CN102791409A - 硬质被膜及硬质被膜被覆工具 - Google Patents

硬质被膜及硬质被膜被覆工具 Download PDF

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Abstract

一种硬质被膜，其由在Cr与Al的原子比的比例(Cr/Al比)在0.25≤b/a≤0.67的范围内的富铝的AlCrN系的被膜上，按照0.05～0.20的原子比添加有SiC(碳化硅)的AlaCrb(SiC)cαdN构成，因此，可确保规定的耐磨性且得到更优异的耐热性(高温下的耐氧化性)。由此，可以进行例如切削深度大的高负荷切削等高效率加工及对高硬度材料的高速切削加工等切削刃达到高温的恶劣的条件下的切削加工，或可以提高在这种切削加工下的工具寿命，并且降低切削油的使用量。

Description

硬质被膜及硬质被膜被覆工具
技术领域
本发明涉及硬质被膜，特别是涉及耐磨性及耐热性优异的硬质被膜。
背景技术
在高速工具钢及硬质合金等工具母材等规定部件的表面设置硬质被膜的技术正在被推广。而且，例如在高硬度被切削材料的高速加工中，被膜的耐热性(高温下的耐氧化性)非常重要，对工具寿命影响很大。作为这种耐热性优异的硬质被膜，目前，已知有例如TiAlN系及AlCrN系的被膜(例如参照专利文献1～5)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2007-15106号公报
专利文献2：特开2007-119795号公报
专利文献3：特开2007-2332号公报
专利文献4：特开2006-307323号公报
专利文献5：特开2004-130514号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，由于切削加工的进一步高速化及高效率化，有时切削刃在达到更高温的恶劣的加工条件下使用，对于硬质被膜也要求进一步提高耐热性。另外，从环境问题出发，要求降低切削油的使用量，但当降低切削油的使用量时，工具容易达到高温，从这点来说，也要求提高硬质被膜的耐热性。
本发明是以上情况为背景而完成的，其目的在于提供一种得到更优异的耐热性的硬质被膜。
用于解决课题的手段
为了实现这样的目的，第一发明提供一种硬质被膜，该硬质被膜是设置于规定部件表面上的耐磨性及耐热性优异的硬质被膜，其特征在于，(a)具备由AlaCrb(SiC)cαdN〔其中，α是元素周期表的IVa族、Va族、VIa族(除Cr外)、B、C、Si、Y中的一种以上的元素，a、b、c、d按照原子比计分别为0.35≤a≤0.76、0.12≤b≤0.43、0.05≤c≤0.20、0≤d≤0.20的范围内，且Cr与Al的原子比的比例b/a在0.25≤b/a≤0.67的范围内，为富铝，a+b+c+d＝1〕构成，且设置于最表面的第一被膜，并且，(b)总膜厚T总为0.5～15μm的范围内，所述第一被膜的膜厚T1，或具备具有与第一被膜相同被膜成分的其它被膜部分时，包含其它被膜部分的膜厚为总膜厚T总的20％以上。
第二发明的硬质被膜的特征在于，在第一发明的硬质被膜中，(a)所述第一被膜直接设置于所述规定部件的表面上，且只由该第一被膜构成，(b)该第一被膜的膜厚T1为总膜厚T总。
第三发明的硬质被膜的特征在于，在第一发明的硬质被膜中，在所述规定部件和所述第一被膜之间、且在该规定部件表面上，设有由TieAlfCrgβhN〔其中，β是元素周期表的IVa族、Va族、VIa族(除Ti、Cr外)、B、C、Si、Y中的一种以上的元素，e、f、g、h按照原子比计分别为0≤e≤0.64、0.32≤f≤0.81、0≤g≤0.40、0≤h≤0.20的范围内，且e和g不同时为0，e+f+g+h＝1〕构成的第二被膜。
第四发明的硬质被膜的特征在于，在第三发明的硬质被膜中，(a)所述第一被膜直接设置于所述第二被膜上，且只由这些第一被膜及第二被膜构成，(b)所述第一被膜的膜厚T1为总膜厚T总的20％以上。
第五发明的硬质被膜的特征在于，在第三发明的硬质被膜中，在所述第一被膜和所述第二被膜之间设有中间层，所述中间层由交替层叠有与第一被膜及第二被膜相同被膜成分的被膜的交替层或混合有第一被膜及第二被膜的被膜成分的混合层构成。
