JP5096715B2

JP5096715B2 - 硬質皮膜および硬質皮膜被覆工具

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Publication number: JP5096715B2
Application number: JP2006255149A
Authority: JP
Inventors: 兼司山本; 進久次米
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: JP2008073800A; DE102007039193A1; KR100986883B1; KR20080027156A; CN101148750A; CN100584993C; DE102007039193B4; US20080075976A1; US7695829B2

Description

本発明は、工具の表面に被覆される硬質皮膜およびこの硬質皮膜を用いて形成された硬質皮膜被覆工具に関する。

従来、超硬合金、サーメット、高速度工具鋼等を基材とするチップ、ドリル、エンドミル等の切削工具や、プレス、鍛造金型、打ち抜きパンチ等の治工具における耐摩耗性を向上させることを目的に、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等の皮膜（硬質皮膜）をコーティングすることが行われている。特に、ＴｉとＡｌの複合窒化皮膜（ＴｉＡｌＮ）は、優れた耐摩耗性を示すことから、前記チタンの窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜に代わり、高速切削用や焼き入れ鋼等の高硬度材切削用の切削工具に適用されつつある。

このような背景の中、ＴｉＡｌＮ系皮膜において、ＮａＣｌ型の結晶構造を有する耐高温酸化性に優れた高硬度耐摩耗性皮膜が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ＴｉＡｌＮにＣｒを添加し、結晶構造を高硬度の岩塩構造（立方晶構造）に保ちながらＡｌ濃度を高め、硬度および耐酸化性を向上させることで、耐摩耗性を向上させた皮膜も提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、ＴｉＣｒＡｌＮにＳｉ、Ｂを添加することで耐酸化性を高めた皮膜（例えば、特許文献３参照）あるいはＣｒＡｌＮにＮｂ、Ｓｉ、Ｂを添加することで耐酸化性を向上させた皮膜も提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特許第２６４４７１０号公報（段落００１１〜００１８）特開２００３−７１６１０号公報（段落００１８〜００２３）特開２００３−７１６１１号公報（段落００２３〜００２９）国際公開第０６／００５２１７号パンフレット（第３頁３０行目〜第９頁３１行目）

しかしながら、前記した従来の皮膜には、以下に示す問題があった。
ＡｌまたはＡｌ＋Ｓｉを含有した従来の皮膜（硬質皮膜）においては、ＡｌまたはＡｌ＋Ｓｉを、例えば、特許文献１では、原子比で０．７５、特許文献２では、原子比で０．７６５、特許文献３では、原子比で０．９、特許文献４では、原子比で０．７９を上限値として含有させることで、皮膜の耐酸化性を向上させている。しかし、切削工具等を、より高い耐酸化性を必要とされる環境下において使用するために、耐酸化性等の切削工具等における性能をさらに向上させることが望まれている。

また、近年の被削材の高硬度化や切削速度の高速度化に伴い、従来のＴｉＡｌＮ、ＴｉＣｒＡｌＮ、ＴｉＣｒＡｌＳｉＢＮ、ＣｒＡｌＳｉＢＮあるいはＮｂＣｒＡｌＳｉＢＮ等の皮膜（硬質皮膜）に比べ、工具の硬度や耐酸化性、また、靭性等を向上させ、耐摩耗性をさらに改善する硬質皮膜が求められている。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、硬度、耐酸化性、また、靭性を向上させることで、耐摩耗性に優れる硬質皮膜およびこの硬質皮膜を用いて形成された硬質皮膜被覆工具を提供することにある。

請求項１に係る硬質皮膜は、工具の表面に被覆される硬質皮膜であって、前記硬質皮膜の組成がＡｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｓｉ_ａＭｇ_ｂＭ_ｃ（Ｂ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ）からなり、前記Ｍは、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｒ、ＣｕおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素であり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、０≦ａ≦０．３５、０．０５≦ｂ≦０．２、０．０５≦ａ＋ｂ≦０．５、０．０２≦ｃ≦０．１、かつ、原子比で、０．９≦Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｇ、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦０．４、０．５≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、を満足することを特徴とする。

このような構成によれば、皮膜（硬質皮膜）が、所定の元素を所定量含有することにより、皮膜の硬度や耐酸化性が向上する。

請求項２に係る硬質皮膜被覆工具は、硬質皮膜を用いて形成される硬質皮膜被覆工具であって、前記硬質皮膜が、請求項１に記載の硬質皮膜であることを特徴とする。
このような構成によれば、硬質皮膜被覆工具が、硬度や耐酸化性、また靭性が向上した硬質皮膜を用いて形成されることで、工具自体の硬度や耐酸化性、また靭性が向上し、耐摩耗性が向上する。

