耐摩耗性部材およびそれを用いてなる切削工具
【課題】 化学蒸着法（ＣＶＤ）によって形成された被覆層に基体の成分が拡散して被覆層の強度が低下することを抑え、優れた耐摩耗性を有する長寿命の耐摩耗性部材を提供する。
【解決手段】 基体と、該基体上に形成された被覆層と、を有してなる耐摩耗性部材であって、前記基体は、炭化タングステン、炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの１種以上を主成分とする硬質相と、ＣｏおよびＮｉの１種以上を含む結合相と、を含んでなり、前記被覆層は、前記基体と接して形成されるとともに、Ａｌ元素を２５原子％以上含む第一の層と、該第一の層上に化学蒸着法によって形成された第二の層と、を備えた耐摩耗性部材である。
【解決手段】 基体と、該基体上に形成された被覆層と、を有してなる耐摩耗性部材であって、前記基体は、炭化タングステン、炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの１種以上を主成分とする硬質相と、ＣｏおよびＮｉの１種以上を含む結合相と、を含んでなり、前記被覆層は、前記基体と接して形成されるとともに、Ａｌ元素を２５原子％以上含む第一の層と、該第一の層上に化学蒸着法によって形成された第二の層と、を備えた耐摩耗性部材である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蒸着法にて形成された被覆層を有する耐摩耗性部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、基体の表面に被覆層を形成した耐摩耗性部材が各種用途に用いられている。例えば、金属の切削加工に広く用いられている切削工具は、超硬合金やサーメット、セラミックス等の基体の表面に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、Ａｌ２Ｏ３層およびＴｉＡｌＮ層等の被覆層を単層または複数層形成した工具が多用されている。中でも、一般鋼の旋削加工においては、付き回り性がよく層厚の均一性が高い化学蒸着法（ＣＶＤ）によって形成される多層膜が好適に用いられている。例えば、特許文献１では、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、平均層厚０．１〜５μｍの粒状窒化チタン（ＴｉＮ）層−平均層厚２〜１５μｍの縦長成長結晶組織の炭窒化チタン（ｌ−ＴｉＣＮ）層−平均層厚０．５〜１０μｍの酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層−平均層厚２〜１０μｍの縦長成長結晶組織の炭化チタン（ｌ−ＴｉＣ）層で構成された硬質被覆層を具備する表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具が開示されている。このような構成により、ｌ−ＴｉＣＮ層と破面組織が実質的に同じｌ−ＴｉＣ層を構成層とすることで、優れた靭性を具備するので、優れた耐摩耗性を発揮することが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２では、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、平均層厚０．１〜２μｍの粒状窒化チタン（ＴｉＮ）層−平均層厚０．５〜３μｍの縦長成長結晶組織の炭窒酸化チタン（ｌ−ＴｉＣＮＯ）層−平均層厚２〜２０μｍの縦長成長結晶組織の炭窒化チタン（ｌ−ＴｉＣＮ）層−平均層厚０．０５〜２μｍの粒状結晶組織の炭窒酸化チタン（ＴｉＣＮＯ）層−平均層厚０．２〜１５μｍの粒状結晶組織の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層で構成された硬質被覆層を具備する表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具が開示されている。このような構成により、第１層であるＴｉＮ層によって超硬基体の構成成分の硬質被覆層中への拡散移動を阻止し、もって硬質被覆層の耐摩耗性低下を抑制できることが開示されている。また、ＴｉＮ層の上層としてｌ−ＴｉＣＮＯ層を形成し、その上にｌ−ＴｉＣＮ層を形成することでより微細な結晶組織をなすｌ−ＴＩＣＮ層を形成でき、優れた耐摩耗性を発揮することが開示されている。
【０００４】
また、特許文献３では、ＣｏおよびＮｉを主体とする結合相形成成分を含む炭窒化チタン基サーメットの表面に、基体の結合相構成成分が硬質被覆層中に拡散して硬質被覆層の強度が低下することを抑制するために、窒化チタン（ＴｉＮ）層を０．５μｍ〜５μｍ成膜することが記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１５８２０７号公報
【特許文献２】特開平１１−１７２４６４号公報
【特許文献３】特開平０４−２８９００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１および２に記載された被覆層は、１０００度程度の高温状態で成膜する化学蒸着法によって成膜されるため、基体の成分が被覆層内に拡散し、被覆層の本来の強度が得られていなかった。
【０００６】
特に、結合相量が多くなる微粒な硬質相からなる基体や、含有炭素量が多い基体ではより基体の成分が拡散しやすくなるため、このような基体に特許文献２および３に記載された被覆層を形成しても、基体の結合相成分や炭素が被覆層中に拡散することを抑制できず、被覆層の強度低下が顕著であった。その結果、化学蒸着法によって形成された被覆層が本来もつ耐摩耗性や耐欠損性を十分に発揮することができなかった。
【０００７】
また、特許文献３に記載されたサーメット基切削工具においても、やはり、被覆層が高温状態で形成されるため、拡散防止層としてＴｉＮ層を形成しても、基体の成分の拡散を十分に抑制することができなかった。
【０００８】
さらには、特許文献３に記載されたサーメット基切削工具のようにＮｉを含む結合相を用いるサーメットからなる基体に、炭素を含有する層、特に、柱状組織からなるＴｉＣＮ層を形成しようとした場合、基体の構成成分であるＮｉが被覆層中に拡散し、成膜時の反応ガスと反応して成膜不良を引き起こしてしまうという問題があった。そのため、Ｎｉを含む結合相を用いたサーメットからなる基体においては、被覆層として柱状組織からなるＴｉＣＮ層をはじめ炭素を含有する層を異常成長させずに形成することが困難であった。したがって、サーメット基体からなる切削工具において、柱状組織からなるＴｉＣＮ層をはじめ炭素を含有する層を被覆層として形成することによる耐摩耗性の向上を図ることが困難であった。
【０００９】
従って、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、化学蒸着法（ＣＶＤ）によって形成された被覆層に基体の成分が拡散して被覆層の強度が低下することを抑え、優れた耐摩耗性を有する長寿命の耐摩耗性部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで本発明者は、基体上に形成された被覆層として、基体と接する層としてＡｌ元素を多く含有する第一の層を形成し、その上にＣＶＤ法によって少なくとも１層を形成することで、基体の結合相成分や炭素が被覆層内に拡散することをより効果的に抑制できることを知見した。
【００１１】
すなわち、本発明の耐摩耗性部材は、基体と、該基体上に形成された層と、を有してなる耐摩耗性部材であって、前記基体は、炭化タングステン、炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの１種以上を主成分とする硬質相と、ＣｏおよびＮｉの１種以上を含む結合相と、を含んでなり、前記層は、前記基体と接して形成されるとともに、Ａｌ元素を２５原子％以上含む第一の層と、該第一の層上に化学蒸着法によって形成された第二の層とを備えた耐摩耗性部材である。
【００１２】
ここで、前記第一の層が、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｍ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ：（ＭはＴｉを除く４，５，６族金属元素、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素）のいずれか１種とすることが望ましい。
【００１３】
また、前記第一の層の層厚が０．５〜２μｍとすることが望ましい。
【００１４】
さらに、前記第一の層が、物理蒸着法によって形成された層であることが望ましい。
【００１５】
また、前記基体の硬質相は、構成する粒子の平均粒径が１μｍ以下であることが望ましい。
【００１６】
さらに、前記基体が、少なくともＮｉを含む結合相とチタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、第二の層が、炭素を含有する層を有してなることが望ましい。
【００１７】
また、前記第二の層のうち炭素を含有する層は、柱状組織からなるＴＩＣＮ層を有してなることが望ましい。
【００１８】
さらに、前記第二の層は、前記第一の層に隣接して形成されるＴｉＮ層を有してなることが望ましい。
【００１９】
また、上記の耐摩耗性部材を切削工具として用いることが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の耐摩耗性部材によれば、基体上に形成される被覆層として、基体と接して形成される第一の層がＡｌ元素を２５原子％以上含むよう構成することで、前記第一の層が、前記第一の層の上層である第二の層が形成される時に、前記基体が含有する成分、特に、炭素と結合相の成分が拡散することを抑制するバリア層の役目を果たすため、基体成分の拡散による成膜不良を抑えることができ、高強度、高硬度な被覆層を得ることができる。
