JP5497062B2 - 硬質被膜、および硬質被膜被覆工具 - Google Patents

Description

本発明は硬質被膜に係り、特に、耐摩耗性および耐熱性に優れた硬質被膜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。そして、例えば高硬度被削材の高速加工においては、被膜の耐熱性（高温での耐酸化性）が大変重要で、工具寿命に大きく影響する。このような耐熱性に優れた硬質被膜としては、例えばＴｉＡｌＮ系やＡｌＣｒＮ系の被膜が従来から知られている（例えば特許文献１〜５参照）。

特開２００７−１５１０６号公報 特開２００７−１１９７９５号公報 特開２００７−２３３２号公報 特開２００６−３０７３２３号公報 特開２００４−１３０５１４号公報

しかしながら、切削加工の更なる高速化や高能率化で切れ刃が一層高温となる過酷な加工条件で使用される場合があり、硬質被膜に関しても更なる耐熱性の向上が求められている。また、環境問題から切削油剤の使用量の低減が求められているが、切削油剤の使用量を低減すると工具が高温になり易く、この点からも硬質被膜の耐熱性の向上が要求される。

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、一層優れた耐熱性が得られる硬質被膜を提供することにある。

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熱性に優れた硬質被膜であって、(a) Ａｌ_a Ｃｒ_b （ＳｉＣ) _c α_d Ｎ〔但し、αは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙの中の１種類以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０．３５≦ａ≦０．７６、０．１２≦ｂ≦０．４３、０．０５≦ｃ≦０．２０、０≦ｄ≦０．２０の範囲内であり、且つＡｌに対するＣｒの原子比の割合ｂ／ａは０．２５≦ｂ／ａ≦０．６７の範囲内でアルミニウムリッチであり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１である〕から成り、最表面に設けられる第１被膜を備えているとともに、(b) 総膜厚Ｔtotal は０．５〜１５μｍの範囲内で、前記第１被膜の膜厚Ｔ１、または第１被膜と同じ被膜成分を有する他の被膜部分を備えている場合はその他の被膜部分を含めた膜厚が、総膜厚Ｔtotal の２０％以上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１被膜が前記所定の部材の表面上に直接設けられ、その第１被膜のみにて構成されており、(b) その第１被膜の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔtotal であることを特徴とする。

第３発明は、第１発明の硬質被膜において、前記所定の部材と前記第１被膜との間であってその所定の部材の表面上には、Ｔｉ_e Ａｌ_f Ｃｒ_g β_h Ｎ〔但し、βは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｔｉ、Ｃｒを除く）、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙの中の１種類以上の元素であり、ｅ、ｆ、ｇ、ｈはそれぞれ原子比で、０≦ｅ≦０．６４、０．３２≦ｆ≦０．８１、０≦ｇ≦０．４０、０≦ｈ≦０．２０の範囲内であり、且つｅとｇは同時に０にはならず、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１である〕から成る第２被膜が設けられていることを特徴とする。

第４発明は、第３発明の硬質被膜において、(a) 前記第１被膜は前記第２被膜の上に直接設けられ、それ等の第１被膜および第２被膜のみにて構成されており、(b) 前記第１被膜の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔtotal の２０％以上であることを特徴とする。

第５発明は、第３発明の硬質被膜において、前記第１被膜と前記第２被膜との間には、それ等の第１被膜および第２被膜と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または第１被膜および第２被膜が混ざった被膜成分の混合層にて構成されている中間層が設けられていることを特徴とする。

第６発明は硬質被膜被覆工具に関するもので、第１発明〜第５発明の何れか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発明の硬質被膜によれば、Ａｌに対するＣｒの原子比の割合ｂ／ａが０．２５≦ｂ／ａ≦０．６７の範囲内のアルミニウムリッチのＡｌＣｒＮ系の被膜に、ＳｉＣ（炭化珪素）が０．０５〜０．２０の原子比で添加されたＡｌ_a Ｃｒ_b （ＳｉＣ) _c α_d Ｎから成る第１被膜が、少なくとも最表面に設けられるとともに、その第１被膜の膜厚Ｔ１、または第１被膜と同じ被膜成分を有する他の被膜部分を備えている場合はその他の被膜部分を含めた膜厚が、総膜厚Ｔtotal の２０％以上であるため、所定の耐摩耗性を確保しつつ一層優れた耐熱性（高温での耐酸化性）が得られるようになる。これにより、例えば切込み量が大きい高負荷切削等の高能率加工や、高硬度材に対する高速切削加工など切れ刃が高温になる過酷な条件下での切削加工が可能になり、或いはそのような切削加工での工具寿命が向上するとともに、切削油剤の使用量を低減することが可能となる。

