表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械
【課題】高温領域での酸化劣化を抑えながらも高耐衝撃性を発現できる表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械を提供する。
【解決手段】高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１と、基材１１の表面に設けられてアルミニウム（Ａｌ），ジルコニウム（Ｚｒ），クロム（Ｃｒ），珪素（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも一種の窒化物（Ｎ）からなる金属窒化物層１２と、金属窒化物層１２の表面に設けられてスズ（Ｓｎ）及びジルコニウム（Ｚｒ）の少なくとも一方とアルミニウム（Ａｌ）との酸化物（Ｏ）からなる金属酸化物層１３とを備えてなる表面被覆材料１０とした。
【解決手段】高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１と、基材１１の表面に設けられてアルミニウム（Ａｌ），ジルコニウム（Ｚｒ），クロム（Ｃｒ），珪素（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも一種の窒化物（Ｎ）からなる金属窒化物層１２と、金属窒化物層１２の表面に設けられてスズ（Ｓｎ）及びジルコニウム（Ｚｒ）の少なくとも一方とアルミニウム（Ａｌ）との酸化物（Ｏ）からなる金属酸化物層１３とを備えてなる表面被覆材料１０とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に対する影響から、工作機械で切削加工を行う際に切削油剤を使用しないいわゆるドライ切削加工法が利用され始めている。このドライ切削加工法は、低摩擦係数（約０．４）を有すると共に高耐熱性（約５００〜１２００℃）を有するＴｉＮ系やＴｉＡｌＮ系やＡｌＣｒＮ系等の金属窒化物の層を表面に設けた切削工具を工作機械に装着して切削加工を行うことにより、切削油剤を不要とした技術である。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−０２５５６６号公報
【特許文献２】特開２００３−３２１７６４号公報
【特許文献３】特開２００７−１３１９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前述したドライ切削加工法に使用される切削工具においては、１２００℃を超えるようなさらなる高温領域で使用しようとすると、上記金属窒化物が酸素と反応して酸化することにより、体積膨張して亀裂等を生じてしまうという問題があった。このため、例えば、上記金属窒化物の表面に低酸素透過性の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなる金属酸化物層を設けることにより、さらなる高温領域での使用を可能にすることが考えられている。
【０００５】
しかしながら、酸化アルミニウムからなる上記金属酸化物層は、結晶粒が細長い柱状になりやすいことから（アスペクト比：５超）、工作物と接触した際に、切削工具の表面から欠落して、当該欠落箇所を起点にした溶着による剥離や欠陥等を生じやすく、耐久性に難点を生じてしまっていた。
【０００６】
このような問題は、上述したような工作機械に使用される切削工具に限らず、高温領域での酸化劣化を抑えながらも高耐衝撃性を要求される表面被覆材料であれば、上述の場合と同様に生じ得ることである。
【０００７】
このようなことから、本発明は、高温領域での酸化劣化を抑えながらも高耐衝撃性を発現できる表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械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】
【０００８】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る表面被覆材料は、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方とアルミニウムとの酸化物からなる金属酸化物層を表面に有することを特徴とする。
【０００９】
第二番目の発明に係る表面被覆材料は、第一番目の発明において、前記金属酸化物層が、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、アルミニウムの酸化物で残部を構成されていることを特徴とする。
【００１０】
第三番目の発明に係る表面被覆材料は、第一番目の発明において、前記金属酸化物層が、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物を含有していることを特徴とする。
【００１１】
第四番目の発明に係る表面被覆材料は、第三番目の発明において、前記金属酸化物層が、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、アルミニウムの酸化物で残部を構成されていることを特徴とする。
【００１２】
第五番目の発明に係る表面被覆材料は、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記金属酸化物層の結晶粒のアスペクト比が５以下であることを特徴とする。
【００１３】
第六番目の発明に係る表面被覆材料は、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記金属酸化物層が、金属窒化物の表面に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
