WO2015079505A1 - 硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具 - Google Patents

硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具 Download PDF

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メイ ワン
正俊 櫻井
須藤　祐司
小池　淳一
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オーエスジー株式会社
国立大学法人東北大学
メイ ワン
正俊 櫻井
須藤　祐司
小池　淳一
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Definitions

  • the present invention relates to a hard lubricating coating provided on the surface of a base material and a hard lubricating coating coated tool coated with the hard lubricating coating, and more particularly to an improvement for improving both hardness and wear resistance.
  • Cutting tools such as drills and taps that cut materials such as carbon steel, stainless steel, and mild steel have properties such as wear resistance that lead to longer hardness and tool life necessary for cutting work materials. Desired. Therefore, a hard coating is provided on the surface of the base material of the cutting tool so as to improve the wear resistance.
  • a hard coating is provided on the surface of the base material of the cutting tool so as to improve the wear resistance.
  • coatings such as TiN, CrN, and TiAlN are widely used, and improvements are made to further improve the performance.
  • the hard laminated film described in patent document 1 and patent document 2 is it.
  • Patent Document 1 Ti a Cr b Al c Mo 1-abc a first layer of a nitride or carbonitride, Ti d Cr e Al 1- de of the second consisting of nitride or carbonitride
  • a hard laminated film composed of a multilayer film in which two or more layers are alternately laminated is a single layer made of nitride or carbonitride of Ti a Cr b Al c Mo 1-abc in Patent Document 2.
  • Hard laminate coatings composed of films have been proposed.
  • the base material on which the hard multilayer coating is formed by the conventional technology as described above is still insufficient in lubricity and wear resistance. Therefore, a cutting tool composed of the base material due to chipping or wear has an early life. There was a problem that it might lead to. Accordingly, there has been a demand for the development of a hard laminate film that is hard and wear-resistant.
  • the present invention has been made against the background described above, and an object of the present invention is to provide a hard lubricant film and a hard lubricant film-coated tool that are hard and wear-resistant.
  • titanium (Ti) is easily oxidized, it is intended not to include Ti as an element constituting the coating, so that chromium (Cr), molybdenum ( Mo, tungsten (W), vanadium (V) and boron (B) are constituent elements of the A layer and B layer, and oxygen is introduced into the B layer, Cr, Mo, W and V oxides, oxycarbides
  • a fine structure of oxynitride or oxycarbonitride is formed, or a multiphase structure in which a crystalline phase and an amorphous phase are mixed is formed in the B layer, so that higher lubricity is obtained while being hard. I found the fact that.
  • the present invention has been made based on such findings.
  • the gist of the first invention is a hard lubricating film coated on the surface of the base material, and nitrided (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xy C x N y
  • c is 0 ⁇ c ⁇ 0.3
  • x is 0 ⁇ x ⁇ 0.6
  • y is 0 ⁇ y ⁇ 0.6
  • x + y + z is 0.3 ⁇ x + y + z ⁇ 0.6
  • the thickness of the A layer is 2 nm to 1000 nm
  • the thickness of the B layer is 2 nm to 500 nm.
  • the hard lubricating film is characterized in that the film thickness is in the range of 0.1 ⁇ m to 10.0 ⁇ m.
  • the gist of the second invention is characterized in that in the hard lubricating film of the first invention, the B layer is a mixture of a crystalline phase and an amorphous phase.
  • the hard lubricating coating according to the first aspect of the present invention includes an A layer made of (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xy C x N y nitride, carbide or carbonitride, (Cr a Mo b W c V d B e) 2 oxide 1-x-y-z C x N y O z, oxynitride, and a B layer made of oxycarbide or oxycarbonitride was alternately Since the layer A is formed by forming CrMoWVB nitride, carbide or carbonitride, and the layer B is formed of Mo, W and Crystal structure of NaCl structure formed by microstructure of V oxide, oxycarbide, oxynitride or oxycarbonitride, or possessed by Mo, W and V oxycarbide, oxynitride or oxycarbonitride ( ⁇ - (Cr, Mo, W , V) such as N and ⁇
  • the B layer has a multiphase structure in which a crystalline phase and an amorphous phase are mixed.
  • the crystal phase of the NaCl structure such as ⁇ - (Cr, Mo, W, V) N and ⁇ -Mo 2 N
  • the oxycarbides, oxynitrides or oxycarbonitrides of Mo, W and V By forming a multiphase structure with the amorphous phase, it is possible to obtain a hard lubricating coating and a hard lubricating coating coated tool that are hard and wear resistant.
  • FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view for explaining a laminated structure of a surface portion of the end mill of FIG. 1. It is a process chart for forming the end mill of FIG. It is a schematic block diagram explaining the sputtering device used suitably when forming the end mill of FIG. It is a figure which shows the structure of the abrasion friction test machine used for the friction abrasion test for verifying the effect of the hard film of this invention.
  • FIG. 3 is a photograph taken by a transmission electron microscope (TEM) of a B layer in the hard coating of test product 1.
  • FIG. 1 is a front view of an end mill 12 covered with a hard coating 10 according to an embodiment of the present invention, as viewed from a direction perpendicular to the axis C thereof.
  • the end mill 12 is a rotary cutting tool in which a shank and a blade portion 16 are integrally provided on a tool base material 14 made of, for example, a cemented carbide.
  • the blade portion 16 is provided with an outer peripheral blade 18 and a bottom blade 20 as cutting blades.
  • the outer peripheral blade 16 is attached to a cutting device (not shown) and rotated around the axis C by the cutting device. And the cutting work is performed on the work material by the bottom blade 18.
  • the hard coating 10 corresponds to the hard lubricating coating of the present invention
  • the tool base 14 corresponds to the base of the present invention
  • the end mill 12 corresponds to the hard lubricating coating coated tool of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view for explaining the laminated structure of the surface portion of the end mill 12 of FIG.
  • the surface of the end mill 12 is coated with a hard coating 10 covering the surface.
  • the hatched portion in FIG. 1 shows a portion of the end mill 12 where the hard coating 10 is provided.
  • the hard coating 10 is preferably a surface of the tool base material 14 corresponding to the blade portion 16 in the end mill 12. It is provided with a coating.
  • the hard coating 10 of this example is a multilayer film in which two or more A layers 22 not containing oxygen elements and B layers 24 containing oxygen elements are alternately stacked.
  • the A layer 22 and the B layer 24 are made of a material that satisfies the chemical composition shown below.
  • (Cr 0.4 Mo 0.6 ) 0.52 N 0.48 is preferably exemplified as the A layer 22 in the hard coating 10.
  • the B layer 24 is an oxide, oxynitride, oxycarbide, or oxycarbonitride of (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xyz C x N y O z
  • the atomic ratio a is 0.2 ⁇ a ⁇ 0.7
  • b is 0.05 ⁇ b ⁇ 0.6
  • c is 0 ⁇ c ⁇ 0.3
  • d is 0 ⁇ d ⁇ 0.05
  • e 1.
  • -Abcd is 0 ⁇ e ⁇ 0.05, x is 0 ⁇ x ⁇ 0.6, y is 0 ⁇ y ⁇ 0.6, z is 0 ⁇ z ⁇ 0.6, x + y + z is 0 .3 ⁇ x + y + z ⁇ 0.6.
  • the B layer 24 in the hard coating 10, and (Cr 0.4 Mo 0.6) 0.49 N 0.25 O 0.26 is preferably exemplified.
  • the thickness D1 of the A layer 22 is in the range of 2 nm to 1000 nm
  • the thickness D2 of the B layer 24 is in the range of 2 nm to 500 nm
  • the total thickness D of the hard coating 10 is 0. It is set within a range of 1 ⁇ m or more and 10.0 ⁇ m or less. That is, the number of layers of the A layer 22 and the B layer 24 is appropriately determined as long as it does not deviate from the above numerical range related to the total film thickness D of the hard coating 10 and the film thicknesses D1 and D2 of the coating layers 22 and 24.
  • a multilayer film having one A layer 22 and one B layer 24 may be used.
  • the film thicknesses D1 of the plurality of A layers 22 in the hard coating 10 may be all equal or different from each other within the above numerical range.
  • the film thicknesses D2 of the plurality of B layers 24 in the hard coating 10 may all be equal, or may be different from each other within the above numerical range.
