CN112888807A - 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层(32)和B层(34)与纳米层交替层(36)分别以规定的膜厚交替地层叠，得到优异的耐磨性、韧性、润滑性和耐熔敷性；该A层(32)和B层(34)为A组成(AlCrα的氮化物)、B组成(AlCrSiβ的氮化物)和C组成(AlCr(SiC)γ的氮化物)中的两种的单一组成层，该纳米层交替层(36)是将由A组成、B组成和C组成中的两种组成构成的两种纳米层(纳米层A层(32n)、纳米层B层(34n))交替地层叠而成。由此，例如在对于碳素钢、铸铁、合金钢、不锈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，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，特别涉及耐磨性和耐熔敷性优异的硬质被膜。
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。
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，即使在这种以往的硬质被膜中，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耐磨性、耐熔敷性，仍存在改良的余地。例如，在实施了AlCrN系/CrN系的多层结构的硬质被膜的切削工具的情况下，若用于碳素钢、铸铁等的切削加工，则有时耐磨性不充分。
本发明是以以上的情况为背景而完成的，其目的在于，提供耐磨性和耐熔敷性优异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AlCrα(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AlCrSiβ(其中β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B组成和AlCr(SiC)γ(其中γ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C组成并将它们以规定的膜厚层叠，可得到优异的耐磨性、耐熔敷性。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)所述硬质被膜以将两种单一组成层和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，该两种单一组成层由A组成、B组成和C组成中的任两种组成构成，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的两种纳米层交替地层叠而成，(b)所述A组成是组成式为AlaCrbαc的氮化物，其中a、b、c分别以原子比计为0.30≤a≤0.85、0.15≤b≤0.70、0≤c≤0.10且a+b+c＝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AldCreSifβg的氮化物，其中d、e、f、g分别以原子比计为0.20≤d≤0.85、0.10≤e≤0.50、0.03≤f≤0.45、0≤g≤0.10且d+e+f+g＝1，任意添加成分β为选自B、C、Ti、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AlhCri(SiC)jγk的氮化物，其中h、i、j、k分别以原子比计为0.20≤h≤0.85、0.10≤i≤0.50、0.03≤j≤0.45、0≤k≤0.10且h+i+j+k＝1，任意添加成分γ为选自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素，(e)所述两种单一组成层的膜厚均在0.5～1000nm的范围内，(f)构成所述纳米层交替层的所述两种纳米层的各膜厚均在0.5～500nm的范围内，所述纳米层交替层的膜厚在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，所述两种单一组成层的各膜厚T1、T2与所述纳米层交替层的膜厚T3的比T1/T3、T2/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，交替地层叠的所述两种单一组成层和所述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之间具备界面层，(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10～1000nm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5～1000nm的范围内。
第6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5发明的任一者的硬质被膜。
第7发明的特征在于，在第6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该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为高硬度且耐磨性优异，由B组成构成的单一组成层为高硬度且耐磨性、抗氧化性优异。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)为高硬度且耐磨性、韧性和抗氧化性优异。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、韧性、润滑性。通过将具有这样的特性的任意的两种单一组成层和纳米层交替层分别以规定的膜厚交替地层叠，可到耐磨性、韧性、润滑性和耐熔敷性优异的硬质被膜。由此，例如在切削工具的情况下，在对于碳素钢、铸铁、合金钢、不锈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，能够实现工具的长寿命化。
在第2发明中，由于两种单一组成层的各膜厚T1、T2与纳米层交替层的膜厚T3的比T1/T3、T2/T3均在0.2～10的范围内，因此两种单一组成层和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两种单一组成层和一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发明涉及硬质被膜被覆构件，通过设置第1发明～第5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7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、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球型端铣刀的一例的正视图。
图2为从前端侧观察图1的球型端铣刀的放大底面图。
