(57)【要約】【課題】従来より用いられているＴｉＡｌＮ等の高融点化合物の皮膜よりも、切削加工時の被削材成分の凝着が抑えられ、被削材がチタン系金属であっても良好に切削することのできる硬質皮膜を提供する。【解決手段】基材上に形成される硬質皮膜であって、下記式（１）で表される組成を満たすことを特徴とする硬質皮膜。Ｃｒ1-aＭｇa（ＢxＣｙＮ1-x-y）・・・（１）但し、上記式（１）において、ａ、ｘ、ｙは夫々Ｍｇ、Ｂ、Ｃの原子比であり、０．０５≦ａ≦０．３０、０≦ｘ≦０．２０、および０≦ｙ≦０．３０を満たす。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に形成される硬質皮膜であって、下記式（１）で表される組成を満たすことを特徴とする硬質皮膜。
Ｃｒ1-aＭｇa（ＢxＣｙＮ1-x-y）・・・（１）
但し、上記式（１）において、
ａ、ｘ、ｙは夫々Ｍｇ、Ｂ、Ｃの原子比であり、
０．０５≦ａ≦０．３０、
０≦ｘ≦０．２０、および
０≦ｙ≦０．３０を満たす。
【請求項２】
基材上に形成される硬質皮膜であって、下記式（２）で表される組成を満たすことを特徴とする硬質皮膜。
Ｃｒ1-a-bＭｇaＭb（ＢxＣｙＮ1-x-y）・・・（２）
但し、上記式（２）において、
Ｍは、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂよりなる群から選択される１種以上の元素であり、
ａ、ｂ、ｘ、ｙは夫々Ｍｇ、Ｍ、Ｂ、Ｃの原子比であり、
０．０５≦ａ≦０．３０、
０＜ｂ≦０．５０、
０≦ｘ≦０．２０、および
０≦ｙ≦０．３０を満たす。
【請求項３】
請求項１に記載の硬質皮膜であって膜厚が２〜５０ｎｍであるａ層と、
下記式（３）で表される組成を満たす膜厚が２〜５０ｎｍであるｂ層とを、
交互に積層したものであることを特徴とする硬質皮膜。
Ｍ（ＢxＣｙＮ1-x-y）・・・（３）
但し、上記式（３）において、
Ｍは、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂよりなる群から選択される１種以上の元素であり、
ｘ、ｙは夫々Ｂ、Ｃの原子比であり、
０≦ｘ≦０．２０、および
０≦ｙ≦０．３０を満たす。
【請求項４】
基材上に、請求項１〜３のいずれかに記載の硬質皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材。
【請求項５】
基材上に、請求項１〜３のいずれかに記載の硬質皮膜が形成された、純チタンまたはチタン合金切削用の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質皮膜に関する。特には耐凝着性と耐摩耗性に優れた硬質皮膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
純チタンやチタン合金といったチタン系金属は、高温強度が高く、かつ熱伝導率が低いといった特性を有する。よって、このチタン系金属を被削材として切削を行う場合、切削時に生じる熱が、被削材側や切り粉側に逃げにくく切削工具の刃先に蓄積しやすい。その結果、刃先温度が上昇しやすい。また、チタンは化学的に活性であるため、上記刃先温度の上昇に伴って工具へのチタン凝着が生じやすい。この凝着によって工具の摩耗が進みやすく、耐摩耗性が低下し、結果として工具寿命が短くなるといった問題がある。尚、以下では、チタン系金属等の金属の凝着を単に「凝着」ということがある。
【０００３】
チタン系金属の切削時の上記凝着を抑制するため、これまでは、湿式かつ低い切削速度で加工を行うことが一般的であった。しかし生産性の向上が求められており、上記チタン系金属用の切削工具には、切削速度を遅くせずとも上記凝着を抑制できることが求められている。
【０００４】
上記要求を満たすべく、切削工具の刃先にコーティングを施して凝着を抑制し、切削速度を増加させる試みも検討されている。例えば上記コーティングとして、従来よりＴｉＡｌＮ等の高融点化合物の皮膜が提案されている。また特許文献１には、Ａｌと、ＣｒまたはＶのいずれか一方または両方の元素と、窒素、炭素または酸素のいずれか１以上の元素とにより構成される化合物からなることを特徴とするチタン合金加工用表面被覆切削工具が示されている。また特許文献１には、上記化合物にＶが含まれると、低融点であるＶ酸化物が、切削時の高温環境で潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑える効果を期待できる旨示されている。
