表面被覆切削工具
【課題】本発明の目的は、クレーター摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与することができる被膜を備えた表面被覆切削工具を提供することにある。
【解決手段】本発明の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備えるものであって、この被膜は、１以上の層を含み、この層のうち少なくとも１の層は、化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される非晶質の第１化合物を含むハフニウム含有シリコン層であることを特徴とする。
【解決手段】本発明の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備えるものであって、この被膜は、１以上の層を含み、この層のうち少なくとも１の層は、化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される非晶質の第１化合物を含むハフニウム含有シリコン層であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の被削材を切削加工するのに用いられる表面被覆切削工具は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質の基材に対してその表面の耐摩耗性を改善したり表面保護機能を改善したりすることを目的として、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等の硬質被膜でその表面を被覆することが行なわれてきた。
【０００３】
また、機械強度、靭性、耐熱衝撃性に優れている点から窒化ケイ素の焼結体が切削工具の基材として広く利用されているが、被削材が多様化していることおよび加工効率を向上させるために高速の切削加工が求められることなどの理由から、以前に比し切削工具の寿命は非常に短くなっている。
【０００４】
このため切削工具に要求される特性、とくに耐摩耗性はますます高度なものとなっており、以って表面被覆切削工具の被膜に対しても種々の高度な特性が要求されている。
【０００５】
従来、ベース素材の表面特性を被膜により改質する方法としては、ＳｉＮおよびＨｆＮを含む混合物からなる被膜を設ける方法が提案されている（特許文献１および２）。しかしながら、これらの提案は、いずれも切削工具に関するものではなく、薄膜干渉フィルタ、サーマルプリンタヘッド、光磁気記録媒体に関するものである。そのため、ベース素材表面の硬質化、化学的耐性の付与、またはベース素材表面の平坦性を向上させるものであり、耐摩耗性については全く検討されていない。
【０００６】
また、ベース素材の表面特性を改質する被膜としてＳｉＨｆＮを含む複合材料も提案されているが（特許文献３および４）、いずれも切削工具に関するものではなく、自動車用窓ガラスの被覆や、サーマルプリンタヘッドの被覆を目的としたものである。このため、鋼などの切削における高温条件下での耐摩耗性については全く評価されていない。
【０００７】
一方、窒化ケイ素を用いて切削工具の耐摩耗性、耐熱衝撃性を改善する方法が提案されているが（特許文献５）、被膜ではなく基材自体の組成を改質するものであり、被膜の特性を検討したものではない。したがって、ケイ素系化合物を被膜として用いることにより切削工具の耐摩耗性等の諸特性を向上させる試みはほとんどなされていない。
【特許文献１】特開平０６−００３５２３号公報
【特許文献２】特開平０６−２５６９３９号公報
【特許文献３】特開平０５−１７０４８９号公報
【特許文献４】特開平０７−１８００４４号公報
【特許文献５】特開平０６−３２９４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与することができる被膜を備えた表面被覆切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、この被膜は、１以上の層を含み、この層のうち少なくとも１の層は、化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される非晶質の第１化合物を含むハフニウム含有シリコン層であることを特徴とする。
【００１０】
上記ハフニウム含有シリコン層は、その厚みが０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【００１１】
また、上記ハフニウム含有シリコン層は、上記第１化合物を含む第１層と、第２化合物を含む第２層とが各々１層以上積層されて形成されており、この第２化合物は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含むことができる。
【００１２】
また、上記第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、上記第２層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
上記被膜は、上記ハフニウム含有シリコン層以外に、１層以上の硬質層を含んでいてもよく、その硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことができる。
【００１４】
上記硬質層は、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことが好ましく、また、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下として周期的に繰り返して積層されたものであることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の表面被覆切削工具の基材は、超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体、高速度鋼、セラミックス、またはダイヤモンド焼結体を適用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の表面被覆切削工具は、特定のハフニウム含有シリコン層を含む被膜を基材上に設けることによって、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備えるものである。このような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。そして、本発明の表面被覆切削工具は、Ｔｉ合金加工用またはインコネル合金等の耐熱合金加工用のドリル、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、タップ等として特に有用に用いることができる。
【００１８】
＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、上記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。このような基材としては、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）、立方晶型窒化硼素焼結体、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）、ダイヤモンド焼結体等を挙げることができる。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。
【００１９】
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良く、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。
【００２０】
＜被膜＞
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、１以上の層を含むものである。そして、それらの層のうち少なくとも１の層は、以下で詳述する第１化合物を含むハフニウム含有シリコン層である。本発明における被膜は、このハフニウム含有シリコン層を含む限り、さらに他の層を含んでいても差し支えない。なお、本発明における被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、部分的に被膜が形成された態様をも含む。
【００２１】
本発明における被膜の合計厚み（２以上の層が形成される場合はその総膜厚）は、０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が７．０μｍ以下であり、その下限が０．５μｍ以上であることが好ましく、さらに好ましくは１．０μｍ以上である。被膜の合計厚みが０．１μｍ未満の場合、耐摩耗性等の諸特性の向上作用が十分に示されない場合があり、１０μｍを超えると残留応力（圧縮応力または圧縮残留応力という）が大きくなり基材との密着性が低下する場合がある。なお、被膜の合計厚みの測定方法としては、表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより求めることができる。以下、該被膜についてさらに詳細に説明する。
【００２２】
＜ハフニウム含有シリコン層＞
本発明におけるハフニウム含有シリコン層は、化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される非晶質の第１化合物を含むものである。このような第１化合物は、Ｈｆを含まない構造の化合物に比し高い硬度を示す。明確な原因は不明であるが、応力が低くなり（圧縮応力が大きくなり）、結果として硬度が高くなるのではないかと考えられる。
【００２３】
本発明におけるハフニウム含有シリコン層は、不可避不純物を除き第１化合物のみによって構成することができる。
【００２４】
なお、このようなハフニウム含有シリコン層は、第１化合物とともに、その第１化合物に起因する（第１化合物の形成時に同時に形成されたり、その形成後に経時的に形成される）副次的化合物を含んでいても差し支えない。そのような副次的化合物は第１化合物に対し少量含まれるものであり、たとえばＳｉと上記化学式中のＺとからなる化合物や、Ｈｆと上記化学式中のＺとからなる化合物が挙げられる他、Ｓｉ単体やＨｆ単体も挙げることができる。
【００２５】
また、上記ハフニウム含有シリコン層は、第１化合物とともに、他の化合物を含んでいても差し支えない。そのような他の化合物としては、たとえば、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含む第２化合物等を挙げることができる。
【００２６】
なお、本発明において「ハフニウム含有シリコン層」とは、上記のように第１化合物を含む層をいうものであり、少なくとも一層の第１化合物を含む層が含まれていればよいものである。たとえば、第１化合物以外に、上記のような他の化合物を含む場合や、上記第１化合物を含む第１層と第２化合物を含む第２層を積層してなる場合にも、ハフニウム含有シリコン層と称するものとする。また、上記第１化合物は、上記化学式においてＳｉまたはＨｆの一部が他の元素（たとえばＺｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ等）に置換されているものも含み得るものとし、このような場合であっても本発明の範囲を逸脱するものではない。
【００２７】
＜第１化合物＞
上記ハフニウム含有シリコン層に含まれる第１化合物は、化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される化合物である。上記化学式中、原子組成比Ｘは、好ましくは０＜Ｘ≦０．２５であり、その上限がより好ましくは０．１２、さらに好ましくは０．１であり、その下限がより好ましくは０．００５、さらに好ましくは０．０１である。この原子組成比Ｘが０．４を超えると、硬度が低くなり、クレータ摩耗の低減効果が劣るとともに優れた耐摩耗性が示されなくなる。
【００２８】
本発明における第１化合物は、切削工具に要求される諸特性のうち、逃げ面の摩耗とクレータ摩耗の双方を有効に低減することができるという特性を有する。これは、Ｈｆを上記のような原子組成比で含むことにより残留応力が調節され、高硬度化し、これとＳｉによってもたらされる本来的な耐酸化性とが相乗的に作用することにより、逃げ面の摩耗およびクレータ摩耗を飛躍的に低減することができ、切削工具全体として極めて優れた耐摩耗性の付与を可能にしたものである。
【００２９】
