JP2016211052A

JP2016211052A - 硬質皮膜および硬質皮膜被覆部材

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Publication number: JP2016211052A
Application number: JP2015097299A
Authority: JP
Inventors: 山本　兼司; Kenji Yamamoto; 兼司山本; 裕瑛二井; Hirohide Nii; フォックスラビノビッチジャーマン; German Fox-Rabinovich
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-12-15
Also published as: DE112016002130T5; US20180355469A1; WO2016181813A1; CN107532280A; CA2983720A1; KR20170137162A

Abstract

【課題】従来より用いられているＴｉＡｌＮ等の高融点化合物の皮膜よりも、切削や塑性加工等の加工時の被加工成分の凝着が抑えられ、被加工材がチタン系金属であっても良好に切削や塑性加工等の加工を行うことのできる硬質皮膜を提供する。【解決手段】基材上に形成される硬質皮膜であって、下記式（１）で表される組成を満たすことを特徴とする硬質皮膜。ＴｉａＣｒｂＡｌｃＺｒｄＬｅ（ＢｘＣｙＮｚ）・・・（１）この式（１）において、ＬはＳｉとＹのうちの１種以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｘ、ｙ、ｚは、夫々Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｌ、Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比であり、各原子比は、０≦ａ≦０．３０、０．１０≦ｂ≦０．３０、０．４０≦ｃ≦０．７０、０．０３≦ｄ≦０．２０、０≦ｅ≦０．１０、０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．１０、０．８０≦ｚ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満たす。【選択図】なし

Description

本発明は、硬質皮膜および硬質皮膜被覆部材に関する。特には耐凝着性と耐摩耗性に優れた硬質皮膜と、基材上に該硬質皮膜の形成された硬質皮膜被覆部材に関する。

純チタンやチタン合金といったチタン系金属は、高温強度が高く、かつ熱伝導率が低いといった特性を有する。よって、このチタン系金属を例えば被削材として切削を行う場合、切削時に生じる熱が、被削材側や切り粉側に逃げにくく切削工具の刃先に蓄積しやすい。その結果、刃先温度が上昇しやすい。また、チタンは化学的に活性であるため、上記刃先温度の上昇に伴って工具へのチタン凝着が生じやすい。この凝着によって工具の摩耗が進みやすく、耐摩耗性が低下し、結果として工具寿命が短くなるといった問題がある。尚、以下ではチタン系金属等の金属の凝着を単に「凝着」ということがある。

チタン系金属を切削時、上記凝着を抑制するために、これまでは湿式かつ低い切削速度で加工を行うことが一般的であった。しかし生産性の向上が求められており、上記チタン系金属用の切削工具には、切削速度を遅くせずとも上記凝着を抑制できることが求められている。

上記要求を満たすべく、切削工具の刃先にコーティングを施して凝着を抑制し、切削速度を増加させる試みも検討されている。例えば上記コーティングとして、従来よりＴｉＡｌＮ等の高融点化合物の皮膜が提案されている。また特許文献１には、Ａｌと、ＣｒまたはＶのいずれか一方または両方の元素と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴とするチタン合金加工用表面被覆切削工具が示されている。また特許文献１には、上記化合物にＶが含まれると、低融点であるＶ酸化物が、切削時の高温環境で潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑える効果を期待できる旨示されている。

特許文献２には、チタン及びその合金の切削に好適な特性を改良した切削工具として、タングステンカーバイドを含む基体と、タングステンカーバイド及びボロンカーバイドから構成されるグループから選択され、物理蒸着法によって前記基体に付着されたコーティング、及びボロンカーバイドを含み、化学蒸着法によって前記基体に付着されたコーティングのうちの一方のコーティングと、を含む、切削工具が示されている。

