(57)【要約】【課題】（ＡｌＣｒ）Ｎ系皮膜の欠点である硬度を高めることにより耐摩耗性を著しく改善し優れた工具寿命を発揮する被覆ハイス工具を提供する。【解決手段】被覆ハイス工具において、該被覆はアーク放電式イオンプレーティング法により被覆された（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、０．４５＜ｘ＜０．８５、０≦ｙ＜０．３５、０．５０≦ｘ＋ｙ＜１．０、０≦α＜０．１５、０≦β＜０．６５、０＜γ＜０．６５、０＜α＋β＋γ≦１．０の１層以上からなり、岩塩構造型の（２００）面に回折強度を有し、その半価幅が、０．５度以上、２．０度以下であり、Ｘ線光電子分光分析における５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲に、少なくともＡｌ、Ｃｒ及び／又はＳｉと酸素との結合エネルギーを有し、該ハイス工具の基体は粉末高速度鋼からなり、ＶとＣｏの和が１０≦（Ｖ＋Ｃｏ）≦２０、Ｃｒが２≦Ｃｒ≦６であり、前記ハイス工具は、タップ、総形フライス、サイドカッター、歯切り工具等である。【選択図】図１
2004314196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆ハイス工具において、該被覆はアーク放電式イオンプレーティング法により被覆された硬質皮膜であり、該硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜ｘ＜０．８５、０≦ｙ＜０．３５、０．５０≦ｘ＋ｙ＜１．０、０≦α＜０．１５、０≦β＜０．６５、０＜γ＜０．６５、０＜α＋β＋γ≦１．０で示される少なくとも１層以上からなり、θ−２θ法によるＸ線回折において測定される岩塩構造型の（２００）面に回折強度を有し、その回折ピークの２θの半価幅が、０．５度以上、２．０度以下であり、Ｘ線光電子分光分析における５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲に、少なくともＡｌ、Ｃｒ及び／又はＳｉと酸素との結合エネルギーを有し、該ハイス工具の基体は粉末高速度鋼からなり、ＶとＣｏの和が重量％で１０≦（Ｖ＋Ｃｏ）≦２０、Ｃｒが重量％で２≦Ｃｒ≦６であり、前記ハイス工具はリーマであることを特徴とする被覆ハイス工具。
【請求項２】
被覆ハイス工具において、該被覆はアーク放電式イオンプレーティング法により被覆された硬質皮膜であり、該硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜ｘ＜０．８５、０≦ｙ＜０．３５、０．５０≦ｘ＋ｙ＜１．０、０≦α＜０．１５、０≦β＜０．６５、０＜γ＜０．６５、０＜α＋β＋γ≦１．０で示される少なくとも１層以上からなり、θ−２θ法によるＸ線回折において測定される岩塩構造型の（２００）面に回折強度を有し、その回折ピークの２θの半価幅が、０．５度以上、２．０度以下であり、Ｘ線光電子分光分析における５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲に、少なくともＡｌ、Ｃｒ及び／又はＳｉと酸素との結合エネルギーを有し、該ハイス工具の基体は粉末高速度鋼からなり、ＶとＣｏの和が重量％で１０≦（Ｖ＋Ｃｏ）≦２０、Ｃｒが重量％で２≦Ｃｒ≦６であり、前記ハイス工具はタップであることを特徴とする被覆ハイス工具。
【請求項３】
被覆ハイス工具において、該被覆はアーク放電式イオンプレーティング法により被覆された硬質皮膜であり、該硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜ｘ＜０．８５、０≦ｙ＜０．３５、０．５０≦ｘ＋ｙ＜１．０、０≦α＜０．１５、０≦β＜０．６５、０＜γ＜０．６５、０＜α＋β＋γ≦１．０で示される少なくとも１層以上からなり、θ−２θ法によるＸ線回折において測定される岩塩構造型の（２００）面に回折強度を有し、その回折ピークの２θの半価幅が、０．５度以上、２．０度以下であり、Ｘ線光電子分光分析における５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲に、少なくともＡｌ、Ｃｒ及び／又はＳｉと酸素との結合エネルギーを有し、該ハイス工具の基体は粉末高速度鋼からなり、ＶとＣｏの和が重量％で１０≦（Ｖ＋Ｃｏ）≦２０、Ｃｒが重量％で２≦Ｃｒ≦６であり、前記ハイス工具は総形フライスであることを特徴とする被覆ハイス工具。
