JPH073432A - 超薄膜積層部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 切削工具や耐摩工具の耐摩耗性を十分に向上
させ、また、電気、電子、摺動、機械部品の耐摩耗膜、
保護膜として優れた特性を有する被覆構造を提供する。 【構成】 周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、Ａｌ
から選択される１種以上の元素の立方晶型の結晶構造を
持つ１種以上の主に金属結合性の窒化物もしくは炭窒化
物と、常温、常圧、平衡状態において立方晶型以外の結
晶構造を持つ主に共有結合性の化合物を繰り返して積層
する構造を有し、全体として立方晶型のＸ線回折パター
ンを持ち、それぞれの化合物の層厚を０．２〜２０ｎｍ
とした超薄膜積層部材を、全体の膜厚を０．５μｍ〜１
０μｍとした切削工具や耐摩工具の硬質基材の被膜、あ
るいは全体の膜厚を５ｎｍ〜１０μｍとした電気、電
子、摺動、機械部品の耐摩耗膜、保護膜として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、耐摩耗性等の改善の
ために、切削工具、耐摩耗工具等の硬質部材の表面ある
いは電気、電子部品、摺動、機械部品の表面に形成され
る超薄膜積層体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】切削工具においては、その耐
摩耗性を向上させるために、母材表面にＰＶＤ法やＣＶ
Ｄ法でＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒの炭化物、窒化物、炭窒化物や
Ａｌの酸化物からなる被覆層を１層もしくは複合して多
層に設けることが一般化している。特にＰＶＤ法による
被覆では、母材強度の劣化を招かずに耐摩耗性を高め得
ると言う利点があることから、ドリル、エンドミル、フ
ライス用スローアウェイチップ等、強度の要求される切
削工具に、かかる表面被覆が多用されている。

【０００３】しかし、かかる表面材質は全てが金属結合
性を持つ窒化物もしくは炭窒化物であり、耐摩耗性、耐
熱性が十分とはいえず、特に高速切削用途では工具寿命
が短いという問題が有る。

【０００４】また、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素
（ｃＢＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）、窒化アルミ（Ａ
ｌＮ）等の共有結合性の化合物は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒの
炭化物、窒化物、炭窒化物をはるかに凌ぐ高硬度をも
ち、また、耐熱性も高いことから上記表面被覆に替わる
被覆材料として非常に有望である。

【０００５】しかし、これらの材料は、従来の手法では
合成が非常に難しく、密着性が低く剥離しやすいという
問題があり、実用化されていないのが現状である。

【０００６】このような状況下において、Ｈ．Ｈolleck
等による昭６１−２３５５５５（ＤＥ３５１２９８６）
や、Ｓurface and Ｃoatings Ｔechnology, Ｖｏｌ．
４１（１９９０），ｐ１７９〜１９０に示されるよう
に、例えばＴｉＣとＴｉＢ₂ のような２種の金属結合性
のセラミクスの薄膜ないしは微粒の膜厚ないしは粒径を
４０ｎｍ以下にして、被覆膜全体のなかに総数１００〜
２００００層という極めて多数のコヒーレントもしくは
部分的にコヒーレントな界面を導入した構造を用いて切
削特性を向上させる試みもなされてきた。

【０００７】上記多層膜は、ＴｉＣ、ＴｉＢ₂ ターゲッ
トを用いたスパッタ法によって作製されており、Ｓurfa
ce and Ｃoatings Ｔechnology, Ｖｏｌ．４１（１９
９０），ｐ１７９〜１９０によれば、コヒーレントある
いは部分的にコヒーレントな各層界面に形成される２ｎ
ｍ〜３ｎｍ程度の結晶性混合層もしくは非晶質混合層に
よるエネルギーの分散により、クラックの伝播が抑えら
れ耐摩耗性が向上する。しかし、耐摩耗性の尺度の一つ
である硬度については、高硬度化は確認されていない。

【０００８】一方、Ｍ．Ｓ．Ｗong やＷ. Ｄ. Ｓproul
等によって２種の金属結合性の窒化物を数ｎｍの層厚で
積層すると、ある層厚において硬度が上昇するという報
告もある。

【０００９】しかし、いずれも結合性の同一な金属結合
性化合物同士の組み合わせであり、耐酸化性、高温硬度
の明瞭な改善の効果は現れておらず、切削工具の長寿命
化、特に高速切削に適用される工具の長寿命化に必要な
耐熱性において十分ではなかった。

【００１０】ところで、電気、電子部品や摺動、機械部
品の耐摩耗膜、保護膜についても従来提案されている膜
では十分ではない。

【００１１】磁気記憶媒体を例に取ると、摺動による損
傷防止のために表面保護膜が必要になる。これらの保護
膜に要求される特性としては、耐摩耗性、基材との密着
性、表面潤滑性が挙げられる。このうち、耐摩耗性は保
護膜の硬度によるところが大きい。

【００１２】従来、この保護膜には膜厚８０ｎｍ程度の
ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ａｌ₂ Ｏ₃等の酸化物や窒化物
あるいは炭素膜が用いられているが、これらの保護膜で
は磁気記録方式の高密度化、大容量化の面から生じた膜
厚５０ｎｍという要求には応えられない。従来の保護膜
は５０ｎｍ以下では、耐摩耗性や耐食性が格段に低下す
る。

【００１３】本発明は、かかる現状に対し、切削工具、
耐摩工具、電気、電子部品、摺動、機械部品の耐摩耗
性、耐熱性、耐食性を向上させる超薄膜積層部材を提供
しようとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するために、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元
素、Ａｌ、Ｂから選択される１種以上の元素の立方晶型
の結晶構造を持つ１種以上の主に金属結合性の窒化物も
しくは炭窒化物と、常温、常圧、平衡状態において立方
晶型以外の結晶構造を持つ主に共有結合性の化合物を繰
り返して積層する構造を有し、全体として立方晶型のＸ
線回折パターンを持ち、それぞれの化合物の層厚を０．
２〜２０ｎｍとし、ビッカース硬度が荷重１ｇｆで４０
００kgｆ／mm² 以上である超薄膜積層部材を切削工具や
耐摩工具といった基材の全表面あるいは切刃部分の表面
に被覆したものである。

