JPWO2007029290A1 - 硬質積層被膜、および硬質積層被膜被覆工具 - Google Patents

硬質積層被膜、および硬質積層被膜被覆工具 Download PDF

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Abstract

図１のように、ＴｉＡｌＮ層２２ａとＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層２２ｂとが交互に積層された下地層２２により、優れた耐摩耗性および靱性が得られるとともに、ＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層から成る中間層２４を介して最上部に設けられて表面を構成するＣｒＮ層２６は摩擦係数が小さいため、潤滑性すなわち耐溶着性が向上する。また、ＣｒＮ層２６の酸化開始温度は約７００℃と高いため、高温環境下でも優れた被膜特性が安定して維持される。したがって、このような硬質積層被膜２０で被覆されたボールエンドミル１０によれば、硬さが低くて溶着し易い鉄系或いは銅合金等の非鉄系の被加工物から５０ＨＲＣ程度の硬さを有する調質鋼等の高硬度材まで、広範囲に亘って優れた切削性能および耐久性能が得られるようになる。

Description

本発明は硬質積層被膜に係り、特に、優れた耐摩耗性および靱性に加えて高い潤滑性（耐溶着性）を併せ備えている硬質積層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の表面を、ＴｉＡｌＮ層とＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層とを交互に積層した硬質積層被膜で被覆することが提案されている。特許文献１に記載の回転切削工具はその一例で、高硬度のＴｉＡｌＮ層と、比較的硬度が低いＣｒＮを含む混合層とが交互に積層されているため、高硬度のＴｉＡｌＮ層により優れた耐摩耗性が得られる一方、比較的低硬度のＣｒＮを含む混合層の存在で靱性が高くなり、被膜の欠けや剥離が抑制されて実質的に工具の耐久性が向上する。
特開２００２−２７５６１８号公報
しかしながら、上記ＴｉＡｌＮ層は摩擦係数が比較的大きいため、例えば銅や銅合金等の溶着し易い被加工物に対して切削加工を行う場合には、摩擦により溶着が生じ易く、加工精度などの切削性能が損なわれるとともに、早期に摩耗して所望の耐久性能が得られないことがあった。例えば、ボールエンドミルやドリル等の回転切削工具における回転中心付近やすくい面など、摩擦接触し易い部位において溶着が発生し易い。
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、ＴｉＡｌＮを主体として構成される硬質積層被膜の耐溶着性を向上させることにある。
かかる目的を達成するために、第１発明の硬質積層被膜は、(a) ＴｉＡｌＮ層とＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層とが所定の部材の表面に交互に積層された下地層と、(b) その下地層の上に設けられたＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層から成る中間層と、(c) その中間層の上に設けられて表面を構成しているＣｒＮ層と、から成ることを特徴とする。
第２発明は、第１発明の硬質積層被膜において、前記下地層の膜厚は２μｍ〜８μｍの範囲内で、前記中間層の膜厚は０．１μｍ〜５μｍの範囲内で、前記ＣｒＮ層の膜厚は０．１μｍ〜５μｍの範囲内で、総膜厚は１０μｍ以下であることを特徴とする。
第３発明の硬質積層被膜は、(a) ＴｉＡｌＮ層とＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層とが所定の部材の表面に交互に積層された下地層と、(b) その下地層の上に設けられて表面を構成しているＣｒＮ層と、から成ることを特徴とする。
第４発明は、第３発明の硬質積層被膜において、前記下地層の膜厚は２μｍ〜８μｍの範囲内で、前記ＣｒＮ層の膜厚は０．１μｍ〜８μｍの範囲内で、総膜厚は１０μｍ以下であることを特徴とする。
