硬質被膜および硬質被膜被覆工具
【課題】共有結合やイオン結合によって構成されている硬質被膜に、生産性や被膜性能を大きく損なうことなく所定の導電性を持たせて、通電センサ等によって通電の有無を検出する場合にも使用できるようにする。
【解決手段】共有結合またはイオン結合によって構成されている機能層３４の上に、機能層３４と同じ組成であるが非金属元素の割合が機能層３４よりも低い導電層３６を設け、所定の導電性が得られるようにする。すなわち、非金属元素の割合が減ることで共有結合或いはイオン結合の割合が減少し、その分だけ金属結合の割合が増加して導電性が高くなる。これにより、通電センサ等によって検出される通電の有無などで位置を検出したり異常を検知したりする場合にも用いることができる。しかも、導電層３６は、機能層３４と同じ組成で非金属元素の割合を低くしただけであるため、被膜性能や生産性の低下を最小限に抑えることができる。
【解決手段】共有結合またはイオン結合によって構成されている機能層３４の上に、機能層３４と同じ組成であるが非金属元素の割合が機能層３４よりも低い導電層３６を設け、所定の導電性が得られるようにする。すなわち、非金属元素の割合が減ることで共有結合或いはイオン結合の割合が減少し、その分だけ金属結合の割合が増加して導電性が高くなる。これにより、通電センサ等によって検出される通電の有無などで位置を検出したり異常を検知したりする場合にも用いることができる。しかも、導電層３６は、機能層３４と同じ組成で非金属元素の割合を低くしただけであるため、被膜性能や生産性の低下を最小限に抑えることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共有結合またはイオン結合によって構成されている非導電性の硬質被膜に関し、特に、通電センサ等によって検出される通電の有無で位置を検出したり異常を検知したりする場合にも用いることができるように導電性を持たせる技術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、耐摩耗性や耐熱性、耐久性等を向上させることが提案されている（特許文献１参照）。そして、このような硬質被膜の一種に、例えばＡｌＣｒＮのように共有結合やイオン結合によって構成されているものがあり、これ等は一般に高硬度で靱性に優れており、高い耐摩耗性、耐熱性が得られる。
【特許文献１】特開２００２−１６０１２９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、このような共有結合やイオン結合によって構成されている硬質被膜は自由電子を持たないため所定の導電性が得られず、通電センサ等によって検出される通電の有無で位置を検出したり異常を検知したりする場合には用いることができない。例えば、ＡｌＮの電気抵抗は約１０15μｍΩ・ｃｍで、Ａｌ2 Ｏ3 の電気抵抗は約１０20μｍΩ・ｃｍとされており（何れも文献値）、一般的な通電センサの使用が可能な０．１μｍΩ・ｃｍに比べて遥かに大きい。これに対し、これ等の硬質被膜の上に更に金属結合を有する硬質被膜をコーティングすることが考えられるが、別工程の追加で生産性が低下して製造コストが高くなるだけでなく、最表層は被膜性能に大きく影響するため、その被膜性能の低下が懸念されて好ましくない。
【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、共有結合やイオン結合によって構成されている硬質被膜に、生産性や被膜性能を大きく損なうことなく所定の導電性を持たせて、通電センサ等によって通電の有無を検出する場合にも使用でき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、所定の基材の表面に設けられる硬質被膜であって、(a) 金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されている共有／イオン結合層を有する機能層と、(b) 前記共有／イオン結合層と同じ組成であるが 所定の導電性が得られるように前記非金属元素の割合がその共有／イオン結合層よりも低くされ、被膜表面を構成するように前記機能層の上に設けられている導電層と、を有す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) 前記導電層は、前記非金属元素の割合が前記共有／イオン結合層に対して原子量比で４０％〜９０％の範囲内とされており、(b) その導電層の膜厚は０．０２μｍ〜１μｍの範囲内であ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、前記機能層は、一定の組成で構成されている前記共有／イオン結合層の単層であることを特徴とする。
【０００８】
第４発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜において、前記機能層は、組成が異なる複数種類の共有／イオン結合層が積層された多層構造を成しており、前記導電層はその複数種類の共有／イオン結合層の何れか一つと同じ組成であることを特徴とする。
【０００９】
第５発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜において、前記機能層は、前記共有／イオン結合層の他にＤＬＣ（Diamond Like Carbon ；ダイヤモンド状カーボン）、ＢＮ、およびＣＮの何れかの硬質層が積層された多層構造を成していることを特徴とする。
【００１０】
第６発明は、第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜において、前記共有／イオン結合層は、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＡｌＯ4 、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、或いはＴｉＭＯX 、ＺｒＭＯX 、ＨｆＭＯX 、Ａｌ2 ＭＯX 、ＴｉＡｌＭＯX 、ＡｌＭＮ、ＡｌＣｒＭＮ（但し、Ｍは金属元素、Ｃ、Ｓｉ、Ｂの何れかで、２０原子％以下の割合で含まれる）の何れかであることを特徴とする。なお、「ＯX 」のＸは、Ｍの種類によって定まるＯ（酸素）の組成比である。
【００１１】
第７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６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】
【００１２】
第１発明の硬質被膜は、金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されている共有／イオン結合層を有する機能層と、その機能層の上に被膜表面を構成するように設けられた導電層とを備えており、その導電層は、共有／イオン結合層と同じ組成であるが非金属元素の割合が共有／イオン結合層よりも低くされているため、共有／イオン結合層に比較して高い導電性が得られるようになる。すなわち、非金属元素の割合が減ることで共有結合或いはイオン結合の割合が減少し、その分だけ金属結合の割合が増加して導電性が高くなるのである。これにより、通電センサ等によって検出される通電の有無などで位置を検出したり異常を検知したりする場合にも用いることが可能となる。しかも、導電層は、共有／イオン結合層と同じ組成で非金属元素の割合を低くしただけであるため、全く異なる組成の導電層を設ける場合に比較して、被膜性能や生産性の低下を最小限に抑えることができる。
【００１３】
第２発明では、上記導電層の非金属元素の割合が共有／イオン結合層に対して原子量比で９０％以下であるため、その共有／イオン結合層に比較して高い導電性が得られるようになり、例えば工具の位置決め等に用いられる通電センサの使用が可能な０．１μｍΩ・ｃｍ程度以下まで電気抵抗を低減できる一方、４０％以上であるため、硬度が大幅に低下することを回避して実用上満足できる被膜性能を維持することができる。また、導電層の膜厚が０．０２μｍ以上であるため、導電層を設けたことによる導電性の向上効果が適切に得られるとともに、１μｍ以下であるため、導電層の存在で硬さが低下したり導電層が剥離したりして被膜性能が損なわれることが実用上満足できる範囲に抑えられる。
【００１４】
