JP4576638B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料の切削加工等に使用される表面被覆切削工具に関する。

近年、金属材料の切削加工においては高能率化の要求が高く、切削速度を高速化させることが求められている。このため、切削工具の基材表面を被覆する被膜に対して耐熱性（耐酸化性）や耐摩耗性を向上させることが要求されている。

したがって、このような要求を満足するべく上記被膜の開発が種々行なわれている。たとえば、そのような被膜としてＡｌとＣｒとを含む特定組成の化合物を用いること（所謂ＡｌＣｒ系被膜）が提案されている（特表２００６−５２４７４８号公報（特許文献１））。この提案によると、耐熱性や耐摩耗性をある程度向上させることは可能であるが、このようなＡｌＣｒ系被膜固有の問題として脆性を示すことから切削時の衝撃等により被膜自体が破壊したり剥離するという問題があった。

一方、ＴｉとＳｉとを含む特定組成の化合物を被膜として用いること（所謂ＴｉＳｉ系被膜）により耐熱性や耐摩耗性を向上させるという試みも古くから行なわれてきた。しかし、このようなＴｉＳｉ系被膜も上記ＡｌＣｒ系被膜と同様に脆性を示すことから、被膜自体が破壊したり剥離するという問題があった。そこで、ＴｉとＡｌとを含む特定組成の化合物からなる被膜（ＴｉＡｌ系被膜）とこのようなＴｉＳｉ系被膜とを交互に積層させることにより、このような問題を解決することが提案されている（特開２０００−３３４６０６号公報（特許文献２））。しかしながら、このような提案によっても、過酷な切削条件下においては被膜自体の破壊や剥離を十分に防止することができない場合があった。

これに対して、ＡｌとＳｉとを含む特定組成の複数の層を交互に積層させることにより脆性を改良することが提案されているが（特開２００６−１３７９８２号公報（特許文献３））、Ａｌおよび／またはＳｉを含む層は固有的に脆性を示す傾向にあるため、被膜の破壊や剥離の問題を十分に解消するには至っていない。
特表２００６−５２４７４８号公報 特開２０００−３３４６０６号公報 特開２００６−１３７９８２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耐熱性と耐摩耗性を維持しつつ、脆性の問題を低減した被膜を有する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、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、第１超多層膜と第２超多層膜とを各々１以上交互に積層させてなる複合超多層膜を含み、上記第１超多層膜は、Ａ１層とＢ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成され、上記第２超多層膜は、Ａ２層とＣ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成され、上記Ａ１層と上記Ａ２層とは、各々ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、またはＴｉＡｌＣＮのいずれかにより構成され、上記Ｂ層は、ＴｉＳｉＮまたはＴｉＳｉＣＮにより構成され、上記Ｃ層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮにより構成されることを特徴としている。

ここで、上記Ａ１層と上記Ａ２層とは、同じ組成であることが好ましく、上記第１超多層膜と上記第２超多層膜とは、各々０．１μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有し、かつ上記第１超多層膜の厚みをＸ、上記第２超多層膜の厚みをＹとする場合、厚み比Ｙ／Ｘは０．５以上４以下となることが好ましい。

また、上記Ａ１層、上記Ａ２層、上記Ｂ層、および上記Ｃ層は、各々４０ｎｍ以下の厚みを有し、かつ上記Ａ１層の厚みをＸａ、上記Ｂ層の厚みをＸｂとする場合、厚み比Ｘｂ／Ｘａは０．２以上３以下であり、かつ上記Ａ２層の厚みをＹａ、上記Ｃ層の厚みをＹｃとする場合、厚み比Ｙｃ／Ｙａは０．２以上３以下であることが好ましい。また、上記複合超多層膜は、１．０μｍ以上８．０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。

また、上記被膜は、さらに中間層を含み、この中間層は、上記基材の直上に０．１μｍ以上１．０μｍ以下の厚みで形成され、かつＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮのいずれかにより構成されることが好ましい。

また、上記被膜は、さらに表面層を含み、この表面層は、上記被膜の最上層として０．１μｍ以上２．０μｍ以下の厚みで形成されることが好ましい。このような表面層は、上記第２超多層膜により構成されることが好ましい。また、このような表面層は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮのいずれかにより構成されることも好ましい。

また、上記被膜は、物理蒸着法により形成されることが好ましく、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、耐熱性と耐摩耗性を維持しつつ、脆性の問題を低減した被膜を有するものである。

アークイオンプレーティング装置の概略図である。

符号の説明

１，２，３，４ 蒸発源、５ チャンバー、６ 基材ホルダー、７ 基材、１０ アークイオンプレーティング装置。

以下、本発明について、詳細に説明する。なお、本発明において、被膜の厚みは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により測定し、被膜の組成はエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）により測定するものとする。