【０００５】
また特許文献２には、チタン及びその合金の切削に好適な特性を改良した切削工具として、タングステンカーバイドを含む基体と、タングステンカーバイド及びボロンカーバイドから構成されるグループから選択され、物理蒸着法によって前記基体に付着されたコーティング、及びボロンカーバイドを含み、化学蒸着法によって前記基体に付着されたコーティングのうちの一方のコーティングと、を含む、切削工具が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２６２３８９号公報
【特許文献２】特開平９−２１６１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、従来より用いられているＴｉＡｌＮ等の高融点化合物の皮膜よりも、切削加工時の被削材成分の凝着が抑えられ、被削材がチタン系金属であっても良好に切削することのできる硬質皮膜、および基材上に該硬質皮膜の形成された、切削工具等の硬質皮膜被覆部材を提供することにある。以下、切削加工時の被削材成分の凝着が抑えられるといった特性を「耐凝着性」ということがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決し得た本発明の硬質皮膜は、基材上に形成される硬質皮膜であって、下記式（１）で表される組成を満たすところに特徴を有する。以下、この硬質皮膜を（Ｃｒ，Ｍｇ）（Ｂ，Ｃ，Ｎ）膜ということがある。
Ｃｒ1-aＭｇa（ＢxＣyＮ1-x-y）・・・（１）
但し、上記式（１）において、
ａ、ｘ、ｙは夫々Ｍｇ、Ｂ、Ｃの原子比であり、
０．０５≦ａ≦０．３０、
０≦ｘ≦０．２０、および
０≦ｙ≦０．３０を満たす。
【０００９】
前記課題を解決し得た本発明の別の硬質皮膜は、前記（Ｃｒ，Ｍｇ）（Ｂ，Ｃ，Ｎ）膜のＣｒとＭｇに加えて更に下記のＭを含む硬質皮膜である。該硬質皮膜は、基材上に形成される硬質皮膜であって、下記式（２）で表される組成を満たすところに特徴を有する。Ｃｒ1-a-bＭｇaＭb（ＢxＣｙＮ1-x-y）・・・（２）
但し、上記式（２）において、
Ｍは、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂよりなる群から選択される１種以上の元素であり、
ａ、ｂ、ｘ、ｙは夫々Ｍｇ、Ｍ、Ｂ、Ｃの原子比であり、
０．０５≦ａ≦０．３０、
０＜ｂ≦０．５０、
０≦ｘ≦０．２０、および
０≦ｙ≦０．３０を満たす。
【００１０】
また前記課題を解決し得た本発明の別の硬質皮膜は、前記（Ｃｒ，Ｍｇ）（Ｂ，Ｃ，Ｎ）膜であって膜厚が２〜５０ｎｍであるａ層と、下記式（３）で表される組成を満たし、かつ膜厚が２〜５０ｎｍであるｂ層とを、交互に積層したものであるところに特徴を有する。
Ｍ（ＢxＣｙＮ1-x-y）・・・（３）
但し、上記式（３）において、
Ｍは、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂよりなる群から選択される１種以上の元素であり、
ｘ、ｙは夫々Ｂ、Ｃの原子比であり、
０≦ｘ≦０．２０、および
０≦ｙ≦０．３０を満たす。
【００１１】
本発明には、基材上に、前記いずれかの硬質皮膜が形成された硬質皮膜被覆部材、特には基材上に、前記いずれかの硬質皮膜が形成された、純チタンまたはチタン合金切削用の切削工具も含まれる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、切削加工時の被削材成分の凝着が抑えられ、被削材がチタン系金属であっても、良好に切削することのできる硬質皮膜と、該硬質皮膜が基材上に形成された切削工具等の硬質皮膜被覆部材を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者らは、被削材がチタン系金属であっても、切削加工時の被削材成分の凝着が抑えられ、良好に切削することのできる硬質皮膜と、該硬質皮膜が基材上に形成された硬質皮膜被覆部材を得るべく、該硬質皮膜の特に組成について鋭意研究を重ねた。まずはＣｒＮ等のＣｒ含有皮膜に着目した。Ｃｒ含有皮膜を切削工具に用いた場合、被削材との摩擦発熱による温度上昇で摩耗面にＣｒ酸化物が形成され、耐凝着性の改善に寄与する。本発明者らは、上記Ｃｒと共に下記に詳述の通りＭｇを含有させ、下記式（１）で表される組成を満たす皮膜とすれば、チタン系金属切削用の工具に適用した場合であっても、このチタン系金属の凝着を十分に抑制できることを見出した。以下、各元素について説明する。
