認められる領域が存在すれば、本発明による優れた作用効果を獲得することができる。本発明において下地に用いるＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の内層膜（図４中の３）及び結合層（図４中の２に対応し、例えば、ＴｉＣ／ＴｉＣＯ、ＴｉＮ／ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮ／ＴｉＣＮＯ等。）の両者はｆｃｃ結晶構造を持っており、これらの膜がエピタキシャルに成長するとα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１は（１１０）方向に配向しやすくなるものと考えられる。また、（１１０）面による等価Ｘ線ピーク強度ＰＲ（１１０）が１．５以上であることにより、通常は粉末状にして測定する等方的に配向したα型酸化アルミニウムが示す（１１０）Ｘ線ピーク強度（即ち、ＡＳＴＭファイルＮｏ．１０−１７３に記載されているＸ線強度）よりも本開発品の（１１０）Ｘ線ピーク強度が１．５倍以上であり、（１１０）面が１．５倍以上配向していることになり、上記の理由で密着性が優れることがわかる。本発明において、（１１０）ピーク強度が強いときは（０１２）ピーク強度や（０３０）ピーク強度は相対的に弱くなる傾向がみられる。ＰＲ（１１０）の強度が大略１倍以上の時、ＴＣ（０１２）は１．３以下であり、ＰＲ（１１０）の強度が大きくなるとともにＴＣ（０１２）値は小さくなり、ＰＲ（１１０）＝８付近ではＴＣ（０１２）は約０．１になる。ＰＲ（１１０）が１以上では、（０３０）ピークと（１０４）ピークの強度比Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）は０〜９．９７と値がばらつき、（０１２）ピークと（０３０）ピークの強度比Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）は０．０８〜６３．０６と値がばらつきＰＲ（１１０）とＩ（０３０）／Ｉ（１０４）やＩ（０１２）／Ｉ（０３０）との相関は見られなかった。本開発品は（１１０）ピークが特に強く（０３０）ピークや（０１２）ピークは相対的に弱くなっており、（０３０）ピークや（０１２）ピークの強度が大きい特開平０６−３１５０３号や特開平０７−１０８４０５号のアルミナ膜とは本質的に異なるものであることがわかる。
【００１８】
本発明の酸化アルミニウム被覆工具は、内層膜と結合層およびα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜とがエピタキシャルに成長するため、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜を比較的低温度で密着性高く成膜出来る。したがって、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の平均結晶粒径をこの酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下、前記膜厚が２．５μｍ以上のときは４μｍ以下に成膜出来、また、前記酸化膜の中心線平均面粗さＲａを０．６μｍ以下、最大面粗さＲｍａｘを前記酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下でかつその膜厚が２．５μｍ以上のときは３μｍ以下にする事が出来る。上記のように、本発明ではα型酸化アルミニウムを主とした酸化膜の粒径と中心線平均面粗さＲａ、最大面粗さＲｍａｘが小さいため切削加工等の工具として使用したときの摩擦が少なく、膜の磨耗や脱粒が少なくなり、優れた機械特性が得られたものと考えられる。同様の理由で膜表面の中心線平均面粗さＲａは０．５μｍ以下が望ましく、α型酸化アルミニウムを主とした酸化膜の磨耗や脱粒が更に少なくなり工具特性が更に向上する。
【００１９】
次に、本発明による新規な酸化アルミニウム被覆工具を得る製造方法について解説する。本発明品は、周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒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からなる内層膜（図４中の３）を成膜した後、まず周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか一種または二種以上からなる非酸化層（図４中の２−２）を薄く成膜し、そのまま連続してこの非酸化層の成膜を構成したガスを主として更に０．１〜５．０ｖｏｌ％の酸化性ガスを加えて成膜温度９５０〜１０２０℃で薄層（図４中の２−１）を成膜することにより酸素を含有した結合層（図４中の２）を成膜した後、その上にα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜（図４中の１）を成膜することにより製造できる。このように非酸化層（図４中の２−２）を成膜することにより、非酸化層（図４中の２−２）と下地である内層膜３との間にエピタキシャル関係が得やすくなり内層膜３と結合層２との間に高い密着性が得られ、更に連続して酸化性ガスを加えて成膜した薄層（図４中の２−１）によりα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１との間にエピタキシャル関係が得やすくなり結合層２と酸化膜１との間に高い密着性が得られ、膜剥がれを起こし難く、長寿命の酸化アルミニウム被覆工具を製造することができる。この時、結合層内を連続的に成膜するため、薄層２−１を成膜するときに、非酸化層２−２の成膜用ガス成分に追加する酸化性ガス量は全ガス流量の０．１〜５ｖｏｌ％である必要がある。酸化性ガス量が０．１ｖｏｌ％未満では結合層表面の酸素量が少ないため結合層上にκ型酸化アルミニウムが出来やすくなり、安定してα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が成膜出来ず、５ｖｏｌ％を越えると結合層の酸化が進みすぎＴｉ２Ｏ３、Ｔｉ３Ｏ５、ＴｉＯ２等が多く成膜されるため結合層自体の機械的強度が低下しα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が結合層内で剥離しやすくなる欠点が生じる。また、成膜温度が９５０℃未満の時は緻密な結合層を成膜出来ず膜剥がれを生じやすく、１０２０℃を越える時は結合層の結晶粒が粗くしかも酸化が進みすぎ膜剥がれを生じやすくなる。また、本発明のα型酸化アルミニウムの成膜にはＡｌＣｌ３やＨ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ等のガスを用い酸化膜を成膜でき、毒性や腐食性の高いＳＯ２ガスを用いる必要はなく、またＣＯ２ガス量も通常の流量である２０ｖｏｌ％以下で成膜出来るため安定してα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜を成膜することができる。
【００２０】
本発明のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜は、必ずしも最外層である必要はなく、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の上に更に少なくとも一層のチタン化合物（例えばＴｉＮ層等。）を被覆しても良い。
【００２１】
本発明における被覆方法には既知の成膜方法を適用することが可能である。例えば、通常の化学蒸着法（熱ＣＶＤ）、プラズマを付加した化学蒸着法（ＰＡＣＶＤ）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、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜を含む単層あるいは多層の硬質皮膜により被覆された耐摩耗材や金型、溶湯部品等でも良い。酸化膜はα型酸化アルミニウム単相に限るものではなく、α型酸化アルミニウムが主であれば、他の酸化物、例えばα型酸化アルミニウムとκ型酸化アルミニウムとの混合膜や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等、他の酸化アルミニウムとの混合膜あるいはα型酸化アルミニウムと酸化ジルコニウム等他の酸化物との混合膜であっても同様の効果が得られる。なお、本発明のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜とは、８０ｖｏｌ％以上のα型酸化アルミニウムを含むものをいう。
【００２２】
次に本発明による被覆工具を実施例によって具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例の範囲に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００２３】
（実施例１）
ＷＣ７２％、ＴｉＣ８％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ１１％、Ｃｏ９％（％はいずれも重量％を示す。）の組成よりなる切削工具用超硬基板をＣＶＤ炉内にセットし、その表面に、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を９００℃でまず形成し、次に、Ｈ２キャリヤーガスとＴｉＣｌ４ガスとＣＨ３ＣＮガスを原料ガスに用い６μｍ厚さのＴｉＣＮ膜を９００℃で成膜することにより内層膜（図４中の３）を形成した後、９５０〜１０２０℃でＨ２キャリヤーガスとＴｉＣｌ４ガスとＣＨ４ガスとをトータル２、２００ｍｌ／分を５〜３０分間流してまず非酸化層（図４中の２−２）を成膜し、そのまま連続して本構成ガスに更に２．２〜１１０ｍｌ／分のＣＯ２ガスを追加して薄層（図４中の２−１）を５〜３０分間成膜することによりＴｉＣ層とＴｉＣＯ層とが薄く積層されたＴｉＣ／ＴｉＣＯ結合層（図４中の２）を作製した。その後、続いてＡｌ金属小片を詰め３５０℃に保温した小筒中にＨ２ガスを流量３１０ｍｌ／分とＨＣｌガス１３０ｍｌ／分とを流すことにより発生させたＡｌＣｌ３ガスとＨ２ガス２ｌ／分とＣＯ２ガス１００ｍｌ／分とをＣＶＤ炉内に流し１０１０〜１０２０℃で反応させることにより所定の厚さの酸化アルミニウム膜（図４中の１）を成膜し比較例品１と本発明品２〜７を作製した。酸化アルミニウム膜の成膜時にＳＯ２ガスは流さなかった。
【００２４】
作製した膜のＸ線回折は理学電気（株）製のＸ線回折装置（ＲＵ−３００Ｒ）を用いて２θ−θ法により２θが２０〜９０°の範囲内で測定した。Ｘ線源にはＫα１線のみを用い、装置に内蔵されたソフトによりＫα２線とノイズとを除去して測定した。
