JP4850204B2 - 被覆工具 - Google Patents

Description

本願発明は、物理蒸着により工具基材に耐摩耗性と耐熱性に優れた皮膜を被覆した多層被覆工具に関する。特に、切削工具、金型等の被覆工具に関する。

切削工具の耐摩耗性を改善するためにコランダム構造の酸化物皮膜を被覆した技術が、特許文献１、２に開示されている。特許文献３は、異なる組成の酸化物皮膜を０．４〜５０ｎｍの積層周期で被覆した部材を開示している。

特開２００２−０５３９４６号公報 特開平５−２０８３２６号公報 特許第３４６０２８７号公報

本願発明は、ＰＶＤ法によりコランダム構造を有する酸化物皮膜の高硬度化を図り、耐摩耗性と耐熱性に優れた被覆工具を提供することである。

本願発明は、物理蒸着により酸化物を工具基材に被覆した多層被覆工具において、該酸化物はＡ層、Ｂ層からなり、該Ａ層はＣｒ酸化物、該Ｂ層は（ＡｌｘＣｒｙ）を金属成分とする酸化物、但し、ｘ、ｙは原子比率（％）、５０≦ｘ≦９０、ｘ＋ｙ＝１００、であり、該Ａ層と該Ｂ層は交互積層した積層構造を有し、該Ａ層の平均層膜（ｎｍ）をＴＡ、該Ｂ層の平均層厚（ｎｍ）をＴＢとしたとき、ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０であり、該Ｂ層はコランダム構造の結晶構造を有し、ＣｕＫα線を使用したＸ線回折において、（１１・６）面の回折ピークの２θ値が、（αｘ＋５４．０）≦２θ≦（αｘ＋５４．７）、但し、αは２．６５２×１０^−２、の範囲にあり、該Ａ層と該Ｂ層の最大強度を示す面指数が（１０・４）面であることを特徴とする多層被覆工具である。上記の構成を採用することによって、ＰＶＤ法によりコランダム構造を有する酸化物皮膜の高硬度化をはかり、耐摩耗性と耐熱性に優れた被覆工具を提供することができる。

本願発明の多層被覆工具において、Ｘ線回折におけるＡ層とＢ層の最大強度を示す面指数が同一であること、また、Ｂ層の（１０・４）面の回折強度をＩ（１０・４）、（１１・６）面の回折強度をＩ（１１・６）としたとき、Ｉ（１０・４）／Ｉ（１１・６）≧２であることが好ましい。また、ＴＡ≦３０、ＴＢ≦３０、であること、１＜ＴＡ／ＴＢ≦５であることが好ましい。また、Ａ層とＢ層との界面における格子縞が連続していること、Ａ層、Ｂ層のＡｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換したことが好ましい。更に、酸化皮膜と工具基材の界面の中間層に窒化物層を有すること、最表層に窒化物層を有することが好ましい。

本願発明によって、ＰＶＤ法によりコランダム構造を有する酸化物皮膜の高硬度化を図り、耐摩耗性と耐熱性に優れた被覆工具を提供することができた。本願発明の酸化物皮膜が高硬度と伴に緻密性、平滑性をも兼ね備え、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れた被覆工具を提供することができ、工具の耐久性を改善して工具寿命を向上させることができた。

本願発明は、コランダム構造を有する酸化物皮膜の高硬度化をはかり耐摩耗性と耐熱性に優れ、更に緻密性、平滑性をも兼備した酸化物皮膜の積層構造に関して詳細に検討した。そして、従来の酸化物皮膜、特に酸化アルミニウムが実用環境下で突発的なチッピングや異常摩耗を発生し易く、耐摩耗性が十分でないという欠点を改善した。本願発明の酸化物皮膜が高硬度となる理由は、Ａ層とＢ層がコランダム構造を有し、この結晶構造を維持したまま成長して、且つ、Ａ層とＢ層とが夫々面間隔の異なる結晶構造を有していることから両層の積層界面近傍で格子歪による圧縮応力を発生することに由来する。即ち、Ａ層とＢ層の界面では略同一の面間隔を保ちながら連続的に成長するため、この界面における密着強度は高い状態となる。それと同時に積層界面近傍での格子歪は、両層内に蓄積されるため高い残留圧縮応力を有し、高硬度化が達成されるのである。また格子歪は、粒成長を抑制する効果もあることから酸化物粒子が微細化され、酸化物皮膜表面の平滑性が向上する作用も有する。ここで、Ａ層とＢ層の結晶構造はコランダム構造であるが、コランダム構造と略相似な六方最密晶構造であってもよい。