第３発明〜第５発明は、共有／イオン結合層を有する機能層の具体的態様で、第６発明は、共有／イオン結合層の組成の具体的態様である。また、第７発明の硬質被膜被覆工具は、第１発明〜第６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６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】
【００１５】
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熱性等が要求される種々の部材の硬質被膜に適用され得る。
【００１６】
共有／イオン結合層を構成する金属元素は、例えばＴｉ（チタン）やＺｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）などで、ＴｉＡｌ、ＡｌＣｒ等の合金の形で含まれていても良く、非金属元素は、例えばＯ（酸素）やＮ（窒素）などである。
【００１７】
共有／イオン結合層および導電層は、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法によって好適に成膜できるが、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法等の化学蒸着法（ＣＶＤ法）など他の成膜法を採用することもできる。Ｏ（酸素）やＮ（窒素）等の非金属元素の含有量は、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、それ等の非金属元素のガスの導入流量を制御することによって調整できる。
【００１８】
導電層は、非金属元素の割合が共有／イオン結合層に対して原子量比で４０％よりも低いと、硬度が大幅に低下して被膜性能が損なわれる一方、９０％を超えると十分な導電性が得られないため、４０％〜９０％の範囲内とすることが望ましい。工具の位置決め等に用いられる通電センサは、一般に電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍを超えると機能しなくなるため、電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍ以下になるように非金属元素の割合の上限を９０％以下に設定した。但し、導電層の組成や膜厚によって硬さ等の被膜性能や導電性は異なるため、所望の被膜性能や導電性が得られることを条件として、導電層の組成や膜厚等に応じて非金属元素の割合は適宜定められれば良く、上記４０％〜９０％の範囲を超えて設定することも可能である。
【００１９】
上記原子量比は、例えばＸＰＳ（光電子分析）で共有／イオン結合層および導電層における非金属元素の割合（原子％）をそれぞれ測定し、それ等の割合を比較して求めることができる。すなわち、共有／イオン結合層における非金属元素の割合（原子％）をａ、導電層における非金属元素の割合（原子％）をｂとした場合、共有／イオン結合層に対する導電層における非金属元素の原子量比は、（ｂ／ａ）×１００〔％〕で表すことができる。本明細書で記載の原子量比は、このＸＰＳ（光電子分析）で求めた場合の値である。
【００２０】
導電層の膜厚は、０．０２μｍよりも薄いと導電層を設けたことによる導電性の向上効果が十分に得られない一方、１μｍを超えると、導電層の存在で硬さが低下したり導電層が剥離し易くなったりして被膜性能が損なわれるため、０．０２μｍ〜１μｍの範囲内とすることが望ましい。但し、導電層の組成や非金属元素の割合によって硬さ等の被膜性能や導電性は異なるため、所望の被膜性能や導電性が得られることを条件として、導電層の組成や非金属元素の割合等に応じて膜厚は適宜定められれば良く、上記０．０２μｍ〜１μｍの範囲を超えて設定することも可能である。
【００２１】
機能層は、第３発明〜第５発明のように種々の態様が可能であるが、必要に応じて機能層と基材との間に他の被膜を介在させることも可能である。第４発明および第５発明の機能層は、少なくとも２層以上の多層構造を成していれば良く、第４発明では、３種類以上の組成の共有／イオン結合層を積層することも可能である。第５発明では、共有／イオン結合層の他に、ＤＬＣ（ダイヤモンド状カーボン）、ＢＮ（窒化硼素）、およびＣＮ（窒化炭素）の何れかの硬質層が積層されるが、これ等以外の硬質層を積層することも可能である。ＢＮは、ｃ−ＢＮ、ｈ−ＢＮの他、アモルファス構造のものでも良い。
【００２２】
第７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等の硬質工具材料が好適に用いられるが、第１発明〜第６発明の実施に際しては、工具以外の基材に硬質被膜をコーティングする場合であっても良い。また、工具の位置決め等のために基材を介して通電が行われる場合は、導電層が基材に直接接触するように、共有／イオン結合層を有する機能層よりも広い範囲に導電層をコーティングすれば良い。硬質被膜の最表面を構成している導電層に直接通電される場合は、必ずしもその必要はない。
【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、本発明が好適に適用される２枚刃のボールエンドミル１０を説明する図で、(a) は軸心Ｏと直角方向から見た正面図、(b) は先端部分の拡大図、(c) は(b) の上方すなわち先端側から見た底面図である。このボールエンドミル１０は、円柱形状のシャンク１２と、そのシャンク１２の一端部に設けられた刃部１４とを一体に有するもので、刃部１４には、軸心Ｏに対して対称的に一対のボール刃１６が設けられているとともに、そのボール刃１６に連続して外周切れ刃１８が設けられている。ボール刃１６は、刃部１４の先端の半球状部にそれぞれギャッシュ２０に沿って設けられており、軸心Ｏ付近まで達しているとともに、軸心Ｏ側から外周側へ向かうに従って、言い換えれば工具先端から離間するに従って、切削回転方向（図１(c) において左まわり方向）と反対方向へ捩じれたスパイラル状に設けられ、所定のねじれ角の外周切れ刃１８に滑らかに接続されている。このボールエンドミル１０は硬質被膜被覆工具に相当し、超硬合金にて一体に構成されているとともに、刃部１４の表面には硬質被膜３２がコーティングされている。図１(a) の細かい斜線を付した部分は、硬質被膜３２のコーティング領域を表している。
【００２４】
図１の(d) は、刃部１４における表面付近の拡大断面図で、超硬合金製の工具基材３０の表面に硬質被膜３２がコーティングされている。硬質被膜３２は、工具基材３０の表面に設けられた機能層３４と、その機能層３４の上に設けられた導電層３６とから成り、その導電層３６によって被膜表面が構成されている。機能層３４は、金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されている一定の組成の共有／イオン結合層の単層で、例えばＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＡｌＯ4 、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、或いはＴｉＭＯX 、ＺｒＭＯX 、ＨｆＭＯX 、Ａｌ2 ＭＯX 、ＴｉＡｌＭＯX 、ＡｌＭＮ、ＡｌＣｒＭＮ（但し、Ｍは金属元素、Ｃ、Ｓｉ、Ｂの何れかで、２０原子％以下の割合で含まれる）の何れかによって構成される。
【００２５】
また、導電層３６は、上記機能層３４と同じ組成であるが、所定の導電性が得られるように非金属元素の割合が機能層３４よりも低くされている。具体的には、非金属元素の割合の減少で硬度が大幅に低下して被膜性能が損なわれることを回避しつつ、電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍ以下になるように、非金属元素の割合が機能層３４に対して原子量比で４０％〜９０％の範囲内とされている。また、この導電層３６の膜厚Ｄ２は、導電層３６を設けたことによる導電性の向上効果が適切に得られるとともに、導電層３６の存在で硬さが低下したり導電層３６が剥離し易くなったりして被膜性能が損なわれることが実用上満足できる範囲に抑えられるように、０．０２μｍ〜１μｍの範囲内で設定されている。この導電層３６は機能層３４のコーティング範囲よりも広い範囲に設けられ、一部は工具基材３０の表面に直接接触させられており、工具の位置決めや折損検知等のためにボール刃１６によって切削加工される被加工部材とシャンク１２との間に通電センサによって電圧が印加されると、導電層３６を介して電気が通電される。