＜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。このような基本的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＞
本発明の被膜は、第１超多層膜と第２超多層膜とを各々１以上交互に積層させてなる複合超多層膜を含むことを特徴とするものである。そして、この第１超多層膜を、Ａ１層とＢ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成し、また第２超多層膜を、Ａ２層とＣ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成し、かつ上記Ａ１層と上記Ａ２層とは、各々ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、またはＴｉＡｌＣＮのいずれかにより構成し、上記Ｂ層は、ＴｉＳｉＮまたはＴｉＳｉＣＮにより構成し、上記Ｃ層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮにより構成している。

このように、耐熱性や耐摩耗性に優れる上記Ｂ層とＣ層との各々に対して、上記Ａ１層とＡ２層とを各々積層させたことにより、耐熱性や耐摩耗性に優れるというＢ層とＣ層の本来の好適な特性を維持しつつ、脆性を示すというデメリットを巧みに解消させたものである。しかも、Ｂ層を含む第１超多層膜とＣ層を含む第２超多層膜とを交互に積層させたことにより、各超多層膜を単独で形成させた場合に比し、被膜強度を飛躍的に向上させることに成功したものである。恐らくこの理由は、上記の各超多層膜を各単独で形成させた場合には、その厚みが厚くなるのに従って脆性を示す傾向が増大するのに対して、これらの両超多層膜を交互に積層することにより各超多層膜単位の厚みを薄く制御することが可能になったためであると考えられる。

なお、本発明の被膜は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被膜が形成されていない態様をも含み、さらにまた部分的に被膜の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。

また、本発明の被膜は、上記の複合超多層膜以外に、後述の中間層や表面層のような他の層を含むこともできる。なお、このような被膜の厚み（総膜厚）は、１μｍ以上１１μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が９μｍ以下、さらに好ましくは７μｍ以下、その下限が１．２μｍ以上、さらに好ましくは１．５μｍ以上である。その厚みが１μｍ未満の場合、耐熱性や耐摩耗性が十分に示されない場合があり、１１μｍを超えると強度が低下するため好ましくない場合がある。

なお、本発明においては被膜を構成する構成単位に対して「膜」または「層」という名称を用いているが、これは便宜的なものであって両者を明確に区別することを意図するものではない。

＜複合超多層膜＞
本発明の複合超多層膜は、第１超多層膜と第２超多層膜とを各々１以上交互に積層させてなる構成を有している。このような複合超多層膜の厚みは、１．０μｍ以上８．０μｍ以下と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６μｍ以下、その下限が１．２μｍ以上、さらに好ましくは１．５μｍ以上である。その厚みが１．０μｍ未満の場合、耐熱性や耐摩耗性が十分に示されない場合があり、８．０μｍを超えると強度が低下するため好ましくない場合がある。

なお、複合超多層膜を構成する第１超多層膜と第２超多層膜の積層数は、特に限定されるものではないが、それぞれを３層以上１５層以下とすることが製造効率上好ましい。また、第１超多層膜と第２超多層膜の積層順序も特に限定されることはない。すなわち、第１超多層膜と第２超多層膜のいずれから積層を開始してもよく（すなわち基材側が第１超多層膜であってもよいし第２超多層膜であってもよい）、またいずれによっても積層を終了することができる（すなわち被膜表面側も第１超多層膜であってもよいし第２超多層膜であってもよい）。

＜第１超多層膜＞
本発明の第１超多層膜は、Ａ１層とＢ層とを各々１層以上交互に積層させてなる構成を有している。このような第１超多層膜の厚みは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が０．４５μｍ以下、さらに好ましくは０．４μｍ以下、その下限が０．１５μｍ以上、さらに好ましくは０．２μｍ以上である。その厚みが０．１μｍ未満の場合、Ａ１層とＢ層とを均一に積層させることが困難となり、十分な性能の向上を達成することができないとともに品質が均一にならないという問題を有する傾向を示す。また、その厚みが０．５μｍを超えると強度が低下し被膜剥離を生じるため好ましくない場合がある。

なお、第１超多層膜を構成するＡ１層とＢ層の積層数は、特に限定されるものではないが、それぞれを２層以上５０層以下とすることが製造効率上好ましい。また、Ａ１層とＢ層の積層順序も特に限定されることはない。すなわち、Ａ１層とＢ層のいずれから積層を開始してもよく（すなわち基材側がＡ１層であってもよいしＢ層であってもよい）、またいずれによっても積層を終了することができる（すなわち被膜表面側もＡ１層であってもよいしＢ層であってもよい）。

