JP3742174B2 - 耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
超硬合金（WC-Co 系焼結合金）や高速度工具鋼（ハイス）等の工具や機械部品の耐摩耗性をより優れたものとすることを目的として、それらの表面に４ａ族金属の窒化物や炭化物よりなる硬質皮膜を被覆（コーティング）することが行われている。
【０００３】
このとき、一般に耐摩耗性の改善効果は被覆層が硬いほどよく、超硬合金や高速度工具鋼等よりも硬度が高いTiN 、TiC 、TiCN、或いは、AlTiN 皮膜をコーティングすることにより耐摩耗性を向上させることが主流になっている。
【０００４】
一方、更に過酷な摩耗環境に対応するため、さらに硬度が高いTi-Hf の複合窒化物等のTi-Hf 系皮膜を付与する方法が、特開昭55-58364号公報、特開昭62-207858 号公報、特開平04-17662号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記Ti-Hf の複合窒化物等のTi-Hf 系皮膜は硬度が2500〜3000kgf/mm2 程度と高く、超硬合金等にコーティングした場合は平坦部の摺動に限れば耐摩耗性を向上させることができる。
【０００６】
しかし、切削工具の刃先のような鋭利な部分は、摩耗とともに欠損の問題が生じ、特に硬質皮膜を付与した場合は、皮膜硬度が高いほど硬質皮膜及び基材の欠損が顕著になる。
【０００７】
一般に材料の硬さと靱性は相反する特性であり、Ti-Hf の複合窒化物等のTi- Hf系皮膜のような硬度が2500kgf/mm2 以上の皮膜は、硬度が2000kgf/mm2 程度のTiN やTiC 皮膜よりも靱性が低く、割れやすい。このため、皮膜硬度が高いと、表面にひびが入りやすく、このひびが起点となって基材に割れが伝搬するため、基材の欠損が顕著になると考えられる。
【０００８】
このように、皮膜表面を硬くすると耐摩耗性は向上するものの、基材の耐欠損性は悪化してしまう。又、耐欠損性を向上させるために皮膜表面を軟らかくすると充分な耐摩耗性を得ることができない。従って、前記従来の硬質皮膜では部材の耐摩耗性と耐欠損性とを同時に向上させることは困難である。
【０００９】
本発明はかかる事情に着目してなされたものであって、その目的は前記従来の硬質皮膜を被覆した部材での問題点を解消し、耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材、即ち、前記TiN 、TiC 、TiCN、或いは、AlTiN 皮膜を被覆した部材よりも耐摩耗性に優れ、かつ、前記Ti-Hf の複合窒化物等のTi-Hf 系皮膜を被覆した部材よりも耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は請求項１〜３記載の硬質皮膜被覆部材としており、それは次のような構成としたものである。
【００１１】
即ち、請求項１記載の硬質皮膜被覆部材は、異なる硬質皮膜を２層以上被覆した硬質皮膜被覆部材であって、硬度測定用圧子により荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上であると共に、硬度測定用圧子により荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さいことを特徴とする耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材である（第１発明）。
【００１２】
請求項２記載の硬質皮膜被覆部材は、異なる硬質皮膜を２層以上被覆した硬質皮膜被覆部材であって、基材表面から硬質皮膜被覆層の表面方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、TiとHfとAlの複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物、複合炭窒ホウ化物の１種以上と不可避的不純物とを含み、そのTiとHfとAlの組成が下記式▲１▼で示される組成からなる硬質皮膜層を有し、且つ、硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、TiとAlの複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物、複合炭窒ホウ化物の１種以上と不可避的不純物とを含み、そのTiとAlの組成が下記式▲２▼で示される組成からなる硬質皮膜層を有することを特徴とする耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材である（第２発明）。
Ti1-(x+y) Hfx Aly ----- 式▲１▼
但し、上記式▲１▼において、０＜ｘ≦０．８、０≦ｙ≦０．８、ｘ＋ｙ＜１である。
Ti1-Z AlZ ----- 式▲２▼
但し、上記式▲２▼において、０＜ｚ≦０．８である。
【００１３】
請求項３記載の硬質皮膜被覆部材は、基材が高速度工具鋼、超硬合金または硬質セラミックスである請求項１又は２記載の耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材である（第３発明）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、例えばアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等により、基材表面に異なる硬質皮膜を２層以上被覆することにより得られる。この硬質皮膜被覆層は、前記の如き硬度を有し、そのため、耐摩耗性及び耐欠損性に優れている。
【００１５】
この詳細を以下説明する。
【００１６】
本発明者らは、硬質皮膜被覆部材の損傷形態を詳細に調べ、その損傷を防止する手段を鋭意検討してきた。その結果、基材の欠損の起点は硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域の硬質皮膜被覆層最表層部のみの割れ特性に依存しており、この硬質皮膜被覆層最表層部の割れを抑制すれば基材の欠損を防止することができることをつきとめた。さらに、部材全体の耐摩耗性は硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ４μm 以上の個所までの領域の硬質皮膜被覆層と基材を合わせたマクロ硬度に依存しており、この領域の平均硬度が高ければ部材の摩耗を低減することができることをつきとめた。
【００１７】
本発明は、かかる知見に基づき更に検討を重ねた結果、なされたものであり、第１発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記の如く、異なる硬質皮膜を２層以上被覆した硬質皮膜被覆部材であって、硬度測定用圧子により荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上であると共に、硬度測定用圧子により荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さいことを特徴とするものとしており、この硬質皮膜被覆部材によれば、耐摩耗性と耐欠損性を高度なレベルで同時に充たすことができる。
【００１８】
即ち、荷重50gfにおいて、硬質皮膜被覆面の押し込み硬度：2000kgf/mm2 程度の場合は硬度測定用圧子の押し込み深さは約１μm であり、硬度測定用圧子による変形の影響領域は硬質皮膜被覆層の表面から深さ方向（硬質皮膜被覆層の厚さ方向）に約４μm 以上の個所までになる。このような領域の硬質皮膜被覆層と基材を合わせたマクロ硬度（平均硬度）が高ければ、前記の如く、部材の摩耗を低減することができる。そして、かかる平均硬度が少なくとも2000kgf/mm2 以上、好ましくは2200kgf/mm2 以上であれば、充分に優れた耐摩耗性を有することが確認された。
【００１９】
第１発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記の如く、荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上である。
【００２０】
故に、第１発明に係る硬質皮膜被覆部材は、硬質皮膜被覆層の表面から深さ方向（硬質皮膜被覆層の厚さ方向）に厚さ４μm 以上の個所までの領域の硬質皮膜被覆層の平均硬度が2000kgf/mm2 以上であり、そのため耐摩耗性に優れ、高度なレベルの耐摩耗性を有する。
【００２１】
一方、荷重５gfにおいて、硬質皮膜被覆面の押し込み硬度：2000kgf/mm2 程度の場合は硬度測定用圧子の押し込み深さは約0.3 μm であり、硬度測定用圧子による変形の影響領域は硬質皮膜被覆層の表面から深さ方向（硬質皮膜被覆層の厚さ方向）に約２μm 程度になる。かかる硬質皮膜被覆層の表面から厚さ（深さ）２μm 以内の個所までの領域の割れを抑制すれば、前記の如く、基材の欠損を防止することができる。
