(57)【要約】【課題】ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜が高い付着強度で工具母材に設けられ、そのＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜が有する優れた被膜性能が適切に得られるようにする。【解決手段】Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc の窒化物または炭窒化物から成るＩ層２２が工具母材１２の表面上に設けられるとともに、ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜から成るII層２６が最表層となるように、それ等のＩ層２２およびII層２６が交互に２層以上積層されて硬質被膜２０が構成されているため、高い付着強度が得られる。また、Ｉ層２２およびII層２６の層厚Ｔ１、Ｔ２は何れも５０ｎｍを超えており、且つ被膜全体の総膜厚Ｔtotal は０．１μｍ〜２０μｍの範囲内であるため、II層２６を構成しているＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜が有する優れた被膜性能が適切に得られ、高負荷時の工具寿命が向上するとともに、溶着が抑制されることで加工面粗さが向上する。【選択図】図１
2013052477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質被膜で表面が被覆されている硬質被膜被覆工具において、
Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．３≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．７、且つａ＋ｂ＋ｃ＝１〕の窒化物または炭窒化物から成るＩ層と、
ＣｒＡｌＮから成る窒化物相とＢＮ相とが三次元的に混じり合う複合膜であるII層と、
を有し、工具母材の表面上に前記Ｉ層が設けられるとともに前記II層が最表層となるように、該Ｉ層および該II層が交互に２層以上積層されて前記硬質被膜が構成されている一方、
前記Ｉ層および前記II層の層厚は何れも５０ｎｍを超えており、被膜全体の総膜厚は０．１μｍ〜２０μｍの範囲内である
ことを特徴とする硬質被膜被覆工具。
【請求項２】
前記Ｉ層のうち少なくとも前記工具母材の表面上に設けられたものはアークイオンプレーティング法で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜被覆工具。
【請求項３】
前記II層はスパッタリング法で形成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜被覆工具。
【請求項４】
前記II層における前記ＢＮ相の含有率は８ vol％〜２８ vol％の範囲内である
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質被膜被覆工具。
【請求項５】
前記Ｉ層と前記II層との間には、前記ＢＮ相の含有率が連続的に増加または減少する遷移層が設けられている
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の硬質被膜被覆工具。
【請求項６】
前記硬質被膜は、前記Ｉ層および前記II層が交互に４層以上設けられた多層膜で、前記工具母材の表面上に設けられた該Ｉ層はアークイオンプレーティング法で形成され、その他の該Ｉ層および該II層は総てスパッタリング法で形成されている
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の硬質被膜被覆工具。
【請求項７】
前記硬質被膜は、前記Ｉ層および前記II層が交互に４層以上設けられた多層膜で、前記工具母材の表面上に設けられたものを含めて該Ｉ層は総てアークイオンプレーティング法で形成され、該II層は総てスパッタリング法で形成されている
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の硬質被膜被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は硬質被膜被覆工具に係り、特に、高い耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等に優れた硬質被膜被覆工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材の表面を硬質被膜で被覆した硬質被膜被覆工具が広く知られている。特許文献１に記載の工具はその一例で、硬質被膜としてＴｉＢＮを設けることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、環境保護の観点から湿式切削から乾式切削へと切り換えられつつあるが、工具への負担が大きくなり、特に高速切削では刃先温度が数百℃以上にもなるため、従来の硬質被膜では必ずしも十分な工具寿命が得られず、耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等が一層優れた硬質被膜被覆工具が求められている。
【０００５】