なお、上記の化学式中、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。すなわち、Ｚは、これらの元素が各単独で構成されていても良く、２以上の元素が組み合わされて構成されていてもよい。２以上の元素が組み合わされて構成される場合、各元素の原子組成比は特に限定されるものではないが、窒素が含まれる場合はこれらの構成元素に占める（すなわち上記化学式中のＹに対する）窒素の原子組成比を５０％以上とすることが好適である。
【００３０】
また、原子組成比Ｙは、０．８≦Ｙ≦１．２である限り特に限定されない。Ｙが０．８未満の場合、耐摩耗性が低下するため好ましくない。また、Ｙが１．２を超えると、やはり耐摩耗性が低下するため好ましくない。なお、上記のようにＺが２種以上の元素で構成される場合は、原子組成比Ｙはそれらの元素の総数を示すものとする。
【００３１】
＜第１化合物の構造＞
上記第１化合物は、非晶質である。第１化合物が非晶質状態の場合、該化合物を含むハフニウム含有シリコン層において、化合物同士の結晶粒界が存在しないので、亀裂が発生した場合にその伸展を抑制することができ、結果としてより優れた耐摩耗性を示すと考えられる。また、非晶質であることから、結晶の異常成長を抑制することができるので、得られる層の表面が平滑となり、優れた耐溶着性を示す。
【００３２】
＜ハフニウム含有シリコン層の積層構造＞
本発明における上記ハフニウム含有シリコン層は、互いに異なる組成の第１化合物を含む２種以上の層が各々１層以上積層された構造とすることができる（たとえば、ＳｉＨｆＮを含む層とＳｉＨｆＮＯを含む層の積層構造があげられる）。このような積層構造とする場合、各層の厚みや層数などは、後述する第１層と第２層の積層構造と同様にすることができる。上記ハフニウム含有シリコン層が互いに異なる組成の第１化合物を含む２種以上の層からなる第１化合物の積層構造を含む場合は、被膜に優れた耐摩耗性を付与することはもとより、層間の界面の存在により亀裂の伸展を更に抑制することができる。
【００３３】
また、本発明における上記ハフニウム含有シリコン層は、上記第１化合物を含む第１層と、第２化合物を含む第２層とが各々１層以上積層されて形成されているものとすることができ、この第２化合物は、上記のようにＳｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含むものとすることができる。このような第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、また同じく第２層も、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
ここで、この第２化合物は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素に対して、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を原子組成比で０．１以上２以下含むことが好ましい。原子組成比をこの範囲のものとすることにより、以下のような優れた効果が示される。なお、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶのうち異なった元素が２種以上含まれる場合、その総数が上記範囲の原子組成比を満たす限り、各元素間の原子組成比は特に制限されない。同様にして、硼素、酸素、炭素、および窒素のうち異なった元素が２種以上含まれる場合も、各元素間の原子組成比は特に制限されない。
【００３５】
上記のような積層構造を採用することにより、次のような優れた効果が示される。すなわち、上記第２化合物は耐酸化性に優れているため、クレータ摩耗の低減作用および耐摩耗性の向上作用に加え、ハフニウム含有シリコン層全体として優れた耐酸化性が示される。また、このように組成の異なる２層を積層させることにより、被膜の厚み方向に亀裂が進展することを極めて有効に抑制することができ、この亀裂の進展による被膜破壊に起因した摩耗現象を効果的に低減することができることから、結果的に耐摩耗性をさらに向上させることができる。
【００３６】
前述のように第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、また、第２層も、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。各々の層がこの範囲の厚みを有することにより、切削時における耐摩耗性が特に優れたものとなるからである。そして、上記第１層および第２層の各厚みは、より好ましくはその上限が１００ｎｍ、さらに好ましくは５０ｎｍであり、その下限はより好ましくは１ｎｍである。０．５ｎｍ未満の厚みで各層を形成することは困難であり、その厚みが２００ｎｍを超えると上記のような優れた効果が示されない場合がある。そして、好ましくは上記第１層のみの加算合計厚みが０．２μｍ以上１０μｍ以下となる場合であり、より好ましくは０．７μｍ以上５μｍ以下となる場合である。第１層のみの合計厚みをこれらの範囲とすることにより、上記の効果が最も効果的に発現する。なお、第１層のみの合計厚みがこのような範囲となる限り、第２層のみの合計厚みは特に限定されないが、１μｍ以上１０μｍ以下の厚みとすれば通常は十分である。このように積層される第１層と第２層との各厚みは、概ね等しいものであってもよいし、異なるものであってもよい。
【００３７】
なお、ここでいう積層構造とは、上記第１層と第２層とが各々１層以上積層されて形成されていることを示すものであるが、より好ましくは上記第１層と第２層とが各々上下交互に複数積層されることが好適である。なお、このような積層構造において最下層および最上層は、第１層または第２層のいずれの層によって形成されていても差し支えない。また、積層数は特に限定されるものではないが、各層それぞれ１層以上８０００層以下、より好ましくは２０層以上５０００層以下とすることができる。
【００３８】
＜ハフニウム含有シリコン層の厚み＞
本発明におけるハフニウム含有シリコン層（上記積層構造を含む場合を除く）は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。より好ましくはその上限が８μｍ、さらに好ましくは６μｍであり、特に好ましくは３μｍである。また、その下限が０．３μｍであることがより好ましい。
【００３９】
上記厚みが０．１μｍ未満の場合、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与するという本発明の効果が示されない場合があるとともに、１０μｍを超えると、該効果が低減される場合がある。上記厚みが０．３μｍ以上３μｍ以下の場合に、特に優れた上記効果が示される。
【００４０】
ハフニウム含有層が互いに組成の異なる第１化合物を含む２種以上の層が各々１層以上積層された構造を有する場合は、上記積層構造を含まない場合の厚みと同じく、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、その上限が８μｍであることがより好ましく、さらに好ましくは６μｍ、特に好ましくは３μｍである。また、その下限が０．３μｍであることがより好ましい。
【００４１】
また、ハフニウム含有層が上記第１層と第２層とが各々１層以上積層されて形成された積層構造を含む場合は、該層の厚みは０．３μｍ以上１２μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、その上限が８μｍであり、その下限が０．５μｍである。
【００４２】
上記積層された構造および積層構造を含む場合において、ハフニウム含有層の厚みが上記範囲を外れる場合は、本発明の効果が示されなかったり、該効果が低下する傾向がある。
【００４３】
＜ハフニウム含有シリコン層の形成方法＞
本発明におけるハフニウム含有シリコン層の形成方法は、特に限定されるものではないが、得られる被膜の表面が平滑であり、組成の自由度が高い物理蒸着法（ＰＶＤ法）によることが望ましい。具体的には、たとえばバランストマグネトロンスパッタリング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法、これらを各組み合わせた方法等を挙げることができる。なお、ハフニウム含有シリコン層が上記のような積層構造で形成されている場合であっても、これらの物理蒸着法の下、従来公知の手法により形成することができる。
【００４４】
そして、特に上記のようなハフニウム含有シリコン層を好適に形成する具体的な条件を挙げると以下のとおりとなる。すなわち、ハフニウム含有シリコン層の厚みが０．３μｍ未満の場合で、アンバランストマグネトロンスパッタリング法を採用する場合、基板（基材）温度を３５０〜６５０℃および該装置内の反応ガス圧を４００ｍＰａ〜１０００ｍＰａに設定し、所望の第１化合物に対する組成を有するターゲットをセットするとともに、所望の第１化合物に対応する反応ガスとして、たとえば窒素、酸素、メタンのうちから１以上のガスを選択して、これを導入する（なお、反応ガスの導入に際しては、希ガス／反応ガスの比を１〜５に設定することが好ましい）。そして、基板（負）バイアス電圧を０Ｖ〜−９０Ｖに維持したまま、放電電力を５ｋＷ〜９．５ｋＷとする条件により、非晶質のハフニウム含有シリコン層を形成することができる。
【００４５】
上記所望の第１化合物に対応する組成を有するターゲットとしては、第１化合物における金属組成（シリコンおよびハフニウムの組成）を与えるものであればよく、たとえば、シリコンおよびハフニウムの金属粉末を所望の最終組成と同一の組成で混合して焼結し作製したＳｉ−Ｈｆ焼結ターゲットや、Ｓｉからなるターゲットのエロージョン部にＨｆからなるターゲットを、エロージョン領域の面積比が所望の第１化合物のＸを満たす組成でインジウムにより貼り合わせた貼合ターゲット等を用いることができる。また、第１化合物に硼素を含む場合は、ターゲットに予め硼素元素を含有すればよく、その含有量は所望の第１化合物のＹと同一にすればよい。
【００４６】
また、非晶質である第１化合物を含むハフニウム含有シリコン層の厚みが０．３μｍ以上の場合は、一定の厚みが形成される毎に上記バイアス電圧を−５０Ｖ〜−５５０Ｖの範囲内で、２００Ｖ以上（たとえば、−５０Ｖから−３５０Ｖに変える）急激に変化させる操作を繰り返せばよい。具体的には、まず、−５０Ｖ〜−９０Ｖの基板バイアス電圧を付与し、被膜が０．２５μｍ〜０．３５μｍ形成されたところで、基板バイアス電圧を−３５０Ｖ〜−５５０Ｖへ急激に変えて、そのままの基板バイアス電圧を再び０．５５μｍ〜０．６５μｍの被膜（合計厚み）が形成されるまで維持する。その後、−３５０Ｖ〜５５０Ｖから再度−５０Ｖ〜−９０Ｖへと基板バイアス電圧を急激に変え、さらに被膜が０．８５μｍ〜０．９５μｍ（合計厚み）形成されるまで基板バイアス電圧を−３５０Ｖ〜−５５０Ｖの範囲で特定値に維持する。このように、被膜が０．２５μｍ〜０．３５μｍ形成されるごとに基板バイアス電圧を急激に変化させることにより、非晶質の第１化合物を含む層を形成することができる。
【００４７】
＜硬質層＞
本発明における被膜は、前記ハフニウム含有シリコン層以外に、さらに周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の硬質層を含むことができる。
【００４８】
上記硬質層としては、特にＣｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜を含むことが好ましい。
【００４９】
このような硬質層は、高硬度で耐摩耗性に優れるとともに、極めて優れた靭性を示すものが好ましい。特に、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜は、耐酸化性および耐熱性に優れていることから特に優れた耐摩耗性が示されるため極めて有効である。
【００５０】
上記硬質層を構成する元素または化合物としては、具体的には、たとえば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＴｉＡｌ、ＴｉＳｉ、ＡｌＣｒ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＯＮ、ＣｒＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、Ｔｉ2Ｏ3、ＴｉＡｌＯＮ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＡｌＺｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ2、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＢＣＮＯ等を挙げることができる。