本願発明の酸化物皮膜はＡ層、Ｂ層からなり、Ａ層はＣｒ酸化物、Ｂ層は（ＡｌｘＣｒｙ）を金属成分とする酸化物、但し、ｘ、ｙは原子比率（％）、５０≦ｘ≦９０、ｘ＋ｙ＝１００、であり、Ａ層とＢ層は交互積層した積層構造を有している。Ｂ層の組成におけるｘ値は、５０≦ｘ≦９０、を満足する必要がある。ｘ値が５０未満では酸化物粒子が粗大化する傾向にあり、皮膜硬度と表面平滑性が劣化してしまう。一方、ｘ値が９０を越えて大きいと、コランダム構造を維持できなくなり、結晶性が低下するため硬度が低下し、耐摩耗性が劣化してしまう。
本願発明の酸化物皮膜は、夫々ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０である。ＴＡ値が５０ｎｍを超える場合、両層間の密着強度が低下し、皮膜硬度が低下するため、耐摩耗性を改善することができない。ＴＢ値が５０ｎｍを超える場合、両層間の格子歪による皮膜の高硬度化が達成されず、工具の耐久性を改善できない。また結晶粒の成長も抑制できないため、緻密性、平滑性が得られない。
本願発明の酸化物皮膜のＡ層とＢ層が高い密着強度を維持した状態で格子歪を発生させ、高硬度化と平滑性、緻密性に優れた酸化物皮膜を得るためには、Ｘ線回折において、Ａ層とＢ層が略同一のコランダム構造を有し、回折ピークが夫々独立して存在する回折パターンを示し、Ｂ層の（１１・６）面の回折ピークにおける２θ値を、（αｘ＋５４．０）≦２θ≦（αｘ＋５４．７）、の範囲内にすることが必要である。ここで、α値は２．６５２×１０^−２、５０≦ｘ≦９０ある。上記の２θ値の範囲内とすることにより、皮膜の高硬度化と同時に高い密着強度が得られる。この理由は、つぎのように考えられる。まず、ＩＣＤＤ（国際回折データセンターの略）が収集しているデータベースのＰＤＦ（Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｆｉｌｅの略）に記載の文献によると、コランダム構造又はコランダム構造と略相似な六方最密晶を有する酸化クロムの（１１・６）面の２θ値は５４．８４８度、α型酸化アルミニウムの（１１・６）面の２θ値は５７．５００度である。そこで、Ｂ層の組成である（ＡｌｘＣｒｙ）の酸化物を用い、ｘ値を、０≦ｘ≦１００、ｘ＋ｙ＝１００とし、上記の２つの２θ値から、座標（ｘ、２θ）を求める。Ａ層の酸化クロムの場合は、座標（０、５４．８４８）、α型酸化アルミニウムの場合は、座標（１００、５７．５００）となる。そこで上記２つの座標点を通る直線を（化１）で表し、図１に示した。

Ａ層、Ｂ層は夫々略相似な結晶構造であるため、本来であればＢ層はｘ値に正比例の関係で２θ値が増加する。即ち、ｘ値が６０％の場合、２θ値は５６．４３９度を示すことになる。しかし、本願発明の酸化物皮膜は、２層間の密着強度向上と格子歪を持たせるために、Ｂ層の２θ値が、（化１）から算出した２θ値より小さくなるように制御した。本願発明の酸化物皮膜におけるＢ層の２θ値が、（化１）から算出した２θ値より小さくなるように制御するために、夫々ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０、とすることが特に重要である。更に、本願発明の酸化物皮膜は、Ｂ層の組成を５０≦ｘ≦９０の範囲内とし、（αｘ＋５４．０）≦２θ≦（αｘ＋５４．７）、但し、α値は２．６５２×１０^−２、とすることにより、酸化物皮膜を高硬度化し、同時に２層間の密着強度が高い状態で被覆することができた。これは上記の２θ値を得ることにより、Ａ層とＢ層とが夫々面間隔の異なる結晶構造を有していることから、両層の積層界面近傍で格子歪による圧縮応力を発生させることができたからである。２θ値の上限値、下限値を示す直線を（化２）、（化３）で表し、図１に示した。図１において、斜線で囲まれた領域が、本願発明の規定する範囲である。