特開２００５−２６２３８９号公報特開平９−２１６１０４号公報

上記チタン系金属が工具に凝着する問題は、上述した切削工具のみならず、チタン系金属の塑性加工に用いる工具についても起こりうる。本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、従来より用いられているＴｉＡｌＮ等の高融点化合物の皮膜よりも、加工時の被加工成分の凝着が抑えられ、被加工材がチタン系金属であっても切削や塑性加工等の加工を良好に行うことのできる硬質皮膜、および基材上に該硬質皮膜の形成された、切削工具や塑性加工用工具等の硬質皮膜被覆部材を提供することにある。以下、切削や塑性加工等の加工時に被加工成分の凝着が抑えられるといった特性を「耐凝着性」ということがある。

上記課題を解決し得た本発明の硬質皮膜は、基材上に形成される硬質皮膜であって、下記式（１）で表される組成を満たすところに特徴を有する。
Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＺｒ_dＬ_e（Ｂ_xＣ_yＮ_z）・・・（１）
上記式（１）において、
ＬはＳｉとＹのうちの１種以上の元素であり、
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｘ、ｙ、ｚは、夫々Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｌ、Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比であり、各原子比は下記範囲を満たす。
０≦ａ≦０．３０、０．１０≦ｂ≦０．３０、０．４０≦ｃ≦０．７０、０．０３≦ｄ≦０．２０、０≦ｅ≦０．１０、０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．１０、０．８０≦ｚ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１

上記課題を解決し得た本発明の別の硬質皮膜は、基材上に形成される硬質皮膜であって、下記式（２）で表される組成を満たしかつ膜厚が１．０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である皮膜Ｑと、下記式（３）で表される組成を満たしかつ膜厚が１．０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である皮膜Ｒとを交互に積層したものである点に特徴を有する。
皮膜Ｑ：Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＬ_e（Ｂ_xＣ_yＮ_z）・・・（２）
上記式（２）において、
ＬはＳｉとＹのうちの１種以上の元素であり、
ａ、ｂ、ｃ、ｅ、ｘ、ｙ、ｚは、夫々Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｌ、Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比であり、各原子比は下記範囲を満たす。
０≦ａ≦０．３０、０．１０≦ｂ≦０．３０、０．４０≦ｃ≦０．７０、０≦ｅ≦０．１０、０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．１０、０．８０≦ｚ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｅ＝１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
皮膜Ｒ：Ｚｒ（Ｂ_sＣ_tＮ_u）・・・（３）
上記式（３）において、
ｓ、ｔ、ｕは夫々Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比であり、各原子比は下記範囲を満たす。
０≦ｓ≦０．１５、０≦ｔ≦０．１０、０．８０≦ｕ≦１、ｓ＋ｔ＋ｕ＝１

本発明には、基材上に、前記硬質皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材も含まれる。該硬質皮膜被覆部材として、純チタンまたはチタン合金の切削に用いられる切削工具や、純チタンまたはチタン合金の塑性加工に用いられる塑性加工用工具が挙げられる。

本発明によれば、切削加工や塑性加工時の被加工成分の凝着が抑えられ、被加工材がチタン系金属であっても、良好に切削や塑性加工を行うことのできる硬質皮膜と、該硬質皮膜が基材上に形成された硬質皮膜被覆部材を提供できる。

上述の通り、金属材料の加工のうち特に純チタンまたはチタン合金の加工時は、熱伝導率が低いために切削時に刃先の温度が上昇しやすいこと；および、化学的に活性であるといったチタン系金属の特徴；とが相まって、切削工具や塑性加工用工具等の加工用工具の摩耗面に凝着が生じやすい。このチタン系金属を加工するための工具の摩耗、具体的に該工具表面の皮膜の摩耗は、上記チタン系金属の凝着部分を基点として進行する、いわゆる凝着摩耗が支配的である。よって、上記加工用工具の寿命を延ばすには、該工具に被覆させる皮膜が、耐熱性に優れているだけでは不十分であり、摩耗面での耐凝着性に優れていることも必要となる。

