TWI720561B - 硬質被膜及硬質被膜被覆構件 - Google Patents

硬質被膜及硬質被膜被覆構件 Download PDF

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Abstract

本發明藉由使A層32及B層34與奈米薄膜交互層36分別以預定膜厚交互積層，可獲得優異之耐磨耗性、韌性、潤滑性、及耐熔接性；前述A層32及B層34係A組成(AlCrα之氮化物)、B組成(AlCrSiβ之氮化物)、及C組成(AlCr(SiC)γ之氮化物)中之2種單一組成層，前述奈米薄膜交互層36係將由A組成、B組成、及C組成中之2個組成所構成之2種奈米薄膜層(奈米薄膜A層32n、奈米薄膜B層34n)交互積層而成者。藉此，例如於對碳鋼、鑄鐵、合金鋼、不鏽鋼等各種被削材進行切削加工時，或於高速加工、乾式加工等嚴苛之加工條件下，可實現工具之長壽化。

Description

硬質被膜及硬質被膜被覆構件
本發明係有關於硬質被膜及硬質被膜被覆構件，特別是有關於耐磨耗性及耐熔接性優異之硬質被膜。
端銑刀、銑具、鑽頭、刨刀、斷屑器等切削工具、成形螺絲攻、軋製工具等非切削工具等之各種加工工具、或要求耐磨耗性之摩擦零件等各種構件，係進行了於超硬合金或高速鋼等母材表面塗布硬質被膜。例如，專利文獻1中已提出有一種AlCrN系/AlTiSiN系多層結構之硬質被膜，專利文獻2中已提出有一種AlCrN系/CrN系多層結構之硬質被膜，專利文獻3中已提出有一種AlCr系/TiSi系多層結構之硬質被膜。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2012-35378號公報
專利文獻2：日本專利特開2014-79834號公報
專利文獻3：日本專利特表2008-534297號公報
發明概要
然而，如此之習知硬質被膜中，仍有因被削材之種類或切削速度等加工條件、使用條件等而未必能獲得充分滿足之耐磨耗性、耐熔接性的情況，尚有改良的餘地。例如，就已施行AlCrN系/CrN系多層結構之硬質被膜之切削工具而言，若使用於碳鋼或鑄鐵等之切削加工中，則有耐磨耗性不充分的情形。
本發明係以以上情事為背景而做成，目的在於提供耐磨耗性及耐熔接性優異之新穎構成的硬質被膜及硬質被膜被覆構件。
本發明人等以以上情事為背景反覆進行各種實驗、研究後，發現藉由使用由AlCrα之氮化物[惟，α為任意添加成分，係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]所構成的A組成、由AlCrSiβ之氮化物[惟，β為任意添加成分，係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]所構成的B組成、及由AlCr(SiC)γ之氮化物[惟，γ為任意添加成分，係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]所構成的C組成，並將該等以預定膜厚積層，可得優異之耐磨耗性、耐熔接性。本發明即基於如此見解而做成。
第1發明係一種以被覆母材表面之方式附著於母材表面之硬質被膜，其特徵在於：(a)前述硬質被膜係2種單一組成層與奈米薄膜交互層共3種層交互積層而構 成為總膜厚於0.5~20μm範圍內者；前述2種單一組成層係由A組成、B組成、及C組成中之任2個組成所構成；前述奈米薄膜交互層係將由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任2個組成所構成的2種奈米薄膜層交互積層而成；(b)前述A組成係組成式為AlaCrb α c之氮化物[惟，a、b、c各自以原子比計為0.30≦a≦0.85、0.15≦b≦0.70、0≦c≦0.10，且a+b+c=1；任意添加成分α係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]；(c)前述B組成係組成式為AldCreSif β g之氮化物[惟，d、e、f、g各自以原子比計為0.20≦d≦0.85、0.10≦e≦0.50、0.03≦f≦0.45、0≦g≦0.10，且d+e+f+g=1；任意添加成分β係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]；(d)前述C組成係組成式為AlhCri(SiC)j γ k之氮化物[惟，h、i、j、k各自以原子比計為0.20≦h≦0.85、0.10≦i≦0.50、0.03≦j≦0.45、0≦k≦0.10，且h+i+j+k=1；任意添加成分γ係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]；(e)前述2種單一組成層之膜厚均於0.5~1000nm範圍內；(f)構成前述奈米薄膜交互層之前述2種奈米薄膜層的各膜厚均於0.5~500nm範圍內，且前述奈米薄膜交互層之膜厚於1~1000nm範圍內。