【請求項４】
被覆ハイス工具において、該被覆はアーク放電式イオンプレーティング法により被覆された硬質皮膜であり、該硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜ｘ＜０．８５、０≦ｙ＜０．３５、０．５０≦ｘ＋ｙ＜１．０、０≦α＜０．１５、０≦β＜０．６５、０＜γ＜０．６５、０＜α＋β＋γ≦１．０で示される少なくとも１層以上からなり、θ−２θ法によるＸ線回折において測定される岩塩構造型の（２００）面に回折強度を有し、その回折ピークの２θの半価幅が、０．５度以上、２．０度以下であり、Ｘ線光電子分光分析における５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲に、少なくともＡｌ、Ｃｒ及び／又はＳｉと酸素との結合エネルギーを有し、該ハイス工具の基体は粉末高速度鋼からなり、ＶとＣｏの和が重量％で１０≦（Ｖ＋Ｃｏ）≦２０、Ｃｒが重量％で２≦Ｃｒ≦６であり、前記ハイス工具はサイドカッターであることを特徴とする被覆ハイス工具。
【請求項５】
被覆ハイス工具において、該被覆はアーク放電式イオンプレーティング法により被覆された硬質皮膜であり、該硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜ｘ＜０．８５、０≦ｙ＜０．３５、０．５０≦ｘ＋ｙ＜１．０、０≦α＜０．１５、０≦β＜０．６５、０＜γ＜０．６５、０＜α＋β＋γ≦１．０で示される少なくとも１層以上からなり、θ−２θ法によるＸ線回折において測定される岩塩構造型の（２００）面に回折強度を有し、その回折ピークの２θの半価幅が、０．５度以上、２．０度以下であり、Ｘ線光電子分光分析における５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲に、少なくともＡｌ、Ｃｒ及び／又はＳｉと酸素との結合エネルギーを有し、該ハイス工具の基体は粉末高速度鋼からなり、ＶとＣｏの和が重量％で１０≦（Ｖ＋Ｃｏ）≦２０、Ｃｒが重量％で２≦Ｃｒ≦６であり、前記ハイス工具は歯切り工具であることを特徴とする被覆ハイス工具。
【請求項６】
請求項１乃至５記載の被覆ハイス工具において、該硬質皮膜のθ−２θ法によるＸ線回折で測定される岩塩構造型の（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）とした時、０．３＜Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＜１２であることを特徴とする被覆ハイス工具。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の被覆ハイス工具において、該硬質皮膜はナノインデンテーションによる硬度測定により求められる弾性回復率Ｅが、２８％≦Ｅ≦４０％であることを特徴とする被覆ハイス工具。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の被覆ハイス工具において、該硬質皮膜の最表面から膜厚深さ方向に５００ｎｍ以内の深さ領域で酸素濃度が最大となることを特徴とする被覆ハイス工具。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の被覆ハイス工具において、該硬質皮膜表面の凸部を機械的処理により平滑にしたことを特徴とする被覆ハイス工具。
【請求項１０】
