JP5422651B2

JP5422651B2 - 硬質被膜、および硬質被膜被覆工具

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Publication number: JP5422651B2
Application number: JP2011519462A
Authority: JP
Inventors: 博昭杉田; 孝臣戸井原; 崇雅鈴木
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Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2014-02-19
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Description

本発明は硬質被膜に係り、特に、耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜の改良に関するものである。

高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材などの所定の部材の表面に硬質被膜を設けることが広く行われている。例えば特許文献１には、耐摩耗性に優れたＡ層の上に耐溶着性に優れたＢ層を設けることが提案されており、Ａ層はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ等の窒化物、炭窒化物などで、Ｂ層はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ等の酸化物、硼化物などである。

特開２００７−１５１０６号公報

しかしながら、このような従来の硬質被膜においては、工具母材等に対して必ずしも十分な付着強度が得られず、例えばステンレス鋼に対する切削加工や５０ＨＲＣ以下で溶着し易い被削材に対する切削加工などでは、早期に剥離やチッピング摩耗が発生して加工面が悪化したり切削性能がばらついたりする問題があった。

これに対し、例えば最表層に低摩擦係数の被膜を設けることで耐溶着性を改善することが考えられるが、耐熱性が損なわれ、高速切削等の高温になる加工条件で使用すると十分な耐摩耗性が得られない場合があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜が高い付着強度で工具母材等に設けられ、高温の使用条件においても優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようにすることにある。

かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の部材の表面上に設けられる耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜であって、（ａ）前記部材の表面に接して設けられる第ＩＩＩ層と、その第ＩＩＩ層の上に設けられる第ＩＩ層と、その第ＩＩ層の上に設けられて表面を構成する第Ｉ層とを有する多層構造で、（ｂ）前記第Ｉ層は、（ｂ−１）ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒαＮ〔但し、ＣｒとＡｌとの原子比は０．２５≦Ｃｒ／Ａｌ≦０．６７、αは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の何れか１種類〕から成るＩａ層と、（ｂ−２）（Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｂ_ａＸ_ｂ）（Ｃ_ｃＯ_ｄＮ_{１−ｃ−ｄ}）〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０＜ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内、Ｘは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の１種類以上〕から成るＩｂ層と、から構成され、（ｂ−３）そのＩａ層が最表層となるように１０ｎｍ以上の積層周期で１周期以上交互に積層されたもので、（ｃ）前記第ＩＩ層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、ＣｒとＡｌとの原子比は０．２５≦Ｃｒ／Ａｌ≦０．６７、Ｄは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の何れか１種類〕にて構成され、（ｄ）前記第ＩＩＩ層は、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗの中の１種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物にて構成されており、且つ、（ｅ）前記第Ｉ層、前記第ＩＩ層、および前記第ＩＩＩ層の総膜厚Ｔｔｏｔａｌは０．１〜１５μｍの範囲内で、（ｆ）前記第Ｉ層の膜厚Ｔ１は、総膜厚Ｔｔｏｔａｌの９〜５０％の範囲内で、（ｇ）前記第ＩＩＩ層の膜厚Ｔ３は、総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜２５％の範囲内で、（ｈ）前記第ＩＩ層の膜厚Ｔ２は、（Ｔｔｏｔａｌ−Ｔ１−Ｔ３）であることを特徴とする。

第２発明は、第１発明の硬質被膜において、（ａ）前記第Ｉ層の前記Ｉａ層と前記Ｉｂ層との境界部分には両者の混合層が設けられ、（ｂ）その第Ｉ層と前記第ＩＩ層との境界部分には両者の混合層が設けられ、（ｃ）その第ＩＩ層と前記第ＩＩＩ層との境界部分には両者の混合層が設けられていることを特徴とする。