そこで本発明者らは、被加工材がチタン系金属であっても、特に耐凝着性に優れた硬質皮膜を得るべく、該硬質皮膜の特に組成について鋭意研究を重ねた。その結果、ＴｉＣｒＡｌ（ＢＣＮ）、ＣｒＡｌ（ＢＣＮ）、ＴｉＣｒＡｌ（Ｓｉ／Ｙ）（ＢＣＮ）、ＣｒＡｌ（Ｓｉ／Ｙ）（ＢＣＮ）といった高耐酸化性を有する皮膜に、規定量のＺｒを含有させ、下記式（１）に示す組成とすれば、チタン系金属の凝着を低減でき、加工用工具の寿命が十分に高まる、つまり耐凝着性と耐摩耗性に優れた硬質皮膜が得られることを見いだした。上記Ｚｒは切削時の摩擦熱によって、優先的に酸化され極めて安定なＺｒＯ₂の酸化物を形成する。また、ＺｒＯ₂はＴｉとの反応性が低いことから、摩耗面においてチタン系金属が凝着するのを抑制することができる。

Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＺｒ_dＬ_e（Ｂ_xＣ_yＮ_z）・・・（１）
上記式（１）において、
ＬはＳｉとＹのうちの１種以上の元素であり、
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｘ、ｙ、ｚは、夫々Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｌ、Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比であり、各原子比は下記範囲を満たす。
０≦ａ≦０．３０、０．１０≦ｂ≦０．３０、０．４０≦ｃ≦０．７０、０．０３≦ｄ≦０．２０、０≦ｅ≦０．１０、０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．１０、０．８０≦ｚ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１

上記作用効果の発揮に必要なＺｒ量は、金属元素、即ち、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、ＺｒおよびＬに占める原子比ｄで０．０３以上である。Ｚｒの原子比ｄは、好ましくは０．０５以上、より好ましくは０．１０以上である。一方、Ｚｒが過度に含まれると、皮膜の耐酸化性が低下する。よってＺｒの原子比ｄは０．２０以下であり、好ましくは０．１５以下である。

上記Ｚｒ以外の元素、即ち、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｌ、Ｂ、Ｃ、Ｎについては切削時等に必要な耐酸化性および皮膜の硬さを確保する観点から、上記式（１）の範囲内とする。各元素の範囲を、好ましい範囲と共に下記に示す。

まず金属元素に占めるＴｉの原子比ａは０．３０以下とする。Ｔｉの原子比ａは、好ましくは０．２５以下、より好ましくは０．２０以下、更に好ましくは０．１０以下である。Ｔｉの原子比ａは、ゼロでもよいが、Ｔｉを含有させる場合は例えば０．０５以上とすることができる。

金属元素に占めるＣｒの原子比ｂは、０．１０以上であり、０．３０以下、好ましくは０．２５以下、より好ましくは０．２０以下である。

金属元素に占めるＡｌの原子比ｃは、０．４０以上であり、好ましくは０．４５以上、より好ましくは０．５０以上である。一方、Ａｌの原子比ｃの上限は、０．７０以下であり、好ましくは０．６５以下、より好ましくは０．６０以下である。

金属元素に占めるＬ、即ち、ＳｉとＹのうちの１種以上の元素の原子比ｅは、ゼロでもよいが、好ましくは０．０３以上である。前記原子比ｅの上限は、０．１０以下、好ましくは０．０８以下、より好ましくは０．０５以下である。前記原子比ｅは、ＳｉとＹの合計量をいう。以下同じである。ＳｉとＹは、単独で用いてもよいし２種を併用してもよい。

本発明の皮膜は、ＢとＣとＮに占めるＮの原子比ｚが０．８０以上１以下である。Ｎの原子比ｚは、好ましくは０．８５以上、より好ましくは０．９０以上である。この様に本発明の皮膜は、基本的に窒化物をベースとするものであるが、ＢやＣを添加してもよい。Ｂの原子比ｘはゼロでもよいが、例えば０．０１以上、更には０．０２以上とすることができる。しかし耐摩耗性確保の観点から、Ｂの原子比ｘは０．１５以下、好ましくは０．１０以下、より好ましくは０．０５以下である。