請求項１乃至９いずれかに記載の被覆ハイス工具において、該被覆基体の硬さがＨＲＣ６４以上、ＨＲＣ７１未満であることを特徴とする被覆ハイス工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金型、機械部品等の切削加工に使用されるハイス工具の表面被覆材として有用な硬質皮膜を被覆することにより、優れた耐摩耗性を発揮する被覆ハイス工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金型や機械構造部品等の切削加工に使用されるハイス工具として、リーマ、タップ、総形フライス、サイドカッター、歯切り工具等、ハイス工具が使用されている。これらのハイス工具は、ハイスの特長を生かし、切込み量を大きくとることができ適している。しかしながら、近年の切削加工の分野では、粗切削加工の長寿命化並びにコスト低減のため、高能率化を目的とした高速加工及び被加工物の高硬度化等が求められており、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜を被覆したハイス工具では、これらの要求に対して満足される切削寿命は得られてはいない。そこで、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜よりも、耐高温酸化特性に優れた硬質皮膜材として、ＡｌＣｒ系皮膜が下記に示す特許文献１から３に開示されている。
【特許文献１】特許第３０２７５０２号公報（第６頁、図１）
【特許文献２】特許第３０３９３８１号公報（第４頁、図１）
【特許文献３】特開平２００２−１６０１２９号公報（第３頁、図１）
【０００３】
特許文献１は金属成分としてＡｌＣｒとＣ、Ｎ、Ｏの１種より選択されるＡｌＣｒ系硬質膜において、高硬度を有する非晶質膜に関する事例が開示されている。しかしこの非晶質膜の硬度は最大でもヌープ硬さ２１ＧＰａ程度であり、ハイス工具として、耐摩耗効果は改善されず、密着性に関しても十分ではない。特許文献２及び特許文献３に開示されている硬質皮膜はＡｌＣｒの窒化物であり、約１０００℃の耐高温酸化特性を有しているが、１０００℃以上の耐酸化特性の検討は行われていない。また硬度はビッカ−ス硬さ２１ＧＰａ程度で硬度の改善が不十分であり耐摩耗性に乏しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、上記の問題点を改善し、（ＡｌＣｒ）Ｎ系皮膜の欠点である硬度を高めることにより耐摩耗性を著しく改善し、その結果優れた工具寿命を発揮する被覆ハイス工具を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するために手段】
本発明は、被覆ハイス工具において、該被覆はアーク放電式イオンプレーティング法により被覆された硬質皮膜であり、該硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β、γは夫々原子比率を示し、０．４５＜ｘ＜０．８５、０≦ｙ＜０．３５、０．５０≦ｘ＋ｙ＜１．０、０≦α＜０．１５、０≦β＜０．６５、０＜γ＜０．６５、０＜α＋β＋γ≦１．０で示される少なくとも１層以上からなり、θ−２θ法によるＸ線回折において測定される岩塩構造型の（２００）面に回折強度を有し、その回折ピークの２θの半価幅が、０．５度以上、２．０度以下であり、Ｘ線光電子分光分析における５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲に、少なくともＡｌ、Ｃｒ及び／又はＳｉと酸素との結合エネルギーを有し、該ハイス工具の基体は粉末高速度鋼からなり、ＶとＣｏの和が重量％で１０≦（Ｖ＋Ｃｏ）≦２０、Ｃｒが重量％で２≦Ｃｒ≦６であり、前記ハイス工具はリーマであることを特徴とする被覆ハイス工具である。上記構成をリーマ以外にもタップ、総形フライス、サイドカッター、歯切り工具等に採用することにより、基体と硬質皮膜との密着性に特に優れ、高硬度化することが可能となり、その結果、優れた耐摩耗性を発揮する本発明の被覆ハイス工具を完成させた。
【０００６】
