JP5303816B2 - 硬質皮膜被覆工具 - Google Patents

Description

本発明は、金属部品加工等に用いられる切削工具であって、耐摩耗性や耐欠損性向上が要求される工具表面に、物理蒸着法（以下、ＰＶＤ法と記す。）を用いて硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆工具に関する。

特許文献１及び２には、ＰＶＤ法により被覆した硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の配向性と回折ピークの半価幅について開示されている。特許文献３には、（２２０）面、（１１１）面のピーク強度制御の技術が開示されている。特許文献４には、硬質皮膜を構成する金属元素とガス成分元素の構成比率を調整する技術が開示されている。特許文献５には、エピタキシャル成長によって皮膜界面の密着性を改善する技術が開示されている。特許文献６及び７には、（ＡｌＣｒ）Ｎ系皮膜に関する技術が、特許文献８には、（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎ系皮膜に関する技術が開示されている。特許文献９には、（ＴｉＳｉ）Ｎ系皮膜の密着性改善のために下層（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜を用いる技術が開示されている。特許文献１０には、Ｓｉを含む硬質皮膜の耐摩耗性を改善するために積層化する技術が開示されている。特許文献１１には、ＰＶＤ法による皮膜の厚膜化に関する技術が開示されている。特許文献１２では、（ＴｉＳｉ）（ＢＮ）系硬質皮膜と（ＡｌＣｒ）Ｎ系硬質皮膜を積層し、耐酸化性を向上する技術が開示されている。特許文献１３では、（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｎ，Ｃ）系皮膜よりも耐摩耗性に優れた硬質皮膜として（ＡｌＣｒ）Ｎ膜を成膜する技術が開示されている。しかしながら、特許文献１２、１３ではＸ線回折における配向性については記載されていない。

特開２００３−１３６３０２号公報 特開２００３−１４５３１３号公報 特開２００３−７１６１１号公報 特開平７−１８８９０１号公報 特開２００１−１８１８２６号公報 特開平６−３２２５１７号公報 特開平１０−２５５６６号公報 特開２００５−１２６７３６号公報 特開２０００−２１８４０７号公報 特開２００６−１３７９８２号公報 特開２００８−７５１７８号公報 特開２００２−３３１４０８号公報 特開２００６−１４４１２８号公報

しかし、特許文献１〜８に記載の硬質皮膜では、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ耐摩耗性を更に向上するという昨今の過酷な切削条件における工具の高性能化の要求を満たすことはできない。また特許文献９に記載の（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜では高速切削環境においては高温強度が不足するという問題がある。特許文献１０に記載の積層化された硬質皮膜では、各層の厚みが０．５ｎｍ以上、２０ｎｍ未満と非常に薄い上に、積層部の応力が過大になるため皮膜全体の膜厚は厚くすることができない。特許文献１１に記載のＰＶＤ法による皮膜の厚膜化技術は、硬質皮膜の単層における厚膜化技術のみの開示にとどまり、２層以上の厚膜については何ら記載がされていない。特許文献１２に記載の積層硬質皮膜では、耐溶着性を付与する（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）系硬質皮膜とＡｌＣｒＮ系硬質皮膜等との組み合わせにより、密着強度や耐酸化性の改善を実現しているが、いずれも３μｍ程度の膜厚に限り開示され、硬質皮膜を厚膜化した際の残留圧縮応力低減に関する検討は行なわれていない。特許文献１３に記載の硬質皮膜では、膜厚が０．１〜２０μｍである（Ａｌ１−ｙＣｒｙ）の複合窒化物において、０＜ｙ≦０．３の組成からなる範囲で高温耐酸化性および皮膜硬度改善を実現しているが、硬質皮膜を厚膜化した際の残留圧縮応力低減に関する検討は行なわれていない。従って、本発明が解決しようとする課題は、厚膜化した２層以上の硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、従来に比べて耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆工具を提供することである。

本発明の硬質皮膜被覆工具は、超硬合金を基体に圧縮応力を有する硬質皮膜を３〜２０μｍの膜厚で被覆した硬質皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は基体側から順に、第１硬質皮膜及び第２硬質皮膜が被覆され、該第１硬質皮膜は、（Ａｌ_ａＣｒ _{１００−ａ−ｂ}Ｓｉ_ｂ）_ｃＮ_ｄで示され、但し、ａ及びｂは原子％であり、ｃ及びｄは原子比を表し、５０≦ａ≦７０、０≦ｂ＜１５及び０．８５≦ｃ／ｄ≦１．２５、であり、該第２硬質皮膜は、（Ｔｉ _{１００−ｅ}Ｓｉ_ｅ）_ｆＮ_ｇで示され、但し、ｅは原子％であり、ｆ及びｇは原子比を表し、１≦ｅ≦２０及び０．８５≦ｆ／ｇ≦１．２５、であり、該第１硬質皮膜及び該第２硬質皮膜の結晶構造はいずれも面心立方構造であり、該第１硬質皮膜のＸ線回折において（１１１）面のピーク強度をＩｒ、（２００）面のピーク強度をＩｓ及び（２２０）面のピーク強度をＩｔとしたときに、０．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１０．０及び０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、であり、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１及びｄ２としたときに、０．９６５≦ｄ１／ｄ２≦０．９９０であり、該第２硬質皮膜は柱状結晶組織を有し、該柱状結晶組織の結晶粒はＳｉ成分に組成差を有する組成変調構造を有することを特徴とする。上記の構成を採用することによって、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、耐摩耗性に優れた硬質皮膜被覆工具を提供することができる。つまり、ｄ１／ｄ２値を０．９６５≦ｄ１／ｄ２≦０．９９０の範囲とすることによって、たとえ第１硬質皮膜と第２硬質皮膜がＴｉ系皮膜とＣｒ系皮膜の組み合わせであっても優れた密着性を確保できる。そのためには第１硬質皮膜及び第２硬質皮膜において２〜６ＧＰａの残留圧縮応力を確保しながら、０．９６５≦ｄ１／ｄ２≦０．９９０の範囲としなければならない。

本発明の硬質皮膜被覆工具は、潤滑性及び耐摩耗性を向上させるために、該第１硬質皮膜における非金属成分のＮ元素について、その一部をＣ元素及びＯ元素のうちの１種または２種の元素で置換し、該非金属成分全体を１００原子％とし、原子％でＣ元素の含有量をｘ及びＯ元素の含有量をｙとしたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０及び０＜ｘ＋ｙ≦１０であり、Ｎ元素の含有量は１００−ｘ−ｙであることが好ましい。また、多層構造をとるときには、該第１硬質皮膜の膜厚をＴ１（μｍ）及び該第２硬質皮膜の膜厚をＴ２（μｍ）としたとき、各層の残留圧縮応力の増加によって密着性が劣化し、層間剥離が起こりやすいので、これを回避するため、０．１≦Ｔ１＜５．０及び０．１≦Ｔ２＜４．０とすることが好ましい。硬質皮膜と基体との密着性を向上させるために、超硬合金の基体と第１硬質皮膜の間に、Ｔｉ層もしくはＴｉを主成分とする窒化物、炭化物及び炭窒化物から選ばれる１種または２種以上から構成される密着改善層を有し、該密着改善層の膜厚は１μｍ以下であることが好ましい。