第３発明は硬質被膜被覆工具に関するもので、第１発明または第２発明の硬質被膜で工具母材の表面が被覆されていることを特徴とする。

第１発明の硬質被膜は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、ＣｒとＡｌとの原子比は０．２５≦Ｃｒ／Ａｌ≦０．６７、Ｄは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の何れか１種類〕にて構成されている第ＩＩ層により優れた耐摩耗性が得られるとともに、工具母材等の硬質被膜を形成すべき所定の部材と上記第ＩＩ層との間には、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗの中の１種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物にて構成されている第ＩＩＩ層が介在させられているため、高い付着強度が得られる。また、上記第ＩＩ層の上に設けられる第Ｉ層は、Ｉａ層が最表層となるようにＩａ層およびＩｂ層を１０ｎｍ以上の積層周期（Ｉａ層およびＩｂ層の合計厚さ）で１周期以上交互に積層したもので、そのＩｂ層は、（Ｃｒ_{１−ａ−ｂ} Ｂ_ａＸ_ｂ）（Ｃ_ｃＯ_ｄＮ_{１−ｃ−ｄ}）〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０＜ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内、Ｘは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の１種類以上〕にて構成されているため、摩擦係数が小さくなって優れた耐溶着性が得られる。Ｉａ層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒαＮ（但し、ＣｒとＡｌとの原子比は０．２５≦Ｃｒ／Ａｌ≦０．６７、αは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の何れか１種類〕にて構成されているため、耐熱性が向上し、上記Ｉｂ層による耐溶着性を維持しつつ高速切削等の高温になる加工条件で使用する場合でも優れた耐摩耗性が得られるようになる。
特に、第Ｉ層〜第ＩＩＩ層の総膜厚Ｔｔｏｔａｌが０．１〜１５μｍの範囲内で、第Ｉ層の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔｔｏｔａｌの９〜５０％の範囲内で、第ＩＩＩ層の膜厚Ｔ３が総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜２５％の範囲内で、第ＩＩ層の膜厚Ｔ２が（Ｔｔｏｔａｌ−Ｔ１−Ｔ３）であるため、第Ｉ層による耐溶着性および耐熱性の向上、第ＩＩ層による耐摩耗性向上、および第ＩＩＩ層による付着強度向上の各効果が適切に得られる。

このように、第１発明の硬質被膜によれば、高温となる加工条件下での使用においても優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようになる。これにより、例えば第３発明のような硬質被膜被覆工具の場合、ステンレス鋼に対する切削加工や５０ＨＲＣ以下で溶着し易い被削材に対する切削加工などを高温となる加工条件で行なう場合でも、剥離やチッピング摩耗が抑制され、良好な加工面が得られるとともに、所定の加工性能が安定して得られるようになって工具寿命が向上する。

第２発明では、第Ｉ層のＩａ層とＩｂ層との境界部分に両者の混合層が設けられ、第Ｉ層と第ＩＩ層との境界部分に両者の混合層が設けられ、第ＩＩ層と第ＩＩＩ層との境界部分にも両者の混合層が設けられているため、それ等の各層間の相互の付着強度も高くなり、剥離やチッピング摩耗が一層効果的に抑制される。また、それ等のＩａ層〜第ＩＩＩ層をアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等のＰＶＤ法で形成する場合、上記混合層が形成されるようにターゲットや反応ガスの切換タイミングを適当に設定することにより、その混合層を含めて第ＩＩＩ層〜Ｉａ層を連続的に効率良く形成することができる。

本発明が適用されたボールエンドミルを示す図で、（ａ）は軸心直角方向から見た正面図、（ｂ）は先端側から見た拡大底面図、（ｃ）は硬質被膜が設けられた刃部の表面近傍の拡大断面図である。本発明品および比較品を含む複数の試験品の硬質被膜の被膜構造を説明する図である。図２の試験品の硬質被膜の各層の膜厚を示すとともに、その試験品を用いて所定の加工条件で切削加工を行なって逃げ面摩耗幅（耐摩耗性）を調べた結果を説明する図である。図２の試験品No７、No２０、No４５、No４７をそれぞれ２本ずつ用いて、所定の加工条件で耐久性試験を行なった結果を示す図である。図２の所定の試験品と同じ硬質被膜を設けたテストピースを用いて摩擦係数試験を行う際のピンオンディスク式摩擦試験装置を説明する概念図である。図４の装置を用いて調べた摩擦係数と併せて酸化試験で測定した酸化層厚さを示す図である。

