JP6379518B2

JP6379518B2 - 超硬工具およびその製造方法

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Publication number: JP6379518B2
Application number: JP2014036306A
Authority: JP
Inventors: 修神田; 松本　卓也; 卓也松本
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Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2018-08-29
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Description

本発明は、超硬工具およびその製造方法に関し、より詳しくは、高合金油井管のビレット加工、ネジの切削加工、高合金特殊管の切削加工等に用いられる超硬工具に関する。

従来、超硬工具に関するものとして、例えば、特許文献１〜３に開示されたものが存在している。

特許第３５９９６２８号公報（特許文献１）には、超高温高圧焼結体からなる基材の表面にチタンとアルミニウムとを含む複合窒化物、複合炭化物、複合炭窒化物、複合窒酸化物、複合炭酸化物、複合炭窒酸化物の中から選ばれた少なくとも１種の複合硬質膜を含む単層または積層の保護膜として被覆される複合硬質膜被覆部材が開示されている。この保護膜は、下地層、中間層、外層、最外層を２層以上に積層されたものである。

特開２００７−２６０８０６号公報（特許文献２）には、超硬材料で構成される基材と、この基材上に形成される保護膜とを備える切削工具が開示されている。この保護膜は、ＡｌＴｉＮからなる下地層、ＴｉＮからなる中間層、およびＡｌ_２Ｏ_３からなる最外層を有する。

特開２０１２−０４５６６１号公報（特許文献３）には、超硬合金からなる基材と、この基材上に形成された保護膜とを備える切削工具が開示されている。この保護膜は、ＴｉＣＮからなる最下層、Ａｌ_２Ｏ_３からなる中間層、ＴｉＮからなる最表層を有する。

特許第３５９９６２８号公報特開２００７−２６０８０６号公報特開２０１２−０４５６６１号公報

特許文献１の被覆部材は、硬質の保護膜を備えるものの、この保護膜は、基材との間に熱膨張差が存在する。この熱膨張差により、基材と保護膜との接着界面に内部応力が生じる。この内部応力は、基材と保護膜との密着性を低下させる主な原因となる。また、ＡｌやＣｒのように、共有結合性が高い金属元素を含む組成は、破壊靱性が比較的小さい。このため、特許文献１では、基材と保護膜との間に界面剥離が起こりやすい問題があった。

特許文献２の保護膜は、金属酸化物としてのＡｌ_２Ｏ_３からなる最外層を有する。しかしながら、このＡｌ_２Ｏ_３は、機械的な剥離に弱いという性質を有する。このため、特許文献２の保護膜では、Ａｌ_２Ｏ_３層と他の層との密着性が低下することから、切削工具の劣化が早まるという問題があった。

特許文献３の保護膜は、金属酸化物としてのＡｌ_２Ｏ_３からなる中間層を含む。このため、特許文献３の保護膜でも、特許文献２と同様の問題があった。

本発明の目的は、削れにくく、かつ、剥がれにくい保護膜を備える超硬工具およびその製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態による超硬工具は、超硬合金からなる基材と、基材上に形成され、３．０μｍ以上の厚さを有し、金属窒化物からなる保護膜と、を備える。保護膜は、第１の金属窒化膜と、第２の金属窒化膜と、第３の金属窒化膜とを含む。第１の金属窒化膜は、基材上に形成され、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、基材の線熱膨張係数よりも大きい又は小さい線熱膨張係数を有する。第２の金属窒化膜は、第１の金属窒化膜上に形成され、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、第１の金属窒化膜の線熱膨張係数よりも小さい又は大きい線熱膨張係数を有する。第３の金属窒化膜は、第２の金属窒化膜上に形成され、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、第２の金属窒化膜の線熱膨張係数よりも大きい又は小さい線熱膨張係数を有する。

