(57)【要約】      （修正有）【課題】靱性と耐摩耗性を向上させた硬質皮膜被覆部材、特に切削工具への適用に適した硬質皮膜被覆部材の提供。【解決手段】下側皮膜層１２と上側皮膜層１４と、これら下側皮膜層１２と上側皮膜層１４との間に形成された中間皮膜層１３を備え、中間皮膜層１３は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物からなる第１の皮膜１６ａ、１７ａと、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物からなる第２の皮膜１６ｂ、１７ｂとを１層以上交互に積層した交互積層部から構成され、また、下側皮膜層１２はＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物から構成され、上側皮膜層１４はＴｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物から構成されて、さらに、上側皮膜層の直上にＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物からなる表面皮膜層１５を形成している硬質皮膜被覆部材１１。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面に被覆される硬質皮膜被覆部材であって、
前記硬質皮膜被覆部材は、下側皮膜層と、上側皮膜層と、前記下側皮膜層と前記上側皮膜層との間に形成された中間皮膜層を備え、
前記中間皮膜層は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物からなる第１の皮膜と、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物からなる第２の皮膜とを１層以上交互に積層した交互積層部から構成され、
前記第１の皮膜についてその金属成分の組成を（ＡｌｘＣｒｙＴｉｚ）で表したときに（但し、ｘ，ｙ、ｚはそれぞれＡｌ、ＣｒおよびＴｉの原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）、
前記第１の皮膜は、５０≦ｘ≦６５、２０≦ｙ≦３０、５≦ｚ≦２０、の関係を満たす組成を有し、
前記第２の皮膜についてその金属成分の組成を（ＴｉａＳｉｂ）で表したときに（但し、ａ、ｂはそれぞれＴｉおよびＳｉの原子比を示し、ａ＋ｂ＝１００）、
前記第２の皮膜は、８０≦ａ≦９０、１０≦ｂ≦２０、の関係を満たす組成を有していることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項２】
前記第１の皮膜は、金属成分としてさらにＳｉを有し、
前記第１の皮膜の金属成分の組成を（ＡｌｘＣｒｙＴｉｚＳｉｗ）で表したときに（但し、ｘ、ｙ、ｚおよびｗはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、ＴｉおよびＳｉの原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝１００）、
前記第１の皮膜は、４０≦ｘ≦５５、２０≦ｙ≦３０、１０≦ｚ≦２５、１≦ｗ≦１０、の関係を満たす組成を有していることを特徴とする請求項１に記載の硬質皮膜被覆部材。
【請求項３】
前記交互積層部からなる前記中間皮膜層は、前記硬質皮膜被覆部材の厚さ方向に向かって、膜厚Ｔ１を有する第１の交互積層部と、膜厚Ｔ２を有する第２の交互積層部から構成されており、
前記第１の交互積層部における前記第１及び第２の皮膜の単位厚みをそれぞれｔ１、ｔ２とし、前記第２の交互積層部における前記第１及び第２の皮膜の単位厚みをそれぞれｔ３、ｔ４としたときに、
前記ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４は２〜５０ｎｍであるとともに、
前記第１の交互積層部における前記ｔ１、ｔ２は、ｔ１＞ｔ２、
前記第２の交互積層部における前記ｔ３、ｔ４は、ｔ３＜ｔ４、
にされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の硬質皮膜被覆部材。
【請求項４】
前記中間皮膜層は、１〜３μｍの膜厚を有しているとともに、
前記第１の交互積層部の膜厚Ｔ１と前記第２の交互積層部の膜厚Ｔ２は、（Ｔ１／Ｔ２）＝１〜２、であることを特徴とする請求項３に記載の硬質皮膜被覆部材。
【請求項５】
前記第１の交互積層部における前記第２の皮膜の単位厚みｔ２と、前記第２の交互積層部における前記第２の皮膜の単位厚みｔ４は、
前記上側皮膜層の方向に向うにつれて、漸次増加した単位厚みを有している、
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の硬質皮膜被覆部材。
【請求項６】
前記下側皮膜層は少なくともＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物から構成され、
前記上側皮膜層は少なくともＴｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材。
【請求項７】
前記上側皮膜層の表面に、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物又は炭窒化物、もしくはＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなり、膜厚が５〜１００ｎｍの表面皮膜層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材が切削工具の基材に被覆されていることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【請求項９】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材が切削工具の基材に被覆された硬質皮膜被覆工具であって、すくい面に被覆された前記硬質皮膜被覆部材を構成する前記表面皮膜層の少なくとも一部の領域が除去されていることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、靱性と耐摩耗性を向上させるために、基材の表面に物理蒸着法等により硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材、及びこの硬質皮膜被覆部材を工具の基材の表面に被覆した工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来から、超硬合金、高速度工具鋼等の金属を基材とする切削工具や、プレス、鍛造用金型、打ち抜きパンチ等の塑性加工用の治工具において、耐摩耗性を向上させることを目的として、物理蒸着法や化学蒸着法によって、これら切削工具等の基材表面に所定の組成を有する硬質皮膜を被覆することが行われている。特に、切削工具では、その切れ刃部の表面にＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＳｉＮ等の硬質皮膜を被覆（形成）することが広く実用化されている。【０００３】  例えば、特許文献１（特開２００３−７１６１０号公報）には、高速・高能率切削が可能で耐摩耗性に優れた切削工具用の硬質皮膜であって、組成が（Ｔｉａ、Ａｌｂ、Ｃｒｃ）（Ｃ１−ｄＮｄ）で表される式からなり、０．０２≦ａ≦０．３０、０．５５≦ｂ≦０．７６５、０．０６≦ｃ、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．５≦ｄ≦１（ａ、ｂ、ｃはそれぞれＴｉ、Ａｌ、Ｃｒの原子比を示し、ｄはＮの原子比を示す。）とした硬質皮膜に関する発明が提案されている。この特許文献１に記載されている切削工具用の硬質皮膜は、従来から実施されているＴｉＡｌＮからなる皮膜にＣｒを添加することによって皮膜の硬度および耐酸化性を向上させ、その結果として耐摩耗性を飛躍的に向上させたものである。また、特許文献１に記載されている硬質皮膜は、相互に異なる硬質皮膜を２層以上形成することも提案されている。【０００４】  特許文献２（特開２０００−３３４６０６号公報）には、従来から実施されているＴｉＡｌＮ皮膜に対して耐酸化性、耐摩耗性を改善するために、硬質皮膜をＴｉＳｉ系窒化物などからなるａ層と、ＴｉＡｌ系窒化物などからなるｂ層を、それぞれ一層以上交互に被覆するとともに、ｂ層の皮膜を母材の表面直上に形成した硬質皮膜被覆工具が提案されている。
具体的には、切削加工の乾式化、高速化に対応する硬質皮膜被覆工具として、高速度鋼、超硬合金、サーメット、セラミックスの何れかを母材とし、硬質皮膜のａ層は、金属成分のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上６０％以下、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかで、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉが独立した相として化合物中に存在し、ｂ層は金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、Ｂ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかであり、ａ層、ｂ層がそれぞれ一層以上交互に被覆され、かつ、ｂ層が母材表面直上に形成されている硬質皮膜被覆工具である。【０００５】  特許文献３（特開２００６−２９９３９９号公報）には切削工具や金型等に被覆する硬質皮膜において、Ａｌ及びＣｒを必須成分とした硬質皮膜を優れた耐熱性並びに潤滑特性を有した状態で高硬度化して、硬質皮膜被覆部材の耐摩耗性を改善した発明が提案されている。
特許文献３に記載の硬質皮膜被覆部材は、基体表面から、最下層、中間積層部、最上層からなる硬質皮膜から構成されている。そして、この最下層はＡｌを５０原子％以上含有し、残部がＴｉ、Ｃｒ，Ｓｉから選択される１種もしくは２種以上の窒化物主体の硬質皮膜からなり、中間積層部は金属成分の組成が（ＡｌＷＣｒＸＴｉＹＳｉＺ）、但し、組成は原子％で、Ｗ＋Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００、の窒化物、ホウ化物、炭化物及び酸化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物からなるＡ層とＢ層とが、Ａ層は７０＜Ｗ＋Ｘ＜１００、Ｂ層は３０＜Ｙ＜１００で層厚方向に交互に積層され、さらに、最上層はＴｉ又はＴｉとＳｉの窒化物、炭化物、硫化物、硼化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物から構成された硬質皮膜であって、潤滑性と皮膜硬度を向上させるための皮膜とされている。【０００６】  特許文献４（特開２０１６−９８４３４号公報）には、耐摩耗性と耐クラック性に優れた硬質皮膜層と、この硬質皮膜層を形成した冷間塑性加工用金型が提案されている。特許文献４に記載の硬質皮膜層の特徴は、硬質皮膜層の組成が一般式：ＴｉａＣｒｂＡｌｃＳｉｄＭｅ（ＢｕＣｖＮｗ）（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｕ、ｖ、ｗは所定の原子比）からなり、この一般式の原子比を適切な範囲の値に設定したＡ層とＢ層を交互に積層した積層構造からなる硬質皮膜層であって、Ａ層の膜厚ｄＡとＢ層の膜厚ｄＢをそれぞれ５０ｎｍ以下に、（ｄＢ／ｄＡ）値を０．１〜０．５に設定している。この硬質皮膜層２を、特に、冷間鍛造用金型である押出し成形用のパンチの機能部に形成することにより、パンチ寿命を格段に向上させるようにしている。【０００７】  特許文献５（特開２０１８−３９０４５号公報）には、金型の基材に成膜した硬質皮膜層の耐クラック性と耐剥離性を向上させた冷間用金型が提案されている。特許文献５に記載の硬質皮膜の特徴は、金型基材の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜層を成膜した冷間用金型であって、この硬質皮膜層はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌの窒化物又は炭窒化物からなる下側皮膜層と、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなる表面皮膜層を備え、下側皮膜層は表面皮膜層よりも基材の表面側に成膜されているとともに、下側皮膜層は表面皮膜層の直下に成膜されている。さらに、下側皮膜層は組成が異なる皮膜層を少なくとも２層以上有する多層構造をなし、この多層構造をなす第２層は、２つの皮膜層であるＤ層とＦ層を交互に積層した積層構造をなしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−７１６１０号公報