本発明硬質皮膜は、θ−２θ法によるＸ線回折で測定される岩塩構造型の（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）とした時、０．３＜Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＜１２である場合、硬質皮膜内に残留する圧縮応力が低減され、基体との密着性に優れるとともに、皮膜硬度並びに耐酸化性改善への寄与が大きい。また、ナノインデンテーションによる硬度測定法により接触深さと最大荷重時の最大変位量が求められる（Ｗ．  Ｃ．  Ｏｌｉｖｅｒ  ａｎｄ  Ｇ．  Ｍ．  Ｐｈａｒｒ：  Ｊ．  Ｍａｔｅｒ．  Ｒｅｓ．，  Ｖｏｌ．７，  Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ、１９９２、１５６４−１５８３）。この数値を用いて、
Ｅ＝１００−｛（接触深さ）／（最大荷重時の最大変位量）｝
の数式で、弾性回復率Ｅを定義し、２８％≦Ｅ≦４０％とすることにより、耐摩耗性と密着性のバランスが最適となる。更に、該硬質皮膜の最表面から深さ方向に５００ｎｍ以内の深さ領域で酸素濃度が最大となる場合、耐高温酸化特性並びに耐摩耗特性改善に極めて有効である。また、本願発明の硬質皮膜は、硬質皮膜表面の凸部を機械的処理により平滑にすると、表面の摩擦係数が低減し、これによって切屑排出性が改善される。本発明の被覆ハイス工具は、粉末法により作成された高速度鋼、且つ基体の硬さがＨＲＣ６４以上、ＨＲＣ７１未満であることが特に好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の硬質皮膜を構成する金属元素の組成は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）において、ｘが０．４５＜ｘ＜０．８５、ｙが０≦ｙ＜０．３５、０．５０≦ｘ＋ｙ＜１．０を満足する必要がある。ｘの値が０．４５以下、またｘ＋ｙの値が０．５未満の場合では、皮膜硬度並びに耐高温酸化特性の改善効果が十分ではなく、ｘの値が０．８５以上またはｘ＋ｙの値が１の場合、皮膜硬度の著しい低下を招き耐摩耗性に劣る。またｙの値が０．３５以上では、硬質皮膜内に残留する圧縮応力が過大になり、被覆直後に自己破壊を誘発するなどの基体への密着強度を著しく低下させる場合がある。非金属元素の組成は、（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）において、αは０．１５以上では皮膜が脆化し、好ましいαの上限値は０．０７である。硼素の添加は被加工物との耐溶着性と高温環境下での摩擦係数を低減し、潤滑性を向上させる効果がある。βは０．６５以上で皮膜が著しく脆化する。炭素の含有量の上限値は、炭素を含有する層厚に依存する。炭素を含有する層厚が０．５μｍ未満であれば、βの上限値は０．５である。炭素の添加は硬質皮膜の硬度を高めると同時に、摩擦係数を低減し、潤滑性を向上させる効果がある。γは０を超えて大きく、０．６５未満にすることが必要である。γが０の場合、耐高温酸化特性並びに皮膜硬度が充分ではなく耐摩耗性に乏しい。０．６５以上でも皮膜硬度が低下する。好ましいγの値は、酸素を含有する層厚に依存するが、０．５μｍ未満であれば、γの上限値は０．３である。酸素の添加は、硬質皮膜内に残留する圧縮応力を低減し、基体と皮膜との密着性を向上させる作用に加え、皮膜が緻密化することによる高硬度化と酸素の拡散経路である基体と垂直方向の結晶粒界を減少させることより、耐高温酸化性の改善に効果的である。更に、金属元素のＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉに対する非金属元素のＮ、Ｂ、Ｃ、Ｏの比は、化学量論的に（Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｏ）／（Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ）＞１．０がより好ましい。
【０００８】
