硬質被膜および硬質被膜被覆工具
【課題】耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに、高い付着強度が得られる高寿命の硬質被膜を提供する。
【解決手段】ドリル１０のボディ１６に設けられた硬質被膜２４は、工具基材２２の表面に化合物層２６が設けられるとともに、窒素含有量が３〜４０at％のＣＮ層２８が外表面を構成するように最上層に設けられ、且つ、それ等の中間的な組成の化合物／ＣＮ傾斜層２７がその化合物層２６とＣＮ層２８との間に設けられており、全体の膜厚Ｄが０．０５〜２０μｍの範囲内とされているため、ＣＮ層２８により優れた耐熱性、耐摩耗性、耐溶着性が得られる一方、化合物層２６により高い付着強度が得られて剥離等が抑制され、優れたに耐久性が得られる。しかも、化合物／ＣＮ傾斜層２７が介在させられているため、ＣＮ層２８が高い付着強度で化合物層２６に付着され、硬質被膜２４全体の付着強度が高くなって耐剥離性が一層向上する。
【解決手段】ドリル１０のボディ１６に設けられた硬質被膜２４は、工具基材２２の表面に化合物層２６が設けられるとともに、窒素含有量が３〜４０at％のＣＮ層２８が外表面を構成するように最上層に設けられ、且つ、それ等の中間的な組成の化合物／ＣＮ傾斜層２７がその化合物層２６とＣＮ層２８との間に設けられており、全体の膜厚Ｄが０．０５〜２０μｍの範囲内とされているため、ＣＮ層２８により優れた耐熱性、耐摩耗性、耐溶着性が得られる一方、化合物層２６により高い付着強度が得られて剥離等が抑制され、優れたに耐久性が得られる。しかも、化合物／ＣＮ傾斜層２７が介在させられているため、ＣＮ層２８が高い付着強度で化合物層２６に付着され、硬質被膜２４全体の付着強度が高くなって耐剥離性が一層向上する。
【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、耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに高い付着強度が得られ、工具や耐摩耗性部品等に好適に用いられる硬質被膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ドリルやエンドミル、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、種々の部材において、基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。特許文献１には、硬質被膜としてＤＬＣ（Diamond Like Carbon ；ダイヤモンド状カーボン）が設けられた工具が記載されている。ＤＬＣは緻密なアモルファス構造で、結晶学的にはダイヤモンドと異なるが、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の化合物被膜に比較して高い硬度を有する。また、特許文献２および３には、硬質被膜として窒化炭素を用いることや、その窒化炭素膜の製造方法について記載されている。窒化炭素は、摩擦係数が小さいとともに面が平滑で硬度も高く、優れた耐摩耗性や耐溶着性、耐熱性が得られる。
【特許文献１】特開２００５−２２０７３号公報
【特許文献２】特開２００２−３８２６９号公報
【特許文献３】特開２００６−６９８５６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、上記ＤＬＣは、耐熱性および耐摩耗性の点で必ずしも十分に満足できるものではないとともに、Ｃ（炭素）の未結合手が被削材と結合して溶着を生じ易く、特に鉄系材料に対して不向きであった。Ｃの未結合手にＨ（水素）を添加することで、被削材との結合を防ぐことが提案されているが、靱性の低下等の別の問題が発生する。一方、窒化炭素は、上記ＤＬＣの問題点であるＣの未接合手にＮ（窒素）を結合した構造で、優れた耐溶着性が得られるが、ＤＬＣに比較して付着強度が弱くて剥離し易く、切削工具等においては必ずしも十分な耐久性が得られないという問題があった。
【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、耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに、高い付着強度が得られ、切削工具等においても優れた耐久性が得られる高寿命の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】
【０００５】
かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の基材の表面に設けられる硬質被膜であって、(a) 元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属およびＳｉの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成されており、前記基材の表面に設けられる化合物層と、(b) 窒素含有量が３〜４０at％（原子％）の範囲内の窒化炭素にて構成されているとともに、外表面を構成するように最上層に設けられる窒化炭素層と、(c) その窒化炭素層および前記化合物層が混ざり合った中間的な組成で、その化合物層とその窒化炭素層との間にそれ等に接するように設けられた中間層と、を有し、且つ、(d) 全体の平均膜厚Ｄが０．０５〜２０μｍの範囲内であ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、前記中間層は、前記化合物層から前記窒化炭素層に向かうに従って、その化合物層に近い組成から窒化炭素層に近い組成となるように混合割合が連続的または段階的に変化させ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、前記窒化炭素層のナノインデンテーション硬さは１５〜５５ＧＰａの範囲内であることを特徴とする。
【０００８】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜において、前記窒化炭素層は、単結合および２重結合の窒化炭素を共に含んでいることを特徴とする。
【０００９】
第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかの硬質被膜において、前記窒化炭素層の厚さは０．００５〜３μｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１０】
第６発明は、基材の表面に硬質被膜が設けられている硬質被膜被覆工具であって、その硬質被膜は、第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１発明の硬質被膜においては、元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属およびＳｉの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体から成る化合物層が基材の表面に設けられるとともに、窒素含有量が３〜４０at％の窒化炭素層が外表面を構成するように最上層に設けられ、且つ、それ等の中間的な組成の中間層がその化合物層と窒化炭素層との間に設けられており、全体の平均膜厚Ｄが０．０５〜２０μｍの範囲内とされているため、最上層の窒化炭素層により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる一方、基材の表面には化合物層が設けられているため、高い付着強度が得られて剥離等が抑制され、切削工具等の硬質被膜として用いる場合でも優れた耐久性が得られる。これにより、例えば第６発明のように硬質被膜被覆工具の硬質被膜として好適に用いられ、溶着が生じ易い環境下（真空中など）での加工の耐溶着性が向上するとともに、ステンレス鋼、耐熱合金鋼などの鉄系材料に対する加工が可能になり、優れた工具寿命や加工の安定性が得られる一方、アルミニウム合金等の非鉄系材料に対してはドライ加工やセミドライ加工への展開が期待できる。
【００１２】
また、化合物層と窒化炭素層との間には、それ等の中間的な組成の中間層が設けられているため、その中間層を介して窒化炭素層が高い付着強度で化合物層に付着され、硬質被膜全体の付着強度が高くなって耐剥離性が一層向上する。
