硬質被膜、および硬質被膜被覆工具
【課題】耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性の何れについても優れた性能が得られる硬質被膜を提供する。
【解決手段】ボールエンドミル１０の刃部１４の表面にコーティングされた硬質被膜２０は、（Ａｌa Ｃｒ(1-a-b) Ｙb ) Ｃc Ｎ(1-c) 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．４≦ａ≦０．８、０．０１≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．５の範囲内〕から成るＩ層２０ａと、ＣｒＣd Ｎ(1-d) 〔但し、ｄは原子比で、０≦ｄ≦０．５の範囲内〕から成るII層２０ｂとが、１ｎｍ以上の積層周期Ｔp で交互に１周期以上積層され、総膜厚Ｔtotal が０．１μｍ〜１０μｍの範囲内とされている。ＡｌＣｒＮ系のＩ層２０ａは高硬度で優れた耐摩耗性が得られ、ＣｒＮ系のII層２０ｂは低摩擦係数で優れた耐溶着性が得られる一方、Ｉ層２０ａにＹ（イットリウム）が所定の原子比で添加されることにより、高温での耐酸化性が向上して優れた耐熱性が得られるようになる。
【解決手段】ボールエンドミル１０の刃部１４の表面にコーティングされた硬質被膜２０は、（Ａｌa Ｃｒ(1-a-b) Ｙb ) Ｃc Ｎ(1-c) 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．４≦ａ≦０．８、０．０１≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．５の範囲内〕から成るＩ層２０ａと、ＣｒＣd Ｎ(1-d) 〔但し、ｄは原子比で、０≦ｄ≦０．５の範囲内〕から成るII層２０ｂとが、１ｎｍ以上の積層周期Ｔp で交互に１周期以上積層され、総膜厚Ｔtotal が０．１μｍ〜１０μｍの範囲内とされている。ＡｌＣｒＮ系のＩ層２０ａは高硬度で優れた耐摩耗性が得られ、ＣｒＮ系のII層２０ｂは低摩擦係数で優れた耐溶着性が得られる一方、Ｉ層２０ａにＹ（イットリウム）が所定の原子比で添加されることにより、高温での耐酸化性が向上して優れた耐熱性が得られるようになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は硬質被膜に係り、特に、耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性に優れた硬質被膜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（特許文献１〜５参照）。そして、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１５１０６号公報
【特許文献２】特開２００７−１１９７９５号公報
【特許文献３】特開２００７−２３３２号公報
【特許文献４】特開２００６−３０７３２３号公報
【特許文献５】特開２００４−１３０５１４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、このような従来の硬質被膜においても、耐溶着性に優れているとともに耐摩耗性および耐熱性（高温での耐酸化性）を何れも十分に満足できるものは見当たらない。例えば低摩擦係数で耐溶着性に優れたＣｒＮ被膜と、高硬度で耐摩耗性に優れたＡｌＣｒＮ被膜とを積層した場合、何れの被膜も十分な耐熱性が得られないため、高速や高負荷（高能率）での乾式切削加工、或いは調質材に対する乾式切削加工など高温となる加工条件で使用した場合に、高温での酸化により被膜が早期に損傷、脱落して十分な耐久性（工具寿命）が得られないという問題があった。
【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、耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性の何れについても優れた性能が得られる硬質被膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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溶着性、耐摩耗性、および耐熱性に優れた硬質被膜であって、(a) （Ａｌa Ｃｒ(1-a-b) Ｙb ) Ｃc Ｎ(1-c) 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．４≦ａ≦０．８、０．０１≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．５の範囲内〕から成るＩ層と、ＣｒＣd Ｎ(1-d) 〔但し、ｄは原子比で、０≦ｄ≦０．５の範囲内〕から成るII層とが、１ｎｍ以上の積層周期で交互に１周期以上積層され、総膜厚が０．１μｍ〜１０μｍの範囲内とされていることを特徴とする。
なお、上記積層周期は、Ｉ層およびII層の１周期分の膜厚すなわちＩ層の膜厚とII層の膜厚とを加算した膜厚である。
【０００７】
第２発明は、第１発明の硬質被膜において、前記積層周期は１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内であることを特徴とする。
【０００８】
第３発明は、第１発明の硬質被膜において、前記積層周期は２０ｎｍ以上であることを特徴とする。
【０００９】
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】
【００１０】
第１発明の硬質被膜によれば、ＡｌＣｒＮ系のＩ層は高硬度であるため、優れた耐摩耗性が得られる一方、ＣｒＮ系のII層は低摩擦係数であるため、摩擦による発熱が抑制されて優れた耐溶着性が得られる。また、Ｉ層にＹ（イットリウム）が０．０１〜０．０５の原子比の範囲内で添加されることにより、耐摩耗性を損なうことなく高温での耐酸化性が向上して優れた耐熱性が得られるようになるため、熱による硬質被膜の損傷が抑制される。更に、これ等のＩ層およびII層が１ｎｍ以上の積層周期で交互に１周期以上積層されることにより、被膜硬さが一層高くなって耐摩耗性が向上するとともに、０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の十分な総膜厚を確保することができる。このように耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性の何れについても優れた性能が得られるため、例えば第４発明のような硬質被膜被覆工具に適用すれば、高速や高負荷での乾式切削加工、或いは調質材に対する乾式切削加工など高温となる加工条件で使用した場合でも、優れた耐久性（工具寿命）が得られるようになる。
【００１１】
第２発明では、Ｉ層とII層の積層周期が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内で比較的小さいため、それだけ多層で積層されるようになり、被膜硬さが更に向上する。これにより、例えば炭素鋼やアルミニウム合金等に対する高速乾式切削などで一層優れた耐久性向上効果が得られる。
【００１２】
第３発明では、Ｉ層とII層の積層周期が２０ｎｍ以上であるため、一層優れた耐熱性が得られるようになり、ダイス鋼（ＪＩＳで規定のＳＫＤなど）等の調質材に対する乾式切削などで一層優れた耐久性向上効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明が適用されたボール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】複数種類の本発明品、比較品、および従来品を用いて耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。
