JP5027760B2

JP5027760B2 - 硬質皮膜形成部材

Info

Publication number: JP5027760B2
Application number: JP2008212116A
Authority: JP
Inventors: 兼司山本; 進久次米
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: US8025958B2; US20100047545A1; JP2010047797A

Description

本発明は、切削工具、摺動部材、および成型用金型等の表面に硬質皮膜を被覆した硬質皮膜形成部材に関する。

従来、超硬合金、サーメット、高速度工具鋼等を基材とするチップ、ドリル、エンドミル等の切削工具や、プレス、鍛造金型、打ち抜きパンチ等の治工具における耐摩耗性を向上させることを目的に、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ等の硬質皮膜をコーティングすることが行われている。

例えば、特許文献１には、（Ｔｉ_{１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ}，Ａｌ_ａ，Ｃｒ_ｂ，Ｓｉ_ｃ，Ｂ_ｄ）（Ｃ_１−ｅＮ_ｅ）からなる硬質皮膜であって、０．５≦ａ≦０．８、０．０６≦ｂ、０≦ｃ≦０．１、０≦ｄ≦０．１、０．０１≦ｃ＋ｄ≦０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＜１、０．５≦ｅ≦１（ａ，ｂ，ｃ，ｄは、それぞれＡｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｂの原子比を示し、ｅはＮの原子比を示す。以下同じ）であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜が開示されている。
特開２００３−０７１６１１号公報

しかしながら、前記した従来の硬質皮膜には、以下に示す問題がある。
前記のような切削工具や治工具等の部材を用いた成形加工においては、生産性向上のために、より高速、かつ高面圧下での加工が行なわれており、しかも環境問題の観点からより少ない潤滑剤を使用して加工される傾向にある。特に、近年における鋼板の高強度化に伴い、硬質皮膜の摩耗が著しいものとなっている。

そこで、前記した切削工具や治工具等の部材では、硬質皮膜がある程度摩耗した際に、皮膜を形成し直すため、電気化学的方法により皮膜だけを選択的に溶解・除去し、再度コーティングを施すことによって、再生使用することが行なわれている。しかしながら、前記のように比較的厚い皮膜が形成されている場合には、除膜に時間がかかることになり問題となっている。特に、部材に摺動耐摩耗性を付与するために形成されるＣｒＮ系膜では、耐食性が良好であることから、除膜が困難であり、部材を再生使用するときの障害となっている。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐摩耗性に優れると共に、部材を再生使用するときに、損傷した硬質皮膜を容易に除去できるような除膜性に優れた硬質皮膜形成部材を提供することにある。

本発明に係る硬質皮膜形成部材は、基材上に硬質皮膜を備えた硬質皮膜形成部材であって、前記硬質皮膜は、組成がＴｉ_ｖＭ_１−ｖ（Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ）からなり、前記Ｍは、４族、５族、６族、Ｓｉ、Ａｌ、ＢおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上（ただし、Ｔｉ除く）の元素であり、前記ｖ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、０．６≦ｖ≦１、０≦ｚ≦０．１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満足するＡ層と、組成がＴｉ_ｖＣｒ_ｗＭ_{１−ｖ−ｗ}（Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ）からなり、前記Ｍは、４族、５族、６族、Ｓｉ、Ａｌ、ＢおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上（ただし、Ｔｉ、Ｃｒ除く）の元素であり、前記ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、０≦ｖ＜０．６、０．０５≦ｗ、ｖ＋ｗ≦１、０≦ｘ≦０．５、０≦ｚ≦０．１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満足するＢ層とを含み、前記Ａ層と前記Ｂ層がこの順に交互に積層され、１層のＡ層と、その上部の１層のＢ層の積層構造を１単位としたときに、２単位以上の積層構造を有し、前記Ａ層の１層の厚みに対する前記Ｂ層の１層の厚みの比率が２以上であり、前記Ａ層の１層の厚みが０．１〜３μｍ、前記Ｂ層の１層の厚みが１〜１０μｍ、前記Ｂ層の厚みの合計が５μｍ以上であることを特徴とする。

このような構成によれば、硬質皮膜を、所定の元素を所定量含有するＡ層と、所定の元素を所定量含有するＢ層との積層構造とし、Ａ層とＢ層の各々の厚みや、厚みの比率等を所定に規定することで、耐摩耗性が向上すると共に、除膜性が向上する。なお、ここでの除膜性とは、電気化学反応を利用した除膜液による硬質皮膜の除去のしやすさをいう。

また、本発明に係る硬質皮膜形成部材は、前記Ａ層は、組成がＴｉＮであり、前記Ｂ層は、組成が（Ｔｉ_ａＣｒ_ｂＡｌ_ｃＳｉ_ｄＢ_ｅ）（Ｃ_ｘＮ_ｙ）からなり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｘ、ｙが原子比であるときに、０．０５≦ａ≦０．３、０．１≦ｂ≦０．４、０．４≦ｃ≦０．７５、０≦ｄ≦０．１５、０≦ｅ≦０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０．５≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１を満足するか、または、前記Ａ層は、組成がＴｉＮであり、前記Ｂ層は、組成が（Ｎｂ_ｆＣｒ_ｇＡｌ_ｈＳｉ_ｉＢ_ｊ）（Ｃ_ｘＮ_ｙ）からなり、前記ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｘ、ｙが原子比であるときに、０．０５≦ｆ≦０．３、０．１≦ｇ≦０．４、０．４≦ｈ≦０．７、０≦ｉ≦０．１５、０≦ｊ≦０．１、ｆ＋ｇ＋ｈ＋ｉ＋ｊ＝１、０．５≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１を満足することが好ましい。

