JP2017179580A - 硬質皮膜及び硬質皮膜被覆部材 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性がより改善された硬質皮膜及び当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する。【解決手段】硬質皮膜３は、基材２の表面に形成される硬質皮膜であって、（ＴｉｍＳｉ１−ｍ）（Ｎ１−ａ−ｂＣａＢｂ）［０．７≦ｍ＜１、０＜１−ａ−ｂ≦１］からなる第１皮膜層１１と、（ＡｌｘＣｒｙＭ１−ｘ−ｙ）（Ｎ１−ａ−ｂＣａＢｂ）［０．７＜ｘ≦０．８、０＜ｙ、０＜１−ａ−ｂ≦１、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｙ及びランタノイド（Ｐｍを除く）からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素］からなる第２皮膜層１２と、が交互に積層されたものである。【選択図】図２

Description

本発明は、硬質皮膜及び硬質皮膜被覆部材に関する。

従来、切削工具や金型など、硬質物との擦れや摩耗が発生する治工具において、耐擦れ性や耐摩耗性を向上させるため、基材の表面にセラミックス材料などからなる硬質皮膜を形成することが知られている。例えば下記特許文献１には、ＡｌＣｒＮとＴｉＳｉＮとが交互に形成された工作物が開示されている。また下記特許文献２には、ＴｉＮやＡｌＮなどを含む超微粒積層膜を工具の基材の表面上に形成したものが開示されている。また下記特許文献３には、ＡｌＣｒＮとＡｌＴｉＮとが工具基体の表面上において交互に形成されたものが開示されている。

特許第５６４８０７８号公報 特開平８−１３４６２９号公報 特開２０１４−８７８５８号公報

上記特許文献１〜３に開示される従来の硬質皮膜では、耐摩耗性をある程度改善することはできるが、近年の過酷な使用環境下においては十分な耐摩耗性を発揮することが困難である。上記特許文献１の皮膜は耐熱性が不足するため摩耗量が多くなり、上記特許文献２の皮膜は六方晶主体の結晶構造に起因して硬度が低いため摩耗量が多くなり、上記特許文献３の皮膜はＡｌＴｉＮを含むため摩耗抑制の効果が不十分である。従って、近年の過酷な使用環境にも対応できるようにするため、硬質皮膜の耐摩耗性を一層向上させるための改善策が必要である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐摩耗性がより改善された硬質皮膜及び当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することである。

本発明の一局面に係る硬質皮膜は、基材の表面に形成される硬質皮膜である。上記硬質皮膜は、（Ｔｉ_ｍＳｉ_１−ｍ）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）［０．７≦ｍ＜１、０＜１−ａ−ｂ≦１］からなる第１皮膜層と、（Ａｌ_ｘＣｒ_ｙＭ_{１−ｘ−ｙ}）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）［０．７＜ｘ≦０．８、０＜ｙ、０＜１−ａ−ｂ≦１、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｙ及びランタノイド（Ｐｍを除く）からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素］からなる第２皮膜層と、が交互に積層されたものである。

本発明の他局面に係る硬質皮膜被覆部材は、基材の表面に上記硬質皮膜が形成されているものである。

本発明によれば、耐摩耗性がより向上した硬質皮膜及び当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することができる。

本発明の実施形態１におけるドリルの先端構造を示す拡大図である。 本発明の実施形態１における硬質皮膜の構造を示す断面図である。 上記硬質皮膜を成膜するための成膜装置の構造を示す平面図である。 本発明の実施形態２における硬質皮膜の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態３における金型の構造を示す断面図である。

（本発明の実施形態の概要）
まず、本発明の実施形態に係る硬質皮膜及び硬質皮膜被覆部材の概要について説明する。

本発明の実施形態に係る硬質皮膜は、基材の表面に形成される硬質皮膜である。上記硬質皮膜は、（Ｔｉ_ｍＳｉ_１−ｍ）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）［０．７≦ｍ＜１、０＜１−ａ−ｂ≦１］からなる第１皮膜層と、（Ａｌ_ｘＣｒ_ｙＭ_{１−ｘ−ｙ}）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）［０．７＜ｘ≦０．８、０＜ｙ、０＜１−ａ−ｂ≦１、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｙ及びランタノイドからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素］からなる第２皮膜層と、が交互に積層されたものである。ランタノイドは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの元素の総称であり、本実施形態に係る硬質皮膜では「Ｐｍ」は除かれる。

本発明者らは、硬質皮膜の耐摩耗性を改善するため、皮膜の組成範囲について鋭意検討を行った。その結果、（ＴｉＳｉ）（ＮＣＢ）からなる皮膜層と、（ＡｌＣｒ）（ＮＣＢ）からなる皮膜層と、を交互積層した硬質皮膜において、Ｔｉ及びＡｌの組成範囲を調整することにより耐摩耗性が著しく向上することを見出し、本発明に想到した。

第１皮膜層において、「ｍ」はＴｉ、Ｓｉの合計に対するＴｉの原子比を示している。第１皮膜層において、「１−ｍ」はＴｉ、Ｓｉの合計に対するＳｉの原子比を示している。第１皮膜層において、「１−ａ−ｂ」はＮ、Ｃ、Ｂの合計に対するＮの原子比を示している。第１皮膜層において、「ａ」はＮ、Ｃ、Ｂの合計に対するＣの原子比を示している。第１皮膜層において、「ｂ」はＮ、Ｃ、Ｂの合計に対するＢの原子比を示している。第２皮膜層において、「ｘ」はＡｌ、Ｃｒ、元素Ｍの合計に対するＡｌの原子比を示している。第２皮膜層において、「ｙ」はＡｌ、Ｃｒ、元素Ｍの合計に対するＣｒの原子比を示している。第２皮膜層において、「１−ｘ−ｙ」はＡｌ、Ｃｒ、元素Ｍの合計に対する元素Ｍの原子比を示している。第２皮膜層において、「１−ａ−ｂ」はＮ、Ｃ、Ｂの合計に対するＮの原子比を示している。第２皮膜層において、「ａ」はＮ、Ｃ、Ｂの合計に対するＣの原子比を示している。第２皮膜層において、「ｂ」はＮ、Ｃ、Ｂの合計に対するＢの原子比を示している。