【００２２】
材料の硬度が高いほど、靱性が低下し、耐割れ性が低下する傾向があり、硬度が低くなると耐割れ性が向上する。そこで、前記硬質皮膜被覆層の表面から深さ（厚さ）２μm 以内の個所までの領域の硬度と耐割れ性及び基材の耐欠損性との関係について調べたところ、その領域の硬質皮膜被覆層の硬度が硬質皮膜被覆層の表面から厚さ４μm 以上の個所までの領域の硬質皮膜被覆層と基材を合わせた平均硬度（即ち、荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度）よりも100kgf/mm2以上低ければ、充分に優れた耐欠損性を有することが確認された。
【００２３】
第１発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記の如く、荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さい。
【００２４】
故に、第１発明に係る硬質皮膜被覆部材は、硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域の硬質皮膜被覆層の硬度（即ち、荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度）が、硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ４μm 以上の個所までの領域の硬質皮膜被覆層と基材を合わせた平均硬度（即ち、荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度）よりも100kgf/mm2以上低く、そのため高度なレベルの耐欠損性を有する。
【００２５】
以上より、第１発明に係る硬質皮膜被覆部材によれば、耐摩耗性と耐欠損性を高度なレベルで同時に充たすことができることがわかる。
【００２６】
尚、第１発明に係る硬質皮膜被覆部材において、硬度測定用圧子としては特に限定されるものではなく、硬質皮膜被覆面の押し込み硬度：2000kgf/mm2 程度の場合に、荷重50gfで硬度測定用圧子の押し込み深さ：約１μm 、硬度測定用圧子による変形の影響領域：約４μm 以上になり、荷重５gfで硬度測定用圧子の押し込み深さ：約0.3 μm 、硬度測定用圧子による変形の影響領域：約２μm 程度になるものであればよい。かかる硬度測定用圧子としては、例えばビッカース硬度測定用圧子を挙げることができる。荷重50gfの場合と荷重５gfの場合とで、硬度測定用圧子は同一でなくてもよい。
【００２７】
硬質皮膜被覆面の押し込み硬度とは、硬質皮膜被覆部材の硬質皮膜被覆層の表面側から硬度測定用圧子により測定される硬度のことである。
【００２８】
荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度は、2000kgf/mm2 以上であればよく、その範囲内で特に制限されないが、耐摩耗性向上の点から、2200kgf/mm2 以上であることが望ましく、更には、切削工具等への適用の点から、2400kgf/mm2 以上であることが望ましい。
【００２９】
荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度は、前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さければよく、その範囲内で特に制限されないが、高速度鋼基板のような欠損しやすい基材への適用の点から、150kgf/mm2以上小さいことが望ましく、更には、もっと欠損しやすい超硬への適用の点から、200kgf/mm2以上小さいことが望ましい。
【００３０】
第２発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前述のように、異なる硬質皮膜を２層以上被覆した硬質皮膜被覆部材であって、基材表面から硬質皮膜被覆層の表面方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、TiとHfとAlの複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物、複合炭窒ホウ化物の１種以上と不可避的不純物とを含み、そのTiとHfとAlの組成がTi1-(x+y) Hfx Aly （但し、０＜ｘ≦０．８、０≦ｙ≦０．８、ｘ＋ｙ＜１）で示される組成からなる硬質皮膜層〔以下、硬質皮膜層Ａ（下層）という〕を有し、且つ、硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、TiとAlの複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物、複合炭窒ホウ化物の１種以上と不可避的不純物とを含み、そのTiとAlの組成がTi1-Z AlZ （但し、０＜ｚ≦０．８）で示される組成からなる硬質皮膜層〔以下、硬質皮膜層Ｂ（上層）という〕を有することを特徴とするものとしており、この硬質皮膜被覆部材によれば、前記第１発明に係る硬質皮膜被覆部材での特徴的構成要件であるところの「荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上であると共に、荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さい」という点を充たすことができ、そのため、耐摩耗性と耐欠損性を高度なレベルで同時に充たすことができる。
【００３１】
即ち、上記硬質皮膜層Ａ（下層）は硬度が高く、例えばHv3500以上であり、上記硬質皮膜層Ｂ（上層）は比較的硬度が低く、例えばHv2600程度であり、上記硬質皮膜層Ａ（下層）よりも硬度が低いという特性がある。このような高硬度の硬質皮膜層Ａ（下層）が基材表面から厚さ２μm 以内の個所までの領域に有し、それよりも低硬度の硬質皮膜層Ｂ（上層）が硬質皮膜被覆層の表面から厚さ２μm 以内の個所までの領域に有すると、これらを有する硬質皮膜被覆層は全体として硬く、荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度（即ち、硬質皮膜被覆層の表面から厚さ４μm 以上の個所までの領域の硬質皮膜被覆層の平均硬度）が2000kgf/mm2 以上となると共に、硬質皮膜被覆層の上層部の硬度が低く、荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度（即ち、硬質皮膜被覆層の表面から厚さ２μm 以内の個所までの領域の硬質皮膜被覆層の硬度）が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さくなる。従って、第２発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記第１発明に係る硬質皮膜被覆部材での特徴的構成要件を充たすことができ、そのため、耐摩耗性と耐欠損性を高度なレベルで同時に充たすことができる。
【００３２】
なお、第２発明に係る硬質皮膜被覆部材において、硬質皮膜層Ａ（下層）は、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｎ、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｃ、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｂ、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) CN、(Ti1-(x+y)Hfx Aly )BN 、(Ti1-(x+y)Hfx Aly )BC 、又は、(Ti1-(x+y)Hfx Aly )CBNで示される組成（但し、０＜ｘ≦0.8 、０＜ｙ≦0.8 、且つｘ＋ｙ＜１）からなるものである。ここで、Ｎ、Ｃ、Ｂ、CN、BN、BC又はCBN をＱとすると、この硬質皮膜層Ａ（下層）は(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｑで示される組成（但し、０＜ｘ≦0.8 、０＜ｙ≦0.8 、且つｘ＋ｙ＜１）からなるものである。但し、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) ：Ｑは、１：１であるとは限らず、１：約１の場合も含まれ、例えば、１：0.90や、１：1.10の場合もある。
【００３３】
換言すれば、硬質皮膜層Ａ（下層）は、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｑよりなり、このTi、Hf及びAl中に占めるHfの割合が80at％以下（０％を含まず）、Alの割合が80at％以下（０％を含む）である硬質皮膜である。