  • the stacking order of the A layer 22 and the B layer 24 is preferably A layer 22, B layer 24,..., A layer 22 from the tool base material 14 side as shown in FIG. , B layer 24 are laminated in this order. That is, the base layer (the lowermost layer in contact with the tool base material 14) of the hard coating 10 is the A layer, and the surface layer (the uppermost layer of the hard coating 10) is the B layer.
  • FIG. 3 is a process chart for forming the end mill 12 of FIG. 1
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram (schematic diagram) for explaining a sputtering apparatus 26 suitably used for forming the end mill 12 of FIG. .
  • the cemented carbide which is the base material of the tool base material 14 is ground to obtain the tool base material 14.
  • the cemented carbide is first subjected to cylindrical grinding to form a rough shape of the tool base material 14, that is, a cylindrical shape having an axis.
  • groove grinding is performed to form a spiral groove or the like on the outer peripheral side surface on one end side of the columnar shape.
  • a sharpening is applied to the tip so that the convex portion generated by forming the groove becomes an outer peripheral blade or a bottom blade for cutting the work material.
  • the cleaning process P ⁇ b> 2 the surface of the tool base material 14 is cleaned prior to the coating of the hard coating 10.
  • the surface of the tool base material 14 is roughened by the sputtering apparatus 26 as a pretreatment.
  • the end mill 12 is formed by coating the hard coating 10 on the blade portion of the tool base material 14 by the sputtering apparatus 26.
  • an inspection is performed to determine whether or not the end mill 12 coated with the hard coating 10 satisfies a use standard as a cutting tool.
  • the sputtering apparatus 26 includes a chamber 28, a rotating shaft that passes through a substantially central through hole in the bottom surface of the chamber 28, and a disk-shaped base 30 that is fixed to one end of the rotating shaft inside the chamber 28. .
  • the tool base material 14 is heated to about 500 ° C.
  • argon (Ar) gas is introduced into the chamber 28 while the inside of the chamber 28 is maintained at a vacuum level equal to or lower than a predetermined pressure.
  • a bias voltage of ⁇ 200 to ⁇ 500 V for example, is applied to the tool base material 14 by the bias power source 32, and the surface of the tool base material 14 is etched by Ar ions generated by glow discharge generated in Ar gas. Is called.
  • Ar gas is exhausted from the chamber 28.
  • a film forming process P4 is subsequently performed.
  • a constant cathode voltage (for example, about ⁇ 100 to ⁇ 500 V) is applied to the targets 34 and 35 such as Cr and Mo constituting the hard coating 10 by the power source 36, and the tool base material 14 is constant by the bias power source 32.
  • a negative bias voltage (for example, about ⁇ 100 V)
  • the voltage applied by the power source 36 and the bias power source 32 is controlled by a controller 38.
  • a reactive gas such as nitrogen gas (N 2 ), hydrocarbon gas (CH 4 , C 2 H 2 ) or oxygen gas (O 2 ) in addition to argon gas is selectively selected at a predetermined flow rate and pressure.
  • the introduced nitrogen atom (N), carbon atom (C) or oxygen atom (O) is combined with Cr or Mo struck out from the target 34 to form an A layer 22 such as (Cr 0.4 Mo 0.6 ) 0.52 N
  • a nitride such as 0.48 and a carbide such as (Cr 0.55 Mo 0.45 ) 0.6 C 0.4 are formed, and an oxynitride such as (Cr 0.4 Mo 0.6 ) 0.49 N 0.25 O 0.26 is formed as the B layer 24.
  • the tool base material 14 is further rotated with respect to the base 30 on the base 30 rotated with respect to the chamber 28, they are coated on the surface of the tool base 14 as a uniform hard coating 10. It is done.
  • the A layer 22 and the B layer 24 are controlled only by controlling the composition ratios related to Cr, Mo, W, V, and B and various reaction gases during film formation, or only by controlling various reaction gases during film formation.
  • a coating of is formed. For example, since oxygen (O) gas as a reaction gas is unnecessary when coating the A layer 22, the A layer 22 is formed by turning off the introduction of oxygen (O) gas into the chamber 28. The Then, according to the switching of the reaction gas and the selection of the targets 34 and 35, the alternate coating on the tool base material 14 of the A layer 22 and the B layer 24 is repeated, and finally the end mill coated with the hard coating 10 12 is formed.
  • the hard coating 10 thus coated on the end mill 12 includes an A layer 22 which is a nitride, carbide or carbonitride of (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xy C x N y. , (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xyz C x N y O z oxide, oxynitride, oxycarbide or oxycarbonitride B layer 24 alternately Since the laminated structure is formed, a fine structure of 1 nm or less is formed as an intermediate layer between the A layer 22 and the B layer 24, so that the wear resistance is excellent, and the tool life of the end mill 12 is improved. As a result.
  • the hard coating 10 is formed by stacking the A layer 22 and the B layer 24 controlled by the presence or absence of introduction of the reactive gas in the sputtering apparatus 26, each of the A layer 22 and the B layer 24 is provided. Since it has excellent interfacial smoothness and adhesion, it has high hardness and excellent wear resistance and toughness.
  • Table 1 shows the thin film compositions of layer A and layer B of test products 1 to 40 and comparative products 1 to 6 subjected to this test, and Table 2 shows layer A of test products 1 to 40 and comparative products 1 to 6. Each film thickness and total film thickness of the B layer and the results of each test are shown.
  • the test products 1 to 40 satisfy the conditions of each film structure and film thickness of the hard coating 10, and the comparative products 1 to 6 do not satisfy the conditions required for the hard coating 10.
  • the hardness H (GPa) of the film in Table 2 was determined as follows. First, a hemispherical end face of a test piece made of a cemented carbide pin having a diameter of 6 mm ⁇ is coated with a hard film so as to satisfy the conditions of each film structure and film thickness shown in Table 1, and used for a film hardness test.
  • the test pieces 40 of the products 1 to 40 and the comparative products 1 to 6 were prepared in the same process as the processes indicated by P2, P3, and P4 in FIG. About the created said test piece 40, the hardness of each film
  • a triangular pyramid type indenter made of a diamond tip at the tip was pushed into the surface of the test piece 40 covered with the hard coating with the load P, and the projected area A under the indenter was calculated.
  • the film hardness H (GPa) is calculated by dividing the load P by the area A.
  • the friction coefficient ⁇ in Table 2 was obtained by conducting a frictional wear test as follows. First, a hard film was coated on the hemispherical end face of the test piece so as to satisfy the conditions of each film structure and film thickness shown in Table 1, and test pieces 40 corresponding to the test products 1 to 40 and the comparative products 1 to 6 were prepared. . Each of the prepared test pieces 40 was installed in a pin-on-disk wear friction tester 42.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the abrasion friction tester 42.
  • the abrasion friction tester 42 includes a disk-shaped rotary stage 44 that is driven to rotate about the rotation center, a work material 46 that is fixed to the center of the rotary stage 44, and the rotation center of the work material 46.
  • a load weight 50 that obliquely presses the hemispherical end portion 48 coated with the hard coating of the above-mentioned test products 1 to 40 and comparative products 1 to 6 at a predetermined angle from the rotation center by a predetermined applied load W at a position shifted from the center.
  • a stress sensor 52 that detects a tensile force F received by the hemispherical end 48 pressed against the rotary stage 44 in the test piece 40 when the rotary stage 44 is rotated at a predetermined linear velocity.
  • Test piece 40 Carbide indenter (diameter 6mm ⁇ ) ⁇ Work material 46: S45C (diameter 25 mm ⁇ ) -Applied load W: 2 (N) -Linear velocity: 250 (mm / min) ⁇ Test time: 600 (s) ⁇ Temperature: 21 (°C) ⁇ Humidity: 52 (%)
  • the friction coefficient ⁇ of the test products 1 to 40 and the comparative products 1 to 6 was evaluated based on the average value of the friction coefficients measured from 200 seconds to 600 seconds after the start of the test in the friction and wear test.
  • the wear depth in Table 2 was determined as follows. Abrasion depth (nm) of wear marks of hard coating due to friction with work material 46 formed on hemispherical end 48 of test products 1 to 40 and comparative products 1 to 6 after being subjected to the wear friction test ) was measured with a laser microscope.
  • the hardness H of the film was 28.0 GPa or more in all of the test products 1 to 40 coated with the film satisfying the requirements of the hard film 10.
