JP5093530B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、基材とその上に形成された被覆膜とを備える表面被覆切削工具に関する。

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ドライ加工が求められていること、被削材が多様化していること、加工能率を一層向上させるため切削速度がより高速になってきていることなどの理由から、工具刃先温度はますます高温になる傾向にあり、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。特に工具材料の要求特性として、基材上に形成される被覆膜の高温での安定性（耐酸化特性や被覆膜の密着性）はもちろんのこと、切削工具寿命に関係する耐摩耗性の向上や耐欠損性の向上が一段と重要になっている。

耐摩耗性および表面保護機能改善のため、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質基材からなる切削工具や耐摩耗工具等の表面には、硬質被覆膜としてＴｉＡｌの窒化物を単層または複層形成することはよく知られているところである。しかしながら、最近の高速、ドライ加工では、ＴｉＡｌの窒化物からなる被覆膜では十分な工具寿命が得られないのが現状である。

このような状況下、被覆膜の耐熱性を向上し、長い工具寿命を実現する方法として、特許文献１には、ＴｉとＡｌとの複合窒化物において、さらにＳｉを添加した被覆膜が提案されている。このようにＳｉを含む被覆膜は、その表面にＳｉを含有する緻密な酸化保護膜が形成されることから、ＴｉＡｌの窒化物からなる被覆膜よりも耐熱性が優れるという利点がある。しかし、その一方で特許文献１に開示される被覆膜は、その硬度および靭性の性能が十分ではないという問題があった。

このような問題を解決する試みとして、特許文献２および特許文献３には、Ｔｉの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、または炭窒酸化物にＳｉを適量含有した層と、ＴｉおよびＡｌを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物、または炭窒酸化物からなる層とを交互に積層した被覆膜が開示されている。また、特許文献４には、ＡｌＴｉＳｉＮからなる層と、ＴｉＳｉＮからなる層とを交互に積層した被覆膜が開示されている。

特開平０７−３１０１７４号公報 特開２０００−３３４６０６号公報 特開２０００−３３４６０７号公報 特開２００３−２９１００５号公報

しかしながら、上記特許文献２および特許文献３に開示されているＴｉＳｉ系の被覆膜は、圧縮残留応力が極端に高いことにより、被覆膜自体が自己破壊しやすいため、基材または下層との密着性が十分ではないという問題があった。また、上記の特許文献４で開示されている被覆膜は、耐熱性、硬度、および靭性に優れる一方、かかる被覆膜で被覆した切削工具を用いて切削加工を行なうと、切削時の衝撃により発生したクラックが被覆膜の厚み方向に進展し、十分な耐欠損性が得られないという問題があった。

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、硬度、および応力バランスに優れるというＡｌＴｉＳｉＮの特性と、耐摩耗性と靭性に優れるというＴｉＡｌＳｉＮの特性とを兼備することにより、耐摩耗性、耐欠損性、および密着性を兼ね備えた被覆膜を有する表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明者らは、上記のような課題を解決するために、被覆膜の構成について種々の検討を重ねたところ、特許文献４に開示される被覆膜において厚み方向にクラックが進展しやすいのは、積層構造を構成する各層が常に一定の厚みで交互に積層されていることによるものであるという知見を得た。かかる知見に基づいて、ＡｌＴｉＳｉＮからなる層と、ＴｉＡｌＳｉＮからなる層との積層構造についてさらに鋭意検討を重ねることにより、これら各層に特定の金属を添加するとともに、その積層構造を制御することを見い出し、ついに本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被覆膜とを備え、該被覆膜は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_dＮ（ただし式中、０．３５≦ａ≦０．７、０≦ｃ≦０．１、０≦ｄ≦０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）からなるＡ層と、Ｔｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_zＮ（ただし式中、０≦ｘ≦０．４、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．３、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなるＢ層とが交互に各２層以上積層された積層体を含み、上記の式中ＭおよびＭｅは、それぞれ独立してＶ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、Ａ層の層厚λａと前記Ｂ層の層厚λｂとは、それぞれ１５ｎｍ以下であり、上記の積層体は、第１積層部と第２積層部とを交互に積層されたものであり、第１積層部を構成する任意のＡ層の層厚と、そのＡ層に隣接するＢ層の層厚とは、λａ＞λｂを満たし、第２積層部を構成する任意のＢ層の層厚と、そのＢ層に隣接するＡ層の層厚とは、λａ＜λｂを満たし、第１積層部の層厚λ₁および第２積層部の層厚λ₂は、それぞれ５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする。

