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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024032358
(43)【公開日】2024-03-12
(54)【発明の名称】被覆工具
(51)【国際特許分類】
B23B 27/14 20060101AFI20240305BHJP
C23C 14/06 20060101ALI20240305BHJP
B23C 5/16 20060101ALN20240305BHJP
【ＦＩ】
B23B27/14 A
C23C14/06 A
C23C14/06 H
B23C5/16
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022135969
(22)【出願日】2022-08-29
(71)【出願人】
【識別番号】000233066
【氏名又は名称】株式会社ＭＯＬＤＩＮＯ
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100142424
【弁理士】
【氏名又は名称】細川 文広
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 智也
【テーマコード（参考）】
3C046
4K029
【Ｆターム（参考）】
3C046FF03
3C046FF09
3C046FF13
3C046FF20
3C046FF23
3C046FF24
3C046FF25
4K029AA02
4K029AA21
4K029BA03
4K029BA07
4K029BA54
4K029BA58
4K029BB08
4K029BC02
4K029BD05
4K029CA05
4K029CA06
4K029CA13
4K029DA04
4K029DC04
4K029DC16
4K029FA04
4K029FA05
4K029JA03
4K029JA06
(57)【要約】
【課題】ドロップレットを低減しつつ、優れた耐久性を実現する。
【解決手段】基材の上に硬質皮膜を有する被覆工具。硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを７０原子％以上９０原子％以下、Ｃｒを１０原子％以上３０原子％以下、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有している窒化物または炭窒化物である。結晶構造は立方晶と六方晶からなる。硬質皮膜は立方晶の（１１１）面の正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩＡ、最小強度をＩＢとした場合、ＩＢはＩＡ×０．５以上である。六方晶の（１１０）面の正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩａ、最小強度をＩｂとした場合、ＩｂはＩａ×０．５以上である。
【選択図】図１
【解決手段】基材の上に硬質皮膜を有する被覆工具。硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを７０原子％以上９０原子％以下、Ｃｒを１０原子％以上３０原子％以下、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有している窒化物または炭窒化物である。結晶構造は立方晶と六方晶からなる。硬質皮膜は立方晶の（１１１）面の正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩＡ、最小強度をＩＢとした場合、ＩＢはＩＡ×０．５以上である。六方晶の（１１０）面の正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩａ、最小強度をＩｂとした場合、ＩｂはＩａ×０．５以上である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材と、前記基材の上に硬質皮膜を有する被覆工具であって、
前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを７０原子％以上９０原子％以下で含有しており、Ｃｒを１０原子％以上３０原子％以下で含有しており、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有している窒化物または炭窒化物であり、結晶構造は立方晶と六方晶からなり、
前記硬質皮膜は立方晶の（１１１）面の正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩＡ、最小強度をＩＢとした場合、ＩＢはＩＡ×０．５以上であり、
六方晶の（１１０）面の正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩａ、最小強度をＩｂとした場合、ＩｂはＩａ×０．５以上であることを特徴とする被覆工具。