第六发明涉及一种硬质被膜被覆工具，其特征在于，用第一发明～第五发明中任何一种硬质被膜被覆工具母材的表面。
发明效果
根据第一发明的硬质被膜，由在Cr与Al的原子比的比例b/a在0.25≤b/a≤0.67的范围内的富铝的AlCrN系的被膜中，按照0.05～0.20的原子比添加有SiC(碳化硅)而得到的AlaCrb(SiC)cαdN构成的第一被膜至少设置于最表面，并且具备其第一被膜的膜厚T1、或具有与第一被膜相同被膜成分的其它被膜部分时，包含该其它被膜部分的膜厚为总膜厚T总的20％以上，因此，可确保规定的耐磨性并得到更优异的耐热性(高温下的耐氧化性)。由此，可以进行例如切削深度大的高负荷切削等高效率加工及对高硬度材料的高速切削加工等切削刃达到高温的恶劣的条件下的切削加工，或可以提高在这种切削加工中的工具寿命，并且降低切削油的使用量。
另外，在按照0.20以下的原子比添加α时，会得到更优异的耐热性。由此，例如在高速切削穿孔加工等刃尖局部性(钻头的角等)地长时间暴露于高温的条件下，可得到优异的耐磨性、耐热性，提高了耐久性(工具寿命)。即，对于切削刃上大致均等地作用负荷的立铣刀等，未发现α的添加带来的明显的耐久性提高效果，但在利用钻头的高速穿孔加工中，与未添加α的情况相比较，耐久性进一步提高。
第三发明中，在规定部件的表面上设置有强韧且附着力优异的TieAlfCrgβhN第二被膜的情况下，提高了硬质被膜的附着力，并且具有第一被膜的被膜成分的部分的膜厚为总膜厚T总的20％以上，因此，充分得到由该第一被膜的被膜成分产生的耐热性的提高效果。由此，在以干式加工(吹风)对例如50HRC以上的高硬度被切削材料进行高速切削加工的情况下也能够抑制被膜剥离，充分得到优异的耐磨性及耐热性。另外，对于该第二被膜，通过按照0.20以下的原子比添加β，也得到更优异的耐热性。例如，在TiAl化合物中，Ti的氧化比Al的氧化快，因此，有时耐氧化性差，但通过添加β，可期待Ti氧化物的氧空位浓度减少，其成长速度变小。其结果是，容易形成均匀的Al氧化物层，可以得到耐氧化性。
第五发明中，在第一被膜和第二被膜之间，设有由交替层叠有与这些第一被膜及第二被膜相同被膜成分的被膜的交替层或混合有第一被膜及第二被膜的被膜成分的混合层构成的中间层的情况下，第一被膜的密合性进一步提高，并且，被膜整体的韧性提高。由此，对于难切削材料(硬、粘的材料)的加工也能抑制表层剥离，得到长时间稳定的加工性能，提高了工具寿命。
第六发明涉及硬质被膜被覆工具，是用第一发明～第五发明中的任何一种硬质被膜被覆工具母材的表面的情况，可得到实质上与第一发明～第五发明的硬质被膜一样的作用效果。
附图说明
图1是表示本发明所应用的球头立铣刀的图，(a)是从与轴心成直角的方向看到的正面图，(b)是从前端侧看到的放大底面图，(c)是设有硬质被膜的刃部表面附近的放大剖面图；
图2是对AlCr(SiC)N和AlCrSiCN的不同进行说明的图，(a)是AlCr(SiC)N的原子构造的概念图，(b)是AlCrSiCN的原子构造的概念图，(c)是对AlCrSiCN的Si的行为进行说明的图；
图3是对于含有化合物形式的SiC的SiC含有品和不含有化合物形式的SiC的SiC非含有品，对XPS的测定结果进行比较表示的图；
图4是对本发明的其它实施例进行说明的图，(a)、(b)都是与图1的(c)相当的剖面图；
图5是对本发明的又一实施例进行说明的图，(a)、(b)都是与图1的(c)相当的剖面图；
图6是对包括本发明品及现有品的多种试验品进行耐久性试验时的试验条件进行说明的图；
图7是具体地表示图6的耐久性试验中使用的试验品的被膜组成及膜厚，并且说明图6的耐久性试验及耐热性试验等的试验结果的图；
图8是对包括本发明品及现有品的多种试验品进行与图6不同的耐久性试验时的试验条件进行说明的图；
图9是具体地表示图8的耐久性试验中使用的试验品的被膜组成及膜厚的图；
图10是对图9的试验品说明图8的耐久性试验及耐热性试验等的试验结果的图；
图11是对用与图9的试验品No30、No49、No50、No56、No59相同的硬质被膜被覆的钻头进行耐久性试验时的试验条件进行说明的图；