  • the hardness is evaluated as soft at 15 to 20 GPa, hard at 30 GPa or more, and brittle at 50 to 60 GPa.
  • FIG. 6 is a graph showing the friction coefficient ⁇ and the wear depth (nm) obtained by the friction wear test for each of the test products 1 to 40 and the comparative products 1 to 6. That is, FIG. 6 is a graph of the friction coefficient ⁇ and the wear depth (nm) in Table 2.
  • the horizontal axis represents the numbers of test products 1 to 40 and comparative products 1 to 6
  • the left horizontal axis represents the friction coefficient ⁇ of test products 1 to 40 and comparative products 1 to 6
  • the right horizontal axis represents the test product.
  • This is the wear depth (nm) of 1 to 40 and Comparative products 1 to 6.
  • the friction coefficient ⁇ and the wear depth (nm) of all the test articles 1 to 40 coated with the coating satisfying the requirements of the hard coating 10 are 0.34 or less and It was within 710 nm.
  • the A layer 22 made of (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xy C x N y nitride, carbide or carbonitride, and (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xyz C x N y O z oxide, oxynitride, oxycarbide or oxycarbonitride B layer 24 and Cr, Mo, W, V and Films are formed by controlling the composition ratio according to B and various reaction gases at the time of film formation, or formed only by controlling the various reaction gases at the time of film formation.
  • test products 1 to 40 coated with the hard coating 10 in the range of 10.0 ⁇ m or less have a film hardness H of 28.0 GPa or more, and their friction coefficient ⁇ and wear depth (nm) are They were 0.34 or less and 710 nm or less, respectively.
  • the comparative product 1 is composed of two alternating layers of 1500 nm thick A layer made of (Cr 0.7 Mo 0.3 ) 0.5 N 0.5 and 800 nm thick B layer made of (Cr 0.7 Mo 0.3 ) O 0.1.
  • a hard film 10 of the B layer 24 deviates from the range of 0.3 ⁇ x + y + z ⁇ 0.6 of the sum x + y + z of atomic ratios, and the respective film thicknesses and total film thicknesses of the A layer and the B layer are It deviates from the range of 2 nm or more and 500 nm or less according to the film thickness D2 of the B layer 24 and the total film thickness D of 0.1 ⁇ m or more and 10.0 ⁇ m or less according to the film thickness D1.
  • the hardness H of the film of the comparative product 1 is 20.0 GPa, which is small compared to the test product, the friction coefficient ⁇ is 0.80, and the wear depth is 1030 nm, which is a large value compared to the test product. It was. From this result, in particular, the sum x + y + z of atomic ratios of carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O) related to the B layer 24 is 0.3 or more, the film thickness D1 of the A layer 22 is 1000 nm or less, and the B layer 24 It was verified that the film thickness D2 should be 500 nm or less and the total film thickness D should be 10.0 ⁇ m or less, and the significance of the numerical range according to the present invention was confirmed.
  • Comparative product 2 was formed by alternately laminating two layers of an A layer made of Mo 0.3 C 0.7 with a thickness of 1 nm and a B layer made of Mo 0.5 O 0.5 with a thickness of 2 nm. .09 ⁇ m multilayer film, the layer A does not contain chromium (Cr), the atomic ratio b of molybdenum (Mo) is 1, and the sum of the atomic ratios of carbon (C) and nitrogen (N) x + y Is 0.7 ⁇ a ⁇ 0.7 of the chromium (Cr) atomic ratio a related to the A layer 22 of the hard coating 10 and 0.05 ⁇ b ⁇ 0.6 of the atomic ratio b of molybdenum, The sum of the atomic ratios of carbon (C) and nitrogen (N) x + y deviates from 0.3 ⁇ x + y ⁇ 0.6, respectively, and the layer B does not contain chromium (Cr) and is an atom of molyb
  • the atomic ratio b of molybdenum deviates from 0.05 ⁇ b ⁇ 0.6, respectively, and the film thickness of the A layer and the total film pressure are 2 nm or more and 1000 nm or less related to the film thickness D1 of the A layer 22 of the hard coating 10, and the total The film thickness D deviates from the range of 0.1 ⁇ m to 10.0 ⁇ m. Therefore, the hardness H of the film of the comparative product 2 is 15.0 GPa, which is a small value compared to the test product, the friction coefficient ⁇ is 0.65, and the wear depth is 1200 nm, which is large compared to the test product. Value.
  • the atomic ratio a of chromium (Cr) in the A layer 22 is 0.2 or more, the atomic ratio b of molybdenum (Mo) is 0.6 or less, and the atomic ratio of carbon (C) to nitrogen (N).
  • X + y is 0.6 or less, the atomic ratio a of chromium (Cr) in the B layer is 0.2 or more, the atomic ratio b of molybdenum (Mo) is 0.6 or less, and the film thickness D1 of the A layer 22 is 2 nm.
  • the total film thickness D should be 0.1 ⁇ m or more, and the significance of the numerical range according to the present invention was confirmed.
  • Comparative product 3 has an A layer with a thickness of 1100 (nm) composed of (Ti 0.1 Cr 0.8 Mo 0.1 ) 0.5 C 0.3 N 0.2 and a thickness of 10 (nm with (Ti 0.1 Cr 0.8 Mo 0.1 ) 0.2 C 0.8.
  • Layer B is a multilayer film having a total film thickness of 6.66 ( ⁇ m) formed by alternately laminating two layers, titanium (Ti) is contained in layer A, and chromium (Cr) Since the atomic ratio a is 0.8, the element titanium (Ti) different from the thin film composition related to the A layer 22 of the hard coating 10 is contained, and the atomic ratio a of chromium (Cr) is 0.2 ⁇ a ⁇ 0.7, Ti is contained in the B layer, the atomic ratio a of chromium (Cr) is 0.8, the atomic ratio x of carbon (C) is 0.8, oxygen (O) is not contained, and the sum x + y + z of the atomic ratio of carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O) is 0.80.
  • elemental titanium (Ti) different from the thin film composition related to the B layer 24 of the hard coating 10 is contained, and the atomic ratio a of chromium (Cr) is 0.2 ⁇ a ⁇ 0.7, carbon ( C) deviates from 0 ⁇ a ⁇ 0.6 in the atomic ratio x and 0 ⁇ x ⁇ 0.6 in the atomic ratio z of oxygen (O), and the carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O)
  • the total of the atomic ratios x + y + z deviates from the range of 0.3 ⁇ x + y + z ⁇ 0.6
  • the thickness of the A layer deviates from the range of 2 nm to 1000 nm related to the A layer 22 of the hard coating 10.
  • the hardness H of the film of the comparative product 3 is 18.0 GPa, which is a small value compared to the test product, the friction coefficient ⁇ is 0.50, and the wear depth is 990 nm, which is a large value compared to the test product. It became. From this result, in particular, the atomic ratio a of chromium (Cr) in the A layer 22 is 0.7 or less, the atomic ratio a of chromium (Cr) in the B layer 24 is 0.7 or less, and the atomic ratio of carbon (C).
  • x should be 0.6 or less
  • the sum x + y + z of atomic ratios of carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O) should be 0.6 or less
  • the film thickness D1 of the A layer 22 should be 1000 nm or less. The significance of the numerical range according to the present invention was confirmed.
  • Comparative product 4 was formed by alternately laminating two layers of a 500 nm thick A layer made of Ti 0.45 C 0.4 N 0.15 and a 900 nm thick B layer made of Ti 0.3 C 0.5 N 0.2.
  • a thin film related to the A layer 22 of the hard coating 10 because it is a multilayer film having a thickness of 8.40 ⁇ m and contains titanium (Ti) in the A layer and does not contain chromium (Cr) and molybdenum (Mo). Elemental titanium (Ti) different from the composition is contained, and the atomic ratio a of chromium (Cr) is 0.2 ⁇ a ⁇ 0.7, and the atomic ratio b of molybdenum (Mo) is 0.05 ⁇ b ⁇ .
  • the layer B contains titanium (Ti), does not contain chromium (Cr) and molybdenum (Mo), does not contain oxygen (O), and contains carbon (C ), Nitrogen (N), and oxygen (O) atomic ratio sum x + y + Is 0.70, the element contains titanium (Ti) that is different from the thin film composition related to the B layer 24 of the hard coating 10, and the atomic ratio a of chromium (Cr) is 0.2 ⁇ a ⁇ 0. 7.
