JP2016032861A - 被覆工具 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｌの含有比率が高い上に、耐久性にも優れる被覆工具を提供することを目的とする。【解決手段】基材と、基材の表面に硬質皮膜を有する被覆工具であって、硬質皮膜は含有する金属（半金属を含む）元素全体を１００原子％とした場合、少なくともＡｌを７５％以上８５％以下、Ｃｒを１５％以上２５％以下を含有する窒化物又は炭窒化物であり、かつ、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素および炭素の合計を１００原子％とした場合の硬質皮膜の金属（半金属を含む）元素の原子比率Ａと窒素の原子比率Ｂとが１．０２＜Ｂ／Ａの関係を満たし、硬質皮膜はＮａＣｌ型の結晶構造であって、Ｘ線回折パターンまたは透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示す被覆工具。【選択図】図１

Description

本発明は、切削工具ならびに金型等の工具に適用されるものであり、基材の表面に硬質皮膜を有する被覆工具に関する。

従来、切削工具や金型等の工具では、その耐久性を向上させることを目的に、物理蒸着法で多元系のセラミックス皮膜を被覆した被覆工具が採用されている。硬質皮膜の中でも、耐熱性と耐摩耗性に優れる膜種として、ＡｌとＣｒを主体とするＡｌＣｒＮやＡｌＣｒＮＣが知られている（特許文献１）。近年、切削工具や金型の被加工材は高硬度化し、その高速加工が求められていることから、工具の使用環境はますます苛酷になっており、上述したＡｌとＣｒを主体とする窒化物の更なる特性向上が求められている。

特開２００６−１４４１２８号公報

本発明者等が被覆工具の耐久性を向上させる手段について鋭意研究したところ、ＡｌとＣｒが主体の窒化物又は炭窒化物において、Ａｌの含有量を増加させていくことで、被覆工具の早期破壊がより抑制される傾向にあることを知見した。但し、従来のＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物においては、Ａｌの含有量を高くすると皮膜中に脆弱なＺｎＳ型の六方最密充墳（ｈｃｐ；以下、単に「ｈｃｐ」と省略することがある）構造のＡｌＮが増加して被覆工具の耐久性を低下させるため、Ａｌの含有量を一定以下に制御する必要があった。
本発明は上記の課題に鑑み、Ａｌの含有比率が高いうえに、耐久性にも優れる被覆工具を提供することを目的とする。

すなわち本発明は、基材と、前記基材の表面に硬質皮膜を有する被覆工具であって、前記硬質皮膜は含有する金属（半金属を含む）元素全体を１００原子％とした場合、少なくともＡｌを７５％以上８５％以下、Ｃｒを１５％以上２５％以下を含有する窒化物又は炭窒化物であり、かつ、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素および炭素の合計を１００原子％とした場合の前記硬質皮膜の金属（半金属を含む）元素の原子比率Ａと窒素の原子比率Ｂとが１．０２＜Ｂ／Ａの関係を満たし、前記硬質皮膜はＮａＣｌ型の結晶構造であって、Ｘ線回折パターンまたは透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示すことを特徴とする被覆工具である。

前記硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上であることが好ましい。

本発明によれば、耐久性に優れる被覆工具を提供することができる。

本発明例１のＸ線回折パターンを示す図である。 比較例１のＸ線回折パターンを示す図である。 本発明例１の走査型電子顕微鏡による断面観察写真である。 比較例１の走査型電子顕微鏡による断面観察写真である。 本発明例１の透過型電子顕微鏡による断面観察写真である。 比較例１の透過型電子顕微鏡による断面観察写真である。 本発明例１の電子線回折パターンを示す図である。 比較例１の電子線回折パターンを示す図である。 図７、８の電子線回折パターンから求めた任意の線における強度プロファイルの一例を示す図である。

本発明者等は、ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物において、Ａｌ含有量を高めた上で脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮを抑制する手法について検討した。そして、ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物に含まれる窒素原子の比率を一定以上に高めることが有効であることを見出した。以下、本発明の詳細について説明する。

