JP6099225B2 - 硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具 - Google Patents

Description

本発明は、母材の表面に被覆して設けられる硬質潤滑被膜およびその硬質潤滑被膜が被覆された硬質潤滑被膜被覆工具に関し、特に、硬質及び耐摩耗性を共に向上させるための改良に関する。

炭素鋼、ステンレス、および軟鋼などの材料を切削加工するドリルやタップ等の切削用工具には、被削材を切削するに必要な硬度や工具寿命を長くすることつながる耐摩耗性などの性質が求められる。そのため、切削工具の母材表面には、耐摩耗性を向上させるために硬質被膜が被覆して設けられる。この切削工具用硬質被膜としては、ＴｉＮ系、ＣｒＮ系およびＴｉＡｌＮ系などのコーティングが広く用いられており、その性能を更に向上させるために改良が図られている。例えば、特許文献１および特許文献２に記載された硬質積層被膜がそれである。

たとえば特許文献１においては、Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層と、Ｔｉ_dＣｒ_eＡｌ_1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層とが、交互に２層以上積層された多層膜から構成される硬質積層被膜が、また特許文献２においては、Ｔｉ_aＣｒ_bＡｌ_cＭｏ_1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る単層膜から構成される硬質積層被膜がそれぞれ提案されている。

特開２０１２−１１５９２４ 特開２０１２−１１５９２３

しかし、前述したような従来の技術により硬質積層被膜が形成された母材では、潤滑性や耐摩耗性が依然として十分ではなく、それ故に欠損や摩耗により母材から構成される切削工具は早期寿命に至る場合があるという問題があった。したがって、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質積層被膜の開発が求められていた。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具を提供することにある。

本発明者等は、以上の事情を背景として鋭意研究するうち、チタン（Ｔｉ）は酸化しやすいため、被膜を構成する元素としてＴｉを含めないことを意図して、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）およびホウ素（Ｂ）をＡ層、またケイ素（Ｓｉ）をＢ層の構成元素とし、さらにＡ層に酸素を導入すると、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶの酸炭化物、酸窒化物又は酸炭窒化物から成る結晶の微細組織が形成されるため、高硬度でありながら一層高潤滑性が得られるという事実を見出した。また、Ｂ層中のケイ素（Ｓｉ）により、被膜の耐熱性が向上するという事実も見出した。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。Ａ層の上記結晶はＢ層との積層構造において層の厚みにより結晶成長が抑制されて被膜の硬度を高める微細な結晶構造が生成されるとともに、上記Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶの酸炭化物、酸窒化物又は酸炭窒化物の結晶は、モリブデン硫化物或いは窒化物と類似した固体潤滑構造を有しているために被膜の潤滑性が高められると推定される。

すなわち、第１発明の要旨とするところは、母材の表面に被覆される硬質潤滑被膜であって、（Ｃｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃＶ_ｄＢ_ｅ）_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層と、Ｓｉ_{（１−ｆ）}Ｎ_ｆから成るＢ層とが、交互に２層以上積層された硬質潤滑被膜であって、前記Ａ層に係る原子比ａは０．２≦ａ≦０．７、ｂは０．０５≦ｂ≦０．６、ｃは０≦ｃ≦０．３、ｄは０≦ｄ≦０．０５、ｅ＝１−ａ−ｂ−ｃ−ｄは０≦ｅ≦０．０５、ｘは０≦ｘ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６、ｚは０＜ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、前記Ｂ層に係る原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．６であり、且つ、前記Ａ層の膜厚は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、前記Ｂ層の膜厚は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、総膜厚は０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜が被覆された硬質潤滑被膜被覆工具にある。

また、第２発明の要旨とするところは、第１発明の硬質潤滑被膜において、前記Ａ層は結晶相とアモルファス相とが混在した複相組織であることを特徴とする。

また、第３発明の要旨とするところは、第１または第２発明の硬質潤滑被膜において、前記Ａ層が前記母材の表面にはじめに被覆されることを特徴とする。

また、第４発明の要旨とするところは、第１ないし第３発明のいずれか１の硬質潤滑被膜において、前記Ｂ層はアモルファス相から構成されることを特徴とする。

第１発明の硬質潤滑被膜は、上述のように、（Ｃｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃＶ_ｄＢ_ｅ）_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層と、Ｓｉ_{（１−ｆ）}Ｎ_ｆから成るＢ層とが、交互に２層以上積層されて形成されたものであることから、積層されたＡ層にはＭｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成る微細組織が形成されることにより被膜の硬度が高められ、且つＭｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物は固体潤滑性を有していることにより被膜の潤滑性が高められるので、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具を得ることができる。

