(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材上に、下記組成１の要件を満たす硬質皮膜が少なくとも１層形成されると共に、前記金属基材と前記硬質皮膜の間に、下記組成を満たす第１中間膜が少なくとも１層形成されていることを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
＜組成１＞
（Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＣｒｂ）Ｎ
０．５≦ａ≦０．８、
０．０６≦ｂ、
ａ＋ｂ＜１
（ａ，ｂはそれぞれＡｌ，Ｃｒの原子比を示す）
＜第１中間膜＞
（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ
０≦ｘ≦０．２５
（ｘはＡｌの原子比を示す）
【請求項２】
前記金属基材の表面に、予め第２中間膜としてＴｉ及び／又はＣｒを含む金属層または合金層が少なくとも１層形成されている請求項１に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項３】
前記硬質皮膜の残留圧縮応力が８ＧＰａ以下である請求項１または２に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項４】
最表面皮膜として、被加工材に対する摩擦係数が、当該硬質皮膜の被加工材に対する摩耗係数よりも小さい固体潤滑膜が形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項５】
前記固体潤滑膜が、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏよりなる群から選択される少なくとも１種を３０原子％以下含有し、残部はＣを主体とするものである請求項４に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項６】
前記被加工材が、鉄基合金、アルミ基合金、チタン基合金又は銅基合金である請求項４または５に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項７】
ドライ切削用またはセミドライ切削用として用いる請求項４〜６のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項８】
前記金属基材が、鉄系合金基材である請求項１〜７のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項９】
前記鉄系合金基材が、５００℃以上で焼き戻しを行った鉄系合金基材である請求項８に記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項１０】
前記金属基材が、超硬合金基材である請求項１〜７のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項１１】
ホブ、ドリル又はエンドミルである請求項１〜１０のいずれかに記載の硬質皮膜被覆工具。
【請求項１２】
請求項８または９に記載の硬質皮膜被覆工具を製造する方法であって、アークイオンプレーティング法を採用し、３５０〜５２０℃に保った鉄系合金基材上に前記硬質皮膜を形成することを特徴とする硬質皮膜被覆工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材に硬質皮膜の形成された硬質皮膜被覆工具に関するものであり、詳細には、優れた耐摩耗性を長期間に渡って発揮する硬質皮膜被覆工具に関する。尚、本発明の硬質皮膜被覆工具は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼等を基材としたエンドミル、ドリル、チップまたはホブ等の歯切り工具や、打ち抜きパンチ、スリッターカッター、押し出しダイス、鍛造ダイス等を含む塑性加工用治具として広く適用できるが、以下では、代表的な用途例として切削工具に用いた場合について説明する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼等を基材とする切削工具の耐摩耗性を向上させることを目的に、ＴｉＮやＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等の硬質皮膜をコーティングすることが行われている。特に、ＴｉとＡｌの複合窒化皮膜（以下、ＴｉＡｌＮと記す）が、優れた耐摩耗性を示すことから、前記チタンの窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜に代わって高速切削用や焼き入れ鋼等の高硬度材切削用の切削工具に適用されつつある。
【０００３】
例えば特許第３１６５６５８号には、高速度工具鋼の刃を備えたホブを用いて歯形を形成する歯車加工方法において、該ホブの表面に、
（Ｔｉ(1-x)Ａｌx）（ＮyＣ(1-y)）、
０．２≦ｘ≦０．８５、０．２５≦ｙ≦１．０なる組成の硬質皮膜を形成したものを用いれば、切削油剤を用いずに切削速度８０超〜４００ｍ／分でドライカットを行えることが示されており、前記ｘが０．５付近、前記ｙが１．０付近で最も摩耗が少なく、ｙが小さくなると耐酸化性が劣化することが示されている。
【０００４】
しかしながら、前記ＴｉＡｌＣＮ膜は、より高速での歯車加工といった過酷な使用環境で長期間用いるには性能が不十分である。また高速度工具鋼等の鉄系材料を基材とした場合には、上記ＴｉＡｌＣＮ膜に対する密着性が超硬合金基材と比較して劣る傾向にあることから、上記ＴｉＡｌＣＮ膜の剥離を抑制するには、高速度工具鋼等の鉄系材料からなる基材とＴｉＡｌＣＮ膜の密着性向上を図る必要がある。更に高速度工具鋼を基材とする切削工具は、表面の硬質皮膜が摩耗すると、化学エッチング処理を施して該硬質皮膜を除去したのち再コーティング処理を行い、繰り返し使用される場合があるが、上記ＴｉＡｌＣＮ膜は耐食性が良好であるため、除去し難いといった問題点を有する。
【０００５】
また特開平２０００−１７６８号には、摺動特性と耐摩耗性を兼備させるべく、４ａ、５ａ、６ａ族およびＡｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃから選択される一種以上の元素とＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏから選択される１種以上の元素から構成される単層または２層以上の積層皮膜からなる下地層の上に、ＭｏＳ2あるいはＭｏＳ2を主体とする化合物をスパッタリング法で形成することが示され、前記ＭｏＳ2を主体とする化合物には、４ａ、５ａ、６ａ族の元素を０．５〜１０ａｔ％含有させるのがよく、また前記下地層としてＴｉＮやＴｉＣＮ、ＣｒＮを用いればよいことが示されている。
【０００６】
上記技術では、固体潤滑皮膜としてＭｏＳ2またはＭｏＳ2を主体とする化合物を用いているが、ＭｏＳ2は硬度の低い化合物であることから潤滑皮膜としての寿命が短く、結果として工具等の寿命も短く長期間の使用に耐えられない。また下地層であるＴｉＮやＴｉＣＮ、ＣｒＮは、耐酸化性や硬度が低いため、良好な耐摩耗性が要求されている切削工具等に適用するにあたっては改善の余地を有する。
【０００７】