本発明の一実施形態による超硬工具の製造方法は、超硬合金からなる基材上に、３．０μｍ以上の厚さを有し、金属窒化物からなる保護膜を形成する工程を備える。この工程は、基材上に、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、基材の線熱膨張係数よりも大きい又は小さい線熱膨張係数を有する第１の金属窒化膜を形成する工程と、第１の金属窒化膜上に、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、第１の金属窒化膜の線熱膨張係数よりも小さい又は大きい線熱膨張係数を有する第２の金属窒化膜を形成する工程と、第２の金属窒化膜上に、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、第２の金属窒化膜の線熱膨張係数よりも大きい又は小さい線熱膨張係数を有する第３の金属窒化膜を形成する工程とを含む。

この実施の形態によれば、保護膜の硬度が高くなり、保護膜が削れにくくなる。しかも、保護膜内に生じる複数の内部応力が相互に打ち消され、基材と保護膜との密着力が高まり、保護膜が基材から剥がれにくくなる。

本発明によれば、削れにくく、かつ、剥がれにくい保護膜を備える超硬工具およびその製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態による超硬工具の構成を示す断面図である。図１に示される超硬工具を製造するためのアークイオンプレーティング装置を示す概略図である。図１に示される超硬工具の保護膜内に生じる内部応力を示す模式図である。本発明の第２の実施形態による超硬工具の構成を示す断面図である。図４に示される超硬工具の保護膜内に生じる内部応力を示す模式図である。

［第１の実施形態］
以下、図面を参照し、本発明の第１の実施形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

図１を参照して、超硬工具１ａは、基材２と、保護膜３ａとを備える。

基材２は、超硬合金からなる。より具体的には、基材２は、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とし、焼結助剤としてコバルト（Ｃｏ）を添加した超硬合金からなる。また、使用目的に応じて、超硬合金の材料特性を向上させるため、炭化チタン（ＴｉＣ）や炭化タンタル（ＴａＣ）などが添加される。

基材２のビッカース硬度は、荷重１ｋｇｆで１，８００〜２，０００であるものが好ましい。また、基材２の表面粗さは、Ｒａ表記で０．５０以下のものが好ましい。

保護膜３ａは、物理蒸着法により、基材２上に形成される。本発明の実施形態では、物理蒸着法として、アークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）が適している。

保護膜３ａは、全体で３．０μｍ以上の厚さを有する。保護膜３ａの厚さが３．０μｍよりも薄くなると、保護膜３ａの機械的強度が低下するためである。保護膜３ａの厚さは、好ましくは全体で４．０μｍ以上である。保護膜３ａの厚さの上限は、特に限定されないが、好ましくは６．０μｍ、さらに好ましくは５．０μｍである。

保護膜３ａは、少なくとも３層の金属窒化膜を含む。より具体的には、保護膜３ａは、最下層の金属窒化膜３１ａと、中間層の金属窒化膜３２ａと、最表層の金属窒化膜３３ａとを含む。

最下層の金属窒化膜３１ａは、基材２上に形成される。最下層の金属窒化膜３１ａは、０．５〜３．０μｍの厚さを有する。最下層の金属窒化膜３１ａの厚さが３．０μｍよりも厚くなると、保護膜３ａの密着性が低下する。また、最下層の金属窒化膜３１ａの厚さが０．５μｍよりも薄くなると、保護膜３ａの密着性が低下する。最下層の金属窒化膜３１ａの厚さの上限は、好ましくは２．０μｍ、さらに好ましくは１．５μｍである。最下層の金属窒化膜３１ａの厚さの下限は、好ましくは１．０μｍである。

中間層の金属窒化膜３２ａは、最下層の金属窒化膜３１ａ上に形成される。中間層の金属窒化膜３２ａは、０．５〜３．０μｍの厚さを有する。中間層の金属窒化膜３２ａの厚さが３．０μｍよりも厚くなると、保護膜３ａの密着性が低下する。また、中間層の金属窒化膜３２ａの厚さが０．５μｍよりも薄くなると、保護膜３ａの密着性が低下する。中間層の金属窒化膜３２ａの厚さの上限は、好ましくは２．０μｍ、さらに好ましくは１．５μｍである。中間層の金属窒化膜３２ａの厚さの下限は、好ましくは１．０μｍである。