本発明は、エンドミルやタップ、ドリルなどの回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具、或いは転造工具など、種々の加工工具の表面に設けられる硬質被膜に好適に適用されるが、半導体装置等の表面保護膜など加工工具以外の部材の表面に設けられる硬質被膜にも適用できる。硬質被膜被覆工具の工具母材としては、超硬合金や高速度工具鋼、サーメット、セラミックス、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、単結晶ダイヤモンド、多結晶ＣＢＮ、単結晶ＣＢＮが好適に用いられるが、他の工具材料を採用することもできる。

硬質被膜の形成手段としては、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法、ＰＬＤ（Puls LASER Deposition ）法等のＰＶＤ法（物理蒸着法）が好適に用いられる。硬質被膜を構成するＡｌＣｒ、ＡｌＣｒα、ＣｒＢＸ、ＡｌＣｒＤ等の合金や金属元素については、例えば同じ組成の金属ターゲットを用意すれば良く、Ｉａ層および第II層のＮや、Ｉｂ層のＣ、Ｏ、Ｎ、第 III層の炭化物、炭窒化物、窒化物については、窒素や炭素、酸素を反応ガスとして供給すれば良い。なお、α、Ｘ、およびＤの選択肢である「ＳｉＣ」は、炭化珪素という化合物の形でＡｌＣｒα、ＣｒＢＸ、ＡｌＣｒＤの合金を構成していることを意味する。

（Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｂ_ａＸ_ｂ）（Ｃ_ｃＯ_ｄＮ_{１−ｃ−ｄ}）〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０＜ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内、Ｘは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の１種類以上〕から成るＩｂ層のＸは、１種類の元素または化合物（ＳｉＣ）であっても良いが２種類以上の元素または化合物を含んでいても良く、２種類以上の元素または化合物から成る場合は、それ等の原子比の合計が原子比ｂの範囲内、すなわち０．５以下であれば良い。

ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒαＮ〔但し、ＣｒとＡｌとの原子比は０．２５≦Ｃｒ／Ａｌ≦０．６７、αは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の何れか１種類〕から成るＩａ層のαは、前記Ｉｂ層のＸとは別個に適宜定められるが、Ｉｂ層のＸと同じであっても良い。ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、ＣｒとＡｌとの原子比は０．２５≦Ｃｒ／Ａｌ≦０．６７、Ｄは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の何れか１種類〕から成る第ＩＩ層のＤも、上記Ｉａ層のαや前記Ｉｂ層のＸとは別個に適宜定められるが、それ等のＩａ層のα或いはＩｂ層のＸと同じであっても良い。Ｉａ層のα、Ｉｂ層のＸ、および第ＩＩ層のＤが同じであっても良い。

第２発明では、第Ｉ層のＩａ層とＩｂ層との境界部分に両者の混合層が設けられ、第Ｉ層と第ＩＩ層との境界部分に両者の混合層が設けられ、第ＩＩ層と第ＩＩＩ層との境界部分に両者の混合層が設けられているが、それ等の混合層は必ずしも必要なく、第ＩＩＩ層の上に直接第ＩＩ層を形成するとともに、その第ＩＩ層の上に直接第Ｉ層を形成するようにしても良い。第Ｉ層のＩａ層およびＩｂ層についても、混合層を介在することなく直接積層しても良い。また、上記境界部分の一部についてのみ混合層が設けられても良い。

第１発明では、総膜厚Ｔtotal が０．１〜１５μｍの範囲内であるが、０．１μｍ未満の場合は硬質被膜としての性能が十分に得られず、１５μｍを超えると切削工具の刃先が丸くなるなどして工具性能が損なわれる可能性がある。第Ｉ層の膜厚Ｔ１は総膜厚Ｔtotal の９〜５０％の範囲内であるが、９％未満では第Ｉ層による耐溶着性（摩擦係数低下）の向上効果が十分に得られず、５０％を超えると、第II層による耐摩耗性の向上効果が損なわれる可能性がある。また、第 III層の膜厚Ｔ３は総膜厚Ｔtotal の１〜２５％の範囲内であるが、１％未満では第 III層による付着強度の向上効果が十分に得られず、２５％を超えると、第II層による耐摩耗性の向上効果が損なわれる可能性がある。

