JPWO2010007661A1

JPWO2010007661A1 - 硬質被膜、および硬質被膜被覆工具

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Publication number: JPWO2010007661A1
Application number: JP2010520700A
Authority: JP
Inventors: 博昭杉田; 孝臣戸井原; 崇雅鈴木
Original assignee: OSG Corp
Current assignee: OSG Corp
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2012-01-05
Also published as: US20110117342A1; DE112008003935B4; WO2010007661A1; KR101264992B1; CN102099137A; US8697229B2; DE112008003935T5; KR20110018459A

Abstract

図１に示すように、ボールエンドミル１０の刃部１４に設けられた硬質被膜２０は、（Ｃｒ1-a-bＢa（ＳｉＣ）b）（ＣcＯdＮ1-c-d）にて構成されている第Ｉ層２２と、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮにて構成されている第II層２４と、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いる第 III層２６とから成るため、優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようになり、ステンレス鋼に対する切削加工や溶着し易い被削材に対する切削加工などでも、剥離やチッピング摩耗が抑制され、良好な加工面が得られるとともに所定の加工性能が安定して得られる。

Description

本発明は硬質被膜に係り、特に、耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜の改良に関するものである。

高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材などの所定の部材の表面に硬質被膜を設けることが広く行われている。例えば特許文献１には、耐摩耗性に優れたＡ層の上に耐溶着性に優れたＢ層を設けることが提案されており、Ａ層はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ等の窒化物、炭窒化物などで、Ｂ層はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ等の酸化物、硼化物などである。
特開２００７−１５１０６号公報

しかしながら、このような従来の硬質被膜においては、工具母材等に対して必ずしも十分な付着強度が得られず、例えばステンレス鋼に対する切削加工や５０ＨＲＣ以下で溶着し易い被削材に対する切削加工などでは、早期に剥離やチッピング摩耗が発生して加工面が悪化したり切削性能がばらついたりする問題があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜が高い付着強度で工具母材等に設けられ、優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようにすることにある。

かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の部材の表面上に設けられる耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜であって、(a) 前記部材の表面に接して設けられる第 III層と、その第 III層の上に設けられる第II層と、その第II層の上に設けられて表面を構成する第Ｉ層とから成る３層構造で、(b) 前記第Ｉ層は、（Ｃｒ_1-a-bＢ_a（ＳｉＣ）_b）（Ｃ_cＯ_dＮ_1-c-d）〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０≦ａ≦０．２、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内〕にて構成され、(c) 前記第II層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、Ｄは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｓｉ、およびＹの中の何れか１種類の元素、またはＳｉＣ〕にて構成され、(d) 前記第 III層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いることを特徴とする。

第２発明は、第１発明の硬質被膜において、(a) 前記第Ｉ層と前記第II層との境界部分には両者の混合層が設けられ、(b) その第II層と前記第 III層との境界部分には両者の混合層が設けられていることを特徴とする。

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、(a) 前記第Ｉ層、前記第II層、および前記第 III層の総膜厚Ｔtotal は０．０５〜１５μｍの範囲内で、(b) 前記第Ｉ層の膜厚Ｔ１は、総膜厚Ｔtotal の１〜５０％の範囲内で、(c) 前記第 III層の膜厚Ｔ３は、総膜厚Ｔtotal の１〜２５％の範囲内で、(d) 前記第II層の膜厚Ｔ２は、（Ｔtotal −Ｔ１−Ｔ３）であることを特徴とする。

第４発明は硬質被膜被覆工具に関するもので、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜で工具母材の表面が被覆されていることを特徴とする。

第１発明の硬質被膜は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、Ｄは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｓｉ、およびＹの中の何れか１種類の元素、またはＳｉＣ〕にて構成されている第II層により優れた耐摩耗性が得られるとともに、（Ｃｒ_1-a-bＢ_a（ＳｉＣ）_b）（Ｃ_cＯ_dＮ_1-c-d）〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０≦ａ≦０．２、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内〕にて構成されている最上層の第Ｉ層により優れた耐溶着性が得られる一方、工具母材等の硬質被膜を形成すべき所定の部材と上記第II層との間には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いる第 III層が介在させられているため、高い付着強度が得られる。これにより、優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようになり、例えば第４発明のような硬質被膜被覆工具の場合、ステンレス鋼に対する切削加工や５０ＨＲＣ以下で溶着し易い被削材に対する切削加工などでも、剥離やチッピング摩耗が抑制され、良好な加工面が得られるとともに、所定の加工性能が安定して得られるようになって工具寿命が向上する。特に、最上層の第Ｉ層はＳｉＣを含んでいるため、表面硬さが高くなり（例えば３０００ＨＶ以上）、耐溶着性および付着強度の向上と相まって耐摩耗性が大幅に向上し、高硬度の被削材に対する切削加工において優れた耐摩耗性向上効果が得られる。

