JP2023140002A - 被覆部材 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆部材の耐久性を高める。【解決手段】本発明の被覆部材は、基材と、基材の表面に形成され、金属元素の窒化物または炭窒化物を含む硬質皮膜と、を有し、硬質皮膜に含有される金属元素および半金属元素の総量におけるＡｌ含有量が６５原子％以上８５原子％、Ｃｒ含有量が１５原子％以上３５原子％以下、ＡｌとＣｒの合計含有量が９０原子％以上１００原子％以下であり、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、基材近傍と表面近傍とで最大ピーク強度を示す結晶面が異なり、基材近傍では面心立方格子構造の（１１１）面または（２００）面に対応するピークが最大強度を示し、表面近傍では面心立方格子構造の（２２０）面に対応するピーク強度が面心立方格子構造の（２００）面および（１１１）面に対応するピーク強度のうち大きい方の０．６倍以上である被覆部材。【選択図】図４

Description

本発明は、金型や切削工具等に適用する被覆部材に関する。

ＡｌＣｒ窒化物は耐摩耗性と耐熱性に優れる膜種であり金型や切削工具等の被覆部材用の皮膜として広く適用されている。近年、アークイオンプレーティング法で、金属成分におけるＡｌ含有比率が７０原子％を超えるＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物を被覆した被覆部材が提案されている（特許文献１～３）。

特開２０１６－０３２８６１号公報 特開２０１８－０５９１４６号公報 特開２０２０－０４０１７５号公報

本発明者等は従来のＡｌリッチＡｌＣｒ窒化物を含む皮膜を設けた被覆部材について、高硬度鋼の切削加工において耐久性に改善の余地があることを確認した。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、ＡｌリッチのＡｌＣｒ窒化物を含む皮膜を有し、耐久性に優れる被覆部材を提供することを目的とする。

本発明は、基材と、前記基材の表面に形成された硬質皮膜と、を有する被覆部材であって、
前記硬質皮膜は、金属元素の窒化物または炭窒化物を含み、
前記硬質皮膜に含有される前記金属元素および半金属元素の総量におけるアルミニウム（Ａｌ）含有量が６５原子％以上８５原子％以下、クロム（Ｃｒ）含有量が１５原子％以上３５原子％以下であり、かつ、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）の合計含有量が９０原子％以上１００原子％以下であり、
前記硬質皮膜は、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、基材近傍と表面近傍とで最大ピーク強度を示す結晶面が異なり、
前記基材近傍では面心立方格子構造の（１１１）面または（２００）面に対応するピークが最大強度を示し、
前記表面近傍では面心立方格子構造の結晶面に対応するピークが最大強度を示し、面心立方格子構造の（２２０）面に対応するピーク強度が、面心立方格子構造の（２００）面および（１１１）面に対応するピーク強度のうち大きい方の０．６倍以上である。

本発明によれば、耐久性に優れる被覆部材を得ることができる。

図１は、本実施例１に係る硬質皮膜の基材近傍の制限視野回折パターンの一例を示す図である。 図２は、図１の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルの一例を示す図である。 図３は、本実施例１に係る硬質皮膜の表面近傍の制限視野回折パターンの一例を示す図である。 図４は、図２の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルの一例を示す図である。 図５は、本実施例２に係る硬質皮膜の基材近傍の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルの一例を示す図である。 図６は、本実施例２に係る硬質皮膜の表面近傍の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルの一例を示す図である。 図７は、本実施例３に係る硬質皮膜の基材近傍の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルの一例を示す図である。 図８は、本実施例３に係る硬質皮膜の表面近傍の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルの一例を示す図である。 図９は、本実施例４に係る硬質皮膜の基材近傍の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルの一例を示す図である。 図１０は、本実施例４に係る硬質皮膜の表面近傍の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルの一例を示す図である。 図１１は、本実施例１に係る硬質皮膜の基材近傍における膜厚成長方向から観察した組織写真（×１８００００倍）の一例である。 図１２は、本実施例１に係る硬質皮膜の表面近傍における膜厚成長方向から観察した組織写真（×１２００００倍）の一例である。

