JP6577037B2 - 硬質被膜および硬質被膜被覆部材 - Google Patents

Description

本発明は、耐熱性、耐溶着性に優れている硬質被膜および硬質被膜被覆部材に関し、特に、ＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物であるＡ層と、ＴｉＡｌ窒化物であるナノオーダの厚みのＢ層およびＴｉ（ＳｉＣ）窒化物であるナノオーダの厚みのＣ層のナノレイヤーの交互層とを、交互に積層した、耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜に関するものである。

ドリルやエンドミル、フライス、バイト等の切削工具、盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具などの種々の加工工具、或いは耐摩耗性が要求される摩擦部品などの種々の工具部材において、超硬合金製或いは高速度工具鋼製の母材の表面に、硬質被膜をコーティングすることにより、耐摩耗性や耐久性を向上させることが提案されている。

これに対して、特許文献１および非特許文献１には、ＴｉＡｌＮ系／ＴｉＣｒＮ系の硬質被膜を施したドリルが提案されている。また、特許文献２には、ＡｌＣｒＮ系とＴｉＳｉＮ系の多層構造から成る硬質被膜を施したドリルが提案されている。

国際公開２０１３／０００５５７号 特開２００８−５３４２９７号公報

オー・ディラン−ドルーアン，エー・イー・サンタナ，エー・カリミ，ブイ・エッチ・デルフリンガー，エー・シュッツ（O.Durdnd−Drouhin，A.E.Santana，A.Karimi，V.H.Derflinger，A.Schutze）著、「メカニカル プロパティーズ アンド フェイリアー モデルズ オブ ティーアイエーエル（エスアイ）エヌ シングル アンド マルチレイヤー シン フィルムズ（Mechanical properties and failure models of TiAl（Si）N single and multilayer thin films）」、サーフェス アンド コーティング テクノロジー（Surface and Coatings Technology）、（スイス）、エルゼビア サイエンス（Elsevier Science）、２００３年、１６３−１６４巻、ｐ．２６０−２６６

しかしながら、上記特許文献１および非特許文献１に記載のドリルは、炭素鋼や鋳鉄の穴あけ加工に用いられると、耐摩耗性が十分に得られないという問題があった。また、上記特許文献２に記載のドリルは、合金鋼やステンレス鋼の穴あけ加工に用いられると、耐溶着性が十分でないため十分な性能が得られないという問題があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、炭素鋼や鋳鉄などの切削では耐摩耗性が得られ、合金鋼やステンレス鋼などの切削では耐溶着性が得られる硬質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種々研究を重ねるうち、ＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物から成るＡ層と、ＴｉＡｌ窒化物から成るＢ層およびＴｉ（ＳｉＣ）窒化物から成るＣ層のナノレイヤー交互層とが、総膜厚が２０μｍ以下となるように交互に積層された硬質被膜を工具に用いると、炭素鋼や鋳鉄の切削では耐摩耗性が得られ、合金鋼やステンレス鋼の切削では耐溶着性が得られるという事実を見出した。本発明は斯かる知見に基づいてなされたものである。

すなわち、第１発明の要旨とするところは、（ａ）母材の表面に被覆される硬質被膜であって、（ｂ）前記硬質被膜は、物理的蒸着法により、Ａ層と、Ｂ層およびＣ層が交互に積層されたナノレイヤー交互層とが交互に積層されて、０．５〜２０μｍの総膜厚となるように構成されたものであり、（ｃ）前記Ａ層は、組成式が［Ａｌ_{１−Ｗ−Ｘ}Ｃｒ_Ｗ（ＳｉＣ）_Ｘ］Ｎで、原子比Ｗが０．２０〜０．８０、原子比Ｘが０．０１〜０．２０で表されるＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物であって、５０〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、（ｄ）前記Ｂ層は、組成式が［Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ］Ｎで、原子比Ｙが０．３０〜０．８５で表されるＴｉＡｌ窒化物であって、１〜１００ｎｍの厚みを有するものであり、（ｅ）前記Ｃ層は、組成式が［Ｔｉ_１−Ｚ（ＳｉＣ）_Ｚ］Ｎで、原子比Ｚが０．０５〜０．４５で表されるＴｉ（ＳｉＣ）窒化物であって、１〜１００ｎｍの厚みを有するものであり、（ｆ）前記ナノレイヤー交互層は、５０〜１０００ｎｍの厚みを有するものであることにある。

また、第２発明の要旨とするところは、前記Ａ層の膜厚Ｔ_Ａと前記ナノレイヤー交互層の膜厚Ｔ_ＮＬの比の値Ｔ_Ａ／Ｔ_ＮＬは０．２〜１０である。

また、第３発明の要旨とするところは、前記Ａ層は、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物αを、２０ａｔ％以下含むことにある。

また、第４発明の要旨とするところは、前記Ｂ層は、Ｂ、Ｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物βを、１０ａｔ％以下含むことにある。