第２発明では、第Ｉ層と第II層との境界部分に両者の混合層が設けられるとともに、第II層と第 III層との境界部分にも両者の混合層が設けられているため、それ等の第Ｉ層、第II層、および第 III層の相互の付着強度も高くなり、剥離やチッピング摩耗が一層効果的に抑制される。また、それ等の第Ｉ層〜第 III層をアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等のＰＶＤ法で形成する場合、上記混合層が形成されるようにターゲットや反応ガスの切換タイミングを適当に設定することにより、その混合層を含めて第 III層〜第Ｉ層を連続的に効率良く形成することができる。

第３発明では、第Ｉ層〜第 III層の総膜厚Ｔtotal が０．０５〜１５μｍの範囲内で、第Ｉ層の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔtotal の１〜５０％の範囲内で、第 III層の膜厚Ｔ３が総膜厚Ｔtotal の１〜２５％の範囲内で、第II層の膜厚Ｔ２が（Ｔtotal −Ｔ１−Ｔ３）であるため、第Ｉ層による耐溶着性向上、第II層による耐摩耗性向上、および第 III層による付着強度向上の各効果が適切に得られる。

本発明が適用されたエンドミルを示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は先端側から見た拡大底面図、(c) は硬質被膜が設けられた刃部の表面近傍の拡大断面図である。図１のエンドミルに設けられる本発明の硬質被膜の具体例と、それ等のエンドミルを用いて所定の加工条件で切削加工を行なって逃げ面摩耗幅（耐摩耗性）を調べた結果を示す図である。本発明とは第Ｉ層の原子比や膜厚等が異なる比較例について、図２の場合と同じ加工条件で切削加工を行なって逃げ面摩耗幅（耐摩耗性）を調べた結果を示す図である。所定の硬質被膜が設けられたテストピースを用いて摩擦摩耗試験を行う際のピンオンディスク式摩擦試験装置を説明する概念図である。図４の装置を用いてＳ４５Ｃに対して摩擦摩耗試験を行った後の本発明の硬質被膜および従来の硬質被膜の摩耗痕の写真を示す図である。図４の装置を用いてＳＵＳ３０４に対して摩擦摩耗試験を行った後の本発明の硬質被膜および従来の硬質被膜の摩耗痕の写真を示す図である。

符号の説明

１０：エンドミル（硬質被膜被覆工具）１２：工具母材（所定の部材）２０：硬質被膜２２：第Ｉ層２４：第II層２６：第 III層

本発明は、エンドミルやタップ、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、或いは転造工具など、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、半導体装置等の表面保護膜など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。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等のＰＶＤ法（物理蒸着法）が好適に用いられる。

第２発明では、第Ｉ層と第II層との境界部分に両者の混合層が設けられ、第II層と第 III層との境界部分に両者の混合層が設けられているが、それ等の混合層は必ずしも必要なく、第Ｉ層の上に直接第II層を形成するとともに、その第II層の上に直接第 III層を形成しても良い。第Ｉ層と第II層との境界部分、および第II層と第 III層との境界部分の何れか一方のみに混合層が設けられても良い。

第３発明では、総膜厚Ｔtotal が０．０５〜１５μｍの範囲内であるが、０．０５μｍ未満の場合は硬質被膜としての性能が十分に得られず、１５μｍを超えると切削工具の刃先が丸くなるなどして工具性能が損なわれる可能性がある。第Ｉ層の膜厚Ｔ１は総膜厚Ｔtotal の１〜５０％の範囲内であるが、１％未満では第Ｉ層による耐溶着性の向上効果が十分に得られず、５０％を超えると、第II層による耐摩耗性の向上効果が損なわれる可能性がある。また、第 III層の膜厚Ｔ３は総膜厚Ｔtotal の１〜２５％の範囲内であるが、１％未満では第 III層による付着強度の向上効果が十分に得られず、２５％を超えると、第II層による耐摩耗性の向上効果が損なわれる可能性がある。

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。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明が適用された硬質被膜被覆工具の一例であるボールエンドミル１０を説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は先端側（(a) の図の右方向）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１２にはシャンクおよび刃部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とともに、その刃部１４の表面には硬質被膜２０がコーティングされている。図１(a) の斜線部は硬質被膜２０を表しており、図１の(c) は、硬質被膜２０がコーティングされた刃部１４の表面近傍の断面図である。ボールエンドミル１０は回転切削工具で、工具母材１２は硬質被膜２０が設けられる所定の部材に相当する。

図１(c) から明らかなように、硬質被膜２０は第Ｉ層２２、第II層２４、および第 III層２６から成る３層構造で、本実施例ではアークイオンプレーティング装置を用いて、ターゲットや反応ガスを切り換えることにより連続的に形成されている。工具母材１２の表面に接して設けられる第 III層２６は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いる。具体的には、例えば図２の「被膜構造」の「第 III層」の欄に例示されているように、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＡｌＺｒＮ、ＴｉＡｌ（ＳｉＣ）Ｎ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＶＣｒＮなどである。なお、図２の被膜構造の欄の各元素の後に記載されている小数は原子比である。図３も同様である。

