(57)【要約】  Ａ組成（ＡｌＣｒＳｉαの窒化物）、Ｂ組成（ＡｌＴｉＳｉβの窒化物）、およびＣ組成（ＡｌＣｒ（ＳｉＣ）γの窒化物）の中の１種類の単一組成層であるＡ層３２と、Ａ組成、Ｂ組成、およびＣ組成のナノレイヤー層（ナノレイヤーＡ層３２ｎ、ナノレイヤーＢ層３４ｎ、ナノレイヤーＣ層３６ｎ）の中の２つを交互に積層した２種類のナノレイヤー交互層３８、４０とが、それぞれ所定の膜厚で交互に積層されることにより、例えばチタン合金に対する切削加工でも優れた耐久性が得られるなど、優れた耐摩耗性、靱性、潤滑性、および耐溶着性が得られるようになる。これにより、チタン合金の他、例えば炭素鋼やステンレス鋼、鋳鉄、合金鋼等の各種被削材に対する切削加工において、或いは高速加工やドライ加工等の過酷な加工条件において、高い靱性により硬質被膜の割れや剥離が抑制されて工具の長寿命化を実現することができた。
2020026392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の表面を被覆するように該表面に付着される硬質被膜であって、
前記硬質被膜は、
Ａ組成、Ｂ組成、およびＣ組成の中の何れか１つの組成から成る単一組成層と、
前記Ａ組成および前記Ｂ組成、前記Ａ組成および前記Ｃ組成、前記Ｂ組成および前記Ｃ組成、の３種類の組合せの中の何れか２種類の組合せで各組成のナノレイヤー層が交互に積層された２種類のナノレイヤー交互層との、
計３種類の層が交互に積層されて、総膜厚が０．５〜２０μｍの範囲内となるように構成されており、
前記Ａ組成は、組成式がＡｌa Ｃｒb Ｓｉc αd 〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０．３０≦ａ≦０．８５、０．１０≦ｂ≦０．６５、０．０１≦ｃ≦０．４５、０≦ｄ≦０．１０、且つａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、任意添加成分αはＢ、Ｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素である〕の窒化物で、
前記Ｂ組成は、組成式がＡｌe Ｔｉf Ｓｉg βh 〔但し、ｅ、ｆ、ｇ、ｈはそれぞれ原子比で、０．０１≦ｅ≦０．８５、０．０５≦ｆ≦０．９０、０．０５≦ｇ≦０．４５、０≦ｈ≦０．１０、且つｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１であり、任意添加成分βはＢ、Ｃ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素である〕の窒化物で、
前記Ｃ組成は、組成式がＡｌi Ｃｒj （ＳｉＣ）k γl 〔但し、ｉ、ｊ、ｋ、ｌはそれぞれ原子比で、０．２０≦ｉ≦０．８５、０．１０≦ｊ≦０．５０、０．０３≦ｋ≦０．４５、０≦ｌ≦０．１０、且つｉ＋ｊ＋ｋ＋ｌ＝１であり、任意添加成分γはＢ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素である〕の窒化物であり、
前記単一組成層の膜厚は０．５〜１０００ｎｍの範囲内であり、
前記２種類のナノレイヤー交互層を構成している前記ナノレイヤー層の各膜厚は、何れも０．５〜５００ｎｍの範囲内で、前記２種類のナノレイヤー交互層の各膜厚は何れも１〜１０００ｎｍの範囲内である
ことを特徴とする硬質被膜。
【請求項２】
前記単一組成層の膜厚Ｔ１と、前記２種類のナノレイヤー交互層の各膜厚Ｔ２、Ｔ３との比Ｔ１／Ｔ２、Ｔ１／Ｔ３は、何れも０．２〜１０の範囲内である
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
【請求項３】
交互に積層された前記単一組成層および前記２種類のナノレイヤー交互層の最下部の層が前記母材の表面に直接設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜。
【請求項４】
前記硬質被膜は、前記母材との境界に界面層を備えており、
前記界面層は、
前記Ａ組成、前記Ｂ組成、および前記Ｃ組成の中の何れか１つの組成から成る単一組成層、
前記Ａ組成、前記Ｂ組成、および前記Ｃ組成の中の何れか２つの組成から成り、それぞれ膜厚が０．５〜５００ｎｍの範囲内の２種類のナノレイヤー層が交互に積層されたナノレイヤー交互層、
およびＢ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、およびＷの中の１種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物の層、
の計３種類の層の中の何れか１つの層にて構成されており、
前記界面層の膜厚は５〜１０００ｎｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜。
【請求項５】
前記硬質被膜は、最表面に表面層を備えており、
前記表面層は、前記Ａ組成、前記Ｂ組成、および前記Ｃ組成の中の何れか１つの組成から成る単一組成層、または前記Ａ組成、前記Ｂ組成、および前記Ｃ組成の中の何れか２つの組成から成り、それぞれ膜厚が０．５〜５００ｎｍの範囲内の２種類のナノレイヤー層が交互に積層されたナノレイヤー交互層にて構成されており、
前記表面層の膜厚は０．５〜１０００ｎｍの範囲内である
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。
【請求項６】
被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）が２７００〜３３００（ＨＶ）の範囲内である
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。
【請求項７】
母材の表面の一部または全部が硬質被膜によって被覆されている硬質被膜被覆部材であって、
前記硬質被膜が請求項１〜６の何れか１項に記載の硬質被膜である
ことを特徴とする硬質被膜被覆部材。
【請求項８】
前記硬質被膜被覆部材は、軸心まわりに回転させられるとともに、回転に伴って切れ刃が断続的に切削加工を行う断続切削工具である
ことを特徴とする請求項７に記載の硬質被膜被覆部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は硬質被膜および硬質被膜被覆部材に係り、特に、優れた耐摩耗性、耐溶着性を有する硬質被膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンドミルやフライス、ドリル、バイト、チップ等の切削工具、盛上げタップ、転造工具等の非切削工具などの種々の加工工具、或いは耐摩耗性が要求される摩擦部品などの各種の部材において、超硬合金や高速度工具鋼等の母材の表面に硬質被膜をコーティングすることが行われている。例えば、特許文献１ではＡｌＣｒＮ系／ＡｌＴｉＳｉＮ系の多層構造の硬質被膜が提案されており、特許文献２ではＡｌＣｒＮ系／ＣｒＮ系の多層構造の硬質被膜が提案されており、特許文献３ではＡｌＣｒ系／ＴｉＳｉ系の多層構造の硬質被膜が提案されている。これ等の硬質被膜は、一般に優れた耐摩耗性、耐溶着性を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−３５３７８号公報