これに対し、未だ公知ではないが、本願出願人は先に出願した特願２０１０−０５６０８７号において、ＣｒＡｌＮの窒化物相とＢＮ相とが三次元的に混じり合う複合膜（ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜）を硬質被膜として用いることを提案した。このＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜は、ＣｒＡｌＮ微結晶の周囲をアモルファス構造のＢＮ相が取り囲むナノコンポジット構造を有し、転位の発生・移動が阻止されるだけでなく、粒界滑りも発生しにくいため、塑性硬さ（plastic hardness) が３５ＧＰａ程度以上の超高硬度が得られる。また、非常に高い耐熱性、化学的安定性より耐溶着性に優れるなどの特性に加え、大気中の加熱によって塑性硬さが成膜直後よりも高くなるという自己硬化性を持つといった特異な特性も有する。しかしながら、このようなＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜を高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材の表面に直接設けた場合、密着性が悪くて必ずしも期待通りの性能が得られないという問題があった。
【０００６】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、上記ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜が高い付着強度で工具母材に設けられ、そのＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜が有する優れた耐熱性、高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的を達成するために、第１発明は、硬質被膜で表面が被覆されている硬質被膜被覆工具において、(a) Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．３≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．７、且つａ＋ｂ＋ｃ＝１〕の窒化物または炭窒化物から成るＩ層と、(b) ＣｒＡｌＮから成る窒化物相とＢＮ相とが三次元的に混じり合う複合膜であるII層と、を有し、(c) 工具母材の表面上に前記Ｉ層が設けられるとともに前記II層が最表層となるように、それ等のＩ層およびII層が交互に２層以上積層されて前記硬質被膜が構成されている一方、(d) 前記Ｉ層および前記II層の層厚は何れも５０ｎｍを超えており、被膜全体の総膜厚は０．１μｍ〜２０μｍの範囲内であることを特徴とする。
【０００８】
第２発明は、第１発明の硬質被膜被覆工具において、前記Ｉ層のうち少なくとも前記工具母材の表面上に設けられたものはアークイオンプレーティング法で形成されていることを特徴とする。
【０００９】
第３発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜被覆工具において、前記II層はスパッタリング法で形成されていることを特徴とする。
【００１０】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜被覆工具において、前記II層における前記ＢＮ相の含有率は８ vol（体積）％〜２８ vol％の範囲内であることを特徴とする。
【００１１】
第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかの硬質被膜被覆工具において、前記Ｉ層と前記II層との間には、前記ＢＮ相の含有率が連続的に増加または減少する遷移層が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
第６発明は、第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜被覆工具において、前記硬質被膜は、前記Ｉ層および前記II層が交互に４層以上設けられた多層膜で、前記工具母材の表面上に設けられたＩ層はアークイオンプレーティング法で形成され、その他のＩ層およびII層は総てスパッタリング法で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
第７発明は、第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜被覆工具において、前記硬質被膜は、前記Ｉ層および前記II層が交互に４層以上設けられた多層膜で、前記工具母材の表面上に設けられたものを含めてＩ層は総てアークイオンプレーティング法で形成され、II層は総てスパッタリング法で形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
このような硬質被膜被覆工具によれば、Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc の窒化物または炭窒化物から成るＩ層が工具母材の表面上に設けられるとともに、ＣｒＡｌＮの窒化物相とＢＮ相とが三次元的に混じり合う複合膜（ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜）から成るII層が最表層となるように、それ等のＩ層およびII層が交互に２層以上積層されて硬質被膜が構成されているため、その硬質被膜を高い付着強度で工具母材上に設けることができる。また、Ｉ層およびII層の層厚は何れも５０ｎｍを超えており、且つ被膜全体の総膜厚は０．１μｍ〜２０μｍの範囲内であるため、II層を構成しているＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜が有する優れた耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られるようになり、乾式加工や高能率加工等の高負荷時の工具寿命が向上するとともに、溶着が抑制されることで加工面粗さが向上する。
【００１５】
第２発明では、上記Ｉ層のうち少なくとも工具母材の表面上に設けられたものはアークイオンプレーティング法で形成されているため、一層高い付着強度が得られる。すなわち、アークイオンプレーティング法はスパッタリング法に比較してイオン化率が高いため、三次元形状の工具の刃先等に対してＩ層を均一な膜質で設けることができ、高い付着強度で成膜できるのである。