再者，前述C組成之(SiC)意味以稱作碳化矽之化合物形態存在。又，要整體正確地控制各層之膜厚實為不易，故本說明書中之膜厚係平均值，只要平均膜厚滿 足前述數值範圍即可，有部分超出數值範圍之區域亦可。
第2發明係基於第1發明之硬質被膜，其中前述2種單一組成層之各膜厚T1、T2與前述奈米薄膜交互層之膜厚T3的比T1/T3、T2/T3均於0.2~10範圍內。
第3發明係基於第1發明或第2發明之硬質被膜，其中交互積層的前述2種單一組成層及前述奈米薄膜交互層之最下部的層直接設於前述母材表面。
第4發明係基於第1發明或第2發明之硬質被膜，其中，(a)前述硬質被膜與前述母材之間具有界面層；(b)前述界面層由以下共3種層中之任1層構成：(b-1)單一組成層，其由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任1個組成所構成；(b-2)奈米薄膜交互層，其係將由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任2個組成所構成且個別膜厚於0.5~500nm範圍內之2種奈米薄膜層交互積層而成；及(b-3)金屬之氮化物、碳氮化物、或碳化物的層，其由B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、及W中之1種以上元素所構成；並且，(c)前述界面層之膜厚於10~1000nm範圍內。
第5發明係基於第1發明至第4發明中之任一硬質被膜，(a)前述硬質被膜之最表面具有表面層；(b)前述表面層由單一組成層或奈米薄膜交互層構成，前述單一組成層係由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任1個組成所構成，前述奈米薄膜交互層係將由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任2個組成所構成且個別膜 厚於0.5~500nm範圍內之2種奈米薄膜層交互積層而成；並且，(c)前述表面層之膜厚於5~1000nm範圍內。
第6發明係一種母材表面之一部分或全部被硬質被膜被覆的硬質被膜被覆構件，前述硬質被膜係第1發明至第5發明中之任一硬質被膜。
第7發明係基於第6發明之硬質被膜被覆構件，前述硬質被膜被覆構件係斷續切削工具，可使其繞著軸心旋轉，且刀刃會隨著該旋轉而斷續地進行切削加工。
再者，前述各發明之數值範圍只要各自四捨五入後之值於數值範圍內即可。
如此之本發明硬質被膜中，由A組成所構成之單一組成層係高硬度且耐磨耗性優異，由B組成所構成之單一組成層係高硬度且耐磨耗性、抗氧化性優異。由C組成所構成之單一組成層因Si以SiC(碳化矽)之化合物的形態存在，故與氧之結合性低，且SiC為共價鍵，故為高硬度且於1000℃以上之溫度下機械強度也少有下降，並且耐熱性、耐磨耗性、抗氧化性優異。奈米薄膜交互層為高硬度且耐磨耗性、韌性、及抗氧化性優異。又，A組成~C組成中任意添加之成分α、β、γ藉由以10at%(原子%)以下之比率添加，可使被膜之結晶粒子微細化，並可利用添加量來控制被膜之粒徑，而可調整各被膜之硬度、韌性、潤滑性。藉由具有如此特性之任意2種單一組成層及奈米薄膜交互層分別以預定膜厚交互積層，可得耐磨耗性、韌性、潤滑 性、及耐熔接性優異之硬質被膜。藉此，例如於切削工具的情況下，對碳鋼、鑄鐵、合金鋼、不鏽鋼等各種被削材進行切削加工時，或於高速加工、乾式加工等嚴苛之加工條件下，可實現工具之長壽化。
第2發明中，因2種單一組成層之各膜厚T1、T2與奈米薄膜交互層之膜厚T3的比T1/T3、T2/T3均於0.2~10範圍內，故2種單一組成層及奈米薄膜交互層分別以具有預定特性之適當膜厚設置，可適當地得到耐磨耗性、耐熔接性等性能。
第3發明為交互積層的2種單一組成層及1種奈米薄膜交互層共3種層之最下部的層直接設於母材表面的情況，相較於在與母材之邊界設置界面層等的情況，更為減少成膜成本。
第4發明為於與母材之邊界設有預定組成、膜厚之界面層的情況，可提高硬質被膜對母材之附著強度。
第5發明為於硬質被膜之最表面設有預定組成、膜厚之表面層的情況，藉由適當地設定該表面層之組成及膜厚，可更加提升耐磨耗性及耐熔接性等預定之被膜性能。
第6發明係有關於一種硬質被膜被覆構件，藉由設置第1發明至第5發明之硬質被膜，可得到實質上與該等發明相同之作用效果。
第7發明係硬質被膜被覆構件為端銑刀或銑具等斷續切削工具的情況，因刀刃斷續地進行切削加工， 在經受重複衝撃負載的同時會容易發熱。因此，適合使用獲得高耐磨耗性及韌性、耐熔接性之本發明硬質被膜。
10:球型端銑刀(硬質被膜被覆構件、斷續切削工具)
12:工具母材(母材)
14:柄
16:刀部
18:外周刀(刀刃)
20:球型刀(刀刃)
22:切削面
24:刀腹面(第二面)
30,40,50,60,70,80:硬質被膜
32:A層(單一組成層)
32n:奈米薄膜A層(奈米薄膜層)
34:B層(單一組成層)
34n:奈米薄膜B層(奈米薄膜層)
36,54:奈米薄膜交互層
38,42,56,62,84:界面層