本発明によって、厚膜化した硬質皮膜における圧縮応力の低減と密着性を確保しつつ、従来に比べて耐摩耗性に優れた硬質膜被覆工具を提供することができる。

本発明の硬質膜被覆工具における第１硬質皮膜はＡｌとＣｒを必須金属成分とする窒化物皮膜であり、耐熱性に優れる。第１硬質皮膜はＡｌ含有量を表すａ値が原子％で５０≦ａ≦７０の範囲のとき、優れた耐熱性及び耐摩耗性を発揮する。一方、ａ値が７０原子％を超えて大きいと、六方最密構造（以下、ｈｃｐ構造と記す。）のＡｌＮが生成しやすくなり、密着強度が劣化するだけでなく硬度低下を生じる。また、Ａｌ含有量よりＣｒ含有量が多い場合も、残留圧縮応力が増大して密着強度が低下する。更に、Ｓｉを少量含有すると耐酸化性及び皮膜硬度が向上する。Ｓｉ含有量を表すｂ値は原子％で１５％未満とする。理由は、１５原子％以上の場合、柱状結晶組織が損なわれ、圧縮応力が著しく増加するため皮膜の自己破壊が発生しやすくなり、剥離や異常摩耗が起こるため耐摩耗性が著しく劣化するからである。Ｓｉ含有量が０原子％の場合も本発明に含まれる。以降の説明において単に「％」と記載した場合は原子％を意味するものとする。

第１硬質皮膜の金属成分と非金属成分との比ｃ／ｄ値を０．８５〜１．２５、とすることにより、硬質皮膜の圧縮応力を最適な範囲にすることができ、高い密着性を得ることができる。また、硬質皮膜の組織は高靭性を有する柱状結晶組織とすることができ、優れた耐欠損性と耐摩耗性を得ることができる。ｃ／ｄ値が０．８５未満のとき、結晶格子歪は大きくなり、残留圧縮応力を増大して密着性が劣化する。ｃ／ｄ値が１．２５を超えると硬質皮膜は柱状結晶組織を有するが、結晶の粒界部に不純物を取り込みやすくなるため、結晶粒間の接合強度が劣化し、硬質皮膜は外部からの衝撃によって容易に破壊される。第１硬質皮膜の組成を、０．８５≦ｃ／ｄ≦１．２５の範囲に制御することにより、皮膜の残留圧縮応力は１．５〜５．０ＧＰａの範囲になる。工業生産性の観点から、ｃ／ｄ値を求めて硬質皮膜の残留圧縮応力を管理することが可能である。

第２硬質皮膜が、Ｔｉ及びＳｉを含有する面心立方構造の窒化物であることにより、優れた耐酸化性及び耐摩耗性を実現できる。第２硬質皮膜におけるＳｉ含有量を示すｅ値（原子％）は、１≦ｅ≦２０、である。これは、第２硬質皮膜を柱状結晶組織とするために重要である。またＳｉ元素を含有させると、皮膜自体の耐酸化性が向上するだけでなく、切削初期において、Ｓｉを含有する非常に緻密な複合酸化物が形成され、この複合酸化物が酸化保護膜の役割を果たすことから、硬質皮膜内部への酸化を抑制させる効果を発揮する。しかし、ｅ値が２０％を超えると、皮膜の組織が微細化し、密着強度が著しく低下する。ｅ値は、１％程度でも効果が現れるが、１％未満では、汎用的な分析設備での検出が困難となるため、品質管理を行うことが難しくなる。そのため、分析装置にて検出可能な１％以上とした。

また、第２硬質皮膜の金属成分と非金属成分の比ｆ／ｇ値を０．８５〜１．２５に制御することにより、皮膜の圧縮応力を最適な範囲にすることができ、高い密着性を得ることができる。また、硬質皮膜組織は高靭性を有する柱状結晶組織とすることによって、優れた耐欠損性と耐摩耗性を得ることができる。第１硬質皮膜及び第２硬質皮膜がいずれも面心立方構造であることにより、高硬度を有する硬質皮膜が得られる。また皮膜組織を柱状結晶組織に制御することによって、優れた耐欠損性と耐摩耗性を得ることができる。

第１硬質皮膜を、０．８５≦ｃ／ｄ≦１．２５の範囲に制御するためには、成膜時の反応圧力を制御することが重要である。窒化物を得るために、窒素ガスの反応圧力を３Ｐａ〜８Ｐａとする。より好ましくは３．５Ｐａ〜７Ｐａの範囲に制御する。反応圧力が３Ｐａ未満では、ｃ／ｄ値は１．２５超となり、一方、８Ｐａを超えた条件で成膜を行うと、ｃ／ｄ値は０．８５未満となる。

第１硬質皮膜を成膜する際の条件として、パルス化されたバイアス電圧の印加を負と正に振幅させて制御を行うことが必要である。ここで、バイアス電圧の印加を負と正に振幅させることを、バイポーラバイアスと言う。一方、バイアス電圧の印加を負の値で振幅させることを、ユニポーラバイアスと言う。第１硬質皮膜を（２００）面に強く配向させることで、硬質皮膜の圧縮応力を制御することができる。（１１１）面への配向が強くなると、圧縮応力が高くなり、硬質皮膜の密着性が低下する。その結果、耐欠損性や耐摩耗性が低下して不都合が生じる。また、優れた耐摩耗性と適正な残留圧縮応力の範囲に制御するためにＩｓ／Ｉｒ値を、０．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１０．０とし、Ｉｔ／Ｉｒ値を０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５の範囲に制御しなければならない。０．５≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１０．０、とすることにより優れた耐摩耗性を実現できるからである。また、０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、とすることにより適正な残留圧縮応力の範囲に制御することができるからである。しかし、Ｉｓ／Ｉｒ値が１０．０を超えると圧縮応力は低減されるものの、硬質皮膜の硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する。一方、Ｉｓ／Ｉｒ値が０．５未満では（１１１）面のピークが大きく出現し、皮膜の硬度が向上するものの、残留圧縮応力が高くなりすぎて皮膜の自己破壊が発生する。また、Ｉｔ／Ｉｒ値が０．６未満では、硬質皮膜の内部欠陥が増加し、Ｉｔ／Ｉｒ値が１．５を超えると、皮膜表面から基体方向へほぼ垂直方向の亀裂破壊が発生しやすくなる。その結果、耐欠損性、耐摩耗性を改善することができない。