なお、複合超多層膜を構成することとなる各第１超多層膜は、組成や厚み等の性状（Ａ１層およびＢ層の組成や厚み等）が実質的に同一となるものであるが、製造条件等により互いに異なっていても本発明の範囲を逸脱するものではない。

＜第２超多層膜＞
本発明の第２超多層膜は、Ａ２層とＣ層とを各々１層以上交互に積層させてなる構成を有している。このような第２超多層膜の厚みは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が０．４５μｍ以下、さらに好ましくは０．４μｍ以下、その下限が０．１５μｍ以上、さらに好ましくは０．２μｍ以上である。その厚みが０．１μｍ未満の場合、Ａ２層とＣ層とを均一に積層させることが困難となり、十分な性能の向上を達成することができないとともに品質が均一にならないという問題を有する傾向を示す。また、その厚みが０．５μｍを超えると強度が低下し被膜剥離を生じるため好ましくない場合がある。

なお、第２超多層膜を構成するＡ２層とＣ層の積層数は、特に限定されるものではないが、それぞれを２層以上５０層以下とすることが製造効率上好ましい。また、Ａ２層とＣ層の積層順序も特に限定されることはない。すなわち、Ａ２層とＣ層のいずれから積層を開始してもよく（すなわち基材側がＡ２層であってもよいしＣ層であってもよい）、またいずれによっても積層を終了することができる（すなわち被膜表面側もＡ２層であってもよいしＣ層であってもよい）。

なお、複合超多層膜を構成することとなる各第２超多層膜は、組成や厚み等の性状（Ａ２層およびＣ層の組成や厚み等）が実質的に同一となるものであるが、製造条件等により互いに異なっていても本発明の範囲を逸脱するものではない。

＜第１超多層膜と第２超多層膜の厚み比＞
上記第１超多層膜と上記第２超多層膜とは、上記の通り各々０．１μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有し、かつ上記第１超多層膜の厚みをＸ、上記第２超多層膜の厚みをＹとする場合、厚み比Ｙ／Ｘが０．５以上４以下となることが好ましい。厚み比Ｙ／Ｘをこの範囲に制御することにより、上記のような優れた特性、すなわち耐熱性と耐摩耗性を維持しつつ脆性を示さないという特性を十分に達成できるものとなる。この厚み比Ｙ／Ｘは、より好ましくは０．８以上３．５以下であり、さらに好ましくは１以上３以下である。

上記厚み比Ｙ／Ｘが０．５未満となる場合、被膜強度が低下する場合があるため好ましくない。また上記厚み比Ｙ／Ｘが４を超えると、耐摩耗性が低下する場合があるため好ましくない。

なお、上記厚み比Ｙ／Ｘは、複合超多層膜を構成する各第１超多層膜と各第２超多層膜のうち、各々任意のものの厚み比を示すものであり、その測定部位は特に限定されないが互いに隣り合うものを測定することが好ましい。

＜Ａ１層、Ａ２層＞
本発明において、第１超多層膜を構成するＡ１層および第２超多層膜を構成するＡ２層は、各々ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、またはＴｉＡｌＣＮのいずれかにより構成される。Ａ１層およびＡ２層をそれぞれこのような化学組成で構成したことにより、後述のＢ層およびＣ層が示す脆性を極めて効果的に低減することができる。すなわち、これらのＡ１層とＡ２層とを、それぞれＢ層およびＣ層と交互に積層することにより、上述のように耐熱性と耐摩耗性を維持しつつ脆性を示さないという優れた効果を奏することが可能となったものである。

ここで、Ａ１層とＡ２層とは、各々異なった組成であってもよいが、好ましくはこれら両層は同じ組成を有することが好適である。このようにＡ１層とＡ２層とを同じ組成とすることにより、第１超多層膜と第２超多層膜との密着性を特に向上させることができるためである。

なお、本発明において用いられる化学式は、各元素の原子比を特に規定するものではなく、各元素の原子比が等比となることを意図するものではない。すなわち、本発明において用いられる化学式は、従来公知の原子比を全て含むものとする（等比のものが公知である場合はその等比のものを含む）。たとえばＴｉＮという化学式は、ＴｉとＮとの原子比が１：１であることを示すのではなく、２：１、１：１、１：０．９５、１：０．９等従来公知の原子比を全て包含するものとする（特に断りのない限り、ＴｉＮ以外の化学式において同じ）。

また、Ａ１層およびＡ２層の厚みは、各々４０ｎｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは３５ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下である。厚みをこのように制御することにより、Ａ１層およびＡ２層による脆性の改善作用を良好に示すことができる。なお、下限は特に限定されるものではないが、０．５ｎｍ未満の場合、これらの層を均一に積層させることが困難となり、また脆性の改善性能を十分に示すことが困難となる場合がある。一方、４０ｎｍを超えると、Ｂ層やＣ層による耐熱性や耐摩耗性の向上作用が低減される場合がある。