【００２１】
ここで、前記第一の層が、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｍ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ：（ＭはＴｉを除く４，５，６族金属元素、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素）のいずれか１種とすることが、第一の層の付着力、強度、硬度を切削加工を行ううえで十分なものとし、さらに、基体の結合相や炭素の拡散を抑制することが十分にできるため望ましい。
【００２２】
また、前記第一の層の層厚が０．５〜２μｍとすることが、基体の成分の拡散を十分に抑制することができ、かつ、膜の靭性の低下を抑制することができるため望ましい。
【００２３】
さらに、前記第一の層が、物理蒸着法によって形成された層であることが、第一の層を７００度以下の低温で成膜するため、基体に接する層を基体の成分が拡散しにくい状態で形成することができる。そのため、基体に接する層を基体の成分が拡散していない層にすることができ、被覆層のうち基体に接する第一の層の上層として形成される第二の層中に基体の成分が拡散することを抑制する効果を向上させることができる。また、第一の層がＣＶＤ法にて成膜された層よりも微細な粒子によって構成されるため、基体の成分が第一の層中に入り込む隙間が小さくなり、基体の成分が被覆層内に拡散することを抑制する効果がより向上するため望ましい。
【００２４】
また、前記基体の硬質相は、構成する粒子の平均粒径を１μｍ以下の微粒子にすると、拡散を十分に抑制することができるとともに、強靭な基体と被覆層とを併せ持つ耐摩耗性部材を得ることができる。
【００２５】
さらに、前記基体が、少なくともＮｉを結合相とチタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、前記第二の層が、炭素を含有する層を有してなるので、結合相のＮｉが炭素を含有する層内に拡散することを防ぎ被覆層の強度低下を抑制し、かつ、Ｎｉとの反応を抑えて、炭素を含有する層の異常成長を低減させることができる。
【００２６】
また、前記第二の層のうち炭素を含有する層は、柱状組織からなるＴｉＣＮ層であることで、柱状組織からなるＴｉＣＮ層のもつ高い靭性によって優れた耐摩耗性を発揮することができる。
【００２７】
さらに、前記第二の層は、前記第一の層に隣接して形成されるＴｉＮ層を有してなることによって、基体の成分が拡散する効果がより向上するため望ましい。
【００２８】
また、上記の耐摩耗性部材を切削工具として用いることによって、長寿命で優れた切削性能を発揮する切削工具となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明に係る耐摩耗性部材の実施形態の一例として旋削加工に用いるスローアウェイチップタイプの切削工具について、図１の（ａ）概略全体斜視図、（ｂ）切刃を含む要部拡大断面図を基に説明する。
【００３０】
図１によれば、スローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）１は、基体２と基体２上に形成された被覆層８とを有してなる耐摩耗性部材を用いてなり、主面がすくい面３と着座面４をなし、側面が逃げ面５をなす平板状である。そして、すくい面３と逃げ面５との交差稜線に切刃６が形成される。
【００３１】
なお、基体２としては、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）の１種以上の鉄属金属を主成分とする結合相にて炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする硬質相を結合させた超硬合金、または、少なくともＮｉを含む結合相にて炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの少なくとも一種を主成分とする硬質相を結合させたサーメットからなる。
【００３２】
次に、基体２の表面に形成する被覆層８は、化学蒸着法（ＣＶＤ）によって形成される層を含む多層膜からなる。
【００３３】
ここで、本発明によれば、被覆層８は、基体２と接する第一の層９、第一の層９の上に化学蒸着法にて形成される第二の層１０から構成され、かつ、第一の層９にＡｌ元素が２５原子％以上存在することを特徴とするチップである。
【００３４】
Ａｌ元素は、炭素との親和性が低いため、炭化物や炭素が固溶した物質に対して反応しにくくなる。そこで、基体２に最も近い層である第一の層９に一定量以上のＡｌ元素を含有させることにより、第二の層１０を形成する際に基体２が高温状態になっても、炭化物や炭素が固溶した結合相を有した基体２の成分が第二の層１０中に拡散してしまうことを抑制することができる。
【００３５】
すなわち、第一の層９にＡｌ元素を２５原子％以上含有させることにより、被覆層８中に基体２成分が拡散し、被覆層８に異常粒子や欠陥が発生することを低減させることができる。その結果、被覆層８の強度および硬度の低下を抑えることができる。
【００３６】
換言すれば、第一の層９中に含有されるＡｌ元素の量が２５原子％以上であることで、第一の層９と基体２成分との親和性を低減させ、基体２成分が被覆層８中に拡散することを抑制することができる。
【００３７】
また、第一の層９の硬度を維持しつつ、優れた耐摩耗性を発揮する点で、第一の層９に含有されるＡｌ元素の量は７５原子％以下、特に５０原子％以下であることがより好ましい。
【００３８】
なお、本実施形態では、第一の層９が１層からなるものを例示したが、上記構成を満たす第一の層９として、複数の層からなる場合であってもよい。このように第一の層９が複数層からなる場合は、複数層全体におけるＡｌ元素の原子％が上述した値を満たすようにすればよい。すなわち、ＣＶＤ法によって形成される第二の層１０と基体との間に形成される層に含まれるＡｌ元素を２５原子％以上とすることで、バリア層としての機能を発揮させることができる。
【００３９】
ここで、第一の層９が、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｍ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ：（ＭはＴｉを除く４，５，６族金属元素、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素）のいずれか１種からなることが、第一の層の付着力、強度、硬度を向上させ、さらに、基体の結合相成分や炭素の拡散を抑制する効果を高めることができるため望ましい。特に、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｍ）Ｎが、硬度、強度共に高く、また、１０００度程度の高温になっても膜の特性が変化しないため、第一の層９の上層である第二の層１０をＣＶＤ法によって形成する際の高温下においても、第一の層９の特性が変化しない。そのため、基体の成分の拡散を抑える効果をより一層高めることができる。したがって、本発明による耐摩耗性部材は、高速切削をはじめとするより厳しい切削条件下でも優れた耐摩耗性を発揮することができるため、切削工具として好適に用いることができる。
【００４０】
また、第一の層９の層厚が０．５〜２μｍ、特に０．５〜１μｍの範囲内とすることが、基体２の成分の拡散を抑制する効果が高まり、かつ、膜の靭性の低下を抑制することができるため望ましい。
【００４１】
さらに、第一の層９を化学蒸着法（ＣＶＤ）に比べて成膜温度の低い物理蒸着法（ＰＶＤ）によって形成することによって、基体２の成分が拡散しにくい状態で第一の層９を成膜でき、第一の層９を成膜する際に基体２の成分が第一の層９に拡散することがなく、第二の層１０を成膜する際に基体２の成分の拡散を抑える効果が大きくなる。また、ＰＶＤ法によって成膜すると、ＣＶＤ法によって成膜した被覆層よりも微細な粒子によって構成することができるため、ＰＶＤ法で形成された第一の層９において基体２の成分が入り込む隙間を小さくすることができ、基体２の成分が被覆層内に拡散することを抑制する効果がより向上するため望ましい。
【００４２】
ここで、本発明に使用可能なＰＶＤ法は、イオンプレーティング法、スパッタリング法、メッキ、蒸着等がある。中でもイオンプレーティング法、スパッタリング法によって第一の層９を形成することが、基体２との密着力が高く、剥離しにくい第一の層９を形成することができるため望ましい。
【００４３】
また、基体２の硬質相は、構成する粒子の平均粒径が１μｍ以下の微粒子であることによって、基体２中の結合相の厚みが増加し被覆層８と結合相との接触面積が増え、基体２中の結合相および炭素が被覆層内８に拡散しやすくなることを抑制することができる。くわえて、基体２の強度や硬度を向上させることができる。その結果、被覆層８への基体２成分の拡散を抑制することと強靭な基体２と被覆層８を具備することの両面併せもつ耐摩耗性部材を実現することができる。
【００４４】
