JP2011167839A - 硬質皮膜被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】２層構造を有する硬質皮膜層１、２において、硬質皮膜層１は結晶組織の微細粒状化と密着強度の改善を図り、硬質皮膜層２は結晶組織の粒状化と高硬度化による耐摩耗性の改善を図って硬質皮膜被覆切削工具の長寿命化を実現する。
【解決手段】超硬合金を基材とする切削工具に硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆切削工具において、表面側に硬質皮膜層１、基材側に硬質皮膜層２が被覆され、硬質皮膜層１は（Ａｌ_ａＣｒ_１−ａ）_１−ｘＮ_ｘ、但し、０．５≦ａ≦０．７５、０．４５≦ｘ≦０．５５、硬質皮膜層２は（Ｔｉ_ｂＡｌ_１−ｂ）_１−ｙＮ_ｙ、但し、０．４≦ｂ≦０．６、０．４５≦ｙ≦０．５５、Ｘ線回折における硬質皮膜層１の（２００）面の格子定数をａ１（ｎｍ）、硬質皮膜層２の（１１１）面の格子定数をａ２（ｎｍ）としたとき、０．９８０≦ａ１／ａ２≦０．９９０であることを特徴とする硬質皮膜被覆切削工具である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属部品や金型等の加工に用いられ、耐摩耗性や耐欠損性の向上が要求される硬質皮膜被覆切削工具に関する。

特許文献１には、（ＴｉＡｌ）Ｎ膜と（ＡｌＣｒ）Ｎ膜とから構成される多層膜が開示されている（表１中試料番号２等を参照）。

特許文献２には、所定組成の（ＡｌＣｒ）Ｎ系硬質皮膜であって、（１１１）面又は（２００）面のいずれかのＸ線回折ピークの２θの半価幅が０．５〜２度であること（請求項１、表１等参照）、及び（２００）面と（１１１）面とのＸ線回折強度比Ｉ（２００）／（１１１）が、０．３＜Ｉ（２００）／（１１１）＜１２であること（請求項３、表１を参照）が開示されている。

特許文献３には、基材の上に、結晶の配向性が異なる第１被覆層と第２被覆層とを積層被覆されており、両層はチタンとアルミニウムとの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭酸化物、炭窒酸化物のうちの１種又は２種以上の多層からなり、第１被覆層はＸ線回折ピーク強度が（２００）面に最大高さを有し、第２被覆層はＸ線回折ピーク強度が（１１１）面に最大高さを有する旨が開示されている（請求項１を参照）。

特許文献４には、基体上に、０．０５〜０．５μｍの平均層厚を有する所定組成の（ＴｉＡｌ）Ｎ層であって、（１１１）面にＸ線回折の最高ピークが現われ、かつ前記最高ピークの半価幅が２θで０．８度以下であるものと、２〜１０μｍの平均層厚を有する所定組成の（ＴｉＡｌ）Ｎ層であって、（１１１）面にＸ線回折の最高ピークが現われ、かつ前記最高ピークの半価幅が２θで０．８度以下であるものを、物理蒸着してなる、表面被覆超硬合金製切削工具が開示されている（請求項１、表３等を参照）。

特開２００８−９３７６０号公報 特開２００５−１２６７３６号公報 特開平１０−３３０９１４号公報 特開２００３−１１７７０５号公報

しかし、特許文献１〜４のいずれにも、物理蒸着法により、超硬合金基材上に、特定の適正範囲に調整された組成、Ｘ線回折パターン及び格子定数を有する（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜層と（ＡｌＣｒ）Ｎ皮膜層とを総膜厚で５μｍ以上に積層することにより、従来に比べて格段に高性能の硬質皮膜被覆切削工具が得られることについて何ら記載及び示唆がされていない。

本発明は、物理的蒸着によって成膜して５μｍ以上に厚膜化した硬質皮膜を有する硬質皮膜被覆切削工具において、前記硬質皮膜が新規高性能な硬質皮膜層１及び２から構成される２層構造を有することにより、硬質皮膜層１では結晶組織を微細粒状化させ残留圧縮応力の低減化により密着強度の改善を図り、また硬質皮膜層２では結晶組織を粒状化させ、高硬度化することにより耐摩耗性を改善することによって、従来の硬質皮膜被覆切削工具に比べて、さらに長寿命化を実現することができる新規高性能な硬質皮膜被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明の硬質皮膜被覆切削工具は、超硬合金を基材とする切削工具に硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆切削工具において、該硬質皮膜は物理的蒸着によって成膜された２層構造を有し、該２層構造は表面側に被覆された硬質皮膜層１及び基材側に被覆された硬質皮膜層２を有して構成され、 該硬質皮膜層１の組成は（Ａｌ_ａＣｒ_１−ａ）_１−ｘＮ_ｘ（但し、夫々の元素の含有量は原子比であり、０．５≦ａ≦０．７５、及び０．４５≦ｘ≦０．５５である。）で表され、該硬質皮膜層１のＸ線回折における（２００）面の半価幅をＷ_１（度）としたとき、０．５≦Ｗ_１≦０．９であり、（１１１）面のピーク強度Ｉｒ、（２００）面のピーク強度Ｉｓ、及び（２２０）面のピーク強度Ｉｔとしたとき、１＜Ｉｓ／Ｉｒ≦３、及び０．３≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１であり、 該硬質皮膜層２の組成は、（Ｔｉ_ｂＡｌ_１−ｂ）_１−ｙＮ_ｙ（但し、夫々の元素の含有量は原子比であり、０．４≦ｂ≦０．６、及び０．４５≦ｙ≦０．５５である。）で表され、該硬質皮膜層２のＸ線回折における（１１１）面の半価幅をＷ_２（度）としたとき、０．６≦Ｗ_２≦０．９であり、（１１１）面のピーク強度Ｉｕ、（２００）面のピーク強度Ｉｖ、及び（２２０）面のピーク強度Ｉｗとしたとき、０．３≦Ｉｖ／Ｉｕ＜１、及び０．３≦Ｉｗ／Ｉｕ＜１であり、Ｘ線回折における該硬質皮膜層１の（２００）面の格子定数をａ１（ｎｍ）及び該硬質皮膜層２の（２００）面の格子定数をａ２（ｎｍ）としたとき、０．９８０≦ａ１／ａ２≦０．９９０であり、該硬質皮膜層１の膜厚をＴ１（μｍ）、および該硬質皮膜層２の膜厚をＴ２（μｍ）としたとき、５≦Ｔ１＋Ｔ２≦１２、Ｔ１＜Ｔ２、であることを特徴とする。
前記本発明によって、物理的蒸着によって成膜して５μｍ以上に厚膜化した硬質皮膜における硬質皮膜層１の結晶組織の微細粒状化と密着強度の改善を図り、硬質皮膜層２の結晶組織の粒状化と高硬度化による耐摩耗性の改善を図ることができる。前記２層構造を有する硬質皮膜層１、２の特徴を反映し、従来に比べて硬質皮膜被覆切削工具の長寿命化を図ることができる。

前記本発明の硬質皮膜被覆切削工具において、実用性の観点から、該硬質皮膜が高い密着性を有するように、膜厚方向が長手方向となる柱状結晶粒を有し、該硬質皮膜層２と該硬質皮膜層１との界面において、該硬質皮膜層２と該硬質皮膜層１とを横断する柱状結晶粒を有していることが好ましい。

前記本発明の硬質皮膜被覆切削工具において、実用性の観点から、該硬質皮膜層１のＡｌ及びＣｒのうちの少なくとも１種の元素について、夫々１０原子％以下の範囲でＳｉ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ及びＷのうちから選択される少なくとも１種の元素で置換することが好ましい。
また、前記本発明の硬質皮膜被覆切削工具において、実用性の観点から、該硬質皮膜層２のＴｉ及びＡｌのうちの少なくとも１種の元素について、夫々１０原子％以下の範囲でＳｉ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ及びＷのうちから選択される少なくとも１種の元素で置換することが好ましい。

