JP6762790B2

JP6762790B2 - 硬質皮膜被覆部材

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Publication number: JP6762790B2
Application number: JP2016142705A
Authority: JP
Inventors: 山本　兼司; 兼司山本; 克友三浦; 敦史西部
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Koshuha All Metal Service Co Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Koshuha All Metal Service Co Ltd
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2036-07-20
Also published as: JP2017133093A

Description

本発明は、硬質皮膜被覆部材に関する。

従来、金属材料を加工する工具として金型などの塑性加工用治工具や切削工具などがあるが、これらの工具は金属材料との激しい摺動環境で使用されることから、高度な耐摩耗性や耐久性が要求される。これに対して、窒化チタン（ＴｉＮ）などのセラミックス皮膜を工具の表面にコーティングすることにより、工具の耐摩耗性を向上させることが知られている。

下記特許文献１には、金型の表面にイオン窒化を施すことにより窒化層を形成し、当該窒化層上にＴｉＮ膜をコーティングする技術が開示されている。また下記特許文献２には、押し出し加工用のダイスにおいて基材の表面に窒化層を形成し、その後窒化層の酸化を防止する保護膜として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を形成する技術が開示されている。

特開平５−９８４２２号公報特開平９−１８４０６０号公報

上記特許文献１では、窒化層中においてＦｅ_４Ｎ（γ’相）やＦｅ_２−３Ｎ（ε相）などの脆弱な化合物層が形成されないようにイオン窒化を行うことにより、窒化層とＴｉＮ膜との密着性を改善することが提案されているが、このように脆弱層の形成を抑制するだけでは密着性向上の効果が十分ではない。このため、近年のより過酷な使用環境にも対応できるようにするため、基材と硬質皮膜の密着性を一層向上させるための改善策が必要である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、表層部に窒化層が形成された鉄基材において、当該窒化層上に形成された硬質皮膜の密着性が改善された硬質皮膜被覆部材を提供することである。

本発明の一局面に係る硬質皮膜被覆部材は、鉄系材料からなり、表層部に窒化層が形成された基材と、金属窒化物、金属炭窒化物又は金属炭化物からなり、前記窒化層上に形成された硬質皮膜と、を備える。前記窒化層における最大窒素濃度が１０ａｔ％以上２３ａｔ％以下である。前記硬質皮膜の硬度が１０００ＨＶ以上１７００ＨＶ以下である。

本発明の他局面に係る硬質皮膜被覆部材は、鉄系材料からなり、表層部に窒化層が形成された基材と、金属窒化物、金属炭窒化物又は金属炭化物からなり、前記窒化層上に形成された硬質皮膜と、を備える。前記窒化層の最表面から５μｍの深さまでの領域における平均窒素濃度が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下である。前記硬質皮膜の硬度が１０００ＨＶ以上１７００ＨＶ以下である。

本発明者は、鉄系材料からなる基材の窒化層上に金属窒化物、金属炭窒化物又は金属炭化物からなる硬質皮膜を耐摩耗層としてコーティングした部材において、硬質皮膜の密着性を改善するための方策について鋭意検討を行った。その結果、窒化層においてＦｅ_４Ｎ（γ’相）やＦｅ_２−３Ｎ（ε相）などの化合物層が多く形成されないように窒素濃度を制御すると共に、硬質皮膜の硬度を制御することに着目して本発明に想到した。

本発明に係る硬質皮膜被覆部材では、窒化層における最大窒素濃度が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下に制御され、又は窒化層の表層部（最表面から５μｍの深さまでの領域）における平均窒素濃度が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下に制御されている。最大窒素濃度が１０ａｔ％未満又は平均窒素濃度が８ａｔ％未満である場合には、窒素濃度が低すぎるために窒化層の硬度が低下する。一方で、最大窒素濃度が２５ａｔ％を超える場合又は平均窒素濃度が２０ａｔ％を超える場合には、窒素濃度が高すぎるために窒化層においてＦｅ_４Ｎ（γ’相）やＦｅ_２−３Ｎ（ε相）などの化合物層が多く形成され、その結果窒化層に割れによって硬質皮膜の密着性が低下する。これに対して、本発明では、窒化層における最大窒素濃度を１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下の範囲に制御し、又は窒化層の表層部における平均窒素濃度を８ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲に制御することにより、窒化層の硬度低下を抑制すると共に窒化層と硬質皮膜との密着性の低下を防ぐことができる。また化合物層の形成をより確実に抑制する観点から、最大窒素濃度は２０ａｔ％未満であることがより好ましく、１５ａｔ％未満であることがさらに好ましい。また表層部における平均窒素濃度は、１３ａｔ％未満であることがより好ましい。