图12是对图11的耐久性试验的试验结果进行说明的图。
具体实施方式
本发明除了适用于设置于立铣刀、丝锥、钻头等旋转切削工具外，还适用于设置于车刀等非旋转式的切削工具、或滚轧成型工具等各种加工工具的表面的硬质被膜，也可适用于半导体装置等的表面保护膜等设置于加工工具以外的部件的表面的硬质被膜。作为硬质被膜被覆工具的工具母材，优选使用硬质合金及高速工具钢、合金工具钢、金属陶瓷、陶瓷、聚晶金刚石(PCD)、单晶金刚石、聚晶CBN、单晶CBN，但也可以采用其它工具材料。
作为硬质被膜的形成方法，优选使用电弧离子镀法或溅射法、PLD(脉冲激光沉积(Puls LASER Deposition))法等PVD法(物理蒸镀法)。关于构成硬质被膜的Al、Cr、Ti、SiC(碳化硅)、α、β等，可以使用这些的单独的金属或合金等作为靶进行成膜处理，也可以使用AlaCrb、AlaCrbαd、TieAlf、TieAlfCrg、TieAlfβh、TieAlfCrgβh的合金等作为靶进行成膜处理。至于N(氮)，可以通过反应气体的供给来添加。关于作为α、β的选择项的C(碳)，可通过反应气体(烃气体等)的供给或固体靶(C靶、含C靶)来添加。另外，作为第一被膜的构成要素的带括号的“(SiC)”，意思是以碳化硅这样的化合物的形式存在于第一被膜内。
硬质被膜被覆工具适用于在例如高速或高负荷下的干式切削加工、对高硬度被切削材料的高速切削加工等切削刃达到高温的加工条件下使用的情况，可得到优异的耐久性(工具寿命)，当然也可以在不要求如上所述的耐磨性及耐热性的加工条件下，例如在使用切削油的切削加工等的情况下使用。
第一被膜的α及第二被膜的β都包含其原子比d、h为0的情况，且任意添加，因此，第一被膜也可以为AlaCrb(SiC)cN〔其中，a+b+c＝1〕，第二被膜也可以为TieAlfCrgN〔其中，e+f+g＝1〕。在添加α或β时，原子比a～d以成为a+b+c+d＝1的关系的方式来决定，原子比e～h以成为e+f+g+h＝1的关系的方式来决定。在同时添加α及β时，也可以是α＝β，也可以是α≠β。
第二被膜的Ti及Cr的原子比e、g包含0，但这些原子比e及g不同时为0，至少包含Ti及Cr的任一方而构成。也可以按照规定的原子比含有Ti及Cr双方。换句话说，除了TiAlCrβN以外，还可以使用TiAlβN或AlCrβN作为第二被膜。
硬质被膜的总膜厚T总为0.5μm～15μm的范围内，在不足0.5μm时，不能充分得到作为硬质被膜的性能，当超过15μm时，切削工具的刃尖变圆等，有可能损害工具性能。另外，相对于该总膜厚T总，包含第一被膜及具有与第一被膜相同被膜成分的其它被膜部分的膜厚不足20％时，不能充分得到该第一被膜的被膜成分产生的耐热性的提高效果，因此，设定为20％以上。所谓具有与第一被膜相同被膜成分的其它被膜部分，意思是例如包含交替层叠有与第一被膜相同被膜成分的被膜和其它被膜的交替层、或者混合有第一被膜的被膜成分和其它被膜成分的混合层等，为交替层时，包含与第一被膜相同被膜成分的被膜部分的合计膜厚，为混合层时，包含其全部膜厚。另外，更加理想的是，使只是位于最表面的第一被膜的膜厚T1成为总膜厚T总的20％以上。
在第三发明中，在规定部件和第一被膜之间设置第二被膜，在第五发明中，在该第二被膜和第一被膜之间还设置有中间层，但在实施第一发明时，以至少第一被膜位于最表面的方式设置即可，也可以如第二发明那样只用第一被膜构成硬质被膜，也可以将成分不同于第二被膜的其它基底层设置于规定部件和第一被膜之间。另外，也可以在规定部件和第一被膜之间设置与上述第二被膜及中间层不同的两种以上的被膜，以第一被膜及具有与该第一被膜相同被膜成分的部分的合计膜厚相对于硬质被膜的总膜厚T总为20％以上为条件，可以实施各种方式。在实施第三发明时，也可以采用交替层叠有第二被膜及与第一被膜相同被膜成分的被膜的多层构造的硬质被膜。该情况下，与第一被膜相同被膜成分的被膜的合计膜厚加上第一被膜的膜厚T1后的膜厚为总膜厚T总的20％以上即可。