上記第 III層２６の上に設けられる第II層２４は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、Ｄは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｓｉ、およびＹの中の何れか１種類の元素、またはＳｉＣ〕にて構成されている。具体的には、例えば図２の「被膜構造」の「第II層」の欄に例示されているように、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＨｆＮ、ＡｌＣｒ（ＳｉＣ）Ｎ、ＡｌＣｒＮｂＮ、ＡｌＣｒＭｏＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＴｉＮなどである。この第II層２４と第 III層２６との境界部分には、両者の組成が混ざった混合層が僅かな厚さ（例えば第II層２４の膜厚Ｔ２の１０％以下）で設けられているが、図では省略されている。この混合層は、第 III層２６を形成するためのターゲットおよび反応ガスから第II層２４を形成するためのターゲットおよび反応ガスに切り換えるタイミングをずらし、第 III層２６を形成するためのターゲットおよび反応ガスと、第II層２４を形成するためのターゲットおよび反応ガスとを、所定時間だけ重複して用いることにより、第 III層２６に連続して形成することができる。また、その状態で第 III層２６を形成するためのターゲットへの通電（アーク放電）および反応ガスの供給を停止すれば、混合層から連続して第II層２４に切り換えることができる。なお、反応ガスが共通であれば、ターゲットへの通電のみを切り換えれば良い。

上記第II層２４の上に設けられて硬質被膜２０の表面を構成する最上層の第Ｉ層２２は、（Ｃｒ_1-a-bＢ_a（ＳｉＣ）_b）（Ｃ_cＯ_dＮ_1-c-d）〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０≦ａ≦０．２、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内〕にて構成されている。具体的には、例えば図２の「被膜構造」の「第Ｉ層」の欄に例示されているように、ＣｒＢ（ＳｉＣ）Ｎ、ＣｒＢ（ＳｉＣ）ＯＮ、ＣｒＢ（ＳｉＣ）ＣＮなどである。この第Ｉ層２２と第II層２４との境界部分にも、両者の組成が混ざった混合層が僅かな厚さ（例えば第Ｉ層２２の膜厚Ｔ１の１０％以下）で設けられているが、図では省略されている。この混合層も、前記第II層２４と第 III層２６との境界部分の混合層と同様に連続して形成することができる。

また、上記第Ｉ層２２、第II層２４、および第 III層２６を合わせた硬質被膜２０全体の総膜厚Ｔtotal は０．０５〜１５μｍの範囲内で、第Ｉ層２２の膜厚Ｔ１は総膜厚Ｔtotal の１〜５０％の範囲内、第 III層２６の膜厚Ｔ３は総膜厚Ｔtotal の１〜２５％の範囲内、第II層２４の膜厚Ｔ２は（Ｔtotal −Ｔ１−Ｔ３）である。図２および図３の膜厚の欄に括弧書きで示されている％は、それぞれ総膜厚Ｔtotal に対する比率である。

このように、本実施例のボールエンドミル１０の硬質被膜２０は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮにて構成されている第II層２４により優れた耐摩耗性が得られるとともに、（Ｃｒ_1-a-bＢ_a（ＳｉＣ）_b）（Ｃ_cＯ_dＮ_1-c-d）にて構成されている最上層の第Ｉ層２２により優れた耐溶着性が得られる一方、工具母材１２と上記第II層２４との間には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いる第 III層２６が介在させられているため、高い付着強度が得られる。これにより、優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようになり、ステンレス鋼に対する切削加工や５０ＨＲＣ以下で溶着し易い被削材に対する切削加工などでも、剥離やチッピング摩耗が抑制され、良好な加工面が得られるとともに、所定の加工性能が安定して得られるようになって工具寿命が向上する。

特に、最上層の第Ｉ層２２はＳｉＣを含んでいるため、表面硬さが高くなり（例えば３０００ＨＶ以上）、耐溶着性および付着強度の向上と相まって耐摩耗性が大幅に向上し、高硬度の被削材に対する切削加工において優れた耐摩耗性向上効果が得られる。

また、本実施例では、第Ｉ層２２と第II層２４との境界部分に両者の混合層が設けられるとともに、第II層２４と第 III層２６との境界部分にも両者の混合層が設けられているため、それ等の第Ｉ層２２、第II層２４、および第 III層２６の相互の付着強度も高くなり、剥離やチッピング摩耗が一層効果的に抑制される。本実施例では、それ等の第Ｉ層２２〜第 III層２６がアークイオンプレーティング法によって形成されるため、上記混合層が形成されるようにターゲットや反応ガスの切換タイミングを適当に設定することにより、その混合層を含めて第 III層２６〜第Ｉ層２２を連続的に効率良く形成することができる。