また、αが０．２０以下の原子比で添加される場合は、一層優れた耐熱性が得られるようになる。これにより、例えば高速切削穴明け加工など刃先が局部的（ドリルのコーナーなど）に長い時間高温に晒される条件下において、優れた耐摩耗性、耐熱性が得られるようになり、耐久性（工具寿命）が向上する。すなわち、切れ刃に略均等に負荷が作用するエンドミル等においては、αの添加による明確な耐久性向上効果は認められなかったが、ドリルによる高速穴明け加工では、α添加無しの場合に比較して耐久性が更に向上した。

第３発明は、所定の部材の表面上に強靱で付着力に優れたＴｉ_e Ａｌ_f Ｃｒ_g β_h Ｎの第２被膜が設けられる場合で、硬質被膜の付着力が向上するとともに、第１被膜の被膜成分を有する部分の膜厚は総膜厚Ｔtotal の２０％以上であるため、その第１被膜の被膜成分による耐熱性の向上効果が適切に得られる。これにより、例えば５０ＨＲＣ以上の高硬度被削材にドライ加工（エアブロー）で高速切削加工を行う場合でも被膜剥離が抑制され、優れた耐摩耗性および耐熱性が適切に得られるようになる。また、この第２被膜についても、βが０．２０以下の原子比で添加されることにより、一層優れた耐熱性が得られるようになる。例えば、ＴｉＡｌ化合物において、Ｔｉの酸化がＡｌの酸化より速いため耐酸化性が悪い場合があるが、βを添加することでＴｉ酸化物の酸素空孔濃度が減少し、その成長速度が小さくなることが期待できる。その結果均一なＡｌ酸化物層が出来やすくなり、耐酸化性を得ることが可能となる。

第５発明は、第１被膜と第２被膜との間に、それ等の第１被膜および第２被膜と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または第１被膜および第２被膜が混ざった被膜成分の混合層にて構成されている中間層が設けられている場合で、第１被膜の密着性が更に向上するとともに被膜全体の靱性が向上する。これにより、難削材（硬くてねばい材料）の加工に対しても表層剥離が抑制され、長時間安定した加工性能が得られるようになって工具寿命が向上する。

第６発明は硬質被膜被覆工具に関するもので、第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜で工具母材の表面が被覆されている場合であり、実質的に第１発明〜第５発明の硬質被膜と同様の作用効果が得られる。

本発明が適用されたボールエンドミルを示す図で、(a) は軸心と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。 ＡｌＣｒ（ＳｉＣ）ＮとＡｌＣｒＳｉＣＮとの相違を説明する図で、(a) はＡｌＣｒ（ＳｉＣ）Ｎの原子構造の概念図、(b) はＡｌＣｒＳｉＣＮの原子構造の概念図、(c) はＡｌＣｒＳｉＣＮのＳｉの挙動を説明する図である。 ＳｉＣを化合物として含有しているＳｉＣ含有品と、ＳｉＣを化合物として含有していないＳｉＣ非含有品とについて、ＸＰＳによる測定結果を比較して示す図である。 本発明の他の実施例を説明する図で、(a) 、(b) 共に図１の(c) に相当する断面図である。 本発明の更に別の実施例を説明する図で、(a) 、(b) 共に図１の(c) に相当する断面図である。 本発明品および従来品を含む複数種類の試験品について耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。 図６の耐久性試験で用いた試験品の被膜組成や膜厚を具体的に示すとともに、図６の耐久性試験や耐熱性試験等の試験結果を説明する図である。 本発明品および従来品を含む複数種類の試験品について、図６とは異なる耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。 図８の耐久性試験で用いた試験品の被膜組成や膜厚を具体的に示す図である。 図９の試験品について図８の耐久性試験や耐熱性試験等の試験結果を説明する図である。 図９の試験品No３０、No４９、No５０、No５６、No５９と同じ硬質被膜で被覆されたドリルの耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。 図１１の耐久性試験の試験結果を説明する図である。

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、合金工具鋼、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Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＳｉＣ（炭化珪素）、α、β等については、それ等の単独の金属や合金等をターゲットとして用いて成膜処理を行うこともできるが、Ａｌ_a Ｃｒ_b 、Ａｌ_a Ｃｒ_b α_d 、Ｔｉ_e Ａｌ_f 、Ｔｉ_e Ａｌ_f Ｃｒ_g 、Ｔｉ_e Ａｌ_f β_h 、Ｔｉ_e Ａｌ_f Ｃｒ_g β_h の合金等をターゲットとして用いて成膜処理を行うこともできる。Ｎ（窒素）については、反応ガスの供給で添加することができる。α、βの選択肢であるＣ（炭素）については、反応ガス（炭化水素ガスなど）の供給、或いは固体ターゲット（Ｃターゲット、Ｃ含有ターゲット）により添加できる。なお、第１被膜の構成要素である括弧書きの「（ＳｉＣ）」は、炭化珪素という化合物の形で第１被膜内に存在していることを意味する。