【００１６】
第３発明では前記II層がスパッタリング法で形成されているため、そのII層を構成しているＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜を適切に設けることが可能で、耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られる。
【００１７】
第４発明では、II層におけるＢＮ相の含有率が８ vol％〜２８ vol％の範囲内であるため、そのII層を構成しているＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜が有する耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られる。
【００１８】
第５発明では、Ｉ層とII層との間にＢＮ相の含有率が連続的に増加または減少する遷移層が設けられているため、Ｉ層とII層との間の密着性が一層高められ、硬質被膜の付着強度が更に向上する。
【００１９】
第６発明の硬質被膜は、Ｉ層およびII層が交互に４層以上設けられた多層膜で、工具母材の表面上に設けられたＩ層はアークイオンプレーティング法で形成され、その他のＩ層およびII層は総てスパッタリング法で形成されているため、多層膜から成る硬質被膜を簡便に設けることができる。
【００２０】
第７発明の硬質被膜は、Ｉ層およびII層が交互に４層以上設けられた多層膜で、工具母材の表面上に設けられたものを含めてＩ層は総てアークイオンプレーティング法で形成され、II層は総てスパッタリング法で形成されているため、アークイオンプレーティング法で形成されるＩ層の存在で各層の密着性が向上し、硬質被膜の付着強度が一層向上する。なお、このようにアークイオンプレーティング法およびスパッタリング法でＩ層およびII層を交互に形成する場合でも、例えばアークイオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源を共に備えた複合成膜装置を用いることにより簡便に成膜できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施例であるボールエンドミルを示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は先端側から見た拡大底面図、(c) は硬質被膜が設けられた刃部の表面近傍の拡大断面図である。
【図２】図１の硬質被膜を好適に成膜できるアークイオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源を共に備えた複合成膜装置の概略構成を説明する平面図である。
【図３】硬質被膜の積層構造の幾つかの別の例を示す図で、何れも図１(c) に対応する断面図である。
【図４】各種ガス雰囲気におけるＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜の塑性硬さＨplと熱処理温度Ｔａとの関係を調べた結果を示す図である。
【図５】各種ガス雰囲気におけるＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜の実効ヤング率Ｅ* と熱処理温度Ｔａとの関係を調べた結果を示す図である。
【図６】ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜について、ＧＤＳによる元素分析の結果を熱処理前と熱処理後とで比較して示した図である。
【図７】ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜について、そのＢＮ相の含有率と塑性硬さＨplとの関係を調べた結果を示す図である。
【図８】ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜について、そのＢＮ相の含有率が異なる複数種類の被膜について熱処理温度Ｔａに対する塑性硬さの変化率を調べた結果を示す図である。
【図９】本発明品、比較品、および従来品を用いて耐久性試験を行った際の試験条件を説明する図である。
【図１０】図９の耐久性試験で用いた複数種類の試料（試験品）の被膜構造および試験結果を説明する図である。
【図１１】図１０の試料No６、No２６、No３３の３種類の試験品を用いて行ったスクラッチ試験の試験条件および試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、エンドミルやタップ、ドリルなどの回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具、或いは転造工具など、種々の加工工具の表面に設けられる硬質被膜に好適に適用される。硬質被膜被覆工具の工具母材としては、超硬合金や高速度工具鋼、工具鋼、ダイス鋼、サーメット、セラミックス、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、単結晶ダイヤモンド、多結晶ＣＢＮ、単結晶ＣＢＮが好適に用いられるが、他の工具材料を採用することもできる。
【００２３】
硬質被膜の形成手段としては、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法、ＰＬＤ（Puls LASER Deposition ）法等のＰＶＤ法（物理蒸着法）が好適に用いられる。硬質被膜を構成するＡｌa Ｔｉb Ｃｒc やＣｒＡｌの合金については、例えば同じ組成の金属ターゲットを用意すれば良く、II層を構成するＢＮ相については、例えばＢＮ焼結体ターゲット等のＢを含有するターゲットを用意すれば良い。Ｃ（炭素）の供給については、反応ガス（炭化水素ガスなど）或いは固体ターゲット（Ｃターゲット、Ｃ含有ターゲット）の何れの方法でも良い。Ｎ（窒素）については、反応ガスの供給で添加することができる。