【００２６】
図４に示す試験品No１〜No２６のうちNo４〜No６、No９〜No１１、No１４、No１５、No１８、No１９、No２２、No２３、No２５、No２６は本実施例の具体例で、その他は比較例である。比較例のうち試験品No１、No１３、No１７、No２１、およびNo２４は導電層３６を備えていない従来品で、試験品No２およびNo３は導電層３６の非金属元素（ここでは窒素Ｎ）の原子量比が９０％を超えている場合、試験品No７、No１６、およびNo２０は導電層３６の非金属元素（ここでは窒素Ｎ）の原子量比が４０％に満たない場合、試験品No８は導電層３６の膜厚Ｄ２が０．０２μｍ未満の場合、試験品No１２は導電層３６の膜厚Ｄ２が１μｍを超えている場合である。なお、総膜厚Ｄは、図１の(d) に示すように機能層３４の膜厚Ｄ１と導電層３６の膜厚Ｄ２とを加算した膜厚（Ｄ１＋Ｄ２）で、ここでは２．５μｍ〜３．５μｍの範囲内で設定されている。
【００２７】
上記硬質被膜３２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法によって好適に成膜される。図２は、アークイオンプレーティング装置４０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３２を被覆する前のボール刃１６、外周切れ刃１８等が形成された工具基材３０を保持しているワーク保持具４２、そのワーク保持具４２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置４４、工具基材３０に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源４６、工具基材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４８、チャンバ４８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置５０、チャンバ４８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５２、第１アーク電源５４、第２アーク電源５６等を備えている。ワーク保持具４２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３０を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置５０は、前記機能層３４および導電層３６に含まれて金属元素や合金と共有結合またはイオン結合される酸素（Ｏ2 ）や窒素（Ｎ2 ）等の非金属元素のタンクを備えており、それ等のガスを所定の流量でチャンバ４８内に供給する。
【００２８】
第１アーク電源５４および第２アーク電源５６は、何れも前記機能層３４および導電層３６に含まれて非金属元素と共有結合またはイオン結合されるＡｌ等の金属元素やＡｌＣｒ、ＡｌＣｒＶ等の合金にて構成されている第１蒸発源５８、第２蒸発源６２をカソードとして、アノード６０、６４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、それ等の蒸発源５８、６２から金属元素や合金を蒸発させるもので、蒸発した金属元素や合金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３０に付着させられるとともに、反応ガス供給装置５０から供給される酸素（Ｏ2 ）や窒素（Ｎ2 ）等の非金属元素と共有結合させられ、或いはイオン結合させられて、前記機能層３４や導電層３６が形成される。アーク電流やバイアス電圧等の成膜条件は、その機能層３４や導電層３６の組成等に応じて適宜定められ、それ等の膜厚Ｄ１、Ｄ２については、成膜時間で調整できる。また、非金属元素の原子量比が機能層３４に対して４０％〜９０％の範囲内である導電層３６を成膜する際には、その非金属元素のガスの導入流量を制御することによって４０％〜９０％の範囲内の所定の原子量比となるように調整することができる。
【００２９】
図４は、上記のように構成された本実施例品（試験品No４〜No６、No９〜No１１、No１４、No１５、No１８、No１９、No２２、No２３、No２５、No２６）と比較品（試験品No１〜No３、No７、No８、No１２、No１３、No１６、No１７、No２０、No２１、No２４）とを用意し、導電層３６の電気抵抗を調べるとともに、以下の加工条件で切削加工を行って切削性能（耐摩耗性）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、本実施例品の要件から外れている項目である。なお、図４の「電気抵抗」の欄の「Out of range」 は、抵抗値が大き過ぎて測定不能であったことを意味している。
（加工条件）
・工具形状：φ１０、２枚刃の超硬ボールエンドミル
・被削材：Ｓ５０Ｃ（ＪＩＳ規格；機械構造用炭素鋼）
・切削距離：１１２ｍ
・切削速度：３４００ｍｉｎ-1（１０７ｍ／ｍｉｎ）
・送り速度：３４０ｍｍ／ｍｉｎ（０．０５ｍｍ／ｔ）
・切込み：ａａ＝１．５ｍｍ、ｐｆ＝０．５ｍｍ
・切削油剤：エア
・使用機械：縦型マシニングセンタ
【００３０】
図４の試験結果から明らかなように、本実施例品（試験品No４〜No６、No９〜No１１、No１４、No１５、No１８、No１９、No２２、No２３、No２５、No２６）の電気抵抗は、何れも一般的な通電センサの使用が可能な０．１μｍΩ・ｃｍよりも十分に低く、通電センサを用いて工具の位置決めを行ったり工具折損等を検知したりすることが可能である。また、ボール刃１６の摩耗量は何れも０．２ｍｍ以下で、剥離も見られず、導電層３６を備えていない従来品（試験品No１、No１３、No１７、No２１、No２４）に比べても大きな差はなく、実用上満足できる切削性能が維持される。
【００３１】
これに対し、導電層３６を備えていない従来品（試験品No１、No１３、No１７、No２１、No２４）は、摩耗量が少なくて優れた切削性能が得られるものの、電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍよりも大きく、通電センサを使用して工具の位置決めを行ったり工具折損等を検知したりすることが不可である。導電層３６の非金属元素（ここでは窒素Ｎ）の原子量比が９０％を超えている試験品No２およびNo３は、導電層３６を備えていない従来品（試験品No１、No１３、No１７、No２１、No２４）と同様に、摩耗量が少なくて優れた切削性能が得られるものの、電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍよりも大きくて通電センサを使用した加工が不可である。導電層３６の非金属元素（ここでは窒素Ｎ）の原子量比が４０％に満たない試験品No７、No１６、およびNo２０は、電気抵抗は０．１μｍΩ・ｃｍよりも十分に低くて通電センサを用いた加工が可能であるが、摩耗量が０．２ｍｍを超えたり硬質被膜３２が剥離したりして被膜性能（耐久性）が大幅に損なわれる。導電層３６の膜厚Ｄ２が０．０２μｍ未満の試験品No８は、優れた切削性能が得られるものの、電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍよりも大きくて通電センサを使用した加工が不可である。また、導電層３６の膜厚Ｄ２が１μｍを超えている試験品No１２は、電気抵抗は０．１μｍΩ・ｃｍよりも低くて通電センサを用いた加工が可能であるが、硬質被膜３２の剥離により耐久性が大幅に損なわれる。
【００３２】
このように、本実施例のボールエンドミル１０の硬質被膜３２は、金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されている共有／イオン結合層から成る機能層３４と、その機能層３４の上に被膜表面を構成するように設けられた導電層３６とを備えており、その導電層３６は、機能層３４と同じ組成であるが非金属元素の割合が機能層３４よりも低くされているため、機能層３４に比較して高い導電性が得られるようになる。すなわち、非金属元素の割合が減ることで共有結合或いはイオン結合の割合が減少し、その分だけ金属結合の割合が増加して導電性が高くなるのである。これにより、通電センサ等によって検出される通電の有無などで位置を検出したり異常を検知したりする場合にも用いることが可能となる。しかも、導電層３６は、機能層３４と同じ組成で非金属元素の割合を低くしただけであるため、全く異なる組成の導電層を設ける場合に比較して、被膜性能や生産性の低下を最小限に抑えることができる。
