CN112543818A - 硬质被膜和硬质被膜被覆构件 - Google Patents

硬质被膜和硬质被膜被覆构件 Download PDF

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Abstract

通过将A组成(AlCrSiα的氮化物)、B组成(AlTiSiβ的氮化物)和C组成(AlCr(SiC)γ的氮化物)中的一种的单一组成层的A层(32)与将A组成、B组成和C组成的纳米层(纳米层A层(32n)、纳米层B层(34n)、纳米层C层(36n))中的两种交替地层叠而成的两种纳米层交替层(38、40)分别以规定的膜厚交替地层叠，即使在例如对于钛合金的切削加工中也可得到优异的耐久性等可得到优异的耐磨性、韧性、润滑性和耐熔敷性。由此，除了钛合金外，例如在对于碳素钢、不锈钢、铸铁、合金钢等各种被切削材料的切削加工中或者在高速加工和干式加工等严酷的加工条件下，借由高韧性而抑制硬质被膜的破裂和剥离，从而能够实现工具的长寿命化。

Description

硬质被膜和硬质被膜被覆构件
技术领域
本发明涉及硬质被膜和硬质被膜被覆构件，特别涉及具有优异的耐磨性、耐熔敷性的硬质被膜。
背景技术
在端铣刀、铣刀、钻头、车刀、断屑器等切削工具、冷成型丝锥、滚轧成型工具等非切削工具等各种加工工具、或者要求耐磨性的摩擦零件等各种构件中，进行了对超硬合金、高速工具钢等的母材的表面涂覆硬质被膜。例如，在专利文献1中提出了AlCrN系/AlTiSiN系的多层结构的硬质被膜，在专利文献2中提出了AlCrN系/CrN系的多层结构的硬质被膜，在专利文献3中提出了AlCr系/TiSi系的多层结构的硬质被膜。该等硬质被膜通常具备优异的耐磨性、耐熔敷性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-35378号公报
专利文献2：日本特开2014-79834号公报
专利文献3：日本特表2008-534297号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，即使在这样的硬质被膜中，有时也因被切削材料的种类和切削速度等加工条件、使用条件等而未必能够获得充分满足的性能，仍存在改良的余地。例如，在将施加了以往的硬质被膜的切削工具用于钛合金的切削加工时，由于钛合金的粘滞性比较强，因此有时硬质被膜被提早剥离或破裂，不能得到充分的工具寿命。
本发明是以以上的情况为背景而完成的，其目的在于，提供即使在对于钛合金的切削加工中也可得到规定的工具寿命等具有优异的耐磨性、耐熔敷性的新型构成的硬质被膜和硬质被膜被覆构件。
用于解决课题的手段
本发明人以以上的情况为背景反复进行了各种实验、研究后发现，通过使用由AlCrSiα(其中α为任意添加成分，为选自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素)的氮化物构成的A组成、由AlTiSiβ(其中β为任意添加成分，为选自B、C、Cr、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素)的氮化物构成的B组成和AlCr(SiC)γ(其中γ为任意添加成分，为选自B、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素)的氮化物构成的C组成并将它们以规定的膜厚层叠，可得到具有高韧性的优异的耐久性的硬质被膜。本发明是基于该见解而完成的。
第1发明是以被覆母材的表面的方式附着于该表面的硬质被膜，其特征在于，(a)所述硬质被膜以将(a-1)单一组成层和(a-2)两种纳米层交替层(a-3)共三种层交替地层叠而总膜厚成为0.5～20μm的范围内的方式构成，该单一组成层由A组成、B组成和C组成中的任一种组成构成，该两种纳米层交替层以所述A组成和所述B组成、所述A组成和所述C组成、所述B组成和所述C组成这三种组合中的任两种组合将各组成的纳米层交替地层叠而成，(b)所述A组成是组成式为AlaCrbSicαd的氮化物，其中a、b、c、d分别以原子比计为0.30≤a≤0.85、0.10≤b≤0.65、0.01≤c≤0.45、0≤d≤0.10且a+b+c+d＝1，任意添加成分α为选自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素，(c)所述B组成是组成式为AleTifSigβh的氮化物，其中e、f、g、h分别以原子比计为0.01≤e≤0.85、0.05≤f≤0.90、0.05≤g≤0.45、0≤h≤0.10且e+f+g+h＝1，任意添加成分β为选自B、C、Cr、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素，(d)所述C组成是组成式为AliCrj(SiC)kγl的氮化物，其中i、j、k、l分别以原子比计为0.20≤i≤0.85、0.10≤j≤0.50、0.03≤k≤0.45、0≤l≤0.10且i+j+k+l＝1，任意添加成分γ为选自B、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素，(e)所述单一组成层的膜厚在0.5～1000nm的范围内，(f)构成所述两种纳米层交替层的所述纳米层的各膜厚均在0.5～500nm的范围内，所述两种纳米层交替层的各膜厚均在1～1000nm的范围内。