このように、窒化層においてＦｅ_４Ｎ（γ’相）やＦｅ_２−３Ｎ（ε相）などの化合物層の形成を抑制することにより硬質皮膜の密着性をある程度改善することができるが、その効果は十分ではない。そこで本発明では、窒化層上に形成される硬質皮膜の硬度を１０００ＨＶ以上１７００ＨＶ以下に制御することにより、窒素濃度のみを制御した場合に比べて硬質皮膜の密着性が飛躍的に改善されている。

通常、鉄基材に形成される窒化層の硬度は１０００〜１２００ＨＶである。これに対して、硬質皮膜の硬度を１０００ＨＶ以上１７００ＨＶ以下にすることにより、皮膜が柔らかくなり過ぎることを抑制しつつ、窒化層と硬質皮膜との硬度差を７００ＨＶ以下にまで小さくすることができる。これにより、外部応力が加わった時の基材と硬質皮膜との変形挙動の差が小さくなり、硬質皮膜の密着性を一層改善することができる。また窒化層との硬度差をより小さくする観点から、硬質皮膜の硬度は１６００ＨＶ以下であることがより好ましく、１５００ＨＶ以下であることがさらに好ましい。また皮膜の変形量が大きくなり過ぎるのを抑制する観点から、硬質皮膜の硬度は１２００ＨＶ以上であることがより好ましい。

ここで「鉄系材料」とは、純鉄、鋼及び鋳鉄を含む概念であり、金型や切削工具に用いられる合金工具鋼であることが好ましい。また「最大窒素濃度」とは、窒化層の最表面における窒素濃度であり、グロー放電発光分析装置（ＧＤ−ＯＥＳ）を用いて窒化層の深さ方向における窒素濃度分布を測定し、当該分布を用いて測定することができる。また「平均窒素濃度」は、ＧＤ−ＯＥＳを用いて測定される深さ方向の窒素濃度分布において、最表面から深さ５μｍの位置までの領域で窒素濃度の平均値を算出することにより得られる。また硬質皮膜の「硬度」は、ビッカース硬さ（ＨＶ）であり、ＪＩＳ規格のビッカース硬さ試験方法に従って測定することができる。

上記硬質皮膜被覆部材において、前記鉄系材料は、４ｗｔ％以上のＣｒを含有していてもよい。

通常、Ｃｒを含有する鉄基材において、ＣｒはＣｒ_７Ｃ_３などの炭化物を形成している。この基材に対して窒化処理を行った場合、炭化物と窒化物の形成自由エネルギーの差異によりＣｒ炭化物（Ｃｒ_７Ｃ_３）がＣｒ窒化物に変化し、この反応に伴って炭素がフリーカーボンとして放出される。そして、このフリーカーボンが起点となって基材において割れが生じ易くなる。このようにクロム炭化物が窒化物に変わる反応は、窒素濃度が高い方がより起こり易くなる。従って、このような反応を抑制する観点からも、窒化層における最大窒素濃度は２０ａｔ％未満であることが好ましい。

本発明によれば、表層部に窒化層が形成された鉄基材において、当該窒化層上に形成される硬質皮膜の密着性が改善された硬質皮膜被覆部材を提供することができる。

本発明の実施形態１における金型の構成を示す図である。窒化層における深さ方向の窒素濃度分布の一例を示すグラフである。本発明の実施形態１における硬質皮膜の成膜装置の構成を示す図である。本発明の実施形態２における切削工具の構成を示す斜視図である。本発明の実施形態２における切削工具の構成を示す断面図である。窒化層における深さ方向の窒素濃度分布の一例を示すグラフである。窒化層における深さ方向の窒素濃度分布の一例を示すグラフである。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。

＜実施形態１＞
（硬質皮膜被覆部材の構成）
まず、本発明の実施形態１に係る硬質皮膜被覆部材としての金型１について説明する。図１に示すように、金型１は、被プレス部材である金属板７をプレス成形するためのものであって、上金型（第１金型）２と、下金型（第２金型）３と、を有する。上金型２及び下金型３は、上下方向（図１中矢印）に互いに離れて配置されている。上金型２には下金型３側に出っ張った凸部４が形成されており、下金型３には上金型２と反対側に凹む凹部５が形成されている。凸部４及び凹部５は、互いに嵌合可能な形状及び大きさに形成されている。