【００１５】すなわち、積層する薄膜の少なくとも１種
である共有結合性化合物の結晶構造を、金属結合性化合
物の結晶構造である立方晶に変化させて、共有結合性化
合物の性質と金属結合性化合物の性質をもつ全体に立方
晶型単一の結晶構造をもつ超薄膜積層部材を被覆したも
のである。

【００１６】上記１種以上の金属結合性化合物あるいは
共有結合性化合物とは、全ての元素の異なる化合物であ
っても構わないし、その一部あるいは全ての元素が共通
で、その組成のみが異なる化合物の積層であっても構わ
ない。

【００１７】また、上記超薄膜部材を、電気、電子、摺
動、機械部品の耐摩耗膜、保護膜として使用する場合、
電気、電子部品にあっては全体の膜厚を５ｎｍ〜１０μ
ｍ程度とし、機械部品にあっては０．１μｍ〜１０μｍ
程度とする。

【００１８】上記超薄膜積層部材は、２種あるいはそれ
以上の化合物を界面を形成させずに、化合物の組成の全
てあるいは一部が連続的に変化し、そのある部分が立方
晶型の共有結合性化合物である構造をとることもでき
る。

【００１９】また、明瞭な界面と、界面を持たない連続
組成変化が組み合わされた構造をとることもできる。

【００２０】上記のような層厚の薄膜積層部材を得る方
法としては、スパッタリング法やイオンプレーティング
法等のＰＶＤ法があり、この方法は、基材の強度を容易
に維持することができ、例えば、工具においては、耐摩
耗性、耐欠損性を高いレベルで維持できる。

【００２１】本発明の立方晶型の共有結合性化合物を形
成するためには、上記のＰＶＤ法のなかでもイオン化率
が高く、結晶性の高い共有結合性化合物を形成できるア
ーク式イオンプレーティング法が適している。

【００２２】さらに、より高いイオン化率を得るために
は、窒化物あるいは炭窒化物のターゲットを用いず、少
なくとも周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素および
Ｂ、Ａｌを含む、複数の金属あるいは合金のターゲット
と少なくともＣ、Ｎを含むガスを原料として反応性のＰ
ＶＤ法を用いることで得られる。

【００２３】また、上記超薄膜部材をＷＣ基超硬合金、
サーメット、高速度鋼等の硬質基材のチップ、ドリル、
エンドミル等の切削工具に被覆する場合、基材と超薄膜
積層部材との界面に、膜厚０．０５〜５μｍで、ＩＶ
ａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素から選択される１種以上の元素
と、Ｃ、Ｎから選択される１種以上の元素からなる化合
物およびＩＶａ族元素の酸化物のうち、１種以上の化合
物を中間層として設ける事は、膜の密着性を向上させる
点で有利である。

【００２４】同様に、超薄膜積層部材の表面に、膜厚
０．１〜５μｍで、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化
物、炭化物、炭窒化物、もしくは酸化物、およびＩＶａ
族元素の酸化物のうち、１種以上の化合物を表面層とし
て有すると耐摩耗性の面から好ましい。

【００２５】また、上記の切削工具に特に切削チップに
被覆する場合、チップの各面に求められる特性に応じ
て、チップの逃げ面とすくい面の薄膜の積層する周期の
異なる超薄膜積層部材を被覆することが好ましい。

【００２６】なお、図１および図２において、符号１は
超薄膜積層部材、２は基材、３は表面層、４は中間層を
示している。

【００２７】

【作用】本発明で用いる超薄膜積層部材は、０．２ｎｍ
〜２０ｎｍという極めて薄い層厚で立方晶の金属結合性
の化合物と、常温、常圧、平衡状態のもとで立方晶とは
異なる結晶構造を有する立方晶の共有結合性化合物とを
繰り返し積層する事により、全体が単一の立方晶型の結
晶構造をもち、従来にない高硬度、耐酸化性を得ること
によって、優れた耐摩耗性、耐熱性を発現させたもので
ある。

【００２８】共有結合性の化合物は、一般に立方晶型と
は異なる結晶型をもち、また、特性としては高い硬度、
優れた耐熱性を持つ。例えば、焼結体として用いられて
いる、窒化アルミ（ＡｌＮ）は、常温、常圧、平衡相で
ウルツァイト構造をもち、硬度、耐熱性、両者において
優れた特性を有する。

【００２９】一方、常温、常圧下では非平衡相である立
方晶型の結晶構造をもつ共有結合性化合物であるダイヤ
モンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）は、硬度、耐熱性
の両者において、極めて優れた特性を有し、このことか
ら、他の共有結合性物質でも立方晶型の非平衡層は極め
て優れた特性を有すると予測される。

【００３０】しかし、非平衡相である立方晶型の共有結
合性化合物の薄膜は合成が非常に困難である事、また、
合成されても超硬合金、高速度鋼、サーメット等の一般
に良く用いられる基材あるいは、中間層として一般に用
いられるＴｉＮ、ＴｉＣＮ等、立方晶ＮａＣｌ型結晶構
造を持つ金属結合性の硬質薄膜との密着性が非常に低く
耐摩耗性被膜、保護膜として用いられていないのが現状
である。

【００３１】また、金属結合性化合物と共有結合性化合
物の両者の性質を取り入れるために両化合物の積層構造
にしても、両化合物界面の密着性が悪く容易に剥離が起
こるため、やはり耐摩耗性被膜、保護膜として、このよ
うな多層膜を用いる事はできない。

【００３２】これは、共有結合性に対して金属結合性と
いう化合物のもつ結合性の違いに加えて、結晶構造も異
なるため、基材あるいは中間層との界面あるいは多層膜
の化合物間の界面において、原子間の十分な結合が形成
されていなかったからである。