【図３】図２の耐久性試験で用いた試験品の被膜構造を具体的に示すとともに、耐久性試験の試験結果を説明する図である。
【図４】図３の試料No１、No２、No９、No１５と同じ硬質被膜で被覆された試験品をそれぞれ２本ずつ用いて、図２とは異なる試験条件で耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。
【図５】図４の耐久性試験の試験結果を説明する図である。
【図６】図３の試料No２およびNo１６と同じ硬質被膜で被覆された試験品をそれぞれ４本ずつ用意し、切削速度を変更して耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。
【図７】図６の耐久性試験の試験結果を説明する図である。
【図８】複数種類の本発明品、比較品、および従来品を用いて更に異なる試験条件で耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。
【図９】図８の耐久性試験で用いた試験品の被膜構造を具体的に示すとともに、耐久性試験の試験結果を説明する図である。
【図１０】図３および図９における試料No１、No２、No９、No２９、No３４と同じ硬質被膜を設けたテストピースを用いて摩擦係数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１１】図１０の装置を用いて調べた摩擦係数と併せて酸化試験で測定した酸化層厚さを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。硬質被膜被覆工具の工具母材としては、超硬合金や高速度工具鋼、合金工具鋼、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。
【００１５】
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（Puls LASER Deposition ）法等のＰＶＤ法（物理蒸着法）が好適に用いられる。硬質被膜を構成するＡｌＣｒＹ、Ｃｒの合金や金属元素については、例えば同じ組成の金属ターゲットを用意すれば良く、Ｃ（炭素）の供給については、反応ガス（炭化水素ガスなど）或いは固体ターゲット（Ｃターゲット、Ｃ含有ターゲット）の何れの方法でも良い。Ｎ（窒素）については、反応ガスの供給で添加することができる。
【００１６】
硬質被膜被覆工具は、例えば高速や高負荷での乾式切削加工、或いは調質材に対する乾式切削加工など高温となる加工条件で使用する場合に好適に用いられ、優れた耐久性（工具寿命）が得られるようになるが、耐溶着性や耐摩耗性、耐熱性がそれ程要求されない加工条件下、例えば切削油剤を用いた切削加工等で使用することも勿論可能である。
【００１７】
Ｉ層およびII層におけるＣは、その原子比ｃ、ｄが何れも０を含んでおり、Ｃを含まない場合でも良い。すなわち、Ｉ層およびII層は、何れもＣおよびＮの両方を含む炭窒化物（ＡｌＣｒＹＣＮ、ＣｒＣＮ）でも、Ｎのみを含む窒化物（ＡｌＣｒＹＮ、ＣｒＮ）でも良い。
【００１８】
Ｉ層およびII層の積層順は適宜定められ、所定の部材の表面上にＩ層から積層してもII層から積層しても良い。また、必ずしも交互に偶数層積層する必要はなく、奇数層であっても良い。すなわち、Ｉ層から積層して最表面にＩ層が設けられたり、II層から積層して最表面にII層が設けられたりしても良い。十分な耐溶着性を確保する上で、摩擦係数が小さいII層が最表面に設けられることが望ましいが、Ｉ層が最表面に設けられる場合でもII層の存在で所定の耐溶着性が得られる。耐摩耗性や耐熱性が特に要求される場合など、Ｉ層が最表面に設けられても良い。
【００１９】
所定の部材の表面上に本発明の硬質被膜、すなわちＩ層およびII層を交互に積層した硬質被膜を直接設けることもできるが、密着性を向上させるために所定の下地層を設けることも可能である。下地層としては、例えば元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、Ｙ、およびＳｉＣの中の１種類以上を含む窒化物、炭窒化物の単層が適当である。
【００２０】
硬質被膜の総膜厚は０．１μｍ〜１０μｍの範囲内であるが、０．１μｍ未満の場合は硬質被膜としての性能が十分に得られず、１０μｍ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。この総膜厚は、Ｉ層およびII層を交互に積層した部分の膜厚で、前記下地層が設けられる場合、その下地層の膜厚は含まない。
【００２１】
Ｉ層およびII層は、１ｎｍ以上の積層周期で積層されるが、最大でも１０００ｎｍ程度以下が適当である。積層周期数（＝総膜厚／積層周期）は、総膜厚が０．１μｍ〜１０μｍの範囲内となるように積層周期に応じて適宜定められ、少なくともＩ層およびII層が１層ずつ（積層周期数＝１）設けられれば良いが、積層周期が１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の範囲内の場合、積層周期数は例えば１００〜１２００程度の範囲内が適当である。積層周期が２０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の範囲内の場合、積層周期数は例えば３〜１００程度の範囲内が適当である。
【００２２】
Ｉ層およびII層の膜厚は均等でも良いが、要求性能に応じて不均等とすることも可能である。例えば、耐溶着性が特に要求される場合はII層の膜厚を厚くし、耐摩耗性や耐熱性が特に要求される場合はＩ層の膜厚を厚くしても良い。この膜厚の設定は、例えばターゲットの使用数量を変えることにより、膜厚比を１：１、１：２、１：３、３：１、２：１などとすることができる。また、ターゲット出力を変化させることにより、積層周期を連続的或いは段階的に変化させることも可能で、最表面側程積層周期を小さくしたり大きくしたりすることができる。但し、所定の被膜性能を得る上で、Ｉ層およびII層はそれぞれ０．５ｎｍ以上の膜厚を有することが望ましい。最表面の層の膜厚については、他の層と別個に独立に定めることも可能である。
【実施例】
【００２３】
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。
【００２４】
図１(c) から明らかなように、硬質被膜２０はＩ層２０ａおよびII層２０ｂを交互に１周期以上積層した多層構造で、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Ｉ層２０ａは、（Ａｌa Ｃｒ(1-a-b) Ｙb ) Ｃc Ｎ(1-c) 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．４≦ａ≦０．８、０．０１≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．５の範囲内〕にて構成されており、Ｉ層２０ａと交互に積層されるとともに最表面に設けられるII層２０ｂは、ＣｒＣd Ｎ(1-d) 〔但し、ｄは原子比で、０≦ｄ≦０．５の範囲内〕にて構成されている。これ等のＩ層２０ａおよびII層２０ｂの膜厚は何れも０．５ｎｍ以上で、且つそれ等の膜厚を合わせた積層周期Ｔp は１ｎｍ以上であり、本実施例では工具母材１２に接する最下部から最表面まで一定の積層周期Ｔp で積層されている。また、この硬質被膜２０の総膜厚Ｔtotal は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲内である。