第七番目の発明に係る表面被覆材料は、第六番目の発明において、前記金属窒化物が、アルミニウム，ジルコニウム，クロム，珪素，チタンのうちの少なくとも一種の窒化物からなることを特徴とする。
【００１５】
第八番目の発明に係る表面被覆材料は、第六番目又は第七番目の発明において、前記金属窒化物が、基材の表面に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
第九番目の発明に係る表面被覆材料は、第八番目の発明において、前記基材が、高速度工具鋼又は超硬合金からなることを特徴とする。
【００１７】
また、前述した課題を解決するための、第十番目の発明に係る切削工具は、第一番目から第九番目の発明のいずれかの表面被覆材料からなることを特徴とする。
【００１８】
また、前述した課題を解決するための、第十一番目の発明に係る工作機械は、第一番目から第九番目の発明のいずれかの表面被覆材料からなる切削工具を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る表面被覆材料によれば、金属酸化物層がアスペクト比の小さい結晶粒となるので、金属酸化物層が、内部への酸素透過を抑制することができると同時に、衝撃が加わっても欠落してしまうことを著しく抑制することができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態のみに限定されるものではない。
【００２１】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械の第一番目の実施形態を図１〜４に基づいて説明する。図１は、表面被覆材料の構造説明図、図２は、表面被覆材料の製造装置の概略構成図、図３は、酸化アルミニウム−酸化スズ系の状態図、図４は、酸化アルミニウム−酸化ジルコニウム系の状態図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態に係る表面被覆材料１０は、高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１と、基材１１の表面に設けられてアルミニウム（Ａｌ），ジルコニウム（Ｚｒ），クロム（Ｃｒ），珪素（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも一種の窒化物（Ｎ）からなる金属窒化物層１２と、金属窒化物層１２の表面に設けられてスズ（Ｓｎ）及びジルコニウム（Ｚｒ）の少なくとも一方とアルミニウム（Ａｌ）との酸化物（Ｏ）からなる金属酸化物層１３とを備えてなるものである。
【００２３】
このような表面被覆材料１０は、スパッタ蒸着法やイオンプレーティング法等のような物理蒸着法（ＰＶＤ）等により、前記基材１１に対して、上述した組成物からなる前記金属窒化物層１２及び前記金属酸化物層１３を順次設けて、容易に製造することができる。
【００２４】
具体的には、例えば、図２に示すような装置（アークイオンプレーティング装置）を使用することにより、上記表面被覆材料１０を製造することができる。
【００２５】
図２に示すように、大気と気密なケーシング１０１の内部下方には、基材１１を支持するテーブル状のホルダ１０２が配設されている。このホルダ１０２は、ケーシング１０１に対して回転可能に支持された回転軸１０３の上端に支持されている。この回転軸１０３の下端には、モータ１０４が連結されている。他方、ケーシング１０１の内部上方には、各種原料のターゲット１００が配設されている。
【００２６】
また、ターゲット１００には、直流電源１０５の＋側が接続され、ホルダ１０２には、直流電源１０５の−側が接続されている。そして、ケーシング１０１には、真空ポンプ１０６と、アルゴンガス供給源１０７と、窒素ガス供給源１０８と、酸素ガス供給源１０９とが、制御バルブ１０６ａ〜１０９ａを介してそれぞれ接続されている。
【００２７】
このような装置においては、まず、高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１をホルダ１０２上に載置すると共に、アルミニウム（Ａｌ），ジルコニウム（Ｚｒ），クロム（Ｃｒ），珪素（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも一種を含むターゲット１００を配設する。次に、真空ポンプ１０６を作動させると共に制御バルブ１０６ａ，１０７ａを開放することにより、ケーシング１０１の内部を真空引きしながらケーシング１０１の内部にアルゴンガス（Ａｒ）を供給して、ケーシング１０１の内部をアルゴン雰囲気にする。
【００２８】
続いて、モータ１０４を作動してホルダ１０２を回転させると共に、制御バルブ１０６ａ，１０７ａを閉鎖したら、直流電源１０５によりターゲット１００とホルダ１０２との間に直流電圧を印加することにより、ターゲット１００とホルダ１０２との間にアルゴンのプラズマを発生させてケーシング１０１の内部を昇温させる。ケーシング１０１の内部が所定の温度に達したら、制御バルブ１０８ａを開放し、窒素ガス供給源１０８からケーシング１０１の内部へ窒素ガス（Ｎ2）を供給してアーク放電を生じさせることにより、基材１１の表面に前記金属窒化物層１２を成膜する。
【００２９】