本発明に係る硬質皮膜によれば、硬質皮膜が所定の元素を所定量含有することで、皮膜の硬度や耐酸化性を向上させることができ、これにより、耐摩耗性を向上させることができる。

本発明に係る硬質皮膜被覆工具によれば、硬度や耐酸化性、また靭性が向上した硬質皮膜を用いて形成されることで、工具自体の硬度や耐酸化性、また靭性が向上し、耐摩耗性を向上させることができる。そのため、工具の寿命を延ばすことができ、切削加工等における生産性を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］
本発明は、工具の表面に被覆される硬質皮膜であって、この硬質皮膜の組成がＡｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｓｉ_ａＭｇ_ｂＭ_ｃ（Ｂ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ）からなり、前記Ｍは、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＣｕおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素であり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、この原子比を所定範囲に規定することで、各成分の含有量を所定範囲に規定したものである。
以下、硬質皮膜の組成を規定した理由について説明する。

＜原子比で、０．９≦Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｇ＞
本発明の硬質皮膜においては、硬質皮膜（以下、適宜「皮膜」と称す）に耐酸化性を付与するため、Ａｌと、ＳｉまたはＭｇを必須成分とし、Ａｌと、Ｓｉおよび／またはＭｇ（以下、適宜「Ａｌ＋（Ｓｉ、Ｍｇ）」と称す）の原子比を０．９以上とすることを必須とする。Ａｌ＋（Ｓｉ、Ｍｇ）の原子比が０．９未満であると、硬質皮膜の耐酸化性を向上させることができない。したがって、Ａｌ＋（Ｓｉ、Ｍｇ）の原子比は、下限を０．９、より好ましくは０．９５とする。

＜０．０３≦ａ＋ｂ≦０．５＞
Ａｌ＋（Ｓｉ、Ｍｇ）の原子比は、０．９以上を満たす範囲で調整可能であるが、Ｓｉ＋Ｍｇの原子比（ａ＋ｂ）が０．０３未満であると、硬度および耐酸化性向上効果が低くなる。一方、Ｓｉ＋Ｍｇの原子比が０．５を超えると、皮膜の硬度および靭性が低下する。したがって、Ｓｉ＋Ｍｇの原子比は、下限については、０．０３、より好ましくは、０．０５とし、上限については、０．５、より好ましくは、０．３とする。

＜０≦ａ≦０．３５、０≦ｂ≦０．２＞
前記したとおり、硬質皮膜は、ＳｉまたはＭｇを含むが、ＳｉまたはＭｇは任意の成分であり、どちらか一方を含有すればよい。
ここで、Ｓｉ、Ｍｇの原子比（ａ）、（ｂ）が、それぞれ、０．３５、０．２を超えると、皮膜の硬度および靭性が低下する。したがって、Ｓｉ、Ｍｇの原子比は、それぞれ上限を０．３５、０．２とする。また、Ｓｉについては、より好ましくは、上限を０．３、さらに好ましくは、０．２とする。Ｍｇについては、より好ましくは、上限を０．１とする。なお、Ｍｇについては、表面で酸化された場合、潤滑性を有するＭｇＯを形成することから、Ｍｇの添加により耐酸化性とともに潤滑性を付与することができるという効果がある。

＜０≦ｃ≦０．１＞
前記したＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇに加えて、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＣｕおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素であるＭを皮膜中に添加することで、添加する元素に応じて皮膜の高硬度化や、さらなる耐酸化性の向上等を図ることができる。

添加する元素ＭがＹの場合には、皮膜の耐酸化性の向上、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒの場合には、皮膜の高硬度化、Ｃｒ、Ｃｕの場合には、耐酸化性の向上および高硬度化が認められる。さらに、Ｃｕは、添加することにより、皮膜結晶粒が微細化して、皮膜が高硬度化することに加え、ＣｕがＮ、Ｃ、Ｂ等と反応しにくいことから、Ｃｕが金属状態で皮膜中に存在し、摺動時の高面圧下において、軟質金属として皮膜に潤滑作用を付与する。またＶに関しては、切削時の高温下において、軟質な酸化物を形成し、皮膜に潤滑作用を付与する。ただし、これらの元素Ｍは、過度の添加を行うと、Ａｌ＋（Ｓｉ、Ｍｇ）の原子比が少なくなり耐酸化性が低下するために、Ｍの原子比（ｃ）は、上限を０．１、より好ましくは、０．０５とする。なお、Ｍは任意の成分であり、含有させなくてもよい。