本発明によれば、物理的蒸着によって成膜して５μｍ以上に厚膜化した新規で高性能な２層構造を有する硬質皮膜において、上層側の硬質皮膜層１における結晶組織の微細粒状化と密着強度の改善を図り、下層側の硬質皮膜層２における結晶組織の粒状化と高硬度化による耐摩耗性の改善を図ることができる。前記２層構造を有する硬質皮膜層１、２により、従来に比べて硬質皮膜被覆切削工具の長寿命化を達成することができる。

本発明の硬質皮膜被覆切削工具を模式的に説明する図である。 本発明例１の被膜の破断面写真を示す。 図２のＡ部の拡大写真を示す。

硬質皮膜被覆切削工具において硬質皮膜の耐摩耗性は重要な要素であり、更なる向上が望まれている。硬質皮膜の耐摩耗性を向上させる手段として、概略２通りの手段が考えられ、１つは硬質皮膜の厚膜化、他の１つは硬質皮膜の高硬度化である。硬質皮膜の厚膜化により構成元素に関わらず耐摩耗性を向上することが可能であるが、厚膜化した際に発生する残留応力を緩和する必要がある。一方、硬質皮膜の高硬度化は硬質皮膜の構成元素や成膜条件に大きく依存する。
本発明は、物理的蒸着（以下、ＰＶＤと記す場合がある。）法による硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆切削工具において、基材と接する下層側の硬質皮膜層２の結晶組織を粒状化させ、高硬度化による耐摩耗性の改善を図り、また、上層側の硬質皮膜層１の結晶組織を微細粒状化させ、残留圧縮応力の低減化により密着強度の改善を実現した。硬質皮膜層１の結晶組織を微細粒状化させることは、切削時における硬質皮膜の摩耗形態が微細粒状レベルの連続的な脱落により生じることによって、皮膜欠損といった広範囲に渡る不具合の発生を低減する効果がある。硬質皮膜は残留圧縮応力が２ＧＰａを超えると硬質皮膜の自己破壊を発生し易くなることから、硬質皮膜層全体の残留圧縮応力を２ＧＰａ以下に低減化することができた。さらに、２層構造を有する硬質皮膜層間の密着性の改善についても実現することができた。

＜硬質皮膜層１＞
本発明が採用する硬質皮膜を構成する硬質皮膜層１は、ＡｌとＣｒを金属成分とする窒化物皮膜であり、潤滑性に優れ、溶着に起因する脱落やチッピングを抑制する効果を発揮する。
そこで硬質皮膜層１を高硬度に維持するために組成（Ａｌ_ａＣｒ_１−ａ）_１−ｘＮ_ｘを次のように規定した。Ａｌの含有量はａ＞０．７５である場合、六方最密構造（以下、ｈｃｐ構造と記す。）のＡｌＮが生成しやすくなり、密着強度が劣化するだけでなく硬度低下が生じる。また、Ａｌ含有量よりＣｒ含有量が多い場合も、残留圧縮応力が増大して密着強度が低下する傾向にある。以上より、０．５≦ａ≦０．７５と規定した。より好ましくは、０．６０≦ａ≦０．７０である。

次に、硬質皮膜層１の金属成分と非金属成分の組成比に関しては、０．４５≦ｘ≦０．５５の範囲に制御することにより、残留圧縮応力を０．５〜２ＧＰａの範囲に制御することができる。一方、ｘ＜０．４５の場合は、結晶格子中において（Ａｌ_ａＣｒ_１−ａ）元素同士が結合する割合が増加し結晶格子の歪が大きくなる。したがって、硬質皮膜層１の断面組織が過度に微細化して粒界欠陥が増大し、残留圧縮応力が増大して基材と硬質皮膜間の密着性が劣化してしまう。例えば、切削工具用の硬質皮膜では、粒界欠陥が密度低下や被加工物を構成する元素の内向拡散を生じ機械的特性、硬度や耐欠損性を低下させる。従って、粒界欠陥の低減のためにｘ値を０．４５以上に制御しなければならない。他方、ｘ＞０．５５の場合、硬質皮膜層１の結晶組織形態は柱状組織を有するが、粒界部に不純物が取り込まれやすくなる。この不純物は成膜処理装置の内部残留物に由来する。その結果、結晶粒界における接合強度が劣化し、外部衝撃によって容易に硬質皮膜層１が破壊されてしまう。ｘ値を最適制御した残留圧縮応力は、０．５〜２ＧＰａである。

硬質皮膜層１のＷ_１値が、０．５≦Ｗ_１≦０．９の範囲において、結晶組織が微細粒状を形成し、適度な残留圧縮応力が付与され密着強度に優れる。Ｗ_１＜０．５の場合、結晶組織は粗大な柱状結晶を形成し、切削加工時の亀裂が粒界を伝播することにより硬質皮膜の破壊をもたらし、切削工具の欠損を生じる可能性が高い。また、Ｗ_１＞０．９の場合、皮膜組織が非晶質化して皮膜硬度の低下に繋がる。Ｗ_１値の制御には、成膜温度を最適化する必要があり、バイアス電圧印加条件、反応ガス圧力条件と４００〜６５０℃の範囲で成膜する必要がある。４００℃未満では、Ｗ_１値が０．９を超え、６５０℃を超えると０．５未満となる。

硬質皮膜層１の残留圧縮応力は、Ｉｓ／Ｉｒ値、Ｉｔ／Ｉｒ値と相関性があるので、残留圧縮応力値を低減化するためには、Ｉｓ／Ｉｒ値、Ｉｔ／Ｉｒ値を制御すれば可能である。このとき、最強ピーク面は（２００）面であるのが好ましく、（１１１）面への配向が強くなると残留圧縮応力が増大し密着性が低下する傾向にある。従って、１＜Ｉｓ／Ｉｒ≦３、０．３≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１とすることにより残留圧縮応力を最適な範囲に制御して高い密着強度を有する厚膜の硬質皮膜が実現できる。一方、Ｉｓ／Ｉｒ≦１の場合、またＩｔ／Ｉｒ＜０．３の場合は、硬質皮膜層１の断面組織に結晶粒界が多くなり、残留圧縮応力が増大することにより、密着性が低下する傾向にある。更に、Ｉｓ／Ｉｒ＞３の場合、またＩｔ／Ｉｒ＞１の場合は、組織が非晶質に近く皮膜硬度が低下する。残留圧縮応力は低減されるが断面組織における粒界の密着強度が低下し、外部衝撃に対して硬質皮膜表面が容易に破壊したり、剥離したりする。Ｉｓ／Ｉｒ値、Ｉｔ／Ｉｒ値の制御には、成膜時の反応ガス圧力を３Ｐａ以上、７Ｐａ以下に設定すれば実現できる。３Ｐａ未満、７Ｐａを超えると結晶配向を制御することが困難となる。また、Ｉｓ／Ｉｒ値、Ｉｔ／Ｉｒ値は成膜時に印加されるバイアス電圧の大きさに依存する。バイアス電圧を負の値で、３０〜１５０Ｖに設定すれば、Ｉｓ／Ｉｒ値、Ｉｔ／Ｉｒ値の制御が可能である。

＜硬質皮膜層２＞
本発明が採用する硬質皮膜を構成する硬質皮膜層２は、ＴｉとＡｌを金属成分とする窒化物皮膜であり、耐摩耗性や密着強度に優れ、切削工具としての寿命向上に効果を発揮する。一般に、皮膜硬度が高いほど耐摩耗性は大きい。そこで硬質皮膜層２を高硬度に維持するために組成（Ｔｉ_ｂＡｌ_１−ｂ）_１−ｙＮ_ｙについて、Ｔｉの含有量は、０．４≦ｂ≦０．６に規定した。ｂ＞０．６の場合、十分な耐摩耗性や耐酸化性が得られない。ｂ＜０．４である場合、結晶構造が面心立方晶の（ＴｉＡｌ）Ｎにｈｃｐ構造のＡｌＮが含まれるようになり皮膜硬度が低下し耐摩耗性が劣化する。より好ましくは、０．４５≦ｂ≦０．５５である。