前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを７０原子％以上９０原子％以下で含有しており、Ｃｒを１０原子％以上３０原子％以下で含有しており、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有している窒化物または炭窒化物であり、結晶構造は立方晶と六方晶からなり、
前記硬質皮膜は立方晶の（１１１）面の正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩＡ、最小強度をＩＢとした場合、ＩＢはＩＡ×０．５以上であり、
六方晶の（１１０）面の正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩａ、最小強度をＩｂとした場合、ＩｂはＩａ×０．５以上であることを特徴とする被覆工具。
【請求項2】
ＩＢはＩＡ×０．６以上であることを特徴とする請求項１に記載の被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金型や切削工具等の工具に適用する被覆工具に関する。
【背景技術】
【0002】
ＡｌＣｒ窒化物は耐摩耗性と耐熱性に優れる膜種であり被覆金型や被覆切削工具として広く適用されている。近年、アークイオンプレーティング法でＡｌの含有比率が７０原子％を超えるＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物を被覆した被覆工具が提案され始めている（特許文献１～３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１６－０３２８６１号公報
【特許文献2】特開２０１８－０５９１４６号公報
【特許文献3】特開２０２０－０４０１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
工具径が２ｍｍ以下のような小径工具においては工具性能に与えるドロップレットの影響が大きくなり易い。本発明者は、アークイオンプレーティング法で被覆したＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物はドロップレットが多くなり易く、工具の耐久性に改善の余地があることを確認した。
ドロップレットは、硬質皮膜の成膜にスパッタリング法を用いることで低減できる。しかし、単にスパッタリング法を用いて硬質皮膜を成膜した場合、アークイオンプレーティング法を用いて形成された硬質皮膜よりも耐摩耗性に劣る場合があった。
本発明は上記の事情に鑑み、ＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物について、スパッタリング法の適用によりドロップレットを低減しつつ、アークイオンプレーティング法を用いた場合と同等以上の耐久性を実現する被覆工具を提供することを目的とする。
ドロップレットは、硬質皮膜の成膜にスパッタリング法を用いることで低減できる。しかし、単にスパッタリング法を用いて硬質皮膜を成膜した場合、アークイオンプレーティング法を用いて形成された硬質皮膜よりも耐摩耗性に劣る場合があった。
本発明は上記の事情に鑑み、ＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物について、スパッタリング法の適用によりドロップレットを低減しつつ、アークイオンプレーティング法を用いた場合と同等以上の耐久性を実現する被覆工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様の被覆工具は、基材と、前記基材の上に硬質皮膜を有する被覆工具であって、
前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを７０原子％以上９０原子％以下で含有しており、Ｃｒを１０原子％以上３０原子％以下で含有しており、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有している窒化物または炭窒化物であり、結晶構造は立方晶と六方晶からなり、
前記硬質皮膜は立方晶の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩＡ、最小強度をＩＢとした場合、ＩＢはＩＡ×０．５以上であり、
六方晶の（１１０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩａ、最小強度をＩｂとした場合、ＩｂはＩａ×０．５以上である被覆工具である。
前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを７０原子％以上９０原子％以下で含有しており、Ｃｒを１０原子％以上３０原子％以下で含有しており、金属元素（半金属を含む）と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有している窒化物または炭窒化物であり、結晶構造は立方晶と六方晶からなり、
前記硬質皮膜は立方晶の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩＡ、最小強度をＩＢとした場合、ＩＢはＩＡ×０．５以上であり、