このような構成によれば、Ａ層とＢ層の成分組成をさらに所定に規定することで、耐摩耗性が向上する。

さらに、本発明に係る硬質皮膜形成部材は、前記基材と、前記硬質皮膜の間に、ＣｒＮからなる０．５μｍ以上の保護膜が形成されていることが好ましい。

このような構成によれば、基材と、硬質皮膜の間に、所定の保護膜を設けることで、硬質皮膜を除去する際の除膜液による基材の溶解、損傷が抑制される。

本発明に係る硬質皮膜形成部材は、所定の構造を有する硬質皮膜を備えているため、耐摩耗性に優れると共に、除膜性を向上させることができ、損傷した皮膜を容易に除去することができる。また、基材と硬質皮膜の間に保護膜を設けることで、硬質皮膜を除去する際に、除膜液により基材が溶解、損傷することを抑制することができる。

次に、図面を参照して本発明に係る硬質皮膜形成部材について詳細に説明する。なお、参照する図面において、図１（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る硬質皮膜形成部材を示す断面図、図２は、成膜を行うための複合成膜装置の概略図である。

図１（ａ）に示すように、本発明に係る硬質皮膜形成部材１０ａは、基材１上に硬質皮膜（以下、適宜、皮膜という）４を備えたものである。この皮膜４は、所定の元素を所定量含有するＡ層２と、所定の元素を所定量含有するＢ層３とを含み、Ａ層２とＢ層３がこの順に交互に積層され、１層のＡ層２と、その上部の１層のＢ層３の積層構造を１単位としたときに、２単位以上の積層構造を有し、Ａ層２の１層の厚みに対するＢ層３の１層の厚みの比率（以下、適宜、Ａ層２に対するＢ層３の厚みの比率という）が２以上であり、Ａ層２の１層の厚み、Ｂ層３の１層の厚み、Ｂ層３の厚みの合計を所定に規定して構成したものである。また、図１（ｂ）に示すように、基材１と、硬質皮膜４の間に、ＣｒＮからなる０．５μｍ以上の保護膜５を形成した硬質皮膜形成部材１０ｂとしてもよい。
なお、図１（ａ）、（ｂ）では、積層構造を２単位とした場合について図示している。
以下、具体的に説明する。

≪基材≫
基材１としては、超硬合金、金属炭化物を有する鉄基合金、サーメット、高速度工具鋼等が挙げられる。しかし、基材１としては、これらに限定されるものではなく、チップ、ドリル、エンドミル等の切削工具や、プレス、鍛造金型、成型用金型、打ち抜きパンチ等の治工具等の部材に適用できるものであれば、どのようなものでもよい。

≪Ａ層≫
Ａ層２は、組成がＴｉ_ｖＭ_１−ｖ（Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ）からなり、前記Ｍは、４族、５族、６族、Ｓｉ、Ａｌ、ＢおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上（ただし、Ｔｉ除く）の元素であり、前記ｖ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、「０．６≦ｖ≦１」（金属元素中、以下同じ）、「０≦ｚ≦０．１」、「ｘ＋ｙ＋ｚ＝１」を満足する層である。

＜Ｔｉ：ｖ（０．６≦ｖ≦１）＞
Ｔｉは、Ａ層２の除膜性を向上させるために添加する。
Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭化物あるいは酸炭窒化物からなる膜においては、Ｔｉを原子比で０．６以上含有する場合、電気化学反応を利用した除膜液にて漬浸法で除膜を行う際の除膜液に対する耐食性が低く、除膜が容易である。これに対して、Ｔｉの原子比が０．６未満では、除膜液に対する耐食性が高く、除膜に長時間かかり、除膜性が低下する。したがって、Ｔｉの原子比は、０．６以上１以下とする。

＜Ｍ：１−ｖ（０≦１−ｖ≦０．４）＞
前記したＴｉに加えて、４族、５族、６族、Ｓｉ、Ａｌ、ＢおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上（ただし、Ｔｉ除く）の元素であるＭをＡ層２中に添加することで、添加する元素に応じて皮膜４の耐酸化性、耐摩耗性、除膜性の向上等を図ることができる。特に、ＡｌやＷを添加すると、除膜性が向上するため、Ａｌ、Ｗを添加することが推奨される。なお、Ｔｉが原子比で０．６以上含有されていれば、除膜性に優れるため、Ｍを添加する場合は、原子比で０．４以下とする。