  • the atomic ratio a of chromium (Cr) related to the A layer 22 is 0.2 or more
  • the atomic ratio b of molybdenum (Mo) is 0.05 or more
  • the atomic ratio of chromium (Cr) related to the B layer 24 a is 0.2 or more
  • the atomic ratio b of molybdenum (Mo) is 0.05 or more
  • the atomic ratio z of oxygen (O) is larger than 0, and carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O)
  • Comparative product 5 is composed of 50 nm thick A layers made of (Cr 0.5 Ti 0.5 ) 0.35 C 0.6 N 0.05 and 2 nm thick B layers made of (Cr 0.3 Mo 0.2 Ti 0.5 ) 0.35 N 0.65 alternately.
  • the atomic ratio y of nitrogen (N) is 0.65, and oxygen (O) is contained.
  • the element titanium (Ti) is different from the thin film composition related to the B layer 24 of the hard coating 10.
  • carbon (C) and nitrogen (N) It deviates from the range of 0.3 ⁇ x + y + z ⁇ 0.6 of the sum x + y + z of the atomic ratio of oxygen (O).
  • the hardness H of the film of the comparative product 5 was 33.0, the friction coefficient ⁇ was 0.65 and the wear depth was 1260 nm, which was a large value compared to the test product.
  • the atomic ratio of molybdenum (Mo) in the A layer 22 is 0.05 or more, the total x + y of the atomic ratio of carbon (C) and nitrogen (N) is 0.6 or less, and the nitrogen in the B layer 24
  • the atomic ratio y of (N) is 0.6 or less, the atomic ratio z of oxygen (O) is greater than 0, and the total x + y + z of the atomic ratios of carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O) is 0. It was verified that the value should be 6 or less, and the significance of the numerical range according to the present invention was confirmed.
  • Comparative product 6 is a 10 nm thick A layer made of (Cr 0.2 Mo 0.1 W 0.1 Ti 0.6 ) 0.25 C 0.1 N 0.65 and a thick film made of (Cr 0.2 Mo 0.1 W 0.1 Ti 0.6 ) 0.5 N 0.15 O 0.35.
  • a 4 nm B layer is a multilayer film formed by alternately laminating two layers and having a total film thickness of 8.40 ⁇ m.
  • the A layer contains titanium (Ti) and has an atomic ratio y of nitrogen (N).
  • the element titanium (Ti) different from the thin film composition related to the A layer 22 of the hard coating 10 is It is included and deviates from 0 ⁇ y ⁇ 0.6 of the atomic ratio y of nitrogen (N) and 0.3 ⁇ x + y ⁇ 0.6 of the total x + y of the atomic ratio of carbon (C) and nitrogen (N). Since the B layer contains titanium (Ti), it is different from the thin film composition related to the B layer 24 of the hard coating 10. In which containing titanium (Ti) is contained.
  • the hardness H of the film of the comparative product 6 is 25.0 GPa, which is a small value compared to the test product, the friction coefficient ⁇ is 0.46, and the wear depth is 810 nm, which is large compared to the test product. Value. From this result, it is verified that the atomic ratio of nitrogen (N) related to the A layer 22 should be 0.6 or less and the sum x + y of the atomic ratio of carbon (C) and nitrogen (N) should be 0.6 or less. The significance of the numerical range according to the present invention was confirmed.
  • FIG. 7 is a graph showing the transition of the moving average value of the friction coefficient ⁇ as the test time elapses in the frictional wear test of the hard coating 10.
  • the vertical axis represents the friction coefficient ⁇
  • the horizontal axis represents the elapsed time (s) from the start of the test
  • the plotted values are compared with the test product 18, the test product 31 and the test product 36 representing the test product.
  • the comparative product 4, the comparative product 5 and the comparative product 6 are representative of the product.
  • FIG. 7 the vertical axis represents the friction coefficient ⁇
  • the horizontal axis represents the elapsed time (s) from the start of the test
  • the plotted values are compared with the test product 18, the test product 31 and the test product 36 representing the test product.
  • the comparative product 4, the comparative product 5 and the comparative product 6 are representative of the product.
  • the friction coefficient ⁇ of each test product and comparative product is compared with the test product 18 with a thick line, the test product 31 with a one-dot chain line, the test product 36 with a two-dot chain line, and the comparative product 4 with a dotted line.
  • the product 5 is indicated by a broken line
  • the comparative product 6 is indicated by a thin line.
  • the test samples 18, 31, 36 and the comparative products 4, 5, 6 all have stable friction coefficients from about 200 seconds after the start of the test until the end of the test, that is, 600 seconds after the start of the test.
  • the friction coefficients of 31 and 36 are in the vicinity of about 0.3, whereas the friction coefficients of comparative products 4, 5, and 6 are in the vicinity of about 0.55.
  • test products 18, 31, and 36 have a gradually increased friction coefficient from the start of the test to 200 seconds, while the comparative products 4, 5, and 6 have a friction coefficient of 100 seconds from the start of the test. After rising to around 0.5 once, a phenomenon of a slight decrease was observed. This indicates that the wear resistance of the comparative products 4, 5, and 6 is not sufficient.
  • the specimens 1 to 40 shown in Table 2 obtained a large value in the film hardness H and a small value in the friction coefficient ⁇ and the wear depth.
  • Comparative products 1 to 6 having high hardness and good wear resistance, but deviating from the range of thin film composition, atomic ratio of each element, each film thickness and total film thickness required for the hard coating 10, are test products.
  • the film hardness H is small, the friction coefficient ⁇ and the wear depth are large, indicating that the hardness and wear resistance are not sufficient.
  • the welding resistance in Table 2 was evaluated as follows. Scanning electron microscope shows wear marks on the hard coating caused by friction with the work material 46 formed on the hemispherical end 48 of each of the test pieces 40 of the test pieces 1 to 40 and the comparative products 1 to 6 subjected to the friction wear test. (SEM) was subjected to oxygen analysis using EDS component analysis and mapped to analyze oxide components and their amounts. In the EDS component analysis, a region where oxygen is present, that is, an oxide is generated, can be distinguished from other regions. The welding resistance was evaluated from the amount of oxide in the wear scar of the hard coating of each test piece 40 by the EDS component analysis.
  • the welding resistance when there is no welding on the hard coating wear scar, the welding resistance is excellent ( ⁇ ), and when the area of the welded portion is 20% or less of the hard coating wear scar area, the welding resistance is good ( ⁇ ), When the area of the welded portion was 50% or more of the area of the wear scar on the hard coating, the welding resistance was evaluated as poor (x).
  • the wear marks of the hard coatings according to the test product 18 representing the test products 1 to 40 and the test product 36 and the comparative product 4 representing the comparison products 1 to 6 are observed with a microscope (MICROSCOPE) and a scanning electron microscope (SEM). And observed with magnification.
  • FIG. 9 and FIG. 10 are photographs of wear marks on the hard coating on the hemispherical ends of the test piece 36, the test piece 18 and the comparative product 4 used in the friction wear test.
  • 8 (a), FIG. 9 (a) and FIG. 10 (a) are photographs taken with a microscope (MICROSCOPE),
  • FIG. 8 (b), FIG. 9 (b) and FIG. 10 (b) are scanning electron microscopes
  • FIGS. 8C, 9C, and 10C are photographs showing oxygen analysis results of EDS analysis by SEM.
  • Table 2 and FIG. 8 the hard coating 10 was coated, the friction coefficient ⁇ was 0.25, and the wear depth was as small as 380 nm. Since no welding was observed in the EDS analysis results shown in (2), the welding resistance was evaluated as excellent.
  • the test article 18 coated with the hard coating 10 and having a friction coefficient ⁇ of 0.33 and a wear depth of 499 nm is surrounded by circles in FIGS. 9A and 9C. Since welding was observed in the region corresponding to 20% or less of the area of the wear mark on the wear mark of the hard coating 10, the welding resistance was evaluated as good.
  • Table 2 and FIG. 10 a comparative product 4 having a large friction coefficient ⁇ of 0.60 and a wear depth of 1100 nm coated with a film that does not satisfy the conditions required for the hard film 10 is shown in FIG.
  • the wear scar of the film is an oxide of titanium (Ti) and an oxide of a super hard indenter over a range corresponding to 50% or more of the area of the wear scar. Since welding was observed, the welding resistance was evaluated as poor.