本発明の硬質皮膜はθ−２θ法によるＸ線回折において測定される岩塩構造型の（２００）面に回折強度を有し、その回折ピークの２θの半価幅が、０．５度以上、２．０度以下とした。その理由は、０．５未満の場合は結晶粒が粗大化し、皮膜硬度並びに高温酸化特性が充分ではなく、耐摩耗性に乏しく、２．０を超えると皮膜が脆化し、基体密着強度を著しく劣化させるためである。
【０００９】
硬質皮膜はＸ線光電子分光分析にて、５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲に少なくともＡｌ、Ｃｒ及び／又はＳｉと酸素との結合エネルギーを有することが必要である。これは、これら金属元素が酸素との結合を有することにより、皮膜が緻密化し高硬度化され、さらに酸化雰囲気において酸素の拡散経路となる基体に対して垂直方向の結晶粒界が減少し、酸素の内向拡散を抑制する機能を有することによるものである。本発明皮膜の特徴である、Ｃｒ、Ａｌ及び／又はＳｉと酸素との結合状態を形成するには、最適な被覆条件と一定以上の酸素を硬質皮膜内に含有させることが必要である。
【００１０】
被覆ハイス工具の被覆基体は、粉末高速度鋼からなり、ＶとＣｏの和が重量％で１０≦（Ｖ＋Ｃｏ）≦２０、Ｃｒが重量％で２≦Ｃｒ≦６である。（Ｖ＋Ｃｏ）の値が重量％で２０を超える場合、切れ刃のチッピングが増加する傾向にあり、（Ｖ＋Ｃｏ）の値が重量％で１０未満の場合、耐摩耗性が十分ではない。また、（Ｖ＋Ｃｏ）が上記範囲内を満足してしてもＣｒ含有量が重量％で２未満となる場合、耐摩耗性が十分ではなく、重量％が６を超える場合、切刃のチッピングが増加する傾向にある。これらの構成により、被覆ハイス工具による粗切削加工の高能率並びに長寿命化を達成することが可能となる。
【００１１】
被覆ハイス工具において、該硬質皮膜のθ−２θ法によるＸ線回折で測定される岩塩構造型の（１１１）面の回折強度をＩ（１１１）、（２００）面の回折強度をＩ（２００）とした時、０．３＜Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＜１２とすることが好ましい。皮膜の密着性は残留圧縮応力に強く依存し、この残留圧縮応力は被覆条件であるイオンエネルギーに強く依存している。即ち、イオンエネルギーが低い条件下では皮膜の残留圧縮応力は低い結果となる。逆に、イオンエネルギーが高い条件下では皮膜の残留圧縮応力は高い結果となる。ここで、イオンエネルギーを決定する要素は、具体的には被覆条件であるバイアス電圧、反応ガス圧力であり、これによって制御することができる。本発明は、残留圧縮応力が高い場合、Ｘ線回折において皮膜は（１１１）面に強く配向する傾向を示し、皮膜の硬度も、この高い残留圧縮応力の影響を受けて高硬度とする事が可能となる。一方、皮膜の密着性に着目すると、硬質皮膜内の残留圧縮応力を高くすると、皮膜の高硬度化を達成できるが、基体と皮膜界面近傍において、せん断応力が増大する方向に作用するため、密着性を損なうこととなり、好ましくない。従って、基体と皮膜との密着性及び皮膜硬度とのバランスを最適に制御することが重要となる。本発明では、０．３＜Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＜１２とすることにより、両者のバランスを最適に制御することを可能にした。
【００１２】
ナノインデンテーション硬度測定法によるＥは、２８％≦Ｅ≦４０％であり、皮膜の被覆条件であるバイアス電圧、反応ガス圧やその分圧比、成膜時の基体温度を最適に制御することにより達成でき好ましい。Ｅが４０％を超える場合、硬質皮膜内に残留圧縮応力が高くなり過ぎて靭性に乏しくなり密着性を劣化させる場合がある。２８％未満となる場合は強度不足による異常摩耗等により耐摩耗性が十分でない場合が確認された。さらに好ましいＥの値は３０％〜３５％である。
【００１３】