最表層の金属窒化膜３３ａは、中間層の金属窒化膜３２ａ上に形成される。最表層の金属窒化膜３３ａは、０．５〜３．０μｍの厚さを有する。最表層の金属窒化膜３３ａの厚さが３．０μｍよりも厚くなると、保護膜３ａの密着性が低下する。また、最表層の金属窒化膜３３ａの厚さが０．５μｍよりも薄くなると、保護膜３ａの欠損が生じやすくなり、保護膜３ａの硬度が低下する。最表層の金属窒化膜３３ａの厚さの上限は、好ましくは３．０μｍ、さらに好ましくは２．０μｍである。最表層の金属窒化膜３３ａの厚さの下限は、好ましくは０．５μｍである。

最下層の金属窒化膜３１ａは、基材２の主成分であるタングステンカーバイドの線熱膨張係数β０よりも大きい線熱膨張係数β１を有する。ここで、線熱膨張係数（単位：１０^−６／Ｋ）は、金属組成に固有である。

中間層の金属窒化膜３２ａは、最下層の金属窒化膜３１ａの線熱膨張係数β１よりも小さい線熱膨張係数β２を有する。

最表層の金属窒化膜３３ａは、中間層の金属窒化膜３２ａの線熱膨張係数β２よりも大きい線熱膨張係数β３を有する。

最下層の金属窒化膜３１ａは、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＮ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、ＶＮ、及びＮｂＮからなる金属窒化物の群から選択される１種からなる。中間層の金属窒化膜３２ａは、これらの金属窒化物の群から選択される別の１種からなる。最表層の金属窒化膜３３ａは、これらの金属窒化物の群から選択されるさらに別の１種からなる。これらの金属窒化物は、成膜時の結晶成長性の妨げとならないように、立方晶の結晶構造を有する。

例えば、最下層の金属窒化膜３１ａはＺｒＮからなり、中間層の金属窒化膜３２ａはＡｌＮからなり、最表層の金属窒化膜３３ａはＴｉＡｌＮからなる。ここで、タングステンカーバイド（ＷＣ）の線熱膨張係数は５．２、ＺｒＮの線熱膨張係数は７．２、ＡｌＮの線熱膨張係数は５．７、ＴｉＡｌＮの線熱膨張係数は７．０である。

特に、最表層の金属窒化膜３３ａは、硬度が高いＴｉＡｌＮからなるものが好ましい。保護膜３ａの欠損が生じにくくなるためである。また、最表層の金属窒化膜３３ａがＴｉＡｌＮである場合、Ｔｉ／Ａｌの原子比率が０．５０以上になるように、成膜条件を制御する。ＴｉＡｌＮが立方晶の結晶構造を維持するためである。

上記の例の他に、最下層の金属窒化膜３１ａはＡｌＮからなり、中間層の金属窒化膜３２ａはＣｒＮからなり、最表層の金属窒化膜３３ａはＴｉＡｌＮからなっていてもよく、また、最下層の金属窒化膜３１ａはＮｂＮからなり、中間層の金属窒化膜３２ａはＣｒＮからなり、最表層の金属窒化膜３３ａはＴｉＡｌＮからなっていてもよく、また、最下層の金属窒化膜３１ａはＴｉＮからなり、中間層の金属窒化膜３２ａはＣｒＮからなり、最表層の金属窒化膜３３ａはＴｉＡｌＮからなっていてもよい。ここで、ＴｉＮの線熱膨張係数は９．４、ＮｂＮの線熱膨張係数は１０．１、ＣｒＮの線熱膨張係数は２．３である。