第Ｉ層は、少なくともＩａ層が最表層となるようにＩａ層およびＩｂ層が１周期以上交互に設けられれば良く、例えば第ＩＩ層の上にＩｂ層、Ｉａ層を１層ずつ設けるだけでも良い。第ＩＩ層の上にＩａ層を設け、その上にＩｂ層、Ｉａ層を交互に１周期以上積層することもできる。要するに、第ＩＩ層の上にＩａ層およびＩｂ層を偶数層設ける場合はＩｂ層から形成し、Ｉａ層およびＩｂ層を３層以上の奇数層設ける場合はＩａ層から形成すれば良い。

Ｉａ層およびＩｂ層は、１０ｎｍ以上の積層周期（Ｉａ層およびＩｂ層の合計厚さ）で積層され、例えばそれぞれ５ｎｍ以上の同じ厚さで積層されるが、必ずしも両者が同じ厚さである必要はなく、少なくとも積層周期が１０ｎｍ以上になるように互いに相違する膜厚で積層することも可能である。積層周期が連続的或いは段階的に変化していても良いし、Ｉａ層とＩｂ層の厚さの比が連続的或いは段階的に変化していても良い。Ｉａ層およびＩｂ層は、耐熱性および耐溶着性の向上効果を適切に得る上で、それぞれ１層当り５ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲内の膜厚で設けることが望ましい。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明が適用された硬質被膜被覆工具の一例であるボールエンドミル１０を説明する図で、（ａ）は軸心と直角方向から見た正面図、（ｂ）は先端側（（ａ）の図の右方向）から見た拡大底面図であり、超硬合金にて構成されている工具母材１２にはシャンクおよび刃部１４が一体に設けられている。刃部１４には、切れ刃として一対の外周刃１６およびボール刃１８が軸心に対して対称的に設けられており、軸心まわりに回転駆動されることによりそれ等の外周刃１６およびボール刃１８によって切削加工が行われるとともに、その刃部１４の表面には硬質被膜２０がコーティングされている。図１(a) の斜線部は硬質被膜２０を表しており、図１の(c) は、硬質被膜２０がコーティングされた刃部１４の表面近傍の断面図である。ボールエンドミル１０は回転切削工具で、工具母材１２は硬質被膜２０が設けられる所定の部材に相当する。

図１(c) から明らかなように、硬質被膜２０は第Ｉ層２２、第II層２４、および第 III層２６から構成されているとともに、第Ｉ層２２はＩａ層２２ａおよびＩｂ層２２ｂが少なくとも１周期以上積層されている多層構造で、本実施例ではアークイオンプレーティング装置を用いて、ターゲットや反応ガスを切り換えることにより連続的に形成されている。工具母材１２の表面に接して設けられる第 III層２６は、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗの中の１種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物にて構成されている。具体的には、例えば図２の「被膜構造」の「第 III層」の欄に例示されているように、ＴｉＡｌＮ、ＺｒＡｌＮ、ＴｉＴａＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＣｒＢＶＮ、ＴｉＡｌＳｉＣＮ、ＣｒＢＮ、ＺｒＮ、ＴｉＡｌＺｒＮ、ＣｒＢＳｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＣｒＮｂＮ、ＴｉＶＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＡｌＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＨｆＮなどである。なお、図２の被膜構造の欄の各元素の後に記載されている小数は原子比である。また、図２の試験品No１〜No３８は本発明品で、試験品No３９〜No４８は比較品（従来品を含む）であり、図３は、同じ試験品に関する各層の膜厚および耐摩耗性試験等の結果を示した図である。

