JP2011189498A - 硬質皮膜被覆工具 - Google Patents

Abstract

【課題】第１硬質皮膜は残留圧縮応力の低減化により厚膜化と密着性の確保を可能とし、第２硬質皮膜は残留圧縮応力により亀裂の伝播抑制を図って、硬質皮膜被覆切削工具の長寿命化を実現する。
【解決手段】硬質皮膜被覆工具において、硬質皮膜は基体表面から第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が被覆され、第１硬質皮膜は、（Ａｌ_ａＭｅ_{１００−ａ}）_ｅＮ_ｆで示され、但し、３５≦ａ≦６５、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５、第２硬質皮膜は、（Ｔｉ_{１００−ｈ}Ｂ_ｈ）_ｍＮ_ｐで示され、但し、１≦ｈ≦３０、０．８５≦ｍ／ｐ≦１．２５、であり、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１、ｄ２としたときに、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５であり、該第２硬質皮膜は柱状組織を有し、該柱状組織の結晶粒はＢ成分に組成差を有する組成変調構造であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属部品加工等に用いられる工具に関するものである。特に、耐摩耗性と密着性が必要とされる工具表面に、物理蒸着（以下、ＰＶＤ法と記す。）を用いて硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工具に関する。

特許文献１には、ＰＶＤ法により被覆した硬質皮膜のＸ線回折における（１１１）面の配向性と回折ピークの半価幅について開示されている。特許文献２には、（２２０）面、（１１１）面のピーク強度を制御する技術が開示されている。特許文献３には、硬質皮膜を構成する金属元素とガス成分元素の構成比率を調整する技術が開示されている。特許文献４には、エピタキシャル成長により皮膜界面の密着性改善に関する技術が開示されている。

特開２００６−２８１３６３号公報 特開２００３−７１６１１号公報 特開平７−１８８９０１号公報 特開２００１−１８１８２６号公報

本発明の解決しようとする課題は、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、高硬度化による耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆工具を提供することである。

本発明は、超硬合金を基体に圧縮応力を有する硬質皮膜を５〜３０μｍの膜厚で被覆した硬質皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は、該基体表面から第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が被覆され、最外皮膜は該第２硬質皮膜が被覆され、該第１硬質皮膜は、（Ａｌ_ａＭｅ_{１００−ａ}）_ｅＮ_ｆで示され、但し、ａは原子％、ｅ、ｆは原子比を表し、３５≦ａ≦６５、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５、であり、Ｍｅは４ａ、５ａ、６ａ族、Ｓｉ、Ｂから選択される１種以上を有し、該第２硬質皮膜は、（Ｔｉ_{１００−ｈ}Ｂ_ｈ）_ｍＮ_ｐで示され、但し、ｈは原子％、ｍ、ｐは原子比を表し、１≦ｈ≦３０、０．８５≦ｍ／ｐ≦１．２５、であり、該第１硬質皮膜、該第２硬質皮膜の結晶構造は面心立方構造であり、該第１硬質皮膜のＸ線回折において（１１１）面のピーク強度をＩｒ、（２００）面のピーク強度をＩｓ、（２２０）面のピーク強度をＩｔとしたときに、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５．０、及び０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、であり、該第２硬質皮膜のＸ線回折において（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、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１、ｄ２としたときに、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５であり、該第２硬質皮膜は柱状組織を有し、該柱状組織の結晶粒はＢ成分に組成差を有する組成変調構造であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具である。上記の構成を採用することによって、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、高硬度化による耐摩耗性に優れた硬質膜被覆工具を提供することができる。

本発明の硬質膜被覆工具は、該第１硬質皮膜における非金属成分の窒素（Ｎ）元素について、その１部を炭素（Ｃ）元素、酸素（Ｏ）元素で置換し、該非金属成分全体を１００とし、原子％でＣ元素の含有量をｘ、Ｏ元素の含有量をｙとしたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０、０＜ｘ＋ｙ≦１０、Ｎ元素の含有量は１００−ｘ−ｙ、であることが好ましい。また、該第２硬質皮膜における金属成分のＴｉ元素について、その１部を珪素（Ｓｉ）元素で置換し、該金属成分全体を１００としたとき、原子％でＳｉ元素の含有量をｋ、としたとき、０＜ｋ≦２０、Ｔｉ元素の含有量は１００−ｈ−ｋ、であることが好ましい。圧縮応力を有する該硬質皮膜は、１０μｍ〜３０μｍの膜厚であることが、より好ましい。

本発明によって、厚膜化した硬質皮膜における第１硬質皮膜の圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、第２硬質皮膜の高硬度化による耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆工具を提供することができた。

本発明の硬質皮膜被覆工具おける第１硬質皮膜は組成として、（Ａｌ_ａＭｅ_{１００−ａ}）_ｅＮ_ｆで示され、アルミニウム（Ａｌ）含有量を表すａ値が３５≦ａ≦６５、の範囲のとき、耐熱性、耐摩耗性が優れる。ａ値が６５％を超えて大きいと、第１皮膜断面組織が微細化して圧縮応力が増大し基体との密着性が劣化する不都合が生じる。ａ値が３５％未満であると、耐摩耗性が劣ると言う不都合が生じる。元素をＭｅとして集合的に呼称するＭｅ成分は、イオン半径が０．０４１〜０．１ｎｍの４ａ、５ａ、６ａ族の元素や、イオン半径が０．００２〜０．０４ｎｍの珪素（Ｓｉ）、硼素（Ｂ）等を含有した窒化物として被覆することが好ましい。この理由は、Ｍｅ成分、珪素や硼素のイオン半径と、アルミニウム元素のイオン半径との間に差が生じ、結晶構造に応力が作用して、皮膜の高硬度化に好都合だからである。Ｍｅ成分として、例えばチタニウム（Ｔｉ）を選択することにより、第１硬質皮膜の高硬度化に有効である。また、例えばＭｅが珪素（Ｓｉ）、硼素（Ｂ）では、固溶体を維持する含有量の範囲が１％から２０％であり、優れた耐熱性や潤滑特性を得られる。また、ＭｅとしてＷ、Ｎｂ、Ｃｒを含有することにより、第１硬質皮膜の耐熱性、高硬度化の改善に有効である。

第１硬質皮膜の金属成分と非金属成分との比ｅ／ｆ値を０．８５〜１．２５、とすることにより、硬質皮膜の圧縮応力を最適な範囲にすることができ、高い密着性を得ることができる。また、ｅ／ｆ値を０．８５〜１．２５とすると、第１硬質皮膜の組織は高靭性を有する柱状組織とすることができ、優れた欠損性と耐摩耗性を得ることができる。ｅ／ｆ値が０．８５以上のとき、第１硬質皮膜の結晶格子歪を低減できるが、０．８５未満になると、結晶格子歪が大きくなり、結晶格子縞の連続性が失われる現象や、第１硬質皮膜の断面組織が微細化し粒界欠陥が増大する。その結果、圧縮応力を増大して密着性が劣化する。例えば、切削工具用の硬質皮膜においては、この粒界欠陥が硬質皮膜の密度低下や、被加工物を構成する元素の硬質皮膜内部への内向拡散を招き、硬質皮膜の硬度低下や耐欠損性を劣化させる。ｅ／ｆ値が１．２５を超えると第１硬質皮膜は柱状組織を有するが、結晶の粒界部に不純物を取り込みやすくなる。この不純物は被覆処理を行う装置内部に残留する成分である。その結果、結晶粒間の接合強度が劣化し、第１硬質皮膜は外部からの衝撃によって容易に破壊される。本発明の第１硬質皮膜は、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５の範囲とすることにより、第１硬質皮膜の圧縮応力は１．５〜５．０ＧＰａの範囲になる。産業的には、ｅ／ｆ値を本発明の範囲にすることで、第１硬質皮膜に圧縮応力を有しつつ、かつその圧縮応力が過度ではない範囲に管理することが可能である。