硬質被膜被覆工具は、例えば高速や高負荷での乾式切削加工、高硬度被削材に対する高速切削加工など切れ刃が高温となる加工条件で使用する場合に好適に用いられ、優れた耐久性（工具寿命）が得られるようになるが、耐摩耗性や耐熱性がそれ程要求されない加工条件下、例えば切削油剤を用いた切削加工等で使用することも勿論可能である。

第１被膜のαおよび第２被膜のβは、何れもその原子比ｄ、ｈが０を含んでおり、任意に添加されるもので、第１被膜はＡｌ_a Ｃｒ_b （ＳｉＣ）_c Ｎ〔但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１〕であっても良いし、第２被膜はＴｉ_e Ａｌ_f Ｃｒ_g Ｎ〔但し、ｅ＋ｆ＋ｇ＝１〕であっても良い。α或いはβを添加する場合、原子比ａ〜ｄは、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１の関係となるように定められ、原子比ｅ〜ｈは、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１の関係となるように定められる。αおよびβを共に添加する場合、α＝βであっても良いし、α≠βであっても良い。

第２被膜のＴｉおよびＣｒの原子比ｅ、ｇは０を含んでいるが、それ等の原子比ｅおよびｇが同時に０となることはなく、少なくともＴｉおよびＣｒの何れか一方を含んで構成される。ＴｉおよびＣｒの両方を所定の原子比で含有していても良い。言い換えれば、第２被膜としてはＴｉＡｌＣｒβＮの他、ＴｉＡｌβＮ、或いはＡｌＣｒβＮを用いることができる。

硬質被膜の総膜厚Ｔtotal は０．５μｍ〜１５μｍの範囲内であるが、０．５μｍ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。また、この総膜厚Ｔtotal に対して第１被膜および第１被膜と同じ被膜成分を有する他の被膜部分を含めた膜厚が２０％未満であると、その第１被膜の被膜成分による耐熱性の向上効果が十分に得られないため、２０％以上に設定される。第１被膜と同じ被膜成分を有する他の被膜部分とは、例えば第１被膜と同じ被膜成分の被膜と他の被膜とが交互に積層された交互層、或いは第１被膜の被膜成分と他の被膜成分とが混ざった混合層などを含む趣旨で、交互層の場合は第１被膜と同じ被膜成分の被膜部分の合計膜厚を含み、混合層の場合はその全膜厚を含む。なお、最表面に位置する第１被膜の膜厚Ｔ１だけで総膜厚Ｔtotal の２０％以上となるようにすることが一層望ましい。

第３発明では所定の部材と第１被膜との間に第２被膜が設けられ、第５発明では、その第２被膜と第１被膜との間に更に中間層が設けられるが、第１発明の実施に際しては、少なくとも第１被膜が最表面に位置するように設けられれば良く、第２発明のように第１被膜のみで硬質被膜を構成することもできるし、第２被膜とは成分が異なる他の下地層が所定の部材と第１被膜との間に設けられても良い。また、所定の部材と第１被膜との間に、上記第２被膜や中間層とは異なる２種類以上の被膜を設けることも可能で、硬質被膜の総膜厚Ｔtotal に対して第１被膜およびその第１被膜と同じ被膜成分を有する部分の合計膜厚が２０％以上であることを条件として種々の態様が可能である。第３発明の実施に際しては、第２被膜および第１被膜と同じ被膜成分の被膜を交互に積層した多層構造の硬質被膜を採用することもできる。その場合は、第１被膜と同じ被膜成分の被膜の合計膜厚に第１被膜の膜厚Ｔ１を加算した膜厚が総膜厚Ｔtotal の２０％以上になるようにすれば良い。

第５発明の中間層は、第１被膜および第２被膜と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または第１被膜および第２被膜が混ざった被膜成分の混合層にて構成されているが、交互層は少なくとも第１被膜および第２被膜と同じ被膜成分の被膜が１周期積層されれば良いとともに、両者の膜厚は同じであっても異なっていても良いなど、積層周期数や個々の膜厚等は適宜設定される。混合層は、第１被膜および第２被膜の成分を総て含んでいるもので、第１被膜および第２被膜の成膜処理で使用するターゲットおよび反応ガス等を総て用いることによって形成できる。この中間層の膜厚は、中間層のうち第１被膜の被膜成分を有する部分の膜厚（混合層の場合は全膜厚で、交互層の場合は第１被膜と同じ被膜成分の被膜の合計膜厚）と第１被膜の膜厚Ｔ１とを合わせた膜厚が総膜厚Ｔtotal の２０％以上となるように適宜設定されるが、最表面の第１被膜の膜厚Ｔ１だけで総膜厚Ｔtotal の２０％以上になるようにしても良い。上記混合層または他の被膜を介在させながら第１被膜および第２被膜と同じ被膜成分の被膜を交互に１周期以上積層した多層構造の交互層を中間層として採用することもできる。