52:C層(單一組成層)
52n:奈米薄膜C層(奈米薄膜層)
82:表面層
100:電弧離子鍍裝置
154:轉盤
156:偏壓電源
158:腔室
160:反應氣體供應裝置
162:排氣裝置
164:第1電弧電源
166:第2電弧電源
168:第3電弧電源
170:第4電弧電源
172:第1蒸發源
174,178,182,186:陽極
176:第2蒸發源
180:第3蒸發源
184:第4蒸發源
S:旋轉中心
Ttotal:總膜厚
T1:A層之膜厚(單一組成層之膜厚)
T2:B層之膜厚(單一組成層之膜厚)
T3:奈米薄膜交互層之膜厚
圖1係顯示運用本發明之球型端銑刀之一例的正面圖。
圖2係自前端側觀看圖1球型端銑刀的放大底面圖。
圖3係說明設於圖1球型端銑刀之硬質被膜之被膜結構的示意圖。
圖4係說明設於圖1球型端銑刀之硬質被膜之被膜結構其他例的示意圖。
圖5係說明設於圖1球型端銑刀之硬質被膜之被膜結構又一其他例的示意圖。
圖6係說明設於圖1球型端銑刀之硬質被膜之被膜結構又一其他例的示意圖。
圖7係說明設於圖1球型端銑刀之硬質被膜之被膜結構又一其他例的示意圖。
圖8係說明設於圖1球型端銑刀之硬質被膜之被膜結構又一其他例的示意圖。
圖9係說明電弧離子鍍裝置的概略圖，該電弧離子鍍裝置係用以將圖3~圖8之硬質被膜成膜於工具母材上之物理蒸鍍裝置之一例。
用以實施發明之形態
本發明適合運用於端銑刀、銑具、螺絲攻、鑽頭等旋 轉切削工具以及刨刀等非旋轉式之切削工具、或成形螺絲攻、軋製工具、壓模等非切削工具等各種加工工具表面所設之硬質被膜，亦可運用於軸承構件或半導體裝置等之表面保護膜等要求耐磨耗性及抗氧化性之加工工具以外的構件表面所設之硬質被膜。亦適用於裝設在各種加工工具上使用之刀刃斷屑器等。硬質被膜被覆工具之工具母材適合使用超硬合金或高速鋼、金屬陶瓷、陶瓷、多結晶鑽石(PCD)、單結晶鑽石、多結晶CBN、單結晶CBN，亦可採用其他工具材料。硬質被膜之形成方法，適合使用電弧離子鍍法或濺鍍法、PLD(Pulse LASER Deposition：脈衝雷射沉積)法等PVD法(物理蒸鍍法)。
硬質被膜係2種單一組成層與奈米薄膜交互層共3種層交互積層而成者；前述2種單一組成層係由A組成、B組成、及C組成中之任2個組成所構成；前述奈米薄膜交互層係將由A組成、B組成、及C組成中之任2個組成所構成的2種奈米薄膜層交互積層而成。因此，例如在將由A組成及B組成所構成之2種單一組成層、與令由A組成及B組成2種組成所構成之2種奈米薄膜層交互積層而成的奈米薄膜交互層進行交互積層的情況下，不需要C組成，以這等情形為例，亦可僅以A組成、B組成、及C組成中之2種組成構成。又，可適當地設定前述2種單一組成層及奈米薄膜交互層之積層順序。2種單一組成層及奈米薄膜交互層之共3種層，係以預定之順序積層1周期以上，宜以1周期作為單位進行積層，但例如最下部之層與最上部之層 相同等情形時，最上部亦可結束在1周期之中途。交互積層2種奈米薄膜層而成之奈米薄膜交互層亦相同。關於硬質被膜之總膜厚，於具有界面層或表面層時，係包含該等界面層或表面層的膜厚。
2種單一組成層之各膜厚T1、T2與奈米薄膜交互層之膜厚T3的比T1/T3、T2/T3均於0.2~10範圍內為佳，但亦可按超出該數值範圍之比來設定各膜厚T1、T2、T3。硬質被膜視需要可於與母材之間設置界面層。界面層宜為例如由A組成、B組成、及C組成中之任1組成所構成的單一組成層、或將由A組成、B組成、及C組成中之任2個組成所構成之2種奈米薄膜層交互積層而成的奈米薄膜交互層，亦可設置由B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、及W中之1種以上元素構成之金屬之氮化物、碳氮化物、或碳化物之層作為界面層，亦可設置其他組成之界面層。界面層之膜厚宜於10~1000nm範圍內，亦可設為該數值範圍外之膜厚。
硬質被膜視需要可設置表面層。表面層宜為由A組成、B組成、及C組成中之任1個組成所構成之單一組成層、或將由A組成、B組成、及C組成中之任2個組成所構成之2種奈米薄膜層交互積層而成的奈米薄膜交互層，但亦可設置其他組成之表面層。表面層之膜厚宜於5~1000nm範圍內，亦可設為該數值範圍外之膜厚。
依據本發明人等之見解，本發明硬質被膜藉由2種單一組成層與1種奈米薄膜交互層共3種層交互積 層，可得較AlCrN基底之多層塗布更良好之抗氧化性、硬度、耐磨耗性、及剪切強度。又，因具不同彈性特性(彈性模數及硬度)之各層界面所致的晶格錯位阻礙，可達到高硬度。該界面因阻礙能量耗散及龜裂增加之作用，不僅有助於提升被膜硬度，亦有助於提升韌性。另一方面，界面大幅地影響多層被膜之特性，因設有奈米薄膜層之周期為奈米範圍的奈米薄膜交互層，故藉由利用各奈米薄膜層之厚度適當地調整結晶粒子之尺寸及膜密度，可得被膜之機械特性及摩潤學提升效果。
實施例
以下，參照圖式詳細地說明本發明之實施例。