＜Ｂ層＞
本発明において、第１超多層膜を構成するＢ層は、ＴｉＳｉＮまたはＴｉＳｉＣＮのいずれかにより構成される。Ｂ層をこのような化学組成で構成したことにより、被膜の耐熱性と耐摩耗性を向上することができる。

ここで、Ｂ層の厚みは、４０ｎｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは３０ｎｍ以下、さらに好ましくは２５ｎｍ以下である。厚みをこのように制御することにより、上記のような作用を良好に示すことができる。なお、下限は特に限定されるものではないが、０．５ｎｍ未満の場合、Ｂ層を均一に積層させることが困難となり、また上記のような作用を十分に示すことが困難となる場合がある。一方、４０ｎｍを超えると、脆性を低減させることが困難となる場合がある。

＜Ｃ層＞
本発明において、第２超多層膜を構成するＣ層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮのいずれかにより構成される。Ｃ層をこのような化学組成で構成したことにより、被膜の耐熱性と耐摩耗性を向上することができるとともに、潤滑性を向上することができる。

ここで、Ｃ層の厚みは、４０ｎｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは３５ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以下である。厚みをこのように制御することにより、上記のような作用を良好に示すことができる。なお、下限は特に限定されるものではないが、０．５ｎｍ未満の場合、Ｃ層を均一に積層させることが困難となり、また上記のような作用を十分に示すことが困難となる場合がある。一方、４０ｎｍを超えると、脆性を低減させることが困難となる場合がある。

＜Ａ１層、Ａ２層、Ｂ層、Ｃ層の厚み比＞
上記Ａ１層、上記Ａ２層、上記Ｂ層、および上記Ｃ層は、上記の通り各々４０ｎｍ以下の厚みを有し、かつ上記Ａ１層の厚みをＸａ、上記Ｂ層の厚みをＸｂとする場合、厚み比Ｘｂ／Ｘａは０．２以上３以下であり、かつ上記Ａ２層の厚みをＹａ、上記Ｃ層の厚みをＹｃとする場合、厚み比Ｙｃ／Ｙａは０．２以上３以下であることが好ましい。厚み比Ｘａ／ＸｂおよびＹｃ／Ｙａを各々上記の範囲に制御することにより、上記のような優れた特性、すなわち耐熱性と耐摩耗性を維持しつつ脆性を示さないという特性を達成できるものとなる。この厚み比Ｘｂ／ＸａおよびＹｃ／Ｙａは、より好ましくは０．３以上２．５以下であり、さらに好ましくは０．４以上２以下である。

上記厚み比Ｘｂ／ＸａおよびＹｃ／Ｙａが０．２未満となる場合、耐熱性および耐摩耗性が低下する場合があるため好ましくない。また上記厚み比Ｘｂ／ＸａおよびＹｃ／Ｙａが３を超えると、脆性を示す（脆化する）場合があるため好ましくない。

なお、上記厚み比Ｘｂ／Ｘａは、各第１超多層膜を構成する各Ａ１層と各Ｂ層のうち、各々任意のものの厚み比を示すものであり、その測定部位は特に限定されないが互いに隣り合う２層を測定することが好ましい。また、上記厚み比Ｙｃ／Ｙａは、各第２超多層膜を構成する各Ａ２層と各Ｃ層のうち、各々任意のものの厚み比を示すものであり、その測定部位は特に限定されないが互いに隣り合う２層を測定することが好ましい。

＜中間層＞
本発明の被膜は、上記の複合超多層膜以外にさらに中間層を含むことができる。この中間層は、上記基材の直上に０．１μｍ以上１．０μｍ以下の厚みで形成され、かつＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮのいずれかにより構成されることが好ましい。上記厚みは、より好ましくは０．２μｍ以上０．５μｍ以下である。

このような中間層を基材直上に形成すること（すなわち基材と複合超多層膜との間に形成すること）により、基材と複合超多層膜との密着性を向上させることができる。上記厚みが０．１μｍ未満になると、上記密着性の向上作用が十分に示されない場合があり、一方１．０μｍを超えると密着性が低下する場合がある。

＜表面層＞
本発明の被膜は、上記の複合超多層膜以外にさらに表面層を含むことができる。この表面層は、上記被膜の最上層として０．１μｍ以上２．０μｍ以下の厚みで形成される。このような表面層は、上記第２超多層膜により構成されることができる。また、このような表面層は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮのいずれかにより構成されることもできる。上記厚みは、より好ましくは０．３μｍ以上１．５μｍ以下である。なお、表面層が第２超多層膜で構成される場合、上記厚みは０．６μｍ以上１．５μｍ以下とすることが好ましい。