ドイツ特許（ＤＥ）第１９８１６４９１号には、ドライ切削工具等に適用すべくＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｒ、ＴｉＡｌおよび/またはＴｉＮｂの１種以上よりなる窒化物、炭化物、炭窒化物の単層膜上または多層膜上に、金属元素（Ｍｅ）を含むＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を形成することが示されており、前記金属元素（Ｍｅ）としてＷ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒまたはＣｒを用い、該金属成分が基材側から表面にかけて増加するよう濃度勾配を設けるのがよいことが示されている。
【０００８】
またドイツ特許（ＤＥ）第１９５２３５５０号には、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＹＮまたはＴｉＡｌＣｒＮの単層膜上または多層膜上にＭｏＳ2を形成後、機械的に表面を研磨し、クレータ部のみにＭｏＳ2を残留させることが示されている。しかしながら上述した通り、ＭｏＳ2は硬度が低く、かつ基材との密着性にも劣るので優れた摺動特性を発揮し得ない。
【０００９】
米国特許第５７０７７４８号には、硬質皮膜層が基材上に設けられ、摩擦係数低減層として金属炭化物とＣ（炭素）の混合層を該硬質皮膜層上に形成された工具が提案されており、硬質皮膜層と摩擦係数低減層の粒径は平均１μｍ以下とし、摩擦係数低減層の厚みを硬質皮膜層の厚み以下とすることが示されている。前記硬質皮膜層として本質的にＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒまたはこれらの合金の窒化物、炭化物、炭窒化物からなるものが示されており、前記摩擦係数低減層としてはＷまたはＣｒを含むものが示され、Ｗ−Ｃの組み合わせの場合にはＣ量を６１原子％以上とすることがよい旨示されている。
【００１０】
しかしながら上記技術は、硬質皮膜について十分に検討されているものでなく、加工の高速化・高能率化といった要求に対し、工具の更なる耐摩耗性向上を図るには硬質皮膜について更なる検討を要する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高速・高能率加工が可能であり、かつ公知のＴｉＡｌＣＮ膜よりも優れた耐摩耗性を長期間に渡って発揮する硬質皮膜被覆工具、使用皮膜を除去して繰り返し使用される工具に好適な硬質皮膜被覆工具、および鉄基合金やアルミ基合金、チタン基合金等といった溶着しやすい材料を対象に、ドライまたはセミドライ加工を行う場合において、長期間に渡り効率の良い切削を可能とした硬質皮膜被覆工具、更にはこの様な硬質皮膜被覆工具を得るための有用な製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る硬質皮膜被覆工具とは、金属基材上に、下記組成１の要件を満たす硬質皮膜が少なくとも１層形成されると共に、前記金属基材と前記硬質皮膜の間に、下記組成を満たす第１中間膜が少なくとも１層形成されているところに特徴を有するものであり、前記硬質皮膜の残留圧縮応力は８ＧＰａ以下であることが好ましい。
【００１３】
＜組成１＞
（Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＣｒｂ）Ｎ
０．５≦ａ≦０．８、
０．０６≦ｂ、
ａ＋ｂ＜１
（ａ，ｂはそれぞれＡｌ，Ｃｒの原子比を示す。以下同じ）
【００１５】
＜第１中間層＞
（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）Ｎ
０≦ｘ≦０．２５
（ｘはＡｌの原子比を示す。以下同じ）
【００１６】
また前記金属基材の表面に、予め第２中間膜としてＴｉ及び／又はＣｒを含む金属層または合金層が少なくとも１層形成されているものも本発明の好ましい形態である。
【００１７】
更に本発明は、最表面皮膜として、被加工材に対する摩耗係数が、当該硬質皮膜の被加工材に対する摩耗係数よりも小さい固体潤滑膜が形成されている硬質皮膜被覆工具も含む。該固体潤滑膜としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏよりなる群から選択される少なくとも１種を３０原子％以下含有し、残部はＣを主体であるものを用いるのがよい。
【００１８】
この様に固体潤滑膜を形成した硬質皮膜被覆工具は、鉄基合金、アルミ基合金、チタン基合金または銅基合金を被加工材とする場合に有用であり、また、ドライ切削用またはセミドライ切削用の工具として用いれば、その特性を十分に発揮し得る。
【００１９】
前記金属基材としては鉄系合金基材を用いることができ、好ましくは焼き戻しを５００℃以上で行った鉄系合金基材を用いる。また、前記固体潤滑材を形成してドリル等の工具に適用するにあたっては、前記金属基材として超硬合金基材を用いることが好適である。
【００２０】
本発明の硬質皮膜被覆工具は、特にホブ、ドリル又はエンドミルといった切削工具に用いれば、従来の切削工具と比較して優れた耐摩耗性を長期間に渡って発揮するものであることが分かる。
【００２１】
基材が鉄系合金基材である硬質皮膜被覆工具を製造するにあたっては、アークイオンプレーティング法を採用し、基材温度を３５０℃〜５２０℃の範囲内にして前記硬質皮膜を形成することが、工具の機械的特性を確保する観点から推奨される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明ではより高速化・高能率化の要求されている塑性加工用治具として、下記に規定する硬質皮膜を金属基材上に被覆したものを用いれば、優れた耐摩耗性を長期間発揮することが分かった。
【００２３】
また硬質皮膜と金属基材の密着性をより高めるにあたっては、応力制御が重要であり、最適な応力状態を確保するには、皮膜の製造方法を制御すればよいことや規定の中間膜を形成すればよいことがわかった。また、工具を繰り返し使用すべく、使用皮膜の除去・再コーティング処理を容易なものとするにあたっては、本発明で規定する中間膜を設ければよいことがわかった。
【００２４】
更に、本発明の硬質皮膜上に規定の固体潤滑膜を形成すれば、過酷な使用環境下でも、従来のＴｉＡｌＣＮ膜より優れた耐摩耗性を長期間発揮できることがわかり、本発明に想到した。
【００２５】
以下、本発明で工具を構成する皮膜や基材、および皮膜形成（成膜）にあたって好ましい製造条件を規定した理由について説明する。
【００２６】
＜硬質皮膜について＞
本発明者らは、従来より公知である（Ｔｉ(1-x)Ａｌx）（ＮyＣ(1-y)）膜（以下、ＴｉＡｌＣＮ膜と略す）のＴｉの一部をＣｒあるいはＶで置換し、必要に応じてＳｉ、Ｂを添加すれば、前記ＴｉＡｌＣＮ膜に比べて高硬度となり、切削特性が格段に優れることを見出し、既に出願している（特願２００１−２８７５８７号等：但し未公開）。
【００２７】
これらの皮膜の特徴は、Ｔｉの一部をＣｒあるいはＶで置換することで、より高いＡｌ濃度を維持でき、高硬度相である立方晶岩塩型構造を実現できた点にある。例えば前記ＴｉＡｌＣＮ膜の場合、含有するＡｌ量は６０〜６５原子％（金属成分に占める割合）が限度であり、それを超えると構造が軟質な六方晶に転移することが知られている。これに対し、本発明の皮膜はＡｌ量を６０原子％以上、更には６５原子％以上としても立方晶岩塩型構造を維持することができ、その結果高硬度の皮膜が得られるのである。以下に、本発明の工具に被覆する硬質皮膜の組成を規定した理由を述べる。