そして、基材１１上に前記金属窒化物層１２が所定の厚さで成膜されたら、制御バルブ１０８ａを閉鎖する一方、制御バルブ１０９ａを開放し、酸素ガス供給源１０９からケーシング１０１の内部へ酸素ガス（Ｏ2）を供給すると共に、上記ターゲット１００を、スズ（Ｓｎ）及びジルコニウム（Ｚｒ）の少なくとも一方とアルミニウム（Ａｌ）とを含むターゲット１００に切り換えることにより、前記金属窒化物層１２の表面に前記金属酸化物層１３が成膜される。これにより、前述したような組成からなる上記表面被覆材料１０を容易に製造することができる。
【００３０】
このような上記表面被覆材料１０においては、図３，４からわかるように、酸化スズ（ＳｎＯ2）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）と酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とがまったく固溶しないことから、スズやジルコニウムとアルミニウムとの酸化物の結晶粒が互いに干渉し合うようになるので、当該金属酸化物層１３の結晶粒のアスペクト比が小さくなる（５以下）。
【００３１】
このため、上記表面被覆材料１０においては、上記金属酸化物層１３が、内部への酸素透過を抑制することができると同時に、衝撃が加わっても欠落してしまうことを著しく抑制することができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【００３２】
よって、上記表面被覆材料１０を切削工具に利用して工作機械に装着し、ドライ切削加工を行った場合には、当該切削工具が工作物と接触したときに、当該切削工具の表面から上記金属酸化物層１３が欠落してしまうことを著しく抑制することができるので、当該欠落箇所を起点にした溶着による当該金属酸化物層１３の剥離や欠陥等の発生を防止することができ、当該金属酸化物層１３の耐久性を大幅に向上させることができる。
【００３３】
したがって、上記表面被覆材料１０を利用したドライ切削加工法用の切削工具及び工作機械においては、１２００℃を超えるようなさらなる高温領域で使用しても、前記金属窒化物層１２の酸化による体積膨張に伴う亀裂等の発生を長期にわたって防止することができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【００３４】
なお、前記金属酸化物層１３は、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物の合計含有量が０．１〜１５重量％（特に０．１〜１．５重量％）であると好ましい。なぜなら、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物の合計含有量が１５重量％を超えると、アモルファス相が生成しやすくなり、硬さが低い値になりやすいため、あまり好ましくなく、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物の合計含有量が０．１重量％未満であると、アスペクト比が５を超えやすくなってしまい、あまり好ましくないからである。
【００３５】
また、上記切削工具としては、切削加工を施す工具であれば、特に限定されるものではないが、ホブやピニオンカッタ等のような歯切り工具や、ブローチであると、非常に好適であり、上記工作機械としては、切削加工を施すものであれば、特に限定されるものではないが、ホブ盤や歯車形削り盤等のような歯切り盤や、ブローチ盤であると、非常に好適である。
【００３６】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械の第二番目の実施形態を図５に基づいて説明する。図５は、表面被覆材料の構造説明図である。なお、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００３７】
図５に示すように、本実施形態に係る表面被覆材料２０は、基材１１と、金属窒化物層１２と、金属窒化物層１２の表面に設けられてスズ（Ｓｎ）及びジルコニウム（Ｚｒ）の少なくとも一方とリチウム（Ｌｉ），マグネシウム（Ｍｇ），珪素（Ｓｉ）のうちの少なくとも一種とアルミニウム（Ａｌ）との酸化物からなる金属酸化物層２３とを備えてなるものである。
【００３８】
このような表面被覆材料２０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、スパッタ蒸着法やイオンプレーティング法等のような物理蒸着法（ＰＶＤ）等により、前記基材１１に対して、上述した組成物からなる前記金属窒化物層１２及び前記金属酸化物層２３を順次設けて、容易に製造することができる。
【００３９】
このような上記表面被覆材料２０においては、前述した第一番目の実施形態で説明したように、金属酸化物層２３の結晶粒のアスペクト比が小さくなる（５以下）と共に、アルミニウムと、リチウム，マグネシウム，珪素とが、異なる価数であると共に、その酸化物が互いに固溶しやすいことから、金属酸化物層２３の密着性の向上や摩擦係数の低減を図ることができる。
【００４０】
このため、上記表面被覆材料２０においては、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、上記金属酸化物層２３が、内部への酸素透過を抑制することができると同時に、衝撃が加わっても欠落してしまうことを著しく抑制することができるのはもちろんのこと、金属窒化物層１２からの剥離をさらに確実に防止することができるので、耐久性をさらに向上させることができる。
【００４１】
したがって、本実施形態においては、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができると共に、前述した第一番目の実施形態の場合よりも、耐久性をさらに向上させることができる。
【００４２】
