JP4960751B2 - 硬質皮膜切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料等の切削加工に使用される硬質皮膜切削工具に関する。

近年、切削加工の高速化や乾式化、そして被加工物の高硬度化に伴い、ＴｉＡｌＮ皮膜で被覆された切削工具に替わる、より耐酸化性と長寿命を備えた被覆切削工具として、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ等にＳｉを添加したＳｉ含有皮膜を被覆した切削工具の採用が検討されている。
このような被覆切削工具として例えば特許文献１に記載されたものがある。この被覆切削工具は切削工具の母材上にＴｉＡｌに第三元素としてＢ，Ｓｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗの１種または２種以上の１０原子％未満で構成される窒化物等からなる皮膜を被覆し、その直上にＴｉＮにＳｉを添加した皮膜を被覆した硬質皮膜層を形成している。これによって、耐酸化性と耐摩耗性を向上させて乾式高速切削加工で長寿命を発揮できるようにしている。
この場合、第三元素が金属成分のみを１０原子％以上添加すると硬質皮膜がもろくなり母材に対する密着性も悪くなるとしている。

また、特許文献２では切削工具の基体に、Ｓｉ含有硬質皮膜と非Ｓｉ含有硬質皮膜とからなる２層の硬質皮膜を被覆してなり、Ｓｉ含有硬質皮膜は高Ｓｉ濃度領域相と低Ｓｉ濃度領域相とを含有している。Ｓｉ含有硬質皮膜はマトリックスとなる結晶質に高Ｓｉ濃度領域相を偏析させた組成偏析多結晶体とされている。
そして、高Ｓｉ濃度領域相をアモルファス相として結晶質を偏析させることで密着性と皮膜の強度を上げているとしている。
また、特許文献３では、切削工具の基体上にＳｉ含有硬質皮膜を被覆してなり、このＳｉ含有硬質皮膜は、ＴｉＡｌＳｉ系皮膜の同一相内に高Ｓｉ濃度領域と低Ｓｉ濃度領域とを有する相を設けている。この場合、高Ｓｉ濃度領域を有する相はアモルファス相であり、低Ｓｉ濃度領域を有する相は結晶質である。高Ｓｉ濃度領域を有する相を皮膜内に設けることによって皮膜内に残留する圧縮応力を低減させて、高硬度と耐酸化性を改善したとしている。
特許第３２４８８９７号公報 特許第３７６６００３号公報 特許第３５８６２１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載され硬質皮膜では、ＴｉＡｌＮ系皮膜とＴｉＳｉＮ系皮膜を交互に積層させることで結晶構造に整合性をもたせ、ＴｉＳｉＮの耐摩耗性、耐酸化性を維持したまま密着性も向上させるとしているが、工具によっては各皮膜の膜厚を均一にすることが困難であり、整合性が十分に取れない膜厚で二層以上積層される部分が発生したり、ＴｉＳｉＮの耐酸化性が十分に発揮されない膜厚で積層される部分ができる可能性があり、工具寿命にばらつきが生じてしまう欠点があった。
特に、ＴｉＡｌＮ系皮膜側のＡｌの量を増加させたり第３元素を加えてＴｉＡｌＮ系皮膜側の耐酸化性を向上させた皮膜ではこの傾向が顕著にみられ、単純にＴｉＡｌＮ皮膜にＴｉＳｉＮ皮膜を成膜したものに比べて性能が低下することがあるという欠点があった。
また、特許文献２と特許文献３に記載された皮膜では、この皮膜の被覆製造に際して、Ｓｉ濃度の異なる皮膜を同一層内に形成するために、パルスバイアスを使用し、基体に印加するバイアス電圧は負バイアス電圧と正バイアス電圧を周期的に変化させながら成膜を行う必要があった。
そのため、このような電源を使用すると、量産用のコーティング装置では電源が非常に高価なものになってしまうため、実用化が困難であった。

