CN101148750A - 硬质皮膜及硬质皮膜被覆工具 - Google Patents

硬质皮膜及硬质皮膜被覆工具 Download PDF

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Abstract

提供一种使硬度、耐氧化性、还有韧性提高，耐磨耗性优异的硬质皮膜，以及采用该硬质皮膜形成的硬质皮膜被覆工具。其是被覆在工具的表面的硬质皮膜，其中，硬质皮膜的组成由Al1－a－b－cSiaMgbMc(BxCyNz)构成，M是从Nb、V、Zr、Cr、Ti、Cu及Y选择出的至少1种以上的元素，所述a、b、c、x、y、z是原子比时，满足0≤a≤0.35，0≤b≤0.2，0.03≤a+b≤0.5，0≤c≤0.1，且以原子比计，0.9≤Al+Si+Mg，0≤x≤0.2，0≤y≤0.4，0.5≤z≤1，x+y+z＝1。另外，一种采用硬质皮膜形成的硬质皮膜工具，其中，该硬质皮膜是前述记载的硬质皮膜。

Description

硬质皮膜及硬质皮膜被覆工具
技术领域
本发明涉及在工具的表面所被覆的硬质皮膜及使用该硬质皮膜而形成的硬质皮膜被覆工具。
背景技术
历来，出于提高以超硬合金、金属陶瓷(cermet)、高速度工具钢等为基材的刀片、钻头、端铣刀等的切削工具，和冲压、锻造金属模、冲孔冲头等的工卡模具的耐磨耗性的目的，而进行TiN、TiC、TiCN、TiAl等的皮膜(硬质皮膜)的涂敷。特别是由于Ti和Al的复合氮化皮膜(TiAlN)显示出优异的耐磨耗性，因此其正在取代前述由钛的氧化物和碳化物、碳氮化物等构成的皮膜，而被应用于高速切削和淬火钢等的高硬度材切削用的切削工具。
这一背景下，在TiAlN系皮膜中，提出有具有NaCl型的结晶结构的耐高温氧化性优异的高硬度耐磨耗性皮膜(例如，参照专利文献1)。
另外，还提出有一种皮膜，其是在TiAlN中添加Cr，将结晶结构保持为高硬度的岩盐结构，同时提高Al浓度，使硬度和耐氧化性提高，从而使耐磨耗性提高(例如，参照专利文献2)。此外，还提出在TiCrAlN中添加Si、B，从而提高耐氧化性的皮膜(例如，参照专利文献3)，或者在CrAlN中添加Nb、Si、B，从而使耐氧化性提高的皮膜(例如，参照专利文献4)。
【专利文献1】特许第2644710号公报(段落0011～0018)
【专利文献2】特开2003-71610号公报(段落0018～0023)
【专利文献3】特开2003-71611号公报(段落0023～0029)
【专利文献4】国际公开第06/005217号册(第3页第30行～第9页第31行)
然而，在上术现有的皮膜中存在以下所示的问题。
在含有Al或Al+Si的现有的皮膜(硬质皮膜)中，是通过含有Al或Al+Si，例如在专利文献1中以原子比计将0.75作为上限值，在专利文献2中以原子比计将0.765作为上限值，在专利文献3中以原子比计将0.9作为上限值，在专利文献4中以原子比计将0.79作为上限值，从而使皮膜的耐氧化性提高。但是，为了使切削工具等在有着更高耐氧化性需要的环境下使用，期望使耐氧化性等的切削工具等的性能进一步提高。
另外，随着近年来的被切削材的高硬度化和切削速度的高速度化，与现有的TiAlN、TiCrAlN、TiCrAlSiBN、CrAlSiBN或NbCrAlSiBN等的皮膜(硬质皮膜)相比，所要求的硬质皮膜要使工具的硬度和耐氧化性、还有韧性等提高，进一步改善耐磨耗性。
发明内容
本发明鉴于上述课题而进行，其目的在于提供一种通过使硬度、耐氧化性、还有韧性提高，从而耐磨耗性优异的硬质皮膜及使用该硬质皮膜所形成的硬质皮膜被覆工具。
第一发明的硬质皮膜，是被覆在工具的表面的硬质皮膜，其中，所述硬质皮膜的组成由Al1-a-b-cSiaMgbMc(BxCyNz)构成，所述M是从Nb、V、Zr、Cr、Ti、Cu及Y中选择出的至少1种以上的元素，所述a、b、c、x、y、z是原子比时，满足0≤a≤0.35，0≤b≤0.2，0.03≤a+b≤0.5，0≤c≤0.1，且以原子比计，0.9≤Al+Si+Mg，0≤x≤0.2，0≤y≤0.4，0.5≤z≤1，x+y+z＝1。
根据这样的结构，皮膜(硬质皮膜)以规定量含有规定的元素，由此皮膜的硬度和耐氧化性提高。
第二发明的硬质皮膜，是被覆在工具的表面的硬质皮膜，其中，所述硬质皮膜包括A层和B层，所述A层的组成由Al1-a-b-cSiaMgbMc(BxCyNz)构成，所述M是从Nb、V、Zr、Cr、Ti、Cu及Y中选择出的至少1种以上的元素，在所述a、b、c、x、y、z是原子比时，满足0≤a≤0.35、0≤b≤0.2、0.03≤a+b≤0.5、0≤c≤0.1，且以原子比计，0.9≤Al+Si+Mg、0≤x≤0.2、0≤y≤0.4、0.5≤z≤1、x+y+z＝1，所述B层是从4b、5b、6b族元素、Al、Si、Y中选择的至少1种以上的元素的N、CN、BN或BCN化合物，所述A层和所述B层各自的厚度在2nm以上、200nm以下的范围，所述A层和所述B层交替层叠。
根据这样的结构，使硬质皮膜成为以规定量含有规定的元素的A层，和作为从4b、5b、6b族元素、Al、Si、Y中选择的至少1种以上的元素的N、CN、BN或BCN化合物的B层成为层叠膜，将A层和B层的各自的厚度规定在规定范围内，由此耐氧化性、硬度提高，并且皮膜的韧性提高。
第三发明的硬质皮膜，其中，所述B层其组成由Ti1-m-nCrmAln(BoCpNq)构成，所述m、n、o、p、q是原子比时，满足0≤m≤0.5、0.5≤n≤0.75、0≤1-m-n≤0.5、o+p+q＝1。
根据这样的结构，B层以规定量含有规定的元素，由此皮膜的韧性、耐氧化性、硬度进一步提高。
第四发明的硬质皮膜被覆工具，是采用硬质皮膜形成的硬质皮膜被覆工具，其中，所述硬质皮膜是第一～第三发明中任一项所述的硬质皮膜。
根据这样的结构，硬质皮膜工具采用硬度和耐氧化性、还有韧性提高了的硬质皮膜而形成，因此工具自身的硬度和耐氧化性、还有韧性提高，耐磨耗性提高。