Ａ層を構成するＳｉの原子比ｃと、Ｂ層を構成するＳｉの原子比ｙとは、以下の式（Ｉ）を満たすことが好ましい。

｜ｃ−ｙ｜≦０．０５ ・・・（Ｉ）
λａとλｂとは、それぞれ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。

Ａ層は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_dＮ（ただし式中、０．５≦ａ≦０．６、０．０３≦ｃ≦０．０８、０≦ｄ≦０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）からなることが好ましい。Ｂ層は、Ｔｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_zＮ（ただし式中、０≦ｘ≦０．４、０．０３≦ｙ≦０．０８、０≦ｚ≦０．３、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなることが好ましい。

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、硬度、および応力バランスに優れるというＡｌＴｉＳｉＮの特性と、耐摩耗性および靭性に優れるというＴｉＡｌＳｉＮの特性とを兼備することにより、耐摩耗性、耐欠損性、および密着性を兼ね備えた被覆膜を備えたものである。

基材直上に第１積層部が形成され、表面側に第２積層部が形成された態様の積層体を含む被覆膜を示す概略断面図である。 アークイオンプレーティング装置の概略図である。 実施例１で作製した被覆膜の断面をＴＥＭで観察したときの断面画像である。

以下、本発明について、詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。なおまた、本発明において、層厚または膜厚は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）により測定し、被覆膜の組成はエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray spectroscopy）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、基材とその上に形成された被覆膜とを備えたものである。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。

＜被覆膜＞
本発明の被覆膜は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_dＮ（ただし式中、０．３５≦ａ≦０．７、０≦ｃ≦０．１、０≦ｄ≦０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）からなるＡ層と、Ｔｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_zＮ（ただし式中、０≦ｘ≦０．４、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．３、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなるＢ層とが交互に各２層以上積層された積層体を含み、上記式中ＭおよびＭｅは、それぞれ独立してＶ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、Ａ層の層厚λａとＢ層の層厚λｂとは、それぞれ１５ｎｍ以下であり、上記の積層体は、第１積層部と第２積層部とを交互に積層したものであり、第１積層部を構成する任意のＡ層の層厚と、そのＡ層に隣接するＢ層の層厚とは、λａ＞λｂを満たし、第２積層部を構成する任意のＢ層の層厚と、そのＢ層に隣接するＡ層の層厚とは、λａ＜λｂを満たし、第１積層部の層厚λ₁および第２積層部の層厚λ₂は、それぞれ５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴としている。

このような本発明の被覆膜は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被覆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覆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、本発明の被覆膜は、その全体の膜厚が１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。１μｍ未満であると耐摩耗性に劣る場合があり、１５μｍを超えると基材との密着性および耐欠損性が低下する場合がある。このような被覆膜の特に好ましい膜厚は２μｍ以上８μｍ以下である。本発明の被覆膜は、その表面側に後述の最表面層を含むことができる。なお、上記の被覆膜は、上記の積層体の他、中間層、最表面層等の任意の層を含んでいてもよい。