【特許文献２】特開２０１４−７９８３４号公報
【特許文献３】特表２００８−５３４２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような硬質被膜においても、被削材の種類や切削速度などの加工条件、使用条件等により必ずしも十分に満足できる性能が得られない場合があり、未だ改良の余地があった。例えば、従来の硬質被膜を施した切削工具をチタン合金の切削加工に用いると、チタン合金は比較的粘り気が強いため、硬質被膜が早期に剥がれたり割れたりして十分な工具寿命が得られない場合があった。【０００５】
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、チタン合金に対する切削加工でも所定の工具寿命が得られるなど、優れた耐摩耗性、耐溶着性を有する新たな構成の硬質被膜および硬質被膜被覆部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者等は以上の事情を背景として種々実験、研究を重ねるうち、ＡｌＣｒＳｉα〔但し、αは任意添加成分でＢ、Ｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素〕の窒化物から成るＡ組成、ＡｌＴｉＳｉβ〔但し、βは任意添加成分でＢ、Ｃ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素〕の窒化物から成るＢ組成、およびＡｌＣｒ（ＳｉＣ）γ〔但し、γは任意添加成分でＢ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素〕の窒化物から成るＣ組成を用いて、それ等を所定の膜厚で積層することにより、高い靱性を有する優れた耐久性の硬質被膜が得られることを見い出した。本発明は、かかる知見に基づいて為されたものである。【０００７】
第１発明は、母材の表面を被覆するようにその表面に付着される硬質被膜であって、(a) 前記硬質被膜は、(a-1) Ａ組成、Ｂ組成、およびＣ組成の中の何れか１つの組成から成る単一組成層と、(a-2) 前記Ａ組成および前記Ｂ組成、前記Ａ組成および前記Ｃ組成、前記Ｂ組成および前記Ｃ組成、の３種類の組合せの中の何れか２種類の組合せで各組成のナノレイヤー層が交互に積層された２種類のナノレイヤー交互層との、(a-3) 計３種類の層が交互に積層されて、総膜厚が０．５〜２０μｍの範囲内となるように構成されており、(b) 前記Ａ組成は、組成式がＡｌa Ｃｒb Ｓｉc αd 〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０．３０≦ａ≦０．８５、０．１０≦ｂ≦０．６５、０．０１≦ｃ≦０．４５、０≦ｄ≦０．１０、且つａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１であり、任意添加成分αはＢ、Ｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素である〕の窒化物で、(c) 前記Ｂ組成は、組成式がＡｌe Ｔｉf Ｓｉg βh 〔但し、ｅ、ｆ、ｇ、ｈはそれぞれ原子比で、０．０１≦ｅ≦０．８５、０．０５≦ｆ≦０．９０、０．０５≦ｇ≦０．４５、０≦ｈ≦０．１０、且つｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１であり、任意添加成分βはＢ、Ｃ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素である〕の窒化物で、(d) 前記Ｃ組成は、組成式がＡｌi Ｃｒj （ＳｉＣ）k γl 〔但し、ｉ、ｊ、ｋ、ｌはそれぞれ原子比で、０．２０≦ｉ≦０．８５、０．１０≦ｊ≦０．５０、０．０３≦ｋ≦０．４５、０≦ｌ≦０．１０、且つｉ＋ｊ＋ｋ＋ｌ＝１であり、任意添加成分γはＢ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素である〕の窒化物であり、(e) 前記単一組成層の膜厚は０．５〜１０００ｎｍの範囲内であり、(f) 前記２種類のナノレイヤー交互層を構成している前記ナノレイヤー層の各膜厚は、何れも０．５〜５００ｎｍの範囲内で、前記２種類のナノレイヤー交互層の各膜厚は何れも１〜１０００ｎｍの範囲内であることを特徴とする。【０００８】
なお、上記Ｃ組成の（ＳｉＣ）は、炭化ケイ素という化合物の形で存在していることを意味する。また、各層の膜厚を全域に亘って正確にコントロールすることは困難で、本明細書における膜厚は平均値であり、平均膜厚が上記数値範囲を満たせば良く、部分的に数値範囲から外れる領域があっても良い。【０００９】
第２発明は、第１発明の硬質被膜において、前記単一組成層の膜厚Ｔ１と、前記２種類のナノレイヤー交互層の各膜厚Ｔ２、Ｔ３との比Ｔ１／Ｔ２、Ｔ１／Ｔ３は、何れも０．２〜１０の範囲内であることを特徴とする。【００１０】
第３発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜において、交互に積層された前記単一組成層および前記２種類のナノレイヤー交互層の最下部の層が前記母材の表面に直接設けられていることを特徴とする。【００１１】
第４発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜において、(a) 前記硬質被膜は、前記母材との境界に界面層を備えており、(b) 前記界面層は、(b-1) 前記Ａ組成、前記Ｂ組成、および前記Ｃ組成の中の何れか１つの組成から成る単一組成層、(b-2) 前記Ａ組成、前記Ｂ組成、および前記Ｃ組成の中の何れか２つの組成から成り、それぞれ膜厚が０．５〜５００ｎｍの範囲内の２種類のナノレイヤー層が交互に積層されたナノレイヤー交互層、および(b-3) Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、およびＷの中の１種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物の層、の計３種類の層の中の何れか１つの層にて構成されており、(c) 前記界面層の膜厚は５〜１０００ｎｍの範囲内であることを特徴とする。【００１２】
第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかの硬質被膜において、(a) 前記硬質被膜は、最表面に表面層を備えており、(b) 前記表面層は、前記Ａ組成、前記Ｂ組成、および前記Ｃ組成の中の何れか１つの組成から成る単一組成層、または前記Ａ組成、前記Ｂ組成、および前記Ｃ組成の中の何れか２つの組成から成り、それぞれ膜厚が０．５〜５００ｎｍの範囲内の２種類のナノレイヤー層が交互に積層されたナノレイヤー交互層にて構成されており、(c) 前記表面層の膜厚は０．５〜１０００ｎｍの範囲内であることを特徴とする。【００１３】