Ｂ層の２θ値が（化１）の直線よりも小さく（化２）の直線よりも大きい場合には、格子歪の発生による皮膜の高硬度化の効果が確認されなかった。また（化３）よりも小さくなる成膜パラメータは確認できなかった。Ｘ線回折による２θの測定には、回折ピーク位置から下ろした直線が左右対称のプロファイルとなるようにする。但し、回折ピークに重複がある場合は近似しても良い。また２θ値の測定時のバラツキは、小数点３桁以下の範囲であった。本願発明が（１１・６）面の２θ値を選定した理由は、積層する窒化物系のピークとの重なりが無く、ピーク分離がし易いためである。以上のように本願発明の酸化物皮膜はＢ層のｘ値と２θ値の制御により、高硬度化と２層間の高い密着強度、緻密性と平滑性を同時に達成することができる。

本願発明の酸化物皮膜は、Ｘ線回折におけるＡ層とＢ層の最大強度を示す面指数を同一とすることにより、両層間の密着強度が高く、高硬度の皮膜が得られ、酸化物皮膜のチッピング等による異常摩耗が大幅に低減し、工具の耐摩耗性及び信頼性が高くなり好ましい。また、Ａ層とＢ層の最大強度を示す面指数を（１０・４）面とすることにより、酸化物皮膜の組織が緻密となり、高硬度の皮膜が得られる好ましい。更に、（１０・４）面の回折強度をＩ（１０・４）、（１１・６）の回折強度をＩ（１１・６）としたとき、Ｉ（１０・４）／Ｉ（１１・６）≧２を満たすことにより、酸化物皮膜が高硬度化され好ましい。
ＴＡ≦３０、ＴＢ≦３０、であることにより酸化物皮膜の結晶性の向上により高硬度化し、緻密性、平滑性が向上して好ましい。１＜ＴＡ／ＴＢ≦５とすることにより、Ｂ層の２θ値を（αｘ＋５４．０）≦２θ≦（αｘ＋５４．７）の範囲に制御し易い。ＴＡ／ＴＢ値が１以下の場合、結晶性の低下傾向にあり、皮膜硬度が低下する。一方、５以上の場合、酸化物皮膜に占めるＡ層の比率が大きくなり硬度が低下する。
Ａ層とＢ層との界面における格子縞が連続していることにより、両層間の密着強度が高い状態で格子歪が皮膜内に蓄積され、高硬度化、緻密化、平滑化に好ましい。格子縞の連続性は透過型電子顕微鏡による皮膜断面の格子像を観察することにより確認できる。

本願発明の酸化物皮膜のＡｌ、Ｃｒの１部を、原子半径の大きいＮｂ、Ｗ、Ｙで置換すると、Ｂ層の２θ値が低角度側に移動する傾向にあり、ｘ値を高めて酸化物皮膜の耐熱性の向上に有効である。この時の置換量はＮｂ、Ｗで１０原子％未満、Ｙ、硼素で５％未満である。別な効果として、ＡｌＣｒターゲットにＷを添加することにより、ドロプレットの低減が顕著であり、酸化物皮膜の平滑性が向上する。また、Ａｌ、Ｃｒの１部を、原子半径が小さいＳｉ、硼素で置換すると、２θ値は大きく変化しないが、酸化物皮膜が高硬度化され、耐摩耗性を向上する。Ａｌの１部をＳｉで置換すると、皮膜が微細化され、高硬度化、平滑性、緻密性が向上する。この時の置換量はＡｌとＣｒとＳｉの合計に対し、１０原子％未満の範囲である。但し、ＡｌとＳｉの合計がＡｌとＣｒとＳｉの合計に対し、７０原子％を超えると酸化物皮膜が非晶質化し、硬度が急激に低下する。

本願発明の酸化物皮膜と工具基材との界面に中間層として窒化物層を被覆すると工具基材と密着性が向上し、機械的な摩耗に対する耐摩耗効果を発揮する。中間層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物層を１層以上被覆し、層厚は１〜１２μｍの範囲が最適である。最表層は本願発明の酸化物皮膜が干渉色を呈することから外観の安定化させ、成膜装置内の冶具や蒸発源周辺の導電性を確保して生産性を向上し、工具表面の導電性を確保し電気的な工具寸法の測定を可能にする。最表層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｓｉから選択される１種以上の窒化物層を１層以上被覆し、層厚は０．０１〜３μｍの範囲が最適である。中間層、最表層は、９０％以上が窒化物で残部に炭化物、酸化物、硼化物、硫化物を含んでも良い。
本願発明の酸化物皮膜の残留圧縮応力は１〜６ＧＰａの範囲が最適である。１ＧＰａ未満の場合、切削加工時に熱クラックからの欠損が発生し易くなり、工具寿命の改善効果に乏しい。一方、６ＧＰａを超えて高くなると、工具エッジ部の酸化物皮膜が自己破壊を起こし、エッジ部に凝着物が堆積し易くなり、耐欠損性が低下する傾向にある。