第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかの硬質積層被膜において、前記下地層の最下層および最上層は共にＴｉＡｌＮ層であることを特徴とする。
第６発明は、第１発明〜第５発明の何れかの硬質積層被膜において、切削工具の表面にコーティングされるものであることを特徴とする。
第７発明は、硬質積層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積層被膜で表面が被覆されていることを特徴とする。
第１発明〜第６発明の硬質積層被膜においては、ＴｉＡｌＮ層とＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層とが交互に積層された下地層により、優れた耐摩耗性および靱性が得られるとともに、最上部に設けられて表面を構成するＣｒＮ層は摩擦係数が小さいため、潤滑性すなわち耐溶着性が向上する。また、ＣｒＮ層の酸化開始温度は約７００℃と高いため、高温環境下でも優れた被膜特性が安定して維持される。
したがって、このような硬質積層被膜が例えばボールエンドミル等の回転切削工具に適用されると、硬さが低くて溶着し易い鉄系或いは銅合金等の非鉄系の被加工物から５０ＨＲＣ程度の硬さを有する調質鋼等の高硬度材まで、広範囲に亘って優れた切削性能および耐久性能が得られるようになる。具体的には、ＣｒＮ層の存在によりすくい面摩耗が抑制され、すくい角が切削後期で負側へ変化することが抑制されるため、切れ味が長期間に亘って良好に維持され、耐久性の向上と被削面性状の安定化を実現できる。また、ボールエンドミル等の回転切削工具の先端の回転中心付近では切れ味が悪くて被加工物が溶着し易いが、ＣｒＮ層の存在により溶着が抑制されるため、切削性能や耐久性が良好に維持される。また、高温環境下でも優れた被膜特性が安定して得られるため、摩擦熱等で高温となる高能率加工などの厳しい切削条件下での加工が可能となる。
また、第１発明では、下地層とＣｒＮ層との間に、そのＣｒＮを含むＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層から成る中間層が設けられているため、ＣｒＮ層が高い密着性で積層され、そのＣｒＮ層の欠けや剥離が一層好適に抑制される。
第５発明では、下地層の最下層および最上層が共にＴｉＡｌＮ層であるため、最下層のＴｉＡｌＮ層により所定の部材（工具母材など）に対して優れた密着性が得られるとともに、最上層のＴｉＡｌＮ層により優れた耐摩耗性が得られる。最上層のＴｉＡｌＮ層の上には、ＣｒＮ層が直接または中間層を介して設けられるため、高硬度のＴｉＡｌＮ層が直接被加工物等に接触することはないが、ＴｉＡｌＮ層によってＣｒＮ層の変形が抑制されて、そのＣｒＮ層の耐摩耗性が向上するのである。
硬質積層被膜被覆工具に関する第７発明においても、実質的に第１発明〜第５発明と同様の効果が得られる。
本発明の一実施例である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) は拡大底面図、(c) は硬質積層被膜が設けられた刃部の表層部分の断面図である。 図１の(c) に示す硬質積層被膜の別の例を示す断面図である。 図１、図２の硬質積層被膜を好適に形成できるアークイオンプレーティング装置の一例を説明する概略構成図である。 ボールオンディスク法によりＣｒＮの摩擦係数を調べた結果をＴｉＡｌＮと比較して示す図である。 被膜の構成が異なる複数の本発明品および比較品を用いて、Ｃ１１００（銅）に対して所定の加工条件で切削加工を行い、逃げ面摩耗幅を調べた結果を説明する図である。 被膜の構成が異なる複数の本発明品および比較品を用いて、Ｓ５０Ｃ（機械構造用炭素鋼）に対して所定の加工条件で切削加工を行い、逃げ面摩耗幅を調べた結果を説明する図である。
符号の説明
１０：ボールエンドミル（硬質積層被膜被覆工具） １２：工具母材（部材） ２０、２８：硬質積層被膜 ２２：下地層 ２２ａ：ＴｉＡｌＮ層 ２２ｂ：混合層 ２４：中間層 ２６：ＣｒＮ層
本発明は、エンドミルやタップ、ドリルなどの切れ刃を有する回転切削工具の表面にコーティングされる硬質積層被膜に好適に適用されるが、バイト等の非回転式の切削工具や転造工具など、種々の加工工具、或いは電子部品等の表面保護膜など加工工具以外の部材の表面にコーティングされる硬質積層被膜にも同様に適用できる。工具母材など硬質積層被膜が設けられる部材としては、超硬合金が好適に用いられるが、高速度工具鋼などの他の金属材料であっても良い。