本発明者等は、基材の表面にＡｌリッチのＡｌとＣｒの窒化物または炭窒化物を含む硬質皮膜を被覆した被覆部材について、硬質皮膜の基材近傍と表面近傍の結晶構造を制御することで耐久性が向上することを知見した。以下、本発明の実施形態の詳細について説明をする。

本実施形態の被覆部材は、基材と、基材の表面に形成された金属元素の窒化物または炭窒化物を含む硬質皮膜と、を有する被覆部材である。硬質皮膜に含有される金属元素および半金属元素の総量におけるアルミニウム（Ａｌ）含有量が６５原子％以上８５原子％以下、クロム（Ｃｒ）含有量が１５原子％以上３５原子％以下であり、かつ、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）の合計含有量が９０原子％以上１００原子％以下である。硬質皮膜は、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、基材近傍と表面近傍とで最大ピーク強度を示す結晶面が異なり、基材近傍では面心立方格子構造の（１１１）面または（２００）面に対応するピークが最大強度を示す。表面近傍では面心立方格子構造の結晶面に対応するピークが最大強度を示し、面心立方格子構造の（２２０）面に対応するピーク強度が、面心立方格子構造の（２００）面および（１１１）面に対応するピーク強度のうち大きい方の０．６倍以上である。本実施形態の被覆部材は金型や切削工具に適用することができる。

＜基材＞
本実施形態において基材は特段限定されるものではない。冷間工具鋼、熱間工具鋼、高速度鋼、超硬合金等を用途に応じて適宜適用すればよい。基材は予め窒化処理やメタルボンバード処理等をしても良い。また、ラッピング等により鏡面加工をしてもよい。

＜硬質皮膜＞
（アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ））
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素の窒化物または炭窒化物を含み、硬質皮膜に含有される金属元素および半金属元素（以下、「金属元素および半金属元素」を総称して単に「金属元素」ともいう。）の総量における、アルミニウム（Ａｌ）含有量が６５原子％以上８５原子％以下、クロム（Ｃｒ）含有量が１５原子％以上３５原子％以下であり、かつ、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）の合計含有量が９０原子％以上１００原子％以下である。

ＡｌとＣｒを主体とする窒化物または炭窒化物は耐摩耗性と耐熱性のバランスに優れる膜種であり、基材との密着性にも優れている。特に上記窒化物または炭窒化物におけるＡｌの含有比率を大きくすることで硬質皮膜の耐熱性が向上する。また、Ａｌの含有比率を大きくすることで硬質皮膜の表面に酸化保護皮膜が形成され易くなるとともに、皮膜組織が微細になるため溶着による硬質皮膜の摩耗が抑制され易くなる。

本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素の総量におけるＡｌ含有量を６５原子％以上とする。言い換えると、硬質皮膜に含まれる金属元素全体を１００原子％とした場合、Ａｌの含有比率を６５原子％以上とする。これにより上記のＡｌの添加効果を十分に発揮できる。好ましくはＡｌの含有比率は６８原子％以上である。一方、Ａｌの含有比率が大きくなり過ぎると六方最密充填（ｈｃｐ）構造のＡｌＮが増加し過ぎて硬質皮膜の靭性が著しく低下する。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素の総量におけるＡｌ含有量を８５原子％以下とする。言い換えると、硬質皮膜に含まれる金属元素全体を１００原子％とした場合、Ａｌの含有比率を８５原子％以下とする。好ましくはＡｌの含有比率は８２原子％以下である。

本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素の総量におけるＣｒ含有量を１５原子％以上とする。言い換えると、硬質皮膜に含まれる金属元素全体を１００原子％とした場合、Ｃｒの含有比率を１５原子％以上とする。これにより被覆部材を用いた金型の使用中または切削工具による加工中に、被覆部材硬質皮膜の表面に均一で緻密な酸化保護皮膜が形成され易くなり、硬質皮膜の損傷が抑制され易くなる。好ましくはＣｒの含有比率は１８原子％以上である。一方、硬質皮膜に含有されるＣｒの含有比率が大きくなり過ぎると、上述したＡｌの含有比率を大きくすることによる効果が得られ難い。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素の総量におけるＣｒ含有量を３５原子％以下とする。言い換えると、硬質皮膜に含まれる金属元素全体を１００原子％とした場合、Ｃｒの含有比率を３５原子％以下とする。好ましくはＣｒの含有比率は３２原子％以下である。