【００２５】
ＴｉＣ／ＴｉＣＯ結合層まで成膜した後、ＡｌＣｌ３ガスとＨ２ガス２ｌ／分とＣＯ２ガス１００ｍｌ／分とを流し１０２０℃で酸化アルミニウムを成膜したときの代表的な２つのＸ線回折測定結果を図１、図２に示す。図中にはα−Ａｌ２Ｏ３のＸ線ピークのみピーク面を表記し、他の形成化合物のピーク（例えばＴｉＣＮ等。）のピーク名は表記していない。図１、２よりα（１１０）ピークが強く、α（０１２）やα（１０４）、α（０３０）等のピークは小さいことがわかる。図１の場合Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）＜１、Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）＞１であり、図２の場合Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）＞１、Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）＞１となっている。同様に測定した実施例１の比較例品１と本発明品２〜７のＰＲ（１１０）とＴＣ（０１２）およびＩ（０３０）／Ｉ（１０４）、Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）の評価結果を表１にまとめる。
【００２６】
【表１】
【００２７】
酸化アルミニウム膜の平均粒径は酸化アルミニウム膜表面を図６（ａ）に示す通り倍率５０００倍でＳＥＭ写真に撮り（写真上の倍率は５０００×０．８＝４０００倍）、この図６（ａ）に対応した図６（ｂ）の模式図に示すように寸法が７０ｍｍ×８５ｍｍのＳＥＭ写真上に上から１６．５ｍｍ,３５ｍｍ,５２．５ｍｍの各位置に横方向に引いた直線と写真の対角線を結んだ直線二本、計五本を引き、各直線内にある結晶粒の数から次式により平均粒径を求めた。
平均粒径（μｍ）＝（直線の総長さ（ｍｍ））／（直線内の結晶粒の総数（ケ））×０．２５上記図６（ａ），図６（ｂ）は上記平均粒径の測定の一例を示したもので、直線の総長さは４７５ｍｍ、直線内の結晶粒の総数は８５ケであり、平均結晶粒径は１．４μｍであった。酸化アルミニウム膜表面の中心線平均面粗さＲａはＶｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｓ Ｉｎｃ．社製の触診型の表面粗さ計ＤＥＫＴＡＫ８０００を用いて測定長０．２５ｍｍで測定し、最大面粗さＲｍａｘはＬａｓｅｒｔｅｃ（株）社製のレーザー顕微鏡１ＬＭ１１を用いて測定長１８μｍで測定した。その時の酸化アルミニウム膜厚は表面粗さを測定した試料の破断面を倍率５０００倍でＳＥＭ写真に撮り測定した。上記測定長１８μｍでＲｍａｘを測定することにより異物等による測定誤差を抑えアルミナ膜本来のＲｍａｘを測定できた。これらの評価結果を表１にまとめる。
【００２８】
表１より本発明品２〜７はＰＲ（１１０）が１．５以上でありＴＣ（０１２）は１．３以下であること、Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）とＩ（０１２）／Ｉ（０３０）とはＰＲ（１１０）と相関が無くそれぞれ０．１５４〜４．３６９と０．０８２〜１１．６９３と値がばらつき一貫性がないことがわかる。また、表１より本発明品の平均粒径が酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下であり、膜厚が２．５μｍ以上のときは４μｍ以下であること、中心線平均面粗さＲａは０．６μｍ以下であり、最大面粗さＲｍａｘは酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下であり、膜厚が２．５μｍ以上のときのＲｍａｘは３μｍ以下であることがわかる。
【００２９】
（実施例２）上記実施例１の手順で、０．３μｍ厚さのＴｉＮを９００℃で、６μｍ厚さのＴｉＣＮ膜を９００℃で形成した後、ＴｉＣ／ＴｉＣＯ結合層を９５０〜１０１０℃で成膜した。次いで、ＡｌＣｌ３ガスとＨ２ガス２ｌ／分とＣＯ２ガス１００ｍｌ／分およびＨ２Ｓガス８ｍｌ／分とをＣＶＤ炉内に流し１０１０℃で酸化アルミニウムを成膜し、その後、Ｈ２ガス４ｌ／分とＴｉＣｌ４ガス５０ｍｌ／分とＮ２ガス１．３ｌ／分を流し１０１０℃で窒化チタニウム膜を形成した時の代表的な３つのＸ線回折測定結果を図７、図８、図９に示す。また、実施例２による比較例品２１と本発明品２２、２３、２４、２７の評価結果を表２にまとめる。
【００３０】
【表２】
【００３１】
図７、８、９よりα（１１０）ピークが強く、α（０１２）やα（１０４）、α（０３０）等のピークは小さいことがわかる。この相対的に弱いα（０１２）、α（１０４）、α（０３０）ピークに関し、図７の場合Ｉ（０３０）/Ｉ（１０４）＜１、Ｉ（０１２）/Ｉ（０３０）＞１であり、図８の場合Ｉ（０３０）/Ｉ（１０４）＞１、Ｉ（０１２）/Ｉ（０３０）＜１であり、図９の場合Ｉ（０３０）/Ｉ（１０４）＞１、Ｉ（０１２）/Ｉ（０３０）＞１となっていることがわかる。
【００３２】
表２よりＨ２Ｓガスを用いて酸化アルミニウム膜を成膜した本発明品２２、２３、２４、２７はＰＲ（１１０）が１．５以上でありＴＣ（０１２）は１．３以下であること、Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）とＩ（０１２）／Ｉ（０３０）とはＰＲ（１１０）と相関が無く、値がばらつき一貫性がないことがわかる。また、表２より本発明品の平均粒径が酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下であり、かつ膜厚が２．５μｍ以上のときは４μｍ以下であること、中心線平均面粗さＲａは０．６μｍ以下であることがわかる。
【００３３】
本発明品の表１中のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜（図４中の１に対応。）及び結合層（図４中の２に対応。）と内層膜（図４中の３に対応。）近傍の破断面を電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）で観察した写真を図１０と図１１に示す。図１０は倍率２万倍で、図１１は５万倍で結合層付近を撮影したものである。図１０、図１１を始めとする本発明品の破断面のＦＥ−ＳＥＭ写真より、本発明品は、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜と下地である内層膜との間に厚さが１００〜５００ｎｍで粒径が２０〜１６０ｎｍの結合層が形成されていることがわかる。図１２は上記本発明品の結合層近傍の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。図中、内層膜であるＴｉＣＮの結晶粒（図１２中Ｂ４，Ｂ５はその一部）上に結合層（図１２中Ｂ６，Ｂ７はその一部）が形成されその上にα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が形成されている。図３は図１２のａ部、即ち、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜と結合層との界面近傍の格子像写真を示したもので、写真の上方向から順に、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜／結合層の界面、結合層が写っている。図３よりα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜と結合層との界面において格子縞が連続していることがわかる。なお、図３はα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜／結合層の界面がＴＥＭ写真面に垂直ではなく斜めに写っているものである。また、図１２における結合層と下地の内層膜との界面（図１２中のｂ付近）を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で同様に観測した結果、結合層と内層膜とは互いにエピタキシャルの関係にあり、格子が連続的に成長していることが確認された。図１３は本発明品の表２中の試料２２について結合層とα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜との界面近傍を観察したものである。図１３の上方向が酸化膜の上面方向で、図１３の中央部に結合層の格子面が見られ、その両側にα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の格子面が見られる。結合層と図中右側のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の粒子及び結合層と図中左側のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の粒子との両界面において格子縞が連続していることがわかる。なお、図１３の右側の界面はα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜／結合層の界面がＴＥＭ写真面に比較的垂直に写っているものである。
【００３４】
次に、実施例１および実施例２の条件で製作した比較例品と本発明品の切削工具各５個を用いて、鋳物の被削材を以下の条件で１時間連続切削した後にアルミナ膜の剥離状況を倍率２００倍の光学顕微鏡により観察し、評価した。
被削材ＦＣ２５（ＨＢ２３０）
切削速度３００ｍ／ｍｉｎ
送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み２．０ｍｍ
水溶性切削油使用
この切削試験の結果、上記比較例品と本発明品はいずれも１時間連続切削後もアルミナ膜の剥離が見られず切削工具として優れていること、また、ＰＲ（１１０）が１．５以上の時は１．５時間連続切削後もアルミナ膜の剥離が見られず更に優れていることが判明した。また、上記比較例品と本発明品の切削工具各５個を以下の条件で断続切削し、１０００回衝撃切削後に刃先先端の欠け状況を倍率５０倍の実体顕微鏡で観察し、評価した。
被削材ＳＣＭ材
切削条件１００ｍ／ｍｉｎ
送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み２．０ｍｍ
切削試験後、上記比較例品と本発明品はいずれも刃先に欠損不良を発生すること無く使用でき、長寿命であった。また、ＰＲ（１１０）が２以上で、中心線平均面粗さＲａが０．５μｍ以下の時は１、５００回衝撃切削後にも刃先に欠損不良を発生すること無く使用でき更に優れていることが判明した。