予以说明，上述C组成的(SiC)是指以碳化硅这样的化合物的形式存在。另外，横跨整个区域准确地控制各层的膜厚是困难的，本说明书中的膜厚为平均值，只要平均膜厚满足上述数值范围即可，存在部分在数值范围外的区域亦可。
第2发明的特征在于，在第1发明的硬质被膜中，所述单一组成层的膜厚T1与所述两种纳米层交替层的各膜厚T2、T3的比T1/T2、T1/T3均在0.2～10的范围内。
第3发明的特征在于，在第1发明或第2发明的硬质被膜中，交替地层叠的所述单一组成层和所述两种纳米层交替层的最下部的层直接设于所述母材的表面。
第4发明的特征在于，在第1发明或第2发明的硬质被膜中，(a)所述硬质被膜在其与所述母材的边界具备界面层，(b)所述界面层由以下共三种层中的任一种层构成：(b-1)由所述A组成、所述B组成和所述C组成中的任一种组成构成的单一组成层；(b-2)将由所述A组成、所述B组成和所述C组成中的任两种组成构成、且各自膜厚在0.5～500nm的范围内的两种纳米层交替地层叠而成的纳米层交替层；和(b-3)包含B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和W中的一种以上的元素的金属的氮化物、碳氮化物或碳化物的层；(c)所述界面层的膜厚在5～1000nm的范围内。
第5发明的特征在于，在第1发明～第4发明的任一者的硬质被膜中，(a)所述硬质被膜在最表面具有表面层，(b)所述表面层由单一组成层或纳米层交替层构成，该单一组成层由所述A组成、所述B组成和所述C组成中的任一种组成构成，该纳米层交替层将由所述A组成、所述B组成和所述C组成中的任两种组成构成、且各自膜厚在0.5～500nm的范围内的两种纳米层交替地层叠而成，(c)所述表面层的膜厚在0.5～1000nm的范围内。
第6发明的特征在于，在第1发明～第5发明的任一者的硬质被膜中，被膜硬度(HV0.025)在2700～3300(HV)的范围内。
被膜硬度(HV0.025)为依照维氏硬度试验法(JIS G0202、Z2244)在以硬度符号HV0.025表示的条件下测定硬质被膜的HV值(维氏硬度)所得的值。
第7发明为母材的表面的一部分或全部被硬质被膜被覆着的硬质被膜被覆构件，其特征在于，所述硬质被膜为第1发明～第6发明的任一者的硬质被膜。
第8发明的特征在于，在第7发明的硬质被膜被覆构件中，所述硬质被膜被覆构件为被动绕轴心旋转并且切削刃伴随旋转而断续地进行切削加工的断续切削工具。
予以说明，上述各发明中的数值范围只要各自四舍五入后的值进入数值范围即可。
发明效果
在这样的本发明的硬质被膜中，由A组成构成的单一组成层借由Al与Cr的比例而可得到高硬度、抗氧化性、高韧性，由B组成构成的单一组成层借由Al与Ti的比例而可得到高韧性、耐热性、抗氧化性。由C组成构成的单一组成层由于Si以SiC(碳化硅)这样的化合物的形式存在，因此与氧的键合性低，并且SiC为共价键合，因此为高硬度且即使在1000℃以上机械强度的下降也小，耐热性、耐磨性、抗氧化性优异。纳米层交替层(ナノレイヤー交互層)根据各纳米层的组成而可得到上述特性以外，由于膜厚比单一组成层薄，晶粒小，因此为高硬度且耐磨性提高，并且韧性因多层结构而提高。另外，在A组成～C组成中任意添加的成分α、β、γ通过以10at％(原子％)以下的比例添加，由此能够使被膜的晶粒细化，能够利用添加量控制被膜的粒径，能够调整各被膜的硬度、抗氧化性、韧性、润滑性等。而且，通过将具有这样的特性的任意的一种单一组成层和两种纳米层交替层分别以规定的膜厚交替地层叠，可到耐磨性、润滑性、耐熔敷性和韧性优异的硬质被膜。由此，例如在切削工具的情况下，在对于碳素钢、不锈钢、铸铁、合金钢、钛合金等各种被切削材料的切削加工中或者在高速加工和干式加工等严酷的加工条件下，借由高韧性而硬质被膜的破裂和剥离被抑制，从而能够实现工具的长寿命化。
在第2发明中，由于单一组成层的膜厚T1与两种纳米层交替层的各膜厚T2、T3的比T1/T2、T1/T3均在0.2～10的范围内，因此一种单一组成层和两种纳米层交替层分别以具有规定的特性的适当膜厚设置，可适当地得到耐磨性、耐熔敷性等性能。
第3发明为交替地层叠的一种单一组成层和两种纳米层交替层共三种层的最下部的层直接设于母材的表面的情形，与在其与母材的边界设置界面层等的情形相比，成膜成本减少。
第4发明为规定的组成、膜厚的界面层设于其与母材的边界的情形，能够提高硬质被膜对母材的附着强度。
第5发明为规定的组成、膜厚的表面层设于硬质被膜的最表面的情形，通过适当地设定该表面层的组成和膜厚，能够进一步提高耐磨性和耐熔敷性等规定的被膜特性。
第6发明为硬质被膜的被膜硬度(HV0.025)在2700～3300(HV)的范围内，因此可均衡地得到耐磨性和高韧性，破裂和剥离被抑制，从而可得到优异的耐久性。
