JP2006336032A - 硬質積層被膜、および硬質積層被膜被覆工具 - Google Patents
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Abstract
【課題】 硬質被膜の耐熱性および耐摩耗性を更に向上させる。
【解決手段】 エンドミル１０の工具母材１２の表面を被覆している硬質積層被膜２０は、ＴｉＡｌＣｒＸ1-a Ｎa （但し、Ｘは炭素または酸素で、混晶比ａは０．５≦ａ≦１）から成る第１被膜層２２と、ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb （但し、混晶比ｂは０．５≦ｂ≦１）およびＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc （但し、混晶比ｃは０．５≦ｃ≦１）の混合層から成る第２被膜層２４と、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-d Ｎd （但し、混晶比ｄは０．５≦ｄ≦１）から成る第３被膜層２６とから構成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】 エンドミル１０の工具母材１２の表面を被覆している硬質積層被膜２０は、ＴｉＡｌＣｒＸ1-a Ｎa （但し、Ｘは炭素または酸素で、混晶比ａは０．５≦ａ≦１）から成る第１被膜層２２と、ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb （但し、混晶比ｂは０．５≦ｂ≦１）およびＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc （但し、混晶比ｃは０．５≦ｃ≦１）の混合層から成る第２被膜層２４と、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-d Ｎd （但し、混晶比ｄは０．５≦ｄ≦１）から成る第３被膜層２６とから構成されている。
【選択図】 図１
Description
本発明は硬質積層被膜に係り、特に、耐熱性および耐摩耗性に優れた硬質積層被膜に関するものである。
高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材などの所定の部材の表面に設ける硬質被膜としては、ＴｉＡｌＮが広く用いられているが、近年、ＴｉＡｌＣｒＮやＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｎを用いることが提案されている（特許文献１、２参照）。
特開２００３−７１６１０号公報
特開２０００−３０８９０６号公報
上記ＴｉＡｌＣｒＮおよびＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｎは、図７から明らかなように、被膜硬さおよび酸化開始温度が何れもＴｉＡｌＮより高くて優れた耐摩耗性、耐熱性が得られるが、ＴｉＡｌＣｒＮについては酸化開始温度が９００℃程度でＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｎに比べて低い一方、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｎについては被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）が３０００程度でＴｉＡｌＣｒＮに比べて低く、高硬度材の高速加工化を図る場合などに未だ改善の余地があった。
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、工具母材等に設けられる硬質被膜の耐熱性および耐摩耗性を更に向上させることにある。
かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の部材の上に積層して設けられる耐熱性に優れた硬質積層被膜であって、(a) ＴｉＡｌＣｒＸ1-a Ｎa （但し、Ｘは炭素または酸素で、混晶比ａは０．５≦ａ≦１）から成り、前記部材上にその部材に接して設けられる第１被膜層と、(b) ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb （但し、混晶比ｂは０．５≦ｂ≦１）と、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc （但し、混晶比ｃは０．５≦ｃ≦１）との混合層、又はそれ等を交互に積層した多層から成り、前記第１被膜層の上に設けられる第２被膜層と、(c) ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-d Ｎd （但し、混晶比ｄは０．５≦ｄ≦１）から成り、前記第２被膜層の上に設けられて最上部に位置する第３被膜層と、を有することを特徴とする。