さらに、基体２が少なくともＮｉを含む結合相と、チタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、第二の層１０が、Ｎｉと反応して異常粒を発生しやすい炭素を含む層、例えば（炭化チタン）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、炭窒酸化チタン（ＴｉＣＮＯ）等からなる層を形成する際にも、本発明を用いることによって、上述した一定量以上のＡｌ元素を含む第一の層９が拡散防止層（バリア層）として優れた効果を発揮できるため、結合相のＮｉが第二の層内に拡散することを防ぎ、サーメット基体上に異常粒を含まない炭素を含有する第二の層１０を得ることができる。そのため、サーメット基体のもつ高い耐摩耗性に加えて、炭素を含有する層の優れた硬度によってさらに耐摩耗性を向上させることができる。
【００４５】
特に、第二の層１０のうち前記炭素を含有する層に高い靭性を有する柱状組織からなるＴｉＣＮ層を用いることによって、高い耐摩耗性に加えて強靭な硬質膜による耐欠損性の向上を図ることができる。
【００４６】
なお、ここでいう柱状組織からなるＴｉＣＮ層とは、柱状のＴｉＣＮ粒子を含んでなる層である。特に、高いアスペクト比を有したＴｉＣＮ粒子を有してなることが、靭性に優れる点でより好ましい。
【００４７】
第二の層１０は、第一の層９に隣接して形成される窒化チタン（ＴｉＮ）層１１を有してなることによって、ＴｉＮ層１１が第一の層９で抑えきれなかった基体２の成分の拡散を抑制し、かつ、被覆層８の付着力を向上させることができる。その結果、被覆層８の膜剥離を抑制することができるため望ましい。
【００４８】
なお、本実施形態では、被覆層８は、第一の層９と第二の層１０とが隣接して形成されてなる形態を例示したが、これに限定されず、第一の層９と第二の層１９との間に、他の層が形成されていても良い。すなわち、Ａｌ元素を上述のような比率で含まない層で、かつ、ＰＶＤ法によって形成された層（中間層）が、第一の層９と第二の層１０との間に形成されていてもよい。
【００４９】
このような中間層としては、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層など様々な種類の層を用いることができる。特に、ＰＶＤ法によって形成されたＴｉＮ層を、中間層として、第一の層９と第二の層１０との間に介在させることが、基体２成分の第二の層１０への拡散を低減するとともに、被覆層８の付着力を向上させるという効果を奏す点で望ましい。
【００５０】
なお、第一の層９と隣接する層としてＴｉＮ層を形成する際、上述した本実施形態のように、ＣＶＤ法で形成されたＴｉＮ層１１を有した形態の方が、被覆層８の付着力が大きく、被覆層８の膜剥離を一層低減させることができるためより好ましい。
【００５１】
また、ここでは切削工具を例として説明したが、そのほかの用途として、耐摩材、切断用刃物としても優れた性能を発揮することができる。
【００５２】
（製造方法）
本発明の表面被覆体の耐摩耗性部材の一実施例である上記切削工具を製造する方法の一例について説明する。
【００５３】
まず、上述した基体を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、混合粉末を得る。得られた混合粉末を、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形する。得られた成形体を真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって、上述した硬質合金からなる基体２を作製する。
【００５４】
そして、上記基体２の表面に、第一の層９を形成する。例えば第一の層９をＰＶＤ法、具体的には、アークイオンプレーティング法を用いて形成することができる。本発明によれば、アークイオンプレーティング法を用いた成膜条件として、例えば、第一の層９として（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ層を形成する場合、成膜時のガス圧力を２〜５Ｐａ、バイアス電圧を２０〜３００Ｖ、成膜温度を５００〜６００℃に制御する。
【００５５】
上述したように、第一の層９をＰＶＤ法によって形成することで、第一の層９の形成時の基体の温度をＣＶＤ法の場合に比べてより低い温度に維持することができるため、基体２成分の被覆層８への拡散を抑制する効果が高まる。
【００５６】
ここで、本発明によれば、成膜時のバイアス電圧を初期１分間程度のみ１５〜５０Ｖとし、その後の成膜においてはバイアス電圧を１５０〜３００Ｖへと変化させることによって、第一の層９の粒子がより微細な結晶構造となり、基体２の成分が被覆層８内に拡散することを抑制する効果が一層向上する。
【００５７】
また、特に、成膜時に導入する反応ガスとして窒素と不活性ガスとの流量比率が、窒素：不活性ガス＝２：１〜３０：１、好ましくは２：１〜１０：１となる窒素と不活性ガスの混合ガスをプラズマが発生した真空チャンバー内に導入することが、第一の層９中に安定して不活性ガスを含有せしめることができるため望ましい。また、不活性ガスを複数の種類使用する場合は、窒素の流量と複数の種類の不活性ガスの合計流量との比率を上記比率に調整する。
【００５８】
また、使用するターゲットは、（Ｔｉｘ，Ａｌ１−ｘ）からなる組成（ｘ：０．５〜０．７）のチタンアルミ合金を用いる。
【００５９】
ここで、上記ターゲットの成分を（Ａｌ，Ｍ）、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）等の組成の合金（ＭはＴｉを除く周期律表における４，５，６族金属、Ｓｉから選ばれる一種以上の元素）に変更することによって、様々な種類の膜を成膜することができる。
【００６０】
また、第一の層９としてＡｌＮ層を形成する際には、例えばターゲットにアルミニウムを使用し、成膜温度が３００〜８００℃、バイアス電圧が−５〜−１００Ｖ、アーク電流値が１５０Ａ、窒素雰囲気圧力が３〜１２Ｐａの成膜条件下で行う。
【００６１】
一方、第一の層９をＣＶＤ法によって形成する場合、例えば、第一の層９としてＡｌＮ層をＣＶＤ法によって形成する際には、ＡｌＣｌ３ガスを３〜２０体積％、ＨＣｌガスを０．５〜８．０体積％、Ｎ２ガスを０．１〜６０体積％、Ｈ２Ｓガスを０〜１体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａとすることが望ましい。
【００６２】
また、第一の層９としてＡｌＯＮ層をＣＶＤ法によって形成する際には、ＡｌＣｌ３ガスを１〜１０体積％、ＨＣｌガスを２〜１５体積％、ＣＯ２ガスを１〜１０体積％、Ｎ２ガスを３〜２０体積％、残りをＨ２ガスよりなる混合ガスを用い、成膜温度が９００℃〜１１００℃、炉内圧力を５〜１０ｋＰａの成膜条件にて成膜する。
【００６３】
次に、第一の層９が形成された基体上に、ＣＶＤ法によって第二の層１０を形成する。なお、ここでいう第二の層１０とは、単層でも複数層であっても構わない。耐摩耗性部材の用途に応じて適宜選択することができる。切削工具に用いられる耐摩耗性部材においては、第二の層１０が、異なる化学種からなる複数の層を有した複数層からなることが好ましい。これによって、耐摩耗性および耐欠損性の向上が図れる。
【００６４】
まず、第二の層１０としてＴｉＮ層を成膜する場合は、反応ガス組成として塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１０００℃、１０〜３０ｋＰａの条件で成膜する。
【００６５】
次に、第二の層１０として柱状組織からなるＴｉＣＮ層を成膜するときには、反応ガス組成として、体積％で塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを２０〜６０体積％、メタン（ＣＨ４）ガスを０〜０．１体積％、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスを０．１〜０．４体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、成膜温度を７８０〜８８０℃、５〜２５ｋＰａにて成膜する。
【００６６】
次に、第二の層１０としてＴｉＣＮＯ層を成膜するときには、塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜３体積％、メタン（ＣＨ４）ガスを０．１〜１０体積％、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．０１〜５体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜３０ｋＰａとする。
【００６７】
そして、第二の層１０としてＡｌ２Ｏ３層を成膜するときには、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）ガスを３〜２０体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを０．５〜３．５体積％、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．０１〜５体積％、硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスを０〜０．０１体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａとすることが望ましい。
【００６８】
また、上述した第二の層のＴｉＮ層１０（１１）は、図１（ｂ）に示すように、第一の層９に隣接して形成するのが好ましい。
【実施例１】
【００６９】
表３の割合で原料を混合および粉砕し、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４１２）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金の基体を作製した。さらに、作製した超硬合金基体にブラシ加工にてすくい面より刃先処理（Ｒホーニング）を施した。