【００３４】
ここで、Ti、Hf及びAl中に占めるHf及びAlの割合をそれぞれ80at％以下、即ち(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｑでのｘ及びｙを０＜ｘ≦0.8 、且つ０＜ｙ≦0.8 としているのは、ｘ及び／又はｙを0.8 超とすると、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｑの硬度がTiN 並みのHv2000程度に低下し、前記第１発明に係る硬質皮膜被覆部材での特徴的構成要件を充たすことができず、その結果、硬質皮膜被覆部材の耐摩耗性が低下して不充分となり、一方、ｘを０とするとHfが含有されず、耐摩耗性が不充分となるからである。ｘ＋ｙ＜１としているのは、ｘ＋ｙ≧１とすると(Ti1-(x+y)Hfx Aly ）Ｑの組成が成立しなくなるからである。
【００３５】
硬質皮膜層Ｂ（上層）は、(Ti1-ZAlZ ) Ｎ、(Ti1-ZAlZ ) Ｃ、(Ti1-ZAlZ ) Ｂ、(Ti1-ZAlZ )CN 、(Ti1-ZAlZ )BN 、(Ti1-ZAlZ )BC 、又は、(Ti1-ZAlZ )CBNで示される組成、即ち、(Ti1-ZAlZ ) Ｑで示される組成（但し、０＜ｚ≦0.8 ）からなるものである。但し、(Ti1-ZAlZ ) ：Ｑは、１：１であるとは限らず、１：約１の場合も含まれ、例えば、１：0.90や、１：1.10の場合もある。
【００３６】
ここで、Ti及びAl中に占めるAlの割合を80at％以下（０％を含まず）、即ち、(Ti1-ZAlZ ) Ｑでのｚを０＜ｚ≦0.8 としているのは、ｚを0.8 超とすると、(Ti1-ZAlZ ) Ｑの硬度がTiN 並みのHv2000程度に低下し、前記第１発明に係る硬質皮膜被覆部材での特徴的構成要件を充たすことはできるものの、最表面がやわらかすぎて摺動時に上層が摩滅してしまうおそれがあり、一方、ｚを０とするとAlが含有されず、耐熱性が低下するからである。
【００３７】
第２発明において、硬質皮膜被覆部材の硬質皮膜被覆層は、硬質皮膜層Ａ（下層）及び硬質皮膜層Ｂ（上層）を含む必要があるが、これら以外の硬質皮膜層を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。
【００３８】
基材表面とは、硬質皮膜被覆部材の硬質皮膜被覆層と基材との界面に該当する個所のことである。基材表面から硬質皮膜被覆層の表面方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、硬質皮膜層Ａ（下層）を有するとは、この領域に硬質皮膜層Ａ（下層）が含まれている必要があるが、その他の硬質皮膜層を含むこともできるという意味である。硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、硬質皮膜層Ｂ（上層）を有するとは、この領域に硬質皮膜層Ｂ（上層）が含まれている必要があるが、その他の硬質皮膜層を含むこともできるという意味である。基材表面から硬質皮膜被覆層の表面方向へ厚さ２μm （以内）の個所までの領域とは、基材表面から、該表面から硬質皮膜被覆層の表面に向けて硬質皮膜被覆層の厚さ方向に２μm （以内）の距離にある個所までにわたる領域のことである。硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm （以内）の個所までの領域とは、硬質皮膜被覆層の表面から、該表面から基材表面に向けて硬質皮膜被覆層の厚さ方向に２μm （以内）の距離にある個所までにわたる領域のことである。
【００３９】
本発明（第１発明、第２発明）において基材としては、特に限定されるものではなく、用途や必要性に応じて種々の基材を使用できるが、硬度が高い基材、例えば硬度800kgf/mm2以上の基材を用いた場合に本発明が特に有効であり、かかる高硬度の基材としては高速度工具鋼、超硬合金、硬質セラミックスを挙げることができる（第３発明）。即ち、基材として硬度800kgf/mm2未満の基材を用いた硬質皮膜被覆部材では、損傷形態が摩耗中心であり、基材の欠損はあまり問題とならないので、本発明の適用効果は比較的小さいが、高速度工具鋼（ハイス）、超硬合金（WC-Co 系焼結合金）、硬質セラミックス（サーメット、SiC 焼結体、Si3N4 焼結体等）の如く硬度が高く、硬度800kgf/mm2以上の基材を用いた硬質皮膜被覆部材では、摩耗に加えて基材の欠損が問題となるので、本発明の適用効果は大きい。
【００４０】
本発明に係る硬質皮膜被覆部材の種類、即ち、用途としては、特に限定されるものではないが、耐摩耗性及び耐欠損性を必要とする工具や機械部品に好適に用いることができる。
【００４１】
【実施例】
（実施例１）
素材：SKD11 焼き入れ材、形状：外径50mm、試験部直径44mm、厚さ８mmのピンオンディスク摺動試験用ディスクを作製した。
【００４２】
一方、素材として、超硬合金（WC-12%Co焼結材）、高速度工具鋼（ハイス）、サーメット、又は、炭素鋼S45Cを用い、図２に示す如く一端を平坦状、他端をエッジ状に加工し、基材を得た。この基材にアークイオンプレーティングにより下記構成の硬質皮膜▲１▼〜▲４▼を被覆して、ピンオンディスク摺動試験用ピンを作製した。このとき、プレーティング処理時の反応ガス（Ｂ，Ｃ，Ｎを含むガス）の圧力及び基材に印加するバイアス電圧を変化させることにより、硬質皮膜の硬度を変化させた。尚、下記▲１▼〜▲４▼において、ＱはＮ、Ｃ、Ｂ、CN、BN、BC、又は、CBN である。
【００４３】
▲１▼ 組成：(Al0.6Ti0.4)Ｑ、膜厚：４μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲２▼ 組成：(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑ、膜厚：４μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲３▼ 組成：(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆し、その上に、組成：(Al0.6Ti0.4)Ｑ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲４▼ 組成：ZrＱ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆し、その上に、組成：TiＱ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆したもの
【００４４】
上記のようにして作製されたピンの平坦部について、ビッカース硬度測定用圧子により荷重50gf、荷重５gfで硬質皮膜被覆面の押し込み硬度を測定した。
【００４５】
また、上記のようにして作製されたピンオンディスク摺動試験用ディスクとピンとを組み合わせ、ピンオンディスク摺動試験を行った。このとき、図１に示す如くピンのエッジ部を摺動面とし、又、ピンの平坦部を摺動面とした。ピンエッジ部を摺動面とする場合、摺動試験条件は荷重：５Ｎ、速度（ディスクの回転周速度）：１ｍ／秒、走行距離：１kmとし、そして、ピンエッジ部の摺動による欠け損傷の発生の有無を観察し、耐欠損性を調べた。ピン平坦部を摺動面とする場合、摺動試験条件は荷重：400 Ｎ、速度：１ｍ／秒、走行距離：２kmとし、ピン平坦部の摺動による摩耗面積率を測定し、耐摩耗性を調べた。ここで、摩耗面積率とは、ピン平坦部の面積に対する摩耗部（摩耗を生じた部分）の面積の割合のことである。
【００４６】
上記押し込み硬度の測定及びピンオンディスク摺動試験の結果を表１〜７に示す。表１はピンの基材に被覆された硬質皮膜がＱがＮである場合、即ち、窒化物である場合についてのものである。表２はＱがＣ、表３はＱがＢ、表４はＱがCN、表５はＱがBN、表６はＱがBC、表７はＱがCBN である場合についてのものである。これらの表１〜７より、Ｑの種類（Ｎ、Ｃ、Ｂ、CN、BN、BC、CBN ）にかかわらず、同様の傾向の挙動を示すことがわかる。その詳細を以下説明する。
【００４７】
(1) ピンの基材が超硬合金の場合
前記▲１▼の(Al0.6Ti0.4)Ｑを被覆したピンや、▲２▼の(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑを被覆したピンは、荷重50gfでの押し込み硬度と荷重５gfでの押し込み硬度とがほぼ同等である。
【００４８】