【００３３】
また、本実施例では、上記導電層３６の非金属元素の割合が機能層３４に対して原子量比で９０％以下であるため、その機能層３４に比較して高い導電性が得られるようになり、例えば工具の位置決め等に用いられる通電センサの使用が可能な０．１μｍΩ・ｃｍ程度以下まで電気抵抗を低減できる一方、４０％以上であるため、硬度が大幅に低下することを回避して実用上満足できる被膜性能（耐久性など）を維持することができる。
【００３４】
また、導電層３６の膜厚Ｄ２が０．０２μｍ以上であるため、導電層３６を設けたことによる導電性の向上効果が適切に得られるとともに、１μｍ以下であるため、導電層３６の存在で硬さが低下したり導電層３６が剥離したりして被膜性能が損なわれることが実用上満足できる範囲に抑えられる。
【００３５】
なお、上記実施例では機能層３４が単層の硬質被膜３２について説明したが、図３の(a) 、(b) に示すように、機能層７２、８２が多層構造の硬質被膜７０、７２を採用することもできる。図３(a) の硬質被膜７０の機能層７２は、組成が異なる２種類の共有／イオン結合層７４、７６が積層された計２層以上の多層構造を成している。共有／イオン結合層７４、７６は、前記機能層３４と同様に金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されているもので、被膜表面を構成するように機能層７２の上に設けられた導電層７８は、その２種類の共有／イオン結合層７４、７６の何れか一方と同じ組成で、非金属元素の割合がその一方の共有／イオン結合層７４または７６に対して原子量比で４０％〜９０％の範囲内とされているとともに、この導電層７８の膜厚Ｄ２は０．０２μｍ〜１μｍの範囲内で設定されている。この機能層７２は２種類の共有／イオン結合層７４、７６が積層されたものであるが、３種類以上の共有／イオン結合層を積層して機能層７２を構成することもできる。
【００３６】
図５の試験品No１〜No１５は、図３(a) の硬質被膜７０の具体例で、この中の試験品No７〜No９は共有／イオン結合層７４、７６が合わせて奇数層積層されており、試験品No１〜No６、No１０〜No１５は共有／イオン結合層７４、７６が合わせて偶数層積層されている。図５の「機能層の層数」は、複数種類の共有／イオン結合層７４および７６の合計の層数で、これ等の共有／イオン結合層７４、７６の膜厚Ｄ１−１、Ｄ１−２（図３(a) 参照）は互いに等しい。そして、導電層７８の電気抵抗を調べるとともに前記図４の場合と同じ加工条件で加工を行って被膜性能（耐摩耗性）を調べたところ、電気抵抗は何れも０．１μｍΩ・ｃｍよりも十分に低いとともに、摩耗量は何れも０．２ｍｍ以下で剥離も見られず、所定の切削性能を維持しつつ通電センサを用いた加工が可能になるなど、前記実施例と同様の作用効果が得られる。なお、共有／イオン結合層７４、７６の膜厚Ｄ１−１、Ｄ１−２を互いに相違させたり連続的に変化させたりすることも可能である。
【００３７】
図３の(b) の硬質被膜８０の機能層８２は、共有／イオン結合層８４とＤＬＣ、ＢＮ、またはＣＮから成る他の硬質層８６とを積層した計２層以上の多層構造を成している。共有／イオン結合層８４は、前記機能層３４と同様に金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されており、被膜表面を構成するように機能層８２の上に設けられた導電層８８は、その共有／イオン結合層８４と同じ組成で、非金属元素の割合がその共有／イオン結合層８４に対して原子量比で４０％〜９０％の範囲内とされているとともに、この導電層８８の膜厚Ｄ２は０．０２μｍ〜１μｍの範囲内で設定されている。
【００３８】
図５の試験品No１６〜No１８は、図３(b) の硬質被膜８０の具体例で、「機能層の層数」は、共有／イオン結合層８４および硬質層８６の合計の層数であり、本実施例では何れも偶数層であるとともに、それ等の共有／イオン結合層８４の膜厚Ｄ１−１および硬質層８６の膜厚Ｄ１−３（図３(b) 参照）は互いに等しい。そして、導電層８８の電気抵抗を調べるとともに前記図４と同じ加工条件で加工を行って被膜性能（耐摩耗性）を調べたところ、電気抵抗は何れも０．１μｍΩ・ｃｍよりも十分に低いとともに、摩耗量は何れも０．２ｍｍ以下で剥離も見られず、所定の切削性能を維持しつつ通電センサを用いた加工が可能になるなど、前記実施例と同様の作用効果が得られる。なお、共有／イオン結合層８４の膜厚Ｄ１−１および硬質層８６の膜厚Ｄ１−３を互いに相違させたり連続的に変化させたりすることも可能である。
【００３９】
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】
【００４０】
【図１】本発明の硬質被膜が設けられたボールエンドミルの一例を示す図で、(a) は正面図、(b) は先端部分の拡大図、(c) は(a) の上方すなわち先端側から見た底面図、(d) は刃部の表面近傍の拡大断面図である。
【図２】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３】本発明の他の実施例を説明する図で、(a) は複数の共有／イオン結合層が積層されている場合、(b) は共有／イオン結合層とＤＬＣ等の他の硬質層が積層されている場合であり、何れも図１の(d) に対応する断面図である。
【図４】図１の実施例の具体例および比較品について、導電層の電気抵抗を調べるとともに所定の加工条件で加工を行って被膜性能（耐摩耗性）を調べた結果を説明する図である。
【図５】図３(a) 、(b) の実施例の具体例について、導電層の電気抵抗を調べるとともに所定の加工条件で加工を行って被膜性能（耐摩耗性）を調べた結果を説明する図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０：ボールエンドミル（硬質被膜被覆工具） ３０：工具基材（基材） ３２、７０、８０：硬質被膜 ３４：機能層（共有／イオン結合層） ３６、７８、８８：導電層 ７２、８２：機能層 ７４、７６、８４：共有／イオン結合層 ８６：硬質層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共有結合またはイオン結合によって構成されている非導電性の硬質被膜に関し、特に、通電センサ等によって検出される通電の有無で位置を検出したり異常を検知したりする場合にも用いることができるように導電性を持たせる技術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、耐摩耗性や耐熱性、耐久性等を向上させることが提案されている（特許文献１参照）。そして、このような硬質被膜の一種に、例えばＡｌＣｒＮのように共有結合やイオン結合によって構成されているものがあり、これ等は一般に高硬度で靱性に優れており、高い耐摩耗性、耐熱性が得られる。
【特許文献１】特開２００２−１６０１２９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、このような共有結合やイオン結合によって構成されている硬質被膜は自由電子を持たないため所定の導電性が得られず、通電センサ等によって検出される通電の有無で位置を検出したり異常を検知したりする場合には用いることができない。例えば、ＡｌＮの電気抵抗は約１０15μｍΩ・ｃｍで、Ａｌ2 Ｏ3 の電気抵抗は約１０20μｍΩ・ｃｍとされており（何れも文献値）、一般的な通電センサの使用が可能な０．１μｍΩ・ｃｍに比べて遥かに大きい。これに対し、これ等の硬質被膜の上に更に金属結合を有する硬質被膜をコーティングすることが考えられるが、別工程の追加で生産性が低下して製造コストが高くなるだけでなく、最表層は被膜性能に大きく影響するため、その被膜性能の低下が懸念されて好ましくない。