＜０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦０．４、０．５≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１＞
また、本発明の硬質皮膜において、Ｎは、ＡｌやＳｉと結合して高硬度の化合物を形成するために必須の成分である。そのため、Ｎの原子比（ｚ）が、下限を０．５、上限を１とする窒化物をベースとしているが、Ｂの添加により耐酸化性の向上、Ｃの添加により高硬度化を図ることができる。Ｂの原子比（ｘ）が０．２を超えると、皮膜の硬度が低下する。したがって、Ｂの原子比は、上限を０．２、より好ましくは、０．１５とする。また、Ｃの原子比（ｙ）が０．４を超えると、皮膜の耐酸化性が低下する。したがって、Ｃの原子比は、上限を０．４、より好ましくは、０．２とする。なお、Ｂ、Ｃは任意の成分であり、含有させなくてもよい。また、Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比の合計は、１とする。

前記したとおり、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｍ、Ｂ、Ｃは任意の成分であることから、本発明の硬質皮膜の組成に関する組み合わせは、ＡｌＳｉＭｇＭ（ＢＣＮ）、ＡｌＳｉＭｇＭ（ＢＮ）、ＡｌＳｉＭｇＭ（ＣＮ）、ＡｌＳｉＭｇＭＮ、ＡｌＳｉＭ（ＢＣＮ）、ＡｌＳｉＭ（ＢＮ）、ＡｌＳｉＭ（ＣＮ）、ＡｌＳｉＭＮ、ＡｌＭｇＭ（ＢＣＮ）、ＡｌＭｇＭ（ＢＮ）、ＡｌＭｇＭ（ＣＮ）、ＡｌＭｇＭＮ、ＡｌＳｉＭｇ（ＢＣＮ）、ＡｌＳｉＭｇ（ＢＮ）、ＡｌＳｉＭｇ（ＣＮ）、ＡｌＳｉＭｇＮ、ＡｌＳｉ（ＢＣＮ）、ＡｌＳｉ（ＢＮ）、ＡｌＳｉ（ＣＮ）、ＡｌＳｉＮ、ＡｌＭｇ（ＢＣＮ）、ＡｌＭｇ（ＢＮ）、ＡｌＭｇ（ＣＮ）、ＡｌＭｇＮ等が挙げられる。

［第２実施形態］
次に、硬質皮膜の他の実施形態について説明する。
本発明は、工具の表面に被覆される硬質皮膜であって、この硬質皮膜は、組成がＡｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｓｉ_ａＭｇ_ｂＭ_ｃ（Ｂ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ）からなり、前記Ｍは、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＣｕおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素であり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、この原子比を所定範囲に規定することで、各成分の含有量を所定範囲に規定したＡ層と、４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素のＮ、ＣＮ、ＢＮまたはＢＣＮ化合物であるＢ層とを含み、前記Ａ層と前記Ｂ層の各々の厚みが２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲で、前記Ａ層と前記Ｂ層を交互に積層したものである。

前記第１実施形態で説明したＡｌＳｉＭｇＭ（ＢＣＮ）膜等は、それ単体でも切削工具等の摺動部位に適用し、高温下における耐摩耗用途に使用することができる。しかし、前記のＡｌＳｉＭｇＭ（ＢＣＮ）膜等からなる層（Ａ層）と、４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる１種以上の元素とのＮ、ＣＮ、ＢＮまたはＢＣＮ化合物からなる層（Ｂ層）との積層膜とすることにより、耐酸化性、硬度を向上させるとともに、皮膜の靭性を向上させることで、特に高硬度材の切削や熱間鍛造等、さらに面圧の高い条件等の高面圧下での用途でも使用することができる。
以下、硬質皮膜の組成を規定した理由およびＡ層とＢ層の各々の厚み（各々の層厚み）を規定した理由について説明する。

＜Ａ層＞
Ａ層は、組成がＡｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｓｉ_ａＭｇ_ｂＭ_ｃ（Ｂ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ）からなり、前記Ｍは、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＣｕおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素であり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、０≦ａ≦０．３５、０≦ｂ≦０．２、０．０３≦ａ＋ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．１、かつ、原子比で、０．９≦Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｇ、０≦ｘ≦０．２、０≦ｙ≦０．４、０．５≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。
ここで、Ａ層の組成を規定した理由および組成に関する組み合わせについては、前記第１実施形態で説明した硬質皮膜と同様であるので、ここでは説明を省略する。