(Al0.6Ti0.4)Ｑを被覆したピンでは、硬度が2000kgf/mm2 程度と低いが、この(Al0.6Ti0.4)Ｑの膜靱性が優れているためにピン尖端部は欠けることなく摩耗損傷となり、耐欠損性に優れている。しかし、硬度が低いことからピン平坦部の摩耗面積率が90％と大きい〔比較例〕。これに対し、(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑを被覆したピンでは、硬度が2800kgf/mm2 程度と大きいので、ピン平坦部の摩耗面積率は10％と小さいが、(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑは割れやすい傾向があるので、基材の超硬合金の欠けを誘発してピン尖端部に欠け損傷が生じ、耐欠損性に劣っている〔比較例〕。
【００４９】
前記▲３▼の(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑを被覆し、その上に(Al0.6Ti0.4)Ｑを被覆したピンについては、荷重50gfでの押し込み硬度が1800kgf/mm2 程度である場合、荷重５gfでの押し込み硬度の如何にかかわらず、ピン尖端部は欠けることなく摩耗損傷となるが、ピン平坦部の摩耗面積率が90％と大きい。
【００５０】
これに対し、荷重50gfでの押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上である場合には、ピン平坦部の摩耗面積率は20％以下となり、耐摩耗性に優れている。このとき、荷重５gfでの押し込み硬度が上記荷重50gfでの押し込み硬度に近い場合には、ピン尖端部に欠け損傷が生じ、耐欠損性が不充分であり、耐摩耗性及び耐欠損性を両立することができないが、荷重５gfでの押し込み硬度が上記荷重50gfでの押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さい場合には、ピン尖端部の欠け損傷が生じず、耐欠損性に優れており、耐摩耗性及び耐欠損性を両立することができる〔本発明の実施例〕。
【００５１】
前記▲４▼のZrＱを被覆し、その上にTiＱを被覆したピンについては、荷重50gfでの押し込み硬度が2000kgf/mm2 であり、荷重５gfでの押し込み硬度と上記荷重50gfでの押し込み硬度との差が０又は50kgf/mm2 の場合には、ピン尖端部に欠け損傷が生じているが、荷重５gfでの押し込み硬度が上記荷重50gfでの押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さい場合には、ピン尖端部の欠け損傷の発生が抑制されている。しかし、ピン平坦部の摩耗面積率が50％程度である。これに対し、前記▲３▼の硬質皮膜が被覆され、荷重50gfでの押し込み硬度が2000kgf/mm2 、荷重５gfでの押し込み硬度が上記荷重50gfでの押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さいピンの場合の方が、耐摩耗性に優れている（ピン平坦部の摩耗面積率：20％）。これは、上層の(Al0.6Ti0.4)ＱがTiＱよりも、耐酸化性が優れていること等の化学的影響因子によるものと考えられる。
【００５２】
(2) ピンの基材が高速度鋼、サーメット、炭素鋼の場合
基材として高速度鋼、サーメット、又は、炭素鋼を用いた場合には、前記▲３▼の(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑを被覆し、その上に(Al0.6Ti0.4)Ｑを被覆したピンを作製し、試験を行った。このとき、前述のピン基材が超硬合金の場合の試験結果に基づき、荷重50gfでの押し込み硬度が2200kgf/mm2 程度、荷重５gfでの押し込み硬度が2050kgf/mm2 程度になるようにした。尚、この両者の押し込み硬度の差は、150kgf/mm2程度となる〔本発明の実施例〕。
【００５３】
いずれの場合も、ピン尖端部の欠け損傷が生じず、耐欠損性に優れている。しかし、ピン平坦部の耐摩耗性は基材により異なり、基材が高速度鋼、サーメットの場合にはピン平坦部の摩耗面積率は10％程度であり、耐摩耗性に優れているが、基材が炭素鋼の場合にはピン平坦部の摩耗面積率は90％であり、耐摩耗性に劣っている。
【００５４】
このように基材が炭素鋼の場合に耐摩耗性が劣っているのは、炭素鋼のような硬度800kgf/mm2未満の基材の場合には、元来(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑ等の硬質皮膜と基材との密着性が少し悪く、更には摺動時に基材の変形が起こり、それらにより、硬質皮膜被覆層の基材からの剥離が生じてしまうためと考えられる。但し、基材として炭素鋼のような比較的低硬度で軟らかい材料を用いる場合には、欠損はあまり問題とならず、摩耗が問題となるので、本発明を適用する必要性はあまりないといえる。
【００５５】
（実施例２）
前記実施例１での硬質皮膜▲１▼〜▲４▼に代えて下記構成の硬質皮膜▲１▼Ａ〜▲４▼Ａを被覆した。かかる点を除き、実施例１と同様のピンオンディスク摺動試験用ピンを作製し、実施例１と同様の押し込み硬度の測定及びピンオンディスク摺動試験を行った。その結果を表８に示す。
【００５６】
▲１▼Ａ -- 組成：(Al0.6Ti0.4)Ｎ＋(Al0.6Ti0.4)Ｃ、膜厚：４μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲２▼Ａ -- 組成：(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｎ＋(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｃ、膜厚：４μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲３▼Ａ -- 組成：(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｎ＋(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｃ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆し、その上に、組成：(Al0.6Ti0.4)Ｎ＋(Al0.6 Ti0.4)Ｃ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲４▼Ａ -- 組成：ZrＮ＋ZrＣ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆し、その上に、組成：TiＮ＋TiＣ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆したもの
【００５７】
尚、上記組成のＸ＋Ｙという表示は、ＸとＹとの混合体よりなることを示すものである。例えば、▲１▼Ａの場合、(Al0.6Ti0.4)Ｎと(Al0.6Ti0.4)Ｃとの混合体よりなることを示すものである。
【００５８】
表８からわかるように、実施例２の場合も、実施例１の場合と同様の傾向の挙動を示すことがわかる。
【００５９】
【表１】
【００６０】
【表２】
【００６１】
【表３】
【００６２】
【表４】
【００６３】
【表５】
【００６４】
【表６】
【００６５】
【表７】
【００６６】
【表８】
【００６７】
【発明の効果】
本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、耐摩耗性と耐欠損性を高度なレベルで同時に充たすことができ、そのため、切削工具の刃先のように耐摩耗性及び耐欠損性に優れていることが必要な工具等の部材として好適に用いることができ、それらの性能や寿命の向上が図れるようになるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例に係るピンオンディスク摺動試験の状況の概要を示す斜視図である。
【図２】 実施例に係るピンオンディスク摺動試験用ピンの基材形状を示す図であり、その中の（イ）は側面図、（ロ）は正面図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
超硬合金（WC-Co 系焼結合金）や高速度工具鋼（ハイス）等の工具や機械部品の耐摩耗性をより優れたものとすることを目的として、それらの表面に４ａ族金属の窒化物や炭化物よりなる硬質皮膜を被覆（コーティング）することが行われている。
【０００３】
このとき、一般に耐摩耗性の改善効果は被覆層が硬いほどよく、超硬合金や高速度工具鋼等よりも硬度が高いTiN 、TiC 、TiCN、或いは、AlTiN 皮膜をコーティングすることにより耐摩耗性を向上させることが主流になっている。
【０００４】
一方、更に過酷な摩耗環境に対応するため、さらに硬度が高いTi-Hf の複合窒化物等のTi-Hf 系皮膜を付与する方法が、特開昭55-58364号公報、特開昭62-207858 号公報、特開平04-17662号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記Ti-Hf の複合窒化物等のTi-Hf 系皮膜は硬度が2500〜3000kgf/mm2 程度と高く、超硬合金等にコーティングした場合は平坦部の摺動に限れば耐摩耗性を向上させることができる。