【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、共有結合やイオン結合によって構成されている硬質被膜に、生産性や被膜性能を大きく損なうことなく所定の導電性を持たせて、通電センサ等によって通電の有無を検出する場合にも使用でき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、所定の基材の表面に設けられる硬質被膜であって、(a) 金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されている共有／イオン結合層を有する機能層と、(b) 前記共有／イオン結合層と同じ組成であるが 所定の導電性が得られるように前記非金属元素の割合がその共有／イオン結合層よりも低くされ、被膜表面を構成するように前記機能層の上に設けられている導電層と、を有す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) 前記導電層は、前記非金属元素の割合が前記共有／イオン結合層に対して原子量比で４０％〜９０％の範囲内とされており、(b) その導電層の膜厚は０．０２μｍ〜１μｍの範囲内であ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、前記機能層は、一定の組成で構成されている前記共有／イオン結合層の単層であることを特徴とする。
【０００８】
第４発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜において、前記機能層は、組成が異なる複数種類の共有／イオン結合層が積層された多層構造を成しており、前記導電層はその複数種類の共有／イオン結合層の何れか一つと同じ組成であることを特徴とする。
【０００９】
第５発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜において、前記機能層は、前記共有／イオン結合層の他にＤＬＣ（Diamond Like Carbon ；ダイヤモンド状カーボン）、ＢＮ、およびＣＮの何れかの硬質層が積層された多層構造を成していることを特徴とする。
【００１０】
第６発明は、第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜において、前記共有／イオン結合層は、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＡｌＯ4 、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、或いはＴｉＭＯX 、ＺｒＭＯX 、ＨｆＭＯX 、Ａｌ2 ＭＯX 、ＴｉＡｌＭＯX 、ＡｌＭＮ、ＡｌＣｒＭＮ（但し、Ｍは金属元素、Ｃ、Ｓｉ、Ｂの何れかで、２０原子％以下の割合で含まれる）の何れかであることを特徴とする。なお、「ＯX 」のＸは、Ｍの種類によって定まるＯ（酸素）の組成比である。
【００１１】
第７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６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】
【００１２】
第１発明の硬質被膜は、金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されている共有／イオン結合層を有する機能層と、その機能層の上に被膜表面を構成するように設けられた導電層とを備えており、その導電層は、共有／イオン結合層と同じ組成であるが非金属元素の割合が共有／イオン結合層よりも低くされているため、共有／イオン結合層に比較して高い導電性が得られるようになる。すなわち、非金属元素の割合が減ることで共有結合或いはイオン結合の割合が減少し、その分だけ金属結合の割合が増加して導電性が高くなるのである。これにより、通電センサ等によって検出される通電の有無などで位置を検出したり異常を検知したりする場合にも用いることが可能となる。しかも、導電層は、共有／イオン結合層と同じ組成で非金属元素の割合を低くしただけであるため、全く異なる組成の導電層を設ける場合に比較して、被膜性能や生産性の低下を最小限に抑えることができる。
【００１３】
第２発明では、上記導電層の非金属元素の割合が共有／イオン結合層に対して原子量比で９０％以下であるため、その共有／イオン結合層に比較して高い導電性が得られるようになり、例えば工具の位置決め等に用いられる通電センサの使用が可能な０．１μｍΩ・ｃｍ程度以下まで電気抵抗を低減できる一方、４０％以上であるため、硬度が大幅に低下することを回避して実用上満足できる被膜性能を維持することができる。また、導電層の膜厚が０．０２μｍ以上であるため、導電層を設けたことによる導電性の向上効果が適切に得られるとともに、１μｍ以下であるため、導電層の存在で硬さが低下したり導電層が剥離したりして被膜性能が損なわれることが実用上満足できる範囲に抑えられる。
【００１４】
第３発明〜第５発明は、共有／イオン結合層を有する機能層の具体的態様で、第６発明は、共有／イオン結合層の組成の具体的態様である。また、第７発明の硬質被膜被覆工具は、第１発明〜第６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６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】
【００１５】
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熱性等が要求される種々の部材の硬質被膜に適用され得る。
【００１６】
共有／イオン結合層を構成する金属元素は、例えばＴｉ（チタン）やＺｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｖ（バナジウム）などで、ＴｉＡｌ、ＡｌＣｒ等の合金の形で含まれていても良く、非金属元素は、例えばＯ（酸素）やＮ（窒素）などである。
【００１７】
共有／イオン結合層および導電層は、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法によって好適に成膜できるが、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法等の化学蒸着法（ＣＶＤ法）など他の成膜法を採用することもできる。Ｏ（酸素）やＮ（窒素）等の非金属元素の含有量は、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、それ等の非金属元素のガスの導入流量を制御することによって調整できる。
【００１８】
導電層は、非金属元素の割合が共有／イオン結合層に対して原子量比で４０％よりも低いと、硬度が大幅に低下して被膜性能が損なわれる一方、９０％を超えると十分な導電性が得られないため、４０％〜９０％の範囲内とすることが望ましい。工具の位置決め等に用いられる通電センサは、一般に電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍを超えると機能しなくなるため、電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍ以下になるように非金属元素の割合の上限を９０％以下に設定した。但し、導電層の組成や膜厚によって硬さ等の被膜性能や導電性は異なるため、所望の被膜性能や導電性が得られることを条件として、導電層の組成や膜厚等に応じて非金属元素の割合は適宜定められれば良く、上記４０％〜９０％の範囲を超えて設定することも可能である。
【００１９】
上記原子量比は、例えばＸＰＳ（光電子分析）で共有／イオン結合層および導電層における非金属元素の割合（原子％）をそれぞれ測定し、それ等の割合を比較して求めることができる。すなわち、共有／イオン結合層における非金属元素の割合（原子％）をａ、導電層における非金属元素の割合（原子％）をｂとした場合、共有／イオン結合層に対する導電層における非金属元素の原子量比は、（ｂ／ａ）×１００〔％〕で表すことができる。本明細書で記載の原子量比は、このＸＰＳ（光電子分析）で求めた場合の値である。
【００２０】
導電層の膜厚は、０．０２μｍよりも薄いと導電層を設けたことによる導電性の向上効果が十分に得られない一方、１μｍを超えると、導電層の存在で硬さが低下したり導電層が剥離し易くなったりして被膜性能が損なわれるため、０．０２μｍ〜１μｍの範囲内とすることが望ましい。但し、導電層の組成や非金属元素の割合によって硬さ等の被膜性能や導電性は異なるため、所望の被膜性能や導電性が得られることを条件として、導電層の組成や非金属元素の割合等に応じて膜厚は適宜定められれば良く、上記０．０２μｍ〜１μｍの範囲を超えて設定することも可能である。