これらを実現する為には、第１硬質皮膜を成膜する際の条件として、バイアス電圧を後述のように制御することが好ましい。例えば、バイアス電圧をパルス化して印加することである。バイアス電圧をパルス化して印加すると、（１１１）面、（２００）面及び（２２０）面のピーク強度を変化させることが可能となる。特に（１１１）面への結晶成長を抑制することによって、圧縮応力を抑制し密着性を高めることができる。具体的には、負のバイアス電圧値を−２０〜−１２０（Ｖ）及び正のバイアス電圧を５〜１０（Ｖ）の範囲に制御することが好ましい。このとき、パルス波形は矩形であることが好ましい。バイアス電圧をパルス化するためのパルス周波数を５〜３５ｋＨｚの範囲に制御することが好ましい。また、パルスバイアス印加時の正バアイス値及び負バイアス値の印加時間の割合は１：１とすることが好ましいが、成膜装置や皮膜組成によっては適宜調整が必要となる。

負のバイアス電圧が−２０（Ｖ）より正側に大きいと、Ｉｓ／Ｉｒ値は１０を超える。負のバイアス電圧が−１２０（Ｖ）より負側に小さいと、Ｉｓ／Ｉｒ値が０．５未満になる。また、正のバイアス電圧が１０（Ｖ）を超えると、Ｉｔ／Ｉｒ値は１．５を超え、正のバイアス電圧が５（Ｖ）未満では、Ｉｔ／Ｉｒ値は０．６未満になる。

第２硬質皮膜の成膜時に印加させるバイアス電圧をパルス化して、負のバイアス電圧を−２０〜−８０（Ｖ）、正のバイアス電圧を５〜１０（Ｖ）に制御することが好ましい。これより、基体に到達するＳｉイオンの運動エネルギーが低く抑えられる。そのため、ＴｉＮの結晶格子に取り込まれ、硬質皮膜はＳｉを含む柱状結晶組織を有する。ここで、柱状結晶組織とは、膜厚方向に伸びた縦長に成長した結晶の組織である。この場合、負のバイアス電圧が２０（Ｖ）より正側に大きいと、圧縮応力は低減されるものの、硬質皮膜の硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する傾向を示す。負のバイアス電圧が−８０（Ｖ）より負側に小さいと、皮膜の硬度が向上するものの、残留圧縮応力が高くなりすぎて皮膜の自己破壊が発生する。

また、Ｓｉ含有量の異なるターゲットを用いて、バイアス電圧をパルス化して印加しながら成膜を行うと、柱状結晶組織の結晶粒は結晶粒成長方向に対してＳｉ成分に組成差を有する組成変調構造を有する。Ｓｉ成分の組成変調構造を有し、残留圧縮応力を制御することによって、皮膜の機械的強度が高まるからである。この場合のＳｉ成分の組成差は、最大でも１０％であることが好ましい。より好ましくは、０．１％以上、７％以下の範囲に制御することがよい。

本発明に用いる硬質皮膜について、ｄ１／ｄ２値を、０．９６５≦ｄ１／ｄ２≦０．９９０とすることが重要である。本発明より、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜との密着性が著しく改善され、耐摩耗性が優れる。本発明において皮膜間の密着性改善は耐摩耗性の向上にとって重要である。皮膜間の密着性の改善をはかるためには皮膜間の結晶格子歪を低減させる必要がある。この歪を低減させるためには、皮膜間の（２００）面の面間隔の差を小さくしてミスフィットを低減させることが必要である。これより、高い密着性が得られる。そこで、ｄ１／ｄ２値を、０．９６５≦ｄ１／ｄ２≦０．９９０の範囲に制御する。これより基体との密着性が損なわれることなく耐摩耗性及び耐欠損性に優れた硬質皮膜が得られる。具体的には、第１硬質皮膜及び第２硬質皮膜を成膜する際の条件として、パルス化されたバイアス電圧の印加を負と正に振幅させて制御を行い、夫々パルス周波数を５〜３５ｋＨｚの範囲に制御することが好ましい。

ｄ１／ｄ２値が０．９６５未満では、第１硬質皮膜及び第２硬質皮膜界面での原子配列における整合性が低く、界面での皮膜はく離の原因となってしまう。ｄ１／ｄ２値を０．９９０より大きくすることは、本発明で規定する第１硬質皮膜及び第２硬質皮膜の組成上、困難である。上記の条件に設定することにより、第１硬質皮膜と第２硬質皮膜との残留圧縮応力などを適切な範囲に制御し、異なる組成系の皮膜同士を整合性良く成膜することができる。

第２硬質皮膜の残留圧縮応力は、Ｉｖ／Ｉｕ値、Ｉｗ／Ｉｕ値と相関性がある。第２硬質皮膜は残留圧縮応力が高くなりやすいため、第１硬質皮膜との密着強度の劣化を回避しなければならない。そこで、第１および第２硬質皮膜の密着強度を確保するには、Ｉｖ／Ｉｕ値、Ｉｗ／Ｉｕ値を制御することが好ましい。また、第２硬質皮膜の結晶配向を第１硬質皮膜の結晶配向と整合させ、密着強度を確保しながら、第２硬質皮膜を高硬度に維持することが好ましい。このとき、第２硬質皮膜の最強ピーク面は第１硬質皮膜と同様に（２００）面であることが好ましい。したがって、１．０≦Ｉｖ／Ｉｕ≦１０．０、１．０≦Ｉｗ／Ｉｕ≦１．５とすることにより、第１および第２硬質皮膜の間に高い密着強度を有する高硬度の硬質皮膜を形成することが可能である。

一方、Ｉｖ／Ｉｕ＜１．０の場合、またＩｗ／Ｉｕ＜１．０の場合は、第２硬質皮膜が（１１１）面に強く配向することによって結晶組織が微細化してしまい、第２硬質皮膜は高硬度となるが、残留圧縮応力が高くなりすぎる。また、Ｉｖ／Ｉｕ＞１０．０の場合、またＩｗ／Ｉｕ＞１．５の場合は、結晶組織が大きな柱状となり、結晶粒界に沿って亀裂が伝播しやすくなり、切削加工時のチッピングを生じやすくなる。Ｉｖ／Ｉｕ値、Ｉｗ／Ｉｕ値の制御は、成膜時のバイアス電圧値とバイアス電圧印加方式に大きく依存する。即ち、バイアス電圧を間欠化（パルス化）させて印加することで、Ｉｖ／Ｉｕ値、Ｉｗ／Ｉｕ値を制御することが可能である。