第五发明的中间层由交替层叠有与第一被膜及第二被膜相同被膜成分的被膜的交替层或者混合有第一被膜及第二被膜的被膜成分的混合层构成，但交替层只要至少层叠一个周期的与第一被膜及第二被膜相同被膜成分的被膜即可，并且，两者的膜厚可以相同，也可以不同，适宜设定层叠周期数及各个膜厚等。混合层包含第一被膜及第二被膜的全部成分，可通过全部使用第一被膜及第二被膜的成膜处理中使用的靶及反应气体等来形成。按如下设定该中间层的膜厚，即，按中间层中具有第一被膜的被膜成分的部分的膜厚(混合层的情况为全部膜厚；交替层的情况为与第一被膜相同被膜成分的被膜的合计膜厚)和第一被膜的膜厚T1加在一起的膜厚为总膜厚T总的20％以上的方式适宜设定，但也可以只使最表面的第一被膜的膜厚T1成为总膜厚T总的20％以上。也可以采用以上述混合层或夹设有其它被膜并交替层叠有一个周期以上的与第一被膜及第二被膜相同被膜成分的被膜的多层构造的交替层为中间层。
实施例1
下面，参照附图对本发明的实施例详细地进行说明。
图1是对应用本发明的硬质被膜被覆工具的一个例子即球头立铣刀10进行说明的图，(a)是从与轴心成直角的方向看到的正面图，(b)是从前端侧((a)的图的右方向)看到的放大底面图，在用硬质合金或高速工具钢构成的工具母材12上，与刀柄连续地一体设有刃部14。在刃部14，作为切削刃与轴心对称地设有一对外周刃16及球头刃18，通过绕轴心旋转驱动，利用这些外周刃16及球头刃18进行切削加工，并且在该刃部14的表面上涂敷有硬质被膜20。图1(a)的斜线部分表示硬质被膜20，图1的(c)是涂覆有硬质被膜20的刃部14的表面附近的剖面图。球头立铣刀10为旋转切削工具，工具母材12相当于设置有硬质被膜20的规定部件。
由图1(c)可知，硬质被膜20是只由直接设置于工具母材12的表面上的第一被膜22构成的单层被膜。该第一被膜22由AlaCrb(SiC)cαdN〔其中，α是元素周期表的IVa族、Va族、VIa族(除Cr外)、B、C、Si、Y中的一种以上的元素，a、b、c、d按照原子比计分别为0.35≤a≤0.76、0.12≤b≤0.43、0.05≤c≤0.20、0≤d≤0.20的范围内，且Cr与Al的原子比的比例b/a在0.25≤b/a≤0.67的范围内，为富铝，a+b+c+d＝1〕构成，在本实施例中，使用电弧离子镀装置，利用规定的靶及反应气体来成膜。另外，该第一被膜22的膜厚T1即硬质被膜20的总膜厚T总为0.5～15μm的范围内。
图7所示的试验品No05、No06、No08～No11、No13、No15～No22、No24、No25表示的硬质被膜，是本实施例的硬质被膜20的具体例子。
在此，作为第一被膜22的构成要素的“(SiC)”是指以碳化硅这样的化合物的形式存在于第一被膜22内，通过按照0.05～0.20的原子比添加该SiC(碳化硅)，确保规定的耐磨性，且得到优异的耐热性(高温下的耐氧化性)。图2的(a)是表示在本实施例的第一被膜22中α的原子比d＝0的情况，即AlCr(SiC)N的原子构造的概念图，SiC以化合物的形式存在。与此相对，只称为AlCrSiCN的情况下，如图2(b)所示，Si和C独立地存在。而且，在这样Si和C独立地存在的AlCrSiCN中，Si易于与氧结合，因此，如图2(c)所示，Si向氧丰富的表面集中，Si和氧结合，在表面形成氧化硅，由此得到优异的耐氧化性(耐热性)。
但是，由于Si从被膜中脱离，因此被膜中的Si密度降低，耐磨性被破坏。与此相对，在AlCr(SiC)N的情况下，由于以SiC这样的化合物的形式存在，因此，与氧的结合性降低，而且还不会产生Si向表面的原子移动，因此，能够维持规定的耐磨性并提高耐氧化性。因此，被膜中有无S iC可从XPS(X-rayPhotoelectron Spectrometry；X射线光电子能谱分析)的测定结果进行判断。图3是对于含有化合物形式的SiC的情况(SiC含有品)和不含有化合物形式的SiC的情况(SiC非含有品)，对XPS的测定结果进行比较来表示的图，SiC含有品中，在282eV附近产生峰，从该峰的有无可判断是否以化合物的形式含有SiC。