第２硬質皮膜が、Ｔｉ、Ｂを含有する面心立方構造の窒化物であることにより、優れた耐溶着性を実現できる。第２硬質皮膜におけるＢ含有量を示すｈ値（原子％）は、１≦ｈ≦３０である。ｈ値のこの範囲は第２硬質皮膜を柱状組織とするために重要である。またＢ元素を含有させると、工具のすくい面の耐摩耗特性が向上する。切削初期において、Ｂは工具刃先がまだ低温である状態から酸化され、Ｂ含有酸化物を形成する。このＢ含有酸化物が、被加工物成分の第２硬質皮膜内部への拡散を抑制させる効果を発揮する。しかし、ｈ値が３０％を超えると、第２硬質皮膜の組織が微細化する。また、窒化硼素（ＢＮ）の結晶が出現し硬度が低下し、第２硬質皮膜の圧縮応力が増大して密着性が低下する欠点が現れる。ｈ値は、１％程度でも効果が現れる。

また、第２硬質皮膜の金属成分と窒素成分の比ｍ／ｐ値を０．８５〜１．２５とすることにより、第２硬質皮膜の圧縮応力を最適な範囲にすることができ、高い密着性を得ることができる。また、ｍ／ｐ値が０．８５〜１．２５のときには第２硬質皮膜は高靭性を有する柱状組織とすることができ、優れた欠損性と耐摩耗性を両立することができる。第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が面心立方構造であることにより、皮膜全体として高硬度を有する耐摩耗性に優れた硬質皮膜が得られる。

以下に、本発明の組成や組織の条件を達成するための製造条件について説明する。第１硬質皮膜である（Ａｌ_ａＭｅ_{１００−ａ}）_ｅＮ_ｆにおいて、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５の範囲とするためには、成膜時の反応圧力を制御することが重要である。窒化物を得るために、窒素の反応圧力を３Ｐａ〜８Ｐａとする。より好ましくは３．５Ｐａ〜７Ｐａの範囲にするとよい。反応圧力が３Ｐａ未満では、基体に入射するイオンの運動エネルギーが抑制できず、それが結晶格子歪となって現れ、圧縮応力が抑制できなくなり、ｅ／ｆ値は０．８５未満となる。８Ｐａを超えた条件で成膜を行うと、物理蒸着法におけるプラズマ密度が低下し、入射するイオンの運動エネルギーが低下し、ｅ／ｆ値は１．２５を超える。

第１硬質皮膜を成膜する際の条件として、パルス化されたバイアス電圧印加を負と正に振幅させ、（２００）面に強く配向させることで、第１硬質皮膜の圧縮応力を制御することができる。そのためには、バイアス電圧印加は、負の電圧２０〜１００Ｖ、正の電圧５〜１０Ｖの間で振幅させることによって実現できる。

第１硬質皮膜のＩｓ／Ｉｒ値を１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５．０、とするためには、バイアス電圧の制御が必要であり、バイアス電圧をパルス化させて印加させることが好ましい。バイアス電圧がマイナス２０V未満では、Ｉｓ／Ｉｒ値は大きくなる傾向にあり、圧縮応力は低減されるものの、第１硬質皮膜の硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する。マイナス１００Vを超えて比較的高い負のバイアス電圧を印加させて成膜を行うと、基体に引きつけられるイオンの運動エネルギーが大きくなる。それが圧縮応力の増大をもたらす。バイアス電圧をパルス化させて印加させることにより、成膜時にプラズマ中でイオン化された第１硬質皮膜を構成する元素の基体に到達する際の運動エネルギーを調整することが必要となる。バイアス電圧をパルス化させた場合特に重要なのは、パルス周波数の制御である。バイアス電圧をパルス化させて印加させると、（１１１）面、（２００）面や（２２０）面のピーク強度を変化させることが可能となり、特に（１１１）面への結晶成長を抑制することによって、圧縮応力を抑制し密着性を高めることができる。

パルス周波数が５〜３５ｋＨｚのときに、Ｉｔ／Ｉｒ値は０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５となり、このときの第１硬質皮膜の圧縮応力を１．５〜５．０ＧＰａの最適な範囲にすることができる。パルス周波数が５ｋＨｚより低くなると、Ｉｔ／Ｉｒ値は１．５を超える。また、３５ｋＨｚを超えると、イオンが基体に到達する際の運動エネルギーが調整できないため、Ｉｔ／Ｉｒ値は０．６未満になる。

第２硬質皮膜の成膜時に印加するバイアス電圧を、第１硬質皮膜を成膜する際の条件と同様にパルス化させると、基体に到達する硼素（Ｂ）イオンの運動エネルギーが調整できるため、窒化チタン（代表的にＴｉＮと表記する）の結晶格子に取り込まれ、第２硬質皮膜はＢを含む単一の結晶化された組織を有する。

第２硬質皮膜を成膜する際の条件として、パルス化されたバイアス電圧印加を負と正に振幅させ、（１１１）面に強く配向させることで、第２硬質皮膜の圧縮応力を制御することができる。そのためには、バイアス電圧印加は、負の電圧１００〜２５０Ｖ、パルス周波数を５〜３５ｋＨｚ、正の電圧５〜１０Ｖの間で振幅させることによって実現できる。このとき、第２硬質皮膜のＸ線回折において（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の範囲になる。第２硬質皮膜を上記範囲に制御すると、硬質皮膜が高硬度化し、耐摩耗性が改善される。バイアス電圧の制御のほかには、反応圧力を２〜５Ｐａの範囲に制御すれば可能である。第２硬質皮膜成膜時のバイアス電圧を１００Ｖ未満にすると（２００）のピークが強く出現し、耐摩耗性が劣る。また、２５０Ｖを超えて高いときは、硬質皮膜の残留圧縮応力が増大し、第１硬質皮膜との密着性が劣化する。

第２硬質皮膜のＩｖ／Ｉｕ値を０．３≦Ｉｖ／Ｉｕ≦１、とするためには、バイアス電圧の制御が必要であり、バイアス電圧をパルス化させて印加させることが好ましい。バイアス電圧がマイナス１００V未満では、Ｉｖ／Ｉｕ値は大きくなる傾向にあり、圧縮応力は低減されるものの、第２硬質皮膜の硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する。マイナス２５０Vを超えて比較的高い負のバイアス電圧を印加させて成膜を行うと、基体に引きつけられるイオンの運動エネルギーが大きくなる。それが圧縮応力の増大をもたらす。バイアス電圧をパルス化させて印加させることにより、成膜時にプラズマ中でイオン化された第２硬質皮膜を構成する元素の基体に到達する際の運動エネルギーを調整することが必要となる。バイアス電圧をパルス化させた場合特に重要なのは、パルス周波数の制御である。バイアス電圧をパルス化させて印加させると、（１１１）面、（２００）面や（２２０）面のピーク強度を変化させることが可能となり、特に（１１１）面への結晶成長を抑制することによって、圧縮応力を抑制し密着性を高めることができる。

パルス周波数が５〜３５ｋＨｚのときに、Ｉｗ／Ｉｕ値は０．３≦Ｉｗ／Ｉｕ＜１となり、このときの第２硬質皮膜の圧縮応力を１．５〜４．０ＧＰａの最適な範囲にすることができる。パルス周波数が５ｋＨｚ未満と低くなると、Ｉｗ／Ｉｕ値は１以上となる。また、３５ｋＨｚを超えると、イオンが基体に到達する際の運動エネルギーが調整できないため、Ｉｗ／Ｉｕ値は０．３未満になる。