【００１３】
また、上記窒化炭素層は、成膜条件を変更することにより容易に硬さ調整を行うことができるため、硬質被膜を設ける対象物や目的等に応じて硬さや靱性などの被膜特性を適宜設定できる。第３発明のように、窒化炭素層のナノインデンテーション硬さを１５〜５５ＧＰａの範囲内とすれば、優れた耐摩耗性が得られ、切削工具の硬質被膜に好適に適用される。
【００１４】
第２発明の中間層は、化合物層から窒化炭素層に向かうに従って、その化合物層に近い組成から窒化炭素層に近い組成となるように混合割合が連続的または段階的に変化させられているため、その中間層を介して窒化炭素層が一層高い付着強度で化合物層に付着され、耐剥離性が一層向上する。
【００１５】
第４発明では、単結合および２重結合の窒化炭素を共に含んで窒化炭素層が構成されているため、成膜条件を変更してそれ等の割合を変更することにより、窒化炭素層の硬さを調整することができる。すなわち、単結合の窒化炭素は２重結合の窒化炭素よりも高硬度であるため、その単結合の窒化炭素の割合が高くなるように成膜条件を設定すれば、窒化炭素層全体の硬さを高くすることができる一方、２重結合の窒化炭素の割合を高くすれば靱性を向上させることができる。なお、窒化炭素には３重結合が存在するが、結合の終端を担うのみであり機械的な性質には関係しない。
【００１６】
第５発明では、窒化炭素層の厚さが０．００５〜３μｍの範囲内であるため、化合物層および中間層の存在で窒化炭素層の付着強度を向上させつつ、その窒化炭素層により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。
【００１７】
第６発明の硬質被膜被覆工具は、上記第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜で被覆されているため、実質的に第１発明〜第５発明と同様の作用効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、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工具に好適に適用されるが、このような加工工具以外でも軸受部材など耐摩耗性や耐久性が要求される種々の部材の硬質被膜に適用され得る。
【００１９】
元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属は、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどで、化合物層は、それ等の金属およびＳｉの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成される。具体的には、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＳｉＮなどで、その化合物層の平均膜厚は、コーティングする部材や被膜の組成などによって異なるが、例えば０．１〜１０μｍ程度の範囲内が適当である。
【００２０】
上記化合物層は、例えばアークイオンプレーティング法やイオンビーム蒸着法、スパッタリング法、ＰＬＤ（Pulse Laser Deposition) 法、ＩＢＡＤ（Ion Beam Assisted Deposition；イオンビーム支援蒸着）法等のＰＶＤ法によって好適に設けられるが、他の成膜法を採用することもできる。
【００２１】
窒化炭素層は、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法、ＩＢＡＤ法等のＰＶＤ法によって好適に成膜できるが、他の成膜法を採用することもできる。
【００２２】
窒化炭素層の窒素含有量は、成膜条件を変更することによって調整することが可能で、例えばアークイオンプレーティング法では窒素ガス流量の制御で調整でき、ＩＢＡＤ法の場合はプラズマ濃度を制御することによって調整できる。この窒素含有量が３at％未満では、窒素をＣ（炭素）の未結合手に結合して耐溶着性を向上させる効果が十分に得られない一方、４０at％を越えると、単結合の窒化炭素が多くなって脆くなるため、３〜４０at％の範囲内で設定することが望ましく、特に５〜３５at％の範囲内が適当である。
【００２３】
全体の平均膜厚Ｄは、０．０５μｍ未満であると硬質被膜としての機能が十分に得られない一方、２０μｍを越えると剥離したり欠けたりし易くなるため、０．０５〜２０μｍの範囲内で設定することが望ましい。
【００２４】
第２発明の中間層は、化合物層に近い組成から窒化炭素層に近い組成となるようにそれ等の混合割合が連続的または段階的に変化させられているが、第１発明の実施に際しては、一定の混合割合（例えば５０％ずつ）で組成が一定の中間層を採用することもできる。第２発明の中間層は、例えば化合物層と同じ組成から窒化炭素層と同じ組成となるまで滑らかに連続的に変化するように構成されるが、混合割合が２段階、或いは３段階以上の多段階で段階的に変化している複数の層によって中間層を構成することもできる。混合割合は、例えば化合物および窒化炭素を短い時間間隔で交互に形成するとともに、その成膜時間の割合を変化させることによって調整できる。両者を同時に成膜処理するとともに、その成膜条件を変更することによって混合割合を調整することもできるし、一方のみ連続的に形成して他方を断続的に形成するようにしても良いなど、種々の成膜手法を採用できる。
【００２５】
第３発明では、窒化炭素層のナノインデンテーション硬さが１５〜５５ＧＰａの範囲内であり、切削工具の硬質被膜に好適に適用されるが、硬質被膜を設ける対象物や目的等に応じて窒化炭素層の硬さは適宜変更できる。
【００２６】
第４発明では、単結合（ｓｐ３結合）および２重結合（ｓｐ２結合）の窒化炭素を共に含んで窒化炭素層が構成されているが、他に３重結合の窒化炭素を含んでいても差し支えない。このような窒化炭素層は、規則的な結晶構造を持たないアモルファスである。なお、他の発明の実施に際しては、単結合および３重結合から成る窒化炭素層、或いは２重結合および３重結合から成る窒化炭素層など、他の構造の窒化炭素層を採用することもできる。
【００２７】
第５発明では、窒化炭素層の厚さが０．００５〜３μｍの範囲内であるが、他の発明の実施に際しては、窒化炭素層の厚さが０．００５μｍ未満であったり３μｍを越えていたりしても良い。中間層の膜厚は、その組成が連続的に変化しているか段階的に変化しているか、或いは一定の中間組成か等によっても異なるが、例えば０．１〜１０μｍ程度の範囲内が適当である。
【００２８】
第６発明の硬質被膜被覆工具の基材としては、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、単結晶ダイヤモンド、多結晶ＣＢＮ、単結晶ＣＢＮなど、種々の工具材料を採用できる。
【実施例】
【００２９】
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、本発明の硬質被膜被覆工具の一例であるドリル１０を示す図で、(a) は軸心Ｏと直角な方向から見た正面図、(b) は切れ刃１２が設けられた先端側から見た拡大底面図である。このドリル１０は、２枚刃のツイストドリルで、シャンク１４およびボデー１６を軸方向に一体に備えており、ボデー１６には軸心Ｏの右まわりにねじれた一対の溝１８が形成されている。ボデー１６の先端には、溝１８に対応して一対の切れ刃１２が設けられており、シャンク１４側から見て軸心Ｏの右まわりに回転駆動されることにより切れ刃１２によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝１８を通ってシャンク１４側へ排出される。
【００３０】