  • FIG. 11 is a photograph of a cross section of the B layer 24 in the hard coating 10 of the test product 1 taken with a transmission electron microscope (TEM).
  • the B layer 24 in the hard coating 10 of the test product 1 has a thin film composition of (Cr 0.4 Mo 0.6 ) 0.49 N 0.25 O 0.26 .
  • the B layer 24 is a region where lattice fringes in FIG. 11 are observed, and has an amorphous phase 56 containing oxygen (O) in other regions in addition to the crystal layer 54 composed of fine crystal grains.
  • the hardness H of the film is as high as 28.0 GPa, and the amorphous phase containing oxygen (O) is included. Therefore, since the formation of molybdenum (Mo) oxide by wear is promoted, the friction coefficient ⁇ is 0.25 and the wear depth is 705 nm.
  • the hard coating 10 of the present example that is, the test products 1 to 40, provided on the surface of the tool base material 14 and (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xy C
  • a layer 22 made of xN y nitride, carbide or carbonitride, and (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xyz C x N y O z oxide, oxynitriding B layer 24 made of an oxide, oxycarbide, or oxycarbonitride is formed by film composition control by controlling the composition ratio of Cr, Mo, W, V, and B and by controlling various reaction gases during film formation.
  • the film is formed only by controlling various reaction gases at the time, and is formed by alternately stacking two or more layers.
  • the film of the A layer 22 Since the thickness D1 is 2 nm or more and 1000 nm or less, the film thickness D2 of the B layer 24 is 2 nm or more and 500 nm or less, and the total film thickness D is in the range of 0.1 ⁇ m or more and 10.0 ⁇ m or less, the laminated A layer 22 is made of CrMoWVB.
  • the laminated B layer 24 is made of Mo, W and V oxides, oxycarbides, oxynitrides or oxycarbonitrides.
  • Microstructure is formed, or Mo, oxycarbide of W and V, oxynitride or oxycarbonitride crystal phase of NaCl structure nitride has ( ⁇ - (Cr, Mo, W , V) N and gamma-Mo 2 N) 54 and the amorphous phase 56 are formed, whereby the hard coating 10 and the end mill 12 having high hardness and wear resistance can be obtained.
  • the stacking order of the A layer 22 and the B layer 24 in the hard coating 10 is preferably A layer 22, B layer 24,... From the tool base material 14 side as shown in FIG. -A layer 22 and B layer 24 are laminated in this order. That is, the base layer (the lowermost layer in contact with the tool base material 14) of the hard coating 10 is the A layer 22, and the surface layer (the uppermost layer of the hard coating 10) is the B layer 24. Although the base layer is the B layer 24 and the surface layer is the A layer 22 or the B layer 24, both the base layer and the surface layer are the A layer 22. There is a temporary effect of the invention.
  • the hard coating 10 is coated on the end mill 12, but is not limited to this.
  • a cutting tool such as a drill, a tap, or a die, or a metal such as punching or bending.
  • the hard coating 10 is coated with a sputtering apparatus when the end mill 12 is formed.
  • the present invention is not limited to this.
  • other methods such as arc ion plating may be used.
  • the hard coating 10 may be coated using a chemical vapor deposition method (CVD method) such as a physical vapor deposition method (PVD method), a plasma CVD method, or a thermal CVD method.
  • CVD method chemical vapor deposition method
  • PVD method physical vapor deposition method
  • plasma CVD method a plasma CVD method
  • thermal CVD method a thermal CVD method
  • Hard coating hard lubricating coating
  • End mill hard lubricant coated tool
  • a layer 24 B layer

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Abstract

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。 （ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙＣｘＮｙのＡ層２２と、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚのＢ層２４とが、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｂの組成比の制御及び成膜時の各種反応ガスの制御により成膜され、又は成膜時の各種反応ガスの制御のみで成膜され、交互に２層以上積層されるものであり、Ａ層２２の原子比ａ乃至ｅ及びｙ、ｘ＋ｙは所定の範囲内にあり、Ｂ層２４の原子比ａ乃至ｅ及びｘ、ｙ、ｚ及びｘ＋ｙ＋ｚは所定の範囲内にあり、且つＡ層２２の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、Ｂ層２４の膜厚Ｄ２は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、総膜厚Ｄは０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であるため、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質被膜１０及びエンドミル１２を得ることができる。

Description

硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具
　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、硬度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に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、及び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、ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１層と、ＴｉdＣｒeＡｌ1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２層とが、交互に２層以上積層し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、ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-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層およびＢ層の構成元素とし、さらにＢ層に酸素を導入すると、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物又は酸炭窒化物の微細構造が形成される、あるいはＢ層において結晶相とアモルファス相とが混在する複相組織が形成されるため、硬質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。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。
　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、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙＣｘＮｙの窒化物、炭化物または炭窒化物から成るＡ層と、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸化物、酸窒化物、酸炭化物または酸炭窒化物から成る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＋ｙは０．３≦ｘ＋ｙ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６以下であり、前記Ｂ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≦０．６、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、且つ、前記Ａ層の膜厚は２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、前記Ｂ層の膜厚は２ｎｍ以上５００ｎｍ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Ｂ層は結晶相とアモルファス相とが混在したものであ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、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙＣｘＮｙの窒化物、炭化物または炭窒化物から成るＡ層と、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸化物、酸窒化物、酸炭化物または酸炭窒化物から成るＢ層とが、交互に２層以上積層して形成されるものであるため、積層されたＡ層にはＣｒＭｏＷＶＢの窒化物、炭化物または炭窒化物が形成されることにより、また、積層されたＢ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なる微細組織が形成される、あるいはＭｏ、ＷおよびＶの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物が有するＮａＣｌ構造の結晶相（δ－（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ）Ｎおよびγ－Ｍｏ２Ｎ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２発明の硬質潤滑被膜によれば、Ｂ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が有するＮａＣｌ構造の結晶相（δ－（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ）Ｎおよびγ－Ｍｏ２Ｎ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。