第６発明は、第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜において、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）が２７００〜３３００（ＨＶ）の範囲内であることを特徴とする。
被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）は、ビッカース硬さ試験法（ＪＩＳ  Ｇ０２０２、Ｚ２２４４）に従って、硬さ記号ＨＶ０．０２５で示される条件下で硬質被膜のＨＶ値（ビッカース硬さ）を測定した値である。【００１４】
第７発明は、母材の表面の一部または全部が硬質被膜によって被覆されている硬質被膜被覆部材であって、前記硬質被膜が第１発明〜第６発明の何れかの硬質被膜であることを特徴とする。【００１５】
第８発明は、第７発明の硬質被膜被覆部材において、前記硬質被膜被覆部材は、軸心まわりに回転させられるとともに、回転に伴って切れ刃が断続的に切削加工を行う断続切削工具であることを特徴とする。【００１６】
なお、上記各発明における数値範囲は、それぞれ四捨五入した値が数値範囲に入れば良い。
【発明の効果】
【００１７】
このような本発明の硬質被膜において、Ａ組成から成る単一組成層はＡｌとＣｒの割合によって高硬度、耐酸化性、高靱性が得られ、Ｂ組成から成る単一組成層はＡｌとＴｉの割合によって高靱性、耐熱性、耐酸化性が得られる。Ｃ組成から成る単一組成層は、ＳｉがＳｉＣ（炭化ケイ素）という化合物の形で存在しているため、酸素との結合性が低く、且つＳｉＣが共有結合であるため、高硬度で１０００℃以上においても機械的強度の低下が小さく、耐熱性、耐摩耗性、耐酸化性に優れる。ナノレイヤー交互層は、各ナノレイヤー層の組成に応じて上記特性が得られる他、膜厚が単一組成層に比較して薄く、結晶粒子が小さいため、高硬度で耐摩耗性が向上するとともに、多層構造によって靱性が高くなる。また、Ａ組成〜Ｃ組成に任意に添加される成分α、β、γは、１０ａｔ％（原子％）以下の割合で添加されることにより、被膜の結晶粒子を微細化し、添加量によって被膜の粒子径を制御することが可能で、各被膜の硬度や耐酸化性、靱性、潤滑性等を調整することができる。そして、このような特性を有する任意の１種類の単一組成層および２種類のナノレイヤー交互層が、それぞれ所定の膜厚で交互に積層されることにより、耐摩耗性、潤滑性、耐溶着性、および靱性に優れた硬質被膜が得られた。これにより、例えば切削工具の場合、炭素鋼やステンレス鋼、鋳鉄、合金鋼、チタン合金等の各種被削材に対する切削加工において、或いは高速加工やドライ加工等の過酷な加工条件において、高い靱性により硬質被膜の割れや剥離が抑制されて工具の長寿命化を実現することができた。【００１８】
第２発明では、単一組成層の膜厚Ｔ１と２種類のナノレイヤー交互層の各膜厚Ｔ２、Ｔ３との比Ｔ１／Ｔ２、Ｔ１／Ｔ３が、何れも０．２〜１０の範囲内であるため、１種類の単一組成層および２種類のナノレイヤー交互層がそれぞれ所定の特性を有する適切な膜厚で設けられ、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られる。【００１９】
第３発明は、交互に積層された１種類の単一組成層および２種類のナノレイヤー交互層の計３種類の層の最下部の層が母材の表面に直接設けられている場合で、母材との境界に界面層等を設ける場合に比較して成膜コストが低減される。【００２０】
第４発明は、所定の組成、膜厚の界面層が母材との境界に設けられている場合で、母材に対する硬質被膜の付着強度を高くすることができる。【００２１】
第５発明は、所定の組成、膜厚の表面層が硬質被膜の最表面に設けられている場合で、その表面層の組成や膜厚を適当に定めることにより、耐摩耗性や耐溶着性等の所定の被膜性能を更に向上させることができる。【００２２】
第６発明は、硬質被膜の被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）が２７００〜３３００（ＨＶ）の範囲内であるため、耐摩耗性および高靱性がバランス良く得られ、割れや剥離が抑制されて優れた耐久性が得られる。【００２３】
第７発明は硬質被膜被覆部材に関するもので、第１発明〜第６発明の硬質被膜が設けられることにより、実質的にそれ等の発明と同様の作用効果が得られる。【００２４】
第８発明は、硬質被膜被覆部材がエンドミルやフライス等の断続切削工具の場合で、切れ刃が断続的に切削加工を行うことにより繰り返し衝撃荷重が加えられるとともに発熱し易い。このため、高い耐摩耗性や靱性、潤滑性、耐溶着性が得られる本発明の硬質被膜が好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明が適用されたエンドミルの一例を示す正面図である。
【図２】図１のエンドミルを先端側から見た拡大底面図である。
【図３】図１のエンドミルに設けられた硬質被膜の被膜構造を説明する模式図である。
【図４】図１のエンドミルに設けられる硬質被膜の被膜構造の別の例を説明する模式図である。
【図５】図１のエンドミルに設けられる硬質被膜の被膜構造の更に別の例を説明する模式図である。
【図６】図１のエンドミルに設けられる硬質被膜の被膜構造の更に別の例を説明する模式図である。
【図７】図１のエンドミルに設けられる硬質被膜の被膜構造の更に別の例を説明する模式図である。
【図８】図１のエンドミルに設けられる硬質被膜の被膜構造の更に別の例を説明する模式図である。
【図９】図３〜図８の硬質被膜を工具母材上に成膜する物理的蒸着装置の一例であるアークイオンプレーティング装置を説明する概略図である。
【図１０】切削加工試験に用いた試験品１〜試験品５０の硬質被膜を構成するＡ組成の構成元素の種類および含有割合を示した図である。
【図１１】試験品１〜試験品５０の硬質被膜を構成するＢ組成の構成元素の種類および含有割合を示した図である。
【図１２】試験品１〜試験品５０の硬質被膜を構成するＣ組成の構成元素の種類および含有割合を示した図である。
【図１３】試験品１〜試験品２５の硬質被膜の被膜構造を説明する図である。
【図１４】試験品２６〜試験品５０の硬質被膜の被膜構造を説明する図である。