圖1係說明球型端銑刀10的正面圖，該球型端銑刀10為運用本發明之硬質被膜被覆構件之一例；圖2係自前端側所見之放大底面圖。該球型端銑刀10具有由超硬合金所構成之工具母材12(參照圖3~圖8)，工具母材12上一體設有柄14及刀部16。刀部16係相對於軸心對稱地設有一對由外周刀18及球型刀20所構成之刀刃，藉繞著軸心旋轉驅動，利用該等外周刀18及球型刀20斷續地進行切削加工。外周刀18及球型刀20設成流線型連續狀態，且夾著該等外周刀18及球型刀20於兩側設有切削面22及刀腹面(第二面)24。換言之，於切削面22及刀腹面24交叉之稜線部分設有外周刀18及球型刀20。球型端銑刀10為硬質被膜被覆工具，相當於斷續切削工具。
於刀部16之工具母材12表面，如圖3所示，塗布有硬質被膜30。圖3係放大顯示塗布有硬質被膜30之刀部16表面附近之截面的示意圖，圖1之斜線部表示塗布有硬質被膜30的區域。亦可包含柄14在內地以硬質被膜30被覆球型端銑刀10全體。
硬質被膜30形成為自表面側積層有A層32、B層34、及奈米薄膜交互層36至少1周期以上的多層結構，於與工具母材12之邊界部分設有界面層38。即，於工具母材12表面上首先設有界面層38，再於該界面層38上依序重複積層奈米薄膜交互層36、B層34、及A層32，並於最上部設有A層32。包含界面層38之硬質被膜30的總膜厚Ttotal係於0.5~20μm範圍內適當地設定，A層32之膜厚T1係於0.5~1000nm範圍內適當地設定，B層34之膜厚T2係於0.5~1000nm範圍內適當地設定，奈米薄膜交互層36之膜厚T3係於1~1000nm範圍內適當地設定。又，各膜厚T1~T3設定成膜厚T1、T2與膜厚T3之比T1/T3、T2/T3均於0.2~10範圍內。
A層32為僅以A組成構成之單一組成層。A組成係組成式為AlaCrb α c之氮化物[惟，a、b、c各自以原子比計為0.30≦a≦0.85、0.15≦b≦0.70、0≦c≦0.10，且a+b+c=1；任意添加成分α係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]。表1所示者係A組成各元素之含量(at%)之具體例，空欄為含量(at%)=0，標有散點之欄位(灰色部分)係對應含量之原子比 超出前述組成式之數值範圍。亦即，試驗品7~試驗品50滿足A組成之要件。如此組成之A層32具有高硬度且耐磨耗性優異之特徵。又，藉由以10at%以下之比率添加任意添加成分α，可使結晶粒子微細化，並利用添加量控制粒徑，而可調整被膜之硬度及韌性、潤滑性。
B層34為僅以B組成構成之單一組成層。B組成係組成式為AldCreSif β g之氮化物[惟，d、e、f、g各自以原子比計為0.20≦d≦0.85、0.10≦e≦0.50、0.03≦f≦0.45、0≦g≦0.10，且d+e+f+g=1；任意添加成分β係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]。表2所示者係B組成各元素之含量(at%)之具體例，空欄為含量(at%)=0，標有散點之欄位(灰色部分)係對應含量之原子比超出前述組成式之數值範圍。亦即，試驗品7~試驗品50滿足B組成之要件。如此組成之B層34具有高硬度且耐磨耗性、抗氧化性優異之特徵。又，任意添加成分β與前述成分α相同，係以10at%以下之比率添加，藉此可使結晶粒子微細化，並利用添加量控制粒徑，而可調整被膜之硬度及韌性、潤滑性。
奈米薄膜交互層36係形成為奈米薄膜A層32n與奈米薄膜B層34n交互積層有1周期以上的多層結構，前述奈米薄膜A層32n由與A層32相同之A組成所構成，前述奈米薄膜B層34n由與B層34相同之B組成所構成。該實施例中，與A層32相接之最下部為奈米薄膜A層32n，與B層34相接之最上部為奈米薄膜B層34n，但亦可 為最下部為奈米薄膜B層34n而最上部為奈米薄膜A層32n。奈米薄膜A層32n及奈米薄膜B層34n之各膜厚均於0.5~500nm範圍內適當地設定。如此之奈米薄膜交互層36具有高硬度且耐磨耗性、韌性、及抗氧化性優異之特徵。亦即，奈米薄膜層32n、34n之界面因晶格錯位之阻礙可達成高硬度，且因阻礙能量耗散及龜裂增加之作用而有助於提升韌性。又，由於奈米薄膜層32n、34n之周期於奈米範圍內，故藉由利用各奈米薄膜層32n、34n之厚度適當地調整結晶粒子之尺寸及膜密度，可得被膜之機械特性或摩潤學提升效果。
前述界面層38於本實施例為僅由與A層32相同之A組成所構成的單一組成層。界面層38之膜厚係於10~1000nm範圍內適當地設定。藉由將如此之界面層38設於與工具母材12之邊界，可提高硬質被膜30對工具母材12之附著強度。