＜Ｃ：ｘ、Ｎ：ｙ、Ｏ：ｚ（０≦ｚ≦０．１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）＞
皮膜４のＡ層２は、窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭化物あるいは酸炭窒化物の形態を含むものである。
Ｃ、Ｎは、高硬度の化合物を形成する成分である。なお、Ｏが所定量含まれていてもよいが、原子比で０．１を超えて含有すると、Ａ層２に導電性がなくなり、除膜性が低下する。したがって、Ｏの原子比は、０以上０．１以下とする。

前記のとおり、Ｔｉは必須の成分であり、Ｍ、Ｃ、Ｎ、Ｏは任意の成分であり、Ｃ、Ｎは、いずれか一つ以上含まれていればよいことから、Ａ層２の組成に関する組み合わせは、ＴｉＭ（ＣＮＯ）、ＴｉＭ（ＣＮ）、ＴｉＭ（ＮＯ）、ＴｉＭ（ＣＯ）、ＴｉＭＣ、ＴｉＭＮ、Ｔｉ（ＣＮＯ）、Ｔｉ（ＣＮ）、Ｔｉ（ＮＯ）、Ｔｉ（ＣＯ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ等が挙げられる。

具体的には、ＴｉＮ、（Ｔｉ０．８Ａｌ０．２）Ｎ、（Ｔｉ０．８Ｃｒ０．２）Ｎ、Ｔｉ（Ｃ０．５Ｎ０．５）、（Ｔｉ０．９Ｓｉ０．１）Ｎ、（Ｔｉ０．９５Ｂ０．０５）Ｎ、（Ｔｉ０．８Ｗ０．２）Ｎ、（Ｔｉ０．８Ｖ０．２）Ｎ等である。

≪Ｂ層≫
Ｂ層３は、組成がＴｉ_ｖＣｒ_ｗＭ_{１−ｖ−ｗ}（Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ）からなり、前記Ｍは、４族、５族、６族、Ｓｉ、Ａｌ、ＢおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上（ただし、Ｔｉ、Ｃｒ除く）の元素であり、前記ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、「０≦ｖ＜０．６」、「０．０５≦ｗ」、「ｖ＋ｗ≦１」、「０≦ｘ≦０．５」、「０≦ｚ≦０．１」、「ｘ＋ｙ＋ｚ＝１」を満足する層である。

＜Ｔｉ：ｖ（０≦ｖ＜０．６、ｖ＋ｗ≦１）＞
Ｂ層３は、耐摩耗性を付与する目的のために形成させる層であるが、Ｔｉの原子比が０．６以上では、耐摩耗性が低下する。したがって、Ｔｉの原子比は、０以上０．６未満とする。

＜Ｃｒ：ｗ（０．０５≦ｗ、ｖ＋ｗ≦１）＞
Ｃｒは、耐摩耗性を向上させる元素である。Ｃｒの原子比が０．０５未満では、耐摩耗性が低下する。したがって、Ｃｒの原子比は、０．０５以上とする。なお、より効果的なのは、Ｃｒを０．１以上含有する場合である。

＜Ｍ：１−ｖ−ｗ（ｖ＋ｗ≦１）＞
前記したＴｉ、Ｃｒに加えて、４族、５族、６族、Ｓｉ、Ａｌ、ＢおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上（ただし、Ｔｉ、Ｃｒ除く）の元素であるＭをＢ層３中に添加することで、添加する元素に応じて皮膜４の耐酸化性、耐摩耗性、除膜性の向上等を図ることができる。特に、Ｓｉを添加することで、耐摩耗性の向上を図ることができる。なお、Ｓｉを原子比で０．０１以上含有する場合、除膜液中でＳｉ水酸化物を形成して、Ｂ層３自体の除膜性が低下する傾向にある。しかしながら、Ａ層２と、Ｂ層３の積層構造とすることによって、皮膜４全体としては除膜性低下の問題を解消することができる。

＜Ｃ：ｘ、Ｎ：ｙ、Ｏ：ｚ（０≦ｘ≦０．５、０≦ｚ≦０．１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）＞
皮膜４のＢ層３は、窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭化物あるいは酸炭窒化物の形態を含むものである。
Ｃ、Ｎは、高硬度の化合物を形成する成分であり、Ｏが所定量含まれていてもよい。
なお、Ｂ層３については、Ｃ、Ｎ、Ｏの原子比は、耐摩耗性との兼ね合いで決まる。Ｃの原子比が、０．５を超えると、Ｂ層３の硬度が低下する。したがって、Ｃの原子比は、０以上０．５以下とする。Ｏの原子比は、耐摩耗性との兼ね合いから、０以上０．１以下とする。

前記のとおり、Ｃｒは必須の成分であり、Ｔｉ、Ｍ、Ｃ、Ｎ、Ｏは任意の成分であり、Ｃ、Ｎは、いずれか一つ以上含まれていればよいことから、Ｂ層３の組成に関する組み合わせは、ＴｉＣｒＭ（ＣＮＯ）、ＴｉＣｒＭ（ＣＮ）、ＴｉＣｒＭ（ＮＯ）、ＴｉＣｒＭ（ＣＯ）、ＴｉＣｒＭＣ、ＴｉＣｒＭＮ、ＣｒＭ（ＣＮＯ）、ＣｒＭ（ＣＮ）、ＣｒＭ（ＮＯ）、ＣｒＭ（ＣＯ）、ＣｒＭＣ、ＣｒＭＮ、Ｃｒ（ＣＮＯ）、Ｃｒ（ＣＮ）、Ｃｒ（ＮＯ）、Ｃｒ（ＣＯ）、ＣｒＣ、ＣｒＮ等が挙げられる。