本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素の総量におけるＡｌとＣｒの合計含有量を９０原子％以上１００原子％以下とする。言い換えると、硬質皮膜に含まれる金属元素全体を１００原子％とした場合、ＡｌとＣｒの合計を９０原子％以上１００原子％以下とする。これにより被覆部材の耐久性が優れるものとなる。好ましくはＡｌとＣｒの合計は９５原子％以上である。

本実施形態に係る硬質皮膜は、上述の金属元素の窒化物または炭窒化物を含む。本実施形態に係る硬質皮膜は、窒化物および炭窒化物のうち、耐熱性がより優れる膜種である窒化物であることが好ましい。

本実施形態に係る硬質皮膜の金属元素の含有比率は、鏡面加工した硬質皮膜について、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。この場合、例えば、硬質皮膜表面の鏡面加工後、直径が約１μｍの分析範囲を５点分析した平均から求めることができる。

（アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）以外の金属元素）
本実施形態に係る硬質皮膜はＡｌとＣｒ以外の金属元素を含有してもよい。例えば、本実施形態に係る硬質皮膜は、耐摩耗性や耐熱性、耐久性などの特性（以下「皮膜特性」ともいう。）の向上を目的として、周期表の４ａ族、５ａ族、６ａ族（長周期型周期表ではそれぞれ４族、５族、６族）の元素ならびにＳｉ、Ｂ、Ｙ、Ｙｂ、およびＣｕから選択される１種または２種以上の金属元素を含有することもできる。これらの元素のうち、Ｓｉ、Ｂは、半金属元素の例である。これらの元素は被覆部材の皮膜特性を向上させるために、被覆部材用の皮膜に一般的に含有されている。ＡｌとＣｒ以外の金属元素は被覆部材の耐久性を著しく低下させない範囲で含有させてもよい。但し、ＡｌとＣｒ以外の金属元素の含有比率が大きくなり過ぎると、被覆部材の耐久性が低下する場合がある。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜がＡｌとＣｒ以外の金属元素を含有する場合、その合計の含有比率は、硬質皮膜に含まれる金属元素全体を１００原子％として１０原子％以下が好ましい。

（結晶構造）
本実施形態に係る硬質皮膜の結晶構造の評価では、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を用いる。この強度プロファイルは、硬質皮膜の加工断面について透過型電子顕微鏡を用いて求めた制限視野回折パターンから求めることができる。具体的には、硬質皮膜の制限視野回折パターンの輝度を強度に変換し、横軸を（０００）面スポット中心からの距離（半径ｒ）、縦軸を各半径ｒにおける円一周分の積算強度（任意単位）として、強度プロファイルを作成する。このようにして制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルを用いて硬質皮膜の結晶構造を評価する。本実施形態においてはバックグラウンド強度を除去して作成した強度プロファイルを用いて硬質皮膜の結晶構造を評価する。

本実施形態に係る硬質皮膜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、基材近傍と表面近傍で最大ピーク強度を示す結晶面が異なる。これは、硬質皮膜の基材近傍から表面近傍に向けて結晶構造、結晶粒径が変化することを意味する。これにより、基材と硬質皮膜の密着性を確保しつつ表面近傍の硬質皮膜の耐摩耗性を高めることができる。本実施形態において硬質皮膜の基材近傍とは、硬質皮膜の基材と硬質皮膜の界面から膜厚方向に０．５μｍ以内の範囲である。本実施形態において硬質皮膜の表面近傍とは、硬質皮膜の表面から深さ０．５μｍ以内の範囲である。

本実施形態に係る硬質皮膜の基材近傍で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、面心立方格子構造の（２００）面または（１１１）面に対応するピークが最大強度を示す。これにより基材と硬質皮膜の密着性を高めることができる。

本実施形態に係る硬質皮膜の表面近傍では面心立方格子構造の結晶面に対応するピーク強度が最大強度を示す。面心立方格子構造の結晶面は（２００）面、（１１１）面または（２２０）面から選択される。これらの結晶面の少なくとも一つが最大強度を示すことで硬質皮膜の耐久性が高まる。