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、超硬合金或いは高速度工具鋼にて構成されている工具母材１２にはシャンクに連続して刃部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、工具母材１２の表面上に直接設けられた第１被膜２２のみから成る単層の被膜である。この第１被膜２２は、Ａｌ_a Ｃｒ_b （ＳｉＣ) _c α_d Ｎ〔但し、αは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙの中の１種類以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０．３５≦ａ≦０．７６、０．１２≦ｂ≦０．４３、０．０５≦ｃ≦０．２０、０≦ｄ≦０．２０の範囲内であり、且つＡｌに対するＣｒの原子比の割合ｂ／ａは０．２５≦ｂ／ａ≦０．６７の範囲内でアルミニウムリッチであり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１である〕にて構成されており、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、所定のターゲットおよび反応ガスにより成膜されている。また、この第１被膜２２の膜厚Ｔ１、すなわち硬質被膜２０の総膜厚Ｔtotal は、０．５〜１５μｍの範囲内である。

図７に示す試験品No０５、No０６、No０８〜No１１、No１３、No１５〜No２２、No２４、No２５に示す硬質被膜は、本実施例の硬質被膜２０の具体例である。

ここで、第１被膜２２の構成要素である「（ＳｉＣ）」は、炭化珪素という化合物の形で第１被膜２２内に存在していることを意味し、このＳｉＣ（炭化珪素）が０．０５〜０．２０の原子比で添加されることにより、所定の耐摩耗性を確保しつつ優れた耐熱性（高温での耐酸化性）が得られるようになる。図２の(a) は、本実施例の第１被膜２２においてαの原子比ｄ＝０の場合、すなわちＡｌＣｒ（ＳｉＣ）Ｎの原子構造を示す概念図で、ＳｉＣは化合物の形で存在している。これに対し、単にＡｌＣｒＳｉＣＮと言った場合は、図２の(b) に示すようにＳｉとＣとが別個に存在している。そして、このようにＳｉとＣとが別個に存在しているＡｌＣｒＳｉＣＮにおいては、Ｓｉが酸素と結合し易いため、図２の(c) に示すように酸素が豊富な表面にＳｉが集まり、Ｓｉが酸素と結合して酸化珪素が表面に形成されることにより、優れた耐酸化性（耐熱性）が得られるようになる。

しかしながら、被膜中からＳｉが抜けるため、被膜中のＳｉの密度が低下し、耐摩耗性が損なわれる。これに対し、ＡｌＣｒ（ＳｉＣ）Ｎの場合は、ＳｉＣという化合物の形で存在しているため、酸素との結合性は低く、且つ、Ｓｉの表面への原子移動も生じないため、所定の耐摩耗性を維持しつつ耐酸化性を向上させることができる。因に、被膜中のＳｉＣの有無は、ＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectrometry; Ｘ線光電子分光法）による測定結果から判断できる。図３は、ＳｉＣを化合物として含有している場合（ＳｉＣ含有品）と、ＳｉＣを化合物として含有していない場合（ＳｉＣ非含有品）とについて、ＸＰＳによる測定結果を比較して示す図で、ＳｉＣ含有品では２８２ｅＶ付近にピークが発生し、このピークの有無からＳｉＣを化合物の形で含んでいるか否かを判断できる。

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は、Ａｌに対するＣｒの原子比の割合ｂ／ａが０．２５≦ｂ／ａ≦０．６７の範囲内のアルミニウムリッチのＡｌＣｒＮ系の被膜に、ＳｉＣ（炭化珪素）が０．０５〜０．２０の原子比で添加されたＡｌ_a Ｃｒ_b （ＳｉＣ) _c α_d Ｎから成る第１被膜２２によって構成されているため、所定の耐摩耗性を確保しつつ一層優れた耐熱性（高温での耐酸化性）が得られるようになる。これにより、例えば切込み量が大きい高負荷切削等の高能率加工や、高硬度材に対する高速切削加工など切れ刃が高温になる過酷な条件下での切削加工が可能になり、或いはそのような切削加工での工具寿命が向上するとともに、切削油剤の使用量を低減することが可能となる。

また、αが０．２０以下の原子比で添加される場合（例えば図７の試験品No１５〜No１８、No２４、No２５）は、一層優れた耐熱性が得られるようになる。これにより、例えば高速切削穴明け加工など刃先が局部的（ドリルのコーナーなど）に長い時間高温に晒される条件下において、優れた耐摩耗性、耐熱性が得られるようになり、耐久性（工具寿命）が向上する。なお、本実施例のボールエンドミル１０のようにボール刃１８に略均等に負荷が作用する場合は、αの添加による明確な耐久性向上効果は認められなかった。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前記実施例１と実質的に共通する部分には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。