Ｃｒ1-aＭｇa（ＢxＣｙＮ1-x-y）・・・（１）
但し、上記式（１）において、
ａ、ｘ、ｙは夫々Ｍｇ、Ｂ、Ｃの原子比であり、
０．０５≦ａ≦０．３０、
０≦ｘ≦０．２０、および
０≦ｙ≦０．３０を満たす。
【００１４】
上記Ｍｇは、Ｔｉとの固溶域が狭いため、被削材であるＴｉ系金属の凝着抑制に寄与する元素である。該効果を発揮させるため、Ｍｇの原子比ａを０．０５以上とする。以下、Ｍｇの原子比ａを「Ｍｇ量ａ」ということがある。Ｍｇ量ａは、好ましくは０．１０以上であり、より好ましくは０．１２以上、更に好ましくは０．１５以上である。一方、Ｍｇが過度に含まれていると、皮膜が軟化して耐摩耗性が低下する。よってＭｇ量ａは０．３０以下とする。Ｍｇ量ａは、好ましくは０．２５以下であり、より好ましくは０．２０以下である。
【００１５】
式（１）におけるＣｒの原子比１−ａは、１からＭｇの原子比ａを差し引いた値であり、計算上、０．７０以上０．９５以下である。このＣｒの原子比１−ａは、例えば０．７５以上とすることができ、例えば０．９０以下、更には０．８５以下とすることができる。以下、式（１）におけるＣｒの原子比１−ａを「Ｃｒ量１−ａ」ということがある。
【００１６】
本発明のＣｒ1-aＭｇa（ＢxＣｙＮ1-x-y）で示される皮膜は、ＢとＣがゼロの場合、窒化物である。この様に本発明の皮膜は基本的に窒化物をベースとするものであるが、ＢやＣを添加して特性を変化させてもよい。上記Ｂを添加することで、膜中のＢがＮと結合して潤滑成分が生成され凝着が抑制される。この凝着抑制効果を得るべく、Ｂの原子比ｘを例えば０．０１以上、更には０．０２以上とすることができる。以下、Ｂの原子比ｘを「Ｂ量ｘ」ということがある。しかしＢが過度に含まれていると、皮膜が非晶質化し、耐摩耗性が低下する。よってＢ量ｘは０．２０以下とする。Ｂ量ｘは好ましくは０．１０以下である。
【００１７】
また上記Ｃを添加することで、窒化物の場合よりも摩擦係数が小さくなり、凝着が抑制される。この凝着抑制効果を得るべく、Ｃの原子比ｙを例えば０．０５以上、更には０．１０以上とすることができる。以下、Ｃの原子比ｙを「Ｃ量ｙ」ということがある。しかしＣが過度に含まれると、皮膜中に金属と結合していない遊離炭素が形成され、耐摩耗性の低下を招く。よってＣ量ｙは０．３０以下とする。Ｃ量ｙは、好ましくは０．２０以下であり、より好ましくは０．１５未満である。
【００１８】
本発明者らは更に、上記式（１）のＣｒとＭｇに下記のＭを加えた、下記式（２）で表される組成を満たす硬質皮膜とすれば、Ｔｉ系金属の凝着を十分に抑制できることを見出した。
Ｃｒ1-a-bＭｇaＭb（ＢxＣｙＮ1-x-y）・・・（２）
但し、上記式（２）において、
Ｍは、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂよりなる群から選択される１種以上の元素であり、
ａ、ｂ、ｘ、ｙは夫々Ｍｇ、Ｍ、Ｂ、Ｃの原子比であり、
０．０５≦ａ≦０．３０、
０＜ｂ≦０．５０、
０≦ｘ≦０．２０、および
０≦ｙ≦０．３０を満たす。
【００１９】
以下、Ｍについて説明する。尚、上記式（２）におけるＭｇ量ａ、Ｂ量ｘ、およびＣ量ｙの範囲や好ましい上下限値は、上記式（１）で表される硬質皮膜と同じである。
【００２０】
本発明において、Ｍは、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂよりなる群から選択される１種以上の元素である。これらの元素は、切削中に摩耗面に潤滑性を有する酸化物を生成し、耐凝着性の向上に寄与する元素である。これらの元素は、単独で用いてもよいし２種以上を併用してもよい。上記効果を十分発揮させるには、Ｍの原子比ｂを０．０５以上とすることが好ましく、より好ましくは０．１０以上である。以下、Ｍの原子比ｂを「Ｍ量ｂ」ということがある。しかしＭが過度に含まれていると摩耗速度が速くなるため、Ｍ量ｂは０．５０以下とする。Ｍ量ｂは、好ましくは０．４０以下、より好ましくは０．３０以下である。上記Ｍ量ｂは、元素が単独の場合は単独量、元素が複数の場合は合計量を示す。