【００２５】
上記Ｉ層２０ａおよびII層２０ｂの膜厚比は、ターゲットの使用数量を変えることにより、１：１、１：２、１：３、３：１、２：１など適宜設定される。例えば耐溶着性や耐熱性等の要求性能に応じて膜厚比を変えることが可能で、耐溶着性が特に要求される場合は摩擦係数が低いII層２０ｂの膜厚を相対的に厚くし、耐摩耗性や耐熱性が特に要求される場合は高硬度のＩ層２０ａの膜厚を相対的に厚くすることが可能である。
【００２６】
なお、本実施例では硬質被膜２０が工具母材１２に接するように設けられているが、例えば密着性を高めるために元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、Ｙ、およびＳｉＣの中の１種類以上を含む窒化物、炭窒化物の単層から成る下地層を、硬質被膜２０と工具母材１２との間に介在させることもできる。
【００２７】
また、本実施例ではＩ層２０ａとII層２０ｂとが別々に形成されているが、Ｉ層２０ａとII層２０ｂとの境界部分に、両者の組成が混ざった混合層が僅かな厚さ（例えば積層周期Ｔp の１０％以下）で設けられても良い。この混合層は、例えばＩ層２０ａを形成するためのターゲットおよび反応ガスからII層２０ｂ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、Ｉ層２０ａを形成するためのターゲットおよび反応ガスと、II層２０ｂ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Ｉ層２０ａに連続して形成することができる。また、その状態でＩ層２０ａ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II層２０ｂに切り換えることができる。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。II層２０ｂからＩ層２０ａへ切り換える際にも同様にして混合層が設けられても良い。
【００２８】
図３に示す試料No１〜No８は本発明品で、積層周期Ｔp が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内の例であり、積層周期数（総膜厚Ｔtotal ／積層周期Ｔp ）は１２５〜１１００で比較的多い。図９に示す試料No１７〜No３０も本発明品で、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内の例であり、積層周期数は５〜６０で比較的少ない。なお、これ等の図３、図９の「被膜成分」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。
【００２９】
このような本実施例のボールエンドミル１０の硬質被膜２０によれば、ＡｌＣｒＮ系のＩ層２０ａは高硬度であるため、優れた耐摩耗性が得られる一方、ＣｒＮ系のII層２０ｂは低摩擦係数であるため、摩擦による発熱が抑制されて優れた耐溶着性が得られる。また、Ｉ層２０ａにＹ（イットリウム）が０．０１〜０．０５の原子比の範囲内で添加されることにより、耐摩耗性を損なうことなく高温での耐酸化性が向上して優れた耐熱性が得られるようになるため、熱による硬質被膜２０の損傷が抑制される。更に、これ等のＩ層２０ａおよびII層２０ｂが１ｎｍ以上の積層周期Ｔp で交互に１周期以上積層されることにより、被膜硬さが一層高くなって耐摩耗性が向上するとともに、０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の十分な総膜厚Ｔtotal を確保することができる。
【００３０】
このように本実施例の硬質被膜２０は耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性の何れについても優れた性能が得られるため、高速や高負荷での乾式切削加工、或いはダイス鋼等の調質材に対する乾式切削加工など高温となる加工条件で使用した場合でも、優れた耐久性（工具寿命）が得られるようになる。特に、積層周期Ｔp が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内で比較的小さい図３の本発明品（試料No１〜No８）では、積層周期Ｔp が小さい分だけ積層周期数が多くなって多層で積層されるため、被膜硬さが更に向上し、例えば炭素鋼やアルミニウム合金等に対する高速乾式切削などで一層優れた耐久性向上効果が得られる。また、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で比較的大きい図９の本発明品（試料No１７〜No３０）では、一層優れた耐熱性が得られるようになり、ダイス鋼等の調質材に対する乾式切削などで一層優れた耐久性向上効果が得られる。
【００３１】
次に、工具母材１２が超硬合金製で直径が６ｍｍ（先端Ｒ＝３ｍｍ）、２枚刃の本実施例のボールエンドミル１０と、硬質被膜２０を構成しているＩ層２０ａ、II層２０ｂの有無や被膜成分、原子比、総膜厚Ｔtotal 、積層周期Ｔp 等が本発明（請求項１）の要件を満たしていない比較品や従来品を用意し、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）を測定するとともに、図２に示す試験条件で炭素鋼（ＪＩＳで規定のＳ５０Ｃ）に対してエアブローによる乾式切削加工（ピック加工）を行い、３００ｍ切削加工した後のボール刃１８の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）により耐久性を調べたところ、図３に示す結果が得られた。図３の試料No１〜No８は本発明品で、積層周期Ｔp が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内で比較的小さい場合である。試料No９〜No１４は比較品で、網掛け（散点）を付した欄は本発明の要件から外れている項目である。試料No１５、No１６は従来品である。また、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）は２枚のボール刃１８の最大値で、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。
【００３２】
図３の結果から明らかなように、試料No１〜No８の本発明品は、何れも逃げ面摩耗幅が０．０６〜０．０８ｍｍで許容範囲内（０．１ｍｍ以下）である。これに対し、試験品No９〜No１６の比較品および従来品は、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲（０．１ｍｍ）を超えており、十分な耐久性（工具寿命）が得られなかった。被膜硬さは、試験品No１〜No８の本発明品では２９５０〜３４９０であるのに対し、比較品および従来品は２７００〜２８５０で、本発明品に比べてやや低く、この被膜硬さの相違に加えて耐溶着性や耐熱性の違いが総合的に耐久性（逃げ面摩耗幅）に影響しているものと考えられる。
【００３３】
図４および図５は、図３の試料No１、No２、No９、およびNo１５と同じ硬質被膜が設けられた超硬合金製で直径が６ｍｍの４枚刃のスクエアエンドミルをそれぞれ２本ずつ用意し、炭素鋼（ＪＩＳで規定のＳ５０Ｃ）に対してエアブローによる乾式切削加工（溝加工）を行って、工具寿命に達するまでの切削距離を調べた結果を説明する図である。図４は試験条件を示した図で、工具寿命は、４枚の切れ刃の外周逃げ面摩耗幅（ｍｍ）の最大値が０．１ｍｍに達したことで判定した。図５は、試験結果（切削距離）を示す図で、試料No１、No２の本発明品は何れも切削距離の平均が１００ｍを超えているのに対し、試料No９の比較品および試料No１５の従来品は７０ｍ前後で、過酷な切削条件で工具が高温になる場合でも、耐熱性（高温での耐酸化性）に優れた本発明品によれば、比較品や従来品に比較して約１．５倍の耐久性が得られる。
