JP6710773B2 - 硬質被膜および硬質被膜被覆部材 - Google Patents
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Description
本発明は、耐摩耗性および耐溶着性に優れている硬質被膜および硬質被膜被覆部材に関し、特に、ＡｌＴｉＣｒ窒化物であるＡ層と、ＡｌＴｉＣｒ炭窒化物であるＢ層と、該Ａ層またはＢ層と同一組成であってナノオーダの厚みのナノレイヤーＡ層またはナノレイヤーＢ層およびＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物またはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物であるナノオーダの厚みのナノレイヤーＣ層の交互層とを、交互に積層した、耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜に関するものである。
エンドミルやドリル、フライス、バイト等の切削工具、盛上げタップ、転造工具、プレス金型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種々の工具部材において、超硬合金製或いは高速度工具鋼製の母材の表面に、硬質被膜をコーティングすることにより、耐摩耗性や耐久性を向上させることが提案されている。
これに対して、特許文献１および非特許文献１には、ＴｉＡｌＮ系／ＴｉＣｒＮ系の硬質被膜を施したエンドミルが提案されている。また、特許文献２には、ＡｌＣｒＮ系とＴｉＳｉＮ系の多層構造から成る硬質被膜を施したエンドミルが提案されている。
オー・ディラン−ドルーアン，エー・イー・サンタナ，エー・カリミ，ブイ・エッチ・デルフリンガー，エー・シュッツ（O.Durand−Drouhin，A.E.Santana，A.Karimi，V.H.Derflinger，A.Schutze）著、「メカニカル プロパティーズ アンド フェイリアー モデルズ オブ ティーアイエーエル（エスアイ）エヌ シングル アンド マルチレイヤー シン フィルムズ（Mechanical properties and failure models of TiAl（Si）N single and multilayer thin films）」、サーフェス アンド コーティング テクノロジー（Surface and Coatings Technology）、（スイス）、エルゼビア サイエンス（Elsevier Science）、２００３年、１６３−１６４巻、ｐ．２６０−２６６
しかしながら、上記特許文献１および非特許文献１に記載のエンドミルは、炭素鋼、合金鋼や調質鋼の切削に用いられると、耐摩耗性が十分に得られないという問題があった。また、上記特許文献２に記載のエンドミルは、炭素鋼、合金鋼や調質鋼の切削加工に用いられると、耐溶着性が十分でないため十分な性能が得られないという問題があった。
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、炭素鋼などの切削では耐摩耗性が得られ、合金鋼や調質鋼などの切削では耐溶着性が得られる硬質被膜被覆部材を提供することにある。
本発明者等は以上の事情を背景として種々研究を重ねるうち、ＡｌＴｉＣｒ窒化物であるＡ層と、ＡｌＴｉＣｒ炭窒化物であるＢ層と、該Ａ層またはＢ層と同一組成であってナノオーダの厚みのナノレイヤーＡ層またはナノレイヤーＢ層およびＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物またはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物であるナノオーダの厚みのナノレイヤーＣ層の交互層とを、総膜厚が２０μｍ以下となるように交互に積層した硬質被膜を工具に用いると、硬質被膜が優れた耐摩耗性および耐溶着性を有し、これにより工具の長寿命化が得られるという事実を見出した。本発明は斯かる知見に基づいてなされたものである。
すなわち、第１発明の要旨とするところは、（ａ）母材の表面に被覆される硬質被膜であって、（ｂ）前記硬質被膜は、物理的蒸着法により、Ａ層と、Ｂ層と、ナノレイヤー交互層とが交互に積層されて、０．５〜２０μｍの総膜厚となるように構成されたものであり、（ｃ）前記Ａ層は、組成式が（ＡｌａＴｉｂＣｒｃαｄ）Ｎであり、αはＣ，Ｂ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ、０．１０≦ａ≦０．８５、０．０２≦ｂ≦０．７０、０．０３≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．１０、および、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物であって、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、（ｄ）前記Ｂ層は、組成式が（ＡｌｅＴｉｆＣｒｇβｈ）ＣＸＮ１−Ｘであり、βはＢ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ｅ，ｆ，ｇ，ｈおよびＸはそれぞれ、０．１０≦ｅ≦０．８５、０．０２≦ｆ≦０．７０、０．０３≦ｇ≦０．６５、０≦ｈ≦０．１０、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１、および、０≦Ｘ≦０．６を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ炭窒化物であって、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、（ｅ）前記ナノレイヤー交互層は、前記Ａ層または前記Ｂ層と同一の組成を有するナノレイヤーＡ層またはナノレイヤーＢ層と、Ｃ層とが交互に積層されたものであって、１〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、（ｆ）前記ナノレイヤーＡ層またはナノレイヤーＢ層は、それぞれ０．５〜５００ｎｍの厚みを有し、（ｇ）前記Ｃ層は、組成式が［ＡｌｉＣｒｊ（ＳｉＣ）ｋγｌ］ＣＹＮ１−Ｙであり、γはＢ，Ｔｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ｉ，ｊ，ｋ，ｌおよびＹはそれぞれ、０．２０≦ｉ≦０．８５、０．０５≦ｊ≦０．５０、０．０１≦ｋ≦０．４５、０≦ｌ≦０．１０、ｉ＋ｊ＋ｋ＋ｌ＝１、および、０≦Ｙ≦０．６を満たすＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物であって、０．５〜５００ｎｍの厚みを有するものである。
また、第２発明の要旨とするところは、前記Ａ層の膜厚ＴＡと前記ナノレイヤー交互層の膜厚ＴＮＬの比の値ＴＡ／ＴＮＬは０．２〜１０であり、前記Ｂ層の膜厚ＴＢと前記ナノレイヤー交互層の膜厚ＴＮＬの比の値Ｔ Ｂ ／ＴＮＬは０．２〜１０であることにある。
また、第３発明の要旨とするところは、前記硬質被膜の外側に表層を有し、該表層は前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層、または前記ナノレイヤー交互層と同様の材料から形成されていることにある。
また、第４発明の要旨とするところは、前記硬質被膜は、前記母材に直接被覆されていることにある。