第２硬質皮膜を直流のバイアス電圧を印加させて成膜した場合、Ｂは、ＴｉＮの面心立方構造の格子に置換されるほかに、立方晶窒化硼素（ｃ−ＢＮ）、六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）、非晶質ＢＮなどを第２硬質皮膜中に含むことが多くなる。プラズマ中でＢのイオンは、Ｔｉなどに比べ軽元素であるため、高い運動エネルギーを有した状態で基体に到達し、様々な不安定な結合が生じるものと考えられる。第２硬質皮膜にｈ−ＢＮのみを含む場合は、潤滑特性が向上し、すくい面摩耗の抑制を実現できると期待されるが、ｈ−ＢＮを単独で含有させることは困難となる。ｃ−ＢＮ等、他の結晶構造を有する化合物と共存するようになるため、圧縮応力が増大する。特にｃ−ＢＮを多く含む場合は、第２硬質皮膜の高硬度化が実現できるものの、圧縮応力が増大し、密着性が劣化する欠点が現れるため好ましくない

次に、本発明の構成要件のうち、重要な（２００）面ピーク強度の条件について説明する。本発明は、面心立方構造を有する第１硬質皮膜をＸ線回折で評価したときに、（２００）面に最も強く配向していることが大きな特徴である。この特徴により、本発明は第１硬質皮膜の圧縮応力が低減されることによって、厚膜化したときでも密着性は維持され、また、切削におけるせん断方向からの切削力に対する耐久性が優れる。

一般的に言って、切削による外部からの衝撃に対し、硬質皮膜に破壊（以下、クラックと記す。）が生じる。そのクラックは、基体に対して垂直方向に硬質皮膜における組織の粒界を伝播し、基体に到達し、欠損や摩耗の原因となる。基体に接する第１硬質皮膜での（１１１）面への配向が強くなると、圧縮応力が高くなり高硬度となるものの、第１硬質皮膜の密着性が低下し、その結果として、耐欠損性や耐摩耗性が低下して不都合が生じる。本発明の硬質皮膜被覆工具は、第１硬質皮膜の耐摩耗性はもちろんのこと、基材との密着性を高め、第２硬質皮膜を高硬度化させることで優れた耐摩耗性を実現するものである。

本発明のように、第１硬質皮膜を、（２００）面に強く配向させることにより、圧縮応力低減により厚膜化と密着性の改善が可能となり、耐摩耗性が高まる。また、切削におけるせん断方向からの切削力に対する耐久性が優れる。そこで本発明では、第１硬質皮膜のＸ線回折において（１１１）面のピーク強度をＩｒ、（２００）面のピーク強度をＩｓ、（２２０）面のピーク強度をＩｔとしたときに、第１硬質皮膜のＩｓ／Ｉｒ値を、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５、Ｉｔ／Ｉｒ値を０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５に規定する。第１硬質皮膜を、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５、にすれば優れた耐摩耗性を実現でき、また、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、にすれば適正な圧縮応力の範囲を得ることができる。従って、厚膜化された皮膜が高い密着性を有しつつ、高硬度な第１硬質皮膜を得ることができる。しかし、Ｉｓ／Ｉｒ値が１．５未満、Ｉｔ／Ｉｒ値が０．６未満のときは、第１硬質皮膜の断面組織が微細化し、圧縮応力が増大する。そのため、耐摩耗性は優れるが、容易に皮膜剥離が発生する。特にＩｔ／Ｉｒ値が０．６未満では、第１硬質皮膜の内部欠陥が増加する。また、Ｉｔ／Ｉｒ値が０．６未満のときは、たとえＩｓ／Ｉｒ値が１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５、であっても、（１１１）面のピーク強度が大きく出現する。そのために、第１硬質皮膜の圧縮応力を制御することが困難となる。このときの第１硬質皮膜の圧縮応力は５．０ＧＰａ程度となり基体と第１硬質皮膜の密着性は確保できても、柱状結晶粒界間の密着強度が劣化し、耐摩耗性が低下する。そこで、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５に規定する。Ｉｓ／Ｉｒ値が１５を超えて大きく、Ｉｔ／Ｉｒ値が１．５を超えて大きいときは、圧縮応力は低減されるが、第１硬質皮膜の断面組織における粒界の接合強度が低下して密着性と耐磨耗性が劣化する。また、Ｉｔ／Ｉｒ値が１．５を超えると、第１硬質皮膜は粒界における密着強度が低下し、皮膜表面から基体方向にほぼ垂直方向の亀裂破壊が発生しやすくなる。その結果、耐欠損性、耐摩耗性が改善されない。また、粒界に被加工物元素か拡散しやすくなる傾向にあり、機械的特性が劣化する。

第２硬質皮膜について、硬質皮膜のＸ線回折において（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の範囲に規定する。第２硬質皮膜を成膜する際の条件として、パルス化されたバイアス電圧印加を負と正に振幅させ、（１１１）面に強く配向させることで、第２硬質皮膜の圧縮応力を制御することができる。そのためには、バイアス電圧印加は、負の電圧１００〜２５０Ｖ、パルス周波数を５〜３５ｋＨｚ、正の電圧５〜１０Ｖの間で振幅させることによって実現できる。第２硬質皮膜を上記範囲に制御すると、硬質皮膜が高硬度化し、耐摩耗性が改善される。バイアス電圧の制御のほかには、反応圧力を２〜５Ｐａの範囲に制御すれば可能である。第２硬質皮膜成膜時のバイアス電圧を１００Ｖ未満にすると（２００）のピークが強く出現し、耐摩耗性が劣る。また、２５０Ｖを超えて高いときは、硬質皮膜の残留圧縮応力が増大し、第１硬質皮膜との密着性が劣化する。

本発明に係る硬質皮膜において、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）をそれぞれ、ｄ１、ｄ２としたときに、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５であり、ｄ２／ｄ１値を、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５とすることにより、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜との密着性が改善され、耐摩耗性が優れる。硬質皮膜間の密着性を高めるには結晶格子歪を低減させる必要がある。この歪を低減させるためには、硬質皮膜間の（２００）面の面間隔の差を小さくしてミスフィットを低減させることにより、高い密着性が得られる。そこで、ｄ２／ｄ１値を、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５の範囲に規定することで基体との密着性が損なわれることなく耐摩耗性に優れた硬質皮膜が得られる。ｄ２／ｄ１値が１．０１未満では、硬質皮膜全体の圧縮応力が増大するため、基体との密着性が劣化する。１．０５を超えると、皮膜界面の内部欠陥が多くなり、密着性が損なわれるだけでなく、圧縮応力が増大し、基体との密着性が低下する。成膜条件として１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５の範囲にする方法を例示すると、成膜条件であるバイアス印加におけるパルス周波数を、５ｋＨｚから３５ｋＨｚの範囲で使用することである。

本発明に係る硬質皮膜について、第２硬質皮膜は柱状組織を有し、結晶粒は成長方向について界面を形成することなくＢ成分の組成変調構造を有し、Ｂ成分に組成差を有する層同士の境界領域で結晶格子縞が連続的に成長している。ここで、柱状組織とは、膜厚方向に伸びた縦長成長の結晶組織である。第２硬質皮膜は多結晶材料であるが、結晶粒１つ１つの単位で捉えれば、単結晶材料の成長に類似した形態となっている。本発明の特徴として、第２硬質皮膜の柱状組織の結晶粒は、成長方向に対してＢ成分の含有量が比較的多くなっているＢ富化層と、比較的少なくなっているＢ貧化層とが交互に存在し、Ｂ成分の組成差を有する組成変調構造を有していることである。このとき、この組成変調構造における組成変調境界部では結晶格子縞が連続していることが好ましい。第２硬質皮膜がＢ成分の組成変調構造を有し、圧縮応力を制御することによって機械的強度が高まる。例えば、Ｂ含有量の富化層では、比較的軟質な層が形成される。この軟質層が、他の比較的硬質な層との層間に存在すると緩衝効果を示し、第２硬質皮膜全体として圧縮応力を緩和して、靭性を有する。更に、Ｂ成分の潤滑特性によって、潤滑性を有する第２硬質皮膜を得ることができる。しかし、この時の好ましいＢ成分の組成差は、最大でも１０％である。より好ましくは、０．１％以上、７％以下の範囲にすることである。