そして、本実施形態に係る硬質皮膜の表面近傍では面心立方格子構造の（２２０）面に対応するピーク強度が面心立方格子構造の（２００）面および（１１１）面に対応するピーク強度のうち大きい方の０．６倍以上である。以下では、「硬質皮膜の表面近傍での面心立方格子構造の（２２０）面に対応するピーク強度を、面心立方格子構造の（２００）面および（１１１）面に対応するピーク強度のうち大きい方で除した値」を「ピーク倍率」ともいう。ピーク倍率が０．６倍以上であること、すなわち硬質皮膜の表面近傍で（２２０）面のピーク強度が他の面のピーク強度に対して相対的に大きくなることで耐摩耗性が向上すると考えられる。ピーク倍率は、好ましくは０．８倍以上である。更に好ましくは１．１倍以上である。なお、ピーク倍率について上限値は特段定めるものではないが、ピーク倍率の上限値は７とすることが好ましい。更にはピーク倍率の上限値は５とすることが好ましい。

本実施形態に係る硬質皮膜の表面近傍では、面心立方格子構造の（２２０）面のピーク強度が最大であり、それに次いで面心立方格子構造の（１１１）面のピーク強度が大きいことが好ましい。

本実施形態に係る硬質皮膜はＡｌの含有比率が多いため、ミクロ組織に六方最密充填構造のＡｌＮが含まれうる。本実施形態に係る硬質皮膜の表面近傍では、ミクロ組織に含まれる六方最密充填構造のＡｌＮが少ないことが好ましい。被加工材と接する側にある表面近傍において、ミクロ組織に含まれる六方最密充填構造のＡｌＮが少ないほど、硬質皮膜が被加工材と接して発生する突発的な皮膜破壊が抑制され易い。

硬質皮膜のミクロ組織に存在する六方最密充填構造のＡｌＮを定量的に求めるには、硬質皮膜の加工断面（膜厚方向における断面）について、透過型電子顕微鏡を用いて制限視野回折パターンを求め、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を用いる。そして、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、Ｉｈ×１００／（Ｉｆ＋Ｉｈ）の値に基づきＩｈとＩｆとの関係を評価する。

本実施形態に係る硬質皮膜のＩｈとＩｆとの関係の評価では、強度プロファイルのバックグラウンド値を除去する。測定場所は膜厚方向における断面（膜厚方向に直交する方向の断面）とする。ＩｈおよびＩｆは以下のように定義される。
Ｉｈ：六方最密充填構造のＡｌＮに対応する最大ピーク強度。
Ｉｆ：面心立方格子構造の（１１１）面、（２００）面および（２２０）面に対応するピーク強度の合計。

上記Ｉｈ×１００／（Ｉｆ＋Ｉｈ）の値に基づきＩｈとＩｆの関係を評価することでミクロ組織に含まれる六方最密充填構造のＡｌＮを定量的に評価することができる。Ｉｈ×１００／（Ｉｆ＋Ｉｈ）の値がより小さいことは、ミクロ組織に存在する脆弱な六方最密充填構造のＡｌＮがより少ないことを意味する。本実施形態においては硬質皮膜の表面近傍においてＩｈ×１００／（Ｉｆ＋Ｉｈ）≦２０を満たすことが好ましい。更にはＩｈ×１００／（Ｉｆ＋Ｉｈ）≦１５を満たすことが好ましい。

＜中間皮膜、上層＞
本実施形態の被覆部材は、基材と硬質皮膜との密着性をより向上させるため、必要に応じて、基材と本実施形態に係る硬質皮膜との間に別途中間皮膜を設けてもよい。中間皮膜は、例えば、金属、窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかからなる層とすることができる。

また、基材上に形成された本実施形態に係る硬質皮膜の上に、本実施形態に係る硬質皮膜と異なる成分比または異なる組成を有する硬質皮膜（上層）を別途形成させてもよい。更には、本実施形態に係る硬質皮膜（第１の硬質皮膜）と、本実施形態に係る硬質皮膜（第１の硬質皮膜）と異なる成分比または異なる組成を有する別の硬質皮膜（第２の硬質皮膜）とを相互積層させてもよい。具体的には、第１の硬質皮膜と第２の硬質皮膜とを交互に３層以上積層させてもよい。