【００３５】
（従来例１）結合層の作製方法の差異によるα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の諸特性及び切削特性への影響を明らかにするために、本発明品と同様にＷＣ７２％、ＴｉＣ８％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ１１％、Ｃｏ９％（％はいずれも重量％を示す。）の組成よりなる切削工具用超硬基板の表面に０．３μｍ厚さのＴｉＮ膜と６μｍ厚さのＴｉＣＮ膜を形成した後、Ｈ2キャリヤーガスとＴｉＣｌ4ガスとＣＨ4ガスを原料ガスに用い１０１０℃で５〜３０分間反応させＴｉＣ膜を成膜した後、ＴｉＣｌ4ガスとＣＨ4ガスとを止め、作製したＴｉＣ膜上にＨ2キャリヤーガスとＣＯ2ガスとを流して１０１０℃で１５分間ＴｉＣ膜を酸化することにより結合層を作製した。その後、実施例１と同一の条件で１０２０℃でＨ2ガス、ＡｌＣｌ3ガスおよびＣＯ2ガスにより所定の厚さの酸化アルミニウム膜を成膜した従来品を作製した。
【００３６】
上記従来例１において、結合層を作製した後、１０２０℃でＨ２ガス、ＡｌＣｌ３ガスおよびＣＯ２ガスにより酸化アルミニウム膜を作製した従来品をＸ線解析したところ、図１４に示されるＸ線回折パターンが得られた。図１４の場合、α−Ａｌ２Ｏ３のＸ線回折ピーク強度は（１１６）、（１０４）、（０１２）、（１１３）の順に強く、（１１０）ピークは弱いことがわかる。作製したこの従来例品において、上記実施例と同様に測定したＰＲ（１１０）、ＴＣ（０１２）、Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）、Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）、結晶の平均粒径、中心線平均面粗さＲａ、最大面粗さＲｍａｘを表３にまとめる。
【００３７】
【表３】
【００３８】
表３より、この従来例のものはＰＲ（１１０）が１未満であり、Ｉ（０３０）/Ｉ（１０４）とＩ（０１２）/Ｉ（０３０）とは０．１２２〜１．３０２と０．２６８〜３．０４４と１前後でばらつき、その平均粒径は酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときも２μｍを越えることがあり、膜厚が２．５μｍ以上のときは４μｍを越えることがあることがわかる。また、中心線平均面粗さＲａは膜厚が２．５μｍ以上の領域で０．６μｍを越えており、最大面粗さＲｍａｘも酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満でも２μｍを越え、かつ膜厚が２．５μｍ以上では３μｍを越えることがあることがわかる。
【００３９】
（従来例２）また、従来例１と同様にして結合層を作製した後、１０１０℃でＡｌＣｌ３ガス、Ｈ２ガス、ＣＯ２ガス、Ｈ２Ｓガスとにより所定の厚さの酸化アルミニウム膜を成膜し、その後、Ｈ２ガス４ｌ／分とＴｉＣｌ４ガス５０ｍｌ／分とＮ２ガス１．３ｌ／分を流し１０１０℃で窒化チタニウム膜を形成した従来品の代表的なＸ線回折結果を図１５に示す。図１５のα−Ａｌ２Ｏ３の場合、Ｘ線回折のピーク強度は（０１２）、（０２４）、（１１６）、（０３０）の順に強く、（１１０）ピークは弱いことがわかる。この作製した従来例品を、上記実施例と同一条件で測定したＰＲ（１１０）、ＴＣ（０１２）、Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）、Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）、結晶の平均粒径、中心線平均面粗さＲａ、最大面粗さＲｍａｘを表４にまとめる。
【００４０】
【表４】
【００４１】
表４より、Ｈ2ガス、ＡｌＣｌ3ガス、ＣＯ2ガスおよびＨ2Ｓガスとを用いて１０１０℃で酸化アルミニウム膜を成膜した従来例２のものはいずれもＰＲ（１１０）が１未満であり、Ｉ（０３０）/Ｉ（１０４）、Ｉ（０１２）/Ｉ（０３０）はそれぞれ０．２８９〜１．５４７と３．１８４〜７．８３６と１を越えていることもあることがわかる。
【００４２】
上記従来例品の切削工具各５個を用いて上記実施例と同一の連続切削テストを行った結果、従来例品はいずれも１０分間連続切削後にアルミナ膜の剥離が見られた。また、上記従来例品の切削工具各５個を上記実施例と同一条件で断続切削し、１，０００回衝撃切削後に刃先先端の欠け状況を倍率５０倍の実体顕微鏡で観察した結果、いずれにも大きな欠けが発生しており、切削工具として劣っていることが判明した。
【００４３】
以上より、酸化アルミニウム膜自体の成膜方法は同一であっても結合層の作成方法を変化させることによりその上に成膜される酸化アルミニウム膜の諸特性を制御出来ることがわかる。また、結合層はＴｉＣ／ＴｉＣＯに限るものではなく、ＴｉＮ／ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮ／ＴｉＣＮＯのいずれかまたはこれらを組み合わせた複数層でも上記実施例と同様の作用効果が得られた。また、内層膜はＴｉＣＮに限るものではなく、結合層中の非酸化層（図４中の２−２、例えばＴｉＣ／ＴｉＣＯ結合層中のＴｉＣ）と同一物（ＴｉＣ）でも上記実施例と同様の作用効果が得られた。
【００４４】
【発明の効果】
上述のように、本発明品によれば、基体表面に周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒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からなる内層膜の表面に、酸素を含有した結合層が形成され、該結合層とその表面に形成されたα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜との界面において、該酸化膜の格子縞と該結合層の格子縞とが連続しており、かつ、前記酸化膜のＸ線回析の（１１０）面ピーク強度が強い、すなわち（１１０）面配向が強いα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が形成されていることにより膜の密着性が良く、機械特性の優れた長寿命の酸化アルミニウム被覆工具が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図２】酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図３】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具の結晶の構造を示す写真である。
【図４】酸化アルミニウム被覆工具の膜構成を説明するための模式図である。
【図５】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具の膜界面の格子像を説明するための模式図である。
【図６】酸化アルミニウム表面の結晶粒径の測定方法に係わるＳＥＭ写真（ａ）、および粒径測定方法を示す模式図（ｂ）である。
【図７】酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図８】酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図９】酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図１０】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具のセラミック材料の組織写真である。
【図１１】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具のセラミック材料の組織写真である。
【図１２】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具のセラミック材料の組織写真である。
【図１３】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具の結晶構造を示す写真である。
【図１４】従来材に係わる酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図１５】従来材に係わる酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【産業上の利用分野】
本発明は、切削用及び耐摩耗用の酸化アルミニウム被覆工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、被覆工具は超硬質合金、高速度鋼、特殊鋼より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することにより作製される。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、高硬度材を高速で切削する場合に、切削工具の刃先温度は１０００℃前後まで上がるとともに、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、耐摩耗性と強靭性とを兼ね備えた被覆工具が重宝されている。
【０００３】
硬質皮膜には、耐摩耗性と靭性に優れた周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる内層膜（下地膜）や耐酸化性に優れた酸化膜が単層あるいは多層膜として用いられる。内層膜では例えばＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮが利用され、酸化膜では特にα型酸化アルミニウムやκ型酸化アルミニウム等が利用されている。炭化物、窒化物、炭窒化物等からなる非酸化膜の欠点は酸化され易いことであり、この欠点を補うため、内層膜上に耐酸化性に優れた酸化アルミニウム等の酸化膜を形成する多層膜構造を持たせることにより内層膜の酸化を防止することが行われている。
【０００４】
この内層膜／酸化膜の多層膜構造の欠点は内層膜と酸化膜との間の密着性が低いこと、あるいは高温で機械強度が安定しないことである。前記酸化膜としてκ型酸化アルミニウム膜を用いた場合、このκ型酸化アルミニウムは前記内層膜との密着性は比較的良好でありしかも１０００〜１０２０℃と比較的低温で成膜できる長所はあるものの、準安定状態のアルミナであるため高温での使用時にα型酸化アルミニウムに変態するため体積が変化し、膜中にクラックが入り、膜が剥がれるという欠点がある。これに対して、前記酸化膜としてα型酸化アルミニウムを用いた場合、このα型酸化アルミニウムは高温でも安定なアルミナ膜であり高温特性に優れる長所があるものの、内層膜の上に直接成膜するためには高温で成膜する必要があり、α型酸化アルミニウムの結晶粒径が大きくなり機械特性が低下する欠点がある。