また、本実施例では、第Ｉ層２２〜第 III層２６の総膜厚Ｔtotal が０．０５〜１５μｍの範囲内で、第Ｉ層２２の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔtotal の１〜５０％の範囲内で、第 III層２６の膜厚Ｔ３が総膜厚Ｔtotal の１〜２５％の範囲内で、第II層２４の膜厚Ｔ２が（Ｔtotal −Ｔ１−Ｔ３）であるため、第Ｉ層２２による耐溶着性向上、第II層２４による耐摩耗性向上、および第 III層２６による付着強度向上の各効果が適切に得られる。

次に、工具母材１２が超硬合金製で直径が６ｍｍ（先端Ｒ＝３）、２枚刃の本実施例のボールエンドミル１０（請求項１〜３の要件を満たす本発明品）と、硬質被膜２０を構成している第Ｉ層２２、第II層２４、第 III層２６の有無や被膜組成、原子比、膜厚が請求項１または３の要件を満たしていない比較品とを用意し、以下の加工条件で切削加工を行って２１０ｍ切削加工した後のボール刃１８の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を調べた結果を説明する。図２は総て本発明品で、図３は総て比較品であり、図３の網掛けを付した欄は請求項１または３の要件から外れている項目である。また、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）は２枚のボール刃１８の平均値で、許容範囲を０．１ｍｍ以下として合否判定を行った。なお、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）については必ずしも測定が容易でないため、一部の試験品についてのみ調べ、記載の無いものは測定を省略した。
（加工条件）
・被削材種：ＳＵＳ３０４（ＪＩＳの規定によるステンレス鋼）
・切削方法：ピック加工
・切削速度：２１７ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．１２ｍｍ／ｔ
・切り込み：ａａ＝０．３ｍｍ、Ｐｆ＝０．６ｍｍ
・切削油剤：エアブロー

図２の本発明品は、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲内（０．１ｍｍ以下）である。これに対し、図３の比較品は、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲（０．１ｍｍ）を超えているか、加工途中で欠けが発生して加工不可となり、十分な耐久性（工具寿命）が得られなかった。被膜硬さＨＶは、図２の本発明品では３０２０〜３２１０であるのに対し、図３の比較品では２６４０〜２９００で、最上層の第Ｉ層２２がＳｉＣを含んでいる本発明品は被膜硬さＨＶが高くなり、耐溶着性および付着強度の向上と相まって耐久性が大幅に向上する。

また、直径が６ｍｍの円柱形状で、先端ラップ面がＲ５の球面とされたテストピースにおいて、そのラップ面に本発明の硬質被膜２０をコーティングしたものと、従来のＡｌＣｒＮのみから成る１層の硬質被膜をコーティングしたものとをそれぞれ２本ずつ用意し、図４に示すピンオンディスク式試験装置を用いて以下の試験条件で摩擦摩耗試験を行ったところ、図５および図６に示す結果（摩耗痕の写真）が得られた。この場合の本発明の硬質被膜２０は、図２の試料No６に示すものと同じで、第Ｉ層２２がＣｒ_0.80Ｂ_0.15（ＳｉＣ）_0.05Ｎ、第II層２４がＡｌ_0.65Ｃｒ_0.35Ｎ、第 III層２６がＴｉ_0.6Ａｌ_0.4Ｎで、総膜厚Ｔtotal が３．１μｍ、第Ｉ層２２の膜厚Ｔ１＝１．４μｍ（４５％）、第II層２４の膜厚Ｔ２＝１．４μｍ（４５％）、第 III層２６の膜厚Ｔ３＝０．３μｍ（１０％）である。
（試験条件）
・相手材：Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳの規定による炭素鋼）およびＳＵＳ３０４（ＪＩＳの規定によるステンレス鋼）
・荷重：０．５Ｎ
・線速度：２５ｍｍ／ｓ
・時間：３００秒
・室温：２２℃
・湿度：３９％

図５は相手材がＳ４５Ｃの場合で、図６は相手材がＳＵＳ３０４の場合であり、何れも白の点線で囲った領域が摩耗痕で、本発明品の方が従来品よりも小さく、優れた耐摩耗性が得られることが分かる。特に、相手材がＳ４５Ｃの図５においては、(b) の従来品では相手材の溶着や被膜の剥離が観察されたのに対し、(a) の本発明品では、そのような溶着や剥離が殆ど見られず、優れた耐溶着性、付着強度が得られる。

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。

本発明の硬質被膜は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮにて構成されている第II層により優れた耐摩耗性が得られるとともに、（Ｃｒ_1-a-bＢ_a（ＳｉＣ）_b）（Ｃ_cＯ_dＮ_1-c-d）にて構成されている最上層の第Ｉ層により優れた耐溶着性が得られる一方、工具母材と上記第II層との間には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いる第 III層が介在させられているため、高い付着強度が得られる。これにより、優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようになり、ステンレス鋼に対する切削加工や溶着し易い被削材に対する切削加工などでも、剥離やチッピング摩耗が抑制され、良好な加工面が得られるとともに所定の加工性能が安定して得られるなど、切削加工用の加工工具等の硬質被膜として好適に採用される。