［製造方法］
以下、超硬工具１ａの製造方法の一例を説明する。

基材２として、タングステンカーバイド(ＷＣ)を主成分とし、コバルト(Ｃｏ)を焼結助剤として添加した超硬合金を準備する。

保護膜３ａは、図２に示すアークイオンプレーティング装置４により形成される。アークイオンプレーティング法は、真空中において、複数の成膜源（ターゲット）をカソード（陰極）とし、カソードとアノード（陽極）との間で真空アーク放電を発生させ、各ターゲット表面から金属材料を蒸発、イオン化させ、負のバイアス電圧を印加した基材２上に金属イオンを堆積させることにより、薄膜を形成する方法である。

図２に示すように、アークイオンプレーティング装置４は、成膜炉４０１と、バイアス電源４０２と、アーク電源４０３ａ〜４０３ｃと、接地４０４ａ〜４０４ｄと、を備える。

成膜炉４０１は、複数の成膜源４１１〜４１３と、窒素ガスを炉内に流入させる流入口４４１と、炉内の窒素ガスを排気させる排気口４４２と、を含む。流入口４４１から流入される窒素ガスは、流量４．０Ｐａで一定である。

基材２は、成膜炉４０１内に設置され、バイアス電源４０２と電気的に接続される。また、バイアス電源４０２は、接地４０４ｄと電気的に接続される。

複数の成膜源は、例えば、Ｚｒからなる最下層の金属窒化膜３１ａ用の成膜源４１１と、Ａｌからなる中間層の金属窒化膜３２ａ用の成膜源４１２と、ＴｉＡｌからなる最表層の金属窒化膜３３ａ用の成膜源４１３と、を含む。

最下層の金属窒化膜３１ａ用の成膜源４１１は、アーク電源４０３ａと電気的に接続される。また、成膜炉４０１およびアーク電源４０３ａは、接地４０４ａと電気的に接続される。

中間層の金属窒化膜３２ａ用の成膜源４１２は、アーク電源４０３ｂと電気的に接続される。また、成膜炉４０１およびアーク電源４０３ｂは、接地４０４ｂと電気的に接続される。

最表層の金属窒化膜３３ａ用の成膜源４１３は、アーク電源４０３ｃと電気的に接続される。また、成膜炉４０１およびアーク電源４０３ｃは、接地４０４ｃと電気的に接続される。

このように、アークイオンプレーティング装置４において、成膜源４１１〜４１３の各々は、別々のアーク電源に接続されている。このため、アークイオンプレーティング装置４から別の装置に基材２を移さなくても、アークイオンプレーティング装置４内で金属窒化膜３１ａ〜３３ａを形成することができる。

最下層の金属窒化膜３１ａを基材２上に形成する。具体的には、以下のような方法による。

成膜炉４０１内を真空にする。次に、成膜源４１１をカソード、成膜炉４０１をアノードとし、アーク電源４０３ａにより、成膜源４１１と成膜炉４０１との間に真空アーク放電を発生させる。このとき、成膜源４１１の表面は励起される。すなわち、励起された成膜源４１１の表面から最下層の金属窒化膜３１ａの金属材料（例えば、Ｚｒ）が蒸発し、イオン化される。

イオン化された金属材料は、負のバイアス電圧を印加された基材２上に堆積する。このとき、成膜源４１１から励起された金属イオン（Ｚｒイオン）と流入口４４１から成膜炉４０１内に導入された窒素ガスとが共有結合する。これにより、基材２上に金属窒化膜が形成される。

この金属窒化膜が形成された後、アニール処理(５００℃、数時間)を行う。このアニール処理により、金属窒化膜は、立方晶系の結晶構造に成長する。その結果、基材２上に最下層の金属窒化膜３１ａが形成される。

最下層の金属窒化膜３１ａを形成した後、成膜源４１２を用いて、中間層の金属窒化膜３２ａを最下層の金属窒化膜３１ａ上に形成する。最後に、成膜源４１３を用いて、最表層の金属窒化膜３３ａを中間層の金属窒化膜３２ａ上に形成する。中間層の金属窒化膜３２ａおよび最表層の金属窒化膜３３ａの形成方法は、上述の最下層の金属窒化膜３１ａの形成方法と同様である。このため、詳細な説明は省略する。