【００２４】
本発明の硬質被膜被覆工具は、例えば高速や高負荷での乾式切削加工など高温となる加工条件で使用する場合に好適に用いられ、優れた耐久性（工具寿命）が得られるようになるが、耐溶着性や耐摩耗性、耐熱性がそれ程要求されない加工条件下、例えば切削油剤を用いた切削加工等で使用することも勿論可能である。
【００２５】
Ｉ層を構成しているＡｌa Ｔｉb Ｃｒc の窒化物または炭窒化物は、少なくともＡｌを０．３〜０．７の原子比で含んでおり、ＴｉおよびＣｒの何れか一方は０すなわち含有していなくても良い。すなわち、ＡｌＴｉＣｒだけでなく、ＣｒＡｌやＴｉＡｌを採用することもできる。また、ＣおよびＮの両方を含む炭窒化物（Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc ＣＮ）でも、Ｎのみを含む窒化物（Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc Ｎ）でも良い。上記ＡｌおよびＣｒは、ＣｒＡｌＮの窒化物相を有するＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜との密着性向上に寄与し、Ｔｉは被膜の強度アップに寄与する。
【００２６】
II層を構成しているＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜、すなわちＣｒＡｌＮから成る窒化物相とＢＮ相とが三次元的に混じり合う複合膜は、ＣｒＡｌＮ微結晶の周囲をアモルファス構造のＢＮ相が取り囲むナノコンポジット構造を有し、転位の発生・移動が阻止されるだけでなく、粒界滑りも発生しにくいため、塑性硬さが３５ＧＰａ程度以上の超高硬度が得られる。また、非常に高い耐熱性、化学的安定性より耐溶着性に優れるなどの特性に加え、大気中の加熱によって塑性硬さが成膜直後よりも高くなるという自己硬化性を持つといった特異な特性も有する。
【００２７】
上記ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜は、酸素やその他の不純物元素の金属が入っている場合も含む。特に、酸素はターゲット材などに通常１mass％未満含まれる他、真空成膜装置に残留するガスにも含まれることから、膜中には酸化物の形で無視できない程度に含まれる。また、ＣｒおよびＡｌ以外にＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒなどの遷移金属元素やＳｉなどが不純物として含まれていても良い。
【００２８】
ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜を構成しているＣｒＡｌＮのＣｒとＡｌとの原子比の割合は、３：７〜７：３程度の範囲内が望ましい。これ等のＣｒとＡｌとの原子比の割合が５：５であるとした場合、Ｃｒの代わりにＣｒとＶ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ等（Ｂの酸化物生成自由エネルギー線図の上にあるもの）とをＣｒ＞Ｖ等の原子比の割合としたものを用いても、同様の自己硬化性が得られるものと推測される。すなわち、ＣｒＡｌＮは、Ｃｒd Ａｌe Ｎ〔但し、ｄ、ｅはそれぞれ原子比で、０．３≦ｄ≦０．７、０．３≦ｅ≦０．７、ｄ＋ｅ＝１〕が望ましく、且つ、Ｃｒの原子比ｄの１／２より小さい割合でＶ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ等のＢの酸化物生成自由エネルギー線図の上にある金属ＭｅをＣｒの代わりに含有する態様も含む。
【００２９】
ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜は、ＢＮ相の含有率が２８ vol％を超えると塑性硬さが低下し、８vol ％未満になると熱処理によって塑性硬さが低下するようになるため、８ vol％〜２８ vol％の範囲内が適当である。
【００３０】
硬質被膜の総膜厚は０．１μｍ〜２０μｍの範囲内であるが、０．１μｍ未満の場合は硬質被膜としての性能が十分に得られず、２０μｍを超えると切削工具の刃先が丸くなるなどして工具性能が損なわれる可能性がある。この総膜厚は、工具母材の表面から硬質被膜の最表面までの膜厚で、Ｉ層とII層との間に遷移層を有する場合はその遷移層を含む膜厚である。また、Ｉ層およびII層は、それぞれ５０ｎｍを超える層厚で積層されるが、両者の層厚は同じ（均等）であっても良いし互いに異なっていても良い。例えば、ターゲットの使用出力および数量を変えることにより、Ｉ層とII層の層厚比が１：１、１：２、１：３、３：１、２：１等となるように成膜できる。また、ターゲット出力を変化させることにより、最下層から最表層にかけて各層の層厚が厚くなるように、或いは薄くなるように成膜することもできる。II層にて構成される最表層の層厚については、所定の被膜性能が得られるように他の層と別個に独立に定めることも可能である。
【００３１】