本発明の一例の硬質潤滑被膜が被覆されたエンドミルを軸線Ｃに垂直な方向から見た正面図である。 図１のエンドミル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のエンドミルを形成するためのプロセスチャートである。 図１のエンドミ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。 本発明の硬質被膜の効果を検証するための摩擦摩耗試験に用いられた摩耗摩擦試験機の構成を示す図である。 摩擦摩耗試験により得られた摩擦係数と摩耗深さを試験品および比較品ごとに示したグラフである。 硬質被膜の摩擦摩耗試験における試験時間の経過に伴う摩擦係数の推移を示すグラフである。 摩擦摩耗試験において用いられた試験品３６のテストピースの半球状端部における硬質被膜の摩耗痕の写真であり、（ａ）マイクロスコープ（ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ）により撮影した写真、（ｂ）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影した写真、（ｃ）ＳＥＭによるＥＤＳ分析の酸素分析結果を示す写真である。 摩擦摩耗試験において用いられた試験品１８のテストピースの半球状端部における硬質被膜の摩耗痕の写真であり、（ａ）マイクロスコープ（ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ）により撮影した写真、（ｂ）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影した写真、（ｃ）ＳＥＭによるＥＤＳ分析の酸素分析結果を示す写真である。 摩擦摩耗試験において用いられた比較品４のテストピースの半球状端部における硬質被膜の摩耗痕の写真であり、（ａ）マイクロスコープ（ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ）により撮影した写真、（ｂ）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影した写真、（ｃ）ＳＥＭによるＥＤＳ分析の酸素分析結果を示す写真である。 試験品１の硬質被膜におけるＢ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は本発明の一実施例である硬質被膜１０が被覆されたエンドミル１２をその軸線Ｃに垂直な方向から見た正面図である。図１に示すように、エンドミル１２は、例えば超硬合金にて構成される工具母材１４にシャンク及び刃部１６が一体に設けられた回転切削工具である。この刃部１６には、切れ刃として外周刃１８及び底刃２０が設けられており、図示しない切削装置に取り付けられてその切削装置により軸線Ｃまわりに回転駆動させられることにより、上記外周刃１６及び底刃１８によって被削材に対する切削加工が行われる。なお、硬質被膜１０は本発明の硬質潤滑被膜に、工具母材１４は本発明の母材に、またエンドミル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のエンドミル１２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。この図２に示すように、上記エンドミル１２の表面には、その表面を被覆して硬質被膜１０がコーティングされている。図１の斜線部は、上記エンドミル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、エンドミル１２における刃部１６に対応する工具母材１４の表面に被覆して設けられる。
　図２から明らかなように、本実施例の硬質被膜１０は、酸素元素を含まないＡ層２２と酸素元素を含むＢ層２４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２２及びＢ層２４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２２は、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙＣｘＮｙの窒化物、炭化物または炭窒化物であって、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＋ｙは０．３≦ｘ＋ｙ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６である。硬質被膜１０におけるＡ層２２としては、たとえば（Ｃｒ0.4Ｍｏ0.6）0.52Ｎ0.48などが好適に例示される。また、Ｂ層２４は、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸化物、酸窒化物、酸炭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≦０．６、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６である。硬質被膜１０におけるＢ層２４としては、（Ｃｒ0.4Ｍｏ0.6）0.49Ｎ0.25Ｏ0.26などが好適に例示される。
　また、硬質被膜１０において、Ａ層２２の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内、Ｂ層２４の膜厚Ｄ２は２ｎｍ以上５００ｎｍ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。すなわちＡ層２２及びＢ層２４の積層数は、硬質被膜１０の総膜厚Ｄ及び各被膜層２２、２４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、少なくともＡ層２２およびＢ層２４を１層ずつ有する多層膜であればよい。また、硬質被膜１０における複数のＡ層２２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２４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２２及びＢ層２４の積層順は、好適には、図２に示すように工具母材１４側からＡ層２２、Ｂ層２４、・・・、Ａ層２２、Ｂ層２４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１４と接する最下層）はＡ層であり、表層（硬質被膜１０の最上層）は、Ｂ層とされる。
　次に、工具母材１４の刃部１６が硬質被膜１０により被膜されたエンドミル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のエンドミル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のエンドミル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１４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１４が得られる。たとえば、先ず工具母材１４の大まかな形すなわち軸心を有す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、円柱状形状の一端部側の外周側面に螺旋状の溝などを形成する溝研が施される。最後に、溝が形成されることにより生じる凸部が被削材を切削するための外周刃や底刃となるようにその先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１４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１４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１４の刃部に対して硬質被膜１０が被覆されてエンドミル１２が形成される。検査工程Ｐ５では、硬質被膜１０が被覆されたエンドミル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１４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１４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１４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１４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１４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に衝突させてＣｒ、Ｍｏ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（Ｏ２）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から叩き出されたＣｒやＭｏなどと結合してＡ層２２としてたとえば（Ｃｒ0.4Ｍｏ0.6）0.52Ｎ0.48のような窒化物、（Ｃｒ0.55Ｍｏ0.45）0.6Ｃ0.4のような炭化物が形成され、Ｂ層２４としてたとえば（Ｃｒ0.4Ｍｏ0.6）0.49Ｎ0.25Ｏ0.26のような酸窒化物が形成される。そして、工具母材１４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１４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２２およびＢ層２４の被覆が成膜される。たとえば、Ａ層２２の被覆の際には反応ガスとしての酸素（Ｏ）ガスは不要なため、酸素（Ｏ）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Ａ層２２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２２とＢ層２４との工具母材１４への交互の被覆が繰り返されて、最終的に硬質被膜１０が被覆されたエンドミル１２が形成される。
　このようにエンドミル１２に被覆された硬質被膜１０は、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙＣｘＮｙの窒化物、炭化物または炭窒化物であるＡ層２２と、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸化物、酸窒化物、酸炭化物または酸炭窒化物であるＢ層２４とが交互に積層されて成るものであるため、Ａ層２２とＢ層２４との間には中間層として１ｎｍ以下の微細組織構造が形成されることにより耐摩耗性に優れ、ひいてはエンドミル１２の工具寿命の向上に帰結する。また、硬質被膜１０はスパッタリング装置２６における反応性ガスの導入の有無により制御されたＡ層２２とＢ層２４との積層により成されるものであるため、Ａ層２２とＢ層２４との各層間の界面平滑性、密着性に優れることから、高硬度を有し且つ耐摩耗性、靭性に優れる。
　続いて、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１１、表１および表２に基づいて詳細に説明する。
　表１は本試験に供された試験品１～４０および比較品１～６のＡ層とＢ層の各薄膜組成を示し、表２は試験品１～４０および比較品１～６のＡ層とＢ層の各膜厚および総膜厚と各試験の結果が示されている。なお、試験品１～４０は硬質被膜１０の各被膜構造および膜厚の条件を満たすものであり、比較品１～６は硬質被膜１０に要求される条件を満たさないものである。
　表２における膜の硬さＨ（ＧＰａ）は以下のようにして求めた。先ず直径６ｍｍφの超硬合金製のピンから成るテストピースの半球状の端面に表１に示す各被膜構造、膜厚の条件を満たすように硬質被膜を被覆させ、膜の硬さ試験に供する試験品１～４０および比較品１～６の各テストピース４０を図３のＰ２、Ｐ３、Ｐ４に示す工程と同様の工程で作成した。作成した上記テストピース４０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上記テストピース４０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。なお、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。
　また、表２における摩擦係数μは摩擦摩耗試験を行い、以下のようにして求めた。先ずテストピースの半球状端面に表１に示す各被膜構造、膜厚の条件を満たすように硬質被膜を被覆させ、試験品１～４０および比較品１～６に対応するテストピース４０を作成した。作成した各テストピース４０をピンオンディスク方式の摩耗摩擦試験機４２に設置した。
　図５は摩耗摩擦試験機４２の構成を示す図である。図５において、摩耗摩擦試験機４２は、回転中心まわりに回転駆動される円盤状の回転ステージ４４と、回転ステージ４４の中央部に固定された被削材４６と、被削材４６の回転中心からずらした位置に上記試験品１～４０および比較品１～６の硬質被膜が被覆された半球状端部４８を所定の印加荷重Ｗにより上記回転中心から所定の角度で斜めに押し付ける負荷ウェイト５０と、所定の線速度で回転ステージ４４が回転させられたときにテストピース４０における回転ステージ４４に押し付けられた半球状端部４８が受ける引張り力Ｆを検出する応力センサ５２とを備えている。なお、摩耗摩擦試験機４２により測定された上記引張り力Ｆを上記印加加重Ｗで割ることで摩擦係数μ（＝Ｗ／Ｆ）が算出される。本試験においては以下の試験条件で摩擦摩耗試験を行った。