図４の(a) の硬質被膜３０は、前記工具母材１２と第１被膜２２との間に第２被膜３２が介在させられている。この第２被膜３２は、Ｔｉ_e Ａｌ_f Ｃｒ_g β_h Ｎ〔但し、βは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｔｉ、Ｃｒを除く）、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙの中の１種類以上の元素であり、ｅ、ｆ、ｇ、ｈはそれぞれ原子比で、０≦ｅ≦０．６４、０．３２≦ｆ≦０．８１、０≦ｇ≦０．４０、０≦ｈ≦０．２０の範囲内であり、且つｅとｇは同時に０にはならず、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１である〕にて構成されており、第１被膜２２と同様にアークイオンプレーティング装置を用いて、所定のターゲットおよび反応ガスにより成膜されている。この場合の硬質被膜３０の総膜厚Ｔtotal は、前記硬質被膜２０と同じく０．５〜１５μｍの範囲内であり、第１被膜２２の膜厚Ｔ１は総膜厚Ｔtotal の２０％以上で、残りが第２被膜３２の膜厚となる。

図９に示す試験品No２８、No２９、No３２〜No３６、No３８〜No４６、No４８〜No５２、No５４、No５６〜No５８に示す硬質被膜は、本実施例の硬質被膜３０の具体例である。

このような本実施例の硬質被膜３０においては、工具母材１２と第１被膜２２との間に強靱で付着力に優れたＴｉ_e Ａｌ_f Ｃｒ_g β_h Ｎから成る第２被膜３２が設けられているため、硬質被膜３０の付着力が向上するとともに、第１被膜２２の膜厚Ｔ１は総膜厚Ｔtotal の２０％以上であるため、その第１被膜２２による耐熱性の向上効果が適切に得られる。これにより、例えば５０ＨＲＣ以上の高硬度被削材にドライ加工（エアブロー）で高速切削加工を行う場合でも被膜剥離が抑制され、優れた耐摩耗性および耐熱性が適切に得られるようになる。また、この第２被膜３２についても、βが０．２０以下の原子比で添加されることにより、一層優れた耐熱性が得られるようになる。

図４の(b) の硬質被膜３４は、上記第１被膜２２と第２被膜３２との間にそれ等と被膜成分が等しい一対の被膜２３、３３が交互に１周期以上（実施例は複数周期）積層された多層構造の被膜で、実質的に最表面が第１被膜２２になるように第２被膜３２および第１被膜２２を交互に工具母材１２上に積層したものである。この硬質被膜３４の総膜厚Ｔtotal は０．５〜１５μｍの範囲内で、第１被膜２２の被膜成分と等しい複数の被膜２３の合計膜厚に第１被膜２２の膜厚Ｔ１を加えた膜厚が総膜厚Ｔtotal の２０％以上となるように各膜厚が定められる。図では、被膜２２、２３、３２、３３の各膜厚が互いに略同じであるが、第１被膜２２の膜厚Ｔ１を他の被膜２３、３２、３３の膜厚よりも大きくするなど適宜設定できる。

このような本実施例の硬質被膜３４においても、工具母材１２上に第２被膜３２が設けられているため、前記硬質被膜３０と同様の作用効果が得られる。また、この硬質被膜３４は、第１被膜２２と第２被膜３２との間にそれ等と被膜成分が等しい一対の被膜２３、３３が交互に１周期以上積層された多層構造であるため、第１被膜２２の密着性が更に向上するとともに硬質被膜３４全体の靱性が向上する。第１被膜２２の被膜成分と等しい複数の被膜２３の合計膜厚に第１被膜２２の膜厚Ｔ１を加えた膜厚が総膜厚Ｔtotal の２０％以上であるため、その第１被膜２２の被膜成分による耐熱性の向上効果が適切に得られる。第１被膜２２および第２被膜３２と被膜成分が等しい一対の被膜２３、３３が交互に１周期以上積層された多層構造の被膜部分は中間層（この実施例では交互層）に相当する。

図５の(a) の硬質被膜４０は、前記実施例２の硬質被膜３０の第１被膜２２と第２被膜３２との間に更に中間層４２を設けた場合である。この中間層４２は、第１被膜２２および第２被膜３２と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または第１被膜２２および第２被膜３２が混ざった被膜成分の混合層で、本実施例では中間層４２として混合層が設けられている。この混合層は、第１被膜２２および第２被膜３２の成分を総て含んでいるもので、第１被膜２２および第２被膜３２の成膜処理で使用するターゲットおよび反応ガス等を総て用いることによって形成されており、第２被膜３２の成膜処理に続いて連続して中間層４２を形成し、更に第１被膜２２を連続して形成することができる。この硬質被膜４０の総膜厚Ｔtotal は０．５〜１５μｍの範囲内で、第１被膜２２と中間層（混合層の場合）４２とを合わせた膜厚Ｔ２は総膜厚Ｔtotal の２０％以上で、残りが第２被膜３２の膜厚である。中間層４２の膜厚は、膜厚Ｔ２が総膜厚Ｔtotal の２０％以上となるように適宜設定されるが、最表面の第１被膜２２の膜厚Ｔ１だけで総膜厚Ｔtotal の２０％以上になるようにしても良い。