以下同じである。上記Ｍが、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂのうちの少なくともいずれかを含む場合、上記Ｍ量ｂは、０．２０以下であることが更に好ましく、より更に好ましくは０．１５以下である。一方、上記Ｍが、Ｗ、Ｍｏ、およびＶよりなる群から選択される１種以上の元素である場合、即ち上記Ｍが、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂのいずれも含まない場合、上記Ｍ量ｂは、更に好ましくは０．１５以上、より更に好ましくは０．２０以上である。
【００２１】
上記Ｗ、Ｍｏ、Ｖの各酸化物の融点は異なり、推奨されるＭの種類は、切削時に切削工具が受ける負加の度合いによって異なる。Ｖ酸化物は融点が低いため、Ｖを含む硬質皮膜は、負荷が小さく刃先温度の上昇しない切削に使用の工具に適している。Ｍｏ酸化物とＷ酸化物は、Ｖ酸化物よりも融点が高いことから、ＭｏやＷを含む硬質皮膜は、負荷がより高く刃先温度が上昇しやすい切削で使用の工具に適している。例えば被削材がチタン系金属である場合、前述の通り刃先温度が上昇しやすいため、上記ＭｏやＷをＭとして含む硬質皮膜を用いることがより好ましい。
【００２２】
またＺｒ、Ｈｆ、Ｎｂの酸化物は化学的安定性が極めて高いため、これらの元素を添加した場合、形成される酸化皮膜の化学的安定性は極めて高くなる。よってこれらの元素を含む硬質皮膜であれば、反応性の高い被削材の切削であっても、被削材の凝着を抑制することができる。
【００２３】
式（２）におけるＣｒの原子比１−ａ−ｂは、１からＭｇの原子比ａとＭの原子比ｂとを差し引いた値であり、計算上、０．２０以上０．９５未満である。このＣｒの原子比１−ａ−ｂは、例えば０．３５以上、更には０．５５以上とすることができ、例えば０．９０以下、更には０．８５以下、更には０．８０以下とすることができる。
【００２４】
更に本発明者らは、前記式（２）の通りＭを膜中に均一に固溶させる他、下記式（３）に表す通り、Ｍと；Ｂ、ＣおよびＮのうちの１以上の元素と；の化合物を、前記式（１）で表される組成の皮膜と交互に積層させた場合も、上記式（２）の組成の皮膜と同様の効果が得られること、更には多層化による硬さの増加も期待できることを見出した。下記式（３）におけるＭ、Ｂ量ｘ、Ｃ量ｙの範囲や好ましい上下限値は、上記式（１）や式（２）の組成の皮膜と同じである。
Ｍ（ＢxＣｙＮ1-x-y）・・・（３）
但し、上記式（３）において、
Ｍは、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＮｂよりなる群から選択される１種以上の元素であり、
ｘ、ｙは夫々Ｂ、Ｃの原子比であり、
０≦ｘ≦０．２０、および
０≦ｙ≦０．３０を満たす。
【００２５】
上記式（１）で表される組成の皮膜をａ層、上記式（３）で表される組成の皮膜をｂ層としたとき、上記多層化による硬さの増加効果を得るには、ａ層とｂ層の各々の膜厚を２ｎｍ以上とする必要があり、好ましくは５ｎｍ以上である。またａ層とｂ層の各々の膜厚を５０ｎｍ以下とする必要があり、好ましくは３０ｎｍ以下である。以下、この様にａ層とｂ層を積層させた硬質皮膜を「積層型硬質皮膜」ということがある。
【００２６】
尚、ａ層とｂ層の膜厚は、必ずしも同じである必要はなく上記範囲であれば任意の値をとりうる。好ましくはａ層の膜厚＞ｂ層の膜厚とすることによって、より優れた耐凝着性を得ることができる。本発明の積層型硬質皮膜は、基材側がａ層とｂ層のいずれであってもよい。更に、基材側に存在するａ層またはｂ層が、最表面側に存在するような膜構造であってもよく、目的に応じて、様々な積層構造とすることができる。
【００２７】
上記ａ層とｂ層を積層させた硬質皮膜の全体厚みは、何ら限定されない。しかし本発明の特性を有効に発揮させるには、皮膜の全体厚みは、０．５μｍ以上であることが好ましい。但し、皮膜の全体厚みが厚くなり過ぎると、切削中に膜の欠損や剥離が発生しやすくなる。よって全体厚みは、１０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以下であり、更に好ましくは３μｍ以下である。尚、ａ層とｂ層の積層回数は、上述した好ましい全体厚みを満足するように適切に制御することが推奨される。
【００２８】