【００２８】
▲１▼硬質皮膜の「組成１」について
ＴｉＡｌＮは岩塩構造型の結晶であり、岩塩構造型のＴｉＮのＴｉサイトにＡｌが置換して入った岩塩構造型の複合窒化物である。岩塩構造型のＡｌＮは高温高圧相であるため、高硬度物質であると予想される。したがって岩塩構造を維持しながらＴｉＡｌＮ中のＡｌの比率を高めればＴｉＡｌＮ膜の硬度を高めることができる。しかしながら岩塩構造型のＡｌＮは、常温常圧や高温低圧では非平衡相であることから、気相コーティングを行っても通常は軟質のＺｎＳ型ＡｌＮしか生成せず、岩塩構造型ＡｌＮ単体を生成することができない。
【００２９】
ところがＴｉＮは、岩塩構造型でかつ岩塩構造型のＡｌＮと格子定数が近いため、ＴｉにＡｌを添加して窒化物を成膜すれば、ＴｉＮの構造にＡｌＮが引き込まれ、常温常圧や高温低圧でも岩塩構造型のＴｉＡｌＮを生成させることができるのである。しかし前述したように、ＴｉＡｌＮを（Ａｌx，Ｔｉ1-x）Ｎと表現した場合のＡｌの組成比ｘが０．６〜０．７を超えると、ＴｉＮによる引き込み効果が弱くなって軟質のＺｎＳ型ＡｌＮが析出する。
【００３０】
ところでＣｒＮの格子定数は、ＴｉＮよりも更に岩塩構造型ＡｌＮに近いため、ＴｉＡｌＮのＴｉを一部Ｃｒに置換することで岩塩構造型ＡｌＮの比率をより一層高めることができる。この様にＣｒ添加により膜中の岩塩構造型ＡｌＮの比率を高めることができれば、ＴｉＡｌＮ膜よりも高硬度とすることが可能である。
【００３１】
一方、ＴｉＡｌＮにＳｉを添加して硬度、耐酸化性を高めることが特開平７−３１０１７４号公報に開示されているが、該公報では、Ａｌを原子比で０．７５以下、Ｓｉを原子比で０．１以下に規定しており、Ａｌ及びＳｉが上記範囲を超えると皮膜が軟質な六方晶構造に変化すると示されていることから、更に耐酸化性を高めることは不可能であった。本発明者等は、ＴｉＡｌＮ膜にＣｒを添加し、更にＳｉを添加することにより、岩塩構造型を維持したまま耐酸化性を向上させ、かつ硬度を増加させることができることを見出した。Ｓｉの挙動に関して詳細な解析はなされていないが、前述のＴｉＡｌＮにおけるＡｌと同様の挙動、即ちＴｉＮ格子中のＴｉの格子位置に置換されて入っていると推定される。
【００３２】
尚、ＡｌＮ、ＣｒＮおよびＳｉ−Ｎ化合物は、耐酸化性もＴｉＮより優れているため、耐酸化性向上の観点からも、Ｔｉの割合を減らしてＡｌ、ＣｒおよびＳｉを添加することが好ましい。
【００３３】
以下、本発明の（Ｔｉ1-a-b-c-d Ａｌa Ｃｒb Ｓｉc Ｂd）（Ｃ1-eＮe）皮膜を構成するＴｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｂ，ＣおよびＮの原子比にかかるａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅを規定した理由について詳細に述べる。
【００３４】
まずＡｌについては、耐酸化性および硬度を確保するため、原子比ａの下限を０．５とした。またＡｌの原子比ａの上限を０．８と定めたのは、これを超えると軟質な六方晶が析出し、皮膜の硬度が低下するからである。
【００３５】
Ｃｒを添加することで、上述した様に岩塩構造型を維持したままＡｌ含有量を増加させることができるのであり、この様な効果を発揮させるため、Ｃｒの原子比ｂの下限を０．０６とした。
【００３６】
Ａｌの原子比ａは０．５５以上であることが好ましく、より好ましくは０．６０以上である。またＣｒの原子比ｂの下限は０．０８であることが好ましい。図１は、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ膜における金属成分Ｔｉ、ＡｌおよびＣｒの組成図を示したものであるが、この図１におけるＣｒ原子比（ｂ）＝４（Ａｌ原子比−０．７５）のラインより左側、即ち、Ｃｒ原子比（ｂ）＜４（Ａｌ原子比−０．７５）になると、Ｃｒを添加しても膜中のＡｌＮの結晶構造は軟質のＺｎＳ型の割合が高くなることから、膜の硬度は急激に低下する。従って、Ａｌの原子比ａが０．７６５を超える場合には、Ｃｒ原子比（ｂ）の割合をｂ≧４（Ａｌ原子比−０．７５）とするのが好ましい。またＣｒＮはＴｉＮと比較して硬度が小さく、過度に添加すると硬度の低下を招くことから、Ｃｒの原子比ｂの上限は０．３５であることが好ましく、より好ましくは０．３である。
【００３７】
Ｓｉは、上述した様に耐酸化性を向上させる効果を有し、またＢも同様の効果を有するので、耐酸化性を向上させる観点からＳｉおよび／またはＢを原子比（ｃ＋ｄ）で０．０１以上添加することが好ましい。更に好ましくは０．０２以上である。一方、Ｓｉおよび／またはＢの割合が多すぎると、軟質な六方晶構造が析出し耐摩耗性が損なわれるため、Ｓｉおよび／またはＢの原子比：ｃ、ｄまたは（ｃ＋ｄ）の上限を０．１とする。好ましくは０．０７以下であり、より好ましくは０．０５以下である。
【００３８】
尚、Ｓｉ−Ｎ化合物は、高温酸化雰囲気中でＳｉ酸化物の保護被膜を形成し、皮膜を酸化から保護する作用があるが、ＢＮ化合物は、それ自身耐酸化性に優れるものの（酸化開始温度１０００℃付近）、形成される酸化物は保護効果が小さく、Ｓｉ添加と比較して効果がやや劣る。従って、ＢよりもＳｉを添加する方が好ましく、Ｓｉのみを添加することがより好ましい形態として推奨される。
【００３９】
Ｔｉ量は、上記Ａｌ、Ｃｒ、ＳｉおよびＢ量によって決定されるが、ＴｉＮはＣｒＮに比較して硬度が高く、Ｔｉを全く添加しない場合には皮膜の硬度低下が生じることから、Ｔｉの原子比（１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ）の下限は０．０２とすることが望ましく、より好ましくは０．０３である。またＡｌの原子比を０．６以上とする場合にＴｉを過度に添加すると、相対的にＣｒ量が少なくなり前記引き込み効果が小さくなることから、この場合はＴｉの原子比を０．３５以下とすることが望ましく、より好ましくは０．３以下とする。
【００４０】
Ｓｉ、Ｂを添加しない場合、即ち（ｃ＋ｄ）の値が０の場合には、Ｔｉ，Ａｌ、Ｃｒの原子比を、前記図１にて実線で示すとおり、以下の範囲内とすることが推奨される。即ち、
０．０２≦１−ａ−ｂ≦０．３０、
０．５５≦ａ≦０．７６５、
０．０６≦ｂ、
または
０．０２≦１−ａ−ｂ≦０．１７５、
０．７６５≦ａ、
４（ａ−０．７５）≦ｂ、
とすることが有効である。
【００４１】
またＴｉの原子比を０．２０未満とすることで、耐酸化性が更に向上し、更に高い酸化開始温度を示し、より優れた耐酸化性を確保することができる。従って、上記規定したａ、ｂの範囲の中でも、
０．０２≦１−ａ−ｂ＜０．２０、
０．５５≦ａ≦０．７６５、
０．０６≦ｂ
または
０．０２≦１−ａ−ｂ＜０．２０、
０．７６５≦ａ、
４（ａ−０．７５）≦ｂ
とすることが好ましい。
【００４２】
更に、Ａｌの原子比ｂを０．６以上にするとともに、Ａｌの原子比上限を膜の結晶構造がほぼ岩塩構造単相となる領域に限定することで、Ｓｉ、Ｂが含有されない場合であっても、耐酸化性だけでなく、ＴｉＡｌＮ（０．５６≦Ａｌ≦０．７５）のうち、最も高硬度を示すＴｉ0.4Ａｌ0.6Ｎよりも更に高い硬度を得ることができる。
【００４３】
従って、最も好ましいａ、ｂの範囲は、前記図１にて破線で示すとおり、
０．０２≦１−ａ−ｂ＜０．２０、
０．６０≦ａ≦０．７０９、
または
０．０２≦１−ａ−ｂ＜０．２０、
０．７０９≦ａ、