また、第５発明の要旨とするところは、前記硬質被膜は、界面層を介して前記母材に被覆され、前記界面層は、前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層、または前記ナノレイヤー交互層と同様の材料から２０〜１０００ｎｍの厚みで形成されていることにある。
また、第６発明の要旨とするところは、第１発明から第５発明のいずれかの硬質被膜によって前記母材の一部または全部が被覆された硬質被膜被覆部材であることにある。
第１発明によれば、母材の表面に被覆される硬質被膜は、物理的蒸着法により、Ａ層と、Ｂ層と、ナノレイヤー交互層とが交互に積層されて、０．５〜２０μｍの総膜厚となるように構成されたものであり、前記Ａ層は、組成式が（ＡｌａＴｉｂＣｒｃαｄ）Ｎであり、αはＣ，Ｂ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ、０．１０≦ａ≦０．８５、０．０２≦ｂ≦０．７０、０．０３≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．１０、および、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物であって、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、前記Ｂ層は、組成式が（ＡｌｅＴｉｆＣｒｇβｈ）ＣＸＮ１−Ｘであり、βはＢ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ｅ，ｆ，ｇ，ｈおよびＸはそれぞれ、０．１０≦ｅ≦０．８５、０．０２≦ｆ≦０．７０、０．０３≦ｇ≦０．６５、０≦ｈ≦０．１０、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１、および、０≦Ｘ≦０．６を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ炭窒化物であって、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、前記ナノレイヤー交互層は、前記Ａ層または前記Ｂ層と同一の組成を有するナノレイヤーＡ層またはナノレイヤーＢ層と、Ｃ層とが交互に積層されたものであって、１〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、前記ナノレイヤーＡ層またはナノレイヤーＢ層は、それぞれ０．５〜５００ｎｍの厚みを有し、前記Ｃ層は、組成式が［ＡｌｉＣｒｊ（ＳｉＣ）ｋγｌ］ＣＹＮ１−Ｙであり、γはＢ，Ｔｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ｉ，ｊ，ｋ，ｌおよびＹはそれぞれ、０．２０≦ｉ≦０．８５、０．０５≦ｊ≦０．５０、０．０１≦ｋ≦０．４５、０≦ｌ≦０．１０、ｉ＋ｊ＋ｋ＋ｌ＝１、および、０≦Ｙ≦０．６を満たすＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物であって、０．５〜５００ｎｍの厚みを有するものであることから、Ａ層においては高硬度であり耐酸化性を有し、耐摩耗性を有する被膜となり、Ｂ層においては高潤滑性、低摩耗性を有するとともに微細化された組織を有し、耐摩耗性を有する被膜となる一方、Ａ層とＢ層とナノレイヤー交互層とを交互に積層することにより、被膜の硬度が高くなり、靱性、潤滑性、耐酸化性が向上し、炭素鋼、合金鋼や調質鋼など、各種材料の切削加工等において長寿命化が実現された工具が得られる。特に前記Ａ層が、Ｃ，Ｂ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素からなる添加物αを含む場合には、被膜の結晶粒子を微細化することができるとともに、添加物αの添加量を変化させることで被膜の粒子径を制御することができる。また前記Ｂ層がＢ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素からなる添加物βを含む場合には、被膜の結晶粒子を微細化することができるとともに、添加物βの添加量を変化させることで被膜の粒子径を制御することができる。Ｂ層が炭素を含む場合には、これによりＢ層の構造において窒化物のみならず炭窒化物を含むことにより、粒状結晶の極めて微細化を実現でき、耐摩耗性と潤滑性が大幅に向上する。すなわち、炭素を含有することにより緻密な組織となる。さらにＣ層においては、被膜の結晶粒子が微細化され、硬質被膜の硬度、靱性、耐熱性、潤滑性が向上し、耐摩耗性と耐溶着性が向上する。さらにナノレイヤー交互層においては、被膜の結晶粒子が微細化されることにより、ナノレイヤーＡ層またはナノレイヤーＢ層とＣ層とが交互に積層されたナノ多層構造によって得られる内部応力緩和効果が向上させられ、クラックの分散効果、進展抑制効果が高められる。これにより、ナノレイヤー交互層の被膜硬さ、靱性、耐摩耗性が改善される。
第２発明によれば、前記Ａ層の膜厚ＴＡと前記ナノレイヤー交互層の膜厚ＴＮＬの比の値ＴＡ／ＴＮＬは０．２〜１０であり、前記Ｂ層の膜厚ＴＢと前記ナノレイヤー交互層の膜厚ＴＮＬの比の値Ｔ Ｂ ／ＴＮＬは０．２〜１０であるので、炭素鋼、合金鋼や調質鋼など、各種材料の切削加工等において長寿命化が実現された工具が得られる。
第３発明によれば、前記硬質被膜の外側に表層を有し、該表層は、前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層、または前記ナノレイヤー交互層と同様の材料から形成されていることから、硬質被膜に加えてさらに表層の有する性質により、炭素鋼、合金鋼や調質鋼など、各種材料の切削加工等において長寿命化が実現された工具が得られる。
第４発明によれば、前記硬質被膜は、前記母材に直接被覆されていることから、前記硬質被膜と前記母材との間の界面層が不要となるので、製造が容易となる。
第５発明によれば、前記硬質被膜は、界面層を介して前記母材に被覆され、前記界面層は、前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層、または前記ナノレイヤー交互層と同様の材料から２０〜１０００ｎｍの厚みに形成されている。このため、硬質被膜と母材との間の密着性が向上し、付着強度が一層高められる。
第６発明によれば、第１発明から第５発明のいずれかの硬質被膜によって前記母材の一部または全部が被覆された硬質被膜被覆部材であることから、炭素鋼、合金鋼や調質鋼など、各種材料の切削加工等において長寿命化が実現された部材が得られる。
ここで、好適には、前記硬質被膜被覆部材は、エンドミル、ドリルやフライス等の回転切削工具、バイト等の非回転の切削工具、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、種々の硬質被膜被覆加工工具に好適に適用される。しかし、そのような加工工具以外でも軸受部材など耐摩耗性や耐酸化性が要求される種々の耐摩耗性の硬質被膜被覆部材として適用され得る。
また、本発明の硬質被膜は、好適には、アークイオンプレーティング法やイオンビーム支援蒸着法、スパッタリング法等のＰＶＤ法、その他の物理的蒸着法によって成膜される。
また、本発明の硬質被膜が被覆される母材としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、サーメット、セラミックス、多結晶ダイヤモンド、多結晶ｃＢＮなど、種々の工具材料を採用できる。