以下、このような被覆膜についてさらに詳細に説明する。
＜Ａ層＞
積層体を構成するＡ層は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_dＮ（ただし式中、０．３５≦ａ≦０．７、０≦ｃ≦０．１、０≦ｄ≦０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）からなることを特徴とする。このようなＡ層は、耐熱性、硬度、および応力バランスに優れるため、高速、ドライ加工時の刃先の耐欠損性に効果的である。また、上記ａは０．５≦ａ≦０．６であり、上記ｃは０．０３≦ｃ≦０．０８であることがより好ましい。この場合耐熱性、硬度、および圧縮残留応力のバランスがさらに良好なものとなる。上記式中ａが０．３５未満であるか、またはｃが０．１を超えると、耐熱性（特に耐酸化性）および硬度を向上させる効果を十分に得ることができず、ａが０．７を超えると、被覆膜の硬度が大きく低下して耐摩耗性が低下するため好ましくない。

ここで、Ａ層を構成するＡｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_dＮ中のＭは、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であることを特徴とする。このような元素を３０原子％以下の割合でＡ層に含むことにより、Ａ層中で固溶強化が生じ、Ａ層の硬度を高めることができる。Ａ層を構成するＭは、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であることが好ましい。これらの元素を含むことにより、切削時の発熱により被覆膜の表面に酸化物が形成されて、自己潤滑性が高まり、工具寿命を向上させることができる。

なお、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_dＮという表記において、「Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_d」と、「Ｎ」との組成比は１：１の場合のみに限られるものではなく、組成比として可能である比を全て含み得るものであり、両者の比は特に限定されない。

＜Ｂ層＞
上記のＡ層とともに積層体を構成するＢ層は、Ｔｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_zＮ（ただし式中、０≦ｘ≦０．４、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．３、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）であることを特徴とする。このようなＢ層は、耐摩耗性と靭性に優れるが、さらなる高速、ドライ加工に対応するためにはそれ単体では限界があるため、本発明においては上記のＡ層と交互に積層されるものである。ここで、上記ｙは０．０３≦ｙ≦０．０８であることがより好ましく、この場合耐摩耗性と靭性のバランスが一層良好なものとなる。上記式中、ｙが０．１を超えると、圧縮残留応力が大きくなり、層間剥離が生じやすくなるため好ましくない。

ここで、Ｂ層を構成するＴｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_zＮ中のＭｅは、上記のＡ層を構成するＭと同様に、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であることを特徴とする。このような元素を３０原子％以下の割合でＢ層に含むことにより、Ｂ層中で固溶強化が生じ、Ｂ層の硬度を高めることができる。Ｂ層を構成するＭｅは、上記Ａ層を構成するＭと同様に、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であることが好ましい。このような元素を含むことにより、切削時の発熱により被覆膜の表面に酸化物が形成されて、自己潤滑性が高まり、もって工具寿命を向上させることができる。

なお、Ｔｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_zＮという表記において、「Ｔｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_z」と「Ｎ」との組成比は１：１の場合のみに限られるものではなく、組成比として可能である比を全て含み得るものであり、両者の比は特に限定されない。

＜Ａ層およびＢ層の層厚＞
上記のようなＡ層の層厚λａおよびＢ層の層厚λｂはそれぞれ、１５ｎｍ以下であることを特徴とする。このような層厚のＡ層およびＢ層を２層以上交互に積層させることにより、Ａ層およびＢ層の密着が非常に強固なものとなり、層間の剥離を抑制しつつ、Ａ層およびＢ層の両層が有するそれぞれの特性を享受することができる。かかるＡ層およびＢ層は、層間で剥離しない程度に薄くすることにより密着性を向上できることから、可能な限り薄い層厚であることが好ましいが、製造設備の都合上、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることがより好ましい。これらの層厚が１ｎｍ未満の場合、成膜装置の基材をセットする回転テーブルの回転数が早すぎて、装置のスペック上成膜が困難となり、１５ｎｍを超えると層厚が厚すぎるため、Ａ層およびＢ層の両層が有するそれぞれの特性を享受することができない。