根据本发明的硬质皮膜，使硬质皮膜以规定量含有规定的元素，能够提高皮膜的硬度和耐氧化性，由此，能够使耐磨耗性提高。
另外，通过使硬质皮膜成为A层和B层的层叠膜，能够提高皮膜的硬度和耐氧化性，并且能够提高皮膜的韧性。由此，能够使耐磨耗性提高。而且，通过将该硬质皮膜被覆在切削工具等上，切削工具等即使在高硬度材的切削和热锻造等、甚至表面压力高的条件下也能够使用。
此外，在所述B层的组成中，通过将规定的元素限定在规定量，能够进一步提高皮膜的韧性、耐氧化性、硬度。
根据本发明的硬质皮膜被覆工具，通过采用硬度和耐氧化性、还有韧性提高了的硬质皮膜而形成，工具自身的硬度和耐氧化性、还有韧性提高，能够使耐磨耗性提高。因此，能够延长工具的寿命，能够使切削加工等的生产性提高。
附图说明
图1是模式化地表示本发明的硬质皮膜被覆工具的一例的图，(a)是高硬度材用端铣刀的模式图，(b)是模仿用端铣刀的模式图。
图2是本实施例中使用的复合成膜装置的概略图。
符号说明
1复合成膜装置
2腔(chamber)
3电弧式蒸发源
4电弧电源
5溅射蒸发源
6溅射电源
7偏压(bias)电源
8排气口
9气体供给口
10基板台
11支承台
12加热器
13放电用直流电源
14灯丝(filament)加热用交流电源
具体实施方式
以下就用于实施本发明的最佳的实施方式进行详细地说明。
[第一实施方式]
本发明是工具的表面所被覆的硬质皮膜，该硬质皮膜的组成由Al1-a-b-cSiaMgbMc(BxCyNz)构成，所述M是从Nb、V、Zr、Cr、Ti、Cu及Y选择出的至少1种以上的元素，所述a、b、c、x、y、z是原子比时，将该原子比限定在规定范围，将各成分的含量限定在规定范围内。
以下，对于规定硬质皮膜的组成的理由进行说明。
(以原子比计，0.9≤Al+Si+Mg)
在本发明的硬质皮膜中，为了赋予硬质皮膜(以下适宜称为“皮膜”)耐氧化性，将Al和Si或Mg作为必须成分，必须使Al和Si及/或Mg(以下适宜称为“Al+(Si、Mg)”)的原子比成为0.9以上。若Al+(Si、Mg)的原子比低于0.9，则不能提高硬质皮膜的耐氧化性。因此，Al+(Si、Mg)的原子比其下限为0.9，更优选为0.95。
(0.03≤a+b≤0.5)
Al+(Si、Mg)的原子比能够在满足0.9以上的范围内调整，但是若Si+Mg的原子比(a+b)低于0.03，则硬度和耐氧化性提高效果变低。另一方面，若Si+Mg的原子比超过0.5，则皮膜的硬度和韧性降低。因此，Si+Mg的原子比对其下限为0.03，更优选为0.05，对其上限为0.5，更优选为0.3。
(0≤a≤0.35，0≤b≤0.2)
如前述，硬质皮膜含有Si或Mg，但是Si或Mg是任意的成分，含有任意一方即可。
在此，若Si、Mg的原子比(a)、(b)分别超过0.35、0.2，则皮膜的硬度和韧性降低。因此，Si、Mg的原子比其各自上限为0.35、0.2。另外，关于Si其上限更优选为0.3，进一步优选上限为0.2。关于Mg其更优选上限为0.1。还有，对于Mg来说，在表面被氧化时，由于会形成具有润滑性的MgO，因此通过Mg的添加，有着能够赋予耐氧化性和润滑性这样的效果。
(0≤c≤0.1)
除了所述的Al、Si、Mg以外，通过在皮膜中添加M，M是从Nb、V、Zr、Cr、Ti、Cu及Y选择出的至少1种以上的元素，根据添加的元素，能够实现皮膜的高硬度化，和进一步提高耐氧化性等。
添加的元素M为Y时，可确认皮膜的耐氧化性的提高，M为Nb、Ti、Zr时，可确认皮膜的高硬度化，M为Cr、Cu时，可确认耐氧化性的提高和高硬度化。此外，通过添加Cu，皮膜结晶粒微细化，除了使皮膜高硬度化以外，由于Cu与N、C、B等难以反应，因此Cu以金属状态存在于皮膜中，还会在滑动时的高表面压力下，作为软质金属赋予皮膜润滑作用。另外对于V来说，在切削时的高温下，会形成软质的氧化物，从而赋予皮膜润滑作用。但是，若这些元素M进行过量的添加，则Al+(Si、Mg)的原子比变少，而氧化性降低，因此M的原子比(c)其上限为0.1，更优选为0.05。还有，M是任意的成分，也可以不含有。
(0≤x≤0.2，0≤y≤0.4，0.5≤z≤1，x+y+z＝1)
另外，在本发明的硬质皮膜中，N是为了与Al和Si结合而形成高硬度的化合物所必须的成分。因此，虽然是以N的原子比(z)下限为0.5，上限为1的氮化物为基础，但是通过B的添加能够实现耐氧化性的提高，通过C的添加能够实现高硬度化。若B的原子比(x)超过0.2，则皮膜的硬度降低。因此，B的原子比上限为0.2，更优选为0.15。另外，若C的原子比(y)超过0.4，则皮膜的耐氧化性降低。因此，C的原子比上限为0.4，更优选为0.2。还有，B、C是任意的成分，也可以不含有。另外，B、C、N的原子比的合计为1。
如前述，由于Si、Mg、M、B、C是任意的成分，因此关于本发明的硬质皮膜的组成的组合，可列举如下：AlSiMgM(BCN)、AlSiMgM(BN)、AlSiMgM(CN)、AlSiMgMN、AlSiM(BCN)、AlSiM(BN)、AlSiM(CN)、AlSiMN、AlMgM(BCN)、AlMgM(BN)、AlMgM(CN)、AlMgMN、AlSiMg(BCN)、AlSiMg(BN)、AlSiMg(CN)、AlSiMgN、AlSi(BCN)、AlSi(BN)、AlSi(CN)、AlSiN、AlMg(BCN)、AlMg(BN)、AlMg(CN)、AlMgN等。
[第二实施方式]
其次，说明硬质皮膜其他的实施方式。
本发明是工具的表面所被覆的硬质皮膜，该硬质皮膜包括A层和B层，所述A层的组成由Al1-a-b-cSiaMgbMc(BxCyNz)构成，所述M是从Nb、V、Zr、Cr、Ti、Cu及Y选择出的至少1种以上的元素，所述a、b、c、x、y、z是原子比时，将该原子比限定在规定范围内，将各成分的含量规定在规定范围内，所述B层为从4b、5b、6b族元素、Al、Si、Y中选择的至少1种以上的元素的N、CN、BN或BCN化合物，所述A层和所述B层各自的厚度在2nm以上、200nm以下的范围，并交替层叠所述A层和所述B层。