第２硬質皮膜の成膜時に印加させるバイアス電圧をパルス化して、負のバイアス電圧を−２０〜−８０（Ｖ）、正のバイアス電圧を５〜１０（Ｖ）に制御することが好ましい。これより、基体に到達するＳｉイオンの運動エネルギーが低く抑えられる。そのため、ＴｉＮの結晶格子に取り込まれ、硬質皮膜はＳｉを含む柱状結晶組織を有する。ここで、柱状結晶組織とは、膜厚方向に伸びた縦長に成長した結晶の組織である。この場合、負のバイアス電圧が−２０（Ｖ）より正側に大きいと、より（２００）面に強い配向を示し、Ｉｖ／Ｉｕ＞１０．０、またＩｗ／Ｉｕ＞１．５となり、残留圧縮応力は低減されるものの、第２硬質皮膜の硬度が低下し、耐摩耗性が劣化する傾向を示す。負のバイアス電圧が−８０（Ｖ）より負側に小さいと、（１１１）面に強い配向を示し、Ｉｖ／Ｉｕ＜１．０、またＩｗ／Ｉｕ＜１．０、となり、第２硬質皮膜の硬度が向上するものの、残留圧縮応力が高くなりすぎて皮膜の自己破壊が発生する。

第１硬質皮膜における非金属成分のＮ元素について、その一部をＣ元素及びＯ元素のうちの１種または２種の元素で置換し、原子％でＣ元素の含有量をｘ値及びＯ元素の含有量をｙ値としたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０及び０＜ｘ＋ｙ≦１０の範囲にすることが好ましい。これにより、高硬度、優れた耐酸化特性、密着性及び潤滑特性を有する硬質皮膜が得られる。第１硬質皮膜にＣ元素及びＯ元素のいずれかまたは双方を含有させる場合には、炭化水素系ガスや酸素含有ガスを使用することが好ましい。ガスを導入して成膜を行う場合、Ｎ_２ガスと併せた全圧が、３〜８Ｐａの範囲にすることが好ましい。或いは、ターゲット蒸発源にＣ元素及びＯ元素のいずれかまたは双方を適量含有させることも可能である。

硬質皮膜全体の膜厚を３μｍ以上とすることにより、優れた耐摩耗性が得られる。しかし、２０μｍを超える膜厚では、硬質皮膜は圧縮応力が高くなり、基体との密着性が劣化する。３μｍ未満では耐摩耗性が大きく低下する。また第１硬質皮膜の膜厚は第２硬質皮膜よりも厚いことが好ましく、第２硬質皮膜の総膜厚は硬質皮膜全体の膜厚に対し、５０％以下であることが、より好ましい。

本発明の硬質皮膜被覆工具は第１硬質皮膜及び第２硬質皮膜の多層構造を有する。ここで、多層構造とは３層以上におよぶ皮膜構造とすることが好ましい。Ｔ１値（μｍ）を、０．１≦Ｔ１＜５．０とし、Ｔ２値（μｍ）を０．１≦Ｔ２＜４．０とすることが好ましい。この理由はＴ１＜０．１の場合、第１硬質皮膜の耐摩耗性が十分発揮されないからである。Ｔ１≧５．０の場合、残留圧縮応力が過大となり、基体と硬質皮膜との界面、及び第１硬質皮膜と第２硬質皮膜との界面での密着強度が低下し、剥離を起こしやすくなる。より好ましくは、１≦Ｔ１≦４である。なお、第２硬質皮膜はＳｉを含有するので残留圧縮応力が高くなる傾向にある。Ｔ２≧４．０の場合、工具の刃先稜線部において皮膜の自己破壊を起こしてしまう。また、第２硬質皮膜に所望の耐摩耗性を付与するためには、０．１μｍ以上であることが好ましい。より好ましくは０．３≦Ｔ１≦２である。第２硬質皮膜が最上層であることにより、耐摩耗性が向上する。

本発明の硬質皮膜被覆工具において、超硬合金の基体と第１硬質皮膜との間に、密着性改善を目的として、Ｔｉ層もしくはＴｉを主成分とする窒化物、炭化物及び炭窒化物から選ばれる１種または２種以上の密着改善層を有し、この密着改善層の膜厚は１μｍ以下とすることが好ましい。

本発明に用いる硬質皮膜の組成は、例えば、日本電子株式会社製のＪＸＡ８５００Ｆ形ＥＰＭＡ分析装置を用いて測定できる。硬質皮膜の垂直断面もしくは膜断面を１７度斜めに傾けて研磨した傾斜断面において、硬質皮膜部を基体の影響を受けない位置から行い、加速電圧１０（ｋＶ）、照射電流１．０μＡ及びプローブ径を１０μｍ程度に設定することにより可能である。硬質皮膜表面から測定する場合は、プローブ径を５０μｍ程度に設定することが好ましい。また、Ｃ元素やＯ元素を含有させたときは、２％未満になると分析での検出が困難となる。硬質皮膜の膜厚は、例えば、株式会社日立製作所製Ｓ−４２００型電解放射走査型電子顕微鏡を用いて、垂直方向の破断から測定できる。

硬質皮膜のＸ線回折における（１１１）、（２００）及び（２２０）面のピーク強度比の測定は、例えば、理学電気株式会社製ＲＵ−２００ＢＨ型Ｘ線回折装置を用いて２θ−θ走査法により測定できる。２θ（度）の範囲は、１０〜１４５度、Ｘ線源はλ値が０．１５４０５ｎｍのＣｕＫα１線を用い、バックグランドノイズは装置に内蔵されたソフトにより除去した。測定結果は、検出された２θのピーク位置が、結晶構造が面心立方構造であるＴｉＮのＸ線回折パターン（ＪＣＰＤＳファイル番号３８−１４２０）に略一致したので、その（１１１）、（２００）及び（２２０）ピークの強度を測定した。ピーク強度は、各指数面のピークトップの最大値をピーク強度とし、それを用いてピーク強度比を求めた。更に、面間隔は、上記（２００）面を示すピーク位置の数値を適用した。また、ＣｒＮがベースとなるような硬質皮膜の場合も同様にして、ピーク強度を測定した。

本発明に用いる硬質皮膜における残留圧縮応力は以下に示す曲率測定法で算出した。即ち、ヤング率とポアソン比が既知となっている基体を所定の形状に加工した試験片を用い、その表面を硬質皮膜で被覆すると、硬質皮膜中に発生する残留圧縮応力により、被覆された試験片がたわみ変形する。そのたわみ変形量を求め、下記の数１を用いて、硬質皮膜全体の残留圧縮応力σ値を算出した。