第２発明の硬質潤滑被膜によれば、Ａ層は結晶相とアモルファス相とが混在した複相組織である。このように、Ｍｏ、ＷおよびＶの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成る微細なＮａＣｌ構造の結晶相（δ−（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ）Ｎおよびγ−Ｍｏ_２Ｎなど）とアモルファス相との複相組織が形成されることにより、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具を得ることができる。

第３発明の硬質潤滑被膜によれば、前記母材の表面にはじめに被覆されるのが前記Ａ層であるため、主にアモルファス相から構成されるＢ層よりも膜が硬いＡ層が母材の表面に被覆されることから、硬質潤滑被膜の母材に対しての接着強度を大きくすることができる。

第４発明の硬質潤滑被膜によれば、前記Ｂ層はアモルファス相から構成されるため、摩耗によるケイ素（Ｓｉ）酸化物の形成が促進されることから耐熱性が向上される。ひいては、硬質潤滑被膜により被覆された硬質潤滑被膜被覆工具の工具寿命を延ばすことができる。

本発明の硬質被膜が設けられたドリルを示す図で、(a)は正面図、(b)は先端側から見た拡大底面図である。 図１のドリルにおけるボデーの表面部分の積層構造を説明するための概念的な断面図である。 図１のドリルを形成するためのプロセスチャートである。 図１のドリルを形成する際に好適に用いられるスパッタリング装置を説明する概略構成図である。 硬質被膜の膜の硬さＨ（ＧＰａ）と硬質被膜が被覆されたドリルの切削試験により得られた摩耗幅（ｍｍ）を試験品１〜４０および比較品１〜６ごとに示したグラフである。 切削試験における加工穴数の増加に伴う摩耗幅の推移を示すグラフである。 試験品１の硬質被膜におけるＡ層の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により撮影した写真である。

以下、本発明の硬質潤滑被膜の一実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の硬質被膜１０が設けられたドリル１２を示す図で、(a)は軸心Ｏと直角な方向から見た正面図、(b)は切れ刃１４が設けられた先端側から見た拡大底面図である。このドリル１２は、２枚刃のツイストドリルで、シャンク１６およびボデー１８を軸方向に一体に備えており、ボデー１８には軸心Ｏの右まわりにねじれた一対の溝２０が形成されている。ボデー１８の先端には、溝２０に対応して一対の切れ刃１４が設けられており、シャンク１６側から見て軸心Ｏの右まわりに回転駆動されることにより切れ刃１４によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝２０を通ってシャンク１６側へ排出される。なお、硬質被膜１０は本発明の硬質潤滑被膜に、またドリル１２は本発明の硬質潤滑被膜被覆工具にそれぞれ相当する。

図２は、図１のドリル１２におけるボデー１８の表面部分の積層構造を説明するための概念的な断面図である。図２に示されるように、ドリル１２の基材である超硬合金製の工具母材２２の表面には、その表面を被覆する硬質被膜１０がコーティングされている。図１の斜線部は、ドリル１２においてこの硬質被膜１０が設けられた部分が示されており、硬質被膜１０は、好適には、ドリル１２におけるボデー１８に対応する工具母材２２の表面に被覆して設けられる。なお、工具母材２２は本発明の母材に相当する。

図２から明らかなように、本実施例の硬質被膜１０は、酸素元素を含むＡ層２４とケイ素（Ｓｉ）を含むＢ層２５とが交互に２層以上積層された多層膜であり、斯かるＡ層２４及びＢ層２５は、以下に示す化学組成を満足する材料から構成される。すなわち、Ａ層２４は、（Ｃｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃＶ_ｄＢ_ｅ）_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物であって、原子比ａは０．２≦ａ≦０．７、ｂは０．０５≦ｂ≦０．６、ｃは０≦ｃ≦０．３、ｄは０≦ｄ≦０．０５、ｅ＝１−ａ−ｂ−ｃ−ｄは０≦ｅ≦０．０５、ｘは０≦ｘ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６、ｚは０＜ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６である。硬質被膜１０におけるＡ層２４において、モリブデン硫化物或いは窒化物と類似した固体潤滑構造を有するＭｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成る微細組織が形成される。Ａ層２４としては、たとえば（Ｃｒ_0.4Ｍｏ_0.6）_0.51Ｎ_0.39Ｏ_0.1などが好適に例示される。また、Ｂ層２５は、Ｓｉ_{（１−ｆ）}Ｎ_ｆであって、原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．６である。また、Ｂ層２５はおおよそアモルファス相から構成され、たとえばＳｉ_0.70Ｎ_0.30などが好適に例示される。