这样的本实施例的球头立铣刀10的硬质被膜20由第一被膜22构成，该第一被膜22由在Cr与Al的原子比的比例b/a在0.25≤b/a≤0.67的范围内的富铝的AlCrN系的被膜中，按照0.05～0.20的原子比添加了SiC(碳化硅)的AlaCrb(SiC)cαdN构成，因此，确保规定的耐磨性且得到更优异的耐热性(高温下的耐氧化性)。由此，可以进行例如切削深度大的高负荷切削等高效率加工、及对高硬度材料的高速切削加工等切削刃达到高温的恶劣的条件下的切削加工，或者可以提高在那样的切削加工中的工具寿命，并且能够降低切削油的使用量。
另外，按照0.20以下的原子比添加α的情况(例如图7的试验品No15～No18、No24、No25)，会得到更优异的耐热性。由此，例如在高速切削穿孔加工等刃尖局部性(钻头的角等)地长时间暴露于高温的条件下，得到优异的耐磨性、耐热性，提高了耐久性(工具寿命)。另外，在如本实施例的球头立铣刀10那样，在球头刃18上大致均等地作用负荷时，未看到α的添加产生的明确的耐久性提高效果。
实施例2
接着，对本发明的另一实施例进行说明。另外，在下面的实施例中，在与上述实施例1实质上共同的部分附加相同的符号并省略详细的说明。
图4(a)的硬质被膜30在上述工具母材12和第一被膜22之间夹设有第二被膜32。该第二被膜32由TieAlfCrgβhN〔其中，β是元素周期表的IVa族、Va族、VIa族(除Ti、Cr外)、B、C、Si、Y中的一种以上的元素，e、f、g、h按照原子比计分别为0≤e≤0.64、0.32≤f≤0.81、0≤g≤0.40、0≤h≤0.20的范围内，且e和g不同时为0，e+f+g+h＝1〕构成，与第一被膜22一样，使用电弧离子镀装置，利用规定的靶及反应气体进行成膜。此时的硬质被膜30的总膜厚T总为与上述硬质被膜20相同的0.5～15μm的范围内，第一被膜22的膜厚T1为总膜厚T总的20％以上，剩余部分成为第二被膜32的膜厚。
图9所示的试验品No28、No29、No32～No36、No38～No46、No48～No52、No54、No56～No58表示的硬质被膜，是本实施例的硬质被膜30的具体例子。
在这样的本实施例的硬质被膜30中，在工具母材12和第一被膜22之间设有由强韧、附着力优异的TieAlfCrgβhN构成的第二被膜32，因此，提高了硬质被膜30的附着力，并且第一被膜22的膜厚T1为总膜厚T总的20％以上，因此，充分得到该第一被膜22产生的耐热性的提高效果。由此，例如即使在通过干式加工(吹风)对50HRC以上的高硬度被切削材料进行高速切削加工的情况下，也能够抑制被膜剥离，充分得到优异的耐磨性及耐热性。另外，对于该第二被膜32，通过按照0.20以下的原子比添加β，也会得到更优异的耐热性。
实施例3
图4(b)的硬质被膜34是在上述第一被膜22和第二被膜32之间交替层叠有一个周期以上(实施例中为多个周期)的被膜成分与它们相同的一对被膜23、33的多层构造的被膜，实质上是以最表面为第一被膜22的方式在工具母材12上交替层叠有第二被膜32及第一被膜22的硬质被膜。该硬质被膜34的总膜厚T总为0.5～15μm的范围内，以与第一被膜22的被膜成分相同的多个被膜23的合计膜厚加上第一被膜22的膜厚T1的膜厚成为总膜厚T总的20％以上的方式决定各膜厚。在图中，被膜22、23、32、33的各膜厚彼此大致相同，但也可将第一被膜22的膜厚T1适宜地设定为比其它的被膜23、32、33的膜厚大等。
在这样的本实施例的硬质被膜34中，在工具母材12上设有第二被膜32，因此，得到与上述硬质被膜30同样的作用效果。另外，该硬质被膜34是在第一被膜22和第二被膜32之间交替层叠有一个周期以上的被膜成分与它们相同的一对被膜23、33的多层构造，因此，第一被膜22的密合性进一步提高，并且提高了硬质被膜34整体的韧性。与第一被膜22的被膜成分相同的多个被膜23的合计膜厚加上第一被膜22的膜厚T1的膜厚为总膜厚T总的20％以上，因此，充分得到该第一被膜22的被膜成分产生的耐热性的提高效果。交替层叠有一个周期以上的被膜成分与第一被膜22及第二被膜32相同的一对被膜23、33的多层构造的被膜部分，相当于中间层(在该实施例中为交替层)。
实施例4