【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は硬質被膜に係り、特に、耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜の改良に関するものである。
背景技術
［０００２］
高速度工具鋼や超硬合金等の工具母材などの所定の部材の表面に硬質被膜を設けることが広く行われている。例えば特許文献１には、耐摩耗性に優れたＡ層の上に耐溶着性に優れたＢ層を設けることが提案されており、Ａ層はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ等の窒化物、炭窒化物などで、Ｂ層はＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ等の酸化物、硼化物などである。
特許文献１：特開２００７−１５１０６号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００３］
しかしながら、このような従来の硬質被膜においては、工具母材等に対して必ずしも十分な付着強度が得られず、例えばステンレス鋼に対する切削加工や５０ＨＲＣ以下で溶着し易い被削材に対する切削加工などでは、早期に剥離やチッピング摩耗が発生して加工面が悪化したり切削性能がばらついたりする問題があった。
［０００４］
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、耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜が高い付着強度で工具母材等に設けられ、優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようにすることにある。
課題を解決するための手段
［０００５］
かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の部材の表面上に設けられる耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜であって、（ａ）前記部材の表面に接して設けられる第ＩＩＩ層と、その第ＩＩＩ層の上に設けられる第ＩＩ層と、その第ＩＩ層の上に設けられて表面を構成する第Ｉ層とから成る３層構造で、（ｂ）前記第Ｉ層は、（Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｂ_ａ（ＳｉＣ）_ｂ）（Ｃ_ｃＯ_ｄＮ_{１−ｃ−ｄ}）〔但し、ＳｉＣは炭化ケイ素、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０≦ａ≦０．２、０．０１≦ｂ≦０

【０００２】
．２、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内〕にて構成され、（ｃ）前記第ＩＩ層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、Ｄは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、およびＹの中の何れか１種類の元素、またはＳｉＣ（炭化ケイ素）〕にて構成され、（ｄ）前記第ＩＩＩ層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いることを特徴とする。
［０００６］
第２発明は、第１発明の硬質被膜において、（ａ）前記第Ｉ層と前記第ＩＩ層との境界部分には、両者の成膜処理の切換タイミングがずらされてそれ等の成膜処理が所定時間だけ重複して行われたことにより両者の組成が混ざった混合層が設けられ、（ｂ）その第ＩＩ層と前記第ＩＩＩ層との境界部分には、両者の成膜処理の切換タイミングがずらされてそれ等の成膜処理が所定時間だけ重複して行われたことにより両者の組成が混ざった混合層が設けられていることを特徴とする。
［０００７］
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、（ａ）前記第Ｉ層、前記第ＩＩ層、および前記第ＩＩＩ層の総膜厚Ｔｔｏｔａｌは０．０５〜１５μｍの範囲内で、（ｂ）前記第Ｉ層の膜厚Ｔ１は、総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜５０％の範囲内で、（ｃ）前記第ＩＩＩ層の膜厚Ｔ３は、総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜２５％の範囲内で、（ｄ）前記第ＩＩ層の膜厚Ｔ２は、（Ｔｔｏｔａｌ−Ｔ１−Ｔ３）であることを特徴とする。
［０００８］
第４発明は硬質被膜被覆工具に関するもので、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜で工具母材の表面が被覆されていることを特徴とする。
発明の効果
［０００９］
第１発明の硬質被膜は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、Ｄは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、およびＹの中の何れか１種類の元素、またはＳｉＣ（炭化ケイ素）〕にて構成されている第ＩＩ層により優れた耐摩耗性が得られるとともに、（Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｂ_ａ（ＳｉＣ）_ｂ）（Ｃ_ｃＯ_ｄＮ_{１−ｃ−ｄ}）〔但し、ＳｉＣは炭化ケイ素、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０≦ａ≦０．２、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内〕にて構成されている最上層の第Ｉ層により優れた耐溶着性が得られる一方、工具母材等の硬質被膜を形成すべき所定の部材と上記第ＩＩ層との間には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いる第ＩＩＩ層が介在させられているため、高い付着強度が得られる。これにより、優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようになり、例えば第４発明のような硬質被膜被覆工具の場合、ステンレス鋼に対する切削加工や５０ＨＲＣ以下で溶着し易い被削材に対する切削加工などでも、剥離やチッピング摩耗が抑制され、良好な加

