JP2008254144A - 硬質被膜および硬質被膜被覆工具 - Google Patents
硬質被膜および硬質被膜被覆工具 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに、高い付着強度が得られる高寿命の硬質被膜を提供する。
【解決手段】ドリル10のボディ16に設けられた硬質被膜24は、第1化合物層26、CN層27、第2化合物層28、およびCN層27がその順番で工具基材22の表面に設けられた計4層の多層構造、或いはCN層27が外表面を構成するように更に第1化合物層26から順番に繰り返し積層された4層よりも多い偶数層の多層構造を成しているため、最上層のCN層27により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる一方、工具基材22の表面には第1化合物層26が設けられているため高い付着強度が得られ、剥離等が抑制されて優れた耐久性が得られる。
【選択図】図1
【解決手段】ドリル10のボディ16に設けられた硬質被膜24は、第1化合物層26、CN層27、第2化合物層28、およびCN層27がその順番で工具基材22の表面に設けられた計4層の多層構造、或いはCN層27が外表面を構成するように更に第1化合物層26から順番に繰り返し積層された4層よりも多い偶数層の多層構造を成しているため、最上層のCN層27により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる一方、工具基材22の表面には第1化合物層26が設けられているため高い付着強度が得られ、剥離等が抑制されて優れた耐久性が得られる。
【選択図】図1
Description
本発明は硬質被膜に係り、特に、耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに高い付着強度が得られ、工具や耐摩耗性部品等に好適に用いられる硬質被膜に関するものである。
ドリルやエンドミル、フライス、バイト等の切削工具、盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具などの種々の加工工具、或いは耐摩耗性が要求される摩擦部品など、種々の部材において、基材の表面に硬質被膜をコーティングすることにより、耐摩耗性や耐久性を向上させることが提案されている。特許文献1には、硬質被膜としてDLC(Diamond Like Carbon ;ダイヤモンド状カーボン)が設けられた工具が記載されている。DLCは緻密なアモルファス構造で、結晶学的にはダイヤモンドと異なるが、TiAlN、CrN等の化合物被膜に比較して高い硬度を有する。また、特許文献2および3には、硬質被膜として窒化炭素を用いることや、その窒化炭素膜の製造方法について記載されている。窒化炭素は、摩擦係数が小さいとともに面が平滑で硬度も高く、優れた耐摩耗性や耐溶着性、耐熱性が得られる。
特開2005−22073号公報
特開2002−38269号公報
特開2006−69856号公報
しかしながら、上記DLCは、耐熱性および耐摩耗性の点で必ずしも十分に満足できるものではないとともに、C(炭素)の未結合手が被削材と結合して溶着を生じ易く、特に鉄系材料に対して不向きであった。Cの未結合手にH(水素)を添加することで、被削材との結合を防ぐことが提案されているが、靱性の低下等の別の問題が発生する。一方、窒化炭素は、上記DLCの問題点であるCの未接合手にN(窒素)を結合した構造で、優れた耐溶着性が得られるが、DLCに比較して付着強度が弱くて剥離し易く、切削工具等においては必ずしも十分な耐久性が得られないという問題があった。
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、耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに、高い付着強度が得られ、切削工具等においても優れた耐久性が得られる高寿命の硬質被膜を提供することにある。
かかる目的を達成するために、第1発明は、所定の基材の表面に設けられる硬質被膜であって、(a) 元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成されており、前記基材の表面に設けられる第1化合物層と、(b) その第1化合物層の上に設けられる窒素含有量が3〜40at%の範囲内の窒化炭素層と、(c) 元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成されており、前記窒化炭素層の上に設けられる第2化合物層と、を有し、且つ、(d) 前記第2化合物層の上に更に前記窒化炭素層が設けられた計4層の多層構造、或いはその窒化炭素層が外表面を構成するように更に前記第1化合物層から順番に繰り返し積層されて4層よりも多い偶数層の多層構造を成している一方、(e) 全体の平均膜厚Dが0.05〜20μmの範囲内であることを特徴とする。
第2発明は、第1発明の硬質被膜において、前記窒化炭素層のナノインデンテーション硬さは15〜55GPaの範囲内であることを特徴とする。