本発明に係る硬質皮膜は、ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物からなる。ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物は耐摩耗性と耐熱性が優れるので被覆工具に適用することで工具寿命が向上する。更には、耐熱性により優れる窒化物であることが好ましい。Ａｌは硬質皮膜に耐熱性を付与する元素であり、Ａｌの含有量を高めることで皮膜の耐熱性がより向上するとともに皮膜組織が微細になり皮膜破壊が抑制され易くなる。また、切削工具においては、Ａｌの含有量の増加に伴い切削抵抗が低下する傾向にある。本発明においては、これらのＡｌ添加の効果を十分に得るために、金属（半金属を含む。以下、同様）元素全体を１００原子％とした場合、Ａｌの含有比率を７５％以上とする。更には、Ａｌの含有比率を７８％以上とすることが好ましい。一方、Ａｌの含有比率が多くなり過ぎると、皮膜中に脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなるため被覆工具の耐久性が低下する傾向にある。そのため、本発明に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ａｌの含有比率を８５％以下とする。更には、Ａｌの含有比率を８３％以下とすることが好ましい。

本発明に係る硬質皮膜は、耐摩耗性および耐熱性をより高いレベルで両立するために一定量のＣｒを含有する。硬質皮膜が一定量のＣｒを含有することで加工中の工具表面に均一で緻密な酸化膜が形成され易くなり、損傷が抑制される傾向にある。これらの効果を十分に発揮するために、本発明に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ｃｒの含有比率を１５％以上とする。更にはＣｒの含有比率を１７％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒの含有量が多くなり過ぎると、相対的にＡｌの含有量が低下して皮膜の耐熱性が低下し、更には加工中の切削抵抗が大きくなる傾向にある。そのため、本発明に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ｃｒの含有比率を２５％以下とする。

本発明に係る硬質皮膜は、ＮａＣｌ型の結晶構造であり、Ｘ線回折パターンまたは透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示す。硬質皮膜がＮａＣｌ型の結晶構造であっても、（１１１）面以外の結晶面に起因するピーク強度が最大強度を示す場合は耐久性が乏しい傾向にある。更には、本発明に係る硬質皮膜は、ＮａＣｌ型の（１１１）面の強度比率をＩ（１１１）、ＮａＣｌ型の（２００）面の強度比率をＩ（２００）とした場合、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が０．５以下とすることが好ましい。

硬質皮膜の結晶構造および結晶面の強度比は、例えば、Ｘ線回折または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにより評価することができる。皮膜の被験面積が小さい場合には、Ｘ線回折による結晶構造の同定が困難な場合がある。このような場合であっても、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折パターンを評価することで、結晶構造の同定および結晶面の強度比を評価することができる。具体的には、制限視野回折パターンの輝度を定量化することで、結晶面の強度比を評価することができる。
本発明に係る硬質皮膜は、高倍で観察できる透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による解析においては、ｈｃｐ構造のＡｌＮや非晶質相が一部に観察される場合がある。

本発明では、硬質皮膜の金属元素の原子比率に対して窒素元素の原子比率を一定範囲に制御することが重要である。硬質皮膜に含まれる窒素元素の原子比率を高めることで、Ａｌの含有量を高めてもｈｃｐ構造のＡｌＮが含有され難くなり、被覆工具の耐久性が高まる傾向にある。本発明では、硬質皮膜の金属元素の原子比率Ａと窒素元素の原子比率Ｂとが、１．０２＜Ｂ／Ａの関係を満たす。Ｂ／Ａの値が１．０２以下であると硬質皮膜に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮが増加して耐久性が低下する傾向にある。更には、被覆工具の耐久性をより高めるためには、１．０３≦Ｂ／Ａとすることが好ましい。更には、１．０４≦Ｂ／Ａとすることが好ましい。
但し、Ｂ／Ａの値が大きくなり過ぎると、硬質皮膜の残留圧縮応力が高くなり過ぎて、硬質皮膜が自己破壊を起し易くなる。そのため、Ｂ／Ａ≦１．０７とすることが好ましい。更には、Ｂ／Ａ≦１．０５とすることが好ましい。

硬質皮膜の組成分析は、例えば、波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）で測定するとができる。硬質皮膜の分析においては、微量ながら炭素と酸素を不可避的に含有する。そのため、例えば、窒化物の皮膜を分析する場合、不可避的に含有される酸素と炭素を除外してＢ／Ａを求めると、相対的に窒素の含有比率が高まり、硬質皮膜における前記Ｂ／Ａの値を正確に評価できない場合がある。したがって、硬質皮膜の分析にあたり、硬質皮膜における前記Ｂ／Ａの値を求める場合、金属元素と、窒素元素、酸素元素、炭素元素との合計を１００原子％として、そのうち、金属元素の原子比率をＡとし、窒素の原子比率をＢとして、Ｂ／Ａの値を求める。