本願発明の被覆工具は、特に高硬度鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼、鋳鋼、炭素鋼の切削加工用に用いる切削工具が特に好ましく、例えば、ボールエンドミル、多刃エンドミル、インサート、ドリル、カッター、ブローチ、リーマ、ホブ、ルーター等が挙げられる。また、金型、パンチ等の工具にも優れた耐摩耗性を発揮出来る。最表面の凸部を機械的処理により平滑にすることにより、切削加工において、切屑排出性、切れ刃のチッピング抑制に効果的であり、更に切削寿命を改善することが可能である。工具基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、立方晶窒化硼素焼結体、ダイス鋼等が好ましい。超硬合金は、Ｃｏ含有量３〜１２重量％未満からなる。Ｃｏが３％未満では、突発的なチッピングや切れ刃の欠損が生じる場合がある。一方、Ｃｏが１２％を超えると、工具として耐摩耗性が劣化するばかりではなく、耐摩耗皮膜との密着強度が低下し、耐剥離性も低下するため、好ましくない。

本発明例１の酸化物皮膜の成膜方法を述べる。物理蒸着法のアークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）法を採用し、真空容器内に皮膜の金属成分からなるターゲットを配置したアーク蒸発源を２基搭載している。アーク蒸発源Ｃ１、Ｃ２に装填した、金属ターゲットはＣ１にＣｒターゲット、Ｃ２に組成比がＡｌ：７０％、Ｃｒ：３０％のターゲットを用い、Ｃ１とＣ２の交互積層構造とし酸化物皮膜を被覆した。基材は、皮膜の硬度、表面粗さ、結晶構造、積層構造、Ｘ線回折等を評価する試験用基材として鏡面加工を施したＣｏ：１０重量％の微粒子超硬合金製、ＳＮＭＮ１２０４０８形状を用いた。表面粗度は、Ｒａ＜０．０１μｍ、Ｒｙ＜０．１μｍに調整した。また切削工具は、Ｃｏ：８重量％の微粒子超硬合金製の刃先交換型ボールエンドミルを基材として用いた。各基材は脱脂洗浄を実施して真空容器に設置した。
まず始めに、基材を冶具に固定し、冶具を回転させながら、真空排気と同時にヒーターで基材温度を６００℃に加熱した。基材温度を保持したまま容器内圧力が５×１０^−３Ｐａに達した後、Ａｒガスを導入してフィラメント電極の放電を開始した。基材に２００Ｖの負のバイアス電圧を印加してＡｒイオンによる基材クリーニングを３０分間実施した。
クリーニング後、中間層の窒化物皮膜を被覆した。窒素ガスを１０００ｓｃｃｍ導入して圧力５〜７Ｐａとし、Ｃ２に１５０Ａの電力を供給し、引き続き窒素ガス流量を保持したままＣ１に１５０Ａの電力を供給し、Ｃ１とＣ２の窒化物層の混合層を被覆した。
次に、酸化物皮膜を略２μｍ被覆した。この時、Ａｒガスを用いず、窒素と酸素の混合ガス雰囲気下で７〜９Ｐａの高いガス圧を採用した。窒素と酸素の混合ガスの流量比率は、窒素流量１１００ｓｃｃｍ、酸素流量１００ｓｃｃｍ、成膜温度は５００℃、とした。窒素ガスの導入によって、酸化物皮膜内に混入するドロップレットを格段に低減できる。工具基材に印可する負バイアス電圧は1５０Ｖ、アーク蒸発源に印可するアーク電流は１５０Ａ、電力供給パターンは、Ｃ１とＣ２を同時に稼動させた。工具基材回転数は毎分９回転、で回転させることによりＡ層、Ｂ層の層厚を制御膜厚した。次に、最表層として酸化物被覆用ターゲットにより、窒化物皮膜を略０．１μｍ被覆した。最表層により、連続バッチ処理が可能であり生産性が向上する。その後、炉内の温度が２００℃以下まで容器内で冷却したのち、試料を容器から取り出した。
本願発明ではＢ層の２θ値を（αｘ＋５４．０）≦２θ≦（αｘ＋５４．７）の範囲に制御するために、層厚を制御する方法をもちいた。即ち、第１の方法として、Ｃ１とＣ２を同時に稼動させながら基材回転数を変化させることにより層厚を制御する方法、第２の方法として、Ｃ１、Ｃ２に交互に電力を供給しその電力供給時間を変化させることにより層厚を制御する方法、第３の方法として、Ｃ１とＣ２を同時に稼動させながらその時のアーク電流を変化させることにより層厚を制御する方法である。またこれら併用することも可能である。成膜条件を表１に示す。