図９に示す各試験品の中、「膜厚（μｍ）」の項目の「中間」の項目に数値（膜厚）が記載されている試験品No４７、No５３、No５５、No５９〜No６１に示す硬質被膜は、本実施例の硬質被膜４０の具体例である。これ等の実施例では、中間層４２の膜厚が、何れも第１被膜２２および第２被膜３２の何れの膜厚よりも小さい。

このような本実施例の硬質被膜４０においては、第１被膜２２と第２被膜３２との間に、それ等の第１被膜２２および第２被膜３２と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または第１被膜２２および第２被膜３２が混ざった被膜成分の混合層から成る中間層４２が設けられているため、第１被膜２２の密着性が更に向上するとともに硬質被膜４０全体の靱性が向上する。また、その中間層（混合層の場合）４２と第１被膜２２とを合わせた膜厚Ｔ２は総膜厚Ｔtotal の２０％以上であるため、その第１被膜２２の被膜成分による耐熱性の向上効果が適切に得られる。中間層４２が交互層の場合は、第１被膜２２と同じ被膜成分の被膜部分の合計膜厚に第１被膜２２の膜厚Ｔ１を加えた膜厚が総膜厚Ｔtotal の２０％以上とされれば良い。これにより、難削材（硬くてねばい材料）の加工に対しても表層剥離が抑制され、長時間安定した加工性能が得られるようになって工具寿命が向上する。

図５の(b) の硬質被膜４４は、第１被膜２２と第２被膜３２との間にそれ等と被膜成分が等しい一対の被膜２３、３３を上記中間層４２を挟むようにして交互に１周期以上（実施例は複数周期）積層した多層構造の被膜で、実質的に最表面が第１被膜２２になるように中間層４２を介在させながら第２被膜３２と第１被膜２２とを交互に工具母材１２上に積層したものである。この硬質被膜４４の総膜厚Ｔtotal は０．５〜１５μｍの範囲内で、第１被膜２２の被膜成分と等しい複数の被膜２３および混合層から成る中間層４２の合計膜厚に第１被膜２２の膜厚Ｔ１を加えた膜厚が総膜厚Ｔtotal の２０％以上となるように各膜厚が定められる。図では、被膜２２、２３、３２、３３、４２の各膜厚が互いに略同じであるが、第１被膜２２の膜厚Ｔ１を他の被膜２３、３２、３３、４２の膜厚よりも大きくするなど適宜設定できる。本実施例でも、一対の被膜２３、３３の間に中間層４２が設けられるため、前記硬質被膜４０と同様の作用効果が得られるのに加えて、それ等の被膜２３、３３が中間層４２を挟んで交互に１周期以上積層された多層構造であるため、密着性および靱性が一層向上する。このように第１被膜２２および第２被膜３２と同じ被膜成分の一対の被膜２３、３３を、中間層４２を挟むようにして交互に１周期以上積層した多層構造の被膜も交互層の一態様である。

試験結果１

次に、工具母材が溶製ハイス（高速度工具鋼）で直径が１０ｍｍの２枚刃のスクエアエンドミルについて、図７に示すように第１被膜２２の単層から成る前記実施例１の硬質被膜２０が設けられた本発明品を含む複数種類の試験品No０１〜No２６を用意し、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）を測定するとともに、耐熱性試験および耐久性試験を行った結果を説明する。被膜硬さは３０００未満をＮＧ（不合格）とする。耐熱性試験は、試験品を大気圧・空気雰囲気中で１０００℃に１時間晒した際の酸化層厚さを測定した。硬質被膜が総て酸化した全酸化は勿論、酸化層厚さが０．７μｍ以上の場合はＮＧとする。また、耐久性試験は、図６に示す試験条件で炭素鋼（ＪＩＳで規定のＳ５０Ｃ）に対して側面切削加工を行い、切れ刃の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍになるまでの切削距離を求め、その切削距離が１０ｍ未満の場合をＮＧとする。