次に、硬質皮膜層２の金属成分と非金属成分の組成比に関しては、硬質皮膜層１の場合と同様に、０．４５≦ｙ≦０．５５の範囲に制御することにより、残留圧縮応力を０．５〜２ＧＰａの範囲に制御することができる。数値範囲の規定理由は硬質皮膜層１の場合と同様である。ｙ値を０．４５≦ｙ≦０．５５の範囲に制御するには、成膜時の反応ガス圧力を３Ｐａ以上、７Ｐａ以下に設定すれば実現できる。３Ｐａ未満では、ｙ値は０．４５未満となり、８Ｐａを超えると０．５５を超える。

硬質皮膜層２のＷ_２値は、０．６≦Ｗ_２≦０．９の範囲に規定した。これにより、結晶組織が粒状化し、高硬度を有する硬質皮膜が得られる。Ｗ_２＜０．６の場合、結晶組織は柱状結晶を形成し、切削加工時に発生した亀裂が粒界を伝播することにより、亀裂が基材へ到達しやすくなり、切削工具の欠損を生じる可能性が高い。また、Ｗ_２＞０．９の場合、皮膜組織が非晶質化しやすく皮膜硬度の低下に繋がる。Ｗ_２値の制御には、成膜温度を最適化する必要があり、３００〜５５０℃の範囲で成膜する必要がある。３００℃未満では、Ｗ_２値が０．９を超え、５５０℃を超えると０．６未満となる。

硬質皮膜層２の耐摩耗性を改善するためには、皮膜を高硬度化するのが好ましい。ここで、硬質皮膜層２も硬質皮膜層１と同様に面心立方構造を有する。０．３≦Ｉｖ／Ｉｕ＜１、及び０．３≦Ｉｗ／Ｉｕ＜１とすることで、硬質皮膜層２が高硬度化するため耐摩耗性に優れる。一方、Ｉｖ／Ｉｕ＜０．３、及びＩｗ／Ｉｕ＜０．３である場合、結晶粒界が増大し残留圧縮応力が増大しすぎるため、硬質皮膜層２の自己破壊に繋がってしまう。さらに、Ｉｖ／Ｉｕ≧１、及びＩｗ／Ｉｕ≧１である場合、太い柱状の結晶組織が形成され、切削加工時に発生する亀裂が粒界を伝播して基材へ到達しやすく、切削工具のチッピングや欠損に至りやすい。Ｉｖ／Ｉｕ値、及びＩｗ／Ｉｕ値の制御には、成膜時の反応ガス圧力を１．５Ｐａ以上、３．５Ｐａ以下に設定すれば実現できる。１．５Ｐａ未満では結晶配向を制御することが困難となる。また、３．５Ｐａを超えると皮膜硬度が低下する。
また、Ｉｖ／Ｉｕ値、及びＩｗ／Ｉｕ値の制御には、成膜時のバイアス電圧を３０Ｖ以上、１５０Ｖ以下に設定すれば実現できる。

本発明において、硬質皮膜層１、２の結晶組織を微細な粒状に制御することで、切削加工時のチッピングの抑制が実現できる。すなわち、切削加工時の摩滅に伴う硬質皮膜の破壊形態を、微細粒ごとの脱落とすることで、巨視的なチッピングを抑制することが可能である。硬質皮膜層１、２の結晶組織を制御するためには、硬質皮膜層１では（２００）面へ強く配向させ、硬質皮膜層２では（１１１）面へ強く配向させることが必要である。すなわち、上述のように、Ｉｓ／Ｉｒ値やＩｖ／Ｉｕ値での管理が可能である。

本発明において、硬質皮膜層１および硬質皮膜層２の皮膜界面からの皮膜破壊を抑制し、切削工具としての優れた耐摩耗性を発揮させるため、界面の密着強度改善を実現した。硬質皮膜層１および２は共に面心立方構造を有しており、切削工具としての耐摩耗性および鯛欠損性を改善するために、硬質皮膜層１における結晶組織の微細粒状化と密着強度の改善を図り、硬質皮膜層２における結晶組織の粒状化と高硬度化による耐摩耗性の改善を図った。硬質皮膜層１は、低応力化による密着性の改善ならびに微細粒状組織の形成が可能である（２００）面に強く配向する成膜条件を選定した。一方、硬質皮膜層２は、硬質皮膜の高硬度と結晶組織の粒状化が可能な（１１１）面に強く配向する成膜条件を選定した。
さらに、硬質皮膜層１および硬質皮膜層２の界面における密着強度を確保するため、各々の格子定数を整合させる検討を行った。つまり、硬質皮膜層１、２の格子定数を近似させることで、硬質皮膜層１、２の界面における結晶成長に連続性を持たせることができる。ただし、本発明においては硬質皮膜層１、２の組成が異なるため、両者の格子定数を整合させることは困難である。この理由は、硬質皮膜層１がＣｒを含み、硬質皮膜層２がＴｉを含む硬質皮膜であり、夫々のイオン半径が異なることによる。例えば、本発明例の硬質皮膜層１、２が含有するＡｌを、何れも７０原子％を超えて多くすれば、両者の格子定数を完全に整合させることは可能である。しかし、Ａｌ含有量が７０原子％を超えると、ｈｃｐ構造のＡｌＮ結晶が含まれるため、硬度低下をもたらし、耐摩耗性が極度に劣化する。
また、本発明において硬質皮膜層１、２の優先される配向が異なるため、硬質皮膜層界面でエピタキシャル成長させることは困難である。そこで、硬質皮膜層界面での密着性を確保するため、硬質皮膜層１、２の（２００）面から算出した格子定数を近似させる検討を行った。すなわち、０．９８０≦ａ１／ａ２≦０．９９０に制御することで、硬質皮膜層１および硬質皮膜層２の密着強度を高めた。硬質皮膜層１および硬質皮膜層２の格子定数は、成膜条件によって近似させることが可能である。

また、硬質皮膜層１、２の成膜にあたっては、バイアス電圧をパルス化（間欠化）させて印加した。ここで、バイアス電圧のパルス化について説明する。一般的に、バイアス電圧は負の直流電圧として基材に印加される。この場合、膜厚の増大に伴って残留圧縮応力が増大する。とくに本願発明に規定するような膜厚範囲（５≦Ｔ１＋Ｔ２≦１２）おいては、残留圧縮応力が過大となって、硬質皮膜の自己破壊を招く。そこで、バイアス電圧をパルス化させることで、バイアス電圧が低い瞬間に格子歪の解放が起こり、残留圧縮応力が緩和されるため、残留圧縮応力の低減化につながる。

また、バイアス電圧をパルス化する際の周波数が、残留圧縮応力の制御に重要である。本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、パルス周波数５〜３０ｋＨｚのときに、硬質皮膜層１では（２２０）面と（１１１）面のピーク強度比が０．３０≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．０、および硬質皮膜層２では（２２０）面と（１１１）面のピーク強度比が０．３≦Ｉｗ／Ｉｕ＜１．０となり、硬質皮膜の残留圧縮応力を０．５０〜２．０ＧＰａの最適な範囲に制御できることを見出した。パルス周波数が５ｋＨｚより低くなるとＩｔ／Ｉｒは１．０を越え、Ｉｗ／Ｉｕ値は１．０を超える。このとき、柱状組織からなる低圧縮応力の硬質皮膜が得られるが、柱状組織間の密着強度が低く、耐欠損性が高まらない。また、パルス周波数が５０ｋＨｚを越えると、成膜物質が基材に到達する際の運動エネルギーが低減できず、Ｉｔ／Ｉｒは０．３未満となり、Ｉｗ／Ｉｕは０．３未満となる。その結果、残留圧縮応力が２．０ＧＰａを越えてしまう。