【００７０】
次に、上記超硬合金基体に対して、表３に示す構成の複数層からなる被覆層を形成し、試料Ｎｏ．０１〜１６の切削工具を作製した。なお、表３の各層の成膜条件は、ＣＶＤ法における条件を表１に、ＰＶＤ法おける条件を表２に示した。ここで、表１および２における各層のＡｌ元素の含有比率（原子％）は、各層を構成する金属元素、非金属元素全てを含めた元素に対するＡｌ元素の比率であり、測定は一般的なＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析）法によって測定した。
【表１】
【００７１】
【表２】
【００７２】
得られた工具について、基体の硬質相を構成する粒子の平均粒径をＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に準じて行った。結果は表３に「ＷＣ粒径」として示した。
【００７３】
また、被覆層の断面を含む任意破断面５ヵ所において走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を３０００倍の倍率で撮り、各写真における各層の層厚を測定し、測定した値の５ヶ所の層厚の平均を平均層厚として表３および５に示した。
【００７４】
さらに、上記断面を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー（ＷＤＳ）によって第二の層全体に存在する基体の成分（Ｗ，Ｃｏ,Ｃ）の量を任意に３点測定し、その平均値を算出した。結果は表３に示した。
【００７５】
またさらに、得られた工具のうち、第一の層が複数層で構成されるものについて、第一の層全体のＡｌ元素の含有比率を測定した。結果を、表３に示した。なお、第一の層が単層で構成されるものについても、表１および表３に示す値と重複するが、併せて表３に示した。
【表３】
【００７６】
そして、この切削工具を用いて下記の条件により、連続切削試験および断続切削試験を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。結果は表４に示した。
【００７７】
（連続切削条件）
被削材 ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ７００スリーブ材）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２５０ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削時間：３０分
その他 ：水溶性切削液使用
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、逃げ面摩耗量・境界摩耗量を測定
（断続切削条件）
被削材 ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ７００４本溝入スリーブ材）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
切削速度：１５０ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
評価項目：欠損に至る衝撃回数
衝撃回数１０００回時点で顕微鏡にて切刃の被覆層の剥離状態を観察
【表４】
【００７８】
表１〜４より、第一の層としてＡｌ元素を２５原子％以上含有する層を形成していない試料Ｎｏ．１３〜１６では、被覆層中に基体の成分が拡散し、その結果被覆層の強度が低下し、耐摩耗性、耐欠損性共に低くなっている。
【００７９】
これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜１２では、被覆層内に基体の成分がほとんど拡散せず、耐摩耗性、耐欠損性共に優れた性能を発揮している。
【実施例２】
【００８０】
表５の割合で原料を混合および粉砕し、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４１２）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成してサーメットの基体を作製した。さらに、作製したサーメット基体にブラシ加工にてすくい面より刃先処理（ホーニングＲ）を施した。
【００８１】
次に、上記サーメット基体に対して、表５に示す構成の複数層からなる被覆層を形成し、試料Ｎｏ．１７〜３２の切削工具を作製した。なお、表５の各層の成膜条件は、実施例１と同様に、表１および表２を用いた。
【００８２】
得られた工具について、実施例１と同様に、基体の硬質相の粒径の測定、および、被覆層の断面を含む任意破断面５ヵ所について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を撮り、各写真において各層の層厚を測定した。
【００８３】
また、上記断面を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー（ＷＤＳ）によって第二の層全体に存在する基体の成分（Ｃｏ,Ｎｉ）の量を測定した。結果は表５に示した。
【表５】
【００８４】
そして、この切削工具を用いて下記の条件により、連続切削試験および断続切削試験を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。結果は表６に示した。
【００８５】
（連続切削条件）
被削材 ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ７００スリーブ材）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削時間：３０分
その他 ：乾式
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、逃げ面摩耗量・境界摩耗量を測定
（断続切削条件）
被削材 ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ７００４本溝入スリーブ材）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１ｍｍ
その他 ：乾式
評価項目：欠損に至る衝撃回数
衝撃回数１０００回時点で顕微鏡にて切刃の被覆層の剥離状態を観察
【表６】
【００８６】
表５，６より、第一の層としてＡｌ元素を２５原子％以上含有する層を形成していない試料Ｎｏ．２９〜３２では、被覆層中に基体の成分が拡散し、その結果、被覆層が異常成長を起こしてしまい、被覆層の強度が低下し、耐摩耗性、耐欠損性共に低くなっている。
【００８７】
これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１３〜２８では、被覆層内に基体の成分がほとんど拡散せず、被覆層に欠陥がほとんど見られないため、耐摩耗性、耐欠損性共に優れた性能を発揮している。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の耐摩耗性部材の一例であるスローアウェイチップについての（ａ）概略全体斜視図、（ｂ）要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１： スローアウェイチップ（チップ）
２： 基体
３： すくい面
４： 着座面
５： 逃げ面
６： 切刃
８： 被覆層
９： 第一の層
１０： 第二の層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蒸着法にて形成された被覆層を有する耐摩耗性部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、基体の表面に被覆層を形成した耐摩耗性部材が各種用途に用いられている。例えば、金属の切削加工に広く用いられている切削工具は、超硬合金やサーメット、セラミックス等の基体の表面に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、Ａｌ２Ｏ３層およびＴｉＡｌＮ層等の被覆層を単層または複数層形成した工具が多用されている。中でも、一般鋼の旋削加工においては、付き回り性がよく層厚の均一性が高い化学蒸着法（ＣＶＤ）によって形成される多層膜が好適に用いられている。例えば、特許文献１では、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、平均層厚０．１〜５μｍの粒状窒化チタン（ＴｉＮ）層−平均層厚２〜１５μｍの縦長成長結晶組織の炭窒化チタン（ｌ−ＴｉＣＮ）層−平均層厚０．５〜１０μｍの酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層−平均層厚２〜１０μｍの縦長成長結晶組織の炭化チタン（ｌ−ＴｉＣ）層で構成された硬質被覆層を具備する表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具が開示されている。このような構成により、ｌ−ＴｉＣＮ層と破面組織が実質的に同じｌ−ＴｉＣ層を構成層とすることで、優れた靭性を具備するので、優れた耐摩耗性を発揮することが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２では、炭化タングステン基超硬合金基体の表面に、平均層厚０．１〜２μｍの粒状窒化チタン（ＴｉＮ）層−平均層厚０．５〜３μｍの縦長成長結晶組織の炭窒酸化チタン（ｌ−ＴｉＣＮＯ）層−平均層厚２〜２０μｍの縦長成長結晶組織の炭窒化チタン（ｌ−ＴｉＣＮ）層−平均層厚０．０５〜２μｍの粒状結晶組織の炭窒酸化チタン（ＴｉＣＮＯ）層−平均層厚０．２〜１５μｍの粒状結晶組織の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層で構成された硬質被覆層を具備する表面被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具が開示されている。このような構成により、第１層であるＴｉＮ層によって超硬基体の構成成分の硬質被覆層中への拡散移動を阻止し、もって硬質被覆層の耐摩耗性低下を抑制できることが開示されている。また、ＴｉＮ層の上層としてｌ−ＴｉＣＮＯ層を形成し、その上にｌ−ＴｉＣＮ層を形成することでより微細な結晶組織をなすｌ−ＴＩＣＮ層を形成でき、優れた耐摩耗性を発揮することが開示されている。