更に、該硬質皮膜の最表面から深さ方向に５００ｎｍ以内の深さ領域で酸素濃度が最大となる場合、特に切削寿命に優れ好ましい。切削過程における硬質皮膜の酸化は硬質皮膜最表面からの酸素の拡散が支配的である。従って、硬質皮膜表面を酸素リッチにすることにより、結晶を緻密化し酸素の拡散経路となる基体と垂直方向成分の結晶粒界を減少させることができ、より耐高温酸化特性に優れ切削寿命が向上する。また、硬質皮膜最表面を酸素リッチにすることにより、切り屑流れを助長する効果も確認され、潤滑特性を改善することも可能となり好ましい。
【００１４】
本発明の皮膜を被覆し、被覆基体表面の研磨面や研削面に沿った硬質皮膜表面の凸部や、被覆中に発生したマクロ粒子等の付着により凸部が形成される場合があるため、その凸部を機械的処理により平滑にすることにより、切屑除去効果に更に優れ望ましい。更に、被覆後に切刃エッジに機械的処理を施すことにより、なじみ効果も確認され、耐欠損、耐チッピング特性を改善することができ、より好ましい被覆ハイス工具を得ることができる。
【００１５】
被覆ハイス工具は、基体は粉末法により作成された高速度鋼からなり、且つ基体の硬さがＨＲＣ６４以上、ＨＲＣ７１未満であることが更に望ましい。そのときの被覆基体としては、粉末高速度鋼を使用することにより、過酷な粗加工においても、耐摩耗性に優れ、工具折損、切刃チッピングを抑制することが可能であり好ましい。母材がＨＲＣ６４未満となる場合、過酷な切削環境下において塑性変形を伴った摩耗進行も確認され、刃先強度が十分ではなく好ましくない。また、ＨＲＣ７１以上の場合は、切刃チッピングや欠けを生じる場合があり、好ましくない。
【００１６】
本発明である該硬質皮膜は、アークイオンプレーティング法による被覆により、基体との密着性に特に優れ、緻密で耐高温酸化特性、高硬度を有する極めて長寿命を有する被覆ハイス工具が得られる。
【００１７】
該硬質皮膜の結晶粒のアスペクト比について、本発明の皮膜破断面の膜厚Ｔについて、膜厚Ｔの２５％から５０％の厚みであるＴ１に相当する上下膜厚方向の上端位置と下端位置とを求める。この時、上端位置と下端位置は、Ｔ／２に相当する基準位置より上下膜厚方向に略均等となる様に割り振る。各上下端位置における水平方向の上端側粒径Ｋと下端側粒径Ｌを求める。そこで、アスペクト比をＴ１／（（Ｋ＋Ｌ）／２）とすると、柱状結晶構造からなる該硬質皮膜の結晶粒のアスペクト比が、０．２から１２である。アスペクト比が１２を超えて大きくなると、結晶粒が膜厚方向に細長くなり、皮膜の靭性が低下し好ましくない。０．２未満では粒状結晶が増加する傾向となり、皮膜硬度が低下し好ましくない。更に、該硬質皮膜の残留圧縮応力が、０．５ＧＰａ以上、４．０ＧＰａ以下であることが、硬質皮膜に靭性を持たせ、皮膜硬度と基体密着性とのバランスに適した範囲となり、性能の改善に効果的である。
【００１８】
更に、本発明の硬質皮膜において金属成分の１０原子％未満を周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属成分の少なくとも１種以上で置き換えた場合、また本発明に関わる硬質皮膜を１層以上含有する複層構造においても、本発明である被覆ハイス工具の特性を補完することが可能となり好ましく、また、基体との密着性を更に改善する目的等で、最下層にＴｉＮ系皮膜、（ＴｉＡｌ）Ｎ系皮膜等を用いることも本発明の技術的範囲に含まれるものである。以下、実施例に基づき、本発明を具体的に説明する。
【００１９】
【実施例】
（実施例１）
成膜には酸素を３２００ｐｐｍ含有した粉末法により作成した合金ターゲットを用いた。硬質皮膜内への炭素、酸素、硼素の添加には、反応ガスであるＮ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｃ２Ｈ２ガス、Ａｒガス、Ｏ２ガス、Ｂ３Ｎ３Ｈ６ガスから目的の皮膜が得られるものを１種以上、もしくはその組合せによるガスを選択し、真空装置内へ導入した。各反応ガスを真空装置内に導入後、全圧を１２Ｐａ、負バイアス電圧を−１６０Ｖ／正バイアス電圧を＋４０Ｖのパルスバイアス電圧を用い、そのときの周波数を２０ｋＨｚ、振幅をマイナス側に８０％で行った。被覆温度は４５０℃、膜厚を約３．５μｍとし、（Ａｌ０．６５Ｃｒ０．