本発明の硬質積層被膜の形成方法としては、アークイオンプレーティング法が好適に用いられるが、スパッタリング法等の他の物理蒸着法（ＰＶＤ法）や、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法等の化学蒸着法（ＣＶＤ法）を用いることもできる。
本発明の硬質積層被膜の全体の総膜厚は、１０μｍを越えると剥離し易くなるとともに、切れ刃を有する場合には刃先が丸くなって切れ味が低下するため、１０μｍ以下が望ましい。下地層の膜厚は、２μｍ未満であると十分な耐摩耗性や耐熱性、靱性等の被膜性能や被膜強度が得られないため、２μｍ以上が望ましく、被膜全体の総膜厚を１０μｍ以下とする上で、下地層は８μｍ以下が適当である。
下地層のＴｉＡｌＮ層の膜厚は例えば１６０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内が適当で、ＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層の膜厚は１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内が適当であり、ＴｉＡｌＮ層による耐摩耗性を維持しつつ、ＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層による欠けや剥離防止効果を得ることができる。複数のＴｉＡｌＮ層、ＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層の各膜厚はそれぞれ一定であっても良いが、１層ずつ連続的に変化させることもできるなど、種々の態様が可能である。ＴｉＡｌＮ層のＴｉとＡｌの混晶比は、Ｔｉ：Ａｌ＝２：８〜６：４程度の範囲内が望ましい。下地層や中間層を構成しているＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層のＴｉＡｌＮについても同様であるが、必ずしもＴｉＡｌＮ層と同じ混晶比である必要はない。
上記下地層は、ＴｉＡｌＮ層とＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層とを少なくとも３層以上積層し、最下層および最上層が何れもＴｉＡｌＮ層となるように奇数層設けることが望ましい。但し、ＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層の膜厚が数十ｎｍと極めて薄い場合など、最上層をＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層とすることも可能で、その場合は、同じくＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層から成る中間層を新たに積層して設けることもできるが、その最上層の混合層を中間層として使用することもできる。第３発明では、下地層の最上層がＴｉＡｌＮ層である場合に、そのＴｉＡｌＮ層の上に直接ＣｒＮ層を積層することを想定したものであるが、下地層の最上層がＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層の場合に、新たに中間層を設けることなくＣｒＮ層を直接設ける場合も含む。
中間層の膜厚は、０．１μｍ未満であると密着性の効果が十分に得られないため０．１μｍ以上が適当である。最上部のＣｒＮ層の膜厚は、０．１μｍ未満であると潤滑性の効果が十分に得られないため、０．１μｍ以上が適当で、０．５μｍ以上が望ましい。被膜全体の総膜厚を１０μｍ以下とする上で、中間層を有する場合は、その中間層およびＣｒＮ層の膜厚はそれぞれ５μｍ以下とすることが適当で、中間層を備えていない場合はＣｒＮ層の膜厚を８μｍ以下とすることが適当である。なお、硬質積層被膜全体の総膜厚は、所定の被膜強度や被膜性能を得る上で２μｍ以上の膜厚の下地層を含めて中間層が無い場合は２．１μｍ以上、中間層が有る場合は２．２μｍ以上が適当であり、２．５μｍ以上とすることが望ましい。