また、硬質被膜１０において、Ａ層２４の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内、Ｂ層２５の膜厚Ｄ２は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内、硬質被膜１０の総膜厚Ｄは０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内とされる。Ｂ層２５が２０ｎｍよりも大きな膜厚で積層された場合、Ｂ層２５のほとんどがアモルファス相から構成されるため、硬度が小さいことから、それにより構成される硬質被膜１０において、所望の硬度が得られなくなり、逆にＢ層２５が１ｎｍよりも小さな膜厚で積層される場合、Ｂ層２５の存在により得られる耐摩耗性や耐熱性などの効果が十分に得られなくなる。Ａ層２４及びＢ層２５の積層数は、硬質被膜１０の総膜厚Ｄ及び各被膜層２４、２５の膜厚Ｄ１、Ｄ２に係る上記数値範囲を逸脱しない限りにおいて適宜定められるが、単層よりも多層から構成される方がより硬度が上がるため、少なくともＡ層２４およびＢ層２５を１層ずつ有する多層膜とされる。また、硬質被膜１０における複数のＡ層２４の膜厚Ｄ１はすべて等しいものであってもよいし、上記数値範囲内で相互に異なるものであってもよい。同様に、硬質被膜１０における複数のＢ層２５の膜厚Ｄ２はすべて等しいものであってもよいし、上記数値範囲内で相互に異なるものであってもよい。

また、硬質被膜１０において、Ａ層２４及びＢ層２５の積層順は、好適には、図２に示すように工具母材２２側からＡ層２４、Ｂ層２５、・・・、Ａ層２４、Ｂ層２５の順で積層されたものであり、硬質被膜１０の基層（工具母材２２と接する最下層）はＡ層２４とされる。Ｂ層２５はほとんどがアモルファス相から構成されるため硬度がＡ層２４よりも小さく、それ故にＢ層２５よりも硬度の大きいＡ層２４を上記基層とすることにより、硬質被膜１０が工具母材２２の表面により強固に被覆される。

次に、工具母材２２のボデー１８に対応する部分が硬質被膜１０により被膜されたドリル１２を形成する工程を図３および図４を参照して詳細に説明する。図３は図１のドリル１２を形成するためのプロセスチャートであり、図４は図１のドリル１２を形成する際に好適に用いられるスパッタリング装置２６を説明する概略構成図（模式図）である。

図３における母材の研削工程Ｐ１では、工具母材２２の基材である超硬合金に対して研削が施されて工具母材２２が得られる。たとえば、先ず工具母材２２の大まかな形すなわち軸心を有するシャンク１６およびボデー１８となる円柱状の形状を形成するために超硬合金に対して円筒研が施される。次に、円柱状形状のボデー１８に相当する長手方向の一端部側の外周側面に軸心Ｏの右回りにねじれた溝２０などを形成する溝研が施される。最後に、被削材を切削するための切れ刃１４が形成されるように上記長手方向の一端に対して刃研が施される。次に、洗浄工程Ｐ２では、硬質被膜１０の被覆に先立って工具母材２２の表面が洗浄される。エッチング工程Ｐ３では、スパッタリング装置２６により前処理として工具母材２２の表面が粗面化される。被膜１０の成膜工程Ｐ４では、スパッタリング装置２６により工具母材２２のボデー１８に対して硬質被膜１０が被覆されてドリル１２が形成される。検査工程Ｐ５では、硬質被膜１０が被覆されたドリル１２が切削工具としての使用基準を満たしているか否かの判定をするための検査が行われる。