第7发明涉及硬质被膜被覆构件，通过设置第1发明～第6发明的硬质被膜，可得到实质上与该等发明同样的作用效果。
第8发明是硬质被膜被覆构件为端铣刀和铣刀等断续切削工具的情形，切削刃断续地进行切削加工，从而在经受反复冲击负载的同时容易发热。因此，适合使用可得到高的耐磨性、韧性、润滑性、耐熔敷性的本发明的硬质被膜。
附图说明
图1为示出应用了本发明的端铣刀的一例的正视图。
图2为从前端侧观察图1的端铣刀的放大底面图。
图3为说明设于图1的端铣刀的硬质被膜的被膜结构的示意图。
图4为说明设于图1的端铣刀的硬质被膜的被膜结构的其它例的示意图。
图5为说明设于图1的端铣刀的硬质被膜的被膜结构的又一其它例的示意图。
图6为说明设于图1的端铣刀的硬质被膜的被膜结构的又一其它例的示意图。
图7为说明设于图1的端铣刀的硬质被膜的被膜结构的又一其它例的示意图。
图8为说明设于图1的端铣刀的硬质被膜的被膜结构的又一其它例的示意图。
图9为说明作为将图3～图8的硬质被膜成膜于工具母材上的物理蒸镀装置的一例的电弧离子镀装置的略图。
图10为示出构成在切削加工试验中使用的试验品1～试验品50的硬质被膜的A组成的构成元素的种类和含有比例的图。
图11为示出构成试验品1～试验品50的硬质被膜的B组成的构成元素的种类和含有比例的图。
图12为示出构成试验品1～试验品50的硬质被膜的C组成的构成元素的种类和含有比例的图。
图13为说明试验品1～试验品25的硬质被膜的被膜结构的图。
图14为说明试验品26～试验品50的硬质被膜的被膜结构的图。
图15为示出试验品1～试验品50的硬质被膜的被膜硬度、进行切削加工试验所测定的切削距离和判定结果的图。
具体实施方式
本发明适合应用于端铣刀、铣刀、丝锥、钻头等旋转切削工具、以及车刀等非旋转式的切削工具、或者冷成型丝锥、滚轧成型工具、压制模具等非切削工具等各种加工工具的表面所设的硬质被膜，也能够应用于轴承构件、半导体装置等的表面保护膜等要求耐磨性、润滑性、抗氧化性等的加工工具以外的构件的表面所设的硬质被膜。也可应用于安装于各种加工工具而使用的切削刃断屑器等。作为硬质被膜被覆工具的工具母材，适合使用超硬合金、高速工具钢、金属陶瓷、陶瓷、多晶金刚石(PCD)、单晶金刚石、多晶CBN、单晶CBN，也能够采用其它工具材料。作为硬质被膜的形成手段，可适合使用电弧离子镀法、溅射法、PLD(Pulse LASER Deposition；脉冲激光沉积)法等PVD法(物理蒸镀法)。
本发明的硬质被膜可适宜地用于例如对于钛合金进行切削加工的切削工具，但由于耐磨性、润滑性、耐熔敷性和韧性优异，因此也可适宜地用于对碳素钢、不锈钢、铸铁、合金钢等其它被切削材料进行切削加工的切削工具。另外，也可用于在高速加工、干式加工等严酷的加工条件下进行切削加工的切削工具等。
硬质被膜是将一种单一组成层与两种纳米层交替层共三种层交替地层叠而成，该一种单一组成层由A组成、B组成和C组成中的任一种组成构成，该两种纳米层交替层以A组成和B组成、A组成和C组成、B组成和C组成这三种组合中的任两种组合将各组成的纳米层交替地层叠而成，该等层的层叠顺序可适当设定。期望一种单一组成层与两种纳米层交替层共三种层以预定的次序层叠1个周期以上，以1个周期(三种层)作为单位进行层叠，但例如最下部的层与最上部的层相同等，最上部在1个周期的中途结束也可以。关于将两种组成的纳米层交替地层叠而成的纳米层交替层也同样，期望以1个周期(两种纳米层)作为单位进行层叠，但纳米层的层叠数可以为奇数。硬质被膜的总膜厚在具有界面层和/或表面层的情况下为包含了该等界面层和/或表面层的膜厚。
一种单一组成层的膜厚T1与两种纳米层交替层的膜厚T2、T3之比T1/T2、T1/T3期望均在0.2～10的范围内，也可以以偏离该数值范围的比设定各膜厚T1、T2、T3。硬质被膜根据需要在其与母材之间设置界面层。界面层宜为例如由A组成、B组成和C组成中的任一种组成构成的单一组成层、或者将由A组成、B组成和C组成中的任两种组成构成的两种纳米层交替地层叠而成的纳米层交替层，也可设置包含B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和W中的一种以上的元素的金属的氮化物、碳氮化物或碳化物的层作为界面层，也可设置其它组成的界面层。界面层的膜厚宜在5～1000nm的范围内，也可设为该数值范围外的膜厚。
硬质被膜根据需要设置表面层。表面层宜为由A组成、B组成和C组成中的任一种组成构成的单一组成层、或者将由A组成、B组成和C组成中的任两种组成构成的两种纳米层交替地层叠而成的纳米层交替层，也可设置其它组成的表面层。表面层的膜厚宜在0.5～1000nm的范围内，也可设为该数值范围外的膜厚。
这样的硬质被膜的被膜硬度(HV0.025)低时得不到充分的耐磨性，另一方面，过高时变得容易发生剥离或破裂，因此与界面层和表面层的有无无关，宜为例如2700～3300(HV)左右的范围内。不过，根据被切削材料的种类、加工条件、使用条件等，硬质被膜的被膜硬度(HV0.025)可以小于2700(HV)，也可以超过3300(HV)。