また、積層した状態でのａ層とｂ層による機能を最大限に発揮させるには、積層回数が２以上の複数であることが好ましい。こうした観点から、ａ層とｂ層の各々の膜厚を薄くして、積層回数を多くすることが好ましい。ここで、積層回数とは、１層のａ層と１層のｂ層の積層を積層回数１としたときの値である。
【００２９】
上記説明した硬質皮膜を基材上に設けることによって、耐凝着性と耐摩耗性に優れた例えば切削工具、特には、純チタンまたはチタン合金切削用の切削工具や金型などの治工具類等の硬質皮膜被覆部材を実現できる。
【００３０】
本発明の硬質皮膜を基材上に形成するにあたり、基材と硬質皮膜の間に、別の金属、窒化物、炭窒化物、炭化物などの中間層を、密着性向上の目的で形成してもよい。
【００３１】
上記成形体に用いられる基材の種類は、特に限定されず、次の様な基材が挙げられる。即ち、例えばＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−（ＴａＣまたはＮｂＣ）−Ｃｏ系合金、ＷＣ−（ＴａＣまたはＮｂＣ）−Ｃｏ系合金等のＷＣ基超硬合金；例えばＴｉＣ−Ｎｉ−Ｍｏ系合金、ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｎｉ−Ｍｏ系合金等のサーメット；例えばＪＩＳ Ｇ ４４０３（２００６）に規定されるＳＫＨ５１やＳＫＤ６１等の高速度鋼；セラミックス；立方晶型窒化硼素焼結体；ダイヤモンド焼結体；窒化硅素焼結体；酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体；等が挙げられる。
【００３２】
本発明の硬質皮膜は、ＰＶＤ法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ、物理的気相成長法）やＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ、化学的気相成長法）等、公知の方法を用いて基材表面に形成できる。こうした方法としては、例えば、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ：Ａｒｃ  Ｉｏｎ  Ｐｌａｔｉｎｇ）法等のイオンプレーティング法や、スパッタリング法等の反応性ＰＶＤ法が有効である。
【００３３】
上記式（１）の組成の硬質皮膜、即ち、積層型硬質皮膜のａ層でもあるこの皮膜の形成方法として、次の方法が挙げられる。例えば、蒸発源であるターゲットとして、ａ層を構成するＣやＮ以外の成分であるＣｒ、Ｍｇ、必要に応じて更にＢを含むターゲットを用い、雰囲気ガスとして、窒素ガスやメタン、アセチレン等の炭化水素ガスを用い、成膜することが挙げられる。前記雰囲気ガスにはＡｒガスが含まれていてもよい。または、ａ層を構成する成分組成の化合物からなるターゲット、即ち、窒化物、炭窒化物、ホウ窒化物、または炭窒ホウ化物からなるターゲットを用いて成膜してもよい。
【００３４】
上記式（２）の組成の硬質皮膜の形成方法として、次の方法が挙げられる。例えば、蒸発源であるターゲットとして、上記皮膜を構成するＣやＮ以外の成分であるＣｒ、Ｍｇ、Ｍ、必要に応じて更にＢを含むターゲットを用い、雰囲気ガスとして、窒素ガスやメタン、アセチレン等の炭化水素ガスを用い、成膜することが挙げられる。前記雰囲気ガスにはＡｒガスが含まれていてもよい。または、上記式（２）の組成を満たす化合物からなるターゲット、即ち、窒化物、炭窒化物、ホウ窒化物、または炭窒ホウ化物からなるターゲットを用いて成膜してもよい。
【００３５】
上記式（３）の組成のｂ層の形成方法として、次の方法が挙げられる。例えば、蒸発源であるターゲットとして、ｂ層を構成するＣやＮ以外の成分であるＭ、必要に応じて更にＢを含むターゲットを用い、雰囲気ガスとして、窒素ガスやメタン、アセチレン等の炭化水素ガスを用い、成膜することが挙げられる。前記雰囲気ガスにはＡｒガスが含まれていてもよい。または、上記式（３）の組成を満たす化合物からなるターゲット、即ち、窒化物、炭窒化物、ホウ窒化物、または炭窒ホウ化物からなるターゲットを用いて成膜してもよい。
【００３６】