第3発明は、第1発明または第2発明の硬質被膜において、前記窒化炭素層は、単結合および2重結合の窒化炭素を共に含んでい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被膜において、前記窒化炭素層の厚さは0.005〜3μmの範囲内であることを特徴とする。
第5発明は、基材の表面に硬質被膜が設けられている硬質被膜被覆工具であって、その硬質被膜は、第1発明〜第4発明の何れかの硬質被膜であることを特徴とする。
第1発明の硬質被膜においては、第1化合物層、窒化炭素層、第2化合物層、および窒化単層層がその順番で基材の表面に設けられた計4層の多層構造、或いは窒化炭素層が外表面を構成するように更に第1化合物層から順番に繰り返し積層されて4層よりも多い偶数層の多層構造を成しており、且つ、全体の平均膜厚Dが0.05〜20μmの範囲内とされているため、最上層の窒化炭素層により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる一方、基材の表面には第1化合物層が設けられているため、高い付着強度が得られて剥離等が抑制され、切削工具等の硬質被膜として用いる場合でも優れた耐久性が得られる。これにより、例えば第5発明のように硬質被膜被覆工具の硬質被膜として好適に用いられ、溶着が生じ易い環境下(真空中など)での加工の耐溶着性が向上するとともに、ステンレス鋼、耐熱合金鋼などの鉄系材料に対する加工が可能になり、優れた工具寿命や加工の安定性が得られる一方、アルミニウム合金等の非鉄系材料に対してはドライ加工やセミドライ加工への展開が期待できる。
また、窒化炭素層を挟んで第1化合物層および第2化合物層を交互に積層することにより、耐剥離性を損なうことなく全体の平均膜厚Dを20μm程度まで厚くすることが可能で、被膜の耐久性が一層向上する。すなわち、4層以上の偶数層の多層構造を成しているため、剥離やクラックの進行が上層部の一部の層の剥離等でくい止められるとともに、各層の薄膜化で内部応力が緩和されるため、所定の耐剥離性を維持しながら全体の平均膜厚Dを20μm程度まで厚くすることができるのであり、且つ、各層の薄膜化によって緻密な構造になるため、硬さが一層高くなって耐摩耗性が更に向上する。
また、上記窒化炭素層は、成膜条件を変更することにより容易に硬さ調整を行うことができるため、硬質被膜を設ける対象物や目的等に応じて硬さや靱性などの被膜特性を適宜設定できる。第2発明のように、窒化炭素層のナノインデンテーション硬さを15〜55GPaの範囲内とすれば、優れた耐摩耗性が得られ、切削工具の硬質被膜に好適に適用される。
第3発明では、単結合および2重結合の窒化炭素を共に含んで窒化炭素層が構成されているため、成膜条件を変更してそれ等の割合を変更することにより、窒化炭素層の硬さを調整することができる。すなわち、単結合の窒化炭素は2重結合の窒化炭素よりも高硬度であるため、その単結合の窒化炭素の割合が高くなるように成膜条件を設定すれば、窒化炭素層全体の硬さを高くすることができる一方、2重結合の窒化炭素の割合を高くすれば靱性を向上させることができる。なお、窒化炭素には3重結合が存在するが、結合の終端を担うのみであり機械的な性質には関係しない。
第4発明では、窒化炭素層の厚さが0.005〜3μmの範囲内であるため、化合物層の存在で窒化炭素層の付着強度を向上させつつ、その窒化炭素層により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。
第5発明の硬質被膜被覆工具は、上記第1発明〜第4発明の何れかの硬質被膜で被覆されているため、実質的に第1発明〜第4発明と同様の作用効果が得られる。
本発明は、ドリルやフライス等の回転切削工具、バイト等の非回転の切削工具、或いは盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具など、種々の硬質被膜被覆工具に好適に適用されるが、このような加工工具以外でも軸受部材など耐摩耗性や耐久性が要求される種々の部材の硬質被膜に適用され得る。
元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属は、例えばAl、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、Wなどで、第1化合物層および第2化合物は、それ等の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成される。具体的には、TiAlN、TiCN、TiCrN、TiSiN、TiAlCrN、TiN、CrN、ZrN、AlN、AlCrN、CrSiNなどで、第1化合物層、第2化合物層の各平均膜厚は、コーティングする部材や被膜の組成などによって異なるが、例えば0.1〜10μm程度の範囲内が適当である。