１１／６×（ａ−０．６６）≦ｂ、
である。
【００４４】
上述の通りＣｒＮはＴｉＮと比較して硬度が小さく、過度に添加すると硬度の低下を招くことから、これらの好ましい範囲においても、Ｃｒの原子比ｂの上限は０．３５であることが好ましく、より好ましくは０．３である。
【００４５】
ところで、皮膜中にＣを添加することで、ＴｉＣやＳｉＣ、あるいはＢ4Ｃ等の高硬度の炭化物を析出させて、皮膜自身の硬度を高めることができる。従ってＣ原子比（１−ｅ）は、Ｔｉ、ＳｉおよびＢの原子比の合計（１−ａ−ｂ）と同量であることが望ましい。しかしながら過剰に添加すると、化学的に不安定なＡｌ4Ｃ3やＣｒ7Ｃ3等を析出させてしまうこととなり、耐酸化性が劣化し易くなる。よって（Ｔｉ1-a-b-c-d Ａｌa Ｃｒb Ｓｉc Ｂd）（Ｃ1-eＮe）におけるｅの値が０．５以上となるようにする。前記ｅの値は、好ましくは０．７以上、より好ましくは０．８以上であり、最も好ましくはｅ＝１である。
【００４６】
▲２▼硬質皮膜の「組成２」について
次に硬質皮膜の「組成２」を規定した理由について述べる。
【００４７】
Ａｌ、Ｖは、共に高硬度化の作用をもたらす元素であり、この様な効果を発揮させるには、Ａｌの原子比ｂを０．５超とし、Ｖの原子比ｃを０．０５超とした上で、更に（Ａｌ＋Ｖ）の合計原子比（ｂ＋ｃ）が０．７以上となるようにする必要がある。前記Ａｌの原子比ｂは好ましくは０．５５以上で、より好ましくは０．６以上であり、Ｖの原子比ｃは好ましくは０．０６以上で、より好ましくは０．１以上である。更に（Ａｌ＋Ｖ）の合計原子比（ｂ＋ｃ）は、０．７５以上とすることが好ましく、より好ましくは０．８以上である。
【００４８】
またＡｌの原子比の上限を規定した理由については次の通りである。即ち、Ａｌの原子比が大きくなりすぎると、常温常圧で安定なＺｎＳ型のＡｌＮが優勢となり、皮膜の構造が高硬度を維持できる岩塩型から軟質なＺｎＳ型に完全に転移してしまうことから、０．８以下とする必要があり、好ましくは０．７５以下である。またＶの原子比ｃについては、その上限を０．４とすることが好ましい。
【００４９】
Ｔｉ量に関しては、上述の通り（Ａｌ＋Ｖ）の原子比を０．７以上とする必要があることから、Ｔｉの原子比ａは０．３以下とする必要があるが、前記（ｂ＋ｃ）が０．７５以上の場合には、０．２５以下とするのがよく、更に好ましくは０．２以下である。一方、Ｔｉを全く添加しない場合には、前述の様な格子定数の異なる結晶（ＴｉＮとＶＮ，ＴｉＮとＡｌＮ）の固溶による高硬度化を図ることができないので、Ｔｉは原子比で０．０２以上必要であり、上記固溶硬化を最大限に引き出すためには、０．０５以上とすることが望ましい。
【００５０】
さらにＣ、Ｎの量に関しては次の通りである。即ち、皮膜中にＣを添加し、ＴｉＣやＶＣ等の高硬度の炭化物を析出させて皮膜の硬度を高める場合には、Ｔｉ＋Ｖの添加量と同量程度のＣを存在させることが望ましい。しかしながら、Ｃを過剰に添加すると、上述した通り水分と反応して容易に分解する不安定なアルミの炭化物を過度に析出させることになるので、Ｃの原子比（１−ｄ）は０．５以下、即ち、Ｎの原子比ｄを０．５以上とする必要がある。ｄは、０．７以上である場合が好ましく、より好ましくは０．８以上であり、ｄ＝１の場合を最も好ましい形態とする。
【００５１】
本発明ではこれらの組成１または組成２を満たす硬質皮膜が基材上に単層として形成される場合の他、組成１または組成２の範囲を満たすものであって、相互に異なる組成の硬質皮膜や結晶配向などの異なる硬質皮膜が２層以上、基材上に形成されている工具も本発明に含まれる。
【００５２】
尚、前記硬質皮膜は、単層の場合であっても上記複数層の場合であっても、トータルとしての膜厚は、１〜５μｍ程度とすることが望ましい。薄すぎると良好な耐摩耗性が発揮されず、一方、厚すぎると切削中に膜の欠損や剥離が発生するからである。より好ましい膜厚は３〜４μｍ程度である。
【００５３】
＜第１中間膜について＞
更に本発明では、前記硬質皮膜と金属基材間に、
（Ｔｉ1-xＡｌx）（Ｃ1-yＮy）
０≦ｘ≦０．２５、
０．５≦ｙ≦１
（ｘはＡｌの原子比を示し、ｙはＮの原子比を示す。）
で示される皮膜（以下、単に「第１中間膜」ということがある）が少なくとも１層形成されていることが、前記硬質皮膜と基材の密着性を向上させる観点から好ましい。
【００５４】
基材として一般に用いられる高速度工具鋼または熱間工具鋼等の鉄系材料のヤング率が約２００ＧＰａ程度であるのに対し、本発明で規定する硬質皮膜のヤング率は、従来のＴｉＡｌＮに比較して約１．５倍程度高い４５０ＧＰａ付近の値となる。この様にヤング率の大きく異なる皮膜を基材上に形成した工具を用いて切削を行うと、外部応力が負荷されたときの切削皮膜と基材の弾性変形挙動が大きく異なることから、基材の方が大きく変形して硬質皮膜が基材の変形に追随できず、皮膜剥離が生じる場合がある。
【００５５】
本発明では、基材と硬質皮膜のヤング率の中間値を示す第１中間膜を設けることによって、外部応力負荷時の硬質皮膜部分における応力緩和を図り、結果として優れた密着性を得ることができたのである。該第１中間膜がＴｉＮである場合中間膜のヤング率は約３００ＧＰａであり、Ａｌの増加によりヤング率は増加する傾向を示すが、規定する上限量のＡｌ原子比：０．２５の場合であってもヤング率は約３５０ＧＰａ程度であって、硬質皮膜と比較して基材により近い値を示す。上記第１中間膜のＡｌ量上限を規定したのは、この様にＡｌ量の増加に伴いヤング率が増加し、Ａｌ原子比（ｘ）が０．２５を超えると該中間膜のヤング率が大きくなり応力緩和効果が望めないからである。尚、前記Ａｌ原子比（ｘ）の好ましい上限は０．２であり、より好ましくは０．１である。
【００５６】
ところでＴｉ−Ａｌの窒化膜や炭窒化膜は、Ａｌ含有量の増加とともに皮膜の電気抵抗や耐食性が大きくなる傾向が認められることから、再コーティングを施して工具を繰り返し使用すべく、電気化学的な反応を利用して使用皮膜の除去（以下、単に「除膜」ということがある）を行う場合に、該皮膜が除去し難い傾向がある。本発明の硬質皮膜は、Ａｌを６０原子％以上添加することを望ましいとするものであり、耐食性が高いことから、Ａｌ量が少なく耐食性および電気伝導率の低い従来のＴｉＡｌＣＮ膜と比較して除膜が困難である。
【００５７】
本発明では、Ａｌ量が原子比で０．２５以下の第１中間膜を基材との間に設ければ、除膜工程で該第１中間膜を優先的に溶解させることができ、基材からの皮膜除去を容易に行えることがわかった。第１中間膜のＡｌ原子比（ｘ）が０．２５を超えると、皮膜の電気抵抗が大きくなると共に、除膜工程で溶解し難いＡｌ酸化皮膜が形成され、処理が困難となるので好ましくない。
【００５８】
また第１中間膜にＣ（炭素）を添加すると、皮膜の耐食性を若干低下させるとともに、電気抵抗も低下させることができ、前記除膜を効率よく行えるので好ましく、Ｃ量は、窒素との合計に占める割合が原子比で０．５以下の範囲とするのがよい。
【００５９】
第１中間膜の膜厚は０．１〜２μｍの範囲内とすることが望ましい。該膜厚が０．１μｍより薄いと応力緩和効果が望めず、一方、２μｍを超えると、通常３〜５μｍ程度である基材上の皮膜の大部分を該第１中間膜が占めて、前記硬質皮膜の割合が少なくなり、良好な耐摩耗性を確保することができないからである。
【００６０】
＜第２中間膜について＞