＜積層体＞
図１は、基材直上にＡ層１０２が形成され、表面側にＢ層１０３が形成された態様の被覆膜を示す概略断面図である。ここで、被覆膜１０１に含まれる積層体は、図１に示されるように基材１００の直上に設けてもよいし、基材１００上に中間層（図示せず）を形成した後に、該中間層上に設けてもよい。かかる積層体は、Ａ層１０２およびＢ層１０３の両層が交互に積層される限り、どちらの層により積層を開始してもよいし、どちらの層により積層を終えてもよい。また、被覆膜１０１の最表面に最表面層（図示せず）を形成してもよいし、最表面層を形成しなくてもよい。最表面層を形成する場合、Ａ層１０２上に最表面層を形成してもよいし、Ｂ層１０３上に最表面層を形成してもよい。なお、図１における点線部分は積層が繰り返されていることを示すものであるが、本発明の積層態様の最少積層数は、Ａ層１０２、Ｂ層１０３がともに２層ずつである計４層の場合である。この場合、第１積層部１０４と第２積層部１０５とを各１つずつ形成し、それぞれＡ層１０２およびＢ層１０３を１層ずつ含むものとなる。

本発明の被覆膜は、上記のＡ層１０２と上記のＢ層１０３とが交互に各２層以上積層された積層体を含むことを基本とする。これは、耐熱性、硬度、および応力バランスに優れるＡ層１０２と、耐摩耗性および靭性に優れるＢ層１０３とを交互に積層させることにより、これらの両層が有するそれぞれの特性を享受することを期待したものである。しかし、これら各層の厚みを変えることなく、単純に積層させただけでは両層が有する特性を十分に発揮することができず、特に鉄系の被削材の高速加工およびドライ加工において、切削時の衝撃により被覆膜の厚み方向にクラックが進展しやすいものであった。

そこで、本発明では、上記クラックの進展を抑制するために、Ａ層およびＢ層の層厚が所定の関係を有する、第１積層部１０４および第２積層部１０５を交互に積層させた積層体を含むことを特徴とする。以下において、積層体を構成する第１積層部１０４および第２積層部１０５を説明する。

＜第１積層部および第２積層部＞
本発明の被覆膜は、λａ＞λｂを満たす第１積層部と、λａ＜λｂを満たす第２積層部とを交互に積層させた積層体を含み、かかる第１積層部の層厚λ₁および第２積層部の層厚λ₂が、それぞれ５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする。上記のλ₁およびλ₂が５ｎｍ未満あるいは４０ｎｍを超えると、切削時の衝撃により生じるクラックが進展するのを抑制する効果を得ることができない。

このようにＡ層の厚みλａおよびＢ層の厚みλｂの大小関係が異なる、第１積層部および第２積層部を積層することにより、切削時の衝撃によるクラックの進展を抑制することができ、もって耐欠損性を顕著に向上させることができる。なお、本発明は、第１積層部と第２積層部とを交互に積層させた積層体を形成するが、かかる積層体を構成する第１積層部の膜厚λ₁および第２積層部の層厚λ₂は、それぞれ同一の厚みであってもよいし、異なる厚みであってもよい。

ここで、第１積層部および第２積層部を構成するＡ層の層厚λａは、それぞれ異なる厚みであってもよいし、同一の厚みであってもよい。これは、第１積層部および第２積層部を構成するＢ層の層厚λｂに関しても同様である。そして、第１積層部の条件である「λａ＞λｂ」とは、必ずしも第１積層部を構成する全てのＡ層の層厚λａが、第１積層部を構成する全てのＢ層の層厚λｂよりも厚いことを意味するものではなく、層厚がλａのＡ層に隣接するＢ層（１層または２層）の層厚λｂがλａ＞λｂを満たす限り、第１積層部となる。

これは、第２積層部の条件である「λａ＜λｂ」に関しても同様であり、層厚がλｂのＢ層に隣接するＡ層の層厚λａがλａ＜λｂを満たす限り、第２積層部となる。

＜Ｓｉの原子比＞
Ａ層を構成するＳｉの原子比ｃと、Ｂ層を構成するＳｉの原子比ｙとはそれぞれ、各式中において０．１以下であることを特徴とする。これにより耐熱性を向上しつつ圧縮応力の増加を抑えることができ、密着性の低下を防ぐことができる。Ｓｉの原子比であるｃまたはｙが０．１を超えると、圧縮応力が増加することにより層間の剥離が生じやすくなる。