所述第一实施方式中说明的AlSiMgM(BCN)膜等以其单体也能够应用于切削工具等的滑动部位，能够用于高温下的耐磨耗用途。但是，通过使由所述的AlSiMgM(BCN)膜等构成的层(A层)，和从4b、5b、6b族元素、Al、Si、Y中选择的至少1种以上的元素的N、CN、BN或BCN化合物所构成的层(B层)成为层叠膜，不仅能够提高耐氧化性、硬度，而且能够提高皮膜的韧性，特别是在高硬度材的切削和热锻造等，甚至表面压力高的条件等的高表面压力下的用途中也能够使用。
以下，对于规定硬质皮膜的组成的理由，以及规定A层和B层的各自的厚度的理由进行说明。
(A层)
A层的组成由Al1-a-b-cSiaMgbMc(BxCyNz)构成，所述M是从Nb、V、Zr、Cr、Ti、Cu及Y选择出的至少1种以上的元素，所述a、b、c、x、y、z是原子比时，0≤a≤0.35，0≤b≤0.2，0.03≤a+b≤0.5，0≤c≤0.1，且以原子比计，0.9≤Al+Si+Mg，0≤x≤0.2，0≤y≤0.4，0.5≤z≤1，x+y+z＝1。
在此，关于规定A层的组成的理由及涉及组成的组合，因为与所述第一实施方式说明的硬质皮膜相同，所以在此省略说明。
(B层)
作为B层是从4b、5b、6b族元素、Al、Si、Y中选择的至少1种以上的元素的N、CN、BN或BCN化合物的例子，可列举Ti(BCN)、Cr(BCN)、TiAl(BCN)、TiCrAl(BCN)、AlCr(BCN)、TiCrAlY(BCN)、NbAl(BCN)、NbCrAl(BCN)等，但并不限定于这些。在此，括号内的BCN表示N、CN、BN或BCN的任意一种形式。还有，从耐氧化性或硬度的观点出发，优选其中含有Al为0.5以上的化合物。
(A层和所述B层各自的厚度：2nm以上、200nm以下)
将硬质皮膜作为A层和B层的层叠膜时，有必要将此各层的各自厚度(分别的层厚)规定在2nm以上、200nm以下的范围。若各层厚度低于2nm，则韧性降低。因此，各层的厚度有必要在2nm以上。更优选为5nm以上。另外，若各层的厚度超过200nm，则会失去作为层叠膜的特性(韧性)，因此各层的厚度有必要在200nm以下。更优选为100nm以下为宜。
在此，作为是从4b、5b、6b族元素、Al、Si、Y中选择的至少1种以上的元素的N、CN、BN或BCN化合物的B层，其组成由Ti1-m-nCrmAln(BoCpNq)构成，所述m、n、o、p、q是原子比时，最优选0≤m≤0.5，0.5≤n≤0.75，0≤1-m-n≤0.5，o+p+q＝1。
即，是TiCrAl(BCN)、CrAl(BCN)或TiAl(BCN)化合物等，Al的原子比(n)其下限为0.5，其上限为0.75，Cr、Ti的原子比(m)、(1-m-n)其上限为分别最优选为0.5。还有，Cr、Ti是任意的成分，也可以不含有。另外，N是用于形成高硬度的化合物所必须的成分，但是B、C是任意的成分，也可以不含有。
以下，就规定B层的组成的理由进行说明。
(0.5≤n≤0.75)
作为B层的组成的限定理由，高浓度含有Al+(Si、Mg)的化合物，有韧性稍有降低的倾向。因此，B层作为用于赋予更高韧性的层，首先不含Si、Mg的化合物，此外将Al的原子比(n)作为0.75以下，从而在层叠化时，能够赋予皮膜以高的韧性。另一方面，若Al的原子比低于0.5，则即使在将B层与高耐氧化性层(A层)层叠的情况下，特别(耐氧化性)的劣化仍容易发生。因此，Al的原子比其下限为0.5，更优选为0.6，其上限为0.75，更优选为0.7。
(0≤m≤0.5，0≤1-m-n≤0.5)
关于Cr、Ti，根据目的能够进行单独或共同地添加。通过Cr的单独添加能够提高耐氧化性，通过Ti的单独添加能够得到高硬度的皮膜。另外，通过Cr、Ti的共同添加，能够使耐氧化性和硬度提高。
在单独添加Cr时，Cr的原子比(m)优选其下限为0.25，上限为0.5。这是由于若Cr的原子比低于0.25，则皮膜的结晶结构转移成软质的六方晶，硬度降低，并且耐氧化性也降低，若超过0.5，则Al的原子比变少，耐氧化性降低。还有，更优选下限为0.3，上限为0.4。
单独添加Ti时，Ti的原子比(1-m-n)优选下限为0.3，上限为0.5。这是由于若Ti的原子比低于0.3，则则皮膜的结晶结构转移成软质的六方晶，硬度降低，若超过0.5，则Al的原子比变少，耐氧化性降低。还有，更优选下限为0.35，上限为0.4。
在添加Cr、Ti两者时，Cr、Ti的原子比优选两者下限均为0.05。这是为了给皮膜赋予耐氧化性或硬度，优选两者下限均为0.1。关于上限Cr+Ti的原子比低于0.5即可。若超过此值则Al的原子比变少，耐氧化性降低。
(o+p+q＝1)
另外，B、C、N的原子比的合计为1。还有，通过B的添加能够实现耐氧化性的提高，通过C的添加能够实现高硬度化。
如前述，由于Ti、Cr、B、C是任意的成分，因此在B层中的组成的组合可列举：TiCrAl(BCN)、TiCrAl(BN)、TiCrAl(CN)、TiCrAlN、CrAl(BCN)、CrAl(BN)、CrAl(CN)、CrAlN、TiAl(BCN)、TiAl(BN)、TiAl(CN)、TiAlN等。
接下来，参照附图说明本发明的硬质皮膜被覆工具。
硬质皮膜被覆工具是使用硬质皮膜形成的，该硬质皮膜是以所述记载的硬质皮膜为特征。
图1是模式化地表示本发明的硬质皮膜被覆工具的一例的图，(a)是高硬度材用端铣刀的模式图，(b)是模仿用端铣刀的模式图。