下地層の混合層および中間層は、何れもＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層にて構成されており、全く同じ被膜組成で形成することもできるが、ＴｉとＡｌとの混晶比や、ＴｉＡｌＮとＣｒＮとの混合割合、被膜形成時のアーク電流、バイアス電圧等の成膜条件などを変更することにより、両者の組成や性質を積極的に変えることもできる。
また、本発明ではＣｒＮ層が被膜の最上部に設けられているが、第１発明の中間層はＣｒＮを含んでいるため、ＣｒＮ層を設けることなくその中間層を最上部の被膜としても、ある程度の潤滑性の向上効果が期待できる。
ＴｉＡｌＮ層やＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層（中間層を含む）、ＣｒＮ層は、硬質積層被膜として要求される耐摩耗性や靱性、密着性、耐熱性、耐溶着性等に関して所定の効果が得られる範囲で、言い換えればそれ等の性能を大きく損なわない範囲で、不可避的不純物の他に炭素等の他の元素を含んでいても良い。例えば、ＣｒＮは、クロムの純粋な窒化物の他に、Ｃ（炭素）を含む炭窒化物ＣｒＣＮを採用することもできるし、ＴｉＡｌＮは、ＴｉＡｌＮの純粋な窒化物の他に、Ｃ（炭素）を含む炭窒化物ＴｉＡｌＣＮを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積層被膜被覆回転切削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（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の表面には硬質積層被膜２０がコーティングされている。図１(a) 、(b) の斜線部は硬質積層被膜２０を表しており、図１の(c) は、硬質積層被膜２０がコーティングされた刃部１４の表層部分の断面図である。ボールエンドミル１０は硬質積層被膜被覆工具に相当し、工具母材１２は硬質積層被膜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、硬質積層被膜２０は下地層２２、中間層２４、および表面を構成する最上部のＣｒＮ層２６にて構成されており、硬質積層被膜２０の全体の総膜厚は２．２μｍ〜１０μｍの範囲内とされている。下地層２２は、ＴｉＡｌＮ層２２ａとＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層２２ｂとを交互に３層以上積層したもので、この下地層２２の膜厚は２μｍ〜８μｍの範囲内である。ＴｉＡｌＮ層２２ａの平均膜厚は１６０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内で、混合層２２ｂの平均膜厚は１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であり、それぞれ一定の膜厚で繰り返し積層されている。混合層２２ｂは、ＴｉＡｌＮとＣｒＮとが所定の割合で混ざり合っているもので、ＴｉＡｌＮ層２２ａおよび混合層２２ｂのＴｉＡｌＮのＴｉとＡｌとの混晶比は、Ｔｉ：Ａｌ＝２：８〜６：４の範囲内で、本実施例ではＴｉ：Ａｌ＝４：６である。また、硬質積層被膜２０の最下層および最上層は何れもＴｉＡｌＮ層２２ａによって構成されており、ＴｉＡｌＮ層２２ａおよび混合層２２ｂの合計の層数は３以上の奇数である。
上記ＴｉＡｌＮの硬さ（Ｈｖ）は２３００〜３０００程度であるのに対し、ＣｒＮの硬さ（Ｈｖ）は１８００〜２３００程度であり、このようなＣｒＮとＴｉＡｌＮとの混合層２２ｂは、ＴｉＡｌＮのみから成るＴｉＡｌＮ層２２ａに比較して硬度が低下する。したがって、高硬度のＴｉＡｌＮ層２２ａと比較的硬度が低い混合層２２ｂとを交互に積層した下地層２２は、高硬度のＴｉＡｌＮ層２２ａにより優れた耐摩耗性が得られるとともに、低硬度の混合層２２ｂの存在により靱性が高くなり、チッピング状の欠けや剥離が生じ難くなる。ＴｉＡｌＮ層２２ａの平均膜厚は１６０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内で、混合層２２ｂの平均膜厚は１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で、下地層２２の全体の膜厚は２μｍ〜８μｍの範囲内であるため、ＴｉＡｌＮ層２２ａによる耐摩耗性を維持しつつ、混合層２２ｂによる欠けや剥離防止効果が十分に得られる。