本実施形態に係る硬質皮膜は、膜厚が１μｍ～１０μｍであることが好ましい。硬質皮膜に加えて中間皮膜、上層または第２の硬質皮膜を形成する場合には、それぞれの皮膜の膜厚を１μｍ～１０μｍとすることが好ましい。なお、硬質皮膜の厚さｔが１μｍ未満である場合、硬質皮膜の基材近傍とは基材と硬質皮膜の界面から膜厚方向にｔ／２以内の範囲であり、表面近傍とは硬質皮膜の表面から深さｔ／２以内の範囲である。

＜被覆部材の製造方法＞
本実施形態に係る被覆部材は、基材の表面に硬質皮膜を被覆（形成）することにより作成することができる。本実施形態に係る硬質皮膜の被覆には、例えばアークイオンプレーティング法を適用することが好ましい。アークイオンプレーティング法には、ターゲット背面および外周に永久磁石を配備したカソードが搭載されている成膜装置を用いることが好ましい。

当該成膜装置は、例えば、硬質皮膜の材料であるターゲットにアーク電流を投入するカソードと、基材を収容する炉（真空容器）と、炉内の基材を回転させる基材回転機構と、基材にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、を備える。また、成膜装置は、磁場によりドロップレットを低減できるフィルター機構を備えていることが好ましい。

本実施形態に係る硬質皮膜の被覆時の炉内温度は４２０℃～５５０℃が好ましい。炉内圧力は１Ｐａ～６Ｐａが好ましい。

基材に印加する負圧のバイアス電圧の絶対値は、形成される硬質皮膜の基材近傍から表面近傍に向けて徐々に大きくすることが好ましい。硬質皮膜の基材近傍では基材に印加する負圧のバイアス電圧を－４０Ｖ～－８０Ｖとすることが好ましい。硬質皮膜の表面近傍では基材に印加する負圧のバイアス電圧は－１００Ｖ～－１５０Ｖとすることが好ましい。

ターゲットに投入するアーク電流も、形成される硬質皮膜の基材近傍から表面近傍に向けて徐々に大きくすることが好ましい。硬質皮膜の基材近傍ではターゲットに投入するアーク電流は７０Ａ～１２０Ａとすることが好ましい。硬質皮膜の表面近傍ではターゲットに投入するアーク電流は１２０Ａ～１８０Ａとすることが好ましい。

本明細書は、上述したように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下にまとめる。

上述したように、本発明に係る被覆部材は、基材と、前記基材の表面に形成された硬質皮膜と、を有する被覆部材であって、
前記硬質皮膜は、金属元素の窒化物または炭窒化物を含み、
前記硬質皮膜に含有される前記金属元素および半金属元素の総量におけるアルミニウム（Ａｌ）含有量が６５原子％以上８５原子％以下、クロム（Ｃｒ）含有量が１５原子％以上３５原子％以下であり、かつ、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）の合計含有量が９０原子％以上１００原子％以下であり、
前記硬質皮膜は、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、基材近傍と表面近傍とで最大ピーク強度を示す結晶面が異なり、
前記基材近傍では面心立方格子構造の（１１１）面または（２００）面に対応するピークが最大強度を示し、
前記表面近傍では面心立方格子構造の結晶面に対応するピークが最大強度を示し、面心立方格子構造の（２２０）面に対応するピーク強度が、面心立方格子構造の（２００）面および（１１１）面に対応するピーク強度のうち大きい方の０．６倍以上である。

この構成によれば、耐久性に優れる被覆部材を得ることができる。

上記構成の被覆部材の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前記硬質皮膜の氷面近傍の強度プロファイルにおいて、六方最密充填構造のＡｌＮに対応する最大ピーク強度をＩｈ、面心立方格子構造の（１１１）面、（２００）面および（２２０）面に対応するピーク強度の合計をＩｆとした場合、Ｉｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）≦２０の関係を満たすことが好ましい。