【０００４】
また、特許文献３では、ＣｏおよびＮｉを主体とする結合相形成成分を含む炭窒化チタン基サーメットの表面に、基体の結合相構成成分が硬質被覆層中に拡散して硬質被覆層の強度が低下することを抑制するために、窒化チタン（ＴｉＮ）層を０．５μｍ〜５μｍ成膜することが記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１５８２０７号公報
【特許文献２】特開平１１−１７２４６４号公報
【特許文献３】特開平０４−２８９００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１および２に記載された被覆層は、１０００度程度の高温状態で成膜する化学蒸着法によって成膜されるため、基体の成分が被覆層内に拡散し、被覆層の本来の強度が得られていなかった。
【０００６】
特に、結合相量が多くなる微粒な硬質相からなる基体や、含有炭素量が多い基体ではより基体の成分が拡散しやすくなるため、このような基体に特許文献２および３に記載された被覆層を形成しても、基体の結合相成分や炭素が被覆層中に拡散することを抑制できず、被覆層の強度低下が顕著であった。その結果、化学蒸着法によって形成された被覆層が本来もつ耐摩耗性や耐欠損性を十分に発揮することができなかった。
【０００７】
また、特許文献３に記載されたサーメット基切削工具においても、やはり、被覆層が高温状態で形成されるため、拡散防止層としてＴｉＮ層を形成しても、基体の成分の拡散を十分に抑制することができなかった。
【０００８】
さらには、特許文献３に記載されたサーメット基切削工具のようにＮｉを含む結合相を用いるサーメットからなる基体に、炭素を含有する層、特に、柱状組織からなるＴｉＣＮ層を形成しようとした場合、基体の構成成分であるＮｉが被覆層中に拡散し、成膜時の反応ガスと反応して成膜不良を引き起こしてしまうという問題があった。そのため、Ｎｉを含む結合相を用いたサーメットからなる基体においては、被覆層として柱状組織からなるＴｉＣＮ層をはじめ炭素を含有する層を異常成長させずに形成することが困難であった。したがって、サーメット基体からなる切削工具において、柱状組織からなるＴｉＣＮ層をはじめ炭素を含有する層を被覆層として形成することによる耐摩耗性の向上を図ることが困難であった。
【０００９】
従って、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、化学蒸着法（ＣＶＤ）によって形成された被覆層に基体の成分が拡散して被覆層の強度が低下することを抑え、優れた耐摩耗性を有する長寿命の耐摩耗性部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで本発明者は、基体上に形成された被覆層として、基体と接する層としてＡｌ元素を多く含有する第一の層を形成し、その上にＣＶＤ法によって少なくとも１層を形成することで、基体の結合相成分や炭素が被覆層内に拡散することをより効果的に抑制できることを知見した。
【００１１】
すなわち、本発明の耐摩耗性部材は、基体と、該基体上に形成された層と、を有してなる耐摩耗性部材であって、前記基体は、炭化タングステン、炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの１種以上を主成分とする硬質相と、ＣｏおよびＮｉの１種以上を含む結合相と、を含んでなり、前記層は、前記基体と接して形成されるとともに、Ａｌ元素を２５原子％以上含む第一の層と、該第一の層上に化学蒸着法によって形成された第二の層とを備えた耐摩耗性部材である。
【００１２】
ここで、前記第一の層が、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｍ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ：（ＭはＴｉを除く４，５，６族金属元素、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素）のいずれか１種とすることが望ましい。
【００１３】
また、前記第一の層の層厚が０．５〜２μｍとすることが望ましい。
【００１４】
さらに、前記第一の層が、物理蒸着法によって形成された層であることが望ましい。
【００１５】
また、前記基体の硬質相は、構成する粒子の平均粒径が１μｍ以下であることが望ましい。
【００１６】
さらに、前記基体が、少なくともＮｉを含む結合相とチタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、第二の層が、炭素を含有する層を有してなることが望ましい。
【００１７】
また、前記第二の層のうち炭素を含有する層は、柱状組織からなるＴＩＣＮ層を有してなることが望ましい。
【００１８】
さらに、前記第二の層は、前記第一の層に隣接して形成されるＴｉＮ層を有してなることが望ましい。
【００１９】
また、上記の耐摩耗性部材を切削工具として用いることが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の耐摩耗性部材によれば、基体上に形成される被覆層として、基体と接して形成される第一の層がＡｌ元素を２５原子％以上含むよう構成することで、前記第一の層が、前記第一の層の上層である第二の層が形成される時に、前記基体が含有する成分、特に、炭素と結合相の成分が拡散することを抑制するバリア層の役目を果たすため、基体成分の拡散による成膜不良を抑えることができ、高強度、高硬度な被覆層を得ることができる。
【００２１】
ここで、前記第一の層が、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｍ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ：（ＭはＴｉを除く４，５，６族金属元素、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素）のいずれか１種とすることが、第一の層の付着力、強度、硬度を切削加工を行ううえで十分なものとし、さらに、基体の結合相や炭素の拡散を抑制することが十分にできるため望ましい。
【００２２】
また、前記第一の層の層厚が０．５〜２μｍとすることが、基体の成分の拡散を十分に抑制することができ、かつ、膜の靭性の低下を抑制することができるため望ましい。
【００２３】
さらに、前記第一の層が、物理蒸着法によって形成された層であることが、第一の層を７００度以下の低温で成膜するため、基体に接する層を基体の成分が拡散しにくい状態で形成することができる。そのため、基体に接する層を基体の成分が拡散していない層にすることができ、被覆層のうち基体に接する第一の層の上層として形成される第二の層中に基体の成分が拡散することを抑制する効果を向上させることができる。また、第一の層がＣＶＤ法にて成膜された層よりも微細な粒子によって構成されるため、基体の成分が第一の層中に入り込む隙間が小さくなり、基体の成分が被覆層内に拡散することを抑制する効果がより向上するため望ましい。
【００２４】
また、前記基体の硬質相は、構成する粒子の平均粒径を１μｍ以下の微粒子にすると、拡散を十分に抑制することができるとともに、強靭な基体と被覆層とを併せ持つ耐摩耗性部材を得ることができる。
【００２５】
さらに、前記基体が、少なくともＮｉを結合相とチタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、前記第二の層が、炭素を含有する層を有してなるので、結合相のＮｉが炭素を含有する層内に拡散することを防ぎ被覆層の強度低下を抑制し、かつ、Ｎｉとの反応を抑えて、炭素を含有する層の異常成長を低減させることができる。
【００２６】
また、前記第二の層のうち炭素を含有する層は、柱状組織からなるＴｉＣＮ層であることで、柱状組織からなるＴｉＣＮ層のもつ高い靭性によって優れた耐摩耗性を発揮することができる。
【００２７】
さらに、前記第二の層は、前記第一の層に隣接して形成されるＴｉＮ層を有してなることによって、基体の成分が拡散する効果がより向上するため望ましい。
【００２８】
また、上記の耐摩耗性部材を切削工具として用いることによって、長寿命で優れた切削性能を発揮する切削工具となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明に係る耐摩耗性部材の実施形態の一例として旋削加工に用いるスローアウェイチップタイプの切削工具について、図１の（ａ）概略全体斜視図、（ｂ）切刃を含む要部拡大断面図を基に説明する。
【００３０】