本発明は、このような実情に鑑みて、切削加工の高速化、乾式化、被加工物の高硬度化による摩耗を抑制することができて密着性と耐熱性に優れた被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明による硬質皮膜切削工具は、工具の基材の表面に硬質被膜を積層して形成された硬質皮膜切削工具であって、硬質皮膜は基材上に形成されて被覆するＡ層と該Ａ層の直上に形成されるＢ層とを有しており、Ａ層はＴｉＡｌＣｒの窒化物、酸窒化物、炭窒化物または酸炭窒化物のＳｉ非含有皮膜であって、立方晶からなる微細な柱状晶で構成されていて該柱状晶の成長方向に略直交する方向の各柱状晶の幅が３００ｎｍ以下に形成され、Ｂ層はＳｉＴｉの窒化物を主体としてなるＳｉ含有皮膜であることを特徴とする。
本発明によれば、Ａ層をＴｉＡｌＣｒの窒化物、酸窒化物、炭窒化物または酸炭窒化物のＳｉ非含有皮膜で形成することで高い硬度と良好な耐酸化性が得られ、しかも立方晶で幅が３００ｎｍ以下の微細で緻密な柱状晶の結晶構造を形成するので、その上に形成されるＢ層はＡ層の微細な結晶構造に倣ってエピタキシャル成長が促進されてＳｉの偏析がない微細で緻密なＳｉＴｉ固溶体の結晶構造となり、密着性と耐摩耗性が高い。

また、Ｂ層におけるＳｉ含有皮膜は、立方晶からなる微細な柱状晶で構成されていて該柱状晶の成長方向に略直交する方向の各柱状晶の幅が５０ｎｍ以下に形成されている。
Ａ層が微細で緻密な結晶構造であることによって、Ｂ層も立方晶からなる幅５０ｎｍ以下の更に微細で緻密な柱状晶による結晶構造となり、耐酸化性と耐摩耗性が高く長寿命になる。

また、Ａ層の組成ＴｉａＡｌｂＣｒｃにおける金属成分の成分比ａ，ｂ，ｃは原子比で、
０．１≦ａ≦０．３５、
０．４５≦ｂ≦０．７、
０．１≦ｃ≦０．３５、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１
であることを特徴とする。
Ａｌが４５原子％から７０原子％とすることで立方晶の結晶構造になり、ＴｉとＣｒの原子比をバランスさせることで柱状晶の幅を微細にできる。第３元素のＣｒが１０原子％以上であっても密着性が良好になる。
また、Ａ層は、Ｘ線回折において、強度が
０．５＜Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＜３、
Ｉ（２００）＞Ｉ（２２０）、
Ｉ（１１１）＞Ｉ（２２０）、
を満たした立方晶構造である。

また、Ｂ層の組成ＳｉｘＴｉ（_１−ｘ）における金属成分の成分比ｘは原子比で
０．１≦ｘ≦０．３
であることを特徴とする。
ここで、Ｓｉが１０原子％から３０原子％の範囲内で柱状晶の幅が十分微細でＳｉの偏析のない結晶構造を形成でき、１０原子％未満では柱状晶の幅が大きくなり易く、３０原子％を越えるとアモルファス相が柱状晶の粒界中に形成され密着性と耐摩耗性が低下してしまう。
また、Ａ層とＢ層からなる硬質皮膜のＸ線回折において、回折パターンの強度が、
Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＞２
Ｉ（２００）＞Ｉ（２２０）、
Ｉ（１１１）＞Ｉ（２２０）、
を満たした立方晶構造である。

また、Ａ層の膜厚をＴａとし、Ｂ層の膜厚をＴｂとすると、Ａ層とＢ層の膜厚比率は
３≧Ｔｂ／Ｔａ≧０．７
であり、Ａ層とＢ層の膜厚（Ｔａ＋Ｔｂ）が０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
この範囲内でＢ層はＳｉの偏析のないアモルファス相のない結晶構造を形成でき、密着性と耐摩耗性を向上できる。
また、Ｂ層の直上に、金属元素として少なくともＣｒとＡｌを含むと共に非金属元素として少なくともＮを含むＣｒＡｌ系被膜を０．１μｍ以上０．８μｍ以下の膜厚で被覆して積層してなることが好ましい。
これによって切削に伴う刃先温度の上昇に耐性を持たせると共に、高硬度のＢ層よりも低硬度であるために刃先への衝撃緩和効果を持たせて性能を向上させる。

また、Ｂ層のＳｉ濃度分配が、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析における０．１７μｍ^２の面積内で均一に分散していることが好ましい。
また、Ｂ層の電子線回折が結晶質のみで回折されることが好ましい。

本発明による硬質皮膜切削工具によれば、Ａ層を緻密で微細なＳｉ非含有被膜の結晶構造に形成することで、その上に積層するＢ層も更に微細で緻密な結晶構造に形成できてＳｉの偏析を抑制して耐酸化性と密着性を向上でき、切削加工における高速化、乾式化、被加工物の高硬度化による摩耗を抑制できて長寿命を得られ、生産性向上並びにコスト低減に有効である。