第２発明は、第１発明の硬質積層被膜において、(a) 前記第１被膜層の膜厚は、１．０〜５．０μｍの範囲内で、(b) その第１被膜層の膜厚と、前記第２被膜層および第３被膜層の合計膜厚の比は、１：０．１〜１．０の範囲内で、(c) その第１被膜層から第３被膜層までの総膜厚は、１．１〜１０μｍの範囲内であることを特徴とする。
第３発明は、第２発明の硬質積層被膜において、前記第２被膜層の膜厚と前記第３被膜層の膜厚の比は、１：１．０〜２０の範囲内であることを特徴とする。
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの硬質積層被膜において、前記混晶比ａ、ｂ、ｃ、ｄは総て同じ値であることを特徴とする。
第５発明は、硬質積層被膜被覆工具に関するもので、第１発明〜第４発明の何れかの硬質積層被膜で表面が被覆されていることを特徴とする。
ここで、最上部の第３被膜層を構成しているＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-d Ｎd は酸化開始温度が高くて耐熱性に優れている一方、第１被膜層を構成しているＴｉＡｌＣｒＸ1-a Ｎa は被膜硬さが高く、且つそれ等の間には両者と同様の成分を有する混合層または交互に積層した多層の第２被膜層が設けられているため高い密着性が得られ、それ等が一体となって優れた耐熱性、耐摩耗性が得られるようになる。したがって、例えばこのような硬質積層被膜によって工具母材の表面が被覆されている第５発明の硬質積層被膜被覆工具においては、耐熱性や耐摩耗性が向上して高硬度材に対する高速加工化などを図ることができる。
第２発明では、第１被膜層の膜厚が１．０〜５．０μｍの範囲内で、その第１被膜層の膜厚と第２被膜層および第３被膜層の合計膜厚の比が１：０．１〜１．０の範囲内で、第１被膜層から第３被膜層までの総膜厚が１．１〜１０μｍの範囲内であるため、比較的厚い高硬度の第１被膜層により被膜全体の変形が抑制され、第３被膜層の密着性が一層高くなって欠けや剥離等が良好に防止される。
第３発明では、第２被膜層の膜厚と第３被膜層の膜厚の比が１：１．０〜２０の範囲内で、第３被膜層の膜厚が比較的厚いため、第３被膜層による耐熱性の向上効果が良好に得られる。
第４発明では、混晶比ａ、ｂ、ｃ、ｄが総て同じ値であるため、例えばアークイオンプレーティング装置などで成膜する際に、途中で反応ガス等を切り換える必要がなく、製造が容易であるとともに、所定の混晶比成分の硬質積層被膜が安定して得られる。
本発明は、エンドミルやタップ、ドリルなどの回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具、或いは転造工具など、種々の加工工具の表面にコーティングされる硬質積層被膜に好適に適用されるが、表面保護膜など加工工具以外の部材の表面にコーティングされる硬質積層被膜にも同様に適用できる。工具母材など硬質積層被膜が設けられる部材の材質としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、他の金属材料であっても良い。
本発明の硬質積層被膜の形成方法としては、アークイオンプレーティング法が好適に用いられるが、スパッタリング法等の他の物理蒸着法（ＰＶＤ法）や、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法等の化学蒸着法（ＣＶＤ法）を用いることもできる。
第１被膜層のＸ1-a Ｎa のＸは酸素（Ｏ）または炭素（Ｃ）で、混晶比ａは０．５≦ａ≦１であるため、ａ＝１の場合は窒化物になり、０．５≦ａ＜１の場合は酸窒化物或いは炭窒化物になる。第２被膜層のＸ1-b Ｎb 、Ｘ1-c Ｎc 、第３被膜層のＸ1-d Ｎd についても同様である。混晶比ａ〜ｄは、例えば第４発明のように総て同じ値にすることもできるが、成膜途中でＸ成分の反応ガスの導入をＯＮ、ＯＦＦするなどして混晶比を変更することも可能である。酸素（Ｏ）または炭素（Ｃ）の他に、不可避的な不純物元素や性質に影響しない他の元素を含んでも差し支えない。
第２被膜層は、ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb とＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc との混合層であっても良いし、それ等を交互に積層した多層膜でも良い。この第２被膜層のＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb の組成は、例えば第１被膜層を構成しているＴｉＡｌＣｒＸ1-a Ｎa と同じ（ａ＝ｂ）で、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc の組成は、第３被膜層を構成しているＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-d Ｎd と同じ（ｃ＝ｄ）とされるが、ａ≠ｂ、ｃ≠ｄとすることも可能である。