図１の(c) は、ボデー１６における表面付近の拡大断面図で、高速度工具鋼（ハイス）製の工具基材２２の表面には硬質被膜２４がコーティングされている。硬質被膜２４は、工具基材２２の表面に設けられた化合物層２６と、その化合物層２６の上に直接設けられた化合物／ＣＮ（窒化炭素）傾斜層２７と、その化合物／ＣＮ傾斜層２７の上に直接設けられたＣＮ層２８とから成る３層構造で、そのＣＮ層２８によって外表面が構成されている。化合物層２６は、元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属およびＳｉの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体で、具体的にはＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＳｉＮなどである。ＣＮ層２８は、窒素含有量が３〜４０at％の範囲内で、単結合（ｓｐ３）および２重結合（ｓｐ２）のＣＮを共に含んで構成されており、そのナノインデンテーション硬さは１５〜５５ＧＰａの範囲内である。そして、これ等の化合物層２６とＣＮ層２８との間に設けられた化合物／ＣＮ傾斜層２７は、化合物層２６およびＣＮ層２８が混ざり合った中間的な組成の中間層で、本実施例では化合物層２６からＣＮ層２８に向かうに従って化合物層２６と同じ組成からＣＮ層２８と同じ組成に滑らかに連続的に変化するように、化合物とＣＮとの混合割合が直線的に連続的に変化させられている。また、この硬質被膜２４の全体の膜厚Ｄは０．０５〜２０μｍの範囲内で、ＣＮ層２８単独の平均膜厚は、例えば０．００５〜３μｍの範囲内である。なお、図１(a) において斜線を付した領域は、硬質被膜２４のコーティング範囲を表している。
【００３１】
図２の(a) は、上記ＣＮ層２８の結合構造の模式図で、Ｃは炭素原子、Ｎは窒素原子を表しており、(b) に示す単結合（ｓｐ３）および(c) に示す２重結合（ｓｐ２）がランダムに分布しているアモルファス構造である。また、図３は、ＣＮ層２８のラマンスペクトルの一例で、「Ｄ−ｐｅａｋ」は単結合のＣＮによるもので、「Ｇ−ｐｅａｋ」は２重結合のＣＮによるものであり、両ピークを有することにより、単結合および２重結合の両方を含んでいることが分かる。そして、それ等の結合の割合によって硬さ等の被膜特性を制御することが可能で、例えば高硬度の単結合の割合が大きくなるようにすればＣＮ層２８の硬度が高くなり、２重結合の割合が大きくなるようにすればＣＮ層２８の靱性が向上する。
【００３２】
また、上記ＣＮ（単結合＋２重結合）、ＤＬＣ、およびＴｉＮの３種類の硬質被膜で被覆したテストピースを用意し、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に示す結果が得られた。この場合のＣＮは、窒素含有量が約２０at％、ナノインデンテーション硬さが約２９ＧＰａで、テストピースの基材（超硬合金）上に直接コーティングしたものである。
（試験条件）
・相手材：ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）
・荷重：０．５Ｎ
・線速度：２５ｍｍ／ｓ
・時間：５００秒
・試験環境：大気
・室温：２５℃
・湿度：６０％
【００３３】
図５は、上記試験から摩擦係数を求めた結果で、ＣＮは約０．０９、ＤＬＣは約０．０８、ＴｉＮは約０．２７であり、ＣＮはＤＬＣと同様に摩擦係数が極めて小さい。ＤＬＣとＣＮの値が極めて近いため、図５ではそれ等のグラフが略重なっている。また、図６は、ＣＮおよびＤＬＣのテストピースの先端の摩耗痕を示す写真で、(a) はＣＮに生じた摩耗痕、(b) はＤＬＣに生じた摩耗痕である。それぞれに相手材の溶着が観察された。ＣＮに対するＦｅの溶着量とＤＬＣに対するＦｅの溶着量との比は約３：１０程度で、ＣＮはＤＬＣに比べて鉄に対して格段に優れた耐溶着性を有する。
【００３４】
一方、前記化合物層２６、化合物／ＣＮ傾斜層２７、およびＣＮ層２８は、アークイオンプレーティング法やＩＢＡＤ法（イオンビーム支援蒸着法）、スパッタリング法等のＰＶＤ法によって好適に成膜される。図７は、アークイオンプレーティング装置３０を説明する概略構成図（模式図）で、多数のワークすなわち硬質被膜２４を被覆する前の切れ刃１２、溝１８等が形成された工具基材２２を保持しているワーク保持具３２、そのワーク保持具３２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置３４、工具基材２２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源３６、工具基材２２などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ３８、チャンバ３８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置４０、チャンバ３８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４２、第１アーク電源４４、第２アーク電源４６等を備えている。ワーク保持具３２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、先端が略水平に外側へ突き出す姿勢で多数の工具基材２２を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置４０は、アルゴンガス（Ａｒ）、窒素ガス（Ｎ2 ）、および炭化水素ガス（ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ2 など）のタンクを備えており、化合物層２６および化合物／ＣＮ傾斜層２７の化合物を形成する時には、その組成すなわち炭化物か窒化物か炭窒化物かに応じて、炭化物の場合は炭化水素ガスを供給し、窒化物の場合は窒素ガスを供給し、炭窒化物の場合は炭化水素ガスおよび窒素ガスの両方を供給する。ＣＮ層２８および化合物／ＣＮ傾斜層２７のＣＮを形成する時には、アルゴンガスおよび窒素ガスを所定の割合で供給する。
【００３５】
第１アーク電源４４は、前記化合物層２６の構成物質である元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属およびＳｉの何れか、或いはそれ等の相互固溶体（合金）、具体的にはＴｉＡｌ、ＴｉＣｒ、ＴｉＳｉ、ＴｉＡｌＣｒ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ、ＡｌＣｒ、ＣｒＳｉなどから成る第１蒸発源４８をカソードとして、アノード５０との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第１蒸発源４８からそれ等の金属または合金を蒸発させるもので、蒸発した金属または合金は正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具基材２２に付着する。そして、前記反応ガス供給装置４０から供給される反応ガスに応じて、それ等の金属や合金の炭化物、窒化物、或いは炭窒化物から成る化合物層２６が形成される。また、第２アーク電源４６は、炭素（Ｃ）から成る第２蒸発源５２をカソードとして、アノード５４との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第２蒸発源５２から炭素を蒸発させるもので、蒸発した炭素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基材２２に付着させられる。そして、前記反応ガス供給装置４０からアルゴンガスおよび窒素ガスが供給されることにより、ＣＮ層２８が形成される。その場合に、所定の硬さや組成のＣＮが得られるように、アーク電流やバイアス電圧等の成膜条件が定められる。膜厚については、例えば成膜時間で調整できる。なお、上記アーク電源４４、４６や蒸発源４８、５２等は、図７に示すように略対称的な２箇所に設けるだけでも良いが、例えば９０°間隔で交互に計４箇所に設けることもできる。
【００３６】
上記ＣＮ層２８を形成する際には、単結合（ｓｐ３）および２重結合（ｓｐ２）を共に含むように成膜条件が定められ、処理温度は２０〜２５０℃の範囲内で例えば１５０℃程度、バイアス電圧は１５〜３００Ｖの範囲内で例えば１００Ｖ程度に設定される。また、窒素ガスの供給流量は、ＣＮ層２８内の窒素含有量が３〜４０at％の範囲内となるように定められる。
【００３７】