また、金属酸化物層２３が、リチウムの酸化物を含んでいると、表面の摩擦係数を低下させることができるので、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくともリチウムの酸化物を含んでいると、より好ましい。
【００４３】
なお、前記金属酸化物層２３は、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物の合計含有量が０．１〜１５重量％（特に０．１〜１．５重量％）であり、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物の合計含有量が０．１〜１５重量％（特に０．１〜１．５重量％）であると、好ましい。なぜなら、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物の合計含有量が１５重量％を超えると、硬さが低い値になりやすいため、あまり好ましくなく、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物の合計含有量が０．１重量％未満であると、密着性の向上や摩擦係数の低下を図りにくくなってしまい、あまり好ましくないからである。
【００４４】
［他の実施形態］
なお、前述した実施形態においては、基材１１上の金属窒化物層１２上に前記金属酸化物層１３，２３を設けた表面被覆材料１０，２０の場合について説明したが、前記金属窒化物層１２を省略して、前記基材１１上に金属酸化物層を直接設けるようにすることも可能である。
【００４５】
また、前述した実施形態においては、高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１を適用した表面被覆材料１０，２０の場合について説明したが、他の金属材料（例えば、各種の特殊鋼や合金鋼等）からなる基材を適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械は、耐久性を大幅に向上させることができるので、機械加工等を始めとした各種産業において、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る表面被覆材料の第一番目の実施形態の構造説明図である。
【図２】図１の表面被覆材料の製造装置の概略構成図である。
【図３】酸化アルミニウム−酸化スズ系の状態図である。
【図４】酸化アルミニウム−酸化ジルコニウム系の状態図である。
【図５】本発明に係る表面被覆材料の第二番目の実施形態の構造説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０ 表面被覆材料
１１ 基材
１２ 金属窒化物層
１３ 金属酸化物層
２０ 表面被覆材料
２３ 金属酸化物層
１００ ターゲット
１０１ ケーシング
１０２ ホルダ
１０３ 回転軸
１０４ モータ
１０６ 真空ポンプ
１０６ａ 制御バルブ
１０７ アルゴンガス供給源
１０７ａ 制御バルブ
１０８ 窒素ガス供給源
１０８ａ 制御バルブ
１０９ 酸素ガス供給源
１０９ａ 制御バルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に対する影響から、工作機械で切削加工を行う際に切削油剤を使用しないいわゆるドライ切削加工法が利用され始めている。このドライ切削加工法は、低摩擦係数（約０．４）を有すると共に高耐熱性（約５００〜１２００℃）を有するＴｉＮ系やＴｉＡｌＮ系やＡｌＣｒＮ系等の金属窒化物の層を表面に設けた切削工具を工作機械に装着して切削加工を行うことにより、切削油剤を不要とした技術である。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−０２５５６６号公報
【特許文献２】特開２００３−３２１７６４号公報
【特許文献３】特開２００７−１３１９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前述したドライ切削加工法に使用される切削工具においては、１２００℃を超えるようなさらなる高温領域で使用しようとすると、上記金属窒化物が酸素と反応して酸化することにより、体積膨張して亀裂等を生じてしまうという問題があった。このため、例えば、上記金属窒化物の表面に低酸素透過性の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなる金属酸化物層を設けることにより、さらなる高温領域での使用を可能にすることが考えられている。
【０００５】
しかしながら、酸化アルミニウムからなる上記金属酸化物層は、結晶粒が細長い柱状になりやすいことから（アスペクト比：５超）、工作物と接触した際に、切削工具の表面から欠落して、当該欠落箇所を起点にした溶着による剥離や欠陥等を生じやすく、耐久性に難点を生じてしまっていた。
【０００６】
このような問題は、上述したような工作機械に使用される切削工具に限らず、高温領域での酸化劣化を抑えながらも高耐衝撃性を要求される表面被覆材料であれば、上述の場合と同様に生じ得ることである。
【０００７】
このようなことから、本発明は、高温領域での酸化劣化を抑えながらも高耐衝撃性を発現できる表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械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】