Ｂ成分の組成変調構造とするには、例えば、Ｂ含有量の比較的多い組成のターゲット材と、比較的少ない組成のターゲット材とを組み合わせるといったように、Ｂ含有量の異なるターゲット材を用いて、パルスバイアスを印加しながら成膜を行うことで実現できる。本発明に係る第２硬質皮膜は、パルスバイアスによる高バイアス電圧印加によって実現できる。そのため、特に第２硬質皮膜においてはＴｉよりもイオン半径の小さいＢを面心立方構造ＴｉＮの結晶格子中に含有させるため、パルスバイアスの印加によりイオンの運動エネルギーを制御する必要がある。パルスバイアスを印加させることにより、柱状組織におけるＢ含有量が組成差を有する部分は、Ｂ成分が交互に組成変調する構造となり、Ｂ富化層とＢ貧化層との層間は結晶格子縞が連続して成長する。一方、直流の高バイアス電圧印加では、Ｂを第２硬質皮膜中に含有させることが困難となってしまう。層間の結晶格子縞が連続して成長した組成変調構造は、例えば、日本電子株式会社製ＪＥＭ−２０１０Ｆ型の電界放出型透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと記す。）を用いて、加速電圧２０ｋＶの条件で柱状組織を観察することによって確認できる。

硬質皮膜全体の膜厚を５μｍ以上とすることにより、優れた耐摩耗性が得られる。一方、３０μｍ超では、硬質皮膜は圧縮応力が高くなり、基体との密着性が劣化するため、３０μｍ以下であるのが好ましい。また第１硬質皮膜の膜厚は第２硬質皮膜よりも厚く、より好ましくは第２硬質皮膜の膜厚は硬質皮膜全体の膜厚に対し、５０％以下であることが好適である。より好ましい硬質皮膜全体の厚みは、１０μｍ〜３０μｍの膜厚であることにより、優れた耐摩耗性が得られる。

第１硬質皮膜における非金属成分の窒素元素について、その１部を炭素元素、酸素元素で置換し、原子％で炭素元素の含有量をｘ値、酸素元素の含有量をｙ値としたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０、０＜ｘ＋ｙ≦１０の範囲にすることが好ましい。これにより、高硬度、優れた耐酸化特性、密着性及び潤滑特性を有する第１硬質皮膜が得られる。炭素元素、酸素元素を含有させるときは、機械的強度劣化を回避するために、ｘ値とｙ値との和を１０％以下にすることで、優れた耐溶着性と摺動性を有する。より好ましくは、炭素元素を単独で含有させる場合は、２％〜１０％とすることである。しかし、ｘ値、ｙ値が１０％を超えると結晶組織が微細化し、結晶粒界における欠陥が増大する。その結果、たとえ第１硬質皮膜の潤滑特性が改善されても、圧縮応力が増大するため密着性や耐欠損性が低下する欠点が現れる。第１硬質皮膜に炭素元素、酸素元素を含有させる場合には、炭化水素系ガスや酸素含有ガスを使用することが好ましい。ガスを導入して成膜を行う場合、窒素ガスと併せた全圧は、３〜８Ｐａの範囲にすることが好ましい。炭素元素の添加において、ガスを導入し成膜を行う場合は、窒素（Ｎ_２）とメタン（ＣＨ_４）やアセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_６）などを用いた方が制御し易い。炭化水素系ガスを導入する場合は、窒素流量に対して２０％程度までが安定して成膜を行うことが可能な範囲である。また酸素ガスを導入する場合は、窒素ガスと酸素ガス、又は、窒素ガス、酸素ガス、およびアルゴンを導入して成膜を行うことが好ましい。或いは、ターゲット蒸発源に炭素元素、酸素元素を含む化合物として含有させることも可能である。

第２硬質皮膜における金属成分のＴｉ元素について、その１部をＳｉ元素で置換し、該金属成分全体を１としたとき、原子％でＳｉ元素の含有量をｋとしたとき、０＜ｋ≦２０とすることにより、耐摩耗性が向上する。第２硬質皮膜を柱状組織とするため、ｋ値は２０％以下にすることが好ましい。Ｓｉを含有させる場合は、ＴｉＮの単一な結晶質が固溶体となることで、例えば、切削工具のすくい面における耐摩耗性に優れた第２硬質皮膜を得られる。一方、ｋ値が２０％を超えると組織が微細化し、圧縮応力が増大し、密着性を低下させる欠点が現れる。また、第２硬質皮膜は、ＴｉＮの結晶質、ＳｉＮ組成系の結晶質や非晶質といった形で、様々な構造が混在する。その結果、結晶粒界が増大し、結晶格子歪が発生して圧縮応力が増大する。

本発明の硬質皮膜の組成は、例えば、日本電子製のＪＸＡ８５００Ｆ形ＥＰＭＡ分析装置を用いて測定できる。具体的には硬質皮膜の垂直断面もしくは膜断面を１７度斜めに傾けて研磨した傾斜断面において、硬質皮膜を基体の影響を受けない位置から行い、加速電圧１０ｋＶ、照射電流１．０μＡ、プローブ径を１０μｍ程度に設定することにより組成の特定が可能である。硬質皮膜表面から測定する場合は、プローブ径を５０μｍ程度に設定することが好ましい。また、炭素や酸素を含有させたときは、２％未満になると分析での検出が困難となる。硬質皮膜の膜厚は、例えば、株式会社日立製作所製Ｓ−４２００型電解放射走査型電子顕微鏡を用いて、垂直方向の破断面をたとえば倍率２万５千倍で観察して測定できる。

第１、２硬質皮膜のＸ線回折における（１１１）、（２００）、（２２０）面のピーク強度比の測定は、例えば、理学電気株式会社製ＲＵ−２００ＢＨ型Ｘ線回折装置を用いて２θ−θ走査法により測定できる。本発明の実施例では、２θ（度）の範囲は、１０〜１４５度、Ｘ線源はλ値が０．１５４０５ｎｍのＣｕＫα１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。測定結果は、検出された２θのピーク位置が、結晶構造が面心立方構造であるＴｉＮのＸ線回折パターン（ＪＣＰＤＳファイル番号３８−１４２０）に略一致したので、その（１１１）、（２００）、（２２０）ピークの強度を測定した。ピーク強度は、各指数面のピークトップの最大値をピーク強度とし、それを用いてピーク強度比を求めた。更に、面間隔は、上記（２００）面を示すピーク位置の数値を適用した。また、ＣｒＮがベースとなるような第１硬質皮膜の場合も同様にして、ピーク強度を測定した。

本発明に係る硬質皮膜における圧縮応力は以下に示す曲率測定法で算出できる。即ち、ヤング率とポアッソン比が既知となっている基体を所定の形状に加工した試験片を用い、その表面に被覆を行うと、硬質皮膜中に発生する圧縮応力により、被覆された試験片がたわみ変形する。そのたわみ変形量を求め、数１を用いて、硬質皮膜全体の圧縮応力σ値を算出する。後述の実施例等ではこの方法で算出した数値を記載した。