【００３３】すなわち、本発明は、常温、常圧、平衡状
態の下で立方晶型の結晶構造をもたない共有結合型の化
合物を２０ｎｍ以下という極めて薄い層厚にし、その前
後に立方晶型の金属結合性化合物を積層することで、立
方晶型の共有結合性化合物を形成し、立方晶型の共有結
合性化合物の極めて優れた特性と、結晶構造を同一にす
ることで各界面で十分な原子間の結合を形成して、その
両方の効果により、基材あるいは中間層と十分な密着力
を有し、かつ従来被覆膜より高硬度、高耐酸化性の特性
を実現した。

【００３４】また、共有性化合物が立方晶型に変化した
場合、この化合物層が結晶構造の変化にともなう、歪み
エネルギーを蓄積する効果、また、化合物界面の原子の
結合による各化合物層の歪みによる歪みエネルギーの蓄
積による効果も超薄膜積層部材の硬度を上昇させる。

【００３５】金属結合性化合物の層厚は規定されるもの
ではないが、共有結合性化合物の層厚に比べて金属結合
性化合物の層厚があまりにも大きくなり過ぎると、共有
結合性化合物による高硬度、高耐酸化性などの効果が薄
れるので、両化合物層の層厚の上限は同じ２０ｎｍとし
た。

【００３６】一方、各化合物の層厚を０．２ｎｍ以下と
した場合、相互拡散等の影響により、超薄膜積層部材全
体において均質な積層物質同士の混合層となるので、上
記の効果はない。

【００３７】ここで、上記のすくなくとも２種以上の金
属結合性化合物と共有結合性化合物とは、構成元素の全
てが異なる化合物の積層でも構わないし、その一部を共
有するものでも構わない。また、全ての構成元素が同一
で、その組成比が異なる化合物の積層であってもよい。

【００３８】本発明である、超薄膜積層部材の効果は積
層化合物間の界面によって生ずるものではないので、化
合物層間に明瞭、不明瞭を問わず界面が存在する必要は
ない。つまり、隣接する化合物の全てあるいは一部の元
素が連続的に変化し、ある組成の範囲が立方晶型の共有
結合性化合物である構造でも上記の効果は発現される。

【００３９】この場合、共有性化合物の結晶構造は立方
晶型により安定化され、硬度、耐酸化性は向上し、耐摩
耗性、耐熱性の優れた、極めて優秀な切削特性が実現さ
れる事が判明した。また、欠陥や膜応力の急激な変化等
による剥離が回避される効果も考えられる。

【００４０】本発明の超薄膜積層部材を実現するには、
非晶質成分の少ない結晶性の高い共有結合性化合物を形
成することができる成膜プロセスで作製されることが必
要不可欠である。種々の成膜方法を検討した結果、原料
元素のイオン化率が高いアーク式イオンプレーティング
法が適していることが判明した。反応性イオンプレーテ
ィング法、マグネトロンスパッタリングを含めたスパッ
タリング法においても、共有結合性化合物を成膜できる
が、非晶質成分が量の多少にかかわらず混在するため、
特性が低下する。

【００４１】また、より高いイオン化率を得るために
は、窒化物あるいは炭化物の化合物のターゲットを用い
るよりも、少なくともＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、
Ｂ、Ａｌの１種以上の元素を含んだ金属あるいは合金の
複数のターゲットとＣ、Ｎのいずれか、あるいは両方を
含む気体を原料として用いる、反応性のＰＶＤ法が適し
ている。この時、形成する化合物の結晶性向上等のため
に、原料となる気体以外に、Ａｒ、Ｈｅ等の不活性ガ
ス、Ｈ₂ 等のエッチング効果を持つ気体を成膜炉内に同
時に導入しても構わない。

【００４２】上記の効果により、本発明である超薄膜積
層部材のビッカース硬度は、荷重１ｇｆで４０００kgｆ
／mm² 以上と非常に高い硬度を示す。

【００４３】超薄膜積層部材をＷＣ基超硬合金、サーメ
ット、高速度鋼等の硬質基材に被覆した耐摩耗部材の場
合、全膜厚が０．５μｍ未満では耐摩耗性の向上は、ほ
とんど見られない。また、１０μｍを越えると膜中の残
留応力等の影響で基材との密着強度が低下する。したが
って、耐摩耗部材の場合、被覆する超薄膜積層体の全体
の膜厚は０．５μｍ〜１０μｍとする。

【００４４】また、超薄膜積層構造を直接基材の上に形
成した場合には、基材との密着強度が従来のコーティン
グ膜に比べて劣ることがある。この時、基材と超薄膜積
層構造との間に、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素から選択
される１種以上の元素と、Ｃ、Ｎから選択される１種以
上の元素からなる化合物およびＩＶａ族元素の酸化物の
うち、１種以上の化合物で構成される中間層を形成する
と、超薄膜積層構造の密着強度が改善できることを明ら
かにした。また、基材と超薄膜積層構造の特性の大きく
異なる物質の間に、中間的な特性の中間層を設けること
は、特性の変化を段階的に制御でき、例えば、膜の残留
応力の低減などの効果も期待できる。

【００４５】中間層の膜厚に関しては、膜厚が０．０５
μｍ未満では密着強度の向上が見られず、逆に５μｍを
越えても密着強度の更なる向上は見られなかった。よっ
て、特性および生産性の観点より、中間層の膜厚は、
０．０５〜５μｍの範囲を採用する。