また、第５発明の要旨とするところは、前記Ｃ層は、Ｂ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物γを、１０ａｔ％以下含むことにある。

また、第６発明の要旨とするところは、前記硬質被膜は、前記母材に直接被覆されていることにある。

また、第７発明の要旨とするところは、前記硬質被膜は、界面層を介して前記母材に被覆され、前記界面層は、前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層、または前記ナノレイヤー交互層と同様の材料から５０〜１０００ｎｍの厚みに形成されていることにある。

また、第８発明の要旨とするところは、第１発明から第７発明のいずれかの硬質被膜によって前記母材の一部または全部が被覆された硬質被膜被覆部材であることにある。

第１発明によれば、母材の表面に被覆される硬質被膜は、物理的蒸着法により、Ａ層と、Ｂ層およびＣ層が交互に積層されたナノレイヤー交互層とが交互に積層されて、０．５〜２０μｍの総膜厚となるように構成されたものであり、前記Ａ層は、組成式が［Ａｌ_{１−Ｗ−Ｘ}Ｃｒ_Ｗ（ＳｉＣ）_Ｘ］Ｎで、原子比Ｗが０．２０〜０．８０、原子比Ｘが０．０１〜０．２０で表されるＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物であって、５０〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、前記Ｂ層は、組成式が［Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ］Ｎで、原子比Ｙが０．３０〜０．８５で表されるＴｉＡｌ窒化物であって、１〜１００ｎｍの厚みを有するものであり、前記Ｃ層は、組成式が［Ｔｉ_１−Ｚ（ＳｉＣ）_Ｚ］Ｎで、原子比Ｚが０．０５〜０．４５で表されるＴｉ（ＳｉＣ）窒化物であって、１〜１００ｎｍの厚みを有するものであり、前記ナノレイヤー交互層は、５０〜１０００ｎｍの厚みを有するものであることから、各層の結晶粒が微細化され、膜強度が向上するとともに、優れた耐酸化性、高硬度、高靱性を備え、さらにＡ層とナノレイヤー交互層とが交互に積層された交互積層構造がクラックの進行を防止することで、耐摩耗性、耐欠損性が向上する。その結果として、炭素鋼や鋳鉄などの切削では耐摩耗性が得られ、合金鋼やステンレス鋼などの切削では耐溶着性が得られる工具が得られる。

第２発明によれば、前記Ａ層の膜厚Ｔ_Ａと前記ナノレイヤー交互層の膜厚Ｔ_ＮＬの比の値Ｔ_Ａ／Ｔ_ＮＬは０．２〜１０であるので、炭素鋼や鋳鉄などの切削では耐摩耗性が得られ、合金鋼やステンレス鋼などの切削では耐溶着性が得られる工具が得られる。

第３発明によれば、前記Ａ層は、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物αを、２０ａｔ％以下含むことから、Ａ層中で固溶強化が生じてＡ層の硬度を高めることができ、また、耐摩耗性に優れるものとなるため、さらに切削時の発熱により高温強度向上及び高温靱性向上が得られ、被膜の表面に酸化物が形成されて優れた耐摩耗性が得られ、耐溶着性とのバランスが好適なものとなって長い工具寿命が得られる。

第４発明によれば、前記Ｂ層は、Ｂ、Ｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物βを、１０ａｔ％以下含むことから、Ｂ層中での固溶強化が生じることによってＴｉＡｌ窒化物の硬度を高めることができ、優れた耐摩耗性が得られる。

第５発明によれば、前記Ｃ層は、Ｂ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物γを、１０ａｔ％以下含むことから、Ｃ層中での固溶強化が生じることによってＴｉ（ＳｉＣ）窒化物の硬度を高めることができるので、優れた耐摩耗性が得られる。特に、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷは、切削時の高温によって酸化物を形成して自己潤滑作用が得られるので、一層長い工具寿命が得られる。

第６発明によれば、前記硬質被膜は、前記母材に直接被覆されていることから、前記硬質被膜と前記母材との間の界面層が不要となるので、製造が容易となる。

第７発明によれば、前記硬質被膜は、界面層を介して前記母材に被覆され、前記界面層は、前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層、または前記ナノレイヤー交互層と同様の材料から５０〜１０００ｎｍの厚みに形成されている。このため、硬質被膜と母材との間の接着強度が一層高められる。

第８発明によれば、第１発明から第７発明のいずれかの硬質被膜によって前記母材の一部または全部が被覆された硬質被膜被覆工具であることから、炭素鋼や鋳鉄の切削では耐摩耗性が得られ、合金鋼やステンレス鋼の切削では耐溶着性が得られる工具が得られる。

ここで、好適には、前記硬質被膜被覆工具は、ドリルやフライス等の回転切削工具、バイト等の非回転の切削工具、或いは盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具など、種々の硬質被膜被覆加工工具に好適に適用される。しかし、そのような加工工具以外でも軸受部材など耐摩耗性や耐酸化性が要求される種々の耐摩耗性の硬質被膜被覆部材として適用され得る。