このような表面層を最上層として形成すること（好ましくは複合超多層膜上に形成すること）により、被膜の潤滑性を向上させることができ、また特に第２超多層膜を表面層とした場合、ＳＳ４００（圧延鋼）やＳＣＭ４１５（合金鋼）などのように低硬度で刃先に溶着が発生しやすい被削材に対しても欠損することを抑制することができる。上記厚みが０．１μｍ未満になると、上記潤滑性の向上作用が十分に示されない場合があり、一方２．０μｍを超えると被膜強度が低下する場合がある。

なお、本発明の被膜は、複合超多層膜以外にこのような表面層と上記中間層との両者を含んでいてもよいし、いずれか一方のみを含んでいてもよい。

＜製造方法＞
本発明の被膜を基材表面に形成（成膜）するためには、結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスであることが好ましい。そこで、種々の成膜方法を検討した結果、本発明の被膜は、物理蒸着法により形成することが最適である。すなわち、本発明の被膜は、物理蒸着法により形成されたものであることが好ましい。

このような物理蒸着法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法などが知られており、このような従来公知のいずれの物理蒸着法も採用し得るが、特に原料元素のイオン化率が高いアークイオンプレーティング法を採用することが特に好ましい。このアークイオンプレーティング法を採用すると被膜を形成する前に基材表面に対して金属またはガスイオンボンバードメント処理を行なうことが可能となるため、これにより被膜の密着性を飛躍的に高めることができることからもこのアークイオンプレーティング法は本発明において好ましい成膜プロセスである。

以下、このアークイオンプレーティング法を採用して複合超多層膜を形成する場合の具体的な方法を図１を参照しつつ例示する。なお、上記の中間層や表面層を形成する場合も、従来公知の条件を採用することにより、このアークイオンプレーティング法により形成することができる。

図１は、アークイオンプレーティング法を実施するアークイオンプレーティング装置１０の概略図（該装置の上方から見た概略平面図）である。まず、蒸発源１〜４にターゲット材をセットする。たとえば、蒸発源１にはＡ１層形成用のターゲット材（すなわちＴｉまたはＴｉＡｌ）をセットし、蒸発源２にはＢ層形成用のターゲット材（すなわちＴｉＳｉ）をセットし、蒸発源３にはＡ２層形成用のターゲット材（すなわちＴｉまたはＴｉＡｌ）をセットし、蒸発源４にはＣ層形成用のターゲット材（すなわちＡｌＣｒ）をセットする。そして、チャンバー５内の基材ホルダー６に基材７をセットし、この基材ホルダー６を回転させながら蒸発源１と２により第１超多層膜を形成し、蒸発源３と４により第２超多層膜を形成するものである。

すなわち、蒸発源１および２のターゲット材を蒸発、イオン化させながら基材ホルダー６を１回〜複数回回転させることにより、基材上に第１超多層膜を形成し、次いで蒸発源３および４のターゲット材を蒸発、イオン化させながら基材ホルダー６を１回〜複数回回転させることにより、第１超多層膜上に第２超多層膜を形成する。これにより、本発明の複合超多層膜の最小積層数である第１超多層膜と第２超多層膜とを各々１ずつ積層させた複合超多層膜が形成され、以後上記の操作を繰り返すことにより第１超多層膜と第２超多層膜とを各々１以上交互に積層させてなる複合超多層膜を形成することができる。さらにより具体的な条件を以下に例示する。

まず、チャンバー５内に設置されているヒーター（図示せず）により基材７を２００〜５００℃に加熱する。その後、アルゴンガスを導入してチャンバー５内の圧力を１〜３Ｐａに維持しつつ、基材にバイアス電圧（−３００〜−６００Ｖ）を印加することにより、アルゴンイオンによる基材表面のクリーニング処理を３０〜６０分間行なう。

続いて、チャンバー５内のアルゴンガスを排出した後、反応ガスとして窒素ガスまたはこれとメタン等の炭素源ガスとの混合ガスを導入し、チャンバー５内の圧力を２〜５Ｐａに維持しつつ、基材７をセットした基材ホルダー６を回転させながら基材にバイアス電圧（−２０〜−１００Ｖ）を印加した状態で、蒸発源１にセットしたターゲット材と蒸発源２にセットしたターゲット材とをアーク放電（アーク電流１００〜１５０Ａ）により蒸発、イオン化させることにより基材上に第１超多層膜を形成する。