ここで、Ｅｓ値（ＧＰａ）は、試験片に使用した基体のヤング率、Ｄ値（ｍｍ）は試験片の厚み、δ値（μｍ）は被覆前後で生じる試験片のたわみ量、ｌ値（ｍｍ）は被覆によってたわみが生じた試験片の長さ方向端面から、最大たわみ部までの長さ、νｓ値は試験片に使用した基体のポアッソン比、ｄ（μｍ）は試験片表面に被覆した硬質皮膜の膜厚である。また、試験片の形成材料としては、超硬合金材料が、測定数値のばらつきが少なく適している。試験片形状は、短冊型の形状が望ましく、例えば８ｍｍ幅、２５ｍｍ長さ、０．５〜１．５ｍｍ厚さの形状を使用すると、測定数値のばらつきが少ない。試験片の面積の大きい上下面について、平行度±０．１ｍｍになるよう、鏡面研磨を施した後、６００〜１０００℃の真空中で熱処理を行い、試験片に用いる材料の、特に表面部分の歪を除去することが重要である。この歪をある程度除去しなければ、得られる圧縮応力の値にばらつきが発生する。試験片面積の大きい、鏡面加工された一面のたわみ変形量を被覆前に測定した後、その面に被覆を行い、再度、得られた被覆試験片のたわみ量を測定する。被覆前後のたわみ量と、被覆によってたわみが生じた試験片の長さ方向端面から、最大たわみ部までの長さ、および被覆した硬質皮膜の膜厚を測定し、その数値を数１に代入すれば、硬質皮膜の組成や、成膜条件が変化しても、また、組成変調構造を有していても、圧縮応力の値を算出することが可能である。

硬質皮膜被覆工具は、基体として炭化タングステン基超硬合金、高速度工具鋼、またはサーメット等を用いると、より耐摩耗性と靱性のバランスが最適化される。ただし、高速度工具鋼を基体として用いる場合は、その熱処理特性を考慮し５００〜５５０℃の範囲で物理蒸着により被覆することが好ましい。このような比較的低温で成膜する場合は、印加するバイアス電圧や成膜時の反応圧力を適宜最適化する。成膜方法としては、パルス化されたバイアス電圧が印加可能で、圧縮応力が付与される成膜方式が好ましい。アークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）法、スパッタリング法等のイオンプレーティング方式等が好ましい。適切な製造条件を適用すれば、各々の方式が一つの設備に設置された複合装置を用いてもよい。本発明を以下の実施例により更に詳細に説明するが、それにより本発明が限定されるものではない。

圧縮応力測定が行える試験片、旋削用インサート形状の超硬合金製基体表面に、本発明に係る硬質皮膜を被覆して、本発明例１のものを作製した。本発明例１では、ＡＩＰ装置を用いて、金属成分の組成が、原子％で、Ｔｉ：５０％、Ａｌ：５０％のターゲット材１を用いた。金属成分のみの組成が原子％で、Ｔｉ：５０％、Ａｌ：５０％の（ＴｉＡｌ）Ｎ膜を第１硬質皮膜として膜厚６μｍとなるように成膜した。その後、Ｂ含有量の異なる２種類のターゲット材を用いて、第２硬質皮膜を成膜した。即ち、金属成分の組成が、原子％で、Ｔｉ：９２％、Ｂ：８％のターゲット材２と、Ｔｉ：８８％、Ｂ：１２％のターゲット材３とを用いた。金属成分のみの組成が、Ｔｉ：９０％、Ｂ：１０％の（ＴｉＢ）Ｎ膜を６μｍの膜厚で第２硬質皮膜として成膜し、総膜厚が１２μｍとした。この様に、第２硬質皮膜の成膜においては、旋削用インサートを装填した治具が、ＡＩＰ装置内で遊星運動を行うことによって、旋削用インサートは、ターゲット材２とターゲット材３との間を通過するときに、接近と離脱とを交互におこなうことによって、柱状組織の結晶粒が、Ｂ成分の組成変調構造をもつように調整した。成膜温度は５５０℃、反応圧力は３．５Ｐａとし、窒化物とするために窒素ガスを成膜時に導入させて作製した。第１硬質皮膜である（ＴｉＡｌ）Ｎ膜は直流で５０Ｖの負のバイアス電圧で１μｍ成膜した後、パルス化したバイアス電圧を印加したものである。パルス周波数は１０ｋＨｚ、正のバイアス電圧を５Ｖに設定した。（ＴｉＡｌ）Ｎ膜を成膜後、第２硬質皮膜である（ＴｉＢ）Ｎ膜を負のバイアス電圧１５０Ｖに設定し、その他の条件は（ＴｉＡｌ）Ｎと同条件にて成膜した。蒸発源は、本発明例と比較例に応じて、各種合金製ターゲットを選択して用い、窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物とするために窒素、酸素、メタンなどの炭化水素系のガスを単独、もしくは、混合させて成膜時に導入させて作製した。本発明例１の成膜条件を標準として、硬質皮膜の膜厚、組成、Ｘ線回折ピーク強度、ならびに圧縮応力を変化させた本発明例２〜４２と比較例４３〜６３のものを作製した。

作製した試料の詳細と、硬質皮膜組成、硬質皮膜の製造条件、圧縮応力の測定値や被覆したインサートの切削試験の評価結果を表１、２、３、４に示す。また、ＴＥＭによる皮膜断面観察の結果、本発明例における第２硬質皮膜は全て柱状組織を有し、この柱状組織の結晶粒は結晶粒成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有していることを確認した。例えば、本発明例１の第２硬質皮膜は、ＴＥＭによる皮膜断面観察の結果、柱状組織を有し、結晶粒は成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造であった。これは、Ｂ含有量の異なるターゲット材を用いて第２硬質皮膜を成膜したことにより、Ｂ富化層とＢ貧化層とのＢ成分の組成差は、４％であった。また、層間は結晶格子縞が連続して成長していた。一方、比較例の中にもＢ成分に組成差を有する組成変調構造を有するものがあったが、この組成差の小さいものは、高い圧縮応力を示した。

作製した旋削用インサートを刃先交換式バイトに取り付け、以下の条件で旋削加工試験を行い、耐摩耗性、耐欠損性、密着性の優劣を確認した。切削評価に使用したインサートは、汎用的なＣＮＭＧ１２０４０８形状を用い、超硬合金を基体として、ＪＩＳ規格におけるＭ２０種相当でＨＲＡ９１を使用した。旋削加工を行うに当たり、チップブレーカ付き、すくい角が１度の特殊形状のインサートを使用した。評価方法は、切削距離５ｍ時に発生する硬質皮膜被覆インサートの逃げ面、すくい面に発生する摩耗を、光学顕微鏡で５０倍に拡大して観察した。更に切削を継続し、１０μｍ以上の微小チッピングを含む欠損が発生した時点、欠損がない場合は、逃げ面摩耗幅のＶＢｍａｘ値が０．３ｍｍに到達した時点を工具寿命とし、この時の切削距離（ｍ）によって性能を評価した。切削途中の刃先の損傷状態は、適宜観察を行った。

（切削試験条件）
切削方法：長手方向連続切削
被削材形状：直径１６０ｍｍ、長さ６００ｍｍの丸棒材
被削材：Ｓ５３Ｃ、ＨＢ２６０、調質材
軸方向切込み量：２．０ｍｍ
切削速度：３００ｍ／分
１回転あたりの送り量：０．４ｍｍ／回転
切削油：なし

本発明例１〜５、比較例４３、４４は、硬質皮膜の膜厚の影響を見るために作製した。膜厚は被覆時間により調節した。第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の膜厚比は１：１として同じとし、全体の膜厚のみを変化させた。硬質皮膜の膜厚が厚くなると圧縮応力は増大する傾向にあった。本発明例１〜５に示す総膜厚が５μｍ以上を有するものは、逃げ面摩耗、クレータ摩耗などの耐摩耗性に優れた。いずれの試料についても、切削初期５ｍにおける被加工物成分の刃先への溶着の発生はなかった。これは、本発明で規定する第２硬質皮膜を有することが、クレータ摩耗、耐溶着性に対し、大きな効果を持つものと考えられた。本発明例１の総膜厚は１２μｍ、圧縮応力値は１．６ＧＰａであり、工具寿命は１６ｍという満足のいく結果を得た。切削距離５ｍ時の刃先の損傷状態を確認した結果、逃げ面摩耗量は０．０６１ｍｍとなり、薄い膜厚の本発明例４、５よりも耐摩耗性に優れ、更に比較例４４に比して格段に優れていた。切削途中の刃先の損傷状態を確認した所、切刃近傍における硬質皮膜の脱落、剥離、チッピング等は観察されず、正常摩耗を呈していた。パルス化されたバイアス電圧を印加して成膜を行った本発明例は、工具寿命が長く優れた結果であった。