また、本発明の硬質被膜は、好適には、アークイオンプレーティング法やイオンビーム支援蒸着法、スパッタリング法等のＰＶＤ法、その他の物理的蒸着法によって成膜される。

また、本発明の硬質被膜が被覆される母材としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、サーメット、セラミックス、多結晶ダイヤモンド、多結晶ＣＢＮなど、種々の工具材料を採用できる。

本発明の一実施例の硬質被膜が設けられたドリルを示す正面図である。 図１のドリルの構成を説明するためにその先端側から示す拡大底面図である。 図１のドリルに被覆された硬質被膜の積層構造例を説明する模式図である。 図１のドリルに被覆された硬質被膜の他の積層構造例を説明する模式図である。 図１のドリルに被覆された硬質被膜の他の積層構造例を説明する模式図である。 図１のドリルに被覆された硬質被膜の他の積層構造例を説明する模式図である。 図１の硬質被膜を工具母材上に成膜する物理的蒸着装置の一例であるアークイオンプレーティング装置を説明する概略図である。 硬質被膜を構成するＡ層、Ｂ層、およびＣ層の構成元素の種類および比率、添加物の種類および組成比率、および膜厚を変化させた試験品１〜試験品５０について、Ａ層を構成するＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物の構成元素の種類および比率をそれぞれ示す図表である。 図８の試験品１〜試験品５０について、Ｂ層を構成するＴｉＡｌ窒化物の構成元素の種類および比率をそれぞれ示す図表である。 図８の試験品１〜試験品５０について、Ｃ層を構成するＴｉ（ＳｉＣ）窒化物の構成元素の種類および比率をそれぞれ示す図表である。 図８の試験品１〜試験品５０について、Ａ層、Ｂ層、およびＣ層の厚み、Ｂ層とＣ層との積層対数、ナノレイヤー交互層の厚み、界面層の厚み、Ａ層とナノレイヤー交互層との積層対数、硬質被膜の総膜厚をそれぞれ示す図表である。 図８の試験品１〜試験品５０について、被膜硬さ、摩耗幅、切削距離、判定結果をそれぞれ示す図表である。 図８の試験品１〜試験品５０のうちの試験品２、３、１２、２２、２９、３７、４０、４４について、切削距離の増加に伴う摩耗幅の増加特性を示す図である。

以下、本発明の硬質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および図２は、本発明の硬質被膜２４が被覆された硬質被膜被覆工具或いは硬質被膜被覆部材の一例であるドリル１０を示す図である。図１は軸心Ｏと直角な方向から見た正面図、図２は切れ刃１２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１０は、２枚刃のツイストドリルで、シャンク１４およびボデー１６を軸方向に一体に備えており、ボデー１６には軸心Ｏの右まわりにねじれた一対の溝１８が形成されている。ボデー１６の先端には、溝１８に対応して一対の切れ刃１２が設けられており、シャンク１４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１２によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝１８を通ってシャンク１４側へ排出される。

ボデー１６の先端面において、一対の切れ刃１２に隣接するそれぞれの逃げ面２０には、シャンク１４の端面からシャンク１４およびボデー１６を縦通した一対の切削液導出孔２２が、開口させられている。なお、図１において、斜線部分は、硬質被膜としての硬質被膜２４のコーティング部分を示している。本実施例では、硬質被膜２４は、ドリル１０の一部であるボデー１６にコーティングされているが、ドリル１０全体がコーティングされても差し支えない。

図３は、ドリル１０の硬質被膜２４の断面を拡大して説明する模式図である。図３において、たとえば超硬合金製の工具母材３０の上には、物理的蒸着法により５０〜１０００ｎｍ程度の厚みに形成された界面層３２を介して、硬質被膜２４が積層されている。この硬質被膜２４は、物理的蒸着法により、５０〜１０００ｎｍの厚みを有するように形成されたＡ層３４と、１〜１００ｎｍの厚みのＢ層３６および１〜１００ｎｍの厚みのＣ層３８が５０〜１０００ｎｍの厚みとなるように交互に積層された複層領域であるナノレイヤー交互層４０とが交互に積層されて、０．５〜２０μｍの総膜厚となるように構成されたものである。図３に示す硬質被膜２４において、Ａ層３４とナノレイヤー交互層４０との積層数はたとえば偶数であり、ナノレイヤー交互層４０内におけるＢ層３６とＣ層３８との積層数はたとえば３以上の奇数である。