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図６に沿って詳述する。図１は硬質皮膜のＡ層の画像を示すもので（ａ）は実施形態によるＡ層の画像、（ｂ）は従来例によるＡ層の画像、図２はＡ層における柱状晶の幅を示す図、図３は実施形態によるＢ層の画像、図４はＢ層のＥＤＸマッピング結果画像の図で（ａ）はＳＴＥＭ像、（ｂ）はＳｉ組成像、（ｃ）はＮ組成像、（ｄ）はＴｉ組成像、図５（ａ）〜（ｆ）はＢ層についてＴＥＭによる電子線回折像を示す図、図６はＡ層が立方晶構造であることを裏付けるＸ線回折の強度分布図である。
本実施形態においては、工具として例えばボールエンドミル等の切削工具を用いて、切削工具を基材としてその基材の上に、硬質皮膜としてＡ層とＢ層の二層を被覆したものである。図１は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で３００００倍の倍率で撮影したＡ層の側断面画像である。
切削工具の基材として例えば超硬合金、高速度鋼またはサーメットを用いる。そして基材の表面には下層としてＡ層を被覆し、Ａ層の直上に上層としてＢ層を被覆する。
図１（ａ）に示すＡ層は、例えばＴｉａＡｌｂＣｒｃの窒化物からなるＳｉを含有しないＳｉ非含有皮膜で構成される。Ｓｉ非含有皮膜はＴｉａＡｌｂＣｒｃの窒化物でなくてもよく、炭素Ｃや酸素Ｏが不可避的に含まれ得ることを考慮してＴｉａＡｌｂＣｒｃの酸窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物のいずれかであってもよい。Ａ層はＴｉとＡｌとＣｒとＮ等の固溶体からなる結晶質とされ、Ｂ層との積層方向に成長する極微細な幅の柱状晶からなる粒が緻密に配列されて構成されている。なお、これら柱状晶は立方晶で構成されている。

ここで、柱状晶の幅は、図２に示すＡ層の任意の側断面位置において、緻密に配列された棒状の柱状晶の隣接する柱状晶との間で、柱状晶の成長方向の任意位置での成長方向に略直交する方向の幅ｗで測定され、この幅は３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、更に好ましくは１００ｎｍ以下とされている。
なお、本実施形態における柱状晶の幅ｗは、Ａ層の硬質皮膜の側断面において緻密に配列されている柱状晶間の幅であり、しかも成長（長手）方向で幅の大きさが変化しているため、必ずしも任意位置における柱状晶の直径を示すものではない。

また、Ａ層におけるＳｉ非含有皮膜のＴｉａＡｌｂＣｒｃにおいて、ａ，ｂ，ｃは各金属元素の成分比を示すものであり、次式のように規定されている。
０．１≦ａ≦０．３５、
０．４５≦ｂ≦０．７、
０．１≦ｃ≦０．３５、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１
ここで、Ａ層の粒（柱状晶）の幅ｗはＡ層中に存在するＡｌ量により大きく左右される。Ａｌ量が４５原子％以下では粒の幅が大きくなり、７０原子％以上では六方晶が形成され、耐摩耗性、密着性が劣る。そのため、Ａｌは４５原子％〜７０原子％の範囲内に設定することが好ましい。
なお、本実施形態において、組成ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮでも本実施形態によるものと上記同様の効果がみられるが、一般的に硬度の高いＴｉＡｌＮと耐酸化性の良好なＣｒＡｌＮの両方の利点を生かしたＴｉＡｌＣｒＮを使用することが好ましい。
その際のＴｉＡｌＣｒＮの組成比で、Ｔｉ、Ｃｒはそれぞれ１０原子％〜３５原子％の範囲に設定することが好ましい。ＴｉとＣｒのいずれかが３５原子％を越えるとＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮのいずれかの特性に偏ってしまう。粒の幅に関しても、Ｔｉ、Ｃｒいずれか一方が３５原子％を越えて組成の偏りができると、粒の幅が微細ではなくなる。一方、Ｔｉ、Ｃｒのいずれかが１０原子％未満になると、やはりＴｉＡｌＮまたはＣｒＡｌＮのいずれかの特性に偏ってしまう不具合がある。また、Ｔｉ、Ｃｒの両方が１０原子％未満になると皮膜硬度と耐熱性が著しく低下し、切削工具向けの硬質皮膜として十分に機能しないという不具合が発生する。