具体的には、ＣｒＮ、（Ｔｉ０．１Ｃｒ０．２Ａｌ０．７）Ｎ、（Ｃｒ０．４Ａｌ０．６）Ｎ、（Ｔｉ０．２Ｃｒ０．２Ａｌ０．５５Ｓｉ０．０５）Ｎ、（Ｎｂ０．２Ｃｒ０．２Ａｌ０．６）Ｎ、（Ｎｂ０．２Ｃｒ０．１５Ａｌ０．６Ｓｉ０．０５）Ｎ等である。

≪積層構造≫
＜Ａ層とＢ層の積層構造：２単位以上＞
本発明では、Ａ層２と、Ｂ層３を交互に積層することにより、電気化学反応を利用した除膜液にて漬浸法で除膜を行う除膜過程において、Ｂ層３中に存在するポア等のＢ層３を貫通する欠陥を透過した除膜液によりＡ層２がＢ層３の下部で溶解除去されると共に、Ｂ層３も同時に除去される構造としている。これにより、皮膜４全体の除膜性が向上する。本発明ではこの構造が２単位以上繰り返されることを特徴とするので、最上層のＡ層２の除去後は、その下層のＢ層３の欠陥を通じて、このＢ層３の下層のＡ層２が溶解除去される。この工程が繰り返されることで、皮膜４が除去される。なお、Ｂ層３の除膜性が悪い場合でも、積層構造により、Ａ層２がＢ層３の間に形成されているため、皮膜４全体としては、除膜性を改善できる。また、積層構造が２単位未満では、除膜性の向上効果が十分に得られないため、積層構造は、２単位以上とする。

＜Ａ層に対するＢ層の厚みの比率：２以上＞
Ｂ層３は、耐摩耗性を具備する層であるため、Ｂ層３の１層の厚みがＡ層２の１層の厚みに対して、所定の比率より低くなると、皮膜４の耐摩耗性が低下する。具体的には、Ａ層２に対するＢ層３の厚みの比率が２未満では、皮膜４中に占めるＡ層２の割合が多くなり、皮膜４の耐摩耗性が低下する。したがって、Ａ層２に対するＢ層３の厚みの比率は、２以上とする。なお、好ましくは、５以上である。

＜Ａ層の１層の厚み：０．１〜３μｍ＞
Ａ層２の１層の厚みが０．１μｍ未満では、Ａ層２の上下に位置するＢ層３が、Ａ層２により十分に被覆されず、積層構造が不十分になることから、除膜性が低下する。一方、３μｍを超えると、除膜時間が長くかかり、除膜性が低下する。したがって、Ａ層２の厚みは、０．１〜３μｍとする。なお、好ましくは、０．５〜２μｍである。

＜Ｂ層の１層の厚み：１〜１０μｍ＞
Ｂ層３は、耐摩耗性を付与する目的のために形成させる層であることから、１μｍ以上の厚みは必要である。しかし、１０μｍを超えると、下層にＡ層２を形成しても、除膜速度の向上効果が低くなり、除膜性が低下する。したがって、Ｂ層３の１層の厚みは、１〜１０μｍとする。なお、好ましくは、１〜５μｍ、より好ましくは、１〜３μｍである。

＜Ｂ層の厚みの合計：５μｍ以上＞
前記した皮膜４の除去方法は、Ｂ層３を合計で厚く設ける場合に有効であり、Ｂ層３の厚みが合計で５μｍ以上の場合に特に有効である。Ｂ層の厚みの合計が５μｍ未満では、耐摩耗性が低下する。したがって、Ｂ層３の厚みの合計は、５μｍ以上とする。なお、好ましくは、８μｍ以上である。

なお、皮膜４全体の厚みは、加工精度を低下させない観点から、上限を２５μｍとするのが好ましく、２０μｍとするのがより好ましい。

本発明の皮膜４は、前記したとおりであるが、特に、Ａ層２およびＢ層３が以下の組成で構成されていることが好ましい。これにより、さらに耐摩耗性の向上を図ることができる。

≪Ａ層≫
Ａ層２は、組成がＴｉＮである。ＴｉＮとすることで、Ｔｉの含有量が多いことから、除膜性が十分に向上する。また、Ａ層２として、添加元素Ｍを含まないＴｉＮを使用すれば、ターゲットとして安価なＴｉを多く使用することができるため、工業的に有利である。