【００５１】
また、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＮＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＮＯ、ＴｉＳｉＣＮＯ、ＣｒＴｉＮ、ＣｒＴｉＮＯ、ＣｒＴｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＣＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＣＮＯ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＢＮＯ等を挙げることができ、特にＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＢＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ等が好適である。
【００５２】
なお、上記の化学式において、各元素の原子組成比が特に記載されていないものは、必ずしも等比を意味するものではなく、従来公知の原子組成比がすべて含まれるものとする。たとえば単にＴｉＮと記す場合、ＴｉとＮとの原子組成比は１：１が含まれる他、２：１、１：０．９５、１：０．９等が含まれる（特に断りのない限り、以下において同じ）。
【００５３】
＜硬質層の構造＞
上記硬質層を構成する元素および／または化合物は、結晶質であることが好ましい。硬質層を構成する元素および／または化合物が結晶質の場合、得られる被膜の硬度が高く、耐酸化性が良好になり、切削工具としての性能が向上する。
【００５４】
＜硬質層の積層構造＞
上記硬質層としては、特に、上記Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下として周期的に繰り返して積層されてなる被膜を１以上含むことが好ましい。なお、本発明における被膜は、多層構造を有する硬質層を２以上含むことができる。
【００５５】
上記硬質層の各層の厚みはより好ましくは５ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。このように上記各層を周期的に繰り返して積層させることにより、耐酸化性および耐熱性がさらに向上し、極めて優れた耐摩耗性が示される。ここで、周期的に繰り返して積層させるとは、たとえば２種の層を上下交互に積層させるなど、一定の周期性をもって積層させることをいう。なお、各層の厚みが１ｎｍ未満となる場合や１００ｎｍを超える場合には、積層による耐摩耗性の向上効果が示されない場合があるが、その場合であってもこれらの元素や化合物によってもたらされる固有の耐摩耗性の向上効果は示される。
【００５６】
＜硬質層の厚み＞
また、上記硬質層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚み（多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が７μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、その下限が０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。その厚みが０．３μｍ未満の場合には、十分な耐摩耗性が示されなくなるとともに十分な靭性を示さなくなる場合があり、１０μｍを超えると耐欠損性が低下することがあるため好ましくない。
【００５７】
＜硬質層の形成位置＞
上記硬質層の積層配置は特に限定されるものではなく、基材とハフニウム含有シリコン層との間や、ハフニウム含有シリコン層上に形成することができ、また、ハフニウム含有シリコン層の上下両側に形成することもできる。
【００５８】
＜硬質層の形成方法＞
本発明において上記硬質層は、物理蒸着法により形成されることが好ましく、圧縮残留応力を有していることが好ましい。物理蒸着法により硬質層を形成することにより、硬質層に圧縮残留応力を付与することができ、高い靭性を有する被膜とすることができる。また、上記のハフニウム含有シリコン層が物理蒸着法により形成される場合においてこれらの被膜と同じ成膜方法を採用することにより製造効率を向上させることができる。
【００５９】
上記硬質層の形成のための物理蒸着法は、従来公知の物理蒸着法、たとえば、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、アークイオンプレーティング法、イオンプレーティング法等、いずれも採用することができるが、生産性や密着力が高いという利点を有することから、アークイオンプレーティング法が好ましい。また、ターゲットとしては、所望の最終組成と同一の組成を有する焼結ターゲットをあげることができる。
【００６０】
＜その他の層など＞
本発明における被膜としては、上記のようなハフニウム含有シリコン層や硬質層以外の他の層をさらに１以上含むことができる。たとえばそのような他の層は、硬質層とハフニウム含有シリコン層との間に形成したり、ハフニウム含有シリコン層の上に形成したりすることができる。このような他の層を形成することにより、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与するという本発明の効果がさらに向上したり、あるいは潤滑性を付与したり、被削材との溶着を抑制したりすることができるという効果を達成することもできる。
【００６１】
このような他の層を構成する化合物としては、硬質層を形成する化合物として例示した以外の酸化物（たとえばＡｌ2Ｏ3等）、窒化物、炭窒化物等を挙げることができる。なお、このような他の層の厚みは、０．０５μｍ以上５μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上２μｍ以下である。
【実施例】
【００６２】
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。なお、以下の各被膜を構成する各層の化学組成（化合物の組成）は二次電子顕微鏡に付帯のエネルギー分散型ケイ光Ｘ線分光計（ＳＥＭ−ＥＤＸ）により確認し、各層の厚みは被膜の断面を二次電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察することにより確認した。また、各層の構造はＸ線回折装置（ＸＲＤ）および透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で分析した。
【００６３】
＜基材＞
基材としては、グレードがＰ３０（ＪＩＳ Ｂ ４０５３−１９９８）の超硬合金であり、形状がＳＮＧＮ１２０４０８（ＪＩＳ Ｂ ４１２１−１９９８）である切削チップを準備し、これを洗浄した後使用した。
【００６４】
＜被膜の形成方法＞
本実施例および比較例において各被膜は、第１化合物（Ｓｉ1-XＨｆXＺY）を含むハフニウム含有シリコン層はアンバランストマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法により、それ以外の被膜（すなわち硬質層）は陰極式アークイオンプレーティング法により形成させた。ただし、ハフニウム含有シリコン層が第１化合物のみからなる積層構造を有する場合（実施例１２）、および第１層および第２層とからなる積層構造を有する場合（実施例１３〜１８、２４および２５）はＵＢＭＳ法により形成した。また、硬質層が２種以上の層を周期的に繰り返して積層した構造を有する場合（実施例２０〜２２、２４、２５および比較例４）はアークイオンプレーティング法により形成した。なお、成膜装置は従来公知の構成のものを特に制限なく使用することができるが、本実施例および比較例においては、ＵＢＭＳ法による成膜とアークイオンプレーティング法による成膜とを１の装置内で行なうことができる成膜装置を使用した。該装置を用いることにより、上記ＵＢＭＳ法と上記アークイオンプレーティング法を組み合わせて被膜を形成する場合、基材を装置外に取り出すことなく連続的に被膜を形成することができる。
【００６５】
＜ハフニウム含有シリコン層の形成方法＞
第１化合物の組成が以下の表１に示したものとなるように各対応する元素を含んだ（表１の第１化合物の原子組成比と同一の原子組成比を有する）各ターゲットをセットした。該ターゲットは、上記の焼結ターゲット、貼合ターゲット等いずれも使用しうるが、本実施例ではＳｉとＨｆ粉末を前記各原子組成比で混合し、焼結したＳｉ−Ｈｆ焼結ターゲットを使用した。
【００６６】
そして、真空ポンプにより該装置内を１×１０-4Ｐａ以下に減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を５００℃以上に加熱し、およそ５００℃で１時間保持した。
【００６７】
次に、アルゴンガスを導入して該装置内の圧力を５００ｍＰａ〜６５０ｍＰａに保持し、基板（基材）バイアス電圧を徐々に上げながら−６００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを３０分間行なった。続いて、基板バイアス電圧を−３５０Ｖとし、ホロカソード型ガス活性化源を用いて基材表面のクリーニングをさらに６０分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。なお、上記クリーニングは基材に対して行なうものであり、既に被膜を形成した基材の被膜表面に対してクリーニングは行なわない（以下において同じ）。
【００６８】
次いで、基板（基材）温度を５００〜６５０℃および該装置内の反応ガス圧を４００ｍＰａ〜１０００ｍＰａに設定し、表１に示した化学組成に対応する反応ガスとして、窒素、メタン、酸素のうちから１以上のガスを選択することによりこれを導入した。なお、反応ガスの導入に際しては、希ガス／反応ガスの比を１〜５に設定した。
【００６９】
そして、形成するハフニウム含有シリコン層の厚みが０．３μｍ未満の場合は、基板バイアス電圧を−７０Ｖに維持したまま、ターゲットにかかる放電電力を５ｋＷ〜９．５ｋＷとして、基材（被膜を形成させたものも含む）上に第１化合物からなるハフニウム含有シリコン層を形成し、表１に記載された厚みとなったところでターゲットに供給する放電電力を停止した。
【００７０】
一方、形成するハフニウム含有シリコン層の厚みが０．３μｍを超える場合は、該層全体を非晶質とするため（すなわち、第１化合物を非晶質で形成するため）に、次のように基板バイアス電圧を変化させる操作を行なった。すなわち、上記のようにして該層が０．３μｍ形成されたところで、基板バイアス電圧を−７０Ｖから−３５０Ｖへ急激に変えて、さらに０．３μｍの厚みが形成されるまで維持した。その後、−３５０Ｖから−７０Ｖへと基板バイアス電圧を再度急激に変え、さらに該層が０．３μｍ形成されるまで基板バイアス電圧を−７０Ｖに維持した。このように、該層が０．３μｍ形成されるごとに基板バイアス電圧を急激に変化する操作を繰り返すことによって、所望の厚みを有するハフニウム含有シリコン層を形成した。なお、ハフニウム含有シリコン層が表１記載の厚みとなったところでターゲットに供給する放電電力を停止した。
【００７１】
ここで、上記の基板バイアス電源およびターゲット供給用電源としては、直流パルス方式を用いた。基板バイアス電源では３５０ｋＨｚの周波数で正と負の電圧を供給し、１周期当りの正電圧を供給する時間は５００ｎｓとした。またターゲット供給用電源の周波数は５０ｋＨｚで１周期当りの正負電圧の供給時間は各々半分ずつとした。
【００７２】
上記反応ガスには必ず希ガス（アルゴンが好ましいがこれのみに限定されない）を混在させた。ここで、反応ガスとしては、最終生成物（第１化合物）が窒化物の場合は窒素を選択し、窒酸化物の場合は、窒素と酸素と雰囲気ガス（反応ガス分圧制御用）としてアルゴンガスを選択した。また、炭窒酸化物の場合は、メタン（メタンのみに限られずアセチレン等の炭化水素ガスを特に限定なく使用することができる）、窒素、酸素と雰囲気ガス（反応ガス分圧制御用）としてアルゴンガスを選択した。化学組成に硼素が含まれる場合はターゲットに予め硼素元素を所望量含有させたものを用いた。
【００７３】
＜硬質層の形成方法＞
硬質層は上記のように陰極式アークイオンプレーティング法により形成した。成膜装置内の基板取り付け位置に基材（既に被膜を形成させたものも含む）をセットした。また、硬質層としてその化学組成が以下の表１に示したものとなるように、各対応する組成と同一の組成を有する各ターゲットを原料蒸発源（アーク式蒸発源）にセットした。