根据本发明人的见解，本发明的硬质被膜通过将一种单一组成层与两种纳米层交替层共三种层交替地层叠，与AlCrN基或AlCrTiN基的多层被膜相比，机械特性(硬度)、耐磨性、抗氧化性和剪切强度得到改善。另外，能够因具有不同的弹性特性(弹性模量和硬度)的各层的界面所致的晶格位错的阻碍而实现高的硬度。该界面由于阻碍能量耗散和龟裂扩展的作用，不仅有助于被膜硬度的提高，而且有助于韧性的提高。另一方面，界面大幅地影响多层被膜的特性，设置纳米层的周期为纳米范围的纳米层交替层，因此通过利用各纳米层的厚度适当调整晶粒的尺寸和膜密度，可得到被膜的机械特性和摩擦学提高效果。
另外，纳米级的单层、界面和各纳米层交替层利用非晶合金相和晶相的扩散混合而与以往的粗粒的多层被膜相比，耐磨性和韧性变得良好。纳米层交替层经由晶界位错和向错(disclination)的形成而内部应力被缓和，断续切削加工等加工中的被膜的破裂(裂纹)和龟裂的产生被抑制。
本发明的硬质被膜通过生成微细的粒子，被膜表面变得平滑，表面组织变得致密，因此耐磨性提高。另外，由于界面的边界多，经由界面的晶界位错和向错的形成而内部应力被缓和，因此韧性和硬度提高，断续切削加工等切削加工中的被膜的破裂和龟裂的传播被抑制。
实施例
以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1为说明应用了本发明的硬质被膜被覆构件的一例的端铣刀10的正视图，图2为从前端侧观察到的放大底面图。该端铣刀10以超硬合金的工具母材12(参照图3～图8)为主体而构成，工具母材12一体地设有柄14和刃部(刀头)16。刃部16绕轴心等间距地设有5片由外周刀18和底刀20构成的切削刃，通过绕轴心旋转驱动，利用该等外周刀18和底刀20断续地进行切削加工。本实施例的端铣刀10为在外周刀18和底刀20连接的角部分设有圆弧的半径端铣刀。端铣刀10为硬质被膜被覆工具，相当于断续切削工具。
刃部16处的工具母材12的表面如图3所示那样涂覆有硬质被膜30。图3为放大地示出涂覆有硬质被膜30的刃部16的表面附近的剖面的示意图，图1的斜线部表示涂覆有硬质被膜30的区域。也可用硬质被膜30被覆包括柄14在内的端铣刀10整体。
硬质被膜30形成为自表面侧将A层32、纳米层交替层38和纳米层交替层40层叠至少1个周期以上的多层结构，在与工具母材12的边界部分设有界面层44。即，在工具母材12的表面上首先设置界面层44，在该界面层44上将纳米层交替层40、纳米层交替层38和A层32按该顺序反复层叠，在最上部设有A层32。包含界面层44的硬质被膜30的总膜厚Ttotal在0.5～20μm的范围内适当设定，A层32的膜厚T1在0.5～1000nm的范围内适当设定，纳米层交替层38、40的膜厚T2、T3分别在1～1000nm的范围内适当设定。另外，以膜厚T1与膜厚T2、T3之比T1/T2、T1/T3均在0.2～10的范围内的方式设定各膜厚T1～T3。
A层32为仅由A组成构成的单一组成层。A组成是组成式为AlaCrbSicαd的氮化物，其中a、b、c、d分别以原子比计为0.30≤a≤0.85、0.10≤b≤0.65、0.01≤c≤0.45、0≤d≤0.10且a+b+c+d＝1，任意添加成分α为选自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素。图10为示出A组成的各元素的含量(at％)的具体例的图，空栏为含量(at％)＝0，标有散点的栏(灰色部分)为与含量对应的原子比在上述组成式的数值范围外。即，试验品7～试验品50满足A组成的要件。这种组成的A层32具有立方晶岩盐型结构作为晶系，具有高硬度且耐磨性优异的特征，借由Al与Cr的比例而可得到高硬度、抗氧化性、高韧性。另外，通过Si以规定的比例添加，耐热性提高。任意添加成分α通过以10at％以下的比例添加，能够使被膜的晶粒细化，能够利用添加量控制粒径。另外，通过包含该等元素，润滑性和抗氧化性提高，对于切削加工时的发热的高温强度和高温韧性提高。由此，在承受大的冲击的机械负荷的切削条件下，崩碎(chipping)和缺陷等的发生被抑制。另外，由高速加工时等的发热所致的氧化磨损减少，可均衡地得到耐磨性和耐熔敷性，即使在高速加工和干式加工中也可得到高的耐久性。
纳米层交替层38形成为将由与A层32相同的A组成构成的纳米层A层32n和由B组成构成的纳米层B层34n交替地层叠1个周期以上而成的多层结构。在该实施例中，最下部为纳米层A层32n，最上部为纳米层B层34n，但也可以是最下部为纳米层B层34n、最上部为纳米层A层32n。纳米层A层32n和纳米层B层34n的各膜厚均在0.5～500nm的范围内适当设定。B组成是组成式为AleTifSigβh的氮化物，其中e、f、g、h分别以原子比计为0.01≤e≤0.85、0.05≤f≤0.90、0.05≤g≤0.45、0≤h≤0.10且e+f+g+h＝1，任意添加成分β为选自B、C、Cr、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素。图11为示出B组成的各元素的含量(at％)的具体例的图，空栏为含量(at％)＝0，标有散点的栏(灰色部分)为与含量对应的原子比在上述组成式的数值范围外。即，试验品7～试验品50满足B组成的要件。这种B组成借由Al与Ti的比例而可得到高韧性、耐热性、抗氧化性。另外，通过Si以规定的比例添加，高温强度、耐热性提高。任意添加成分β通过以10at％以下的比例添加，成为高硬度且抗氧化性优异的被膜，耐磨性提高。B组成为立方晶结构，通过加入任意添加成分β，晶粒细化，硬度和耐磨性提高。晶体结构较(111)面在(200)面优先取向，(200)面的衍射线的积分强度为(111)面的衍射线的积分强度的1.5倍以上。