以下、本発明の硬質被膜の一実施例について図面を参照して詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の硬質被膜２４が被覆された硬質被膜被覆工具或いは硬質被膜被覆部材の一例であるボールエンドミル１０（以下、「エンドミル１０」という。）を示す図である。図１は軸心と直角方向から見た正面図、図２は先端側（図１における右方向）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３０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２４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および図２における斜線部は硬質被膜２４を表している。なお、図１および図２において、斜線部分は、硬質被膜としての硬質被膜２４のコーティング部分を示している。本実施例では、硬質被膜２４は、エンドミル１０の一部である刃部１４にコーティングされているが、エンドミル１０全体がコーティングされても差し支えない。
図３は、エンドミル１０の硬質被膜２４の断面を拡大して説明する模式図である。図３において、たとえば超硬合金製の工具母材３０の上には、物理的蒸着法により２０〜１０００ｎｍ程度の厚みに形成された界面層（中間層）３２を介して、硬質被膜２４が積層されている。この硬質被膜２４は、物理的蒸着法により、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するように形成されたＡ層３４と、０．５〜１０００ｎｍの厚みのＢ層３６と、複層領域であるナノレイヤー交互層４０とが交互に積層されて、０．５〜２０μｍの総膜厚となるように構成されたものである。また、前記ナノレイヤー交互層４０は、１〜１０００ｎｍの厚みとなるように、ナノレイヤーＡ層３７またはナノレイヤーＢ層３８とＣ層３９とがそれぞれ０．５〜５００ｎｍの厚みとなるように交互に積層されて構成される。ナノレイヤーＡ層３７はＡ層３４と、ナノレイヤーＢ層３８はＢ層３６と同一の材質（組成）によって構成される。
Ａ層３４は、組成式は、（ＡｌａＴｉｂＣｒｃαｄ）Ｎであり、αはＣ，Ｂ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ、０．１０≦ａ≦０．８５、０．０２≦ｂ≦０．７０、０．０３≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．１０、および、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物であって、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するものである。添加物αが、Ａ層３４を構成する（ＡｌａＴｉｂＣｒｃαｄ）の組成において１０％以下の割合で含まれることにより、Ａ層３４の被膜における結晶粒子を微細化することができる。また、添加物αの割合、言い換えれば添加量を変化させることで、粒子径を制御することができる。Ａ層３４を構成する化合物、すなわち、添加物αを含むＡｌＴｉＣｒ窒化物は、結晶系として立方晶構造を有し、かつ、高硬度で耐摩耗性に優れるという特徴を有する。また、潤滑性、高温下の安定性、酸化抵抗力に優れるため、高温における強度向上及び高温靱性の向上があり、高速加工時の発熱による酸化摩耗の低減にも効果的であり、潤滑性、耐摩耗性に優れ、耐溶着性のバランスが良好なものとなる。これにより、工具にＡ層３４を設けることにより、工具が高速加工およびドライ加工に用いられて切削時の発熱によっても長寿命化を実現できる。
Ｂ層３６は、組成式が（ＡｌｅＴｉｆＣｒｇβｈ）ＣＸＮ１−Ｘであり、βはＢ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ｅ，ｆ，ｇ，ｈおよびＸはそれぞれ、０．１０≦ｅ≦０．８５、０．０２≦ｆ≦０．７０、０．０３≦ｇ≦０．６５、０≦ｈ≦０．１０、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１、および、０≦Ｘ≦０．６を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ炭窒化物であって、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するものである。添加物βが、Ｂ層を構成する（ＡｌｅＴｉｆＣｒｇβｈ）の組成において１０％以下の割合で含まれることにより、Ｂ層３６の被膜における結晶粒子を微細化することができ、また、添加物βの割合、言い換えれば添加量を変化させることで被膜の粒子径の制御することができる。Ｂ層３６に添加物βおよび炭素を含むことより、粒状結晶の超微細化を実現でき、耐摩耗性と潤滑性が大幅に向上する。また、Ｂ層３６においては、炭素を含有する緻密な組織を形成されることから、高硬度および低摩擦性の向上させられる。これにより、工具にＢ層３６を設けることにより、工具の高速加工および難加工材の加工における長寿命化を実現することができる。
ナノレイヤー交互層４０は、１〜１０００ｎｍの厚みとなるように、ナノレイヤーＡ層３７とＣ層３９とが、またはナノレイヤーＢ層３８とＣ層３９とが交互に積層されて構成される。ナノレイヤーＡ層３７、ナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９は、それぞれ０．５〜５００ｎｍの厚みとされる。ナノレイヤーＡ層３７はＡ層３４と、ナノレイヤーＢ層３８はＢ層３６と同一の材質（組成）によって構成される。このようなナノレイヤー交互層４０を設けることにより、ナノレイヤー交互層４０における被膜の結晶粒子を微細化し、ナノレイヤー交互層４０の内部応力緩和効果をより向上させ得ることによって、クラックの分散効果、進展抑制効果を高めることができる。また、ナノ多層構造によって、被膜硬さ、靱性及び耐摩耗性の改善が得られる。
Ｃ層３９は、組成式が［ＡｌｉＣｒｊ（ＳｉＣ）ｋγｌ］ＣＹＮ１−Ｙであり、γはＢ，Ｔｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ｉ，ｊ，ｋ，ｌおよびＹはそれぞれ、０．２０≦ｉ≦０．８５、０．０５≦ｊ≦０．５０、０．０１≦ｋ≦０．４５、０≦ｌ≦０．１０、ｉ＋ｊ＋ｋ＋ｌ＝１、および、０≦Ｙ≦０．６を満たすＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物であって、０．５〜５００ｎｍの厚みを有するものである。添加物γが、Ｃ層を構成する［ＡｌｉＣｒｊ（ＳｉＣ）ｋγｌ］の組成において１０％以下の割合で含まれることにより、Ｃ層３９における被膜の結晶粒子を微細化することができる。また、添加物γを含むことにより、硬度、靱性、耐熱性及び潤滑性の向上が得られ、耐摩耗性と耐溶着性が向上する。これによりＣ層３９を有する工具の高速加工及びドライ加工における長寿命化を達成することができる。
界面層３２は、硬質被膜２４と同様の物理的蒸着法により２０〜１０００ｎｍの厚みとなるように、Ａ層３４を構成するＡｌＴｉＣｒ窒化物、Ｂ層３６を構成するＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ窒化物、Ｃ層３９を構成するＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物、またはナノレイヤー交互層４０と同様のナノレイヤー積層構造の材料（ＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ窒化物／ＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物）から構成され得る。図３では、一例として、界面層３２がＢ層３６と同様の材料すなわち添加物βを含むＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ窒化物から構成されている。ナノレイヤー交互層４０では、ナノレイヤーＡ層３７またはナノレイヤーＢ層３８およびＣ層３９の積層数が偶数であってもよいし、３以上の奇数であってもよく、その最上層或いは最下層は、ナノレイヤーＡ層３７またはナノレイヤーＢ層３８およびＣ層３９のいずれであってもよい。また、硬質被膜２４では、繰り返し設けられるＡ層３４とＢ層３６とナノレイヤー交互層４０との積層数は、３以上の任意の数でよく、３の倍数に限られない。また、硬質被膜２４の最上層或いは最下層は、Ａ層３４、Ｂ層３６、およびナノレイヤー交互層４０のいずれであってもよい。