作为硬质皮膜被覆工具，如果举一个例子，则如图1(a)所示，可列举刃端径ФD1为10.0mm，柄(shank)径Фd1为10.0mm，刃长L1为50mm，全长L2为100mm的高硬度材用端铣刀，另外作为其他的例子，如图1(b)所示，可列举刃端径ФD2为6.0mm，柄径Фd2为6.0mm，前端的球半径R为3.0mm，刃长L3为9mm，全长L4为250mm的模仿用端铣刀等，但并不限定于这些。
另外，作为被覆硬质皮膜的工具，除了前述的端铣刀以外，还可列举刀片、钻头等的切削工具，和冲压、锻造金属模、冲孔冲头等的工卡模具，但并不受这些限定，也可以适宜应用于其他的工具。作为硬质皮膜的成膜方法，能够采用电弧离子镀膜法(Arc Ion Plating)、非平衡磁控溅射法(unbalanced magnetron sputtering)等，但并不限定于这些。
其次，关于对工具成膜的方法的一例进行说明，但作为成膜方法并不限定于此。
首先，在具有多个蒸发源(电弧式蒸发源、溅射蒸发源)的复合成膜装置的阴极上，安装各种合金或金属的靶材，再在旋转的基板台上的支承台上安装端铣刀等的被处理体，使腔内处于真空状态。其后，用处于腔内的加热器将被处理体的温度加热至550℃并导入氮气(含C膜的情况下为N2-CH4的混合气体)，使腔内的压力处于4Pa，开始电弧放电，在被处理体的表面形成皮膜。还有，在蒸发源中并用电弧式蒸发源和溅射蒸发源的情况下，使用体积比1∶1的Ar-N2(或者Ar-N2-CH4)混合气体，整体压力为2.8Pa，使电弧式蒸发源和溅射蒸发源同时放电。对被处理体外加-100V的电压作为偏压电压。
如上，通过被覆硬度和耐氧化性、还有韧性提高了的硬质皮膜，工具自身的硬度和耐氧化性、还有韧性提高，能够使耐磨耗性提高。因此能够延长工具的寿命，能够使切削加工等的生产性提高。
【实施例】
以下，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明当然不受下述实施例的限制，也可以在附合前、后述宗旨的范围加以适当的变更实施，这些均包含在本发明的技术范围。
图2是本实施例中使用的复合成膜装置的概略图。
该复合成膜装置1具备：具有进行真空排气的排气口8和供给成膜气体和惰性气体的气体供给口9的腔2；连接于电弧式蒸发源3上的电弧电源4；连接于溅射蒸发源5上的溅射电源6；支承作为涂敷对象的被处理体(切削工具)(图示省略)的基板台10上的支承台11；在该支承台11和所述腔2之间通过支承台11向被处理体外加负的偏压电压的偏压电源7。另外，还具有加热器12、放电用直流电源13、灯丝加热用交流电源14等。在实施本发明时，供给的气体结合成膜成分使用氮气(N2)、甲烷(CH4)的成膜气体，和它们与氩等的惰性气体的混合气体。
还有，通过使用电弧式蒸发源3，能够进行电弧离子镀蒸发(AIP)、通过使用溅射电源5，能够进行非平衡磁控溅射蒸发(UBM)。
[实施例1]
在图2所示的具有多个蒸发源(电弧式蒸发源3、溅射蒸发源5)的复合成膜装置1的阴极上，安装各种合金或金属的靶材(图示省略)，再在旋转的基板台10上的支承台11上，安装超硬合金制刀片、切削试验用的端铣刀(超硬合金制，6枚刃，刃端径10mmФ)，以及铂箔(30×5×0.1mmt)作为被处理体(图示省略)，并使腔2内处于真空状态。其后，用处于腔2内的加热器12将被处理体的温度加热至550℃，导入氮气(含C膜的情况下导入N2-CH4的混合气体)，使腔2内的压力处于4Pa并开始电弧放电，在基板(被处理体)的表面形成表1、2所示的膜厚约3μm的皮膜。对基板外加-100V的电压作为偏压电压。
还有，在实施例1中，通过使用电弧式蒸发源3进行电弧离子镀蒸发(AIP)。
成膜结束后，调查膜中的金属成分组成，同时对硬度、耐氧化性、耐磨耗性进行评价。
(皮膜组成)
利用EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)测定超硬合金制刀片的皮膜中的金属的成分组成。
(硬度)
皮膜的硬度是在载荷0.25N、保持时间15秒的条件下，通过调查超硬合金制刀片的皮膜的维氏硬度来进行评价。硬度为20GPa以上的为良好，低于20GPa的为不良。
(耐氧化性)
皮膜的耐氧化性是使用热天平，在干燥空气中以4℃/分升温形成于铂箔上的试样，根据氧化重量变化决定氧化开始温度。还有，氧化开始温度越高，与被削材的反应性越降低，耐氧化性越优异。氧化开始温度为1050C以上的耐氧化性良好，低于1050℃的耐氧化性不良。
(耐磨耗性)
皮膜的耐磨耗性是使用形成有硬质皮膜的端铣刀，在以下条件下进行切削试验，测定刃端后隙面的磨耗量(磨耗幅度)。还有，磨耗量(磨耗幅度)越小，耐磨耗性越优异。磨耗量低于100μm的耐磨耗性良好，在100μm以上的耐磨耗性不良。
切削试验条件
被削材：SKD11(HRC60)
切削速度：150m/分
刃送给：0.04mm/刃
轴切割：4.5mm
径向切割：0.2mm
切削长：50m
其他：只进行顺铣、干挖、鼓风
实施例1的结果显示在表1、2中。还有，对于不含表中M成分的，由“-”表示M的种类。
【表1】实施例1的评价结果
  No. Al Si Mg   皮膜组成(原子比)   硬度(GPa) 耐氧化性氧化开始温度(℃)  耐磨损性磨损量(μm) 参考
  Si+Mg   M的种类   M   B   C   N
  123   TiNTi0.5Al0.5NTi0.5Al0.45Si0.05N   222527   600800850   215150127.5
  4567891011   0.970.950.90.80.6510.990.6   0.030.050.10.20.3500.010.4   00000000   0.030.050.10.20.3500.010.4   --------   00000000   00000000   00000000   11111111   2021202320181811   11301150117012001250100010001250   92.582.552560625135135107.5 Si量的影响