圖4~圖8係說明設於球型端銑刀10之刀部16表面之硬質被膜之其他例的圖，均為與圖3對應之截面示意圖，各硬質被膜之總膜厚Ttotal均於0.5~20μm範圍內。圖4之硬質被膜40相較於前述硬質被膜30而言，為A層32及B層34之積層順序相反的情況，並於B層34與奈米薄膜交互層36之間設有A層32，且B層34設於最表面。又，設有C組成之界面層42取代A組成之界面層38。C組成係組成式為AlhCri(SiC)j γ k之氮化物[惟，h、i、j、k各自以原子比計為0.20≦h≦0.85、0.10≦i≦0.50、 0.03≦j≦0.45、0≦k≦0.10，且h+i+j+k=1；任意添加成分γ係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]。表3所示者係C組成各元素之含量(at%)之具體例，空欄為含量(at%)=0，標有散點之欄位(灰色部分)係對應含量之原子比超出前述組成式之數值範圍。亦即，試驗品7~試驗品50滿足C組成之要件。界面層42為僅由C組成所構成之單一組成層，界面層42之膜厚係於10~1000nm範圍內適當地設定。藉將如此之界面層42設於與工具母材12之邊界，可提高硬質被膜40對工具母材12之附著強度。
圖5之硬質被膜50設有僅由前述C組成所構成之C層52取代前述B層34，且設有奈米薄膜交互層54取代前述奈米薄膜交互層36，前述奈米薄膜交互層54係將由A組成所構成之奈米薄膜A層32n及由C組成所構成之奈米薄膜C層52n交互積層1周期以上者。C層52及奈米薄膜C層52n中因Si以SiC(碳化矽)之化合物的形態存在，故與氧之結合性低，且SiC為共價鍵，故具有高硬度且於1000℃以上之溫度下機械強度也少有下降並且耐熱性、耐磨耗性、抗氧化性優異之特徵。又，任意添加成分γ與前述成分α同樣以10at%以下之比率添加，藉此可使結晶粒子微細化，並可利用添加量控制粒徑，而可調整被膜之硬度及韌性、潤滑性。C層52為僅由C組成所構成之單一組成層，可適當設定成C層52之膜厚於0.5~1000nm範圍內、且相對於奈米薄膜交互層54之膜厚比於0.2~10範圍內。奈米薄膜 交互層54舉例來說與C層52相接之最下部為奈米薄膜C層52n，與A層32相接之最上部為奈米薄膜A層32n，但亦可為最下部為奈米薄膜A層32n而最上部為奈米薄膜C層52n。奈米薄膜交互層54之膜厚係於1~1000nm範圍內適當地設定，奈米薄膜A層32n及奈米薄膜C層52n之各膜厚則均於0.5~500nm範圍內適當地設定。如此之奈米薄膜交互層54亦與前述奈米薄膜交互層36同樣具有高硬度且耐磨耗性、韌性、及抗氧化性優異之特徵。又，硬質被膜50設有僅由前述B組成所構成之單一組成層作為界面層56。
圖6之硬質被膜60相較於前述圖3之硬質被膜30而言，A層32~奈米薄膜交互層36的積層順序相異，係自最表面側起以奈米薄膜交互層36、A層32、B層34之順序來積層。又，於最底下之B層34與工具母材12之間設有由奈米薄膜交互層所構成的界面層62，該奈米薄膜交互層係將奈米薄膜A層32n、奈米薄膜B層34n、及奈米薄膜C層52n中之任2種交互積層而成者。界面層62之膜厚係於10~1000nm範圍內適當地設定，奈米薄膜A層32n、奈米薄膜B層34n、及奈米薄膜C層52n中之2種奈米薄膜層之膜厚均適當設定於0.5~500nm範圍內。
圖7之硬質被膜70相較於前述圖3之硬質被膜30而言為省略界面層38的情況。
圖8之硬質被膜80相較於前述圖3之硬質被膜30而言，係於最表面設置表面層82，且設有與A組成、B組成、C組成相異的界面層84。作為表面層82，係設置 例如與奈米薄膜交互層36同樣交互積層奈米薄膜A層32n及奈米薄膜B層34n而成之奈米薄膜交互層。表面層82之膜厚係於5~1000nm範圍內適當地設定，奈米薄膜A層32n及奈米薄膜B層34n之膜厚則均於0.5~500nm範圍內適當地設定。界面層84係以由B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、及W中之1種以上元素所構成的金屬之氮化物、碳氮化物、或碳化物來構成，且界面層84之膜厚係於10~1000nm範圍內適當地設定。
又，雖省略圖示，但更可以其他態樣構成硬質被膜。例如，前述硬質被膜30之奈米薄膜交互層36為交互積層奈米薄膜A層32n及奈米薄膜B層34n而成者，但亦可包含奈米薄膜C層52n地構成奈米薄膜交互層36。亦即，於設置A層32及B層34作為單一組成層的情況下，亦可設置交互積層奈米薄膜A層32n及奈米薄膜C層52n而成之奈米薄膜交互層36，或設置交互積層奈米薄膜B層34n及奈米薄膜C層52n而成之奈米薄膜交互層36。
又，硬質被膜30設有A層32及B層34作為單一組成層，硬質被膜50設有A層32及C層52作為單一組成層，但亦可設置B層34及C層52作為2種單一組成層。
又，硬質被膜80之表面層82為交互積層奈米薄膜A層32n及奈米薄膜B層34n而成之奈米薄膜交互層，但亦可包含奈米薄膜C層52n地構成表面層82之奈米薄膜交互層。作為表面層82，亦可設置由A組成、B組成、或C組成所構成之單一組成層。
又，前述硬質被膜30、40、50、60、70、80均為2種單一組成層(A層32、B層34、C層52之任2層)及1種奈米薄膜交互層36、54之任一者共3種層按預定順序以1周期為單位積層而成，但例如將硬質被膜30中最上部之A層32省略等，最上部於1周期之中途結束也是可以。換言之，無表面層之硬質被膜30、40、50、60、70中，亦可將其最上部之最表面層視為有別於交互積層之3種層的表面層。交互積層2種奈米薄膜層(奈米薄膜A層32n、奈米薄膜B層34n、奈米薄膜C層52n之任2層)而成之奈米薄膜交互層36、54，亦可例如為奈米薄膜交互層36由奈米薄膜A層32n開始並以奈米薄膜A層32n結束等，合計之層數為奇數。