【００３４】
図６および図７は、図３の試料No２（本発明品）およびNo１６（従来品）と同じ硬質被膜が設けられた超硬合金製で直径が１５ｍｍの４枚刃のスクエアエンドミルをそれぞれ４本ずつ用意し、４種類の切削速度で炭素鋼（ＪＩＳで規定のＳ５０Ｃ）に対してエアブローによる乾式切削加工（側面切削）を行って、工具寿命に達するまでの切削距離を調べた結果を説明する図である。図６は試験条件を示した図で、工具寿命は、４枚の切れ刃の外周逃げ面摩耗幅（ｍｍ）の最大値が０．１ｍｍに達したことで判定した。図７は、試験結果（切削距離）を示す図で、切削速度が遅い領域では耐久性能に大きな差は見られないが、切削速度が増すにつれて、言い換えれば工具が高温になる過酷な切削条件になるにつれて、耐熱性に優れた本発明品（試料No２）と従来品（試料No１６）との耐久性の差が顕著になる。なお、本発明品（試料No２）では、切削速度が速くなるに従って切削距離が長くなる傾向が見られるが、これは切削速度の増大により切削熱が上昇し、被削材が軟化する傾向にあるが、耐熱性に優れた本発明の硬質被膜は高温での硬さ低下が少ないためと考えられる。従来品（試料No１６）の場合は、切削速度の増大による発熱で硬質被膜が損傷（酸化）し、耐摩耗性が低下するため、被削材が軟化しても耐久性向上に殆ど寄与しないものと考えられる。
【００３５】
図８および図９は、前記実施例と同様に超硬合金製で直径が６ｍｍ（先端Ｒ＝３ｍｍ）、２枚刃の本発明のボールエンドミル１０と、硬質被膜２０を構成しているＩ層２０ａ、II層２０ｂの有無や被膜成分、原子比、総膜厚Ｔtotal 、積層周期Ｔp 等が本発明（請求項１）の要件を満たしていない比較品や従来品を用意し、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）を測定するとともに、図８に示す試験条件でダイス鋼（ＪＩＳで規定のＳＫＤ１１）に対してエアブローによる乾式切削加工（ポケット加工）を行い、１０ポケット加工後のボール刃１８の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）により耐久性を調べた結果を説明する図である。図８の切込みａｐは、深さ方向（軸方向）の切込み寸法で、切込みＰｆは、図２(b) に示すピックフィードである。図９の試料No１７〜No３０は本発明品で、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で比較的大きい場合である。試料No３１〜No３３は比較品で、網掛け（散点）を付した欄は本発明の要件から外れている項目である。試料No３４、No３５は従来品である。また、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）は２枚のボール刃１８の最大値で、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。
【００３６】
図９の結果から明らかなように、試料No１７〜No３０の本発明品は、何れも逃げ面摩耗幅が０．０６〜０．０９ｍｍで許容範囲内（０．１ｍｍ以下）である。これに対し、試験品No３１〜No３５の比較品および従来品は、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲（０．１ｍｍ）を超えており、十分な耐久性（工具寿命）が得られなかった。被膜硬さは、本発明品では２８４０〜２９００で、比較品および従来品では２７００〜２８５０であるが、測定誤差や個体差を考慮すると殆ど差がないものと考えられ、耐溶着性や耐熱性の相違が耐久性（逃げ面摩耗幅）に大きく影響しているものと考えられる。特に、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で比較的大きい本発明品（試料No１７〜No３０）は、優れた耐熱性が得られ、ダイス鋼の切削加工に対する耐久性が向上する。
【００３７】
図１０は、直径が６ｍｍの円柱形状で、先端ラップ面がＲ５の球面とされた超硬テストピースにおいて、そのラップ面に前記試料No１、No２、No９、No２９、No３４と同じ硬質被膜をコーティングしたものを用意し、ピンオンディスク式摩擦試験装置を用いて摩擦係数を測定する測定方法の概念図である。そして、以下の試験条件で摩擦係数を調べたところ、図１１に示す結果が得られた。
《試験条件》
・相手材：Ｓ５０Ｃ（ＪＩＳの規定による機械構造用炭素鋼）
・荷重：０．５Ｎ
・線速度：１００ｍｍ／ｓ
・時間：６００秒
・試験雰囲気：大気
【００３８】
図１１の「摩擦係数」の欄に示すように、試料No１、No２、No２９の本発明品は何れも摩擦係数が０．５未満で、優れた耐溶着性が得られるのに対し、試料No３４の従来品は摩擦係数が０．５以上で、溶着により十分な耐久性が得られない可能性がある。試料No９の比較品の摩擦係数は０．４５で、０．５未満の許容範囲内であるが、本発明品に比べると大きく、本発明品の方が優れた耐溶着性が得られる。本発明品の中でも、積層周期Ｔp が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内の試料No１およびNo２は、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内の試料No２９に比べて小さく、一層優れた耐溶着性が得られる。
【００３９】
上記摩擦係数試験を行った試料No１、No２、No９、No２９、No３４の５種類の硬質被膜について、同じく直径が６ｍｍの円柱形状で先端がＲ５の球面とされた超硬テストピースにそれ等の硬質被膜をコーティングしたものを用意し、以下の試験条件で耐熱性（耐酸化性）試験を行なって酸化層厚さ（μｍ）を測定した。結果を、前記摩擦係数試験の結果と併せて前記図１１に示す。
《試験条件》
・加熱温度：１０００℃（昇温時間：４０分 保持時間：１０分）
・装置：電気炉
・試験雰囲気：大気
【００４０】
図１１の「酸化層厚さ」の欄に示すように、試料No１、No２、No２９の本発明品は何れも１．０μｍ未満で、優れた耐熱性が得られるのに対し、試料No９の比較品および試料No３４の従来品は何れも１．０μｍ以上で耐熱性が悪く、例えば高速での乾式切削加工等の高温になる加工条件では十分な耐久性が得られない可能性がある。本発明品の中でも、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内の試料No２９は、積層周期Ｔp が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内の試料No１、No２に比べて酸化層厚さが小さく、一層優れた耐熱性が得られる。
【００４１】
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】
【００４２】
１０：ボールエンドミル（硬質被膜被覆工具） １２：工具母材（所定の部材） ２０：硬質被膜 ２０ａ：Ｉ層 ２０ｂ：II層 Ｔp ：積層周期 Ｔtotal ：総膜厚
【技術分野】
【０００１】
本発明は硬質被膜に係り、特に、耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性に優れた硬質被膜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（特許文献１〜５参照）。そして、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１５１０６号公報