表層４２は、硬質被膜２４よりも外側、すなわち、工具母材３０とは反対側に設けられる層であって、硬質被膜２４と同様の物理的蒸着法により、２０〜１０００ｎｍの厚みとなるように設けられる。表層３２は、Ａ層３４を構成するＡｌＴｉＣｒ窒化物、Ｂ層３６を構成するＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ窒化物、Ｃ層３９を構成するＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物、またはナノレイヤー交互層４０と同様のナノレイヤー積層構造の材料（ＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ窒化物／ＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物）から構成される。図３では、一例として、表層４２がＢ層３６と同様の材料、すなわち添加物βを含むＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ窒化物から構成されている。
図４、図５、図６は、硬質被膜２４の他の構成例をそれぞれ示している。図４の硬質被膜２４は、図３に比較して、表層４２および界面層３２が、ナノレイヤーＡ層３７とＣ層３９とによって構成されるナノレイヤー交互層４０と同様に構成されている点で相違する。図５に示す硬質被膜２４は、図３に比較して、ナノレイヤー交互層４０がナノレイヤーＢ層３８とＣ層３９とによって構成される点、および、工具母材３０と硬質被膜２４との間に介在させられた界面層３２が、ナノレイヤーＢ層３８とＣ層３９とによって構成されるナノレイヤー交互層４０と同様に構成されている点で相違する。なお、図５におけるナノレイヤー交互層４０の構成は、ナノレイヤー交互層４０におけるナノレイヤーＡ層３７に代えてナノレイヤーＢ層３８が用いられる点以外は、前述のナノレイヤー交互層４０のものと同一である。図６（ａ）に示す硬質被膜２４は、図３に比較して、表層４２を有さない点において相違し、図６（ｂ）に示す硬質被膜２４は、図３に比較して、硬質被膜２４が界面層３２を介さないで工具母材３０の上に直接積層されている点で相違する。なお、図示を省略するが、表層４２や界面層３２を有さない構成は、図３の硬質被膜２４のみならず、図４、図５などに示す硬質被膜２４に対しても適用可能であり、また、表層４２と界面層３２との両方を有さない構成とすることも可能であり、一定の効果を得られる。
図７は、エンドミル１０の製造に用いられるアークイオンプレーティング装置５０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５０は、物理的蒸着法の一種であるアークイオンプレーティング法により、界面層３２、Ａ層３４あるいはナノレイヤーＡ層３７、Ｂ層３６あるいはナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９、表層４２を、図１および図２に示すエンドミル１０と同様の形状を有する工具母材３０の上に成膜する。
アークイオンプレーティング装置５０は、たとえば、複数のワークすなわち硬質被膜２４を被覆する前の刃部１４等が形成された複数個の工具母材３０を保持し、略垂直な回転中心まわりに回転駆動される回転テーブル５４、工具母材３０に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源５６、工具母材３０などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ５８、チャンバ５８内に設けられたヒータ５９、チャンバ５８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置６０、チャンバ５８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６２、第１アーク電源６４、第２アーク電源６６、第３アーク電源６８等を備えている。回転テーブル５４は、上記回転中心を中心とする円筒形状或いは多角柱形状を成しており、先端が上方へ突き出す姿勢で複数本の工具母材３０を外周部に保持している。また、反応ガス供給装置６０は、アルゴンガス（Ａｒ）を貯えるタンクおよび窒素ガスを貯えるタンクを備えており、界面層３２、Ａ層３４あるいはナノレイヤーＡ層３７、Ｂ層３６あるいはナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９、表層４２を形成するときには窒素ガスを供給する。
第１アーク電源６４、第２アーク電源６６および第３アーク電源６８は、何れも蒸着材料から成る第１蒸発源７０、第２蒸発源７４、第３蒸発源７８をカソードとして、アノード７２、７６、８０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７０、第２蒸発源７４、第３蒸発源７８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３０に被覆させられる。界面層３２、Ａ層３４あるいはナノレイヤーＡ層３７、Ｂ層３６あるいはナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９、表層４２が得られるように、所定の組成を蒸発させるように、第１アーク電源６４、第２アーク電源６６および第３アーク電源６８が選択されるように設定されるとともに、アーク電流、バイアス電圧が定められ、同時に、４００〜５５０°Ｃの温度、２〜１０Ｐａの真空度等の成膜条件が定められる。上記界面層３２、Ａ層３４あるいはナノレイヤーＡ層３７、Ｂ層３６あるいはナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９、表層４２の厚みについては、成膜時間の制御で調整される。