図７の試験品No０１〜No０３は、ＳｉＣを含んでいないＡｌＣｒＮ系の硬質被膜の従来品で、試験品No０５、No０６、No０８〜No１１、No１３、No１５〜No２２、No２４、No２５は本発明品、残りの試験品No０４、No０７、No１２、No１４、No２３、No２６は、被膜組成の原子比やＣｒ／Ａｌ比（＝ｂ／ａ）、総膜厚Ｔtotal が本発明の要件を満たしていない比較品（ＮＧ品）である。図７の「硬質被膜」および「総膜厚」の項目で網掛け（散点）を付した欄は本発明の要件から外れている項目であり、「被膜硬さ」、「酸化層厚さ」、および「切削距離」の項目で網掛け（散点）を付した欄はＮＧを表している。なお、図７の「硬質被膜」の欄の被膜組成は、原子比を％で記載したものである。また、Ｎ（窒素）について記載していないが、総ての試験品の硬質被膜はＮ（窒素）を含有する窒化物である。

図７の試験結果から明らかなように、本発明品（試験品No０５、No０６、No０８〜No１１、No１３、No１５〜No２２、No２４、No２５）は、被膜硬さが何れも３０００以上であり、従来品（試験品No０１〜No０３）に比較して優れた被膜硬さが得られる。耐熱性試験による酸化層厚さは、本発明品（試験品No０５、No０６、No０８〜No１１、No１３、No１５〜No２２、No２４、No２５）は何れも０．６μｍ以下で合格要件（０．７μｍ未満）を満たしているが、特に、αを含有している試験品No１５〜No１８、No２４、No２５は酸化層厚さが０．３μｍ未満で、一層優れた耐熱性が得られる。また、耐久性試験による逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍの切削距離は、本発明品（試験品No０５、No０６、No０８〜No１１、No１３、No１５〜No２２、No２４、No２５）は何れも１０ｍ以上で合格要件を満たしているのに対し、従来品（試験品No０１〜No０３）および比較品（試験品No０４、No０７、No１２、No１４、No２３、No２６）は何れも１０ｍ未満で、本発明品によれば優れた耐久性が得られる。

試験結果２

図９および図１０は、工具母材が超硬合金製で直径が６ｍｍ（先端Ｒ＝３ｍｍ）の２枚刃のボールエンドミルについて、第１被膜２２および第２被膜３２から成る前記実施例２の硬質被膜３０、或いはそれ等の第１被膜２２と第２被膜３２との間に中間層４２が設けられた前記実施例４の硬質被膜４０が設けられた本発明品を含む複数種類の試験品No２７〜No６１を用意し、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）を測定するとともに、耐熱性試験および耐久性試験を行った結果を説明する図である。被膜硬さは３０００未満をＮＧ（不合格）とする。耐熱性試験は、前記図７の場合と同じで、試験品を大気圧・空気雰囲気中で１０００℃に１時間晒した際の酸化層厚さを測定した。硬質被膜が総て酸化した全酸化は勿論、酸化層厚さが０．７μｍ以上の場合はＮＧとする。また、耐久性試験は、図８に示す試験条件で高硬度の合金工具鋼〔ＪＩＳで規定のＳＫＤ６１（５０ＨＲＣ）〕に対してエアブローによる乾式切削加工（ピック加工）を行い、切れ刃の逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍになるまでの切削距離を求め、その切削距離が８５０ｍ未満の場合をＮＧとする。

図９の試験品No２７は、第１被膜がＳｉＣを含んでいないＡｌＣｒＮ系の硬質被膜から成る従来品で、試験品No３０、No３１、No３７は総膜厚Ｔtotal やその総膜厚Ｔtotal に対する第１被膜の膜厚Ｔ１の割合が本発明の要件を満たしていない比較品（ＮＧ品）である。残りの試験品No２８、No２９、No３２〜No３６、No３８〜No６１は本発明品で、その中の試験品No２８、No２９、No３２〜No３６、No３８〜No４６、No４８〜No５２、No５４、No５６〜No５８は中間層４２を備えていない硬質被膜３０の具体例で、試験品No４７、No５３、No５５、No５９〜No６１は中間層４２を有する硬質被膜４０の具体例である。図９の「第１被膜」および「膜厚」の項目で網掛け（散点）を付した欄は本発明の要件から外れている項目であり、図１０の「被膜硬さ」、「酸化層厚さ」、および「切削距離」の項目で網掛け（散点）を付した欄はＮＧを表している。なお、図９の「硬質被膜」の欄の被膜組成は、原子比を％で記載したものである。また、Ｎ（窒素）について記載していないが、総ての試験品の硬質被膜はＮ（窒素）を含有する窒化物である。