前記中間層２４は、ＴｉＡｌＮとＣｒＮとが混ざり合っている混合層で、本実施例では前記混合層２２ｂと同じ組成である。この中間層２４は、下地層２２の上、具体的には下地層２２の最上層のＴｉＡｌＮ層２２ａの上に連続して設けられているとともに、その膜厚は０．１μｍ〜５μｍの範囲内である。このようにＣｒＮ層２６に先立って下地層２４の上、すなわち最上層のＴｉＡｌＮ層２２ａの上にＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの中間層２４が設けられることにより、下地層２２に対するＣｒＮ層２６の密着性が向上する。中間層２４におけるＴｉＡｌＮのＴｉとＡｌとの混晶比は、Ｔｉ：Ａｌ＝２：８〜６：４の範囲内で、本実施例ではＴｉ：Ａｌ＝４：６である。
また、前記ＣｒＮ層２６は、中間層２４の上に連続して設けられているとともに、その膜厚は０．１μｍ〜５μｍの範囲内である。このＣｒＮ層２６を構成しているＣｒＮは、ＴｉＡｌＮに比較して摩擦係数が小さく、表面を構成するように最上部にＣｒＮ層２６が設けられることにより、被加工物との間の潤滑性すなわち耐溶着性が向上する。
図４は、ＪＩＳのＲ１６１３に規定されている試験方法と同様なボールオンディスク法によりＣｒＮおよびＴｉＡｌＮの摩擦係数を調べた結果を説明する図で、(a) は試験条件、(b) は試験結果である。(b) の摩擦係数曲線は、初期の摩擦係数の変化を表しており、ＴｉＡｌＮは約０．５〜０．７の範囲内に収束し、ＣｒＮは約０．３前後に収束する。また、図４の(c) は、高温下（４００℃）で調べた摩擦係数で、ＴｉＡｌＮは約０．７であるのに対し、ＣｒＮは約０．２５であり、(b) の室温（２５℃）の場合と略同様の結果であった。図４の(c) は、温度が４００℃である点を除いて、他の試験条件は(a) と同じである。
なお、上記硬質積層被膜２０は中間層２４を備えているが、図２の硬質積層被膜２８のように、中間層２４を省略して下地層２２の上に直接ＣｒＮ層２６を積層することもできる。この場合、下地層２２は、前記硬質積層被膜２０と同様に構成されるが、ＣｒＮ層２６は、中間層２４が無い分だけ厚くすることが可能で、その膜厚は０．１μｍ〜８μｍの範囲内で定められる。
また、前記下地層２２のＴｉＡｌＮ層２２ａや混合層２２ｂ、中間層２４におけるＴｉＡｌＮは、何れも炭素を含まないＴｉＡｌＮの純粋な窒化物であるが、硬度や密着性等を損なわない範囲で炭素を導入して炭窒化物ＴｉＡｌＣＮとすることもできる。下地層２２の混合層２２ｂ、中間層２４、ＣｒＮ層２６におけるＣｒＮについても、クロムの純粋な窒化物であるが、潤滑性や耐熱性等を損なわない範囲で炭素を導入して炭窒化物ＣｒＣＮとすることができる。
一方、図３は、このような硬質積層被膜２０または２８を形成する際に好適に用いられるアークイオンプレーティング装置３０を説明する概略構成図（模式図）で、多数のワークすなわち硬質積層被膜２０、２８を被覆する前の切れ刃１６、１８等が形成された工具母材１２を保持しているワーク保持具３２、そのワーク保持具３２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置３４、工具母材１２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源３６、工具母材１２などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ３８、チャンバ３８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置４０、チャンバ３８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４２、第１アーク電源４４、第２アーク電源４６等を備えている。ワーク保持具３２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、刃部１４が略水平に外側へ突き出す姿勢で多数の工具母材１２を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置４０は窒素ガス（Ｎ2 ）のタンクを備えており、窒素ガスをチャンバ３８内に供給することによりＴｉＡｌおよびＣｒの窒化物を形成する。なお、それ等の炭窒化物を形成する場合には、炭化水素ガス（ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ2 など）のタンクを設け、窒素ガスと共にその炭化水素ガスを供給するようにすれば良い。