图3为说明设于图1的球型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的球型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的球型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的球型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的球型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的球型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为示出试验品1～试验品50的硬质被膜的被膜结构的图。
图14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磨损宽度、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和抗氧化性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(PulseLASER Deposition；脉冲激光沉积)法等PVD法(物理蒸镀法)。
硬质被膜是将两种单一组成层与纳米层交替层共三种层交替地层叠而成，该两种单一组成层由A组成、B组成和C组成中的任两种组成构成，该纳米层交替层是将由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。因此，例如在将由A组成和B组成构成的两种单一组成层与纳米层交替层(其将由A组成和B组成这两种组成构成的两种纳米层交替地层叠而成)交替地层叠的情况下，不需要C组成等，也可以仅由A组成、B组成和C组成中的两种组成构成。另外，上述两种单一组成层和纳米层交替层的层叠顺序可适当设定。期望两种单一组成层与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。关于将两种纳米层交替地层叠而成的纳米层交替层也同样。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。
两种单一组成层的各膜厚T1、T2与纳米层交替层的膜厚T3之比T1/T3、T2/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10～1000nm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5～1000nm的范围内，也可设为该数值范围外的膜厚。
根据本发明人的见解，本发明的硬质被膜通过将两种单一组成层与一种纳米层交替层共三种层交替地层叠，与AlCrN基的多层涂层相比，可得到良好的抗氧化性、硬度、耐磨性和剪切强度。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。
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球型端铣刀10的正视图，图2为从前端侧观察到的放大底面图。该球型端铣刀10具备由超硬合金构成的工具母材12(参照图3～图8)，该工具母材12一体地设有柄14和刃部(刀头)16。刃部16相对于轴心对称地设有一对由外周刀18和球型刀20构成的切削刃，通过绕轴心旋转驱动，利用该等外周刀18和球型刀20断续地进行切削加工。外周刀18和球型刀20设置成流线型连续，并且夹着该等外周刀18和球型刀20而在两侧设有前刀面22和后隙面(第二面)24。换言之，在前刀面22和后隙面24交叉的棱线部分设有外周刀18和球型刀20。球型端铣刀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在内的球型端铣刀10整体。
硬质被膜30形成为自表面侧将A层32、B层34和纳米层交替层36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38。即，在工具母材12的表面上首先设置界面层38，在该界面层38上将纳米层交替层36、B层34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38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，B层34的膜厚T2在0.5～1000nm的范围内适当设定，纳米层交替层36的膜厚T3在1～1000nm的范围内适当设定。另外，以膜厚T1、T2与膜厚T3之比T1/T3、T2/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AlaCrbαc的氮化物，其中a、b、c分别以原子比计为0.30≤a≤0.85、0.15≤b≤0.70、0≤c≤0.10且a+b+c＝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具有高硬度且耐磨性优异的特征。另外，任意添加成分α通过以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。
B层34为仅由B组成构成的单一组成层。B组成是组成式为AldCreSifβg的氮化物，其中d、e、f、g分别以原子比计为0.20≤d≤0.85、0.10≤e≤0.50、0.03≤f≤0.45、0≤g≤0.10且d+e+f+g＝1，任意添加成分β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。这种组成的B层34具有高硬度且耐磨性、抗氧化性优异的特征。另外，任意添加成分β与上述成分α相同，通过以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。
纳米层交替层36形成为将由与A层32相同的A组成构成的纳米层A层32n和由与B层34相同的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，与A层32相接的最下部为纳米层A层32n，与B层34相接的最上部为纳米层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。这种纳米层交替层36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的周期为纳米范围，因此通过利用各纳米层32n、34n的厚度来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。
上述界面层38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38的膜厚在10～1000nm的范围内适当设定。通过将这种界面层38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。