第1化合物層および第2化合物層は、互いに異なる組成であっても良いが、同じ組成とすることも可能で、同じ組成の化合物層を窒化炭素層と交互に4層以上の偶数層積層するだけでも良い。また、第1化合物層および第2化合物層の膜厚は、組成等に応じて個々に定められるが、それ等を複数層繰り返し積層する場合には、一定の膜厚でも良いし、連続的或いは段階的に変化させることもできる。
上記第1化合物層、第2化合物層は、例えばアークイオンプレーティング法やイオンビーム蒸着法、スパッタリング法、PLD(Pulse Laser Deposition) 法、IBAD(Ion Beam Assisted Deposition;イオンビーム支援蒸着)法等のPVD法によって好適に設けられるが、他の成膜法を採用することもできる。
前記窒化炭素層は外表面を構成するように最上層に設けられるが、その最上層の窒化炭素層は、第1化合物層の上のものでも第2化合物層の上のものでも良い。この窒化炭素層は、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法、IBAD法等のPVD法によって好適に成膜できるが、他の成膜法を採用することもできる。
窒化炭素層の窒素含有量は、成膜条件を変更することによって調整することが可能で、例えばアークイオンプレーティング法では窒素ガス流量の制御で調整でき、IBAD法の場合はプラズマ濃度を制御することによって調整できる。この窒素含有量が3at%未満では、窒素をC(炭素)の未結合手に結合して耐溶着性を向上させる効果が十分に得られない一方、40at%を越えると、単結合の窒化炭素が多くなって脆くなるため、3〜40at%の範囲内で設定することが望ましく、特に5〜35at%の範囲内が適当である。
硬質被膜の全体の平均膜厚Dは、0.05μm未満であると硬質被膜としての機能が十分に得られない一方、20μmを越えると剥離したり欠けたりし易くなるため、0.05〜20μmの範囲内で設定することが望ましい。
第2発明では、窒化炭素層のナノインデンテーション硬さが15〜55GPaの範囲内であり、切削工具の硬質被膜に好適に適用されるが、硬質被膜を設ける対象物や目的等に応じて窒化炭素層の硬さは適宜変更できる。
第3発明では、単結合(sp3結合)および2重結合(sp2結合)の窒化炭素を共に含んで窒化炭素層が構成されているが、他に3重結合の窒化炭素を含んでいても差し支えない。このような窒化炭素層は、規則的な結晶構造を持たないアモルファスである。なお、他の発明の実施に際しては、単結合および3重結合から成る窒化炭素層、或いは2重結合および3重結合から成る窒化炭素層など、他の構造の窒化炭素層を採用することもできる。
第4発明では、窒化炭素層の厚さが0.005〜3μmの範囲内であるが、他の発明の実施に際しては、窒化炭素層の厚さが0.005μm未満であったり3μmを越えていたりしても良い。また、複数積層される窒化炭素層の各膜厚は一定であっても良いが、第1化合物層の上か第2化合物層の上かによって変化させたり、連続的或いは段階的に変化させたりすることもできる。窒化炭素層の組成、すなわち単結合および2重結合の割合や窒素含有量などについても、第1化合物層の上か第2化合物層の上か等によって相違させることができる。
第5発明の硬質被膜被覆工具の基材としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、サーメット、セラミックス、多結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、多結晶CBN、単結晶CBNなど、種々の工具材料を採用できる。
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、本発明の硬質被膜被覆工具の一例であるドリル10を示す図で、(a) は軸心Oと直角な方向から見た正面図、(b) は切れ刃12が設けられた先端側から見た拡大底面図である。このドリル10は、2枚刃のツイストドリルで、シャンク14およびボデー16を軸方向に一体に備えており、ボデー16には軸心Oの右まわりにねじれた一対の溝18が形成されている。ボデー16の先端には、溝18に対応して一対の切れ刃12が設けられており、シャンク14側から見て軸心Oの右まわりに回転駆動されることにより切れ刃12によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝18を通ってシャンク14側へ排出される。
図1は、本発明の硬質被膜被覆工具の一例であるドリル10を示す図で、(a) は軸心Oと直角な方向から見た正面図、(b) は切れ刃12が設けられた先端側から見た拡大底面図である。このドリル10は、2枚刃のツイストドリルで、シャンク14およびボデー16を軸方向に一体に備えており、ボデー16には軸心Oの右まわりにねじれた一対の溝18が形成されている。ボデー16の先端には、溝18に対応して一対の切れ刃12が設けられており、シャンク14側から見て軸心Oの右まわりに回転駆動されることにより切れ刃12によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝18を通ってシャンク14側へ排出される。