また、上記混合層の場合、ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb とＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc との混合割合は１：１など適宜定められるとともに、連続的或いは段階的に変化させることも可能で、例えば上層程ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc の割合を大きくすることもできる。混合層では、Ｘ1-b Ｎb ＝Ｘ1-c Ｎc となり、混晶比ｂおよびｃは同じ値になる。
交互に積層した多層膜の場合、ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb の膜厚とＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc の膜厚の比は１：１など適宜定められるとともに、連続的或いは段階的に変化させることも可能で、例えば上層程ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc の膜厚比を大きくすることもできる。
第２発明では、第１被膜層の膜厚が１．０〜５．０μｍの範囲内で、その第１被膜層の膜厚と第２被膜層および第３被膜層の合計膜厚の比が１：０．１〜１．０の範囲内で、第１被膜層から第３被膜層までの総膜厚が１．１〜１０μｍの範囲内であり、第３発明では、第２被膜層の膜厚と第３被膜層の膜厚の比が１：１．０〜２０の範囲内であるが、第１発明の実施に際しては、それ等の範囲を超えていても良く、従来のＴｉＡｌＣｒＮの単層やＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｎの単層に比べて耐熱性および耐摩耗性が共に高いレベルで得られ、高硬度材に対する高速加工時の耐摩耗性等が向上する。
上記第１被膜層の膜厚が１．０μｍ未満であると十分な耐摩耗性が得られなくなることがある一方、５．０μｍを越えると靱性が低下して欠けや剥離が発生し易くなることがある。第１被膜層の膜厚に対する第２被膜層および第３被膜層の合計膜厚の比（割合）が０．１未満であると、十分な耐熱性が得られなくなることがある一方、１．０を超えると被膜硬さが低下して耐摩耗性が損なわれることがある。また、第２被膜層の膜厚に対する第３被膜層の膜厚の比（割合）が１．０未満であると、十分な耐熱性が得られなくなることがある一方、２０倍を超えると被膜硬さが低下して耐摩耗性が損なわれることがある。これ等の硬質積層被膜の特性は、第２被膜層の構成すなわちＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb とＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc との混合割合などによって変化する。
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の硬質積層被膜被覆工具の一例であるエンドミル１０を説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図であり、超硬合金にて構成されている工具母材１２にはシャンクおよび刃部１４が一体に設けられている。刃部１４には、切れ刃として外周刃１６および底刃１８が設けられており、軸心まわりに回転駆動されることによりそれ等の外周刃１６および底刃１８によって切削加工が行われるとともに、その刃部１４の表面には硬質積層被膜２０がコーティングされている。図１(a) の斜線部は硬質積層被膜２０を表しており、図１の(b) は、硬質積層被膜２０がコーティングされた刃部１４の表面部分の断面図である。エンドミル１０は回転切削工具で、工具母材１２は硬質積層被膜２０が設けられる所定の部材に相当する。
図１は、本発明の硬質積層被膜被覆工具の一例であるエンドミル１０を説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図であり、超硬合金にて構成されている工具母材１２にはシャンクおよび刃部１４が一体に設けられている。刃部１４には、切れ刃として外周刃１６および底刃１８が設けられており、軸心まわりに回転駆動されることによりそれ等の外周刃１６および底刃１８によって切削加工が行われるとともに、その刃部１４の表面には硬質積層被膜２０がコーティングされている。図１(a) の斜線部は硬質積層被膜２０を表しており、図１の(b) は、硬質積層被膜２０がコーティングされた刃部１４の表面部分の断面図である。エンドミル１０は回転切削工具で、工具母材１２は硬質積層被膜２０が設けられる所定の部材に相当する。