纳米层交替层40形成为将由与A层32相同的A组成构成的纳米层A层32n和由C组成构成的纳米层C层36n交替地层叠1个周期以上而成的多层结构。在该实施例中，最下部为纳米层A层32n，最上部为纳米层C层36n，但也可以是最下部为纳米层C层36n、最上部为纳米层A层32n。纳米层A层32n和纳米层C层36n的各膜厚均在0.5～500nm的范围内适当设定。C组成是组成式为AliCrj(SiC)kγl的氮化物，其中i、j、k、l分别以原子比计为0.20≤i≤0.85、0.10≤j≤0.50、0.03≤k≤0.45、0≤l≤0.10且i+j+k+l＝1，任意添加成分γ为选自B、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素。图12为示出C组成的各元素的含量(at％)的具体例的图，空栏为含量(at％)＝0，标有散点的栏(灰色部分)为与含量对应的原子比在上述组成式的数值范围外。即，试验品7～试验品50满足C组成的要件。这种C组成由于Si以SiC(碳化硅)这样的化合物的形式存在，因此与氧的键合性低，并且SiC为共价键合，因此为高硬度且即使在1000℃以上机械强度的下降也少，滑动性也好，因此具有高硬度且耐热性、抗氧化性、耐磨性优异的特征。另外，通过任意添加成分γ以10at％以下的比例添加，能够使晶粒细化，能够利用添加量控制粒径，能够调整被膜的硬度、韧性、润滑性。由于耐磨性和抗氧化性优异，因此由高速加工时等的发热所致的氧化磨损减少，可良好地得到耐磨性和耐熔敷性，即使在高速加工和干式加工中也可得到高的耐久性。
上述纳米层交替层38和40除了根据各纳米层32n、34n、36n的组成可得到上述各特性以外，具有高硬度且耐磨性、韧性和抗氧化性优异的特征。即，纳米层32n、34n、36n的界面由于阻碍晶格位错而能够达成高的硬度，同时利用阻碍能量耗散和龟裂扩展的作用而有助于韧性的提高。另外，纳米层32n、34n、36n的周期为纳米范围，因此通过利用各纳米层32n、34n、36n的厚度来适当地调整晶粒的尺寸和膜密度，可得到被膜的机械特性和摩擦学提高效果。纳米层交替层38、40利用非晶合金相和晶相的扩散混合而与以往的粗粒的多层被膜相比，耐磨性和韧性变得良好。纳米层交替层38、40经由晶界位错和向错的形成而内部应力被缓和，断续切削加工中的被膜的破裂和龟裂的产生、传播被抑制。纳米层交替层38的抗氧化性和润滑性优异，硬度(纳米压痕法硬度)为38～40GPa左右。另外，纳米层交替层40为高硬度且抗氧化性优异，硬度(纳米压痕法硬度)为43～45GPa左右。
另外，由于将A层32与两种纳米层交替层38、40交替地层叠，因此通过适当地设定该等各层32、38、40的硬度，能够使内部应力平衡。由此，各层32、38、40的附着强度提高，即使在高硬度材料或难切削材料等的高速加工中，剥离也被抑制，从而可得到优异的耐崩碎性、耐磨性。
上述界面层44在本实施例中为仅由与A层32相同的A组成构成的单一组成层。界面层44的膜厚在5～1000nm的范围内适当设定。通过将这种界面层44设于与工具母材12的边界，能够提高硬质被膜30对工具母材12的附着强度。
这样的硬质被膜30的被膜硬度(HV0.025)低时得不到充分的耐磨性，另一方面，过高时变得容易发生剥离或破裂，因此在本实施例中设为2700～3300(HV)的范围内。
图4～图8为说明端铣刀10的刃部16的表面所设的硬质被膜的其它例的图，均为与图3对应的剖面示意图，各硬质被膜的总膜厚Ttotal在0.5～20μm的范围内。图4的硬质被膜50与上述硬质被膜30相比，设有B层34代替A层32，并且设有纳米层交替层42代替纳米层交替层40、设有界面层52代替界面层44。B层34的膜厚T1在0.5～1000nm的范围内适当设定，纳米层交替层38、42的膜厚T2、T3分别在1～1000nm的范围内适当设定。另外，以膜厚T1与膜厚T2、T3之比T1/T2、T1/T3均在0.2～10的范围内的方式设定各膜厚T1～T3。予以说明，B层34的膜厚T1与上述A层32的膜厚T1另行地设定，但均为单一组成层且膜厚T1的数值范围相同，因此使用共同的符号T1进行说明。关于纳米层交替层38、42的膜厚T2、T3也同样。
上述B层34为仅由上述B组成构成的单一组成层，且纳米层交替层42形成为将纳米层B层34n和纳米层C层36n交替地层叠1个周期以上而成的多层结构。在该实施例中，最下部为纳米层B层34n，最上部为纳米层C层36n，但也可以是最下部为纳米层C层36n、最上部为纳米层B层34n。纳米层B层34n和纳米层C层36n的各膜厚均在0.5～500nm的范围内适当设定。界面层52为仅由上述B组成构成的单一组成层，且界面层52的膜厚在5～1000nm的范围内适当设定。上述纳米层交替层42的抗氧化性和润滑性优异，硬度(纳米压痕法硬度)为38～40GPa左右。
