(57)【要約】工具の表面に硬質皮膜を有する被覆切削工具である。硬質皮膜は窒化物であり、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、チタン（Ｔｉ）の含有比率が７０原子％以上９５原子％以下、シリコン（Ｓｉ）の含有比率が５原子％以上３０原子％以下であり、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）の含有比率が０．１原子％以下である。硬質皮膜はＮａＣｌ型の結晶構造を有し、平均結晶粒径が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、窒素の含有比率が５０．０原子％以上である。
2017170536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具の表面に硬質皮膜を有する被覆切削工具であって、
前記硬質皮膜は窒化物であり、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、チタン（Ｔｉ）の含有比率が７０原子％以上９５原子％以下、シリコン（Ｓｉ）の含有比率が５原子％以上３０原子％以下であり、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）の含有比率が０．１原子％以下であり、
前記硬質皮膜はＮａＣｌ型の結晶構造を有し、平均結晶粒径が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、
前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、窒素の含有比率が５０．０原子％以上、であることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項２】
前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、酸素の含有比率が３原子％以下であること特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
【請求項３】
前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、炭素の含有比率が５原子％以下であること特徴とする請求項１または２に記載の被覆切削工具。
【請求項４】
前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、酸素と炭素の合計の含有比率が３原子％以下であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の被覆切削工具。
【請求項５】
前記硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡で組織観察した場合、５０ｎｍ×５０ｎｍの範囲内で円相当径が５ｎｍ以上の非晶質相が１個以下であることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の被覆切削工具。
【請求項６】
前記硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下であり、弾性係数が４００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の被覆切削工具。
【請求項７】
前記工具と前記硬質皮膜との間に中間皮膜を有することを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の被覆切削工具。
【請求項８】
前記硬質皮膜の表面および断面観察において、円相当径が１．０μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり５個以下であることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具の表面に硬質皮膜を有する被覆切削工具に関する。
本願は、２０１６年３月３０日に日本国特許庁に出願された特願２０１６−６７３９３号に対し優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、切削工具等の工具の寿命を向上させる技術として、各種セラミックスからなる硬質皮膜を工具の表面に被覆する表面処理技術が採用されている。硬質皮膜の中でもＴｉ及びＳｉの複合窒化物皮膜並びに炭窒化物皮膜（以下、それぞれＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮと記載する場合がある）は、優れた耐摩耗性を有するため、これらの硬質皮膜が形成された切削工具は、高硬度鋼等の切削加工において優れた耐久性を発揮する。
例えば、特許文献１には、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉが独立した相として化合物相中に存在するＴｉＳｉＮを被覆した被覆切削工具が提案されている。また、特許文献２には、ミクロ組織に微細結晶及び非晶質部が混在したＴｉＳｉＮを被覆した被覆切削工具が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３３４６０６号公報
【特許文献２】特開２００８−８０４４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来から提案されているＴｉＳｉＮは、完全な窒化物が十分に形成されておらず、また、非晶質相を多く含有するため、硬質皮膜の結晶性が低いものであった。本発明者の検討によると、例えばＨＲＣ５０以上の高硬度鋼の高能率加工等の工具の負荷が大きい過酷な使用環境下においては、従来のＴｉＳｉＮを被覆した工具において工具損傷が大きくなる場合があり、改善の余地があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者等は、ＴｉとＳｉを主体とする窒化物において、耐熱性と耐摩耗性を高める手法について検討を行い、従来のアークイオンプレーティング法で被覆したＴｉとＳｉを主体とする窒化物には、酸素や炭素が数原子％レベルでは含有されるため、皮膜内部に含まれる窒素の含有比率が金属元素の含有比率に対して減少する傾向にあり、その結果、完全な窒化物が十分に形成され難いことを知見した。そして、ＴｉとＳｉを主体とする窒化物についてミクロレベルで皮膜組織を制御するとともに、膜厚方向にわたって窒素の含有比率を高めことが被覆切削工具の耐久性を向上させるのに有効であることを見出したものであり、かかる優れた被覆切削工具を提供することにより、前記課題を解決したものである。【０００６】
本発明の態様は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）工具の表面に硬質皮膜を有する被覆切削工具であって、前記硬質皮膜は窒化物であり、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、チタン（Ｔｉ）の含有比率が７０原子％以上９５原子％以下、シリコン（Ｓｉ）の含有比率が５原子％以上３０原子％以下であり、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）の含有比率が０．１原子％以下であり、
前記硬質皮膜はＮａＣｌ型の結晶構造を有し、平均結晶粒径が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、