图4～图8为说明球型端铣刀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40与上述硬质被膜30相比，为A层32和B层34的层叠顺序相反的情形、且B层34与纳米层交替层36之间设有A层32并且B层34设于最表面。另外，设有C组成的界面层42代替A组成的界面层38。C组成是组成式为AlhCri(SiC)jγk的氮化物，其中h、i、j、k分别以原子比计为0.20≤h≤0.85、0.10≤i≤0.50、0.03≤j≤0.45、0≤k≤0.10且h+i+j+k＝1，任意添加成分γ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。界面层42为仅由C组成构成的单一组成层，界面层42的膜厚在10～1000nm的范围内适当设定。通过这样的界面层42设于与工具母材12的边界，能够提高硬质被膜40对于工具母材12的附着强度。
图5的硬质被膜50设有仅由上述C组成构成的C层52代替上述B层34，并且设有将由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52n交替地层叠1个周期以上而成的纳米层交替层54代替上述纳米层交替层36。C层52和纳米层C层52n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，具有耐热性、耐磨性、抗氧化性优异的特征。另外，任意添加成分γ与上述成分α相同，通过以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。C层52为仅由C组成构成的单一组成层，C层52的膜厚在0.5～1000nm的范围内并且以相对于纳米层交替层54的膜厚比成为0.2～10的范围内的方式适当设定。纳米层交替层54是例如与C层52相接的最下部为纳米层C层52n、与A层32相接的最上部为纳米层A层32n，但也可以是最下部为纳米层A层32n、最上部为纳米层C层52n。纳米层交替层54的膜厚在1～1000nm的范围内适当设定，纳米层A层32n和纳米层C层52n的各膜厚均在0.5～500nm的范围内适当设定。这种纳米层交替层54也与上述纳米层交替层36同样，具有高硬度且耐磨性、韧性和抗氧化性优异的特征。另外，硬质被膜50设有仅由上述B组成构成的单一组成层作为界面层56。
图6的硬质被膜60与上述图3的硬质被膜30相比，A层32～纳米层交替层36的层叠顺序不同，从最表面侧按照纳米层交替层36、A层32、B层34的顺序层叠。另外，在最下的B层34与工具母材12之间设有由将纳米层A层32n、纳米层B层34n和纳米层C层52n中的任两种交替地层叠而成的纳米层交替层构成的界面层62。界面层62的膜厚在10～1000nm的范围内适当设定，纳米层A层32n、纳米层B层34n和纳米层C层52n中的两种纳米层的膜厚均在0.5～500nm的范围内适当设定。
图7的硬质被膜70与上述图3的硬质被膜30相比，为省略了界面层38的情形。
图8的硬质被膜80与上述图3的硬质被膜30相比，表面层82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84。作为表面层82，例如设置与纳米层交替层36同样将纳米层A层32n和纳米层B层34n交替地层叠而成的纳米层交替层。表面层82的膜厚在5～1000nm的范围内适当设定，纳米层A层32n和纳米层B层34n的膜厚均在0.5～500nm的范围内适当设定。界面层84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84的膜厚在10～1000nm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的纳米层交替层36是将纳米层A层32n和纳米层B层34n交替地层叠而成，但也可包含纳米层C层52n来构成纳米层交替层36。即，在设置A层32和B层34作为单一组成层的情况下，可设置将纳米层A层32n和纳米层C层52n交替地层叠而成的纳米层交替层36，也可以设置纳米层B层34n和纳米层C层52n交替地层叠而成的纳米层交替层36。
另外，硬质被膜30设置A层32和B层34作为单一组成层，硬质被膜50设置A层32和C层52作为单一组成层，但也可设置B层34和C层52作为两种单一组成层。
另外，硬质被膜80的表面层82是将纳米层A层32n和纳米层B层34n交替地层叠而成的纳米层交替层，但也可包含纳米层C层52n来构成表面层82的纳米层交替层。作为表面层82，也可设置由A组成、B组成或C组成构成的单一组成层。
另外，上述硬质被膜30、40、50、60、70、80均为将两种单一组成层(A层32、B层34、C层52的任两层)与一种纳米层交替层36、54的任一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、40、50、60、70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52n中的任两层)交替地层叠而成的纳米层交替层36、54，也可以例如纳米层交替层36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。
图13为具体地示出与球型端铣刀有关的试验品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52。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52n。界面层相当于上述界面层38、42、56、62、84。A层～C层、纳米层A层～纳米层C层、界面层的空栏是指不具备该等层之意。在该情况下，无界面层的试验品27的单一组成层为A层和C层，纳米层交替层为纳米层A层和纳米层C层的交替层，因此，实质上不包含图11中记载的B组成的成分。另外，无界面层的试验片45的单一组成层为B层和C层，纳米层交替层为纳米层B层和纳米层C层的交替层，因此实质上不包含图10中记载的A组成的成分。关于其它试验品，未必需要包含图10～图12中记载的A组成、B组成和C组成的全部，可以仅由其中的两种组成构成硬质被膜。另外，图13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、40、50、60、70、80或者图13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38后，将纳米层交替层36、B层34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52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。也可以配合构成硬质被膜30等的组成的数而使蒸发源为3个。另外，在硬质被膜30等的组成仅由A组成、B组成、C组成中的两种组成构成的情况下，可以将4个蒸发源172、176、180、184分成两组，将两种组成的合金分别配置在2个位置。
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，对于与上述球型端铣刀10同样工具母材12为超硬合金且为2片刀、直径为6mm(前端R＝3)的球型端铣刀，准备设有如图10～图13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14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球型刀20的第二面磨损宽度(后隙面磨损宽度)和切削距离，判定了被膜性能(耐磨性)。就被膜性能而言，基本上在切削距离为500m以上的适当阶段中止加工，测定第二面磨损宽度和切削距离，在第二面磨损宽度变大的情况下(0.3mm以上)，即使切削距离为500m以下也中止加工，测定了此时的第二面磨损宽度和切削距离。第二面磨损宽度为第二面磨损的最大宽度，每隔规定的切削距离中断切削加工，使用株式会社ニコン制的测定显微镜(MM-400/LM)通过目视测定了第二面磨损宽度。