また上記Ｃを添加することによって凝着が抑制される。Ｃの原子比ｙはゼロでもよいが、この凝着抑制効果を得るべく例えば０．０３以上とすることができる。しかし耐摩耗性確保の観点から、Ｃの原子比ｙは０．１０以下であり、好ましくは０．０７以下、より好ましくは０．０５以下である。

更に本発明者らは、下記式（２）に表すＴｉＣｒＡｌＬ（ＢＣＮ）で構成される皮膜と、下記式（３）に表すＺｒ（ＢＣＮ）で構成される皮膜とを交互に積層させた場合も、上記式（１）の通りＺｒを膜中に均一に固溶させた皮膜と同様の効果が得られることを見出した。下記式（２）におけるＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｌ、Ｂ、Ｃ、Ｎの各原子比ａ、ｂ、ｃ、ｅ、ｘ、ｙ、ｚの範囲や好ましい上下限値、および、下記式（３）におけるＢ、Ｃ、Ｎの各原子比ｓ、ｔ、ｕの範囲や好ましい上下限値は、上記式（１）のＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｌ、Ｂ、Ｃ、Ｎの各原子比と同じである。
皮膜Ｑ：Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＬ_e（Ｂ_xＣ_yＮ_z）・・・（２）
上記式（２）において、
ＬはＳｉとＹのうちの１種以上の元素であり、
ａ、ｂ、ｃ、ｅ、ｘ、ｙ、ｚは、夫々Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｌ、Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比であり、各原子比は下記範囲を満たす。
０≦ａ≦０．３０、０．１０≦ｂ≦０．３０、０．４０≦ｃ≦０．７０、０≦ｅ≦０．１０、０≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．１０、０．８０≦ｚ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｅ＝１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
皮膜Ｒ：Ｚｒ（Ｂ_sＣ_tＮ_u）・・・（３）
上記式（３）において、
ｓ、ｔ、ｕは夫々Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比であり、各原子比は下記範囲を満たす。
０≦ｓ≦０．１５、０≦ｔ≦０．１０、０．８０≦ｕ≦１、ｓ＋ｔ＋ｕ＝１

上記多層化により、上記式（１）のＺｒを膜中に均一に固溶させた皮膜と同じ効果を得るには、皮膜Ｑと皮膜Ｒの各々の１層の膜厚を１．０ｎｍ以上とする必要がある。各膜厚は、好ましくは２ｎｍ以上、より好ましくは５ｎｍ以上である。また皮膜Ｑと皮膜Ｒの各々の１層の膜厚を５０ｎｍ以下とする必要があり、好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下、更に好ましくは１０ｎｍ以下である。以下、この様に皮膜Ｑと皮膜Ｒを積層させた硬質皮膜を「積層型硬質皮膜」ということがある。

尚、皮膜Ｑと皮膜Ｒの１層の膜厚は、必ずしも同じである必要はなく上記範囲であれば任意の値をとりうる。本発明の積層型硬質皮膜は、基材側が皮膜Ｑと皮膜Ｒのいずれであってもよい。更に、基材側に存在する皮膜Ｑまたは皮膜Ｒが、最表面側に存在するような膜構造であってもよく、目的に応じて、様々な積層構造とすることができる。

上記皮膜Ｑと皮膜Ｒを積層させた硬質皮膜の全体厚みは、何ら限定されない。しかし本発明の特性を有効に発揮させるには、皮膜の全体厚みは、０．５μｍ以上であることが好ましい。但し、皮膜の全体厚みが厚くなり過ぎると、切削中に膜の欠損や剥離が発生しやすくなる。よって全体厚みは、１０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以下であり、更に好ましくは３μｍ以下である。