そして、上記のＡ層を構成するＳｉの原子比ｃと、Ｂ層を構成するＳｉの原子比ｙとが、以下の式（Ｉ）を満たすことにより、Ａ層とＢ層との密着性を高め、層間での剥離を抑制することができる。

｜ｃ−ｙ｜≦０．０５ ・・・（Ｉ）
なお、式（Ｉ）中の｜ｃ−ｙ｜を、以下においては「Ｓｉの原子比の差」とも記す。

Ｓｉの原子比の差が０．０５を超えると、被覆膜に含まれるＳｉの厚み方向の組成の均一性が取れなくなるためか、各層の応力差が大きすぎるためか、その理由は定かではないが密着性が低下する。Ａ層およびＢ層の密着性を向上する観点から、Ａ層およびＢ層を構成するＳｉの原子比の差は、０．０３以下であることがより好ましい。

＜製造方法＞
本発明の被覆膜は、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により形成されることが好ましい。これは、本発明の被覆膜を基材表面に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不可欠であり、種々の成膜方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが最適であることが見出されたからである。物理的蒸着法には、たとえばスパッタリング法、イオンプレーティング法などがあるが、特に原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法を用いると、被覆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が可能となるため、被覆膜と基材との密着性が格段に向上するので好ましい。

したがって、本発明の被覆膜は、物理的蒸着法の一種であるカソードアークイオンプレーティング法を採用してＡ層およびＢ層を形成することが好ましい。これによりＡ層およびＢ層の結晶構造を緻密にすることができる。

図２は、アークイオンプレーティング装置の概略図である。対向するアーク蒸発源２０１、２０２において、アーク蒸発源２０１にはＡ層用のＡｌＴｉＳｉＭターゲットをセットし、アーク蒸発源２０２にはＢ層用のＴｉＡｌＳｉＭｅターゲットをセットするとともに、回転テーブル２０４に基材２１０（切削工具）をセットする。なお、アーク蒸発源２０３にＡ層用のターゲットまたはＢ層用のターゲットをセットしてもよい。

ここで、アーク蒸発源２０１にセットされるターゲットの組成（ＡｌとＴｉとＳｉとＭとの比）によりＡ層を構成するＡｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_dＮの原子比であるａ、ｂ、ｃ、およびｄを決定することができる。また、アーク蒸発源２０２にセットされるターゲットの組成（ＴｉとＡｌとＳｉとＭｅとの比）によりＢ層を構成するＴｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_zＮの原子比であるｗ、ｘ、ｙ、およびｚを決定することができる。

そして、アークイオンプレーティング装置２００内が真空となるように排気した後に、アークイオンプレーティング装置内をたとえば５００℃に加熱した状態で回転テーブル２０４を５ｒｐｍで回転させながら、Ａｒガスによるスパッタクリーニング（ボンバード）を行なう。その後、基材に−５０Ｖのバイアス電圧を印加し、回転テーブル２０４を３ｒｐｍで回転させながら、アーク電流によりアーク蒸発源２０１、２０２をアーク放電させることにより、各ターゲットをイオン化させる。同時に反応ガスである窒素をガス導入口２０５から導入し、基材２１０の表面にＡ層およびＢ層を交互に成膜する。

すなわち、アーク蒸発源２０１の前を基材２１０が通過するときにＡｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_dＮからなるＡ層が成膜され、アーク蒸発源２０２の前を基材２１０が通過するときにＴｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_zＮからなるＢ層が成膜され、このように回転テーブル２０４が回転するのに従いＡ層とＢ層とを順次交互に積層させることができる。ここで、成膜する間のアーク蒸発源２０１のアーク電流を周期的に変化させたり、回転テーブルの回転数を周期的に変化させたり、各基材２１０をセットするときに基材同士の間隔を広く取ったりすることにより、λａ＞λｂを満たすＡ層およびＢ層が超多層に積層された第１積層部、およびλａ＜λｂを満たすＡ層およびＢ層が超多層に積層された第２積層部を作製することができる。