【０００３】
工面が得られるとともに、所定の加工性能が安定して得られるようになって工具寿命が向上する。特に、最上層の第Ｉ層はＳｉＣ（炭化ケイ素）を含んでいるため、表面硬さが高くなり（例えば３０００ＨＶ以上）、耐溶着性および付着強度の向上と相まって耐摩耗性が大幅に向上し、高硬度の被削材に対する切削加工において優れた耐摩耗性向上効果が得られる。
［００１０］
第２発明では、第Ｉ層と第ＩＩ層との境界部分に両者の混合層が設けられるとともに、第ＩＩ層と第ＩＩＩ層との境界部分にも両者の混合層が設けられているため、それ等の第Ｉ層、第ＩＩ層、および第ＩＩＩ層の相互の付着強度も高くなり、剥離やチッピング摩耗が一層効果的に抑制される。また、それ等の第Ｉ層〜第ＩＩＩ層をアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等のＰＶＤ法で形成する場合、上記混合層が形成されるようにターゲットや反応ガスの切換タイミングを適当に設定することにより、その混合層を含めて第ＩＩＩ層〜第Ｉ層を連続的に効率良く形成することができる。
［００１１］
第３発明では、第Ｉ層〜第ＩＩＩ層の総膜厚Ｔｔｏｔａｌが０．０５〜１５μｍの範囲内で、第Ｉ層の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜５０％の範囲内で、第ＩＩＩ層の膜厚Ｔ３が総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜２５％の範囲内で、第ＩＩ層の膜厚Ｔ２が（Ｔｔｏｔａｌ−Ｔ１−Ｔ３）であるため、第Ｉ層による耐溶着性向上、第ＩＩ層による耐摩耗性向上、および第ＩＩＩ層による付着強度向上の各効果が適切に得られる。
図面の簡単な説明
［００１２］
［図１］本発明が適用されたエンドミルを示す図で、（ａ）は軸心と直角方向から見た正面図、（ｂ）は先端側から見た拡大底面図、（ｃ）は硬質被膜が設けられた刃部の表面近傍の拡大断面図である。
［図２］図１のエンドミルに設けられる本発明の硬質被膜の具体例と、それ等のエンドミルを用いて所定の加工条件で切削加工を行なって逃げ面摩耗幅（耐摩耗性）を調べた結果を示す図である。
［図３］本発明とは第Ｉ層の原子比や膜厚等が異なる比較例について、図２の場合と同じ加工条件で切削加工を行なって逃げ面摩耗幅（耐摩耗性）を調べた結果を示す図である。
［図４］所定の硬質被膜が設けられたテストピースを用いて摩擦摩耗試験を行う際のピ

【０００５】
［００１７］
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。
実施例
［００１８］
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明が適用された硬質被膜被覆工具の一例であるボールエンドミル１０を説明する図で、（ａ）は軸心と直角方向から見た正面図、（ｂ）は先端側（（ａ）の図の右方向）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１２にはシャンクおよび刃部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とともに、その刃部１４の表面には硬質被膜２０がコーティングされている。図１（ａ）の斜線部は硬質被膜２０を表しており、図１の（ｃ）は、硬質被膜２０がコーティングされた刃部１４の表面近傍の断面図である。ボールエンドミル１０は回転切削工具で、工具母材１２は硬質被膜２０が設けられる所定の部材に相当する。
［００１９］
図１（ｃ）から明らかなように、硬質被膜２０は第Ｉ層２２、第ＩＩ層２４、および第ＩＩＩ層２６から成る３層構造で、本実施例ではアークイオンプレーティング装置を用いて、ターゲットや反応ガスを切り換えることにより連続的に形成されている。工具母材１２の表面に接して設けられる第ＩＩＩ層２６は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いる。具体的には、例えば図２の「被膜構造」の「第ＩＩＩ層」の欄に例示されているように、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＡｌＺｒＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＶＣｒＮなどである。なお、図２の被膜構造の欄の各元素の後に記載されている小数は原子比である。図３も同様である。
［００２０］
上記第ＩＩＩ層２６の上に設けられる第ＩＩ層２４は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、Ｄは元素の周期表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、およびＹの中の何れか１種類の元素、またはＳｉＣ（炭化ケイ素）〕にて構成されている。具体的には、例えば図２の「被膜構造」の「第ＩＩ層」の欄に例示されているように、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＨｆＮ、ＡｌＣｒ（ＳｉＣ）Ｎ、ＡｌＣｒＮｂ