上記硬質皮膜では、第２皮膜層におけるＡｌの組成範囲が０．７＜ｘ≦０．８の範囲に調整されている。Ａｌの原子比ｘを０．７より大きくすることにより、立方晶中に微細な六方晶が生成し、立方晶の粒径が小さくなる。これにより、立方晶の硬度を保ちつつヤング率を下げることができ、皮膜の耐摩耗性を向上させることができる。またＡｌの原子比ｘを０．７より大きくすることにより、皮膜の耐酸化性及び耐熱性も向上させることができる。一方、Ａｌの原子比ｘが０．８を超えると、粗大な六方晶が生成することにより硬度が低下し、皮膜の耐摩耗性が低下する。上記硬質皮膜は、Ａｌの組成範囲を０．７＜ｘ≦０．８に調整することにより、従来の硬質皮膜よりも耐摩耗性が著しく向上したものとなっている。Ａｌの組成範囲の上限は、ｘ≦０．７８であることが好ましく、ｘ≦０．７７であることがより好ましい。第２皮膜層におけるＣｒの組成範囲は、０＜ｙ＜０．３の範囲に調整されている。また第２皮膜層におけるＡｌとＣｒの合計の原子比の範囲は、ｘ＋ｙ≦１となっている。

また上記硬質皮膜では、第１皮膜層におけるＴｉの組成範囲が０．７≦ｍ＜１の範囲に調整されている。これにより、原子比ｍが０．７未満の場合に比べて皮膜の軟化を抑制することができ、高硬度を維持することができる。Ｔｉの組成範囲の上限は、ｍ＜０．９８であることが好ましく、ｍ＜０．９５であることがより好ましい。また皮膜の硬度を高く維持するため、Ｔｉの組成範囲の下限は、０．７２≦ｍであることが好ましく、０．７５≦ｍであることがより好ましい。

また上記硬質皮膜では、第１及び第２皮膜層のいずれもＮの組成範囲が０＜１−ａ−ｂ≦１となっており、窒化物を含む高硬度な皮膜層となっているが、必要に応じてＣ、Ｂを含んでいてもよい。Ｃを添加することにより膜内に遊離炭素を形成することができ、摩擦係数をより低減することができる。しかし、Ｃの添加量が過剰になると皮膜の強度が低下するため、Ｃは原子比ａが０．５未満の範囲で添加されることが好ましい。

またＢは、膜中のＮと結合することにより固体潤滑材であるＢＮを形成するため、摩擦係数をより低減することができる。しかし、Ｂの添加量が過剰になると皮膜が非晶質化することにより硬度が低下する。このため、Ｂは原子比ｂが０．１未満の範囲で添加されることが好ましい。

また元素Ｍは、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｙ及びランタノイド（Ｐｍを除く）からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であり、これらの元素を第２皮膜層に添加することにより様々な特性を付与することができる。具体的には、Ｔｉ及びＺｒは、結晶構造の安定化に寄与する。Ｍｏ及びＷは、耐酸化性の向上に寄与する。Ｖは、高温での潤滑性の向上に寄与する。Ｔａ及びＮｂは、結晶格子の安定化に寄与する。Ｙ及びランタノイド（Ｐｍを除く）は、密着性の向上と耐酸化性の向上に寄与する。しかし、上記硬質皮膜は元素Ｍを含むものに限定されず、元素Ｍを含まなくてもよい（１−ｘ−ｙ＝０）。

上記硬質皮膜において、最表層が前記第１皮膜層により構成されていてもよい。また前記基材の表面上に形成される下地層が前記第２皮膜層により構成されていてもよい。

上記構成によれば、密着力が高い（ＡｌＣｒ）（ＮＣＢ）からなる第２皮膜層を下地層にすることにより硬質皮膜の密着性を確保することができる。また高硬度な（ＴｉＳｉ）（ＮＣＢ）からなる第１皮膜層を最表層にすることにより、皮膜の耐久性をより向上させることができる。

上記硬質皮膜において、前記最表層と前記下地層との間に交互皮膜層が形成されていてもよい。前記交互皮膜層は、（Ｔｉ_ｓＳｉ_ｔＡｌ_ｕＣｒ_ｗＭ_{１−ｓ−ｔ−ｕ−ｗ}）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）からなる混合層、前記第１皮膜層、前記混合層、及び前記第２皮膜層がこの順に積層された積層単位を含んでいてもよい。前記混合層において、０＜ｓ＜１、０＜ｔ＜０．３、０＜ｕ＜０．８、０＜ｗ＜０．３及び０＜１−ａ−ｂ≦１の関係式が満たされてもよい。

上記構成によれば、第１皮膜層と第２皮膜層との間に混合層を形成することにより、第１皮膜層と第２皮膜層との密着性をより向上させることができ、皮膜の耐久性をより向上させることができる。

上記硬質皮膜において、前記混合層の厚みが４０ｎｍ以下であってもよい。

混合層の厚みが４０ｎｍを超えると、混合層内において亀裂が進展し易くなり、耐摩耗性を悪化させる虞がある。このため、混合層の厚みは４０ｎｍ以下であることが好ましい。混合層の厚みの上限は、３５ｎｍ以下であることがより好ましく、３０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。また混合層の厚みの下限は、５ｎｍ以上であることがより好ましく、１０ｎｍ以上であることがさらに好ましい。