ここで、アーク蒸発源２０１、２０２のアーク電流を低くするほど、Ａ層およびＢ層の層厚は薄く形成される。したがって、Ａ層の層厚λａおよびＢ層の層厚λｂを薄く形成するためには、アーク蒸発源２０１、２０２のアーク電流を可能な限り小さくすればよい。ただし、アーク電流を８０Ａ未満にすると、アーク放電が不安定になり、Ａ層およびＢ層の層厚を均一に形成しにくくなるため、ターゲットの放電を安定させるためにはアーク電流は８０Ａ以上とすることが好ましい。

また、アーク電流を１５０Ａ程度とした場合、テーブルの回転数を３ｒｐｍ以上１５ｒｐｍ以下にすることにより、１５ｎｍ以下の層厚のＡ層およびＢ層を形成することができる。テーブルの回転数を３ｒｐｍ未満にすると、Ａ層およびＢ層の層厚が１５ｎｍを超える場合がある。一方、１５ｒｐｍを超えることは製造設備の制約上好ましくない。なお、Ａ層およびＢ層の各層厚が１ｎｍ未満では回転テーブルの回転数が非常に早くなり、アークイオンプレーティング装置のスペック上成膜が困難となる。なお、アークイオンプレーティング装置２００は、複数のヒータ２０６が備えられている。なお、上記のようにＡ層およびＢ層を形成した後に、さらに最表面層を形成してもよい。

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。

＜実施例１〜１６、比較例１〜１１＞
図２のようなカソードアークイオンプレーティング装置を用い、各層形成用のターゲットを蒸発源にセットし、基材温度４５０℃にて基材上に被覆膜を成膜した。

基材としては、超硬合金製エンドミル（φ１０ｍｍ、６枚刃）、超硬合金製ドリル（φ８ｍｍ）、Ｐ２０相当超硬合金製フライス用スローアウェイチップ（形状：ＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ−Ｇ）の３種類を準備し、それぞれに表１に示した被覆膜を成膜した。

実施例１〜１６および比較例１〜１１では、表１中の「組成」の欄に記載した「Ａ層」および「Ｂ層」を積層させることにより被覆膜を構成した。「層厚」の欄には、Ａ層およびＢ層のそれぞれの層厚の数値範囲を示すとともに、第１積層部および第２積層部のそれぞれの層厚の数値範囲を示し、「全体膜厚」の欄は、被覆膜の膜厚を示した。また、「Ｓｉ比の差」の欄には、その積層体を構成するＡ層を構成するＳｉの原子比ｃと、Ｂ層を構成するＳｉの原子比ｙとの差を示した。また、表１の「λａ,λｂ」の欄中の「２〜９」は、Ａ層およびＢ層がそれぞれ２ｎｍ以上９ｎｍ以下の層厚で形成されていることを示している。

たとえば、実施例１は、図２のアークイオンプレーティング装置を用い、アーク蒸発源２０１のターゲット材料にＡｌ_0.55Ｔｉ_0.35Ｓｉ_0.05Ｗ_0.05をセットし、アーク蒸発源２０２のターゲット材料にＴｉ_0.93Ｓｉ_0.04Ｗ_0.03をそれぞれセットして、被覆膜を形成した表面被覆切削工具に関するものである。このようなターゲット材料を用いることにより、Ａ層を構成するＳｉの原子比とＢ層を構成するＳｉの原子比との差が０．０１の被覆膜を得ることができる。なお、目的の組成からなる被覆膜を得るためにＮ₂ガス、またはＮ₂ガスとＡｒガスとを導入してチャンバー内の圧力を調整した。