【００７４】
そして、真空ポンプにより該装置内を１×１０-4Ｐａ以下に減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を６５０℃に加熱し、１時間保持した。
【００７５】
次に、アルゴンガスを導入して該装置内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板バイアス電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。なお、クリーニングは上記ＵＢＭＳ法と同様に、基材に対してのみ行なった。
【００７６】
基板（基材）温度を５５０〜６５０℃および該装置内の反応ガス圧を４．０Ｐａに設定し、表１に示した化学組成に対応する反応ガスとして、窒素、メタン、酸素のうちから１以上のガスを選択することによりこれを導入した。そして、基板バイアス電圧を−８０Ｖに維持したまま、カソード電極に５０〜１２０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させ硬質層を形成した。
【００７７】
そして、表１に記載した厚みとなったところでアーク式蒸発源に供給する電流を停止し、冷却後該装置内を大気に開放して、硬質層を形成させた。
【００７８】
＜積層構造を有するハフニウム含有シリコン層の形成方法＞
実施例１２は、ハフニウム含有シリコン層が、表１の第１化合物（ＳｉＨｆＮ）と表２の第１化合物（ＳｉＨｆＮＯ）とが、厚み３ｎｍと２ｎｍで交互に積層された構造を有することを示す（構造の詳細は後述する）。この積層構造は、上記のとおりＵＢＭＳ法により形成される。まず、所望の第１化合物と同一の組成を有するターゲット（表１および表２記載の第１化合物について共通）および基材をそれぞれ装置内にセットした。そして、このターゲットを蒸発させながら基材を回転させて、同時に反応ガスである窒素と窒素および酸素とを上記所望の厚みが形成される毎に交互に供給した。上記各層は、厚みが０．３μｍ未満であり、上記基板バイアス電圧を一定値に維持した場合のＵＢＭＳ法の条件と同様の条件を採用することにより積層構造を形成することができた。
【００７９】
一方、実施例１３〜１８、２４および２５は、ハフニウム含有シリコン層が、第１層と第２層とを表２に記載の厚みで交互に積層した構造を有することを示す。この積層構造も、上記のとおりＵＢＭＳ法により形成され、その条件は上記と同様である。ただし、ターゲットとしては、第１層を形成するためのターゲット（組成は表１記載の第１化合物と同一の組成とした）と、第２層を形成するためのターゲット（組成は表２記載の第２化合物と同一の組成とした）の２種を用いた。
【００８０】
＜２種以上の層を周期的に積層した構造を有する硬質層の形成方法＞
実施例２０〜２２、２４、２５および比較例４の硬質層１は、表１の組成の項に記載のとおり２種の化合物を交互に積層した構造を有することを示す。この構造は、上記のとおりアークイオンプレーティング法により形成される。すなわち、一方の化合物からなる層を形成するためのターゲットと他方の化合物からなる層を形成するためのターゲットとを装置内側壁に同じ高さでセットし、両ターゲットの中間点（装置のほぼ中心部）に基材をセットした。そして、これらの両ターゲットをともに蒸発させながら基材を回転させることにより、基材が一方のターゲットの正面に位置するときにはその化合物からなる層が形成され、他方のターゲットの正面に位置するときには該その他の化合物からなる層が形成されるようにした。このようにして周期的に積層した構造を形成することができるが、ターゲットを蒸発させる条件は上記条件と同様とした。
【００８１】
以上のようにして、上記被膜の形成方法を適宜組み合わせて、表１および２に記載した構成の実施例１〜２５と比較例１〜６の表面被覆切削工具を製造した。これらの実施例の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備えるものであって、この被膜は化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される非晶質の第１化合物を含むことを特徴とするハフニウム含有シリコン層を少なくとも含むものである。
【００８２】
一方、比較例１〜６の表面被覆切削工具は、比較用のものであり、比較例１、５および６はハフニウム含有シリコン層を形成する化合物として、原子組成比Ｘが０＜Ｘ≦０．４を満足しない化合物を用いて基材上に被膜を形成させたものである。また、比較例２〜４は、ハフニウム含有シリコン層を含まない被膜を形成させたものである。具体的には、比較例２ではＴｉＡｌＮからなる被膜を形成した切削工具を製造し、比較例３ではＴｉＡｌＮからなる硬質層上にＡｌＣｒＮからなる硬質層を形成し、最上層にＴｉＮからなる被膜を形成した切削工具製造した。また、比較例４では基材上にＴｉＡｌＮとＡｌＣｒＮとからなる層を周期的に積層した構造を有する硬質層を形成した切削工具を製造した。
【００８３】
【表１】
【００８４】
表１中「Ｚ」の項に記載されている数値は原子組成比を示す（それらの数値の合計は「Ｙ」に記載された数値となる）。また、上記表１中「組成」の項に記載されている数値も原子組成比を示す。また、表１において、比較例１、５および６のハフニウム含有シリコン層は、原子組成比が本発明の第１化合物の範囲を満足するものではないが、便宜上「ハフニウム含有シリコン層」の項に記載したものである。また、比較例３はハフニウム含有シリコン層を有するものではないが、被膜の形成の順序を明確にするために、便宜上第１化合物の項にＡｌＣｒＮを記載した。実施例１〜２５の第１化合物、および表１の「ハフニウム含有シリコン層」の項に記載されている比較例１、５〜６で形成した化合物は非晶質であった。また、硬質層１および２を構成する化合物は結晶質であった。
【００８５】
本実施例および比較例の各被膜は、表１の左欄側のものから順に基材上に形成させた。すなわち、基材表面に硬質層１を形成させ、次にハフニウム含有シリコン層、最上面に硬質層２を形成させた。なお、表１中の空欄（「−」）は層が形成されていないことを示すものであり、たとえば実施例１、２、２３、および比較例１では、硬質層１を形成せずに、基材表面にハフニウム含有シリコン層を形成したことを示す。また、実施例２３の（注）は、ハフニウム含有シリコン層上にＴｉ0.5Ａｌ0.5Ｎ1.0からなる２．０μｍの第一の硬質層２を形成し、その上面にＴｉ1.0Ｎ1.0からなる０．５μｍの第二の硬質層２を形成したことを示す。
【００８６】
なお、硬質層が２種以上の層を周期的に積層した構造を有する場合は、「組成」の項を「化合物Ａ／化合物Ｂ」の形式で表記した（最下層が化合物Ａを含む層であり、最上層が化合物Ｂを含む層となるように、各層を表１に記載した厚みで交互に積層した）。たとえば、実施例２０では、最下層にＴｉＡｌＮからなる層を５ｎｍ形成して、その上にＡｌＣｒＮからなる層を５ｎｍ形成し、さらに５ｎｍのＴｉＡｌＮからなる層、５ｎｍのＡｌＣｒＮからなる層をこの順で形成する操作を繰り返し、最上層にＡｌＣｒＮからなる層を形成して合計の厚みが２．０μｍである硬質層１を形成したことを示す。
【００８７】
また、表１中、ハフニウム含有シリコン層の「積層」の項の「有」とは、ハフニウム含有シリコン層が積層構造を有することを意味しており、それぞれ、表１の第１化合物と下記表２に記載された第１化合物または第２化合物を、各層を表２に記載された厚みで交互に積層することを示す。なお、表１中、積層の項が「有」の場合の「厚み」とはハフニウム含有シリコン層全体の厚みを示す。また、上記「有」の場合は第１化合物が第１層であり、下記表２記載の第２化合物が第２層である。たとえば、実施例１３では、第１層と第２層の厚みがそれぞれ１００ｎｍであり、各層を交互に積層してハフニウム含有シリコン層全体の厚みを１．５μｍとすることを示している。
【００８８】
【表２】
【００８９】
表２中、実施例１２の「第１層の厚み」の項の「注」は、表１に記載の第１化合物を含む厚みが３ｎｍであり、表２に記載の第１化合物を含む層の厚みが２ｎｍであることを示す。なお、表２記載の第１化合物および第２化合物はすべて結晶質であった。
【００９０】
ここで、各ハフニウム含有シリコン層の積層構造は、実施例１２、１３、１４、１８、２４および２５では、第１化合物を含む第１層を最下層として、第２化合物を含む第２層（実施例１２に限っては表２に記載された第１化合物を含む層）が最上層となるように、各層を表２に記載した厚みで交互に積層した。また、実施例１５〜１７では、第２化合物を含む第２層を最下層とし、第１化合物を含む第１層が最上層となるようにして、上記と同様に各層を表２に記載した厚みで交互に積層した。
【００９１】
＜切削試験＞
実施例１〜２５で製造された本発明の表面被覆切削工具および比較例１〜６で製造された表面被覆切削工具について、以下の切削条件により連続旋削試験を１０分間実施することにより、逃げ面摩耗量とクレータ摩耗量とを測定した。逃げ面摩耗量が小さいもの程耐摩耗性に優れていることを示し、クレータ摩耗量が小さいもの程クレータ摩耗が低減されていることを示す。その結果を以下の表３に示す。
【００９２】
（切削条件）
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切込み：１．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
【００９３】
【表３】
【００９４】
表３より明らかなように、本発明の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に比し、クレータ摩耗の低減化および耐摩耗性の向上の両者において優れた結果を示していることは明らかである。したがって、本発明の表面被覆切削工具は優れた切削性能を有したものである。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の被削材を切削加工するのに用いられる表面被覆切削工具は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質の基材に対してその表面の耐摩耗性を改善したり表面保護機能を改善したりすることを目的として、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等の硬質被膜でその表面を被覆することが行なわれてきた。
【０００３】
また、機械強度、靭性、耐熱衝撃性に優れている点から窒化ケイ素の焼結体が切削工具の基材として広く利用されているが、被削材が多様化していることおよび加工効率を向上させるために高速の切削加工が求められることなどの理由から、以前に比し切削工具の寿命は非常に短くなっている。
【０００４】
このため切削工具に要求される特性、とくに耐摩耗性はますます高度なものとなっており、以って表面被覆切削工具の被膜に対しても種々の高度な特性が要求されている。
【０００５】
従来、ベース素材の表面特性を被膜により改質する方法としては、ＳｉＮおよびＨｆＮを含む混合物からなる被膜を設ける方法が提案されている（特許文献１および２）。しかしながら、これらの提案は、いずれも切削工具に関するものではなく、薄膜干渉フィルタ、サーマルプリンタヘッド、光磁気記録媒体に関するものである。そのため、ベース素材表面の硬質化、化学的耐性の付与、またはベース素材表面の平坦性を向上させるものであり、耐摩耗性については全く検討されていない。
【０００６】
また、ベース素材の表面特性を改質する被膜としてＳｉＨｆＮを含む複合材料も提案されているが（特許文献３および４）、いずれも切削工具に関するものではなく、自動車用窓ガラスの被覆や、サーマルプリンタヘッドの被覆を目的としたものである。このため、鋼などの切削における高温条件下での耐摩耗性については全く評価されていない。
【０００７】
一方、窒化ケイ素を用いて切削工具の耐摩耗性、耐熱衝撃性を改善する方法が提案されているが（特許文献５）、被膜ではなく基材自体の組成を改質するものであり、被膜の特性を検討したものではない。したがって、ケイ素系化合物を被膜として用いることにより切削工具の耐摩耗性等の諸特性を向上させる試みはほとんどなされていない。
【特許文献１】特開平０６−００３５２３号公報
【特許文献２】特開平０６−２５６９３９号公報
【特許文献３】特開平０５−１７０４８９号公報
【特許文献４】特開平０７−１８００４４号公報