図１によれば、スローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）１は、基体２と基体２上に形成された被覆層８とを有してなる耐摩耗性部材を用いてなり、主面がすくい面３と着座面４をなし、側面が逃げ面５をなす平板状である。そして、すくい面３と逃げ面５との交差稜線に切刃６が形成される。
【００３１】
なお、基体２としては、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）の１種以上の鉄属金属を主成分とする結合相にて炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする硬質相を結合させた超硬合金、または、少なくともＮｉを含む結合相にて炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの少なくとも一種を主成分とする硬質相を結合させたサーメットからなる。
【００３２】
次に、基体２の表面に形成する被覆層８は、化学蒸着法（ＣＶＤ）によって形成される層を含む多層膜からなる。
【００３３】
ここで、本発明によれば、被覆層８は、基体２と接する第一の層９、第一の層９の上に化学蒸着法にて形成される第二の層１０から構成され、かつ、第一の層９にＡｌ元素が２５原子％以上存在することを特徴とするチップである。
【００３４】
Ａｌ元素は、炭素との親和性が低いため、炭化物や炭素が固溶した物質に対して反応しにくくなる。そこで、基体２に最も近い層である第一の層９に一定量以上のＡｌ元素を含有させることにより、第二の層１０を形成する際に基体２が高温状態になっても、炭化物や炭素が固溶した結合相を有した基体２の成分が第二の層１０中に拡散してしまうことを抑制することができる。
【００３５】
すなわち、第一の層９にＡｌ元素を２５原子％以上含有させることにより、被覆層８中に基体２成分が拡散し、被覆層８に異常粒子や欠陥が発生することを低減させることができる。その結果、被覆層８の強度および硬度の低下を抑えることができる。
【００３６】
換言すれば、第一の層９中に含有されるＡｌ元素の量が２５原子％以上であることで、第一の層９と基体２成分との親和性を低減させ、基体２成分が被覆層８中に拡散することを抑制することができる。
【００３７】
また、第一の層９の硬度を維持しつつ、優れた耐摩耗性を発揮する点で、第一の層９に含有されるＡｌ元素の量は７５原子％以下、特に５０原子％以下であることがより好ましい。
【００３８】
なお、本実施形態では、第一の層９が１層からなるものを例示したが、上記構成を満たす第一の層９として、複数の層からなる場合であってもよい。このように第一の層９が複数層からなる場合は、複数層全体におけるＡｌ元素の原子％が上述した値を満たすようにすればよい。すなわち、ＣＶＤ法によって形成される第二の層１０と基体との間に形成される層に含まれるＡｌ元素を２５原子％以上とすることで、バリア層としての機能を発揮させることができる。
【００３９】
ここで、第一の層９が、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｍ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ：（ＭはＴｉを除く４，５，６族金属元素、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素）のいずれか１種からなることが、第一の層の付着力、強度、硬度を向上させ、さらに、基体の結合相成分や炭素の拡散を抑制する効果を高めることができるため望ましい。特に、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｍ）Ｎが、硬度、強度共に高く、また、１０００度程度の高温になっても膜の特性が変化しないため、第一の層９の上層である第二の層１０をＣＶＤ法によって形成する際の高温下においても、第一の層９の特性が変化しない。そのため、基体の成分の拡散を抑える効果をより一層高めることができる。したがって、本発明による耐摩耗性部材は、高速切削をはじめとするより厳しい切削条件下でも優れた耐摩耗性を発揮することができるため、切削工具として好適に用いることができる。
【００４０】
また、第一の層９の層厚が０．５〜２μｍ、特に０．５〜１μｍの範囲内とすることが、基体２の成分の拡散を抑制する効果が高まり、かつ、膜の靭性の低下を抑制することができるため望ましい。
【００４１】
さらに、第一の層９を化学蒸着法（ＣＶＤ）に比べて成膜温度の低い物理蒸着法（ＰＶＤ）によって形成することによって、基体２の成分が拡散しにくい状態で第一の層９を成膜でき、第一の層９を成膜する際に基体２の成分が第一の層９に拡散することがなく、第二の層１０を成膜する際に基体２の成分の拡散を抑える効果が大きくなる。また、ＰＶＤ法によって成膜すると、ＣＶＤ法によって成膜した被覆層よりも微細な粒子によって構成することができるため、ＰＶＤ法で形成された第一の層９において基体２の成分が入り込む隙間を小さくすることができ、基体２の成分が被覆層内に拡散することを抑制する効果がより向上するため望ましい。
【００４２】
ここで、本発明に使用可能なＰＶＤ法は、イオンプレーティング法、スパッタリング法、メッキ、蒸着等がある。中でもイオンプレーティング法、スパッタリング法によって第一の層９を形成することが、基体２との密着力が高く、剥離しにくい第一の層９を形成することができるため望ましい。
【００４３】
また、基体２の硬質相は、構成する粒子の平均粒径が１μｍ以下の微粒子であることによって、基体２中の結合相の厚みが増加し被覆層８と結合相との接触面積が増え、基体２中の結合相および炭素が被覆層内８に拡散しやすくなることを抑制することができる。くわえて、基体２の強度や硬度を向上させることができる。その結果、被覆層８への基体２成分の拡散を抑制することと強靭な基体２と被覆層８を具備することの両面併せもつ耐摩耗性部材を実現することができる。
【００４４】
さらに、基体２が少なくともＮｉを含む結合相と、チタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、第二の層１０が、Ｎｉと反応して異常粒を発生しやすい炭素を含む層、例えば（炭化チタン）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、炭窒酸化チタン（ＴｉＣＮＯ）等からなる層を形成する際にも、本発明を用いることによって、上述した一定量以上のＡｌ元素を含む第一の層９が拡散防止層（バリア層）として優れた効果を発揮できるため、結合相のＮｉが第二の層内に拡散することを防ぎ、サーメット基体上に異常粒を含まない炭素を含有する第二の層１０を得ることができる。そのため、サーメット基体のもつ高い耐摩耗性に加えて、炭素を含有する層の優れた硬度によってさらに耐摩耗性を向上させることができる。
【００４５】
特に、第二の層１０のうち前記炭素を含有する層に高い靭性を有する柱状組織からなるＴｉＣＮ層を用いることによって、高い耐摩耗性に加えて強靭な硬質膜による耐欠損性の向上を図ることができる。
【００４６】
なお、ここでいう柱状組織からなるＴｉＣＮ層とは、柱状のＴｉＣＮ粒子を含んでなる層である。特に、高いアスペクト比を有したＴｉＣＮ粒子を有してなることが、靭性に優れる点でより好ましい。
【００４７】
第二の層１０は、第一の層９に隣接して形成される窒化チタン（ＴｉＮ）層１１を有してなることによって、ＴｉＮ層１１が第一の層９で抑えきれなかった基体２の成分の拡散を抑制し、かつ、被覆層８の付着力を向上させることができる。その結果、被覆層８の膜剥離を抑制することができるため望ましい。
【００４８】
なお、本実施形態では、被覆層８は、第一の層９と第二の層１０とが隣接して形成されてなる形態を例示したが、これに限定されず、第一の層９と第二の層１９との間に、他の層が形成されていても良い。すなわち、Ａｌ元素を上述のような比率で含まない層で、かつ、ＰＶＤ法によって形成された層（中間層）が、第一の層９と第二の層１０との間に形成されていてもよい。
【００４９】
このような中間層としては、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層など様々な種類の層を用いることができる。特に、ＰＶＤ法によって形成されたＴｉＮ層を、中間層として、第一の層９と第二の層１０との間に介在させることが、基体２成分の第二の層１０への拡散を低減するとともに、被覆層８の付着力を向上させるという効果を奏す点で望ましい。
【００５０】
なお、第一の層９と隣接する層としてＴｉＮ層を形成する際、上述した本実施形態のように、ＣＶＤ法で形成されたＴｉＮ層１１を有した形態の方が、被覆層８の付着力が大きく、被覆層８の膜剥離を一層低減させることができるためより好ましい。
【００５１】
また、ここでは切削工具を例として説明したが、そのほかの用途として、耐摩材、切断用刃物としても優れた性能を発揮することができる。
【００５２】
（製造方法）
本発明の表面被覆体の耐摩耗性部材の一実施例である上記切削工具を製造する方法の一例について説明する。
【００５３】
まず、上述した基体を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、混合粉末を得る。得られた混合粉末を、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形する。得られた成形体を真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって、上述した硬質合金からなる基体２を作製する。
【００５４】