【特許文献２】特開２００７−１１９７９５号公報
【特許文献３】特開２００７−２３３２号公報
【特許文献４】特開２００６−３０７３２３号公報
【特許文献５】特開２００４−１３０５１４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、このような従来の硬質被膜においても、耐溶着性に優れているとともに耐摩耗性および耐熱性（高温での耐酸化性）を何れも十分に満足できるものは見当たらない。例えば低摩擦係数で耐溶着性に優れたＣｒＮ被膜と、高硬度で耐摩耗性に優れたＡｌＣｒＮ被膜とを積層した場合、何れの被膜も十分な耐熱性が得られないため、高速や高負荷（高能率）での乾式切削加工、或いは調質材に対する乾式切削加工など高温となる加工条件で使用した場合に、高温での酸化により被膜が早期に損傷、脱落して十分な耐久性（工具寿命）が得られないという問題があった。
【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、耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性の何れについても優れた性能が得られる硬質被膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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溶着性、耐摩耗性、および耐熱性に優れた硬質被膜であって、(a) （Ａｌa Ｃｒ(1-a-b) Ｙb ) Ｃc Ｎ(1-c) 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．４≦ａ≦０．８、０．０１≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．５の範囲内〕から成るＩ層と、ＣｒＣd Ｎ(1-d) 〔但し、ｄは原子比で、０≦ｄ≦０．５の範囲内〕から成るII層とが、１ｎｍ以上の積層周期で交互に１周期以上積層され、総膜厚が０．１μｍ〜１０μｍの範囲内とされていることを特徴とする。
なお、上記積層周期は、Ｉ層およびII層の１周期分の膜厚すなわちＩ層の膜厚とII層の膜厚とを加算した膜厚である。
【０００７】
第２発明は、第１発明の硬質被膜において、前記積層周期は１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内であることを特徴とする。
【０００８】
第３発明は、第１発明の硬質被膜において、前記積層周期は２０ｎｍ以上であることを特徴とする。
【０００９】
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】
【００１０】
第１発明の硬質被膜によれば、ＡｌＣｒＮ系のＩ層は高硬度であるため、優れた耐摩耗性が得られる一方、ＣｒＮ系のII層は低摩擦係数であるため、摩擦による発熱が抑制されて優れた耐溶着性が得られる。また、Ｉ層にＹ（イットリウム）が０．０１〜０．０５の原子比の範囲内で添加されることにより、耐摩耗性を損なうことなく高温での耐酸化性が向上して優れた耐熱性が得られるようになるため、熱による硬質被膜の損傷が抑制される。更に、これ等のＩ層およびII層が１ｎｍ以上の積層周期で交互に１周期以上積層されることにより、被膜硬さが一層高くなって耐摩耗性が向上するとともに、０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の十分な総膜厚を確保することができる。このように耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性の何れについても優れた性能が得られるため、例えば第４発明のような硬質被膜被覆工具に適用すれば、高速や高負荷での乾式切削加工、或いは調質材に対する乾式切削加工など高温となる加工条件で使用した場合でも、優れた耐久性（工具寿命）が得られるようになる。
【００１１】
第２発明では、Ｉ層とII層の積層周期が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内で比較的小さいため、それだけ多層で積層されるようになり、被膜硬さが更に向上する。これにより、例えば炭素鋼やアルミニウム合金等に対する高速乾式切削などで一層優れた耐久性向上効果が得られる。
【００１２】
第３発明では、Ｉ層とII層の積層周期が２０ｎｍ以上であるため、一層優れた耐熱性が得られるようになり、ダイス鋼（ＪＩＳで規定のＳＫＤなど）等の調質材に対する乾式切削などで一層優れた耐久性向上効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明が適用されたボール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】複数種類の本発明品、比較品、および従来品を用いて耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。
【図３】図２の耐久性試験で用いた試験品の被膜構造を具体的に示すとともに、耐久性試験の試験結果を説明する図である。
【図４】図３の試料No１、No２、No９、No１５と同じ硬質被膜で被覆された試験品をそれぞれ２本ずつ用いて、図２とは異なる試験条件で耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。
【図５】図４の耐久性試験の試験結果を説明する図である。
【図６】図３の試料No２およびNo１６と同じ硬質被膜で被覆された試験品をそれぞれ４本ずつ用意し、切削速度を変更して耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。
【図７】図６の耐久性試験の試験結果を説明する図である。
【図８】複数種類の本発明品、比較品、および従来品を用いて更に異なる試験条件で耐久性試験を行なう際の試験条件を説明する図である。
【図９】図８の耐久性試験で用いた試験品の被膜構造を具体的に示すとともに、耐久性試験の試験結果を説明する図である。
【図１０】図３および図９における試料No１、No２、No９、No２９、No３４と同じ硬質被膜を設けたテストピースを用いて摩擦係数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１１】図１０の装置を用いて調べた摩擦係数と併せて酸化試験で測定した酸化層厚さを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。硬質被膜被覆工具の工具母材としては、超硬合金や高速度工具鋼、合金工具鋼、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。
【００１５】
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（Puls LASER Deposition ）法等のＰＶＤ法（物理蒸着法）が好適に用いられる。硬質被膜を構成するＡｌＣｒＹ、Ｃｒの合金や金属元素については、例えば同じ組成の金属ターゲットを用意すれば良く、Ｃ（炭素）の供給については、反応ガス（炭化水素ガスなど）或いは固体ターゲット（Ｃターゲット、Ｃ含有ターゲット）の何れの方法でも良い。Ｎ（窒素）については、反応ガスの供給で添加することができる。
【００１６】