【００４６】更に、本発明の一実施態様に従うと、本発
明に係る耐摩耗被膜の最上層に、厚さ０．１μｍ以上、
５μｍ以下の表面層を設けると、耐摩耗部材の性能を向
上させることができる。耐摩耗被膜の最表面は、非常に
過酷な環境にさらされる事が多いため、雰囲気もしくは
摩耗相手材との反応が起こり易く、被膜表面の変質につ
ながり、耐摩耗特性が損なわれる。一方超薄膜積層構造
を構成する成分は、必ずしも反応性の低い成分とは限定
しないので、雰囲気及び相手材との耐反応性の優れてい
る成分を選択し表面層を設けることにより、表面反応に
よる摩耗を抑制できる。膜厚は、０．１μｍ以下では、
耐摩耗特性の向上は見られず、５μｍを越えると剥離等
により、やはり、耐摩耗特性の向上は見られないので
０．１〜５μｍとする。

【００４７】上記の超薄膜積層体を含む耐摩耗性被膜を
切削工具であるチップ、ドリル、エンドミル等に使用す
ると、これら切削工具の切削性能および寿命が格段に向
上することが確認された。

【００４８】また、発明者が鋭意検討した結果、切削工
具チップにおいては、すくい面の超薄膜積層体の積層周
期を逃げ面の超薄膜積層体の周期より大きくした場合、
切削チップの切削性能および寿命が格段に向上すること
が確認された。また、異なるチップ形状、切削用途にお
いては逃げ面の超薄膜積層体の積層周期をすくい面の超
薄膜積層体の周期より大きくすると、切削チップの切削
性能および寿命が格段に向上する場合のあることが確認
された。これは、各用途によって逃げ面とすくい面に要
求される耐摩耗性、耐酸化性等の特性が異なることによ
って、適した超薄膜積層体の周期が異なることによると
思われる。

【００４９】ここで、積層周期とは、例えば図１(イ) お
よび(ロ) に示すように４層の化合物Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを繰
り返して積層した場合、各化合物Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの層厚
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄの和λ、 １Ａ＋１Ｂ＋１Ｃ＋１Ｄ＝λ の事を言う。

【００５０】また、超薄膜積層構造は電気・電子部品、
摺動、機械部品の耐摩耗膜、保護膜としても切削工具に
適用した場合と同様に優れた耐摩耗性を発揮することが
できる。

【００５１】電気・電子部品、摺動、機械部品の耐摩耗
膜、保護膜としては、全膜厚が５ｎｍ未満では耐摩耗性
の向上は充分ではなく、１０μｍ以上の厚膜では基材と
の密着強度の低下によって充分な密着強度が得られなく
なる。よって、電気・電子部品、摺動、機械部品の耐摩
耗膜、保護膜としては、全膜厚が０．００５〜１０μｍ
の範囲を採用する。

【００５２】

【実施例】以下、切削工具および磁気ディスク接触面保
護膜の耐摩耗性改善について行った実施例について、具
体的に説明する。

【００５３】実施例中、超薄膜積層部材の各化合物の層
厚および積層周期の決定は透過電子顕微鏡観察により行
った。各層の塑性変化はＡＥＳあるいは透過電子顕微鏡
併設の微小領域ＥＤＸによって確認された。また、超薄
膜積層部材全体の結晶構造は、Ｘ回折パターンより決定
した、微小部分の結晶構造については、透過電子顕微鏡
のＴＥＤパターンにより確認できる。Ｘ線回折ピークの
観測は、銅ターゲット、ニッケルフィルタを用いたディ
フラクトメータによりＣｕ−Ｋα線の回折線をθ−２θ
法で観測した。また、膜硬度は、公知のビッカース硬度
測定法により荷重２５ｇｆで測定した。荷重１ｇｆでの
ビッカース硬度４０００kgｆ／mm² は、荷重２５ｇｆで
の３０００kgｆ／mm² にほぼ相当する。

【００５４】〔実施例１〕基材として、組成がＪＩＳ規
格Ｐ３０、形状がＪＩＳ ＳＮＧ４３２の超硬合金製切
削チップを用意し、その表面に下記のように真空アーク
放電によるイオンプレーティング法を用いて超薄膜積層
構造を形成した。

【００５５】すなわち、図３(イ) 、(ロ) に示すように、
成膜装置５内に複数個のターゲット６を配置し、ターゲ
ットの中心点を中心としてこれらのターゲット間で回転
する基材保持具７に上記切削チップ８を装着し、切削チ
ップの回転数と真空アークの放電電流（ターゲット材料
の蒸発量）を調整することにより、各層の層厚を制御し
た、まず、成膜装置５内の真空度を１０^-5Ｔｏｒｒの雰
囲気とし、ついでＡｒ（アルゴン）ガスを導入して１０
^-2Ｔｏｒｒの雰囲気に保持しながら、５００℃まで加熱
し、切削チップに−１０００Ｖの電圧をかけて洗浄を行
った後、Ａｒガスを排気した。次に、成膜装置５内にＮ
₂ ガス、ＣＨ₄ ガスのいずれか一種類あるいは数種類を
基材回転に合わせて時間制御を行い、２００ｃｃ／ｍｉ
ｎの割合で導入しながら、真空アーク放電により周期律
表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属元素、Ａｌ、ＢおよびＴ
ｉ−Ａｌ合金のターゲットを蒸発、イオン化させること
により、回転する切削チップがターゲットの前を通過す
る際にターゲット材料と導入ガス中のＣ、Ｎとの化合物
層が切削チップ上に形成される。このようにして形成し
た発明品（試料１−１〜２４）を表１に示す。

【００５６】また、比較のために従来品（試料１−２５
〜２８）のコーティング切削チップ試料も用意した。す
なわち、試料１−２５は、上記と同様の手法によりＣ
ｒ、Ｖターゲットを使用して作製し、試料１−２６、２
７は通常の成膜装置を使用して真空アーク放電を用いた
イオンプレーティング法により、上記と同じ組成と形状
の切削チップの表面にＴｉＮおよびＴｉＣＮを単独また
は組み合わせた硬質被覆層を被覆して製造し、試料１−
２８は通常のＣＶＤ法により同じ組成と形状の切削チッ
プの表面にＴｉＮおよびＡｌ₂ Ｏ₃ を組み合わせた硬質
被覆層を形成することにより製造した。