図１(b) から明らかなように、硬質積層被膜２０は第１被膜層２２、第２被膜層２４、および第３被膜層２６を、工具母材１２の表面上に順番に積層したものである。第１被膜層２２は、ＴｉＡｌＣｒＸ1-a Ｎa （但し、Ｘは炭素または酸素で、混晶比ａは０．５≦ａ≦１）から成り、工具母材１２上にその工具母材１２の表面に接するように設けられている。第２被膜層２４は、ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb （但し、混晶比ｂは０．５≦ｂ≦１）と、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc （但し、混晶比ｃは０．５≦ｃ≦１）との混合層、又はそれ等を交互に積層した多層から成るのもので、混合層の場合は混晶比ｂ＝ｃである。第３被膜層２６は、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-d Ｎd （但し、混晶比ｄは０．５≦ｄ≦１）から成り、最上部に位置している。
上記混晶比ａ〜ｄは０．５〜１の範囲で適宜定められるが、総て同じ値に設定することもできる。図４の本発明品１〜１４、および図５の本発明品２７〜３３は、混晶比ａ〜ｄが何れも１．０で、第１被膜層２２、第２被膜層２４、第３被膜層２６は何れも酸素および炭素が無しの窒化物である。図４の本発明品１５は、混晶比ａ〜ｄが何れも０．５で、第１被膜層２２、第２被膜層２４、第３被膜層２６は何れもＸとして炭素を含んでいる炭窒化物である。本発明品１６は、混晶比ａが０．８で、第１被膜層２２はＸとして炭素を含んでいる炭窒化物であるが、混晶比ｂ〜ｄは１．０で、第２被膜層２４、第３被膜層２６は窒素のみの窒化物である。本発明品１７は、混晶比ａ〜ｃが０．９で、第１被膜層２２、第２被膜層２４はＸとして炭素を含んでいる炭窒化物であるが、混晶比ｄは１．０で、第３被膜層２６は窒素のみの窒化物である。本発明品１８は、混晶比ｂおよびｃが０．６で、第２被膜層２４はＸとして炭素を含んでいる炭窒化物であるが、混晶比ａ、ｄは１．０で、第１被膜層２２、第３被膜層２６は窒素のみの窒化物である。本発明品１９は、混晶比ｂ〜ｄが０．８で、第２被膜層２４、第３被膜層２６はＸとして炭素を含んでいる炭窒化物であるが、混晶比ａは１．０で、第１被膜層２２は窒素のみの窒化物である。本発明品２０は、混晶比ｄが０．５で、第３被膜層２６はＸとして炭素を含んでいる炭窒化物であるが、混晶比ａ〜ｃは１．０で、第１被膜層２２、第２被膜層２４は窒素のみの窒化物である。
本発明品２１は、混晶比ａ〜ｄが何れも０．５で、Ｘとして酸素を含んでいる酸窒化物である。本発明品２２は、混晶比ａが０．７で、第１被膜層２２はＸとして酸素を含んでいる酸窒化物であるが、混晶比ｂ〜ｄは１．０で、第２被膜層２４、第３被膜層２６は窒素のみの窒化物である。本発明品２３は、混晶比ａ〜ｃが０．６で、第１被膜層２２、第２被膜層２４はＸとして酸素を含んでいる酸窒化物であるが、混晶比ｄは１．０で、第３被膜層２６は窒素のみの窒化物である。本発明品２４は、混晶比ｂおよびｃが０．８で、第２被膜層２４はＸとして酸素を含んでいる酸窒化物であるが、混晶比ａ、ｄは１．０で、第１被膜層２２、第３被膜層２６は窒素のみの窒化物である。本発明品２５は、混晶比ｂ〜ｄが０．９で、第２被膜層２４、第３被膜層２６はＸとして酸素を含んでいる酸窒化物であるが、混晶比ａは１．０で、第１被膜層２２は窒素のみの窒化物である。本発明品２６は、混晶比ｄが０．７で、第３被膜層２６はＸとして酸素を含んでいる酸窒化物であるが、混晶比ａ〜ｃは１．０で、第１被膜層２２、第２被膜層２４は窒素のみの窒化物である。
また、第１被膜層２２の膜厚は１．０〜５．０μｍの範囲内が望ましく、その第１被膜層２２の膜厚と第２被膜層２４および第３被膜層２６の合計膜厚の比は１：０．１〜１．０の範囲内が望ましく、第２被膜層２４の膜厚と第３被膜層２６の膜厚の比は１：１．０〜１０の範囲内が望ましく、第１被膜層２２から第３被膜層２６までの総膜厚は１．１〜１０μｍの範囲内が望ましい。図４の本発明品１〜２６は、何れも上記膜厚の条件を総て満たすものである。図５の本発明品２７〜２９は第１被膜層２２の膜厚が１．０μｍ未満で、その中の本発明品２８は第２被膜層２４の膜厚に対する第３被膜層２６の膜厚の比（割合）が１．０未満であり、本発明品３０は第１被膜層２２の膜厚に対する第２被膜層２４および第３被膜層２６の合計膜厚の比（割合）が１．０を超えているとともに、第２被膜層２４の膜厚に対する第３被膜層２６の膜厚の比（割合）が２０を超えており、本発明品３１は第１被膜層２２の膜厚に対する第２被膜層２４および第３被膜層２６の合計膜厚の比（割合）が０．１未満で、本発明品３２は第１被膜層２２の膜厚が５．０μｍを超えており、本発明品３３は第１被膜層２２の膜厚が５．０μｍを超えているとともに、第１被膜層２２から第３被膜層２６までの総膜厚が１０μｍを超えている。