表4係具體地顯示關於球型端銑刀之試驗品1~試驗品50之硬質被膜之被膜結構的表，單一組成層欄位之A層、B層、C層相當於前述A層32、B層34、C層52。又，奈米薄膜交互層欄位之A層、B層、C層相當於前述奈米薄膜A層32n、奈米薄膜B層34n、奈米薄膜C層52n。界面層相當於前述界面層38、42、56、62、84。A層~C層、奈米薄膜A層~奈米薄膜C層、界面層之空欄表示不具該等層之意。該情況下，無界面層之試驗品27的單一組成層為A層及C層，且奈米薄膜交互層為奈米薄膜A層及奈米薄膜C層之交互層，故表2記載之B組成成分實質上並未含有。又，無界面層之試驗品45的單一組成層為B層及C層，且奈米薄膜交互層為奈米薄膜B層及奈米薄膜C層之交互 層，故表1記載之A組成成分實質上並未含有。其他試驗品亦未必要全部包含表1~表3記載之A組成、B組成、及C組成成分，亦可僅以其中之2種組成構成硬質被膜。又，表4之各試驗品1~試驗品50均不具表面層。表4中標有散點之欄位(灰色部分)係未滿足本實施例(本發明之請求項1)之膜厚要件之意，試驗品1~試驗品6為比較品，試驗品7~試驗品50為本發明品。
圖9係說明電弧離子鍍裝置100的概略構成圖(示意圖)，該裝置係於對工具母材12塗布前述硬質被膜30、40、50、60、70、80或表4記載之試驗品1~50之硬質被膜(以下，未特別區分的情況下僅稱作硬質被膜30等)之際使用。電弧離子鍍裝置100係藉由屬PVD法之一種之電弧離子鍍法於工具母材12表面塗布前述硬質被膜30等者，其可藉由切換蒸發源(靶材)或反應氣體來以預定之膜厚連續形成組成互異之複數種層。以硬質被膜30為例，於工具母材12表面設置界面層38後，交互地重複積層奈米薄膜交互層36、B層34、及A層32即可。圖9相當於自上方觀看電弧離子鍍裝置100的俯視圖。
電弧離子鍍裝置100具有：轉盤154，其保持複數工作件、即應塗布硬質被膜30等之工具母材12，且可繞著略垂直之旋轉中心S旋轉驅動；偏壓電源156，其對工具母材12施加負偏壓；腔室158，其作為將工具母材12等收納於內部之處理容器；反應氣體供應裝置160，其將預定之反應氣體供應至腔室158內；排氣裝置162，其藉由真 空泵等排出腔室158內之氣體以進行減壓；第1電弧電源164、第2電弧電源166；第3電弧電源168；第4電弧電源170等。轉盤154形成為以前述旋轉中心S作為中心之圓盤狀，工具母材12以與旋轉中心S略平行之姿勢於該轉盤154之外周部分配置複數個。使工具母材12繞著軸心自轉，同時還可藉由轉盤154使其繞著旋轉中心S公轉。反應氣體供應裝置160於塗布A層32、B層34、C層52等之氮化物之際，供應氮氣至腔室158內。腔室158內藉由排氣裝置162做成例如2~10Pa左右之真空狀態，並藉由未圖示之加熱器等加熱至例如300~600℃左右之蒸鍍處理溫度。
第1電弧電源164、第2電弧電源166、第3電弧電源168、第4電弧電源170均以由蒸鍍材料所構成之第1蒸發源172、第2蒸發源176、第3蒸發源180、第4蒸發源184作為陰極，並於與陽極174、178、182、186之間選擇性地通過預定之電弧電流，使其電弧放電，藉此選擇性地使蒸發材料自該等第1蒸發源172、第2蒸發源176、第3蒸發源180、第4蒸發源184蒸發，已蒸發之蒸發材料會成為正離子，蒸鍍於施加有負(-)之偏電壓的工具母材12。亦即，蒸發源172、176、180、184分別由前述A組成、B組成、C組成之任一合金所構成，剩下一個蒸發源做成例如膜厚較厚之組成的合金，可有效率地塗布。亦可配合構成硬質被膜30等之組成數量令蒸發源為3個。又，硬質被膜30等之組成僅以A組成、B組成、C組成中之2種組成構成時，亦可將4個蒸發源172、176、180、184分成2組，將2 種組成之合金分別配置於2處。
並且，藉由適當地切換前述電弧電源164、166、168、170來依序塗布預定組成之層，可得預定被膜結構之前述硬質被膜30等。各層之膜厚可藉由轉盤154之旋轉速度及電弧電源164、166、168、170之通電時間等調整。於組成互異之複數層的邊界部分亦可形成混有2種組成之混合層。
接著，針對與前述球型端銑刀10同樣工具母材12為超硬合金且為2片刀、直徑為6mm(前端R=3)之球型端銑刀，準備設有表1~表4所示被膜結構之硬質被膜的試驗品1~試驗品50，說明進行該硬質被膜之性能試驗後的結果。表5係顯示試驗結果之表，被膜硬度係依據維克氏硬度試驗法(JIS G0202、Z2244)於硬度記號HV0.025所示條件下測定硬質被膜之HV值(維克氏硬度)所得到的值。又，依據以下切削試驗條件使用試驗品1~試驗品50分別進行切削加工的情況下，測定球型刀20之第二面摩耗寬度(刀腹面摩耗寬度)及切削距離，判定被膜性能(耐磨耗性)。被膜性能基本上係於切削距離500m以上之適當階段中止加工，然後測定第二面摩耗寬度及切削距離，於第二面摩耗寬度變大時(0.3mm以上)即使切削距離為500m以下仍要中止加工，並測定此時之第二面摩耗寬度及切削距離。第二面摩耗寬度為第二面摩耗之最大寬度，於每次達預定切削距離時中斷切削加工，使用股份有限公司Nikon製之測定顯微鏡(MM-400/LM)利用目視測定第二面摩耗寬度。