【特許文献２】特開２０００−３３４６０６号公報
【特許文献３】特開２００６−２９９３９９号公報
【特許文献４】特開２０１６−９８４３４号公報
【特許文献５】特開２０１８−３９０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  特許文献１には、切削工具用の硬質皮膜であってその組成が（Ｔｉａ、Ａｌｂ、Ｃｒｃ）（Ｃ１−ｄＮｄ）で表され、この組成に含まれる元素の原子比を規定することにより硬質皮膜の耐摩耗性と耐酸化性を向上させることを特徴としているが、硬質皮膜としてＴｉとＳｉの窒化物又は炭化物を含む皮膜を形成すること、特に上側皮膜層としてＴｉとＳｉの窒化物又は炭化物を含む皮膜を形成することについては開示されていない。【００１０】  特許文献２には、切削工具に被覆する硬質皮膜をＴｉＳｉ系窒化物などからなるａ層と、ＴｉＡｌ系窒化物などからｂ層を、それぞれ一層以上交互に被覆し、さらにｂ層が母材の表面直上に形成された硬質皮膜を被覆することにより硬質皮膜の耐摩耗性と耐酸化性を向上させたものであるが、耐久性の向上が不十分であると考えられる。【００１１】  特許文献３に開示されている硬質皮膜被覆部材は、切削工具、金型、軸受け、ダイス、ロールなど高硬度が要求される耐摩耗工具等に被覆して耐摩耗性を向上させるために、基体表面から、最下層、中間積層部、最上層の３層を形成した硬質皮膜を備えている。さらに、中間積層部をＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉを必須成分とした積層構造とし、最上層をＴｉ又はＴｉとＳｉの窒化物、炭化物、硫化物、硼化物の何れか又はそれらの固溶体又は混合物とした硬質皮膜被覆部材である。
しかしながら、特許文献３には特許文献１及び２と同様に、基材の表面に生じる微細なクラックの発生を防止するための硬質皮膜の構成などについては開示されておらず、部材の耐久性向上が不十分であると考えられる。【００１２】  特許文献４、５には、冷間加工用金型の表面に被覆した硬質皮膜の耐摩耗性と耐クラック性を向上させるために、所定の元素からなる硬質皮膜の積層構造が開示されている。
冷間加工用金型は、切削工具に使用される基材（母材）に比べて弾性変形し易い基材（例えば、超硬合金では９２ＨＲＡ以下、ハイス、ダイス鋼等）を基材としていることから、硬質皮膜の高硬度化や高残留圧縮応力化によって硬質皮膜に剥離にクラックが生じ易い。一方、切削工具に使用される基材はより硬度が高い基材が適用されることから、冷間加工用金型よりも硬質皮膜の高硬度化や残留圧縮応力の高い硬質皮膜を適用する必要がある。
このことから、冷間加工用金型と切削工具では、要求される硬質皮膜の機械的特性に加えて、残留圧縮応力の程度や硬質皮膜の層構造についても考慮する必要がある。この理由は、硬質皮膜に関して、金型表面に形成する硬質皮膜と切削工具の表面に形成する硬質皮膜は、使用環境に応じてそれぞれ最適な仕様を備えるように改善する必要があるからである。【００１３】  本発明の発明者は、切削工具等の工具の耐久性を向上させるために、この工具を用いて高硬度鋼を切削加工したときに、工具の損傷形態を注意深く観察した。その結果、特に硬質皮膜を被覆した切削工具のすくい面側に生じる硬質皮膜層の微細なクラックや剥離を起点とし、すくい面側にチッピング等の異常摩耗が生じ、この異常摩耗が切削工具の寿命を短くすることが非常に多いことを突き止めた。
しかも、上記硬質皮膜層の微細なクラックや剥離は、組成や機械的特性が異なる硬質皮膜層を積層しときに、この工具に形成した各々の硬質皮膜層間の界面で生じていることを確認した。つまり、高硬度鋼の切削加工においては、積層する各硬質皮膜層間の界面を強化して、切削工具のすくい面側の硬質皮膜層の耐クラック性及び耐剥離性を向上させることが、切削工具の切れ刃部の耐チッピング性を高めることが極めて重要であることが明らかとなった。【００１４】  切削工具等の基材、特に、切削工具の切れ刃部の耐久性を向上させるためには、基材に形成する硬質皮膜層の組成、および硬質皮膜層の構成、特に、この硬質被膜層の基本構成として硬質被膜層を２種の皮膜層から形成するとともに、これら２種の皮膜層（硬質被膜層）を基材の表面に形成して配置する順序、所定の皮膜層を多層構造、又は積層構造にすることが重要であることを各種の試作実験により見出した。【００１５】  本発明はこのような従来技術の硬質皮膜被覆部材の不具合に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、基材に被覆される硬質皮膜の耐クラック性と耐剥離性を向上させること、特に切削工具等の工具について、切れ刃部を構成するすくい面におけるチッピングや異常摩耗の発生を大幅に抑制して、工具寿命を格段に向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】  本発明の請求項１に記載の発明は、基体の表面に被覆される硬質皮膜被覆部材であって、前記硬質皮膜被覆部材は、下側皮膜層と、上側皮膜層と、前記下側皮膜層と前記上側皮膜層との間に形成された中間皮膜層を備え、
前記中間皮膜層は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物からなる第１の皮膜と、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物からなる第２の皮膜とを１層以上交互に積層した交互積層部から構成され、
前記第１の皮膜についてその金属成分の組成を（ＡｌｘＣｒｙＴｉｚ）で表したときに（但し、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれＡｌ、ＣｒおよびＴｉの原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）、
前記第１の皮膜は、５０≦ｘ≦６５、２０≦ｙ≦３０、５≦ｚ≦２０、の関係を満たす組成を有し、
前記第２の皮膜についてその金属成分の組成を（ＴｉａＳｉｂ）で表したときに（但し、ａ、ｂはそれぞれＴｉおよびＳｉの原子比を示し、ａ＋ｂ＝１００）、
前記第２の皮膜は、８０≦ａ≦９０、１０≦ｂ≦２０、の関係を満たす組成を有していることを特徴としている。【００１７】  本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬質皮膜被覆部材であって、前記第１の皮膜は、金属成分としてさらにＳｉを有し、
前記第１の皮膜の金属成分の組成を（ＡｌｘＣｒｙＴｉｚＳｉｗ）で表したときに（但し、ｘ、ｙ、ｚおよびｗはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、ＴｉおよびＳｉの原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝１００）、
前記第１の皮膜は、４０≦ｘ≦５５、２０≦ｙ≦３０、１０≦ｚ≦２５、１≦ｗ≦１０、の関係を満たす組成を有していることを特徴としている。【００１８】本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の硬質皮膜被覆部材であって、前記交互積層部からなる前記中間皮膜層は、前記硬質皮膜被覆部材の厚さ方向に向かって、膜厚Ｔ１を有する第１の交互積層部と、膜厚Ｔ２を有する第２の交互積層部から構成されており、
前記第１の交互積層部における前記第１及び第２の皮膜の単位厚みをそれぞれｔ１、ｔ２とし、前記第２の交互積層部における前記第１及び第２の皮膜の単位厚みをそれぞれｔ３、ｔ４としたときに、
前記ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４は２〜５０ｎｍであるとともに、
前記第１の交互積層部における前記ｔ１、ｔ２は、ｔ１＞ｔ２、
前記第２の交互積層部における前記ｔ３、ｔ４は、ｔ３＜ｔ４、
にされていることを特徴としている。【００１９】  本発明の請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の硬質皮膜被覆部材であって、前記中間皮膜層は、１〜３μｍの膜厚を有しているとともに、
前記第１の交互積層部の膜厚Ｔ１と前記第２の交互積層部の膜厚Ｔ２は、（Ｔ１／Ｔ２）＝１〜２、であることを特徴としている。【００２０】  本発明の請求項５に記載の発明は、請求項３または請求項４に記載の硬質皮膜被覆部材であって、前記第１の交互積層部における前記第２の皮膜の単位厚みｔ２と、前記第２の交互積層部における前記第２の皮膜の単位厚みｔ４は、
前記上側皮膜層の方向に向うにつれて、漸次増加した単位厚みを有していることを特徴としている。【００２１】  本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材であって、前記下側皮膜層は少なくともＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物から構成され、
前記上側皮膜層は少なくともＴｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物から構成されていることを特徴としている。【００２２】  本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材であって、前記上側皮膜層の表面に、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物又は炭窒化物、もしくはＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物からなり、膜厚が５〜１００ｎｍの表面皮膜層が形成されていることを特徴としている。【００２３】  本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の硬質皮膜被覆部材が切削工具の基材に被覆されている硬質皮膜被覆工具である。【００２４】  本発明の請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の硬質皮膜硬質皮膜が基材に被覆されている硬質皮膜被覆工具であって、すくい面に被覆された前記硬質皮膜被覆部材を構成する前記表面皮膜層の少なくとも一部の領域が除去されている硬質皮膜被覆工具である。
【発明の効果】
【００２５】  本発明の硬質皮膜被覆部材が備えている中間皮膜層は、Ａｌ、Ｃｒ、ＴｉまたはＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物からなる第１の皮膜と、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物からなる第２の皮膜とを、１層以上交互に積層した交互積層皮膜から構成するとともに、第１の皮膜と第２の皮膜をそれぞれ最適な組成（原子比）にし、さらにその単位厚みを含む積層構造も改良した。