上金型２及び下金型３は、不図示の駆動源からの駆動力によって互いに接近する方向又は離れる方向に相対移動するように構成されている。より具体的には、下金型３は水平面に設置され、上金型２が下金型３に向かって下方に可動するように構成されている。そして、図１に示すように金属板７が凹部５の開口を覆うように設置され、この状態で下金型３の位置を固定しつつ上金型２を下降させることにより、凸部４によって金属板７を押圧し、金属板７を凹部５の溝形状に沿って曲げ加工することができる。なお、金型１は、図１に示す曲げ型に限定されず、抜き型、絞り型又は圧縮型などの他のプレス金型であってもよい。

金型１は、鉄系材料からなる基材１０と、基材１０の表面上に形成された硬質皮膜１１と、を有する。基材１０は、耐摩耗性や耐衝撃性に優れた金型用の合金工具鋼からなり、例えばＪＩＳ規格ＳＫＤ１１（Ｃ濃度：１．４０〜１．６０ｗｔ％、Ｓｉ濃度：０．４０ｗｔ％以下、Ｍｎ濃度：０．６０ｗｔ％以下、Ｐ濃度：０．０３０ｗｔ％以下、Ｓ濃度：０．０３０ｗｔ％以下、Ｃｒ濃度：１１．００〜１３．００ｗｔ％、Ｍｏ濃度：０．８０〜１．２０ｗｔ％、Ｖ濃度：０．２０〜０．５０ｗｔ％）などの冷間金型用鋼や熱間金型用鋼などからなる。

基材１０の表層部には、窒化層１０Ａが形成されている。窒化層１０Ａは、基材１０の表面から素地金属の結晶格子内に窒素原子が侵入して固溶することにより形成された層であり、基材１０の最表面から深さ方向において所定の厚みを有する。窒化層１０Ａは、ガス窒化法、ガス軟窒化法、塩浴窒化法、又はプラズマ窒化法などの種々の窒化処理法によって形成されている。また窒化層１０Ａの硬度（ビッカース硬さ）は、１０００〜１２００ＨＶとなっている。

窒化層１０Ａは、基材１０の最表面から内部に向かって深さ方向に窒素原子が拡散することにより形成されるため、窒素濃度は基材１０の最表面から内部に向かって徐々に小さくなる分布を有する。このため、窒化層１０Ａにおいては、最表面の窒素濃度が最大窒素濃度となっている。本実施形態では、窒化処理時の条件を制御することによって又は窒化処理後において基材１０の表面に研磨処理を施すことによって、最大窒素濃度が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下の範囲内に制御されている。また、窒化層１０Ａの表層部における平均窒素濃度が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲内に制御されている。窒化層１０Ａの表層部とは、窒化層１０Ａの最表面から当該最表面に垂直な深さ方向において深さ５μｍの位置までの領域を意味する。

図２は、本実施形態における窒化層１０Ａの深さ方向の窒素濃度分布を模式的に示したグラフである。グラフ横軸は窒化層１０Ａの深さ方向の位置（μｍ）を示し、縦軸は窒素濃度（ａｔ％）を示している。またグラフ中の斜線部は窒化層１０Ａの最表面から５μｍの深さまでの領域（表層部）を示し、一点鎖線は当該表層部における窒素濃度の平均値を示している。グラフの通り、本実施形態では、窒化層１０Ａの最表面における窒素濃度である最大窒素濃度（Ｍａｘ．）が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下の範囲内に制御されると共に、窒化層１０Ａの表層部における平均窒素濃度（Ａｖｅ．）が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲内に制御されている。

窒化層１０Ａにおける最大窒素濃度が１０ａｔ％未満又は平均窒素濃度が８ａｔ％未満である場合には窒素濃度が低すぎるため窒化層１０Ａの硬度が低下する。一方で、最大窒素濃度が２５ａｔ％を超える場合又は平均窒素濃度が２０ａｔ％を超える場合には窒化層１０ＡにおいてＦｅ_４Ｎ（γ’相）やＦｅ_２−３Ｎ（ε相）などの化合物層が多く形成される。このような化合物層の形成によって窒化層１０Ａの割れが生じ易くなり、その結果窒化層１０Ａに対する硬質皮膜１１の密着性が低下する。