得られた酸化物皮膜の組成は、波長分散型電子線プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）により決定した。分析条件は、加速電圧１０ｋＶ、試料電流５×１０^−８Ａ、取り込み時間１０秒、分析領域直径１μｍ、分析深さ略１μｍ、測定数５点で行い平均値を求めた。数値は、原子比で全体を１００として示した。
皮膜の面粗度の評価は、接触式面粗さ測定器により、Ｒａ値、Ｒｚ値を測定した。試験用基材表面は予め鏡面加工を施してあり、この基材での測定値を示した。
皮膜の硬度測定は、ナノインデンテーション装置を用いた。試験用基材を５度傾けて、鏡面研磨後、皮膜の研磨面内で最大押し込み深さが膜厚の略１／５でも基材の影響はなかったため、最大押し込み荷重を４９ｍＮ、最大荷重保持時間１秒、荷重負荷後の除去速度０．４９ｍＮ／秒の測定条件で１０点測定し、その平均値を求めた。本測定方法による値は、圧子の微細形状、温度、湿度、表面状態の影響を受け易いため、標準試料の単結晶Ｓｉを同時に測定し、その時の硬度が１２ＧＰａであった。本測定結果をもとに相対比較することができる。
皮膜の結晶構造を決定はＸ線回折（ＸＲＤ）装置を用いて行った。測定条件は、管電圧１２０ｋＶ、管電流４０μｍ、Ｘ線源ＣｕＫα、Ｘ線入射角５度、Ｘ線入射スリット０．４ｍｍ、２θを２０〜７０度とした。更に、結晶構造の決定には、透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと記す。）による制限視野回折像も参考に決定した。また、Ｂ層の（１１・６）面の２θ値も決定した。
皮膜の結晶構造の解析は、ＴＥＭによる断面観察によって行った。加速電圧２００ｋＶで観察した。組成分析にはエネルギー分散型分析（ＥＤＳ）による直径１ｎｍ領域を分析し、直径１２５０ｎｍの制限視野回折像の撮影をカメラ長５０ｃｍの条件で皮膜の結晶構造を同定した。更に各層厚やＡ層とＢ層の界面における格子縞の連続性の有無を調査した。Ａ層厚とＢ層厚はＴＥＭによる断面写真から実測した。ＴＡ値、ＴＢ値は各層の１０層以上の平均値とし、１０ｎｍ以下を四捨五入し数値化した。１０層未満の層数の場合は全ての層の平均値とした。評価結果を表２、表３に示す。

本発明例５についてＴＥＭによる皮膜断面を解析した。その結果、皮膜断面ＴＥＭ像から周期的な交互積層構造の存在が確認できた。図２は１２５０ｎｍφの制限視野回折像の回折パターンであり、本発明例５の結晶構造はコランダム構造を有することを確認した。図３は酸化物粒子の高倍率ＴＥＭ像、図４は酸化物粒子の１４０ｎｍφの制限視野回折像を示す。図４から積層構造を有する酸化物粒子は同一の結晶構造を有して成長していることを確認した。図５は図３の酸化物粒子の高倍率ＴＥＭ像を示し、図６は図５中のスポット１における１ｎｍφの極微電子線回折写真、図７はスポット２の回折写真を示す。図５の高倍率ＴＥＭ像のスポット１は、エネルギー分散型Ｘ線分析結果より原子％で、Ａｌ：６８．９６％、Ｃｒ：３１．０４％の酸化物であり、スポット２はＣｒ酸化物であった。図５、図６、図７からスポット１のＢ層、スポット２のＡ層は、同一の結晶構造、方位関係を保ちながらエピタキシャルに成長しており、その界面では格子縞の連続性を観察でき密着良く結合していることが確認できた。ＴＥＭによる解析結果から、Ａ層、Ｂ層の存在と夫々の層厚、結晶構造、格子縞の連続性が確認できた。