これにより、硬質皮膜被覆部材の耐クラック性と耐剥離性を格段に向上させることができ、特に本発明の硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用すると、切削工具の寿命を著しく向上させることが可能になる。【００２６】  本発明の硬質皮膜被覆部材が被覆された切削工具においては、特に、すくい面に被覆された硬質皮膜被覆部材が耐クラック性と耐剥離性を発揮するので、切削工具の寿命を著しく向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の硬質皮膜被覆部材について、第１の実施例の構成を説明するための断面模式図である。
【図２】本発明の硬質皮膜被覆部材について、第２の実施例の構成を説明するための断面模式図である。
【図３】本発明の硬質皮膜被覆部材を基材に成膜するための成膜装置の一例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】  以下、本発明の硬質皮膜被覆部材の構成と、この硬質皮膜被覆部材を切削工具等の工具の基材の表面に形成した実施例を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、基材の表面に本発明の硬質皮膜被覆部材を被覆したときに、この硬質皮膜被覆部材の構成を説明するための図であって、図１は本発明の硬質皮膜被覆部材について第１の実施形態（実施例）の構成を示す図、図２は同じく第２の実施形態（実施例）の構成を示す図である。
【００２９】［第１の実施形態］
最初に、本発明の硬質皮膜被覆部材について、その基本構成である第１の実施形態の構成を図１に基づいて説明する。
なお、以下の説明において、本発明の硬質皮膜被覆部材を被覆した基材のことを一般に「母材」と呼ぶ場合もあるが、単に「基材」という用語を用いて説明する。また、本発明の硬質皮膜被覆部材を基材に被覆（形成）した各種の切削工具や治工具のことを、以下の説明において単に「工具」と記載する場合もある。
【００３０】  本発明の硬質皮膜被覆部材を適用することができる基材の材質としては、超硬合金、金属炭化物を有する鉄基合金、高速度工具鋼、セラミックス、等が適しているが、これらに限定されるものではなく、各種の工具や硬質の部材に適用できる基材であれば、いかなる材質でもよい。
また、本発明の硬質皮膜被覆部材を被覆するための基材が、各種の切削工具である場合には、Ｃｒを含有する超硬合金であって、ＷＣ（炭化タングステン）の平均粒度が０．２〜０．８μｍ、Ｃｏ含有量が４〜１０重量％からなる基材（ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金）が特に好適である。
【００３１】  本発明の硬質皮膜被覆部材が適用できる切削工具としては、ボールエンドミル等の各種のエンドミル、各種のドリル、等の切れ刃を備えている切削工具である。さらに、本発明の硬質皮膜被覆部材は、冷間塑性加工を行うための金型、前方押出し成形用金型、据込み加工用金型、打ち抜き加工用金型、各種のプレス成型用金型等に用いるパンチやダイス等にも適用することができる。
また、本発明の硬質皮膜被覆部材は、上記した各種の切削工具であって、刃先交換式切削工具に着脱自在に取り付ける超硬合金製等のインサード（切削インサート）にも適用することができる。
【００３２】  以下、本発明の硬質皮膜被覆部材の基本的な構成を図面に基づいて説明する。図１は本発明の硬質皮膜被覆部材について、第１の実施形態の構成を示す断面模式図、図２は同じく第２の実施形態の構成を示す断面模式図である。
【００３３】  図１において、本発明に係る硬質皮膜被覆部材１は、基材２の表面に被覆された下側皮膜層３と、この下側皮膜層３の上方に被覆された上側皮膜層５と、表面皮膜層６と、下側皮膜層３と上側皮膜層５との間に形成された中間皮膜層４を備えた硬質皮膜層７から構成されている。なお、中間皮膜層４は下側皮膜層３の直上に形成され、上側皮膜層５は中間皮膜層４の直上に形成され、表面皮膜層６は上側皮膜層５の表面に形成されている。
中間皮膜層４は、さらに、第１の皮膜４ａと第２の皮膜４ｂを１層以上、交互に積層した交互積層部４Ａを有するように構成されている。以下の説明において、中間皮膜層４のことを、「交互積層部４Ａ」と記載する場合がある。
【００３４】  続いて、上記した本発明の硬質皮膜被覆部材１が備えている各硬質皮膜層の組成について説明する。
下側皮膜層３は、少なくともＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物、または炭窒化物から構成する。下側皮膜層３には、さらにＷ、Ｂ、Ｎｂのいずれか１種以上の窒化物、または炭窒化物を含有させてもよい。
上側皮膜層５は、少なくともＴｉ、Ｓｉの窒化物、または炭窒化物から構成することが望ましい。
表面皮膜層６は、下側皮膜層３と同様に少なくともＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物、または炭窒化物から構成し、さらに、Ｗ、Ｂ、Ｎｂのいずれか１種以上の窒化物、または炭窒化物を含有させてもよい。なお、表面皮膜層６は、必ずしも設ける必要はないが、本発明の硬質皮膜被覆部材１を切削工具に適用する場合には、上側皮膜層５の表面に表面皮膜層６を成膜することが好ましい。
【００３５】  交互積層部４Ａ（中間皮膜層４）を構成する第１の皮膜４ａは、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物から構成され、第２の皮膜４ｂはＴｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物から構成されている。なお、交互積層部４Ａを構成する第１の皮膜４ａと、第２の皮膜４ｂの厚み（膜厚）、すなわち、硬質皮膜被覆部材１の厚さ方向に対して、皮膜の１層当たりの膜厚（以下、「単位厚み」と記載する）は２〜５０ｎｍに設定するようにする。なお、下側皮膜層３との境界部には、第１の皮膜４ａと第２の皮膜４ｂのうちのいずれかの皮膜を形成すればよい。
【００３６】  また、第１の実施形態において、第１の皮膜４ａと第２の皮膜４ｂの単位厚みは、同一又はほぼ同一になるように成膜してもよいが、下記のように成膜することがより好ましい。すなわち、
第１の皮膜４ａの単位厚み＞第２の皮膜４ｂの単位厚み、又は、
第１の皮膜４ａの単位厚み＜第２の皮膜４ｂの単位厚み、
になるように単位厚みに変化を持たせるように成膜する。
さらに、第２の皮膜４ｂの単位厚みは、上側皮膜層５方向に向かうにつれて漸次増加した単位厚みを有するように、単位厚みに変化を持たせるように成膜してもよい。
【００３７】  上記したＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物から構成された第１の皮膜４ａと、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物から構成された第２の皮膜４ｂの単位厚みについて、上側皮膜層５方向に向かうにつれて単位厚みを漸次増加させる等、単位厚みに変化を持たせた皮膜を有するように成膜すると、硬質皮膜被覆部材１の硬度と靱性のバランスを最適にすることが可能になる。
【００３８】  硬質皮膜被覆部材１を構成する各硬質皮膜層７の膜厚は、下側皮膜層３は０．１〜２μｍ、中間皮膜層４は１〜３μｍ、上側皮膜層５は０．１〜２μｍ、表面皮膜層６は５〜１００ｎｍに設定することが、基材２と各硬質皮膜層７の密着性と耐摩耗性の観点から望ましい。
【００３９】  なお、下側皮膜層３は、特に硬質皮膜被覆部材１の基材２との密着性を高める効果を発揮し、上側皮膜層５は、特に硬質皮膜被覆部材１の耐摩耗性を高める効果を発揮するために設けている。表面皮膜層６は、上側皮膜層５の耐酸化性の機能を補完して、上側皮膜層５の耐摩耗性を向上させる作用を発揮する。中間皮膜層４の作用については後述する。
【００４０】  本発明の硬質皮膜被覆部材１においては、交互積層部４Ａを構成する第１の皮膜４ａと第２の皮膜４ｂの金属成分の組成を、それぞれ下記の条件式（１）及び（２）に記載の条件を満たすように設定している。
すなわち、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物又は炭窒化物からなる第１の皮膜４ａの金属成分の組成を一般式（ＡｌｘＣｒｙＴｉｚ）で表し、但し、ｘ、ｙ、及びｚはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、及びＴｉの原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、としたときに、原子比ｘ、ｙ、ｚは、
５０≦ｘ≦６５、２０≦ｙ≦３０、５≦ｚ≦２０、  ・・・・・・・・・・（１）
を満たすようにしている。
【００４１】  さらに、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物からなる第２の皮膜４ｂの金属成分の組成を一般式（ＴｉａＳｉｂ）で表し、但し、ａ、ｂはそれぞれＴｉおよびＳｉの原子比を示し、ａ＋ｂ＝１００としたときに、原子比ａ、ｂは、
８０≦ａ≦９０、１０≦ｂ≦２０、  ・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
を満たすようにしている。
【００４２】  下側皮膜層３と上側皮膜層５の間に形成された中間皮膜層４は、下側皮膜層３と上側皮膜層５が前記した効果、すなわち、下側皮膜層３は硬質皮膜被覆部材１の基材２との密着性を高める機能、上側皮膜層５は硬質皮膜部材１の耐摩耗性を高める機能を発揮するために、極めて重要な役割を担う。具体的には、下側皮膜層３と上側皮膜層５が備えている異なった機能をバランス良く発揮するために、第１の皮膜４ａと第２の皮膜４ｂを交互に積層した交互積層構成とし、さらに、その単位厚みと中間皮膜層４の膜厚を適切に設定することにより、上記した機能の効果をさらに高める作用を行うようにしている。
特に、前記したように、第１の皮膜４ａと第２の皮膜４ｂの単位厚みを上側皮膜層５方向に向かうにつれて変化を持たせることにより、上記した機能をより強く発揮することが可能になる。
【００４３】  そして、硬質皮膜被覆部材１を被覆した切削工具においては、被加工材の切削加工中に、切削工具の切れ刃を構成するすくい面において、硬質皮膜被覆部材１のチッピングの発生や異常摩耗が抑制され、その結果として工具寿命を著しく向上させることができるようになる。
【００４４】  中間皮膜層４を構成する第１の皮膜４ａの金属成分の組成を示す一般式（ＡｌｘＣｒｙＴｉｚ）において、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉの原子比であるｘ、ｙ、ｚを、前記した条件式（１）を満足するように設定した理由を以下に説明する。
【００４５】  Ａｌの原子比ｘが５０未満になると、第２の皮膜４ｂとの結晶の連続性が悪くなることに加え、第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなり中間皮膜層４としての機能が発揮されなくなる。このため、硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合に、すくい面に形成された硬質皮膜被覆部材、特に交互積層部４Ａ内に微細なクラックが生じ、交互積層部４Ａを起点として各硬質皮膜層の剥離や異常摩耗が生じる。
一方、Ａｌの原子比ｘが６５を超えると、第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなり中間皮膜層４（交互積層部４Ａ）としての機能が発揮されなくなる。そして、この硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜被覆部材の摩耗進行を早め、また不均一な摩耗が進行して硬質皮膜被覆部材の異常摩耗が生じる。従って、Ａｌの原子比ｘは、５０≦ｘ≦６５、に設定することが望ましい。
なお、以下の説明において、「剥離」と記載したときには、硬質皮膜層内の各々の界面付近に生じる剥離を示す。同様に、「摩耗」と記載した場合には、硬質皮膜被覆部材の摩耗を示す。