次に、スパッタリング装置２６により行われる上記エッチング工程Ｐ３および上記被膜の成膜工程Ｐ４に関して図４を参照してさらに詳細に説明する。スパッタリング装置２６はチャンバー２８とチャンバー２８の底面の略中心の貫通穴を通じて貫通される回転軸と回転軸のチャンバー２８内部側の一端部に固設された円盤状の基台３０とを備えている。先ず、円盤状の基台３０上には、基台３０の中心から等間隔の位置にある円周上において周方向に互いに等間隔で研削工程Ｐ１で得られた複数本の工具母材２２が基台３０に自転可能に設置される。図示しないヒーターにより工具母材２２が約５００℃まで昇温され、チャンバー２８内が所定の圧力以下の真空度に保たれつつチャンバー２８内にアルゴン（Ａｒ）ガスが導入される。この状態でバイアス電源３２により工具母材２２にたとえば−２００〜−５００Ｖのバイアス電圧がかけられ、Ａｒガス中で発生したグロー放電により生じたＡｒイオンによる工具母材２２の表面のエッチング処理が行われる。エッチング処理終了後、チャンバー２８内からＡｒガスが排気される。上記のようにしてエッチング工程Ｐ３が終了した後、引き続き被膜の成膜工程Ｐ４が行われる。すなわち、硬質被膜１０を構成するＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉ等のターゲット３４、３５に電源３６により一定のカソード電圧（たとえば−１００〜−５００Ｖ程度）を印加するとともに、バイアス電源３２により前記工具母材２２に一定の負のバイアス電圧（例えば−１００Ｖ程度）を印加することにより、アルゴンイオンＡｒ+を上記ターゲット３４、３５に衝突させてＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉ等の構成物質を叩き出しイオン化させる。上記電源３６及びバイアス電源３２により印加される電圧はコントローラ３８により制御される。チャンバー２８内には、アルゴンガスの他に窒素ガス（Ｎ₂）、炭化水素ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₂）あるいは酸素ガス（Ｏ_２）の反応ガスが所定の流量、圧力で選択的に導入され、その窒素原子（Ｎ）、炭素原子（Ｃ）あるいは酸素原子（Ｏ）がターゲット３４、３５から叩き出されたＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉなどと結合してＡ層２４としてたとえば（Ｃｒ_0.4Ｍｏ_0.6）_0.51Ｎ_0.39Ｏ_0.1のような酸窒化物、（Ｃｒ_0.50Ｍｏ_0.5）_0.55Ｃ_0.4Ｏ_0.05のような酸炭化物が形成され、Ｂ層２５としてたとえばＳｉ_0.70Ｎ_0.30が形成される。そして、工具母材２２は、チャンバー２８に対して回転させられる基台３０上においてさらに基台３０に対して回転させられるため、それらは工具母材２２の表面に均質な硬質被膜１０として被覆させられる。ここで、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＶおよびＢに係る組成比の制御および成膜時の各種反応ガスの制御により、あるいは成膜時の各種反応ガスの制御のみで、Ａ層２４およびＢ層２５の被覆が成膜される。たとえば、Ｂ層２５の被覆の際には反応ガスとしての炭化水素ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₂）および酸素（Ｏ_２）ガスは不要なため、炭化水素ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₂）および酸素（Ｏ_２）ガスのチャンバー２８内への導入がオフとされることによりＢ層２５が形成される。そして、反応ガスの切替えおよびターゲット３４、３５の選択に応じてＡ層２４とＢ層２５との工具母材２２への交互の被覆が繰り返されて、最終的に硬質被膜１０が被覆された超硬合金製のドリル１２が形成される。

このようにドリル１２に被覆された硬質被膜１０は、（Ｃｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃＶ_ｄＢ_ｅ）_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚの酸窒化物、酸炭化物または酸炭窒化物であるＡ層２４とＳｉ_{（１−ｆ）}Ｎ_ｆであるＢ層２５とが交互に積層されて成る、すなわちＡ層２４の薄膜界面にＢ層２５が挿入されて成るものであるため、Ａ層２４およびＢ層２５を構成する被膜粒子の粒径がさらに小さくなり微細組織構造が形成されることから耐摩耗性に優れ、ひいてはドリル１２の工具寿命の向上に帰結する。また、摩耗された際にＭｏ、Ｗ、Ｖ酸化物の自己形成により固体潤滑粒子が生成するため、低摩耗性および耐溶着性に優れるとともに、同様に摩耗によりＳｉ酸化物が形成されるため、耐熱性にも優れることから、結果としてドリル１２の工具寿命を延ばすことができる。

続いて、硬質被膜１０が被覆されたドリル１２すなわち本発明の効果を検証するために本発明者等が行った試験について図５ないし図７、表１および表２に基づいて詳細に説明する。

先ず、表１に示されるＡ層２４とＢ層２５の薄膜組成および表２に示されるＡ層２４とＢ層２５の各膜厚Ｄ１、Ｄ２および総膜厚Ｄを有する被膜すなわち硬質被膜１０に要求される条件を満たす被膜が図３の前記洗浄工程Ｐ２、前記エッチング工程Ｐ３および前記成膜工程Ｐ４を経て工具径６ｍｍφの超硬ドリルに被覆され、試験品１〜４０のドリル１２が形成された。また、比較のため、硬質被膜１０の条件を満たさない被膜が、同様に工程Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を経て工具径６ｍｍφの超硬ドリルに被覆され、比較品１〜６のドリルが形成された。

表２における膜の硬さＨ（ＧＰａ）は以下のようにして求めた。試験品１〜４０および比較品１〜６についてナノインデンテーション法にしたがってそれぞれの膜の硬さを測定した。すなわち、先端がダイヤモンドチップから成る三角錐型（バーコビッチ型）の圧子を硬質被膜が被覆された試験品１〜４０および比較品１〜６の表面に荷重Ｐで押し込み、圧子の下の射影面積Ａを算出した。荷重Ｐを面積Ａで割ることで膜の硬さＨ（ＧＰａ）が算出される。なお、ナノインデンテーション法において、硬さは１５〜２０ＧＰａで柔らかい、３０ＧＰａ以上で硬い、５０〜６０ＧＰａで脆いと評価される。

また、表２における５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は、試験品１〜４０のドリル１２および比較品１〜６のドリルについて以下の切削条件で切削試験を行うことで求めた。