［試験条件］
・テストピース４０：超硬圧子 （直径６ｍｍφ）
・被削材４６：Ｓ４５Ｃ（直径２５ｍｍφ）
・印加荷重Ｗ：２（Ｎ）
・線速度：２５０（ｍｍ／ｍｉｎ）
・試験時間：６００（ｓ）
・温度：２１（℃）
・湿度：５２（％）
　上記摩擦摩耗試験において試験開始から２００秒経過時から６００秒経過時の間に測定された摩擦係数の平均値によって試験品１～４０および比較品１～６の摩擦係数μを評価した。
　また、表２における摩耗深さは以下のようにして求めた。上記摩耗摩擦試験に供された後の試験品１～４０および比較品１～６の半球状端部４８に形成された被削材４６との摩擦による硬質被膜の摩耗痕の摩耗深さ（ｎｍ）をレーザ顕微鏡により測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２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の全てにおいて、その膜の硬さＨは２８．０ＧＰａ以上となった。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。
　図６は摩擦摩耗試験により得られた摩擦係数μと摩耗深さ（ｎｍ）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６は表２の摩擦係数μおよび摩耗深さ（ｎｍ）をグラフ化したものである。なお、図６の横軸は試験品１～４０および比較品１～６の番号を、左横軸は試験品１～４０および比較品１～６の摩擦係数μを、右横軸は試験品１～４０および比較品１～６の摩耗深さ（ｎｍ）である。表２および図６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の全てにおいて、その摩擦係数μおよび摩耗深さ（ｎｍ）はそれぞれ０．３４以下および７１０ｎｍ以下に収まった。
　すなわち、上記の結果から、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙＣｘＮｙの窒化物、炭化物または炭窒化物から成るＡ層２２と、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸化物、酸窒化物、酸炭化物または酸炭窒化物から成るＢ層２４とが、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成膜される、あるいは成膜時の各種反応ガスの制御のみで成膜される、交互に２層以上積層されて成るものであり、Ａ層２２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＋ｙは０．３≦ｘ＋ｙ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６以下であり、Ｂ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≦０．６、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、且つ、Ａ層２２の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、Ｂ層２４の膜厚Ｄ２は２ｎｍ以上５００ｎｍ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はその膜の硬さＨが２８．０ＧＰａ以上であり、且つその摩擦係数μおよび摩耗深さ（ｎｍ）はそれぞれ０．３４以下および７１０ｎｍ以下であった。
　それに対して、比較品１は（Ｃｒ0.7Ｍｏ0.3）0.5Ｎ0.5から成る膜厚１５００ｎｍのＡ層と、（Ｃｒ0.7Ｍｏ0.3）Ｏ0.1から成る膜厚８００ｎｍのＢ層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚１１．５０μｍの多層膜であり、Ｂ層における炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚが０．１０であるため硬質被膜１０のＢ層２４に係る原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚの０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６の範囲を逸脱し、Ａ層、Ｂ層の各膜厚および総膜厚が硬質被膜１０のＡ層２２の膜厚Ｄ１に係る２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、Ｂ層２４の膜厚Ｄ２に係る２ｎｍ以上５００ｎｍ以下および総膜厚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の膜の硬さＨは２０．０ＧＰａと試験品と比較して小さく、摩擦係数μは０．８０、摩耗深さは１０３０ｎｍであり、試験品と比較して大きな値となった。この結果から特に、Ｂ層２４に係る炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚは０．３以上、Ａ層２２の膜厚Ｄ１は１０００ｎｍ以下、Ｂ層２４の膜厚Ｄ２は５００ｎｍ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２はＭｏ0.3Ｃ0.7から成る膜厚が１ｎｍのＡ層と、Ｍｏ0.5Ｏ0.5から成る膜厚２ｎｍのＢ層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚０．０９μｍの多層膜であり、Ａ層においてクロム（Ｃｒ）が含有されておらず、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂが１であり、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の原子比の総和ｘ＋ｙが０．７であるため硬質被膜１０のＡ層２２に係るクロム（Ｃｒ）原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、モリブデンの原子比ｂの０．０５≦ｂ≦０．６、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の原子比の総和ｘ＋ｙの０．３≦ｘ＋ｙ≦０．６をそれぞれ逸脱し、Ｂ層においてクロム（Ｃｒ）が含有されておらず、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂが１であるため硬質被膜１０のＢ層２４に係るクロム（Ｃｒ）原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、モリブデンの原子比ｂの０．０５≦ｂ≦０．６をそれぞれ逸脱し、Ａ層の膜厚および総膜圧が硬質被膜１０のＡ層２２の膜厚Ｄ１に係る２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、および総膜厚Ｄの０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲をそれぞれ逸脱するものである。そのため、比較品２の膜の硬さＨは１５．０ＧＰａであり試験品と比較して小さな値となり、摩擦係数μは０．６５、摩耗深さは１２００ｎｍであり、試験品と比較して大きな値となった。この結果から特に、Ａ層２２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、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の原子比の総和ｘ＋ｙは０．６以下、Ｂ層に係るクロム（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２２の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上、総膜厚Ｄは０．１μｍ以上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３は（Ｔｉ0.1Ｃｒ0.8Ｍｏ0.1）0.5Ｃ0.3Ｎ0.2から成る膜厚１１００（ｎｍ）のＡ層と、（Ｔｉ0.1Ｃｒ0.8Ｍｏ0.1）0.2Ｃ0.8から成る膜厚１０（ｎｍ）のＢ層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚６．６６（μｍ）の多層膜であり、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が０．８であるため、硬質被膜１０のＡ層２２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を逸脱し、Ｂ層においてＴｉが含有されており、クロム（Ｃｒ）の原子比ａが０．８であり、炭素（Ｃ）の原子比ｘが０．８であり、酸素（Ｏ）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０．８０であるため、硬質被膜１０のＢ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、炭素（Ｃ）の原子比ｘの０≦ａ≦０．６、酸素（Ｏ）の原子比ｚの０＜ｘ≦０．６を逸脱し、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の範囲を逸脱し、Ａ層の膜厚が硬質被膜１０のＡ層２２に係る２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品３の膜の硬さＨは１８．０ＧＰａで試験品と比較して小さな値となり、摩擦係数μは０．５０、摩耗深さは９９０ｎｍであり、試験品と比較して大きな値となった。この結果から特に、Ａ層２２に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．７以下、Ｂ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．７以下、炭素（Ｃ）の原子比ｘは０．６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２２の膜厚Ｄ１は１０００ｎｍ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４はＴｉ0.45Ｃ0.4Ｎ0.15から成る膜厚５００ｎｍのＡ層と、Ｔｉ0.3Ｃ0.5Ｎ0.2から成る膜厚９００ｎｍのＢ層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚８．４０μｍの多層膜であり、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）が含有されていないため、硬質被膜１０のＡ層２２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を逸脱し、Ｂ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、酸素（Ｏ）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０．７０であるため、硬質被膜１０のＢ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≦０．６、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の範囲を逸脱し、Ｂ層の膜厚が硬質被膜１０のＢ層２４に係る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４の膜の硬さＨは３２．０ＧＰａであったが、摩擦係数μは０．６０、摩耗深さは１１００ｎｍであり、試験品と比較して大きな値となった。この結果から特に、Ａ層２２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、Ｂ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、酸素（Ｏ）の原子比ｚは０よりも大きく、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、Ｂ層２４の膜厚Ｄ２は５００ｎｍ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（Ｃｒ0.5Ｔｉ0.5）0.35Ｃ0.6Ｎ0.05から成る膜厚５０ｎｍのＡ層と、（Ｃｒ0.3Ｍｏ0.2Ｔｉ0.5）0.35Ｎ0.65から成る膜厚２ｎｍのＢ層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚５．４０μｍの多層膜であり、Ａ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、モリブデン（Ｍｏ）が含有されておらず、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の原子比の総和ｘ＋ｙは０．６５であるため、硬質被膜１０のＡ層２２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、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂの０．０５≦ｂ≦０．６、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の原子比の総和ｘ＋ｙの０．３≦ｘ＋ｙ≦０．６を逸脱し、Ｂ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、窒素（Ｎ）の原子比ｙは０．６５であり、酸素（Ｏ）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０．６５であるため、硬質被膜１０のＢ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、窒素（Ｎ）の原子比ｙの０≦ｙ≦０．