一方、上記化合物層２６の構成物質と同じ化合物とＣＮ層２８の構成物質であるＣＮとが混ざり合っているとともに、その混合割合が連続的に変化させられている化合物／ＣＮ傾斜層２７は、例えばそれ等の化合物とＣＮとを短い時間間隔で交互に形成するとともに、その成膜時間の割合を連続的に変化させることによって形成できる。個々の成膜条件は、前記化合物層２６、ＣＮ層２８を形成する場合と同じで良い。
【００３８】
図８は、上記のように構成された本発明品（No１０〜No２０）と比較品（No１〜No９）とを用いて、以下の加工条件で穴明け加工を行い、耐久性を調べた結果を説明する図である。比較品において網掛けを付した欄は、本発明（請求項１）の要件から外れている項目である。
（加工条件）
・工具形状：φ６ハイスツイストドリル
・被削材：ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）
・切削速度：２０ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．１６ｍｍ／ｒｅｖ
・加工深さ：２４ｍｍ貫通穴
・切削油：水溶性
・ステップ量：ノンステップ
【００３９】
図８の試験結果から明らかなように、工具基材２２上にＤＬＣ層のみを直接設けた比較品No１は、２５０穴加工時に溶着等により異音が発生し、加工不可になった。化合物層２６の上に化合物／ＤＬＣ傾斜層を介してＤＬＣ層を設けた比較品No２およびNo３、化合物層２６を設けることなくＣＮ層２８のみを工具基材２２上に直接設けた比較品No４は、１０００穴加工時の切れ刃１２の逃げ面摩耗幅がそれぞれ０．４２ｍｍ、０．３９ｍｍ、０．３８ｍｍであるのに対し、本発明品は何れも合格判定基準である０．３ｍｍよりも小さい。また、本発明品と同様に化合物層２６、化合物／ＣＮ傾斜層２７、およびＣＮ層２８から成る３層構造の比較品No５〜No９については、ＣＮ層２８の窒素含有量が４０at％を越えている比較品No５、No８の場合、そのＣＮ層２８の被膜硬さ（ナノインデンテーション硬さ）が高くなり過ぎて脆くなり、比較品No５では欠けや剥離等により２００穴で欠損が生じ、比較品No８では摩耗が促進される一方、窒素含有量が３at％に満たない比較品No６の場合、被膜硬さ（ナノインデンテーション硬さ）が低くて摩耗が促進される。硬質被膜２４全体の平均膜厚Ｄが２０μｍを越えている比較品No７、No９の場合、剥離等により摩耗が促進され、硬質被膜２４による耐摩耗性の向上効果が十分に得られない。
【００４０】
このように、本実施例のドリル１０の硬質被膜２４は、工具基材２２の表面に化合物層２６が設けられるとともに、窒素含有量が３〜４０at％のＣＮ層２８が外表面を構成するように最上層に設けられ、且つ、それ等の中間的な組成の化合物／ＣＮ傾斜層２７がその化合物層２６とＣＮ層２８との間に設けられており、全体の平均膜厚Ｄが０．０５〜２０μｍの範囲内とされているため、最上層のＣＮ層２８により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。また、工具基材２２の表面には化合物層２６が設けられているため、高い付着強度が得られて剥離等が抑制され、優れた耐久性が得られる。更に、化合物層２６とＣＮ層２８との間には、それ等の中間的な組成の化合物／ＣＮ傾斜層２７が設けられているため、その化合物／ＣＮ傾斜層２７を介してＣＮ層２８が高い付着強度で化合物層２６に付着され、硬質被膜２４全体の付着強度が高くなって耐剥離性が一層向上する。
【００４１】
これにより、溶着が生じ易い環境下（真空中など）での加工の耐溶着性が向上するとともに、ステンレス鋼、耐熱合金鋼などの鉄系材料に対する加工が可能になり、優れた工具寿命や加工の安定性が得られる一方、アルミニウム合金等の非鉄系材料に対してはドライ加工やセミドライ加工への展開が期待できる。
【００４２】
また、ＣＮ層２８は、成膜条件を変更することにより容易に硬さ調整を行うことが可能で、本実施例ではＣＮ層２８のナノインデンテーション硬さが１５〜５５ＧＰａの範囲内とされているため、優れた耐摩耗性が得られ、ドリル１０の耐久性が向上する。
【００４３】
また、本実施例では、化合物層２６からＣＮ層２８に向かうに従って、その化合物層２６に近い組成からＣＮ層２８に近い組成となるように、化合物とＣＮとの混合割合が連続的に変化している化合物／ＣＮ傾斜層２７が中間層として設けられているため、その化合物／ＣＮ傾斜層２７を介してＣＮ層２８が一層高い付着強度で化合物層２６に付着され、耐剥離性が一層向上する。
【００４４】
また、本実施例では単結合および２重結合のＣＮを共に含んでＣＮ層２８が構成されているため、成膜条件を変更してそれ等の割合を変更することにより、ＣＮ層２８の硬さを調整することができる。すなわち、単結合のＣＮは２重結合のＣＮよりも高硬度であるため、その単結合のＣＮの割合が高くなるようにバイアス電圧やアーク電流等の成膜条件を設定すれば、ＣＮ層２８全体の硬さを高くすることができる一方、２重結合のＣＮの割合が高くなるようにすれば靱性を向上させることができる。
【００４５】
また、本実施例ではＣＮ層２８の厚さが０．００５〜３μｍの範囲内であるため、化合物層２６および化合物／ＣＮ傾斜層２７の存在で付着強度を向上させつつ、ＣＮ層２８により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。
【００４６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の硬質被膜が設けられたドリルを示す図で、(a) は正面図、(b) は先端側から見た拡大底面図、(c) はボデーの表面近傍の拡大断面図である。
【図２】ＣＮ（窒化炭素）の構造を説明する模式図で、(a) は図１の硬質被膜のＣＮ層と同様に単結合および２重結合を有する場合、(b) は単結合の場合、(c) は２重結合の場合である。
【図３】単結合および２重結合を有するＣＮのラマンスペクトルの一例である。
【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５】図４の装置を用いてＣＮ、ＤＬＣ、およびＴｉＮの摩擦係数を測定した結果の一例を示す図である。
【図６】図４の装置を用いて摩擦摩耗試験を行った後のＣＮおよびＤＬＣの摩耗痕（溶着）を示す図である。
【図７】図１の硬質被膜を好適に成膜できるアークイオンプレーティング装置を説明する概略図である。
【図８】耐久性試験を行う際に用いた本発明品および比較品の諸元と、耐久性試験の結果を説明する図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０：ドリル（硬質被膜被覆工具） ２２：工具基材（基材） ２４：硬質被膜 ２６：化合物層 ２７：化合物／ＣＮ傾斜層（中間層） ２８：ＣＮ層（窒化炭素層） Ｄ：平均膜厚
【技術分野】
【０００１】
本発明は硬質被膜に係り、特に、耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに高い付着強度が得られ、工具や耐摩耗性部品等に好適に用いられる硬質被膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ドリルやエンドミル、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、種々の部材において、基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。特許文献１には、硬質被膜としてＤＬＣ（Diamond Like Carbon ；ダイヤモンド状カーボン）が設けられた工具が記載されている。ＤＬＣは緻密なアモルファス構造で、結晶学的にはダイヤモンドと異なるが、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の化合物被膜に比較して高い硬度を有する。また、特許文献２および３には、硬質被膜として窒化炭素を用いることや、その窒化炭素膜の製造方法について記載されている。窒化炭素は、摩擦係数が小さいとともに面が平滑で硬度も高く、優れた耐摩耗性や耐溶着性、耐熱性が得られる。
【特許文献１】特開２００５−２２０７３号公報
【特許文献２】特開２００２−３８２６９号公報