第５発明では、Ｉ層とII層との間にＢＮ相の含有率が連続的に増加または減少する遷移層が設けられるが、単にＩ層およびII層が混ざり合っているだけの混合層を設けることもできる。Ｉ層とII層との間には、単にＩ層とII層とを切り換えるだけでも混合層が形成されるが、両方の層を所定時間だけ重複して同時に成膜することにより、所定厚さの混合層を設けることもできる。上記遷移層は、Ｉ層からII層への遷移部分ではＢＮ相を徐々に増加させ、II層からＩ層への遷移部分ではＢＮ相を徐々に減少させる。このような遷移層は、Ｂ含有ターゲットの出力を連続的に変化させることによって形成することができる。この遷移層の層厚は、５０ｎｍ以下を含めて適宜設定されるが、例えば上下に位置するＩ層およびII層のうち薄い方の層厚と同じかそれより薄くすることが望ましい。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明が適用された硬質被膜被覆工具の一例であるボールエンドミル１０を説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は先端側（(a) の図の右方向）から見た拡大底面図であり、超硬合金にて構成されている工具母材１２にはシャンクに連続して刃部１４が一体に設けられている。刃部１４には、切れ刃として一対の外周刃１６およびボール刃１８が軸心に対して対称的に設けられているとともに、その刃部１４の表面には硬質被膜２０がコーティングされており、軸心まわりに回転駆動されることによりそれ等の外周刃１６およびボール刃１８によって切削加工が行われる。図１の(a) 、(b) における斜線部は硬質被膜２０を表しており、図１の(c) は、硬質被膜２０がコーティングされた刃部１４の表面近傍の断面図である。
【００３３】
図１(c) から明らかなように、硬質被膜２０はＩ層２２およびII層２６を交互に２層以上積層した積層構造で、本実施例では４層以上積層した多層構造を成しているとともに、それ等のＩ層２２とII層２６との間には遷移層２４、２８が設けられている。Ｉ層２２は、Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．３≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．７、且つａ＋ｂ＋ｃ＝１〕の窒化物または炭窒化物にて構成されており、工具母材１２の表面上にはこのＩ層２２が設けられる。II層２６は、ＣｒＡｌＮから成る窒化物相とＢＮ相とが三次元的に混じり合う複合膜であるＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜で、ＣｒＡｌＮはＣｒd Ａｌe Ｎ〔但し、ｄ、ｅはそれぞれ原子比で、０．３≦ｄ≦０．７、０．３≦ｅ≦０．７、ｄ＋ｅ＝１〕であり、硬質被膜２０の最表層はこのII層２６にて構成されている。これ等のＩ層２２、II層２６の層厚Ｔ１、Ｔ２は何れも５０ｎｍよりも大きく、本実施例では最表層のII層２６を除いてＴ１≒Ｔ２であり、最表層のII層２６の層厚は、所定の被膜性能が得られるように他よりも大きな厚さとされている。
【００３４】
遷移層２４、２８は、上記II層２６と同じＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜で、そのＢＮ相の含有率が連続的に変化しているものであり、Ｉ層２２の上に積層される第１遷移層２４は、ＢＮ相の含有率が０ vol％から連続的に増加させられ、II層２６との境界である表面部分ではII層２６と同じ含有率とされる。また、II層２６の上に積層される第２遷移層２８は、ＢＮ相の含有率がII層２６と同じ含有率から連続的に減少させられ、Ｉ層２２との境界である表面部分では０ vol％とされる。これ等の遷移層２４、２８の層厚は、Ｉ層２２やII層２６と略同じかそれより小さい厚さで、本実施例ではＩ層２２、II層２６の層厚Ｔ１、Ｔ２と略同じ厚さとされている。そして、この遷移層２４、２８を含む硬質被膜２０の全体の総膜厚Ｔtotal は０．１μｍ〜２０μｍの範囲内とされている。
【００３５】
このような硬質被膜２０は、例えば図２に概略構成を示すアークイオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源を共に備えた複合成膜装置４０を用いて形成することができる。このアークイオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源を共に備えた複合成膜装置４０は、アークイオンプレーティング蒸発源４２およびスパッタリング蒸発源４４を共に備えているもので、共通のチャンバー４６内に配置されたワーク４８に対してアークイオンプレーティング法およびスパッタリング法の両方でコーティング処理を行うことができる。ワーク４８は、硬質被膜２０をコーティングする前の状態の工具母材１２で、３つの第１回転テーブル５０にそれぞれ配置されて自転させられるとともに、第２回転テーブル５２によってチャンバー４６内を公転させられ、アークイオンプレーティング蒸発源４２およびスパッタリング蒸発源４４の前方を通過させられる。図２では、アークイオンプレーティング蒸発源４２およびスパッタリング蒸発源４４がチャンバー４６の周囲に９０°間隔で交互に計４つ配設されているが、それ等の蒸発源４２、４４を１つずつ備えたものでも良い。
【００３６】
上記アークイオンプレーティング蒸発源４２は、前記Ｉ層２２をアークイオンプレーティング法によって形成するためのもので、Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc の金属ターゲット５４を備えている。スパッタリング蒸発源４４は、前記II層２６および遷移層２４、２８をスパッタリング法によって形成するためのもので、Ｃｒd Ａｌe の金属ターゲット５６およびＢＮ焼結体ターゲット等のＢ含有ターゲット５８を備えている。また、窒化物や炭窒化物のＮ（窒素）については、反応ガス（窒素ガス）の供給で添加することができ、炭窒化物のＣ（炭素）については、反応ガス（炭化水素ガスなど）或いは固体ターゲット（Ｃターゲット、Ｃ含有ターゲット）の何れかの方法で添加することができる。なお、スパッタガスとしてはアルゴンガスが用いられ、ワーク４８にはバイアス電源により所定のバイアス電圧が印加されるようになっている。
【００３７】