  12131415161718   0.970.950.90.850.80.990.75   0000000   0.030.050.10.150.20.010.25   0.030.050.10.150.20.010.25   -------   0000000   0000000   0000000   1111111   23272623211813   1080115011501190120010001200   9052.557.562.570135110 Mg量的影响
  19202122   0.90.90.90.9   0.020.050.070.08   0.080.050.030.02   0.10.10.10.1   ----   0000   0000   0000   1111   25242322   1100120012501300   755547.540 Si∶Mg比的影响
  232425262728   0.940.840.70.50.980.45   0.030.080.150.30.01035   0.030.080.150.20.010.2   0.060.160.30.50.020.55   ------   000000   000000   000000   111111   242724201813   115012001250130010001200   67.54042.550135110 Si+Mg量的影响
【表2】实施例1的评价结果
  No. Al Si Mg   皮膜组成(原子比)   B   C   N   硬度(GPa)   耐氧化性氧化开始温度(℃)  耐磨损性磨损量(μm) 参考
  Si+Mg  M的种类   M
  2930313233   0.880.850.820.80.7   0.10.10.10.10.1   00000   0.10.10.10.10.1   CrCrCrCrCr   0.020.050.080.10.2   00000   00000   11111   2527282820   1150120011501150950   62.54047.547.5137.5 M量的影响
  343536373839404142   0.80.80.80.80.80.80.80.80.8   0.10.10.10.10.10.10.10.10.1   0.050.050.050.050.050.050.050.050.05   0.150.150.150.150.150.150.150.150.15   NbCrTiCuYVZrCr.TiCu，Y   0.050.050.050.050.050.050.050.050.05   000000000   000000000   111111111   302930322428273030   117012001150120012501150120011501230   32.53037.51542.647.54037.517.5 M种类的影响
  4344454647   0.950.950.950.950.95   00000   0.050.050.050.050.05   0.050.050.050.050.05   -----   00000   0.050.10.150.20.25   00000   0.950.90.850.80.75   2628262515   11501170120012001150   57.542.54550112.5 B量的影响
  48495051   0.950.90.90.9   00.050.050.05   0.050.050.050.05   0.050.10.10.1   ----   0000   0000   0.10.20.40.5   0.90.30.60.5   30312924   1150113011001000   37.537.555105 C量的影响
  525354   0.90.90.9   0.050.050.05   0.050.050.05   0.10.10.1   ---   000   0.10.20.05   0.20.10.25   0.70.70.7   292930   117012001150   37.53037.5 B+C量的影响
  55   0.9   0.05   0.05   0.1   0   0.2   0.35   0.45   18   1100   110   N量的影响
所表1、2所示，No.4～8、12～16、19～26、29～32、34～46、48～50、52～54，因为皮膜的组成满足本发发明的范围，所以硬度、耐氧化性、耐磨耗性都良好。
另一方面，No.1～3是现有类型的TiN、TiAlN、TiAlSiN系硬质皮膜。因此，虽然硬度良好，但是耐氧化性差，耐磨耗性差。No.9、10、17、27因为Si+Mg的原子比低于下限值，所以硬度和耐氧化性差，耐磨耗性差。No.28因为Si+Mg的原子比超过上限值，所以硬度差，耐磨耗性差。
No.11、18因为Si、Mg的原子比分别超过上限值，所以硬度差，耐磨耗性差。No.33因为M(Cr)的原子比超过上限值，所以耐氧化性差，耐磨耗性差。No.47因为B的原子比超过上限值，所以硬度差，耐磨耗性差。No.51因为C的原子比超过上限值，所以耐氧化性差，耐磨耗性差。No.55因为N的原子比低于下限值，所以硬度差，耐磨耗性差。
[实施例2]