【００４６】  Ｃｒの原子比ｙが２０未満になると、第２の皮膜４ｂとの結晶の連続性が悪くなることに加え、交互積層皮膜から構成された中間皮膜層４の耐クラック性が低下する。また第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなって中間皮膜層４としての機能が発揮されなくなる。これにより、この硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜層内に微細なクラックが生じ、交互積層部４Ａを起点として剥離や異常摩耗が生じる。
一方、Ｃｒの原子比ｙが３０を超えると、中間皮膜層４の耐クラック性が低下し、また第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなり中間皮膜層４としての機能が発揮されなくなる。これにより、この硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜被覆部材の摩耗進行を早め、また不均一な摩耗が進行して硬質皮膜被覆部材の異常摩耗が生じる。従って、Ｃｒの原子比ｙは、２０≦ｙ≦３０、に設定することが望ましい。
【００４７】  Ｔｉの原子比ｚが５未満になると、中間皮膜層４の耐クラック性が低下し、また第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなり中間皮膜層４としての機能が発揮されなくなる。これにより、この硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜被覆部材の摩耗進行を早め、また不均一な摩耗が進行して硬質皮膜被覆部材に異常摩耗が生じる。
一方、Ｔｉの原子比ｚが２０を超えると、第２の皮膜４ｂとの結晶の連続性が悪くなることに加え、中間皮膜層４の耐クラック性が低下し、また第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなり中間皮膜層４としての機能が発揮されなくなる。これにより、この硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜層内に微細なクラックが生じ、交互積層部４Ａを起点とした硬質皮膜被覆部材の剥離や異常摩耗が生じる。従って、Ｔｉの原子比ｚは、５≦ｚ≦２０、に設定することが望ましい。
【００４８】  上記した本発明の硬質皮膜被覆部材１において、中間皮膜層４を構成する第２の皮膜４ｂの金属成分の組成を示す一般式において、原子比ａ及びｂを、前記した条件式（２）を満足するように設定した理由を説明すると次のようになる。
【００４９】  Ｔｉの原子比ａが８０未満、Ｓｉの原子比ｂが２０を超えると、交互積層部４Ａからなる中間皮膜層４の結晶性が低下するため、この硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合に、硬質皮膜層内に微細なクラックが生じ、交互積層部４Ａを起点として硬質皮膜被覆部材の剥離や異常摩耗が生じる。
一方、Ｔｉの原子比ａが９０を超え、Ｓｉの原子比ｂが１０未満になると、交互積層部４Ａの硬度が低下する。このような硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜層の摩耗進行を早め、また不均一な摩耗が進行して異常摩耗が生じる。従って、Ｔｉの原子比ａ、Ｓｉの原子比ｂは、８０≦ａ≦９０、１０≦ｂ≦２０、に設定することが望ましい。
【００５０】  上記した本発明の第１の実施形態となる硬質皮膜被覆部材１において、交互積層部４Ａを構成する第１の皮膜４ａには、さらに、Ｓｉを含有した窒化物又は炭窒化物とすることが望ましい。このとき、第１の皮膜４ａの金属成分の組成を（ＡｌｘＣｒｙＴｉｚＳｉｗ）で表し、但し、Ａｌ、Ｃｒ、ＴｉおよびＳｉの原子比をそれぞれｘ、ｙ、ｚ、およびｗとし、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｗ＝１００としたときに、ｘ、ｙ、ｚ、ｗは、下記（３）に記載の条件式を満たすようにすることが好ましい。
４０≦ｘ≦５５、２０≦ｙ≦３０、１０≦ｚ≦２５、１≦ｗ≦１０、・・・・（３）
【００５１】  第１の皮膜４ａにさらにＳｉを含有した窒化物又は炭窒化物としたときに、第１の皮膜４ａの組成を、上記（３）を満足するように原子比ｘ、ｙ、ｚ、およびｗの値を設定する理由を説明すると次のようになる。
【００５２】  Ａｌの原子比ｘが４０未満になると、第２の皮膜４ｂとの結晶の連続性が悪くなる傾向になり、さらに第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなって中間皮膜層４としての機能が発揮され難くなる。そして、このような硬質皮膜被覆部材を工具に適用した場合には、硬質皮膜層内に微細なクラックが生じることや、交互積層部４Ａを起点として硬質皮膜被覆部材に剥離や異常摩耗が生じ易くなる。
【００５３】  一方、Ａｌの原子比ｘが５５を超えると、第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなり中間皮膜層４としての機能が発揮され難くなる。そして、このような硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜層の摩耗進行を早める傾向になり、また不均一な摩耗が進行して硬質皮膜層の異常摩耗が生じ易くなる。従って、Ａｌの原子比ｘは、４０≦ｘ≦５５、に設定することが望ましい。
【００５４】  Ｃｒの原子比ｙが２０未満になると、第２の皮膜４ｂとの結晶の連続性が悪くなる傾向になり、さらに中間皮膜層４の耐クラック性が低下し易く、また第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなる。このため、中間皮膜層４としての機能が発揮され難くなる。そして、このような硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜層内に微細なクラックが生じ易く、交互積層部４Ａを起点として剥離や異常摩耗が生じ易くなる。
【００５５】  一方、Ｃｒの原子比ｙが３０を超えると、中間皮膜層４の耐クラック性が低下する傾向になり、また第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなり中間皮膜層４としての機能が発揮され難くなる。そして、このような硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜層の摩耗進行を早める傾向になり、また不均一な摩耗が進行して異常摩耗が生じ易くなる。従って、従って、Ｃｒの原子比ｙは、２０≦ｙ≦３０、に設定することが望ましい。
【００５６】  Ｔｉの原子比ｚが１０未満となると、中間皮膜層４の耐クラック性が低下する傾向になり、また第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなり中間皮膜層４としての機能が発揮され難くなる。そして、このような硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜層の摩耗進行を早める傾向になり、また不均一な摩耗が進行し異常摩耗が生じ易くなる。
一方、Ｔｉの原子比ｚが２５を超えると、第２の皮膜４ｂとの結晶の連続性が悪くなる傾向になり、また中間皮膜層４の耐クラック性が低下し、また第２の皮膜４ｂとの硬度差が大きくなり中間皮膜層４としての機能が発揮され難くなる。このため、このような硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜層に微細なクラックが生じ易く、交互積層部４Ａを起点として剥離や異常摩耗が生じ易くなる。従って、Ｔｉの原子比ｚは、１０≦ｚ≦２５、に設定することが望ましい。
【００５７】  Ｓｉは、第１の皮膜４ａの組織を微細化し高硬度化できることから、第２の皮膜４ｂとの組織の整合性が向上し、さらに第２の皮膜４ｂとの硬度差が小さくなり、第１の皮膜４ａと第２の皮膜４ｂの界面が強化されることになる。その結果、中間皮膜層４の耐剥離性を高め、上側皮膜層５の耐摩耗性が向上し、工具寿命が向上する。
Ｓｉの原子比ｗが１未満になると、上記Ｓｉ添加の効果が顕著に確認されない傾向になる。一方、Ｓｉの原子比ｗが１０を超えると、第２の皮膜４ｂとの結晶の連続性が悪くなる傾向になり、中間皮膜層４の耐クラック性が低下し易くなって、中間皮膜層４としての機能が発揮され難くなる。このため、このような硬質皮膜被覆部材を切削工具に適用した場合には、硬質皮膜層内に微細なクラックが生じる傾向になり、交互積層部４Ａを起点として剥離や異常摩耗が生じ易くなる。従って、Ｓｉの原子比ｗは、１≦ｗ≦１０、に設定することが望ましい。
なお、下側皮膜層３と表面皮膜層６にも金属成分の組成として、さらにＳｉを含有した窒化物又は炭窒化物としても上記Ｓｉの添加効果が得られるので好ましい。
【００５８】  上記では、第１の皮膜４ａの金属成分の組成としてさらにＳｉを含有した窒化物又は炭窒化物とした例について説明したが、本発明においてはこのＳｉ以外にも、Ｗ、Ｂ、Ｎｂの一種又は２種以上を含有した窒化物又は炭窒化物としてもよい。同様に、下側皮膜層３と表面皮膜層６の金属成分の組成についても、Ｓｉ以外にも、Ｗ、Ｂ、Ｎｂの一種又は２種以上を含有した窒化物又は炭窒化物としてもよい。この場合、Ｓｉ、Ｗ、Ｂ、Ｎｂの一種又は２種以上を含有した窒化物又は炭窒化物からなる第１の皮膜４ａの金属成分の組成において、Ｓｉ、Ｗ、Ｂ、Ｎｂの原子比の合計をｖとしたときに、上記した条件式（３）に替えて、下記の条件式（４）、すなわち、
４０≦ｘ≦５５、２０≦ｙ≦３０、１０≦ｚ≦２５、１≦ｖ≦１０、但し、ｘ＋ｙ＋    ｚ＋ｖ＝１００、  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
を満足するようにする。
【００５９】［第２の実施形態］
続いて、本発明の硬質皮膜被覆部材について、第２の実施形態（実施例）を図２に基づいて説明する。図２は本発明の第２の実施形態となる硬質皮膜被覆部材１１の構成を説明するための断面模式図を示している。
【００６０】  図２において、硬質皮膜被覆部材１１は、基材２の表面に形成された下側皮膜層１２と、下側皮膜層１２の直上に形成された中間皮膜層１３と、中間皮膜層１３の直上に形成された上側皮膜層１４と、上側皮膜層１４の表面に形成された表面皮膜層１５から構成されている。中間皮膜層１３は、第１の実施例と同様に、組成が異なる２種の皮膜を１層以上、交互に成膜した交互積層構造とした皮膜層から構成されている。表面皮膜層１５は必ずしも設ける必要はないが、上側皮膜層１４の耐酸化性向上と、後述する硬質皮膜被覆部材１１の被覆後処理有無の識別から、表面皮膜層１５を設けることが望ましい。
【００６１】  図２に示す硬質皮膜被覆部材１１に形成されている下側皮膜層１２と、上側皮膜層１４と、表面皮膜層１５は、それぞれ前記した本発明の第１の実施形態となる硬質皮膜被覆部材１が備えている下側皮膜層３と、上側皮膜層５と、表面皮膜層６と同一又はほぼ同一の組成を有しているので、組成の説明は省略する。また、これらの各硬質皮膜層の膜厚も前記した第１の実施形態における下側皮膜層３、上側皮膜層５、表面皮膜層６の膜厚と同一又はほぼ同一になるように形成すればよい。
本発明の第２の実施形態となる硬質皮膜被覆部材１１の構成が、第１の実施形態である硬質皮膜被覆部材１と相違しているところは、中間皮膜層の構成にある。以下、硬質皮膜被覆部材１１が備えている中間皮膜層１３の構成について説明する。
【００６２】  図２に示すように、中間皮膜層１３は、２種の皮膜を１層以上、交互に成膜して積層した交互積層構造からなる皮膜層から構成されているが、上側皮膜層１４方向に向かって、第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂから構成していることに特徴がある。このことは、図２に示す断面図において、中間皮膜層１３はその膜厚方向に対する領域を、膜厚Ｔ１を有する第１の交互積層部１３ａの領域と、膜厚Ｔ２を有する第２の交互積層部１３ｂの領域から構成されていることを示している。