基材と硬質皮膜の密着性を向上させることを目的に、前記金属基材の表面に、予め第２中間膜として、Ｔｉ及び／又はＣｒを含む金属層または合金層を少なくとも１層形成させ、該第２中間膜上に、前記硬質皮膜や第１中間膜を形成し、構造が、基材−第２中間膜−硬質皮膜、または基材−第２中間膜−第１中間膜−硬質皮膜となるようにしてもよい。
【００６１】
上記第２中間膜は、窒素を含まずＣｒやＴｉが窒化物等の化合物の状態で存在しないことから、第２中間膜形成時に基材の主成分として挙げられるＦｅと強固な金属結合（Ｆｅ−Ｔｉ化合物、Ｆｅ−Ｃｒ化合物）を形成し、基材との密着性を良好にする。また第２中間膜のＣｒやＴｉはいずれも窒素と反応しやすい元素であるため、本発明で規定の硬質皮膜や前記第１中間膜のような窒化膜や炭窒化膜との密着性も良好である。
【００６２】
第２中間膜の膜厚は０．０１〜１μｍの範囲内とすることが望ましい。０．０１μｍより薄いと密着性向上の効果が認められず、一方、１μｍを超えると、前記第１中間膜の場合と同様、基材上の皮膜の大部分を該第２中間膜が占めて、前記硬質皮膜の割合が少なくなり、良好な耐摩耗性を確保することができないからである。
【００６３】
＜硬質皮膜の残留圧縮応力について＞
上記硬質皮膜部分の残留圧縮応力は８ＧＰａ以下であることが望ましい。硬質皮膜の残留圧縮応力が８ＧＰａを超えて高すぎる場合には、工具を切削等に使用中、外部応力が加わったときに、硬質皮膜の剥離が生じやすくなるからである。
【００６４】
尚、この残留圧縮応力は、Ｘ線回折を利用して硬質皮膜の特定のピーク［例えば岩塩構造型（１１１）、（２００）面］に着目してＸ線の試料表面に対する入射角ψを変化させ、ピーク位置のシフトを測定して下記式（１）より導出することができる。
応力(GPa)＝−E/2(1+ν)・cotθ0・π/180・δ(2θ)/δ(sin2ψ)  …(1)
［式（1）中、
Ｅ：硬質皮膜ヤング率（＝４５０ＧＰａ）
ν：硬質皮膜のポワソン比（＝０．２２）
θ0：標準ブラッグ角
δ（２θ）／δ（ｓｉｎ2ψ）：着目する回折線のψ角のｓｉｎ2ψと対する回折角度（２θ）をプロットしたグラフの傾き］
【００６５】
＜固体潤滑膜について＞
本発明では最表面皮膜として、被加工材に対する摩耗係数が、当該硬質皮膜の被加工材に対する摩耗係数よりも小さい固体潤滑膜を形成することで、工具の耐久性を従来のＴｉＡｌＣＮ膜と比較して格段に優れたものとすることができる。
【００６６】
従来の硬質皮膜であるＴｉＡｌＣＮ膜は、鉄基合金、アルミ基合金、チタン基合金又は銅基合金等の被加工材に対し、摩擦係数が０．５〜０．７程度であるのに対し、本発明の硬質皮膜はこれより若干低い０．４〜０．６程度であるが、実際の切削環境においては、被加工材あるいは被加工材の切り屑が工具に溶着しやすい。従って、被加工材や切り屑の溶着を低減して工具の長寿命化を図るには、摩擦係数の小さい固体潤滑膜を最表面皮膜として形成することが望ましい。
【００６７】
前記固体潤滑膜としては、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏよりなる群から選択される少なくとも１種を３０原子％以下含有し、残部がＣを主体とする皮膜を形成することが推奨される。
【００６８】
従来使用されてきたＭｏＳ2皮膜、または金属元素を添加したＭｏＳ2を主体とする皮膜は、各種材料に対する摩擦係数が０．１〜０．２程度と低いものの、本発明の固体潤滑膜と比較して硬度が低いため（本発明の固体潤滑膜の硬度：ＨＶ１５００以上であるのに対し、ＭｏＳ2（主体）皮膜の硬度：ＨＶ１０００程度）、被加工材や切り屑との摺動により容易に該皮膜が消失してしまいその効果が持続しない。これに対し、本発明の固体潤滑膜は硬度もある程度高いことから、長期間の使用において潤滑効果を維持することができる。
【００６９】
尚、前記摩擦係数の測定方法としては、例えば摺動往復型の摩耗摩擦試験機（ボールオンディスクタイプ）を用い、ボール（超硬合金、ＨＳＳなど）上に皮膜を形成し、ディスク材には対象となる被加工材を用いればよい。このとき試験条件を例えば荷重：１．９６Ｎ、摺動速度：２０ｍｍ／秒とし、５０〜１００ｍ程度の距離を摺動させた後の摩擦係数を測定することが推奨される。
【００７０】
固体潤滑膜中に含有させるＷ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏの量は合計で３０原子％を上限とする。これらの元素が過剰に含有していると、摩擦係数が０．３以上に上昇し、所望の潤滑効果が得られないからである。より望ましくは合計で２０原子％以下である。一方、上記元素添加量の下限は、被加工材や切削条件に応じて適宜設定すればよいが、被加工材が鉄系、チタン系または銅系の場合には、切削時の抵抗が大きく、結果として固体潤滑膜に多大な負荷がかかることから、該固体潤滑膜の靭性を確保すべく、前記金属元素を合計で５原子％以上添加することが望ましい。被加工材がＡｌ系材料の場合には、前記金属元素が合計で概ね２０原子％以下であれば性能は同程度である。
【００７１】
また本発明の固体潤滑膜は残部がＣを主体とするものであり、具体的には、例えばダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、水素を含まないｔａ−Ｃ（テトラヘドラルアモルファスカーボン）、ａ−Ｃ：Ｈ（水素化アモルファスカーボン）等が挙げられる。
【００７２】
固体潤滑膜の形成に用いる上記金属元素は、原則として被加工材中に含まれない元素を選択するのが、被加工材との親和性を低減させ、摩擦係数を低下させる観点から望ましい。即ち、例えば被加工材がＴｉ基合金の場合には、Ｔｉが添加されている固体潤滑膜を設けた工具の使用を避け、固体潤滑膜にＴｉ以外の元素が添加された工具を用いるのがよい。また被加工材がＣｒを含有する鉄系材料の場合には、前記金属元素としてＷ、Ｍｏを用いれば摩擦係数をより低下させることができるので望ましい。
【００７３】
前記固体潤滑膜の膜厚は０．５〜２μｍ程度とすることが推奨される。薄すぎると所望の潤滑効果が十分に発揮されず、一方、２μmを超えて厚すぎると皮膜に占める固体潤滑膜の割合が大きくなり、前記硬質皮膜の特性が十分に発揮されないからである。
【００７４】
固体潤滑膜と硬質皮膜等の膜との密着性を高めるにあたっては、これらの間にＷ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏよりなる群から選択される１種からなる金属膜、または２種以上からなる合金膜を設けたり、金属中間層から固体潤滑膜にかけて連続的あるいは段階的にＣ量を増加させた傾斜機能膜を設けても良い。
【００７５】
この様に、本発明の切削皮膜を形成し、更に固体潤滑膜を形成した構造の工具は、潤滑剤を用いたウエット環境での切削はもちろんのこと、近年の環境問題を考慮したドライ切削加工、または潤滑剤を最小限に抑えて行うセミドライ切削加工においても、これまで硬質皮膜として用いられてきたＴｉＡｌ（ＣＮ）膜やＴｉＡｌ（ＣＮ）膜に固体潤滑膜を被覆した場合と比較して、格段に優れた耐久性能を発揮する。
【００７６】
＜基材について＞
本発明の硬質皮膜被覆工具を構成する基材は、金属基材であればよく、特に限定されるものではないが、ＳＫＨ５１、ＳＫＤ６１、ＳＫＤ１１等の鉄系合金基材が好ましく用いられる。
【００７７】
皮膜形成時に鉄系基材の温度を約４８０℃程度にまで高めて成膜を行う場合、実際の操業では、基材温度は４８０℃を中心として若干変動するので、基材の機械的特性を維持する観点から、焼き戻しを５００℃以上で行った鉄系合金材料を基材に用いるのがよい。