皮膜Ｑと皮膜Ｒの積層回数は、上述した好ましい全体厚みを満足するように適切に制御することが推奨される。積層した状態での皮膜Ｑと皮膜Ｒによる機能を最大限に発揮させるには、積層回数が２以上の複数であることが好ましい。こうした観点から、皮膜Ｑと皮膜Ｒの各々の膜厚を薄くして、積層回数を多くすることが好ましい。ここで積層回数とは、１層の皮膜Ｑと１層の皮膜Ｒとの積層を積層回数１としたときの値である。

本発明には、基材上に前記硬質皮膜の形成された硬質皮膜被覆部材も含まれる。該硬質皮膜被覆部材として、例えばチップ、ドリル、エンドミル等の切削工具や、鍛造加工、プレス成形、押し出し成形、せん断などの各種金型や、打ち抜きパンチ等の塑性加工用工具等が挙げられる。特には、金属材料の加工用工具、例えば、鉄系材料等の一般的な切削や塑性加工に用いられる加工用工具が挙げられる。本発明が最も効果を発揮するのは、被切削材が純チタンまたはチタン合金である切削工具や、被加工材が純チタンまたはチタン合金であって塑性加工時に摺動面で焼付きが問題となるような塑性加工用工具（治具）に適用した場合である。前記加工は、凝着や焼付きが問題となるような加工であれば湿式加工、乾式加工の別を問わない。

上記硬質皮膜被覆部材に用いられる基材の種類は特に限定されず、次の様な基材が挙げられる。即ち、例えばＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−（ＴａＣまたはＮｂＣ）−Ｃｏ系合金、ＷＣ−（ＴａＣまたはＮｂＣ）−Ｃｏ系合金等のＷＣ基超硬合金；例えばＴｉＣ−Ｎｉ−Ｍｏ系合金、ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｎｉ−Ｍｏ系合金等のサーメット；例えばＪＩＳＧ４４０３（２００６）に規定されるＳＫＨ５１やＳＫＤ６１等の高速度鋼；セラミックス；立方晶型窒化硼素焼結体；ダイヤモンド焼結体；窒化硅素焼結体；酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体；等が挙げられる。

本発明の硬質皮膜を基材上に形成するにあたり、基材と硬質皮膜の間に、別の金属、窒化物、炭窒化物、炭化物などの中間層を、基材と硬質皮膜の密着性向上の目的で形成してもよい。前記中間層として、例えばＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＣｒＡｌＮ等が挙げられる。

本発明の硬質皮膜は、ＰＶＤ法（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ、物理的気相成長法）やＣＶＤ法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ、化学的気相成長法）等、公知の方法を用いて基材表面に形成できる。こうした方法としては、例えば、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ：ＡｒｃＩｏｎＰｌａｔｉｎｇ）法等のイオンプレーティング法や、スパッタリング法等の反応性ＰＶＤ法が有効である。

上記式（１）〜（３）の各組成の硬質皮膜の形成方法として、次の方法が挙げられる。例えば、蒸発源であるターゲットとして、上記皮膜を構成するＣやＮ以外の成分である金属元素、更には必要に応じてＢを含む合金ターゲットを用い、雰囲気ガスとして、窒素ガスやメタン、アセチレン等の炭化水素ガスを用い、ＡＩＰ法またはスパッタリング法で形成することが挙げられる。前記雰囲気ガスにはＡｒガスが含まれていてもよい。または、上記式（１）〜（３）の各組成を満たす化合物からなるターゲット、即ち、窒化物、炭窒化物、窒ほう化物、または炭窒ほう化物からなるターゲットを用いて成膜してもよい。ただし、設備コストや成膜速度の観点からは合金ターゲットを用いる方法が推奨される。

特に、上記式（２）で表される皮膜Ｑと上記式（３）で表される皮膜Ｒとの積層型の硬質皮膜を形成するには、例えばＡＩＰ法でＴｉＣｒＡｌＬ（ＢＣＮ）より構成される皮膜を形成しつつ、ＡＩＰ法またはスパッタリング法でＺｒを放電させながら、積層型硬質皮膜を形成することが挙げられる。