前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、窒素の含有比率が５０．０原子％以上であることを特徴とする被覆切削工具。
（２）前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、酸素の含有比率が３原子％以下であることを特徴とする（１）記載の被覆切削工具。
（３）前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、炭素の含有比率が５原子％以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の被覆切削工具。
（４）前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、酸素と炭素の合計の含有比率が３原子％以下であることを特徴とする（１）〜（３）に記載の被覆切削工具。
（５）前記硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡で組織観察した場合、５０ｎｍ×５０ｎｍの範囲内で円相当径が５ｎｍ以上の非晶質相が１個以下であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（６）前記硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下であり、弾性係数が４００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の被覆切削工具。
（７）前記工具と前記硬質皮膜との間に中間皮膜を有することを特徴とする（１）〜（６）の何れかに記載の被覆切削工具。
（８）前記硬質皮膜の表面および断面観察において、円相当径が１．０μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり５個以下であることを特徴とする（１）〜（７）の何れかに記載の被覆切削工具。」に特徴を有するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、被覆切削工具において、その表面に設けた硬質皮膜のＴｉとＳｉを主体とする窒化物について、ミクロレベルで皮膜組織を制御するとともに、膜厚方向にわたって窒素の含有比率を高めることにより被覆切削工具の耐久性を向上させることにより、優れた被覆切削工具を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施例１の表面の電子顕微鏡による表面観察写真（５，０００倍）である。
【図２】図２は、比較例３の表面の電子顕微鏡による表面観察写真（５，０００倍）である。
【図３】図３は、実施例１のＴＥＭ像とナノビーム回折パターンを、ＴＥＭ像と合わせて示した一例である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下では、本発明の実施形態の被覆切削工具を構成する硬質皮膜の成分組成、組織、特性、及び、その製造方法などの詳細について説明をする。
【００１０】
［１］硬質皮膜
＜成分組成（チタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ））＞
本発明の実施形態に係る硬質皮膜は、ＴｉとＳｉを主体とする窒化物である。ＴｉとＳｉを主体とする窒化物は一定量のＳｉを含有することで、硬質皮膜の組織が微細となり耐熱性と硬度が高まる。また、高い残留圧縮応力を有し、被覆切削工具に適用することで切削工具の耐久性が向上する。
なお、以下の説明において、単に「Ｓｉの含有比率」、「Ｔｉの含有比率」というときは、それぞれ「硬質皮膜に対するＳｉの含有比率」、「硬質皮膜に対するＴｉの含有比率」を意味する。
硬質皮膜の耐熱性と硬度を高め、適度な残留圧縮応力を付与するには、金属元素（半金属を含む。以下、同様）のうちのＳｉの含有比率を原子比率（原子％）で５原子％以上とする必要がある。他方、Ｓｉの含有比率が大きくなると、硬質皮膜に含まれる非晶質相が多くなり、被覆切削工具の耐久性が低下するため、金属元素のうちＳｉの含有比率を３０原子％以下とする。Ｓｉの含有比率の好ましい下限は１０原子％である。また、Ｓｉの含有比率の好ましい上限は２５原子％である。
また、Ｔｉについては、含有比率が小さい場合は、硬質皮膜の耐摩耗性や耐熱性が低下する傾向にあるため、金属元素のうちのＴｉの含有比率（原子％）を硬質皮膜が高いレベルで耐摩耗性と耐熱性を両立できる７０原子％以上とする。他方、Ｔｉの含有比率が大きくなると相対的にＳｉの含有比率が低下して皮膜組織が粗大になるとともに、硬質皮膜に十分な残留圧縮応力を付与することが困難となる。したがって、硬質皮膜の組織を微細に制御して適度な残留圧縮応力を付与するために、金属元素のうちのＴｉの含有比率を原子比率（原子％）で９５原子％以下とする。Ｔｉの含有比率の好ましい下限は７５原子％である。また、Ｔｉの含有比率の好ましい上限は９０原子％である。本実施形態に係る硬質皮膜は、ＴｉとＳｉを上述した範囲で含有すれば、他の金属元素を含有してもよい。他の金属元素を含有する場合でも、ＴｉとＳｉの合計の含有比率は９０原子％以上であることが好ましい。
硬質皮膜の金属元素の含有比率は、鏡面加工した硬質皮膜を試料とし、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。具体的には、例えば、硬質皮膜を鏡面加工した後、直径が約１μｍの分析範囲を５点分析し、得られた測定値の平均から各金属元素の含有比率を求めることができる。
硬質皮膜の膜厚が薄くなり過ぎると被覆切削工具の耐摩耗性が低下する傾向にある。また、膜厚が厚くなり過ぎると硬質皮膜が剥離し易くなる。本実施形態において、硬質皮膜の膜厚は、０．３μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましい。更には、０．５μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。
【００１１】
＜成分組成（アルゴン（Ａｒ））＞
本実施形態の硬質皮膜においては、金属（半金属を含む）元素と非金属元素の総量（硬質皮膜全体）に対するアルゴン（Ａｒ）の含有比率を０．１原子％以下とする。
スパッタリング法では、アルゴンイオンを用いてターゲット成分をスパッタリングして硬質皮膜を被覆するため、硬質皮膜にアルゴンを含有させやすい。後述するとおり、硬質皮膜の結晶粒径が微粒化すると硬度が高まる一方、結晶粒界が多くなり、硬質皮膜に含有されるアルゴンが結晶粒界に濃化する。硬質皮膜のアルゴン含有比率が大きい場合には、硬質皮膜の靭性が低下し、十分な工具性能が発揮され難い。そのため、本実施形態では硬質皮膜の結晶粒界に濃化するアルゴンを低減して、後述する硬質皮膜の微粒化の効果を得るためにアルゴンの含有比率を０．１原子％以下とする。更には、アルゴン（Ａｒ）の含有比率は０．１原子％未満であることが好ましい。本実施形態においては、アルゴン（Ａｒ）の含有比率の下限を特段限定するものではない。本実施形態に係る硬質皮膜は、スパッタリング法で被覆するため、アルゴン（Ａｒ）を０．０５原子％以上で含有し得る。
本実施形態に係る硬質皮膜のアルゴンの含有比率は、上述した金属元素の含有比率の測定と同様に、鏡面加工した硬質皮膜を試料とし、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。そして、上述した金属元素の含有比率の測定と同様に、硬質皮膜を鏡面加工した後、直径が約１μｍの分析範囲を５点分析し、得られた測定値の平均から含有比率を求めることができる。