Ａ層３４は、組成式が［Ａｌ_{１−Ｗ−Ｘ}Ｃｒ_Ｗ（ＳｉＣ）_Ｘ］Ｎで、原子比Ｗが０．２０〜０．８０、原子比Ｘが０．０１〜０．２０で表されるＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物であって、５０〜１０００ｎｍの厚みを有するものである。このＡ層３４は、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１つの元素である添加物αを、２０ａｔ％以下の割合で含む。この添加物αは、固溶強化が生じてＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物の硬度を高めたり、切削時の高温により、ＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物の強度を向上させるとともに酸化物をＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物の表面に形成して、耐摩耗性を高めるという、特徴がある。

Ｂ層３６は、組成式が［Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ］Ｎで、原子比Ｙが０．３０〜０．８５で表されるＴｉＡｌ窒化物であって、１〜１００ｎｍの厚みを有するものである。このＢ層３６は、Ｂ、Ｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物βを、１０ａｔ％以下の割合で含む。この添加物βは、固溶強化を発生させてＴｉＡｌ窒化物の硬度を高め、耐摩耗性を高めることに寄与する。

Ｃ層３８は、組成式が［Ｔｉ_１−Ｚ（ＳｉＣ）_Ｚ］Ｎで、原子比Ｚが０．０５〜０．４５で表されるＴｉ（ＳｉＣ）窒化物であって、１〜１００ｎｍの厚みを有するものである。このＣ層３８は、Ｂ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物γを、１０ａｔ％以下の割合で含む。この添加物γは、固溶強化が生じてＴｉ（ＳｉＣ）窒化物の硬度を高め、耐摩耗性を高めることに寄与する。また、上記添加物γのうちのＶ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷは、切削時の高温によって酸化物を形成して自己潤滑作用を発生させるので、工具寿命に寄与する。

界面層３２は、硬質被膜２４と同様の物理的蒸着法により５０〜１０００ｎｍの厚みとなるように、Ａ層３４を構成するＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物、Ｂ層３６を構成するＴｉＡｌ窒化物、Ｃ層３８を構成するＴｉ（ＳｉＣ）窒化物、またはナノレイヤー交互層４０と同様のナノレイヤー積層構造の材料（ＴｉＡｌ窒化物／Ｔｉ（ＳｉＣ）窒化物）から構成され得る。図３では、一例として、界面層３２がＡ層３４と同様の材料すなわちＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物から構成されている。

ここで、ナノレイヤー交互層４０では、Ｂ層３６およびＣ層３８の積層数が偶数であってもよいし、３以上の奇数であってもよく、その最上層或いは最下層は、Ｂ層３６およびＣ層３８のいずれであってもよい。また、硬質被膜２４では、Ａ層３４とナノレイヤー交互層４０との積層数は、偶数であってもよいし、３以上の奇数であってもよく、その最上層或いは最下層は、Ａ層３４およびナノレイヤー交互層４０のいずれであってもよい。

図４、図５、図６は、硬質被膜２４の他の構成例をそれぞれ示している。図４の硬質被膜２４は、図３に比較して、Ａ層３４とナノレイヤー交互層４０との積層数が奇数である点、およびナノレイヤー交互層４０内のＢ層３６とＣ層３８との積層数が奇数である点、および界面層３２がＢ層３６と同様の材料であるＴｉＡｌ窒化物で構成されている点で相違する。図５に示す硬質被膜２４は、図３に比較して、工具母材３０と硬質被膜２４との間に介在させられた界面層３２がナノレイヤー交互層４０と同様のナノレイヤー積層構造の材料（ＴｉＡｌ窒化物／Ｔｉ（ＳｉＣ）窒化物）で構成されている点で相違する。図６に示す硬質被膜２４は、図３に比較して、Ａ層３４とナノレイヤー交互層４０との積層数が奇数である点、硬質被膜２４の最上層がナノレイヤー交互層４０である点、および硬質被膜２４が界面層３２を介さないで工具母材３０の上に直接積層されている点で相違する。

図７は、ドリル１０の製造に用いられるアークイオンプレーティング装置５０を説明する概略構成図（模式図）である。アークイオンプレーティング装置５０は、物理的蒸着法の一種であるアークイオンプレーティング法により、界面層３２、Ａ層３４、Ｂ層３６、Ｃ層３８を、図１および図２に示すドリル１０と同様の形状を有する工具母材３０の上に成膜する。

アークイオンプレーティング装置５０は、たとえば、複数のワークすなわち硬質被膜２４を被覆する前の切れ刃１２、溝１８等が形成された複数個の工具母材３０を保持し、略垂直な回転中心まわりに回転駆動される回転テーブル５４、工具母材３０に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源５６、工具母材３０などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ５８、チャンバ５８内に設けられたヒータ５９、チャンバ５８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置６０、チャンバ５８内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置６２、第１アーク電源６４、第２アーク電源６６、第３アーク電源６８等を備えている。回転テーブル５４は、上記回転中心を中心とする円筒形状或いは多角柱形状を成しており、先端が上方へ突き出す姿勢で複数本の工具母材３０を外周部に保持している。また、反応ガス供給装置６０は、アルゴンガス（Ａｒ）を貯えるタンクおよび窒素ガスを貯えるタンクを備えており、界面層３２、Ａ層３４、Ｂ層３６、Ｃ層３８を形成するときには窒素ガスを供給する。