前記硬質皮膜を形成するための装置としては、例えば、特開２００８−０２４９７６号公報の図１に示された、アーク蒸発源とスパッタリング蒸発源の両方を備えたＰＶＤ複合装置を用いることができる。これらの蒸発源を同時に放電させることによって、ＡＩＰ法により高速での成膜を確保しつつ、スパッタリング法でＷ等の蒸発困難な元素を成膜することができる。また積層型硬質皮膜を形成する場合には、例えば４箇所の蒸発源のうち、２箇所にａ層形成用ターゲットを取り付け、その他の２箇所にｂ層形成用ターゲットを取り付け、交互に放電させ、ａ層とｂ層を交互に積層させる方法が挙げられる。尚、ａ層とｂ層のうち、一方をイオンプレーティング法、他方をスパッタリング法で形成することも可能である。
【００３７】
上記ＰＶＤ複合装置を用いる場合、例えば以下の成膜条件を採用することができる。即ち、成膜時の基材の温度は、基材の種類に応じて適宜選択すればよい。基材と硬質皮膜との密着性を確保する観点からは、３００℃以上、更には４００℃以上とすることができる。また基材の変形防止等の観点から、基材の温度を７００℃以下、更には６００℃以下とすることができる。
【００３８】
またその他の成膜条件として、雰囲気ガスの全圧：０．５Ｐａ以上４Ｐａ以下、アーク電流：１００〜２００Ａ、基材に印加するバイアス電圧：−３０〜−２００Ｖ、スパッタリング蒸発源への投入電力：０．１〜３ｋＷ等を採用することができる。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４０】
実施例１
表１に示す組成の皮膜を、アーク蒸発源またはスパッタリング蒸発源を複数個有するＰＶＤ成膜装置を用いて形成した。基材として、硬さ調査用に１３ｍｍ角×４ｍｍ厚の鏡面超硬合金試験片を用意し、また切削試験用にインサート（ＣＮＭＧ４３２、超硬合金）を用意し、これらの基材上に同時に成膜した。詳細には、これらの基材を成膜装置に導入後、５×１０-3Ｐａまで排気後、基材を５００℃まで加熱してから、Ａｒイオンによるエッチングを５分間実施した。その後、窒素のみまたは窒素とメタンガスの混合ガスを４Ｐａとなるまで導入し、アーク電流１５０Ａ、基材に印加するバイアス電圧−５０Ｖで、約３μｍの膜を形成し、硬さ調査用サンプルと切削試験用サンプルを得た。上記成膜には、各膜を構成するＣやＮ以外の成分であるＣｒ、Ｍｇ、一部の例では更にＭやＢを含むターゲットを用いた。表１において、Ｍの種類が複数の場合、表１のＭ量は各元素の原子比の合計であり、かつ個々の元素の原子比は表１のＭ量を等分したものである。表２についても同じである。また比較例として、ＴｉＮ膜、ＴｉＡｌＮ膜をそれぞれ形成したサンプルも用意した。
【００４１】
この様にして得られた硬さ調査用サンプルと切削試験用サンプルを用いて、下記の通り、硬さ調査と切削試験を行った。
【００４２】
硬さ調査
前記硬さ調査用サンプルを用いて、ビッカース硬さを荷重１Ｎの条件で測定した。
【００４３】
切削試験
Ｔｉ系金属を切削する場合の摩耗進行は、凝着摩耗が主体であるといわれている。よって本実施例では、耐凝着性を下記逃げ面摩耗量で評価した。即ち、前記切削試験用サンプルを用いて、下記条件で切削試験を行い、下記に示す通り１０００ｍ切削時点での逃げ面摩耗量で耐凝着性を評価した。以下では、前記１０００ｍ切削時点での逃げ面摩耗量を単に「摩耗量」という。
切削試験条件
工具：ＣＮＭＧ４３２、材質Ｋ３１３
被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ
速度：４５ｍ／分
送り：０．１５ｍｍ／分
ＤＯＣ（Ｄｅｐｔｈ  Ｏｆ  Ｃｕｔ）：２ｍｍ
潤滑：湿式
評価：１０００ｍ切削時点での逃げ面摩耗量
【００４４】
この摩耗量が小さくかつ上記ビッカース硬さが高いほど、耐凝着性と耐摩耗性に優れ、工具寿命は長いと評価した。これらの結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１より次のことがわかる。表１のＮｏ．１および２はそれぞれ、従来より用いられているＴｉＮ膜、ＴｉＡｌＮ膜を形成した例である。これらの皮膜では、摩耗量が著しく大きく耐凝着性と耐摩耗性に劣る結果となった。
【００４７】
Ｎｏ．３〜１８は、規定の式（１）の組成に対応した例である。
【００４８】