本実施形態に係る硬質皮膜には、非金属元素として、窒素以外にアルゴン、酸素、炭素が微量に含まれる場合がある。アルゴンの含有比率は、金属（半金属を含む）元素と窒素、酸素、炭素、アルゴンの含有比率を１００原子％として、求めることができる。
【００１２】
＜結晶構造＞
本実施形態に係る硬質皮膜は、ＮａＣｌ型の結晶構造であることが重要である。本実施形態において、硬質皮膜がＮａＣｌ型の結晶構造であるとは、Ｘ線回折または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折パターンでＮａＣｌ型の結晶構造に起因するピーク強度が最大強度を示すことを意味する。そのため、硬質皮膜の全体としてＮａＣｌ型の結晶構造に起因するピーク強度が最大強度を示せば、仮に透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いたミクロ解析において、部分的にｈｃｐ構造や非晶質相を含んでいたとしても、ＮａＣｌ型の結晶構造の硬質皮膜である。一方、ｈｃｐ構造に起因するピーク強度が最大である硬質皮膜は脆弱であるため、被覆切削工具に適用すると耐久性が低下する傾向にある。本実施形態に係る硬質皮膜の結晶構造は、例えば、Ｘ線回折または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折パターン等で確認することができる。皮膜の被験面積が小さい場合には、Ｘ線回折によるＮａＣｌ型の結晶構造の同定が困難な場合がある。このような場合であっても、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折パターン等によって結晶構造の同定を行うことができる。
本実施形態に係る硬質皮膜は、ＮａＣｌ型の結晶構造に起因する（２００）面が最大強度を示すことで特に優れた耐久性を示す傾向にあり好ましい。ＮａＣｌ型の結晶構造に起因する（２００）面のピーク強度をＩ（２００）、（１１１）面に起因するピーク強度をＩ（１１１）としたときに、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）は３以上であることが好ましい。更には、４以上であることが好ましい。更には、５以上であることが好ましい。
本実施形態に係る硬質皮膜は、Ｘ線回折や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた結晶解析においてｈｃｐ構造に起因する回折強度や回折パターンが確認されないことが好ましい。
【００１３】
＜平均結晶粒径＞
本実施形態に係る硬質皮膜は、硬質皮膜の平均結晶粒径を５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。硬質皮膜のミクロ組織が微細になり過ぎると、硬質皮膜の組織が非晶質に近くなるため、硬質皮膜の靭性及び硬度が低下する。硬質皮膜の結晶性を高めて脆弱な非晶質相を低減するには、硬質皮膜の平均結晶粒径を５ｎｍ以上とする。また、硬質皮膜のミクロ組織が粗大になり過ぎると、硬質皮膜の硬度が低下して被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。硬質皮膜に高い硬度を付与して被覆切削工具の耐久性を高めるためには、硬質皮膜の平均結晶粒径を３０ｎｍ以下とする。更には、硬質皮膜の平均結晶粒径は２０ｎｍ以下であることが好ましい。
硬質皮膜の平均結晶粒径は、Ｘ線回折の半価幅から測定することができる。
【００１４】
＜成分組成（窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ））＞
走査型Ｘ線光電子分光装置を用いて、硬質皮膜の表面から膜厚方向に順次分析することで、皮膜組成を膜厚方向にわたって正確に測定することができる。本発明者は走査型Ｘ線光電子分光装置を用いて従来のアークイオンプレーティング法で被覆したＴｉとＳｉの窒化物を評価した。従来のアークイオンプレーティング法で被覆した場合、窒化物であっても不可避的に一定量の酸素と炭素を含有しており、金属元素に対して窒素元素の含有比率が低く、完全な窒化物が十分に形成され難いことを知見した。窒化物が皮膜全体にわたって十分に形成されない場合、硬質皮膜のミクロ組織および組成が不均一になり易く、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。
本実施形態に係る硬質皮膜は、走査型Ｘ線光電子分光装置を用いて、硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各膜組成を分析し、その各組成分析の結果、各深さ位置の組成において金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、窒素の含有比率が５０．０原子％以上である。膜厚方向にわたって硬質皮膜に含有される窒素の含有比率を高めることで、硬質皮膜の全体に十分な窒化物を形成して硬質皮膜の耐熱性を向上させることができる。特に、窒素の含有比率が５０．０原子％以上であることで十分な窒化物が形成されて、硬質皮膜の耐熱性が向上する傾向にある。
本実施形態の硬質皮膜の分析方法では、硬質皮膜に対し、深さ２０ｎｍから２０ｎｍエッチング毎に皮膜組成の分析を実施し、硬質皮膜の表面から深さ２００ｎｍまでの範囲を組成分析する。組成分析では、炭素、窒素、酸素、金属（半金属を含む）元素の合計の含有比率を１００原子％として各元素の含有比率を算出する。本測定法では、１原子％未満の分析値は測定精度が十分でないため、後述の実施例で参照する表２、３、５、６において１原子％未満の値は、「−」と示している。なお、いずれの試料においても、最表面には不可避不純物である酸素と炭素が多く検出されるため、皮膜表面からの深さ２０ｎｍの位置から分析を行う。
【００１５】
本実施形態に係る硬質皮膜は、走査型Ｘ線光電子分光装置を用いて、硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各皮膜組成を分析し、その各組成分析結果、各組成において金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、窒素の含有比率が５１原子％以上であることが好ましい。しかしながら、窒素の含有比率が５５原子％を超えると硬質皮膜の残留圧縮応力が高くなり過ぎて、硬質皮膜が自己破壊を起こし易くなるため、窒素の含有比率は５５原子％以下であることが好ましい。
測定位置については、最表面には、不可避不純物である酸素と炭素が多く検出されるため、最表面は避け、皮膜表面からの深さが２０ｎｍの位置から２０ｎｍ深さ毎に測定を行う。そして、窒素、酸素、炭素について、少なくとも皮膜表面から２００ｎｍまでの深さにおいて、所望の組成範囲を満たせば、一定の膜厚において窒化物が十分に形成されたＴｉとＳｉを主体とする窒化物が形成されているとみなせるため、本発明の効果を発揮する硬質皮膜を特定することができる。
【００１６】
本実施形態に係る硬質皮膜は、硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成において、酸素の含有比率が３原子％以下であることが好ましい。更に、酸素が２原子％以下であることが好ましい。硬質皮膜に含まれる酸素の含有比率が極めて少なくなることで、硬質皮膜の結晶性が高まる傾向にある。