まず、図２のアークイオンプレーティング装置のチャンバー内の圧力が真空になるように排気した後に、チャンバー内の温度を４５０℃まで昇温した。そして、Ａｒガスを導入してチャンバー内の圧力を１．０Ｐａに保持し、ＤＣバイアス電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとし基材表面のスパッタクリーニングを１５分間行なった。その後アルゴンガスを排気した。これにより、Ａｒイオンが基材表面をスパッタクリーニングし強固な汚れや酸化膜が除去された。

次に、Ａ層およびＢ層を成膜した。チャンバー内の圧力が３ＰａになるようにＮ₂ガスを導入し、基材ＤＣバイアス電圧を−５０Ｖとした。Ａｌ_0.55Ｔｉ_0.35Ｓｉ_0.05Ｗ_0.05ターゲットおよびＴｉ_0.93Ｓｉ_0.04Ｗ_0.03ターゲットをアーク電流１５０Ａとしてイオン化し、それぞれＮ₂ガスと反応させるとともに、回転テーブル２０４の回転数を３ｒｐｍと５ｒｐｍとを１０秒ずつ交互に切り替えることにより、基材上に層厚が２ｎｍ以上９ｎｍ以下のＡｌ_0.55Ｔｉ_0.35Ｓｉ_0.05Ｗ_0.05ＮからなるＡ層と、層厚が２ｎｍ以上９ｎｍ以下のＴｉ_0.93Ｓｉ_0.04Ｗ_0.03ＮからなるＢ層とを交互に成膜し、本発明の表面被覆切削工具を作製した。

このようにして形成された被覆膜において、第１積層部の膜厚λ₁および第２積層部の膜厚λ₂は、それぞれ８ｎｍ以上２０ｎｍ以下であった。すなわち、第１積層部の一例を示すと、たとえば６ｎｍの層厚のＡ層と２ｎｍの層厚のＢ層とを交互に各１層ずつ積層した８ｎｍの厚みの第１積層部であった。一方、第２積層部の一例を示すと、たとえば２ｎｍの層厚のＡ層と３ｎｍの層厚のＢ層とを交互に各３層ずつ積層した１５ｎｍの厚みの第２積層部であった。

本実施例の被覆膜において、第１積層部ではＡ層に隣接するＢ層の層厚λｂがいずれもλａ＞λｂを満たし、第２積層部ではＢ層に隣接するＡ層の層厚λａがいずれもλａ＜λｂを満たしていた。このようなＡ層とＢ層の積層数はそれぞれ６４０層であった。

このようにして作製された実施例１の表面被覆切削工具の被膜断面をＴＥＭを用いて観察した。図３は、実施例１で作製した被覆膜の断面をＴＥＭで観察したときの断面画像である。上述のように回転テーブル２０４の回転数を変えることにより、図３に示されるように、Ａ層１０２とＢ層１０３とを交互に形成し、かつ第１積層部１０４と第２積層部１０５とを交互に積層した被覆膜を形成することができる。実施例２〜１６および比較例１〜１１の表面被覆切削工具も実施例１と同様にして作製した。

このようにして得られた表面被覆切削工具（すなわち表面被覆エンドミル、表面被覆ドリル、表面被覆フライス加工用スローアウェイチップ）について次に示す切削条件にて評価を行なった。その切削評価の結果を表２に示す。

（１）エンドミル評価
表面被覆エンドミルを用いて行なった。すなわち、エンドミル切削条件は基材として上記の通り６枚刃、外径１０ｍｍの超硬合金製エンドミルを用い、被削材はＳＫＤ１１（ＨＲＣ６１）とし、側面切削をダウンカットで切削速度＝２００ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．０２５ｍｍ／刃、切込み量ａ_p＝１０ｍｍ、ａ_e＝０．６ｍｍ、エアーブローで行なった。切削長５０ｍ時点での切れ刃外周の摩耗幅を測定した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いことを示している。