《切削試驗條件》
．被削材：S50C(依據JIS規定之機械結構用碳鋼)
．切削速度：254m/min
．旋轉速度：13500min-1
．進給速度：f=0.12mm/t、F=3240mm/min
．切削深度：ap(軸向)=0.3mm、ae(徑向)=0.6mm
由表5可知，關於表面之被膜硬度(HV0.025)，本發明品之試驗品7~試驗品50均為3000以上之高硬度，可期待優異之耐磨耗性，相對於此，比較品之試驗品1~試驗品6為2000~2700左右。關於第二面摩耗寬度及切削距離，本發明品之試驗品7~試驗品50均可於第二面摩耗寬度到達0.2mm前進行500m以上切削加工，可得優異之耐磨耗性及耐熔接性。相對於此，比較品之試驗品1~試驗品6均於500m切削加工前第二面摩耗寬度就超過0.3mm。判定上，將可於第二面摩耗寬度到達0.2mm前進行500m以上切削加工的情況標為「○」，切削距離到達500m前第二面摩耗寬度就大於0.2mm的情況、即未能得到充分之工具壽命的情況標為「×」。本發明品之試驗品7~試驗品50的判定結果均為「○」，可得優異之工具壽命。摩耗寬度及切削距離中標有散點之欄位(灰色部分)係切削距離到達500m前第二面摩耗寬度就超過0.2mm的部分。
如此，依據本實施例之球型端銑刀10之硬質被膜30等，藉由A組成、B組成、及C組成中之2種單一組成層(A層32、B層34、及C層52中之2者)、與1種奈米薄膜 交互層(奈米薄膜交互層36、54等)分別以預定之膜厚交互積層，將可獲得優異之耐磨耗性、韌性、潤滑性、及耐熔接性；前述1種奈米薄膜交互層係將由A組成、B組成、及C組成中之2個組成所構成之2種奈米薄膜層(奈米薄膜A層32n、奈米薄膜B層34n、及奈米薄膜C層52n中之2者)交互積層而成者。藉此，例如於對碳鋼、鑄鐵、合金鋼、不鏽鋼等各種被削材進行切削加工時，或於高速加工、乾式加工等嚴苛之加工條件下，可實現工具之長壽化。
又，前述2種單一組成層之各膜厚T1、T2與奈米薄膜交互層之膜厚T3的比T1/T3、T2/T3均於0.2~10範圍內，故2種單一組成層及1種奈米薄膜交互層可各自以具有預定特性之適當膜厚設置，可適當地得到耐磨耗性、耐熔接性等性能。
又，因圖7之硬質被膜70及試驗品27、45不具界面層，故可降低成膜成本，可便宜地製造具硬質被膜70等之球型端銑刀10。另一方面，硬質被膜30、40、50、60、80、及試驗品7~試驗品26、試驗品28~試驗品44、試驗品46~試驗品50因具有預定組成、膜厚之界面層38等，故可提高硬質被膜30等對工具母材12的附著強度。
又，因圖8之硬質被膜80具有預定組成、膜厚之表面層82，藉由適當地設定該表面層82之組成及膜厚，可更加提升耐磨耗性及耐熔接性等預定之被膜性能。
又，球型端銑刀10之外周刀18及球型刀20為可斷續地進行切削加工之斷續切削工具，該等外周刀18 及球型刀20在經受重複衝撃負載的同時會容易發熱，但藉由設置具高耐磨耗性及韌性、耐熔接性之硬質被膜30等，可圖工具之長壽化。
表1所示者係構成用於切削加工試驗之試驗品1~試驗品50之硬質被膜的A組成之構成元素種類及含有比率。
表2所示者係構成試驗品1~試驗品50之硬質被膜的B組成之構成元素種類及含有比率。
表3所示者係構成試驗品1~試驗品50之硬質被膜的C組成之構成元素種類及含有比率的表。
表4所示者係試驗品1~試驗品50之硬質被膜之被膜結構。
表5所示者係試驗品1~試驗品50之硬質被膜之被膜硬度、進行切削加工試驗測得之摩耗寬度、切削距離、及判定結果。
Figure 108126769-A0305-02-0026-1
Figure 108126769-A0305-02-0027-2
Figure 108126769-A0305-02-0028-3
Figure 108126769-A0305-02-0029-4
Figure 108126769-A0305-02-0030-5
以上，依據圖式詳細地說明本發明之實施例，但該等均僅為一實施形態，本發明可以基於習於此藝者之知識施加各種變更、改良後之態樣實施。
12:工具母材(母材)
30:硬質被膜
32:A層(單一組成層)
32n:奈米薄膜A層(奈米薄膜層)
34:B層(單一組成層)
34n:奈米薄膜B層(奈米薄膜層)
36:奈米薄膜交互層
38:界面層
Ttotal:總膜厚
T1:A層之膜厚(單一組成層之膜厚)
T2:B層之膜厚(單一組成層之膜厚)
T3:奈米薄膜交互層之膜厚

Claims (9)