第１アーク電源６４、第２アーク電源６６および第３アーク電源６８は、何れも蒸着材料から成る第１蒸発源７０、第２蒸発源７４、第３蒸発源７８をカソードとして、アノード７２、７６、８０との間に所定のアーク電流を選択的に通電してアーク放電させることにより、それ等の第１蒸発源７０、第２蒸発源７４、第３蒸発源７８から蒸発材料を選択的に蒸発させるもので、蒸発した蒸発材料は正イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具母材３０に被覆させられる。界面層３２、Ａ層３４、Ｂ層３６、Ｃ層３８が得られるように、所定の組成を蒸発させるように、第１アーク電源６４、第２アーク電源６６および第３アーク電源６８が選択されるように設定されるとともに、アーク電流、バイアス電圧が定められ、同時に、４００〜５５０℃の温度、２〜１０Ｐａの真空度等の成膜条件が定められる。上記界面層３２、Ａ層３４、Ｂ層３６、Ｃ層３８の厚みについては、成膜時間の制御で調整される。

たとえば、第１蒸発源７０は、組成式が［Ａｌ_{１−Ｗ−Ｘ}Ｃｒ_Ｗ（ＳｉＣ）_Ｘ］Ｎで、原子比Ｗが０．２０〜０．８０、原子比Ｘが０．０１〜０．２０で表されるＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物であって、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１つの元素である添加物αを、２０ａｔ％以下の割合で含むＡ層用蒸発源材料から構成されている。第２蒸発源７４は、［Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ］Ｎで、原子比Ｙが０．３０〜０．８５で表されるＴｉＡｌ窒化物であって、Ｂ、Ｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物βを、１０ａｔ％以下の割合で含むＢ層用蒸発源材料から構成されている。第３蒸発源７８は、組成式が［Ｔｉ_１−Ｚ（ＳｉＣ）_Ｚ］Ｎで、原子比Ｚが０．０５〜０．４５で表されるＴｉ（ＳｉＣ）窒化物であって、Ｂ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物γを、１０ａｔ％以下の割合で含むＣ層用蒸発源材料から構成されている。

工具母材３０の上に界面層３２を形成するときは、たとえば第１アーク電源６４により第１蒸発源７０からＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物が蒸発させられるか、或いは第２アーク電源６６により第２蒸発源７４からＴｉＡｌ窒化物が蒸発させられる。工具母材３０の上にＡ層３４を形成するときは、第１アーク電源６４により第１蒸発源７０からＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物が蒸発させられる。工具母材３０の上にナノレイヤー交互層４０を形成するときは、第２アーク電源６６により第２蒸発源７４からＴｉＡｌ窒化物が蒸発させられる区間と第３アーク電源６８により第３蒸発源７８からＴｉ（ＳｉＣ）窒化物が蒸発させられる区間が交互に設けられることで、ＴｉＡｌ窒化物から成るナノレイヤーオーダのＢ層３６とＴｉ（ＳｉＣ）窒化物からなるナノレイヤーオーダのＣ層３８とが交互に積層される。このような動作の選択により、たとえば図３に示す硬質被膜２４が工具母材３０の上に積層される。

本発明者は、耐摩耗性および耐溶着性を確認するために、図７のアークイオンプレーティング装置５０を用いて、図１および図２に示すドリル１０と同様の形状を有する超硬合金製の工具母材３０の上に形成された図３に示す硬質被膜２４の、界面層、３２、Ａ層３４、Ｂ層３６、Ｃ層３８の組成比率（ａｔ％）および膜厚（ｎｍ）、ナノレイヤー交互層４０内のＢ層３６およびＣ層３８の積層対数、ナノレイヤー交互層４０の厚み、Ａ層３４およびナノレイヤー交互層４０の積層対数を、図８、図９、図１０、図１１に示すように相違させた５０種類の試験品１〜試験品５０を作成した。そして、それらの試験品１〜試験品５０の被膜の硬さを以下に示す被膜硬さ（ビッカース硬さ）測定方法にしたがってそれぞれ測定するとともに、以下に示す切削試験条件に従って試験品１〜試験品５０を用いてそれぞれ切削したときの摩耗幅および切削距離を、以下に示す測定方法に従って測定し、切削性能を判定した。図１２はそれらの評価結果を示す。なお、図８、図９、図１０に示される組成値の単位はａｔ％（原子％）である。

（被膜硬さ測定方法）
ビッカース硬さ試験法（ＪＩＳＧ０２０２、Ｚ２２４４）に従って、硬さ記号ＨＶ０．０２５で示される条件下で試験品１〜試験品５０の硬質被膜のＨＶ値（ビッカース硬さ）を測定。