上記第 III層２６の上に設けられる第II層２４は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、ＣｒとＡｌとの原子比は０．２５≦Ｃｒ／Ａｌ≦０．６７、Ｄは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の何れか１種類〕にて構成されている。具体的には、例えば図２の「被膜構造」の「第II層」の欄に例示されているように、ＡｌＣｒＨｆＮ、ＡｌＣｒＹＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＴｉＮ、ＡｌＣｒＨｆＮ、ＡｌＣｒＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＮ、ＡｌＣｒＶＮ、ＡｌＣｒＮｂＮなどである。この第II層２４と第 III層２６との境界部分には、両者の組成が混ざった混合層が僅かな厚さ（例えば第II層２４の膜厚Ｔ２の１０％以下）で設けられているが、図では省略されている。この混合層は、第 III層２６を形成するためのターゲットおよび反応ガスから第II層２４を形成するためのターゲットおよび反応ガスに切り換えるタイミングをずらし、第 III層２６を形成するためのターゲットおよび反応ガスと、第II層２４を形成するためのターゲットおよび反応ガスとを、所定時間だけ重複して用いることにより、第 III層２６に連続して形成することができる。また、その状態で第 III層２６を形成するためのターゲットへの通電（アーク放電）および反応ガスの供給を停止すれば、混合層から連続して第II層２４に切り換えることができる。なお、反応ガスが共通であれば、ターゲットへの通電のみを切り換えれば良い。

上記第II層２４の上に設けられる第Ｉ層２２は、Ｉａ層２２ａが最表層となるようにそのＩａ層２２ａおよびＩｂ層２２ｂを１０ｎｍ以上の積層周期で１周期以上交互に積層したもので、本実施例ではＩｂ層２２ｂから偶数層設けられている。第II層２４の上に設けられるＩｂ層２２ｂは、（Ｃｒ_1-a-bＢ_aＸ_b）（Ｃ_cＯ_dＮ_1-c-d）〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０＜ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内、Ｘは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の１種類以上〕にて構成されている。具体的には、例えば図２の「被膜構造」の「Ｉｂ層」の欄に例示されているように、ＣｒＢＶＮ、ＣｒＢＳｉＣＨｆＮ、ＣｒＢＮｂＮ、ＣｒＢＳｉＣＮ、ＣｒＢＴｉＯＮ、ＣｒＢＴａＮ、ＣｒＢＴｉＮ、ＣｒＢＷＮ、ＣｒＢＹＮ、ＣｒＢＶＣＮ、ＣｒＢＭｏＮなどである。このＩｂ層２２ｂと第II層２４との境界部分にも、両者の組成が混ざった混合層が僅かな厚さ（例えばＩｂ層２２ｂの膜厚の１０％以下）で設けられているが、図では省略されている。この混合層も、前記第II層２４と第 III層２６との境界部分の混合層と同様に連続して形成することができる。

上記Ｉｂ層２２ｂの上に設けられるＩａ層２２ａは、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒαＮ〔但し、ＣｒとＡｌとの原子比は０．２５≦Ｃｒ／Ａｌ≦０．６７、αは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の何れか１種類〕にて構成されている。具体的には、例えば図２の「被膜構造」の「Ｉａ層」の欄に例示されているように、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＹＮ、ＡｌＣｒＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＴｉＮ、ＡｌＣｒＭｏＮ、ＡｌＣｒＷＮ、ＡｌＣｒＮｂＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＣｒＺｒＮなどである。このＩａ層２２ａとＩｂ層２２ｂとの境界部分にも、両者の組成が混ざった混合層が僅かな厚さ（例えばＩａ層２２ａの膜厚の１０％以下）で設けられているが、図では省略されている。この混合層も、前記第ＩＩ層２４と第ＩＩＩ層２６との境界部分の混合層と同様に連続して形成することができる。