比較例４３の総膜厚は４２μｍであり、圧縮応力は７．２ＧＰａであり、本発明例１〜５に対して、工具寿命が劣った。比較例４３は、切削前に刃先エッジ部で微細な皮膜破壊が観察された。切削途中の刃先エッジ部の損傷状態を確認したところ、皮膜破壊が９μｍの幅に拡大しており、この破壊部分から欠損に至った。総膜厚が４２μｍという厚膜化により圧縮応力が増大したためである。比較例４４の総膜厚は３μｍであり、１．１ＧＰａと低い圧縮応力を有していた。しかし、アブレッシブ摩耗が劣ったため工具寿命は短かった。

本発明例６、７は、第１硬質皮膜、第２硬質皮膜の膜厚比の影響を見るために作製した。本発明例６に示すように、第１硬質皮膜を厚くすることによって、本発明例１に比して工具寿命が優れた。これは、逃げ面摩耗の進行が抑制されたためと考えられた。しかし、本発明例６、７は、第２硬質皮膜が夫々２μｍ、５μｍと薄く、特に本発明例６では、切削距離１２ｍでクレータ摩耗が発生した。クレータ摩耗の進行によって刃先強度が失われ、欠損に至った。再現性確認のために、総膜厚を１２μｍとし、第２硬質皮膜を０．３μｍに被覆したものについても切削評価を行ったが、逃げ面摩耗の進行は抑制されるものの、クレータ摩耗が主体に進行し、寿命に至った。

本発明例８〜２０、比較例４５、４６は、第１硬質皮膜の組成の影響を見るために作製した。被覆用ターゲット材組成を変化させて作製した。工具寿命の最も優れた本発明例１０は、タングステン（Ｗ）を１０％含有し、本発明例１に比して、約１．６倍優れた。切削距離５ｍ時の刃先状態を確認した所、刃先エッジ部においてチッピングは確認されず、逃げ面摩耗が０．０１９ｍｍであった。切削部位における被加工物の溶着もほとんど発生しておらず、正常摩耗の進行のみで寿命に至った。逃げ面摩耗が優れた理由は、Ｗを含有させることによって、高硬度化したことであると考えられる。本発明例１における第１硬質皮膜の硬度が２８ＧＰａ、本発明例１０が３２ＧＰａであった。更に、耐酸化性が高まったため、逃げ面摩耗進行が抑制されたと考えられる。特に、耐酸化性が高まると、最も切削熱が高くなる工具境界部における損傷が低減される傾向にあった。また、溶着が発生しなかった理由は、最外皮膜の第２硬質皮膜に硼素（Ｂ）を含有し、潤滑特性が優れたためである。含有するＢが、第２硬質皮膜中にＢＮ結晶として存在すること、ならびに、一部ＴｉＮ結晶格子に固溶したものが、スピノーダル分解し、硬質皮膜最表面に比較的軟らかいＢの酸化物を形成するためである。本発明例１２はニオブ（Ｎｂ）を１０％含有し、本発明例１３、１４はクロム（Ｃｒ）、シリコン（Ｓｉ）を含有したため、第１硬質皮膜の機械的特性が高まり、本発明例１に比して優れた。本発明例１５に示すように、第１硬質皮膜にＢを含有させても工具寿命は優れた。第２硬質皮膜が摩耗した後に露出する第１硬質皮膜の部分でも溶着が抑制された。第１硬質皮膜中にＢを含有させても、溶着やクレータ摩耗に対し、格段な効果が得られた。本発明例８〜２０は、第１硬質皮膜がＡｌと４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ｓｉ、Ｂから選択された元素の窒化物であるため、耐熱性、硬度が格段に高められた。

比較例４５は、第１硬質皮膜のＡｌ含有量が７５％であり、切削初期から溶着現象や、工具逃げ面のアブレッシブ摩耗が進行した。第１硬質皮膜断面の組織観察では、組織は微細化していた。このため、圧縮応力が増大し密着性の劣化が考えられる。また、第１硬質皮膜の硬度は１８ＧＰａとなり、硬度低下が摩耗の早期進行をもたらした。比較例４５についてＸ線回折を行った結果、面心立方構造のピークの他に六方晶構造のピークが出現した。調査の結果、ＡｌＮ化合物に起因するピークであることが確認された。これにより、耐摩耗性が著しく劣化したものと考えられる。比較例４６も同様の現象が確認された。Ａｌ含有は、硬質皮膜の耐酸化性を高める作用があり、切削における境界部の損傷を低減する。本発明の硬質皮膜被覆工具について、再現性確認も含め最適なＡｌ含有量について調査を行ったが、金属成分のみでＡｌが６５原子％を超えると耐摩耗性が劣化し、７５％になると、急激に耐摩耗性が劣化した。さらに、比較例４５は、Ｉｔ／Ｉｒが０．７８となり、第１硬質皮膜の（１１１）面のピーク強度が強く、残留圧縮応力は７．２ＧＰａであった。第１硬質皮膜の（１１１）面のピーク強度が強すぎると、残留圧縮応力が増大し、密着性も劣化させたものと考えられる。比較例４５、４６について第２硬質皮膜のＴＥＭによる皮膜断面観察の結果、柱状組織を有し、結晶粒は成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造であった。しかし、Ｂ成分の組成差は小さく、本発明例４５、４６ともに０．１％未満であった。また、層間は結晶格子縞が連続して成長していた。

本発明例２１〜２４、比較例４７、４８は、第２硬質皮膜の組成の影響を見るために作製した。被覆用ターゲット材の組成を変化させて作製した。本発明例２１、２２は、第２硬質皮膜のＢ含有量を夫々１％、２５％とした。本発明例２３、２４は、ＢとＳｉを含有させた。これらの第２硬質皮膜のＴＥＭによる皮膜断面観察の結果、柱状組織を有し、結晶粒は成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造であった。Ｂ含有量の異なるターゲット材を用いて第２硬質皮膜を成膜したことにより、Ｂ成分の組成差は夫々、本発明例２１が０．５％、本発明例２２が７％、本発明例２３が０．１％、本発明例２４が４％であった。また、層間は結晶格子縞が連続して成長していた。一方、第２硬質皮膜のＢ含有量が４０％の比較例４７、Ｓｉ含有量が３０％の比較例４８について、第２硬質皮膜の断面組織を観察して、何れも微細化組織であることを確認した。Ｂ、Ｓｉ含有量が多くなると、切削初期から硬質皮膜の剥離とクレータ摩耗が発生した。皮膜組織の差が切削性能の優劣をもたらした。特に、Ｓｉの含有量が３０％の比較例４８は、切削途中段階から、第２硬質皮膜の表面に溶着物が多く観察された。また、硬質皮膜の剥離は、残留圧縮応力の増大化が原因であると考えられた。Ｂ、Ｓｉを単独で含有させる場合、Ｂ含有量は１〜２５％の範囲のもの、また、Ｓｉ含有量は２０％までのものは、再現性が得られ、優れた耐摩耗性を示した。Ｂ、Ｓｉ両者を含有させる場合について種々の検討を行った結果、第２硬質皮膜において、Ｂ＋Ｓｉ≦２５％の領域で耐摩耗性が優れる傾向にあった。