たとえば、第１蒸発源７０は、組成式が（ＡｌａＴｉｂＣｒｃαｄ）Ｎで、原子比ａ，ｂ，ｃ，ｄがそれぞれ、０．１０≦ａ≦０．８５、０．０２≦ｂ≦０．７０、０．０３≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．１０、および、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満たし、添加物αがＣ，Ｂ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、１０ａｔ％以下のＡｌＴｉＣｒ窒化物から構成されている。第２蒸発源７４は、組成式が（ＡｌｅＴｉｆＣｒｇβｈ）ＣＸＮ１−Ｘで、原子比ｅ，ｆ，ｇ，ｈおよびＸはそれぞれ、０．１０≦ｅ≦０．８５、０．０２≦ｆ≦０．７０、０．０３≦ｇ≦０．６５、０≦ｈ≦０．１０、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１、および、０≦Ｘ≦０．６を満たし、添加物βがＢ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、１０ａｔ％以下のＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ窒化物から構成されている。第３蒸発源７８は、組成式が［ＡｌｉＣｒｊ（ＳｉＣ）ｋγｌ］ＣＹＮ１−Ｙで、原子比ｉ，ｊ，ｋ，ｌおよびＹはそれぞれ、０．２０≦ｉ≦０．８５、０．０５≦ｊ≦０．５０、０．０１≦ｋ≦０．４５、０≦ｌ≦０．１０、ｉ＋ｊ＋ｋ＋ｌ＝１、および、０≦Ｙ≦０．６を満たし、添加物γがＢ，Ｔｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、１０ａｔ％以下のＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物から構成されている。工具母材３０の上に界面層３２を形成するときは、その界面層３２の構成に応じて前記第１蒸発源７０、第２蒸発源７４、第３蒸発源７８のいずれか、もしくはそれらの組み合わせから、被膜材料が蒸発させられる。すなわち、工具母材３０の上にＡ層３４を形成するときは、第１アーク電源６４により第１蒸発源７０から添加物αを含むＡｌＴｉＣｒ窒化物が蒸発させられる。工具母材３０の上にＢ層３６を形成するときは、第２アーク電源６６により第２蒸発源７４から添加物βを含むＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくは窒化物が蒸発させられる。工具母材３０の上にナノレイヤー交互層４０を形成するときは、そのナノレイヤー交互層４０がナノレイヤーＡ層３７とＣ層３９とによって構成される場合には、第１アーク電源６４により第１蒸発源７０から添加物αを含むＡｌＴｉＣｒ窒化物が蒸発させられる区間と、第３アーク電源６８により第３蒸発源７８からＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物が蒸発させられる区間が交互に設けられることで、ＡｌＴｉＣｒ窒化物から成るナノオーダのナノレイヤーＡ層３７とＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物からなるナノレイヤーオーダのＣ層３９とが交互に積層される。また、ナノレイヤー交互層４０がナノレイヤーＢ層３８とＣ層３９とによって構成される場合には、第２アーク電源６６により第２蒸発源７４から添加物βを含むＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ窒化物が蒸発させられる区間と第３アーク電源６８により第３蒸発源７８からＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物が蒸発させられる区間が交互に設けられることで、ＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ窒化物から成るナノオーダのナノレイヤーＢ層３８とＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物からなるナノレイヤーオーダのＣ層３９とが交互に積層される。また、界面層３２、表層４２についても、その構成に応じて、上記Ａ層３４、Ｂ層３６、ナノレイヤー交互層４０のそれぞれが構成される場合と同様にして積層が行なわれる。このような選択により、たとえば図３に示す硬質被膜２４が工具母材３０の上に積層される。
本発明者は、耐摩耗性および耐溶着性を確認するために、図７のアークイオンプレーティング装置５０を用いて、図１および図２に示すエンドミル１０と同様の形状を有する超硬合金製の工具母材３０の上に形成された図６（ａ）に示す硬質被膜２４の、Ａ層３４およびナノレイヤーＡ層３７、Ｂ層３６およびナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９の組成比率（ａｔ％）および膜厚（ｎｍ）、ナノレイヤー交互層４０内のＢ層３６およびＣ層３９の積層対数、ナノレイヤー交互層４０の厚み、Ａ層３４、Ｂ層３６の厚み（ｎｍ）、Ａ層３４またはＢ層３６およびナノレイヤー交互層４０の積層対数、硬質被膜２４の総膜厚（ｎｍ）を、図８、図９、図１０、図１１に示すように相違させた７４種類の試験品１〜試験品７４を作成した。そして、それらの試験品１〜試験品７４の被膜の硬さを以下に示す被膜硬さ（ビッカース硬さ）測定方法にしたがってそれぞれ測定するとともに、試験品１〜試験品７４を大気圧・空気雰囲気中で１０００°Ｃに１時間曝した際に生成する酸化層の厚さ（μｍ）を測定し、また、以下に示す切削試験条件に従って試験品１〜試験品７４を用いてそれぞれ切削したときの切削距離（ｍ）を、以下に示す測定方法に従って測定し、切削性能を判定した。図１２はそれらの評価結果を示す。なお、図８、図９、図１０に示される組成値の単位はａｔ％（原子％）である。
（被膜硬さ測定方法）
ビッカース硬さ試験法（ＪＩＳＧ０２０２、Ｚ２２４４）に従って、硬さ記号ＨＶ０．０２５で示される条件下で試験品１〜試験品５０の硬質被膜のＨＶ値（ビッカース硬さ）を測定した。
ビッカース硬さ試験法（ＪＩＳＧ０２０２、Ｚ２２４４）に従って、硬さ記号ＨＶ０．０２５で示される条件下で試験品１〜試験品５０の硬質被膜のＨＶ値（ビッカース硬さ）を測定した。
（切削試験条件）
被削材：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
切削速度：１５０．８ｍ／ｍｉｎ（８０００ｍｉｎ−１）
送り速度：０．１ｍｍ／ｔ（１６００ｍｍ／ｍｉｎ）
切り込み：ａａ＝０．２ｍｍ，ｐｆ＝０．４ｍｍ
切削油：エアブロ
被削材：ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
切削速度：１５０．８ｍ／ｍｉｎ（８０００ｍｉｎ−１）
送り速度：０．１ｍｍ／ｔ（１６００ｍｍ／ｍｉｎ）
切り込み：ａａ＝０．２ｍｍ，ｐｆ＝０．４ｍｍ
切削油：エアブロ
（切削距離の測定方法および合格判定方法）
上記切削試験条件における加工深さ等と、エンドミルの工具寿命、すなわち、逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍに到達するまでの切削距離を図１２の切削距離欄に示した。また、前記酸化層厚さの評価において、全酸化していないこと、および、前記切削距離が５００ｍ以上であれば合格判定として○印を、全酸化されている場合、あるいは、切削距離が５００ｍ未満である場合には、不合格判定として×印を、図１２の判定欄に示した。
上記切削試験条件における加工深さ等と、エンドミルの工具寿命、すなわち、逃げ面摩耗幅が０．１ｍｍに到達するまでの切削距離を図１２の切削距離欄に示した。また、前記酸化層厚さの評価において、全酸化していないこと、および、前記切削距離が５００ｍ以上であれば合格判定として○印を、全酸化されている場合、あるいは、切削距離が５００ｍ未満である場合には、不合格判定として×印を、図１２の判定欄に示した。
図１２に示すように、実施例品に対応する試験品７〜試験品７４の被膜硬さは２８９０〜３５９０（ＨＶ０．０２５）であり、比較例品に対応する試験品１〜試験品６よりも高い被膜硬さが得られた。