（切削試験条件）
被削材：ＳＣＭ４４０（３０ＨＲＣ）
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ．
回転速度：５３０５ｍｉｎ^−１
送り量：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ．
加工深さ：３０ｍｍ止まり
ステップ量：ノンステップ
切削液：水溶性切削油

（摩耗幅の測定方法）
ドリルの先端切れ刃の切削距離が５０ｍに到達するまで穴加工を繰り返し、切削距離が５０ｍに到達したときの、ドリルの先端二番面における被膜の摩耗幅すなわち切れ刃に隣接した基材の露出幅を、スケール付き実体顕微鏡を用いて実測し、図１２の※１に示した。
（切削距離の測定方法および合格判定方法）
切削試験条件（回転速度：５３０５ｍｉｎ^−１、送り量：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ、加工深さ：３０ｍｍ）と、ドリルの摩耗幅が０．２ｍｍに到達するまでの穴加工数（総加工深さ）とに基づいてドリルの先端切れ刃の切削距離を算出し、図１２の※２に示した。この切削距離が５０ｍ未満であれば不合格判定として×印を、５０ｍ以上であれば合格判定として○印を、図１２の※３に示した。

図１２に示すように、実施例品に対応する試験品７〜試験品５０の被膜硬さは３１９０〜３５４０（ＨＶ０．０２５）であり、比較例品に対応する試験品１〜試験品６の最大値２５１０よりも高い被膜硬さが得られた。

図１２に示すように、比較例品に対応する試験品１〜試験品６は、摩耗幅が０．２ｍｍに到達するまでの切削距離が合格判定値５０ｍ未満であるために不合格判定された。試験品１はＢ層３６が設けられていないためＢ層３６およびＣ層３８の交互層であるナノレイヤー交互層４０が形成されておらず、界面層３２の膜厚が１０００ｎｍを超えている。試験品２は、Ｃ層３８が設けられていないためＢ層３６およびＣ層３８の交互層であるナノレイヤー交互層４０が形成されておらず、Ａ層３４の膜厚Ｔ_Ａが１０００ｎｍを超えている。試験品３は、Ａ層３４を備えておらず、Ｂ層３６の膜厚Ｔ_ＢおよびＣ層３８の膜厚Ｔ_Ｃが１００ｎｍを超え、ナノレイヤー交互層４０の厚みが１０００ｎｍを超え、且つ総膜厚が２０μｍを超えている。試験品４は、Ｂ層３６の膜厚Ｔ_Ｂが１００ｎｍを超え、Ｃ層３８の膜厚Ｔ_Ｃ厚みが１ｎｍを下回り、且つ界面層３２の厚みが１０００ｎｍを超えている。試験品５は、Ａ層３４を備えておらず、Ｂ層３６の膜厚Ｔ_ＢおよびＣ層３８の膜厚Ｔ_Ｃが１ｎｍを下回り、ナノレイヤー交互層４０の厚みが５０ｎｍを下回り、且つ総膜厚が０．５μｍを下回っている。試験品６は、Ａ層３４の膜厚Ｔ_Ａが薄くて５０ｎｍを下まわり、Ｂ層３６の膜厚Ｔ_ＢおよびＣ層３８の膜厚Ｔ_Ｃが１ｎｍを下回り、界面層３２の膜厚が５０ｎｍを下回り、且つ総膜厚が０．５μｍを下回っている。

しかし、実施例品に対応する試験品７〜試験品５０は、摩耗幅が０．２ｍｍに到達するまでの切削距離が合格判定値５０ｍ以上であるために合格判定された。なお、図４に示すドリル、図５に示すドリル、図６に示すドリルでも、図１２と同様の結果が得られた。すなわち、界面層３２の有無、硬質被膜２４の最上層或いは最下層がＡ層３４であるか、ナノレイヤー交互層４０であるか、硬質被膜２４の積層数が偶数か奇数か、ナノレイヤー交互層４０の積層数が奇数か偶数化に拘わらず、図１２と同様の結果が得られた。

図１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品５０において、Ａ層３４の組成範囲は、たとえば図８の試験品７、１３に示されるように、Ａｌは２０〜７９ａｔ％の範囲内、Ｃｒは７８〜２０ａｔ％の範囲内、（ＳｉＣ）は０．５〜２０ａｔ％の範囲内、添加物αは、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗから選択された元素であって、０〜２０ａｔ％の範囲内である。すなわち、Ａ層３４の好適な組成は、組成式が［Ａｌ_{１−Ｗ−Ｘ}Ｃｒ_Ｗ（ＳｉＣ）_Ｘ］Ｎで、原子比Ｗが０．２０〜０．８０、原子比Ｘが０．０１〜０．２０で表されるＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物である。また、Ａ層３４の膜厚Ｔ_Ａの好適な厚み範囲は、たとえば図１１の試験品７、および試験品１１に示されるように、５０〜１０００ｎｍである。