上記硬質皮膜では、前記交互皮膜層における前記第１皮膜層の厚みが５ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であってもよい。

交互皮膜層における第１皮膜層の厚みが５ｎｍ未満になると擦れによる摩耗が早くなり、一方で３５０ｎｍを超えるとチッピング（欠け）が起こり易くなる。このため、交互皮膜層における第１皮膜層の厚みは５ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることが好ましい。交互皮膜層における第１皮膜層の厚みの上限は、３００ｎｍ以下であることがより好ましく、２５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。また交互皮膜層における第１皮膜層の厚みの下限は、１０ｎｍ以上であることがより好ましく、５０ｎｍ以上であることがさらに好ましい。

上記硬質皮膜において、前記交互皮膜層における前記第２皮膜層の厚みが５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であってもよい。

交互皮膜層における第２皮膜層の厚みが５０ｎｍ未満になると摩耗が早くなり、一方で３５０ｎｍを超えると擦れに対する摩耗に弱くなる。このため、交互皮膜層における第２皮膜層の厚みは５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることが好ましい。交互皮膜層における第２皮膜層の厚みの上限は、３２５ｎｍ以下であることがより好ましく、３００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。また交互皮膜層における第２皮膜層の厚みの下限は、６０ｎｍ以上であることがより好ましく、７５ｎｍ以上であることがさらに好ましい。

上記硬質皮膜において、前記第２皮膜層におけるＭの原子比が０＜１−ｘ−ｙ＜０．２であってもよい。

上述の通り、元素Ｍは硬質皮膜に様々な特性を付与するものであるが、その添加量が過剰になると結晶格子中のＣｒが減少し、ＣｒＮの格子構造を保つことが困難になる。このため、元素Ｍの組成範囲は０＜１−ｘ−ｙ＜０．２であることが好ましい。また元素Ｍの組成範囲の上限は、１−ｘ−ｙ＜０．１７であることがより好ましく、１−ｘ−ｙ＜０．１５であることがさらに好ましい。

本発明の実施形態に係る硬質皮膜被覆部材は、基材の表面に上記硬質皮膜が形成されているものである。

上記硬質皮膜被覆部材によれば、耐摩耗性に優れた上記硬質皮膜を基材の表面上に形成することにより、耐久性をより向上させることができる。

（本発明の実施形態の詳細）
次に、本実施形態に係る硬質皮膜及び硬質皮膜被覆部材の詳細について、図面に基づいて詳細に説明する。

＜実施形態１＞
［硬質皮膜被覆部材、硬質皮膜の構造］
まず、本発明の実施形態１に係る硬質皮膜被覆部材としてのドリル１について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、ドリル１の先端部の構造を示している。図２は、ドリル１の任意の部分における断面構造を示している。ドリル１は、被削材の穴開け加工に用いられる切削工具であって、先端部１Ａに切れ刃が形成されている。図２に示すように、ドリル１は、超硬合金などからなる基材２を有し、当該基材２の表面において耐摩耗性を向上させるための硬質皮膜３が形成されている。以下、硬質皮膜３の構造及び組成について詳細に説明する。

硬質皮膜３は、基材２の表面上に形成された下地層１０と、最表層３０と、下地層１０と最表層３０との間に形成された交互皮膜層２０と、を有する。硬質皮膜３は、（Ｔｉ_ｍＳｉ_１−ｍ）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）からなる第１皮膜層１１と、（Ａｌ_ｘＣｒ_ｙＭ_{１−ｘ−ｙ}）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）からなる第２皮膜層１２と、が交互に積層されたものとなっている。

下地層１０は、基材２との密着性を向上させるための皮膜層であり、（Ａｌ_ｘＣｒ_ｙＭ_{１−ｘ−ｙ}）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）からなる第２皮膜層１２により構成されている。下地層１０の厚みＴ２が小さくなり過ぎると十分な密着性が得られず、一方で厚みＴ２が大きくなり過ぎるとチッピングが起こり易くなる。このため、下地層１０の厚みＴ２の上限は、４μｍ以下であることが好ましく、３．５μｍ以下であることがより好ましく、３μｍ以下であることがさらに好ましい。また下地層１０の厚みＴ２の下限は、５０ｎｍ以上であることが好ましく、１００ｎｍ以上であることがより好ましく、２００ｎｍ以上であることがさらに好ましい。なお、基材２と下地層１０との間にさらに別の皮膜を形成することにより、基材２に対する密着性をさらに向上させてもよい。この皮膜は、例えばＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、Ｃｒ又はＴｉなどからなるものでもよい。

最表層３０は、硬質皮膜３の耐擦れ摩耗性を向上させるための皮膜層であり、（Ｔｉ_ｍＳｉ_１−ｍ）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）からなる第１皮膜層１１により構成されている。最表層３０の厚みＴ３が小さくなり過ぎると十分な耐擦れ摩耗性が得られず、一方で厚みＴ３が大きくなり過ぎると内部応力により剥離が生じ易くなる。このため、最表層３０の厚みＴ３の上限は、２μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以下であることがさらに好ましい。また最表層３０の厚みＴ３の下限は、１０ｎｍ以上であることが好ましく、１５ｎｍ以上であることがより好ましい。なお、最表層３０の機能を確保可能な限度において、最表層３０の上側にさらに別の皮膜層を形成してもよい。例えば、皮膜を色付けするため、ＴｉＯ_２などからなる皮膜層を形成してもよい。