六方晶の（１１０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度をＩａ、最小強度をＩｂとした場合、ＩｂはＩａ×０．５以上である被覆工具である。
【0006】
ＩＢはＩＡ×０．６以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、ＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物のスパッタ皮膜を設けた耐久性に優れる被覆工具を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本実施例１に係るＡｌＣｒ窒化物の立方晶の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例である。
【図2】本実施例１に係るＡｌＣｒ窒化物の六方晶の（１１０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例である。
【図3】比較例１に係るＡｌＣｒ窒化物の立方晶の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本発明者は、ＡｌリッチなＡｌＣｒ窒化物または炭窒化物のスパッタ皮膜について、立方晶と六方晶の結晶構造であっても、結晶の配向を制御することで、工具の耐久性に優れることを確認した。以下、本発明の実施形態の詳細について説明をする。
本実施形態の被覆工具は、基材の表面にＡｌリッチのＡｌとＣｒを主体とする窒化物または炭窒化物を有する被覆工具である。本実施形態の被覆工具は、金型や切削工具に適用することができる。特に、工具径が５ｍｍ以下、更には３ｍｍ以下の小径エンドミルに適用することが好ましい。
本実施形態の被覆工具は、基材の表面にＡｌリッチのＡｌとＣｒを主体とする窒化物または炭窒化物を有する被覆工具である。本実施形態の被覆工具は、金型や切削工具に適用することができる。特に、工具径が５ｍｍ以下、更には３ｍｍ以下の小径エンドミルに適用することが好ましい。
【0010】
本実施例において、基材は特段限定されるものではない。冷間工具鋼、熱間工具鋼、高速度鋼、超硬合金等を用途に応じて適宜適用すればよい。基材は予め窒化処理やボンバード処理等をしても良い。
【0011】
本実施形態に係る硬質皮膜は、窒化物または炭窒化物であり、金属（半金属を含む。以下同様。）元素の総量に対して、Ａｌを７０原子％以上９０原子％以下で含有しており、Ｃｒを１０原子％以上３０原子％以下で含有している。ＡｌとＣｒを主体とする窒化物または炭窒化物は耐摩耗性と耐熱性のバランスに優れる膜種であり、基材との密着性にも優れる。本実施形態に係る硬質皮膜は耐熱性により優れる窒化物であることが好ましい。
【0012】
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ａｌの含有比率を７０原子％以上とする。硬質皮膜に含まれるＡｌが多くなることで耐熱性が向上する。また、工具表面に酸化保護皮膜が形成され易くなるとともに、皮膜組織が微細になるため、溶着による硬質皮膜の摩耗が抑制され易くなる。更には、Ａｌの含有比率は７５原子％以上であることが好ましい。一方、Ａｌの含有比率が大きくなり過ぎると硬質皮膜の靭性が著しく低下する。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ａｌの含有比率を９０原子％以下とする。更には、Ａｌの含有比率は８５原子％以下であることが好ましい。
【0013】
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ｃｒの含有比率を１０原子％以上とする。これにより、加工中の工具表面に均一で緻密な酸化保護皮膜が形成され易くなり、工具損傷が抑制され易くなる。更には、Ｃｒの含有比率を１５原子％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒの含有比率が大きくなり過ぎると相対的にＡｌが少なくなり、Ａｌの含有比率を大きくする効果が得られ難い。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、Ｃｒの含有比率を３０原子％以下とする。更には、Ｃｒの含有比率は２５原子％以下であることが好ましい。
【0014】
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素全体を１００原子％とした場合、ＡｌとＣｒの含有比率の合計を９０原子％以上とすることが好ましい。また、本実施形態に係る硬質皮膜は、ＡｌとＣｒの窒化物または炭窒化物であってもよい。
本実施形態に係る硬質皮膜の金属元素の含有比率は、鏡面加工した硬質皮膜について、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。この場合、例えば、硬質皮膜表面の鏡面加工後、直径が約１μｍの分析範囲を５点分析した平均から求めることができる。
本実施形態に係る硬質皮膜の金属元素の含有比率は、鏡面加工した硬質皮膜について、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。この場合、例えば、硬質皮膜表面の鏡面加工後、直径が約１μｍの分析範囲を５点分析した平均から求めることができる。