图5的硬质被膜60与上述硬质被膜30相比，设有C层36代替A层32，并且设有纳米层交替层42代替纳米层交替层38、设有界面层62代替界面层44。C层36的膜厚T1在0.5～1000nm的范围内适当设定，纳米层交替层40、42的膜厚T2、T3分别在1～1000nm的范围内适当设定。另外，以膜厚T1与膜厚T2、T3之比T1/T2、T1/T3均在0.2～10的范围内的方式设定各膜厚T1～T 3。上述C层36为仅由上述C组成构成的单一组成层，且界面层62为将纳米层A层32n、纳米层B层34n和纳米层C层36n中的任两种交替地层叠而成的纳米层交替层。界面层62的膜厚在5～1000nm的范围内适当设定，构成界面层62的纳米层A层32n、纳米层B层34n和纳米层C层36n中的两种纳米层的膜厚均在0.5～500nm的范围内适当设定。
图6的硬质被膜70与上述硬质被膜30相比，为A层32、纳米层交替层38、40的层叠顺序不同的情形，在纳米层交替层40与纳米层交替层38之间设有A层32，纳米层交替层40设于最表面。另外，设有由纳米层交替层构成的上述界面层62代替A组成的界面层44。予以说明，也可以在纳米层交替层38与纳米层交替层40之间设有A层32、纳米层交替层38设于最表面等，交替地层叠的三种层32、38、40的层叠顺序能够适当设定。关于其它硬质被膜50、60也同样。另外，也可适当设定A层32、B层34、C层36中的一种与纳米层交替层38、40、42中的两种的组合，例如可以将A层32与纳米层交替层38和42组合而层叠，或者将A层32与纳米层交替层40和42组合而层叠。
图7的硬质被膜80与上述硬质被膜30相比，为省略了界面层44的情形。
图8的硬质被膜90与上述硬质被膜30相比，表面层92设于最表面，并且设有与A组成、B组成、C组成不同的界面层94。作为表面层92，例如设置如A层32、B层34、C层36那样由A组成、B组成或C组成构成的单一组成层，或者设置与上述界面层62同样将纳米层A层32n、纳米层B层34n和纳米层C层36n中的任两种分别以0.5～500nm的膜厚交替地层叠而成的纳米层交替层。表面层92的膜厚在0.5～1000nm的范围内适当设定。界面层94由包含B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和W中的一种以上的元素的金属的氮化物、碳氮化物或碳化物构成，界面层94的膜厚在5～1000nm的范围内适当设定。
另外，虽然省略图示，但也能够以其它形态构成硬质被膜。例如，上述硬质被膜30、50、60、70、80、90均为将一种单一组成层(A层32、B层34、C层36的任一层)与纳米层交替层38、40、42中的任两种共三种层按预定的次序以1个周期为单位进行层叠，但例如在硬质被膜30中省略最上部的A层32等，最上部在1个周期的中途结束也可以。换言之，在无表面层的硬质被膜30、50、60、70、80中，也可以将其最上部的最表面的层视为有别于交替地层叠的三种层的表面层。关于将两种纳米层(纳米层A层32n、纳米层B层34n、纳米层C层36n中的任两层)交替地层叠而成的纳米层交替层38、40、42，也可以例如纳米层交替层38由纳米层A层32n开始并以纳米层A层32n结束等，合计的层数为奇数。另外，也可采用仅由C组成构成的单一组成层的界面层代替界面层44、52、62、94。
图13和图14为具体地说明试验品1～试验品50的硬质被膜的被膜结构的图，单一组成层的栏的A层、B层、C层相当于上述A层32、B层34、C层36。另外，纳米层交替层的栏的A层、B层、C层相当于上述纳米层A层32n、纳米层B层34n、纳米层C层36n，交替层(AB)、交替层(AC)、交替层(BC)相当于上述纳米层交替层38、40、42。另外，界面层为上述界面层44、52、62、94的任一种。单一组成层中的A层～C层、纳米层交替层中的交替层(AB)、交替层(AC)、交替层(BC)的层叠对数和膜厚的栏的各横杠“—”是指不具备该等层之意。另外，图13和图14的各试验品1～试验品50均不具备表面层。图13中标有散点的栏(灰色部分)是指不满足本实施例(本发明的权利要求1)的膜厚要件，试验品1～试验品6为比较品，试验品7～试验品50为本发明品。
图9为说明在对于工具母材12涂覆上述硬质被膜30、50、60、70、80、90或者图13、图14中记载的试验品1～50的硬质被膜(以下，在没有特别区分的情况下简称为硬质被膜30等)时使用的电弧离子镀装置100的概要构成图(示意图)。电弧离子镀装置100为采用作为PVD法的一种的电弧离子镀法在工具母材12的表面涂覆上述硬质被膜30等的装置，通过切换蒸发源(靶)和反应气体，能够以规定的膜厚连续地形成组成不同的多种层。例如，在硬质被膜30的情况下，在工具母材12的表面设置界面层44后，将纳米层交替层40、38和A层32交替地重复层叠即可。图9相当于从上方观看电弧离子镀装置100的俯视图。