以上により、基材２上に保護膜３ａが形成され、超硬工具１ａが製造される。

［効果］
本発明の第１の実施形態による超硬工具１ａの効果を説明する。

保護膜３ａは、３．０μｍ以上の厚さを有する。このため、保護膜３ａは、高い硬度を維持することができる。また、保護膜３ａは、少なくとも３層の金属窒化膜を含む。このため、保護膜３ａの欠損が生じにくくなり、保護膜３ａの硬度を高めることができる。

最下層の金属窒化膜３１ａの線熱膨張係数β１は、基材２の線熱膨張係数β０よりも大きい。このため、最下層の金属窒化膜３１ａは、基材２よりも膨張しやすい。その結果、図３に示すように、最下層の金属窒化膜３１ａは、基材２との界面で圧縮応力を受ける。

中間層の金属窒化膜３２ａの線熱膨張係数β２は、最下層の金属窒化膜３１ａの線熱膨張係数β１よりも小さい。このため、中間層の金属窒化膜３２ａは、最下層の金属窒化膜３１ａよりも膨張しにくい。その結果、図３に示すように、中間層の金属窒化膜３２ａは、最下層の金属窒化膜３１ａとの界面で引張応力を受ける。

最表層の金属窒化膜３３ａの線熱膨張係数β３は、中間層の金属窒化膜３２ａの線熱膨張係数β２よりも大きい。このため、最表層の金属窒化膜３３ａは、中間層の金属窒化膜３２ａよりも膨張しやすい。その結果、図３に示すように、最表層の金属窒化膜３３ａは、中間層の金属窒化膜３２ａとの界面で圧縮応力を受ける。

保護膜３ａに生じる複数の内部応力は相殺される。より具体的には、最下層の金属窒化膜３１ａに生じる圧縮応力、中間層の金属窒化膜３２ａに生じる引張応力、および最表層の金属窒化膜３３ａに生じる圧縮応力が相互に打ち消される。その結果、基材２と保護膜３ａとの密着力が高まり、保護膜３ａが基材２から剥がれにくくなる。さらに、保護膜内の内部応力が相殺された状態であると、保護膜内の内部応力の均衡が保たれ、保護膜の硬度も高めることができる。

［第２の実施形態］
上記第１の実施形態による超硬工具１ａは、線熱膨張係数の関係において、β１がβ０よりも大きく、β２がβ１よりも小さく、β３がβ２よりも大きい保護膜３ａを備えているが、図４に示すように、第２の実施形態による超硬工具１ｂは、この保護膜３ａに代えて、β１がβ０よりも小さく、β２がβ１よりも大きく、β３がβ２よりも小さい保護膜３ｂを備えていてもよい。

保護膜３ｂは、最下層の金属窒化膜３１ｂと、中間層の金属窒化膜３２ｂと、最表層の金属窒化膜３３ｂとを含む。

最下層の金属窒化膜３１ｂの線熱膨張係数β１は、基材２の線熱膨張係数β０よりも小さい。このため、最下層の金属窒化膜３１ｂは、基材２よりも膨張しにくい。その結果、図５に示すように、最下層の金属窒化膜３１ｂは、基材２との界面で引張応力を受ける。

中間層の金属窒化膜３２ｂの線熱膨張係数β２は、最下層の金属窒化膜３１ｂの線熱膨張係数β１よりも大きい。このため、中間層の金属窒化膜３２ｂは、最下層の金属窒化膜３１ｂよりも膨張しやすい。その結果、図５に示すように、中間層の金属窒化膜３２ｂは、最下層の金属窒化膜３１ｂとの界面で圧縮応力を受ける。

最表層の金属窒化膜３３ｂの線熱膨張係数β３は、中間層の金属窒化膜３２ｂの線熱膨張係数β２よりも小さい。このため、最表層の金属窒化膜３３ｂは、中間層の金属窒化膜３２ｂよりも膨張しにくい。その結果、図５に示すように、最表層の金属窒化膜３３ｂは、中間層の金属窒化膜３２ｂとの界面で引張応力を受ける。