＜Ｂ層＞
Ｂ層である４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素のＮ、ＣＮ、ＢＮまたはＢＣＮ化合物の例としては、Ｔｉ（ＢＣＮ）、Ｃｒ（ＢＣＮ）、ＴｉＡｌ（ＢＣＮ）、ＴｉＣｒＡｌ（ＢＣＮ）、ＡｌＣｒ（ＢＣＮ）、ＴｉＣｒＡｌＹ(ＢＣＮ)、ＮｂＡｌ（ＢＣＮ）、ＮｂＣｒＡｌ(ＢＣＮ)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。ここで、括弧内のＢＣＮは、Ｎ、ＣＮ、ＢＮまたはＢＣＮのいずれかの形を示している。なお、なかでも、Ａｌを０．５以上含有する化合物が耐酸化性あるいは硬度の観点から好ましい。

＜Ａ層とＢ層の各々の厚み：２ｎｍ以上２００ｎｍ以下＞
硬質皮膜をＡ層とＢ層の積層膜とした場合、その各層の各々の厚み（各々の層厚み）を２ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲に規定する必要がある。各々の層厚みが２ｎｍ未満であると、靭性が低下する。したがって、各々の層厚みは２ｎｍ以上である必要がある。より好ましくは５ｎｍ以上である。また、各々の層厚みが２００ｎｍを超えると、積層膜としての特性（靭性)が失われるため、各々の層厚みは２００ｎｍ以下である必要がある。より好ましくは１００ｎｍ以下が好適である。

ここで、４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、ＳｉおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素のＮ、ＣＮ、ＢＮまたはＢＣＮ化合物であるＢ層としては、組成がＴｉ_{１−ｍ−ｎ}Ｃｒ_ｍＡｌ_ｎ（Ｂ_ｏＣ_ｐＮ_ｑ）からなり、前記ｍ、ｎ、ｏ、ｐ、ｑが原子比であるときに、０≦ｍ≦０．５、０．５≦ｎ≦０．７５、０≦１−ｍ−ｎ≦０．５、ｏ＋ｐ＋ｑ＝１であることが最も好ましい。
すなわち、ＴｉＣｒＡｌ（ＢＣＮ）、ＣｒＡｌ（ＢＣＮ）あるいはＴｉＡｌ（ＢＣＮ）化合物等であって、Ａｌの原子比（ｎ）が、下限については０．５、上限については０．７５、Ｃｒ、Ｔｉの原子比（ｍ）、（１−ｍ−ｎ）が、上限について、それぞれ０．５であることが最も好ましい。なお、Ｃｒ、Ｔｉは任意の成分であり、含有させなくてもよい。また、Ｎは高硬度の化合物を形成するために必須の成分であるが、Ｂ、Ｃは任意の成分であり、含有させなくてもよい。
以下、Ｂ層の組成を規定した理由について説明する。

＜０．５≦ｎ≦０．７５＞
Ｂ層の組成の限定理由としては、Ａｌ＋（Ｓｉ、Ｍｇ）を高濃度で含有する化合物は、靭性がやや低下する傾向がある。そのため、Ｂ層では、より高靭性を付与するための層として、まずＳｉ、Ｍｇを含有しない化合物とし、さらには、Ａｌの原子比（ｎ）を０．７５以下とすることで、積層化したときに、皮膜に高い靭性を付与することができる。一方、Ａｌの原子比が０．５未満であると、Ｂ層を高耐酸化性層（Ａ層）と積層した場合でも、特性（耐酸化性）の劣化が生じやすい。したがって、Ａｌの原子比は、下限については、０．５、より好ましくは、０．６とし、上限については、０．７５、より好ましくは、０．７とする。

＜０≦ｍ≦０．５、０≦１−ｍ−ｎ≦０．５＞
Ｃｒ、Ｔｉに関しては、目的に応じて単独であるいは双方の添加をすることが可能である。Ｃｒの単独添加により耐酸化性を向上させることができ、Ｔｉの単独添加により高硬度の皮膜を得ることができる。また、Ｃｒ、Ｔｉの双方の添加により、耐酸化性および硬度を向上させることができる。

Ｃｒ単独添加の場合には、Ｃｒの原子比（ｍ）は、下限を０．２５、上限を０．５とすることが好ましい。これは、Ｃｒの原子比が０．２５未満であると、皮膜の結晶構造が軟質な六方晶に転移し、硬度が低下するとともに、耐酸化性も低下するためであり、０．５を超えると、Ａｌの原子比が少なくなり、耐酸化性が低下するためである。なお、より好ましくは、下限が０．３、上限が０．４である。