【図１５】試験品１〜試験品５０の硬質被膜の被膜硬さ、切削加工試験を行って測定した切削距離、および判定結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、エンドミルやフライス、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、或いは盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具など、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が、軸受部材や半導体装置等の表面保護膜など耐摩耗性や潤滑性、耐酸化性等が要求される加工工具以外の部材の表面に設けられる硬質被膜にも適用できる。各種の加工工具に取り付けられて使用される切れ刃チップなどにも適用される。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、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。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（Pulse LASER Deposition）法等のＰＶＤ法（物理蒸着法）が好適に用いられる。
【００２７】
本発明の硬質被膜は、例えばチタン合金に対して切削加工を行う切削工具に好適に用いられるが、耐摩耗性、潤滑性、耐溶着性、および靱性に優れているため、炭素鋼やステンレス鋼、鋳鉄、合金鋼等の他の被削材に対して切削加工を行う切削工具にも好適に用いられる。また、高速加工、ドライ加工等の過酷な加工条件で切削加工を行う切削工具などにも用いられる。
【００２８】
硬質被膜は、Ａ組成、Ｂ組成、およびＣ組成の中の何れか１つの組成から成る１種類の単一組成層と、Ａ組成およびＢ組成、Ａ組成およびＣ組成、Ｂ組成およびＣ組成、の３種類の組合せの中の何れか２種類の組合せで各組成のナノレイヤー層が交互に積層された２種類のナノレイヤー交互層との、計３種類の層が交互に積層されたもので、それ等の層の積層順序は適宜定められる。１種類の単一組成層および２種類のナノレイヤー交互層の計３種類の層は、予め定められた順番で１周期以上積層され、１周期（３種類の層）を単位として積層することが望ましいが、例えば最下部の層と最上部の層とが同じになるなど、最上部が１周期の途中で終了しても良い。２つの組成のナノレイヤー層が交互に積層されたナノレイヤー交互層についても同様で、１周期（２種類のナノレイヤー層）を単位として積層することが望ましいが、ナノレイヤー層の積層数が奇数であっても良い。硬質被膜の総膜厚は、界面層や表面層を有する場合、それ等の界面層や表面層を含んだ膜厚である。
【００２９】
１種類の単一組成層の膜厚Ｔ１と、２種類のナノレイヤー交互層の膜厚Ｔ２、Ｔ３との比Ｔ１／Ｔ２、Ｔ１／Ｔ３は、何れも０．２〜１０の範囲内であることが望ましいが、その数値範囲から外れた比で各膜厚Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を設定することもできる。硬質被膜には、必要に応じて母材との間に界面層が設けられる。界面層は、例えばＡ組成、Ｂ組成、およびＣ組成の中の何れか１つの組成から成る単一組成層、またはＡ組成、Ｂ組成、およびＣ組成の中の何れか２つの組成から成る２種類のナノレイヤー層が交互に積層されたナノレイヤー交互層が適当であるが、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、およびＷの中の１種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物の層を界面層として設けることもできるし、その他の組成の界面層を設けることも可能である。界面層の膜厚は５〜１０００ｎｍの範囲内が適当であるが、その数値範囲外の膜厚としても良い。
【００３０】
硬質被膜には、必要に応じて表面層が設けられる。表面層は、Ａ組成、Ｂ組成、およびＣ組成の中の何れか１つの組成から成る単一組成層、またはＡ組成、Ｂ組成、およびＣ組成の中の何れか２つの組成から成る２種類のナノレイヤー層が交互に積層されたナノレイヤー交互層が適当であるが、その他の組成の表面層を設けることも可能である。表面層の膜厚は０．５〜１０００ｎｍの範囲内が適当であるが、その数値範囲外の膜厚としても良い。
【００３１】
このような硬質被膜の被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）は、低いと十分な耐摩耗性が得られない一方、高過ぎると剥がれたり割れたりし易くなるため、界面層や表面層の有無とは関係なく、例えば２７００〜３３００（ＨＶ）程度の範囲内が適当である。但し、被削材の種類や加工条件、使用条件等により、硬質被膜の被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）が２７００（ＨＶ）未満であったり、３３００（ＨＶ）を超えていたりしても良い。
【００３２】
本発明者等の知見によれば、本発明の硬質被膜は、１種類の単一組成層と２種類のナノレイヤー交互層との計３種類の層が交互に積層されることにより、ＡｌＣｒＮベースやＡｌＣｒＴｉＮベースの多層被膜よりも機械特性（硬さ）、耐摩耗性、耐酸化性、およびせん断強さが改善された。また、異なる弾性特性（弾性率および硬度）を有する各層のインタフェースによる格子転位の妨げに起因して高い硬度を達成できる。このインタフェースは、エネルギー散逸および亀裂拡大を妨げる作用によって、被膜硬さだけでなく靱性の向上に寄与する。一方、インタフェースは多層被膜の特性に大きく影響し、ナノレイヤー層の周期がナノメートルの範囲であるナノレイヤー交互層を設けたので、各ナノレイヤー層の厚さによって結晶粒子のサイズおよび膜密度を適当に調整することにより、被膜の機械特性やトライボロジー向上効果が得られる。
【００３３】
また、ナノスケールの単層、インタフェース、および各ナノレイヤー交互層は、アモルファス合金相および結晶相の拡散混合により、従来の粗粒の多層被膜よりも耐摩耗性および靱性が良好になる。ナノレイヤー交互層は、粒界転位およびディスクリネーション（回位）の形成を介して内部応力が緩和され、断続切削加工等の加工中の被膜の割れ（クラック）や亀裂の発生が抑制される。
【００３４】
本発明の硬質被膜は、微細な粒子が生成することによって、被膜表面が平滑になり、表面組織が緻密になるため、耐摩耗性が向上する。また、インタフェースの境界が多く、インタフェースの粒界転位およびディスクリネーションの形成を介して内部応力が緩和されるため、靱性および硬度が向上し、断続切削加工等の切削加工中の被膜の割れや亀裂の伝播が抑制される。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明が適用された硬質被膜被覆部材の一例であるエンドミル１０を説明する正面図で、図２は先端側から見た拡大底面図である。このエンドミル１０は、超硬合金の工具母材１２（図３〜図８参照）を主体として構成されており、工具母材１２には、シャンク１４および刃部１６が一体に設けられている。刃部１６には、外周刃１８および底刃２０から成る切れ刃が軸心まわりに等間隔で５枚設けられており、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１８および底刃２０によって断続的に切削加工が行われる。本実施例のエンドミル１０は、外周刃１８と底刃２０とが接続されるコーナー部分に丸みが設けられたラジアスエンドミルである。エンドミル１０は硬質被膜被覆工具で、断続切削工具に相当する。【００３６】