これらのうちＮｏ．３〜１０は、ＣｒＭｇＮにおけるＣｒとＭｇの組成を変えた例である。Ｎｏ．３および４の通り、Ｍｇを含まないか、Ｍｇを含んでいても不足の場合は、硬さが低く、また摩耗量も上記Ｎｏ．１および２ほどではないが大きく、耐凝着性と耐摩耗性に劣る結果となった。Ｎｏ．１０は、Ｍｇ量ａが過剰であるため、硬さが低く、また摩耗量も上記Ｎｏ．１および２ほどではないが大きく、耐凝着性と耐摩耗性に劣る結果となった。これらに対しＮｏ．５〜９は、本発明で規定の組成を満たしており、ビッカース硬さが２１００Ｈｖ以上であって、摩耗量が８５μｍ以下に抑えられた。好ましくはＮｏ．６〜９の通り、Ｍｇ量ａが０．１０以上０．３０以下の場合に、ビッカース硬さが２４００Ｈｖ以上であって摩耗量８０μｍ以下、特にはＮｏ．７〜９の通り、Ｍｇ量ａが０．１５以上０．３０以下の場合に、ビッカース硬さが２７００Ｈｖ以上であって摩耗量８０μｍ以下を達成できた。
【００４９】
Ｎｏ．１１〜１８は、Ｃｒ量１−ａ：０．８５、Ｍｇ量ａ：０．１５である上記Ｎｏ．７の皮膜の、Ｂ、Ｃ、Ｎの組成を変えた例である。Ｎｏ．１１〜１４は、ホウ窒化物のＢとＮの組成を変化させた例である。このうちＮｏ．１４は、Ｂ量ｘが過剰であるため硬さが低く、また摩耗量も大きく耐凝着性と耐摩耗性に劣った。一方、Ｎｏ．１１〜１３は本発明で規定の組成を満たしており、上記Ｎｏ．７よりも高い硬さが得られている。またＮｏ．１１および１２に示す通り、Ｂ量ｘが特に０．１０以下の場合に摩耗量が小さくなり、より優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られた。
【００５０】
またＮｏ．１５〜１７は、炭窒化物のＣとＮの組成を変化させた例である。このうちＮｏ．１７は、Ｃ量ｙが過剰であるため硬さが低く、また摩耗量が大きく耐凝着性と耐摩耗性に劣った。一方、Ｎｏ．１５および１６は、本発明で規定の組成を満たしており、上記Ｎｏ．７と同等またはそれ以上の耐凝着性と耐摩耗性が得られた。
【００５１】
Ｎｏ．１８は、Ｂ、ＣおよびＮの全てが本発明で規定の組成を満たす範囲内で含まれる皮膜である。この皮膜は、上記Ｎｏ．７よりも高い硬さ、より小さい摩耗量を達成でき、優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られた。
【００５２】
Ｎｏ．１９〜３８は、規定の式（２）の組成に対応した例である。
【００５３】
これらのうちＮｏ．１９〜２５は、Ｍｇ量ａ：０．１５である上記Ｎｏ．７の皮膜に、ＭとしてＷを、Ｍ量ｂを変えて添加した例である。Ｎｏ．２５はＭ量ｂが過剰であるため、硬さが低く、摩耗量も大きくなり耐凝着性と耐摩耗性に劣った。一方、Ｎｏ．１９〜２４は、本発明で規定の組成を満たしており、硬さ２７００Ｈｖ以上、かつ摩耗量６５μｍ以下の優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られた。Ｎｏ．２０に示す通り、Ｍ量ｂの下限を好ましくは０．１０以上とすることによって、上記Ｎｏ．７よりも更に優れた耐凝着性および耐摩耗性を確保できることがわかる。またＭｂ量の上限を好ましくは０．３０以下とすることによって、上記Ｎｏ．７よりも更に優れた耐凝着性および耐摩耗性を確保できることがわかる。
【００５４】
Ｎｏ．２６〜２９は、Ｍとして、上記Ｗ以外にＶ、Ｍｏを用いた例である。いずれの例も本発明で規定の組成を満たしており、ビッカース硬さ３０００Ｈｖ以上、かつ摩耗量５５μｍ以下の十分に優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られた。
【００５５】
Ｎｏ．３０および３１は、ＭがＷの場合であって、Ｂ、Ｃ、Ｎの組成を変えた例である。これらの例は本発明で規定の組成を満たしており、ビッカース硬さ２９００Ｈｖ以上、かつ摩耗量６０μｍ以下の十分に優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られた。
【００５６】
Ｎｏ．３２〜３８は、Ｍとして、上記Ｗ以外にＺｒ、Ｈｆ、Ｎｂを用いた例である。いずれの例も本発明で規定の組成を満たしており、ビッカース硬さ２７００Ｈｖ以上、かつ摩耗量５５μｍ以下の十分に優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られた。
【００５７】
実施例２