【特許文献３】特開２００６−６９８５６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、上記ＤＬＣは、耐熱性および耐摩耗性の点で必ずしも十分に満足できるものではないとともに、Ｃ（炭素）の未結合手が被削材と結合して溶着を生じ易く、特に鉄系材料に対して不向きであった。Ｃの未結合手にＨ（水素）を添加することで、被削材との結合を防ぐことが提案されているが、靱性の低下等の別の問題が発生する。一方、窒化炭素は、上記ＤＬＣの問題点であるＣの未接合手にＮ（窒素）を結合した構造で、優れた耐溶着性が得られるが、ＤＬＣに比較して付着強度が弱くて剥離し易く、切削工具等においては必ずしも十分な耐久性が得られないという問題があった。
【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、耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに、高い付着強度が得られ、切削工具等においても優れた耐久性が得られる高寿命の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】
【０００５】
かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の基材の表面に設けられる硬質被膜であって、(a) 元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属およびＳｉの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成されており、前記基材の表面に設けられる化合物層と、(b) 窒素含有量が３〜４０at％（原子％）の範囲内の窒化炭素にて構成されているとともに、外表面を構成するように最上層に設けられる窒化炭素層と、(c) その窒化炭素層および前記化合物層が混ざり合った中間的な組成で、その化合物層とその窒化炭素層との間にそれ等に接するように設けられた中間層と、を有し、且つ、(d) 全体の平均膜厚Ｄが０．０５〜２０μｍの範囲内であ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、前記中間層は、前記化合物層から前記窒化炭素層に向かうに従って、その化合物層に近い組成から窒化炭素層に近い組成となるように混合割合が連続的または段階的に変化させ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、前記窒化炭素層のナノインデンテーション硬さは１５〜５５ＧＰａの範囲内であることを特徴とする。
【０００８】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜において、前記窒化炭素層は、単結合および２重結合の窒化炭素を共に含んでいることを特徴とする。
【０００９】
第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかの硬質被膜において、前記窒化炭素層の厚さは０．００５〜３μｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１０】
第６発明は、基材の表面に硬質被膜が設けられている硬質被膜被覆工具であって、その硬質被膜は、第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１発明の硬質被膜においては、元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属およびＳｉの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体から成る化合物層が基材の表面に設けられるとともに、窒素含有量が３〜４０at％の窒化炭素層が外表面を構成するように最上層に設けられ、且つ、それ等の中間的な組成の中間層がその化合物層と窒化炭素層との間に設けられており、全体の平均膜厚Ｄが０．０５〜２０μｍの範囲内とされているため、最上層の窒化炭素層により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる一方、基材の表面には化合物層が設けられているため、高い付着強度が得られて剥離等が抑制され、切削工具等の硬質被膜として用いる場合でも優れた耐久性が得られる。これにより、例えば第６発明のように硬質被膜被覆工具の硬質被膜として好適に用いられ、溶着が生じ易い環境下（真空中など）での加工の耐溶着性が向上するとともに、ステンレス鋼、耐熱合金鋼などの鉄系材料に対する加工が可能になり、優れた工具寿命や加工の安定性が得られる一方、アルミニウム合金等の非鉄系材料に対してはドライ加工やセミドライ加工への展開が期待できる。
【００１２】
また、化合物層と窒化炭素層との間には、それ等の中間的な組成の中間層が設けられているため、その中間層を介して窒化炭素層が高い付着強度で化合物層に付着され、硬質被膜全体の付着強度が高くなって耐剥離性が一層向上する。
【００１３】
また、上記窒化炭素層は、成膜条件を変更することにより容易に硬さ調整を行うことができるため、硬質被膜を設ける対象物や目的等に応じて硬さや靱性などの被膜特性を適宜設定できる。第３発明のように、窒化炭素層のナノインデンテーション硬さを１５〜５５ＧＰａの範囲内とすれば、優れた耐摩耗性が得られ、切削工具の硬質被膜に好適に適用される。
【００１４】
第２発明の中間層は、化合物層から窒化炭素層に向かうに従って、その化合物層に近い組成から窒化炭素層に近い組成となるように混合割合が連続的または段階的に変化させられているため、その中間層を介して窒化炭素層が一層高い付着強度で化合物層に付着され、耐剥離性が一層向上する。
【００１５】
第４発明では、単結合および２重結合の窒化炭素を共に含んで窒化炭素層が構成されているため、成膜条件を変更してそれ等の割合を変更することにより、窒化炭素層の硬さを調整することができる。すなわち、単結合の窒化炭素は２重結合の窒化炭素よりも高硬度であるため、その単結合の窒化炭素の割合が高くなるように成膜条件を設定すれば、窒化炭素層全体の硬さを高くすることができる一方、２重結合の窒化炭素の割合を高くすれば靱性を向上させることができる。なお、窒化炭素には３重結合が存在するが、結合の終端を担うのみであり機械的な性質には関係しない。
【００１６】
第５発明では、窒化炭素層の厚さが０．００５〜３μｍの範囲内であるため、化合物層および中間層の存在で窒化炭素層の付着強度を向上させつつ、その窒化炭素層により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。
【００１７】
第６発明の硬質被膜被覆工具は、上記第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜で被覆されているため、実質的に第１発明〜第５発明と同様の作用効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、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工具に好適に適用されるが、このような加工工具以外でも軸受部材など耐摩耗性や耐久性が要求される種々の部材の硬質被膜に適用され得る。
【００１９】
元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属は、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどで、化合物層は、それ等の金属およびＳｉの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成される。具体的には、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＳｉＮなどで、その化合物層の平均膜厚は、コーティングする部材や被膜の組成などによって異なるが、例えば０．１〜１０μｍ程度の範囲内が適当である。
【００２０】
上記化合物層は、例えばアークイオンプレーティング法やイオンビーム蒸着法、スパッタリング法、ＰＬＤ（Pulse Laser Deposition) 法、ＩＢＡＤ（Ion Beam Assisted Deposition；イオンビーム支援蒸着）法等のＰＶＤ法によって好適に設けられるが、他の成膜法を採用することもできる。