（数１）
σ＝（Ｅ・Ｄ^２・δ）／（３・ｌ^２・（１−νｓ）・ｄ）

ここで、Ｅ値（ＧＰａ）は試験片に使用した基体のヤング率、Ｄ値（ｍｍ）は試験片の厚み、δ値（μｍ）は被覆前後で生じる試験片のたわみ量、ｌ値（ｍｍ）は被覆によってたわみが生じた試験片の長さ方向端面から、最大たわみ部までの長さ、νｓ値は試験片に使用した基体のポアソン比、及びｄ（μｍ）は試験片表面に被覆した硬質皮膜の膜厚である。また、試験片を形成する材料は、超硬合金材料が、測定数値のばらつきが少なく適している。試験片形状は、短冊型の形状が望ましく、８ｍｍ幅、２５ｍｍ長さ、及び０．５〜１．５ｍｍ厚さの形状を使用した。この試験片形状にすると、測定数値のばらつきが少ない。試験片の面積の大きい上下面について、平行度±０．１ｍｍになるよう、鏡面研磨を施した後、６００〜１０００℃の真空中で熱処理を行い、試験片に用いる材料の、特に表面部分の歪を除去した。このように歪をある程度除去しなければ、得られる残留圧縮応力の値にばらつきが発生する。試験片面積の大きい、鏡面加工された一面のたわみ変形量を被覆前に測定した後、その面に被覆を行い、再度、得られた被覆試験片のたわみ量を測定した。被覆前後のたわみ量と、被覆によってたわみが生じた試験片の長さ方向端面から、最大たわみ部までの長さ、及び被覆した硬質皮膜の膜厚を測定し、その数値を数１に代入することにより、硬質皮膜全体の残留圧縮応力σ値を算出した。硬質皮膜の組成や、成膜条件が変化しても、また、組成変調構造を有していても、本測定方法により残留圧縮応力の値を算出することが可能である。

硬質皮膜被覆工具の基体に硬質皮膜を成膜する場合、成膜方法としては、パルス化されたバイアス電圧を印加することにより、圧縮応力が付与される成膜方法が好ましい。具体的には、アークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）法またはスパッタリング法等のイオンプレーティング方式等が好ましい。適切な成膜条件を適用すれば、各々の方式が一つの設備に設置された複合装置を用いてもよい。本発明を以下の実施例により更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

残留圧縮応力測定が行える試験片、ボールエンドミルとスローアウェイインサートの表面に、本発明に係る硬質皮膜を被覆して、本発明例１のものを作製した。ここで、ボールエンドミルは、ＷＣ−Ｃｏ系微粒超硬合金焼結体製の直径１０ｍｍの２枚刃ボールエンドミルを用いた。スローアウェイインサートは、汎用的なＴＮＧＧ１６０４０４形状を用い、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金焼結体を基体として、ＪＩＳ規格におけるＰ２０種相当でＨＲＡ９０．５を使用した。

本発明例１は、ＡＩＰ装置を用いて、前記基体上に、第１硬質皮膜として、金属成分のみの組成が、Ａｌ：７０％、Ｃｒ：３０％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜を４μｍの膜厚で成膜した。その後、第２硬質皮膜として、金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８０％、Ｓｉ：２０％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜を３μｍの膜厚で成膜し、総膜厚が７μｍとなるようにした。成膜温度は５５０℃、反応圧力は３．５Ｐａとし、初期の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜は直流１００（Ｖ）のＤＣバイアス電圧で１μｍ成膜した後、パルス化させたバイアス電圧を印加した。パルス周波数は２５ｋＨｚ、負のバイアス電圧を−１００（Ｖ）、正のバイアス電圧を１０（Ｖ）に設定したバイポーラバイアスとした。第１硬質皮膜の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜を成膜後、第２硬質皮膜の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜を（ＡｌＣｒ）Ｎ膜と同様の条件でパルス化させ、負のバイアス電圧を−５０（Ｖ）、正のバイアス電圧を１０（Ｖ）に設定して成膜した。パルス印加時の正負時間割合は１：１に統一した。蒸発源は、各種合金製ターゲットを選択して用い、窒化物、炭窒化物、酸窒化物または酸炭窒化物とするために、窒素、酸素及びアセチレンなどの炭化水素系のガスを単独、もしくは、混合させて成膜時に導入させて成膜を行った。本発明例１の成膜条件を標準として、硬質皮膜の組成、膜厚、Ｘ線回折ピーク強度、面間隔比、残留圧縮応力と皮膜組織の異なる本発明例２〜９、１９〜２３、３２〜４３と比較１０〜１８、２４〜３０、及び従来例３１を作製した。

表１から表３に、各試験片における硬質皮膜の成膜条件、皮膜の組成、膜厚、Ｘ線回折ピーク強度比、面間隔比及び残留圧縮応力の測定結果を示す。また、表４に、透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと記す。）による皮膜断面の組織観察の結果を示す。本発明例における第２硬質皮膜は全て柱状結晶組織を有し、更に柱状結晶組織の結晶粒は結晶粒成長方向に対してＳｉ成分に組成差を有する組成変調構造を有していることを確認した。

次に、試験片と同時に成膜した微粒超硬合金製の直径１０ｍｍの２枚刃ボールエンドミルと超硬合金製スローアウェイインサートを用いて、切削試験を行った。ボールエンドミルによる評価は、以下の切削試験１の条件により切削試験１を行い、残留圧縮応力を有する硬質皮膜における耐摩耗性、耐欠損性及び密着性の優劣を確認した。評価方法は、一定の距離加工する毎に行う刃先の観察において、１０μｍ以上の微小チッピングを含む欠損が発生した時点、欠損がない場合は、逃げ面摩耗幅のＶＢｍａｘ値が０．１ｍｍに到達した時点を工具寿命とし、この時の切削時間（分）によって性能を評価した。

また、旋削用のスローアウェイインサートを刃先交換式バイトに取り付け、以下の切削試験２の条件で切削試験２を行い、残留圧縮応力を有する硬質皮膜における耐摩耗性、耐欠損性及び密着性の優劣を確認した。評価方法は、一定の距離加工する毎に行う刃先の観察において、１０μｍ以上の微小チッピングを含む欠損が発生した時点、欠損がない場合は、逃げ面摩耗幅のＶＢｍａｘ値が０．３ｍｍに到達した時点を工具寿命とし、この時の切削時間（分）によって性能を評価した。切削途中の刃先の損傷状態は、適宜観察を行った。

（切削試験１）
工具：２枚刃ボールエンドミル直径１０ｍｍ
被削材：マルテンサイト系ステンレス鋼、ＨＲＣ５２
切込み：軸方向１．５ｍｍ×径方向０．１ｍｍ
主軸回転数：毎分１２０００回転
切削速度：３７７ｍ／分
テーブル送り：４ｍ／分
切削油：外部ミスト供給