【０００６】
しかし、切削工具の刃先のような鋭利な部分は、摩耗とともに欠損の問題が生じ、特に硬質皮膜を付与した場合は、皮膜硬度が高いほど硬質皮膜及び基材の欠損が顕著になる。
【０００７】
一般に材料の硬さと靱性は相反する特性であり、Ti-Hf の複合窒化物等のTi- Hf系皮膜のような硬度が2500kgf/mm2 以上の皮膜は、硬度が2000kgf/mm2 程度のTiN やTiC 皮膜よりも靱性が低く、割れやすい。このため、皮膜硬度が高いと、表面にひびが入りやすく、このひびが起点となって基材に割れが伝搬するため、基材の欠損が顕著になると考えられる。
【０００８】
このように、皮膜表面を硬くすると耐摩耗性は向上するものの、基材の耐欠損性は悪化してしまう。又、耐欠損性を向上させるために皮膜表面を軟らかくすると充分な耐摩耗性を得ることができない。従って、前記従来の硬質皮膜では部材の耐摩耗性と耐欠損性とを同時に向上させることは困難である。
【０００９】
本発明はかかる事情に着目してなされたものであって、その目的は前記従来の硬質皮膜を被覆した部材での問題点を解消し、耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材、即ち、前記TiN 、TiC 、TiCN、或いは、AlTiN 皮膜を被覆した部材よりも耐摩耗性に優れ、かつ、前記Ti-Hf の複合窒化物等のTi-Hf 系皮膜を被覆した部材よりも耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は請求項１〜３記載の硬質皮膜被覆部材としており、それは次のような構成としたものである。
【００１１】
即ち、請求項１記載の硬質皮膜被覆部材は、異なる硬質皮膜を２層以上被覆した硬質皮膜被覆部材であって、硬度測定用圧子により荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上であると共に、硬度測定用圧子により荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さいことを特徴とする耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材である（第１発明）。
【００１２】
請求項２記載の硬質皮膜被覆部材は、異なる硬質皮膜を２層以上被覆した硬質皮膜被覆部材であって、基材表面から硬質皮膜被覆層の表面方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、TiとHfとAlの複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物、複合炭窒ホウ化物の１種以上と不可避的不純物とを含み、そのTiとHfとAlの組成が下記式▲１▼で示される組成からなる硬質皮膜層を有し、且つ、硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、TiとAlの複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物、複合炭窒ホウ化物の１種以上と不可避的不純物とを含み、そのTiとAlの組成が下記式▲２▼で示される組成からなる硬質皮膜層を有することを特徴とする耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材である（第２発明）。
Ti1-(x+y) Hfx Aly ----- 式▲１▼
但し、上記式▲１▼において、０＜ｘ≦０．８、０≦ｙ≦０．８、ｘ＋ｙ＜１である。
Ti1-Z AlZ ----- 式▲２▼
但し、上記式▲２▼において、０＜ｚ≦０．８である。
【００１３】
請求項３記載の硬質皮膜被覆部材は、基材が高速度工具鋼、超硬合金または硬質セラミックスである請求項１又は２記載の耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材である（第３発明）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、例えばアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等により、基材表面に異なる硬質皮膜を２層以上被覆することにより得られる。この硬質皮膜被覆層は、前記の如き硬度を有し、そのため、耐摩耗性及び耐欠損性に優れている。
【００１５】
この詳細を以下説明する。
【００１６】
本発明者らは、硬質皮膜被覆部材の損傷形態を詳細に調べ、その損傷を防止する手段を鋭意検討してきた。その結果、基材の欠損の起点は硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域の硬質皮膜被覆層最表層部のみの割れ特性に依存しており、この硬質皮膜被覆層最表層部の割れを抑制すれば基材の欠損を防止することができることをつきとめた。さらに、部材全体の耐摩耗性は硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ４μm 以上の個所までの領域の硬質皮膜被覆層と基材を合わせたマクロ硬度に依存しており、この領域の平均硬度が高ければ部材の摩耗を低減することができることをつきとめた。
【００１７】
本発明は、かかる知見に基づき更に検討を重ねた結果、なされたものであり、第１発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記の如く、異なる硬質皮膜を２層以上被覆した硬質皮膜被覆部材であって、硬度測定用圧子により荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上であると共に、硬度測定用圧子により荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さいことを特徴とするものとしており、この硬質皮膜被覆部材によれば、耐摩耗性と耐欠損性を高度なレベルで同時に充たすことができる。
【００１８】
即ち、荷重50gfにおいて、硬質皮膜被覆面の押し込み硬度：2000kgf/mm2 程度の場合は硬度測定用圧子の押し込み深さは約１μm であり、硬度測定用圧子による変形の影響領域は硬質皮膜被覆層の表面から深さ方向（硬質皮膜被覆層の厚さ方向）に約４μm 以上の個所までになる。このような領域の硬質皮膜被覆層と基材を合わせたマクロ硬度（平均硬度）が高ければ、前記の如く、部材の摩耗を低減することができる。そして、かかる平均硬度が少なくとも2000kgf/mm2 以上、好ましくは2200kgf/mm2 以上であれば、充分に優れた耐摩耗性を有することが確認された。
【００１９】
第１発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記の如く、荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上である。
【００２０】
故に、第１発明に係る硬質皮膜被覆部材は、硬質皮膜被覆層の表面から深さ方向（硬質皮膜被覆層の厚さ方向）に厚さ４μm 以上の個所までの領域の硬質皮膜被覆層の平均硬度が2000kgf/mm2 以上であり、そのため耐摩耗性に優れ、高度なレベルの耐摩耗性を有する。
【００２１】
一方、荷重５gfにおいて、硬質皮膜被覆面の押し込み硬度：2000kgf/mm2 程度の場合は硬度測定用圧子の押し込み深さは約0.3 μm であり、硬度測定用圧子による変形の影響領域は硬質皮膜被覆層の表面から深さ方向（硬質皮膜被覆層の厚さ方向）に約２μm 程度になる。かかる硬質皮膜被覆層の表面から厚さ（深さ）２μm 以内の個所までの領域の割れを抑制すれば、前記の如く、基材の欠損を防止することができる。
【００２２】
材料の硬度が高いほど、靱性が低下し、耐割れ性が低下する傾向があり、硬度が低くなると耐割れ性が向上する。そこで、前記硬質皮膜被覆層の表面から深さ（厚さ）２μm 以内の個所までの領域の硬度と耐割れ性及び基材の耐欠損性との関係について調べたところ、その領域の硬質皮膜被覆層の硬度が硬質皮膜被覆層の表面から厚さ４μm 以上の個所までの領域の硬質皮膜被覆層と基材を合わせた平均硬度（即ち、荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度）よりも100kgf/mm2以上低ければ、充分に優れた耐欠損性を有することが確認された。
【００２３】
第１発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記の如く、荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さい。