次いで、基材ホルダー６の回転、チャンバー５内の圧力および基材のバイアス電圧を維持したまま、蒸発源３にセットしたターゲット材と蒸発源４にセットしたターゲット材とを上記と同条件で蒸発、イオン化させることにより第１超多層膜上に第２超多層膜を形成する。

その後、以上の第１超多層膜の形成操作と第２超多層膜の形成操作とを交互に複数回繰り返すことにより、複合超多層膜を形成することができる。なお、反応ガスの種類、成膜時間、ターゲット材のイオン化速度、基材ホルダーの回転速度等を制御することにより、各層の組成、厚み、積層数を任意に設定することができる。

＜実施例＞
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。

＜被膜の形成＞
図１に示すようなアークイオンプレーティング装置１０を用いて、アークイオンプレーティング法により表１に記載した実施例１の被膜を形成する場合を例示する。なお、基材は、後述の３種の切削試験毎に異なった基材が用いられるため、これら３種の基材各々に対して同一の条件で被膜を形成した。

まず、蒸発源１にはＡ１層形成用のターゲット材としてＴｉをセットし、蒸発源２にはＢ層形成用のターゲット材としてＴｉＳｉ合金（原子比Ｔｉ：Ｓｉ＝８０：２０）をセットし、蒸発源３にはＡ２層形成用のターゲット材としてＴｉをセットし、蒸発源４にはＣ層形成用のターゲット材としてＡｌＣｒ合金（原子比Ａｌ：Ｃｒ＝７０：３０）をセットした。

そして、チャンバー５内に設置されているヒーターにより、基材ホルダー６にセットした基材７を５００℃に加熱した。その後、アルゴンガスを導入してチャンバー５内の圧力を３．０Ｐａに維持しつつ、基材にバイアス電圧（−３００Ｖ）を印加することにより、アルゴンイオンによる基材表面のクリーニング処理を３０分間行なった。

続いて、チャンバー５内のアルゴンガスを排出した後、窒素ガスを導入し、チャンバー５内の圧力を５．０Ｐａに維持しつつ、上記基材ホルダー６を回転させながら基材にバイアス電圧（−５０Ｖ）を印加した状態で、蒸発源１にセットしたターゲット材と蒸発源２にセットしたターゲット材とをアーク放電（アーク電流は各々１５０Ａ、１００Ａ）により蒸発、イオン化させることにより基材上に厚み０．３μｍの第１超多層膜を形成した。この場合、Ａ１層の厚みを１００ｎｍ、Ｂ層の厚みを５０ｎｍに制御しているため、それぞれ２層ずつこの順序で交互に積層されて第１超多層膜が形成されることになる（厚み比Ｘｂ／Ｘａは０．５）。なお、Ａ１層を構成するＴｉＮの原子比は、Ｔｉ：Ｎ＝１：１であり、Ｂ層を構成するＴｉＳｉＮの原子比はＴｉ：Ｓｉ：Ｎ＝４：１：５である。

次いで、基材ホルダー６の回転、チャンバー５内の圧力および基材のバイアス電圧を維持したまま（ただし反応ガスとして窒素ガスおよびメタンガスを使用）、蒸発源３にセットしたターゲット材と蒸発源４にセットしたターゲット材とをアーク放電（アーク電流はいずれも１００Ａ）により蒸発、イオン化させることにより上記で形成した第１超多層膜上に厚み１．５μｍの第２超多層膜を形成した。この場合、Ａ２層の厚みを５０ｎｍ、Ｃ層の厚みを２５ｎｍに制御しているため、それぞれ２０層ずつこの順序で交互に積層されて第２超多層膜が形成されることになる（厚み比Ｙｃ／Ｙａは０．５）。なお、Ａ２層を構成するＴｉＣＮの原子比は、Ｔｉ：Ｃ：Ｎ＝２：１：１であり、Ｃ層を構成するＡｌＣｒＣＮの原子比はＡｒ：Ｃｒ：Ｃ：Ｎ＝７：３：５：５である。

その後、以上の第１超多層膜の形成操作と第２超多層膜の形成操作とを交互に４回繰り返すことにより、第１超多層膜と第２超多層膜とを各々５膜ずつ交互に積層させてなる厚み９μｍの複合超多層膜を形成した。

以上の操作と同様の操作を実施することにより、表１に記載した実施例１〜１８の被膜を形成した。すなわち、これらの被膜は、上記で説明したように、反応ガスの種類、成膜時間、ターゲット材のイオン化速度、基材ホルダーの回転速度等を制御することにより、各層の組成（原子比は限定されず従来公知の任意の原子比を採用することができる）、厚み、積層数を制御したものである。