次に図８は、本発明例５のＸ線回折結果を示す。測定結果より、Ａ層に対応したＡ１、Ａ２、Ｂ層に対応したＢ１、Ｂ２の回折ピークが現れた。Ａ１とＢ１、Ａ２とＢ２は夫々コランダム構造を有する結晶構造の同一面指数に対応している。Ａ１とＢ１が（１０・４）面、Ａ２とＢ２が（１１・６）面に対応している。図９はＡ２とＢ２の拡大図を示す。ＩＣＤＤのＰＤＦによれば、コランダム構造の酸化クロムの（１１・６）面の２θ値が５４．８４８度、同構造の酸化アルミニウムの（１１・６）面の２θ値が５７．５００度であることを開示している。従って、図９のＢ２ピークはコランダム構造の酸化アルミニウムにＣｒが固溶した状態、又はコランダム構造の酸化クロムにＡｌが固溶した固溶体酸化物と考えられる。また、本発明例５の組成は、原子比で、Ａｌが６５％、Ｃｒが３５％であることから、（化１）より、２θ値の計算値は５６．５７度となる。一方、Ｂ２の実測値は、５６．３０８度であり、計算値との差は、低角度側へ０．２６２度移動している。この低角度側への移動量が酸化物皮膜に蓄えられる格子歪となり、高残留応力側への移動によって酸化物皮膜を高硬度化したものと考えられる。このように、本願発明の酸化物皮膜は、夫々Ａ層、Ｂ層がコランダム構造の結晶構造を有し、異なる格子面間隔から構成されながら、界面では互いに整合性を保ちエピタキシャルに成長している。そのためＢ層内には格子歪が発生し、高硬度化が達成されている。また結晶粒成長が抑制され、緻密で平滑性に優れ皮膜を実現している。

本願発明の多層被覆工具の耐摩耗性を評価するために、直径３２ｍｍの刃先交換式ボールエンドミルを用いて次の試験条件により評価を実施した。耐摩耗性評価は、２３００ｍ、約３．５時間加工後の逃げ面摩耗幅で評価した。摩耗幅が０．１５ｍｍ以下の時本願発明の効果有りと判断した。評価結果を表２に併記した。
（試験条件）
切削方法：１０度傾斜面の等高線切削
被削材：ＦＣＤ５４０
切り込み：軸方向、０．３ｍｍ、径方向、０．３ｍｍ
主軸回転数：毎分１２０００回転
１刃送り量：０．４５ｍｍ／刃
切削油：なし、エアブロー

まずＴＡ値、ＴＢ値の層厚制御方法の違いによる特性評価を行った。本発明例１、比較例２１〜２３はＣ１とＣ２を同時に稼動させ、基材回転数により層厚を制御したものである。毎分９回転の本発明例１、毎分６回転の比較例２３は夫々の層厚が５０ｎｍ以下となり、コランダム構造の酸化物が得られた。本発明例１は２９ＧＰａと高硬度を示し、優れた耐摩耗性を示した。比較例２３は、Ｂ層の（１１・６）面の２θ値が本願発明の規定外でありことからＢ層の格子歪量が十分ではなく、高硬度化されずに切削工具の耐摩耗性を改善することができなかった。本発明例２、比較例２４〜３１はＣ１とＣ２に交互に電力を供給し、その電力供給時間により、層厚を制御したものである。本発明例２はＴＡ値、ＴＢ値共に５０ｎｍ以下のコランダム構造となり、Ｂ層の（１１・６）面の２θ値が本願発明の規定を満足して工具の耐摩耗性を改善した。しかし、ＴＡ値、ＴＢ値のうち何れか一方が５０ｎｍ以下の比較例２９〜３１は、γ型の結晶構造となり何れも皮膜の硬度が低く、工具の耐摩耗性を改善には至らなかった。また、ＡＩＰ法により酸化クロム層の上にＡｌとＣｒの酸化物層を被覆した２層構造の比較例２４は、γ型の酸化物皮膜となり摩耗状態が不安定で複数のチッピングが確認され、工具の耐久性改善には至らなかった。