前記硬質皮膜を形成するための装置としては、例えば、特開２００８−０２４９７６号公報の図１に示された、アーク蒸発源とスパッタリング蒸発源の両方を備えたＰＶＤ複合装置を用いることができる。

成膜時の基材の温度は、基材の種類に応じて適宜選択すればよい。基材と硬質皮膜との密着性を確保する観点からは、３００℃以上、更には４００℃以上とすることができる。また基材の変形防止等の観点から、基材の温度を７００℃以下、更には６００℃以下とすることができる。

またその他の成膜条件として、雰囲気ガスの全圧：０．５Ｐａ以上４Ｐａ以下、アーク電流：１００〜２００Ａ、基材に印加するバイアス電圧：−３０〜−２００Ｖ、スパッタリング蒸発源への投入電力：０．１〜３ｋＷ等を採用することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実施例１
表１に示す組成の皮膜を、アーク蒸発源とスパッタリング蒸発源をそれぞれ複数個有し、ＡＩＰ法とスパッタリング法のいずれも実施可能なＰＶＤ複合装置を用いて形成した。尚、本発明の硬質皮膜は、上述の通りＡＩＰ法とスパッタリング法のいずれの方法でも成膜可能であるが、以下ではＡＩＰ法で形成した。基材として、硬さ調査用に１３ｍｍ角×４ｍｍ厚の鏡面超硬合金試験片を用意し、また切削試験用にインサート（ＣＮＭＧ４３２、超硬合金）を用意した。そして、これらの基材上に同時に成膜した。詳細には、これらの基材を上記装置に導入後、５×１０^-3Ｐａまで排気し、その後、基材を５００℃まで加熱してから、Ａｒイオンによるエッチングを５分間実施した。その後、窒素のみまたは窒素とメタンガスの混合ガスを４Ｐａとなるまで導入し、アーク電流：１５０Ａ、基材に印加するバイアス電圧：−５０Ｖの条件で、約３μｍの上記皮膜を形成して、硬さ調査用サンプルと切削試験用サンプルを得た。

上記成膜には、各膜を構成するＣやＮ以外の成分である金属元素、更にはＢを組成に応じて含む合金ターゲットを用いた。該合金ターゲットとして、これらの元素を所望の組成となるように混合し、ＨＩＰ法により固化、焼成して得られる粉末冶金ターゲットを用いた。

また比較例として、ＴｉＡｌＮ膜、ＴｉＣｒＡｌＮ膜、ＴｉＣｒＡｌＳｉＮ膜、ＡｌＣｒＮ膜をそれぞれ形成したサンプルも用意した。

この様にして得られた硬さ調査用サンプルと切削試験用サンプルを用いて、下記の通り、硬さ調査と切削試験を行った。

硬さ調査
前記硬さ調査用サンプルを用いて、荷重１Ｎの条件でビッカース硬さを測定した。

切削試験
チタン系金属を切削する場合の摩耗進行は、凝着摩耗が主体であるといわれている。よって本実施例では、耐凝着性を下記に示す通り切削寿命で評価した。即ち、前記切削試験用サンプルを用いて、下記条件で切削試験を行い、下記に示す通り逃げ面摩耗の最大部分が３００μｍに達する切削長で耐凝着性を評価した。以下では、前記逃げ面摩耗の最大部分が３００μｍに達する切削長を単に「切削寿命」という。
切削試験条件
工具：ＣＮＭＧ４３２、材質Ｋ３１３
被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ
速度：４５ｍ／分
送り：０．１５ｍｍ／分
ＤＯＣ（ＤｅｐｔｈＯｆＣｕｔ）：２ｍｍ
潤滑：湿式
評価：逃げ面摩耗の最大部分が３００μｍに達する切削長