【0015】
本実施形態に係る硬質皮膜には、ＡｌとＣｒ以外の金属元素を含有しても良い。例えば、本実施形態に係る硬質皮膜は、耐摩耗性や耐熱性等の向上を目的として、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＳｉ、Ｂ、Ｙ、Ｙｂ、Ｃｕから選択される１種または２種以上の元素を含有することもできる。これらの元素は被覆工具の皮膜特性を向上させるために一般的に含有されるものであり、被覆工具の耐久性を著しく低下させない範囲で添加可能である。但し、ＡｌとＣｒ以外の金属元素の含有比率が大きくなり過ぎると、被覆工具の耐久性が低下する場合がある。そのため、本実施形態に係る硬質皮膜が、ＡｌとＣｒ以外の金属元素を含有する場合、その合計の含有比率は、金属元素全体を１００原子％とした場合に、１０原子％以下、更には、５原子％以下であることが好ましい。
【0016】
本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴン（Ａｒ）を０．５０原子％以下で含有する。本実施形態に係る硬質皮膜は、スパッタ膜であり、スパッタ硬質皮膜である。硬質皮膜の欠陥となるドロップレットは、スパッタリング法を適用することで発生頻度を低減させることができる。一方、スパッタリング法ではアルゴンイオンを用いてターゲット成分をスパッタリングするため、スパッタリング法で被覆した硬質皮膜はアルゴンを少なからず含有する。とりわけ、アルゴンは結晶粒界に濃化し易く、結晶粒径が微粒になるとアルゴンの含有比率が大きくなる傾向になる。但し、アルゴンの含有比率が大きくなると、結晶粒界において粒子同士の結合力が低下する。本実施形態に係る硬質皮膜のように、Ａｌの含有比率が大きい硬質皮膜においては、過多に含まれるアルゴンは欠陥となりうるため、その含有比率を一定以下にすることが有効である。具体的には、本実施形態に係る硬質皮膜は、金属元素と非金属元素の総量に対して、アルゴンを０．５０原子％以下で含有する。更には、アルゴン含有比率を０．４０原子％以下とすることが好ましい。
なお、本実施形態に係る硬質皮膜は、アルゴン以外に他の希ガスを含有した混合ガスを用いてスパッタリングすれば、アルゴン以外の希ガスも含有しうる。
なお、本実施形態に係る硬質皮膜は、アルゴン以外に他の希ガスを含有した混合ガスを用いてスパッタリングすれば、アルゴン以外の希ガスも含有しうる。
【0017】
スパッタリング法において、硬質皮膜に含まれるアルゴンの含有比率を限りなく０原子％に近づけようとすると、アルゴンの流量が小さくなり過ぎてスパッタリングが安定しない。また、仮にアルゴンの含有比率が０原子％に近づくとしても、靭性、耐熱性、耐摩耗性といった切削工具に適用する硬質皮膜としての基本的な特性が損なわれうる。本実施形態に係る硬質皮膜は、アルゴンの含有比率の下限は特段限定されないが、スパッタリング法を安定させて、被覆工具に適用する硬質皮膜としての基本的な皮膜特性を確保するために、アルゴン含有比率を０．０２原子％以上とすることが好ましい。更には、アルゴン含有比率を０．０５原子％以上とすることが好ましい。更には、アルゴン含有比率を０．１０原子％以上とすることが好ましい。
【0018】
本実施形態に係る硬質皮膜のアルゴンの含有比率は、上述した金属元素の含有比率の測定と同様に、鏡面加工した硬質皮膜について、電子プローブマイクロアナライザー装置（ＥＰＭＡ）を用いて測定することができる。上述した金属元素の含有比率の測定と同様に、鏡面加工後、直径が約１μｍの分析範囲を５点分析した平均から求めることができる。
本実施形態に係る硬質皮膜は、非金属元素としては窒素以外に微量のアルゴン、酸素、炭素が含まれうる。
本実施形態に係る硬質皮膜は、非金属元素としては窒素以外に微量のアルゴン、酸素、炭素が含まれうる。
【0019】
＜結晶構造＞
本実施形態に係る硬質皮膜は立方晶と六方晶からなる。本実施形態に係る硬質皮膜は、立方晶の（１１１）面の正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度ＩＡ、最小強度をＩＢとした場合、ＩＢはＩＡ×０．５以上である。これにより、最大強度ＩＡと最小強度ＩＢの差が小さくなり、α角１０°～９０°の範囲において立方晶の（１１１）面のＸ線強度分布が均一となり易く、最密面である立方晶の（１１１）面が特定の方向に強く配向しない状態となる。また、本実施形態に係る硬質皮膜は、六方晶の（１１０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度Ｉａ、最小強度をＩｂとした場合、ＩｂはＩａ×０．５以上である。これにより、最大強度Ｉａと最小強度Ｉｂの差が小さくなり、α角１０°～９０°の範囲において六方晶の（１１０）面のＸ強度分布が均一となり易く、六方晶が特定の方向に強く配向しない状態となる。立方晶の（１１１）面と六方晶の（１１０）面とが特定の方向に強く配向しない状態であることで、皮膜損傷が抑制され易くなり、耐久性が向上すると推測される。