なお、図４、図５の「被膜種類」は、第１被膜層２２〜第３被膜層２６の組成を「＋」を挟んで順番に示したもので、「１：（２＋３）膜厚比」は、第１被膜層２２の膜厚と第２被膜層２４および第３被膜層２６の合計膜厚の比で、「２：３膜厚比」は、第２被膜層２４の膜厚と第３被膜層２６の膜厚の比である。
図２は、上記硬質積層被膜２０を形成する際に好適に用いられるアークイオンプレーティング装置３０を説明する概略構成図（模式図）で、多数のワークすなわち硬質積層被膜２０を被覆する前の切れ刃１６、１８等が形成された工具母材１２を保持しているワーク保持具３２、そのワーク保持具３２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置３４、工具母材１２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源３６、工具母材１２などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ３８、チャンバ３８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置４０、チャンバ３８内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置４２、第１アーク電源４４、第２アーク電源４６等を備えている。ワーク保持具３２は、上記回転中心を中心とする円筒形状或いは多角柱形状を成しており、刃部１４が略水平に外側へ突き出す姿勢で多数の工具母材１２を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置４０は、窒素ガス（Ｎ2 ）や炭化水素ガス（ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ2 など）、酸素ガス（Ｏ2 ）のタンクを備えており、第１被膜層２２〜第３被膜層２６の組成に応じて、窒化物の場合は窒素ガスのみを供給し、炭窒化物の場合は窒素ガスおよび炭化水素ガスを前記混晶比ａ〜ｄに応じて供給し、酸窒化物の場合は窒素ガスおよび酸素ガスを前記混晶比ａ〜ｄに応じて供給する。
第１アーク電源４４は、前記第１被膜層２２および第２被膜層２４の構成物質であるＴｉＡｌＣｒから成る第１蒸発源４８をカソードとして、アノード５０との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第１蒸発源４８からＴｉＡｌＣｒを蒸発させるもので、蒸発したＴｉＡｌＣｒは正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具母材１２に付着する。また、第２アーク電源４６は、前記第２被膜層２４および第３被膜層２６の構成物質であるＴｉＡｌ（ＳｉＣ）から成る第２蒸発源５２をカソードとして、アノード５４との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第２蒸発源５２からＴｉＡｌ（ＳｉＣ）を蒸発させるもので、蒸発したＴｉＡｌ（ＳｉＣ）は正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具母材１２に付着する。
図３は、上記アークイオンプレーティング装置３０を用いて工具母材１２の刃部１４の表面に硬質積層被膜２０を形成する際の手順を説明する図で、予め排気装置４２で排気しながらチャンバ３８内が所定の圧力（例えば１．３３×５×１０-1Ｐａ〜１．３３×４０×１０-1Ｐａ程度）に保持されるように反応ガス供給装置４０から所定の反応ガスを供給しつつ、バイアス電源３６により工具母材１２に所定のバイアス電圧（例えば−５０Ｖ〜−１５０Ｖ程度）を印加する。そして、回転装置３４によりワーク保持具３２を所定の回転速度（例えば３ｍｉｎ-1程度）で回転させながら、ステップＳ１〜Ｓ３を実行して硬質積層被膜２０を形成する。このような硬質積層被膜２０の形成は、コンピュータを含む制御装置によって自動的に行われるようになっている。
ステップＳ１では、第２アーク電源４６をＯＦＦ（非通電）した状態で第１アーク電源４４によりアーク電流を通電（ＯＮ）し、第１蒸発源４８のみを蒸発させることにより、ＴｉＡｌＣｒＸ1-a Ｎa から成る所定の膜厚の第１被膜層２２が工具母材１２の表面に形成される。第１アーク電源４４の通電時間およびアーク電流の電流値は、形成すべき第１被膜層２２の膜厚に応じて定められる。