【特許文献５】特開平０６−３２９４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与することができる被膜を備えた表面被覆切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、この被膜は、１以上の層を含み、この層のうち少なくとも１の層は、化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される非晶質の第１化合物を含むハフニウム含有シリコン層であることを特徴とする。
【００１０】
上記ハフニウム含有シリコン層は、その厚みが０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【００１１】
また、上記ハフニウム含有シリコン層は、上記第１化合物を含む第１層と、第２化合物を含む第２層とが各々１層以上積層されて形成されており、この第２化合物は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含むことができる。
【００１２】
また、上記第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、上記第２層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
上記被膜は、上記ハフニウム含有シリコン層以外に、１層以上の硬質層を含んでいてもよく、その硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことができる。
【００１４】
上記硬質層は、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことが好ましく、また、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下として周期的に繰り返して積層されたものであることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の表面被覆切削工具の基材は、超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体、高速度鋼、セラミックス、またはダイヤモンド焼結体を適用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の表面被覆切削工具は、特定のハフニウム含有シリコン層を含む被膜を基材上に設けることによって、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備えるものである。このような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。そして、本発明の表面被覆切削工具は、Ｔｉ合金加工用またはインコネル合金等の耐熱合金加工用のドリル、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、タップ等として特に有用に用いることができる。
【００１８】
＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、上記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。このような基材としては、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）、立方晶型窒化硼素焼結体、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）、ダイヤモンド焼結体等を挙げることができる。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。
【００１９】
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良く、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。
【００２０】
＜被膜＞
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、１以上の層を含むものである。そして、それらの層のうち少なくとも１の層は、以下で詳述する第１化合物を含むハフニウム含有シリコン層である。本発明における被膜は、このハフニウム含有シリコン層を含む限り、さらに他の層を含んでいても差し支えない。なお、本発明における被膜は、基材上の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、部分的に被膜が形成された態様をも含む。
【００２１】
本発明における被膜の合計厚み（２以上の層が形成される場合はその総膜厚）は、０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が７．０μｍ以下であり、その下限が０．５μｍ以上であることが好ましく、さらに好ましくは１．０μｍ以上である。被膜の合計厚みが０．１μｍ未満の場合、耐摩耗性等の諸特性の向上作用が十分に示されない場合があり、１０μｍを超えると残留応力（圧縮応力または圧縮残留応力という）が大きくなり基材との密着性が低下する場合がある。なお、被膜の合計厚みの測定方法としては、表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより求めることができる。以下、該被膜についてさらに詳細に説明する。
【００２２】
＜ハフニウム含有シリコン層＞
本発明におけるハフニウム含有シリコン層は、化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される非晶質の第１化合物を含むものである。このような第１化合物は、Ｈｆを含まない構造の化合物に比し高い硬度を示す。明確な原因は不明であるが、応力が低くなり（圧縮応力が大きくなり）、結果として硬度が高くなるのではないかと考えられる。
【００２３】
本発明におけるハフニウム含有シリコン層は、不可避不純物を除き第１化合物のみによって構成することができる。
【００２４】
なお、このようなハフニウム含有シリコン層は、第１化合物とともに、その第１化合物に起因する（第１化合物の形成時に同時に形成されたり、その形成後に経時的に形成される）副次的化合物を含んでいても差し支えない。そのような副次的化合物は第１化合物に対し少量含まれるものであり、たとえばＳｉと上記化学式中のＺとからなる化合物や、Ｈｆと上記化学式中のＺとからなる化合物が挙げられる他、Ｓｉ単体やＨｆ単体も挙げることができる。
【００２５】
また、上記ハフニウム含有シリコン層は、第１化合物とともに、他の化合物を含んでいても差し支えない。そのような他の化合物としては、たとえば、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含む第２化合物等を挙げることができる。
【００２６】
なお、本発明において「ハフニウム含有シリコン層」とは、上記のように第１化合物を含む層をいうものであり、少なくとも一層の第１化合物を含む層が含まれていればよいものである。たとえば、第１化合物以外に、上記のような他の化合物を含む場合や、上記第１化合物を含む第１層と第２化合物を含む第２層を積層してなる場合にも、ハフニウム含有シリコン層と称するものとする。また、上記第１化合物は、上記化学式においてＳｉまたはＨｆの一部が他の元素（たとえばＺｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ等）に置換されているものも含み得るものとし、このような場合であっても本発明の範囲を逸脱するものではない。
【００２７】
＜第１化合物＞
上記ハフニウム含有シリコン層に含まれる第１化合物は、化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される化合物である。上記化学式中、原子組成比Ｘは、好ましくは０＜Ｘ≦０．２５であり、その上限がより好ましくは０．１２、さらに好ましくは０．１であり、その下限がより好ましくは０．００５、さらに好ましくは０．０１である。この原子組成比Ｘが０．４を超えると、硬度が低くなり、クレータ摩耗の低減効果が劣るとともに優れた耐摩耗性が示されなくなる。
【００２８】
本発明における第１化合物は、切削工具に要求される諸特性のうち、逃げ面の摩耗とクレータ摩耗の双方を有効に低減することができるという特性を有する。これは、Ｈｆを上記のような原子組成比で含むことにより残留応力が調節され、高硬度化し、これとＳｉによってもたらされる本来的な耐酸化性とが相乗的に作用することにより、逃げ面の摩耗およびクレータ摩耗を飛躍的に低減することができ、切削工具全体として極めて優れた耐摩耗性の付与を可能にしたものである。
【００２９】
なお、上記の化学式中、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。すなわち、Ｚは、これらの元素が各単独で構成されていても良く、２以上の元素が組み合わされて構成されていてもよい。２以上の元素が組み合わされて構成される場合、各元素の原子組成比は特に限定されるものではないが、窒素が含まれる場合はこれらの構成元素に占める（すなわち上記化学式中のＹに対する）窒素の原子組成比を５０％以上とすることが好適である。
【００３０】
また、原子組成比Ｙは、０．８≦Ｙ≦１．２である限り特に限定されない。Ｙが０．８未満の場合、耐摩耗性が低下するため好ましくない。また、Ｙが１．２を超えると、やはり耐摩耗性が低下するため好ましくない。なお、上記のようにＺが２種以上の元素で構成される場合は、原子組成比Ｙはそれらの元素の総数を示すものとする。
【００３１】
＜第１化合物の構造＞
上記第１化合物は、非晶質である。第１化合物が非晶質状態の場合、該化合物を含むハフニウム含有シリコン層において、化合物同士の結晶粒界が存在しないので、亀裂が発生した場合にその伸展を抑制することができ、結果としてより優れた耐摩耗性を示すと考えられる。また、非晶質であることから、結晶の異常成長を抑制することができるので、得られる層の表面が平滑となり、優れた耐溶着性を示す。
【００３２】
＜ハフニウム含有シリコン層の積層構造＞
本発明における上記ハフニウム含有シリコン層は、互いに異なる組成の第１化合物を含む２種以上の層が各々１層以上積層された構造とすることができる（たとえば、ＳｉＨｆＮを含む層とＳｉＨｆＮＯを含む層の積層構造があげられる）。このような積層構造とする場合、各層の厚みや層数などは、後述する第１層と第２層の積層構造と同様にすることができる。上記ハフニウム含有シリコン層が互いに異なる組成の第１化合物を含む２種以上の層からなる第１化合物の積層構造を含む場合は、被膜に優れた耐摩耗性を付与することはもとより、層間の界面の存在により亀裂の伸展を更に抑制することができる。
【００３３】
また、本発明における上記ハフニウム含有シリコン層は、上記第１化合物を含む第１層と、第２化合物を含む第２層とが各々１層以上積層されて形成されているものとすることができ、この第２化合物は、上記のようにＳｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含むものとすることができる。このような第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、また同じく第２層も、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
ここで、この第２化合物は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素に対して、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を原子組成比で０．１以上２以下含むことが好ましい。原子組成比をこの範囲のものとすることにより、以下のような優れた効果が示される。なお、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶのうち異なった元素が２種以上含まれる場合、その総数が上記範囲の原子組成比を満たす限り、各元素間の原子組成比は特に制限されない。同様にして、硼素、酸素、炭素、および窒素のうち異なった元素が２種以上含まれる場合も、各元素間の原子組成比は特に制限されない。
【００３５】