本発明に係る硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上であることが好ましい。硬質皮膜の硬度を高めることで被覆工具の耐久性がより向上する。硬質皮膜の硬度は、ミクロ組織に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮや非晶質相の含有量に影響される。本発明に係る硬質皮膜は、ミクロ組織に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮや非晶質相が低減することで、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上の高硬度になり好ましい。更には、ナノインデンテーション硬度が４５ＧＰａ以上であることが好ましい。一方、硬質皮膜の硬度が高くなり過ぎると密着性が低下する傾向にある。そのため、硬質皮膜のナノインデンテーション硬度は５５ＧＰａ以下とすることが好ましい。更には、ナノインデンテーション硬度が５０ＧＰａ以下であることが好ましい。

本発明における硬質皮膜のナノインデンテーション硬度は、ナノインデンテーション装置（株式会社エリオニクス製の超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ−１１００ａ）を用い、硬質皮膜の表面から端子を、押込み荷重４９ｍＮ、最大荷重保持時間１秒、および荷重負荷後の除去速度０．４９ｍＮ／秒の測定条件で押し込み、押し込み深さが硬質皮膜の厚みの１／１０以下に維持される最大深さを１０点測定し、値の大きい側の２点と値の小さい側の２点を除いた６点の平均値から求められる。

ナノインデンテーション法では、圧子の押込み深さを連続的に測定しながら荷重を最大押込み深さ（ｈｍａｘ）までに徐々に増加させる。その後、荷重を減少させていくことで、荷重ゼロの場合の押込み深さ（ｈｆ）を測定することができ、（ｈｍａｘ−ｈｆ）から硬質皮膜の弾性回復量が分かる。つまり、この値が大きければ弾性変形しやすく、小さければ弾性変形し難い。弾性回復率（％）は、（ｈｍａｘ−ｈｆ）×１００／ｈｍａｘから評価することができる。本発明に係る硬質皮膜は、ミクロ組織に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮや非晶質相を低減することで、ナノインデンテーション法による弾性回復率が３５％以上であることが好ましい。更には、弾性回復率が３７％以上であることが好ましい。

本発明に係る硬質皮膜は、上記のようにＡｌ、Ｃｒの含有比率およびＢ／Ａが特定の範囲にあり、かつ、結晶構造がＮａＣｌ型構造で、（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示す範囲内においては、Ａｌ、Ｃｒ以外の他の金属元素を含有しても、被覆工具の耐久性を良好に維持できる。そのため、本発明における硬質皮膜は、Ａｌ、Ｃｒ以外の金属元素を含有してもよい。
本発明に係る硬質皮膜が、ＡｌとＣｒ以外の金属元素を含有する場合、金属元素全体を１００原子％とした場合、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族（Ｃｒを除く）の金属元素ならびにＳｉ、Ｂから選択される１種または２種以上の元素を１０％以下で含有することが好ましい。これらの元素は、硬質皮膜に耐摩耗性又は耐熱性を付与する元素であり、金属元素の総量に対して所定の範囲で含有する場合、被覆工具の耐久性を著しく低下させることはない。但し、硬質皮膜がＡｌ、Ｃｒ以外の金属元素を含有する場合、硬質皮膜中における含有量が多くなり過ぎると被覆工具の耐久性が低下する場合がある。そのため、本発明に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族（Ｃｒを除く）の金属元素ならびにＳｉ、Ｂから選択される１種または２種以上の元素を１０％以下で含有することが好ましい。
製造コストの点では、ＡｌとＣｒの複合窒化物又は炭窒化物であることがより好ましい。更には、より耐熱性に優れる窒化物であることが好ましい。

本発明においては、上述したＡｌとＣｒを含む窒化物又は炭窒化物の上に更に別の層を被覆しても本発明の効果を発揮する。そのため、本発明でＡｌとＣｒを含む窒化物又は炭窒化物を工具の最表面に形成する以外に、別の層を被覆しても良い。そしてこの場合、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物又は炭窒化物を保護皮膜として被覆することが好ましい。より好ましくは窒化物である。保護皮膜は、耐熱衝撃性に優れる残留圧縮応力を有する硬質皮膜であることが好ましい。特に湿式加工においては加熱冷却のサイクルにより硬質皮膜が剥離し易くなることから、高い残留圧縮応力を有する硬質皮膜を保護皮膜として設けることが好ましい。また、本発明の硬質皮膜は、積層皮膜の一部に設けても良い。また、基材と硬質皮膜の間に中間皮膜を介してよい。