［切削条件］
・試験品および比較品：超硬ドリル 工具径６（ｍｍφ）
・被削材：Ｓ５０Ｃ
・切削方法：穴加工
・切削速度：１００（ｍ／ｍｉｎ）
・送り速度：９５５（ｍｍ／ｍｉｎ）
・加工深さ：３０ｍｍ止まり
・切削油：水溶性

上記切削試験において、表２に示される５０００穴加工後摩耗幅は、上記切削条件で５０００穴加工後の試験品１〜４０のドリル１２および比較品１〜６のドリルにおける切れ刃１４の外周部（コーナ部）の周方向の摩耗幅（ｍｍ）であり、摩耗幅が０．２ｍｍ以下の場合、合格と判定し、摩耗幅が０．２ｍｍよりも大きい場合、不合格と判定した。また、表２の備考において継続可能とは、５０００穴加工後のドリルにおいて、以後の切削が可能である場合であり、以後の切削が不可能な場合、切削試験に供されたドリルの状態を評価した。

図５はナノインデンテーション法により得られた膜の硬さＨ（ＧＰａ）と切削試験により得られた５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）を試験品１〜４０および比較品１〜６ごとに示したグラフである。すなわち、図５は表２の膜の硬さＨ（ＧＰａ）および５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）をグラフ化したものである。なお、図５の横軸は試験品１〜４０および比較品１〜６の番号を、左縦軸は試験品１〜４０および比較品１〜６の膜の硬さＨ（ＧＰａ）を、右縦軸は試験品１〜４０および比較品１〜６の５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）をそれぞれ示す。表２および図５に示されるように、硬質被膜１０の要件を満たす被膜が被覆された試験品１〜４０の全てのドリル１２において、その膜の硬さＨ（ＧＰａ）は２８．０ＧＰａ以上、５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は０．１９９ｍｍ以下であり切削試験において合格と評価された。なお、試験品１〜４０の全ては５０００穴加工後においても、摩耗幅が小さいため以後の切削も継続可能であった。

また、図６は切削試験における加工穴数の増加に伴う摩耗幅の推移を示すグラフであり、試験品１８、２５および２９、比較品３および５がそれぞれ試験品１〜４０および比較品１〜６を代表してプロットされている。図６に示されるように、試験品１８、２５および２９は加工穴数の増加に伴い、なだらかに摩耗幅（ｍｍ）が増加し、５０００穴加工後の摩耗幅は０．１ｍｍ程度に収まった。

すなわち、上記の結果から、（Ｃｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃＶ_ｄＢ_ｅ）_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層２４と、Ｓｉ_{（１−ｆ）}Ｎ_ｆから成るＢ層２５とが、交互に２層以上積層されて成るものであり、Ａ層２４に係る原子比ａは０．２≦ａ≦０．７、ｂは０．０５≦ｂ≦０．６、ｃは０≦ｃ≦０．３、ｄは０≦ｄ≦０．０５、ｅ＝１−ａ−ｂ−ｃ−ｄは０≦ｅ≦０．０５、ｘは０≦ｘ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６、ｚは０＜ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、Ｂ層２５に係る原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．６であり、且つ、Ａ層２４の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｂ層２５の膜厚Ｄ２は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、総膜厚Ｄは０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内である硬質被膜１０が被覆された試験品１〜４０のドリル１２はその膜の硬さＨが２８．０ＧＰａ以上、且つその５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は０．１９９ｍｍ以下であり、良好な値を示した。

それに対して、比較品１は（Ｔｉ_0.5Ｍｏ_0.5）_0.49Ｎ_0.26Ｏ_0.25から成る膜厚１２５００ｎｍのＡ層の単層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）が含有されておらず、酸素の原子比ｚが０．２５であるため、硬質被膜１０のＡ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されており、且つクロム（Ｃｒ）の原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、酸素（Ｏ）の原子比ｚの０＜ｚ≦０．２をそれぞれ逸脱し、Ｂ層がＡ層の薄膜界面に挿入形成されていないため、硬質被膜１０のＡ層２４とＢ層２５とが交互に積層されて成るという要件から逸脱し、Ａ層の膜厚および総膜厚が硬質被膜１０に係るＡ層２４の膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、総膜厚Ｄの０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品１のドリルの膜の硬さＨは１８．０ＧＰａと試験品と比較して小さく、５０００穴加工後摩耗幅は０．４４５ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、切削試験において、３０５９穴加工後にドリルのコーナー部が折損し、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．２以上、酸素（Ｏ）の原子比ｚは０．２以下、Ａ層に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下、総膜厚Ｄは１０．０μｍ以下とすべきであり、またＢ層２５はＡ層２４の薄膜界面に挿入形成され、Ａ層２４とＢ層２５とが交互に積層されるべきであることが検証され、本発明に係る硬質被膜１０に求められる要件の意義が確かめられた。