硬質被膜被覆工具は、例えば高速や高負荷での乾式切削加工、或いは調質材に対する乾式切削加工など高温となる加工条件で使用する場合に好適に用いられ、優れた耐久性（工具寿命）が得られるようになるが、耐溶着性や耐摩耗性、耐熱性がそれ程要求されない加工条件下、例えば切削油剤を用いた切削加工等で使用することも勿論可能である。
【００１７】
Ｉ層およびII層におけるＣは、その原子比ｃ、ｄが何れも０を含んでおり、Ｃを含まない場合でも良い。すなわち、Ｉ層およびII層は、何れもＣおよびＮの両方を含む炭窒化物（ＡｌＣｒＹＣＮ、ＣｒＣＮ）でも、Ｎのみを含む窒化物（ＡｌＣｒＹＮ、ＣｒＮ）でも良い。
【００１８】
Ｉ層およびII層の積層順は適宜定められ、所定の部材の表面上にＩ層から積層してもII層から積層しても良い。また、必ずしも交互に偶数層積層する必要はなく、奇数層であっても良い。すなわち、Ｉ層から積層して最表面にＩ層が設けられたり、II層から積層して最表面にII層が設けられたりしても良い。十分な耐溶着性を確保する上で、摩擦係数が小さいII層が最表面に設けられることが望ましいが、Ｉ層が最表面に設けられる場合でもII層の存在で所定の耐溶着性が得られる。耐摩耗性や耐熱性が特に要求される場合など、Ｉ層が最表面に設けられても良い。
【００１９】
所定の部材の表面上に本発明の硬質被膜、すなわちＩ層およびII層を交互に積層した硬質被膜を直接設けることもできるが、密着性を向上させるために所定の下地層を設けることも可能である。下地層としては、例えば元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、Ｙ、およびＳｉＣの中の１種類以上を含む窒化物、炭窒化物の単層が適当である。
【００２０】
硬質被膜の総膜厚は０．１μｍ〜１０μｍの範囲内であるが、０．１μｍ未満の場合は硬質被膜としての性能が十分に得られず、１０μｍ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。この総膜厚は、Ｉ層およびII層を交互に積層した部分の膜厚で、前記下地層が設けられる場合、その下地層の膜厚は含まない。
【００２１】
Ｉ層およびII層は、１ｎｍ以上の積層周期で積層されるが、最大でも１０００ｎｍ程度以下が適当である。積層周期数（＝総膜厚／積層周期）は、総膜厚が０．１μｍ〜１０μｍの範囲内となるように積層周期に応じて適宜定められ、少なくともＩ層およびII層が１層ずつ（積層周期数＝１）設けられれば良いが、積層周期が１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の範囲内の場合、積層周期数は例えば１００〜１２００程度の範囲内が適当である。積層周期が２０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の範囲内の場合、積層周期数は例えば３〜１００程度の範囲内が適当である。
【００２２】
Ｉ層およびII層の膜厚は均等でも良いが、要求性能に応じて不均等とすることも可能である。例えば、耐溶着性が特に要求される場合はII層の膜厚を厚くし、耐摩耗性や耐熱性が特に要求される場合はＩ層の膜厚を厚くしても良い。この膜厚の設定は、例えばターゲットの使用数量を変えることにより、膜厚比を１：１、１：２、１：３、３：１、２：１などとすることができる。また、ターゲット出力を変化させることにより、積層周期を連続的或いは段階的に変化させることも可能で、最表面側程積層周期を小さくしたり大きくしたりすることができる。但し、所定の被膜性能を得る上で、Ｉ層およびII層はそれぞれ０．５ｎｍ以上の膜厚を有することが望ましい。最表面の層の膜厚については、他の層と別個に独立に定めることも可能である。
【実施例】
【００２３】
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。
【００２４】
図１(c) から明らかなように、硬質被膜２０はＩ層２０ａおよびII層２０ｂを交互に１周期以上積層した多層構造で、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Ｉ層２０ａは、（Ａｌa Ｃｒ(1-a-b) Ｙb ) Ｃc Ｎ(1-c) 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．４≦ａ≦０．８、０．０１≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．５の範囲内〕にて構成されており、Ｉ層２０ａと交互に積層されるとともに最表面に設けられるII層２０ｂは、ＣｒＣd Ｎ(1-d) 〔但し、ｄは原子比で、０≦ｄ≦０．５の範囲内〕にて構成されている。これ等のＩ層２０ａおよびII層２０ｂの膜厚は何れも０．５ｎｍ以上で、且つそれ等の膜厚を合わせた積層周期Ｔp は１ｎｍ以上であり、本実施例では工具母材１２に接する最下部から最表面まで一定の積層周期Ｔp で積層されている。また、この硬質被膜２０の総膜厚Ｔtotal は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲内である。
【００２５】
上記Ｉ層２０ａおよびII層２０ｂの膜厚比は、ターゲットの使用数量を変えることにより、１：１、１：２、１：３、３：１、２：１など適宜設定される。例えば耐溶着性や耐熱性等の要求性能に応じて膜厚比を変えることが可能で、耐溶着性が特に要求される場合は摩擦係数が低いII層２０ｂの膜厚を相対的に厚くし、耐摩耗性や耐熱性が特に要求される場合は高硬度のＩ層２０ａの膜厚を相対的に厚くすることが可能である。
【００２６】
なお、本実施例では硬質被膜２０が工具母材１２に接するように設けられているが、例えば密着性を高めるために元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、VIａ族、Ｙ、およびＳｉＣの中の１種類以上を含む窒化物、炭窒化物の単層から成る下地層を、硬質被膜２０と工具母材１２との間に介在させることもできる。
【００２７】
また、本実施例ではＩ層２０ａとII層２０ｂとが別々に形成されているが、Ｉ層２０ａとII層２０ｂとの境界部分に、両者の組成が混ざった混合層が僅かな厚さ（例えば積層周期Ｔp の１０％以下）で設けられても良い。この混合層は、例えばＩ層２０ａを形成するためのターゲットおよび反応ガスからII層２０ｂ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、Ｉ層２０ａを形成するためのターゲットおよび反応ガスと、II層２０ｂ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Ｉ層２０ａに連続して形成することができる。また、その状態でＩ層２０ａ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II層２０ｂに切り換えることができる。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。II層２０ｂからＩ層２０ａへ切り換える際にも同様にして混合層が設けられても良い。
【００２８】
図３に示す試料No１〜No８は本発明品で、積層周期Ｔp が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内の例であり、積層周期数（総膜厚Ｔtotal ／積層周期Ｔp ）は１２５〜１１００で比較的多い。図９に示す試料No１７〜No３０も本発明品で、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内の例であり、積層周期数は５〜６０で比較的少ない。なお、これ等の図３、図９の「被膜成分」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。