本実施形態に係る硬質皮膜は、硬質皮膜の表面から１００ｎｍ以内の範囲において、酸素の含有比率が１．５原子％以下である領域を有することが好ましい。硬質皮膜の表面部において、酸素の含有比率が１．５原子％以下と極めて少ない領域を設けることで、硬質皮膜の耐熱性が更に高まる傾向にある。なお、本実施形態に係る硬質皮膜は、酸素が少ない傾向にあるが、ケイ素やチタンと結合した酸素が硬質皮膜中にある程度は存在する。
【００１７】
本実施形態に係る硬質皮膜は、硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成において、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、炭素の含有比率が５原子％以下であることが好ましい。更には、炭素の含有比率が、硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成において４原子％以下であることが好ましい。硬質皮膜に含まれる不可避的な酸素に加えて炭素も低減することで耐熱性が更に向上する傾向にある。
【００１８】
本実施形態に係る硬質皮膜は、硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成において、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、酸素と炭素の合計の含有比率が３原子％以下であることが好ましい。更に、酸素と炭素の合計の含有比率が２原子％以下であることが好ましい。酸素と炭素の合計量の含有比率を、個別の含有比率とともに制限することで、硬質皮膜の耐熱性がより向上する傾向にある。
【００１９】
硬質皮膜に含まれる非晶質相のサイズは、透過型電子顕微鏡のナノビーム回折パターンで評価することができる。ビーム直径が５ｎｍのナノビームを用いて硬質皮膜のナノビーム回折パターンを評価することで、その領域が結晶相であるか非晶質相であるかを確認することができる。すなわち、回折バターンにおいて結晶相に対応する輝点が現れない測定位置には、ビーム直径よりも大きい、円相当径が５ｎｍ以上の非晶質相が存在する。そして、５０ｎｍ×５０ｎｍの領域において、透過型電子顕微鏡による組織観察とナノビーム回折パターンの計測を実施することで、円相当径が５ｎｍ以上の非晶質相の個数を求めることができる。ミクロ組織における均一性を評価するには、５０ｎｍ×５０ｎｍの範囲を２視野以上で評価すればよい。
本実施形態に係る硬質皮膜は、５０ｎｍ×５０ｎｍの範囲内で円相当径が５ｎｍ以上の非晶質相が１個以下であることが好ましく、更には０個であることが好ましい。更には、５０ｎｍ×５０ｎｍの範囲内で円相当径が１０ｎｍ以上の非晶質相が０個であることが好ましい。
【００２０】
＜硬度（ナノインデンテーション硬度）、弾性係数＞
本実施形態に係る硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度を高めることで、被覆切削工具の耐久性が向上する傾向にある。一方、ナノインデンテーション硬度が高すぎると、皮膜が脆弱となり被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜のナノインデンテーション硬度は４０ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下とすることが好ましい。更には、硬質皮膜のナノインデンテーション硬度を５０ＧＰａ以上にすることが好ましい。更には、ナノインデンテーション硬度を５５ＧＰａ以上にすることが好ましい。また、皮膜硬度を高めた上で、硬質皮膜の弾性係数を４００ＧＰａ以上にすることで、被覆切削工具により優れた耐久性を付与することができる。更には、硬質皮膜の弾性係数を４５０ＧＰａ以上にすることが好ましい。硬質皮膜により優れた靱性を付与するためには、硬質皮膜の弾性係数は、５００ＧＰａ以下であることが好ましい。
【００２１】
本実施形態における硬質皮膜のナノインデンテーション硬度および弾性係数は、ナノインデンテーション装置（株式会社エリオニクス製の超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ−１１００ａ）を用いて測定できる。測定は、硬質皮膜の表面から端子を、押し込み荷重４９ｍＮ、最大荷重保持時間１秒、および荷重負荷後の除去速度０．４９ｍＮ／秒の測定条件で押し込み、押し込み深さが硬質皮膜の厚みの１／１０以下に維持される最大深さを１０点測定する。１０点の測定値のうち、値の大きい側の２点と値の小さい側の２点を除いた６点の平均値からナノインデンテーション硬度および弾性係数を求める。
【００２２】
＜ドロップレットの抑制＞
硬質皮膜に粗大なドロップレットが含まれると、ドロップレットを起点とする皮膜破壊が発生し易くなり、被覆切削工具の耐久性が低下する。特に円相当径が１μｍ以上の粗大なドロップレットが硬質皮膜の表面や内部に多く存在すると、突発的な欠損等が発生し易くなり、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。また、皮膜表面のみを平滑にしても、皮膜内部に粗大なドロップレットが多く含まれると、それを基点に皮膜破壊が発生し易くなる。そのため、硬質皮膜の表面および断面観察において、円相当径が１μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり５個以下であることが好ましい。硬質皮膜の表面にある粗大なドロップレットを低減することで、被覆切削工具の突発的な折損を抑制することができ好ましい。更には、硬質皮膜の表面および断面観察において、円相当径が１μｍ以上のドロップレットが、１００μｍ２当たり３個以下であることが好ましく、更には、２個以下であることが好ましい。
【００２３】
工具径が１ｍｍ以下の小径工具の場合には、工具径に対するドロップレットの影響が大きくなるため、１μｍ未満のドロップレットであっても、破壊の起点になる恐れがある。そのため、円相当径が１μｍよりも小さいドロップレットもできるだけ低減することが好ましい。更には、硬質皮膜の表面および断面観察において、円相当径が０．５μｍ以上１．０μｍ未満のドロップレットが１００μｍ２当たり５個以下であることが好ましい。更には、硬質皮膜の表面および断面観察において円相当径が０．５μｍ以上１．０μｍ未満のドロップレットが１００μｍ２当たり３個以下であることが好ましく、更には２個以下であることが好ましい。
【００２４】
硬質皮膜の表面のドロップレットは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等を用いて硬質皮膜の表面を観察することで求めることができる。また、硬質皮膜の断面観察においてドロップレットを評価するには、収束イオンビーム法で加工し、透過型電子顕微鏡を用いて鏡面加工された面を５，０００〜１０，０００倍で複数の視野を観察する。
【００２５】
＜その他の添加元素＞
本実施形態に係る硬質皮膜には、硬質皮膜の耐摩耗性や耐熱性などの向上を目的として、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＢ、Ｙから選択される１種または２種以上の元素を硬質皮膜に対して５原子％以下の含有量で含ませることができる。
【００２６】
＜中間皮膜等＞