交互皮膜層２０は、積層単位２０Ａを含み、当該積層単位２０Ａが所定回数だけ繰り返されることにより構成されている。一つの積層単位２０Ａは、Ｔｉ_ｓＳｉ_ｔＡｌ_ｕＣｒ_ｗＭ_{１−ｓ−ｔ−ｕ−ｗ}）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）からなる混合層１３、第１皮膜層１１、混合層１３及び第２皮膜層１２の４つの層がこの順に積層されることにより構成されている。混合層１３により、第１皮膜層１１と第２皮膜層１２との間の高い密着性が確保されている。

交互皮膜層２０における第１皮膜層１１の厚みＴ１１は、５ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であり、最表層３０の厚みＴ３よりも小さくなっている。第１皮膜層１１の厚みＴ１１が５ｎｍ未満になると擦れによる摩耗が早くなり、一方で３５０ｎｍを超えるとチッピングが起こり易くなる。このため、交互皮膜層２０における第１皮膜層１１の厚みＴ１１の上限は、３５０ｎｍ以下であり、３００ｎｍ以下であることが好ましく、２５０ｎｍ以下であることがより好ましい。また交互皮膜層２０における第１皮膜層１１の厚みＴ１１の下限は、５ｎｍ以上であり、１０ｎｍ以上であることが好ましく、５０ｎｍ以上であることがより好ましい。

また交互皮膜層２０における第２皮膜層１２の厚みＴ１２は、５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下となっている。第２皮膜層１２の厚みＴ１２が５０ｎｍ未満になると摩耗が早くなり、一方で３５０ｎｍを超えると擦れに対する摩耗に弱くなる。このため、交互皮膜層２０における第２皮膜層１２の厚みＴ１２の上限は、３５０ｎｍ以下であり、３２５ｎｍ以下であることが好ましく、３００ｎｍ以下であることがより好ましい。また交互皮膜層２０における第２皮膜層１２の厚みＴ１２の下限は、５０ｎｍ以上であり、６０ｎｍ以上であることが好ましく、７５ｎｍ以上であることがより好ましい。

また混合層１３の厚みＴ１３は、４０ｎｍ以下となっている。混合層１３の厚みＴ１３が４０ｎｍを超えると、混合層１３の内部において亀裂が進展し易くなり、耐摩耗性を悪化させる虞がある。このため、混合層１３の厚みＴ１３の上限は４０ｎｍ以下であり、３５ｎｍ以下であることが好ましく、３０ｎｍ以下であることがより好ましい。また混合層１３の厚みＴ１３の下限は、５ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以上であることがより好ましい。

交互皮膜層２０における積層単位２０Ａの繰り返し数は、硬質皮膜３全体の厚みと各皮膜層１１〜１３の厚みにより決定される。繰り返し数が０である場合には混合層１３による密着性向上の効果が得られず、一方で繰り返し数が多すぎると必然的に全体の厚みが大きくなり、膜内の応力によってチッピングが起こり易くなる。このため、積層単位２０Ａの繰り返し数の上限は、１５０以下であることが好ましく、１２０以下であることがより好ましく、１００以下であることがさらに好ましい。また積層単位２０Ａの繰り返し数の下限は、１以上であることが好ましい。

次に、第１及び第２皮膜層１１，１２及び混合層１３の各組成について詳細に説明する。第１皮膜層１１において、Ｔｉの組成範囲は０．７≦ｍ＜１の範囲に調整されている。これにより、原子比ｍが０．７未満の場合に比べて第１皮膜層１１の軟化を抑制することができ、第１皮膜層１１の硬度を高く維持することができる。このように第１皮膜層１１の軟化を抑制する観点から、Ｔｉの組成範囲の上限は、ｍ＜０．９８であることが好ましく、ｍ＜０．９５であることがより好ましい。またＴｉの組成範囲の下限は、０．７２≦ｍであることが好ましく、０．７５≦ｍであることがより好ましい。

第２皮膜層１２において、Ａｌの組成範囲は０．７＜ｘ≦０．８の範囲に調整されている。またＣｒの組成範囲は、０＜ｙ＜０．３の範囲に調整されている。Ａｌの原子比ｘを０．７より大きくすることにより、第２皮膜層１２における立方晶中に微細な六方晶が生成し、立方晶の粒径が小さくなる。これにより、立方晶の硬度を保ちつつヤング率を下げることができ、第２皮膜層１２の耐摩耗性を向上させることができる。またＡｌの原子比ｘを０．７より大きくすることにより、第２皮膜層１２の耐酸化性及び耐熱性も向上させることができる。一方、Ａｌの原子比ｘが０．８を超えると、粗大な六方晶が生成することにより硬度が低下し、第２皮膜層１２の耐摩耗性が低下する。本実施形態に係る硬質皮膜３は、Ａｌの組成範囲を０．７＜ｘ≦０．８に調整することにより、耐摩耗性が著しく向上したものとなっている。このように耐摩耗性を向上させる観点から、Ａｌの組成範囲の上限は、ｘ≦０．７８であることが好ましく、ｘ≦０．７７であることがより好ましい。

また第２皮膜層１２において、元素Ｍは、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｙ及びランタノイド（Ｐｍを除く）からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素である。元素ＭとしてＴｉ、Ｚｒを添加することにより結晶構造が安定化する。元素ＭとしてＭｏ、Ｗを添加することにより皮膜の耐酸化性が向上する。元素ＭとしてＶを添加することにより高温での潤滑性が向上する。元素ＭとしてＴａ、Ｎｂを添加することにより結晶格子を安定化させることができる。元素ＭとしてＹ及びランタノイド（Ｐｍを除く）を添加することにより、結晶粒を微細化して第１皮膜層１１との密着性を高めることが可能になり、さらに耐酸化性を向上させることもできる。元素Ｍは、上記群より選択される一種の金属元素であってもよいし、複数種の金属元素であってもよい。