【００５７】発明品である試料１−２〜２４のビッカー
ス硬度は、荷重２５ｇｆで３５００kg／mm² 以上と非常
に高い硬度を持つことが分かる。試料１−１は積層周期
が０．３ｎｍすなわち、それぞれの化合物層の層厚が
０．１５ｎｍとしたものだが、発明品中では低い硬度と
なっている。この試料をＴＥＭ観察したところ明瞭な積
層構造が見られず、混合層となっていることが分った。

【００５８】次に、上記の製造した各表面被覆切削チッ
プ試料について、表２の条件による連続切削試験と断続
切削試験を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。

【００５９】表３の結果から、従来の表面被覆切削チッ
プ試料のうち硬質被覆層をＰＶＤ法で形成した試料１−
２５〜２７は耐摩耗性に劣り、また、ＣＶＤ法で形成し
た試料１−２８は母材の靭性劣化により刃先の耐欠損性
が低下したのに対し、本発明例の表面被覆切削チップ試
料１−１〜２４は連続切削および断続切削の両方におい
て優れた耐摩耗性を有すると同時に、硬質被覆層をＰＶ
Ｄ法で形成したので母材の靭性が維持され優れた耐欠損
性を備えることが分かる。試料１−１〜８の結果から、
超薄膜積層部材を切削工具に適用した場合の最適な層厚
は、繰り返し周期にして０．５〜２０ｎｍ、すなわち層
厚にして０．２〜２０ｎｍである事が分かる。また、中
間層の膜厚としては０．０５〜５μｍが適当であること
が試料１−１５〜２１の試験結果から明らかである。さ
らに、超薄膜積層部材の全体の膜厚としては、０．５μ
ｍ〜１０μｍが適している事が試料１−９〜１４の試験
結果から分かる。また、試料１−２５は、試料１−１〜
２４と同様の積層構造を持ったものだが、立方晶型共有
結合性化合物の層を含まないことから硬度が低く、耐摩
耗性において劣ることが分かる。

【００６０】

【表１】

【００６１】

【表２】

【００６２】

【表３】

【００６３】〔実施例２〕次に、実施例１と同じ基材に
同じ装置を用いて同様の方法でＴｉ窒化物とＡｌ窒化物
の２種類の薄膜を交互に被覆した。

【００６４】すなわち、ＴｉとＡｌのターゲットを各１
ケずつ、それぞれの向かい側に設置し、ついてＡｒ（ア
ルゴン）ガスを導入して１０^-2Ｔｏｒｒの雰囲気中で切
削チップに−２０００Ｖの電圧をかけて洗浄を行い、５
００℃まで加熱し、Ａｒガスを排気した後、成膜装置内
にＮ₂ ガスを３００ｃｃ／ｍｉｎの割合で導入し、真空
アーク放電にＴｉターゲットとＡｌターゲットを蒸発イ
オン化させて、ＴｉＮ、ＡｌＮを積層して被覆した。こ
れらの化合物の積層周期、層厚は、回転速度、真空アー
ク放電量を調整して制御し、また、全体の層厚は被覆時
間によって制御した。

【００６５】表４にＴｉＮとＡｌＮの超薄膜層が交互に
形成されている超薄膜積層部材を被覆した本発明の表面
被覆切削チップ（表４、試料４−１〜９）を示す。

【００６６】試料４−１のＸ線回折は、ＴｉＮとこのＴ
ｉＮの積層組み合わせにより立方晶型の結晶構造になっ
たＡｌＮの間に回折ピークが観測された。例えば、１１
１面の回折線ピークは２θで超薄膜積層部材は３７．１
度、一方ＴｉＮは３６．７度、立方晶ＡｌＮは３７．８
度である。Ｘ線回折の観測結果を図４に示す。また、こ
の試料のビッカース硬度は荷重２５ｇｆで３６００kgｆ
／mm² であった。さらに、耐酸化性の評価として、白金
基板上に成膜した上記超薄膜積層部材を、大気雰囲気中
で５℃／ｍｉｎで１２００℃まで昇温した時の重量変化
を図５に示す。この重量増加が大きければ、それだけ酸
化が進んでいるが、図５でその重量増が極めて少ない。
また、この図より試料４−１の酸化開始温度は９２０℃
以上と非常に高い事も分かる。表４の他の試料４−２〜
８も同様のＸ線回折パターンと重量変化のようすが観測
された。

【００６７】試料４−１〜９は、それぞれ、試料４−１
〜４：周期２．５ｎｍ、各層の層厚１．２５ｎｍ、試料
５〜８：周期０．４ｎｍ、各層の層厚０．２ｎｍ、試料
９：周期２５ｎｍ、各層の層厚Ｔｉｎ２１ｎｍ、ＡｌＮ
４ｎｍである。この試料４−９のビッカース硬度は荷重
２５ｇｆで２９００kgｆ／mm² であった。

【００６８】また、比較のため従来品（表５、試料５−
１〜６）を作製した。同じ切削チップの表面に同じ装置
でＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮの単層膜あるいは複合膜を
設けた表面被覆切削チップ（表５、試料５−１〜３）
と、一般に多用されるＣＶＤ法でＴｉＣとＴｉＮの複合
膜を設けた表面被覆切削チップ（表５、試料５−４）お
よび同じＣＶＤ法でＴｉＮとＡｌ₂ Ｏ₃ の複合膜を設け
た表面被覆切削チップ（表５、試料５−５）とＴｉＡｌ
ＮをＰＶＤ法で単層にコーティングした表面被覆切削チ
ップ（表５、試料５−６）を作製した。

【００６９】次に、これらの試料を用いて表２の条件で
連続切削試験と断続切削試験を実施し、各々のチップの
切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。発明品と従来品の結果
は、ぞれぞれ表４、表５に示している。