また、図１２に示すように、比較例品に対応する試験品１〜試験品６のうち、試験品２、３、５、および６は、摩耗幅が０．１ｍｍに到達するまでの切削距離が合格判定値５００ｍ未満であるために、また、酸化層厚さの評価において全酸化、すなわち、硬質被膜２４の全体において酸化していると判断されたため、不合格と判定された。また、試験品１および試験品４は、被膜が剥離し、評価不能であったため、判定欄は×とされている。試験品１はＡ層３４またはＢ層３６とおよびＣ層３９との交互層であるナノレイヤー交互層４０を備えておらず、また、Ａ層３４、Ｂ層３６、Ｃ層３９の組成においても本願発明に規定する原子比の範囲をわずかに満たしていない。また、界面層（中間層）３２も本願発明に規定する範囲の下限である２０ｎｍを下回っており、総膜厚は、本願発明に規定する範囲の上限である２０μｍを上回っている。試験品２は、Ａ層３４の厚みおよびＢ層３６の厚みがそれぞれ０．５ｎｍを下回っており、ナノレイヤー交互層４０を構成するナノレイヤーＢ層３８およびＣ層３９の厚みも０．５ｎｍを下回っている。総膜厚は０．５μｍを下回っている。界面層３２は本願発明に規定する範囲の下限である２０ｎｍを下回っている。また、Ａ層３４およびナノレイヤーＡ層３７、Ｂ層３６およびナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９の組成においても本願発明に規定する原子比の範囲をわずかに満たしていない。試験品３は、Ａ層３４の厚みおよびＢ層３６の厚みがそれぞれ１０００ｎｍを上回っており、ナノレイヤー交互層４０を構成するＣ層３９の厚みが０．５ｎｍを下回っている。総膜厚は２０μｍを上回っている。界面層３２は本願発明に規定する範囲の上限である１０００ｎｍを上回っている。また、Ａ層３４およびナノレイヤーＡ層３７、Ｂ層３６およびナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９の組成においても本願発明に規定する原子比の範囲を満たしていない。試験品４は、ナノレイヤー交互層４０を構成するナノレイヤーＢ層３８の厚みが５００ｎｍを上回っており、ナノレイヤー交互層４０の厚みも１０００ｎｍを上回っている。総膜厚は２０μｍを上回っている。界面層３２は本願発明に規定する範囲の上限である１０００ｎｍを上回っている。また、Ａ層３４およびナノレイヤーＡ層３７、Ｂ層３６およびナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９の組成においても本願発明に規定する原子比の範囲をわずかに満たしていない。試験品５は、Ａ層３４の厚みおよびＢ層３６の厚みがそれぞれ０．５ｎｍを下回っている。また、ナノレイヤー交互層４０を構成するナノレイヤーＢ層３８の厚みも０．５ｎｍを下回っている。界面層３２の厚さも２０ｎｍを下回っている。また、Ａ層３４およびナノレイヤーＡ層３７、Ｂ層３６およびナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９の組成においても本願発明に規定する原子比の範囲を満たしていない。試験品６は、Ａ層３４の厚みが１０００ｎｍを上回っており、ナノレイヤー交互層４０を構成するナノレイヤーＢ層３８の厚さが５００ｎｍを上回っている一方、Ｃ層３９の厚みは０．５ｎｍを下回っている。ナノレイヤー交互層４０の厚さは１０００ｎｍを超えており、総膜厚は２０μｍを上回っている。界面層３２は本願発明に規定する範囲の下限である２０ｎｍを下回っている。また、Ａ層３４およびナノレイヤーＡ層３７、Ｂ層３６およびナノレイヤーＢ層３８、Ｃ層３９の組成においても本願発明に規定する原子比の範囲を満たしていない。
しかし、実施例品に対応する試験品７〜試験品７４は、摩耗幅が０．１ｍｍに到達するまでの切削距離が合格判定値５００ｍ以上であるために合格判定された。なお、Ａ層３４およびＡ層３４と同じ組成であるナノレイヤーＡ層３７における添加物αが、Ｃ，Ｂ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種である場合においても、含まない場合（αの原子比ｄが０の場合）においても、合格判定がされている。同様に、Ｂ層３６およびＢ層と同じ組成であるナノレイヤーＢ層３８における添加物βが、Ｂ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種である場合においても、含まない場合（βの原子比ｈが０の場合）においても、合格判定がされている。Ｃ層３９においても、添加物γが、Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種である場合においても、含まない場合（γの原子比ｌが０の場合）においても、合格判定がされている。さらに、ナノレイヤー交互層４０がナノレイヤーＡ層３７とＣ層３９とが交互に積層された場合であっても、ナノレイヤーＢ層３８とＣ層３９とが交互に積層された場合であっても合格判定がされている。なお、硬質被膜２４の最上層の外側に表層４２が設けられる図３乃至図５に示すエンドミルや、界面層３２の無い他同様の図６（ｂ）に示すエンドミル、あるいは、図６（ａ）の態様において、硬質被膜２４を構成するＡ層３４、Ｂ層３６、ナノレイヤー交互層４０の重ね合わせる順序を、例えばＡ層３４、ナノレイヤー交互層４０、Ｂ層３６のように、異ならせたエンドミルでも、図１２と同様の結果が得られた。すなわち、表層４２の有無、界面層３２の有無、硬質被膜２４の最上層或いは最下層がＡ層３４であるかナノレイヤー交互層４０であるか、硬質被膜２４の積層数が偶数か奇数か、ナノレイヤー交互層４０の積層数が奇数か偶数に拘わらず、図１２と同様の結果が得られた。
図８〜１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品７４において、Ａ層３４およびナノレイヤーＡ層３７の組成範囲は、たとえば図８の試験品８、９、２７、３７、４７、７３が下限を、試験品７、３８、５３、５９が上限をそれぞれ示すように、Ａｌは１０〜８５ａｔ％の範囲内、Ｔｉは、試験品７、１２、５３が下限を、試験品８、２６、４７が上限をそれぞれ示すように、２〜７０ａｔ％の範囲内、Ｃｒは、試験品３３、５３が下限を、試験品９、７３が上限をそれぞれ示すように、３〜６５ａｔ％の範囲内、添加物αは、Ｃ，Ｂ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷであって、試験品７〜１１、１６〜１９、２８〜３７が下限を、試験品３９、５３、７１が上限をそれぞれ示すように、０〜１０ａｔ％の範囲内である。すなわち、Ａ層３４の好適な組成は、組成式が（ＡｌａＴｉｂＣｒｃαｄ）Ｎで、原子比ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ０．１０≦ａ≦０．８５、０．０２≦ｂ≦０．７０、０．０３≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．１０、および、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物である。また、Ａ層３４の膜厚ＴＡの好適な範囲は、たとえば図１１の試験品７、５５が下限、試験品１０、４１、５９が上限をそれぞれ示すように、０．５〜１０００ｎｍである。