≪Ｂ層≫
Ｂ層３は、後記するＴｉＣｒＡｌ系皮膜、または、ＮｂＣｒＡｌ系皮膜である。以下、ＴｉＣｒＡｌ系皮膜およびＮｂＣｒＡｌ系皮膜について具体的に説明する。

（ＴｉＣｒＡｌ系皮膜）
ＴｉＣｒＡｌ系皮膜の場合、Ｂ層３は、組成が（Ｔｉ_ａＣｒ_ｂＡｌ_ｃＳｉ_ｄＢ_ｅ）（Ｃ_ｘＮ_ｙ）からなり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｘ、ｙが原子比であるときに、「０．０５≦ａ≦０．３」、「０．１≦ｂ≦０．４」、「０．４≦ｃ≦０．７５」、「０≦ｄ≦０．１５」、「０≦ｅ≦０．１」、「ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１」、「０．５≦ｙ≦１」、「ｘ＋ｙ＝１」を満足する層である。

＜Ｔｉ：ａ（０．０５≦ａ≦０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）＞
Ｔｉは、Ｂ層３の酸化摩耗を抑制し、耐摩耗性を向上させるための元素である。Ｔｉを添加する場合、耐摩耗性を向上させるため、原子比で、０．０５以上添加する。ただし、Ｔｉを過度に添加すると、相対的にＡｌ量が減少して耐摩耗性が低下しやすいことから、Ｔｉの添加量は、０．３以下とする。

＜Ｃｒ：ｂ（０．１≦ｂ≦０．４、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）＞
Ｂ層３は、Ａｌ単独ではＢ層３の結晶構造が軟質な六方晶になるため、Ｃｒを原子比で、０．１以上添加してＢ層３を高硬度化し、摺動摩耗を抑制する必要がある。ただし、Ｃｒを過度に添加すると、Ａｌ量が相対的に減少して、酸化摩耗が抑制されないため、耐摩耗性が低下しやすいことから、Ｃｒ添加量は、０．４以下とする。
する。

＜Ａｌ：ｃ（０．４≦ｃ≦０．７５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）＞
Ａｌは、Ｂ層３に耐摩耗性を付与する元素である。Ａｌの原子比が０．４未満では、Ｂ層３の酸化摩耗が抑制されず、耐摩耗性が不十分となりやすい。一方、Ａｌ量が多くなると、Ｂ層３が軟質化して摺動摩耗が抑制されず、耐摩耗性が低下しやすいことから、Ａｌの添加量は、０．７５以下とする。

＜Ｓｉ：ｄ（０≦ｄ≦０．１５、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）＞
Ｓｉを添加することで、耐摩耗性の向上を図ることができる。ただし、前記したように、Ｓｉを含有する場合、除膜液中でＳｉ水酸化物を形成して、Ｂ層３の除膜性が低下する傾向にある。しかしながら、Ａ層２と、Ｂ層３の積層構造とすることによって、皮膜４全体としては除膜性低下の問題を解消することができる。なお、Ｓｉを過度に添加すると、硬度が低下しやすいことから、Ｓｉの添加量は、０．１５以下とする。また、Ｓｉは添加しなくてもよいが、添加する場合、効果を発揮させるためには、原子比で０．０１以上添加する必要がある。

＜Ｂ：ｅ（０≦ｅ≦０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１）＞
Ｂの添加により、Ｂ層３が高硬度化する。ただし、添加量が、原子比で０．１を超えると、Ｂ層３の高硬度化が不十分となりやすいことから、Ｂの添加量は、０．１以下とする。なお、Ｂは添加しなくてもよいが、添加する場合、効果を発揮させるためには、原子比で０．０１以上添加する必要がある。

＜Ｃ：ｘ、Ｎ：ｙ（０．５≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）＞
Ｃ、Ｎは、高硬度の化合物を形成する成分である。Ｎの原子比が０．５未満では、Ｂ層３の高硬度化が不十分となりやすいことから、Ｎの添加量は、０．５以上とする。

（ＮｂＣｒＡｌ系皮膜）
ＮｂＣｒＡｌ系皮膜の場合、Ｂ層３は、組成が（Ｎｂ_ｆＣｒ_ｇＡｌ_ｈＳｉ_ｉＢ_ｊ）（Ｃ_ｘＮ_ｙ）からなり、前記ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｘ、ｙが原子比であるときに、「０．０５≦ｆ≦０．３」、「０．１≦ｇ≦０．４」、「０．４≦ｈ≦０．７」、「０≦ｉ≦０．１５」、「０≦ｊ≦０．１」、「ｆ＋ｇ＋ｈ＋ｉ＋ｊ＝１」、「０．５≦ｙ≦１」、「ｘ＋ｙ＝１」を満足する層である。

＜Ｎｂ：ｆ（０．０５≦ｆ≦０．３、ｆ＋ｇ＋ｈ＋ｉ＋ｊ＝１）＞
Ｎｂは、Ｂ層３の酸化摩耗を抑制し、耐摩耗性を向上させるための元素である。Ｎｂの原子比が０．０５未満では、相対的にＡｌ量が増加し、Ｂ層３が軟質化して摺動摩耗が抑制されないため、耐摩耗性が低下しやすい。一方、０．３を超えると、相対的にＡｌ量が減少し、酸化摩耗が抑制されないため、耐摩耗性が低下することから、Ｎｂの添加量は、０．３以下とする。

Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｎの元素の添加理由および添加量の限定理由については、前記ＴｉＣｒＡｌ系皮膜の場合と同様であるので、ここでは説明を省略する。