そして、本実施例では総てのＩ層２２がアークイオンプレーティング蒸発源４２を用いてアークイオンプレーティング法によって形成され、総てのII層２６および遷移層２４、２８がスパッタリング蒸発源４４を用いてスパッタリング法によって形成される。ＢＮ相の含有率が連続的に変化している遷移層２４、２８は、ＢＮ焼結体ターゲット等のＢ含有ターゲット５８の出力を変化させることによって形成できる。また、Ｉ層２２については、Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc の金属ターゲット５４をスパッタリング蒸発源４４にも配置することにより、そのスパッタリング蒸発源４４を用いてスパッタリング法により形成することもできる。例えば工具母材１２の表面上に接して設けられる最下層のＩ層２２については、優れた密着性が得られるようにアークイオンプレーティング蒸発源４２を用いてアークイオンプレーティング法によって形成し、それより上のＩ層２２についてはスパッタリング蒸発源４４を用いてスパッタリング法によって形成するようにしても良い。Ｉ層２２は、Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc の窒化物または炭窒化物で、II層２６を構成しているＣｒd Ａｌe の窒化物相と同じ成分（ＡｌやＣｒ）を含有しているため、II層２６との親和性が高く、スパッタリング法で形成しても十分な密着性を確保できる。なお、Ｉ層２２のＡｌa Ｔｉb Ｃｒc がII層２６のＣｒd Ａｌe と同じ成分、すなわち原子比ａ＝ｅ、ｃ＝ｄでｂ＝０の場合には、共通の金属ターゲット５６を用いてＩ層２２を形成することができる。
【００３８】
また、本実施例の硬質被膜２０は、Ｉ層２２とII層２６との間にそれぞれ遷移層２４、２８が設けられているが、図３の(a) に示す硬質被膜３０のように、最下層のＩ層２２とその上のII層２６との間にだけ第１遷移層２４を設け、他の遷移層２４、２８を省略しても良い。また、図３の(b) に示す硬質被膜３２のように、遷移層２４、２８を総て省略し、Ｉ層２２およびII層２６が互いに接するように交互に積層しても良い。また、図３の(c) に示す硬質被膜３４のように、工具母材１２の表面上にＩ層２２を積層し、そのＩ層２２の上にII層２６を積層した２層構造としても良く、図３の(d) のように、それ等のＩ層２２とII層２６との間に第１遷移層２４を設けた３層構造の硬質被膜３６を採用することもできる。何れの場合も、硬質被膜３０、３２、３４、３６の全体の総膜厚Ｔtotal は０．１μｍ〜２０μｍの範囲内で、Ｉ層２２、II層２６の層厚Ｔ１、Ｔ２は何れも５０ｎｍを超えている。なお、硬質被膜３０、３２、３４において、Ｉ層２２とII層２６とが直接接している境界部分には、両者の成分が混ざり合った混合層が形成される。また、硬質被膜２０を含めて、遷移層２４、２８の代わりに混合層が設けられても良い。この混合層の厚さは、Ｉ層２２やII層２６と同じであっても良いが、それ等より薄くて５０ｎｍ以下であっても差し支えない。
【００３９】
次に、上記II層２６を構成しているＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜の被膜性能について調べた結果を説明する。ここでは、高速度鋼製の基板上に、スパッタリング法により加熱温度３５０℃でＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜を３．５μｍの目標膜厚で直接設けた試料を用いた。ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜のＣｒd Ａｌe Ｎ相のＣｒおよびＡｌの原子比ｄ、ｅは共に０．５で、ＢＮ相の含有率は、ＢＮ焼結体ターゲット等のＢ含有ターゲット５８の出力を変化させることによって適宜変更できる。このＢＮ相の含有率については、例えば波長分散型ＥＰＭＡ（Electron Probe MicroAnalyser）を用いて測定できる。
【００４０】
図４は、ＢＮ相の含有率が１８ vol％のＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜について、自己硬化性および耐熱性（耐酸化性）を評価するためのもので、塑性硬さＨplが各種雰囲気（大気、窒素、アルゴン）下における熱処理温度Ｔａの相違でどのように変化したかを示すグラフであり、各温度で１時間加熱した後に室温にて塑性硬さＨplを測定した。塑性硬さＨplについては、超マイクロインデンターを用い、膜中への圧子の侵入深さが膜厚の概ね１０分の１以下となるように最高荷重を選択し、除荷曲線の接線から圧子の侵入深さを求め、接触面積に換算することにより塑性硬さＨplを計算する公知のオリバー（Oliver）の方法を用いた。図４から明らかなように、窒素、アルゴンの場合は、加熱温度が８００℃まで成膜直後の塑性硬さＨplが略維持されるのに対し、大気の場合には、成膜直後４０ＧＰａ程度であった塑性硬さＨplが６００℃を境にして急激に上昇し、７００℃および８００℃では５０ＧＰａを超え、９００℃では一挙に２０ＧＰａ未満に低下している。このことから、ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜は、非酸化性雰囲気下では自己硬化性を殆ど有しないが、酸化性雰囲気下では自己硬化性を示すことが分かる。
【００４１】
図５は、図４と同じくＢＮ相の含有率が１８ vol％のＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜を用いて、実効ヤング率Ｅ* が各種雰囲気（大気、窒素、アルゴン）下における熱処理温度Ｔａの相違でどのように変化したかを示すグラフである。実効ヤング率Ｅ* はＥ／（１−ｎ2 ）で、膜のポアソン比（ｎ）が不明なため（１−ｎ2 ）でヤング率Ｅを除した値を用いた。図５の結果から、窒素、アルゴンの場合は、８００℃まで成膜直後の実効ヤング率Ｅ* が略維持されるのに対し、大気の場合には、成膜直後３５０ＧＰａ程度であった実効ヤング率Ｅ* が６００℃を境にして急激に上昇し、７００℃では４８０ＧＰａ程度、８００℃では４４０ＧＰａ程度となり、９００℃で一挙に２６０ＧＰａ程度まで低下していることが分かる。