图5(a)的硬质被膜40是在上述实施例2的硬质被膜30的第一被膜22和第二被膜32之间再设置中间层42的情况。该中间层42是交替层叠有与第一被膜22及第二被膜32相同被膜成分的被膜的交替层或混合有第一被膜22及第二被膜32的被膜成分的混合层，在本实施例中，作为中间层42设有混合层。由于该混合层包含第一被膜22及第二被膜32的全部成分，通过全部使用第一被膜22及第二被膜32的成膜处理中使用的靶及反应气体等而形成，可接着第二被膜32的成膜处理，连续地形成中间层42，再连续地形成第一被膜22。该硬质被膜40的总膜厚T总为0.5～15μm的范围内，第一被膜22和中间层(混合层的情况下)42加在一起的膜厚T2为总膜厚T总的20％以上，剩余部分为第二被膜32的膜厚。中间层42的膜厚以膜厚T2成为总膜厚T总的20％以上的方式适宜设定，但也可以只使最表面的第一被膜22的膜厚T1成为总膜厚T总的20％以上。
图9所示的各试验品中，在“膜厚(μm)”项的“中间”项中记载有数值(膜厚)的试验品No47、No53、No55、No59～No61表示的硬质被膜，是本实施例的硬质被膜40的具体例子。在这些实施例中，中间层42的膜厚都小于第一被膜22及第二被膜32任一个的膜厚。
在这样的本实施例的硬质被膜40中，在第一被膜22和第二被膜32之间设置有中间层42，该中间层42由交替层叠有与这些第一被膜22及第二被膜32相同被膜成分的被膜的交替层或混合有第一被膜22及第二被膜32的被膜成分的混合层构成，因此，第一被膜22的密合性进一步提高，并且，提高了硬质被膜40整体的韧性。另外，该中间层(为混合层的情况)42和第一被膜22加在一起的膜厚T2为总膜厚T总的20％以上，因此，充分得到该第一被膜22的被膜成分产生的耐热性的提高效果。在中间层42为交替层的情况，只要与第一被膜22相同被膜成分的被膜部分的合计膜厚加上第一被膜22的膜厚T1的膜厚为总膜厚T总的20％以上即可。由此，对于难切削材料(硬、粘的材料)的加工，也能抑制表层剥离，而得到长时间稳定的加工性能，提高了工具寿命。
实施例5
图5(b)的硬质被膜44是在第一被膜22和第二被膜32之间，以夹着上述中间层42的方式交替层叠有一个周期以上(实施例中为多个周期)的被膜成分与它们相同的一对被膜23、33的多层构造的被膜，实质上是以最表面为第一被膜22的方式隔着中间层42在工具母材12上交替层叠有第二被膜32和第一被膜22的被膜。该硬质被膜44的总膜厚T总为0.5～15μm的范围内，以与第一被膜22的被膜成分相同的多个被膜23及由混合层构成的中间层42的合计膜厚加上第一被膜22的膜厚T1的膜厚成为总膜厚T总的20％以上的方式决定各膜厚。在图中，被膜22、23、32、33、42的各膜厚彼此大致相同，但也可将第一被膜22的膜厚T1适宜设定为比其它被膜23、32、33、42的膜厚大等。本实施例中，在一对被膜23、33之间也设置中间层42，因此，得到与上述硬质被膜40同样的作用效果，除此之外，由于是夹着中间层42交替层叠有一个周期以上的这些被膜23、33的多层构造，因此，密合性及韧性进一步提高。像这样以夹着中间层42的方式交替层叠有一个周期以上的与第一被膜22及第二被膜32相同被膜成分的一对被膜23、33的多层构造的被膜，也是交替层的一种方式。
试验结果1
接着，对于工具母材为熔制高速钢(高速工具钢)、直径为10mm的双刃方端铣刀，如图7所示准备包含设有由第一被膜22单层构成的上述实施例1的硬质被膜20的本发明品的多种试验品No01～No26，测定被膜硬度(HV0.025)，并且说明进行耐热性试验及耐久性试验的结果。将被膜硬度不足3000设为NG(不合格)。耐热性试验是测定将试验品在大气压、空气环境中暴露于1000℃下1个小时时的氧化层厚度。氧化层厚度为0.7μm以上的情况设为NG，当然，硬质被膜全部氧化的全氧化也设为NG.。另外，耐久性试验是在图6所示的试验条件下对碳钢(JIS中规定的S50C)进行侧面切削加工，求出直到切削刃的后面磨损宽度成为0.2mm的切削距离，将该切削距离不足10m的情况设为NG。