Ｂ層３をこれらの組成とすることで、耐摩耗性の向上を図ることができる。これらのＢ層３は、いずれも摺動摩耗時の耐摩耗性に優れているが、いずれもＣｒの含有量が原子比で０．０５以上か、あるいはＴｉの含有量が原子比で０．６未満であるため、耐摩耗性に優れるものである。

≪保護膜≫
図２（ｂ）に示すように、硬質皮膜形成部材１０ｂは、基材１と、硬質皮膜４の間に、ＣｒＮからなる０．５μｍ以上の保護膜５を備える。
基材１として、超硬合金基材あるいは金属炭化物を有する鉄基合金基材を用いた場合、この基材１上の皮膜４を電気化学的手法により除去すると、超硬合金基材ではＷＣそのものが、金属炭化物を有する鉄基合金基材では金属炭化物が除膜の際に皮膜４と同時に溶解、除去されてしまい、基材１の表面が荒れる等の問題が生じる。したがって、基材１と皮膜４の間に耐食性に優れる保護膜（ＣｒＮ膜）５を形成し、除膜プロセスでは保護膜５より上の皮膜４だけを除去することで、除膜液による基材１の溶解、損傷を抑制することができる。なお、保護膜５を形成した場合の基材１の保護性は、保護膜５の膜厚に依存することから、保護膜５の厚みとしては、０．５μｍ以上は必須であり、より好ましくは２μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上である。なお、膜厚が厚いほうが耐食性、すなわち基材１の保護性に優れるが、１０μｍ以上では耐食性の向上効果が飽和することから、上限の目安を１０μｍとする。

次に、基材への成膜方法の一例として、複合成膜装置を使用した場合について、図２を参照して説明するが、成膜方法としては、これに限定されるものではない。
図２に示すように、複合成膜装置１００は、真空排気する排気口１１と、成膜ガスおよび希ガスを供給するガス供給口１２とを有するチャンバー１３と、アーク式蒸発源１４に接続されたアーク電源１５と、スパッタ蒸発源１６に接続されたスパッタ電源１７と、成膜対象である被処理体（図示省略）を支持する基材ステージ１８上の支持台１９と、この支持台１９と前記チャンバー１３との間で支持台１９を通して被処理体に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源２０とを備えている。また、その他、ヒータ２１、放電用直流電源２２、フィラメント加熱用交流電源２３等を備えている。
なお、アーク式蒸発源１４を用いることにより、アークイオンプレーティング蒸発（ＡＩＰ）、スパッタ蒸発源１６を用いることにより、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング蒸発（ＵＢＭ）を行うことができる。

まず、複合成膜装置１００のカソード（図示省略）に、各種合金、あるいは金属のターゲット（図示省略）を取り付け、さらに、回転する基材ステージ１８上の支持台１９上に被処理体（図示省略）として基材を取り付け、チャンバー１３内を真空引き（１×１０^−３Ｐａ以下に排気）し、真空状態にする。その後、チャンバー１３内にあるヒータ２１で被処理体の温度を約４００℃に加熱し、スパッタ蒸発源１６により、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを実施し、Ａ層を形成する。その後、アーク式蒸発源１４により、φ１００ｍｍのターゲットを用い、アーク電流１５０Ａとし、全圧力４ＰａのＮ_２雰囲気、炭素を含有する場合にはＣＨ_４雰囲気、あるいはこれらの混合ガス雰囲気、酸素を含有する場合には酸素ガスを加えた雰囲気中にて、アークイオンプレーティングを実施し、Ｂ層を形成する。また、保護膜を設ける場合も、Ｃｒターゲットを取り付け、Ｎ_２雰囲気を用い、スパッタクリーニングまたはアークイオンプレーティングにて保護膜を形成する。

なお、積層膜を形成するには、複数の蒸発源に異なる組成のターゲットを取り付け、回転する支持台１９上に被処理体を載せて、成膜中に回転させることによって積層膜を形成することができる。支持台１１上の被処理体は基材ステージ１８の回転に伴い、異なる組成のターゲットを取り付けた蒸発源の前を交互に通過するが、そのときに各々の蒸発源のターゲット組成に対応した皮膜が交互形成されることで、積層膜を形成することが可能である。また、Ａ層、Ｂ層の各々の厚み、積層構造の単位は、各蒸発源への投入電力（蒸発量）あるいは支持台１９の回転数（速い方が１層あたりの厚みは薄くなる）にて制御する。

以上説明したような耐摩耗性、除膜性に優れる硬質皮膜を備えた硬質皮膜形成部材としては、一例として、チップ、ドリル、エンドミル等の切削工具や、プレス、鍛造金型、成型用金型、打ち抜きパンチ等の治工具が挙げられる。

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可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