【００２９】
このような本実施例のボールエンドミル１０の硬質被膜２０によれば、ＡｌＣｒＮ系のＩ層２０ａは高硬度であるため、優れた耐摩耗性が得られる一方、ＣｒＮ系のII層２０ｂは低摩擦係数であるため、摩擦による発熱が抑制されて優れた耐溶着性が得られる。また、Ｉ層２０ａにＹ（イットリウム）が０．０１〜０．０５の原子比の範囲内で添加されることにより、耐摩耗性を損なうことなく高温での耐酸化性が向上して優れた耐熱性が得られるようになるため、熱による硬質被膜２０の損傷が抑制される。更に、これ等のＩ層２０ａおよびII層２０ｂが１ｎｍ以上の積層周期Ｔp で交互に１周期以上積層されることにより、被膜硬さが一層高くなって耐摩耗性が向上するとともに、０．１μｍ〜１０μｍの範囲内の十分な総膜厚Ｔtotal を確保することができる。
【００３０】
このように本実施例の硬質被膜２０は耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性の何れについても優れた性能が得られるため、高速や高負荷での乾式切削加工、或いはダイス鋼等の調質材に対する乾式切削加工など高温となる加工条件で使用した場合でも、優れた耐久性（工具寿命）が得られるようになる。特に、積層周期Ｔp が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内で比較的小さい図３の本発明品（試料No１〜No８）では、積層周期Ｔp が小さい分だけ積層周期数が多くなって多層で積層されるため、被膜硬さが更に向上し、例えば炭素鋼やアルミニウム合金等に対する高速乾式切削などで一層優れた耐久性向上効果が得られる。また、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で比較的大きい図９の本発明品（試料No１７〜No３０）では、一層優れた耐熱性が得られるようになり、ダイス鋼等の調質材に対する乾式切削などで一層優れた耐久性向上効果が得られる。
【００３１】
次に、工具母材１２が超硬合金製で直径が６ｍｍ（先端Ｒ＝３ｍｍ）、２枚刃の本実施例のボールエンドミル１０と、硬質被膜２０を構成しているＩ層２０ａ、II層２０ｂの有無や被膜成分、原子比、総膜厚Ｔtotal 、積層周期Ｔp 等が本発明（請求項１）の要件を満たしていない比較品や従来品を用意し、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）を測定するとともに、図２に示す試験条件で炭素鋼（ＪＩＳで規定のＳ５０Ｃ）に対してエアブローによる乾式切削加工（ピック加工）を行い、３００ｍ切削加工した後のボール刃１８の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）により耐久性を調べたところ、図３に示す結果が得られた。図３の試料No１〜No８は本発明品で、積層周期Ｔp が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内で比較的小さい場合である。試料No９〜No１４は比較品で、網掛け（散点）を付した欄は本発明の要件から外れている項目である。試料No１５、No１６は従来品である。また、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）は２枚のボール刃１８の最大値で、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。
【００３２】
図３の結果から明らかなように、試料No１〜No８の本発明品は、何れも逃げ面摩耗幅が０．０６〜０．０８ｍｍで許容範囲内（０．１ｍｍ以下）である。これに対し、試験品No９〜No１６の比較品および従来品は、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲（０．１ｍｍ）を超えており、十分な耐久性（工具寿命）が得られなかった。被膜硬さは、試験品No１〜No８の本発明品では２９５０〜３４９０であるのに対し、比較品および従来品は２７００〜２８５０で、本発明品に比べてやや低く、この被膜硬さの相違に加えて耐溶着性や耐熱性の違いが総合的に耐久性（逃げ面摩耗幅）に影響しているものと考えられる。
【００３３】
図４および図５は、図３の試料No１、No２、No９、およびNo１５と同じ硬質被膜が設けられた超硬合金製で直径が６ｍｍの４枚刃のスクエアエンドミルをそれぞれ２本ずつ用意し、炭素鋼（ＪＩＳで規定のＳ５０Ｃ）に対してエアブローによる乾式切削加工（溝加工）を行って、工具寿命に達するまでの切削距離を調べた結果を説明する図である。図４は試験条件を示した図で、工具寿命は、４枚の切れ刃の外周逃げ面摩耗幅（ｍｍ）の最大値が０．１ｍｍに達したことで判定した。図５は、試験結果（切削距離）を示す図で、試料No１、No２の本発明品は何れも切削距離の平均が１００ｍを超えているのに対し、試料No９の比較品および試料No１５の従来品は７０ｍ前後で、過酷な切削条件で工具が高温になる場合でも、耐熱性（高温での耐酸化性）に優れた本発明品によれば、比較品や従来品に比較して約１．５倍の耐久性が得られる。
【００３４】
図６および図７は、図３の試料No２（本発明品）およびNo１６（従来品）と同じ硬質被膜が設けられた超硬合金製で直径が１５ｍｍの４枚刃のスクエアエンドミルをそれぞれ４本ずつ用意し、４種類の切削速度で炭素鋼（ＪＩＳで規定のＳ５０Ｃ）に対してエアブローによる乾式切削加工（側面切削）を行って、工具寿命に達するまでの切削距離を調べた結果を説明する図である。図６は試験条件を示した図で、工具寿命は、４枚の切れ刃の外周逃げ面摩耗幅（ｍｍ）の最大値が０．１ｍｍに達したことで判定した。図７は、試験結果（切削距離）を示す図で、切削速度が遅い領域では耐久性能に大きな差は見られないが、切削速度が増すにつれて、言い換えれば工具が高温になる過酷な切削条件になるにつれて、耐熱性に優れた本発明品（試料No２）と従来品（試料No１６）との耐久性の差が顕著になる。なお、本発明品（試料No２）では、切削速度が速くなるに従って切削距離が長くなる傾向が見られるが、これは切削速度の増大により切削熱が上昇し、被削材が軟化する傾向にあるが、耐熱性に優れた本発明の硬質被膜は高温での硬さ低下が少ないためと考えられる。従来品（試料No１６）の場合は、切削速度の増大による発熱で硬質被膜が損傷（酸化）し、耐摩耗性が低下するため、被削材が軟化しても耐久性向上に殆ど寄与しないものと考えられる。
【００３５】
図８および図９は、前記実施例と同様に超硬合金製で直径が６ｍｍ（先端Ｒ＝３ｍｍ）、２枚刃の本発明のボールエンドミル１０と、硬質被膜２０を構成しているＩ層２０ａ、II層２０ｂの有無や被膜成分、原子比、総膜厚Ｔtotal 、積層周期Ｔp 等が本発明（請求項１）の要件を満たしていない比較品や従来品を用意し、被膜硬さ（ＨＶ０．０２５）を測定するとともに、図８に示す試験条件でダイス鋼（ＪＩＳで規定のＳＫＤ１１）に対してエアブローによる乾式切削加工（ポケット加工）を行い、１０ポケット加工後のボール刃１８の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）により耐久性を調べた結果を説明する図である。図８の切込みａｐは、深さ方向（軸方向）の切込み寸法で、切込みＰｆは、図２(b) に示すピックフィードである。図９の試料No１７〜No３０は本発明品で、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で比較的大きい場合である。試料No３１〜No３３は比較品で、網掛け（散点）を付した欄は本発明の要件から外れている項目である。試料No３４、No３５は従来品である。また、逃げ面摩耗幅（ｍｍ）は２枚のボール刃１８の最大値で、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。