【０００８】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る表面被覆材料は、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方とアルミニウムとの酸化物からなる金属酸化物層を表面に有することを特徴とする。
【０００９】
第二番目の発明に係る表面被覆材料は、第一番目の発明において、前記金属酸化物層が、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、アルミニウムの酸化物で残部を構成されていることを特徴とする。
【００１０】
第三番目の発明に係る表面被覆材料は、第一番目の発明において、前記金属酸化物層が、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物を含有していることを特徴とする。
【００１１】
第四番目の発明に係る表面被覆材料は、第三番目の発明において、前記金属酸化物層が、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、アルミニウムの酸化物で残部を構成されていることを特徴とする。
【００１２】
第五番目の発明に係る表面被覆材料は、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記金属酸化物層の結晶粒のアスペクト比が５以下であることを特徴とする。
【００１３】
第六番目の発明に係る表面被覆材料は、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記金属酸化物層が、金属窒化物の表面に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
第七番目の発明に係る表面被覆材料は、第六番目の発明において、前記金属窒化物が、アルミニウム，ジルコニウム，クロム，珪素，チタンのうちの少なくとも一種の窒化物からなることを特徴とする。
【００１５】
第八番目の発明に係る表面被覆材料は、第六番目又は第七番目の発明において、前記金属窒化物が、基材の表面に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
第九番目の発明に係る表面被覆材料は、第八番目の発明において、前記基材が、高速度工具鋼又は超硬合金からなることを特徴とする。
【００１７】
また、前述した課題を解決するための、第十番目の発明に係る切削工具は、第一番目から第九番目の発明のいずれかの表面被覆材料からなることを特徴とする。
【００１８】
また、前述した課題を解決するための、第十一番目の発明に係る工作機械は、第一番目から第九番目の発明のいずれかの表面被覆材料からなる切削工具を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る表面被覆材料によれば、金属酸化物層がアスペクト比の小さい結晶粒となるので、金属酸化物層が、内部への酸素透過を抑制することができると同時に、衝撃が加わっても欠落してしまうことを著しく抑制することができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態のみに限定されるものではない。
【００２１】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械の第一番目の実施形態を図１〜４に基づいて説明する。図１は、表面被覆材料の構造説明図、図２は、表面被覆材料の製造装置の概略構成図、図３は、酸化アルミニウム−酸化スズ系の状態図、図４は、酸化アルミニウム−酸化ジルコニウム系の状態図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態に係る表面被覆材料１０は、高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１と、基材１１の表面に設けられてアルミニウム（Ａｌ），ジルコニウム（Ｚｒ），クロム（Ｃｒ），珪素（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも一種の窒化物（Ｎ）からなる金属窒化物層１２と、金属窒化物層１２の表面に設けられてスズ（Ｓｎ）及びジルコニウム（Ｚｒ）の少なくとも一方とアルミニウム（Ａｌ）との酸化物（Ｏ）からなる金属酸化物層１３とを備えてなるものである。
【００２３】
このような表面被覆材料１０は、スパッタ蒸着法やイオンプレーティング法等のような物理蒸着法（ＰＶＤ）等により、前記基材１１に対して、上述した組成物からなる前記金属窒化物層１２及び前記金属酸化物層１３を順次設けて、容易に製造することができる。
【００２４】
具体的には、例えば、図２に示すような装置（アークイオンプレーティング装置）を使用することにより、上記表面被覆材料１０を製造することができる。
【００２５】
図２に示すように、大気と気密なケーシング１０１の内部下方には、基材１１を支持するテーブル状のホルダ１０２が配設されている。このホルダ１０２は、ケーシング１０１に対して回転可能に支持された回転軸１０３の上端に支持されている。この回転軸１０３の下端には、モータ１０４が連結されている。他方、ケーシング１０１の内部上方には、各種原料のターゲット１００が配設されている。
【００２６】
また、ターゲット１００には、直流電源１０５の＋側が接続され、ホルダ１０２には、直流電源１０５の−側が接続されている。そして、ケーシング１０１には、真空ポンプ１０６と、アルゴンガス供給源１０７と、窒素ガス供給源１０８と、酸素ガス供給源１０９とが、制御バルブ１０６ａ〜１０９ａを介してそれぞれ接続されている。
【００２７】