また、図１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品５０において、Ｂ層３６の組成範囲は、たとえば図９の試験品７、１３に示されるように、Ｔｉは１５〜７０ａｔ％の範囲内、Ａｌは８５〜３０ａｔ％の範囲内、添加物βは、Ｂ、Ｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷのうちの少なくとも１つの元素であって、０〜１０ａｔ％の範囲内である。すなわち、Ｂ層３６の好適な組成は、組成式が［Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ］Ｎで、原子比Ｙが０．３０〜０．８５で表されるＴｉＡｌ窒化物である。また、Ｂ層３６の膜厚ＴＢの好適な範囲は、たとえば図１１の試験品１０に示されるように、１〜１００ｎｍである。

また、図１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品５０において、Ｃ層３８の組成範囲は、たとえば図１０の試験品１２、１６に示されるように、Ｔｉは５３〜９４．５ａｔ％の範囲内、（ＳｉＣ）は５〜４５ａｔ％の範囲内、添加物γは、Ｂ、Ｃ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷのうちの少なくとも１つの元素であって、０〜１０ａｔ％の範囲内である。すなわち、Ｃ層３８の好適な組成は、組成式が［Ｔｉ_１−Ｚ（ＳｉＣ）_Ｚ］Ｎで、原子比Ｚが０．０５〜０．４５で表されるＴｉ（ＳｉＣ）窒化物である。また、Ｃ層３８の膜厚Ｔ_Ｃの好適な範囲は、たとえば図１１の試験品１０、１２に示されるように、１〜１００ｎｍである。

また、図１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品５０において、ナノレイヤー交互層４０の厚み範囲は、たとえば図１１の試験品７、１２に示されるように、５０〜１０００ｎｍである。また、Ａ層３４の膜厚Ｔ_Ａとナノレイヤー交互層４０の膜厚Ｔ_ＮＬの比の値Ｔ_Ａ／Ｔ_ＮＬは、０．２〜１０の範囲である。

また、図１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品５０において、界面層３２の厚み範囲は、たとえば図１１の試験品７、１１に示すように、５０〜１０００ｎｍである。

また、図１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品５０において、硬質被膜２４の総合厚み（総膜厚）の範囲は、たとえば図１１の試験品１９、２０に示すように、０．５〜２０μｍである。

そして、図１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品５０において、Ｂ層３６およびＣ層３８が積層されたナノレイヤー交互層４０における繰り返し数すなわち一対のＢ層３６およびＣ層３８の対数は、たとえば試験品４８、１２に示すように２〜５００である。また、Ａ層３４およびナノレイヤー交互層４０が積層された硬質被膜２４における繰り返し数すなわち一対のＡ層３４およびナノレイヤー交互層４０の対数は、たとえば試験品７、１２に示すように２〜１９９である。

図１３は、試験品１〜試験品５０のうちの、比較例品に対応する試験品２、３と実施例品に対応する試験品１２、２２、２９、３７、４０、４４について、前記切削試験における切削距離の増加に伴う摩耗幅の増加特性を示している。比較例品に対応する試験品２、３の摩耗幅の増加率は、実施例品に対応する試験品１２、２２、２９、３７、４０、４４に比較してきわめて大きい。

本実施例によれば、工具母材３０の表面に被覆される硬質被膜２４は、物理的蒸着法により、Ａ層３４と、Ｂ層３６およびＣ層３８がナノオーダの厚みで交互に積層されたナノレイヤー交互層４０とが交互に積層されて、０．５〜２０μｍの膜厚となるように構成されたものであり、Ａ層３４は、組成式が［Ａｌ_{１−Ｗ−Ｘ}Ｃｒ_Ｗ（ＳｉＣ）_Ｘ］Ｎで、原子比Ｗが０．２０〜０．８０、原子比Ｘが０．０１〜０．２０で表されるＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物であって、５０〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、Ｂ層３６は、組成式が［Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ］Ｎで、原子比Ｙが０．３０〜０．８５で表されるＴｉＡｌ窒化物であって、１〜１００ｎｍの厚みを有するものであり、Ｃ層３８は、組成式が［Ｔｉ_１−Ｚ（ＳｉＣ）_Ｚ］Ｎで、原子比Ｚが０．０５〜０．４５で表されるＴｉ（ＳｉＣ）窒化物であって、１〜１００ｎｍの厚みを有するものであり、ナノレイヤー交互層４０は、５０〜１０００ｎｍの厚みを有するものであることから、炭素鋼や鋳鉄などの切削では耐摩耗性が得られ、合金鋼やステンレス鋼などの切削では耐溶着性が得られるドリル１０が得られる。

また、本実施例によれば、Ａ層３４の膜厚Ｔ_Ａとナノレイヤー交互層４０の膜厚Ｔ_ＮＬの比の値Ｔ_Ａ／Ｔ_ＮＬは０．２〜１０であるので、炭素鋼や鋳鉄などの切削では耐摩耗性が得られ、合金鋼やステンレス鋼などの切削では耐溶着性が得られる工具が得られる。