そして、上記基体２の表面に、第一の層９を形成する。例えば第一の層９をＰＶＤ法、具体的には、アークイオンプレーティング法を用いて形成することができる。本発明によれば、アークイオンプレーティング法を用いた成膜条件として、例えば、第一の層９として（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ層を形成する場合、成膜時のガス圧力を２〜５Ｐａ、バイアス電圧を２０〜３００Ｖ、成膜温度を５００〜６００℃に制御する。
【００５５】
上述したように、第一の層９をＰＶＤ法によって形成することで、第一の層９の形成時の基体の温度をＣＶＤ法の場合に比べてより低い温度に維持することができるため、基体２成分の被覆層８への拡散を抑制する効果が高まる。
【００５６】
ここで、本発明によれば、成膜時のバイアス電圧を初期１分間程度のみ１５〜５０Ｖとし、その後の成膜においてはバイアス電圧を１５０〜３００Ｖへと変化させることによって、第一の層９の粒子がより微細な結晶構造となり、基体２の成分が被覆層８内に拡散することを抑制する効果が一層向上する。
【００５７】
また、特に、成膜時に導入する反応ガスとして窒素と不活性ガスとの流量比率が、窒素：不活性ガス＝２：１〜３０：１、好ましくは２：１〜１０：１となる窒素と不活性ガスの混合ガスをプラズマが発生した真空チャンバー内に導入することが、第一の層９中に安定して不活性ガスを含有せしめることができるため望ましい。また、不活性ガスを複数の種類使用する場合は、窒素の流量と複数の種類の不活性ガスの合計流量との比率を上記比率に調整する。
【００５８】
また、使用するターゲットは、（Ｔｉｘ，Ａｌ１−ｘ）からなる組成（ｘ：０．５〜０．７）のチタンアルミ合金を用いる。
【００５９】
ここで、上記ターゲットの成分を（Ａｌ，Ｍ）、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）等の組成の合金（ＭはＴｉを除く周期律表における４，５，６族金属、Ｓｉから選ばれる一種以上の元素）に変更することによって、様々な種類の膜を成膜することができる。
【００６０】
また、第一の層９としてＡｌＮ層を形成する際には、例えばターゲットにアルミニウムを使用し、成膜温度が３００〜８００℃、バイアス電圧が−５〜−１００Ｖ、アーク電流値が１５０Ａ、窒素雰囲気圧力が３〜１２Ｐａの成膜条件下で行う。
【００６１】
一方、第一の層９をＣＶＤ法によって形成する場合、例えば、第一の層９としてＡｌＮ層をＣＶＤ法によって形成する際には、ＡｌＣｌ３ガスを３〜２０体積％、ＨＣｌガスを０．５〜８．０体積％、Ｎ２ガスを０．１〜６０体積％、Ｈ２Ｓガスを０〜１体積％、残りがＨ２ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａとすることが望ましい。
【００６２】
また、第一の層９としてＡｌＯＮ層をＣＶＤ法によって形成する際には、ＡｌＣｌ３ガスを１〜１０体積％、ＨＣｌガスを２〜１５体積％、ＣＯ２ガスを１〜１０体積％、Ｎ２ガスを３〜２０体積％、残りをＨ２ガスよりなる混合ガスを用い、成膜温度が９００℃〜１１００℃、炉内圧力を５〜１０ｋＰａの成膜条件にて成膜する。
【００６３】
次に、第一の層９が形成された基体上に、ＣＶＤ法によって第二の層１０を形成する。なお、ここでいう第二の層１０とは、単層でも複数層であっても構わない。耐摩耗性部材の用途に応じて適宜選択することができる。切削工具に用いられる耐摩耗性部材においては、第二の層１０が、異なる化学種からなる複数の層を有した複数層からなることが好ましい。これによって、耐摩耗性および耐欠損性の向上が図れる。
【００６４】
まず、第二の層１０としてＴｉＮ層を成膜する場合は、反応ガス組成として塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１０００℃、１０〜３０ｋＰａの条件で成膜する。
【００６５】
次に、第二の層１０として柱状組織からなるＴｉＣＮ層を成膜するときには、反応ガス組成として、体積％で塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを２０〜６０体積％、メタン（ＣＨ４）ガスを０〜０．１体積％、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスを０．１〜０．４体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、成膜温度を７８０〜８８０℃、５〜２５ｋＰａにて成膜する。
【００６６】
次に、第二の層１０としてＴｉＣＮＯ層を成膜するときには、塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜３体積％、メタン（ＣＨ４）ガスを０．１〜１０体積％、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．０１〜５体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、チャンバ内を８００〜１１００℃、５〜３０ｋＰａとする。
【００６７】
そして、第二の層１０としてＡｌ２Ｏ３層を成膜するときには、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）ガスを３〜２０体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを０．５〜３．５体積％、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．０１〜５体積％、硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスを０〜０．０１体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、９００〜１１００℃、５〜１０ｋＰａとすることが望ましい。
【００６８】
また、上述した第二の層のＴｉＮ層１０（１１）は、図１（ｂ）に示すように、第一の層９に隣接して形成するのが好ましい。
【実施例１】
【００６９】
表３の割合で原料を混合および粉砕し、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４１２）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金の基体を作製した。さらに、作製した超硬合金基体にブラシ加工にてすくい面より刃先処理（Ｒホーニング）を施した。
【００７０】
次に、上記超硬合金基体に対して、表３に示す構成の複数層からなる被覆層を形成し、試料Ｎｏ．０１〜１６の切削工具を作製した。なお、表３の各層の成膜条件は、ＣＶＤ法における条件を表１に、ＰＶＤ法おける条件を表２に示した。ここで、表１および２における各層のＡｌ元素の含有比率（原子％）は、各層を構成する金属元素、非金属元素全てを含めた元素に対するＡｌ元素の比率であり、測定は一般的なＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析）法によって測定した。
【表１】
【００７１】
【表２】
【００７２】
得られた工具について、基体の硬質相を構成する粒子の平均粒径をＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に準じて行った。結果は表３に「ＷＣ粒径」として示した。
【００７３】
また、被覆層の断面を含む任意破断面５ヵ所において走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を３０００倍の倍率で撮り、各写真における各層の層厚を測定し、測定した値の５ヶ所の層厚の平均を平均層厚として表３および５に示した。
【００７４】
さらに、上記断面を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー（ＷＤＳ）によって第二の層全体に存在する基体の成分（Ｗ，Ｃｏ,Ｃ）の量を任意に３点測定し、その平均値を算出した。結果は表３に示した。
【００７５】
またさらに、得られた工具のうち、第一の層が複数層で構成されるものについて、第一の層全体のＡｌ元素の含有比率を測定した。結果を、表３に示した。なお、第一の層が単層で構成されるものについても、表１および表３に示す値と重複するが、併せて表３に示した。
【表３】
【００７６】
そして、この切削工具を用いて下記の条件により、連続切削試験および断続切削試験を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。結果は表４に示した。
【００７７】
（連続切削条件）
被削材 ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ７００スリーブ材）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：２５０ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削時間：３０分
その他 ：水溶性切削液使用
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、逃げ面摩耗量・境界摩耗量を測定
（断続切削条件）
被削材 ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ７００４本溝入スリーブ材）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
切削速度：１５０ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