刃部１６における工具母材１２の表面には、図３に示すように硬質被膜３０がコーティングされている。図３は、硬質被膜３０がコーティングされた刃部１６の表面近傍の断面を拡大して示した模式図で、図１の斜線部は硬質被膜３０がコーティングされた領域を表している。シャンク１４を含めてエンドミル１０全体を硬質被膜３０で被覆することも可能である。【００３７】
硬質被膜３０は、表面側からＡ層３２、ナノレイヤー交互層３８、およびナノレイヤー交互層４０が少なくとも１周期以上積層された多層構造を成しており、工具母材１２との境界部分には界面層４４が設けられている。すなわち、工具母材１２の表面上に先ず界面層４４が設けられ、その界面層４４の上に、ナノレイヤー交互層４０、ナノレイヤー交互層３８、およびＡ層３２が、その順番で繰り返し積層され、最上部にＡ層３２が設けられている。界面層４４を含む硬質被膜３０の総膜厚Ｔtotal は０．５〜２０μｍの範囲内で適当に定められ、Ａ層３２の膜厚Ｔ１は０．５〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められ、ナノレイヤー交互層３８、４０の膜厚Ｔ２、Ｔ３はそれぞれ１〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められる。また、膜厚Ｔ１と膜厚Ｔ２、Ｔ３との比Ｔ１／Ｔ２、Ｔ１／Ｔ３が、何れも０．２〜１０の範囲内になるように、各膜厚Ｔ１〜Ｔ３は定められる。【００３８】
Ａ層３２は、Ａ組成のみで構成されている単一組成層である。Ａ組成は、組成式がＡｌa Ｃｒb Ｓｉc αd 〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０．３０≦ａ≦０．８５、０．１０≦ｂ≦０．６５、０．０１≦ｃ≦０．４５、０≦ｄ≦０．１０、且つａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１で、任意添加成分αはＢ、Ｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素である〕の窒化物である。図１０は、Ａ組成の各元素の含有量（ａｔ％）の具体例を示した図で、空欄は含有量（ａｔ％）＝０であり、散点を付した欄（グレー部分）は含有量に対応する原子比が上記組成式の数値範囲から外れている。すなわち、試験品７〜試験品５０が、Ａ組成の要件を満たしている。このような組成のＡ層３２は、結晶系として立方晶岩塩型構造を有し、高硬度で耐摩耗性に優れる特徴があり、ＡｌとＣｒの割合によって高硬度、耐酸化性、高靱性が得られる。また、Ｓｉが所定の割合で添加されることによって耐熱性が向上する。任意添加成分αが１０ａｔ％以下の割合で添加されることにより、被膜の結晶粒子を微細化し、添加量によって粒子径を制御することが可能である。また、これ等の元素を含むことにより、潤滑性および耐酸化性が向上し、切削加工時の発熱に対する高温強度や高温靱性が向上する。これにより、大きな衝撃的、機械的負荷が掛かる切削条件下において、チッピングや欠損等の発生が抑制される。また、高速加工時等の発熱による酸化摩耗が低減され、耐摩耗性および耐溶着性がバランス良く得られるようになり、高速加工やドライ加工においても高い耐久性が得られる。【００３９】
ナノレイヤー交互層３８は、Ａ層３２と同じＡ組成から成るナノレイヤーＡ層３２ｎ、およびＢ組成から成るナノレイヤーＢ層３４ｎが、交互に１周期以上積層された多層構造を成している。この実施例では、最下部がナノレイヤーＡ層３２ｎで、最上部がナノレイヤーＢ層３４ｎであるが、最下部がナノレイヤーＢ層３４ｎで最上部がナノレイヤーＡ層３２ｎであっても良い。ナノレイヤーＡ層３２ｎおよびナノレイヤーＢ層３４ｎの各膜厚は、何れも０．５〜５００ｎｍの範囲内で適当に定められる。Ｂ組成は、組成式がＡｌe Ｔｉf Ｓｉg βh 〔但し、ｅ、ｆ、ｇ、ｈはそれぞれ原子比で、０．０１≦ｅ≦０．８５、０．０５≦ｆ≦０．９０、０．０５≦ｇ≦０．４５、０≦ｈ≦０．１０、且つｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１であり、任意添加成分βはＢ、Ｃ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素である〕の窒化物である。図１１は、Ｂ組成の各元素の含有量（ａｔ％）の具体例を示した図で、空欄は含有量（ａｔ％）＝０であり、散点を付した欄（グレー部分）は含有量に対応する原子比が上記組成式の数値範囲から外れている。すなわち、試験品７〜試験品５０が、Ｂ組成の要件を満たしている。このようなＢ組成は、ＡｌとＴｉの割合によって高靱性、耐熱性、耐酸化性が得られる。また、Ｓｉが所定の割合で添加されることによって高温強度、耐熱性が向上する。任意添加成分βが１０ａｔ％以下の割合で添加されることにより、高硬度且つ耐酸化性に優れる被膜となり、耐摩耗性が向上する。Ｂ組成は立方晶構造であり、任意添加成分βが加えられることにより結晶粒子が微細化し、硬さや耐摩耗性が向上する。結晶構造は、（１１１）面よりも（２００）面に優先配向され、（２００）面の回折線の積分強度が（１１１）面の回折線の積分強度の１．５倍以上になる。【００４０】
ナノレイヤー交互層４０は、Ａ層３２と同じＡ組成から成るナノレイヤーＡ層３２ｎ、およびＣ組成から成るナノレイヤーＣ層３６ｎが、交互に１周期以上積層された多層構造を成している。この実施例では、最下部がナノレイヤーＡ層３２ｎで、最上部がナノレイヤーＣ層３６ｎであるが、最下部がナノレイヤーＣ層３６ｎで最上部がナノレイヤーＡ層３２ｎであっても良い。ナノレイヤーＡ層３２ｎおよびナノレイヤーＣ層３６ｎの各膜厚は、何れも０．５〜５００ｎｍの範囲内で適当に定められる。Ｃ組成は、組成式がＡｌi Ｃｒj （ＳｉＣ）k γl 〔但し、ｉ、ｊ、ｋ、ｌはそれぞれ原子比で、０．２０≦ｉ≦０．８５、０．１０≦ｊ≦０．５０、０．０３≦ｋ≦０．４５、０≦ｌ≦０．１０、且つｉ＋ｊ＋ｋ＋ｌ＝１であり、任意添加成分γはＢ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷより選ばれる１種以上の元素である〕の窒化物である。図１２は、Ｃ組成の各元素の含有量（ａｔ％）の具体例を示した図で、空欄は含有量（ａｔ％）＝０であり、散点を付した欄（グレー部分）は含有量に対応する原子比が上記組成式の数値範囲から外れている。すなわち、試験品７〜試験品５０が、Ｃ組成の要件を満たしている。このようなＣ組成は、ＳｉがＳｉＣ（炭化ケイ素）という化合物の形で存在しているため、酸素との結合性が低く、且つＳｉＣが共有結合であるため、高硬度で１０００℃以上においても機械的強度の低下が少なく、摺動性も良いことから、高硬度で耐熱性、耐酸化性、耐摩耗性に優れる特徴を有する。また、任意添加成分γが１０ａｔ％以下の割合で添加されることにより、結晶粒子を微細化し、添加量によって粒子径を制御することが可能で、被膜の硬度や靱性、潤滑性を調整できる。耐摩耗性および耐酸化性に優れるため、高速加工時等の発熱による酸化摩耗が低減され、耐摩耗性および耐溶着性が良好に得られるようになり、高速加工やドライ加工においても高い耐久性が得られる。【００４１】