上記Ｉａ層２２ａおよびＩｂ層２２ｂは、Ｉａ層２２ａが最表層となるように１０ｎｍ以上の積層周期で１周期以上交互に積層されている。図２および図３の具体例では、試験品Ｎｏ５の積層数が５０で、膜厚が０．３μｍであることから、積層周期は１２ｎｍとなり、この中では最も薄い場合である。試験品Ｎｏ２２の積層数は２すなわち１周期で、膜厚が１μｍであることから、積層周期は１μｍであり、この中では最も厚い場合である。また、Ｉａ層２２ａおよびＩｂ層２２ｂの各膜厚は、例えば５ｎｍ以上の厚さで個別に適宜設定されるが、本実施例では同じ膜厚で形成されており、試験品Ｎｏ５の場合はそれぞれ６ｎｍ、試験品Ｎｏ２２の場合はそれぞれ５００ｎｍである。この膜厚は、前記混合層を含めた厚さである。

また、前記第Ｉ層２２、第ＩＩ層２４、および第ＩＩＩ層２６を合わせた硬質被膜２０全体の総膜厚Ｔｔｏｔａｌは０．１〜１５μｍの範囲内で、第Ｉ層２２の膜厚Ｔ１は総膜厚Ｔｔｏｔａｌの９〜５０％の範囲内、第ＩＩＩ層２６の膜厚Ｔ３は総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜２５％の範囲内、第ＩＩ層２４の膜厚Ｔ２は（Ｔｔｏｔａｌ−Ｔ１−Ｔ３）である。図３の膜厚の欄に括弧書きで示されている％は、それぞれ総膜厚Ｔtotal に対する比率である。

このような本実施例のボールエンドミル１０の硬質被膜２０によれば、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮにて構成されている第II層２４により優れた耐摩耗性が得られるとともに、工具母材１２と上記第II層２４との間には、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗの中の１種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物にて構成されている第 III層２６が介在させられているため、高い付着強度が得られる。また、上記第II層２４の上に設けられる第Ｉ層２２は、Ｉａ層２２ａが最表層となるようにＩａ層２２ａおよびＩｂ層２２ｂを１０ｎｍ以上の積層周期で１周期以上交互に積層したもので、そのＩｂ層２２ｂは、（Ｃｒ_1-a-bＢ_aＸ_b）（Ｃ_cＯ_dＮ_1-c-d）にて構成されているため、摩擦係数が小さくなって優れた耐溶着性が得られる。Ｉａ層２２ａは、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒαＮにて構成されているため、耐熱性が向上し、上記Ｉｂ層２２ｂによる耐溶着性を維持しつつ高速切削等の高温になる加工条件で使用する場合でも優れた耐摩耗性が得られるようになる。

したがって、高温となる加工条件下での使用においても優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようになり、ステンレス鋼に対する切削加工や５０ＨＲＣ以下で溶着し易い被削材に対する切削加工などを高温となる加工条件で行なう場合でも、剥離やチッピング摩耗が抑制され、良好な加工面が得られるとともに、所定の加工性能が安定して得られるようになって工具寿命が向上する。

また、本実施例では、第Ｉ層２２のＩａ層２２ａとＩｂ層２２ｂとの境界部分に両者の混合層が設けられ、第Ｉ層２２と第II層２４との境界部分に両者の混合層が設けられ、第II層２４と第 III層２６との境界部分にも両者の混合層が設けられているため、それ等の各層間の相互の付着強度も高くなり、剥離やチッピング摩耗が一層効果的に抑制される。本実施例では、それ等のＩａ層２２ａ〜第 III層２６がアークイオンプレーティング法によって形成されるため、上記混合層が形成されるようにターゲットや反応ガスの切換タイミングを適当に設定することにより、その混合層を含めて第 III層２６〜Ｉａ層２２ａを連続的に効率良く形成することができる。

また、本実施例では、第Ｉ層２２〜第ＩＩＩ層２６の総膜厚Ｔｔｏｔａｌが０．１〜１５μｍの範囲内で、第Ｉ層２２の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔｔｏｔａｌの９〜５０％の範囲内で、第ＩＩＩ層２６の膜厚Ｔ３が総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜２５％の範囲内で、第ＩＩ層２４の膜厚Ｔ２が（Ｔｔｏｔａｌ−Ｔ１−Ｔ３）であるため、第Ｉ層２２による耐溶着性および耐熱性の向上、第ＩＩ層２４による耐摩耗性向上、および第ＩＩＩ層２６による付着強度向上の各効果が適切に得られる。