Ｔｉ単独添加の場合には、Ｔｉの原子比（１−ｍ−ｎ）は、下限を０．３、上限を０．５とすることが好ましい。これは、Ｔｉの原子比が０．３未満であると、皮膜の結晶構造が軟質な六方晶に転移し、硬度が低下するためであり、０．５を超えると、Ａｌの原子比が少なくなり、耐酸化性が低下するためである。なお、より好ましくは、下限が０．３５、上限が０．４である。

Ｔｉ、Ｃｒの双方を添加する場合には、Ｃｒ、Ｔｉの原子比は、双方とも下限を０．０５とすることが好ましい。これは、皮膜に耐酸化性あるいは硬度を付与するためであり、好ましくは、双方とも下限が０．１である。上限に関しては、Ｃｒ＋Ｔｉの原子比が０．５未満であればよい。これを超えるとＡｌの原子比が少なくなり、耐酸化性が低下するためである。

＜ｏ＋ｐ＋ｑ＝１＞
また、Ｂ、Ｃ、Ｎの原子比の合計は、１とする。なお、Ｂの添加により耐酸化性の向上、Ｃの添加により高硬度化を図ることができる。

前記したとおり、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｃは任意の成分であることから、Ｂ層の組成に関する組み合わせは、ＴｉＣｒＡｌ（ＢＣＮ）、ＴｉＣｒＡｌ（ＢＮ）、ＴｉＣｒＡｌ（ＣＮ）、ＴｉＣｒＡｌＮ、ＣｒＡｌ（ＢＣＮ）、ＣｒＡｌ（ＢＮ）、ＣｒＡｌ（ＣＮ）、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＡｌ（ＢＣＮ）、ＴｉＡｌ（ＢＮ）、ＴｉＡｌ（ＣＮ）、ＴｉＡｌＮ等が挙げられる。

次に、本発明に係る硬質皮膜被覆工具について、図面を参照して説明する。
硬質皮膜被覆工具は、硬質皮膜を用いて形成されるものであり、この硬質皮膜が、前記に記載した硬質皮膜であることを特徴とするものである。
図１は、本発明に係る硬質皮膜被覆工具の一例を模式的に示す模式図であり、（ａ）は、高硬度材用エンドミルの模式図、（ｂ）は、倣い用エンドミルの模式図である。

硬質皮膜被覆工具としては、一例を挙げれば、図１（ａ）に示すように、刃先径φＤ_１が１０．０ｍｍ、シャンク径φｄ_１が１０．０ｍｍ、刃長Ｌ_１が５０ｍｍ、全長Ｌ_２が１００ｍｍである高硬度材用エンドミル、また別の例としては、図１（ｂ）に示すように、刃先径φＤ_２が６．０ｍｍ、シャンク径φｄ_２が６．０ｍｍ、先端のボールＲの半径が３．０ｍｍ、刃長Ｌ_３が９ｍｍ、全長Ｌ_４が２５０ｍｍである倣い用エンドミル等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。

また、硬質皮膜を被覆する工具としては、前記したエンドミルの他、チップ、ドリル等の切削工具や、プレス、鍛造金型、打ち抜きパンチ等の治工具が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、適宜、その他の工具に適用してもよい。硬質皮膜の成膜方法としては、アークイオンプレーティング法、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング法等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。

次に、工具への成膜方法の一例について説明するが、成膜方法としては、これに限定されるものではない。
まず、蒸発源（アーク式蒸発源、スパッタ蒸発源）を複数備えている複合成膜装置のカソードに、各種合金、あるいは金属のターゲットを取り付け、さらに、回転する基板ステージ上の支持台上に、エンドミル等の被処理体を取り付け、チャンバー内を真空状態にする。その後、チャンバー内にあるヒータで被処理体の温度を５５０℃に加熱し、窒素ガス（Ｃ含有膜の場合はＮ_２−ＣＨ_４の混合ガス）を導入してチャンバー内の圧力を４Ｐａにしてアーク放電を開始し、被処理体の表面に皮膜を形成する。なお、蒸発源において、アーク式蒸発源とスパッタ蒸発源とを併用する場合には、体積比１：１のＡｒ−Ｎ_２（あるいはＡｒ−Ｎ_２−ＣＨ_４）混合ガスを使用し、全体の圧力を２．８Ｐａとして、アーク式蒸発源とスパッタ蒸発源とを同時に放電させる。被処理体にはバイアス電圧として−１００Ｖを印加する。