ＩＢはＩＡ×０．６以上であることが好ましい。更には、ＩＢはＩＡ×０．７以上であることが好ましい。本実施形態に係る硬質皮膜の中で立方晶の（１１１）面はＸ線回折において最大強度を示す結晶面であることが好ましい。
本実施形態に係る硬質皮膜は立方晶と六方晶からなる。本実施形態に係る硬質皮膜は、立方晶の（１１１）面の正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度ＩＡ、最小強度をＩＢとした場合、ＩＢはＩＡ×０．５以上である。これにより、最大強度ＩＡと最小強度ＩＢの差が小さくなり、α角１０°～９０°の範囲において立方晶の（１１１）面のＸ線強度分布が均一となり易く、最密面である立方晶の（１１１）面が特定の方向に強く配向しない状態となる。また、本実施形態に係る硬質皮膜は、六方晶の（１１０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布において、α角１０°～９０°の範囲の最大強度Ｉａ、最小強度をＩｂとした場合、ＩｂはＩａ×０．５以上である。これにより、最大強度Ｉａと最小強度Ｉｂの差が小さくなり、α角１０°～９０°の範囲において六方晶の（１１０）面のＸ強度分布が均一となり易く、六方晶が特定の方向に強く配向しない状態となる。立方晶の（１１１）面と六方晶の（１１０）面とが特定の方向に強く配向しない状態であることで、皮膜損傷が抑制され易くなり、耐久性が向上すると推測される。
ＩＢはＩＡ×０．６以上であることが好ましい。更には、ＩＢはＩＡ×０．７以上であることが好ましい。本実施形態に係る硬質皮膜の中で立方晶の（１１１）面はＸ線回折において最大強度を示す結晶面であることが好ましい。
【0020】
＜中間皮膜、上層＞
本実施形態の被覆工具は、硬質皮膜の密着性をより向上させるため、必要に応じて、工具の基材と硬質皮膜との間に別途中間皮膜を設けてもよい。例えば、金属、窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかからなる層を工具の基材と硬質皮膜との間に設けてもよい。
また、本実施形態に係る硬質皮膜の上に、本実施形態に係る硬質皮膜と異なる成分比や異なる組成を有する硬質皮膜を別途形成させてもよい。さらには、本実施形態に係る硬質皮膜と、別途本実施形態に係る硬質皮膜と異なる組成比や異なる組成を有する硬質皮膜とを相互積層させてもよい。
本実施形態の被覆工具は、硬質皮膜の密着性をより向上させるため、必要に応じて、工具の基材と硬質皮膜との間に別途中間皮膜を設けてもよい。例えば、金属、窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかからなる層を工具の基材と硬質皮膜との間に設けてもよい。
また、本実施形態に係る硬質皮膜の上に、本実施形態に係る硬質皮膜と異なる成分比や異なる組成を有する硬質皮膜を別途形成させてもよい。さらには、本実施形態に係る硬質皮膜と、別途本実施形態に係る硬質皮膜と異なる組成比や異なる組成を有する硬質皮膜とを相互積層させてもよい。
【0021】
＜ドロップレット＞
本実施形態に係る硬質皮膜は、断面観察において円相当径が１μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり５個以下であることが好ましい。本明細書における「ドロップレット」は、アークイオンプレーティング法では、カソードから飛び出す１～数十μｍ程度の溶融粒子に起因する硬質皮膜上の付着物である。本明細書における「ドロップレット」は、スパッタリング法では、ターゲットから突発的に飛散する１～数十μｍ程度の金属粒子に起因する硬質皮膜上の付着物である。
本実施形態に係る硬質皮膜は、断面観察において円相当径が１μｍ以上のドロップレットが１００μｍ２当たり５個以下であることが好ましい。本明細書における「ドロップレット」は、アークイオンプレーティング法では、カソードから飛び出す１～数十μｍ程度の溶融粒子に起因する硬質皮膜上の付着物である。本明細書における「ドロップレット」は、スパッタリング法では、ターゲットから突発的に飛散する１～数十μｍ程度の金属粒子に起因する硬質皮膜上の付着物である。
【0022】
物理蒸着法で被覆する硬質皮膜では、ドロップレットが主な物理的な欠陥となりうる。とりわけ、円相当径が１μｍ以上の粗大なドロップレットは硬質皮膜の内部で破壊の起点となりうるため、その発生頻度を低減することで、硬質皮膜の靭性を高めることができる。本実施形態においては、硬質皮膜の断面観察において、円相当径が１μｍ以上のドロップレットを１００μｍ２当たり５個以下にすることが好ましい。より好ましくは、１００μｍ２当たり３個以下である。更に好ましくは、１００μｍ２当たり１個以下である。更には、円相当径が５μｍ以上のドロップレットを含有しないことが好ましい。
また、硬質皮膜の表面についても、円相当径が１μｍ以上のドロップレットが、１００μｍ２当たり５個以下であることが好ましい。より好ましくは、硬質皮膜の表面のドロップレットは１００μｍ２当たり３個以下である。更に好ましくは、硬質皮膜の表面のドロップレットは１００μｍ２当たり１個以下である。