【０００６】
Ｎ、ＡｌＣｒＭｏＮ、ＡｌＣｒＴｉＮなどである。この第ＩＩ層２４と第ＩＩＩ層２６との境界部分には、両者の組成が混ざった混合層が僅かな厚さ（例えば第ＩＩ層２４の膜厚Ｔ２の１０％以下）で設けられているが、図では省略されている。この混合層は、第ＩＩＩ層２６を形成するためのターゲットおよび反応ガスから第ＩＩ層２４を形成するためのターゲットおよび反応ガスに切り換えるタイミングをずらし、第ＩＩＩ層２６を形成するためのターゲットおよび反応ガスと、第ＩＩ層２４を形成するためのターゲットおよび反応ガスとを、所定時間だけ重複して用いることにより、第ＩＩＩ層２６に連続して形成することができる。また、その状態で第ＩＩＩ層２６を形成するためのターゲットへの通電（アーク放電）および反応ガスの供給を停止すれば、混合層から連続して第ＩＩ層２４に切り換えることができる。なお、反応ガスが共通であれば、ターゲットへの通電のみを切り換えれば良い。
［００２１］
上記第ＩＩ層２４の上に設けられて硬質被膜２０の表面を構成する最上層の第Ｉ層２２は、（Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｂ_ａ（ＳｉＣ）_ｂ）（Ｃ_ｃＯ_ｄＮ_{１−ｃ−ｄ}）〔但し、ＳｉＣは炭化ケイ素、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０≦ａ≦０．２、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内〕にて構成されている。具体的には、例えば図２の「被膜構造」の「第Ｉ層」の欄に例示されているように、ＣｒＢ（ＳｉＣ）Ｎ、ＣｒＢ（ＳｉＣ）ＯＮ、ＣｒＢ（ＳｉＣ）ＣＮなどである。この第Ｉ層２２と第ＩＩ層２４との境界部分にも、両者の組成が混ざった混合層が僅かな厚さ（例えば第Ｉ層２２の膜厚Ｔ１の１０％以下）で設けられているが、図では省略されている。この混合層も、前記第ＩＩ層２４と第ＩＩＩ層２６との境界部分の混合層と同様に連続して形成することができる。
［００２２］
また、上記第Ｉ層２２、第ＩＩ層２４、および第ＩＩＩ層２６を合わせた硬質被膜２０全体の総膜厚Ｔｔｏｔａｌは０．０５〜１５μｍの範囲内で、第Ｉ層２２の膜厚Ｔ１は総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜５０％の範囲内、第ＩＩＩ層２６の膜厚Ｔ３は総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜２５％の範囲内、第ＩＩ層２４の膜厚Ｔ２は（Ｔｔｏｔａｌ−Ｔ１−Ｔ３）である。図２および図３の膜厚の欄に括弧書きで示されている％は、それぞれ総膜厚Ｔｔｏｔａｌに対する比率である。
［００２３］
このように、本実施例のボールエンドミル１０の硬質被膜２０は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮにて構成されている第ＩＩ層２４により優れた耐摩耗性が得られるとともに、（Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｂ_ａ（ＳｉＣ）_ｂ）（Ｃ_ｃＯ_ｄＮ_{１−ｃ−ｄ}）にて構成されている最上層の第Ｉ層２２により優れた耐溶着

【０００７】
性が得られる一方、工具母材１２と上記第ＩＩ層２４との間には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いる第ＩＩＩ層２６が介在させられているため、高い付着強度が得られる。これにより、優れた耐摩耗性、耐溶着性が長期間に亘って安定して得られるようになり、ステンレス鋼に対する切削加工や５０ＨＲＣ以下で溶着し易い被削材に対する切削加工などでも、剥離やチッピング摩耗が抑制され、良好な加工面が得られるとともに、所定の加工性能が安定して得られるようになって工具寿命が向上する。
［００２４］
特に、最上層の第Ｉ層２２はＳｉＣ（炭化ケイ素）を含んでいるため、表面硬さが高くなり（例えば３０００ＨＶ以上）、耐溶着性および付着強度の向上と相まって耐摩耗性が大幅に向上し、高硬度の被削材に対する切削加工において優れた耐摩耗性向上効果が得られる。
［００２５］
また、本実施例では、第Ｉ層２２と第ＩＩ層２４との境界部分に両者の混合層が設けられるとともに、第ＩＩ層２４と第ＩＩＩ層２６との境界部分にも両者の混合層が設けられているため、それ等の第Ｉ層２２、第ＩＩ層２４、および第ＩＩＩ層２６の相互の付着強度も高くなり、剥離やチッピング摩耗が一層効果的に抑制される。本実施例では、それ等の第Ｉ層２２〜第ＩＩＩ層２６がアークイオンプレーティング法によって形成されるため、上記混合層が形成されるようにターゲットや反応ガスの切換タイミングを適当に設定することにより、その混合層を含めて第ＩＩＩ層２６〜第Ｉ層２２を連続的に効率良く形成することができる。
［００２６］
また、本実施例では、第Ｉ層２２〜第ＩＩＩ層２６の総膜厚Ｔｔｏｔａｌが０．０５〜１５μｍの範囲内で、第Ｉ層２２の膜厚Ｔ１が総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜５０％の範囲内で、第ＩＩＩ層２６の膜厚Ｔ３が総膜厚Ｔｔｏｔａｌの１〜２５％の範囲内で、第ＩＩ層２４の膜厚Ｔ２が（Ｔｔｏｔａｌ−Ｔ１−Ｔ３）であるため、第Ｉ層２２による耐溶着性向上、第ＩＩ層２４による耐摩耗性向上、および第ＩＩＩ層２６による付着強度向上の各効果が適切に得られる。
［００２７］
次に、工具母材１２が超硬合金製で直径が６ｍｍ（先端Ｒ＝３）、２枚刃の本実施例のボールエンドミル１０（請求項１〜３の要件を満たす本発明品）と、硬質被膜２０を構成している第Ｉ層２２、第ＩＩ層２４、第ＩＩＩ層２６の有無や被膜組成、原子比、膜厚が請求項１または３の要件を満たしていない比較品とを用意し、以下の加工条件で切削加工を行って２１０ｍ切削加工した後のボール刃１８の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を調べた結