【００２１】
機能層は、第３発明〜第５発明のように種々の態様が可能であるが、必要に応じて機能層と基材との間に他の被膜を介在させることも可能である。第４発明および第５発明の機能層は、少なくとも２層以上の多層構造を成していれば良く、第４発明では、３種類以上の組成の共有／イオン結合層を積層することも可能である。第５発明では、共有／イオン結合層の他に、ＤＬＣ（ダイヤモンド状カーボン）、ＢＮ（窒化硼素）、およびＣＮ（窒化炭素）の何れかの硬質層が積層されるが、これ等以外の硬質層を積層することも可能である。ＢＮは、ｃ−ＢＮ、ｈ−ＢＮの他、アモルファス構造のものでも良い。
【００２２】
第７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等の硬質工具材料が好適に用いられるが、第１発明〜第６発明の実施に際しては、工具以外の基材に硬質被膜をコーティングする場合であっても良い。また、工具の位置決め等のために基材を介して通電が行われる場合は、導電層が基材に直接接触するように、共有／イオン結合層を有する機能層よりも広い範囲に導電層をコーティングすれば良い。硬質被膜の最表面を構成している導電層に直接通電される場合は、必ずしもその必要はない。
【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、本発明が好適に適用される２枚刃のボールエンドミル１０を説明する図で、(a) は軸心Ｏと直角方向から見た正面図、(b) は先端部分の拡大図、(c) は(b) の上方すなわち先端側から見た底面図である。このボールエンドミル１０は、円柱形状のシャンク１２と、そのシャンク１２の一端部に設けられた刃部１４とを一体に有するもので、刃部１４には、軸心Ｏに対して対称的に一対のボール刃１６が設けられているとともに、そのボール刃１６に連続して外周切れ刃１８が設けられている。ボール刃１６は、刃部１４の先端の半球状部にそれぞれギャッシュ２０に沿って設けられており、軸心Ｏ付近まで達しているとともに、軸心Ｏ側から外周側へ向かうに従って、言い換えれば工具先端から離間するに従って、切削回転方向（図１(c) において左まわり方向）と反対方向へ捩じれたスパイラル状に設けられ、所定のねじれ角の外周切れ刃１８に滑らかに接続されている。このボールエンドミル１０は硬質被膜被覆工具に相当し、超硬合金にて一体に構成されているとともに、刃部１４の表面には硬質被膜３２がコーティングされている。図１(a) の細かい斜線を付した部分は、硬質被膜３２のコーティング領域を表している。
【００２４】
図１の(d) は、刃部１４における表面付近の拡大断面図で、超硬合金製の工具基材３０の表面に硬質被膜３２がコーティングされている。硬質被膜３２は、工具基材３０の表面に設けられた機能層３４と、その機能層３４の上に設けられた導電層３６とから成り、その導電層３６によって被膜表面が構成されている。機能層３４は、金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されている一定の組成の共有／イオン結合層の単層で、例えばＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＡｌＯ4 、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、或いはＴｉＭＯX 、ＺｒＭＯX 、ＨｆＭＯX 、Ａｌ2 ＭＯX 、ＴｉＡｌＭＯX 、ＡｌＭＮ、ＡｌＣｒＭＮ（但し、Ｍは金属元素、Ｃ、Ｓｉ、Ｂの何れかで、２０原子％以下の割合で含まれる）の何れかによって構成される。
【００２５】
また、導電層３６は、上記機能層３４と同じ組成であるが、所定の導電性が得られるように非金属元素の割合が機能層３４よりも低くされている。具体的には、非金属元素の割合の減少で硬度が大幅に低下して被膜性能が損なわれることを回避しつつ、電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍ以下になるように、非金属元素の割合が機能層３４に対して原子量比で４０％〜９０％の範囲内とされている。また、この導電層３６の膜厚Ｄ２は、導電層３６を設けたことによる導電性の向上効果が適切に得られるとともに、導電層３６の存在で硬さが低下したり導電層３６が剥離し易くなったりして被膜性能が損なわれることが実用上満足できる範囲に抑えられるように、０．０２μｍ〜１μｍの範囲内で設定されている。この導電層３６は機能層３４のコーティング範囲よりも広い範囲に設けられ、一部は工具基材３０の表面に直接接触させられており、工具の位置決めや折損検知等のためにボール刃１６によって切削加工される被加工部材とシャンク１２との間に通電センサによって電圧が印加されると、導電層３６を介して電気が通電される。
【００２６】
図４に示す試験品No１〜No２６のうちNo４〜No６、No９〜No１１、No１４、No１５、No１８、No１９、No２２、No２３、No２５、No２６は本実施例の具体例で、その他は比較例である。比較例のうち試験品No１、No１３、No１７、No２１、およびNo２４は導電層３６を備えていない従来品で、試験品No２およびNo３は導電層３６の非金属元素（ここでは窒素Ｎ）の原子量比が９０％を超えている場合、試験品No７、No１６、およびNo２０は導電層３６の非金属元素（ここでは窒素Ｎ）の原子量比が４０％に満たない場合、試験品No８は導電層３６の膜厚Ｄ２が０．０２μｍ未満の場合、試験品No１２は導電層３６の膜厚Ｄ２が１μｍを超えている場合である。なお、総膜厚Ｄは、図１の(d) に示すように機能層３４の膜厚Ｄ１と導電層３６の膜厚Ｄ２とを加算した膜厚（Ｄ１＋Ｄ２）で、ここでは２．５μｍ〜３．５μｍの範囲内で設定されている。
【００２７】
上記硬質被膜３２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法によって好適に成膜される。図２は、アークイオンプレーティング装置４０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３２を被覆する前のボール刃１６、外周切れ刃１８等が形成された工具基材３０を保持しているワーク保持具４２、そのワーク保持具４２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置４４、工具基材３０に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源４６、工具基材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４８、チャンバ４８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置５０、チャンバ４８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５２、第１アーク電源５４、第２アーク電源５６等を備えている。ワーク保持具４２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３０を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置５０は、前記機能層３４および導電層３６に含まれて金属元素や合金と共有結合またはイオン結合される酸素（Ｏ2 ）や窒素（Ｎ2 ）等の非金属元素のタンクを備えており、それ等のガスを所定の流量でチャンバ４８内に供給する。
【００２８】
第１アーク電源５４および第２アーク電源５６は、何れも前記機能層３４および導電層３６に含まれて非金属元素と共有結合またはイオン結合されるＡｌ等の金属元素やＡｌＣｒ、ＡｌＣｒＶ等の合金にて構成されている第１蒸発源５８、第２蒸発源６２をカソードとして、アノード６０、６４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、それ等の蒸発源５８、６２から金属元素や合金を蒸発させるもので、蒸発した金属元素や合金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３０に付着させられるとともに、反応ガス供給装置５０から供給される酸素（Ｏ2 ）や窒素（Ｎ2 ）等の非金属元素と共有結合させられ、或いはイオン結合させられて、前記機能層３４や導電層３６が形成される。アーク電流やバイアス電圧等の成膜条件は、その機能層３４や導電層３６の組成等に応じて適宜定められ、それ等の膜厚Ｄ１、Ｄ２については、成膜時間で調整できる。また、非金属元素の原子量比が機能層３４に対して４０％〜９０％の範囲内である導電層３６を成膜する際には、その非金属元素のガスの導入流量を制御することによって４０％〜９０％の範囲内の所定の原子量比となるように調整することができる。