３５）（Ｎ０．８０Ｃ０．０８Ｏ０．１０Ｂ０．０２）からなる硬質皮膜を被覆し、本発明例１とした。被覆条件は上記被覆条件に限定されるものではない。皮膜組成は、電子プローブＸ線マイクロアナリシス及びオージェ電子分光法により決定した。硬質皮膜内の酸素との結合状態を解析するためのＸ線光電子分光分析は、ＰＨＩ社製１６００Ｓ型Ｘ線光電子分光分析装置を用い、Ｘ線源はＭｇＫαを用い４００Ｗとし、分析領域を直径０．４ｍｍの円内部を分析した。十分に脱脂洗浄した後、真空装置内で５分間Ａｒイオンガンを用いて表面をエッチングした後、ワイドスペクトルを測定し、更に３０秒間エッチングした後、ナロースペクトルを測定した。ＡｒイオンガンによるエッチングレートはＳｉＯ２換算で１．９ｎｍ／分であった。本発明例１のＸ線光電子分光分析結果を図１に示す。図１は結合エネルギーが５３０ｅＶ近傍のナロースペクトル示し、Ｃｒ−Ｏ及びＡｌ−Ｏの結合の存在を示す。図２はＣｒ−Ｎ及びＣｒ−Ｏの結合の存在を示す。図３はＡｌ−Ｎ及びＡｌ−Ｏの結合の存在を示す。図４は、本発明例１のθ−２θ法によるＸ線回折結果を示す。
【００２０】
（実施例２）
実施例１と同様に、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ０．９５Ｏ０．０５）を成膜し、比較例２、ｘ＝０．２０、ｙ＝０、比較例３、ｘ＝０．３０、ｙ＝０、本発明例４、ｘ＝０．５０、ｙ＝０、本発明例５、ｘ＝０．６０、ｙ＝０、本発明例６、ｘ＝０．７０、ｙ＝０、本発明例７、ｘ＝０．８０、ｙ＝０及び（ＡｌｘＣｒ１−ｘ）Ｎ系の比較例８、ｘ＝９０、ｙ＝０、従来例９、ｘ＝０．２０、従来例１０、ｘ＝０．５０、従来例１１、ｘ＝０．７０、を製作し、ナノインデンテーション法による押込硬さを測定した。試験機は微小押込み硬さ試験機を用い、圧子はダイヤモンド製の対稜角１１５度の三角錐圧子を用い、最大荷重を４９ｍＮ、荷重負荷ステップ４．９ｍＮ／ｓｅｃ、最大荷重時の保持時間は１秒とした。測定試料は、硬質皮膜断面を５度で傾斜させ、鏡面加工したものを用い、膜厚が２〜３μｍになる位置において、１０点測定しその平均値を求めた。本発明例４〜７のＸ線光電子分光分析結果から５２５ｅＶから５３５ｅＶの範囲に、Ａｌ、Ｃｒ及び／又はＳｉと酸素との結合エネルギーが存在することを確認した。図５より、本発明例４〜７、Ａｌ添加量、４５〜８５原子％の範囲で、酸素を含有しない従来例より著しい硬化が確認された。本発明の硬質皮膜は、酸素を含有し、且つ金属元素と酸素の結合を形成する事により、高硬度となり、４０ＧＰａ以上の硬度を得ることが出来る。これによって密着性並びに耐摩耗性に優れた被覆ハイス工具が得られる。
【００２１】
（実施例３）
粉末高速度鋼を基体に用い、表１に示す皮膜組成の、本発明例１２〜２２、比較例２３〜３０及び従来例１０を製作した。被覆条件は実施例１に準ずる。表１に皮膜の組成等を示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１の試料を用いて、大気中１１００℃の酸化条件で処理した皮膜の酸化層の厚さ、実施例２同様に微小押込み硬さ、薄板の変形量より算出した残留圧縮応力、弾性回復率を測定した。表１より、酸化層厚さは、本発明例１２〜２２は、殆ど酸化進行が無く、耐高温酸化特性に優れていることが確認された。従来例１０は酸化進行が著しく、硬質皮膜は殆ど酸化物となり、酸素の内向拡散が激しく、酸化層は基体まで到達していた。押込み硬さも炭素、硼素を含有させることにより、更に高硬度となる。残留圧縮応力は、本発明例１２〜２２は低く、更に、図６に示す、本発明例１２及び従来例１０の荷重変位曲線より、本発明例１２は、最大荷重時における最大変位量が大きいにもかかわらず、塑性変形量が小さい。すなわち、同一応力が硬質皮膜に作用した際、弾性回復する割合が大きく、被覆基体の塑性変形に追従し易く、また塑性変形し難いことを示すものである。この荷重変位曲線より弾性回復率Ｅを求めた。Ｅが大きい程、弾性回復特性に優れる。表１より、本発明例１２〜２２は弾性回復特性に優れ、硬質皮膜の剥離やクラックの低減が可能となり、密着性に優れた硬質皮膜を得ることができる。これは、皮膜硬度差よりも大きな効果がある。