【００３６】
図９の結果から明らかなように、試料No１７〜No３０の本発明品は、何れも逃げ面摩耗幅が０．０６〜０．０９ｍｍで許容範囲内（０．１ｍｍ以下）である。これに対し、試験品No３１〜No３５の比較品および従来品は、何れも逃げ面摩耗幅が許容範囲（０．１ｍｍ）を超えており、十分な耐久性（工具寿命）が得られなかった。被膜硬さは、本発明品では２８４０〜２９００で、比較品および従来品では２７００〜２８５０であるが、測定誤差や個体差を考慮すると殆ど差がないものと考えられ、耐溶着性や耐熱性の相違が耐久性（逃げ面摩耗幅）に大きく影響しているものと考えられる。特に、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で比較的大きい本発明品（試料No１７〜No３０）は、優れた耐熱性が得られ、ダイス鋼の切削加工に対する耐久性が向上する。
【００３７】
図１０は、直径が６ｍｍの円柱形状で、先端ラップ面がＲ５の球面とされた超硬テストピースにおいて、そのラップ面に前記試料No１、No２、No９、No２９、No３４と同じ硬質被膜をコーティングしたものを用意し、ピンオンディスク式摩擦試験装置を用いて摩擦係数を測定する測定方法の概念図である。そして、以下の試験条件で摩擦係数を調べたところ、図１１に示す結果が得られた。
《試験条件》
・相手材：Ｓ５０Ｃ（ＪＩＳの規定による機械構造用炭素鋼）
・荷重：０．５Ｎ
・線速度：１００ｍｍ／ｓ
・時間：６００秒
・試験雰囲気：大気
【００３８】
図１１の「摩擦係数」の欄に示すように、試料No１、No２、No２９の本発明品は何れも摩擦係数が０．５未満で、優れた耐溶着性が得られるのに対し、試料No３４の従来品は摩擦係数が０．５以上で、溶着により十分な耐久性が得られない可能性がある。試料No９の比較品の摩擦係数は０．４５で、０．５未満の許容範囲内であるが、本発明品に比べると大きく、本発明品の方が優れた耐溶着性が得られる。本発明品の中でも、積層周期Ｔp が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内の試料No１およびNo２は、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内の試料No２９に比べて小さく、一層優れた耐溶着性が得られる。
【００３９】
上記摩擦係数試験を行った試料No１、No２、No９、No２９、No３４の５種類の硬質被膜について、同じく直径が６ｍｍの円柱形状で先端がＲ５の球面とされた超硬テストピースにそれ等の硬質被膜をコーティングしたものを用意し、以下の試験条件で耐熱性（耐酸化性）試験を行なって酸化層厚さ（μｍ）を測定した。結果を、前記摩擦係数試験の結果と併せて前記図１１に示す。
《試験条件》
・加熱温度：１０００℃（昇温時間：４０分 保持時間：１０分）
・装置：電気炉
・試験雰囲気：大気
【００４０】
図１１の「酸化層厚さ」の欄に示すように、試料No１、No２、No２９の本発明品は何れも１．０μｍ未満で、優れた耐熱性が得られるのに対し、試料No９の比較品および試料No３４の従来品は何れも１．０μｍ以上で耐熱性が悪く、例えば高速での乾式切削加工等の高温になる加工条件では十分な耐久性が得られない可能性がある。本発明品の中でも、積層周期Ｔp が２０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内の試料No２９は、積層周期Ｔp が１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内の試料No１、No２に比べて酸化層厚さが小さく、一層優れた耐熱性が得られる。
【００４１】
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】
【００４２】
１０：ボールエンドミル（硬質被膜被覆工具） １２：工具母材（所定の部材） ２０：硬質被膜 ２０ａ：Ｉ層 ２０ｂ：II層 Ｔp ：積層周期 Ｔtotal ：総膜厚
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の部材の表面上に設けられる耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性に優れた硬質被膜であって、
（Ａｌa Ｃｒ(1-a-b) Ｙb ) Ｃc Ｎ(1-c) 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．４≦ａ≦０．８、０．０１≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．５の範囲内〕から成るＩ層と、ＣｒＣd Ｎ(1-d) 〔但し、ｄは原子比で、０≦ｄ≦０．５の範囲内〕から成るII層とが、１ｎｍ以上の積層周期で交互に１周期以上積層され、総膜厚が０．１μｍ〜１０μｍの範囲内とされている
ことを特徴とする硬質被膜。
【請求項２】
前記積層周期は１ｎｍ〜２０ｎｍ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】
前記積層周期は２０ｎｍ以上である
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
【請求項４】
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。
【請求項１】
所定の部材の表面上に設けられる耐溶着性、耐摩耗性、および耐熱性に優れた硬質被膜であって、
（Ａｌa Ｃｒ(1-a-b) Ｙb ) Ｃc Ｎ(1-c) 〔但し、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ原子比で、０．４≦ａ≦０．８、０．０１≦ｂ≦０．０５、０≦ｃ≦０．５の範囲内〕から成るＩ層と、ＣｒＣd Ｎ(1-d) 〔但し、ｄは原子比で、０≦ｄ≦０．５の範囲内〕から成るII層とが、１ｎｍ以上の積層周期で交互に１周期以上積層され、総膜厚が０．１μｍ〜１０μｍの範囲内とされている
ことを特徴とする硬質被膜。
【請求項２】
前記積層周期は１ｎｍ〜２０ｎｍ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】
前記積層周期は２０ｎｍ以上である
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
【請求項４】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−４５９７０（Ｐ２０１１−４５９７０Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９７４５０（Ｐ２００９−１９７４５０）
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【出願人】（０００１０３３６７）オーエスジー株式会社 (180)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【出願人】（０００１０３３６７）オーエスジー株式会社 (180)
【Ｆターム（参考）】
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