【０００５】
このため従来より、前記内層膜の表面を酸化させ酸化膜生成の基点を形成した後に酸化アルミニウムを形成することにより１０００〜１０２０℃と比較的低温でα型酸化アルミニウムを得る手法が常用されている。図４はこのような内層膜と酸化膜の界面近傍を模式的に示したものであり、基体側に形成された内層膜３とα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１との間に結合層２が表記されている。上記のように結合層２は一般に内層膜３の表面を酸化させることにより作製され、その厚さは１μｍ以下と薄い。このため、一見内層膜３の上に直接酸化膜１が形成されているように見えるが、本発明では内層膜３上に形成された酸化層をその機能と特性を明確にするためその製法に関わらず全て結合層２として表記する。
【０００６】
上記のように結合層２を内層膜３表面の酸化により形成した後成膜したα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１は密着強度が充分ではなく、切削時に酸化膜１がその下地である内層膜３から早期に剥がれる事故が発生することがある。このためα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１と基体側に形成された内層膜３との間の密着強度を高めるために結合層２の形成方法に種々の工夫がなされてきた。例えば、特開平０６−３１６７５８号では鋳鉄に対する切削性能を向上させるため、下地（内層）にＴｉＣＮ層（図４の３）を形成した後、酸化ポテンシャルがＨ２Ｏの２０ｐｐｍ未満の濃度であるＨ２キャリアガスを用い、ＣＯ２、ＣＯ及びＡｌＣｌ３の順序に反応ガスを順次供給することによりアルミナの核形成を開始させ、核形成時の温度を約１０００℃にしてα−アルミナ膜を形成することにより、（０１２）面からの等価Ｘ線強度ＴＣ（０１２）が１．３より大きいアルミナ層を提案している。この場合、ＴｉＣＮ層（図４の３）の表面にまず酸化ポテンシャルがＨ２Ｏの２０ｐｐｍ未満の濃度であるＨ２キャリアガスおよびＣＯ２ガス、ＣＯガスを流すことによりＴｉＣＮ層表面が酸化されることにより結合層（図４中の２）が形成され、その後、更にＡｌＣｌ３を加えて流すことによりα−アルミナ膜が形成されているものと考えられる。
【０００７】
また、酸化アルミニウム自体の耐摩耗性および耐欠損性を高めるために、アルミナの成膜時にＨ2ＳガスおよびＳＯ2ガスを添加した反応ガスを用いたり（特開平０６−３１５０３号）あるいはＨ2ＳガスおよびＳＯ2ガスに加えて更に２０〜３０ｖｏｌ％のＣＯ2を用いることにより（特開平０７−１０８４０５号）、主ピークである（０３０）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ（０３０）と（１０４）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ（１０４）との比がＩ（０３０）／Ｉ（１０４）＞１、あるいはこれに加えて更に（０１２）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ（０１２）がＩ（０１２）／Ｉ（０３０）＞１なる関係にあるα型結晶を主体にした結晶構造の酸化アルミニウムを提案している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は超硬等の基板上にα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜を含む多層膜を形成して作製した切削工具を切削テストし、その破損部を詳細に評価した結果、上記のようにα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１が下地である内層膜３との界面の結合層部分（図４中の２）から剥がれたり、酸化膜自体にクラックが入り結晶粒が脱落したりしていることがわかった。本発明が解決しようとする課題はα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１とその下地（基体側の膜）である内層膜３との間にあり両膜に直接接触する結合層２の両界面の密着性あるいは結合層２自体の機械強度やα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１自体の機械強度を高めることにより、切削特性等の品質が安定した酸化アルミニウム被覆工具を提供することである。
【０００９】
一般に、前記結合層２はＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ膜等より成る内層膜３の表面をＨ２ＯとＣＯ２との混合ガスにより酸化することにより作製しているが次のように品質の良いα型酸化アルミニウムを主とした酸化膜被覆工具を安定して生産することは困難である。即ち、結合層２の成膜時に、ＣＯ２等による酸化性ガスの濃度が高いと主にＴｉ２Ｏ３（Ｘ線パターンはＡＳＴＭＮｏ．１０−６３参照）やＴｉ３Ｏ５（ＡＳＴＭＮｏ．１１−２１７）あるいはＴｉＯ２（ＡＳＴＭファイルＮｏ．２１−１２７６）が形成され、下地との密着強度が低く、酸化層（結合層）自体がもろく機械強度が低くなる欠点が生じる。一方、ＣＯ２等による酸化性ガスの濃度を下げてＴｉ２Ｏ３、Ｔｉ３Ｏ５、ＴｉＯ２が形成されないように内層膜３の酸化を行うと下地であるＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の内層膜３表面の酸化が不十分になり、酸化アルミニウムの成膜温度が１０２０℃以下ではκ型酸化アルミニウムが形成されα型酸化アルミニウムが安定して形成されず、一方酸化アルミニウムの成膜温度を１０３０℃以上にするとα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１の粒径が粗大化するとともに、中心線平均面粗さＲａや最大面粗さＲｍａｘも荒くなり被覆工具の特性が低下する欠点が生じる。
【００１０】
また、上記のように下地である内層膜３を酸化させて結合層２を作製するのではなく、内層膜３の上にＴｉＣＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ等の結合層２を新たに成膜させる方法として次のものが提案されている。特開昭６３−１９５２６８号ではアルミナ膜の内層として０．５μｍ厚さのＴｉＣＮＯ膜を図４の結合層２として１１００℃や１０３０℃で成膜し、その後アルミナ膜１をそれぞれ９６０℃と１０００℃で成膜しており、特開平０２−３０４０６号では膜厚１μｍのＴｉＣＯ膜やＴｉＣＮＯ膜を図４の結合層２として成膜した後にアルミナ膜１を形成している。また、特開平０５−３４５９７６号では膜厚０．５μｍと３μｍで粒径０．２〜１．５μｍのＴｉＣＮＯ膜やＴｉＣＯ膜をＴｉＣｌ４やＣＯ、Ｈ２、Ｎ２ガスを用いて結合層２として１０００℃で成膜した後、アルミナ膜１を１０００℃で成膜している。これら結合層２を別個に成膜する従来例の特徴はそれぞれ結合層２の成膜温度がアルミナ膜の成膜温度よりも高いこと（特開昭６３−１９５２６８号）、結合層２の膜厚が１μｍと厚いこと（特開平０２−３０４０６号）、結合層２の成膜時にＣＯガスを用いていること（特開平０５−３４５９７６号）である。結合層２の成膜時に、ＣＯ２やＨ２Ｏ等の酸化性ガスが多すぎたり成膜温度が高すぎたりすると結合層２中の酸素の含有量が多くなりすぎ上記と同様に下地の内層膜３との密着性が低下するとともに、結合層２自体の機械強度が低くなる欠点が現れ、結合層２の膜厚が１μｍと厚いと結合層を構成する酸化膜自体の機械強度が低いため結合層内で破断する欠点が現れ、ＣＯ２ガスの代わりにＣＯガスを用いると結合層２中の含有酸素量が不十分になりα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１が安定して形成されなくなる欠点が現れた。上記のように、本発明の課題は下地の内層膜３と酸化膜１とを結合する膜厚の薄い結合層２の密着性と機械強度特性とを改善することにより、内層膜３との密着性が良いとともに、粒径が小さく機械強度の優れたα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１を持つ、長寿命の酸化アルミニウム被覆工具を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記知見に基づき鋭意検討した結果、下地であるＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の内層膜３とα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１との間に形成する薄い結合層２を改質し、該結合層２と該酸化膜１間の界面において、該酸化膜の格子縞と該結合層の格子縞とを連続させることにより、内層膜３およびα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１との密着性を改善し、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１の（１１０）面のＸ線ピーク強度を強くするとともに、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１の結晶粒径を微細化することにより機械特性が改善されて前記の問題点が解消することことを見出し、本発明に想到した。
【００１２】