【００６３】  上記したように、第２の実施形態においては、中間皮膜層１３は膜厚Ｔ１を有する第１の交互積層部１３ａと、膜厚Ｔ２を有する第２の交互積層部１３ｂから構成していることに特徴があるが、第１及び第２の交互積層部１３ａ、１３ｂには、それぞれ組成が異なる２種の皮膜が交互に積層された構成からなっていることになる。
【００６４】  以下の説明においては、図２に示すように、第１の交互積層部１３ａの領域内に形成されている２種の皮膜をそれぞれ第１の皮膜１６ａ及び第２の皮膜１６ｂと符号付けし、同じく第２の交互積層部１３ｂに形成されている２種の皮膜をそれぞれ第１の皮膜１７ａ及び第２の皮膜１７ｂと符号付けして説明する。
なお、第１の皮膜１６ａと１７ａは、図１に示す第１の実施形態における第１の皮膜４ａに相当し、第２の皮膜１６ｂと１７ｂは同じく図１に示す第２の皮膜４ｂに相当する。従って、第１の皮膜１６ａと１７ａは、前記した第１の皮膜４ａと同一又はほぼ同一の組成を備えている。同様に、第２の皮膜１６ｂと１７ｂは、前記した第２の皮膜４ｂと同一又はほぼ同一の組成を備えている。
【００６５】  さらに、第２の実施形態においては、上記した第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂのそれぞれが備えている第１の皮膜１６ａ、１７ａと、第２の皮膜１６ｂ、１７ｂの単位厚みを、変化させていることに特徴がある。この単位厚みを変化させている特徴について以下に説明する。
【００６６】  第１の交互積層部１３ａに形成されている第１の皮膜１６ａと第２の皮膜１６ｂの単位厚みをそれぞれｔ１、ｔ２とし、第２の交互積層部１３ｂに形成されている第１の皮膜１７ａと第２の皮膜１７ｂの単位厚みをそれぞれｔ３、ｔ４としたときに、ｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４は２〜５０ｎｍに設定している。さらに具体的には、ｔ１は５〜５０ｎｍ、ｔ２は２〜２５ｎｍ、ｔ３は２〜２５ｎｍ、ｔ４は５〜５０ｎｍに設定することがより望ましい。
【００６７】  そして、各単位厚みｔ１〜ｔ４は、第１の交互積層部１３ａ内ではｔ１＞ｔ２になるように、第２の交互積層部１３ｂ内ではｔ３＜ｔ４になるように成膜していることに特徴がある。
また、中間皮膜層１３を構成する第１の交互積層部１３ａの膜厚をＴ１、第２の交互積層部１３ｂの膜厚をＴ２としたときに、中間皮膜層１３はＴ１／Ｔ２＝１〜２の値を有するように第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂを成膜していることにも特徴がある。
【００６８】  上記した第１の交互積層部１３ａ内ではｔ１＞ｔ２に、第２の交互積層部１３ｂ内ではｔ３＜ｔ４になるように成膜する理由を説明すると次のようになる。
中間皮膜層１３のうち、第１の交互積層部１３ａ内ではｔ１＞ｔ２とすることで、下側皮膜層１２の機械的特性の差が小さくなり、第２の硬度積層部１３ｂ内ではｔ３＜ｔ４とすることで、上側皮膜層１４との機械的特性の差が小さくなる。こうすることで、積層する各硬質皮膜層間の界面が強化され、特に切削工具のすくい面側の硬質皮膜層の耐クラック性及び耐剥離性が向上し、切削工具の切れ刃部の耐チッピング性が格段に向上する。
【００６９】  従って、第１の交互積層部１３ａの第１の皮膜１６ａと第２の皮膜１６ｂを交互積層構造として成膜するときには、第１の皮膜１６ａの単位厚みｔ１は５〜５０ｎｍ、第２の皮膜１６ｂの単位厚みｔ２は２〜２５ｎｍであって、かつ、ｔ１＞ｔ２になるように成膜を制御する。同様に、第２の交互積層部１３ｂの第１の皮膜１７ａと第２の皮膜１７ｂを交互積層構造として成膜するときには、第１の皮膜１７ａの単位厚みｔ３は２〜２５ｎｍ、第２の皮膜１７ｂの単位厚みｔ４は５〜５０ｎｍであって、かつ、ｔ３＜ｔ４になるように成膜を制御する。
【００７０】  なお、図２に示すように、第１の交互積層部１３ａを下側皮膜層１２側に設け、第２の交互積部１３を上側皮膜層１４側に設けるように成膜することが好ましい。これにより、中間皮膜層１３が有している機能、すなわち、下側皮膜層１２の基材２との密着性（靱性）向上と、上側皮膜層１４が備えている耐摩耗性の両特性を有しながら、なかでも第１の交互積層部１３ａは下側皮膜層１２に近い特性、第２の交互積部１３は上側皮膜層１４に近い特性で構成されており、しかも中間皮膜層１３内は積層する各硬質皮膜層間の結晶整合性向上と機械的特性差を小さくすることで界面が強化されていることから、特に切削工具のすくい面側の硬質皮膜層の耐クラック性及び耐剥離性を向上し、切削工具の切れ刃部の耐チッピング性を格段に高めることが可能になる。
【００７１】  さらに、第２の実施形態において、中間皮膜層１３を構成する第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂは次の特徴を有している。
すなわち、第２の皮膜１６ｂと１７ｂの単位厚みｔ２とｔ４は上側皮膜層１４の方向に向けて漸次増加させた単位厚みを有するように成膜していることに特徴がある。これに対して、第１の皮膜１６ａと１７ａの単位厚みｔ１とｔ３は同一又はほぼ同一、もしくは上側皮膜層１４の方向に向けて漸次減少させるように成膜している。中間皮膜層１３がこのような単位厚み構造を有している皮膜構造を以下の説明においては「傾斜構造」と記載する。
【００７２】  中間皮膜層１３を構成する第１の皮膜１６ａと１７ａの金属成分の組成は、前記した条件式（１）を満たす組成にすることが望ましい。また、第２の皮膜１６ｂと１７ｂの金属成分の組成は、前記した条件式（２）を満たす組成にすることが望ましい。従って、これらの条件式を満足させるための各原子比の限定理由については前記の通りであるのでその説明は省略する。
なお、中間皮膜層１３を構成する第１の皮膜１６ａと１７ａの組成は、前記した第１の実施形態と同様に、さらに、Ｓｉを含有した窒化物又は炭窒化物とすることが望ましい。このときの金属成分の組成は前記した条件式（３）を満たす組成にする。従って、この条件式を満足する各原子比の限定理由の説明についても省略する。
なお、前記した第１の実施形態と同様に、第１の皮膜１６ａと１７ａの組成として上記Ｓｉ以外にも、Ｗ、Ｂ、Ｎｂの一種又は２種以上を含有した窒化物又は炭窒化物としてもよい。
【００７３】  第１の皮膜１６ａと１７ａの単位厚みｔ１とｔ３、及び第２の皮膜１６ｂと１７ｂの単位厚みｔ２、ｔ４を、前記した２〜５０ｎｍに設定する理由を説明すると次のようになる。
単位厚みが２ｎｍ未満となると中間皮膜層１３の靱性が低下する傾向になり、その結果、切削工具に適用した場合に、硬質皮膜被覆部材にチッピングや異常摩耗が生じ易くなる。一方、単位厚みが５０ｎｍを超えると、第１の皮膜１６ａと第２の皮膜１６ｂ（第１の皮膜１７ａと第２の皮膜１７ｂ）の接合界面における組織の成分差が明瞭になる。これにより、この界面近傍を起点とした剥離や異常摩耗が生じる現象が生じ易くなる。これにより、単位厚みは２〜５０ｎｍに設定することが好ましい。
【００７４】  また、第２の実施形態においては、中間皮膜層１３の厚さは１〜３μｍに設定し、さらに、前記したように第１の交互積層部１３ａの厚さＴ１、第２の交互積層部１３ｂの厚さＴ２との比である（Ｔ１／Ｔ２）の値を（１〜２）を満たすように設定することで、より一層中間皮膜層１３の機能が向上する。そして、この硬質皮膜被覆部材１１を切削工具に適用した場合には、各硬質皮膜層の微細なクラックの発生が抑制され、中間皮膜層を構成している交互積層部を起点とした剥離や異常摩耗をより抑制することが可能になる。
【００７５】  第１の交互積層部１３ａの膜厚Ｔ１と第２の交互積層部１３ｂの膜厚Ｔ２との比である（Ｔ１／Ｔ２）の値を（１〜２）に設定した理由を説明すると次のようになる。（Ｔ１／Ｔ２）が１未満また２を超えると、膜厚差が大きくなって硬質皮膜被覆部材１１を切削工具に適用したときに、各硬質被膜層にチッピングの発生や異常摩耗が生じ易くなるからである。
【００７６】  さらに、前記したように、第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂの双方、もしくは第２の交互積層部１３ｂにおいて、単位厚みｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４が前記した傾斜構造を有するように成膜することにより、硬質皮膜被覆部材１１の硬度と靱性のバランスを最適にすることが可能になる。
【００７７】  上記した本発明の第２の実施形態においては、硬質皮膜被覆部材１１を切削工具に適用した場合に、各硬質皮膜層に微細なクラックの発生が格段に抑制され、特に中間皮膜層１３を構成する第１及び第２の交互積層部１３ａ、１３ｂを起点とした硬質皮膜層の剥離や異常摩耗の発生を抑制する効果を極めて高く発揮することが可能になる。これにより、切削工具の寿命を著しく向上させることが可能になる。
【００７８】  さらに、第２の実施形態が備えている特徴とその作用効果を説明すると次のようになる。
上記した中間皮膜層１３の特徴ある構成により、下側皮膜層１２と上側皮膜層１４が有している異なる機能をバランス良く作用させることが可能になる。これにより、硬質皮膜被覆部材１１を適用した切削工具においては、前記した第１の実施の形態よりも、各硬質皮膜層のうち機能が異なる各硬質皮膜層間の接合界面が一層強化されるので、高振動、切削加工時に発生する高温度の環境で切削加工を実施しても、特に、すくい面に形成された硬質皮膜被覆部材のチッピングや異常摩耗が大幅に抑制されるので、工具寿命を格段に向上させることが可能になる。
従って、本発明の第２の実施形態に係る硬質皮膜被覆部材１１は、前記した第１の実施形態となる硬質皮膜被覆部材１よりも一層好ましい構成を備えている。
【００７９】  なお、第２の実施形態において、下側皮膜層１２は、第１の実施形態に示す下側皮膜層３と同様に、少なくともＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物から構成されていることが好ましい。下側皮膜層１２は基材２と中間皮膜層１３の間に形成することにより、下側皮膜層１２と中間皮膜層１３との接合界面から生じる微細なクラックの発生を抑制し、その結果として基材１と下側皮膜層１２との密着性を向上させる効果を発揮する。
なお、下側皮膜層１２の金属成分としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉに加えて、Ｗ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｂから選択される１種又は２種以上を添加してもよい。
【００８０】  上側皮膜層１４は、前記した第１の実施形態と同様に、少なくともＴｉ、Ｓｉの窒化物又は炭窒化物から構成されていることが好ましい。上側皮膜層１４は、中間皮膜層１３の直上に形成することにより、上側皮膜層１４と中間皮膜層１３との接合界面から生じる微細なクラックの発生を抑制し、その結果、上側皮膜層１４の耐摩耗性を向上させることが可能になる。
【００８１】  第２の実施形態においても第１の実施形態と同様に、上側皮膜層１４の表面に、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉの窒化物または炭窒化物、又はＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの窒化物または炭窒化物からなり、膜厚が５〜１００ｎｍの表面皮膜層１５を形成することが好ましい。表面皮膜層１５は、上側皮膜層１４の耐酸化性の機能を補完し、上側皮膜層１４の耐摩耗性を向上させる作用を発揮させるために設けている。