图7的试验品No01～No03是不含SiC的AlCrN系的硬质被膜的现有品，试验品No05、No06、No08～No11、No13、No15～No22、No24、No25是本发明品，剩余的试验品No04、No07、No12、No14、No23、No26是被膜组成的原子比或Cr/Al比(＝b/a)、总膜厚T总不满足本发明的必要条件的比较品(NG品)。图7的“硬质被膜”及“总膜厚”项中标有阴影(散点)的栏，是脱离本发明的必要条件的项，在“被膜硬度”、“氧化层厚度”及“切削距离”的项中，标有阴影(散点)的栏表示NG。另外，图7的“硬质被膜”栏的被膜组成以％记载原子比。另外，虽然对于N(氮)没有记载，但全部试验品的硬质被膜都是含有N(氮)的氮化物。
由图7的试验结果可知，本发明品(试验品No05、No06、No08～No11、No13、No15～No22、No24、No25)的被膜硬度都为3000以上，与现有品(试验品No01～No03)比较得到优异的被膜硬度。就耐热性试验的氧化层厚度而言，本发明品(试验品No05、No06、No08～No11、No13、No15～No22、No24、No25)全部为0.6μm以下，满足合格必要条件(不足0.7μm)，特别是含有α的试验品No15～No18、No24、No25，其氧化层厚度不足0.3μm，得到更优异的耐热性。另外，就耐久性试验的后面磨损宽度为0.2mm的切削距离而言，本发明品(试验品No05、No06、No08～No11、No13、No15～No22、No24、No25)全部为10m以上，满足合格必要条件，与此相对，现有品(试验品No01～No03)及比较品(试验品No04、No07、No12、No14、No23、No26)全部不足10m，利用本发明品可得到优异的耐久性。
试验结果2
图9及图10是对于工具母材为硬质合金制、直径为6mm(前端R＝3mm)的双刃球头立铣刀，准备包含设有由第一被膜22及第二被膜32构成的上述实施例2的硬质被膜30、或在这些第一被膜22和第二被膜32之间设有中间层42的上述实施例4的硬质被膜40的本发明品的多种试验品No27～No61，测定被膜硬度(HV0.025)，并且进行耐热性试验及耐久性试验的结果进行说明的图。被膜硬度不足3000设为NG(不合格)。耐热性试验与上述图7的情况一样，测定将试验品在大气压、空气环境中暴露于1000℃下1个小时时的氧化层厚度。氧化层厚度为0.7μm以上的情况设为NG，当然，硬质被膜全部氧化的全氧化也设为NG.。另外，耐久性试验是在图8所示的试验条件下对高硬度合金工具钢〔JIS中规定的SKD61(50HRC)〕进行利用吹风的干式切削加工(铣削加工)，求出直到切削刃的后面磨损宽度成为0.1mm的切削距离，将该切削距离不足850m的情况设为NG。
图9的试验品No27是由第一被膜不含SiC的AlCrN系的硬质被膜构成的现有品，试验品No30、No31、No37是总膜厚T总或第一被膜的膜厚T1与该总膜厚T总的比例不满足本发明的必要条件的比较品(NG品)。剩余的试验品No28、No29、No32～No36、No38～No61是本发明品，其中的试验品No28、No29、No32～No36、No38～No46、No48～No52、No54、No56～No58是不具备中间层42的硬质被膜30的具体例子，试验品No47、No53、No55、No59～No61是具有中间层42的硬质被膜40的具体例子。图9的“第一被膜”及“膜厚”项中标有阴影(散点)的栏是脱离本发明必要条件的项，图10的“被膜硬度”、“氧化层厚度”及“切削距离”项中标有阴影(散点)的栏表示NG。另外，图9的“硬质被膜”栏的被膜组成以％记载原子比。另外，虽然没有对于N(氮)的记载，但全部试验品的硬质被膜都是含有N(氮)的氮化物。
由图10的试验结果可知，本发明品(试验品No28、No29、No32～No36、No38～No61)的被膜硬度都为3000以上，与现有品(试验品No27)比较得到优异的被膜硬度。就耐热性试验的氧化层厚度而言，本发明品(试验品No28、No29、No32～No36、No38～No61)全部为0.4μm以下，充分满足合格必要条件(不足0.7μm)，特别是第一被膜含有α的试验品No46～No52、No54～No58，氧化层厚度不足0.3μm，得到更优异的耐热性。另外，就耐久性试验的后面磨损宽度为0.1mm的切削距离而言，本发明品(试验品No28、No29、No32～No36、No38～No61)都为850m以上，满足合格必要条件，与此相对，现有品(试验品No27)及比较品(试验品No30、No31)都不足850m，利用本发明品可得到优异的耐久性。另外，从该试验结果未发现由于有无中间层42而产生的显著差异。另外，总膜厚T总为18.5μm的试验品No37的比较品，因被膜剥离而不能适当地进行被膜硬度的测定、耐热性试验、耐久性试验。