被覆工具に優れた耐久性を付与するには、硬質皮膜の膜厚は０．５μｍ以上とすることが好ましい。更には、１．０μｍ以上とすることが好ましい。更には２．０μｍ以上とすることがより好ましい。但し、膜厚が厚くなり過ぎると剥離する可能性が高まるため、硬質皮膜の膜厚は１０．０μｍ以下とすることが好ましい。更には、７．０μｍ以下とすることが好ましい。更には、５．０μｍ以下とすることがより好ましい。

本発明に適用する基材は、特に限定するものではなく、超硬合金、冷間工具鋼、熱間工具鋼、高速度鋼等を適宜適用することができる。基材は予め窒化処理等をしてもよい。
本発明を切削工具に適用する場合、硬度は８８．０ＨＲＡ以上９５．０ＨＲＡ以下の超硬合金であることが好ましい。基材の硬度が低くなり過ぎれば耐摩耗性を改善するのに十分でない場合がある。また、基材の硬度が高くなり過ぎれば靱性が低下するためチッピングが発生する場合がある。優れた耐久性をより安定して発揮させるためには、基材の硬度は９２．０ＨＲＡ以上であることがより好ましい。更には、基材の硬度は９３．０ＨＲＡ以上であることがより好ましい。また、基材の硬度は、９４．５ＨＲＡ以下であることがより好ましい。

本発明の被覆工具は、ボールエンドミルに適用することで特に優れた耐久性を発揮できるので好ましい。ボールエンドミルにおいては、チゼル部が被加工材と常に接触しながら加工を行っている。そのため、ボールエンドミルのチゼル部により安定で緻密な酸化保護皮膜が形成される本発明を適用することでより優れた耐久性を発揮することができる。

アークイオンプレーティング法では、成膜する金属成分で形成されたターゲットをカソード（陰極）として、該カソードとアノード（陽極）との間に真空アーク放電を発生させ、ターゲット表面から材料を蒸発、イオン化させ、負のバイアス電圧を印加した基材の表面にイオン化したターゲット成分を堆積させて皮膜を形成する。このとき、アーク放電によりカソード（ターゲット）から放電された電子はアノードに向かって飛び、その電子が供給された窒素ガス等の反応ガスと衝突することでガス成分がイオン化し、イオン化したガス成分とターゲット成分とが反応して基材の表面に硬質皮膜を形成する。ここで、電子エネルギー（ｅＶ）は電圧に比例することから、カソード電圧を高めることで電子エネルギーが高まり、反応ガスのイオン化がより促進される。
本発明者は、Ａｌ含有量が多いＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物の被覆において、カソード電圧を一定以上に設定することで、硬質皮膜のミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが低減するとともに、硬質皮膜に含まれる窒素元素の原子比率が高くなり被覆工具の耐久性が向上する傾向にあることを見出した。但し、カソード電圧を高めても、基材に印加するバイアス電圧の絶対値が小さくなると、硬質皮膜に含まれる窒素元素の原子比率が一定以上にならず、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮも低減し難い傾向がある。また、カソード電圧が高くなり過ぎると装置への負荷が大きくなり成膜が安定し難くなる。

本発明に係る硬質皮膜の被覆工程では、カソード電圧を２２Ｖ以上３２Ｖ以下とすることが好ましい。カソード電圧を２２Ｖ以上とすることで、硬質皮膜の窒素元素の原子比率が高まるとともに、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが低減して硬質皮膜に高い耐摩耗性を付与することができる。一方、カソード電圧が３２Ｖよりも大きくなると、硬質皮膜の窒素元素の原子比率が高まり、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが低減する傾向にあるが、装置への負荷が大きくなり、成膜が安定しない場合がある。