また、硬質皮膜の表面についても、円相当径が１μｍ以上のドロップレットが、１００μｍ２当たり５個以下であることが好ましい。より好ましくは、硬質皮膜の表面のドロップレットは１００μｍ２当たり３個以下である。更に好ましくは、硬質皮膜の表面のドロップレットは１００μｍ２当たり１個以下である。
【0023】
硬質皮膜の断面観察においてドロップレットを評価するには、硬質皮膜を鏡面加工した後、収束イオンビーム法で加工し、透過型電子顕微鏡を用いて鏡面加工された面を５，０００～１０，０００倍で複数の視野を観察する。また、硬質皮膜の表面のドロップレットの個数は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等を用いて硬質皮膜の表面を観察することで求めることができる。
【0024】
＜製造方法＞
本実施形態に係る硬質皮膜の被覆では、３個以上のＡｌＣｒ系合金ターゲットを用いて、ターゲットに順次電力を印加して、電力が印加されるターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了するターゲットと電力の印加を開始するターゲットの両方のターゲットに同時に電力が印加されている時間を設けるスパッタリング法を適用することが好ましい。このようなスパッタリング法はターゲットのイオン化率が高い状態が被覆中に維持されて、ミクロレベルで緻密な硬質皮膜が得られるとともに、不可避的に含有されるアルゴンや酸素が少ない傾向にある。そして、スパッタリング装置の炉内温度を３５０℃～５００℃、基材に印加する負圧のバイアス電圧を－２００Ｖ～－７０Ｖ、ＡｒガスおよびＮ２ガスを導入して炉内圧力を０．１Ｐａ～０．４Ｐａとすることが好ましい。なお、炭窒化物を被覆する場合には、ターゲットに微量の炭素を添加するか、反応ガスの一部をメタンガスに置換すればよい。
本実施形態に係る硬質皮膜の被覆では、３個以上のＡｌＣｒ系合金ターゲットを用いて、ターゲットに順次電力を印加して、電力が印加されるターゲットが切り替わる際に、電力の印加が終了するターゲットと電力の印加を開始するターゲットの両方のターゲットに同時に電力が印加されている時間を設けるスパッタリング法を適用することが好ましい。このようなスパッタリング法はターゲットのイオン化率が高い状態が被覆中に維持されて、ミクロレベルで緻密な硬質皮膜が得られるとともに、不可避的に含有されるアルゴンや酸素が少ない傾向にある。そして、スパッタリング装置の炉内温度を３５０℃～５００℃、基材に印加する負圧のバイアス電圧を－２００Ｖ～－７０Ｖ、ＡｒガスおよびＮ２ガスを導入して炉内圧力を０．１Ｐａ～０．４Ｐａとすることが好ましい。なお、炭窒化物を被覆する場合には、ターゲットに微量の炭素を添加するか、反応ガスの一部をメタンガスに置換すればよい。
【0025】
電力パルスの最大電力密度は、０．１ｋＷ／ｃｍ２以上とすることが好ましい。更には、０．３ｋW／ｃｍ２以上とすることが好ましい。また、本組成系においては成膜イオンのエネルギーが高くなり過ぎると六方晶が多くなり過ぎる。そのため、電力パルスの最大電力密度は、０．７ｋＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。更には、０．６ｋW／ｃｍ２以下とすることが好ましい。個々のターゲットに印加する電力パルスの時間は、３０ミリ秒以下とすることが好ましい。また、電力の印加が終了する合金ターゲットと電力の印加を開始する合金ターゲットの両方の合金ターゲットに同時に電力が印加されている時間は２０マイクロ秒以上１００マイクロ秒以下とすることが好ましい。
【実施例0026】
＜基材＞
基材として、組成がＷＣ（ｂａｌ．）－Ｃｏ（８．０質量％）－ＶＣ（０．３質量％）－Ｃｒ３Ｃ２（０．５質量％）、硬度９４．０ＨＲＡ（ロックウェル硬さ、ＪＩＳ Ｇ ０２０２に準じて測定した値）からなる超硬合金製の２枚刃ボールエンドミルを準備した。
基材として、組成がＷＣ（ｂａｌ．）－Ｃｏ（８．０質量％）－ＶＣ（０．３質量％）－Ｃｒ３Ｃ２（０．５質量％）、硬度９４．０ＨＲＡ（ロックウェル硬さ、ＪＩＳ Ｇ ０２０２に準じて測定した値）からなる超硬合金製の２枚刃ボールエンドミルを準備した。
【0027】
本実施例１は、スパッタ蒸発源を６機搭載できるスパッタリング装置を使用した。これらの蒸着源のうち、硬質皮膜を被覆するためにＡｌ８０Ｃｒ２０合金ターゲット（数値は原子比、以下同様。）６個を蒸着源として装置内に設置した。
基材である工具をスパッタリング装置内のサンプルホルダーに固定し、工具にバイアス電源を接続した。なお、バイアス電源は、ターゲットとは独立して工具に負のバイアス電圧を印加する構造となっている。工具は、毎分２回転で自転しかつ、固定治具とサンプルホルダーを介して公転する。工具とターゲット表面との間の距離は１００ｍｍとした。
導入ガスは、Ａｒ、およびＮ２を用い、スパッタリング装置に設けられたガス供給ポートから導入した。
基材である工具をスパッタリング装置内のサンプルホルダーに固定し、工具にバイアス電源を接続した。なお、バイアス電源は、ターゲットとは独立して工具に負のバイアス電圧を印加する構造となっている。工具は、毎分２回転で自転しかつ、固定治具とサンプルホルダーを介して公転する。工具とターゲット表面との間の距離は１００ｍｍとした。
導入ガスは、Ａｒ、およびＮ２を用い、スパッタリング装置に設けられたガス供給ポートから導入した。