【００２９】
図４は、上記のように構成された本実施例品（試験品No４〜No６、No９〜No１１、No１４、No１５、No１８、No１９、No２２、No２３、No２５、No２６）と比較品（試験品No１〜No３、No７、No８、No１２、No１３、No１６、No１７、No２０、No２１、No２４）とを用意し、導電層３６の電気抵抗を調べるとともに、以下の加工条件で切削加工を行って切削性能（耐摩耗性）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、本実施例品の要件から外れている項目である。なお、図４の「電気抵抗」の欄の「Out of range」 は、抵抗値が大き過ぎて測定不能であったことを意味している。
（加工条件）
・工具形状：φ１０、２枚刃の超硬ボールエンドミル
・被削材：Ｓ５０Ｃ（ＪＩＳ規格；機械構造用炭素鋼）
・切削距離：１１２ｍ
・切削速度：３４００ｍｉｎ-1（１０７ｍ／ｍｉｎ）
・送り速度：３４０ｍｍ／ｍｉｎ（０．０５ｍｍ／ｔ）
・切込み：ａａ＝１．５ｍｍ、ｐｆ＝０．５ｍｍ
・切削油剤：エア
・使用機械：縦型マシニングセンタ
【００３０】
図４の試験結果から明らかなように、本実施例品（試験品No４〜No６、No９〜No１１、No１４、No１５、No１８、No１９、No２２、No２３、No２５、No２６）の電気抵抗は、何れも一般的な通電センサの使用が可能な０．１μｍΩ・ｃｍよりも十分に低く、通電センサを用いて工具の位置決めを行ったり工具折損等を検知したりすることが可能である。また、ボール刃１６の摩耗量は何れも０．２ｍｍ以下で、剥離も見られず、導電層３６を備えていない従来品（試験品No１、No１３、No１７、No２１、No２４）に比べても大きな差はなく、実用上満足できる切削性能が維持される。
【００３１】
これに対し、導電層３６を備えていない従来品（試験品No１、No１３、No１７、No２１、No２４）は、摩耗量が少なくて優れた切削性能が得られるものの、電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍよりも大きく、通電センサを使用して工具の位置決めを行ったり工具折損等を検知したりすることが不可である。導電層３６の非金属元素（ここでは窒素Ｎ）の原子量比が９０％を超えている試験品No２およびNo３は、導電層３６を備えていない従来品（試験品No１、No１３、No１７、No２１、No２４）と同様に、摩耗量が少なくて優れた切削性能が得られるものの、電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍよりも大きくて通電センサを使用した加工が不可である。導電層３６の非金属元素（ここでは窒素Ｎ）の原子量比が４０％に満たない試験品No７、No１６、およびNo２０は、電気抵抗は０．１μｍΩ・ｃｍよりも十分に低くて通電センサを用いた加工が可能であるが、摩耗量が０．２ｍｍを超えたり硬質被膜３２が剥離したりして被膜性能（耐久性）が大幅に損なわれる。導電層３６の膜厚Ｄ２が０．０２μｍ未満の試験品No８は、優れた切削性能が得られるものの、電気抵抗が０．１μｍΩ・ｃｍよりも大きくて通電センサを使用した加工が不可である。また、導電層３６の膜厚Ｄ２が１μｍを超えている試験品No１２は、電気抵抗は０．１μｍΩ・ｃｍよりも低くて通電センサを用いた加工が可能であるが、硬質被膜３２の剥離により耐久性が大幅に損なわれる。
【００３２】
このように、本実施例のボールエンドミル１０の硬質被膜３２は、金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されている共有／イオン結合層から成る機能層３４と、その機能層３４の上に被膜表面を構成するように設けられた導電層３６とを備えており、その導電層３６は、機能層３４と同じ組成であるが非金属元素の割合が機能層３４よりも低くされているため、機能層３４に比較して高い導電性が得られるようになる。すなわち、非金属元素の割合が減ることで共有結合或いはイオン結合の割合が減少し、その分だけ金属結合の割合が増加して導電性が高くなるのである。これにより、通電センサ等によって検出される通電の有無などで位置を検出したり異常を検知したりする場合にも用いることが可能となる。しかも、導電層３６は、機能層３４と同じ組成で非金属元素の割合を低くしただけであるため、全く異なる組成の導電層を設ける場合に比較して、被膜性能や生産性の低下を最小限に抑えることができる。
【００３３】
また、本実施例では、上記導電層３６の非金属元素の割合が機能層３４に対して原子量比で９０％以下であるため、その機能層３４に比較して高い導電性が得られるようになり、例えば工具の位置決め等に用いられる通電センサの使用が可能な０．１μｍΩ・ｃｍ程度以下まで電気抵抗を低減できる一方、４０％以上であるため、硬度が大幅に低下することを回避して実用上満足できる被膜性能（耐久性など）を維持することができる。
【００３４】
また、導電層３６の膜厚Ｄ２が０．０２μｍ以上であるため、導電層３６を設けたことによる導電性の向上効果が適切に得られるとともに、１μｍ以下であるため、導電層３６の存在で硬さが低下したり導電層３６が剥離したりして被膜性能が損なわれることが実用上満足できる範囲に抑えられる。
【００３５】
なお、上記実施例では機能層３４が単層の硬質被膜３２について説明したが、図３の(a) 、(b) に示すように、機能層７２、８２が多層構造の硬質被膜７０、７２を採用することもできる。図３(a) の硬質被膜７０の機能層７２は、組成が異なる２種類の共有／イオン結合層７４、７６が積層された計２層以上の多層構造を成している。共有／イオン結合層７４、７６は、前記機能層３４と同様に金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されているもので、被膜表面を構成するように機能層７２の上に設けられた導電層７８は、その２種類の共有／イオン結合層７４、７６の何れか一方と同じ組成で、非金属元素の割合がその一方の共有／イオン結合層７４または７６に対して原子量比で４０％〜９０％の範囲内とされているとともに、この導電層７８の膜厚Ｄ２は０．０２μｍ〜１μｍの範囲内で設定されている。この機能層７２は２種類の共有／イオン結合層７４、７６が積層されたものであるが、３種類以上の共有／イオン結合層を積層して機能層７２を構成することもできる。
【００３６】
図５の試験品No１〜No１５は、図３(a) の硬質被膜７０の具体例で、この中の試験品No７〜No９は共有／イオン結合層７４、７６が合わせて奇数層積層されており、試験品No１〜No６、No１０〜No１５は共有／イオン結合層７４、７６が合わせて偶数層積層されている。図５の「機能層の層数」は、複数種類の共有／イオン結合層７４および７６の合計の層数で、これ等の共有／イオン結合層７４、７６の膜厚Ｄ１−１、Ｄ１−２（図３(a) 参照）は互いに等しい。そして、導電層７８の電気抵抗を調べるとともに前記図４の場合と同じ加工条件で加工を行って被膜性能（耐摩耗性）を調べたところ、電気抵抗は何れも０．１μｍΩ・ｃｍよりも十分に低いとともに、摩耗量は何れも０．２ｍｍ以下で剥離も見られず、所定の切削性能を維持しつつ通電センサを用いた加工が可能になるなど、前記実施例と同様の作用効果が得られる。なお、共有／イオン結合層７４、７６の膜厚Ｄ１−１、Ｄ１−２を互いに相違させたり連続的に変化させたりすることも可能である。
【００３７】
図３の(b) の硬質被膜８０の機能層８２は、共有／イオン結合層８４とＤＬＣ、ＢＮ、またはＣＮから成る他の硬質層８６とを積層した計２層以上の多層構造を成している。共有／イオン結合層８４は、前記機能層３４と同様に金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されており、被膜表面を構成するように機能層８２の上に設けられた導電層８８は、その共有／イオン結合層８４と同じ組成で、非金属元素の割合がその共有／イオン結合層８４に対して原子量比で４０％〜９０％の範囲内とされているとともに、この導電層８８の膜厚Ｄ２は０．０２μｍ〜１μｍの範囲内で設定されている。