上記ナノレイヤー交互層３８および４０は、各ナノレイヤー層３２ｎ、３４ｎ、３６ｎの組成に応じて前記各特性が得られる他、高硬度で耐摩耗性、靱性、および耐酸化性に優れる特徴を有する。すなわち、ナノレイヤー層３２ｎ、３４ｎ、３６ｎのインタフェースは、格子転位の妨げに起因して高い硬度を達成できるとともに、エネルギー散逸および亀裂拡大を妨ぐ作用によって靱性の向上に寄与する。また、ナノレイヤー層３２ｎ、３４ｎ、３６ｎの周期がナノメートルの範囲であるため、各ナノレイヤー層３２ｎ、３４ｎ、３６ｎの厚さによって結晶粒子のサイズおよび膜密度を適当に調整することにより、被膜の機械特性やトライボロジー向上効果が得られる。ナノレイヤー交互層３８、４０は、アモルファス合金相および結晶相の拡散混合により、従来の粗粒の多層被膜よりも耐摩耗性および靱性が良好になる。ナノレイヤー交互層３８、４０は、粒界転位およびディスクリネーションの形成を介して内部応力が緩和され、断続切削加工中の被膜の割れや亀裂の発生、伝播が抑制される。ナノレイヤー交互層３８は耐酸化性および潤滑性に優れており、硬さ（ナノインデンテーション法硬さ）は３８〜４０ＧＰａ程度である。また、ナノレイヤー交互層４０は高硬度で耐酸化性に優れており、硬さ（ナノインデンテーション法硬さ）は４３〜４５ＧＰａ程度である。【００４２】
また、Ａ層３２と、２種類のナノレイヤー交互層３８、４０とが交互に積層されるため、それ等の各層３２、３８、４０の硬度を適当に定めることにより内部応力をバランスさせることが可能である。これにより、各層３２、３８、４０の付着強度が高くなり、高硬度材や難削材等の高速加工でも、剥離が抑制されて優れた耐チッピング性、耐摩耗性が得られるようになる。【００４３】
前記界面層４４は、本実施例ではＡ層３２と同じＡ組成のみから成る単一組成層である。界面層４４の膜厚は５〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められる。このような界面層４４が工具母材１２との境界に設けられることにより、工具母材１２に対する硬質被膜３０の付着強度を高くすることができる。【００４４】
このような硬質被膜３０の被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）は、低いと十分な耐摩耗性が得られない一方、高過ぎると剥がれたり割れたりし易くなるため、本実施例では２７００〜３３００（ＨＶ）の範囲内とされている。【００４５】
図４〜図８は、エンドミル１０の刃部１６の表面に設けられる硬質被膜の別の例を説明する図で、何れも図３に対応する断面模式図であり、各硬質被膜の総膜厚Ｔtotal は０．５〜２０μｍの範囲内である。図４の硬質被膜５０は、前記硬質被膜３０に比較して、Ａ層３２の代わりにＢ層３４が設けられているとともに、ナノレイヤー交互層４０の代わりにナノレイヤー交互層４２が設けられており、界面層４４の代わりに界面層５２が設けられている。Ｂ層３４の膜厚Ｔ１は０．５〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められ、ナノレイヤー交互層３８、４２の膜厚Ｔ２、Ｔ３はそれぞれ１〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められる。また、膜厚Ｔ１と膜厚Ｔ２、Ｔ３との比Ｔ１／Ｔ２、Ｔ１／Ｔ３が、何れも０．２〜１０の範囲内になるように、各膜厚Ｔ１〜Ｔ３は定められる。なお、Ｂ層３４の膜厚Ｔ１は、前記Ａ層３２の膜厚Ｔ１とは別個に定められるが、何れも単一組成層で膜厚Ｔ１の数値範囲は同じであるため、共通の符号Ｔ１を用いて説明する。ナノレイヤー交互層３８、４２の膜厚Ｔ２、Ｔ３についても同様である。【００４６】
上記Ｂ層３４は、前記Ｂ組成のみから成る単一組成層で、ナノレイヤー交互層４２は、ナノレイヤーＢ層３４ｎおよびナノレイヤーＣ層３６ｎが、交互に１周期以上積層された多層構造を成している。この実施例では、最下部がナノレイヤーＢ層３４ｎで、最上部がナノレイヤーＣ層３６ｎであるが、最下部がナノレイヤーＣ層３６ｎで最上部がナノレイヤーＢ層３４ｎであっても良い。ナノレイヤーＢ層３４ｎおよびナノレイヤーＣ層３６ｎの各膜厚は、何れも０．５〜５００ｎｍの範囲内で適当に定められる。界面層５２は、前記Ｂ組成のみから成る単一組成層で、界面層５２の膜厚は５〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められる。上記ナノレイヤー交互層４２は耐酸化性および潤滑性に優れており、硬さ（ナノインデンテーション法硬さ）は３８〜４０ＧＰａ程度である。【００４７】
図５の硬質被膜６０は、前記硬質被膜３０に比較して、Ａ層３２の代わりにＣ層３６が設けられているとともに、ナノレイヤー交互層３８の代わりにナノレイヤー交互層４２が設けられており、界面層４４の代わりに界面層６２が設けられている。Ｃ層３６の膜厚Ｔ１は０．５〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められ、ナノレイヤー交互層４０、４２の膜厚Ｔ２、Ｔ３はそれぞれ１〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められる。また、膜厚Ｔ１と膜厚Ｔ２、Ｔ３との比Ｔ１／Ｔ２、Ｔ１／Ｔ３が、何れも０．２〜１０の範囲内になるように、各膜厚Ｔ１〜Ｔ３は定められる。上記Ｃ層３６は、前記Ｃ組成のみから成る単一組成層で、界面層６２は、ナノレイヤーＡ層３２ｎ、ナノレイヤーＢ層３４ｎ、およびナノレイヤーＣ層３６ｎの中の何れか２種類が交互に積層されたナノレイヤー交互層である。界面層６２の膜厚は５〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められ、界面層６２を構成しているナノレイヤーＡ層３２ｎ、ナノレイヤーＢ層３４ｎ、およびナノレイヤーＣ層３６ｎの中の２種類のナノレイヤー層の膜厚は何れも０．５〜５００ｎｍの範囲内で適当に定められる。【００４８】
図６の硬質被膜７０は、前記硬質被膜３０に比較してＡ層３２、ナノレイヤー交互層３８、４０の積層順序が相違する場合で、ナノレイヤー交互層４０とナノレイヤー交互層３８との間にＡ層３２が設けられており、ナノレイヤー交互層４０が最表面に設けられている。また、Ａ組成の界面層４４の代わりに、ナノレイヤー交互層から成る前記界面層６２が設けられている。なお、ナノレイヤー交互層３８とナノレイヤー交互層４０との間にＡ層３２が設けられ、ナノレイヤー交互層３８が最表面に設けられても良いなど、交互に積層される３種類の層３２、３８、４０の積層順序は適宜定めることができる。他の硬質被膜５０、６０についても同様である。また、Ａ層３２、Ｂ層３４、Ｃ層３６の中の１種類と、ナノレイヤー交互層３８、４０、４２の中の２種類との組合せも、適宜定めることが可能で、例えばＡ層３２とナノレイヤー交互層３８および４２とを組み合わせて積層したり、Ａ層３２とナノレイヤー交互層４０および４２とを組み合わせて積層したりしても良い。【００４９】