本発明例２５、２６、比較例４９、５０は、第１硬質皮膜に含有される酸素元素、炭素元素の影響を見るために作製した。酸素、炭化水素系ガスを反応ガスの１部として用いた。酸素を含有させた本発明例２６と比較例４９については、成膜時に窒素、アルゴン（Ａｒ）、酸素を同時に導入した。いずれも全圧を３．５Ｐａとし、本発明例２６の場合は、窒素８５％：アルゴン１０％：酸素５％のガス流量比率で導入した。これは酸素を多く導入したときに、成膜時に発生させるアーク放電が不安定になったため、不活性ガスのＡｒを導入して、全圧を調整した。Ａｒガスを使用しなくても放電は可能であるが、より安定化を図るためにＡｒガスを導入した。比較例５０は、酸素含有量を増やすために、全圧を３．５Ｐａの状態で窒素量を減らし、Ａｒガス、酸素ガス量を増やして作製した。本発明例２５、２６の工具寿命は、酸素元素、炭素元素を含有しない本発明例１に比して１．２倍程度優れた。また、切削距離５ｍ時の刃先の損傷状態は、本発明例１に比して溶着、逃げ面摩耗が少ない傾向にあった。更に、すくい面のクレータ摩耗の発生も低減されていた。クレータ摩耗は、切削温度上昇に伴う化学反応によって発生することより、酸素元素、炭素元素を含有させることによって潤滑特性が高まり摩擦係数が低減される。その結果、すくい面を切屑が擦過する際の切削温度が抑制され、摩耗が低減したと考えられる。

比較例４９、５０は、第１硬質皮膜のｘ値、ｙ値が１０％以上であったため、切削初期から硬質皮膜の剥離とクレータ摩耗発生が確認され、同様に第１硬質皮膜断面の組織観察をした結果、微細化していた。炭素元素を含有しない本発明例１、炭素含有量が７％の本発明例２５、１５％の比較例４９について、第１硬質皮膜のみの試料を作製し摩擦係数測定を行った。この摩擦係数測定は、ボールオンディスク方式で行い、コーティングした超硬合金製ディスクにＳＵＪ２のφ６ｍｍボールを摺動させ、大気中、無潤滑で測定した。測定温度６００℃における、硬質皮膜の耐摩耗性、ならびに耐溶着性を調査した。本発明例１の摩擦係数は０．８、本発明例２５は０．４５、比較例４９は０．８となった。第１硬質皮膜に炭素元素が多く含有しても、皮膜断面の組織が微細化すると、逃げ面摩耗、クレータ摩耗や被加工物の工具刃先への溶着といった損傷が切削初期から発生することが確認された。これは、酸素を含有させた場合も同様の傾向が観察された。酸素や炭素を多く含有させた場合、硬質皮膜の硬度が１６ＧＰａとなり、本発明例１に比して低い傾向にあった。比較例４９、５０について第２硬質皮膜のＴＥＭによる皮膜断面観察の結果、柱状組織を有し、結晶粒は成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造であった。しかし、Ｂ成分の組成差は小さく、本発明例４９、５０ともに０．１％未満であった。また、層間は結晶格子縞が連続して成長していた。

本発明例２７〜２９、比較例５１、５２は、成膜時における反応圧力の組成への影響を見るために作製した。特にｅ／ｆ値による圧縮応力への影響を調査した。この時、反応圧力を変化させ、１．６Ｐａ〜１３．５Ｐａの範囲に設定した。反応圧力が２．２〜８．１Ｐａで成膜を行った本発明例１、２７〜２９の場合、本発明例１に比して高圧力側で工具寿命が優れた。本発明例１に比して低圧力側である本発明例２９は、比較例５１、５２に比して格段に工具寿命が優れたが、切削初期に極微小なチッピングが発生していた。特にｅ／ｆ値が１．１１の本発明例２７が最も優れ、第１硬質皮膜のチッピングなど、不安定要素は発生しなかった。反応圧力が最も低い１．１Ｐａで成膜を行った比較例５１は、圧縮応力が７．３ＧＰａであり、ｅ／ｆ値は０．８３、工具寿命は５．５ｍとなった。これは本発明例１に比して約３４％の短寿命であった。窒素圧力が低い程、圧縮応力が増大し、ｅ／ｆ値は、低い値を示す傾向にあった。この理由は、第１硬質皮膜の圧縮応力が高いためと考えられる。圧縮応力が６．０ＧＰａを超える様になると、切削途中のインサート刃先損傷状態観察において、刃先エッジ部における第１硬質皮膜の破壊が確認された。再現性を確認するため、比較例５１のインサートの新しいコーナーを用いて、数度の切削評価を行った結果、工具寿命は、２ｍ、０．２ｍとばらつき、安定しなかった。

比較例５２は、１３．５Ｐａで成膜を行った。圧縮応力が０．３ＧＰａと比較的低い数値を示したが、工具寿命は４ｍであった。切削距離５ｍ時の刃先の損傷状態を観察できなかったため、新しいコーナーを用いて、更に、初期の切削距離１ｍでの損傷を確認した結果、刃先エッジ部における基体と第１硬質皮膜界面からの膜剥離と、第１硬質皮膜が脱落した部位において多量の溶着が発生していた。また、逃げ面の大きな摩耗、クレータ摩耗が発生していた。これは、第１硬質皮膜の硬度の低下が原因であると考えられた。ｅ／ｆ値は１．３２を示し、第１硬質皮膜の断面組織において柱状組織を有するものの、第１硬質皮膜中に欠陥が多く発生し、密着性や耐摩耗性が劣った。この理由は、反応圧力を１３．５Ｐａで行ったことにより、イオンが基体に入射する際の運動エネルギーが極度に低くなったためであると考えられる。

本発明例３０〜３３、比較例５３、５４は、Ｉｓ／Ｉｒ値の影響を見るために作製した。成膜時、パルスバイアスのパルス周波数を１０ｋＨｚに一定とし、バイアス電圧値を変化させ、３０〜３００Ｖの範囲に設定した。本発明例１、本発明例３０〜３３は、Ｉｓ／Ｉｒ値が本発明の規定範囲内であり、圧縮応力も４ＧＰａ以下となり、工具寿命が優れた。また、バイアス電圧を変化させた場合、Ｉｓ／Ｉｒ値が変化し、それに伴い圧縮応力も変化した。比較例５３、５４は、圧縮応力が８ＧＰａを超え、切削初期から硬質皮膜の膜剥離が観察された。圧縮応力が大きくなると、工具寿命が劣る結果となった。比較例５３、５４について第２硬質皮膜のＴＥＭによる皮膜断面観察の結果、柱状組織を有し、結晶粒は成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造であった。しかし、Ｂ成分の組成差は小さく、本発明例５３、５４ともに０．１％未満であった。また、層間は結晶格子縞が連続して成長していた。

本発明例３４〜３６、比較例５５〜５７は、Ｉｔ／Ｉｒ値の圧縮応力への影響を見るために作製した。この時、パルスバイアス電圧の正バイアス値を１０〜４０Ｖまで変化させた。正のバイアス電圧が大きくなると、相対的に（２００）面への配向強度が強くなる傾向を示し、本発明例１、３４〜３６、比較例５５〜５７のＩｔ／Ｉｒ値は、０．２〜１．５まで変化した。本発明例１、本発明例３４〜３６は、Ｉｔ／Ｉｒ値が本発明の規定範囲内であり、圧縮応力も比較的低くなり、満足のいく工具寿命が得られた。一方、比較例５５〜５７は正のバイアス電圧が２０Ｖを超え、Ｉｔ／Ｉｒ値は０．６を下回り、切削距離５ｍ時の刃先損傷状態観察において、第１硬質皮膜の剥離が多く観察された。圧縮応力が高くなり６ＧＰａを超えたため、基体と第１硬質皮膜界面からの剥離だけでなく、貝殻状の破壊も多く観察され、これが工具寿命低下をもたらした。第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の界面の密着性を高めるためには、パルスバイアス電圧における正のバイアス電圧値を高く制御して、第１硬質皮膜の（２００）面の配向強度を強くすることが重要である。負の値のみのバイアス電圧印加では、成膜時のマイクロアーキングなどにより発生する欠陥の抑制に不十分となるからである。比較例５５〜５７について第２硬質皮膜のＴＥＭによる皮膜断面観察の結果、柱状組織を有し、結晶粒は成長方向に対してＢ成分に組成差を有する組成変調構造であった。しかし、Ｂ成分の組成差は小さく、本発明例５５〜５７ともに０．１％未満であった。また、層間は結晶格子縞が連続して成長していた。