また第２皮膜層１２における元素Ｍの組成範囲は、０＜１−ｘ−ｙ＜０．２に調整されている。元素Ｍの原子比が０．２を超えると、第２皮膜層１２において結晶格子中のＣｒが減少し、ＣｒＮの格子構造を保つことが困難になる。このため、元素Ｍの組成範囲の上限は、１−ｘ−ｙ＜０．２であることが好ましく、１−ｘ−ｙ＜０．１７であることがより好ましく、１−ｘ−ｙ＜０．１５であることがさらに好ましい。また元素Ｍを含む場合に限定されず、元素Ｍを含まなくてもよい（１−ｘ−ｙ＝０）。

第１及び第２皮膜層１１，１２において、Ｎの組成範囲は０＜１−ａ−ｂ≦１となっている。また窒化物主体の皮膜にするため、第１及び第２皮膜層１１，１２におけるＮの組成範囲の下限は、０．５≦１−ａ−ｂであることが好ましい。

また第１及び第２皮膜層１１，１２は、Ｃ、Ｂをさらに含んでいてもよい。Ｃを添加することにより膜内に遊離炭素を形成することができ、摩擦係数をより低減することができる。しかし、Ｃの添加量が過剰になると皮膜の強度が低下するため、Ｃは原子比ａが０．５未満の範囲で添加されることが好ましい。またＢは、膜中のＮと結合することにより固体潤滑材であるＢＮを形成するため、摩擦係数をより低減することができる。しかし、Ｂの添加量が過剰になると皮膜が非晶質化することにより硬度が低下する。このため、Ｂは原子比ｂが０．１未満の範囲で添加されることが好ましい。なお、Ｃ、Ｂは添加されなくてもよい。

混合層１３において、ターゲットに含まれる元素が全て存在する。各々の元素の上限は、第１皮膜層１１及び第２皮膜層１２と同様である。具体的には、混合層１３の組成式（Ｔｉ_ｓＳｉ_ｔＡｌ_ｕＣｒ_ｗＭ_{１−ｓ−ｔ−ｕ−ｗ}）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）において、０＜ｓ＜１、０＜ｔ＜０．３、０＜ｕ＜０．８、０＜ｗ＜０．３の関係式が成立する。これにより、混合層１３の硬度が高く維持されると共に、耐摩耗性も高くなっている。また混合層１３において、Ｎの組成範囲は第１及び第２皮膜層１１，１２と同様に０＜１−ａ−ｂ≦１となっている。またＣ，Ｂが第１及び第２皮膜層１１，１２と同じ組成範囲で添加されてもよいし、元素Ｍが第２皮膜層１２と同じ組成範囲で添加されてもよい。またＣ，Ｂ及び元素Ｍは、添加されなくてもよい。

［硬質皮膜の成膜方法］
次に、基材２上に硬質皮膜３を形成する方法について説明する。図３は、硬質皮膜３の成膜に使用される成膜装置６の構成を示している。まず成膜装置６の構成について、図３を参照して説明する。

成膜装置６は、チャンバー２１と、複数（２つ）のアーク電源２２及びスパッタ電源２３と、ステージ２４と、バイアス電源２５と、複数（４つ）のヒータ２６と、放電用直流電源２７と、フィラメント加熱用交流電源２８と、を有する。チャンバー２１には、真空排気するためのガス排気口２１Ａと、チャンバー２１内にガスを供給するためのガス供給口２１Ｂと、が設けられている。アーク電源２２には、成膜用のターゲットが配置されるアーク蒸発源２２Ａが接続されている。スパッタ電源２３には、成膜用のターゲットが配置されるスパッタ蒸発源２３Ａが接続されている。ステージ２４は、回転可能に構成され、被成膜物である基材２を支持するための支持面を有する。バイアス電源２５は、ステージ２４を通して基材２にバイアスを印加する。

次に、基材２上への硬質皮膜３の成膜プロセスについて説明する。まず、基材２がステージ２４上にセットされる。一方、ＴｉＳｉターゲット及びＡｌＣｒＭターゲットがアーク蒸発源２２Ａにそれぞれセットされる。これらのターゲットは、第１及び第２皮膜層１１，１２及び混合層１３の組成が上記範囲になるように各金属の成分範囲が調整されている。

次に、ガス排気口２１Ａから排気されることでチャンバー２１内が所定の圧力まで減圧される。次に、ガス供給口２１Ｂからアルゴン（Ａｒ）ガスがチャンバー２１内に導入され、ヒータ２６により基材２が所定の温度にまで加熱される。そして、基材２の表面がＡｒイオンにより所定時間エッチングされ、基材２の表面に形成された酸化皮膜などが除去される（クリーニング）。

次に、窒素（Ｎ_２）ガスがガス供給口２１Ｂからチャンバー２１内に導入される。そして、アーク蒸発源２２Ａに所定のアーク電流を流してアーク放電を開始させることによりターゲットが蒸発し、成膜が開始される。第１皮膜層１１の成膜時にはＴｉＳｉターゲットのみを蒸発させ、第２皮膜層１２の成膜時にはＡｌＣｒＭターゲットのみを蒸発させ、混合層１３の成膜時にはＴｉＳｉターゲット及びＡｌＣｒＭターゲットを同時に蒸発させる。このようにして、基材２の表面上に下地層１０、交互皮膜層２０及び最表層３０が順に形成される。なお、皮膜中にＣを添加する場合には、メタンやアセチレンなどの炭化水素ガスがチャンバー２１内に導入される。また皮膜中にＢを添加する場合には、フッ化ホウ素ガス（ＢＦ_４）がチャンバー２１内に導入されてもよいし、Ｂを含むターゲットが用いられてもよい。