【００２４】
次に、表１の本発明例及び比較例を用いて圧痕試験による皮膜剥離状況を併記する。測定はロックウェル硬度計により１４７０Ｎの荷重で圧痕を形成し、光学顕微鏡により圧痕周辺部の剥離状況を観察した。本発明例１２〜２２は剥離が無く、優れた密着性を示した。これは本発明例が適正なＥ値の範囲内にあるためである。比較例２３〜３０、従来例１０は被覆基体の塑性変形に追従することができず、圧痕周辺部に膜剥離が発生した。
【００２５】
（実施例４）
表１に示す本発明例１２から２２、比較例２３から３０及び従来例１０の硬質皮膜を、外径８ｍｍ、４枚刃、粉末高速度鋼製のリーマに被覆した。被覆条件は実施例１に準ずる。表１に示す本発明例１２から２２、比較例２３から３０及び従来例１０の被覆リーマを用いて、下記条件の切削試験を行い仕上げた加工穴数を表１に併記する。
（切削条件）
ワーク：Ｓ５５Ｃ
切削速度：８ｍ／ｍｉｎ
送り量：０．０３ｍｍ／刃
評価：ドリル下穴に対する仕上げ加工における加工数
【００２６】
表１より、本発明例１２から２２の被覆ハイス工具は、従来例１０と比較して穴加工数が多く、耐摩耗性に優れている。本発明例１３は本発明皮膜被覆後にダイヤモンド粒子を含有した粒子を工具すくい面に投射することにより、硬質皮膜表面を平滑にしたが、本発明例１２と比較しても、より加工数が延長している。本発明例２１は硬質皮膜最表面の酸素濃度が高く、硬質皮膜内部が硬質皮膜最表面に比べ、低い場合の発明例を示すが、極めて寿命が長い。比較例２３は被覆条件をバイアス電圧−２５Ｖで被覆した硬質皮膜のＸ線回折による（２００）面の半価幅が０．４となり、本発明例に比べて穴加工数が少ない。比較例２４はターゲットに含有する酸素濃度が１２００ｐｐｍからなるターゲットを使用した場合を示すが、Ｘ線光電子分光分析により酸化物としての結合状態が確認されず、本発明例に比べて穴加工数が少ない。比較例２５は高速度鋼母材中の（Ｖ＋Ｃｏ）が２１．２重量％の場合の比較例であるが本発明例に比較して、穴加工数が少ない。比較例２６は高速度鋼母材中のＣｒが１．８重量％の場合の比較例であるが本発明例に比較して寿命が短い。比較例２７は、本発明例１２と同一皮膜であるが溶解法により作成した高速度鋼基体の場合の比較例を示すが、耐摩耗性が十分ではなく、粉末法により作成した本発明例に比べ工具寿命が短い。比較例２８はＡｌ含有量が９０原子％の場合であり、切削寿命が短く耐摩耗性に劣る。比較例２９は酸素含有量が７７原子％の場合であるが、耐摩耗性が十分ではない。比較例３０はＡｌ含有量が４３原子％の場合であるが耐摩耗性が十分ではない。
【００２７】
（実施例５）
上記本発明例１２の基体を用いて、外径１２ｍｍ、４枚刃のタップ、ダブテール形の総形フライス、サイドカッター及び歯切り工具（ホブ）に、本発明例１２の皮膜を各々被覆した。切削に供した結果、各工具とも正常な摩耗を示し、良好な結果が得られた。
【００２８】
【発明の効果】
本願発明の被覆ハイス工具を適用することにより、過酷な切削加工に用いても十分な耐摩耗性を有し、基体表面とその直上の硬質皮膜との密着性改善を図り、更に高硬度で耐高温酸化特性に優れた被覆ハイス工具を得ることが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明例のＣｒ−Ｏ及びＡｌ−Ｏの結合エネルギーを示す。
【図２】図２は、本発明例のＣｒ−Ｎ及びＣｒ−Ｏの結合エネルギーを示す。
【図３】図３は、本発明例のＡｌ−Ｎ及びＡｌ−Ｏの結合エネルギーを示す。
【図４】図４は、本発明例のＸ線回折結果を示す。
【図５】図５は、本発明例と従来例のＡｌ添加量と皮膜硬度の関係を示す。
【図６】図６は、本発明例１２及び従来例１０の荷重変位曲線を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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