すなわち本発明は、基体表面に周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒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からなる内層膜、並びに少なくとも一層のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が形成されている酸化アルミニウム被覆工具において、該内層膜と該酸化膜との間に酸素を含有した結合層を設けるとともに、該酸化膜の格子縞と該結合層の格子縞とが界面において連続しており、前記酸化膜のＸ線回折の（１１０）面による等価ピーク強度ＰＲ（１１０）が１．５以上であり、且つ、Ｘ線回折最強ピーク面が（１１０）面でないことを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具である。また、前記α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときの酸化膜の平均粒径が２μｍ以下であり、その膜厚が２．５μｍ以上のときの平均粒径が４μｍ以下であることを特徴とするものである。また、前記α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の中心線平均面粗さＲａが０．６μｍ以下好ましくは０．５μｍ以下であることを特徴とするものであり、また、前記酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときのその酸化膜の最大面粗さＲｍａｘが２μｍ以下であり、前記膜厚が２．５μｍ以上のときの最大面粗さＲｍａｘが３μｍ以下であることを特徴とするものである。また、前記各膜間の密着性が高まるように、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜（図４中の１）の格子縞と、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜と直接接触する結合層（図４中の２）の格子縞とが界面において連続していることを特徴とするものである。ここで、格子縞とは、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で結晶を高倍率で観察したときに得られる格子像の縞模様の縞のことを云う。二つ以上の相接する膜（結晶）の格子像を撮影しようとした時、これらの膜の結晶方位が共に透過電子顕微鏡の入射ビームと大略平行な時にのみ両者の結晶の格子像が同時に観察される。α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１の格子縞と結合層２の各格子縞とが界面において連続しているということは即ち両結晶の結晶方位が共に入射ビームに大略平行であり、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１と結合層２の両者がエピタキシャルの関係にあることを示している。両膜の結晶方位が平行でなく片一方の結晶方位のみが透過電子顕微鏡の入射ビームに平行なときは、その結晶のみの格子像が得られ、平行でないもう片一方の結晶の格子像は得られない。また、両結晶の結晶方位が平行であっても両結晶が直接接触しておらず他の物質が介在している場合には、両結晶の格子像は得られるものの間にある介在物により格子縞が途中で中断し両者の格子縞は連続しない。また、本発明はα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の表面にチタンの窒化膜が形成されていることを特徴とするものである。また、本発明は周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の一種以上とＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの一種以上とよりなる超硬質合金を基体とすることを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具である。
【００１３】
また、本発明品の製造方法として、基体表面に周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒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からなる内層膜を成膜し、次いで、該内層膜の上に、周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか一種または二種以上からなる非酸化層と、前記非酸化層の成膜時に用いたガス構成を主として更に０．１〜５ｖｏｌ％好ましくは０．５〜３ｖｏｌ％の酸化性ガスを加え成膜温度９５０〜１０２０℃で成膜した周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒化物のいずれか一種または二種以上からなる薄層との組み合わせからなる酸素を含有した結合層を成膜し、その上にα型酸化アルミニウム主とする酸化膜を成膜することができる。
【００１４】
図１は酸化アルミニウム被覆工具の皮膜部分を試料面にして２θ−θ走査法によりＸ線回折パターンを測定したときの一例を示したものである。Ｘ線源にはＣｕのＫα１（波長λ＝１．５４０５Ａ）を用いた。本品は、従来品と同様に基体表面にＴｉＮとＴｉＣＮを成膜した後、ＴｉＣ層を薄く成膜しそのまま連続してＴｉＣの成膜に用いた構成ガスにさらにＣＯ２ガスを追加して反応させてＴｉＣＯ層を成膜することによりＴｉＣ層／ＴｉＣＯ層よりなる結合層を作製した後、その表面上にα型酸化アルミニウムを成膜したものである。図中にはα−Ａｌ２Ｏ３のＸ線ピークのみピーク面を表記し、他の形成化合物によるピーク（例えばＴｉＣＮ等。）のピーク名は表記していない。図１より、本品はα−Ａｌ２Ｏ３のＸ線ピークの（１１０）面が他のピークに比べ強いピークを示し、（０１２）ピークや（０３０）ピークの強度は弱く、（１１０）のピーク強度を越えないことがわかる。α−Ａｌ２Ｏ３の（ｈｋｌ）面からのＸ線ピーク強度を定量的に評価するために次式により（ｈｋｌ）面による等価ピーク強度ＰＲ（ｈｋｌ）とＴＣ（ｈｋｌ）とを定義した。ここでＩ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）面による実測時のＸ線回折強度を表し、Ｉ０（ｈｋｌ）はＡＳＴＭファイルＮｏ．１０−１７３（Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｆｉｌｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＪＣＰＤＳ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄａｔａ）に記載されているＸ線回折強度であり、配向が等方的である粉末粒子の（ｈｋｌ）面からのＸ線回折強度を表している。ＴＣ（ｈｋｌ）は特開平０６ー３１６７５８号中の定義と同一であり、ＰＲ（ｈｋｌ）は更に（１２４）、（０３０）のピークまで含めて同様の定義を行ったものである。ＰＲ（ｈｋｌ）、ＴＣ（ｈｋｌ）はともに、ＡＳＴＭのデータに記載された等方粒子のＸ線ピーク強度に対する、Ｘ線回折で実測した皮膜の（ｈｋｌ）面からのＸ線回折ピーク強度の相対強度を示しており、ＰＲ（ｈｋｌ）、ＴＣ（ｈｋｌ）の値が大きい程（ｈｋｌ）面からのＸ線ピーク強度が他のピーク強度よりも強く、（ｈｋｌ）方向に測定サンプルが配向していることを示す。
ＰＲ（ｈｋｌ）＝｛Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ０（ｈｋｌ）｝／［Σ｛Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ０（ｈｋｌ）｝／８］ 但し、（ｈｋｌ）＝（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）、（１２４）、（０３０）
ＴＣ（ｈｋｌ）＝｛Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ０（ｈｋｌ）｝／［Σ｛Ｉ（ｈｋｌ）／Ｉ０（ｈｋｌ）｝／６］ 但し、（ｈｋｌ）＝（０１２）、（１０４）、（１１０）、（１１３）、（０２４）、（１１６）
具体的には、図１のＰＲ（１１０）は５．０４であり、図１の（１１０）のＸ線ピーク強度が粉末粒子が示す（１１０）Ｘ線ピーク強度よりも５．０４倍強いことを示している。なお、２θが２０〜８０°の範囲内には上記の８ピーク以外に（００６）、（２０２）、（２１１）、（１２２）、（０１８）ピークも存在するがこれらのピーク強度はＩ０が１０以下でありピーク強度Ｉの少しの変化でＩ／Ｉ０が大きく変動するためＰＲ（ｈｋｌ）、ＴＣ（ｈｋｌ）の計算には含めなかった。
【００１５】
本発明品の酸化膜表面の平均結晶粒径は（株）日立製作所製の走査電子顕微鏡（Ｓ−２３００）の写真により測定し、膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下であり、膜厚が２．５μｍ以上のときは４μｍ以下であった。また、中心線平均面粗さＲａは０．６μｍ以下であり、また、最大面粗さＲｍａｘは酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下であり、膜厚が２．５μｍ以上のときは３μｍ以下であった。
【００１６】
また、本発明品の一例であるα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜と本酸化膜に直接接触しているＴｉＣ／ＴｉＣＯ結合層及びその下のＴｉＣＮ膜との界面近傍を（株）日立製作所製の透過電子顕微鏡（Ｈ−９０００ＵＨＲ）により観測したところ、後述の図３のように膜間の各界面において格子縞が連続していることが確認された。図５にこの格子縞の連続状況を模式的に示す。図５はあくまで以下に述べる原子レベルでの膜の成膜状況を説明するために示すものであり、各界面における格子縞の連続性は、格子縞間にわずかのずれ（不整合性）が許容され、格子縞の連続状況、格子縞間隔、個数等は図５に限定されるものでないことは言うまでもないことである。
【００１７】