上記のような積層構造を採用することにより、次のような優れた効果が示される。すなわち、上記第２化合物は耐酸化性に優れているため、クレータ摩耗の低減作用および耐摩耗性の向上作用に加え、ハフニウム含有シリコン層全体として優れた耐酸化性が示される。また、このように組成の異なる２層を積層させることにより、被膜の厚み方向に亀裂が進展することを極めて有効に抑制することができ、この亀裂の進展による被膜破壊に起因した摩耗現象を効果的に低減することができることから、結果的に耐摩耗性をさらに向上させることができる。
【００３６】
前述のように第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、また、第２層も、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。各々の層がこの範囲の厚みを有することにより、切削時における耐摩耗性が特に優れたものとなるからである。そして、上記第１層および第２層の各厚みは、より好ましくはその上限が１００ｎｍ、さらに好ましくは５０ｎｍであり、その下限はより好ましくは１ｎｍである。０．５ｎｍ未満の厚みで各層を形成することは困難であり、その厚みが２００ｎｍを超えると上記のような優れた効果が示されない場合がある。そして、好ましくは上記第１層のみの加算合計厚みが０．２μｍ以上１０μｍ以下となる場合であり、より好ましくは０．７μｍ以上５μｍ以下となる場合である。第１層のみの合計厚みをこれらの範囲とすることにより、上記の効果が最も効果的に発現する。なお、第１層のみの合計厚みがこのような範囲となる限り、第２層のみの合計厚みは特に限定されないが、１μｍ以上１０μｍ以下の厚みとすれば通常は十分である。このように積層される第１層と第２層との各厚みは、概ね等しいものであってもよいし、異なるものであってもよい。
【００３７】
なお、ここでいう積層構造とは、上記第１層と第２層とが各々１層以上積層されて形成されていることを示すものであるが、より好ましくは上記第１層と第２層とが各々上下交互に複数積層されることが好適である。なお、このような積層構造において最下層および最上層は、第１層または第２層のいずれの層によって形成されていても差し支えない。また、積層数は特に限定されるものではないが、各層それぞれ１層以上８０００層以下、より好ましくは２０層以上５０００層以下とすることができる。
【００３８】
＜ハフニウム含有シリコン層の厚み＞
本発明におけるハフニウム含有シリコン層（上記積層構造を含む場合を除く）は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。より好ましくはその上限が８μｍ、さらに好ましくは６μｍであり、特に好ましくは３μｍである。また、その下限が０．３μｍであることがより好ましい。
【００３９】
上記厚みが０．１μｍ未満の場合、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与するという本発明の効果が示されない場合があるとともに、１０μｍを超えると、該効果が低減される場合がある。上記厚みが０．３μｍ以上３μｍ以下の場合に、特に優れた上記効果が示される。
【００４０】
ハフニウム含有層が互いに組成の異なる第１化合物を含む２種以上の層が各々１層以上積層された構造を有する場合は、上記積層構造を含まない場合の厚みと同じく、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、その上限が８μｍであることがより好ましく、さらに好ましくは６μｍ、特に好ましくは３μｍである。また、その下限が０．３μｍであることがより好ましい。
【００４１】
また、ハフニウム含有層が上記第１層と第２層とが各々１層以上積層されて形成された積層構造を含む場合は、該層の厚みは０．３μｍ以上１２μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、その上限が８μｍであり、その下限が０．５μｍである。
【００４２】
上記積層された構造および積層構造を含む場合において、ハフニウム含有層の厚みが上記範囲を外れる場合は、本発明の効果が示されなかったり、該効果が低下する傾向がある。
【００４３】
＜ハフニウム含有シリコン層の形成方法＞
本発明におけるハフニウム含有シリコン層の形成方法は、特に限定されるものではないが、得られる被膜の表面が平滑であり、組成の自由度が高い物理蒸着法（ＰＶＤ法）によることが望ましい。具体的には、たとえばバランストマグネトロンスパッタリング法、アンバランストマグネトロンスパッタリング法、これらを各組み合わせた方法等を挙げることができる。なお、ハフニウム含有シリコン層が上記のような積層構造で形成されている場合であっても、これらの物理蒸着法の下、従来公知の手法により形成することができる。
【００４４】
そして、特に上記のようなハフニウム含有シリコン層を好適に形成する具体的な条件を挙げると以下のとおりとなる。すなわち、ハフニウム含有シリコン層の厚みが０．３μｍ未満の場合で、アンバランストマグネトロンスパッタリング法を採用する場合、基板（基材）温度を３５０〜６５０℃および該装置内の反応ガス圧を４００ｍＰａ〜１０００ｍＰａに設定し、所望の第１化合物に対する組成を有するターゲットをセットするとともに、所望の第１化合物に対応する反応ガスとして、たとえば窒素、酸素、メタンのうちから１以上のガスを選択して、これを導入する（なお、反応ガスの導入に際しては、希ガス／反応ガスの比を１〜５に設定することが好ましい）。そして、基板（負）バイアス電圧を０Ｖ〜−９０Ｖに維持したまま、放電電力を５ｋＷ〜９．５ｋＷとする条件により、非晶質のハフニウム含有シリコン層を形成することができる。
【００４５】
上記所望の第１化合物に対応する組成を有するターゲットとしては、第１化合物における金属組成（シリコンおよびハフニウムの組成）を与えるものであればよく、たとえば、シリコンおよびハフニウムの金属粉末を所望の最終組成と同一の組成で混合して焼結し作製したＳｉ−Ｈｆ焼結ターゲットや、Ｓｉからなるターゲットのエロージョン部にＨｆからなるターゲットを、エロージョン領域の面積比が所望の第１化合物のＸを満たす組成でインジウムにより貼り合わせた貼合ターゲット等を用いることができる。また、第１化合物に硼素を含む場合は、ターゲットに予め硼素元素を含有すればよく、その含有量は所望の第１化合物のＹと同一にすればよい。
【００４６】
また、非晶質である第１化合物を含むハフニウム含有シリコン層の厚みが０．３μｍ以上の場合は、一定の厚みが形成される毎に上記バイアス電圧を−５０Ｖ〜−５５０Ｖの範囲内で、２００Ｖ以上（たとえば、−５０Ｖから−３５０Ｖに変える）急激に変化させる操作を繰り返せばよい。具体的には、まず、−５０Ｖ〜−９０Ｖの基板バイアス電圧を付与し、被膜が０．２５μｍ〜０．３５μｍ形成されたところで、基板バイアス電圧を−３５０Ｖ〜−５５０Ｖへ急激に変えて、そのままの基板バイアス電圧を再び０．５５μｍ〜０．６５μｍの被膜（合計厚み）が形成されるまで維持する。その後、−３５０Ｖ〜５５０Ｖから再度−５０Ｖ〜−９０Ｖへと基板バイアス電圧を急激に変え、さらに被膜が０．８５μｍ〜０．９５μｍ（合計厚み）形成されるまで基板バイアス電圧を−３５０Ｖ〜−５５０Ｖの範囲で特定値に維持する。このように、被膜が０．２５μｍ〜０．３５μｍ形成されるごとに基板バイアス電圧を急激に変化させることにより、非晶質の第１化合物を含む層を形成することができる。
【００４７】
＜硬質層＞
本発明における被膜は、前記ハフニウム含有シリコン層以外に、さらに周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の硬質層を含むことができる。
【００４８】
上記硬質層としては、特にＣｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜を含むことが好ましい。
【００４９】
このような硬質層は、高硬度で耐摩耗性に優れるとともに、極めて優れた靭性を示すものが好ましい。特に、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される１以上の被膜は、耐酸化性および耐熱性に優れていることから特に優れた耐摩耗性が示されるため極めて有効である。
【００５０】
上記硬質層を構成する元素または化合物としては、具体的には、たとえば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＴｉＡｌ、ＴｉＳｉ、ＡｌＣｒ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＯＮ、ＣｒＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、Ｔｉ2Ｏ3、ＴｉＡｌＯＮ、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＡｌＺｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ2、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＢＣＮＯ等を挙げることができる。
【００５１】
また、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＮＯ、ＴｉＡｌＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＮＯ、ＴｉＳｉＣＮＯ、ＣｒＴｉＮ、ＣｒＴｉＮＯ、ＣｒＴｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＳｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮＯ、ＳｉＡｌＣＮＯ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＳｉＮＯ、ＣｒＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＮＯ、ＴｉＡｌＣｒＣＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮＯ、ＴｉＣｒＳｉＣＮＯ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＢＮＯ等を挙げることができ、特にＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＮＯ、ＡｌＣｒＳｉＢＮＯ、ＡｌＣｒＣＮＯ等が好適である。
【００５２】
なお、上記の化学式において、各元素の原子組成比が特に記載されていないものは、必ずしも等比を意味するものではなく、従来公知の原子組成比がすべて含まれるものとする。たとえば単にＴｉＮと記す場合、ＴｉとＮとの原子組成比は１：１が含まれる他、２：１、１：０．９５、１：０．９等が含まれる（特に断りのない限り、以下において同じ）。
【００５３】
＜硬質層の構造＞
上記硬質層を構成する元素および／または化合物は、結晶質であることが好ましい。硬質層を構成する元素および／または化合物が結晶質の場合、得られる被膜の硬度が高く、耐酸化性が良好になり、切削工具としての性能が向上する。
【００５４】
＜硬質層の積層構造＞
上記硬質層としては、特に、上記Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成される２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下として周期的に繰り返して積層されてなる被膜を１以上含むことが好ましい。なお、本発明における被膜は、多層構造を有する硬質層を２以上含むことができる。
【００５５】
上記硬質層の各層の厚みはより好ましくは５ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。このように上記各層を周期的に繰り返して積層させることにより、耐酸化性および耐熱性がさらに向上し、極めて優れた耐摩耗性が示される。ここで、周期的に繰り返して積層させるとは、たとえば２種の層を上下交互に積層させるなど、一定の周期性をもって積層させることをいう。なお、各層の厚みが１ｎｍ未満となる場合や１００ｎｍを超える場合には、積層による耐摩耗性の向上効果が示されない場合があるが、その場合であってもこれらの元素や化合物によってもたらされる固有の耐摩耗性の向上効果は示される。
【００５６】
＜硬質層の厚み＞
また、上記硬質層は、０．３μｍ以上１０μｍ以下の厚み（多層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が７μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、その下限が０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。その厚みが０．３μｍ未満の場合には、十分な耐摩耗性が示されなくなるとともに十分な靭性を示さなくなる場合があり、１０μｍを超えると耐欠損性が低下することがあるため好ましくない。