电弧离子镀装置100具有：保持多个工件(即待涂覆硬质被膜30等的工具母材12)，并绕大致垂直的旋转中心S旋转驱动的旋转盘154；对工具母材12施加负偏压的偏压电源156；作为将工具母材12等容纳于内部的处理容器的腔室158；向腔室158内供给规定的反应气体的反应气体供给装置160；用真空泵等将腔室158内的气体排出以进行减压的排气装置162；第1电弧电源164、第2电弧电源166、第3电弧电源168、第4电弧电源170等。旋转盘154形成为以上述旋转中心S为中心的圆盘状，在该旋转盘154的外周部分以成为与旋转中心S大致平行的姿势配置多个工具母材12。也可以使工具母材12绕轴心自转，同时利用旋转盘154使其绕旋转中心S公转。反应气体供给装置160在涂覆A层32、B层34、C层36等的氮化物时将氮气供给至腔室158内。腔室158内利用排气装置162而形成例如2～10Pa左右的真空状态，同时利用未图示的加热器等加热至例如300～600℃左右的蒸镀处理温度。
第1电弧电源164、第2电弧电源166、第3电弧电源168、第4电弧电源170均将由蒸镀材料构成的第1蒸发源172、第2蒸发源176、第3蒸发源180、第4蒸发源184作为阴极，在其与阳极174、178、182、186之间选择性地流通规定的电弧电流而使其电弧放电，从而从该等第1蒸发源172、第2蒸发源176、第3蒸发源180、第4蒸发源184使蒸发材料选择性地蒸发，蒸发了的蒸发材料成为正离子而蒸镀于被施加有负(—)偏压的工具母材12。即，蒸发源172、176、180、184分别由上述A组成、B组成、C组成的任一种合金构成，剩下一个蒸发源设为例如膜厚较厚的组成的合金，从而能够高效地进行涂覆。也可以配合A组成、B组成、C组成的组成数而使蒸发源为3个。
然后，通过适当地切换上述电弧电源164、166、168、170以依次涂覆规定的组成的层，从而可得到规定的被膜结构的上述硬质被膜30等。各层的膜厚可利用旋转盘154的转速和电弧电源164、166、168、170的通电时间等调整。在组成不同的多个层的边界部分也可以形成混有两种组成的混合层。
接着，对于工具母材12为超硬合金且直径为16mm、5片刀的上述端铣刀10同样的半径端铣刀，准备设有如图10～图14所示的被膜结构的硬质被膜的试验品1～试验品50，对进行了该硬质被膜的性能试验的结果进行说明。图15为示出试验结果的图，被膜硬度为依照维氏硬度试验法(JIS G0202、Z2244)在以硬度符号HV0.025表示的条件下测定硬质被膜的HV值(维氏硬度)所得的值。另外，测定了依照以下的切削试验条件、使用试验品1～试验品50分别进行了切削加工的情况下的外周刀18的后隙面磨损宽度和切削距离，判定了被膜性能(耐久性)。具体地，随时中断切削加工测定后隙面磨损宽度，测定了后隙面磨损宽度成为0.2mm以上时的切削距离。而且，将切削距离为20m以上设为合格“○”，将小于20m设为不合格“×”。后隙面磨损宽度使用株式会社ニコン制的测定显微镜(MM-400/LM)通过目视观察而测定。
《切削试验条件》
·被切削材料：钛合金
·切削速度V：70m/min
·转速n：1400min-1
·进给速度：f＝0.09mm/t、F＝630mm/min
·加工形态：侧面切削
·轴向进刀量ap：28.8mm
·径向进刀量ae：3.2mm
如从图15可知的那样，关于被膜硬度(HV0.025)，作为本发明品的试验品7～试验品50均在2700～3300(HV)的范围内，能够期待优异的耐磨性和抗冲击性(对于由断续切削所致的破裂和剥离的强度)，而作为比较品的试验品1～试验品6为1900～2300(HV)左右。关于切削距离，作为本发明品的试验品7～试验品50均能够进行20m以上的切削加工，得到了优异的耐久性。而作为比较品的试验品1～试验品6的切削距离均小于20m。
如此，根据本实施例的端铣刀10的硬质被膜30等，通过将A层32、B层34和C层36中的任一种单一组成层与纳米层交替层38、40和42中的任两种纳米层交替层共三种层分别以规定的膜厚交替地层叠，即使在例如对于钛合金的切削加工中也可得到优异的耐久性等可得到优异的耐磨性、韧性、润滑性和耐熔敷性。由此，除了钛合金外，例如在对于碳素钢、不锈钢、铸铁、合金钢等各种被切削材料的切削加工中或者在高速加工和干式加工等严酷的加工条件下，借由高韧性而抑制硬质被膜30等的破裂和剥离，从而能够实现工具的长寿命化。
另外，上述一种单一组成层的膜厚T1与两种纳米层交替层的各膜厚T2、T3之比T1/T2、T1/T3均在0.2～10的范围内，因此可将一种单一组成层和两种纳米层交替层分别以具有规定特性的适当膜厚设置，可适宜地得到耐磨性、耐熔敷性等性能。
另外，硬质被膜30等的被膜硬度(HV0.025)在2700～3300(HV)的范围内，因此可均衡地得到耐磨性和高韧性，破裂和剥离被抑制，从而可得到优异的耐久性。
另外，图7的硬质被膜80不具备界面层，因此成膜成本降低，能够便宜地制造具有硬质被膜80的端铣刀10。另一方面，硬质被膜30、50、60、70、90和试验品7～试验品50具备规定的组成、膜厚的界面层，因此能够提高硬质被膜30等对工具母材12的附着强度。