【００２１】
窒化炭素層は、アークイオンプレーティング法やスパッタリング法、ＩＢＡＤ法等のＰＶＤ法によって好適に成膜できるが、他の成膜法を採用することもできる。
【００２２】
窒化炭素層の窒素含有量は、成膜条件を変更することによって調整することが可能で、例えばアークイオンプレーティング法では窒素ガス流量の制御で調整でき、ＩＢＡＤ法の場合はプラズマ濃度を制御することによって調整できる。この窒素含有量が３at％未満では、窒素をＣ（炭素）の未結合手に結合して耐溶着性を向上させる効果が十分に得られない一方、４０at％を越えると、単結合の窒化炭素が多くなって脆くなるため、３〜４０at％の範囲内で設定することが望ましく、特に５〜３５at％の範囲内が適当である。
【００２３】
全体の平均膜厚Ｄは、０．０５μｍ未満であると硬質被膜としての機能が十分に得られない一方、２０μｍを越えると剥離したり欠けたりし易くなるため、０．０５〜２０μｍの範囲内で設定することが望ましい。
【００２４】
第２発明の中間層は、化合物層に近い組成から窒化炭素層に近い組成となるようにそれ等の混合割合が連続的または段階的に変化させられているが、第１発明の実施に際しては、一定の混合割合（例えば５０％ずつ）で組成が一定の中間層を採用することもできる。第２発明の中間層は、例えば化合物層と同じ組成から窒化炭素層と同じ組成となるまで滑らかに連続的に変化するように構成されるが、混合割合が２段階、或いは３段階以上の多段階で段階的に変化している複数の層によって中間層を構成することもできる。混合割合は、例えば化合物および窒化炭素を短い時間間隔で交互に形成するとともに、その成膜時間の割合を変化させることによって調整できる。両者を同時に成膜処理するとともに、その成膜条件を変更することによって混合割合を調整することもできるし、一方のみ連続的に形成して他方を断続的に形成するようにしても良いなど、種々の成膜手法を採用できる。
【００２５】
第３発明では、窒化炭素層のナノインデンテーション硬さが１５〜５５ＧＰａの範囲内であり、切削工具の硬質被膜に好適に適用されるが、硬質被膜を設ける対象物や目的等に応じて窒化炭素層の硬さは適宜変更できる。
【００２６】
第４発明では、単結合（ｓｐ３結合）および２重結合（ｓｐ２結合）の窒化炭素を共に含んで窒化炭素層が構成されているが、他に３重結合の窒化炭素を含んでいても差し支えない。このような窒化炭素層は、規則的な結晶構造を持たないアモルファスである。なお、他の発明の実施に際しては、単結合および３重結合から成る窒化炭素層、或いは２重結合および３重結合から成る窒化炭素層など、他の構造の窒化炭素層を採用することもできる。
【００２７】
第５発明では、窒化炭素層の厚さが０．００５〜３μｍの範囲内であるが、他の発明の実施に際しては、窒化炭素層の厚さが０．００５μｍ未満であったり３μｍを越えていたりしても良い。中間層の膜厚は、その組成が連続的に変化しているか段階的に変化しているか、或いは一定の中間組成か等によっても異なるが、例えば０．１〜１０μｍ程度の範囲内が適当である。
【００２８】
第６発明の硬質被膜被覆工具の基材としては、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、単結晶ダイヤモンド、多結晶ＣＢＮ、単結晶ＣＢＮなど、種々の工具材料を採用できる。
【実施例】
【００２９】
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、本発明の硬質被膜被覆工具の一例であるドリル１０を示す図で、(a) は軸心Ｏと直角な方向から見た正面図、(b) は切れ刃１２が設けられた先端側から見た拡大底面図である。このドリル１０は、２枚刃のツイストドリルで、シャンク１４およびボデー１６を軸方向に一体に備えており、ボデー１６には軸心Ｏの右まわりにねじれた一対の溝１８が形成されている。ボデー１６の先端には、溝１８に対応して一対の切れ刃１２が設けられており、シャンク１４側から見て軸心Ｏの右まわりに回転駆動されることにより切れ刃１２によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝１８を通ってシャンク１４側へ排出される。
【００３０】
図１の(c) は、ボデー１６における表面付近の拡大断面図で、高速度工具鋼（ハイス）製の工具基材２２の表面には硬質被膜２４がコーティングされている。硬質被膜２４は、工具基材２２の表面に設けられた化合物層２６と、その化合物層２６の上に直接設けられた化合物／ＣＮ（窒化炭素）傾斜層２７と、その化合物／ＣＮ傾斜層２７の上に直接設けられたＣＮ層２８とから成る３層構造で、そのＣＮ層２８によって外表面が構成されている。化合物層２６は、元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属およびＳｉの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体で、具体的にはＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＺｒＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＳｉＮなどである。ＣＮ層２８は、窒素含有量が３〜４０at％の範囲内で、単結合（ｓｐ３）および２重結合（ｓｐ２）のＣＮを共に含んで構成されており、そのナノインデンテーション硬さは１５〜５５ＧＰａの範囲内である。そして、これ等の化合物層２６とＣＮ層２８との間に設けられた化合物／ＣＮ傾斜層２７は、化合物層２６およびＣＮ層２８が混ざり合った中間的な組成の中間層で、本実施例では化合物層２６からＣＮ層２８に向かうに従って化合物層２６と同じ組成からＣＮ層２８と同じ組成に滑らかに連続的に変化するように、化合物とＣＮとの混合割合が直線的に連続的に変化させられている。また、この硬質被膜２４の全体の膜厚Ｄは０．０５〜２０μｍの範囲内で、ＣＮ層２８単独の平均膜厚は、例えば０．００５〜３μｍの範囲内である。なお、図１(a) において斜線を付した領域は、硬質被膜２４のコーティング範囲を表している。
【００３１】
図２の(a) は、上記ＣＮ層２８の結合構造の模式図で、Ｃは炭素原子、Ｎは窒素原子を表しており、(b) に示す単結合（ｓｐ３）および(c) に示す２重結合（ｓｐ２）がランダムに分布しているアモルファス構造である。また、図３は、ＣＮ層２８のラマンスペクトルの一例で、「Ｄ−ｐｅａｋ」は単結合のＣＮによるもので、「Ｇ−ｐｅａｋ」は２重結合のＣＮによるものであり、両ピークを有することにより、単結合および２重結合の両方を含んでいることが分かる。そして、それ等の結合の割合によって硬さ等の被膜特性を制御することが可能で、例えば高硬度の単結合の割合が大きくなるようにすればＣＮ層２８の硬度が高くなり、２重結合の割合が大きくなるようにすればＣＮ層２８の靱性が向上する。
【００３２】
また、上記ＣＮ（単結合＋２重結合）、ＤＬＣ、およびＴｉＮの３種類の硬質被膜で被覆したテストピースを用意し、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に示す結果が得られた。この場合のＣＮは、窒素含有量が約２０at％、ナノインデンテーション硬さが約２９ＧＰａで、テストピースの基材（超硬合金）上に直接コーティングしたものである。
（試験条件）
・相手材：ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）
・荷重：０．５Ｎ
・線速度：２５ｍｍ／ｓ
・時間：５００秒
・試験環境：大気
・室温：２５℃
・湿度：６０％
【００３３】
図５は、上記試験から摩擦係数を求めた結果で、ＣＮは約０．０９、ＤＬＣは約０．０８、ＴｉＮは約０．２７であり、ＣＮはＤＬＣと同様に摩擦係数が極めて小さい。ＤＬＣとＣＮの値が極めて近いため、図５ではそれ等のグラフが略重なっている。また、図６は、ＣＮおよびＤＬＣのテストピースの先端の摩耗痕を示す写真で、(a) はＣＮに生じた摩耗痕、(b) はＤＬＣに生じた摩耗痕である。それぞれに相手材の溶着が観察された。ＣＮに対するＦｅの溶着量とＤＬＣに対するＦｅの溶着量との比は約３：１０程度で、ＣＮはＤＬＣに比べて鉄に対して格段に優れた耐溶着性を有する。