【００７８】
更に、金属基材として、硬質相が炭化タングステンや炭化チタン等であり、金属相がコバルト等である超硬合金基材を用いることもできる。
【００７９】
＜用途について＞
本発明の硬質皮膜被覆工具は、特にその用途を限定するものでなく、上述した通りエンドミル、ドリル、チップまたはホブ等の歯切り工具や打ち抜きパンチ、スリッターカッター、押し出しダイス、鍛造ダイス等を含む塑性加工用治具として使用することができるが、特にエンドミル、ドリル、ホブ等の歯切り工具として使用すれば、その効果がより顕著に表れるので推奨される。上記歯切り工具は、より高速度で長期間使用されるもので、他のチップ等の工具と比較して使用環境が非常に過酷であることから、従来の工具を使用した場合よりも優れた耐久性能を示すのである。
【００８０】
特に、本発明で規定する硬質皮膜と固体潤滑膜を組み合わせた皮膜をドリルに形成される皮膜に適用することが推奨される。エンドミルまたはチップを用いた旋削加工では切り屑が排出されやすいのに対し、ドリル加工では切り屑が切削穴に詰まり易く、この切り屑の詰まりでドリルが欠損し易い。この傾向は、被削材が切り屑の排出されにくい炭素鋼、アルミ基合金、銅基合金、チタン基合金である場合や、穴の深さがドリルの直径の２倍を越える場合に顕著である。本発明の硬質皮膜や固体潤滑膜を組み合わせた皮膜を形成したドリルは、この様な切り屑の詰まり易い被削材の切削であって、特に加工穴深さ／工具直径が２倍を超える場合であっても良好に切削を行うことができ、かつこの様な過酷な使用環境下で長期間使用することができる。特に、前記加工穴深さ／工具直径が３倍を超える場合に、本発明の皮膜を形成したドリルの優れた特性が、従来の皮膜を形成したドリルと比較して顕著に表れる。
【００８１】
＜本発明の皮膜の形成方法について＞
本発明の硬質皮膜、第１中間膜、第２中間膜および固体潤滑膜の形成方法としては、スパッタリング、アーク蒸着法等が挙げられるが、前記硬質皮膜の形成にはアーク蒸着法におけるカソード放電型アークイオンプレーティング法が成膜レートが早く、生産性を高めることができるので推奨される。
【００８２】
上記のスパッタリング法やアーク蒸着法で硬質皮膜を形成する場合には、成膜中に基材を加熱することで、硬質皮膜と基材の反応を促進させることができ、密着性の向上、皮膜の緻密化および高硬度化を図ることができる。硬質皮膜形成時の基材温度は３５０〜５２０℃の範囲内とするのがよい。基材温度が低過ぎると形成された硬質皮膜が緻密ではなく、密着性も好ましくないからである。一方、基材温度が高すぎると基材の焼き戻し温度を超えるおそれが生じるので好ましくない。硬質皮膜形成時のより好ましい基材温度は、基材の焼き戻し温度にもよるが４５０〜５００℃の温度範囲である。
【００８３】
また、本発明者らが硬質皮膜の特性を追究した結果、硬質皮膜の熱膨張率は９〜１０×１０-6／℃程度と、基材として用いるＨＳＳ等の鉄系合金の熱膨張率：１２×１０-6／℃よりも小さいことが分かった。従って、室温より高い温度で成膜を行った後、室温付近まで冷却する過程で生ずる材料の収縮が、硬質皮膜よりも基材の方が大きく、結果として熱膨張率差による圧縮残留応力が硬質皮膜に発生し、この圧縮残留応力が大きすぎる場合には、上述した通り硬質皮膜の剥離の原因となるのである。本発明では、成膜時の基材温度を５２０℃以下にして温度を必要以上に高めすぎないようにすることで、生ずる硬質皮膜の圧縮残留応力を小さくすることができた。
【００８４】
Ｃ（炭素）及び金属元素を添加した固体潤滑膜を形成する場合には、ターゲットとして（固体Ｃターゲット）＋（金属ターゲット）を用い、アークイオンプレーティング法ではなくスパッタリング法で形成することが推奨される。その理由は、アークイオンプレーティング法では、固体Ｃターゲットの放電状態が不均一になる傾向があるため安定した成膜が困難であり、その結果、膜厚や成分等が不均一となり得るからである。
【００８５】
【実施例】
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可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００８６】
［実施例１］
図２に示すカソード放電型のアークイオンプレーティング装置を用い、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌターゲット６、Ｔｉ−Ｖ−Ａｌターゲット６、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉターゲット６、またはＴｉ−Ａｌターゲット６（従来の硬質皮膜形成用）を使用して、表１に示す組成の窒化物皮膜あるいは炭窒化物皮膜（膜厚：約３μｍ）を基板Ｗ上に形成し、得られた皮膜の硬度および耐摩耗性を評価した。
【００８７】
前記基板には、高速度工具鋼（ＪＩＳ−ＳＫＨ５１  焼き戻し温度：５５０℃）製のスクエアエンドミル（２枚刃  直径１０ｍｍ）、および分析用として同じく高速度工具鋼（ＪＩＳ−ＳＫＨ５１  焼き戻し温度：５５０℃  硬度：ＨＶ８５０）製のチップを使用した。
【００８８】
成膜および特性の評価は次の様にして行った。即ち、基板を装置に導入後、基板温度（成膜時の温度をいう。尚、装置へ導入後の予熱工程やイオンによるクリーニング工程においても基板の最高温度は５２０℃以下である。以下の実施例でも同じ）を表１に示す温度とし、真空度を４×１０-3Ｐａ以下とした後にＡｒイオンによるクリーニングを実施した（Ａｒ圧力：２Ｐａ、基板電圧：４００Ｖ）。そしてクリーニング終了後、装置内が約３Ｐａとなるよう窒素を導入し、アーク電流を１００〜１５０Ａ、基板電圧をアース電位に対して−１００〜−１５０Ｖにして成膜を行った。その後、サンプルを取り出し、チップに被覆された皮膜の組成分析を行った。またチップ上の皮膜を一部削り取って基材の硬度を調べた。更に被覆されたエンドミルを用い、下記の切削試験を行って、試験後の先端部分の摩耗量で皮膜の耐摩耗性を評価した。これらの結果を表１に示す。
【００８９】
＜エンドミル切削試験＞
被加工材：ＳＫＤ６１（ＨＲＣ４０）
切削速度：１００ｍ／分
切り込み：０．５ｍｍ
刃送り：０．０８ｍｍ／刃
切削長：３０ｍ
その他：ドライカットエアブロー
【００９０】
【表１】
0004132931.tif 000002
【００９１】
表１より、Ｎｏ．６〜９は形成された硬質皮膜が本発明の要件を満足するものであるため、エンドミルの摩耗量が小さく耐摩耗性に優れていることがわかる。
【００９２】
これに対し、Ｎｏ．１〜５で形成された皮膜は、従来用いられてきた硬質皮膜または本発明の要件を外れる皮膜であるため、エンドミルの摩耗量が大きく、耐摩耗性に優れたものでないことがわかる。
【００９３】
［実施例２］
実施例２では、基材と硬質皮膜の間に、本発明で規定する第１中間膜や第２中間膜を形成した場合の、基材と硬質皮膜の密着性および除膜し易さについて調べた。
【００９４】
実施例１と同様のカソード放電型のアークイオンプレーティング装置を用いて皮膜の形成を行った。尚、本実施例では、硬質皮膜の他に第１中間膜や第２中間膜を形成するため図２に示していない複数の蒸発源（ターゲット）を設置して成膜を行った。即ち、硬質皮膜の形成には、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ（原子比１０：１８：７２）ターゲットやＴｉ−Ａｌターゲット（従来の硬質皮膜形成用）を使用し、第１中間膜の形成には、Ｔｉ−Ａｌターゲット（硬質皮膜形成に用いたものと異なる組成のターゲットも使用）やＴｉターゲットを使用し、また第２中間膜（金属膜）の形成にはＣｒ、Ｔｉのターゲットを使用して、表２に示す組成の硬質皮膜や中間膜を基材上に形成した。基板には、高速度工具鋼（ＪＩＳ−ＳＫＨ５１  焼き戻し温度：５５０℃）製のチップを使用した。