本実施形態の被覆切削工具は、硬質皮膜の密着性をより向上させるため、必要に応じて、工具の基材と硬質皮膜との間に別途中間層を設けてもよい。例えば、金属、窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかからなる層を工具の基材と硬質皮膜との間に設けてもよい。特に、ＡｌとＴｉの窒化物を中間層として設けることが好ましい。
また、本実施形態に係る硬質皮膜と工具の基材との間に、成分比が異なる他の硬質皮膜との混合傾斜皮膜を設けてもよい。また、本実施形態に係る硬質皮膜上に、本実施形態に係る硬質皮膜と異なる成分比や異なる組成を有する硬質皮膜を別途形成させてもよい。さらには、本実施形態に係る硬質皮膜と、別途本実施形態に係る硬質皮膜と異なる組成比や異なる組成を有する硬質皮膜とを相互積層させてもよい。
【００２７】
［２］硬質皮膜の成膜方法
本実施形態に係る硬質皮膜の被覆では、物理蒸着法の中でもターゲット成分をスパッタして硬質皮膜を被覆するスパッタリング法を適用することが好ましい。
物理蒸着法では硬質皮膜に残留圧縮応力が付与され耐欠損性が優れる傾向にある。物理蒸着法の中でもアークイオンプレーティング法はターゲット成分のイオン化率が高く硬質皮膜の密着性が優れる傾向にあり広く適用されている。但し、アークイオンプレーティング法は、ターゲット成分をアーク放電により溶融するため炉内に含まれる酸素や炭素の不可避的不純物が硬質皮膜に取り込まれ易く、窒素の含有比率が高い硬質皮膜が得られ難い傾向にある。
そこで、ターゲットを溶融しないスパッタリング法を適用することで硬質皮膜に含有される酸素や炭素の不可避的不純物が低減する傾向にある。但し、従来のＤＣスパッタリング法や単にターゲットに高い電力を印加する高出力スパッタリング法では、ターゲットのイオン化率が低いため硬質皮膜に形成される窒化物が十分でない。そのため、スパッタリング法の中でも、ターゲットに順次電力を印加するスパッタリング法を適用して、電力が印加されるターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了するターゲットと電力の印加を開始するターゲットの両方のターゲットに同時に電力が印加されている時間を設けることが好ましい。
このようなスパッタリング法で被覆することでターゲットのイオン化率が高い状態が成膜中に維持され、硬質皮膜の結晶性が高く、十分な窒化物が形成される傾向にある。
また、硬質皮膜中に十分な窒化物を形成するために、電力パルスの最大電力密度は、１．０ｋＷ／ｃｍ２以上とすることが好ましい。但し、ターゲットに印加する電力密度が大きくなり過ぎると成膜が安定し難い。そのため、電力パルスの最大電力密度は、３．０ｋＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。また、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間が短すぎたり長すぎる場合には、ターゲットのイオン化が十分でなく硬質皮膜に十分な窒化物が形成され難い。そのため、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間は５マイクロ秒以上２０マイクロ秒以下とすることが好ましい。ターゲット成分のイオン化率を高めるためには、ＴｉＳｉ系合金ターゲット３個以上用いることが好ましい。
また、スパッタリング装置の炉内温度を４３０℃以上として予備放電を実施し、炉内に導入する窒素ガスの流量を６０ｓｃｃｍ以上、アルゴンガスの流量を７０ｓｃｃｍ以上２００ｓｃｃｍ以下とすることが好ましい。また、炉内圧力を０．５Ｐａ〜０．７Ｐａとすることが好ましい。上記の条件で被覆することで、硬質皮膜のアルゴン、酸素の含有比率が低減するとともに、窒素の含有比率が高くなり易い。また、硬質皮膜をＮａＣｌ型の結晶構造とし、かつ、結晶性が高い微粒組織とするには、基体となる切削工具に印加する負のバイアス電圧は、−５５Ｖ〜−２０Ｖの範囲に制御することが好ましい。
【００２８】
本実施形態の被覆切削工具は、例えば、高硬度鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼、鋳鋼、炭素鋼の切削加工用に用いる切削工具に用いることができる。具体的には、ボールエンドミル、スクエアエンドミル、ラジアスエンドミル、多刃エンドミル、インサート、ドリル、カッター、ブローチ、リーマ、ホブ、ルーター等の態様で使用することができる。
【００２９】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００３０】
（第１実施例）
＜工具＞
工具として、組成がＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８．０質量％）−Ｃｒ（０．５質量％）−ＶＣ（０．３質量％）、ＷＣ平均粒度０．６μｍ、硬度９３．９ＨＲＡ（ロックウェル硬さ、ＪＩＳ  Ｇ  ０２０２に準じて測定した値）からなる超硬合金製の２枚刃ボールエンドミル（ボール半径５ｍｍ、三菱日立ツール株式会社製）を準備した。【００３１】
実施例１、比較例１は、スパッタ蒸発源を６機搭載できるスパッタリング装置を使用した。これらの蒸着源のうち、ＡｌＴｉ系合金ターゲット３個およびＴｉＳｉ系合金ターゲット３個を蒸着源として装置内に設置した。なお、寸法がΦ１６ｃｍ、厚み１２ｍｍのターゲットを用いた。実施例１と比較例１では、使用するＴｉＳｉ系合金ターゲットの組成を変えた。
工具をスパッタリング装置内のサンプルホルダーに固定し、工具にバイアス電源を接続した。なお、バイアス電源は、ターゲットとは独立して工具に負のバイアス電圧を印加する構造となっている。工具は、毎分２回転で自転しかつ、固定治具とサンプルホルダーを介して公転する。工具とターゲット表面との間の距離は１００ｍｍとした。
導入ガスは、Ａｒ、及びＮ２を用い、スパッタリング装置に設けられたガス供給ポートから導入した。【００３２】
＜ボンバード処理＞
まず工具に硬質皮膜を被覆する前に、以下の手順で工具にボンバード処理を行った。スパッタリング装置内のヒーターにより炉内温度が４３０℃になった状態で３０分間の加熱を行った。その後、スパッタリング装置の炉内を真空排気し、炉内圧力を５．０×１０−３Ｐａ以下とした。そして、Ａｒガスをスパッタリング装置の炉内導入し、炉内圧力を０．８Ｐａに調整した。そして、工具に−１７０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ａｒイオンによる工具のクリーニング（ボンバード処理）を実施した。【００３３】
＜中間皮膜の成膜＞
次いで、以下の手順でＡｌＴｉＮの中間皮膜を工具上に被覆した。
炉内温度を４３０℃に保持したまま、スパッタリング装置の炉内にＡｒガスを１６０ｓｃｃｍで導入し、その後、Ｎ２ガスを１２０ｓｃｃｍで導入して炉内圧力を０．６０Ｐａとした。工具に−６０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ＡｌとＴｉを含有する合金ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を４．０ミリ秒、電力が印加される合金ターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間を１０マイクロ秒として、３個のＡｌＴｉ系合金ターゲットを切り替えながら連続的に電力を印加して、工具の表面に厚さ約１．５μｍの中間皮膜を被覆した。このとき、電力パルスの最大電力密度は、１．５ｋＷ／ｃｍ２、平均電力密度は０．３７ｋＷ／ｃｍ２とした。【００３４】
＜硬質皮膜の成膜＞
次いで、以下の手順で硬質皮膜を中間皮膜の上に被覆した。