表２に示すａ層とｂ層を交互に積層させた皮膜を、アーク蒸発源またはスパッタリング蒸発源を複数個有するＰＶＤ成膜装置にて形成した。基材として、硬さ調査用に１３ｍｍ角×４ｍｍ厚の鏡面超硬合金試験片を用意し、また切削試験用にインサート（ＣＮＭＧ４３２、超硬合金）を用意し、これらの基材上に同時に成膜した。詳細には、これらの基材を上記成膜装置に導入後、５×１０-3Ｐａまで排気後、基材を５００℃まで加熱してから、Ａｒイオンによるエッチングを５分間実施した。その後、窒素とＡｒガスの混合ガスを２．７Ｐａとなるまで導入し、ＡＩＰ法にてまず約１００ｎｍのＣｒＮ膜を、基材と積層皮膜との密着性を高めるための中間層として形成した。引き続き、上記基材温度と上記ガス全圧の状態で、ＡＩＰ蒸発源とスパッタリング蒸発源を同時に放電し、表２に示す組成・膜厚のａ層と、表２に示す組成・膜厚のｂ層とを交互に積層させ、全体厚みが約３μｍの多層膜を形成し、硬さ調査用サンプルと切削試験用サンプルを得た。上記ａ層の成膜には、各膜を構成するＣやＮ以外の成分であるＣｒ、Ｍｇ、一部の例では更にＢを含むターゲット、上記ｂ層の成膜には、各膜を構成するＭ、一部の例では更にＢを含むターゲットを用いた。炭素を含む層の形成では、雰囲気ガスとしてメタンガスを併せて用いた。これらのサンプルを用い、前記実施例１と同様にしてビッカース硬さを測定すると共に、切削試験を行って１０００ｍ切削時点での逃げ面摩耗量を測定した。これらの結果を表２に示す。
【００５８】
【表２】
2016148101.tif 000003
【００５９】
表２より次のことがわかる。Ｎｏ．１〜８は、ａ層を表２のＣｒＭｇＮ、ｂ層をＷＮで一定とし、かつａ層の膜厚とｂ層の膜厚を同じとし、該膜厚を変化させた例である。これらの例のうちＮｏ．１〜５は、ａ層およびｂ層の組成と膜厚が本発明で規定する範囲を満足しているので、硬さが高く摩耗量も抑えられ、耐凝着性と耐摩耗性に優れる結果となった。これらに対しＮｏ．６〜８は、ａ層とｂ層のいずれの膜厚も規定する範囲を超えているため、硬さが低くなった。特にＮｏ．８は摩耗量も大きくなり、耐凝着性と耐摩耗性に劣る結果となった。
【００６０】
Ｎｏ．９〜２４はいずれも、本発明で規定の組成と膜厚を満たす積層型硬質皮膜である。これらの例では、ビッカース硬さ２８００Ｈｖ以上、かつ摩耗量８０μｍ以下の優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られた。
【００６１】
このうちＮｏ．９と１０は、上記Ｎｏ．３におけるｂ層の組成を炭窒化物またはホウ窒化物とした例である。上記Ｎｏ．３とＮｏ．９、１０とを対比すると、ｂ層を炭窒化物またはホウ窒化物とした場合であっても、硬さが高くかつ摩耗量が抑えられた。
【００６２】
Ｎｏ．１１〜１４は、上記Ｎｏ．４におけるｂ層の膜厚を変えた例である。これらＮｏ．４とＮｏ．１１〜１４とを対比すると、ｂ層の膜厚が異なる場合であっても、硬さが高く、かつ前記逃げ面摩耗量が小さく優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られた。尚、これらの結果から、ａ層の膜厚＞ｂ層の膜厚であって、ｂ層の膜厚よりもａ層の膜厚が大きくなるほど、より優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られる傾向にあることがわかる。
【００６３】
Ｎｏ．１５〜１８は、上記Ｎｏ．１２におけるｂ層の組成を変えた例である。これらの結果から、ＭがＷ以外の元素であっても、また複数を用いた場合であっても、硬さが高くかつ摩耗量が抑えられ、優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られることがわかった。
【００６４】
Ｎｏ．１９と２０は、Ｎｏ．１３におけるａ層の組成を変えてホウ窒化物または炭窒化物を用いた例である。これらの例から、ａ層として窒化物以外に、ＢやＣを含む化合物を用いた場合であっても、硬さが高くかつ摩耗量が抑えられ、優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られることがわかった。
【００６５】
Ｎｏ．２１〜２４は、Ｎｏ．１２におけるｂ層の組成を変えた例である。これらの結果から、ＭがＺｒ、Ｈｆ、Ｎｂの少なくともいずれかを含む場合であっても、硬さが高くかつ摩耗量が抑えられ、優れた耐凝着性と耐摩耗性が得られることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の硬質皮膜は、切削工具や金型などの治工具類への耐摩耗性を向上させるコーティングとして適用できる。特には、純チタンやチタン合金といったチタン系金属を被削材とする切削加工に使用の切削工具に適する。