評価項目：欠損に至る衝撃回数
衝撃回数１０００回時点で顕微鏡にて切刃の被覆層の剥離状態を観察
【表４】
【００７８】
表１〜４より、第一の層としてＡｌ元素を２５原子％以上含有する層を形成していない試料Ｎｏ．１３〜１６では、被覆層中に基体の成分が拡散し、その結果被覆層の強度が低下し、耐摩耗性、耐欠損性共に低くなっている。
【００７９】
これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜１２では、被覆層内に基体の成分がほとんど拡散せず、耐摩耗性、耐欠損性共に優れた性能を発揮している。
【実施例２】
【００８０】
表５の割合で原料を混合および粉砕し、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４１２）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成してサーメットの基体を作製した。さらに、作製したサーメット基体にブラシ加工にてすくい面より刃先処理（ホーニングＲ）を施した。
【００８１】
次に、上記サーメット基体に対して、表５に示す構成の複数層からなる被覆層を形成し、試料Ｎｏ．１７〜３２の切削工具を作製した。なお、表５の各層の成膜条件は、実施例１と同様に、表１および表２を用いた。
【００８２】
得られた工具について、実施例１と同様に、基体の硬質相の粒径の測定、および、被覆層の断面を含む任意破断面５ヵ所について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を撮り、各写真において各層の層厚を測定した。
【００８３】
また、上記断面を波長分散型Ｘ線マイクロアナライザー（ＷＤＳ）によって第二の層全体に存在する基体の成分（Ｃｏ,Ｎｉ）の量を測定した。結果は表５に示した。
【表５】
【００８４】
そして、この切削工具を用いて下記の条件により、連続切削試験および断続切削試験を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。結果は表６に示した。
【００８５】
（連続切削条件）
被削材 ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ７００スリーブ材）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削時間：３０分
その他 ：乾式
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、逃げ面摩耗量・境界摩耗量を測定
（断続切削条件）
被削材 ：ダクタイル鋳鉄（ＦＣＤ７００４本溝入スリーブ材）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１ｍｍ
その他 ：乾式
評価項目：欠損に至る衝撃回数
衝撃回数１０００回時点で顕微鏡にて切刃の被覆層の剥離状態を観察
【表６】
【００８６】
表５，６より、第一の層としてＡｌ元素を２５原子％以上含有する層を形成していない試料Ｎｏ．２９〜３２では、被覆層中に基体の成分が拡散し、その結果、被覆層が異常成長を起こしてしまい、被覆層の強度が低下し、耐摩耗性、耐欠損性共に低くなっている。
【００８７】
これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１３〜２８では、被覆層内に基体の成分がほとんど拡散せず、被覆層に欠陥がほとんど見られないため、耐摩耗性、耐欠損性共に優れた性能を発揮している。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の耐摩耗性部材の一例であるスローアウェイチップについての（ａ）概略全体斜視図、（ｂ）要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１： スローアウェイチップ（チップ）
２： 基体
３： すくい面
４： 着座面
５： 逃げ面
６： 切刃
８： 被覆層
９： 第一の層
１０： 第二の層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、該基体上に形成された被覆層と、を有してなる耐摩耗性部材であって、
前記基体は、
炭化タングステン、炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの１種以上を主成分とする硬質相と、
ＣｏおよびＮｉの１種以上を含む結合相と、を含んでなり、
前記被覆層は、
前記基体と接して形成されるとともに、Ａｌ元素を２５原子％以上含む第一の層と、
該第一の層上に化学蒸着法によって形成された第二の層と、を備えた耐摩耗性部材。
【請求項２】
前記第一の層が、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｍ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ：（ＭはＴｉを除く４，５，６族金属元素、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素）のいずれか１種からなる請求項１に記載の耐摩耗性部材。
【請求項３】
前記第一の層の層厚が０．５〜２μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の耐摩耗性部材。
【請求項４】
前記第一の層が、物理蒸着法によって形成された層である請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩耗性部材。
【請求項５】
前記基体の硬質相は、構成する粒子の平均粒径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の耐摩耗性部材。
【請求項６】
前記基体が、少なくともＮｉを含む結合相とチタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、前記第二の層が、炭素を含有する層を有してなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の耐摩耗性部材。
【請求項７】
前記第二の層のうち炭素を含有する層は、柱状組織からなるＴｉＣＮ層を有してなる請求項６記載の耐摩耗性部材。
【請求項８】
前記第二の層は、前記第一の層に隣接して形成されるＴｉＮ層を有してなる請求項１乃至７のいずれかに記載の耐摩耗性部材。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の耐摩耗性部材を用いてなる切削工具。
【請求項１】
基体と、該基体上に形成された被覆層と、を有してなる耐摩耗性部材であって、
前記基体は、
炭化タングステン、炭化チタン、窒化チタンおよび炭窒化チタンの１種以上を主成分とする硬質相と、
ＣｏおよびＮｉの１種以上を含む結合相と、を含んでなり、
前記被覆層は、
前記基体と接して形成されるとともに、Ａｌ元素を２５原子％以上含む第一の層と、
該第一の層上に化学蒸着法によって形成された第二の層と、を備えた耐摩耗性部材。
【請求項２】
前記第一の層が、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ａｌ，Ｍ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｍ）Ｎ：（ＭはＴｉを除く４，５，６族金属元素、Ｓｉから選ばれる１種以上の元素）のいずれか１種からなる請求項１に記載の耐摩耗性部材。
【請求項３】
前記第一の層の層厚が０．５〜２μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の耐摩耗性部材。
【請求項４】
前記第一の層が、物理蒸着法によって形成された層である請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩耗性部材。
【請求項５】
前記基体の硬質相は、構成する粒子の平均粒径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の耐摩耗性部材。
【請求項６】
前記基体が、少なくともＮｉを含む結合相とチタン化合物を主成分とする硬質相とを具備するチタン基サーメットからなるとともに、前記第二の層が、炭素を含有する層を有してなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の耐摩耗性部材。
【請求項７】
前記第二の層のうち炭素を含有する層は、柱状組織からなるＴｉＣＮ層を有してなる請求項６記載の耐摩耗性部材。
【請求項８】
前記第二の層は、前記第一の層に隣接して形成されるＴｉＮ層を有してなる請求項１乃至７のいずれかに記載の耐摩耗性部材。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の耐摩耗性部材を用いてなる切削工具。
【図１】
【公開番号】特開２００８−２０７２８６（Ｐ２００８−２０７２８６Ａ）
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４７３７４（Ｐ２００７−４７３７４）
【出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１１日（２００８．９．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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