【００９５】
成膜および特性の評価は次の様にして行った。即ち、基板を装置に導入後、基板温度を４８０℃とし、真空度を４×１０-3Ｐａ以下とした後にＡｒイオンによるクリーニングを実施した（Ａｒ圧力：２Ｐａ、基板電圧：４００Ｖ）。クリーニング終了後、装置内が約３Ｐａとなるよう窒素を導入し、アーク電流を１００〜１５０Ａ、基板電圧をアース電位に対して−１００〜−１５０Ｖとし、膜厚約１μｍの第１中間膜、膜厚約３μｍの硬質皮膜を形成した。また第２中間膜として形成した金属膜の膜厚は０．１μｍ程度であった。
【００９６】
この様にして皮膜を形成後のチップを用いてスクラッチ試験を実施し、密着性を評価した。スクラッチ試験では、ダイヤモンド圧子（半径２００μｍＲ）を用い、サンプル表面に１０Ｎ／ｍｍの荷重増加速度で荷重を増加させながら長さ１０ｍｍ（最終荷重１００Ｎ）まで行い、スクラッチ痕を光学顕微鏡で観察して皮膜剥離が生じた時点の荷重を剥離荷重と定義した。また、皮膜の剥離処理性（除膜し易さ）を調べるため、下記水溶液中で剥離処理を行い、皮膜が完全に剥離するまでの時間（剥離時間）で除膜し易さを評価した。
【００９７】
＜剥離処理条件＞
処理溶液：過酸化水素水（濃度２０％、ｐＨ９）
処理溶液の液温：常温
【００９８】
【表２】
0004132931.tif 000003
【００９９】
表２より、本発明の硬質皮膜を形成させた場合（Ｎｏ．２）には、従来の硬質皮膜を形成させた場合（Ｎｏ．１）と比較して基材と硬質皮膜の密着性に優れているが、Ｎｏ．３〜８に示すように、本発明で規定する第１中間膜を基材と硬質皮膜の間に形成することで、基材と硬質皮膜の密着性を更に高めることができるほか、繰り返し利用のために行う除膜が容易となることがわかる。尚、Ｎｏ．３〜６とＮｏ．７、８を比較すると、特に除膜し易さの観点からは、第１中間膜の組成を本発明の規定範囲内とすることが好ましいことがわかる。更にＮｏ．９および１０に示すように、第２中間膜を形成することによって、より優れた密着性と除膜し易さを兼備できることがわかる。
【０１００】
［実施例３］
実施例３では、硬質皮膜の残留応力が基材と硬質皮膜の密着性に与える影響について調べた。
【０１０１】
実施例１と同様にカソード放電型のアークイオンプレーティング装置を用い、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ（１０：１８：７２）ターゲットを使用し、表３に示すように基板温度を３００〜６００℃の範囲内で変化させ、その他の条件を実施例１と同様にして、残留応力の異なる硬質皮膜（膜厚はいずれも約３μｍ）を基板上に形成した。基板には高速度工具鋼（ＪＩＳ−ＳＫＨ５１  焼き戻し温度：５５０℃）製のチップを使用した。
【０１０２】
硬質皮膜を被覆したチップを用い、実施例２と同様にしてスクラッチ試験を実施し、密着性を評価した。またチップの皮膜を一部削り取って基材の硬度を調べた。更に、形成された硬質皮膜の残留圧縮応力を上述のＸ線回折法で測定した。測定には立方晶岩塩型構造のＴｉＣｒＡｌ窒化物の（１１１）面の回折線を使用し、以下のパラメータを用いて硬質皮膜の残留圧縮応力を算出した。これらの結果を表３に示す。
【０１０３】
＜皮膜の残留応力算出のためのパラメータ＞
皮膜のヤング率：４５０ＧＰａ
皮膜のポワソン比：０．２２
標準ブラッグ角：３７．６°
【０１０４】
【表３】
0004132931.tif 000004
【０１０５】
表３のＮｏ．２〜６に示す通り、基材温度を本発明の規定範囲内として成膜を行えば、得られる硬質皮膜の残留圧縮応力を８ＧＰａ以下に抑えることができ、基材と硬質皮膜の密着性に優れたものが得られることがわかる。これに対し、Ｎｏ．７、８は基材温度が基材の焼き戻し温度を超えて高いため、残留圧縮応力が大きく密着性に劣るだけでなく、基材の硬度も低下する結果となった。
【０１０６】
［実施例４］
実施例４では、本発明の硬質皮膜や中間膜を被覆したドリルまたはホブを用いて切削実験を行った。
【０１０７】
実施例１と同様のカソード放電型のアークイオンプレーティング装置を用いて皮膜の形成を行った。尚、本実施例では、硬質皮膜の他に第１中間膜や第２中間膜を形成するため、図２に示していない複数の蒸発源（ターゲット）を設置して成膜を行った。即ち、硬質皮膜の形成には、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ（原子比１０：１８：７２）ターゲットやＴｉ−Ａｌターゲット（従来の硬質皮膜形成用）を使用し、第１中間膜の形成には、Ｔｉ−Ａｌターゲット（硬質皮膜形成に用いたものと異なる組成のターゲットを使用）やＴｉターゲットを使用し、また第２中間膜（金属膜）の形成にはＴｉのターゲットを使用して、表４に示す単層または複数層の皮膜（皮膜総厚さ：約３μｍ）を基板上に形成した。基板には、高速度工具鋼（ＪＩＳ−ＳＫＨ５１  焼き戻し温度：５５０℃）製のドリル（直径６ｍｍ、２枚刃）、高速度工具鋼（ＪＩＳ−ＳＫＨ５１）製のホブ（外径９０ｍｍ、刃長９０ｍｍ、口数３）及び高速度工具鋼製のチップを使用した。成膜時の基板温度は４８０℃で一定とした。
【０１０８】
皮膜の形成されたドリルを用い、下記の条件で切削試験を行ってドリル寿命を調べた。また皮膜の形成されたホブを用い、下記の条件で切削試験を行ってホブクレータ摩耗の程度を調べ、耐摩耗性を評価した。これらの結果を表４に示す。
【０１０９】
＜ドリル切削試験条件＞
被加工材：Ｓ５５Ｃ（非熱処理材：ＨＢ２２０）
切削速度：６０ｍ／分
送り：０．１ｍｍ／回転
穴深さ：１２ｍｍ
その他：ドライカット、エアブローのみ
【０１１０】
＜ホブ切削条件＞
被加工材：ＳＣＭ４１５
切削速度：２００ｍ／分
軸方向送り：３ｍｍ／回転
ワーク加工数：４００個
評価：クレータ面摩耗
【０１１１】
【表４】
0004132931.tif 000005
【０１１２】
表４より、Ｎｏ．２〜４で形成した皮膜は、本発明の要件を満足するものであるため、ドリルに被覆した場合にドリル寿命が長く、かつホブクレータ摩耗も小さく良好な耐摩耗性を発揮することがわかる。これに対し、Ｎｏ．１は、本発明の要件を満たさない硬質皮膜が形成されたものであるため、ドリルやホブに被覆しても優れた耐摩耗性を発揮しないことがわかる。
【０１１３】
［実施例５］
実施例５では、固体潤滑膜を硬質皮膜上に形成して切削試験を行った。
【０１１４】
図３に示す装置を用い、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌターゲット、Ｔｉ−Ｖ−Ａｌターゲット、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉターゲット、またはＴｉ−Ａｌターゲット（従来皮膜形成用）を使用して、表５に示す組成の硬質皮膜（窒化物膜または炭窒化物膜：いずれも膜厚約３μｍ）を基板上に形成した。基板には超硬合金製ドリル（直径６ｍｍ、２枚刃）および超硬合金製チップ（鏡面仕上げ）を使用した。
【０１１５】