この構成によれば、より耐久性に優れる被覆部材を得ることができる。

＜試料＞
基材の表面に硬質皮膜を形成した被覆部材を試料とした。

＜基材＞
基材は、超硬合金製の２枚刃ボールエンドミルを使用した。基材の組成は、Ｃｏ：８質量％、Ｃｒ：０．５質量％、ＶＣ：０．３質量％であり、残部はＷＣおよび不可避的不純物であった。ＷＣの平均粒度は０．６μｍであり、基材の硬度は９３．９ＨＲＡであった。

＜試料の製造方法＞
＜成膜装置＞
基材表面への硬質皮膜の形成（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。本成膜装置は、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有していた。カソードには、ターゲット前面にプラズマを収束させる電磁コイルが設けられ、ターゲット背面に永久磁石が設けられていた。また、カソードは、磁場によりドロップレットを低減できるフィルター機構を備えていた。真空容器の内部は真空ポンプにより排気可能であり、真空容器内には真空容器に設けられた供給ポートよりガスが導入可能であった。真空容器内に設置した基材にはバイアス電源が接続可能であり、複数の基材に独立して負圧のバイアス電圧を印加可能であった。基材回転機構は、ワークテーブルと、ワークテーブル上に取り付けられたプレート状治具と、プレート状治具上に取り付けられたパイプ状治具と、を有していた。基材回転機構においてワークテーブルは毎分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可能であった。

＜加熱および真空排気工程＞
複数の基材をそれぞれ成膜装置の真空容器内のパイプ状治具に固定し、成膜前プロセスを以下のように実施した。まず、真空容器内を５×１０^－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、基材温度が５００℃になるまで加熱し、真空排気を行った。これにより、基材温度を５００℃、真空容器内の圧力を５×１０^－３Ｐａ以下とした。

＜Ａｒボンバード工程＞
その後、真空容器内にＡｒガスを導入して、フィラメントに電流を流してＡｒイオンを発生させ、基材に負圧のバイアス電圧を印加し、Ａｒボンバードを実施した。

＜成膜工程＞
Ａｒボンバード後、真空容器内のガスを窒素に置き換え、真空容器内の圧力を４Ｐａとした。カソードに電力を供給し、基材に印加する負圧のバイアス電圧を印加して、約３μｍの窒化物（硬質皮膜）を被覆した。表１に成膜条件を纏める。表１の「カソード」の欄の例えば「Ａｌ７５Ｃｒ２５」とは、カソードの組成がＡｌ：７５原子％、Ｃｒ：２５原子％であったことを意味する。バイアス電圧およびアーク電流の欄では、硬質皮膜の基材近傍から表面近傍にかけてバイアス電圧およびアーク電流の値を変化（傾斜）させた場合には、基材近傍と表面近傍とそれらの中間のそれぞれの位置での値を記載し、値を変化させず一定とした場合にはその値を記載した。

≪組成分析≫
硬質皮膜の組成を電子プローブマイクロアナライザー装置（株式会社日本電子製ＪＸＡ－８５００Ｆ）に付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ－ＥＰＭＡ）を用いて測定した。表面に硬質皮膜を形成したボールエンドミルの断面を鏡面加工し、組成分析に使用した。測定条件は、加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０^－８Ａ、取り込み時間１０秒とした。分析領域は、１点あたり直径約１μｍの範囲とし、５点について各元素の含有量を測定した。５点の測定値の平均値から硬質皮膜の検出元素の含有比率および金属元素含有比率を求めた。

≪ＴＥＭ解析≫
電界放電型透過電子顕微鏡（ＴＥＭ、株式会社日本電子製ＪＥＭ－２１００Ｆ型）で硬質皮膜のミクロ解析を行った。具体的には、制限視野回折パターンを求めるとともに、組織観察を行った。硬質皮膜の制限視野回折パターンは、加速電圧２００ｋＶ、制限視野領域径φ５００ｎｍ（円形）、カメラ長１００ｃｍ、入射電子量５．０ｐＡ／ｃｍ^２（蛍光板上）の条件にて求めた。制限視野回折パターンは、硬質皮膜の基材近傍、表面近傍について求めた。求めた制限視野回折パターンの輝度を強度に変換し、上述の方法で強度プロファイルを求めた。強度プロファイルから、硬質皮膜の各結晶面のピーク強度および表面近傍のＩｈ×１００／（Ｉｆ＋Ｉｈ）の値を求めた。