また、図８〜１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品７４において、Ｂ層３６およびナノレイヤーＢ層３８の組成範囲は、たとえば図９の試験品９、１６、４３、４４、５１が下限を、試験品７、８、４７、６７が上限をそれぞれ示すように、Ａｌは１０〜８５ａｔ％の範囲内、Ｔｉは試験品７、１７、２６、３８、５２が下限、試験品９、１６、２７、４１、５１が上限をそれぞれ示すように、２〜７０ａｔ％の範囲内、Ｃｒは試験品３２、４１、６７が下限を、試験品３８、５２、５７、７１が上限をそれぞれ示すように、３〜６５ａｔ％の範囲内、添加物βはＢ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷのうちの少なくとも１つの元素であって、試験品７−１９、２４−２７が下限、試験品３１、３８、５７が上限をそれぞれ示すように、０〜１０ａｔ％の範囲内である。また、炭窒化物における炭素と窒素の割合は、試験品７−９、１２、１３、１６、１７、２０、２１、２４、２５、２８−３１、３４−３５が下限、試験品４４、６６が上限をそれぞれ示すように、炭素が０〜６０ａｔ％の範囲内である。すなわち、Ｂ層３６の好適な組成は、組成式が（ＡｌｅＴｉｆＣｒｇβｈ）ＣＸＮ１−Ｘで、原子比ｅ，ｆ，ｇ，ｈおよびＸはそれぞれ、０．１０≦ｅ≦０．８５、０．０２≦ｆ≦０．７０、０．０３≦ｇ≦０．６５、０≦ｈ≦０．１０、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１、および、０≦Ｘ≦０．６を満たすＡｌＴｉＣｒ炭窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ窒化物である。また、Ｂ層３６の膜厚ＴＢの好適な範囲は、たとえば図１１の試験品７、５５が下限、試験品３５、５９が上限をそれぞれ示すように、０．５〜１０００ｎｍである。
また、図８〜１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品７４において、Ｃ層３９の組成範囲は、たとえば図１０の試験品８、３４が下限、試験品７、１６、５８が上限をそれぞれ示すように、Ａｌは２０〜８５ａｔ％の範囲内、Ｃｒは試験品７、１２、１６、５４、５７、５８が下限、試験品８、９、１３、２１〜２２、３０、３１、３４、４０、４８、６８が上限をそれぞれ示すように、５〜５０ａｔ％の範囲内、ＳｉＣは、試験品５０、６２が下限、試験品２６、５４、６６が上限をそれぞれ示すように、１〜４５ａｔ％の範囲内、添加物γは、Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷのうちの少なくとも１つの元素であって、試験品７〜１５、２０〜２３、３０〜３３が下限、試験品３４、３８、４８、６８が上限をそれぞれ示すように、０〜１０ａｔ％の範囲内である。また、炭窒化物における炭素と窒素の割合は、試験品７〜８、１１〜１３、１６〜１８、２０、２１、２４、２５、２８−３５、３８−５６が下限、試験品３６、６１、６６が上限をそれぞれ示すように、炭素が０〜６０ａｔ％の範囲内である。すなわち、Ｃ層３９の好適な組成は、組成式が［ＡｌｉＣｒｊ（ＳｉＣ）ｋγｌ］ＣＹＮ１−Ｙで、原子比ｉ，ｊ，ｋ，ｌおよびＹはそれぞれ、０．２０≦ｉ≦０．８５、０．０５≦ｊ≦０．５０、０．０１≦ｋ≦０．４５、０≦ｌ≦０．１０、ｉ＋ｊ＋ｋ＋ｌ＝１、および、０≦Ｙ≦０．６を満たすＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物である。また、Ｃ層３９の膜厚ＴＣの好適な範囲は、たとえば図１１の試験品７、１２、２１、７３が下限、試験品４４が上限をそれぞれ示すように、０．５〜５００ｎｍである。
また、図８〜１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品７４において、ナノレイヤー交互層４０の厚み範囲は、たとえば図１１の試験品７が下限、試験品１７、３３、６８が上限を示すように、１〜１０００ｎｍである。また、Ａ層３４の膜厚ＴＡとナノレイヤー交互層４０の膜厚ＴＮＬの比の値ＴＡ／ＴＮＬおよびＢ層３６の膜厚ＴＢとナノレイヤー交互層４０の膜厚ＴＮＬの比の値ＴＢ／ＴＮＬは、たとえば図１１の試験品８、４７が下限、試験品７３が上限を示すように、０．２〜１０の範囲である。
また、図１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品７４において、界面層（中間層）３２の厚み範囲は、たとえば図１１の試験品７、４４、６７、６９が下限、試験品１６、３３、５１、６０、６８が上限をそれぞれ示すように、２０〜１０００ｎｍである。
また、図１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品７４において、硬質被膜２４の総膜厚の範囲は、たとえば図１１の試験品７が下限、試験品５０、５９が上限をそれぞれ示すように、０．５〜２０μｍである。
そして、図８〜１２の実施例品に対応する試験品７〜試験品７４において、ナノレイヤーＡ層３７またはナノレイヤーＢ層３８およびＣ層３９が積層されたナノレイヤー交互層４０における繰り返し数すなわち一対のナノレイヤーＡ層３７またはナノレイヤーＢ層３８およびＣ層３９の対数は、たとえば試験品７、１５、２０、２８、４３、４４、４８、６５が下限、試験品３３が上限をそれぞれ示すように１〜１２５である。また、Ａ層３４、Ｂ層３６およびナノレイヤー交互層４０が積層された硬質被膜２４における繰り返し数すなわち一対（一組）のＡ層３４およびナノレイヤー交互層４０の対数（組数）は、たとえば試験品１９、２５が下限、試験品５６が上限をそれぞれ示すように１〜１５００である。
図１３は、図８〜１２に示す試験品１〜試験品７４のうちの、比較例品に対応する試験品６と実施例品に対応する試験品１１、１５について、硬質被膜２４を、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いてθ−２θ法によるＸ線回折を行ない、その測定結果を示したものである。横軸は角度２θ（°）、縦軸は強度をそれぞれ表している。図１３に示すように、ＴｉＮの（２００）面に対応する角度における回折線の積分強度が、（１１１）面に対応する角度における積分強度の２倍以上となり、かつ、ＣｒＮの（２００）面に対応する角度における回折線の積分強度が、（１１１）面に対応する角度における積分強度の２倍以上となっている。
本実施例によれば、工具母材３０の表面に被覆される硬質被膜２４は、物理的蒸着法により、Ａ層３４と、Ｂ層３６と、ナノレイヤーＡ層３７またはナノレイヤーＢ層３８およびＣ層３９がナノオーダの厚みで交互に積層されたナノレイヤー交互層４０とが交互に積層されて、０．５〜２０μｍの膜厚となるように構成されたものであり、Ａ層３４は、組成式が（ＡｌａＴｉｂＣｒｃαｄ）Ｎであり、αはＣ，Ｂ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ、０．１０≦ａ≦０．８５、０．０２≦ｂ≦０．７０、０．０３≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．１０、および、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物であって、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、Ｂ層３６は、組成式が（ＡｌｅＴｉｆＣｒｇβｈ）ＣＸＮ１−Ｘであり、βはＢ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ｅ，ｆ，ｇ，ｈおよびＸはそれぞれ、０．１０≦ｅ≦０．８５、０．０２≦ｆ≦０．７０、０．０３≦ｇ≦０．６５、０≦ｈ≦０．１０、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１、および、０≦Ｘ≦０．