【００３８】
図５の試験品No１６〜No１８は、図３(b) の硬質被膜８０の具体例で、「機能層の層数」は、共有／イオン結合層８４および硬質層８６の合計の層数であり、本実施例では何れも偶数層であるとともに、それ等の共有／イオン結合層８４の膜厚Ｄ１−１および硬質層８６の膜厚Ｄ１−３（図３(b) 参照）は互いに等しい。そして、導電層８８の電気抵抗を調べるとともに前記図４と同じ加工条件で加工を行って被膜性能（耐摩耗性）を調べたところ、電気抵抗は何れも０．１μｍΩ・ｃｍよりも十分に低いとともに、摩耗量は何れも０．２ｍｍ以下で剥離も見られず、所定の切削性能を維持しつつ通電センサを用いた加工が可能になるなど、前記実施例と同様の作用効果が得られる。なお、共有／イオン結合層８４の膜厚Ｄ１−１および硬質層８６の膜厚Ｄ１−３を互いに相違させたり連続的に変化させたりすることも可能である。
【００３９】
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】
【００４０】
【図１】本発明の硬質被膜が設けられたボールエンドミルの一例を示す図で、(a) は正面図、(b) は先端部分の拡大図、(c) は(a) の上方すなわち先端側から見た底面図、(d) は刃部の表面近傍の拡大断面図である。
【図２】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３】本発明の他の実施例を説明する図で、(a) は複数の共有／イオン結合層が積層されている場合、(b) は共有／イオン結合層とＤＬＣ等の他の硬質層が積層されている場合であり、何れも図１の(d) に対応する断面図である。
【図４】図１の実施例の具体例および比較品について、導電層の電気抵抗を調べるとともに所定の加工条件で加工を行って被膜性能（耐摩耗性）を調べた結果を説明する図である。
【図５】図３(a) 、(b) の実施例の具体例について、導電層の電気抵抗を調べるとともに所定の加工条件で加工を行って被膜性能（耐摩耗性）を調べた結果を説明する図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０：ボールエンドミル（硬質被膜被覆工具） ３０：工具基材（基材） ３２、７０、８０：硬質被膜 ３４：機能層（共有／イオン結合層） ３６、７８、８８：導電層 ７２、８２：機能層 ７４、７６、８４：共有／イオン結合層 ８６：硬質層
【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、
金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されている共有／イオン結合層を有する機能層と、
前記共有／イオン結合層と同じ組成であるが、所定の導電性が得られるように前記非金属元素の割合が該共有／イオン結合層よりも低くされ、被膜表面を構成するように前記機能層の上に設けられている導電層と、
を有することを特徴とする硬質被膜。
【請求項２】
前記導電層は、前記非金属元素の割合が前記共有／イオン結合層に対して原子量比で４０％〜９０％の範囲内とされており、
該導電層の膜厚は０．０２μｍ〜１μｍ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】
前記機能層は、一定の組成で構成されている前記共有／イオン結合層の単層である
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】
前記機能層は、組成が異なる複数種類の共有／イオン結合層が積層された多層構造を成しており、前記導電層は該複数種類の共有／イオン結合層の何れか一つと同じ組成である
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５】
前記機能層は、前記共有／イオン結合層の他にＤＬＣ、ＢＮ、およびＣＮの何れかの硬質層が積層された多層構造を成している
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜。
【請求項６】
前記共有／イオン結合層は、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＡｌＯ4 、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、或いはＴｉＭＯX 、ＺｒＭＯX 、ＨｆＭＯX 、Ａｌ2 ＭＯX 、ＴｉＡｌＭＯX 、ＡｌＭＮ、ＡｌＣｒＭＮ（但し、Ｍは金属元素、Ｃ、Ｓｉ、Ｂの何れかで、２０原子％以下の割合で含まれる）の何れかである
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項７】
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１〜６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、
金属元素および非金属元素を含んで共有結合またはイオン結合によって構成されている共有／イオン結合層を有する機能層と、
前記共有／イオン結合層と同じ組成であるが、所定の導電性が得られるように前記非金属元素の割合が該共有／イオン結合層よりも低くされ、被膜表面を構成するように前記機能層の上に設けられている導電層と、
を有することを特徴とする硬質被膜。
【請求項２】
前記導電層は、前記非金属元素の割合が前記共有／イオン結合層に対して原子量比で４０％〜９０％の範囲内とされており、
該導電層の膜厚は０．０２μｍ〜１μｍ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】
前記機能層は、一定の組成で構成されている前記共有／イオン結合層の単層である
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】
前記機能層は、組成が異なる複数種類の共有／イオン結合層が積層された多層構造を成しており、前記導電層は該複数種類の共有／イオン結合層の何れか一つと同じ組成である
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５】
前記機能層は、前記共有／イオン結合層の他にＤＬＣ、ＢＮ、およびＣＮの何れかの硬質層が積層された多層構造を成している
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜。
【請求項６】
前記共有／イオン結合層は、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＡｌＯ4 、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、或いはＴｉＭＯX 、ＺｒＭＯX 、ＨｆＭＯX 、Ａｌ2 ＭＯX 、ＴｉＡｌＭＯX 、ＡｌＭＮ、ＡｌＣｒＭＮ（但し、Ｍは金属元素、Ｃ、Ｓｉ、Ｂの何れかで、２０原子％以下の割合で含まれる）の何れかである
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項７】
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１〜６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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２８０８５３（Ｐ２００９−２８０８５３Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３２９６６（Ｐ２００８−１３２９６６）
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【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２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【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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