次に、工具母材１２が超硬合金製で直径が６ｍｍ（先端Ｒ＝３）、２枚刃の本実施例のボールエンドミル１０（第１発明および第２発明の要件を満たす本発明品）と、硬質被膜２０を構成している第Ｉ層２２、第II層２４、第 III層２６の有無や被膜組成、原子比、膜厚が第１発明の要件を満たしていない比較品（従来品を含む）とを用意し、以下の加工条件で切削加工を行って２８０ｍ切削加工した後のボール刃１８の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を調べた結果を説明する。図２および図３の試験品No１〜No３８は本発明品で、試験品No３９〜No４８は比較品であり、網掛けを付した欄は本発明の要件から外れている項目である。また、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）は２枚のボール刃１８の平均値で、許容範囲を０．１ｍｍ以下として合否判定を行った。なお、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）については測定が容易でないため、一部の試験品についてのみ調べ、記載の無いものは測定を省略した。
《加工条件》
・被削材種：ＳＵＳ３０４（ＪＩＳの規定によるステンレス鋼）
・切削方法：ピック加工
・切削速度：２３８ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．１２ｍｍ／ｔ
・切り込み：ａａ＝０．３ｍｍ、Ｐｆ＝０．６ｍｍ
・切削油剤：エアブロー

試験品No１〜No３８の本発明品は、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲内（０．１ｍｍ以下）である。これに対し、試験品No３９〜No４８の比較品は、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲（０．１ｍｍ）を超えているか、加工途中で欠けが発生して加工不可となり、十分な耐久性（工具寿命）が得られなかった。被膜硬さＨＶは、試験品No１〜No３８の本発明品では２７９０〜２９５０であるのに対し、比較品では２７９０〜２９００であるが、測定誤差や個体差を考慮すると殆ど差がないものと考えられ、耐溶着性や付着強度が耐久性（逃げ面摩耗幅）に大きく影響しているものと考えられる。

また、上記試験品No７、No２０、No４５、およびNo４７のボールエンドミルを２本ずつ用意し、以下の加工条件で切削加工を行って工具寿命に達するまでの切削距離を調べたところ、図４に示す結果が得られた。工具寿命は、２枚のボール刃１８の何れか一方の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）が０．１ｍｍに達したことで判定した。
《加工条件》
・被削材種：ダイカスト金型鋼（ＪＩＳの規定によるＳＫＤ６１相当）（４３ＨＲＣ）
・切削方法：ピック加工
・切削速度：２１６ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．１２ｍｍ／ｔ
・切り込み：ａａ＝０．３ｍｍ、Ｐｆ＝０．６ｍｍ
・切削油剤：水溶性

図４の結果から、試験品No７およびNo２０の本発明品は約２００ｍの切削加工が可能であったのに対し、試験品No４５およびNo４７の比較品（従来品）では１１０ｍ以下で、本発明品によれば約２倍の耐久性が得られるようになった。

また、直径が６ｍｍの円柱形状で、先端ラップ面がＲ５の球面とされた超硬テストピースにおいて、そのラップ面に前記試験品No５、No７、No２０、No２６、No３９、No４５、No４７と同じ硬質被膜をコーティングしたものを用意し、図５に示すピンオンディスク式摩擦試験装置を用いて以下の試験条件で摩擦係数を調べたところ、図６に示す結果が得られた。
《試験条件》
・相手材：ＳＵＳ３０４（ＪＩＳの規定によるステンレス鋼）
・荷重：０．５Ｎ
・線速度：１００ｍｍ／ｓ
・時間：６００秒
・試験雰囲気：大気