【００７０】表４、表５の結果より発明品（表４、試料
１〜８）は比較品（表５、試料１〜６）に比べて、明ら
かに、耐摩耗性、耐欠損性に勝り、両者を兼ね備えた優
れた切削性能を持つことが分かる。また、（表４、試料
９）の結果より層厚が２０ｎｍを越えると積層の効果が
現れず、切削性能が明らかに劣化する事がわかる。

【００７１】

【表４】

【００７２】

【表５】

【００７３】〔実施例３〕次に、実施例２と同様の方法
で、基材をサーメットに替えＴｉＮとＡｌＮの表６に示
す薄膜を設けて本発明（表６、試料６−１〜５）とやは
り実施例２に述べたのと同様の方法で作製した表７に示
す比較品（表７、試料７−１〜６）を作製し、表２に示
す条件による切削試験後の摩耗幅を調べた。

【００７４】試料６−１〜５の積層周期と各層の厚さ
は、試料６−１：周期０．４ｎｍ、各層の層厚０．２ｎ
ｍ、試料６−２〜５：周期１４．７ｎｍ、各層の層厚Ｔ
ｉＮ８．２ｎｍ、ＡｌＮ６．５ｎｍである。

【００７５】表６の結果より発明品（表６、試料６−１
〜５）は比較品（表７、試料７−１〜６）に比べて、明
らかに耐摩耗性、耐欠損性に勝り、両者を兼ね備えた優
れた切削性能を持つことが分かる。

【００７６】

【表６】

【００７７】

【表７】

【００７８】〔実施例４〕実施例２と同様に、基材をセ
ラミックスに替えＴｉＮとＡｌＮの表８に示す薄膜を設
けて本発明（表８、試料８−１〜５）と表９に示す比較
品（表９、試料９−１〜４）を作製し、表２に示す条件
による切削試験後の摩耗幅を調べた。

【００７９】試料８−１〜５の積層周期と各層の厚さ
は、試料８−１：周期０．４ｎｍ、各層の層厚０．２ｎ
ｍ、試料８−２〜５：周期１４．７ｎｍ、各層の層厚Ｔ
ｉＮ８．２ｎｍ、ＡｌＮ６．５ｎｍである。

【００８０】表８の結果より発明品（表８、試料８−１
〜５）は比較品（表９、試料９−１〜４）に比べて、明
らかに耐摩耗性、耐欠損性に勝り、両者を兼ね備えた優
れた切削性能を持つことが分かる。

【００８１】

【表８】

【００８２】

【表９】

【００８３】〔実施例５〕次に、実施例２と同様の方法
で、ターゲットをＴｉとＴｉ−Ａｌ合金に替え、ＴｉＮ
とＡｌＮの表１０に示す薄膜を設けて本発明の表面被覆
切削チップ（表１０、試料１０−１〜８）と実施例２の
方法で作製したＴｉＮとＡｌＮ薄膜を設けた本発明の表
面被覆切削チップ（表１０、試料１０−９）を作製し
た。

【００８４】同Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットを用いて、Ｔ
ｉＡｌＮ合金単層膜を作製した場合、この単層膜の結晶
構造はウルファイト構造であった。

【００８５】（表１０、試料１０−１〜９）の層厚は、
ＴｉＮ層、ＴｉＡｌＮ層とも各層が試料１０−１：０．
１５ｎｍ、試料１０−２：１ｎｍ、試料１０−３：１０
ｎｍ、試料１０−４：２５ｎｍ、試料１０−５：５０ｎ
ｍ、試料１０−６〜９：２ｎｍである。加えて、表２に
示す条件による切削試験後の摩耗幅を調べた。

【００８６】表１０の結果より発明品（表１０、試料１
０−１〜９）は比較品（表５、試料５−１〜６）に比べ
て、耐摩耗性、耐欠損性に勝り、両者を兼ね備えた優れ
た切削性能を持つことが分かる。ただし、層厚が０．２
ｎｍ未満である（表１０、試料１０−１）および、２０
ｎｍを越える（表１０、試料１０−４、５）は、積層効
果が見られず切削性能は他の発明品（表１０、試料１０
−２、３、６〜８）に劣る。また、本発明品（表１０、
試料１０−８）は、超薄膜部材中の界面の剥離が原因と
考えられる摩耗幅のわずかな増大が見られたが、本発明
品（表１０、試料１０−２、３、６〜８）においては観
察されなかった。

【００８７】

【表１０】

【００８８】〔実施例６〕次に、実施例５と同様の方法
で、ターゲットＡｌと実施例５とは異なる組成のＴｉ−
Ａｌ合金に替え、ＡｌＮとＴｉＡｌＮの表１１に示す薄
膜を設けて本発明の表面被覆切削チップ（表１１、試料
１１−１〜８）と実施例２の方法で作製したＴｉＮとＡ
ｌＮ薄膜を設けた本発明の表面被覆切削チップ（表１
１、試料１１−９）を作製した。

【００８９】同Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットを用いて、Ｔ
ｉＡｌＮ合金単層膜を作製した場合、この単層膜の結晶
構造はＮａＣｌ構造であった。

【００９０】（表１１、試料１１−１〜９）の層厚は、
それぞれ各層が試料１１−１：０．１５ｎｍ、試料１１
−２：１ｎｍ、試料１１−３：１０ｎｍ、試料１１−
４：２５ｎｍ、試料１１−５：５０ｎｍ、試料１１−６
〜９：２ｎｍである。表２に示す条件による切削試験後
の摩耗幅を調べた。

【００９１】表１１の結果より発明品（表１１、試料１
１−１〜９）は従来品（表５、試料５−１〜６）に比べ
て、耐摩耗性、耐欠損性に勝り、両者を兼ね備えた優れ
た切削性能を持つことが分かる。ただし、層厚が０．２
ｎｍ未満である（表１１、試料１１−１）および、２０
ｎｍを越える（表１１、試料１１−４、５）は、積層効
果が見られず切削性能は他の発明品（表１１、試料１１
−２、３、６〜８）に劣る。また、本発明品（表１１、
試料１１−９）は、超薄膜部材中の界面の剥離が原因と
考えられる摩耗幅のわずかな増大が見られたが、本発明
品（表１１、試料１１−２、３、６〜８）においては観
察されなかった。