ここで、バイアス電圧のパルス化方法について説明する。パルス化方式は、ユニポーラー方式とバイポーラー方式に大別される。ユニポーラー方式は、負もしくはゼロの範囲でバイアス電圧をパルス化させて印加する方法である。このとき、上述のように、バイアス電圧が低い瞬間に、格子歪が生成されにくくなり、残留圧縮応力の低減化につながる。一方、バイポーラー方式は、正の範囲でバイアス電圧をパルス化させて印加する方法である。このとき、正のバイアス電圧が印加された瞬間に、格子歪の一部が緩和されるため、さらなる残留圧縮応力の低減化を図ることが可能となる。

Ｔ１＜Ｔ２とする理由について説明する。構成元素の観点から、硬質皮膜層１の残留圧縮応力は硬質皮膜層２より高い傾向にある。Ｔ１値が２μｍを超えて厚い場合は、工具の刃先稜線部において皮膜の自己破壊が起こりやすくなる。また、硬質皮膜層１の潤滑性を得るには、０．１μｍ以上であることが好ましい。より好ましくは０．３≦Ｔ１≦２である。
また、硬質皮膜層２は耐摩耗性に優れるが、Ｔ２＜４の場合、耐摩耗性が発揮されない。さらに、Ｔ２値の増加に伴って残留圧縮応力は徐々に上昇する傾向にあり、Ｔ２＞１０の場合、残留圧縮応力が過大となり、基材と硬質皮膜界面での密着強度が低下し、硬質皮膜がはく離しやすくなる。より好ましくは、５≦Ｔ２≦８である。したがって、本発明における硬質皮膜層１の潤滑性や耐欠損性と、硬質皮膜層２の耐摩耗性を両立するためには、５≦Ｔ１＋Ｔ２≦１２、Ｔ１＜Ｔ２として、硬質皮膜層全体の残留圧縮応力を抑制することが必要である。

該硬質皮膜は少なくとも該硬質皮膜層１と該硬質皮膜層２とを横断する結晶粒を有し、この場合、同一結晶粒内での硬質皮膜層１、２界面における密着強度が改善される。よって、本発明の硬質皮膜は切削加工時の層間はく離の抑制に効果を発揮する。

硬質皮膜層１のＡｌ及びＣｒ、硬質皮膜層２のＴｉ及びＡｌにおいて、それらの夫々の金属成分の少なくとも１種の元素を１０原子％以下の範囲で置換を行うことによって硬質皮膜の機能を十分に発揮させることに有効である。Ｓｉ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ及びＷのうちから選択される少なくとも１種の元素の添加によって、結晶組織内に元素置換による格子歪みが生じ皮膜の高硬度化が図られる。しかしながら、前記元素の添加に伴い、残留圧縮応力は増大する傾向にあるため、その置換比率は１０原子％以下にすることが好ましい。Ｓｉを添加した場合には、皮膜の高硬度化、耐酸化性の改善に効果がある。同様に、Ｎｂ又はＷの添加も耐熱性向上に効果的である。更にＶ又はＢの添加は、皮膜の潤滑性向上に有効であり好ましい。高速、高送りといった過酷な切削条件に耐えることが可能となる。

＜成膜条件＞
本発明は、成膜時のバイアス電圧、反応圧力及び成膜温度を最適化させることによって、硬質皮膜層１、２の結晶構造を前記の範囲に制御でき、厚膜化された硬質皮膜は最適な残留圧縮応力が内在し、かつ高硬度を維持できる。
例えば、バイアス電圧値が大きい程残留圧縮応力は増大傾向にある。ここで、１μｍ／時間以下の比較的遅い成膜速度で、皮膜を結晶成長させることが重要である。このとき、最適化された残留圧縮応力値の範囲は０．５〜２ＧＰａである。残留圧縮応力値が０．５ＧＰａ未満であると耐摩耗性は確保できるものの耐欠損性が不十分であり、２ＧＰａを超えて大きいと硬質皮膜のチッピングを生じやすくなる。

また、硬質皮膜層１の成膜時のバイアス電圧を負の値で３０〜１００Ｖに制御することにより、Ｉｓ／Ｉｒ値を０．３以上に制御でき、硬質皮膜層２の成膜時のバイアス電圧を５０〜１５０Ｖに制御することにより、Ｉｖ／Ｉｕ値を０．３以上に制御できる。バイアス電圧が１５０Ｖ以下の範囲で低いほどＩｓ／Ｉｒ値、Ｉｖ／Ｉｕ値は大きくなる。しかしながら、３０Ｖ未満の低い電圧では、残留圧縮応力は低減され密着性は高まるが、皮膜硬度は低下し耐摩耗性が劣化する。そのため、成膜時のバイアス電圧を上記範囲内に制御することが重要である。
さらに、成膜時のバイアス電圧をパルス化して印加する方法により、Ｉｔ／Ｉｒ値を制御することができる。このとき、硬質皮膜層を厚膜化した際に顕著となる残留圧縮応力の増大を抑制し、硬質皮膜層の厚膜化による耐摩耗性の改善が実現できる。また、バイアス電圧の印加方法を、バイポーラー方式またはユニポーラー方式のパルス波とすることにより、直流のバイアス電圧で成膜した場合と比較して、特に（２２０）面のピーク強度が変化する。これは、成膜時にプラズマ中でイオン化された元素が、被処理物に到達する際に運動する余地があるため、配向強度に変化を及ぼすと考えられる。
さらに、本発明において、硬質皮膜層１、２の耐摩耗性改善のために厚膜化した際に生じる残留圧縮応力を制御するには、バイアス電圧をパルス化しパルス周波数を制御する必要がある。本発明ではパルス周波数を２５ｋＨｚに設定した。これにより、０．３≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１、及び０．３≦Ｉｗ／Ｉｕ＜１となり、残留圧縮応力値を０．５〜２ＧＰａの最適な範囲に制御できる。パルス周波数が５ｋＨｚ未満の場合は、Ｉｗ／Ｉｕ値は１を超える。このときの皮膜断面組織は、低残留圧縮応力を有する柱状組織が得られるが、柱状組織内における粒界間の密着強度が低く、切削加工時に発生した亀裂が容易に粒界を通って伝播するため、工具の欠損が生じてしまう。一方、５０ｋＨｚを超えて大きい場合は、イオンが被処理物に到達する際の運動エネルギーが低減できないためＩｗ／Ｉｕ値は０．３未満となる。硬質皮膜層２の残留圧縮応力が２ＧＰａを超える様になると密着性が著しく低下する。より好ましくは、１５〜３０ｋＨｚである。

以下、本発明を下記の実施例により詳細に説明するが、下記の実施例により本発明が限定されるものではない。

[１] 成膜装置
物理蒸着法の成膜装置として、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置、フィルター方式アークイオンプレーティング装置又はスパッタリング装置等が好適である。これより、本発明例１に用いる硬質皮膜の作製方法について以下に説明する。
被覆に使用した装置は、ＡＩＰ装置であり、ＡＩＰ装置内には基材装着用回転治具（プラネタリー方式）と、下層形成用のアークカソード２及びそのシャッターと、上層形成用のアークカソード１及びそのシャッターと、反応ガス供給口と、基材にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源と、減圧容器とを具備する。アークカソード１は、組成が原子％で、Ａｌ：６０％、Ｃｒ：４０％のターゲットを、アークカソード２は、Ｔｉ：５０％、Ａｌ：５０％のターゲットを装着した。基材装着用回転治具には、切削評価用として超硬合金製インサート工具を装着した。