在图2所示的具有多个蒸发源(电弧式蒸发源3、溅射蒸发源5)的复合成膜装置1的阴极上，安装各种合金或金属的靶材(图示省略)，再在旋转的基板台10上的支承台11上，安装超硬合金制刀片、切削试验用的端铣刀(超硬合金制，6枚刃，刃端径10mmФ)，以及铂箔(30×5×0.1mmt)作为被处理体(图示省略)，并使腔2内处于真空状态。其后，用处于腔2内的加热器12将被处理体的温度加热至550℃，导入氮气(含C膜的情况下导入N2-CH4的混合气体)，使腔2内的压力处于4Pa并开始电弧放电，在基板(被处理体)的表面形成表3所示的膜厚(A层和B层的各自的厚度，层叠周期(层叠时的A层+B层的厚度)，总厚度)的皮膜。还有，在蒸发源中并用电弧式蒸发源和溅射蒸发源的情况下，使用体积比1∶1的Ar-N2(或者Ar-N2-CH4)混合气体，整体压力为2.8Pa，使电弧式蒸发源3和溅射蒸发源5同时放电。对基板外加-100V的电压作为偏压电压。
另外，形成层叠膜时使用的方法是，在多个蒸发源上安装不同组成的靶材，在旋转的支承台11上装载被处理体，在成膜中使之旋转从而形成层叠膜。支承台11上的被处理体随着基板台10的旋转，交替地在安装了不同组成的靶材的蒸发源之前通过，但是这时对应着各个蒸发源的靶材组成的皮膜被交替形成，从而能够形成层叠膜。A层、B层各自的厚度、层叠周期由向各蒸发源投入的电力(蒸发量)或由支承台11的旋转数(快的一方每1层的厚度变薄)控制。如此交替地层叠A层、B层。
成膜结束后，调查膜中的金属成分组成，同时对硬度、耐氧化性、耐磨耗性进行评价。
(皮膜组成)
利用EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)测定超硬合金制刀片的皮膜中的金属的成分组成。
(韧性)
为了评价皮膜的韧性，使用前端半径为200μm的金刚石压头，对被覆于超硬合金制刀片上的皮膜进行刮擦试验(0～100N，载荷增加速度：100N/分，距离：10mm)，将使皮膜上发生削蚀的载荷定义为削蚀载荷(N)。削蚀载荷为80N以上的韧性良好，低于80N的韧性不良。
(耐氧化性)
皮膜的耐氧化性是使用热天平，在干燥空气中以4℃/分升温形成于铂箔上的试样，根据氧化重量变化决定氧化开始温度。还有，氧化开始温度越高，与被削材的反应性越为降低，耐氧化性越优异。氧化开始温度为1100℃以上的耐氧化性良好，低于1100℃的耐氧化性不良。
(耐磨耗性)
使用形成有硬质皮膜的端铣刀，在以下条件下进行切削试验，测定刃端后隙面的磨耗量(磨耗幅度)。还有，磨耗量(磨耗幅度)越小，耐磨耗性越优异。磨耗量低于85μm的耐磨耗性优良，在85～110μm的耐磨耗性良好，超过110μm的耐磨耗性不良。
还有，实施例2与实施例1相比，是使用了高硬度的被削材的试验。
切削试验条件
被削材：SKH51(HRC65)
切削速度：100m/分(3183rpm)
切割深度：5mm
轴切割：0.2mm
刃送给：0.1mm/刃(1909mm/分)
只进行顺铣、鼓风
切削长：10m
其他：只进行顺铣、干挖、鼓风
实施例2的结果显示在表3中。还有，对于不含表中B层等的由“-”表示。另外，表中AIP表示电弧离子镀蒸发(AIP)，UBM表示非平衡磁控溅射蒸发。还有，关于硬度，关于超硬合金制刀片的皮膜的维氏硬度(作为层叠膜的平均硬度)表示的是，在载荷0.25N、保持时间15秒的条件下参考调查值。
【表3】实施例2的评价结果
  No. B层组成   厚度nm   蒸发源   A层组成   厚度nm   蒸发源   层叠周期nm   层叠数   总后度nm   硬度(GPa)   韧性削蚀载荷(N) 耐氧化性氧化开始温度(℃)  耐磨损性磨损量(μm)
  1   -   -   -   (Ti0.5Al0.5)N   3000   AIP   -   1   3000   25   60   800   245
  2   -   -   -   (Ti0.5Al0.47Si0.03)N   3000   AIP   -   1   3000   27   75   850   187.5
  3   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)N   300   AIP   (Al0.9Si0.05Mg0.05)N   300   AIP   600   5   3000   33   75   1100   125
  4   (Ti0.2Cr0.15Al0.55)N   1   AIP   (Al0.9Si0.05Mg0.05)N   1   AIP   2   1500   3000   25   75   1100   125
  5   -   -   -   (Al0.9Si0.1)N   3000   AIP   -   1   3000   23   75   1170   107.5
  6   -   -   -   (Al0.9Si0.05Mg0.05)N   3000   AIP   -   1   3000   24   75   1200   100
  7   -   -   -   (Al0.87Si0.1Cu0.03)N   3000   AIP   -   1   3000   32   75   1250   87.5
  8   TiN   20   AIP   (Al0.88Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   40   75   3000   35   85   1150   82.5
  9   (Ti0.2Nb0.2Al0.5)N   20   AIP   (Al0.88Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   40   75   3000   33   100   1250   12.5
  10   CrN   20   AIP   (Al0.88Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   40   75   3000   33   85   1200   70