図１０の試験結果から明らかなように、本発明品（試験品No２８、No２９、No３２〜No３６、No３８〜No６１）は、被膜硬さが何れも３０００以上であり、従来品（試験品No２７）に比較して優れた被膜硬さが得られる。耐熱性試験による酸化層厚さは、本発明品（試験品No２８、No２９、No３２〜No３６、No３８〜No６１）は何れも０．４μｍ以下で合格要件（０．７μｍ未満）を十分に満たしているが、特に、第１被膜がαを含有している試験品No４６〜No５２、No５４〜No５８は酸化層厚さが０．３μｍ未満で、一層優れた耐熱性が得られる。また、耐久性試験による逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍの切削距離は、本発明品（試験品No２８、No２９、No３２〜No３６、No３８〜No６１）は何れも８５０ｍ以上で合格要件を満たしているのに対し、従来品（試験品No２７）および比較品（試験品No３０、No３１）は何れも８５０ｍ未満で、本発明品によれば優れた耐久性が得られる。なお、この試験結果からは、中間層４２の有無による顕著な差異は認められなかった。また、総膜厚Ｔtotal が１８．５μｍの試験品No３７の比較品は、被膜剥離により被膜硬さの測定や耐熱性試験、耐久性試験を適切に行うことができなかった。

試験結果３

図１２は、工具母材が超硬合金製で直径が６ｍｍの超硬ドリルについて、前記図９の試験品No３０、No４９、No５０、No５６、およびNo５９と同じ硬質被膜が設けられた５本の試験品を用意し、図１１に示す試験条件で炭素鋼（ＪＩＳで規定のＳ５０Ｃ）に対してミスト給油による高速切削穴明け加工を行い、耐久性試験を行った結果を説明する図である。耐久性試験は、切れ刃の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍになるまでの加工穴数を求め、その加工穴数が４０００穴未満の場合をＮＧとする。図１２の試験品No３０は、第１被膜の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔtotal の２０％未満の比較品で、他の試験品No４９、No５０、No５６、およびNo５９は本発明品である。図１２の「加工穴数」の項目で網掛け（散点）を付した欄はＮＧを表している。

図１２の試験結果から明らかなように、本発明品（試験品No４９、No５０、No５６、No５９）は、何れも５０００穴以上の穴明け加工が可能であったのに対し、試験品No３０の比較品は２０００穴で、本発明品によれば耐久性が大幅に向上する。特に、第１被膜がαを含有している試験品No４９、No５０、No５６は加工穴数が６０００以上であるのに対し、第１被膜がαを含有していない試験品No５９は５０１０穴であり、第１被膜にαが添加されることにより加工穴数が大幅に増加した。

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、３０、３４、４０、４４：硬質被膜 ２２：第１被膜 ２３：第１被膜と同じ被膜成分の被膜 ３２：第２被膜 ３３：第２被膜と同じ被膜成分の被膜 ４２：中間層 Ｔtotal ：総膜厚 Ｔ１：第１被膜の膜厚 Ｔ２：第１被膜＋中間層の膜厚

Claims (6)

1. 所定の部材の表面上に設けられる耐摩耗性および耐熱性に優れた硬質被膜であって、
   Ａｌ_a Ｃｒ_b （ＳｉＣ）_c α_d Ｎ〔但し、αは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙの中の１種類以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０．３５≦ａ≦０．７６、０．１２≦ｂ≦０．４３、０．０５≦ｃ≦０．２０、０≦ｄ≦０．２０の範囲内であり、且つＡｌに対するＣｒの原子比の割合ｂ／ａは０．２５≦ｂ／ａ≦０．６７の範囲内でアルミニウムリッチであり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１である〕から成り、最表面に設けられる第１被膜を備えているとともに、
   総膜厚Ｔtotal は０．５〜１５μｍの範囲内で、前記第１被膜の膜厚Ｔ１、または該第１被膜と同じ被膜成分を有する他の被膜部分を備えている場合は該他の被膜部分を含めた膜厚が、総膜厚Ｔtotal の２０％以上である
   ことを特徴とする硬質被膜。
2. 前記第１被膜が前記所定の部材の表面上に直接設けられ、該第１被膜のみにて構成されており、
   該第１被膜の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔtotal である
   ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
3. 前記所定の部材と前記第１被膜との間であって該所定の部材の表面上には、Ｔｉ_e Ａｌ_f Ｃｒ_g β_h Ｎ〔但し、βは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｔｉ、Ｃｒを除く）、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙの中の１種類以上の元素であり、ｅ、ｆ、ｇ、ｈはそれぞれ原子比で、０≦ｅ≦０．６４、０．３２≦ｆ≦０．８１、０≦ｇ≦０．４０、０≦ｈ≦０．２０の範囲内であり、且つｅとｇは同時に０にはならず、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１である〕から成る第２被膜が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
4. 前記第１被膜は前記第２被膜の上に直接設けられ、該第１被膜および該第２被膜のみにて構成されており、
   前記第１被膜の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔtotal の２０％以上である
   ことを特徴とする請求項３に記載の硬質被膜。
5. 前記第１被膜と前記第２被膜との間には、該第１被膜および該第２被膜と同じ被膜成分の被膜が交互に積層された交互層または該第１被膜および該第２被膜が混ざった被膜成分の混合層にて構成されている中間層が設けられている
   ことを特徴とする請求項３に記載の硬質被膜。
6. 請求項１〜５の何れか１項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。

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