上記ビッカース硬さが高くかつ切削寿命が長いほど、耐凝着性と耐摩耗性に優れ、工具寿命は長いと評価した。これらの結果を表１に示す。

表１より次のことがわかる。Ｎｏ．１〜６は、Ｚｒ量ｄの影響を調べた例である。これらの例のうち、Ｎｏ．２〜５は、Ｚｒおよび他の元素の原子比が規定範囲内にあり、硬さが高く切削寿命も高くなった。一方、Ｎｏ．１の通りＺｒ量ｄが不足すると、切削寿命が短くなった。また、Ｎｏ．６の通りＺｒ量ｄが過剰の場合も切削寿命が短くなった。

Ｎｏ．７〜１０は、Ｔｉ量ａの影響を調べた例である。これらの例のうち、Ｎｏ．７〜９は、Ｔｉおよび他の元素の原子比が規定範囲内にあり、硬さが高く切削寿命も長くなった。一方、Ｎｏ．１０は、Ｔｉ量ａが過剰であるため切削寿命が短くなった。

Ｎｏ．１１〜１５は、Ｃｒ量ｂの影響を調べた例である。これらの例のうち、Ｎｏ．１２〜１４は、Ｃｒおよび他の元素の原子比が規定範囲内にあり、硬さが高く切削寿命も高くなった。一方、Ｎｏ．１１はＣｒを含まずＡｌ量ｃが過剰であるため、硬さが低く切削寿命もかなり短くなった。またＮｏ．１５は、Ｃｒ量ｂが過剰であるため切削寿命が短くなった。

Ｎｏ．１６〜２１は、Ａｌ量ｃの影響を調べた例である。これらの例のうちＮｏ．１７〜２０は、Ａｌおよび他の元素の原子比が規定範囲内にあり、硬さが高く切削寿命も長くなった。一方、Ｎｏ．１６は、Ａｌが不足しＴｉとＣｒを過剰に含むため、硬さが低く切削寿命も短くなった。またＮｏ．２１は、Ａｌ量ｃが過剰であるため、硬さが低く切削寿命が短かった。

Ｎｏ．２２〜２７は、Ｌ、即ちＳｉ、Ｙの含有量ｅの影響を調べた例である。これらの例のうち、Ｎｏ．２２〜２４、２６および２７は、Ｌおよび他の元素の原子比が規定範囲内にあり、硬さが高く切削寿命も高くなった。これらＬを規定量含む例と、例えばＮｏ．１９とを比較すると、Ｌを少量加えることによって切削寿命が十分に長くなることがわかる。一方、Ｎｏ．２５は、Ｌ量ｅが規定の上限を超えたため、硬さが低く切削寿命も短くなった。

Ｎｏ．２８と２９は、Ｂ量ｘの影響を調べた例である。Ｎｏ．２８はＢおよび他の元素の原子比が規定範囲内にあり、硬さが高く切削寿命も長くなった。これに対して、Ｎｏ．２９はＢが過剰に含まれるため、硬さが低く切削寿命が短くなった。

Ｎｏ．３０〜３２は、Ｃ量ｙの影響を調べた例である。Ｎｏ．３０および３１は、Ｃおよび他の元素の原子比が規定範囲内にあり、硬さが高く切削寿命も長くなった。一方、Ｎｏ．３２はＣ量ｙが過剰であるため、硬さが低く切削寿命が短くなった。

Ｎｏ．３３〜３６は、従来用いられていた皮膜を形成した結果を示す例である。これらの例ではいずれも、特に切削寿命が短かった。

実施例２
表２に示す通り皮膜ＱとしてＴｉＣｒＡｌＮ膜、皮膜ＲとしてＺｒＮ膜を、交互に積層した積層型硬質皮膜を、実施例１と同じ装置の特にＡＩＰ蒸発源を用い、ＡＩＰ法で形成した。詳細は次の通りである。実施例１と同じ基材を用意し、表２に示す組成・膜厚の皮膜Ｑと、表２に示す組成・膜厚の皮膜Ｒとを交互に積層させ、全体厚みが約３μｍの積層皮膜を形成する以外は、実施例１と同様にして成膜した。表２の皮膜Ｑと皮膜Ｒの各膜厚は、積層周期を変化させることにより変えた。前記皮膜Ｑの形成には、Ｎ以外の成分である（Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ）ターゲット、上記皮膜Ｒの形成には、Ｚｒターゲットを用いた。