【００５７】
＜硬質層の形成位置＞
上記硬質層の積層配置は特に限定されるものではなく、基材とハフニウム含有シリコン層との間や、ハフニウム含有シリコン層上に形成することができ、また、ハフニウム含有シリコン層の上下両側に形成することもできる。
【００５８】
＜硬質層の形成方法＞
本発明において上記硬質層は、物理蒸着法により形成されることが好ましく、圧縮残留応力を有していることが好ましい。物理蒸着法により硬質層を形成することにより、硬質層に圧縮残留応力を付与することができ、高い靭性を有する被膜とすることができる。また、上記のハフニウム含有シリコン層が物理蒸着法により形成される場合においてこれらの被膜と同じ成膜方法を採用することにより製造効率を向上させることができる。
【００５９】
上記硬質層の形成のための物理蒸着法は、従来公知の物理蒸着法、たとえば、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、アークイオンプレーティング法、イオンプレーティング法等、いずれも採用することができるが、生産性や密着力が高いという利点を有することから、アークイオンプレーティング法が好ましい。また、ターゲットとしては、所望の最終組成と同一の組成を有する焼結ターゲットをあげることができる。
【００６０】
＜その他の層など＞
本発明における被膜としては、上記のようなハフニウム含有シリコン層や硬質層以外の他の層をさらに１以上含むことができる。たとえばそのような他の層は、硬質層とハフニウム含有シリコン層との間に形成したり、ハフニウム含有シリコン層の上に形成したりすることができる。このような他の層を形成することにより、クレータ摩耗を低減するとともに高度な耐摩耗性を付与するという本発明の効果がさらに向上したり、あるいは潤滑性を付与したり、被削材との溶着を抑制したりすることができるという効果を達成することもできる。
【００６１】
このような他の層を構成する化合物としては、硬質層を形成する化合物として例示した以外の酸化物（たとえばＡｌ2Ｏ3等）、窒化物、炭窒化物等を挙げることができる。なお、このような他の層の厚みは、０．０５μｍ以上５μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上２μｍ以下である。
【実施例】
【００６２】
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。なお、以下の各被膜を構成する各層の化学組成（化合物の組成）は二次電子顕微鏡に付帯のエネルギー分散型ケイ光Ｘ線分光計（ＳＥＭ−ＥＤＸ）により確認し、各層の厚みは被膜の断面を二次電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察することにより確認した。また、各層の構造はＸ線回折装置（ＸＲＤ）および透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で分析した。
【００６３】
＜基材＞
基材としては、グレードがＰ３０（ＪＩＳ Ｂ ４０５３−１９９８）の超硬合金であり、形状がＳＮＧＮ１２０４０８（ＪＩＳ Ｂ ４１２１−１９９８）である切削チップを準備し、これを洗浄した後使用した。
【００６４】
＜被膜の形成方法＞
本実施例および比較例において各被膜は、第１化合物（Ｓｉ1-XＨｆXＺY）を含むハフニウム含有シリコン層はアンバランストマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法により、それ以外の被膜（すなわち硬質層）は陰極式アークイオンプレーティング法により形成させた。ただし、ハフニウム含有シリコン層が第１化合物のみからなる積層構造を有する場合（実施例１２）、および第１層および第２層とからなる積層構造を有する場合（実施例１３〜１８、２４および２５）はＵＢＭＳ法により形成した。また、硬質層が２種以上の層を周期的に繰り返して積層した構造を有する場合（実施例２０〜２２、２４、２５および比較例４）はアークイオンプレーティング法により形成した。なお、成膜装置は従来公知の構成のものを特に制限なく使用することができるが、本実施例および比較例においては、ＵＢＭＳ法による成膜とアークイオンプレーティング法による成膜とを１の装置内で行なうことができる成膜装置を使用した。該装置を用いることにより、上記ＵＢＭＳ法と上記アークイオンプレーティング法を組み合わせて被膜を形成する場合、基材を装置外に取り出すことなく連続的に被膜を形成することができる。
【００６５】
＜ハフニウム含有シリコン層の形成方法＞
第１化合物の組成が以下の表１に示したものとなるように各対応する元素を含んだ（表１の第１化合物の原子組成比と同一の原子組成比を有する）各ターゲットをセットした。該ターゲットは、上記の焼結ターゲット、貼合ターゲット等いずれも使用しうるが、本実施例ではＳｉとＨｆ粉末を前記各原子組成比で混合し、焼結したＳｉ−Ｈｆ焼結ターゲットを使用した。
【００６６】
そして、真空ポンプにより該装置内を１×１０-4Ｐａ以下に減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を５００℃以上に加熱し、およそ５００℃で１時間保持した。
【００６７】
次に、アルゴンガスを導入して該装置内の圧力を５００ｍＰａ〜６５０ｍＰａに保持し、基板（基材）バイアス電圧を徐々に上げながら−６００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを３０分間行なった。続いて、基板バイアス電圧を−３５０Ｖとし、ホロカソード型ガス活性化源を用いて基材表面のクリーニングをさらに６０分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。なお、上記クリーニングは基材に対して行なうものであり、既に被膜を形成した基材の被膜表面に対してクリーニングは行なわない（以下において同じ）。
【００６８】
次いで、基板（基材）温度を５００〜６５０℃および該装置内の反応ガス圧を４００ｍＰａ〜１０００ｍＰａに設定し、表１に示した化学組成に対応する反応ガスとして、窒素、メタン、酸素のうちから１以上のガスを選択することによりこれを導入した。なお、反応ガスの導入に際しては、希ガス／反応ガスの比を１〜５に設定した。
【００６９】
そして、形成するハフニウム含有シリコン層の厚みが０．３μｍ未満の場合は、基板バイアス電圧を−７０Ｖに維持したまま、ターゲットにかかる放電電力を５ｋＷ〜９．５ｋＷとして、基材（被膜を形成させたものも含む）上に第１化合物からなるハフニウム含有シリコン層を形成し、表１に記載された厚みとなったところでターゲットに供給する放電電力を停止した。
【００７０】
一方、形成するハフニウム含有シリコン層の厚みが０．３μｍを超える場合は、該層全体を非晶質とするため（すなわち、第１化合物を非晶質で形成するため）に、次のように基板バイアス電圧を変化させる操作を行なった。すなわち、上記のようにして該層が０．３μｍ形成されたところで、基板バイアス電圧を−７０Ｖから−３５０Ｖへ急激に変えて、さらに０．３μｍの厚みが形成されるまで維持した。その後、−３５０Ｖから−７０Ｖへと基板バイアス電圧を再度急激に変え、さらに該層が０．３μｍ形成されるまで基板バイアス電圧を−７０Ｖに維持した。このように、該層が０．３μｍ形成されるごとに基板バイアス電圧を急激に変化する操作を繰り返すことによって、所望の厚みを有するハフニウム含有シリコン層を形成した。なお、ハフニウム含有シリコン層が表１記載の厚みとなったところでターゲットに供給する放電電力を停止した。
【００７１】
ここで、上記の基板バイアス電源およびターゲット供給用電源としては、直流パルス方式を用いた。基板バイアス電源では３５０ｋＨｚの周波数で正と負の電圧を供給し、１周期当りの正電圧を供給する時間は５００ｎｓとした。またターゲット供給用電源の周波数は５０ｋＨｚで１周期当りの正負電圧の供給時間は各々半分ずつとした。
【００７２】
上記反応ガスには必ず希ガス（アルゴンが好ましいがこれのみに限定されない）を混在させた。ここで、反応ガスとしては、最終生成物（第１化合物）が窒化物の場合は窒素を選択し、窒酸化物の場合は、窒素と酸素と雰囲気ガス（反応ガス分圧制御用）としてアルゴンガスを選択した。また、炭窒酸化物の場合は、メタン（メタンのみに限られずアセチレン等の炭化水素ガスを特に限定なく使用することができる）、窒素、酸素と雰囲気ガス（反応ガス分圧制御用）としてアルゴンガスを選択した。化学組成に硼素が含まれる場合はターゲットに予め硼素元素を所望量含有させたものを用いた。
【００７３】
＜硬質層の形成方法＞
硬質層は上記のように陰極式アークイオンプレーティング法により形成した。成膜装置内の基板取り付け位置に基材（既に被膜を形成させたものも含む）をセットした。また、硬質層としてその化学組成が以下の表１に示したものとなるように、各対応する組成と同一の組成を有する各ターゲットを原料蒸発源（アーク式蒸発源）にセットした。
【００７４】
そして、真空ポンプにより該装置内を１×１０-4Ｐａ以下に減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を６５０℃に加熱し、１時間保持した。
【００７５】
次に、アルゴンガスを導入して該装置内の圧力を３．０Ｐａに保持し、基板バイアス電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。なお、クリーニングは上記ＵＢＭＳ法と同様に、基材に対してのみ行なった。
【００７６】
基板（基材）温度を５５０〜６５０℃および該装置内の反応ガス圧を４．０Ｐａに設定し、表１に示した化学組成に対応する反応ガスとして、窒素、メタン、酸素のうちから１以上のガスを選択することによりこれを導入した。そして、基板バイアス電圧を−８０Ｖに維持したまま、カソード電極に５０〜１２０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させ硬質層を形成した。
【００７７】
そして、表１に記載した厚みとなったところでアーク式蒸発源に供給する電流を停止し、冷却後該装置内を大気に開放して、硬質層を形成させた。
【００７８】
＜積層構造を有するハフニウム含有シリコン層の形成方法＞
実施例１２は、ハフニウム含有シリコン層が、表１の第１化合物（ＳｉＨｆＮ）と表２の第１化合物（ＳｉＨｆＮＯ）とが、厚み３ｎｍと２ｎｍで交互に積層された構造を有することを示す（構造の詳細は後述する）。この積層構造は、上記のとおりＵＢＭＳ法により形成される。まず、所望の第１化合物と同一の組成を有するターゲット（表１および表２記載の第１化合物について共通）および基材をそれぞれ装置内にセットした。そして、このターゲットを蒸発させながら基材を回転させて、同時に反応ガスである窒素と窒素および酸素とを上記所望の厚みが形成される毎に交互に供給した。上記各層は、厚みが０．３μｍ未満であり、上記基板バイアス電圧を一定値に維持した場合のＵＢＭＳ法の条件と同様の条件を採用することにより積層構造を形成することができた。
【００７９】
一方、実施例１３〜１８、２４および２５は、ハフニウム含有シリコン層が、第１層と第２層とを表２に記載の厚みで交互に積層した構造を有することを示す。この積層構造も、上記のとおりＵＢＭＳ法により形成され、その条件は上記と同様である。ただし、ターゲットとしては、第１層を形成するためのターゲット（組成は表１記載の第１化合物と同一の組成とした）と、第２層を形成するためのターゲット（組成は表２記載の第２化合物と同一の組成とした）の２種を用いた。
【００８０】
＜２種以上の層を周期的に積層した構造を有する硬質層の形成方法＞
実施例２０〜２２、２４、２５および比較例４の硬質層１は、表１の組成の項に記載のとおり２種の化合物を交互に積層した構造を有することを示す。この構造は、上記のとおりアークイオンプレーティング法により形成される。すなわち、一方の化合物からなる層を形成するためのターゲットと他方の化合物からなる層を形成するためのターゲットとを装置内側壁に同じ高さでセットし、両ターゲットの中間点（装置のほぼ中心部）に基材をセットした。そして、これらの両ターゲットをともに蒸発させながら基材を回転させることにより、基材が一方のターゲットの正面に位置するときにはその化合物からなる層が形成され、他方のターゲットの正面に位置するときには該その他の化合物からなる層が形成されるようにした。このようにして周期的に積層した構造を形成することができるが、ターゲットを蒸発させる条件は上記条件と同様とした。