皮膜組成の影響について検討を行うため、Ｃ１にＣｒターゲット、Ｃ２に成分比率の異なるＡｌＣｒ系合金ターゲットを用い、Ａ層、Ｂ層の交互積層構造とした本発明例９〜１１、比較例３２〜３５を作成した。酸化物成膜時の各種成膜パラメータは本発明例５と同一とした。Ｂ層のＡｌ含有量が６０％から９０％の本発明例９〜１１は酸化物皮膜が高硬度化し、緻密で平滑な酸化物皮膜が得られ、工具の耐摩耗性を改善できた。一方、Ｂ層のＡｌ含有量が４４％以下の比較例３２〜３４は、硬度が２１ＧＰａ以下と高硬度化が十分でなく結晶粒径が粗大であった。平滑性にも乏しいため、皮膜表面への凝着と摩耗進行が激しかった。Ｂ層にＣｒを含有しない比較例３５はドロップレットが多く酸化物の効果が確認されなかった。

Ｘ線回折において、Ａ層、Ｂ層の最大強度を示す面指数が（１１・６）面で同一の本発明例４と、両層間で異なる本発明例２とを比較した。両層の面指数を同一とすることにより、工具の摩耗状態が安定となりチッピングや異常摩耗に対して有効であった。また、最大強度を示す面指数が（１０・４）面である本発明例３、５〜８と、（１１・６）面である本発明例４を比較した。（１０・４）面の場合は工具の摩耗状態がより安定であり、チッピングや異常摩耗に対して有効であった。また、（１０・４）面とするには、基材回転数、アーク電流値を制御しＴＡ＞ＴＢとすることにより可能である。Ｉ（１０・４）／Ｉ（１１・６）≧２の本発明例５、６は、摩耗幅が０．１ｍｍ以下で均一であり、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れていた。Ｉ（１０・４）／Ｉ（１１・６）の制御には基材回転数、アーク電流値を制御することにより可能である。

ＴＡ≦３０、ＴＢ≦３０の本発明例５、６、８は、摩耗幅が０．１ｍｍ以下で摩耗状態も均一であり、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れていた。１＜ＴＡ／ＴＢ≦５である本発明例３、５〜８は、摩耗幅が０．１１ｍｍ以下であり摩耗状態も均一であり、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が格段に抑制され、耐摩耗性に優れていた。ＴＡ＞ＴＢにすることにより、Ｂの結晶性が向上し、耐熱安定性が向上した。Ａ層とＢ層との界面における格子縞が連続している本発明例３、５〜８は、刃先の摩耗状態の均一で、突発的なチッピングや異常摩耗の発生が抑制され、耐摩耗性に優れていた。Ａ層とＢ層との界面における格子縞が連続させるには、ＴＢ値を２０ｎｍ以下とすることにより可能である。

本発明例１２〜２０、比較例３６、３７は、Ａ層、Ｂ層のＡｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換した場合の効果について検討した。本発明例１２は、原子％でＮｂを１０％添加したＡｌＣｒＮｂ合金ターゲットを用いて被覆した試料である。Ａｌ含有量を７５％まで高めてもコランダム構造の結晶構造を有する酸化物皮膜が得られた。本発明例１３と比較例３６は、Ｓｉを１０％と２０％添加したＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットを用いて被覆した試料である。本発明例１３は、コランダム構造の結晶構造を有する酸化物皮膜が得られたが、比較例３６はＢ層の結晶構造が非晶質となり、皮膜は低硬度となった。本発明例１４はＷを５％添加したＡｌＣｒＳｉ合金ターゲット、本発明例１５はＳｉを４％、Ｙを１％添加したＡｌＣｒＳｉＹ合金ターゲット、本発明例１６は硼素を５％添加したＡｌＣｒＢ合金ターゲット、本発明例１７はＷを４％、Ｓｉを３％添加したＡｌＣｒＷＳｉ合金ターゲット、本発明例１８はＣ１ターゲットに硼素を１０％添加したＣｒＢ合金ターゲット、本発明例１９はＣ１ターゲットにＳｉを１０％添加したＣｒＳｉ合金ターゲット、本発明例２０はＣ１ターゲットにＷを５％添加したＣｒＷ合金ターゲットを用いて被覆した試料であり、コランダム構造の結晶構造を有する酸化物皮膜が得られ、工具の耐摩耗性が優れた。比較例３７は、Ｔｉを１０％添加したＡｌＣｒＴｉ合金ターゲットを用いて被覆した試料である。Ｔｉ添加により皮膜は低硬度を示した。これは成膜中にＴｉ酸化物が形成され、酸化物粒子を微細化できなかったことによる。Ｔｉ添加により２θ値は本願発明の規定範囲内であるが酸化物皮膜の特性低下をもたらしたことから、２θ値の制御と共に最適な元素を選択して添加することが重要である。
基材表面にＡＩＰ法によりＣｒＮを被覆後、連続して真空容器内で酸化処理を行い、Ｃｒ２Ｏ３層を略０．１μｍ、その直上にスパッタリング法により純Ａｌターゲットを用い、酸化物皮膜を２μｍ被覆した従来例３８及び、ＣｒＮ被覆後酸化処理を行いその直上にスパッタリング法によりＡｌ：７０％、Ｃｒ：３０％のターゲットを用い、酸化物皮膜を被覆した従来例３９は、特性評価の結果、酸化物皮膜の結晶粒子は粗大で、面粗さも粗く、硬度は最大でも２３ＧＰａ程度であった。切削試験結果から、膜表面の酸化物粒子を起点にした凝着摩耗が進行し、切削工具の耐摩耗性が劣った。