また、比較品２はＭｏ_0.6Ｎ_0.4から成る膜厚８００ｎｍのＡ層の単層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層において、クロム（Ｃｒ）および酸素（Ｏ）が含有されておらず、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂが１．０であるため、硬質被膜１０のＡ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂの０．０５≦ｂ≦０．６、酸素（Ｏ）の原子比ｚの０＜ｚ≦０．２をそれぞれ逸脱し、Ｂ層がＡ層の薄膜界面に挿入形成されていないため、硬質被膜１０のＡ層２４とＢ層２５とが交互に積層されて成るという要件から逸脱し、Ａ層の膜厚が硬質被膜１０に係るＡ層２４の膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品２のドリルの膜の硬さＨは２４．０ＧＰａと試験品と比較して小さく、５０００穴加工後摩耗幅は０．３４０ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、切削試験において、４０００穴加工後にドリルのコーナー部の摩耗幅が大きくなりすぎ、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．２以上、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂは０．６以下、酸素（Ｏ）の原子比ｚは０よりも大きく、Ａ層２４に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下とすべきであり、またＢ層２５はＡ層２４の薄膜界面に挿入形成され、Ａ層２４とＢ層２５とが交互に積層されるべきであることが検証され、本発明に係る硬質被膜１０に求められる要件の意義が確かめられた。

また、比較品３は（Ｔｉ_0.3Ｍｏ_0.6）_0.35Ｃ_0.25Ｎ_0.1Ｏ_0.3から成る膜厚６０００ｎｍのＡ層の単層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層において、チタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）が含有されておらず、酸素（Ｏ）の原子比ｚが０．３、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚが０．６５であるため、硬質被膜１０のＡ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されており、且つクロム（Ｃｒ）の原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、酸素（Ｏ）の原子比ｚの０＜ｚ≦０．２、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚの０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６５をそれぞれ逸脱し、Ｂ層がＡ層の薄膜界面に挿入形成されていないため、硬質被膜１０のＡ層２４とＢ層２５とが交互に積層されて成るという要件から逸脱し、Ａ層の膜厚が硬質被膜１０に係るＡ層２４の膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品３のドリルの膜の硬さＨは１７．５ＧＰａと試験品と比較して小さく、５０００穴加工後摩耗幅は０．５８９ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、図６に示されるように、比較品３は加工穴数の増加に伴いその摩耗幅（ｍｍ）は急激に大きくなり、５００穴加工後の摩耗幅は０．４ｍｍ弱まで達し、１２００穴加工後にドリルのコーナー部が折損したことから、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．２以上、酸素（Ｏ）の原子比ｚは０．２以下、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚは０．６５以下、Ａ層２４に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下とすべきであり、またＢ層２５はＡ層２４の薄膜界面に挿入形成され、Ａ層２４とＢ層２５とが交互に積層されるべきであることが検証され、本発明に係る硬質被膜１０に求められる要件の意義が確かめられた。

また、比較品４はＴｉ_0.75Ｃ_0.1Ｎ_0.1Ｏ_0.05から成る膜厚６００ｎｍのＡ層と、Ｓｉ_0.9Ｎ_0.1から成る膜厚２５ｎｍのＢ層とが、交互に２層以上積層されて形成された総膜厚１２．２５μｍの多層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）およびモリブデン（Ｍｏ）が含有されておらず、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚが０．２５であるため、硬質被膜１０のＡ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されており、且つクロム（Ｃｒ）の原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂの０．０５≦ｂ≦０．６、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚの０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６を逸脱し、Ｂ層において窒素（Ｎ）の原子比ｆが０．１であるため、硬質被膜１０のＢ層２５に係る窒素（Ｎ）の原子比ｆの０．３≦ｆ≦０．６の範囲を逸脱し、Ａ層およびＢ層の膜厚と総膜厚が硬質被膜１０に係るＡ層２４の膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｂ層２５の膜厚Ｄ２の１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、総膜厚Ｄの０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品４のドリルの膜の硬さＨは２２．０ＧＰａと試験品と比較して小さな値となり、５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は０．５９１ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、切削試験において、３５００穴加工後にドリルのコーナー部の摩耗幅が大きくなりすぎ、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．２以上、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂは０．０５以上、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚは０．３以上、Ｂ層２５に係る窒素（Ｎ）の原子比ｆは０．３以上、Ａ層２４に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下、Ｂ層２５に係る膜厚Ｄ２は２０ｎｍ以下、総膜厚Ｄは１０．０μｍ以下とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。