ここで、Ａ層の断面画像が図１（ａ）に示されており、電子線をＡ層の断面に照射して回折像や実像を撮像しており、回折の方向によって白と黒の濃淡の画像として撮影できる。本実施形態では図１（ａ）に示す実像画像において白と黒の境界が明瞭に確認できるものについて柱状晶の幅として測定できる。柱状晶における幅は上述したように３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下、更に好ましくは１００ｎｍ以下とされている。
図１（ａ）では白と黒の濃淡の境界が明瞭でない部分もあるが、この場合には電子線の照射角度を変えることで明瞭でない部分について柱状晶の境界が明瞭になり、同様に幅寸法が測定可能である。図１（ｂ）に示す上述した従来技術によるＳｉ非含有皮膜のＴＥＭによる断面写真では、Ｔｉ，Ａｌ以外の第３元素が１０原子％未満に設定されている皮膜と、Ｓｉが偏析してアモルファス相が偏析している皮膜との結晶質の部分における柱状晶の幅を測定すると３００ｎｍより大きくなっており、粒の幅が本実施形態と比較して大きい。

そして、一の皮膜の上に組成の異なる別の皮膜を積層させる場合、上層の結晶成長は下層の結晶の具合に影響を受けることになる。本実施形態では、下層であるＡ層の粒の幅が３００ｎｍ以下と極微細であるため、その直上に形成されるＢ層がＴｉＮにＳｉを固溶したＳｉ含有被膜であっても、Ａ層の微細な構造上にエピタキシャル成長を促進して結晶質を保って完全な形でエピタキシャル成長が進行し、微細で緻密な構造の立方晶からなる結晶質の柱状晶を析出する。そのためアモルファス相即ちＳｉの偏析を含まない。

ここで、Ｂ層の結晶質である柱状晶の幅はＡ層の粒の幅に大きく影響されるが、Ｂ層の組成比により更に大きく左右される。Ｂ層は組成がＳｉｘＴｉ１−ｘの窒化物からなるＳｉ含有被膜である。ｘと１−ｘは成分比を表す。
Ｂ層の組成ＳｉｘＴｉ１−ｘにおける金属成分の成分比ｘは原子比で次のように設定されている。
０．１≦ｘ≦０．３
Ｓｉは１０原子％未満では粒の幅が大きくなりやすく、３０原子％を越えるとアモルファス相が粒界中に形成され、密着性、耐摩耗性が低下してしまう。
図３は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で６００００倍の倍率で撮影したＢ層の断面画像である。図３に示すＢ層におけるＳｉ含有被膜の粒（柱状晶）は、Ａ層の柱状晶の幅が３００ｎｍ以下となる極微細で緻密な配列となることに起因して、柱状晶の成長方向の任意の位置での成長方向に略直交する方向の幅が５０ｎｍ以下となる微細で緻密な配列に形成されることになる。
そのため、Ｂ層は、上述の従来技術で問題のあった皮膜の脆さ、剥離、粒界を通した酸素の拡散を抑制し、さらに固溶強化による改善が著しい皮膜ができ、耐酸化性、対摩耗性が飛躍的に向上するという驚くべき知見を得るに至った。

本発明の実施形態においては、Ｂ層の被膜形成に関し、ＳｉあるいはＳｉ３Ｎ４が単独でＳｉＴｉＮ皮膜中にできるだけ存在しないことが望ましい。仮に、ＳｉあるいはＳｉ３Ｎ４が単独で存在する場合にはアモルファス状になることが多く、また結晶構造をとる場合でもＳｉＴｉＮやＴｉＡｌＣｒＮの立方晶と整合性をとりにくく、ＳｉＴｉＮのエピタキシャル成長を阻害してしまう。
なお、Ｓｉなどがマトリクスを覆うように存在すると酸素の拡散が抑制されるが、結晶構造が微細であればＳｉの偏析が無くても十分な耐酸化性が得られ、さらに微細化による耐摩耗性、密着性も一層の向上が得られる。このことは、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析における０．１７μｍ^２の面積内でＳｉ濃度分配が均一に分散していることで確認できる（図４（ｂ）参照）。