另外，图8的硬质被膜90具备规定的组成、膜厚的表面层92，因此通过适当设定该表面层92的组成和膜厚，能够进一步提高耐磨性和耐熔敷性等规定的被膜性能。
另外，端铣刀10为外周刀18和底刀20断续地进行切削加工的断续切削工具，该等外周刀18和底刀20在经受反复冲击负载的同时容易发热，但通过设置具有高的耐磨性、韧性、润滑性、耐熔敷性的硬质被膜30等，能够实现工具的长寿命化。
以上，基于附图对本发明的实施例进行了详细地说明，但这些等仅为一实施方式，本发明可基于本领域技术人员的知识以施加各种改变、改良的方式来实施。
附图标记说明
10：端铣刀(硬质被膜被覆构件、断续切削工具)12：工具母材(母材)18：外周刀(切削刃)20：底刀(切削刃)30、50、60、70、80、90：硬质被膜32：A层(单一组成层)32n：纳米层A层(纳米层)34：B层(单一组成层)34n：纳米层B层(纳米层)36：C层(单一组成层)36n：纳米层C层(纳米层)38、40、42：纳米层交替层44、52、62、94：界面层92：表面层Ttotal：总膜厚T1：单一组成层的膜厚T2、T3：纳米层交替层的膜厚

Claims (8)

1.硬质被膜，其是以被覆母材的表面的方式附着于该表面的硬质被膜，其特征在于，
所述硬质被膜以将单一组成层与两种纳米层交替层共三种层交替地层叠而总膜厚成为0.5～20μm的范围内的方式构成，该单一组成层由A组成、B组成和C组成中的任一种组成构成，该两种纳米层交替层以所述A组成和所述B组成、所述A组成和所述C组成、所述B组成和所述C组成这三种组合中的任两种组合将各组成的纳米层交替地层叠而成，
所述A组成是组成式为AlaCrbSicαd的氮化物，其中a、b、c、d分别以原子比计为0.30≤a≤0.85、0.10≤b≤0.65、0.01≤c≤0.45、0≤d≤0.10且a+b+c+d＝1，任意添加成分α为选自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素，
所述B组成是组成式为AleTifSigβh的氮化物，其中e、f、g、h分别以原子比计为0.01≤e≤0.85、0.05≤f≤0.90、0.05≤g≤0.45、0≤h≤0.10且e+f+g+h＝1，任意添加成分β为选自B、C、Cr、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素，
所述C组成是组成式为AliCrj(SiC)kγl的氮化物，其中i、j、k、l分别以原子比计为0.20≤i≤0.85、0.10≤j≤0.50、0.03≤k≤0.45、0≤l≤0.10且i+j+k+l＝1，任意添加成分γ为选自B、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素，
所述单一组成层的膜厚在0.5～1000nm的范围内，
构成所述两种纳米层交替层的所述纳米层的各膜厚均在0.5～500nm的范围内，所述两种纳米层交替层的各膜厚均在1～1000nm的范围内。
2.权利要求1所述的硬质被膜，其特征在于，所述单一组成层的膜厚T1与所述两种纳米层交替层的各膜厚T2、T3的比T1/T2、T1/T3均在0.2～10的范围内。
3.权利要求1或2所述的硬质被膜，其特征在于，交替地层叠的所述单一组成层和所述两种纳米层交替层的最下部的层直接设于所述母材的表面。
4.权利要求1或2所述的硬质被膜，其特征在于，所述硬质被膜在其与所述母材的边界具备界面层，
所述界面层由以下共三种层中的任一种层构成：由所述A组成、所述B组成和所述C组成中的任一种组成构成的单一组成层；将由所述A组成、所述B组成和所述C组成中的任两种组成构成、且各自膜厚在0.5～500nm的范围内的两种纳米层交替地层叠而成的纳米层交替层；和包含B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr和W中的一种以上的元素的金属的氮化物、碳氮化物或碳化物的层；
所述界面层的膜厚在5～1000nm的范围内。
5.权利要求1～4的任一项所述的硬质被膜，其特征在于，所述硬质被膜在最表面具有表面层，
所述表面层由单一组成层或纳米层交替层构成，该单一组成层由所述A组成、所述B组成和所述C组成中的任一种组成构成，该纳米层交替层将由所述A组成、所述B组成和所述C组成中的任两种组成构成、且各自膜厚在0.5～500nm的范围内的两种纳米层交替地层叠而成，
所述表面层的膜厚在0.5～1000nm的范围内。
6.权利要求1～5的任一项所述的硬质被膜，其特征在于，被膜硬度(HV0.025)在2700～3300(HV)的范围内。
7.硬质被膜被覆构件，其是母材的表面的一部分或全部被硬质被膜被覆着的硬质被膜被覆构件，其特征在于，所述硬质被膜为权利要求1～6的任一项所述的硬质被膜。
8.权利要求7所述的硬质被膜被覆构件，其特征在于，所述硬质被膜被覆构件为被动绕轴心旋转并且切削刃伴随旋转而断续地进行切削加工的断续切削工具。
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