６、酸素（Ｏ）の原子比ｚの０＜ｚ≦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の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品５の膜の硬さＨは３３．０であったが、摩擦係数μは０．６５、摩耗深さは１２６０ｎｍであり、試験品と比較して大きな値となった。この結果から特に、Ａ層２２に係るモリブデン（Ｍｏ）の原子比は０．０５以上、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の原子比の総和ｘ＋ｙは０．６以下、Ｂ層２４に係る窒素（Ｎ）の原子比ｙは０．６以下、酸素（Ｏ）の原子比ｚは０よりも大きく、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（Ｃｒ0.2Ｍｏ0.1Ｗ0.1Ｔｉ0.6）0.25Ｃ0.1Ｎ0.65から成る膜厚１０ｎｍのＡ層と、（Ｃｒ0.2Ｍｏ0.1Ｗ0.1Ｔｉ0.6）0.5Ｎ0.15Ｏ0.35から成る膜厚４ｎｍのＢ層とが、交互に２層積層して形成された総膜厚８．４０μｍの多層膜であり、Ａ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、窒素（Ｎ）の原子比ｙは０．６５であり、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の原子比の総和ｘ＋ｙは０．６５であるため、硬質被膜１０のＡ層２２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、窒素（Ｎ）の原子比ｙの０≦ｙ≦０．６、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の原子比の総和ｘ＋ｙの０．３≦ｘ＋ｙ≦０．６を逸脱し、Ｂ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されているため、硬質被膜１０のＢ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されるものである。そのため、比較品６の膜の硬さＨは２５．０ＧＰａであり試験品と比較して小さな値となり、摩擦係数μは０．４６、摩耗深さは８１０ｎｍであり、試験品と比較して大きな値となった。この結果から特に、Ａ層２２に係る窒素（Ｎ）の原子比は０．６以下、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）の原子比の総和ｘ＋ｙは０．６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。
　図７は硬質被膜１０の摩擦摩耗試験における試験時間の経過に伴う摩擦係数μの移動平均値の推移を示すグラフである。図７において、縦軸は摩擦係数μ、横軸は試験開始からの経過時間（ｓ）であり、プロットされているのは試験品を代表する試験品１８、試験品３１および試験品３６と比較品を代表する比較品４、比較品５および比較品６である。また、図７において、各試験品および比較品の摩擦係数μは、試験品１８は太線で、試験品３１は一点鎖線で、試験品３６は二点鎖線で、比較品４は点線で、比較品５は破線で、比較品６は細線でそれぞれ示されている。試験品１８、３１、３６および比較品４、５、６のいずれも試験開始２００秒前後から、試験終了すなわち試験開始から６００秒経過後までその摩擦係数は安定しているが、試験品１８、３１、３６の摩擦係数は約０．３付近に収まるのに対して、比較品４、５、６の摩擦係数は約０．５５付近である。また、試験品１８、３１、３６は試験開始から２００秒経過時までなだらかに摩擦係数が大きくなっている一方、比較品４、５，６は試験開始から１００秒経過時までの間に摩擦係数が一旦０．５付近まで上昇したのちにわずかに下降する現象が見られた。これにより、比較品４、５、６の耐摩耗性が十分ではないことが示される。
　前記膜の硬さ試験および前記摩擦摩耗試験の結果から、表２に示された試験品１～４０は、膜の硬さＨにおいて大きい値且つ摩擦係数μおよび摩耗深さ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は、試験品１～４０と比較して、膜の硬さＨが小さく、摩擦係数μおよび摩耗深さが大きな値であり、硬度および耐摩耗性が十分ではないことが示された。
　次に摩擦摩耗試験における溶着評価を行った。表２における耐溶着性は以下のようにして評価した。摩擦摩耗試験に供した試験品１～４０および比較品１～６の各テストピース４０の半球状端部４８に形成された被削材４６との摩擦による硬質被膜の摩耗痕を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によりＥＤＳ成分分析を用いて酸素分析を行いマッピングし、酸化物の成分およびその量を分析した。なお、ＥＤＳ成分分析においては酸素が存在すなわち酸化物が生成した領域は、それ以外の領域と視別し得る。上記ＥＤＳ成分分析による各テストピース４０の硬質被膜の摩耗痕における酸化物量から耐溶着性を評価した。すなわち、硬質被膜の摩耗痕に溶着がない場合、耐溶着性は優良（◎）、溶着部の面積が硬質被膜の摩耗痕の面積の２０％以下の場合、耐溶着性は良好（○）、溶着部の面積が硬質被膜の摩耗痕の面積の５０％以上の場合、耐溶着性は不良（×）と評価した。また、試験品１～４０を代表する試験品１８、試験品３６と比較品１～６を代表する比較品４に係る硬質被膜の摩耗痕をマイクロスコープ（ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ）および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により拡大して観察した。
　表２において、硬質被膜１０が被覆された試験品１～４０の全てが耐溶着性について優良又は良好と評価された。それに対して、硬質被膜１０に要求される条件を満たさない比較品１～６の全ては耐溶着性が不良と評価された。
　図８、図９および図１０は、摩擦摩耗試験において用いられた試験品３６、試験品１８および比較品４のそれぞれにおけるテストピースの半球状端部の硬質被膜の摩耗痕の写真であり、図８（ａ）、図９（ａ）および図１０（ａ）はマイクロスコープ（ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ）により撮影した写真、図８（ｂ）、図９（ｂ）、図１０（ｂ）は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影した写真、図８（ｃ）、図９（ｃ）、図１０（ｃ）はＳＥＭによるＥＤＳ分析の酸素分析結果を示す写真である。表２および図８において、硬質被膜１０が被覆され、摩擦係数μが０．２５、摩耗深さが３８０ｎｍと小さい試験品３６はその硬質被膜１０に摩耗痕はほとんど観察されず、図９（ｃ）に示されるＥＤＳ分析結果において溶着は見られなかったため、耐溶着性は優良と評価された。また、表２および図９において、硬質被膜１０が被覆され、摩擦係数μが０．３３、摩耗深さが４９９ｎｍと小さい試験品１８は、図９（ａ）および（ｃ）における○で囲んだ領域においてその硬質被膜１０の摩耗痕に摩耗痕の面積の２０％以下に相当する範囲で溶着が観察されたため、耐溶着性は良好と評価された。それに対して、表２および図１０において、硬質被膜１０に要求される条件を満たさない被膜が被覆され、摩擦係数μが０．６０、摩耗深さが１１００ｎｍと大きい比較品４は、図１０（ａ）および（ｃ）における○で囲んだ領域において、その被膜の摩耗痕に摩耗痕の面積の５０％以上に相当する範囲にわたってチタン（Ｔｉ）の酸化物および超硬圧子の酸化物と考えられる溶着が観察されたため、耐溶着性は不良と評価された。
　以上の溶着評価から、硬質被膜１０が被覆された試験品１～４０は、摩耗による硬質被膜中のモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびバナジウム（Ｖ）のそれぞれの酸化物が自己形成することにより固体潤滑粒子が生成することから、底摩耗性および良好な耐溶着性を有すると考えられた。
　図１１は試験品１の硬質被膜１０におけるＢ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。試験品１の硬質被膜１０におけるＢ層２４は（Ｃｒ0.4Ｍｏ0.6）0.49Ｎ0.25Ｏ0.26の薄膜組成を有する。Ｂ層２４は図１１における格子縞が観察される領域であり、微細な結晶粒から成る結晶層５４に加え、それ以外の領域において酸素（Ｏ）を含むアモルファス相５６を有していた。このようなＢ層２４を有する試験品１は、微細な結晶粒から成る結晶相５４が存在するため膜の硬さＨが２８．０ＧＰａと高硬度であると共に、酸素（Ｏ）を含むアモルファス相５６が存在するため、摩耗によるモリブデン（Ｍｏ）酸化物の形成が促進されることから、摩擦係数μが０．２５、摩耗深さが７０５ｎｍと良好な耐摩耗性および耐溶着性を有する。
　上述のように、本実施例の硬質被膜１０すなわち試験品１～４０によれば、工具母材１４の表面に設けられ、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙＣｘＮｙの窒化物、炭化物または炭窒化物から成るＡ層２２と、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸化物、酸窒化物、酸炭化物または酸炭窒化物から成るＢ層２４とが、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成膜され、あるいは成膜時の各種反応ガスの制御のみで成膜され、交互に２層以上積層して形成されるものであり、Ａ層２２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＋ｙは０．３≦ｘ＋ｙ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６以下であり、Ｂ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≦０．６、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、且つ、Ａ層２２の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、Ｂ層２４の膜厚Ｄ２は２ｎｍ以上５００ｎｍ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２２にＣｒＭｏＷＶＢの窒化物、炭化物、炭窒化物が形成されることにより、また、積層されたＢ層２４に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なる微細組織が形成される、あるいはＭｏ、ＷおよびＶの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物が有するＮａＣｌ構造の結晶相（δ－（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ）Ｎおよびγ－Ｍｏ２Ｎなど）５４とアモルファス相５６との複相組織が形成されることにより、高硬度且つ耐摩耗性を有する硬質被膜１０およびエンドミル１２を得ることができる。
　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２２及びＢ層２４の積層順は、好適には、図２に示すように工具母材１４側からＡ層２２、Ｂ層２４、・・・、Ａ層２２、Ｂ層２４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１４と接する最下層）はＡ層２２とされ、表層（硬質被膜１０の最上層）は、Ｂ層２４とされたものであるが、必ずしも斯かる構成には限定されず、上記基層がＢ層２４とされ、上記表層がＡ層２２あるいはＢ層２４とされたものであっても、上記基層及び表層のいずれもがＡ層２２とされ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はエンドミル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、たとえばドリル、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、エンドミル１２の形成に際し、硬質被膜１０はスパッタリング装置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：エンドミル（硬質潤滑被膜被覆工具）
２２：Ａ層
２４：Ｂ層

Claims (3)

  1. 　母材の表面に被覆される硬質潤滑被膜であって、
    　（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙＣｘＮｙの窒化物、炭化物または炭窒化物から成るＡ層と、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸化物、酸窒化物、酸炭化物または酸炭窒化物から成る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＋ｙは０．３≦ｘ＋ｙ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６以下であり、
    　前記Ｂ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≦０．６、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、
    　且つ、前記Ａ層の膜厚は２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、前記Ｂ層の膜厚は２ｎｍ以上５００ｎｍ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Ｂ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. 　請求項１または２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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