【００９２】

【表１１】

【００９３】〔実施例７〕次に、実施例５と同様の方法
で、表１２に示す薄膜を設けて本発明の表面被覆切削チ
ップ（表１２、試料１２−１〜１３）と実施例２の方法
で作製したＴｉＮとＡｌＮ薄膜を設けた本発明の表面被
覆切削チップ（表１２、試料１４）を作製した。試料１
〜１３においては、図３(ロ) におけるＴｉ、Ａｌ、Ｔｉ
−Ａｌ合金ターゲットの数と配置、アーク電流を変化さ
せる事によって化合物層の組成の変化を制御した。この
場合、各層化合物中の組成の変化する元素の組成が最大
から最小に変化する時の長さ、あるいは組成比が変化し
ない部分が、変化している部分でつながれているような
場合は、それぞれ、変化しない部分の中心から次の変化
しない部分の中心までの長さを便宜的に層厚とした。
（表１２、試料１２−１〜１３）の層厚は、それぞれ各
層、試料１２−１：０．１５ｎｍ、試料１２−２および
６〜１４：２ｎｍ、試料１２−３：１０ｎｍ、試料１２
−４：２５ｎｍ、試料１２−５：５０ｎｍである。加え
て、表２に示す条件による切削試験後の摩耗幅を調べ
た。

【００９４】透過電子顕微鏡併設の微小領域ＥＤＸを用
いて、本発明品の数層の組成の変化を調べたところ試料
１２−１においては、明らかな組成変化は観察されず本
発明の構造をもたないことが判明した。試料１２−２〜
１４については、組成変化が観察され、Ａｌ量の最大の
所でＴｉはほとんど観測されず、共有結合性化合物であ
るＡｌＮの範囲の存在することが確認された。

【００９５】表１２の結果より発明品（表１２、試料１
２−１〜１３）は比較品（表５、試料５−１〜６）に比
べて、耐摩耗性、耐欠損性に勝り、両者を兼ね備えた優
れた切削性能を持つことが分かる。ただし、層厚が０．
２ｎｍ未満である（表１２、試料１２−１）および、２
０ｎｍを越える（表１２、試料１２−４、５）は、積層
効果が見られず切削性能は他の発明品（表１２、試料１
２−２、３、６〜１３）に劣る。また、本発明品（表１
２、試料１２−１４）は、超薄膜部材中の界面の剥離が
原因と考えられる摩耗幅のわずかな増大が見られたが、
本発明品（表１２、試料１２−２、３、６〜１３）にお
いては観察されなかった。

【００９６】

【表１２】

【００９７】〔実施例８〕次に、実施例７と同様の方法
で、サーメット基材に表１３に示す薄膜を設けて本発明
の表面被覆切削チップ（表１３、試料１３−１〜８）と
実施例２の方法で作製したＴｉＮとＡｌＮ薄膜を設けた
本発明の表面被覆切削チップ（表１３、試料１３−９）
を作製した。（表１３、試料１３−１〜９）の層厚は、
それぞれ各層、試料１３−１：０．１５ｎｍ、試料１３
−２および６〜９：２ｎｍ、試料１３−３：１０ｎｍ、
試料１３−４：２５ｎｍ、試料１３−５：５０ｎｍであ
る。加えて、表２に示す条件による切削試験後の摩耗幅
を調べた。

【００９８】表１３の結果より発明品（表１３、試料１
３−１〜８）は従来品（表７、試料７−１〜６）に比べ
て、耐摩耗性、耐欠損性に勝り、両者を兼ね備えた優れ
た切削性能を持つことが分かる。ただし、層厚が０．２
ｎｍ未満である（表１３、試料１３−１）および、２０
ｎｍを越える（表１３、試料１３−４、５）は、積層効
果が見られず切削性能は他の発明品（表１３、試料１３
−２、３、６〜８）に劣る。また、本発明品（表１３、
試料１３−８）は、超薄膜部材中の界面の剥離が原因と
考えられる摩耗幅のわずかな増大が見られたが、本発明
品（表１３、試料１３−２、３、６〜８）においては観
察されなかった。

【００９９】

【表１３】

【０１００】〔実施例９〕膜の耐摩耗性を磁気ヘッドと
磁気ディスクとの接触摩耗試験法で評価した。磁気ヘッ
ドとしてアルミニウムと炭化チタンからなる焼結体（荷
重２５ｇｆでビッカース硬度４００kgｆ／mm² ）を用
い、磁気ディスク表面の保護膜上に荷重６０ｇｆ／cm²
で押しつけ、次に磁気ディスクを磁気ヘッドが浮上する
まで高速回転させ、浮上後回転を停止し、再びヘッドを
ディスク面上に接触させる事を繰り返すＣＳＳ（コンタ
クト・スタート・ストップ）試験を行った。１０万回の
繰り返し試験を行った結果を表に示す。

【０１０１】表１４に示す試料１４−１〜２４は、本発
明品の耐摩耗被膜の例であり、膜の作製に関してはスパ
ッタリング法を用いた。表１４中には、積層周期を示し
ているが各層の層厚は、お互いに等しく周期のちょうど
半分である。試料１４−２５は、比較品として従来材で
あるＳｉＯ₂ を保護膜として用いた場合を示す。また、
全体の膜厚が非常に薄いため膜硬度の測定ができないの
で、経験的に膜硬度と正の相関の認められる、真空中で
のＡｒイオンビーム（加速電圧３ｋＶ）による膜のエッ
チング速度を代替値として示した。