【００８２】  表面皮膜層１５の膜厚は５〜１００ｎｍに設定することが好ましい理由は、次の通りである。膜厚が５ｎｍ未満になると、表面皮膜層１５による上側皮膜層１４に対する耐酸化性の向上が不十分となり、上側皮膜層１４の耐摩耗性の改善効果が低くなる。一方、表面皮膜層１５の膜厚が１００ｎｍを超えると表面皮膜層１５自体の表面の面粗度が悪くなって、表面皮膜層１５の表面部の耐摩耗性が低下して切屑の排出性が低下し、さらに切屑との摩擦熱によりすくい面が高温度になる恐れが生じる。これにより、表面皮膜層１５の膜厚は、５〜１００ｎｍに成膜することが好ましい。
【００８３】  なお、切削工具において切れ刃を形成するため設けられているすくい面に被覆された本発明の硬質皮膜被覆部材のうち、表面皮膜層１５の少なくとも一部を機械的に除去することで、切削工具のすくい面におけるチッピングや異常摩耗がさらに抑制されて、工具寿命をより向上させることか可能になる。
これは、硬質皮膜被覆部材を切削工具の基材２に成膜した後においては、表面皮膜層１５により、特に、すくい面のエッジ近傍における面粗度が粗くなることに加え、逃げ面に比べてすくい面の方が各硬質皮膜層の組織が微細化して結晶性が悪くなる。これにより、切削加工時の熱サイクルによって硬質皮膜被覆部材と基材との界面、あるいは硬硬質皮膜被覆部材内の各硬質皮膜層間（層界面）を起点とした微細なクラックや剥離等が発生して硬硬質皮膜被覆部材の異常摩耗が生じ易くなる。
なお、上記した「すくい面のエッジ近傍」とは、切削工具の切れ刃を構成している切れ刃の稜線部からすくい面方向に向かった所定の領域を示す。
【００８４】  このため、本発明の硬質皮膜被覆部材を適用した切削工具においては、すくい面エッジ近傍に成膜されている硬質皮膜被覆部材のうち、最表面の皮膜層となる表面皮膜層１５の少なくとも一部を機械的に除去することが重要になる。なお、上記すくい面エッジ近傍の他に、逃げ面やその他の部位に形成されている少なくとも一部の領域の表面皮膜層１５を機械的に除去しても本発明の効果を発揮することができる。この機械的に除去する手段は、微小な研磨メディアを噴射する噴射式研磨装置を用いることができる。
なお、前記した本発明の第１の実施形態である硬質皮膜被覆部材１を適用した切削工具においても、すくい面のエッジ近傍に被覆された表面皮膜層６の少なくとも一部の領域を除去することが望ましい。
表面皮膜層１５はＡｌを多く含有していることから濃色であり、上側皮膜層１４はＴｉを多く含有していることから淡色であることから、表面皮膜層１５が機械的に除去されることで色調が変化する。よって、表面皮膜層１５は機械的除去の有無を識別するために備えることが好ましい。
【００８５】［硬質皮膜被覆部材の成膜方法］
本発明の硬質皮膜被覆部材を、例えば切削工具の基材に形成（成膜）するときには、硬質皮膜被覆部材の各硬質皮膜層を構成する組成を正確に制御する必要がある。このため、各硬質皮膜層を成膜する方法は、成膜装置のうち、固体の蒸発源を使用したアークイオンプレーティング法を用いることが最も好ましい。アークイオンプレーティング法による成膜においては、ターゲットに含まれる各原子の蒸発時のイオン化率が高く、基材に印加したバイアス電圧により緻密な皮膜を形成することができるからである。
【００８６】  切削工具の基材の機能部に、すなわち切削加工に寄与する箇所の表面に、硬質皮膜被覆部材を形成するためには、まず前処理として、切削工具の基材について超音波脱脂洗浄を実施する。次に、超音波脱脂洗浄済みの基材を成膜装置内の所定の位置に挿入して固定した後、この基材を４００〜５００℃の所定温度に保持して、アークイオンプレーティング法により基材上に硬質皮膜被覆部材の各硬質皮膜層を順次形成していく。これにより、基材上に所定の組成と膜厚を有する各硬質皮膜層を備えた硬質皮膜被覆部材を形成することができる。
【００８７】  続いて、図３に示す成膜装置２０を用いて切削工具の基材に硬質皮膜被覆部材を成膜する手順の概要について説明する。
成膜装置２０のチャンバー２１（真空容器）内に設けられているカソード２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ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、回転する基材ステージ２３に設けられている支持台（図示せず）上に被処理体となる基材２を取り付ける。また、基材ステージ２３に取り付けた基材は、Ｒ１方向に回転する基材ステージ２３上で、さらにＲ２、Ｒ３方向に回転する回転機構を備えた成膜装置２０を用いて、いわゆる「自公転処理」機能を利用して成膜処理を行う。
【００８８】  次に、チャンバー２１内を真空引き（５×１０−３Ｐａ以下に排気）し、真空状態にする。続いて、基材ステージ２３をＲ１方向に回転させるとともに、チャンバー２１内に設置されているヒータ（図示せず）を作動させて基材の温度を約５００℃に加熱して、フィラメントからの熱電子放出によるイオン源により、基材にＡｒガスイオンによるエッチングを１５分間程度実施する。このときＡｒガスイオン以外にもＴｉやＣｒ等の金属イオンによるエッチングを実施しても良い。
【００８９】  続いて、アーク電源装置２４を作動させてそのアーク電流を１５０Ａとし、全圧力３．２ＰａのＮ２ガス雰囲気にて、アーク式蒸発源によるターゲットを用いたアークイオンプレーティングにより、上記ターゲット成分の窒化物皮膜等を基材の表面に成膜する。このとき、炭窒化物の皮膜を成膜する場合には、Ｎ２ガスに加えて、炭素を含有するガスを加えた雰囲気中で、同様にアークイオンプレーティング法により上記ターゲット成分の炭窒化物皮膜を基材に成膜する。図３に示す符号２５は、バイアス電源装置である。
【００９０】  なお、複数のカソード２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに異なる組成のターゲットを取り付け、回転する基材ステージ２３の支持台上に基材を載置して、成膜中に基材を基材ステージ２３とともに回転させることによって異なった組成を有する皮膜が積層された皮膜を形成することができる。このとき、基材は基材ステージ２３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に基材の表面に形成される。これにより、異なった組成が交互に所定の膜厚（単位厚み）に順次積層された積層構造を備えた硬質皮膜層を形成することが可能になる。
【００９１】  また、硬質皮膜被覆部材を構成する各硬質皮膜層について、その膜厚を所定の設定値になるように成膜を制御する方法は、基材２とターゲット表面間の距離Ｌ（図３参照）、各蒸発源（アーク電源装置２４）への投入電力、及び投入数、基材ステージ２３の回転速度及び回転数の累計値、等に基づいて制御することができる。例えば、基材ステージ２３の回転速度が速くなるように制御すると、基材ステージ２３の１回転当たりの成膜される硬質皮膜層の厚さは薄くなる。
上記した成膜手順に基づいて、基材の表面に本発明の硬質皮膜被覆部材が備えている各硬質皮膜層、積層構造を有する硬質皮膜層を順次、所定の膜厚を有するように形成することができる。
【実施例】
【００９２】  以下、本発明に係る硬質皮膜被覆部材を切削工具の基材に成膜して、この切削工具の耐久性を確認する試験を行ったときの試作実験結果について説明する。
この耐久性の確認試験を行うために、試作した切削工具の基材についてその機能部に、各種の組成とその膜厚を有する硬質被膜層を順次成膜して、所定の仕様を有する硬質皮膜被覆部材が形成された切削工具を試作した。試作した切削工具はボールエンドミルである。【００９３】  そして、試作したボールエンドミルを用いて被加工物を切削加工したときに、切削工具に成膜した硬質皮膜被覆部材の耐久性となる工具寿命を評価する実験を行った。なお、上記硬質皮膜被覆部材を機能部に成膜した切削工具については、３７本のボールエンドミルの基材について、その機能部に、硬質皮膜被覆部材の仕様（各硬質皮膜層の組成と膜厚等）を異にした硬質被膜層を成膜した。上記切削工具の基材における機能部とは、切削加工に寄与する部位であって、少なくとも切れ刃部を形成しているすくい面と逃げ面の領域を含む。【００９４】  試作した切削工具（ボールエンドミル）の材質は、いずれも超硬合金製でＣＩＳ規格のＶＦ１０（ＣＩＳ０１９Ｄ分類）、ＷＣ平均粒径が０．４μｍ、Ｃｏ含有量が６重量パーセント、Ｃｒ含有量が０．３重量パーセント材を使用した。この超硬合金からなる素材に、研削加工を施して所定の形状を有する先端Ｒ５（成膜後Ｒ寸法公差０〜−０．０１）、２枚刃からなるボールエンドミルの基材（以下、「工具基材」と記載する）を製作した。【００９５】  上記仕様を有する３７本のボールエンドミルの基材について、その機能部の表面に複数のアーク蒸発源を有する成膜装置２０（図３参照）を用いて、それぞれ所定の硬質皮膜層を成膜することにより試作工具を製造した。【００９６】  試作工具の機能部に対して硬質皮膜層の成膜は、以下の１）〜６）に記載の手順に基づいて実施した。なお、硬質皮膜層の成膜は、工具基材ごとに、前記した第２の実施形態となる硬質皮膜被覆部材が備えている各硬質皮膜層を形成することを基本としたが、この各硬質皮膜層のうち、一部の皮膜層を形成していない等の工具基材も比較例として製作した。【００９７】  １）まず前処理として、試作工具の基材を炭化水素系溶剤中で超音波脱脂洗浄を実施した。次に、試作工具の基材をアーク放電式イオンプレーティング方式の成膜装置２０内の自公転基材ステージ２３に取り付けた。さらに成膜装置２０のチャンバー２１内に設けられている複数のカソード２２ａ、２２ｂ等に、硬質皮膜層の組成となる各種合金のターゲットを取り付けた。
なお、図３に示す複数のカソードのうち、カソード２２ａ、２２ｄに下側皮膜層１２の組成からなる合金ターゲットを取り付け、カソード２２ｂ、２２ｃに上側皮膜層１４の組成からなる合金ターゲットを取り付けた。【００９８】  ２）次に、チャンバー２１内を真空引き（５×１０−３Ｐａ以下に排気）し、真空状態にした。続いて、基材ステージ２３を毎分３回転で回転させるとともに、チャンバー２３内に設置されているヒータを作動させて試作工具の基材の温度を約４５０℃で１時間加熱保持した後に、フィラメントからの熱電子放出によるイオン源により、試作工具の基材に対してＡｒガスイオンによるエッチングを１５分間実施した。【００９９】  ３）続いて、カソード２２ａ、２２ｄの２つのアーク電源装置２４を作動させて、そのアーク電流を１５０Ａとして、全圧力３．２ＰａのＮ２ガス雰囲気にて、アーク式蒸発源による上記ターゲットを用いたアークイオンプレーティングにより、上記ターゲット成分の窒化物からなる下側皮膜層１２を試作工具の基材表面（機能部）に成膜した。このとき試作工具に印加する負バイアス電圧を４５Ｖ、試作工具の温度を４５０℃として、これらの値を、硬質皮膜層を成膜するための共通の成膜条件とした。下側皮膜層１２の膜厚は成膜時間によって調整した。【０１００】  ４）続いて、以下の成膜方法で下側皮膜層１２の直上に中間皮膜層１３を成膜した。中間皮膜層１３の形成ではカソード２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄをアーク式蒸発源２４の電流を８０〜１５０Ａの範囲とし、また稼働するアーク式蒸発源２４の数（１台又は２台）を変化させて、試作工具に積層構造であってその仕様が異なる皮膜を成膜した。【０１０１】  前記したように、第１の交互積層部１３ａは、第１の皮膜１６ａと第２の皮膜１６ｂから構成され、第２の交互積層部１３ｂは、第１の皮膜１７ａと第２の皮膜１７ｂから構成されており、それぞれの単位厚みを所定の値であるｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４にする必要がある。このための成膜制御は、アーク電源装置２４の電流値と、稼働するアーク電源装置２４の数を適切に制御させる方法を採用した。【０１０２】  なお、第１及び第２の交互積層部１３ａ、１３ｂが備えている第１と第２の皮膜１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂの単位厚みｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４の成膜制御は、成膜時に試料となる試作工具の基材２を基材ステージ２３上で自公転する遊星回転治具に取り付けていることにより複雑な動作で回転すること、１個ずつの試作工具を順次成膜する時の成膜条件の微小なバッチ処理間のバラツキ、成膜装置２０内の充填密度の微小なバラツキ、ターゲット消耗量、等の要因により、単位厚みの目標値を数ナノメートル（ｎｍ）の数値になるように正確に制御することには限界があると考えられる。そこで、上記単位厚みのバラツキ要因も考慮して、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４の単位厚みは、表３と表４に記載しているようにｔ１とｔ４は目標値を５〜５０ｎｍとし、ｔ２とｔ３は目標値を２〜２５ｎｍとした所定の範囲を有する値にした。【０１０３】  ５）続いて、第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂに、前記した傾斜構造を備えた皮膜を形成するための成膜方法の一例について説明する。