６を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ炭窒化物であって、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、ナノレイヤー交互層４０は、Ａ層３４と同一の組成を有するナノレイヤーＡ層３７またはＢ層３６と同一の組成を有するナノレイヤーＢ層３８と、Ｃ層３９とが交互に積層されたものであって、１〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、前記ナノレイヤーＡ層またはナノレイヤーＢ層は、それぞれ０．５〜５００ｎｍの厚みを有し、Ｃ層３９は、組成式が［ＡｌｉＣｒｊ（ＳｉＣ）ｋγｌ］ＣＹＮ１−Ｙであり、γはＢ，Ｔｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ｉ，ｊ，ｋ，ｌおよびＹはそれぞれ、０．２０≦ｉ≦０．８５、０．０５≦ｊ≦０．５０、０．０１≦ｋ≦０．４５、０≦ｌ≦０．１０、ｉ＋ｊ＋ｋ＋ｌ＝１、および、０≦Ｙ≦０．６を満たすＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物であって、０．５〜５００ｎｍの厚みを有するものであることから、炭素鋼、合金鋼や調質鋼などの切削において硬質被膜２４の耐摩耗性、靱性、耐溶着性が向上し、エンドミル１０の長寿命化を実現される。
また、本実施例によれば、Ａ層３４の膜厚ＴＡとナノレイヤー交互層４０の膜厚ＴＮＬの比の値ＴＡ／ＴＮＬは０．２〜１０であり、Ｂ層３６の膜厚ＴＢとナノレイヤー交互層４０の膜厚ＴＮＬの比の値ＴＢ／ＴＮＬは０．２〜１０であるので、炭素鋼、合金鋼、調質鋼など、各種材料の切削加工等において長寿命化が実現された工具が得られる。
また、本実施例によれば、図３、図４、図５、図６（ｂ）に示される硬質被膜２４は、その硬質被膜２４の外側に表層４２を有し、表層４２は、Ａ層３４、Ｂ層３６、Ｃ層３９、またはナノレイヤー交互層４０と同様の材料から形成されていることから、硬質被膜２４に加えてさらに表層４２の有する性質により、炭素鋼、合金鋼や調質鋼など、各種材料の切削加工等において長寿命化が実現された工具１０が得られる。
また、本実施例によれば、図６（ｂ）に示される硬質被膜２４は、工具母材３０に直接被覆されていることから、硬質被膜２４と工具母材３０との間の界面層が不要となるので、製造が容易となる。
また、本実施例によれば、図３、図４、図５、図６（ａ）に示される硬質被膜２４は、界面層３２を介して工具母材３０に被覆され、界面層３２は、Ａ層３４、Ｂ層３６、またはナノレイヤー交互層４０と同様の材料から２０〜１０００ｎｍの厚みに形成されている。このため、硬質被膜２４と工具母材３０との間の密着性、すなわち、付着強度が一層高められる。
また、本実施例のエンドミル１０によれば、硬質被膜２４によって一部が被覆された硬質被膜被覆工具であることから、炭素鋼や合金鋼などの切削では耐摩耗性が得られ、調質鋼などの切削では耐溶着性が得られる。
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。
１０：エンドミル（硬質被膜被覆部材）
２４：硬質被膜
３０：工具母材（母材）
３４：Ａ層
３６：Ｂ層
３７：ナノレイヤーＡ層
３８：ナノレイヤーＢ層
３９：Ｃ層
４０：ナノレイヤー交互層
２４：硬質被膜
３０：工具母材（母材）
３４：Ａ層
３６：Ｂ層
３７：ナノレイヤーＡ層
３８：ナノレイヤーＢ層
３９：Ｃ層
４０：ナノレイヤー交互層
Claims (6)
- 母材の表面に被覆される硬質被膜であって、
前記硬質被膜は、物理的蒸着法により、Ａ層と、Ｂ層と、ナノレイヤー交互層とが交互に積層されて、０．５〜２０μｍの総膜厚となるように構成されたものであり、
前記Ａ層は、組成式が（ＡｌａＴｉｂＣｒｃαｄ）Ｎであり、αはＣ，Ｂ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ、０．１０≦ａ≦０．８５、０．０２≦ｂ≦０．７０、０．０３≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．１０、および、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物であって、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、
前記Ｂ層は、組成式が（ＡｌｅＴｉｆＣｒｇβｈ）ＣＸＮ１−Ｘであり、βはＢ，Ｓｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ｅ，ｆ，ｇ，ｈおよびＸはそれぞれ、０．１０≦ｅ≦０．８５、０．０２≦ｆ≦０．７０、０．０３≦ｇ≦０．６５、０≦ｈ≦０．１０、ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ＝１、および、０≦Ｘ≦０．６を満たすＡｌＴｉＣｒ窒化物もしくはＡｌＴｉＣｒ炭窒化物であって、０．５〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、
前記ナノレイヤー交互層は、前記Ａ層または前記Ｂ層と同一の組成を有するナノレイヤーＡ層またはナノレイヤーＢ層と、Ｃ層とが交互に積層されたものであって、１〜１０００ｎｍの厚みを有するものであり、
前記ナノレイヤーＡ層またはナノレイヤーＢ層は、それぞれ０．５〜５００ｎｍの厚みを有し、
前記Ｃ層は、組成式が［ＡｌｉＣｒｊ（ＳｉＣ）ｋγｌ］ＣＹＮ１−Ｙであり、γはＢ，Ｔｉ，Ｖ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，ＴａおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素であり、原子比ｉ，ｊ，ｋ，ｌおよびＹはそれぞれ、０．２０≦ｉ≦０．８５、０．０５≦ｊ≦０．５０、０．０１≦ｋ≦０．４５、０≦ｌ≦０．１０、ｉ＋ｊ＋ｋ＋ｌ＝１、および、０≦Ｙ≦０．６を満たすＡｌＣｒ（ＳｉＣ）窒化物もしくはＡｌＣｒ（ＳｉＣ）炭窒化物であって、０．５〜５００ｎｍの厚みを有するものである
ことを特徴とする硬質被膜。 - 前記Ａ層の膜厚ＴＡと前記ナノレイヤー交互層の膜厚ＴＮＬの比の値ＴＡ／ＴＮＬは０．２〜１０であり、前記Ｂ層の膜厚ＴＢと前記ナノレイヤー交互層の膜厚ＴＮＬの比の値Ｔ Ｂ ／ＴＮＬは０．２〜１０である
ことを特徴とする請求項１の硬質被膜。 - 前記硬質被膜の外側に表層を有し、
該表層は、前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層、または前記ナノレイヤー交互層と同様の材料から形成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜。 - 前記硬質被膜は、前記母材に直接被覆されている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の硬質被膜。 - 前記硬質被膜は、界面層を介して前記母材に被覆され、
前記界面層は、前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層、または前記ナノレイヤー交互層と同様の材料から２０〜１０００ｎｍの厚みに形成されている
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の硬質被膜。 - 請求項１から５のいずれかの硬質被膜によって前記母材の一部または全部が被覆された
ことを特徴とする硬質被膜被覆部材。
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