図1の(c) は、ボデー16における表面付近の拡大断面図で、高速度工具鋼(ハイス)製の工具基材22の表面には硬質被膜24がコーティングされている。硬質被膜24は、工具基材22の表面に設けられた第1化合物層26と、その第1化合物層26の上に設けられたCN(窒化炭素)層27と、そのCN層27の上に設けられた第2化合物層28と、その第2化合物層28の上に設けられたCN層27とを有する。また、必要に応じてそのCN層27が外表面を構成するように、更に第1化合物層26から順番に繰り返し積層され、計4層以上の偶数層の多層構造を成している。
上記第1化合物層26、第2化合物層28は、何れも元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体で、具体的にはTiAlN、TiCN、TiCrN、TiSiN、TiAlCrN、TiN、CrN、ZrN、AlN、AlCrN、CrSiNなどである。それ等の第1化合物層26、第2化合物層28の各々の平均膜厚は、コーティングする部材や被膜の組成などに応じて個別に設定され、例えば0.1〜10μmの範囲内で、本実施例では何れも0.5〜1μmの範囲内で設定されている。また、それ等の第1化合物層26、第2化合物層28が複数層繰り返し積層される場合には、本実施例ではそれぞれ予め定められた一定の膜厚で形成されている。この第1化合物層26および第2化合物層28は、互いに異なる組成であっても良いが、同じ組成とすることも可能である。
前記CN層27は、窒素含有量が3〜40at%の範囲内で、単結合(sp3)および2重結合(sp2)のCNを共に含んで構成されており、そのナノインデンテーション硬さは15〜55GPaの範囲内である。硬質被膜24の全体の平均膜厚Dは0.05〜20μmの範囲内で、CN層27単独の平均膜厚は、例えば0.005〜3μmの範囲内である。なお、図1(a) において斜線を付した領域は、硬質被膜24のコーティング範囲を表している。
図2の(a) は、上記CN層27の結合構造の模式図で、Cは炭素原子、Nは窒素原子を表しており、(b) に示す単結合(sp3)および(c) に示す2重結合(sp2)がランダムに分布しているアモルファス構造である。また、図3は、CN層27のラマンスペクトルの一例で、「D−peak」は単結合のCNによるもので、「G−peak」は2重結合のCNによるものであり、両ピークを有することにより、単結合および2重結合の両方を含んでいることが分かる。そして、それ等の結合の割合によって硬さ等の被膜特性を制御することが可能で、例えば高硬度の単結合の割合が大きくなるようにすればCN層27の硬度が高くなり、2重結合の割合が大きくなるようにすればCN層27の靱性が向上する。
また、上記CN(単結合+2重結合)と、DLCおよびTiNの計3種類の硬質被膜で被覆したテストピースを用意し、図4に示すピンオンディスク式試験装置を用いて以下の試験条件で摩擦摩耗試験を行ったところ、図5および図6に示す結果が得られた。この場合のCNは、窒素含有量が約20at%、ナノインデンテーション硬さが約29GPaで、テストピースの基材(超硬合金)上に直接コーティングしたものである。
(試験条件)
・相手材:SUS304(ステンレス鋼)
・荷重:0.5N
・線速度:25mm/s
・時間:500秒
・試験環境:大気
・室温:25℃
・湿度:60%
(試験条件)
・相手材:SUS304(ステンレス鋼)
・荷重:0.5N
・線速度:25mm/s
・時間:500秒
・試験環境:大気
・室温:25℃
・湿度:60%
図5は、上記試験から摩擦係数を求めた結果で、CNは約0.09、DLCは約0.08、TiNは約0.27であり、CNはDLCと同様に摩擦係数が極めて小さい。DLCとCNの値が極めて近いため、図5ではそれ等のグラフが略重なっている。また、図6は、CNおよびDLCのテストピースの先端の摩耗痕を示す写真で、(a) はCNに生じた摩耗痕、(b) はDLCに生じた摩耗痕である。それぞれに相手材の溶着が観察された。CNに対するFeの溶着量とDLCに対するFeの溶着量との比は約3:10程度で、CNはDLCに比べて鉄に対して格段に優れた耐溶着性を有する。
一方、前記第1化合物層26、第2化合物層28、およびCN層27は、アークイオンプレーティング法やIBAD法(イオンビーム支援蒸着法)、スパッタリング法等のPVD法によって好適に成膜される。図7は、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被膜24を被覆する前の切れ刃12、溝18等が形成された工具基材22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、工具基材22に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源36、工具基材22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、先端が略水平に外側へ突き出す姿勢で多数の工具基材22を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置40は、アルゴンガス(Ar)、窒素ガス(N2 )、および炭化水素ガス(CH4 、C2 H2 など)のタンクを備えており、化合物層26、28を形成する時には、その組成すなわち炭化物か窒化物か炭窒化物かに応じて、炭化物の場合は炭化水素ガスを供給し、窒化物の場合は窒素ガスを供給し、炭窒化物の場合は炭化水素ガスおよび窒素ガスの両方を供給する。CN層27を形成する時には、アルゴンガスおよび窒素ガスを所定の割合で供給する。