第１の交互積層部１３ａ及び第２の交互積層部１３ｂにおいて傾斜構造を有する皮膜、例えば、第１の皮膜１６ａの単位厚みｔ１を上側皮膜層１４方向に向かうにつれて漸次減少させる場合には、第１の皮膜１６ａを成膜するカソードである２２ａ、２２ｄのアーク電流を１５０Ａから８０Ａまで連続的に減少させ、また稼働するアーク電源装置２４の稼動数を２台から１台へ変化させながら成膜する。これらの成膜制御と同時に、第２の皮膜１４ｂの膜厚ｔ２を増加させる場合には、第２の皮膜１６ｂを成膜するカソードである２２ｃ、２２ｂのアーク電流を８０Ａから１５０Ａまで連続的に増加させ、また稼働するアーク電源装置２４の稼動数を１台から２台へ変化させることで傾斜構造を有する皮膜を成膜した。
第２の交互積層部１３ｂに傾斜構造を備えた皮膜を形成する方法は、上記した手順に基づいて成膜することができる。【０１０４】  ６）続いて、中間皮膜層１３の直上に上側皮膜層１４を以下の成膜条件で成膜した。カソード２２ｂ、２２ｃの２つのアーク電源装置２４を作動させて、そのアーク電流を１５０Ａとして、全圧力３．２ＰａのＮ２ガス雰囲気にて、アークイオンプレーティングにより、上記ターゲット成分の窒化物からなる上側皮膜層１４を試作工具の表面に成膜した。
次に、上側皮膜層１４の直上に表面皮膜層１５をカソード２２ａ、２２ｄのいずれか１つのアーク電源装置２４を作動させて、そのアーク電流を１００Ａとして、全圧力３．２ＰａのＮ２ガス雰囲気にて、アークイオンプレーティングにより、上記ターゲット成分の窒化物からなる表面皮膜層１５を試作工具の表面に成膜した。上側皮膜層１４と表面皮膜層１５の膜厚は成膜時間によって調整した。【０１０５】    上記した成膜方法で作成した３７本の試作工具について、以下の方法で被覆後の処理（以下、「被覆後処理」と記載する場合がある）を行った。この被覆後処理とは、試作工具のすくい面方向に向けて研磨メディアを噴射して、すくい面に形成されている表面皮膜層１５の一部を除去する処理を示す。この被覆後の処理は、直径が数μｍの研磨材を含有した研磨メディアを投射する噴射式研磨装置を用いて行った。【０１０６】  上記した方法で製作した３７本の試作工具の仕様を試料番号順に表１〜表４に示している。
表１と表２には、試料番号ごとに、硬質皮膜被覆部材を構成する下側皮膜層１２、中間皮膜層１３を構成する第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂ、上側皮膜層１４、表面皮膜層１５の金属成分の組成と、特記事項を記載している。また、備考欄には各試料番号が本発明例又は比較例に該当するかを記載している。なお、金属成分の組成の表示において元素記号の右に記載している数字は、その元素の原子比を示している。【０１０７】  表３と表４には、試料番号ごとに、下側皮膜層１２の膜厚、中間皮膜層１３の膜厚、上側皮膜層１４の膜厚、表面皮膜層１５の膜厚、被覆後の処理の内容、試作工具の評価内容として加工個数欄にその個数の値と「損傷状態」欄に硬質皮膜被覆部材の損傷状態を顕微鏡で観察した結果を示している。さらに、中間皮膜層１３を構成する第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂについては、それぞれ第１の皮膜１６ａと第２の皮膜１６ｂ、及び第１の皮膜１７ａと第２の皮膜１７ｂの単位厚みｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４の値を記載している。【０１０８】  また、被覆後の処理欄に記載している「処理Ａ」は、試作工具のすくい面方向に向けて研磨メディアを噴射して、すくい面に形成されている表面皮膜層１５の一部を除去する処理を実施したことを示す。同じく、「処理Ｂ」は試作工具の逃げ面方向に研磨メディアを噴射して、逃げ面に形成されている表面皮膜層１５の一部を除去する処理を実施したことを示す。さらに、「処理Ｃ」は試作工具のすくい面側と逃げ面の両方向に向けて研磨メディアを噴射して、すくい面と逃げ面の表面皮膜層１５の一部を除去する処理を実施したことを示す。
なお、試作工具の評価として加工個数欄に記載した数値の内容については後記する。【０１０９】
【表１】
2020020030.tif 000003
【０１１０】
【表２】
2020020030.tif 000004
【０１１１】
【表３】
2020020030.tif 000005
【０１１２】
【表４】
2020020030.tif 000006
【０１１３】  以上の成膜方法で作成した３７本の試作工具について、その各皮膜層の仕様の詳細を、試料番号１〜３７ごとに表１〜表４に示しているが、その仕様の主な特徴を下記１）〜１０）に記載する。
なお、表１と表２に示されているように、試料番号ごとに、下側皮膜層１２、中間皮膜層１３を構成する第１の皮膜１６ａと１７ａ、表面皮膜層１５の金属成分の組成は、成膜の効率等を考慮して同一にした。同様に、試料番号ごとに、中間皮膜層１３を構成する第２の皮膜１６ｂと１７ｂ、上側皮膜層１４の金属成分の組成も同一とした。【０１１４】  １）試料番号１〜２０は、下側皮膜層１２、上側皮膜層１４、表面皮膜層１５、中間皮膜層１３の第１、及び第２の交互積層部１３ａ、１３ｂをそれぞれ構成する第１、及び第２の皮膜１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂの金属成分の組成が、試料番号ごとにその一部が異なるように成膜した。
ここで、試料番号１の中間皮膜層１３におけるｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４を透過型電子顕微鏡による断面観察で実測した結果、Ｒ５の２枚刃ボールエンドミルの逃げ面においてｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４がそれぞれ１０〜２５ｎｍ、５〜１２ｎｍ、５〜１６ｎｍ、１２〜２６ｎｍであったことから、ｔ１〜ｔ４の大小関係と膜厚比は目標とする範囲内に制御することができた。またこれらｔ１〜ｔ４は被覆処理体の形状や寸法によっても変化するが、その比率や大小関係が大きく変化することはないと考えられる。
２）試料番号２１は、中間皮膜層１３を構成している交互積層部のうち、第２の交互積層部１３ｂを成膜していない仕様、つまり、中間皮膜層１３は第１の交互積層部１３ａのみで構成されるように成膜した。
３）試料番号２２は、中間皮膜層を構成している交互積層部のうち、第１の交互積層部１３ａを成膜していない仕様、つまり、中間皮膜層１３は第２の交互積層部１３ｂのみで構成されるように成膜した。試料番号２１と２２は、第１の実施形態の交互積層部４Ａに該当する皮膜になる。
４）試料番号２３は、中間皮膜層１３内の第１の交互積層部１３ａ、第２の交互積層部１３ｂにおいて、単位厚さｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４の単位厚さを傾斜構造としていない構成で成膜した。
５）試料番号２４および２５は、中間皮膜層１３の厚みを同一（１．２μｍ）とし、第１の交互積層部１３ａの膜厚Ｔ１と第２の交互積層部１３ｂの膜厚Ｔ２との膜厚比（Ｔ１／Ｔ２）が異なるように成膜した。【０１１５】  ６）試料番号２６〜２８は、硬質皮膜層内において下側皮膜層１２、中間皮膜層１３、上側皮膜層１４の夫々の膜厚比を変化させて成膜した。
７）試料番号２９および３０は、表面皮膜層１５の膜厚を変化させて成膜した。
８）試料番号３１は、硬質皮膜層のうち上側皮膜層１４を設けていない構成で成膜した。試料番号３２は、硬質皮膜層のうち中間皮膜層１３を設けていない構成で成膜した。
９）試料番号３３は、硬質皮膜層のうち下側皮膜層１２を設けていない構成で成膜した。試料番号３４は、硬質皮膜層のうち表面皮膜層１５を設けていない構成で成膜した。
１０）試料番号３５〜３７は、被覆後の処理の方法を処理Ａ以外の方法を採用した。
試料番号３５は被覆後の処理を実施していない例、試料番号３６は処理Ｂを実施した例、本試料番号３７は処理Ｃを実施した例を示している。【０１１６】［試作工具の評価方法］
試作工具の性能を評価するために、この試作工具を装着したマシニングセンターを用いで高硬度材からなる被加工材について、この試作工具を用いた４軸同時切削加工を実施した。前記したようにこの試作工具は２枚刃のボールエンドミルである。
なお、試作したボールエンドミルで切削加工を行う被加工材は、材質がＨＡＰ４０（日立金属（株）製の工具鋼、硬度範囲：６４〜６５ＨＲＣ）からなる冷間鍛造用パンチとした。この冷間鍛造用パンチについて、熱処理前に０．５ｍｍの取り代を残した状態まで切削加工した。従って、冷間鍛造用パンチは、試作したボールエンドミルごとに切削加工の結果を評価するために必要な本数を予め用意した。なお、この冷間鍛造用パンチはその切削加工を行う箇所の形状は非円筒（非円柱）形状をなしているようにした。
そして、この冷間鍛造用パンチの熱処理後の仕上げ加工を、試作したボールエンドミルを用いて実施して、このボールエンドミルごとに、切削加工を実施した結果の評価を行った。【０１１７】  切削加工の加工条件は、主軸回転数を毎分２８００回転、工具送り速度を毎分８７３ｍｍとして、中仕上げ加工は、取り代を０．４ｍｍとして、被加工材１個あたり１５分の加工を実施した。また、仕上げ加工は、取り代を０．１ｍｍとし、被加工材１個当たり２４０分の加工を実施した。このように、一つの試作工具（ボールエンドミル）ごとに、中仕上げ加工と仕上げ加工を実施したことになる。
切削加工を実施した後の試作工具の評価は、狙い寸法に対して加工精度が±０．０１ｍｍを超えない範囲で切削加工できた被加工材（冷間鍛造用パンチ）の累計の加工個数を求め、この加工個数を耐久性評価の数値とした。表３、表４の試作工具の評価の「加工個数」欄に記載している加工個数は、上記した累計の加工個数を示す。従って、この加工個数は、予め設定した加工精度が得られるまで切削加工を行うことができた被加工材の累計個数を示している。
併せて、切削加工後の試作工具の損傷状態を顕微鏡で観察して評価した。この評価結果も試作工具の試作番号ごとに表３及び表４の試作工具の評価の「損傷状態」欄に記載している。【０１１８】  表３、表４において評価欄の「加工個数」の項目欄に、「＜１」と記載されている試料番号は、最初の１個目の被加工材の仕上げ加工が終了した時点で、仕上げ加工の加工精度が±０．０１ｍｍを外れたことを示している。
なお、表１、表２の備考欄において、「本発明例」と記載した試料番号は、第１の皮膜１６ａ、１７ｂが前記した条件式（１）又は（３）を満たし、第２の皮膜１６ｂ、１７ｂが前記した条件式（２）を満たし、さらに、条件式（３）に替えてＳｉ以外にも、Ｗ、Ｂ、Ｎｂの一種又は２種以上を含有した窒化物又は炭窒化物とした場合にも前記した条件式（４）を満たし、かつ、加工個数が「４」以上の値が得られた試料番号を「本発明例」とした。【０１１９】［試作工具の耐久性についての考察］