本実施形態では、窒化層１０Ａにおける最大窒素濃度が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下の範囲に制御されると共に、表層部の平均窒素濃度が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲に制御されている。これにより、窒化層１０Ａの硬度低下を抑制し、且つγ’相やε相などの化合物層の形成による硬質皮膜１１の密着性低下を防ぐことができる。このため、Ｘ線回折測定により窒化層１０Ａの結晶構造解析を行った場合、γ’相やε相に基づくピークが小さく又はピークが観測されない。またγ’相やε相の形成をより確実に抑制する観点から、最大窒素濃度は２０ａｔ％未満であることが好ましい。

また本実施形態のように、４ｗｔ％以上のＣｒを含有する鋼材（例えばＳＫＤ１１材）を基材１０として用いた場合には、窒化層１０Ａを形成する窒化処理の際にＣｒ炭化物（Ｃｒ_７Ｃ_３）がＣｒ窒化物に変化し、これに伴って炭素がフリーカーボンとして母材中に放出される。このフリーカーボンは、基材１０における割れの起点となり、窒素濃度が高い方がより析出し易い。従って、このようなフリーカーボンの析出を抑制する観点からも、窒化層１０Ａにおける最大窒素濃度は２０ａｔ％未満であることが好ましい。

硬質皮膜１１は、金型１の耐摩耗性や耐久性を向上させるために窒化層１０Ａ上に形成された皮膜であり、ＴｉなどのＩＶＢ族原子、ＶなどのＶＢ族原子、又はＣｒなどのＶＩＢ族原子の窒化物（ＴｉＮ、ＶＮ、ＣｒＮ）からなる。硬質皮膜１１は、上記金属材料をターゲットとして使用し、且つ窒素ガスを成膜ガスとして用いたイオンプレーティング法やスパッタリング法などの物理蒸着法（ＰＶＤ）により形成されており、特にアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法により形成されていることが好ましい。

硬質皮膜１１は、ビッカース硬さが１０００ＨＶ以上１７００ＨＶ以下となっている。具体的には、硬質皮膜１１は、ＴｉＮ、ＶＮ、ＣｒＮなどの金属窒化物の多結晶体により構成されており、結晶粒を粗大化させることによってビッカース硬さの上限値が１７００ＨＶに制御されている。つまり、硬質皮膜１１においては、ビッカース硬さの上限値が１７００ＨＶを超える皮膜よりも結晶粒が大きくなっている。また硬質皮膜１１の硬さは、後述する成膜プロセスにおけるＡＩＰの電圧条件によって制御することができる。

窒化層１０Ａ上に形成する硬質皮膜１１は、窒化層１０Ａとの親和性の観点から金属窒化物からなるものが好ましいが、金属炭化物や金属炭窒化物でも硬さが１７００ＨＶ以下であれば、窒化層１０Ａに対する密着性を向上させることができる。硬質皮膜１１の材料としては、例えばＣｒＮ、ＴｉＮ、ＶＮ及びＺｒＮなどが挙げられるが、窒化層１０Ａに近い硬さに制御可能なことからＣｒＮが最も好ましい。

また硬質皮膜１１を多層構造とし、硬さが１７００ＨＶ以下の皮膜を窒化層１０Ａ上に接触するように形成し、その上に硬さが１７００ＨＶを超える皮膜を形成してもよい。これにより、窒化層１０Ａに対する優れた密着性が得られると共に、最表面における皮膜の硬さを高くすることが可能となり、膜の耐久性をより向上させることができる。

前述の通り、窒化層１０Ａの硬度は１０００〜１２００ＨＶ程度である。このため、硬質皮膜１１の硬さの上限値を１７００ＨＶにすることにより、硬質皮膜１１と窒化層１０Ａの硬度差を７００ＨＶ以下にまで小さくすることができる。このように、硬質皮膜１１と窒化層１０Ａの硬度を近づけることにより、基材１０と硬質皮膜１１との変形挙動の差を小さくすることができる。このため、プレス成形時において金属板７との激しい摺動により大きな応力が加わった時でも、硬質皮膜１１が基材１０から剥がれることを防止できる。つまり本実施形態では、硬質皮膜１１の硬度を１０００ＨＶ以上１７００ＨＶ以下にすることによって、皮膜が柔らかくなり過ぎるのを抑制しつつ、基材１０に対する硬質皮膜１１の密着性を大きく改善することができる。また窒化層１０Ａに対する硬度差をより小さくする観点から、硬質皮膜１１の硬度は１６００ＨＶ以下であることが好ましく、１５００ＨＶ以下であることがより好ましい。