図６の「摩擦係数」の欄に示すように、試験品No５、No７、No２０、No２６の本発明品は何れも０．４１以下であるのに対し、試験品No４５、No４７の比較品（従来品）は０．６９、０．６８と大きく、本発明品によれば摩擦係数が２／３以下になって優れた耐溶着性が得られるようになる。なお、Ｉａ層２２ａを備えていない３層構造の試験品No３９については、本発明品と同程度の摩擦係数（０．３９）であった。

上記摩擦係数試験を行った試験品No５、No７、No２０、No２６、No３９、No４５、No４７の７種類の硬質被膜について、同じく直径が６ｍｍの円柱形状で先端がＲ５の球面とされた超硬テストピースにそれ等の硬質被膜をコーティングしたものを用意し、耐酸化性（耐熱性）試験を行なって酸化層厚さを測定した。結果を、前記摩擦係数試験の結果と併せて前記図６に示す。
《試験条件》
・加熱温度：１０００℃（昇温時間：４０分保持時間：１０分）
・装置：電気炉
・試験雰囲気：大気

図６の「酸化層厚さ」の欄に示すように、試験品No５、No７、No２０、No２６の本発明品は何れも０．９０μｍ以下であるのに対し、前記Ｉａ層２２ａを備えていない試験品No３９は２．８μｍと厚く、見た目にもボロボロしていて光沢が無くなっていた。すなわち、Ｉａ層２２ａを備えていない試験品No３９は耐熱性が悪く、例えば高速切削等の高温になる加工条件で使用すると、所定の耐摩耗性が得られなくなるのに対し、Ｉａ層２２ａを有する本発明品によれば、高温になる加工条件で使用する場合でも硬質被膜２０が良好に維持され、所定の耐摩耗性が得られる。なお、試験品No４５、No４７は、本発明品と略同じ酸化層厚さで、同等の耐熱性を有するが、前述したように摩擦係数が大きくて十分な耐溶着性が得られない。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。

１０：ボールエンドミル（硬質被膜被覆工具）１２：工具母材（所定の部材）２０：硬質被膜２２：第Ｉ層２２ａ：Ｉａ層２２ｂ：Ｉｂ層２４：第II層２６：第 III層

Claims

所定の部材の表面上に設けられる耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜であって、
前記部材の表面に接して設けられる第 III層と、該第 III層の上に設けられる第II層と、該第II層の上に設けられて表面を構成する第Ｉ層とを有する多層構造で、
前記第Ｉ層は、
ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒαＮ〔但し、ＣｒとＡｌとの原子比は０．２５≦Ｃｒ／Ａｌ≦０．６７、αは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の何れか１種類〕から成るＩａ層と、
（Ｃｒ_1-a-bＢ_aＸ_b）（Ｃ_cＯ_dＮ_1-c-d）〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０＜ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内、Ｘは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の１種類以上〕から成るＩｂ層と、
から構成され、該Ｉａ層が最表層となるように１０ｎｍ以上の積層周期で１周期以上交互に積層されたもので、
前記第II層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、ＣｒとＡｌとの原子比は０．２５≦Ｃｒ／Ａｌ≦０．６７、Ｄは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｙ、およびＳｉＣの中の何れか１種類〕にて構成され、
前記第 III層は、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗの中の１種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物にて構成されており、
且つ、前記第Ｉ層、前記第II層、および前記第 III層の総膜厚Ｔtotal は０．１〜１５μｍの範囲内で、
前記第Ｉ層の膜厚Ｔ１は、総膜厚Ｔtotal の９〜５０％の範囲内で、
前記第 III層の膜厚Ｔ３は、総膜厚Ｔtotal の１〜２５％の範囲内で、
前記第II層の膜厚Ｔ２は、（Ｔtotal −Ｔ１−Ｔ３）である
ことを特徴とする硬質被膜。
前記第Ｉ層の前記Ｉａ層と前記Ｉｂ層との境界部分には両者の混合層が設けられ、
該第Ｉ層と前記第II層との境界部分には両者の混合層が設けられ、
該第II層と前記第 III層との境界部分には両者の混合層が設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
請求項１または２に記載の硬質被膜で工具母材の表面が被覆されていることを特徴とする硬質被膜被覆工具。