Ｓｉ含有皮膜であるＢ層は電子線回折分析においてアモルファス相を含まない結晶質のみで回折されることが好ましい。この場合に電子線回折分析によれば回折パターンを確認できる。また、前述したようにＢ層への酸素の侵入による酸化を防ぐためには均一なＳｉ濃度に構成する必要があり、ＳｉＴｉＮの固溶体でなければＳｉは均一に存在しない。
一方、従来技術に示したの単純な固溶体では結晶質である柱状晶の幅が３００ｎｍと大きく、格子単位で発生する内部応力により皮膜が脆くなるという欠点があったが、本発明によって、下層２の硬質皮膜の結晶質を緻密かつ微細化することにより、上層であるＢ層のＳｉＴｉＮ固溶体でも更に微細化と緻密化を達成できて内部応力の発生が抑えられ、密着性のある硬質皮膜の作製に成功した。
本実施形態では、上述のようにＡ層が粒の幅３００ｎｍ以下に設定されており、Ｂ層もＡ層の結晶構造に倣ってその影響を受けて一層微細な粒の幅５０ｎｍ以下に設定されていてそれぞれ微細で緻密な構成であるために、Ｓｉ含有被膜の粒界からの酸素の進入を抑制して酸化を抑制できる。

図４はＢ層の表面におけるＥＤＸマッピング結果を示す画像である。ＥＤＸは試料表面の元素分析を行う装置であり、エネルギー分散型の元素分析によるマッピング結果を示している。図４（ａ）はＢ層断面の皮膜組成ＳｉＴｉＮのＳＴＥＭ画像を示している。図４（ｂ）は図４（ａ）のＳＴＥＭ画像におけるＳｉ組成の画像であり、ＳｉはＳｉＴｉＮ固溶体からなる結晶質の柱状晶として、偏析することなく一様に分散して存在しており、アモルファス相が形成されない微細で緻密な柱状晶として存在することを表している。図４（ｃ）は同じくＮ組成の画像であり、同様にＳｉＴｉＮ固溶体からなる結晶質として均等に分散して存在している。図４（ｄ）は同じくＴｉ組成の画像であり、同様にＳｉＴｉＮ固溶体からなる結晶質として均等に分散して存在している。

図５（ａ）〜（ｆ）はＢ層の縦断面におけるＴＥＭによる観察結果を示す電子線回折画像である。これらの画像は、電子線による回折像によってＢ層の回折スポットが明瞭に観察される領域とＢ層の回折スポットが明瞭に観察されない領域とをＢ層断面の３カ所（上部、中部、下部）の画像として図５（ａ）（ｂ）（ｃ）と（ｄ）（ｅ）（ｆ）をそれぞれ得た。
各画像において、中央の輝度の高い部分がビームスポットであり、その周囲に分散している輝度の高い部分は回折スポットであり、結晶質によって回折されたことを示している。回折スポットを確認できない領域は電子線が別の方向に射出している状態を示しており、この場合には電子線の照射角度を変更すれば回折スポットを確認できる。Ｂ層の断面にアモルファス相が形成されている場合には回折スポットは確認できない。
各図５（ａ）〜（ｆ）に示す各分析箇所毎に回折スポットの配置が異なるのは結晶の方位がそれぞれ微妙に異なるからである。そのため、これらの電子線回折像によってＢ層の断面全体に結晶質が緻密に形成されていることを確認できる。

硬質皮膜の膜厚は切削工具の刃径によって適切に設定される。本実施形態による硬質皮膜におけるＡ層とＢ層の膜厚について、Ａ層の膜厚をＴａ、Ｂ層の膜厚をＴｂとすると、膜厚ＴａとＴｂの膜厚比率は、
３≧Ｔｂ／Ｔａ≧０．７
であることが好ましい。０．７未満では、微細で緻密な結晶質構造を有していて密着性と耐摩耗性が高いＢ層の性能を発揮することはできない。より好ましくはＴｂ／Ｔａ≧０．９である。
また、Ａ層とＢ層を積層してなる硬質皮膜の全体膜厚は、切削工具の刃径により適宜設定する。本実施形態による硬質皮膜では０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。これは０．５μｍ未満ではその薄さから皮膜の性能を十分発揮できず、１０μｍ以上では膜厚が厚すぎて膜自身の破壊につながるからである。より好ましくは１μｍ以上７μｍ以下である。