そして、硬質皮膜３の膜厚が所望の値に達した後、アーク蒸発源２２Ａへのアーク電流の供給が停止される。その後、チャンバー２１内が大気開放され、成膜後の基材２がチャンバー２１の外に取り出される。以上のようなプロセスにより、基材２上に硬質皮膜３が成膜される。

またスパッタリング法により成膜する場合には、各ターゲットがスパッタ蒸発源２３Ａにセットされる。そして、スパッタ電源２３からスパッタ蒸発源２３Ａに所定の電力を投入してターゲットを蒸発させることにより、上述のアークイオンプレーティングの場合と同様に硬質皮膜３を成膜することができる。

以上のように、上記本実施形態に係る硬質皮膜３は、第２皮膜層１２におけるＡｌの組成範囲を０．７＜ｘ≦０．８に調整することにより、硬質でヤング率が低く、耐摩耗性に優れたものとなっている。ここで、図１に示したドリル１による穴開け加工においては、逃げ面において皮膜が摩耗すると共に、ドリル穴の内面に被削材よりも硬質な突起が形成され、当該突起がドリル１のマージン部１Ｂに擦れる。これにより、当該マージン部１Ｂにおいて線状のキズが発生する。これに対して、上述のように耐摩耗性に優れた硬質皮膜３をドリル１の逃げ面及びマージン部１Ｂの上に形成することにより、逃げ面摩耗を抑制することができると共に当該マージン部１Ｂにおけるキズの発生を抑制することができる。なお、本発明の硬質皮膜被覆部材は、ドリル１に限定されず、バイト、エンドミル、旋削用インサート又はフライス用チップなど他の切削工具にも同様に適用することができる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２に係る硬質皮膜３Ａについて、図４を参照して説明する。実施形態２に係る硬質皮膜３Ａは、上記実施形態１に係る硬質皮膜３と同様に、（Ｔｉ_ｍＳｉ_１−ｍ）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）からなる第１皮膜層１１と、（Ａｌ_ｘＣｒ_ｙＭ_{１−ｘ−ｙ}）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）からなる第２皮膜層１２と、が交互に積層されたものである。しかし、この硬質皮膜３Ａは、混合層１３が形成されていない点で上記実施形態１と異なっている。

第２皮膜層１２では、上記実施形態１と同様に、Ａｌの組成範囲が０．７＜ｘ≦０．８に調整されることにより微細な六方晶が生成し、これによって立方晶が微細化されている。このため、混合層１３を形成しない場合でも、第１皮膜層１１と第２皮膜層１２との十分な密着性を確保することができる。従って、上記実施形態１と異なり混合層１３を成膜するプロセスを省略することができ、成膜プロセスをより効率化することができる。

＜実施形態３＞
次に、本発明の実施形態３に係る硬質皮膜被覆部材としての金型４について、図５を参照して説明する。

図５に示すように、金型４は、被プレス部材である金属板７をプレス成形するためのものであって、上金型（第１金型）４Ａと、下金型（第２金型）４Ｂと、を有する。上金型４Ａ及び下金型４Ｂは、上下方向に互いに離れて配置されている。上金型４Ａには下金型４Ｂ側に出っ張った凸部４Ｃが形成されており、下金型４Ｂには上金型４Ａと反対側に凹む凹部４Ｄが形成されている。凸部４Ｃ及び凹部４Ｄは、互いに嵌合可能な形状及び大きさに形成されている。

上金型４Ａ及び下金型４Ｂは、不図示の駆動源からの駆動力によって互いに接近する方向又は離れる方向に相対移動するように構成されている。より具体的には、下金型４Ｂは水平面に設置され、上金型４Ａが下金型４Ｂに向かって下方に可動するように構成されている。そして、図５に示すように金属板７が凹部４Ｄの開口を覆うように設置され、この状態で下金型４Ｂの位置を固定しつつ上金型４Ａを下降させることにより、凸部４Ｃによって金属板７を押圧し、金属板７を凹部４Ｄの溝形状に沿って曲げ加工することができる。なお、金型４は、図５に示す曲げ型に限定されず、抜き型、絞り型又は圧縮型などの他のプレス金型であってもよい。

金型４は、冷間金型用鋼や熱間金型用鋼などからなる基材２Ａと、基材２Ａの表面上に形成された硬質皮膜３Ｂと、を有する。硬質皮膜３Ｂは、上記実施形態１，２と同様に、（Ｔｉ_ｍＳｉ_１−ｍ）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）からなる第１皮膜層１１と、（Ａｌ_ｘＣｒ_ｙＭ_{１−ｘ−ｙ}）（Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂ）からなる第２皮膜層１２と、が交互に積層された皮膜であり、耐摩耗性に優れるものである。このように、耐摩耗性に優れる硬質皮膜３Ｂを基材２Ａの表面に形成することにより、高張力鋼板などの強度が高い金属板の成形や熱間プレスなど、より過酷な状況で使用される場合でも、金型４の摩耗を抑制することができる。