以上のように、硬度や耐酸化性、また靭性が向上した硬質皮膜を被覆することにより、工具自体の硬度や耐酸化性、また靭性が向上し、耐摩耗性を向上させることができる。そのため、工具の寿命を延ばすことができ、切削加工等における生産性を向上させることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

図２は、本実施例で用いる複合成膜装置の概略図である。
この複合成膜装置１は、真空排気する排気口８と、成膜ガスおよび希ガスを供給するガス供給口９とを有するチャンバー２と、アーク式蒸発源３に接続されたアーク電源４と、スパッタ蒸発源５に接続されたスパッタ電源６と、コーティング対象である被処理体（切削工具）（図示省略）を支持する基板ステージ１０上の支持台１１と、この支持台１１と前記チャンバー２との間で支持台１１を通して被処理体に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源７とを備えている。また、その他、ヒータ１２、放電用直流電源１３、フィラメント加熱用交流電源１４等を備えている。本発明の実施に際しては、供給するガスは、成膜成分に合わせて窒素（Ｎ_２）、メタン（ＣＨ_４）等の成膜ガスと、これらとアルゴン等の希ガスとの混合ガスを使用した。
なお、アーク式蒸発源３を用いることにより、アークイオンプレーティング蒸発（ＡＩＰ）、スパッタ蒸発源５を用いることにより、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング蒸発（ＵＢＭ）を行うことができる。

［実施例１］
図２に示す蒸発源（アーク式蒸発源３、スパッタ蒸発源５）を複数備えている複合成膜装置１のカソードに、各種合金、あるいは金属のターゲット（図示省略）を取り付け、さらに、回転する基板ステージ１０上の支持台１１上に被処理体（図示省略）として超硬合金製チップ、切削試験用のエンドミル（超硬合金製、６枚刃、刃先径１０ｍｍφ）、および白金箔（３０×５×０．１ｍｍ^ｔ）を取り付け、チャンバー２内を真空状態にした。その後、チャンバー２内にあるヒータ１２で被処理体の温度を５５０℃に加熱し、窒素ガス（Ｃ含有膜の場合はＮ_２−ＣＨ_４の混合ガス）を導入してチャンバー２内の圧力を４Ｐａにしてアーク放電を開始し、基板（被処理体）の表面に表１、２に示す膜厚約３μｍの皮膜を形成した。基板にはバイアス電圧として−１００Ｖを印加した。
なお、実施例１では、アーク式蒸発源３を用いることにより、アークイオンプレーティング蒸発（ＡＩＰ）を行った。

成膜終了後、膜中の金属成分組成を調べるとともに、硬度、耐酸化性、耐摩耗性について、評価を行った。
＜皮膜組成＞
超硬合金製チップにおける皮膜中の金属元素の成分組成を、ＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）により測定した。

＜硬度＞
皮膜の硬度は、超硬合金製チップにおける皮膜のビッカース硬度を、荷重０．２５Ｎ、保持時間１５秒の条件で調べることにより評価した。硬度が２０ＧＰａ以上のものを良好、２０ＧＰａ未満のものを不良とした。

＜耐酸化性＞
皮膜の耐酸化性は、熱天秤を使用して、白金箔に形成したサンプルを乾燥空気中で４℃／分で昇温し、酸化重量変化から酸化開始温度を決定した。なお、酸化開始温度が高いほど、被削材との反応性が低下し、耐酸化性に優れているものである。酸化開始温度が１０５０℃以上のものを耐酸化性が良好、１０５０℃未満のものを耐酸化性が不良とした。

＜耐摩耗性＞
皮膜の耐摩耗性は、硬質皮膜を形成したエンドミルを用い、以下の条件で切削試験を行って刃先逃げ面の摩耗量（摩耗幅）を測定した。なお、摩耗量（摩耗幅）が小さいほど、耐摩耗性に優れているものである。摩耗量が１００μｍ未満のものを耐摩耗性が良好、１００μｍ以上ものを耐摩耗性が不良とした。

切削試験条件
被削材：ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）
切削速度：１５０ｍ／分
刃送り：０．０４ｍｍ／刃
軸切り込み：４．５ｍｍ
径方向切り込み：０．２ｍｍ
切削長：５０ｍ
その他：ダウンカット、ドライカット、エアブローのみ