次に本実施形態による硬質皮膜切削工具の硬質皮膜の成膜方法について説明する。
成膜方法は例えばアークイオンプレーティング方法やスパッタリング法等の物理蒸着方法があるが、これに限定されるものではない。本実施形態ではアークイオンプレーティング方法による成膜方法を用いるものとする。
Ａ層の成膜方法では、反応ガス圧力が３Ｐａ以上７Ｐａ以下、基盤負バイアス電圧は７５Ｖ以上１７５Ｖ未満であれば、密着力が高く粒の幅３００ｎｍ以下となる微細な幅をもった皮膜を成膜できる。ここで、基盤負バイアス電圧が７５Ｖ未満では皮膜の密着性が劣り、１７５Ｖ以上では微細な粒の幅が得られない。同様に反応ガス圧力は３Ｐａ未満では微細な粒の幅が得られず、７Ｐａを越えると密着性が劣る。
そして、ＴｉＡｌＣｒターゲットを放電させ、基盤バイアスを−１７５Ｖ以上−７５Ｖ未満印加してボールエンドミルの刃部表面に所望のＴｉＡｌＣｒＮ皮膜をＡ層として作製した。
これらの条件にてＡ層を成膜した状態でＸ線回折によって結晶の方位を検索すれば、Ｘ線回折結果において次の条件を満たす立方晶構造になる。
０．５＜１（２００）／Ｉ（１１１）＜３、
Ｉ（２００）＞Ｉ（２２０）、
Ｉ（１１１）＞Ｉ（２２０）

また、Ｂ層の成膜方法では、反応ガスを用いてチャンバー内の圧力を１Ｐａ以上６Ｐａ以下に設定し、基盤負バイアス電圧は３５Ｖ以上１００Ｖ未満とする。そしてＳｉＴｉターゲットを放電させ、基盤バイアス電圧を印加して所望のＳｉＴｉＮ皮膜をＢ層としてＡ層の直上に成膜する。エピタキシャル成長は下地層であるＡ層の晶幅に倣って成長するため、Ａ層を緻密で微細な幅の柱状晶の結晶構造に形成することで、Ｂ層の結晶構造も密着力が高く粒の幅５０ｎｍ以下となる微細な幅の柱状晶をもった皮膜を成膜できる。
そして、Ａ層にＢ層を積層して硬質皮膜を成膜してＸ線回折によって結晶の方位を検索すれば、Ｘ線回折結果は次の条件を満たす立方晶構造になる。
Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＞２
１（２００）＞Ｉ（２２０）、
Ｉ（１１１）＞Ｉ（２２０）、

なお、図６はＡ層の皮膜の結晶配向性を示すＸ線回折パターンであり、立方晶構造であることを裏付ける強度分布を示している。横軸２θにおける面方位（１１１）、（２００）、（２２０）のピーク位置からＡ層が立方晶であることを確認できる。なお、このＸ線回折試験では超硬合金を切削工具の基体としてＡ層を被覆したため、上記の面方位以外に他のピーク位置が出現している。

次に本発明の実施例について説明する。
切削工具として超硬合金製のボールエンドミルを用いる。成膜装置としてアークイオンプレーティング装置を用い、合金ターゲットとしてＴｉＡｌＣｒターゲットとＳｉＴｉターゲットを使用した。
まず、真空ポンプによってアークイオンプレーティング装置のチャンバー内を８．０×１０^−４Ｐａまで排気した後、チャンバー内にアルゴンガスを導入してチャンバー内を１Ｐａに保持し、基盤バイアス電圧を−３００Ｖとし、基盤表面の清浄化処理を３０分間行った。
次に、反応ガスとして窒素ガスを用いてチャンバー内が５Ｐａになるように導入し、ＴｉＡｌＣｒターゲットを放電させ、基盤負バイアスを１５０Ｖ印加してボールエンドミルの刃部表面に所望のＴｉＡｌＣｒＮ皮膜をＡ層として作製した。

次に、反応ガスとして窒素ガスを用いてチャンバー内が３Ｐａになるように導入し、ＳｉＴｉターゲットを放電させ、基盤負バイアスを９０Ｖ印加して所望のＳｉＴｉＮ皮膜をＢ層としてＡ層の直上に成膜した。
このようにして得られた硬質皮膜工具における硬質皮膜について、Ａ層、Ｂ層についてそれぞれ下記表１に示す実施例１〜５と比較例６〜１２からなる試料を作製した。これらＡ層、Ｂ層の組成、粒（柱状晶）の幅、Ａ層＋Ｂ層の総膜厚、膜厚比率Ｔａ／Ｔｂを表１に示す。