【００４２】
図６は、上記のようにＢＮ相の含有率が１８ vol％のＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜について、ＧＤＳ（Glow Discharge Spectronmeter；グロー放電発光表面分析装置）による元素分析の結果を熱処理前と熱処理後とで比較して示した図である。熱処理後の試料は、大気中において熱処理温度Ｔａ＝８００℃で１時間加熱した後に室温まで戻したものである。この図６から明らかなように、熱処理後には熱処理前に比較して、０．２μｍ以下の表層部分で酸素（Ｏ）が増大している。このことから、図４、図５を併せて考えると、ある程度表層が酸化されることによって被膜硬さ（塑性硬さＨpl）や実効ヤング率Ｅ* が向上していると考えられる。
【００４３】
図７は、ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜について、そのＢＮ相の含有率と塑性硬さＨplとの関係を調べた結果を示す図である。この場合の塑性硬さＨplは熱処理後の値で、ＢＮ相の含有率が２８ vol％を超えると３０ＧＰａ以下まで低下するため、２８ vol％以下が望ましい。また、図８は、ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜について、そのＢＮ相の含有率が異なる複数種類の被膜について熱処理温度Ｔａに対する塑性硬さの変化率を調べた結果を示す図で、成膜直後（熱処理前）の塑性硬さＨplを１００％として求めたものである。何れも大気中での加熱による熱処理で、ＢＮ相の含有率が０ vol％の場合は塑性硬さＨplが単調に低下するのに対し、ＢＮ相を含む場合は維持または若干上昇する傾向を示す。図示は省略したが、ＢＮ相の含有率が７ vol％の時には、塑性硬さＨplの上昇傾向が小さく、８ vol％以上になると塑性硬さＨplが顕著に上昇する。これ等の図７および図８の結果から、ＢＮ相の含有率は８ vol％〜２８ vol％の範囲内が望ましい。
【００４４】
一方、図９および図１０は、前記図１のボールエンドミル１０のように前記Ｉ層２２およびII層２６を交互に２層以上積層した硬質被膜２０、３０、３２、３４、或いは３６等が設けられた本発明の硬質被膜被覆工具を含む複数種類の試験品について、図９の試験条件で切削加工を行って耐久性（耐摩耗性）を調べた結果を説明する図である。図９の(a) は試験条件で、使用工具は工具母材１２が超硬合金で２枚刃、呼び径φ＝４ｍｍのエンドミル、被削材はＪＩＳの規格によるＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）、切削速度は３２ｍ／ｍｉｎ、送り速度は１刃当り０．０１５ｍｍ、切削方法は(b) に示す側面切削、切込みはａｐ（軸方向）＝２ｍｍ、ａｅ（径方向）＝１．９ｍｍ、切削距離は１５０ｍ、切削油剤は水溶性である。
【００４５】
図１０は、複数種類の試験品（試料）の被膜構造および試験結果を説明する図で、比較品の試料No３３は、ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜から成るII層２６のみの単層の硬質被膜で、試料No３４は、Ｉ層２２がＡｌを含有していない点が本発明品と相違する。従来品の試料No３５、No３６は、何れもＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜から成るII層２６を備えていない点が本発明品と相違する。また、「膜厚」は工具母材１２の表面から被膜表面までの前記総膜厚Ｔtotal で、「層数」は前記遷移層２４、２８を含む数値で、前記硬質被膜２０のようにＩ層２２およびII層２６の総ての境界部分に遷移層２４、２８が設けられる場合の層数は３＋４ｎ（ｎは０以上の整数）になる。「遷移層」の欄の「含む」は遷移層２４、２８を少なくとも１つ有する場合で、「なし」は遷移層２４、２８が何れも設けられていない場合であり、その時には境界部分に混合層が設けられる。混合層は、Ｉ層２２とII層２６とを切り換える際に生じるもので、上記「層数」には含まない。「逃げ面摩耗幅（ＶＢ）」は１５０ｍ切削加工した後の切れ刃（外周刃）の逃げ面摩耗幅で、「判定」の欄の「○」は逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍ以下の良を意味し、「△」は０．１ｍｍを超え０．１５ｍｍ以下の範囲内の可を意味し、「×」は０．１５ｍｍを超えている不可を意味する。「被膜硬さ」は前記塑性硬さＨplで、一部の試験品についてのみ調べ、記載の無いものは測定を省略した。この耐久性試験では、何れも硬質被膜を成膜したまま、すなわち熱処理を行うことなく使用し、「被膜硬さ」は成膜時の値である。
【００４６】
この図１０の結果から、本発明品（試料No１〜No３２）は何れも優れた耐摩耗性が得られ、特にII層２６におけるＢＮ相の含有率が８ vol％〜２８ vol％の範囲内の試料No１〜No３０は、何れも逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍ以下の良である。ＢＮ相の含有率が８ vol％〜２８ vol％の範囲から外れている試料No３１、No３２は、何れも逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍを超え０．１５ｍｍ以下の範囲内の可であるが、試料No１〜No３０に比較してやや劣るとともに、試料No３１の被膜硬さは３０ＧＰａで、３５〜３６程度の試料No１〜No３０に比較してやや劣る。これに対し、試料No３３〜No３６の比較品および従来品は、何れも逃げ面摩耗幅が０．１５ｍｍを超えて不可であり、特に工具母材１２の表面上にII層２６を直接設けた試料No３３は、工具母材１２に対する密着性が悪くて１０ｍの切削加工で硬質被膜が剥離し、II層２６を備えていない従来品の試料No３５は、６０ｍの切削加工で切れ刃が欠損した。また、II層２６を備えていない従来品の試料No３５およびNo３６の被膜硬さはそれぞれ２９、２７で、３０に満たない。