炉内温度を４３０℃に保持したまま、スパッタリング装置の炉内にＡｒガスを１６０ｓｃｃｍで導入し、その後、Ｎ２ガスを８０ｓｃｃｍで導入して炉内圧力を０．５２Ｐａとした。工具に−４０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ＴｉとＳｉを含有する合金ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を４．０ミリ秒、電力が印加される合金ターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間を１０マイクロ秒として、３個のＴｉＳｉ系合金ターゲットを切り替えながら連続的に電力を印加して、中間皮膜の上に厚さ約１．５μｍの硬質皮膜を被覆した。このとき、電力パルスの最大電力密度は、１．５ｋＷ／ｃｍ２、平均電力密度は０．３７ｋＷ／ｃｍ２とした。【００３５】
比較例２は、実施例１および比較例１とは異なる装置を用いたスパッタリング法で被覆した試料を準備した。
成膜には、ＡｌＴｉ系合金ターゲット１個およびＴｉＳｉ系合金ターゲット１個を蒸着源に設けたスパッタリング装置を用いた。なお、寸法が５００ｍｍ×８８ｍｍ、厚み１０ｍｍのターゲットを用いた。実施例と同様にＡｒイオンにより工具のクリーニングを実施した。
スパッタリング装置の炉内圧力を５．０×１０−３Ｐａ以下に真空排気して、炉内温度を４３０℃とし、炉内圧力が０．６ＰａになるようにＡｒガスおよびＮ２ガスを導入した。そして、工具に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ＡｌＴｉ系合金ターゲットに５ｋＷの電力を供給して厚さ約１．５μｍの中間皮膜を被覆した。
続いて、工具温度を４３０℃に保持したまま、炉内圧力が０．６ＰａになるようにＡｒガスおよびＮ２ガスを導入した。そして、工具に−８０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ＴｉＳｉ系合金ターゲットに５ｋＷの電力を供給して厚さ約１．５μｍの硬質皮膜を被覆した。【００３６】
比較例３は、アークイオンプレーティング法で被覆した試料を準備した。
成膜には、ＡｌＴｉ系合金ターゲット１個およびＴｉＳｉ系合金ターゲット１個を蒸着源に設けたアークイオンプレーティング装置を用いた。なお、寸法がΦ１０．５ｃｍ、厚み１６ｍｍのターゲットを用いた。実施例と同様にＡｒイオンにより工具のクリーニングを実施した。
アークイオンプレーティング装置の炉内圧力を５．０×１０−３Ｐａ以下に真空排気して、炉内温度を４３０℃とし、炉内圧力が４．０ＰａになるようにＮ２ガスを導入した。工具に−５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ＡｌＴｉ系合金ターゲットに１５０Ａの電流を供給して厚さ約１．５μｍの中間皮膜を被覆した。
続いて、炉内温度を４３０℃に保持したまま、炉内圧力が４．０ＰａになるようにＮ２ガスを導入した。そして、工具に印加するバイアス電圧を−５０Ｖ、ＴｉＳｉ系合金ターゲットに１５０Ａの電流を供給して厚さ約１．５μｍの硬質皮膜を被覆した。【００３７】
＜皮膜組成＞
硬質皮膜の皮膜組成は、電子プローブマイクロアナライザー装置（株式会社日本電子製  ＪＸＡ−８５００Ｆ）を用いて測定した。具体的には、上記装置に付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）で硬質皮膜の皮膜組成を測定した。物性評価用のボールエンドミルを鏡面加工して試料とした。測定条件は、加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０−８Ａ、取り込み時間１０秒とし、分析領域が直径１μｍの範囲を５点測定してその平均値から硬質皮膜の金属含有比率および金属成分と非金属成分の合計におけるＡｒの含有比率を求めた。【００３８】
＜結晶構造・結晶粒径＞
硬質皮膜の結晶構造は、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製  ＲＩＮＴ２０００  縦型ゴニオメーター  固定モノクロメーター）を用いて特定した。管電圧４０ｋＶ、管電流３００ｍＡ、Ｘ線源Ｃｕｋα（λ＝０．１５４１８ｎｍ）、２θが２０〜７０度の測定条件で確認を行った。硬質皮膜の（２００）面のピーク強度の半価幅から、硬質皮膜の平均結晶粒径を測定した。【００３９】
＜皮膜硬さおよび弾性係数＞
硬質皮膜の皮膜硬さおよび弾性係数は、ナノインデンテーションテスター（エリオニクス（株）製ＥＮＴ−１１００ａ）を用いて分析した。分析は、皮膜の最表面に対し試験片を５度傾けた皮膜断面を鏡面研磨後、皮膜の研磨面内で最大押し込み深さが膜厚の略１／１０未満となる領域を選定した。押し込み荷重４９ｍＮ／秒の測定条件で１０点測定し、値の大きい側の２点と値の小さい側の２点を除いた６点の平均値から求めた。【００４０】
＜ＴＥＭ分析＞
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてミクロ組織の観察を実施した。また、ビーム直径が５ｎｍのナノビームを用いて、５０ｎｍ×５０ｎｍの領域に円相当径が５ｎｍ以上の非晶質相が存在するかを確認した。【００４１】
＜切削試験＞
作製した被覆切削工具を用いて切削試験を行った。表１に分析結果および切削試験結果を示す。切削条件は以下の通りである。
（条件）湿式加工
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＢＴＳ２１００、ボール半径５．０ｍｍ
・切削方法：底面切削
・被削材：ＨＰＭ３８（５２ＨＲＣ）（日立金属株式会社製）
・切り込み：軸方向、０．２ｍｍ、径方向、０．２ｍｍ
・切削速度：３１４．０ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．２ｍｍ／刃
・切削油：水溶性エマルジョン加圧供給
・切削距離：３００ｍ
・評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１５０倍で観察し、工具と被削材が擦過した幅を測定し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を最大摩耗幅とした。
各試料について、皮膜特性および皮膜組織を観察した。皮膜特性および切削評価の結果を表１に示す。【００４２】
【表１】
2017170536.tif 000003
【００４３】
実施例１は、従来のアークイオンプレーティング法で被覆した比較例３に対して、最大摩耗幅が約２０μｍも抑制され、優れた耐久性を示すことが確認された。なお、表中の「ｆｃｃ」は面心立方格子構造を表す。
比較例１は、硬質皮膜のＳｉの含有比率が少なかったために、硬度および耐熱性が低下し、実施例１に比べて摩耗幅が大きくなった。
比較例２は、従来のＤＣスパッタリング法で被覆した硬質皮膜であり、実施例１に比べて硬質皮膜のＡｒ含有比率が多く、硬度も低い。そのため、粗大な皮膜剥離が早期に発生した。
実施例１と比較例３の硬質皮膜は平均結晶粒径が７ｎｍの微細な結晶組織であり、ミクロ組織観察において円相当径が５ｎｍ以上の粗大な非晶質相は確認されなかった。そこで、実施例１と比較例３の耐久性の差異を明らかにするために、実施例１と比較例３について、走査型Ｘ線光電子分光装置を用いて、膜厚方向の組成分析を実施した。【００４４】
＜表面から深さ方向の原子濃度分布の測定＞