また、比較品５は（Ｔｉ_0.15Ｃｒ_0.1Ｍｏ_0.75）_0.53Ｎ_0.32Ｏ_0.15から成る膜厚８５０ｎｍのＡ層と、Ｓｉ_0.7Ｎ_0.3から成る膜厚３０ｎｍのＢ層とが、交互に２層以上積層して形成された総膜厚６．９２μｍの多層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．１であり、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂは０．７５であるため、硬質被膜１０のＡ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）の原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂの０．０５≦ｂ≦０．６を逸脱し、Ａ層およびＢ層に係る膜厚が硬質被膜１０のＡ層２４に係る膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｂ層２５に係る膜厚Ｄ２の１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品５のドリルの膜の硬さＨは２３．０であり試験品と比較して小さな値となり、５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は０．３２０ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、図６に示されるように、比較品５は５００穴加工後にはその摩耗幅（ｍｍ）は０．１ｍｍに達し、その後も摩耗は漸増し、４１００穴加工後にドリルのコーナー部が折損し、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．２以上、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂは０．６以下、Ａ層２４に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下、Ｂ層２５に係る膜厚Ｄ２は２０ｎｍ以下とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。

また、比較品６は（Ｔｉ_0.15Ｃｒ_0.1Ｍｏ_0.7Ｗ_0.05）_0.35Ｃ_0.1Ｎ_0.15Ｏ_0.4から成る膜厚１ｎｍのＡ層と、Ｓｉ_0.45Ｎ_0.55から成る膜厚２５ｎｍのＢ層とが、交互に２層以上積層されて形成された総膜厚５．２０μｍの多層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．１であり、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂは０．７であり、酸素（Ｏ）の原子比ｚは０．４であり、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚは０．６５であるため、硬質被膜１０のＡ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）の原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂの０．０５≦ｂ≦０．６、酸素（Ｏ）の原子比ｚの０＜ｚ≦０．２、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚの０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６を逸脱し、Ａ層およびＢ層に係る膜厚が硬質被膜１０のＡ層２４に係る膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｂ層２５に係る膜厚Ｄ２の１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品６のドリルの膜の硬さＨは１２．０ＧＰａであり試験品と比較して小さな値となり、５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は０．７７８ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、切削試験において、１０００穴加工後にドリルのコーナー部が折損し、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．２以上、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂは０．６以下、酸素（Ｏ）の原子比ｚは０．２以下、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚは０．６以下、Ａ層２４に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下、Ｂ層２５に係る膜厚Ｄ２は２０ｎｍ以下とすべきことが検証され、本発明に係る数値範囲の意義が確かめられた。

前記膜の硬さ試験および前記切削試験の結果から、表２に示された試験品１〜４０のドリル１２は、膜の硬さＨにおいて大きい値且つ５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）において小さな値が得られ、高硬度且つ良好な耐摩耗性を有することが示された。一方、硬質被膜１０に要求される薄膜組成、各元素の原子比、各膜厚および総膜厚の範囲を逸脱する比較品１〜６のドリルは、上記複相組織が形成されないため、試験品１〜４０のドリル１２と比較して膜の硬さＨが小さく、５０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）が大きな値であり、硬質および耐摩耗性が十分ではないことが示された。

次に、高硬度且つ耐摩耗性に優れる試験品１〜４０のそれぞれの硬質被膜１０におけるＡ層２４およびＢ層２５について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察を行った。図７は試験品１の硬質被膜１０におけるＡ層２４の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により撮影した写真である。その結果、Ａ層２４においては、図７における格子縞が観察される領域である微細な結晶粒から成る結晶相（δ−（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ）Ｎおよびγ−Ｍｏ_２Ｎなど）４０と、それ以外の領域である酸素（Ｏ_２）を含むアモルファス相４２との複相組織が形成されていた。また、図示しないが、Ｂ層２５はそのほとんどの範囲においてアモルファス相から構成されていることが観察された。このようなＡ層２４とＢ層２５が積層されて成る硬質被膜１０が被覆されたドリル１２は、微細な結晶粒から成る結晶相４０が存在するため膜の硬さＨが３０．５ＧＰａと高硬度であると共に、Ａ層２４において酸素（Ｏ_２）を含むアモルファス相４２が存在するため、摩耗によるモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびバナジウム（Ｖ）酸化物の形成が促進されることから低摩耗性および耐溶着性に優れ、また、ケイ素（Ｓｉ）を含むアモルファス相から構成されているＢ層２５においても同様に摩耗によりＳｉ酸化物が形成されることから耐熱性に優れ、ひいては５０００穴加工後摩耗幅が０．１５０ｍｍと良好な耐摩耗性を有する。