実施例１の結果を表１、２に示す。なお、表中Ｍ成分を含有していないものについては、Ｍの種類を「−」で示す。

表１、２に示すように、Ｎｏ．４〜８、１２〜１６、１９〜２６、２９〜３２、３４〜４６、４８〜５０、５２〜５４は、皮膜の組成が本発明の範囲を満足しているため、あるいは参考例のため、硬度、耐酸化性、耐摩耗性のすべてが良好であった。

一方、Ｎｏ．１〜３は、従来型のＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ系硬質皮膜である。したがって、硬度は良好であるものの、耐酸化性に劣り、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．９、１０、１７、２７は、Ｓｉ＋Ｍｇの原子比が下限値未満のため、硬度および耐酸化性に劣り、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．２８は、Ｓｉ＋Ｍｇの原子比が上限値を超えるため、硬度に劣り、耐摩耗性に劣った。

Ｎｏ．１１、１８は、それぞれＳｉ、Ｍｇの原子比が上限値を超えるため、硬度に劣り、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．３３は、Ｍ（Ｃｒ）の原子比が上限値を超えるため、耐酸化性に劣り、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．４７は、Ｂの原子比が上限値を超えるため、硬度に劣り、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．５１は、Ｃの原子比が上限値を超えるため、耐酸化性に劣り、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．５５は、Ｎの原子比が下限値未満のため、硬度に劣り、耐摩耗性に劣った。

［実施例２］
図２に示す蒸発源（アーク式蒸発源３、スパッタ蒸発源５）を複数備えている複合成膜装置１のカソードに、各種合金、あるいは金属のターゲット（図示省略）を取り付け、さらに、回転する基板ステージ１０上の支持台１１上に被処理体（図示省略）として超硬合金製チップ、切削試験用のエンドミル（超硬合金製、６枚刃、刃先径１０ｍｍφ）、および白金箔（３０×５×０．１ｍｍ^ｔ）を取り付け、チャンバー２内を真空状態にした。その後、チャンバー２内にあるヒータ１２で被処理体の温度を５５０℃に加熱し、窒素ガス（Ｃ含有膜の場合はＮ_２−ＣＨ_４の混合ガス）を導入してチャンバー２内の圧力を４Ｐａにしてアーク放電を開始し、基板（被処理体）の表面に表３に示す膜厚（Ａ層とＢ層の各々の厚み、積層周期（積層した場合のＡ層＋Ｂ層の厚み）、総厚み）の皮膜を形成した。なお、蒸発源において、アーク式蒸発源３とスパッタ蒸発源５とを併用する場合には、体積比１：１のＡｒ−Ｎ_２（あるいはＡｒ−Ｎ_２−ＣＨ_４）混合ガスを使用し、全体の圧力を２．８Ｐａとして、アーク式蒸発源３とスパッタ蒸発源５とを同時に放電させた。基板にはバイアス電圧として−１００Ｖを印加した。

また、積層膜を形成する場合は、複数の蒸発源に異なる組成のターゲットを取り付け、回転する支持台１１上に被処理体を載せて、成膜中に回転させることによって積層膜を形成する方法を用いた。支持台１１上の被処理体は基板ステージ１０の回転に伴い、異なる組成のターゲットを取り付けた蒸発源の前を交互に通過するが、そのときに各々の蒸発源のターゲット組成に対応した皮膜が交互形成されることで、積層膜を形成することが可能である。Ａ層、Ｂ層の各々の厚み、積層周期は、各蒸発源への投入電力（蒸発量）あるいは支持台１１の回転数（早い方が１層あたりの厚みは薄くなる）にて制御した。このようにして、Ａ層、Ｂ層を交互に積層した。

成膜終了後、膜中の金属成分組成を調べるとともに、靭性、耐酸化性、耐摩耗性について、評価を行った。
＜皮膜組成＞
超硬合金製チップにおける皮膜中の金属元素の成分組成を、ＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）により測定した。
＜靭性＞
皮膜の靭性を評価するために、先端半径が２００μｍのダイヤモンド圧子を用いて、超硬合金製チップに被覆した皮膜のスクラッチ試験（０〜１００Ｎ、荷重増加速度：１００Ｎ／分、距離：１０ｍｍ）を実施し、皮膜にチッピングが発生する荷重を、チッピング荷重（Ｎ）として定義した。チッピング荷重が８０Ｎ以上のものを靭性が良好、８０Ｎ未満のものを靭性が不良とした。