実施例１と比較例３について、走査型Ｘ線光電子分光装置（アルバック・ファイ（株）製Ｑｕａｎｔｕｍ−２０００）を用いて、皮膜の表面から深さ方向の原子濃度分布の測定を実施した。分析は、Ｘ線源ＡｌＫα、分析領域をΦ２０μｍ、電子中和銃を使用し、測定を実施した。皮膜の深さ方向の元素分布を測定するために、Ａｒイオン銃を使用し、ＳｉＯ２換算で１０ｎｍ／分の速度でエッチングを実施し、２０ｎｍエッチング毎に皮膜組成の分析を実施して硬質皮膜の表面から２００ｎｍまでの深さを分析した。
炭素、窒素、酸素、ケイ素およびチタンの合計の含有比率を１００原子％とし組成分析を行った。尚、硬質皮膜に上記以外の金属（半金属を含む）元素は含まれていない。実施例１の分析結果を表２示す。また、比較例３の分析結果を表３に示す。本測定法では、１原子％未満の分析値は測定精度が十分でないため、表２、３において１原子％未満の値は、「−」と示している。なお、いずれの試料においても、最表面には不可避不純物である酸素と炭素が多く検出されるため、皮膜表面からの深さ２０ｎｍの位置から分析を行った。【００４５】
【表２】
2017170536.tif 000004
【００４６】
【表３】
2017170536.tif 000005
【００４７】
従来のアークイオンプレーティング法で被覆した比較例３は、膜厚方向にわたって、酸素および炭素の含有比率が高いため、窒素の含有比率が５０．０原子％未満であり、硬質皮膜の全体に十分な窒化物が形成されていなかった。一方、実施例１は膜厚方向にわたって、酸素および炭素の含有比率が低く、かつ、窒素の含有比率が５０．０原子％以上であることが確認された。実施例１は硬質皮膜の膜厚方向にわたって窒素の含有比率が高く、硬質皮膜の全体に窒化物が十分に形成されるため、従来のアークイオンプレーティング法で被覆した比較例３に比べて摩耗幅が抑制されたものと推定される。
なお、表面からの深さが２００ｎｍよりも深い箇所においても、実施例１は酸素や炭素が少なく、窒素の含有比率が５０．０原子％以上であり、従来のアークイオンプレーティング法で被覆した比較例３は酸素や炭素が多く窒素の含有比率が５０．０原子％未満であることを確認した。【００４８】
実施例１の走査電子顕微鏡による表面観察写真を図１に示す。比較例３の走査電子顕微鏡による表面観察写真を図２に示す。実施例１は、円相当径が１．５μｍを超える粗大なドロップレットは確認されず、円相当径が１．０μｍ〜１．５μｍのドロップレットが、硬質皮膜の表面の１００μｍ２当たり３個であった。また、円相当径が０．５μｍ以上１．０μｍ未満のドロップレットは、硬質皮膜の表面の１００μｍ２当たり２個であった。鏡面加工した断面観察においては、円相当径が１．０μｍ〜１．５μｍのドロップレットが１００μｍ２当たり１個であり、円相当径が０．５μｍ以上〜１．０μｍ未満のドロップレットは、１００μｍ２当たり１個であった。
一方、アークイオンプレーティング法で被覆した比較例３は、円相当径が１．０μｍ以上のドロップレットは１０個以上であり、円相当径が２．０μｍ以上の粗大なドロップレットも確認された。また、円相当径が０．５μｍ以上１．０μｍ未満のドロップレットは、硬質皮膜の表面の１００μｍ２当たり４０個程度であった。同様に、鏡面加工した断面観察においても、円相当径が１．０μｍ以上のドロップレットは１００μｍ２当たり１０個以上であり、円相当径が０．５μｍ以上１．０μｍ未満のドロップレットは、１００μｍ２当たり４０個程度であった。【００４９】
上述した実施例では工具径が１０ｍｍのドロップレットの影響が少ない大径のボールエンドミルを用いての評価である。例えば工具径が１ｍｍ以下の小径工具においては、ドロップレットの影響がより大きくなるため、ドロップレットが少ない実施例の硬質皮膜を適用することで更なる工具寿命の改善が見込まれる。【００５０】
（第２実施例）
第２実施例では、第１実施例と同様の工具を用いて、単層の硬質皮膜の物性を評価した。第１実施例の実施例１と同様に、スパッタ蒸発源を６機搭載できるスパッタリング装置を使用し、ＴｉＳｉ系合金ターゲット３個を蒸着源として装置内に設置した。
第１実施例と同様のボンバード処理を行った後に、工具の表面に硬質皮膜を被覆した。【００５１】
実施例２０は、炉内温度を５００℃に保持したまま、スパッタリング装置の炉内にＡｒガスを１６０ｓｃｃｍで導入し、その後、Ｎ２ガスを８０ｓｃｃｍで導入して炉内圧力を０．５２Ｐａとした。工具に−４０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ＴｉとＳｉを含有する合金ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を４．０ミリ秒、電力が印加される合金ターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間を１０マイクロ秒として、３個のＴｉＳｉ系合金ターゲットに連続的に電力を印加して、厚さ約２．０μｍの硬質皮膜を被覆した。このとき、電力パルスの最大電力密度は、２．３ｋＷ／ｃｍ２、平均電力密度は０．３７ｋＷ／ｃｍ２とした。【００５２】
実施例２１は、炉内温度を４３０℃に保持したまま、スパッタリング装置の炉内にＡｒガスを１６０ｓｃｃｍで導入し、その後、Ｎ２ガスを１００ｓｃｃｍで導入して炉内圧力を０．５７Ｐａとした。工具に−４０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ＴｉとＳｉを含有する合金ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を４．０ミリ秒、電力が印加される合金ターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間を１０マイクロ秒として、３個のＴｉＳｉ系合金ターゲットに連続的に電力を印加して、厚さ約２．０μｍの硬質皮膜を被覆した。このとき、電力パルスの最大電力密度は、２．３ｋＷ／ｃｍ２、平均電力密度は０．３７ｋＷ／ｃｍ２とした。【００５３】
実施例２２は、炉内温度を４３０℃に保持したまま、スパッタリング装置の炉内にＡｒガスを１６０ｓｃｃｍで導入し、その後、Ｎ２ガスを８０ｓｃｃｍで導入して炉内圧力を０．５２Ｐａとした。工具に−４０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ＴｉとＳｉを含有する合金ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を４．０ミリ秒、電力が印加される合金ターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間を１０マイクロ秒として、３個のＴｉＳｉ系合金ターゲットに連続的に電力を印加して、厚さ約２．０μｍの硬質皮膜を被覆した。このとき、電力パルスの最大電力密度は、２．８ｋＷ／ｃｍ２、平均電力密度は０．３７ｋＷ／ｃｍ２とした。【００５４】
比較例２０は、炉内温度を４３０℃に保持したまま、スパッタリング装置の炉内にＡｒガスを１６０ｓｃｃｍで導入し、その後、Ｎ２ガスを８０ｓｃｃｍで導入して炉内圧力を０．５２Ｐａとした。工具に−６０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ＴｉとＳｉを含有する合金ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を４．０ミリ秒、電力が印加される合金ターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間を１０マイクロ秒として、３個のＴｉＳｉ系合金ターゲットに連続的に電力を印加して、厚さ約２．０μｍの硬質皮膜を被覆した。このとき、電力パルスの最大電力密度は、１．５ｋＷ／ｃｍ２、平均電力密度は０．３７ｋＷ／ｃｍ２とした。【００５５】