【００４７】
図１１は、上記試験品のうち試料No６、No２６、およびNo３３の３種類の試験品を用いて、硬質被膜の付着強度に関するスクラッチ試験を行った結果を説明する図である。このスクラッチ試験では、ダイヤモンドコーンを試験品に押し付けて引っ掻く際に、その押付荷重（Ｎ）を増加させることにより、被膜が破壊したり剥離したりする際に発生するアコースティックエミッション（ＡＥ）を検出し、その検出信号が急激に立ち上がった時の荷重を付着力として測定した。試験条件は、(a) に示すように荷重速度が４００Ｎ／ｍｉｎ、スクラッチ速度が１０ｍｍ／ｍｉｎで、押付荷重を連続的に増加させる連続荷重タイプである。図１１の(b) は試験結果で、試料No６およびNo２６の本発明品の付着力はそれぞれ９５、９０で、高い付着強度が得られるのに対し、工具母材１２の表面上にII層２６を直接設けた試料No３３の比較品は１０で、付着力が極めて悪い。
【００４８】
以上の各試験結果からも明らかなように、前記実施例のボールエンドミル１０を含めて、試料No１〜No３２の本発明品によれば、Ａｌa Ｔｉb Ｃｒc の窒化物または炭窒化物から成るＩ層２２が工具母材１２の表面上に設けられるとともに、ＣｒＡｌＮの窒化物相とＢＮ相とが三次元的に混じり合う複合膜（ＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜）から成るII層２６が最表層となるように、それ等のＩ層２２およびII層２６が交互に２層以上積層されて硬質被膜２０等が構成されているため、その硬質被膜２０等を高い付着強度で工具母材１２上に設けることができる。
【００４９】
また、Ｉ層２２およびII層２６の層厚Ｔ１、Ｔ２は何れも５０ｎｍを超えており、且つ被膜全体の総膜厚Ｔtotal は０．１μｍ〜２０μｍの範囲内であるため、II層２６を構成しているＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜が有する優れた耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られるようになり、乾式加工や高能率加工等の高負荷時の工具寿命が向上するとともに、溶着が抑制されることで加工面粗さが向上する。
【００５０】
また、上記Ｉ層２２のうち少なくとも工具母材１２の表面上に設けられるものをアークイオンプレーティング法で形成すれば、一層高い付着強度が得られる。すなわち、アークイオンプレーティング法はスパッタリング法に比較してイオン化率が高いため、三次元形状の工具の刃先等に対してＩ層２２を均一な膜質で設けることができ、高い付着強度で成膜できるのである。
【００５１】
また、前記II層２６はスパッタリング法で形成されているため、そのII層２６を構成しているＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜を適切に設けることが可能で、耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られる。
【００５２】
また、II層２６におけるＢＮ相の含有率を８ vol％〜２８ vol％の範囲内とすれば、そのII層２６を構成しているＣｒＡｌＮ／ＢＮナノコンポジット被膜が有する耐熱性や高温での化学的安定性、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られ、耐久性が一層向上する。
【００５３】
また、Ｉ層２２とII層２６との間にＢＮ相の含有率が連続的に増加または減少する遷移層２４、２８が設けられる場合は、Ｉ層２２とII層２６との間の密着性が一層高められ、付着強度が更に向上する。
【００５４】
また、硬質被膜２０や３０、３２のように、Ｉ層２２およびII層２６が交互に４層以上設けられた多層膜で、工具母材１２の表面上に設けられたＩ層２２についてはアークイオンプレーティング法で形成し、その他のＩ層２２およびII層２６については総てスパッタリング法で形成する場合、多層膜から成るそれ等の硬質被膜２０、３０、３２を簡便に設けることができる。
【００５５】
また、上記のようにＩ層２２およびII層２６が交互に４層以上設けられた多層膜で、工具母材１２の表面上に設けられたものを含めてＩ層２２は総てアークイオンプレーティング法で形成し、II層２６は総てスパッタリング法で形成する場合には、アークイオンプレーティング法で形成されるＩ層２２の存在で各層の密着性が向上し、硬質被膜２０、３０、３２の付着強度が一層向上する。このようにアークイオンプレーティング法およびスパッタリング法でＩ層２２およびII層２６を交互に形成する場合でも、前記アークイオンプレーティング蒸発源とスパッタリング蒸発源を共に備えた複合成膜装置４０を用いることにより簡便に成膜できる。
【００５６】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０：ボールエンドミル（硬質被膜被覆工具）    １２：工具母材    ２０、３０、３２、３４、３６：硬質被膜    ２２：Ｉ層    ２４：第１遷移層    ２６：II層    ２８：第２遷移層    Ｔtotal ：総膜厚    Ｔ１：Ｉ層の層厚    Ｔ２：II層の層厚
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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