＜耐酸化性＞
皮膜の耐酸化性は熱天秤を使用して、白金箔に形成したサンプルを乾燥空気中で４℃／分で昇温し、酸化重量変化から酸化開始温度を決定した。なお、酸化開始温度が高いほど、被削材との反応性が低下し、耐酸化性に優れている。酸化開始温度が１１００℃以上のものを耐酸化性が良好、１１００℃未満のものを耐酸化性が不良とした。

＜耐摩耗性＞
硬質皮膜を形成したエンドミルを用い、以下の条件で切削試験を行って刃先逃げ面の摩耗量（摩耗幅）を測定した。なお、摩耗量（摩耗幅）が小さいほど、耐摩耗性に優れている。摩耗量が８５μｍ未満のものを耐摩耗性が優良、８５〜１１０μｍのものを耐摩耗性が良好、１１０μｍを超えるものを耐摩耗性が不良とした。
なお、実施例２は、実施例１に比べ、高硬度の被削材を用いた試験である。

切削試験条件
被削材：ＳＫＨ５１（ＨＲＣ６５）
切削速度：１００ｍ／分（３１８３ｒｐｍ）
深さ切込：５ｍｍ
軸切り込み：０．２ｍｍ
刃送り：０．１ｍｍ／刃（１９０９ｍｍ／分）
ダウンカット、エアブローのみ
切削長：１０ｍ
その他：ダウンカット、ドライカット、エアブローのみ

実施例２の結果を表３に示す。なお、表中Ｂ層を含まないもの等については、「−」で示す。また、表中ＡＩＰは、アークイオンプレーティング蒸発、ＵＢＭは、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング蒸発を示す。なお、硬度については、超硬合金製チップにおける皮膜のビッカース硬度（積層膜としての平均硬度）について、荷重０．２５Ｎ、保持時間１５秒の条件で調べた値を参考として示す。

表３に示すように、Ｎｏ．８〜３９は、参考例のため、靭性、耐酸化性、耐摩耗性のすべてが優良または良好であった。
なお、硬度、靭性、耐酸化性等の数値は、皮膜を構成する各成分同士の兼ね合い等により、変化するものである。

Ｎｏ．５〜７は、参考例のため、耐酸化性は良好であったが、Ｂ層を設けていないため、靭性はＮｏ．８〜３９に比べて劣った。そのため、耐摩耗性は、従来型のＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ系硬質皮膜であるＮｏ．１、２に比べると良好であったが、Ｎｏ．８〜３９に比べると、やや劣る結果となった。
このことから、高硬度材等の面圧の高い条件においては、Ａ層単体よりも、Ａ層とＢ層の積層膜とすることで、耐摩耗性をより向上させることができることがわかる。

一方、Ｎｏ．１、２は、従来型のＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ系硬質皮膜であり、靭性、耐酸化性に劣るため、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．３は、Ａ層およびＢ層の厚みが上限値を超えるため、靭性に劣り、耐摩耗性に劣った。Ｎｏ．４は、Ａ層およびＢ層の厚みが下限値未満であるため、靭性に劣り、耐摩耗性に劣った。

本発明に係る硬質皮膜被覆工具の一例を模式的に示す模式図であり、（ａ）は、高硬度材用エンドミルの模式図、（ｂ）は、倣い用エンドミルの模式図である。本実施例で用いる複合成膜装置の概略図である。

符号の説明

１複合成膜装置
２チャンバー
３アーク式蒸発源
４アーク電源
５スパッタ蒸発源
６スパッタ電源
７バイアス電源
８排気口
９ガス供給口
１０基板ステージ
１１支持台
１２ヒータ
１３放電用直流電源
１４フィラメント加熱用交流電源

Claims

工具の表面に被覆される硬質皮膜であって、
前記硬質皮膜の組成がＡｌ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｓｉ_ａＭｇ_ｂＭ_ｃ（Ｂ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ）からなり、前記Ｍは、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｒ、ＣｕおよびＹから選ばれる少なくとも１種以上の元素であり、前記ａ、ｂ、ｃ、ｘ、ｙ、ｚが原子比であるときに、
０≦ａ≦０．３５
０．０５≦ｂ≦０．２
０．０５≦ａ＋ｂ≦０．５
０．０２≦ｃ≦０．１
かつ、原子比で、０．９≦Ａｌ＋Ｓｉ＋Ｍｇ
０≦ｘ≦０．２
０≦ｙ≦０．４
０．５≦ｚ≦１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
を満足することを特徴とする硬質皮膜。
硬質皮膜を用いて形成される硬質皮膜被覆工具であって、
前記硬質皮膜が、請求項１に記載の硬質皮膜であることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。