ステップＳ２は、ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb およびＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc （但し、混晶比ｂ＝ｃ）の混合層を形成するためのもので、第１アーク電源４４によりアーク電流を通電して第１蒸発源４８を蒸発させると同時に、第２アーク電源４６によりアーク電流を通電して第２蒸発源５２を蒸発させることにより、ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb およびＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc の混合層から成る所定の膜厚の第２被膜層２４が、前記第１被膜層２２の上に形成される。各アーク電源４４、４６のアーク電流の電流値は、ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb およびＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc の混合割合や第２被膜層２４の膜厚に応じて定められ、本実施例（前記本発明品１〜３３）では両者の混合割合が略１：１となるように略同じ電流値とされているとともに、通電時間は第２被膜層２４の膜厚に応じて定められる。
なお、第２被膜層２４としてＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb とＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc とを交互に積層した多層膜を形成する場合は、第１アーク電源４４および第２アーク電源４６を、それ等の膜厚に応じて定められる所定時間ずつ交互に通電し、蒸発源４８、５２を交互に蒸発させるようにすれば良い。
最後のステップＳ３では、第１アーク電源４４をＯＦＦした状態で第２アーク電源４６によりアーク電流を通電し、第２蒸発源５２のみを蒸発させることにより、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-d Ｎd から成る所定の膜厚の第３被膜層２６が、第２被膜層２４の上に形成される。第２アーク電源４６の通電時間およびアーク電流の電流値は、形成すべき第３被膜層２６の膜厚に応じて定められる。
ここで、このような硬質積層被膜２０においては、最上部の第３被膜層２６を構成しているＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-d Ｎd は酸化開始温度が高くて耐熱性に優れている一方、第１被膜層２２を構成しているＴｉＡｌＣｒＸ1-a Ｎa は被膜硬さが高く、且つそれ等の間には両者と同様の成分を有する混合層または交互に積層した多層の第２被膜層２４が設けられているため高い密着性が得られ、それ等が一体となって優れた耐熱性、耐摩耗性が得られるようになる。したがって、このような硬質積層被膜２０によって工具母材１２の表面が被覆されているエンドミル１０においては、耐熱性や耐摩耗性が向上して高硬度材に対する高速加工化などを図ることができる。
また、図４に示す本発明品１〜２６は、第１被膜層２２の膜厚が１．０〜５．０μｍの範囲内で、その第１被膜層２２の膜厚と第２被膜層２４および第３被膜層２６の合計膜厚の比が１：０．１〜１．０の範囲内で、第２被膜層２４の膜厚と第３被膜層２６の膜厚の比が１：１．０〜２０の範囲内で、第１被膜層２２から第３被膜層２６までの総膜厚が１．１〜１０μｍの範囲内であるため、比較的厚い高硬度の第１被膜層２２により被膜全体の変形が抑制され、第３被膜層２６の密着性が一層高くなって欠けや剥離等が良好に防止されるとともに、第３被膜層２６の膜厚が第２被膜層２４に対して比較的厚いため、第３被膜層２６による耐熱性の向上効果が良好に得られる。
また、図４および図５に示す本発明品１〜１５、２１、２７〜３３は、混晶比ａ、ｂ、ｃ、ｄが総て同じ値であるため、アークイオンプレーティング装置３０により成膜する際に、途中で反応ガスを切り換える必要がなく、製造が容易であるとともに、所定の混晶比成分の硬質積層被膜２０が安定して得られる。
因みに、工具母材が超硬合金製で直径が１０ｍｍ、６枚刃のスクエアエンドミルにおいて、前記図４および図５に示す硬質積層被膜２０で被覆した本発明品１〜３３と、図６に示す硬質被膜で被覆した比較品１〜１６とを用意し、以下の加工条件で切削加工を行って２８ｍ切削後の外周逃げ面摩耗幅ＶＢ（ｍｍ）を調べたところ、それぞれ各試験品の欄の右端に示す結果が得られた。図６の比較品１は、本発明品に比較して、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）ＣＮから成る第３被膜層２６を設けなかった場合で、比較品２は、第３被膜層２６として、第１被膜層２２と同じＴｉＡｌＣｒＮを設けた場合である。