（切削試験２）
工具：旋削用のスローアウェイインサート（ＴＮＧＧ１６０４０４形状）
切削方法：長手方向連続切削
被削材形状：直径１６０ｍｍ、長さ６００ｍｍの丸棒材
被削材：Ｓ５３Ｃ、ＨＢ２６０、調質材
軸方向切込み量：２．０ｍｍ
切削速度：２１３ｍ／分
１回転あたりの送り量：０．５ｍｍ／回転
切削油：なし

ボールエンドミル、インサートの切削試験１、及び切削試験２の評価結果を表４に示す。はじめに、本発明例１〜９、１９〜２３について説明する。表４より本発明例１の評価の結果は耐摩耗性に優れ、剥離、欠損も発生せずに安定した加工が実施可能であった。本発明例２と本発明例３とを比較すると、いずれも本発明の性能を満足するものの、本発明例１の方が、切削性能が優れていた。その理由は本発明例１の残留圧縮応力が最も高く耐摩耗性が優れたからである。また、本発明例４では第１硬質皮膜のＡｌ含有量であるａ値が下限の５０％を示し、本発明例５では第２硬質皮膜のＳｉ含有量であるｅ値が５％を下回るものであり、本発明例１と比較すると切削性能には劣るものの本発明例の性能を満足していた。これはａ値、ｅ値が規定範囲の境界付近であるため、残留圧縮応力が小さくなったためである。本発明例６と本発明例７は第１硬質皮膜にＳｉを含有するもので、Ｓｉ含有によって第１硬質皮膜の硬度が増加した。硬度はナノインデンテーション法による測定から得られるものである。本発明例１の第１硬質皮膜の皮膜硬度は、３０．１ＧＰａ、本発明例６は３２．０ＧＰａ、本発明例７は３５．２ＧＰａであった。本発明例１と比べると、同等の切削性能であるが、本発明例６、７に含まれるＳｉは耐酸化性が非常に優れるので、更に高温切削の領域でより有利な効果が期待できる。本発明例８は、第１硬質皮膜の膜厚が６μｍであるため第１硬質皮膜での残留圧縮応力が本発明例１に比べて大きくなり、密着性が劣った。本発明例９は、第２硬質皮膜の膜厚が４．１μｍであるため第２硬質皮膜での残留圧縮応力が大きくなり、皮膜の自己破壊が発生しやすくなり、切削安定性が劣った。

本発明例１９から２３は、成膜条件が及ぼす影響について評価した結果である。本発明例１９は第１硬質皮膜のパルス周波数を本発明例１より小さくし、本発明例２０は第２硬質皮膜のパルス周波数を本発明例１より小さくした結果である。表３より本発明例１９と本発明例２０は、本発明例１に比べて残留圧縮応力が低いもののｄ１／ｄ２値が高いため、安定した加工が可能であり、本発明例１と同等の切削性能を示した。

また、本発明例２１は、第１硬質皮膜の負のバイアス電圧が本発明例１に比べて高く、本発明例２２は、第２硬質皮膜の負のバイアス電圧が本発明例１に比べて高いので、残留圧縮応力が低くなり、本発明の性能を示すものの切削性能に差が生じた。本発明例２３は、第２硬質皮膜の負のバイアス電圧が本発明例１に比べて低いので、残留圧縮応力が大きくなり、柱状結晶組織が細かくなった。

本発明例３２から３７について説明する。本発明例３２、３５は第１硬質皮膜の成膜の時に窒素ガス中にアセチレンガスを導入したものである。また、本発明例３３、３６は酸素ガスを、本発明例３４、３７はＣＯ_２を導入したものである。この時、窒素ガスと合わせた全圧は３．５Ｐａとした。第１硬質皮膜の非金属成分のＮ元素が、一部Ｃ元素、Ｏ元素へ置換したときの効果について検証する目的で作製した。

表１より本発明例３２、３３、３４のように、第１硬質皮膜の非金属成分のＮ元素が、原子％で双方合わせて１０％以下の範囲でＣ元素、Ｏ元素に置換されると耐酸化性や潤滑特性が向上することによって、工具寿命の改善をはかることができた。

本発明例３８は、第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６６％、Ｃｒ：３４％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８５％、Ｓｉ：１５％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜とした。第１硬質皮膜の膜厚は３．４μｍとし、第２硬質皮膜の膜厚は３．０μｍとし、この膜厚の第１及び第２の硬質皮膜を１周期として３回繰り返して積層化し、合計６層となるよう成膜した。他の成膜条件は本発明例１と同様の条件とした。この成膜条件によると１９．２μｍの膜厚でも残留圧縮応力を６ＧＰａ以下に抑制でき、特に切削試験２では長期間に渡って優れた耐摩耗性を示すことがわかった。

本発明例３９は、第１硬質皮膜の成膜前にメタルボンバードメントを施し超硬合金の基体表層に、極薄のＴｉＣ層を密着改善層として成膜後、本発明例１と同様の条件で成膜した。

本発明例４０は、第１硬質皮膜の成膜前にごく薄くＴｉＮ層を密着改善層として成膜後、本発明例１と同様の条件で成膜した。超硬合金の基体と第１硬質皮膜との間に密着改善層を被覆することによって、皮膜の剥離が発生し難くなり、長期間に渡って安定した摩耗が進行し、工具は長寿命となった。

本発明例４１〜４３は、第１硬質皮膜の負のバイアス電圧を本発明例１に比べて低くした。この場合、負のバイアス電圧が低くなるほど、硬質皮膜の残留圧縮応力が増大し、またＩｓ／Ｉｒ値は３．３８から１．２７へ低くなる傾向にあった。切削試験結果から、いずれの場合も、比較例や従来例より工具寿命は長く、本発明の切削性能を満足した。

次に、比較例について考察する。まず、比較例１０は、第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：８２％、Ｃｒ：１８％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８３％、Ｓｉ：１７％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜とし、本発明例１と同様の条件で成膜した。第１硬質皮膜の皮膜組成においてＡｌ含有量の上限値を検証する目的で作製した。第１硬質皮膜は本発明例よりＡｌ含有量が多いので、第１硬質皮膜の皮膜組織がアモルファス状になった。これより、残留圧縮応力が増加して密着強度が低下し、剥離が発生した。

比較例１１は、第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：４５％、Ｃｒ：５５％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８２％、Ｓｉ：１８％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜とし、本発明例１と同様の条件で成膜した。第１硬質皮膜の皮膜組成においてＡｌ含有量の下限値を検証する目的で作製した。第１硬質皮膜は本発明例よりＡｌ含有量が少なくＣｒが占める割合が多くなり、残留圧縮応力が適正範囲より高くなった。