尚、図３に示す装置は、硬質皮膜を形成するためのカソード放電型のアークイオンプレーティング装置と、固体潤滑膜を形成するためのスパッタリング装置からなり、上記硬質皮膜の形成には、カソード放電型のアークイオンプレーティング装置を用いて成膜した。
【０１１６】
硬質皮膜の形成は次の様にして行った。即ち、基板を装置に導入後、基板温度を５５０℃とし、真空度を４×１０-3Ｐａ以下とした後にＡｒイオンによるクリーニングを実施した（Ａｒ圧力：２Ｐａ、基板電圧：４００Ｖ）。クリーニング終了後、窒素を装置内が約３Ｐａとなるよう導入し、アーク電流を１００Ａ、基板電圧をアース電位に対して−１５０Ｖとして成膜を行った。
【０１１７】
次に、装置内で基板を２００℃程度まで冷却した後、同一チャンバー内に設けられた２つのスパッタリング蒸発源（金属蒸発源：ＷまたはＣｒ、及び炭素蒸発源）を用いて硬質皮膜上に固体潤滑膜を形成した。
【０１１８】
固体潤滑膜の成膜は次の様にして行った。まず金属蒸発源ターゲット２１を用い、Ａｒガス圧：０．４Ｐａ、電力：５００Ｗ、基板バイアス：５０Ｖの条件で約０．５μｍの金属層（ＣｒまたはＷ）を硬質皮膜Ｗ上に形成させた後、同じＡｒガス圧にて固体炭素ターゲット２２を蒸発させ、金属蒸発源２１と固体炭素源２２に加える電力を変化させることで、金属元素を含有するＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を形成した。上記ＤＬＣ膜形成時の基板温度は約２００℃とし、基板バイアスはアース電位に対して−１５０Ｖとした。
【０１１９】
形成した硬質皮膜および固体潤滑膜の組成はオージェ分光法で分析した。硬質皮膜および固体潤滑膜の硬度は、ビッカース硬度計で測定した（荷重：０．２５Ｎ、保持時間：１５秒）。またこれらの皮膜を形成したドリルを用い、以下の条件で切削試験を実施した。その結果を表５に示す。
【０１２０】
＜ドリル切削試験＞
被加工材：Ｓ５０Ｃ（非熱処理材）
切削速度：６０ｍ／分
送り：０．１ｍｍ／回転
穴深さ：１８ｍｍ（穴深さ／ドリル直径＝３）
その他：ドライカット、エアブローのみ
寿命評価：穴開け可能個数
【０１２１】
【表５】
0004132931.tif 000006
【０１２２】
表５より、従来の硬質皮膜のみの場合（Ｎｏ．１、２）よりも、本発明の硬質皮膜または固体潤滑膜を形成した工具（Ｎｏ．３〜７）の方が寿命は長いが、より切削工具の寿命を高めるにあたっては、Ｎｏ．８〜１１に示す様に、本発明の硬質皮膜に固体潤滑膜を形成することが好ましいことがわかる。
【０１２３】
［実施例６］
実施例６では、固体潤滑膜の組成を変化させた場合に、得られる皮膜の硬度、摩擦係数、切削試験結果に及ぼす影響を調べた。
【０１２４】
実施例５と同様の装置を用い、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ（原子比１０：２０：７０）ターゲットを使用して、硬質皮膜（膜厚約３μｍ）を、基板である超硬合金製チップまたは超硬合金製ドリル上に形成し、その後、実施例５と同様に２つのスパッタリング蒸発源（ＣｒまたはＷ）を用い、金属成分（Ｃｒ、Ｗ）と炭素の比率を変化させた固体潤滑膜を硬質皮膜上に形成した。固体潤滑膜の金属成分と炭素の比率は、それぞれのスパッタリング蒸発源に加える電力を変化させて制御した。その他の固体潤滑膜の成膜条件は実施例５と同様である。
【０１２５】
得られた硬質皮膜と固体潤滑膜の組成、および硬質皮膜と固体潤滑膜の硬度を実施例５と同様にして測定した。また皮膜を形成したチップを用いて、対象被加工材が鉄系合金である場合の、該鉄系合金に対する複合皮膜（切削皮膜＋固体潤滑膜）の摩擦係数を下記の摺動試験で測定した。
【０１２６】
＜摺動試験条件＞
装置：往復摺動型ボールオンディスク試験装置
対象被加工材：Ｓ５０Ｃボール（非熱処理材）
荷重：１．９６Ｎ
摺動速度：２ｃｍ／秒
摺動距離：５０ｍ
評価：５０ｍ摺動時の摩擦係数
【０１２７】
次に皮膜を形成したドリルを用いて、実施例５と同等の条件で切削試験を行った。これらの結果を表６に示す。
【０１２８】
【表６】
0004132931.tif 000007
【０１２９】
表６にて、Ｎｏ．１〜３および８よりも、Ｎｏ．４〜７、９および１０の方が、固体潤滑膜の硬度が高くかつ摩耗係数が小さく、結果として切削試験における寿命が長いことから明らかな通り、本発明で規定する固体潤滑膜を硬質皮膜上に設けることで、固体潤滑膜の強度を確保して切削工具の長寿命化を図ることができることがわかる。
【０１３０】
［実施例７］
実施例７では、本発明で規定する固体潤滑膜がドリルの寿命に与える影響について調べた。
【０１３１】
実施例５と同様の装置を用い、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ（原子比１０：２０：７０）ターゲットを使用して、硬質皮膜（膜厚約３μｍ）を、基板である超硬合金製チップおよび超硬合金製ドリル上に形成し、その後、実施例５と同様に２つのスパッタリング蒸発源を用い、金属成分（Ｃｒ、Ｗ）と炭素の比率を変化させた固体潤滑膜を硬質皮膜上に形成した。
【０１３２】
得られた皮膜の組成を実施例５と同様にして測定した。また、皮膜を形成したドリルを用い、表７に示す様に穴深さを変化させ、その他の条件は実施例５と同様にして切削試験を行った。これらの結果を表７に示す。
【０１３３】
【表７】
0004132931.tif 000008
【０１３４】
表７より、本発明の硬質皮膜被覆工具を切削に用いる場合には、固体潤滑膜を設けることが長寿命化を図る観点から好ましく、特に穴深さ／ドリル直径が２倍を超える穴を切削する場合に、本発明の固体潤滑膜はその効果を十分に発揮することがわかる。
【０１３５】
【発明の効果】
本発明の如く硬質皮膜の組成を制御することで、従来の切削工具等と比較して優れた耐摩耗性を長期間に渡って発揮する工具を提供できることとなった。また、規定の中間膜を設けることで基材と硬質皮膜の密着性をより向上させた硬質皮膜被覆工具や、規定の固体潤滑膜を設けることで、摺動特性に優れ、鉄基合金やアルミ基合金、チタン基合金等といった溶着しやすい材料を対象としたドライ加工またはセミドライ加工において長期間の切削を可能とした硬質皮膜被覆工具も併せて提供できることとなった。尚、本発明で規定の第１中間膜を設けた硬質皮膜被覆工具は、皮膜部分を除去し易いことから、使用皮膜を除去し再コーティング処理を施して繰り返し使用する工具に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ膜における金属成分Ｔｉ、ＡｌおよびＣｒの組成図にて本発明範囲を示したものである。
【図２】実施例１で使用した成膜装置を概略的に示した図である。
【図３】実施例５で使用した成膜装置を概略的に示した図である。
【符号の説明】
１  容器
２  アーク式蒸発源
３  支持台
４  バイアス電源
６  アーク蒸発源（ターゲット）
７  アーク電源
８  磁石（磁界形成手段）
１１  排気口
１２  ガス供給口
Ｗ  被処理体（基材、基板）
２１  スパッタリング蒸発源（ＣｒまたはＷターゲット）
２２  スパッタリング蒸発源（固体炭素ターゲット）
２３  スパッタリング電源
【図１】
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【図２】
0004132931.tif 000010
【図３】
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