この様にして得られた硬さ調査用サンプルと切削試験用サンプルを用いて、実施例１と同様に、硬さ調査と切削試験を行った。その結果を表２に示す。

表２より次のことがわかる。Ｎｏ．１〜６は、皮膜Ｑと皮膜Ｒの組成と全体厚みを同じとし、各皮膜の１層の膜厚を変化させた例である。これらの例のうちＮｏ．２〜５は、皮膜Ｑと皮膜Ｒの組成と膜厚が本発明で規定する範囲を満たしているので、硬さが高く切削寿命も長く、耐凝着性と耐摩耗性に優れる結果が得られた。これらに対しＮｏ．１は、皮膜Ｑと皮膜Ｒの膜厚がいずれも薄いため、硬さが低く切削寿命も短くなった。Ｎｏ．６は、皮膜Ｑと皮膜Ｒの膜厚がいずれも規定の範囲を超えているため、硬さが低く切削寿命も短く、耐凝着性と耐摩耗性に劣る結果となった。

Claims

基材上に形成される硬質皮膜であって、下記式（１）で表される組成を満たすことを特徴とする硬質皮膜。
Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＺｒ_dＬ_e（Ｂ_xＣ_yＮ_z）・・・（１）
上記式（１）において、
ＬはＳｉとＹのうちの１種以上の元素であり、
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｘ、ｙ、ｚは、夫々Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｌ、Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比であり、各原子比は下記範囲を満たす。
０≦ａ≦０．３０、
０．１０≦ｂ≦０．３０、
０．４０≦ｃ≦０．７０、
０．０３≦ｄ≦０．２０、
０≦ｅ≦０．１０、
０≦ｘ≦０．１５、
０≦ｙ≦０．１０、
０．８０≦ｚ≦１、
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
基材上に形成される硬質皮膜であって、下記式（２）で表される組成を満たしかつ膜厚が１．０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である皮膜Ｑと、下記式（３）で表される組成を満たしかつ膜厚が１．０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である皮膜Ｒとを交互に積層したものであることを特徴とする硬質皮膜。
皮膜Ｑ：Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＬ_e（Ｂ_xＣ_yＮ_z）・・・（２）
上記式（２）において、
ＬはＳｉとＹのうちの１種以上の元素であり、
ａ、ｂ、ｃ、ｅ、ｘ、ｙ、ｚは、夫々Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｌ、Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比であり、各原子比は下記範囲を満たす。
０≦ａ≦０．３０、
０．１０≦ｂ≦０．３０、
０．４０≦ｃ≦０．７０、
０≦ｅ≦０．１０、
０≦ｘ≦０．１５、
０≦ｙ≦０．１０、
０．８０≦ｚ≦１、
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｅ＝１、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
皮膜Ｒ：Ｚｒ（Ｂ_sＣ_tＮ_u）・・・（３）
上記式（３）において、
ｓ、ｔ、ｕは夫々Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比であり、各原子比は下記範囲を満たす。
０≦ｓ≦０．１５、
０≦ｔ≦０．１０、
０．８０≦ｕ≦１、
ｓ＋ｔ＋ｕ＝１
基材上に、請求項１または２に記載の硬質皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材。
純チタンまたはチタン合金の切削に用いられる切削工具である請求項３に記載の硬質皮膜被覆部材。
純チタンまたはチタン合金の塑性加工に用いられる塑性加工用工具である請求項３に記載の硬質皮膜被覆部材。