このような装置においては、まず、高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１をホルダ１０２上に載置すると共に、アルミニウム（Ａｌ），ジルコニウム（Ｚｒ），クロム（Ｃｒ），珪素（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも一種を含むターゲット１００を配設する。次に、真空ポンプ１０６を作動させると共に制御バルブ１０６ａ，１０７ａを開放することにより、ケーシング１０１の内部を真空引きしながらケーシング１０１の内部にアルゴンガス（Ａｒ）を供給して、ケーシング１０１の内部をアルゴン雰囲気にする。
【００２８】
続いて、モータ１０４を作動してホルダ１０２を回転させると共に、制御バルブ１０６ａ，１０７ａを閉鎖したら、直流電源１０５によりターゲット１００とホルダ１０２との間に直流電圧を印加することにより、ターゲット１００とホルダ１０２との間にアルゴンのプラズマを発生させてケーシング１０１の内部を昇温させる。ケーシング１０１の内部が所定の温度に達したら、制御バルブ１０８ａを開放し、窒素ガス供給源１０８からケーシング１０１の内部へ窒素ガス（Ｎ2）を供給してアーク放電を生じさせることにより、基材１１の表面に前記金属窒化物層１２を成膜する。
【００２９】
そして、基材１１上に前記金属窒化物層１２が所定の厚さで成膜されたら、制御バルブ１０８ａを閉鎖する一方、制御バルブ１０９ａを開放し、酸素ガス供給源１０９からケーシング１０１の内部へ酸素ガス（Ｏ2）を供給すると共に、上記ターゲット１００を、スズ（Ｓｎ）及びジルコニウム（Ｚｒ）の少なくとも一方とアルミニウム（Ａｌ）とを含むターゲット１００に切り換えることにより、前記金属窒化物層１２の表面に前記金属酸化物層１３が成膜される。これにより、前述したような組成からなる上記表面被覆材料１０を容易に製造することができる。
【００３０】
このような上記表面被覆材料１０においては、図３，４からわかるように、酸化スズ（ＳｎＯ2）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）と酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とがまったく固溶しないことから、スズやジルコニウムとアルミニウムとの酸化物の結晶粒が互いに干渉し合うようになるので、当該金属酸化物層１３の結晶粒のアスペクト比が小さくなる（５以下）。
【００３１】
このため、上記表面被覆材料１０においては、上記金属酸化物層１３が、内部への酸素透過を抑制することができると同時に、衝撃が加わっても欠落してしまうことを著しく抑制することができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【００３２】
よって、上記表面被覆材料１０を切削工具に利用して工作機械に装着し、ドライ切削加工を行った場合には、当該切削工具が工作物と接触したときに、当該切削工具の表面から上記金属酸化物層１３が欠落してしまうことを著しく抑制することができるので、当該欠落箇所を起点にした溶着による当該金属酸化物層１３の剥離や欠陥等の発生を防止することができ、当該金属酸化物層１３の耐久性を大幅に向上させることができる。
【００３３】
したがって、上記表面被覆材料１０を利用したドライ切削加工法用の切削工具及び工作機械においては、１２００℃を超えるようなさらなる高温領域で使用しても、前記金属窒化物層１２の酸化による体積膨張に伴う亀裂等の発生を長期にわたって防止することができ、耐久性を大幅に向上させることができる。
【００３４】
なお、前記金属酸化物層１３は、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物の合計含有量が０．１〜１５重量％（特に０．１〜１．５重量％）であると好ましい。なぜなら、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物の合計含有量が１５重量％を超えると、アモルファス相が生成しやすくなり、硬さが低い値になりやすいため、あまり好ましくなく、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物の合計含有量が０．１重量％未満であると、アスペクト比が５を超えやすくなってしまい、あまり好ましくないからである。
【００３５】
また、上記切削工具としては、切削加工を施す工具であれば、特に限定されるものではないが、ホブやピニオンカッタ等のような歯切り工具や、ブローチであると、非常に好適であり、上記工作機械としては、切削加工を施すものであれば、特に限定されるものではないが、ホブ盤や歯車形削り盤等のような歯切り盤や、ブローチ盤であると、非常に好適である。
【００３６】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械の第二番目の実施形態を図５に基づいて説明する。図５は、表面被覆材料の構造説明図である。なお、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００３７】
図５に示すように、本実施形態に係る表面被覆材料２０は、基材１１と、金属窒化物層１２と、金属窒化物層１２の表面に設けられてスズ（Ｓｎ）及びジルコニウム（Ｚｒ）の少なくとも一方とリチウム（Ｌｉ），マグネシウム（Ｍｇ），珪素（Ｓｉ）のうちの少なくとも一種とアルミニウム（Ａｌ）との酸化物からなる金属酸化物層２３とを備えてなるものである。
【００３８】