【０００８】
果を説明する。図２は総て本発明品で、図３は総て比較品であり、図３の網掛けを付した欄は請求項１または３の要件から外れている項目である。また、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）は２枚のボール刃１８の平均値で、許容範囲を０．１ｍｍ以下として合否判定を行った。なお、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）については必ずしも測定が容易でないため、一部の試験品についてのみ調べ、記載の無いものは測定を省略した。
（加工条件）
・被削材種：ＳＵＳ３０４（ＪＩＳの規定によるステンレス鋼）
・切削方法：ピック加工
・切削速度：２１７ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．１２ｍｍ／ｔ
・切り込み：ａａ＝０．３ｍｍ、Ｐｆ＝０．６ｍｍ
・切削油剤：エアブロー
［００２８］
図２の本発明品は、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲内（０．１ｍｍ以下）である。これに対し、図３の比較品は、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲（０．１ｍｍ）を超えているか、加工途中で欠けが発生して加工不可となり、十分な耐久性（工具寿命）が得られなかった。被膜硬さＨＶは、図２の本発明品では３０２０〜３２１０であるのに対し、図３の比較品では２６４０〜２９００で、最上層の第Ｉ層２２がＳｉＣ（炭化ケイ素）を含んでいる本発明品は被膜硬さＨＶが高くなり、耐溶着性および付着強度の向上と相まって耐久性が大幅に向上する。
［００２９］
また、直径が６ｍｍの円柱形状で、先端ラップ面がＲ５の球面とされたテストピースにおいて、そのラップ面に本発明の硬質被膜２０をコーティングしたものと、従来のＡｌＣｒＮのみから成る１層の硬質被膜をコーティングしたものとをそれぞれ２本ずつ用意し、図４に示すピンオンディスク式試験装置を用いて以下の試験条件で摩擦摩耗試験を行ったところ、図５および図６に示す結果（摩耗痕の写真）が得られた。この場合の本発明の硬質被膜２０は、図２の試料Ｎｏ６に示すものと同じで、第Ｉ層２２がＣｒ_０．８０Ｂ_０．１５（ＳｉＣ）_０．０５Ｎ、第ＩＩ層２４がＡｌ_０．６５Ｃｒ_０．３５Ｎ、第ＩＩＩ層２６がＴｉ_０．６Ａｌ_０．４Ｎで、総膜厚Ｔｔｏｔａｌが３．１μｍ、第Ｉ層２２の膜厚Ｔ１＝１．４μｍ（４５％）、第ＩＩ層２４の膜厚Ｔ２＝１．４μｍ（４５％）、第ＩＩＩ層２６の膜厚Ｔ３＝０．３μｍ（１０％）である。

Claims

所定の部材の表面上に設けられる耐摩耗性および耐溶着性に優れた硬質被膜であって、
前記部材の表面に接して設けられる第 III層と、該第 III層の上に設けられる第II層と、該第II層の上に設けられて表面を構成する第Ｉ層とから成る３層構造で、
前記第Ｉ層は、（Ｃｒ_1-a-bＢ_a（ＳｉＣ）_b）（Ｃ_cＯ_dＮ_1-c-d）〔但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０≦ａ≦０．２、０．０１≦ｂ≦０．２、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．３の範囲内〕にて構成され、
前記第II層は、ＡｌＣｒＮまたはＡｌＣｒＤＮ〔但し、Ｄは元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族（Ｃｒを除く）、Ｓｉ、およびＹの中の何れか１種類の元素、またはＳｉＣ〕にて構成され、
前記第 III層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、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いる
ことを特徴とする硬質被膜。
前記第Ｉ層と前記第II層との境界部分には両者の混合層が設けられ、
該第II層と前記第 III層との境界部分には両者の混合層が設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
前記第Ｉ層、前記第II層、および前記第 III層の総膜厚Ｔtotal は０．０５〜１５μｍの範囲内で、
前記第Ｉ層の膜厚Ｔ１は、総膜厚Ｔtotal の１〜５０％の範囲内で、
前記第 III層の膜厚Ｔ３は、総膜厚Ｔtotal の１〜２５％の範囲内で、
前記第II層の膜厚Ｔ２は、（Ｔtotal −Ｔ１−Ｔ３）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１〜３の何れか１項に記載の硬質被膜で工具母材の表面が被覆されていることを特徴とする硬質被膜被覆工具。