【００２４】
故に、第１発明に係る硬質皮膜被覆部材は、硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域の硬質皮膜被覆層の硬度（即ち、荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度）が、硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ４μm 以上の個所までの領域の硬質皮膜被覆層と基材を合わせた平均硬度（即ち、荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度）よりも100kgf/mm2以上低く、そのため高度なレベルの耐欠損性を有する。
【００２５】
以上より、第１発明に係る硬質皮膜被覆部材によれば、耐摩耗性と耐欠損性を高度なレベルで同時に充たすことができることがわかる。
【００２６】
尚、第１発明に係る硬質皮膜被覆部材において、硬度測定用圧子としては特に限定されるものではなく、硬質皮膜被覆面の押し込み硬度：2000kgf/mm2 程度の場合に、荷重50gfで硬度測定用圧子の押し込み深さ：約１μm 、硬度測定用圧子による変形の影響領域：約４μm 以上になり、荷重５gfで硬度測定用圧子の押し込み深さ：約0.3 μm 、硬度測定用圧子による変形の影響領域：約２μm 程度になるものであればよい。かかる硬度測定用圧子としては、例えばビッカース硬度測定用圧子を挙げることができる。荷重50gfの場合と荷重５gfの場合とで、硬度測定用圧子は同一でなくてもよい。
【００２７】
硬質皮膜被覆面の押し込み硬度とは、硬質皮膜被覆部材の硬質皮膜被覆層の表面側から硬度測定用圧子により測定される硬度のことである。
【００２８】
荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度は、2000kgf/mm2 以上であればよく、その範囲内で特に制限されないが、耐摩耗性向上の点から、2200kgf/mm2 以上であることが望ましく、更には、切削工具等への適用の点から、2400kgf/mm2 以上であることが望ましい。
【００２９】
荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度は、前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さければよく、その範囲内で特に制限されないが、高速度鋼基板のような欠損しやすい基材への適用の点から、150kgf/mm2以上小さいことが望ましく、更には、もっと欠損しやすい超硬への適用の点から、200kgf/mm2以上小さいことが望ましい。
【００３０】
第２発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前述のように、異なる硬質皮膜を２層以上被覆した硬質皮膜被覆部材であって、基材表面から硬質皮膜被覆層の表面方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、TiとHfとAlの複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物、複合炭窒ホウ化物の１種以上と不可避的不純物とを含み、そのTiとHfとAlの組成がTi1-(x+y) Hfx Aly （但し、０＜ｘ≦０．８、０≦ｙ≦０．８、ｘ＋ｙ＜１）で示される組成からなる硬質皮膜層〔以下、硬質皮膜層Ａ（下層）という〕を有し、且つ、硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、TiとAlの複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物、複合炭窒ホウ化物の１種以上と不可避的不純物とを含み、そのTiとAlの組成がTi1-Z AlZ （但し、０＜ｚ≦０．８）で示される組成からなる硬質皮膜層〔以下、硬質皮膜層Ｂ（上層）という〕を有することを特徴とするものとしており、この硬質皮膜被覆部材によれば、前記第１発明に係る硬質皮膜被覆部材での特徴的構成要件であるところの「荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上であると共に、荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さい」という点を充たすことができ、そのため、耐摩耗性と耐欠損性を高度なレベルで同時に充たすことができる。
【００３１】
即ち、上記硬質皮膜層Ａ（下層）は硬度が高く、例えばHv3500以上であり、上記硬質皮膜層Ｂ（上層）は比較的硬度が低く、例えばHv2600程度であり、上記硬質皮膜層Ａ（下層）よりも硬度が低いという特性がある。このような高硬度の硬質皮膜層Ａ（下層）が基材表面から厚さ２μm 以内の個所までの領域に有し、それよりも低硬度の硬質皮膜層Ｂ（上層）が硬質皮膜被覆層の表面から厚さ２μm 以内の個所までの領域に有すると、これらを有する硬質皮膜被覆層は全体として硬く、荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度（即ち、硬質皮膜被覆層の表面から厚さ４μm 以上の個所までの領域の硬質皮膜被覆層の平均硬度）が2000kgf/mm2 以上となると共に、硬質皮膜被覆層の上層部の硬度が低く、荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度（即ち、硬質皮膜被覆層の表面から厚さ２μm 以内の個所までの領域の硬質皮膜被覆層の硬度）が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さくなる。従って、第２発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記第１発明に係る硬質皮膜被覆部材での特徴的構成要件を充たすことができ、そのため、耐摩耗性と耐欠損性を高度なレベルで同時に充たすことができる。
【００３２】
なお、第２発明に係る硬質皮膜被覆部材において、硬質皮膜層Ａ（下層）は、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｎ、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｃ、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｂ、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) CN、(Ti1-(x+y)Hfx Aly )BN 、(Ti1-(x+y)Hfx Aly )BC 、又は、(Ti1-(x+y)Hfx Aly )CBNで示される組成（但し、０＜ｘ≦0.8 、０＜ｙ≦0.8 、且つｘ＋ｙ＜１）からなるものである。ここで、Ｎ、Ｃ、Ｂ、CN、BN、BC又はCBN をＱとすると、この硬質皮膜層Ａ（下層）は(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｑで示される組成（但し、０＜ｘ≦0.8 、０＜ｙ≦0.8 、且つｘ＋ｙ＜１）からなるものである。但し、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) ：Ｑは、１：１であるとは限らず、１：約１の場合も含まれ、例えば、１：0.90や、１：1.10の場合もある。
【００３３】
換言すれば、硬質皮膜層Ａ（下層）は、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｑよりなり、このTi、Hf及びAl中に占めるHfの割合が80at％以下（０％を含まず）、Alの割合が80at％以下（０％を含む）である硬質皮膜である。
【００３４】
ここで、Ti、Hf及びAl中に占めるHf及びAlの割合をそれぞれ80at％以下、即ち(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｑでのｘ及びｙを０＜ｘ≦0.8 、且つ０＜ｙ≦0.8 としているのは、ｘ及び／又はｙを0.8 超とすると、(Ti1-(x+y)Hfx Aly ) Ｑの硬度がTiN 並みのHv2000程度に低下し、前記第１発明に係る硬質皮膜被覆部材での特徴的構成要件を充たすことができず、その結果、硬質皮膜被覆部材の耐摩耗性が低下して不充分となり、一方、ｘを０とするとHfが含有されず、耐摩耗性が不充分となるからである。ｘ＋ｙ＜１としているのは、ｘ＋ｙ≧１とすると(Ti1-(x+y)Hfx Aly ）Ｑの組成が成立しなくなるからである。
【００３５】