【０１０２】表１４から分かるように、本発明品（表１
４、試料１４−１〜２４）は従来品に比べて、明らかに
優れた保護膜である。また、（表１４、試料１４−１〜
７、１３〜１７）結果より各化合物層の層厚は０．２ｎ
ｍ〜１０ｎｍが適当であり、また、（表１４、試料１４
−８〜１２、１９〜２４）より膜全体の膜厚は５ｎｍ以
上が適当であることが分かる。

【０１０３】

【表１４】

【０１０４】

【発明の効果】以上述べたように、この発明においては
常温、常圧、平衡状態の下では得られない立方晶型共有
結合性化合物の超薄膜積層部材を硬質層として用いるの
で、耐摩耗性が従来品に比べて大きく向上すると同時に
被覆層の靭性も高まり、従って、切削工具、耐摩工具に
利用するとこれらの工具の摩耗、欠損が減少し、工具が
良好な性能を長期にわたって維持するという効果が得ら
れる。

【０１０５】また、耐摩耗性を要求される電気、電子、
摺動、機械部品も耐摩耗被膜としてこの発明を特徴付け
る超薄膜積層体を具備させると良好な耐摩耗性を維持で
きる。

【０１０６】しかも、この場合には、従来よりも全体膜
厚を薄くすることができるので磁気記録媒体等に利用す
る場合には、記録の高密度化、大容量化の促進にもつな
がる。なお、本発明の表面被覆部材は、摩擦による摩耗
が起こらない部材、例えば、光学特性あるいは電気特性
に優れた表面保護膜が要求される光磁気記録媒体、光学
レンズ等の光学部品系や回路基板等であっても優れた効
果を期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(イ) はこの発明に係る超薄膜積層部材を基材に
被覆した状態を示す模式図。(ロ)はその部分拡大図

【図２】この発明に係る超薄膜積層部材を基材に、中間
層および表面層を有して被覆した状態を示す模式図

【図３】(イ) はこの発明に係る超薄膜積層部材の形成方
法の一例の図。(ロ) は形成装置を上から見た場合のチャ
ンバー、ターゲット、基板、基板保持具の配置の模式図

【図４】ＴｉＮとＡｌＮからなる超薄膜積層部材（層厚
ＴｉＮ：１．２５ｎｍ、ＡｌＮ：１．２５ｎｍ）のＸ線
回折パターンを示した図

【図５】ＴｉＮとＡｌＮからなる超薄膜積層部材（層厚
ＴｉＮ：１．２５ｎｍ、ＡｌＮ：１．２５ｎｍ）の大気
雰囲気中昇温時の重量変化を示した図

【符号の説明】

１ 超薄膜積層部材 ２ 基材 ３ 表面層 ４ 中間層 ５ 成膜装置 ６ ターゲット ７ 基材保持具 ８ 基材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉岡 剛 伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友電気工 業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 橋本 泰久 伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友電気工 業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 山縣 一夫 伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友電気工 業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 小林 晄徳 伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友電気工 業株式会社伊丹製作所内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、
   Ａｌ、Ｂから選択される１種以上の元素の立方晶型の結
   晶構造を持つ主に金属結合性の１種以上の窒化物もしく
   は炭窒化物と、常温、常圧、平衡状態において立方晶型
   以外の結晶構造を持つ主に共有結合性の１種以上の化合
   物を繰り返して積層する構造を有し、全体として立方晶
   型のＸ線回折パターンを持ち、それぞれの化合物の層厚
   を０．２〜２０ｎｍとした超薄膜積層部材。
2. 【請求項２】 周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、
   Ａｌから選択される１種以上の元素の立方晶型の結晶構
   造を持つ主に金属結合性の１種以上の窒化物もしくは炭
   窒化物と、主成分としてＡｌとＢの少なくとも一方を含
   み、常温、常圧、平衡状態において立方晶型以外の結晶
   構造を持つ主に共有結合性の１種以上の窒化物を繰り返
   して積層する構造を有し、全体として立方晶型のＸ線回
   折パターンを持ち、それぞれの化合物の層厚を０．２〜
   ２０ｎｍとした超薄膜積層部材。
3. 【請求項３】 請求項１および２において、隣接する化
   合物層間の組成が連続的に変化する超薄膜積層部材。
4. 【請求項４】 請求項１〜３記載の超薄膜積層部材を、
   膜厚０．５μｍ以上１０μｍ以下で、ＷＣ基超硬合金、
   サーメット、高速度鋼等の硬質基材あるいは表面硬化基
   材の表面に被覆した耐摩耗部材。
5. 【請求項５】 請求項４において、基材と超薄膜積層部
   材との界面に、膜厚０．０５〜５μｍで、ＩＶａ、Ｖ
   ａ、ＶＩａ族元素から選択される１種以上の元素と、
   Ｃ、Ｎから選択される１種以上の元素からなる化合物お
   よびＩＶａ族元素の酸化物のうち、１種以上の化合物を
   中間層として有する耐摩耗部材。
6. 【請求項６】 請求項４または５において、超薄膜積層
   部材の表面に、膜厚０．１〜５μｍで、ＩＶａ、Ｖａ、
   ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、もしくは酸
   化物のうち、１種以上の化合物を有する耐摩耗部材。
7. 【請求項７】 請求項４〜６のいずれかの請求項におい
   て、チップ、ドリル、または、エンドミル等の切削工具
   に使用する耐摩耗部材。
8. 【請求項８】 請求項７において、すくい面の超薄膜積
   層部材の積層周期が、逃げ面の超薄膜積層部材の積層周
   期よりも大きいことを特徴とするチップ。
9. 【請求項９】 請求項８において、逃げ面の超薄膜積層
   部材の積層周期が、すくい面の超薄膜積層部材の積層周
   期よりも大きいことを特徴とするチップ。
10. 【請求項１０】 請求項１〜３のいずれかの請求項に記
    載の超薄膜積層部材を、膜厚５ｎｍ〜１０μｍで、電
    気、電子、摺動、機械部品の耐摩耗膜あるいは、保護膜
    として用いる耐摩耗部材。