≪残留応力≫
硬質皮膜の残留応力および結晶構造を、Ｘ線回折装置を用いたｓｉｎ^２ψ法により測定した。残留応力の測定には、超硬合金製のテストピースも使用した。

≪硬度／弾性係数≫
硬質皮膜の硬度および弾性係数はナノインデンテーションテスター（エリオニクス（株）製ＥＮＴ－２１００）を用いて測定した。測定は、皮膜の最表面に対し試験片を５度傾けた皮膜断面を鏡面研磨後、皮膜の研磨面内で最大押し込み深さが膜厚の略１／１０未満となる領域を選定して行った。押し込み荷重９．８ｍＮ／秒の測定条件で１５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１１点の平均値から求めた。

表２および表３に測定した各数値を纏める。各表の空欄、または「－」とした欄は、測定を行っていない。表２の「皮膜組成」の欄に記載の例えば「Ａｌ７０Ｃｒ３０Ｎ」とは、硬質皮膜がＡｌとＣｒの合金の窒化物であり、硬質皮膜の金属成分の組成がＡｌ：７０原子％、Ｃｒ：３０原子％であったことを意味する。「表面近傍（２２０）面強度比」の欄に記載の数値は、「硬質皮膜の表面近傍での面心立方格子構造の（２２０）面に対応するピーク強度を、面心立方格子構造の（２００）面および（１１１）面に対応するピーク強度のうち大きい方で除した値（ピーク倍率）」である。

基材に印加する負圧のバイアス電圧を基材近傍から表面近傍にかけて傾斜（変化）させながら被覆した本実施例１～４について、基材近傍と表面近傍の制限視野回折パターンから強度プロファイルを求めて結晶構造を評価した。

比較例は被覆時に基材に印加するバイアス電圧を一定にしており、基材近傍と表面近傍で最大強度を示す結晶面は同じであった。比較例７は、従来一般的に切削工具に利用されているＡｌＣｒ窒化物である。

なお、Ｘ線回折装置を用いた測定では比較例４以外は六方最密充填（ｈｃｐ）構造のＡｌＮに対応する明確なピークは確認されなかった。

図１～４は、本実施例１のＴＥＭ分析結果である。図１は本実施例１に係る硬質皮膜の基材近傍の制限視野回折パターンである。図２は図１の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルである。図３は本実施例１に係る硬質皮膜の表面近傍の制限視野回折パターンである。図４は図３の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルである。本実施例１に係る硬質皮膜のピークは、基材近傍では面心立方格子（ｆｃｃ）構造の（２００）面が最大強度であり、表面近傍では面心立方格子構造の（２２０）面が最大強度であった。また、表面近傍では僅かに六方最密充填（ｈｃｐ）構造のＡｌＮに対応するピークが確認された。

図５、６は、本実施例２に係る硬質皮膜の制限視野回折パターンから求めた基材近傍および表面近傍の強度プロファイルである。本実施例２に係る硬質皮膜のピークは、基材近傍では面心立方格子構造の（２００）面が最大強度であり、表面近傍では面心立方格子構造の（２２０）面が最大強度であった。本実施例２に係る硬質皮膜でも表面近傍では僅かに六方最密充填（ｈｃｐ）構造のＡｌＮに対応するピークが確認された。

図７、８は、本実施例３に係る硬質皮膜の制限視野回折パターンから求めた基材近傍および表面近傍の強度プロファイルである。本実施例３に係る硬質皮膜のピークは、基材近傍では面心立方格子構造の（２００）面が最大強度であり、表面近傍では面心立方格子構造の（１１１）面が最大強度であった。本実施例３に係る硬質皮膜の表面近傍では本実施例１，２よりも多くの六方最密充填（ｈｃｐ）構造のＡｌＮに対応するピークが確認された。

本実施例４に係る硬質皮膜の制限視野回折パターンから求めた強度プロファイルを図９，１０に示す。本実施例４は基材近傍では面心立方格子構造の（１１１）面が最大強度を示しており、表面近傍では面心立方格子構造の（２２０）面が最大強度であった。本実施例４の基材近傍および表面近傍では本実施例１，２よりも多くの六方最密充填（ｈｃｐ）構造のＡｌＮに対応するピークが確認された。