（硬質皮膜被覆部材の作製）
次に、基材１０の窒化処理プロセス及び硬質皮膜１１の成膜プロセスについて説明する。本実施形態では、アンモニアガスを窒素原として用いたガス窒化法により基材１０の表層部に窒化層１０Ａが形成され、その後ＡＩＰ法により窒化層１０Ａを覆うように硬質皮膜１１が形成される場合について説明する。

まず、ＳＫＤ１１材などの冷間金型用鋼からなる基材１０が準備され、不図示のガス窒化炉内に設置される。そして、アンモニアガス及び水素ガスがそれぞれ炉内に導入される。このとき、混合ガス中におけるアンモニアガスの割合が１０ｖｏｌ％以上１５ｖｏｌ％以下となり、且つ炉内の全圧力が１４０Ｐａ程度となるように各ガスの導入量が調整される。

次に、ヒータなどによって炉内が約４５０℃の温度雰囲気になるまで加熱される。これにより、アンモニアガスは、２ＮＨ_３→２Ｎ＋３Ｈ_２、の反応式で表されるように解離し、Ｎ原子が生成する。そして、生成したＮ原子は基材１０の表面に吸着し、基材１０の内部に向かって拡散する。これにより、基材１０の表層部において所定の深さを有する窒化層１０Ａが形成される。

本実施形態では、混合ガス中におけるアンモニアガスの割合を調整することにより、窒化層１０Ａの最表面における窒素濃度（つまり最大窒素濃度）及び表層部の平均窒素濃度を調整することができる。具体的には、アンモニアガスの割合を１０ｖｏｌ％以上１５ｖｏｌ％以下の範囲にすることにより、窒化層１０Ａにおける最大窒素濃度を１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下の範囲に調整すると共に平均窒素濃度を８ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲に調整することができる。これにより、窒化層１０Ａにおいてγ’相やε相などの化合物層が多く形成されるのを防ぐことができる。

またアンモニアガスの割合が１５ｖｏｌ％を超える条件下（例えば２０ｖｏｌ％）でも、窒化処理後に研磨処理を施すことにより、窒化層１０Ａの最表面における窒素濃度を２５ａｔ％以下にまで低減させ、また表層部の平均窒素濃度を２０ａｔ％以下にまで低減させることができる。研磨処理の方法としては、窒化層１０Ａの最表面に研磨材を投射する投射型研磨や、砥石を用いた砥石研磨などを用いることができる。このようにして、最大窒素濃度が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下の範囲に制御されると共に、平均窒素濃度が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲に制御された窒化層１０Ａが基材１０の表層部に形成され、窒化処理が完了する。

次に、窒化層１０Ａが形成された基材１０上に硬質皮膜１１が形成される。図３は、硬質皮膜１１の成膜に使用される成膜装置６の構成を示している。まず成膜装置６の構成について、図３を参照して説明する。

成膜装置６は、チャンバー２１と、複数（２つ）のアーク電源２２及びスパッタ電源２３と、ステージ２４と、バイアス電源２５と、複数（４つ）のヒータ２６と、放電用直流電源２７と、フィラメント加熱用交流電源２８と、を有する。チャンバー２１には、真空排気するためのガス排気口２１Ａと、チャンバー２１内にガスを供給するためのガス供給口２１Ｂと、が設けられている。アーク電源２２には、成膜用のターゲットが配置されるアーク蒸発源２２Ａが接続されている。スパッタ電源２３には、成膜用のターゲットが配置されるスパッタ蒸発源２３Ａが接続されている。ステージ２４は、回転可能に構成され、被成膜物である基材１０を支持するための支持面を有する。バイアス電源２５は、ステージ２４を通して基材１０にバイアスを印加する。

次に、基材１０上への硬質皮膜１１の成膜プロセスについて説明する。まず、窒化処理後の基材１０がステージ２４上にセットされる。一方、Ｃｒなどのターゲットがアーク蒸発源２２Ａにセットされる。このターゲットは、粉末冶金により造られたものでもよいし、溶融冶金により造られたものでもよい。