第1アーク電源44は、前記第1化合物層26の構成物質である元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れか、或いはそれ等の相互固溶体(合金)、具体的にはTiAl、TiCr、TiSi、TiAlCr、Ti、Cr、Zr、Al、AlCr、CrSiなどから成る第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からそれ等の金属または合金を蒸発させるもので、蒸発した金属または合金は正(+)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基材22に付着する。そして、前記反応ガス供給装置40から供給される反応ガスに応じて、それ等の金属や合金の炭化物、窒化物、或いは炭窒化物から成る第1化合物層26が形成される。膜厚については、例えば成膜時間で調整できる。
また、図示は省略するが、第2化合物層28を形成するためのアーク電源や蒸発源、アノード等が、上記アーク電源44、蒸発源48、およびアノード50等と同様にワーク保持具32のまわりに配設されており、第1化合物層26と同様にして第2化合物層28が形成されるようになっている。なお、第1化合物層26および第2化合物層28の組成が同じ場合には、上記アーク電源44、蒸発源48、およびアノード50等をそのまま用いて第2化合物層28を形成することができる。
一方、第2アーク電源46は、炭素(C)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から炭素を蒸発させるもので、蒸発した炭素は正イオンになって負(−)のバイアス電圧が印加されている工具基材22に付着させられる。そして、前記反応ガス供給装置40からアルゴンガスおよび窒素ガスの両方が供給されることにより、CN層27が形成される。その場合に、所定の硬さや組成のCN層27が得られるように、アーク電流やバイアス電圧等の成膜条件が定められる。膜厚については、例えば成膜時間で調整できる。
上記CN層27を形成する際には、単結合(sp3)および2重結合(sp2)を共に含むように成膜条件が定められ、処理温度は20〜250℃の範囲内で例えば150℃程度、バイアス電圧は15〜300Vの範囲内で例えば100V程度に設定される。また、窒素ガスの供給流量は、CN層27内の窒素含有量が3〜40at%の範囲内となるように定められる。
図8〜図10は、上記のように構成された本発明品(No1〜No62)と比較品(No1〜No12)とを用いて、以下の加工条件で穴明け加工を行い、耐久性を調べた結果を説明する図である。図8〜図10において、「第1層」、「第2層」は、それぞれ第1化合物層26、第2化合物層28を意味している。また、図10の比較品において網掛けを付した欄は、本発明(請求項1)の要件から外れている項目である。
(加工条件)
・工具形状:φ6ハイスツイストドリル
・被削材:SUS304(ステンレス鋼)
・切削速度:20m/min
・送り速度:0.16mm/rev
・加工深さ:24mm貫通穴
・切削油:水溶性
・ステップ量:ノンステップ
(加工条件)
・工具形状:φ6ハイスツイストドリル
・被削材:SUS304(ステンレス鋼)
・切削速度:20m/min
・送り速度:0.16mm/rev
・加工深さ:24mm貫通穴
・切削油:水溶性
・ステップ量:ノンステップ
図8〜図10の試験結果から明らかなように、工具基材22上にDLC層のみを直接設けた比較品No1は、250穴加工時に溶着等により異音が発生し、加工不可になった。第1化合物層26の上にDLC層を設けた比較品No2およびNo3、化合物層26、28を設けることなくCN層27のみを工具基材22上に直接設けた比較品No4は、1000穴加工時の切れ刃12の逃げ面摩耗幅がそれぞれ0.42mm、0.39mm、0.38mmであるのに対し、本発明品は何れも合格判定基準である0.3mmよりも小さい。また、第1化合物層26、CN層27、第2化合物層28、CN層27を順番に積層した4層以上の多層構造の比較品No5〜No12については、硬質被膜24全体の平均膜厚Dが20μmを越えている比較品No5、No8、No9、No11では、剥離等により摩耗が促進され、或いはその摩耗により早期に工具折損し(No11)、耐摩耗性の向上効果が十分に得られない。CN層27の窒素含有量が40at%を越えている比較品No6、No10、No12では、そのCN層27の被膜硬さ(ナノインデンテーション硬さ)が高くなり過ぎて脆くなり、欠けや剥離等により摩耗が促進されて早期に工具が折損する一方、窒素含有量が3at%より低い比較品No7では、被膜硬さ(ナノインデンテーション硬さ)が低くて摩耗が促進される。