[２] 製造方法
（Ａ） 基体のクリーニング
まずＡＩＰ装置内を２Ｐａ以下の減圧状態に保ちながら、基材を５００℃まで加熱した。続いてＡｒガス流量を１００ｓｃｃｍで導入し、ＡＩＰ装置内を２．５Ｐａ程度の真空に保ちながら、基材に負の電圧で２００Ｖのバイアス電圧を印加しながら、Ａｒイオンによる基材表面のエッチング処理を行った。

（Ｂ） 硬質皮膜層２の形成
（１）硬質皮膜層２の成膜温度
本発明例１における硬質皮膜層２の成膜温度は、５００℃に設定した。Ｗ_２値の制御には、成膜温度を最適化する必要があり、３００〜５５０℃の範囲で成膜する必要がある。３００℃未満では、Ｗ_２値が０．９を超え、５５０℃を超えると０．６未満となるからである。

（２）硬質皮膜層２の成膜雰囲気の圧力
本発明例１における硬質皮膜層２は、窒素ガスを導入して圧力を３Ｐａとした。このとき、窒素ガス流量は８００ｓｃｃｍに設定し、一定に保ちながら、真空排気系のメインバルブの開口率により減圧容器内の圧力制御を行った。硬質皮膜層２のｙ値を０．４５≦ｙ≦０．５５の範囲に制御するには、成膜時の反応ガス圧力を１．５Ｐａ以上、３．５Ｐａ以下に設定すれば実現できる。１．５Ｐａ未満では、ｙ値は０．４５未満となり、３．５Ｐａを超えると０．５５を超えてしまう。Ｉｖ／Ｉｕ値、Ｉｗ／Ｉｕ値の制御には、成膜時の反応ガス圧力を１．５Ｐａ以上、３．５Ｐａ以下に設定すれば実現できる。一方、１．５Ｐａ未満、３．５Ｐａを超えると結晶配向を制御することが困難となる。好ましい窒素ガス圧力は、２Ｐａ以上、３Ｐａ以下である。

（３）硬質皮膜層２のバイアス電圧
本発明例１における硬質皮膜層２のバイアス電圧は、負の電圧で１００Ｖに設定した。硬質皮膜層２はバイアス電圧値を高く設定し、バイポーラー方式でパルス化させたバイアス電圧を印加して成膜を行った。バイアス電圧値が高い程、残留圧縮応力は増大傾向にある。これは、バイアス電圧値が高いほど、成膜時に基材に到達するイオンのエネルギーが高まり（１１１）配向しやすくなるとともに、格子間に歪が発生しながら成膜されるためである。また、格子定数が大きくなるといった効果もある。そこで、本発明例１は、バイポーラー方式でパルス化させたバイアス電圧を印加した。このときの設定は、負の電圧を１００Ｖ、正の電圧を１０Ｖとし、周期的に振幅させて基材に印加させた。
硬質皮膜層２の成膜の定常期も、バイアス電圧をパルス化させて印加した。成膜時の負のバイアス電圧を５０〜１５０Ｖに制御することにより、Ｉｖ／Ｉｕ値を０．３以上に制御でき、バイアス電圧が１５０Ｖ以下の範囲で低いほどＩｖ／Ｉｕ値は大きくなり、５０Ｖよりも低い電圧では、残留圧縮応力は低減され密着性は高まるが、皮膜硬度は低下し耐摩耗性が劣化する。

（４）硬質皮膜層２のパルス周波数
本発明例１における硬質皮膜層２の成膜にあたっては、バイアス電圧をパルス化（間欠化）させて印加した。硬質皮膜層２におけるバイアス電圧は、負の電圧１００Ｖと、正の電圧１０Ｖの間で周期的に振幅させて基材に印加させた。このバイポーラー方式のパルス波でバイアス電圧を印加し、パルス周波数を２５ｋＨｚに設定した。これにより、０．３≦Ｉｗ／Ｉｕ＜１となり、残留圧縮応力値を０．５〜２ＧＰａの最適な範囲に制御できるから、厚膜化した際の残留圧縮応力が過大となるのを抑制できる。パルス周波数が５０ｋＨｚを超えると、成膜物質が基材に到達する際の運動エネルギーが低減できず、Ｉｗ／Ｉｕは０．３未満となる。その結果、残留圧縮応力が２．０ＧＰａを超えてしまう。パルス周波数が５ｋＨｚ未満の場合は、Ｉｗ／Ｉｕ値は１を超える。より好ましくは、パルス周波数は１５〜３０ｋＨｚである。

(５) 硬質皮膜層２のアーク電流
本発明例１における硬質皮膜層２の成膜にあたっては、アークカソード２に１５０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、Ｔ２値が５．３μｍとなるまで成膜した。

（Ｃ）硬質皮膜層１の形成
（１）硬質皮膜層１の成膜温度
硬質皮膜層２の成膜終了時から硬質皮膜層１の成膜開始時への移行期は、両層界面における格子定数の比を規定の数値範囲内に制御し、また連続した柱状結晶を成長させるために、緻密な制御が必要となる。そこで、成膜温度の制御に当たっては、硬質皮膜層２の成膜終了と同時に設定温度を５００℃から５５０℃へ変更した。実際の温度上昇は、ヒーター制御により２分以上、８分以内に設定温度の５５０℃となるようにした。
硬質皮膜層１の成膜における定常期も、５５０℃に設定した。硬質皮膜層１の成膜温度は、４００〜６５０℃の範囲で成膜する必要がある。４００℃未満では、Ｗ_１値が０．９を超え、６５０℃を超えると０．５未満となるからである。

（２）硬質皮膜層１の成膜雰囲気の圧力
硬質皮膜層２の成膜終了時から、硬質皮膜層１の成膜開始時への移行期は、硬質皮膜層２の成膜終了と同時に窒素ガスの設定流量を８００ｓｃｃｍから７５０ｓｃｃｍへと変更したが、真空排気系メインバルブの開口率制御により、圧力は３Ｐａを維持した。
硬質皮膜層１の成膜の定常期も、７５０ｓｃｃｍに設定し、圧力は３Ｐａを維持した。硬質皮膜層１のｘ値の最適制御に関して、成膜装置のガス圧力を３Ｐａ以上、７Ｐａ以下に調節した場合、硬質皮膜の残留圧縮応力を１〜２ＧＰａに制御することが可能となる。Ｉｓ／Ｉｒ値、及びＩｔ／Ｉｒ値の制御には、成膜時の反応ガス圧力を３Ｐａ以上、７Ｐａ以下に設定すれば実現できる。３Ｐａ未満、７Ｐａを超えると結晶配向を制御することが困難となる。

（３）硬質皮膜層１のバイアス電圧
硬質皮膜層２の成膜終了時から、硬質皮膜層１の成膜開始時への移行期は、硬質皮膜層１、２の界面における残留圧縮応力の差を小さくするために、硬質皮膜層２の条件よりも硬質皮膜層１の負のバイアス電圧値を低く設定し、ユニポーラー方式でパルス化させたバイアス電圧を印加して成膜を行った。ここで、負のバイアス電圧値を低くするとは、電圧値の絶対値が小さいことである。これは、バイアス電圧を低めに設定して格子定数がなるべく大きくならないようにするためである。成膜時のバイアス電圧を３０〜１００Ｖに制御することにより、Ｉｓ／Ｉｒ値は１を超えて大きく制御できる。バイアス電圧が１００Ｖ以下の範囲で低いほどＩｓ／Ｉｒ値は大きくなる。３０Ｖよりも低い電圧では、残留圧縮応力は低減され密着性は高まるが、皮膜硬度は低下し耐摩耗性が劣化してしまう。
硬質皮膜層１の成膜の定常期も、バイアス電圧をパルス化させて印加した。