次に、ガス排気口２１Ａから排気されることでチャンバー２１内が所定の圧力まで減圧される。次に、ガス供給口２１Ｂからアルゴン（Ａｒ）ガスがチャンバー２１内に導入され、ヒータ２６により基材１０が所定の温度にまで加熱される。そして、基材１０の表面がＡｒイオンにより所定時間エッチングされ、基材１０の表面に形成された酸化皮膜などが除去される（クリーニング）。

次に、窒素（Ｎ_２）ガスがガス供給口２１Ｂからチャンバー２１内に導入される。そして、アーク蒸発源２２Ａに所定のアーク電流を流してアーク放電を開始させることにより、ターゲットを蒸発させる。またチャンバー２１内に導入された窒素が熱分解され、Ｎ原子が生成する。これにより、Ｃｒ及びＮが基材１０の表面上に堆積し、ＣｒＮからなる硬質皮膜１１が成膜される。このとき、基材１０に印加するバイアス電圧を制御することにより、皮膜の硬さを制御することができる。例えば、バイアス電圧を３０Ｖ以下程度にすることにより、ＣｒＮの結晶粒が粗大化し、１７００ＨＶ以下の硬さの皮膜を得ることができる。これにより、硬質皮膜１１が硬くなり過ぎないように成膜することができる。

そして、硬質皮膜１１の膜厚が所望の値に達した後、アーク蒸発源２２Ａへのアーク電流の供給が停止される。その後、チャンバー２１内が大気開放され、成膜後の基材１０がチャンバー２１の外に取り出される。以上のようなプロセスにより、基材１０上に硬質皮膜１１が成膜される。

またスパッタリング法によって硬質皮膜１１を成膜する場合には、Ｃｒターゲットがスパッタ蒸発源２３Ａにセットされる。そして、スパッタ電源２３からスパッタ蒸発源２３Ａに所定の電力を投入してターゲットを蒸発させることにより、前述のアークイオンプレーティングの場合と同様に硬質皮膜１１を成膜することができる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２に係る硬質皮膜被覆部材としての切削工具１Ａについて説明する。

図４は切削工具１Ａの斜視図であり、図５は被削材１００を切削する様子を示す切削工具１Ａの断面図である。切削工具１Ａは、柄部（シャンク）の先端部に取り付けて使用されるインサート（刃先部）であって、図４に示すように平面形状が四角形状となっている。切削工具１Ａは、被削材１００に食い込んですくい上げる部分であるすくい面３１と、被削材との接触を避けるために逃がされた部分である逃げ面３２と、を有し、当該すくい面３１と逃げ面３２とが繋がる部分が切れ刃３３となっている。切削工具１Ａは、基材１０と、硬質皮膜１１と、を有する。基材１０は、切削用の合金工具鋼からなり、表層部に窒化層１０Ａが形成されている。硬質皮膜１１は、窒化層１０Ａ上を覆うように形成されている。そして、上記実施形態１の金型１と同様に、窒化層１０Ａにおける最大窒素濃度が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下であると共に、表層部の平均窒素濃度が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下となっている。また硬質皮膜１１のビッカース硬さは、１０００ＨＶ以上１７００ＨＶ以下となっている。

これにより、切削工具１Ａにおいても、上記実施形態１の金型１と同様に窒化層１０Ａと硬質皮膜１１との間の高い密着性が確保されている。このため、硬質な材料からなる被削材１００を高速で加工する場合や少ない潤滑油で加工する場合など、過酷な使用環境下においても硬質皮膜１１の剥がれを防止することができる。なお、このようなインサートだけでなく、ドリルやエンドミルなどの種々の切削工具においても同様に適用することができる。

＜その他実施形態＞
上記実施形態１，２では、窒化層１０Ａの最大窒素濃度が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下の範囲内に制御されると共に、窒化層１０Ａの表層部における平均窒素濃度が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲内に制御される場合について説明したが、これに限定されない。図６のグラフに示すように、最大窒素濃度（Ｍａｘ．）が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下の範囲内に制御される一方で、表層部の平均窒素濃度（Ａｖｅ．）が２０ａｔ％を超えていてもよい。また図７のグラフに示すように、表層部の平均窒素濃度（Ａｖｅ．）が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲内に制御される一方で、最大窒素濃度（Ｍａｘ．）が２５ａｔ％を超えていてもよい。なお、図６及び図７のグラフでは、図２のグラフと同様に、窒化層１０Ａの最表面から深さ５μｍまでの領域である表層部が斜線により示され、当該表層部における平均窒素濃度が一点鎖線で示されている。