比較例１２は、第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６５％、Ｃｒ：３５％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：１００％の（Ｔｉ）Ｎ膜とし、本発明例１と同様の条件で成膜した。第２硬質皮膜の皮膜組成においてＳｉ含有量の下限値を検証する目的で作製した。第２硬質皮膜はＳｉを含まず、第２硬質皮膜の皮膜硬度が極めて低く耐摩耗性が劣り、早期に寿命に至った。

比較例１３は、第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６６％、Ｃｒ：３４％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：７６％、Ｓｉ：２４％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜とし、本発明例１と同様の条件で成膜した。第２硬質皮膜の皮膜組成においてＳｉ含有量の上限値を検証する目的で作製した。第２硬質皮膜は本発明例よりＳｉ含有量が多く、皮膜組織がアモルファス化した。残留圧縮応力が増えた影響で、硬質皮膜の自己破壊が発生し、早期で工具寿命に至った。

比較例１４は、第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６９％、Ｃｒ：３１％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８６％、Ｓｉ：１４％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、第１硬質皮膜の窒素の圧力を８．６Ｐａとし、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜した。第１硬質皮膜のｃ／ｄ値の下限値を検証する目的で作製した。第１硬質皮膜は本発明例よりｃ／ｄ値が小さいとき、第１硬質皮膜中にガス成分が多く取り込まれ、ガス成分同士の結合が増えたことから、結晶組織がアモルファス状であった。この場合、結晶組織がアモルファス状であったことから、第１硬質皮膜は基材からエピタキシャル状に成長しにくく、密着強度が低下し、切削加工時に剥離した。

比較例１５は、第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６６％、Ｃｒ：３４％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８２％、Ｓｉ：１８％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、第１硬質皮膜の窒素の圧力を２．８Ｐａとし、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜した。第１硬質皮膜のｃ／ｄ値の上限値を検証する目的で作製した。第１硬質皮膜は本発明例よりｃ／ｄ値が大きいとき、第１硬質皮膜中に金属成分が多く取り込まれ、金属成分同士の結合が増えたことから、結晶組織に歪みが多く導入され、微細な柱状組織が形成された。この場合、結晶粒界が多く存在するため微小チッピングが多数発生し、工具欠損につながったことから、工具が短寿命化したと考えられる。

比較例１６は、第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６９％、Ｃｒ：３１％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８１％、Ｓｉ：１９％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、第２硬質皮膜の窒素の圧力を２．６Ｐａとし、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜した。第２硬質皮膜のｆ／ｇ値の下限値を検証する目的で作製した。第２硬質皮膜は本発明例よりｆ／ｇ値が小さいとき、アモルファス組織構造を示すが、切削試験１では切削途中で欠損を示した。

比較例１７は、第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６５％、Ｃｒ：３５％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８６％、Ｓｉ：１４％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、第１硬質皮膜の窒素の圧力を８．３Ｐａとし、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜した。第２硬質皮膜のｆ／ｇ値の上限値を検証する目的で作製した。第２硬質皮膜は本発明例よりｆ／ｇ値が大きいとき、柱状結晶組織を呈するが、切削試験１では切削途中で欠損を示した。

比較例１８は、第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：５８％、Ｃｒ：２４％、Ｓｉ：１８％の（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８８％、Ｓｉ：１２％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜とし、本発明例１と同様の条件で成膜した。第１硬質皮膜におけるＳｉ含有の効果及びＳｉ含有量の上限値を検証する目的で作製した。第１硬質皮膜の硬度が４２．１ＧＰａと向上したが、皮膜組織がアモルファスになった。そのため残留圧縮応力が高くなり密着性が劣化して硬質皮膜がはく離してしまい、早期に工具寿命に至った。

比較例２４は第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６５％、Ｃｒ：３５％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８１％、Ｓｉ：１９％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、第１硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−２００（Ｖ）、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜したものである。パルス周波数を２５ｋＨｚ、第２硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−５０（Ｖ）、パルス周波数を２５ｋＨｚ、正のバイアス電圧を１０（Ｖ）とした。第１硬質皮膜における成膜時における負のバイアス電圧の下限値を検証する目的で作製した。第１硬質皮膜を、負のバイアス電圧値−２００（Ｖ）で成膜した場合、Ｉｓ／Ｉｒ値が０．５未満となり、第１硬質皮膜の残留圧縮応力が増加した。そのため、密着性が低下し、初期剥離等によって早期に工具寿命に至った。

比較例２５は第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６６％、Ｃｒ：３４％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８３％、Ｓｉ：１７％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、第１硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−１０（Ｖ）、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜したものである。パルス周波数を２５ｋＨｚ、第２硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−５０（Ｖ）、パルス周波数を２５ｋＨｚ、正のバイアス電圧を１０（Ｖ）とした。第１硬質皮膜における負のバイアス電圧の上限値を検証する目的で作製した。第１硬質皮膜を、負のバイアス電圧値−１０（Ｖ）で成膜した場合、Ｉｓ／Ｉｒ値が１０．０を超えて、第１硬質皮膜の硬度が低下した。そのため、耐摩耗性が劣化し、早期に工具寿命に至った。

比較例２６は第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６８％、Ｃｒ：３２％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８２％、Ｓｉ：１８％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、第２硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−１０（Ｖ）、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜したものである。パルス周波数を２５ｋＨｚ、第１硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−１００（Ｖ）、パルス周波数を２５ｋＨｚ、正のバイアス電圧を１０（Ｖ）とした。第２硬質皮膜における負のバイアス電圧の上限値を検証する目的で作製した。第２硬質皮膜を負のバイアス電圧値−１０（Ｖ）で成膜した場合、皮膜硬度が低くなり、耐摩耗性が劣化した。従って、工具は短寿命であった。

比較例２７は第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６９％、Ｃｒ：３１％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８３％、Ｓｉ：１７％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、第２硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−１００（Ｖ）、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜したものである。パルス周波数を２５ｋＨｚ、第１硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−１００（Ｖ）、パルス周波数を２５ｋＨｚ、正のバイアス電圧を１０（Ｖ）とした。第２硬質皮膜における負のバイアス電圧の下限値を検証する目的で作製した。第２硬質皮膜を負のバイアス電圧−１００（Ｖ）で成膜した場合、第２硬質皮膜の組織はアモルファス化し、皮膜硬度は向上したが、残留圧縮応力が増加した。そのため、第１硬質皮膜との層間剥離、皮膜の自己破壊が発生し、早期に工具寿命に至った。