（４）硬質皮膜層１のパルス周波数
硬質皮膜層２の成膜終了時から、硬質皮膜層１の成膜開始時への移行期は、短時間のうちに、バイポーラー方式からユニポーラー方式へと切り替え操作を行った。
本発明例１における硬質皮膜層１の成膜にあたっては、パルス周波数を２５ｋＨｚに設定した。これにより、０．３≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１、となり、残留圧縮応力値を０．５〜２ＧＰａの最適な範囲に制御できる。
パルス周波数５〜５０ｋＨｚのときに、硬質皮膜層１の（２２０）面と（１１１）面のピーク強度比が０．３≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１、となりパルス周波数が５ｋＨｚより低くなるとＩｔ／Ｉｒは１．０を超える。パルス周波数が５０ｋＨｚを超えると、成膜物質が基材に到達する際の運動エネルギーが低減できず、Ｉｔ／Ｉｒは０．３未満となり、その結果、残留圧縮応力が２．０ＧＰａを超えてしまう。

（５) 硬質皮膜層１のアーク電流
硬質皮膜層２の成膜終了時から、硬質皮膜層１の成膜開始時への移行期は、両層界面における格子定数の比を規定の数値範囲内に制御し、また連続した柱状結晶を成長させるために、緻密な制御が必要となるが、特に成膜速度の制御が重要である。そこで、硬質皮膜層２の成膜終了するために、アークカソード２のシャッター操作により閉状態とする３０秒前からアークカソード１も稼働させ、シャッターは閉状態を維持したままで１５０Ａの電流を流し始めた。アークカソード２のシャッター操作により閉状態とするのと同時に、アークカソード１はシャッター操作により開状態とした。これら一連の操作は、５秒以内に完了させることが好ましい。その後、アークカソード２の電流を止めるとよい。
ここで、アークカソード１、２の電流値を１５０Ａとした理由は、１（μｍ／時間）程度の最適な成膜速度を得ることによって、両層の皮膜の柱状結晶を成長させることが重要だからである。このとき、硬質皮膜層２と硬質皮膜層１との界面では、硬質皮膜層２の（１１１）面の配向から硬質皮膜層１の（２００）面の配向への連続した柱状結晶の成長が可能となる。また、残留圧縮応力値も最適化され、その範囲は０．５〜２ＧＰａとなる。しかし、１２０Ａ以下では、成膜速度が遅いため、成膜時間が長くなり、非効率となる。一方、１８０Ａ以上では、成膜速度が速くなると伴に、アークスポットにより局所的に高いエネルギーがターゲット表面に供給されるため、硬質皮膜層２と硬質皮膜層１との界面において、巨大粒子（ドロップレット）の存在比率が高まってしまう。その影響により、（１１１）面の配向から（２００）面への連続した柱状結晶の成長が困難となる。
硬質皮膜層１の成膜の定常期は、ユニポーラー方式のパルスバイアス電圧を印加しながらアークカソード１に１５０Ａの電流を流してＴ１値が２．２μｍとなるまで成膜した。
上記の被覆プロセスによって、本発明例１を作製した。

また、本発明例２から３６、比較例３７から７１では、各アークカソード１、２のターゲット組成、各バイアス電圧値の設定値以外の条件は、本発明例１の被覆プロセスに準拠した。成膜条件を表１に示す。

表１（続き）

表１（続き）

表１（続き）

得られた硬質皮膜の硬質皮膜層１、２の組成、Ｘ線回折ピーク強度比、硬質皮膜層１では（２００）面での格子定数、硬質皮膜層２では（１１１）面での格子定数、及び残留圧縮応力値を測定した。以下に測定方法を述べる。
硬質皮膜の組成測定は、各試料の切削用テストピースの膜断面を平面に研削・研磨し、その研磨部をＥＰＭＡ（例えば日本電子（株）製ＪＸＡ−８５００Ｒ型）を用いて、加速電圧１０ｋＶ、試料電流１μＡで分析した。膜厚は、各試料の切削用テストピースを垂直方向に破断して、電解放射走査型電子顕微鏡（例えば日立製作所製Ｓ−４２００型）で観察し、測定した。硬質皮膜のＸ線回折ピーク強度比、（２００）面の格子定数の測定は、Ｘ線回折装置（理学電気（株）製ＲＵ−２００ＢＨ型）を用いて、薄膜測定法では角度を１度に固定した薄膜設定（θ＝５度を標準とし、必要に応じてθ＝１度でも測定を行った）により２θを３０〜７０度の範囲で測定した。Ｘ線源にはλが０．１５４１ｎｍのＣｕＫα線を用い、バックグランドノイズは装置に内蔵されたソフトにより除去した。
本発明例１から１０の硬質皮膜層１の（２００）面および硬質皮膜層２の（１１１）面の格子定数の測定結果において、ａ１値は、０．４０８≦ａ１≦０．４１２であり、ａ２値は、０．４１５≦ａ２≦０．４１９の範囲内であった。硬質皮膜の残留圧縮応力の測定は、曲率測定法により行い、残留応力測定用のテストピースを用いた。これは、縦１０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ１ｍｍの微粒超硬合金製の基材上下面を鏡面研磨することにより作製し、鏡面部の反り量（δ_０）を測定した。このテストピースの片面にのみ硬質皮膜が被覆されるように、成膜装置に装着し成膜した。成膜後、同様に反り量（δ_１）を測定し、テストピース厚さ（Ｄ）、破断面膜厚（ｄ）を測定した。これらの数値から、（数１）によって残留応力値を算出した。（数１）において、Ｅｓ値は基板のヤング率として５１８ＧＰａ、νｓ値は基板のポアッソン比として０．２３８、ｌ値は最大たわみ量までの基板長さを１２．５ｍｍとした。測定結果を表２に示す。

本発明例１〜３６は、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと記す。）による倍率５０ｋ倍の硬質皮膜の断面観察の結果、硬質皮膜層１と硬質皮膜層２とを横断する柱状結晶粒が存在していることを確認した。この柱状結晶粒は、膜厚方向が長手方向となる形状をしていた。例えば、図２に本発明例１の被膜の破断面写真を示し、また、図３には、図２のＡ部の拡大写真を示した。図３では、硬質皮膜層１と２との界面を横断する２つの柱状結晶粒の輪郭を点線で示した。また、観察により、柱状結晶粒内に硬質皮膜層１と２との界面が存在していることを確認した。

表２（続き）

表２（続き）

表２（続き）

次に、得られた硬質皮膜被覆インサートの切削性能を、下記の試験条件を用い評価した。工具寿命の評価方法は、逃げ面における最大摩耗幅が０．３ｍｍに達するまでの加工時間とした。切削評価において発生する損傷も確認した。注目すべき損傷を摩耗量（幅）、硬質皮膜剥離、硬質皮膜破壊、チッピングとした。
（試験条件）
切削方法：平面削り加工
被削材： ＳＫＤ１１、１３０ｍｍ×２５０ｍｍの角材
切削速度： ２００ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．３５ｍｍ／刃
切り込み量：１．０ｍｍ
切削油：なし、乾式切削

本発明例１および比較例３７、３８では残留圧縮応力が切削性能に及ぼす影響を調査した。比較例３７では、残留圧縮応力が４．１ＧＰａであり、比較例３８では、残留圧縮応力が３．６ＧＰａであった。これらは、いずれも加工初期（５分）で刃先稜線部でのチッピングが確認され、工具寿命も短かった。一方、本発明例１では残留圧縮応力は１．６ＧＰａに低減された。そのため、切削加工時に適度な残留圧縮応力が付与され、硬質皮膜の摩耗形態が均一化され、局所的なチッピングが大幅に抑制された。これは、被削材との接触により硬質皮膜が摩滅する際に、結晶粒単位での脱落による摩耗進行が促進された結果であると考えられる。これにより、従来例や比較例と比べて工具寿命は長くなった。さらに、切削途中（１０分）の刃先表面をＥＰＭＡにより元素マッピングした結果、例えば従来例７３のような（ＴｉＡｌ）Ｎ膜が硬質皮膜層表面に存在する場合と比較して、Ｆｅ元素の検出量が少なかった。すなわち、硬質皮膜層１の組成から、被削材の溶着が抑制され、硬質皮膜層の溶着に伴うチッピングを防いだものと思われる。