本発明の硬質皮膜被覆部材は、上記実施形態１，２で説明した金型１及び切削工具１Ａに限定されず、せん断型などの塑性加工用治工具であってもよいし、金属材料との摺動により高い耐摩耗性が要求される各種機械部品にも適用することができる。

鉄基材の表層部に形成された窒化層に対する硬質皮膜の密着性に関して、本発明の効果を確認する実験を行った。

（窒化処理）
ＪＩＳ規格ＳＫＤ１１の化学成分を有する試験片（４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍ）を基材として準備し、表面に鏡面研磨処理を施した。そして、この試験片をガス窒化炉内に配置し、以下の条件でガス窒化処理を施すことにより表層部に窒化層を形成した。

処理温度：４５０℃
ガス：水素−アンモニア混合ガス（アンモニア：５ｖｏｌ％以上２０ｖｏｌ％以下）
全圧力：１４０Ｐａ
処理時間：１２時間
下記の表１において、Ｎｏ．５〜１３，３１〜３４の試験片に対しては窒化処理後に投射型の研磨処理を施し、Ｎｏ．１４〜１７の試験片に対しては砥石研磨による研磨処理を施した。またＧＤ−ＯＥＳを用いて窒化層における深さ方向の窒素濃度分布を測定し（測定元素はＮ、Ｃ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｏ）、この分布に基づいて窒素濃度（ａｔ％）を測定した。またＸ線回折測定を用いてＦｅ_４Ｎ（γ’相）又はＦｅ_２−３Ｎ（ε相）の化合物層に基づくピークの有無を確認することにより、これらの化合物層が形成されているか否かを確認した。

（硬質皮膜の成膜）
窒化処理後の基材に対して、図３に示した成膜装置６を用いたＡＩＰ法により硬質皮膜を形成した。ＡＩＰの条件は以下の通りである。

窒素圧：４Ｐａ
基材バイアス：１０〜１００Ｖ
アーク電流：１５０Ａ
温度：４００℃
まず、窒化処理後の基材１０をステージ２４上にセットし、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌなどのターゲットをアーク蒸発源２２Ａにセットした。そして、Ａｒイオンエッチングにより基材１０の表面をクリーニングした後、チャンバー２１内に窒素ガスを導入し、アーク蒸発源２２Ａにアーク電流を流してアーク放電を開始させることにより、基材１０上に硬質皮膜１１を成膜した。

硬質皮膜１１としては、表１のＮｏ．１〜３４に示す種類のものをそれぞれ成膜した。表１のＮｏ．２４の「Ｔｉ０．５Ａｌ０．５」の表記は、ＴｉとＡｌの原子比がそれぞれ０．５であることを示し、Ｎｏ．２５，２８，２９，３１も同様である。また表１のＮｏ．２７の「ＣｒＮ／ＴｉＮ」の表記は、ＣｒＮとＴｉＮの積層膜であることを意味し、Ｎｏ．２８〜３０も同様である。

Ｎｏ．１〜２２，３３，３４では、ＣｒターゲットとＮ_２ガスを用いて成膜し、表１に示す通り基材１０に印加するバイアス（Ｖ）を調整することにより皮膜の硬さ（ＨＶ）を変化させた。