そして、実施例１〜５と比較例６〜１２の各硬質皮膜についてＡ層と（Ａ層＋Ｂ層）の皮膜についてＸ線を照射してＸ線回折パターンを計測し、Ｘ線回折強度比を算出した。またＡ層について結晶構造を検査した。この結果を表２に示す
次に、これら実施例１〜５と比較例６〜１２による硬質皮膜で被覆した工具（２枚刃ボールエンドミル）を用いて切削試験を行い、耐摩耗性の評価と工具寿命の切削評価を実施した。その切削評価条件を示すと下記の通りになる。
（切削評価条件）
工具：２枚刃ボールエンドミル（半径１ｍｍ、先端径φ２ｍｍ）
披削材：ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）
切り込み条件：軸方向０．２ｍｍ 径方向０．５ｍｍ
回転数：３０，０００ｍｉｎ^−１
切削油：オイルミスト
切削長さは切削加工機のプログラム上、１ポケットあたり３０ｍと設定し、１ポケット切削終了ごとに刃の摩耗状態を確認した。

切削試験の結果、表１に示す実施例１〜５は切削長が２７０ｍ〜３６０ｍとなり、いずれも従来の切削工具と比べて寿命が著しく向上しており、高い耐摩耗性を確認できた。しかも、切削加工における高速化、被加工物の高硬度化においても十分な切削性能を発揮することができた。

一方、比較例６、７はＡ層の組成が本発明の範囲を外れ、特性がＡｌＣｒＮ或いはＴｉＡｌＮの一方に偏り、且つ粒の幅５００ｎｍ、６００ｎｍとなり微細にならないためＢ層に微細な柱状晶を形成できない。そのため、十分な耐摩耗性と耐酸化性が得られず、切削寿命が短かった。
比較例１１もＡ層の組成が本発明の範囲を外れておりＡｌが７０原子％より大きいリッチな組成であるため、皮膜中に密着力の劣る六方晶が形成されてしまい、切削の初期に剥離に至った。比較例８、９、１０、１２のＡ層とＢ層の組成は本発明の範囲に含まれるものであるが、比較例８はＢ層の膜厚が薄すぎるため耐摩耗性に劣り、比較例９はＢ層の膜厚が厚すぎるため、刃先に内部応力に起因するチッピングが生じ、急激に進行する局所的な摩耗により十分な性能が発揮されない。比較例１０は全体膜厚が薄すぎるため耐摩耗性が十分ではなく、比較例１２は全体膜厚が厚すぎるため皮膜の内部応力により切削初期に剥離が生じた。

上述のように本実施形態による硬質皮膜切削工具によれば、Ａ層を立方晶からなる結晶質に形成して緻密で幅３００ｎｍ以下の微細な柱状晶で構成したから、Ａ層の硬度が高く耐酸化性が良好である上にＡ層の上に積層されるＢ層のエピタキシャル成長を促進させて固溶体からなる緻密で幅５０ｎｍ以下の微細な柱状晶を立方晶として形成できて、第３元素であるＣｒが１０原子％以上であっても、密着性が良く耐酸化性と耐摩耗性が高くなる。そのため、切削加工の高速化、乾式化、被加工物の高硬度化による摩耗を抑制し、密着性と耐熱性に優れた長寿命の被覆切削工具が得られる。
しかも、Ｓｉ濃度の異なる皮膜を同一層内に形成することはないから、製造コストを低廉に抑えることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これはあくまでも一実施形態でありこれに限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の形態や態様を採用できることはいうまでもない。
次に本発明の実施形態の変形例について説明する。
上述の実施形態で説明したように、Ａ層とＢ層の積層構造からなる硬質皮膜を被覆することで工具の切削性能は著しく向上するが、本変形例ではＢ層直上に更に第３層を成膜している。この第３層は、金属元素として少なくともＣｒとＡｌを含み、非金属元素として少なくとも窒素を含む耐酸化性に優れたＣｒＡｌ系皮膜、例えばＴｉＡｌＣｒＮ皮膜を膜厚０．１μｍ以上０，８μｍ以下の薄膜で形成している。これによって、高硬度で相対的に耐熱性の劣るＢ層に対して、切削に伴う刃先温度の上昇に耐性を持たせると共にＢ層よりも低硬度ゆえの刃先への衝撃緩和効果を持たせて、切削工具の性能向上を図っている。
このように、本発明による硬質皮膜は、皮膜の最適化を図り皮膜そのものの性能を最大限に引き出すことで、性能向上を達成することができる。