保護膜３ｂに生じる複数の内部応力は相殺される。より具体的には、最下層の金属窒化膜３１ｂ内に生じる引張応力、中間層の金属窒化膜３２ｂ内に生じる圧縮応力、および最表層の金属窒化膜３３ｂ内に生じる引張応力が相互に打ち消される。その結果、基材２と保護膜３ｂとの密着力が高まり、保護膜３ｂが基材２から剥がれにくくなる。

例えば、最下層の金属窒化膜３１ｂはＣｒＮからなり、中間層の金属窒化膜３２ｂはＴｉＡｌＮからなり、最表層の金属窒化膜３３ｂはＡｌＮからなる。

また、最下層の金属窒化膜３１ｂは、ＣｒＮに代えて、Ｓｉ_３Ｎ_４からなっていてもよい。

上記実施形態による超硬工具において、保護膜は３層の金属窒化膜を含むが、４層以上の金属窒化膜を含んでいてもよい。より具体的には、保護膜は複数の中間層の金属窒化膜を含んでいてもよい。

以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態およびその変形例のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。また、各実施形態およびその変形例は、適宜組み合わせて実施することが可能である。

表１に示す化学組成の超硬工具として、試料番号１〜２４のサンプルを作製した。試料番号１〜２４のサンプルに対し、密着力およびナノ硬度の評価試験を行った。

表１を参照して、試料番号７〜９、１２〜１４、１７〜１９、および２１〜２４は本発明の実施例のサンプルであり、試料番号１〜６、１０、１１、１５、１６、および２０は比較例のサンプル（表１中の※印）である。

試料番号１〜２４のサンプルは、タングステンカーバイド(ＷＣ)を主成分とし、コバルト(Ｃｏ)を焼結助剤として添加した超硬合金からなる基材を用いた。この基材は、ビッカース硬度が荷重１ｋｇｆで１，９６０であり、かつ、表面粗さがＲａ表記で０．３０以下である。

試料番号１〜２４のサンプルは、アークイオンプレーティング法により、上記基材の表面に保護膜を形成した。

［密着力評価試験］
スクラッチ試験法を用いて、各試料番号における密着力（単位：Ｎ）を評価した。より具体的には、ダイアモンド製の径０．２ｍｍ、先端角１２０ｄｅｇの先端針を用いて、保護膜と基材との界面における密着力の測定を行った。測定条件は、室温で、１００Ｎ/分、１０ｍｍ／分、最大荷重１０５Ｎとした。密着力の判定基準は、Ｆ≧８０Ｎを満たすこととした。密着力の判定時点は、基材の表層が露出したことを光学顕微鏡で識別した時点、または先端針が異常機械振動(ＡＥ信号)を検知した時点とした。

［ナノ硬度評価試験］
ナノインデンターを用いて、各試料番号における保護膜のナノ硬度Ｈ（単位；ＧＰａ）を評価した。より具体的には、三角錐の形状を有するダイアモンド製バーコビッチ型の圧子を使用し、連続剛性方式(周波数；４５Ｈｚ、振幅；２ｎｍ)により、圧子を保護膜の深さ１．０μmまで押し込む形式とした。測定条件は、室温で、最表層膜の表面から深さ０．５μｍの範囲とした。ナノ硬度の判定基準は、Ｈ≧３０ＧＰａを満たすこととした。

［試験結果］
表１に示すように、本発明の実施例のサンプルでは、密着力Ｆが８０Ｎ以上であって、かつ、ナノ硬度Ｈが３０ＧＰａ以上であり、密着力およびナノ硬度の条件を同時に満たした。