  11   (Cr0.2Nb0.2Al0.6)N   20   AIP   (Al0.88Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   40   75   3000   35   100   1250   12.5
  12   NbH   20   AIP   (Al0.88Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   40   75   3000   38   90   1200   55
  13   (Nb0.5Al0.5)N   20   AIP   (Al0.88Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   40   75   3000   37   100   1250   12.5
  14   (Ti0.75Al0.25)N   50   AIP   (Al0.9Si0.1)N   20   AIP   70   42   2940   35   95   1170   77.5
  15   (Ti0.15Al0.85)N   50   AIP   (Sl0.9Si0.1)N   20   AIP   70   42   2940   34   85   1250   57.5
  16   (Ti0.2Al0.3Cr0.5)N   50   AIP   (Al0.88Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   70   42   2940   34   90   1200   55
  17   (Ti0.5Al0.3Cr0.2)N   50   AIP   (Al0.88Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   70   42   2940   34   95   1150   82.5
  18   (Ti0.5Al0.5)N   20   AIP   (Al0.88Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   40   75   3000   36   90   1200   55
  19   (Ti0.5Al0.5)N   50   AIP   (Al0.9Si0.1)N   20   AIP   70   42   2940   38   90   1200   55
  20   (Ti0.34Al0.06)N   50   AIP   (Al0.9Si0.1)N   20   AIP   70   42   2940   37   95   1250   27.5
  21   (Cr0.4Al0.5)N   20   AIP   (Al0.93Si0.05Y0.02)N   20   UBM   40   75   3000   38   95   1200   40
  22   (Cr0.4Al0.6)N   20   AIP   (Al0.9Si0.05Cr0.05)N   20   UBM   40   75   3000   37   95   1150   52.5
  23   (Cr0.4Al0.5)N   20   AIP   (Al0.9Si0.05Ti0.05)N   20   UBM   40   75   3000   33   90   1200   55
  24   (Cr0.4Al0.5)N   20   AIP   (Al0.9Si0.05Nb0.05)N   20   UBM   40   75   3000   38   95   1250   27.5
  25   (Cr0.4Al0.6)N   20   AIP   (Al0.98Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   40   75   3000   35   100   1250   12.5
  26   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)N   2   AIP   (Al0.9Si0.05Mg0.05)N   2   AIP   4   750   3000   30   90   1150   67.5
  27   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)N   10   AIP   (Al0.9Si0.05Mg0.05)N   10   AIP   20   150   3000   35   100   1250   12.5
  28   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)N   20   AIP   (Al0.9Si0.05Mg0.05)N   20   AIP   40   75   3000   37   100   1250   12.5
  29   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)N   50   AIP   (Al0.9Si0.05Mg0.05)N   50   AIP   100   30   3000   38   100   1230   17.5
  30   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)N   100   AIP   (Al0.9Si0.05Mg0.05)N   100   AIP   200   15   3000   38   90   1200   55