（加工条件）
・被削材種：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
・加工方法：側面切削
・切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ（３８２０ｍｉｎ-1）
・送り速度：０．０８ｍｍ／ｔ（１８５０ｍｍ／ｍｉｎ）
・切り込み：ａａ＝１０ｍｍ、ａｒ＝０．５ｍｍ
・切削油剤：エアブロー
（加工条件）
・被削材種：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
・加工方法：側面切削
・切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ（３８２０ｍｉｎ-1）
・送り速度：０．０８ｍｍ／ｔ（１８５０ｍｍ／ｍｉｎ）
・切り込み：ａａ＝１０ｍｍ、ａｒ＝０．５ｍｍ
・切削油剤：エアブロー
図４の本発明品１〜２６は何れも外周逃げ面摩耗幅ＶＢが０．０７〜０．０９ｍｍの範囲内で、ＴｉＡｌＮ単層の硬質被膜やＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｎ単層の硬質被膜、或いはＴｉＡｌＣｒＮ単層の硬質被膜で被覆した比較品３〜１６に比べて、耐摩耗性が大幅に向上している。第３被膜層２６が無しでＴｉＡｌＣｒＣＮおよびＴｉＡｌ（ＳｉＣ）ＣＮの混合層が最上部に位置している比較品１や、第３被膜層２６として第１被膜層２２と同じＴｉＡｌＣｒＮを設けた比較品２と比較しても、本発明品１〜２６は優れた耐摩耗性が得られ、最上部にＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-d Ｎd の第３被膜層２６を設けることで耐熱性や耐摩耗性が一層向上することが分かる。
図５の本発明品２７〜３３は、外周逃げ面摩耗幅ＶＢが約０．１ｍｍで、本発明品１〜２６に比べて耐摩耗性がやや劣るが、ＴｉＡｌＮ単層の硬質被膜やＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｎ単層の硬質被膜、或いはＴｉＡｌＣｒＮ単層の硬質被膜で被覆した比較品３〜１６に比べて、耐摩耗性が大幅に向上している。
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
１０：エンドミル（硬質積層被膜被覆工具） １２：工具母材（部材） ２０：硬質積層被膜 ２２：第１被膜層 ２４：第２被膜層 ２６：第３被膜層
Claims (5)
- 所定の部材の上に積層して設けられる耐熱性に優れた硬質積層被膜であって、
ＴｉＡｌＣｒＸ1-a Ｎa （但し、Ｘは炭素または酸素で、混晶比ａは０．５≦ａ≦１）から成り、前記部材上に該部材に接して設けられる第１被膜層と、
ＴｉＡｌＣｒＸ1-b Ｎb （但し、混晶比ｂは０．５≦ｂ≦１）と、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-c Ｎc （但し、混晶比ｃは０．５≦ｃ≦１）との混合層、又はそれ等を交互に積層した多層から成り、前記第１被膜層の上に設けられる第２被膜層と、
ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｘ1-d Ｎd （但し、混晶比ｄは０．５≦ｄ≦１）から成り、前記第２被膜層の上に設けられて最上部に位置する第３被膜層と、
を有することを特徴とする硬質積層被膜。 - 前記第１被膜層の膜厚は、１．０〜５．０μｍの範囲内で、
該第１被膜層の膜厚と、前記第２被膜層および第３被膜層の合計膜厚の比は、１：０．１〜１．０の範囲内で、
該第１被膜層から該第３被膜層までの総膜厚は、１．１〜１０μｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質積層被膜。 - 前記第２被膜層の膜厚と前記第３被膜層の膜厚の比は、１：１．０〜２０の範囲内である
ことを特徴とする請求項２に記載の硬質積層被膜。 - 前記混晶比ａ、ｂ、ｃ、ｄは総て同じ値である
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質積層被膜。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載の硬質積層被膜で表面が被覆されていることを特徴とする硬質積層被膜被覆工具。
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