カソード電圧が２２Ｖ以上２７Ｖ以下の範囲においては、基材に印加する負のバイアス電圧を−２２０Ｖ以上−１２０Ｖ以下とすることが好ましい。カソード電圧が比較的低い場合には、基材に印加するバイアス電圧が−１２０Ｖよりも大きくなる（−１２０Ｖよりもプラス側になる）と、窒素元素の原子比率を高めることが困難であり、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが増加して被覆工具の耐久性が低下する傾向にある。一方、基材に印加する負のバイアス電圧が−２２０Ｖよりも小さくなる（−２２０Ｖよりもマイナス側になる）と、窒素元素の原子比率が高くなり過ぎて、皮膜の残留圧縮応力が高くなり過ぎて皮膜が自己破壊を起し易くなる。また、装置への負荷が大きくなり、成膜が安定しない場合がある。

カソード電圧が２８Ｖ以上３２Ｖ以下の範囲においては、基材に印加する負のバイアス電圧を−２００Ｖ以上−６０Ｖ以下とすることが好ましい。基材に印加するバイアス電圧が−６０Ｖよりも大きくなる（−６０Ｖよりもプラス側になる）と、カソード電圧を高く設定しても、窒素元素の原子比率を高めることが困難であり、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが増加して、被覆工具の耐久性が低下する傾向にある。一方、基材に印加する負のバイアス電圧が−２００Ｖよりも小さくなる（−２００Ｖよりもマイナス側になる）と、窒素元素の原子比率が高くなり過ぎて、皮膜の残留圧縮応力が高くなり過ぎて皮膜が自己破壊を起し易くなる。また、装置への負荷が大きくなり、成膜が安定しない場合がある。

本発明に係る硬質皮膜を達成するには、ターゲット中心付近における垂直方向の平均磁束密度を１４ｍＴ（ミリテスラ）以上に高めたカソードを適用したアークイオンプレーティング法を用いて、硬質皮膜を被覆する際に基材に印加するバイアス電圧と炉内圧力を制御することが好ましい。ターゲット中心付近における垂直方向の平均磁束密度を１４ｍＴ以上に高めることで、皮膜の結晶性がより高まり、ＮａＣｌ型の結晶構造の、（１１１）面のピーク強度が最大強度を示す硬質皮膜となり易くなり、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮも低減する傾向にある。更に、ターゲット中心付近から基材付近まで磁力線が到達するように磁場配置を調整したカソードを用いることが好ましい。

本発明においては、成膜時の炉内に窒素ガスを導入して炉内のガス圧力を３Ｐａ〜１０Ｐａの範囲に調整して硬質皮膜を被覆することが好ましい。成膜時の炉内のガス圧力が高い場合には、成膜される硬質皮膜中における金属元素の原子比率に対する窒素の原子比率が高くなり易い。但し、窒素ガスを炉内に過多に導入した状態で硬質皮膜を被覆すると、炉内汚染が発生して成膜が安定し難くなる場合がある。そのため、炉内のガス圧力は、３Ｐａ〜７Ｐａとすることが好ましい。

＜成膜装置＞
成膜には、アークイオンプレーティング方式の成膜装置を用いた。本装置は、複数のカソード（アーク蒸発源）、真空容器および基材回転機構を含む。
カソードは、ターゲット外周にコイル磁石を配備したカソードを１基（以下「Ｃ１」という。）と、ターゲット背面および外周に永久磁石を配備して、ターゲット表面に垂直方向の磁束密度を有し、ターゲット中央付近における垂直方向の磁束密度が１４ｍＴ以上のカソード（以下「Ｃ２」という。）が搭載されている。
Ｃ１には金属Ｔｉのターゲットを設置した。Ｃ２にはＡｌＣｒ合金ターゲットを設置した。
真空容器は、内部は真空ポンプにより排気され、ガスは供給ポートより導入される。真空容器内に設置した各基材にはバイアス電源が接続され、独立して各基材に負のＤＣバイアス電圧を印加する。
基材回転機構は、プラネタリーとプラネタリー上のプレート状治具、プレート状治具上のパイプ状治具が取り付けられ、プラネタリーが毎分３回転の速さで回転し、プレート状治具、パイプ状治具は夫々自公転する。

＜基材＞
ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（１１質量％）−ＴａＣ（０．４質量％）−Ｃｒ_３Ｃ_２（０．９質量％）、ＷＣ平均粒径０．６μｍ、硬度９２．４ＨＲＡからなる超硬合金製の２枚刃ボールエンドミル（ボール半径０．５ｍｍ 日立ツール株式会社製）を、切削試験、組成分析、組織観察に用いた。
ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８．２質量％）−ＴａＣ（０．３質量％）−Ｃｒ_３Ｃ_２（０．６７質量％）、ＷＣ平均粒径０．６μｍ、硬度９２．４ＨＲＡからなる超硬合金製の、寸法が８ｍｍ×２５ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの試験片をＸ線回折、硬度測定に用いた。