（実施例１）
＜硬質皮膜の成膜＞
下記表１のＮｏ．１〜２２に示す組成の硬質皮膜を、図３の成膜装置６を用いたＡＩＰ法により成膜した。まず、切削工具（オイルホール付２枚刃超硬ドリルφ８．５０）及び断面評価用の鏡面の超硬試験片（１３ｍｍ×１３ｍｍ、厚み５ｍｍ）を準備し、これらをエタノール中にて超音波洗浄し、成膜装置６のチャンバー２１内に導入した。また、ＡｌＣｒターゲット（ターゲット径１００ｍｍφ）を一方のアーク蒸発源２２Ａに取り付け、ＴｉＳｉターゲット（ターゲット径１００ｍｍφ）を他方のアーク蒸発源２２Ａに取り付けた。ＴｉＳｉターゲット及びＡｌＣｒターゲットは、下記表１のＮｏ．１〜２２に示す組成のものを準備した。

表１では、Ａｌの原子比が「ｘ×１００（ａｔ％）」により表記されている。またＣｒの原子比が「ｙ×１００（ａｔ％）」により表記されている。またＴｉの原子比が「ｍ×１００（ａｔ％）」により表記されている。またＳｉの原子比が「（１−ｍ）×１００（ａｔ％）」により表記されている。この表記方法は、以下の説明において他元素についても同様である。

次に、真空ポンプ（図示しない）を用いてチャンバー２１内を５×１０^−３Ｐａまで排気した後、ヒータ２６により基材２（切削工具又は超硬試験片）を５００℃まで加熱し、基材２の表面をＡｒイオンによりエッチングした。その後、チャンバー２１内が４Ｐａになるまで窒素ガスをチャンバー２１内に導入した。そして、ステージ２４を回転速度５ｒｐｍで回転させつつアーク電源２２により１５０Ａの放電電流を流すことにより、ＡｌＣｒターゲット及びＴｉＳｉターゲットをそれぞれ蒸発させた。これにより、図２に示すように下地層１０、交互皮膜層２０及び最表層３０からなる硬質皮膜３を成膜した。

第１皮膜層１１は、ＴｉＳｉターゲットのみを放電させることにより成膜した。第２皮膜層１２は、ＡｌＣｒターゲットのみを放電させることにより成膜した。混合層１３は、ＴｉＳｉターゲット及びＡｌＣｒターゲットを同時に放電させることにより成膜した。

第１皮膜層１１の成膜時は基材２に印加されるバイアスを−５０Ｖとし、第２皮膜層１２及び混合層１３の成膜時は−７０Ｖとした。下地層１０の厚みＴ２は０．５μｍ、交互皮膜層２０の厚みＴ１は２．２５μｍ、最表層３０の厚みＴ３は０．２５μｍとし、硬質皮膜３全体の厚みを３μｍとした。また交互皮膜層２０において、第１皮膜層１１の厚みＴ１１は０．１μｍ、第２皮膜層１２の厚みＴ１２は０．１５μｍ、混合層１３の厚みＴ１３は０．０３μｍとした。各層の厚みは成膜時間により調整した。

＜評価方法＞
上記硬質皮膜３を成膜したドリルを用いて以下の条件で切削試験を行った。

工具：オイルホール付２枚刃超硬ドリルφ８．５０
被削材：機械構造用炭素鋼 ＪＩＳ Ｓ５０Ｃ
硬さ：ＨＢ２００±１０
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、３７４５ｒｐｍ
送り：０．２５５ｍｍ／ｒｅｖ、９５５ｍｍ／ｍｉｎ
ステップ量：ノンステップ
穴深さ：２５．５ｍｍ、止まり穴
加工数：１０００穴
冷却：水溶性切削液（２０倍希釈）、内部給油圧１．５ＭＰａ
下記表１のＮｏ．１〜２２の各々について、上記切削試験後における最大逃げ面摩耗幅Ｖｂ（μｍ）とマージン部のキズ深さ（μｍ）を評価した。最大逃げ面摩耗幅Ｖｂは、全刃について逃げ面における最大摩耗幅を測定し、その平均値により評価した。マージン部のキズ深さは、刃先に最も近いキズの中央部を触針式粗さ計により全刃同様に測定し、これらの最大深さの平均値により評価した。

＜考察＞
Ｎｏ．１では、Ａｌの量が少ないため耐熱性に劣り、逃げ面摩耗幅及びキズ深さが大きくなった。一方、Ｎｏ．９〜１１では、Ａｌの量が過剰になるため皮膜が軟化し、逃げ面摩耗幅及びキズ深さが大きくなった。これに対して、Ｎｏ．２〜８のようにＡｌの原子比を７０〜８０ａｔ％の範囲にすることにより、逃げ面摩耗幅及びキズ深さのいずれも良化することが分かった。

またＮｏ．１２では、Ｓｉが含まれないため逃げ面摩耗幅及びキズ深さのいずれも悪化し、一方でＮｏ．２０ではＳｉを多く含むため皮膜の強度が低下し、キズ深さが大きくなった。またＮｏ．２１のＡｌＣｒＮの単層膜、及びＮｏ．２２のＴｉＳｉＮの単層膜（いずれも３μｍの厚み）では、１０００穴まで加工できずに折損した。これに対して、Ｎｏ．１３〜１９のように、Ｔｉの原子比を７０〜１００ａｔ％未満の範囲に調整することにより、逃げ面摩耗幅及びキズ深さのいずれも良化することが分かった。

（実施例２）
交互皮膜層２０における各層（第１及び第２皮膜層、混合層）の厚みを下記の表２のＮｏ．２３〜４９に示す通り変化させた点以外は上記実施例１と同様である。第２皮膜層１２においては、Ａｌの原子比を７５ａｔ％とし、Ｃｒの原子比を２５ａｔ％とした。第１皮膜層１１においては、Ｔｉの原子比を８０ａｔ％とし、Ｓｉの原子比を２０ａｔ％とした。また下地層１０の厚みＴ２は０．５μｍとし、最表層３０の厚みＴ３は０．２５μｍとし、硬質皮膜３全体の厚みが３μｍになるように調整した。