本発明品のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の密着性や機械特性が優れる理由は明確ではないが次のことが考えられる。本発明品のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜は、Ｘ線回折時の（１１０）面ピーク強度が強く、α型酸化アルミニウムの（１１０）面が母材と平行方向に強く配向しているものである。本発明品のように作製すると、下地の内層膜（図４中の３）や結合層（図４中の２）およびα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜（図４中の１）の間にエピタキシャルの関係が成立し、即ち各膜が界面において連続的に形成（格子縞が連続的に形成）されるため、α型酸化アルミニウムの（１１０）面が面内に強く配向し、同時に、下地の内層膜３や結合層２と酸化膜１との界面に空孔や、大きな欠陥が非常に生じにくく、膜相互の密着性が高くなるものと考えられる。このような意味で、前記格子縞の連続性（エピタキシャルの関係）はすべての界面で成立する必要はなく、透過電子顕微鏡により結合層近傍を５万倍で観察したときに上記格子縞の連続性（エピタキシャルの関係）が認められる領域が存在すれば、本発明による優れた作用効果を獲得することができる。本発明において下地に用いるＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等の内層膜（図４中の３）及び結合層（図４中の２に対応し、例えば、ＴｉＣ／ＴｉＣＯ、ＴｉＮ／ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮ／ＴｉＣＮＯ等。）の両者はｆｃｃ結晶構造を持っており、これらの膜がエピタキシャルに成長するとα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１は（１１０）方向に配向しやすくなるものと考えられる。また、（１１０）面による等価Ｘ線ピーク強度ＰＲ（１１０）が１．５以上であることにより、通常は粉末状にして測定する等方的に配向したα型酸化アルミニウムが示す（１１０）Ｘ線ピーク強度（即ち、ＡＳＴＭファイルＮｏ．１０−１７３に記載されているＸ線強度）よりも本開発品の（１１０）Ｘ線ピーク強度が１．５倍以上であり、（１１０）面が１．５倍以上配向していることになり、上記の理由で密着性が優れることがわかる。本発明において、（１１０）ピーク強度が強いときは（０１２）ピーク強度や（０３０）ピーク強度は相対的に弱くなる傾向がみられる。ＰＲ（１１０）の強度が大略１倍以上の時、ＴＣ（０１２）は１．３以下であり、ＰＲ（１１０）の強度が大きくなるとともにＴＣ（０１２）値は小さくなり、ＰＲ（１１０）＝８付近ではＴＣ（０１２）は約０．１になる。ＰＲ（１１０）が１以上では、（０３０）ピークと（１０４）ピークの強度比Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）は０〜９．９７と値がばらつき、（０１２）ピークと（０３０）ピークの強度比Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）は０．０８〜６３．０６と値がばらつきＰＲ（１１０）とＩ（０３０）／Ｉ（１０４）やＩ（０１２）／Ｉ（０３０）との相関は見られなかった。本開発品は（１１０）ピークが特に強く（０３０）ピークや（０１２）ピークは相対的に弱くなっており、（０３０）ピークや（０１２）ピークの強度が大きい特開平０６−３１５０３号や特開平０７−１０８４０５号のアルミナ膜とは本質的に異なるものであることがわかる。
【００１８】
本発明の酸化アルミニウム被覆工具は、内層膜と結合層およびα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜とがエピタキシャルに成長するため、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜を比較的低温度で密着性高く成膜出来る。したがって、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の平均結晶粒径をこの酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下、前記膜厚が２．５μｍ以上のときは４μｍ以下に成膜出来、また、前記酸化膜の中心線平均面粗さＲａを０．６μｍ以下、最大面粗さＲｍａｘを前記酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下でかつその膜厚が２．５μｍ以上のときは３μｍ以下にする事が出来る。上記のように、本発明ではα型酸化アルミニウムを主とした酸化膜の粒径と中心線平均面粗さＲａ、最大面粗さＲｍａｘが小さいため切削加工等の工具として使用したときの摩擦が少なく、膜の磨耗や脱粒が少なくなり、優れた機械特性が得られたものと考えられる。同様の理由で膜表面の中心線平均面粗さＲａは０．５μｍ以下が望ましく、α型酸化アルミニウムを主とした酸化膜の磨耗や脱粒が更に少なくなり工具特性が更に向上する。
【００１９】
次に、本発明による新規な酸化アルミニウム被覆工具を得る製造方法について解説する。本発明品は、周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒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からなる内層膜（図４中の３）を成膜した後、まず周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のいずれか一種または二種以上からなる非酸化層（図４中の２−２）を薄く成膜し、そのまま連続してこの非酸化層の成膜を構成したガスを主として更に０．１〜５．０ｖｏｌ％の酸化性ガスを加えて成膜温度９５０〜１０２０℃で薄層（図４中の２−１）を成膜することにより酸素を含有した結合層（図４中の２）を成膜した後、その上にα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜（図４中の１）を成膜することにより製造できる。このように非酸化層（図４中の２−２）を成膜することにより、非酸化層（図４中の２−２）と下地である内層膜３との間にエピタキシャル関係が得やすくなり内層膜３と結合層２との間に高い密着性が得られ、更に連続して酸化性ガスを加えて成膜した薄層（図４中の２−１）によりα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜１との間にエピタキシャル関係が得やすくなり結合層２と酸化膜１との間に高い密着性が得られ、膜剥がれを起こし難く、長寿命の酸化アルミニウム被覆工具を製造することができる。この時、結合層内を連続的に成膜するため、薄層２−１を成膜するときに、非酸化層２−２の成膜用ガス成分に追加する酸化性ガス量は全ガス流量の０．１〜５ｖｏｌ％である必要がある。酸化性ガス量が０．１ｖｏｌ％未満では結合層表面の酸素量が少ないため結合層上にκ型酸化アルミニウムが出来やすくなり、安定してα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が成膜出来ず、５ｖｏｌ％を越えると結合層の酸化が進みすぎＴｉ２Ｏ３、Ｔｉ３Ｏ５、ＴｉＯ２等が多く成膜されるため結合層自体の機械的強度が低下しα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が結合層内で剥離しやすくなる欠点が生じる。また、成膜温度が９５０℃未満の時は緻密な結合層を成膜出来ず膜剥がれを生じやすく、１０２０℃を越える時は結合層の結晶粒が粗くしかも酸化が進みすぎ膜剥がれを生じやすくなる。また、本発明のα型酸化アルミニウムの成膜にはＡｌＣｌ３やＨ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ等のガスを用い酸化膜を成膜でき、毒性や腐食性の高いＳＯ２ガスを用いる必要はなく、またＣＯ２ガス量も通常の流量である２０ｖｏｌ％以下で成膜出来るため安定してα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜を成膜することができる。
【００２０】
本発明のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜は、必ずしも最外層である必要はなく、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の上に更に少なくとも一層のチタン化合物（例えばＴｉＮ層等。）を被覆しても良い。
【００２１】
本発明における被覆方法には既知の成膜方法を適用することが可能である。例えば、通常の化学蒸着法（熱ＣＶＤ）、プラズマを付加した化学蒸着法（ＰＡＣＶＤ）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、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜を含む単層あるいは多層の硬質皮膜により被覆された耐摩耗材や金型、溶湯部品等でも良い。酸化膜はα型酸化アルミニウム単相に限るものではなく、α型酸化アルミニウムが主であれば、他の酸化物、例えばα型酸化アルミニウムとκ型酸化アルミニウムとの混合膜や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等、他の酸化アルミニウムとの混合膜あるいはα型酸化アルミニウムと酸化ジルコニウム等他の酸化物との混合膜であっても同様の効果が得られる。なお、本発明のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜とは、８０ｖｏｌ％以上のα型酸化アルミニウムを含むものをいう。
【００２２】
次に本発明による被覆工具を実施例によって具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例の範囲に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００２３】
（実施例１）
ＷＣ７２％、ＴｉＣ８％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ１１％、Ｃｏ９％（％はいずれも重量％を示す。）の組成よりなる切削工具用超硬基板をＣＶＤ炉内にセットし、その表面に、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を９００℃でまず形成し、次に、Ｈ２キャリヤーガスとＴｉＣｌ４ガスとＣＨ３ＣＮガスを原料ガスに用い６μｍ厚さのＴｉＣＮ膜を９００℃で成膜することにより内層膜（図４中の３）を形成した後、９５０〜１０２０℃でＨ２キャリヤーガスとＴｉＣｌ４ガスとＣＨ４ガスとをトータル２、２００ｍｌ／分を５〜３０分間流してまず非酸化層（図４中の２−２）を成膜し、そのまま連続して本構成ガスに更に２．２〜１１０ｍｌ／分のＣＯ２ガスを追加して薄層（図４中の２−１）を５〜３０分間成膜することによりＴｉＣ層とＴｉＣＯ層とが薄く積層されたＴｉＣ／ＴｉＣＯ結合層（図４中の２）を作製した。その後、続いてＡｌ金属小片を詰め３５０℃に保温した小筒中にＨ２ガスを流量３１０ｍｌ／分とＨＣｌガス１３０ｍｌ／分とを流すことにより発生させたＡｌＣｌ３ガスとＨ２ガス２ｌ／分とＣＯ２ガス１００ｍｌ／分とをＣＶＤ炉内に流し１０１０〜１０２０℃で反応させることにより所定の厚さの酸化アルミニウム膜（図４中の１）を成膜し比較例品１と本発明品２〜７を作製した。酸化アルミニウム膜の成膜時にＳＯ２ガスは流さなかった。
【００２４】
作製した膜のＸ線回折は理学電気（株）製のＸ線回折装置（ＲＵ−３００Ｒ）を用いて２θ−θ法により２θが２０〜９０°の範囲内で測定した。Ｘ線源にはＫα１線のみを用い、装置に内蔵されたソフトによりＫα２線とノイズとを除去して測定した。
【００２５】