図７の硬質被膜８０は、前記硬質被膜３０に比較して、界面層４４を省略した場合である。【００５０】
図８の硬質被膜９０は、前記硬質被膜３０に比較して、最表面に表面層９２が設けられるとともに、Ａ組成、Ｂ組成、Ｃ組成とは異なる界面層９４が設けられている。表面層９２としては、例えばＡ層３２、Ｂ層３４、Ｃ層３６のようにＡ組成、Ｂ組成、またはＣ組成から成る単一組成層、或いは前記界面層６２と同様にナノレイヤーＡ層３２ｎ、ナノレイヤーＢ層３４ｎ、およびナノレイヤーＣ層３６ｎの中の何れか２種類が、それぞれ０．５〜５００ｎｍの膜厚で交互に積層されたナノレイヤー交互層が設けられる。表面層９２の膜厚は０．５〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められる。界面層９４は、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、およびＷの中の１種類以上の元素から成る金属の窒化物、炭窒化物、または炭化物にて構成されており、界面層９４の膜厚は５〜１０００ｎｍの範囲内で適当に定められる。【００５１】
また、図示は省略するが、更に別の態様で硬質被膜を構成することもできる。例えば、前記硬質被膜３０、５０、６０、７０、８０、９０は、何れも１種類の単一組成層（Ａ層３２、Ｂ層３４、Ｃ層３６の何れか１層）と、ナノレイヤー交互層３８、４０、４２の中の何れか２種類と、の計３種類の層が予め定められた順番で１周期を単位として積層されているが、例えば硬質被膜３０において最上部のＡ層３２を省略するなど、最上部が１周期の途中で終了しても良い。言い換えれば、表面層が無い硬質被膜３０、５０、６０、７０、８０においても、その最上部の最表面の層を、交互に積層された３種類の層とは別の表面層と見做すことができる。２種類のナノレイヤー層（ナノレイヤーＡ層３２ｎ、ナノレイヤーＢ層３４ｎ、ナノレイヤーＣ層３６ｎの何れか２層）を交互に積層したナノレイヤー交互層３８、４０、４２についても、例えばナノレイヤー交互層３８がナノレイヤーＡ層３２ｎから始まってナノレイヤーＡ層３２ｎで終わるなど、合計の層数が奇数であっても良い。また、界面層４４、５２、６２、９４の代わりに、Ｃ組成のみにて構成されている単一組成層の界面層を採用することもできる。【００５２】
図１３および図１４は、試験品１〜試験品５０の硬質被膜の被膜構造を具体的に説明する図で、単一組成層の欄のＡ層、Ｂ層、Ｃ層は、前記Ａ層３２、Ｂ層３４、Ｃ層３６に相当する。また、ナノレイヤー交互層の欄のＡ層、Ｂ層、Ｃ層は、前記ナノレイヤーＡ層３２ｎ、ナノレイヤーＢ層３４ｎ、ナノレイヤーＣ層３６ｎに相当し、交互層（ＡＢ）、交互層（ＡＣ）、交互層（ＢＣ）は前記ナノレイヤー交互層３８、４０、４２に相当する。また、界面層は、前記界面層４４、５２、６２、９４の何れかである。単一組成層におけるＡ層〜Ｃ層、ナノレイヤー交互層における交互層（ＡＢ）、交互層（ＡＣ）、交互層（ＢＣ）の積層対数および膜厚の欄の、各横棒「−」は、それ等の層を備えていないことを意味している。また、図１３および図１４の各試験品１〜試験品５０は、何れも表面層を備えていない。図１３において散点を付した欄（グレー部分）は、本実施例（本発明の請求項１）の膜厚要件を満たしていないことを意味しており、試験品１〜試験品６は比較品で、試験品７〜試験品５０が本発明品である。【００５３】
図９は、工具母材１２に対して上記硬質被膜３０、５０、６０、７０、８０、９０、或いは図１３、図１４に記載の試験品１〜５０の硬質被膜（以下、特に区別しない場合は単に硬質被膜３０等という）をコーティングする際に用いられるアークイオンプレーティング装置１００を説明する概略構成図（模式図）である。アークイオンプレーティング装置１００は、ＰＶＤ法の一種であるアークイオンプレーティング法により、工具母材１２の表面に前記硬質被膜３０等をコーティングするもので、蒸発源（ターゲット）や反応ガスを切り換えることにより、組成が異なる複数種類の層を所定の膜厚で連続的に形成することができる。例えば硬質被膜３０の場合、工具母材１２の表面に界面層４４を設けた後、ナノレイヤー交互層４０、３８、およびＡ層３２を交互に繰り返し積層すれば良い。図９は、アークイオンプレーティング装置１００を上から見た平面図に相当する。【００５４】
アークイオンプレーティング装置１００は、複数のワークすなわち硬質被膜３０等をコーティングすべき工具母材１２を保持し、略垂直な回転中心Ｓまわりに回転駆動される回転テーブル１５４、工具母材１２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源１５６、工具母材１２などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ１５８、チャンバ１５８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置１６０、チャンバ１５８内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置１６２、第１アーク電源１６４、第２アーク電源１６６、第３アーク電源１６８、第４アーク電源１７０等を備えている。回転テーブル１５４は、上記回転中心Ｓを中心とする円盤形状を成しており、工具母材１２は、その回転テーブル１５４の外周部分に回転中心Ｓと略平行になる姿勢で複数配置される。工具母材１２を軸心まわりに自転させつつ、回転テーブル１５４によって回転中心Ｓまわりに公転させることもできる。反応ガス供給装置１６０は、Ａ層３２、Ｂ層３４、Ｃ層３６等の窒化物をコーティングする際に、窒素ガスをチャンバ１５８内に供給する。チャンバ１５８内は、排気装置１６２により例えば２〜１０Ｐａ程度の真空状態とされるとともに、図示しないヒータ等によって、例えば３００〜６００℃程度の蒸着処理温度に加熱される。【００５５】
第１アーク電源１６４、第２アーク電源１６６、第３アーク電源１６８、第４アーク電源１７０は、何れも蒸着材料から成る第１蒸発源１７２、第２蒸発源１７６、第３蒸発源１８０、第４蒸発源１８４をカソードとして、アノード１７４、１７８、１８２、１８６との間に所定のアーク電流を選択的に通電してアーク放電させることにより、それ等の第１蒸発源１７２、第２蒸発源１７６、第３蒸発源１８０、第４蒸発源１８４から蒸発材料を選択的に蒸発させるもので、蒸発した蒸発材料は正イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具母材１２に蒸着される。すなわち、蒸発源１７２、１７６、１８０、１８４は、それぞれ前記Ａ組成、Ｂ組成、Ｃ組成の何れかの合金にて構成されており、一つ余った蒸発源は、例えば膜厚が比較的厚い組成の合金とすることで、効率良くコーティングすることができる。Ａ組成、Ｂ組成、およびＣ組成の組成数に合わせて蒸発源を３つにしても良い。【００５６】