このような表面被覆材料２０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、スパッタ蒸着法やイオンプレーティング法等のような物理蒸着法（ＰＶＤ）等により、前記基材１１に対して、上述した組成物からなる前記金属窒化物層１２及び前記金属酸化物層２３を順次設けて、容易に製造することができる。
【００３９】
このような上記表面被覆材料２０においては、前述した第一番目の実施形態で説明したように、金属酸化物層２３の結晶粒のアスペクト比が小さくなる（５以下）と共に、アルミニウムと、リチウム，マグネシウム，珪素とが、異なる価数であると共に、その酸化物が互いに固溶しやすいことから、金属酸化物層２３の密着性の向上や摩擦係数の低減を図ることができる。
【００４０】
このため、上記表面被覆材料２０においては、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、上記金属酸化物層２３が、内部への酸素透過を抑制することができると同時に、衝撃が加わっても欠落してしまうことを著しく抑制することができるのはもちろんのこと、金属窒化物層１２からの剥離をさらに確実に防止することができるので、耐久性をさらに向上させることができる。
【００４１】
したがって、本実施形態においては、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができると共に、前述した第一番目の実施形態の場合よりも、耐久性をさらに向上させることができる。
【００４２】
また、金属酸化物層２３が、リチウムの酸化物を含んでいると、表面の摩擦係数を低下させることができるので、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくともリチウムの酸化物を含んでいると、より好ましい。
【００４３】
なお、前記金属酸化物層２３は、スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物の合計含有量が０．１〜１５重量％（特に０．１〜１．５重量％）であり、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物の合計含有量が０．１〜１５重量％（特に０．１〜１．５重量％）であると、好ましい。なぜなら、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物の合計含有量が１５重量％を超えると、硬さが低い値になりやすいため、あまり好ましくなく、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物の合計含有量が０．１重量％未満であると、密着性の向上や摩擦係数の低下を図りにくくなってしまい、あまり好ましくないからである。
【００４４】
［他の実施形態］
なお、前述した実施形態においては、基材１１上の金属窒化物層１２上に前記金属酸化物層１３，２３を設けた表面被覆材料１０，２０の場合について説明したが、前記金属窒化物層１２を省略して、前記基材１１上に金属酸化物層を直接設けるようにすることも可能である。
【００４５】
また、前述した実施形態においては、高速度工具鋼や超硬合金からなる基材１１を適用した表面被覆材料１０，２０の場合について説明したが、他の金属材料（例えば、各種の特殊鋼や合金鋼等）からなる基材を適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る表面被覆材料及びこれを利用する切削工具並びに工作機械は、耐久性を大幅に向上させることができるので、機械加工等を始めとした各種産業において、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る表面被覆材料の第一番目の実施形態の構造説明図である。
【図２】図１の表面被覆材料の製造装置の概略構成図である。
【図３】酸化アルミニウム−酸化スズ系の状態図である。
【図４】酸化アルミニウム−酸化ジルコニウム系の状態図である。
【図５】本発明に係る表面被覆材料の第二番目の実施形態の構造説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０ 表面被覆材料
１１ 基材
１２ 金属窒化物層
１３ 金属酸化物層
２０ 表面被覆材料
２３ 金属酸化物層
１００ ターゲット
１０１ ケーシング
１０２ ホルダ
１０３ 回転軸
１０４ モータ
１０６ 真空ポンプ
１０６ａ 制御バルブ
１０７ アルゴンガス供給源
１０７ａ 制御バルブ
１０８ 窒素ガス供給源
１０８ａ 制御バルブ
１０９ 酸素ガス供給源
１０９ａ 制御バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スズ及びジルコニウムの少なくとも一方とアルミニウムとの酸化物からなる金属酸化物層を表面に有する
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項２】
請求項１に記載の表面被覆材料において、
前記金属酸化物層が、
スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、
アルミニウムの酸化物で残部を構成されている
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項３】
請求項１に記載の表面被覆材料において、
前記金属酸化物層が、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物を含有している
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項４】