比較例２８は第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６５％、Ｃｒ：３５％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８７％、Ｓｉ：１３％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、バイアス電圧をパルス化する時の正のバイアス電圧を２（Ｖ）とし、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜したものである。第１硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−１００（Ｖ）、パルス周波数を２５ｋＨｚ、第２硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−５０（Ｖ）、パルス周波数を２５ｋＨｚとした。バイアス電圧をパルス化する時における正の電圧の下限値を検証する目的で作製した。正の電圧を２（Ｖ）として成膜した場合、Ｉｔ／Ｉｒ値が０．６未満となってしまい、皮膜の内部欠陥が増加した結果、早期に欠損が発生して工具寿命に至った。

比較例２９は第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６３％、Ｃｒ：３７％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８３％、Ｓｉ：１７％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、バイアス電圧をパルス化する時の正のバイアス電圧を１３（Ｖ）とし、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜したものである。第１硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−１００（Ｖ）、パルス周波数を２５ｋＨｚ、第２硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−５０（Ｖ）、パルス周波数を２５ｋＨｚとした。バイアス電圧をパルス化する時における正の電圧の上限値を検証する目的で作製した。正の電圧を１３（Ｖ）として成膜した場合、Ｉｔ／Ｉｒ値が１．５を超えてしまい、亀裂が発生しやすい上に、改善の効果は少なく、従来例３１からの工具寿命の大きな差は確認できなかった。

比較例３０は第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６８％、Ｃｒ：３２％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：８５％、Ｓｉ：１５％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜、バイアス電圧をパルス化する時の正のバイアス電圧を０（Ｖ）とし、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜したものである。第１硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−１００（Ｖ）、パルス周波数を２５ｋＨｚ、第２硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−５０（Ｖ）、パルス周波数を２５ｋＨｚとした。パルス化時における印加方式の効果を検証する目的で作製した。バイアス電圧をパルス化する時の正の電圧を０（Ｖ）とし、ユニポーラバイアスで成膜した場合、比較例２８と同様にＩｔ／Ｉｒ値が０．６未満となった。皮膜の内部欠陥が増加した結果、早期に欠損が発生して寿命になった。ユニポーラバイアスでは耐摩耗性の改善は図れなかった。

従来例３１は第１硬質皮膜を金属成分のみの組成が原子％で、Ａｌ：６６％、Ｃｒ：３４％の（ＡｌＣｒ）Ｎ膜、第２硬質皮膜を金属成分のみの組成が、Ｔｉ：９１％、Ｓｉ：９％の（ＴｉＳｉ）Ｎ膜とし、第１硬質皮膜及び第２硬質皮膜でパルスバイアスを使用せず直流ＤＣバイアスのみを使用し、その他の条件を本発明例１と同様の条件で成膜したものである。第１硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−１００（Ｖ）、第２硬質皮膜における成膜条件は、負のバイアス電圧を−５０（Ｖ）とした。本発明におけるパルスバイアスの使用の効果を検証する目的で作製した。直流ＤＣバイアスのみを使用して成膜した場合、残留圧縮応力が非常に高く、自己破壊及び剥離が発生し、早期で寿命に至る。

本発明の硬質皮膜被覆工具は、基体に炭化タングステン基超硬合金の他に、高速度工具鋼、サーメット等を採用した場合でも、より耐摩耗性と靱性のバランスが最適化される。但し、高速度工具鋼を基体として用いる場合は、その熱処理特性を考慮し４００〜４５０℃の範囲で被覆することが好ましい。このような比較的低温で成膜する場合は、印加するバイアス電圧や成膜時の反応圧力を適宜最適化する必要がある。

Claims (5)

1. 超硬合金を基体に圧縮応力を有する硬質皮膜を３〜２０μｍの膜厚で被覆した硬質皮膜被覆工具において、該硬質皮膜は基体側から順に、第１硬質皮膜及び第２硬質皮膜が被覆され、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜は交互に少なくとも１層被覆され、該第１硬質皮膜は、（Ａｌ_ａＣｒ _{１００−ａ−ｂ}Ｓｉ_ｂ）_ｃＮ_ｄで示され、但し、ａ及びｂは原子％であり、ｃ及びｄは原子比を表し、５０≦ａ≦７０、０≦ｂ＜１５及び０．８５≦ｃ／ｄ≦１．２５、であり、該第２硬質皮膜は、（Ｔｉ _{１００−ｅ}Ｓｉ_ｅ）_ｆＮ_ｇで示され、但し、ｅは原子％であり、ｆ及びｇは原子比を表し、１≦ｅ≦２０及び０．８５≦ｆ／ｇ≦１．２５、であり、該第１硬質皮膜及び該第２硬質皮膜の結晶構造はいずれも面心立方構造であり、該第１硬質皮膜のＸ線回折において（１１１）面のピーク強度をＩｒ、（２００）面のピーク強度をＩｓ及び（２２０）面のピーク強度をＩｔとしたときに、１．０≦Ｉｓ／Ｉｒ≦１０．０及び０．６≦Ｉｔ／Ｉｒ≦１．５、であり、該第１硬質皮膜と該第２硬質皮膜のＸ線回折における（２００）面の面間隔（ｎｍ）を夫々、ｄ１及びｄ２としたときに、０．９６５≦ｄ１／ｄ２≦０．９９０であり、該第２硬質皮膜は柱状結晶組織を有し、該柱状結晶組織の結晶粒はＳｉ成分に組成差を有する組成変調構造を有することを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
2. 請求項１に記載の硬質皮膜被覆工具において、該第２硬質皮膜のＸ線回折において（１１１）面のピーク強度をＩｕ、（２００）面のピーク強度をＩｖ及び（２２０）面のピーク強度をＩｗとしたときに、１．０≦Ｉｖ／Ｉｕ≦１０．０及び１．０≦Ｉｗ／Ｉｕ≦１．５、であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
3. 請求項１に記載の硬質皮膜被覆工具において、該第１硬質皮膜におけるＮ元素について、その一部をＣ元素及びＯ元素のうちの１種または２種の元素で置換し、非金属成分全体を１００原子％とし、原子％でＣ元素の含有量をｘ及びＯ元素の含有量をｙとしたとき、０＜ｘ≦１０、０＜ｙ≦１０及び０＜ｘ＋ｙ≦１０であり、Ｎ元素の含有量は１００−ｘ−ｙであることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具において、該第１硬質皮膜の膜厚をＴ１（μｍ）及び該第２硬質皮膜の膜厚をＴ２（μｍ）としたとき、０．１≦Ｔ１＜５．０及び０．１≦Ｔ２＜４．０であり、該第２硬質皮膜が最上層であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具において、超硬合金の基体と第１硬質皮膜との間に、Ｔｉ層もしくはＴｉを主成分とする窒化物、炭化物及び炭窒化物から選ばれる１種または２種以上から構成される密着改善層を有し、該密着改善層の膜厚は１μｍ以下であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。