第１アーク電源４４は、前記ＴｉＡｌＮ層２２ａおよび混合層２２ｂのＴｉＡｌＮを構成しているＴｉＡｌ合金から成る第１蒸発源（ターゲット）４８をカソードとして、アノード５０との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第１蒸発源４８からＴｉＡｌを蒸発させるもので、蒸発したＴｉＡｌは正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具母材１２に付着する。また、第２アーク電源４６は、前記混合層２２ｂ、中間層２４、およびＣｒＮ層２６のＣｒＮを構成しているＣｒから成る第２蒸発源（ターゲット）５２をカソードとして、アノード５４との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第２蒸発源５２からＣｒを蒸発させるもので、蒸発したＣｒは正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具母材１２に付着する。上記第１蒸発源４８および第２蒸発源５２は、ワーク保持具３２を挟んで略水平方向の対称位置に配置されている。
そして、このようなアークイオンプレーティング装置３０を用いて工具母材１２の刃部１４の表面に硬質積層被膜２０または２８を形成する際には、先ず、排気装置４２で排気しながらチャンバ３８内が所定の圧力（例えば１．３３×５×１０-1Ｐａ〜１．３３×４０×１０-1Ｐａ程度）に保持されるように反応ガス供給装置４０から所定の反応ガスを供給しつつ、バイアス電源３６により工具母材１２に所定のバイアス電圧（例えば−５０Ｖ〜−１５０Ｖ程度）を印加する。そして、回転装置３４によりワーク保持具３２を所定の回転速度（例えば３ｍｉｎ-1程度）で回転させながら、第１アーク電源４４および第２アーク電源４６をそれぞれＯＮ（通電）、ＯＦＦ（非通電）することにより硬質積層被膜２０または２８を形成する。
すなわち、第２アーク電源４６をＯＦＦ（非通電）した状態で第１アーク電源４４によりアーク電流をＯＮ（通電）してアーク放電させると、第１蒸発源４８からＴｉＡｌの金属イオンが放出され、窒素ガスと反応することによりＴｉＡｌＮが形成されて工具母材１２の表面に付着する。これにより、前記ＴｉＡｌＮ層２２ａを形成できる。通電時間およびアーク電流の電流値は、形成すべきＴｉＡｌＮ層２２ａの膜厚に応じて定められる。
また、第１アーク電源４４をＯＦＦ（非通電）した状態で第２アーク電源４６によりアーク電流をＯＮ（通電）してアーク放電させると、第２蒸発源５２からＣｒの金属イオンが放出され、窒素ガスと反応することによりＣｒＮが形成されて工具母材１２の表面に付着する。これにより、前記ＣｒＮ層２６を形成できる。通電時間およびアーク電流の電流値は、形成すべきＣｒＮ層２６の膜厚に応じて定められる。
また、第１アーク電源４４によりアーク電流をＯＮ（通電）してアーク放電させるとともに、第２アーク電源４６によりアーク電流をＯＮ（通電）してアーク放電させると、第１蒸発源４８からＴｉＡｌの金属イオンが放出されるとともに、第２蒸発源５２からＣｒの金属イオンが放出され、それぞれ窒素ガスと反応することによりＴｉＡｌＮ、ＣｒＮが形成されて工具母材１２の表面に付着する。第１蒸発源４８および第２蒸発源５２は、ワーク保持具３２を挟んで反対側に配置されているため、ワーク保持具３２が回転駆動されるのに伴ってＴｉＡｌＮおよびＣｒＮが交互に工具母材１２の表面に付着させられる。これにより、ＴｉＡｌＮとＣｒＮとが混ざり合っている前記混合層２２ｂおよび中間層２４を形成することができる。各アーク電源４４、４６の通電時間は形成すべき混合層２２ｂや中間層２４の膜厚に応じて定められ、アーク電源４４、４６のアーク電流の電流値は、形成すべき混合層２２ｂや中間層２４の膜厚およびＴｉＡｌＮとＣｒＮとの混合割合等に応じて定められる。