Ｎｏ．２３では、ＴｉターゲットとＮ_２ガスを用いて成膜した。Ｎｏ．２４では、Ｔｉ，Ａｌターゲットを２つのアーク蒸発源２２Ａにそれぞれセットし、これらを同時に放電させて成膜を行った。Ｎｏ．２５では、Ｃｒ，Ａｌターゲットを２つのアーク蒸発源２２Ａにそれぞれセットし、これらを同時に放電させて成膜を行った。Ｎｏ．２６では、Ｔｉターゲットとメタンガスなどの炭化水素ガスを用いて成膜した。Ｎｏ．２７では、ＣｒターゲットとＮ_２ガスを用いてＣｒＮを成膜した後、ＴｉターゲットとＮ_２ガスを用いてＴｉＮを成膜した。Ｎｏ．２８では、ＣｒターゲットとＮ_２ガスを用いてＣｒＮを成膜した後、Ｔｉ，ＡｌターゲットとＮ_２ガスを用いてＴｉＡｌＮを成膜した。Ｎｏ．２９では、ＣｒターゲットとＮ_２ガスを用いてＣｒＮを成膜した後、Ｃｒ，ＡｌターゲットとＮ_２ガスを用いてＣｒＡｌＮを成膜した。Ｎｏ．３０では、ＣｒターゲットとＮ_２ガスを用いてＣｒＮを成膜した後、Ｔｉターゲットとメタンガスなどの炭化水素ガスを用いてＴｉＣを成膜した。Ｎｏ．３１では、Ｃｒターゲットとメタンガスなどの炭化水素ガス及び窒素ガスとを用いてＣｒＣＮを成膜した。Ｎｏ．３２では、Ｃｒターゲットとメタンガスなどの炭化水素ガスを用いてＣｒＣを成膜した。

Ｎｏ．１〜２６，３１〜３４は膜厚を５μｍとし、Ｎｏ．２７〜３０は下層側の皮膜の膜厚を１μｍ、上層側の皮膜の膜厚を４μｍとした。

（スクラッチ試験）
硬質皮膜を成膜した試験片に対して、以下の条件でスクラッチ試験を行うことにより、皮膜の密着性を確認した。表１に評価結果を示す。

圧子：ダイヤモンド圧子（先端半径：２００μｍ）
荷重範囲：０〜１００Ｎ（密着が１００Ｎ以上のサンプルに対しては荷重範囲の上限を１５０Ｎにして実施）
荷重増加速度：１００Ｎ／分
圧子移動速度：１０ｍｍ／分

（考察）
表１に示される通り、窒化層の最表面における窒素濃度（最大窒素濃度）が２５ａｔ％を超えると共に平均窒素濃度が２０ａｔ％を超え、窒化層中にγ’相及びε相が形成される場合（Ｎｏ．１，５）及び最大窒素濃度が１０％未満であると共に平均窒素濃度が８ａｔ％未満である場合（Ｎｏ．４，１２，１７）に比べて、最大窒素濃度が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下の範囲及び平均窒素濃度が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲、の少なくとも一方の条件を満たした場合において、密着性（Ｎ）が向上した。また硬質皮膜のビッカース硬さが１７００ＨＶを超える場合（Ｎｏ．２２〜２６）に比べて、１７００ＨＶ以下の場合にも密着性（Ｎ）が向上した。またＮｏ．２７〜３０では、上層側の皮膜の硬さが１７００ＨＶを超えているが、窒化層と接触する下層側の皮膜の硬さが１７００ＨＶ以下となっており、良好な密着性（Ｎ）が確認された。以上の結果より、窒化層における最大窒素濃度が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下の範囲及び平均窒素濃度が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲の少なくとも一方の条件を満たすと共に、硬質皮膜の硬さを１０００ＨＶ以上１７００ＨＶ以下にすることにより、硬質皮膜の密着性が向上することが明らかとなった。

今回開示された実施形態及び実施例は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１金型（硬質皮膜被覆部材）
１Ａ切削工具（硬質皮膜被覆部材）
１０基材
１１硬質皮膜

Claims

鉄系材料からなり、表層部に窒化層が形成された基材と、
金属窒化物、金属炭窒化物又は金属炭化物からなり、前記窒化層上に形成された硬質皮膜と、を備え、
前記窒化層における最大窒素濃度が１０ａｔ％以上２３ａｔ％以下であり、
前記硬質皮膜の硬度が１０００ＨＶ以上１７００ＨＶ以下であることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材。
鉄系材料からなり、表層部に窒化層が形成された基材と、
金属窒化物、金属炭窒化物又は金属炭化物からなり、前記窒化層上に形成された硬質皮膜と、を備え、
前記窒化層の最表面から５μｍの深さまでの領域における平均窒素濃度が８ａｔ％以上２０ａｔ％以下であり、
前記硬質皮膜の硬度が１０００ＨＶ以上１７００ＨＶ以下であることを特徴とする、硬質皮膜被覆部材。
前記窒化層と前記硬質皮膜との硬度差が７００ＨＶ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の硬質皮膜被覆部材。
前記鉄系材料は、４ｗｔ％以上のＣｒを含有することを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質皮膜被覆部材。