上述のように、本実施例の試験品１〜４０のドリル１２に被覆された硬質被膜１０によれば、工具母材２２の表面に設けられ、（Ｃｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃＶ_ｄＢ_ｅ）_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層２４と、Ｓｉ_{（１−ｆ）}Ｎ_ｆから成るＢ層２５とが、交互に２層以上積層されて形成されるものであり、Ａ層２４に係る原子比ａは０．２≦ａ≦０．７、ｂは０．０５≦ｂ≦０．６、ｃは０≦ｃ≦０．３、ｄは０≦ｄ≦０．０５、ｅ＝１−ａ−ｂ−ｃ−ｄは０≦ｅ≦０．０５、ｘは０≦ｘ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６、ｚは０＜ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、Ｂ層２５に係る原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．６であり、且つ、Ａ層２４の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｂ層２５の膜厚Ｄ２は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、総膜厚Ｄは０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であるため、積層されたＡ層２４にはＭｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成る微細組織が形成されることにより被膜の硬度が高められ、且つＭｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物は固体潤滑性を有していることにより被膜の潤滑性が高められるので、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質被膜１０およびドリル１２を得ることができる。

また、本実施例の試験品１〜４０のドリル１２に被覆された硬質被膜１０によれば、Ａ層２４は結晶相４０とアモルファス相４２とが混在した複相組織である。このように、Ｍｏ、ＷおよびＶの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成る微細なＮａＣｌ構造の結晶相（δ−（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ）Ｎおよびγ−Ｍｏ_２Ｎなど）４０とアモルファス相４２との複相組織が形成されることにより、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質被膜１０およびドリル１２を得ることができる。

また、本実施例の試験品１〜４０のドリル１２に被覆された硬質被膜１０によれば、工具母材２２の表面にはじめに被覆されるのがＡ層２４であるため、主にアモルファス相から構成されるＢ層２５よりも膜が硬いＡ層２４が工具母材２２の表面に被覆されることから、硬質被膜１０の工具母材２２に対しての接着強度を大きくすることができる。

また、本実施例の試験品１〜４０のドリル１２に被覆された硬質被膜１０によれば、Ｂ層２５はアモルファス相から構成されるため、摩耗によるケイ素（Ｓｉ）酸化物の形成が促進されることから耐熱性が向上される。ひいては、硬質被膜１０により被覆されたドリル１２の工具寿命を延ばすことができる。

以上、本発明を表及び図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。

たとえば、前述の実施例では、硬質被膜１０におけるＡ層２４及びＢ層２５の積層順は、図２に示すように工具母材２２側からＡ層２４、Ｂ層２５、・・・、Ａ層２４、Ｂ層２５の順で積層されたものである。すなわち、硬質被膜１０の基層（工具母材２２と接する最下層）はＡ層２４とされ、表層（硬質被膜１０の最上層）はＢ層２５とされたものであるが、上記基層がＡ層２４とされるに限り必ずしも斯かる構成には限定されず、上記表層がＡ層２４とされたものであっても本発明の一応の効果を奏する。

また、前述の実施例では、硬質被膜１０はドリル１２に被覆されたものであったが、これに限定されるものではなく、たとえばエンドミル、タップ、ダイスなど切削工具や、打ち抜き、曲げなどの金属加工用金型などの金属加工工具に被覆されるものであってもよい。

また、前述の実施例では、ドリル１２の形成に際し、硬質被膜１０はスパッタリング装置２６により被覆されるものであったが、これに限定されるものではなく、たとえば、アークイオンプレーティング法などの他の物理蒸着法（ＰＶＤ法）や、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法などの化学蒸着法（ＣＶＤ法）を用いて硬質被膜１０が被覆されてもよい。

１０：硬質被膜（硬質潤滑被膜）
１２：ドリル（硬質潤滑被膜被覆工具）
２４：Ａ層
２５：Ｂ層

Claims (5)

1. 母材の表面に被覆される硬質潤滑被膜であって、
   （Ｃｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃＶ_ｄＢ_ｅ）_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層と、Ｓｉ_{（１−ｆ）}Ｎ_ｆから成るＢ層とが、交互に２層以上積層された硬質潤滑被膜であって、
   前記Ａ層に係る原子比ａは０．２≦ａ≦０．７、ｂは０．０５≦ｂ≦０．６、ｃは０≦ｃ≦０．３、ｄは０≦ｄ≦０．０５、ｅ＝１−ａ−ｂ−ｃ−ｄは０≦ｅ≦０．０５、ｘは０≦ｘ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６、ｚは０＜ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、
   前記Ｂ層に係る原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．６であり、
   且つ、前記Ａ層の膜厚は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、前記Ｂ層の膜厚は１ｎｍ以上２０ｎｍ以下、総膜厚は０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする硬質潤滑被膜。
2. 前記Ａ層は結晶相とアモルファス相とが混在した複相組織であることを特徴とする請求項１に記載の硬質潤滑被膜。
3. 前記Ａ層は、前記母材の表面にはじめに被覆されることを特徴とする請求項１または２に記載の硬質潤滑被膜。
4. 前記Ｂ層は、アモルファス相から構成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の硬質潤滑被膜。
5. 請求項１ないし４のいずれか１に記載の硬質潤滑被膜により被覆されたことを特徴とする硬質潤滑被膜被覆工具。

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