＜加熱および真空排気工程＞
各基材をそれぞれ真空容器内のパイプ状冶具に固定し、成膜前プロセスを以下にように実施した。まず、真空容器内を８×１０^−３Ｐａ以下に真空排気した。その後、真空容器内に設置したヒーターにより、基材温度を５００℃まで加熱して真空排気を行った。

＜Ａｒボンバード工程＞
その後、真空容器内にＡｒガスを導入し、０．６７Ｐａとした。その後、フィラメント電極に２０Ａの電流を供給、基材に−２００Ｖのバイアス電圧を印加し、Ａｒボンバードを４分間実施した。

＜Ｔｉボンバード工程＞
その後、真空容器内の圧力が８×１０^−３Ｐａ以下になるように真空排気した。続いて、基材に−８００Ｖのバイアス電圧を印加して、Ｃ１に８０Ａのアーク電流を供給してＴｉボンバード処理を４分間実施した。

＜成膜工程＞
Ｔｉボンバード処理後、直ちにＣ１への電流供給を中断した。そして、真空容器内のガスを窒素に置き換えた。試料毎に基材に印加する負のバイアス電圧、カソード電圧、炉内圧力を調整し、Ｃ２に１５０Ａのアーク電流を供給して硬質皮膜を３．０μｍ被覆した。成膜時の基材の設定温度は５００℃とした。その後、略２００℃以下に基材を冷却して真空容器から取り出して試料を作製した。成膜条件について表１に示す。

株式会社日本電子製の電子プローブマイクロアナライザー装置（型番：ＪＸＡ−８５００Ｆ）を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）で硬質皮膜の組成を測定した。試料を断面加工して、加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０^−８Ａ、取り込み時間１０秒、分析領域直径１μｍ、分析深さが略０．５μｍで５点測定してその平均から皮膜組成を求めた。
Ｂ／Ａの値は、硬質皮膜の原子比率で、金属元素（半金属を含む）と、窒素元素、酸素元素、炭素元素との合計を１００原子％として求めた。なお、いずれの試料も、酸素および炭素の前記合計１００原子％中に占める含有比率は１％程度であった。

Ｘ線回折装置（株式会社リガク製 ＲＩＮＴ２０００ 縦型ゴニオメーター 固定モノクロメーター）を用い、管電圧４０ｋＶ、管電流３００ｍＡ、Ｘ線源Ｃｕｋα（λ＝０．１５４１８ｎｍ）、２θが２０°〜７０°の測定条件でＸ線回折による皮膜構造解析を行った。

ナノインデンテーション装置（株式会社エリオニクス製の超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ−１１００ａ）を用い、硬質皮膜の表面から端子を、押込み荷重４９ｍＮ、最大荷重保持時間１秒、および荷重負荷後の除去速度０．４９ｍＮ／秒の測定条件で押し込み、押し込み深さが硬質皮膜の厚みの１／１０以下に維持される最大深さを１０点測定し、値の大きい側の２点と値の小さい側の２点を除いた６点の平均値からナノインデンテーション硬度を求めた。

作製した被覆切削工具を用いて切削試験を行った。表２に分析結果および切削試験結果を示す。切削条件は以下の通りである。
切削方法：側面切削
被削材：質量％で、Ｎｉ−１９％Ｃｒ−１８．７％Ｆｅ−３．０％Ｍｏ−５．０％（Ｎｄ＋Ｔａ）−０．８％Ｔｉ−０．５％Ａｌ−０．０３％Ｃの組成を有するＮｉ基合金（時効硬化処理済み）
切込み：軸方向６ｍｍ、径方向０．３ｍｍ
切削速度：４０ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．０４ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削油：水溶性切削油
切削距離：０．２ｍ
評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１５０倍で観察し、工具と被削材が擦過した幅を実測し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を最大摩耗幅とした。