（２）ドリル評価
表面被覆ドリルを用いて行なった。すなわち、ドリル切削条件は基材として上記の通り外径８ｍｍの超硬合金製ドリルを用い、被削材はＳ５０Ｃとし、穴加工を切削速度＝８０ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、穴深さ３０ｍｍの貫通穴、切削油なしで行なった。切削長３０ｍ時点での先端マージン部の摩耗幅を測定した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いことを示している。

（３）フライス評価
表面被覆フライス加工用スローアウェイチップを用いて行なった。フライス切削条件は基材として上記の通りＰ２０相当超硬合金製スローアウェイチップ（形状：ＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ−Ｇ）を用い、被削材はＳＣＭ４３５（幅３００ｍｍ×長さ２００ｍｍのブロック材）とし、切削速度＝３００ｍ／ｍｉｎ、送り量＝０．２５ｍｍ／ｔ、切込み量＝１．５ｍｍ、切削油なしで行なった。切削時間１５分時点での逃げ面の摩耗幅を測定した。摩耗幅が少ない程、耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いことを示している。

表２より、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と比較して工具寿命が著しく向上しており、高速、ドライ加工に十分対応できることがわかった。すなわち、本発明の表面被覆切削工具が、ＡｌＴｉＳｉＮの特性とＴｉＡｌＳｉＮの特性とを兼備し、さらにＡｌＴｉＳｉＮおよびＴｉＡｌＳｉＮに対し、特定の金属を添加することにより、耐摩耗性、耐欠損性、および密着性を兼ね備えたものであることが確認された。

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。

１００，２１０ 基材、１０１ 被覆膜、１０２ Ａ層、１０３ Ｂ層、１０４ 第１積層部、１０５ 第２積層部、２００ アークイオンプレーティング装置、２０１，２０２，２０３ アーク蒸発源、２０４ 回転テーブル、２０５ ガス導入口、２０６ ヒータ。

Claims (5)

1. 基材とその上に形成された被覆膜とを備え、
   前記被覆膜は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_dＮ（ただし式中、０．３５≦ａ≦０．７、０≦ｃ≦０．１、０≦ｄ≦０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）からなるＡ層と、Ｔｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_zＮ（ただし式中、０≦ｘ≦０．４、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦０．３、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなるＢ層とが交互に各２層以上積層された積層体を含み、
   前記式中ＭおよびＭｅは、それぞれ独立してＶ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、
   前記Ａ層の層厚λａと前記Ｂ層の層厚λｂとは、それぞれ１５ｎｍ以下であり、
   前記積層体は、第１積層部と第２積層部とを交互に積層されたものであり、
   前記第１積層部を構成する任意のＡ層の層厚と、そのＡ層に隣接する前記Ｂ層の層厚とは、λａ＞λｂを満たし、
   前記第２積層部を構成する任意のＢ層の層厚と、そのＢ層に隣接する前記Ａ層の層厚とは、λａ＜λｂを満たし、
   前記第１積層部の層厚λ₁および前記第２積層部の層厚λ₂は、それぞれ５ｎｍ以上４０ｎｍ以下である、表面被覆切削工具。
2. 前記Ａ層を構成するＳｉの原子比ｃと、前記Ｂ層を構成するＳｉの原子比ｙとは、以下の式（Ｉ）を満たす、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
   ｜ｃ−ｙ｜≦０．０５ ・・・（Ｉ）
3. 前記λａと前記λｂとは、それぞれ１ｎｍ以上１０ｎｍ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Ａ層は、Ａｌ_aＴｉ_bＳｉ_cＭ_dＮ（ただし式中、０．５≦ａ≦０．６、０．０３≦ｃ≦０．０８、０≦ｄ≦０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１）からなる、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Ｂ層は、Ｔｉ_wＡｌ_xＳｉ_yＭｅ_zＮ（ただし式中、０≦ｘ≦０．４、０．０３≦ｙ≦０．０８、０≦ｚ≦０．３、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる、請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。