【0028】
＜ボンバード処理＞
まず工具に硬質皮膜を被覆する前に、以下の手順で工具にボンバード処理を行った。スパッタリング装置内のヒーターにより炉内温度が４００℃になった状態で３０分間の加熱を行った。その後、スパッタリング装置の炉内を真空排気し、炉内圧力を５．０×１０－３Ｐａ以下とした。そして、Ａｒガスをスパッタリング装置の炉内に導入し、炉内圧力を０．８Ｐａに調整した。そして、工具に－１７０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ａｒイオンによる工具のクリーニング（ボンバード処理）を２０分以上実施した。
まず工具に硬質皮膜を被覆する前に、以下の手順で工具にボンバード処理を行った。スパッタリング装置内のヒーターにより炉内温度が４００℃になった状態で３０分間の加熱を行った。その後、スパッタリング装置の炉内を真空排気し、炉内圧力を５．０×１０－３Ｐａ以下とした。そして、Ａｒガスをスパッタリング装置の炉内に導入し、炉内圧力を０．８Ｐａに調整した。そして、工具に－１７０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ａｒイオンによる工具のクリーニング（ボンバード処理）を２０分以上実施した。
【0029】
＜硬質皮膜の被覆＞
本実施例１の被覆では、炉内温度を４００℃にして、スパッタリング装置の炉内にＡｒガス（０．２Ｐａ）およびＮ２ガス（０．１Ｐａ）を導入して炉内圧力を０．３Ｐａにした。基材に直流バイアス電圧を印加して、ターゲットに印加する電力がオーバーラップする時間は５０マイクロ秒とし、各ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を１ミリ秒とした。そして、基材に印加する負圧のバイアス電圧を－１２０Ｖ、最大電力を０．４ｋＷ／ｃｍ２として、６個のＡｌ８０Ｃｒ２０合金ターゲットに連続的に電力を印加して、基材の表面に約３．０μｍの硬質皮膜を被覆した。
本実施例１の被覆では、炉内温度を４００℃にして、スパッタリング装置の炉内にＡｒガス（０．２Ｐａ）およびＮ２ガス（０．１Ｐａ）を導入して炉内圧力を０．３Ｐａにした。基材に直流バイアス電圧を印加して、ターゲットに印加する電力がオーバーラップする時間は５０マイクロ秒とし、各ターゲットに印加される電力の１周期当りの放電時間を１ミリ秒とした。そして、基材に印加する負圧のバイアス電圧を－１２０Ｖ、最大電力を０．４ｋＷ／ｃｍ２として、６個のＡｌ８０Ｃｒ２０合金ターゲットに連続的に電力を印加して、基材の表面に約３．０μｍの硬質皮膜を被覆した。
【0030】
比較例１はアークイオンプレーティング装置を使用した。Ａｌ６０Ｃｒ４０合金ターゲットを蒸着源として装置内に設置した。まず、Ａｒイオンによる工具のクリーニング（ボンバード処理）を実施した。次いで、アークイオンプレーティング装置の炉内圧力を５．０×１０－３Ｐａ以下に真空排気して、炉内温度を５００℃とし、炉内圧力が３．２ＰａになるようにＮ２ガスを導入した。次いで、工具に－１００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ａｌ６０Ｃｒ４０合金ターゲットに１５０Ａの電流を供給して、工具の表面に約３．０μｍの硬質皮膜を被覆した。比較例１は市場で一般的に使用されている組成である。
【0031】
硬質皮膜の皮膜組成は、電子プローブマイクロアナライザー装置（株式会社日本電子製 ＪＸＡ－８５００Ｆ）に付属する波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ－ＥＰＭＡ）で測定した。物性評価用のボールエンドミルを鏡面加工して、加速電圧１０ｋＶ、照射電流５×１０－８Ａ、取り込み時間１０秒とし、分析領域が直径１μｍの範囲を５点測定してその平均値から硬質皮膜の金属含有比率および金属成分と非金属成分の合計におけるＡｒの含有比率を求めた。
【0032】
Ｘ線回折装置（株式会社ＰａＮａｌｙｔｉｃａｌ製 ＥＭＰＹＲＥＡ）を用い、管電圧４５ｋＶ、管電流４０ｍＡ、Ｘ線源Ｃｕｋα（λ＝０．１５４０５ｎｍ）、２θが２０～８０度の測定条件で結晶構造の確認を行った。
【0033】
正極点図によるＸ線強度分布の測定条件は以下の通りとした。なお、試料面法線が入射線と回折線で決まる平面上にあるとき、α角を９０°とする。α角が９０°のとき、正極点図上では中心の点となる。
菅球：ＣｕＫα線
出力：４５ｋＶ、２００ｍＡ
ビーム：平行法
光学系：インプレーン
検出器：Ｄ／ｔｅＸ Ｕｌｔｒａ２５０
ソーラースリット開き角度：０．５ｄｅｇ
入射スリット幅：１．０ｍｍ
受光スリット幅：１．０ｍｍ
走査方法：同心円
β走査範囲：０°～３６０°／３．０°ステップ
α走査範囲：０～９０°／３．０°ステップ
菅球：ＣｕＫα線
出力：４５ｋＶ、２００ｍＡ
ビーム：平行法
光学系：インプレーン
検出器：Ｄ／ｔｅＸ Ｕｌｔｒａ２５０
ソーラースリット開き角度：０．５ｄｅｇ
入射スリット幅：１．０ｍｍ
受光スリット幅：１．０ｍｍ
走査方法：同心円
β走査範囲：０°～３６０°／３．０°ステップ
α走査範囲：０～９０°／３．０°ステップ
【0034】
【表1】
【0035】