《切削试验条件》
·被切削材料：S50C(依照JIS的规定的机械结构用碳素钢)
·切削速度：254m/min
·转速：13500min-1
·进给速度：f＝0.12mm/t、F＝3240mm/min
·进刀量(切削深度)：ap(轴向)＝0.3mm、ae(径向)＝0.6mm
如从图14可知的那样，关于表面的被膜硬度(HV0.025)，作为本发明品的试验品7～试验品50均为3000以上的高硬度，能够期待优异的耐磨性，而作为比较品的试验品1～试验品6为2000～2700左右。关于第二面磨损宽度和切削距离，作为本发明品的试验品7～试验品50均在第二面磨损宽度达到0.2mm之前能够进行500m以上的切削加工，得到了优异的耐磨性和耐熔敷性。而作为比较品的试验品1～试验品6均在进行切削加工500m之前第二面磨损宽度超过了0.3mm。就判定而言，将第二面磨损宽度达到0.2mm之前能够进行500m以上的切削加工的情形设为“○”，将切削距离达到500m之前第二面磨损宽度超过了0.2mm的情形、即得不到充分的工具寿命的情形设为“×”。作为本发明品的试验品7～试验品50的判定结果均为“○”，得到了优异的工具寿命。磨损宽度和切削距离中标有散点的栏(灰色部分)为切削距离达到500m之前第二面磨损宽度超过了0.2mm的部分。
如此，根据本实施例的球型端铣刀10的硬质被膜30等，通过将A组成、B组成和C组成中的两组单一组成层(A层32、B层34和C层52中的两种)与一种纳米层交替层(纳米层交替层36、54等)分别以规定的膜厚交替地层叠，该一种纳米层交替层将由A组成、B组成和C组成中的两种组成构成的两种纳米层(纳米层A层32n、纳米层B层34n和纳米层C层52n中的两种)交替地层叠而成，从而可得到优异的耐磨性、韧性、润滑性和耐熔敷性。由此，例如在对于碳素钢、铸铁、合金钢、不锈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，能够实现工具的长寿命化。
另外，上述两种单一组成层的各膜厚T1、T2与纳米层交替层的膜厚T3之比T1/T3、T2/T3均在0.2～10的范围内，因此可将两种单一组成层和一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，图7的硬质被膜70和试验品27、45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70等的球型端铣刀10。另一方面，硬质被膜30、40、50、60、80和试验品7～试验品26、试验品28～试验品44、试验品46～试验品50具备规定的组成、膜厚的界面层38等，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80具备规定的组成、膜厚的表面层82，因此通过适当设定该表面层82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，球型端铣刀10为外周刀18和球型刀20断续地进行切削加工的断续切削工具，该等外周刀18和球型刀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、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：球型端铣刀(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：球型刀(切削刃)30、40、50、60、70、80：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、54：纳米层交替层38、42、56、62、84：界面层52：C层(单一组成层)52n：纳米层C层(纳米层)82：表面层Ttotal：总膜厚T1：A层的膜厚(单一组成层的膜厚)T2：B层的膜厚(单一组成层的膜厚)T3：纳米层交替层的膜厚

Claims (7)

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，
所述硬质被膜以将两种单一组成层和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，该两种单一组成层由A组成、B组成和C组成中的任两种组成构成，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的两种纳米层交替地层叠而成，
所述A组成是组成式为AlaCrbαc的氮化物，其中a、b、c分别以原子比计为0.30≤a≤0.85、0.15≤b≤0.70、0≤c≤0.10且a+b+c＝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AldCreSifβg的氮化物，其中d、e、f、g分别以原子比计为0.20≤d≤0.85、0.10≤e≤0.50、0.03≤f≤0.45、0≤g≤0.10且d+e+f+g＝1，任意添加成分β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C组成是组成式为AlhCri(SiC)jγk的氮化物，其中h、i、j、k分别以原子比计为0.20≤h≤0.85、0.10≤i≤0.50、0.03≤j≤0.45、0≤k≤0.10且h+i+j+k＝1，任意添加成分γ为选自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的一种以上的元素，
所述两种单一组成层的膜厚均在0.5～1000nm的范围内，
构成所述纳米层交替层的所述两种纳米层的各膜厚均在0.5～500nm的范围内，所述纳米层交替层的膜厚在1～1000nm的范围内。
2.权利要求1所述的硬质被膜，其特征在于，所述两种单一组成层的各膜厚T1、T2与所述纳米层交替层的膜厚T3的比T1/T3、T2/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，交替地层叠的所述两种单一组成层和所述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之间具备界面层，
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10～1000nm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5～1000nm的范围内。
6.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1～5的任一项所述的硬质被膜。
7.权利要求6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该旋转而断续地进行切削加工的断续切削工具。
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