請求項３に記載の表面被覆材料において、
前記金属酸化物層が、
スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、
リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、
アルミニウムの酸化物で残部を構成されている
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の表面被覆材料において、
前記金属酸化物層の結晶粒のアスペクト比が５以下である
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の表面被覆材料において、
前記金属酸化物層が、金属窒化物の表面に設けられている
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項７】
請求項６に記載の表面被覆材料において、
前記金属窒化物が、アルミニウム，ジルコニウム，クロム，珪素，チタンのうちの少なくとも一種の窒化物からなる
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の表面被覆材料において、
前記金属窒化物が、基材の表面に設けられている
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項９】
請求項８に記載の表面被覆材料において、
前記基材が、高速度工具鋼又は超硬合金からなる
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の表面被覆材料からなる
ことを特徴とする切削工具。
【請求項１１】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の表面被覆材料からなる切削工具を備えている
ことを特徴とする工作機械。
【請求項１】
スズ及びジルコニウムの少なくとも一方とアルミニウムとの酸化物からなる金属酸化物層を表面に有する
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項２】
請求項１に記載の表面被覆材料において、
前記金属酸化物層が、
スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、
アルミニウムの酸化物で残部を構成されている
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項３】
請求項１に記載の表面被覆材料において、
前記金属酸化物層が、リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物を含有している
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項４】
請求項３に記載の表面被覆材料において、
前記金属酸化物層が、
スズ及びジルコニウムの少なくとも一方の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、
リチウム，マグネシウム，珪素のうちの少なくとも一種の酸化物を合計０．１〜１５重量％含有し、
アルミニウムの酸化物で残部を構成されている
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の表面被覆材料において、
前記金属酸化物層の結晶粒のアスペクト比が５以下である
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の表面被覆材料において、
前記金属酸化物層が、金属窒化物の表面に設けられている
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項７】
請求項６に記載の表面被覆材料において、
前記金属窒化物が、アルミニウム，ジルコニウム，クロム，珪素，チタンのうちの少なくとも一種の窒化物からなる
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の表面被覆材料において、
前記金属窒化物が、基材の表面に設けられている
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項９】
請求項８に記載の表面被覆材料において、
前記基材が、高速度工具鋼又は超硬合金からなる
ことを特徴とする表面被覆材料。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の表面被覆材料からなる
ことを特徴とする切削工具。
【請求項１１】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の表面被覆材料からなる切削工具を備えている
ことを特徴とする工作機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１９７２６３（Ｐ２００９−１９７２６３Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３８１５４（Ｐ２００８−３８１５４）
【出願日】平成２０年２月２０日（２００８．２．２０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２０日（２００８．２．２０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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