このように、第１アーク電源４４および第２アーク電源４６の通電状態（ＯＮ、ＯＦＦ）を切り換えることにより、ＴｉＡｌＮ層２２ａとＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層２２ｂとを交互に積層した下地層２２、ＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層から成る中間層２４、およびＣｒＮ層２６を連続的に形成することが可能で、前記硬質積層被膜２０や２８を工具母材１２の表面に設けることができる。第１アーク電源４４および第２アーク電源４６の通電状態（ＯＮ、ＯＦＦ）の切り換えを含む硬質積層被膜２０、２８の形成作業は、コンピュータを含む制御装置によって自動的に行われるようにすることができる。
ここで、本実施例の硬質積層被膜２０、２８は、ＴｉＡｌＮ層２２ａとＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層２２ｂとが交互に積層された下地層２２により、優れた耐摩耗性および靱性が得られるとともに、最上部に設けられて表面を構成するＣｒＮ層２６は摩擦係数が小さいため、潤滑性すなわち耐溶着性が向上する。また、ＣｒＮ層２６の酸化開始温度は約７００℃と高いため、高温環境下でも優れた被膜特性が安定して維持される。
したがって、このような硬質積層被膜２０または２８で被覆されたボールエンドミル１０によれば、硬さが低くて溶着し易い鉄系或いは銅合金等の非鉄系の被加工物から５０ＨＲＣ程度の硬さを有する調質鋼等の高硬度材まで、広範囲に亘って優れた切削性能および耐久性能が得られるようになる。具体的には、ＣｒＮ層２６の存在によりすくい面摩耗が抑制され、すくい角が切削後期で負側へ変化することが抑制されるため、切れ味が長期間に亘って良好に維持され、耐久性の向上と被削面性状の安定化を実現できる。また、ボールエンドミル１０の先端の回転中心付近ではボール刃１８の切れ味が悪くて被加工物が溶着し易いが、ＣｒＮ層２６の存在により溶着が抑制されるため、切削性能や耐久性が良好に維持される。一方、高温環境下でも優れた被膜特性が安定して得られるため、摩擦熱等で高温となる高能率加工などの厳しい切削条件下での加工が可能となる。
また、本実施例では下地層２２の最下層および最上層が共にＴｉＡｌＮ層２２ａであるため、最下層のＴｉＡｌＮ層２２ａにより工具母材１２に対して優れた密着性が得られるとともに、最上層のＴｉＡｌＮ層２２ａにより優れた耐摩耗性が得られる。最上層のＴｉＡｌＮ層２２ａの上には、ＣｒＮ層２６が直接または中間層２４を介して設けられるため、高硬度のＴｉＡｌＮ層２２ａが直接被加工物等に接触することはないが、ＴｉＡｌＮ層２２ａによってＣｒＮ層２６の変形が抑制されて、そのＣｒＮ層２６の耐摩耗性が向上するのである。
また、図１の硬質積層被膜２０の場合には、下地層２２とＣｒＮ層２６との間に、ＣｒＮを含むＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層から成る中間層２４が設けられているため、最上層にＴｉＡｌＮ層２２ａが位置している下地層２２に対してＣｒＮ層２６が高い密着性で積層され、そのＣｒＮ層２６の欠けや剥離が一層好適に抑制される。
また、本実施例の硬質積層被膜２０、２８は、全体の総膜厚が１０μｍ以下であるため、工具母材１２に対する剥離が抑制されて優れた密着性が得られるとともに、外周刃１６やボール刃１８の刃先が丸くなって切れ味が低下することが防止される一方、２．２μｍ以上であるため所定の被膜強度や被膜性能が得られる。すなわち、下地層２２の膜厚は２μｍ以上であるため、耐摩耗性や耐熱性、靱性等の下地層２２に要求される被膜性能や被膜強度が十分に得られるとともに、中間層２４、ＣｒＮ層２６の膜厚はそれぞれ０．１μｍ以上であるため、密着性や潤滑性能等の被膜性能が十分に得られる。