本実施例においては、図２に示す複合成膜装置を用いて、皮膜を形成した。
［第１実施例］
複合成膜装置のカソードに、各種合金、あるいは金属のターゲットを取り付け、さらに、基材ステージ上の支持台上に鏡面研磨したＪＩＳ−ＳＫＤ１１基材を取り付け、チャンバー内を真空引き（１×１０^−３Ｐａ以下に排気）し、真空状態にした。その後、ヒータで被処理体の温度を約４００℃に加熱し、スパッタ蒸発源により、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを実施し、Ａ層を形成した。その後、アーク式蒸発源により、φ１００ｍｍのターゲットを用い、アーク電流１５０Ａとし、全圧力４ＰａのＮ_２雰囲気、炭素を含有する場合にはＣＨ_４雰囲気、あるいはこれらの混合ガス雰囲気、酸素を含有する場合には酸素ガスを加えた雰囲気中にて、アークイオンプレーティングを実施し、Ｂ層を形成した。

なお、この成膜に際しては、まず、Ａ層の組成を有するターゲットを使用して基材上にＡ層を形成した後、基材ステージを回転させ、蒸発源を切り替えてＢ層の組成を有するターゲットにより、Ｂ層をＡ層上に形成した。これを繰り返すことでＡ層とＢ層の積層構造を有する皮膜を基材上に形成した。Ａ層、Ｂ層の各々の厚み、積層構造の単位は、各蒸発源への投入電力（蒸発量）あるいは支持台の回転数にて制御した。

成膜終了後、皮膜中の金属成分組成を調べると共に、耐摩耗性、除膜性について評価を行った。
＜皮膜組成＞
Ａ層およびＢ層中の金属元素の成分組成を、ＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）により測定した。

＜耐摩耗性＞
耐摩耗性の評価は、以下の条件で高温摺動試験を行い、摩耗深さを測定することにより行った。摩耗深さが５μｍ未満のものを耐摩耗性が良好、５μｍ以上ものを耐摩耗性が不良とした。

［高温摺動試験条件］
装置：ベーンオンディスク型摺動試験装置
ベーン：ＳＫＤ６１鋼（ＨＲＣ５０）
ディスク：ＳＫＤ１１鋼（ＨＲＣ６０）に皮膜形成したもの
摺動速度：０．２ｍ／秒
荷重：５００Ｎ
摺動距離：２０００ｍ
試験温度：４００℃

＜除膜性＞
１０ｍｏｌ％の水酸化ナトリウムを含む水溶液（温度５０℃）にサンプルを漬浸し、皮膜が全面除去される時間を算出した。なお、このサンプルと同一膜厚で、Ａ層がないもの（対照部材）を準備し、同様に除膜時間を算出した。
そして、「サンプルの除膜時間÷対照部材の除膜時間」により、除膜性の向上効果を評価した。この数値が小さいほど、本願発明による除膜速度の向上効果が高いといえる。数値が０．７未満のものを除膜性の向上効果が良好、０．７以上ものを除膜性の向上効果が不良とした。
これらの結果を表１、２に示す。なお、表中、本発明の範囲を満たさないものは、数値等に下線を引いて示す。

表１、２に示すように、Ｎｏ．２〜４、９〜１５、１７〜１９、２２〜４３、４５、４６は、皮膜（Ａ層およびＢ層）の組成が本発明の範囲を満足しているため、耐摩耗性、除膜性の向上効果が良好であった。
なお、Ｎｏ．２〜４の結果から、除膜性の向上効果の観点からは、Ａ層の厚みは、０．５〜２μｍが好ましいことが示された。また、Ｎｏ．１１〜１５の結果から、Ｂ層の厚みは、５μｍ以下が好ましく、３μｍ以下がより好ましいことが示された。さらに、Ｎｏ．２８〜３７の結果から、Ｂ層がＳｉを含む場合に、除膜性の向上効果が顕著なことが示された。

また、Ｎｏ．３８〜４３、４５、４６は、本発明の範囲を満足するものであるが、Ｂ層の組成が好ましい範囲を満足しないものであるため、好ましい範囲を満足するものに比べ、耐摩耗性がやや劣る傾向にあった。

一方、Ｎｏ．１、５〜８、１６、２０、２１、４４、４７、４８は、本発明の範囲を満足していないため、耐摩耗性や除膜性の向上効果が不良であった。
Ｎｏ．１は、Ａ層の厚みが下限値未満のため、除膜性の向上効果に劣った。Ｎｏ．５は、Ａ層の厚みが上限値を超えるため、また、Ａ層に対するＢ層の厚みの比率が下限値未満のため、耐摩耗性、除膜性の向上効果に劣った。Ｎｏ．６は、Ｂ層の厚みが下限値未満のため、また、Ａ層に対するＢ層の厚みの比率が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。

Ｎｏ．７は、Ｂ層の厚みの合計が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。なお、もとの厚みが薄いため、除膜性の向上効果が出なかった。Ｎｏ．８は、Ｂ層の厚みの合計が下限値未満のため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．１６は、Ｂ層の厚みが上限値を超えるため、除膜性の向上効果に劣った。Ｎｏ．２０、２１は、Ａ層のＴｉ含有量が下限値未満のため、除膜性の向上効果に劣った。Ｎｏ．４４は、Ｂ層がＣｒを含有していないため、耐摩耗性に劣った。なお、除膜性はもともと悪くないため、除膜性の向上効果はあまりなかった。Ｎｏ．４７、４８は、Ｂ層のＴｉ含有量が上限値を超えるため、耐摩耗性に劣った。なお、除膜速度はもともと悪くないため、除膜性の向上効果はあまりなかった。