ＴｉＣ／ＴｉＣＯ結合層まで成膜した後、ＡｌＣｌ３ガスとＨ２ガス２ｌ／分とＣＯ２ガス１００ｍｌ／分とを流し１０２０℃で酸化アルミニウムを成膜したときの代表的な２つのＸ線回折測定結果を図１、図２に示す。図中にはα−Ａｌ２Ｏ３のＸ線ピークのみピーク面を表記し、他の形成化合物のピーク（例えばＴｉＣＮ等。）のピーク名は表記していない。図１、２よりα（１１０）ピークが強く、α（０１２）やα（１０４）、α（０３０）等のピークは小さいことがわかる。図１の場合Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）＜１、Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）＞１であり、図２の場合Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）＞１、Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）＞１となっている。同様に測定した実施例１の比較例品１と本発明品２〜７のＰＲ（１１０）とＴＣ（０１２）およびＩ（０３０）／Ｉ（１０４）、Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）の評価結果を表１にまとめる。
【００２６】
【表１】
【００２７】
酸化アルミニウム膜の平均粒径は酸化アルミニウム膜表面を図６（ａ）に示す通り倍率５０００倍でＳＥＭ写真に撮り（写真上の倍率は５０００×０．８＝４０００倍）、この図６（ａ）に対応した図６（ｂ）の模式図に示すように寸法が７０ｍｍ×８５ｍｍのＳＥＭ写真上に上から１６．５ｍｍ,３５ｍｍ,５２．５ｍｍの各位置に横方向に引いた直線と写真の対角線を結んだ直線二本、計五本を引き、各直線内にある結晶粒の数から次式により平均粒径を求めた。
平均粒径（μｍ）＝（直線の総長さ（ｍｍ））／（直線内の結晶粒の総数（ケ））×０．２５上記図６（ａ），図６（ｂ）は上記平均粒径の測定の一例を示したもので、直線の総長さは４７５ｍｍ、直線内の結晶粒の総数は８５ケであり、平均結晶粒径は１．４μｍであった。酸化アルミニウム膜表面の中心線平均面粗さＲａはＶｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｓ Ｉｎｃ．社製の触診型の表面粗さ計ＤＥＫＴＡＫ８０００を用いて測定長０．２５ｍｍで測定し、最大面粗さＲｍａｘはＬａｓｅｒｔｅｃ（株）社製のレーザー顕微鏡１ＬＭ１１を用いて測定長１８μｍで測定した。その時の酸化アルミニウム膜厚は表面粗さを測定した試料の破断面を倍率５０００倍でＳＥＭ写真に撮り測定した。上記測定長１８μｍでＲｍａｘを測定することにより異物等による測定誤差を抑えアルミナ膜本来のＲｍａｘを測定できた。これらの評価結果を表１にまとめる。
【００２８】
表１より本発明品２〜７はＰＲ（１１０）が１．５以上でありＴＣ（０１２）は１．３以下であること、Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）とＩ（０１２）／Ｉ（０３０）とはＰＲ（１１０）と相関が無くそれぞれ０．１５４〜４．３６９と０．０８２〜１１．６９３と値がばらつき一貫性がないことがわかる。また、表１より本発明品の平均粒径が酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下であり、膜厚が２．５μｍ以上のときは４μｍ以下であること、中心線平均面粗さＲａは０．６μｍ以下であり、最大面粗さＲｍａｘは酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下であり、膜厚が２．５μｍ以上のときのＲｍａｘは３μｍ以下であることがわかる。
【００２９】
（実施例２）上記実施例１の手順で、０．３μｍ厚さのＴｉＮを９００℃で、６μｍ厚さのＴｉＣＮ膜を９００℃で形成した後、ＴｉＣ／ＴｉＣＯ結合層を９５０〜１０１０℃で成膜した。次いで、ＡｌＣｌ３ガスとＨ２ガス２ｌ／分とＣＯ２ガス１００ｍｌ／分およびＨ２Ｓガス８ｍｌ／分とをＣＶＤ炉内に流し１０１０℃で酸化アルミニウムを成膜し、その後、Ｈ２ガス４ｌ／分とＴｉＣｌ４ガス５０ｍｌ／分とＮ２ガス１．３ｌ／分を流し１０１０℃で窒化チタニウム膜を形成した時の代表的な３つのＸ線回折測定結果を図７、図８、図９に示す。また、実施例２による比較例品２１と本発明品２２、２３、２４、２７の評価結果を表２にまとめる。
【００３０】
【表２】
【００３１】
図７、８、９よりα（１１０）ピークが強く、α（０１２）やα（１０４）、α（０３０）等のピークは小さいことがわかる。この相対的に弱いα（０１２）、α（１０４）、α（０３０）ピークに関し、図７の場合Ｉ（０３０）/Ｉ（１０４）＜１、Ｉ（０１２）/Ｉ（０３０）＞１であり、図８の場合Ｉ（０３０）/Ｉ（１０４）＞１、Ｉ（０１２）/Ｉ（０３０）＜１であり、図９の場合Ｉ（０３０）/Ｉ（１０４）＞１、Ｉ（０１２）/Ｉ（０３０）＞１となっていることがわかる。
【００３２】
表２よりＨ２Ｓガスを用いて酸化アルミニウム膜を成膜した本発明品２２、２３、２４、２７はＰＲ（１１０）が１．５以上でありＴＣ（０１２）は１．３以下であること、Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）とＩ（０１２）／Ｉ（０３０）とはＰＲ（１１０）と相関が無く、値がばらつき一貫性がないことがわかる。また、表２より本発明品の平均粒径が酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときは２μｍ以下であり、かつ膜厚が２．５μｍ以上のときは４μｍ以下であること、中心線平均面粗さＲａは０．６μｍ以下であることがわかる。
【００３３】
本発明品の表１中のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜（図４中の１に対応。）及び結合層（図４中の２に対応。）と内層膜（図４中の３に対応。）近傍の破断面を電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）で観察した写真を図１０と図１１に示す。図１０は倍率２万倍で、図１１は５万倍で結合層付近を撮影したものである。図１０、図１１を始めとする本発明品の破断面のＦＥ−ＳＥＭ写真より、本発明品は、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜と下地である内層膜との間に厚さが１００〜５００ｎｍで粒径が２０〜１６０ｎｍの結合層が形成されていることがわかる。図１２は上記本発明品の結合層近傍の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真である。図中、内層膜であるＴｉＣＮの結晶粒（図１２中Ｂ４，Ｂ５はその一部）上に結合層（図１２中Ｂ６，Ｂ７はその一部）が形成されその上にα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が形成されている。図３は図１２のａ部、即ち、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜と結合層との界面近傍の格子像写真を示したもので、写真の上方向から順に、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜、α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜／結合層の界面、結合層が写っている。図３よりα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜と結合層との界面において格子縞が連続していることがわかる。なお、図３はα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜／結合層の界面がＴＥＭ写真面に垂直ではなく斜めに写っているものである。また、図１２における結合層と下地の内層膜との界面（図１２中のｂ付近）を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で同様に観測した結果、結合層と内層膜とは互いにエピタキシャルの関係にあり、格子が連続的に成長していることが確認された。図１３は本発明品の表２中の試料２２について結合層とα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜との界面近傍を観察したものである。図１３の上方向が酸化膜の上面方向で、図１３の中央部に結合層の格子面が見られ、その両側にα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の格子面が見られる。結合層と図中右側のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の粒子及び結合層と図中左側のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の粒子との両界面において格子縞が連続していることがわかる。なお、図１３の右側の界面はα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜／結合層の界面がＴＥＭ写真面に比較的垂直に写っているものである。
【００３４】
次に、実施例１および実施例２の条件で製作した比較例品と本発明品の切削工具各５個を用いて、鋳物の被削材を以下の条件で１時間連続切削した後にアルミナ膜の剥離状況を倍率２００倍の光学顕微鏡により観察し、評価した。
被削材ＦＣ２５（ＨＢ２３０）
切削速度３００ｍ／ｍｉｎ
送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み２．０ｍｍ
水溶性切削油使用
この切削試験の結果、上記比較例品と本発明品はいずれも１時間連続切削後もアルミナ膜の剥離が見られず切削工具として優れていること、また、ＰＲ（１１０）が１．５以上の時は１．５時間連続切削後もアルミナ膜の剥離が見られず更に優れていることが判明した。また、上記比較例品と本発明品の切削工具各５個を以下の条件で断続切削し、１０００回衝撃切削後に刃先先端の欠け状況を倍率５０倍の実体顕微鏡で観察し、評価した。
被削材ＳＣＭ材
切削条件１００ｍ／ｍｉｎ
送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み２．０ｍｍ
切削試験後、上記比較例品と本発明品はいずれも刃先に欠損不良を発生すること無く使用でき、長寿命であった。また、ＰＲ（１１０）が２以上で、中心線平均面粗さＲａが０．５μｍ以下の時は１、５００回衝撃切削後にも刃先に欠損不良を発生すること無く使用でき更に優れていることが判明した。
【００３５】