たとえば、実施例５の被膜は、蒸発源１にはＡ１層形成用のターゲット材としてＴｉをセットし、蒸発源２にはＢ層形成用のターゲット材としてＴｉＳｉ合金をセットし、蒸発源３にはＡ２層形成用のターゲット材としてＴｉＡｌ合金をセットし、蒸発源４にはＣ層形成用のターゲット材としてＡｌＣｒ合金をセットするとともに、第１超多層膜形成用の反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスの混合ガスを使用し、第２超多層膜形成用の反応ガスとしては窒素ガスを使用することにより、実施例１の被膜と同様にして形成することができる。

また、実施例８、１１、１７、１８の被膜のように中間層や表面層を形成するものについても、これらの複合超多層膜以外の層は、各対応する組成の超多層膜形成用のターゲット材をそのまま利用して形成することができる。

なお、比較用として、表２に記載した比較例１〜７の被膜も上記と同様の条件を採用することにより形成した。すなわち、比較例１〜３は、実施例１、１３、１６にそれぞれ対応する比較例であって、Ａ１層、Ａ２層、Ｂ層およびＣ層の組成または組み合わせがそれぞれの実施例と異なっており、比較例４は実施例１４に対する比較例であって、第１超多層膜をＢ層のみで構成しかつ第２超多層膜をＣ層のみで構成したものであり、比較例５は実施例１５に対する比較例であって、被膜としてＢ層とＣ層とを交互に積層させた単純超多層膜のみを含み、比較例６は実施例８に対する比較例であって、被膜として第１超多層膜のみを含み、比較例７は実施例１７に対する比較例であって、被膜として第２超多層膜のみを含むものである。

表１および表２中、積層回数とは第１超多層膜と第２超多層膜の各々の積層数を表しており、全体厚みとは被膜全体の総厚みを表している。また、空欄は該当するものが形成されていないことを表している。したがって、中間層および表面層が形成されていないものは、基材上に被膜として第１超多層膜と第２超多層膜とを各々交互に積層させてなる複合超多層膜のみが形成されていることを示し、中間層が形成されているものは基材と複合超多層膜との間に形成され、表面層は複合超多層膜上に形成されるものである。

そして、これらの実施例１〜１８および比較例１〜７の各被膜について、次の３種の切削試験を行なった。その試験結果を表３に示す。

＜エンドミル切削試験＞
基材としては超硬合金製スクエアエンドミル（直径（外径）８ｍｍ、４枚刃）を使用した。被削材はＳＫＤ１１（ＨＲＣ５３）とし、その側面切削をダウンカットで切削速度＝１２０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、切り込み量Ａｄ＝８ｍｍ、Ｒｄ＝０．４ｍｍ、エアーブローで行なった。

切削性能の評価（試験結果）は、切れ刃外周の摩耗幅が０．１ｍｍを超えた時点での切削距離（ｍ）として示してある。その距離が長い程切削性能が優れていること（工具の寿命が長寿命化されること、すなわち耐熱性および耐摩耗性に優れかつ脆性が低減されていること）を示し、その距離が短かったり、切削開始の初期に欠損したりするもの（「初期欠損」と表記）は切削性能に劣ることを示す。

＜ドリル切削試験＞
基材としては超硬合金製ドリル（直径（外径）１０ｍｍ）を使用した。被削材はＳ５０Ｃ（ＨＢ２２０）とし、その湿式穴加工（穴深さ３０ｍｍの貫通穴）を切削速度＝８０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．２ｍｍ／ｒｅｖで行なった。

切削性能の評価（試験結果）は、切れ刃先端外周部の摩耗幅が０．２ｍｍを超えた時点での切削距離（単位ｍ、加工穴数×３０ｍｍ）として示してある。その距離が長い程切削性能が優れていること（工具の寿命が長寿命化されること、すなわち耐熱性および耐摩耗性に優れかつ脆性が低減されていること）を示し、その距離が短かったり、切削開始の初期に欠損したりするもの（「初期欠損」と表記）は切削性能に劣ることを示す。

＜フライスチップ切削試験＞
基材としてはＪＩＳ規格Ｐ３０相当超硬合金製フライス用スローアウェイチップ（形状：ＳＰＧ４３２）を使用した。被削材はＳＣＭ４３５とし、切削速度＝２５０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．２５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、切り込み量＝２ｍｍ、切削油なし（乾式加工）で行なった。

切削性能の評価（結果）は、逃げ面の摩耗幅が０．２ｍｍを超えた時点での切削距離（ｍ）として示してある。その距離が長い程切削性能が優れていること（工具の寿命が長寿命化されること、すなわち耐熱性および耐摩耗性に優れかつ脆性が低減されていること）を示し、その距離が短かったり、切削開始の初期に欠損したりするもの（「初期欠損」と表記）は切削性能に劣ることを示す。