また、本実施例によれば、Ａ層３４は、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１つの元素である添加物αを、２０ａｔ％以下の割合で含むため、Ａ層３４中で固溶強化が生じてＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物の硬度を高めることができ、切削時の高温により、強度が向上するとともに酸化物が表面に形成されて優れた耐摩耗性が得られ、耐溶着性とのバランスが好適なものとなってドリル１０の長い工具寿命が得られる。

また、本実施例によれば、Ｂ層３６は、Ｂ、Ｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物βを、１０ａｔ％以下の割合で含むため、Ｂ層３６中での固溶強化が生じることによってＴｉＡｌ窒化物の硬度を高めることができ、ドリル１０の優れた耐摩耗性が得られる。

また、本実施例によれば、Ｃ層３８は、Ｂ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物γを、１０ａｔ％以下の割合で含むことから、Ｃ層３８中での固溶強化が生じることによってＴｉ（ＳｉＣ）窒化物の硬度を高めることができるので、ドリル１０の優れた耐摩耗性が得られる。特に、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷは、切削時の高温によって酸化物を形成して自己潤滑作用が得られるので、一層長いドリル１０の工具寿命が得られる。

また、本実施例によれば、図６に示される硬質被膜２４は、工具母材３０に直接被覆されていることから、硬質被膜２４と工具母材３０との間の界面層が不要となるので、製造が容易となる。

また、本実施例によれば、図３、図４、図５に示される硬質被膜２４は、界面層３２を介して工具母材３０に被覆され、界面層３２は、Ａ層３４、Ｂ層３６、またはナノレイヤー交互層４０と同様の材料から５０〜１０００ｎｍの厚みに形成されている。このため、硬質被膜２４と工具母材３０との間の接着強度が一層高められる。

また、本実施例のドリル１０によれば、硬質被膜２４によって一部が被覆された硬質被膜被覆工具であることから、炭素鋼や鋳鉄の切削では耐摩耗性が得られ、合金鋼やステンレス鋼の切削では耐溶着性が得られる。

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：ドリル（硬質被膜被覆工具、硬質被膜被覆部材）
３０：工具母材（母材）
２４：硬質被膜
３４：Ａ層
３６：Ｂ層
３８：Ｃ層
４０：ナノレイヤー交互層

Claims (8)

1. 母材の表面に被覆される硬質被膜であって、
   前記硬質被膜は、物理的蒸着法により、Ａ層と、Ｂ層およびＣ層が交互に積層されたナノレイヤー交互層とが交互に積層されて、０．５〜２０μｍの総膜厚となるように構成されたものであり、
   前記Ａ層は、組成式が［Ａｌ_{１−Ｗ−Ｘ}Ｃｒ_Ｗ（ＳｉＣ）_Ｘ］Ｎで、原子比Ｗが０．２０〜０．８０、原子比Ｘが０．０１〜０．２０で表されるＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物であって、５０〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、
   前記Ｂ層は、組成式が［Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ］Ｎで、原子比Ｙが０．３０〜０．８５で表されるＴｉＡｌ窒化物であって、１〜１００ｎｍの厚みを有するものであり、
   前記Ｃ層は、組成式が［Ｔｉ_１−Ｚ（ＳｉＣ）_Ｚ］Ｎで、原子比Ｚが０．０５〜０．４５で表されるＴｉ（ＳｉＣ）窒化物であって、１〜１００ｎｍの厚みを有するものであり、
   前記ナノレイヤー交互層は、５０〜１０００ｎｍの厚みを有するものである
   ことを特徴とする硬質被膜。
2. 前記Ａ層の膜厚Ｔ_Ａと前記ナノレイヤー交互層の膜厚Ｔ_ＮＬの比の値Ｔ_Ａ／Ｔ_ＮＬは０．２〜１０である
   ことを特徴とする請求項１の硬質被膜。
3. 前記Ａ層は、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物αを、２０ａｔ％以下含む
   ことを特徴とする請求項１または２の硬質被膜。
4. 前記Ｂ層は、Ｂ、Ｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物βを、１０ａｔ％以下含む
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかの硬質被膜。
5. 前記Ｃ層は、Ｂ、Ｖ、Ｙ、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷからなる群より選択された少なくとも１種の元素から成る添加物γを、１０ａｔ％以下含む
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の硬質被膜。
6. 前記硬質被膜は、前記母材に直接被覆されている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の硬質被膜。
7. 前記硬質被膜は、界面層を介して前記母材に被覆され、
   前記界面層は、前記Ａ層、前記Ｂ層、または前記ナノレイヤー交互層と同様の材料から５０〜１０００ｎｍの厚みに形成されている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の硬質被膜。
8. 請求項１から７のいずれかの硬質被膜によって前記母材の一部または全部が被覆された
   ことを特徴とする硬質被膜被覆部材。

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