本発明例２、３および比較例３９、４０では硬質皮膜層１の組成比が切削性能に及ぼす影響を確認した。比較例３９では、相対的にＡｌ含有量が多く、部分的にｈｃｐ構造のＡｌＮの存在が確認された。ｈｃｐ構造のＡｌＮは、皮膜硬度が低く、切削加工時の逃げ面摩耗が大幅に進行し、短寿命であった。また、比較例４０では相対的にＣｒ含有量が多く、残留圧縮応力が高くなったため硬質皮膜層２との密着性が劣化した。したがって、切削加工時の逃げ面摩耗が進行し、工具寿命は短くなった。
一方、本発明例２ではｈｃｐ構造のＡｌＮは確認されず、硬質皮膜層１として充分な高硬度を維持した。とくに、硬質皮膜層１の中にＡｌ含有量が増えたことから結晶組織がさらに微細化され、硬質皮膜が摩滅する際に、結晶粒単位での脱落による摩耗進行が促進された結果、摩耗形態が本発明例１よりさらに均一化した。また本発明例３では、残留圧縮応力が適切な範囲に制御されていた。したがって、これらの工具寿命は比較例３９、４０より長かった。

本発明例４、５および比較例４１、４２では硬質皮膜層１の成膜に対するガス（窒素）圧力の検討を行った。比較例４１ではガス圧力を７Ｐａに設定した。このとき、ｘ値が０．５７であったため、硬質皮膜層１が軟化してしまい、耐摩耗性が低下した。また、比較例４２ではガス圧力を１Ｐａに設定した。このとき、ｘ値が０．４２であり、硬質皮膜層１は高硬度化したものの残留圧縮応力が増大しすぎたために、切削初期からのチッピングが多く、短寿命であった。
一方、本発明例４ではガス圧力を３．５Ｐａに設定した。また、本発明例５ではガス圧力を１．５ＧＰａに設定した。いずれの場合も硬質皮膜層１の残留圧縮応力が適切に制御され、工具寿命は長くなった。

本発明例６、７および比較例４３では、硬質皮膜層１の膜厚と切削性能の関係を調査した。比較例４３は、硬質皮膜層１が５．８μｍ、硬質皮膜層２が５．４μｍであり、残留圧縮応力が３．５ＧＰａであった。構成元素の観点から、硬質皮膜層２と比較して硬質皮膜層１の残留圧縮応力が高くなった。したがって、切削初期からのチッピングが目立ち、工具寿命は短かった。
本発明例６では硬質皮膜層１の膜厚が本発明例１と比較して厚かったが、残留圧縮応力は１．９ＧＰａに低減され、工具寿命も長くなった。一方、本発明例７は硬質皮膜層１の膜厚は０．２μｍであり、本発明例１と比較して薄かったが、硬質皮膜層１としての潤滑性は充分に機能した。
したがって、硬質皮膜層１の潤滑性や耐チッピング性と、後述する硬質皮膜層２の耐摩耗性を両立するためには、残留圧縮応力のバランスが重要であり、本発明では相対的に残留圧縮応力が高い硬質皮膜層１の膜厚を、硬質皮膜層２よりも薄く設定する、すなわちＴ１＜Ｔ２であることが必要であることが分かった。

本発明例８、９および比較例４４、４５では、硬質皮膜層１で印加したバイアス電圧の大きさが切削性能に及ぼす影響を調査した。比較例４４では、バイアス電圧が高すぎたために、残留圧縮応力を２ＧＰａ以下に低減することができず、切削加工時のチッピングが多くなり、工具寿命は短かった。また、比較例４５では、バイアス電圧が低く、残留圧縮応力が低減され密着性が高まったものの、皮膜硬度が低下し、耐摩耗性が劣化した。そのため、工具寿命は短かった。
一方、本発明例８、９では残留圧縮応力が適切な範囲に制御され、工具寿命は長くなった。とくに、本発明例８では成膜条件の点で、格子定数比ａ１／ａ２が０．９８８で本発明例の中で最も近接し、硬質皮膜層１、２の界面における密着性が高まっていたと考えられ、工具寿命も長かった。

本発明例１０、１１および比較例４６、４７では、硬質皮膜層１にバイアス電圧を印加した際のパルス波印加方式およびパルス部分での電圧設定値が切削性能に及ぼす影響を調査した。比較例４６では、残留圧縮応力が０．９ＧＰａに低減されたものの、バイポーラー方式で正の電圧（＋３０Ｖ）にパルス化したことにより、硬質皮膜層１の結晶性が失われ、皮膜硬度の低下につながった。また、比較例４７ではユニポーラー方式で負の電圧（−３０Ｖ）にパルス化したことにより、残留圧縮応力が低減されず、切削加工時のチッピングが発生し、短寿命であった。
一方、本発明例１０、１１では残留圧縮応力が適切な範囲に制御され、耐チッピング性が改善され、長寿命化した。

本発明例１２、１３および比較例４８、４９ではバイアス電圧をパルス化した際の周波数の影響を調査した。比較例４８では、パルス波の周波数を５０ｋＨｚと高く設定したため、成膜物質が基材に到達する際の運動エネルギーが極度に減じてしまい、硬質皮膜の軟質化につながり、工具寿命は低下した。また、比較例４９ではパルス波の周波数を５ｋＨｚと低く設定したため、成膜物質が基材に到達する際の運動エネルギーを低減することができず、残留圧縮応力が増大し、硬質皮膜層１、２界面での密着性が劣化し、工具寿命は短かった。
一方、本発明例１２、１３では成膜物質が基材に到達する際の運動エネルギーが適切に制御され、残留圧縮応力が２ＧＰａ以下に低減されたため、硬質皮膜層１のチッピングが抑制され、工具寿命は長くなった。
また、本発明例１２、１３におけるＩｔ／Ｉｒ値は、いずれも０．３≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．０を満たしたが、比較例４８ではＩｔ／Ｉｒ＜０．３、比較例４９ではＩｔ／Ｉｒ＞１であった。したがって、パルス波をバイアス電圧に印加する際には、Ｉｔ／Ｉｒ値の制御が重要であることが分かった。

本発明例１４〜１８および比較例５０〜５４では、硬質皮膜層１に対する添加元素の影響を調査した。本発明例１４〜１８では、添加元素量がいずれも１０原子％以下であり、硬質皮膜層１を構成する（ＡｌＣｒ）Ｎ結晶格子内に、添加元素が進入あるいは置換することで、適度な歪みが発生し、皮膜の高硬度化が促進され、耐摩耗性が高まり、工具寿命も長くなったと推察される。また、Ｂ、Ｖ、Ｓｉ元素を硬質皮膜層に添加することで、切削加工時に切刃に生成する被削材の溶着成分が減少していることが確認され、耐溶着性の改善に効果的であった。さらに、ＮｂやＷの添加で硬質皮膜層の耐酸化性が改善され、工具寿命の改善に効果的であった。
しかしながら、比較例５０〜５４のように添加元素量が１０原子％を超えると、工具寿命は低下した。これは、（ＡｌＣｒ）Ｎもしくは（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜結晶構造内に、添加元素が進入型あるいは置換型で取り込まれるが、添加元素量が多いために（ＡｌＣｒ）Ｎもしくは（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜の結晶構造が崩れ、皮膜の低硬度化につながるためと思われる。また、比較例５０のようにＳｉ元素が多い場合には、皮膜組織がアモルファス化しやすくなり、同時に皮膜が軟質化した。