表３、表４の「試作工具の評価」欄の「加工個数」欄と「損傷状態」欄に記載された事項に基づいて、試作工具に形成した硬質皮被覆部材の構成、組成、膜厚などが、試作工具の耐久性に与える影響について考察した。以下、この考察について記載する。【０１２０】  試料番号１〜９において、下側皮膜層１２、中間皮膜層１３の第１の交互積層部１３ａにおける第１の皮膜１４ａ、表面皮膜層１５における金属成分の組成が異なる場合の加工数を比較すると、下記の評価が得られた。【０１２１】  １）Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉの原子比の合計を１００としたときに、Ａｌの原子比が５０以上、６５以下、Ｃｒの原子比が２０以上、３０以下、Ｔｉの原子比が５以上、２０以下を満たしている試料番号１〜５（本発明例）は、加工個数が６〜８個、また損傷状態も均一摩耗であり、優れた耐久性を示した。
２）試料番号６は、金属成分の組成が（Ａｌ４５Ｃｒ３０Ｔｉ２５）の窒化物であるが加工個数が「＜１」、すなわち、１個も前記した所定の仕上げの加工精度を得ることができなかった。これは、Ｔｉの原子比が２０を超えていたために硬質皮被覆部材のすくい面における摩耗量が大きくなったことによると判断される。
３）試料番号７は、金属成分の組成が（Ａｌ５０Ｃｒ２５Ｔｉ２５）の窒化物であるが加工個数が「＜１」であった。これは、Ｔｉの原子比が２０を超えていたために硬質皮膜被覆部材のすくい面における摩耗量が大きくなったことによる。
４）試料番号８は、金属成分の組成が（Ａｌ５０Ｔｉ５０）の窒化物であるが、加工個数が「＜１」であった。これは、Ｃｒを含有していないために硬質皮被覆部材のすくい面における摩耗量が大きくなったことによると判断される。
５）試料番号９は、金属成分の組成が（Ａｌ５０Ｃｒ５０）の窒化物であるが加工個数が「＜１」であった。これはＴｉを含有していないためにすくい面の硬質皮膜被覆部材がチッピングしたことによると判断される。【０１２２】  試料番号１、１０〜１４において、上側皮膜層１４、中間皮膜層１３内の第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂの第２の皮膜１６ｂと１７ｂの金属成分の組成が異なる場合の加工個数を比較した。その結果、下記の評価が得られた。
１）Ｔｉ、Ｓｉの原子比の合計を１００としたときに、Ｔｉの原子比が８０以上、９０以下、Ｓｉの原子比が１０以上、２０以下を満たしている試料番号１、１２〜１４（本発明例）は加工個数が４〜８個、また損傷状態も均一摩耗であり、優れた耐久性を示した。
２）試料番号１０は、金属成分の組成が（Ｔｉ７５Ｓｉ２５）の窒化物であるが加工個数は「＜１」であった。これは、Ｔｉの原子比が８０より少なく、Ｓｉの原子比が２０を超えているために、すくい面がチッピングしたことによると判断される。
３）試料番号１１は、金属成分の組成が（Ｔｉ９５Ｓｉ５）の窒化物であるが加工個数は「＜１」であった。これは、Ｔｉの原子比が９０を超え、Ｓｉの原子比が１０より少ないために硬質皮被覆部材のすくい面における摩耗量が大きくなったことによると判断される。【０１２３】  試料番号１〜５、１５〜２０において、下側皮膜層１２、中間皮膜層１３内の第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂにおける第１の皮膜１６ａと１７ａ、表面皮膜層１５の金属成分の組成が異なる場合の加工数を比較した。その結果、下記の評価が得られた。
１）試料番号１５〜１７は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉの原子比の合計を１００としたときに、Ｓｉの原子比がそれぞれ１、５、１０であるが加工個数が９〜１２個、また損傷状態も均一摩耗であり、優れた耐久性を示した。
２）試料番号１８は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗの原子比を１００としたときに、Ｗの含有量は４であるが、加工個数が９個、また損傷状態も均一摩耗であり、優れた耐久性を示した。
３）試料番号１９は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂの原子比を１００としたときに、Ｂの原子比は３であるが加工個数が９個、また、損傷状態も均一摩耗であり、優れた耐久性を示した。
４）試料番号２０は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂの原子比を１００としたときに、Ｎｂの原子比が４であるが加工個数が９個、また損傷状態も均一摩耗であり、優れた耐久性を示した。【０１２４】  試料番号１と試料番号２１を比較した。試料番号２１は中間皮膜層１３の第２の交互積層部１３ｂを設けていない。つまり、第１の交互積層部１３ａにおいて第１の皮膜１６ａの単位厚みであるｔ１が第２の皮膜１６ｂの単位厚みであるｔ２よりも厚い場合のみの構成とされている。この試料番号２１が備えている硬質皮膜被覆部材の構成は、前記した第１の実施形態に該当する。このため、試料番号２１の加工個数は４個であり、試料番号１に比べて加工数が半減した。これは試料番号２１の損傷状態が不均一摩耗であり、すくい面エッジ近傍の硬質皮膜被覆部材内の剥離や微細なクラックによって、硬質皮膜被覆部材の摩耗が不均一になったためであると判断される。【０１２５】  試料番号１と試料番号２２を比較した。試料番号２２は、中間皮膜層１３内に第１の交互積層部１３ａを設けていない。つまり、中間皮膜層１３の第２の交互積層部１３ｂにおいて、第１の皮膜１７ａの単位厚みｔ３を第２の皮膜１７ｂの単位厚みｔ４よりも薄くした構成になるように成膜している。この試料番号２２が備えている硬質皮膜被覆部材の構成は、前記した第１の実施形態に該当する。このため、試料番号２２の加工個数が４個であり、試料番号１に比べて加工個数が半減した。これは試料番号２２の損傷状態が不均一摩耗であり、すくい面エッジ近傍の硬質皮膜被覆部材内の剥離や微細なクラックによって硬質皮膜被覆部の摩耗が不均一となったためである。
試料番号２１、２２の評価結果から、本発明は中間皮膜層１３を第１の交互積層部１３ａと第２の交互積層部１３ｂを設けた構成にすることがより好ましいと言える。【０１２６】  試料番号１と試料番号２３を比較した。試料番号２３は、中間皮膜層１３内の第１及び第２の交互積層部１３ａ、１３ｂにおいて、単位厚みｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４が傾斜構造を有していない構成で成膜している。試料番号２３の加工個数が４個であり、試料番号１に比べて加工数が半減した。これは試料番号２２の損傷状態が不均一摩耗であり、すくい面エッジ近傍の硬質皮膜被覆部材内の剥離や微細なクラックによって、硬質皮膜被覆部材の摩耗が不均一になったためである。
従って、中間皮膜層１３内の第１及び第２の交互積層部１３ａ、１３ｂを傾斜構造にすることがより望ましいと言える。【０１２７】  試料番号１と試料番号２４、２５を比較した。試料番号２４および２５は、中間皮膜層１３の膜厚を試料番号１と同一として、Ｔ１とＴ２の膜厚比を変化させて成膜している。試料番号１と試料番号２４の加工個数が８個であり、試料番号２５の加工個数が６個であった。このことから、Ｔ１／Ｔ２は１〜２に設定することがより好ましいと考えられる。【０１２８】  試料番号１と試料番号２６〜２８を比較する。試料番号２６〜２８は、硬質皮膜被覆部材内において下側皮膜層１２の膜厚、上側皮膜層１４の膜厚、中間皮膜層１３の膜厚比（Ｔ１／Ｔ２）を変化させて成膜している。試料番号１の加工個数が８個に対し、試料番号２６の加工個数が４個、試料番号２７の加工個数が７個、試料番号２８の加工個数が４個であった。試料番号２６と２８は上側皮膜層１６の膜厚が０．４μｍと０．６μｍであることから、耐摩耗性が不足して硬質皮膜被覆部材の摩耗が大きくなったことによる。このことから、下側皮膜層１２、上側皮膜層１４、中間皮膜層１３の膜厚比は１：１：１にすることが好適であると考えられる。【０１２９】  試料番号１と試料番号２９、３０を比較する。試料番号２９および３０は、表面皮膜層１５の膜厚の目標値が他の試料番号より大きくなるように、すなわち、試料番号２９は５０〜１００ｎｍ、試料番号３０は１００〜２００ｎｍに設定して成膜した。その結果、試料番号２９の加工個数が７個に対して、試料番号３０の加工個数が４個に減少した。この原因は、表面皮膜層１５の膜厚を１００〜２００ｎｍに設定して成膜したために、表面皮膜層１５の面粗度が劣化したことで、表面被覆層１５の摩耗が大きくなって、その結果、硬質被膜被覆部材にチッピングが発生したと判断される。これにより、表面皮膜層１５の膜厚は５〜１００ｎｍの範囲に設定することが好ましいと考えられる。【０１３０】  試料番号１と試料番号３１〜３４を比較した。試料番号３１は、硬質皮膜被覆部材に上側皮膜層１４を設けていない構成である。試料番号３２は、硬質皮膜被覆部材に中間皮膜層１３を設けていない構成である。試料番号３３は、硬質皮膜被覆部材に下側皮膜層１２を設けていない構成である。試料番号３４は、硬質皮膜被覆部材に表面皮膜層１５を設けていない構成である。
上側皮膜層１４を設けていない試料番号３１、中間皮膜層１３を設けていない試料番号３２、下側皮膜層１２を設けていない試料番号３３は、加工個数が１個未満になった。これはすくい面にチッピンングが生じたためである。
表面皮膜層１５を設けていない試料番号３４の加工個数は４個であり、試料番号１と比較して加工個数が半減した。【０１３１】  試料番号１と試料番号３５〜３７を比較した。試料番号３５は、試作工具に硬質皮膜被覆部材を形成した後に行う被覆後の処理を実施していない場合であって、加工個数が２個であった。試料番号３６は、試作工具の逃げ面側の表面皮膜層１５を除去した場合であるが加工個数が２個であった。試料番号３７は試作工具のすくい面側と逃げ面側の表面皮膜層１５を除去した場合であって加工個数が７個であった。
試料番号１と試料番号３５を比較すると、試料番号１は４倍の加工個数が得られていることから、本発明においては、基材に硬質皮膜被覆部材を形成した後に、被覆後の処理を実施することは極めて重要な手段であると判断される。
また、硬質皮膜被覆部材を形成した試作工具においては、被覆後の処理方法はすくい面側の表面皮膜層１５を除去することが重要であって、逃げ面側の表面被覆層１５を除去することは、効果が得られないことが明らかになった。【０１３２】  以上に説明した本発明の実施例においては、本発明に係る硬質皮膜被覆部材を切削工具の基材に形成した例について説明したが、本発明に係る硬質皮膜被覆部材を形成する基材としては、各種の切削工具の基材に限定されるものではなく、刃先交換式切削工具に着脱可能に装着する切れ刃を備えたインサート、塑性加工用治具やパンチ、ダイス、冷間塑性加工用金型等の基材も含む。また、その材質は鉄基合金、高速度工具鋼、超硬合金、各種のセラミックス等を利用することができる。
【符号の説明】
【０１３３】  １  ：硬質皮膜被覆部材
２  ：基材
３  ：下側皮膜層
４  ：中間皮膜層、４Ａ：交互積層部、４ａ：第１の皮膜、４ｂ：第２の皮膜
５  ：上側皮膜層
６  ：表面皮膜層
７  ：硬質皮膜層
１１  ：硬質皮膜被覆部材
１２  ：下側皮膜層
１３  ：中間皮膜層、１３ａ：第１の交互積層部、１３ｂ：第２の交互積層部
１４  ：上側皮膜層
１５  ：表面皮膜層
１６ａ、１７ａ：第１の皮膜
１６ｂ、１７ｂ：第２の皮膜
２０  ：成膜装置
２１  ：真空容器（チャンバー）
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ：カソード
２３  ：基材ステージ
２４  ：アーク電源装置
２５  ：バイアス電源装置
Ｌ  ：ターゲットと基材との距離
Ｔ  ：中間皮膜層の膜厚
Ｔ１：第１の交互積層部の膜厚
Ｔ２：第２の交互積層部の膜厚
ｔ１、ｔ３：第１の皮膜１６ａ、１７ａの単位厚み
ｔ２、ｔ４：第２の皮膜１６ｂ、１７ｂの単位厚み
【図１】
2020020030.tif 000007
【図２】
2020020030.tif 000008
【図３】
2020020030.tif 000009