【００３４】
一方、前記化合物層２６、化合物／ＣＮ傾斜層２７、およびＣＮ層２８は、アークイオンプレーティング法やＩＢＡＤ法（イオンビーム支援蒸着法）、スパッタリング法等のＰＶＤ法によって好適に成膜される。図７は、アークイオンプレーティング装置３０を説明する概略構成図（模式図）で、多数のワークすなわち硬質被膜２４を被覆する前の切れ刃１２、溝１８等が形成された工具基材２２を保持しているワーク保持具３２、そのワーク保持具３２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置３４、工具基材２２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源３６、工具基材２２などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ３８、チャンバ３８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置４０、チャンバ３８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４２、第１アーク電源４４、第２アーク電源４６等を備えている。ワーク保持具３２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、先端が略水平に外側へ突き出す姿勢で多数の工具基材２２を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置４０は、アルゴンガス（Ａｒ）、窒素ガス（Ｎ2 ）、および炭化水素ガス（ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ2 など）のタンクを備えており、化合物層２６および化合物／ＣＮ傾斜層２７の化合物を形成する時には、その組成すなわち炭化物か窒化物か炭窒化物かに応じて、炭化物の場合は炭化水素ガスを供給し、窒化物の場合は窒素ガスを供給し、炭窒化物の場合は炭化水素ガスおよび窒素ガスの両方を供給する。ＣＮ層２８および化合物／ＣＮ傾斜層２７のＣＮを形成する時には、アルゴンガスおよび窒素ガスを所定の割合で供給する。
【００３５】
第１アーク電源４４は、前記化合物層２６の構成物質である元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属およびＳｉの何れか、或いはそれ等の相互固溶体（合金）、具体的にはＴｉＡｌ、ＴｉＣｒ、ＴｉＳｉ、ＴｉＡｌＣｒ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ、ＡｌＣｒ、ＣｒＳｉなどから成る第１蒸発源４８をカソードとして、アノード５０との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第１蒸発源４８からそれ等の金属または合金を蒸発させるもので、蒸発した金属または合金は正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具基材２２に付着する。そして、前記反応ガス供給装置４０から供給される反応ガスに応じて、それ等の金属や合金の炭化物、窒化物、或いは炭窒化物から成る化合物層２６が形成される。また、第２アーク電源４６は、炭素（Ｃ）から成る第２蒸発源５２をカソードとして、アノード５４との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第２蒸発源５２から炭素を蒸発させるもので、蒸発した炭素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基材２２に付着させられる。そして、前記反応ガス供給装置４０からアルゴンガスおよび窒素ガスが供給されることにより、ＣＮ層２８が形成される。その場合に、所定の硬さや組成のＣＮが得られるように、アーク電流やバイアス電圧等の成膜条件が定められる。膜厚については、例えば成膜時間で調整できる。なお、上記アーク電源４４、４６や蒸発源４８、５２等は、図７に示すように略対称的な２箇所に設けるだけでも良いが、例えば９０°間隔で交互に計４箇所に設けることもできる。
【００３６】
上記ＣＮ層２８を形成する際には、単結合（ｓｐ３）および２重結合（ｓｐ２）を共に含むように成膜条件が定められ、処理温度は２０〜２５０℃の範囲内で例えば１５０℃程度、バイアス電圧は１５〜３００Ｖの範囲内で例えば１００Ｖ程度に設定される。また、窒素ガスの供給流量は、ＣＮ層２８内の窒素含有量が３〜４０at％の範囲内となるように定められる。
【００３７】
一方、上記化合物層２６の構成物質と同じ化合物とＣＮ層２８の構成物質であるＣＮとが混ざり合っているとともに、その混合割合が連続的に変化させられている化合物／ＣＮ傾斜層２７は、例えばそれ等の化合物とＣＮとを短い時間間隔で交互に形成するとともに、その成膜時間の割合を連続的に変化させることによって形成できる。個々の成膜条件は、前記化合物層２６、ＣＮ層２８を形成する場合と同じで良い。
【００３８】
図８は、上記のように構成された本発明品（No１０〜No２０）と比較品（No１〜No９）とを用いて、以下の加工条件で穴明け加工を行い、耐久性を調べた結果を説明する図である。比較品において網掛けを付した欄は、本発明（請求項１）の要件から外れている項目である。
（加工条件）
・工具形状：φ６ハイスツイストドリル
・被削材：ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）
・切削速度：２０ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．１６ｍｍ／ｒｅｖ
・加工深さ：２４ｍｍ貫通穴
・切削油：水溶性
・ステップ量：ノンステップ
【００３９】
図８の試験結果から明らかなように、工具基材２２上にＤＬＣ層のみを直接設けた比較品No１は、２５０穴加工時に溶着等により異音が発生し、加工不可になった。化合物層２６の上に化合物／ＤＬＣ傾斜層を介してＤＬＣ層を設けた比較品No２およびNo３、化合物層２６を設けることなくＣＮ層２８のみを工具基材２２上に直接設けた比較品No４は、１０００穴加工時の切れ刃１２の逃げ面摩耗幅がそれぞれ０．４２ｍｍ、０．３９ｍｍ、０．３８ｍｍであるのに対し、本発明品は何れも合格判定基準である０．３ｍｍよりも小さい。また、本発明品と同様に化合物層２６、化合物／ＣＮ傾斜層２７、およびＣＮ層２８から成る３層構造の比較品No５〜No９については、ＣＮ層２８の窒素含有量が４０at％を越えている比較品No５、No８の場合、そのＣＮ層２８の被膜硬さ（ナノインデンテーション硬さ）が高くなり過ぎて脆くなり、比較品No５では欠けや剥離等により２００穴で欠損が生じ、比較品No８では摩耗が促進される一方、窒素含有量が３at％に満たない比較品No６の場合、被膜硬さ（ナノインデンテーション硬さ）が低くて摩耗が促進される。硬質被膜２４全体の平均膜厚Ｄが２０μｍを越えている比較品No７、No９の場合、剥離等により摩耗が促進され、硬質被膜２４による耐摩耗性の向上効果が十分に得られない。
【００４０】
このように、本実施例のドリル１０の硬質被膜２４は、工具基材２２の表面に化合物層２６が設けられるとともに、窒素含有量が３〜４０at％のＣＮ層２８が外表面を構成するように最上層に設けられ、且つ、それ等の中間的な組成の化合物／ＣＮ傾斜層２７がその化合物層２６とＣＮ層２８との間に設けられており、全体の平均膜厚Ｄが０．０５〜２０μｍの範囲内とされているため、最上層のＣＮ層２８により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。また、工具基材２２の表面には化合物層２６が設けられているため、高い付着強度が得られて剥離等が抑制され、優れた耐久性が得られる。更に、化合物層２６とＣＮ層２８との間には、それ等の中間的な組成の化合物／ＣＮ傾斜層２７が設けられているため、その化合物／ＣＮ傾斜層２７を介してＣＮ層２８が高い付着強度で化合物層２６に付着され、硬質被膜２４全体の付着強度が高くなって耐剥離性が一層向上する。