本実施例１～４に係る硬質皮膜は、基材近傍と表面近傍とで最大ピーク強度を示す結晶面が異なっていること、および表面近傍では（２２０）面に対応するピークが高くなっていること（表面近傍（２２０）面強度比（ピーク倍率）が０．６以上であること）を確認した。

本実施例１～４に係る硬質皮膜のミクロ組織を確認するために基材近傍と表面近傍の組織観察を行った。膜厚成長方向と垂直な方向から観察した断面組織は試料の厚み方向の重なりの影響により結晶粒界が不明瞭になり易い。そこで試料の厚み方向の重なりの影響を除去して結晶粒径を評価するため膜厚成長方向から組織観察を行った。

組織観察には透過型電子顕微鏡を用いた。低倍での組織観察を行い明らかに粗大な結晶粒子を除いた個所を選択して１００個以上の結晶粒子が得られる倍率で評価を行った。

図１１，１２は、本実施例１に係る硬質皮膜の基材近傍と表面近傍の組織観察写真の一例である。図１１，１２の観察写真から２値化像を作成して個々の粒状粒子の面積を求めて、そこから円相当粒径を算出し、結晶粒径の評価を行った。円相当粒径とは柱状粒子の面積と同一面積の真円の直径である。像周囲の途切れた結晶粒子は観察対象外とした。基材近傍では円相平均結晶粒径は５９ｎｍ、標準偏差が３５ｎｍであった。表面近傍では円相当平均結晶粒径は９０ｎｍ、標準偏差が５２ｎｍであった。本実施例１～４に係る硬質皮膜は基材近傍よりも表面近傍の方が結晶粒径、標準偏差が大きくなっていた。一方、比較例１～７に係る硬質皮膜は皮膜全体にわたって結晶粒径はほぼ均一であった。

＜切削試験＞
（条件）乾式加工
工具：２枚刃超硬ボールエンドミル（ボール半径１．０ｍｍ）
切削方法：底面切削
被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）（ボーラー・ウッデホルム株式会社製）
切り込み：軸方向、０．１４ｍｍ、径方向、０．１４ｍｍ
切削速度：９９．０ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．０２８ｍｍ／刃
切削距離：４０ｍ
評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いてボールエンドミルのチゼル付近の逃げ面最大摩耗幅を測定した。
切削評価結果を表４に纏める。

本実施例１～４に係る硬質皮膜は比較例７よりも逃げ面最大摩耗幅が小さく耐久性に優れた。

比較例１～４、６に係る硬質皮膜は密着性が乏しいためか早期に皮膜剥離が発生して耐久性が乏しい傾向だった。比較例５、７に係る硬質皮膜は、本実施例１～４に比べて逃げ面最大摩耗幅が大きく、耐久性に劣っていた。

Claims (2)

1. 基材と、前記基材の表面に形成された硬質皮膜と、を有する被覆部材であって、
   前記硬質皮膜は、金属元素の窒化物または炭窒化物を含み、
   前記硬質皮膜に含有される前記金属元素および半金属元素の総量におけるアルミニウム（Ａｌ）含有量が６５原子％以上８５原子％以下、クロム（Ｃｒ）含有量が１５原子％以上３５原子％以下であり、かつ、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）の合計含有量が９０原子％以上１００原子％以下であり、
   前記硬質皮膜は、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、基材近傍と表面近傍とで最大ピーク強度を示す結晶面が異なり、
   前記基材近傍では面心立方格子構造の（１１１）面または（２００）面に対応するピークが最大強度を示し、
   前記表面近傍では面心立方格子構造の結晶面に対応するピークが最大強度を示し、面心立方格子構造の（２２０）面に対応するピーク強度が、面心立方格子構造の（２００）面および（１１１）面に対応するピーク強度のうち大きい方の０．６倍以上である、被覆部材。
2. 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前記硬質皮膜の表面近傍の強度プロファイルにおいて、六方最密充填構造のＡｌＮに対応する最大ピーク強度をＩｈ、面心立方格子構造の（１１１）面、（２００）面、（２２０）面に対応するピーク強度の合計をＩｆとした場合、Ｉｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）≦２０の関係を満たす、請求項１に記載の被覆部材。

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