因みに、図５は、前記ボール刃１８の半径Ｒが１．５ｍｍのボールエンドミル１０に対して(b) に示す種々の被膜をコーティングしたものを用意し、(a) に示す加工条件でＣ１１００（ＪＩＳ：銅）に対して４００ｍ切削加工を行った後に、ＶＢ摩耗幅（逃げ面摩耗幅）を調べた結果を示す図で、本発明品のＶＢ摩耗幅は０．０３５μｍ〜０．０４９μｍであり、比較品に比べて耐摩耗性が向上し、銅のような溶着し易い被加工物に対しても優れた耐久性が得られることが分かる。例えば多層構造の下地層２２のみから成る比較品（従来品）のＶＢ摩耗幅は０．０９３μｍであるため、本発明品は、それに比べて耐久性が約２倍以上になる。なお、ＴｉＡｌＮ層２２ａとＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層２２ｂとを交互に積層した多層構造の下地層２２は、本発明品、比較品共に最上層および最下層が何れもＴｉＡｌＮ層２２ａとされている。
図６は、前記ボール刃１８の半径Ｒが３ｍｍのボールエンドミル１０に対して(b) に示す種々の被膜をコーティングしたものを用意し、(a) に示す加工条件でＳ５０Ｃ（ＪＩＳ：機械構造用炭素鋼）に対して５６ｍ切削加工を行った後に、ＶＢ摩耗幅（逃げ面摩耗幅）を調べた結果を示す図で、本発明品のＶＢ摩耗幅は０．０６３μｍ〜０．０７８μｍであり、比較品に比べて耐摩耗性が向上し、炭素鋼のような高硬度の被加工物に対しても優れた耐久性が得られることが分かる。例えば多層構造の下地層２２のみから成る比較品（従来品）のＶＢ摩耗幅は０．０９１μｍであるため、本発明品は、それよりも更に耐久性が１０％以上向上する。なお、ＴｉＡｌＮ層２２ａとＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層２２ｂとを交互に積層した多層構造の下地層２２は、本発明品、比較品共に最上層および最下層が何れもＴｉＡｌＮ層２２ａとされている。
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。
本発明の硬質積層被膜は、耐摩耗性および耐溶着性を有するため、回転切削工具等の工具母材の表面に設けられることにより、硬さが低くて溶着し易い銅合金等から調質鋼等の高硬度材まで広範囲に亘って優れた切削性能および耐久性能が得られるようになる。したがって、ボールエンドミル等の切削工具の表面にコーティングされる硬質被膜として好適に用いられるが、電子部品の保護膜など加工工具以外の部材にコーティングされる被膜にも利用できる。

Claims (7)

  1. ＴｉＡｌＮ層とＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層とが所定の部材の表面に交互に積層される下地層と、
    該下地層の上に設けられたＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層から成る中間層と、
    該中間層の上に設けられて表面を構成しているＣｒＮ層と、
    から成ることを特徴とする硬質積層被膜。
  2. 前記下地層の膜厚は２μｍ〜８μｍの範囲内で、前記中間層の膜厚は０．１μｍ〜５μｍの範囲内で、前記ＣｒＮ層の膜厚は０．１μｍ〜５μｍの範囲内で、総膜厚は１０μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１に記載の硬質積層被膜。
  3. ＴｉＡｌＮ層とＴｉＡｌＮ＋ＣｒＮの混合層とが所定の部材の表面に交互に積層された下地層と、
    該下地層の上に設けられて表面を構成しているＣｒＮ層と、
    から成ることを特徴とする硬質積層被膜。
  4. 前記下地層の膜厚は２μｍ〜８μｍの範囲内で、前記ＣｒＮ層の膜厚は０．１μｍ〜８μｍの範囲内で、総膜厚は１０μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１に記載の硬質積層被膜。
  5. 前記下地層の最下層および最上層は共にＴｉＡｌＮ層である
    ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の硬質積層被膜。
  6. 切削工具の表面にコーティングされるものであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の硬質積層被膜。
  7. 請求項１〜５の何れか１項に記載の硬質積層被膜で表面が被覆されていることを特徴とする硬質積層被膜被覆工具。
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