硬質皮膜切削工具に被覆した硬質皮膜を示すもので、（ａ）は本発明の実施の形態によるＡ層の結晶構造を示す断面画像、（ｂ）は従来技術によるＡ層の結晶構造を示す断面画像である。 柱状晶の幅を示す説明図である。 実施形態による硬質皮膜のＡ層直上に積層するＢ層の結晶構造を示す断面画像である。 本実施形態によるＢ層のＥＤＸマッピング結果画像を示すもので、（ａ）はＳＴＥＭ画像、（ｂ）はＳｉ組成画像、（ｃ）はＮ組成画像、（ｃ）はＴｉ組成画像の図である。 Ｂ層断面におけるＴＥＭによる観察結果を示す電子線回折画像であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は電子線による回折像によってＢ層の格子縞が明瞭に観察される領域とＢ層の格子縞が明瞭に観察されない領域とにおけるＢ層断面の上部、中部、下部の３カ所の画像である。 Ａ層が立方晶構造であることを裏付けるＸ線回折の強度分布を示す図である。

Claims (10)

1. 工具の基材の表面に硬質被膜を積層して形成された硬質皮膜切削工具であって、
   前記硬質皮膜は基材上に形成されて被覆するＡ層と該Ａ層の直上に形成されるＢ層とを有しており、
   前記Ａ層はＴｉＡｌＣｒの窒化物、酸窒化物、炭窒化物、酸炭窒化物のいずれかのＳｉ非含有皮膜であって、立方晶からなる微細な柱状晶で構成されていて該柱状晶の成長方向に略直交する方向の各柱状晶の幅が３００ｎｍ以下に形成され、
   前記Ｂ層はＳｉＴｉの窒化物を主体としてなるＳｉ含有皮膜であることを特徴とする硬質皮膜切削工具。
2. 前記Ｂ層におけるＳｉ含有皮膜は、立方晶からなる微細な柱状晶で構成されていて該柱状晶の成長方向に略直交する方向の各柱状晶の幅が５０ｎｍ以下に形成されている請求項１に記載の硬質皮膜切削工具。
3. 前記Ａ層の組成ＴｉａＡｌｂＣｒｃにおける金属成分の成分比ａ，ｂ，ｃは原子比で、
   ０．１≦ａ≦０．３５、
   ０．４５≦ｂ≦０．７、
   ０．１≦ｃ≦０．３５、
   ａ＋ｂ＋ｃ＝１
   であることを特徴とする請求項１または２に記載の硬質皮膜切削工具。
4. 前記Ａ層は、Ｘ線回折において、
   ０．５＜Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＜３、
   Ｉ（２００）＞Ｉ（２２０）、
   Ｉ（１１１）＞Ｉ（２２０）、
   を満たした立方晶構造であることを特徴とする請求項３に記載の硬質被覆工具。
5. 前記Ｂ層の組成ＳｉｘＴｉ_１−ｘにおける金属成分の成分比ｘは原子比で
   ０．１≦ｘ≦０．３
   であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の硬質皮膜切削工具。
6. 前記Ａ層とＢ層からなる硬質皮膜のＸ線回折において、
   Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）＞２
   Ｉ（２００）＞Ｉ（２２０）、
   Ｉ（１１１）＞Ｉ（２２０）、
   を満たした立方晶構造を有することを特徴とする請求項５に記載の硬質皮膜切削工具。
7. 前記Ａ層の膜厚をＴａとし、前記Ｂ層の膜厚をＴｂとすると、前記Ａ層とＢ層の膜厚比率は
   ３≧Ｔｂ／Ｔａ≧０．７
   であり、Ａ層とＢ層の膜厚（Ｔａ＋Ｔｂ）が０．５μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の硬質皮膜切削工具。
8. 前記Ｂ層の直上に、金属元素として少なくともＣｒとＡｌを含むと共に非金属元素として少なくともＮを含むＣｒＡｌ系被膜を０．１μｍ以上０．８μｍ以下の膜厚で被覆してなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の硬質皮膜切削工具。
9. 前記Ｂ層のＳｉ濃度分配が、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析における０．１７μｍ^２の面積内で均一に分散していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の硬質皮膜切削工具。
10. 前記Ｂ層の電子線回折が結晶質のみで回折されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の硬質皮膜切削工具。

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