  1. 一種硬質被膜，係以被覆母材表面之方式附著於母材表面，該硬質被膜之特徵在於：前述硬質被膜係2種單一組成層與奈米薄膜交互層共3種層交互積層而構成為總膜厚於0.5~20μm範圍內者；前述2種單一組成層係由A組成、B組成、及C組成中之任2個組成所構成；前述奈米薄膜交互層係將由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任2個組成所構成的2種奈米薄膜層交互積層而成；前述A組成係組成式為AlaCrb α c之氮化物[惟，a、b、c各自以原子比計為0.30≦a≦0.85、0.15≦b≦0.70、0≦c≦0.10，且a+b+c=1；任意添加成分α係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]；前述B組成係組成式為AldCreSif β g之氮化物[惟，d、e、f、g各自以原子比計為0.20≦d≦0.85、0.10≦e≦0.50、0.03≦f≦0.45、0≦g≦0.10，且d+e+f+g=1；任意添加成分β係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]；前述C組成係組成式為AlhCri(SiC)j γ k之氮化物[惟，h、i、j、k各自以原子比計為0.20≦h≦0.85、0.10≦i≦0.50、0.03≦j≦0.45、0≦k≦0.10，且h+i+j+k=1；任意添加成分γ係選自B、C、Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及W之1種以上元素]；前述2種單一組成層之膜厚均於0.5~1000nm範圍內； 構成前述奈米薄膜交互層之前述2種奈米薄膜層的各膜厚均於0.5~500nm範圍內，且前述奈米薄膜交互層之膜厚於1~1000nm範圍內。
  2. 如請求項1之硬質被膜，其中前述2種單一組成層之各膜厚T1、T2與前述奈米薄膜交互層之膜厚T3的比T1/T3、T2/T3均於0.2~10範圍內。
  3. 如請求項1或2之硬質被膜，其中交互積層的前述2種單一組成層及前述奈米薄膜交互層之最下部的層直接設於前述母材表面。
  4. 如請求項1或2之硬質被膜，其中前述硬質被膜與前述母材之間具有界面層；前述界面層由以下共3種層中之任1層構成：單一組成層，其由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任1個組成所構成；奈米薄膜交互層，其係將由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任2個組成所構成且個別膜厚於0.5~500nm範圍內之2種奈米薄膜層交互積層而成；及金屬之氮化物、碳氮化物、或碳化物的層，其由B、Al、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、及W中之1種以上元素所構成；並且，前述界面層之膜厚於10~1000nm範圍內。
  5. 如請求項1或2之硬質被膜，前述硬質被膜之最表面具有表面層；前述表面層由單一組成層或奈米薄膜交互層構成，前述單一組成層係由前述A組成、前述B組成、及前述C組成 中之任1個組成所構成，前述奈米薄膜交互層係將由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任2個組成所構成且個別膜厚於0.5~500nm範圍內之2種奈米薄膜層交互積層而成；並且，前述表面層之膜厚於5~1000nm範圍內。
  6. 如請求項3之硬質被膜，前述硬質被膜之最表面具有表面層；前述表面層由單一組成層或奈米薄膜交互層構成，前述單一組成層係由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任1個組成所構成，前述奈米薄膜交互層係將由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任2個組成所構成且個別膜厚於0.5~500nm範圍內之2種奈米薄膜層交互積層而成；並且，前述表面層之膜厚於5~1000nm範圍內。
  7. 如請求項4之硬質被膜，前述硬質被膜之最表面具有表面層；前述表面層由單一組成層或奈米薄膜交互層構成，前述單一組成層係由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任1個組成所構成，前述奈米薄膜交互層係將由前述A組成、前述B組成、及前述C組成中之任2個組成所構成且個別膜厚於0.5~500nm範圍內之2種奈米薄膜層交互積層而成；並且，前述表面層之膜厚於5~1000nm範圍內。
  8. 一種硬質被膜被覆構件，係母材表面之一 部分或全部被硬質被膜被覆者，前述硬質被膜係如請求項1至7中任1項之硬質被膜。
  9. 如請求項8之硬質被膜被覆構件，前述硬質被膜被覆構件係斷續切削工具，可使其繞著軸心旋轉，且刀刃會隨著該旋轉而斷續地進行切削加工。
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