このように、本実施例のドリル10の硬質被膜24は、第1化合物層26、CN層27、第2化合物層28、およびCN層27がその順番で工具基材22の表面に設けられた計4層の多層構造、或いはCN層27が外表面を構成するように更に第1化合物層26から順番に繰り返し積層された4層よりも多い偶数層の多層構造を成しており、且つ、全体の平均膜厚Dが0.05〜20μmの範囲内とされているため、最上層のCN層27により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。また、工具基材22の表面には第1化合物層26が設けられているため、高い付着強度が得られて剥離等が抑制され、優れた耐久性が得られる。これにより、溶着が生じ易い環境下(真空中など)での加工の耐溶着性が向上するとともに、ステンレス鋼、耐熱合金鋼などの鉄系材料に対する加工が可能になり、優れた工具寿命や加工の安定性が得られる一方、アルミニウム合金等の非鉄系材料に対してはドライ加工やセミドライ加工への展開が期待できる。
また、CN層27を挟んで第1化合物層26および第2化合物層28を交互に積層することにより、耐剥離性を損なうことなく全体の平均膜厚Dを20μm程度まで厚くすることが可能で、被膜の耐久性が一層向上する。すなわち、4層以上の偶数層の多層構造を成しているため、剥離やクラックの進行が上層部の一部の層の剥離等でくい止められるとともに、各層の薄膜化で内部応力が緩和されるため、所定の耐剥離性を維持しながら全体の平均膜厚Dを20μm程度まで厚くすることができるのであり、且つ、各層の薄膜化によって緻密な構造になるため、硬さが一層高くなって耐摩耗性が更に向上する。
また、CN層27は、成膜条件を変更することにより容易に硬さ調整を行うことが可能で、本実施例ではCN層27のナノインデンテーション硬さが15〜55GPaの範囲内とされているため、優れた耐摩耗性が得られ、ドリル10の耐久性が向上する。
また、本実施例では単結合および2重結合のCNを共に含んでCN層27が構成されているため、成膜条件を変更してそれ等の割合を変更することにより、CN層27の硬さを調整することができる。すなわち、単結合のCNは2重結合のCNよりも高硬度であるため、その単結合のCNの割合が高くなるようにバイアス電圧やアーク電流等の成膜条件を設定すれば、CN層27全体の硬さを高くすることができる一方、2重結合のCNの割合が高くなるようにすれば靱性を向上させることができる。
また、本実施例ではCN層27の厚さが0.005〜3μmの範囲内であるため、第1化合物層26および第2化合物層28の存在で付着強度を向上させつつ、CN層27により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。
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:ドリル(硬質被膜被覆工具) 22:工具基材(基材) 24:硬質被膜 26:第1化合物層 27:CN層(窒化炭素層) 28:第2化合物層 D:平均膜厚
Claims (5)
- 所定の基材の表面に設けられる硬質被膜であって、
元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成されており、前記基材の表面に設けられる第1化合物層と、
該第1化合物層の上に設けられる窒素含有量が3〜40at%の範囲内の窒化炭素層と、
元素の周期表の IIIb族、IVa族、Va族、VIa族の金属およびSiの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成されており、前記窒化炭素層の上に設けられる第2化合物層と、
を有し、且つ、前記第2化合物層の上に更に前記窒化炭素層が設けられた計4層の多層構造、或いは該窒化炭素層が外表面を構成するように更に前記第1化合物層から順番に繰り返し積層されて4層よりも多い偶数層の多層構造を成している一方、
全体の平均膜厚Dが0.05〜20μmの範囲内である
ことを特徴とする硬質被膜。 - 前記窒化炭素層のナノインデンテーション硬さは15〜55GPaの範囲内である
ことを特徴とする請求項1に記載の硬質被膜。 - 前記窒化炭素層は、単結合および2重結合の窒化炭素を共に含んでいる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の硬質被膜。 - 前記窒化炭素層の厚さは0.005〜3μmの範囲内である
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の硬質被膜。 - 基材の表面に硬質被膜が設けられている硬質被膜被覆工具であって、
前記硬質被膜は、請求項1〜4の何れか1項に記載の硬質被膜である
ことを特徴とする硬質被膜被覆工具。
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