Ｘ線回折の結果、本実施例１は立方晶と六方晶を有していた。一方、比較例１は立方晶であり、六方晶は含まれていなかった。
図１に本実施例１に係るＡｌＣｒ窒化物の立方晶の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例を示す。
図２に本実施例１に係るＡｌＣｒ窒化物の六方晶の（１１０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例を示す。
図３に比較例１に係るＡｌＣｒ窒化物の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例を示す。
図１に示すように、本実施例１は立方晶の（１１１）面のＸ線強度分布はα角１０～９０°において最大強度と最小強度の差が小さい。本実施例１は立方晶の（１１１）面の最大強度ＩＡは１７１、最小強度ＩＢは１４１であり、ＩＢはＩＡの０．８２倍であり、ＩＢはＩＡ×０．５以上であった。また、図２に示すように、本実施例１は六方晶の（１１０）面のＸ線強度分布もα角１０～９０°において最大強度と最小強度の差が小さい。本実施例１は六方晶の（１１０）面の最大強度Ｉａは１０７、最小強度Ｉｂは７５であり、ＩｂはＩａの０．７０倍であり、ＩｂはＩａ×０．５以上であった。
一方、図３に示すように、比較例１は本実施例１に比べて立方晶の（１１１）面のＸ線強度分布は最大強度と最小強度の差が大きい。比較例１は立方晶の（１１１）面の最大強度ＩＡは２３３、最小強度ＩＢは９８であり、ＩＢはＩＡの０．４２倍であり、ＩＢはＩＡ×０．５未満であった。
図１に本実施例１に係るＡｌＣｒ窒化物の立方晶の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例を示す。
図２に本実施例１に係るＡｌＣｒ窒化物の六方晶の（１１０）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例を示す。
図３に比較例１に係るＡｌＣｒ窒化物の（１１１）面に関する正極点図のα軸のＸ線強度分布の一例を示す。
図１に示すように、本実施例１は立方晶の（１１１）面のＸ線強度分布はα角１０～９０°において最大強度と最小強度の差が小さい。本実施例１は立方晶の（１１１）面の最大強度ＩＡは１７１、最小強度ＩＢは１４１であり、ＩＢはＩＡの０．８２倍であり、ＩＢはＩＡ×０．５以上であった。また、図２に示すように、本実施例１は六方晶の（１１０）面のＸ線強度分布もα角１０～９０°において最大強度と最小強度の差が小さい。本実施例１は六方晶の（１１０）面の最大強度Ｉａは１０７、最小強度Ｉｂは７５であり、ＩｂはＩａの０．７０倍であり、ＩｂはＩａ×０．５以上であった。
一方、図３に示すように、比較例１は本実施例１に比べて立方晶の（１１１）面のＸ線強度分布は最大強度と最小強度の差が大きい。比較例１は立方晶の（１１１）面の最大強度ＩＡは２３３、最小強度ＩＢは９８であり、ＩＢはＩＡの０．４２倍であり、ＩＢはＩＡ×０．５未満であった。
【0036】
（条件）乾式加工
工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
型番：ＥＰＤＢＥ２０１０－６、ボール半径０．５ｍｍ
切削方法：底面切削
被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）（ボーラー・ウッデホルム株式会社製）
切り込み：軸方向、０．０３ｍｍ、径方向、０．０３ｍｍ
切削速度：６７．８ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．０１３５ｍｍ／刃
切削距離：１５ｍ
評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１０００倍で観察し、工具逃げ面において工具と被削材が擦過した幅を測定し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を逃げ面最大摩耗幅とした。
工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
型番：ＥＰＤＢＥ２０１０－６、ボール半径０．５ｍｍ
切削方法：底面切削
被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）（ボーラー・ウッデホルム株式会社製）
切り込み：軸方向、０．０３ｍｍ、径方向、０．０３ｍｍ
切削速度：６７．８ｍ／ｍｉｎ
一刃送り量：０．０１３５ｍｍ／刃
切削距離：１５ｍ
評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１０００倍で観察し、工具逃げ面において工具と被削材が擦過した幅を測定し、そのうちの擦過幅が最も大きかった部分を逃げ面最大摩耗幅とした。
【0037】
【表2】
【0038】
本実施例１は逃げ面最大摩耗幅が小さくなり、比較例１よりも耐久性に優れた。本実施例１に係る硬質皮膜はＡｌを多く含んでおり、立方晶の（１１１）面と六方晶の（１１０）面とが特定の向きに強配向していないことで、皮膜損傷が抑制されて、比較例１よりも耐久性に優れたと推定される。
【図1】
【図2】
【図3】