そして、上記アーク電源１６４、１６６、１６８、１７０を適宜切り換えて所定の組成の層を順次コーティングすることにより、所定の被膜構造の前記硬質被膜３０等が得られる。各層の膜厚は、回転テーブル１５４の回転速度やアーク電源１６４、１６６、１６８、１７０の通電時間等によって調整できる。組成が異なる複数の層の境界部分には、２種類の組成が混ざった混合層が形成されても良い。【００５７】
次に、工具母材１２が超硬合金で直径が１６ｍｍ、５枚刃の前記エンドミル１０と同様のラジアスエンドミルについて、図１０〜図１４に示す被膜構造の硬質被膜を設けた試験品１〜試験品５０を用意し、その硬質被膜の性能試験を行った結果を説明する。図１５は試験結果を示した図で、被膜硬さは、ビッカース硬さ試験法（ＪＩＳ  Ｇ０２０２、Ｚ２２４４）に従って、硬さ記号ＨＶ０．０２５で示される条件下で硬質被膜のＨＶ値（ビッカース硬さ）を測定した値である。また、以下の切削試験条件に従って試験品１〜試験品５０を用いてそれぞれ切削加工を行った場合の、外周刃１８の逃げ面摩耗幅および切削距離を測定し、被膜性能（耐久性）を判定した。具体的には、切削加工を随時中断して逃げ面摩耗幅を測定し、逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍ以上になった時の切削距離を測定した。そして、切削距離が２０ｍ以上を合格「○」、２０ｍ未満を不合格「×」とした。逃げ面摩耗幅は、株式会社ニコン製の測定顕微鏡（ＭＭ−４００／ＬＭ）を用いて目視により観察して測定した。
《切削試験条件》
・被削材：チタン合金
・切削速度Ｖ：７０ｍ／ｍｉｎ
・回転速度ｎ：１４００ｍｉｎ-1
・送り速度：ｆ＝０．０９ｍｍ／ｔ、Ｆ＝６３０ｍｍ／ｍｉｎ
・加工形態：側面切削
・軸方向切込みａｐ：２８．８ｍｍ
・径方向切込みａｅ：３．２ｍｍ【００５８】
図１５から明らかなように、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）については、本発明品である試験品７〜試験品５０は何れも２７００〜３３００（ＨＶ）の範囲内であり、優れた耐摩耗性および耐衝撃性（断続切削による割れや剥離に対する強度）が期待できるのに対し、比較品である試験品１〜試験品６は１９００〜２３００（ＨＶ）程度であった。切削距離については、本発明品である試験品７〜試験品５０は、何れも２０ｍ以上切削加工を行うことが可能で、優れた耐久性が得られた。これに対し、比較品である試験品１〜試験品６は、何れも切削距離が２０ｍ未満であった。【００５９】
このように、本実施例のエンドミル１０の硬質被膜３０等によれば、Ａ層３２、Ｂ層３４、およびＣ層３６の中の何れか１つの単一組成層と、ナノレイヤー交互層３８、４０、および４２の中の何れか２つのナノレイヤー交互層との、計３種類の層がそれぞれ所定の膜厚で交互に積層されることにより、例えばチタン合金に対する切削加工でも優れた耐久性が得られるなど、優れた耐摩耗性、靱性、潤滑性、および耐溶着性が得られるようになる。これにより、チタン合金の他、例えば炭素鋼やステンレス鋼、鋳鉄、合金鋼等の各種被削材に対する切削加工において、或いは高速加工やドライ加工等の過酷な加工条件において、高い靱性により硬質被膜３０等の割れや剥離が抑制されて工具の長寿命化を実現することができた。【００６０】
また、上記１種類の単一組成層の膜厚Ｔ１と、２種類のナノレイヤー交互層の各膜厚Ｔ２、Ｔ３との比Ｔ１／Ｔ２、Ｔ１／Ｔ３が、何れも０．２〜１０の範囲内であるため、１種類の単一組成層および２種類のナノレイヤー交互層がそれぞれ所定の特性を有する適切な膜厚で設けられ、耐摩耗性、耐溶着性等の性能が適切に得られる。【００６１】
また、硬質被膜３０等の被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）が２７００〜３３００（ＨＶ）の範囲内であるため、耐摩耗性および高靱性がバランス良く得られ、割れや剥離が抑制されて優れた耐久性が得られる。【００６２】
また、図７の硬質被膜８０は界面層を備えていないため、成膜コストが低減され、硬質被膜８０を有するエンドミル１０を安価に製造できる。一方、硬質被膜３０、５０、６０、７０、９０、および試験品７〜試験品５０は、所定の組成、膜厚の界面層を備えているため、工具母材１２に対する硬質被膜３０等の付着強度を高くすることができる。【００６３】
また、図８の硬質被膜９０は、所定の組成、膜厚の表面層９２を備えているため、その表面層９２の組成や膜厚を適当に定めることにより、耐摩耗性や耐溶着性等の所定の被膜性能を更に向上させることができる。【００６４】
また、エンドミル１０は、外周刃１８および底刃２０が断続的に切削加工を行う断続切削工具であり、それ等の外周刃１８および底刃２０には繰り返し衝撃荷重が加えられるとともに発熱し易いが、高い耐摩耗性や靱性、潤滑性、耐溶着性を有する硬質被膜３０等が設けられることにより、工具の長寿命化を図ることができる。【００６５】
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】
【００６６】
１０：エンドミル（硬質被膜被覆部材、断続切削工具）    １２：工具母材（母材）    １８：外周刃（切れ刃）    ２０：底刃（切れ刃）    ３０、５０、６０、７０、８０、９０：硬質被膜    ３２：Ａ層（単一組成層）    ３２ｎ：ナノレイヤーＡ層（ナノレイヤー層）    ３４：Ｂ層（単一組成層）    ３４ｎ：ナノレイヤーＢ層（ナノレイヤー層）    ３６：Ｃ層（単一組成層）    ３６ｎ：ナノレイヤーＣ層（ナノレイヤー層）    ３８、４０、４２：ナノレイヤー交互層    ４４、５２、６２、９４：界面層    ９２：表面層    Ｔtotal ：総膜厚    Ｔ１：単一組成層の膜厚    Ｔ２、Ｔ３：ナノレイヤー交互層の膜厚
【図１】
2020026392.tif 000003
【図２】
2020026392.tif 000004
【図３】
2020026392.tif 000005
【図４】
2020026392.tif 000006
【図５】
2020026392.tif 000007
【図６】
2020026392.tif 000008
【図７】
2020026392.tif 000009
【図８】
2020026392.tif 000010
【図９】
2020026392.tif 000011
【図１０】
2020026392.tif 000012
【図１１】
2020026392.tif 000013
【図１２】
2020026392.tif 000014
【図１３】
2020026392.tif 000015
【図１４】
2020026392.tif 000016
【図１５】
2020026392.tif 000017
【国際調査報告】
2020026392.tif 000018
2020026392.tif 000019