＜実施例１７、実施例１８および比較例７についての追加ドリル切削試験＞
基材としては、上記と同様の超硬合金製ドリル（直径（外径）１０ｍｍ）を使用し、被膜としては実施例１７、１８および比較例７を用いた。被削材はＳＣＭ４１５（ＨＢ＝２３５）とし、その湿式穴加工（穴深さ４０ｍｍの貫通穴）を切削速度＝８０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．２５ｍｍ／ｒｅｖで行なった。

その結果、比較例７は切削長１０ｍで折損した。これに対して、実施例１７は切削長５５ｍまで折損することなく切削加工することができた。さらに、実施例１８では、切削長１００ｍまで折損することなく切削加工することができた。

折損した比較例７では、刃先外周エッジ部分に被削材が溶着しており、これが折損の原因と考えられる。これに対して、実施例１８は、表面層として第２超多層膜を形成していることから１００ｍ切削後においても刃先での被削材の溶着はほとんど発生しておらず、被膜の潤滑性の観点で優位であることが確認できた。

以上、表３および上記追加ドリル切削試験の結果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（すなわち被膜）は、比較例の表面被覆切削工具（すなわち被膜）と比較して工具寿命が著しく長寿命化していること、すなわち耐熱性および耐摩耗性に優れかつ脆性が低減されていることが明らかである。

すなわち、表面被覆切削工具において、基材上に形成される被膜として、第１超多層膜と第２超多層膜とを各々１以上交互に積層させてなる複合超多層膜を含み、上記第１超多層膜は、Ａ１層とＢ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成され、上記第２超多層膜は、Ａ２層とＣ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成され、上記Ａ１層と上記Ａ２層とは、各々ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、またはＴｉＡｌＣＮのいずれかにより構成され、上記Ｂ層は、ＴｉＳｉＮまたはＴｉＳｉＣＮにより構成され、上記Ｃ層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮにより構成することにより、極めて優れた切削性能を示すことが確認された。さらに、上記被膜の表面層を第２超多層膜で構成すれば、刃先への被削材の溶着を防止することができ、被膜の潤滑性の観点で優位であることも確認できた。

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請求の範囲によって示され、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、第１超多層膜と第２超多層膜とを各々１以上交互に積層させてなる複合超多層膜を含み、
   前記第１超多層膜は、Ａ１層とＢ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成され、
   前記第２超多層膜は、Ａ２層とＣ層とを各々１層以上交互に積層することにより構成され、
   前記Ａ１層と前記Ａ２層とは、各々ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、またはＴｉＡｌＣＮのいずれかにより構成され、
   前記Ｂ層は、ＴｉＳｉＮまたはＴｉＳｉＣＮにより構成され、
   前記Ｃ層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮにより構成されることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記Ａ１層と前記Ａ２層とは、同じ組成であることを特徴とする請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記第１超多層膜と前記第２超多層膜とは、各々０．１μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有し、かつ前記第１超多層膜の厚みをＸ、前記第２超多層膜の厚みをＹとする場合、厚み比Ｙ／Ｘは０．５以上４以下となることを特徴とする請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記Ａ１層、前記Ａ２層、前記Ｂ層、および前記Ｃ層は、各々４０ｎｍ以下の厚みを有し、かつ前記Ａ１層の厚みをＸａ、前記Ｂ層の厚みをＸｂとする場合、厚み比Ｘｂ／Ｘａは０．２以上３以下であり、かつ前記Ａ２層の厚みをＹａ、前記Ｃ層の厚みをＹｃとする場合、厚み比Ｙｃ／Ｙａは０．２以上３以下であることを特徴とする請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
5. 前記複合超多層膜は、１．０μｍ以上８．０μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
6. 前記被膜は、さらに中間層を含み、
   前記中間層は、前記基材の直上に０．１μｍ以上１．０μｍ以下の厚みで形成され、かつＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮのいずれかにより構成されることを特徴とする請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
7. 前記被膜は、さらに表面層を含み、
   前記表面層は、前記被膜の最上層として０．１μｍ以上２．０μｍ以下の厚みで形成されることを特徴とする請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
8. 前記表面層は、前記第２超多層膜により構成されることを特徴とする請求の範囲７に記載の表面被覆切削工具。
9. 前記表面層は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＣＮのいずれかにより構成されることを特徴とする請求の範囲７に記載の表面被覆切削工具。
10. 前記被膜は、物理蒸着法により形成されることを特徴とする請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
11. 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ことを特徴とする請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。

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