一方、試料番号１および２の保護膜の厚さは、３．０μｍ未満であった。さらに、試料番号１および２の保護膜は、１層の金属窒化膜からなる。すなわち、試料番号１および２の保護膜は、３層の金属窒化膜を備えていないことから、保護膜の硬度が低下する傾向にあると推測される。このため、少なくとも試料番号１の保護膜については、本発明の実施例の保護膜と比較して、硬度不足となった。ただし、試料番号２の保護膜については、硬度が高いＴｉＡｌＮ膜を最表層に形成したため、保護膜の欠損が生じず、硬度不足にならなかったと推測される。

試料番号１および２のサンプルでは、線熱膨張係数の関係において、β３がβ０よりも大きいという関係にある。すなわち、最表層の金属窒化膜内に圧縮応力が生じる。しかしながら、試料番号１および２の保護膜は１層の金属窒化膜しか有しない。このため、最表層の金属窒化膜内の圧縮応力は、他の内部応力に相殺されず、保護膜内に残存していると推測される。その結果、試料番号１および２の保護膜は、本発明の実施例と比較して、密着力不足となった。

試料番号３および４の保護膜は、２層の金属窒化膜からなる。すなわち、試料番号３および４の保護膜は、３層の金属窒化膜を備えていないことから、保護膜の硬度が低下する傾向にあると推測される。このため、少なくとも試料番号３の保護膜は、本発明の実施例の保護膜と比較して、硬度不足となった。ただし、試料番号４の保護膜については、硬度が高いＴｉＡｌＮ膜を最表層に形成したため、保護膜の欠損が生じず、硬度不足にならなかったと推測される。

試料番号３のサンプルでは、線熱膨張係数の関係において、β１がβ０よりも大きく、β３がβ１よりも大きいという関係にある。すなわち、最下層の金属窒化膜内に圧縮応力が生じ、最表層の金属窒化膜内に圧縮応力が生じる。しかしながら、試料番号３の保護膜は２層の金属窒化膜しか有しない。このため、最下層の金属窒化膜内の圧縮応力および最表層の金属窒化膜内の圧縮応力は、他の内部応力に相殺されず、保護膜内に残存していると推測される。その結果、試料番号３の保護膜は、本発明の実施例と比較して、密着力不足となった。

試験番号４のサンプルでは、線熱膨張係数の関係において、β１がβ０よりも小さく、β３がβ１よりも大きいという関係にある。すなわち、最下層の金属窒化膜内に引張応力が生じ、最表層の金属窒化膜内に圧縮応力が生じる。しかしながら、最表層の金属窒化膜内の圧縮応力が最下層の金属窒化膜内の引張応力よりも大きく、かつ、試料番号４の保護膜は２層の金属窒化膜しか有しない。このため、最表層の金属窒化膜内の圧縮応力の一部が保護膜内に残存していると推測される。その結果、試料番号４の保護膜は、本発明の実施例と比較して、密着力不足となった。

試料番号５のサンプルでは、線熱膨張係数の関係において、β１がβ０より小さく、β２がβ１より大きく、β３がβ２より大きいという関係にある。すなわち、最下層の金属窒化膜内に引張応力が生じ、中間層の金属窒化膜内に圧縮応力が生じ、最表層の金属窒化膜内に圧縮応力が生じる。試料番号５のサンプルにおいて、最下層の金属窒化膜内の引張応力と中間層の金属窒化膜内の圧縮応力とは相互に打ち消し合うが、最表層の金属窒化膜内の圧縮応力と中間層の金属窒化膜内の圧縮応力とは相互に打ち消し合わない。このため、少なくとも最表層の金属窒化膜内の圧縮応力は、他の内部応力に相殺されず、保護膜内に残存していると推測される。その結果、試料番号５の保護膜は、本発明の実施例と比較して、密着力不足となった。さらに、試料番号５のサンプルでは、保護膜内に内部応力が残存している状態であることから、保護膜内に生じる内部応力の均衡が崩れ、保護膜の硬度にも影響したと推測される。その結果、試料番号５の保護膜は、本発明の実施例と比較して、硬度不足になった。