硬質皮膜層Ｂ（上層）は、(Ti1-ZAlZ ) Ｎ、(Ti1-ZAlZ ) Ｃ、(Ti1-ZAlZ ) Ｂ、(Ti1-ZAlZ )CN 、(Ti1-ZAlZ )BN 、(Ti1-ZAlZ )BC 、又は、(Ti1-ZAlZ )CBNで示される組成、即ち、(Ti1-ZAlZ ) Ｑで示される組成（但し、０＜ｚ≦0.8 ）からなるものである。但し、(Ti1-ZAlZ ) ：Ｑは、１：１であるとは限らず、１：約１の場合も含まれ、例えば、１：0.90や、１：1.10の場合もある。
【００３６】
ここで、Ti及びAl中に占めるAlの割合を80at％以下（０％を含まず）、即ち、(Ti1-ZAlZ ) Ｑでのｚを０＜ｚ≦0.8 としているのは、ｚを0.8 超とすると、(Ti1-ZAlZ ) Ｑの硬度がTiN 並みのHv2000程度に低下し、前記第１発明に係る硬質皮膜被覆部材での特徴的構成要件を充たすことはできるものの、最表面がやわらかすぎて摺動時に上層が摩滅してしまうおそれがあり、一方、ｚを０とするとAlが含有されず、耐熱性が低下するからである。
【００３７】
第２発明において、硬質皮膜被覆部材の硬質皮膜被覆層は、硬質皮膜層Ａ（下層）及び硬質皮膜層Ｂ（上層）を含む必要があるが、これら以外の硬質皮膜層を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。
【００３８】
基材表面とは、硬質皮膜被覆部材の硬質皮膜被覆層と基材との界面に該当する個所のことである。基材表面から硬質皮膜被覆層の表面方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、硬質皮膜層Ａ（下層）を有するとは、この領域に硬質皮膜層Ａ（下層）が含まれている必要があるが、その他の硬質皮膜層を含むこともできるという意味である。硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、硬質皮膜層Ｂ（上層）を有するとは、この領域に硬質皮膜層Ｂ（上層）が含まれている必要があるが、その他の硬質皮膜層を含むこともできるという意味である。基材表面から硬質皮膜被覆層の表面方向へ厚さ２μm （以内）の個所までの領域とは、基材表面から、該表面から硬質皮膜被覆層の表面に向けて硬質皮膜被覆層の厚さ方向に２μm （以内）の距離にある個所までにわたる領域のことである。硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm （以内）の個所までの領域とは、硬質皮膜被覆層の表面から、該表面から基材表面に向けて硬質皮膜被覆層の厚さ方向に２μm （以内）の距離にある個所までにわたる領域のことである。
【００３９】
本発明（第１発明、第２発明）において基材としては、特に限定されるものではなく、用途や必要性に応じて種々の基材を使用できるが、硬度が高い基材、例えば硬度800kgf/mm2以上の基材を用いた場合に本発明が特に有効であり、かかる高硬度の基材としては高速度工具鋼、超硬合金、硬質セラミックスを挙げることができる（第３発明）。即ち、基材として硬度800kgf/mm2未満の基材を用いた硬質皮膜被覆部材では、損傷形態が摩耗中心であり、基材の欠損はあまり問題とならないので、本発明の適用効果は比較的小さいが、高速度工具鋼（ハイス）、超硬合金（WC-Co 系焼結合金）、硬質セラミックス（サーメット、SiC 焼結体、Si3N4 焼結体等）の如く硬度が高く、硬度800kgf/mm2以上の基材を用いた硬質皮膜被覆部材では、摩耗に加えて基材の欠損が問題となるので、本発明の適用効果は大きい。
【００４０】
本発明に係る硬質皮膜被覆部材の種類、即ち、用途としては、特に限定されるものではないが、耐摩耗性及び耐欠損性を必要とする工具や機械部品に好適に用いることができる。
【００４１】
【実施例】
（実施例１）
素材：SKD11 焼き入れ材、形状：外径50mm、試験部直径44mm、厚さ８mmのピンオンディスク摺動試験用ディスクを作製した。
【００４２】
一方、素材として、超硬合金（WC-12%Co焼結材）、高速度工具鋼（ハイス）、サーメット、又は、炭素鋼S45Cを用い、図２に示す如く一端を平坦状、他端をエッジ状に加工し、基材を得た。この基材にアークイオンプレーティングにより下記構成の硬質皮膜▲１▼〜▲４▼を被覆して、ピンオンディスク摺動試験用ピンを作製した。このとき、プレーティング処理時の反応ガス（Ｂ，Ｃ，Ｎを含むガス）の圧力及び基材に印加するバイアス電圧を変化させることにより、硬質皮膜の硬度を変化させた。尚、下記▲１▼〜▲４▼において、ＱはＮ、Ｃ、Ｂ、CN、BN、BC、又は、CBN である。
【００４３】
▲１▼ 組成：(Al0.6Ti0.4)Ｑ、膜厚：４μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲２▼ 組成：(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑ、膜厚：４μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲３▼ 組成：(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆し、その上に、組成：(Al0.6Ti0.4)Ｑ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲４▼ 組成：ZrＱ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆し、その上に、組成：TiＱ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆したもの
【００４４】
上記のようにして作製されたピンの平坦部について、ビッカース硬度測定用圧子により荷重50gf、荷重５gfで硬質皮膜被覆面の押し込み硬度を測定した。
【００４５】
また、上記のようにして作製されたピンオンディスク摺動試験用ディスクとピンとを組み合わせ、ピンオンディスク摺動試験を行った。このとき、図１に示す如くピンのエッジ部を摺動面とし、又、ピンの平坦部を摺動面とした。ピンエッジ部を摺動面とする場合、摺動試験条件は荷重：５Ｎ、速度（ディスクの回転周速度）：１ｍ／秒、走行距離：１kmとし、そして、ピンエッジ部の摺動による欠け損傷の発生の有無を観察し、耐欠損性を調べた。ピン平坦部を摺動面とする場合、摺動試験条件は荷重：400 Ｎ、速度：１ｍ／秒、走行距離：２kmとし、ピン平坦部の摺動による摩耗面積率を測定し、耐摩耗性を調べた。ここで、摩耗面積率とは、ピン平坦部の面積に対する摩耗部（摩耗を生じた部分）の面積の割合のことである。
【００４６】
上記押し込み硬度の測定及びピンオンディスク摺動試験の結果を表１〜７に示す。表１はピンの基材に被覆された硬質皮膜がＱがＮである場合、即ち、窒化物である場合についてのものである。表２はＱがＣ、表３はＱがＢ、表４はＱがCN、表５はＱがBN、表６はＱがBC、表７はＱがCBN である場合についてのものである。これらの表１〜７より、Ｑの種類（Ｎ、Ｃ、Ｂ、CN、BN、BC、CBN ）にかかわらず、同様の傾向の挙動を示すことがわかる。その詳細を以下説明する。
【００４７】
(1) ピンの基材が超硬合金の場合
前記▲１▼の(Al0.6Ti0.4)Ｑを被覆したピンや、▲２▼の(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑを被覆したピンは、荷重50gfでの押し込み硬度と荷重５gfでの押し込み硬度とがほぼ同等である。
【００４８】
(Al0.6Ti0.4)Ｑを被覆したピンでは、硬度が2000kgf/mm2 程度と低いが、この(Al0.6Ti0.4)Ｑの膜靱性が優れているためにピン尖端部は欠けることなく摩耗損傷となり、耐欠損性に優れている。しかし、硬度が低いことからピン平坦部の摩耗面積率が90％と大きい〔比較例〕。これに対し、(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑを被覆したピンでは、硬度が2800kgf/mm2 程度と大きいので、ピン平坦部の摩耗面積率は10％と小さいが、(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑは割れやすい傾向があるので、基材の超硬合金の欠けを誘発してピン尖端部に欠け損傷が生じ、耐欠損性に劣っている〔比較例〕。
【００４９】
前記▲３▼の(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑを被覆し、その上に(Al0.6Ti0.4)Ｑを被覆したピンについては、荷重50gfでの押し込み硬度が1800kgf/mm2 程度である場合、荷重５gfでの押し込み硬度の如何にかかわらず、ピン尖端部は欠けることなく摩耗損傷となるが、ピン平坦部の摩耗面積率が90％と大きい。
【００５０】