本発明例１、３７〜３８、比較例５８、５９は、Ｉｖ／Ｉｕ値の影響を見るために、第２硬質皮膜成膜時のバイアス電圧を８０〜３００Ｖまで変化させて作製した。本発明例１、３７〜３８は、バイアス電圧を低くすると、Ｉｖ／Ｉｕ値は大きくなる傾向にあった。また、バイアス電圧を大きくすると、残留圧縮応力が大きくなる傾向が確認された。本発明例１、３７〜３８は、比較例５８、５９に比して工具寿命が優れた。比較例５８は、硬質皮膜の残留応力は本発明例１と同程度であったが、逃げ面摩耗の進行が早かった。これは、Ｉｖ／Ｉｕ値が１．１０となり（２００）面に強く配向したため、硬質皮膜の硬度が低下したためと考えられた。比較例５９は、３００Ｖのバイアス電圧で被覆を行った結果、硬質皮膜の残留圧縮応力が６．４ＧＰａとなった。比較例５９は、切削前から刃先に硬質皮膜の脱落が観察された。さらに切削を行うと、切削距離２ｍにも満たないうちに膜剥離が観察され、その部位を起点に欠損した。硬質皮膜の断面組織を観察した結果、微細組織と呈しており粒界欠陥が増加していると考えられた。これが、残留圧縮応力の増大化をもたらした原因であると考えられた。

本発明例１、３９〜４０、比較例６０〜６１は、Ｉｗ／Ｉｕ値の影響を見るために、第２硬質皮膜成膜時のパルス周波数を２〜４０ｋＨｚに変化させて作製した。本発明例１、３９〜４０は、パルス周波数を大きくするとＩｗ／Ｉｕ値が大きくなる傾向にあった。また、パルス周波数を大きくすると、残留圧縮応力が若干大きくなる傾向が確認された。本発明例１、３９〜４０は、比較例６０、６１に比して工具寿命が優れた。パルス周波数が２ｋＨｚの比較例６０は、硬質皮膜の残留圧縮応力は１．３ＧＰａと低い値を示したが、Ｉｗ／Ｉｕ値は、１．０５となった。原因が不明であるが切削初期から基体と第１硬質皮膜間、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜間の両方での剥離が観察された。比較例６０については、複数の試料で切削性能の再現性を確認したが、いずれも本発明例１に比して工具寿命が短かった。これは、成膜時のバイアス電圧に対して印加したパルス周波数が２ｋＨｚであったことより、イオンが基体に到達する際の運動エネルギーが低く、特に硬質皮膜の密着性を劣化させたのではないかと考えられる。また、比較例６１は、パルス周波数が４０ｋＨｚであったことより、イオンの運動エネルギーが制御できず、それが硬質皮膜形成時に歪として蓄積され、残留圧縮応力が増大化したものと考えられる。そのため、切削初期に硬質皮膜の剥離が発生したのではないかと考えられる。

本発明例４１、４２、比較例６２、６３は、第１硬質皮膜、第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔の影響を見るために作製した。面間隔はパルスバイアス電圧のパルス周波数を１〜４０ｋＨｚの範囲で変化させることにより調節した。本発明例４１、４２は、パルス周波数が夫々３０ｋＨｚ、２ｋＨｚの場合であるが、ｄ２／ｄ１値は１．０１〜１．０２を示し、硬質皮膜全体の圧縮応力が低くなり、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の密着性に優れ、満足のいく工具寿命が得られた。一方、パルス周波数を１ｋＨｚで成膜を行った比較例６２は、ｄ２／ｄ１値が１．０７となり、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の面間隔のズレにより密着性が劣化した。比較例６３は、切削初期に基体と硬質皮膜間の剥離よりも第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の界面で剥離が多く観察された。これが短い工具寿命の原因であった。この理由は、４０ｋＨｚで成膜を行ったためｄ２／ｄ１値が０．９９となり、硬質皮膜全体の圧縮応力が６．９ＧＰａと増大して基体との密着性の他に、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜の面間隔のミスフィットにより密着性が劣化したためである。また、パルス周波数の変化によってＩｔ／Ｉｒ値も変化することが確認された。パルス周波数と圧縮応力の関係には相関性があると考えられ、パルス周波数が大きくなると、圧縮応力は大きくなる傾向にあった。パルス周波数が大きくなると、直流バイアス電圧が印加される状態に近づくためと考えられる。

本発明の硬質皮膜被覆工具は、例えば、耐摩耗性が要求される金属加工用の工具全般等において適用することができる。

Claims (5)

1. 超硬合金を基体に圧縮応力を有する硬質皮膜を５〜３０μｍの膜厚で被覆した硬質皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は、該基体表面から第１硬質皮膜、第２硬質皮膜が被覆され、最外皮膜は該第２硬質皮膜が被覆され、該第１硬質皮膜は、（Ａｌ_ａＭｅ_{１００−ａ}）_ｅＮ_ｆで示され、但し、ａは原子％、ｅ、ｆは原子比を表し、３５≦ａ≦６５、０．８５≦ｅ／ｆ≦１．２５、であり、Ａｌはアルミニウム、Ｍｅは４ａ、５ａ、６ａ族、Ｓｉ、Ｂから選択される１種以上の元素、Ｎは窒素であり、該第２硬質皮膜は、（Ｔｉ_{１００−ｈ}Ｂ_ｈ）_ｍＮ_ｐで示され、但し、ｈは原子％、ｍ、ｐは原子比を表し、１≦ｈ≦３０、０．８５≦ｍ／ｐ≦１．２５、であり、Ｔｉはチタニウム、Ｂは硼素、Ｎは窒素であり、該第１硬質皮膜、該第２硬質皮膜の結晶構造は面心立方構造であり、該第１硬質皮膜のＸ線回折において（１１１）面のピーク強度をＩｒ、（２００）面のピーク強度をＩｓ、（２２０）面のピーク強度をＩｔとしたときに、１．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１５．０、及び０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、であり、該第２硬質皮膜のＸ線回折において（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、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１、ｄ２としたときに、１．０１≦ｄ２／ｄ１≦１．０５であり、該第２硬質皮膜は柱状組織を有し、該柱状組織の結晶粒はＢ成分に組成差を有する組成変調構造であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
2. 請求項１記載の硬質皮膜被覆工具において、該第１硬質皮膜における窒素について、その１部を炭素、酸素で置換し、非金属成分全体を１００とし、原子％で炭素元素の含有量をｘ、酸素元素の含有量をｙとしたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０、０＜ｘ＋ｙ≦１０、窒素の含有量は１００−ｘ−ｙ、であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
3. 請求項１または請求項２記載の硬質皮膜被覆工具において、該第２硬質皮膜におけるチタニウムについて、その１部をシリコンで置換し、金属成分全体を１００としたとき、原子％でシリコンの含有量をｋ、としたとき、０＜ｋ≦２０、チタニウムの含有量は１００−ｈ−ｋ、であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
4. 請求項１ないし請求項３の何れかに記載の硬質皮膜被覆工具において、圧縮応力を有する該硬質皮膜の総膜厚は、１０μｍ〜３０μｍであることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
5. 請求項１記載の硬質皮膜被覆工具において、該第２硬質皮膜の結晶粒の該組成変調構造は、Ｂ成分の組成差が、原子％で、１０％以下であり、該組成変調構造における組成変調境界部では結晶格子縞が連続していること、を特徴とする硬質皮膜被覆工具。