比較例２１は、炉内温度を４３０℃に保持したまま、スパッタリング装置の炉内にＡｒガスを１６０ｓｃｃｍで導入し、その後、Ｎ２ガスを６０ｓｃｃｍで導入して炉内圧力を０．４７Ｐａとした。工具に−４０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ＴｉとＳｉを含有する合金ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を４．０ミリ秒、電力が印加される合金ターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間を１０マイクロ秒として、３個のＴｉＳｉ系合金ターゲットに連続的に電力を印加して、厚さ約２．０μｍの硬質皮膜を被覆した。このとき、電力パルスの最大電力密度は、１．５ｋＷ／ｃｍ２、平均電力密度は０．３７ｋＷ／ｃｍ２とした。
各試料について、実施例１と同様に皮膜特性および皮膜組織を観察した。皮膜特性の結果を表４に示す。【００５６】
【表４】
2017170536.tif 000006
【００５７】
実施例２０〜２２は、Ａｒ含有比率が低く、また、膜厚方向にわたって窒素の含有比率が５０．０原子％以上であった。なお、表面からの深さが２００ｎｍよりも深い箇所においても、実施例２０〜２２の硬質皮膜は酸素や炭素が少なく窒素の含有比率が５０．０原子％以上であることを確認した。表５に実施例２１の走査型Ｘ線光電子分光装置（アルバック・ファイ（株）製Ｑｕａｎｔｕｍ−２０００）を用いた、皮膜の表面から深さ方向の原子濃度分布の測定結果を示す。実施例２１は膜厚方向における窒素の含有比率が５１原子％以上であり、特に窒素の含有比率が高くなることが確認された。
実施例２０〜２２は、何れも微粒な結晶粒径からなり、ミクロ組織観察において円相当径が５ｎｍ以上の粗大な非晶質相は確認されなかった。また、実施例２０〜２２の硬質皮膜は、表面および断面観察において、円相当径が１．５μｍを超える粗大なドロップレットは確認されず、円相当径が１．０μｍ〜１．５μｍのドロップレットが１００μｍ２当たり３個以下であった。
比較例２０は、膜厚方向にわたって窒素の含有比率が５０．０原子％以上であったが、成膜時に基材に印加する負のバイアス電圧の絶対値を大きくしたため、Ａｒ含有比率が高くなった。
比較例２１は、成膜時の窒素ガスの流量が少なく、膜厚方向にわたって窒素の含有比率が５０．０原子％未満となった。表６に比較例２１の走査型Ｘ線光電子分光装置（アルバック・ファイ（株）製Ｑｕａｎｔｕｍ−２０００）を用いた、皮膜の表面から深さ方向の原子濃度分布の測定結果を示す。ターゲットに順次電力を印加するスパッタリング法を適用しても、成膜時の窒素ガスの流量が適切でないと、硬質皮膜の膜厚にわたって窒素の含有比率が５０．０原子％以上にすることは困難となる。【００５８】
【表５】
2017170536.tif 000007
【００５９】
【表６】
2017170536.tif 000008
【００６０】
実施例２０〜２２は、比較例２０、２１よりも優れた工具寿命を示す傾向にあった。特に、窒素の含有比率の高い実施例２１は優れた工具寿命であった。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明に係る被覆切削工具は、高硬度鋼等の切削加工において優れた耐久性を有し、極めて有用である。
【図１】
2017170536.tif 000009
【図２】
2017170536.tif 000010
【図３】
2017170536.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月10日(2017.10.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具の表面に硬質皮膜を有する被覆切削工具であって、
前記硬質皮膜は窒化物であり、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、チタン（Ｔｉ）の含有比率が７０原子％以上９５原子％以下、シリコン（Ｓｉ）の含有比率が５原子％以上３０原子％以下であり、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．１原子％以下で含有しており、
前記硬質皮膜はＮａＣｌ型の結晶構造を有し、（２００）面が最大強度を示し、平均結晶粒径が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、
前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、窒素の含有比率が５０．０原子％以上、であることを特徴とする被覆切削工具。
【請求項２】
前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、酸素の含有比率が３原子％以下であること特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
【請求項３】
前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、炭素の含有比率が５原子％以下であること特徴とする請求項１または２に記載の被覆切削工具。
【請求項４】
前記硬質皮膜の深さ２０ｎｍから２００ｎｍまでの２０ｎｍごとの各組成が、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素、炭素の合計の含有比率を１００原子％とした場合、酸素と炭素の合計の含有比率が３原子％以下であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の被覆切削工具。
【請求項５】
前記硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡で組織観察した場合、５０ｎｍ×５０ｎｍの範囲内で円相当径が５ｎｍ以上の非晶質相が１個以下であることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の被覆切削工具。
【請求項６】
前記硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下であり、弾性係数が４００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の被覆切削工具。
【請求項７】
前記工具と前記硬質皮膜との間に中間皮膜を有することを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の被覆切削工具。
【請求項８】
前記硬質皮膜の表面および断面観察において、円相当径が１．５μｍ以上のドロップレットが無く、円相当径が１．０μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり５個以下であることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の被覆切削工具。
【国際調査報告】
2017170536.tif 000012
2017170536.tif 000013
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