これに対し、荷重50gfでの押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上である場合には、ピン平坦部の摩耗面積率は20％以下となり、耐摩耗性に優れている。このとき、荷重５gfでの押し込み硬度が上記荷重50gfでの押し込み硬度に近い場合には、ピン尖端部に欠け損傷が生じ、耐欠損性が不充分であり、耐摩耗性及び耐欠損性を両立することができないが、荷重５gfでの押し込み硬度が上記荷重50gfでの押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さい場合には、ピン尖端部の欠け損傷が生じず、耐欠損性に優れており、耐摩耗性及び耐欠損性を両立することができる〔本発明の実施例〕。
【００５１】
前記▲４▼のZrＱを被覆し、その上にTiＱを被覆したピンについては、荷重50gfでの押し込み硬度が2000kgf/mm2 であり、荷重５gfでの押し込み硬度と上記荷重50gfでの押し込み硬度との差が０又は50kgf/mm2 の場合には、ピン尖端部に欠け損傷が生じているが、荷重５gfでの押し込み硬度が上記荷重50gfでの押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さい場合には、ピン尖端部の欠け損傷の発生が抑制されている。しかし、ピン平坦部の摩耗面積率が50％程度である。これに対し、前記▲３▼の硬質皮膜が被覆され、荷重50gfでの押し込み硬度が2000kgf/mm2 、荷重５gfでの押し込み硬度が上記荷重50gfでの押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さいピンの場合の方が、耐摩耗性に優れている（ピン平坦部の摩耗面積率：20％）。これは、上層の(Al0.6Ti0.4)ＱがTiＱよりも、耐酸化性が優れていること等の化学的影響因子によるものと考えられる。
【００５２】
(2) ピンの基材が高速度鋼、サーメット、炭素鋼の場合
基材として高速度鋼、サーメット、又は、炭素鋼を用いた場合には、前記▲３▼の(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑを被覆し、その上に(Al0.6Ti0.4)Ｑを被覆したピンを作製し、試験を行った。このとき、前述のピン基材が超硬合金の場合の試験結果に基づき、荷重50gfでの押し込み硬度が2200kgf/mm2 程度、荷重５gfでの押し込み硬度が2050kgf/mm2 程度になるようにした。尚、この両者の押し込み硬度の差は、150kgf/mm2程度となる〔本発明の実施例〕。
【００５３】
いずれの場合も、ピン尖端部の欠け損傷が生じず、耐欠損性に優れている。しかし、ピン平坦部の耐摩耗性は基材により異なり、基材が高速度鋼、サーメットの場合にはピン平坦部の摩耗面積率は10％程度であり、耐摩耗性に優れているが、基材が炭素鋼の場合にはピン平坦部の摩耗面積率は90％であり、耐摩耗性に劣っている。
【００５４】
このように基材が炭素鋼の場合に耐摩耗性が劣っているのは、炭素鋼のような硬度800kgf/mm2未満の基材の場合には、元来(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｑ等の硬質皮膜と基材との密着性が少し悪く、更には摺動時に基材の変形が起こり、それらにより、硬質皮膜被覆層の基材からの剥離が生じてしまうためと考えられる。但し、基材として炭素鋼のような比較的低硬度で軟らかい材料を用いる場合には、欠損はあまり問題とならず、摩耗が問題となるので、本発明を適用する必要性はあまりないといえる。
【００５５】
（実施例２）
前記実施例１での硬質皮膜▲１▼〜▲４▼に代えて下記構成の硬質皮膜▲１▼Ａ〜▲４▼Ａを被覆した。かかる点を除き、実施例１と同様のピンオンディスク摺動試験用ピンを作製し、実施例１と同様の押し込み硬度の測定及びピンオンディスク摺動試験を行った。その結果を表８に示す。
【００５６】
▲１▼Ａ -- 組成：(Al0.6Ti0.4)Ｎ＋(Al0.6Ti0.4)Ｃ、膜厚：４μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲２▼Ａ -- 組成：(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｎ＋(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｃ、膜厚：４μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲３▼Ａ -- 組成：(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｎ＋(Ti0.58Hf0.39Al0.03)Ｃ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆し、その上に、組成：(Al0.6Ti0.4)Ｎ＋(Al0.6 Ti0.4)Ｃ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆したもの
▲４▼Ａ -- 組成：ZrＮ＋ZrＣ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆し、その上に、組成：TiＮ＋TiＣ、膜厚：２μm の硬質皮膜を被覆したもの
【００５７】
尚、上記組成のＸ＋Ｙという表示は、ＸとＹとの混合体よりなることを示すものである。例えば、▲１▼Ａの場合、(Al0.6Ti0.4)Ｎと(Al0.6Ti0.4)Ｃとの混合体よりなることを示すものである。
【００５８】
表８からわかるように、実施例２の場合も、実施例１の場合と同様の傾向の挙動を示すことがわかる。
【００５９】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【発明の効果】
本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、耐摩耗性と耐欠損性を高度なレベルで同時に充たすことができ、そのため、切削工具の刃先のように耐摩耗性及び耐欠損性に優れていることが必要な工具等の部材として好適に用いることができ、それらの性能や寿命の向上が図れるようになるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例に係るピンオンディスク摺動試験の状況の概要を示す斜視図である。
【図２】 実施例に係るピンオンディスク摺動試験用ピンの基材形状を示す図であり、その中の（イ）は側面図、（ロ）は正面図である。
Claims (3)
- 異なる硬質皮膜を２層以上被覆した硬質皮膜被覆部材であって、硬度測定用圧子により荷重50gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が2000kgf/mm2 以上であると共に、硬度測定用圧子により荷重５gfで測定した硬質皮膜被覆面の押し込み硬度が前記荷重50gfで測定した押し込み硬度よりも100kgf/mm2以上小さいことを特徴とする耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材。
- 異なる硬質皮膜を２層以上被覆した硬質皮膜被覆部材であって、基材表面から硬質皮膜被覆層の表面方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、TiとHfとAlの複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物、複合炭窒ホウ化物の１種以上と不可避的不純物とを含み、そのTiとHfとAlの組成が下記式▲１▼で示される組成からなる硬質皮膜層を有し、且つ、硬質皮膜被覆層の表面から基材方向へ厚さ２μm 以内の個所までの領域に、少なくとも、TiとAlの複合窒化物、複合炭化物、複合ホウ化物、複合炭窒化物、複合ホウ窒化物、複合炭ホウ化物、複合炭窒ホウ化物の１種以上と不可避的不純物とを含み、そのTiとAlの組成が下記式▲２▼で示される組成からなる硬質皮膜層を有することを特徴とする耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材。
Ti1-(x+y) Hfx Aly ----- 式▲１▼
但し、上記式▲１▼において、０＜ｘ≦０．８、０≦ｙ≦０．８、ｘ＋ｙ＜１である。
Ti1-Z AlZ ----- 式▲２▼
但し、上記式▲２▼において、０＜ｚ≦０．８である。 - 基材が高速度工具鋼、超硬合金または硬質セラミックスである請求項１又は２記載の耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜被覆部材。
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-
1997
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