试验结果3
图12是对于工具母材为硬质合金制、直径为6mm的硬质钻头，准备五个设有与上述图9的试验品No30、No49、No50、No56及No59相同的硬质被膜的试验品，在图11所示的试验条件下对碳钢(JIS中规定的S50C)进行利用喷雾供油的高速切削穿孔加工，并进行耐久性试验的结果进行说明的图。耐久性试验是求出直到切削刃的后面磨损宽度成为0.2mm的加工孔数，将该加工孔数不足4000个孔的情况设为NG。图12的试验品No30是第一被膜的膜厚T1不足总膜厚T总的20％的比较品，其它的试验品No49、No50、No56及No59是本发明品。图12的“加工孔数”项中标有阴影(散点)的栏表示NG。
由图12的试验结果可知，本发明品(试验品No49、No50、No56、No59)都可以进行5000个孔以上的穿孔加工，与此相对，试验品No30的比较品为2000个孔，利用本发明品，耐久性大幅度提高。特别是，第一被膜含有α的试验品No49、No50、No56的加工孔数为6000个以上，与此相对，第一被膜不含α的试验品No59的加工孔数为5010个，通过在第一被膜中添加α，加工孔数大幅度增加。
以上，基于附图对本发明的实施例详细地进行了说明，但这始终只是一个实施方式，可以基于本领域技术人员的知识以加入各种变更、改良的方式实施本发明。
附图标记说明
10：球头立铣刀(硬质被膜被覆工具)  12：工具母材(规定部件)  20、30、34、40、44：硬质被膜  22：第一被膜  23：与第一被膜相同被膜成分的被膜  32：第二被膜  33：与第二被膜相同被膜成分的被膜  42：中间层  T总：总膜厚  T1：第一被膜的膜厚  T2：第一被膜+中间层的膜厚

Claims (6)

1.一种硬质被膜，其是设置于规定部件的表面上的耐磨性及耐热性优异的硬质被膜，其特征在于，
具备由AlaCrb(SiC)cαdN〔其中，α是元素周期表的IVa族、Va族、VIa族(除Cr外)、B、C、Si、Y中的一种以上的元素，a、b、c、d按照原子比计分别为0.35≤a≤0.76、0.12≤b≤0.43、0.05≤c≤0.20、0≤d≤0.20的范围内，且Cr与Al的原子比的比例b/a在0.25≤b/a≤0.67的范围内，为富铝，a+b+c+d＝1〕构成的、设置于最表面的第一被膜，
并且，总膜厚T总为0.5～15μm的范围内，所述第一被膜的膜厚T1、或在具备具有与该第一被膜相同的被膜成分的其它被膜部分时，包含该其它被膜部分的膜厚为总膜厚T总的20％以上。
2.权利要求1所述的硬质被膜，其特征在于，所述第一被膜直接设置于所述规定部件的表面上，且只由该第一被膜构成，该第一被膜的膜厚T1为总膜厚T总。
3.权利要求1所述的硬质被膜，其特征在于，在所述规定部件和所述第一被膜之间、且在该规定部件的表面上，设有由TieAlfCrgβhN〔其中，β是元素周期表的IVa族、Va族、VIa族(除Ti、Cr外)、B、C、Si、Y中的一种以上的元素，e、f、g、h按照原子比计分别为0≤e≤0.64、0.32≤f≤0.81、0≤g≤0.40、0≤h≤0.20的范围内，且e和g不同时为0，e+f+g+h＝1〕构成的第二被膜。
4.权利要求3所述的硬质被膜，其特征在于，所述第一被膜直接设置于所述第二被膜上，且只由该第一被膜及该第二被膜构成，所述第一被膜的膜厚T1为总膜厚T总的20％以上。
5.权利要求3所述的硬质被膜，其特征在于，在所述第一被膜和所述第二被膜之间设有中间层，所述中间层由交替层叠有与该第一被膜及该第二被膜相同被膜成分的被膜的交替层或混合有该第一被膜及该第二被膜的被膜成分的混合层构成。
6.一种硬质被膜被覆工具，其特征在于，用权利要求1～5中任一项所述的硬质被膜被覆工具母材的表面。
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