【００４１】
これにより、溶着が生じ易い環境下（真空中など）での加工の耐溶着性が向上するとともに、ステンレス鋼、耐熱合金鋼などの鉄系材料に対する加工が可能になり、優れた工具寿命や加工の安定性が得られる一方、アルミニウム合金等の非鉄系材料に対してはドライ加工やセミドライ加工への展開が期待できる。
【００４２】
また、ＣＮ層２８は、成膜条件を変更することにより容易に硬さ調整を行うことが可能で、本実施例ではＣＮ層２８のナノインデンテーション硬さが１５〜５５ＧＰａの範囲内とされているため、優れた耐摩耗性が得られ、ドリル１０の耐久性が向上する。
【００４３】
また、本実施例では、化合物層２６からＣＮ層２８に向かうに従って、その化合物層２６に近い組成からＣＮ層２８に近い組成となるように、化合物とＣＮとの混合割合が連続的に変化している化合物／ＣＮ傾斜層２７が中間層として設けられているため、その化合物／ＣＮ傾斜層２７を介してＣＮ層２８が一層高い付着強度で化合物層２６に付着され、耐剥離性が一層向上する。
【００４４】
また、本実施例では単結合および２重結合のＣＮを共に含んでＣＮ層２８が構成されているため、成膜条件を変更してそれ等の割合を変更することにより、ＣＮ層２８の硬さを調整することができる。すなわち、単結合のＣＮは２重結合のＣＮよりも高硬度であるため、その単結合のＣＮの割合が高くなるようにバイアス電圧やアーク電流等の成膜条件を設定すれば、ＣＮ層２８全体の硬さを高くすることができる一方、２重結合のＣＮの割合が高くなるようにすれば靱性を向上させることができる。
【００４５】
また、本実施例ではＣＮ層２８の厚さが０．００５〜３μｍの範囲内であるため、化合物層２６および化合物／ＣＮ傾斜層２７の存在で付着強度を向上させつつ、ＣＮ層２８により優れた耐熱性、耐摩耗性、および耐溶着性が得られる。
【００４６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の硬質被膜が設けられたドリルを示す図で、(a) は正面図、(b) は先端側から見た拡大底面図、(c) はボデーの表面近傍の拡大断面図である。
【図２】ＣＮ（窒化炭素）の構造を説明する模式図で、(a) は図１の硬質被膜のＣＮ層と同様に単結合および２重結合を有する場合、(b) は単結合の場合、(c) は２重結合の場合である。
【図３】単結合および２重結合を有するＣＮのラマンスペクトルの一例である。
【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５】図４の装置を用いてＣＮ、ＤＬＣ、およびＴｉＮの摩擦係数を測定した結果の一例を示す図である。
【図６】図４の装置を用いて摩擦摩耗試験を行った後のＣＮおよびＤＬＣの摩耗痕（溶着）を示す図である。
【図７】図１の硬質被膜を好適に成膜できるアークイオンプレーティング装置を説明する概略図である。
【図８】耐久性試験を行う際に用いた本発明品および比較品の諸元と、耐久性試験の結果を説明する図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０：ドリル（硬質被膜被覆工具） ２２：工具基材（基材） ２４：硬質被膜 ２６：化合物層 ２７：化合物／ＣＮ傾斜層（中間層） ２８：ＣＮ層（窒化炭素層） Ｄ：平均膜厚
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基材の表面に設けられる硬質被膜であって、
元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属およびＳｉの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成されており、前記基材の表面に設けられる化合物層と、
窒素含有量が３〜４０at％の範囲内の窒化炭素にて構成されているとともに、外表面を構成するように最上層に設けられる窒化炭素層と、
該窒化炭素層および前記化合物層が混ざり合った中間的な組成で、該化合物層と該窒化炭素層との間にそれ等に接するように設けられた中間層と、
を有し、且つ、全体の平均膜厚Ｄが０．０５〜２０μｍの範囲内である
ことを特徴とする硬質被膜。
【請求項２】
前記中間層は、前記化合物層から前記窒化炭素層に向かうに従って、該化合物層に近い組成から該窒化炭素層に近い組成となるように混合割合が連続的または段階的に変化させられている
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
【請求項３】
前記窒化炭素層のナノインデンテーション硬さは１５〜５５ＧＰａの範囲内である
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４】
前記窒化炭素層は、単結合および２重結合の窒化炭素を共に含んでいる
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項５】
前記窒化炭素層の厚さは０．００５〜３μｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項６】
基材の表面に硬質被膜が設けられている硬質被膜被覆工具であって、
前記硬質被膜は、請求項１〜５の何れか１項に記載の硬質被膜である
ことを特徴とする硬質被膜被覆工具。
【請求項１】
所定の基材の表面に設けられる硬質被膜であって、
元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属およびＳｉの何れかの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体にて構成されており、前記基材の表面に設けられる化合物層と、
窒素含有量が３〜４０at％の範囲内の窒化炭素にて構成されているとともに、外表面を構成するように最上層に設けられる窒化炭素層と、
該窒化炭素層および前記化合物層が混ざり合った中間的な組成で、該化合物層と該窒化炭素層との間にそれ等に接するように設けられた中間層と、
を有し、且つ、全体の平均膜厚Ｄが０．０５〜２０μｍの範囲内である
ことを特徴とする硬質被膜。
【請求項２】
前記中間層は、前記化合物層から前記窒化炭素層に向かうに従って、該化合物層に近い組成から該窒化炭素層に近い組成となるように混合割合が連続的または段階的に変化させられている
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
【請求項３】
前記窒化炭素層のナノインデンテーション硬さは１５〜５５ＧＰａの範囲内である
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４】
前記窒化炭素層は、単結合および２重結合の窒化炭素を共に含んでいる
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項５】
前記窒化炭素層の厚さは０．００５〜３μｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項６】
基材の表面に硬質被膜が設けられている硬質被膜被覆工具であって、
前記硬質被膜は、請求項１〜５の何れか１項に記載の硬質被膜である
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７】
【図８】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２５４１４５（Ｐ２００８−２５４１４５Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０１１９２（Ｐ２００７−１０１１９２）
【出願日】平成１９年４月６日（２００７．４．６）
【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２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月６日（２００７．４．６）
【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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