［第２実施例］
第２実施例では、保護膜を設けた場合の影響について調べた。
第１実施例と同様の方法で、基材上に皮膜を形成した。基材としては、鏡面研磨したＪＩＳ−ＳＫＤ１１基材（表中、ＳＫＤ１１と記載）、または、超硬合金基材（表中、超硬と記載）を使用した。また、一部については、基材と皮膜の間に、所定厚さの保護膜（ＣｒＮ膜）を設けた。なお、保護膜は、Ｃｒターゲットを取り付け、Ｎ_２雰囲気を用い、アークイオンプレーティングにて形成した。

成膜終了後、皮膜中の金属成分組成を調べると共に、基材の保護性について評価を行った。
＜皮膜組成＞
Ａ層およびＢ層中の金属元素の成分組成を、ＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）により測定した。

＜保護性＞
除膜前と除膜後の基材の表面粗度を、表面粗度計で計測した。
計測条件は、走査長：１ｍｍ、走査時間：１５秒、測定粗さ：平均粗さ（Ｒａ）とした。評価基準としては、除膜前後における表面粗度の変化がＲａで±０．０２μｍ以下を合格とした。
これらの結果を表３に示す。

表３に示すように、Ｎｏ．５１〜５３、５６〜５８、６１〜６３は、厚さ０．５μｍ以上の保護膜を設けているため、基材の保護性に優れていた。一方、Ｎｏ．５０、５５、６０は、保護膜を設けているものの、厚さが０．５μｍ未満のため、厚さ０．５μｍ以上の保護膜を設けたものに比べ、基材の保護性に劣った。また、Ｎｏ．４９、５４、５９は、保護膜を設けていないため、厚さ０．５μｍ以上の保護膜を設けたものに比べ、基材の保護性に劣った。

（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る硬質皮膜形成部材を示す断面図である。成膜を行うための複合成膜装置の概略図である。

符号の説明

１基材
２Ａ層
３Ｂ層
４硬質皮膜
５保護膜
１０ａ、１０ｂ硬質皮膜形成部材

Claims

基材上に硬質皮膜を備えた硬質皮膜形成部材であって、
前記硬質皮膜は、組成がＴｉ_ｖＭ_１−ｖ（Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ）からなり、前記Ｍは、４族、５族、６族、Ｓｉ、Ａｌ、ＢおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上（ただし、Ｔｉ除く）の元素であり、前記ｖ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、
０．６≦ｖ≦１
０≦ｚ≦０．１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
を満足するＡ層と、
組成がＴｉ_ｖＣｒ_ｗＭ_{１−ｖ−ｗ}（Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ）からなり、前記Ｍは、４族、５族、６族、Ｓｉ、Ａｌ、ＢおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上（ただし、Ｔｉ、Ｃｒ除く）の元素であり、前記ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、
０≦ｖ＜０．６
０．０５≦ｗ
ｖ＋ｗ≦１
０≦ｘ≦０．５
０≦ｚ≦０．１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
を満足するＢ層とを含み、
前記Ａ層と前記Ｂ層がこの順に交互に積層され、１層のＡ層と、その上部の１層のＢ層の積層構造を１単位としたときに、２単位以上の積層構造を有し、
前記Ａ層の１層の厚みに対する前記Ｂ層の１層の厚みの比率が２以上であり、
前記Ａ層の１層の厚みが０．１〜３μｍ、前記Ｂ層の１層の厚みが１〜１０μｍ、前記Ｂ層の厚みの合計が５μｍ以上であることを特徴とする硬質皮膜形成部材。
前記Ａ層は、組成がＴｉＮであり、
前記Ｂ層は、組成が（Ｔｉ_ａＣｒ_ｂＡｌ_ｃＳｉ_ｄＢ_ｅ）（Ｃ_ｘＮ_ｙ）からなり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｘ、ｙが原子比であるときに、
０．０５≦ａ≦０．３
０．１≦ｂ≦０．４
０．４≦ｃ≦０．７５
０≦ｄ≦０．１５
０≦ｅ≦０．１
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１
０．５≦ｙ≦１
ｘ＋ｙ＝１
を満足するか、または、
前記Ａ層は、組成がＴｉＮであり、
前記Ｂ層は、組成が（Ｎｂ_ｆＣｒ_ｇＡｌ_ｈＳｉ_ｉＢ_ｊ）（Ｃ_ｘＮ_ｙ）からなり、前記ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｘ、ｙが原子比であるときに、
０．０５≦ｆ≦０．３
０．１≦ｇ≦０．４
０．４≦ｈ≦０．７
０≦ｉ≦０．１５
０≦ｊ≦０．１
ｆ＋ｇ＋ｈ＋ｉ＋ｊ＝１
０．５≦ｙ≦１
ｘ＋ｙ＝１
を満足することを特徴とする請求項１に記載の硬質皮膜形成部材。
前記基材と、前記硬質皮膜の間に、ＣｒＮからなる０．５μｍ以上の保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の硬質皮膜形成部材。