試料番号６の保護膜の厚さは、３．０μｍ未満であった。さらに、試料番号６のサンプルでは、最表層のＴｉＡｌＮ膜の厚さが０．５μｍ未満であった。最表層に形成される膜の厚さが薄くなってしまうと、保護膜の欠損が生じやすくなると推測される。その結果、試料番号６の保護膜は、本発明の実施例と比較して、硬度不足となった。

試料番号１０のサンプルでは、最表層のＴｉＡｌＮ膜の厚さが３．０μｍを超えていた。このため、試料番号１０の保護膜は、３．０μｍの厚さを有する最表層のＴｉＡｌＮ膜を備える試料番号９の保護膜よりも、密着力不足となった。

試料番号１１のサンプルでは、中間層のＡｌＮ膜の厚さが０．５μｍ未満であった。このため、試料番号１１の保護膜は、０．５μｍの厚さを有する中間層のＡｌＮ膜を備える試料番号１２の保護膜よりも、密着力不足となった。

試料番号１５のサンプルでは、中間層のＡｌＮ膜の厚さが３．０μｍを超えていた。このため、試料番号１５の保護膜は、３．０μｍの厚さを有する中間層のＡｌＮ膜を備える試料番号１４の保護膜よりも、密着力不足となった。

試料番号１６のサンプルでは、最下層のＺｒＮ膜の厚さが０．５μｍ未満であった。このため、試料番号１６の保護膜は、０．５μｍの厚さを有する最下層のＺｒＮ膜を備える試料番号１７の保護膜よりも、密着力不足となった。

試料番号２０のサンプルでは、最下層のＺｒＮ膜の厚さが３．０μｍを超えていた。このため、試料番号２０の保護膜は、３．０μｍの厚さを有する最下層のＺｒＮ膜を備える試料番号１９の保護膜よりも、密着力不足となった。

本発明は、削れにくく、剥がれにくい保護膜を備える超硬工具およびその製造方法として産業上の利用が可能である。

１ａ、１ｂ：超硬工具
２：基材
３ａ、３ｂ：保護膜
３１ａ、３１ｂ：最下層の金属窒化膜
３２ａ、３２ｂ：中間層の金属窒化膜
３３ａ、３３ｂ：最表層の金属窒化膜

Claims

超硬合金からなる基材と、
前記基材上に形成され、４．０〜５．０μｍの厚さを有し、金属窒化物からなる保護膜と、を備え、
前記保護膜は、
前記基材上に形成され、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、前記基材の線熱膨張係数よりも大きい線熱膨張係数を有する第１の金属窒化膜と、
前記第１の金属窒化膜上に形成され、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、前記第１の金属窒化膜の線熱膨張係数よりも小さい線熱膨張係数を有する第２の金属窒化膜と、
前記第２の金属窒化膜上に形成され、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、前記第２の金属窒化膜の線熱膨張係数よりも大きい線熱膨張係数を有する第３の金属窒化膜と、を含み、
前記第１の金属窒化膜は、ＺｒＮであり、
前記第２の金属窒化膜は、ＡｌＮであり、
前記第３の金属窒化膜は、ＴｉＡｌＮである、超硬工具。
超硬合金からなる基材上に、４．０〜５．０μｍの厚さを有し、金属窒化物からなる保護膜を形成する工程を備え、
前記工程は、
前記基材上に、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、前記基材の線熱膨張係数よりも大きい線熱膨張係数を有する第１の金属窒化膜を形成する工程と、
前記第１の金属窒化膜上に、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、前記第１の金属窒化膜の線熱膨張係数よりも小さい線熱膨張係数を有する第２の金属窒化膜を形成する工程と、
前記第２の金属窒化膜上に、０．５〜３．０μｍの厚さを有し、前記第２の金属窒化膜の線熱膨張係数よりも大きい線熱膨張係数を有する第３の金属窒化膜を形成する工程と、を含み、
前記第１の金属窒化膜は、ＺｒＮであり、
前記第２の金属窒化膜は、ＡｌＮであり、
前記第３の金属窒化膜は、ＴｉＡｌＮである、超硬工具の製造方法。