（従来例１）結合層の作製方法の差異によるα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の諸特性及び切削特性への影響を明らかにするために、本発明品と同様にＷＣ７２％、ＴｉＣ８％、（Ｔａ、Ｎｂ）Ｃ１１％、Ｃｏ９％（％はいずれも重量％を示す。）の組成よりなる切削工具用超硬基板の表面に０．３μｍ厚さのＴｉＮ膜と６μｍ厚さのＴｉＣＮ膜を形成した後、Ｈ2キャリヤーガスとＴｉＣｌ4ガスとＣＨ4ガスを原料ガスに用い１０１０℃で５〜３０分間反応させＴｉＣ膜を成膜した後、ＴｉＣｌ4ガスとＣＨ4ガスとを止め、作製したＴｉＣ膜上にＨ2キャリヤーガスとＣＯ2ガスとを流して１０１０℃で１５分間ＴｉＣ膜を酸化することにより結合層を作製した。その後、実施例１と同一の条件で１０２０℃でＨ2ガス、ＡｌＣｌ3ガスおよびＣＯ2ガスにより所定の厚さの酸化アルミニウム膜を成膜した従来品を作製した。
【００３６】
上記従来例１において、結合層を作製した後、１０２０℃でＨ２ガス、ＡｌＣｌ３ガスおよびＣＯ２ガスにより酸化アルミニウム膜を作製した従来品をＸ線解析したところ、図１４に示されるＸ線回折パターンが得られた。図１４の場合、α−Ａｌ２Ｏ３のＸ線回折ピーク強度は（１１６）、（１０４）、（０１２）、（１１３）の順に強く、（１１０）ピークは弱いことがわかる。作製したこの従来例品において、上記実施例と同様に測定したＰＲ（１１０）、ＴＣ（０１２）、Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）、Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）、結晶の平均粒径、中心線平均面粗さＲａ、最大面粗さＲｍａｘを表３にまとめる。
【００３７】
【表３】
【００３８】
表３より、この従来例のものはＰＲ（１１０）が１未満であり、Ｉ（０３０）/Ｉ（１０４）とＩ（０１２）/Ｉ（０３０）とは０．１２２〜１．３０２と０．２６８〜３．０４４と１前後でばらつき、その平均粒径は酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときも２μｍを越えることがあり、膜厚が２．５μｍ以上のときは４μｍを越えることがあることがわかる。また、中心線平均面粗さＲａは膜厚が２．５μｍ以上の領域で０．６μｍを越えており、最大面粗さＲｍａｘも酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満でも２μｍを越え、かつ膜厚が２．５μｍ以上では３μｍを越えることがあることがわかる。
【００３９】
（従来例２）また、従来例１と同様にして結合層を作製した後、１０１０℃でＡｌＣｌ３ガス、Ｈ２ガス、ＣＯ２ガス、Ｈ２Ｓガスとにより所定の厚さの酸化アルミニウム膜を成膜し、その後、Ｈ２ガス４ｌ／分とＴｉＣｌ４ガス５０ｍｌ／分とＮ２ガス１．３ｌ／分を流し１０１０℃で窒化チタニウム膜を形成した従来品の代表的なＸ線回折結果を図１５に示す。図１５のα−Ａｌ２Ｏ３の場合、Ｘ線回折のピーク強度は（０１２）、（０２４）、（１１６）、（０３０）の順に強く、（１１０）ピークは弱いことがわかる。この作製した従来例品を、上記実施例と同一条件で測定したＰＲ（１１０）、ＴＣ（０１２）、Ｉ（０３０）／Ｉ（１０４）、Ｉ（０１２）／Ｉ（０３０）、結晶の平均粒径、中心線平均面粗さＲａ、最大面粗さＲｍａｘを表４にまとめる。
【００４０】
【表４】
【００４１】
表４より、Ｈ2ガス、ＡｌＣｌ3ガス、ＣＯ2ガスおよびＨ2Ｓガスとを用いて１０１０℃で酸化アルミニウム膜を成膜した従来例２のものはいずれもＰＲ（１１０）が１未満であり、Ｉ（０３０）/Ｉ（１０４）、Ｉ（０１２）/Ｉ（０３０）はそれぞれ０．２８９〜１．５４７と３．１８４〜７．８３６と１を越えていることもあることがわかる。
【００４２】
上記従来例品の切削工具各５個を用いて上記実施例と同一の連続切削テストを行った結果、従来例品はいずれも１０分間連続切削後にアルミナ膜の剥離が見られた。また、上記従来例品の切削工具各５個を上記実施例と同一条件で断続切削し、１，０００回衝撃切削後に刃先先端の欠け状況を倍率５０倍の実体顕微鏡で観察した結果、いずれにも大きな欠けが発生しており、切削工具として劣っていることが判明した。
【００４３】
以上より、酸化アルミニウム膜自体の成膜方法は同一であっても結合層の作成方法を変化させることによりその上に成膜される酸化アルミニウム膜の諸特性を制御出来ることがわかる。また、結合層はＴｉＣ／ＴｉＣＯに限るものではなく、ＴｉＮ／ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮ／ＴｉＣＮＯのいずれかまたはこれらを組み合わせた複数層でも上記実施例と同様の作用効果が得られた。また、内層膜はＴｉＣＮに限るものではなく、結合層中の非酸化層（図４中の２−２、例えばＴｉＣ／ＴｉＣＯ結合層中のＴｉＣ）と同一物（ＴｉＣ）でも上記実施例と同様の作用効果が得られた。
【００４４】
【発明の効果】
上述のように、本発明品によれば、基体表面に周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒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からなる内層膜の表面に、酸素を含有した結合層が形成され、該結合層とその表面に形成されたα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜との界面において、該酸化膜の格子縞と該結合層の格子縞とが連続しており、かつ、前記酸化膜のＸ線回析の（１１０）面ピーク強度が強い、すなわち（１１０）面配向が強いα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が形成されていることにより膜の密着性が良く、機械特性の優れた長寿命の酸化アルミニウム被覆工具が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図２】酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図３】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具の結晶の構造を示す写真である。
【図４】酸化アルミニウム被覆工具の膜構成を説明するための模式図である。
【図５】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具の膜界面の格子像を説明するための模式図である。
【図６】酸化アルミニウム表面の結晶粒径の測定方法に係わるＳＥＭ写真（ａ）、および粒径測定方法を示す模式図（ｂ）である。
【図７】酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図８】酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図９】酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図１０】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具のセラミック材料の組織写真である。
【図１１】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具のセラミック材料の組織写真である。
【図１２】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具のセラミック材料の組織写真である。
【図１３】本発明に係わる酸化アルミニウム被覆工具の結晶構造を示す写真である。
【図１４】従来材に係わる酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
【図１５】従来材に係わる酸化アルミニウム被覆工具のＸ線回折パターンを示す図である。
Claims (6)
- 基体表面に周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸炭化物、酸窒化物および酸炭窒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からなる内層膜、並びに少なくとも一層のα型酸化アルミニウムを主とする酸化膜が形成されている酸化アルミニウム被覆工具において、該内層膜と該酸化膜との間に酸素を含有した結合層を設けるとともに、該酸化膜の格子縞と該結合層の格子縞とが界面において連続しており、前記酸化膜のＸ線回折の（１１０）面による等価ピーク強度ＰＲ（１１０）が１．５以上であり、且つ、Ｘ線回折最強ピーク面が（１１０）面でないことを特徴とする酸化アルミニウム被覆工具。
- 前記α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときの酸化膜の平均粒径が２μｍ以下であり、前記膜厚が２．５μｍ以上のときの平均粒径が４μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の酸化アルミニウム被覆工具。
- 前記α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の中心線平均面粗さＲａが０．６μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の酸化アルミニウム被覆工具。
- 前記α型酸化アルミニウムを主とする酸化膜の膜厚が２．５μｍ未満のときのその酸化膜の最大面粗さＲｍａｘが２μｍ以下であり、前記膜厚が２．５μｍ以上のときの最大面粗さＲｍａｘが３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の酸化アルミニウム被覆工具。
- 前記α型酸化アルミニウムを主とする前記酸化膜の表面にチタンの窒化膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の酸化アルミニウム被覆工具。
- 周期律表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の一種以上とＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの一種以上とよりなる超硬質合金を基体とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれかに記載の酸化アルミニウム被覆工具。
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