＜考察＞
Ｎｏ．２３，２４では、第２皮膜層１２の厚みＴ１２が小さ過ぎるため逃げ面摩耗幅が大きくなり、一方でＮｏ．３２では第２皮膜層１２の厚みＴ１２が大き過ぎるため逃げ面摩耗幅及びキズ深さのいずれも悪化した。これに対して、Ｎｏ．２５〜３１のように第２皮膜層１２の厚みＴ１２を５０〜３５０ｎｍの範囲に調整することにより、逃げ面摩耗幅及びキズ深さのいずれも良化した。

Ｎｏ．３３では、第１皮膜層１１の厚みＴ１１が小さ過ぎるため逃げ面摩耗幅及びキズ深さがいずれも悪化し、一方でＮｏ．４３では第１皮膜層１１の厚みＴ１１が大き過ぎるため逃げ面摩耗幅及びキズ深さがいずれも悪化した。これに対して、Ｎｏ．３４〜４２のように第１皮膜層１１の厚みＴ１１を５〜３５０ｎｍの範囲に調整することにより、逃げ面摩耗幅及びキズ深さのいずれも良化した。

Ｎｏ．４４では、混合層１３の厚みＴ１３が大き過ぎるため亀裂が伝播し易くなり、逃げ面摩耗幅及びキズ深さがいずれも悪化した。これに対して、Ｎｏ．４５〜４９のように混合層１３の厚みＴ１３を４０ｎｍ以下にすることにより、逃げ面摩耗幅及びキズ深さがいずれも良化した。

（実施例３）
下記表３のＮｏ．５０〜７１に示すように、第２皮膜層１２に金属元素Ｍを添加し、またＣ、Ｂを添加した以外は上記実施例１と同様である。第１皮膜層１１においては、Ｔｉの原子比を８０ａｔ％とし、Ｓｉの原子比を２０ａｔ％とした。下地層１０の厚みＴ２は０．５μｍとし、最表層３０の厚みＴ３は０．２５μｍとした。また交互皮膜層２０においては、第１皮膜層１１の厚みＴ１１を１００ｎｍとし、第２皮膜層１２の厚みＴ１２を１５０ｎｍとし、混合層１３の厚みＴ１３を３０ｎｍとした。そして、硬質皮膜３全体の厚みが３μｍとなるように調整した。

＜考察＞
Ｎｏ．５０〜５６，５８，６３〜７１では元素Ｍを添加し、且つ元素Ｍの原子比を２０ａｔ％未満にすることにより、元素Ｍの原子比が２０ａｔ％であるＮｏ．５７に比べて逃げ面摩耗幅及びキズ深さがいずれも良化した。またＮｏ．６１ではＣが過剰に添加されたため、Ｎｏ．６２ではＢが過剰に添加されたため、耐摩耗性が悪化した。これらの結果より、元素Ｍの原子比を２０ａｔ％未満、Ｃの原子比を５５ａｔ％未満、Ｂの原子比を３０ａｔ％未満にすることにより耐摩耗性が良化することが分かった。

今回開示された実施形態及び実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ ドリル（硬質皮膜被覆部材）
２，２Ａ 基材
３，３Ａ，３Ｂ 硬質皮膜
４ 金型（硬質皮膜被覆部材）
１０ 下地層
１１ 第１皮膜層
１２ 第２皮膜層
１３ 混合層
２０ 交互皮膜層
２０Ａ 積層単位
３０ 最表層

Claims (8)

1. 基材の表面に形成される硬質皮膜であって、
   Ｔｉ_ｍＳｉ_１−ｍＮ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂからなる第１皮膜層と、Ａｌ_ｘＣｒ_ｙＭ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂからなる第２皮膜層と、が交互に積層され、
   前記第１皮膜層において、０．７≦ｍ＜１、０＜１−ａ−ｂ≦１の関係式が満たされ、
   前記第２皮膜層において、０．７＜ｘ≦０．８、０＜ｙ及び０＜１−ａ−ｂ≦１の関係式が満たされ、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｙ及びランタノイド（Ｐｍを除く）からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素であることを特徴とする、硬質皮膜。
2. 最表層が前記第１皮膜層により構成され、
   前記基材の表面上に形成される下地層が前記第２皮膜層により構成されることを特徴とする、請求項１に記載の硬質皮膜。
3. 前記最表層と前記下地層との間に交互皮膜層が形成され、
   前記交互皮膜層は、Ｔｉ_ｓＳｉ_ｔＡｌ_ｕＣｒ_ｗＭ_{１−ｓ−ｔ−ｕ−ｗ}Ｎ_{１−ａ−ｂ}Ｃ_ａＢ_ｂからなる混合層、前記第１皮膜層、前記混合層、及び前記第２皮膜層がこの順に積層された積層単位を含み、
   前記混合層において、０＜ｓ＜１、０＜ｔ＜０．３、０＜ｕ＜０．８、０＜ｗ＜０．３及び０＜１−ａ−ｂ≦１の関係式が満たされることを特徴とする、請求項２に記載の硬質皮膜。
4. 前記混合層の厚みが４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の硬質皮膜。
5. 前記交互皮膜層における前記第１皮膜層の厚みが５ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３又は４に記載の硬質皮膜。
6. 前記交互皮膜層における前記第２皮膜層の厚みが５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３〜５の何れか１項に記載の硬質皮膜。
7. 前記第２皮膜層における元素Ｍの原子比が０＜１−ｘ−ｙ＜０．２であることを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の硬質皮膜。
8. 基材の表面に請求項１〜７の何れか１項に記載の硬質皮膜が形成されていることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材。

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