【００８１】
以上のようにして、上記被膜の形成方法を適宜組み合わせて、表１および２に記載した構成の実施例１〜２５と比較例１〜６の表面被覆切削工具を製造した。これらの実施例の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを備えるものであって、この被膜は化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される非晶質の第１化合物を含むことを特徴とするハフニウム含有シリコン層を少なくとも含むものである。
【００８２】
一方、比較例１〜６の表面被覆切削工具は、比較用のものであり、比較例１、５および６はハフニウム含有シリコン層を形成する化合物として、原子組成比Ｘが０＜Ｘ≦０．４を満足しない化合物を用いて基材上に被膜を形成させたものである。また、比較例２〜４は、ハフニウム含有シリコン層を含まない被膜を形成させたものである。具体的には、比較例２ではＴｉＡｌＮからなる被膜を形成した切削工具を製造し、比較例３ではＴｉＡｌＮからなる硬質層上にＡｌＣｒＮからなる硬質層を形成し、最上層にＴｉＮからなる被膜を形成した切削工具製造した。また、比較例４では基材上にＴｉＡｌＮとＡｌＣｒＮとからなる層を周期的に積層した構造を有する硬質層を形成した切削工具を製造した。
【００８３】
【表１】
【００８４】
表１中「Ｚ」の項に記載されている数値は原子組成比を示す（それらの数値の合計は「Ｙ」に記載された数値となる）。また、上記表１中「組成」の項に記載されている数値も原子組成比を示す。また、表１において、比較例１、５および６のハフニウム含有シリコン層は、原子組成比が本発明の第１化合物の範囲を満足するものではないが、便宜上「ハフニウム含有シリコン層」の項に記載したものである。また、比較例３はハフニウム含有シリコン層を有するものではないが、被膜の形成の順序を明確にするために、便宜上第１化合物の項にＡｌＣｒＮを記載した。実施例１〜２５の第１化合物、および表１の「ハフニウム含有シリコン層」の項に記載されている比較例１、５〜６で形成した化合物は非晶質であった。また、硬質層１および２を構成する化合物は結晶質であった。
【００８５】
本実施例および比較例の各被膜は、表１の左欄側のものから順に基材上に形成させた。すなわち、基材表面に硬質層１を形成させ、次にハフニウム含有シリコン層、最上面に硬質層２を形成させた。なお、表１中の空欄（「−」）は層が形成されていないことを示すものであり、たとえば実施例１、２、２３、および比較例１では、硬質層１を形成せずに、基材表面にハフニウム含有シリコン層を形成したことを示す。また、実施例２３の（注）は、ハフニウム含有シリコン層上にＴｉ0.5Ａｌ0.5Ｎ1.0からなる２．０μｍの第一の硬質層２を形成し、その上面にＴｉ1.0Ｎ1.0からなる０．５μｍの第二の硬質層２を形成したことを示す。
【００８６】
なお、硬質層が２種以上の層を周期的に積層した構造を有する場合は、「組成」の項を「化合物Ａ／化合物Ｂ」の形式で表記した（最下層が化合物Ａを含む層であり、最上層が化合物Ｂを含む層となるように、各層を表１に記載した厚みで交互に積層した）。たとえば、実施例２０では、最下層にＴｉＡｌＮからなる層を５ｎｍ形成して、その上にＡｌＣｒＮからなる層を５ｎｍ形成し、さらに５ｎｍのＴｉＡｌＮからなる層、５ｎｍのＡｌＣｒＮからなる層をこの順で形成する操作を繰り返し、最上層にＡｌＣｒＮからなる層を形成して合計の厚みが２．０μｍである硬質層１を形成したことを示す。
【００８７】
また、表１中、ハフニウム含有シリコン層の「積層」の項の「有」とは、ハフニウム含有シリコン層が積層構造を有することを意味しており、それぞれ、表１の第１化合物と下記表２に記載された第１化合物または第２化合物を、各層を表２に記載された厚みで交互に積層することを示す。なお、表１中、積層の項が「有」の場合の「厚み」とはハフニウム含有シリコン層全体の厚みを示す。また、上記「有」の場合は第１化合物が第１層であり、下記表２記載の第２化合物が第２層である。たとえば、実施例１３では、第１層と第２層の厚みがそれぞれ１００ｎｍであり、各層を交互に積層してハフニウム含有シリコン層全体の厚みを１．５μｍとすることを示している。
【００８８】
【表２】
【００８９】
表２中、実施例１２の「第１層の厚み」の項の「注」は、表１に記載の第１化合物を含む厚みが３ｎｍであり、表２に記載の第１化合物を含む層の厚みが２ｎｍであることを示す。なお、表２記載の第１化合物および第２化合物はすべて結晶質であった。
【００９０】
ここで、各ハフニウム含有シリコン層の積層構造は、実施例１２、１３、１４、１８、２４および２５では、第１化合物を含む第１層を最下層として、第２化合物を含む第２層（実施例１２に限っては表２に記載された第１化合物を含む層）が最上層となるように、各層を表２に記載した厚みで交互に積層した。また、実施例１５〜１７では、第２化合物を含む第２層を最下層とし、第１化合物を含む第１層が最上層となるようにして、上記と同様に各層を表２に記載した厚みで交互に積層した。
【００９１】
＜切削試験＞
実施例１〜２５で製造された本発明の表面被覆切削工具および比較例１〜６で製造された表面被覆切削工具について、以下の切削条件により連続旋削試験を１０分間実施することにより、逃げ面摩耗量とクレータ摩耗量とを測定した。逃げ面摩耗量が小さいもの程耐摩耗性に優れていることを示し、クレータ摩耗量が小さいもの程クレータ摩耗が低減されていることを示す。その結果を以下の表３に示す。
【００９２】
（切削条件）
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
切込み：１．０ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：乾式
【００９３】
【表３】
【００９４】
表３より明らかなように、本発明の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に比し、クレータ摩耗の低減化および耐摩耗性の向上の両者において優れた結果を示していることは明らかである。したがって、本発明の表面被覆切削工具は優れた切削性能を有したものである。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、１以上の層を含み、
前記層のうち少なくとも１の層は、化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される非晶質の第１化合物を含むハフニウム含有シリコン層であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記ハフニウム含有シリコン層は、その厚みが０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記ハフニウム含有シリコン層は、前記第１化合物を含む第１層と、第２化合物を含む第２層とが各々１層以上積層されて形成されており、
前記第２化合物は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
前記第２層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記被膜は、前記ハフニウム含有シリコン層以外に、１層以上の硬質層を含み、
前記硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記硬質層は、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことを特徴とする請求項５記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記硬質層は、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下として周期的に繰り返して積層されたものであることを特徴とする請求項５または６に記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
前記基材は、超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体、高速度鋼、セラミックス、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項１】
基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、１以上の層を含み、
前記層のうち少なくとも１の層は、化学式Ｓｉ1-XＨｆXＺY（ただし、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子組成比を示し、０＜Ｘ≦０．４であり、０．８≦Ｙ≦１．２である。また、Ｚは硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。）で示される非晶質の第１化合物を含むハフニウム含有シリコン層であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記ハフニウム含有シリコン層は、その厚みが０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記ハフニウム含有シリコン層は、前記第１化合物を含む第１層と、第２化合物を含む第２層とが各々１層以上積層されて形成されており、
前記第２化合物は、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、およびＶからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記第１層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
前記第２層は、その厚みが０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記被膜は、前記ハフニウム含有シリコン層以外に、１層以上の硬質層を含み、
前記硬質層は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記硬質層は、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことを特徴とする請求項５記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記硬質層は、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、該元素の少なくとも１種と、硼素、酸素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む２種以上の層が、各層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下として周期的に繰り返して積層されたものであることを特徴とする請求項５または６に記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
前記基材は、超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体、高速度鋼、セラミックス、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【公開番号】特開２００８−２７９５６２（Ｐ２００８−２７９５６２Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２６９９６（Ｐ２００７−１２６９９６）
【出願日】平成１９年５月１１日（２００７．５．１１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（５０３２１２６５２）住友電工ハードメタル株式会社 (390)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１１日（２００７．５．１１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【出願人】（５０３２１２６５２）住友電工ハードメタル株式会社 (390)
【Ｆターム（参考）】
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