  31   (Ti0.2Cr0.15Al0.85)N   20   AIP   (Al0.75Si0.2Mg0.05)N   20   AIP   40   75   3000   34   85   1200   70
  32   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)N   20   AIP   (Al0.65Si0.3Mg0.05)N   20   AIP   40   75   3000   33   60   1250   72.5
  33   (Ti0.1Al0.7Cr0.2)N   50   AIP   (Al0.88Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   70   42   2940   38   100   1250   12.5
  34   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)N   30   AIP   (Al0.9Si0.05Mg0.05)N   30   UBM   60   50   3000   37   95   1250   27.5
  35   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)C0.2N0.6   30   AIP   (Al0.8Si0.15Mg0.05)N   30   UBM   60   50   3000   36   95   1150   52.5
  36   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)B0.1N0.9   30   AIP   (Al0.8Si0.15Mg0.05)N   30   UBM   50   50   3000   36   95   1200   40
  37   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)B0.05C0.1N0.85   30   AIP   (Al0.8Si0.15Mg0.05)N   30   UBM   50   50   2000   37   95   1250   27.5
  38   (Ti0.2Cr0.15Al0.65)N   200   AIP   (Al0.9Si0.05Mg0.05)N   200   AIP   400   7   2800   36   90   1150   60
  39   (Ti0.2Al0.5Cr0.3)N   50   AIP   (Al0.98Si0.1Cu0.02)N   20   AIP   70   42   2940   36   100   1150   37.5
如表3所示，No.8～39因为皮膜的组成满足本发发明的范围，所以硬度、耐氧化性、耐磨耗性均为优良或良好。
这里，No.8～17其皮膜的组成虽然满足权利要求2的范围，但是不满足权利要求3的范围，No.18～39其皮膜的组成满足权利要求3的范围。
还有，硬度、韧性、耐氧化性等的数值，根据构成皮膜的各成分彼此的混合而变化。
No.5～7因为A层的组成满足本发明的范围，所以耐氧化性良好，但是因为未设B层，所以韧性与No.18～39相比差。因此，耐磨耗性与作为现有类型的TiAlN、TiAlSiN系硬质皮膜的No.1、2相比为良好，但是若与No.18～39相比，则为稍差的结果。
据此可知，在高硬度材等的面压高的条件下，相比A层单体，成为A层和B层的层叠膜能够使耐磨耗性进一步提高。
另一方面，No.1、2是现有类型的TiAlN、TiAlSiN系硬质皮膜，因为韧性、耐氧化性差，所以耐磨耗性差。No.3因为A层和B层的厚度超过上限值，所以韧性差，耐磨耗性差。No.4因为A层和B层的厚度低于下限值，所以韧性差，耐磨耗性差。

Claims (4)

1.一种硬质皮膜，是被覆在工具表面的硬质皮膜，其特征在于，
所述硬质皮膜的组成由Al1-a-b-cSia MgbMc(BxCyNz)构成，所述M是从Nb、V、Zr、Cr、Ti、Cu及Y中选择出的至少1种以上的元素，当所述a、b、c、x、y、z是原子比时，满足：
0≤a≤0.35
0≤b≤0.2
0.03≤a+b≤0.5
0≤c≤0.1
且以原子比计，0.9≤Al+Si+Mg
0≤x≤0.2
0≤y≤0.4
0.5≤z≤1
x+y+z＝1。
2.一种硬质皮膜，是被覆在工具表面的硬质皮膜，其特征在于，
所述硬质皮膜包括A层和B层，其中，
所述A层的组成由Al1-a-b-cSia MgbMc(BxCyNz)构成，所述M是从Nb、V、Zr、Cr、Ti、Cu及Y中选择出的至少1种以上的元素，在所述a、b、c、x、y、z是原子比时，满足：
0≤a≤0.35
0≤b≤0.2
0.03≤a+b≤0.5
0≤c≤0.1
且以原子比计，0.9≤Al+Si+Mg
0≤x≤0.2
0≤y≤0.4
0.5≤z≤1
x+y+z＝1，
所述B层是从4b、5b、6b族元素、Al、Si、及Y中选择的至少1种以上的元素的N、CN、BN或BCN化合物，
并且，所述A层和所述B层各自的厚度为2nm以上、200nm以下的范围，所述A层和所述B层交替层叠。
3.根据权利要求2所述的硬质皮膜，其特征在于，所述B层的组成由Ti1-m-nCrmAln(BoCpNq)构成，当所述m、n、o、p、q是原子比时，满足：
0≤m≤0.5
0.5≤n≤0.75
0≤1-m-n≤0.5
o+p+q＝1。
4.一种硬质皮膜被覆工具，是使用硬质皮膜而形成的硬质皮膜被覆工具，其特征在于，所述硬质皮膜是权利要求1所述的硬质皮膜。
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