図１は、本願発明の範囲におけるｘ値と２θ値との関係を示す。 図２は、本発明例５の１２５０ｎｍφの制限視野回折像を示す。 図３は、本発明例５の酸化物粒子のＴＥＭ像を示す。 図４は、本発明例５の酸化物粒子の１４０ｎｍφの制限視野回折像を示す。 図５は、図３の矢印部に示す酸化物粒子の高倍率のＴＥＭ像を示す。 図６は、図５中のスポット１の１ｎｍφの極微電子線回折写真を示す。 図７は、図５中のスポット２の１ｎｍφの極微電子線回折写真を示す。 図８は、本発明例５のＸＲＤ回折結果を示す。 図９は、図８のＡ２、Ｂ２のピークの拡大図を示す。

Claims (9)

1. 物理蒸着により酸化物を工具基材に被覆した多層被覆工具において、該酸化物はＡ層、Ｂ層からなり、該Ａ層はＣｒ酸化物、該Ｂ層は（ＡｌｘＣｒｙ）を金属成分とする酸化物、但し、ｘ、ｙは原子比率（％）、５０≦ｘ≦９０、ｘ＋ｙ＝１００、であり、該Ａ層と該Ｂ層は交互積層した積層構造を有し、該Ａ層の平均層膜（ｎｍ）をＴＡ、該Ｂ層の平均層厚（ｎｍ）をＴＢとしたとき、ＴＡ≦５０、ＴＢ≦５０であり、該Ｂ層はコランダム構造の結晶構造を有し、ＣｕＫα線を使用したＸ線回折において、（１１・６）面の回折ピークの２θ値が、（αｘ＋５４．０）≦２θ≦（αｘ＋５４．７）、但し、αは２．６５２×１０^−２、の範囲にあり、該Ａ層と該Ｂ層の最大強度を示す面指数が（１０・４）面であることを特徴とする多層被覆工具。
2. 請求項１記載の多層被覆工具において、Ｘ線回折における該Ａ層と該Ｂ層の最大強度を示す面指数が同一であることを特徴とする多層被覆工具。
3. 請求項１又は２に記載の多層被覆工具において、Ｘ線回折における該Ｂ層の（１０・４）面の回折強度をＩ（１０・４）、(１１・６)面の回折強度をＩ（１１・６）としたとき、Ｉ（１０・４）／Ｉ（１１・６）≧２であることを特徴とする多層被覆工具。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の多層被覆工具において、ＴＡ≦３０、ＴＢ≦３０、であることを特徴とする多層被覆工具。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の多層被覆工具において、１＜ＴＡ／ＴＢ≦５であることを特徴とする多層被覆工具。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の多層被覆工具において、該Ａ層と該Ｂ層との界面における格子縞が連続していることを特徴とする多層被覆工具。
7. 請求項１乃至請求項６の何れかに記載の多層被覆工具において、該Ａ層、該Ｂ層のＡｌ、Ｃｒの１部をＮｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ｙ、硼素から選択される１種以上で置換したことを特徴とする多層被覆工具。
8. 請求項１乃至請求項７の何れかに記載の多層被覆工具において、該酸化皮膜と該工具基材の界面の中間層に窒化物層を有することを特徴とする多層被覆工具。
9. 請求項１乃至請求項８の何れかに記載の多層被覆工具において、最表層に窒化物層を有することを特徴とする多層被覆工具。