本発明例１９、２０および比較例５５、５６では硬質皮膜層２の組成比が切削性能に及ぼす影響を確認した。比較例５５では、相対的にＡｌ含有量が多く、部分的にｈｃｐ構造のＡｌＮの存在が確認された。ｈｃｐ構造のＡｌＮは、皮膜硬度が低く、切削加工時の逃げ面摩耗が大幅に進行し、短寿命であった。また、比較例５６では相対的にＴｉ含有量が多く、残留圧縮応力が低減されたものの、基材から硬質皮膜層１の膜厚方向へ柱状晶が成長したが、柱状晶の粒界強度が弱く、チッピングが多く確認され、工具寿命は短くなった。
一方、本発明例１９ではｈｃｐ構造のＡｌＮは確認されず、硬質皮膜層１として充分な高硬度を維持した。また本発明例２０では、残留圧縮応力が適切な範囲に制御され、基材との密着性が高まったため、工具寿命は長くなった。

本発明例２１、２２および比較例５７、５８では硬質皮膜層２の成膜に対するガス（窒素）圧力の検討を行った。これらは硬質皮膜層１の場合と同様の傾向であった。

本発明例２３、２４および比較例５９、６０では、硬質皮膜層２の膜厚と切削性能の関係を調査した。比較例５９では硬質皮膜層２を１１．０μｍと厚くした。このとき、硬質皮膜層２の残留圧縮応力が（ＴｉＡｌ）Ｎ組成では比較的低くなるものの、厚膜化しすぎると無効化されてしまうことが示された。また、比較例６０では硬質皮膜層２を２．４μｍとし薄くした。これは、硬質皮膜層１の１．８μｍより厚かった。この場合、残留圧縮応力が低減され、基材との密着性は高まったものの、逃げ面摩耗が急速に進行し短寿命であった。
一方、本発明例２３では硬質皮膜層２の膜厚が１０．２μｍであった。このとき、残留圧縮応力は２ＧＰａ以下には低減されたものの、本発明例１と比較して大幅な耐摩耗性の改善には至らなかった。これは、硬質皮膜層２の膜厚が厚いほど、残留圧縮応力が増大し、基材との密着性を阻害したと考えられる。工業上の生産性を考慮すると、切削工具としての用途に適した硬質皮膜層の膜厚範囲に制御することが肝要である。また、本発明例２５の硬質皮膜層２の膜厚は５．８μｍであり、これは本発明例１の硬質皮膜層２の膜厚５．３μｍよりも厚かった。このとき、残留圧縮応力は２ＧＰａとなり、基材との密着性が改善されたものの、本発明例１と比較して耐摩耗性が低下した。したがって、残留圧縮応力を適切な範囲に制御したうえで厚膜化を行うことで、工具寿命の改善につながることが示唆された。

本発明例２５、２６および比較例６１、６２では、硬質皮膜層２で印加したバイアス電圧の大きさが切削性能に及ぼす影響を調査した。これらは硬質皮膜層１の場合と同様の傾向であった。

本発明例２７、２８、２９および比較例６３、６４では、硬質皮膜層２にバイアス電圧を印加した際のパルス波印加方式およびパルス部分での電圧設定値が切削性能に及ぼす影響を調査した。これらは硬質皮膜層１の場合と同様の傾向であった。

本発明例３０、３１および比較例６５、６６ではバイアス電圧をパルス化した際の周波数の影響を調査した。これらは硬質皮膜層１の場合と同様の傾向であった。

本発明例３２〜３６および比較例６７〜７１では、硬質皮膜層１に対する添加元素の影響を調査した。これらは硬質皮膜層１の場合と同様の傾向であった。

従来例７２、７３は何れも直流バイアス電圧条件下にて成膜を行い、膜厚が３μｍ程度であったため、工具寿命は短かった。膜厚は工具寿命に大きな影響を及ぼすが、硬質皮膜の物性を適正な範囲に制御できなければ、産業上の優位点は得られないことが確認された。

本発明の硬質皮膜被覆切削工具は、例えば、金属部品や金型等の加工などの用途に好適であり、特に高送り切削加工や高送りの高速切削加工等の非常に厳しい耐摩耗性や耐欠損性が要求される用途に使用することができる。

１ 硬質皮膜層１
２ 硬質皮膜層２ｓ
３ 基材

Claims (4)

1. 超硬合金を基材とする切削工具に硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆切削工具において、 該硬質皮膜は物理的蒸着によって成膜された２層構造を有し、該２層構造は表面側に被覆された硬質皮膜層１、及び基材側に被覆された硬質皮膜層２を有して構成され、該硬質皮膜層１の組成は（Ａｌ_ａＣｒ_１−ａ）_１−ｘＮ_ｘ（但し、夫々の元素の含有量は原子比であり、０．５≦ａ≦０．７５、及び０．４５≦ｘ≦０．５５である。）で表され、該硬質皮膜層１のＸ線回折における（２００）面の半価幅をＷ_１（度）としたとき、０．５≦Ｗ_１≦０．９であり、（１１１）面のピーク強度Ｉｒ、（２００）面のピーク強度Ｉｓ、及び（２２０）面のピーク強度Ｉｔとしたとき、１＜Ｉｓ／Ｉｒ≦３、及び０．３≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１であり、該硬質皮膜層２の組成は、（Ｔｉ_ｂＡｌ_１−ｂ）_１−ｙＮ_ｙ（但し、夫々の元素の含有量は原子比であり、０．４≦ｂ≦０．６、及び０．４５≦ｙ≦０．５５である。）で表され、該硬質皮膜層２のＸ線回折における（１１１）面の半価幅をＷ_２（度）としたとき、０．６≦Ｗ_２≦０．９であり、（１１１）面のピーク強度Ｉｕ、（２００）面のピーク強度Ｉｖ、及び（２２０）面のピーク強度Ｉｗとしたとき、０．３≦Ｉｖ／Ｉｕ＜１、及び０．３≦Ｉｗ／Ｉｕ＜１であり、Ｘ線回折における該硬質皮膜層１の（２００）面の格子定数をａ１（ｎｍ）及び該硬質皮膜層２の（２００）面の格子定数をａ２（ｎｍ）としたとき、０．９８０≦ａ１／ａ２≦０．９９０であり、該硬質皮膜層１の膜厚をＴ１（μｍ）、及び該硬質皮膜層２の膜厚をＴ２（μｍ）としたとき、５≦Ｔ１＋Ｔ２≦１２、Ｔ１＜Ｔ２、であることを特徴とする硬質皮膜被覆切削工具。
2. 請求項１に記載の硬質皮膜被覆切削工具において、該硬質皮膜は膜厚方向が長手方向となる柱状結晶粒を有し、該硬質皮膜層２と該硬質皮膜層１との界面において、該硬質皮膜層２と該硬質皮膜層１とを横断する柱状結晶粒を有していることを特徴とする硬質皮膜被覆切削工具。
3. 請求項１に記載の硬質皮膜被覆切削工具において、該硬質皮膜層１のＡｌ及びＣｒのうちの少なくとも１種の元素について、夫々１０原子％以下の範囲でＳｉ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ、及びＷのうちから選択される少なくとも１種の元素で置換したことを特徴とする硬質皮膜被覆切削工具。
4. 請求項１に記載の硬質皮膜被覆切削工具において、該硬質皮膜層２のＴｉ及びＡｌのうちの少なくとも１種の元素について、夫々１０原子％以下の範囲でＳｉ、Ｂ、Ｖ、Ｎｂ、及びＷのうちから選択される少なくとも１種の元素で置換したことを特徴とする硬質皮膜被覆切削工具。