本発明例１、２は最大摩耗幅が小さくなり、優れた耐久性を示した。本発明例１のＸ線回折パターンを図１に示す。本発明例１ではｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強度は確認されていない。また、本発明例２も、Ｘ線回折パターンにおいて、ｈｃｐ構造に起因するピーク強度は確認されなかった。
本発明例１、２はカソード電圧とバイアス電圧を適切な範囲に制御して成膜したため、Ｂ／Ａの値が１．０２よりも高くなり、硬質皮膜のＡｌの含有量が高くても、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが低減して、ＮａＣｌ型構造の（１１１）面強度が最大強度を示し、優れた切削性能を示したと考えられる。
本発明例の中でも、本発明例１は、ナノインデンテーション硬度が４８ＧＰａと高硬度であった。これは、より高いカソード電圧で成膜したため、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが低減するとともに組織がより結晶化して、高硬度になったと推定される。
本発明例１、２は、（１１１）面の半価幅が１．０以下であった。また、（２００）の半価幅が１．３以下であった。また、本発明例１、２は、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が０．５以下であった。また、Ｉ（２２０）／Ｉ（１１１）が０．８以下であった。

比較例１のＸ線回折パターンを図２に示す。比較例１は３２〜３３°にｈｃｐ構造に起因するＡｌＮ（１００）のピーク強度が確認される。比較例１は硬質皮膜の金属部分は本発明例１と同じ組成であるが、Ｂ／Ａの値が１．０２と低いため、ＮａＣｌ型の結晶構造を維持することが困難となり、被覆工具の耐久性が低下したと考えられる。比較例１は、硬質皮膜に大きな皮膜剥離が発生したため、最大摩耗幅が大きくなった。
比較例２、３は、Ｘ線回折パターンにおいて、ｈｃｐ構造に起因するピーク強度は確認されていない。しかし、Ｂ／Ａの値が低いため本発明例に比べて耐久性が低下する傾向にあった。
比較例１〜３は、（１１１）面の半価幅は１．０超であった。また、比較例１〜３は、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が０．５超であった。また、Ｉ（２２０）／Ｉ（１１１）が０．８超であった。

物性評価用の試験片を断面加工して、走査型電子顕微鏡により本発明例に係る硬質皮膜の断面観察を行った。図３に本発明例１の断面観察写真（２０，０００倍）を示す。図４に比較例１の断面観察写真（２０，０００倍）を示す。本発明例１の皮膜組織は、明確な柱状粒子は確認されず、極めて微細な組織形態であることが確認された。一方、比較例１の皮膜組織は、結晶粒子が確認され難い、アモルファス状に近い組織形態であった。本発明例１と比較例１は金属部分の原子比率では同じ組成であるが、Ｂ／Ａの値の違いにより、結晶構造および皮膜の組織形態が変化したと推定される。

更に、本発明例と比較例について、透過型電子顕微鏡によるミクロ解析を実施した。図５に本発明例１の透過型電子顕微鏡による断面観察写真（１００，０００倍）を示す。本発明例１のミクロ組織は、基材の垂直方向に成長した柱状粒子の集合からなり、基材と平行方向の柱状粒子の平均幅が１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であった。図６に比較例１の透過型電子顕微鏡による断面観察写真（１００，０００倍）を示す。比較例１のミクロ組織は、柱状粒子が明確に確認されなかった。
また、本発明例１と比較例１の硬質皮膜について、制限視野領域φ１μｍにおける電子線回折パターンを測定した。図７に本発明例１の電子線回折パターンを示す。図８に比較例１の電子線回折パターンを示す。比較例１の電子線回折パターンには、ｈｃｐ構造のＡｌＮに起因する回折パターンがより鮮明に確認された。図９は、図７、８の電子線回折パターンから求めた任意の線における強度プロファイルの一例を示す。電子線回折パターンからも、比較例１はｈｃｐ構造のＡｌＮが多いことが確認された。

Claims (2)

1. 基材と、前記基材の表面に硬質皮膜を有する被覆工具であって、前記硬質皮膜は含有する金属（半金属を含む）元素全体を１００原子％とした場合、少なくともＡｌを７５％以上８５％以下、Ｃｒを１５％以上２５％以下を含有する窒化物又は炭窒化物であり、かつ、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素および炭素の合計を１００原子％とした場合の前記硬質皮膜の金属（半金属を含む）元素の原子比率Ａと窒素の原子比率Ｂとが１．０２＜Ｂ／Ａの関係を満たし、前記硬質皮膜はＮａＣｌ型の結晶構造であって、Ｘ線回折パターンまたは透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示すことを特徴とする被覆工具。
2. 前記硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の被覆工具。